CN110464470B - 手术机器人及其臂体的控制方法、控制装置 - Google Patents

手术机器人及其臂体的控制方法、控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种手术机器人及其臂体的控制方法、控制装置。所述控制方法包括：获取受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息，第一坐标系指所述机械臂的基坐标系，所述运动信息是所述运动输入设备的位姿信息；根据所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动以使所述受控对象远端进行相应的增量运动。能够容易自由地对臂体进行遥操作。

Description

手术机器人及其臂体的控制方法、控制装置
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别是涉及一种手术机器人及其臂体的控制方法、控制装置。
背景技术
微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。
随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术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，医生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及安装于机械臂远端的多个操作臂，操作臂具有末端器械，在工作状态时，末端器械跟随手柄移动，以实现远程手术操作。
然而，无论是对于机械臂的控制，还是对于操作臂的控制，目前的控制方式都不够自由，尤其是对于机械臂的控制，机械臂通常受外力拖动而被动地移动，医生在主操作台控制并利用末端器械实施远程手术操作时，如果希望移动末端器械至适当位姿，要么医生离开主操作台来对机械臂实施拖动，要么需要配备助手来根据医生的意图对机械臂实施拖动，两种方式均不便于医生对机械臂移动进行控制。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够较好、较容易地控制臂体移动的手术机器人及其臂体的控制方法、控制装置。
一方面，提供一种手术机器人中臂体的控制方法，所述臂体包括机械臂及可拆卸装设于所述机械臂远端的一个以上的操作臂，所述机械臂、或所述操作臂、或所述机械臂结合其中之一所述操作臂可选择地被配置为受控对象，包括：获取受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息，第一坐标系指所述机械臂的基坐标系，所述运动信息是所述运动输入设备的位姿信息；根据所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动以使所述受控对象远端进行相应的增量运动。
其中，所述根据所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动以使所述受控对象远端进行相应的增量运动的步骤之中，包括：获取所述受控对象中各关节组件的位置信息；根据各所述关节组件的位置信息计算所述受控对象远端在第一坐标系的当前位姿信息；结合所述增量位姿信息及当前位姿信息计算所述受控对象在第一坐标系的目标位姿信息；根据所述目标位姿信息计算各所述关节组件的目标位置信息；根据各所述关节组件的目标位置信息控制所述受控对象中各关节组件联动以使所述受控对象远端进行相应的增量运动进而到达相应的目标位姿。
其中，所述获取所述受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：获取针对所述受控对象输入的关联于操作模式类型的选择指令；结合所述操作模式的类型获取所述受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
其中，所述操作模式包括二对一操作模式和一对一操作模式，所述二对一操作模式指用两个所述受控运动输入设备来控制一个所述受控对象，所述一对一操作模式指用一个所述受控运动输入设备来控制一个所述受控对象。
其中，获取到的所述选择指令关联于二对一操作模式时，所述结合所述操作模式的类型获取所述受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：分别获取前一时刻两个所述受控运动输入设备各自的第一位姿信息；分别获取后一时刻两个所述受控运动输入设备各自的第二位姿信息；结合第一比例系数及两个所述受控运动输入设备各自的第一位姿信息、第二位姿信息计算获取两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息；将两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
其中，获取到的所述选择指令关联于二对一操作模式时，所述结合所述操作模式的类型获取所述受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：分别获取前一时刻两个所述受控运动输入设备各自在固定坐标系的第一位置信息；分别获取后一时刻两个所述受控运动输入设备各自在固定坐标系的第二位置信息；结合第二比例系数及两个所述受控运动输入设备各自在固定坐标系的第一位置信息、第二位置信息计算获取两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的水平移动增量信息、竖直移动增量信息及转动增量信息；将两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的水平移动增量信息、竖直移动增量信息及转动增量信息对应映射为所述受控对象远端在第一坐标系的偏航角增量信息、俯仰角增量信息及滚动角增量信息。
其中，所述根据两个所述受控运动输入设备各自在固定坐标系的第一位置信息、第二位置信息计算获取两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的转动增量信息的步骤之中，包括：建立前一时刻两个所述受控运动输入设备之间的第一位置向量；建立后一时刻两个所述受控运动输入设备之间的第二位置向量；结合第三比例系数及所述第一位置向量与所述第二位置向量之间的夹角获取两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的转动增量信息。
其中，获取到的所述选择指令关联于一对一操作模式时，所述结合所述操作模式的类型获取所述受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：获取前一时刻所述受控运动输入设备在固定坐标系的第一位姿信息；获取后一时刻所述受控运动输入设备在固定坐标系的第二位姿信息；结合第四比例系数及所述受控运动输入设备在固定坐标系的第一位姿信息、第二位姿信息计算获取所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息；将所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
其中，所述将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：以自然映射关系将所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为所述受控对象在第一坐标系的增量位姿信息；或者，以非自然映射关系将所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为所述受控对象在第一坐标系的增量位姿信息；其中，所述自然映射关系为一一对应的关系，指所述受控运动输入设备与所述受控对象之间的水平移动增量信息到水平移动增量信息、竖直移动增量信息到竖直移动增量信息、前后移动增量信息到前后移动增量信息、偏航角转动增量信息到偏航角转动增量信息、俯仰角转动增量信息到俯仰角转动增量信息及滚动角转动增量信息到滚动角转动增量信息。
其中，所述将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：获取输入的关联于所述受控对象远端的任务自由度的操作命令；结合所述任务自由度将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
其中，所述操作命令包括第一类操作命令和多个第二类操作命令；所述第一类操作命令同所述任务自由度与所述受控对象的有效自由度完全匹配的情况相关联，根据所述第一类操作命令解析获得的所述增量位姿信息可对所述受控对象在有效自由度内进行自由控制；所述第二类操作命令同所述任务自由度与所述受控对象的有效自由度不完全匹配、但包含于所述受控对象的有效自由度的情况相关联，根据所述第二类操作命令解析获得的所述增量位姿信息只能在设定的任务自由度内对所述受控对象进行约束控制。
其中，所述第二类操作命令包括一子操作命令，所述子操作命令同所述受控对象远端的任务自由度选择自所述受控对象的有效自由度中与姿态自由度关联的有效自由度的情况相关联。
其中，所述获取输入的关联于所述受控对象远端的任务自由度的操作命令的步骤之后，包括：实时检测是否获取到精调控制指令；获取到所述精调控制指令时，进一步获取选择控制指令并根据所述选择控制指令从当前所设置的所述受控对象远端的任务自由度中选择出至少一个以更新所述受控对象远端的任务自由度。
其中，所述根据所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动的步骤之前，包括：修正所述增量位姿信息中的各参数获得修正后的增量位姿信息。所述根据所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动的步骤之前，包括：根据修正后的所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动。
其中，所述修正所述增量位姿信息的步骤之中，包括：利用修正系数及/或具有修正系数的补偿值对所述增量位姿信息中的各参数进行修正。
另一方面，提供一种手术机器人的控制装置，包括：存储器，用于存储计算机程序；及处理器，用于加载并执行所述计算机程序；其中，所述计算机程序被配置为由所述处理器加载并执行实现如上述任一项实施例所述的控制方法的步骤。
另一方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被配置为由一个以上的处理器执行实现如上述任一项实施例所述的控制方法的步骤。
另一方面，提供一种手术机器人，包括：臂体，包括机械臂及可拆卸装设于所述机械臂远端的一个以上的操作臂，所述机械臂、或所述操作臂、或所述机械臂结合其中之一所述操作臂可选择地被配置为受控对象；运动输入设备；及与所述臂体连接的控制装置，用于执行实现如上述任一项实施例所述的控制方法的步骤。
其中，所述运动输入设备为握持式或穿戴式；所述运动输入设备是磁导航定位传感器、光学定位传感器、或连杆式主操作手。
本发明具有如下有益效果：
通过将运动输入设备输入的运动信息解析映射为受控对象远端的增量位姿信息，并利用该增量位姿信息控制受控对象运动使受控对象进行相应的增量运动，能够方便容易地对受控对象进行遥操作。
附图说明
图1为本发明手术机器人一实施例的结构示意图；
图2为图1所示手术机器人的局部示意图；
图3为图1所示手术机器人的局部示意图；
图4为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的流程图；
图5为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的流程图；
图6为图1所示手术机器人臂体中机械臂的原理结构示意图；
图7为本发明手术机器人中臂体的控制方法中对空间运动角度的解析示意图；
图8为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的流程图；
图9为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的流程图；
图10为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的二对一操作模式下的操作示意图；
图11为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的二对一操作模式下的流程图；
图12为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的流程图；
图13为本发明手术机器人中臂体的控制方法另一实施例的二对一操作模式下的操作示意图；
图14为本发明手术机器人中臂体的控制方法另一实施例的二对一操作模式下的流程图；
图15为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的一对一操作模式下的操作示意图；
图16为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的一对一操作模式下的流程图；
图17为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的流程图；
图18为本发明手术机器人中臂体的控制方法一实施例的流程图；
图19为本发明手术机器人中臂体的控制方法中一对一操作模式且自然映射关系下对图像末端器械进行控制的视野效果图；
图20为本发明手术机器人中臂体的控制方法中一对一操作模式且自然映射关系下对图像末端器械进行控制的视野效果图；
图21为本发明手术机器人中臂体的控制方法
图22为本发明手术机器人一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“耦合”另一个元件，它可以是直接耦合到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。本文所使用的术语“远端”、“近端”作为方位词，该方位词为介入医疗器械领域惯用术语，其中“远端”表示手术过程中远离操作者的一端，“近端”表示手术过程中靠近操作者的一端。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在本发明中，“各”包括一个及以上。
如图1至图3所示，其分别为本发明手术机器人一实施例的结构示意图，及其局部示意图。
手术机器人包括主操作台1及从操作设备2。主操作台1具有运动输入设备11及显示器12，医生通过操作运动输入设备11向从操作设备2发送控制命令，以令从操作设备2根据医生操作运动输入设备11的控制命令执行相应操作，并通过显示器12观察手术区域。其中，从操作设备2具有臂体，臂体具有机械臂21及可拆卸地装设于机械臂21远端的操作臂31。机械臂21包括依次连接的基座及连接组件，连接组件具有多个关节组件。操作臂31包括依次连接的连杆32、连接组件33及末端器械34，其中，连接组件33具有多个关节组件，操作臂31通过调节关节组件调节末端器械34的姿态；末端器械34具有图像末端器械34A及操作末端器械34B。其中，机械臂21及/或操作臂31可跟随运动输入设备11运动。
例如，运动输入设备11可以通过连线与主操作台1连接，或通过旋转的连杆与主操作台1相连接。运动输入设备11可以被配置为手持式或穿戴式(常佩戴于手腕远端如手指或手掌处)，其具有多个有效自由度。示例性的，该运动输入设备11被配置为图3所示的手柄形式。一种情况下，运动输入设备11的有效自由度的数量被配置为低于定义于臂体远端任务自由度的数量；另一种情况下，运动输入设备11的有效自由度的数量被配置为不低于臂体远端的任务自由度的数量。运动输入设备11的有效自由度的数量至多为6个，为了可以不受约束地跟随医生手部自由移动及旋转，运动输入设备11示例性地被配置为具有6个有效自由度，其中，运动输入设备11的有效自由度指可跟随手部运动的有效自由度，令医生具有较大的操作空间，且可以通过对各有效自由度的解析产生更多有意义的数据，满足对几乎所有构型的机械臂21的控制。
该运动输入设备11跟随医生手部运动，实时采集手部运动造成的运动输入设备自身运动的运动信息。利用这些运动信息可以解析出位置信息、姿态信息、速度信息及加速度信息等。运动输入设备11包括但不限于磁导航定位传感器、光学定位传感器、或者连杆式主操作手等。其中，连杆式主操作手的各关节处具有位置传感器，进而通过各位置传感器可以获取该连杆式主操作手近端的运动信息。
一实施例中，如图4所示，提供一种手术机器人的控制方法，该控制方法包括如下步骤：
步骤S1，获取受控运动输入设备输入的运动信息并将运动信息解析映射为受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
其中，第一坐标系指机械臂的基坐标系。运动信息通常可以是运动输入设备的位姿信息。受控对象是根据操作人员的选择指令选从臂体中选择出的机械臂、或操作臂、或机械臂结合其中之一的操作臂。受控运动输入设备通常也可以是根据操作人员的选择指令从若干运动输入设备中选择出的一个以上。“映射”通常表示一种对应转换的关系。
步骤S2，根据增量位姿信息控制受控对象中各关节组件联动以使受控对象远端进行相应的增量运动。
一实施例中，参阅图5，步骤S2可以通过位置控制方法来实现，以受控对象是如图6所示的机械臂21为例说明，该步骤S2包括：
步骤S21，获取受控对象中各关节组件的位置信息。
具体可通过装设于受控对象中各关节组件处的位置传感器如编码器获取相应的位置信息。在以图1及图6示意的实施例中，该机械臂21具有5个自由度，借助各位置传感器能够采集到这样一组位置信息(d1,θ2,θ3,θ4,θ5)。
步骤S22，根据各关节组件的位置信息计算受控对象远端在第一坐标系的当前位姿信息。
其中，通常可以结合正运动学来进行计算。建立机械臂21的不动点(即C点处，机械臂21的工具坐标系的原点在不动点上)至机械臂21的基座的运动学模型，输出C点与基座的模型转换矩阵
Figure BDA0002198045000000091
计算方法为
Figure BDA0002198045000000092
步骤S23，结合增量位姿信息及当前位姿信息计算受控对象在第一坐标系的目标位姿信息。
其中，根据C点与基座的模型转换矩阵
Figure BDA0002198045000000093
获取C点在固定坐标系的位姿信息。假设在不改变C点位置的情况下，旋转C点的坐标系，使其达到模型转换矩阵所描述的姿态，可得到旋转轴角度[θx0,θy0,θz0]，如图7所示。θx0为滚动角，θy0为偏航角，θz0为俯仰角，事实上在图6所示的机械臂21中，缺乏滚动角的自由度进而实际上θx0不可调。该固定坐标系举例可以定义在显示器处，当然，也可以定义在至少在工作时不可动的部位。
步骤S24，根据目标位姿信息计算各关节组件的目标位置信息。
该步骤通常可以结合逆运动学来进行计算。
步骤S25，根据各关节组件的目标位置信息控制受控对象中各关节组件联动以使受控对象远端进行相应的增量运动进而到达相应的目标位姿。
一实施例中，在上述步骤S24之后，可以对各关节组件的目标位置信息的有效性进行判断，并在各关节组件的目标位置信息均有效时，进入步骤S25。举例而言，该判断过程可以将各关节组件的目标位置信息与各关节组件对应的运动状态阈值(如最大移动距离、最大转动角度)进行比较，任意一个目标位置信息超过相应的状态阈值时均判断为无效。这样可以有效保护受控对象。
进一步地，如图8所示，为了反映对于臂体的主动控制是医生的真实意图，可以在步骤S1之前，进行：
步骤S100，检测是否获取到开始主动控制的启动命令。
其中，该启动命令可以由主动控制开关输入。在检测获取到该启动命令之后进入上述的步骤S1。
并且，在步骤S2之后，进行：
步骤S101，检测是否获取到停止主动控制的结束命令。
其中，该结束命令同样可以由该主动控制开关输入。在检测获取到该结束命令之后，结束对臂体的控制；否则，重新进入到步骤S1～步骤S2。
上述的主动控制开关可被配置为脚踏开关，按键开关，主操作手开关等。
进一步地，为了更加贴合医生对于臂体的主动控制的真实意图，可以在步骤S1之前，进行：
检测手术机器人是否处于医生操作状态中。
该步骤可以通过在主操作台设置检测头部是否贴近的接近开关来实现。在贴近开关检测到头部靠近后，满足启动条件，进入步骤S1。或者，也可以通过设置语音识别模块，根据医生的启动语音指令来确认启动，从而进入步骤S1。
一实施例中，如图9所示，具体在步骤S1之中，包括：
步骤S11，获取针对受控对象输入的关联于操作模式类型的选择指令。
操作模式包括二对一操作模式和一对一操作模式，二对一操作模式指用两个受控运动输入设备来控制一个受控对象，一对一操作模式指用一个受控运动输入设备来控制一个受控对象。在控制一个受控对象运动时，可以选择采用一对一操作模式或二对一操作模式。对于一对一操作模式而言，可以进一步选择采用哪一个运动输入设备作为受控运动输入设备来进行控制。举例而言，同一操作人员在双手动作时，根据配置，其可以是对一个受控对象进行的二对一操作模式的控制，也可以是对两个受控对象分别进行的一对一操作模式的控制。当手术机器人提供足够多的运动输入设备时，这对于两个以上的操作人员仍然是适用的。
步骤S12，结合操作模式的类型获取受控运动输入设备输入的运动信息并将运动信息解析映射为受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
一实施例中，对于一对一操作模式，举例可以通过公式Pn＝KPn获得相应一个受控运动输入设备11在第n时刻的位姿信息P，其中，K是比例系数，通常，K>0，更佳的，1≥K>0，以实现对位姿的缩放，便于控制。
一实施例中，对于二对一操作模式，举例可以通过公式Pn＝K1PnL+K2PnR获得相应两个受控运动输入设备11在第n时刻的位姿信息P，其中，K1和K2分别表示不同运动输入设备11的比例系数，通常，K1>0，K2>0；更佳的，1≥K1>0，1≥K2>0。
计算某前后时刻一对一操作模式或二对一操作模式对应的受控运动输入设备11的增量位姿信息Δpn_n-1时，根据如下公式计算即可：
Δpn_n-1＝Pn-Pn-1
一实施例中，如图10和图11所示，在步骤S11获取到的选择指令关联于二对一操作模式时，步骤S12包括：
步骤S121，分别获取前一时刻两个受控运动输入设备各自的第一位姿信息。
步骤S122，分别获取后一时刻两个受控运动输入设备各自的第二位姿信息。
步骤S123，结合第一比例系数及两个受控运动输入设备各自的第一位姿信息、第二位姿信息计算获取两个受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息。
在该步骤S123中，具体可通过如下步骤实现：
计算一受控运动输入设备的第一位姿信息和第二位姿信息在固定坐标系的增量位姿信息，并计算另一运动输入设备的第一位姿信息和第二位姿信息在固定坐标系的增量位姿信息。
结合第一比例系数计算一运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息和另一运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息分别得到该两个运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息。
其中，在二对一操作模式中，示例性的，该第一比例系数取值为0.5，即将K1和K2均取值为0.5，则获取的增量位姿信息表示的是该两个受控运动输入设备之间连线的中心点的增量位姿信息。根据实际情况，也可以对K1和K2进行另外的赋值。K1和K2可以相同或不同。
步骤S124，将两个受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
一实施例中，如图12所示，在步骤S11获取到的选择指令关联于二对一操作模式时，步骤S12也可以包括：
步骤S125，分别获取前一时刻两个受控运动输入设备各自在固定坐标系的第一位置信息。
步骤S126，分别获取后一时刻两个受控运动输入设备各自在固定坐标系的第二位置信息。
步骤S127，结合第二比例系数及两个受控运动输入设备各自在固定坐标系的第一位置信息、第二位置信息计算获取两个受控运动输入设备在固定坐标系的水平移动增量信息、竖直移动增量信息及转动增量信息。
步骤S128，将两个受控运动输入设备在固定坐标系的水平移动增量信息、竖直移动增量信息及转动增量信息对应映射为受控对象远端在第一坐标系的偏航角增量信息、俯仰角增量信息及滚动角增量信息。
更进一步地，如图13和图14所示，上述步骤S128在根据两个受控运动输入设备各自在固定坐标系的第一位置信息、第二位置信息计算获取两个受控运动输入设备在固定坐标系的转动增量信息的步骤之中，包括：
步骤S1281，建立前一时刻两个受控运动输入设备之间的第一位置向量。
步骤S1282，建立后一时刻两个受控运动输入设备之间的第二位置向量。
步骤S1283，结合第三比例系数及第一位置向量与第二位置向量之间的夹角获取两个受控运动输入设备在固定坐标系的转动增量信息。
一实施例中，如图15和图16所示，在上述步骤S11获取到的选择指令关联于一对一操作模式时，上述步骤S12可以包括：
步骤S1231，获取前一时刻受控运动输入设备在固定坐标系的第一位姿信息。
步骤S1232，获取后一时刻受控运动输入设备在固定坐标系的第二位姿信息。
步骤S1233，结合第四比例系数及受控运动输入设备在固定坐标系的第一位姿信息、第二位姿信息计算获取受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息。
步骤S1234，将受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
此外，可以在主操作台/从操作设备中配置一输入装置，该输入装置用于输出切换映射关系的控制命令，该映射关系包括自然映射关系和非自然映射关系。上述步骤S11可选择地以自然映射关系将受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为受控对象在第一坐标系的增量位姿信息；或者以非自然映射关系将受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为受控对象在第一坐标系的增量位姿信息。
其中，自然映射关系为一一对应的关系，指受控运动输入设备与受控对象之间的水平移动增量信息到水平移动增量信息、竖直移动增量信息到竖直移动增量信息、前后移动增量信息到前后移动增量信息、偏航角转动增量信息到偏航角转动增量信息、俯仰角转动增量信息到俯仰角转动增量信息及滚动角转动增量信息到滚动角转动增量信息。
非自然映射关系为自然映射关系之外的映射关系。一实例中，该非自然映射关系包括但不限于转换映射关系，其包括但不限于前述的将固定坐标系的水平移动增量信息、竖直移动增量信息及转动增量信息一对一映射为受控对象的偏航角增量信息、俯仰角增量信息及滚动角增量信息。配置成非自然映射关系能够在如二对一操作模式等某些情况下较容易地对受控对象进行控制。
值得注意的是，在某些使用场景下，受控对象如机械臂21运动时，需要确保机械臂21运动时使机械臂21远端绕不动点(远端运动中心，Remote Center of Motion)运动，即做RCM约束运动，具体可以通过对机械臂远端的任务自由度进行设置来确保实现，该任务自由度仅与姿态自由度相关。
该不动点与机械臂远端具有一个相对固定的位置关系。根据具体的控制目的，一些实施例中第二坐标系的原点可以是该不动点，其他实施例中第二坐标系的原点也可以是机械臂远端上的某一点。
具体而言，臂体远端的任务自由度可被理解为臂体远端在笛卡尔空间允许运动的自由度，其至多为6个。臂体远端在笛卡尔空间实际具有的自由度为有效自由度，臂体远端的有效自由度与其构型(即结构特征)相关，臂体远端的有效自由度可被理解为臂体远端在笛卡尔空间内可实现的自由度。受控对象为操作臂31的末端器械34时，可供配置的任务自由度与机械臂21及该操作臂31总的有效自由度相关联，该机械臂21和操作臂31可以视为一个串联臂体，两者共同作用以提供可供末端器械34配置的任务自由度，其同样至多为6个。配置臂体远端的任务自由度(其配置信息)即为配置允许臂体远端在哪些自由度进行运动。
举例可以在机械臂21远端与操作臂31连接处设置与处理系统连接的检测单元，该检测单元用于在穿刺器可靠连接于机械臂21远端时产生令机械臂21远端绕不动点运动的触发信号。处理系统在检测到触发信号时自动设置相应任务自由度以控制机械臂21远端进行RCM约束运动。当然，也可以由医生等操作人员通过主动设置相应任务自由度以控制机械臂21远端进行RCM约束运动。此外，该触发信号也可以由操作人员通过输入装置如按钮输入。另外，根据设定，操作臂31远端也具有不动点，操作臂31的不动点不同于机械臂21的不动点，操作臂31所具有的末端器械34经配置也可以绕操作臂31的不动点运动，即进行RCM约束运动。
根据对机械臂远端及/或操作臂远端任务自由度的配置，可以对机械臂远端及/或操作臂远端进行RCM约束控制，以适用于多种使用场景。
一实施例中，如图17所示，上述步骤S1可以包括：
步骤S13，获取输入的关联于受控对象远端的任务自由度的操作命令。
其中，为便于设置任务自由度，可以根据描述受控对象构型的描述文件来生成含有受控对象可供配置的任务自由度的控件的用户界面组件以供操作人员配置。通过选择相应控件产生相应操作指令。受控对象远端的任务自由度由使用者根据使用场景进行设定，即使用者根据需求设定受控对象远端可调节的位置及/或姿态。
或者，可以设置物理按键以关联几种常用的任务自由度模式。触发其中要给按钮可以触发一类操作命令。该操作命令分为两类，包括第一类操作命令和多个第二类操作命令。
其中，第一类操作命令同任务自由度与受控对象的有效自由度完全匹配的情况相关联，根据第一类操作命令解析获得的增量位姿信息可对受控对象在有效自由度内进行自由控制；第二类操作命令同任务自由度与受控对象的有效自由度不完全匹配、但包含于受控对象的有效自由度的情况相关联，根据第二类操作命令解析获得的增量位姿信息只能在设定的任务自由度内对受控对象进行约束控制。
进一步地，该第二类操作命令包括一子操作命令，子操作命令同受控对象远端的任务自由度选择自受控对象的有效自由度中与姿态自由度关联的有效自由度的情况相关联，即该子操作命令对应前文记载的RCM约束控制模式。
步骤S14，结合任务自由度将运动信息解析映射为受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
在步骤S14中，可以根据配置的任务自由度对运动信息进行解析，然后再将经过解析后的运动信息映射为受控对象在第一坐标系的增量位姿信息。例如，该配置的任务自由度为允许[x,y,z,α,β,γ]中的[x,y,z]这三个自由度运动，则在对运动信息进行解析时，仅解析出[x,y,z]这三个自由度对应的运动信息，然后再将对应于[x,y,z]这三个自由度的运动信息映射为受控对象在第一坐标系的增量位姿信息，其它自由度保持当前位姿信息。其中，x为水平移动任务自由度、y为竖直移动任务自由度、z为前后移动任务自由度、α为偏航角任务自由度、β为俯仰角任务自由度、γ为滚动角任务自由度。
在步骤S14中，也可以先对运动信息进行全面解析，然后根据该信息对经过解析后的运动信息映射为受控对象在第一坐标系的增量位姿信息。例如，该配置的任务自由度为允许位姿信息[x,y,z,α,β,γ]中的[x,y,z]这三个自由度运动，则在对运动信息进行解析时，解析出全部[x,y,z,α,β,γ]这六个自由度对应的运动信息，然后再将对应于[x,y,z]这三个自由度的运动信息映射为受控对象在第一坐标系的增量位姿信息。
举例如图6所示的机械臂21中，机械臂21远端的有效自由度包括[x,y,z,α,β]，根据机械臂21中通过其各关节组件210～214的的运动实现在上述有效自由度方向运动，其在滚动角γ上不具备自由度。连接于机械臂21远端且用于安装和驱动具有末端器械34的操作臂31的动力机构22的任务自由度实际即从机械臂21的有效自由度中进行选择：
若配置动力机构22的任务自由度(即机械臂21远端的任务自由度)的配置信息为[x,y,z,α,β]，即动力机构22的任务自由度的配置信息与机械臂21的有效自由度的信息完全匹配，此时通常可对动力机构22进行自由控制(除非某些自由度方向达到限位)，能够控制动力机构22大范围移动以适应手术室布置；
若配置动力机构22的任务自由度的配置信息为[x,y,z,α]或[x,y,z]等时，则动力机构22的任务自由度的配置信息包含于机械臂21的有效自由度的信息内、且不完全匹配，在控制动力机构22时，只可以在[x,y,z,α]或[x,y,z]这几个对应的自由度进行调节，此时对动力机构22进行的是约束控制，能够在限定的范围内对动力机构22进行控制。
尤其是，若配置动力机构22的任务自由度的配置信息为只包括[α,β]时，这属于约束控制中的RCM约束控制，即绕远程运动中心(即不动点)运动，只可以对偏航角和俯仰角进行调节，能够满足手术过程的安全性。
当然，若机械臂21的有效自由度的信息包括[x,y,z,α,β,γ]，通过对动力机构22的任务自由度的配置，RCM约束控制可包括仅对偏航角、仅对俯仰角、仅对滚动角、对偏航角和俯仰角、对偏航角和滚动角、对俯仰角和滚动角、和对偏航角、俯仰角及滚动角进行调节的这多种类型。
在一种配置中，若配置的动力机构22的任务自由度只部分包含于机械臂21的有效自由度中，即对动力机构22被配置了无法实现的运动方向，一种较佳的选择是提示配置错误的信息，另一种选择是可以仅允许包含于机械臂21的有效自由度的部分自由度可调。仍以图4所示的机械臂21为例，若配置的动力机构22的任务自由度为[y,z,α,β,γ]或[x,y,z,α,β,γ]，一方面可以提示配置错误的信息，另一方面可以允许[y,z,α,β]或[x,y,z,α,β]中进行相应的自由度的调节。这可以根据实际需要进行配置。
一实施例中，如图18所示，在步骤S13之后，包括:
步骤S15，实时检测是否获取到精调控制指令。
其中，可以通过按钮、语音、脚踏等方式来输入该精调控制指令。
步骤S16，获取到精调控制指令时，进一步获取选择控制指令并根据选择控制指令从当前所设置的受控对象远端的任务自由度中选择出至少一个以更新受控对象远端的任务自由度。
其中，同样可以通过按钮、语音、脚踏等方式来输入该选择控制指令。一方面，在获取到该精调控制指令时，可以暂停当前操作，先基于当前受控对象的任务自由度完成任务自由度的重新配置，然后恢复操作。另一方面，在获取到该精调控制指令时，可以无需暂停当前操作，通过脚踏、语音识别等方式输入该选择控制指令，实现不间断地控制。
举例而言，若当前配置的受控对象的任务自由度为[x,y,z,,α,β]，在控制过程中，如果发现受控对象在[x,y]这两个自由度已经达到了期望的位姿，则可以输入精调控制指令，并在剩余的[z,α,β]这三个自由度内重新设置任务自由度，比如可以逐一地对z,α,β这三个自由度进行调节，直至受控对象到达所有期望的位姿。
上述实施例中，一对一操作模式和二对一操作模式均适用于受控末端器械不同任务自由度的情况。而从便捷性和准确性的角度考虑，一对一操作模式比较适合于受控末端器械任务自由度较多(如4任务自由度以上)的情况，二对一操作模式比较适合于受控末端器械任务自由度较少(如3任务自由度以内)的情况。
一实施例中，可以在上述步骤S2之前对增量位姿信息进行修正。该修正的过程可以在将运动信息解析为受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息的过程中进行，也可以在将受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的过程中进行。
该修正的过程可以利用修正系数及/或具有修正系数的补偿值对该增量位姿信息中的各参数进行修正。对于不同参数可以用不同的修正系数及/或具有不同修正系数的补偿值来进行修正，实际上，对于不同参数该补偿值也可以不同。
示例性的，假设受控运动输入设备在固定坐标系下的增量位姿信息为[Δdx,Δdy,Δdz,Δα,Δβ,Δγ,]，Δdx指水平方向x移动增量信息，Δdy指竖直方向y移动增量信息，Δdz指前后方向z移动增量信息，Δα指沿水平方向x的偏航角转动增量信息，Δβ指沿竖直方向y的俯仰角转动增量信息，Δγ指沿前后方向z的滚动角转动增量信息。
以对受控对象进行RCM约束控制为例说明。该增量位姿信息包括[Δα',Δβ',Δγ']。
可以用
Figure BDA0002198045000000181
来修正偏航角转动增量信息，其中，Δα'表示修正后的偏航角转动增量信息，kα表示偏航角转动增量信息的修正系数，
Figure BDA0002198045000000182
表示水平移动增量信息的修正系数。当kα或
Figure BDA0002198045000000183
为零时，Δα'仅与单一增量信息有关。
可以用Δβ＝kβΔα+kdyΔdy来修正俯仰角转动增量信息，其中，Δβ'表示修正后的俯仰角转动增量信息，kβ表示俯仰角转动增量信息的修正系数，kdy表示水竖直移动增量信息的修正系数。当kβ或kdy为零时，Δα'仅与单一增量信息有关。
这样结合修正系数及水平移动增量信息对偏航角转动增量信息进行修正，及结合修正系数及竖直移动增量信息对俯仰角转动增量信息进行修正，能够消除相关成对自由度带来的误差以更好地反映控制意图，并且能够对由于手部灵活性因素造成的部分转动角度不可达的问题进行补偿，实现任意角度可调。
同理，也可以采用上述相同方法对[x,y,z,γ]这几个自由度对应的增量信息进行修正。
一实施例中，为了实现对受控对象的精调，还可以触发另一精调控制指令，并在获取到该另一精调控制指令时，在上述步骤S1中利用缩放系数将增量位姿信息按比例缩小。该过程同样可以在解析的过程中，或者在映射的过程中实现。这还可以结合重新配置受控对象远端的任务自由度来实现精调。
一些实施例中，可以在对受控对象进行控制前，分别对操作模式、任务自由度、映射关系等进行配置，以实现更好地控制目的。为了便于配置，可以生成显示于显示器的含有各种可供配置的控件的用户界面组件，当然，这些也完全可以通过不同组合的物理按键或者语音识别模块来实现。
示例性的，受控对象为具有图像末端器械34A的操作臂31时：
一实施例中，在图像末端器械34A被配置成任务自由度为[x,y,γ]、一对一操作模式及自然映射关系的情况下：受控运动输入设备沿x轴左移控制图像末端器械34A左移(视野效果如图19a)；受控运动输入设备沿x轴右移控制图像末端器械34A右移(视野效果如图19b)；受控运动输入设备沿y轴上移控制图像末端器械34A上移(视野效果如图19c)；受控运动输入设备沿y轴下移控制图像末端器械34A下移(视野效果如图19d)；受控运动输入设备绕z轴顺时针转动控制图像末端器械34A绕z轴顺时针转动(即自转运动，视野效果如图19e)；受控运动输入设备绕z轴逆时针转动控制图像末端器械34A绕z轴逆时针转动(即自转运动，视野效果如图19f)。
一实施例中，在图像末端器械34A被配置成任务自由度为[x,y,γ]、二对一操作模式及自然映射关系的情况下：两个受控运动输入设备之间的中心沿x轴向左移动控制图像末端器械34A左移(视野效果如图20a)；两个受控运动输入设备之间的中心向沿x轴右移动控制图像末端器械34A右移(视野效果如图20b)；两个受控运动输入设备之间的中心沿y轴向上移动控制图像末端器械34A上移(视野效果如图20c)；两个受控运动输入设备之间的中心沿y轴向下移动控制图像末端器械34A下移(视野效果如图20d)；两个受控运动输入设备之间的中心绕z轴顺时针转动控制图像末端器械34A绕z轴顺时针转动(即自转运动，视野效果如图20e)；两个受控运动输入设备之间的中心绕z轴逆时针转动控制图像末端器械34A绕z轴逆时针转动(即自转运动，视野效果如图20f)。
在另一实施例中，在操作臂31远端被配置成任务自由度为[z,α,β,γ]、一对一操作模式及自然映射关系的情况下：受控运动输入设备沿z轴前移控制操作臂31远端前移(视野效果如图21a)；受控运动输入设备沿z轴后移控制操作臂31远端后移(视野效果如图21b)；受控运动输入设备绕y轴转动控制操作臂31远端做偏航运动(视野效果如图21c)；受控运动输入设备绕x轴转动控制操作臂31远端做俯仰运动(视野效果如图21d)；受控运动输入设备绕z轴转动控制操作臂31远端做自传运动(视野效果如图21e)。
在一些实施例中，即使受控运动输入设备的有效自由度的数量小于受控对象的有效自由度的数量时也可适用上述的控制方法，此时在受控运动输入设备包含于受控对象的有效自由度的有效自由度内进行适用即可。
在一些实施例中，若受控运动输入设备的有效自由度的数量相较于受控对象的任务自由度的数量具有富余时，可以对受控运动输入设备多余出来的有效自由度进行合理利用。比如利用同一受控运动输入设备独立对机械臂21及操作臂31进行控制，例如，将受控运动输入设备一部分有效自由度对应的增量位姿信息映射为机械臂21远端(即动力机构22)相应任务自由度的增量位姿信息、并将一部分有效自由度对应的增量位姿信息映射为操作臂31远端(即末端器械34)相应任务自由度的增量位姿信息。
上述实施例适用于对如图1所示类型的手术机器人中的臂体进行控制。该类型的手术机器人包括一个机械臂21及装设于该机械臂21远端的一个以上的具有末端器械34的操作臂31，该机械臂21及操作臂31均具有若干自由度。
上述实施例同样适用于对如图22所示类型的手术机器人中的臂体进行控制。该类型的手术机器人包括一个主臂32’、装设于主臂32’远端的一个以上的调整臂30’及装设于调整臂30’远端的一个以上的具有末端器械的操作臂31’，该主臂32’、调整臂30’及操作臂31’均具有若干自由度。如图22所示，该手术机器人中，调整臂30’可以设置为四个，每个调整臂30’可以仅设置一个操作臂31’。根据实际使用场景，可以将如图22所示类型的手术机器人的三段式臂体结构配置为如图1所示类型的手术机器人的两段式臂体结构从而实现控制。一实施例中，在该两种类型的手术机器人中的操作臂的概念为一致的情况下，例如，根据配置，可以将如图22所示类型的手术机器人中的各调整臂30’视为如图1所示类型的手术机器人中的机械臂21进行控制；又例如，根据配置，也可以将如图22所示类型的手术机器人中的任一调整臂30’及主臂32’的整体视为如图1所示类型的手术机器人中的机械臂21进行控制。一实施例中，可以将如图22所示类型的手术机器人中的主臂32’视为如图1所示类型的手术机器人中的机械臂21、并将如图22所示类型的手术机器人中的调整臂30’及其对应的操作臂31’的整体视为如图1所示类型的手术机器人中的操作臂31进行控制。
一实施例中，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被配置为由一个以上的处理器执行实现上述任一项实施例的控制方法的步骤。
一实施例中，提供一种手术机器人中臂体的控制装置，该控制装置包括用于存储计算机程序的存储器及用于加载并执行计算机程序的处理器。其中，计算机程序被配置为由处理器加载并执行实现如上述任一项实施例所记载的控制方法的步骤。
本发明的具有如下有益效果：
受控对象能够跟随受控运动输入设备，操作人员无需脱离座位就可以将受控对象尤其是机械臂调节至期望的位姿，易用性较好。
以上所述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 (17)

1.一种手术机器人中臂体的控制方法，所述臂体包括机械臂及可拆卸装设于所述机械臂远端的一个以上的操作臂，所述机械臂、或所述操作臂、或所述机械臂结合其中之一所述操作臂可选择地被配置为受控对象，其特征在于，包括：
获取受控运动输入设备输入的运动信息；
获取输入的关联于所述受控对象远端的任务自由度的操作命令，所述任务自由度指在笛卡尔空间允许运动的自由度，至多包括笛卡尔空间的三个位置自由度及三个姿态自由度；
结合所述任务自由度将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息，第一坐标系指所述机械臂的基坐标系，所述运动信息是所述运动输入设备的位姿信息；
根据所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动以使所述受控对象远端进行相应的增量运动；
所述操作命令包括第一类操作命令和多个第二类操作命令；
所述第一类操作命令同所述任务自由度与所述受控对象的有效自由度完全匹配的情况相关联，根据所述第一类操作命令解析获得的所述增量位姿信息可对所述受控对象在有效自由度内进行自由控制；
所述第二类操作命令同所述任务自由度与所述受控对象的有效自由度不完全匹配、但包含于所述受控对象的有效自由度的情况相关联，根据所述第二类操作命令解析获得的所述增量位姿信息只能在设定的任务自由度内对所述受控对象进行约束控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动以使所述受控对象远端进行相应的增量运动的步骤之中，包括：
获取所述受控对象中各关节组件的位置信息；
根据各所述关节组件的位置信息计算所述受控对象远端在第一坐标系的当前位姿信息；
结合所述增量位姿信息及当前位姿信息计算所述受控对象在第一坐标系的目标位姿信息；
根据所述目标位姿信息计算各所述关节组件的目标位置信息；
根据各所述关节组件的目标位置信息控制所述受控对象中各关节组件联动以使所述受控对象远端进行相应的增量运动进而到达相应的目标位姿。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述获取所述受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：
获取针对所述受控对象输入的关联于操作模式类型的选择指令；
结合所述操作模式的类型获取所述受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：
所述操作模式包括二对一操作模式和一对一操作模式，所述二对一操作模式指用两个所述受控运动输入设备来控制一个所述受控对象，所述一对一操作模式指用一个所述受控运动输入设备来控制一个所述受控对象。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，获取到的所述选择指令关联于二对一操作模式时，所述结合所述操作模式的类型获取所述受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：
分别获取前一时刻两个所述受控运动输入设备各自的第一位姿信息；
分别获取后一时刻两个所述受控运动输入设备各自的第二位姿信息；
结合第一比例系数及两个所述受控运动输入设备各自的第一位姿信息、第二位姿信息计算获取两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息；
将两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，获取到的所述选择指令关联于二对一操作模式时，所述结合所述操作模式的类型获取所述受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：
分别获取前一时刻两个所述受控运动输入设备各自在固定坐标系的第一位置信息；
分别获取后一时刻两个所述受控运动输入设备各自在固定坐标系的第二位置信息；
结合第二比例系数及两个所述受控运动输入设备各自在固定坐标系的第一位置信息、第二位置信息计算获取两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的水平移动增量信息、竖直移动增量信息及转动增量信息；
将两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的水平移动增量信息、竖直移动增量信息及转动增量信息对应映射为所述受控对象远端在第一坐标系的偏航角增量信息、俯仰角增量信息及滚动角增量信息。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述根据两个所述受控运动输入设备各自在固定坐标系的第一位置信息、第二位置信息计算获取两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的转动增量信息的步骤之中，包括：
建立前一时刻两个所述受控运动输入设备之间的第一位置向量；
建立后一时刻两个所述受控运动输入设备之间的第二位置向量；
结合第三比例系数及所述第一位置向量与所述第二位置向量之间的夹角获取两个所述受控运动输入设备在固定坐标系的转动增量信息。
8.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，获取到的所述选择指令关联于一对一操作模式时，所述结合所述操作模式的类型获取所述受控运动输入设备输入的运动信息并将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：
获取前一时刻所述受控运动输入设备在固定坐标系的第一位姿信息；
获取后一时刻所述受控运动输入设备在固定坐标系的第二位姿信息；
结合第四比例系数及所述受控运动输入设备在固定坐标系的第一位姿信息、第二位姿信息计算获取所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息；
将所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息。
9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述将所述运动信息解析映射为所述受控对象远端在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：
以自然映射关系将所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为所述受控对象在第一坐标系的增量位姿信息；
或者，以非自然映射关系将所述受控运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为所述受控对象在第一坐标系的增量位姿信息；
其中，所述自然映射关系为一一对应的关系，指所述受控运动输入设备与所述受控对象之间的水平移动增量信息到水平移动增量信息、竖直移动增量信息到竖直移动增量信息、前后移动增量信息到前后移动增量信息、偏航角转动增量信息到偏航角转动增量信息、俯仰角转动增量信息到俯仰角转动增量信息及滚动角转动增量信息到滚动角转动增量信息。
10.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，
所述第二类操作命令包括一子操作命令，所述子操作命令同所述受控对象远端的任务自由度选择自所述受控对象的有效自由度中与姿态自由度关联的有效自由度的情况相关联。
11.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述获取输入的关联于所述受控对象远端的任务自由度的操作命令的步骤之后，包括：
实时检测是否获取到精调控制指令；
获取到所述精调控制指令时，进一步获取选择控制指令并根据所述选择控制指令从当前所设置的所述受控对象远端的任务自由度中选择出至少一个以更新所述受控对象远端的任务自由度。
12.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：
所述根据所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动的步骤之前，包括：
修正所述增量位姿信息中的各参数获得修正后的增量位姿信息；
所述根据所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动的步骤之前，包括：
根据修正后的所述增量位姿信息控制所述受控对象中各关节组件联动。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述修正所述增量位姿信息的步骤之中，包括：
利用修正系数及/或具有修正系数的补偿值对所述增量位姿信息中的各参数进行修正。
14.一种手术机器人的控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
及处理器，用于加载并执行所述计算机程序；
其中，所述计算机程序被配置为由所述处理器加载并执行实现如权利要求1～13任一项所述的控制方法的步骤。
15.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被配置为由处理器加载并执行实现如权利要求1～14任一项所述的控制方法的步骤。
16.一种手术机器人，其特征在于，包括：
臂体，包括机械臂及可拆卸装设于所述机械臂远端的一个以上的操作臂，所述机械臂、或所述操作臂、或所述机械臂结合其中之一所述操作臂可选择地被配置为受控对象；
运动输入设备；
及与所述臂体连接的控制装置，用于执行实现如权利要求1～13任一项所述的控制方法的步骤。
17.根据权利要求16所述的手术机器人，其特征在于：
所述运动输入设备为握持式或穿戴式；
所述运动输入设备是磁导航定位传感器、光学定位传感器、或连杆式主操作手。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111317490A (zh) * 2020-02-25 2020-06-23 京东方科技集团股份有限公司 一种远程操作控制系统及远程操作控制方法
WO2022037385A1 (zh) * 2020-08-19 2022-02-24 北京术锐技术有限公司 机器人系统以及控制方法
CN113334391B (zh) * 2021-08-06 2021-11-09 成都博恩思医学机器人有限公司 一种机械臂的摆位控制方法、系统、机器人及存储介质
CN113334390B (zh) * 2021-08-06 2021-11-09 成都博恩思医学机器人有限公司 一种机械臂的控制方法、系统、机器人及存储介质
CN114074329B (zh) * 2022-01-19 2022-04-15 成都博恩思医学机器人有限公司 一种机器人远心不动点的校验控制方法及相关装置

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2021084A4 (en) * 2006-05-11 2009-09-23 Rehabtronics Inc METHOD AND APPARATUS FOR AUTOMATIC DELIVERY OF THERAPEUTIC EXERCISES OF UPPER MEMBERS
JP5612971B2 (ja) * 2010-09-07 2014-10-22 オリンパス株式会社 マスタスレーブマニピュレータ
JP5675236B2 (ja) * 2010-09-10 2015-02-25 オリンパス株式会社 マニピュレータシステムの制御装置、マニピュレータシステム、及びマニピュレータシステムの制御方法
US9730717B2 (en) * 2011-02-03 2017-08-15 Karl Storz Gmbh & Co. Kg Medical manipulator system
JP5938954B2 (ja) * 2012-03-06 2016-06-22 株式会社ジェイテクト ロボットのキャリブレーション方法及びキャリブレーション装置
CN103499922A (zh) * 2013-09-16 2014-01-08 北京邮电大学 一种基于fpga的七自由度空间机械臂运动学实时解算方法
US9862090B2 (en) * 2014-07-25 2018-01-09 California Institute Of Technology Surrogate: a body-dexterous mobile manipulation robot with a tracked base
CN105159096B (zh) * 2015-10-10 2017-08-29 北京邮电大学 一种基于粒子群算法的冗余度空间机械臂关节力矩优化方法
KR102437404B1 (ko) * 2016-07-14 2022-08-30 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드 수술 기구를 제어하는 시스템 및 방법
CN110430823A (zh) * 2017-01-13 2019-11-08 Tas医药公司 用于闭合腹壁缺损的系统、装置和方法
CN107877517B (zh) * 2017-11-16 2021-03-30 哈尔滨工业大学 基于CyberForce遥操作机械臂的运动映射方法
CN108241339B (zh) * 2017-12-27 2020-09-04 北京航空航天大学 仿人机械臂的运动求解和构型控制方法
CN108938090B (zh) * 2018-08-20 2023-07-18 真健康（北京）医疗科技有限公司 一种精准定位的肿瘤手术机器人系统的目标定位方法

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