CN115153852A - 手术机器人、控制方法、***及可读存储介质 - Google Patents

手术机器人、控制方法、***及可读存储介质 Download PDF

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何超
李涛
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Abstract

本发明提供一种手术机器人、控制方法、***及可读存储介质，所述手术机器人包括一操纵末端，手术机器人的控制方法包括：依据手术对象的边缘信息设定安全区及位于所述安全区之外的警戒边界；基于操纵末端的当前位姿与警戒边界的距离函数，结合所述操纵末端所反馈的第一反馈信息和基于外部环境力所产生的第二反馈信息，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息，以使所述操纵末端在超出所述安全区的范围后，减少、消除或限制所述外部环境力对所述操纵末端的驱动影响。

Description

手术机器人、控制方法、***及可读存储介质
本案为申请号：202011223748.X，发明名称：手术机器人、控制方法、***及可读存储介质的中国专利申请的分案申请
技术领域
本发明涉及机器人辅助手术***和方法领域，特别涉及一种手术机器人、控制方法、***及可读存储介质。
背景技术
骨科手术机器人可以有效减少软组织和骨组织的损伤，患者出血少，创伤小，更有利于患者的术后的膝关节的康复。但是，一般的机器人手术过程中仍靠医生把控截骨范围，不同医生的手术结果各不相同，使得患者的手术效果各不相同，甚至可能有术中误操作的发生，使得过多截掉患者的软组织及骨组织。
因此，需要对骨科手术机器人的截骨边界进行限制，以有效的限制机器人在边界范围内运动。尽管已有设计方案来限制机器人的运动边界，但是此类方案需要得到触觉设备的精确的动力学模型，对于机构较为复杂的手术机器人实现难度较大，特别是当有摩擦力等非线性因素影响时，容易让医生误判。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手术机器人、控制方法、***及可读存储介质，以解决现有的手术机器人的边界控制不易、不准确，易误操作的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种手术机器人的控制方法，所述手术机器人包括一操纵末端，所述手术机器人的控制方法包括：
依据手术对象的边缘信息设定安全区及位于所述安全区之外的警戒边界；
基于操纵末端的当前位姿与警戒边界的距离函数，结合所述操纵末端所反馈的第一反馈信息和基于外部环境力所产生的第二反馈信息，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息，以使所述操纵末端在超出所述安全区的范围后，减少、消除或限制所述外部环境力对所述操纵末端的驱动影响。
可选的，所述第一反馈信息包括所述操纵末端的关节的指令位姿信息，所述第二反馈信息包括由所述外部环境力对所述操纵末端的关节产生的力矩信息。
可选的，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息的步骤包括：
根据所述指令位姿信息Xd通过运动学反解得到所述操纵末端的关节的指令角度θ；
将所述指令角度θ作为动力学计算的输入，计算得到理论输出力矩Fs；
将所述指令角度θ作为位姿控制器的输入，计算得到所述操纵末端的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩；
根据力传感器在所述外部环境力作用下感应的等效力矩F、重力补偿及摩擦力补偿力矩N以及所述理论输出力矩Fs，计算得到所述外部环境力力矩Fc；
将所述外部环境力Fc补偿到所述操纵末端的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩中，得到所述驱动信息。
可选的，所述外部环境力包括：手术对象对所述操纵末端产生的阻力力矩Fa、以及操作者对所述操纵末端施加的牵引力力矩f；所述等效力矩F满足：F＝ Fs+N+Fa+f；所述外部环境力力矩Fc满足：Fc＝F-Fs-N。
可选的，所述位姿控制器的计算步骤包括：
根据所述操纵末端的关节的指令位姿和当前位姿、以及指令速度与当前速度，计算得到所述操纵末端的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩。
可选的，所述指令速度由指令位姿差分计算得到。
可选的，所述第一反馈信息包括所述操纵末端的关节的指令位姿信息，所述第一反馈信息包括由所述外部环境力对所述操纵末端的关节的阻抗控制模型。
可选的，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息的步骤包括：
根据所述指令位姿信息Xd通过运动学反解得到所述操纵末端的关节的指令角度θ；
将所述指令角度θ作为动力学计算的输入，计算得到理论输出力矩Fs；
基于所述操纵末端的当前位姿与指令位姿之间的位姿差、以及所述操纵末端的当前速度与指令速度之间的速度差，根据所述阻抗控制模型，计算得到笛卡尔空间下的第一力矩；
将所述第一力矩根据当前关节角度下的雅可比矩阵的转置换算到各个关节受到的第二力矩；
将对应的摩擦力前馈f补偿到所述操纵末端的各个关节上，得到各个关节的第三力矩；
基于所述理论输出力矩Fs、第三力矩以及第二力矩得到所述驱动信息。
可选的，所述阻抗控制模型的输入包括以下步骤：
根据力传感器在所述外部环境力作用下输出的等效力矩F，根据导纳控制计算得到关节对应的位姿变化量；
基于所述位姿变化量，通过运动学正解计算得到所述操纵末端的实际位姿与指令位姿之间的位姿差；
将所述位姿差作为所述阻抗控制模型的输入。
可选的，所述操纵末端包括机械臂和/或操纵器，所述第一反馈信息包括所述机械臂和/或所述操纵器的关节的指令位姿信息，所述操纵器用于固定并引导手术器械进行手术操作。
为解决上述技术问题，根据本发明的第二个方面，还提供了一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的手术机器人的控制方法。
为解决上述技术问题，根据本发明的第三个方面，还提供了一种手术机器人，其包括操纵末端，所述操纵末端包括机械臂和/或用于引导手术器械进行手术操作的操纵器，所述操纵末端利用如上所述的手术机器人的控制方法进行控制。
为解决上述技术问题，根据本发明的第四个方面，还提供了一种手术机器人***，其包括控制装置、导航装置以及操纵末端，所述导航装置用于跟踪所述操纵末端的当前位姿并将位姿信息反馈给所述控制装置，所述控制装置用于根据如上所述的方法控制所述操纵末端。
可选的，所述操纵末端包括机械臂以及用于引导手术器械进行手术操作的操纵器，所述操纵器具有多个自由度，所述第一反馈信息包括所述机械臂和/或所述操纵器的关节的指令位姿信息。
综上所述，在本发明提供的手术机器人、控制方法、***及可读存储介质中，所述手术机器人包括一操纵末端，所述手术机器人的控制方法包括：依据手术对象的边缘信息设定安全区及位于所述安全区之外的警戒边界；基于操纵末端的当前位姿与警戒边界的距离函数，结合所述操纵末端所反馈的第一反馈信息和基于外部环境力所产生的第二反馈信息，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息，以使所述操纵末端在超出所述安全区的范围后，减少、消除或限制所述外部环境力对所述操纵末端的驱动影响。
如此配置，通过将第一反馈信息和第二反馈信息补偿到向所述操纵末端施加的驱动信息中，实现将外部环境力反向补偿到驱动关节上，从而实现了边界控制，可以让外部环境力尽可能少的作用到患者上，当操纵末端在超出所述安全区的范围后，则驱动机械臂关节所需的额外驱动力矩越大，所需外部环境力越大，实现避免操作者误操作的效果。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是本发明涉及的手术场景的示意图；
图2是本发明实施例一的截骨导向工具的自由度的示意图；
图3是本发明实施例一的截骨导向工具的示意图；
图4是本发明实施例一的手术机器人的示意图；
图5是本发明实施例一的控制方法的原理框图；
图6是本发明实施例二的控制方法的原理框图；
图7是本发明实施例二的阻抗控制物理模型的示意图；
图8是本发明实施例二的阻抗控制的原理图；
图9是本发明实施例二的导纳控制的原理图。
附图中：
1-手术台车；2-机械臂；3-工具靶标；4-截骨导向工具；5-截骨工具；6-跟踪仪；7-辅助显示器；8-主显示器；9-导航台车；10-键盘；11-股骨靶标；12-股骨； 13-胫骨靶标；14-胫骨；15-基座靶标；16-X向平移轴；17-Y向平移轴；18-Z轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，术语“近端”通常是靠近操作者的一端，术语“远端”通常是靠近患者即靠近手术对象的一端，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的核心思想在于提供一种手术机器人、控制方法、***及可读存储介质，以解决现有的手术机器人的边界控制不易、不准确，易误操作的问题。以下参考附图进行描述。
图1示出了一个示范性的实施例，其中示出了利用手术机器人进行膝关节置换的应用场景，然而，本发明的手术机器人对应用环境没有特别的限制，也可应用于其他的手术，例如四肢、腹部、胸部、脑部等部位的手术。以下描述中，以用于膝关节置换为示例对手术机器人进行说明，但不应以此作为对本发明的限定。
如图1所示，所述手术机器人***包括控制装置、导航装置、机械臂2以及截骨导向工具4。机械臂2设置在手术台车1上，所述控制装置在一些实施例中为一台计算机，但本发明对此不作限制，该计算机配置了处理器、主显示器8和键盘10，更优选还包括辅助显示器7。所述辅助显示器7和主显示器8所显示的内容可以是一致的，也可以不同。所述导航装置可以是磁定位导航装置、光学定位导航装置/光学定位传感器或者惯性定位导航装置。优选的，所述导航装置为光学定位导航装置，相比于其他的导航方式，测量精度高，可有效提高截骨导向工具4的定位精度。以下描述中，以光学定位导航装置作为示例进行说明，但不以此为限。
所述导航装置具体包括导航标志物和跟踪仪6，所述导航标志物包括基座靶标15和工具靶标3，基座靶标15固定不动，例如基座靶标15被固定在手术台车1上而用于提供一个基坐标系(或称基座靶标坐标系)，而工具靶标3安装在截骨导向工具4上而用于跟踪截骨导向工具4的位置。所述截骨导向工具4安装在机械臂2的末端，从而通过机械臂2来支撑截骨导向工具4，并调整截骨导向工具4的空间位置和姿态。
实际中，利用跟踪仪6来捕捉工具靶标3反射的信号(优选来自于跟踪仪6 的光学信号)并记录工具靶标3的位姿(即工具靶标3在基座标系下的位置和姿态)，再由控制装置的存储器内存储的计算机程序根据工具靶标3的当前位姿和期望位姿，控制机械臂2运动，机械臂2驱动截骨导向工具4和工具靶标3运动，并使工具靶标3到达期望位姿，工具靶标3的期望位姿对应于截骨导向工具4的期望位姿。
因此，对于手术机器人的应用，可实现截骨导向工具4的自动定位，且手术过程中由工具靶标3跟踪并反馈截骨导向工具4的实时位姿，并通过控制机械臂2的运动实现截骨导向工具4的位置和姿态的调整，进一步可控制安装于截骨导向工具4上的手术器械(例如摆锯或电钻)，不仅截骨导向工具4的定位精度高，而且通过机械臂2来支撑截骨导向工具4，而无需将导向工具固定在人体上，可避免对人体产生伤害。
一般的，所述手术机器人还包括手术台车1和导航台车9。所述控制装置和一部分所述导航装置安装在导航台车9上，例如所述处理器安装在导航台车9 的内部，所述键盘10放置在导航台车9的外部进行操作，所述主显示器8、辅助显示器7和跟踪仪6均安装在一个支架上，所述支架竖直固定在导航台车9 上，而所述机械臂2安装在手术台车1上。手术台车1和导航台车9的使用，使整个手术操作更为方便。
在执行膝关节置换手术时，本实施例的手术机器人的使用过程大致包括以下操作：
步骤SK1：将手术台车1及导航台车9移动至病床旁边合适的位置；
步骤SK2：安装导航标志物(导航标志物还包括股骨靶标11、胫骨靶标13)、截骨导向工具4以及其他相关部件(如无菌袋)；
步骤SK3：术前规划；具体的，操作者将患者的骨头CT/MRI扫描模型导入所述计算机进行术前规划，得到截骨方案，该截骨方案例如包括截骨平面坐标、假体的型号以及假体的安装方位等信息；具体地，根据CT/MRI扫描得到的患者膝关节影像数据，创建三维膝关节虚拟模型，进而根据三维膝关节虚拟模型创建截骨方案，以便手术操作者根据截骨方案进行术前评估，更具体地，基于三维膝关节虚拟模型，并结合得到的假体的尺寸规格以及截骨板的安装位置等确定截骨方案，所述截骨方案最终以手术报告形式输出，其记录有截骨平面坐标、截骨量、截骨角度、假体规格、假体的安装位置、手术辅助工具等一系列参考数据，特别还包括一系列理论说明，如选取该截骨角度的原因说明等，以为手术操作者提供参考；其中，三维膝关节虚拟模型可通过主显示器8进行显示，且操作者可通过键盘10输入手术参数，以便进行术前规划；
步骤SK4：骨实时配准；本实施例中，所述导航标志物还包括股骨靶标11 和胫骨靶标13。其中股骨靶标11用于定位股骨12的空间位置和姿态，胫骨靶标13用于定位胫骨14的空间位置和姿态。术前评估后，需要实时获取骨头特征点位置，然后处理器才可以通过特征匹配算法得到股骨12及胫骨14的实际方位/位姿，并与股骨12及胫骨14的图像方位相对应，随后导航装置将股骨12、胫骨14的实际方位与安装在股骨12及胫骨14上的相应靶标相联系，从而使股骨靶标11和胫骨靶标13可以实时跟踪骨头的实际位置。通过导航装置将股骨12及胫骨14的实际方位与安装在股骨12及胫骨14上的相应靶标相联系，使得股骨靶标11和胫骨靶标13可以实时跟踪骨头的实际位置，且手术过程中，只要靶标与骨头间的相对位置固定，骨头移动不会影响手术效果；
步骤SK5：驱动机械臂2运动到预定位置，执行手术操作；具体地，通过导航装置将术前规划的截骨平面坐标发送给机械臂2，所述机械臂2通过工具靶标 3定位截骨平面并运动到预定位置后，使机械臂2进入保持状态(即不动)，此后，操作者即可使用摆锯或电钻等截骨工具5通过截骨导向工具4的引导、固定或定位，进行截骨和/或钻孔操作。完成截骨及钻孔操作后，操作者即可安装假体及进行其他手术操作。
传统手术及没有机械臂参与定位的导航手术***，需要手动调整并定位截骨导向工具，精度差，调整效率低，而使用机械臂2定位截骨导向工具4，操作者不需要使用额外的骨钉将截骨导向工具固定在骨头上，减少病人的创伤面，并缩减手术时间。如前所述，所述工具靶标3可安装在截骨导向工具4上，但在其他实施例中，所述工具靶标3也可以安装在机械臂2的末端关节上。
基于上述手术机器人，可实现机器人辅助手术，帮助操作者定位需截骨的位置或截骨工具，以便于操作者实施截骨。然而，操作者在实施截骨的过程中，例如在机械臂2进入保持状态后，难以对截骨导向工具4的位姿加以约束，避免外界环境力对截骨导向工具4位姿的影响，无法将截骨导向工具4的运动范围有效地限制在一定的边界范围内，因此将会导致误操作时对患者造成不必要的伤害。
基于此，本发明实施例提供一种手术机器人的控制方法，所述手术机器人包括一操纵末端。需理解，该操纵末端包括机械臂2和操纵器(用于引导手术器械进行手术操作，如截骨导向工具4)中的至少一个或两者的组合。所述手术机器人的控制方法用于控制所述操纵末端的运动。在其它的一些应用场景下，操纵器并不局限于截骨导向工具4，也适用于其它对手术机器人的操纵末端的运动范围有边界限制的场合。所述手术机器人利用所述控制方法进行控制。
【实施例一】
请参考图2至图5，其中，图2是本发明实施例一的截骨导向工具的自由度的示意图；图3是本发明实施例一的截骨导向工具的示意图；图4是本发明实施例一的截骨导向工具的俯视图；图4是本发明实施例一的手术机器人的示意图；图5是本发明实施例一的控制方法的原理框图。
实施例一以一截骨导向工具4作为操纵末端的示例进行说明，实际中也可对截骨导向工具和/或机械臂的关节进行控制。图2至图3示出了一种截骨导向工具4，其包括三个自由度，分别为图2所示的沿X轴的平移、沿Y轴的平移以及绕Z轴的转动自由度。具体的，请参考图3，其为截骨导向工具4的俯视示意图，所述截骨导向工具4包括X向平移轴16、Y向平移轴17和垂直于X向平移轴16及Y向平移轴17的Z轴18，截骨工具5(如摆锯)安装在截骨导向工具4上后，可分别沿X向平移轴16和Y向平移轴17进行平移，截骨工具5 还可以围绕Z轴18转动。X向平移轴16、Y向平移轴17以及Z轴18可以视作对应于截骨导向工具4的三个关节，优选的，该三个关节均可获取来自控制装置的驱动信息，并根据驱动信息执行动作，例如，截骨导向工具4包括三个关节驱动电机，以对应于三个自由度。在其它的一些实施例中，操纵末端也可为机械臂2，其同样包括若干个关节驱动电机。当然在一些实施例中，操纵末端也可以包括机械臂2和截骨导向工具4。
进一步的，请参考图4，跟踪仪6通过基座靶标15可以识别当前截骨工具 5所在空间的位姿，具体的，假设将机械臂2固定摆位在某个位置后(即机械臂进入保持状态，固定在某个位置)，其在跟踪仪6下的位姿为
Figure BDA0003744738680000091
(此位姿是控制装置首先根据机械臂内的关节编码器所得的位姿信息，然后再将该位姿信息通过矩阵转换后得到机械臂在跟踪仪下的位姿)，截骨导向工具4的位姿在跟踪仪6下的位姿为
Figure BDA0003744738680000092
(此位姿通过跟踪仪6跟踪截骨导向工具4上的工具靶标3计算得到)，则机械臂2在不动的情况下，截骨导向工具4单独运动实现调整截骨工具5的位姿
Figure BDA0003744738680000093
为：
Figure BDA0003744738680000094
由此可以理解的，截骨导向工具4单独运动的位姿可以由跟踪仪6跟踪获得。由于截骨工具5安装于截骨导向工具4上，因此截骨导向工具4的位姿即反映了截骨工具5的空间位姿。
所述手术机器人的控制方法包括：
步骤S1：依据手术对象的边缘信息设定安全区及位于所述安全区之外的警戒边界；
步骤S2：基于操纵末端(如截骨导向工具4)所安装的手术器械(例如截骨工具5)的当前位姿与所述警戒边界的距离函数，结合所述操纵末端所反馈的第一反馈信息和基于外部环境力所产生的第二反馈信息，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息，以使所述操纵末端在超出所述安全区的范围后，减少、消除或限制所述外部环境力对所述操纵末端的驱动影响。
在一个示范性的实施例中，以骨骼作为手术对象为例进行说明，步骤S1中，首先需要设定安全区及警戒边界。例如在一些实施例中，可通过图像采集装置 (例如CT等扫描装置)得到骨骼的边缘信息，依据骨骼的边缘信息设定安全区及警戒边界。具体的，由图像采集装置采集骨骼的环境边界，进而由操作者(如医生)根据经验设置术前规划，并在环境边界基础上设置警戒边界及安全区(自骨骼出发，从里向外依次为安全区-环境边界-警戒边界，其中安全区位于最里并属于手术的安全操作区域)。
在步骤S2中，所述第一反馈信息包括所述机械臂2和/或截骨导向工具4的关节的指令位姿信息，所述第二反馈信息包括由所述外部环境力对所述机械臂2 和/或截骨导向工具4的关节产生的力而计算得到的施加在所述截骨导向工具4 上的力矩信息。
在本实施例中，基于截骨导向工具4当前所在位置(其可由跟踪仪6跟踪截骨导向工具4的位姿而得到)与警戒边界的距离函数，结合机械臂2和/或截骨导向工具4的关节的位姿信息及由所述外部环境力对所述截骨导向工具4产生的力矩信息，采用力矩补偿的控制模式补偿控制装置向所述截骨导向工具4施加的驱动信息，可以使外部环境力尽可能少的或者不作用到骨骼上。可选的，警戒边界包括警戒线或警戒面等，本领域技术人员可根据现有技术建立截骨导向工具4当前所在位置与警戒边界的距离函数。具体实施中，可令截骨导向工具4 沿某一方向运动到安全区内并停止，再建立所述距离函数。所述的截骨导向工具 4具有三个自由度的三个关节，即，其是在机械臂2的多个关节的本体基础上额外添加了三个运动自由度，例如，若机械臂2具有6个自由度，则此时的机械臂2和截骨导向工具4一共具有9个运动自由度，显著提高了手术操作灵活度。
可选的，外部环境力包括：手术对象(如骨骼)对所述操纵末端(如截骨导向工具4)产生的阻力、以及操作者对截骨导向工具4施加的牵引力。具体的，操作者对截骨导向工具4施加的牵引力可以是人手的推力或拉力等。
外部环境力如可通过力传感器304测量并输出的等效力矩F，力传感器304 包括但不限于六维力传感器或关节力矩传感器等，其可以安装在截骨导向工具4 上，力传感器304可以测量操作者对截骨导向工具4的牵引力，以及骨骼经由截骨工具5对截骨导向工具4的阻力。当然外部环境力也可以为由截骨导向工具4的关节驱动电机的电流而得到的等效力矩F。
请参考图5，补偿所述手术机器人向所述截骨导向工具4施加的驱动信息的步骤包括：
步骤SA1：根据指令位姿信息Xd通过运动学反解301得到所述截骨导向工具4的关节的指令角度θ；指令位姿指手术机器人的控制***发送给截骨导向工具4的目标位姿，指令角度θ指手术机器人的控制***发送给截骨导向工具4 的关节的目标角度。
步骤SA2：将所述指令角度θ作为动力学计算305的输入，计算得到理论输出力矩Fs。具体的，指令角度θ可以分解为截骨导向工具4的关节的指令位置和指令速度，关节的指令位置和指令速度根据动力学计算305即可计算得到截骨导向工具4的关节的理论输出力矩Fs。
步骤SA3：将所述指令角度θ作为位姿控制器302的输入，计算得到截骨导向工具4的关节从当前位姿运动到指令位姿(即目标位姿)所需的力矩。进一步的，所述位姿控制器302的计算步骤包括：根据截骨导向工具4的关节的指令位姿和当前位姿、以及指令速度与当前速度，计算得到截骨导向工具4的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩。优选的，所述指令速度由指令位姿差分计算得到。
步骤SA4：根据力传感器304在所述外部环境力作用下输出的等效力矩F、重力补偿及摩擦力补偿力矩N以及所述理论输出力矩Fs，计算得到所述外部环境力力矩Fc(见图5中标号306)。这里的外部环境力力矩Fc可以理解为操作者对截骨导向工具4的牵引力力矩f与骨骼经由截骨工具5对截骨导向工具4 的阻力力矩Fa的合力矩。可选的，所述等效力矩F满足：F＝Fs+N+Fa+f；所述外部环境力力矩Fc满足：Fc＝F-Fs-N。进一步的，在计算得到外部环境力力矩 Fc后，将该外部环境力力矩Fc通过一力控制器307进行处理，使计算得到的理论的外部环境力力矩Fc更符合真实值。
步骤SA5：将所述外部环境力力矩Fc补偿到截骨导向工具4的关节从当前位姿运动到指令位姿所需的力矩中(见图5中标号308)，得到所述驱动信息，以实现对操纵末端的控制(见图5中标号303)。具体的，根据距离函数计算需补偿的关节力矩并补偿到截骨导向工具4的各个关节中，从而得到个关节的驱动信息。当截骨导向工具4到达警戒边界后，***将自动增大各个关节产生的阻力，以此抵制操作者的牵引力，进而让操作者施加的牵引力尽可能少的作用到截骨面上以达到保护的作用。可选的，在手术过程中，截骨导向工具4在安全区内正常工作；若截骨导向工具4越过安全边界后可以进行限速运动；当到达警戒边界后，***根据距离函数执行，控制截骨导向工具4沿着警戒边界运动或是停在警戒边界上。由此实现使截骨导向工具4在超出安全区的范围后，减少外部环境力对截骨导向工具4的驱动影响的目的。
本实施例还提供一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的控制方法，该可读存储介质可集成设置在手术机器人上，如集成于控制装置中，也可以独立附设。
进一步的，本实施例还提供一种手术机器人***，其包括控制装置、导航装置以及操纵末端，所述导航装置用于跟踪所述操纵末端的当前位姿并将位姿信息反馈给所述控制装置，所述控制装置用于根据如上所述的方法控制所述操纵末端。优选的，在所述手术机器人***中，所述操纵末端包括机械臂以及用于引导手术器械进行手术操作的操纵器，所述操纵器具有多个自由度，所述第一反馈信息包括所述机械臂和/或所述操纵器的关节的指令位姿信息。
综上，通过将第一反馈信息和第二反馈信息补偿到向所述操纵末端施加的驱动信息中，实现将外部环境力反向补偿到驱动关节上，从而实现了边界控制，可以让外部环境力尽可能少的作用到患者上，当操纵末端在超出所述安全区的范围后，所需外部环境力越大，实现避免操作者误操作的效果。
【实施例二】
请参考图6至图9，其中，图6是本发明实施例二的控制方法的原理框图；图7是本发明实施例二的阻抗控制物理模型的示意图；图8是本发明实施例二的阻抗控制的原理图；图9是本发明实施例二的导纳控制的原理图。
本发明实施例二提供的手术机器人、控制方法、***及可读存储介质与实施例一提供的手术机器人的手术机器人、控制方法、***及可读存储介质基本相同，对于相同部分不再叙述，以下仅针对不同点进行描述。
实施例二提供的控制方法主要采用阻抗控制模式来对操作者施加的牵引力进行补偿。具体的，在步骤S2中，第一反馈信息包括：所述操纵末端的关节的指令位姿信息，第二反馈信息包括由所述外部环境力对所述操纵末端的关节的阻抗控制模型。
实施例二同样以骨骼作为手术对象，以截骨导向工具4作为操纵末端为例进行说明。
请参考图6，补偿所述手术机器人向所述截骨导向工具4施加的驱动信息的步骤包括：
步骤SB1：根据所述指令位姿信息Xd通过运动学反解301得到截骨导向工具4的关节的指令角度θ。
步骤SB2：将所述指令角度θ作为动力学计算305的输入，计算得到理论输出力矩Fs。以上指令角度θ和理论输出力矩Fs的含义和求解过程，可参考实施例一步骤SA1和步骤SA2。
步骤SB3：基于截骨导向工具4的当前位姿与指令位姿之间的位姿差、以及截骨导向工具4的当前速度与指令速度之间的速度差，根据所述阻抗控制模型312，计算得到笛卡尔空间下的第一力矩。该第一力矩可以理解为计算出的在笛卡尔空间下的一个虚拟的力矩。
步骤SB4：将所述第一力矩根据当前关节角度下的雅可比矩阵的转置JT换算到截骨导向工具4的各个关节，得到各个关节受到的第二力矩(见图6中标号 313)。具体的，第二力矩可以理解为第一力矩乘以雅克比矩阵的转置而换算得到的在各个关节空间下的各个关节的补偿力矩。
步骤SB5：将对应的摩擦力前馈fm补偿到截骨导向工具4的各个关节上，得到各个关节的第三力矩。具体的，摩擦力前馈fm可根据截骨导向工具4所反馈的各关节的速度信息计算得到。摩擦力前馈fm补偿到截骨导向工具4的各个关节上，可对关节力矩进行前馈补偿。
步骤SB6：基于所述理论输出力矩Fs、第三力矩以及第二力矩得到所述驱动信息，以实现对截骨导向工具4的控制(见图6中标号303)。具体的，截骨导向工具4的关节力矩由三部分组成，第一部分是理论输出力矩Fs，第二部分是第一力矩换算得到的第二力矩，第三部分是各个关节的摩擦力补偿(即第三力矩)。
优选的，请参考图7，其示出了一种阻抗控制物理模型，其对应的原理图如图8所示。图7中，M表示物理模型的质量，右侧的波浪线S代表弹簧，D代表阻尼；图8是控制理论中的传递函数的表达形式，Md等效于图7中物理模型的质量参数，Bd等效于图7中物理模型的阻尼系数，Kd等效于图7中物理模型的弹簧的弹性系数。本领域技术人员可根据现有技术理解上述的阻抗控制模型，这里不再详细介绍。
进一步的，所述阻抗控制模型的输入包括以下步骤：
步骤SC1：根据力传感器304在所述外部环境力作用下输出的等效力矩F，根据导纳控制311计算得到关节对应的位姿变化量；图9示出了导纳控制311的原理图，其亦是控制理论中的传递函数的表达形式，Ms等效于图7中物理模型的质量参数，Bs等效于图7中物理模型的阻尼系数，Ks等效于图7中物理模型的弹簧的弹性系数。等效力矩F的含义和计算，可参考实施例一。
步骤SC2：基于所述位姿变化量，通过运动学正解310计算得到截骨导向工具4的实际位姿与指令位姿之间的位姿差。
步骤SC3：将所述位姿差作为所述阻抗控制模型的输入。由此，当截骨导向工具4越接近警戒边界，则驱动其关节所需的额外驱动力矩越大，所需操作者施加的外力亦越大，从而降低了手术过程中误操作的风险。
以上实施例将截骨导向工具4作为操纵末端，由于截骨导向工具4只有三个自由度，有利于简化运动学模型及动力学模型，进而便于运动学的反解301和运动学正解310以及动力学计算305的实现。然而在其它的一些实施例中，也可以将机械臂2作为操纵末端，或者将机械臂2与截骨导向工具4一同形成组合，视作操纵末端。可以理解的，在其它的一些实施例中，所述控制方法亦不限于应用在膝关节置换手术中。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。
综上，在本发明提供的手术机器人、手术机器人的控制方法、手术机器人***及可读存储介质中，所述手术机器人包括一操纵末端，所述手术机器人的控制方法包括：依据手术对象的边缘信息设定安全区及位于所述安全区之外的警戒边界；基于操纵末端的当前位姿与警戒边界的距离函数，结合所述操纵末端所反馈的第一反馈信息和基于外部环境力所产生的第二反馈信息，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息，以使所述操纵末端在超出所述安全区的范围后，减少、消除或限制所述外部环境力对所述操纵末端的驱动影响。如此配置，通过将第一反馈信息和第二反馈信息补偿到向所述操纵末端施加的驱动信息中，实现将外部环境力反向补偿到驱动关节上，从而实现了边界控制，可以让外部环境力尽可能少的作用到患者上，当操纵末端在超出所述安全区的范围后，则驱动机械臂关节所需的额外驱动力矩越大，所需外部环境力越大，实现避免操作者误操作的效果。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种手术机器人的控制方法，所述手术机器人包括一操纵末端，其特征在于，所述手术机器人的控制方法包括：
依据手术对象的边缘信息设定安全区及位于所述安全区之外的警戒边界；
基于操纵末端的当前位姿与警戒边界的距离函数，结合所述操纵末端所反馈的第一反馈信息和基于外部环境力所产生的第二反馈信息，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息，以使所述操纵末端在超出所述安全区的范围后，减少、消除或限制所述外部环境力对所述操纵末端的驱动影响；
所述第一反馈信息包括所述操纵末端的关节的指令位姿信息，所述第一反馈信息包括由所述外部环境力对所述操纵末端的关节的阻抗控制模型。
2.根据权利要求1所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，补偿所述手术机器人向所述操纵末端施加的驱动信息的步骤包括：
根据所述指令位姿信息Xd通过运动学反解得到所述操纵末端的关节的指令角度θ；
将所述指令角度θ作为动力学计算的输入，计算得到理论输出力矩Fs；
基于所述操纵末端的当前位姿与指令位姿之间的位姿差、以及所述操纵末端的当前速度与指令速度之间的速度差，根据所述阻抗控制模型，计算得到笛卡尔空间下的第一力矩；
将所述第一力矩根据当前关节角度下的雅可比矩阵的转置换算到各个关节受到的第二力矩；
将对应的摩擦力前馈f补偿到所述操纵末端的各个关节上，得到各个关节的第三力矩；
基于所述理论输出力矩Fs、第三力矩以及第二力矩得到所述驱动信息。
3.根据权利要求2所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述阻抗控制模型的输入包括以下步骤：
根据力传感器在所述外部环境力作用下输出的等效力矩F，根据导纳控制计算得到关节对应的位姿变化量；
基于所述位姿变化量，通过运动学正解计算得到所述操纵末端的实际位姿与指令位姿之间的位姿差；
将所述位姿差作为所述阻抗控制模型的输入。
4.根据权利要求1所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述操纵末端包括机械臂和/或操纵器，所述第一反馈信息包括所述机械臂和/或所述操纵器的关节的指令位姿信息，所述操纵器用于固定并引导手术器械进行手术操作。
5.一种可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现如权利要求1～4中任一项所述的手术机器人的控制方法。
6.一种手术机器人，其特征在于，包括操纵末端，所述操纵末端包括机械臂和/或用于引导手术器械进行手术操作的操纵器，所述操纵末端利用根据权利要求1～4中任一项所述的手术机器人的控制方法进行控制。
7.一种手术机器人***，其特征在于，包括控制装置、导航装置以及操纵末端，所述导航装置用于跟踪所述操纵末端的当前位姿并将位姿信息反馈给所述控制装置，所述控制装置用于根据如权利要求1～4任一项所述的方法控制所述操纵末端。
8.如权利要求7所述的手术机器人***，其特征在于，所述操纵末端包括机械臂以及用于引导手术器械进行手术操作的操纵器，所述操纵器具有多个自由度，所述第一反馈信息包括所述机械臂和/或所述操纵器的关节的指令位姿信息。
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