1.本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种机械臂碰撞力检测系统、检测方法、机械臂控制方法、手术机器人系统、电子设备和存储介质。


背景技术：

2.机器人是一种能够半自主或全自主工作的智能机器，其具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作。
3.现有机器人碰撞检测技术，碰撞检测是通过力矩传感器检测力是否发生变化或者检测关节电流是否发生突变来判断机器人是否发生碰撞。然而采用力矩传感器进行碰撞检测的方法由于力矩传感器会占用较大的空间，因此会对机械臂的灵活性造成影响；而采用电流检测的方法无法准确检测出碰撞力的大小。
4.需要说明的是，公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种机械臂碰撞力检测系统、检测方法、机械臂控制方法、手术机器人系统、电子设备和存储介质，可以在不对机械臂的灵活性造成影响的前提下，有效检测出机械臂所受到的碰撞力，提高机械臂在运动过程中的安全性能。
6.为达到上述目的，本发明的第一方面提供一种机械臂碰撞力检测系统，包括柔性装置和控制器，所述柔性装置上设有多个力检测单元，所述力检测单元与所述控制器通信连接，所述柔性装置用于包裹住所述机械臂的指定区域；
7.所述力检测单元用于进行受力检测，并将受力检测结果发送至所述控制器；
8.所述控制器用于根据所述力检测单元的受力检测结果，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果。
9.可选的，所述柔性装置为电子皮肤。
10.可选的，所述多个力检测单元呈阵列式紧密排布在所述柔性装置上。
11.为达到上述目的，本发明的第二方面提供一种机械臂碰撞力检测方法，所述机械臂上包裹有柔性装置，所述柔性装置上设有多个力检测单元，所述检测方法包括：
12.获取所述力检测单元的受力检测结果；
13.根据所述力检测单元的受力检测结果，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果。
14.可选的，所述根据所述力检测单元的受力检测结果，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果，包括：
15.根据所述力检测单元的受力检测结果，将检测到外力的力检测单元确定为目标力检测单元；
16.根据所述目标力检测单元的位置信息，获取所述目标力检测单元的受力向量；
17.根据所述目标力检测单元的受力向量，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果。
18.可选的，所述根据所述目标力检测单元的位置信息，获取所述目标力检测单元的受力向量，包括：
19.根据所述目标力检测单元在所述柔性装置上的位置信息以及所述柔性装置与对应的关节之间的位置关系，获取所述目标力检测单元在关节坐标系下的位置信息；
20.根据所述目标力检测单元在所述关节坐标系下的位置信息、所述关节在世界坐标系下的位置信息以及所述目标力检测单元的受力检测结果，获取所述目标力检测单元在所述世界坐标系下的受力向量。
21.可选的，所述根据所述目标力检测单元的受力向量，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果，包括：
22.将所有的所述目标力检测单元在所述世界坐标系下的受力向量相加，以获取总受力向量；
23.根据所述总受力向量以及所述目标力检测单元在所述世界坐标系下的位置信息，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果。
24.可选的，所述碰撞力的检测结果包括碰撞力的大小、方向、发生位置和类型。
25.可选的，所述根据所述总受力向量以及所述目标力检测单元在所述世界坐标系下的位置信息，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果，包括：
26.根据所述总受力向量，获取所述机械臂的碰撞力向量；
27.根据所述目标力检测单元在所述世界坐标系下的位置信息，获取所述机械臂的碰撞发生位置；
28.判断除所述机械臂以外的其它机械臂中是否存在一条机械臂与所述机械臂的碰撞力向量大小相等方向相反且碰撞发生位置相同；
29.若是，则判定所述机械臂的碰撞力类型为机械臂之间的碰撞力；
30.若否，则判定所述机械臂的碰撞力类型为机械臂与外部环境之间的碰撞力；
31.根据所述机械臂的碰撞力向量、碰撞力类型以及所述目标力检测单元在所述世界坐标系下的位置信息，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果。
32.可选的，所述碰撞力的检测结果还包括碰撞力矩。
33.可选的，所述碰撞力矩通过以下过程获得：
34.根据所述目标力检测单元在所述柔性装置上的位置信息以及所述柔性装置与对应的关节之间的位置关系，获取所述目标力检测单元在关节坐标系下的位置信息；
35.根据所述目标力检测单元在关节坐标系下的位置信息以及所述目标力检测单元的受力检测结果，获取所述目标力检测单元在所述关节坐标系下的受力向量；
36.根据所述目标力检测单元在所述关节坐标系下的位置信息以及所述目标力检测单元在所述关节坐标系下的受力向量，获取所述碰撞力矩。
37.为达到上述目的，本发明的第三方面提供一种机械臂控制方法，所述机械臂上包裹有柔性装置，所述柔性装置上设有多个力检测单元，所述控制方法包括：
38.采用上文所述的机械臂碰撞力检测方法，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果；
39.根据所述机械臂的碰撞力的检测结果，控制所述机械臂进行相应操作。
40.可选的，所述机械臂的碰撞力的检测结果包括所述机械臂的碰撞力类型，所述根
据所述机械臂的碰撞力的检测结果，控制所述机械臂进行相应操作，包括：
41.若所述机械臂的碰撞力类型为机械臂与外部环境之间的碰撞力，则控制所述机械臂停止运动；
42.若所述机械臂的碰撞力类型为机械臂之间的碰撞力，则以机械臂之间不发生碰撞作为约束条件，重新规划所述机械臂的运动轨迹，并控制所述机械臂根据所述运动轨迹进行运动。
43.为达到上述目的，本发明的第四方面提供一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括主控端、操作端和控制器，所述主控端和所述操作端均与所述控制器通信连接，所述控制端与所述操作端具有主从控制关系并用于控制所述机械臂进行操作；
44.所述操作端包括至少一条机械臂，所述机械臂上包裹有柔性装置，所述柔性装置上设有多个力检测单元；
45.所述控制器被配置为实现上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法。
46.为达到上述目的，本发明的第五方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法。
47.为达到上述目的，本发明的第六方面提供一种可读存储介质，所述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，实现上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法。
48.与现有技术相比，本发明提供的机械臂碰撞力检测系统、检测方法、控制方法、手术机器人系统、电子设备和存储介质具有以下优点：
49.(1)本发明提供的机械臂碰撞力检测系统包括柔性装置和控制器，所述柔性装置上设有多个力检测单元，所述力检测单元与所述控制器通信连接，所述柔性装置用于包裹住所述机械臂的指定区域；所述力检测单元用于进行受力检测，并将受力检测结果发送至所述控制器；所述控制器用于根据所述力检测单元的受力检测结果，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果。由于所述多个力检测单元是设置在所述柔性装置上的，而所述柔性装置是包裹在所述机械臂上的，由此本发明提供的碰撞力检测系统可以在不影响机械臂的灵活性的前提下，有效检测出机械臂所受到的碰撞力以及碰撞发生的位置。
50.(2)本发明提供的机械臂碰撞力检测方法，通过在机械臂上包裹设有多个力检测单元的柔性装置，由此，根据所述力检测单元的受力检测结果，即可获取所述机械臂的碰撞力的检测结果，从而可以在机械臂发生碰撞时，有效检测出所述机械臂所受到的碰撞力以及碰撞发生的位置。此外，由于所述柔性装置是包裹于所述机械臂上的，由此当发生碰撞时，碰撞首先发生在所述柔性装置上，从而可以对机械臂起到一定的保护作用。
51.(3)由于本发明提供的机械臂控制方法是采用上文所述的机械臂碰撞力检测方法获取碰撞力的检测结果，由此，可以保证所获取的碰撞力的检测结果的准确性。此外，由于本发明提供的机械臂控制方法是根据所述机械臂的碰撞力的检测结果，控制所述机械臂进行相应操作，由此可以有效提高机械臂在运动过程中的安全性能。
52.(4)由于本发明提供的手术机器人系统、电子设备和存储介质与上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法属于同一发明构思，因此其具有上文所述的机械
臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法的所有优点，故对比不再进行赘述。
附图说明
53.图1为本发明实施例1中的机械臂碰撞力检测系统的方框结构示意图；
54.图2为本发明实施例1中的柔性装置的局部结构示意图；
55.图3为本发明实施例1中的机械臂的局部结构示意图；
56.图4为本发明实施例1的一具体示例中的机械臂碰撞示意图；
57.图5为本发明实施例1中的力检测单元的结构示意图；
58.图6为本发明实施例2中的机械臂碰撞力检测方法的流程示意图；
59.图7为本发明实施例2中的获取机械臂的碰撞力的检测结果的具体流程示意图；
60.图8为本发明实施例2中的柔性装置受到外力时的示意图；
61.图9为本发明实施例2中的力检测单元在柔性装置上的位置显示示意图；
62.图10为本发明实施例2中的获取目标力检测单元在关节坐标系下的位置信息的原理示意图；
63.图11为本发明实施例2的一具体示例中的机械臂与机械臂之间发生碰撞时的示意图；
64.图12为本发明实施例2的一具体示例中的机械臂与外部环境之间发生碰撞时的示意图；
65.图13为本发明实施例3中的机械臂控制方法的流程示意图；
66.图14为本发明实施例3中的机械臂控制方法的具体流程示意图；
67.图15为本发明实施例4中的手术机器人系统的应用场景示意图；
68.图16为本发明实施例4中的当发生机械臂之间的碰撞时的界面显示示意图；
69.图17为本发明实施例4中的当发生机械臂与外部环境之间的碰撞时的界面显示示意图；
70.图18为本发明实施例5中的电子设备的方框结构示意图。
71.其中，附图标记如下：
72.柔性装置-100；力检测单元-110；
73.控制器-200；
74.机械臂-300、300a、300b；关节-310；连杆-320；不动点-330；
75.手术器械-400；
76.主控端-500；操作端-600；显示装置-700；
77.处理器-810；通信接口-820；存储器-830；通信总线-840。
具体实施方式
78.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的机械臂碰撞力检测系统、检测方法、机械臂控制方法、手术机器人系统、电子设备和存储介质作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、
大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在与本发明所能产生的功效及所能达成的目的相同或近似的情况下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
79.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。
80.本发明的核心思想在于提供一种机械臂碰撞力检测系统、检测方法、机械臂控制方法、手术机器人系统、电子设备和存储介质，可以在不会对机械臂的灵活性造成影响的前提下，有效检测出机械臂所受到的碰撞力，提高机械臂在运动过程中的安全性能。需要说明的是，虽然本发明提供的机械臂碰撞力检测方法和机械臂控制方法是以手术机器人系统中的机械臂为例进行说明，但是如本领域技术人员所能理解的，在具体实施时，本发明提供的机械臂碰撞力检测方法和机械臂控制方法不仅适用于手术机器人系统的机械臂，还适用于其它类型的机械臂，本发明对此并不进行限定。此外，需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，本发明中所称的关节坐标系是以关节上的某一点(优选为中心点)为原点所创建的坐标系，所称的目标力检测单元坐标系是以目标力检测单元上的某一点(优选为中心点)为原点所创建的坐标系。此外，需要说明的是，本发明中所称的近端是指靠近病灶的一端，所称的远端是指远离病灶的一端。
81.实施例1
82.为实现上述思想，本实施例提供一种机械臂碰撞力检测系统，请参考图1和图2，其中图1示意性地给出了本实施例一实施方式提供的机械臂碰撞力检测系统的方框结构示意图；图2示意性地给出了本实施例一实施方式提供的柔性装置100的局部结构示意图。如图1和图2所示，所述检测系统包括柔性装置100和控制器200，所述柔性装置100上设有多个力检测单元110，所述力检测单元110与所述控制器200通信连接。
83.请继续参考图3，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的机械臂300的局部结构示意图。如图3所示，所述机械臂300包括多个依次相连的关节310，任意相邻的两个关节310之间通过一连杆320相连。当所述机械臂300应用于手术机器人系统时，所述机械臂300的末端用于挂载手术器械400，所述机械臂300能够驱动所述手术器械400围绕一不动点330运动。所述柔性装置100用于包裹住所述机械臂300的指定区域，在本实施例中，指定区域可以是机械臂300的全部或部分区域。其中，所述力检测单元110用于进行受力检测，并将受力检测结果发送至所述控制器200；所述控制器200用于根据所述力检测单元110的受力检测结果，获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果。需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，本发明对机械臂300的具体构型没有特别的限制。
84.请继续参考图4，其示意性地给出了本实施例一具体示例中的机械臂300碰撞示意图。如图4所示，当机械臂300发生碰撞时，碰撞首先发生在安装于所述机械臂300表面的柔
性装置100上，由此，当机械臂300发生碰撞时，柔性装置100上的对应位置处的力检测单元110会首先检测到力，即与碰撞发生位置对应处的力检测单元110的检测值不为0，由此，根据各个所述力检测单元110的受力检测结果，即可获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果。由于所述多个力检测单元110是设置在所述柔性装置100上的，而所述柔性装置100是包裹在所述机械臂300上的，由此本发明提供的碰撞力检测系统可以在不影响机械臂300的灵活性的前提下，有效检测出机械臂300所受到的碰撞力以及碰撞发生的位置。此外，由于当发生碰撞时，碰撞首先发生在所述柔性装置100上，从而可以对机械臂300起到一定的保护作用。
85.具体地，所述力检测单元110包括但不限于压力式力传感器、电阻式力传感器、电容式力传感器和摩擦电式力传感器中的任一种。需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，所述力检测单元110可以足够小以使得安装多个力检测单元110后的柔性装置100可以任意弯折而不损坏力检测单元110的功能，同时也可以使得所述柔性装置100更加便于安装于所述机械臂300上。
86.优选地，所述柔性装置100为电子皮肤。由于电子皮肤具有良好的柔韧性、导电性和轻薄性，由此，通过采用电子皮肤作为本发明中的柔性装置100，可以使得所述柔性装置100能够紧密贴合在所述机械臂300上，不仅可以更加便于所述柔性装置100的安装，同时也可以减小所述柔性装置100的安装空间，进一步减少所述柔性装置100对所述机械臂300的灵活性的影响。
87.请继续参考图2，如图2所示，在一种示范性的实施方式中，所述多个力检测单元110呈阵列式紧密排布在所述柔性装置100上。由此，通过在所述柔性装置100上设置多个呈阵列式且紧密排布的力检测单元110，可以进一步提高本发明提供的碰撞力检测系统的检测准确性。
88.请继续参考图2和图5，其中图5示意性地给出了本实施例一实施方式提供的力检测单元110的结构示意图。如图2和图5所示，进一步地，所述力检测单元110的横截面呈正六边形设置。由此，通过将所述力检测单元110的横向截面设置成正六边形，可以使得所述多个力检测单元110能够无间隙(即任意相邻的两个力检测单元110之间是接触的)地呈阵列式紧密排布在所述柔性装置100上，从而不仅可以更加便于所述力检测单元110的安装，同时也可以进一步提高本发明提供的碰撞力检测系统的检测准确性。当然，本发明中力检测单元110的横截面形状并不局限于正六边形，可以根据需要设置成其它合适的形状，本发明对此不做具体限制。
89.实施例2
90.与上文所述的机械臂碰撞力检测系统相对应，本实施例提供了一种机械臂碰撞力检测方法，所述机械臂300上包裹有上文所述的柔性装置100。请参考图6，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的机械臂碰撞力检测方法的流程示意图。如图6所示，所述机械臂碰撞力检测方法包括如下步骤：
91.步骤s110、获取所述力检测单元110的受力检测结果。
92.步骤s120、根据所述力检测单元110的受力检测结果，获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果。
93.由此，本发明提供的机械臂碰撞力检测方法，通过在机械臂300上包裹设有多个力
检测单元110的柔性装置100，从而根据所述力检测单元110的受力检测结果，即可获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果，进而可以在机械臂300发生碰撞时，有效检测出所述机械臂300所受到的碰撞力以及碰撞发生的位置。此外，由于所述柔性装置100是包裹于所述机械臂300上的，由此当发生碰撞时，碰撞首先发生在所述柔性装置100上，从而可以对机械臂300起到一定的保护作用。
94.请继续参考图7，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的获取机械臂300的碰撞力的检测结果的具体流程示意图。如图7所示，所述根据所述力检测单元110的受力检测结果，获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果，包括：
95.根据所述力检测单元110的受力检测结果，将检测到外力的力检测单元110确定为目标力检测单元110a；
96.根据所述目标力检测单元110a的位置信息，获取所述目标力检测单元110a的受力向量；
97.根据所述目标力检测单元110a的受力向量，获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果。
98.请继续参考图8，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的柔性装置100受到外力时的示意图，其中灰色部分表示该处的力检测单元110检测到了外力(即该位置处发生了碰撞)，将检查到外力的力检测单元110定义为下文中的目标力检测单元110a，白色部分表示该处的力检测单元110未检测到外力(即该位置处未发生碰撞)。由此，根据各个所述力检测单元110的受力检测结果，即可筛选出检测到外力的力检测单元110，即目标力检测单元110a，再根据所述目标力检测单元110a的位置信息，以获取所述目标力检测单元110a的受力向量，从而可以将所有的目标力检测单元110a的检测结果转换至同一空间坐标系下，最后再根据所述目标力检测单元110a的受力向量，即可获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果。需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，若所述机械臂300上的所有力检测单元110均未检测出外力，则该机械臂300的碰撞力检测结果为0。
99.进一步地，所述根据所述目标力检测单元110a的位置信息，获取所述目标力检测单元110a的受力向量，包括：
100.根据所述目标力检测单元110a在所述柔性装置100上的位置信息以及所述柔性装置100与对应的关节310之间的位置关系，获取所述目标力检测单元110a在关节坐标系下的位置信息；
101.根据所述目标力检测单元110a在所述关节坐标系下的位置信息、所述关节坐标系与世界坐标系之间的映射关系以及所述目标力检测单元110a的受力检测结果，获取所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的受力向量。
102.具体地，根据所述目标力检测单元110a在所述柔性装置100上的位置信息，可以知晓碰撞具体发生在所述机械臂300的哪个连杆320上。由于所述柔性装置100是包裹于所述机械臂300上的，由此所述柔性装置100与所述机械臂300上的各个关节310之间的位置关系是固定且已知的，因此根据所述目标力检测单元110a在所述柔性装置100上的位置信息以及所述柔性装置100与对应的关节310(发生碰撞的连杆320的远端所对应的关节310)之间的位置关系，即可获取所述目标力检测单元110a与碰撞发生处所对应的关节310之间的位置关系，从而获取所述目标力检测单元110a在所对应的关节310的坐标系下的位置信息。由
于所述机械臂300的各个关节310的旋转角度可以通过安装于各个关节310上的位置传感器测得，且所述机械臂300所在的机器人的坐标系(即机器人坐标系)与世界坐标系之间的关系是已知的，由此，根据所述机械臂300的各个关节310的旋转角度以及机器人坐标系与世界坐标系之间的关系，并基于运动学方程，可以获取所述机械臂300的各个关节310在世界坐标系下的位置信息。从而根据所述目标力检测单元110a在对应的关节坐标系的位置信息，以及该关节310在世界坐标系下的位置信息，即可获取所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的位置信息，进而根据所述目标力检测单元110a的受力检测结果以及所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的位置信息，即可获取所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的受力向量。
103.请参考图9，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的力检测单元110在柔性装置100上的位置显示示意图。如图9所示，可以以所述柔性装置100上的某一点(例如左上角)为原点，创建二维坐标系，所述力检测单元110在所述柔性装置100上的位置可用一二维坐标(x’n,y’n)表示。请继续参考图10，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的获取目标力检测单元110a在关节坐标系下的位置信息的原理示意图。如图10所示，点o表示碰撞发生处所对应的关节310的坐标系的原点(优选为关节310的中心点)，点o1表示安装于该关节310上的柔性装置100上的某一点，点o’表示某一目标力检测单元110a上的某一点(优选为中心点)，点o’的位置即为所述目标力检测单元110a的位置。根据所述柔性装置100在所述机械臂300上的安装位置，可以确定点o1在所述关节310的坐标系下的位置，即是确定的；根据所述目标力检测单元110a在所述柔性装置100上的位置坐标，以及因为目标力检测单元110a的坐标系的x’轴与所述关节310的坐标系的x轴相平行，因此也是已知的，由此，根据如下关系式，即可获取关节坐标系下的目标力检测单元110a的位置向量(即目标力检测单元110a在关节坐标系下的位置信息)：
[0104][0105]
由此，根据各个所述目标力检测单元110a在所述关节坐标系下的位置信息，以及所述关节310在世界坐标系下的位置信息，即可获取各个所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的位置信息，进而根据各个所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的位置信息，即可获取各个所述目标力检测单元110a的坐标系与所述世界坐标系之间的映射关系。假设所述目标力检测单元110a所检测到的外力在所述目标力检测单元坐标系下的向量表示为所述目标力检测单元坐标系与所述世界坐标系之间的映射关系为则所述目标力检测单元110a所检测到的外力在所述世界坐标系的向量表示为：
[0106][0107]
关于如何根据所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的位置信息获取所述目标力检测单元坐标系与所述世界坐标系之间的映射关系可以参考现有技术，本发明对此不再进行赘述。
[0108]
在一种示范性的实施方式中，所述根据所述目标力检测单元110a的受力向量，获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果，包括：
[0109]
将所有的所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的受力向量相加，以获取总受力向量；
[0110]
根据所述总受力向量以及所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的位置信息，获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果，获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果。
[0111]
由此，通过将所有的所述目标力检测单元110a所检测到的外力在所述世界坐标系下的向量相加(即将所有的所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的受力向量相加)，以获取总受力向量，再根据所述总受力向量即可根据获取所述机械臂300的所受到的碰撞力。根据各个所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的位置信息即可获取所述机械臂300所受碰撞力的发生位置。
[0112]
进一步地，所述碰撞力的检测结果包括碰撞力的大小、方向、发生位置和类型。由此，通过获取机械臂300的碰撞力的类型，可以为后续根据不同的受力类型，对机械臂300执行相应操作，奠定良好的基础。
[0113]
更进一步地，所述根据所述总受力向量以及所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的位置信息，获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果，包括：
[0114]
根据所述总受力向量，获取所述机械臂300的碰撞力向量；
[0115]
根据所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的位置信息，获取所述机械臂300的碰撞发生位置；
[0116]
判断除所述机械臂300以外的其它机械臂300中是否存在一条机械臂300与所述机械臂300的碰撞力向量大小相等方向相反且碰撞发生位置相同；
[0117]
若是，则判定所述机械臂300的碰撞力类型为机械臂300之间的碰撞力；
[0118]
若否，则判定所述机械臂300的碰撞力类型为机械臂300与外部环境之间的碰撞力；
[0119]
根据所述机械臂300的碰撞力向量、碰撞力类型以及所述目标力检测单元110a在所述世界坐标系下的位置信息，获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果。
[0120]
具体地，请参考图11，其示意性地给出了本实施例一具体示例中的机械臂300与机械臂300之间发生碰撞时的示意图。如图11所示，和分别是对应两条机械臂300a和300b上检测出的碰撞力向量，当与大小相等方向相反且碰撞发生位置相同时，则可以判定这两条机械臂300a和300b受到的碰撞力类型为机械臂300之间的碰撞力。
[0121]
请继续参考图12，其示意性地给出了本实施例一具体示例中的机械臂300与外部环境之间发生碰撞时的示意图。如图12所示，当检测到所述机械臂300b受到碰撞力向量且没有找到与所述机械臂300b的碰撞力向量大小相等方向相反且碰撞发生位置相同的机械臂300，则说明所述机械臂300b所受到的碰撞力来自于外部环境，即所述机械臂300b所受到的碰撞力类型为机械臂300与外部环境之间的碰撞力。
[0122]
在一种示范性的实施方式中，所述机械臂300的碰撞力的检测结果还包括碰撞力矩。具体地，通过所述目标力检测单元110a在碰撞发生处所对应的关节坐标系下的位置信息，即可获取所述目标力检测单元坐标系与所述关节坐标系之间的映射关系假设所述目标力检测单元110a所检测到的外力在所述目标力检测单元坐标系下的向量表示为
则所述目标力检测单元110a所检测到的外力在所述关节坐标系下的向量表示为：
[0123][0124]
由此，所述目标力检测单元110a所检测到的外力对所述关节310所产生的力矩tn为：
[0125][0126]
式中，表示的模，xn表示所述目标力检测单元110a在所述关节坐标系下的x轴的坐标。
[0127]
由此，将所有的所述目标力检测单元110a所检测到的外力对所述关节310所产生的力矩值相加，即可获取所述机械臂300所受到的碰撞力矩。
[0128]
综上，本发明提供的机械臂碰撞力检测方法不仅可以检测出机械臂300所受到的碰撞力的大小，还可以检测出机械臂300所受到的碰撞力的方向、发生位置、类型和力矩。
[0129]
实施例3
[0130]
与上文所述的机械臂碰撞力检测方法相对应，本实施例提供一种机械臂控制方法。请参考图13，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的机械臂控制方法的流程示意图。如图13所示，所述机械臂控制方法包括：
[0131]
步骤s210、获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果。
[0132]
步骤s220、根据所述机械臂300的碰撞力的检测结果，控制所述机械臂300进行相应操作。
[0133]
其中，采用上文所述的碰撞力检测方法获取所述机械臂300的碰撞力的检测结果。由于本发明提供的机械臂控制方法是采用上文所述的机械臂碰撞力检测方法获取碰撞力的检测结果，由此，可以保证所获取的碰撞力的检测结果的准确性。此外，由于本发明提供的机械臂控制方法是根据所述机械臂300的碰撞力的检测结果，控制所述机械臂300进行相应操作，由此可以有效提高机械臂300在运动过程中的安全性能。
[0134]
在一种示范性的实施方式中，所述机械臂300的碰撞力的检测结果包括所述机械臂300的碰撞力类型，所述根据所述机械臂300的碰撞力的检测结果，控制所述机械臂300进行相应操作，包括：
[0135]
若所述机械臂300的碰撞力类型为机械臂300与外部环境之间的碰撞力，则控制所述机械臂300停止运动；
[0136]
若所述机械臂300的碰撞力类型为机械臂300之间的碰撞力，则以机械臂300之间不发生碰撞作为约束条件，重新规划所述机械臂300的运动轨迹，并控制所述机械臂300根据所述运动轨迹进行运动。
[0137]
具体地，请参考图14，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的机械臂控制方法的具体流程示意图。如图14所示，若根据所述机械臂300的碰撞力的检测结果，判定所述机械臂300的碰撞力类型为机械臂300与外部环境之间的碰撞力，由于此时无法判断外部环境的情况(无法区分外部环境为人或物)，由此出于安全考虑，则中断机械臂300的运动，
进一步地，并提示医生进行相应操作。若根据所述机械臂300的碰撞力的检测结果，判定所述机械臂300的碰撞力类型为机械臂300与外部环境之间的碰撞力，则以机械臂300之间不发生碰撞作为约束条件，重新规划所述机械臂300的运动轨迹，并控制所述机械臂300根据重新规划后的运动轨迹进行运动。具体地，当所述机械臂300应用于手术机器人系统上时，可以以所述手术机器人系统中的主控端500的末端笛卡尔位置(在世界坐标系下的位置)作为目标位置，重新规划所述机械臂300的运动轨迹。优选地，可以根据所述机械臂300所受到的碰撞力矩，以所述机械臂300所受到的碰撞力矩为0作为约束条件，重新规划所述机械臂300的运动轨迹。
[0138]
实施例4
[0139]
基于同一发明构思，本实施例提供一种手术机器人系统。请参考图15，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的手术机器人系统的应用场景示意图。如图15所示，所述手术机器人系统包括主控端500、操作端600和控制器200，所述主控端500和所述操作端600均与所述控制器200通信连接，所述控制端与所述操作端600具有主从控制关系并用于控制所述机械臂300进行操作。其中，所述操作端600包括至少一条机械臂300，所述机械臂300上包裹有柔性装置100(图中未示出)，所述柔性装置100上设有多个力检测单元110；所述控制器200被配置为实现上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法。由于所述控制器200能够实现上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法，由此，本发明提供的手术机器人系统可以在不影响机械臂300的灵活性的前提下，有效检测出机械臂300所受到的碰撞力以及碰撞发生的位置。此外，由于所述柔性装置100是包裹于所述机械臂300上的，由此当发生碰撞时，碰撞首先发生在所述柔性装置100上，从而可以对机械臂300起到一定的保护作用。另外，由于所述手术机器人系统能够根据所述机械臂300的碰撞力的检测结果执行相应操作，由此可以有效提高机械臂300在运动过程中的安全性能。
[0140]
进一步地，如图15所示，所述手术机器人系统还包括与所述控制器200通信连接的显示装置700。请继续参考图16，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的当发生机械臂300之间的碰撞时的界面显示示意图。如图16所示，当检测到所述手术机器人系统发生机械臂300之间的碰撞时，可以根据通过所述显示装置700采用画面提示的方式提示医生发生了机械臂300之间的碰撞。又由于当发生机械臂300之间的碰撞时，可以通过重新规划路径(即运动轨迹)的方式消除碰撞，由此，当发生机械臂300之间的碰撞时，通过所述显示装置700还可以提示医生可以继续进行操作。请继续参考图17，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的当发生机械臂300与外部环境之间的碰撞时的界面显示示意图。如图17所示，当检查到所述手术机器人系统的机械臂300与外部环境之间发生碰撞时，由于系统出于安全考虑，会自动中断机械臂300的运动，暂停手术，由此，所述显示装置700会提示医生机械臂300发生了碰撞，请检查机器人周边环境。
[0141]
需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，除了可以采用界面显示的方式提示机械臂300发生了碰撞，还可以采用其它方式，例如声音提示的方式提示机械臂300发生了碰撞。
[0142]
实施例5
[0143]
基于同一发明构思，本实施例提供一种电子设备，请参考图18，其示意性地给出了本实施例一实施方式提供的电子设备的方框结构示意图。如图18所示，所述电子设备包括
处理器810和存储器830，所述存储器830上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器810执行时，实现上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法。由于本发明提供的电子设备与上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法属于同一发明构思，由此，其具有上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法的所有优点，故对此不再进行赘述。
[0144]
如图18所示，所述电子设备还包括通信接口820和通信总线840，其中所述处理器810、所述通信接口820、所述存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。所述通信总线840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 standardarchitecture，eisa)总线等。该通信总线840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。所述通信接口820用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
[0145]
本发明中所称处理器810可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器810是所述电子设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子设备的各个部分。
[0146]
所述存储器830可用于存储所述计算机程序，所述处理器810通过运行或执行存储在所述存储器830内的计算机程序，以及调用存储在存储器830内的数据，实现所述电子设备的各种功能。
[0147]
所述存储器830可以包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0148]
实施例6
[0149]
本实施例提供了一种可读存储介质，所述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可以实现上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法。由于本发明提供的可读存储介质与上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法属于同一发明构思，由此其具有上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法的所有优点，故对此不再进行赘述。
[0150]
本发明实施方式的可读存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导
线的电连接、便携式计算机硬盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其组合使用。
[0151]
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
[0152]
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言-诸如java、smalltalk、c++，还包括常规的过程式程序设计语言-诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0153]
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的机械臂碰撞力检测系统、检测方法、控制方法、手术机器人系统、电子设备和存储介质具有以下优点：
[0154]
(1)本发明提供的机械臂碰撞力检测系统包括柔性装置和控制器，所述柔性装置上设有多个力检测单元，所述力检测单元与所述控制器通信连接，所述柔性装置用于包裹住所述机械臂的指定区域；所述力检测单元用于进行受力检测，并将受力检测结果发送至所述控制器；所述控制器用于根据所述力检测单元的受力检测结果，获取所述机械臂的碰撞力的检测结果。由于所述多个力检测单元是设置在所述柔性装置上的，而所述柔性装置是包裹在所述机械臂上的，由此本发明提供的碰撞力检测系统可以在不影响机械臂的灵活性的前提下，有效检测出机械臂所受到的碰撞力以及碰撞发生的位置。
[0155]
(2)本发明提供的机械臂碰撞力检测方法，通过在机械臂上包裹设有多个力检测单元的柔性装置，由此，根据所述力检测单元的受力检测结果，即可获取所述机械臂的碰撞力的检测结果，从而可以在机械臂发生碰撞时，有效检测出所述机械臂所受到的碰撞力以及碰撞发生的位置。此外，由于所述柔性装置是包裹于所述机械臂上的，由此当发生碰撞时，碰撞首先发生在所述柔性装置上，从而可以对机械臂起到一定的保护作用。
[0156]
(3)由于本发明提供的机械臂控制方法是采用上文所述的机械臂碰撞力检测方法获取碰撞力的检测结果，由此，可以保证所获取的碰撞力的检测结果的准确性。此外，由于本发明提供的机械臂控制方法是根据所述机械臂的碰撞力的检测结果，控制所述机械臂进行相应操作，由此可以有效提高机械臂在运动过程中的安全性能。
[0157]
(4)由于本发明提供的手术机器人系统、电子设备和存储介质与上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法属于同一发明构思，因此其具有上文所述的机械臂碰撞力检测方法和/或机械臂控制方法的所有优点，故对比不再进行赘述。
[0158]
应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0159]
另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
[0160]
此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
[0161]
上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，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，均属于本发明的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若这些修改和变型属于本发明及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。