CN109109018B - 用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置及方法、机械臂和医疗机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置及方法、机械臂和医疗机器人。一种用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置，针对用于采集位于目标关节臂与底座之间各转动关节的绝对状态参数的第一传感设备，通过基于该第一传感设备所采集的绝对状态参数来获取第一姿态信息，同时可基于其他传感设备来分别采集底座和目标关节臂的绝对姿态信息，并基于该底座的绝对姿态信息和目标关节臂的绝对姿态信息获取第二姿态信息，根据第一姿态信息和第二姿态信息即可判断上述的第一传感设备所采集的数据是否准确，进而能够及时发现传感设备是否处于异常工作状态，提升医疗机器人的安全性，降低安全事故发生的概率。

Description

用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置及方法、机械臂 和医疗机器人

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，特别是涉及一种用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置及方法、机械臂和医疗机器人。

背景技术

微创伤手术是指通过小切口将细长的操作器械(例如腹腔镜、胸腔镜及手术器械)送入患者体内进行手术的一种新技术。其具有创口小、疼痛轻、恢复快、住院时间短、出血少等优点。但是由于切口较小，如何在狭小的工作空间中完成复杂的手术操作是手术机器人系统面临的重大挑战。高冗余柔性机械臂解决了传统刚性关节机械臂无法在狭小空间工作的难题，因此在手术机器人系统中多采用高冗余柔性机械臂。但如何精确控制高冗余机械臂的运动姿态成为影响高冗余机械臂工作可靠性的重要因素，也是影响手术机器人安全性的重要因素。尤其工作过程中，末端关节是否按照期望的运动轨迹运动，直接影响机械臂的工作精度以及可靠性，进而影响手术的安全性。

在现有技术中，通常通过编码器确定机械臂的位置。当编码器出现故障，尤其绝对位置编码器的出现故障时，则无法确定机械臂的位置，从而导致机械臂的远端无法按照预期的姿态运动，有可能导致手术器械戳中脏器造成手术安全事故。因此，现有的手术机器人在工作时可通过机械臂的绝对位置编码器与增量式编码器互检，监控机械臂的工作状态。但是手术机器人由断电到重新通电期间，由于各种原因，手术机器人的机械臂被被动调整，这些变化无法被编码器检测到，进而导致开机时关节的实际状态与编码器检测结果的不一致。而现有的技术无法检测开机时绝对位置编码器的检测结果是否正确。

因此，本领域需要一种新装置，用于检测机械臂上传感设备运行是否正常，特别适用于检测机械臂开机时传感设备是否正常。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题提供一种用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置及方法、机械臂和医疗机器人。

在一个可选的实施例中，本申请提供了一种用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置，所述机械臂可具有自由端和固定端，所述固定端用于连接在底座上，所述自由端用于连接操作器械；所述机械臂可包括第一传感设备、多个关节以及通过所述关节连接的关节臂，所述多个关节可包括转动关节，所述第一传感设备可用于采集位于目标关节臂与所述固定端之间的各所述转动关节的绝对状态参数；所述装置可包括：

处理设备，用于根据所述绝对状态参数获取第一姿态信息；

第二传感设备，用于分别采集第一绝对姿态信息和第二绝对姿态信息；所述第一绝对姿态信息为所述底座的绝对姿态信息，所述第二绝对姿态信息为所述目标关节臂的绝对姿态信息；

其中，所述处理设备还用于根据所述第一绝对姿态信息和所述第二绝对姿态信息获取第二姿态信息，且所述第一姿态信息和所述第二姿态信息均用于表征所述目标关节臂与相对于所述底座的姿态关系；以及

所述处理设备还用于根据所述第一姿态信息和所述第二姿态信息，判断所述第一传感设备的工作状态。

在上述用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置实施例中，针对用于采集位于目标关节臂与底座之间各关节的绝对状态参数的第一传感设备，通过基于该第一传感设备所采集的绝对状态参数来获取第一姿态信息，同时可基于其他传感设备来分别采集底座和目标关节臂的绝对姿态信息，并基于该底座的绝对姿态信息和目标关节臂的绝对姿态信息获取第二姿态信息，由于第一姿态信息和第二姿态信息均可用于目标关节臂与底座之间的相对姿态关系，故而基于第一姿态信息和第二姿态信息判断上述的第一传感设备所采集的数据是否准确，进而能够在开机时即可发现传感设备是否处于异常工作状态，检测结果是否错误，以避免在工作过程中传感设备检测得到不精确，甚至错误的状态参数，进而确保机械臂的末端按照预期轨迹运动，使得设置在机械臂末端的操作器械不会发生碰撞或戳中非目标区域，提升医疗机器人的安全性，降低安全事故发生的概率。

在一个可选的实施例中，所述目标关节臂可为位于转动关节远端且与该远端连接的关节臂；例如，上述的目标关节臂可为任一转动关节远端所连接的关节臂。

在一个可选的实施例中，所述第一传感设备包括绝对位置编码器；

其中，在位于所述目标关节臂与所述固定端之间的任一所述转动关节上均设置有至少一个所述绝对位置编码器，且任一所述绝对位置编码器均用于采集与该绝对位置编码器对应的所述转动关节的所述绝对状态参数。

在一个可选的实施例中，所述绝对位置编码器包括绝对光学编码器、绝对磁编码器和绝对旋转变压器编码器中的至少一种。

在一个可选的实施例中，所述第二传感设备至少包括：

第一传感单元，设置于所述底座上，用于采集所述第一绝对姿态信息；以及

第二传感单元，设置于所述目标关节臂上，用于采集所述第二绝对姿态信息；

其中，所述第一传感单元和所述第二传感单元均包括协同工作的磁场传感器和水平传感器。

在一个可选的实施例中，所述第一传感设备包括绝对位置编码器，且任一所述转动关节上均设置有至少一个所述绝对位置编码器，用于获取各所述转动关节的绝对状态参数；

其中，每个转动关节远端连接的关节臂上均设有所述第二传感单元，以获得各个转动关节的第二绝对姿态信息；以及

所述处理设备获得所述第一姿态信息和每个转动关节远端连接的关节臂的第二姿态信息，进而检测每个所述绝对位置编码器的工作状态。

在一个可选的实施例中，所述工作状态包括异常工作状态和正常工作状态；所述处理设备可包括：

运算单元，用于根据所述绝对状态参数获取所述第一姿态信息，根据所述第一绝对姿态信息和所述第二绝对姿态信息获取所述第二姿态信息，并计算所述第一姿态信息与所述第二姿态信息之间的差值；

存储单元，存储有预设的阈值；以及

判断单元，判断所述差值是否大于所述预设的阈值；

其中，当所述差值大于所述预设的阈值时，所述判断单元判定所述第一传感设备处于所述异常工作状态。

在一个可选的实施例中，所述运算单元可基于机械臂运动学模型，计算得到所述第一姿态信息。

在一个可选的实施例中，上述的装置还可包括：

报警设备，与所述判断单元连接；

其中，所述判断单元判定所述第一传感设备处于所述异常工作状态后输出所述异常工作状态的信息至所述报警设备，以触发该报警设备发出报警讯息。

在一个可选的实施例中，所述存储单元还用于存储所述第一绝对姿态信息、所述第二绝对姿态信息、所述第一姿态信息、所述第二姿态信息、所述差值和所述工作状态中的至少一个。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种检测机械臂上传感设备工作状态的方法，所述机械臂可具有相对的自由端和固定端，所述固定端连接在底座上，所述自由端可用于连接操作器械，所述机械臂包括多个关节以及通过关节连接的关节臂，所述关节包括转动关节；所述方法包括：

获得第一传感设备采集的位于目标关节臂与所述固定端之间的各所述转动关节的绝对状态参数；

根据所述绝对状态参数获取第一姿态信息；

分别采集第一绝对姿态信息和第二绝对姿态信息，所述第一绝对姿态信息为所述底座的绝对姿态信息，所述第二绝对姿态信息为所述目标关节臂的绝对姿态信息；

根据所述第一绝对姿态信息和所述第二绝对姿态信息获取第二姿态信息，且所述第一姿态信息和所述第二姿态信息均用于表征所述目标关节臂相对于所述底座的姿态关系；以及

根据所述第一姿态信息和所述第二姿态信息，判断所述第一传感设备的工作状态。

在上述用于检测机械臂上传感设备工作状态的方法实施例中，针对用于采集位于目标关节臂与底座之间转动关节的绝对状态参数的第一传感设备，通过基于该第一传感设备所采集的绝对状态参数来获取第一姿态信息，同时可基于底座的绝对姿态信息和目标关节臂的绝对姿态信息获取第二姿态信息，由于第一姿态信息和第二姿态信息均可用于目标关节臂与底座之间的相对姿态关系，故而基于第一姿态信息和第二姿态信息判断上述的第一传感设备所采集的绝对状态参数是否准确，在开机时即可判断该第一传感设备是否处于异常工作状态，检测结果是否错误，进而可有效避免在工作过程中传感设备检测得到不精确，甚至错误的状态参数，从而确保机械臂的末端按照预期轨迹运动，使得设置在机械臂末端的操作器械不会发生碰撞或戳中非目标区域，提升医疗机器人的安全性，降低安全事故发生的概率。

在一个可选的实施例中，所述目标关节臂可为任一所述转动关节的远端所连接的关节臂。

在一个可选的实施例中，所述根据所述绝对状态参数获取第一姿态信息的步骤，可包括；

基于机械臂运动学模型，根据所述绝对状态参数计算出所述第一姿态信息。

在一个可选的实施例中，所述工作状态包括正常工作状态和异常工作状态；所述根据所述第一姿态信息和所述第二姿态信息，判断所述第一传感设备的工作状态的步骤，可包括：

计算所述第一姿态信息与所述第二姿态信息之间的差值；

判断所述差值是否大于预设的阈值；

其中，若所述差值大于预设的阈值时，判定所述第一传感设备处于所述异常工作状态。

在一个可选的实施例中，所述方法还包括：

当判断出所述差值大于预设的阈值时，发出报警讯息；

其中，所述报警讯息可包括声音信号、灯光信号、振动信号和图像信号中的至少一种。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种机械臂，可包括：

机械臂本体，所述机械臂本体具有自由端和固定端，所述固定端用于连接在底座上，所述自由端用于连接操作器械；所述机械臂本体包括多个关节以及通过所述关节连接的关节臂，所述多个关节包括转动关节；

第一传感设备，用于采集位于目标关节臂与所述固定端之间的各所述转动关节的绝对状态参数；以及

设置在所述机械臂本体上的如上述任一所述装置。

在一个可选的实施例中，所述机械臂可为具有冗余度的柔性机械臂。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种医疗机器人，可包括：

底座；

操作器械；以及

设置在所述底座上的多个如上述的机械臂；

其中，所述操作器械与所述机械臂本体的自由端连接，所述底座与所述机械臂本体的固定端连接，所述操作器械为手术器械或诊断器械。

附图说明

图1为一个可选的实施例中检测机械臂上传感设备工作状态的装置的工作原理示意图；

图2为另一个可选的实施例中检测机械臂上传感设备工作状态的装置的工作原理示意图；

图3为一个可选的实施例中检测机械臂上传感设备工作状态的方法的流程示意图；

图4为医疗机器人开机自检的具体流程示意图；

图5为一个可选的实施例中医疗机器人的示意图；

图6为图5中所示医疗机器人的病人端的结构示意图；

图7为图6中所示病人端的一个机械臂的结构示意图；

图8为图7中所示机械臂的一个转动关节的具体结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请的实施例中创造性的提出一种用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置及方法、机械臂和医疗机器人，其可通过基于绝对姿态信息所获取的第二姿态信息，来对用于获取机械臂的各个转动关节绝对运动参数的第一传感设备的工作状态进行判断，即基于该第一传感设备所获取的转动关节的绝对运动参数可得到第一姿态信息，并将该第一姿态信息与上述的第二姿态信息进行比较，根据比较结果来判断第一传感设备的运行状态，进而达到在医疗机器人开机时即可发现设置在该医疗机器人机械臂上的传感设备是否处于异常工作状态，如此能够及时有效的避免传感设备采集到错误的绝对转动参数，进而确保机械臂的远端按照期望的姿态运动；针对医疗机器人，尤其是能够进行介入外科手术的腹腔镜手术机器人、骨科机器人，还能够使得设置在机械臂末端的操作器械不会发生碰撞或戳中非目标区域，以提升医疗机器人的安全性，降低安全事故发生的概率。

图1为一个可选的实施例中检测机械臂上传感设备工作状态的装置的工作原理示意图。如图1所示了一种用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置，上述的机械臂可包括有第一传感设备1，而上述的装置则可包括处理设备2和第二传感设备3等部件，上述的处理设备2可分别与第一传感设备1和第二传感设备3连接。其中，上述的机械臂可具有相对的自由端(即末端或远端)和固定端(即近端)，且该固定端可连接于上述的底座上，以固定并支撑机械臂能够进行多个方向的运动，而自由端上则可连接有用于疾病治疗、诊断的各种操作器械。同时，在一个底座上可设置有至少一个(如一个、两个或四个等)上述的机械臂，而每个机械臂均可包括上述的第一传感设备1、多个关节和多个关节臂，上述的关节和关节臂相连接，进而构成机械臂的机械构型；其中，上述的多个关节中可包括有转动关节。上述的第一传感设备可用于采集位于目标关节臂与所述固定端之间的各所述转动关节的绝对状态参数。本发明的实施例中，上述的固定端可活动式连接于或者固定连接于所述底座上。

在一个可选的实施例中，如图1所示，上述的第一传感设备1可用于采集机械臂上，位于目标关节臂与固定端之间的各转动关节的绝对状态参数，而处理设备2则可用于接收上述的各转动关节的绝对状态参数，并可根据所接收的各转动关节的绝对状态参数获取第一姿态信息。第二传感设备3可用于采集第一绝对姿态信息和第二绝对姿态信息，而处理设备2还可用于接收上述的第一绝对姿态信息和第二绝对姿态信息，并可根据该第一绝对姿态信息和第二绝对姿态信息获取第二姿态信息；上述的第一绝对姿态信息为底座的绝对姿态信息，第二绝对姿态信息为机械臂的目标关节臂的绝对姿态信息，而所述第一姿态信息和所述第二姿态信息均可用于表征所述目标关节臂相对于所述底座的姿态关系。其中，处理设备2还可用于根据上述的第一姿态信息和第二姿态信息，来判断第一传感设备1的工作状态。

需要注意的是，在本申请的实施例中，“绝对状态参数”可用于表征机械臂各部件(如关节、目标关节臂等)当前相对于固定参考点(例如初始化点)的运动变化量。例如，转动关节的“绝对状态参数”即为转动关节的绝对转动角度，指相对于机械臂初始化时的位置，转动关节转动的角度。另外，“绝对姿态”则可用于表征目标关节臂以及底座相对于大地坐标系下的姿态。

在上述检测机械臂上传感设备工作状态的装置的实施例中，通过利用第二传感设备获取基于底座和机械臂目标关节臂的绝对姿态信息，以得到第二姿态信息，并可基于该第二姿态信息来判断用于获取第一姿态信息的第一传感设备的工作状态，进而能够有效及时在开机时获悉该第一传感设备是否处于异常工作状态，从而能够避免在工作过程中该第一传感设备检测得到错误的绝对状态参数，从而使得机械臂的末端能够按照期望的姿态运动，使得设置在机械臂末端的操作器械不会发生碰撞或戳中非目标区域，以有效降低医疗机器人安全事故发生的概率。

在本发明实施例中，对所述“目标关节臂”没有特别的限制，可以根据实际需要来设定，可以是距离底座最近的转动关节远端所连接的关节臂，也可以是距离底座最远的转动关节远端所连接的关节臂，又或者从距离底座最近的转动关节至最远的转动关节之间任一转动关节远端所连接的关节臂都可作为目标关节臂。而针对任一关节而言，一般可将位于该关节远端并与该关节连接的关节臂作为上述的目标关节臂。

图2为另一个可选的实施例中检测机械臂上传感设备工作状态的装置的工作原理示意图。如图1～2所示，在一个可选的实施例中，上述的机械臂可包括多个关节以及关节臂，所述关节可包括有至少一个转动关节。在一些替代性实施例中，所述关节也可包含移动关节。上述的第一传感设备1可包括绝对位置编码器11，而该绝对位置编码器11可与处理设备2通信连接，且在位于目标关节臂与固定端之间的所有转动关节上均可设置有至少一个上述的绝对位置编码器11，以用于采集各转动关节的绝对状态参数。如图1～2所示，在一个可选的实施例中，上述的绝对位置编码器11可为绝对光学编码器、绝对磁编码器和绝对旋转变压器编码器等中的至少一种。

如图1～2所示，在一个可选的实施例中，上述第一传感设备1的工作状态可包括异常工作状态和正常工作状态，而处理设备2则可包括运算单元21、存储单元23和判断单元24等，判断单元24可分别与运算单元21和存储单元23连接，而运算单元21还可分别与绝对位置编码器11和第二传感设备3连接，用于接收并根据各个关节臂的旋转角度获取上述的第一姿态信息，并可用于根据第二传感设备3所采集的第一绝对姿态信息和第二绝对姿态信息获取第二姿态信息，所述存储单元23中可存储有预设的阈值；判断单元24则可用于计算第一姿态信息与第二姿态信息之间的差值，以及调取存储单元23中预设的阈值范围，并可判断上述差值是否大于上述预设的阈值。若上述第一姿态信息与第二姿态信息之间的差值大于上述预设的阈值时，判断单元24可判定所述第一传感设备处于异常工作状态，同时还可基于上述的各种信息输出异常工作状态报告等数据；否则，该判断单元24判定所述第一传感设备处于正常工作状态，并可输出正常工作状态相关的数据信息，也可不进行任何操作。所述预设的阈值可以根据具体的机械臂构型、传感设备的精度以及手术要求来设定，本发明实施例对此不做具体的限定。

如图1～2所示，在一个可选的实施例中，运算单元21可基于机械臂运动学模型，根据上述各个转动关节的绝对状态参数计算出上述的第一姿态信息。例如，上述的运算单元21还可以根据各个转动关节的绝对状态参数采用D-H法获得第一姿态信息。在本实施例中，上述的机械臂可为转动关节和关节臂依次连接而组成的结构，并可根据上述的第一传感设备1所采集的绝对状态参数来获得第一姿态信息。在其他一些实施例中，所述机械臂还可包括移动关节，但是由于移动关节的绝对状态参数(即绝对位移)只会影响目标关节臂的位置，因此，仍然可以采用各个转动关节的绝对状态参数根据机械臂运动学模型获得的目标关节臂的姿态。

如图1～2所示，在一个可选的实施例中，上述的第二传感设备3可包括第一传感单元31和第二传感单元32，而该第一传感单元31和第二传感单元32可分别与上述的运算单元21连接；第一传感单元31可固定设置在底座上，以用于采集上述第一绝对姿态信息，而第二传感单元32则可固定设置在机械臂的目标关节臂上，以用于采集所述第二绝对姿态信息。作为一个可选的实施例，上述的第一传感单元31和第二传感单元32均可包括协同工作的磁场传感器和水平传感器，以用于采集并获取相应的绝对姿态信息。本领域技术人员应理解，所述第二传感设备3还可以包含更多的传感单元，用于检测位于目标关节臂至固定端之间的第一传感设备1是否处于异常状态。例如，检测上述实施例中的机械臂每个绝对位置编码器11是否处于异常状态，则可在每个转动关节远端的关节臂上设置一传感单元，以获得每个关节臂的第二姿态信息，进而从距离固定端最近的绝对位置编码器11开始依次检测，直至最远端的绝对位置编码器11。

如图1～2所示，在一个可选的实施例中，上述监控机械臂上传感设备运行状态的装置还可包括报警设备4，该报警设备4可与判断单元24连接，即该判断单元24在判断出第一传感设备1的工作状态为异常工作状态后，可输出上述异常工作状态的信息至所述报警设备4，以触发该报警设备4发出相应的警示信息。例如，当判断单元24判断出第一传感设备1处于异常工作状态时，可触发报警设备4发出声音信号、灯光信号、振动信号和/或图像信号等报警讯息，以起到提示警醒的作用。另外，当判断单元24判断出第一传感设备1的工作状态为正常工作状态时，也可通过报警设备4发出正常状态指示信息。例如，判断第一设备1异常时，触发报警设备4发出红色灯光，而在第一设备1正常时，触发报警设备4发出绿色灯光，以第一设备1的当前工作状态进行实时显示。

如图1～2所示，在一个可选的实施例中，上述监控机械臂上传感设备运行状态的装置还可包括存储器，该存储器可为上述的存储单元23，也可为另外单独设置的存储介质，且该存储器可分别与上述的各个单元及设备连接，以用于存储诸如第一绝对姿态信息、第二绝对姿态信息、第一姿态信息、第二姿态信息、异常工作状态报告、第一姿态信息与第二姿态信息间的差值以及第一传感设备的工作状态等相关信息及数据，以便于后续维护或者其他设备进行调用及查看。

图3为一个可选的实施例中检测机械臂上传感设备工作状态的方法的流程示意图。如图3所示，本申请的实施例中还提供了一种检测机械臂上传感设备工作状态的方法，该机械臂可具有用于连接操作器械的自由端和连接在底座上的固定端，且该机械臂可包括多个关节以及通过该多个关节依次连接的关节臂，且上述的多个关节中可包括有转动关节，而任一转动关节远端的关节臂均可作为目标关节臂。上述的方法可结合上述任意一个检测机械臂上传感设备工作状态的装置实施例的基础上，针对任一目标关节臂，上述的方法具体可包括如下步骤：

步骤S10，获取第一传感设备采集的位于目标关节臂与固定端之间各转动关节的绝对状态参数。

步骤S20，根据步骤S10中所采集的各个转动关节的绝对状态参数获取第一姿态信息。

步骤S30，分别采集第一绝对姿态信息和第二绝对姿态信息；第一绝对姿态信息为底座的绝对姿态信息，第二绝对姿态信息为目标关节臂的绝对姿态信息。

步骤S40，根据步骤S30中所采集的第一绝对姿态信息和第二绝对姿态信息获取第二姿态信息；上述的第一姿态信息和第二姿态信息均可为用以表示机械臂上目标关节臂相对底座的姿态关系。

步骤S50，根据步骤S20中所获取的第一姿态信息和步骤S40中所获取的第二姿态信息，判断上述第一传感设备的工作状态；其中，该第一传感设备的工作状态可包括正常工作状态和异常工作状态。

例如，可先计算上述第一姿态信息与第二姿态信息之间的差值，再判断该差值是否大于所预设的阈值，且当该差值大于预设的阈值时，则可判定第一传感设备处于异常工作状态；否则，可不进行任何操作，也可输出第一传感设备处于正常工作状态的相关讯息。

在一个可选的实施例中，当判断出上述第一传感设备处于异常工作状态时，还可触发报警设备发出诸如声音信号、灯光信号、振动信号和/或图像信号等报警讯息。

需要注意的是，上述步骤S10～S20与步骤S30～S40之间的顺序可以颠倒，也可同时进行，具体可依据实际的情况进行具体的安排。

在上述监控机械臂上传感设备运行状态的方法的实施例中，通过利用绝对姿态信息所获取的第二姿态信息，对用于获取第一姿态信息的第一传感设备的工作状态进行判断，能够在开机时就能发现第一传感设备是否采集到错误的绝对状态参数，进而以有效的避免因为错误的绝对状态参数导致机械臂被错误的操纵，同时也实现了对第一传感设备工作状态的检测。

如图3所示，在一个可选的实施例中，步骤S20中则可基于机械臂运动学模型，根据上述各个关节臂的旋转角度和该机械臂的D-H参数计算出上述的第一姿态信息。

在另一个可选的实施例中，上述的第一传感设备可包括绝对位置编码器，而该绝对位置编码器11与处理设备2通信连接。绝对位置编码器为绝对光学编码器、绝对磁编码器和绝对旋转变压器编码器等中的至少一种。

在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种机械臂(可参见图7所示的图形结构)，可包括机械臂本体、第一传感设备以及上述任意一个实施例中所阐述的检测机械臂上传感设备工作状态的装置；上述的机械臂本体可具有自由端和固定端；同时，该机械臂本体的固定端可用于连接在底座上，而机械臂本体的自由端则可用于连接操作器械。其中，上述的机械臂本体可包括多个关节以及多个关节臂，即上述的多个关节和多个关节臂相连接，进而构成机械臂的机械构型，而上述的多个关节中则可包括有转动关节，且上述的第一传感设备可用于采集位于目标关节臂与机械臂的固定端之间的各转动关节的绝对状态参数。在一个可选的实施例中，上述的机械臂可为具有冗余度的柔性机械臂，即关节数大于所需要的自由度数的柔性机械臂。

在另一个可选的实施例中，本申请还提供了一种医疗机器人(可参见图5和6所示的结构)，具体可包括底座、操作器械及上述实施例中所阐述的机械臂，且该机械臂的固定端可用于连接在底座上，而该机械臂的自由端则可用于与上述的操作器械连接，以用于控制该操作器械进行诊断或治疗等操作。其中，上述的操作器械可为手术器械和诊断器械中的至少一种；例如，针对任意一条机械臂，与该条机械臂自由端连接的操作器械可为手术器械或诊断器械。需要注意的是，本发明的实施例中对手术器械、诊断器械等并没有特别的限制，例如手术器械可以是手术刀、电钩、手术钳等，而诊断器械则可以是腹腔镜、胸腔镜等。

图4为医疗机器人开机自检的具体流程示意图。如图4所示，所述医疗机器人在出厂时设置了阈值K。医疗机器人上电开机后，该医疗机器人可读取阈值K，然后进入自检。其中，自检过程可包括对机械臂上传感设备工作状态的检测。即可在读取绝对位置编码器的值后，基于机械臂运动学模型算出机械臂上目标关节臂相对于基座的姿态信息(即第一姿态信息)；同时，在读取两组姿态传感器的值后，采用做差计算出目标关节臂相对于基座的姿态信息(即第二姿态信息)；其中，上述计算获得的两个姿态信息(即第一姿态信息和第二姿态信息)均可用以表征目标关节臂相对于底座的姿态信息。最后，在计算出该两个姿态信息之间的差值后，判断该差值是否大于上述设定的阈值K。例如，若差值大于上述设定的阈值K，则可判定当前该机械臂处于异常工作状态，医疗机器人进入故障状态；否则，可判定该机械臂当前处于正常状态，医疗机器人可以进入正常工作模式或者继续完成其他设备的检测。

下面就以具体的实例，以机械臂的末端(即自由端)的关节臂作为目标关节臂，对本申请中的检测机械臂上传感设备的装置及方法进行详细说明：

图5为一个可选的实施例中医疗机器人的示意图，图6为图5中所示医疗机器人的病人端的结构示意图，图7为图6中所示病人端的一个机械臂的结构示意图，图8为图7中所示机械臂的一个转动关节的具体结构示意图。如图5～8所示，所述医疗机器人为远程操控手术机器人，包括医生端10和病人端20，即医生可通过医生端10来操控病人端20对患者进行治疗或诊断等操作(参见图5所示)。

参见图6～7所示，病人端20可包括底座201、设置在底座201上的多个机械臂202，与机械臂202相连的操作器械。针对任意一个机械臂202，该机械臂202的一端(即固定端)固定在底座201上，而另一端(即自由端或末端)则与上述的操作器械连接。上述的操作器械可以为诊断器械(如腹腔镜或胸腔镜等)203或手术器械(如电钩、手术钳)204，以用于对病床205上所承载的患者206进行治疗或诊断。

同时，如图6～7所示，任一机械臂202可包括机械臂本体和绝对位置传感装置404，所述机械臂本体包括多个转动关节304和多个关节臂305，且相邻的转动关节304之间均通过关节臂305进行连接，形成链式的串联机械构型。例如，如图7所示，底座201可包括基座301和固定在基座301上的立柱302，上述机械臂本体的一端(即固定端)通过一关节臂305固定在立柱302上，而另一端(即自由端)则连接于手术器械204，以便于进行诸如介入外科手术等治疗或诊断操作。

在一具体实施例中，如图8所示，上述的任一机械臂202还可包括驱动装置401、减速装置402和绝对位置传感装置404。减速装置402可包括套设于驱动装置401输出轴的第一转轮405、套设于转动关节304转动轴的第二转轮406以及传动装置403，所述绝对位置传感装置404也套设于转动关节304转动轴上。所述驱动装置401可通过所述减速装置402驱动转动关节304转动轴，所述绝对位置传感装置404可实时采集该转动关节30的绝对状态参数。其中，该绝对位置传感装置404可为绝对光学编码器、绝对磁编码器、绝对旋转变压编码器及旋转电位器等。

参见图5～8所示，当上述的手术机器人对患者进行手术，尤其是进行介入手术时，由于操作空间狭小，就要求手术机器人的机械臂具有较高的精确性及运行稳定性，而在实际操作过程中，一般是通过设置在机械臂各个关节上的传感设备(如绝对位置传感装置404)采集的绝对状态信息进行末端姿态信息的获取，进行精准操控；但是，上述的传感设备存在诸多不稳定的因素，例如当手术机器人断电后重新上电之前，一些机械臂被误操作，关节的绝对姿态状态参数产生了变化，而这些变化没有被绝对位置编码器检测到，所以开机后绝对位置编码器会检测出错误的绝对状态参数，继而无法获得机械臂的准确的姿态信息，从而导致机械臂的远端无法按照预期的轨迹运动，从而导致操作器械会戳中非目标区域，进而造成医疗事故。

如图7～8所示，为能够在开机时对机械臂上的传感设备进行检测，可在机械臂202末端的关节臂305和立柱302上分别设置一组用于采集绝对姿态信息的姿态传感器303，且每组姿态传感器303均可包括能够相互协作的地球磁场传感器和水平传感器。同时，该手术机器人中还可包括处理设备，该处理设备可为传统手术机器人中控制系统中的通用处理器，也可为单独设置的处理器，其只要能够根据上述绝对位置传感装置404所采集的绝对状态参数，并基于机械臂运动学模型来获取机械臂末端关节臂的姿态信息即可。其中，上述的处理设备可采用的机械臂运动学模型：

其中，

为当前机械臂的末端关节臂相对于基座301(或立柱302)的姿态关系(第一姿态信息)，R_z(θ_m)为机械臂的第m个旋转关节的旋转算子，m为转动关节的序号，且m≥1。

在一个可选的实施例中，上述的医疗机器人中预先存储有阈值K，该阈值K可以根据具体的机械臂构型、传感设备的精度以及手术要求来设定。上述的差值大于阈值K则说明绝对位置传感装置404和姿态传感器303中一定有一个发生了工作异常，而在实际应用中，由于开机时姿态传感器303即可获得当前机械臂的目标关节臂相对于基座的姿态信息，绝对位置传感装置404在断电期间容易收到干扰导致开机时候出现错误的检测数据，故而上述的阈值K可用于确定绝对位置传感装置404在机器人断电后重新上电时是否发生异常工作状态。

如图7～8所示，在一个可选的实施例中，可通过读取各个转动关节中绝对位置传感装置404所采集的数据，采用D-H法，即可计算出上机械臂的末端关节臂相对于立柱302的姿态信息。其中，上述的处理设备可通过采用公式：θ_m＝(Cnt(n)-Cnt(Zero))/resolution×360来计算出各个转动关节304当前绝对状态参数，其中，θ_m为第m个转动关节的绝对状态参数(即绝对转动角度)；Cnt(n)为第m个转动关节在当前位置下，绝对位置传感装置404的测量值，resolution为绝对位置编码器每圈的分辨率，Cnt(Zero)为当前关节臂初始化时，绝对位置传感装置404的测量值，m为转动关节的序号，且m≥1。

如图7～8所示，在一个可选的实施例中，处理设备在读取设置在立柱302和机械臂末端关节臂上的姿态传感器303的数值后，即读取每个姿态传感器303中地球磁场传感器及水平传感器的数值，计算获得机械臂末端关节臂(即目标关节臂)相对立柱302的姿态信息(即第二姿态信息)。具体而言，处理设备接收立柱302上姿态传感器的测量值R_C和机械臂末端关节臂上姿态传感器的测量值R_X后，进行相减，以得到机械臂末端相对于立柱302的相对姿态信息

即

计算得到机械臂末端关节臂相对于基座的姿态信息(第二姿态信息)。

如图7～8所示，在一个可选的实施例中，可通过将上述的相对姿态信息

(第二姿态信息)与当前机械臂的末端对于立柱302的姿态关系

(第一姿态信息)进行相减，以得到差值D，即

并继续判断该差值D与上述所设定的阈值K之间的大小关系，以判断上述的绝对位置传感装置404是否处于正常的工作状态，即：

当D＞K时，则可判断此时绝对位置传感装置404处于异常工作状态，进而可触发报警设备进行报警，同时也可触发机械臂停止工作，在提醒操作人员发生工作状态异常的同时，避免机械臂误操作；

当D≤K时，则可判断此时绝对位置传感装置404处于正常工作状态，可不进行任何操作，也可将警示灯显示为绿色来提示操作人员，当前绝对位置传感装置404无异常情况，同时也可提示进入其它状态。

例如，在判断绝对位置传感装置404处于正常工作状态时，手术机器人可以通过语音提示、图像提示等方式提示操作人员，并可自动进入工作模式，或者完成其他设备的自检。

在一个可选的实施例中，上述的各设备所采集的数据、各步骤的计算、判断结果及异常工作状态的信息等，均可对应存储在存储器中，以便于后续进行维护、分析及核查等操作。

在上述的实施例中，在立柱和机械臂的末端关节臂均可安装地球磁场传感器和水平传感器，计算出机械臂的末端关节臂相对于立柱的相对姿态关系，同时通过绝对位置传感器，获得机械臂各转动关节的绝对状态参数，再次计算机械臂的末端相对于立柱的相对姿态关系，处理设备通过对比两次计算出的相对姿态关系，从而判断上述的绝对位置传感器是否处于正常工作状态。

由于医疗机器人特别是介入外科手术的腹腔镜手术机器人、骨科机器人，操作空间小，操作精度高，这需要利用诸如编码器和/或电位器等传感设备来实时获取机械臂各个关节的状态参数，并根据所获取的状态参数控制相应的驱动设备来驱动机械臂以及操作器械达到期望的姿态。因此，传感设备对各个关节的状态参数的检测是否准确十分重要。上述实施例中所提供的一种用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置及方法、机械臂和医疗机器人，可实现在开机时即可对传感设备的运行状态进行检测，避免传感设备发生故障造成所获取的机械臂的状态参数不准确，甚至是完全错误的状态参数，能够有效规避因错误的机械臂的状态参数，而导致机械臂的远端(即自由端)无法按照预期轨迹运动，达到期望的姿态，从而避免引起设置在机械臂末端的操作器械碰撞或戳中非目标区域而造成医疗机器人的安全事故。

以上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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (18)

1.一种用于检测机械臂上传感设备工作状态的装置，其特征在于，所述机械臂具有自由端和固定端，所述固定端用于连接在底座上，所述自由端用于连接操作器械；所述机械臂包括第一传感设备、多个关节以及通过所述关节连接的关节臂，所述多个关节包括转动关节，所述第一传感设备用于采集位于目标关节臂与所述固定端之间的各所述转动关节的绝对状态参数；所述装置包括：

处理设备，用于根据所述绝对状态参数获取第一姿态信息；以及

第二传感设备，用于分别采集第一绝对姿态信息和第二绝对姿态信息；所述第一绝对姿态信息为所述底座的绝对姿态信息，所述第二绝对姿态信息为所述目标关节臂的绝对姿态信息；

其中，所述处理设备还用于根据所述第一绝对姿态信息和所述第二绝对姿态信息获取第二姿态信息，且所述第一姿态信息和所述第二姿态信息均用于表征所述目标关节臂相对于所述底座的姿态关系；以及

所述处理设备还用于根据所述第一姿态信息和所述第二姿态信息，判断所述第一传感设备的所述工作状态；

所述第二传感设备至少包括：

第一传感单元，设置于所述底座上，用于采集所述第一绝对姿态信息；以及

第二传感单元，设置于所述目标关节臂上，用于采集所述第二绝对姿态信息。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述目标关节臂为任一所述转动关节远端所连接的关节臂。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一传感设备包括绝对位置编码器；

其中，在位于所述目标关节臂与所述固定端之间的任一所述转动关节上均设置有至少一个所述绝对位置编码器，且任一所述绝对位置编码器均用于采集与该绝对位置编码器对应的所述转动关节的所述绝对状态参数。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述绝对位置编码器包括绝对光学编码器、绝对磁编码器和绝对旋转变压器编码器中的至少一种。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一传感单元和所述第二传感单元均包括协同工作的磁场传感器和水平传感器。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一传感设备包括绝对位置编码器，且任一所述转动关节上均设置有至少一个所述绝对位置编码器，用于获取各所述转动关节的绝对状态参数；

其中，每个转动关节远端连接的关节臂上均设有所述第二传感单元，以获得各个转动关节的第二绝对姿态信息；以及

所述处理设备获得所述第一姿态信息和每个转动关节远端连接的关节臂的第二姿态信息，进而检测每个所述绝对位置编码器的工作状态。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工作状态包括异常工作状态和正常工作状态；所述处理设备包括：

运算单元，用于根据所述绝对状态参数获取所述第一姿态信息，根据所述第一绝对姿态信息和所述第二绝对姿态信息获取所述第二姿态信息，并计算所述第一姿态信息与所述第二姿态信息之间的差值；

存储单元，存储有预设的阈值；以及

判断单元，判断所述差值是否大于所述预设的阈值；

其中，当所述差值大于所述预设的阈值时，所述判断单元判定所述第一传感设备处于所述异常工作状态。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述运算单元基于机械臂运动学模型，计算得到所述第一姿态信息。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

报警设备，与所述判断单元连接；

其中，所述判断单元判定所述第一传感设备处于所述异常工作状态后，输出所述异常工作状态的信息至所述报警设备，以触发该报警设备发出报警讯息。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述存储单元还用于存储所述第一绝对姿态信息、所述第二绝对姿态信息、所述第一姿态信息、所述第二姿态信息、所述差值和所述工作状态中的至少一个。

11.一种检测机械臂上传感设备工作状态的方法，其特征在于，所述机械臂具有自由端和固定端，所述固定端连接在底座上，所述自由端用于连接操作器械，所述机械臂包括多个关节以及通过关节连接的关节臂，所述关节包括转动关节；所述方法包括：

获得第一传感设备采集的位于目标关节臂与所述固定端之间的各所述转动关节的绝对状态参数；

根据所述绝对状态参数获取第一姿态信息；

分别采集第一绝对姿态信息和第二绝对姿态信息，所述第一绝对姿态信息为所述底座的绝对姿态信息，所述第二绝对姿态信息为所述目标关节臂的绝对姿态信息；

根据所述第一绝对姿态信息和所述第二绝对姿态信息获取第二姿态信息，且所述第一姿态信息和所述第二姿态信息均用于表征所述目标关节臂相对于所述底座的姿态关系；以及

根据所述第一姿态信息和所述第二姿态信息，判断所述第一传感设备的所述工作状态；

其中，所述第一绝对姿态信息由设置于所述底座上的第一传感单元采集；所述第二绝对姿态信息由设置于所述目标关节臂上的第二传感单元采集。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述目标关节臂为任一转动关节远端所连接的关节臂。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述根据所述绝对状态参数获取第一姿态信息的步骤，包括；

基于机械臂运动学模型，根据所述绝对状态参数计算出所述第一姿态信息。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述工作状态包括正常工作状态和异常工作状态；所述根据所述第一姿态信息和所述第二姿态信息，判断所述第一传感设备的工作状态的步骤，包括：

计算所述第一姿态信息与所述第二姿态信息之间的差值；

判断所述差值是否大于预设的阈值；

其中，若所述差值大于预设的阈值时，判定所述第一传感设备处于所述异常工作状态。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当判定所述第一传感设备处于所述异常工作状态时，发出报警讯息；

其中，所述报警讯息包括声音信号、灯光信号、振动信号和图像信号中的至少一种。

16.一种机械臂，其特征在于，包括：

机械臂本体，所述机械臂本体具有自由端和固定端，所述固定端用于连接在底座上，所述自由端用于连接操作器械；所述机械臂本体包括多个关节以及通过所述关节连接的关节臂，所述多个关节包括转动关节；

第一传感设备，用于采集位于目标关节臂与所述固定端之间的各所述转动关节的绝对状态参数；以及

设置在所述机械臂本体上的如权利要求1～10任一所述装置。

17.如权利要求16所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂为具有冗余度的柔性机械臂。

18.一种医疗机器人，其特征在于，包括：

底座；

操作器械；以及

设置在所述底座上的多个如权利要求16或17所述的机械臂；

其中，所述操作器械与所述机械臂本体的自由端连接，所述底座与所述机械臂本体的固定端连接，所述操作器械为手术器械或诊断器械。

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