CN112618020B - 手术机器人及其控制方法、控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术机器人及其控制方法、控制装置。该控制方法包括：获取受控末端器械的位置限位；检测受控末端器械的当前位置是否达到位置限位；在受控末端器械的当前位置达到位置限位时，控制受控末端器械保持当前位置，并控制受控末端器械的姿态跟随运动输入设备输入的姿态指令变化；否则，控制受控末端器械的位置及姿态跟随运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化。该控制方法一方面通过允许受控末端器械在位置限位以内运动，并在受控末端器械达到位置限位时保持其位置，可以确保手术的安全性及可靠性；另一方面在受控末端器械达到位置限位时使其姿态跟随姿态指令变化，无需在姿态上重新对齐运动输入设备及受控末端器械，可以确保手术连续性。

Description

手术机器人及其控制方法、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。手术机器人包括主操作台及从操作设备，从操作设备包括多个操作臂，这些操作臂包括具有图像末端器械的相机臂及具有操作末端器械的手术臂。主操作台包括显示器及手柄。医生在显示器显示的由相机臂提供的视野下操作手柄控制相机臂或手术臂运动。

由于从操作设备的物理限位及/或软件限位的情况，操作臂中末端器械触发限位时，末端器械通常保持位姿以确保安全性及可靠性，然而，控制末端器械运动的手柄却不一定触发相应的限位，也即手柄还可能存在不受限制的移动。这样的情况容易导致后续限位解除而重新对末端器械进行操控时，存在需要进行取向对齐的操作过程，进而导致手术的不连续性。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够确保手术实施的安全性、可靠性以及连续性的手术机器人及其控制方法、控制装置。

一方面，本发明提供了一种的控制方法，所述手术机器人包括驱动臂以及操纵所述驱动臂中第一部分远端位姿变化的运动输入设备，所述第一部分远端具有末端器械，所述末端器械包括当前被配置成受所述运动输入设备操纵的受控末端器械，所述控制方法包括如下步骤：获取所述受控末端器械的位置限位；检测所述受控末端器械的当前位置是否达到所述位置限位；在所述受控末端器械的当前位置达到位置限位时，控制所述受控末端器械保持所述当前位置，并控制所述受控末端器械的姿态跟随所述运动输入设备输入的姿态指令变化；否则，控制所述受控末端器械的位置及姿态跟随所述运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化。

其中，所述位置限位是任务空间的位置限位，检测所述受控末端器械是否达到位置限位的步骤包括：实时获取所述受控末端器械在任务空间的所述当前位置；通过检测所述当前位置是否达到所述位置限位以确定所述受控末端器械是否达到所述位置限位。

其中，所述位置限位是所述受控末端器械基于所述第一部分中各关节组件联动所能获得的最大运动范围。

其中，所述位置限位是基于所述最大运动范围所确定的包含于所述最大运动范围以内的运动范围。

其中，所述受控末端器械的位姿变化由所述第一部分中各关节组件的运动而确定，所述位置限位是关节空间的所述第一部分中各关节组件的位置限位，检测所述受控末端器械是否达到位置限位的步骤包括：实时获取所述第一部分中各关节组件的关节变量；通过检测各所述关节组件对应的所述关节变量是否达到所述位置限位以确定所述受控末端器械是否达到所述位置限位。

其中，所述位置限位是所述第一部分中影响所述受控末端器械的位置变化的各关节组件的位置限位。

其中，所述受控末端器械是图像末端器械。

其中，所述受控末端器械是操作末端器械。

其中，所述位置限位基于所述图像末端器械在参考坐标系的可视区域而确定。

其中，所述位置限位是所述图像末端器械在参考坐标系的可视区域。

其中，所述位置限位是包含于所述可视区域以内的区域。

其中，所述可视区域基于所述图像末端器械的相机参数而确定，所述相机参数包括视场角和景深。

其中，检测所述受控末端器械是否达到所述位置限位的步骤包括：获取所述图像末端器械采集的所述可视区域的操作图像；通过识别所述受控末端器械是否位于所述操作图像内以确定所述受控末端器械是否达到所述位置限位。

其中，控制所述受控末端器械的位置及姿态跟随所述运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化的步骤包括：获取位于所述可视区域内的安全运动区域，令所述安全运动区域内的区域为第一区域，令所述安全运动区域以外、所述可视区域以内的区域为第二区域；根据所述受控末端器械在所述第一区域及所述第二区域内的位置及运动方向的变化而改变所述受控末端器械的运动速度。

其中，根据所述受控末端器械在所述第一区域及所述第二区域内的位置及运动方向的变化而改变所述受控末端器械的运动速度的步骤包括：在所述受控末端器械从所述第一区域的边界向所述第二区域的外边界运动时，减小所述受控末端器械在相应方向的运动速度；在所述受控末端器械从所述第二区域的外边界向所述第一区域的边界运动时，增大所述受控末端器械在相应方向的运动速度。

其中，所述受控末端器械在相应方向的运动速度跟所述受控末端器械与所述第二区域的外边界之间的距离正相关。

其中，所述运动输入设备是机械式的运动输入设备，控制所述受控末端器械的位置及姿态跟随所述运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化的步骤包括：

获取位于所述可视区域内的安全运动区域，令所述安全运动区域内的区域为第一区域，令所述安全运动区域以外、所述可视区域以内的区域为第二区域；在所述受控末端器械从所述第一区域的边界向所述第二区域的外边界运动时，增大所述运动输入设备在相应方向移动时的阻力；在所述受控末端器械从所述第二区域的外边界向所述第一区域的边界运动时，减小所述运动输入设备在相应方向移动时的阻力。

其中，所述运动输入设备在相应方向移动时的阻力跟所述受控末端器械与所述第二区域的外边界之间的距离负相关。

其中，所述控制方法包括：获取所述驱动臂的构型的描述信息；根据所述描述信息生成含有关联于所述驱动臂各部分结构的控件的配置界面以供配置所述第一部分。

其中，所述配置界面含有根据所述描述信息生成的关联于所述驱动臂的模型图像，所述模型图像中含有对应于所述驱动臂的各部分的所述控件或对应于所述驱动臂的各部分中的各关节组件的所述控件。

另一方面，本发明提供了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，本发明提供了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，本发明提供了一种手术机器人，包括：操作臂，所述操作臂包括相机臂及手术臂；以及控制器，所述控制器与所述操作臂耦接，并被配置成执行如上述任一项实施例所述的控制方法的步骤。

其中，所述驱动臂包括机械臂及操作臂，所述操作臂近端装设于所述机械臂远端，所述末端器械装设于所述操作臂远端，所述第一部分是所述操作臂，或者，所述第一部分是所述机械臂和所述操作臂。

其中，所述驱动臂包括机械臂、调整臂、操纵器及操作臂，所述调整臂近端装设于所述机械臂远端，所述操纵器近端装设于所述调整臂远端，所述操作臂近端装设于所述操纵器远端，所述末端器械装设于所述操作臂远端，所述第一部分是所述操作臂，或者，所述第一部分是所述操纵器和所述操作臂，或者，所述第一部分是所述机械臂、所述调整臂、所述操纵器和所述操作臂。

本发明的手术机器人及其控制方法、控制装置，具有如下有益效果：

一方面，通过在受控末端器械未达到位置限位时允许受控末端器械在位置限位以内运动，并通过在受控末端器械达到位置限位时控制受控末端器械保持位置，可以确保手术的安全性及可靠性；

另一方面，通过在受控末端器械达到位置限位时控制受控末端器械的姿态跟随运动输入设备输入的姿态指令变化，由于运动输入设备始终与受控末端器械保持一致的姿态，因此无需在姿态上将两者进行重新对齐，可以确保手术的连续性。

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所示手术机器人一实施例的局部示意图；

图3为手术机器人中操作臂与动力部的结构示意图；

图4为本发明手术机器人另一实施例的结构示意图；

图5为图1所示手术机器人的配置第一部分的一实施例的配置界面；

图6为图1所示手术机器人的配置第一部分的另一实施例的配置界面；

图7为手术机器人的控制方法一实施例的流程图；

图8为图7所示控制方法一实施例的原理示意图；

图9～图12分别为手术机器人的控制方法一实施例的流程图；

图13为手术机器人一手术状态下的局部示意图；

图14为受控末端器械在不同区域内运动的示意图；

图15为手术机器人的控制方法一实施例的流程图；

图16为本发明一实施例的手术机器人的控制装置的结构示意图。

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，并不限于本发明所描述的实施方式。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“耦接”另一个元件，它可以是直接耦接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本发明所使用的术语“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。本发明所使用的术语“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。本发明所使用的术语“第一/第二”等表示一个部件以及一类具有共同特性的两个以上的部件。

除非另有定义，本发明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。本发明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。本发明所使用的术语“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。本发明中所使用的术语“各”包括一个或两个以上。

如图1至图2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2及由主操作台2控制的从操作设备3。主操作台2具有运动输入设备21及显示器22，医生通过操作运动输入设备21向从操作设备3发送控制命令，以令从操作设备3根据医生操作运动输入设备21的控制命令执行相应操作，并通过显示器22观察手术区域。其中，从操作设备3具有驱动臂，驱动臂具有机械臂30及可拆卸地装设于机械臂30远端的一个以上的操作臂31。机械臂30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，通过调节操作臂31的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。图像末端器械34A用于采集视野内的图像，显示器22用于显示该图像。操作末端器械34B用于执行手术操作如剪切、缝合。本文令具有图像末端器械34A的操作臂为相机臂31A，并令具有操作末端器械34B的操作臂为手术臂31B。

图1展示的手术机器人为单孔手术机器人，各操作臂31通过装设于机械臂30远端的同一个穿刺器4插入至患者体内。在单孔手术机器人中，医生一般仅对操作臂31进行控制以完成基本手术操作。此时，单孔手术机器人的操作臂31应当同时具有位置自由度(即定位自由度)和姿态自由度(即定向自由度)，以实现在一定范围内位姿的变化，例如操作臂31具有水平移动自由度x、竖直移动自由度y，自转自由度α、俯仰自由度β及偏航自由度γ，操作臂31还可以在机械臂30远端关节组件即动力机构301的驱动下实现前后移动自由度z(即进给自由度)，此外，一些实施例中，还可以为操作臂31设置冗余自由度以实现更多功能的可能性，例如，在上述可实现6自由度的前提下，额外再设置一个、两个甚至更多个自由度。例如，动力机构301具有导轨和滑动设置于导轨上的动力部，操作臂31可拆卸的装设于动力部上，一方面，动力部在导轨上的滑动提供操作臂31前后移动自由度z，另一方面，动力部为操作臂31的关节组件提供动力实现其余5个自由度(即[x,y,α,β,γ])。

手术机器人还包括控制器。控制器可以集成于主操作台2，也可以集成于从操作设备3。当然，控制器也可以独立于主操作台2和从操作设备3，其例如可部署在本地，又例如控制器可以部署在云端。其中，控制器可以由一个以上的处理器构成。

手术机器人还包括输入部。输入部可以集成于主操作台2。输入部也可以集成于从操作设备3。当然，输入部也可以独立于主操作台2和从操作设备3。该输入部例如可以是鼠标、键盘、语音输入装置、触摸屏。一实施例中，采用触摸屏作为输入部，触摸屏例如可以设置于主操作台2的扶手上。

操作臂31还包括感应关节组件的关节变量的传感器。这些传感器包括感应关节组件转动运动的角度传感器及感应关节组件线性运动的位移传感器，具体可根据关节组件的类型来配置适应的传感器。

控制器与这些传感器耦接，并与输入部及显示器22耦接。

示例性的，如图3所示，操作臂31的驱动盒310抵接于动力机构301的动力部302的抵接面装设有存储单元311，相应在动力部302抵接于驱动盒310的抵接面装设有与存储单元311配套的读取单元303，该读取单元303与控制器耦接，操作臂31装设于动力部302时，读取单元303与存储单元311通讯，读取单元303从存储单元311中读取相关信息。该存储单元311例如是存储器、电子标签。存储单元例如存储有操作臂的类型、操作臂可被配置成目标部位的部位、操作臂的运动学模型等。例如，相机臂31A的存储单元311中还额外的存储有相机参数。

如图4所示，其为本发明手术机器人一实施例的结构示意图，更具体地，图4所展示的是多孔手术机器人一实施例的结构示意图。图4所示的多孔手术机器人与图1所示的单孔手术机器人之间的区别主要存在于两者的从操作设备之间的区别。图4所示的多孔手术机器人中从操作设备的驱动臂具有依次连接的机械臂110、调整臂120、操纵器130及操作臂150。调整臂120、操纵器130及操作臂150数量相同且均为两个以上，例如四个，机械臂110远端具有定向平台，调整臂120近端均连接于定向平台，操纵器130近端连接于调整臂120远端。操纵器130用于可拆卸地连接操作臂150，操纵器130具有多个关节组件。在多孔手术机器人中，不同操作臂150通过不同的穿刺器插入患者体内，多孔手术机器人的操作臂150相较于单孔手术机器人的操作臂31而言，一般具有较少的自由度，通常，操作臂150仅具有姿态自由度(即定向自由度)，当然其姿态的变化一般也对位置产生影响，但因为影响较小某些场景下可以被忽略。操作臂150的位置的变化通常可以由操纵器130辅助实现，由于操纵器130与操作臂150联动实现位姿变化，可以将这两者认为是操纵器组件，与单孔手术机器人中操作臂31相当。

根据配置，运动输入设备21可以输入包括位置指令及姿态指令的位姿指令以控制驱动臂中第一部分远端位姿的变化。该第一部分远端通常指末端器械，此外，该第一部分远端还可以指与末端器械项连接的一个关节组件，末端器械位姿的变化通常与该关节组件位姿的变化是一致的。

在图1所示的手术机器人中，驱动臂包括机械臂及操作臂，操作臂近端装设于机械臂远端，末端器械装设于操作臂远端。根据配置，第一部分可被配置成是操作臂；或者，第一部分可被配置成是机械臂和操作臂的整体。

而相应在图4所示的手术机器人中，驱动臂包括机械臂、调整臂、操纵器及操作臂，调整臂近端装设于机械臂远端，操纵器近端装设于调整臂远端，操作臂近端装设于操纵器远端，末端器械装设于操作臂远端。根据配置，第一部分可被配置成是操作臂；或者，第一部分可被配置成是操纵器和操作臂的整体；或者，第一部分可被配置成是机械臂、调整臂、操纵器和操作臂的整体。

可理解的，无论是图1所示的单孔手术机器人还是图4所示的多孔手术机器人，机械臂通常用于大范围调节末端器械的位姿，操作臂用于精细调节末端器械的位姿，例如，手术前通过机械臂等摆位，手术中主要通过控制操作臂实施手术。当然，一些实施例中，也可以结合机械臂及操作臂等相应臂体结构一起协同运动实现特定功能。

一实施例中，可以在手术机器人的系统文件中定义出驱动臂中期望作为第一部分所关联的结构，在手术机器人的系统初始化时从系统文件中读取出该第一部分所关联的结构并应用于后述实施例即可。

一实施例中，也可以根据驱动臂的构型的描述信息实时生成用于配置该第一部分的配置界面。该描述信息包括驱动臂中各部分中全部关节组件的连杆参数等。例如，该配置界面含有关联于该驱动臂的各部分结构的、可供选择的控件以供医生配置。该控件例如可以是文本控件、选项控件如下拉列表控件、按钮控件等多种形式。

较佳的，为了更加便于医生更加直观的通过配置界面配置该第一部分，可以根据驱动臂的构型的描述信息生成相关联的、且含有可供选择的控件的模型图像。该模型图像可以是简洁示意的投影模型图像或复杂结构示意的计算机模型。该模型图像可跟随驱动臂状态的变化而变化。当然，该模型图像也可不跟随驱动臂状态的变化而只反映例如初始状态(如关节变量为零位时)等某一时刻下驱动臂的构型。模型图像上的控件例如是图标控件，更具体地可以是光点、光圈等。

示例性的，对于图1所示的手术机器人，驱动臂中的机械臂及操作臂可以分别对应一个控件以供选择它们的整体作为第一部分；对于图4所示的手术机器人，驱动臂中的机械臂、调整臂、操纵器及操作臂可以分别对应一个控件以供选择它们的整体作为第一部分。

示例性的，对于图1及图4所示的手术机器人，驱动臂中各关节组件均可以分别对应一个控件以供选择它们的局部或整体作为第一部分，其中，未被选择的整体或局部被系统视为非铰接结构从而禁止它们运动即可。可以获取医生通过输入部绘制的至少覆盖模型图像中部分控件的封闭的图形，进而将该图形内含有的(即围合的)所有部分全部作为第一部分。这样的设计能够提高第一部分的配置效率。

如图5和图6所示，图5和图6分别示意了图1所示手术机器人的配置第一部分的一实施例的配置界面。在图5和图6中，例如可用图标控件“□”代表可被配置成第一部分中至少部分的部位，并可用图标控件“●”代表被配置成第一部分中至少部分的部位。如图5所示，模型图像基本示意了图1所示的单孔手术机器人的基本构成，其中，机械臂和操作臂Arm1～Arm3分别对应含有一个可供选择的控件，是否选择该控件对应确定了是否将其对应的臂体部分作为第一部分，例如在图5中，仅选择将操作臂Arm1整体配置成第一部分，同时操作臂Arm1远端的末端器械被配置成受控末端器械。如图6所示，模型图像中的机械臂和操作臂Arm1～Arm3分别对应含有多个可供选择的控件，机械臂及操作臂Arm1～Arm3中控件的数量基本与其各自所具有的关节组件的数量相同，每个控件例如可以代表其中一个相应的关节，例如在图5中，由于选中了操作臂Arm3所有控件，进而相当于将操作臂Arm3整体配置成第一部分。

在应用于后续实施例时，预先获取医生根据该配置界面配置的第一部分进而利用该第一部分实现本发明的目的即可。这样的设计可更加易于医生灵活的配置出期望的第一部分以适用不同应用场景。

根据配置，末端器械中的一个以上可以被配置成受控末端器械以接受运动输入设备的控制。

一实施例中，提供一种手术机器人的控制方法，该控制方法可以由控制器执行。如图7所示，该控制方法包括如下步骤：

步骤S1，获取受控末端器械的位置限位。

步骤S2，检测受控末端器械的当前位置是否达到位置限位。

该位置限位通常是一个数值范围(也称数值集合)，“达到”位置限位通常指超过该数值范围。

在步骤S2中，具体在受控末端器械的当前位置达到位置限位时，进入步骤S3；否则，进入步骤S4。

步骤S3，控制受控末端器械保持当前位置，并控制受控末端器械的姿态跟随运动输入设备输入的姿态指令变化。

在该步骤S3中，如果运动输入设备输入的自由度与受控末端器械运动的自由度一一对应，受控末端器械的姿态即跟随运动输入设备的姿态发生一致的变化；而如果运动输入设备输入的自由度与受控末端器械运动的自由度不能一一对应，受控末端器械的姿态的变化则与运动输入设备姿态的变化不一致。无论如何，受控末端器械的姿态实质上均跟随运动输入设备输入的姿态指令变化。

步骤S4，控制受控末端器械的位置及姿态跟随运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化。

请结合图8参阅，出于简洁的目的，第一部分只示意出了受控末端器械的示意图，运动输入设备也进行了简洁的示意。举例而言，医生手持运动输入设备从P1位置经P2位置到达P3位置，并且，运动输入设备从P1位置到P2位置过程中姿态不变均为T1，运动输入设备从P2位置到P3位置过程中姿态由T1变化为T2。

假设不考虑上述步骤S1～步骤S4的限制，受控末端器械的位置将会对应于运动输入设备从P1位置经P2位置到达P3位置而从P1’位置经P2’位置到达P3’位置，并且，受控末端器械从P1’位置到P2’位置时，姿态相应于运动输入设备保持T1，而受控末端器械从P2’位置到P3’位置时，姿态相应于运动输入设备保持从T1变化成T2。其中，运动输入设备移动的距离与受控末端器械移动的距离通常保持某一比例关系，两者移动的距离可以相同或不同。其中，运动输入设备的姿态与受控末端器械的姿态保持一致。

然而，需要考虑上述步骤S1～步骤S4的限制的场景下，需要对受控末端器械的运动过程，尤其是位置变化的过程进行实时监测。例如，受控末端器械从P1’位置移动到P2’位置时，受控末端器械没有到达位置限位，因此通常不对受控末端器械进行限制，即控制受控末端器械跟随运动输入设备自由运动包括位置上跟随且姿态亦跟随。如果受控末端器械从P2’位置移动到P3’位置时，由于P2’到达了位置限位，且P3亦到达了位置限位，则需要对受控末端器械进行限制，即控制受控末端器械仅在姿态上跟随运动输入设备而位置上不跟随，也即保持受控末端器械的位置而仅作姿态上的变化。

根据上述步骤S1～S4，通过在受控末端器械未达到位置限位时允许受控末端器械在位置限位以内运动，并通过在受控末端器械达到位置限位时控制受控末端器械保持位置，可以确保手术的安全性及可靠性；并且，通过在受控末端器械达到位置限位时控制受控末端器械的姿态跟随运动输入设备输入的姿态指令变化，由于运动输入设备始终与受控末端器械保持一致的姿态，因此无需在姿态上将两者进行重新对齐，可以确保手术的连续性，这尤其适用于不具备主动对齐运动输入设备及受控末端器械的姿态的功能的非机械式的运动输入设备例如磁导航式等的运动输入设备。

一实施例中，受控末端器械的位置限位可以是任务空间的位置限位。该任务空间举例可以是笛卡尔空间。进而，如图9所示，上述步骤S3，即检测受控末端器械是否达到位置限位的步骤通常可以包括：

步骤S31，实时获取受控末端器械在任务空间的当前位置。

在步骤S31中，例如可以借助传感器等检测第一部分中各关节组件的关节变量，进而结合这些关节变量及该第一部分对应的运动学模型计算出受控末端器械在笛卡尔空间内的参考坐标系的当前位置。这些关节变量指关节组件中转动关节组件的关节组件量及/或移动关节组件的关节组件偏移量。

其中，驱动臂中第一部分对应的运动学模型由控制器实时构建。例如，获取该第一部分所含有的全部关节组件及其连杆参数，进而基于这些连杆参数构建对应于该第一部分的运动学模型。一实施例中，驱动臂中所有关节组件的用于构建运动学模型的连杆参数等相关信息均可以存储于操作臂的存储单元中。另一实施例中，驱动臂中除操作臂以外的关节组件的用于构建运动学模型的连杆参数等相关信息可以存储于不同于操作臂的存储单元且与控制器耦接的另一存储单元中。该另一存储单元可以集成或者独立于控制器。

步骤S32，通过检测当前位置是否达到位置限位以确定受控末端器械是否达到位置限位。

在步骤S32中，当前位置与位置限位一般需要以同一参考坐标系作为基准进行比较，包括两者直接位于参考坐标系、两者均转换成位于参考坐标系、及其中一者位于参考坐标系而另一者转换位于参考坐标系的情况。

参考坐标系可以任意设定，例如，可以定义参考坐标系为驱动臂的基坐标系，又例如，可以定义参考坐标系为驱动臂的工具坐标系。此外，即使定义参考坐标系为手术机器人以外的某个坐标系也是可行的。

在步骤S32中，如果检测到当前位置达到位置限位即可确定受控末端器械达到位置限位；否则，即可确定受控末端器械未达到位置限位。

一实施例中，上述的位置限位可以是受控末端器械基于第一部分中各关节组件联动所能获得的在笛卡尔空间的最大运动范围。更进一步地，上述的位置限位还可以是基于最大运动范围所确定的包含于最大运动范围以内的运动范围，例如是配置的在该最大运动范围内的一安全运动范围。

另一实施例中，因为受控末端器械的位姿变化由第一部分中各关节组件的运动而确定，因此上述的位置限位还可以是关节空间的第一部分中各关节组件的位置限位。如图10所示，上述步骤S3，即检测受控末端器械是否达到位置限位的步骤通常还可以包括：

步骤S31’，实时获取第一部分中各关节组件的关节变量。

该步骤S31’可以通过多种方式获取需要的关节变量。例如，可以直接通过各关节组件处设置的传感器获取其关节变量。又例如，还可以获取受控末端器械如在参考坐标系的当前位置，进而利用逆运动学解算当前位置获得第一部分中各关节组件的关节变量，该当前位置可以通过外部设置的传感器测量获得，也可以通过解析运动输入设备输入的当前时刻的目标位置获得。

步骤S32’，通过检测各关节组件对应的关节变量是否达到位置限位以确定受控末端器械是否达到位置限位。

在步骤S32’中，如果检测到任意一个以上关节组件的关节变量达到相应关节组件的位置限位即可确定受控末端器械达到位置限位；否则，全部关节组件的关节变量均未达到相应关节组件的位置限位即可确定受控末端器械未达到位置限位。

其中，每个关节组件均具有与之对应的物理的位置限位，这样的位置限位即作为该相应关节组件的位置限位。

例如，在该实施例中的位置限位可以是第一部分中影响受控末端器械的位置变化的各关节组件的位置限位，在上述步骤S31’中实际上仅需要检测这些影响受控末端器械位置变化的关节组件的关节变量，并在上述步骤S32’中将这些关节变量与相应的位置限位进行比较即可。其中，哪些关节组件将会影响受控末端器械的位置具体可根据该第一部分的构型而被准确地确定，因为这通常在设计之初就可以被确定。

一实施例中，末端器械至少包括图像末端器械，为了手术的目的，末端器械通常还包括操作末端器械。上述的受控末端器械可以被配置成图像末端器械。上述的受控末端器械也可以被配置成操作末端器械。

一些实施例中，在受控末端器械被配置成操作末端器械的情况下，上述的位置限位还可以基于图像末端器械在参考坐标系的可视区域而确定。例如，上述的位置限位即是图像末端器械在参考坐标系的可视区域。又例如，上述的位置限位还可以是包含于该可视区域以内的区域。

相机参数通常包括视场角及景深。视场角关联于焦距，景深关联于光圈。其中，焦距越小，视场角越大，可视距离越近；焦距越大，视场角越小，可视距离越远。一实施例中，根据相机参数获得可视区域具体即为基于视场角和景深获得该可视区域。例如，利用三角函数公式并结合视场角及景深即可计算出该可视区域。可视区域可以通过实时计算的方式获得，也可以根据视场角及景深直接从预先设定好的数据库如对照表中调取获得。

事实上，根据获取的可视区域，可以获得一个立体空间，也可以是该立体空间的一个平面区域，例如以f(x,y,z)代表该立体空间的情况下，可以用f(x,y)代表该立体空间中相应景深z所对应的平面区域。其中，通过坐标转换，可以将f(x,y,z)转换为参考坐标系下的f’(x,y,z)，还可以将f(x,y)转换为参考坐标系下的f’(x,y)，进而获得可视区域在参考坐标系的位置范围。

在位置限位是图像末端器械在参考坐标系的可视区域的情况下，可有效防止因为末端器械在可视区域外不期望的运动对患者造成意外伤害。如图11所示，上述的步骤S3，即检测受控末端器械是否达到位置限位的步骤还可以包括：

步骤S31”，获取图像末端器械采集的关联于可视区域的操作图像。

步骤S32”，通过识别受控末端器械是否位于操作图像内以确定受控末端器械是否达到位置限位。

为便于在步骤S32”中进行图像识别，可以为至少第一部分对应的部位设置易于识别的特征点，以提高识别速度及准确率。该步骤S32”可以结合神经网络如卷积神经网络的方式来进行图像识别。在步骤S32”中，可以根据预设策略来识别部位是否位于操作图像内。示例性的，可以通过识别部位上某一个具体的点是否位于操作图像内进而确定该部位是否位于操作图像内。示例性的，也可以通过识别部位上某一个具体的区域是否位于操作图像内进而确定该部位是否位于操作图像内。示例性的，还可以通过识别部位的整体轮廓是否位于操作图像内进而确定该部位是否位于操作图像内。这样的预设策略可以预先设定好，或者在使用过程中根据医生输入的操作指令进行选择。

在步骤S32”中，在识别到受控末端器械位于操作图像内时，即可确定受控末端器械未达到位置限位；否则，即可确定受控末端器械达到位置限位。

一实施例中，如图12所示，在上述步骤S3中，具体为控制受控末端器械的位置及姿态跟随运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化的步骤包括：

步骤S34，获取位于可视区域内的安全运动区域，令安全运动区域内的区域为第一区域，令安全运动区域以外、可视区域以内的区域为第二区域。

步骤S35，根据受控末端器械在第一区域及第二区域内的位置及运动方向的变化而改变受控末端器械的运动速度。

其中，受控末端器械的运动方向通常可以这样进行确定：获取受控末端器械的当前位置；并获取受控末端器械在下一时刻的目标位置；进而根据目标位置及当前位置即可确定受控末端器械的运动方向。

进一步地，受控末端器械在下一时刻的目标位置例如可以通过如下步骤获取：获取运动输入设备输入的目标位姿信息；根据目标位姿信息计算手术臂中各关节组件的关节变量；获取手术臂的运动学模型；结合运动学模型及各关节变量确定目标部位在下一时刻的目标位置。

在该步骤S35中，即根据受控末端器械在第一区域及第二区域内位置及运动方向的变化而改变受控末端器械的运动速度的步骤具体可以这样来实现：

例如，在受控末端器械从第一区域的边界向第二区域的外边界运动时，减小受控末端器械在相应方向的运动速度；而在受控末端器械从第二区域的外边界向第一区域的边界运动时，增大受控末端器械在相应方向的运动速度。其中，第二区域包括内边界和外边界，第二区域的内边界与第一区域的边界相同，均指安全运动区域的边界，第二区域的外边界指可视区域的边界。

结合图13和图14参阅，A点位于第一区域内，B点位于第二区域内，C点位于第二区域外，受控末端器械例如末端器械从A点经过B点向C点运动的整个运动过程中，分为三个阶段，包括从A点到第一区域的边界的第一阶段，从第一区域的边界到第二区域的外边界的第二阶段，及从第二区域的外边界到C点的第三阶段，其中，第一阶段的运动速度为v1，第二阶段的运动速度为v2，第三阶段的运动速度v3，v1>v2>v3，其中，v3＝0，也即实质上整个运动过程仅包括第一阶段和第二阶段两个阶段。继续参阅图14，从C点经过B点向A点运动的整个运动过程实质上也仅包括两个阶段，即从第二区域的外边界到第一区域的边界的第一阶段，及第一区域的边界到A点的第二阶段，该第一阶段的运动速度为v1，第二阶段的运动速度为v2，此时，v1<v2。

一实施例中，该受控末端器械在相应方向的运动速度跟受控末端器械与第二区域的外边界之间的距离正相关，也即，受控末端器械与第二区域的外边界之间的距离较小时，运动速度较小；受控末端器械与第二区域的外边界之间的距离较大时，运动速度也较大。通常，当受控末端器械到达可视区域的边界且运动方向朝向可视区域外时，其运动速度基本等于0；而在受控末端器械到达安全区域的边界且运动方向远离可视区域时，其运动速度恢复到基本正常。

较佳的，该受控末端器械在相应方向的运动速度跟受控末端器械与第二区域的外边界之间的距离呈线性的正相关。较佳的，该受控末端器械在相应方向的运动速度跟受控末端器械与第二区域的外边界之间的距离呈指数级的正相关。这样的设计均能使得医生能够显著的感觉到受控末端器械正在从第二区域的内边界向外边界的边界运动。

其它实施例中，受控末端器械可以在第一区域内以第一恒定速度运动，并在第二区域以第二恒定速度运动。通常，第一恒定速度大于第二恒定速度。

一些实施例中，受控末端器械在不同区域及/或不同运动方向的运动速度的变化通常是基于第一部分整体运动速度的变化而发生的改变。例如，通过改变第一部分运动速度的比例值而改变受控末端器械的运动速度。该比例值跟受控末端器械所处区域以及运动方向相关。

一些实施例中，受控末端器械在不同区域及/或不同运动方向的运动速度的变化也可以不基于第一部分整体运动速度的变化而发生的改变。例如，在第一部分的自由度相较于期待实现的任务自由度存在足够冗余时，可以解算获得不同区域及/或不同运动方向的受控末端器械获得不同的运动速度。

一实施例中，运动输入设备是机械式的运动输入设备，其具有多个关节组件、与控制器耦接用于感应各关节组件状态的传感器及与控制器耦接用于驱动各关节组件运动的驱动电机。在该结构基础上，如图15所示，上述步骤S3，即基于可视区域限定受控末端器械在可视区域内运动的步骤还可以包括：

步骤S34’，获取配置的位于可视区域内的安全运动区域。

为描述方便，在步骤S34’中，同样基于可视区域和安全运动区域同样划分为前文所描述的第一区域和第二区域。

步骤S35’，根据受控末端器械在第一区域及第二区域内位置及运动方向的变化而改变运动输入设备的阻力。

其中，步骤S35’主要根据阻力使关联方向上的驱动电机产生反向力矩。在该步骤S35’中，即根据受控末端器械在第一区域及第二区域内位置及运动方向的变化而改变运动输入设备的阻力的步骤具体可以这样来实现：

例如，在受控末端器械从第一区域的边界向第二区域的外边界运动时，增大运动输入设备在相应方向移动时的阻力；而在受控末端器械从第二区域的外边界向第一区域的边界运动时，减小运动输入设备在相应方向移动时的阻力。

一实施例中，运动输入设备在相应方向移动时的阻力跟受控末端器械与第二区域的外边界之间的距离负相关。通常，当受控末端器械到达可视区域的边界且运动方向朝向可视区域外时，其运动速度基本等于0，此时，医生操作运动输入设备的阻力将极大，在较高的阻力下，运动输入设备几乎不能被医生移动，可以使受控末端器械运动速度趋近于0；而在受控末端器械到达安全区域的边界且运动方向远离可视区域时，其运动速度恢复到基本正常。

较佳的，运动输入设备在相应方向移动时的阻力跟受控末端器械与第二区域的外边界之间的距离呈线性的负相关。较佳的，运动输入设备在相应方向移动时的阻力跟受控末端器械与第二区域的外边界之间的距离呈指数级的负相关。这样的设计同样能使得医生能够显著的感觉到受控末端器械正在从第二区域的内边界向外边界的边界运动，并且，可以实现良好的力反馈。

其它实施例中，受控末端器械在第一区域运动时，运动输入设备在相应方向移动时的阻力为第一恒定阻力，而受控末端器械在第二区域运动时，运动输入设备在相应方向移动时的阻力为第二恒定阻力。通常，第二恒定阻力大于第一恒定阻力。

一实施例中，提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被配置为由处理器加载并执行实现如下步骤：获取受控末端器械的位置限位；检测受控末端器械是否达到位置限位；在受控末端器械达到位置限位时，控制受控末端器械保持当前位置，并控制受控末端器械的姿态跟随运动输入设备输入的姿态指令变化；否则，控制受控末端器械的位置及姿态跟随运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化。

一实施例中，提供一种手术机器人的控制装置。如图16所示，该控制装置可以包括：处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503、以及通信总线504。

处理器501、通信接口502、以及存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。

通信接口502，用于与其它设备比如各类传感器或电机或电磁阀或其它客户端或服务器等的网元通信。

处理器501，用于执行程序505，具体可以执行上述方法实施例中的相关步骤。

具体地，程序505可以包括程序代码，该程序代码包括计算机操作指令。

处理器505可能是中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路，或者是图形处理器GPU(Graphics Processing Unit)。控制装置包括的一个或多个处理器，可以是同一类型的处理器，如一个或多个CPU，或者，一个或多个GPU；也可以是不同类型的处理器，如一个或多个CPU以及一个或多个GPU。

存储器503，用于存放程序505。存储器503可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

程序505具体可以用于使得处理器501执行以下操作：获取受控末端器械的位置限位；检测受控末端器械是否达到位置限位；在受控末端器械达到位置限位时，控制受控末端器械保持当前位置，并控制受控末端器械的姿态跟随运动输入设备输入的姿态指令变化；否则，控制受控末端器械的位置及姿态跟随运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化。

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 (24)

1.一种手术机器人，其特征在于，包括：

驱动臂；

运动输入设备，用于操纵所述驱动臂中第一部分远端的位姿变化，所述第一部分远端具有末端器械，所述末端器械包括当前被配置成受所述运动输入设备操纵的受控末端器械；

以及控制器，所述控制器与所述驱动臂及所述运动输入设备耦接，并被配置成执行如下步骤：

获取所述受控末端器械的位置限位；

检测所述受控末端器械的当前位置是否达到所述位置限位；

在所述受控末端器械的当前位置达到位置限位时，控制所述受控末端器械保持所述当前位置，并控制所述受控末端器械的姿态跟随所述运动输入设备输入的姿态指令变化，无需使所述运动输入设备的姿态与所述受控末端器械的姿态重新对齐；否则，控制所述受控末端器械的位置及姿态跟随所述运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化。

2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述位置限位是任务空间的位置限位，检测所述受控末端器械的当前位置是否达到位置限位的步骤包括：

实时获取所述受控末端器械在任务空间的所述当前位置；

通过检测所述当前位置是否达到所述位置限位以确定所述受控末端器械是否达到所述位置限位。

3.根据权利要求2所述的手术机器人，其特征在于，所述位置限位是所述受控末端器械基于所述第一部分中各关节组件联动所能获得的最大运动范围。

4.根据权利要求3所述的手术机器人，其特征在于，所述位置限位是基于所述最大运动范围所确定的包含于所述最大运动范围以内的运动范围。

5.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述受控末端器械的位姿变化由所述第一部分中各关节组件的运动而确定，所述位置限位是关节空间的所述第一部分中各关节组件的位置限位，检测所述受控末端器械是否达到位置限位的步骤包括：

实时获取所述第一部分中各关节组件的关节变量；

通过检测各所述关节组件对应的所述关节变量是否达到所述位置限位以确定所述受控末端器械是否达到所述位置限位。

6.根据权利要求5所述的手术机器人，其特征在于，所述位置限位是所述第一部分中影响所述受控末端器械的位置变化的各关节组件的位置限位。

7.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述受控末端器械是图像末端器械。

8.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述受控末端器械是操作末端器械。

9.根据权利要求7所述的手术机器人，其特征在于，所述位置限位基于所述图像末端器械在参考坐标系的可视区域而确定。

10.根据权利要求9所述的手术机器人，其特征在于，所述位置限位是所述图像末端器械在参考坐标系的可视区域。

11.根据权利要求9所述的手术机器人，其特征在于，所述位置限位是包含于所述可视区域以内的区域。

12.根据权利要求9所述的手术机器人，其特征在于，所述可视区域基于所述图像末端器械的相机参数而确定，所述相机参数包括视场角和景深。

13.根据权利要求12所述的手术机器人，其特征在于，检测所述受控末端器械是否达到所述位置限位的步骤包括：

获取所述图像末端器械采集的所述可视区域的操作图像；

通过识别所述受控末端器械是否位于所述操作图像内以确定所述受控末端器械是否达到所述位置限位。

14.根据权利要求12所述的手术机器人，其特征在于，控制所述受控末端器械的位置及姿态跟随所述运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化的步骤包括：

获取位于所述可视区域内的安全运动区域，令所述安全运动区域内的区域为第一区域，令所述安全运动区域以外、所述可视区域以内的区域为第二区域；

根据所述受控末端器械在所述第一区域及所述第二区域内的位置及运动方向的变化而改变所述受控末端器械的运动速度。

15.根据权利要求14所述的手术机器人，其特征在于，根据所述受控末端器械在所述第一区域及所述第二区域内的位置及运动方向的变化而改变所述受控末端器械的运动速度的步骤包括：

在所述受控末端器械从所述第一区域的边界向所述第二区域的外边界运动时，减小所述受控末端器械在相应方向的运动速度；在所述受控末端器械从所述第二区域的外边界向所述第一区域的边界运动时，增大所述受控末端器械在相应方向的运动速度。

16.根据权利要求15所述的手术机器人，其特征在于，所述受控末端器械在相应方向的运动速度跟所述受控末端器械与所述第二区域的外边界之间的距离正相关。

17.根据权利要求12所述的手术机器人，其特征在于，所述运动输入设备是机械式的运动输入设备，控制所述受控末端器械的位置及姿态跟随所述运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化的步骤包括：

获取位于所述可视区域内的安全运动区域，令所述安全运动区域内的区域为第一区域，令所述安全运动区域以外、所述可视区域以内的区域为第二区域；

在所述受控末端器械从所述第一区域的边界向所述第二区域的外边界运动时，增大所述运动输入设备在相应方向移动时的阻力；在所述受控末端器械从所述第二区域的外边界向所述第一区域的边界运动时，减小所述运动输入设备在相应方向移动时的阻力。

18.根据权利要求17所述的手术机器人，其特征在于，所述运动输入设备在相应方向移动时的阻力跟所述受控末端器械与所述第二区域的外边界之间的距离负相关。

19.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述控制器还被配置成执行如下步骤：

获取所述驱动臂的构型的描述信息；

根据所述描述信息生成含有关联于所述驱动臂各部分结构的控件的配置界面以供配置所述第一部分。

20.根据权利要求19所述的手术机器人，其特征在于，所述配置界面含有根据所述描述信息生成的关联于所述驱动臂的模型图像，所述模型图像中含有对应于所述驱动臂的各部分的所述控件或对应于所述驱动臂的各部分中的各关节组件的所述控件。

21.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述驱动臂包括机械臂及操作臂，所述操作臂近端装设于所述机械臂远端，所述末端器械装设于所述操作臂远端，所述第一部分是所述操作臂，或者，所述第一部分是所述机械臂和所述操作臂。

22.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述驱动臂包括机械臂、调整臂、操纵器及操作臂，所述调整臂近端装设于所述机械臂远端，所述操纵器近端装设于所述调整臂远端，所述操作臂近端装设于所述操纵器远端，所述末端器械装设于所述操作臂远端，所述第一部分是所述操作臂，或者，所述第一部分是所述操纵器和所述操作臂，或者，所述第一部分是所述机械臂、所述调整臂、所述操纵器和所述操作臂。

23.一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下步骤：

获取受控末端器械的位置限位；

检测所述受控末端器械的当前位置是否达到所述位置限位；

在所述受控末端器械的当前位置达到位置限位时，控制所述受控末端器械保持所述当前位置，并控制所述受控末端器械的姿态跟随运动输入设备输入的姿态指令变化，无需使所述运动输入设备的姿态与所述受控末端器械的姿态重新对齐；否则，控制所述受控末端器械的位置及姿态跟随所述运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化。

24.一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下步骤：

获取受控末端器械的位置限位；

检测所述受控末端器械的当前位置是否达到所述位置限位；

在所述受控末端器械的当前位置达到位置限位时，控制所述受控末端器械保持所述当前位置，并控制所述受控末端器械的姿态跟随运动输入设备输入的姿态指令变化，无需使所述运动输入设备的姿态与所述受控末端器械的姿态重新对齐；否则，控制所述受控末端器械的位置及姿态跟随所述运动输入设备输入的位置指令及姿态指令变化。

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