CN117462270A - 手术机器人的安全控制方法及相关设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种手术机器人的安全控制方法及相关设备，该方法包括：获取手术机器人的安全控制策略；获取力反馈主控端的反馈数据；判断反馈数据是否满足安全控制策略，若不满足，则生成安全提示信息和/或触发保护措施；安全提示信息用于提示当前力反馈主控端的操作出现异常，保护措施用于处理异常。本公开不仅可以避免手术机器人的硬件设备发生损坏，还可以防止出现异常的力反馈主控端对人身安全产生损害，进而有效地保障手术机器人的安全性。

Description

手术机器人的安全控制方法及相关设备

技术领域

本公开涉及机器人技术领域，尤其涉及一种手术机器人的安全控制方法及相关设备。

背景技术

手术机器人通常包括主控端和从控端，主控端能够根据操作者的手部和/或脚部的动作向从控端发送控制命令，以驱动从控端的执行器械执行相应的手术操作。

进一步地，为了提高手术操作的精度和自然性，使医生在手术过程中感受到类似于真实手的触感和力量反馈，在操作时更加自然和舒适，通常主控端采用具有力反馈功能的控制装置，即力反馈主控端。

一方面，由于力反馈主控端具有产生力反馈的驱动装置，可能会出现力反馈失效、过度等问题，另一方面，由于手术机器人操作的物体和环境复杂多变，难以预测和控制。因此，手术机器人的安全性和可靠性需要受到关注。

发明内容

本公开提供一种手术机器人的安全控制方法及相关设备，本公开的技术方案如下：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种手术机器人的安全控制方法，手术机器人包括用于执行手术动作的从控端和用于控制从控端的力反馈主控端，方法包括：获取手术机器人的安全控制策略；获取力反馈主控端的反馈数据；判断反馈数据是否满足安全控制策略，若不满足，则生成安全提示信息和/或触发保护措施；安全提示信息用于提示当前力反馈主控端的操作出现异常，保护措施用于处理异常。

可选的，安全控制策略包括安全控制项目的管控参数；安全控制项目包括关节运动管控、主从耦合控制、碰撞检测和硬件电路监测中的至少一项；判断反馈数据是否满足安全控制策略，包括：判断反馈数据是否满足安全控制项目的管控参数，若不满足则生成安全提示信息和/或触发保护措施。

可选的，当安全控制项目包括关节运动管控时，安全控制项目的管控参数包括力反馈主控端的各关节的运动限制参数；反馈数据包括施加于力反馈主控端的操作力的大小和方向；判断反馈数据是否满足安全控制项目的管控参数，若不满足则生成安全提示信息和/或触发保护措施，包括：根据施加于力反馈主控端的操作力的大小和方向，确定力反馈主控端的各关节的实时运动数据；将各关节的实时运动数据与各关节的运动限制参数进行比较，得到各关节的比较结果数据；对比较结果数据中指示实时运动数据不满足运动限制参数的故障关节，生成指示故障关节出现异常的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：对故障关节的实时运动数据进行调节、启动故障关节的限位保护装置、切断故障关节的电源和关闭故障关节的驱动电机；其中，各关节的运动限制参数包括各关节的角度限制参数、位置误差限制参数、速度限制参数、力矩限制参数中的至少一个。

可选的，安全控制项目的管控参数还包括反作用力控制参数；反馈数据还包括力反馈主控端中驱动设备施加至各关节，且与操作力相对的反作用力的大小和方向；判断反馈数据是否满足安全控制项目的管控参数，若不满足则生成安全提示信息和/或触发保护措施，还包括：判断反作用力的大小和方向是否满足反作用力控制参数，若不满足则触发以下至少一种保护措施：停止向各关节施加反作用力和切断力反馈主控端的电源。

可选的，当安全控制项目包括主从耦合控制时，安全控制项目的管控参数包括力反馈主控端与从控端之间的耦合状态开启参数；反馈数据包括力反馈主控端的手接触参数；判断反馈数据是否满足安全控制项目的管控参数，包括：判断手接触参数是否满足耦合状态开启参数；当确定手接触参数满足耦合状态开启参数时，开启力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态，使得从控端跟随力反馈主控端的运动。

可选的，安全控制项目的管控参数还包括力反馈主控端与从控端之间的耦合状态维持参数；反馈数据还包括力反馈主控端的实时运行轨迹；判断反馈数据是否满足安全控制项目的管控参数，若不满足则生成安全提示信息和/或触发保护措施，还包括：基于力反馈主控端的预测运行轨迹对实时运行轨迹进行检测，得到实时运行轨迹与预测运行轨迹之间的轨迹重合度；判断轨迹重合度是否满足耦合状态维持参数，若不满足则生成指示力反馈主控端运行轨迹异常的安全提示信息，断开力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态。

可选的，反馈数据还包括从控端反馈给力反馈主控端的从控端与被操作物之间的作用力的大小和方向；安全控制项目的管控参数还包括力反馈主控端上力反馈设备的反馈力输出范围；判断反馈数据是否满足安全控制项目的管控参数，若不满足则生成安全提示信息和/或触发保护措施，包括：根据从控端与被操作物之间的作用力的大小和方向，确定力反馈主控端待输出的反馈力数据；判断待输出的反馈力数据是否满足反馈力输出范围，若不满足则生成指示从控端反馈异常的安全提示信息，断开力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态。

可选的，当安全控制项目包括碰撞检测时，安全控制项目的管控参数包括从控端的避障参数；反馈数据包括力反馈主控端的目标位姿数据；判断反馈数据是否满足安全控制项目的管控参数，若不满足则生成安全提示信息和/或触发保护措施，包括：根据力反馈主控端的目标位姿数据，确定从控端的目标位姿数据；获取从控端的运动学模型；基于获取的从控端的当前位姿数据、从控端的目标位姿数据和从控端的运动学模型，预测从控端的运动轨迹；基于从控端的应用环境的三维虚拟模型，确定运动轨迹与应用环境中障碍物之间的碰撞参数；判断碰撞参数是否满足避障参数，若不满足则生成指示存在碰撞风险的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：撤回从控端的运动、调整从控端的位姿、修改从控端的运动轨迹和停止从控端的运动。

可选的，反馈数据还包括从控端与障碍物碰撞所产生的作用力的大小和方向；安全控制项目的管控参数还包括力反馈主控端的反馈力输出范围；判断反馈数据是否满足安全控制项目的管控参数，若不满足则生成安全提示信息和/或触发保护措施，还包括：根据从控端与障碍物碰撞所产生的作用力的大小和方向，确定力反馈设备待输出的反馈力数据；判断待输出的反馈力数据是否满足反馈力输出范围，若不满足则生成指示碰撞异常的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：撤回从控端的运动、调整从控端的位姿、修改从控端的运动轨迹和停止从控端的运动。

可选的，方法还包括：当检测到手动修改手术机器人的系统数据时，对当前修改账户的修改权限进行权限校验，得到权限校验结果；基于权限校验结果和修改的系统数据，生成修改提示信息并记录修改内容；其中，系统数据包括力反馈主控端的反馈数据、安全控制项目的管控参数和系统固定参数。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种手术机器人的安全控制装置，手术机器人包括用于执行手术动作的从控端和用于控制从控端的力反馈主控端，装置包括：第一获取模块，用于获取手术机器人的安全控制策略；第二获取模块，用于获取力反馈主控端的反馈数据；安全控制模块，用于判断反馈数据是否满足安全控制策略，若不满足，则生成安全提示信息和/或触发保护措施；安全提示信息用于提示当前力反馈主控端的操作出现异常，保护措施用于处理异常。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种手术机器人，包括力反馈主控端、从控端和本公开第二方面的安全控制装置；从控端跟随力反馈主控端的运动；安全控制装置用于对力反馈主控端和从控端进行安全控制。

根据本公开实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，当计算机可读存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行本公开实施例第一方面的手术机器人的安全控制方法。

本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

通过获取手术机器人的安全控制策略，以及获取力反馈主控端的反馈数据，对手术机器人采取相应的安全控制手段，在力反馈主控端出现异常时，可以及时地生成相应的安全提示信息并触发保护措施，不仅可以避免手术机器人的硬件设备发生损坏，还可以防止出现异常的力反馈主控端对人身安全产生损害，进而有效地保障手术机器人的安全性，为手术机器人的实际应用提供了可靠的技术支持。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理，并不构成对本公开的不当限定。

图1是根据一示例性实施例示出的一种手术机器人系统的应用场景示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种手术机器人系统中从操作设备的结构的示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种从操作设备中器械末端的部分结构示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种手术机器人的框图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种手术机器人的安全控制方法的流程图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种安全控制策略的示意图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种碰撞检测的流程图；

图8是根据一示例性实施例示出的一种力反馈主控端的硬件电路的结构框图；

图9是根据一示例性实施例示出的一种力反馈主控端的安全控制方法的流程图；

图10是根据一示例性实施例示出的一种显示页面安全控制方法的流程图；

图11是根据一示例性实施例示出的一种权限检测方法的流程图；

图12是根据一示例性实施例示出的一种手术机器人的安全控制装置的框图。

具体实施方式

为了使本领域普通人员更好地理解本公开的技术方案，下面将结合附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的第一对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1示出了一种手术机器人系统的应用场景示意图。本实施例的手术机器人系统包括主操作设备100(即力反馈主控端)、由主操作设备100控制的从操作设备200(即从控端)。

主操作设备100具有控制输入设备，其能够根据操作者的手部和/或脚部的动作向从操作设备200发送控制命令，以驱动调整从操作设备200的机械臂组件210的姿态，以及驱动机械臂组件210的执行器械执行相应的操作。

如图2和图3所示，从操作设备200具有用于执行手术动作的机械臂组件210、用于根据控制命令驱动机械臂组件210的驱动装置220，以及用于支撑驱动装置220的基座230，其中，机械臂组件210包括至少一个柔性机械臂211，每个柔性机械臂211的末端可以装载执行不同或相同手术操作的执行器械，执行器械可执行的手术操作包括但不限于夹、切、剪、缝合、电切或电凝等。例如，执行器械可以是包括但不限于持针钳类、剪类、抓持器类、施夹钳类的任一种。而持针钳类器械一般用于实现夹持、缝合、打结等操作，剪类器械一般用于实现剪线、解剖、切割等操作，抓持器类器械一般用于实现抓持、牵拉等操作，施夹钳类器械一般用于配合结扎夹进行结扎。

可选地，继续如图1所示，手术机器人系统还包括图像设备400，图像设备400用于获取内窥镜所拍摄的腔内(指患者的体腔内)的术野图像，进而对术野图像进行图像化处理，并传输至图像设备400的第一显示装置和/或主操作设备100的第二显示装置(图中未示出)进行显示，以便于操作者观察到术野图像。术野图像包括但不限于执行器械的类型、数量、在体腔内的位置和姿态，需要进行操作的目标器官组织以及周围血管的形态等等。进一步地，从操作设备200的机械臂组件210中的一个柔性机械臂211还可以装载用于辅助采集术野内图像的内窥镜，进而可以通过第一显示装置和/或第二显示装置显示。需理解的是，图像设备400所显示的图像，可以是二维或三维的图像。内窥镜可包括用于手术的各种内窥镜，诸如胸腔镜、关节镜和鼻镜等。

可选地，手术机器人系统还包括用于支撑手术对象进行手术的支撑设备300(例如，手术床)，支撑设备300也根据手术类型可替换为其它的手术平台，本实施例对此不限。

需要说明的是，图1至图3仅仅是一种示例。手术机器人系统不限于上述各图所示的设备结构或数量，在其他应用场景中可以进行相应的调整，例如增加或删减图1中的设备，调整设备或部件的数量，或者调整设备或组件的结构等。

目前，对手术机器人的安全性能要求越来越高，特别是在通过力反馈主控端在提高操作精度和操控舒适性的同时，对应的安全性和可靠性也应该受到关注，一方面，由于力反馈主控端具有产生力反馈的驱动装置，可能会出现力反馈失效、过度等问题，另一方面，由于手术机器人操作的物体和环境复杂多变，难以预测和控制，因此需要采用多种技术手段进行综合设计和实现，以确保手术机器人在使用过程中的安全性和可靠性。

现有的手术机器人可能存在的安全隐患包括但不限于：碰撞风险(如柔性机械臂211可能与支撑设备300或患者发生碰撞)、主操作设备100或从操作设备200意外启动和失控、主操作设备100中关节超范围运动和动力系统过载等问题。特别地，为了更能直观地感受，为了解决这些问题，本公开实施例提供了一种手术机器人的安全控制方法及相关设备，具有多重安全性保护措施，可以确保手术机器人在操作过程中的安全性，减少意外事故发生的概率。

下面介绍本公开实施例提供的一种手术机器人的安全控制方法的具体实施方式。本公开实施例中，如图1和图4所示，手术机器人包括用于执行手术动作的从控端、用于控制从控端的力反馈主控端、安全控制装置；安全控制装置被配置为执行本公开实施例的安全控制方法，对从控端、力反馈主控端进行安全控制，安全控制装置既可以设置在从控端，也可以设置在力反馈主控端，又或是两端分别设置，在此不作限制，其中，力反馈主控端包括至少一个主手机械臂，以及设置在主手机械臂上的至少一个关节处的至少一个电机和至少一个传感器，至少一个传感器用于获得至少一个关节的反馈数据。请参阅图5，图5是根据一示例性实施例示出的一种手术机器人的安全控制方法的流程图，包括以下步骤：

在步骤S201中，获取手术机器人的安全控制策略。

本公开实施例中，通过安全控制装置获取并执行预先制定好的安全控制策略，对从控端、力反馈主控端进行安全控制。其中，安全控制策略可以包括多个安全控制项目，多个安全控制项目包括但不限于关节运动管控、主从耦合控制、碰撞检测和硬件电路监测等。

针对各安全控制项目，结合实际操作所涉及的硬件设备和软件操作设定各安全控制项目对应的管控参数；例如，关节运动管控项目涉及力反馈主控端，相应的管控参数可以包括但不限于力反馈主控端的各关节的运动限制参数，主从耦合控制项目涉及力反馈主控端与从控端，相应的管控参数可以包括但不限于力反馈主控端与从控端之间的耦合状态开启参数和耦合状态维持参数；其中，各参数的具体含义将在下文具体实施例中展开说明，此处暂不赘述；如此，在手术机器人的实际应用过程中，基于各安全控制项目的管控参数对相应的硬件设备和软件操作进行监控，以保证硬件和软件的正常运行。

在步骤S203中，获取力反馈主控端的反馈数据。

本公开实施例中，力反馈主控端中的力反馈主控端与使用者直接交互，使用者操作力反馈主控端，使得从控端中的从控端被控制为跟随力反馈主控端的运动以执行相应的任务。因此，安全控制装置只需获取力反馈主控端的反馈数据，对力反馈主控端的反馈数据进行监控，来实现对手术机器人的安全控制。

在步骤S205中，判断反馈数据是否满足安全控制策略。

若不满足，则执行步骤S207；否则，返回步骤S203，继续获取力反馈主控端的反馈数据并对其进行判断。

本公开实施例中，各安全控制项目所需获取的力反馈主控端的反馈数据不尽相同，例如，关节运动管控项目需要获取力反馈主控端的各关节的运动限制参数，主从耦合控制项目需要获取力反馈主控端与从控端之间的耦合状态开启参数和耦合状态维持参数；安全控制装置根据各安全控制项目涉及的硬件设备和软件操作采集相应的反馈数据，然后基于各安全控制项目的管控参数对相应的反馈数据进行检测，得到检测结果数据。检测结果数据包含各安全控制项目的检测结果，例如，关节运动管控项目的检测结果，即力反馈主控端的各关节的运动是否超出限制运动范围；又例如，主从耦合控制项目的检测结果，即手接触参数是否满足耦合状态开启条件以及运行轨迹是否满足耦合状态维持条件。

其中，不同安全控制项目对应的检测方式也不尽相同，需要结合各安全控制项目的管控参数来设置相应的检测方式，各安全控制项目的具体检测方式将在下文具体实施例中展开说明，此处暂不赘述。

在步骤S207中，生成安全提示信息和/或触发保护措施；安全提示信息用于提示当前力反馈主控端的操作出现异常，保护措施用于处理异常。

本公开实施例中，安全控制装置根据各安全控制项目的检测结果数据，确定反馈数据是否满足相应的管控参数，若存在反馈数据不满足相应的管控参数，安全控制装置生成相应的安全提示信息，提示当前力反馈主控端操作出现异常，同时安全控制装置触发相应的保护措施来处理异常；安全提示信息的具体内容和具体的保护措施均与出现异常的安全控制项目有关，下文具体实施例中将针对各安全控制项目分别进行详细的说明，此处暂不赘述。

本公开实施例中，通过上述步骤S201～207，对手术机器人采取关节运动管控、主从耦合控制、碰撞检测和硬件电路监测中至少一项安全控制手段，基于各安全控制项目的管控参数对力反馈主控端的反馈数据进行检测，在力反馈主控端操作出现异常时，可以及时地生成相应的安全提示信息并触发保护措施，不仅可以避免手术机器人的硬件设备发生损坏，还可以防止力反馈主控端异常对人身安全产生损害，进而有效地保障手术机器人的操作安全性，为手术机器人的实际应用提供了可靠的技术支持。

请参阅图6，图6是本公开实施例提供的一种安全控制策略的示意图。下面结合图6对各安全控制项目的管控参数、检测方式和保护措施进行展开说明。

首先，在一些可能的实施例中，安全控制项目包括关节运动管控，相应的管控参数可以包括力反馈主控端的各关节的运动限制参数，相应的反馈数据可以包括施加于力反馈主控端的操作力的大小和方向，需要说明的是，施加于力反馈主控端的操作力的大小和方向是使用者实际操作力反馈主控端的数据；

则，上述步骤S205具体可以包括以下步骤：根据施加于力反馈主控端的操作力的大小和方向，确定力反馈主控端的各关节的实时运动数据；将各关节的实时运动数据与各关节的运动限制参数进行比较，得到各关节的比较结果数据。其中，各关节的比较结果数据指示各关节的运动是否超出了运动限制。

具体地，如图6所示，可以进一步对关节运动管控进行细分，例如关节运动管控可以包括但不限于关节角度管控、关节位置管控、关节速度管控和关节力矩管控中的至少一个；相应地，各关节的运动限制参数包括各关节的角度限制参数、位置误差限制参数、速度限制参数和力矩限制参数中的至少一个。

对关节角度管控进行展开说明：各关节的角度限制参数可以包括各关节的最大极限转角和最小极限转角；力反馈主控端的每个关节配有编码器，通过编码器获取每个关节的编码器读数，得到每个关节当前的角度值；然后，将每个关节当前的角度值与该关节的最大极限转角和最小极限转角进行比较，确定每个关节当前的角度值是否超过对应的最大极限转角和最小极限转角。这样可以当使用者试图移动超过极限角度的关节时，能够及时地检测到并进行相应处理。

对关节位置管控进行展开说明：位置误差限制参数可以指在一定的时间周期里，关节位置设定值与实际值之间的差值；该位置误差限制参数可以根据具体应用场景和手术机器人的特性进行设置，通常是由力反馈主控端制造商和开发人员共同确定的；若实时位置误差超出位置误差限制参数，会出现运动超差，因此，需要将力反馈主控端的各关节的实时位置误差与位置误差限制参数进行比较，防止力反馈主控端产生异常运动，保证操作的安全性。

对关节速度管控进行展开说明：各关节的速度限制参数即各关节的最大运动速度；力反馈主控端在主动运动过程中，可以获取各关节对应的电机的输出速度作为各关节的实时运动速度，将各关节的实时运动速度与对应的最大运动速度进行比较，实现关节的速度管控，避免各关节的运动超出极限速对硬件设备和使用者造成伤害。

对关节力矩管控进行展开说明：力反馈主控端处于被动模式即由使用者牵引操作进行主从控制时，各关节的电机处于力矩模式，力矩限制参数即电机最大输出力矩；各关节的最大输出力矩可以根据实际应用需要进行动态设定；通过实时监测力反馈主控端的各关节的输出力矩大小，将各关节的输出力矩大小与对应的最大输出力矩进行比较，可以及时发现力矩异常并进行相应的处理。

对应的，上述步骤S207具体可以包括以下步骤：针对比较结果数据中指示实时运动数据不满足运动限制参数的故障关节，这里故障关节包括当前角度值超出最大极限转角或最小极限转角的关节、实时位置误差超出位置误差限制参数的关节、实时运动速度超出最大运动速度的关节和输出力矩大小超出最大输出力矩的关节，生成指示故障关节出现异常的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：

(1)对故障关节的实时运动数据进行调节；具体地，基于故障原因对故障关节的角度、位置、速度或力矩进行调节；

(2)启动故障关节的限位保护装置；具体地，在力反馈主控端的各关节上设置限位保护装置，一旦关节出现故障，启动该限位保护装置，限制故障关节发生位移；进一步地，在机械结构设计阶段，为力反馈主控端的各关节都设计一个限位销以及配套的限位槽，从而在机械结构设计上保证力反馈主控端的关节运动不会超过关节极限位置；

(3)切断故障关节的电源，(4)关闭故障关节的驱动电机，可以避免关节继续运动导致机械结构损坏或者对人体造成危害。

上述实施例中，安全控制装置从关节角度、关节位置、关节速度和关节力矩多个方面实现对力反馈主控端的关节运动管控，通过软件手段和硬件手段相结合的方式尽量避免各关节出现运动异常，通过对力反馈主控端的反馈数据进行检测，可以在关节的运动出现异常时及时地发现并进行处理。

在一些可能的实施例中，考虑到若上述各关节的运行限制参数设置不合理，则无法及时、有效地检测出关节运动异常，仍然会导致力反馈主控端的操作出现异常，甚至引起系统崩溃造成损坏。因此，本公开实施例的安全控制方法还可以包括以下步骤：基于力反馈主控端的运动能力参数对各关节的运动限制参数进行合理性校验。若各关节的运动限制参数超出运动能力参数，生成指示参数不合理的提示信息。其中，运动能力参数指的是力反馈主控端实际能够达到的能力上限，包括但不限于实际能够达到的运动速度、关节转角、位置误差和力矩，这些参数可以根据历史应用数据统计得到或基于开发人员的经验来确定。

进一步地，安全控制装置可以在系统每次开机时，强制性地进行上述合理性校验，以确保系统工作的准确性和稳定性。通过强制性的系统校准，可以保证力反馈主控端在不同环境下的准确性，保证使用者的安全。

在一些可能的实施例中，与上文使用者施加于力反馈主控端的操作力相反的，力反馈主控端中的驱动设备会向各关节施加一个反作用力，该反作用力作用于各关节，用于提示使用者当前关节运动存在超出极限的风险；为了保证该反作用力不至于过大对使用者造成伤害，需要对该反作用力进行管控；因此，力反馈主控端的反馈数据还可以包括力反馈主控端中驱动设备施加至各关节，且与操作力相对的反作用力的大小和方向；安全控制项目的管控参数还包括反作用力控制参数，反作用力控制参数表征反作用力能够被安全感知的范围；从而可以对力反馈主控端的反馈过度进行安全控制。

则，上述步骤S205还可以包括：判断反作用力的大小和方向是否满足反作用力控制参数，若不满足则触发以下至少一种保护措施：停止向各关节施加反作用力和切断力反馈主控端的电源。

进一步地，在手术机器人的运行过程中，可以按照预设时间间隔对力反馈主控端的各关节的运动数据进行备份，从而当安全控制装置检测到力反馈主控端处于异常运动状态时，可以从备份数据中调用各关节的历史运动数据，基于各关节的历史运动数据驱动力反馈主控端，使得力反馈主控端恢复正常运动状态；其中，异常运动状态可以在关节运动异常时触发，即，只要关节角度、关节位置、关节速度和关节力矩中任一项出现异常，则力反馈主控端进入异常运动状态；进行备份的预设时间间隔可以根据实际应用需求进行设置，示例性的，可以是几秒钟或者几分钟。

上述实施例中，通过对各关节的运动限制参数进行合理性校验，可以提高关节运动异常检测的有效性，通过定期对各关节的运动数据进行备份，可以防止系统出现故障或数据丢失的情况，在系统出现故障时可以通过备份数据来恢复系统，以减少数据丢失和系统停机时间。

其次，在一些可能的实施例中，如图6所示，安全控制项目包括主从耦合控制，主从耦合控制包括主从关系开启和主从关系关闭，首先，主从关系开启对应的管控参数包括力反馈主控端与从控端之间的耦合状态开启参数，相应的反馈数据包括对力反馈主控端的操作杆进行检测得到的手接触参数；

为了防止力反馈主控端发生非预期动作，使得从控端也跟随发生运动而造成事故，在力反馈主控端增加一个手接触功能检测模块，实现只有当手放置在力反馈主控端时，才能使得从控端与力反馈主控端发生耦合关系，若未触发此模块，从控端和力反馈主控端不发生耦合关系。上述手接触参数即通过该手接触功能检测模块检测得到。

相应地，上述步骤S205具体可以包括以下步骤：判断手接触参数是否满足耦合状态开启参数。

在一个具体的实施例中，手接触功能检测模块包括漫反射传感器，漫反射传感器主要包括一个发光器和一个接收器，发光器发出光线，当光线遇到物体时，会反射回接收器。则，当物体靠近漫反射传感器时，反射光的强度会增强，接收器接收到的光信号也会变强时，手接触参数为“1”，表示有手放置在力反馈主控端上，反之，当物体远离漫反射传感器时，反射光的强度会减弱，接收器接收到的光信号也会变弱时，手接触参数为“0”，表示没有手放置在力反馈主控端上。耦合状态开启参数可以与有手放置在操作杆的情况下所设定的手接触参数一致，这样将手接触参数与耦合状态开启参数进行比较时，直接比较两个参数是否一致。

从而，当确定手接触参数满足耦合状态开启参数时，开启力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态，使得从控端跟随力反馈主控端的运动。若接触参数不满足耦合状态开启参数，则不开启力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态，避免操作杆被其他物体碰撞引起从控端的跟随而造成事故。

其次，在主从耦合控制中，主从关系关闭对应的管控参数包括力反馈主控端与从控端之间的耦合状态维持参数，相应的反馈数据还包括力反馈主控端的实时运行轨迹；

则，上述步骤S205具体还可以包括以下步骤：基于力反馈主控端的预测运行轨迹对实时运行轨迹进行检测，得到实时运行轨迹与预测运行轨迹之间的轨迹重合度；判断轨迹重合度是否满足耦合状态维持参数，若不满足则生成指示力反馈主控端运行轨迹异常的安全提示信息，断开力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态。

其中，力反馈主控端的预测运行轨迹可以根据现有技术中轨迹预测算法进行预测得到，轨迹重合度的计算方式也可以参照相关领域中的轨迹重合度计算方式，本公开不再展开叙述；这里，轨迹重合度的范围可以在[0,1]之间，耦合状态维持参数可以是1或接近1的任意数值，根据实际应用需求进行设置；具体的，当轨迹重合度小于耦合状态维持参数时，确定轨迹重合度不满足耦合状态维持参数。

对应地，上述步骤S207具体还可以包括以下步骤：当确定轨迹重合度不满足耦合状态维持参数时，生成指示力反馈主控端运行轨迹异常的安全提示信息，断开力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态。

上述实施例中，基于力反馈主控端的预测运行轨迹对力反馈主控端的实时运行轨迹进行检测，在运行轨迹发生偏移时，快速地断开力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态，从而可以避免使用者误操作致使力反馈主控端突然发生大范围运动，进而引起从控端的跟随运动而造成事故的情况。

如此，通过对手术机器人进行主从耦合控制，在确认处于安全操作的情况下才开启力反馈主控端与从控端之间的耦合关系，在出现异常的情况下自动关闭力反馈主控端与从控端之间的耦合关系，可以保证手术机器人的操作安全性。

在一些可能的实施例中，从控端操作被操作物时，从控端可以将其与被操作物之间作用力的大小和方向反馈给力反馈主控端，然后通过力反馈主控端上的力反馈设备将其反馈给使用者，使得使用者感知到其对被操作物实际所施加的操作力度；相应的，安全控制项目的管控参数还包括力反馈主控端上力反馈设备的反馈力输出范围；相应的，反馈数据还可以包括从控端反馈给力反馈主控端的从控端与被操作物之间的作用力的大小和方向；从而可以对力反馈主控端的反馈失效进行安全控制。

则上述步骤S205可以包括：根据从控端与被操作物之间的作用力的大小和方向，确定力反馈主控端的待输出的反馈力数据；判断待输出的反馈力数据是否满足反馈力输出范围，若不满足则生成指示从手反馈异常的安全提示信息，断开力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态。

其中，力反馈装置通过驱动装置(例如电机)向使用者输出反馈的作用力；反馈力输出范围指，能够被使用者安全感知的范围。若待输出的反馈力数据超出能够被使用者安全感知的范围，则为了避免对使用者造成伤害，可以立即断开力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态，使得力反馈主控端不会将该反馈力传递给使用者。

在一些可能的实施例中，为了避免从控端在工作时与应用环境中其他物体发生碰撞，如图6所示，安全控制项目包括碰撞检测，相应的管控参数包括从控端的避障参数，相应的反馈数据包括力反馈主控端的目标位姿数据；

则，上述步骤S205具体可以包括如图7所示的以下步骤：

S401：根据力反馈主控端的目标位姿数据，确定从控端的目标位姿数据。

该步骤中，利用现有的主从控制算法，根据力反馈主控端的目标位姿数据计算从控端的目标位姿数据，实现将力反馈主控端的运动映射到从手。位姿数据包括位置、速度、加速度等信息，可以使用编码器等传感器设备来获取这些信息。

S403：获取从控端的运动学模型。

该步骤中，根据从控端的几何结构建立从控端的运动学模型；具体地，通过建模软件例如CAD软件进行建模，包括从控端各个关节、各个部件之间的连接和运动方式等。

S405：基于获取的从控端的当前位姿数据、从控端的目标位姿数据和从控端的运动学模型，预测从控端的运动轨迹。

该步骤中，根据从控端的当前位姿数据、从控端的目标位姿数据和从控端的运动学模型，通过运动规划算法，计算出从控端的运动轨迹，以根据运动轨迹控制从控端的各个关节运动到目标位姿。其中，运动规划算法可以包括基于逆向运动学(IK)的规划算法、基于最优化的规划算法等。

从控端的运动过程中可能受到摩擦力、惯性等因素的影响，因此可以对预测的运行轨迹进行优化，以得到更加准确地从控端的运动轨迹。具体地，在计算从控端的运动轨迹时，还可以考虑从控端的约束条件，例如避免与障碍物碰撞、避免从控端关节运动超限制等。

在执行从控端的运动轨迹时，可以不断地实时更新从控端的姿态，以确保机械臂能够按照预期的轨迹移动。可以通过控制算法来实现姿态的实时更新，例如基于比例-积分-微分(PID)控制器的算法等。

S407：基于从控端的应用环境的三维虚拟模型，确定运动轨迹与应用环境中障碍物之间的碰撞参数。

该步骤中，安全控制装置需要根据从控端的应用环境，建立该应用环境的三维虚拟模型，然后基于应用环境的三维虚拟模型，确定从控端的运动轨迹与该应用环境中障碍物之间的碰撞参数，这里碰撞参数可以包括从控端与障碍物之间的实际距离。当应用环境为手术环境时，可以对手术台、手术器械、患者身体等进行建模，障碍物可以包括手术设备、患者身体组织或其他虚拟障碍物，还可以根据实际应用情况，对从控端的每个部件建立相应的碰撞体和形状，以预防突然出现的其他障碍物。例如，对于从控端的各个关节，可以建立一个球形碰撞体，并设置其大小和位置。

S409：判断碰撞参数是否满足避障参数。

若满足，则表示从控端不会与障碍物发生碰撞，则结束流程；若不满足，则执行步骤S411。

S411：安全控制装置生成指示存在碰撞风险的安全提示信息，触发保护措施。

具体地，避障参数可以包括从控端与障碍物之间的安全距离，即从控端与障碍物不发生碰撞的最小距离；将碰撞参数与避障参数进行比较，确定碰撞参数是否小于避障参数，即从控端与障碍物之间的实际距离是否小于最小距离。当确定碰撞参数小于避障参数时，从控端与障碍物之间的实际距离小于安全距离，则触发以下至少一种保护措施：撤回从控端的运动、调整从控端的位姿、修改从控端的运动轨迹和停止从控端的运动。

上述实施例中，对从控端的运动轨迹进行预测，根据预测的运动轨迹判断从控端是否会与应用环境中障碍物发生碰撞，从而及时地调整从控端的运动，避免发生碰撞事故，提高手术机器人在操作过程中的安全性。

在一些可能的实施例中，若从控端与障碍物发生了碰撞，还可以通过力反馈主控端上力反馈设备反馈给使用者，可以提醒使用者发生了碰撞，但力反馈设备输出的力仍然需要在使用者能够安全感知的范围内，因此，安全控制项目的管控参数还包括力反馈主控端上力反馈设备的反馈力输出范围的力，相应的，反馈数据还包括从控端与障碍物碰撞所产生的作用力的大小和方向；

则，上述步骤S205还包括：根据从控端与障碍物碰撞所产生的作用力的大小和方向，确定力反馈主控端的待输出的反馈力数据；判断待输出的反馈力数据是否满足反馈力输出范围。

其中，反馈力输出范围表示，能够被使用者安全感知的范围。该范围可以与上文实施例所提到的反馈力输出范围相同，也可以不同；根据实际应用设计调整，本申请对反馈力输出范围不作限定。进一步地，若不满足则生成指示碰撞异常的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：撤回从控端的运动、调整从控端的位姿、修改从控端的运动轨迹和停止从控端的运动。

在一些可能的实施例中，为了保证手术机器人的硬件电路的安全性，如图6所示，安全控制项目包括硬件电路监测，硬件电路监测包括对力反馈主控端的硬件电路中至少一个电路元器件进行监测，常见的如电源监测和驱动器监测，相应的管控参数包括力反馈主控端的硬件电路中至少一件电路元器件的电气安全参数；

力反馈主控端的硬件电路在搭建时应当采用符合安全标准的电路元器件和线缆，并且配备过载保护、漏电保护等措施，以保证使用者的电气安全；如图8所示，图8是本公开实施例提供的一种力反馈主控端的硬件电路的结构框图，包括电源、安全继电器、驱动器、紧急急停按钮和控制输入设备；

其中，紧急急停按钮用于在紧急情况下迅速停止力反馈主控端的运动。按下紧急停止按钮时，会立即切断力反馈主控端的电源，马上停止所有运动，以避免潜在的危险情况。通常，紧急停止按钮的位置应该是在使用者手边，并且易于访问。当紧急急停按钮动作后，将紧急急停按钮动作信号传送到力反馈主控端的显示装置或者如图1所示的图像设备400中，通过显示界面显示指示紧急急停按钮被按下的信息，并通过闪烁灯以及语音播报进行提示。

其中，安全继电器可以当紧急停止按钮被触发时，可靠地切断电源供应，以避免潜在的危险情况，保证系统的安全性。

其中，电源应选择合适的电源供应方式，如交流电源或直流电源，并且需要采用可靠的电源保护装置，如过压保护、过流保护等；

相应的上述步骤S205可以包括以下步骤：判断硬件电路中电源的输出电压、输出电流是否满足电源的电气安全参数；当电源的输出电压、输出电流超出过压保护、过流保护所设定的安全参数时，通过电源保护装置对电源进行电压或电流调整；

其中，驱动器用于驱动力反馈主控端各关节和从控端各关节的关节运动；驱动器可以采用具有过流保护、过压保护、过热保护的驱动器，能够可靠安全进行驱动控制；通过EPOS Studio上位机软件设置驱动器的过流保护、过压保护、过热保护各自对应的安全参数；相应的上述步骤S205还可以包括以下步骤：判断硬件电路中驱动器的负载、驱动电流、驱动电压、环境温度是否满足驱动器的电气安全参数；当驱动电流超过额定电流或环境温度超过预设温度或驱动电压超过额定电压或负载超过预设负载时，驱动器会立即停止输出，避免驱动器及电机出现损坏；

此外，硬件电路中各电路元器件需要采用符合安全标准的绝缘材料，并且需要进行绝缘测试以确保绝缘性能符合要求；以及进行接地保护和短路保护，对电路进行接地，采用合适的短路保护装置，如熔断器或保险丝等，以确保人身安全和设备安全。

上述实施例中，通过对力反馈主控端的硬件电路进行监测，保证各电路元器件在各自的电气安全参数下正常工作，可以提高力反馈主控端的硬件电路的安全性，保证电气安全。

在一些可能的实施例中，本公开实施例的安全控制方法还可以包括如图9所示的以下步骤：

S601：在显示页面中弹出安全提示窗口，在安全提示窗口中显示安全提示信息；安全提示信息包括异常类型、异常原因和解决方案中的至少一个。

该步骤中，安全控制装置预先基于各安全控制项目对可能出现的异常进行分类，确定各异常的类型，如关节运动异常、主从耦合关系异常、碰撞异常、电路故障异常等；在出现各异常时，在力反馈主控端的显示装置提供的或如图1所示的图像设备400提供的显示页面中弹出安全提示窗口，显示异常类型、异常原因和解决方案中至少一项安全提示信息，同时可以将异常类型、异常原因记录在异常日志中，以便使用者可以快速发现异常，并识别异常问题所在以及采取相应的措施。其中，解决方案可以包括建议的操作步骤、相关文档链接、联系技术支持等。

S603：通过声音播报设备，播放与异常类型对应的安全提示声音。

该步骤中，安全控制装置可以为不同异常类型配置不同的安全提示声音，如蜂鸣声、警报声、提示音等，通过力反馈主控端或图像设备400的声音播报设备，播放与异常类型对应的安全提示声音，使用者无需查看显示页面也可以及时地了解异常情况。

S605：通过异常指示灯，显示与异常类型对应的颜色灯光。

该步骤中，安全控制装置可以为不同异常类型配置不同的指示灯颜色，在出现异常时，可以通过力反馈主控端或图像设备400的异常指示灯来闪烁不同颜色的灯光，提示用户当前出现的是哪种异常，便于使用者快速地了解当前异常的严重程度。

上述实施例中，在力反馈主控端操作出现异常时，通过力反馈主控端的显示页面、声音播报设备和异常指示灯，及时地向使用者提供明确的异常信息，以便使用者能够快速发现并解决问题。

在一些可能的实施例中，本公开实施例的安全控制方法还可以包括如图10所示的以下步骤：

S701：基于显示页面中各显示元素所实现的功能，对各显示元素的大小、颜色、形状进行设置，对相邻显示元素之间的间距进行设置。

具体地，根据显示页面中各显示元素所实现的功能，常用的如触发按钮、输入文本框这类显示元素，可以将这类常用的显示元素进行增大，同时将相邻的显示元素之间的间距拉大；采用易于区分的形状和颜色来区分不同的显示元素，例如矩形、圆形等，这样可以减少误触的概率；此外，针对触发按钮，可以将其放置在使用者容易操作到的位置，避免将重要的按钮放在不易触及的位置。

S703：当检测到针对各显示元素的长按操作，触发长按操作对应的功能。

该步骤中，通过长按操作来区分单击和双击操作，当检测到针对各显示元素的长按操作，触发长按操作对应的功能，这样可以减少误触的概率。本公开其他实施例中，除了长按操作，还可以提供更加复杂的手势操作，例如拖动、滑动等，不仅可以减少误触的概率，还可以提高交互体验。

此外，为进一步减少使用者误触的概率，避免误触导致误操作，在进行一些重要的操作之前，还可以在操作页面上弹出确认对话框，提示使用者对当前操作进行确认；或者，降低触摸屏或鼠标的灵敏度；进一步地，在操作页面上提供撤销操作按钮，以帮助用户纠正误操作，尤其是在执行一些不可逆操作的时候，如删除数据等。

上述实施例中，通过对力反馈主控端或图像设备400所提供的显示页面中的显示元素以及用户操作进行设计，可以有效地减少误触的概率，提高界面的易用性和用户体验。

在一些可能的实施例中，本公开实施例的安全控制方法还可以包括如图11所示的以下步骤：

S801：当检测到手动修改手术机器人的系统数据时，对当前修改账户的修改权限进行权限校验，得到权限校验结果。

具体地，安全控制装置可以根据力反馈主控端不同使用者的用户角色，定义不同的权限层次结构。使用者在操作力反馈主控端时，需要登录相应的账户，安全控制装置对使用者的权限进行验证，确定使用者的角色和权限等级，并根据使用者的角色和权限等级控制使用者的操作和访问。

一般而言，力反馈主控端使用者的角色可以包括最高管理员、普通管理员和普通用户，不同角色拥有不同的权限等级，权限等级可以包括查看、添加、修改、删除等；安全控制装置可以根据登录的账户信息确定该账户对应的用户角色，并获得该账户对应的权限等级；在检测到手动修改手术机器人的系统数据的操作时，安全控制装置可以对当前修改账户的修改权限进行权限校验，即获取当前修改账户的权限等级，确定其是否具有修改权限，得到指示具有修改权限或不具有修改权限的权限校验结果；其中，系统数据包括力反馈主控端的反馈数据、安全控制项目的管控参数和系统固定参数。

进一步地，安全控制装置可以通过权限授权和撤销来设置或取消使用者的权限。权限的授权和撤销可以通过力反馈主控端或图像设备400所提供的显示页面或输入命令行指令来实现，具备最高权限的使用者账户可以选择用户或用户组，并设置相应的权限等级。

S803：基于权限校验结果和修改的系统数据，生成修改提示信息并记录修改内容。

具体的，当权限校验结果指示不具备修改权限时，安全控制装置可以生成指示当前修改账户没有修改权限的提示信息；当权限校验结果指示具备修改权限时，安全控制装置可以生成指示修改成功或失败的提示信息，或者进一步地为了避免使用者误操作，生成确认修改的提示信息，以便使用者对修改操作进行二次确认；进一步地，安全控制装置还可以生成指示手动修改的关节的运动数据符合该关节的运动限制参数或不符合所述各关节的运动限制参数的提示信息，可以避免因为错误的参数设置导致系统的异常运行。其次，在检测到修改操作时，安全控制装置可以记录相应的修改内容，修改内容可以包括但不限于修改的系统数据、当前修改账户和修改时间等。

上述实施例中，安全控制装置通过设置不同层次的权限，可以避免未授权人员随意修改参数导致系统出现异常；对系统中的各项操作进行控制和限制，对权限的使用情况进行记录和审计，便于后续对系统中的权限问题进行监控和调整，如此可以确保系统的安全性和稳定性，减少因人为操作而导致的系统故障和数据丢失等问题。

综上，本公开实施例提供的一种手术机器人的安全控制方法，采用多种技术手段进行综合设计，实现对不同安全项目的管控，可以确保系统在使用过程中的安全性和可靠性。首先，从关节角度、关节位置、关节速度和关节力矩多个方面对力反馈主控端的反馈数据进行检测，可以及时地发现并处理关节运动异常，避免对操作者或周围环境造成的伤害或损失；其次，通过对手术机器人进行主从耦合控制，在确认处于安全操作的情况下才开启力反馈主控端与从控端之间的耦合关系，在出现异常的情况下自动关闭力反馈主控端与从控端之间的耦合关系，可以保证手术机器人的操作安全性；其次，通过快速准确地模拟从控端在真实环境中的运动和碰撞情况，有效预防机械碰撞，可以避免碰撞事故导致的对操作者或周围环境造成的伤害或损失；其次，对力反馈主控端的硬件电路进行电气安全管控，可以能够有效避免系统在工作中出现因硬件故障引起的异常情况，保障系统的稳定，提高系统的安全性。

下面介绍本公开实施例的一种手术机器人的安全控制装置的具体实施例。图12是根据一示例性实施例示出的一种手术机器人的安全控制装置框图。参照图12，该装置包括第一获取模块901、第二获取模块902和安全控制模块903；

第一获取模块901，用于获取手术机器人的安全控制策略；

第二获取模块902，用于获取力反馈主控端的反馈数据；

安全控制模块903，用于判断反馈数据是否满足安全控制策略，若不满足，则生成安全提示信息和/或触发保护措施；安全提示信息用于提示当前力反馈主控端操作出现异常，保护措施用于处理异常。

在一些可能的实施例中，安全控制策略包括安全控制项目的管控参数；安全控制项目包括关节运动管控、主从耦合控制、碰撞检测和硬件电路监测中的至少一项；安全控制模块903，还用于判断反馈数据是否满足安全控制项目的管控参数，若不满足则生成安全提示信息和/或触发保护措施。

在一些可能的实施例中，当安全控制项目包括关节运动管控时，安全控制项目的管控参数包括力反馈主控端的各关节的运动限制参数；反馈数据包括施加于力反馈主控端的操作力的大小和方向；安全控制模块903，还用于根据施加于力反馈主控端的操作力的大小和方向，确定力反馈主控端的各关节的实时运动数据；将各关节的实时运动数据与各关节的运动限制参数进行比较，得到各关节的比较结果数据；对比较结果数据中指示实时运动数据不满足运动限制参数的故障关节，生成指示故障关节出现异常的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：对故障关节的实时运动数据进行调节、启动故障关节的限位保护装置、切断故障关节的电源和关闭故障关节的驱动电机；其中，各关节的运动限制参数包括各关节的角度限制参数、位置误差限制参数、速度限制参数、力矩限制参数中的至少一个。

在一些可能的实施例中，安全控制项目的管控参数还包括反作用力控制参数；反馈数据还包括力反馈主控端中驱动设备施加至各关节，且与操作力相对的反作用力的大小和方向；安全控制模块903，还用于判断反作用力的大小和方向是否满足反作用力控制参数，若不满足则触发以下至少一种保护措施：停止向各关节施加反作用力和切断力反馈主控端的电源。

在一些可能的实施例中，当安全控制项目包括主从耦合控制时，安全控制项目的管控参数包括力反馈主控端与从控端之间的耦合状态开启参数；反馈数据包括力反馈主控端的手接触参数；安全控制模块903，还用于判断手接触参数是否满足耦合状态开启参数；当确定手接触参数满足耦合状态开启参数时，开启力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态，使得从控端跟随力反馈主控端的运动。

在一些可能的实施例中，安全控制项目的管控参数还包括力反馈主控端与从控端之间的耦合状态维持参数；反馈数据还包括力反馈主控端的实时运行轨迹；安全控制模块903，还用于基于力反馈主控端的预测运行轨迹对实时运行轨迹进行检测，得到实时运行轨迹与预测运行轨迹之间的轨迹重合度；判断轨迹重合度是否满足耦合状态维持参数，若不满足则生成指示力反馈主控端运行轨迹异常的安全提示信息，断开力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态。

在一些可能的实施例中，反馈数据还包括从控端反馈给力反馈主控端的从控端与被操作物之间的作用力的大小和方向；安全控制项目的管控参数还包括力反馈主控端上力反馈设备的反馈力输出范围；安全控制模块903，还用于根据从控端与被操作物之间的作用力的大小和方向，确定力反馈主控端待输出的反馈力数据；判断待输出的反馈力数据是否满足反馈力输出范围，若不满足则生成指示从控端反馈异常的安全提示信息，断开力反馈主控端与从控端之间的主从耦合状态。

在一些可能的实施例中，当安全控制项目包括碰撞检测时，安全控制项目的管控参数包括从控端的避障参数；反馈数据包括力反馈主控端的目标位姿数据；安全控制模块903，还用于根据力反馈主控端的目标位姿数据，确定从控端的目标位姿数据；获取从控端的运动学模型；基于获取的从控端的当前位姿数据、从控端的目标位姿数据和从控端的运动学模型，预测从控端的运动轨迹；基于从控端的应用环境的三维虚拟模型，确定运动轨迹与应用环境中障碍物之间的碰撞参数；判断碰撞参数是否满足避障参数，若不满足则生成指示存在碰撞风险的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：撤回从控端的运动、调整从控端的位姿、修改从控端的运动轨迹和停止从控端的运动。

在一些可能的实施例中，反馈数据还包括从控端与障碍物碰撞所产生的作用力的大小和方向；安全控制项目的管控参数还包括力反馈主控端的反馈力输出范围；安全控制模块903，还用于：根据从控端与障碍物碰撞所产生的作用力的大小和方向，确定力反馈设备待输出的反馈力数据；判断待输出的反馈力数据是否满足反馈力输出范围，若不满足则生成指示碰撞异常的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：撤回从控端的运动、调整从控端的位姿、修改从控端的运动轨迹和停止从控端的运动。

在一些可能的实施例中，安全控制模块903，还用于当检测到手动修改手术机器人的系统数据时，对当前修改账户的修改权限进行权限校验，得到权限校验结果；基于权限校验结果和修改的系统数据，生成修改提示信息并记录修改内容；其中，系统数据包括力反馈主控端的反馈数据、安全控制项目的管控参数和系统固定参数。

下面介绍本公开实施例的一种手术机器人的具体实施例。本公开实施例还提供一种手术机器人，包括力反馈主控端、从控端和上述实施例中的安全控制装置；手术机器人的框图如图4所示，从控端跟随力反馈主控端的运动；安全控制装置用于对力反馈主控端、从控端进行安全控制。

关于上述实施例中的装置和系统，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

本公开实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，当该存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行本公开实施例中的手术机器人的安全控制方法。其中，电子设备可以指上述实施例中的安全控制装置。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (13)

1.一种手术机器人的安全控制方法，其特征在于，所述手术机器人包括用于执行手术动作的从控端和用于控制所述从控端的力反馈主控端，所述方法包括：

获取所述手术机器人的安全控制策略；

获取所述力反馈主控端的反馈数据；

判断所述反馈数据是否满足所述安全控制策略，若不满足，则生成安全提示信息和/或触发保护措施；

所述安全提示信息用于提示当前力反馈主控端的操作出现异常，所述保护措施用于处理所述异常。

2.根据权利要求1所述的手术机器人的安全控制方法，其特征在于，所述安全控制策略包括安全控制项目的管控参数；

所述安全控制项目包括关节运动管控、主从耦合控制、碰撞检测和硬件电路监测中的至少一项；

所述判断所述反馈数据是否满足所述安全控制策略，包括：

判断所述反馈数据是否满足所述安全控制项目的管控参数，若不满足则生成所述安全提示信息和/或触发所述保护措施。

3.根据权利要求2所述的手术机器人的安全控制方法，其特征在于，当所述安全控制项目包括所述关节运动管控时，所述安全控制项目的管控参数包括所述力反馈主控端的各关节的运动限制参数；

所述反馈数据包括施加于所述力反馈主控端的操作力的大小和方向；

所述判断所述反馈数据是否满足所述安全控制项目的管控参数，若不满足则生成所述安全提示信息和/或触发所述保护措施，包括：

根据所述施加于所述力反馈主控端的操作力的大小和方向，确定所述力反馈主控端的各关节的实时运动数据；

将所述各关节的实时运动数据与所述各关节的运动限制参数进行比较，得到所述各关节的比较结果数据；

对所述比较结果数据中指示实时运动数据不满足运动限制参数的故障关节，生成指示所述故障关节出现异常的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：对所述故障关节的实时运动数据进行调节、启动所述故障关节的限位保护装置、切断所述故障关节的电源和关闭所述故障关节的驱动电机；

其中，所述各关节的运动限制参数包括所述各关节的角度限制参数、位置误差限制参数、速度限制参数、力矩限制参数中的至少一个。

4.根据权利要求3所述的手术机器人的安全控制方法，其特征在于，所述安全控制项目的管控参数还包括反作用力控制参数；

所述反馈数据还包括所述力反馈主控端中驱动设备施加至所述各关节，且与所述操作力相对的反作用力的大小和方向；

所述判断所述反馈数据是否满足所述安全控制项目的管控参数，若不满足则生成所述安全提示信息和/或触发所述保护措施，还包括：

判断所述反作用力的大小和方向是否满足所述反作用力控制参数，若不满足则触发以下至少一种保护措施：停止向所述各关节施加所述反作用力和切断所述力反馈主控端的电源。

5.根据权利要求2所述的手术机器人的安全控制方法，其特征在于，当所述安全控制项目包括所述主从耦合控制时，所述安全控制项目的管控参数包括所述力反馈主控端与所述从控端之间的耦合状态开启参数；

所述反馈数据包括所述力反馈主控端的手接触参数；

所述判断所述反馈数据是否满足所述安全控制项目的管控参数，包括：

判断所述手接触参数是否满足所述耦合状态开启参数；

当确定所述手接触参数满足所述耦合状态开启参数时，开启所述力反馈主控端与所述从控端之间的主从耦合状态，使得所述从控端跟随所述力反馈主控端的运动。

6.根据权利要求5所述的手术机器人的安全控制方法，其特征在于，所述安全控制项目的管控参数还包括所述力反馈主控端与所述从控端之间的耦合状态维持参数；

所述反馈数据还包括所述力反馈主控端的实时运行轨迹；

所述判断所述反馈数据是否满足所述安全控制项目的管控参数，若不满足则生成所述安全提示信息和/或触发所述保护措施，还包括：

基于所述力反馈主控端的预测运行轨迹对所述实时运行轨迹进行检测，得到所述实时运行轨迹与所述预测运行轨迹之间的轨迹重合度；

判断所述轨迹重合度是否满足所述耦合状态维持参数，若不满足则生成指示所述力反馈主控端运行轨迹异常的安全提示信息，断开所述力反馈主控端与所述从控端之间的主从耦合状态。

7.根据权利要求6所述的手术机器人的安全控制方法，其特征在于，所述反馈数据还包括所述从控端反馈给所述力反馈主控端的所述从控端与被操作物之间的作用力的大小和方向；

所述安全控制项目的管控参数还包括所述力反馈主控端上力反馈设备的反馈力输出范围；

所述判断所述反馈数据是否满足所述安全控制项目的管控参数，若不满足则生成所述安全提示信息和/或触发所述保护措施，包括：

根据所述从控端与被操作物之间的作用力的大小和方向，确定所述力反馈主控端待输出的反馈力数据；

判断所述待输出的反馈力数据是否满足所述反馈力输出范围，若不满足则生成指示从控端反馈异常的安全提示信息，断开所述力反馈主控端与所述从控端之间的主从耦合状态。

8.根据权利要求2所述的手术机器人的安全控制方法，其特征在于，当所述安全控制项目包括所述碰撞检测时，所述安全控制项目的管控参数包括所述从控端的避障参数；所述反馈数据包括所述力反馈主控端的目标位姿数据；

所述判断所述反馈数据是否满足所述安全控制项目的管控参数，若不满足则生成所述安全提示信息和/或触发所述保护措施，包括：

根据所述力反馈主控端的目标位姿数据，确定所述从控端的目标位姿数据；

获取所述从控端的运动学模型；

基于获取的所述从控端的当前位姿数据、所述从控端的目标位姿数据和所述从控端的运动学模型，预测所述从控端的运动轨迹；

基于所述从控端的应用环境的三维虚拟模型，确定所述运动轨迹与所述应用环境中障碍物之间的碰撞参数；

判断所述碰撞参数是否满足所述避障参数，若不满足则生成指示存在碰撞风险的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：撤回所述从控端的运动、调整所述从控端的位姿、修改所述从控端的运动轨迹和停止所述从控端的运动。

9.根据权利要求8所述的手术机器人的安全控制方法，其特征在于，所述反馈数据还包括所述从控端与障碍物碰撞所产生的作用力的大小和方向；所述安全控制项目的管控参数还包括所述力反馈主控端的反馈力输出范围；

所述判断所述反馈数据是否满足所述安全控制项目的管控参数，若不满足则生成所述安全提示信息和/或触发所述保护措施，还包括：

根据所述从控端与障碍物碰撞所产生的作用力的大小和方向，确定所述力反馈设备待输出的反馈力数据；

判断所述待输出的反馈力数据是否满足所述反馈力输出范围，若不满足则生成指示碰撞异常的安全提示信息，触发以下至少一种保护措施：撤回所述从控端的运动、调整所述从控端的位姿、修改所述从控端的运动轨迹和停止所述从控端的运动。

10.根据权利要求2所述的手术机器人的安全控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当检测到手动修改所述手术机器人的系统数据时，对当前修改账户的修改权限进行权限校验，得到权限校验结果；

基于所述权限校验结果和修改的系统数据，生成修改提示信息并记录修改内容；

其中，所述系统数据包括所述力反馈主控端的反馈数据、所述安全控制项目的管控参数和系统固定参数。

11.一种手术机器人的安全控制装置，其特征在于，所述手术机器人包括用于执行手术动作的从控端和用于控制所述从控端的力反馈主控端，所述装置包括：

第一获取模块，用于获取所述手术机器人的安全控制策略；

第二获取模块，用于获取所述力反馈主控端的反馈数据；

安全控制模块，用于判断所述反馈数据是否满足所述安全控制策略，若不满足，则生成安全提示信息和/或触发保护措施；所述安全提示信息用于提示当前力反馈主控端的操作出现异常，所述保护措施用于处理所述异常。

12.一种手术机器人，其特征在于，包括力反馈主控端、从控端和如权利要求11所述的安全控制装置；

所述从控端跟随所述力反馈主控端的运动；

所述安全控制装置用于对所述力反馈主控端和所述从控端进行安全控制。

13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机可读存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得所述电子设备能够执行如权利要求1-10中任一项所述的手术机器人的安全控制方法。