CN114469355A - 机械臂、从操作设备、手术机器人及保持rc点不变的方法 - Google Patents

机械臂、从操作设备、手术机器人及保持rc点不变的方法 Download PDF

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CN114469355A
CN114469355A CN202111644302.9A CN202111644302A CN114469355A CN 114469355 A CN114469355 A CN 114469355A CN 202111644302 A CN202111644302 A CN 202111644302A CN 114469355 A CN114469355 A CN 114469355A
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Abstract

本申请公开了一种操作臂，安装在定向平台上，包括：调整臂，与定向平台连接，调整臂包括多个关节；旋转关节，与调整臂连接，穿过旋转关节的轴线为旋转轴线；偏转关节，与旋转关节连接，穿过偏转关节的轴线为偏转轴线，偏转轴线经过远程操纵中心RC点；平行四边形机构，与偏转关节连接，平行四边形机构被配置使手术器械围绕RC点运动；和器械承载臂，与平行四边形机构连接，并用于安装手术器械；当旋转关节被致动时，调整臂中至少三个关节联动，以维持RC点位置不变。本申请还公开了一种从操作设备、手术机器人及保持RC点不变的方法。本申请可以避免操作臂在围绕偏转轴线旋转时触碰到患者，从而提高手术机器人系统的安全性。

Description

机械臂、从操作设备、手术机器人及保持RC点不变的方法
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种机械臂、从操作设备、手术机器人以及保持手术机器人远程操纵中心RC点在定向平台坐标系(F0)中位置不变的方法。
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机械臂、从操作设备、手术机器人以及保持手术机器人远程操纵中心RC点在定向平台坐标系(F0)中位置不变的方法，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，本申请提供一种机械臂，安装在定向平台上，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；
旋转关节，与所述调整臂连接，穿过所述旋转关节的轴线为旋转轴线；
偏转关节，与所述旋转关节连接，穿过所述偏转关节的轴线为偏转轴线，所述偏转轴线经过远程操纵中心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；
当所述旋转关节被致动时，所述调整臂中至少三个关节联动，以维持所述RC点在定向平台坐标系(F0)下的位置不变。
可选地，所述旋转轴线与所述偏转轴线相交。
可选地，所述旋转轴线与所述偏转轴线之间的夹角为90°。
可选地，所述旋转轴线与所述偏转轴线不共面且不平行。
可选地，所述多个关节包括依次连接的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节，所述第一关节与所述定向平台连接，所述第四关节与所述旋转关节连接。
可选地，所述第一关节和所述第四关节为转动关节，所述第二关节和所述第三关节为直线关节；
当所述旋转关节被致动时，所述第一关节、所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变；或
当所述旋转关节被致动时，所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变。
可选地，所述第一关节为转动关节，所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节为直线关节，当所述旋转关节被致动时，所述第一关节、所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变；或
当所述旋转关节被致动时，所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变。
可选地，所述第一关节、所述第二关节为转动关节，所述第三关节和所述第四关节为直线关节；
当所述旋转关节被致动时，所述第一关节、所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变；或
当所述旋转关节被致动时，所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变。
可选地，所述第一关节、所述第二关节和所述第四关节为转动关节，所述第三关节为直线关节；
当所述旋转关节被致动时，所述第一关节、所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变；或
当所述旋转关节被致动时，所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变。
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，所述机械臂与所述定向平台连接。
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；以及主操作台，所述主操作台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、调整臂和旋转关节，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转关节的调整；
控制所述旋转关节根据所述用户输入进行角度调整；
根据所述旋转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。
本申请提供的机械臂、从操作设备、手术机器人以及保持手术机器人远程操纵中心RC点在定向平台坐标系(F0)中位置不变的方法，通过设置穿过远程中心RC点的偏转轴线，以及包括多个关节的调整臂，从而可以在旋转关节被致动时，利用调整臂中至少3个关节的联动，使RC点在定向平台的参考坐标系下的位置维持不变。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结构示意图；
图6为图1中从操作设备又一实施例的结构示意图；
图7为图5中手术器械一实施例的结构示意图；
图8为图6中操作臂的结构示意图；
图9为本申请从操作设备一实施例的简化结构示意图；
图10为本申请机械臂一实施例的简化结构示意图；
图11为图6中机械臂的结构示意图；
图12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13为本申请调整臂进行补偿运动的一实施例流程示意图。
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。
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(RemoteCenterofManipulation,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20、安装在所述基座20上的定向平台30以及与所述定向平台30连接的机械臂40。其中，所述基座20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30与所述悬挂臂23连接。所述机械臂40包括与所述定向平台30连接的调整臂50、与所述调整臂50连接的操作臂60以及安装于所述操作臂上的手术器械(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6所示，所述操作臂60包括与所述调整臂50连接的基座连杆61，与所述基座连杆61连接的平行四边形机构62以及与所述平行四边形机构62连接的器械承载臂63，所述器械承载臂63用于支撑所述手术器械700。
如图6所示，所述器械承载臂63具有插入轴线630，以使所述手术器械700可以沿着所述插入轴线630移动，从而控制所述手术器械700伸入患者体内的深度。如图7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 Center，远程中心)，也可以称为：器械不动点11，此RC点或器械不动点11与所述手术机器人1000的RC点重合。所述操作臂60在运动过程中，所述手术器械700可以围绕所述RC点摆动，从而可以避免手术机器人1000在手术过程中对患者造成损伤。其中，所述定向平台30具有一坐标系F0，如F0(a，b，c)，所述RC点相对于所述定向平台30的坐标系F0的坐标保持不变。
如图8所示，所述基座连杆61进一步包括与所述调整臂50连接的具有可以围绕旋转轴线610旋转的旋转关节611、具有可以围绕偏转轴线612旋转的偏转关节613以及一端与所述偏转关节613连接、另一端与所述平行四边形机构62连接的联动连杆614。其中，所述偏转轴线612以及所述插入轴线630均穿过所述RC点。其中，所述旋转轴线610与所述偏转轴线612可以共面或不共面。当所述旋转轴线610与所述偏转轴线612共面时，二者相交。可选地，所述旋转轴线610与所述偏转轴线612垂直；当然，在其他实施例中，所述旋转轴线610与所述偏转轴线612之间的角度可以为偏离90°一定角度的夹角。当所述旋转轴线610与所述偏转轴线612不共面时，二者不平行。另外，所述调整臂50上可以对应设置控制所述旋转关节611向上或向下旋转的方向按键，当用户触发对应方向按键时，则会控制所述操作臂60向上或向下转动，但基于所述调整臂50的补偿作用，所述RC点相对所述定向平台30的坐标系F0的坐标可以保持不变。
如图8所示，平行四边形机构62进一步包括通过第一关节67与所述联动连杆692连接的第一连杆65以及与所述第一连杆连接的第二连杆66，所述第一关节67与所述RC点构成平行四边形的第一边(图中未示出)。所述第一连杆65、第二连杆66以及器械承载臂63位于相邻的平面上。如此设置可以在所述操作臂60收拢时节省空间。所述平行四边形机构62进一步包括与所述第一边依次连接的第二边(图中未示出)、第三边(图中未示出)以及第四边(图中未示出)，其中，所述第一边的延长线过所述RC点，所述第二边与所述第一连杆65基本重合，所述第三边与所述第二连杆66基本重合，所述第四边与所述器械承载臂63基本重合。
如图9和图10所示，在一实施例中，所述定向平台30与所述悬挂臂23连接，所述调整臂50与所述定向平台30连接，所述操作臂60附连到所述调整臂50，且由所述调整臂50支撑。所述调整臂50可以包括：转动关节1(A)、旋转臂51、直线关节2(B)、平移臂52、直线关节3(C)、升降臂53、转动关节4(D)和旋转臂54。上述调整臂50的各组成部分按顺序连接。
本实施例中，转动关节1(A)旋转会带动旋转臂51转动，直线关节2(B)移动会带动平移臂52使其能在水平方向运动，直线关节3(C)移动会带动升降臂53使其能在竖直方向运动，转动关节4(D)旋转会带动旋转臂54转动。
本实施例中，手术开始前，用户用手拖动器械承载臂63的末端到接近患者手术部位的位置，转动关节1(A)、直线关节2(B)、直线关节3(C)和转动关节4(D)联动，从而可以使所述机械臂40跟随操作者的手拖动方向而移动，并到达目标位置。在其他实施例中，拖动器械承载臂63的末端到接近患者手术部位的位置时，旋转关节611会发生转动，此时，转动关节1(A)、直线关节2(B)、直线关节3(C)和转动关节4(D)联动，还可以补偿旋转关节611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50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。
本实施例中，手术开始前，当用户触发所述旋转关节611对应的方向按键时，会控制所述操作臂60向上或向下转动，但基于所述调整臂50的直线关节2(B)、直线关节3(C)和转动关节4(D)的联动补偿作用，所述RC点相对所述定向平台30的坐标系F0的坐标可以保持不变；或基于所述调整臂50的转动关节1(A)、直线关节2(B)、直线关节3(C)和转动关节4(D)的联动补偿作用，所述RC点相对所述定向平台30的坐标系F0的坐标可以保持不变，从而避免由于手术器械移动而撕裂患者切口。
所述调整臂50通过所述转动关节1(A)可旋转地连接到所述定向平台30上，并且由所述定向平台30支撑。所述定向平台30被可旋转地相连到所述悬挂臂23并且由所述悬挂臂23支撑。并且所述悬挂臂23经所述立柱22被固定附连到所述座体21且由所述座体21支撑。所述悬挂臂23可操作用来选择性地设置所述定向平台30相对于所述座体21的角度。所述调整臂50可操作用来选择性地设置关联的所述操作臂60相对于所述定向平台30的角度。
在其他实施例中，所述调整臂50也可以包括：直线关节2(B)、平移臂52、直线关节3(C)、升降臂53、转动关节4(D)和旋转臂54。所述调整臂50还可以包括：转动关节1(A)、旋转臂51、直线关节2(B)、平移臂52、直线关节3(C)、升降臂53。上述调整臂50的各组成部分按顺序连接。上述调整臂50的各组成部分按顺序连接。具体操作过程与上述类似，此处不再进行赘述。
相比图10所示的实施例，在其他实施例中，所述调整臂50可以包括一个转动关节1(A)和3个直线关节2(B)、3(C)、4(D)，所述转动关节1(A)和所述直线关节2(B)、3(C)、4(D)联动，或所述直线关节2(B)、3(C)、4(D)联动以维持所述RC点在所述定向平台的参考坐标系下的位置不变。其中，三个直线关节的平移方向互相垂直。
相比图10所示的实施例，在其他实施例中，所述调整臂50可以包括两个转动关节1(A)和2(B)，两个直线关节3(C)和4(D)，所述转动关节1(A)、转动关节2(B)、直线关节3(C)和直线关节4(D)联动，或所述转动关节2(B)、直线关节3(C)和直线关节4(D)联动，以维持所述RC点在所述定向平台的参考坐标系下的位置不变。其中，两个转动关节的旋转轴线互相垂直，两个直线关节的平移方向垂直。
相比图10所示的实施例，在其他实施例中，所述调整臂50可以包括三个转动关节1(A)、2(B)和4(D)，一个直线关节3(C)，直线关节3(C)位于所述转动关节2(B)和转动关节4(D)之间。所述转动关节1(A)、2(B)和4(D)以及所述直线关节3(C)联动，或所述转动关节2(B)和4(D)以及所述直线关节3(C)联动，以维持所述RC点在所述定向平台的参考坐标系下的位置不变。其中，所述转动关节1(A)和转动关节2(B)的旋转轴线互相垂直，而所述转动关节4(D)和转动关节1(A)的旋转轴线平行。
根据机器人运动学建模方法，如DH(Denavit-Hartenberg)法，对定向平台30、调整臂50和操作臂60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，实现旋转关节611转动时调整臂50的补偿运动，所述运动学计算包括正解和逆解计算。
如图11所示，定义定向平台坐标系F0、调整臂坐标系Fa、旋转关节坐标系Fb、RC点坐标系Fc。
从定向平台坐标系F0到调整臂坐标系Fa的变换为常量变换T0a；从调整臂坐标系Fa到旋转关节坐标系Fb的变换由调整臂50各关节的位置确定，定义为Tab；从旋转关节坐标系Fb到RC点坐标系Fc的变换由旋转关节611的角度值确定，从旋转关节坐标系Fb到RC点坐标系Fc的变换定义为Tbc。
当用户触发对应所述旋转关节611的方向按键时，所述操作臂60会向上或向下转动，但所述调整臂50各关节基于运动学计算会执行补偿运动，令所述RC点在定向平台坐标系中的位置保持不变。
如图12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点在定向平台坐标系(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转关节的调整；
本实施例中，所述机械臂40上对应设置有方向按键或数字按键，当用户点击或按压所述按键1时，所述操作臂60会围绕所述旋转轴线610向上转动，当用户点击或按压所述按键2时，所述操作臂60会围绕所述旋转轴线610向下转动，此时，所述旋转关节611的角度会发生调整。
步骤S20、控制所述旋转关节根据所述用户输入进行位置调整；
步骤S30、根据所述旋转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点在所述定向平台坐标系(F0)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13所示，调整臂50具体进行补偿的方法流程如下：
步骤901：旋转关节操作启动：基于用户输入，处理器响应用户输入，启动执行旋转关节调整；
其中，处理器可以是机械臂处理器。
步骤902：获取RC点在定向平台坐标系(F0)下的位置P0c：
通过运动学正解计算，即通过坐标变换关系，获取从定向平台坐标系F0到RC点坐标系Fc的变换T0c：
T0c＝T0a*Tab*Tbc；
变换矩阵可表示成
Figure BDA0003443187980000111
R为姿态分量，P为位置分量。
该变换中的位置分量即为RC点在定向平台坐标系(F0)下的位置P0c，处理器存储该位置P0c，后面补偿方法的目的即为保持该位置不变。
步骤903：旋转关节按操作进行角度值调整：一般而言，基于用户输入，旋转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机械臂40上的与所述旋转关节611对应的方向按键或数字按键。
步骤904：获取旋转关节的角度值，旋转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Tbc的值：如上所述，从旋转关节坐标系Fb到RC点坐标系Fc的变换由旋转关节的角度值确定，基于上一步获取的旋转关节的角度值，可通过连杆变换关系得到变换Tbc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Tab。
上述为计算补偿值，构建补偿求解模型的方法如下：
将T0c＝T0a*Tab*Tbc中的位置分量进行分解得到：
P0c＝R0a*Rab*Pbc+R0a*Pab+P0a，其中，
P0c：变换T0c的位置分量；R0a：变换T0a的姿态分量；P0a：变换T0a的位置分量；Rab：变换Tab的姿态分量；Pab：变换Tab的位置分量；Rbc：变换Tbc的姿态分量；Pbc：变换Tbc的位置分量。
其中，P0c如上所述已进行记录；R0a、P0a表示定向平台坐标系F0和调整臂坐标系Fa间的相对姿态和位置，均为固定参数，已知；Rbc、Pbc分别表示旋转关节坐标系Fb和RC点坐标系Fc间的相对姿态和位置，在旋转关节调节过程中仅有旋转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Rab、Pab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：
Figure BDA0003443187980000121
其中，Px、Py、Pz分别是RC点位置Poc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…θi)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…θi)；若调整臂关节数量大于3，此时，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9或图10所示，调整臂50可以具有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，自上而下分别为转动关节A、直线关节B、直线关节C和转动关节D。
旋转关节611转动后，需考虑X、Y、Z三个方向的移动补偿，结合结构特点，调整臂50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)，当RC点与第一关节A的旋转轴线重合或邻近时，该组合1)和2)中转动关节A的移动性是病态或邻近病态的，具体表现为，若RC点与第一关节A的旋转轴线邻近重合时，第一关节A需要移动较大的范围方可实现位置补偿，若RC点与第一关节A的旋转轴线重合时，第一关节A失效则无法实现补偿。
上述步骤中，移动性表示机械臂40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40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40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；
针对组合3)，如上所述，θ1为已知变量，表示第一关节A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)。
针对组合4)，关节是冗余的，求解时需定义冗余策略。
调整臂50补偿组合的思路：a.调整臂移动的主要任务是补偿旋转关节611转动导致的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，可以定义第一关节A为主动关节，所述第一关节A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按照预设夹角方向转动；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)。在其他实施例中，也可以定义第一关节A为被动关节，所述第一关节A可以根据操作者拖动所述机械臂40来调整第一调整臂和第二调整臂之间的夹角，使得所述第一关节A按照预设夹角方向转动；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30连接有四个机械臂40，预设夹角是指其中两个调整臂40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：旋转关节操作停止。
步骤910：若旋转关节到达限位，或调整臂关节到达限位，则执行步骤911：旋转关节操作停止，则旋转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。
若旋转关节和调整臂未到达限位，则执行步骤903。可以理解的是，上述各步骤中涉及的旋转关节均是指旋转关节611。
如上述实施例的描述，提供了一种在旋转关节运动的情况下，保证RC点在定向平台坐标系(F0)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点在定向平台坐标系(F0)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。

Claims (12)

1.一种机械臂，安装在定向平台上，其特征在于，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；
旋转关节，与所述调整臂连接，穿过所述旋转关节的轴线为旋转轴线；
偏转关节，与所述旋转关节连接，穿过所述偏转关节的轴线为偏转轴线，所述偏转轴线经过远程操纵中心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；
当所述旋转关节被致动时，所述调整臂中至少三个关节联动，以维持所述RC点在定向平台坐标系(F0)下的位置不变。
2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述旋转轴线与所述偏转轴线相交。
3.如权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述旋转轴线与所述偏转轴线之间的夹角为90°。
4.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述旋转轴线与所述偏转轴线不共面且不平行。
5.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述多个关节包括依次连接的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节，所述第一关节与所述定向平台连接，所述第四关节与所述旋转关节连接。
6.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述第一关节和所述第四关节为转动关节，所述第二关节和所述第三关节为直线关节；
当所述旋转关节被致动时，所述第一关节、所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变；或
当所述旋转关节被致动时，所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变。
7.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述第一关节为转动关节，所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节为直线关节，当所述旋转关节被致动时，所述第一关节、所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变；或
当所述旋转关节被致动时，所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变。
8.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述第一关节、所述第二关节为转动关节，所述第三关节和所述第四关节为直线关节；
当所述旋转关节被致动时，所述第一关节、所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变；或
当所述旋转关节被致动时，所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变。
9.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述第一关节、所述第二关节和所述第四关节为转动关节，所述第三关节为直线关节；
当所述旋转关节被致动时，所述第一关节、所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变；或
当所述旋转关节被致动时，所述第二关节、所述第三关节和所述第四关节联动，以维持所述RC点在所述定向平台坐标系(F0)中的位置不变。
10.一种从操作设备，包括定向平台，其特征在于，所述从操作设备还包括如权利要求1-9所述的机械臂，所述机械臂与所述定向平台连接。
11.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括如权利要求10所述的从操作设备；以及主操作台，所述主操作台用于控制所述从操作设备。
12.一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、调整臂和旋转关节，所述调整臂包括多个关节，所述方法由处理器执行，其特征在于，包括：
接收用户输入，所述用户输入用于执行对所述旋转关节的调整；
控制所述旋转关节根据所述用户输入进行角度调整；
根据所述旋转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。
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