CN113616338B - 计算机可读存储介质、对准方法及系统、手术机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种计算机可读存储介质、对准方法及系统、手术机器人系统，所述对准方法用于将机械臂与已插入目标对象的导引装置进行对准，所述机械臂包括若干个关节，所述对准方法包括：获取所述导引装置的位姿；根据所述导引装置的位姿规划对准后的所述机械臂的目标位姿；以及，获取所述关节的当前位置，并根据所述关节的当前位置和所述机械臂的目标位姿规划至少一个所述关节的目标运动方向，且指引相应关节按照所述目标运动方向移动。利用该对准方法将手术机器人的机械臂与导引装置对准，可以提高对准精度和对准效率。

Description

计算机可读存储介质、对准方法及系统、手术机器人系统
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种计算机可读存储介质、对准方法及系统、手术机器人系统。
背景技术
手术机器人的设计理念是采用微创伤的方式精准地实施复杂的外科手术。在传统的手术操作面临种种局限的情况下发展出现了手术机器人，手术机器人突破了人眼的局限，其能够利用立体成像技术将人体内部的器官更加清晰地呈现给施术者。并且对于一些人的手部无法伸入的狭小区域，手术机器人仍可控制手术器械完成挪动、摆动、夹持及360°转动，并可避免抖动，提高手术精确度，进一步达到创口小、出血少、术后恢复快、极大地缩短手术对象术后住院时间的优势。因此，手术机器人深受广大医患的青睐，广泛应用于各自临床手术中。
在利用手术机器人执行手术的过程中，需要借助导引装置例如戳卡(troca)提供手术器械进出腔内的通道，因此在手术之前，首先需要将手术机器人的机械臂与已插入患者身体上的导引装置(例如戳卡)对准，但是现有技术中没有有效的对准方法，导致机械臂与导引装置的对准需要花费较多的时间，影响了手术的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计算机可读存储介质、对准方法及系统、手术机器人系统，旨在快速地实现机械臂与导引装置的对准操作。
为实现上述目的，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，用于执行一对准方法，以将机械臂与用于为手术器械提供手术通道的导引装置进行对准，所述机械臂包括若干个关节，所述对准方法包括：
步骤S1：获取所述导引装置的位姿；
步骤S2：根据所述导引装置的位姿规划对准后的所述机械臂的目标位姿；以及，
步骤S3：获取所述关节的当前位置，并根据所述关节的当前位置和所述机械臂的目标位姿规划至少一个所述关节的目标运动方向，且指引相应关节按照所述目标运动方向移动。
可选地，当所述机械臂处于所述目标位姿时，所述机械臂的末端朝向所述导引装置的器械孔，且与所述器械孔间隔预定距离。
可选地，所述步骤S2包括：建立所述机械臂的坐标系与所述导引装置的坐标系的映射关系，并根据所述映射关系及所述导引装置的位姿规划所述机械臂的目标位姿。
可选地，所述步骤S3包括：
步骤S31：根据所述机械臂的所述目标位姿获取所述机械臂的第N关节的目标位置；
步骤S32：获取所述第N关节的当前位置；
步骤S33：计算所述第N关节的目标位置与当前位置的差值；
步骤S34：根据所述第N关节的目标位置和当前位置的差值判断所述第N关节是否已经对准，若否，则执行步骤S35；
步骤S35：根据所述第N关节的目标位置和当前位置的差值规划所述第N关节的所述目标运动方向，并指引所述第N关节沿所述目标运动方向移动，以执行对准操作，其中N为正整数。
可选地，在指引所述第N关节的对准过程中，重复循环执行所述步骤S32至所述步骤S35，直至所述第N关节完成对准。
可选地，所述步骤S3中还包括：当判定第N关节已移动至对应于该关节的目标位置时，产生第一提示信息。
可选地，当所述机械臂的所有关节均移动至对应的目标位置时，所述对准方法还包括如下步骤S4：产生第二提示信息。
可选地，所述对准方法用于将多个所述机械臂与已插入所述目标对象的多个所述导引装置分别对准；所述对准方法还包括：
步骤S0：选择当前待对准的所述机械臂；以及，
步骤S5：判断所有的所述机械臂的对准操作是否完成，若否，则至少重复循环执行所述步骤S0及所述步骤S4；若是，则执行步骤S6；
步骤S6：产生第三提示信息；
其中，所述步骤S0在所述步骤S3之前执行，所述步骤S5在所述步骤S4之后执行。
可选地，所述对准方法还包括：使所述目标运动方向信息在一提示单元上提示。
可选地，所述提示单元通过声音指示、灯光指示或图形指示中的至少一种方式提示所述目标运动方向信息。
可选地，所述关节的目标运动方向包括所述关节的旋转方向或平移方向。
为实现上述目的，本发明还提供了一种对准方法，所述对准方法是如前任一项所述的计算机可读存储介质上存储的程序所执行的对准方法。
为实现上述目的，本发明还提供了一种对准系统，包括控制单元和提示单元，所述控制单元被配置用于执行如前所述的对准方法，所述提示单元与所述控制单元通信连接，且至少用于接收并提示所述目标运动方向信息。
可选地，所述提示单元包括声音提示机构、灯光提示机构、显示屏中的至少一种。
可选地，所述对准系统还包括定位装置，所述定位装置与所述控制单元通信连接，并用于采集所述机械臂和所述导引装置的三维坐标信息，所述控制单元根据所述机械臂和所述导引装置的三维坐标信息建立所述机械臂的坐标系和所述导引装置的坐标系的映射关系。
可选地，所述控制单元还根据所述机械臂的三维坐标信息获取所述关节的位置信息。
可选地，所述对准系统还包括若干位置获取装置，所述位置获取装置用于获取所述关节的位置信息；所述控制单元与所述位置获取装置通信连接，并接收所述关节的位置信息。
为实现上述目的，本发明还提供了一种手术机器人系统，包括手术操作装置和前任一项所述的对准系统，所述手术操作装置包括机械臂，所述机械臂的末端用于连接手术器械，所述对准系统用于使所述机械臂与用于为所述手术器械提供手术通道的导引装置进行对准。
为实现上述目的，本发明还提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和如前任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器被配置用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
与现有技术相比，本发明的计算机可读存储介质、对准方法及系统、手术机器人系统具有如下优点：
前述的计算机可读存储介质上存储有程序，当所述程序被执行时，执行一对准方法，所述对准方法用于将机械臂与用于为手术器械提供手术通道的导引装置进行对准，所述机械臂包括若干个关节，所述对准方法包括如下步骤：获取所述导引装置的位姿；根据所述导引装置的位姿规划对准后的所述机械臂的目标位姿；以及，获取所述关节当前位置，并根据所述关节的当前位置和所述机械臂的所述目标位姿规划至少一个所述关节的目标运动方向，且指引相应关节按照所述目标运动方向移动，以执行对准操作。也即，通过预先规划所述机械臂的目标位姿，并据此生成所述机械臂的各个关节的目标运动方向，从而根据所述目标运动方向来移动各个关节，使得所述机械臂准确地所述导引装置对准，并还提高对准效率和便捷性。
前述的手术机器人系统，包括机械臂和控制单元，所述控制单元与所述机械臂通信连接，并被配置用于执行前述的对准方法，使得所述手术机器人系统在进行所述机械臂与所述导引装置的对准操作时，具有较好的准确性和较高的对准效率。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明实施例所提供的手术机器人系统的应用场景示意图；
图2是本发明实施例所提供的手术机器人系统的手术操作装置的结构示意图，图中示出三条机械臂；
图3是本发明实施例所提供的手术机器人系统的机械臂与导引装置对准时的示意图，图中示出四条机械臂；
图4是本发明实施例所提供的对准方法将手术机器人系统的机械臂与导引装置进行对准的整体流程图；
图5是本发明一实施例所提供的手术机器人系统在执行机械臂与导引装置的对准操作时的详细流程图，图示中通过声音提示机构提示目标运动方向信息、第一提示信息、第二提示信息及第三提示信息；
图6是本发明实施例所提供的手术机器人系统的定位装置的结构示意图；
图7是本发明实施例所提供的手术机器人系统的定位装置的定位原理示意图；
图8是本发明实施例所提供的手术机器人系统中利用定位装置建立机械臂的坐标系与导引装置的坐标系的映射关系的示意图；
图9是本发明实施例所提供的手术机器人系统建立机械臂的坐标系与导引装置的坐标系的映射关系示意图，图中示出一条机械臂，且未示出定位装置；
图10是本发明实施例所提供的手术机器人系统的机械臂的各个关节在进行对准操作时的运动方向及运动角度或运动距离示意图；
图11是本发明实施例所提供的手术机器人系统的机械臂的调整臂的各个关节在进行对准操作时的运动方向示意图；
图12是本发明实施例所提供的手术机器人系统的机械臂的工具臂的各个关节在进行对准操作时的运动方向示意图，图中箭头的指向为关节运动时的正方向；
图13是本发明实施例所提供的手术机器人系统的机械臂的第一关节的运动方向示意图，图中以“+”及“-”指示出第一关节运动时的正方向和负方向；
图14是本发明实施例所提供的手术机器人系统的控制单元在判断各个关节是否需要执行对准操作以及规划目标运动方向的详细流程图；
图15是本发明一实施例所提供的手术机器人系统的局部结果示意图，图示中的提示单元为第一灯光提示机构；
图16是图15中所述的手术机器人系统的A处放大示意图；
图17是本发明一实施例所提供的手术机器人系统在执行机械臂与导引装置的对准操作使的详细流程图，图示中通过灯光变化提示目标运动方向、第一提示信息、第二提示信息及第三提示信息；
图18是本发明根据实施例四所提供的手术机器人系统的局部结构示意图，图示中的提示单元为第二灯光提示机构；
图19是图18所示的手术机器人系统的B处放大示意图；
图20是本发明根据实施例五所提供的手术机器人系统的局部结构示意图，图中所示的提示单元为显示屏；
图21是图20所示的手术机器人系统的C处放大示意图。
[附图标记说明如下]：
10-医生端控制装置，20-手术操作装置，21-操作平台，22-机械臂，221-调整臂，221a-第一关节，221b-第二关节，221c-第三关节，221d-第四关节，222-工具臂，222a-第五关节，222b-第六关节，30-显示装置，41-第一灯光提示机构，41a-第一指示灯，41b-第二指示灯，41c-第三指示灯，42-显示屏，42a-第一箭头，42b-第二箭头，42c-确认符号；
1-目标对象，2-导引装置，3-手术器械，4-双目视觉装置。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。
如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，复数形式“多个”包括两个以上的对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“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，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
图1示出了手术机器人系统的应用场景示意图。如图1所示，手术机器人系统包括控制端和执行端，所述控制端包括医生控制台和设置于所述医生控制台上的医生端控制装置10。所述执行端包括患者端控制装置(图中未标注)、手术操作装置20，图像显示装置30等设备。图2示出了所述手术操作装置20的结构示意图，如图2所示，所述手术操作装置20包括操作平台21和多条机械臂22。其中，至少一条所述机械臂22用于挂载图像获取装置(图中未示出)，所述图像获取装置与所述显示装置30通信连接。所述图像获取装置用于穿过预先插入目标对象1上的导引装置2的器械孔，并进入所述目标对1的内部，以获取所述目标对象1的内部的图像信息，且发送至所述显示装置30进行显示。以及，至少一条所述机械臂22用于挂载手术器械3，所述手术器械3用于穿过预先插入所述目标对象1上的导引装置2的器械孔并进入所述目标对象1的内部以执行手术操作(也即，所述导引装置2所述器械孔为所述手术器械3提供手术通道)。这里，所述目标对象1例如是患者，图3中所示的目标对象1为模拟的人体模型。所述导引装置2例如是戳卡。本领域技术人员可以理解的是，一个所述导引装置2用于为一个所述图像获取装置或一个所述手术器械3提供进入所述目标对象1的手术通道。以及，每条所述机械臂22均包括若干个关节(图1及图2中均未标注)。
如图3所示，在利用所述手术机器人系统执行微创伤手术之前，需要使所述机械臂22与相应的导引装置2对准。因此，本发明的核心思想即在于提供一计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，执行一对准方法，以使得所述机械臂22与相应的导引装置2对准。如图4所示，所述对准方法可包括如下步骤：
步骤S1：获取所述导引装置2的位姿。
步骤S2：根据所述导引装置2的位姿规划对准后的所述机械臂22的目标位姿。以及，
步骤S3：获取所述关节的当前位置，并根据所述关节的当前位置和所述机械臂22的目标位姿规划至少一个所述关节的目标运动方向，且指引相应关节按照所述目标运动方向移动。
其中，所述目标位姿是指当所述机械臂22的末端朝向所述导引装置2的器械孔，且与所述器械孔间隔预定距离时所述机械臂22的位姿。
所述计算机可读存储介质设置于一控制单元(图中未示出)上，也即所述对准方法由所述控制单元执行。本发明实施例对所述控制单元的设置方式不做限定，只要其能够实现相应的功能即可。可选地，所述控制单元整体设置于所述手术机器人系统的医生端控制装置10处，或者所述控制单元整体设置于所述患者端控制装置处，再或者，所述控制单元的一部分地设置于所述医生端控制装置10处，另一部分地设置于所述患者端控制装置处，又或者，所述控制单元独立于所述医生端控制装置10及所述患者端控制装置之外。
可选地，所述机械臂22的所述关节由人工控制运动，在此情况下，所述步骤S3中还包括：使所述目标运动方向信息在一提示单元上提示。从而操作者可直观地获取所述目标运动方向信息，并据此控制所述关节的运动。或者，所述机械臂22的所述关节通过所述控制单元控制运动，直至所述机械臂22抵达所述目标位姿。当然，在所述控制单元控制所述关节运动的过程中，也可以使所述目标运动方向信息在所述提示单元上进行提示。需要说明的是，人工控制所述关节的运动是指人工控制所述关节开始运动、停止运动、运动方向、以及运动距离。在人工控制所述关节的运动的过程中，既可以由驱动机构驱动关节运动，也可以由人工驱动所述关节运动。由控制单元控制所述关节的运动是指所述控制单元控制所述关节开始运动、停止运动、运动方向、以及运动距离等。
请返回参考图3，所述手术操作装置20包括多条所述机械臂22，例如四条，每条所述机械臂22上连接有所述手术器械3或所述图像获取装置。相应地，所述目标对象1上设置有四个所述导引装置2。那么如图5所示，在执行所述对准方法时，所述控制单元还应执行步骤S0：选择当前待对准的所述机械臂22。
在一些实施例中，所述步骤S0在所述步骤S1之前执行，在执行所述步骤S1时，所述控制单元获取与所述当前待对准的所述机械臂22相对应的所述导引装置2的位姿，或者获取所有的所述导引装置2的位姿。在另一些实施例中，所述步骤S0在所述步骤S1之后以及所述步骤S2之前执行，以及，在执行所述步骤S1时，所述控制单元获取所有的所述导引装置2的位姿，且在所述步骤S2中，所述控制单元规划所述当前待对准的所述机械臂22的目标位姿，或者规划所有的所述机械臂22的目标位姿。在再一些实施例中，所述步骤S0在所述步骤S2之后以及所述步骤S3之前执行，且在所述步骤S2中，所述控制单元规划所有的所述机械臂22的目标位姿。
接下去，本文以人工控制所述关节的运动，且所述步骤S0在所述步骤S2之后以及所述步骤S3之前执行的情况为例，对所述对准方法的各个步骤做详尽说明。
在所述步骤S1中，所述控制单元可以根据所述导引装置2的图像信息获取所述导引装置2的位姿。所述导引装置2的所述图像信息由一定位装置采集，如图6所示，所述定位装置例如是双目视觉装置4，所述双目视觉装置4与所述控制单元通信连接。
所述双目视觉装置4一般由双摄像机从不同角度同时获取被测物体的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出被测物体的三维几何信息，获取被测物体位置。图7示意性地给出了所述双目视觉装置的三维测量的原理。请参考图7，点P(x,y,z)是被测物体上的一个特征点，Ol是左相机的光心，Or是右相机的光心。如果用左相机观察点P，看到它在左相机的图像点位于Pl，但我们无法由Pl得知P的三维位置，事实上，在OlPl连线上任一点于左相机上的图像点都是Pl，因此，由Pl点的位置，只能知道空间点P位于直线OlPl上。同理，从右相机的角度观察，只能知道空间点P位于直线OrPr上。由此，当两台相机在同一时刻拍摄被测物体的同一特征点P(x,y,z)，直线OlPl与直线OrPr的交点即空间点P所处的位置，即空间点P的三维坐标是唯一确定的。
进一步地，两台相机的光心距离即基线b，两台相机的焦距均为f。两台相机在同一时刻拍摄被测物体的同一特征点P(x,y,z)，并根据相似三角形原理得到如下关系式：
进而得到：
由此，可以得到被测物体上的特征点P在所述双目视觉装置4的坐标系F1下的三维坐标信息，进而根据所述双目视觉装置4的坐标系F1与世界坐标系F0的映射关系得到特征点P在世界坐标系F0下的三维坐标信息。基于此，得到被测物体上的其他特征点在所述双目视觉装置4坐标系F1下的三维坐标信息，使得所述控制单元可以根据所述被测物体上的所有特征点在世界坐标系F0下的三维坐标信息对被测物体进行模型重建，并得到所述导引装置2在世界坐标系F0下的位姿。本领域技术人员知晓如何建立所述双目视觉装置4的坐标系F1与世界坐标系F0的映射关系，此处不作介绍。另外，所述导引装置2上可以设置能够被所述双目视觉装置4所识别的靶标(图中未示出)。
所述步骤S2具体是根据所述机械臂22的坐标系F3与相应的所述导引装置2的坐标系F2的映射关系及所述导引装置2的位姿规划所述机械臂22的目标位姿。
其中，本发明实施例利用所述双目视觉装置4建立所述机械臂22的坐标系F3与相应的所述导引装置2的坐标系F2的映射关系(如图8所示，图中未示出导引装置，但示出了导引装置的坐标系F2)。具体来说，当所述双目视觉装置4采集所述导引装置2的图像信息时，即可在世界坐标系F0下建立所述导引装置2的坐标系F2与所述双目视觉装置4的坐标系F1的映射关系。同样地，利用所述双目视觉装置4采集所述机械臂22的图像信息时，在世界坐标系F0下建立所述机械臂22的坐标系F3与所述双目视觉装置4的坐标系F1的映射关系，进而得到所述机械臂22的坐标系F3与所述导引装置2的坐标系F2的映射关系(如图9所示)。
所述请返回参考图5，所述步骤S3具体包括：
步骤S31：根据当前待对准的所述机械臂22的所述目标位姿获取所述当前待调整的所述机械臂22的第N关节的目标位置。
步骤S32：获取当前待对准的所述机械臂22的所述第N关节的当前位置。
步骤S33：计算所述第N关节的目标位置与当前位置的差值；
步骤S34：根据所述第N关节的目标位置与当前位置的差值判断所述第N关节是否已对准，若否，则执行步骤S35；若是，则执行步骤S36。
步骤S35：根据所述第N关节的目标位置和当前位置的差值规划所述第N关节的目标运动方向，并通过一提示单元提示所述目标运动方向信息，其中N为正整数，以使所述第N关节按照所述目标运动方向运动。
步骤S36：产生第一提示信息。
所述机械臂22可包括多个关节，以图10至图13所示为例，所述机械臂22包括依次连接的六个关节。在一些实施例中，所述机械臂22包括相互调整臂221和工具臂222，所述调整臂221连接于所述操作平台21上。所述调整臂221包括依次连接的四个关节，分别为第一关节221a、第二关节221b、第三关节221c和第四关节221d，所述工具臂222包括两个关节，分别为第五关节222a和第六关节222b。其中，所述第一关节221a、所述第三关节221b、所述第四关节221d、所述第五关节222a及所述第六关节222b为旋转关节，所述第二关节221b为平移关节。如此，所述机械臂22的对准操作实际包括六个所述关节的对准操作，即，使所述第一关节221a从当前位置沿正方向或负方向旋转Δθ1，以抵达相应的目标位置；使所述第二关节221b从当前位置沿正方向或负方向平移L，以抵达相应的目标位置；使所述第三关节221c从当前位置沿正方向或负方向旋转Δθ2以抵达相应的目标位置；使所述第四关节221d从当前位置沿正方向或负方向旋转Δθ3以抵达相应的目标位置；使所述第五关节222a从当前位置沿正方向或负方向旋转Δθ4以抵达相应的目标位置；使所述第六关节222b从当前位置沿正方向或负方向旋转Δθ5以抵达相应的目标位置。这里，对于旋转关节来说，所述正方向例如是逆时针方向，所述负方向例如是顺时针方向，反之亦可。对于平移关节来说，所述正方向例如是远离所述导引装置2的方向，所述负方向例如是靠近所述导引装置2的方向。还应注意的是，各个关节在执行相应运动的过程中，应当在允许的范围内运动，以确保安全。
其中，所述步骤S31中，当所述机械臂22的所述目标位姿被确定时，根据所述机械臂22的构型，所述机械臂22的各个关节即具有唯一的目标位置。本领域技术人员可以采用任意合适的方式获取所述第N关节的目标位置，例如通过机器人逆运动学算法根据所述机械臂22的目标位姿解算所述机械臂22的所述第N关节的目标位置。
所述步骤S32中，所述控制单元可以根据所述定位装置3所采集的所述机械臂22的实时的图像信息获取所述机械臂22的当前位姿，并根据所述机械臂22的当前位姿解算所述第N关节的当前位置。或者，所述手术机器人系统还包括位置获取装置(图中未示出)，所述位置获取装置的数量为多个，并分别设置于各个所述关节处，且与所述控制单元通信连接。也就是说，所述控制单元可以根据设置于所述第N关节处的所述位置获取装置直接获取所述第N关节的当前位置。对于旋转关节来说，所述位置获取装置例如是角度编码器或其他类型的角度传感器，对于平移关节来说，所述位置获取装置可以是距离传感器等。
所述步骤S34中，如图14所示，若所述第N关节的目标位置与所述当前位置的差值在一预定范围内，则判定所述第N关节已对准，若否，则判定所述第N关节未对准。以及，在所述步骤S35中，当所述目标位置与所述当前位置的差值为正值时，所述目标运动方向为正方向，当所述目标位置与所述当前位置的差值为负值时，所述目标运动方向为负方向。举例来说，当所述第N关节为旋转关节时，所述第N关节的目标位置为θgoal，当前位置为θ0，若θgoal-θ0为正值时，则所述第N关节的目标运动方向为沿正方向，反之，当θgoal-θ0为负值时，则所述第N关节的目标运动方向为沿负方向。当所述第N关节为平移关节，且第N关节在Y方向上平移(以图9及图10所示为例)，所述第N关节的目标位置为Ngoal(0，ygoal，0)，当前位置为N0(0，y0,0)，两者的差值可以直接表示为ygoal-y0，若ygoal-y0为正值，则所述第N关节平移时的目标运动方向为正方向，若ygoal-y0为负值，则所述第N关节平时时的目标运动方向为逆方向。可以理解，在对所述第N关节执行对准操作的过程中，所述控制单元还重复执行所述步骤S32和所述步骤S35，直至所述第N关节完成对准。
在一些实施例中，所述提示单元为声音提示机构，如此，所述步骤S35中，还通过所述声音提示机构提示所述目标运动方向信息，所述声音提示机构例如为语音播报机构。另外，所述声音提示机构还提示所述第一提示信息。
在对一选定的所述机械臂22进行对准操作时，通常是从所述第一关节221a开始，并按照连接次序依次对所有的关节执行对准操作。因此，在所述第N关节的对准操作完成之后，所述对准方法还包括步骤S37：判定当前待对准的所述机械臂22的所有关节是否完成对准，若否，则重复执行所述步骤S31至所述步骤S35，且在重复所述步骤S31时将N修正为N+1；若是，则执行步骤S4。所述步骤S4包括：产生第二提示信息。同样地，所述第二提示信息可以由所述声音提示机构进行提示。
在所述步骤S4执行完毕之后，所述对准方法还包括步骤S5：判断所有的所述机械臂22的对准操作是否完成，若否，则返回执行所述步骤S0及其后的步骤，于本实施例中，所述控制单元返回执行所述步骤S0和所述步骤S4；若是，则执行步骤S6，所述步骤S6包括：产生第三提示信息，以提示所有的机械臂22均完成对准。所述第三提示信息可以由所述声音提示机构进行提示。
此外，在所述步骤S0中，所述声音提示机构可以提示操作者对当前待对准的所述机械臂22进行确认，以及所述步骤S31中，所述声音提示机构还可以提示操作者对当前待对准的所述第N关节进行确认。
替代性地，所述提示单元也可以有其他选择。例如，请参考图15及图16，在一个可选的实施例中，所述提示单元为第一灯光提示机构。所述第一灯光提示机构包括若干个指示灯组41，所述指示灯组41的数量例如为四个，并分别设置于每个所述机械臂22上，即一个所述指示灯组41用于对一个所述机械臂22的对准操作进行指引。每个所述指示灯组41可包括两个指示灯，分别为第一指示灯41a和第二指示灯41b，所述第一指示灯41a和所述第二指示灯41b均具有闪烁、常亮、和常灭三种状态，且所述第一指示灯41a和所述第二指示灯41b在闪烁状态时具有两种颜色，即所述第一指示灯41a和所述第二指示灯41b可以以第一颜色闪烁，也可以以第二颜色闪烁，所述第一颜色和所述第二颜色不同。
如图17所示，本实施例通过所述第一指示灯41a和所述第二指示灯41b的灯光变化具体是状态及颜色变化来对对准操作进行指引。举例来说，在所述步骤S0中，所有的所述机械臂22上的所述第一指示灯41a和所述第二指示灯41b均以第一颜色闪烁以提示选择当前待对准的所述机械臂22。在所述步骤S31中，所述第一指示灯41a和所述第二指示灯41b以第二颜色闪烁来提示操作者对当前待对准的所述机械臂22的所述第N关节进行确认。在所述步骤S35中，当规划的所述目标运动方向为正方向时，所述第一指示灯41a常亮，所述第二指示灯41b常灭，当规划的所述目标运动方向为负方向时，所述第一指示灯41a常灭，而所述第二指示灯41b常亮。当所述步骤S34中判定所述第N关节已经对准时，所述第一指示灯41a和所述第二指示灯41b均常灭以提示所述第一提示信息。在所述步骤S36中，若判定当前待对准的所述机械臂22的所有关节均已对准，则所述第一指示灯41a和所述第二指示灯41b保持在常灭状态，以提示所述第二提示信息；若判定当前待对准的所述机械臂22还有关节未对准时，在所述控制单元返回执行所述步骤S31时，所述第一指示灯41a和所述第二指示灯41b以所述第二颜色闪烁以提示操作者对当前待对准的第N+1关节进行确认。在所述步骤S4中，若判定所有的所述机械臂22均已对准，则所有的所述指示灯组41均处于常灭状态，以提示所述第三提示信息。若某一所述机械臂22未对准，则该未对准的所述机械臂22上的所述指示灯组41以所述第一颜色闪烁。
在另一个可选的实施例中，如图18及图19所示，所述提示单元为第二灯光提示机构，所述第二灯光提示机构包括四个第三指示灯41c，每个所述第三指示灯41c设置于一个所述机械臂22上，也即一个所述第三指示灯41c用于对一个所述机械臂22的对准进行指引。
具体地，所述第三指示灯41c具有以第三颜色闪烁、以第四颜色闪烁、以第五颜色常亮、以第六颜色常亮、以及常灭五种状态，所述第三颜色和所述第四颜色不同，所述第五颜色和所述第六颜色不同。在所述步骤S1中，所有的所述机械臂22上的所述第三指示灯41c以所述第三颜色闪烁，以提示操作者选择当前待对准的所述机械臂22。在所述步骤S31中，所述第三指示灯41以第四颜色闪烁，以提示确认当前待调整的所述第N关节。在所述步骤S35中，若所规划的所述目标运动方向为正方向，所述第三指示灯41c以所述第五颜色常亮，若所规划的所述目标运动方向为负方向，所述第三指示灯41c以所述第六颜色常亮。所述步骤S34中，若判定所述第N关节已对准，则所述第三指示灯41c常灭，以提示所述第一提示信息。所述步骤S36中，若判定当前待对准的所述机械臂22的所有关节均已对准，则所述第三指示灯41c保持在常灭状态，以提示所述第二提示信息；若判定当前待对准的所述机械臂22还有关节未对准时，在所述控制单元返回执行所述步骤S31时，所述第三指示灯41c以所述第二颜色闪烁，以提示操作者对当前待对准的第N+1关节进行确认。在所述步骤S4中，若判定所有的所述机械臂22均已对准，则所有的所述第三指示灯41c均处于常灭状态，以提示所述第三提示信息。若某一所述机械臂22未对准，则该未对准的所述机械臂22上的所述第三指示灯41c以所述第一颜色闪烁。
在再一个可选的实施例中，如图20和图21所示，所述提示单元为显示屏42，所述显示屏42的数量为四个，并分别设置于三条所述机械臂22上。每个所述显示屏42上设置指示图形，所述指示图形包括指向所述正方向的第一箭头42a、指向所述负方向的第二箭头42b、以及确认符号42c，所述确认符号42c例如是“√”。所述第一箭头42a和所述第二箭头42b具有常亮和常灭的状态，所述确认符号42c具有以第七颜色闪烁、以第八颜色闪烁、常亮及常灭的状态，所述第七颜色与所述第八颜色不同。
本实施例的具体指示方式为：在所述步骤S0中，所有的所述显示屏42上的所述确认符号42c以所述第七颜色闪烁，以提示选择当前待对准的所述机械臂22，同时所述第一箭头42a和所述第二箭头42b可处于常灭状态。在所述步骤S31中，当前待对准的所述机械臂22上的所述确认符号42c以所述第八颜色闪烁，以提示确认当前待对准的所述第N关节，同时所述第一箭头42a和所述第二箭头42b可处于常灭状态。在所述步骤S34中，若判定所述第N关节未对准，则所述确认符号42c处于常灭状态，若判定所述第N关节已对准，则所述确认符号42c处于常亮状态，同时所述第一箭头41a和所述第二箭头42b处于常灭状态，以提示所述第一提示信息。在所述步骤S35中，若所规划的所述目标运动方向为正方向，则所述第一箭头42a常亮，所述第二箭头42b及所述确认符号42c常灭，若所规划的所述目标运动方向为负方向，则所述第二箭头42b常亮，所述第一箭头42a和所述确认符号42c常灭。所述步骤S36中，若判定当前待对准的所述机械臂22的所有关节均已对准，则所述确认符号42c保持在常亮状态，以提示所述第二提示信息；若判定当前待对准的所述机械臂22还有关节未对准时，在所述控制单元返回执行所述步骤S31时，所述确认符号42c以所述第八颜色闪烁，以提示操作者对待对准的第N+1关节进行确认。在所述步骤S4中，若判定所有的所述机械臂22均已对准，则所有的所述确认符号42c均处于常亮状态，以提示所述第三提示信息。若某一所述机械臂22未对准，则该未对准的所述机械臂22上的所述确认符号42以所述第七颜色闪烁。
本发明实施例所提供的计算机可读存储介质应用于手术机器人系统，在对所述机械臂22执行人工对准操作时，通过提示单元提示目标运动方向以指引关节的运动，并通过所述提示单元提示关节是否对准，在提高对准操作的准确性的前提下，还提高对准效率。
进一步地，本发明还提供了一种对准方法，所述对准方法即为前述计算机可读存储介质上存储的程序所执行的对准方法。
进一步地，本发明实施例还提供了一种对准系统，所述对准系统包括前述的控制单元和前述的提示单元，也即，所述控制单元用于执行前述的对准方法，所述提示单元与所述控制单元通信连接，并用于提示所述目标移动方向信息、所述第一提示信息、所述第二提示信息及所述第三提示信息。以及，所述对准系统还优选包括所述定位装置及所述位置获取装置。
再进一步地，本发明实施例还提供了一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括所述手术操作装置20和前述的对准系统，所述操作装置20包括所述机械臂22，所述机械臂22的末端用于连接所述手术器械3。所述对准系统用于使所述机械臂22与用于为所述手术器械3提供手术通道的导引装置2进行对准。
以及，本发明实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和如前所述的计算机可读存储介质，所述处理器被配置用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
虽然本发明披露如上，但并不局限于此。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (17)

1.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，用于执行对准方法，以将机械臂与用于为手术器械提供手术通道的导引装置进行对准，所述机械臂包括若干个关节，其特征在于，所述对准方法包括：
步骤S1：获取所述导引装置的位姿坐标；至少一条所述机械臂用于挂载图像获取装置，所述图像获取装置用于穿过预先插入目标对象上的导引装置的器械孔，并进入所述目标对象的内部，以获取所述目标对象的内部的图像信息，至少一条所述机械臂用于挂载手术器械，所述手术器械用于穿过预先插入所述目标对象上的导引装置的器械孔并进入所述目标对象的内部以执行手术操作；
步骤S2：根据所述导引装置的位姿坐标规划对准后的所述机械臂的目标位姿坐标；所述步骤S2包括：建立所述机械臂的坐标系与所述导引装置的坐标系的映射关系，并根据所述映射关系及所述导引装置的位姿坐标规划所述机械臂的目标位姿坐标；
步骤S3：获取所述关节的当前位置，并根据所述关节的当前位置和所述机械臂的目标位姿坐标规划至少一个所述关节的目标运动方向，且指引相应关节按照所述目标运动方向移动；
所述步骤S3包括：
步骤S31：根据所述机械臂的所述目标位姿坐标获取所述机械臂的第N关节的目标位置；
步骤S32：获取所述第N关节的当前位置；各个所述关节处设置有位置获取装置，所述位置获取装置与控制单元通信连接；所述控制单元根据设置于所述第N关节处的所述位置获取装置直接获取所述第N关节的当前位置；当关节为旋转关节时，所述位置获取装置为角度编码器，当关节为平移关节时，所述位置获取装置为距离传感器；
步骤S33：计算所述第N关节的目标位置与当前位置的差值；
步骤S34：根据所述第N关节的目标位置和当前位置的差值判断所述第N关节是否已经对准，若否，则执行步骤S35；
步骤S35：根据所述第N关节的目标位置和当前位置的差值规划所述第N关节的所述目标运动方向，并指引所述第N关节沿所述目标运动方向移动，以执行对准操作，其中N为正整数。
2.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述机械臂处于所述目标位姿坐标时，所述机械臂的末端朝向所述导引装置的器械孔，且与所述器械孔间隔预定距离。
3.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，在指引所述第N关节的对准过程中，重复循环执行所述步骤S32至所述步骤S35，直至所述第N关节完成对准。
4.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述步骤S3中还包括：当判定第N关节已移动至对应于该关节的目标位置时，产生第一提示信息。
5.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述机械臂的所有关节均移动至对应的目标位置时，所述对准方法还包括如下步骤S4：产生第二提示信息。
6.根据权利要求5所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述对准方法用于将多个所述机械臂与已插入所述目标对象的多个所述导引装置分别对准；所述对准方法还包括：
步骤S0：选择当前待对准的所述机械臂；以及，
步骤S5：判断所有的所述机械臂的对准操作是否完成，若否，则至少重复循环执行所述步骤S0及所述步骤S4；若是，则执行步骤S6；
步骤S6：产生第三提示信息；
其中，所述步骤S0在所述步骤S3之前执行，所述步骤S5在所述步骤S4之后执行。
7.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述对准方法还包括：使所述目标运动方向信息在一提示单元上提示。
8.根据权利要求7所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述提示单元通过声音指示、灯光指示或图形指示中的至少一种方式提示所述目标运动方向信息。
9.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述关节的目标运动方向包括所述关节的旋转方向或平移方向。
10.一种对准方法，其特征在于，所述对准方法是如权利要求1-9中任一项所述的计算机可读存储介质上存储的程序所执行的对准方法。
11.一种对准系统，其特征在于，包括控制单元和提示单元，所述控制单元被配置用于执行如权利要求10所述的对准方法，所述提示单元与所述控制单元通信连接，且至少用于接收并提示所述目标运动方向信息。
12.根据权利要求11所述的对准系统，其特征在于，所述提示单元包括声音提示机构、灯光提示机构、显示屏中的至少一种。
13.根据权利要求11所述的对准系统，其特征在于，所述对准系统还包括定位装置，所述定位装置与所述控制单元通信连接，并用于采集所述机械臂和所述导引装置的三维坐标信息，所述控制单元根据所述机械臂和所述导引装置的三维坐标信息建立所述机械臂的坐标系和所述导引装置的坐标系的映射关系。
14.根据权利要求13所述的对准系统，其特征在于，所述控制单元还根据所述机械臂的三维坐标信息获取所述关节的位置信息。
15.根据权利要求11所述的对准系统，其特征在于，所述对准系统还包括若干位置获取装置，所述位置获取装置用于获取所述关节的位置信息；所述控制单元与所述位置获取装置通信连接，并接收所述关节的位置信息。
16.一种手术机器人系统，其特征在于，包括手术操作装置和如权利要求11-15中任一项所述的对准系统，所述手术操作装置包括机械臂，所述机械臂的末端用于连接手术器械，所述对准系统用于使所述机械臂与用于为所述手术器械提供手术通道的导引装置进行对准。
17.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器和如权利要求1-9中任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器被配置用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
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