CN114948203B - 一种可以远程调用机械臂控制功能的方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以远程调用机械臂控制功能的方法，包含机械臂控制柜和上层控制器同时作为发送端和接收端，其中所述机械臂控制柜接收指令调用参数配置和运动功能模块，发送机械臂状态数据；上层控制器接收机械臂状态调用显示模块和日志模块，发送控制和参数指令。该方法采用软件调用接口的方式进行控制程序的配置和调用，增强了使用的灵活性和拓展性；让上层控制器和底层机械臂控制系统点对点连接，增强了通信的实时性、系统的安全性，减少了系统总成本；采用反射的机制进行序列化和反序列化，使调用指令到程序应答的过程完全实现自动化运行，减少了开发人员的工作量和工作难度、降低了程序错误的风险、保证了系统性能的稳定。

Description

一种可以远程调用机械臂控制功能的方法及电子设备

技术领域

本发明属于手术机械臂软件控制领域，具体地讲，涉及一种可以远程调用机械臂控制功能的方法及电子设备。

背景技术

在传统机械臂控制的应用场景中，机械臂的控制程序通常是集成在机械臂的控制柜中，操作人员只需要简单选择不同的程序即可开启不同的应用，这种机械臂的使用方式适合于较简单的机械臂应用场景。而在手术机器人应用领域，控制模式的数量和复杂性都会远高于传统机械臂的应用场景，通过操作人员手动选择程序的方式将不再适合于该领域。

示教器是一个手持显示面板，为工业机器人提供手动操作、状态显示、参数配置等功能，部分厂家的示教器可提供简单程序编写的功能。示教器由于其在安全性、易用性上的出色表现，在机械臂的调试阶段被大量使用。由于工业应用的模式较为单一，因此示教器在进入自动运行阶段后，通常只提供程序选择的功能，该作用有时也会被配置过的模式选择器按钮所替代。在手术场景中，机械臂的使用更为灵活、配置更加多样化，在一场手术中可能会使用到几十种配置和十几种运动模块，对于示教器的操作方式，这样复杂的应用会大大增加操作难度且会降低操作效率，而对于模式选择器则会增加大量硬件设计的成本。因此在手术场景下，使用程序接口调用机械臂控制模块的功能比传统方式更高效更直观。

使用程序接口调用机械臂控制模块的方式涉及多系统协同工作的问题。现有的解决方案多采用共享资源的方式，各个模块都从同一块存储空间内中获取和上传资源。这种运行方式会增加系统的成本，即需要维护一块高性能的共享服务器资源。另外，现有方式需要各个模块通过共享资源上传、下载数据，增加了通信过程的消耗，对控制指令响应的实时性不利。 从安全性角度来说，现有方式的数据都由一块共享资源作为交换，一旦共享资源被侵入，则会造成严重的数据泄露。

发明内容

针对手术场景下对机械臂的使用较工业用途要复杂的多，且现有的多机协作技术有必须共享资源、实时性差、安全性低的问题，本申请提供了应用在手术机器人领域的一种可以远程调用机械臂控制功能的方法及电子设备。

本发明的技术方案为：一种可以远程调用机械臂控制功能的方法，该方法包含机械臂控制柜和上层控制器同时作为发送端和接收端，其中所述机械臂控制柜接收指令调用参数配置和运动功能模块，发送机械臂状态数据；上层控制器接收机械臂状态调用显示模块和日志模块，发送控制和参数指令。

作为优选，所述接收端的作用是解析命令调用功能，所述方法包括：

对可能会对指令作响应的功能模块进行注册，将模块的信息在注册器中登记；

实例化一个指令接收处理器，负责对接收到的指令进行反序列化、转译和寻找功能映射，每个指令接收处理器可加载一个指令解析器和一个指令接收队列，指令解析器可以按一定规则将指令结构化，指令接收队列则用来存储一系列结构化的指令；

当通信连接建立后，通信模块从Socket端口获取指令，然后将指令转交给指令接收处理器，在指令接收处理器内对指令做解析和结构化存储。当功能管理模块检测到指令接收队列有更新时，拿到队列头部的指令进行功能调用；

功能管理模块的调用可以是阻塞式的，即功能调用完成后再获取下一次的指令；也可以是非阻塞式的，即调用功能后不等待调用完成，直接进行下一个指令的调用。

作为优选，所述发送端的作用是将需要发送的内容调制成约定的格式，所述方法包含：

实例化一个指令发送处理器，负责对发送的指令进行调制和序列化，每个指令发送处理器可加载一个调制模块和指令发送队列，调制模块可以按约定的规则将需要发送的内容调制成指令的格式，指令发送队列则用来存储待发送的未调制的指令；

指令发送采用阻塞制，当发送队列为空时，发送循环阻塞，直到有新的指令加入发送队列；

指令发送处理器拿到未调制的指令，根据预设的规则将指令调制成固定格式，通过Socket将指令发送出去；

指令发送后需要对发送队列进行后处理，如从发送队列中清除成功发送的指令，或是当指令发送失败后对所有队列中的指令保存后从清除。

本申请还提供一种可以远程调用机械臂控制功能的电子设备，包括手术机械臂、与机械臂配套的控制柜、终端设备及连接线缆。

另一方面，本申请还提供一种计算机系统，所述计算机系统包含机械臂控制和上层控制器两部分，当所述计算机系统运行时遵循上述远程功能调用的方法。

手术机器人计算机系统的协同难点在于上层控制模块和底层的机械臂控制模块是完全独立运行的两个系统，没有共享的存储介质，通过局域网进行点对点通信。这两个模块可能运行在不同的系统中、拥有完全不同的程序架构、由不同的语言编制而成，这样的系统特点对控制命令的调用和解析方式提出了很高的要求。

与现有技术相比，本发明的技术具有如下优点：（1）不用传统使用按钮或者示教板的方式开启机械臂控制程序，而是采用软件调用接口的方式进行控制程序的配置和调用，比起传统方法，增强了使用的灵活性和拓展性。（2）无需采用常用的共享资源进行多系统协同的方式，而是让上层控制器和底层机械臂控制系统点对点连接，增强了通信的实时性、系统的安全性，减少了系统总成本。（3）采用反射的机制进行序列化和反序列化，使调用指令到程序应答的过程完全实现自动化运行，减少了开发人员的工作量和工作难度、降低了程序错误的风险、保证了系统性能的稳定。（4）机械臂控制柜和上层控制器可以独立上下线，再次上线时可以自动建立连接。该机制保证了在异常情况下机械臂控制程序或者上层控制器程序发生了错误导致关闭，操作人员可以快速重启单边程序即可恢复系统的运行。

附图说明

图1：本申请实施例提供的一种接收端的程序逻辑示意图；

图2：本申请实施例提供的一种发送端的程序逻辑示意图；

图3：本申请实施例提供的一种用于手术机器人系统的电子设备示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术细节阐述清楚，以下结合附图及实例，对发明的内容进行进一步详细说明。

如图1所示为本申请实施例接收端的程序逻辑示意图，其中注册功能模块S101是将可能会被调用到的类预先在该模块中做登记，调用时直接在注册表内搜索是否存在登记的类，若是调用了未登记的类则会抛出异常。预先注册机制可以避免每次调用时对全局所有加载的类进行搜索，由于很多类仅供程序内部使用，不是对外接口类，因此全局搜索会增加很多不必要的损耗，且会增加系统的不稳定性。

步骤S102将指令接收处理器进行实例化。该步骤的初始化过程需要将指令接收解析器和指令接收队列的实例导入。指令解析器的实例化过程S103和指令接收队列的实例化过程S104可与S102并行运行，S103和S104亦可并行运行，不存在先后顺序关系。指令接收处理器不负责指令的接收工作，仅将接收的非格式化的指令，通过规则转化为格式化的调用指令储存在容器中。

以下是对指令接收处理器工作原理的详细说明。

指令接收处理器会先对非格式化的指令进行筛选，仅允许形如“类名::方法名 参数1,参数2,参数3…”格式的字符串数据通过。然后，指令接收处理器会获取步骤S101中配置好的功能模块注册器，根据类名找出注册器中对应的类对象，若时没有找到响应的类对象，则会抛出类对象不存在的异常并结束处理过程。

若是通过了类对象的搜索，在找出的类对象内搜索指令中的方法名。若是在类内成功搜索到对应的方法名，则记录方法对象并进行下一步，否则抛出方法名不存在的异常并结束处理过程。

若是成功搜索到方法，调用在S103实例化的指令接收解析器对参数列表进行解析。指令接收解析器包含一系列解析函数，将字符串数据解析成程序定义的类型，解析器会对搜索到的方法的参数列表中的参数进行迭代搜索，逐个找出对应的解析方法。若是有任一参数没有对应的解析方法，则会抛出参数配置错误的异常。若是所有参数都被成功解析，指令接收处理器会调用S104中实例化的指令接收队列，将类对象、方法对象、参数对象组成的一个指令结构体，存入指令接受队列中。

在指令接收处理器工作过程中，反射机制被大量应用。在计算机领域，反射机制可以在程序运行过程中实现对程序行为的描述和监测，并根据当前行为的状态和结果调整或修改应用所描述的行为。具体地说，在指令接收处理器的工作原理中，在运行中动态获取了类对象，分析了类对象中的成员方法和其对应的参数列表应当属于反射技术的一种实践。本领域所属技术人员应当能够了解本实施例中用到的反射机制及其技术原理，在后续陈述中对反射技术将不再做详细介绍。

步骤S105从网络端口中获取未经处理的指令。获取到的指令以字节的形式存储在内存中。

步骤S106将步骤S105中获取到的字节形式的指令传输给指令接收处理器，根据指令内容在指令接收处理器内搜索功能模块的映射，若是搜索成功，输出更新过的指令接收队列，若是失败，根据搜索失败的位置抛出相关的异常信息，开发人员可以根据抛出的异常内容排查问题。

步骤S107从指令接收队列中读取指令映射的功能模块对象，功能管理模块对该功能对象进行执行。功能管理模块功能提供两种方式调用具体的功能模块，阻塞式和非阻塞式。阻塞式即下一条指令的接收需要等待当前功能模块的调用完成，而非阻塞式则是功能管理模块通知具体功能模块调用后，不监控功能模块的调用周期，直接接收和处理下一条指令。

如图2所示为本申请实施例发送端的程序逻辑示意图，包括如下步骤：步骤S201表示功能模块生成需要发送的内容，内容通常具有固定格式，且格式通常定义在发送端设备内部，格式不提供给网络中其他设备。

步骤S202将指令发送处理器实例化。指令发送处理器负责将结构化的指令转换为网络设备中通用的数据格式，通过网络端口进行发送。指令发送处理器的实例化需要步骤S203实例化的指令调制器和S204实例化的指令发送队列作为输入。指令调制器的作用和指令接收解析器相反，指令接收解析器是将字节形式的指令解析为接收端设备可以认可的格式，而指令调制器是将发送端设备定义的格式拆解为字节形式的指令。指令发送队列存储的是调制前的格式化的指令，功能模块可以随时将需要发送的指令加入到指令发送队列中等待发送。

步骤S205将格式化的指令内容从发送队列顶端中提取出来。

步骤S206将步骤S205中提取出来的一条指令内容进行调制，调制成和网络中其他设备约定好的字节形式，通过网络端口发送出去。

步骤S207对指令队列进行后处理，比如若是指令发送失败，可能是网络延迟过高或者断开，可以对发送队列中剩余的指令保存后清空发送队列，以保证该设备重新连接到网络时发送队列中不会有残留的指令。

另外，本申请实施例还提供一种电子设备，如图3所示，包括一台手术机械臂301、一台机械臂配套的控制柜302、一台终端设备303及连接线缆304和305。

需要解释的是，本申请实施例中涉及的电子设备示意图是示意性的，仅作为一种逻辑功能表达，实际实现时可有相似功能的不同外观、品牌、性能指标的电子设备作为替代。

设备301包括一个或多个运动执行机构，如电机、气动机构等，可能具有实时监控设备自身状态的功能，如电流、电压值，该设备具有临时存储设备和网络通信功能，能够对计算机指令作出响应，是整个电子设备系统中的执行机构。

设备301和设备302之间通过高速线缆304需要进行高速实时的通信，通信效率保障了301的精准性、柔顺性、安全性、稳定性，是整个系统搭建的基准之一。

设备302包括一个或多个处理器、一个或多个存储器、两个或两个以上网络接口。该设备决定了设备301功能的丰富性，同时也作为设备301的对外通讯接口，应具备丰富的且可拓展的指令接口。

设备302和303之间可选择性的采用高速线缆进行通信，是否采用取决于有无使用实时指令进行控制。通常来说，线缆305的通信效率较线缆304低。

设备303可以包括显示单元、传输单元、存储单元、处理单元等，可以是一台手机、一台电脑、一台平板设备，仅需要保证该设备具有上述电子单元，具有和使用者交互的功能即可。它是提供给操作者反馈的一个窗口，也是操作者对设备301控制的唯一接口。设备303应当由良好的界面交互属性，能够完整地对设备303运行状态进行监控，且控制界面清晰无歧义。

使用本申请描述的实施例，可以将工业控制机械臂常用的示教器和模式选择器舍弃，可以降低电子设备系统的成本。

使用软件界面监控和控制机械臂的方式更适用于像手术室这样非标准、功能复杂的应用场景。手术机器人作为一项手术的参与设备，在使用时有运动路径不明确、使用时间不明确、与人强交互性的特点，这些特点在传统工业应用中都不具备。得益于软件的强大拓展性，在上层控制器中运行的监控和控制软件可以更贴近手术应用，减少医生的学习成本，使医生的使用体验更好。

控制流程中产生的数据分别储存在上层控制器和底层控制器中，网络中没有一台设备拥有所有的数据，这样分布式的架构可以防止主要设备被攻破导致严重的数据安全问题，这样的设计有利于增强系统的安全性。

上层控制器和底层机械臂控制器可以独立上下线，不会互相干扰。当有严重错误出现时，任意一端重启后可自动连接至网络。这样让上下层设备解耦的设计方式，增强了系统的稳定性。

设计了自动解析指令和编码指令的方法，使开发人员的工作量减少，对系统来说降低了软件出错的风险。

Claims (3)

1.一种可以远程调用机械臂控制功能的方法，其特征在于，该方法包含所述机械臂控制柜和上层控制器同时作为发送端和接收端，其中所述机械臂控制柜接收指令调用参数配置和运动功能模块，发送机械臂状态数据；上层控制器接收机械臂状态调用显示模块和日志模块，发送控制和参数指令；

其中，所述接收端的作用是解析命令调用功能，所述方法包括：

对可能会对指令作响应的功能模块进行注册，将模块的信息在注册器中登记；

实例化一个指令接收处理器，负责对接收到的指令进行反序列化、转译和寻找功能映射，每个指令接收处理器可加载一个指令解析器和一个指令接收队列，指令解析器可以按一定规则将指令结构化，指令接收队列则用来存储一系列结构化的指令；

当通信连接建立后，通信模块从Socket端口获取指令，然后将指令转交给指令接收处理器，在指令接收处理器内对指令做解析和结构化存储，当功能管理模块检测到指令接收队列有更新时，拿到队列头部的指令进行功能调用；

功能管理模块的调用可以是阻塞式的，即功能调用完成后再获取下一次的指令；也可以是非阻塞式的，即调用功能后不等待调用完成，直接进行下一个指令的调用；

其中，所述发送端的作用是将需要发送的内容调制成约定的格式，所述方法包括：

实例化一个指令发送处理器，负责对发送的指令进行调制和序列化，每个指令发送处理器可加载一个调制模块和指令发送队列，调制模块可以按约定的规则将需要发送的内容调制成指令的格式，指令发送队列则用来存储待发送的未调制的指令；

指令发送采用阻塞制，当发送队列为空时，发送循环阻塞，直到有新的指令加入发送队列；

指令发送处理器拿到未调制的指令，根据预设的规则将指令调制成固定格式，通过Socket将指令发送出去；

指令发送后需要对发送队列进行后处理，如从发送队列中清除成功发送的指令，或是当指令发送失败后对所有队列中的指令保存后从清除。

2.一种权利要求1所述的可以远程调用机械臂控制功能的电子设备，其特征在于，包括手术机械臂、与机械臂配套的控制柜、终端设备及连接线缆。

3.一种权利要求1所述的可以远程调用机械臂控制功能的计算机系统，其特征在于，包含机械臂控制和上层控制器两部分，当所述计算机系统运行时遵循上述远程功能调用的方法。