CN110464472A - 手术机器人及其末端器械的控制方法、控制装置 - Google Patents

手术机器人及其末端器械的控制方法、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末端按器械的的控制方法、控制装置。该控制方法包括：获取受控末端器械在第一坐标系的第一目标位姿信息；分解第一目标位姿信息获得受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息；根据第二目标位姿信息控制相应操作臂中各关节组件联动，并根据第三目标位姿信息控制机械臂中各关节组件联动，以使受控末端器械在机械臂和操作臂联动下到达第一目标位姿信息对应的目标位姿。本发明可扩大末端器械的运动范围进而容易使用。

Description

手术机器人及其末端器械的控制方法、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末端器械的控制方法、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。
某些时刻，机械臂和操作臂中只有操作臂能够被单独控制而调整，然而由于操作臂自身结构特征的限制，其远端的末端器械运动范围容易受到限制，导致很多场景下不能够确保能够末端器械达到期望的位姿，存在难以使用的问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种可扩大末端器械的运动范围进而容易使用的手术机器人的控制方法，及基于该方法的计算机可读存储介质和手术机器人。
一方面，提供一种手术机器人中末端器械的控制方法，所述手术机器人包括机械臂，所述机械臂远端装设有一个以上具有末端器械的操作臂，所述末端器械中有一个被配置为受控末端器械，所述控制方法包括如下步骤：获取所述受控末端器械在第一坐标系的第一目标位姿信息，第一坐标系指所述机械臂的基坐标系；分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息，第二坐标系指所述机械臂的工具坐标系；根据所述第二目标位姿信息控制相应所述操作臂中各关节组件联动，并根据所述第三目标位姿信息控制所述机械臂中各关节组件联动，以使所述受控末端器械在所述机械臂和所述操作臂联动下到达所述第一目标位姿信息对应的目标位姿。
其中，所述分解所述第一目标位姿信息获得所述第二目标位姿信息及所述第三目标位姿信息的步骤之中，包括：获取根据操作人员的第一选择指令并根据所述第一选择指令从所述机械臂及具有所述受控末端器械的所述操作臂中选择一个作为优先调整对象，另一个作为非优先调整对象；根据所述优先调整对象分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息。
其中，所述根据所述优先调整对象分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息的步骤之中，包括：在所述非优先调整对象保持于在相应坐标系的当前位姿的条件下，换算所述第一目标位姿信息获得所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息；其中，所述优先调整对象是所述机械臂、所述非优先调整对象是所述操作臂时，所述优先调整对象的相应坐标系为第一坐标系，所述非优先调整对象的相应坐标系为第二坐标系，所述优先调整对象是所述操作臂、所述非优先调整对象是所述机械臂时，所述优先调整对象的相应坐标系为第二坐标系，所述非优先调整对象的相应坐标系为第一坐标系；对所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息的有效性进行判断；如果所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息为有效，在所述优先调整对象保持于在相应坐标系的目标位姿信息对应的目标位姿的条件下，换算所述第一目标位姿信息获得所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息；如果所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息为无效，调整所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息为有效并更新所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息，然后在所述优先调整对象保持于在相应坐标系的更新后的目标位姿信息对应的目标位姿的条件下，换算所述第一目标位姿信息获得所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息。
其中，所述换算所述第一目标位姿信息获得所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息的步骤之后，包括：对所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息进行有效性判断；如果所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息为有效，进入根据所述第二目标位姿信息控制相应所述操作臂中各关节组件联动，并根据所述第三目标位姿信息控制所述机械臂中各关节组件联动的步骤。
其中，所述对所述优先调整对象或所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息的有效性进行判断的步骤之中，包括：将所述优先调整对象或所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息解析为所述优先调整对象或所述非优先调整对象中各关节组件的目标运动状态参数；将所述优先调整对象或所述非优先调整对象中各所述关节组件的目标运动状态参数分别与相应所述关节组件的运动状态阈值进行比较；如果所述优先调整对象或所述非优先调整对象中各所述关节组件的目标运动状态参数均未超过相应所述关节组件的运动状态阈值，则判断所述优先调整对象或所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息有效；如果所述优先调整对象或所述非优先调整对象中各所述关节组件的目标运动状态参数有一个以上超过相应所述关节组件的运动状态阈值，则判断所述优先调整对象或所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息无效。
其中，所述调整所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息为有效的步骤之中，包括：将所述优先调整对象中超过相应所述关节组件的运动状态阈值的所述关节组件的目标运动状态参数调整为在对应运动状态阈值以内。
其中，所述将所述优先调整对象中超过相应所述关节组件的运动状态阈值的所述关节组件的目标运动状态参数调整为在对应运动状态阈值以内的步骤之中，包括：将所述优先调整对象中超过相应所述关节组件的运动状态阈值的所述关节组件的目标运动状态参数调整为在对应运动状态阈值。
其中，所述运动状态参数包括位置参数、速度参数及加速度参数，所述运动状态阈值包括位置参数阈值、速度参数阈值及加速度参数阈值。
其中，所述分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息的步骤之中，包括：检测是否获取到令所述机械臂远端绕不动点运动的触发信号；在获取到所述触发信号时，分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的仅与姿态自由度相关的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息。
其中，所述获取所述机械臂远端在第一坐标系的当前位姿信息的步骤之中，包括：获取所述受控末端器械在第一坐标系的当前位姿信息；获取运动输入设备输入的运动信息；解析所述运动信息获得所述受控末端器械在第一坐标系的增量位姿信息；结合所述受控末端器械在第一坐标系的当前位姿信息及增量位姿信息计算出所述第一目标位姿信息。
其中，所述解析所述运动信息获得所述受控末端器械在第一坐标系的增量位姿信息的步骤之中，包括：获取所述受控末端器械的任务自由度的配置信息；结合所述配置信息解析所述运动信息获得所述受控末端器械在第一坐标系的增量位姿信息，所述受控末端器械可供配置的任务自由度与所述机械臂及相应所述操作臂总的有效自由度相同。
其中，所述分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息的步骤中，包括：获取输入的关联于所述机械臂远端的任务自由度的配置信息的操作命令；结合所述配置信息分解所述第一目标位姿信息获得所述第二目标位姿信息和所述第三目标位姿信息。
其中，所述操作命令包括第一操作命令和第二操作命令；所述第一操作命令同所述机械臂远端的任务自由度与所述机械臂的有效自由度完全匹配的情况相关联；所述第二操作命令同所述机械臂远端的任务自由度与所述机械臂的有效自由度中的姿态自由度完全匹配的情况相关联。
其中，所述获取所述机械臂远端在第一坐标系的当前位姿信息的步骤之前，包括：获取操作人员的第二选择指令并根据所述第二选择指令从所述末端器械中选择一个配置为所述受控末端器械。
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，提供一种手术机器人，包括：机械臂；装设于所述机械臂远端的一个以上具有末端器械的操作臂；及与所述机械臂及所述操作臂连接的控制装置；所述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，所述末端器械包括图像末端器械及/或操作末端器械。
本发明具有如下有益效果：
通过将末端器械的目标位姿信息分解到操作臂和机械臂两部分并使两者联动，不再局限于操作臂自身的运动范围而可以借助机械臂的运动范围达到扩大末端器械的运动范围的目的，进而容易使用。
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～图5是本发明手术机器人的控制方法不同实施例的流程图；
图6～图8是本发明手术机器人不同实施例使用状态下的结构示意图；图9～图13是本发明手术机器人的控制方法不同实施例的流程图；
图14为图1所示手术机器人臂体机构中机械臂的原理示意图；
图15为本发明手术机器人的控制方法中对空间运动角度的解析示意图；
图16为本发明手术机器人的控制方法一实施例的流程图；
图17为本发明手术机器人的控制方法在一对一操作模式下的流程图；
图18为本发明手术机器人的控制方法在一对一操作模式下的示意图；
图19为本发明手术机器人的控制方法在二对一操作模式下一实施例的流程图；
图20本发明手术机器人的控制方法在二对一操作模式下一实施例的操作示意图；
图21为本发明手术机器人的控制方法在二对一操作模式下另一实施例的流程图；
图22为本发明手术机器人的控制方法在二对一操作模式下另一实施例的流程图；
图23为本发明手术机器人的控制方法在二对一操作模式下一实施例的操作示意图；
图24为本发明手术机器人另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。在本发明中，“各”包括一个及以上。
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。
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具有臂体机构，臂体机构具有机械臂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机构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机构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。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。
一实施例中，提供一种手术机器人中末端器械的控制方法。如图4所示，该控制方法包括如下步骤：
步骤S201，获取受控末端器械在第一坐标系的第一目标位姿信息。
其中，第一坐标系指机械臂21的基坐标系。受控操作末端器械34是指定的希望被主动控制的末端器械。可以通过解析运动输入设备输入的其自身的运动信息获得该受控末端器械34在第一坐标系的第一目标位姿信息。
步骤S202，分解第一目标位姿信息获得受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息。
步骤S203，根据第二目标位姿信息控制相应操作臂中各关节组件联动，并根据第三目标位姿信息控制机械臂中各关节组件联动，以使受控末端器械在机械臂和操作臂联动下到达第一目标位姿信息对应的目标位姿。
通过上述步骤S201～S203，即将根据运动信息得到的受控末端器械34的第一目标位姿信息分解到操作臂31及机械臂21上进而对操作臂31及机械臂21进行联动控制，较多场景下借助机械臂21可能带来的运动增幅，能够扩大受控末端器械34的运动范围，使得受控末端器械34容易使用。
一实施例中，如图5所示，步骤S202包括：步骤S2021，获取根据操作人员的第一选择指令并根据第一选择指令从机械臂及具有受控末端器械的操作臂中选择一个作为优先调整对象。未被选择的另一个则作为非优先调整对象。
步骤S2022，根据优先调整对象分解第一目标位姿信息获得受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息。
该控制方法适用于对图像末端器械34A和操作末端器械34B进行控制。然而，出于安全性考虑，对于操作末端器械34B的控制需要在视野范围内进行，也即操作末端器械34B需要在图像末端器械的坐标系下进行调整，因此通常需要配合一个图像末端器械使用。
一实施例中，举例该手术机器人是单孔手术机器人，且受控末端器械是图像末端器械34A，因为调整的是图像末端器械34A，它本身具有视野，根据上述控制方法来进行控制是安全的。如图6所示，此时上述步骤S2022可以通过如下方式实现：
通过公式(1)：
分解图像末端器械34A在第一坐标系的目标位姿信息获得图像末端器械34A在第二坐标系的目标位姿信息、及机械臂21远端在第一坐标系的目标位姿信息。
其中，是图像末端器械34A在第一坐标系的目标位姿信息，是机械臂远端在第一坐标系的当前位姿信息(或目标位姿信息)，是图像末端器械34A在第二坐标系的目标位姿信息(或当前位姿信息)。T2图像末端器械的工具坐标系，T1是机械臂的工具坐标系，B1是机械臂的基坐标系。也即计算时，先将或当作已知，以计算另一个。
应当理解的是，这里的推导主要是从原理方面着手进行分析论证的，忽略了机械臂21及操作臂31各自关节组件的矩阵变换关系，本领域技术人员根据该方法应当容易实现本发明的主旨。
一实施例中，举例该手术机器人是单孔手术机器人，且受控末端器械是操作末端器械34B，如果为了实现操作末端器械34B到达对应的目标位姿需要机械臂21运动，那么会导致装设于图像末端器械34A提供的参考坐标系变化进而影响对操作末端器械34B的安全控制，所以通常需要额外提供一个独立于(即不属于)该单孔手术机器人的、以提供视野的图像末端器械34A’来提供一个不会随机械臂21运动的参考坐标系，如图7所示，上述步骤S2022可以通过如下方式实现：
通过公式(2)：
将操作末端器械34B在参考坐标系的目标位姿信息转换为操作末端器械34B在第一坐标系的目标位姿信息。
其中，是操作末端器械34B在第一坐标系的目标位姿信息，是操作末端器械34B在图像末端器械34A’的参考坐标系的目标位姿信息，是图像末端器械在图像末端器械的基坐标系的位姿信息，是图像末端器械34A’的基坐标系在第一坐标系的位姿信息。R是由独立于单孔手术机器人的图像末端器械34A’提供的参考坐标系，B2是图像末端器械34A’的基坐标系。
进而，通过前述公式(1)：
分解操作末端器械34B在第一坐标系的目标位姿信息获得操作末端器械34B在第二坐标系的目标位姿信息、及机械臂21远端在第一坐标系的目标位姿信息。
一实施例中，举例该手术机器人是多孔手术机器人，一机械臂21装设有具有图像末端器械34A的操作臂31，其余机械臂21装设有具有操作末端器械34B的操作臂31，不同机械臂21具有相同的基坐标系(如图8所示)，故上述步骤S2022类似地可以通过如上述公式(1)和(2)实现，此处不再重复描述，其同样适用于对图像末端器械34A的操作臂31及操作末端器械34B的操作臂31的控制。
因此，上述实施例的方法适用于单孔手术机器人及多孔手术机器人任何类型的末端器械。
一实施例中，具体在步骤S2022中，可以根据优先调整对象分解第一目标位姿信息获得受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息。该优先调整对象是机械臂21和操作臂31之中的一个，另一个则为非优先调整对象。优先调整对象及非优先调整对象共同构成了调整对象，也即调整对象包括机械臂21和操作臂31二者。其中，“优先调整对象”可以被理解为，为了到达受控末端器械34的目标位姿，优先或者主要被调整的对象；而“非优先调整对象”则可以被理解为，当优先调整对象不能达到末端器械34的目标位姿时，异步或同步被调整以辅助优先调整对象达到该目标位姿的对象。该优先及非优先调整对象的设置可以通过系统文件来获取，也可以根据获取操作人员通过输入装置输入的选择指令来进行设置。具体而言，如图9所示，该步骤S2022可以通过如下例举的步骤来实现：
步骤S2023，获取非优先调整对象在相应坐标系的当前位姿信息。
步骤S2024，在非优先调整对象保持于在相应坐标系的当前位姿的条件下，换算第一目标位姿信息获得优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息。
其中，优先调整对象是机械臂、非优先调整对象是操作臂时，优先调整对象的相应坐标系为第一坐标系，非优先调整对象的相应坐标系为第二坐标系，优先调整对象是操作臂、非优先调整对象是机械臂时，优先调整对象的相应坐标系为第二坐标系，非优先调整对象的相应坐标系为第一坐标系。比如，优先调整对象是操作臂31，那么先获取机械臂21远端在第一坐标系的当前位姿信息；如果优先调整对象是机械臂21，那么先获取操作臂31中末端器械34在第二坐标系的当前位姿信息。
其中，可以借助前述的公式(1)和(2)来计算优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息。在公式(2)中，是可以确定的，和中的其中一个也是可以确定的，进而可以计算出和中不确定的一个。
步骤S2025，判断计算出的优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息是否有效(即是否为有效解)。在该步骤中，如果判断为有效，则进入步骤S2026；如果判断为无效，则进入步骤S2027。
步骤S2026，在优先调整对象保持于在相应坐标系的目标位姿信息对应的目标位姿的条件下，换算第一目标位姿信息获得非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息。
其中，步骤S2026反映了当优先调整对象的运动范围足够时，可以只对优先调整对象进行调整以使其实现末端器械34的目标位姿，而保持非优先调整对象不动。
步骤S2027，调整优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息为有效并更新优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息，然后在优先调整对象保持于在相应坐标系的更新后的目标位姿信息对应的目标位姿的条件下，换算第一目标位姿信息获得非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息。
其中，步骤S2027反映了当优先调整对象的运动范围不够时，可以调整优先调整对象运动至极限位姿，并同步调整非优先调整对象运动，直至在两者的配合下实现末端器械的目标位姿。
在步骤S2023～S2027中，举例优先调整对象被选定为操作臂31，则非优先调整对象为机械臂21，其中，将操作臂31作为优先调整对象可以利用操作臂31的精确性和灵活性，其调整更加直观。举例优先调整对象被选定为机械臂21，则非优先调整对象为操作臂31，其中，将机械臂21作为优先调整对象可以利用机械臂21对运动范围的放大作用，进而操作臂31不需要运动那么大的运动范围。两者各有千秋，可根据实际需求进行选择。
一实施例中，具体在步骤S2024中，还可以这样实现：设置一个介于0至1之间的比例系数来获得优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息，然后进入步骤S2025。
其中，该比例系数可以是固定值，也可以是由医生自主设置的可调值。该比例系数为1时与上述步骤S2024实质是相同的。而该比例系数小于1时，可以实现机械臂21及操作臂31的同步运动，使得优先调整对象和非优先调整对象都还有一定的调整余量，以方便某些场景下可以让它们被单独调整。
一较佳实施例中，如图10所示，具体在步骤S2027，即在获得非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息之后，包括：
步骤S2028，判断计算出的非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息是否有效(即是否为有效解)。
其中，如果判断为有效，则进入步骤S203；如果判断为无效，则进入步骤S2030。
步骤S2030，结束对优先调整的对象及非优先调整对象的控制。也即因为不满足机械臂及操作臂的联动控制的条件，进而不允许对机械臂及操作臂进行联动控制。
一较佳实施例中，在上述步骤S2025对优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息有效性进行判断，及/或在上述步骤S2028对非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息的有效性进行判断的步骤中，也即在对调整对象(包括优先调整对象和非优先调整对象)在相应坐标系的目标位姿信息的有效性进行判断的步骤中，均可以通过如下步骤实现，具体如图11所示：
步骤S2031，解析计算出的调整对象的目标位姿信息为其各关节组件的目标运动状态参数。
其中，该运动状态参数可以是位置参数、速度参数及/或加速度参数。其中，位置参数可以由目标位姿信息直接解析得到，速度参数及/或加速度参数均可以由这些位置参数及产生这些位置参数经过的时间信息计算得到。
步骤S2032，将各关节组件的目标运动状态参数分别与相应关节组件的运动状态阈值进行比较。
其中，在控制机械臂21和操作臂31的联动过程考虑到平滑性和可靠性，该运动状态参数通常所指为位置参数、速度参数及加速度参数，那么在该步骤S2032中，具体即将相应调整对象的每个关节组件的位置参数、速度参数及加速度参数分别与该相应关节组件的位置参数阈值、速度参数阈值及加速度参数阈值分别进行比较。当然，在一些实施例中，该运动状态参数还可指位置参数、速度参数及加速度参数中的一个或两个，比如，该运动状态参数是位置参数。
其中，如果各关节组件的目标运动状态参数均未超过相应关节组件的运动状态阈值，则进入步骤S2033；如果各关节组件的目标运动状态参数有一个以上超过相应关节组件的运动状态阈值，则进入步骤S2034。
步骤S2033，判断计算出的调整对象在相应坐标系的目标位姿信息有效。
步骤S2034，判断计算出的调整对象在相应坐标系的目标位姿信息无效。
进一步地，在步骤S2034之后，包括：
调整超过相应关节组件的运动状态阈值的那些关节组件的目标运动状态参数在对应运动状态阈值以内以使其有效。其中，即保持那些未超过相应关节组件的运动状态阈值的目标运动状态参数不变，只对超过相应关节组件的运动状态阈值的那些关节组件的目标运动状态参数调整，即局部更新目标运动状态参数。
结合未调整的关节组件的运动状态参数及调整后的关节组件的运动状态参数，也即更新后的各关节组件的运动状态参数重新计算相应调整对象在相应坐标系的目标位姿信息。其中，举例可根据正运动学来重新计算该调整对象在相应坐标系的目标位姿信息。
较佳地，直接调整超过相应关节组件的运动状态阈值的那些关节组件的目标运动状态参数为对应运动状态阈值以使其有效即可。也即，使超过相应关节组件的运动状态阈值的那些关节组件以其最大边界值进行运动，其余的那些关节组件按照计算出的值正常进行运动。
通过将调整对象各关节组件的运动状态参数与基于调整对象结构特征和性能参数及/或自定义设置的各关节组件的运动状态阈值进行逐一比较，来确定调整对象在相应坐标系的目标位姿信息是否有效，能够有效保护调整对象的结构和性能，提高其使用寿命。示例性的，即使经过比较调整对象各关节组件的位置信息(即运动行程)在其相应关节组件的位置信息阈值(即运动形成范围)内，然而其速度信息及/或加速度信息超过速度信息阈值及/或加速度信息阈值，反映了其调节速度过快及/或速度变化过快，进而有可能影响安全使用而被认定为无效。
一较佳实施例中，具体在步骤S2034之后，可以进行步骤S2035，提示导致调整对象在相应坐标系的目标位姿信息无效的原因，继续参阅图11。
具体而言，这些原因包括由于目标位置参数超过运动行程阈值导致的无效；由于目标速度参数超过运动速度阈值导致的无效；及/或，由于目标加速度参数超过运动加速度导致的无效。
进一步地，该手术机器人包括语音模块及/或显示模块。可以通过该语音模块生成语音及/或通过显示模块生成人机交互界面提示导致调整对象在相应坐标系的目标位姿信息无效的原因。举例而言，可通过语音模块及/或显示模块进行如下的提示：
相应于由于目标位置参数超过运动行程阈值导致的无效，提示：手部运动范围过大、请小范围内控制等；
相应于由于目标速度参数超过运动速度阈值导致的无效，提示：手部运动过快、请慢一点控制等；
及/或，相应于由于目标加速度参数超过运动加速度导致的无效，提示：手部用力过大、请轻一点控制等。
值得注意的是，在某些使用场景下，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。
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远端也可以具有不动点，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12所示，具体在上述步骤S201中，包括：
步骤S2011，获取受控末端器械在第一坐标系的当前位姿信息。
步骤S2012，获取运动输入设备输入的运动信息。
步骤S2013，解析运动信息获得受控末端器械在第一坐标系的增量位姿信息。
步骤S2014，结合受控末端器械在第一坐标系的当前位姿信息及末端器械在参考坐标系的增量位姿信息计算出末端器械在第一坐标系的目标位姿信息。
具体而言，在步骤S2013中，主要是对前后时刻的运动信息进行解析，该前后时刻可以是前后相邻的时刻，或前后相间隔一定时长的时刻。一种方式中，通过计算出后一时刻的运动信息相对于前一时刻的运动信息在固定坐标系下的位姿变化，即增量位姿信息。然后将固定坐标系下的增量位姿信息转换为末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息。示例性的，该固定坐标系举例可以定义在显示器处，当然，该固定坐标系也可以定义在手术机器人中其它部位，该部位至少在工作时不可动。
一实施例中，如图13所示，可以通过位置控制方法控制各臂体机构(机械臂21或操作臂31)远端运动至目标位姿。具体而言，在步骤S203之中，包括：
步骤S31，获取臂体机构各关节组件的位置信息。
具体可通过装设于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9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S32，根据各关节组件的位置信息计算出臂体机构的当前位姿信息。
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计算方法为
步骤S33，根据臂体机构的当前位姿信息及增量位姿信息计算出其目标位姿信息。
其中，根据C点与基座的模型转换矩阵获取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10所示。θx0为滚动角，θy0为偏航角，θz0为俯仰角，而在图14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。
步骤S34，根据目标位姿信息计算出臂体机构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S35，根据各关节组件的目标位置信息控制臂体机构各关节组件联动以使臂体机构远端运动至目标位姿。
应当理解的是，这里需要对当前受到控制的机械臂21和操作臂31分别同时独立进行步骤S31～S35以使两者远端分别到达对应的目标位姿，进而使受控末端器械34到达对应的目标位姿。
进一步地，如图24所示，为了反映对于臂体机构的主动控制是医生的真实意图，可以在步骤S2011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S2011。
并且，在步骤S203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，结束对臂体机构的控制；否则，重新进入到步骤S2011～步骤S101。
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机构的主动控制的真实意图，可以在步骤S2011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S2011。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S2011。
一较佳实施例中，具体在上述步骤S2013之中，可以结合配置的末端器械34的任务自由度的配置信息解析运动信息获得末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息。其中，该末端器械34的任务自由度的配置信息可以由医生自由地配置，比如通过预先生成的含有可供配置的任务自由度的人机交互界面来设置。
其中，末端器械34的任务自由度的不同实际反映了对末端器械34的不同控制需求。也即，可被理解为根据不同控制需求来解析运动信息获得末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息。
具体而言，臂体机构(机械臂21及/或操作臂31)远端的任务自由度可被理解为臂体机构远端在笛卡尔空间允许运动的自由度，其至多为6个。臂体机构远端在笛卡尔空间实际具有的自由度为有效自由度，臂体机构远端的有效自由度与其构型(即结构特征)相关，臂体机构远端的有效自由度可被理解为臂体机构远端在笛卡尔空间内可实现的自由度。末端器械34可供配置的任务自由度与机械臂21及操作臂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机构，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。臂体机构远端的任务自由度的配置信息即为配置臂体机构远端被允许在哪些自由度进行运动。
可以在步骤S2013中根据该配置信息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末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息。例如，该配置信息为允许位姿信息[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，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末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息。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、及γ为滚动角任务自由度。
也可以在步骤S2013中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末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息。例如，该配置信息同样为允许位姿信息[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末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息。
举例如图14所示的机械臂21中，机械臂21的有效自由度包括[x,y,z,α,β]，根据机械臂21中关节组件210～214的结构特性，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]，则动力机构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，此时对动力机构22进行的是自由控制，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，能够满足手术过程中的微调。
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约束控制可总共包括仅对偏航角、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，若动力机构22的任务自由度的配置信息只部分包含于机械臂21的有效自由度的信息中，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的有效自由度的信息的部分自由度可调。仍以图14所示的机械臂21为例，若动力机构22的任务自由度的配置信息为[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，具体在上述步骤S2013之中，可以根据受控末端器械的任务自由度的配置信息解析运动信息获得末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息，同时结合受控末端器械各任务自由度的运动范围的配置信息对末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息进行限位。其中，该受控末端器械的任务自由度的配置信息及其运动范围的配置信息均可以由医生根据例如人机交互界面等进行自由地配置。
一些实施例中，为确保手术安全，上述步骤S202可以包括：
获取输入的关联于机械臂远端的任务自由度的配置信息的操作命令。
其中，该操作命令可以包括第一操作命令和第二操作命令。第一操作命令同机械臂21远端的任务自由度与机械臂21的有效自由度完全匹配的情况相关联，可以令机械臂远端在机械臂的有效自由度内自由运动；第二操作命令同机械臂21远端的任务自由度与机械臂21的有效自由度中的姿态自由度完全匹配的情况相关联，该第二操作命令即对应上述的RCM约束运动，以在机械臂21运动时确保其远端即动力机构22绕不动点运动。当然，还可以定义其它组合的任务自由度以方便控制，此处不再赘述。
结合该配置信息分解第一目标位姿信息获得第二目标位姿信息和第三目标位姿信息。
其中，例如在获取到第二操作命令时，分解获得的第一分量目标位姿信息中与位置自由度相关的信息保持不变、而只有与姿态自由度相关的信息发生变化。这样机械臂21远端绕不动点运动，而主要依赖受控末端器械34的运动实现期望的位姿，进而确保了手术安全。
手术机器人可以提供一个或多个运动输入设备11。一实施例中，手术机器人提供两个运动输入设备11。为便于操作，两个运动输入设备11提供给两个手来操作，可以是一个人来操作，也可以是两个人来操作。受控末端器械34可选择性地跟随一个运动输入设备或两个运动输入设备运动，也即受控末端器械34可以跟随该两个运动输入设备11中的任一个或两个运动，定义一对一操作模式为用一个运动输入设备11来控制一个受控末端器械34运动，定义二对一操作模式为用两个运动输入设备11来一起控制一个受控末端器械34运动。在控制一个受控末端器械34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末端器械34进行的二对一操作模式的控制，也可以是对两个受控末端器械34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11时，该两种操作模式对于两个以上的操作人员仍然适用。
一实施例中，对于一对一操作模式，举例可以通过公式Pn＝KPn获得相应被选择操作的一个运动输入设备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获得相应被选择操作的两个运动输入设备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
当然，通常可以结合受控末端器械34的任务自由度来实现固定坐标系的增量位姿信息到受控末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息的映射。
在一实施例中，结合图17和图18参阅，对于一对一操作模式而言，获取运动输入设备输入的运动信息，将运动信息解析并映射为受控末端器械在第一坐标系的增量位姿信息的步骤包括：
步骤S211，获取前一时刻运动输入设备的第一位姿信息。
步骤S212，获取后一时刻运动输入设备的第二位姿信息。其中，后一时刻通常可以被理解为当前时刻，而随着时间的变化，这里的后一时刻又相对成为更后一时刻的前一时刻。步骤S211及步骤S212，获取的均是被选择用于一对一操作模式的运动输入设备输入的位姿信息。
步骤S213，根据运动输入设备的第一位姿信息、第二位姿信息计算获取运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息。
步骤S214，将运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为受控末端器械在第一坐标系的增量位姿信息。
在一实施例中，结合图19和图20参阅，对于二对一操作模式而言，获取运动输入设备输入的运动信息，将运动信息解析并映射为受控末端器械在第一坐标系的增量位姿信息的步骤包括：
步骤S221，分别获取前一时刻两个运动输入设备各自的第一位姿信息。
步骤S222，分别获取后一时刻两个运动输入设备各自的第二位姿信息。
步骤S223，结合比例系数及两个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运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息。
其中，对于步骤S223，具体可通过如下步骤实现：
计算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，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。
步骤S224，将该两个运动输入设备在固定坐标系的增量位姿信息映射为受控末端器械在第一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，该比例系数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，可以对K1和K2进行另外的赋值。
进一步地，若需结合受控末端器械34的任务自由度的配置信息进行考虑。一方面，可以在步骤S213(或步骤S223)中仅获取运动输入设备11与受控末端器械34的任务自由度相关联的自由度的位姿信息，然后进行步骤S214(或步骤S224)。另一方面，也可以在步骤S213(或步骤S223)中获取运动输入设备全部有效自由度的位姿信息，但在步骤S214(或步骤S224)中将固定坐标系的增量位姿信息中与受控末端器械34的任务自由度相关联的自由度的位姿信息映射为受控末端器械34在第一坐标系的增量位姿信息，而保持与受控末端器械34的任务自由度不相关联的自由度的位姿信息。
一实施例中，可以在实现步骤S2013之中，进行如下步骤：
根据获取到的增量位姿信息中所包含参数的类型(跟任务自由度相关)的不同，对不同参数进行不同方式的修正。如通过设置不同的修正系数来对不同类型的参数进行修正，修正前后的参数可表示为乘除的关系；或可设置不同的补偿值来对不同类型的参数进行修正，修正前后的参数可表示为加减的关系；或者，可以结合设置修正系数和补偿值的方式共同对不同类型的参数进行修正，修正前后的参数可表示为包括乘除和加减的关系。
对不同参数进行不同方式的修正的步骤可以在步骤S211～S214(步骤S221～S224)之间的任意步骤内进行。例如可建议在步骤S214(或步骤S224)中进行。该步骤能够更准确地反映医生的操作意图降低误操作的影响，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。
值得注意的是，由于一对一操作模式和二对一操作模式在习惯或灵活性上有所不同，即使采用相同的修正方式对增量位姿信息中不同类型的参数进行修正，可以为这两种操作模式设置不同的修正系数及/或补偿值。
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。
通过对相关增量信息进行修正，能够更准确地反映医生的操作意图降低误操作的影响，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。
一实施例中，在医生控制臂体机构远端(例如受控末端器械)运动至目标位姿过程中，医生若发现在手部运动到极限位姿时，仍不能使臂体机构远端运动至目标位姿，可以通过在主操作台及/或从操作设备中配置一个输入装置，该输入装置用于输出保持位姿的控制命令及输出解除保持位姿的控制命令。如果需要恢复手部至容易操作的位姿，需要触发该输出装置输出保持位姿的控制命令，进而在获取到该控制命令后，保持臂体机构远端的位姿不变，也即控制臂体机构远端不跟随手部运动，可以将手部恢复至容易操作的位姿；之后，如果需要继续对臂体机构进行调节，需要触发该输出装置输出解除保持位姿的控制命令，进而在获取到该控制命令后，臂体机构远端重新跟随手部运动。为了确保能够随时介入该两个控制命令且解放双手，该输入装置可以被配置为语音识别模块或者脚踏输入装置等。
比如，采用二对一操作模式时，可便捷准确地对受控末端器械进行RCM约束控制，此时只需要解析运动信息所包含的位置信息并映射为受控末端器械的姿态信息即可，易于利用该两个运动输入设备进行控制。
举例而言，可以将两个运动输入设备11在水平方向上的平移运动信息解析并映射为受控末端器械在第一坐标系的偏航角增量信息，将两个运动输入设备11在竖直方向上的平移运动信息解析并映射为受控末端器械在第一坐标系的俯仰角增量信息，将两个运动输入设备11在任意平面如竖直平面上的转动运动信息解析并映射为受控末端器械在第一坐标系的滚动角增量信息，示例性的，如图21所示，该两个运动输入11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可通过如下步骤进行：
步骤S231，分别获取前一时刻两个运动输入设备各自的第一位置信息。
步骤S232，分别获取后一时刻两个运动输入设备各自的第二位置信息。
步骤S233，结合比例系数及两个运动输入设备各自的第一位置信息、第二位置信息计算获取两个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。
其中，在步骤S233中，固定坐标系的水平移动增量信息和竖直移动增量信息可以参照前文方法计算获取，而固定坐标系的转动增量信息举例可以通过如下方式计算获取，具体如图22及图23所示：
步骤S2331，建立前一时刻两个运动输入设备之间的第一位置向量。
步骤S2332，建立后一时刻两个运动输入设备之间的第二位置向量。
步骤S2333，结合比例系数计算第一位置向量与第二位置向量之间的夹角进而获取该两个运动输入设备在固定坐标系的转动增量信息。
步骤S2334，将该两个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一对一映射为受控末端器械的偏航角增量信息、俯仰角增量信息及滚动角增量信息。
其中，可以在主操作台及/或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。例如，映射关系包括自然映射关系和非自然映射关系。
其中，可以定义自然映射关系为将由运动信息解析获取的在固定坐标系的增量位姿信息按照其参数的类型一对一的映射至受控末端器械在第一坐标系的增量位姿信息，具体即将固定坐标系的水平移动增量信息映射为受控末端器械在第一坐标系的水平移动增量信息、将固定坐标系的竖直移动增量信息映射为受控末端器械在第一坐标系的竖直移动增量信息、将固定坐标系的前后移动增量信息映射为受控末端器械在第一坐标系的前后移动增量信息、将固定坐标系的偏航角增量信息映射为受控末端器械在第一坐标系的偏航角增量信息、将固定坐标系的俯仰角增量信息映射为受控末端器械在第一坐标系的俯仰角增量信息、及将固定坐标系的滚动角增量信息映射为受控末端器械在第一坐标系的滚动角增量信息。这些均可以根据受控末端器械的任务自由度的配置信息进行择取。
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末端器械的偏航角增量信息、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末端器械进行控制。
通过结合获取的受控末端器械远端的任务自由度的配置信息、及/或操作模式的类型信息、及/或映射关系的类型信息，解析运动信息并映射为受控末端器械远端在第一坐标系的增量位姿信息。进而，医生能够根据自身习惯设置易于理解和方便操作的方式。
在一些实施例中，运动输入设备11的有效自由度也可能小于6，然而，只要运动输入设备11的有效自由度不小于相应臂体机构远端的任务自由度，就可以采用前述的一种或多种方法来解析运动信息并映射为末端器械34在参考坐标系的增量位姿信息，以达到控制目的。
其中，机械臂21和操作臂31均可被配置为自然映射关系或非自然映射关系，或者，机械臂21和操作臂31中的其中一个被配置为采用自然映射关系而另一个被配置为采用非自然映射关系。这可以根据操作目的由设置于主操作台及/或从操作设备的一输入装置进行自由配置或按预定义配置进行选择。
一实施例中，按照对臂体机构调整过程的精确度，可以分为粗调模式和精调模式。该两个调整模式均适用于前述的控制方法。在粗调模式中，医生可以先控制臂体机构远端运动至大概的目标位姿，然后由医生切换至精调模式，进而控制臂体机构远端运动至精确的目标位姿。更具体地，粗调模式与精调模式之间的区别在于，从对臂体机构的调节幅度或速度上来看，精调模式相较于粗调模式而言表现在其幅度更小或其速度更慢，以易于医生的精确调节。具体地，无论是一对一操作模式还是二对一操作模式，可以在上述步骤S2011的根据操作模式及固定坐标系下的增量位姿信息中参数信息类型(与自由度关联)的不同进行相应的修正的子步骤中，对用于修正固定坐标系下的增量位姿信息各参数信息的修正系数及/或补偿值进行重新配置，其中，该在精调模式中的修正系数及/或补偿值相对于在粗调模式中的修正系数及/或补偿值通常要更小。
同样，要实现粗调模式与精调模式之间的切换，可以在主操作台及/或从操作设备上配置一个输入装置，该输入装置用于输出切换调整模式的切换指令。
较佳的，如果医生在调节臂体机构远端运动至目标位姿的过程中，发现一个以上的矢量已经达到了目标位姿，可以对臂体机构远端的任务自由度进行重新配置，以仅调节未达到目标位姿的矢量。示例性的，手术机器人包括一输入装置，输入装置经配置用于产生重新配置臂体机构远端的任务自由度的控制命令。处理系统经配置在获取到控制命令时，重新生成可供自由配置的臂体机构远端的任务自由度的信息。其中，所生成的可供自由配置的臂体机构远端的任务自由度的信息与前一时刻被配置的臂体机构的任务自由度的配置信息完全匹配。也即，假设本来可供臂体机构远端的任务自由度的信息为[x,y,z,α,β]，然而前一时刻被使用的臂体机构远端的任务自由度的配置信息只为[x,y,z,α]，则根据该控制命令生成的新的可供自由配置的臂体机构远端的任务自由度的信息只为[x,y,z,α]。
举例而言，目标位姿需要对[x,y,z,α,β,γ]进行调节，如果医生发现x,y这两个矢量已经达到期望，则可以触发上述的控制命令并根据生成的新的可供配置的臂体机构的任务自由度信息来重新配置臂体机构远端的任务自由度为[z,α,β,γ]，以利用前述对臂体机构的控制方法对z,α,β,γ继续进行调节，进一步地，如果一并对[z,α,β,γ]进行调节存在困难，可以再配置臂体机构远端的任务自由度进而利用前述对臂体机构的控制方法逐一地对[z,α,β,γ]进行调节，直至最终臂体机构远端完全运动至目标位姿。
一实施例中，可以获取在对臂体机构的控制过程中配置的各类控制模式、操作模式、映射关系、操作对象及/或调整模式的信息并显示于显示器上供医生直观获取，起到对医生的提示作用。
前文所提及的配置于主操作台(包括运动输入设备11)及/或从操作设备的各类用途的输入装置包括但不限于触摸屏、按键、旋钮、脚踏及语音识别模块。他们可以组合使用，也可以单独使用；他们可以采用同一个，也可以采用多个。举例而言，输入装置大多配置于主操作台处，方便医生无需离开当前位置来操作。举例而言，输入装置大多可以采用语音识别模块，根据识别医生的语音来产生并输出相应控制命令进而选择相应的模式，这样手术机器人的结构相对比较简单，而且解放了双手和双脚，能够实现更多连续性(即不中断当前操作)的操作。
上述实施例适用于对如图1所示类型的手术机器人中的末端器械进行控制。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24所示类型的手术机器人中的末端器械进行控制。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24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24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24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24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24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24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，上述手术机器人的控制方法通常被配置为在手术机器人的控制装置中来实现，该控制装置包括存储器和一个以上的处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于加载并执行计算机程序以实现如上述任一项实施例所述的控制方法。
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所述的控制方法的步骤。
本发明具有如下有益效果：
通过将末端器械34的目标位姿信息分解到操作臂31和机械臂21两部分并使两者联动，不再局限于操作臂31自身的运动范围，而可以借助机械臂21的运动范围达到扩大末端器械34的运动范围的目的，进而容易使用。
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 (10)

1.一种手术机器人中末端器械的控制方法，所述手术机器人包括机械臂，所述机械臂远端装设有一个以上具有末端器械的操作臂，所述末端器械中有一个被配置为受控末端器械，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
获取所述受控末端器械在第一坐标系的第一目标位姿信息，第一坐标系指所述机械臂的基坐标系；
分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息，第二坐标系指所述机械臂的工具坐标系；
根据所述第二目标位姿信息控制相应所述操作臂中各关节组件联动，并根据所述第三目标位姿信息控制所述机械臂中各关节组件联动，以使所述受控末端器械在所述机械臂和所述操作臂联动下到达所述第一目标位姿信息对应的目标位姿。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述分解所述第一目标位姿信息获得所述第二目标位姿信息及所述第三目标位姿信息的步骤之中，包括：
获取根据操作人员的第一选择指令并根据所述第一选择指令从所述机械臂及具有所述受控末端器械的所述操作臂中选择一个作为优先调整对象，另一个作为非优先调整对象；
根据所述优先调整对象分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述优先调整对象分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息的步骤之中，包括：
在所述非优先调整对象保持于在相应坐标系的当前位姿的条件下，换算所述第一目标位姿信息获得所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息；其中，所述优先调整对象是所述机械臂、所述非优先调整对象是所述操作臂时，所述优先调整对象的相应坐标系为第一坐标系，所述非优先调整对象的相应坐标系为第二坐标系，所述优先调整对象是所述操作臂、所述非优先调整对象是所述机械臂时，所述优先调整对象的相应坐标系为第二坐标系，所述非优先调整对象的相应坐标系为第一坐标系；
对所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息的有效性进行判断；
如果所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息为有效，在所述优先调整对象保持于在相应坐标系的目标位姿信息对应的目标位姿的条件下，换算所述第一目标位姿信息获得所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息；
如果所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息为无效，调整所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息为有效并更新所述优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息，然后在所述优先调整对象保持于在相应坐标系的更新后的目标位姿信息对应的目标位姿的条件下，换算所述第一目标位姿信息获得所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述换算所述第一目标位姿信息获得所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息的步骤之后，包括：
对所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息进行有效性判断；
如果所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息为有效，进入根据所述第二目标位姿信息控制相应所述操作臂中各关节组件联动，并根据所述第三目标位姿信息控制所述机械臂中各关节组件联动的步骤。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述对所述优先调整对象或所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息的有效性进行判断的步骤之中，包括：
将所述优先调整对象或所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息解析为所述优先调整对象或所述非优先调整对象中各关节组件的目标运动状态参数；
将所述优先调整对象或所述非优先调整对象中各所述关节组件的目标运动状态参数分别与相应所述关节组件的运动状态阈值进行比较；
如果所述优先调整对象或所述非优先调整对象中各所述关节组件的目标运动状态参数均未超过相应所述关节组件的运动状态阈值，则判断所述优先调整对象或所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息有效；
如果所述优先调整对象或所述非优先调整对象中各所述关节组件的目标运动状态参数有一个以上超过相应所述关节组件的运动状态阈值，则判断所述优先调整对象或所述非优先调整对象在相应坐标系的目标位姿信息无效；
其中，所述运动状态参数包括位置参数、速度参数及加速度参数，所述运动状态阈值包括位置参数阈值、速度参数阈值及加速度参数阈值。。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息的步骤之中，包括：
检测是否获取到令所述机械臂远端绕不动点运动的触发信号；
在获取到所述触发信号时，分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的仅与姿态自由度相关的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述获取所述机械臂远端在第一坐标系的当前位姿信息的步骤之中，包括：
获取所述受控末端器械在第一坐标系的当前位姿信息；
获取运动输入设备输入的运动信息；
解析所述运动信息获得所述受控末端器械在第一坐标系的增量位姿信息；
结合所述受控末端器械在第一坐标系的当前位姿信息及增量位姿信息计算出所述第一目标位姿信息。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述分解所述第一目标位姿信息获得所述受控末端器械在第二坐标系的第二目标位姿信息及所述机械臂远端在第一坐标系的第三目标位姿信息的步骤中，包括：
获取输入的关联于所述机械臂远端的任务自由度的配置信息的操作命令；
结合所述配置信息分解所述第一目标位姿信息获得所述第二目标位姿信息和所述第三目标位姿信息；
其中，所述操作命令包括第一操作命令和第二操作命令；
所述第一操作命令同所述机械臂远端的任务自由度与所述机械臂的有效自由度完全匹配的情况相关联；所述第二操作命令同所述机械臂远端的任务自由度与所述机械臂的有效自由度中的姿态自由度完全匹配的情况相关联。
9.一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1～8任一项所述的控制方法的步骤。
10.一种手术机器人，其特征在于，包括：
机械臂；
装设于所述机械臂远端的一个以上具有末端器械的操作臂，所述末端器械包括图像末端器械及/或操作末端器械；
及与所述机械臂及所述操作臂连接的控制装置；
所述控制装置用于执行实现如权利要求1～8任一项所述的控制方法的步骤。
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