CN112245011A - 手术机器人系统、调整方法、存储介质及终端 - Google Patents

手术机器人系统、调整方法、存储介质及终端 Download PDF

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Abstract

本发明提供了手术机器人系统、调整方法、存储介质及终端，所述手术机器人系统包括存储单元、检测单元、动作单元和控制单元，所述动作单元包括运载模块和调节模块，所述调节模块的自由端设置手术器械以作用于目标对象。所述控制单元根据所述运载模块的移动信息和所述手术器械的移动前位置信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行运载方位调整，然后根据所述调节模块的移动信息结合所述位姿调整控制信息进行运动路径遍历和最优路径筛选，并根据所述最优路径筛选的结果结合所述约束收敛信息判断是否能够收敛，避免机械臂的运动空间无法满足手术需求的问题，并扩大手术器械的操作空间范围。

Description

手术机器人系统、调整方法、存储介质及终端
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及手术机器人系统、调整方法、存储介质及终端。
背景技术
采用机器人手术系统来进行微创伤外科手术，不仅患者创伤小，术后恢复快，伤口感染小，同时降低医生操作难度和手术疲劳程度，并且加强医生的体验感。
在使用手术机器人进行微创手术时，重要的一步在于在术前将手术机器人的各个机械臂及各个关节摆放至合理位置，确保在接下来的手术中机械臂的运动能有充足的范围。但是，由于术前判断的病灶位置与实际病灶位置有时会存在差异，需要术中进行调整。
现有技术中，通过移动机器人的方法来改变病人与机械臂之间的相对位置，能够间接改善手术机器人的运动空间。然而，采用上述调整方法调整后由于不动点位置的变化，可能需要针对患者进行重新打孔，对患者目标对象造成二次伤害。
因此，有必要提供一种新型的手术机器人系统、调整方法、存储介质及终端，以解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手术机器人系统、调整方法、存储介质及终端，以避免机械臂的运动空间无法满足手术需求的问题，并扩大手术器械的操作空间范围。
为实现上述目的，本发明的所述手术机器人系统，包括存储单元、检测单元、动作单元和与所述存储单元、检测单元及动作单元连接的控制单元，所述动作单元包括互相连接的运载模块和调节模块，所述调节模块的自由端用于连接手术器械；
所述检测单元用于对所述运载模块、所述调节模块和所述手术器械中的任意一者进行移动信息检测，并将获取的移动信息发送至所述控制单元；
所述控制单元根据所述移动信息生成控制指令以驱动所述运载模块和所述调节模块的至少一者的运动，以调整所述手术器械的位置或者姿态的至少一种。
本发明的所述手术机器人系统的有益效果在于：所述控制单元根据所述运载模块的移动信息和所述手术器械的移动前位置信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行运载方位调整，然后根据所述调节模块的移动信息结合所述位姿调整控制信息进行运动路径遍历和最优路径筛选，并根据所述最优路径筛选的结果结合所述约束收敛信息判断是否能够收敛，以驱动所述调节模块带动所述手术器械调整至期望位置，避免了机械臂的运动空间无法满足手术需求的问题，并扩大手术器械的操作空间范围。
优选的，所述手术器械的移动信息包括所述手术器械的移动前位置信息，所述存储单元存储有位姿调整控制信息和约束收敛信息，所述控制单元根据所述运载模块的移动信息和所述手术器械的移动前位置信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行运载方位调整，然后根据所述调节模块的移动信息结合所述位姿调整控制信息进行运动路径遍历和最优路径筛选，并根据所述约束收敛信息判断所述最优路径筛选的结果是否能够收敛，以驱动所述调节模块带动所述手术器械调整至期望位置。
优选的，所述调节模块包括若干关节以及与所述关节相对应设置的关节电机，所述控制单元若判断所述最优路径筛选的结果不能够收敛后，通过所述关节电机驱动所述关节进行关节调整，所述检测单元对调整后的关节执行所述移动信息检测并将所述调整后的关节的移动信息发送所述控制单元，所述控制单元根据所述调整后的关节的移动信息结合所述位姿调整控制信息进行所述运动路径遍历和所述最优路径筛选，直至根据所述最优路径的筛选结果和所述约束收敛信息判断能够收敛为止。其有益效果在于：避免了机械臂的运动空间无法满足手术需求的问题，并扩大手术器械的操作空间范围。
进一步优选的，所述控制单元通过限位识别、碰撞检测、固定不动点以及器械姿态的至少一种方式进行所述运动路径遍历，并根据若干所述关节电机的角度信息建立启发函数和代价函数实现所述最优路径筛选，所述不动点为所述手术器械作用于所述目标对象后在所述目标对象体表形成的虚拟介入点。
进一步优选的，所述存储单元还存储有启发函数权重信息，所述控制单元进一步结合所述启发函数、所述代价函数和所述启发函数权重信息得到收敛判断函数，以判断是否能够进行收敛。
进一步优选的，所述控制单元包括比较模块，所述比较模块根据所述不动点的移动前位置信息生成所述不动点的期望位置信息，根据所述运载模块的调整位置信息和正运动学原理由所述调节模块的各关节位置信息计算所述运载模块调整后的不动点位置信息，然后根据所述不动点的期望位置信息和所述运载模块调整后的不动点位置信息生成所述不动点的位置偏差信息，以确保所述不动点位置的准确定位。
进一步优选的，所述比较模块根据坐标变换规则将所述不动点的移动前位置信息转换为所述不动点的期望位置信息，以使所述不动点的移动前位置信息和所述不动点的期望位置信息相对同一参考坐标系一致。
进一步优选的，所述控制单元还包括规划模块，所述规划模块获取所述不动点的位置偏差信息和所述运载模块的移动信息，并根据所述不动点的位置偏差信息和所述运载模块的移动信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行所述运载方位调整。
进一步优选的，所述调节模块包括至少一个机械臂，所述若干关节设置于所述机械臂，所述规划模块根据所述约束收敛信息、所述不动点的位置偏差信息、所述若干关节的移动信息以及所述相邻调整臂之间的距离信息构建代价函数，以使所述手术器械末端的变化值在期望范围内，且所述不动点的调整后位置信息与所述不动点的期望位置信息一致。
进一步优选的，所述规划模块根据所述不动点的位置偏差函数、所述末端关节姿态偏差函数、所述距离函数以及所述限位函数构建代价函数。
进一步优选的，所述约束收敛信息包括第一调整因子，所述规划模块根据所述第一调整因子和所述不动点的位置偏差信息构建所述不动点的位置偏差函数。
进一步优选的，所述约束收敛信息包括第二调整因子，所述若干关节的移动信息包括末端关节的位置偏差信息，所述规划模块根据所述第二调整因子和所述末端关节的位置偏差信息构建末端关节姿态偏差函数。
进一步优选的，所述约束收敛信息包括相邻调整臂之间的向量信息和同一机械臂的相邻调整电机连线的向量信息，所述规划模块根据所述相邻调整臂的向量信息和所述不同调整电机连线的向量信息构建距离函数，以防止相邻调整臂之间发生碰撞。
进一步优选的，所述收敛约束信息还包括第三调整因子，所述若干关节的移动信息包括每个关节的全程运动范围偏差，所述规划模块根据所述第三调整因子和所述每个关节的全程运动范围偏差构建限位函数。
进一步优选的，每个关节的移动信息包括每个关节的最大移动位置信息，所述若干关节的移动信息包括所述每个关节的全程运动范围，所述若干关节的调整位置信息包括所述每个关节的限位范围上限阈值，所述规划模块根据所述每个关节的最大移动位置信息和所述全程运动范围计算所述每个关节的限位范围上限阈值。
进一步优选的，所述每个关节的移动信息包括所述每个关节的最小移动位置信息，所述若干关节的调整位置信息还包括所述每个关节的限位范围下限阈值，所述规划模块根据所述每个关节的最小移动位置信息和所述全程运动范围计算所述每个关节的限位范围下限阈值。
进一步优选的，所述存储单元还存储有权重信息，所述若干关节的移动信息包括所述若干关节的当前位置信息和期望位置信息，所述规划模块根据所述权重信息、所述若干调整关节的当前位置信息和期望位置信息，以及所述不动点的位置偏差信息构建所述启发函数
进一步优选的，还包括设置于目标对象的介入装置，所述手术器械通过所述介入装置作用于目标对象，所述检测单元还获取所述手术器械的末端位置信息和所述介入装置的末端位置信息并发送至所述比较模块，所述比较模块存储有参考阈值，所述比较模块根据所述手术器械的末端位置信息和所述介入装置的末端位置信息计算末端偏差，并根据所述参考阈值判断是否驱动所述运载模块改变工作位置
本发明公开了一种调整方法，包括：
根据控制指令驱动运载模块或调节模块运动；
获取所述运载模块、所述调节模块和手术器械中的任意一者的移动信息；
根据所述运载模块的移动信息和所述手术器械的移动前位置信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行运载方位调整；
根据所述调节模块的移动信息驱动所述运载模块和所述调节模块的至少一者的运动，以调整所述手术器械的位置或者姿态的至少一种，进而确保不动点在期望位置。
本方法的有益效果在于：通过所述控制单元根据所述运载模块的移动信息、所述手术器械的移动前位置信息和所述运载调整信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行运载方位调整，，以驱动所述调节模块带动所述手术器械调整至期望位置，避免了机械臂的运动空间无法满足手术需求的问题，并扩大手术器械的操作空间范围。
本发明还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的调整方法。
本发明进一步提供了一种终端，其特征在于，包括处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器被配置为读取所述计算机程序以执行上述的调整方法。
附图说明
图1a为本发明实施例的手术机器人系统的工作状态示意图；
图1b为本发明实施例的手术机器人系统的操作流程示意图；
图2a为图1所示的患者手术平台的工作状态示意图；
图2b为图2a所示的机械臂和手术器械的工作状态示意图；
图3为本发明另一些实施例的患者手术平台的工作状态示意图。
图4a为图2a所示的手术器械的一种工作状态示意图；
图4b为图2a所示的手术器械的另一种工作状态示意图；
图5为图1所示的手术机器人系统计算出台车的底座调整路径后，除受限关节所在机械臂外的其他机械臂的补偿算法流程图；
图6为本发明实施例的手术机器人系统的结构框图；
图7为本发明一些实施例的机械臂和手术器械的工作状态示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种手术机器人系统，以在操作者调整台车后能够自动跟随以调整手术机器人的底座，并控制机械臂随动，从而扩大手术器械的可达操作空间。
图1a为本发明一些实施例的手术机器人系统的工作状态示意图。
参照图1a，手术机器人系统1包括医生控制台11、患者手术平台12和图像部13。所述医生控制台11为所述手术机器人系统1的操作端。所述患者手术平台12为所述手术机器人系统1的具体执行平台，以作用于限定在手术台14上的目标对象15，例如患者。所述图像部13用于显示手术过程中目标对象体内的图像。
图1b为本发明一些实施例的手术机器人系统的操作流程示意图。参照图1a和图1b，所述手术机器人系统1的操作流程包括：
手术开始后，医生通过所述医生控制台11远程操作所述患者手术平台12对所述目标对象15进行医生操作，以通过所述患者手术平台12末端连接的手术器械(图中未标示)对所述目标对象15进行手术。
当所述患者手术平台12的某个关节发生关节限位，所述医生控制台11和/或图像部13进行交互提示，以提示医生是否进行调整。医生确认进行调整后，所述患者手术平台12进入关节调整准备阶段，所述手术机器人系统1对所述患者手术平台12进行关节信息检测，以获取各个关节的位置信息。本发明一些实施例中，医生可以在手术进行前选择是否采用交互提示进行调整。
所述手术机器人系统1依据各个关节的位置信息进行运动路径遍历，并结合位姿调整控制信息进行最优路径筛选；并根据约束条件判断所述最优路径筛选出的结果是否收敛，即判断是否筛选出有对应的调整路径。
需要说明的是，在本技术方案中，判断收敛的意义在于最优路径筛选出的结果有对应的调整路径。
当判断能够进行收敛，在患者手术平台12上的各个关节动作完成之后，所述患者手术平台12的各关节进入调整结束阶段，即收敛后，各关节动作完成后，进入调整结束阶段。医生通过所述医生控制台11和/或图像部13进行交互反馈以进行进一步的确认，从而结束对所述患者手术平台12各关节的调整。
当判断不能够进行收敛，所述手术机器人系统1发出各关节的运动指令对各关节的电机进行控制，各关节的电机根据对应的运动指令进行关节调整后重复执行关节信息检测、运动路径遍历和最优路径筛选直至根据最优路径筛选出的结果结合约束条件判断能够进行收敛为止。即，手术机器人系统计算求解路径，当根据计算结果收敛后，将最终的指令发送给电机进行执行。
本发明一些实施例中，所述手术机器人系统1通过结合限位识别、碰撞检测、固定不动点以及手术器械姿态各种要素的方式进行路径规划，并根据机器人的各关节电机角度建立启发函数和代价函数，从而实现更加准确安全的关节调整方案。进一步的，在所述启发函数和所述代价函数的基础上进一步结合包括权重关系的信息实现最优路径规划。所述固定不动点是根据手术环境及其它因素而在空间上所选定的虚拟不动点，并不实际限定于所述机械臂或所述手术器械。在实际手术操作时，所述固定不动点需与目标对象身上的创口位置相重合，避免对患者造成二次伤害。
具体的，在实现最优路径规划的过程中，若判断运动过程受限关节与该关节需要调整到的目标位置之间的距离较远时，所述调整方案侧重于或优选调节/约束受限关节的变化范围，以确保手术安全；若判断运动过程受限关节距离该关节需要调整到的目标位置接近时，所述调整方案侧重于或优选避免路径上机械臂之间的碰撞以及不动点与所述手术器械末端姿态不变，以确保调整过程的快速性和安全性。
本发明一些实施例中，所述医生控制台11包含主操作手(图中未图示)，医生通过操作所述主操作手来远程控制手术器械的运行。所述患者手术平台12包含安装于运载模块的机械臂(如下图2a中的机械臂24)。具体的，所述运载模块为台车(如下图2a的台车23)。
图2a为图1所示的患者手术平台的工作状态示意图。图2b为图2a所示的机械臂和手术器械的工作状态示意图。
参照图2a，所述患者手术平台12包含安装于台车23的若干机械臂21以及挂载于所述机械臂21末端的手术器械22，所述手术器械22作用于所述目标对象15体内的病灶区。进一步的，所述机械臂21包括相互连接的工具臂24和调整臂25，所述手术器械22挂载或者可拆卸的连接于所述工具臂24的末端。
本发明一些实施例中，所述台车23设置的机械臂的数目至少为2。
本发明一些实施例中，所述台车23具有至少两个自由度。
具体的，所述台车23能够进行水平移动和竖直移动。所述水平移动的方向为靠近或远离所述手术台14的方向，所述竖直移动的方向为平行于所述手术台的延伸方向，即所述手术台的高度方向。
本发明一些实施例中，所述台车23还能够进行转动，所述转动的方向为相对于所述手术台14所在的水平面的俯仰和偏摆方向。
本发明一些实施例中，所述患者手术平台12包含若干子患者手术平台。具体的，所述子患者手术平台包括子运载模块，更具体的，所述子运载模块包括独立台车。即在一些实时例中，所述患者手术台为多个，各患者手术台上设有机械臂。
参照图1a和图2a，所述工具臂24与设置于所述控制端11的主操作手(图中未标示)具有预定的映射关系，从而形成主从关系，所述工具臂24依据主操作手(图中未标示)的运动来操控所述手术器械22能够围绕不动点运动，从而对病灶区进行相关的手术操作。
具体的，所述手术器械22用于执行具体的手术操作，如夹、切、剪等操作。
本发明一些实施例中，所述调整臂25至少包括3个关节，用于控制所述手术器械22通过所述不动点。
本发明一些实施例中，所述工具臂24至少包括3个关节，用于控制所述手术器械22末端的位置和姿态。
具体的，参照图2a和图2b，所述工具臂24包括顺次相接的第一关节241、第二关节242、第三关节243和第四关节244，所述第四关节244用于挂载所述手术器械22，所述手术器械22可沿所述第四关节244进行移动。所述调整臂25包括顺次相接的第一旋转关节251、第二旋转关节252、第三旋转关节253以及第四旋转关节254，所述第一关节241可相对所述第四旋转关节254旋转。所述调整臂25的各关节内还包括用于驱动各调整臂关节运动的调整电机(图中未标示)。
本发明一些实施例中，所述工具臂24的关节以及相邻关节间的连接臂形成平行四边形结构，从而约束手术器械22绕不动点运动，使得不动点不会被工具臂影响，并可以通过调整臂来调整不动点的位置。此处不动点被约束是因为不动点需要不被工具臂影响，但是可以通过调整臂来调整，因此需要用调整臂调整不动点位置，工具臂不影响不动点位置。
图3为本发明另一些实施例的患者手术平台的工作状态示意图。
参照图3，四个子患者手术平台31构成了所述患者手术平台。每个所述子患者手术平台31包括独立台车311，以及设置于所述独立台车311的机械臂21。
本发明一些实施例中，操作中，所述手术机器人系统1还包括介入装置，所述手术器械22通过所述介入装置，如图4a中的戳卡42作用于目标对象。
图4a为图2a所示的手术器械的一种工作状态示意图。图4b为图2a所示的手术器械的另一种工作状态示意图。
参照图2a、图4a和图4b，当所述台车23位于所述目标对象15身体的一侧，所述手术器械22通过设置于目标对象体表41的戳卡42作用于第一病灶区43，所述工具臂24带动所述手术器械22在所述目标对象15体内于第一操作空间45内运动，以实现对所述第一病灶区43的处理。
进一步的，在手术过程中，当需要对第二病灶区46进行处理，但至少一个所述工具臂24的关节运动空间到达极限，导致所述手术器械22无法到达所述第二病灶区46时，需要对所述患者手术平台12进行调整，以使所述手术器械22能够到达第二病灶区46的同时，保证所述不动点(图中戳卡所限定的位置处)的位置不变，以完成相应手术操作。
图5为图1所示的手术机器人系统计算出台车的底座调整路径后，除受限关节所在机械臂外的其他机械臂的补偿算法流程图，由于受限关节的调整侧重于调整关节的运动范围，在调整过程中可能会影响其他臂或者关节的运动空间，因此其他臂需要补偿算法来补偿因调整受限关节造成的影响。即，受限关节的调整侧重于调整关节运动范围，在调整过程中可能会影响其他机械臂或者关节的运动空间，所以其他机械臂需要补偿算法来补偿因调整受限关节所造成的影响。
参照图2a和图5，所述手术机器人系统1计算出所述台车23的底座调整路径后，记录当前不动点的位置以及所述机械臂21各关节位置，然后迭代计算步长，以获取用于驱动所述调整臂25和工具臂24的每个调整电机的期望步长信息，并根据所述期望步长信息计算各关节的移动信息；然后根据上述信息结合关节以及机械臂的约束收敛信息计算代价函数、启发函数和权重函数，并进一步得到收敛判断函数；根据收敛判断函数判断所述调整臂25的各关节是否能够到达目标位置，以促使手术器械达到目标操作区域或病灶区。
需要说明的是，此处的约束收敛信息主要针对的是机器人的所有机械臂及关节进行约束。
当判断能够到达目标位置，向每个调整臂25的调整电机发送调整指令以驱动关节调整；当判断不能到达目标位置，重新计算各关节预期移动信息，直至根据构建的收敛判断函数判断所述机械臂25的各关节能够到达目标位置为止。因此，经图5所示的补偿算法流程能够使当前机械臂的不动点移动到期望位置，即原先的不动点位置，以调节不动点的姿态至原来的状态。
图6为本发明一些实施例的手术机器人系统的结构框图。
参照图6，所述手术机器人系统6包括检测单元61、存储单元62、控制单元63和动作单元64。所述控制单元63包括比较模块631和规划模块632。
本发明一些实施例中，所述动作单元64包括顺次连接的如上所述运载模块和调节模块，所述调节模块的自由端与所述手术器械22连接以带动所述手术器械22作用于目标对象。
具体的，参照图2a，所述运载模块包括所述台车23，所述调节模块包括所述调整臂25和所述工具臂24。
具体的，所述检测单元61包括编码器，设置于所述患者手术平台12的各个关节内，以检测各关节的运动信息。所述控制单元63设置于所述医生控制台11内，并与所述检测单元61、存储单元62、动作单元64通信连接。在一些实施方式中，所述控制单元63设置在所述台车内，或者部分设置于所述台车内并且部分设置于所述医生控制台内，本发明对此不作限制。
更具体的，所述控制单元63为计算机，用于接收所述检测单元61获得的各关节的运动信息，并根据所述约束收敛信息控制执行各关节的运动。
所述手术机器人系统执行所述调整过程包括：通过检测单元61获取所述运载模块的调整位置信息，启动跟随调整指令并通过所述控制单元63根据所述指令驱动所述运载模块和所述调节模块的至少一者运动；通过所述检测单元61获取所述运载模块、所述调节模块和所述手术器械22中的任意一种的移动信息，并反馈至所述控制单元63；其中，所述手术器械22的移动信息包括所述手术器械22的移动前位置信息，所述存储单元62存储有约束收敛信息；所述控制单元63根据所述运载模块、所述调节模块中的至少一者的移动信息和所述手术器械22的移动前位置信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行运载方位调整，然后再根据所述运载模块的调整运动信息、所述运作模块、调节模块中的至少一者的移动信息以及所述约束收敛信息生成所述调节模块的调整位置信息，从而驱动所述调节模块带动所述手术器械22调整至期望位置。
参照图1和图2a，操作者通过所述控制单元63生成所述台车23的调整位置信息，以调整所述台车23的底座并进行手术器械的运载方位的调整，所述控制单元63根据所述台车23的调整位置信息，控制所述调整臂25和所述工具臂24随动，从而控制实现不动点的空间位置不变，同时扩大受限关节的可操作空间，以允许手术器械22的末端运动至期望位置，例如达到目标病灶区。
本发明一些实施例中，在触发所述手术机器人系统的调整模式时，对应是否需要将所述手术器械22收回所述戳卡42或取下所述手术器械22，可由操作者根据实际情况进行选择。
本发明一些实施例中，为避免所述手术器械22末端与脏器组织发生不期望的接触，将所述手术器械23收回至所述戳卡42或移除，待完成调整后再由所述控制单元63控制所述手术器械22伸出所述戳卡42并运动至期望位置。
具体的，参照图2a、图4a和图6，手术进行的过程中，当需要从所述第一病灶区43移动至所述第二病灶区46，通过所述控制单元63驱动所述调整臂25和所述工具臂24的各关节运动之前，所述控制单元63对所述手术器械22和所述戳卡42进行检测判断，以确认所述手术器械22回收至所述戳卡42内，防止因所述台车23的移动对所述目标对象15再次二次伤害。
进一步的，所述检测判断具体包括：
S11：所述检测单元61采集所述手术器械22的末端位置信息和所述戳卡42的末端位置信息并发送至所述比较模块631；
S12：所述比较模块631根据所述手术器械22的末端位置信息和所述戳卡42的末端位置信息计算所述手术器械22和所述戳卡41的与预期位置的末端偏差；
S13：所述比较模块631将所述末端偏差与所述存储单元62存储的参考阈值进行比较以判断所述末端偏差是否小于所述参考阈值；
S14：当所述比较模块631判断所述末端偏差小于所述参考阈值，发送移动指令以允许驱动所述台车23以改变所述工作位置。
进一步的，当所述比较模块631判断所述末端偏差大于等于所述参考阈值，一旦操作者尝试移动所述台车23，所述台车23则无法移动，且所述比较模块631通过所述图像部13向操作者提示“是否移动台车”的信息，以提示操作者检查所述戳卡42和所述手术器械24的状态并回收至所述戳卡42内。
本发明另一些实施例中，在所述手术器械22仍保持在停留在体内的模式下，进行手术机器人的调整。
由于调整系统有两种选择模式，包括主动调整模式和被动调整模式两种，在操作者选择合适的调整模式后，所述控制单元63获取的所述手术器械22的移动信息包括所述手术器械22的移动前位置信息和所述手术器械22的移动后位置信息。所述手术器械22的移动前位置信息包括不动点的移动前位置信息和所述手术器械22移动前的末端位置和姿态信息。
具体的，所述手术器械22的移动后位置信息通过所述控制单元63获取的台车底座调整位置信息计算获得的不动点移动后位置信息及移动后手术器械末端位置和姿态信息。
本发明一些实施例中，参照图4b，所述第二病灶区46的中心可以作为所述手术器械22的移动后目标点位置。
本发明的一些实施例中，所述手术器械23的移动后位置可由操作者在交互界面输入指定目标点位置，所述控制单元63设定所述手术器械22末端的移动方向为：所述手术器械23移动前的末端位置与操作者指定目标点的连线，并可在显示装置上显示推荐调整路径。
进一步的，调整过程中，本领域技术人员还可以限定所述手术器械22调整后的器械末端相对于当前手术器械末端的距离及方向作为推荐路径。
本发明一些实施例中，所述比较模块631根据所述不动点的移动前位置信息生成所述不动点的期望位置信息，根据所述运载模块的调整位置信息及正运动学原理由所述调节模块的各关节位置计算获得所述运载模块调整后的不动点位置，然后根据所述不动点的期望位置信息和所述运载模块调整后所述不动点的位置生成所述不动点的偏差信息，以确保所述不动点位置的准确定位。
具体的，所述比较模块631根据坐标变换规则将所述不动点的移动前位置信息转换为所述手术台14坐标系下的所述不动点的期望位置信息，以使所述不动点的移动前位置信息和所述不动点的期望位置信息相对同一参考坐标系一致。
更具体的，所述同一参考坐标系以所述手术台14为参照。
本发明一些实施例中，所述规划模块632获取所述不动点的位置偏差信息和所述运载模块的移动信息，并根据所述不动点的位置偏差信息和所述运载模块的移动信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行所述运载方位调整。
具体的，通过所述控制单元63改变工作位置，所述检测单元61采集所述台车23的移动信息并发送至所述比较模块631和所述规划模块632，所述台车23的移动信息包括所述台车23底座相对于所述手术台14的水平移动信息、竖直移动信息和转动信息中的至少一种。
进一步的，所述比较模块631根据所述台车23的移动信息，获得不动点(图中未标示)相对于所述手术台14的位置变化，生成不动点当前位置与期望位置的偏差信息，并发送至所述规划模块632。
本发明一些实施例中，所述规划模块632获取所述不动点的位置偏差信息和所述台车23的移动信息，并根据所述不动点的位置偏差信息和所述台车23的移动信息生成所述台车23的调整位置信息，以驱动所述台车23进行所述运载方位调整。
具体的，所述规划模块632驱动所述台车23的驱动电机以一个固定的调整范围为目标调整所述台车23的底座。
更具体的，所述运载调整信息包括每个运载电机的期望步长信息S，所述比较模块631根据设置于所述台车23的运载电机所驱动的底座关节的运动范围计算对应运载电机的期望步长信息。具体的，所述比较模块631根据公式1计算每个运载电机的期望步长信息S。公式1具体为：
Figure BDA0002740114400000171
其中，Pr为各底座关节运动范围，counts为各存储于所述存储单元62的底座关节的调整步频。
本发明一些实施例中，counts不低于100。
本发明一些实施例中，进行手术机器人调整时，尤其是所述手术器械22保持在目标对象体内的调整模式时，所述台车23及所述机械臂21调整过程中，在确保不动点位置不变的同时，所述手术器械22末端的位置和姿态变化保持在较小范围内，以保障手术安全。
具体的，参照图2b和图6，根据所述调整臂25的各机械臂自由度顺次调整所述调整臂25的所述第一旋转关节251、所述第二旋转关节252、所述第三旋转关节253以及所述第四旋转关节254之间需要补偿的调整距离，以通过所述工具臂24确保所述手术器械22末端姿态的变化在一个较小范围内，同时保证不动点位置不变。
当调整所述台车23的底座、所述调整臂25的某一关节和所述工具臂24中的某一关节的任意一种无法保证所述手术器械22到达目标操作区域时，所述控制单元63进行下一关节的迭代调整，直至满足调整需求。
本发明一些实施例中，驱动所述台车23的底座电机顺次为第一底座电机B1和第二底座电机B2，驱动所述调整臂25的调整电机顺次为第一悬吊电机Z1和第二悬吊电机Z2、第三悬吊电机Z3，驱动所述工具臂24各关节的电机顺次为第一电机T1、第二电机T2、第三电机T3和第四电机T4。
当调整所述第一底座电机B1至设定位置(如一个步长)后仍无法保证所述手术器械22到达目标操作区域，所述第一底座电机B1保持当前位置，在所述第一底座电机B1的当前位置信息的基础上调整所述第二底座电机B2，并根据所述第二底座电机B2反转的不同程度沿所述调整臂25和所述工作臂24的路径进行遍历，直至保证所述手术器械22能够到达目标操作区域；如调整所述第二底座电机B2至设定位置(如一个步长)后，仍无法保证所述手术器械22到达目标操作区域，所述第二底座电机B2保持当前位置，在所述第一底座电机B1和所述第二底座电机B2两者的当前位置信息的基础上调整所述第一悬吊电机Z1。对所述第一悬吊电机Z1、所述第二悬吊电机Z2、所述第一电机T1、所述第二电机T2、所述第三电机T3和所述第四电机T4的调整策略请参见前述所述第一底座电机B1和所述第二底座电机B2的调整策略，在此不做赘述。
本发明一些实施例中，每台台车所搭载的机械臂数目至少为2，在进行手术机器人系统调整时，还需要考虑相邻调整臂和工作臂之间的调整距离以防止碰撞。
具体的，所述调节模块的移动信息包括所述若干关节的移动信息和相邻调整臂之间的距离信息，所述规划模块632判断所述台车23调整后，根据所述约束收敛信息、所述不动点的位置偏差信息、所述若干关节的移动信息以及所述相邻调整臂之间的距离信息构建代价函数，以通过位置判断、碰撞检测与固定不动点的方式精确规划轨迹，从而使所述手术器械22末端的变化值在期望范围内，且所述不动点的调整后位置信息与所述不动点的期望位置信息一致。
本发明一些实施例中，所述约束收敛信息包括第一调整因子，所述规划模块632根据所述第一调整因子和所述不动点的位置偏差信息构建所述不动点的位置偏差函数。
具体的，所述规划模块632根据公式2计算所述不动点的位置偏差函数βi。所述公式2具体为：
Figure BDA0002740114400000191
其中，λj为所述不动点的位置偏差，ηβ为所述第一调整因子，j为所述台车23装载的机械臂的数目。
更具体的，所述收敛约束信息包括不动点相关阈值，所述规划模块632判断所述不动点的位置偏差大于等于所述不动点相关阈值后，将所述第一调整因子赋值为0；所述规划模块632判断所述不动点的位置偏差小于所述不动点相关阈值后，将所述第一调整因子赋值为1。
本发明一些实施例中，所述约束收敛信息包括第二调整因子，所述若干关节的移动信息包括末端关节的位置偏差信息，所述规划模块632根据所述第二调整因子和所述末端关节的位置偏差信息构建末端关节姿态偏差函数。
具体的，所述规划模块632根据公式3计算所述末端姿态偏差函数γi。所述公式3具体为：
Figure BDA0002740114400000192
其中，μj为所述工具臂24的末端姿态偏差，ηγ为所述第二调整因子。
更具体的，所述约束收敛信息包括第一姿态相关阈值。所述规划模块632判断所述工具臂24的末端姿态偏差大于等于所述第一姿态相关阈值后，将所述第二调整因子赋值为0，所述规划模块判断所述末端姿态偏差小于所述第一姿态相关阈值后，将所述第二调整因子赋值为1。
本发明一些实施例中，所述约束收敛信息包括相邻调整臂间的向量信息和同一机械臂的相邻调整电机连线的向量信息，所述规划模块632根据所述相邻调整臂的向量信息和所述不同调整电机连线的向量信息构建距离函数，以防止相邻调整臂之间发生碰撞。
具体的，所述规划模块122通过公式5构建距离函数αi。所述公式5具体为：
Figure BDA0002740114400000201
其中，ιj为相邻机械臂之间的碰撞条件参数，优选为相邻机械臂间的距离，具体为
Figure BDA0002740114400000202
其中
Figure BDA0002740114400000203
为其中一个机械臂的所在直线的单位向量，
Figure BDA0002740114400000204
为与其中一个机械臂相邻的另一个机械臂所在直线的单位向量。
Figure BDA0002740114400000205
为两个调整电机的连线的向量。上述三个向量可以通过将点转换到基座标系获得。所述基座标系为以所述手术台14为参照的坐标系。
本发明一些实施例中，所述收敛约束信息还包括第三调整因子，所述若干关节的移动信息包括每个关节的全程运动范围偏差，所述规划模块根据所述第三调整因子和所述每个关节的全程运动范围偏差构建限位函数。
具体的，所述规划模块122根据公式4计算所述限位函数δi。所述公式4具体为：
Figure BDA0002740114400000206
其中，νj为每个关节的全程运动范围偏差，ηδ为所述第三调整因子，m为设置于所述机械臂的电机数量。
具体的，所述约束收敛信息包括第二姿态相关阈值，所述步骤S4中，所述规划模块判断每个关节的全程运动范围偏差大于等于所述第二姿态相关阈值后，将所述第三调整因子赋值为0，所述规划模块判断所述每个关节的全程运动范围偏差小于所述第二姿态相关阈值后，将所述第三调整因子赋值为1。
进一步的，每个关节的移动信息包括每个关节的最大移动位置信息，所述若干关节的移动信息包括所述每个关节的全程运动范围，所述若干关节的调整位置信息包括所述每个关节的限位范围上限阈值，所述规划模块根据所述每个关节的最大移动位置信息和所述全程运动范围计算所述每个关节的限位范围上限阈值。
具体的，所述单个运动关节限位范围的上限阈值为Pmax-20％×Pr，Pmax为单个运动关节的最大移动位置，Pr为单个运动关节的全程运动范围。
进一步的，所述每个关节的移动信息包括所述每个关节的最小移动位置信息，所述若干关节的调整位置信息还包括所述每个关节的限位范围下限阈值，所述规划模块根据所述每个关节的最小移动位置信息和所述全程运动范围计算所述每个关节的限位范围下限阈值。
具体的，所述单个运动关节限位范围的下限阈值为Pmin+20％×Pr，Pmin为单个运动关节的最小移动位置。
本发明一些具体的实施例中，Pmax为80，Pmin为-80，则Pr为160。
本发明一些实施例中，所述规划模块632根据所述不动点的位置偏差函数、所述末端关节姿态偏差函数、所述距离函数以及所述限位函数构建代价函数。
具体的，所述规划模块632通过公式6构建代价函数g(n)。所述公式6具体为：
Figure BDA0002740114400000221
其中，n为所述执行机构的个数。
本发明一些实施例中，所述约束收敛信息还包括权重信息，所述若干关节的移动信息包括所述若干关节的当前位置信息和期望位置信息，所述规划模块632根据所述权重信息、所述若干调整关节的当前位置信息和期望位置信息，以及所述不动点的位置偏差信息构建启发函数。
具体的，所述约束收敛信息还包括所述启发函数的权重信息，所述规划模块632根据所述代价函数、所述启发函数以及所述启发函数的权重信息构建收敛判断函数，以判断是否向所述调整驱动部发送收敛指令，从而驱动所述若干关节带动所述手术器械22调整至期望位置。
具体的，所述规划模块122通过公式7计算启发函数h(n)。所述公式7具体为：
h(n)＝σ*abs(θc-θt)+(1-σ)*abs(λj)
其中，σ为所述权重信息，θc为所述机械臂的各关节当前位置信息，θt为所述机械臂的各关节期望位置信息，λj为所述不动点的位置偏差。
本发明一些实施例中，所述约束收敛信息包括所述启发函数的权重信息。
本发明一些实施例的所述步骤S4中，所述规划模块632根据所述代价函数、所述启发函数以及所述启发函数的权重信息建立所述收敛判断函数。
具体的，所述规划模块632通过公式8计算所述收敛判断函数f(n)。所述公式8具体为：
f(n)＝g(n)+ω(n)*h(n)
其中，ω(n)为所述启发函数的权重信息。
本发明一些实施例中，所述约束收敛信息包括所述机械臂的各关节位置变化幅度范围和不动点相关阈值。
本发明一些实施例中，所述规划模块632根据所述收敛判断函数判断所述各关节位置变化幅度在所述各关节位置变化幅度范围，且所述不动点的位置偏差小于所述不动点相关阈值后，以完成收敛判断并向所述台车23底座发送所述收敛指令。
具体的，所述执行机构的各关节位置变化幅度为40％-60％。
进一步的，所述约束收敛信息包括单个运动关节限位范围，所述规划模块632完成所述收敛判断后，还判断所述执行机构的各关节当前位置位于所述单个运动关节限位范围内，然后向所述台车23的底座发送所述收敛指令。
本发明一些实施例中，尤其是当需要对所述手术机器人进行调整，但所述手术器械22仍需要留在患者体内的调整模式下，所述规划模块632根据所述收敛判断函数判断所述各关节位置变化幅度不在所述各关节位置变化幅度范围，所述不动点的位置偏差大于等于所述不动点相关阈值和所述各关节当前位置不在所述单个运动关节限位范围内中的至少一种后，向所述比较模块631发送重新调整指令，避免由于所述台车23位置变化造成不动点位置的变化或者造成所述手术器械22末端位置和姿态的变化，进而使得施术区域发生变化，容易对目标对象造成二次伤害的问题。
进一步的，所述比较模块631重复执行所述重新调整指令直至所述规划模块632根据所述收敛判断函数判断所述各关节位置变化幅度在所述各关节位置变化幅度范围，且所述不动点的位置偏差小于所述不动点相关阈值。
本发明一些实施例中，所述不动点包括算法不动点、结构不动点和被动不动点中的任意一种。
以算法不动点为例，图7为本发明一些实施例的机械臂与手术器械的工作状态示意图。
参照图7，串联机械臂71不含有调整臂，且末端设置所述手术器械22，所述不动点具体为算法不动点(图中未标示)，所述算法不动点(图中未标示)为所述手术器械22作用于目标对象(图中未标示)身体的介入点。串联机械臂71具有至少4个关节，以驱动所述手术器械22绕所述算法不动点运动。
本发明还提供了一种手术机器人系统的调整方法，包括如下步骤：
根据控制指令驱动运载模块或调节模块运动；
获取所述运载模块、所述调节模块和手术器械中的任意一者的移动信息；
根据所述运载模块的移动信息和所述手术器械的移动前位置信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行运载方位调整；
根据所述调节模块的移动信息驱动所述运载模块和所述调节模块的至少一者的运动，以调整所述手术器械的位置或者姿态的至少一种，进而确保不动点在期望位置。
上述调整方法的具体过程在前述内容已经说明，此处不再赘述。
本发明还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。
本发明进一步提供了一种终端，包括处理器及存储器；
所述处理器用于执行上述计算机程序。
所述处理器与所述存储器相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述终端执行上述的方法。
优选地，所述存储器包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
优选地，所述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable GateArray，简称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。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (21)

1.一种手术机器人系统，其特征在于，包括存储单元、检测单元、动作单元和与所述存储单元、检测单元及动作单元连接的控制单元，所述动作单元包括互相连接的运载模块和调节模块，所述调节模块的自由端用于连接手术器械；
所述检测单元用于对所述运载模块、所述调节模块和所述手术器械中的任意一者进行移动信息检测，并将获取的移动信息发送至所述控制单元；
所述控制单元根据所述移动信息生成控制指令以驱动所述运载模块和所述调节模块的至少一者的运动，以调整所述手术器械的位置或者姿态的至少一种位姿调整控制信息，进而使不动点位于期望位置。
2.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术器械的移动信息包括所述手术器械的移动前位置信息，所述存储单元存储有位姿调整控制信息和约束收敛信息，所述控制单元根据所述运载模块的移动信息和所述手术器械的移动前位置信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行运载方位调整，然后根据所述调节模块的移动信息结合所述位姿调整控制信息进行运动路径遍历和最优路径筛选，并根据所述约束收敛信息判断所述最优路径筛选的结果是否能够收敛，以驱动所述调节模块带动所述手术器械调整至期望位置。
3.根据权利要求2所述的手术机器人系统，其特征在于，所述调节模块包括若干关节以及与所述关节相对应设置的关节电机，所述控制单元判断所述最优路径筛选的结果不能够收敛，则通过所述关节电机驱动所述关节进行关节调整，所述检测单元对调整后的关节执行所述移动信息检测并将所述调整后的关节的移动信息发送所述控制单元，所述控制单元根据所述调整后的关节的移动信息结合所述位姿调整控制信息进行所述运动路径遍历和所述最优路径筛选，直至根据所述最优路径的筛选结果和所述约束收敛信息判断能够收敛为止。
4.根据权利要求2所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制单元通过限位识别、碰撞检测、固定不动点以及器械姿态的至少一种方式进行所述运动路径遍历，并根据若干所述关节电机的角度信息建立启发函数和代价函数实现所述最优路径筛选，所述不动点为所述手术器械作用于所述目标对象后在所述目标对象体表限定的虚拟介入点。
5.根据权利要求3所述的手术机器人系统，其特征在于，所述存储单元还存储有启发函数权重信息，所述控制单元进一步结合所述启发函数、所述代价函数和所述启发函数权重信息得到收敛判断函数，以判断是否能够进行收敛。
6.根据权利要求4所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制单元包括比较模块，所述比较模块根据所述不动点的移动前位置信息生成所述不动点的期望位置信息，根据所述运载模块的调整位置信息和正运动学原理由所述调节模块的各关节位置信息获得所述运载模块调整后的不动点位置信息，然后根据所述不动点的期望位置信息和所述运载模块调整后的不动点位置信息生成所述不动点的位置偏差信息。
7.根据权利要求6所述的手术机器人系统，其特征在于，所述比较模块根据坐标变换规则将所述不动点的移动前位置信息转换为所述不动点的期望位置信息，以使所述不动点的移动前位置信息和所述不动点的期望位置信息位于同一参考坐标系下。
8.根据权利要求6所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制单元还包括规划模块，所述规划模块获取所述不动点的位置偏差信息和所述运载模块的移动信息，并根据所述不动点的位置偏差信息和所述运载模块的移动信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行所述运载方位调整。
9.根据权利要求8所述的手术机器人系统，其特征在于，所述调节模块包括至少一个机械臂，所述若干关节设置于所述机械臂，所述规划模块根据所述约束收敛信息、所述不动点的位置偏差信息、所述若干关节的移动信息以及所述相邻机械臂之间的距离信息构建所述代价函数，以使所述手术器械末端的变化值在期望范围内，且所述不动点的调整后位置信息与所述不动点的期望位置信息一致。
10.根据权利要求8所述的手术机器人系统，其特征在于，所述规划模块根据所述不动点的位置偏差函数、末端关节姿态偏差函数、距离函数以及限位函数构建所述代价函数。
11.根据权利要求10所述的手术机器人系统，其特征在于，所述约束收敛信息包括第一调整因子，所述规划模块根据所述第一调整因子和所述不动点的位置偏差信息构建所述不动点的位置偏差函数。
12.根据权利要求10所述的手术机器人系统，其特征在于，所述约束收敛信息包括第二调整因子，所述若干关节的移动信息包括末端关节的位置偏差信息，所述规划模块根据所述第二调整因子和所述末端关节的位置偏差信息构建所述末端关节姿态偏差函数。
13.根据权利要求11所述的手术机器人系统，其特征在于，所述约束收敛信息包括相邻调整臂之间的向量信息和同一机械臂的相邻调整电机连线的向量信息，所述规划模块根据所述相邻调整臂的向量信息和所述不同调整电机连线的向量信息构建所述距离函数，以防止相邻调整臂之间发生碰撞。
14.根据权利要求12所述的手术机器人系统，其特征在于，所述若干关节的移动信息包括每个关节的全程运动范围偏差，所述规划模块根据所述第三调整因子和所述每个关节的全程运动范围偏差构建所述限位函数。
15.根据权利要求12所述的手术机器人系统，其特征在于，每个关节的移动信息包括每个关节的最大移动位置信息，所述若干关节的移动信息包括所述每个关节的全程运动范围，所述若干关节的调整位置信息包括所述每个关节的限位范围上限阈值，所述规划模块根据所述每个关节的最大移动位置信息和所述全程运动范围计算所述每个关节的限位范围上限阈值。
16.根据权利要求15所述的手术机器人系统，其特征在于，所述每个关节的移动信息包括所述每个关节的最小移动位置信息，所述若干关节的调整位置信息还包括所述每个关节的限位范围下限阈值，所述规划模块根据所述每个关节的最小移动位置信息和所述全程运动范围计算所述每个关节的限位范围下限阈值。
17.根据权利要求7所述的手术机器人系统，其特征在于，所述存储单元还存储有权重信息，所述若干关节的移动信息包括所述若干关节的当前位置信息和期望位置信息，所述规划模块根据所述权重信息、所述若干调整关节的当前位置信息和期望位置信息，以及所述不动点的位置偏差信息构建所述启发函数。
18.根据权利要求7所述的手术机器人系统，其特征在于，还包括设置于目标对象的介入装置，所述手术器械通过所述介入装置作用于目标对象，所述检测单元还获取所述手术器械的末端位置信息和所述介入装置的末端位置信息并发送至所述比较模块，所述比较模块存储有参考阈值，所述比较模块根据所述手术器械的末端位置信息和所述介入装置的末端位置信息计算末端偏差，并根据所述参考阈值判断是否驱动所述运载模块改变工作位置。
19.一种手术机器人系统的调整方法，其特征在于，包括：
根据控制指令驱动运载模块或调节模块运动；
获取所述运载模块、所述调节模块和手术器械中的任意一者的移动信息；
根据所述运载模块的移动信息和所述手术器械的移动前位置信息生成所述运载模块的调整位置信息，以驱动所述运载模块进行运载方位调整；
根据所述调节模块的移动信息驱动所述运载模块和所述调节模块的至少一者的运动，以调整所述手术器械的位置或者姿态的至少一种，进而确保不动点在期望位置。
20.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求19所述的调整方法。
21.一种终端，其特征在于，包括处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器被配置为读取所述计算机程序以执行如权利要求19中所述的调整方法。
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