手术机器人及其机械臂的控制方法、控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种手术机器人及其机械臂的控制方法、控制装置。该方法包括：根据动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的动力机构在相应状态下的负载参数；根据负载参数确定在六维力传感器坐标系下的负载力学模型；获取机械臂中各关节的位置信息，结合负载力学模型计算负载的六维力/力矩矢量；根据总的六维力/力矩矢量、零偏的六维力/力矩矢量及负载的六维力/力矩矢量计算施加于动力机构的外力的六维力/力矩矢量；解析外力的六维力/力矩矢量获得动力机构在机械臂的基坐标系的目标位姿信息，并根据目标位姿信息控制机械臂中各关节运动使动力机构到达对应的目标位姿。通过上述实施方式，能够较好地拖动机械臂。

【技术实现步骤摘要】
手术机器人及其机械臂的控制方法、控制装置本申请是申请日为2019年09月10日提交中国专利局、申请号为CN201910854105.6、申请名称为“手术机器人及其机械臂的控制方法、控制装置”的分案申请，该案的全文以引用的方式并入本申请中。
本专利技术涉及微创手术医疗器械领域，特别是涉及一种手术机器人及其机械臂的控制方法、控制装置。
技术介绍
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，主操作台包括手柄，医生通过操作手柄向从操作设备发送控制命令，从操作设备包括机械臂，机械臂远端具有操作臂，操作臂具有末端器械。医生对患者实施手术操作之前，需要拖动机械臂以使其远端能够运动至医生规划的患者手术入口部位的期望位姿。然而，在拖动机械臂至规划位置时，由受力位置远端的结构导致的负载情况由于具有不确定性，导致不能准确地确定操作者所施加的外力，存在拖动手感与操作者意图差距较大、跟随性较差的问题。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种能够较好地拖动动力机构的手术机器人及其控制方法、计算机可读存储介质。一方面，本专利技术提供一种手术机器人中机械臂的控制方法，包括：根据动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的动力机构在相应状态下的负载参数，负载参数包括质量参数和质心参数；根据负载参数确定在六维力传感器坐标系下、由动力机构导致的负载对应的负载力学模型；获取机械臂中各关节的位置信息，结合负载力学模型计算负载的六维力/力矩矢量；获取零偏的六维力/力矩矢量及总的六维力/力矩矢量；根据总的六维力/力矩矢量、零偏的六维力/力矩矢量及负载的六维力/力矩矢量计算施加于动力机构的外力的六维力/力矩矢量；解析外力的六维力/力矩矢量获得动力机构在机械臂的基坐标系的目标位姿信息，并根据目标位姿信息控制机械臂中各关节运动使动力机构到达对应的目标位姿。其中，所述安装状态信息与各所述动力部上所述操作臂的安装状态相关，所述位置状态信息与各所述动力部相对于相应所述导轨的位置状态相关；所述安装状态信息包括各所述动力部上是否安装有操作臂的信息、及/或各所述动力部上安装的操作臂的类型信息。其中，所述根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的所述动力机构在相应状态下的负载参数的步骤之前，包括：基于所述动力机构内部的每一安装状态，分别测定出所述动力机构在相应所述安装状态下、内部位于不同位置状态时所述动力机构的负载参数；根据测定出的所述动力机构在相应所述安装状态下、内部位于不同位置状态时对应的负载参数，分别建立对应于所述动力机构的每一安装状态的一个参数计算模型。其中，所述根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的所述动力机构在相应状态下的负载参数的步骤之中，包括：获取所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息；根据所述动力机构的安装状态信息调用参数计算模型；结合调用的所述参数计算模型及所述动力机构的位置状态信息计算出所述动力机构在相应状态下的负载参数。其中，所述解析所述外力的六维力/力矩矢量获得所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的目标位姿信息的步骤之前，包括：获取输入的关联于所述动力机构的任务自由度的操作命令；所述解析所述外力的六维力/力矩矢量获得所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的目标位姿信息的步骤之中，具体地：结合所述任务自由度解析所述外力的六维力/力矩矢量获得所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的目标位姿信息以使所述动力机构能够在相应任务自由度运动。其中，所述操作命令包括第一操作命令和第二操作命令；所述第一操作命令同所述任务自由度与所述机械臂的有效自由度完全匹配的情况相关联，根据所述第一操作命令解析获得的所述目标位姿信息可对所述动力机构进行自由拖动控制；所述第二操作命令同所述任务自由度与所述机械臂的有效自由度不完全匹配、但包含于所述机械臂的有效自由度的情况相关联，根据所述第二操作命令解析获得的所述目标位姿信息只能在设定的任务自由度内对所述动力机构进行拖动控制。其中，所述第二操作命令同所述动力机构的任务自由度选择自所述机械臂的有效自由度中与姿态自由度关联的有效自由度的情况相关联。其中，所述解析所述外力的六维力/力矩矢量获得所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的目标位姿信息的步骤之中的步骤之中，具体地：通过控制参数可调的刚度矩阵将所述外力的六维力/力矩矢量转换为所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的目标位姿信息。另一方面，本专利技术提供一种手术机器人中机械臂的控制方法，包括：获取每一六维力传感器下的一组负载参数，一组负载参数包括位于相应六维力传感器远端的各连杆的负载参数，其中，动力机构的负载参数根据动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息而获得，负载参数包括质量参数和质心参数；根据每一六维力传感器下的一组负载参数确定相应六维力传感器坐标系下、由六维力传感器远端的各连杆导致的负载对应的负载力学模型；获取机械臂中各关节的位置信息，结合每一六维力传感器下的负载力学模型分别计算每一六维力传感器下的负载的六维力/力矩矢量；获取零偏的六维力/力矩矢量及总的六维力/力矩矢量，结合每一六维力传感器下的负载的六维力/力矩矢量计算出作用于每一六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量；根据计算出的作用于每一六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量及作用于其远端相邻一个所述六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量确定受力连杆，并计算出施加于受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量；解析施加于受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得受力连杆在相应坐标系的目标位姿信息，并根据目标位姿信息控制机械臂做相应运动。其中，所述安装状态信息与各所述动力部上所述操作臂的安装状态相关，所述位置状态信息与各所述动力部相对于相应所述导轨的位置状态相关；所述安装状态信息包括各所述动力部上是否安装有操作臂的信息、及/或各所述动力部上安装的操作臂的类型信息。其中，所述根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的所述动力机构在相应状态下的负载参数的步骤之前，包括：基于所述动力机构内部的每一安装状态，分别测定出所述动力机构在相应所述安装状态下、内部位于不同位置状态时所述动力机构的负载参数；根据测定出的所述动力机构在相应所述安装状态下、内部位于不同位置状态时对应的负载参数，分别建立对应于所述动力机构的每一安装状态的一个参数计算模型。其中，所述根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的所述动力机构在相应状态下的负载参数的步骤之中，包括：获取所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息；根据所述动力机构的安装状态信息调用参数计算模型；结合调用的所述参数计算模型及所述动力机构的位置状态信息计算出所述动力机构在相应状态下的负载参数。其中，所述解析施加于所述受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在相应坐标系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种手术机器人，其特征在于，包括：/n机械臂，具有多个通过关节连接的连杆，作为所述机械臂远端的所述连杆是动力机构；/n及控制装置，与所述机械臂耦接，被配置成执行：/n确定所述连杆中的受力连杆并获得施加于所述受力连杆的外力；/n获取输入的关联于所述动力机构的任务自由度的操作命令；/n在所述受力连杆为两个以上、且所述操作命令关联于所述任务自由度与所述机械臂的有效自由度完全匹配的情况时，解析第一受力连杆上的外力获得所述第一受力连杆在基坐标系的目标位姿信息，所述第一受力连杆指所述受力连杆中最邻近所述机械臂近端的一个受力连杆，基坐标系指所述机械臂的基坐标系；/n解析第二受力连杆的外力获得所述第二受力连杆在相邻所述受力连杆的坐标系的目标位姿信息，所述第二受力连杆指各相邻两个所述受力连杆中相对远离所述机械臂近端的一个受力连杆；/n根据所述第一受力连杆的目标位姿信息控制所述第一受力连杆及其近端的各所述连杆运动使所述第一受力连杆到达对应的目标位姿、根据所述第二受力连杆的目标位姿信息控制所述第二受力连杆及与其相邻所述受力连杆之间的各所述连杆运动使所述第二受力连杆到达对应的目标位姿。/n

【技术特征摘要】
1.一种手术机器人，其特征在于，包括：
机械臂，具有多个通过关节连接的连杆，作为所述机械臂远端的所述连杆是动力机构；
及控制装置，与所述机械臂耦接，被配置成执行：
确定所述连杆中的受力连杆并获得施加于所述受力连杆的外力；
获取输入的关联于所述动力机构的任务自由度的操作命令；
在所述受力连杆为两个以上、且所述操作命令关联于所述任务自由度与所述机械臂的有效自由度完全匹配的情况时，解析第一受力连杆上的外力获得所述第一受力连杆在基坐标系的目标位姿信息，所述第一受力连杆指所述受力连杆中最邻近所述机械臂近端的一个受力连杆，基坐标系指所述机械臂的基坐标系；
解析第二受力连杆的外力获得所述第二受力连杆在相邻所述受力连杆的坐标系的目标位姿信息，所述第二受力连杆指各相邻两个所述受力连杆中相对远离所述机械臂近端的一个受力连杆；
根据所述第一受力连杆的目标位姿信息控制所述第一受力连杆及其近端的各所述连杆运动使所述第一受力连杆到达对应的目标位姿、根据所述第二受力连杆的目标位姿信息控制所述第二受力连杆及与其相邻所述受力连杆之间的各所述连杆运动使所述第二受力连杆到达对应的目标位姿。


2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于：
所述机械臂包括三个位置有效自由度及三个姿态有效自由度。


3.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于：
所述机械臂包括三个位置有效自由度及两个姿态有效自由度。


4.根据权利要求3所述的手术机器人，其特征在于：
所述机械臂的五个有效自由度由所述机械臂的五个自由度组成，其中，所述机械臂具有沿近端向远端依次设置的一个沿竖直方向线性移动的自由度、三个绕竖直方向转动的自由度以及一个绕垂直于竖直方向的方向转动的自由度。


5.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于：
所述机械臂中，包括所述动力机构的连续两个以上的相邻所述连杆之间均装设有与所述控制装置耦接、用于采集受力信息的六维力传感器；
确定所述连杆中的受力连杆并获得施加于所述受力连杆的外力的步骤包括：
获取每一所述六维力传感器下的一组负载参数，所述一组负载参数包括位于相应所述六维力传感器远端的各所述连杆的负载参数，其中，所述动力机构的负载参数根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息而获得，所述负载参数包括质量参数和质心参数；
根据每一所述六维力传感器下的一组负载参数确定相应所述六维力传感器坐标系下、由所述六维力传感器远端的各所述连杆导致的负载对应的负载力学模型；
获取所述机械臂中各关节的位置信息，结合每一所述六维力传感器下的负载力学模型分别计算每一所述六维力传感器下的负载的六维力/力矩矢量；
获取零偏的六维力/力矩矢量及总的六维力/力矩矢量，并结合每一所述六维力传感器下的负载的六维力/...

【专利技术属性】
技术研发人员：高元倩，叶国强，
申请(专利权)人：深圳市精锋医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44