CN115153846A - 一种手术机器人及手术机器人器械末端受力计算方法 - Google Patents

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CN115153846A CN202210649260.6A CN202210649260A CN115153846A CN 115153846 A CN115153846 A CN 115153846A CN 202210649260 A CN202210649260 A CN 202210649260A CN 115153846 A CN115153846 A CN 115153846A
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Abstract

本发明属于医疗设备技术领域，公开了一种手术机器人及手术机器人末端受力计算方法。该手术机器人包括机械臂、器械驱动器、手术器械、套管和测力组件。手术器械包括依次连接的器械末端、器械轴和器械手柄；套管包括相连接的第一管体和第二管体，器械轴穿设于第二管体内；测力组件包括第一测力件，第一测力件设置于第一管体和第二管体之间，检测第二管体的受力情况。第一测力件设置在套管中，相比直接设置在器械末端上，不会随着器械轴使用寿命的减少而报废，且不直接与人体内部和手术器械接触，有利于延长使用寿命，降低成本。

Description

一种手术机器人及手术机器人器械末端受力计算方法
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种手术机器人及手术机器人器械末端受力计算方法。
背景技术
随着医疗设备的发展，利用具有套管的手术机器人进行内窥镜手术得到了发展。现有的手术机器人普遍缺乏力感知能力，医生在使用手术机器人进行内窥镜手术时，无法感知到手术器械与人体内部交互而产生的作用力，只能凭借视觉推测，影响手术效率以及手术安全性。
部分手术机器人通过力传感器来感知手术器械与人体内部之间的作用力。手术机器人在手术时，需要通过套管建立内窥镜或手术器械的通道，以保证手术器械能够顺利进入患者体内。套管包括中空的套管，内窥镜或手术器械通过套管进入患者体内。因此，力传感器理想安装位置是手术器械或内窥镜的末端，以便靠近手术器械与人体接触的位置。
由于手术器械本身具有使用寿命限制，将力传感器安装在手术器械上会显著增加手术成本。而如果力传感器安装在机器人本体上，则力的感知会受到干扰，特别是人体与套管处的相互作用力。
因此，通过合适的方式布置力传感器进行力感知以及力计算是现阶段主要的技术难题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种手术机器人，以解决现有力传感器布置位置不合理导致成本增加或力感知精度低的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种手术机器人，包括：
机械臂；
器械驱动器，滑动设置于所述机械臂的末端；
手术器械，与所述器械驱动器连接，所述手术器械包括依次连接的器械末端、器械轴与器械手柄，所述器械手柄与所述器械驱动器连接；
套管，包括相连接的第一管体和第二管体，所述器械轴穿设于所述第二管体内；
测力组件包括第一测力件，所述第一测力件设置于所述第一管体和所述第二管体之间，用于检测所述第二管体沿第一方向X的受力情况和/或沿第二方向Y的受力情况，其中，所述第一方向X和所述第二方向Y均沿所述器械轴的径向延伸且相互垂直，第三方向Z分别与所述第一方向X和所述第二方向Y垂直；
所述第二管体沿第一方向X的受力情况包括沿第一方向X受到的作用力和XZ平面内的弯矩中的至少一个，或所述第二管体沿第一方向X受到的作用力和XZ平面内的弯矩的组合值；
所述第二管体沿第二方向Y的受力情况包括沿第二方向Y受到的作用力和YZ平面内的弯矩中的至少一个，或所述第二管体沿第二方向Y受到的作用力和YZ平面内的弯矩的组合值。
作为上述手术机器人的一种可选方案，所述第一管体套设于所述第二管体外；
或，所述第一管体的一端连接所述机械臂，所述第一管体的另一端通过所述第一测力件连接所述第二管体的一端。
作为上述手术机器人的一种可选方案，所述手术机器人还包括柔性部，所述柔性部设置于所述手术器械或所述器械驱动器上，以使所述器械轴能绕所述第一方向X和所述第二方向Y转动。
作为上述手术机器人的一种可选方案，所述柔性部连接所述器械手柄和所述器械轴。
作为上述手术机器人的一种可选方案，所述器械轴包括第一轴段和第二轴段，所述柔性部连接所述第一轴段和所述第二轴段。
作为上述手术机器人的一种可选方案，所述器械驱动器包括滑动部和连接部，所述滑动部与所述机械臂的末端滑动连接，所述连接部用于连接所述器械手柄，所述柔性部连接所述滑动部和所述连接部。
作为上述手术机器人的一种可选方案，所述柔性部为万向节；
或所述柔性部由柔性材料制成。
作为上述手术机器人的一种可选方案，所述测力组件还包括第二测力件，所述第二测力件设置于所述机械臂或所述器械驱动器上，用于检测所述手术器械沿第三方向Z受到的作用力。
作为上述手术机器人的一种可选方案，所述机械臂包括安装座，所述安装座上设置有导轨，所述器械驱动器与所述导轨滑动连接，所述第二测力件设置于所述导轨与所述安装座之间；
或所述第二测力件设置于所述器械驱动器与所述导轨之间；
或所述第二测力件设置于所述器械驱动器与所述器械手柄之间。
作为上述手术机器人的一种可选方案，所述第二测力件被配置为检测所述手术器械沿所述第一方向X的作用力和XZ平面的弯矩中的至少一个；
和/或，所述第二测力件被配置为检测所述手术器械沿所述第二方向Y的作用力和YZ平面的弯矩中的至少一个。
作为上述手术机器人的一种可选方案，所述手术机器人包括电机，所述电机用于驱动所述器械驱动器沿所述机械臂的末端滑动；
所述电机包括电机控制器，所述电机控制器被配置为获取所述电机的工作电流。
一种手术机器人器械末端受力计算方法，用于上述的手术机器人，所述手术机器人器械末端受力计算方法包括：
建立所述手术器械的力学模型，根据所述第一测力件的测量值以及所述手术器械沿第三方向Z受到的作用力，计算所述器械轴末端的受力，所述第三方向Z分别与所述第一方向X和所述第二方向Y垂直。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，所述手术机器人还包括柔性部，所述柔性部设置于所述手术器械或所述器械驱动器上，以使所述手术器械能绕所述第一方向X和所述第二方向Y转动；
建立所述手术器械的力学模型包括：
建立杆受力模型，所述杆以所述柔性部作为第一铰接支点，以所述器械轴的末端作为自由端，且所述杆上具有第二铰接支点。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，计算所述器械轴末端的受力包括：
若所述第一测力件能同时测量所述器械轴对所述第二管体施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩，则根据所述杆上力矩平衡原理，计算得到所述器械轴末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，计算所述器械轴末端的受力包括：
所述测力组件还包括第二测力件，所述第二测力件设置于所述机械臂或所述器械驱动器上；
若所述第一测力件能分别测量所述第二管体沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩时，且所述第二测力件能测量所述第一铰接支点受到的沿目标方向的作用力时，根据最小二乘法获取所述器械轴末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，计算所述器械轴末端的受力包括：
所述测力组件还包括第二测力件，所述第二测力件设置于所述机械臂或所述器械驱动器上；
定义所述第二管体对所述器械轴施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩的线性组合值为目标线性组合值，若所述第一测力件仅能测量所述第二管体沿目标方向的作用力、目标平面内的弯矩以及所述目标线性组合值中的一个，且所述第二测力件能测量所述第一铰接支点受到的沿目标方向的作用力时，根据所述杆受力平衡以及力矩平衡原理计算获取所述器械轴末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，计算所述器械轴末端的受力包括：
定义所述第二管体对所述器械轴施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩的线性组合值为目标线性组合值，若所述第一测力件仅能测量所述第二管体沿目标方向的作用力、目标平面内的弯矩以及所述目标线性组合值中的一个，且不能测量所述第一铰接支点受到的沿目标方向的作用力时，根据超静定梁理论计算所述器械轴末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，建立所述手术器械的力学模型包括：
建立悬臂梁受力模型，所述悬臂梁以所述器械轴的近端为固定支点，以所述器械轴的末端作为自由端，且所述悬臂梁上具有第三铰接支点。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，计算所述器械轴末端的受力包括：
所述测力组件还包括第二测力件，所述第二测力件设置于所述机械臂或所述器械驱动器上；
若所述第一测力件能同时测量所述第二管体对所述器械轴施加沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩，且所述第二测力件能测量所述固定支点在目标平面内受到的弯矩时，根据所述悬臂梁力矩平衡原理，计算得到所述器械轴末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，计算所述器械轴末端的受力包括：
所述测力组件还包括第二测力件，所述第二测力件设置于所述机械臂或所述器械驱动器上；
若所述第一测力件能分别测量所述第二管体对所述器械轴施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩，且所述第二测力件能测量所述固定支点沿目标方向的作用力以及目标平面内的弯矩时，根据最小二乘法计算所述器械轴末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，计算所述器械轴末端的受力包括：
所述测力组件还包括第二测力件，所述第二测力件设置于所述机械臂或所述器械驱动器上；
定义所述第二管体对所述器械轴施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩的线性组合值为目标线性组合值，若所述第一测力件仅能测量所述第二管体对所述器械轴施加的沿目标方向的作用力、目标平面内的弯矩以及所述目标线性组合值中的一个，且所述第二测力件能测量所述固定支点沿目标方向的作用力以及目标平面内的弯矩时，根据所述杆受力平衡以及力矩平衡原理计算获取所述器械轴末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，计算所述器械轴末端的受力包括：
定义所述第二管体对所述器械轴施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩的线性组合值为目标线性组合值，若所述第一测力件仅能测量所述第二管体对所述器械轴施加的沿目标方向的作用力、目标平面内的弯矩以及所述目标线性组合值中的一个，且不能测量所述固定支点沿目标方向的作用力或目标平面内的弯矩时，根据超静定梁理论计算所述器械轴末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，计算所述器械轴末端的受力包括计算轴向力，计算所述轴向力包括：
所述测力组件还包括第二测力件，所述第二测力件设置于所述机械臂或所述器械驱动器上；
获取所述第二测力件测量的所述手术器械背离所述器械轴末端一侧沿第三方向Z受到的作用力；
获取所述第二管体对所述器械轴施加在所述第三方向Z的摩擦力；
根据所述器械轴在第三方向Z受力平衡，计算得到所述轴向力。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，所述摩擦力由所述第一测力件测量获得。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，设定所述摩擦力为零；
或，获取所述器械轴在所述第二管体内的运动方向和速度，根据所述运动方向和速度计算所述摩擦力。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，所述手术机器人包括电机，所述电机用于驱动所述器械驱动器沿所述机械臂的末端滑动；
所述电机包括电机控制器，计算所述器械轴末端的受力包括计算轴向力，计算所述轴向力包括：
所述电机控制器获取所述电机的工作电流，根据所述电机的额定参数和所述工作电流计算所述轴向力。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，所述测力组件还包括第二测力件，所述第二测力件设置于所述机械臂或所述器械驱动器上；
在所述计算所述器械轴末端的受力之前还包括：
获取所述器械驱动器与手术器械的重量分别对所述第一测力件和/或所述第二测力件的干扰值；
获取所述第一测力件和/或所述第二测力件的测量值与对应所述干扰值的差值，并分别作为所述第一测力件和所述第二测力件的有效测量值。
作为上述手术机器人器械末端受力计算方法的一种可选方案，获取所述有效测量值包括：
获取所述器械驱动器与手术器械在空间中的位姿和重力方向；
获取所述干扰值分别在第一方向X、第二方向Y和所述第三方向Z上的分力；
计算所述第一测力件的测量值和/或所述第二测力件的测量值与对应分力的差值。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种手术机器人。该手术机器人中，通过第一测力件检测第二管体对器械轴施加的作用力，可以计算得到手术器械末端的受力情况。第一测力件设置在套管中，相比直接设置在手术器械的末端上，不会随着手术器械使用寿命的减少而报废，且不直接与人体内部和手术器械接触，有利于延长使用寿命，降低成本。
测力组件还包括第二测力件，第二测力件与第一测力件配合，能够计算得到手术器械末端至少两个方向的受力，且第二测力件设置在器械驱动器上，相比直接设置在手术器械的末端上，不会随着手术器械使用寿命的减少而报废，且不直接与人体内部和手术器械接触，有利于延长使用寿命，降低成本。
该手术机器人可以通过电机中的电机控制器反馈电机的工作电流，从而与计算获得手术器械末端得到轴向受力情况。
本发明提供的手术机器人末端受力计算方法用于上述手术机器人，能够准确计算器械轴末端受力情况。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种手术机器人的局部结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的另一种手术机器人的局部结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的手术器械的力学模型；
图4是本发明实施例一提供的手术器械在XZ平面内沿第一方向的受力情况；
图5是本发明实施例一提供的手术器械在XZ平面内沿第三方向的受力情况；
图6是本发明实施例一提供的手术器械末端在XZ平面内的受力情况；
图7是本发明实施例二提供的手术器械的力学模型；
图8是本发明实施例二提供的手术器械末端在XZ平面内的受力情况；
图9是本发明实施例二提供的手术器械在XZ平面内沿第三方向的受力情况；
图10是本发明实施例二提供的手术器械在XZ平面内沿第一方向的受力情况。
图中：
10、机械臂；11、安装座；20、器械驱动器；30、手术器械；31、器械手柄；32、器械轴；40、柔性部；50、套管；51、第一管体；52、第二管体；61、第一测力件；62、第二测力件；70、患者腹壁；81、第一铰接支点；82、第二铰接支点；83、固定支点；84、第三铰接支点。
X、第一方向；Y、第二方向；Z、第三方向。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
实施例一
本实施例提供了一种手术机器人，可以用于内窥镜手术，并具有感知与人体内部作用力的功能，且力感知精度高。
如图1所示，手术机器人包括机械臂10、器械驱动器20、手术器械30、套管50和测力组件。器械驱动器20滑动安装于机械臂末端。手术器械30包括器械手柄31、与器械手柄31连接的器械轴32以及设置在器械轴32末端的器械末端(图中未示出)，器械驱动器20用于控制手术器械30运动，器械轴32用于通过套管50伸入人体内部，以便于器械末端进行手术操作。
具体地，器械驱动器20沿器械轴32的轴向滑动设置于安装座11上，以便控制器械轴32伸入人体内的长度，从而到达手术位置；套管50包括相连接的第一管体51和第二管体52，器械轴32穿设于第二管体52内。通过套管50将至少部分器械轴32与人体内部隔开，避免患者腹壁70向器械轴32施力反作用力影响第一测力件61的测量精度。
本实施例中，第二管体52穿设于第一管体51内。其他实施例中，第一管体51设置于机械臂10的末端，第一管体51的端部与第二管体52通过第一测力件61连接，即第一管体51和第二管体52沿长度方向排列。
为方便感知手术器械30的器械末端的受力，测力组件包括第一测力件61和第二测力件62。第一测力件61设置于第一管体51和第二管体52之间，用于检测第二管体52在第一方向X和/或第二方向Y上的受力情况。第二测力件62设置在机械臂安装座11或器械驱动器20上，用于检测手术器械30沿第三方向Z受到的作用力。其中，第一方向X和第二方向Y均沿器械轴32的径向延伸且相互垂直，第三方向Z分别与第一方向X和第二方向Y垂直。可以理解的是，当器械轴32不受外力时，器械轴32沿第三方向Z延伸。
可以理解的是，手术器械30在工作时的受力主要包括人体内部施加的作用力、套管50施加的作用力以及器械驱动器20施加的受力。本实施例中，通过第一测力件61检测第二管体52对器械轴32施加的作用力，通过第二测力件62检测器械驱动器20对手术器械30前端施加的力情况，利用力平衡原理，可以计算得到手术器械30末端的受力情况。
本实施例中，通过第一测力件61和第二测力件62配合获取手术器械30的末端(即器械末端)的受力情况，相比仅采用一个测力件感知精度更高。
第一测力件61设置在套管50中，第二测力件62设置在器械驱动器20或机械臂10上，相比直接设置在手术器械30的末端(器械末端)上，不会随着器械轴32使用寿命的减少而报废，且不直接与人体内部和手术器械30接触，有利于延长使用寿命，降低成本。
为了更准确计算器械轴32末端受力情况，可选地，第一测力件61可以检测第二管体52沿第一方向X受到的作用力和弯矩中的至少一个，也可以检测第二管体52沿第一方向X受到的作用力和弯矩的组合值。
示例性地，第一测力件61仅检测第二管体52沿第一方向X受到的作用力；
示例性地，第一测力件61仅检测第二管体52在XZ平面内受到的弯矩；
示例性地，第一测力件61能同时检测第二管体52沿第一方向X受到的作用力和在XZ平面内的弯矩；
示例性地，第一测力件61能检测第二管体52沿第一方向X受到的作用力和在XZ平面内的弯矩的组合值。例如检测值为T，T＝CF·F+CM·M，其中，F为作用力，M为弯矩，CF和CM为预设常数。
可选地，第一测力件61可以检测第二管体52沿第二方向Y受到的作用力和在YZ平面内的弯矩中的至少一个，也可以检测第二管体52沿第二方向Y受到的作用力和YZ平面内的弯矩的组合值。
示例性地，第一测力件61仅检测第二管体52沿第二方向Y受到的作用力；
示例性地，第一测力件61仅检测第二管体52在YZ平面内的受到的弯矩；
示例性地，第一测力件61能同时检测第二管体52沿第二方向Y受到的作用力和YZ平面内的弯矩；
示例性地，第一测力件61能检测第二管体52沿第二方向Y受到的作用力和YZ平面内的弯矩的组合值。例如检测值为T，T＝CF·F+CM·M，其中，F为作用力，M为弯矩，CF和CM为预设常数。
进一步地，第二测力件62还可以检测手术器械30前端在第一方向X和第二方向Y的受力，以便更准确地获取手术器械30受力情况，提高器械末端受力计算精度。
示例性地，第二测力件62能够检测的手术器械30沿第一方向X的作用力和XZ平面内的弯矩中的至少一个。
示例性地，第二测力件62能够检测的手术器械30沿第二方向Y的作用力和YZ平面内的弯矩中的至少一个。
示例性地，第二测力件62能够检测的手术器械30沿第一方向X的作用力和XZ平面内的弯矩中的至少一个，且能够检测的手术器械30沿第二方向Y的作用力和YZ平面内的弯矩中的至少一个。
为方便第二测力件62检测，本实施例中，安装座11上设置有导轨，器械驱动器20与导轨滑动连接，第二测力件62设置于器械驱动器20与导轨之间。其中，如图1所示，第二测力件62可以设置在器械驱动器20上，以随器械驱动器20一起移动。如图2所示，第二测力件62也可以设置在导轨上，不随器械驱动器20一起移动。
一些实施例中，第二测力件62设置于器械驱动器20与器械轴32之间。
可选地，第一测力件61和第二测力件62均可以为力传感器。
一些实施例中，可以不设置第二测力件62，对应地，手术机器人包括电机，电机用于驱动器械驱动器20沿机械臂10的末端滑动，电机包括电机控制器，电机控制器能够反馈电机工作过程中的工作电流，以便根据电机的额定参数，计算电机的输出力矩，从而可以获得器械驱动器20对手术器械30前端施加的力情况。
进一步地，手术机器人还包括柔性部40，柔性部40可以设置在手术器械30上或器械驱动器20上，以使手术器械30能绕第一方向X和第二方向Y转动，以提高手术器械30的操作灵活度。
本实施例中，柔性部40设置在器械轴32上，器械轴32包括第一轴段和第二轴段，柔性部40连接第一轴段和第二轴段。
一些实施例中，柔性部40可以连接器械手柄31和器械轴32；或柔性部40设置于器械驱动器20上，器械驱动器20包括滑动部和连接部，滑动部与机械臂的末端滑动连接，连接部用于连接器械手柄31，柔性部40连接滑动部和连接部。
本实施例中，柔性部40为万向节。在其他实施例中，柔性部40可以由柔性材料制成，只要能够保证手术器械30的末端具有绕第一方向X和第二方向Y转动的自由度即可。
本实施例还提供了一种手术机器人末端受力计算方法，用于上述手术机器人中，以便计算器械轴32末端受力情况。
具体地，建立手术器械30的力学模型，根据第一测力件61和第二测力件62的测量值，计算器械轴32末端的受力。
如图3所示，将手术器械30简化为杆，对应的感受力模型中，杆以柔性部40作为第一铰接支点81，以器械轴32的末端作为自由端，且杆上具有第二铰接支点82。其中，第二铰接支点82为器械轴32上的不动点，器械轴32在工作时会在第二铰接支点82处弯曲，因器械轴32穿设在第二管体52内，因此，第二铰接支点82也是器械轴32与第二管体52的接触位置。
本实施例中，机械臂10由于平行四边形连杆驱动原理，驱动器械轴32绕定点转动。其中，机械臂10驱动结构以及实现器械轴32绕不动点转动的原理为现有技术，本实施例中不再具体介绍。
器械轴32末端受到沿第一方向X的分力、第二方向Y的分力和第三方向Z的分力。为方便理解各方向分力的计算方法，该手术器械30在未受外力时的力学模型如图3所示。在手术器械30使用时，在XZ平面的受力情况如图4-图6所示。
在计算器械轴32末端沿第一方向X和第二方向Y的力F时，通过力平衡和力矩平衡原理进行计算。
力矩平衡关系满足：
FV-FS+F＝0；
力平衡关系满足：
MS+FS·L2-F·L1＝0；
其中，FS为第二管体52对器械轴32施加的沿目标方向的作用力，MS为第二管体52对器械轴32施加的弯矩；FV为第一铰接支点81受到的沿目标方向的作用力；L为杆由第一铰接支点81到自由端之间的长度，lx为杆由第一铰接支点81与第二铰接支点82之间的长度。目标方向为第一方向X或第二方向Y。
可以理解的是，器械轴32末端在沿第一方向X和第二方向Y的受力情况相同，定义，器械轴32末端在沿第一方向X受到的力为FX，在第二方向Y受到的力为FY。本实施例以器械轴32末端在沿第一方向X受到的力FX为例介绍。
若第一测力件61能够同时检测第二管体52对器械轴32施加的沿第一方向X的作用力FS以及XZ平面内的弯矩MS时，获取第一测力件61检测的FS以及弯矩MS，通过力矩平衡计算FX，即FX满足：
Figure BDA0003685435200000171
若第一测力件61能分别测量第二管体52对器械轴32施加的沿第一方向X的作用力FS和XZ平面内的弯矩MS，且第二测力件62能检测第一铰接支点81沿第一方向X受到的作用力FV时，则获取方程组二：
Figure BDA0003685435200000172
根据最小二乘法解上述方程组二，从而计算出FX。
此处需要说明的是，因第一测力件61和第二测力件62存在检测误差，在FS、MS以及FV均为已知的基础上，通过受力平衡得到的FX不能保证力矩平衡成立，此情况下，通过最小二乘法求解FX，能够减小测量误差，提高受力结果的准确性。
定义第二管体52对器械轴32施加沿第一方向X的作用力FS以及在XZ平面内的弯矩MS的线性组合值为目标线性组合值TS，若第一测力件61仅能测量第二管体52对器械轴32施加的沿第一方向X的作用力FS、XZ平面内的弯矩MS以及目标线性组合值TS中的一个，且第二测力件62能测量第一铰接支点81受到的沿目标方向的作用力FV时，获取方程组一：
Figure BDA0003685435200000181
解上述方程组一，可以获得FX。
定义第二管体52对器械轴32施加沿第一方向X的作用力FS以及在XZ平面内的弯矩MS的线性组合值为目标线性组合值TS，若第一测力件61仅检测第二管体52对器械轴32施加的沿第一方向X的作用力FS、XZ平面内的弯矩MS以及目标线性组合值TS中的一个，且第二测力件62不能检测第一铰接支点81沿第一方向X受到的作用力FV时，还可以通过超静定梁理论计算得到FX。
可以理解的是，采用超静定梁理论对于上述情况具有多种计算方法，本实施例中示例性的列出其中一种计算方法，但不限于此种计算方法。
根据第一测力件61的测量结果可以得到TS满足：
TS＝CF·FS+CM·MS；
从而得到方程组一。
根据欧拉-伯努利梁理论，杆的挠度和转角满足公式一：
Figure BDA0003685435200000191
公式二：
Figure BDA0003685435200000192
其中，z为杆沿第三方向Z的坐标，ω(z)为杆的挠度，M(z)为杆的弯矩，θ(z)为杆的转角，E为杆轴线方向的杨氏模量，I为杆的截面面积惯性矩。
对公式一积分可以得到公式三：
Figure BDA0003685435200000193
定义第一铰接支点81处z＝0，则可以根据杆的受力情况计算杆在z处的弯矩M(z)。
位于第二铰接支点82靠近第一铰接支点81之间的杆的弯矩ML(z)满足公式四：
ML(z)＝-FV·z，其中，0≤z≤L2；
位于第二铰接支点82靠近自由端之间的杆的弯矩MR(z)满足公式五：
MR(z)＝-FX·(L1-z)，其中，L2≤z≤L1；
将公式四带入公式三，可以得到公式六：
Figure BDA0003685435200000194
将公式五带入公式三，可以得到公式七：
Figure BDA0003685435200000195
其中，CL1、CL2、CR1和CR2均为待定系数。
确定边界条件，其中：
杆在z＝0处的挠度为零，可以得到公式八：
ωL(z)z＝0＝0；
杆在z＝L2处的挠度为零，可以得到公式九和公式十：
Figure BDA0003685435200000201
Figure BDA0003685435200000202
杆在z＝L2处的转角均为θS，可以得到公式十一和公式十二：
Figure BDA0003685435200000203
Figure BDA0003685435200000204
其中，θS可以由第一测力件61的刚度确定，可以得到公式十三：
Figure BDA0003685435200000205
其中，ks为第一测力件61的刚度。
若第二管体52的刚度远远大于器械轴32的刚度，则可以认为θS为零。
方程组一中共有FX、FV、FS和MS四个未知数，公式八到公式十二引入了四个新的未知待定系数CL1、CL2、CR1和CR2，以及未知数θS。方程组一、公式八到公式十三共引入九个未知数，杆轴线方向的杨氏模量E、杆的截面面积惯性矩I以及第一测力件61的刚度ks为可由机械设计推导或实验方法测定的参数，为已知参数，求解方程组一、公式八到公式十三组成的方程组，即可达到上述九个未知量。
若第二管体52的刚度远远大于器械轴32的刚度，可以认定θS为零，则有八个公式和八个未知数，杆轴线方向的杨氏模量E、杆的截面面积惯性矩I会在求解过程中消除，不需测定。
可以理解的是，杆在YZ平面内的受力情况以及计算过程与XZ平面相同，可以参考上述过程，本实施例不再具体介绍。
器械轴32的末端还受到沿第三方向Z的轴向力杆FZ，如图4所示，根据受力平衡，轴向力FZ满足：
FZ＝Fh+fs。
其中，Fh为手术器械30背离所述器械轴32末端一侧沿第三方向Z受到的作用力，可以由第二测力件62测量获得。fS为第二管体52对器械轴32施加在第三方向Z的摩擦力
若第一测力件61能够测量摩擦力fS，则可以直接计算得到轴向力FZ。
若第一测力件61不能测量摩擦力fS，且第二管体52与器械轴32之间的摩擦力较小，则可以直接认定摩擦力fS为零。可以理解的是，摩擦力的大小与第二管体52和器械轴32的摩擦系数相关，可以根据第二管体52和器械轴32的材质特性判断摩擦力大小。
若第一测力件61不能测量摩擦力fS，可以对器械轴32在第二管体52内运动时受到的摩擦力进行标定，根据器械轴32在第二管体52内的运动方向和速度，根据运动方向和速度计算摩擦力fS。
通过上述步骤，可以通过第一测力件61和第二测力件62的配合，计算出手术器械末端在第一方向X、第二方向Y和第三方向Z上的受力大小。需要说明的是，上述计算方法并不是本实施例中手术机器人末端受力的唯一计算方法。
一些实施例中，通过驱动器械驱动器20移动的电机内的电机控制器，反馈电机的工作电流，从而计算电机的输出力矩，进而计算手术器械末端在Z方向的受力大小。
可选地，为提高器械轴32末端受力计算结构的准确度，在计算器械轴32末端的受力之前还可以去除手术器械30自身重力对第一测力件61和第二测力件62的干扰，以提高测量以及计算准确性。
具体地，获取手术器械30的重量分别对第一测力件61和第二测力件62的干扰值；获取第一测力件61和第二测力件62的测量值与对应干扰值的差值，并分别作为第一测力件61和第二测力件62的有效测量值。通过抛去干扰值，能够避免末端受力结果受到重力干扰。
其中，手术器械30中柔性部40和器械轴32末端之间的零部件为第一结构组件，第一结构组件的重力为对第一测力件61的干扰值；
手术器械30中位于第二测力件62和柔性部40之间的结构为第二结构组件，第一结构组件的重力和第二结构组件的重力均为对第二测力件62的干扰值。
为方便计算有效测量值，通过机器人本体确定手术器械30在空间中的位姿和重力方向；获取第一结构组件和第二结构组件的重力分别在第一方向X、第二方向Y和第三方向Z上的分力；计算第一测力件61的测量值和第二测力件62的测量值与对应分力的差值。
此处需要说明的是，本实施例提供的手术机器人可以采用上述方法计算器械末端在XZ平面内的受力情况，或计算器械末端在YZ平面的受力情况，或者计算器械末端在第一方向X、第二方向Y、第三方向Z三个方向上的受力。
实施例二
本实施例提供了一种手术机器人，其与实施例一中的结构大致相同，区别在于：本实施例中的手术机器人未设置柔性部40。基于此，本实施例还提供了一种手术机器人末端受力计算方法，用于本实施例中的手术机器人。
具体地，建立手术器械30的力学模型，根据第一测力件61和第二测力件62的测量值，计算器械轴32末端的受力。
本实施例中，如图7所示，将手术器械30简化为悬臂梁，并建立悬臂梁受力模型。其中，悬臂梁以器械轴32的近端为固定支点83，以器械轴32的末端作为自由端，且悬臂梁上具有第三铰接支点84。其中，第三铰接支点84为器械轴32上的不动点，器械轴32在工作时会在第三铰接支点84处弯曲，因器械轴32穿设在第二管体52内，因此，第三铰接支点84也是器械轴32与第二管体52的接触位置。
器械轴32末端的受力情况包括沿第一方向X的分力、第二方向Y的分力和第三方向Z的分力。为方便理解各方向分力的计算方法，该手术器械30在未受外力时的力学模型如图7所示。在手术器械30使用时，在XZ平面内的受力如图8-图10所示。
在计算器械轴32末端沿第一方向X和第二方向Y的力F时，通过力平衡和力矩平衡原理进行计算。
力矩平衡关系满足：
FV-FS+F＝0；
力平衡关系满足：
MS-MS0+FS·L2-F·L1＝0；
相比于实施例一中的计算方法，本实施例中受力模型增加了弯矩MS0，MS0为固定支点83在目标平面内受到的弯矩；FV为固定支点83受到的沿目标方向的作用力，L1为悬臂梁由固定支点83到自由端之间的长度，L2为固定支点83与第三铰支点84之间的长度。
可以理解的是，器械轴32末端在沿第一方向X和第二方向Y的受力情况相同，定义，器械轴32末端在沿第一方向X受到的力为FX，在第二方向Y受到的力为FY。本实施例以器械轴32末端在沿第一方向X受到的力FX为例介绍。
若第一测力件61能够同时检测第二管体52对器械轴32施加的沿第一方向X的作用力FS以及XZ平面内的弯矩MS，且第二测力件62能够检测固定支点83在XZ平面内的受到的弯矩MS0时，获取第一测力件61检测的FS、MS以及第二测力件62检测的MS0，通过力矩平衡计算FX，即FX满足：
Figure BDA0003685435200000241
若第一测力件61能分别测量第二管体52对器械轴32施加的沿第一方向X的作用力FS和在XZ平面内的弯矩MS，且第二测力件62能测量固定支点83沿第一方向X的作用力FV以及在XZ平面内的弯矩MS0时，获取方程组四：
Figure BDA0003685435200000242
根据最小二乘法解方程组四，获取器械轴32末端沿第一方向X的力FX。此处需要说明的是，因第一测力件61和第二测力件62存在检测误差，在FS、MS、MS0以及FV均为已知的基础上，通过受力平衡得到的FX不能保证力矩平衡成立，此情况下，通过最小二乘法求解FX，能够减小测量误差，提高受力结果的准确性。
定义第二管体52对器械轴32施加沿第一方向X的作用力FS以及在XZ平面内的弯矩MS的线性组合值为目标线性组合值TS。若第一测力件61仅能测量第二管体52对器械轴32施加的沿第一方向X的作用力、在XZ平面内的弯矩以及目标线性组合值TS中的一个，且第二测力件62能测量固定支点83沿目标方向的作用力FV以及在XZ平面内的弯矩MS0时，获取方程组三：
Figure BDA0003685435200000251
解所述方程组三获取器械轴32末端沿第一方向X的力FX；
其中，CF和CM为预设常数。
定义第二管体52对器械轴32施加沿第一方向X的作用力FS以及在XZ平面内的弯矩MS的线性组合值为目标线性组合值TS。若第一测力件61仅能测量第二管体52对器械轴32施加的沿目标方向的作用力、在XZ平面内的弯矩以及目标线性组合值TS中的一个，且第二测力件62不能测量固定支点83沿第一方向X的作用力FV和/或在XZ平面内的弯矩MS0时，根据超静定梁理论计算力FX。此处需要说明的是，该计算方法与实施例一中采用超静定梁理论计算的方法大致相同，区别在于增加了一个未知量MS0，可以通过增加边界条件z＝0时转角为零求解，即：
Figure BDA0003685435200000252
可选地，为提高器械轴32末端受力计算结构的准确度，在计算器械轴32末端的受力之前还可以去除手术器械30自身重力对第一测力件61和第二测力件62的干扰，以提高测量以及计算准确性。
去除对第一测力件61的干扰可以参考实施例一中介绍。
本实施例中，手术器械30中位于第二测力件62和器械轴32末端之间的结构为第三结构组件，第三结构组件的重力为对第二测力件62的干扰值。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种手术机器人，其特征在于，包括：
机械臂(10)；
器械驱动器(20)，滑动设置于所述机械臂(10)的末端；
手术器械(30)，与所述器械驱动器(20)连接，所述手术器械(30)包括依次连接的器械末端、器械轴(32)与器械手柄(31)，所述器械手柄(31)与所述器械驱动器(20)连接；
套管(50)，包括相连接的第一管体(51)和第二管体(52)，所述器械轴(32)穿设于所述第二管体(52)内；
测力组件，包括第一测力件(61)，所述第一测力件(61)设置于所述第一管体(51)和所述第二管体(52)之间，用于检测所述第二管体(52)沿第一方向X的受力情况和/或沿第二方向Y的受力情况，其中，所述第一方向X和所述第二方向Y均沿所述器械轴(32)的径向延伸且相互垂直，第三方向Z分别与所述第一方向X和所述第二方向Y垂直；
所述第二管体(52)沿第一方向X的受力情况包括沿第一方向X受到的作用力和XZ平面内的弯矩中的至少一个，或所述第二管体(52)沿第一方向X受到的作用力和XZ平面内的弯矩的组合值；
所述第二管体(52)沿第二方向Y的受力情况包括沿第二方向Y受到的作用力和YZ平面内的弯矩中的至少一个，或所述第二管体(52)沿第二方向Y受到的作用力和YZ平面内的弯矩的组合值。
2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述第一管体(51)套设于所述第二管体(52)外；
或，所述第一管体(51)的一端连接所述机械臂(10)，所述第一管体(51)的另一端通过所述第一测力件(61)连接所述第二管体(52)的一端。
3.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述手术机器人还包括柔性部(40)，所述柔性部(40)设置于所述手术器械(30)或所述器械驱动器(20)上，以使所述器械轴(32)能绕所述第一方向X和所述第二方向Y转动。
4.根据权利要求3所述的手术机器人，其特征在于，所述柔性部(40)连接所述器械手柄(31)和所述器械轴(32)。
5.根据权利要求3所述的手术机器人，其特征在于，所述器械轴(32)包括第一轴段和第二轴段，所述柔性部(40)连接所述第一轴段和所述第二轴段。
6.根据权利要求3所述的手术机器人，其特征在于，所述器械驱动器(20)包括滑动部和连接部，所述滑动部与所述机械臂(10)的末端滑动连接，所述连接部用于连接所述器械手柄(31)，所述柔性部(40)连接所述滑动部和所述连接部。
7.根据权利要求3所述的手术机器人，其特征在于，所述柔性部(40)为万向节；
或所述柔性部(40)由柔性材料制成。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的手术机器人，其特征在于，所述测力组件还包括第二测力件(62)，所述第二测力件(62)设置于所述机械臂(10)或所述器械驱动器(20)上，用于检测所述手术器械(30)沿第三方向Z受到的作用力。
9.根据权利要求8所述的手术机器人，其特征在于，所述机械臂(10)包括安装座(11)，所述安装座(11)上设置有导轨，所述器械驱动器(20)与所述导轨滑动连接，所述第二测力件(62)设置于所述导轨与所述安装座(11)之间；
或所述第二测力件(62)设置于所述器械驱动器(20)与所述导轨之间；
或所述第二测力件(62)设置于所述器械驱动器(20)与所述器械手柄(31)之间。
10.根据权利要求8所述的手术机器人，其特征在于，所述第二测力件(62)被配置为检测所述手术器械(30)沿所述第一方向X的作用力和XZ平面的弯矩中的至少一个；
和/或，所述第二测力件(62)被配置为检测所述手术器械(30)沿所述第二方向Y的作用力和YZ平面的弯矩中的至少一个。
11.根据权利要求1-7中任一项所述的手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括电机，所述电机用于驱动所述器械驱动器(20)沿所述机械臂(10)的末端滑动；
所述电机包括电机控制器，所述电机控制器被配置为获取所述电机的工作电流。
12.一种手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，用于如权利要求1-11中任一项所述的手术机器人，所述手术机器人器械末端受力计算方法包括：
建立所述手术器械(30)的力学模型，根据所述第一测力件(61)的测量值以及所述手术器械(30)沿第三方向Z受到的作用力，计算所述器械轴(32)末端的受力，所述第三方向Z分别与所述第一方向X和所述第二方向Y垂直。
13.根据权利要求12所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，所述手术机器人还包括柔性部(40)，所述柔性部(40)设置于所述手术器械或所述器械驱动器上，以使所述手术器械(30)能绕所述第一方向X和所述第二方向Y转动；
建立所述手术器械(30)的力学模型包括：
建立杆受力模型，所述杆以所述柔性部(40)作为第一铰接支点，以所述器械轴(32)的末端作为自由端，且所述杆上具有第二铰接支点。
14.根据权利要求13所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，计算所述器械轴(32)末端的受力包括：
若所述第一测力件(61)能同时测量所述器械轴(32)对所述第二管体(52)施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩，则根据所述杆上力矩平衡原理，计算得到所述器械轴(32)末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
15.根据权利要求13所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，计算所述器械轴(32)末端的受力包括：
所述测力组件还包括第二测力件(62)，所述第二测力件(62)设置于所述机械臂(10)或所述器械驱动器(20)上；
若所述第一测力件(61)能分别测量所述第二管体(52)沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩时，且所述第二测力件(62)能测量所述第一铰接支点受到的沿目标方向的作用力时，根据最小二乘法获取所述器械轴(32)末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
16.根据权利要求13所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，计算所述器械轴(32)末端的受力包括：
所述测力组件还包括第二测力件(62)，所述第二测力件(62)设置于所述机械臂(10)或所述器械驱动器(20)上；
定义所述第二管体(52)对所述器械轴(32)施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩的线性组合值为目标线性组合值，若所述第一测力件(61)仅能测量所述第二管体(52)沿目标方向的作用力、目标平面内的弯矩以及所述目标线性组合值中的一个，且所述第二测力件(62)能测量所述第一铰接支点受到的沿目标方向的作用力时，根据所述杆受力平衡以及力矩平衡原理计算获取所述器械轴(32)末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
17.根据权利要求13所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，计算所述器械轴(32)末端的受力包括：
定义所述第二管体(52)对所述器械轴(32)施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩的线性组合值为目标线性组合值，若所述第一测力件(61)仅能测量所述第二管体(52)沿目标方向的作用力、目标平面内的弯矩以及所述目标线性组合值中的一个，且不能测量所述第一铰接支点受到的沿目标方向的作用力时，根据超静定梁理论计算所述器械轴(32)末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
18.根据权利要求12所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，建立所述手术器械(30)的力学模型包括：
建立悬臂梁受力模型，所述悬臂梁以所述器械轴(32)的近端为固定支点，以所述器械轴(32)的末端作为自由端，且所述悬臂梁上具有第三铰接支点。
19.根据权利要求18所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，计算所述器械轴(32)末端的受力包括：
所述测力组件还包括第二测力件(62)，所述第二测力件(62)设置于所述机械臂(10)或所述器械驱动器(20)上；
若所述第一测力件(61)能同时测量所述第二管体(52)对所述器械轴(32)施加沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩，且所述第二测力件(62)能测量所述固定支点在目标平面内受到的弯矩时，根据所述悬臂梁力矩平衡原理，计算得到所述器械轴(32)末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
20.根据权利要求18所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，计算所述器械轴(32)末端的受力包括：
所述测力组件还包括第二测力件(62)，所述第二测力件(62)设置于所述机械臂(10)或所述器械驱动器(20)上；
若所述第一测力件(61)能分别测量所述第二管体(52)对所述器械轴(32)施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩，且所述第二测力件(62)能测量所述固定支点沿目标方向的作用力以及目标平面内的弯矩时，根据最小二乘法计算所述器械轴(32)末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
21.根据权利要求18所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，计算所述器械轴(32)末端的受力包括：
所述测力组件还包括第二测力件(62)，所述第二测力件(62)设置于所述机械臂(10)或所述器械驱动器(20)上；
定义所述第二管体(52)对所述器械轴(32)施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩的线性组合值为目标线性组合值，若所述第一测力件(61)仅能测量所述第二管体(52)对所述器械轴(32)施加的沿目标方向的作用力、目标平面内的弯矩以及所述目标线性组合值中的一个，且所述第二测力件(62)能测量所述固定支点沿目标方向的作用力以及目标平面内的弯矩时，根据所述杆受力平衡以及力矩平衡原理计算获取所述器械轴(32)末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
22.根据权利要求18所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，计算所述器械轴(32)末端的受力包括：
定义所述第二管体(52)对所述器械轴(32)施加的沿目标方向的作用力和目标平面内的弯矩的线性组合值为目标线性组合值，若所述第一测力件(61)仅能测量所述第二管体(52)对所述器械轴(32)施加的沿目标方向的作用力、目标平面内的弯矩以及所述目标线性组合值中的一个，且不能测量所述固定支点沿目标方向的作用力或目标平面内的弯矩时，根据超静定梁理论计算所述器械轴(32)末端沿所述目标方向的力；
其中，所述目标方向为第一方向X，所述目标平面为XZ平面；或所述目标方向为第二方向Y，所述目标平面为YZ平面。
23.根据权利要求12-22中任一项所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，计算所述器械轴(32)末端的受力包括计算轴向力，计算所述轴向力包括：
所述测力组件还包括第二测力件(62)，所述第二测力件(62)设置于所述机械臂(10)或所述器械驱动器(20)上；
获取所述第二测力件(62)测量的所述手术器械(30)背离所述器械轴(32)末端一侧沿第三方向Z受到的作用力；
获取所述第二管体(52)对所述器械轴(32)施加在所述第三方向Z的摩擦力；
根据所述器械轴(32)在第三方向Z受力平衡，计算得到所述轴向力。
24.根据权利要求23所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，所述摩擦力由所述第一测力件(61)测量获得。
25.根据权利要求23所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，设定所述摩擦力为零；
或，获取所述器械轴(32)在所述第二管体(52)内的运动方向和速度，根据所述运动方向和速度计算所述摩擦力。
26.根据权利要求12-22中任一项所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，所述手术机器人包括电机，所述电机用于驱动所述器械驱动器(20)沿所述机械臂(10)的末端滑动；
所述电机包括电机控制器，计算所述器械轴(32)末端的受力包括计算轴向力，计算所述轴向力包括：
所述电机控制器获取所述电机的工作电流，根据所述电机的额定参数和所述工作电流计算所述轴向力。
27.根据权利要求12-22中任一项所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，所述测力组件还包括第二测力件(62)，所述第二测力件(62)设置于所述机械臂(10)或所述器械驱动器(20)上；
在所述计算所述器械轴(32)末端的受力之前还包括：
获取所述器械驱动器(20)与手术器械(30)的重量分别对所述第一测力件(61)和/或所述第二测力件(62)的干扰值；
获取所述第一测力件(61)和/或所述第二测力件(62)的测量值与对应所述干扰值的差值，并分别作为所述第一测力件(61)和所述第二测力件(62)的有效测量值。
28.根据权利要求27所述的手术机器人器械末端受力计算方法，其特征在于，获取所述有效测量值包括：
获取所述器械驱动器与手术器械(30)在空间中的位姿和重力方向；
获取所述干扰值分别在第一方向X、第二方向Y和所述第三方向Z上的分力；
计算所述第一测力件(61)的测量值和/或所述第二测力件(62)的测量值与对应分力的差值。
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