CN116983089A - 手术机器人及其控制装置、控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种手术机器人，包括从操作设备和控制装置，所述从操作设备底部具有多个轮子和多个支脚，所述支脚被配置成可伸缩及支撑力可调，所述轮子被配置成提供移动和辅助支撑，所述控制装置与所述支脚耦合，至少部分所述支脚被配置成受控支脚，所述控制装置被配置成：获得所述从操作设备的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点；获得在支撑基准面中各所述受控支脚与所述投影点的第一位置关系；根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值；控制各所述受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的所述目标支撑力值匹配的支撑力。本公开还涉及一种手术机器人的控制装置和控制方法。该手术机器人能够加强支撑稳定性。

Description

手术机器人及其控制装置、控制方法

本申请是申请日为2020年6月30日提交中国专利局、申请号为202010616822.8、申请名称为“手术机器人及其控制装置、控制方法”的分案申请，该案的全文以引用的方式并入本申请中。

技术领域

本公开涉及医疗器械领域，特别是涉及一种手术机器人及其控制装置、控制方法。

背景技术

微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。

随着科技的进步，微创机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台包括手柄，医生通过操作手柄向从操作设备发送控制命令，从操作设备包括机械臂及设置于机械臂远端的操作臂，操作臂具有末端器械，在工作状态时，末端器械跟随手柄移动，以实现远程手术操作。

从操作设备在被用于手术操作时，由于机械臂及/或操作臂位置的变化，容易导致从操作设备的质心位置的变化，当支撑该从操作设备的支撑力不足时，可能会导致从操作设备与地面接触的底座发生轻微晃动。这种晃动现象经过机械臂及/或操作臂的传递，在末端器械处会发生更加明显的抖动，如工具抖动、图像抖动，进而影响手术的可靠实施。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够加强支撑稳定性的手术机器人及其控制装置、控制方法。

本公开提供一种手术机器人，包括从操作设备和控制装置，所述从操作设备底部具有多个支脚，所述支脚被配置成可伸缩及支撑力可调，所述控制装置与所述支脚耦合，至少部分所述支脚被配置成受控支脚，所述控制装置被配置成：获得所述从操作设备的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点；获得在支撑基准面中各所述受控支脚与所述投影点的第一位置关系；根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值；控制各所述受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的所述目标支撑力值匹配的支撑力。

其中，所述从操作设备具有多个关节臂，近端的所述关节臂设置所述支脚，远端的所述关节臂用于设置具有末端器械的操作臂，各所述关节臂均设置有与所述控制装置耦合的位置传感器，获得所述从操作设备的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点的步骤包括：获取各所述关节臂的分质量及其分质心在相应所述关节臂的连杆坐标系的分质心空间位置；获取由各所述位置传感器检测到的相应所述关节臂在参考坐标系的关节位置；对各所述关节臂的分质量求和获得所述从操作设备的总质量；结合各所述关节臂的分质心在相应连杆坐标系的分质心空间位置及对应的所述关节位置通过正运动学获得相应所述关节臂的分质心在参考坐标系的分质心空间位置；结合各所述关节臂的分质量及其分质心在参考坐标系的分质心空间位置通过多体质心求解方法获得所述从操作设备的总质心在参考坐标系的总质心空间位置；转换所述总质心在参考坐标系的总质心空间位置成在支撑基准面的所述投影点。

其中，远端的所述关节臂数量为一个，远端的所述关节臂用于可拆卸地设置一个以上的所述操作臂；或者，远端的所述关节臂数量为两个以上，各远端的所述关节臂用于可拆卸地设置一个所述操作臂。

其中，所述从操作设备具有角度检测元件，所述控制装置与所述角度检测元件耦合，获得所述从操作设备的总质心在参考坐标系的总质心空间位置的步骤之后，包括：获取由所述角度检测元件检测到的所述支撑面的倾斜角度；根据所述倾斜角度更新所述从操作设备的总质心在参考坐标系的总质心空间位置。

其中，所述倾斜角度包括支撑基准面在第一正交方向与水平面之间的第一倾斜角度、在第二正交方向与水平面之间的第二倾斜角度。

其中，近端的所述关节臂是底座，远端的所述关节臂是动力机构，所述动力机构包括一个以上的导轨及滑动设置于相应所述导轨上的动力部，所述动力部用于可拆卸地设置所述操作臂并驱动所述操作臂，获取各所述关节臂的分质量及其分质心在相应所述关节臂的连杆坐标系的分质心空间位置的步骤包括：从数据库中获取除动力机构以外的各所述关节臂的分质量及其分质心在相应连杆坐标系的分质心空间位置；根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获取所述动力机构的分质量及其分质心在其连杆坐标系的分质心空间位置；其中，所述安装状态信息与各所述动力部上所述操作臂的安装状态相关，所述位置状态信息与各所述动力部相对于相应所述导轨的位置状态相关，所述安装状态信息包括各所述动力部上是否设置有操作臂的信息、及/或各所述动力部上设置的操作臂的类型信息。

其中，所述操作臂具有存储有所述操作臂的类型信息的存储元件，各所述动力部设置有与所述控制装置耦合且与所述存储单元耦合的识别元件，所述导轨或所述动力部上设置有与所述控制装置耦合的位置传感器，根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获取所述动力机构的所述分质量及其分质心在其连杆坐标系的分质心空间位置的步骤包括：获取由所述识别元件检测到的所述动力机构内部的所述安装状态信息及由所述位置传感器检测到的所述动力机构内部的位置状态信息；根据所述动力机构内部的安装状态信息调用预先构建的多个参数计算模型中相匹配的一个所述参数计算模型；其中，各所述参数计算模型分别关联于所述动力机构的一种安装状态下、不同位置状态对应的分质量及其分质心在相应连杆坐标系的分质心空间位置；根据调用的所述参数计算模型及所述动力机构内部的位置状态信息获得所述动力机构的分质量及其分质心在相应连杆坐标系的分质心空间位置。

其中，所述从操作设备底部还具有多个轮子，所述轮子被配置成提供移动和辅助支撑，各所述轮子设置有与所述控制装置耦合的压力传感器，获得所述从操作设备的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点的步骤包括：获取各所述压力传感器检测到的压力值；获取所述从操作设备的总质量；获得各所述轮子在支撑基准面的支点位置；结合各所述压力值、所述总质量及所述支点位置构建支撑基准面中两正交方向的力矩平衡方程获得所述投影点。

其中，根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值的步骤包括：获取期望由各所述受控支脚产生的目标支撑力值之和相对于所述从操作设备的重力的第一比例值；结合所述第一比例值、第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值。

其中，所述从操作设备底部还具有多个轮子，所述轮子被配置成提供移动和辅助支撑，各所述轮子设置有与所述控制装置耦合的压力传感器，结合所述第一比例值、第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值的步骤之后，包括：获取由各所述压力传感器检测到的压力值；根据所述压力值是否小于压力阈值以检测所述轮子中是否存在浮动轮；如果存在，根据所述浮动轮及各所述受控支脚在支撑基准面的位置确定与所述浮动轮最邻近的所述受控支脚，并获得与所述浮动轮最邻近的所述受控支脚对应被期望产生的增量支撑力值；更新与所述浮动轮最邻近的所述受控支脚的当前的所述目标支撑力值为对应所述受控支脚的前一时刻的所述目标支撑力值与所述增量支撑力值之和。

其中，获得与所述浮动轮最邻近的所述受控支脚对应被期望产生的增量支撑力值的步骤包括：获取期望由各所述轮子产生的被动支撑力之和相对于所述从操作设备的重力的第二比例值，所述第一比例值和所述第二比例值之和为1；获得在支撑基准面中各所述轮子与所述投影点的第二位置关系；结合所述第二比例值、所述第二位置关系及所述总质量获得各所述轮子被期望产生的被动支撑力值；根据所述浮动轮对应的被动支撑力值、及在支撑基准面中所述浮动轮和与所述浮动轮最邻近的所述受控支脚的第三位置关系获得所述增量支撑力值。

其中，根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值的步骤具体为：在约束条件下根据所述第一位置关系及所述总质量构建支撑基准面中两正交方向的力矩平衡方程进而获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值，所述约束条件包括各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值不超过其能够产生的支撑力阈值。

其中，根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值的步骤之后，包括：检测是否存在超过支撑力阈值的所述目标支撑力值；如果存在，设置超过支撑力阈值的所述受控支脚的所述目标支撑力值为所述支撑力阈值，基于超过支撑力阈值的所述受控支脚的支撑力阈值并结合所述第一位置关系及所述总质量重新获得其余所述受控支脚的目标支撑力值，重复上述步骤直至全部所述目标支撑力值均不超过支撑力阈值。

其中，所述受控支脚包括升降部及与所述升降部耦合的驱动部，且所述驱动部与所述控制装置耦合，所述驱动部在所述控制装置的控制下驱动所述升降部伸缩及调节所述升降部的支撑力。

其中，所述受控支脚还包括制动部，所述制动部与所述升降部或所述驱动部耦合，且所述制动部与所述控制装置耦合，所述制动部用于锁固所述驱动部或所述升降部，控制各所述受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的所述目标支撑力值匹配的支撑力的步骤包括：检测各所述驱动部是否同时达到相应的所述目标支撑力值；如果是，停止各所述驱动部动作，并控制各所述制动部动作以保持各所述受控支脚当前的支撑位置及支撑力值。

其中，所述控制装置被配置成：获取各所述支脚在支撑基准面的位置；基于所述位置构建凸多边形，将构建成最大的一个所述凸多边形对应的所述位置所关联的所述支脚配置成所述受控支脚。

本公开还提供一种手术机器人的控制装置，所述手术机器人包括从操作设备，所述从操作设备底部具有多个轮子和多个支脚，所述支脚被配置成可伸缩及支撑力可调，所述轮子被配置成提供移动和辅助支撑，所述控制装置与所述支脚耦合，至少部分所述支脚被配置成受控支脚，所述控制装置被配置成：获得所述从操作设备的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点；获得在支撑基准面中各所述受控支脚与所述投影点的第一位置关系；根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值；控制各所述受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的所述目标支撑力值匹配的支撑力。

本公开还提供一种手术机器人的控制方法，所述手术机器人包括从操作设备，所述从操作设备底部具有多个支脚，所述支脚被配置成可伸缩及支撑力可调，至少部分所述支脚被配置成受控支脚，所述控制方法包括如下步骤：获得所述从操作设备的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点；获得在支撑基准面中各所述受控支脚与所述投影点的第一位置关系；根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值；控制各所述受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的所述目标支撑力值匹配的支撑力。

本公开还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被配置为由处理器加载并执行实现如上述任一项实施例所述的控制方法的步骤。

本公开的手术机器人及其控制装置，具有如下有益效果：

通过根据从操作设备的总质量、总质心在支撑基准面的投影点及各受控支脚与该投影点之间的位置关系确定各受控支脚被期望产生的目标支撑力值，进而控制各受控支脚向支撑面伸出并控制各受控支脚产生对应的目标支撑力值，能够对从操作设备进行主动支撑，进而加强从操作设备的支撑稳定性。

附图说明

图1为本公开手术机器人一实施例的结构示意图；

图2为图1所示手术机器人的局部示意图；

图3为图1所示手术机器人的局部示意图；

图4为图1所示手术机器人的从操作设备中底盘的局部示意图；

图5为图1所示手术机器人的从操作设备的关节原理示意图；

图6为图1所示手术机器人控制方法一实施例的流程图；

图7(a)～(f)分别为图1所示手术机器人的从操作设备中底盘支脚一实施例的布局示意图；

图8为图1所示手术机器人控制方法一实施例的流程图；

图9为图1所示手术机器人的从操作设备中底盘一实施例的结构示意图；

图10为图1所示手术机器人控制方法一实施例的流程图；

图11(a)～(d)分别为图1所示手术机器人的从操作设备中动力机构内部不同安装状态及位置状态的示意图；

图12～图17分别为图1所示手术机器人控制方法一实施例的流程图；

图18为图1所示手术机器人的控制装置的结构示意图；

图19本公开手术机器人中从操作设备另一实施例的结构示意图；

图20为图19所示手术机器人的局部示意图；

图21为图19所示手术机器人控制方法一实施例的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的较佳实施方式。但是，本公开可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本公开的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“耦合”另一个元件，它可以是直接耦合到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。本文所使用的术语“远端”、“近端”作为方位词，该方位词为介入医疗器械领域惯用术语，其中“远端”表示手术过程中远离操作者的一端，“近端”表示手术过程中靠近操作者的一端。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本公开。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图4所示，其分别为本公开手术机器人一实施例的结构示意图，及其局部示意图。

手术机器人包括主操作台2及从操作设备3。主操作台2具有手柄21及显示器22，医生通过操作手柄21向从操作设备3发送控制命令，以令从操作设备3根据医生操作手柄21的控制命令执行相应操作，并通过显示器22观察手术区域，其中，手柄21能够自由移动及旋转，令医生具有较大的操作空间，例如，手柄21通过连线与主操作台2连接。从操作设备3具有多个关节臂301～306，近端的关节臂301底部具有多个辅助支撑部200和多个支脚300，远端的关节臂306用于可拆卸地设置操作臂31。一实施例中，近端的关节臂301是底座，远端的关节臂306是动力机构。一些实施例中，这些辅助支撑部200仅仅提供辅助支撑，其还可以被配置成一方面提供辅助支撑、另一方面提供及移动的轮子。一些实施例中，这些支脚300被配置为伸缩可调及支撑力可调，伸缩可调指支撑高度可电控，支撑力可调指支撑力可电控。操作臂31包括依次连接的连杆32、连接组件33及末端器械34，其中，连接组件33具有多个关节组件，操作臂31通过调节关节组件调节末端器械34的姿态；末端器械34具有图像末端器械34A及操作末端器械34B。其他实施例中，手柄21也可以通过旋转的连杆与主操作台2相连接。

手术机器人包括控制装置，控制装置被配置为与支脚300、关节臂301～306等部件进行耦合，以接收、处理及发送相关指令。关节臂装设有用以检测关节臂的关节角度的位置传感器，控制装置与这些关节臂之间的耦合可以视为至少与这些位置传感器之间的耦合。

一实施例中，控制装置可以集成于主操作台2或从操作设备3，如果控制装置集成于从操作设备3的某一个或一些关节臂中，该一个或一些关节臂的质量和质心需要将该控制装置考虑在内。

一实施例中，控制装置也可以独立于主操作台2和从操作设备3设置，该控制装置可以部署在本地或者部署在云端。

一实施例中，控制装置可以由一个以上控制器构成，如一个、两个、或更多个。

支脚300可以设置为一个以上。通常可以将支脚300设置为非直线排列的三个以上。例如，可以将支脚300设置为三个。又例如，可以将支脚设置为四个、五个及以上，然而当支脚300数量为四个以上时，可能会出现冗余的情况，而某些冗余的情况不但增加了硬件成本，而且可能造成缩减后文的有效域的范围进而使得从操作设备的总质心运动范围受限更多等不利影响。因此，可以通过控制装置将前述的多个支脚300中的至少部分配置成受控支脚以避免这些不利影响。受控支脚为被使能的支脚；冗余的支脚为被禁用的支脚，可以将这些冗余的支脚理解为非受控支脚。

一些实施例中，受控支脚可以通过操作者手动配置，即通过操作者选取至少部分支脚300作为受控支脚。例如，可以提供硬件开关或软件开关，以使能至少部分支脚300作为受控支脚。

一些实施例中，受控支脚可以通过控制装置自动配置，即根据选取策略自动使能至少部分支脚300作为受控支脚。例如，请参阅图6，控制装置被配置为执行如下控制方法的步骤：

步骤S10，获取各支脚在支撑基准面的位置。

步骤S20，基于这些位置构建凸多边形，将构建成最大的一个凸多边形对应的位置所关联的支脚配置成受控支脚。

步骤S10及步骤S20的执行能够实现受控支脚的智能化选取，尤其是通过将构建成的最大的一个凸多边形相关联的支脚配置成该受控支脚，有助于使后文的有效域的范围最大化，从操作设备的质心投影在支撑基准面的投影点落入于有效域内时，对于从操作设备的支撑都是处于相对稳定而不会倾倒的，这样获得较大范围的有效域对于从操作设备的机械臂及/或操作臂的运动是有益的，其能够允许从操作设备的质心位置变化具有较大的范围，能够减小对机械臂及/或操作臂的运动范围的限制。例如，通常该最大凸多边形的范围可以完全对应有效域的范围，通过例如透视方法可以将最大凸多边形与有效域完全重合，进而方便定义该有效域。

例如，如图7(a)所示，支脚300数量为三个时：该三个支脚共同构成最大的凸多边形，因而该三个支脚均被配置成受控支脚300a。

例如，如图7(b)和图7(c)所示，支脚300数量为四个时：在图7(b)中，由外圈的三个支脚共同构成最大的凸多边形，因而外圈的三个支脚被配置成受控支脚300a；而在图7(c)中，由该四个支脚共同构成最大的凸多边形，因而该四个支脚均被配置成受控支脚300a。

例如，如图7(d)至图7(f)所示，支脚300数量为五个以上时：在图7(d)中，由外圈的四个支脚共同构成最大的凸多边形，因而外圈的四个支脚被配置成受控支脚300a；在图7(e)中，由外圈的六个支脚共同构成最大的凸多边形，因而外圈的六个支脚被配置成受控支脚300a；在图7(f)中，由外圈的四个支脚共同构成最大的凸多边形，因而外圈的四个支脚被配置成受控支脚300a。

在图7(c)、图7(d)及图7(f)中，非冗余和冗余情况下，以能够构建最大凸多边形为前提时，受控支脚300a被配置的情况是相同的。本申请举例结合图7(c)所示的情况进行说明。

而在其它实施例中，无论是手动还是自动设置受控支脚，均可以任意选择至少三个支脚作为受控支脚而不必然以能够构建成一个最大的凸多边形为前提，这些被选取得受控支脚的位置所构建的最大凸多边形与其能形成的有效域完全对应。例如，以图7(f)为例，可以仅将内圈的三个支脚配置成受控支脚300b，其有效域对应由该三个受控支脚300b所映射形成。

一实施例中，参阅图8，控制装置被配置为执行如下步骤：

步骤S1，获得从操作设备的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点。

支撑基准面可以理解成底座301的平面。例如以从操作设备2的参考坐标系来看待的话，该支撑基准面为由正交的X轴和Y轴所构成的平面。总质心投影到支撑基准面的投影方向始终为竖直方向，而并非支撑基准面的Z轴方向。

该投影点是一个点，其在支撑基准面中被映射为点坐标。

步骤S2，获得在支撑基准面中各受控支脚与投影点的第一位置关系。

步骤S3，根据第一位置关系及总质量获得各受控支脚被期望产生的目标支撑力值。

该步骤举例可以通过构建在支撑基准面两正交方向的力矩平衡方程而求解得到各目标支撑力值。该目标支撑力值通常是一个不小于0的数值。

力矩平衡方程关联于从操作设备的重力、各受控支脚在支撑基准面的位置、从操作设备在支撑基准面的投影点及支点(包括受控支脚及/或轮子)的支撑力四种参数，根据任意已知的三种参数，可以求解剩余的一种参数。例如，已知从操作设备的重力、受控支脚在支撑基准面的位置及从操作设备在支撑基准面的投影点，可以求解支点的支撑力。在该步骤中，支点即为受控支脚，因此可以求解各受控制被期望产生的主动支撑力。

步骤S4，控制各受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的目标支撑力值匹配的支撑力。

支撑面是承载手术机器人的一个面，例如支撑面是地面。投影点在支撑基准面的位置被确定后，通过控制各受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的目标支撑力值匹配的支撑力，就可以在实现稳定支撑的同时保持该投影点在支撑基准面的位置不变。

一些实施例中，初始状态下通常可以由轮子中的至少部分提供辅助支撑，调节时，再利用各受控支脚进行主动支撑。

如在图9所示意的一底盘底部结构的实施例中，底盘301包括四个轮子200和四个支脚300，该四个支脚由于能够构成一个最大凸多边形如图7(c)，该四个支脚被配置为受控支脚300a。步骤S4主要控制该四个受控支脚300a伸缩及控制该四个受控支脚300a的支撑力。

在一些实施例中，参阅图10，上述步骤S1，即获得从操作设备的总质量及总质心在支撑基准面的投影点的步骤之中，包括：

步骤S11，获取各关节臂的分质量及各关节臂的分质心在相应关节臂的连杆坐标系的第一分质心空间位置。

关节臂的分质量和分质心通常可以从关节臂的连杆参数中获取，这些是从操作设备设计之初已经被考虑到的。

步骤S12，获取各关节臂在参考坐标系的关节位置。

关节位置从设置于各关节臂的传感器中获取，比如这些传感器可以是驱动关节臂运动的伺服电机的编码器。在如图1及图5所示的实施例中，从操作设备3的全部关节臂301～306共同形成5个自由度，借助各传感器能够采集到这样一组除底座301以外的各关节臂的位置信息(d1，θ₂，θ₃，θ₄，θ₅)。

可以将该参考坐标系定义为从操作设备的基坐标系。

步骤S13，对各关节臂的分质量求和获得从操作设备的总质量。

步骤S14，结合各关节臂的第一分质心空间位置及对应的关节位置获得相应关节臂在参考坐标系的第二分质心空间位置。

该第二分质心空间位置通常可以通过正运动学而获得。

步骤S15，结合各关节臂的分质量及第二分质心空间位置通过多体质心求解方法获得总质心在参考坐标系的总质心空间位置。

步骤S16，转换总质心在参考坐标系的总质心空间位置成在支撑基准面的投影点。

图1及图5所示的从操作设备包括六个关节臂(包含底座)。假设底座的质量为m₀，剩余的5个关节臂构成实际可控的机械臂，构成机械臂的这些关节臂的质量分别为m_i(i＝1,2,3,4,5)，关节臂i的连杆坐标系{J_i}相对于参考坐标系{B}的旋转变换矩阵和位置坐标/>关节臂i的质心相对于关节臂i的连杆坐标系{J_i}的局部坐标/>因此关节臂i的质心相对于参考坐标系{B}的位置坐标p_i为：

根据多体质心求解方法，从操作设备在参考坐标系{B}的总质心空间位置为：

一些实施例中，参阅图11，该动力机构306包括壳体3061、设置于壳体3061内的一个以上的导轨3062及滑动设置于相应导轨3062上的动力部3063，动力部3063用于可拆卸地设置操作臂31并驱动操作臂31。动力机构306内部状态的变化会引起负载的变化，进而引起从操作设备3的质心位置的变化，本公开的发明人期望消除此不利影响。

进而，上述步骤S11，即获取各关节臂的分质量及各关节臂的分质心在相应关节臂的连杆坐标系的第一分质心空间位置的步骤之中，包括如下两个步骤：

从数据库中获取非远端的各关节臂的分质量及其第一分质心空间位置。也即，获取除动力机构以外的各关节臂的质量及其质心在对应关节臂自身的连杆坐标系的质心空间位置。

根据远端的关节臂内部的安装状态信息及位置状态信息获取远端的关节臂的分质量及其第一分质心空间位置。也即，根据动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获取该动力机构的质量及其质心在动力机构自身的连杆坐标系的质心空间位置。

其中，安装状态信息与各动力部3063上操作臂31的安装状态相关，位置状态信息与各动力部3063相对于相应导轨3062的位置状态相关。安装状态信息包括各动力部3063上是否设置有操作臂31的信息、及/或各动力部3063上设置的操作臂31的类型信息。由于这些位置状态和安装状态的变化通常会改变远端的关节臂(即动力机构)306的质量及质心位置，因此，可以通过上述步骤S112实时且准确的获取远端的关节臂的质量及质心位置。

示例性的，图11(a)中各动力部3063上没有设置操作臂；图11(b)中一动力部3063上设置了一操作臂31；图11(b)中四个动力部3063上均设置了一个操作臂31，且该四个动力部3063相对于相应导轨3062的位置状态相同；图11(d)中四个动力部3063上同样均设置了一个操作臂31，但其中一动力部相对于相应导轨的位置状态不同于其余动力部相对于相应导轨的位置状态。图11假设了动力部上所设置的操作臂的类型不影响质心变化的情况，这基本能够反映动力机构内部的不同状态变化。事实上，动力部上所设置的操作臂的类型的不同也会不同程度影响质心变化。

继续参阅图1及图5，可以将该各关节臂划分成近端的关节臂(i＝0,即底座)、中间的关节臂(i＝1,2,3,4)及远端的关节臂(即动力机构)。仍假设底座的质量为m₀，中间的关节臂的质量分别为m_i(i＝1,2,3,4)，假设根据上述步骤可以获得动力机构的质量为m_d、并可以获得动力机构在参考坐标系{B}的位置坐标为根据多体质心求解方法，从操作设备在参考坐标系{B}的总质心空间位置为：

一些实施例中，操作臂31具有存储有操作臂的类型信息的存储元件(图未示)，各动力部设置有与控制装置耦合且与存储单元耦合的识别元件(图未示)，导轨或动力部上设置有与控制装置耦合的位置传感器(图未示)。参阅图12，上述根据远端的关节臂内部的安装状态信息及位置状态信息获取远端的关节臂的分质量及其第一分质心空间位置的步骤之中，包括：

步骤S1121，获取由识别元件检测到的远端的关节臂内部的安装状态信息及由位置传感器检测到的远端的关节臂内部的位置状态信息。

远端的关节臂的分质量包括其本体质量及设置于其上的操作臂的质量，其中，操作臂的分质量同样可通过识别单元根据检测操作臂的类型而获取得到。

步骤S1122，根据远端的关节臂内部的安装状态信息调用预先构建的多个参数计算模型中相匹配的一个参数计算模型。

其中，各参数计算模型分别关联于远端的关节臂的一种安装状态下、不同位置状态对应的分质量及其第一分质心空间位置。

步骤S1123，根据调用的参数计算模型及远端的关节臂内部的位置状态信息获得远端的关节臂的分质量及其第一分质心空间位置。

一些实施例中，从操作设备3还具有角度检测元件(图未示)，该角度检测元件例如可以设置于底盘或关节臂上，控制装置与角度检测元件耦合。参阅图13，上述步骤S15，即获得总质心在参考坐标系的总质心空间位置的步骤之后，包括：

步骤S151，获取由角度检测元件检测到的支撑面的倾斜角度。

步骤S152，根据倾斜角度更新从操作设备的总质心在参考坐标系的总质心空间位置。

通过上述步骤S151和步骤S152，能够在支撑基准面相对于支撑面如地面倾斜时准确的获取从操作设备的总质心空间位置。

其中，步骤S151获得的该倾斜角度通常包括支撑基准面在第一正交方向与水平面之间的第一倾斜角度、在第二正交方向与水平面之间的第二倾斜角度。该第一倾斜角度和第二倾斜角度能够确定支撑基准面的姿态。

一些实施例中，还可以用其它方式获得从操作设备的总质心在支撑基准面的投影点。例如，可以在底盘的各轮子上设置与控制装置耦合的压力传感器(图未示)。参阅图14，上述步骤S1，即获得从操作设备的总质心在支撑基准面的投影点的步骤之中，包括：

步骤S11’，获取各压力传感器检测到的压力值。

步骤S12’，获取从操作设备的总质量。

从操作设备的总质量同样可以通过获得各关节臂的分质量进而求和获得；或者，由各压力传感器检测的压力值在竖直方向的分量求和获得。

步骤S13’，获得各受控支脚在支撑基准面的支点位置。

步骤S14’，结合各压力值、总质量及支点位置构建支撑基准面中两正交方向的力矩平衡方程获得投影点。

步骤S14’涉及的力矩平衡方程表达为：

∑Fx＝0 (4)

∑Fy＝0 (5)

∑Mx＝0 (6)

∑My＝0 (7)

其中，假设定义支撑基准面的x轴方向为第一正交方向、y轴方向为第二正交方向，∑Fx是从操作设备所受的支撑力和重力在支撑基准面第一正交方向的合力；∑Fy是从操作设备所受的支撑力和重力在支撑基准面第二正交方向的合力；∑Mx是从操作设备所受的支撑力和重力在支撑基准面第一正交方向相对于目标位置的合力矩；∑My是从操作设备所受的支撑力和重力在支撑基准面第二正交方向相对于目标位置的合力矩。

步骤S14’中，已知从操作设备的重力、受控支脚在支撑基准面的位置及各支点的支撑力(即压力值)，可以求解从操作设备在支撑基准面的投影点。

一些实施例中，从操作设备由轮子200提供被动支撑力和受控支脚300a提供主动支撑力来共同支撑。参阅图15，上述步骤S3，即根据第一位置关系及总质量获得各受控支脚被期望产生的目标支撑力值的步骤之中，包括：

步骤S31，获取期望各受控支脚产生的主动支撑力之和相对于从操作设备的重力的第一比例，第一比例的取值范围介于0和1之间。

该第一比例可以由操作者自由定义，其可以是介于[0,1]中的任何一个值，例如0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1。该第一比例也可以由系统配置文件默认设置。

步骤S32，结合第一比例、第一位置关系及总质量获得各受控支脚被期望产生的目标支撑力值。

一些实施例中，继续参阅图15，在上述步骤S3，即根据第一位置关系及总质量获得各受控支脚被期望产生的目标支撑力值的步骤之后，包括：

步骤S33，检测是否存在超过支撑力阈值的目标支撑力值。

如果存在，则进入步骤S34；否则，进入步骤S4。

步骤S34，设置超过支撑力阈值的受控支脚的目标支撑力值为支撑力阈值，基于这些超过支撑力阈值的受控支脚的支撑力阈值并结合第一位置关系及总质量重新获得其余受控支脚的目标支撑力值。

重复上述步骤S33和步骤S34直至全部目标支撑力值均不超过支撑力阈值。

在一些实施例中，参阅图16，上述步骤S32，即结合第一比例值、第一位置关系及总质量获得各受控支脚被期望产生的目标支撑力值的步骤之后，包括：

步骤S321，获取由各压力传感器检测到的压力值。

步骤S322，根据压力值是否小于压力阈值以检测轮子中是否存在浮动轮。

浮动轮指受力为零或受力小于压力阈值的轮子，例如，悬空的轮子都属于浮动轮。

在步骤S322中，如果存在浮动轮，进入步骤S323；否则，进入上述步骤S4。

步骤S323，根据浮动轮及各受控支脚在支撑基准面的位置确定与浮动轮最邻近的受控支脚，并获得与浮动轮最邻近的受控支脚对应被期望产生的增量支撑力值。

步骤S324，更新与浮动轮最邻近的受控支脚的当前的目标支撑力值为对应受控支脚的前一时刻获得的目标支撑力值与该增量支撑力值之和。

该步骤S324中，其余受控支脚的目标支撑力值保持不变，即通常不需要更新。

在步骤S324之后，同样进入步骤S4。

在一些实施例中，参阅图17，在步骤S323，即获得与浮动轮最邻近的受控支脚对应被期望产生的增量支撑力值的步骤之中，包括：

步骤S3231，获取期望由各轮子产生的被动支撑力之和相对于从操作设备的重力的第二比例值。

上述第一比例值和第二比例值之和为1。

步骤S3232，获得在支撑基准面中各轮子与投影点的第二位置关系。

步骤S3233，结合第二比例值、第二位置关系及总质量获得相应轮子被期望产生的被动支撑力值。

步骤S3234，根据浮动轮对应的被动支撑力值、及在支撑基准面中浮动轮和与浮动轮最邻近的受控支脚的第三位置关系获得增量支撑力值。

一些实施例中，上述实施例中的各受控支脚包括升降部及与升降部耦合的驱动部，且驱动部与控制装置耦合，驱动部在控制装置的控制下驱动升降部伸缩及调节升降部的支撑力。例如，该升降部可以由丝杠副或齿轮齿条或液压缸或气压缸实现；对应于升降部为丝杠副或齿轮齿条，驱动部采用电机，通过电机的正转反转角度来调节支撑高度、通过电机的力矩来调整支撑力；对应于升降部为液压缸或气压缸，驱动部采用电磁阀，通过电磁阀对流量的控制来调节支撑高度和支撑力；又例如，该升降部及驱动部可以由直线电机共同实现。

进一步地，各受控支脚还包括制动部，制动部与升降部或驱动部耦合，且制动部与控制装置耦合，制动部用于锁固驱动部或升降部，例如该制动部可以用抱闸实现。上述步骤S4，即控制各受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的目标支撑力值匹配的支撑力的步骤之中，包括：

检测各受控支脚的驱动部是否同时达到相应的目标支撑力值。

如果是，停止各受控支脚的驱动部动作，并控制各受控支脚的制动部动作以保持各受控支脚当前的支撑位置及支撑力值。

上述各实施例对各受控支脚的主动支撑力的调整通常是按需在每次使用从操作设备之前的一次性调整，一实施例中，在下次调整受控支脚的支撑力之前，通常可以先收缩各受控支脚离开支撑面例如回到受控支脚的原点。在一些实施例中，也可以在使用过程中对从操作设备的实时动态调整以适应从操作设备在使用过程中总质心位置的动态变化，一实施例中，各受控支脚不用收缩离开支撑面例如回到受控支脚的原点，而直接动态变化，在实时调整支撑力的实施例中，通常可以由轮子提供辅助即被动支撑。

一些实施例中，如图18所示，该控制装置可以包括：处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503、以及通信总线504。

处理器501、通信接口502、以及存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。

通信接口502，用于与其它设备比如各类传感器或电机或电磁阀或其它客户端或服务器等的网元通信。

处理器501，用于执行程序505，具体可以执行上述方法实施例中的相关步骤。

具体地，程序505可以包括程序代码，该程序代码包括计算机操作指令。

处理器505可能是中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路，或者是图形处理器GPU(Graphics Processing Unit)。控制装置包括的一个或多个处理器，可以是同一类型的处理器，如一个或多个CPU，或者，一个或多个GPU；也可以是不同类型的处理器，如一个或多个CPU以及一个或多个GPU。

存储器503，用于存放程序505。存储器503可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

程序505具体可以用于使得处理器501执行以下操作：获得从操作设备的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点；获得在支撑基准面中各受控支脚与投影点的第一位置关系；根据第一位置关系及总质量获得各受控支脚被期望产生的目标支撑力值；控制各受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的目标支撑力值匹配的支撑力。

图19和图20揭示了本公开手术机器人另一实施例的从操作设备的结构示意图。该从操作设备3’相较于图1所示的从操作设备3的不同之处在于构型不同，简述而言：

从操作设备3’具有多个关节臂301’～315’，为便于理解人为划分为近端一段串联构型的第一臂体、及远端的两段以上并联构型的第二臂体，第一臂体和第二臂体均由多个关节臂构成，例如，该第一臂体由关节臂301’～305’依次串联形成，该多个第二臂体均由关节臂306’～315’依次串联形成。

该第一臂体中近端的关节臂301’设置有多个轮子及支脚，可结合图4参阅，可以将从操作设备中近端的关节臂301’设置为如从操作设备3中近端的关节臂301一样，此处不再赘述。该第二臂体中远端的关节臂315’用于可拆卸地设置具有末端器械的操作臂31’，这种构型的从操作设备3’的操作臂31’具备与从操作设备3的操作臂31基本相同的结构，操作臂31’包括依次连接的连杆32’、连接组件33’及末端器械34’，末端器械34’包括图像末端器械34A’和操作末端器械34B’。该第一臂体中近端的关节臂301’是底座，该第二臂体中远端的关节臂315’同样可以被视为动力机构，这样的动力机构通常具有一个导轨及滑动设置于该导轨上的动力部，其中，该动力部用于可拆卸地设置操作臂。

因而，图1至图18所示的实施例可以较好的适用于图19至图20所示的手术机器人中，以实现对从操作设备3’支撑力的调节进而加强对其的支撑稳定性。

例如，对于从操作设备3’的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点的获取方式可以采用与从操作设备3完全相同的方式，例如用多体质心求解方法或根据压力值等参数构建力矩平衡方程的方式均可以得到从操作设备3’的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点。可参阅上述实施例，此处不再重复赘述。

在其它一些实施例中，同样可以利用多体质心求解方法并用更多的步骤来获得从操作设备3’的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点，如图21，这些步骤举例可以包括：

步骤S11”，获取各关节臂的分质量及其分质心在相应关节臂的连杆坐标系的分质心空间位置。

步骤S12”，获取由各位置传感器检测到的相应关节臂在参考坐标系的关节位置。

步骤S13”，对各关节臂的分质量求和获得从操作设备的总质量。

步骤S14”，结合各关节臂的分质心在相应连杆坐标系的分质心空间位置及对应的关节位置通过正运动学获得相应关节臂的分质心在参考坐标系的分质心空间位置。

步骤S15”，结合相应第二臂体中各关节臂的分质量及其分质心在参考坐标系的分质心空间位置通过多体质心求解方法获得对应一个第二臂体的分质心在参考坐标系的分质心空间位置。

步骤S16”，结合各第二臂体的分质量及其分质心在参考坐标系的分质心空间位置通过多体质心求解方法获得全部第二臂体总的分质心在参考坐标系的分质心空间位置。

步骤S17”，结合第一臂体中各关节臂的分质量及其分质心在参考坐标系的分质心空间位置、以及全部第二臂体的总的分质量及其总的分质心在参考坐标系的分质心空间位置通过多体质心求解方法获得从操作设备的总质心在参考坐标系的总质心空间位置。

步骤S18”，转换总质心在参考坐标系的总质心空间位置成在支撑基准面的投影点。

本公开的手术机器人及其控制装置、控制方法，具有如下有益效果：

通过根据从操作设备的总质量、总质心在支撑基准面的投影点及各受控支脚与该投影点之间的位置关系确定各受控支脚被期望产生的目标支撑力值，进而控制各受控支脚向支撑面伸出并控制各受控支脚产生对应的目标支撑力值，能够对从操作设备进行主动支撑，进而加强从操作设备的支撑稳定性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本公开的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本公开的保护范围。因此，本公开专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种手术机器人，其特征在于，包括：

从操作设备，底部具有多个可伸缩及支撑力可调的支脚，所述支脚包括受控支脚；及

控制装置，与所述支脚耦接，并被配置成：

获得所述从操作设备的总质心在支撑基准面的投影点；

获得在支撑基准面中各所述受控支脚与所述投影点的第一位置关系；

获得所述从操作设备的总质量，并根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值；

控制各所述受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的所述目标支撑力值匹配的支撑力，以在实现稳定支撑的同时保持所述投影点在支撑基准面的位置。

2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述支脚包括升降部及与所述升降部耦合的驱动部，且所述驱动部与所述控制装置耦合，所述驱动部在所述控制装置的控制下驱动所述升降部伸缩及调节所述升降部的支撑力，所述支脚还包括与所述升降部或所述驱动部耦合的制动部，所述制动部还与所述升降部或所述驱动部耦合、用于锁固所述驱动部或所述升降部，控制各所述受控支脚产生向支撑面伸出并产生与对应的所述目标支撑力值匹配的支撑力的步骤包括：

检测各所述驱动部是否同时达到相应的所述目标支撑力值；

如果是，停止各所述驱动部动作，并控制各所述制动部动作以保持各所述受控支脚当前的支撑位置及支撑力值。

3.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述从操作设备具有多个关节臂，近端的所述关节臂设置所述支脚，远端的所述关节臂用于设置具有末端器械的操作臂，各所述关节臂均设置有与所述控制装置耦合的位置传感器，获得所述从操作设备的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点的步骤包括：

获取各所述关节臂的分质量及其分质心在相应所述关节臂的连杆坐标系的分质心空间位置；

获取由各所述位置传感器检测到的相应所述关节臂在参考坐标系的关节位置；

对各所述关节臂的分质量求和获得所述从操作设备的总质量；

结合各所述关节臂的分质心在相应连杆坐标系的分质心空间位置及对应的所述关节位置通过正运动学获得相应所述关节臂的分质心在参考坐标系的分质心空间位置；

结合各所述关节臂的分质量及其分质心在参考坐标系的分质心空间位置通过多体质心求解方法获得所述从操作设备的总质心在参考坐标系的总质心空间位置；

转换所述总质心在参考坐标系的总质心空间位置成在支撑基准面的所述投影点。

4.根据权利要求3所述的手术机器人，其特征在于，所述从操作设备具有角度检测元件，所述控制装置与所述角度检测元件耦合，获得所述从操作设备的总质心在参考坐标系的总质心空间位置的步骤之后，包括：

获取由所述角度检测元件检测到的所述支撑面的倾斜角度；

根据所述倾斜角度更新所述从操作设备的总质心在参考坐标系的总质心空间位置。

5.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述从操作设备底部还具有多个轮子，所述轮子被配置成提供移动和辅助支撑，各所述轮子设置有与所述控制装置耦合的压力传感器，获得所述从操作设备的总质量及其总质心在支撑基准面的投影点的步骤包括：

获取各所述压力传感器检测到的压力值；

获取所述从操作设备的总质量；

获得各所述轮子在支撑基准面的支点位置；

结合各所述压力值、所述总质量及所述支点位置构建支撑基准面中两正交方向的力矩平衡方程获得所述投影点。

6.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值的步骤包括：

获取期望由各所述受控支脚产生的目标支撑力值之和相对于所述从操作设备的重力的第一比例值；

结合所述第一比例值、第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值。

7.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值的步骤之后，包括：

检测是否存在超过支撑力阈值的所述目标支撑力值；

如果存在，设置超过支撑力阈值的所述受控支脚的所述目标支撑力值为所述支撑力阈值，基于超过支撑力阈值的所述受控支脚的支撑力阈值并结合所述第一位置关系及所述总质量重新获得其余所述受控支脚的目标支撑力值，重复上述步骤直至全部所述目标支撑力值均不超过支撑力阈值。

8.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述控制装置被配置成：

获取各所述支脚在支撑基准面的位置；

基于所述位置构建凸多边形，将构建成最大的一个所述凸多边形对应的所述位置所关联的所述支脚配置成所述受控支脚。

9.一种手术机器人的控制装置，其特征在于，所述手术机器人包括从操作设备，所述从操作设备的底部具有多个可伸缩及支撑力可调的支脚，所述控制装置与所述支脚耦合，所述支脚包括受控支脚，所述控制装置被配置成：

获得所述从操作设备的总质心在支撑基准面的投影点；

获得在支撑基准面中各所述受控支脚与所述投影点的第一位置关系；

获得所述从操作设备的总质量，并根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值；

控制各所述受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的所述目标支撑力值匹配的支撑力，以在实现稳定支撑的同时保持所述投影点在支撑基准面的位置。

10.一种手术机器人的控制方法，其特征在于，所述手术机器人包括从操作设备，所述从操作设备的底部具有多个可伸缩及支撑力可调的支脚，所述支脚包括受控支脚，所述控制方法包括如下步骤：

获得所述从操作设备的总质心在支撑基准面的投影点；

获得在支撑基准面中各所述受控支脚与所述投影点的第一位置关系；

获得所述从操作设备的总质量，并根据所述第一位置关系及所述总质量获得各所述受控支脚被期望产生的目标支撑力值；

控制各所述受控支脚向支撑面伸出并产生与对应的所述目标支撑力值匹配的支撑力，以在实现稳定支撑的同时保持所述投影点在支撑基准面的位置。