本發(fā)明涉及醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法。

背景技術(shù)：

脊柱外科是以手術(shù)為主要方式處理脊柱脊髓疾患的臨床學(xué)科，其核心操作包括置釘和切削兩大操作，置釘強(qiáng)調(diào)進(jìn)釘點(diǎn)和角度。傳統(tǒng)徒手置釘方式需要術(shù)者通過手術(shù)經(jīng)驗(yàn)選擇進(jìn)釘點(diǎn)，依賴于空間感覺和術(shù)中透視判斷進(jìn)釘角度；切削包括截骨和對軟組織的切除，操作時對神經(jīng)的不當(dāng)刺激或損傷極易引起術(shù)后神經(jīng)功能的不可逆損傷。傳統(tǒng)切削方式常使用骨鑿、磨鉆或咬骨鉗，在過程中需在狹小的空間內(nèi)嚴(yán)格控制操作范圍，操作的安全依賴于術(shù)者的空間感覺、靈敏的手感和精細(xì)操作能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由醫(yī)師徒手置釘導(dǎo)致的神經(jīng)損傷的發(fā)生率約為3-55％；在切削過程中損傷神經(jīng)的發(fā)生率為3.2-12.8％。如何利用新技術(shù)提高手術(shù)的精度，減少徒手操作的限制或人為失誤造成的損失，是目前精準(zhǔn)醫(yī)療環(huán)境下脊柱外科研究的發(fā)展方向。

為解決定位置釘操作的精度問題，以色列研發(fā)了spineassist系統(tǒng)，該系統(tǒng)是目前國際唯一通過fda和cfda認(rèn)證的脊柱定位置釘機(jī)器人，其核心控制技術(shù)為并聯(lián)機(jī)械臂的精確位置指令控制，安全策略為術(shù)中透視與術(shù)前ct配準(zhǔn)的導(dǎo)航技術(shù)。該系統(tǒng)能在減少透視次數(shù)的同時顯著提高置釘操作的效率和安全性，誤差在1mm以內(nèi)。韓國漢陽大學(xué)開發(fā)的spinebot系統(tǒng)同樣針對定位置釘操作，在控制模式上采用串聯(lián)機(jī)械臂的位置指令控制，安全策略為紅外線光學(xué)定位與術(shù)前ct配準(zhǔn)的導(dǎo)航技術(shù)，其誤差在1-2mm。同樣采用紅外線導(dǎo)航和采用串聯(lián)機(jī)械臂的位置指令控制的脊柱置釘機(jī)器人還有瑞士的neuroglide系統(tǒng)和積水潭醫(yī)院的tirobot系統(tǒng)。

目前上市的脊柱手術(shù)機(jī)器人的手術(shù)目標(biāo)為定位置釘操作，主要采用機(jī)器人關(guān)節(jié)的直接位置指令控制或采用主從遙操作控制方式。盡管這些機(jī)器人在位置信息層面都可以達(dá)到較高的精確度，但使用場景十分局限，無法滿足臨床切削操作對于機(jī)器人輔助的需求。切削操作中術(shù)者需要實(shí)時感知操作位置和力的變化，根據(jù)情況隨時調(diào)整動作。單純的指令位置控制與主從控制模式機(jī)器人雖可以達(dá)到較高位置精度，但在實(shí)際使用中直接喪失了手術(shù)操作力的信息交互，完全依賴于操作者操作的精確度。而手術(shù)系統(tǒng)受到配準(zhǔn)誤差，特別是解剖結(jié)構(gòu)非完全固定造成運(yùn)動的影響，難以滿足切磨操作的安全性與精確性的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法，以提高醫(yī)療機(jī)器人操作的安全性與精確性。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種醫(yī)療機(jī)器人，其包括：

操作者操作力獲取模塊，其用于得到操作者操作力；

機(jī)器人操作力獲取模塊，其用于根據(jù)機(jī)器人末端所在區(qū)域的危險程度得到機(jī)器人操作力；

控制模塊，其用于通過所述操作者操作力和所述機(jī)器人操作力共同確定所述機(jī)器人末端的運(yùn)動速度及運(yùn)動方向，并將所述運(yùn)動速度及運(yùn)動方向的信息轉(zhuǎn)換為控制指令；

驅(qū)動模塊，其用于接收所述控制指令，并帶動機(jī)器人末端運(yùn)動；

機(jī)器人末端，其通過所述驅(qū)動模塊帶動，并按照所述運(yùn)動速度進(jìn)行運(yùn)動。

可選的，所述操作者操作力獲取模塊得到操作者操作力的步驟包括：

通過力傳感器采集操作者的輸入力；

依據(jù)機(jī)器人力控制模型將力傳感器中的所述輸入力轉(zhuǎn)換為笛卡爾空間中的所述操作者操作力。

可選的，所述操作者操作力獲取模塊得到操作者操作力的步驟包括：

檢測得到機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩；

通過力雅克比變換所述機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩，得到所述操作者操作力。

進(jìn)一步的，所述醫(yī)療機(jī)器人還包括濾波模塊，其用于對所述操作者操作力進(jìn)行濾波，以濾除操作者操作時的抖動。

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人操作力獲取模塊根據(jù)機(jī)器人末端所在區(qū)域的危險程度得到機(jī)器人操作力的步驟包括：

建立醫(yī)療對象模型；

在所述醫(yī)療對象模型中按照危險程度劃分區(qū)域，并針對不同區(qū)域設(shè)定不同的機(jī)器人操作力系數(shù)；

將所述醫(yī)療對象模型與所述機(jī)器人末端的坐標(biāo)相匹配；

獲取所述機(jī)器人末端的坐標(biāo)，判斷其所在區(qū)域，以得到對應(yīng)的機(jī)器人操作力。

進(jìn)一步的，所述在所述醫(yī)療對象模型中按照危險程度劃分區(qū)域具體包括：

將所述醫(yī)療對象模型中的區(qū)域劃分為推薦運(yùn)動區(qū)域、安全運(yùn)動區(qū)域和禁止運(yùn)動區(qū)域。

進(jìn)一步的，所述并針對不同區(qū)域設(shè)定不同的機(jī)器人操作力具體包括：

在所述推薦運(yùn)動區(qū)域不產(chǎn)生機(jī)器人操作力；

在所述安全運(yùn)動區(qū)域產(chǎn)生與所述操作者操作力方向相反的阻尼力，降低機(jī)器人末端的運(yùn)動速度；

在所述禁止運(yùn)動區(qū)域產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述禁止運(yùn)動區(qū)域的機(jī)器人操作力。

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人操作力獲取模塊根據(jù)機(jī)器人末端所在區(qū)域的危險程度得到機(jī)器人操作力的步驟還包括：

根據(jù)所述機(jī)器人末端坐標(biāo)與所述醫(yī)療對象模型的匹配信息生成所述機(jī)器人末端的期望運(yùn)動；

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人操作力獲取模塊根據(jù)機(jī)器人末端所在區(qū)域的危險程度得到機(jī)器人操作力的步驟還包括：

將所述機(jī)器人操作力反饋給操作者。

進(jìn)一步的，所述控制模塊通過所述操作者操作力和所述機(jī)器人操作力共同確定所述機(jī)器人末端的運(yùn)動速度的步驟包括：

根據(jù)所述操作者操作力和所述機(jī)器人操作力得到機(jī)器人末端在笛卡爾空間中的期望運(yùn)動速度；

所述機(jī)器人末端在笛卡爾空間的期望運(yùn)動速度通過雅克比變換得到機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的期望運(yùn)動速度；

利用機(jī)器人線性化解耦控制律對所述機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的期望運(yùn)動速度進(jìn)行控制，得到機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制力矩，最終完成對機(jī)器人的速度控制。

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人末端在笛卡爾空間中的期望運(yùn)動速度公式為：

其中，為操作者操作力，為機(jī)器人操作力，kv機(jī)器人末端在笛卡爾空間中力和速度的比例變換系數(shù)，是機(jī)器人末端在笛卡爾空間中的期望速度。

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的期望運(yùn)動速度公式為：

其中，是當(dāng)前構(gòu)型下的逆雅克比，是機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的期望運(yùn)動速度。

進(jìn)一步的，所述利用機(jī)器人線性化解耦控制律對所述機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的期望運(yùn)動速度進(jìn)行控制，得到機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制力矩，以完成對機(jī)器人的速度控制的步驟包括：

建立完整的機(jī)器人控制模型；

將所述機(jī)器人控制模型分為基于模型的控制部分和伺服偏差控制部分；

將基于模型的控制部分產(chǎn)生的力矩與伺服偏差控制部分產(chǎn)生的力矩相加，以得到對機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制力矩。

進(jìn)一步的，所述完整的機(jī)器人控制模型為：

其中，m(θ)是機(jī)器人操作臂慣量矩陣模型參數(shù)，是速度項(xiàng)模型參數(shù)，g(θ)是重力項(xiàng)模型參數(shù)，是摩擦力項(xiàng)模型參數(shù)，τ是n×1機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制力矩，n為機(jī)器人操作臂關(guān)節(jié)的自由度。

進(jìn)一步的，所述基于模型的控制部分和伺服偏差控制部分的公式為：

τ＝ατ′+β

α＝m(θ)

e＝θd-θ

其中，θd為關(guān)節(jié)期望角度，θ為關(guān)節(jié)實(shí)際角度，e為期望角度與實(shí)際角度的偏差，是期望速度與實(shí)際速度的偏差，τ'為伺服偏差控制部分產(chǎn)生的力矩，β為基于模型的部分產(chǎn)生的力矩。

本發(fā)明還提供一種醫(yī)療機(jī)器人控制方法，其包括：

得到操作者操作力；

根據(jù)機(jī)器人末端所在區(qū)域的危險程度得到機(jī)器人操作力；

通過所述操作者操作力和所述機(jī)器人操作力共同確定所述機(jī)器人末端的運(yùn)動速度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法通過操作者操作力與機(jī)器人操作力共同確定機(jī)器人末端的運(yùn)動速度，在操作者操作機(jī)器人末端偏離了期望運(yùn)動軌跡或是進(jìn)入了危險程度高的區(qū)域時，機(jī)器人操作力便會產(chǎn)生，以使機(jī)器人末端始終位于正確的軌跡及區(qū)域，該醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法改變了現(xiàn)有技術(shù)中單純的操作者-機(jī)器人主從模式控制，讓操作者與機(jī)器人有了信息交互，大大提高了醫(yī)療機(jī)器人操作的安全性與精確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一個實(shí)施方式提供的醫(yī)療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的一種醫(yī)療對象模型中的區(qū)域劃分示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的另一種醫(yī)療對象模型中的區(qū)域劃分示意圖；

圖4為本發(fā)明提供的另一種醫(yī)療對象模型中的操作力策略示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明提出的醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施方式的目的。

本發(fā)明的核心思想在于，提供一種醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法，其通過操作者操作力與機(jī)器人操作力共同確定機(jī)器人末端的運(yùn)動速度，在操作者操作機(jī)器人末端偏離了期望運(yùn)動軌跡或是進(jìn)入了危險程度高的區(qū)域時，機(jī)器人操作力便會產(chǎn)生以使機(jī)器人末端始終位于正確的軌跡及區(qū)域，該醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法改變了現(xiàn)有技術(shù)中單純的操作者-機(jī)器人主從模式控制，讓操作者與機(jī)器人有了信息交互，大大提高了醫(yī)療機(jī)器人操作的安全性與精確性。本文中所稱“速度”為矢量，包括速率和方向。

請參考圖1，圖1為本發(fā)明提供的醫(yī)療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種醫(yī)療機(jī)器人，其包括：

操作者操作力獲取模塊，其用于得到操作者操作力；

機(jī)器人操作力獲取模塊，其用于根據(jù)機(jī)器人末端所在區(qū)域的危險程度得到機(jī)器人操作力；

控制模塊，其用于通過所述操作者操作力和所述機(jī)器人操作力共同確定所述機(jī)器人末端的運(yùn)動速度，并將所述運(yùn)動速度的信息轉(zhuǎn)換為控制指令；

驅(qū)動模塊，其用于接收所述控制指令，并帶動機(jī)器人末端運(yùn)動；

機(jī)器人末端，其通過所述驅(qū)動模塊帶動，并按照所述運(yùn)動速度進(jìn)行運(yùn)動。

本發(fā)明提供的醫(yī)療機(jī)器人分別通過操作者操作力獲取模塊和機(jī)器人操作力獲取模塊獲取操作者操作力與機(jī)器人操作力，并通過控制模塊使兩者共同確定機(jī)器人末端的運(yùn)動速度，在操作者操作機(jī)器人末端偏離了期望的運(yùn)動區(qū)域時，機(jī)器人操作力便會產(chǎn)生，以使機(jī)器人末端始終位于期望的運(yùn)動區(qū)域或有向期望的運(yùn)動區(qū)域運(yùn)動的趨勢。該醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法改變了現(xiàn)有技術(shù)中單純的操作者-機(jī)器人主從模式控制，讓操作者與機(jī)器人有了信息交互，大大提高了醫(yī)療機(jī)器人操作的安全性與精確性。

在本實(shí)施方式中，所述操作者操作力獲取模塊、驅(qū)動模塊和機(jī)器人末端集中設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)該醫(yī)療機(jī)器人的控制策略。在其他實(shí)施方式中，以上模塊和機(jī)器人末端也可以不集中設(shè)置。

在本實(shí)施方式中，所述醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法運(yùn)用于外科手術(shù)中，以滿足外科手術(shù)所需的操作精度及安全性要求?？梢韵氲降氖?，本發(fā)明提供的醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法還可以運(yùn)用于其他需要高精度手動操作的領(lǐng)域中。

在本實(shí)施方式中，所述操作者操作力獲取模塊，包括：

位于機(jī)器人末端的六維力傳感器，以獲得六維傳感器坐標(biāo)系下的操作者操作力；

所述六維力傳感器與所述計(jì)算模塊電連接，

所述計(jì)算模塊依據(jù)機(jī)器人力控制模型將六維傳感器坐標(biāo)系下的操作者操作力轉(zhuǎn)換為笛卡爾空間中的所述操作者操作力。

所述操作者操作力獲取模塊得到操作者操作力的步驟包括：

通過位于機(jī)器人末端的六維力傳感器采集六維傳感器坐標(biāo)系下的操作者的操作力；

依據(jù)機(jī)器人力控制模型將六維傳感器坐標(biāo)系下的操作者的操作力轉(zhuǎn)換為笛卡爾空間中的所述操作者操作力。

可以想到的是，另一種可選的操作者操作力獲取模塊包括：

機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩檢測模塊，以檢測所述機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩；

所述機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩檢測模塊與計(jì)算模塊電連接；

所述計(jì)算模塊通過動力學(xué)解耦所述機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩，得到所述操作者操作力。

具體的，所述機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩檢測模塊可以為電流檢測模塊，也可以為其他用于檢測機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩的檢測檢測模塊，如用于力矩檢測的機(jī)械模塊，故本發(fā)明均意圖包含這些技術(shù)方案在內(nèi)。

相應(yīng)的，所述另一種操作者操作力獲取模塊得到操作者操作力的步驟包括：

檢測得到機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩；

通過動力學(xué)解耦所述機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩，得到所述操作者操作力。

所述檢測得到機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩的方法可以為電流檢測或其他能夠檢測機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩的方法，只要能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩的檢測，本發(fā)明便意圖將這些技術(shù)方案包含在內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述醫(yī)療機(jī)器人還包括濾波模塊，其用于對采集到的所述操作者操作力進(jìn)行濾波，以濾除操作者操作時的抖動。

對采集到的操作者操作力進(jìn)行濾波能夠有效的濾除操作者操作時的手部抖動，結(jié)合機(jī)器人操作力共同確定機(jī)器人末端運(yùn)動速度及運(yùn)動方向，有效地提升機(jī)器人末端操作精度和效率。所述濾波處理方式可為低通濾波或者其他濾波方式處理，只要能濾去操作者操作時的抖動，本發(fā)明便意圖包含這些技術(shù)方案在內(nèi)。

可以想到的是所述濾波模塊可為低通濾波模塊或其他濾波模塊，只要能濾去操作者操作時的抖動，本發(fā)明便意圖包含這些技術(shù)方案在內(nèi)。

在本實(shí)施方式中，所述機(jī)器人操作力獲取模塊，包括：

醫(yī)療對象模型生成模塊，用以建立醫(yī)療對象模型，所述對象模型配置有不同區(qū)域；

坐標(biāo)匹配模塊，獲取所述機(jī)器人末端的坐標(biāo)，將所述醫(yī)療對象模型與所述機(jī)器人末端的坐標(biāo)相匹配，判斷其所在區(qū)域；

區(qū)域約束策略模塊，采用安全限制算法，根據(jù)不同危險程度產(chǎn)生不同的約束策略；

機(jī)器人操作力計(jì)算模塊，結(jié)合坐標(biāo)匹配模塊和區(qū)域約束策略模塊，得到對應(yīng)的機(jī)器人操作力。

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人操作力獲取模塊根據(jù)機(jī)器人末端的位置所在區(qū)域到機(jī)器人操作力的步驟包括：

建立醫(yī)療對象模型；

在所述醫(yī)療對象模型中劃分區(qū)域，并針對不同區(qū)域設(shè)定不同的機(jī)器人操作力；

將所述醫(yī)療對象模型與所述機(jī)器人末端的坐標(biāo)相匹配；

獲取所述機(jī)器人末端的位置坐標(biāo)，判斷其所在區(qū)域，以得到對應(yīng)的機(jī)器人操作力。

進(jìn)一步的，所述在所述醫(yī)療對象模型中劃分區(qū)域具體包括：

將所述醫(yī)療對象模型中的區(qū)域劃分為推薦運(yùn)動區(qū)域、安全運(yùn)動區(qū)域和禁止運(yùn)動區(qū)域。

例如，根據(jù)ct機(jī)或者mri設(shè)備掃描采集到的醫(yī)學(xué)圖像，采用核磁成像技術(shù)建立二維或三維醫(yī)學(xué)模型，根據(jù)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)和臟器位置規(guī)劃手術(shù)路徑并確定危險區(qū)域，針對不同手術(shù)操作及不同的危險區(qū)域設(shè)定不同的力反饋參數(shù)。

圖2和圖3描述了醫(yī)療對象模型中區(qū)域劃分的兩種例子。手術(shù)路徑及危險區(qū)域確定方法如圖2和圖3所示，結(jié)合病灶圖像與機(jī)器人構(gòu)型，針對軟組織切割、截骨等不同的手術(shù)任務(wù)，并依據(jù)工具本身姿態(tài)與輪廓，結(jié)合匹配的醫(yī)學(xué)圖像確定約束邊界，并通過采用安全限制算法的區(qū)域約束策略模塊保證機(jī)器人能夠在安全區(qū)域運(yùn)行。在圖2中，禁止運(yùn)動區(qū)域被推薦運(yùn)動區(qū)域所包圍，安全限制算法的目的是讓操作者盡量遠(yuǎn)離禁止運(yùn)動區(qū)域而在推薦運(yùn)動區(qū)域中進(jìn)行操作；在圖4中，推薦運(yùn)動區(qū)域被禁止運(yùn)動區(qū)域所包圍，在這種情況下，區(qū)域約束策略模塊一般會規(guī)劃指定的路徑，并讓操作者盡量在該指定路徑所在的推薦運(yùn)動區(qū)域進(jìn)行操作，從而遠(yuǎn)離禁止運(yùn)動區(qū)域。

可以想到的是，該醫(yī)療對象模型中的區(qū)域還可以其他方式進(jìn)行劃分，例如推薦運(yùn)動區(qū)域與禁止運(yùn)動區(qū)域不存在包圍與被包圍的劃分方式，只要能夠使機(jī)器人末端始終位于期望的運(yùn)動區(qū)域或有向期望的運(yùn)動區(qū)域運(yùn)動的趨勢，本發(fā)明便意圖包含這些技術(shù)方案在內(nèi)。

所述區(qū)域約束策略模塊在“推薦運(yùn)動區(qū)域”不會產(chǎn)生額外的機(jī)器人操作力，在“安全運(yùn)動區(qū)域”會產(chǎn)生阻尼力來降低醫(yī)生操作速度，在“禁止運(yùn)動區(qū)域”會產(chǎn)生遠(yuǎn)離“禁止運(yùn)動區(qū)域”的機(jī)器人操作力，從而輔助醫(yī)生進(jìn)行安全合理的操作。

進(jìn)一步的，所述針對不同區(qū)域設(shè)定不同的機(jī)器人操作力具體包括：

在所述推薦運(yùn)動區(qū)域，設(shè)定不產(chǎn)生機(jī)器人操作力；

在所述安全運(yùn)動區(qū)域，設(shè)定產(chǎn)生與所述操作者操作力方向相反的阻尼力，降低機(jī)器人末端的運(yùn)動速度；

在所述禁止運(yùn)動區(qū)域，設(shè)定產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述禁止運(yùn)動區(qū)域的機(jī)器人操作力。

可以想到的是，所述機(jī)器人操作力也可采用其他方法進(jìn)行優(yōu)化。比如，結(jié)合醫(yī)學(xué)圖像設(shè)定危險區(qū)域邊界，根據(jù)距離邊界限制距離設(shè)置不同的力反饋比例參數(shù)，從而給出醫(yī)生(即操作者)不同量級的力反饋提示，最終實(shí)現(xiàn)分級力反饋策略。如圖4所示的示范例中，機(jī)器人末端遠(yuǎn)離手術(shù)操作危險區(qū)域時，力反饋比例參數(shù)為k1；當(dāng)接近手術(shù)操作危險區(qū)域時，力反饋比例參數(shù)為k1+k2，其中k1，k2大于零。

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人操作力獲取模塊根據(jù)機(jī)器人末端所在區(qū)域的危險程度得到機(jī)器人操作力的步驟還包括：

根據(jù)所述機(jī)器人末端坐標(biāo)與所述醫(yī)療對象模型的匹配信息生成所述機(jī)器人末端的期望運(yùn)動方向，將所述機(jī)器人操作力反饋給操作者，以使操作者能夠與機(jī)器人產(chǎn)生信息交互，讓操作者將機(jī)器人末端操作始終保持在期望的運(yùn)動區(qū)域。

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人操作力獲取模塊根據(jù)機(jī)器人末端所在區(qū)域的危險程度得到機(jī)器人操作力的步驟還可以包括：

根據(jù)所述機(jī)器人末端坐標(biāo)與所述醫(yī)療對象模型的匹配信息在屏幕等顯示設(shè)備上生成所述機(jī)器人末端的期望運(yùn)動軌跡，以指導(dǎo)操作者進(jìn)行期望路線的機(jī)器人末端操作。

進(jìn)一步的，所述控制模塊通過所述操作者操作力和所述機(jī)器人操作力共同確定所述機(jī)器人末端的運(yùn)動速度的步驟包括：

根據(jù)所述操作者操作力和所述機(jī)器人操作力得到機(jī)器人末端在笛卡爾空間中的期望運(yùn)動速度；

所述機(jī)器人末端在笛卡爾空間的期望運(yùn)動速度通過雅克比變換得到機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的期望運(yùn)動速度；

利用機(jī)器人線性化解耦控制律對所述機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的期望運(yùn)動速度進(jìn)行解耦，得到機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制力矩，以完成對機(jī)器人的速度控制。

進(jìn)一步，基于醫(yī)療機(jī)器人構(gòu)型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，得出機(jī)器人關(guān)節(jié)空間與笛卡爾空間之間運(yùn)動的變換。例如，采用矢量法得到機(jī)器人的速度雅可比映射模型，通過對速度雅克比模型進(jìn)行變換得到力雅可比映射模型，根據(jù)上述模型可以完成機(jī)器人任務(wù)空間與關(guān)節(jié)空間之間的變換。

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人末端在笛卡爾空間中的期望運(yùn)動速度公式為：

其中，為操作者操作力，為機(jī)器人操作力，kv機(jī)器人末端在笛卡爾空間中力和速度的比例變換系數(shù)，是機(jī)器人末端在笛卡爾空間中的期望速度。

進(jìn)一步的，所述機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的期望運(yùn)動速度公式為：

其中，是當(dāng)前的醫(yī)療機(jī)器人構(gòu)型下的逆雅克比，是機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的期望運(yùn)動速度。

進(jìn)一步的，所述利用機(jī)器人線性化解耦控制律對所述機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的期望運(yùn)動速度進(jìn)行解耦，得到機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制力矩，以完成對機(jī)器人的速度控制的步驟包括：

建立完整的機(jī)器人控制模型；

將所述機(jī)器人控制模型分為基于模型的控制部分和伺服偏差控制部分；

將基于模型的控制部分產(chǎn)生的力矩與伺服偏差控制部分產(chǎn)生的力矩相加，以得到對機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制力矩。

進(jìn)一步的，所述完整的機(jī)器人控制模型為：

其中，m(θ)是機(jī)器人慣量矩陣模型參數(shù)，是速度項(xiàng)模型參數(shù)，g(θ)是重力項(xiàng)模型參數(shù)，是摩擦力項(xiàng)模型參數(shù)，τ是n×1機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制力矩，n為機(jī)器人關(guān)節(jié)的自由度。

進(jìn)一步的，所述基于模型的控制部分和伺服偏差控制部分的公式為：

τ＝ατ′+β

α＝m(θ)

e＝θd-θ

其中，θd為關(guān)節(jié)期望角度，θ為關(guān)節(jié)實(shí)際角度，e為關(guān)節(jié)期望角度與關(guān)節(jié)實(shí)際角度的偏差，是期望速度與實(shí)際速度的偏差，τ'為伺服偏差控制部分產(chǎn)生的力矩，β為基于模型的部分產(chǎn)生的力矩。

如圖1所示，本發(fā)明還提供一種醫(yī)療機(jī)器人控制方法，其包括：

得到操作者操作力；

根據(jù)機(jī)器人末端所在區(qū)域的危險程度得到機(jī)器人操作力；

通過所述操作者操作力和所述機(jī)器人操作力共同確定所述機(jī)器人末端的運(yùn)動速度。

本發(fā)明提供的醫(yī)療機(jī)器人控制方法通過操作者操作力與機(jī)器人操作力共同確定機(jī)器人末端的運(yùn)動速度，在操作者操作機(jī)器人末端偏離了期望運(yùn)動軌跡或是進(jìn)入了危險程度高的區(qū)域時，機(jī)器人操作力便會產(chǎn)生以使機(jī)器人末端始終位于正確的軌跡及區(qū)域，該醫(yī)療機(jī)器人及其控制方法改變了現(xiàn)有技術(shù)中單純的操作者-機(jī)器人主從模式控制，讓操作者與機(jī)器人有了信息交互，大大提高了醫(yī)療機(jī)器人操作的安全性與精確性。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些改動和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。