一种手术机器人的控制方法及控制装置与流程

本发明涉及手术机器人技术领域，尤其涉及一种手术机器人的控制方法及控制装置。

背景技术：

如今，越来越多的疾病可以通过手术机器人进行手术得到治愈。例如一些微创手术，通过手术机器人进行微创手术，具有创伤面更小、恢复快等特点，因此被广泛应用于医疗领域。由于现有的手术机器人均是依靠电机进行驱动，进而完成其各个关节的运动从而实现实施手术过程中的操作。但是，随着手术机器人的应用越来越广泛，现有的手术机器人并不能代替医生的手指，无法让医生在手术时感知手术机器人的操作力和手术对象的组织属性，增加了通过手术机器人进行手术时的风险。

综上所述，现有的手术机器人存在控制精度较低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种手术机器人的控制方法及控制装置，以解决现有的手术机器人存在控制精度较低的问题。

本发明是这样实现的，一种手术机器人的控制方法，用于手术过程中控制手术机器人在三维空间坐标系中运动和所述手术机器人的操作力大小，其中，三维空间坐标系包括X轴、Y轴以及Z轴，所述控制方法包括以下步骤：

接收控制所述手术机器人进行手术的运动指令和目标运动参数，并根据所述运动指令和所述目标运动参数获取所述手术机器人在所述三维空间坐标系中的实际运动参数；

当所述实际运动参数与所述目标运动参数不同时，根据所述实际运动参数、所述目标运动参数以及预设刚度系数生成力反馈信息，根据所述力反馈信息对所述机器人进行调节，直到所述实际运动参数与所述目标运动参数相同。

本发明的目的还在于提供一种手术机器人的控制装置，用于手术过程中控制手术机器人在三维空间坐标系中运动和所述手术机器人的操作力大小，其中，三维空间坐标系包括X轴、Y轴以及Z轴，所述控制装置包括：

获取模块，用于接收控制所述手术机器人进行手术的运动指令和目标运动参数，并根据所述运动指令和所述目标运动参数获取所述手术机器人在所述三维空间坐标系中的实际运动参数；

调节模块，用于当所述实际运动参数与所述目标运动参数不同时，根据所述实际运动参数、所述目标运动参数以及预设刚度系数生成力反馈信息，根据所述力反馈信息对所述机器人进行调节，直到所述实际运动参数与所述目标运动参数相同。

本发明的一种手术机器人的控制方法，通过接收控制手术机器人进行手术的运动指令和目标运动参数，并根据运动指令获取手术机器人在三维空间坐标系中的实际运动参数，当实际运动参数与目标运动参数不同时，根据实际运动参数、目标运动参数以及预设刚度系数生成力反馈信息，根据力反馈信息对机器人进行调节，直到实际运动参数与目标运动参数相同。使得手术机器人在执行手术的过程中能够根据力反馈信息不断调节运动姿态和操作力度，提高了手术机器人的控制精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的手术机器人的控制方法流程图；

图2是本发明实施例提供的手术机器人的控制装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的目的在于提供一种手术机器人的控制方法及控制装置，以解决现有的手术机器人存在控制精度较低的问题。

在本发明的所有实施例中，控制手术机器人实施手术的可以是上位机，也可以是具有控制功能的遥控终端。通过上位机或终端在手术过程中控制手术机器人在三维空间坐标系中运动和所述手术机器人的操作力大小，其中，三维空间坐标系包括X轴、Y轴以及Z轴。

以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：

图1示出了本发明实施例提供的手术机器人的控制方法实现流程，为了便于说明，仅示出与本实施例相关的部分，详述如下：

一种手术机器人的控制方法，该控制方法包括：

S101：接收控制所述手术机器人进行手术的运动指令和目标运动参数，并根据所述运动指令和所述目标运动参数获取所述手术机器人在所述三维空间坐标系中的实际运动参数。

在对待手术体进行手术时，上位机接收控制所述手术机器人进行手术的运动指令和目标运动参数，并根据所述运动指令和所述目标运动参数获取所述手术机器人在所述三维空间坐标系中的实际运动参数。

在步骤S101中，运动指令包括用于控制手术机器人各个运动关节或驱动电机的工作顺序的时序信号。目标运动参数包括：控制手术机器人在三维空间坐标系中运动的目标位置、转动姿态以及目标操作力，令目标运动参数为D_d，即D_d包括：x_d为所述手术机器人沿所述X轴运动的目标位置，y_d为所述手术机器人沿所述Y轴运动的目标位置，z_d为所述手术机器人沿所述Z轴运动的目标位置，θ_xd为所述手术机器人绕所述X轴转动的目标角度，θ_yd为所述手术机器人绕所述Y轴转动的目标角度，θ_zd为所述手术机器人绕所述Z轴转动的目标角度，φ_d为所述手术机器人的目标操作力。

需要说明的是，操作力为手术机器人实施手术时，施加在待手术体上的力，例如，夹持力、切割力、穿刺力等。

实际运动参数包括：手术机器人根据运动指令和目标运动参数在三维空间坐标系中运动的实际位置、转动姿态以及实际操作力，令实际运动参数为D_r，即D_r包括：x_r为所述手术机器人沿所述X轴运动的实际位置，y_r为所述手术机器人沿所述Y轴运动的实际位置，z_r为所述手术机器人沿所述Z轴运动的实际位置，θ_xr为所述手术机器人绕所述X轴转动的实际角度，θ_yr为所述手术机器人绕所述Y轴转动的实际角度，θ_zr为所述手术机器人绕所述Z轴转动的实际角度，φ_r为所述手术机器人的实际操作力。

可以理解的是，目标操作力为在控制手术机器人进行手术时，由医生输入的用于控制手术机器人进行手术时施加在待手术体上的力度。实际操作力为在控制手术机器人进行手术时，由医生输入目标运动参数后，手术机器人在进行手术过程中实际施加在待手术体上的力。

在本实施例中，根据所述运动指令获取所述手术机器人在所述三维空间坐标系中的实际运动参数的步骤具体可以为：根据所述运动指令对所述目标运动参数进行逆解处理，得到与所述运动指令对应的逆解值，并根据所述逆解值得到实际运动参数。

在运动学中，正解：是根据已知各关节的运动参数，求末端执行器的相对参考坐标系的位姿。逆解：是根据已给定的满足工作要求的末端执行器相对参考坐标系的位置和姿态，求各关节的运动参数。其中，正解与逆解的区别在于求解方向相反。

可以理解的是，根据运动指令对目标运动参数进行逆解处理得到与运动指令对应的逆解值，并根据所述逆解值得到实际运动参数，则是根据指令中已给定的满足工作要求的手术机器人相对参考坐标系的位置和姿态，求各关节的实际运动参数。

S120：当所述实际运动参数与所述目标运动参数不同时，根据所述实际运动参数、所述目标运动参数以及预设刚度系数生成力反馈信息，根据所述力反馈信息对所述机器人进行调节，直到所述实际运动参数与所述目标运动参数相同。

当所述实际运动参数与所述目标运动参数不同时，上位机根据所述实际运动参数、所述目标运动参数以及预设刚度系数生成力反馈信息，根据所述力反馈信息对所述机器人进行调节，直到所述实际运动参数与所述目标运动参数相同，进而实现利用手术机器人进行手术时的力反馈。

在步骤S120中，预设刚度系数是手术机器人在执行运动指令时待手术体的刚度系数。力反馈信息为手术机器人在执行运动指令时用于调整所述运动指令的信息，在手术机器人执行运动指令的过程中，通过生产力反馈信息，并根据该力反馈信息对所述机器人的运动参数或运动姿态进行调节，使得所述实际运动参数不断接近于目标运动参数。

为了提高对机器人的控制精度，在机器人执行运动指令时，实时根据实际运动参数、目标运动参数以及预设刚度系数生成力反馈信息，具体可以是在机器人执行一个动作完成之后在下一个动作执行之前生成力反馈信息，并在下一个动作执行之前根据力反馈信息完成对机器人的调节。

进一步地，步骤S120具体包括：根据所述实际运动参数与所述目标运动参数生成目标差值；根据所述目标差值与所述刚度系数生成所述力反馈信息。

其中，目标差值为所述目标运动参数与所述实际运动参数之差，即目标差值为ΔD，目标运动参数为D_d，实际运动参数为D_r，即ΔD＝D_d-D_r。力反馈信息为目标差值与刚度系数的乘积，即力反馈信息为F_fb，所述刚度系数为K_si，所述目标差值为ΔD，即F_fb＝K_si·ΔD。

更具体的，按如下公式根据所述实际运动参数与所述目标运动参数生成目标差值：

ΔD＝D_d-D_r

其中，ΔD为所述目标差值，D_d为所述目标运动参数，D_r为所述实际运动参数，Δx为沿所述X轴运动的目标差值，Δy为沿所述Y轴运动的目标差值，Δz为沿所述Z轴运动的目标差值，Δθ_x为绕所述X轴转动角度的目标差值，Δθ_y为绕所述Y轴转动角度的目标差值，Δθ_z为绕所述Z轴转动角度的目标差值，Δφ为所述机器人操作力的目标差值。

x_d为沿所述X轴运动的目标位置，y_d沿所述Y轴运动的目标位置，z_d沿所述Z轴运动的目标位置，θ_xd为绕所述X轴转动的目标角度，θ_yd为绕所述Y轴转动的目标角度，θ_zd为绕所述Z轴转动的目标角度，φ_d为所述机器人的目标操作力。

x_r为沿所述X轴运动的实际位置，y_r为沿所述Y轴运动的实际位置，z_r为沿所述Z轴运动的实际位置，θ_xr为绕所述X轴转动的实际角度，θ_yr为绕所述Y轴转动的实际角度，θ_zr为绕所述Z轴转动的实际角度，φ_r为所述机器人的实际操作力。

按如下公式根据所述目标差值与所述刚度系数生成所述力反馈信息：

F_fb＝K_si·ΔD

其中，F_fb为所述力反馈信息，K_si为所述刚度系数，ΔD为所述目标差值。

K_s1为所述手术机器人沿X轴方向做直线运动时的刚度系数，K_s2为所述手术机器人沿Y轴方向做直线运动时的刚度系数，K_s3为所述手术机器人沿Z轴方向做直线运动时的刚度系数，K_s4为所述手术机器人绕X轴转动时的刚度系数，K_s5为所述手术机器人绕Y轴转动时的刚度系数，K_s6为所述手术机器人绕Z轴转动时的刚度系数，K_s7为所述手术机器人实施操作力时的刚度系数；

Δx为沿所述X轴运动的目标差值，Δy为沿所述Y轴运动的目标差值，Δz为沿所述Z轴运动的目标差值，Δθ_x为绕所述X轴转动角度的目标差值，Δθ_y为绕所述Y轴转动角度的目标差值，Δθ_z为绕所述Z轴转动角度的目标差值，Δφ为所述机器人操作力的目标差值。

K_s1Δx为用于调节所述手术机器人沿X轴方向做直线运动的第一力反馈信息，K_s2Δy为用于调节所述手术机器人沿Y轴方向做直线运动的第二力反馈信息，K_s3Δz为用于调节所述手术机器人沿Z轴方向做直线运动的第三力反馈信息，K_s4Δθ_X为用于调节所述手术机器人绕X轴转动的第四力反馈信息，K_s5Δθ_Y为用于调节所述手术机器人绕Y轴转动的第五力反馈信息，K_s6Δθ_z为用于调节所述手术机器人绕Z轴转动的第六力反馈信息，K_s7Δφ为用于调节所述手术机器人实施操作力的第七力反馈信息。

在本实施例中，预设刚度系数与待手术体的组织构造有关，即与待手术体的生理构造有关。不同的待手术体对应不同的预设刚度系数，当所述实际运动参数以及所述目标运动参数相同时，由于预设刚度系数不同，生成力反馈信息也不相同。

需要说明的是，在利用手术机器人对待手术体进行手术时，机器人需要与待手术体进行接触甚至进行夹持、切割或穿刺等操作。由于待手术体的各个部位的组织构造或生理形态存在差异，因此当机器人从多个角度或方向对待手术体施加操作力时，因为方向不同进而导致预设刚度系数不同，使得同一个操作力所达到的效果也不一致。

例如，待手术体为病患的小腿三头肌，在利用手术机器人对病患的小腿三头肌执行运动方向相互垂直的两次切割力时，当手术机器人执行两次切割力的对应的目标运动参数均相同时，由于病患小腿三头肌的肌肉走向与两次切割力的运动方向之间存在受力方向和效果的不同，因此这两次切割力在病患的小腿三头肌所造成的切割效果也不同。

本发明的一种手术机器人的控制方法，通过接收控制手术机器人进行手术的运动指令和目标运动参数，并根据运动指令获取手术机器人在三维空间坐标系中的实际运动参数，当实际运动参数与目标运动参数不同时，根据实际运动参数、目标运动参数以及预设刚度系数生成力反馈信息，根据力反馈信息对机器人进行调节，直到实际运动参数与目标运动参数相同。使得手术机器人在执行手术的过程中能够根据力反馈信息不断调节运动姿态和操作力度，提高了手术机器人的控制精度。

通过获取多方面的力反馈信息能够在进一步提高控制精度的同时保证手术的成功率。

本实施例的目的还在于提供一种机器人的控制装置，本实施例中的机器人的控制装置与图1所示的控制方法相对应。

图2示出了本发明实施例提供的机器人的控制装置的结构示意图，如图2所示，一种手术机器人的控制装置100，该控制装置100包括：获取模块10和调节模块20。具体地：

获取模块10，用于接收控制所述手术机器人进行手术的运动指令和目标运动参数，并根据所述运动指令和所述目标运动参数获取所述手术机器人在所述三维空间坐标系中的实际运动参数。

运动指令包括用于控制手术机器人各个运动关节或驱动电机的工作顺序的时序信号。目标运动参数包括：控制手术机器人在三维空间坐标系中运动的目标位置、转动姿态以及目标操作力，令目标运动参数为D_d，即D_d包括：x_d为所述手术机器人沿所述X轴运动的目标位置，y_d为所述手术机器人沿所述Y轴运动的目标位置，z_d为所述手术机器人沿所述Z轴运动的目标位置，θ_xd为所述手术机器人绕所述X轴转动的目标角度，θ_yd为所述手术机器人绕所述Y轴转动的目标角度，θ_zd为所述手术机器人绕所述Z轴转动的目标角度，φ_d为所述手术机器人的目标操作力。

逆解单元，用于根据所述运动指令对所述目标运动参数进行逆解处理，得到与所述运动指令对应的逆解值，并根据所述逆解值得到实际运动参数。

需要说明的是，操作力为手术机器人实施手术时，施加在待手术体上的力，例如，夹持力、切割力、穿刺力等。

实际运动参数包括：手术机器人根据运动指令和目标运动参数在三维空间坐标系中运动的实际位置、转动姿态以及实际操作力，令实际运动参数为D_r，即D_r包括：x_r为所述手术机器人沿所述X轴运动的实际位置，y_r为所述手术机器人沿所述Y轴运动的实际位置，z_r为所述手术机器人沿所述Z轴运动的实际位置，θ_xr为所述手术机器人绕所述X轴转动的实际角度，θ_yr为所述手术机器人绕所述Y轴转动的实际角度，θ_zr为所述手术机器人绕所述Z轴转动的实际角度，φ_r为所述手术机器人的实际操作力。

可以理解的是，目标操作力为在控制手术机器人进行手术时，由医生输入的用于控制手术机器人进行手术时施加在待手术体上的力度。实际操作力为在控制手术机器人进行手术时，由医生输入目标运动参数后，手术机器人在进行手术过程中实际施加在待手术体上的力度。

在本实施例中，根据所述运动指令获取所述手术机器人在所述三维空间坐标系中的实际运动参数的步骤具体可以为：根据所述运动指令对所述目标运动参数进行逆解处理，得到与所述运动指令对应的逆解值，并根据所述逆解值得到实际运动参数。

在运动学中，正解：是根据已知各关节的运动参数，求末端执行器的相对参考坐标系的位姿。逆解：是根据已给定的满足工作要求的末端执行器相对参考坐标系的位置和姿态，求各关节的运动参数。其中，正解与逆解的区别在于求解方向相反。

可以理解的是，根据运动指令对目标运动参数进行逆解处理得到与运动指令对应的逆解值，并根据所述逆解值得到实际运动参数，则是根据指令中已给定的满足工作要求的手术机器人相对参考坐标系的位置和姿态，求各关节的运动参数。

调节模块20，用于当所述实际运动参数与所述目标运动参数不同时，根据所述实际运动参数、所述目标运动参数以及预设刚度系数生成力反馈信息，根据所述力反馈信息对所述机器人进行调节，直到所述实际运动参数与所述目标运动参数相同。

进一步的，调节模块20包括：

目标差值单元，用于根据所述实际运动参数与所述目标运动参数生成目标差值。

力反馈信息单元，用于根据所述目标差值与所述刚度系数生成所述力反馈信息。

其中，目标差值为所述目标运动参数与所述实际运动参数之差，即目标差值为ΔD，目标运动参数为D_d，实际运动参数为D_r，即ΔD＝D_d-D_r。力反馈信息为目标差值与刚度系数的乘积，即力反馈信息为F_fb，所述刚度系数为K_si，所述目标差值为ΔD，即F_fb＝K_si·ΔD。

更具体的，按如下公式根据所述实际运动参数与所述目标运动参数生成目标差值：

ΔD＝D_d-D_r

其中，ΔD为所述目标差值，D_d为所述目标运动参数，D_r为所述实际运动参数，Δx为沿所述X轴运动的目标差值，Δy为沿所述Y轴运动的目标差值，Δz为沿所述Z轴运动的目标差值，Δθ_x为绕所述X轴转动角度的目标差值，Δθ_y为绕所述Y轴转动角度的目标差值，Δθ_z为绕所述Z轴转动角度的目标差值，Δφ为所述机器人操作力的目标差值。

x_d为沿所述X轴运动的目标位置，y_d沿所述Y轴运动的目标位置，z_d沿所述Z轴运动的目标位置，θ_xd为绕所述X轴转动的目标角度，θ_yd为绕所述Y轴转动的目标角度，θ_zd为绕所述Z轴转动的目标角度，φ_d为所述机器人的目标操作力。

x_r为沿所述X轴运动的实际位置，y_r为沿所述Y轴运动的实际位置，z_r为沿所述Z轴运动的实际位置，θ_xr为绕所述X轴转动的实际角度，θ_yr为绕所述Y轴转动的实际角度，θ_zr为绕所述Z轴转动的实际角度，φ_r为所述机器人的实际操作力。

按如下公式根据所述目标差值与所述刚度系数生成所述力反馈信息：

F_fb＝K_si·ΔD

其中，F_fb为所述力反馈信息，K_si为所述刚度系数，ΔD为所述目标差值。

K_s1为所述手术机器人沿X轴方向做直线运动时的刚度系数，K_s2为所述手术机器人沿Y轴方向做直线运动时的刚度系数，K_s3为所述手术机器人沿Z轴方向做直线运动时的刚度系数，K_s4为所述手术机器人绕X轴转动时的刚度系数，K_s5为所述手术机器人绕Y轴转动时的刚度系数，K_s6为所述手术机器人绕Z轴转动时的刚度系数，K_s7为所述手术机器人实施操作力时的刚度系数；

Δx为沿所述X轴运动的目标差值，Δy为沿所述Y轴运动的目标差值，Δz为沿所述Z轴运动的目标差值，Δθ_x为绕所述X轴转动角度的目标差值，Δθ_y为绕所述Y轴转动角度的目标差值，Δθ_z为绕所述Z轴转动角度的目标差值，Δφ为所述机器人操作力的目标差值。

K_s1Δx为用于调节所述手术机器人沿X轴方向做直线运动的第一力反馈信息，K_s2Δy为用于调节所述手术机器人沿Y轴方向做直线运动的第二力反馈信息，K_s3Δz为用于调节所述手术机器人沿Z轴方向做直线运动的第三力反馈信息，K_s4Δθ_X为用于调节所述手术机器人绕X轴转动的第四力反馈信息，K_s5Δθ_Y为用于调节所述手术机器人绕Y轴转动的第五力反馈信息，K_s6Δθ_z为用于调节所述手术机器人绕Z轴转动的第六力反馈信息，K_s7Δφ为用于调节所述手术机器人实施操作力的第七力反馈信息。

本发明的一种手术机器人的控制方法，通过接收控制手术机器人进行手术的运动指令和目标运动参数，并根据运动指令获取手术机器人在三维空间坐标系中的实际运动参数，当实际运动参数与目标运动参数不同时，根据实际运动参数、目标运动参数以及预设刚度系数生成力反馈信息，根据力反馈信息对机器人进行调节，直到实际运动参数与目标运动参数相同。使得手术机器人在执行手术的过程中能够根据力反馈信息不断调节运动姿态和操作力度，提高了手术机器人的控制精度。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的步骤或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤，而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。