CN114504385A - 手术机器人末端姿态调整方法、系统、设备和介质 - Google Patents

手术机器人末端姿态调整方法、系统、设备和介质 Download PDF

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CN114504385A CN202210053689.9A CN202210053689A CN114504385A CN 114504385 A CN114504385 A CN 114504385A CN 202210053689 A CN202210053689 A CN 202210053689A CN 114504385 A CN114504385 A CN 114504385A
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Abstract

本申请涉及一种手术机器人末端姿态调整方法、系统、设备和介质。所述方法包括：获取手术机器人执行末端的姿态数据；基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，调整指令对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整，以调整手术机器人执行末端的姿态。采用本方法能够提升手术机器人的姿态调整准确性。

Description

手术机器人末端姿态调整方法、系统、设备和介质
技术领域
本申请涉及机器人控制技术领域，特别是涉及一种手术机器人末端姿态调整方法、系统、设备和介质。
背景技术
随着现代化医疗技术的发展，机器人也广泛应用于各种医疗手术中，如各种微创手术、内窥镜手术或者活检采样手术中等。在活检采样手术中，由于体内采样区域被皮肤包裹，医护人员需要通过穿刺技术进行采样，即通过手术机器人将针插入人体，并到达病灶位置。
在传统方式中，手术机器人的姿态调整针对手术机器人的机械结构进行单自由度的闭环调整。由于手术机器人的机械结构必然存在的系统误差，在多次姿态调整后，误差会累计到最终的姿态上，使得最终得到的手术机器人的穿刺姿态的精度不高，影响手术操作的准确性。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种提升手术机器人的姿态调整准确性的手术机器人末端姿态调整方法、系统、设备和介质。
一种手术机器人末端姿态调整方法，所述方法包括：
获取手术机器人执行末端的姿态数据；
基于所述姿态数据与所述手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令，所述调整指令对控制所述手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整，以调整所述手术机器人执行末端的姿态。
在其中一个实施例中，所述基于所述姿态数据与所述手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令，包括：
对所述姿态数据和所述目标姿态数据进行求差，得到对应的差值数据；
将所述差值数据转换为对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令。
在其中一个实施例中，所述将所述差值数据转换为对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令，包括：
对所述差值数据进行比例和/或积分和/或微分转换，生成对应的调整指令。
在其中一个实施例中，所述姿态数据包括所述手术机器人执行末端的滚角和/或俯仰角，所述目标姿态数据包括目标滚角和/或目标俯仰角。
在其中一个实施例中，所述调整指令为用于驱动电机运行的驱动指令，所述驱动指令驱动所述电机进行运转，以对控制所述手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整。
在其中一个实施例中，所述姿态数据基于对获取到的手术机器人执行末端的加速度数据和/或角速度数据和/或磁场数据进行混合姿态计算生成。
在其中一个实施例中，所述目标姿态数据基于扫描数据规划的手术操作路径确定。
在其中一个实施例中，基于所述姿态数据与所述手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令，包括：
获取所述手术机器人执行末端的两个目标姿态数据；
分别根据所述姿态数据与两个所述目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的两个调整指令，通过两个所述调整指令在两个闭环内调整所述手术机器人执行末端的姿态，所述两个闭环中对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令还基于所述手术机器人的关节结构的误差生成。
一种手术机器人系统，所述系统包括：存储器、处理器、机器人控制模块以及手术机器人执行末端；
所述存储器存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现上述任意一个实施例中所述的调整方法的步骤，输出调整指令；
所述机器人控制模块用于基于所述调整指令对控制所述手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整。
在其中一个实施例中，所述机器人控制模块包括电机驱动器以及电机；
所述电机驱动器用于根据所述控制指令驱动所述电机的运转；
所述电机用于控制所述手术机器人执行末端的机械部件的至少一个自由度进行调整，以对所述手术机器人执行末端的姿态进行调整。
在其中一个实施例中，所述机器人控制模块包括用于调整姿态的两个电机；所述电机分别位于两个闭环中，用于控制所述手术机器人执行末端的机械部件的一个自由度进行调整，以对所述手术机器人执行末端的姿态进行调整，所述两个闭环中对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令还基于所述手术机器人的关节结构的误差生成。
在其中一个实施例中，所述系统还包括：
姿态检测模块，用于对所述手术机器人执行末端的姿态进行检测，得到姿态数据，并反馈至所述存储器。
在其中一个实施例中，所述姿态检测模块包括：
三轴加速度传感器和三轴角速度传感器组成的六轴传感器；或者三轴磁场传感器、三轴加速度传感器以及三轴角速度传感器组成的九轴传感器。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意一个实施例中所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例中所述的方法的步骤。
一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例中的方法的步骤。
上述手术机器人末端姿态调整方法、系统、设备和介质中，通过获取手术机器人执行末端的姿态数据，然后基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，所述调整指令对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整，以调整手术机器人执行末端的姿态。其中，根据姿态数据和目标姿态数据闭环对手术机器人执行末端的姿态进行调整，从而，获取的手术机器人执行末端的姿态数据中可以包括手术机器人的机械部件的整体误差，在基于生成的调整指令对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整的时候，实质是对手术机器人的机械部件的整体误差进行的调整，相比于传统方式中对各自由度进行闭环调整，本申请方案可以提升手术机器人执行末端的姿态调整的准确性，进而可以提升后续手术操作的准确性。
附图说明
图1为一个实施例中手术机器人系统的示意图；
图2为另一个实施例中手术机器人系统的示意图；
图3为又一个实施例中手术机器人系统的示意图；
图4为再一个实施例中手术机器人系统的示意图；
图5为一个实施例中手术机器人执行末端自由度的示意图；
图6为另一个实施例中手术机器人执行末端自由度的示意图；
图7为一个实施例中手术机器人执行末端的示意图；
图8为一个实施例中穿刺机器人应用场景的示意图；
图9为一个实施例中姿态传感器的坐标与穿刺针坐标之间关系的示意图；
图10为一个实施例中姿态传感器的结构示意图；
图11为一个实施例中手术机器人执行末端姿态调整的示意图；
图12为一个实施例中手术机器人执行末端姿态调整后的示意图；
图13为一个实施例中手术机器人系统闭环回路的示意图；
图14为一个实施例中手术机器人末端姿态调整方法的流程示意图；
图15为一个实施例中PID运算过程的示意图；
图16为另一个实施例中PID运算过程的示意图；
图17为一个实施例中姿态数据融合过程的示意图；
图18为一个实施例中一阶互补算法的示意图；
图19为一个实施例中手术机器人执行手术过程的示意图；
图20为一个实施例中手术机器人末端姿态调整装置的结构框图；
图21为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的手术机器人末端姿态调整方法，可以应用于如图1所示的应用环境中，即应用于手术机器人系统中。其中，手术机器人系统包括存储器101、处理器102、机器人控制模块103以及手术机器人执行末端104。存储器101存储有计算机程序，处理器102在执行存储器101存储的计算机程序时实现手术机器人末端姿态调整方法的步骤，输出调整指令，即获取手术机器人执行末端104的姿态数据，然后基于姿态数据与手术机器人执行末端104的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端104进行调整的调整指令。具体手术机器人末端姿态调整方法的说明书后文将进行详细说明。
进一步，机器人控制模块103基于调整指令对控制手术机器人执行末端104的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整。
在本实施例中，存储器101和处理器102可以通过服务器实现，如单个的服务器或者是服务器集群等。
图2和图3分别示出了另一种手术机器人系统，在图2所示实施例中，存储器与处理器可以通过电脑等控制终端实现，在图3所示实施例中，存储器与处理器可以通过微控制器实现。
在其中一个实施例中，参考图2或图3，机器人控制模块103可以是电机系统，具体可以包括电机驱动器以及电机。
其中，电机驱动器用于根据控制指令驱动电机的运转。电机用于控制手术机器人执行末端的机械部件的至少一个自由度进行调整，以对手术机器人执行末端的姿态进行调整。
例如，如图4所示，示出了另一种手术机器人系统的示意图。在本实施例中，手术机器人系统可以包括：运算机构(即前文所述的电脑或者是微控制器等)、电机系统(即前文所述的电机驱动器和电机)、手术机器人结构体(即包括机械部件的手术机器人执行末端)。
在本实施例中，参考图4，运算机构可以电机系统运动，以控制机器人结构体进行运动，进而改变手术机器人执行末端的姿态。
图5示出了一种手术机器人执行末端自由度的示意图，手术机器人执行末端可以包括X、Y、Z三个自由度。图6示出了另一种手术机器人执行末端自由度的示意图，包括X、Y、Z三个自由度，以及水平自由度和垂直自由度。
在本实施例中，Z自由度、水平自由度和垂直自由度对手术机器人执行末端的位置变化进行控制，即参考图6，1自由度控制手术机器人执行末端的水平移动，即水平方向的前进和后退，2自由度用于控制手术机器人执行末端的垂直移动，即垂直方向上的上升和下降，3自由度用于控制手术机器人执行末端绕Z进行旋转。而X、Y自由度对机器人执行末端的姿态进行控制，即图6中，4自由度用于控制手术机器人执行末端绕X进行旋转，5自由度用于控制手术机器人执行末端绕Y进行旋转。
图7示出了一种手术机器人执行末端的示意图。在本实施例中，手术机器人可以是指穿刺机器人，手术机器人执行末端上装载有持针器，持针器上夹持有穿刺针。图8示出了穿刺机器人应用场景的示意图，穿刺手术一般在CT房进行，病人需要躺在CT床上，手术机器人在床边，通过手术机器人系统控制手术机器人执行末端到达指定位置及指定姿态。
在本实施例中，继续参考图7，电机驱动器可以通过驱动电机701以及电机702运转，以实现对手术机器人执行末端的机械部件的至少一个自由度进行调整，即对4自由度和/或5自由度进行调整，以实现对手术机器人执行末端的姿态的调整。
在其中一个实施例中，上述手术机器人系统还可以包括：姿态检测模块，用于对手术机器人执行末端的姿态进行检测，得到姿态数据，并反馈至存储器。
在本实施例中，继续参考图2、图3或图4，姿态检测模块可以是指姿态传感器，继续参考图7，姿态传感器可以安装于机器人执行末端的持针器上。
图9示出了一种姿态传感器的坐标与穿刺针坐标之间的关系。在本实施例中，X1、Y1、Z1为姿态传感器的坐标系，X2、Y2、Z2为穿刺针的坐标系。穿刺针的Z轴定义在沿穿刺针的方向上，Y定义为机器人的机械臂方向，X方向定义为垂直针和机械臂方向。姿态传感器的Z轴与穿刺针Z轴方向一致，即Z1与Z2；姿态传感器的X轴与穿刺针X轴方向一致，即X1与X2；姿态传感器的Y轴与穿刺针Y轴方向一致，即Y1与Y2。
在本实施例中，由于穿刺针的姿态没有绕z轴的旋转姿态，因此，手术机器人执行末端的姿态的焦点的自由度只有绕X与绕Y两个，即前文所述的X自由度以及Y自由度。其中，绕X轴为滚角，绕Y轴为俯仰角。
在本实施例中，通过在手术机器人设计上，使姿态传感器的坐标系与穿刺针的坐标系在姿态上一致，从而基于获取到的姿态传感器的姿态数据，即可确定穿刺针的姿态数据，即手术机器人执行末端的姿态数据。
在其中一个实施例中，姿态检测模块可以包括：三轴加速度传感器和三轴角速度传感器组成的六轴传感器；或者三轴磁场传感器、三轴加速度传感器以及三轴角速度传感器组成的九轴传感器。
其中，三轴加速度传感器用于对手术机器人执行末端的三个坐标轴上的加速度进行检测，三轴角速度传感器用于对手术机器人执行末端的三个坐标轴上的角速度进行检测，三轴磁场传感器用于对手术机器人执行末端的三个坐标轴上的磁场或与磁场相关的信息进行检测。
在本实施例中，安装于手术机器人执行末端的姿态检测模块可以是三轴加速度传感器和三轴角速度传感器组成的六轴传感器，或者是三轴磁场传感器、三轴加速度传感器以及三轴角速度传感器组成的九轴传感器，本申请对此不做限制。
图10示出了一种姿态传感器的结构示意图，可以包括微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)以及三轴磁场传感器、三轴加速度传感器和三轴角速度传感器。如前文所述，三轴磁场传感器、三轴加速度传感器和三轴角速度传感器可以分别用于采集加速度、角速度以及磁场信息。MCU可以对采集得到的加速度、角速度、磁场信息进行混合姿态计算，以得到姿态数据，并反馈至存储器，并用于进行姿态调整计算。
图11示出了一种手术机器人执行末端姿态调整的示意图。其中，111为姿态调整前，112为姿态调整后，通过本方案可以实现对手术机器人的机械部件的整体误差进行的调整，提升姿态调整的准确性。
图12示出了一种手术机器人执行末端姿态调整后的示意图。在本实施例中，通过姿态调节，可以达到穿刺针(手术机器人执行末端)的姿态与入针点与病灶点连线的穿刺路径一致，提升手术操作的准确性。
继续参考图4，如前文所述手术机器人系统运算机构、电机系统、手术机器人结构体以及姿态传感器。在本实施例中，运算机构可以基于姿态传感器反馈的姿态数据，进行运算，并将计算结果转换为控制命令，发送至电机系统，以使得通过电机系统执行动作，经过电机系统控制手术机器人结构体的改变，以实现手术机器人执行末端的姿态调整。姿态传感器测量手术机器人结构体当前所处的姿态信息，并将信息反馈给运算机构，完成手术机器人系统闭环控制与调整。
图13示出了一种手术机器人系统闭环回路的示意图。在本实施例中，通过将姿态传感器安装于手术机器人执行末端上，将形成的两个闭环，从而可以将手术机器人执行末端的机械部件(关节结构)的误差也包含进闭环内，从而通过闭环的调整，可以将机械部件的误差一并校准，提升了对手术机器人执行末端的姿态调整的准确性，进而可以提升后续手术操作的准确性。
其中，机器人控制模块包括用于调整姿态的两个电机；电机分别位于两个闭环中，用于控制手术机器人执行末端的机械部件的一个自由度进行调整，以对手术机器人执行末端的姿态进行调整，两个闭环中对手术机器人执行末端进行调整的调整指令还基于手术机器人的关节结构的误差生成。
具体地，两个闭环分别是指对滚角和俯仰角的调整，其中获取到手术机器人末端的姿态数据，该姿态数据包括当前视角和当前俯仰角，然后基于目标视角对当前视角进行闭环控制，基于目标俯仰角对当前俯仰角进行闭环控制。
在一个实施例中，如图14所示，提供了一种手术机器人末端姿态调整方法，以该方法应用于前文所述的手术机器人系统为例进行说明，包括以下步骤：
步骤S142，获取手术机器人执行末端的姿态数据。
其中，姿态数据是指手机器人执行末端的末端姿态。以前文所述的穿刺机器人为例，姿态数据可以是手术机器人执行末端上夹持的穿刺针的姿态数据。
在本实施例中，手术机器人执行末端的姿态数据通过安装于手术执行人执行末端的传感器采集，如前文所述的，通过姿态传感器进行采集，并发送至服务器，使得服务器可以获取到姿态数据。
步骤S144，基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，调整指令对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整，以调整手术机器人执行末端的姿态。
其中，目标姿态数据是指手术机器人执行末端在进行调整后，所期望达到的最终姿态，是进行穿刺手术的初始姿态。
在本实施例中，服务器可以预先设置手术机器人执行末端的目标姿态数据，在采集到手术机器人执行末端的姿态数据后，通过对二者进行比较判定，以确定二者姿态是否一致，在确定不一致时，基于姿态数据以及目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，并发送至手术机器人，以对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整，以调整手术机器人执行末端的姿态。具体地调整过程可以参照前文所述，此处不再赘述。
上述手术机器人末端姿态调整方法中，通过获取手术机器人执行末端的姿态数据，然后基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，所述调整指令对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整，以调整手术机器人执行末端的姿态。其中，根据姿态数据和目标姿态数据闭环对手术机器人执行末端的姿态进行调整，从而，获取的手术机器人执行末端的姿态数据中可以包括手术机器人的机械部件的整体误差，在基于生成的调整指令对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整的时候，实质是对手术机器人的机械部件的整体误差进行的调整，相比于传统方式中对各自由度进行闭环调整，本申请方案可以提升手术机器人执行末端的姿态调整的准确性，进而可以提升后续手术操作的准确性。
在其中一个实施例中，基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，可以包括：对姿态数据和目标姿态数据进行求差，得到对应的差值数据；将差值数据转换为对手术机器人执行末端进行调整的调整指令。
在本实施例中，服务器在得到姿态数据和目标姿态数据后，可以对姿态数据与目标姿态数据进行求差，得到对应的差值数据，即姿态差。
进一步，服务器可以通过对得到的差值数据进行转换处理，以得到用于对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，即用于驱动手术机器人执行末端的机械部件进行调整的调整指令。
在其中一个实施例中，姿态数据可以包括手术机器人执行末端的滚角和/或俯仰角，目标姿态数据可以包括目标滚角和/或目标俯仰角。
具体地，基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，包括：获取手术机器人执行末端的两个目标姿态数据；分别根据姿态数据与两个目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的两个调整指令，通过两个调整指令在两个闭环内调整手术机器人执行末端的姿态，两个闭环中对手术机器人执行末端进行调整的调整指令还基于手术机器人的关节结构的误差生成。
在本实施例中，以穿刺机器人为例，服务器基于姿态传感器采集到的姿态数据可以包括对应于X轴滚角以及对应于Y轴的俯仰角。
在本实施例中，服务器可以分别姿态数据中的俯仰角与目标俯仰角进行求差，以及对滚角与目标滚角进行求差计算，以得到对应角度差，进而在基于角度差进行生成对应的调整指令。
在其中一个实施例中，将差值数据转换为对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，可以包括：对差值数据进行比例和/或积分和/或微分转换，生成对应的调整指令。
在本实施例中，参考图15，服务器在进行差值数据转换的时候，可以通过使用PID算法进行转换，即服务器可以通过PID算法对基于姿态传感器采集到的姿态数据与目标姿态数据之间的差值数据进行比例和/或积分和/或微分转换，生成对应的调整指令。
在本实施例中，服务器对手术机器人执行末端进行姿态调整的过程可以是闭环循环调整的过程，姿态传感器采集到当前手术机器人执行末端的姿态数据后，服务器执行PID算法电机调整姿态，并基于姿态传感器反馈的姿态数据，继续进行计算与调整。
在本实施例中，如前文所述，姿态数据包括滚角和俯仰角，目标姿态数据包括目标滚角与目标俯仰角，服务器可以通过对滚角和俯仰角分别进行计算，并分别通过PID运算后得到一个调节指令，并进行手术机器人执行末端的姿态的调整。
在本实施例中，参考图16，示出了一种PID运算过程的示意图，具体包括如下步骤：
首先，服务器可以将目标角度和姿态传感器所提供的测量角度做差处理，得到角度差Δr。
如前文所述，服务器可以分别将滚角与目标滚角做差，将俯仰角与目标俯仰角做差，以得到滚角差和俯仰角差。
进一步，服务器可以将角度差转换成调节参数，调节参数代表了电机运动的速度。
具体地，服务器可以通过如下公式(1)进行调节参数的计算。
Figure BDA0003475350480000111
其中，Kp比例调节常数，Ki积分调节常数，Kd微分调节常数，Δr角度差，T为姿态传感器采样周期，M为调节参数。
在本实施例中，调节参数有正负，正数可以代表电机正转，负数就代表电机反转。调节参数会传递给电机驱动器。
进一步，驱动器可以根据调节参数调节占空比，调节参数的绝对值越大，占空比越大，电机转动越快，反之调节参数绝对值越小，占空比越小，电机转动越慢。
在本实施例中，调节参数的正负在驱动器里解析为电机运转的方向。通过电机的转动调节了手术机器人执行末端的姿态。
进一步，姿态传感器重新测量姿态数据并进行反馈，以继续进行计算与调整处理。
在其中一个实施例中，姿态数据基于对获取到的手术机器人执行末端的加速度数据和/或角速度数据和/或磁场数据进行混合姿态计算生成。
如前文所述，三轴加速度传感器和三轴角速度传感器组成的六轴传感器；或者三轴磁场传感器、三轴加速度传感器以及三轴角速度传感器组成的九轴传感器。姿态传感器可以采集到加速度、角速度以及磁场等数据。
在本实施例中，姿态数据可以基于获取到的加速度、角速度以及磁场等数据等生成。
参考图17，示出了一种姿态数据融合过程的示意图。具体地，姿态传感器采集到的数据可以包括三轴磁场数据(mx，my，mz)、三轴加速度数据(ax，ay，az)以及三轴角速度数据(vx，vy，vz)。
进一步，姿态传感器可以通过四元素法/卡尔曼滤波法/一阶互补算法，将获取到的三轴磁场数据(mx，my，mz)、三轴加速度数据(ax，ay，az)以及三轴角速度数据(vx，vy，vz)转换成欧拉角(滚角、俯仰角、旋转角)并输出，以得到姿态数据。
在其中一个实施例中，如前文所述，姿态传感器由6轴与9轴之分，姿态传感器可以对获取到的加速度、角速度，或者是加速度、角速度以及磁场等数据进行混合处理，以得到姿态数据。以下结合图18，通过6轴姿态传感器(三轴加速度和三轴角速度)的数据融合进行说明。
具体地，参考图18，数据融合采用的是一阶互补算法，计算X轴角度(滚角)的过程。算法设定了加速度权重K1，采样周期为dt。采集到加速度数据(ax，ay，az)和角速度数据(vx，vy，vz)后，可分别通过加速度数据与角速度数据各计算一个X轴角度值X1与X2。其中，通过加速度数据计算X轴角度X1＝atan(ax/az)，通过角速度计算X轴角度X2＝pitch0+∫vydt，pitch0为初始通过加速度计算的角度，姿态传感器可以通过公式Xreal＝K1*X1+(1-K1)*X2进行计算，得到较准确的角度值。
在其中一个实施例中，调整指令为用于驱动电机运行的驱动指令，驱动指令驱动电机进行运转，以对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整。
在本实施例中，服务器通过PID运算后得到一个调节指令后，可以将调节指令可以转换为驱动电机运行的电机驱动器的驱动指令，电机驱动器会根据驱动指令调节驱动电机的电压，从而调节电机的运动，以实现对手术机器人执行末端的姿态的机械部件的自由度的改变。
在其中一个实施例中，目标姿态数据基于扫描数据规划的手术操作路径确定。
如前文所述，本方案方法可以应用于穿刺手术中。在本实施例中，手术机器人执行末端的目标姿态数据可以基于手术操作路径确定，手术操作路径可以基于扫描数据规划生成。
图19示出了一种手术机器人执行手术过程的示意图，以下对图19处理过程进行详细说明。
在本实施例中，服务器可以通过扫描装置对病人进行扫描，以得到对应的扫描数据，如通过CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)扫描获取到CT扫描数据。
在本实施例中，参考图8，CT在进行扫描的时候，其可以是与手术机器人同时进行的扫描，则服务器可以基于获取到的扫描数据，确定手术机器人执行末端与病人或者是病灶之间的位置关系。
进一步，服务器可以基于确定的位置关系，进行手术路径的规划，手术规划路径，如穿刺路径等。如图12所示，穿刺路径可以包括入针点等，服务器可以根据入针点以及规划的手术路径，确定对应手术机器人执行末端的末端姿态。
进一步，服务器可以通过前文所述的方法进行调整指令的处理，并进行手术机器人执行默算姿态的调整，使得调整后的姿态符合目标姿态数据。
在本实施例中，在进行手术机器人执行末端的姿态调整的时候，可以同时对手术机器人执行末端的位置进行调整，如将刺穿针的位置调整至入针点等。
进一步，医生可以基于规划的手术路径以及调整后的姿态，执行手术过程。
在本实施例中，服务器可以通过CT确定手术过程，如通过CT扫描确认穿刺结果，并进行取样，直至完成手术过程。
应该理解的是，虽然图14的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图14中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图20所示，提供了一种手术机器人末端姿态调整装置，包括：姿态数据获取模块100以及调整模块200，其中：
姿态数据获取模块100，用于获取手术机器人执行末端的姿态数据。
调整模块200，用于基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，调整指令对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整，以调整手术机器人执行末端的姿态。
在其中一个实施例中，姿态数据基于对获取到的手术机器人执行末端的加速度数据和/或角速度数据和/或磁场数据进行混合姿态计算生成。
在其中一个实施例中，姿态数据包括手术机器人执行末端的滚角和/或俯仰角，目标姿态数据包括目标滚角和/或目标俯仰角。
在其中一个实施例中，调整模块200，可以包括：
差值子模块，用于对姿态数据和目标姿态数据进行求差，得到对应的差值数据。
转换子模块，用于将差值数据转换为对手术机器人执行末端进行调整的调整指令。
在其中一个实施例中，转换子模块用于对差值数据进行比例和/或积分和/或微分转换，生成对应的调整指令。
在其中一个实施例中，调整指令为用于驱动电机运行的驱动指令，驱动指令驱动电机进行运转，以对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整。
在其中一个实施例中，目标姿态数据基于扫描数据规划的手术操作路径确定。
在其中一个实施例中，调整模块还用于获取所述手术机器人执行末端的两个目标姿态数据；分别根据所述姿态数据与两个所述目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的两个调整指令，通过两个所述调整指令在两个闭环内调整所述手术机器人执行末端的姿态，所述两个闭环中对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令还基于所述手术机器人的关节结构的误差生成。
关于手术机器人末端姿态调整装置的具体限定可以参见上文中对于手术机器人末端姿态调整方法的限定，在此不再赘述。上述手术机器人末端姿态调整装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图21所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储姿态数据、目标姿态数据以及调整指令等数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种手术机器人末端姿态调整方法。
本领域技术人员可以理解，图21中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：获取手术机器人执行末端的姿态数据；基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，调整指令对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整，以调整手术机器人执行末端的姿态。
在其中一个实施例中，姿态数据基于对获取到的手术机器人执行末端的加速度数据和/或角速度数据和/或磁场数据进行混合姿态计算生成。
在其中一个实施例中，姿态数据包括手术机器人执行末端的滚角和/或俯仰角，目标姿态数据包括目标滚角和/或目标俯仰角。
在其中一个实施例中，处理器执行计算机程序时实现基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，可以包括：对姿态数据和目标姿态数据进行求差，得到对应的差值数据；将差值数据转换为对手术机器人执行末端进行调整的调整指令。
在其中一个实施例中，处理器执行计算机程序时实现将差值数据转换为对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，可以包括：对差值数据进行比例和/或积分和/或微分转换，生成对应的调整指令。
在其中一个实施例中，调整指令为用于驱动电机运行的驱动指令，驱动指令驱动电机进行运转，以对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整。
在其中一个实施例中，目标姿态数据基于扫描数据规划的手术操作路径确定。
在其中一个实施例中，处理器执行计算机程序时所实现的基于所述姿态数据与所述手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令，包括：获取所述手术机器人执行末端的两个目标姿态数据；分别根据所述姿态数据与两个所述目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的两个调整指令，通过两个所述调整指令在两个闭环内调整所述手术机器人执行末端的姿态，所述两个闭环中对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令还基于所述手术机器人的关节结构的误差生成。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：获取手术机器人执行末端的姿态数据；基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，调整指令对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整，以调整手术机器人执行末端的姿态。
在其中一个实施例中，姿态数据基于对获取到的手术机器人执行末端的加速度数据和/或角速度数据和/或磁场数据进行混合姿态计算生成。
在其中一个实施例中，姿态数据包括手术机器人执行末端的滚角和/或俯仰角，目标姿态数据包括目标滚角和/或目标俯仰角。
在其中一个实施例中，计算机程序被处理器执行时实现基于姿态数据与手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，可以包括：对姿态数据和目标姿态数据进行求差，得到对应的差值数据；将差值数据转换为对手术机器人执行末端进行调整的调整指令。
在其中一个实施例中，计算机程序被处理器执行时实现将差值数据转换为对手术机器人执行末端进行调整的调整指令，可以包括：对差值数据进行比例和/或积分和/或微分转换，生成对应的调整指令。
在其中一个实施例中，调整指令为用于驱动电机运行的驱动指令，驱动指令驱动电机进行运转，以对控制手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整。
在其中一个实施例中，目标姿态数据基于扫描数据规划的手术操作路径确定。
在其中一个实施例中，计算机程序被处理器执行时所实现的基于所述姿态数据与所述手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令，包括：获取所述手术机器人执行末端的两个目标姿态数据；分别根据所述姿态数据与两个所述目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的两个调整指令，通过两个所述调整指令在两个闭环内调整所述手术机器人执行末端的姿态，所述两个闭环中对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令还基于所述手术机器人的关节结构的误差生成。
一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述任意一个实施例中所述的方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一种手术机器人末端姿态调整方法，其特征在于，所述方法包括：
获取手术机器人执行末端的姿态数据；
基于所述姿态数据与所述手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令，所述调整指令对控制所述手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整，以调整所述手术机器人执行末端的姿态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述姿态数据与所述手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令，包括：
对所述姿态数据和所述目标姿态数据进行求差，得到对应的差值数据；
将所述差值数据转换为对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述差值数据转换为对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令，包括：
对所述差值数据进行比例和/或积分和/或微分转换，生成对应的调整指令。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿态数据包括所述手术机器人执行末端的滚角和/或俯仰角，所述目标姿态数据包括目标滚角和/或目标俯仰角。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调整指令为用于驱动电机运行的驱动指令，所述驱动指令驱动所述电机进行运转，以对控制所述手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述姿态数据基于对获取到的手术机器人执行末端的加速度数据和/或角速度数据和/或磁场数据进行混合姿态计算生成。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标姿态数据基于扫描数据规划的手术操作路径确定。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述姿态数据与所述手术机器人执行末端的目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令，包括：
获取所述手术机器人执行末端的两个目标姿态数据；
分别根据所述姿态数据与两个所述目标姿态数据，确定对所述手术机器人执行末端进行调整的两个调整指令，通过两个所述调整指令在两个闭环内调整所述手术机器人执行末端的姿态，所述两个闭环中对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令还基于所述手术机器人的关节结构的误差生成。
9.一种手术机器人系统，其特征在于，所述系统包括：存储器、处理器、机器人控制模块以及手术机器人执行末端；
所述存储器存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现权利要求1至8任一项所述的调整方法的步骤，输出调整指令；
所述机器人控制模块用于基于所述调整指令对控制所述手术机器人执行末端的姿态的机械部件的至少一个自由度进行调整。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述机器人控制模块包括电机驱动器以及电机；
所述电机驱动器用于根据所述控制指令驱动所述电机的运转；
所述电机用于控制所述手术机器人执行末端的机械部件的至少一个自由度进行调整，以对所述手术机器人执行末端的姿态进行调整。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述机器人控制模块包括用于调整姿态的两个电机；所述电机分别位于两个闭环中，用于控制所述手术机器人执行末端的机械部件的一个自由度进行调整，以对所述手术机器人执行末端的姿态进行调整，所述两个闭环中对所述手术机器人执行末端进行调整的调整指令还基于所述手术机器人的关节结构的误差生成。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
姿态检测模块，用于对所述手术机器人执行末端的姿态进行检测，得到姿态数据，并反馈至所述存储器。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述姿态检测模块包括：
三轴加速度传感器和三轴角速度传感器组成的六轴传感器；或者三轴磁场传感器、三轴加速度传感器以及三轴角速度传感器组成的九轴传感器。
14.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
15.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
16.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。
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