一种机械臂的控制方法、系统、机器人及存储介质

摘要

本申请公开了一种机械臂的控制方法、系统、机器人及存储介质，机械臂的末端关节用于安装滑台，滑台用于安装操作器械，包括：获取机械臂在当前时刻的关节位置和滑台位置；根据关节位置和所述滑台位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点和操作器械尖端位置；接收触觉反馈设备发送的控制信号，根据控制信号计算所述机械臂的目标位姿；根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，并控制所述机械臂按照所述控制路径运动。本申请能够对操作器械尖端进行精准的控制，提高机械臂的控制精度。本申请公开的一种机械臂的控制系统、一种机器人及一种存储介质，也具有以上有益效果。

权利要求

1.一种机械臂的控制方法，所述机械臂的末端关节用于安装滑台，所述滑台用于安装操作器械，其特征在于，包括：获取机械臂在当前时刻的关节位置和滑台位置；

根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点和操作器械尖端位置；

接收触觉反馈设备发送的控制信号，根据所述控制信号计算所述机械臂的目标位姿；

其中，所述控制信号包括三轴转动信号、三轴移动信号和操作器械夹取信号中的任一项或任几项的组合；

根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，并控制所述机械臂按照所述控制路径运动；

其中，根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，包括：根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置确定约束条件，在所述约束条件下计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径；所述约束条件包括远程运动中心点不变，还包括所述操作器械尖端位置在预设的虚拟锥形操作空间内；

其中，根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点和操作器械尖端位置，包括：根据所述关节位置和所述滑台位置确定所有关节的坐标变换矩阵；

根据所述坐标变换矩阵和刀具中心点位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点；

根据所述坐标变换矩阵、所述刀具中心点位置和所述操作器械的插入深度计算所述机械臂在当前位姿下的操作器械尖端位置。

2.根据权利要求1所述机械臂的控制方法，其特征在于，在确定所述机械臂中所有关节的坐标变换矩阵之前，还包括：根据所述机械臂的结构参数构建对应的3D模型；

在接收到操作回放指令时，根据所述操作回放指令确定需要回放的时间段，从操作日志中选取所述时间段的坐标变化序列并在所述机械臂对应的3D模型中实现操作回放；

相应的，根据所述关节位置和所述滑台位置确定所有关节的坐标变换矩阵，包括：根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述3D模型中相邻关节的坐标变换关系，并根据所述坐标变换关系生成所有所述关节的坐标变换矩阵。

3.根据权利要求1所述机械臂的控制方法，其特征在于，根据所述控制信号计算所述机械臂的目标位姿，包括：

根据所述控制信号确定所述机械臂的增量位姿变换矩阵；

根据所述增量位姿变换矩阵和当前位姿变换矩阵位置计算所述机械臂的目标位姿。

4.根据权利要求1所述机械臂的控制方法，其特征在于，根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，包括：

获取所述机械臂的操作空间；其中，所述机械臂的操作空间与其他机械臂的操作空间不相交；

根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置在所述机械臂的操作空间内求解由所述当前位姿变换至所述目标位姿的最优控制路径。

5.根据权利要求1所述机械臂的控制方法，其特征在于，还包括：记录所述机械臂按照所述控制路径运动时的机械臂坐标变化序列；

若接收到操作回放指令时，利用所述机械臂坐标变化序列执行操作回放指令对应时间段的控制操作。

6.根据权利要求1至5任一项所述机械臂的控制方法，其特征在于，根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，包括：

根据所述远程运动中心点、所述操作器械尖端位置和所述当前位姿对所述目标位姿进行逆运动学计算，得到所述机械臂中所有关节的电机参数变化信息；

根据所述电机参数变化信息生成所述控制路径。

7.一种机械臂的控制系统，所述机械臂的末端关节用于安装滑台，所述滑台用于安装操作器械，其特征在于，包括：位置获取模块，用于获取机械臂在当前时刻的关节位置和滑台位置；

位置计算模块，用于根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点和操作器械尖端位置；

目标位姿确定模块，用于接收触觉反馈设备发送的控制信号，根据所述控制信号计算所述机械臂的目标位姿；其中，所述控制信号包括三轴转动信号、三轴移动信号和操作器械夹取信号中的任一项或任几项的组合；

控制模块，用于根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，并控制所述机械臂按照所述控制路径运动；

其中，所述控制模块用于根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置确定约束条件，在所述约束条件下计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径；

所述约束条件包括远程运动中心点不变，还包括所述操作器械尖端位置在预设的虚拟锥形操作空间内；

其中，所述位置计算模块包括：坐标变换矩阵确定单元，用于根据所述关节位置和所述滑台位置确定所有关节的坐标变换矩阵；

远程运动中心点确定单元，用于根据所述坐标变换矩阵和刀具中心点位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点；

操作器械尖端位置确定单元，用于根据所述坐标变换矩阵、所述刀具中心点位置和所述操作器械的插入深度计算所述机械臂在当前位姿下的操作器械尖端位置。

8.一种机器人，其特征在于，包括存储器、处理器和切换按键，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述机械臂的控制方法的步骤，所述切换按键用于将机械臂的控制方式切换为触觉反馈设备远端控制或摇杆控制器近端控制。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如权利要求1至6任一项所述机械臂的控制方法的步骤。

说明书

一种机械臂的控制方法、系统、机器人及存储介质

技术领域

[0001] 本申请涉及机械臂自动化控制领域，特别涉及一种机械臂的控制方法、系统、机器人及存储介质。

背景技术

[0002] 随着科技的进步，机器人技术逐渐成熟并被广泛应用。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，操作人员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，机械臂远端具有操作臂，操作臂具有末端器械。由于机器人通常具有
多个机械臂，在操作过程中可以根据分工不同在不同的机械臂上安装不同的操作器械，如
手术刀、手术剪、内窥镜、喷头、电焊等。

[0003] 在进行机械臂的驱动过程中，控制机械臂移动的精准度是十分重要的问题，如果机械臂的实际运动与理想位置存在偏差，那将对机械臂操作结果的精度影响很大。

[0004] 因此，如何提高机械臂的控制精度是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

[0005] 本申请的目的是提供一种机械臂的控制方法、系统、机器人及存储介质，能够提高机械臂的控制精度。

[0006] 为解决上述技术问题，本申请提供一种机械臂的控制方法，所述机械臂的末端关节用于安装滑台，所述滑台用于安装操作器械，该机械臂的控制方法包括：

[0007] 获取机械臂在当前时刻的关节位置和滑台位置；

[0008] 根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点和操作器械尖端位置；

[0009] 接收触觉反馈设备发送的控制信号，根据所述控制信号计算所述机械臂的目标位姿；其中，所述控制信号包括三轴转动信号、三轴移动信号和操作器械夹取信号中的任一项
或任几项的组合；

[0010] 根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，并控制所述机械臂按照所述控制路径运动。

[0011] 可选的，根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点和操作器械尖端位置，包括：

[0012] 根据所述关节位置和所述滑台位置确定所有关节的坐标变换矩阵；

[0013] 根据所述坐标变换矩阵和刀具中心点位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点；

[0014] 根据所述坐标变换矩阵、所述刀具中心点位置和所述操作器械的插入深度计算所述机械臂在当前位姿下的操作器械尖端位置。

[0015] 可选的，在确定所述机械臂中所有关节的坐标变换矩阵之前，还包括：

[0016] 根据所述机械臂的结构参数构建对应的3D模型；

[0017] 相应的，根据所述关节位置和所述滑台位置确定所有关节的坐标变换矩阵，包括：

[0018] 根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述3D模型中相邻关节的坐标变换关系，并根据所述坐标变换关系生成所有所述关节的坐标变换矩阵。

[0019] 可选的，根据所述控制信号计算所述机械臂的目标位姿，包括：

[0020] 根据所述控制信号确定所述机械臂的增量位姿变换矩阵；

[0021] 根据所述增量位姿变换矩阵和当前位姿变换矩阵位置计算所述机械臂的目标位姿。

[0022] 可选的，根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，包括：

[0023] 获取所述机械臂的操作空间；其中，所述机械臂的操作空间与其他机械臂的操作空间不相交；

[0024] 根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置在所述机械臂的操作空间内求解由所述当前位姿变换至所述目标位姿的最优控制路径。

[0025] 可选的，还包括：

[0026] 记录所述机械臂按照所述控制路径运动时的机械臂坐标变化序列；

[0027] 若接收到操作回放指令时，利用所述机械臂坐标变化序列执行操作回放指令对应时间段的控制操作。

[0028] 可选的，根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，包括：

[0029] 根据所述远程运动中心点、所述操作器械尖端位置和所述当前位姿对所述目标位姿进行逆运动学计算，得到所述机械臂中所有关节的电机参数变化信息；

[0030] 根据所述电机参数变化信息生成所述控制路径。

[0031] 本申请还提供了一种机械臂的控制系统，所述机械臂的末端关节用于安装滑台，所述滑台用于安装操作器械，该系统包括：

[0032] 位置获取模块，用于获取机械臂在当前时刻的关节位置和滑台位置；

[0033] 位置计算模块，用于根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点和操作器械尖端位置；

[0034] 目标位姿确定模块，用于接收触觉反馈设备发送的控制信号，根据所述控制信号计算所述机械臂的目标位姿；其中，所述控制信号包括三轴转动信号、三轴移动信号和操作
器械夹取信号中的任一项或任几项的组合；

[0035] 控制模块，用于根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，并控制所述机械臂按照所述控制路径
运动。

[0036] 本申请还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时实现上述机械臂的控制方法执行的步骤。

[0037] 本申请还提供了一种机器人，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述机械臂的控制方法执行的步
骤。

[0038] 本申请提供了一种机械臂的控制方法，所述机械臂的末端关节用于安装滑台，所述滑台用于安装操作器械，控制方法包括：获取机械臂在当前时刻的关节位置和滑台位置； 
根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点和操
作器械尖端位置；接收触觉反馈设备发送的控制信号，根据所述控制信号计算所述机械臂
的目标位姿；其中，所述控制信号包括三轴转动信号、三轴移动信号和操作器械夹取信号中
的任一项或任几项的组合；根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机
械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，并控制所述机械臂按照所述控制路
径运动。

[0039] 本申请获取机械臂的关节位置和滑台位置，进而根据关节位置和滑台位置计算机械臂的远程运动中心点和操作器械尖端位置。根据触觉反馈设备发送的控制信号可以计算
所述机械臂的目标位姿。机械臂围绕远程运动中心运动，操作器械尖端为机械臂作用于操
作对象的部位，在确定了机械臂的目标位姿之后，可以结合远程运动中心运动、操作器械尖
端、当前位姿和目标位姿生成对应的控制路径，机械臂按照控制路径运动可以由当前位姿
变换至目标位姿。本申请结合控制信号、远程运动中心点和操作器械尖端位置确定目标位
姿，能够对操作器械尖端进行精准的控制，提高了机械臂的控制精度。本申请同时还提供了
一种机械臂的控制系统、一种机器人和一种存储介质，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

[0040] 为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人
员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0041] 图1为本申请实施例所提供的一种机械臂的控制方法的流程图；

[0042] 图2为本申请实施例所提供的一种机械臂的结构示意图；

[0043] 图3为本申请实施例所提供的一种机械臂的远程运动中心点和操作器械尖端位置的确定方法的流程图；

[0044] 图4为本申请实施例所提供的一种实际应用中机械臂的控制方法的流程图；

[0045] 图5为本申请实施例所提供的一种虚拟锥形空间示意图；

[0046] 图6为本申请实施例所提供的一种机械臂的目标位姿确定原理示意图；

[0047] 图7为本申请实施例所提供的一种机械臂的控制路径计算过程示意图。

具体实施方式

[0048] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0049] 下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种机械臂的控制方法的流程图。

[0050] 具体步骤可以包括：

[0051] S101：获取机械臂在当前时刻的关节位置和滑台位置；

[0052] 其中，本实施例可以应用于机械臂的控制设备，通过设置机械臂的控制路径可以实现机械臂工作过程中的位姿变换。请参见图2，图2为本申请实施例所提供的一种机械臂
的结构示意图，如图2所示机械臂上可以包括关节J1 J6，末端关节J6用于安装滑台A，上述
~
滑台用于安装操作器械B。不同类型的机械臂安装的操作器械不同，若机械臂为喷漆设备的
机械臂，则操作器械可以为漆料喷嘴；若机械臂为手术机器人的机械臂，则操作器械可以为
钳子、超声刀、电钩、内窥镜等器械。

[0053] 本实施例可以获取机械臂的关节在当前时刻的电机数据，根据电机数据中的电机角度确定关节位置，由于滑台固定安装于末端关节，可以根据关节的位置确定滑台位置

[0054] S102：根据关节位置和滑台位置计算机械臂在当前位姿下的远程运动中心点和操作器械尖端位置；

[0055] 其中，机械臂工作时围绕远程运动中心运动，即远程运动中心点的坐标始终不变，远程运动中线点可以为滑台中操作器械的上的点，因此可以根据关节位置和滑台位置计算
远程运动中心点。操作器械尖端为远程运动中心点沿操作器械长度方向上的点，可以根据
远程运动中心点和操作器械的插入深度确定操作器械尖端位置。

[0056] S103：接收触觉反馈设备发送的控制信号，根据所述控制信号计算所述机械臂的目标位姿；

[0057] 其中，触觉反馈设备又称力反馈设备，其发送的控制信号可以包括X、Y、Z三轴转动信号，X、Y、Z三轴移动信号以及操作器械夹取信号这7类信号，其中操作器械夹取信号为用
于控制操作器械执行夹取操作的信号。控制信号中可以包括对每一关节的三轴转动信号和
三轴移动信号，以便调整每一关节的位姿。

[0058] 作为一种可行的实施方式，本步骤中可以根据所述控制信号确定所述机械臂的增量位姿变换矩阵；根据所述增量位姿变换矩阵和当前位姿变换矩阵位置计算所述机械臂的
目标位姿。

[0059] S104：根据远程运动中心点和操作器械尖端位置计算机械臂由当前位姿变换至目标位姿的控制路径，并控制机械臂按照控制路径运动。

[0060] 其中，目标位姿为机械臂需要变换至的位姿，在已知机械臂当前位姿的基础上可以结合远程运动中心点、操作器械尖端位置和目标位姿确定控制路径，在确定控制路径的
过程中远程运动中心点、操作器械尖端位置用于提供确定控制路径的约束条件。上述约束
条件包括远程运动中心点不变，还包括操作器械尖端位置在预设的虚拟锥形操作空间内。

[0061] 具体的，本实施例可以根据远程运动中心点和所述操作器械尖端位置确定约束条件，在上述约束条件下计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径。
当控制机械臂按照上述控制路径移动后，可以使得机械臂变换至目标位姿，进而实现对机
械臂的控制。

[0062] 本实施例获取机械臂的关节位置和滑台位置，进而根据关节位置和滑台位置计算机械臂的远程运动中心点和操作器械尖端位置。根据触觉反馈设备发送的控制信号可以计
算所述机械臂的目标位姿。机械臂围绕远程运动中心运动，操作器械尖端为机械臂作用于
操作对象的部位，在确定了机械臂的目标位姿之后，可以结合远程运动中心运动、操作器械
尖端、当前位姿和目标位姿生成对应的控制路径，机械臂按照控制路径运动可以由当前位
姿变换至目标位姿。本实施例结合控制信号、远程运动中心点和操作器械尖端位置确定目
标位姿，能够对操作器械尖端进行精准的控制，提高了机械臂的控制精度。

[0063] 作为对于图1对应实施例的进一步介绍，可以通过以下方式确定机械臂由当前位姿变换至目标位姿的控制路径：获取所述机械臂的操作空间；根据所述远程运动中心点和
所述操作器械尖端位置在所述机械臂的操作空间内求解由所述当前位姿变换至所述目标
位姿的最优控制路径。

[0064] 可以理解的是，当空间内存在多个机械臂时，可能存会出现设备之间的碰撞。为了避免出现碰撞的情况，本实施例可以为每一机械臂设置对应的操作空间，机械臂的全部结
构均在操作空间内。随着机械臂的运动，机械臂对应的操作空间可以随时变换，但任意两个
机械臂的操作空间始终不相交。通过在的操作空间内求解由所述当前位姿变换至所述目标
位姿的控制路径，能够降低机械臂碰撞几率，提高机械臂控制安全性。

[0065] 作为对于图1对应实施例的进一步介绍，在得到控制路径之后可以控制机械臂按照所述控制路径运动，本实施例可以通过维护操作日志实现操作回放，具体过程如下：记录
所述机械臂按照所述控制路径运动时的机械臂坐标变化序列；若接收到操作回放指令时，
利用所述机械臂坐标变化序列执行操作回放指令对应时间段的控制操作。

[0066] 操作日志中可以包括机械臂可以任意时刻的坐标变化序列，在接收到操作回放指令时，可以根据操作回放指令确定需要回放的时间段，以便从操作日志中选取该时间段的
坐标变化序列进行回放。作为一种可行的实施方式，本实施例可以在机械臂对应的3D模型
中实现操作回放，以提高用户的使用体验。

[0067] 请参见图3，图3为本申请实施例所提供的一种机械臂的远程运动中心点和操作器械尖端位置的确定方法的流程图，本实施例是对图1对应实施例中S102的进一步介绍，可以
将本实施例与图1对应的实施例相结合得到进一步的实施方式，本实施例可以包括以下步
骤：

[0068] S301：根据所述关节位置和所述滑台位置确定所有关节的坐标变换矩阵；

[0069] S302：根据所述坐标变换矩阵和刀具中心点位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点；

[0070] S303：根据所述坐标变换矩阵、所述刀具中心点位置和所述操作器械的插入深度计算所述机械臂在当前位姿下的操作器械尖端位置。

[0071] 其中，关节的变换矩阵用于描述关节之间的坐标变换，本实施例可以根据所述机械臂的结构参数构建对应的3D模型，根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述3D模型中
相邻关节的坐标变换关系，并根据所述坐标变换关系生成所有所述关节的坐标变换矩阵。
上述操作器械安装于所述机械臂滑台，操作器械的尖端用于插入操作对象内部进行操作。

[0072] S304：根据所述远程运动中心点、所述操作器械尖端位置和所述当前位姿对所述目标位姿进行逆运动学计算，得到所述机械臂中所有关节的电机参数变化信息；

[0073] S305：根据所述电机参数变化信息生成所述控制路径。

[0074] 通过上述方式能使得机械臂前端的执行器件沿最优路径进行移动，进而提高机械臂的控制精度、操作效率和可靠性，以保障机械臂的高效、安全使用。

[0075] 下面通过在实际应用中的实施例说明上述实施例描述的流程，请参见图4，图4为本申请实施例所提供的一种实际应用中机械臂的控制方法的流程图，本实施例可以包括以
下步骤：

[0076] 步骤1：确定坐标原点位置；

[0077] 其中，机械臂安装于机器人，本步骤中可以将机器人的底座作为原始的坐标原点。

[0078] 步骤2：确定机械臂的当前位姿，获取此时机械臂上各个关节电机的电机数据；

[0079] 其中，在机械臂进行操作前，机械臂处于初始的状态位置，此时获取到机械臂上各个关节电机的电机数据，上述电机数据可以包括电机角度、电机角速度、电机温度、电机线
速度，这些数据可以用于检测关节电机的运行状态。

[0080] 步骤3：根据步骤2中获取的电机数据确定机械臂的当前坐标；

[0081] 具体的，当本实施例中的机械臂为6轴串联型机械臂时，可以用D‑H建模法来描述机械臂的结构特征，其D‑H模型的参数如表1所示：

[0082] 表 1 D‑H模型参数表

[0083]

[0084] 上表中，ai为沿着Xi轴从Zi移动到Zi+1的距离，αi‑1为绕着Xi轴从Zi移动到Zi+1的角度，di为沿着Zi轴从Xi‑1移动到Xi的距离，θi为绕着Zi轴从Xi‑1移动到Xi的角度，i表示关节序
号。Pi表示180°，DH_a表示机械臂关节在水平方向的中心点距离，DH_d表示机械臂关节在竖
直方向的中心点距离。

[0085] 在本机械臂的控制系统中，存在第7个自由度，即：滑台。由于滑台被固定在最后一个关节J6上 ，因此可以用TCP（刀具中心点）来表示，戳卡的位置就可以看作是机械臂的末
端的固定TCP 点位置。

[0086] 由于机械的装配过程总会存在误差，D‑H模型中的参数需要与实际的机械臂参数进行校准。校准主要分为两个部分：（1）对于机械臂本体来说，采用机械臂出厂时自带的校
准文件来进行校准；（2）对于第七个自由度滑台TCP来说，采用四点校准外加最小二乘法进
行预估TCP值，以此来提高D‑H模型的精度。

[0087] 本实施例可以通过正运动学求解机械臂的位置坐标，其过程为：

[0088] 根据上述的D‑H模型，使用以下D‑H矩阵来计算每个关节间的齐次变换矩阵T：

[0089]

[0090] 利用D‑H表中的参数，计算前一关节i‑1到下一关节i的变换矩阵，乘以所有6个关节的变换矩阵，得到从基坐标系到最后一个关节坐标系的变换矩阵T16=T1T2T3T4T5T6，而此时
RCM（Remote center motion，远程运动中心点）的位置为：PRCM=T16·PTCP，其中， PTCP可以通
过CAD或者solidworks理论模型或者实际的TCP测量估计得到。在机械臂操作过程中，机械
臂的器械会插入操作对象内部，因此器械尖端的空间位置PTool=T16·（PTCP+PInsertion），PTCP为
刀具中心点的位置，PInsertion为仪器在操作对象内部的实际长度（即插入深度）。

[0091] 步骤4：接收控制信号，获取到控制信号中的数据；

[0092] 其中，本步骤中的控制信号为触觉反馈设备Haptic device所发出的控制信号，触觉反馈设备所能发出的信号包括沿X方向的移动、沿X方向的转动、沿Y方向的移动、沿Y方向
的转动、沿Z方向的移动、沿Z方向的转动和grasp(机械臂前端的夹取动作)。

[0093] 步骤5：根据所获取到的控制信号的数据，确定机械臂的目标位姿；

[0094] 其中，通过所获取到的控制信号的数据，通过逆运动学求解机械臂的目标位姿。具体地，由于在机械臂操作过程中，机械臂需要一直围绕着远程运动中心RCM点运动，在已知
当前机械臂姿态的基础上，通过在远程运动中心周围旋转一个小角度来获得微小的增量姿
态变化。机械臂的目标位姿可通过公式： TRef=TAct△TRot 计算得到，TRef为目标位姿，TAct为
当前位姿变换矩阵，△TRot为增量位姿变换矩阵。如图5所示，在得到目标位姿后，可以使用
逆运动学求解出机械臂本体6个关节电机的角度。

[0095] 步骤6：根据目标位姿和当前位姿，计算机械臂的移动路径。

[0096] 移动路径的规划过程如下：建立一个操作空间，类似一个椎体，机械臂在操作对象内部运动，6轴机械臂逆运动学求解最多有8 个解（6个关节电机的目标位置）。

[0097] 对于给定目标位置PRe（f 如器械尖端位置，在操作对象内部会不停的动），设定好的戳卡位置PRCM，将如图6所示的虚拟锥形空间作为约束，把PRef转换为锥形空间的目标位置
PRef_cone, 在锥形空间内求解出α、β、θ（分别沿x、y、z三个轴向的转动角度）和插入深度，那么
把锥形内的求得的解换算为锥形空间内的运动姿态TRef_cone ，再把运动姿态TRef_cone变换为
机械臂坐标系的运动姿态TRef，然后根据PRef和TRef，求解出机械臂和滑台的关节数据。图6中
insertion表示器械的插入深度。

[0098] 请参见图7，图7为本申请实施例所提供的一种机械臂的控制路径计算过程示意图，其过程包括以下步骤：（1）确定操作器械尖端位置PRef；（2）将确定操作器械尖端位置由
世界坐标系到虚拟操作空间转换得到PRef_cone；（3）解算出操作空间锥体四个自由度α、β、θ和
insertion；（4）在虚拟工作空间锥体坐标系下计算旋转矩阵变换得到运动姿态TRef_cone；（5）
将虚拟工作空间锥体坐标系转换为世界坐标系得到机械臂坐标系的运动姿态TRef；（6）逆运
动学求解控制路径。

[0099] 远程运动中心（RCM）对应于机械臂中的开孔位置的器械。开孔位置的器械在任何时候都不能相对于操作对象移动（侧向牵引力）。为了便于操作需要移动操作对象。这种运
动可以使开孔位置的器械以任意六自由度的自由度运动。因此，机器人RCM需要跟踪开孔位
置的运动。为了解决RCM跟踪开孔位置的器械在任何时候都不能相对于操作对象产生侧向
牵引力，上述实施例通过逆运动力学反解RCM位置对应的机械臂/滑台/器械的运动数据，从
而控制机械臂/器械始终在RCM最优运动范围。

[0100] 在机械臂操作过程中通过实施上述方案，能够实现对机械臂前端所设置执行器件的位置以及活动路径进行自动化控制，从而对机械臂前端的执行器件能够更加精准的控
制。实现机械臂运动空间最大、碰撞几率最小，同时器械始终处于工作深度最深最优的位
置，不受碰撞的影响。

[0101] 本申请实施例还提供一种机械臂的控制系统，所述机械臂的末端关节用于安装滑台，所述滑台用于安装操作器械，该系统可以包括：

[0102] 位置获取模块，用于获取机械臂在当前时刻的关节位置和滑台位置；

[0103] 位置计算模块，用于根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点和操作器械尖端位置；

[0104] 目标位姿确定模块，用于接收触觉反馈设备发送的控制信号，根据所述控制信号计算所述机械臂的目标位姿；其中，所述控制信号包括三轴转动信号、三轴移动信号和操作
器械夹取信号中的任一项或任几项的组合；

[0105] 控制模块，用于根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端位置计算所述机械臂由所述当前位姿变换至所述目标位姿的控制路径，并控制所述机械臂按照所述控制路径
运动。

[0106] 本实施例获取机械臂的关节位置和滑台位置，进而根据关节位置和滑台位置计算机械臂的远程运动中心点和操作器械尖端位置。根据触觉反馈设备发送的控制信号可以计
算所述机械臂的目标位姿。机械臂围绕远程运动中心运动，操作器械尖端为机械臂作用于
操作对象的部位，在确定了机械臂的目标位姿之后，可以结合远程运动中心运动、操作器械
尖端、当前位姿和目标位姿生成对应的控制路径，机械臂按照控制路径运动可以由当前位
姿变换至目标位姿。本实施例结合控制信号、远程运动中心点和操作器械尖端位置确定目
标位姿，能够对操作器械尖端进行精准的控制，提高了机械臂的控制精度。

[0107] 进一步的，位置计算模块包括：

[0108] 坐标变换矩阵确定单元，用于根据所述关节位置和所述滑台位置确定所有关节的坐标变换矩阵；

[0109] 远程运动中心点确定单元，用于根据所述坐标变换矩阵和刀具中心点位置计算所述机械臂在当前位姿下的远程运动中心点；

[0110] 操作器械尖端位置确定单元，用于根据所述坐标变换矩阵、所述刀具中心点位置和所述操作器械的插入深度计算所述机械臂在当前位姿下的操作器械尖端位置。

[0111] 进一步的，还包括：

[0112] 建模单元，用于在确定所述机械臂中所有关节的坐标变换矩阵之前，根据所述机械臂的结构参数构建对应的3D模型；

[0113] 相应的，坐标变换矩阵确定单元用于根据所述关节位置和所述滑台位置计算所述3D模型中相邻关节的坐标变换关系，并根据所述坐标变换关系生成所有所述关节的坐标变
换矩阵。

[0114] 进一步的，目标位姿确定模块用于根据所述控制信号确定所述机械臂的增量位姿变换矩阵；还用于根据所述增量位姿变换矩阵和当前位姿变换矩阵位置计算所述机械臂的
目标位姿。

[0115] 进一步的，控制模块用于获取所述机械臂的操作空间；其中，所述机械臂的操作空间与其他机械臂的操作空间不相交；还用于根据所述远程运动中心点和所述操作器械尖端
位置在所述机械臂的操作空间内求解由所述当前位姿变换至所述目标位姿的最优控制路
径。

[0116] 进一步的，还包括：

[0117] 回放模块，用于记录所述机械臂按照所述控制路径运动时的机械臂坐标变化序列；还用于若接收到操作回放指令时，利用所述机械臂坐标变化序列执行操作回放指令对
应时间段的控制操作。

[0118] 进一步的，控制模块用于根据所述远程运动中心点、所述操作器械尖端位置和所述当前位姿对所述目标位姿进行逆运动学计算，得到所述机械臂中所有关节的电机参数变
化信息；还用于根据所述电机参数变化信息生成所述控制路径。

[0119] 由于系统部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此系统部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

[0120] 本申请还提供了一种存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（Read‑
Only Memory ，ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory ，RAM）、磁碟或者光盘等各
种可以存储程序代码的介质。

[0121] 本申请还提供了一种机器人，包括存储器、处理器和切换按键，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述机械臂的摆位控制
方法的步骤，所述切换按键用于将机械臂的控制方式切换为触觉反馈设备的远端控制或摇
杆控制器的近端控制。当然机器人还可以包括各种网络接口，电源等组件。

[0122] 说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而
言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明
即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还
可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围
内。

[0123] 还需要说明的是，在本说明书中，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。在没有更多限制的状况下，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。