一种机械臂控制方法、装置、系统、设备及存储介质与流程

1.本发明涉及数据处理技术领域，特别是涉及一种机械臂控制方法、装置、系统、设备及存储介质。


背景技术：

2.手术机器人上通常安装有机械臂，医生在使用手术机器人对手术对象进行手术时，手术机器人需要控制其机械臂移动到预先规划好的预期位置。手术机器人在控制其机械臂移动的过程中，需要避免机械臂与手术对象的手术部位发生碰撞。


技术实现要素：

3.本发明实施例的目的在于提供一种机械臂控制方法、装置、系统、设备及存储介质，以避免手术机器人机械臂与手术对象的手术部位发生碰撞。具体技术方案如下：第一方面，本发明实施例提供了一种机械臂控制方法，所述方法包括：获得探针的针尖多次触碰手术对象的手术部位时探针示踪器的第一位姿，其中，所述探针示踪器安装于所述探针上，所述探针针尖每一次触碰的手术部位上的位置不同；根据所述探针示踪器与所述探针针尖之间的相对位置关系以及所获得的各个第一位姿，确定所述探针针尖在每一次触碰所述手术部位时的针尖位置；根据所述探针针尖的各个针尖位置，确定障碍物空间所在位置；根据所述障碍物空间所在位置和预设的目标位姿控制机械臂移动，以使得所述机械臂末端移动至所述目标位姿指示的位置。
4.本发明的一个实施例中，所述根据所述障碍物空间所在位置和预设的目标位姿控制所述机械臂移动，包括：根据所述障碍物空间所在位置，以预设的目标位姿为机械臂末端的最终位姿规划移动路径，其中，所述移动路径针对所述障碍物空间进行避障；控制所述机械臂按照所规划的移动路径进行移动。
5.本发明的一个实施例中，所述根据所述障碍物空间所在位置和预设的目标位姿控制机械臂移动，包括：规划以预设的目标位姿为机械臂末端的最终位姿的移动路径；控制所述机械臂按照所规划的移动路径进行移动；在移动过程中，监测所述机械臂的实时位姿；根据所述实时位姿以及所述障碍物空间所在位置，判断所述机械臂是否触碰到所述障碍物空间；若为是，则根据所述障碍物空间所在位置，控制所述机械臂进行避障或停止运动。
6.本发明的一个实施例中，所述根据所述实时位姿以及所述障碍物空间所在位置，判断所述机械臂是否触碰到所述障碍物空间，包括：获得在所述探针针尖触碰所述手术部位时所述手术对象的对象位姿；
根据所述障碍物空间所在位置以及对象位姿，确定所述障碍物空间在所述手术对象中的手术位置；实时监测所述手术对象的位姿，并根据监测得到的位姿以及所述手术位置，更新所述障碍物空间所在位置；根据所述实时位姿以及更新后的障碍物空间所在位置，判断所述机械臂是否触碰到所述障碍物空间。
7.本发明的一个实施例中，所述障碍物空间所在位置为所述障碍物空间在基座坐标系下的位置，所述基座坐标系为：根据所述机械臂的基座建立的坐标系。
8.本发明的一个实施例中，所述方法还包括：获得在所述探针针尖触碰所述手术部位时标定示踪器的第二位姿，其中，所述第一位姿和第二位姿为同一坐标系下的位姿；所述根据所述探针示踪器与所述探针针尖之间的相对位置关系以及所获得的各个第一位姿，确定所述探针针尖在每一次触碰所述手术部位时的针尖位置，包括：针对所述探针针尖触碰所述手术部位的每一触碰时刻，根据该触碰时刻下的第一位姿、第二位姿以及所述探针示踪器与所述探针针尖之间的相对位置关系，确定在该触碰时刻下所述探针针尖在标定坐标系下的针尖位置，其中，所述标定坐标系为：根据所述标定示踪器建立的坐标系；所述根据所述探针针尖的各个针尖位置，确定障碍物空间所在位置，包括：获得当前机械臂姿态、所述标定示踪器的第三位姿以及末端示踪器的第四位姿，其中，所述末端示踪器安装于所述机械臂的末端，所述第三位姿和第四位姿为同一坐标系下的位姿；根据所获得的机械臂姿态，确定所述基座坐标系与末端坐标系之间的第一转换关系，其中，所述末端坐标系为：根据所述机械臂的末端建立的坐标系；根据所述第三位姿以及第四位姿，计算所述标定坐标系与示踪器坐标系之间的第二转换关系，其中，所述示踪器坐标系为：根据所述末端示踪器建立的坐标系；根据所述第一转换关系、第二转换关系、第三转换关系以及所述探针针尖在所述标定坐标系下的各个针尖位置，确定障碍物空间在所述基座坐标系下的位置，其中，所述第三转换关系为：所述示踪器坐标系与末端坐标系之间的转换关系。
9.第二方面，本发明实施例还提供了一种机械臂控制装置，所述装置包括：第一获得模块，用于获得探针的针尖多次触碰手术对象的手术部位时探针示踪器的第一位姿，其中，所述探针示踪器安装于所述探针上，所述探针针尖每一次触碰的手术部位上的位置不同；针尖确定模块，用于根据所述探针示踪器与所述探针针尖之间的相对位置关系以及所获得的各个第一位姿，确定所述探针针尖在每一次触碰所述手术部位时的针尖位置；障碍物确定模块，用于根据所述探针针尖的各个针尖位置，确定障碍物空间所在位置；机械臂控制模块，用于根据所述障碍物空间所在位置和预设的目标位姿控制机械臂移动，以使得所述机械臂末端移动至所述目标位姿指示的位置。
10.本发明的一个实施例中，所述机械臂控制模块，具体用于：
根据所述障碍物空间所在位置，以预设的目标位姿为机械臂末端的最终位姿规划移动路径，其中，所述移动路径针对所述障碍物空间进行避障；控制所述机械臂按照所规划的移动路径进行移动。
11.本发明的一个实施例中，所述机械臂控制模块，包括：路径规划子模块，用于规划以预设的目标位姿为机械臂末端的最终位姿的移动路径；机械臂控制子模块，用于控制所述机械臂按照所规划的移动路径进行移动；位姿检测子模块，用于在移动过程中，监测所述机械臂的实时位姿；触碰判断子模块，用于根据所述实时位姿以及所述障碍物空间所在位置，判断所述机械臂是否触碰到所述障碍物空间，若为是，则触发机械臂避障子模块；所述机械臂避障子模块，用于根据所述障碍物空间所在位置，控制所述机械臂进行避障或停止运动。
12.本发明的一个实施例中，所述触碰判断子模块，具体用于：获得在所述探针针尖触碰所述手术部位时所述手术对象的对象位姿；根据所述障碍物空间所在位置以及对象位姿，确定所述障碍物空间在所述手术对象中的手术位置；实时监测所述手术对象的位姿，并根据监测得到的位姿以及所述手术位置，更新所述障碍物空间所在位置；根据所述实时位姿以及更新后的障碍物空间所在位置，判断所述机械臂是否触碰到所述障碍物空间。
13.本发明的一个实施例中，所述障碍物空间所在位置为所述障碍物空间在基座坐标系下的位置，所述基座坐标系为：根据所述机械臂的基座建立的坐标系。
14.本发明的一个实施例中，所述装置还包括：第二获得模块，用于获得在所述探针针尖触碰所述手术部位时标定示踪器的第二位姿，其中，所述第一位姿和第二位姿为同一坐标系下的位姿；所述针尖确定模块，具体用于：针对所述探针针尖触碰所述手术部位的每一触碰时刻，根据该触碰时刻下的第一位姿、第二位姿以及所述探针示踪器与所述探针针尖之间的相对位置关系，确定在该触碰时刻下所述探针针尖在标定坐标系下的针尖位置，其中，所述标定坐标系为：根据所述标定示踪器建立的坐标系；所述障碍物确定模块，具体用于：获得当前机械臂姿态、所述标定示踪器的第三位姿以及末端示踪器的第四位姿，其中，所述末端示踪器安装于所述机械臂的末端，所述第三位姿和第四位姿为同一坐标系下的位姿；根据所获得的机械臂姿态，确定所述基座坐标系与末端坐标系之间的第一转换关系，其中，所述末端坐标系为：根据所述机械臂的末端建立的坐标系；根据所述第三位姿以及第四位姿，计算所述标定坐标系与示踪器坐标系之间的第二转换关系，其中，所述示踪器坐标系为：根据所述末端示踪器建立的坐标系；根据所述第一转换关系、第二转换关系、第三转换关系以及所述探针针尖在所述
标定坐标系下的各个针尖位置，确定障碍物空间在所述基座坐标系下的位置，其中，所述第三转换关系为：所述示踪器坐标系与末端坐标系之间的转换关系。
15.第三方面，本发明实施例还提供了一种机械臂控制系统，所述系统包括：机械臂、安装有探针示踪器的探针、三维导航追踪设备、上位机、用于示出手术对象的位姿的对象示踪器、安装有定位示踪器的定位器；所述定位器安装于所述机械臂的末端；所述三维导航追踪设备，用于获得探针的针尖多次触碰手术对象的手术部位时所述探针示踪器的第一位姿以及所述对象示踪器的第二位姿，并将所述第一位姿、第二位姿发送给所述上位机，其中，所述探针针尖每一次触碰的手术部位上的位置不同，所述第一位姿和第二位姿为同一坐标系下的位姿；所述上位机，用于针对所述探针针尖触碰所述手术部位的每一触碰时刻，根据该触碰时刻下的第一位姿、第二位姿以及所述探针示踪器与所述探针针尖之间的相对位置关系，确定在该触碰时刻下所述探针针尖在对象坐标系下的针尖位置，根据所述探针针尖在所述对象坐标系下的各个针尖位置，确定障碍物空间在所述对象坐标系下的位置，其中，所述对象坐标系为：根据所述对象示踪器建立的坐标系；所述上位机，还用于获得当前机械臂姿态、所述对象示踪器的第三位姿以及定位示踪器的第四位姿；根据所述机械臂姿态，确定所述基座坐标系与末端坐标系之间的第一转换关系；根据所述第三位姿以及第四位姿，计算所述对象坐标系与定位坐标系之间的第二转换关系；根据所述第一转换关系、第二转换关系以及第三转换关系，将所述对象坐标系下所述障碍物空间所在位置转换至所述基座坐标系下，其中，所述第三位姿和第四位姿为同一坐标系下的位姿，所述定位坐标系为：根据所述定位示踪器建立的坐标系，所述末端坐标系为：根据所述机械臂的末端建立的坐标系，所述基座坐标系为：根据所述机械臂的基座建立的坐标系，所述第三转换关系为：所述定位坐标系与所述末端坐标系之间的转换关系；所述上位机，还用于根据所述基座坐标系下所述障碍物空间所在位置以及预设的目标位姿，控制所述机械臂移动，以使得所述机械臂末端移动至所述目标位姿指示的位置。
16.第四方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器，用于存放计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述第一方面任一所述的方法步骤。
17.第五方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面任一所述的方法步骤。
18.本发明实施例有益效果：由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，根据探针上安装的探针示踪器的第一位姿，确定探针针尖的针尖位置，从而根据各个针尖位置确定障碍物空间所在位置。由于上述针尖位置为探针针尖触碰手术对象的手术部位时的位置，因此，上述障碍物空间可以认为是包围上述手术部位的空间，这样根据障碍物空间所在位置以及目标位姿控制机械臂移动，能够使得机械臂准确避开手术部位进行移动。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
20.图1为本发明实施例提供的第一种机械臂控制方法的流程示意图；图2为本发明实施例提供的第二种机械臂控制方法的流程示意图；图3为本发明实施例提供的第三种机械臂控制方法的流程示意图；图4为本发明实施例提供的第四种机械臂控制方法的流程示意图；图5为本发明实施例提供的第五种机械臂控制方法的流程示意图；图6为本发明实施例提供的第一种机械臂控制装置的结构示意图；图7为本发明实施例提供的第二种机械臂控制装置的结构示意图；图8为本发明实施例提供的第三种机械臂控制装置的结构示意图；图9为本发明实施例提供的一种机械臂控制系统的结构示意图；图10为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.参见图1，图1为本发明实施例提供的第一种机械臂控制方法的流程示意图，上述方法包括以下步骤s101-步骤s104。
23.步骤s101：获得探针的针尖多次触碰手术对象的手术部位时探针示踪器的第一位姿。
24.其中，探针示踪器安装于探针上，探针针尖每一次触碰的手术部位上的位置不同。
25.上述探针示踪器可以安装与探针的尾部，也可以安装于探针的其他位置。
26.具体的，医生在对手术对象进行手术时，可以使用探针触碰手术对象的手术部位，在医生每一次使用探针触碰手术部位时，可以获得在这一触碰时刻下探针示踪器的第一位姿，这样在医生使用探针多次触碰手术部位的不同位置时，可以获得探针示踪器的多个第一位姿。
27.获得示踪器的位姿可以通过现有技术实现，这里不再详述。
28.步骤s102：根据探针示踪器与探针针尖之间的相对位置关系以及所获得的各个第一位姿，确定探针针尖在每一次触碰手术部位时的针尖位置。
29.具体的，在将探针示踪器安装于探针上之后，可以标定探针示踪器与探针针尖之间的相对位置关系，这样在获得上述各个第一位姿之后，针对探针针尖触碰手术部位的每一触碰时刻，可以根据该相对位置关系以及该触碰时刻下的第一位姿，确定探针针尖在该触碰时刻下的针尖位置。
30.步骤s103：根据探针针尖的各个针尖位置，确定障碍物空间所在位置。
31.具体的，在获得探针针尖的各个针尖位置后，可以生成以各个针尖位置作为端点的多面体空间，该多面体空间即为上述障碍物空间，该多面体空间所在位置即为上述障碍物空间所在位置。
32.步骤s104：根据障碍物空间所在位置和预设的目标位姿控制机械臂移动，以使得机械臂末端移动至目标位姿指示的位置。
33.具体的，在控制机械臂移动的过程中，根据预设的目标位姿进行控制，可以使得机械臂末端最终移动至目标位姿指示的位置，再结合上述障碍物空间所在位置进行控制，可以在控制机械臂移动过程中，保证机械臂始终不触碰障碍物空间，从而实现避障。
34.根据障碍物空间所在位置和上述目标位姿控制机械臂移动的具体实现方式可参见后续图3所示实施例中步骤s104a-步骤s104b以及图4所示实施例中步骤s104c-步骤s104g，这里暂不详述。
35.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，根据探针上安装的探针示踪器的第一位姿，确定探针针尖的针尖位置，从而根据各个针尖位置确定障碍物空间所在位置。由于上述针尖位置为探针针尖触碰手术对象的手术部位时的位置，因此，上述障碍物空间可以认为是包围上述手术部位的空间，这样根据障碍物空间所在位置以及目标位姿控制机械臂移动，能够使得机械臂准确避开手术部位进行移动。
36.另外，本方案中，医生仅需使用探针触碰手术对象的手术部位即可实现机械臂控制，因此，本发明实施例提供的机械臂控制方案中医生所需执行的操作简单。
37.本发明的一个实施例中，上述障碍物空间所在位置为障碍物空间在基座坐标系下的位置，基座坐标系为：根据机械臂的基座建立的坐标系。
38.具体的，三维导航追踪设备可以观测到示踪器在自身导航坐标系下的位姿，因此，上述第一位姿可以是上述导航坐标系下的位姿，基于此，可以计算导航坐标系与基座坐标系之间的转换关系，将三维导航追踪设备观测到的第一位姿转换至基座坐标系下，从而根据基座坐标系下的第一位姿确定探针针尖在基座坐标系下的各个针尖位置，进而确定障碍物空间在基座坐标系下的位置。
39.另外，在获得导航坐标系下的第一位姿后，还可以首先根据导航坐标系下的第一位姿获得导航坐标系下障碍物空间的位置，然后再利用导航坐标系与基座坐标系之间的转换关系，将障碍物空间在导航坐标系下的位置转换至基座坐标系下。
40.计算上述导航坐标系与基座坐标系之间的转换关系的具体实现方式可参见后续图2所示实施例，这里暂不详述。
41.本方案中，由于机械臂通常按照手术机器人在基座坐标系下生成的控制指令进行移动，上述障碍物空间所在位置为障碍物空间在基座坐标系下的位置，因此，根据障碍物空间在基座坐标系下的位置能够准确生成控制指令，从而能够准确控制机械臂进行移动。因此，应用本发明实施例提供的机械臂控制方案，能够提高控制准确性。
42.下面对获得障碍物空间在基座坐标系下的位置的具体实现方式进行说明。
43.本发明的一个实施例中，参见图2，提供了第二种机械臂控制方法的流程示意图，本实施例中，上述方法还包括以下步骤s105，并且上述步骤s102可以通过以下步骤s102a实现，上述步骤s103可以通过以下步骤s103a-步骤s103d实现。
44.步骤s105：获得在探针针尖触碰手术部位时标定示踪器的第二位姿。
45.其中，第一位姿和第二位姿为同一坐标系下的位姿。
46.上述标定示踪器可以是用于示出手术对象的位姿的示踪器，还可以是其他的固定不动的示踪器。
47.获得上述第二位姿的方式可参见上述步骤s101中获得第一位姿的方式，这里不再赘述。
48.在获得上述第一位姿和第二位姿后，可以执行以下步骤s102a确定探针针尖在标定坐标系下的针尖位置。
49.步骤s102a：针对探针针尖触碰手术部位的每一触碰时刻，根据该触碰时刻下的第一位姿、第二位姿以及探针示踪器与探针针尖之间的相对位置关系，确定在该触碰时刻下探针针尖在标定坐标系下的针尖位置。
50.其中，标定坐标系为：根据标定示踪器建立的坐标系。
51.具体的，探针示踪器与探针针尖之间的相对位置关系能够反映探针针尖在探针示踪器的探针坐标系下的位姿。另外，根据同一触碰时刻下的第一位姿和第二位姿，可以确定该时刻下探针坐标系与标定坐标系之间的转换关系，这样可以将探针针尖在探针坐标系下的位姿转换至标定坐标系下。
52.另外，由于标定示踪器可以是固定不动的，而探针示踪器是随着探针位姿的改变而改变，因此，每一触碰时刻下探针坐标系与标定坐标系之间的转换关系不同，这样探针每改变一次位置，可以计算出探针坐标系与标定坐标系之间新的转换关系，从而根据探针坐标系与标定坐标系之间新的转换关系以及探针针尖在探针坐标系下的位姿，确定探针针尖在标定坐标系下的针尖位置。
53.在获得探针针尖在标定坐标系下的各个针尖位置之后，可以通过以下步骤s103a-步骤s103d，利用所获得的针尖位置确定障碍物空间在基座坐标系下的位置。
54.步骤s103a：获得当前机械臂姿态、标定示踪器的第三位姿以及末端示踪器的第四位姿。
55.其中，末端示踪器安装于机械臂的末端。
56.第三位姿和第四位姿为同一坐标系下的位姿。
57.具体的，在控制机械臂过程中，可以实时监测机械臂的姿态，这样上述当前机械臂姿态可以是监测获得的。
58.上述第三位姿以及第四位姿的获得方式可参见上述图1所示实施例中步骤s101，这里不再赘述。
59.步骤s103b：根据所获得的机械臂姿态，确定基座坐标系与末端坐标系之间的第一转换关系。
60.其中，末端坐标系为：根据机械臂的末端建立的坐标系。
61.具体的，机械臂基座与机械臂末端通常通过一个或多个中间关节相连，机械臂姿态包括机械臂末端的姿态、机械臂基座的姿态以及各个中间关节的姿态，由于机械臂基座、中间关节、机械臂末端是依次首尾相连的，因此，确定了机械臂基座、中间关节、机械臂末端的姿态之后，也就确定了各个关节之间的相对位置，从而根据机械臂姿态，可以确定机械臂末端与机械臂基座之间的相对位置，根据机械臂末端与机械臂基座之间的相对位置，可以确定基座坐标系与末端坐标系之间的第一转换关系。
62.步骤s103c：根据第三位姿以及第四位姿，计算标定坐标系与示踪器坐标系之间的第二转换关系。
63.其中，示踪器坐标系为：根据末端示踪器建立的坐标系。
64.具体的，根据第三位姿和第四位姿，可以确定标定示踪器与末端示踪器之间的相对位置，从而根据标定示踪器末端示踪器之间的相对位置，可以确定出标定坐标系与示踪器坐标系之间的第二转换关系。
65.步骤s103d：根据第一转换关系、第二转换关系、第三转换关系以及探针针尖在标定坐标系下的各个针尖位置，确定障碍物空间在基座坐标系下的位置。
66.其中，第三转换关系为：示踪器坐标系与末端坐标系之间的转换关系。
67.在将末端示踪器安装与机械臂末端之后，可以标定末端示踪器与机械臂末端之间的相对位置，也就确定了示踪器坐标系与末端坐标系之间的第三转换关系。
68.本发明的一个实施例中，在确定障碍物空间在基座坐标系下的位置时，可以将探针针尖在标定坐标系下的针尖位置转换至基座坐标系下，再根据转换后的针尖位置，确定障碍物空间在基座坐标系下的位置。
69.对探针针尖的针尖位置进行坐标系转换可以通过以下两种实现方式中任一种实现。
70.第一种实现方式中，可以根据第二转换关系，将探针针尖在标定坐标系下的针尖位置转换至示踪器坐标系下，根据第三转换关系，将探针针尖在示踪器坐标系下的针尖位置转换至末端坐标系下，根据第一转换关系，将探针针尖在末端坐标系下的针尖位置转换至基座坐标系下。
71.第二种实现方式中，根据第一转换关系、第二转换关系以及第三转换关系，可以确定标定坐标系与基座坐标系之间的第四转换关系，从而根据第四转换关系，可以将探针针尖在标定坐标系下的针尖位置转换至基座坐标系下。
72.本发明的另一个实施例中，在确定障碍物空间在基座坐标系下的位置时，还可以根据探针针尖在标定坐标系下的针尖位置，确定障碍物空间在标定坐标系下的位置，然后利用第一转换关系、第二转换关系以及第三转换关系，将障碍物空间在标定坐标系下的位置转换至基座坐标系下。
73.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，根据第一转换关系、第二转换关系、第三转换关系以及探针针尖在标定坐标系下的各个针尖位置，能够准确确定障碍物空间在基座坐标系下的位置，从而根据障碍物空间在基座坐标系下的位置控制机械臂尽心移动，能够提高机械臂的控制准确性。
74.下面对控制机械臂移动的具体实现方式进行说明。
75.本发明的一个实施例中，参见图3，提供了第三种机械臂控制方法的流程示意图，本实施例中，上述步骤s104可以通过以下步骤s104a-步骤s104b实现。
76.步骤s104a：根据障碍物空间所在位置，以预设的目标位姿为机械臂末端的最终位姿规划移动路径。
77.其中，移动路径针对障碍物空间进行避障。
78.具体的，在规划机械臂的移动路径时，可以将障碍物空间作为路障、将上述目标位姿作为机械臂末端在路径终点上的最终位姿进行规划。
79.本发明的一个实施例中，可以通过以下三种实现方式中任一种规划上述移动路径。
80.第一种实现方式中，可以规划以预设的目标位姿为机械臂末端的最终位姿的多条移动路径，并根据障碍物空间所在位置，在所规划的多条移动路径中选择不经过障碍物空间的移动路径。
81.根据目标位姿规划移动路径可以通过现有的路径规划技术实现，这里不再详述。
82.第二种实现方式中，在根据上述目标位姿规划得到机械臂的移动路径之后，若所规划的移动路径经过障碍物空间，则可以在不经过障碍物空间的前提下重新规划经过障碍物空间的这一段路径。
83.第三种实现方式中，在进行路径规划时考虑障碍物空间所在位置，以机械臂规避障碍物空间为原则规划机械臂的移动路径。
84.步骤s104b：控制机械臂按照所规划的移动路径进行移动。
85.具体的，在规划得到机械臂的移动路径之后，可以通过以下两种实现方式中任一种控制机械臂移动。
86.第一种实现方式中，可以在上述移动路径上选择多个位置点，并将各个位置点的位置信息发送给机械臂，以使得机械臂依次经过各个位置点，从而实现控制机械臂移动。
87.第二种实现方式中，可以根据上述移动路径生成速度控制指令，并向机械臂发送所生成的速度控制指令，从而实现控制机械臂移动。
88.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，根据障碍物空间所在位置规划移动路径，控制机械臂按照所规划的移动路径进行移动，由于上述移动路径是针对障碍物空间进行避障的路径，这样在控制机械臂按照所规划的移动路径进行移动的过程中，能够准确控制机械臂规避障碍物空间。
89.本发明的另一个实施例中，参见图4，提供了第四种机械臂控制方法的流程示意图，本实施例中，上述步骤s104可以通过以下步骤s104c-步骤s104g实现。
90.步骤s104c：规划以预设的目标位姿为机械臂末端的最终位姿的移动路径。
91.本步骤可以通过现有的路径规划技术实现，这里不再详述。
92.步骤s104d：控制机械臂按照所规划的移动路径进行移动。
93.本步骤与上述步骤s104b相类似，这里不再赘述。
94.步骤s104e：在移动过程中，监测机械臂的实时位姿。
95.具体的，手术机器人在控制机械臂移动的过程中，通常可以实时获得机械臂的当前位姿，因此，在控制机械臂按照上述规划的移动路径进行移动的过程中，同样可以实时获得机械臂的当前位姿，作为机械臂的实时位姿。
96.另外，还可以在机械臂上安装示踪器，并获得示踪器与机械臂之间的相对位置关系，实时监测示踪器的位姿，根据监测到的示踪器的位姿以及所获得的示踪器与机械臂之间的相对位置关系，计算机械臂的实时位姿。
97.步骤s104f：根据实时位姿以及障碍物空间所在位置，判断机械臂是否触碰到障碍物空间，若为是，则执行步骤s104g。
98.具体的，根据机械臂的实时位姿，可以确定机械臂所在位置，这样可以判断机械臂所在位置与障碍物空间所在位置是否重合或者二者距离相差较小，从而判断机械臂是否触
碰到障碍物空间。若机械臂所在位置与障碍物空间所在位置重合或者二者距离相差较小，则说明机械臂触碰到障碍物空间，此时，执行步骤s104g。
99.步骤s104g：根据障碍物空间所在位置，控制机械臂进行避障或停止运动。
100.具体的，在判断出机械臂触碰到障碍物空间时，可以控制机械臂进行避障或者停止运动，这样能够及时避免机械臂与手术部位触碰，从而保证手术的安全性。
101.本发明的一个实施例中，可以通过以下两种实现方式中任一种控制机械臂进行避障。
102.第一种实现方式中，可以根据障碍物空间所在位置以及所规划的移动路径中不经过障碍物空间的路段的位置，控制机械臂绕开障碍物空间，并再次回到上述移动路径，从而控制机械臂继续按照移动路径进行移动，从而实现机械臂避障。
103.第二种实现方式中，在判断出机械臂触碰到障碍物空间时，可以控制机械臂按照已经过的路径进行反向移动，以达到机械臂避障的目的。
104.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，监测机械臂移动过程中的实时位姿，根据实时位姿以及障碍物空间所在位姿，能够准确判断出机械臂是否触碰到障碍物空间，从而能够在判断出发生触碰之后，根据障碍物空间所在位置，准确控制机械臂进行避障。
105.在机械臂移动的过程中，手术对象的位姿可能发生改变，从而障碍物空间所在位置也会发生改变。
106.针对上述情况，本发明的一个实施例中，参见图5，提供了第五种机械臂控制方法的流程示意图，本实施例中，上述步骤s104f可以通过以下步骤s104f1-步骤s104f4实现。
107.步骤s104f1：获得在探针针尖触碰手术部位时手术对象的对象位姿。
108.具体的，在对手术对象进行手术时，可以部署有用于示出手术对象的位姿的对象示踪器，这样在探针针尖触碰手术部位时，可以获得对象示踪器的位姿，作为手术对象的对象位姿。
109.步骤s104f2：根据障碍物空间所在位置以及对象位姿，确定障碍物空间在手术对象中的手术位置。
110.具体的，根据对象位姿，可以确定手术对象所在位置，这样根据障碍物空间所在位置以及手术对象所在位置，可以获得障碍物空间与手术对象之间的相对位置，这样也就获得了障碍物空间在手术对象中的手术位置。
111.步骤s104f3：实时监测手术对象的位姿，并根据监测得到的位姿以及手术位置，更新障碍物空间所在位置。
112.具体的，上述障碍物空间在手术对象中的手术位置可以理解为障碍物空间和手术对象之间的相对位置，这样在获得实时监测到的手术对象的位姿后，可以确定手术对象的位姿反映的位置，并根据障碍物空间与手术对象之间的相对位置，确定当前障碍物空间所在的最新位置，从而更新障碍物空间所在位置为该最新位置。
113.步骤s104f4：根据实时位姿以及更新后的障碍物空间所在位置，判断机械臂是否触碰到障碍物空间，若为是，则执行步骤s104g。
114.本步骤与上述步骤s104f相类似，这里不再赘述。
115.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，根据实时监测到的手
术对象的位姿、障碍物空间在手术对象中的手术位置这两种信息，更新障碍物空间所在位置，这样在判断机械臂是否触碰到障碍物空间时，能够提高判断的准确性，从而根据较为准确的判断结果控制机械臂，能够提高机械臂控制的准确性。因此，应用本发明实施例提供的机械臂控制方案，能够提高机械臂控制的准确性。
116.与上述机械臂控制方法相对应，本发明实施例还提供了一种机械臂控制装置。
117.本发明的一个实施例中，参见图6，提供了第一种机械臂控制装置的结构示意图，所述装置包括：第一获得模块601，用于获得探针的针尖多次触碰手术对象的手术部位时探针示踪器的第一位姿，其中，所述探针示踪器安装于所述探针上，所述探针针尖每一次触碰的手术部位上的位置不同；针尖确定模块602，用于根据所述探针示踪器与所述探针针尖之间的相对位置关系以及所获得的各个第一位姿，确定所述探针针尖在每一次触碰所述手术部位时的针尖位置；障碍物确定模块603，用于根据所述探针针尖的各个针尖位置，确定障碍物空间所在位置；机械臂控制模块604，用于根据所述障碍物空间所在位置和预设的目标位姿控制机械臂移动，以使得所述机械臂末端移动至所述目标位姿指示的位置。
118.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，根据探针上安装的探针示踪器的第一位姿，确定探针针尖的针尖位置，从而根据各个针尖位置确定障碍物空间所在位置。由于上述针尖位置为探针针尖触碰手术对象的手术部位时的位置，因此，上述障碍物空间可以认为是包围上述手术部位的空间，这样根据障碍物空间所在位置以及目标位姿控制机械臂移动，能够使得机械臂准确避开手术部位进行移动。
119.本发明的一个实施例中，所述机械臂控制模块604，具体用于：根据所述障碍物空间所在位置，以预设的目标位姿为机械臂末端的最终位姿规划移动路径，其中，所述移动路径针对所述障碍物空间进行避障；控制所述机械臂按照所规划的移动路径进行移动。
120.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，根据障碍物空间所在位置规划移动路径，控制机械臂按照所规划的移动路径进行移动，由于上述移动路径是针对障碍物空间进行避障的路径，这样在控制机械臂按照所规划的移动路径进行移动的过程中，能够准确控制机械臂规避障碍物空间。
121.本发明的一个实施例中，参见图7，提供了第二种机械臂控制装置的结构示意图，本实施例中，所述机械臂控制模块604，包括：路径规划子模块604a，用于规划以预设的目标位姿为机械臂末端的最终位姿的移动路径；机械臂控制子模块604b，用于控制所述机械臂按照所规划的移动路径进行移动；位姿检测子模块604c，用于在移动过程中，监测所述机械臂的实时位姿；触碰判断子模块604d，用于根据所述实时位姿以及所述障碍物空间所在位置，判断所述机械臂是否触碰到所述障碍物空间，若为是，则触发机械臂避障子模块604e；所述机械臂避障子模块604e，用于根据所述障碍物空间所在位置，控制所述机械
臂进行避障或停止运动。
122.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，监测机械臂移动过程中的实时位姿，根据实时位姿以及障碍物空间所在位姿，能够准确判断出机械臂是否触碰到障碍物空间，从而能够在判断出发生触碰之后，根据障碍物空间所在位置，准确控制机械臂进行避障。
123.本发明的一个实施例中，所述触碰判断子模块604d，具体用于：获得在所述探针针尖触碰所述手术部位时所述手术对象的对象位姿；根据所述障碍物空间所在位置以及对象位姿，确定所述障碍物空间在所述手术对象中的手术位置；实时监测所述手术对象的位姿，并根据监测得到的位姿以及所述手术位置，更新所述障碍物空间所在位置；根据所述实时位姿以及更新后的障碍物空间所在位置，判断所述机械臂是否触碰到所述障碍物空间。
124.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，根据实时监测到的手术对象的位姿、障碍物空间在手术对象中的手术位置这两种信息，更新障碍物空间所在位置，这样在判断机械臂是否触碰到障碍物空间时，能够提高判断的准确性，从而根据较为准确的判断结果控制机械臂，能够提高机械臂控制的准确性。因此，应用本发明实施例提供的机械臂控制方案，能够提高机械臂控制的准确性。
125.本发明的一个实施例中，所述障碍物空间所在位置为所述障碍物空间在基座坐标系下的位置，所述基座坐标系为：根据所述机械臂的基座建立的坐标系。
126.本方案中，由于机械臂通常按照手术机器人在基座坐标系下生成的控制指令进行移动，上述障碍物空间所在位置为障碍物空间在基座坐标系下的位置，因此，根据障碍物空间在基座坐标系下的位置能够准确生成控制指令，从而能够准确控制机械臂进行移动。因此，应用本发明实施例提供的机械臂控制方案，能够提高控制准确性。
127.本发明的一个实施例中，参见图8，提供了第三种机械臂控制装置的结构示意图，所述装置还包括：第二获得模块605，用于获得在所述探针针尖触碰所述手术部位时标定示踪器的第二位姿，其中，所述第一位姿和第二位姿为同一坐标系下的位姿；所述针尖确定模块602，具体用于：针对所述探针针尖触碰所述手术部位的每一触碰时刻，根据该触碰时刻下的第一位姿、第二位姿以及所述探针示踪器与所述探针针尖之间的相对位置关系，确定在该触碰时刻下所述探针针尖在标定坐标系下的针尖位置，其中，所述标定坐标系为：根据所述标定示踪器建立的坐标系；所述障碍物确定模块603，具体用于：获得当前机械臂姿态、所述标定示踪器的第三位姿以及末端示踪器的第四位姿，其中，所述末端示踪器安装于所述机械臂的末端，所述第三位姿和第四位姿为同一坐标系下的位姿；根据所获得的机械臂姿态，确定所述基座坐标系与末端坐标系之间的第一转换关系，其中，所述末端坐标系为：根据所述机械臂的末端建立的坐标系；
根据所述第三位姿以及第四位姿，计算所述标定坐标系与示踪器坐标系之间的第二转换关系，其中，所述示踪器坐标系为：根据所述末端示踪器建立的坐标系；根据所述第一转换关系、第二转换关系、第三转换关系以及所述探针针尖在所述标定坐标系下的各个针尖位置，确定障碍物空间在所述基座坐标系下的位置，其中，所述第三转换关系为：所述示踪器坐标系与末端坐标系之间的转换关系。
128.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，根据第一转换关系、第二转换关系、第三转换关系以及探针针尖在标定坐标系下的各个针尖位置，能够准确确定障碍物空间在基座坐标系下的位置，从而根据障碍物空间在基座坐标系下的位置控制机械臂尽心移动，能够提高机械臂的控制准确性。
129.与上述机械臂控制方法相对应，本发明实施例还提供了一种机械臂控制系统。
130.本发明的一个实施例中，参见图9，提供了一种机械臂控制系统的结构示意图，所述系统包括：机械臂901、安装有探针示踪器902的探针903、三维导航追踪设备904、上位机905、用于示出手术对象的位姿的对象示踪器906、安装有定位示踪器907的定位器908；所述定位器908安装于所述机械臂901的末端；所述三维导航追踪设备904，用于获得探针903的针尖多次触碰手术对象的手术部位时所述探针示踪器902的第一位姿以及所述对象示踪器906的第二位姿，并将所述第一位姿、第二位姿发送给所述上位机905，其中，所述探针针尖每一次触碰的手术部位上的位置不同，所述第一位姿和第二位姿为同一坐标系下的位姿；所述上位机905，用于针对所述探针针尖触碰所述手术部位的每一触碰时刻，根据该触碰时刻下的第一位姿、第二位姿以及所述探针示踪器902与所述探针针尖之间的相对位置关系，确定在该触碰时刻下所述探针针尖在对象坐标系下的针尖位置，根据所述探针针尖在所述对象坐标系下的各个针尖位置，确定障碍物空间在所述对象坐标系下的位置，其中，所述对象坐标系为：根据所述对象示踪器906建立的坐标系；所述上位机905，还用于获得当前机械臂姿态、所述对象示踪器906的第三位姿以及定位示踪器907的第四位姿；根据所述机械臂姿态，确定所述基座坐标系与末端坐标系之间的第一转换关系；根据所述第三位姿以及第四位姿，计算所述对象坐标系与定位坐标系之间的第二转换关系；根据所述第一转换关系、第二转换关系以及第三转换关系，将所述对象坐标系下所述障碍物空间所在位置转换至所述基座坐标系下，其中，所述第三位姿和第四位姿为同一坐标系下的位姿，所述定位坐标系为：根据所述定位示踪器907建立的坐标系，所述末端坐标系为：根据所述机械臂901的末端建立的坐标系，所述基座坐标系为：根据所述机械臂901的基座建立的坐标系，所述第三转换关系为：所述定位坐标系与所述末端坐标系之间的转换关系；所述上位机905，还用于根据所述基座坐标系下所述障碍物空间所在位置以及预设的目标位姿，控制所述机械臂901移动，以使得所述机械臂末端移动至所述目标位姿指示的位置。
131.本发明的一个实施例中，上述三维导航追踪设备904可以是红外光学导航设备、可见光光学导航设备、磁导航设备、电导航设备中的任一种。
132.本发明的一个实施例中，上述机械臂可以是4轴、5轴、6轴更串联或并联形态的协作机械臂。
133.由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制机械臂时，根据探针上安装的探针示踪器的第一位姿，确定探针针尖的针尖位置，从而根据各个针尖位置确定障碍物空间所在位置。由于上述针尖位置为探针针尖触碰手术对象的手术部位时的位置，因此，上述障碍物空间可以认为是包围上述手术部位的空间，这样根据障碍物空间所在位置以及目标位姿控制机械臂移动，能够使得机械臂准确避开手术部位进行移动。
134.本发明实施例还提供了一种电子设备，如图10所示，包括处理器1001、通信接口1002、存储器1003和通信总线1004，其中，处理器1001，通信接口1002，存储器1003通过通信总线1004完成相互间的通信，存储器1003，用于存放计算机程序；处理器1001，用于执行存储器1003上所存放的程序时，实现如下步骤：获得探针的针尖多次触碰手术对象的手术部位时探针示踪器的第一位姿，其中，所述探针示踪器安装于所述探针上，所述探针针尖每一次触碰的手术部位上的位置不同；根据所述探针示踪器与所述探针针尖之间的相对位置关系以及所获得的各个第一位姿，确定所述探针针尖在每一次触碰所述手术部位时的针尖位置；根据所述探针针尖的各个针尖位置，确定障碍物空间所在位置；根据所述障碍物空间所在位置和预设的目标位姿控制机械臂移动，以使得所述机械臂末端移动至所述目标位姿指示的位置。
135.上述处理器1001执行存储器1003上存放的程序以实现机械臂控制的其他方案，与前述方法实施例中提及的方案相同，这里不再赘述。
136.上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准（peripheral component interconnect，pci）总线或扩展工业标准结构（extended industry standard architecture，eisa）总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
137.通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
138.存储器可以包括随机存取存储器（random access memory，ram），也可以包括非易失性存储器（non-volatile memory，nvm），例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
139.上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器（central processing unit，cpu）、网络处理器（network processor，np）等；还可以是数字信号处理器（digital signal processor，dsp）、专用集成电路（application specific integrated circuit，asic）、现场可编程门阵列（field-programmable gate array，fpga）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
140.在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一机械臂控制方法的步骤。
141.在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一机械臂控制方法。
142.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序
产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（dsl））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质（例如固态硬盘solid state disk (ssd)）等。
143.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
144.本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、电子设备、计算机可读存储介质以及计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
145.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。