CN114073585A - 机器人系统以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及医疗器械领域，公开一种用于机器人系统的控制方法，机器人系统包括多个运动臂，多个运动臂包括第一运动臂和第二运动臂，控制方法包括：获取第一运动臂的第一末端的当前位姿；基于第一末端的当前位姿以及第二运动臂的第二末端与第一末端的相对位姿关系，确定第二末端的目标位姿，目标位姿包括目标位置和目标姿态；基于第二末端的目标位姿，确定第二运动臂的运动路径；以及基于运动路径，控制第二运动臂的第二末端运动至目标位姿，以使第二末端与第一末端形成相对位姿关系。使运动臂精确、快速、安全地到达目标位姿，以减少术前准备时间，实现高效安全的手术术前准备。

Description

机器人系统以及控制方法

技术领域

本公开涉及医疗器械领域，尤其涉及一种机器人系统以及控制方法。

背景技术

腹腔镜手术是被广泛运用的手术形式，具有创口小等优势。近年来，手术机器人使用运动臂实现更高稳定性和精确性的外科手术。手术中，运动臂将手术器械通过戳卡送入体内(例如人类或动物)的手术部位，实施外科手术。

目前，使用手术机器人实现的手术过程主要包括术前定位、术中操作和术后整理。在术前，通常需要由手术助理(例如助理医生或护师)根据手术类型及手术位姿将运动臂调整到合适的位姿，将运动臂与戳卡固定连接，然后在运动臂的末端设置手术器械，以使手术器械通过戳卡进入体内。运动臂的运动既可以由手术助理从其远端(即靠近患者端处)手动调整，也可以由手术助理或医生通过操作在运动臂近端(即靠近医生控制端处)的控制装置来进行控制。然而，由于运动臂可能体积和重量较大，存在稳定性问题和碰撞风险，尤其在单孔手术中。因此，运动臂调整复杂且耗时。类似地，在术中、术后，运动臂的调整都存在以上问题。

发明内容

在一些实施例中，本公开提供了一种用于机器人系统的控制方法，所述机器人系统包括多个运动臂，所述多个运动臂包括第一运动臂和第二运动臂，所述控制方法包括：获取所述第一运动臂的第一末端的当前位姿；基于所述第一末端的当前位姿以及所述第二运动臂的第二末端与所述第一末端的相对位姿关系，确定所述第二末端的目标位姿，所述目标位姿包括目标位置和目标姿态；基于所述第二末端的目标位姿，确定所述第二运动臂的运动路径；以及基于所述运动路径，控制所述第二运动臂的第二末端运动至所述目标位姿，以使所述第二末端与所述第一末端形成所述相对位姿关系。

在一些实施例中，本公开提供了一种机器人系统，包括：多个运动臂，所述多个运动臂包括第一运动臂和第二运动臂；控制装置，所述控制装置被配置成获取所述第一运动臂的第一末端的当前位姿，基于所述第一末端的当前位姿以及所述第二运动臂的第二末端与所述第一末端的相对位姿关系，确定所述第二末端的目标位姿，所述控制装置还被配置成基于所述第二末端的目标位姿，确定所述第二运动臂的运动路径，以及基于所述运动路径，控制所述第二运动臂的第二末端运动至所述目标位姿，以使所述第二末端与所述第一末端形成所述相对位姿关系。

在一些实施例中，本公开提供了一种计算机可读存储介质，包括一个或多个指令，所述指令由处理器执行已将处理器配置为执行本公开任一实施例所述的控制方法。

在一些实施例中，本公开提供了一种计算机系统，包括：存储器，用于存储至少一个指令；以及处理器，被配置为执行所述至少一个指令以执行本公开任一实施例所述的控制方法。

附图说明

为了清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对本公开实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图仅仅示出本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本公开实施例的内容和这些附图获得其他的实施例。

图1示出了根据本公开一些实施例的机器人系统的结构框图；

图2示出了根据本公开一些实施例的机器人系统的立体结构示意图；

图3示出了根据本公开一些实施例的机器人系统的运动臂的结构示意图；

图4示出了根据本公开一些实施例的辅助连接装置的局部剖面图；

图5示出了根据本公开一些实施例的用于机器人系统的控制方法的流程图；

图6示出了根据本公开一些实施例的机器人系统的另一结构框图；

图7示出了根据本公开一些实施例的用于确定运动臂的运动路径的方法的流程图；

图8示出了根据本公开一些实施例的用于确定运动臂的目标位姿的方法的流程图；

图9示出了根据本公开一些实施例的控制器的架构示意图。

具体实施方式

为使本公开解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本公开实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开示例性实施例，而不是全部的实施例。

在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，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公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本公开的描述中，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”、“耦合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；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。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公开中的具体含义。在本公开中，定义靠近用户(例如医生)的一端为近端、近部或后端、后部，靠近手术患者的一端为远端、远部或前端、前部。本领域技术人员可以理解，本公开的实施例可以用于医疗器械或手术机器人，也可以用于其他非医疗装置。

在本公开中，术语“位置”指对象或对象的一部分在三维空间中的定位(例如，可使用笛卡尔X、Y和Z坐标方面的变化描述三个平移自由度，例如分别沿笛卡尔X轴、Y轴和Z轴的三个平移自由度)。在本公开中，术语“姿态”指对象或对象的一部分的旋转设置(即三个旋转自由度，例如可使用滚转、俯仰和偏转来描述这三个旋转自由度)。在本公开中，术语“位姿”指对象或对象的一部分的位置和姿态的组合，例如可使用以上提到的六个自由度中的六个参数来描述。在本公开中，运动臂或其一部分的位姿是指运动臂或其一部分定义的坐标系相对于运动臂所在的支架、基座定义的坐标系或世界坐标系的位姿。在本公开中，运动臂的位姿可以由当运动臂处于该位姿时，运动臂所包括的多个关节的关节值集合(例如由这些关节值组成的一维矩阵)来表示。在本公开中，关节的关节值指示相应关节相对于相应的关节轴所旋转的角度或者相对于初始位置移动的距离。在本公开中，运动臂或其一部分的运动路径是指运动臂或其一部分从一个位姿移动到另一个位姿所经过的路径。在本公开中，横向或水平方向是指运动臂所在的支架、基座定义的坐标系或世界坐标系中的横向，并且纵向或竖直方向是指运动臂所在的支架、基座定义的坐标系或世界坐标系中的纵向。

图1示出了根据本公开一些实施例的机器人系统10的结构框图。如图1所示，机器人系统10可以包括控制装置11以及与控制装置11连接的多个运动臂。在一些实施例中，如图1所示，多个运动臂可以包括第一运动臂12a和第二运动臂12b。控制装置11可以用于控制第一运动臂12a和第二运动臂12b。例如，控制装置11可以调整第一运动臂12a和第二运动臂12b的运动、位姿、相互协调等。在一些实施例中，第一运动臂12a和第二运动臂12b的末端可以分别包括第一末端(例如，末端臂128a或者末端臂128a的远端)和第二末端(例如，末端臂128b或者末端臂128b的远端)。控制装置11可以控制第一运动臂12a或第二运动臂12b运动，以使第一末端128a或第二末端128b运动至期望的位置和姿态。

本公开文本为了便于简要说明，在图1以及后续附图中将示例性机器人系统10示为包括两个运动臂。但是本领域的技术人应理解，机器人系统10还可以包括三个、四个或更多的运动臂。机器人系统10可以包括手术机器人系统，例如腔镜手术机器人系统。应当理解，机器人系统10还可以包括用于其他领域(例如，制造、机械等等)的专用或通用机器人系统。

图2示出了根据本公开一些实施例的机器人系统10的立体结构示意图。如图2所示，机器人系统10可以包括手术台车13以及设置在手术台车13上的第一运动臂12a和第二运动臂12b。在一些实施例中，手术台车13可以包括基座131和横梁132。在一些实施例中，第一运动臂12a和第二运动臂12b可以活动设置在横梁132上。应当理解，机器人系统10的多个运动臂也可以设置在多个的手术台车上，例如，每个运动臂对应设置在一个手术台车上。或者一个运动臂设置在一个手术台车上，其余多个运动臂设置在另一手术台车上。

在一些实施例中，机器人系统10的每一运动臂(例如第一运动臂12a和第二运动臂12b)可以包括多根连杆以及多个关节串行连接而成。在一些实施例中，每个运动臂的每个关节可以包括电机，用于驱动相应的关节转动，进而带动相应的连杆转动。

图3示出了根据本公开一些实施例的机器人系统10的运动臂的结构示意图。如图3所示，第二运动臂12b(或第一运动臂12a)可以包括关节1201b-1208b和连杆121b-128b。连杆121b的近端(在本公开中靠近横梁132的一端被定义为运动臂的近端)与横梁132连接，连杆121b-127b依次串连。关节1201b可以位于横梁132与连杆121b的近端连接处，关节1202b可以位于连杆121b与第二连杆122b的连接处，关节1203b可以位于连杆122b与连杆123b的连接处，关节1204b可以位于连杆123b与连杆124b的连接处，关节1205b可以位于连杆124b与连杆125b的连接处，关节1206b可以位于连杆125b与连杆126b的连接处，关节1207b可以位于连杆126b与连杆127b的连接处，关节1208b可以位于连杆127b与连杆128b的连接处。连杆128b作为第二运动臂12b的最远端的连杆，形成第二运动臂12b的第二末端臂128b。末端臂的位置和姿态的确定和表示需要前述每个关节共同决定。

在一些实施例中，机器人系统10可以包括一个或多个手术器械14，如图3所示。如图2所示，手术器械14a可以可拆卸地安装在第一运动臂12a的第一末端臂128a上，并且手术器械14b可以可拆卸地安装在第二运动臂12b的第二末端臂128b上。应当理解，手术器械14a和手术器械14b可以包括但不限于用于实施手术的夹钳、电刀或用于进行照明成像的图像捕获设备(例如内窥镜工具)等等。手术器械14a和手术器械14b的一部分可进入人类或动物的某个身体部位内以实施医疗操作，例如手术。

在一些实施例中，如图2所示，机器人系统10还可以包括辅助连接装置15，例如鞘套。辅助连接装置15的一部分可以被定位在人体或动物需要进行手术的身体部位，例如手术口(例如切口或自然开口)，另一部分用于与运动臂(例如与第一、第二运动臂12a、12b的第一、第二末端臂128a、128b)可拆卸地连接，以更好地为手术服务。

图4示出了根据本公开一些实施例的辅助连接装置15的局部剖面图。在一些实施例中，如图4所示，辅助连接装置15可以包括多个鞘管，例如鞘管151和鞘管152。在一些实施例中，辅助连接装置15还可以包括设置在多个鞘管上的多个连接部(例如连接部153和154)。连接部可以包括但不限于夹钳、卡合结构、粘合结构、插拔结构、吸合结构。连接部153和154可以分别固定设置在鞘管151和152上。

在一些实施例中，每个运动臂(例如第一、第二运动臂12a、12b)上可以包括与连接部(例如连接部153和154)配合的连接件(例如图2所示的连接件1281a和1281b)。辅助连接装置15可以通过连接部153和154分别与第一、第二运动臂12a、12b的连接件1281a和1281b可拆卸地固定连接。在一些实施例中，如图2所示，连接件1281a和1281b可以分别固定设置在第一末端臂128a和第二末端臂128b上，连接件1281a和1281b分别与连接部153和连接部154连接，以使辅助连接装置15与第一、第二运动臂12a、12b可拆卸固定连接。

应当理解，第一运动臂12a的末端(例如，第一末端臂128a、第一末端臂128a的远端、远端运动中心(RCM)或连接件1281a)和第二运动臂12b的末端(例如，第二末端臂128b、第二末端臂128b的远端、远端运动中心或连接件1281b)的位姿可以是末端坐标系相对于运动臂所在的支架、基座(例如，手术台车10)的坐标系或世界坐标系的位姿。在一些实施例中，多个运动臂的末端的相对位姿关系可基于当前手术类型或辅助连接装置的构型。例如，基于当前手术类型可以确定辅助连接装置的构型。基于辅助连接装置的构型，确定辅助连接装置的多个鞘管之间的形状和相对位置关系，以确定多个运动臂的末端的相对位姿关系。例如，可基于鞘管151和152的形状和相对位置关系，确定第一运动臂12a的末端和第二运动臂12b的末端的相对位姿关系。第一运动臂12a与第二运动臂12b的末端的相对位姿关系可指示第一运动臂12a的末端和第二运动臂12b的末端的相对位置关系和相对姿态关系。例如，末端的相对位姿关系可以包括例如第一运动臂12a的第一末端臂128a或第一末端臂128a的一部分和第二运动臂12b的第二末端臂128b或第二末端臂128b的一部分之间的相对位姿关系。或者，末端的相对位姿关系还可以包括安装在第一末端臂128a和第二末端臂128b上的手术器械14a和14b之间的相对位姿关系。或者，末端的相对位姿关系还可以包括固定设置在第一末端臂128a和第二末端臂128b上的连接件1281a和1281b之间的相对位姿关系。在一些实施例中，相对位姿关系可以存储在相关联的相对位姿模型中，以用于计算第二运动臂12b的末端(例如末端臂128b或其一部分、安装在末端臂128b上的手术器械14b或固定设置在末端臂128b上的连接件1281b)的目标位姿。由于连接件1281a和1281b分别固定在第一末端臂128a和第二末端臂128b上，因此在第一末端臂128a和第二末端臂128b符合末端的相对位姿关系时，连接件1281a和1281b可以分别与连接部153和154连接。

应当理解，第一运动臂12a运动至目标位姿，可以确定安装于第一运动臂12a末端的手术器械14a的目标位姿，并且第二运动臂12b运动至目标位姿，可以确定安装于第二运动臂12b末端的手术器械14b的目标位姿。本公开的一些实施例中，每个运动臂的末端(例如第一、第二末端臂128a、128b，以及固定设置的在第一、第二运动臂12a、12b上的连接件1281a、1281b、安装在第一、第二运动臂12a、12b上的手术器械14a、14b)的目标位置或姿态可以通过相应运动臂所包括的多个关节中的一个或多个关节实现。在一些实施例中，运动臂的末端(例如第一、第二末端臂128a、128b)用于实现目标姿态的多个关节相对于该运动臂的用于实现目标位置的多个关节更靠近运动臂的远端。应当理解，实现运动臂的末端的目标姿态和目标位置的多个关节还可以包括其他设置方式，可以根据具体需求来设置。

在一些实施例中，手术器械安装到末端臂后，手术器械14a和14b可以通过辅助连接装置15的鞘管151和152，分别穿过鞘管151和152，沿鞘管151和152进入人体内，并且实现目标位姿。在一些实施例中，辅助连接装置15的鞘管151和152可以是柔性的，并且手术器械14a、14b延伸穿过辅助连接装置15的部分也是柔性的，可以便于在第一末端臂128a和第二末端臂128b偏离相对位姿关系时，辅助连接装置15上的连接部153、154可以与每个运动臂上的连接件1281a、1281b连接。辅助连接装置15的柔性部分可以在末端臂的位姿具有一定误差的情况下，便于每个手术器械可以通过鞘管进入手术区域。

在术前准备过程中进行运动臂的摆位时，可以使第一运动臂12a和第二运动臂12b中的一个，例如第一运动臂12a，运动到合适位姿。例如，合适位置可以包括适合手术的位姿，其可以指运动臂的末端(例如第一、第二末端臂128a、128b)具备适合手术操作的位置和姿态。第二运动臂12b根据已到位的第一运动臂12a，运动到与之对应配合的合适位姿，以使第二运动臂12b的末端也具备适合手术操作的位置和姿态。在一些实施例中，第一运动臂12a和第二运动臂12b之间的对应关系受与第一运动臂12a和第二运动臂12b连接的辅助连接装置15约束。应当理解，对于不同的手术术式和手术部位，可选取不同的辅助连接装置，并且对于不同的辅助连接装置而言，多个鞘管的形状以及它们之间的相对位置关系可以不同，由此期望实现的第一运动臂12a的末端与第二运动臂12b的末端之间的相对位姿关系也因此不同。

应当理解，如图4所示的辅助连接装置15仅仅是示例性的。在一些实施例中，机器人系统10可以包括三个、四个或更多的运动臂，辅助连接装置15可包括三个、四个或更多的鞘管，每个鞘管上包括相应的连接部，以便用于每个鞘管与每个运动臂连接，并约束多个运动臂的末端之间的相对位姿关系。

本公开提供了一种可以用于机器人系统的控制方法。图5示出了根据本公开一些实施例的用于机器人系统10的控制方法500的流程图。图6示出了根据本公开一些实施例的机器人系统10的另一简化框图。如图5和图6所示，该方法500可以由用于机器人系统10的控制装置(例如控制装置11)来执行，可以由软件、固件和/或硬件来实现。控制装置11可以由计算设备来实现。

如图5所示，在步骤501，获取第一运动臂的第一末端的当前位姿。例如获取机器人系统10的第一运动臂12a的第一末端(例如，第一末端臂128a)的当前位姿。在一些实施例中，如图6所示，控制装置11可与各运动臂(例如，第一运动臂和第二运动臂12a、12b)通信连接。在一些实施例中，如图6所示，第一运动臂12a还可以包括一个或多个传感器129a。关节1201-1208a的电机可以分别与多个传感器129a连接。第二运动臂12b还可以包括一个或多个传感器129b。关节1201-1208b的电机可以分别与多个传感器129b连接。图6示例性地示出一个传感器，应当理解，图示的传感器129a和129b可以表示多个传感器。传感器129a和129b可以包括但不限于例如编码器、或电位计。传感器可以用于获取对应运动臂的多个关节的关节值，以得到运动臂的当前位姿。传感器129a和129b可以包括延伸设置在运动臂上的光纤传感器，用于感测运动臂12a和12b的位姿。应当理解，当前位姿可以包括当前姿态和当前位置。

在一些实施例中，如图6所示，控制装置11可以包括一个或多个处理器111和存储器112。处理器111可以与第一运动臂12a的多个传感器129a通信连接，以通过多个传感器129a获得第一运动臂12a的各个关节1201-1208a的当前关节值。处理器111可以与第二运动臂12b的多个传感器129b通信连接，以通过多个传感器129b获得第二运动臂12b的各个关节1201-1208b的当前关节值。在一些实施例中，处理器111可以基于第一、第二运动臂12a、12b的正运动学模型，对各个关节的当前关节值进行解算，以得到第一、第二运动臂12a、12b的当前位姿。在一些实施例中，运动臂的正运动学模型可以预先设置并存储在存储器112中。运动臂的正运动学模型可以基于运动臂已知的所有关节变量(例如关节值)，确定运动臂末端的位姿(例如第一、第二末端臂128a、128b、固定设置的在第一、第二运动臂12a、12b上的连接件1281a、1281b、安装在第一、第二运动臂12a、12b上的手术器械14a、14b的位姿)。

在步骤503，可任选地确定第二运动臂的第二末端与第一末端的相对位姿关系。在一些实施例中，可以基于输入信息，确定机器人系统10的第二运动臂14b的第二末端(例如第二末端臂128b)与第一运动臂14a的第一末端(例如第一末端臂128a)的相对位姿关系。在一些实施例中，输入信息可以包括当前手术类型以及辅助连接装置15(例如鞘套)的构型。在一些实施例中，当前手术类型可以是当前需进行手术的类型，例如，手术类型可以包括但不限于普外科手术、胸外科手术、泌尿外科手术、妇科手术等。在一些实施例中，鞘套的构型可以包括鞘套的类型，例如不同术式下的鞘套的规格和型号(规格和型号可以包括但不限于例如鞘套的长度、径向尺寸、孔径大小、鞘管数量、多个鞘管设置的相对位置关系等)。不同构型的鞘套可以与不同的运动臂相对位姿关系相关联。

在一些实施例中，控制装置11还可以包括输入装置113。输入信息可以由用户通过输入装置113输入。在一些实施例中，输入装置113可以包括用户接口，例如键盘、触摸屏、按钮、话筒等。在一些实施例中，输入装置113可以包括一个或多个按钮，例如按钮可以包括但不限于“选择键”、“确认键”、“启停键”、“上一步和“下一步”等。在一些实施例中，输入装置113还可以包括触摸屏，用户也可以通过触屏的方式进行选择和输入。在一些实现中，输入装置113还可用于接收来自用户的设置信息(例如当前手术类型、辅助连接装置的构型、相对位姿模型或其他设置信息等)。

在一些实施例中，通过输入信息确定当前手术类型或辅助连接装置的构型，以确定在当前手术类型或辅助连接装置的构型的情况下，第一运动臂12a的第一末端与第二运动臂臂12b的第二末端的相对位姿关系。应当理解，末端的相对位姿关系可以是第一末端臂128a与第二末端臂128b之间的相对位置关系以及相对姿态关系。在一些实施例中，手术器械14a、14b可以安装于第一、第二末端臂128a、128b上，手术器械14a、14b之间的相对位姿关系可以通过第一运动臂12a的第一末端臂128a和第二运动臂12b的第二末端臂128b的末端臂相对位姿关系来确定。或者，末端的相对位姿关系可以是连接件1281a和1281b的连接件相对位姿关系。

在步骤505，基于第一末端的当前位姿以及第二末端与第一末端的相对位姿关系，确定第二末端的目标位姿。例如，可以基于第一末端臂128a的当前位姿，以及第二末端臂128b与第一末端臂128a的相对位姿关系，确定第二末端臂128b的目标位姿。目标位姿包括目标姿态和目标位置。在一些实施例中，第二末端的目标位姿可以是第二末端臂128b(或第二末端臂128b的远端)的位置和姿态。或者，第二末端的目标位姿可以是沿第二末端臂128b的远端运动中心(RCM)的位姿。或者，第二末端的目标位姿可以是设置在第二末端臂128b上用于与辅助连接装置15连接的连接件1281b的位姿。应当理解，连接件1281b的位置可以包括距离辅助连接装置15预设距离范围内的位置，预设距离可以包括但不限于10cm等。例如在目标位姿，第二末端臂128b和第一末端臂128a(例如第一、第二末端臂128a、128b上的连接件1281a和1281b)可以分别与辅助连接装置15(例如鞘管151、152上的连接部153、154)连接。在一些实施例中，在第二末端臂128b上设置有手术器械14b时，在目标位姿，手术器械14a、14b可以分别通过辅助连接装置15(例如鞘管151、152)按特定相对位姿关系进入手术部位。

在步骤507，基于第二末端的目标位姿，确定第二运动臂的运动路径。例如，可以基于第二末端臂128b的目标位姿，确定第二运动臂12b的运动路径。应当理解，运动路径可以包括第二运动臂12b的多个关节的路径。在一些实施例中，可以采用如图7所示的方法700确定运动臂的运动路径。

在步骤509，基于运动路径，控制第二运动臂的第二末端运动至目标位姿，以使第二末端与第一末端形成相对位姿关系。例如，可以基于第二运动臂12b的运动路径，控制第二运动臂12b运动至目标位姿，以使第二末端臂128b与第一末端臂128a形成相对位姿关系。在一些实施例中，控制装置11可以基于运动路径控制第二运动臂12b的多个关节运动，以使第二运动臂12b按设定的运动路径运动至目标位姿，第二末端臂128b与第一末端臂128a形成期望的相对位姿关系。在目标位姿，第一末端臂128a与第二末端臂128b能够分别与辅助连接装置15的鞘管151和152连接。

在一些实施例中，方法500还可以包括：在第二运动臂运动至目标位姿的过程中，判断第二运动臂与多个运动臂的其他运动臂是否发生干涉关系。响应于第二运动臂与多个运动臂的其他运动臂会发生干涉关系，发出警报信息。这样可以避免造成第二运动臂12b与其他运动臂发生碰撞。在一些实施例中，警报信息可以通过显示屏显示。在一些实施例中，报警信息还可通过手术台车4的其他输出模块(例如音箱、报警指示灯等)来输出。例如，当运动臂之间会发生干涉关系时，音箱可以发出报警声、报警指示灯闪烁等。根据报警信息，用户可及时查看报警信息，及时解决问题，以便于提示用户实时了解第二运动臂12b运动过程中可能出现的各种情况。

图7示出了根据本公开一些实施例的用于确定运动臂的运动路径的方法700的流程图。该方法700可以由机器人系统10的控制装置(例如，图1或图6所示的控制装置11)来执行，可以由软件、固件和/或硬件来实现。例如，用于机器人系统10的控制装置11可以包括处理器(例如，图6所示的处理器111)，被配置为执行方法700。方法700可以用于实现例如图5所示的步骤507，确定第二运动臂12b的运动路径。

如图7所示，在步骤701，获取第二运动臂的初始位姿。在一些实施例中，第二运动臂12b的初始位姿可通过利用安装在第二运动臂12b的各个关节处的传感器获得第二运动臂12b的各个关节的初始关节值来获取。应当理解，初始位姿也可以包括第二运动臂12b的当前位姿。

在步骤703，基于第二末端的目标位姿以及第二运动臂的逆运动学模型，确定第二运动臂的目标位姿。例如，可以通过基于第二末端臂128b的目标位姿对第二运动臂12b的逆运动学模型进行解算，以确定第二运动臂12b的目标位姿。应当理解，运动臂的逆运动学模型可以用于在已知运动臂的任一部分位姿的情况下，求解运动臂的各关节值。运动臂的逆运动学模型可以是预定的。应当理解，基于第二末端臂128b的目标位姿，可以确定第二末端臂128b在该目标位姿时的目标关节值。通过第二末端臂128b的目标关节值，利用第二运动臂12b的逆运动学模型，可以确定第二运动臂12b的其他关节的其余关节值，从而可以得到第二运动臂12b的目标位姿。例如，如图8所示的方法可以用于确定第二运动臂的目标位姿。

在步骤707，基于第二运动臂的初始位姿和目标位姿，确定第二运动臂的运动路径。在一些实施例中，例如，基于第二运动臂12b的初始位姿和目标位姿，可以利用插值法来规划第二运动臂12b从其初始位姿运动到其目标位姿的运动路径。

在一些实施例中，方法700还可以包括步骤705。在步骤705，判断第二运动臂和多个运动臂的其他运动臂之间是否会形成干涉关系。例如，在规划第二运动臂12b的运动路径的过程中，判断第一运动臂12a和第二运动臂12b之间或者多个第二运动臂12b之间是否会形成干涉关系。干涉关系可以包括例如第二运动臂12b与第一运动臂12a之间会发生碰撞等。

在一些实施例中，方法700还可以包括步骤709和步骤711。在步骤709，控制第二运动臂运动至目标位姿。例如，响应于第一运动臂12a和第二运动臂12b之间不会形成干涉关系，控制第二运动臂12b运动至目标位姿。在步骤711，发出警报信息。例如，响应于第一运动臂12a和第二运动臂12b之间会形成干涉关系，发出警报信息。在一些实施例中，警报信息可以包括但不限于通过以下至少一种方式显示：显示屏显示、语音播报显示、报警指示灯显示。

图8示出了根据本公开一些实施例的用于确定运动臂的目标位姿的方法800的流程图。该方法800可以由机器人系统10的控制装置(例如，图1或图6所示的控制装置11)来执行，可以由软件、固件和/或硬件来实现。例如，用于机器人系统10的控制装置11可以包括处理器(例如，图6所示的处理器111)，被配置为执行方法800。方法800可以用于实现例如图7所示的步骤703，以确定第二运动臂12b的目标位姿。

如图8所示，在步骤801，选择第二运动臂的多个关节之一作为特征关节，并且设置特征关节的推荐目标关节值。在一些实施例中，所选的第二运动臂12b的特征关节可以为第二运动臂12b的多个关节中容易与第一运动臂12a发生碰撞的关节，例如图3所示的关节1205b或1206b。应当理解，在机器人系统10包括多个运动臂(例如三个或四个运动臂)时，不同的运动臂的特征关节的推荐目标关节值可以不同。推荐目标关节值可以是预先确定的。

在步骤803，基于推荐目标关节值、第二末端的目标位姿以及第二运动臂的逆运动学模型，确定第二运动臂的其他关节的其他目标关节值。应当理解，其他目标关节值可以包括第二运动臂12b的除特征关节外的所有其他关节的目标关节值。例如，基于第二运动臂12b的第二末端臂128b的目标位姿和推荐关节(例如，关节1205b)的推荐目标关节值，对第二运动臂12b的逆运动学模型进行解算，以获得第二运动臂12b的所有其他关节的其他目标关节值。

在一些实施例中，方法800还可以包括步骤805。在步骤805，判断第二运动臂的其他目标关节值是否都在相应关节的关节运动范围之内。应当理解，运动臂的每一关节具有一定的运动范围，各个关节的关节运动范围包括相应关节的最小极限关节值和最大极限关节值之间的范围。在一些实施例中，最小极限关节值以及最大极限关节值可以不在关节运动范围之内。例如而非作为限制，有的关节在18度到45度之间运动，有的关节在45度到90度之间运动，还有的关节在-90度到-45度之间运动等等。

在一些实施例中，方法800还可以包括步骤807。在步骤807，将推荐目标关节值递增或递减预设的调整值，以调整第二运动臂的推荐目标关节值。例如，响应于第二运动臂12b的其他目标关节值中的至少一个不在相应关节的关节运动范围之内，将推荐目标关节值递增或递减预设的调整值，以调整第二运动臂12b的推荐目标关节值。在一些实施例中，可以将调整值设置为例如0.2°或0.5°等等来调整推荐目标关节值。应理解，0.2°或0.5°仅作为示例，调整值还可以设置为其他值。递增或递减预设的调整值，直到有解或者达到特征关节的关节运动范围(可以不包括极限值)。例如，有解可以表示推荐目标关节值在特征关节的关节运动范围之内。

在一些实施例中，方法800还可以包括步骤809。在步骤809，判断调整后的推荐目标关节值是否在特征关节的关节运动范围之内。

在一些实施例中，方法800还可以包括步骤811。在步骤811，选择调整后的推荐目标关节值作为推荐目标关节值。例如，响应于调整后的推荐目标关节值在特征关节的关节运动范围之内，选择调整后的推荐目标关节值作为推荐目标关节值，返回步骤803。

在一些实施例中，方法800还可以包括步骤813。在步骤813，调整第一末端的当前位姿。例如，响应于调整后的推荐目标关节值不在特征关节的关节运动范围之内，表示当前过程无解。这样，可以通过指令，在预设的补偿范围内调整第一末端臂128a的当前位姿，然后重新执行本公开所描述的控制方法(例如，图5所示的控制方法500)，直至得到第二运动臂12b的运动路径为止。应当理解，指令可以由用户通过用户接口产生，以控制第一运动臂12a的一个或多个关节运动，以改变第一末端臂128a的当前位姿。

在步骤817，基于推荐目标关节值和其他目标关节值，确定第二运动臂的目标位姿。例如，响应于第二运动臂12b的其他目标关节值都在相应关节的关节运动范围之内，选择推荐目标关节值和其他目标关节值的集合作为第二运动臂12b的目标关节值。通过确定第二运动臂12b的目标关节值，可以确定第二运动臂12b的目标位姿。

在一些实施例中，可选地，方法800还可以包括步骤815。在步骤815，判断第二运动臂与多个运动臂的其他运动臂之间是否会形成干涉关系。例如，响应于第二运动臂12b的所有的其他目标关节值都在相应关节的关节运动范围之内，判断第二运动臂12b与第一运动臂12a之间是否会形成干涉关系。在一些实施例中，响应于第二运动臂12b与第一运动臂12a之间不会形成干涉关系，执行步骤817。在一些实施例中，响应于第二运动臂12b与第一运动臂12a之间会形成干涉关系，返回步骤807。

在一些实施例中，在推荐目标关节值和其他目标关节值有多组满足条件的解(例如有多组满足条件的第二运动臂12b的目标关节值)时，可以选择第二运动臂12b的各关节与第一运动臂12a发生干涉的概率最低的一组解，作为第二运动臂12b的目标关节值。应当理解，可以根据第二运动臂12b的推荐目标关节值和其他目标关节值与第一运动臂对应关节值之间的距离，来确定发生干涉的概率以及判断是否发生干涉。例如，距离越大，则表示发生干涉的概率越低。

图9示出了根据本公开的实施例的包括在医疗设备控制系统10中的控制装置11的架构示意图。在一些实施例中，如图9所示，该控制装置11可包括输入装置113、输出装置114、一个或多个存储器112、一个或多个处理器111以及通信接口115。在一些实施例中，控制装置11也可不包括输出装置。

在一些实施例中，输入装置113可以包括但不限于按钮、键盘、触摸屏、话筒等装置。输入装置可以被配置成用于直接接收来自用户的操作命令，或者接收来自用户的操作指示使得控制装置能够基于该操作指示而获取具体的操作命令。操作命令可以包括例如命令第二末端臂128b运动到与第一末端臂128a形成期望相对位姿关系的位姿的命令。在一些实施例中，输入装置113还可用于接收来自用户的设置信息，例如当前手术类型、辅助连接装置的构型、相对位姿模型等的设置信息等。

在一些实施例中，输出装置114可以包括但不限于显示器、扬声器和指示灯等，其可被配置成用于指示机器人系统10的各个组成部分的状态、输出错误警报信号等等。

在一些实施例中，存储器112中可存储可在处理器111上执行的计算机程序。处理器111在执行计算机程序时实现上述实施例中描述的控制方法。存储器112和处理器111的数量可以为一个或多个。通信接口115用于在该控制装置11(例如控制装置11的处理器111)和外部设备之间进行通信。在本公开中，控制装置11可例如通过通信接口115与设置在各运动臂(例如第一运动臂12a、第二运动臂12b)的各个关节中的电机进行通信，从而指令各运动臂运动到相应的目标位置，控制装置11还可例如通过通信接口115与运动臂的各个关节处的传感器进行通信，以接收运动臂的各个关节的关节值。在本公开的一个示例中，该通信接口115可以为CAN(Controller Area Network)总线通信接口，其使得控制装置11能够通过CAN总线与设置在各关节的电机以及传感器连接通信。

如图9所示，输入装置113、输出装置114、存储器112、处理器111和通信接口115可通过总线相互连接，以完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(ISA，IndustryStandard Architecture)总线，外部设备互连(PCI，Peripheral Component)总线或扩展工业标准体系结构(EISA，Extended Industry Standard Component)总线等等。

在一些实施例中，处理器111可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。

在一些实施例中，控制装置11可以与基座131集成在一起并位于基座131内(例如基座131下方)，以便节约空间。但是在实际应用中，控制装置11还可以与基座131分开设置，或者控制装置11可部分与基座131集成在一起，另一部分与基座131分开。或者控制装置11也可采用其他设置方式，与各个运动臂通信连接并能对各运动臂进行控制。

在一些实施例中，本公开提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质可以包括至少一个指令，至少一个指令由处理器执行以将处理器配置为执行以上任何实施例中的控制方法。

在一些实施例中，本公开提供了一种计算机系统，可以包括非易失性存储介质和至少一个处理器。非易失性存储介质可以包括至少一个指令。处理器被配置为执行至少一个指令以将处理器配置为执行以上任何实施例中的控制方法。

在一些实施例中，计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。

在一些实施例中，计算机可读取存储介质可以包括但不限于：便携式计算机盘、硬盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或其他固态存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)、HD-DVD、蓝光(Blue-Ray)或其他光存储设备、磁带、磁盘存储或其他磁性存储设备、或能用于存储所需信息且可以由计算机访问的任何其他介质，其上存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令在机器(例如计算机设备)中运行时，使得机器执行本公开的控制方法。应当理解，计算机设备可以包括个人计算机、服务器或者网络设备等。

本公开的一些实施例，能够有助于优化术前准备过程中运动臂的摆位，可以根据一个运动臂的实时位姿计算出其他运动臂的目标位姿并使其运动至该目标位姿，从而实现自动化程度较高的术前摆位过程。

本公开的一些实施例，在实时计算出其他运动臂的目标位姿后，还可以以特定的规划方式使该运动臂精确、快速、安全地到达目标位置，从而实现高效安全的手术术前准备。

注意，上述仅为本公开的示例性实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本公开不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本公开的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本公开进行了较为详细的说明，但是本公开不仅仅限于以上实施例，在不脱离本公开构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本公开的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (16)

1.一种用于机器人系统的控制方法，所述机器人系统包括多个运动臂，所述多个运动臂包括第一运动臂和第二运动臂，所述控制方法包括：

获取所述第一运动臂的第一末端的当前位姿；

基于所述第一末端的当前位姿以及所述第二运动臂的第二末端与所述第一末端的相对位姿关系，确定所述第二末端的目标位姿，所述目标位姿包括目标位置和目标姿态；

基于所述第二末端的目标位姿，确定所述第二运动臂的运动路径；以及

基于所述运动路径，控制所述第二运动臂的第二末端运动至所述目标位姿，以使所述第二末端与所述第一末端形成所述相对位姿关系。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，基于所述第二末端的所述目标位姿确定所述第二运动臂的运动路径包括：

获取所述第二运动臂的初始位姿；

基于所述第二末端的目标位姿以及所述第二运动臂的逆运动学模型，确定所述第二运动臂的目标位姿；以及

基于所述第二运动臂的所述初始位姿和所述目标位姿，确定所述第二运动臂的运动路径。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，基于所述第二末端的目标位姿以及所述第二运动臂的逆运动学模型确定所述第二运动臂的目标位姿包括：

选择所述第二运动臂的多个关节之一作为特征关节；

设置所述特征关节的推荐目标关节值；以及

基于所述第二末端的目标位姿、所述推荐目标关节值以及所述逆运动学模型，确定所述第二运动臂的其他关节的其他目标关节值。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：

判断所述其他目标关节值是否在相应关节的关节运动范围之内；

响应于所述其他目标关节值中的至少一个不在相应关节的关节运动范围之内，将所述推荐目标关节值递增或递减预设的调整值，以调整所述推荐目标关节值。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，还包括：

响应于所述其他目标关节值都在相应关节的关节运动范围之内，基于所述推荐目标关节值和所述其他目标关节值，确定所述第二运动臂的目标位姿。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：

响应于经调整的推荐目标关节值不在所述特征关节的关节运动范围之内，根据指令调整所述第一末端的当前位姿。

7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，还包括：

判断所述第二运动臂与所述多个运动臂的其他运动臂之间是否会形成干涉关系；以及

响应于所述第二运动臂与所述多个运动臂的其他运动臂之间会形成干涉关系，将所述推荐目标关节值递增或递减预设的调整值，以调整所述推荐目标关节值。

8.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述特征关节为所述第二运动臂的多个关节中易于与所述多个运动臂的其他运动臂发生碰撞的关节。

9.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，基于第二末端的所述目标位姿确定所述第二运动臂的运动路径还包括：

基于插值法，确定所述第二运动臂从所述初始位姿到所述目标位姿的所述运动路径。

10.根据权利要求1-9任一项所述的控制方法，其特征在于，

判断所述第二运动臂和所述多个运动臂的其他运动臂之间是否会形成干涉关系；以及

响应于所述第二运动臂和其他运动臂之间会形成干涉关系，发出警报信息。

11.根据权利要求1-9任一项所述的控制方法，其特征在于，还包括：

确定所述第二运动臂的第二末端与所述第一末端的相对位姿关系。

12.一种机器人系统，包括：

多个运动臂，所述多个运动臂包括第一运动臂和第二运动臂；

控制装置，所述控制装置被配置成执行如权利要求1-11任一项所述的控制方法。

13.根据权利要求12所述的机器人系统，其特征在于，所述机器人系统还包括辅助连接装置，所述辅助连接装置至少包括与所述第一末端连接的第一鞘管和与所述第二末端连接的第二鞘管，所述控制装置被配置成基于所述第一鞘管和所述第二鞘管的形状及其相对位置关系，确定所述第一末端和所述第二末端的相对位姿关系。

14.根据权利要求13所述的机器人系统，其特征在于，所述第一鞘管上设置有第一辅助连接部，所述第二鞘管上设置有第二辅助连接部；

所述第一末端上设有第一臂体连接部，所述第二末端上设有第二臂体连接部，所述第一鞘管能通过所述第一辅助连接部与所述第一臂体连接部连接，所述第二鞘管通过所述第二辅助连接部与所述第二臂体连接部连接。

15.一种计算机可读存储介质，包括一个或多个指令，所述指令由处理器执行已将处理器配置为执行如权利要求1-11任一项所述的控制方法。

16.一种计算机系统，包括：

存储器，用于存储至少一个指令；以及

处理器，被配置为执行所述至少一个指令以执行如权利要求1-11中的任一项所述的控制方法。

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