CN113349939A - 被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法及系统。该性能测试方法，建立基于基座的主端描述坐标系、基于内窥镜的从端描述坐标系、基于末端关节连杆的主端参考坐标系和基于手术器械的从端参考坐标系；通过三个第一姿态靶点能够得到各姿态位置下关于主端参考坐标系和主端描述坐标系的所述第一描述矩阵，通过三个第二姿态靶点能够得到各姿态位置下关于从端参考坐标系和从端描述坐标系的第二描述矩阵，并将第一描述矩阵和第二描述矩阵均转换为姿态角，避免了在各位置重复建立难以找到的主从端参考坐标系，无需对主从端参考坐标系进行直接跟踪测量，便于对所述被动主手式主从控制手术机器人的性能测试，可靠性高，实用性强。

Description

被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法及系统
技术领域
本发明涉及手术机器人技术领域，具体而言，涉及一种被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法及系统。
背景技术
用于腔镜等手术的主从控制手术机器人一般包括主端和从端两部分，其通过主从遥操作的控制方式操纵手术器械完成手术动作。其主端部分的被动主手实现对医生手部动作的采集，并通过运动学解算映射至从端的手术器械，使其复现被动主手采集的手部动作。因此，主从控制手术机器人的主从控制的性能(或者说准确度)是影响手术效果的一大因素。目前虽然出现了一些关于机器人性能的测试方法，但是，对于主从控制手术机器人的性能测试仍然是一个难题。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决相关技术如何实现主从控制手术机器人的性能测试的问题。
为至少在一定程度上解决上述问题的至少一个方面，本发明一方面提供一种被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，包括如下步骤：
建立基于主端操作手的基座的主端描述坐标系和基于内窥镜的从端描述坐标系，建立基于所述主端操作手的末端关节连杆的主端参考坐标系和基于从端操作手的手术器械的从端参考坐标系；
获取所述末端关节连杆的三个第一姿态靶点在所述主端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第一姿态靶点在所述主端参考坐标系下的第三描述矩阵；
获取所述手术器械的三个第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的第五描述矩阵；
在主从映射状态下，获取三个所述第一姿态靶点在所述主端描述坐标系下的坐标，建立三个所述第一姿态靶点在所述主端描述坐标系下的第四描述矩阵；获取三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的坐标，建立三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的第六描述矩阵；
根据所述第三描述矩阵和第四描述矩阵得到所述主端参考坐标系在所述主端描述坐标系下的第一描述矩阵，根据所述第五描述矩阵和第六描述矩阵得到所述从端参考坐标系在所述从端描述坐标系下的第二描述矩阵；
根据所述第一描述矩阵和所述第二描述矩阵分别得到基于所述第一描述矩阵的姿态角和基于所述第二描述矩阵的姿态角，根据所述基于所述第一描述矩阵的姿态角和所述基于所述第二描述矩阵的姿态角确定被动主手式主从控制手术机器人的姿态准确度。
可选地，所述建立基于主端操作手的基座的主端描述坐标系包括：
建立所述主端描述坐标系：获取两个所述主端操作手的第一轴线上的点，所述第一轴线为所述主端操作手的第一关节连杆与所述基座转动连接的旋转轴线，根据所述第一轴线和右手定则建立所述主端描述坐标系，其中，所述主端描述坐标系的横轴与上下方向一致且正方向指向上方，纵轴与左右方向一致且正方向指向右方。
可选地，所述第一轴线的方向与竖直方向一致，所述建立所述主端描述坐标系包括：
将两个第一靶点工装分别固定于左右两个所述主端操作手的所述第一关节连杆上；
两个所述第一关节连杆分别转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第一靶点工装上靶点的空间坐标；
根据两个所述第一靶点工装在各位置处的空间坐标分别得到位于各自所述第一轴线上的第一位置点和第二位置点，以及至少一个垂直于所述第一轴线的平面；
根据所述第一位置点、所述第二位置点，以及，所述垂直于所述第一轴线的平面，结合右手定则建立所述主端描述坐标系。
可选地，所述从端操作手包括平行四边形机构，所述平行四边形机构包括滑台导轨连杆，所述滑台导轨连杆滑动连接有滑台，所述滑台用于固定所述内窥镜；所述建立基于内窥镜的从端描述坐标系包括：
将两个第七靶点工装连接于所述从端操作手的滑台导轨连杆并将滑台靶点固定于所述滑台，正视所述滑台导轨连杆时，两个所述第七靶点工装分别位于所述滑台滑动的滑轨的左右两侧；
通过所述平行四边形机构的各关节的运动带动所述滑台导轨连杆绕不动点转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第七靶点工装上靶点的空间坐标，以确定第二直线的位置，所述第二直线经过所述不动点；
所述滑台滑动至少两个位置，通过空间测量设备获取各位置处所述滑台靶点的空间坐标，以确定第一直线的位置，所述第一直线平行于所述内窥镜的镜杆轴线；
根据所述第一直线、所述第二直线、所述内窥镜的类型以及右手定则建立所述从端描述坐标系；
其中，所述从端描述坐标系的竖轴与所述内窥镜的镜头平面垂直且正方向指向手术区域，正视所述滑台导轨连杆时，纵轴与所述第二直线平行且正方向指向右方；
或者，
将两个第二靶点工装连接于所述内窥镜的镜杆，转动所述镜杆至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第二靶点工装上靶点的空间坐标，以确定镜杆轴线的位置；
通过空间测量设备测量所述镜头平面的分界槽上的点以确定所述分界槽的位置；
根据所述分界槽、所述镜杆轴线和右手定则建立所述从端描述坐标系，其中，所述从端描述坐标系的竖轴与所述镜头平面垂直且正方向指向手术区域，横轴位于与所述镜头平面平行的平面内且正方向指向上方。
可选地，所述建立基于所述主端操作手的末端关节连杆的主端参考坐标系和基于从端操作手的手术器械的从端参考坐标系包括如下步骤中的至少一步：
建立所述主端参考坐标系：保持第五关节连杆的空间位置不变，获取所述主端操作手的第二轴线上的点以及第一面结构上的点，所述第五关节连杆为与所述末端关节连杆相邻的连杆，所述第二轴线为所述末端关节连杆的旋转轴线，所述第一面结构平行于所述末端关节连杆的两个夹持器的对称面，根据所述第二轴线、所述第一面结构和右手定则建立所述主端参考坐标系，其中，所述主端参考坐标系的横轴与所述第二轴线平行且正方向指向所述第五关节连杆，竖轴与所述第一面结构平行且正方向指向下方；
建立所述从端参考坐标系：分别获取所述手术器械的器械杆的第七轴线上的点和夹钳臂的第八轴线上的点，所述第七轴线为所述器械杆的轴线，所述第八轴线为所述夹钳臂的旋转轴线；根据所述第七轴线上的点和所述第八轴线上的点结合右手定则建立所述从端参考坐标系，其中，所述从端参考坐标系的横轴与所述第七轴线平行且正方向指向手术区域，竖轴与所述第八轴线平行且正方向指向下方。
可选地，所述建立所述主端参考坐标系包括：
通过固定装置保持所述第五关节连杆的位置锁定；
将两个第三靶点工装固定于所述主端操作手的所述末端关节连杆上；
所述末端关节连杆绕所述第二轴线转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第三靶点工装上靶点的空间坐标；
根据各位置处两个所述第三靶点工装上靶点的空间坐标得到位于所述第二轴线上的两点并确定所述第二轴线的位置；
通过第一工装实现所述末端关节连杆和所述第五关节连杆的相对位置锁定，所述第一工装上设置有所述第一面结构通过空间测量设备获取所述第一面结构的点的空间坐标，以确定所述第一面结构的空间位置；
根据所述第二轴线、所述第一面结构和右手定则建立所述主端参考坐标系。
可选地，所述建立所述从端参考坐标系包括：
将第二靶点工装固定于所述手术器械的器械杆，将第五靶点工装固定于所述手术器械的一个所述夹钳臂；
所述夹钳臂带动第五靶点工装转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处所述第五靶点工装的靶点的空间坐标，以找到位于所述第八轴线上的点；
绕所述第七轴线转动所述手术器械至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处所述第二靶点工装和所述第五靶点工装的靶点的空间坐标；根据所述第二靶点工装和所述第五靶点工装的靶点的空间坐标确定所述第七轴线的位置；
根据所述第八轴线上的点、所述第七轴线以及右手定则建立所述从端描述坐标系。
可选地，所述获取所述末端关节连杆的三个第一姿态靶点在所述主端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第一姿态靶点在所述主端参考坐标系下的第三描述矩阵，包括：
保持所述末端关节连杆的空间位置不变；
将三个所述第一姿态靶点连接至所述末端关节连杆；
获取三个所述第一姿态靶点在所述主端参考坐标系下的坐标并建立基于三个所述第一姿态靶点的第一靶点坐标系；
根据所述第一靶点坐标系和所述主端参考坐系建立所述第三描述矩阵；
所述获取所述手术器械的三个第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的第五描述矩阵，包括：
将所述手术器械归于零位状态，所述零位状态为所述夹钳臂带动所述第五靶点工装转动前的状态；
将三个第二姿态靶点连接至所述手术器械的夹钳臂；
获取三个所述第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的坐标并建立基于三个所述第二姿态靶点的第三靶点坐标系；
根据所述第三靶点坐标系和所述从端参考坐系建立所述第五描述矩阵。
可选地，所述建立所述主端参考坐标系步骤中，在所述通过固定装置保持所述第五关节连杆的位置锁定之前还包括：通过固定装置保持第四关节连杆的位置锁定，将两个第八靶点工装固定于所述第五关节连杆，所述第五关节连杆转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第八靶点工装上靶点的空间坐标以确定第三轴线的位置，其中，所述第四关节连杆为与所述第五关节连杆的远离所述末端关节连杆一端连接的连杆；
所述主端参考坐标系的原点根据所述第二轴线和所述第三轴线建立，且所述第二轴线和所述第三轴线交点为所述主端参考坐标系的原点，或者，所述第二轴线和所述第三轴线之间的公垂线与所述第二轴线的交点为所述主端参考坐标系的原点；
所述建立所述从端参考坐标系步骤中，经过所述第八轴线上的点做所述第七轴线的垂线，垂足为所述从端参考坐标系的原点；
所述性能测试方法还包括主从控制位置准确度步骤；
在主从映射状态下，通过所述主端操作手控制所述手术器械从第一位置运动至第二位置；
当所述手术器械位于所述第一位置时，获取三个所述第一姿态靶点在所述主端描述坐标系下的坐标，结合所述第三描述矩阵得到所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的实际坐标；获取三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的坐标，结合所述第五描述矩阵得到所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的实际坐标；
当所述手术器械位于所述第二位置时，获取三个所述第一姿态靶点在所述主端描述坐标系下的坐标，结合所述第三描述矩阵得到所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的实际坐标；获取三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的坐标，结合所述第五描述矩阵得到所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的实际坐标；
根据在所述第一位置处所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的实际坐标，以及，在所述第一位置和所述第二位置处所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的实际坐标，计算在所述第二位置处所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的目标坐标；
根据在所述第二位置处，所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的目标坐标和实际坐标确定所述被动主手式主从控制手术机器人主从控制位置准确度。
相对于相关的现有技术，本发明具有如下优势：
避免了在各位置重复建立难以找到的主端参考坐标系和从端参考坐标系，无需对主端参考坐标系和从端参考坐标系进行直接跟踪测量，通过三个第一姿态靶点能够得到各姿态位置下关于主端参考坐标系和主端描述坐标系的所述第一描述矩阵，通过三个第二姿态靶点能够得到各姿态位置下关于从端参考坐标系和从端描述坐标系的第二描述矩阵，并将第一描述矩阵和第二描述矩阵均转换为姿态角，能够量化判断所述被动主手式主从控制手术机器人的主从映射控制的性能，便于对所述被动主手式主从控制手术机器人的性能测试，可靠性高，实用性强。
本发明的另一方面提供一种被动主手式主从控制手术机器人的性能测试系统，用于实现如上所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其包括空间测量设备、第一靶点工装、第二靶点工装、第三靶点工装、第五靶点工装、第六靶点工装和第一工装，所述第一靶点工装适于可拆卸连接于主端操作手的第一关节连杆，所述第三靶点工装适于可拆卸连接于所述主端操作手的末端关节连杆，所述第五靶点工装适于可拆卸连接于所述手术器械的一个夹钳臂，所述末端关节连杆和所述手术器械上分别连接一个所述第六靶点工装，所述第一工装适于分别与所述末端关节连杆和第五关节连杆连接；
所述手术器械的器械杆和内窥镜的镜杆均可拆卸连接有所述第二靶点工装；
或者，还包括第七靶点工装和滑台靶点，所述手术器械的器械杆可拆卸连接有所述第二靶点工装，滑台导轨连杆上可拆卸连接有所述第七靶点工装，与所述滑台导轨连杆滑动连接的滑台上可拆卸连接有所述滑台靶点。
由此，本申请通过各工装上靶点进行测量的方式找到用于建立各坐标系的元素，可操作性高，实用性强。
附图说明
图1为本发明的实施例中两个主端操作手相对设置的结构示意图；
图2为本发明的实施例中第一靶点工装和第三靶点工装应用于位于左侧的主端操作手的结构示意图；
图3为本发明的实施例中第一靶点工装的一种实施方式的爆炸结构示意图；
图4为本发明的实施例中内窥镜的镜头平面的结构示意图；
图5为本发明的实施例中第二靶点工装的一种实施方式的结构示意图；
图6为本发明的实施例中建立主端参考坐标系的结构示意图；
图7为本发明的实施例中第一工装的结构示意图；
图8为本发明的实施例中在手术器械处建立从端参考坐标系的结构示意图；
图9为本发明的实施例中第五靶点工装的结构示意图；
图10为本发明的实施例中第六靶点工装的结构示意图；
图11为本发明的实施例中第四靶点工装的结构示意图；
图12为本发明的实施例中第三靶点工装的结构示意图；
图13为本发明的实施例中第七靶点工装安装于滑台导轨连杆的结构示意图；
图14为本发明的实施例中被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法的流程图。
附图标记说明：
11-基座，12-第一关节连杆，13-末端关节连杆，131-连杆本体，132-夹持器，133-手柄，14-第五关节连杆，15-第二关节连杆，16-第三关节连杆，17-第四关节连杆，21-第一靶点工装，22-第二靶点工装，23-第三靶点工装，24-第四靶点工装，25-第五靶点工装，26-第六靶点工装，2611-第一姿态靶点，27-第七靶点工装，28-滑台靶点，3-显示器，4-内窥镜，41-镜头平面，42-分界槽，5-第一工装，51-夹片，511-第一面结构，52-本体，53-第一定位部，54-容置腔，6-手术器械，61-夹钳臂，7-第二工装，8-滑台导轨连杆，81-滑台。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，本领域技术人员可以具体情况理解上述术语的含义。
参考术语“实施例”、“一个实施例”、“一些实施方式”、“示例性地”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何一个或多个实施例以合适的方式结合。
术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。这样，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
如图14所示，本发明实施例提供一种被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，包括如下步骤：
S1：建立基于主端操作手的基座11的主端描述坐标系和基于内窥镜4的从端描述坐标系，建立基于所述主端操作手的末端关节连杆13的主端参考坐标系和基于从端操作手的手术器械6的从端参考坐标系；
S2：获取所述末端关节连杆13的三个第一姿态靶点2611在所述主端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第一姿态靶点2611在所述主端参考坐标系下的第三描述矩阵；
S3：获取所述手术器械6的三个第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的第五描述矩阵；
S4：在主从映射状态下，获取三个所述第一姿态靶点2611在所述主端描述坐标系下的坐标，建立三个所述第一姿态靶点2611在所述主端描述坐标系下的第四描述矩阵；获取三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的坐标，建立三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的第六描述矩阵；
S5：根据所述第三描述矩阵和第四描述矩阵得到所述主端参考坐标系在所述主端描述坐标系下的第一描述矩阵，根据所述第五描述矩阵和第六描述矩阵得到所述从端参考坐标系在所述从端描述坐标系下的第二描述矩阵；
S6：根据所述第一描述矩阵和所述第二描述矩阵分别得到基于所述第一描述矩阵的姿态角和基于所述第二描述矩阵的姿态角，根据所述基于所述第一描述矩阵的姿态角和所述基于所述第二描述矩阵的姿态角确定被动主手式主从控制手术机器人的姿态准确度。
如图1和图2所示，该机器人包括两个相对设置的主端操作手，以腹腔手术为例，附图中建立有空间坐标系{T0}，其表示世界坐标系，其纵轴(即Y0轴)表示前后方向且正方向指向前方，其竖轴(即Z0轴)表示上下方向且正方向指向上方，其横轴(即X0轴)表示左右方向且正方向指向右方。示例性地，其纵轴的正方向与术者(即操控被动式主端操作手的医生)的视线方向(看向显示器3的方向)一致，或者说垂直于显示器，横轴的正方向指向术者的右侧。同时需要说明的是，前述Z0轴、Y0轴及X0轴的表示含义仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本说明书中有关前后、左右、上下等方位的描述，如无特殊限定，均基于所述空间坐标系{T0}而言。
如图1、图2和图8所示，以使用时位于术者左侧(即位于X0轴负方向一侧)的被动式主端操作手为六由度操作手为例说明本发明的内容，所述主端操作手包括依次连接的基座11、第一关节连杆12、第二关节连杆15、第三关节连杆16、第四关节连杆17、第五关节连杆14和末端关节连杆13，其中，第一关节连杆12与基座11绕第一轴线L1转动连接形成第一转动关节，第二关节连杆15与第一关节连杆12绕第四轴线L4转动连接形成第二转动关节，第三关节连杆16与第二关节连杆15绕第五轴线L5转动连接形成第三转动关节，第四关节连杆17与第三关节连杆16绕第六轴线L6转动连接形成第四转动关节，第五关节连杆14与第四关节连杆17绕第三轴线L3转动连接形成第五转动关节，末端关节连杆13与第五关节连杆14绕第二轴线L2转动连接形成末端转动关节。
如图6所示，其中，末端关节连杆13轴线即为第二轴线L2，末端关节连杆13包括连杆本体131、位于连杆本体131末端(末端为远离第五关节连杆14的一端)且与该连杆本体131固定连接的手柄133，以及与连杆本体131相连接的夹持器132，在主从映射状态下，连杆本体131的姿态映射至从端操作手的手术器械6的器械杆，术者握持手柄133以施力并控制连杆本体131的姿态，从而控制从端操作手的手术器械6的器械杆的姿态，术者通过控制末端关节连杆13的夹持器132的动作以控制手术器械6的夹钳臂61的动作。本说明书将以位于左侧的所述主端操作手和被该位于左侧的所述主端操作手控制的位于左侧(内窥镜4左侧)的手术器械6为例说明本发明的性能测试方法，后续将不再特别指出主端操作手和手术器械6的对应关系。另外，主端操作手的结构不局限于此，有关各连杆的名称并不对其具体结构造成限制。
如图6和图10所示，三个第一姿态靶点2611可以均位于第六靶点工装26上，该第六靶点工装26上设置有至少三个靶点，该三个靶点分别为该三个第一姿态靶点2611，三个第一姿态靶点2611能够组成三角形。当然，三个第一姿态靶点2611也可以位于不同的靶点工装上，且均安装于末端关节连杆13上。三个第二姿态靶点的设置方式与三个第一姿态靶点的设置方式相类似，例如，三个第二姿态靶点可以设置于另一个第六靶点工装6上，此处不再详细说明。
在本说明书中，第一姿态靶点2611和第二姿态靶点等靶点的坐标通过空间测量设备测定，例如，采用型号为C-Track的光学动态跟踪仪，其有两种测量方式：靶点光学侦测和接触测量，靶点光学测量是镜头通过定点测量靶点当前位置获取空间点坐标，接触测量是有一个手持打点仪器，打点仪器末端为球体红宝石，每触发开关一次软件(例如采用厂商CREAFORM的VXtrack)会记录此时红宝石点位，后续不再详细说明。为了便于理解，可以将空间测量设备的坐标系理解为与空间坐标系{T0}重合，其可以测量各靶点在空间坐标系{T0}下的坐标，但是其不局限于此，例如，空间测量设备可以根据初始的数个靶点自定义坐标系原点。
具体地，将第一描述矩阵和第二描述矩阵用姿态角表示，所述被动主手式主从控制手术机器人各轴的姿态准确度为：APa＝zs-zm、APb＝ys-ym、APc＝xs-xm。(m代表主端，s代表从端)。APa、APb、APc的值越小时(理想状态下，上述值均为0)，其姿态准确度越高。
由此，避免了在各位置重复建立难以找到的主端参考坐标系和从端参考坐标系，无需对主端参考坐标系和从端参考坐标系进行直接跟踪测量，通过三个第一姿态靶点2611能够得到各姿态位置下关于主端参考坐标系和主端描述坐标系的所述第一描述矩阵，通过三个第二姿态靶点能够得到各姿态位置下关于从端参考坐标系和从端描述坐标系的第二描述矩阵，并将第一描述矩阵和第二描述矩阵均转换为姿态角，能够量化判断所述被动主手式主从控制手术机器人的主从映射控制的性能，便于对所述被动主手式主从控制手术机器人的性能测试，可靠性高，实用性强。
如图1所示，术者观察显示器3显示的由内窥镜4(图1中内窥镜4未示出)观察到的图像，通过两个所述主端操作手分别控制两个从端操作手的手术器械6的姿态和动作，当主端操作手和从端操作手的映射关系建立以后，所述主端参考坐标系在所述主端描述坐标系下的姿态，应与所述从端参考坐标系在所述从端描述坐标系下的姿态一致。
在上述实施例中，在S1步骤中，所述建立基于主端操作手的基座11的主端描述坐标系和基于内窥镜4的从端描述坐标系，包括：
建立所述主端描述坐标系：获取两个所述主端操作手的第一轴线L1上的点，所述第一轴线L1为所述主端操作手的第一关节连杆12与所述基座11转动连接的旋转轴线，根据所述第一轴线L1和右手定则建立所述主端描述坐标系，其中，所述主端描述坐标系的横轴(即X1轴)与上下方向一致且正方向指向上方，纵轴(即Y1轴)与左右方向一致且正方向指向右方。
如图1和图2所示，需要说明的是，第一轴线L1与主端描述坐标系的一个坐标轴平行，根据右手定则确定所述主端描述坐标系{T1}的竖轴(即Z1轴)正方向，此时，所述主端描述坐标系的竖轴(即Z1轴)正方向指向显示器3(显示器3显示的是内窥镜4的视野)。本说明书中将以第一轴线L1与竖直方向一致，即与空间坐标系{T0}中的上下方向一致(即与X1轴平行)为例说明本发明的内容。
具体地，如图1、图2和图3所示，当第一轴线L1与竖直方向一致时，所述建立所述主端描述坐标系包括：
将两个第一靶点工装21分别固定于左右两个所述主端操作手的第一关节连杆12上。
两个所述第一关节连杆12分别转动至少三个位置(例如3、4、5、6、7、8、9、10、11、12个位置)，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第一靶点工装21上靶点的空间坐标。
根据两个所述第一靶点工装21在各位置处的空间坐标分别得到位于各自所述第一轴线L1上的第一位置点P1和第二位置点P2，以及至少一个垂直于所述第一轴线L1的平面；
根据所述第一位置点P1、所述第二位置点P2，以及，所述垂直于所述第一轴线的平面，结合右手定则建立所述主端描述坐标系{T1}。
第一靶点工装21的结构以及其与第一关节连杆12连接的具体方式不作为限制，其能够实现与第一关节连杆12连接，并固定至少一个靶点即可，后续其它靶点工装不再详细说明。
以位于左侧的所述主端操作手为例，对空间测量设备测得的所述第一靶点工装21上靶点的空间坐标进行拟合，得的一个圆心为所述第一位置点P1的圆，所述第一位置点P1即位于所述第一轴线L1上，该圆即位于与所述第一轴线L1垂直的平面上。
如图1和图2所示，示例性地，以所述第一位置点P1和所述第二位置点P2的中点第三位置点P3为所述主端描述坐标系{T1}的原点，以经过第三位置点P3且与所述第一轴线L1平行的直线为所述主端描述坐标系{T1}的X1轴，且X1轴正方向指向上方，以经过第三位置点P3且与所述第一轴线L1垂直的直线为所述主端描述坐标系{T1}的Y1轴，且Y1轴正方向指向右侧，然后根据右手定则确定主端描述坐标系{T1}的Z1轴。
当然，在另外一些实施方式中，也可以通过固定于左侧的所述主端操作手的所述第一关节连杆L1上的两个所述第一靶点工装21找到位于左侧的所述主端操作手的所述第一轴线L1的第一位置点P1和第四位置点P4，然后结合第一位置点P1、第四位置点P4和第二位置点P2建立所述主端描述坐标系的X1Y1平面，然后以位置点P3为所述主端描述坐标系{T1}的原点，建立坐标系，其不作为限制，此处不再详细说明。
由此，通过空间测量设备测量所述第一靶点工装21上靶点坐标的方式能够建立所述描述坐标系{T1}，为判断所述被动主手式主从控制手术机器人的性能提供了可靠的基础，实用性强。
在上述实施例中，如图4所示，对于基于内窥镜4的从端描述坐标系{T1}有：所述从端描述坐标系的竖轴与所述镜头平面41垂直且正方向指向手术区域，横轴位于与所述镜头平面41平行的平面内且正方向指向上方。
由此，从端描述坐标系的坐标轴与主端描述坐标系的坐标轴各自对应，在测量误差很小或者不考虑测量误差的情况下，所述末端关节连杆13相对于所述基座11的空间姿态，与所述手术器械6相对于所述内窥镜4的空间姿态完全一致，可靠性高，实用性强。
可选地，建立所述从端描述坐标系包括：
将两个所述第二靶点工装22连接于所述内窥镜4的镜杆(图中未示出)上；
转动所述内窥镜4的镜杆至少三个位置(例如3-12个位置)，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第二靶点工装22上靶点的空间坐标(拟合后得到两个圆，两个圆的圆心均位于该镜杆轴线上)，以确定所述内窥镜4的镜杆轴线位置；
通过空间测量设备以接触测量的方式测量所述镜头平面41的分界槽42上的点以确定所述分界槽42的位置，根据所述分界槽42、所述镜杆轴线和右手定则建立所述从端描述坐标系，其中，所述从端描述坐标系的竖轴与所述镜头平面41垂直且正方向指向手术区域，横轴位于与所述镜头平面41平行的平面内且正方向指向上方。
如图4所示，在一些实施方式中，内窥镜4的镜头平面41上设置有分界槽42，分界槽42的长度方向与所述内窥镜4的视野中的上下方向一致，通过测量分别位于分界槽42长度方向两端的位置点的坐标即可确定所述从端描述坐标系的横轴(即X2轴)。
示例性地，以所述内窥镜4的镜杆轴线与所述镜头平面41的交点为所述从端描述坐标系{T2}的原点；
以垂直于所述镜头平面41且指向手术区域的方向为Z2轴正方向建立所述从端描述坐标系{T2}的Z2轴，当内窥镜4为零度内窥镜时，Z2轴与镜杆轴线平行(包括重合)，当内窥镜4为三十度内窥镜时，Z2轴与镜杆轴线呈三十度夹角设置；
根据X2轴、Z2轴和右手定则确定Y2轴。
另外，第二靶点工装22的结构与第一靶点工装21的结构相类似，此处不再详细说明。
在另一些实施例中，所述镜头平面41上没有该分界槽42，所述从端操作手包括主基座、旋转关节连杆和平行四边形机构，旋转关节连杆的一端与主基座转动连接形成旋转关节(例如旋转轴线沿水平方向延伸)，平行四边形机构包括三个依次连接的连杆并形成两个转动关节，且其中一个连杆与旋转关节连杆的另一端转动连接形成一个转动关节，三个转动关节的旋转轴线相互平行且均与旋转关节的旋转轴线垂直，滑台导轨连杆8为其中一个位于末端的连杆，不动点处视为平行四边形机构的一个关节；所述滑台导轨连杆8滑动连接有滑台81，所述滑台81用于固定所述内窥镜4(一般用于固定内窥镜4的镜杆)；可选地，建立所述从端描述坐标系包括：
如图13所示，将两个第七靶点工装27连接于所述从端操作手的滑台导轨连杆8并将滑台靶点28固定于所述滑台81，正视所述滑台导轨连杆8时，两个所述第七靶点工装27分别位于所述滑台81滑动的滑轨的左右两侧。
第七靶点工装27与其它靶点工装的结构相类似，此处不再详细说明。
通过所述平行四边形机构的各关节的运动带动所述滑台导轨连杆8绕不动点转动至少三个位置(此时，旋转关节不动作，三个转动关节动作)，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第七靶点工装27上靶点的空间坐标，以确定第二直线L10的位置；第二直线L10经过该不动点；
所述滑台81滑动至少两个位置(例如滑动至上下极限位置)，通过空间测量设备获取各位置处所述滑台靶点28的空间坐标，以确定第一直线L9的位置，所述第一直线L9平行于所述内窥镜4的镜杆轴线；
根据所述第一直线L9、所述第二直线L10、所述内窥镜4的类型以及右手定则建立所述从端描述坐标系；
其中，所述从端描述坐标系的竖轴与所述内窥镜4的镜头平面41垂直且正方向指向手术区域，正视所述滑台导轨连杆8时，所述从端描述坐标系的纵轴与所述第二直线L10平行且正方向指向右方。
示例性地说明正视滑台导轨连杆8如下：当滑台81的滑动方向与竖直方向一致，术者站立于地面，滑台81和滑台导轨连杆8依次位于术者的视线方向，滑台81上远离内窥镜4镜杆的侧壁所在的平面与视线方向垂直，且该侧壁为与滑台导轨连杆8相邻的侧壁。
需要说明的是，平行四边形机构的目的在于实现滑台导轨连杆8(或者说内窥镜4或其它手术器械)绕不动点的运动，其可以等同替换为具有此功能的不动点机构，此处不再详细说明。
示例性地，第一直线L9和第二直线L10在空间中呈垂直但不相交状态，通过软件做一经过第二直线L10且与第一直线L9垂直的平面，以该平面与第一直线L9相交的点为所述从端描述坐标系的原点建立所述从端描述坐标系。示例性地，以第一直线L9和第二直线L10的交点(或者公垂线的中点)为从端描述坐标系的原点。
示例性地，当内窥镜4为零度内窥镜时，从端描述坐标系的竖轴与第一直线L9平行且正方向指向手术区域，正视所述滑台导轨连杆8时，纵轴与所述第二直线L10平行且正方向指向右方。
示例性地，当内窥镜4为三十度内窥镜时，从端描述坐标系的竖轴(即Z2轴)与第一直线L9呈三十度夹角设置，纵轴(即Y2轴)与所述第二直线L10平行且正方向指向右方。
示例性地，当内窥镜4为三十度内窥镜时，控制台设置为三十度指令模式，然后建立基于零度内窥镜的描述坐标系，然后通过算法转换为三十度镜头下的位置和姿态的准确度。例如测量三个二姿态靶点在该描述坐标系系下的坐标，然后通过计算转换至30度镜下的位姿精度。
或者通过内窥镜工装(图中未示出)固定于所述内窥镜4的镜杆顶端控制头(例如用于手持的椭球结构)处，所述内窥镜工装上设置有关于该控制头处对称设置的两个靶点，该两个靶点所在的直线方向与内窥镜4的视野中左右方向一致，且该两个靶点的安装结构能够相对于内窥镜工装本体调节0°和30°固定(即与内窥镜4的镜头平面41平行)，以实现Y2轴方向的标定，然后根据Y2轴、Z2轴和右手定则确定所述从端描述坐标系的X2轴。
由此，能够通过测量的方式准确找到所述从端描述坐标系，其测量结构可靠，误差较小，实用性强。
如图2、图6、图7、图8、图9、图11和图12所示，在上述实施例中，所述建立基于所述主端操作手的末端关节连杆13的主端参考坐标系和基于从端操作手的手术器械6的从端参考坐标系包括：
建立所述主端参考坐标系：保持第五关节连杆14的空间位置不变，获取所述主端操作手的第二轴线上的点以及第一面结构511上的点，所述第五关节连杆14为与所述末端关节连杆13相邻的连杆，所述第二轴线为所述末端关节连杆13的旋转轴线，所述第一面结构511平行于所述末端关节连杆13的两个夹持器132的对称面，根据所述第二轴线、所述第一面结构511和右手定则建立所述主端参考坐标系，其中，所述主端参考坐标系的横轴与所述第二轴线平行且正方向指向所述第五关节连杆14，竖轴与所述第一面结构511平行且正方向指向下方。
由此，所述主端参考坐标系基于所述第二轴线L2和所述第一面结构511建立，所述第一描述矩阵能够准确反映所述末端关节连杆13在所述主端参考坐标系下的姿态，可靠性高，实用性强。
如图2和图6所示，具体地，在上述实施例中，以位于左侧的所述主端操作手为例，所述建立所述主端参考坐标系包括：
通过固定装置保持所述第五关节连杆14的位置锁定。
示例性地，如图2所示，该固定装置包括第二工装7，所述第二工装7与所述第五关节连杆14固定连接，该固定装置通过控制第二工装7的空间姿态能够调整所述第五关节连杆14的姿态并保持所述第五关节连杆14的空间位置不变，例如，该固定装置可以包括UR机器人，通过UR机器人控制所述第五关节连杆14的姿态，使得末端关节连杆13能够运动至预设位置，此处不再详细说明。由此，所述第五关节连杆14的位置保持锁定，确保被动式所述主端操作手建立的各坐标系的可靠性。
将两个第三靶点工装23固定于所述主端操作手的所述末端关节连杆13上。
这里，所述第三靶点工装23的一端适于与所述末端关节连杆13固定连接，所述第三靶点工装23的另一端设置有一个用于测量空间位置的靶点，两个所述第三靶点工装23分别安装于所述末端关节连杆13的不同位置，如图11和图12所示，两个第三靶点工装23的结构可以适应安装位置的结构，其中一个第三靶点工装23设置为第四靶点工装24，此处不再详细说明。
所述末端关节连杆13绕所述第二轴线L2转动至少三个位置(例如3-12个位置)，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第三靶点工装23上靶点的空间坐标；
根据各位置处两个所述第三靶点工装23上靶点的空间坐标得到位于所述第二轴线上的两点并确定所述第二轴线的位置；
具体地，需要说明的是，对于同一个第三靶点工装23的同一个靶点，空间测量设备能够获取并拟合该靶点在各位置处的空间坐标以得到圆心位于所述第二轴线L2上的圆。如图2所示，示例性地，根据上述步骤得到位于所述第二轴线L2上的第五位置点P5和第六位置点P6，其中，第五位置点P5为所述第二轴线L2上远离所述第五关节连杆14一端的点，根据第五位置点P5和第六位置点P6确定所述第二轴线L2的位置。
通过第一工装5实现所述末端关节连杆13和所述第五关节连杆14的相对位置锁定，所述第一工装5上设置有所述第一面结构511通过空间测量设备获取所述第一面结构511的点的空间坐标，以确定所述第一面结构511的空间位置。
示例性地，如图2、图6和图7所示，第一工装5为手柄工装，第一工装5包括本体52、设置于所述本体52上用于定位所述末端关节连杆13的第一定位部53，以及两个相对设置的夹片51；两个所述夹片51之间形成适于部分容置所述末端关节连杆13的容置腔54，两个所述夹片51的相对侧壁适于夹持于所述第五关节连杆14(夹持于关于所述两个夹持器132的对称面相对称的两侧壁)，第一定位部53设置为定位槽，定位槽与所述末端关节连杆13末端的柱状结构(也可以起到配重块的作用)相适配。
第一面结构511设置于所述夹片51的表面，此时，第一面结构511平行于两个夹持器132的对称面，也平行于手柄133的手柄面。
根据所述第二轴线、所述第一面结构511和右手定则建立所述主端参考坐标系。
示例性地，以所述第五位置点P5为所述主端参考坐标系的原点，以第六位置点P6为正半轴上的点建立所述主端参考坐标系的横轴(即X3轴)，做经过第五位置点P5与第二轴线垂直且与第一面结构511平行的直线，以确定所述主端参考坐标系的竖轴(即Z3轴)且竖轴的正方向朝向下方，结合右手定则确定所述主端参考坐标系的纵轴(即Y3轴)。
由此，借用工装和空间测量设备能找到基于所述末端关节连杆13的所述主端参考坐标系，所述主端参考坐标系的建立基准可靠，实用性强。
如图5、图8、图9和图10所示，建立所述从端参考坐标系：分别获取所述手术器械6的第七轴线L7上的点和夹钳臂61的第八轴线L8上的点，所述第七轴线L7为所述手术器械6的器械杆的轴线，所述第八轴线L8为所述夹钳臂61的旋转轴线，以分别确定所述第七轴线L7和所述第八轴线L8的空间位置；根据所述第七轴线L7、所述第八轴线L8和右手定则建立所述主端参考坐标系{T4}；其中，所述从端参考坐标系的横轴(即X4轴)与所述第七轴线L7平行(平行包括重合)且正方向指向手术区域，竖轴(即Z4轴)与所述第八轴线L8平行且正方向指向下方。
由此，所述从端参考坐标系基于所述第七轴线L7和所述第八轴线L8建立，所述第二描述矩阵能够准确反映所述手术器械6在所述从端参考坐标系下的姿态，并且，在所述手术器械6上所述第七轴线L7和所述第八轴线L8辨识度高，更加容易找到；另外，所述主端参考坐标系基于所述第二轴线L2和所述第一面结构511建立，在主从映射下，所述从端参考坐标系和所述主端参考坐标系的坐标轴各自对应，为性能测试提供了可靠的基础。
如图5、图8、图9和图10所示，以被位于左侧的所述主端操作手的控制的从端操作手为例(一般该从端操作手也应位于内窥镜4的左侧)，建立所述从端参考坐标系包括：
将所述第二靶点工装22固定于所述手术器械6的器械杆，将第五靶点工装25固定于所述手术器械6的一个夹钳臂61(图8中第二靶点工装22未示出)。
第二靶点工装22的安装方式不再详细说明，第五靶点工装25通过粘接、卡接、紧固件连接等方式连接于夹钳臂61上。
所述夹钳臂61带动第五靶点工装25转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处所述第五靶点工装25的靶点的空间坐标，根据所述第五靶点工装25的靶点的空间坐标，以找到位于所述第八轴线上的点；
此时，夹钳臂61带动第五靶点工装25转动时，手术器械6的整体姿态应保持不变，其器械杆不应发生转动，此步骤可以通过软件控制实现。
示例性，根据所述第五靶点工装25的靶点的空间坐标能够找到位于第八轴线L8上的点(对各位置处所述第五靶点工装25的靶点的空间坐标拟合为圆，该圆圆心位于第八轴线L8上)。
绕所述第七轴线L7转动所述手术器械6至少三个位置(例如3-12个位置)，通过空间测量设备获取各位置处所述第二靶点工装22和所述第五靶点工装25的靶点的空间坐标；根据所述第二靶点工装22和所述第五靶点工装25的靶点的空间坐标确定所述第七轴线L7的位置；
示例性地，对各位置处所述第五靶点工装25的靶点的空间坐标拟合为一个圆，该圆的圆心位于所述第七轴线L7上；对各位置处所述第五靶点工装25的靶点的空间坐标拟合为另一个圆，该圆的圆心同样位于所述第七轴线L7上；从而根据两个圆心的坐标能够找到第七轴线L7的空间位置。
根据所述第八轴线上的点、所述第七轴线以及右手定则建立所述从端描述坐标系。
理论上，第八轴线L8和第七轴线L7应是垂直的，根据第八轴线L8上的点和第七轴线L7找到第七轴线L7和第八轴线L8的交点，以该交点为原点建立所述从端参考坐标系{T4}横轴(即X4轴)和竖轴(即Z4轴)，X4轴正方向指向手术区域，Z4轴正方向朝向下方，然后根据右手定则确定Y4轴。
考虑到加工误差的问题，第八轴线L8和第七轴线L7实际中可能是具有夹角的，在一些实施方式中，若加工误差过大，根据所述第五靶点工装25的靶点的空间坐标找到一个位于第八轴线L8上的点，根据该点和所述第七轴线L7确定从端参考坐标系的X4Z4平面，然后以第七轴线L7上的一点为原点，找到从端参考坐标系的Y4轴并确定从端参考坐标系的Z4轴，其中Z4轴的正方向指向下方，Y4轴的正方向指向右侧。示例性地，第八轴线L8在空间坐标系{T0}中位于下方的一端也即位于从端参考坐标系中位于下方，但是，从端参考坐标系的Z4轴和空间坐标系{T0}的Z0轴不具有平行的限制。
这样设置的好处在，能够借助工装测量靶点空间位置，从而获得从端参考坐标系，并且，从端参考坐标系的各轴的建立与主端参考坐标系的各轴一一对应，便于后期的数据处理，便于后期第一描述矩阵和第二描述矩阵的建立以及便于通过第一描述矩阵和第二描述矩阵量化被动主手式主从控制手术机器人的性能，可靠性高，实用性强。
在本发明的实施例中，所述获取所述末端关节连杆13的三个第一姿态靶点2611在所述主端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第一姿态靶点2611在所述主端参考坐标系下的第三描述矩阵，包括：
(通过固定装置)保持所述末端关节连杆13的空间位置不变。
将三个所述第一姿态靶点2611连接至所述末端关节连杆13。
示例性地，将第六靶点工装26安装至所述末端关节连杆13，第六靶点工装26上设置有三个所述第一姿态靶点2611。
获取三个所述第一姿态靶点2611在所述主端参考坐标系下的坐标并建立基于三个所述第一姿态靶点2611的第一靶点坐标系。
示例性地，通过空间测量设备获取三个所述第一姿态靶点2611在空间坐标系下的坐标，然后转换为在所述主端坐标系下的坐标。
根据所述第一靶点坐标系和所述主端参考坐系建立所述第三描述矩阵。
如图10所示，三个所述第一姿态靶点2611分别为第七位置点P7、第八位置点P8和第九位置点P9，以第八位置点P8为所述第一靶点坐标系的原点，以第七位置点P7、第八位置点P8和第九位置点P9所在的平面为所述第一靶点坐标系的XY平面上的点，以向量
Figure BDA0003158291240000151
所指向的方向为所述第一靶点坐标系的X轴正方向，对向量
Figure BDA0003158291240000152
和向量
Figure BDA0003158291240000153
做叉乘，其矢量积
Figure BDA0003158291240000154
所指向的方向即为所述第一靶点坐标系的Z轴正方向。归一化向量
Figure BDA0003158291240000155
得到单位向量n(n＝[nx,ny,nz]’，其为第一靶点坐标系的单位向量在所述主端参考坐标系中的表述，其中，nx、ny、nz分别为第一靶点坐标系的X轴单位向量在所述主端参考坐标系的X3轴、Y3轴和Z3轴上的投影)。归一化向量
Figure BDA0003158291240000156
得到单位向量a(a＝[ax,ay,az]’，为第一靶点坐标系的Z轴单位向量在所述主端参考坐标系中的表述，ax、ay、az分别为第一靶点坐标系Z轴单位向量在所述主端参考坐标系的X3轴、Y3轴和Z3轴上的投影)。对单位向量n、a做叉乘，其矢量积o(o＝[ox,oy,oz]’ox、oy、oz分别为第一靶点坐标系的Y轴单位矢量在所述主端参考坐标系的X3轴、Y3轴和Z3轴上的投影)即为第一靶点坐标系的Y轴单位矢量在所述主端参考坐标系中的表述。
示例性地，第七位置点P7、第八位置点P8和第九位置点P9在所述主端参考坐标系下的坐标分别为P7(x1，y1，z1)，P8(x2，y2，z2)、P9(x3，y3，z1)，则
Figure BDA0003158291240000161
Figure BDA0003158291240000162
则第三描述矩阵有：
Figure BDA0003158291240000163
其中，
Figure BDA0003158291240000164
Figure BDA0003158291240000165
Figure BDA0003158291240000166
Figure BDA0003158291240000167
所述获取所述手术器械6的三个第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的第五描述矩阵，包括：
将所述手术器械6归于零位状态，所述零位状态为所述夹钳臂61带动第五靶点工装25转动前的状态；
将三个第二姿态靶点连接至所述手术器械6的夹钳臂61；
获取三个所述第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的坐标并建立基于三个所述第二姿态靶点的第三靶点坐标系；
根据所述第三靶点坐标系和所述从端参考坐系建立所述第五描述矩阵。
在主从映射状态下(手术器械6运动至第二位置)，根据三个所述第一姿态靶点2611建立第二靶点坐标系，从而得到三个所述第一姿态靶点2611在所述主端描述坐标系下的第四描述矩阵；根据三个所述第二姿态靶点建立第四靶点坐标系，从而得到第六描述矩阵。
第二靶点坐标系、第三靶点坐标系和第四靶点坐标系的建立过程与第一靶点坐标系的建立过程类似，第四描述矩阵、第五描述矩阵和第六描述矩阵的建立过程与第三描述矩阵的建立过程类似。
求出第四描述矩阵(即第二靶点坐标系在所述主端描述坐标系下的描述矩阵)
Figure BDA0003158291240000171
从而求出所述第一描述矩阵(即所述主端参考坐标系在所述从端描述坐标系下的描述矩阵)：
Figure BDA0003158291240000172
Figure BDA0003158291240000173
同理求出，第二描述矩阵(即所述从端参考坐标系在所述从端描述坐标系下的描述矩阵)：
Figure BDA0003158291240000174
然后将第一描述矩阵和第二描述矩阵用姿态角表示，即可判断被动主手式主从控制手术机器人的姿态准确度(例如可以用欧拉角和PRY角等姿态角表示，优选为欧拉角)。这样，无需重复建立主从端参考坐标系而能够通过测量三个第一姿态靶点2611的空间坐标和测量三个第二姿态靶点的空间坐标各位置处的第一描述矩阵和第二描述矩阵，快速实现各位置处被动主手式主从控制手术机器人的姿态准确度计算。
在本发明的实施例中，该被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法还包括主从控制位置准确度步骤：
当所述手术器械6位于第一位置时，获取三个所述第一姿态靶点在所述主端描述坐标系下的坐标，结合所述第三描述矩阵得到所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的实际坐标；获取三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的坐标，结合所述第五描述矩阵得到所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的实际坐标；
在主从映射状态下，通过所述主端操作手控制所述手术器械6从第一位置运动至第二位置；
当所述手术器械6位于所述第二位置时，获取三个所述第一姿态靶点在所述主端描述坐标系下的坐标，结合所述第三描述矩阵得到所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的实际坐标；获取三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的坐标，结合所述第五描述矩阵得到所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的实际坐标；
根据在所述第一位置处所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的实际坐标，以及，在所述第一位置和所述第二位置处所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的实际坐标，计算在所述第二位置处所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的目标坐标；
根据在所述第二位置处，所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的目标坐标和实际坐标确定所述被动主手式主从控制手术机器人主从控制位置准确度；
示例性地，获取所述手术器械6位于第一位置时所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的坐标(xsa，ysa，zsa)以及所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的坐标(xma，yma，zma)；
建立主从映射后手术器械6运动至第二位置后断开主从映射；
获取三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的坐标，结合所述第五描述矩阵得到所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的实际坐标(xsb，ysb，zsb)；
获取所述手术器械6位于第二位置时所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的坐标(xmb，ymb，zmb)，计算所述手术器械6位于所述第二位置时所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的目标坐标(xsa+(xmb-xma)/k，ysa+(ymb-yma)/k，zsa+(zmb-zma)/k)，其中k为主从缩放比例；当然，在一些实施方式中，根据从端参考坐标系的原点和主端参考坐标系的原点的位置对应产生的误差，其计算目标坐标系时可以有常数项、调整系数等进行调整。
计算所述手术器械6位于所述第二位置时，所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的目标坐标和实际坐标的各轴的差值，从而判断主从控制位置准确度的误差，各轴的差值的绝对值越小，误差越小，主从控制位置准确度越高。当然，其也可以多次测试计算平均值，此处不再详细说明。
需要说明的是，此时，为了建立的主端描述坐标系和从端描述坐标系的原点更加准确，有：
如图2所示，所述建立所述主端参考坐标系步骤中，在通过固定装置保持所述第五关节连杆14的位置锁定之前还包括：通过固定装置(UR机器人+工装)保持第四关节连杆17的位置锁定，将两个第八靶点工装(与其他靶点工装类似)固定于所述第五关节连杆14，所述第五关节连杆14转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第八靶点工装上靶点的空间坐标以确定第三轴线L3的位置(例如通过多点圆心法找到位于第三轴线L3上的两点)，其中，所述第四关节连杆17为与所述第五关节连杆14的远离所述末端关节连杆13一端连接的连杆；主端参考坐标系的原点根据所述第二轴线L2和所述第三轴线L3建立；例如以第二轴线L2和第三轴线L3交点为主端参考坐标系的原点，若二者为空间异面直线，则做二者的公垂线，以公垂线上的点例如中点、或者公垂线与第二直线的交点为主端参考坐标系的原点。
所述建立所述从端参考坐标系步骤中，经过所述第八轴线L8上的点做所述第七轴线L7的垂线，垂足为所述从端参考坐标系的原点；当然，若第八轴线L8与第七轴线L7垂直相交，则该垂直为第七轴线L7与第八轴线L8的交点。
这样设置的好处在于，根据从端参考坐标系的原点的目标位置和实际位置计算主从控制位置准确度，相较于目前主从末端固连靶点，通过固连靶点的目标位置和实际位置的误差来衡量主从控制位置准确度，本发明的方法误差更小，测试的准确度更高，实用性强。
在上述实施例中，该测试方法还包括位置距离准确度测试步骤：
计算所述主端参考坐标系的原点在第一位置和第二位置之间移动的距离：
Figure BDA0003158291240000191
计算所述从端参考坐标系的原点在第一位置和第二位置之间移动的距离：
Figure BDA0003158291240000192
计算Lm/k-Ls的差值的绝对值，其值越接近零，其位置距离准确度越高。或者计算|Lm/k-Ls|/(Lm/k)的值(即计算|1-k*Ls/Lm|的值)，其值越接近零，其位置距离准确度越高。其可以采用多次测试去除极端值后求均值等手段，使得测量结果更加准确。
本发明的另一实施例提供一种被动主手式主从控制手术机器人的性能测试系统，用于实现如上所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其包括空间测量设备、第一靶点工装21、第二靶点工装22、第三靶点工装23、第五靶点工装25、第六靶点工装26和第一工装5，所述第一靶点工装21适于可拆卸连接于主端操作手的第一关节连杆12，所述第三靶点工装23适于可拆卸连接于所述主端操作手的末端关节连杆13，所述第五靶点工装25适于可拆卸连接于所述手术器械6的一个夹钳臂61，所述末端关节连杆13和所述手术器械6上分别连接一个所述第六靶点工装26，所述第一工装5适于分别与所述末端关节连杆13和第五关节连杆14连接；
所述手术器械6的器械杆和内窥镜4的镜杆均可拆卸连接有所述第二靶点工装22；
或者，还包括第七靶点工装27和滑台靶点28，所述手术器械6的器械杆可拆卸连接有所述第二靶点工装22，滑台导轨连杆8上可拆卸连接有所述第七靶点工装27，与所述滑台导轨连杆8滑动连接的滑台81上可拆卸连接有所述滑台靶点28，滑台81用于安装内窥镜4的镜杆。各工装已在上文中进行说明，此处不再详细赘述。
可选地，该性能测试系统还包括两个第八靶点工装和固定装置，固定装置包括UR机器人和多个工装，通过固定装置控制末端关节连杆13等连杆的运动或空间姿态；第八靶点工装固定连接于第四关节连杆17。如此，能够通过第八靶点工装的靶点坐标找到第四关节连杆17的轴线，此处不再详细说明。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变动与修改，这些变动与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立基于主端操作手的基座(11)的主端描述坐标系和基于内窥镜(4)的从端描述坐标系，建立基于所述主端操作手的末端关节连杆(13)的主端参考坐标系和基于从端操作手的手术器械(6)的从端参考坐标系；
获取所述末端关节连杆(13)的三个第一姿态靶点(2611)在所述主端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第一姿态靶点(2611)在所述主端参考坐标系下的第三描述矩阵；
获取所述手术器械(6)的三个第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的第五描述矩阵；
在主从映射状态下，获取三个所述第一姿态靶点(2611)在所述主端描述坐标系下的坐标，建立三个所述第一姿态靶点(2611)在所述主端描述坐标系下的第四描述矩阵；获取三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的坐标，建立三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的第六描述矩阵；
根据所述第三描述矩阵和第四描述矩阵得到所述主端参考坐标系在所述主端描述坐标系下的第一描述矩阵，根据所述第五描述矩阵和第六描述矩阵得到所述从端参考坐标系在所述从端描述坐标系下的第二描述矩阵；
根据所述第一描述矩阵和所述第二描述矩阵分别得到基于所述第一描述矩阵的姿态角和基于所述第二描述矩阵的姿态角，根据所述基于所述第一描述矩阵的姿态角和所述基于所述第二描述矩阵的姿态角确定被动主手式主从控制手术机器人的姿态准确度。
2.根据权利要求1所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其特征在于，所述建立基于主端操作手的基座(11)的主端描述坐标系包括：
建立所述主端描述坐标系：获取两个所述主端操作手的第一轴线上的点，所述第一轴线为所述主端操作手的第一关节连杆(12)与所述基座(11)转动连接的旋转轴线，根据所述第一轴线和右手定则建立所述主端描述坐标系，其中，所述主端描述坐标系的横轴与上下方向一致且正方向指向上方，纵轴与左右方向一致且正方向指向右方。
3.根据权利要求2所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其特征在于，所述第一轴线的方向与竖直方向一致，所述建立所述主端描述坐标系包括：
将两个第一靶点工装(21)分别固定于左右两个所述主端操作手的所述第一关节连杆(12)上；
两个所述第一关节连杆(12)分别转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第一靶点工装(21)上靶点的空间坐标；
根据两个所述第一靶点工装(21)在各位置处的空间坐标分别得到位于各自所述第一轴线上的第一位置点和第二位置点，以及至少一个垂直于所述第一轴线的平面；
根据所述第一位置点、所述第二位置点，以及，所述垂直于所述第一轴线的平面，结合右手定则建立所述主端描述坐标系。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其特征在于，所述从端操作手包括平行四边形机构，所述平行四边形机构包括滑台导轨连杆(8)，所述滑台导轨连杆(8)滑动连接有滑台(81)，所述滑台(81)用于固定所述内窥镜(4)；所述建立基于内窥镜(4)的从端描述坐标系包括：
将两个第七靶点工装(27)连接于所述滑台导轨连杆(8)并将滑台靶点(28)固定于所述滑台(81)，正视所述滑台导轨连杆(8)时，两个所述第七靶点工装(27)分别位于所述滑台(81)滑动的滑轨的左右两侧；
通过所述平行四边形机构的各关节的运动带动所述滑台导轨连杆(8)绕不动点转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第七靶点工装(27)上靶点的空间坐标，以确定第二直线的位置，所述第二直线经过所述不动点；
所述滑台(81)滑动至少两个位置，通过空间测量设备获取各位置处所述滑台靶点(28)的空间坐标，以确定第一直线的位置，所述第一直线平行于所述内窥镜(4)的镜杆轴线；
根据所述第一直线、所述第二直线、所述内窥镜(4)的类型以及右手定则建立所述从端描述坐标系；
其中，所述从端描述坐标系的竖轴与所述内窥镜(4)的镜头平面(41)垂直且正方向指向手术区域，正视所述滑台导轨连杆(8)时，纵轴与所述第二直线平行且正方向指向右方；
或者，
将两个第二靶点工装(22)连接于所述内窥镜(4)的镜杆，转动所述镜杆至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第二靶点工装(22)上靶点的空间坐标，以确定镜杆轴线的位置；
通过空间测量设备测量所述镜头平面(41)的分界槽(42)上的点以确定所述分界槽(42)的位置；
根据所述分界槽(42)、所述镜杆轴线和右手定则建立所述从端描述坐标系，其中，所述从端描述坐标系的竖轴与所述镜头平面(41)垂直且正方向指向手术区域，横轴位于与所述镜头平面(41)平行的平面内且正方向指向上方。
5.根据权利要求1所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其特征在于，所述建立基于所述主端操作手的末端关节连杆(13)的主端参考坐标系和基于从端操作手的手术器械(6)的从端参考坐标系包括如下步骤中的至少一步：
建立所述主端参考坐标系：保持第五关节连杆(14)的空间位置不变，获取所述主端操作手的第二轴线上的点以及第一面结构(511)上的点，所述第五关节连杆(14)为与所述末端关节连杆(13)相邻的连杆，所述第二轴线为所述末端关节连杆(13)的旋转轴线，所述第一面结构(511)平行于所述末端关节连杆(13)的两个夹持器(132)的对称面，根据所述第二轴线、所述第一面结构(511)和右手定则建立所述主端参考坐标系，其中，所述主端参考坐标系的横轴与所述第二轴线平行且正方向指向所述第五关节连杆(14)，竖轴与所述第一面结构(511)平行且正方向指向下方；
建立所述从端参考坐标系：分别获取所述手术器械(6)的器械杆的第七轴线上的点和夹钳臂(61)的第八轴线上的点，所述第七轴线为所述器械杆的轴线，所述第八轴线为所述夹钳臂(61)的旋转轴线；根据所述第七轴线上的点和所述第八轴线上的点结合右手定则建立所述从端参考坐标系，其中，所述从端参考坐标系的横轴与所述第七轴线平行且正方向指向手术区域，竖轴与所述第八轴线平行且正方向指向下方。
6.根据权利要求5所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其特征在于，所述建立所述主端参考坐标系包括：
通过固定装置保持所述第五关节连杆(14)的位置锁定；
将两个第三靶点工装(23)固定于所述主端操作手的所述末端关节连杆(13)上；
所述末端关节连杆(13)绕所述第二轴线转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第三靶点工装(23)上靶点的空间坐标；
根据各位置处两个所述第三靶点工装(23)上靶点的空间坐标得到位于所述第二轴线上的两点并确定所述第二轴线的位置；
通过第一工装(5)实现所述末端关节连杆(13)和所述第五关节连杆(14)的相对位置锁定，所述第一工装(5)上设置有所述第一面结构(511)通过空间测量设备获取所述第一面结构(511)的点的空间坐标，以确定所述第一面结构(511)的空间位置；
根据所述第二轴线、所述第一面结构(511)和右手定则建立所述主端参考坐标系。
7.根据权利要求6所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其特征在于，所述建立所述从端参考坐标系包括：
将第二靶点工装(22)固定于所述手术器械(6)的器械杆，将第五靶点工装(25)固定于所述手术器械(6)的一个所述夹钳臂(61)；
所述夹钳臂(61)带动第五靶点工装(25)转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处所述第五靶点工装(25)的靶点的空间坐标，以找到位于所述第八轴线上的点；
绕所述第七轴线转动所述手术器械(6)至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处所述第二靶点工装(22)和所述第五靶点工装(25)的靶点的空间坐标；根据所述第二靶点工装(22)和所述第五靶点工装(25)的靶点的空间坐标确定所述第七轴线的位置；
根据所述第八轴线上的点、所述第七轴线以及右手定则建立所述从端描述坐标系。
8.根据权利要求7所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其特征在于，所述获取所述末端关节连杆(13)的三个第一姿态靶点(2611)在所述主端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第一姿态靶点(2611)在所述主端参考坐标系下的第三描述矩阵，包括：
保持所述末端关节连杆(13)的空间位置不变；
将三个所述第一姿态靶点(2611)连接至所述末端关节连杆(13)；
获取三个所述第一姿态靶点(2611)在所述主端参考坐标系下的坐标并建立基于三个所述第一姿态靶点(2611)的第一靶点坐标系；
根据所述第一靶点坐标系和所述主端参考坐系建立所述第三描述矩阵；
所述获取所述手术器械(6)的三个第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的坐标，建立三个所述第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的第五描述矩阵，包括：
将所述手术器械(6)归于零位状态，所述零位状态为所述夹钳臂(61)带动所述第五靶点工装(25)转动前的状态；
将三个第二姿态靶点连接至所述手术器械(6)的夹钳臂(61)；
获取三个所述第二姿态靶点在所述从端参考坐标系下的坐标并建立基于三个所述第二姿态靶点的第三靶点坐标系；
根据所述第三靶点坐标系和所述从端参考坐系建立所述第五描述矩阵。
9.根据权利要求7所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其特征在于，
所述建立所述主端参考坐标系步骤中，在所述通过固定装置保持所述第五关节连杆(14)的位置锁定之前还包括：通过固定装置保持第四关节连杆(17)的位置锁定，将两个第八靶点工装固定于所述第五关节连杆(14)，所述第五关节连杆(14)转动至少三个位置，通过空间测量设备获取各位置处两个所述第八靶点工装上靶点的空间坐标以确定第三轴线的位置，其中，所述第四关节连杆(17)为与所述第五关节连杆(14)的远离所述末端关节连杆(13)一端连接的连杆；
所述主端参考坐标系的原点根据所述第二轴线和所述第三轴线建立，且所述第二轴线和所述第三轴线交点为所述主端参考坐标系的原点，或者，所述第二轴线和所述第三轴线之间的公垂线与所述第二轴线的交点为所述主端参考坐标系的原点；
所述建立所述从端参考坐标系步骤中，经过所述第八轴线上的点做所述第七轴线的垂线，垂足为所述从端参考坐标系的原点；
所述性能测试方法还包括主从控制位置准确度步骤：
在主从映射状态下，通过所述主端操作手控制所述手术器械(6)从第一位置运动至第二位置；
当所述手术器械(6)位于所述第一位置时，获取三个所述第一姿态靶点在所述主端描述坐标系下的坐标，结合所述第三描述矩阵得到所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的实际坐标；获取三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的坐标，结合所述第五描述矩阵得到所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的实际坐标；
当所述手术器械(6)位于所述第二位置时，获取三个所述第一姿态靶点在所述主端描述坐标系下的坐标，结合所述第三描述矩阵得到所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的实际坐标；获取三个所述第二姿态靶点在所述从端描述坐标系下的坐标，结合所述第五描述矩阵得到所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的实际坐标；
根据在所述第一位置处所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的实际坐标，以及，在所述第一位置和所述第二位置处所述主端参考坐标系的原点在所述主端描述坐标系下的实际坐标，计算在所述第二位置处所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的目标坐标；
根据在所述第二位置处，所述从端参考坐标系的原点在所述从端描述坐标系下的目标坐标和实际坐标确定所述被动主手式主从控制手术机器人主从控制位置准确度。
10.一种被动主手式主从控制手术机器人的性能测试系统，用于实现权利要求1至9任意一项所述的被动主手式主从控制手术机器人的性能测试方法，其特征在于，包括空间测量设备、第一靶点工装(21)、第二靶点工装(22)、第三靶点工装(23)、第五靶点工装(25)、第六靶点工装(26)和第一工装(5)，所述第一靶点工装(21)适于可拆卸连接于主端操作手的第一关节连杆(12)，所述第三靶点工装(23)适于可拆卸连接于所述主端操作手的末端关节连杆(13)，所述第五靶点工装(25)适于可拆卸连接于所述手术器械(6)的一个夹钳臂(61)，所述末端关节连杆(13)和所述手术器械(6)上分别连接一个所述第六靶点工装(26)，所述第一工装(5)适于分别与所述末端关节连杆(13)和第五关节连杆(14)连接；
所述手术器械(6)的器械杆和内窥镜(4)的镜杆均可拆卸连接有所述第二靶点工装(22)；
或者，还包括第七靶点工装(27)和滑台靶点(28)，所述手术器械(6)的器械杆可拆卸连接有所述第二靶点工装(22)，滑台导轨连杆(8)上可拆卸连接有所述第七靶点工装(27)，与所述滑台导轨连杆(8)滑动连接的滑台(81)上可拆卸连接有所述滑台靶点(28)。
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