CN112402020B - 用于手术机器人机械臂的控制方法和装置、介质、设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于手术机器人机械臂的控制方法和装置、介质、设备。所述方法包括：根据预设的机器人模型以及保护曲面确定所述机械臂的末端到达目标位置的路径规划，其中，所述保护曲面根据所述目标位置来建立；根据限定条件对所述机械臂的路径规划进行逆向求解，得到所述机械臂的运动规划；根据所述机械臂的运动规划控制所述机械臂的末端到达所述目标位置。这样能够避免机械臂在调整过程中与目标位置保持安全距离，使得机械臂在术前的调整安全又高效，降低手术风险。

Description

用于手术机器人机械臂的控制方法和装置、介质、设备

技术领域

本公开涉及自动控制领域，具体地，涉及一种用于手术机器人机械臂的控制方法和装置、介质、设备。

背景技术

随着机器人技术水平的不断提高，以及先进的标定方法的发展，制造业中机器人的新应用不断涌现。医疗机器人也广泛应用于各种医疗手术场景中。骨科手术机器人能够完成一系列的骨科手术，如全髋关节置换术及全膝关节置换术，为手术机器人中的一个细分领域。

骨科手术机器人包括两个组件：一个是配备了三维外科手术前规划专有软件的电脑工作站，以及一个用于髋、膝置换术精确空腔和表面处理的电脑操控外科机器人。骨科手术机器人可以用于骨骼磨削，以及膝关节置换手术截骨平面位置定位，磨削精度较高。

目前的手术场景中，骨科手术机器人的机械臂通常被控制直接到达治疗位置，或者由医生拖拽至治疗位置附近。这些方法可以在一定程度上降低手术中发生碰撞的风险，但机械臂路径运动不太安全和高效。

发明内容

本公开的目的是提供一种安全、高效的用于手术机器人机械臂的控制方法和装置、介质、设备。

为了实现上述目的，本公开提供一种用于手术机器人机械臂的控制方法，所述方法包括：

根据预设的机器人模型以及保护曲面确定所述机械臂的末端到达目标位置的路径规划，其中，所述保护曲面根据所述目标位置来建立；

根据限定条件对所述机械臂的路径规划进行逆向求解，得到所述机械臂的运动规划；

根据所述机械臂的运动规划控制所述机械臂的末端到达所述目标位置。

可选地，所述保护曲面为圆柱面，根据预设的机器人模型以及保护曲面确定所述机械臂的末端到达目标位置的路径规划包括：根据预设的机器人模型以及保护曲面确定以下路径规划：

所述机械臂的末端从初始位置移动至所述圆柱面上的预定的第一位置；

所述机械臂的末端沿所述圆柱面的圆弧上移动至第二位置，且所述机械臂的姿态转换为目标姿态；

保持所述机械臂的姿态一致，所述机械臂的末端从所述第二位置沿圆柱面移动至所述圆柱面上的预定的第三位置，所述第三位置在所述目标位置的竖直方向上；

保持所述机械臂的姿态一致，所述机械臂的末端从所述第三位置沿竖直方向移动至所述目标位置。

可选地，在所述机械臂的末端从所述第一位置移动至所述第二位置的过程中，采用四元数姿态插补算法确定所述机械臂的姿态。

可选地，所述方法还包括：

监测所述目标位置的位置信息；

若所述目标位置的位置信息发生改变，则重新根据所述目标位置的位置信息确定所述保护曲面。

可选地，所述限定条件包括以下中的一者或多者：

保持所述机械臂的末端的朝向不具有竖直向上的分量；

保持所述机械臂仅在预定的空间范围内移动；

保持所述机械臂不阻挡光学位置传感器对示踪器的图像获取，其中，所述示踪器与所述目标位置固定连接，所述光学位置传感器用于通过所述示踪器监测所述目标位置的位置信息。

本公开还提供一种用于手术机器人机械臂的控制装置，所述装置包括：

第一确定模块，用于根据预设的机器人模型以及保护曲面确定所述机械臂的末端到达目标位置的路径规划，其中，所述保护曲面根据所述目标位置来建立；

求解模块，用于根据限定条件对所述机械臂的路径规划进行逆向求解，得到所述机械臂的运动规划；

控制模块，用于根据所述机械臂的运动规划控制所述机械臂的末端到达所述目标位置。

可选地，所述保护曲面为圆柱面，所述第一确定模块包括：第一确定子模块，用于根据预设的机器人模型以及保护曲面确定以下路径规划：

所述机械臂的末端从初始位置移动至所述圆柱面上的预定的第一位置；

所述机械臂的末端沿所述圆柱面的圆弧上移动至第二位置，且所述机械臂的姿态转换为目标姿态；

保持所述机械臂的姿态一致，所述机械臂的末端从所述第二位置沿圆柱面移动至所述圆柱面上的预定的第三位置，所述第三位置在所述目标位置的竖直方向上；

保持所述机械臂的姿态一致，所述机械臂的末端从所述第三位置沿竖直方向移动至所述目标位置。

可选地，在所述机械臂的末端从所述第一位置移动至所述第二位置的过程中，采用四元数姿态插补算法确定所述机械臂的姿态。

本公开还提供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本公开提供的上述方法的步骤。

本公开还提供一种电子设备，包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现本公开提供的上述方法的步骤。

通过上述技术方案，根据目标位置建立保护曲面，确定机械臂的末端到达目标位置的路径规划，并且根据限定条件对机械臂的路径规划进行逆向求解，这样能够避免机械臂在调整过程中与目标位置保持安全距离，使得机械臂在术前的调整安全又高效，降低手术风险。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是一示例性实施例提供的用于手术机器人机械臂的控制方法的流程图；

图2是一示例性实施例提供的待手术部位膝关节对应曲面的示意图；

图3是一示例性实施例提供的对机械臂的路径规划进行逆向求解的流程图；

图4是一示例性实施例提供的路径规划的流程图；

图5是一示例性实施例提供的用于手术机器人机械臂的控制装置的框图；

图6是一示例性实施例示出的一种电子设备的框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指相对于手术台的方位。

图1是一示例性实施例提供的用于手术机器人机械臂的控制方法的流程图。如图1所示，所述方法可以包括以下步骤：

步骤S11，根据预设的机器人模型以及保护曲面确定机械臂的末端到达目标位置的路径规划(path plan)，其中，保护曲面根据目标位置来建立。

步骤S12，根据限定条件对机械臂的路径规划进行逆向求解，得到机械臂的运动规划(motion plan)。

步骤S13，根据机械臂的运动规划控制机械臂的末端到达目标位置。

目标位置可以为人体待手术的部位。可以预先根据各个待手术部位建立对应的保护曲面。通常病人在手术床上，例如，机械臂在手术床上方或侧方。可以设置机械臂在保护曲面上方，而待手术部位在保护曲面下方。待手术部位周围的身体部分和机械臂分别处于保护曲面的两侧。设置保护曲面的目的就是在术前机械臂的调整过程中利用保护曲面将机械臂与待手术部位周围的身体部分隔开，使得机械臂在术前调整时，仅在曲面上方调整而不进入曲面下方，这样，避免了机械臂与病人身体碰撞。

保护曲面可以根据目标位置的位置特点来建立。若目标位置为膝关节，则建立的保护曲面可以为以垂直于病人身长方向为轴的圆柱面。图2是一示例性实施例提供的膝关节对应的保护曲面的示意图。图2是病人躺在手术床上的俯视图。右膝关节A是待手术部位，建立的保护曲面B为圆柱面，该圆柱面的轴与病床长度方向垂直，即垂直于病人身长方向。圆柱面的高和半径都可以根据成人的体型设置为预定值，保障在腿和曲面之间有较宽裕的空间，从而能够大幅降低因出现意外而使人体碰撞到机械臂的几率。

若目标位置为髋关节，则建立的保护曲面可以为以髋关节为圆心的球面。半径可以根据成人的体型设置为预定值。

医生在术前可以在软件界面中输入待手术部位即目标位置，***可以从预先建立并存储的对应关系中查找到与输入的待手术部位对应的曲面，调取曲面坐标信息。例如，医生输入“膝关节”，则***可以查找到圆柱面的保护曲面，并且，设置保护曲面相对于目标位置的参数(半径和高)。

机器人的机械臂可以是包含多段关节的组合机械臂，例如，六自由度机械臂。机械臂的正运动学模型可以采用DH(Denavit–Hartenberg)建模方法，在建立机器人笛卡尔空间坐标系后得到。

在机械臂上常常会通过一些用于定位、安装的部件(例如，底座、导向器等)来夹持所需的医用工件(例如，动力骨钻、刀头等)。本方案中，机械臂的末端可以是指在机械臂夹持了工件以后，该工件的末端的一点。

通过上述技术方案，根据目标位置建立保护曲面，确定机械臂的末端到达目标位置的路径规划，并且根据限定条件对机械臂的路径规划进行逆向求解，机械臂在调整过程中与目标位置保持安全距离，使得机械臂在术前的调整安全又高效，降低手术风险。

在一实施例中，保护曲面为圆柱面。上述的根据预设的机器人模型以及保护曲面确定机械臂的末端到达目标位置的路径规划的步骤(步骤S11)可以包括：根据预设的机器人模型以及保护曲面确定以下路径规划：

(1)机械臂的末端从初始位置移动至圆柱面上的预定的第一位置；

(2)机械臂的末端沿圆柱面的圆弧上移动至第二位置，且机械臂的姿态转换为目标姿态；

(3)保持机械臂的姿态一致，机械臂的末端从第二位置沿圆柱面移动至圆柱面上的预定的第三位置，第三位置在目标位置的竖直方向上；

(4)保持机械臂的姿态一致，机械臂的末端从第三位置沿竖直方向移动至目标位置。

具体地，在路径规划(1)中，机械臂的末端的初始位置可以是任意位置，例如，术后医生将机械臂拖拽至远离手术床的位置。机械臂的末端和目标位置处可以固定连接示踪器，光学位置追踪器(例如，NDI)可以跟踪这些示踪器，以实时确定机械臂的末端位置和目标位置。

第一位置可以是相对于保护曲面而言固定的位置，可以预先设置。机械臂的末端先到达保护曲面上的第一位置。

在路径规划(2)中，圆柱面的圆弧是指垂直于圆柱面的轴的平面与圆柱面相交的圆弧。若第一位置确定，则与第一位置对应的圆柱面的圆弧也确定。机械臂的末端沿该圆弧移动，直至机械臂的末端到达第二位置。

在此过程中，机械臂的末端在保护曲面上移动，同时基本完成了机械臂的姿态变换，形成目标姿态，即机械臂在远离患者术区的保护曲面的上方(机械臂与患者在保护曲面的两侧)完成姿态变换，避免了机械臂与患者的碰撞。

在路径规划(3)中，第三位置既在圆柱面上，又在目标位置的竖直方向上。若圆柱面确定，则第三位置也确定。机械臂保持位姿一致，机械臂的末端沿圆柱面移动，直至到达目标位置的竖直方向上，此时机械臂末端的位置为保护曲面上的第三位置。

本领域技术人员能够理解的是，机械臂的姿态一致是指各个机械臂在坐标系中的方向大体上一致，也可理解为，各个关节或各个机械臂的坐标在预定的范围之内进行微调。下文中机械臂的末端朝向是指机械臂的最末一节臂所指的方向。在机械臂夹持有工件的情况下，机械臂的末端朝向可以是所夹持的工件所指的方向。在骨磨削机器人中，所夹持的工件可以是用于磨削的刀头。

在路径规划(4)中，机械臂的末端可以沿竖直向下方向直接移动至目标位置。

如此，经过上述四个步骤的路径规划，使机械臂的末端先落到保护曲面上，再调整机械臂位姿，这样机械臂在接近目标位置的过程中不会与病人身体发生碰撞，避免了手术中不必要的事故发生。

其中，在机械臂的末端从第一位置移动至第二位置的过程中，可以采用四元数姿态插补算法确定机械臂的姿态。例如，采用基于四元数的Slerp曲线以及四元数Bezier曲线的构造算法。

经过插补确定上述位置之间的多个路径点，使得机械臂的末端的移动路径接近于理想路径，保障了机械臂移动的安全性。

在手术过程中，若病人的手术部位有轻微的移动，则可以根据实时跟踪的目标位置的位置信息来更新保护曲面的坐标。该实施例中，在图1的基础上，该方法还可以包括：

监测目标位置的位置信息；若目标位置的位置信息发生改变，则重新根据目标位置的位置信息确定保护曲面。

如上所述，利用光学位置追踪器可以实时确定机械臂的末端位置和目标位置。保护曲面的坐标可以是根据目标位置而确定的，当目标位置的位置信息发生改变，则实时更新保护曲面的坐标，以使保护曲面始终能够起到保护的作用，避免因病人身体的动作而导致与机械臂发生碰撞。

在步骤S12中，由机械臂的路径规划进行逆向求解，得到机械臂的运动规划。逆解求解中，根据机器人正运动学模型，采用解析法，可以得到机器人各个关节的角度。理论上逆解拥有多组解，例如，八组解。不同于操作车间的机器人，手术机器人在手术过程中位姿的调整应有更高的安全性要求。根据姿态空间的要求，可以从多组解从选择合适的解。

在一实施例中，在步骤S12中的限定条件可以包括以下中的一者或多者：

(1)保持机械臂的末端的朝向不具有竖直向上的分量；(2)保持机械臂仅在预定的空间范围内移动；(3)保持机械臂不阻挡光学位置传感器对示踪器的图像获取。其中，示踪器与目标位置固定连接，光学位置传感器用于通过示踪器监测目标位置的位置信息。

在限定条件(1)中，可以保持机械臂的末端的朝向具有竖直向下的分量。患者在手术床上，机械臂从手术床上方进行手术，这样，在机械臂的关节调整的过程中，始终保持机械臂的末端一节臂向下，避免发生机械臂碰到患者的情况。

在限定条件(2)中，预定的空间范围可以为手术室的无菌区，例如，手术室的无菌区可以为手术床上方的区域。在机器人的多组逆解中，可以去除机械臂处于预定的空间范围之外的逆解，选择机械臂处于预定的空间范围之内的那些逆解。在在机械臂的关节调整的过程中，始终保持机械臂的任意一节臂处于预定的空间范围之内，避免发生机械臂因进入污染区而被污染的情况。

在限定条件(3)中，光学位置传感器应具有覆盖各个示踪器的视野范围，且可以设置其位置固定，若失踪器的位置也固定，则根据机械臂逆解可以计算得到机械臂是否阻挡了光学位置传感器对示踪器的图像获取，若阻挡，则可以去除该逆解，若不阻挡则可以先不去除。

根据上述的限定条件，使机器人在位姿调节过程中更加符合手术的需求，避免发生不必要的碰撞和污染，并保障***的可持续操作。

当机械臂到达目标位置时，主动型手术机器人就能够按照预先规划好的路径开始实施例如骨磨削手术。当完成手术后，医生可以将机械臂拖拽至安全位置，机械臂末端也可以自动返回到保护曲面中，等待医生下一阶段的操作。

术后医生可以通过人机交互界面输入撤出指令。此时，***可以控制将机械臂的末端调整到保护曲面中，使机械臂整体(除机械臂末端之外)和患者分别处于保护曲面两侧，不易与病人发生碰撞，并且，此时机械臂又不会太远，利于下一步手术的高效运行。

图3是一示例性实施例提供的对机械臂的路径规划进行逆向求解的流程图。图3提供了一种根据限定条件对机械臂的路径规划进行逆向求解后得到期望的机械臂位姿的实施例。图3中的步骤如下：

1、根据期望的机械臂位姿，对机械臂的路径规划进行逆解求解，例如，用解析法进行逆解求解。

2、若解析结果无解，则可以认为机械臂的位姿无解；若解析结果有解，则确定出机械臂的所有逆解。例如，对于六自由度机械臂得到了八组解。

3、获取臂部、肘部、腕部姿态的限定条件。对于六自由度机械臂，可以认为臂部为第一关节，肘部为第三关节，腕部为第五关节。其中，从机器人的基座开始到末端的关节顺序依次为第一关节至第六关节。臂部、肘部、腕部姿态可以用臂部、肘部、腕部对应关节的关节角来描述。根据手术操作的需求以及不同的手术部位的需求，臂部、肘部、腕部姿态的限定条件可能不同。例如，若手术部位为左腿和右腿对应的臂部的关节角可能处于完全不同的区间中。

举例来说，臂部对应的关节角的活动范围可以分为两个区间：“左”和“右”，若手术部位为左腿，则臂部姿态的限定条件为“左”，若手术部位为右腿，则臂部姿态的限定条件为“右”；

肘部和腕部对应的关节角的活动范围可以分为两个区间：“上”和“下”，若要保障机械臂整***于病床的上方，肘部的限定条件为“上”，腕部姿态的限定条件为“下”，即前述的机械臂的末端的朝向不具有竖直向上的分量。

4、获取参考角度，即在坐标系中，臂部、肘部、腕部对应的关节角分别所处的角度范围。例如，臂部对应的第一关节的关节角范围为(-180°～180°)，划分为将(-180°～0°)的“右”区间和(0°～180°)的“左”区间。

5、根据臂部、肘部、腕部姿态的限定条件和参考角度，进行姿态选解。可以先选臂部，再选肘部，最后选腕部。例如，若手术部位为左腿，则在逆解求解得到的八组解中，选取第一关节的关节角处于(-180°～0°)的“右”区间的解，去除第一关节的关节角处于(0°～180°)的“左”区间的解；然后，在剩下的解中，选取第三关节的关节角处于“上”区间的解，去除第三关节的关节角处于“下”区间的解；最后，在剩下的解中，选取第五关节的关节角处于“下”区间的解，就是姿态选解的最终结果。

6、确定所选取的机械臂关节角，得到期望的机械臂位姿。

图4是一示例性实施例提供的路径规划的流程图，即根据预设的机器人模型以及目标位置对应的保护曲面确定机械臂的末端到达目标位置的路径规划的流程图。图4中的步骤如下：

1、获取假体中心、手术术式和上述预定的第一位置。其中，假体中心为假体的中心点，手术术式为手术时机械臂与腿部的摆位方向。例如，病人左腿手术和右腿手术分别对应两种不同的术式，其各自对应的选解方式如图3的实施例中所述。假体中心、手术术式和预定的第一位置可以是计算得到的。

2、根据假体中心、手术术式和预定的第一位置确定安全圆柱面(圆柱形的保护曲面)。其中，可以将假体中心置于圆柱面的中心轴上，第一位置设置在安全圆柱面上，目的是为了使得病人处于安全圆柱面的内部(或下方)，机械臂处于安全圆柱面的外部(或上方)，在机械臂调整位姿时仅处于安全圆柱面的外部，而不会轻易触碰到病人。

3、判断机械臂末端是否在圆柱面内部，并获取机械臂的位姿。

4、若机械臂末端在圆柱面内部，且位姿为目标位姿，则可以认为机械臂不需要进一步规划路径，程序结束。

5、若机械臂末端在圆柱面外部，则可以认为需要进一步规划路径。

6、若机械臂末端在圆柱面内部，且位姿不是目标位姿，则可以控制将机械臂回退到圆柱面上(例如，直线回退)，然后再规划路径。

7、规划路径时，按照上述实施例中的第一位置→第二位置→第三位置→目标位置的顺序在安全圆柱面上进行路径规划。

8、在安全圆柱面上进行路径规划时，按照四元数姿态插补算法计算圆弧点集；

9、将求得的圆弧点集转换为机器人的工具中心点(Tool Center Point，TCP)集后，进行机械臂姿态选择。若所有的路径点的逆解有解，则得到期望路径，若有路径点的逆解无解，则路径规划失败。

本公开还提供一种用于手术机器人机械臂的控制装置。图5是一示例性实施例提供的用于手术机器人机械臂的控制装置的框图。如图5所示，用于手术机器人机械臂的控制装置10可以包括第一确定模块11、求解模块12和控制模块13。

第一确定模块11用于根据预设的机器人模型以及保护曲面确定机械臂的末端到达目标位置的路径规划，其中，保护曲面根据目标位置来建立。

求解模块12用于根据限定条件对机械臂的路径规划进行逆向求解，得到机械臂的运动规划。

控制模块13用于根据机械臂的运动规划控制机械臂的末端到达目标位置。

可选地，保护曲面为圆柱面。第一确定模块11可以包括第一确定子模块。

第一确定子模块用于根据预设的机器人模型以及保护曲面确定以下路径规划：

机械臂的末端从初始位置移动至圆柱面上的预定的第一位置；

机械臂的末端沿圆柱面的圆弧上移动至第二位置，且机械臂的末端在第二位置的姿态转换为目标姿态；

保持机械臂的姿态一致，机械臂的末端从第二位置沿圆柱面移动至圆柱面上的预定的第三位置，第三位置在目标位置的竖直方向上；

保持机械臂的姿态一致，机械臂的末端从第三位置沿竖直方向移动至目标位置。

可选地，在机械臂的末端从第一位置移动至第二位置的过程中，采用四元数姿态插补算法确定机械臂的姿态。

可选地，用于手术机器人机械臂的控制装置10还包括监测模块和第二确定模块。

监测模块用于监测目标位置的位置信息；

第二确定模块用于若目标位置的位置信息发生改变，则重新根据目标位置的位置信息确定保护曲面。

可选地，限定条件包括以下中的一者或多者：

保持机械臂的末端的朝向不具有竖直向上的分量；

保持机械臂仅在预定的空间范围内移动；

保持机械臂不阻挡光学位置传感器对示踪器的图像获取，其中，示踪器与目标位置固定连接，光学位置传感器用于通过示踪器监测目标位置的位置信息。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

通过上述技术方案，根据目标位置建立保护曲面，确定机械臂的末端到达目标位置的路径规划，并且根据限定条件对机械臂的路径规划进行逆向求解，机械臂在调整过程中与目标位置保持安全距离，使得机械臂在术前的调整安全又高效，降低手术风险。

本公开还提供一种电子设备，包括存储器和处理器。存储器上存储有计算机程序。处理器用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现本公开提供的上述方法的步骤。

图6是根据一示例性实施例示出的一种电子设备400的框图。如图6所示，该电子设备400可以包括：处理器401，存储器402。该电子设备400还可以包括多媒体组件403，输入/输出(I/O)接口404，以及通信组件405中的一者或多者。

其中，处理器401用于控制该电子设备400的整体操作，以完成上述的用于手术机器人机械臂的控制方法中的全部或部分步骤。存储器402用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备400的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备400上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据，例如联系人数据、收发的消息、图片、音频、视频等等。该存储器402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，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，简称SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，简称EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，简称PROM)，只读存储器(Read-OnlyMemory，简称ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。多媒体组件403可以包括屏幕和音频组件。其中屏幕例如可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号。例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器402或通过通信组件405发送。音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。I/O接口404为处理器401和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘，鼠标，按钮等。这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。通信组件405用于该电子设备400与其他设备之间进行有线或无线通信。无线通信，例如Wi-Fi，蓝牙，近场通信(NearField Communication，简称NFC)，2G、3G、4G、NB-IOT、eMTC、或其他5G等等，或它们中的一种或几种的组合，在此不做限定。因此相应的该通信组件405可以包括：Wi-Fi模块，蓝牙模块，NFC模块等等。

在一示例性实施例中，电子设备400可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device，简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的用于手术机器人机械臂的控制方法。

在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的用于手术机器人机械臂的控制方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器402，上述程序指令可由电子设备400的处理器401执行以完成上述的用于手术机器人机械臂的控制方法。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (8)

1.一种用于手术机器人机械臂的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

根据预设的机器人模型以及保护曲面确定所述机械臂的末端到达目标位置的路径规划，其中，所述保护曲面根据所述目标位置来建立；

根据限定条件对所述机械臂的路径规划进行逆向求解，得到所述机械臂的运动规划；

根据所述机械臂的运动规划控制所述机械臂的末端到达所述目标位置；

其中，所述保护曲面为圆柱面，根据预设的机器人模型以及保护曲面确定所述机械臂的末端到达目标位置的路径规划包括：根据预设的机器人模型以及保护曲面确定以下路径规划：

所述机械臂的末端从初始位置移动至所述圆柱面上的预定的第一位置；

所述机械臂的末端沿所述圆柱面的圆弧上移动至第二位置，且所述机械臂的姿态转换为目标姿态；

保持所述机械臂的姿态一致，所述机械臂的末端从所述第二位置沿圆柱面移动至所述圆柱面上的预定的第三位置，所述第三位置在所述目标位置的竖直方向上；

保持所述机械臂的姿态一致，所述机械臂的末端从所述第三位置沿竖直方向移动至所述目标位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述机械臂的末端从所述第一位置移动至所述第二位置的过程中，采用四元数姿态插补算法确定所述机械臂的姿态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

监测所述目标位置的位置信息；

若所述目标位置的位置信息发生改变，则重新根据所述目标位置的位置信息确定所述保护曲面。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述限定条件包括以下中的一者或多者：

保持所述机械臂的末端的朝向不具有竖直向上的分量；

保持所述机械臂仅在预定的空间范围内移动；

保持所述机械臂不阻挡光学位置传感器对示踪器的图像获取，其中，所述示踪器与所述目标位置固定连接，所述光学位置传感器用于通过所述示踪器监测所述目标位置的位置信息。

5.一种用于手术机器人机械臂的控制装置，其特征在于，所述装置包括：

第一确定模块，用于根据预设的机器人模型以及保护曲面确定所述机械臂的末端到达目标位置的路径规划，其中，所述保护曲面根据所述目标位置来建立；

求解模块，用于根据限定条件对所述机械臂的路径规划进行逆向求解，得到所述机械臂的运动规划；

控制模块，用于根据所述机械臂的运动规划控制所述机械臂的末端到达所述目标位置；

其中，所述保护曲面为圆柱面，所述第一确定模块包括：第一确定子模块，用于根据预设的机器人模型以及保护曲面确定以下路径规划：

所述机械臂的末端从初始位置移动至所述圆柱面上的预定的第一位置；

所述机械臂的末端沿所述圆柱面的圆弧上移动至第二位置，且所述机械臂的姿态转换为目标姿态；

保持所述机械臂的姿态一致，所述机械臂的末端从所述第二位置沿圆柱面移动至所述圆柱面上的预定的第三位置，所述第三位置在所述目标位置的竖直方向上；

保持所述机械臂的姿态一致，所述机械臂的末端从所述第三位置沿竖直方向移动至所述目标位置。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，在所述机械臂的末端从所述第一位置移动至所述第二位置的过程中，采用四元数姿态插补算法确定所述机械臂的姿态。

7.一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，该程序被处理器执行时实现权利要求1-4中任一项所述方法的步骤。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现权利要求1-4中任一项所述方法的步骤。

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