CN112959327A - 机器人运动控制方法、***、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人运动控制方法、***、电子设备及存储介质，方法包括：获取机器人器械末端点的位置信息；根据所述位置信息判断所述器械末端点是否处于三维限制空间内，若是，则：获取所述器械末端点的运动速度，所述运动速度包括运动方向和速度大小；根据所述运动方向判断是否需要对所述器械末端点施加约束，以及在需要施加约束时，对所述器械末端点施加约束，以限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小。本发明可实现在三维限制空间内对器械末端施加约束，以对机器人操控者形成力反馈，提示操控者当前的操作可能导致器械末端点运动到三维限制空间之外，实现保证操作安全的人机交互控制。

Description

机器人运动控制方法、***、电子设备及存储介质

技术领域

本发明属于机器人控制领域，尤其涉及一种机器人运动控制方法、***、电子设备及存储介质。

背景技术

主动约束，也称为虚拟夹具，是一种高级控制算法，可以用来辅助人类进行人机协作的操作任务。主动约束控制器根据环境和任务对机械手进行监控，各向异性地调节机械手的运动以提供辅助。主动约束提供的帮助类型可能有所不同，但它们通常用于引导用户沿着特定于任务的路径前进，或者将用户限制在某些“安全”区域内。

针对骨科手术的特点，对于以定位为主的钻孔等手术过程需要使手术工具沿着事先规划好的路径运动到目标点并进行高精度的定位，通常被称作引导型虚拟夹具；对于关节置换手术等过程需要设置铣刀的运动路径和范围，这样可以快速的铣削掉指定区域，而不对别的区域产生影响，这样的限制用机器人实现通常被称作禁止型虚拟夹具。

引导型虚拟夹具的设计能够实现引导定位功能，但不能严格防止机器人手术工具末端进入一些非期望的区域，在实际的手术操作中，对于一些特定的重要位置，例如运动路线附近的肋骨和血管等，此时并不希望手术工具接近甚至接触到这些位置，但是单靠操作者并不能保证一定能避开这些位置，做到操作安全。因此可以在这些位置设置禁止型虚拟夹具，从机器人运动约束方面解决这个问题，保证手术安全的同时降低对操作者的依赖。

无论是引导型虚拟夹具还是禁止型虚拟夹具，对工具端的约束都是在二维平面内进行的，使得约束方式单一、无法满足更多的应用需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中虚拟夹具对工具端额约束都是在二维平面内进行的，使得约束方式单一、无法满足更多的应用需求的缺陷，提供一种机器人运动控制方法、***、电子设备及存储介质。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

本发明提供一种机器人运动控制方法，包括：

获取机器人器械末端点的位置信息；

根据所述位置信息判断所述器械末端点是否处于三维限制空间内，若是，则：

获取所述器械末端点的运动速度，所述运动速度包括运动方向和速度大小；

根据所述运动方向判断是否需要对所述器械末端点施加约束，以及在需要施加约束时，对所述器械末端点施加约束，以限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小。

较佳地，所述三维限制空间被划分为多个区域，每个所述区域分别对应一个约束规则，所述约束规则用于不限制所述运动速度或限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小；

所述根据所述运动方向判断是否需要对所述器械末端点施加约束，以及在需要施加约束时，对所述器械末端点施加约束，以限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小，包括：

根据所述运动方向判断所述器械末端点朝向的区域；

获取所述朝向的区域对应的约束规则；

按照所获取的约束规则对所述器械末端点施加约束。

较佳地，所述三维限制空间为锥体，所述三维限制空间以所述器械末端点的所在位置为区域交叉点、被穿过所述位置的第一平面和第二平面划分为四个区域，所述第一平面为所述锥体的高线和所述位置与所述锥体的顶点的连线所在的平面，所述第二平面为所述位置所在的与所述第一平面垂直的平面；

所述四个区域分别为：

第一区域，为不包含所述高线但包含所述顶点的区域；

第二区域，为包含部分所述高线且包含所述顶点的区域；

第三区域，为包含部分所述高线但不包含所述顶点的区域；

第四区域，为不包含所述高线且不包含所述顶点的区域；

与所述第一区域对应的约束规则为第一约束规则，所述第一约束规则包括限制所述运动速度在第一方向的速度分量的大小和第二方向的速度分量的大小，所述第一方向为所述位置与所述顶点的连线方向，所述第二方向为与所述第一方向垂直的方向；

与所述第二区域对应的约束规则为第二约束规则，所述第二约束规则包括限制所述运动速度在所述第一方向的速度分量的大小；

与所述第三区域对应的约束规则为第三约束规则，所述第三约束规则包括不限制所述运动速度或对所述器械末端点进行力柔顺控制；

与所述第四区域对应的约束规则为第四约束规则，所述第四约束规则包括限制所述运动速度在所述第二方向的速度分量的大小。

较佳地，所述根据所述运动方向判断所述机器人器械末端点朝向的区域，包括：

计算第一夹角和第二夹角，所述第一夹角为所述运动方向与从所述位置垂直指向所述高线的方向的夹角，所述第二夹角为所述运动方向与从所述位置指向所述顶点的方向的夹角；

判断所述第一夹角是否大于90°及所述第二夹角是否大于90°；

当所述第一夹角大于90°且所述第二夹角小于90°时，所述器械末端点朝向所述第一区域；

当所述第一夹角和所述第二夹角均小于90°时，所述器械末端点朝向所述第二区域；

当所述第一夹角和所述第二夹角均大于90°时，所述器械末端点朝向所述第三区域；

当所述第一夹角大于90°且所述第二夹角大于90°时，所述器械末端点朝向所述第四区域。

较佳地，所述限制所述运动速度在所述第一方向的速度分量的大小包括：

沿着所述第一方向以所述器械末端点到所述顶点的距离值的倒数比例系数减小所述运动速度在所述第一方向的速度分量；

和/或，所述限制所述运动速度在所述第二方向的速度分量的大小包括：

沿着所述第二方向以所述器械末端点沿所述第二方向到所述锥体的锥面的距离值的倒数比例系数减小所述运动速度在所述第二方向的速度分量。

较佳地，所述根据位置信息判断器械末端点是否处于三维限制空间内，包括：

判断是否为所述器械末端点所在位置到所述顶点的距离小于所述高线长度且所述位置与所述顶点的连线与所述高线的夹角小于所述锥体的锥顶角的一半，若是，所述器械末端点处于所述三维限制空间内。

较佳地，还包括：

根据髋臼杯解剖结构设置所述三维限制空间的空间形状参数；

和/或，

在所述器械末端点未处于所述三维限制空间内时，约束所述机器人器械末端点运动到所述三维限制空间内；

和/或，在对所述器械末端点施加约束，以限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小之后，重新获取器械末端点的位置信息，然后判断所述器械末端点是否到达所述三维限制空间的顶点或是否到所述三维限制空间的距离为0，若到达所述顶点或所述距离为0，则对所述器械末端点施加约束，以限制所述器械末端点的运动速度为0。

本发明还提供一种机器人运动控制***，包括：

位置获取模块，用于获取机器人器械末端点的位置信息；

位置判断模块，用于根据所述位置信息判断所述器械末端点是否处于三维限制空间内；

速度获取模块，用于在所述器械末端点处于所述三维限制空间内时，获取所述器械末端点的运动速度，所述运动速度包括运动方向和速度大小；

主动约束模块，用于根据所述运动方向判断是否需要对所述器械末端点施加约束，以及在需要施加约束时，对所述器械末端点施加约束，以限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小。

较佳地，所述三维限制空间被划分为多个区域，每个所述区域分别对应一个约束规则，所述约束规则用于不限制所述运动速度或限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小；

所述主动约束模块用于根据所述运动方向判断所述器械末端点朝向的区域，获取所述朝向的区域对应的约束规则，按照所获取的约束规则对所述器械末端点施加约束。

较佳地，所述三维限制空间为锥体，所述三维限制空间以所述器械末端点的所在位置为区域交叉点、被穿过所述位置的第一平面和第二平面划分为四个区域，所述第一平面为所述锥体的高线和所述位置与所述锥体的顶点的连线所在的平面，所述第二平面为所述位置所在的与所述第一平面垂直的平面；

所述四个区域分别为：

第一区域，为不包含所述高线但包含所述顶点的区域；

第二区域，为包含部分所述高线且包含所述顶点的区域；

第三区域，为包含部分所述高线但不包含所述顶点的区域；

第四区域，为不包含所述高线且不包含所述顶点的区域；

与所述第一区域对应的约束规则为第一约束规则，所述第一约束规则包括限制所述运动速度在第一方向的速度分量的大小和第二方向的速度分量的大小，所述第一方向为所述位置与所述顶点的连线方向，所述第二方向为与所述第一方向垂直的方向；

与所述第二区域对应的约束规则为第二约束规则，所述第二约束规则包括限制所述运动速度在所述第一方向的速度分量的大小；

与所述第三区域对应的约束规则为第三约束规则，所述第三约束规则包括不限制所述运动速度或对所述器械末端点进行力柔顺控制；

与所述第四区域对应的约束规则为第四约束规则，所述第四约束规则包括限制所述运动速度在所述第二方向的速度分量的大小。

较佳地，所述根据所述运动方向判断所述器械末端点朝向的区域，包括：

计算第一夹角和第二夹角，所述第一夹角为所述运动方向与从所述位置垂直指向所述高线的方向的夹角，所述第二夹角为所述运动方向与从所述位置指向所述顶点的方向的夹角；

判断所述第一夹角是否大于90°及所述第二夹角是否大于90°；

当所述第一夹角大于90°且所述第二夹角小于90°时，所述器械末端点朝向所述第一区域；

当所述第一夹角和所述第二夹角均小于90°时，所述器械末端点朝向所述第二区域；

当所述第一夹角和所述第二夹角均大于90°时，所述器械末端点朝向所述第三区域；

当所述第一夹角大于90°且所述第二夹角大于90°时，所述器械末端点朝向所述第四区域。

较佳地，所述限制所述运动速度在所述第一方向的速度分量的大小包括：

沿着所述第一方向以所述器械末端点到所述顶点的距离值的倒数比例系数减小所述运动速度在所述第一方向的速度分量；

和/或，所述限制所述运动速度在所述第二方向的速度分量的大小包括：

沿着所述第二方向以所述器械末端点沿所述第二方向到所述锥体的锥面的距离值的倒数比例系数减小所述运动速度在所述第二方向的速度分量。

较佳地，所述位置判断模块用于判断是否为所述器械末端点所在位置到所述顶点的距离小于所述高线长度且所述位置与所述顶点的连线与所述高线的夹角小于所述锥体的锥顶角的一半，若是，所述器械末端点处于所述三维限制空间内。

较佳地，还包括：

参数设置模块，用于根据髋臼杯解剖结构设置所述三维限制空间的空间形状参数；

和/或，

所述主动约束模块还用于在所述器械末端点未处于所述三维限制空间内时，约束所述机器人器械末端点运动到所述三维限制空间内；

和/或，所述主动约束模块还用于在对所述器械末端点施加约束，以限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小之后，重新调用所述位置获取模块获取器械末端点的位置信息，然后判断所述器械末端点是否到达所述三维限制空间的顶点或是否到所述三维限制空间的侧壁的距离为0，若到达所述顶点或所述距离为0，则对所述器械末端点施加约束，以限制所述器械末端点的运动速度为0。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的机器人运动控制方法。

本发明还提供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，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的机器人运动控制方法的步骤。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：本发明可实现在三维限制空间内对器械末端施加约束，以对机器人操控者形成力反馈，提示操控者当前的操作可能导致器械末端点运动到三维限制空间之外，实现保证操作安全的人机交互控制，可适用于相比于在二维平面内的约束控制更复杂的应用场景。

附图说明

图1为一种机器人末端器械的结构示意图；

图2为本发明实施例1的一种机器人运动控制方法的流程图；

图3为本发明实施例1的另一种机器人运动控制方法的流程图；

图4为三维限制空间及器械末端点运动的示意图；

图5为本发明实施例2的一种机器人运动控制***的示意框图；

图6为本发明实施例3的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

本实施例提供了一种机器人运动控制方法，其用于对机器人的运动进行控制，尤其是对机器人器械末端点的运动进行控制。图1示出了可作为被控制对象的一种机器人末端器械100，其包括安装底座110与机器人相连接、人机交互把手120和可快拆套筒装置130，装配在套筒装置130的连杆131，连杆131可伸入狭窄空间运动。当然本实施例的被控制对象并不局限于上述结构的机器人末端器械，与该结构相似或功能相似的机器人末端器械，同样适用于本实施例的机器人运动控制方法。

图2示出了本实施例的机器人运动控制方法的流程，其包括以下步骤：

步骤201：获取机器人器械末端点的位置信息。其中，器械末端点可以为上述连杆131的末端点。

步骤202：根据位置信息判断器械末端点是否处于三维限制空间内，若是，则执行步骤203，若否，则可以执行步骤206。

步骤203：获取器械末端点的运动速度，运动速度包括运动方向和速度大小。

步骤204：根据运动方向判断是否需要对器械末端点施加约束，若是，则执行步骤205，若否，则可以执行步骤207。

步骤205：对器械末端点施加约束，以限制运动速度在至少一个方向的速度分量的大小。

步骤206：约束器械末端点运动至三维限制空间内。或者在其他可实施的方式中，还可以在器械末端点未处于三维限制空间内时返回步骤201重新获取器械末端点的实时位置信息，并再次执行步骤202的判断，或者对器械末端点进行力柔顺控制，或者还可以直接结束流程，以退出对机器人的运动控制，或者还可以执行其他步骤。

步骤207：对器械末端点进行力柔顺控制，或者还可以直接结束流程，以退出对机器人的运动控制，或者还可以执行其他步骤。

其中，方法可以通过光学传感器跟踪获取器械末端点的位置信息，位置信息可以包括器械末端点的位置坐标。力柔顺控制用于在人控制机器人时根据人施加的力和器械末端点运动的环境刚度，控制器械末端点的运动速度，以使得器械末端点柔顺运动，不出现卡顿等情况。在具体的力柔顺控制算法中，速度与力成比例关系，且能够根据环境刚度变化快速变化导纳参数，以适应人机交互需求。器械末端点的运动速度与施加到器械末端点的力相关，可以通过在器械末端点设置力传感器直接检测施加到器械末端点的力，然后转换成相应的运动速度，还可以通过在器械非末端点的其他位置设置力传感器检测施加到该位置的力，然后通过器械的结构模型求得末端点的力，再转换成相应的运动速度。

本实施例中，对器械末端点施加约束，以限制运动速度在至少一个方向的速度分量的大小，可以包括通过在器械末端点施加某方向约束力，通过约束力减小该方向上速度分量的大小，还可以包括通过限制器械中驱动装置的功率和方向等方式限制器械末端点的运动方向和速度大小，具体实现方式可根据器械内的具体结构而定。

本实施例的方法可实现在三维限制空间内对器械末端施加约束，以对机器人操控者形成力反馈，提示操控者当前的操作可能导致器械末端点运动到三维限制空间之外，实现保证操作安全的人机交互控制，可适用于相比于在二维平面内的约束控制更复杂的应用场景。

在一种可实施的方式中，三维限制空间可以被划分为多个区域，每个区域分别对应一个约束规则，约束规则用于不限制运动速度或限制运动速度在至少一个方向的速度分量的大小。如图3所示，步骤204可以包括：

步骤2041：根据运动方向判断器械末端点朝向的区域。其中，器械末端点朝向的区域可以理解为器械末端点具有朝向该区域运动的运动趋势，或器械末端点如果继续保持当前运动的话将要到达该区域。

步骤2042：获取朝向的区域对应的约束规则。

步骤205可以包括：

步骤2051：按照所获取的约束规则对器械末端点施加约束。

在该方式中，将三维限制空间划分为不同区域，根据不同的区域设定不同的约束规则，从而实现不同的速度控制。该空间的划分可以是固定的，如按照空间的对称性划分成对称的几个区域、或者按照某种规律划分、或者自由划分。该空间的划分还可以是动态变化的，如根据器械末端点的位置划分、根据器械末端点的实际运动或运动趋势划分。一方面，多区域与多约束规则的设定，有利于实现多种情况的精细化速度控制；另一方面，通过区域与规则的对应关系，可以快速获取适合的约束规则，实现对运动速度快速约束，防止器械末端点运动到三维限制空间之外。

在一种可实施的方式中，三维限制空间可以为锥体，可以是圆锥体，也可以是棱锥体。图4示出了一种三维限制空间为圆锥体时的具体形状。棱锥体的区域划分和约束规则与圆锥体的情况类似，不再赘述。图中，器械末端点的位置为T，锥顶角顶点为R，锥体的高线为RO。三维限制空间以器械末端点的所在位置T为区域交叉点、被穿过位置T的第一平面和第二平面划分为四个区域，第一平面为高线RO和位置T与锥体的顶点R的连线RT所在的平面，第二平面为位置T所在的与第一平面垂直的平面。

四个区域分别为：

第一区域Ⅰ，不包含高线RO但包含顶点O的区域，如果器械末端点T朝向第一区域Ⅰ内运动，即器械末端点的运动方向V指向第一区域Ⅰ，则表明器械末端点T向偏离高线RO且靠近顶点R的方向运动；

第二区域Ⅱ，包含部分高线RO且包含顶点R的区域，如果器械末端点T朝向第二区域Ⅱ运动，即器械末端点的运动方向V指向第二区域Ⅱ，则表明器械末端点T向靠近高线RO且靠近顶点R的方向运动；

第三区域Ⅲ，包含部分高线RO(这里所包含的部分高线与第二区域Ⅱ所包含部分高线不同)但不包含顶点R的区域，如果器械末端点T朝向第三区域Ⅲ运动，即器械末端点的运动方向V指向第三区域Ⅲ，则表明器械末端点T向靠近高线RO且远离顶点R的方向运动；

第四区域Ⅳ，不包含高线RO且不包含顶点R的区域，如果器械末端点T朝第四区域Ⅳ运动，即器械末端点的运动方向V指向第四区域Ⅳ，则表明器械末端点T向远离高线RO且远离顶点R的方向运动。

与第一区域Ⅰ对应的约束规则为第一约束规则，第一约束规则包括限制运动速度V在第一方向RT的速度分量的大小和第二方向的速度分量的大小，第一方向为位置T与顶点R的连线RT方向，第二方向为与第一方向RT垂直的方向；

与第二区域Ⅱ对应的约束规则为第二约束规则，第二约束规则包括限制运动速度V在第一方向RT的速度分量的大小；

与第三区域Ⅲ对应的约束规则为第三约束规则，第三约束规则包括不限制运动速度V或对器械末端点进行力柔顺控制；

与第四区域Ⅳ对应的约束规则为第四约束规则，第四约束规则包括限制运动速度V在第二方向的速度分量的大小。

在该方式中，当器械末端点T朝向第一区域Ⅰ、第二区域Ⅱ和第四区域Ⅳ时，需要对器械末端点T施加约束，当器械末端点T朝向第三区域Ⅲ时，不需要对器械末端点施加约束。在实际应用中，限制运动速度V在第一方向RT的速度分量的大小可以通过对器械末端点T在第一方向RT上施加约束力实现；限制运动速度V在第二方向的速度分量的大小可以通过对器械末端点T在第二方向上施加约束力实现。

在一种可实施的方式中，限制运动速度V在第一方向RT的速度分量的大小具体可以包括沿着第一方向RT以器械末端点T到顶点R的距离值RT的倒数比例系数减小运动速度V在第一方向RT的速度分量。当然减小运动速度V在第一方向RT的速度分量的程度并不局限于此，还可以以其他指定加速度减小该速度分量。限制运动速度V在第二方向的速度分量的大小具体可以包括沿着第二方向以器械末端点沿第二方向到锥体的锥面的距离值的倒数比例系数减小运动速度V在第二方向的速度分量。当然减小运动速度V在第二方向的速度分量的方式并不局限于此，还可以以其他指定加速度减小该速度分量。

在一种可实施的方式中，步骤2041具体可以包括：

计算第一夹角α和第二夹角β，第一夹角α为运动方向V与从位置T垂直指向高线RO的方向TS的夹角，第二夹角β为运动方向V与从位置T指向顶点R的方向TR的夹角；

判断第一夹角α是否大于90°及第二夹角β是否大于90°；

当第一夹角α大于90°且第二夹角β小于90°时，器械末端点T朝向第一区域Ⅰ；

当第一夹角α和第二夹角β均小于90°时，器械末端点T朝向第二区域Ⅱ；

当第一夹角α和第二夹角β均大于90°时，器械末端点T朝向第三区域Ⅲ；

当第一夹角α大于90°且第二夹角β大于90°时，器械末端点朝向第四区域Ⅳ。

在此方式中，通过第一夹角α和第二夹角β的角度，可以确定器械末端点T具体朝向哪个区域，也相当于确定运动方向V指向哪个区域，进而确定具体使用哪种约束规则。

在一种可实施的方式中，步骤202具体可以包括：

判断是否为器械末端点所在位置T到顶点R的距离RT小于高线RO的长度且位置T与顶点R的连线TR与高线RO的夹角小于角θ，角θ为锥体的锥顶角的一半，若是，器械末端点T处于三维限制空间内。

在一种可实施的方式中，方法还可以包括：在步骤201之前先根据髋臼杯解剖结构设置三维限制空间的空间形状参数。以三维限制空间为锥体为例，根据髋臼杯解剖结构设置锥体的高线长度及方向向量、顶点位置、锥顶角等。在该方式中，以髋臼杯解剖结构为模型设置三维限制空间的空间形状参数，通过器械末端点在三维限制空间内的运动与约束，模拟器械末端点在髋臼杯解剖结构内的运动与约束，具有临床指导作用。

在一种可实施的方式中，方法还可以包括：在步骤205之后，重新获取器械末端点T的位置信息，然后判断器械末端点T是否到达尖端的顶点R或是否到侧壁的距离TP为0，若到达顶点R(即TR＝0)或距离TP为0，则对器械末端点T施加约束，以限制器械末端点T的运动速度V为0。否则，返回步骤201或返回步骤202或返回步骤203，继续进行运动控制。在该方式中，当器械末端点T到达尖端的顶点R或到侧壁的距离TP为0时，限制器械末端点T的运动速度V为0可以防止器械末端点T进一步超出三维限制区域的范围，保证机器人运动安全。

本实施例的方法可以实现毫米级的控制，根据操作者所施加的力约束器械末端点在狭小的三维限制空间内运动，实现人机交互。

实施例2

本实施例提供一种机器人运动控制***，其用于对机器人的运动进行控制，尤其是对机器人器械末端点的运动进行控制。可作为被控制对象的一种机器人如图1所示，具体说明参见实施例1。当然本实施例的被控制对象并不局限于上述结构的机器人，与该结构相似或功能相似的机器人，同样适用于本实施例的机器人运动控制***。

图5示出了本实施例的机器人运动控制***，其包括：

位置获取模块301，用于获取机器人器械末端点的位置信息；

位置判断模块302，用于根据位置信息判断器械末端点是否处于三维限制空间内；

速度获取模块303，用于在器械末端点处于所述三维限制空间内时，获取器械末端点的运动速度，运动速度包括运动方向和速度大小；

主动约束模块304，用于根据运动方向判断是否需要对器械末端点施加约束，以及在需要施加约束时，对器械末端点施加约束，以限制运动速度在至少一个方向的速度分量的大小。

在一种可实施的方式中，三维限制空间可以包括侧壁及侧壁朝同一方向汇聚成的尖端，三维限制空间被划分为多个区域，每个区域分别对应一个约束规则，约束规则用于不限制运动速度或限制运动速度在至少一个方向的速度分量的大小；

主动约束模块304用于根据运动方向判断器械末端点朝向的区域，获取朝向的区域对应的约束规则，按照所获取的约束规则对器械末端点施加约束。

在一种可实施的方式中，三维限制空间可以为锥体，三维限制空间以器械末端点的所在位置为区域交叉点、被穿过位置的第一平面和第二平面划分为四个区域，第一平面为锥体的高线和位置与锥体的顶点的连线所在的平面，第二平面为位置所在的与第一平面垂直的平面；

四个区域分别为：

第一区域，为不包含高线但包含顶点的区域；

第二区域，为包含部分高线且包含顶点的区域；

第三区域，为包含部分高线但不包含顶点的区域；

第四区域，为不包含高线且不包含顶点的区域；

与第一区域对应的约束规则为第一约束规则，第一约束规则包括限制运动速度在第一方向的速度分量的大小和第二方向的速度分量的大小，第一方向为位置与顶点的连线方向，第二方向为与第一方向垂直的方向；

与第二区域对应的约束规则为第二约束规则，第二约束规则包括限制运动速度在第一方向的速度分量的大小；

与第三区域对应的约束规则为第三约束规则，第三约束规则包括不限制运动速度；

与第四区域对应的约束规则为第四约束规则，第四约束规则包括限制运动速度在第二方向的速度分量的大小。

在一种可实施的方式中，根据运动方向判断机器人器械末端点朝向的区域，包括：

计算第一夹角和第二夹角，第一夹角为运动方向与从位置垂直指向高线的方向的夹角，第二夹角为运动方向与从位置指向顶点的方向的夹角；

判断第一夹角是否大于90°及第二夹角是否大于90°；

当第一夹角大于90°且第二夹角小于90°时，器械末端点朝向第一区域；

当第一夹角和第二夹角均小于90°时，器械末端点朝向第二区域；

当第一夹角和第二夹角均大于90°时，器械末端点朝向第三区域；

当第一夹角大于90°且第二夹角大于90°时，器械末端点朝向第四区域。

在一种可实施的方式中，限制运动速度在第一方向的速度分量的大小包括：

沿着第一方向以器械末端点到顶点的距离值的倒数比例系数减小运动速度在第一方向的速度分量。

在一种可实施的方式中，限制运动速度在第二方向的速度分量的大小包括：

沿着第二方向以器械末端点沿所述第二方向到锥体的锥面的距离值的倒数比例系数减小运动速度在第二方向的速度分量。

在一种可实施的方式中，位置判断模块用于判断是否为器械末端点所在位置到顶点的距离小于高线长度且位置与顶点的连线与高线的夹角小于锥体的锥顶角的一半，若是，器械末端点处于三维限制空间内。

在一种可实施的方式中，还包括：

参数设置模块，用于根据髋臼杯解剖结构设置三维限制空间的空间形状参数。

在一种可实施的方式中，主动约束模块304还用于在器械末端点未处于三维限制空间内时，约束机器人器械末端点运动到三维限制空间内。

在一种可实施的方式中，主动约束模块304还用于在对器械末端点施加约束，以限制运动速度在至少一个方向的速度分量的大小之后，重新调用位置获取模块获取器械末端点的位置信息，然后判断器械末端点是否到达尖端的顶点或是否到侧壁的距离为0，若到达顶点或距离为0，则对器械末端点施加约束，以限制器械末端点的运动速度为0。

实施例3

本发明实施例还提供一种电子设备，电子设备可以通过计算设备的形式表现(例如可以为服务器设备)，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中处理器执行计算机程序时可以实现本发明实施例1中的机器人运动控制方法。

图6示出了本实施例的硬件结构示意图，如图6所示，电子设备9具体包括：

至少一个处理器91、至少一个存储器92以及用于连接不同***组件(包括处理器91和存储器92)的总线93，其中：

总线93包括数据总线、地址总线和控制总线。

存储器92包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)921和/或高速缓存存储器922，还可以进一步包括只读存储器(ROM)923。

存储器92还包括具有一组(至少一个)程序模块924的程序/实用工具925，这样的程序模块924包括但不限于：操作***、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

处理器91通过运行存储在存储器92中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如本发明实施例1的机器人运动控制方法。

电子设备9进一步可以与一个或多个外部设备94(例如键盘、指向设备等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口95进行。并且，电子设备9还可以通过网络适配器96与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器96通过总线93与电子设备9的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备9使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID(磁盘阵列)***、磁带驱动器以及数据备份存储***等。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本申请的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。

实施例6

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，程序被处理器执行时实现本发明实施例1机器人运动控制方法的步骤。其中，可读存储介质可以采用的更具体可以包括但不限于：便携式盘、硬盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦拭可编程只读存储器、光存储器件、磁存储器件或上述的任意合适的组合。

在可能的实施方式中，本发明还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行实现本发明实施例1机器人运动控制方法的步骤。

其中，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明的程序代码，所述程序代码可以完全地在用户设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户设备上部分在远程设备上执行或完全在远程设备上执行。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机器人运动控制方法，其特征在于，包括：

获取机器人器械末端点的位置信息；

根据所述位置信息判断所述器械末端点是否处于三维限制空间内，若是，则：

获取所述器械末端点的运动速度，所述运动速度包括运动方向和速度大小；

根据所述运动方向判断是否需要对所述器械末端点施加约束，以及在需要施加约束时，对所述器械末端点施加约束，以限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小。

2.如权利要求1所述的机器人运动控制方法，其特征在于，所述三维限制空间被划分为多个区域，每个所述区域分别对应一个约束规则，所述约束规则用于不限制所述运动速度或限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小；

所述根据所述运动方向判断是否需要对所述器械末端点施加约束，以及在需要施加约束时，对所述器械末端点施加约束，以限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小，包括：

根据所述运动方向判断所述器械末端点朝向的区域；

获取所述朝向的区域对应的约束规则；

按照所获取的约束规则对所述器械末端点施加约束。

3.如权利要求2所述的机器人运动控制方法，其特征在于，所述三维限制空间为锥体，所述三维限制空间以所述器械末端点的所在位置为区域交叉点、被穿过所述位置的第一平面和第二平面划分为四个区域，所述第一平面为所述锥体的高线和所述位置与所述锥体的顶点的连线所在的平面，所述第二平面为所述位置所在的与所述第一平面垂直的平面；

所述四个区域分别为：

第一区域，为不包含所述高线但包含所述顶点的区域；

第二区域，为包含部分所述高线且包含所述顶点的区域；

第三区域，为包含部分所述高线但不包含所述顶点的区域；

第四区域，为不包含所述高线且不包含所述顶点的区域；

与所述第一区域对应的约束规则为第一约束规则，所述第一约束规则包括限制所述运动速度在第一方向的速度分量的大小和第二方向的速度分量的大小，所述第一方向为所述位置与所述顶点的连线方向，所述第二方向为与所述第一方向垂直的方向；

与所述第二区域对应的约束规则为第二约束规则，所述第二约束规则包括限制所述运动速度在所述第一方向的速度分量的大小；

与所述第三区域对应的约束规则为第三约束规则，所述第三约束规则包括不限制所述运动速度或对所述器械末端点进行力柔顺控制；

与所述第四区域对应的约束规则为第四约束规则，所述第四约束规则包括限制所述运动速度在所述第二方向的速度分量的大小。

4.如权利要求3所述的机器人运动控制方法，其特征在于，所述根据所述运动方向判断所述机器人器械末端点朝向的区域，包括：

计算第一夹角和第二夹角，所述第一夹角为所述运动方向与从所述位置垂直指向所述高线的方向的夹角，所述第二夹角为所述运动方向与从所述位置指向所述顶点的方向的夹角；

判断所述第一夹角是否大于90°及所述第二夹角是否大于90°；

当所述第一夹角大于90°且所述第二夹角小于90°时，所述器械末端点朝向所述第一区域；

当所述第一夹角和所述第二夹角均小于90°时，所述器械末端点朝向所述第二区域；

当所述第一夹角和所述第二夹角均大于90°时，所述器械末端点朝向所述第三区域；

当所述第一夹角大于90°且所述第二夹角大于90°时，所述器械末端点朝向所述第四区域。

5.如权利要求3所述的机器人运动控制方法，其特征在于，所述限制所述运动速度在所述第一方向的速度分量的大小包括：

沿着所述第一方向以所述器械末端点到所述顶点的距离值的倒数比例系数减小所述运动速度在所述第一方向的速度分量；

和/或，所述限制所述运动速度在所述第二方向的速度分量的大小包括：

沿着所述第二方向以所述器械末端点沿所述第二方向到所述锥体的锥面的距离值的倒数比例系数减小所述运动速度在所述第二方向的速度分量。

6.如权利要求3所述的机器人运动控制方法，其特征在于，所述根据位置信息判断器械末端点是否处于三维限制空间内，包括：

判断是否为所述器械末端点所在位置到所述顶点的距离小于所述高线长度且所述位置与所述顶点的连线与所述高线的夹角小于所述锥体的锥顶角的一半，若是，所述器械末端点处于所述三维限制空间内。

7.如权利要求2所述的机器人运动控制方法，其特征在于，还包括：

根据髋臼杯解剖结构设置所述三维限制空间的空间形状参数；

和/或，

在所述器械末端点未处于所述三维限制空间内时，约束所述机器人器械末端点运动到所述三维限制空间内；

和/或，在对所述器械末端点施加约束，以限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小之后，重新获取器械末端点的位置信息，然后判断所述器械末端点是否到达所述三维限制空间的顶点或是否到所述三维限制空间的侧壁的距离为0，若到达所述顶点或所述距离为0，则对所述器械末端点施加约束，以限制所述器械末端点的运动速度为0。

8.一种机器人运动控制***，其特征在于，包括：

位置获取模块，用于获取机器人器械末端点的位置信息；

位置判断模块，用于根据所述位置信息判断所述器械末端点是否处于三维限制空间内；

速度获取模块，用于在所述器械末端点处于所述三维限制空间内时，获取所述器械末端点的运动速度，所述运动速度包括运动方向和速度大小；

主动约束模块，用于根据所述运动方向判断是否需要对所述器械末端点施加约束，以及在需要施加约束时，对所述器械末端点施加约束，以限制所述运动速度在至少一个方向的速度分量的大小。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7任一项所述的机器人运动控制方法。

10.一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，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述的机器人运动控制方法的步骤。

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