CN116327375A - 从操作设备、手术机器人及其移动控制方法 - Google Patents

从操作设备、手术机器人及其移动控制方法 Download PDF

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CN116327375A CN202111603260.4A CN202111603260A CN116327375A CN 116327375 A CN116327375 A CN 116327375A CN 202111603260 A CN202111603260 A CN 202111603260A CN 116327375 A CN116327375 A CN 116327375A
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王深辉
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Abstract

本申请提供了一种从操作设备、手术机器人及其移动控制方法，该从操作设备包括相连接的机械臂和操纵臂，操纵臂包括持械臂，机械臂包括多个用于移动操纵臂的关节，以及用于驱动关节的电机组件；从操作设备还包括相互连接的力传感单元和控制单元，力传感单元设置在持械臂上并用于检测持械臂受到的作用力；控制单元与电机组件连接，控制单元用于根据操纵臂受到的作用力分别控制电机组件驱动调整关节，能够保证电机的大的驱动力的同时实现轻松拖动和自由调整持械臂。

Description

从操作设备、手术机器人及其移动控制方法
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种从操作设备、手术机器人及其移动控制方法。
背景技术
微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式，微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。
随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台用于根据医生的操作向从操作设备发送控制命令，以控制从操作设备，从操作设备用于响应主操作台发送的控制命令，并进行相应的手术操作。
从操作设备包括机械臂、操纵臂，以及设置在操纵臂上的手术器械。为了实现通过机械臂来控制操纵臂连同手术器械的多自由度运动，机械臂上设有多个运动关节，如旋转关节、移动关节等中的一种或多种。通常机械臂上对应各关节的电机会配置减速比很大的减速机，以使得各关节获得大的驱动扭矩和功率。然而，这使得反向拖动这些关节的阻尼比较大，也即人工反向拖动关节以调整手术器械会较为困难。通过控制算法也无法识别末端推力的大小，采用电机直驱的方式基本不可能实现所需要的大的驱动扭矩。
发明内容
本申请目的在于提供一种从操作设备，旨在解决现有的手术机器人反向拖动关节困难、手术器械调节困难的技术问题。
本申请实施例是这样实现的，一种从操作设备，包括相连接的机械臂和操纵臂，所述操纵臂包括持械臂；所述机械臂包括多个用于移动所述操纵臂的关节，以及用于驱动所述关节的电机组件；其特征在于，
所述从操作设备还包括相互连接的力传感单元和控制单元，所述力传感单元设置在所述持械臂上并用于检测所述持械臂受到的作用力；所述控制单元与所述电机组件连接，所述控制单元用于根据所述持械臂受到的作用力控制所述电机组件驱动调整所述关节。
在一个实施例中，所述持械臂包括相互连接的上支架和下支架，所述上支架耦接到所述机械臂，所述力传感单元设于所述下支架上，并与所述上支架连接。
在一个实施例中，所述下支架的朝向所述上支架的一端设有凹腔，所述力传感单元设于所述凹腔内。
在一个实施例中，所述关节包括第一转动关节、第一移动关节和第二移动关节，所述电机组件包括第一电机，第二电机和第三电机，用于分别驱动调整所述第一转动关节、所述第一移动关节和所述第二移动关节。
在一个实施例中，所述关节包括第一移动关节和第二移动关节，所述电机组件包括第一电机和第二电机，用于分别驱动调整所述第一移动关节和所述第二移动关节。
在一个实施例中，所述操纵臂还包括连接在所述持械臂和所述机械臂之间的连杆机构，且所述持械臂与所述连杆机构的连接处设有第二转动关节用于驱动所述持械臂转动；所述力传感单元设于所述持械臂与所述第二转动关节之间。
在一个实施例中，所述控制单元还用于控制所述关节分别锁定以及解除锁定。
在一个实施例中，所述下支架上与所述持械臂相背的一面还设有用于锁定和解除锁定所述关节的触发键。
在一个实施例中，所述从操作设备具有用于术前的自由拖动模式；
在所述自由拖动模式，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的拖动作用力FA，所述控制单元用于将所述持械臂受到的拖动作用力FA映射为所述电机组件的输出速度，直至所述持械臂移动至目标点。
在一个实施例中，所述从操作设备具有用于术中的自适应模式；
在所述自适应模式，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力FA，所述控制单元用于将所述持械臂受到的作用力映射为所述电机组件的输出速度；当所述持械臂所受到的作用力小于预设值时，所述电机组件的输出速度降低至零。
在一个实施例中，所述控制单元用于将所述持械臂受到的作用力FA变换为所述机械臂的基座标下的作用力FO，并将所述作用力FO映射至所述电机的输出速度VJ。
在一个实施例中，所述作用力FA至所述作用力FO的变换通过以下公式实现：
FO＝(AJO)TFA；
其中，AJO表示所述力传感单元的坐标系和所述基座标系之间的雅克比矩阵；(AJO)T为所述雅克比矩阵的转置矩阵；
所述作用力FO到VJ的映射通过以下公式实现：
VJ＝(Jr)T(k*FO)；
其中，VJ为所述电机组件中的电机的输出速度；k为转换系数；Jr为所述关节定义的机械雅克比矩阵。
在一个实施例中，所述操纵臂还包括设置在所述持械臂上的角度传感器，所述角度传感器与所述控制单元通信连接并用于检测所述持械臂的位姿。
本申请的另一目的在于提供一种手术机器人的移动控制方法，所述手术机器人包括机械臂和由所述机械臂驱动的操纵臂，所述操纵臂包括用于夹持手术器械的持械臂，所述移动控制方法包括：
在所述持械臂受到作用力时，设置在所述持械臂上的力传感单元输出作用力的大小和方向至控制单元；
所述控制单元控制设置在所述机械臂上的电机组件驱动所述持械臂移动。
在一个实施例中，所述机械臂包括多个关节，所述电机组件包括多个电机用于驱动所述关节，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力，所述控制单元用于将所述力传感单元反馈的作用力映射为所述电机的输出速度，直至所述力传感单元检测到的所述持械臂受到的作用力为零。
在一个实施例中，所述机械臂包括多个关节，所述电机组件包括多个电机用于驱动所述关节，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力，所述控制单元用于将所述力传感单元反馈的作用力映射为所述电机的输出速度；当所述持械臂所受到的作用力小于预设值时，所述电机的输出速度降低至零。
本申请实施例的又一目的在于提供一种手术机器人，包括如上述各实施例所说的从操作设备，以及与所述从操作设备通信连接的主控制台。
本申请实施例提供的从操作设备、手术机器人及其移动控制方法，其有益效果在于：
本申请实施例提供的从操作设备，包括相连接的机械臂和操纵臂，机械臂包括多个用于移动操纵臂的关节，以及用于驱动关节的电机组件；从操作设备还包括相互连接的力传感单元和控制单元，力传感单元设置在持械臂上并用于检测持械臂受到的作用力；控制单元与电机组件连接，控制单元用于根据操纵臂受到的作用力控制电机组件驱动调整关节，能够保证电机的大的驱动力的同时实现轻松拖动和自由调整持械臂。该手术机器人及其移动控制方法允许操作人员轻松拖动和自由调整持械臂。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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是本申请实施例提供的手术机器人的从操作设备的侧视角度结构图；
图2是本申请实施例提供的手术机器人的主控制台的结构图；
图3是本申请实施例提供的手术机器人的从操作设备的立体角度示意图；
图4是本申请实施例提供的手术机器人的操纵臂的部分分解结构示意图，其中，力传感单元设置在持械臂和连杆之间；
图5是本申请实施例提供的手术机器人的持械臂的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的手术机器人的持械臂的分解结构示意图，其中，力传感单元设置在上支架和下支架之间；
图7是本申请实施例提供的手术机器人中力传感单元的立体结构示意图；
图8是本申请实施例提供的手术机器人中力传感单元的正视图；
图9是本申请实施例提供的手术机器人中的坐标示意图；
图10是本申请实施例提供的手术机器人的自由拖动模式的流程图；
图11是本申请实施例提供的手术机器人的自适应模式的流程图。
图中标记的含义为：
300-主操作台；200-从操作设备，
9-机械臂，8-动力机构，7-手术器械，71-驱动盒，72-长轴，73-末端器械；
6-操纵臂，61-持械臂，611-上支架，612-下支架，6120-凹腔；
62-连杆机构，621-连杆；
63-致动器；5-力传感单元；
41-第一转动关节，42-第一移动关节，43-第二移动关节，44-第二转动关节；
3-触发键。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上，也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件，或者同时存在居中元件。
本文所使用的术语“远端”和“近端”为方位词，该方位词为介入医疗器械领域惯用术语，其中“远端”表示手术过程中远离操作者的一端，“近端”表示手术过程中靠近操作者的一端。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。
请参阅图1和图2，本申请实施例首先提供一种手术机器人，该手术机器人包括相互通信连接的主操作台300及从操作设备200。其中，主操作台300用于根据医生的操作向从操作设备200发送控制命令，以控制从操作设备200。从操作设备200用于响应主操作台300发送的控制命令，并进行相应的手术操作。
主操作台300和从操作设备200可以置于一个手术室内，也可以置于不同的房间，甚至主操作台300和从操作设备200可以相距很远。例如主操作台300和从操作设备200分别位于不同的城市，主操作台300与从操作设备200可以通过有线的方式进行数据的传输，也可以通过无线方式进行数据的传输。例如，主操作台300与从操作设备200位于一个手术室内，两者之间通过有线的方式进行数据的传输，又如，主操作台300与从操作设备200可以分别在不同的城市，两者之间通过无线信号进行远距离数据传输。
如图1所示，从操作设备200包括机械臂9、设置于机械臂9上的动力机构8、操纵臂6，以及设置在操纵臂6上的手术器械7。动力机构8用于驱动操纵臂6进行相应的动作。
如图1所示，操纵臂6包括持械臂61、连杆机构62和致动器63，手术器械7包括驱动盒71、长轴72和末端器械73，致动器63与驱动盒71连接并设置在操纵臂6的持械臂61上，其能够在持械臂61上沿特定方向移动，以使末端器械73能够伸入患者体内。
机械臂9包括多个关节，多个关节用于提供操纵臂6和手术器械7运动的多个自由度。对应地，该机械臂9还包括电机组件，其包括多个电机，电机与关节一一对应连接，电机用于分别驱动关节进行调整。
请结合参阅图3所示，本实施例中，机械臂9包括至少三个关节，分别为第一转动关节41、第一移动关节42和第二移动关节43，从而能够允许操纵臂6和手术器械7进行转动以及进行两个方向的平移移动。对应地，该机械臂9还包括第一电机、第二电机和第三电机(均未图示)，分别用于驱动第一转动关节41、第一移动关节42和第二移动关节43的调整，也即，第一电机用于输出转动的扭矩，第二电机和第三电机用于输出平移的动力。
例如，所说的第一转动关节41可以为在水平面内转动的关节，所说的第一移动关节42可以为在水平面内平移的关节，所说的第二移动关节43可以为在竖直面内平移的关节。当然，此处仅作示例，在其他可选实施例中，根据具体需要，第一转动关节41、第一移动关节42和第二移动关节43可以设置为分别在其他方向或平面内动作，以允许移动操纵臂6，在此不再一一举例赘述。
或者，在另一个实施例中，机械臂9包括至少两个关节，分别为第一移动关节42和第二移动关节43，从而能够允许操纵臂6和手术器械7在两个方向上作平移运动，如水平面内平移和在竖直面内平移。对应地，电机组件包括第二电机和第三电机(均未图示)，分别用于驱动第一移动关节42和第二移动关节43的调整，第二电机和第三电机用于输出平移的动力。可选地，在该种情况下，仍可有第一转动关节41，以同时允许操纵臂6和手术器械7进行转动，如在水平面内转动，第一电机可以省略，第一转动关节41可通过操作人员手动进行调整。
不限于以上所说，在其他更多个实施例中，所说的多个关节还可以是其他类型和其他数量的关节，在此不再一一举例和赘述。
以下将以第一转动关节41为在水平面内转动的关节、第一移动关节42为在水平面内平移的关节和第二移动关节43为在竖直面内平移的关节为例作具体说明。
本实施例中，该机械臂9还包括相互连接的力传感单元5和控制单元(未图示)，力传感单元5设置在持械臂61上。当操作人员想要对持械臂61及其手术器械7的位置进行调整时，人手对持械臂61施加的作用力能够被力传感单元5检测到，因此，力传感单元5用于检测持械臂61受到的作用力。控制单元设于机械臂9上并与第一电机、第二电机和第三电机分别连接，控制单元用于将持械臂61受到的作用力变换为用于驱动第一转动关节41、第一移动关节42和第二移动关节43的分力，根据各分力来相应地控制第一电机、第二电机和第三电机进行输出，以控制第一转动关节41、第一移动关节42和第二移动关节43进行调整。如此，能够保证每一电机具有大的驱动力的前提下，实现持械臂61及其手术器械7的自由拖动、轻松调整。
请结合参阅图3和图4，连杆机构62包括至少一个连杆621，具体地，可以是三个连杆621，形成位于竖直平面内的平行四边形连杆机构。该平行四边形连杆机构能够对持械臂61的位置进行调整。
最靠近持械臂61的一个连杆621与持械臂61之间为铰接，也即，此处形成铰接关节(第二转动关节44)。如此，可以对持械臂61相对于连杆621的角度进行调整，也即，持械臂61相对于竖直方向的角度可以调整。
其中，可选地，第二转动关节44可以为在竖直平面内转动的关节。不限于此，在其他可选实施例中，第二转动关节44可以为在其他平面内转动的关节。
其中，请参阅图4所示，在一个实施例中，力传感单元5可以设于持械臂61和连杆机构62的连接处。也即，力传感单元5设置在持械臂61上，力传感单元5的一部分与持械臂61连接，力传感单元5的另一部分与第二转动关节44连接。如此，当操作人员对持械臂61的任意位置处施力时，作用力都可被力传感单元5所感应到。例如，操作人员可以将手放置在持械臂61的背离连杆机构62的一侧，例如，操作人员将手放置在该侧且位于第二转动关节44下方的位置处，也可以将手放置在持械臂61的朝向连杆机构62的一侧，例如，操作人员将手放置在该侧且位于第二转动关节44上方的位置处。
或者，在另一个实施例中，如图5和图6所示，持械臂61包括相互连接的上支架611和下支架612，上支架611连接连杆机构62，从而上支架611与机械臂9耦接，下支架612用于连接手术器械7。力传感单元5设于上支架611和下支架612的连接处。当操作人员对下支架612施力时，作用力可被力传感单元5所感应到。
在该种情况下，力传感单元5所采集到的作用力的大小和方向更直接、不会存在力的比例缩放的问题，从而可以保证对持械臂61拖动调整的准确性。
并且，在具体应用中，手术器械7通过设置在持械臂61上具体是下支架612上的夹持部来夹持戳卡(未图示)，戳卡进一步与持械臂61进行连接。当力传感单元5设置在下支架612上时，人手对下支架612施力，人手触摸部位距离戳卡远心不动点相对较近，可避免操作时扭矩过大反而影响末端器械73的位置。
更具体地，如图6所示，下支架612的朝向上支架611的一端形成凹腔6120，力传感单元5可设置在下支架612的凹腔6120内并与上支架611的下端连接。如此，在保证力传感单元5与下支架612、上支架611的连接的基础上，实现了力传感单元5的隐藏。
力传感单元5为能够检测三维空间内至少三个方向的力分量的力传感器。例如，该力传感单元5可以为三维力传感器；或者，力传感单元5为六维力传感器，能够检测三维空间内三个方向的力分量和三个方向的力矩分量。
本实施例中，力传感单元5为三维力传感器。该三维力传感器具有特定的坐标系，如图7至图9所示，定义该三维力传感器的坐标系为{A}，其具有相互垂直的X轴、Y轴和Z轴。
由于持械臂61与上述连杆机构62之间的铰接连接，持械臂61相对于竖直方向的角度可以发生变化，力传感单元5设置在持械臂61上，因此，力传感单元5整体的坐标系{A}随持械臂61的移动而变化，也即力传感单元5本身的位姿随持械臂61的移动而变化。
在本实施例中，该持械臂61上还设有角度传感器(未图示)，用于检测持械臂61的位姿(角度)。角度传感器与控制单元连接，用于将持械臂61的位姿信息也即力传感单元5的位姿信息反馈至控制单元。可选地，角度传感器可以与力传感单元5集成在一起，或者是与致动器63集成在一起。
如图9所示，在机械臂9上定义基坐标系{O}，其具有相互垂直的X’轴、Y’轴和Z’轴，基坐标系中X’、Y’、Z’轴不随各个关节的调整而变化。其中，在一个实施例中，X’方向的分力由第三电机提供，并驱动第二移动关节43进行调整；Z’方向的分力由第二电机提供，并驱动第一移动关节42进行调整；Y’方向的分力由第一电机提供，并驱动第一转动关节41进行调整。当然，此处仅为示例，在其他实施例中，X’、Y’、Z’轴与各关节之间可以按照其他的对应方式进行组合。
基于此，请参考图9所示，力传感单元5检测持械臂61所受到的空间作用力FA，该作用力FA实际上是由在X方向上的第一分力F1、在Y方向的第二分力F2，以及在Z方向上的第三分力F3所合并而成。控制单元从力传感单元5获取该力传感单元5的位姿信息，以及该第一分力F1、第二分力F2和第三分力F3的大小。
如此，控制单元接收力传感单元5的位姿信息，以及第一分力F1、第二分力F2和第三分力F3的大小，将该第一分力F1、第二分力F2和第三分力F3变换至基座标系{O}下的驱动力FO，并将力FO分解为在X’方向上的第一驱动分力F’1、在Y’方向的第二驱动分力F’2，以及在Z’方向上的第三驱动分力F’3。然后，控制单元根据第一驱动分力F’1控制第一电机输出，根据第二驱动分力F’2控制第二电机输出，以及根据第三驱动分力F’3控制第三电机输出。
其中，具体地，力FA至力FO的变换过程如下公式(1)所示：
FO＝(AJO)TFA；
其中，AJO表示坐标系{A}和坐标系{O}之间的雅克比矩阵，其计算依赖于从坐标系{O}到坐标系{A}的相对位姿；(AJO)T为前述雅克比矩阵的转置矩阵；
力FO到第一电机、第二电机和第三电机的输出速度VJ的映射通过以下公式(2)实现：
VJ＝(Jr)T(k*FO)；
其中，VJ为电机(第一电机、第二电机和第三电机)的输出速度；
k为转换系数，表示坐标系{O}下X’、Y’、Z’方向上的驱动分力到对应方向期望速度的转换；Jr为关节(第一转动关节41、第一移动关节42和第二移动关节43)定义的机械雅克比矩阵。
通过以上变化，可将持械臂61受到的作用力FA映射至关节的空间速度，以此实现关节的调整。
在一个实施例中，控制单元还用于控制第一转动关节41、第一移动关节42和第二移动关节43分别锁定以及解除锁定。其中，关节解除锁定后，电机可以进行输出，从而可以控制关节进行调整；关节保持锁定后，电机输出后也不能驱动关节进行调整。
其中，锁定和解除锁定可以通过手动操作和自动操作进行。
在手动操作中，如图4所示，该从操作设备200的持械臂61上设有触发键3，当操作人员用手按下触发键3并保持，关节解除锁定，当操作人员的手离开触发键3，触发键3回复，关节保持锁定。其中，触发键3具体可以设置在下支架612的朝向连杆机构62一面的下部位置处，便于操作人员一手操作该触发键3，另一手对持械臂61施加作用力，如图4所示。当然，在具体应用中，触发键3也可以设置其他位置处，只需操作人员可以手动操作即可。
在自动操作中，关节处可设有锁定机构(未图示)，锁定机构与控制单元连接，通过控制单元对锁定机构的控制，可实现关节的自动锁定和自动解锁。
在一个实施例中，本申请的从操作设备200具有自由拖动模式和自适应模式，自由拖动模式应用于术前，自适应模式应用于术中。
如图10所示，在自由拖动模式：手动按下触发键3，以手动解锁第一转动关节41、第一移动关节42和第二移动关节43；人手对持械臂61施加作用力(该作用力可称为拖动作用力)，力传感单元5采集持械臂61所受到的作用力，控制单元将持械臂61的作用力映射为第一电机、第二电机和第三电机的输出速度，并控制第一电机、第二电机和第三电机相应输出，第一转动关节41、第一移动关节42和第二移动关节43向目标点移动，第一电机、第二电机和第三电机的输出速度逐渐降低，直至第一转动关节41、第一移动关节42和第二移动关节43移动到达目标点，此时，操作人员对持械臂61的施力为零，控制单元控制第一电机、第二电机和第三电机的输出速度降低至零。
该自由拖动模式能够使得操作人员在术前以较快的速度对持械臂61和手术器械7的位置进行调整，例如，使得手术器械7的末端器械73伸入人体切口内。
不限于上述所说，在其他可选实施例中，人手对持械臂61施加的拖动作用可采用其他方式替换。不再一一赘述。
如图11所示，在自适应模式：通过控制单元解锁关节；力传感单元5采集持械臂61所受到的作用力，控制单元将持械臂61的作用力映射为第一电机、第二电机和第三电机的输出速度，并控制第一电机、第二电机和第三电机进行输出；当持械臂61上的所受到的作用力大于或等于预设值时，控制单元将持械臂61的作用力映射为第一电机、第二电机和第三电机的输出速度，并控制第一电机、第二电机和第三电机进行输出；当持械臂61上的所受到的作用力小于预设值时，控制单元控制第一电机、所述第二电机和第三电机的输出速度降低至零。
该自适应模式能够使得机械臂9在术中自动调整手术器械7与人体切口之间的应力。若人体切口(如腹部切口)与戳卡之间存在应力，则该应力可以传递至持械臂61上并被力传感器单元所检测到。通过该自适应模式，可以释放人体(人体腹部)的微应力。在该自适应模式中，由于前述实施例中力传感单元5设置在下支架612上，且下支架612直接设置戳卡，因而，力传感单元5距离人体切口更近，可进一步提高人体腹部对末端器械73的应力的检测的准确性。
此外，本申请实施例还提供一种上述的手术机器人的移动控制方法，包括：
在持械臂61受到作用力时，设置在持械臂61上的力传感单元5感应该作用力，并将作用力的大小和方向输出至控制单元；
控制单元控制设置在机械臂9上的电机组件驱动持械臂61移动。
该移动控制方法包括应用于术前的自由拖动模式和应用于术中的自适应模式。
其中，在自由拖动模式：力传感单元5采集持械臂61所受到的拖动作用力FA，控制单元将力传感单元5反馈的作用力FA映射为电机的输出速度，直至力传感单元5检测到的持械臂61受到的作用力为零。也即，此时，持械臂61移动至目标点。同时，由于持械臂61到达目标点，操作人员停止对持械臂61施力。
在自适应模式：力传感单元5采集持械臂61所受到的作用力FA，控制单元用于将力传感单元5反馈的作用力映射为电机的输出速度；当持械臂61到的作用力FA小于预设值时，电机的输出速度降低至零；反之，当持械臂61上的所受到的作用力FA大于或等于预设值时，控制单元继续控制电机进进行输出。
该手术机器人的具体结构以及前述自由拖动模式和自适应模式中力FA至电机的输出速度映射过程可参照前述实施例描述，在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种从操作设备，包括相连接的机械臂和操纵臂，所述操纵臂包括持械臂；所述机械臂包括多个用于移动所述操纵臂的关节，以及用于驱动所述关节的电机组件；其特征在于，
所述从操作设备还包括相互连接的力传感单元和控制单元，所述力传感单元设置在所述持械臂上并用于检测所述持械臂受到的作用力；所述控制单元与所述电机组件连接，所述控制单元用于根据所述持械臂受到的作用力控制所述电机组件驱动调整所述关节。
2.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述持械臂包括相互连接的上支架和下支架，所述上支架耦接到所述机械臂，所述力传感单元设于所述下支架上，并与所述上支架连接。
3.如权利要求2所述的从操作设备，其特征在于，所述下支架的朝向所述上支架的一端设有凹腔，所述力传感单元设于所述凹腔内。
4.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述关节包括第一转动关节、第一移动关节和第二移动关节，所述电机组件包括第一电机，第二电机和第三电机，用于分别驱动调整所述第一转动关节、所述第一移动关节和所述第二移动关节。
5.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述关节包括第一移动关节和第二移动关节，所述电机组件包括第一电机和第二电机，用于分别驱动调整所述第一移动关节和所述第二移动关节。
6.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述操纵臂还包括连接在所述持械臂和所述机械臂之间的连杆机构，且所述持械臂与所述连杆机构的连接处设有第二转动关节用于驱动所述持械臂转动；所述力传感单元设于所述持械臂与所述第二转动关节之间。
7.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述控制单元还用于控制所述关节分别锁定以及解除锁定。
8.如权利要求3所述的从操作设备，其特征在于，所述下支架上与所述持械臂相背的一面还设有用于锁定和解除锁定所述关节的触发键。
9.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述从操作设备具有用于术前的自由拖动模式；
在所述自由拖动模式，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的拖动作用力FA，所述控制单元用于将所述持械臂受到的拖动作用力FA映射为所述电机组件的输出速度，直至所述持械臂移动至目标点。
10.如权利要求1所述的从操作设备，其特征在于，所述从操作设备具有用于术中的自适应模式；
在所述自适应模式，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力FA，所述控制单元用于将所述持械臂受到的作用力映射为所述电机组件的输出速度；当所述持械臂所受到的作用力小于预设值时，所述电机组件的输出速度降低至零。
11.如权利要求9或10所述的从操作设备，其特征在于，所述控制单元用于将所述持械臂受到的作用力FA变换为所述机械臂的基座标下的作用力FO，并将所述作用力FO映射至所述电机的输出速度VJ。
12.如权利要求11所述的从操作设备，其特征在于，所述作用力FA至所述作用力FO的变换通过以下公式实现：
FO＝(AJO)TFA；
其中，AJO表示所述力传感单元的坐标系和所述基座标系之间的雅克比矩阵；(AJO)T为所述雅克比矩阵的转置矩阵；
所述作用力FO到VJ的映射通过以下公式实现：
VJ＝(Jr)T(k*FO)；
其中，VJ为所述电机组件中的电机的输出速度；k为转换系数；Jr为所述关节定义的机械雅克比矩阵。
13.如权利要求1至10中任一项所述的从操作设备，其特征在于，所述操纵臂还包括设置在所述持械臂上的角度传感器，所述角度传感器与所述控制单元通信连接并用于检测所述持械臂的位姿。
14.一种手术机器人的移动控制方法，所述手术机器人包括机械臂和由所述机械臂驱动的操纵臂，所述操纵臂包括用于夹持手术器械的持械臂，其特征在于，所述移动控制方法包括：
在所述持械臂受到作用力时，设置在所述持械臂上的力传感单元输出作用力的大小和方向至控制单元；
所述控制单元控制设置在所述机械臂上的电机组件驱动所述持械臂移动。
15.如权利要求14所述的移动控制方法，其特征在于，所述机械臂包括多个关节，所述电机组件包括多个电机用于驱动所述关节，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力，所述控制单元用于将所述力传感单元反馈的作用力映射为所述电机的输出速度，直至所述力传感单元检测到的所述持械臂受到的作用力为零。
16.如权利要求14所述的移动控制方法，其特征在于，所述机械臂包括多个关节，所述电机组件包括多个电机用于驱动所述关节，所述力传感单元用于采集所述持械臂所受到的作用力，所述控制单元用于将所述力传感单元反馈的作用力映射为所述电机的输出速度；当所述持械臂所受到的作用力小于预设值时，所述电机的输出速度降低至零。
17.一种手术机器人，其特征在于，包括如权利要求1至13中任一项所述的从操作设备，以及与所述从操作设备通信连接的主控制台。
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CN116531111A (zh) * 2023-07-04 2023-08-04 梅奥心磁(杭州)医疗科技有限公司 一种双级自适应动力手术机械臂装置及控制方法

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