CN117191261B - 一种手术机器人质心倾斜监控装置及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术机器人质心倾斜监控装置及监控方法，通过三维制图软件、驱动电机的电机编码器和控制器，利用内置在控制器里的控制系统通过总倾覆力矩公式计算手术机器人运动过程中对倾覆支撑点的实时总倾覆力矩，从而在总倾覆力矩小于零或大于等于极限倾覆力矩时报警提示并控制所有驱动电机停止转动，以防止手术机器人倾斜，该监控装置和方法简单可靠，且不受任何外力干扰影响。

Description

一种手术机器人质心倾斜监控装置及监控方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，尤其是涉及一种手术机器人质心倾斜监控装置及监控方法。

背景技术

目前，手术机器人的重心倾覆通常采用在手术机器人四个支撑柱上加装压力传感器的方式进行防倾覆保护，具体是通过判断四个压力传感器的压力值是否在一定范围内保持一致来预判手术机器人是否有倾倒的风险，这种方法虽然可以达到保护目的，但是有以下几个问题：

1、容易受到系统中某个压力传感器器件异常损坏导致没有及时反馈给控制器产生误报情况，产生的误报会对设备的可靠性产生极大影响；

2、在手术机器人移动过程中如果移动过快，设置在支撑柱上的压力传感器实时性差，来不及检测支撑柱上的压力值，手术机器人就可能发生生了倾倒风险；另外压力传感器放置在手术机器人四个支撑柱上，压力值较大，需要大量程压力传感器，但大量程压力传感器价格较高，这导致手术机器人成本很高。

发明内容

本发明致力于解决上面背景技术中提出的问题，提供一种手术机器人质心倾斜监控装置及监控方法，可以实时监控手术机器人的质心倾斜情况，并做出防止倾斜的措施；另外可实时查看手术机器人的总倾覆力矩，在总倾覆力矩在安全数值范围内时可自由操作对手术机器人的各运动组件，防止因为出现倾倒趋势报警中止手术带来的手术延时影响。

在本发明实施例的一个方面，提供一种手术机器人质心倾斜监控装置，其包括手术机器人，报警器，与所述手术机器人和所述报警器耦合的控制器，以及内置在所述控制器内的控制系统；所述手术机器人包括底座、以及与所述底座相连的多个运动组件，每个所述运动组件上均设置有驱动电机，在多个所述运动组件运动过程中，获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到倾覆支撑点的水平距离，根据所述水平距离与所述底座和多个所述运动组件的重力计算所述底座和多个所述运动组件对倾覆支撑点的总倾覆力矩，当所述总倾覆力矩/>大于或等于极限倾覆力矩/>或小于零时，所述控制器控制所述报警器发出报警提示，并控制所述驱动电机停止转动。

在本发明的一个实施例中，每个所述驱动电机上还设置有电机编码器，每个所述电机编码器将实时获取的所述运动组件相对于各自零位的运动距离和旋转角度传给所述控制器，所述控制器对所述运动距离和所述旋转角度进行处理得到每个所述运动组件相对于各自零位的水平运动距离，所述控制系统根据以所述水平运动距离为变量的总倾覆力矩公式计算所述底座和多个所述运动组件对所述倾覆支撑点的所述总倾覆力矩；

多个所述运动组件按照运动执行的先后顺序包括依次相连的n个所述运动组件，其中第一个所述运动组件与所述底座相连，第n个所述运动组件用于夹持手术器械；

所述总倾覆力矩的计算公式为：

为所述底座的质心到所述倾覆支撑点的水平距离，/>为第/>个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离(/>)，/>为第/>个所述运动组件的零位质心到所述倾覆支撑点的水平距离，/>为第/>个所述运动组件相对其零位的水平运动距离，为所述底座的重力，/>为第/>个所述运动组件的重力,/>为第/>个所述运动组件的关节数量。

在本发明的一个实施例中，每个所述运动组件和所述底座的零位质心坐标与重力，以及倾覆支撑点坐标通过三维制图软件建立所述手术机器人的初始位置的零位三维模型，赋予每个所述运动组件和所述底座材质获得，并内置在所述控制系统中；

第个所述运动组件的零位质心到所述倾覆支撑点的水平距离/>通过第/>个所述运动组件的零位质心坐标和所述倾覆支撑点坐标运算得到。

在本发明的一个实施例中，所述极限倾覆力矩是通过三维制图软件建立所述手术机器人的运动极限状态下的极限位三维模型，赋予每个所述运动组件和所述底座材质获得，并内置在所述控制系统中。

在本发明的一个实施例中，所述三维制图软件包括SOLIDWORKS、UG和CATIA软件。

在本发明的一个实施例中，所述倾覆支撑点为支撑柱或支撑边。

在本发明的一个实施例中，多个所述运动组件包括与所述底座相连并能竖直方向升降的升降立柱、与所述升降立柱相连并能水平方向伸缩的伸缩横梁、与所述伸缩横梁相连并相对其能水平方向移动和水平面内转动的调整臂、以及与所述调整臂铰接的手术臂。

在本发明的一个实施例中，采用图像分析法获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离，具体采用吊装摄像机俯视所述手术机器人，通过所述摄像机捕捉所述底座和多个所述运动组件的外轮廓线，对所述外轮廓线经过图像分析获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离。

在本发明的一个实施例中，采用声波雷达定位法获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离，具体采用吊装超声波雷达传感器俯视所述手术机器人，通过所述超声波雷达传感器捕捉所述底座和多个所述运动组件的外轮廓线，通过声波分析获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离。

在本发明的一个实施例中，采用光栅尺长度检测法获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离，具体采用出厂时在所述手术机器人的多个所述运动组件上的关节上加装光栅尺并预先校正零位，所述手术机器人工作时实时采集光栅尺数据，获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离。

在本发明的一个实施例中，采用电磁导航定位法获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离，采用在所述手术机器人附近设置一个磁场发生器，在多个所述运动组件的关节上分别安装一个EMN感应传感器，所述控制器接收到每个所述EMN感应传感器传来的关节位置信息，进行处理得到所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离。

在本发明实施例的另一方面，一种手术机器人质心倾斜监控方法，其包括以下步骤：

步骤1，使用三维制图软件建立手术机器人初始位置的零位三维模型，赋予底座和每个运动组件材质，获得所述底座和每个所述运动组件的零位质心坐标、重力和倾覆支撑点坐标，并内置在控制系统中；

步骤2，使用三维制图软件建立所述手术机器人的极限位置的极限位三维模型，赋予所述底座和每个所述运动组件材质，获得所述底座和每个所述运动组件的极限位置质心对所述倾覆支撑点的极限倾覆力矩，并内置在所述控制系统中；

步骤3，所述手术机器人在运行时，控制器对每个电机编码器实时传来的所述运动组件相对各自零位的运动距离和旋转角度进行处理得到每个所述运动组件相对其零位的水平运动距离，所述控制系统读取每个运动组件的所述水平运动距离/>并根据公式（1）和公式（2）计算所述底座和每个所述运动组件的实时质心对所述倾覆支撑点的总倾覆力矩；

所述公式（1）为：

所述公式（2）为：

为所述底座（2）的质心到所述倾覆支撑点的水平距离，/>为第/>个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离(/>)，/>为第/>个所述运动组件的零位质心到所述倾覆支撑点的水平距离，/>为第/>个所述运动组件相对其零位的水平运动距离，/>为所述底座（2）的重力，/>为第/>个所述运动组件的重力,/>为第/>个所述运动组件的关节数量；

步骤4，所述控制系统判断当所述总倾覆力矩小于零或大于等于所述极限倾覆力矩/>时，所述控制器控制报警器报警并控制每个所述运动组件的上的驱动电机停止转动。

在本发明的一个实施例中，所述三维制图软件包括SOLIDWORKS、UG和CATIA软件。

在本发明的一个实施例中，所述倾覆支撑点为支撑柱或支撑边。

采用上述技术方案，本发明相比现有技术具有如下有益效果：

1、可以实时监控手术机器人质心倾斜情况，在有倾斜倾向时做出报警提示并停止驱动电机的运转以防止手术机器人进一步倾倒；

2、通过控制系统和运动组件上的编码器实时控制的总倾覆力矩值不受任何外力的影响，真实可靠；

3、可以根据实时检测的总倾覆力矩值，在总倾覆力矩值处于安全范围内时，可以较大范围的自由操作移动调整臂，调整患者手术距离，使机械臂上的手术器械定位到目标解剖位置。

参考以下描述，本申请的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本申请的实施例，且连同所述描述一起用于解释本申请的原理。

附图说明

本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本申请的完整和启发性公开内容，包括其最佳实施方式，本说明书参考了附图，在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种手术机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种手术机器人的底座结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种手术机器人的升降臂上下升降的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种手术机器人的伸缩臂水平伸缩的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种手术机器人的调整水平伸缩的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种手术机器人的手术臂调整的结构示意图。

附图标记：

1-支撑柱；2-底座；3-升降立柱；4-伸缩横梁；5-调整臂；6-手术臂。

具体实施方式

现将详细参考本申请的实施例，在图中说明本申请的实施例的一个或多个实例。每个实例是为了解释本申请而提供，而非限制本申请。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下可在本申请中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一实施例一起使用以产生再一实施例。因此，希望本申请涵盖此类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。如本说明书中所使用，术语“第一”、“第二”等可互换使用以区分一部件与另一部件而并非意图表示各个部件的位置或重要性。如说明书中所使用，除非上下文另外明确指出，否则术语“一”，“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”，“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除列出的要素外可能还有其他要素。

现在参考附图，其中在所有附图中相同的数字表示相同的元件，下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

本发明实施例提供一种手术机器人质心倾斜监控装置，在手术机器人各运动组件运行过程中，时刻关注手术机器人各组件的质心对有倾覆倾向的倾覆支撑点的总倾覆力矩是否超过极限倾覆力矩或小于零，从而导致手术机器人整体向一侧倾覆，在总倾覆力矩不小于极限倾覆力矩或小于零时该监控装置及时报警提示并控制各运动组件上的驱动电机停止转动，以防止手术机器人有倾斜趋势。

具体的，本发明实施例提供的一种手术机器人质心倾斜监控装置包括报警器，与所述手术机器人和所述报警器耦合的控制器，以及内置在所述控制器内的控制系统；所述手术机器人包括底座、以及与所述底座相连的多个运动组件，每个所述运动组件上均设置有驱动电机和电机编码器，每个所述电机编码器将实时获取的所述运动组件相对于各自零位的运动距离和旋转角度传给所述控制器，所述控制器对所述运动距离和所述旋转角度进行处理得到每个所述运动组件相对于各自零位的水平运动距离，所述控制系统根据以所述水平运动距离为变量的总倾覆力矩公式计算所述底座和多个所述运动组件对倾覆支撑点的总倾覆力矩，当所述总倾覆力矩/>大于或等于极限倾覆力矩/>或小于零时，所述控制器控制所述报警器发出报警提示，并控制所述驱动电机停止转动。

多个所述运动组件按照运动执行的先后顺序包括依次相连的n个所述运动组件，其中第一个所述运动组件与所述底座相连，第n个所述运动组件用于夹持手术刀具；

所述总倾覆力矩的计算公式为：

其中，

为所述底座的质心到所述倾覆支撑点的水平距离，/>为第/>个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离(/>)，/>为第/>个所述运动组件的零位质心到所述倾覆支撑点的水平距离，/>为第/>个所述运动组件相对其零位的水平运动距离，为所述底座的重力，/>为第/>个所述运动组件的重力,/>为第/>个所述运动组件的关节数量。

每个所述运动组件和所述底座的零位质心坐标与重力，以及倾覆支撑点坐标通过三维制图软件建立所述手术机器人的初始位置的零位三维模型，然后赋予每个所述运动组件和所述底座材质获得，并内置在所述控制系统中；

所述第个所述运动组件的零位质心到所述倾覆支撑点的水平距离/>通过第/>个所述运动组件的零位质心坐标和所述倾覆支撑点坐标得到运算得到。

所述极限倾覆力矩是通过三维制图软件建立所述手术机器人的运动极限状态下的极限位三维模型，然后赋予每个所述运动组件和所述底座材质获得，并内置在所述控制系统中。

上述的三维制图软件包括SOLIDWORKS、UG或CATIA软件。

如图1所示，本发明的实施例提供一种手术机器人质心倾斜监控装置，该质心倾斜监控装置包括手术机器人、安装在手术机器人上的控制器和报警器（未图示），以及内置在控制器内的控制系统（未图示）。其中手术机器人包括底座2、底座2的支撑脚1、与底座2相连并能竖直方向升降的升降立柱3、与升降立柱3相连并能水平方向伸缩的伸缩横梁4、与伸缩横梁4相连在水平方向可运动调整并相对伸缩横梁4可水平面转动的调整臂5、以及与调整臂5铰接的有多关节的手术臂6，其中升降立柱3、伸缩横梁4、调整臂5和手术臂6上均设置有驱动运动的驱动电机，每个驱动电机上均设置有编码器。手术机器人的运动组件：升降立柱3、伸缩横梁4、调整臂5和手术臂6被驱动电机驱动移动的过程中质心位置在不断改变，每个运动组件上的驱动电机的编码器可以实时获取每个运动组件相对其零位的运动距离和旋转角度。

在运动过程中，升降立柱3、伸缩横梁4、调整臂5和手术臂6这些运动组件的质心会发生改变，在运动到极限位置时，由于升降立柱3和伸缩横梁4伸出过长导致整个手术机器人的质心向一侧偏移过多导致手术机器人会发生倾斜。

如图1所示，由于伸缩横梁4向底座2的一侧伸缩，且调整臂5和手术臂6均设置在伸缩横梁4伸缩的方向上，随着升降立柱3、伸缩横梁4、调整臂5和手术臂6运动，升降立柱3、伸缩横梁4、调整臂5和手术臂6相对支撑脚1有发生倾覆的风险，支撑脚1为倾覆支撑点。

为了计算出手术机器人的所有组件的实时质心对支撑脚1的总倾覆力矩，需要先得到手术机器人的所有组件（包括所有运动组件和底座2）的零位质心坐标和支撑脚1的坐标，然后根据零位质心坐标和支撑脚坐标计算出每个运动组件的零位质心与支撑脚1之间的水平距离。

升降立柱3、伸缩横梁4、调整臂5和手术臂6这些运动组件的零位质心如果通过传统的机械重力法和静态质心测量法来测量，测量方法非常繁琐，本发明采用三维制图软件建立手术机器人的零位3D模型，即未运动之前的初始位置的3D模型，给每个运动组件和底座2赋予材质，三维制图软件即可计算出手术机器人的各个运动组件的零位质心坐标、支撑脚坐标和每个运动组件的重力。其中三维制图软件可以是SOLIDWORKS，UG，CATIA等。

其次需要得到所有组件极限位置时的质心对支撑脚1的极限倾覆力矩，以便于与各个运动组件运动过程中实时得到的总倾覆力矩比较。升降立柱3、伸缩横梁4、调整臂5和手术臂6运动到极限位置时，计算升降立柱3、伸缩横梁4、调整臂5和手术臂6的质心相对于支撑脚1的极限倾覆力矩，按照传统方法非常不好计算。本发明利用三维制图软件建立手术机器人各个运动组件极限位置时的三维模型，并对每个运动组件赋予材料类型，三维制图软件即可计算出各个运动组件极限位置时的质心对支撑脚1的极限倾覆力矩。同样的，三维制图软件可以是SOLIDWORKS，UG，CATIA等。

为了实时检测手术机器人的各个运动组件运动时是否有倾覆风险，需要实时检测各个运动组件运动时的实时质心对支撑脚1的总倾覆力矩是否大于或等于极限倾覆力矩。

为此，需要计算出各个运动组件的实时质心相对于支撑脚1的水平距离。上述各个运动组件的零位质心坐标和支撑脚1的坐标位置可通过三维制图软件得到，因此各个运动组件的零位质心与支撑脚1之间的水平距离可以计算出。

每个运动组件运动时其上的电机编码器可以实时得到相对于各自零位时的运动距离和旋转角度，通过运动距离和旋转角度计算出每个运动组件相对于各自零位的水平运动距离，那么每个运动组件的实时质心与支撑脚1之间的水平距离等于每个运动组件的零位质心与支撑脚1之间的水平距离，加上每个运动组件相对于各自零位的水平运动距离,以及还需要加上在该运动组件动作之前其他运动组件的水平运动导致该运动组件的实时质心与支撑脚1之间的水平距离改变的水平距离,即按照上述的公式（2）计算。

通过底座2的质心与支撑脚1之间的水平距离乘以底座2的重力加上每个运动组件的实时质心与支撑脚1之间的水平距离乘以每个运动组件的重力，然后求和得到所有组件的实时质心对支撑脚1的总倾覆力矩/>，见上述的公式（1）。

判断总倾覆力矩和极限倾覆力矩/>的大小，在总倾覆力矩/>大于等于极限倾覆力矩/>时，控制器做出报警启示并控制所有的驱动电机停止转动。

为了更好的自动实时检测总倾覆力矩的大小，需要在控制器里设置控制系统，将通过三维制图软件获得的每个组件的零位质心坐标和重力和支撑脚1的坐标，以及手术机器人极限位置时的极限倾覆力矩均写进控制系统中。每个编码器将实时获得的运动组件相对于各自零位的运动距离和旋转角度传给控制器，控制器对接收到的数据进行处理并计算每个运动组件相对各自零位的水平运动距离，控制系统通过接口读取每个运动组件相对各自零位的水平运动距离/>，按照公式（1）计算所有组件的实时质心对支撑脚1的总倾覆力矩/>，控制器比较/>与/>的大小，当/>大于或等于/>时，控制器控制报警器启动作出报警提示，同时控制所有的驱动电机停止转动。

如图2所示，为底座2的结构示意图，底座2在手术机器人运动过程中，其质心不变，所以其质心对支撑柱1的倾覆力矩为：

M2= 1500N*0.728 m= 1092 N.m

如图3所示，为升降立柱3的结构示意图，升降立柱3在手术机器人运动过程中上下运动，其质心水平方向不变，所以其质心对支撑柱1的力矩为零位质心到支撑柱1之间的水平距离乘以升降立柱3的重力：

M3= 800N * 0.622 = 498 N.m

如图4所示，为伸缩横梁4的结构示意图，伸缩横梁4在手术机器人运动过程中水平运动，其质心水平方向会发生改变，零位质心到支撑柱1之间的距离为0.279m，移动后相对其零位的水平移动距离为A=-0.55m，所以其质心对支撑柱1的力矩为：

M4=810*（0.279+A）=810 *(0.279-550)=- 220 N.M

如图5所示，为调整臂5的结构示意图，调整臂5在手术机器人运动过程中水平运动，其质心水平方向会发生改变，零位质心到支撑柱1之间的距离为0.152m，移动后相对其零位的水平移动距离为B=-0.42m，但调整臂5的实时质心相对支撑柱1的水平距离的改变需要考虑伸缩横梁4和调整臂5两者的水平移动带来的改变，所以调整臂5的实时质心对支撑柱1的倾覆力矩为：

M5=260*（0.152+A+B）=260*(0.152-0.55-0.42)= -213N.m

考虑到调整臂5有4个关节（未图示），需要在M5的基础上乘以4。

如图6所示，为手术臂6的结构示意图，手术臂6在手术机器人运动过程中水平运动，其质心水平方向会发生改变，零位质心到支撑柱1之间的距离为-0.021m，移动后相对其零位的水平移动距离为C=-0.274m，考虑其它运动组件的水平运动给手术臂6实时质心带来的影响，所以手术臂6的实时质心对支撑柱1的倾覆力矩为：

M6=-110*（0.021+A+B+C）=-110*(0.021+0.55+0.42+0.274)= -139N.m

考虑到手术臂6有4个关节，需要在M6的基础上乘以4。

此时，总倾覆力矩小于零，手术机器人在图2-图6所示的极限位置会向左侧倾倒。

此时控制器控制报警器报警提示，并控制升降立柱3、伸缩横梁4、调整臂5和手术臂6上的驱动电机停止转动。

在有些实施例中，底座下部没有设置支撑柱，底座直接作用在地面上，此时底座的有倾斜倾向的支撑边为倾覆支撑点。

在有些实施例中，是通过判断总倾覆力矩与上述的极限倾覆力矩的大小来做出报警提示的。

总之，上述的一种手术机器人质心倾斜监控装置实时监控各运动组件运动过程中的总倾覆力矩，在小于零，或达到极限倾覆力矩时控制报警器做出报警提示，并控制所有的驱动电机停止转动，以防止手术机器人倾斜。

本发明实施例还提供一种手术机器人质心倾斜监控方法，包括以下步骤：

步骤1，使用三维制图软件建立手术机器人初始位置的零位三维模型，赋予底座和每个运动组件材质，获得所述底座和每个所述运动组件的零位质心坐标、重力和倾覆支撑点坐标，并内置在控制系统中；

步骤2，使用三维制图软件建立所述手术机器人的极限位置的极限位三维模型，赋予所述底座和每个所述运动组件材质，获得所述底座和每个所述运动组件的极限位置质心对所述倾覆支撑点的极限倾覆力矩，并内置在所述控制系统中；

步骤3，所述手术机器人在运行时，控制器根据每个电机编码器实时传来的所述运动组件相对其零点的运动距离和旋转角度进行处理得到每个所述运动组件相对其零位的水平运动距离，所述控制系统读取每个运动组件的所述水平运动距离并根据公式（1）和公式（2）计算所述底座和每个所述运动组件的实时质心对所述倾覆支撑点的总倾覆力矩；

所述公式（1）为：

所述公式（2）为：

步骤4，所述控制系统判断当所述总倾覆力矩小于零或大于等于所述极限倾覆力矩/>时，所述控制器控制报警器报警并控制每个所述运动组件的上的驱动电机停止转动。

上述的三维制图软件包括是SOLIDWORKS，UG，CATIA等软件。

同样的，在倾覆支撑点为支撑柱或支撑边时，手术机器人的底座和各运动组件的实时质心分别对支撑柱或支撑边取矩计算总倾覆力矩。

有些实施例中，在手术机器人运动过程中，不采用上述的获取各运动组件实时质心到倾覆支撑点的水平运动距离的方法，而是采用图像分析法，即采用吊装摄像机来俯视整个手术机器人，通过摄像机捕捉手术机器人底座和各运动组件的外轮廓线，并以手术机器人底座的质心定位原点位置，以底座的长宽高方向定位三维坐标方向建立零位坐标系（即初始坐标系），将各运动组件的零位质心分别在零位坐标系中标定；在手术机器人的各运动组件运动过程中，利用吊装摄像机捕捉各运动组件的轮廓线，得出各运动组件的实时质心相对于初始坐标系的零位质心的实时水平运动距离，进而根据各运动组件的零位质心到倾覆支撑点的水平距离和实时水平运动距离之和计算出各运动组件的实时质心到倾覆支撑点的力臂，然后根据各运动组件的重力乘以对应的水平力臂计算总倾覆力矩。所以按照图像分析法获取各运动组件的实时质心还需要图像分析系统。

有些实施例中，在手术机器人运动过程中，不采用上述的获取各运动组件实时质心到倾覆支撑点的水平运动距离的方法，而是采用声波雷达定位法。具体的，采用吊装可扫描的超声波雷达传感器来扫描整个手术机器人，通过超声波雷达传感器捕捉患者手术机器人底座的外轮廓线，通过声波分析系统获取各运动组件的实时质心到倾覆支撑点的水平力臂。

有些实施例中，采用光栅尺长度检测法来获取实时质心到倾覆支撑点的力臂。具体的是手术机器人出厂时各运动组件上的关节加装光栅尺并预先校正零位，工作时实时采集光栅尺数据，并通过计算获得各运动组件实时质心到倾覆支撑点的水平力臂，然后计算总倾覆力矩，使系统始终处于安全状态。

有些实施例中，采用电磁导航定位法获取实时质心到倾覆支撑点的力臂，手术机器人建立一个校准好的磁场发生器，在各运动组件上的运动关节上加装EMN感应传感器，利用EMN感应传感器感应每个运动关节的位置，控制器接收到每个EMN感应传感器传来运动关节位置信息，进行处理得到各运动组件上的运动关节实时质心到倾覆支撑点的水平力臂。

本发明相对现有技术，具有以下有益效果：

1、可以实时监控手术机器人质心倾斜情况，在有倾斜倾向时做出报警提示并停止驱动电机的运转以防止手术机器人倾倒；

2、通过控制系统和运动组件上的编码器实时控制的总倾覆力矩值不受任何外力的影响，真实可靠；

3、可以根据实时检测的总倾覆力矩值，在总倾覆力矩值处于安全范围内时，可以较大范围的自由操作移动调整臂，调整患者手术距离，使机械臂上的手术器械定位到目标解剖位置。

本说明书使用实施例来公开本申请，包括最佳实施例，并且还使所属领域的技术人员能够实践本申请，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本申请的实施例及由实施例稍加改变获得的技术方案都在本专利的保护范围内。

Claims (13)

1.一种手术机器人质心倾斜监控装置，其特征在于，其包括手术机器人，报警器，与所述手术机器人和所述报警器耦合的控制器，以及内置在所述控制器内的控制系统；所述手术机器人包括底座、以及与所述底座相连的多个运动组件，每个所述运动组件上均设置有驱动电机，在多个所述运动组件运动过程中，获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到倾覆支撑点的水平距离，根据所述水平距离与所述底座和多个所述运动组件的重力计算所述底座和多个所述运动组件对倾覆支撑点的总倾覆力矩，当所述总倾覆力矩/>大于或等于极限倾覆力矩/>或小于零时，所述控制器控制所述报警器发出报警提示，并控制所述驱动电机停止转动；

每个所述驱动电机上还设置有电机编码器，每个所述电机编码器将实时获取的所述运动组件相对于各自零位的运动距离和旋转角度传给所述控制器，所述控制器对所述运动距离和所述旋转角度进行处理得到每个所述运动组件相对于各自零位的水平运动距离，所述控制系统根据以所述水平运动距离为变量的总倾覆力矩公式计算所述底座和多个所述运动组件对所述倾覆支撑点的所述总倾覆力矩；

多个所述运动组件按照运动执行的先后顺序包括依次相连的n个所述运动组件，其中第一个所述运动组件与所述底座相连，第n个所述运动组件用于夹持手术器械；

所述总倾覆力矩的计算公式为：

为所述底座的质心到所述倾覆支撑点的水平距离,/>为第/>个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离(/>)，/>为第/>个所述运动组件的零位质心到所述倾覆支撑点的水平距离，/>为第/>个所述运动组件相对其零位的水平运动距离，/>为所述底座的重力，/>为第/>个所述运动组件的重力,/>为第/>个所述运动组件的关节数量。

2.根据权利要求1所述的质心倾斜监控装置，其特征在于，

每个所述运动组件和所述底座的零位质心坐标与重力，以及倾覆支撑点坐标通过三维制图软件建立所述手术机器人的初始位置的零位三维模型，赋予每个所述运动组件和所述底座材质获得，并内置在所述控制系统中；

第个所述运动组件的零位质心到所述倾覆支撑点的水平距离/>通过第/>个所述运动组件的零位质心坐标和所述倾覆支撑点坐标运算得到。

3.根据权利要求1所述的质心倾斜监控装置，其特征在于，所述极限倾覆力矩是通过三维制图软件建立所述手术机器人的运动极限状态下的极限位三维模型，赋予每个所述运动组件和所述底座材质获得，并内置在所述控制系统中。

4.根据权利要求2或3所述的质心倾斜监控装置，其特征在于，所述三维制图软件包括SOLIDWORKS、UG和CATIA软件。

5.根据权利要求1至3任一所述的质心倾斜监控装置，其特征在于，所述倾覆支撑点为支撑柱或支撑边。

6.根据权利要求5所述的质心倾斜监控装置，其特征在于，多个所述运动组件包括与所述底座（2）相连并能竖直方向升降的升降立柱（3）、与所述升降立柱（3）相连并能水平方向伸缩的伸缩横梁（4）、与所述伸缩横梁（4）相连并相对其能水平方向移动和水平面内转动的调整臂（5）、以及与所述调整臂（5）铰接的手术臂（6）。

7.根据权利要求1所述的质心倾斜监控装置，其特征在于，

采用图像分析法获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离，具体采用吊装摄像机俯视所述手术机器人，通过所述摄像机捕捉所述底座和多个所述运动组件的外轮廓线，对所述外轮廓线经过图像分析获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离。

8.根据权利要求1所述的质心倾斜监控装置，其特征在于，

采用声波雷达定位法获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离，具体采用吊装超声波雷达传感器俯视所述手术机器人，通过所述超声波雷达传感器捕捉所述底座和多个所述运动组件的外轮廓线，通过声波分析获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离。

9.根据权利要求1所述的质心倾斜监控装置，其特征在于，

采用光栅尺长度检测法获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离，具体采用出厂时在所述手术机器人的多个所述运动组件上的关节上加装光栅尺并预先校正零位，所述手术机器人工作时实时采集光栅尺数据，获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离。

10.根据权利要求1所述的质心倾斜监控装置，其特征在于，

采用电磁导航定位法获取所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离，采用在所述手术机器人附近设置一个磁场发生器，在多个所述运动组件的关节上分别安装一个EMN感应传感器，所述控制器接收到每个所述EMN感应传感器传来的关节位置信息，进行处理得到所述底座的质心和多个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离。

11.一种手术机器人质心倾斜监控方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1，使用三维制图软件建立手术机器人初始位置的零位三维模型，赋予底座和每个运动组件材质，获得所述底座和每个所述运动组件的零位质心坐标、重力和倾覆支撑点坐标，并内置在控制系统中；

步骤2，使用三维制图软件建立所述手术机器人的极限位置的极限位三维模型，赋予所述底座和每个所述运动组件材质，获得所述底座和每个所述运动组件的极限位置质心对所述倾覆支撑点的极限倾覆力矩，并内置在所述控制系统中；

步骤3，所述手术机器人在运行时，控制器对每个电机编码器实时传来的所述运动组件相对各自零位的运动距离和旋转角度进行处理得到每个所述运动组件相对其零位的水平运动距离，所述控制系统读取每个运动组件的所述水平运动距离/>并根据公式（1）和公式（2）计算所述底座和每个所述运动组件的实时质心对所述倾覆支撑点的总倾覆力矩/>；

所述公式（1）为：所述公式（2）为: 为所述底座（2）的质心到所述倾覆支撑点的水平距离，/>为第/>个所述运动组件的实时质心到所述倾覆支撑点的水平距离(/>)，/>为第/>个所述运动组件的零位质心到所述倾覆支撑点的水平距离，/>为第/>个所述运动组件相对其零位的水平运动距离，/>为所述底座（2）的重力，/>为第/>个所述运动组件的重力,/>为第/>个所述运动组件的关节数量；

步骤4，所述控制系统判断当所述总倾覆力矩小于零或大于等于所述极限倾覆力矩时，所述控制器控制报警器报警并控制每个所述运动组件的上的驱动电机停止转动。

12.根据权利要求11所述的质心倾斜监控方法，其特征在于，所述三维制图软件包括SOLIDWORKS、UG和CATIA软件。

13.根据权利要求11所述的质心倾斜监控方法，其特征在于，所述倾覆支撑点为支撑柱或支撑边。