CN114274180A - 机械臂关节结构及控制方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械臂关节结构及控制方法、系统，机械臂关节结构包括滑动轴承杆、旋转结构、角度位移机械转换结构及位移检测装置，角度位移机械转换结构设置于末端关节中，连接于滑动轴承杆，用于将角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为滑动轴承杆的位移；旋转结构设置于末端关节和前一关节之间，用于带动末端关节环绕前一关节无限位旋转；位移检测装置用于检测滑动轴承杆的实时位移值；根据预设角度位移对应关系获取实时位移值对应的角度位移机械转换结构的开合角的角度值。本申请避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得角度位移机械转换结构能够无限位旋转，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。

Description

机械臂关节结构及控制方法、系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机械臂关节结构及控制方法、系统。

背景技术

机器人因其学习曲线短且学习时间短、能够承受射线辐射、动作执行延迟时间短及准确性高等诸多优点，被广泛应用于工业、医学、农业、服务业、建筑业及军事等领域中。

手术机器人的设计理念是采用微创伤方式，精准地实施复杂的医疗手术。用户通过操纵主端的机械关节运动，以控制从端的手术器械在原来医生的手伸不进的区域完成预设手术动作。

然而，在传统的机器人系统中，末端关节与其前一关节之间需要线缆传输信号，导致该末端关节与该前一关节只能相对旋转运动，旋转结构中需要设置相应的机械限位结构，导致关节控制算法复杂，且关节之间信号线缆受运动影响可能磨损断裂，影响机器人系统工作的稳定性与可靠性。

发明内容

基于此，有必要针对传统的机械臂关节之间需要线缆传输信号导致旋转结构旋转受限的技术问题，提供一种机械臂关节结构及控制方法、系统，使用机械结构完成关节之间的传动，避免引入信号传输线缆，使得旋转结构能够无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。

为了实现上述目的及其他目的，本申请的一方面提供了一种机械臂关节结构，包括滑动轴承杆、旋转结构、角度位移机械转换结构及位移检测装置，角度位移机械转换结构设置于末端关节中，连接于滑动轴承杆，用于将所述角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为所述滑动轴承杆的位移；旋转结构与所述末端关节和所述前一关节连接，用于带动所述末端关节环绕所述前一关节无限位旋转；位移检测装置用于检测所述滑动轴承杆的实时位移值。

于上述实施例中的机械臂关节结构中，通过设置角度位移机械转换结构将角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为滑动轴承杆的位移，使得末端关节经由旋转结构能够环绕前一关节无限位旋转，经由位移检测装置检测所述滑动轴承杆的实时位移值，根据预设角度位移对应关系获取所述实时位移值对应的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度值。由于利用角度位移机械转换结构完成末端关节与前一关节之间的传动，避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。

在一些实施例中，所述角度位移机械转换结构包括开合瓣捏合传动结构；所述开合瓣捏合传动结构的开合角的对侧端与所述滑动轴承杆的近端连接；其中，通过改变所述角度位移机械转换结构的开合角的角度带动所述滑动轴承杆的远端移动，便于操作者通过捏合开合瓣捏合传动结构，改变角度位移机械转换结构的开合角的角度，带动所述滑动轴承杆的远端移动，避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转。

在一些实施例中，所述开合瓣捏合传动结构包括平行四边形结构；所述平行四边形结构的开合角的对角顶端与所述滑动轴承杆的近端连接；其中，通过改变所述平行四边形结构的开合角的角度带动所述滑动轴承杆的远端移动。通过设置开合瓣捏合传动结构包括平行四边形结构，实现通过改变所述平行四边形结构的开合角的角度带动所述滑动轴承杆的远端移动，降低了开合瓣捏合传动结构的复杂性，降低结构成本的同时保证动作传递地稳定性。

在一些实施例中，所述开合瓣捏合传动结构还包括第一开合瓣及第二开合瓣；所述第一开合瓣的近端与所述平行四边形结构的开合角的第一边连接；所述第二开合瓣的近端与所述平行四边形结构的开合角的第二边连接；其中，通过开合所述第一开合瓣的远端与所述第二开合瓣的远端，改变所述平行四边形结构的开合角的角度，便于操作者通过捏合第一开合瓣、第二开合瓣改变角度位移机械转换结构的开合角的角度，带动所述滑动轴承杆的远端移动，降低结构复杂性的同时提高操作的简便性。

在一些实施例中，所述位移检测装置包括磁性部件及3D磁场传感器，磁性部件设置于所述滑动轴承杆远离所述角度位移机械转换结构的端面；3D磁场传感器设置于所述滑动轴承杆远离所述角度位移机械转换结构的一侧，与所述磁性部件相对设置，用于检测所述滑动轴承杆的旋转角度及在其延伸方向上的位移。利用3D磁场传感器测量滑动轴承杆远离角度位移机械转换结构的端面的磁性部件的位移及旋转角度，通过已知的预设角度位移对应关系获取磁性部件的实时位移值对应的角度值，以确定角度位移机械转换结构的开合角的角度值。

在一些实施例中，所述位移检测装置包括电阻条，电阻条设置于所述滑动轴承杆且延伸方向与所述滑动轴承杆的延伸方向一致；其中，通过向所述电阻条上已知长度的电阻值施加预设电流/预设电压，检测与所述滑动轴承杆的位移值相同长度的电阻条的电压值，及根据所述电压值、所述预设电流/预设电压、所述已知长度计算所述位移值。

在一些实施例中，所述位移检测装置包括电感传感器，电感传感器用于检测所述滑动轴承杆的位移引起的电感变化量，并通过所述电感变化量计算所述滑动轴承杆的位移值。

在一些实施例中，所述位移检测装置包括齿轮条及圆柱齿轮，齿轮条设置于所述滑动轴承杆的表面，所述齿轮条的延伸方向与所述滑动轴承杆的延伸方向一致；圆柱齿轮与所述齿轮条啮合连接；其中，所述滑动轴承杆移动带动所述圆柱齿轮旋转，根据获取的所述圆柱齿轮的齿根圆半径及旋转角度计算所述滑动轴承杆的位移值。

在一些实施例中，所述的机械臂关节结构还包括位于所述开合角内的第一归位部件；其中，所述开合角在开合过程中，所述第一归位部件处于弹性拉伸/压缩状态，便于在用户捏合末端关节之后，角度位移机械转换结构的开合角自动回归至原始角度值，也便于指示用户操作的方向。

在一些实施例中，所述的机械臂关节结构还包括设置于所述滑动轴承杆的第二归位部件；所述第二归位部件的伸长/压缩方向与所述滑动轴承杆的延伸方向一致；其中，所述开合角在开合过程中，所述第二归位部件处于弹性拉伸/压缩状态，便于在用户捏合末端关节之后，角度位移机械转换结构的开合角自动回归至原始角度值，也便于指示用户操作的方向。

在一些实施例中，所述旋转结构包括轴承；所述末端关节经由所述轴承与所述前一关节啮合连接，便于末端关节环绕前一关节无限位旋转。

本申请的第二方面提供了一种机器人系统，包括任一本申请实施例中所述的机械臂关节结构，通过操控主端的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度及/或旋转结构的旋转角度，控制从端的手术器械执行对应的预设动作。通过设置角度位移机械转换结构将角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为滑动轴承杆的位移，使得末端关节经由旋转结构能够环绕前一关节无限位旋转，经由位移检测装置检测所述滑动轴承杆的实时位移值，根据预设角度位移对应关系获取所述实时位移值对应的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度值，以经由操控主端的角度位移机械转换结构的开合角的角度，来精确控制从端的手术器械执行对应的预设动作。由于利用角度位移机械转换结构完成末端关节与前一关节之间的传动，避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。

本申请的第三方面提供了一种医疗系统，包括任一本申请实施例中所述的机器人系统，通过操控主端的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度及/或旋转结构的旋转角度，控制从端的手术器械执行对应的预设动作，以带动末端手术器械执行对应的医疗操作。由于利用角度位移机械转换结构完成末端关节与前一关节之间的传动，避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了医疗操作的准确性，避免因医疗系统的系统误差导致对患者造成不必要的医疗损伤，提高医疗系统的智能性、可靠性及安全性。

本申请的第四方面提供了一种机械臂关节结构控制方法，包括：控制设置于末端关节和前一关节之间的旋转结构旋转第一预设角度，其中，所述旋转结构用于带动末端关节环绕前一关节无限位旋转；控制改变连接于滑动轴承杆的角度位移机械转换结构的开合角的角度，并基于所述角度位移机械转换结构将所述角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为所述滑动轴承杆的位移；；获取所述滑动轴承杆的实时位移值，根据预设角度位移对应关系获取所述实时位移值对应的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度值。

于上述实施例中的机械臂关节结构控制方法中，通过控制设置于末端关节和前一关节之间的旋转结构旋转第一预设角度，其中，所述旋转结构用于带动末端关节环绕前一关节无限位旋转；控制改变角度位移机械转换结构的开合角的角度，并基于所述角度位移机械转换结构将所述角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为所述滑动轴承杆的位移；通过获取所述滑动轴承杆的实时位移值，根据预设角度位移对应关系获取所述实时位移值对应的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度值。避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中的机械臂关节结构的示意图；

图2-图7为不同实施例中的机械臂关节结构的原理示意图；

图8-图9b为不同实施例中的机械臂关节结构的结构示意图；

图10为传统的机械臂关节中旋转结构与本申请中的机械臂关节中旋转结构的示意图；

图11为一实施例中的机器人系统的结构示意图；

图12为图11中末端关节所在机械臂的结构示意图；

图13为一实施例中的医疗系统的结构示意图；

图14为一实施例中的机械臂关节结构控制方法的流程示意图。

附图标记说明：

101、机械臂关节结构；10、滑动轴承杆；20、角度位移机械转换结构；30、旋转结构；40、位移检测装置；21、开合瓣捏合传动结构；211、平行四边形结构；212、第一开合瓣；213、第二开合瓣；41、磁性部件；42、3D磁场传感器；43、电阻条；44、齿轮条；45、圆柱齿轮；51、第一归位部件；52、第二归位部件；60、轴承；31、末端关节；32、前一关节；70、机械限位结构；102、机器人系统；103、医疗系统；100、主端；200、从端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请注意，本申请中涉及的机器人包括包含处理器以及由处理器向驱动电机施加控制信息，以对手术器械进行控制操作的终端设备。

手术机器人是一种具有全自动、半自动或监督模式的手术用电子设备，一般包括控制台和机械臂，控制台可以由计算机系统、手术操作监视器、机器人控制监视器、操作手柄和输入输出设备等组成。例如，手术时外科医生可坐在远离手术台的主端控制台前，头靠在视野框上，双眼接受来自不同摄像机的完整图像，共同合成术野的三维立体图。医生双手控制主端的末端关节，手部动作传达到机械臂的尖端，完成手术操作，从而增加操作的精确性和平稳性。

然而，在传统的机器人系统中，用户末端关节与其前一关节之间需要线缆传输信号，导致该末端关节与该前一关节只能相对旋转运动，旋转结构中需要设置相应的机械限位结构，导致关节控制算法复杂，且关节之间信号线缆受运动影响可能磨损断裂，影响机器人系统工作的稳定性与可靠性。

因此，本申请旨在提供一种机械臂关节结构及控制方法、系统，使用机械结构完成关节之间的传动，避免引入信号传输线缆，使得旋转结构能够无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。

请参考图1，本申请的一实施例中提供了一种机械臂关节结构101，包括滑动轴承杆10、角度位移机械转换结构20、旋转结构30及位移检测装置40，角度位移机械转换结构20设置于末端关节31中，连接于滑动轴承杆10，用于将角度位移机械转换结构20的开合角的角度转化为滑动轴承杆10的位移；旋转结构30与末端关节31和前一关节32连接，用于带动末端关节31环绕前一关节32无限位旋转；位移检测装置40用于检测滑动轴承杆10的实时位移值。

请继续参考图1，通过设置角度位移机械转换结构20将角度位移机械转换结构20的开合角的角度转化为滑动轴承杆10的位移，使得末端关节31经由旋转结构30能够环绕前一关节32无限位旋转，经由位移检测装置40检测滑动轴承杆10的实时位移值，根据预设角度位移对应关系获取实时位移值对应的角度位移机械转换结构20的开合角的角度值。由于利用角度位移机械转换结构20完成末端关节31与前一关节32之间的传动，避免引入信号传输线缆及旋转结构30中的机械限位结构，使得末端关节31能够经由旋转结构30无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。

作为示例，请参考图2，末端关节包括开合瓣捏合传动结构21；开合瓣捏合传动结构21的开合角a的对侧端m与滑动轴承杆10的近端c连接；其中，通过改变角度位移机械转换结构的开合角a的角度带动滑动轴承杆10的远端d移动，便于操作者通过捏合开合瓣捏合传动结构21，改变角度位移机械转换结构的开合角a的角度，带动滑动轴承杆10的远端d移动，避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转。

作为示例，请继续参考图2，开合瓣捏合传动结构21包括平行四边形结构211；平行四边形结构211的开合角a的对角b顶端m与滑动轴承杆10的近端c连接；其中，通过改变平行四边形结构211的开合角a的角度带动滑动轴承杆10的远端d移动。通过设置开合瓣捏合传动结构21包括平行四边形结构211，实现通过改变平行四边形结构211的开合角a的角度带动滑动轴承杆10的远端移动，降低了开合瓣捏合传动结构21的复杂性，降低结构成本的同时保证动作传递的稳定性。

作为示例，请继续参考图2，开合瓣捏合传动结构21还包括第一开合瓣212及第二开合瓣213；第一开合瓣212的近端x与平行四边形结构211的开合角a的第一边l1连接；第二开合瓣213的近端x与平行四边形结构211的开合角a的第二边l2连接；其中，通过开合第一开合瓣212的远端y与第二开合瓣213的远端y，改变平行四边形结构211的开合角a的角度，便于操作者通过捏合第一开合瓣212、第二开合瓣213改变角度位移机械转换结构的开合角a的角度，带动滑动轴承杆10的远端d移动，降低结构复杂性的同时提高操作的简便性。

作为示例，请继续参考图2，可以设置平行四边形结构211的四个边的边长相等，例如，平行四边形结构211第一边l1与第二边l2的长度相等且均等于L，根据如下公式计算实时位移值s对应的角度值a：

S＝L-L*cosa/2。

作为示例，请参考图3，位移检测装置40包括磁性部件41及3D磁场传感器42，磁性部件41设置于滑动轴承杆10远离角度位移机械转换结构20的端面；3D磁场传感器42设置于滑动轴承杆10远离角度位移机械转换结构20的一侧，与磁性部件41相对设置，用于检测滑动轴承杆10的旋转角度及在其延伸方向上的位移s。利用3D磁场传感器42测量滑动轴承杆10远离角度位移机械转换结构20的端面的磁性部件41的位移及旋转角度，通过已知的预设角度位移对应关系获取磁性部件41的实时位移值对应的角度值，以确定角度位移机械转换结构的开合角的角度值。

作为示例，请参考图4，位移检测装置40包括电阻条43，电阻条43设置于滑动轴承杆10且延伸方向与滑动轴承杆10的延伸方向一致；其中，通过向电阻条43上已知长度的电阻值施加预设电流/预设电压，检测与滑动轴承杆10的位移值相同长度的电阻条43的电压值，及根据电压值、预设电流/预设电压及已知长度计算位移值。

作为示例，请继续参考图4，通过向长度为S0的电阻条43上施加预设电压Ui，例如，经由设置于电阻条43远端e的箭头向电阻条43施加预设电压Ui，并将设置于电阻条43近端f的箭头接地(GND)，U0为与实时位移值s相同长度的电阻条43的电压值，根据如下公式计算实时位移值s及实时位移值s对应的角度值a：

S＝S0*(U0/Ui)；

S＝L-L*cosa/2。

作为示例，可以设置位移检测装置包括电感传感器，电感传感器用于检测滑动轴承杆的位移引起的电感变化量，并通过电感变化量计算滑动轴承杆的位移值。

作为示例，请参考图5，可以设置位移检测装置包括齿轮条44及圆柱齿轮45，齿轮条44设置于滑动轴承杆10的表面，齿轮条44的延伸方向与滑动轴承杆10的延伸方向一致；圆柱齿轮45与齿轮条44啮合连接；其中，滑动轴承杆10移动带动圆柱齿轮45旋转，根据获取的圆柱齿轮45的齿根圆半径R及旋转角度β计算滑动轴承杆10的位移值。利用齿轮条44的水平移动带动与其啮合连接的圆柱齿轮45旋转，实现将角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为圆柱齿轮45的旋转角度β，可以根据如下公式计算实时位移值s及实时位移值s对应的角度值a：

S＝β*R*π/180；

S＝L-L*cosa/2。

作为示例，请参考图6，机械臂关节结构101还包括位于开合角a内的第一归位部件51；其中，开合角a在开合过程中，第一归位部件51处于弹性拉伸/压缩状态，便于在用户捏合末端关节之后，角度位移机械转换结构的开合角a自动回归至原始角度值，也便于指示用户操作的方向。例如，可以设置第一归位部件51包括弹簧。

作为示例，请参考图7，可以设置机械臂关节结构还包括设置于滑动轴承杆10的第二归位部件52；第二归位部件52的伸长/压缩方向与滑动轴承杆10的延伸方向一致；其中，开合角在开合过程中，第二归位部件52处于弹性拉伸/压缩状态，便于在用户捏合末端关节之后，角度位移机械转换结构的开合角自动回归至原始角度值，也便于指示用户操作的方向。例如，可以设置第二归位部件52包括弹簧。

作为示例，请参考图8，可以将旋转结构设置于末端关节31和前一关节32之间，旋转结构包括轴承60；末端关节31经由轴承60与前一关节32啮合连接，便于末端关节31环绕前一关节32无限位旋转。

作为示例，请参考图9a-图9b，角度位移机械转换结构20连接于滑动轴承杆10，用于将角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为滑动轴承杆10的位移；由于利用角度位移机械转换结构20完成末端关节31与前一关节32之间的传动，避免引入信号传输线缆及旋转结构30中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转，以带动前一关节32执行对应的预设动作，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。第一归位部件51设置于开合角内，开合角在开合过程中，第一归位部件51处于弹性拉伸/压缩状态，便于在用户捏合末端关节之后，角度位移机械转换结构的开合角自动回归至原始角度值，也便于指示用户操作的方向。经由位移检测装置40检测滑动轴承杆10的实时位移值，根据预设角度位移对应关系获取实时位移值对应的角度位移机械转换结构的开合角的角度值。

作为示例，请参考图10，传统的机器人关节中的旋转结构受信号传输线缆的限制需要设置机械限位结构70，若需要将机器人关节中的旋转结构从位置A旋转到位置B，受机械限位结构70的约束，旋转结构必须经由图10左图箭头所示的路径旋转。相对于本申请中采用如图10右图所示的无限位结构的旋转结构，若需要将机器人关节中的旋转结构从位置A旋转到位置B，可以经由图10右图箭头所示的路径旋转。对比图10中的左图与右图，可以明显的发现本申请中的无限位结构的旋转结构的旋转运动更加灵活、简单，易于控制，可以有效地减小旋转结构的体积并降低控制算法的复杂度。

作为示例，请参考图11-图12，本申请提供了一种机器人系统102，包括任一本申请实施例中的机械臂关节结构101，通过操控主端的角度位移机械转换结构的开合角的角度及旋转结构的旋转角度，控制从端的手术器械执行对应的预设动作。通过设置角度位移机械转换结构将角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为滑动轴承杆的位移，使得末端关节中的角度位移机械转换结构能够经由旋转结构能够环绕前一关节无限位旋转，经由位移检测装置检测滑动轴承杆的实时位移值，根据预设角度位移对应关系获取实时位移值对应的角度位移机械转换结构的开合角的角度值，以经由操控主端的角度位移机械转换结构的开合角的角度，来精确控制从端的手术器械执行对应的预设动作。由于利用角度位移机械转换结构完成末端关节与前一关节之间的传动，避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。

作为示例，请参考图13，本申请提供了一种医疗系统103，包括任一本申请实施例中的机器人系统102，机器人系统102具有若干个机械臂，机械臂可以用于挂载如手术刀或内窥镜(例如腹腔镜)等手术器械。通过操控主端100的角度位移机械转换结构的开合角的角度及旋转结构的旋转角度，控制从端200的机械臂执行对应的预设动作，以带动末端手术器械执行对应的医疗操作。即，操作者(例如，外科医生)可以通过操控主端100的末端关节实现对病床上的患者进行微创伤手术治疗。由于利用角度位移机械转换结构完成末端关节与前一关节之间的传动，避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了医疗操作的准确性，避免因医疗系统103的系统误差导致对患者造成不必要的医疗损伤，提高医疗系统103的智能性、可靠性及安全性。

具体地，机器人使用的手术器械一般包括无源手术器械及有源手术器械，其中，无源手术器械一般包括直角钳、弧剪、直剪、超声刀及大力抓钳等；有源手术器械一般包括单极弧形电凝钳等。所述手术器械还可以包括：包含内窥镜的手术器械。

更具体地，可以设置手术机器人包括医生控制台及手术台车，主端100的控制台上设有主操作手，手术台车具有若干个机械臂，手术器械和内窥镜可以分别挂载于从端200的机械臂上，主操作手与机械臂及手术器械构成主从控制关系。操作者(例如外科医生)通过医生控制台及主操作手远程操作实现对病床上患者进行微创伤手术治疗。机械臂和手术器械在手术过程中根据被操作者操控的主操作手的运动而运动。医生控制台上可以设置有显示装置，该显示装置与手术台车的机械臂挂载的内窥镜通信连接，能够接收和显示内窥镜采集的图像。操作者根据医生控制台上显示装置显示的图像，通过主操作手控制机械臂及手术器械运动，使得内窥镜和手术器械分别通过患者身体上的创口进入病患位置。手术中，手术机器人采用任一本申请实施例中所述的机械臂关节结构，利用角度位移机械转换结构完成末端关节与前一关节之间的传动，避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。

作为示例，请继续参考图13，可以设置控制处理装置具有显示装置，该显示装置与从端200的机械臂挂载的内窥镜通信连接，能够接受和显示内窥镜所采集的图像。操作者根据显示装置所显示的图像，通过主操作手控制机械臂及手术器械运动。内窥镜和手术器械分别通过患者身体上的创口进入病患位置。可选的，显示装置可以包括沉浸式显示装置和固定式显示装置。操作者可以通过沉浸式显示装置或固定式显示装置的显示屏查看患者体内状况。

在另一些示例中，可以由操作者通过鼠标、键盘等输入设备将预设角度位移对应关系输入给控制处理装置；也可以预先在存储装置中存储预设角度位移对应关系，然后读取存储装置中预设角度位移对应关系。

请参考图14，本申请的一实施例中提供了一种机械臂关节结构控制方法，包括：

步骤S410：控制设置于末端关节和前一关节之间的旋转结构旋转第一预设角度，其中，所述旋转结构用于带动末端关节环绕前一关节无限位旋转；

步骤S420：控制改变连接于滑动轴承杆的角度位移机械转换结构的开合角的角度，并基于所述角度位移机械转换结构将所述角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为所述滑动轴承杆的位移；

步骤S430：获取所述滑动轴承杆的实时位移值，根据预设角度位移对应关系获取所述实时位移值对应的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度值。

具体地，通过控制设置于末端关节和前一关节之间的旋转结构旋转第一预设角度，其中，所述旋转结构用于带动末端关节环绕前一关节无限位旋转；控制改变角度位移机械转换结构的开合角的角度，并基于所述角度位移机械转换结构将角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为滑动轴承杆的位移；以通过获取所述滑动轴承杆的实时位移值，根据预设角度位移对应关系获取所述实时位移值对应的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度值。避免引入信号传输线缆及旋转结构中的机械限位结构，使得末端关节能够经由旋转结构无限位旋转，降低了关节控制算法复杂度的同时，提高了机器人系统工作的稳定性与可靠性。

应该理解的是，虽然图14的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图14中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

关于机械臂关节结构控制方法的具体限定可以参见上文中对于机械臂关节结构的限定，在此不再赘述。

上述机器人系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

本申请还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一实施例所述的方法的步骤。

请注意，上述实施例仅出于说明性目的而不意味对本发明的限制。上下文中的实施例可以相互引用、互相参见即可。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种机械臂关节结构，其特征在于，包括：

滑动轴承杆；

角度位移机械转换结构，设置于末端关节中，连接于滑动轴承杆，用于将所述角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为所述滑动轴承杆的位移；

旋转结构，与所述末端关节和前一关节连接，用于带动所述末端关节环绕所述前一关节无限位旋转；

位移检测装置，用于检测所述滑动轴承杆的实时位移值。

2.根据权利要求1所述的机械臂关节结构，其特征在于，所述角度位移机械转换结构包括开合瓣捏合传动结构；

所述开合瓣捏合传动结构的开合角的对侧端与所述滑动轴承杆的近端连接；

其中，通过改变所述角度位移机械转换结构的开合角的角度带动所述滑动轴承杆的远端移动。

3.根据权利要求2所述的机械臂关节结构，其特征在于，所述开合瓣捏合传动结构包括平行四边形结构；

所述平行四边形结构的开合角的对角顶端与所述滑动轴承杆的近端连接；

其中，通过改变所述平行四边形结构的开合角的角度带动所述滑动轴承杆的远端移动。

4.根据权利要求3所述的机械臂关节结构，其特征在于，所述开合瓣捏合传动结构还包括第一开合瓣及第二开合瓣；

所述第一开合瓣的近端与所述平行四边形结构的开合角的第一边连接；

所述第二开合瓣的近端与所述平行四边形结构的开合角的第二边连接；

其中，通过开合所述第一开合瓣的远端与所述第二开合瓣的远端，改变所述平行四边形结构的开合角的角度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的机械臂关节结构，其特征在于，所述位移检测装置包括：

磁性部件，设置于所述滑动轴承杆远离所述角度位移机械转换结构的端面；

3D磁场传感器，设置于所述滑动轴承杆远离所述角度位移机械转换结构的一侧，与所述磁性部件相对设置，用于检测所述滑动轴承杆的旋转角度及在其延伸方向上的位移。

6.根据权利要求1-4任一项所述的机械臂关节结构，其特征在于，所述位移检测装置包括：

电阻条，设置于所述滑动轴承杆且延伸方向与所述滑动轴承杆的延伸方向一致；

其中，通过向所述电阻条上已知长度的电阻值施加预设电流/预设电压，检测与所述滑动轴承杆的位移值相同长度的电阻条的电压值，及根据所述电压值、所述预设电流/预设电压、所述已知长度计算所述位移值。

7.根据权利要求1-4任一项所述的机械臂关节结构，其特征在于，所述位移检测装置包括：

电感传感器，用于检测所述滑动轴承杆的位移引起的电感变化量，并通过所述电感变化量计算所述滑动轴承杆的位移值。

8.根据权利要求1-4任一项所述的机械臂关节结构，其特征在于，所述位移检测装置包括：

齿轮条，设置于所述滑动轴承杆的表面，所述齿轮条的延伸方向与所述滑动轴承杆的延伸方向一致；

圆柱齿轮，与所述齿轮条啮合连接；

其中，所述滑动轴承杆移动带动所述圆柱齿轮旋转，根据获取的所述圆柱齿轮的齿根圆半径及旋转角度计算所述滑动轴承杆的位移值。

9.根据权利要求1-4任一项所述的机械臂关节结构，其特征在于，还包括位于所述开合角内的第一归位部件；

其中，所述开合角在开合过程中，所述第一归位部件处于弹性拉伸/压缩状态。

10.根据权利要求1-4任一项所述的机械臂关节结构，其特征在于，还包括设置于所述滑动轴承杆的第二归位部件；

所述第二归位部件的伸长/压缩方向与所述滑动轴承杆的延伸方向一致；

其中，所述开合角在开合过程中，所述第二归位部件处于弹性拉伸/压缩状态。

11.根据权利要求1-4任一项所述的机械臂关节结构，其特征在于，所述旋转结构包括轴承；所述末端关节经由所述轴承与所述前一关节啮合连接。

12.一种机器人系统，其特征在于，包括：

权利要求1-11任一项所述的机械臂关节结构；

通过操控主端的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度及/或所述旋转结构的旋转角度，控制从端的手术器械执行对应的预设动作。

13.一种医疗系统，其特征在于，包括：

权利要求12所述的机器人系统；

通过操控主端的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度及/或所述旋转结构的旋转角度，控制从端的手术器械执行对应的预设动作，以带动末端手术器械执行对应的医疗操作。

14.一种机械臂关节结构控制方法，其特征在于，包括：

控制设置于末端关节和前一关节之间的旋转结构旋转第一预设角度，其中，所述旋转结构用于带动末端关节环绕前一关节无限位旋转；

控制改变连接于滑动轴承杆的角度位移机械转换结构的开合角的角度，并基于所述角度位移机械转换结构将所述角度位移机械转换结构的开合角的角度转化为所述滑动轴承杆的位移；

获取所述滑动轴承杆的实时位移值，根据预设角度位移对应关系获取所述实时位移值对应的所述角度位移机械转换结构的开合角的角度值。

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