CN113040915B - 机器人安全边界控制装置及方法、电子设备和存储介质 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种机器人安全边界控制装置及方法、电子设备和存储介质，所述装置包括：机械臂，包括操作端和末端，所述操作端用于接收操作动作，使得所述末端在圆锥区域内运动；控制组件，用于接收尺寸参数，并根据所述尺寸参数确定圆锥区域的范围；根据机械臂的结构信息，以及操作动作的动作参数，确定末端当前的第一位置；在末端的第一位置到达圆锥区域的边界的情况下，将机械臂末端的运动轨迹限制为环绕圆锥区域的边界。根据本公开的实施例的机器人安全边界控制装置，控制组件可在机械臂末端到达圆锥区域边界时，将机械臂末端的运动轨迹限制为围绕圆锥区域的边界，可防止机械臂末端超出圆锥区域的边界，造成过度磨挫。

Description

机器人安全边界控制装置及方法、电子设备和存储介质

技术领域

本公开涉及医疗仪器技术领域，尤其涉及一种机器人安全边界控制装置及方法、电子设备和存储介质。

背景技术

人工关节置换是目前治疗晚期骨关节炎的最有效手段。该手术需要将患者体内已发生病变的股骨头取出，并安装上相应的髋臼垫块假体。安装假体前，必须将人体的髋臼窝进行磨削，直至符合髋臼假体的外形尺寸，再将髋臼杯放入髋臼窝内。

在相关技术中，在髋关节置换手术中，医生手持带有磨搓设备对髋臼进行研磨，该手术为人工操作，研磨效果的不确定性较大，例如，受医生用力大小、方向、角度等因素的影响较大，或受医生的专业知识和经验的影响较大。在研磨过程中，容易出现研磨用力过度、研磨深度不足、偏心研磨导致错失正常解剖位、磨搓头滑移导致研磨不均等。因此，研磨结果与植入的假体不匹配的概率较高，如果该不匹配现象发生，则会引起患者疼痛、运动功能康复不良的症状，即，引起手术效果不佳。

相比于人工磨削，通过关节置换手术机器人的机械臂可以做到更精准的磨削，并提高假体植入的精准度。当前通过机器人进行磨削的核心难点在于操作中力的反馈与控制，机械臂末端在髋臼磨挫过程中难以控制，导致过度磨挫，将髋臼窝穿破，损伤目标解剖结构以外的韧带、软组织神经等结构，或者磨挫不到位，未能充分显露真髋臼底。

发明内容

基于上述因素，本公开能够辅助医生研磨出位置恒定且曲率单一的半球形，提高磨搓加工的加工精度，提升髋臼与假体的匹配度，并使机械臂在工作过程中可控，提升医生和患者的安全性。

本公开提出了一种机器人安全边界控制装置及方法、电子设备和存储介质。

根据本公开的一方面，提供了一种机器人安全边界控制装置，包括：机械臂和控制组件，所述机械臂包括操作端和末端，所述操作端用于接收操作动作，使得所述末端在圆锥区域内运动，所述控制组件用于：接收上位机预设的尺寸参数，并根据所述尺寸参数，确定所述圆锥区域的范围；根据所述机械臂的结构信息，以及所述操作端接收的操作动作的动作参数，确定所述末端当前的第一位置；在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。

在一种可能的实现方式中，根据所述机械臂的结构信息，以及所述操作端接收的操作动作的动作参数，确定所述末端当前的第一位置，包括：根据所述机械臂的结构信息，确定所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系；根据所述动作参数，确定所述操作端的第二位置；根据所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系以及所述操作端的第二位置，确定所述末端当前的第一位置。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括受力传感器，设置在靠近所述操作端的位置，在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界，包括：根据所述受力传感器检测到的第一受力参数以及所述尺寸参数，确定所述机械臂末端沿圆锥区域的边界切向的切向力以及沿圆锥区域的边界法向的法向力；将所述法向力设置为零，以使得机械臂末端的运动轨迹为环绕所述圆锥区域的边界。

在一种可能的实现方式中，所述控制组件还用于：确定所述法向力设置为零后所述末端的第三受力参数；根据所述第三受力参数，确定所述受力传感器处的第四受力参数，以使机械臂的操作端沿切向运动。

在一种可能的实现方式中，所述圆锥区域的范围包括圆锥区域的第一圆直径，所述控制组件还用于：根据所述第一位置，确定所述机械臂末端的运动轨迹的第二圆直径；根据所述第一圆直径对所述第二圆直径进行反馈校正处理，使得机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。

在一种可能的实现方式中，所述操作端设置有操作把手，所述末端设置有磨挫杆，所述操作把手用于接收操作动作，所述磨挫杆用于在圆锥区域的范围内对髋臼窝进行磨挫加工。

在一种可能的实现方式中，所述预设的尺寸参数包括圆锥区域的顶角和所述圆锥区域的垂线长度。

根据本公开的一方面，提供了一种机器人安全边界控制方法，包括：接收上位机预设的尺寸参数，并根据所述尺寸参数，确定所述圆锥区域的范围；根据所述机械臂的结构信息，以及所述操作端接收的操作动作的动作参数，确定所述末端当前的第一位置；在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。

在一种可能的实现方式中，根据所述机械臂的结构信息，以及所述操作端接收的操作动作的动作参数，确定所述末端当前的第一位置，包括：根据所述机械臂的结构信息，确定所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系；根据所述动作参数，确定所述操作端的第二位置；根据所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系以及所述操作端的第二位置，确定所述末端当前的第一位置。

在一种可能的实现方式中，在靠近所述操作端的位置设置有受力传感器，在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界，包括：根据所述受力传感器检测到的第一受力参数以及所述尺寸参数，确定所述机械臂末端沿圆锥区域的边界切向的切向力以及沿圆锥区域的边界法向的法向力；将所述法向力设置为零，以使得机械臂末端的运动轨迹为环绕所述圆锥区域的边界。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：确定所述法向力设置为零后所述末端的第三受力参数；根据所述第三受力参数，确定所述受力传感器处的第四受力参数，以使机械臂的操作端沿切向运动。

在一种可能的实现方式中，所述圆锥区域的范围包括圆锥区域的第一圆直径，所述方法还包括：根据所述第一位置，确定所述机械臂末端的运动轨迹的第二圆直径；根据所述第一圆直径对所述第二圆直径进行反馈校正处理，使得机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。

根据本公开的一方面，提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行上述方法。

根据本公开的一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法。

根据本公开的实施例的机器人安全边界控制装置，可在机械臂末端到达圆锥区域边界时，控制组件将机械臂末端的法向力限制为零，使得机械臂末端沿切向运动，即，将机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。进一步地，可通过反馈校正方法使得机械臂末端的实际运动轨迹与圆锥区域的边界之间的误差尽可能小，使得机械臂末端保持在圆锥区域的边界上。可防止机械臂末端超出圆锥区域的边界，造成过度磨挫，保护髋臼窝以及韧带、软组织神经等结构，并可防止磨挫不到位，可充分显露真髋臼底，提高假体植入的精准度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开。根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于说明本公开的技术方案。

图1示出根据本公开实施例的机器人安全边界控制装置的框图；

图2示出根据本公开实施例的圆锥区域的示意图；

图3示出根据本公开实施例的机器人安全边界控制装置的应用示意图；

图4示出根据本公开实施例的机器人安全边界控制方法的流程图；

图5示出根据本公开实施例的电子装置的框图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中术语“至少一种”表示多种中的任意一种或多种中的至少两种的任意组合，例如，包括A、B、C中的至少一种，可以表示包括从A、B和C构成的集合中选择的任意一个或多个元素。

另外，为了更好地说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开实施例的机器人安全边界控制装置的框图，如图1所示，所述装置包括：

机械臂11和控制组件12，其中，机械臂11包括操作端和末端，所述操作端用于接收操作动作，使得所述末端在圆锥区域内运动。

控制组件12用于：

接收上位机预设的尺寸参数，并根据所述尺寸参数，确定所述圆锥区域的范围；

根据所述机械臂的结构信息，以及所述操作端接收的操作动作的动作参数，确定所述末端当前的第一位置；

在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。

根据本公开的实施例的机器人安全边界控制装置，可设定机械臂活动的圆锥区域，并在机械臂末端到达圆锥区域边界时，控制组件可将机械臂末端的运动轨迹限制为围绕圆锥区域的边界，可防止机械臂末端超出圆锥区域的边界，造成过度磨挫，保护髋臼窝以及韧带、软组织神经等结构，并可防止磨挫不到位，可充分显露真髋臼底，提高假体植入的精准度。

在一种可能的实现方式中，所述圆锥区域的尺寸参数可用于确定圆锥区域的范围，即，关节置换手术机器人的机械臂的活动范围，所述机械臂可包括末端和操作端。所述操作端设置有操作把手，所述末端设置有磨挫杆，所述操作把手用于接收操作动作，所述磨挫杆用于在圆锥区域的范围内对髋臼窝进行磨挫加工。操作者可在操作端操作机械臂进行较大范围的活动，该活动导致机械臂的末端进行较小范围的活动，即，机械臂的操作端的活动范围大于末端的活动范围，可有助于通过操作端对于末端进行精细地操作，提高对髋臼的加工精确度。

图2示出根据本公开实施例的圆锥区域的示意图，如图2所示，图2中的虚线区域即为所述圆锥区域，实线杆状物体即为所述机械臂，该机械臂可在圆锥区域的范围内活动，机械臂的末端的活动范围小于机械臂操作端的活动范围。在所述末端设置用于磨挫加工的磨挫杆，并在操作端设置接收操作的把手，可使得末端能够精细地进行磨挫加工。

在一种可能的实现方式中，圆锥区域的预设的尺寸参数包括圆锥区域的顶角和所述圆锥区域的垂线长度。顶角可用于限定机械臂切向的活动范围，垂线长度可用于限定机械臂的进伸范围。

在示例中，所述圆锥区域的尺寸参数可由机械臂的上位机进行设置，例如，可通过关节置换手术机器人来设置，控制组件可接收该尺寸参数，以控制机械臂在圆锥区域的范围内活动，不会超出圆锥区域的边界。本公开对所述尺寸参数的设置方式不做限制。

在一种可能的实现方式中，机械臂末端用于磨挫加工，可在圆锥区域的范围内活动。在示例中，为了防止过度磨挫和磨挫不到位，可使机械臂末端的运动轨迹设置为环绕圆锥区域的边界，即，使得机械臂末端环绕圆锥区域的边界运动。在环绕圆锥区域的边界运动的过程中进行磨挫加工，可使磨挫后的髋臼窝符合髋臼假体的外形尺寸。

在一种可能的实现方式中，在确定圆锥区域的范围后，控制组件可确定机械臂在运动过程中是否到达圆锥区域的边界。即，可首先确定机械臂末端的位置，如果该位置到达圆锥区域的边界，则控制机械臂使其环绕圆锥区域的边界运动，以使得机械臂末端不超出边界。所述圆锥区域为设定的虚拟区域，该区域的边界也为虚拟边界，并不存在一个真实的边界来限制机械臂的运动，因此，可通过机械臂末端与设定的圆锥区域的边界之间的距离来判断机械臂末端是否到达圆锥区域的边界，并在机械臂末端到达圆锥区域的边界时，通过对机械臂末端的受力控制。

在一种可能的实现方式中，控制组件可首先确定机械臂末端的位置。根据所述机械臂的结构信息，以及所述操作端接收的操作动作的动作参数，确定所述末端当前的第一位置，包括：根据所述机械臂的结构信息，确定所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系；根据所述动作参数，确定所述操作端的第二位置；根据所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系以及所述操作端的第二位置，确定所述末端当前的第一位置。

在一种可能的实现方式中，控制组件可确定所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系。在示例中，机械臂和关节置换手术机器人可通过法兰连接。可在机械臂末端设立坐标系T，在法兰处设立坐标系E，并可设立机器人的基坐标系R。进一步地，控制组件可通过机械臂的尺寸(例如，长度、角度等参数)确定机械臂末端坐标系T与法兰坐标系E之间的变换矩阵并可通过机器人的结构(例如，法兰与机器人坐标系原点之间的距离、角度等)确定法兰坐标系E与基坐标系R之间的变换矩阵/>进一步地，控制组件可确定机械臂末端坐标系T与基坐标系R之间的变换矩阵/>在示例中，机械臂末端坐标系T与基坐标系R之间的变换矩阵/>可通过以下公式(1)确定：

在一种可能的实现方式中，控制组件可通过机械臂操作端的操作参数确定机械臂操作端的在基坐标系中第二位置。例如，根据机械臂操作端移动的距离，角度等参数，可确定机械臂操作端在基坐标系中的第二位置。并通过变换矩阵对操作端的在基坐标系中第二位置进行变换，以确定机械臂末端在基坐标系中的第一位置。

在一种可能的实现方式中，在确定所述第一位置后，控制组件可判断所述第一位置是否到达圆锥区域的边界。例如，可通过第一位置与圆锥区域边界的距离来确定，或者，可通过第一位置的坐标是否与圆锥区域边界的坐标重合来判断，本公开对判断第一位置是否到达圆锥区域的边界的方式不做限制。

在一种可能的实现方式中，如果机械臂末端已经到达圆锥区域的边界，则控制组件可限制机械臂末端不再朝向边界外侧运动，而是将机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。如上所述，由于该边界为虚拟边界，并不存在真实的边界来限制机械臂运动，因此，控制组件可通过改变机械臂的受力与运动方向来限制机械臂的运动，并将机械臂的运动轨迹改变为环绕所述圆锥区域的边界。

在一种可能的实现方式中，所述装置还包括受力传感器，设置在靠近所述操作端的位置，在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界，包括：根据所述受力传感器检测到的第一受力参数以及所述尺寸参数，确定所述机械臂末端沿圆锥区域的边界切向的切向力以及沿圆锥区域的边界法向的法向力；将所述法向力设置为零，以使得机械臂末端的运动轨迹为环绕所述圆锥区域的边界。即，可首先确定机械臂末端的受力，可将机械臂末端的受力分解为沿圆锥区域边界的法向力和沿圆锥区域边界的切向力。其中，所述法向力为引起所述末端朝向圆锥区域的边界外部运动的力，可限制该法向力，仅保留切向力，可使机械臂末端不再朝向所述边界外部运动，即，可使机械臂末端的沿圆锥区域边界的切向运动，即可使机械臂末端的运动轨迹为环绕所述圆锥区域的边界。

在一种可能的实现方式中，所述机械臂的操作端附近可设置有受力传感器，可用于检测操作时的受力(即，第一受力参数)，在示例中，所述受力传感器可检测操作端x轴方向的受力F_x，操作端y轴方向的受力F_y，操作端z轴方向的受力F_z，以及x轴的旋转作用力F_rx，y轴的旋转作用力F_ry，z轴的旋转作用力F_rz。

在一种可能的实现方式中，控制组件可根据第一受力参数确定机械臂末端的受力参数，并根据机械臂末端的受力参数确定机械臂末端所受的法向力和切向力。

在一种可能的实现方式中，控制组件可根据第一受力参数以及圆锥区域的尺寸参数，求解机械臂末端的第二受力参数。在示例中，可根据以下公式(2)确定机械臂末端的受力参数：

其中，F_{tcp_x}为机械臂末端x轴方向的受力，F_{tcp_y}为机械臂末端y轴方向的受力，F_{tcp_z}为机械臂末端z轴方向的受力。α为机械臂末端相对于圆锥区域垂线的偏转角度，在机械臂末端到达圆锥区域边界时，α与为圆锥区域的顶角θ相等。

进一步地，控制组件可基于机械臂末端的受力参数来确定机械臂末端所受的法向力和切向力，例如，可通过以下公式(3)来确定所述法向力和切向力：

其中，F_q为切向力，F_f为法向力。

在一种可能的实现方式中，在确定所述切向力和法向力后，为使机械臂末端不再沿法向运动，即，不再向圆锥区域外部运动，控制组件可将切向力F_q限制为0，仅保留切向力，即，控制组件通过将切向力限制为0，使得机械臂末端没有向圆锥区域法向(即，外部)运动的动力，仅沿切向运动，即，围绕圆锥区域的边界运动。

通过这种方式，可在机械臂末端到达圆锥区域的边界时，将机械臂末端所受的法向力限制为0，仅保留切向力，使得机械臂末端没有朝向圆锥区域外部运动的动力，并可沿切向运动，即，围绕圆锥区域的边界运动，可防止机械臂末端对髋臼窝的过度磨挫。

在一种可能的实现方式中，所述控制组件还用于：确定所述法向力设置为零后所述末端的第三受力参数；根据所述第三受力参数，确定所述受力传感器处的第四受力参数，以使机械臂的操作端沿切向运动。即，在将法向力限制为0后，控制组件可求解受力传感器此时的受力参数，即，操作端此时的受力参数，使得操作者可在法向力被限制后，沿着切向来操作机械臂。

在一种可能的实现方式中，在法向力设置为0后，机械臂末端的第三受力参数可根据以下公式(4)来确定：

其中，F'_{tcp_x}为法向力设置为0后，机械臂末端x轴方向的受力，F'_{tcp_y}为法向力设置为0后，机械臂末端y轴方向的受力。

通过这种方式，可确定在法向力被限制为0后，受力传感器处的受力参数，使得操作者可在法向力被限制后，沿着切向来操作机械臂。

在一种可能的实现方式中，在机械臂末端达到圆锥区域的边界后，控制组件可将机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界，即，不会超出圆锥区域的边界，也不会离开边界运动至圆锥区域的中间区域。通过上述方式限制机械臂末端的运动轨迹，可使机械臂末端不会对髋臼窝过度磨挫，也不会磨挫不到位。

在一种可能的实现方式中，机械臂末端环绕圆锥区域边界运动时，如果末端偏离圆锥区域的边界，可通过反馈校正的方法来校正末端的轨迹，使得运动轨迹保持在圆锥区域的边界上。所述圆锥区域的范围包括圆锥区域的第一圆直径，所述控制组件还用于：根据所述第一位置，确定所述机械臂末端的运动轨迹的第二圆直径；根据所述第一圆直径对所述第二圆直径进行反馈校正处理，使得机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。

在一种可能的实现方式中，由于机械臂末端环绕圆锥的边界，因此，机械臂末端的轨迹为圆型，可根据机械臂末端的第一位置，确定机械臂末端正在环绕的轨迹的直径(即，第二圆直径)。例如，可将第一位置与第一位置所在圆锥区域的圆截面的圆心之间的距离作为半径，进而可确定第二圆直径。进一步地，第一位置所在圆锥区域的圆截面的直径即为所述第一圆直径。

在一种可能的实现方式中，由于机械臂末端的运动轨迹被限制为环绕圆锥区域的边界，因此，运动轨迹的第二圆直径与圆锥区域的第一圆直径应当相等，但在实际工况中，可能存在偏差。可使用第一圆直径和第二圆直径的偏差来表示运动轨迹的误差，如果该误差为0，则机械臂末端的运动轨迹可保持在圆锥区域的边界上。因此，可通过反馈校正的方法使该误差尽可能小。在示例中，可通过PID校正(比例-积分-微分校正)方法来使该误差尽可能小，即，使得机械臂末端的运动轨迹可保持在圆锥区域的边界上。

根据本公开的实施例的机器人安全边界控制装置，可在机械臂末端到达圆锥区域边界时，控制组件将机械臂末端的法向力限制为零，使得机械臂末端沿切向运动，即，将机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。进一步地，可通过反馈校正方法使得机械臂末端的实际运动轨迹与圆锥区域的边界之间的误差尽可能小，使得机械臂末端保持在圆锥区域的边界上。可防止机械臂末端超出圆锥区域的边界，造成过度磨挫，保护髋臼窝以及韧带、软组织神经等结构，并可防止磨挫不到位，可充分显露真髋臼底，提高假体植入的精准度。

图3示出根据本公开实施例的机器人安全边界控制装置的应用示意图，如图3所示，机械臂末端设有用于磨挫加工的磨挫杆，机械臂的操作端设有把手，可在操作端接收操作者的操作，并使得末端能够精细地进行磨挫加工。

在一种可能的实现方式中，控制组件可控制机械臂在圆锥区域的范围内活动，使得机械臂末端可环绕圆锥区域的边界运动，机械臂末端在环绕圆锥区域的边界运动的过程中进行磨挫加工，可使磨挫后的髋臼窝符合髋臼假体的外形尺寸。

在一种可能的实现方式中，可通过机械臂的上位机(例如，关节置换手术机器人的处理器)来设置圆锥区域的尺寸参数，即，设定圆锥区域的大小。在机械臂的末端到达圆锥区域的边界时，控制组件可将机械臂末端朝向圆锥区域之外的法向力可被限制为0，仅保留切向力，使得机械臂末端沿圆锥区域的边界的切向运动，即，环绕圆锥区域的边界运动。

在一种可能的实现方式中，在运动过程中，可能出现偏差，控制组件可通过所述末端当前的第一位置来确定机械臂末端实际运动轨迹的直径(第二圆直径)，并可确定圆锥区域的第一圆直径，进一步地，可将第一圆直径和第二圆直径的偏差进行PID校正，来减小该偏差，使得机械臂末端的运动轨迹可保持在圆锥区域的边界上。

在一种可能的实现方式中，所述机器人安全边界控制装置可用于在关节置换手术中对髋臼窝进行磨挫加工，使得磨挫后的髋臼窝符合髋臼假体的外形尺寸，提高假体植入的精准度，并可防止过度磨挫以及磨挫不到位。本公开对所述机器人安全边界控制装置的应用领域不做限制。

图4示出根据本公开实施例的机器人安全边界控制方法的流程图，如图4所示，所述方法包括：步骤S11，接收上位机预设的尺寸参数，并根据所述尺寸参数，确定所述圆锥区域的范围；步骤S12，根据所述机械臂的结构信息，以及所述操作端接收的操作动作的动作参数，确定所述末端当前的第一位置；步骤S13，在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。

在一种可能的实现方式中，根据所述机械臂的结构信息，以及所述操作端接收的操作动作的动作参数，确定所述末端当前的第一位置，包括：根据所述机械臂的结构信息，确定所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系；根据所述动作参数，确定所述操作端的第二位置；根据所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系以及所述操作端的第二位置，确定所述末端当前的第一位置。

在一种可能的实现方式中，在靠近所述操作端的位置设置有受力传感器，在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界，包括：根据所述受力传感器检测到的第一受力参数以及所述尺寸参数，确定所述机械臂末端沿圆锥区域的边界切向的切向力以及沿圆锥区域的边界法向的法向力；将所述法向力设置为零，以使得机械臂末端的运动轨迹为环绕所述圆锥区域的边界。

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：确定所述法向力设置为零后所述末端的第三受力参数；根据所述第三受力参数，确定所述受力传感器处的第四受力参数，以使机械臂的操作端沿切向运动。

在一种可能的实现方式中，所述圆锥区域的范围包括圆锥区域的第一圆直径，所述方法还包括：根据所述第一位置，确定所述机械臂末端的运动轨迹的第二圆直径；根据所述第一圆直径对所述第二圆直径进行反馈校正处理，使得机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。

可以理解，本公开提及的上述各个方法实施例，在不违背原理逻辑的情况下，均可以彼此相互结合形成结合后的实施例，限于篇幅，本公开不再赘述。本领域技术人员可以理解，在具体实施方式的上述方法中，各步骤的具体执行顺序应当以其功能和可能的内在逻辑确定。

在一些实施例中，本公开实施例提供的装置具有的功能或包含的模块可以用于执行上文方法实施例描述的方法，其具体实现可以参照上文方法实施例的描述，为了简洁，这里不再赘述。

本公开实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法。计算机可读存储介质可以是非易失性计算机可读存储介质。

本公开实施例还提出一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行上述方法。

本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读代码，当计算机可读代码在设备上运行时，设备中的处理器执行用于实现如上任一实施例提供的机器人安全边界控制方法的指令。

本公开实施例还提供了另一种计算机程序产品，用于存储计算机可读指令，指令被执行时使得计算机执行上述任一实施例提供的机器人安全边界控制方法的操作。

电子设备可以被提供为终端、服务器或其它形态的设备。

图5示出根据本公开实施例的一种电子设备800的框图。例如，电子设备800可以是移动电话，计算机，数字广播终端，消息收发设备，游戏控制台，平板设备，医疗设备，健身设备，个人数字助理等终端。

参照图5，电子设备800可以包括以下一个或多个组件：处理组件802，存储器804，电源组件806，多媒体组件808，音频组件810，输入/输出(I/O)的接口812，传感器组件814，以及通信组件816。

处理组件802通常控制电子设备800的整体操作，诸如与显示，电话呼叫，数据通信，相机操作和记录操作相关联的操作。处理组件802可以包括一个或多个处理器820来执行指令，以完成上述的方法的全部或部分步骤。此外，处理组件802可以包括一个或多个模块，便于处理组件802和其他组件之间的交互。例如，处理组件802可以包括多媒体模块，以方便多媒体组件808和处理组件802之间的交互。

存储器804被配置为存储各种类型的数据以支持在电子设备800的操作。这些数据的示例包括用于在电子设备800上操作的任何应用程序或方法的指令，联系人数据，电话簿数据，消息，图片，视频等。存储器804可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

电源组件806为电子设备800的各种组件提供电力。电源组件806可以包括电源管理系统，一个或多个电源，及其他与为电子设备800生成、管理和分配电力相关联的组件。

多媒体组件808包括在所述电子设备800和用户之间的提供一个输出接口的屏幕。在一些实施例中，屏幕可以包括液晶显示器(LCD)和触摸面板(TP)。如果屏幕包括触摸面板，屏幕可以被实现为触摸屏，以接收来自用户的输入信号。触摸面板包括一个或多个触摸传感器以感测触摸、滑动和触摸面板上的手势。所述触摸传感器可以不仅感测触摸或滑动动作的边缘，而且还检测与所述触摸或滑动操作相关的持续时间和压力。在一些实施例中，多媒体组件808包括一个前置摄像头和/或后置摄像头。当电子设备800处于操作模式，如拍摄模式或视频模式时，前置摄像头和/或后置摄像头可以接收外部的多媒体数据。每个前置摄像头和后置摄像头可以是一个固定的光学透镜系统或具有焦距和光学变焦能力。

音频组件810被配置为输出和/或输入音频信号。例如，音频组件810包括一个麦克风(MIC)，当电子设备800处于操作模式，如呼叫模式、记录模式和语音识别模式时，麦克风被配置为接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器804或经由通信组件816发送。在一些实施例中，音频组件810还包括一个扬声器，用于输出音频信号。

I/O接口812为处理组件802和外围接口模块之间提供接口，上述外围接口模块可以是键盘，点击轮，按钮等。这些按钮可包括但不限于：主页按钮、音量按钮、启动按钮和锁定按钮。

传感器组件814包括一个或多个传感器，用于为电子设备800提供各个方面的状态评估。例如，传感器组件814可以检测到电子设备800的打开/关闭状态，组件的相对定位，例如所述组件为电子设备800的显示器和小键盘，传感器组件814还可以检测电子设备800或电子设备800一个组件的位置改变，用户与电子设备800接触的存在或不存在，电子设备800方位或加速/减速和电子设备800的温度变化。传感器组件814可以包括接近传感器，被配置用来在没有任何的物理接触时检测附近物体的存在。传感器组件814还可以包括光传感器，用于在成像应用中使用。在一些实施例中，该传感器组件814还可以包括加速度传感器，陀螺仪传感器，磁传感器，压力传感器或温度传感器。

通信组件816被配置为便于电子设备800和其他设备之间有线或无线方式的通信。电子设备800可以接入基于通信标准的无线网络，如WiFi，2G或3G，或它们的组合。在一个示例性实施例中，通信组件816经由广播信道接收来自外部广播管理系统的广播信号或广播相关信息。在一个示例性实施例中，所述通信组件816还包括近场通信(NFC)模块，以促进短程通信。例如，在NFC模块可基于射频识别(RFID)技术，红外数据协会(IrDA)技术，超宽带(UWB)技术，蓝牙(BT)技术和其他技术来实现。

在示例性实施例中，电子设备800可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述方法。

在示例性实施例中，还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，例如包括计算机程序指令的存储器804，上述计算机程序指令可由电子设备800的处理器820执行以完成上述方法。

本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、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)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令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)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、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、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令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。在有些作为替换的实现中，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。

该计算机程序产品可以具体通过硬件、软件或其结合的方式实现。在一个可选实施例中，所述计算机程序产品具体体现为计算机存储介质，在另一个可选实施例中，计算机程序产品具体体现为软件产品，例如软件开发包(Software Development Kit，SDK)等等。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种机器人安全边界控制装置，其特征在于，包括：机械臂和控制组件，

所述机械臂包括操作端和末端，所述操作端用于接收操作动作，使得所述末端在圆锥区域内运动，

所述控制组件用于：

接收上位机预设的尺寸参数，并根据所述尺寸参数，确定所述圆锥区域的范围；

根据所述机械臂的结构信息，以及所述操作端接收的操作动作的动作参数，确定所述末端当前的第一位置；

在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界，所述机械臂末端的运动轨迹包括位置恒定且曲率单一的半球形；

所述圆锥区域的范围包括圆锥区域的第一圆直径，所述控制组件还用于：

根据所述第一位置，确定所述机械臂末端的运动轨迹的第二圆直径；

根据所述第一圆直径对所述第二圆直径进行反馈校正处理，使得所述机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，根据所述机械臂的结构信息，以及所述操作端接收的操作动作的动作参数，确定所述末端当前的第一位置，包括：

根据所述机械臂的结构信息，确定所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系；

根据所述动作参数，确定所述操作端的第二位置；

根据所述机械臂的操作端和末端之间的位置关系以及所述操作端的第二位置，确定所述末端当前的第一位置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括受力传感器，设置在靠近所述操作端的位置，

在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界，包括：

根据所述受力传感器检测到的第一受力参数以及所述尺寸参数，确定所述机械臂末端沿圆锥区域的边界切向的切向力以及沿圆锥区域的边界法向的法向力；

将所述法向力设置为零，以使得机械臂末端的运动轨迹为环绕所述圆锥区域的边界。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述控制组件还用于：

确定所述法向力设置为零后所述末端的第三受力参数；

根据所述第三受力参数，确定所述受力传感器处的第四受力参数，以使机械臂的操作端沿切向运动。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述操作端设置有操作把手，所述末端设置有磨挫杆，所述操作把手用于接收操作动作，所述磨挫杆用于在圆锥区域的范围内对髋臼窝进行磨挫加工。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预设的尺寸参数包括圆锥区域的顶角和所述圆锥区域的垂线长度。

7.一种电子设备，其特征在于，包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行：

接收上位机预设的尺寸参数，并根据所述尺寸参数，确定圆锥区域的范围，所述圆锥区域的范围包括圆锥区域的第一圆直径；

根据机械臂的结构信息，以及操作端接收的操作动作的动作参数，确定末端当前的第一位置，所述机械臂包括所述操作端和所述末端，所述操作端用于接收操作动作，使得所述末端在所述圆锥区域内运动；

在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界，所述机械臂末端的运动轨迹包括位置恒定且曲率单一的半球形；

根据所述第一位置，确定所述机械臂末端的运动轨迹的第二圆直径；

根据所述第一圆直径对所述第二圆直径进行反馈校正处理，使得所述机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现：

接收上位机预设的尺寸参数，并根据所述尺寸参数，确定圆锥区域的范围，所述圆锥区域的范围包括圆锥区域的第一圆直径；

根据机械臂的结构信息，以及操作端接收的操作动作的动作参数，确定末端当前的第一位置，所述机械臂包括所述操作端和所述末端，所述操作端用于接收操作动作，使得所述末端在所述圆锥区域内运动；

在所述末端的第一位置到达所述圆锥区域的边界的情况下，将所述机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界，所述机械臂末端的运动轨迹包括位置恒定且曲率单一的半球形；

根据所述第一位置，确定所述机械臂末端的运动轨迹的第二圆直径；

根据所述第一圆直径对所述第二圆直径进行反馈校正处理，使得所述机械臂末端的运动轨迹限制为环绕所述圆锥区域的边界。