CN117653343A - 一种手术机器人智能动力控制方法及装置 - Google Patents

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CN117653343A CN202311508352.3A CN202311508352A CN117653343A CN 117653343 A CN117653343 A CN 117653343A CN 202311508352 A CN202311508352 A CN 202311508352A CN 117653343 A CN117653343 A CN 117653343A
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Abstract

本申请提供了一种手术机器人智能动力控制方法及装置，所述方法包括：在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴线方向的作用力；基于摆锯锯片轴线方向的所述作用力，对机械臂在摆锯锯片轴线方向的运动进行主动柔顺控制；获取摆锯在摆锯锯片轴线方向的实际增量；基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频；基于摆锯的所述实时摆频，对手术机器人及摆锯进行控制。本申请中，通过感知机械臂的外作用力，确定摆锯在锯片轴线方向的输出；结合摆锯的实际增量，确定摆锯当前需要执行的实时摆频并执行该实时摆频；从而无需感知摆锯周围的刚性工作环境，对摆锯的摆频进行调整，使其适应当前工作环境。

Description

一种手术机器人智能动力控制方法及装置
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种手术机器人智能动力控制方法及装置。
背景技术
手术机器人系统是集多项现代高科技手段与一体的综合体，其用途广泛，在临床上有大量的应用，随着医疗机器人技术的蓬勃发展，手术机器人助手已经被广泛使用，人工膝关节置换，是近现代逐渐发展起来的一种治疗膝关节疾病的新技术，它能非常有效地根除晚期膝关节病痛，极大地提高病人的生活质量。
在手术机器人的机械臂进行人机交互中常会在末端搭载各类动力装置，电动摆据就是其中一种，摆据高频摆动的同时与刚性环境接触，完成各类切削任务。但是不同刚性环境交互所需动力模型不同，当摆锯摆频过大时容易引起被磨削物体损坏，过小容易使得磨削速度慢。
发明内容
本申请解决的问题是现有手术机器人的摆锯的摆频无法适应不同的刚性环境。
为解决上述问题，本申请第一方面提供了一种手术机器人智能动力控制方法，包括：
在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴线方向的作用力；
基于摆锯锯片轴线方向的所述作用力，对机械臂在摆锯锯片轴线方向的运动进行主动柔顺控制；该主动柔顺控制通过机械臂的导纳控制器完成；
获取摆锯在摆锯锯片轴线方向的实际增量；
基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频；
基于摆锯的所述实时摆频，对手术机器人及摆锯进行控制。
本申请第二方面提供了一种手术机器人智能动力控制装置，其包括：
力感知单元，其用于在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴线方向的作用力；
导纳控制单元，其用于基于摆锯锯片轴线方向的所述作用力，对机械臂在摆锯锯片轴线方向的运动进行主动柔顺控制；该主动柔顺控制通过机械臂的导纳控制器完成；
坐标监测单元，其用于获取摆锯在摆锯锯片轴线方向的实际增量；
摆频计算单元，其用于基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频；
智能控制单元，其与摆锯的内部电机连接，用于基于摆锯的所述实时摆频，对手术机器人及摆锯进行控制。
本申请第三方面提供了一种电子设备，其包括：存储器和处理器；
所述存储器，其用于存储程序；
所述处理器，耦合至所述存储器，用于执行所述程序，以用于：
在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴线方向的作用力；
基于摆锯锯片轴线方向的所述作用力，对机械臂在摆锯锯片轴线方向的运动进行主动柔顺控制；该主动柔顺控制通过机械臂的导纳控制器完成；
获取摆锯在摆锯锯片轴线方向的实际增量；
基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频；
基于摆锯的所述实时摆频，对手术机器人及摆锯进行控制。
本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行实现上述所述的手术机器人智能动力控制方法。
本申请中，通过感知机械臂的外作用力，确定摆锯在锯片轴线方向的输出；结合摆锯的实际增量，确定摆锯当前需要执行的实时摆频并执行该实时摆频；从而无需感知摆锯周围的刚性工作环境，对摆锯的摆频进行调整，使其适应当前工作环境，达到智能控制的效果。
本申请中，通过感知机械臂的外作用力，确定摆锯的期望增量/摆锯在锯片轴线方向的输出，通过感知机械臂末端的位移，确定摆锯的实际增量；通过摆锯的实际增量与期望增量的偏差，确定摆锯需要执行的实时摆频。从而将摆锯的实时摆频与实际磨削进度进行关联，以根据实际磨削进度调整摆频，使其适应当前工作环境，达到智能控制的效果。
附图说明
图1为本申请手术机器人智能动力控制方法的机械臂与摆锯交互示意图；
图2为本申请手术机器人智能动力控制方法的流程图；
图3为本申请手术机器人智能动力控制方法的摆锯示意图；
图4为本申请手术机器人智能动力控制方法的力感知过程的流程图；
图5为本申请手术机器人智能动力控制装置的架构图；
图6为本申请手术机器人智能动力控制单元的示意图；
图7为本申请手术机器人智能动力控制中可变电阻元件的结构图；
图8为本申请手术机器人智能动力控制中推杆控制电路的架构示意图；
图9为本申请电子设备的架构图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施例做详细的说明。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。
手术机器人系统是集多项现代高科技手段与一体的综合体，其用途广泛，在临床上有大量的应用，随着医疗机器人技术的蓬勃发展，手术机器人助手已经被广泛使用，人工膝关节置换，是近现代逐渐发展起来的一种治疗膝关节疾病的新技术，它能非常有效地根除晚期膝关节病痛，极大地提高病人的生活质量，在发达国家比较流行，目前在国内处于快速发展的阶段。
在手术机器人的机械臂进行人机交互中常会在末端搭载各类动力装置，电动摆据就是其中一种，摆据高频摆动的同时与刚性环境接触，完成各类切削任务。但是不同刚性环境交互所需动力模型不同，当摆锯摆频过大时容易引起被磨削物体损坏，过小容易使得磨削速度慢。
本申请解决的问题是现有手术机器人的摆锯的摆频无法适应不同的刚性环境。
针对上述问题，本申请提供一种新的手术机器人智能动力控制方案，能够通过机械臂柔顺控制对摆锯的位移进行控制，并基于柔顺控制的输出与实际增量调整摆锯摆频，解决现有手术机器人的摆锯的摆频无法适应不同的刚性环境的问题。
本申请实施例提供了一种手术机器人智能动力控制方法，该方法的具体方案由图1-图4所示，该方法可以由手术机器人智能动力控制装置来执行。结合图1、图2所示，其为根据本申请一个实施例的手术机器人智能动力控制方法的流程图；其中，所述手术机器人智能动力控制方法，包括：
S100，在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴线方向的作用力；
本申请中，所述机械臂采用主动柔顺控制方式进行控制。
本申请中，柔顺控制就是从力传感器取得控制信号，用此信号去控制机器人，使之响应这个变化而动作。机器人利用力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制作用力，称为主动柔顺控制。
本申请中，主动柔顺控制过程为针对机械臂的控制；所述摆锯安装在机械臂末端，随机械臂的运动而进行同步运动。
S200，基于摆锯锯片轴线方向的所述作用力，对机械臂在摆锯锯片轴线方向的运动进行主动柔顺控制；该主动柔顺控制通过机械臂的导纳控制器完成；
在一种实施方式中，获取摆锯锯片轴线方向的作用力后，对机械臂在其他方向上的运动进行限制，从而使得机械臂仅能进行摆锯锯片轴线方向的运动。
通过对机械臂的运动进行锁定，从而避免机械臂产生其他方向位移，影响摆锯锯片的正常工作。
结合图1所示，其为机械臂控制时的机械臂与摆锯交互示意图；其中，在操作者施加外力后，机械臂的力感知模块获取该外力，并将其输入机械臂导纳控制模型，以获取该外力对应的期望位置；将该期望位置与摆锯所处的环境进行接触，或映射到该环境中，从而获取摆锯的实际位置以及(实际位置与期望位置的)位置误差，将该位置误差导入摆锯刚性接触模型，以获取的期望摆频，并基于该期望进行自适应摆频调节。
S300，获取摆锯在摆锯锯片轴线方向的实际增量；
本申请中，所述实际增量为位置增量或位移增量。通过将外力作用转换为可见易测量的位置变换/位移变换，从而大大降低测量难度。
本申请中，机械臂末端安装有定位支架，通过NDI设备等识别定位支架的位移，该位移即为机械臂末端的位移，也即为摆锯的位移。基于该摆锯位移，即可确定摆锯的实际增量。
在一种实施方式中，对机械臂进行限定，使其仅能进行摆锯锯片轴线方向的运动，这样可以将获取的机械臂末端的位移直接作为摆锯在摆锯锯片轴线方向的位移，而无需对机械臂末端的位移进行拆分，大大提高了位移识别的效率以及实时性，从而提高整个PID控制的反应速度。
本申请中，对机械臂进行限定，使其仅能进行摆锯锯片轴线方向的运动，还同步利用了摆锯锯片前进后退简单，横移复杂的特性(摆锯无法进行横向切割，横向会导致摆锯形变)，从而大大提高摆锯的切割结果以及切割精度。
S400，基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频；
本申请中，对于摆锯而言，其无法感知周围交互环境，也无法确定周围刚性环境的动力模型，因此无法实现摆锯的摆频调整。
本申请中，通过获取的实际增量以及导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，对摆锯的摆频进行调整，从而无需感知摆锯周围的交互环境，利用实际增量与期望增量(导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出)实现对摆频的控制。
本申请中，摆锯的实时摆频，为摆锯将要调整到的摆频，由于调整过程短暂，因此将其视为摆锯的实时摆频。
S500，基于摆锯的所述实时摆频，对手术机器人及摆锯进行控制。
本步骤中，在确定摆锯的实时摆频后，对摆频进行控制，使其按照实时摆频进行操作。
本申请中，通过感知机械臂的外作用力，确定摆锯在锯片轴线方向的输出；结合摆锯的实际增量，确定摆锯当前需要执行的实时摆频并执行该实时摆频；从而无需感知摆锯周围的刚性工作环境，对摆锯的摆频进行调整，使其适应当前工作环境，达到智能控制的效果。
本申请中，通过感知机械臂的外作用力，确定摆锯的期望增量/摆锯在锯片轴线方向的输出，通过感知机械臂末端的位移，确定摆锯的实际增量；通过摆锯的实际增量与期望增量的偏差，确定摆锯需要执行的实时摆频。从而将摆锯的实时摆频与实际磨削进度进行关联，以根据实际磨削进度调整摆频，使其适应当前工作环境，达到智能控制的效果。
在一种实施方式中，所述S400，基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频中，所述实时摆频的确定公式为：
增加是导数的疑问
其中，ψ为实时摆频，为摆频在时间上的导数，xr为沿道面轴向方向的机械臂导纳控制器输出，x为实际增量，t为摆频控制时间间隔，Kp、Ki、Kd为控制增益参数,ψmax为额定载荷。
本申请中，为摆频在时间上的导数，即为摆频增量，通过执行摆频增量，可以获得实时摆频。
本申请中，沿道面轴向方向的机械臂导纳控制器输出即为预期增量，通过设置预期增量和实际增量来确定实时摆频：通过预期增量与实际增量来模拟摆锯的工作过程，在摆锯实际执行时，摆频越高，则实际执行越顺利，也即是期望增量与实时增量的偏差越小；摆频越低，则穿透力越弱，行进速度越慢，执行容易出问题。反映至截骨阶段，则若摆频大于实际需求，则摆锯前进达到预期，若摆频小于实际需求，则摆锯前进速度不达预期，预期增量与实际增量具有偏差。
由上述公式可以看出，预期增量与实际增量出现偏差，意味着摆频过低，无法及时切割前进路径中的骨质或软骨组织，此时会增加实时摆频；且在此基础上，预期增量与实际增量的偏差越大，增加的实时摆频越大。
另外，上述公式中，添加了微分项，将预期增量与实际增量偏差的微分作为调整实时摆频的一个因素，通过超前作用，从而提高总体系统的动态性能指标，减小动态偏差，提高稳定性。
需要说明的是，上述公式中，还添加了积分项，以消除调整过程中的余差。
本申请中，通过上述公式对实时摆频进行及时调整，且通过积分、微分设置，使得输出可以快速稳定地到达设定值。
本申请中，Kp、Ki、Kd为控制增益参数，其具体数据可以根据实际情况测定，具体测定方法本申请中不再赘述。
本申请中，机械臂带动摆锯向被磨切物体移动，刀具所遇工作环境未知且难以动态辨识，通过摆动频率控制公式来应对未知工作环境，及时调整适合的摆频，以适配刚性工作环境。
在一种实施方式中，所述机械臂的导纳控制器为：
其中，为虚拟质量的正对角矩阵，/>为虚拟阻尼正对角矩阵，X(x,y,z)为机械臂在笛卡尔空间的位置增量，/>为X对时间求导，/>为/>对时间求导，F为控制器输出。
本申请中，增加位置增量的获取方式。
本申请中，通过上述导纳控制器，基于实时(增加导纳控制过程，例如如何获取力信号，力信号如何用于导纳控制)检测的力学信号输入导纳控制器进行控制，从而使得机械臂在外作用力下及时确定反馈动作并执行，从而增加使用者控制机械臂的实时性与顺滑性，并增加机械臂控制的真实性。
在一种实施方式中，结合图4所示，S100，在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴向的作用力，包括：
S101，在操作者对摆锯进行拖动时，获取摆锯的外作用力；所述外作用力为所述摆锯被作用的所有外力的合外力，所述摆锯安装在手术机器人的机械臂的末端，且与所述机械臂刚性连接；
本申请中，合外力，是指物体所受的所有外力的总和。
本申请中，摆锯安装在机械臂上，同步运动，因此对摆锯的所有外力的合外力，即为对机械臂及摆锯的所有外力的合外力。例如作用力A作用于机械臂，作用力B作用于机械臂，作用力C作用于摆锯，则作用力A、B、C的合力即为合外力。
需要说明的是，合外力排除重力因素。也即为，排除机械臂及摆锯所受的重力及为了抵消重力的支撑力。
本申请中，机械臂及摆锯的所有外力，一般为医生或护士为了移动或纠正机械臂动作施加的力；为了排除重力因素，可以在机械臂及摆锯在无人环境下对力感知设备进行校正操作，从而消除重力及支持力的影响；校正后再次检测到的力即为合外力。
本申请中，摆锯安装在机械臂的末端，且与所述机械臂刚性连接，即为摆锯与机械臂末端同步运动；此时，若摆锯切割受阻，则摆锯前进的速度受限，机械臂末端的前进速度也同步受限。
S102，将所述合外力向锯片轴线方向进行投影，得到所述合外力在锯片轴线方向的分解力；
本申请中，合外力为矢量，其在锯片轴线方向的投影(也为矢量，记为投影矢量)，即为矢量的起点与终点在锯片轴线上的投影的组合(即是以合外力矢量的起点在锯片轴线上的投影作为投影矢量的起点，以合外力矢量的终点在锯片轴线上的投影作为投影矢量的终点)。
S103，将锯片轴线方向的所述分解力确定为摆锯锯片轴线方向的作用力。
本申请中，通过投影的方式获取合外力在锯片轴线方向的分解力，该分解力即为合外力在锯片轴线方向对机械臂/摆锯的作用力。
本申请中，对合外力进行拆分，得到的投影矢量即为在锯片轴线方向的分解力，另一分解力即为在垂直锯片轴线方向的分解力(该分解力不影响锯片的前进与后退)；通过投影的方式，无需拆分合外力即可直接获取摆锯锯片轴线方向的作用力。
本申请实施例提供了一种手术机器人智能动力控制装置，用于执行本申请上述内容所述的手术机器人智能动力控制方法，以下对所述手术机器人智能动力控制装置进行详细描述。
如图5所示，所述手术机器人智能动力控制装置，包括：
力感知单元101，其用于在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴线方向的作用力；
导纳控制单元102，其用于基于摆锯锯片轴线方向的所述作用力，对机械臂在摆锯锯片轴线方向的运动进行主动柔顺控制；该主动柔顺控制通过机械臂的导纳控制器完成；
坐标监测单元103，其用于获取摆锯在摆锯锯片轴线方向的实际增量；
摆频计算单元104，其用于基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频；
智能控制单元105，其与摆锯的内部电机连接，用于基于摆锯的所述实时摆频，对手术机器人及摆锯进行控制。
本申请中，摆锯的摆频由摆锯的内部电机进行控制，内部电机转速越快，摆锯的摆频越高，通过调整内部电机的转速，即可实现对摆频的控制。
本申请中，通过感知机械臂的外作用力，确定摆锯在锯片轴线方向的输出；结合摆锯的实际增量，确定摆锯当前需要执行的实时摆频并执行该实时摆频；从而无需感知摆锯周围的刚性工作环境，对摆锯的摆频进行调整，使其适应当前工作环境，达到智能控制的效果。
本申请中，通过感知机械臂的外作用力，确定摆锯的期望增量/摆锯在锯片轴线方向的输出，通过感知机械臂末端的位移，确定摆锯的实际增量；通过摆锯的实际增量与期望增量的偏差，确定摆锯需要执行的实时摆频。从而将摆锯的实时摆频与实际磨削进度进行关联，以根据实际磨削进度调整摆频，使其适应当前工作环境，达到智能控制的效果。
在一种实施方式中，所述摆频计算单元104中，所述实时摆频的确定公式为：
其中，ψ为实时摆频，为摆频在时间上的导数，xr为沿道面轴向方向的机械臂导纳控制器输出，x为实际增量，t为摆频控制时间间隔，Kp、Ki、Kd为控制增益参数,ψmax为额定载荷。
在一种实施方式中，所述机械臂的导纳控制器为：
其中，为虚拟质量的正对角矩阵，/>为虚拟阻尼正对角矩阵，X(x,y,z)为机械臂在笛卡尔空间的位置增量，/>为X对时间求导，/>为/>对时间求导，F为控制器输出。
在一种实施方式中，力感知单元101还用于：在操作者对摆锯进行拖动时，获取摆锯的外作用力；所述外作用力为所述摆锯被作用的所有外力的合外力，所述摆锯安装在手术机器人的机械臂的末端，且与所述机械臂刚性连接；将所述合外力向锯片轴线方向进行投影，得到所述合外力在锯片轴线方向的分解力；将锯片轴线方向的所述分解力确定为摆锯锯片轴线方向的作用力。
在一种实施方式中，结合图6所示，所述智能控制单元105，包括：供电电路和可调电阻元件；所述可调电阻元件一输出端与所述供电电路连接，另一输出端与所述内部电机连接，以输出可调电阻；所述供电电路与所述可调电阻元件连接，以向所述内部电机和所述可调电阻元件提供稳定电压。
结合图6中所示，其中，可调电阻元件的两个输出端(111、112)分别进行连接，一个输出端(111)与供电电路的正极连接，另一输出端(112)与内部电机连接，内部电机的另一端与供电电路的负极连接，从而形成一个供电回路。此时，在供电电路提供的电压不变的情况下，可调电阻元件作为一个分压电阻，调节阻值即可调整内部电机两端的电压。
需要说明的是，本申请中，电动摆锯中动力摆频的高低是由摆锯的内部电机的转速决定的。常规摆锯带有一个启动扳机，按压扳机的力度可以控制摆锯内部电机的转速，扳机内部是一个磁铁和一个霍尔元件，扳机从初始状态到按压至极限状态，就是磁铁不断的靠近霍尔元件的过程，这个过程中，霍尔元件的输出从0V到5V变化。通过限制霍尔元件输出最大值，就可以调节动力输出的最大摆频。
本申请中，所述的供电电路可以为常规摆锯中的霍尔元件，也即是说，在霍尔元件输出信号线上，串联一个电阻，通过改变电阻的阻值，来实现摆频的调节。在具体使用时限制住扳机，使得霍尔元件的输出为最大值输出，此时，通过调节可调电阻元件，从而对摆锯的摆频进行控制。这样，无需对摆锯进行改装或进行最小幅度的改装，从而大大提高摆频控制的适用范围，即可直接对摆频进行控制。
本申请中，所述的供电电路可以为常规供电电源，从而通过加装供电电源的方式，对摆锯进行改造，以实现摆频的调节。
在一种实施方式中，结合图7所示，所述可调电阻元件包括：直线电位器1和可调电动推杆2；所述直线电位器1包括输出套筒11和伸缩杆12，所述输出套筒上设置有两个输出端(111、112)，以输出电阻，所述伸缩杆插入所述输出套筒内，通过伸缩移动改变两个输出端之间的电阻值；所述可调电动推杆2包括输入套筒21和推杆22，所述输入套筒上设置有电机23和两个输入端，以输入电源控制电机运转；所述推杆一端插入套筒并与电机连接，在电机带动下进行伸缩运动；所述伸缩杆与所述推杆固定连接，以使所述推杆带动所述伸缩杆进行同步运动。
进一步地，电动推杆(2/TG1)和直线电位器1的行程均为50mm，两个元器件通过连接销钉3固定在一起，使直线电位器跟随电动推杆(2/TG1)做伸缩运动，直线电位器出线端的两根线111和112之间的电阻值在0到5KΩ变化，电动推杆(2/TG1)输入端的两根线(200、201)，输入端201接24V，输入端200接0V，则推杆做伸出运动，输入端201接0V，输入端200接24V，则推杆做缩回运动。
本申请中，附图标记2和附图标记TG1均指代电动推杆。
本申请中，所述伸缩杆与所述推杆固定连接，且运动方向平行，从而使得伸缩杆与所述推杆的运动同步进行。
进一步地，所述伸缩杆与所述推杆固定连接，且运动方向相同，从而使得伸缩杆与所述推杆的运动可以进行精确控制。
需要说明的是，直线电位器具有三个输出端，本申请中仅选取其中的两个，该选取的两个输出端之间的电阻，在伸缩杆运动后电阻也同步发生改变，但是具体随伸缩杆的外伸电阻变大或变小取决于实际连接情况，本申请对此不做限定，只需要其可以完成与电动推杆的具体推动过程的一一对应关系即可。
进一步地，本申请中，随电动推杆中的伸缩杆伸出，直线电位器的阻值增大。以该种连接方式为例进行后续描述。
在一种实施方式中，结合图8所示，所述智能控制单元还包括推杆控制电路，所述推杆控制电路包括继电器K1与继电器K2，以对可调电动推杆的电机进行供电；所述可调电动推杆的一个输入端经由继电器K1的常开触点K1-1与电源正极连接，经由继电器K2的常开触点K2-2与电源负极连接；所述可调电动推杆的另一个输入端经由继电器K2的常开触点K2-1与电源正极连接，经由继电器K1的常开触点K1-2与电源负极连接。
在一种实施方式中，结合图8所示，所述推杆控制电路还包括通讯模块，所述通讯模块的输出端口1L接地，输出端口0.0经由继电器K1后连接供电电压，输出端口0.1经由继电器K2后连接供电电压；所述通讯模块与计算机串口连接，以接收通讯指令控制输出端口1L与输出端口0.0/输出端口0.1的导通或断开。
图8中，将485通讯模块和计算机串口连接，使用通讯指令，控制数字量输出端口1L与0.0导通或断开，1L与0.1导通或断开，从而使K1和K2的上电与断电受控。当K1上电时，K1的常开触点K1-1和K1-2闭合，电动推杆TG1做伸出运动，此时直线电位器的111和112之间的阻值增大，摆频随之降低；当K2上电时，K2的常开触点K2-1和K2-2闭合，电动推杆TG1做缩回运动，此时直线电位器的111和112之间的阻值减小，摆频随之升高。
本申请中，通过485通讯模块可以接收计算机的通讯指令，从而依据该指令控制电锯摆频。通讯指令与电锯摆频的对应关系，可以基于实际情况或多次实验后得出，本申请中对此不再赘述。
本申请的上述实施例提供的手术机器人智能动力控制装置与本申请实施例提供的手术机器人智能动力控制方法具有对应关系，因此该装置中的具体内容与髋关节疾病智能自标注方法具有对应关系，具体内容可以参照髋关节疾病智能自标注方法中的记录，本申请中对此不再赘述。
本申请的上述实施例提供的手术机器人智能动力控制装置与本申请实施例提供的手术机器人智能动力控制方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。
以上描述了手术机器人智能动力控制装置的内部功能和结构，如图9所示，实际中，该手术机器人智能动力控制装置可实现为电子设备，包括：存储器301及处理器303。
存储器301，可被配置为存储程序。
另外，存储器301，还可被配置为存储其它各种数据以支持在电子设备上的操作。这些数据的示例包括用于在电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，联系人数据，电话簿数据，消息，图片，视频等。
存储器301可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
处理器303，耦合至存储器301，用于执行存储器301中的程序，以用于：
在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴线方向的作用力；
基于摆锯锯片轴线方向的所述作用力，对机械臂在摆锯锯片轴线方向的运动进行主动柔顺控制；该主动柔顺控制通过机械臂的导纳控制器完成；
获取摆锯在摆锯锯片轴线方向的实际增量；
基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频；
基于摆锯的所述实时摆频，对手术机器人及摆锯进行控制。
在一种实施方式中，所述摆频计算单元104中，所述实时摆频的确定公式为：
其中，ψ为实时摆频，为摆频在时间上的导数，xr为沿道面轴向方向的机械臂导纳控制器输出，x为实际增量，t为摆频控制时间间隔，Kp、Ki、Kd为控制增益参数,ψmax为额定载荷。
在一种实施方式中，所述机械臂的导纳控制器为：
其中，为虚拟质量的正对角矩阵，/>为虚拟阻尼正对角矩阵，x(x,y,z)为机械臂在笛卡尔空间的位置增量，/>为X对时间求导，/>为/>对时间求导，F为控制器输出。
在一种实施方式中，力感知单元101还用于：在操作者对摆锯进行拖动时，获取摆锯的外作用力；所述外作用力为所述摆锯被作用的所有外力的合外力，所述摆锯安装在手术机器人的机械臂的末端，且与所述机械臂刚性连接；
将所述合外力向锯片轴线方向进行投影，得到所述合外力在锯片轴线方向的分解力；
将锯片轴线方向的所述分解力确定为摆锯锯片轴线方向的作用力。
本申请中，处理器还具体用于执行上述手术机器人智能动力控制方法的所有流程及步骤，具体内容可参照髋关节疾病智能自标注方法中的记录，本申请中对此不再赘述。
本申请中，图9中仅示意性给出部分组件，并不意味着电子设备只包括图9所示组件。
本实施例提供的电子设备，与本申请实施例提供的手术机器人智能动力控制方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(Flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
本申请还提供一种与前述实施方式所提供的手术机器人智能动力控制方法对应的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序(即程序产品)，所述计算机程序在被处理器运行时，会执行前述任意实施方式所提供的手术机器人智能动力控制方法。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(Transitory Media)，如调制的数据信号和载波。
本申请的上述实施例提供的计算机可读存储介质与本申请实施例提供的手术机器人智能动力控制方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。
需要说明的是，在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种手术机器人智能动力控制方法，其特征在于，包括：
在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴线方向的作用力；
基于摆锯锯片轴线方向的所述作用力，对机械臂在摆锯锯片轴线方向的运动进行主动柔顺控制；该主动柔顺控制通过机械臂的导纳控制器完成；
获取摆锯在摆锯锯片轴线方向的实际增量；
基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频；
基于摆锯的所述实时摆频，对手术机器人及摆锯进行控制。
2.根据权利要求1所述的智能动力控制方法，其特征在于，所述基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频中，所述实时摆频的确定公式为：
其中，ψ为实时摆频，为摆频在时间上的导数，xr为沿道面轴向方向的机械臂导纳控制器输出，x为实际增量，t为摆频控制时间间隔，Kp、Ki、Kd为控制增益参数,ψmax为额定载荷。
3.根据权利要求1所述的智能动力控制方法，其特征在于，所述机械臂的导纳控制器为：
其中，为虚拟质量的正对角矩阵，/>为虚拟阻尼正对角矩阵，X(x,y,z)为机械臂在笛卡尔空间的位置增量，/>为X对时间求导，/>为/>对时间求导，F为控制器输出。
4.根据权利要求1所述的智能动力控制方法，其特征在于，所述在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴向的作用力，包括：
在操作者对摆锯进行拖动时，获取摆锯的外作用力；所述外作用力为所述摆锯被作用的所有外力的合外力，所述摆锯安装在手术机器人的机械臂的末端，且与所述机械臂刚性连接；
将所述合外力向锯片轴线方向进行投影，得到所述合外力在锯片轴线方向的分解力；
将锯片轴线方向的所述分解力确定为摆锯锯片轴线方向的作用力。
5.一种手术机器人智能动力控制装置，其特征在于，包括：
力感知单元，其用于在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴线方向的作用力；
导纳控制单元，其用于基于摆锯锯片轴线方向的所述作用力，对机械臂在摆锯锯片轴线方向的运动进行主动柔顺控制；该主动柔顺控制通过机械臂的导纳控制器完成；
坐标监测单元，其用于获取摆锯在摆锯锯片轴线方向的实际增量；
摆频计算单元，其用于基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频；
智能控制单元，其与摆锯的内部电机连接，用于基于摆锯的所述实时摆频，对手术机器人及摆锯进行控制。
6.根据权利要求5所述的智能动力控制装置，其特征在于，所述智能控制单元，包括：供电电路和可调电阻元件；所述可调电阻元件一输出端与所述供电电路连接，另一输出端与所述内部电机连接，以输出可调电阻；所述供电电路与所述可调电阻元件连接，以向所述内部电机和所述可调电阻元件提供稳定电压。
7.根据权利要求6所述的智能动力控制装置，其特征在于，所述可调电阻元件包括：直线电位器和可调电动推杆；所述直线电位器包括输出套筒和伸缩杆，所述输出套筒上设置有两个输出端，以输出电阻，所述伸缩杆插入所述输出套筒内，通过伸缩移动改变两个输出端之间的电阻值；所述可调电动推杆包括输入套筒和推杆，所述输入套筒上设置有电机和两个输入端，以输入电源控制电机运转；所述推杆一端插入套筒并与电机连接，在电机带动下进行伸缩运动；所述伸缩杆与所述推杆固定连接，以使所述推杆带动所述伸缩杆进行同步运动。
8.根据权利要求7所述的智能动力控制装置，其特征在于，所述智能控制单元还包括推杆控制电路，所述推杆控制电路包括继电器K1与继电器K2，以对可调电动推杆的电机进行供电；所述可调电动推杆的一个输入端经由继电器K1的常开触点K1-1与电源正极连接，经由继电器K2的常开触点K2-2与电源负极连接；所述可调电动推杆的另一个输入端经由继电器K2的常开触点K2-1与电源正极连接，经由继电器K1的常开触点K1-2与电源负极连接。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器和处理器；
所述存储器，其用于存储程序；
在机械臂被外力拖动的状态下，确定摆锯锯片轴线方向的作用力；
基于摆锯锯片轴线方向的所述作用力，对机械臂在摆锯锯片轴线方向的运动进行主动柔顺控制；该主动柔顺控制通过机械臂的导纳控制器完成；
获取摆锯在摆锯锯片轴线方向的实际增量；
基于所述实际增量和导纳控制器在摆锯锯片轴线方向的输出，确定摆锯的实时摆频；
基于摆锯的所述实时摆频，对手术机器人及摆锯进行控制。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行实现权利要求1-4任一项所述的手术机器人智能动力控制方法。
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