CN114129266B - 保持rc点不变的方法、机械臂、设备、机器人和介质 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种保持手术机器人远程操纵中心RC点在参考坐标系中位置不变的方法，手术机器人包括处理器、调整臂和旋风关节，调整臂包括多个关节，方法由处理器执行，包括：接收用户输入，用户输入用于执行对旋风关节的调整；控制旋风关节根据用户输入进行角度调整；根据旋风关节进行的角度调整，计算调整臂的至少三个关节的目标位置；根据关节的目标位置，控制调整臂的至少三个关节进行位置调整，使RC点在所述参考坐标系中的位置维持不变。本申请还公开了一种机械臂、从操作设备、手术机器人以及计算机可读存储介质。本申请可以使手术器械的长轴与患者身上的微创切口之间的接触点保持不动，从而避免对患者伤口造成撕拉。

Description

保持RC点不变的方法、机械臂、设备、机器人和介质

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种保持RC点在在参考坐标系中位置不变的方法、机械臂、从操作设备、手术机器人以及计算机可读存储介质。

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。微创手术机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台用于根据医生的操作向从操作设备发送控制命令，以控制从操作设备，从操作设备用于响应主操作台发送的控制命令，并进行相应的手术操作。手术器械与从操作设备的驱动装置连接，用于执行外科手术，所述手术器械具有长轴以及位于所述长轴末端的终端执行器。理论上，手术器械在执行手术过程中。长轴与患者身上的微创切口之间的接触点应保持不动，以避免对患者伤口造成撕拉。

但是，目前的技术不能确保该接触点在患者的微创切口处保持不动。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种保持RC点在在参考坐标系中位置不变的方法、机械臂、从操作设备、手术机器人以及计算机可读存储介质，旨在实现手术器械的长轴与患者身上的微创切口之间的接触点保持不动，以避免对患者伤口造成撕拉。

为实现上述目的，本申请提供一种保持手术机器人远程操纵中心RC点在参考坐标系(F₀)中位置不变的方法，所述手术机器人包括处理器、调整臂和旋风关节，所述调整臂包括多个关节，所述方法由处理器执行，包括：

接收用户输入，所述用户输入用于执行对所述旋风关节的调整；

控制所述旋风关节根据所述用户输入进行角度调整；

根据所述旋风关节进行的角度调整，计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置；

根据所述关节的目标位置，控制所述调整臂的至少三个关节进行位置调整，使所述RC点在所述参考坐标系中的位置维持不变。

可选地，所述根据所述旋风关节进行的角度调整，计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置的步骤，包括：

获取所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置，和从所述参考坐标系(F₀)到调整臂坐标系(F_a)的常量变换(T_0a)；

获取所述旋风关节的角度值；

基于所述旋风关节的角度值，计算从旋风关节坐标系(F_b)到RC点坐标系(F_c)的第一变换(T_bc)；

基于所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置、所述常量变换(T_0a)和所述第一变换(T_bc)，计算从所述调整臂坐标系(F_a)到所述旋风关节坐标系(F_b)的第二变换(T_ab)；以及，

基于所述第二变换(T_ab)，计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置。

可选地，所述获取RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置的步骤，包括：

通过运动学计算，获取从所述参考坐标系(F₀)到所述RC点坐标系(F_c)的第三变换(T_0c)；

根据所述第三变换(T_0c)获取所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置。

可选地，所述获取旋风关节的角度值的步骤包括：

从关节编码器中获取旋风关节的角度值；

所述关节编码器包括位置传感器，所述位置传感器用于测量所述关节编码器所在关节的角度值。

可选地，所述计算从旋风关节坐标系(F_b)到RC点坐标系(F_c)的第一变换(T_bc)的步骤包括：

基于所述旋风关节的角度值，确定从旋风关节坐标系(F_b)到RC点坐标系(F_c)的第一变换(T_bc)。

可选地，所述计算从所述调整臂坐标系(F_a)到所述旋风关节坐标系(F_b)的第二变换(T_ab)的步骤包括：

基于坐标变换关系，构建所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置计算模型；

沿XYZ三个方向对所述计算模型展开得到三个方程；

所述方程包括以调整臂的关节的目标位置为未知变量的多元一次方程组。

可选地，所述基于坐标变换关系，构建所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置计算模型的步骤包括：

P_0c＝R_0a*R_ab*P_bc+R_0a*P_ab+P_0a，其中，

P_0c：变换T_0c的位置分量；R_0a：变换T_0a的姿态分量；P_0a：变换T_0a的位置分量；R_ab：变换T_ab的姿态分量；P_ab：变换T_ab的位置分量；R_bc：变换T_bc的姿态分量；P_bc：变换T_bc的位置分量。

可选地，所述沿XYZ三个方向对所述计算模型展开得到三个方程的步骤包括：

将公式P_0c＝R_0a*R_ab*P_bc+R_0a*P_ab+P_0a，按X、Y、Z各位置分量展开后，可得到如下方程组，即补偿求解模型：

其中，P_x、P_y、P_z分别是RC点位置P_0c的X、Y、Z方向的三个分量，f₁、f₂、f₃表示对应的计算函数，均和所述调整臂的各关节位置(θ₁,θ₂…θ_i)相关。

可选地，所述计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置的步骤包括：根据所述补偿求解模型，计算得到所述调整臂的各关节的目标位置。

可选地，所述调整臂包括第一旋转关节、第一直线关节、第二旋转关节和第二直线关节，或所述调整臂包括所述第一直线关节、所述第二旋转关节和所述第二直线关节。

可选地，所述第一旋转关节的位置θ₁为常量，根据所述补偿求解模型得到所述第一直线关节、所述第二旋转关节和所述第二直线关节的目标位置(θ₂,θ₃,θ₄)：

为实现上述目的，本申请还提供一种机械臂，与定向平台连接，包括：

调整臂，与所述定向平台连接，所述调整臂包括多个关节；

旋风关节，与所述调整臂连接，穿过所述旋风关节的轴线为旋风轴线；

处理器，与所述旋风关节和所述调整臂连接；

所述处理器，用于执行如上所述的方法。

为实现上述目的，本申请还提供一种从操作设备，包括定向平台，所述从操作设备包括如上所述的机械臂，所述机械臂连接于所述定向平台。

为实现上述目的，本申请还提供一种手术机器人，所述手术机器人包括如上所述的从操作设备；以及主操作设备，所述主操作设备用于控制所述从操作设备。

为实现上述目的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有保持RC点在参考坐标系(F₀)中位置不变的程序，所述保持RC点在参考坐标系(F₀)中位置不变的程序被处理器执行时实现如上所述的保持RC点在参考坐标系(F₀)中位置不变的步骤。

本申请提供的保持RC点在在参考坐标系中位置不变的方法、机械臂、从操作设备、手术机器人以及计算机可读存储介质，通过接收用户输入，控制所述旋风关节根据所述用户输入进行角度调整，然后根据所述旋风关节进行的角度调整，计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置，再根据所述关节的目标位置，控制所述调整臂的至少三个关节进行位置调整，使所述RC点在所述参考坐标系中的位置维持不变。如此，可以使手术器械的长轴与患者身上的微创切口之间的接触点保持不动，从而避免对患者伤口造成撕拉。

附图说明

图1为本申请手术机器人一实施例的结构示意图；

图2为图1中主操作台一实施例的结构示意图；

图3为图1中电子设备推车一实施例的结构示意图；

图4为图1的框架结构示意图；

图5为图1中从操作设备一实施例的简化结构示意图；

图6为图1中从操作设备又一实施例的简化结构示意图；

图7为本申请从操作设备一实施例的简化结构示意图；

图8为本申请机械臂一实施例的简化结构示意图；

图9为图5中手术器械一实施例的结构示意图；

图10为本申请操作臂和调整臂一实施例的结构示意图；

图11为本申请保持RC点在参考坐标系(F₀)中位置不变的一实施例的方法流程示意图；

图12为本申请调整臂进行补偿运动的一实施例流程示意图；

图13为本申请实施例提供的机械臂、从操作设备或手术机器人的硬件结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，除非另有明确的限定。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申请中的具体含义。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

术语“器械”在文中被用来描述医疗设备，该医疗设备用于插入患者身体并用于执行外科手术或诊断程序，该器械包括末端执行器，末端执行器可以是用于执行外科手术相关的外科手术器械，例如电烧灼器、钳夹器、吻合器、剪割器、成像设备(例如内窥镜或超声探头)以及类似物。本申请实施例中使用的一些器械进一步包括为末端执行器提供了铰接部件(例如关节组件)，使得末端执行器的位置和取向能够以相对于器械轴一个或多个机械自由度被操控而运动。进一步地，末端执行器包括还包括功能性机械自由度，例如打开和闭合的钳夹。器械还可以包括可以被外科手术系统更新的存储信息，借此该存储系统可以提供器械与一个或多个系统元件之间的单向或双向通信。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”和“和/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。

如图1所示，手术机器人1000可以用于对平躺在手术台上的患者执行微创诊断或手术程序。所述手术机器人1000包括主操作台100及从操作设备200，主操作台100用于根据医生的操作向从操作设备200发送控制命令，以控制从操作设备200；从操作设备200用于响应主操作台100发送的控制命令，并进行相应的手术操作。所述手术机器人可以进一步包括与所述主操作台100电连接的电子设备推车300。外科医生可以通过主操作台100查看手术部位，从操作设备200可以通过在患者身上的微创切口操纵至少一个可移除地相连的手术器械(图中未示出)。手术部位的图像可以通过诸如立体内窥镜的内窥镜(图中未示出)获得，内窥镜可以由从操作设备200操纵以对内窥镜定向。电子设备推车300可以用来显示手术部位的图像，以显示给医生助手。

图2为外科医生的主操作台100的示意图。外科医生的主操作台100包括左眼显示器和右眼显示器(图中未示出)，用于将能够深度感知手术部位的立体图呈现给外科医生。主操作台100进一步包括一个或多个输入控制设备(图中未示出)，医生通过操作输入控制设备，而使从操作设备100同步操纵一个或多个手术器械。输入控制设备可以提供与其关联的手术器械相同的自由度，从而给外科医生提供远程呈现，或者提供输入控制设备与手术器械成为一体的感知，使得外科医生具有直接控制手术器械的强烈感觉。

图3为电子设备推车300的示意图。电子设备推车300可以与内窥镜相连，并且可以包括用于处理捕获的图像的处理器，捕获的图像用于在外科医生的控制台上或在位于本地和/或远程的另一台合适的显示器上显示给外科医生。例如，在使用立体内窥镜的情况下，电子设备推车300上的图像主机可以处理捕获的图像，以将手术部位的协调的立体图像呈现给外科医生。此类协调可以包括在相对的图像之间的对齐，并且可以包括调整立体内窥镜的立体工作距离。作为另一个示例，图像处理可以包括使用预先确定的相机校准参数，以补偿图像捕获设备的成像误差，诸如光学像差。

如图4所示，外科医生的主操作台100可以由外科医生使用，以在微创手术期间控制从操作设备200。从操作设备200可以使用诸如立体内窥镜的成像设备，来捕获手术部位的图像并且将捕获的图像输出到主操作台100和电子设备推车300。如上所讨论的，在任何随后的显示之前，电子设备推车300能够以各种方式处理捕获的图像。例如，在经由外科医生的主操作台100将组合图像显示给外科医生之前，电子设备推车300可以用虚拟控制界面覆盖捕获的图像。从操作设备200可以输出捕获的图像，以便在电子设备推车300外部进行处理。例如，从操作设备200可以将捕获的图像输出到处理器500，其中处理器500可以用于处理捕获的图像。该图像也可以通过电子设备推车300和处理器500的组合来处理，电子设备推车300和处理器500可以相连在一起，以便共同、相继和/或结合处理捕获的图像。一个或多个单独的显示器600也可以与处理器500和/或电子设备推车300相连，用于本地和/或远程显示图像，诸如手术部位的图像或其他相关图像。可以理解的是，所述处理器可以包括所述主控制台100的处理器、从操作设备200的处理器以及所述电子设备推车300上的图像主机(图中未示出)的处理器。为便于简化理解，此处仅一个处理器进行标识。

如图5所示，所述从操作设备200提供对三个手术器械700和成像设备800的操纵，成像设备800诸如用于捕获手术部位图像的立体内窥镜。成像设备800和手术器械700可以通过在患者身上的切口设置和操纵，从而使得运动学RC点(Remote Center ofManipulation,远程操纵中心)维持在切口处，以使切口的尺寸最小化。当手术器械700的远端被设置在成像设备800的视野内时，手术部位的图像可以包括手术器械700的远端的图像。

如图6所示，所述从操作设备200包括基座200’、安装在所述基座200’上的定向平台300’以及与所述定向平台300’连接的机械臂400’。其中，所述基座200’可以进一步包括座体21’、设于所述座体21’上的立柱22’和与所述立柱22’连接的悬挂臂23’，所述定向平台300’与所述悬挂臂23’连接。所述机械臂400’包括与所述定向平台300’连接的调整臂500’、与所述调整臂500’连接的操作臂600’以及安装于所述操纵臂上的手术器械(图中未示出)。所述手术器械可以是用于执行手术操作的电烧灼器、钳夹器、吻合器、剪割器等，也可以是获取影像的相机或者其他外科器械，多个手术器械从不同的切口插入患者身体。

如图7和图8所示，定向平台124’与悬挂臂122’连接，调整臂126’与所述定向平台124’连接，操作臂130’附连到所述调整臂126’，且由调整臂126’支撑。所述调整臂126’可以包括：旋转关节1’、旋转臂2’、直线关节3’、平移臂4’、直线关节5’、升降臂6’、旋转关节7’、旋转臂8’、旋风关节9’、偏转关节10’。上述调整臂126’的各组成部分按顺序连接。

所述调整臂126’通过旋转关节1’可旋转地连接到定向平台124’上，并且由定向平台124’支撑。定向平台124’被可旋转地相连到悬挂臂122’并且由悬挂臂122’支撑。并且悬挂臂122’经立柱88’被固定附连到座体72’且由座体72’支撑。悬挂臂122’可操作用来选择性地设置定向平台124’相对于座体72’的角度。调整臂126’可操作用来选择性地设置关联的操作臂130’相对于定向平台124’的角度。

所述操作臂130’还包括将偏转关节10’固定相连到旋风关节9’的联接连杆20’。旋风关节9’可操作用来使偏转关节10’相对于支撑连杆128’围绕旋风轴线150’旋转，所述旋风轴线150’不经过所述RC点。偏转轴线140’经过所述RC点。旋风关节9’的操作可以用于在没有相对于患者移动RC点的情况下，相对于患者再定向平行四边形机构82’。

如图7和图8所示，旋转关节1’旋转带动旋转臂2’转动，直线关节3’移动带动平移臂4’使其能在水平方向运动，直线关节5’移动带动升降臂6’使其能在竖直方向运动，旋转关节7’旋转带动旋转臂8’转动，旋风关节9旋转带动平行四边形机构82’沿着旋风轴线150’转动。直线关节3’和直线关节5’联动，旋转关节1’、旋转关节7’、旋风关节9’可以各自独立转动。

如图9所示，所述手术器械700具有长轴720’以及位于所述长轴720’末端的终端执行器730’，所述长轴720’在靠近所述终端执行器730’的一侧设置有RC点(Remote Centerof Manipulation，远程操纵中心)，也可以称为：器械不动点11’。器械不动点11’，是指手术器械安装到所述操作臂130’上的器械承载臂(图中未示出)上后，手术器械的长轴720’远端在手术过程中保持相对不动的位置。旋风关节9’的旋风轴线150’不穿过所述器械不动点11’。所述器械不动点11’与所述手术机器人的所述RC点重合。

手术开始前，拖动器械承载臂的末端到接近患者手术部位的位置，旋转关节1’、直线关节3’、直线关节5’、旋转关节7’联动，以补偿旋风关节9的转动可能带来的器械不动点11’的偏移，也即，使器械不动点11’与RC点重合，换言之，通过所述调整臂126’的调整补偿作用，可以使所述RC点在定向平台坐标系中的位置不变。

在其他实施例中，直线关节3’、直线关节5’和旋转关节7’联动，旋转关节1’可以不转动，以补偿旋风关节9’的运动可能带来的器械不动点11’的偏移，并维持RC点在定向平台坐标系中的位置不变，避免手术器械入口处移动撕裂切口。

根据机器人运动学建模方法，如DH(Denavit-Hartenberg)法，对定向平台、调整臂和器械臂进行运动学建模，包含坐标系定义、坐标变换关系定义等。本申请中，变换是指变换矩阵或坐标系的变换。

结合坐标变换计算和运动学计算，实现旋风关节运动调整时调整臂的补偿运动，所述运动学计算包括正解和逆解计算。

如图10所示，定义定向平台参考坐标系F₀、调整臂坐标系F_a、旋风关节坐标系F_b、RC点坐标系F_c。

从定向平台参考坐标系F₀到调整臂坐标系F_a的变换为常量变换T_0a；从调整臂坐标系F_a到旋风关节坐标系F_b的变换由调整臂各关节的位置确定，定义为T_ab；从旋风关节坐标系F_b到RC点坐标系F_c的变换由旋风关节的角度值确定，从旋风关节坐标系F_b到RC点坐标系F_c的变换定义为T_bc。

用户对旋风关节进行调整时，旋风关节根据用户输入进行运动调整，调整臂关节基于运动学计算执行补偿运动，令RC点在定向平台坐标系中的位置保持不变。

如图11所示，在一实施例中，本申请提供一种保持手术机器人远程操纵中心RC点在参考坐标系(F₀)中位置不变的方法，包括以下步骤：

步骤S10、接收用户输入，所述用户输入用于执行对所述旋风关节的调整；

本实施例中，所述操作臂上对应设置有按键，例如，所述器械承载臂靠近其顶部的位置设置有按键1和按键2。当用户点击或按压所述按键1时，所述操作臂会围绕所述旋风轴线向顺时针方向转动，当用户点击或按压所述按键2时，所述操作臂会围绕所述旋风轴线向逆时针方向转动，此时，所述旋风关节的角度会发生调整。

步骤S20、控制所述旋风关节根据所述用户输入进行位置调整；

步骤S30、根据所述旋风关节进行的角度调整，计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置；

步骤S40、根据所述关节的目标位置，控制所述调整臂的至少三个关节进行位置调整，使所述RC点在所述参考坐标系中的位置维持不变。

具体将在下文进行介绍，此处不做赘述。

如图12所示，调整臂具体进行补偿的方法流程如下：

步骤901：旋风关节操作启动：基于用户输入，处理器响应用户输入，启动执行旋风关节调整；

其中，处理器可以是机械臂处理器。

步骤902：获取RC点在参考坐标系下的位置P_0c：

通过运动学正解计算，即通过坐标变换关系，获取从定向平台参考坐标系F₀到RC点坐标系Fc的变换T_0c：

T_0c＝T_0a*T_ab*T_bc；

变换矩阵可表示成R为姿态分量，P为位置分量。

该变换中的位置分量即为RC点在参考坐标系下的位置P_0c，处理器存储该位置P_0c，后面补偿方法的目的即为保持该位置不变。

步骤903：旋风关节按操作进行角度值调整：一般而言，基于用户输入，旋风关节将按特定的运动模式(如JOG运动)执行角度值调整。用户的输入可以为用户按下操作臂上的旋风关节调整按键。

步骤904：获取旋风关节的角度值，旋风关节的角度值可从关节编码器中获取。其中，关节编码器可以是位置传感器，安装在关节处，可测量关节的角度值。

步骤905：计算变换T_bc的值：如上所述，从旋风关节坐标系F_b到RC点坐标系F_c的变换由旋风关节的角度值确定，基于上一步获取的旋风关节的角度值，可通过连杆变换关系得到变换T_bc的实际值。

本文中的连杆变换关系，通过通用的串联DH建模方法得到，本文其他地方出现该名词，不再赘述。

步骤906：计算变换T_ab。

上述为计算补偿值，构建补偿求解模型的方法如下：

将T_0c＝T_0a*T_ab*T_bc中的位置分量进行分解得到：

P_0c＝R_0a*R_ab*P_bc+R_0a*P_ab+P_0a，其中，

P_0c：变换T_0c的位置分量；R_0a：变换T_0a的姿态分量；P_0a：变换T_0a的位置分量；R_ab：变换T_ab的姿态分量；P_ab：变换T_ab的位置分量；R_bc：变换T_bc的姿态分量；P_bc：变换T_bc的位置分量。

其中，P_0c如上所述已进行记录；R_0a、P_0a表示定向平台参考坐标系F₀和调整臂坐标系F_a间的相对姿态和位置，均为固定参数，已知；R_bc、P_bc分别表示旋风关节坐标系F_b和RC点坐标系F_c间的相对姿态和位置，在旋风关节调节过程中仅有旋风关节角度值一个变量，可由上一步获取；由此可见，上述公式中，仅R_ab、P_ab为未知变量，与调整臂的各关节位置有关。

将上述公式按X、Y、Z各位置分量展开后，可得到如下方程组，即补偿求解模型：

其中，P_x、P_y、P_z分别是RC点位置P_oc的三个分量，f₁、f₂、f₃表示对应的计算函数，均和调整臂各关节位置(θ₁,θ₂…θ_i)相关。

步骤907：计算调整臂关节位置的目标位置：

根据以上所述求解模型，若调整臂关节数量为3，一般通过方程组求解方法即可得到调整臂的目标位置(θ₁,θ₂…θ_i)；若调整臂关节数量大于3,此事方程数量小于待求解的数量，对应于调整臂为冗余关节，此时需定义求解策略。

具体的，如图8所示，调整臂可以为4个关节，自上而下分别为第一关节A、第二关节B、第三关节C和第四关节D。例如，自上而下分别为旋转关节A、直线关节B、直线关节C和旋转关节D。

旋风关节移动后，需考虑X、Y、Z三个方向的移动补偿，结合结构特点，调整臂可选的补偿组合可以有以下四种组合：

1)A、B、C；2)A、C、D；3)B、C、D；4)A、B、C、D。

说明1：若组合为A、B、D，则由于这三个关节或是水平转动关节或是水平移动关节，无法提供垂直方向的补偿；

说明2：若组合为以上四种的组合1)或组合2)中，当RC点与第一旋转关节轴线重合或邻近时，该组合1)和2)中旋转关节A的移动性是病态或邻近病态的，具体表现为，若RC点与第一旋转关节轴线邻近重合时，旋转关节A需要移动较大的范围方可实现位置补偿，若RC点与第一旋转关节轴线重合时，旋转关节A失效则无法实现补偿。

上述步骤中，移动性表示机械臂通过各关节运动调节末端移动的可行性和有效性。其中，病态是指在某些形态下，机械臂各关节的组合运动没法实现末端期望移动。

临近病态是指，机械臂各关节的组合运动需要较大的速度方可满足末端期望移动的目的。具体表现如上文所述。

较优的补偿组合为以上四种中的组合3)或组合4)中；

针对第3)或组合中，如上所述，θ₁为已知变量，表示第一旋转关节当前位置，此时根据如上方程组即可推导求取补偿值(θ₂,θ₃,θ₄)。

针对第4)或组合中，关节是冗余的，求解时需定义冗余策略。

调整臂补偿组合的思路：a.调整臂移动的主要任务是补偿旋风关节移动导致的RC点位置偏差；b.考虑四个机械臂的空间定位，避免术中容易发生碰撞。

进一步地，可以定义第一旋转关节为主动关节，所述旋风关节根据所述操作进行角度值调整时，处理器以调整第一调整臂和第二调整臂之间的夹角为目的，使得所述第一关节A按推荐夹角方向移动；其余调整臂关节则依据如上方程组推导求取对应补偿值(θ₂,θ₃,θ₄)。

定向平台下包含四个机械臂，推荐夹角是指两个调整臂之间的夹角。其中，第一调整臂和第二调整臂之间的夹角为第一调整臂上任意两个相邻关节之间的连杆与第二调整臂上对应两个相邻关节之间的连杆之间的夹角。

步骤908：根据如上计算得到的位置补偿值，调整臂各关节进行位置调整。

步骤909：旋风关节操作停止。

步骤910：若旋风关节到达限位，或调整臂关节到达限位，则执行步骤911：旋风关节操作停止，旋风关节和调整臂关节均不运动。所述限位为软件限位，即通过计算，实现各种关节达到不能继续运动的状态。

若旋风关节和调整臂未到达限位，则执行步骤903。

如上述实施例的描述，提供了一种在旋风关节运动的情况下，保证RC点在参考坐标系中位置不变的方法。通过机械结构以及补偿算法，可以在术前准备工作中，确保器械不动点与RC点重合，从而可以保证手术过程中，无论操作臂怎样运动，RC点在参考坐标系中位置不变，并且操作臂都不会碰到患者。通过调整多个操作臂的空间定位，解决术中发生机械臂碰撞的问题。

如图13所示，图13是本申请实施例方案涉及的保持RC点在参考坐标系(F₀)中位置不变的机械臂、从操作设备或手术机器人的硬件结构示意图。以下以机械臂为例进行说明。

所述机械臂可以包括处理器1001，例如CPU，通信总线1002，用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信；用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)；网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)；存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器，存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的硬件结构并不构成对图像处理装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图13所示，作为一种计算机存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及保持RC点在参考坐标系(F₀)中位置不变的程序。

在图13所示的机械臂中，所述网络通信模块主要用于连接服务器，并与服务器进行数据通信；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的保持RC点在参考坐标系(F₀)中位置不变的程序，并执行以下操作：

接收用户输入，所述用户输入用于执行对所述旋风关节的调整；

控制所述旋风关节根据所述用户输入进行角度调整；

根据所述旋风关节进行的角度调整，计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置；

根据所述关节的目标位置，控制所述调整臂的至少三个关节进行位置调整，使所述RC点在所述参考坐标系中的位置维持不变。

进一步地，处理器110可以调用存储器109中存储的内窥镜的图像处理程序，还执行以下操作：

获取所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置，和从所述参考坐标系(F₀)到调整臂坐标系(F_a)的常量变换(T_0a)；

获取所述旋风关节的角度值；

基于所述旋风关节的角度值，计算从旋风关节坐标系(F_b)到RC点坐标系(F_c)的第一变换(T_bc)；

基于所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置、所述常量变换(T_0a)和所述第一变换(T_bc)，计算从所述调整臂坐标系(F_a)到所述旋风关节坐标系(F_b)的第二变换(T_ab)；以及，

基于所述第二变换(T_ab)，计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置。

进一步地，处理器110可以调用存储器109中存储的内窥镜的图像处理程序，还执行以下操作：

通过运动学计算，获取从所述参考坐标系(F₀)到所述RC点坐标系(F_c)的第三变换(T_0c)；

根据所述第三变换(T_0c)获取所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置。

进一步地，处理器110可以调用存储器109中存储的内窥镜的图像处理程序，还执行以下操作：

从关节编码器中获取旋风关节的角度值；

所述关节编码器包括位置传感器，所述位置传感器用于测量所述关节编码器所在关节的角度值。

进一步地，处理器110可以调用存储器109中存储的内窥镜的图像处理程序，还执行以下操作：

基于所述旋风关节的角度值，确定从旋风关节坐标系(F_b)到RC点坐标系(F_c)的第一变换(T_bc)。

进一步地，处理器110可以调用存储器109中存储的内窥镜的图像处理程序，还执行以下操作：

基于坐标变换关系，构建所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置计算模型；

沿XYZ三个方向对所述计算模型展开得到三个方程；

所述方程包括以调整臂的关节的目标位置为未知变量的多元一次方程组。

进一步地，处理器110可以调用存储器109中存储的内窥镜的图像处理程序，还执行以下操作：

P_0c＝R_0a*R_ab*P_bc+R_0a*P_ab+P_0a，其中，

P_0c：变换T_0c的位置分量；R_0a：变换T_0a的姿态分量；P_0a：变换T_0a的位置分量；R_ab：变换T_ab的姿态分量；P_ab：变换T_ab的位置分量；R_bc：变换T_bc的姿态分量；P_bc：变换T_bc的位置分量。

进一步地，处理器110可以调用存储器109中存储的内窥镜的图像处理程序，还执行以下操作：

将公式P_0c＝R_0a*R_ab*P_bc+R_0a*P_ab+P_0a，按X、Y、Z各位置分量展开后，可得到如下方程组，即补偿求解模型：

其中，P_x、P_y、P_z分别是RC点位置P_0c的X、Y、Z方向的三个分量，f₁、f₂、f₃表示对应的计算函数，均和所述调整臂的各关节位置(θ₁,θ₂…θ_i)相关。

进一步地，处理器110可以调用存储器109中存储的内窥镜的图像处理程序，还执行以下操作：

所述第一旋转关节的位置θ₁为常量，根据所述补偿求解模型得到所述第一直线关节、所述第二旋转关节和所述第二直线关节的目标位置(θ₂,θ₃,θ₄)：

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Claims (13)

1.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括基座，安装在所述基座上的定向平台，与所述定向平台连接的机械臂以及与所述机械臂通讯连接的处理器，所述机械臂包括：

调整臂，与所述定向平台连接，所述调整臂包括多个关节；

旋风关节，与所述调整臂连接，穿过所述旋风关节的轴线为旋风轴线，所述旋风轴线不经过远程操纵中心RC点，且向靠近所述RC点的方向延伸；

偏转关节，与所述旋风关节连接，穿过所述偏转关节的轴线为偏转轴线，所述偏转轴线经过所述RC点；

平行四边形机构，与所述偏转关节连接，所述平行四边形机构被配置使手术器械围绕所述RC点运动；和

器械承载臂，与所述平行四边形机构连接，并用于安装所述手术器械；

所述处理器被配置成执行以下步骤：

接收用户输入，所述用户输入用于执行对所述旋风关节的调整；

控制所述旋风关节根据所述用户输入进行角度调整；

根据所述旋风关节进行的角度调整，计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置；

根据所述关节的目标位置，控制所述调整臂的至少三个关节进行位置调整，使所述RC点在参考坐标系中的位置维持不变。

2.如权利要求1所述的手术机器人，其特征在于，所述处理器被配置成执行以下具体步骤：

获取所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置，和从所述参考坐标系(F₀)到调整臂坐标系(F_a)的常量变换(T_0a)；

获取所述旋风关节的角度值；

基于所述旋风关节的角度值，计算从旋风关节坐标系(F_b)到RC点坐标系(F_c)的第一变换(T_bc)；

基于所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置、所述常量变换(T_0a)和所述第一变换(T_bc)，计算从所述调整臂坐标系(F_a)到所述旋风关节坐标系(F_b)的第二变换(T_ab)；以及，

基于所述第二变换(T_ab)，计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置。

3.如权利要求2所述的手术机器人，其特征在于，所述处理器被配置成执行以下具体步骤：

通过运动学计算，获取从所述参考坐标系(F₀)到所述RC点坐标系(F_c)的第三变换(T_0c)；

根据所述第三变换(T_0c)获取所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置。

4.如权利要求2或3所述的手术机器人，其特征在于，所述处理器被配置成执行以下具体步骤：

从关节编码器中获取旋风关节的角度值；

所述关节编码器包括位置传感器，所述位置传感器用于测量所述关节编码器所在关节的角度值。

5.如权利要求2所述的手术机器人，其特征在于，所述处理器被配置成执行以下具体步骤：

基于所述旋风关节的角度值，确定从旋风关节坐标系(F_b)到RC点坐标系(F_c)的第一变换(T_bc)。

6.如权利要求2所述的手术机器人，其特征在于，所述处理器被配置成执行以下具体步骤：

基于坐标变换关系，构建所述RC点在所述参考坐标系(F₀)下的位置计算模型；

沿XYZ三个方向对所述计算模型展开得到三个方程；

所述方程包括以调整臂的关节的目标位置为未知变量的多元一次方程组。

7.如权利要求6所述的手术机器人，其特征在于，所述处理器被配置成执行以下具体步骤：

P_0c＝R_0a*R_ab*P_bc+R_0a*P_ab+P_0a，其中，

P_0c：第三变换(T_0c)的位置分量；R_0a：常量变换(T_0a)的姿态分量；P_0a：常量变换(T_0a)的位置分量；R_ab：第二变换(T_ab)的姿态分量；P_ab：第二变换(T_ab)的位置分量；R_bc：第一变换(T_bc)的姿态分量；P_bc：第一变换(T_bc)的位置分量。

8.如权利要求7所述的手术机器人，其特征在于，所述处理器被配置成执行以下具体步骤：

将公式P_0c＝R_0a*R_ab*P_bc+R_0a*P_ab+P_0a，按X、Y、Z各位置分量展开后，可得到如下方程组，即补偿求解模型：

其中，P_x、P_y、P_z分别是RC点位置P_0c的X、Y、Z方向的三个分量，f₁、f₂、f₃表示对应的计算函数，均和所述调整臂的各关节位置(θ₁,θ₂…θ_i)相关。

9.如权利要求8所述的手术机器人，其特征在于，所述处理器被配置成执行以下具体步骤：根据所述补偿求解模型，计算得到所述调整臂的各关节的目标位置。

10.如权利要求8所述的手术机器人，其特征在于，所述调整臂包括第一旋转关节、第一直线关节、第二旋转关节和第二直线关节，或所述调整臂包括所述第一直线关节、所述第二旋转关节和所述第二直线关节。

11.如权利要求10所述的手术机器人，其特征在于，所述第一旋转关节的位置θ₁为常量，根据所述补偿求解模型得到所述第一直线关节、所述第二旋转关节和所述第二直线关节的目标位置(θ₂,θ₃,θ₄)：

12.一种机械臂，与定向平台连接，其特征在于，包括：

调整臂，与所述定向平台连接，所述调整臂包括多个关节；

旋风关节，与所述调整臂连接，穿过所述旋风关节的轴线为旋风轴线，所述旋风轴线不经过远程操纵中心RC点，且向靠近所述RC点的方向延伸；

偏转关节，与所述旋风关节连接，穿过所述偏转关节的轴线为偏转轴线，所述偏转轴线经过所述RC点；

平行四边形机构，与所述偏转关节连接，所述平行四边形机构被配置使手术器械围绕所述RC点运动；和

器械承载臂，与所述平行四边形机构连接，并用于安装所述手术器械；

处理器，与所述旋风关节和所述调整臂连接，所述处理器被配置成执行以下步骤：

接收用户输入，所述用户输入用于执行对所述旋风关节的调整；

控制所述旋风关节根据所述用户输入进行角度调整；

根据所述旋风关节进行的角度调整，计算所述调整臂的至少三个关节的目标位置；

根据所述关节的目标位置，控制所述调整臂的至少三个关节进行位置调整，使所述RC点在参考坐标系中的位置维持不变。

13.一种从操作设备，包括定向平台，其特征在于，所述从操作设备包括如权利要求12所述的机械臂，所述机械臂连接于所述定向平台。