手术机器人的控制方法、控制器、系统、电子设备与介质与流程

1.本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种手术机器人的控制方法、控制器、系统、电子设备与介质。


背景技术：

2.近年来，随着微创外科手术机器人手术技术的发展，主从遥操作手术机器人在医疗领域的优势日益凸显。主操作手作为系统中的力觉交互设备是人机交互的载体。
3.手术机器人的机构中，可包含平台、传动杆等构件，机构自身(例如杆件、平台)的重力是影响其力反馈准确性和操作舒适性的主要因素，现有相关技术中，可采用改变配重、配置弹簧、滑轮等方式实现重力补偿，然而，该些机械方式大多补偿精度不高，且难以普遍适用于各种位姿下的重力补偿。


技术实现要素：

4.本发明提供一种手术机器人的控制方法、控制器、系统、电子设备与介质，以解决补偿精度不高，且难以普遍适用于各种位姿下的重力补偿的问题。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种手术机器人的控制方法；
6.所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、从动杆与电机；
7.所述主动杆转动连接所述静平台，所述主动杆还转动连接所述从动杆，所述从动杆还转动连接所述动平台；所述电机连接于所述主动杆与所述静平台的连接处，以驱动所述主动杆与所述静平台的相对转动；
8.所述控制方法，包括：
9.获取所述手术机器手当前的运动信息；其中的运动信息表征了所述主动杆、所述从动杆、所述静平台与所述动平台的至少部分运动过程；
10.根据所述当前的运动信息，确定所述电机所需产生的当前的转矩信息；
11.根据所述当前的转矩信息，控制所述电机。
12.以上方案中，基于手术机器手的运动信息，可适应性调整主动杆与静平台关节处的电机的输出转矩，从而保障输出转矩能准确匹配于手术机器手的实际运动，保障反馈的真实性，该过程中，可以无需引入弹簧、滑轮等机械构件，实现方式简单，补偿精度高，且能够普遍适用于各种位姿下的补偿。
13.可选的，根据所述当前的运动信息，确定所述电机所需产生的当前的转矩信息，具体包括：
14.根据所述当前的运动信息、以及运动信息与各电机转矩信息的量化关系，确定所述当前的转矩信息，其中，所述量化关系是根据所述动平台、所述主动杆与所述从动杆的重力虚功确定的。
15.可选的，所述运动信息包括各电机的驱动角变化、所述动平台的高度变化、所述主动杆的高度变化与所述从动杆的高度变化。
16.以上方案中，通过基于各构件重力作用的虚功，可实现对从手末端力的高速、实时反馈，为外科医生提供力感，增强医生手术过程中的沉浸感，保障医生和虚拟手术环境之间的交互。
17.可选的，在所述量化关系中：
18.所述电机的转矩信息正相关于所述动平台、所述主动杆、所述从动杆的重力势能变化；
19.所述电机的转矩信息负相关于所述主动杆的转角变化。
20.可选的，所述量化关系体现了：所述动平台的重力所做的虚功、所述主动杆的重力所做的虚功、所述从动杆重力所做的虚功、各电机所产生转矩的虚功是平衡的。
21.可选的，所述当前的转矩信息是根据以下公式确定的：
[0022][0023]
其中：
[0024]
m表征了所述电机的转矩；
[0025]
δp表征了所述动平台、所述主动杆与所述从动杆的重力势能变化；
[0026]
δθ表征了所述主动杆的转角变化。
[0027]
以上可选方案中，可在不考虑外力的作用下，充分考虑主动杆、从动杆、重力势能能变化与转角对电机转矩需求的影响，从而有效保障控制结果能够有效提供反馈性能，提高力反馈的真实性。
[0028]
可选的，在所述量化关系中：
[0029]
所述量化关系中，所述电机的转矩信息还正相关于外力的大小，以及所述手术机器人的质心位移变化。
[0030]
可选的，所述量化关系体现了：所述动平台的重力所做的虚功、所述主动杆的重力所做的虚功、所述从动杆重力所做的虚功、各电机所产生转矩的虚功、外力所做的虚功是平衡的。
[0031]
可选的，所述当前的转矩信息是根据以下公式确定的：
[0032][0033]
f＝(f
x
，f
y
，f
z
)
t
[0034]
其中：
[0035]
m表征了所述电机的转矩；
[0036]
δp表征了所述动平台、所述主动杆与所述从动杆的重力势能变化；
[0037]
δθ表征了所述主动杆的转角变化；
[0038]
f
x
表征了所述外力f沿x轴方向的大小；
[0039]
f
y
表征了所述外力f沿y轴方向的大小；
[0040]
f
z
表征了所述外力f沿z轴方向的大小；
[0041]
δx表征了所述主操作手的质心位移变化。
[0042]
以上可选方案中，可在考虑外力的作用下，充分考虑主动杆、从动杆、重力势能能变化、驱动角变化，以及外力的大小对电机转矩需求的影响，从而有效保障控制结果能够有
效提供反馈性能，提高力反馈的真实性。
[0043]
根据本发明的第二方面，提供了一种手术机器人的控制器，
[0044]
所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、从动杆与电机；
[0045]
所述主动杆转动连接所述静平台，所述主动杆还转动连接所述从动杆，所述从动杆还转动连接所述动平台；所述电机连接于所述主动杆与所述静平台的连接处，以驱动所述主动杆与所述静平台的相对转动；
[0046]
所述控制器，包括：
[0047]
获取模块，用于获取所述手术机器手当前的运动信息；其中的运动信息表征了所述主动杆、所述从动杆、所述静平台与所述动平台的至少部分运动过程；
[0048]
转矩确定模块，用于根据所述当前的运动信息，确定所述电机所需产生的当前的转矩信息；
[0049]
电机控制模块，用于根据所述当前的转矩信息，控制所述电机。
[0050]
根据本发明的第三方面，提供了一种手术机器人系统，包括：手术机器人与控制装置，所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、从动杆与电机；
[0051]
所述电机被配置为能够直接或间接被所述控制装置控制；
[0052]
所述主动杆转动连接所述静平台，所述主动杆还转动连接所述从动杆，所述从动杆还转动连接所述动平台；所述电机连接于所述主动杆与所述静平台的连接处，以驱动所述主动杆与所述静平台的相对转动；
[0053]
所述控制装置用于执行第一方面及其可选方案涉及的控制方法。
[0054]
根据本发明的第四方面，提供了一种电子设备，其特征在于，包括处理器与存储器，
[0055]
所述存储器，用于存储代码；
[0056]
所述处理器，用于执行所述存储器中的代码用以实现第一方面及其可选方案涉及的控制方法。
[0057]
根据本发明的第五方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面及其可选方案涉及的控制方法。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0059]
图1是本发明一实施例中手术机器人的构造示意图；
[0060]
图2是本发明一实施例中手术机器人的控制方法的流程示意图；
[0061]
图3是本发明一实施例中步骤s22的流程示意图；
[0062]
图4是本发明一实施例中静力学模型的示意图；
[0063]
图5是本发明一实施例中重力补偿模型的示意图；
[0064]
图6是本发明一实施例中手术机器人的控制器的程序模块示意图；
[0065]
图7是本发明一实施例中电子设备的构造示意图。
具体实施方式
[0066]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0067]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，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，以便这里描述的本发明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。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0068]
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
[0069]
请参考图1，所述手术机器人的主操作手包括静平台102、动平台101、主动杆103、从动杆104、电机(传动连接于关节107的电机)。
[0070]
所述主动杆103转动连接所述静平台102，所述主动杆103还转动连接所述从动杆106，例如，主动杆103的两端可分别转动连接静平台102与从动杆106，所述从动杆106还转动连接所述动平台101，例如，从动杆106的两端可分别转动连接主动杆103与动平台101。
[0071]
其中的转动连接，可理解为：主动杆可绕垂直于该主动杆的一个轴心相对于静平台转动，主动杆可绕垂直于该主动杆，以及其所连接从动杆的一个轴心相对于从动杆旋转，从动杆可绕垂直于该从动杆的一个轴心相对于动平台旋转。
[0072]
所述电机连接于所述主动杆103与所述静平台102的连接处(也可理解为关节105)，以驱动所述主动杆103与所述静平台102的相对转动，例如，主动杆103的一端(或静平台102)可设有转轴部，转轴部转动连接静平台102(或主动杆103)的轴孔部，该转轴部或轴孔部可直接或间接与电机传动连接，进而在电机的传动下发生转动。
[0073]
在关节105发生相对转动时，可带动主动杆103与从动杆104之间的关节106发生相对转动(即主动杆103与从动杆104发生相对转动)，进而再带动从动杆104与动平台101之间的关节107发生相对转动(即从动杆104与动平台101发生相对转动)。
[0074]
在图1的举例中，关节105、关节106、关节107、主动杆103、从动杆104的数量均可以为三个，其他举例中，其数量也不限于此。
[0075]
在图1的举例中，平台(动平台与静平台)被示意为三角形，然而，其形状可以是任意规则或不规则图形，在图示的连接位置中，主动杆103可连接于静平台102的边缘处、从动杆104连接于动平台101的边缘，然而，其实际连接位置可以是任意的。
[0076]
在后文的相关量化举例中，均是以图1所示的结构作为基础进行描述的，相同构思下的其他方案可参照该些举例理解。
[0077]
所述控制方法，包括：
[0078]
s21：获取所述手术机器手当前的运动信息；
[0079]
s12：根据所述当前的运动信息，确定所述电机所需产生的当前的转矩信息；
[0080]
s13：根据所述当前的转矩信息，控制所述电机。
[0081]
其中的运动信息表征了所述主动杆、所述从动杆、所述静平台与所述动平台的至少部分运动过程；其可以为对运动过程进行描述的任意信息。
[0082]
由于杆的运动与电机输出的旋转运动相关，故而，运动信息可以包括电机驱动角相关的信息，进而，运动信息可包括电机的驱动角变化。
[0083]
由于杆的运动将会带来动平台、杆的高度变化，故而，运动信息可以包括所述动平台的高度变化、所述主动杆的高度变化与所述从动杆的高度变化。其中的高度，可理解为沿垂直于静平台的方向的尺寸。具体的，静平台可平行于x轴、y轴形成的xy平面，z轴垂直于xy平面，z轴方向的变化可理解为高度的变化。
[0084]
此外，对以上驱动角变化、高度变化进行描述的任意信息，均可作为以上所描述的方案的一种可选手段。
[0085]
以上方案中，基于手术机器手的运动信息，可适应性调整主动杆与静平台关节处的电机的输出转矩，从而保障输出转矩能准确匹配于手术机器手的实际运动，保障反馈的真实性，该过程中，无需引入弹簧、滑轮等机械构件，实现方式简单，补偿精度高，且能够普遍适用于各种位姿下的补偿。
[0086]
其中一种实施方式中，请参考图3，步骤s22可以包括：
[0087]
s221：根据所述当前的运动信息、以及运动信息与各电机转矩信息的量化关系，确定所述当前的转矩信息。
[0088]
其中，所述量化关系是根据所述动平台、所述主动杆与所述从动杆的重力虚功确定的，具体可表征为关系式或关系式的组合。
[0089]
为了对该量化关系的计算过程进行描述，以下将结合图4与图5所示的模型进行举例说明，其他举例可参照于此进行扩展。
[0090]
请参考图4与图5，每个关节都安装力矩可调的电动机(即传动关节105转动的电机)，进而，可通过拉格朗日方程建立系统动力学模型，计算各部分重心在关节空间中所产生的转矩，并利用力矩电动机输出相应的转矩进行重力补偿，主操作手实现任意位姿静平衡，提高了操作性能，保证了手术的安全性。
[0091]
请参考图4与图5，模型中：
[0092]
模型中a
i
,b
i
,c
i
(i＝1,2,3)表示运动关节，点o,p表示静、动平台的中心位置，la表示主动杆(a
i
b
i
)的有效长度，lb表示从动杆(b
i
c
i
)的有效长度，θ
i
(i＝1,2,3)表示电机驱动角，也可用来表示主动杆的转角，r为静平台外接圆半径，r为动平台外接圆半径，δr＝r
‑
r为静、动平台外接圆半径差。
[0093]
主手静力学问题可以描述为：主手机构自重包括动平台的重力g1，从动杆的重力g
2i
(i＝1,2,3)，主动杆的重力g
3i
(i＝1,2,3)，机构(主操作手)所受外力f＝(f
x
,f
y
,f
z
)，各电机的输出平衡力矩力矩为m1,m2,m3，忽略关节摩擦力，在静力平衡条件下，求取各杆件作用力与反作用力。
[0094]
重力补偿的目标是在机构的任意运动位置求解出平衡机构运动部件重力所需的电动机输出力矩。首先，零外力等于零，只存在机构自重，在静力状态下求解出电机所需输出的平衡力矩，并控制电机输出相应的力矩，消除机构运动部件的重力影响。如图5所示。
[0095]
根据虚位移理论，主操作手在任意运动位置静力平衡的条件：
[0096]
m1δθ1+m2δθ2+m3δθ3+f
t
δx+δp＝0
ꢀꢀ
(1)
[0097]
其中：δθ1,δθ2,δθ3为主动杆在驱动力矩作用下的虚转角位移，也可用来表征主动杆的转角变化，δx＝(δx,δy,δz)
t
为机构(主操作手)质心作用力下的虚位移向量，也可用来表征主操作手的质心的唯一变化，f为外力。p为机构的重力势能。忽略掉摩擦力等，只考虑机构的重力，则：
[0098][0099]
其中，δz
2i
，δz
3i
分别是第i(i＝1,2,3)支链的平行四边形、杆沿z方向运动的虚位移量。
[0100]
以上方案中，通过基于各构件重力作用的虚功，可实现对从手末端力的高速、实时反馈，为外科医生提供力感，增强医生手术过程中的沉浸感，保障医生和虚拟手术环境之间的交互。
[0101]
当不受外力影响的时候，即f＝0，运动部件重力和电机平衡力矩所作的虚功相等：
[0102]
m1δθ1+m2δθ2+m3δθ3+δp＝0
ꢀꢀ
(3)
[0103]
可见，在不考虑外力的情况下，所述量化关系体现了：所述动平台的重力所做的虚功、所述主动杆的重力所做的虚功、所述从动杆重力所做的虚功、各电机所产生转矩的虚功是平衡的。
[0104]
以下将对不受外力影响时的转矩求解逻辑进行描述。
[0105]
当不受外力影响的时候，即f＝0，运动部件重力和电机平衡力矩所作的虚功相等：
[0106]
m1δθ1+m2δθ2+m3δθ3+δp＝0
ꢀꢀ
(4)
[0107]
由于虚位移的任意性，另(δθ2,δθ3)为(0,0)，得到：
[0108][0109]
同理，另(δθ1,δθ3),(δθ1,δθ2)为(0,0)，得到：
[0110][0111][0112]
此时，(δθ1,δθ2,δθ3)可以人为设定，则只需求解出已知(δθ1,δθ2,δθ3)下的重力所做的虚功δp，便可求出力矩的大小。
[0113]
在此基础上，计算重力虚功时，根据主手各运动部件之间的位置约束关系可得：
[0114][0115]
由以上分析可得出各部件(主动杆、从动杆、动平台)所做的虚功：
[0116][0117]
则：
[0118][0119]
求解转矩时，所述电机的转矩信息正相关于所述动平台、所述主动杆、所述从动杆的重力势能变化；所述电机的转矩信息负相关于所述电机的驱动角主动杆的转角变化。
[0120]
具体可基于以下公式确定：
[0121][0122]
其中：
[0123]
m表征了所述电机的转矩；
[0124]
δp表征了所述动平台、所述主动杆与所述从动杆的重力势能变化；
[0125]
δθ表征了所述主动杆的转角变化。
[0126]
具体的，由于关节105的数量为三个，故而：
[0127][0128][0129][0130]
以上可选方案中，可在不考虑外力的作用下，充分考虑主动杆、从动杆、重力势能能变化与转角对电机转矩需求的影响，从而有效保障控制结果能够有效提供反馈性能，提高力反馈的真实性。
[0131]
当受外力影响的时候，即f＝(f
x
，f
y
，f
z
)
t
，运动部件(即)重力、外力和电机平衡力矩所作的虚功相等：
[0132]
m1δθ1+m2δθ2+m3δθ3+f
t
δx+δp＝0
ꢀꢀ
(14)
[0133]
可见，所述量化关系体现了：所述动平台的重力所做的虚功、所述主动杆的重力所做的虚功、所述从动杆重力所做的虚功、各电机所产生转矩的虚功、外力所做的虚功是平衡的。
[0134]
其中δx＝(δx,δy,δz)
t
。由于虚位移的任意性，另(δθ2,δθ3)为(0,0)，得到：
[0135][0136]
同理，另(δθ1,δθ3),(δθ1,δθ2)为(0,0)，得到：
[0137][0138][0139]
此时，(δθ1,δθ2,δθ3)可以人为设定，则只需求解出已知(δθ1,δθ2,δθ3)下的重力所做的虚功δp和f
t
δx，便可求出力矩的大小。
[0140]
具体过程如下：
[0141]
在此基础上，计算重力虚功时，根据主手各运动部件之间的位置约束关系可得：
[0142][0143]
由以上分析可得出各部件(主动杆、从动杆、动平台)所做的虚功：
[0144][0145]
则：
[0146][0147]
求解力矩时，所述电机的转矩信息正相关于所述动平台、所述主动杆、所述从动杆的重力势能变化；所述电机的转矩信息负相关于所述电机的驱动角主动杆的转角变化；所述电机的转矩信息还正相关于外力的大小，以及所述手术机器人的质心位移变化。
[0148]
进一步的，所述当前的转矩信息是根据以下公式确定的：
[0149][0150]
f＝(f
x
，f
y
，f
z
)
t
[0151]
其中：
[0152]
m表征了所述电机的转矩；
[0153]
δp表征了所述动平台、所述主动杆与所述从动杆的重力势能变化；
[0154]
δθ表征了所述主动杆的转角变化；
[0155]
f
x
表征了所述外力f沿x轴方向的大小；
[0156]
f
y
表征了所述外力f沿y轴方向的大小；
[0157]
f
z
表征了所述外力f沿z轴方向的大小；
[0158]
δx表征了所述主操作手的质心位移变化，其具体可通过动平台的重心的位移变化来表征。
[0159]
具体的，由于关节105的数量为三个，故而：
[0160][0161][0162][0163]
以上可选方案中，可在考虑外力的作用下，充分考虑主动杆、从动杆、重力势能能变化、驱动角变化，以及外力的大小对电机转矩需求的影响，从而有效保障控制结果能够有效提供反馈性能，提高力反馈的真实性。
[0164]
在以上具体方案中：
[0165]
基于虚功原理的计算模型，计算得到主操作手在任意位置下重力补偿所需的力矩；在主动臂上安装电机(即电机驱动主动杆与静平台之间的相对转动)，在操作过程中电机按照计算的力矩值输出相应的力矩，平衡机构运动部分自重。重力补偿能消除机构运动部件自重对力反馈的影响，提高力反馈性能，提高力反馈显示的真实性。
[0166]
此外，根据虚功原理，得出反馈力与各关节电机的关系表达式，解得了各关节电机需要提供的转矩，实现对从手末端力的高速、实时反馈，为外科医生提供力感，增强医生手术过程中的沉浸感，保障医生和虚拟手术环境之间的交互。
[0167]
请参考图6，本发明实施例还提供了一种手术机器人的控制器300，包括：
[0168]
获取模块301，用于获取所述手术机器手当前的运动信息；其中的运动信息表征了所述主动杆、所述从动杆、所述静平台与所述动平台的至少部分运动过程；
[0169]
转矩确定模块302，用于根据所述当前的运动信息，确定所述电机所需产生的当前的转矩信息；
[0170]
电机控制模块303，用于根据所述当前的转矩信息，控制所述电机。
[0171]
本发发明实施例所涉及的手术机器人的控制器300中相关过程的描述可参照前文实施例中控制方法的描述理解。
[0172]
请参考图7，提供了一种电子设备40，包括：
[0173]
处理器41；以及，
[0174]
存储器42，用于存储所述处理器的可执行指令；
[0175]
其中，所述处理器41配置为经由执行所述可执行指令来执行以上所涉及的方法。
[0176]
处理器41能够通过总线43与存储器42通讯。
[0177]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以上所涉及的方法。
[0178]
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部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一计算机可读取存储介质中。该程
序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；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。
[0179]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。