CN117653428A - 骨科手术机器人控制方法、装置及系统 - Google Patents

骨科手术机器人控制方法、装置及系统 Download PDF

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CN117653428A CN202211043544.7A CN202211043544A CN117653428A CN 117653428 A CN117653428 A CN 117653428A CN 202211043544 A CN202211043544 A CN 202211043544A CN 117653428 A CN117653428 A CN 117653428A
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Tinavi Medical Technologies Co Ltd
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Abstract

本申请提供一种骨科手术机器人控制方法、装置及系统，该方法应用于机器人，机器人包括手术工具和机械臂，手术工具设置于机械臂上，该方法包括：根据患者的位姿确定手术工具末端在下一时刻的期望位姿；根据作用于机械臂的原始作用力获取手术工具末端在当前时刻的六维力向量；根据手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取原始作用力对应的手术工具末端的柔顺位姿；根据手术工具末端的当前位姿和柔顺位姿，控制手术工具运动。基于作用于机械臂的原始作用力能够得到手术工具末端的柔顺位姿，从而通过机械臂控制手术工具基于柔顺位姿进行运动，提高了髋关节置换手术的安全性和精度。

Description

骨科手术机器人控制方法、装置及系统
技术领域
本申请涉及医疗仪器技术领域，尤其涉及一种骨科手术机器人控制方法、装置及系统。
背景技术
髋关节置换术指的是将髋关节病变的骨质用人工假体取代，以恢复和改善髋关节运动功能的手术。在髋关节发生严重的病变时，就需要进行髋关节置换术。
在髋关节置换术中，磨削髋臼与打入髋臼杯这两个步骤至关重要，其中磨削出具有合适的位置以及外展角、前倾角、联合前倾角的髋臼，能够防止安放的关节假体脱位并延长假体的使用寿命，将髋臼杯打入在正确的位置是假体具有良好的稳定性与正确的旋转中心的前提。髋关节置换术中，由于磨削和打入有较大的反作用力，会给医生带来较大的负担，因此可以采用机器人辅助进行髋关节置换术，以降低医生的体力消耗。
但目前采用机器人辅助医生进行髋关节置换术时，如何控制机器人来柔顺于医生的操纵，以提高手术的安全性，是亟待解决的问题。
发明内容
本申请提供一种骨科手术机器人控制方法、装置及系统，使得机器人能柔顺于医生的操纵，以提高手术的安全性。
第一方面，本申请提供一种骨科手术机器人控制方法，应用于机器人，所述机器人包括手术工具和机械臂，所述手术工具设置于所述机械臂上，所述方法包括：
根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿；
根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量；
根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿；
根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动。
在一种可能的实施方式中，所述根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿，包括：
获取所述患者的当前位姿与所述手术工具末端的当前位姿之间的当前位姿偏差；
根据所述患者病灶和所述手术工具之间的目标位姿偏差，以及所述当前位姿偏差，获取所述手术工具下一时刻的指令速度；
根据所述指令速度和所述手术工具末端的当前位姿，确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿。
在一种可能的实施方式中，所述根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述所述工具末端在当前时刻的六维力向量，包括：
获取所述原始作用力的大小和力矩；
对所述原始作用力的大小、力矩进行变换处理，得到所述原始作用力折算至所述手术工具末端的折算力、折算力矩的大小；
对所述折算力的大小和所述折算力矩依次进行死区控制处理和低通滤波处理，得到所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量。
在一种可能的实施方式中，所述折算力和所述折算力矩满足：
其中，F为所述折算力的大小，为六维力传感器坐标系在手术工具末端坐标系下的旋转矩阵，FS为所述原始作用力的大小，为基准坐标系在所述六维力传感器坐标系下的旋转矩阵，Gt为所述手术工具的重力；
N为所述折算力矩，NS为所述原始作用力的力矩，为所述手术工具的质心坐标系原点在所述六维力传感器坐标系下的位置，为所述手术工具末端坐标系原点在所述六维力传感器坐标系下的位置。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，包括：
根据所述手术工具末端的当前运动速度和所述手术工具末端的期望运动速度，获取所述手术工具末端在上一时刻和当前时刻的第一速度偏差；
根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端的当前期望位姿，获取所述手术工具末端在所述上一时刻和所述当前时刻的第一位姿偏差；
根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、所述手术工具末端下一时刻的期望位姿、所述第一速度偏差和所述第一位姿偏差，获取所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、所述手术工具末端下一时刻的期望位姿、所述第一速度偏差和所述第一位姿偏差，获取所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，包括：
根据手术手术工具末端在当前时刻的六维力向量、所述第一速度偏差和所述第一位姿偏差，获取所述手术工具末端下一时刻的加速度偏差；
根据所述手术工具末端的当前运动速度和所述第一速度偏差，获取所述手术工具末端在所述当前时刻和所述下一时刻的第二速度偏差；
根据所述第一位姿偏差和所述第二速度偏差，获取所述手术工具末端在所述当前时刻和所述下一时刻的第二位姿偏差；
根据所述第二位姿偏差和所述手术工具末端下一时刻的期望位姿，获取所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动，包括：
对所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿进行边界控制处理，得到所述手术工具末端在下一时刻的安全位姿；
根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端在下一时刻的安全位姿，控制所述手术工具运动。
第二方面，本申请提供一种骨科手术机器人控制装置，应用于机器人，所述机器人包括手术工具和机械臂，所述手术工具设置于所述机械臂上，所述装置包括：
确定单元，根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿；
第一处理单元，用于根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量；
第二处理单元，用于根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿；
控制单元，用于根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动。
在一种可能的实施方式中，所述确定单元具体用于：
获取所述患者的当前位姿与所述手术工具末端的当前位姿之间的当前位姿偏差；
根据所述患者病灶和所述手术工具之间的目标位姿偏差，以及所述当前位姿偏差，获取所述手术工具下一时刻的指令速度；
根据所述指令速度和所述手术工具末端的当前位姿，确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿。
在一种可能的实施方式中，所述第一处理单元具体用于：
获取所述原始作用力的大小和力矩；
对所述原始作用力的大小、力矩进行变换处理，得到所述原始作用力折算至所述手术工具末端的折算力、折算力矩的大小；
对所述折算力的大小和所述折算力矩依次进行死区控制处理和低通滤波处理，得到所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量。
在一种可能的实施方式中，所述折算力和所述折算力矩满足：
其中，F为所述折算力的大小，为六维力传感器坐标系在手术工具末端坐标系下的旋转矩阵，FS为所述原始作用力的大小，为基准坐标系在所述六维力传感器坐标系下的旋转矩阵，Gt为所述手术工具的重力；
N为所述折算力矩，NS为所述原始作用力的力矩，为所述手术工具的质心坐标系原点在所述六维力传感器坐标系下的位置，为所述手术工具末端坐标系原点在所述六维力传感器坐标系下的位置。
在一种可能的实施方式中，所述第二处理单元具体用于：
根据所述手术工具末端的当前运动速度和所述手术工具末端的期望运动速度，获取所述手术工具末端在上一时刻和当前时刻的第一速度偏差；
根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端的当前期望位姿，获取所述手术工具末端在所述上一时刻和所述当前时刻的第一位姿偏差；
根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、所述手术工具末端下一时刻的期望位姿、所述第一速度偏差和所述第一位姿偏差，获取所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿。
在一种可能的实施方式中，所述第二处理单元具体用于：
根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、所述第一速度偏差和所述第一位姿偏差，获取所述手术工具末端下一时刻的加速度偏差；
根据所述手术工具末端的当前运动速度和所述第一速度偏差，获取所述手术工具末端在所述当前时刻和所述下一时刻的第二速度偏差；
根据所述第一位姿偏差和所述第二速度偏差，获取所述手术工具末端在所述当前时刻和所述下一时刻的第二位姿偏差；
根据所述第二位姿偏差和所述手术工具末端下一时刻的期望位姿，获取所述柔顺位姿。
在一种可能的实施方式中，所述控制单元具体用于：
对所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿进行边界控制处理，得到所述手术工具末端在下一时刻的安全位姿；
根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端在下一时刻的安全位姿，控制所述手术工具运动。
第三方面，本申请提供一种骨科手术机器人控制系统，包括增量式PID控制模块、六维力变换模块、导纳控制模块、机械臂和手术工具，所述手术工具设置于所述机械臂上，其中：
所述增量式PID控制模块用于根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿；
所述六维力变换模块用于根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量；
所述导纳控制模块用于根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，并将所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿发送给所述机械臂；
所述机械臂用于根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动。
第四方面，本申请提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一项所述的骨科手术机器人控制方法。
本申请实施例提供的骨科手术机器人控制方法、装置及系统，应用于机器人，机器人包括手术工具和机械臂，手术工具设置于机械臂上，首先根据患者的位姿确定手术工具末端在下一时刻的期望位姿，然后根据作用于机械臂的原始作用力获取手术工具末端在当前时刻的六维力向量，然后根据手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取原始作用力对应的手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，从而根据手术工具末端的当前位姿和下一时刻的柔顺位姿控制手术工具运动。本申请实施例的方案，在医生对患者的髋臼进行磨削或打入髋臼杯等过程中，当医生需要动态调整髋臼锉的位姿时，基于医生作用于机械臂的原始作用力，机器人能够根据该原始作用力得到手术工具末端的柔顺位姿，从而使得机械臂能够柔顺于医生的操纵并保持力反馈的交互特性，通过机械臂控制手术工具基于柔顺位姿进行运动，提高了髋关节置换手术的安全性和精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本申请实施例提供的一种应用场景示意图；
图2为本申请实施例提供的骨科手术机器人控制方法的流程示意图；
图3为本申请实施例提供的机器人控制完整示意图；
图4为本申请实施例提供的导航定位部分实现示意图；
图5为本申请实施例提供的动力控制部分实现示意图；
图6为本申请实施例提供的获取柔顺位姿的流程示意图；
图7为本申请实施例提供的骨科手术机器人控制装置的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的骨科手术机器人控制系统的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
人体的髋关节由股骨头和髋臼组成，是连接股骨与骨盆的关节，也是全身受力最重的关节之一。当出现诸如严重的骨性关节炎、类风湿性关节炎、创伤性关节炎等髋关节的病变时，髋关节无法行使正常功能，就需要进行髋关节置换，将病变的骨质用人工假体(包含股骨部分和髋臼部分)取代，以缓解关节疼痛、矫正畸形、恢复和改善关节的运动功能，提高患者生活质量。
髋关节置换术的步骤通常包括患者摆位、切开皮肤显露髋关节、将股骨头从髋臼突出、股骨颈截骨、显露髋臼、清除髋臼周围骨赘、用髋臼锉对髋臼进行磨削、打入髋臼杯、植入髋臼内衬、处理股骨髓腔、植入股骨假体、安装股骨头假体、调整及缝合等等。上述步骤中，磨削髋臼与打入髋臼杯这两个步骤对医生的技术要求相对较高。磨削出具有合适的位置以及外展角、前倾角、联合前倾角的髋臼，能够防止安放的关节假体脱位并延长假体的使用寿命；将髋臼杯打入在正确的位置是假体具有良好的稳定性与正确的旋转中心的前提。这两个重要环节直接关系到整个髋关节置换术的成败。
传统的髋关节置换术中，磨削髋臼是由医生手持髋臼锉人工完成的，打入髋臼杯是由医生手持打入器并用骨锤敲击完成的。一方面，人工手持操作降低了磨削和打入的精度，降低了整个手术的治疗效果；另一方面，较大的磨削和打入的反作用力也给医生带来了较大的负担。因此，采用机器人辅助的髋关节置换术逐渐被广泛应用。
采用机器人辅助的髋关节置换术，可以由机械臂辅助医生进行交互式的髋臼磨削，由机械臂把持打入器、由医生完成髋臼杯打入，能够提高髋臼磨削及髋臼杯打入的精度，在提高手术效果的同时，也大大减少了医生的体力消耗。例如可以结合图1对机器人辅助的髋关节置换术进行介绍。
图1为本申请实施例提供的一种应用场景示意图，如图1所示，在机器人辅助的髋关节置换术中，包括患者、医生和手术机器人10，患者、医生和手术机器人各自位于不同的位置。
手术机器人10包括运动控制装置11、机械臂12、六维力传感器13、手术工具14和光学定位传感器15，其中，运动控制装置11可以包括增量式比例-积分-微分控制(ProportionIntegration Differentiation，PID)控制模块、导纳控制器、边界控制模块、六维力变换模块、死区控制器和低通滤波器等等。运动控制装置11和机械臂12之间、运动控制装置11和六维力传感器13之间、运动控制装置11和光学定位传感器15之间均可以通过通讯总线连接，以进行数据通讯。增量式控制模块可用于医生在进行髋臼磨削和髋臼杯打入时，当患者的肢体发生移动时，控制手术工具进行快速、准确的跟踪。
基于图1示例的应用场景，下面结合图2对本申请实施例的方案进行介绍。图2为本申请实施例提供的骨科手术机器人控制方法的流程示意图，该方法应用于机器人，机器人包括手术工具和机械臂，手术工具设置于机械臂上，如图2所示，该方法可以包括：
S21，根据患者的位姿确定手术工具末端在下一时刻的期望位姿。
患者的病灶为手术工具进行磨削处理的对象，例如在髋关节置换手术中，患者为需要进行髋关节置换的人。手术工具用于对患者病灶进行磨削处理或假体打入，在进行髋关节置换手术中，手术工具和患者之间存在一定的位姿偏差，可以通过术前规划软件计算手术工具末端和患者之间的目标位姿偏差。在本申请实施例中，目标位姿偏差为已知值。在得到目标位姿偏差后，即可根据患者的位姿和目标位姿偏差确定手术工具末端在下一时刻的期望位姿。
S22，根据作用于机械臂的原始作用力获取手术工具末端在当前时刻的六维力向量。
本申请实施例的执行主体可以为机器人，机器人包括机械臂和手术工具，手术工具可以是进行髋关节置换手术中的手术工具，手术工具可以与机械臂连接，在机械臂的控制下进行运动。
机器人可用于辅助医生完成髋关节置换手术，具体的，医生根据实际需要，推动机械臂运动，机械臂在医生的推动下，带动手术工具运动至规划所需的合适位姿，通过手术工具末端完成磨削髋臼、打入髋臼杯等操作，也可以在机械臂的带动下，自动运行至规划所需位置。
医生作用于机械臂的力即为原始作用力，在获取作用于机械臂的原始作用力后，根据该原始作用力可以获取手术工具末端在当前时刻的六维力向量。其中，六维力向量包括三个维度的力以及三个维度的力矩，而本申请实施例中的六维力向量，则是将作用于机械臂的原始作用力折算到手术工具末端后得到的。由于机械臂和手术工具均有一定的大小和重量，且原始作用力并不是直接作用于手术工具末端，因此需要进行相应的转换。
S23，根据手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取原始作用力对应的手术工具末端下一时刻的柔顺位姿。
手术工具末端在当前时刻的六维力向量反映了原始作用力折算到作用于手术工具末端的力的大小和方向，在原始作用力的作用下，手术工具末端也会进行相应的运动。
本申请实施例中，可以实时的获取手术工具末端的当前位姿和当前运动速度，当前位姿反映了手术工具末端的位置和姿态，而当前运动速度反映了手术工具末端当前运动的快慢以及运动方向，若无手术工具末端在当前时刻的六维力向量，则手术工具末端会在当前位姿的基础上、根据当前运动速度进行运动。
由于存在手术工具末端在当前时刻的六维力向量，因此手术工具末端的当前运动速度会在该六维力向量的作用下发生改变，得到新的运动速度。然后根据手术工具末端的当前位姿以及新的运动速度，即可得到手术工具末端在下一时刻的柔顺位姿，柔顺位姿即为手术工具末端在原始作用力的作用下，在下一时刻预计到达的位姿。
S24，根据手术工具末端的当前位姿和手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，控制手术工具运动。
在得到手术工具末端的柔顺位姿后，根据手术工具末端的当前位姿和下一时刻的柔顺位姿，可以得到之间的位姿偏差，从而基于手术工具末端的运动速度、以及该位姿偏差控制手术工具向该柔顺位姿运动。
本申请实施例提供的骨科手术机器人控制方法，应用于机器人，机器人包括手术工具和机械臂，手术工具设置于机械臂上，首先根据患者的位姿确定手术工具末端在下一时刻的期望位姿，然后根据作用于机械臂的原始作用力获取手术工具末端在当前时刻的六维力向量，然后根据手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取原始作用力对应的手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，从而根据手术工具末端的当前位姿和下一时刻的柔顺位姿控制手术工具运动。本申请实施例的方案，在医生对患者的髋臼进行磨削或打入髋臼杯等过程中，当医生需要动态调整髋臼锉的位姿时，基于医生作用于机械臂的原始作用力，机器人能够根据该原始作用力得到手术工具末端的柔顺位姿，从而使得机械臂能够柔顺于医生的操纵并保持力反馈的交互特性，通过机械臂控制手术工具基于柔顺位姿进行运动，提高了髋关节置换手术的安全性和精度。
下面结合附图对本申请实施例的方案进行详细介绍。
图3为本申请实施例提供的机器人控制完整示意图，如图3所示，该机器人包括增量式PID控制模块301、导纳控制器302、死区控制器303、低通滤波器304、六维力变换模块305、边界控制模块306、机械臂307、六维力传感器308、手术工具309和光学定位传感器310。
具体的，基于术前规划软件可以计算患者的病灶与手术工具309之间的目标位姿偏差，该目标位姿偏差即为进行手术时，患者的病灶的位姿与手术工具309的位姿之间理想的偏差，目标位姿偏差作为增量式PID控制模块301的输入。光学定位传感器310可以用于获取患者的当前位姿与手术工具309末端的当前位姿之间的当前位姿偏差，然后根据目标位姿偏差和当前位姿偏差进行对比，通过增量式PID控制模块301生成手术工具309的指令速度，叠加机械臂307反馈的手术工具309的当前位姿生成手术工具309在下一时刻的期望位姿，以使得机械臂307能够控制手术工具309进行快速、准确的跟踪。
六维力传感器308采集的原始六维力信息(即作用于机械臂的原始作用力的大小和力矩)经过六维力变换(由六维力变换模块305完成)，实现原始作用力的折算，得到原始作用力折算至手术工具309末端的折算力、折算力矩的大小，然后对折算力的大小和折算力矩依次进行死区控制(由死区控制器303完成)、低通滤波(由低通滤波器304完成)处理，得到手术工具309末端在当前时刻的六维力向量。导纳控制器302根据机械臂反馈的手术工具309的当前位姿、速度，以及折算后的手术工具309末端在当前时刻的六维力向量，生成医生期望的手术工具309的柔顺位姿。该柔顺位姿可以下发给机械臂307，带动手术工具309进行运动，进而精准地实现对髋臼的动力磨削或打入把持。
在图3示例的方案中，机器人控制包括导航定位部分和动力控制部分，下面结合附图分别进行介绍。
图4为本申请实施例提供的导航定位部分实现示意图，如图4中所示，导航定位部分(如图4中虚线框内示意)主要用于医生在进行髋臼磨削和髋臼杯打入时，当患者的肢体发生移动时，机械臂能够控制手术工具进行快速、准确的跟踪。
具体的，当患者的位姿发生变化时，机器人通过光学定位传感器可以获取患者的当前位姿与手术工具末端的当前位姿之间的当前位姿偏差，然后根据患者病灶和手术工具之间的目标位姿偏差，以及当前位姿偏差，获取手术工具的下一时刻的指令速度。其中，目标位姿偏差是通过术前规划软件计算的患者与手术工具之间理想的位姿偏差，是一个固定值。下一时刻为当前时刻的下一控制节点，下一时刻和当前时刻之间的时间差为机器人的导航定位的控制周期。指令速度为机械臂控制手术工具末端运动的速度，下一时刻的指令速度即为机械臂控制手术工具末端在下一时刻运动的速度。
笛卡尔空间位姿的增量式PID控制模块确定下一时刻的指令速度的计算方式如下式所示：
其中，Kp为6×6的比例系数矩阵，Ki为6×6的积分系数矩阵，Kd为6×6的微分系数矩阵，Δt为导航定位的控制周期；为t时刻(即对应当前时刻)的笛卡尔空间指令加速度向量，为t+Δt时刻(即对应下一时刻)的笛卡尔空间指令加速度向量。
为t时刻的笛卡尔空间位姿偏差，为t-Δt时刻的笛卡尔空间位姿偏差，为t-2Δt时刻的笛卡尔空间位姿偏差，且满足：
其中，为t时刻的笛卡尔空间位姿偏差，为术前规划软件计算的患者与手术工具的目标位姿偏差，为光学定位传感器反馈的患者与手术工具在t时刻的当前位姿偏差，为光学定位传感器反馈的患者与手术工具在t-Δt时刻的位姿偏差，为光学定位传感器反馈的患者与手术工具在t-2Δt时刻的位姿偏差。
基于式(1)和(2)，即可得到手术工具的下一时刻的指令速度如下：
为t时刻的笛卡尔空间指令速度向量，即手术工具在t时刻的指令速度，为t+Δt时刻的笛卡尔空间指令速度向量，即手术工具在t+Δt时刻的指令速度，当t＝0时刻需将vt＝0初始化为初始速度。
然后，根据手术工具下一时刻的指令速度和手术工具末端的当前位姿，控制手术工具运动至与患者的位姿偏差为目标位姿偏差。在手术工具运动过程中，手术工具末端在下一时刻的期望位姿的计算方式如下：
为t时刻手术工具末端的位姿，为t+Δt时刻手术工具末端的期望位姿。根据式(4)可以计算每个当前时刻的下一时刻的期望位姿，然后朝着期望位姿运动即可，直至运动至手术工具与患者的位姿偏差为目标位姿偏差。
需要说明的是，上述计算笛卡尔空间位置的求差、求和时，可直接采用加减法；而计算笛卡尔空间姿态的求差、求和时，需要通过姿态求差、求和方法进行计算，以或表示。具体可采用四元数法、轴角法或旋转矩阵法，在此不做类型限制。另外，在工程实现中，需要对笛卡尔空间指令速度进行约束，以保证不超过机械臂实际的执行能力。可按位置与姿态两个维度的二范数最大值，分别进行约束，在此不做类型限制。
在上述实施例中对导航定位部分进行了介绍，下面将结合附图对动力控制部分进行介绍。
动力控制部分主要用于医生在进行髋臼磨削时，当医生需要动态调整髋臼锉的位姿时，机械臂能够柔顺于医生的操纵并保持力反馈的交互特性，与此同时限定了医生动态调整的安全区域，能够保证髋臼磨削的安全性。图5为本申请实施例提供的动力控制部分实现示意图，如图5中所示，动力控制部分(如图5中虚线框内示意)主要包括导纳控制模块、边界控制模块、六维力变换模块和死区控制器、低通滤波器。
当医生作用于机械臂时，安装于机械臂和手术工具之间的六维力传感器能够获取医生作用于机械臂的原始作用力的大小和力矩，然后发送给六维力变换模块进行处理。
六维力变换模块主要负责实现六维力传感器检测到的原始六维力到手术工具末端的六维力的变换计算。将机械臂底座坐标系用Base表示，机械臂末端法兰坐标系用End表示，所述工具末端坐标系用Tool表示，所述工具质心坐标系用Core表示，六维力传感器坐标系用Sensor表示，则六维力变换模块在通过六维力传感器获取原始作用力的大小和力矩后，对原始作用力的大小、力矩进行变换处理，得到原始作用力折算至手术工具末端的折算力、折算力矩的大小，该实现过程如下式(5)所示：
其中，F为折算力的大小，为六维力传感器坐标系在手术工具末端坐标系下的旋转矩阵，FS为原始作用力的大小，为基准坐标系在六维力传感器坐标系下的旋转矩阵，基准坐标系为以髋臼中心点作为基准点的坐标系，Gt为手术工具的重力。
六维力变换模块对原始作用力的力矩进行变换处理，得到原始作用力折算至手术工具末端的折算力矩，该实现过程如下式(6)所示：
N为折算力矩，NS为原始作用力的力矩，为手术工具的质心坐标系原点在六维力传感器坐标系下的位置，为手术工具末端坐标系原点在六维力传感器坐标系下的位置。
上述公式简洁地利用了笛卡尔空间六维力在刚体间的变换，省却了通过复杂设计将六维力传感器安装在手术工具末端的需求，也能使导纳控制律中的所需外力更符合实际的操作力。
在得到折算力的大小和折算力矩后，对折算力的大小和折算力矩依次进行死区控制处理和低通滤波处理，可以得到手术工具末端在当前时刻的六维力向量。其中，死区控制处理主要由死区控制器完成，死区控制器主要为设定动力控制的启动阈值，并且消除微小输入量带来的系统静态震荡，优化整个系统的控制效果及柔顺度。其具体数值一般可根据六维力传感器的量程进行设置，通常可设为满量程的1％。
低通滤波处理主要由低通滤波器完成，低通滤波器主要为消除六维力传感器的高频噪声，以便进一步的对导纳控制律计算得到的加速度进行光滑。采用基于方窗、三角窗或汉明窗的有限长单位冲激响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器，或者，采用巴特沃斯型或切比雪夫型无限长单位冲激响应(Infinite Impulse Response，IIR)滤波器，均可实现本方法所需的低通滤波效果，因此不做具体类型限制。
在得到手术工具末端在当前时刻的六维力向量后，可以根据该端六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取原始作用力对应的手术工具末端的柔顺位姿，该过程主要由导纳控制模块完成，下面结合图6对该过程进行介绍。
图6为本申请实施例提供的获取柔顺位姿的流程示意图，如图6所示，包括：
S61，根据手术工具末端的当前运动速度和手术工具末端的期望运动速度，获取手术工具末端在上一时刻和当前时刻的第一速度偏差。
第一速度偏差可以通过下式(7)计算：
其中，为第一速度偏差，为t时刻(即当前时刻)手术工具末端实际速度(即手术工具末端的当前运动速度)，为t时刻手术工具末端的期望运动速度，其中，可以由光学定位传感器实时获取，可以由机械臂位姿反馈实时获取。
S62，根据手术工具末端的当前位姿和手术工具末端的当前期望位姿，获取手术工具末端在上一时刻和当前时刻的第一位姿偏差。
第一位姿偏差可以通过下式(8)计算：
其中，为t时刻手术工具末端位姿偏差(即第一位姿偏差)，为t时刻手术工具末端实际位姿(即手术工具末端的当前位姿)，为t时刻手术工具末端的期望位姿(即手术工具末端的当前期望位姿)，可以由光学定位传感器实时获取，可以由机械臂位姿反馈实时获取。
S63，根据手术工具末端在当前时刻的六维力向量、手术工具末端下一时刻的期望位姿、第一速度偏差和第一位姿偏差，获取手术工具末端下一时刻的柔顺位姿。
在得到第一速度偏差和第一位姿偏差后，首先根据手术工具末端在当前时刻的六维力向量、第一速度偏差和第一位姿偏差，获取手术工具末端下一时刻的加速度偏差，如下式(9)所示：
其中，M为6×6的惯性系数矩阵，B为6×6的阻尼系数矩阵，K为6×6的刚度系数矩阵，为t时刻(即当前时刻)经过低通滤波后的手术工具末端在当前时刻的六维力向量，Δt为动力控制的控制周期，为第一速度偏差，为第一位姿偏差，为计算得到的t+Δt时刻(即下一时刻)手术工具末端的加速度偏差。
然后，根据手术工具末端的当前运动速度和第一速度偏差，获取手术工具末端在当前时刻和下一时刻的第二速度偏差，如下式(10)所示：
其中，为第二速度偏差，为第一速度偏差，为手术工具末端下一时刻的加速度偏差。
接着，根据第一位姿偏差和第二速度偏差，可以获取手术工具末端在当前时刻和下一时刻的第二位姿偏差，如下式(11)所示：
为第二位姿偏差，为第一位姿偏差，为第二速度偏差。
最后，根据第二位姿偏差和手术工具末端下一时刻的期望位姿，获取柔顺位姿，即：
其中，为柔顺位姿，为第二位姿偏差，为手术工具末端下一时刻的期望位姿，手术工具末端下一时刻的期望位姿即为图4示例的导航定位部分输出的结果，手术工具末端下一时刻的期望位姿可以根据图4实施例的方案计算得到，作为动力控制部分的输入。
根据上述公式，可以通过导航定位部分计算得到的期望位姿、期望速度，获得柔顺位姿，以实现动力控制的惯性-阻尼-刚度的交互特性，然后根据手术工具末端的当前位姿和柔顺位姿，控制工具运动。
然而，导纳控制模块得到的柔顺位姿是没有经过约束的，在实际的髋臼磨削中，通常需要限定位置的范围和姿态的范围，以保护患者髋臼不被过度磨削，因此，还需要由边界控制模块对柔顺位姿进行处理。边界控制模块主要通过对导纳控制模块生成的柔顺位姿进行判别，分为位置边界控制、姿态边界控制两部分。位置边界控制例如可以采用基于球形边界判断的边界控制，能保证当导纳控制模块生成的柔顺位姿的位置超出球形边界时，将该位置修正为球形范围内，并且符合期望方向的位置。姿态边界控制例如可以采用基于锥形边界判断的边界控制，能保证当导纳控制模块生成的柔顺位姿的姿态的指定轴(轴、轴或轴)超出锥形边界时，将该姿态修正为锥形范围内，并且符合期望方向的姿态。
具体的，可以对柔顺位姿进行边界控制处理，得到手术工具末端在下一时刻的安全位姿，安全位姿即为处于一定边界范围内的位姿，然后根据手术工具末端的当前位姿和手术工具末端在下一时刻的安全位姿，控制手术工具运动即可。在将安全位姿发送给机械臂的环节，可对该安全位姿先进行逆运动学解算，生成关节角度直接控制机械臂各轴运动，实现优化的控制效果。
综上所述，本方案将导航定位部分与动力控制部分，通过期望位姿这一变量进行结合，以实现在保证定位精度、对患者病灶的实时跟踪的前提下，机械臂柔顺于医生操作力的运动及给医生提供力觉反馈等功能。导航定位部分生成的期望位姿，作为动力控制部分中导纳控制模块的输入。在没有外界操作力时，机械臂严格跟踪患者病灶的目标位姿；在医生向手术工具施加力时，机械臂可在保证末端精度、不超出安全区域限定的前提下，产生柔顺运动，以适应医生的操作并反馈力觉。一方面，通过光学定位传感器的实时反馈及增量式PID控制器，在保证满足机械臂执行能力的前提下，消除了稳态误差，保证了手术工具的定位精度，并实现了对患者病灶的实时跟踪；另一方面，通过六维力传感器及对应的六维力变换模块、死区控制器及低通滤波器，实现了对折算到手术工具末端的六维力的动态采集；通过导纳控制模块，实现了柔顺于医生操作力的运动及给医生提供力觉反馈；通过边界控制模块，实现了安全区域的限定。
应用本申请实施例的方法，在医生对患者的髋臼进行磨削或打入髋臼杯的过程中，当患者的肢体发生移动时，机械臂能够控制手术工具进行快速、准确的跟踪；在髋臼磨削中，当医生需要动态调整髋臼锉的位姿时，机械臂能够柔顺于医生的操纵并保持力反馈的交互特性，与此同时限定了医生动态调整的安全区域，能够保证髋臼磨削的安全性。通过导航定位模块，提高了髋臼磨削、髋臼杯打入的精度；通过动力控制模块，在满足医生动态操作需求的同时，提供了力觉反馈，并保证了髋臼磨削的安全性。
图7为本申请实施例提供的骨科手术机器人控制装置的结构示意图，应用于机器人，所述机器人包括手术工具和机械臂，所述手术工具设置于所述机械臂上，所述装置包括：
确定单元71，根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿；
第一处理单元72，用于根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量；
第二处理单元73，用于根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿；
控制单元74，用于根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动。
在一种可能的实施方式中，所述确定单元71具体用于：
获取所述患者的当前位姿与所述手术工具末端的当前位姿之间的当前位姿偏差；
根据所述患者病灶和所述手术工具之间的目标位姿偏差，以及所述当前位姿偏差，获取所述手术工具下一时刻的指令速度；
根据所述指令速度和所述手术工具末端的当前位姿，确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿。
在一种可能的实施方式中，所述第一处理单元72具体用于：
获取所述原始作用力的大小和力矩；
对所述原始作用力的大小、力矩进行变换处理，得到所述原始作用力折算至所述手术工具末端的折算力、折算力矩的大小；
对所述折算力的大小和所述折算力矩依次进行死区控制处理和低通滤波处理，得到所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量。
在一种可能的实施方式中，所述折算力和所述折算力矩满足：
其中，F为所述折算力的大小，为六维力传感器坐标系在手术工具末端坐标系下的旋转矩阵，FS为所述原始作用力的大小，为基准坐标系在所述六维力传感器坐标系下的旋转矩阵，Gt为所述手术工具的重力；
N为所述折算力矩，NS为所述原始作用力的力矩，为所述手术工具的质心坐标系原点在所述六维力传感器坐标系下的位置，为所述手术工具末端坐标系原点在所述六维力传感器坐标系下的位置。
在一种可能的实施方式中，所述第二处理单元73具体用于：
根据所述手术工具末端的当前运动速度和所述手术工具末端的期望运动速度，获取所述手术工具末端在上一时刻和当前时刻的第一速度偏差；
根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端的当前期望位姿，获取所述手术工具末端在所述上一时刻和所述当前时刻的第一位姿偏差；
根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、所述手术工具末端下一时刻的期望位姿、所述第一速度偏差和所述第一位姿偏差，获取所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿。
在一种可能的实施方式中，所述第二处理单元73具体用于：
根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、所述第一速度偏差和所述第一位姿偏差，获取所述手术工具末端下一时刻的加速度偏差；
根据所述手术工具末端的当前运动速度和所述第一速度偏差，获取所述手术工具末端在所述当前时刻和所述下一时刻的第二速度偏差；
根据所述第一位姿偏差和所述第二速度偏差，获取所述手术工具末端在所述当前时刻和所述下一时刻的第二位姿偏差；
根据所述第二位姿偏差和所述手术工具末端下一时刻的期望位姿，获取所述柔顺位姿。
在一种可能的实施方式中，所述控制单元74具体用于：
对所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿进行边界控制处理，得到所述手术工具末端在下一时刻的安全位姿；
根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端在下一时刻的安全位姿，控制所述手术工具运动。
本申请实施例提供的骨科手术机器人控制装置，用于执行上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，本实施例此处不再赘述。
图8为本申请实施例提供的骨科手术机器人控制系统的结构示意图，如图8所示，该系统包括增量式PID控制模块81、六维力变换模块82、导纳控制模块83、机械臂84和手术工具85，所述手术工具85设置于所述机械臂84上，其中：
所述增量式PID控制模块81用于根据患者的位姿确定所述手术工具85末端在下一时刻的期望位姿；
所述六维力变换模块82用于根据作用于所述机械臂84的原始作用力获取所述手术工具85末端在当前时刻的六维力向量；
所述导纳控制模块83用于根据所述手术工具85末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具85末端下一时刻的柔顺位姿，并将所述手术工具85末端下一时刻的柔顺位姿发送给所述机械臂84；
所述机械臂84用于根据所述手术工具85末端的当前位姿和所述手术工具85末端下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具85运动。
图9示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图9所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)910、通信接口(Communications Interface)920、存储器(memory)930和通信总线940，其中，处理器910，通信接口920，存储器930通过通信总线940完成相互间的通信。处理器910可以调用存储器930中的逻辑指令，以执行骨科手术机器人控制方法，应用于机器人，所述机器人包括手术工具和机械臂，所述手术工具设置于所述机械臂上，该方法包括：根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿；根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量；根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿；根据所述手术工具末端的当前位姿和下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动。
此外，上述的存储器930中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本申请还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的骨科手术机器人控制方法，应用于机器人，所述机器人包括手术工具和机械臂，所述手术工具设置于所述机械臂上，该方法包括：根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿；根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量；根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿；根据所述手术工具末端的当前位姿和下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动。
又一方面，本申请还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的骨科手术机器人控制方法，应用于机器人，所述机器人包括手术工具和机械臂，所述手术工具设置于所述机械臂上，该方法包括：根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿；根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量；根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿；根据所述手术工具末端的当前位姿和下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种骨科手术机器人控制方法，应用于机器人，所述机器人包括手术工具和机械臂，所述手术工具设置于所述机械臂上，其特征在于，所述方法包括：
根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿；
根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量；
根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿；
根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿，包括：
获取所述患者的当前位姿与所述手术工具末端的当前位姿之间的当前位姿偏差；
根据所述患者病灶和所述手术工具之间的目标位姿偏差，以及所述当前位姿偏差，获取所述手术工具下一时刻的指令速度；
根据所述指令速度和所述手术工具末端的当前位姿，确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量，包括：
获取所述原始作用力的大小和力矩；
对所述原始作用力的大小、力矩进行变换处理，得到所述原始作用力折算至所述手术工具末端的折算力、折算力矩的大小；
对所述折算力的大小和所述折算力矩依次进行死区控制处理和低通滤波处理，得到所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述折算力和所述折算力矩满足：
其中，F为所述折算力的大小，为六维力传感器坐标系在手术工具末端坐标系下的旋转矩阵，FS为所述原始作用力的大小，为基准坐标系在所述六维力传感器坐标系下的旋转矩阵，Gt为所述手术工具的重力；
N为所述折算力矩，NS为所述原始作用力的力矩，为所述手术工具的质心坐标系原点在所述六维力传感器坐标系下的位置，为所述手术工具末端坐标系原点在所述六维力传感器坐标系下的位置。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，包括：
根据所述手术工具末端的当前运动速度和所述手术工具末端的期望运动速度，获取所述手术工具末端在上一时刻和当前时刻的第一速度偏差；
根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端的当前期望位姿，获取所述手术工具末端在所述上一时刻和所述当前时刻的第一位姿偏差；
根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、所述手术工具末端下一时刻的期望位姿、所述第一速度偏差和所述第一位姿偏差，获取所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、所述手术工具末端下一时刻的期望位姿、所述第一速度偏差和所述第一位姿偏差，获取所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，包括：
根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、所述第一速度偏差和所述第一位姿偏差，获取所述手术工具末端下一时刻的加速度偏差；
根据所述手术工具末端的当前运动速度和所述第一速度偏差，获取所述手术工具末端在所述当前时刻和所述下一时刻的第二速度偏差；
根据所述第一位姿偏差和所述第二速度偏差，获取所述手术工具末端在所述当前时刻和所述下一时刻的第二位姿偏差；
根据所述第二位姿偏差和所述手术工具末端下一时刻的期望位姿，获取所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿。
7.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动，包括：
对所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿进行边界控制处理，得到所述手术工具末端在下一时刻的安全位姿；
根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端在下一时刻的安全位姿，控制所述手术工具运动。
8.一种骨科手术机器人控制装置，其特征在于，应用于机器人，所述机器人包括手术工具和机械臂，所述手术工具设置于所述机械臂上，所述装置包括：
确定单元，根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿；
第一处理单元，用于根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量；
第二处理单元，用于根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿；
控制单元，用于根据所述手术工具末端的当前位姿和所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，控制所述手术工具运动。
9.一种骨科手术机器人控制系统，其特征在于，包括增量式比例-积分-微分控制PID控制模块、六维力变换模块、导纳控制模块、机械臂和手术工具，所述手术工具设置于所述机械臂上，其中：
所述增量式PID控制模块用于根据患者的位姿确定所述手术工具末端在下一时刻的期望位姿；
所述六维力变换模块用于根据作用于所述机械臂的原始作用力获取所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量；
所述导纳控制模块用于根据所述手术工具末端在当前时刻的六维力向量、下一时刻的期望位姿、当前位姿和当前运动速度，获取所述原始作用力对应的所述手术工具末端下一时刻的柔顺位姿，并将所述柔顺位姿发送给所述机械臂；
所述机械臂用于根据所述手术工具末端的当前位姿和所述柔顺位姿，控制所述手术工具运动。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的骨科手术机器人控制方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118303982A (zh) * 2024-04-26 2024-07-09 北京天智航医疗科技股份有限公司 基于力交互的机器人远心运动控制方法、系统及存储介质

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