CN115005998A - 一种手术机器人系统及其机械臂防干涉调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手术机器人系统及其机械臂防干涉调整方法，所述手术机器人系统包括相互耦接的手术机器人和医生控制台，手术机器人上设置有获取患者身上的手术孔影像的影像单元，控制单元接收所述手术孔影像，并在所述手术孔影像上叠加影像单元中心标定点和移动指引后将带有所述影像单元中心标定点和移动指引的所述手术孔影像发送到所述医生控制台的主显示器上，医生通过操作操作手柄移动影像单元的位置使其与要定位的手术孔位置重合，该定位手术孔的方法简单高效，一个人即可操作，不需要辅助人员的操作。

Description

一种手术机器人系统及其机械臂防干涉调整方法

技术领域

本发明涉及外科手术用的医疗器械领域，尤其是涉及一种手术机器人系统及其机械臂防干涉调整方法。

背景技术

目前手术机器人已经广泛用于各种外科手术，以美国直觉外科手术操作公司的达芬奇产品为例，其在腹腔微创手术时，需要人工事先在患者的腹部特定位置开几个手术孔，以便将内窥镜和手术器具置入所开的多个手术孔内实施手术。因为在患者身上开设的手术孔的位置信息手术机器人是无法提前获得的，这里就需要对手术孔位置进行读取或识别，并同步到手术机器人系统中，以便于后续手术操作。

目前的手术孔定位方法一般有以下几种：一是采用双目视觉相机和手持标定工具进行定位；二是人工调整机械臂和器械位置，纯人工定位；三是使用激光投影十字线和人工反馈进行定位。

第一种定位方法，即双目视觉和手持工具定位，存在系统复杂、成本高的问题，并且手持工具有可能带来额外污染的风险。

第二种定位方法，即纯人工定位，人工调整机械臂末端工具位置进行逐个定位也存在额外人工辅助操作，对操作医生和辅助人员的要求较高，受机械臂构型影响一般也存在反复调整的问题。

而第三种定位方法，即使用激光投影十字线和人工反馈进行定位，该方法基本解决了前述两种定位方法存在的问题。

目前达芬奇产品使用的即是第三种定位方法。达芬奇手术平台包括患者手术平台（也称为手术机器人）、影像处理平台和医生控制台，患者手术平台上安装有内窥镜和手术器具，内窥镜和手术器具需要置入到上述开的若干个手术孔中，影像处理平台用于对内窥镜观察到的病灶部位的影像传到影像处理平台进行处理，然后传递给医生控制台上的3D观察窗，方便医生进行观看并操作手术。其中患者手术平台上安装有吊杆、吊杆的侧面上安装有若干个相对于吊杆可旋转的机械臂、机械臂上安装内窥镜和做手术用的器具、吊杆的底部安装有用于定位患者手术孔位置的激光。

上述定位技术虽然能解决手术中的定位问题，但仍然存在一些难以克服的缺陷：

由于激光只能投射一束光，激光投影技术无法识别开孔的深度信息，不能给出位置调整指示信息，调整吊杆位置和高度时需要辅助人员移动患者手术平台上的吊杆或移动吊杆上的机械臂，定位较为繁琐，花费时间较长，而且还需要多名医务人员辅助移动，对医务人员的专业度要求较高;此外，医生无法远程观察和操作指导整个定位过程。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种能够定位手术孔位置准确、快速、省时省力的手术机器人系统；还提供一种利用该手术机器人系统对手术孔进行定位的方法；又提供一种利用该手术机器人系统对该系统的机械臂的基准线进行调整使其与手术孔的定位线重合，以防止机械臂产生干涉的方法。

本发明的一个实施例提供一种手术机器人系统，其包括相互耦接的手术机器人和医生控制台，

所述手术机器人包括

底座；

影像单元，用于获取患者身上的手术孔影像，

执行单元，与所述底座固定连接，并驱动调整所述影像单元相对于所述底座的位置；

控制单元，用于接收所述影像单元发送的所述含有手术孔的影像，识别预定位的所述手术孔的位置后在所述含有手术孔的影像上叠加所述影像单元的中心标定点和移动指引，并将带有所述中心标定点和移动指引的所述含有手术孔的影像发送到所述医生控制台的主显示器上显示，通过移动影像单元相对于所述底座的位置使所述主显示器上的所述中心标定点不断与预定位的所述手术孔重合；

所述医生控制台包括所述主显示器和操作操作手柄，所述主显示器显示带有所述中心标定点和移动指引的所述含有手术孔的影像，根据所述中心标定点和移动指引操作所述操作操作手柄，所述控制单元根据所述操作操作手柄的操作信号控制所述执行单元移动所述影像单元相对于所述底座的位置。

在一些实施例中，所述影像单元为一个激光雷达或至少一个摄像头。

在一些实施例中，所述摄像头数量为两个。

在一些实施例中，所述执行单元包括：

竖直直线驱动器，固定在所述底座上，其伸出端向上伸出设置，用于调整所述激光雷达或摄像头相对于所述底座的高度；

水平直线驱动器，可枢转的安装在所述竖直直线驱动器的伸缩端，用于调整所述激光雷达或摄像头相对于所述底座的水平方向的伸出长度；

吊杆，可枢转的安装在所述水平直线驱动器的伸出端；

所述摄像头或激光雷达安装在所述吊杆的底面上；

所述竖直直线驱动器、所述水平直线驱动器均与所述控制单元耦接并被其驱动。

在一些实施例中，所述水平直线驱动器包括

第一水平直线驱动器，可枢转的安装在所述竖直直线驱动器的伸缩端，其伸出端沿第一水平方向伸缩设置，用于调整所述激光雷达或摄像头相对于所述底座的第一水平方向的伸出长度；

第二水平直线驱动器，可枢转的安装在所述第一水平直线驱动器的伸缩端，其伸出端沿着第二水平方向伸缩设置，用于调整所述激光雷达或摄像头相对于所述底座的第二水平方向的伸出长度；

所述吊杆，可枢转的安装在所述第二水平直线驱动器的伸出端。

在一些实施例中，所述竖直直线驱动器、所述第一水平直线驱动器和所述第二水平直线驱动器为电动缸或电动推杆。

在一些实施例中，所述执行单元还包括：

吊杆电机，其输出轴竖直向下设置，所述吊杆安装在所述输出轴上，并被所述吊杆电机驱动在水平面内转动；

至少三个机械臂，与所述吊杆的侧面万向铰接，所述机械臂上安装有内窥镜或手术器具；

所述吊杆电机与所述控制单元耦接并被其控制启停。

在一些实施例中，所述执行单元还包括设置在每个所述机械臂上的手术器具执行件，内窥镜或手术器具安装在所述手术器具执行件上。

在一些实施例中，还包括辅助显示器，所述辅助显示器与所述控制单元耦接，用于与所述主显示器同时显示带有所述中心标定点和移动指引的所述手术孔影像。

本发明的另一个实施例还提供一种手术孔定位方法，其利用以上所述的手术机器人系统对分布呈一条直线或基本呈一条直线上的手术孔进行定位，所述定位方法包括：

步骤a：把腹腔或其它部位开有至少三个手术孔的患者放在病床上，将病床放置在手术机器人附近适当的位置，然后调整影像单元的位置，使其位于病床2的上方；

步骤b：在每个机械臂上分别安装内窥镜或手术器具；

步骤c：操控操作手柄定位预置入内窥镜或手术器具的手术孔，获得所述手术孔相对于底座的位置；

所述步骤c包括：

步骤c1：所述影像单元获取患者的含手术孔的影像并传递给控制单元；

步骤c2：所述控制单元接收并处理所述含手术孔的影像，在所述含手术孔的影像上叠加所述影像单元的中心标定点和移动指引后，将带有所述中心标定点和移动指引的所述手术孔影像传递到主显示器上显示；

步骤c3：根据所述主显示器上的所述中心标定点和所述移动指引操作所述操作手柄，通过所述控制单元控制执行单元改变所述影像单元的位置，使所述主显示器上的所述中心标定点与所述主显示器上的内窥镜或手术器具的所述手术孔重合。

在一种手术孔定位方法的实施例中，所述步骤c2中，所述控制单元将带有所述中心标定点和移动指引的所述手术孔影像也同时传递到辅助显示器上显示。

在一种手术孔定位方法的实施例中，所述步骤c3中，所述控制单元控制竖直直线驱动器竖直上下伸缩改变所述影像单元的高度，使所述影像单元可以清晰获取所述手术孔影像；或者/和控制第一水平直线驱动器伸缩，调整所述影像单元在第一水平方向上的伸出长度；或者/和控制第二水平直线驱动器伸缩，调整所述影像单元在第二水平方向上的伸出长度。

在一种手术孔定位方法的实施例中，所述步骤b可以设置在所述步骤a之前或所述步骤c之后。

本发明的再一实施例提供一种患者手术孔定位方法，其利用以上所述的手术机器人系统对分布较散的手术孔进行定位，所述定位方法包括：

控制单元通过影像单元传递的含手术孔的影像识别所有手术孔的中心点，并在所述手术孔影像上叠加所述摄像头的中心标定点、所有手术孔的中心标定点和移动指引，所述控制单元将带有所述影像单元的中心标定点、所有手术孔的中心标定点和移动指引的所述手术孔影像发送到主显示器上显示，根据所述主显示器上的所述移动指引操作操作手柄，控制吊杆移动，使所述主显示器上的所述影像单元的中心标定点与所有手术孔的中心标定点位置重叠。

在一种患者手术孔定位方法的实施例中，所述控制单元将带有所述影像单元的中心标定点、所有手术孔的中心标定点和移动指引的所述手术孔影像也同时发送到辅助显示器上显示。

本发明的再一实施例提供一种手术机器人的机械臂防干涉调整方法，其利用以上所述的手术机器人系统对手术孔进行定位，所述调整方法包括：

步骤a：把腹腔或其它部位开有至少三个手术孔的患者放在病床上，将病床放置在手术机器人附近适当的位置，然后调整影像单元的位置，使其位于病床的上方；

步骤b：在每个机械臂上安装内窥镜或手术器具；

步骤c：操控操作手柄定位预置入内窥镜的内窥镜孔，获得所述内窥镜孔相对于底座的位置；

步骤d：操控所述操作手柄定位预置入手术器具的手术器具孔，获得所述手术器具孔相对于所述底座的位置；

步骤e，所述控制单元根据所述步骤c和所述步骤d中定位的所述内窥镜孔和所述手术器具孔的位置连线确定定位线C;

步骤f，所述控制单元获得机械臂的基准线A的位置；

步骤g，所述控制单元计算所述定位线C与所述基准线A之间的夹角，并控制吊杆电机驱动吊杆带着所述机械臂转动该夹角,使所述基准线A与所述定位线C平行或重合。

在一种机械臂防干涉调整方法的实施例中，所述步骤b可以设置在所述步骤a之前或所述步骤g之后。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

采用激光雷达或摄像头代替现有技术的激光，从而可以获取患者身上的手术孔影像，控制单元收到激光雷达或摄像头传递的手术孔影像经过降噪、变频、变色、改变影像亮度后在手术孔影像上叠加激光雷达或摄像头中心标定点和移动指引，然后将带有激光雷达或摄像头中心标定点和移动指引的手术孔影像在主显示器上显示，操作者从而根据主显示器上的移动指引改变激光雷达或摄像头的位置，使主显示器上的摄像头中心标定点与主显示器上的预定位的手术孔位置重合，从而通过控制单元识别出激光雷达或摄像头中心标定点的位置确定预定位的手术孔位置，控制单元识别激光雷达或摄像头中心标定点的位置。由此，该手术机器人系统将摄像头或激光雷达代替激光，可以形成手术孔影像视频；控制单元可以在手术孔影像上叠加激光雷达或摄像头中心标定点，从而可以在同一个显示器上看到摄像头的中心位置和预定位的手术孔的位置，通过观看主显示器操作操作手柄改变激光雷达或摄像头的位置逐渐与手术孔的位置重合，使用该手术机器人定位手术孔与现有技术相比，简单方便快速，一个人即可操作，不需要辅助人员，对操作人员的专业度要求低，不需要多个辅助人员反复调整机械臂操作，因此该手术机器人系统省工省时省力。

该手术孔定位方法也因为通过激光雷达或摄像头获取手术孔的影像视频，控制单元可以在手术孔的影像视频上叠加激光雷达或摄像头中心标定点和移动指引，并把带有激光雷达或摄像头中心标定点和移动指引的手术孔影像显示在主显示器上，让操作者可以直观的看到激光雷达或摄像头与手术孔的距离，方便通过操作手柄进行移动激光雷达或摄像头的位置，使其逐渐与要定位的手术孔重合。

利用手术机器人系统进行调整机械臂防止干涉的方法，首先按照上面的手术孔定位方法对预置入内窥镜的手术孔（内窥镜孔）和预置入手术器具的手术孔（手术器具孔）进行定位获得其位置后，控制单元连线内窥镜孔和手术器具孔，得到定位线C，控制单元识别机械臂的基准线A，并计算定位线C与基准线A的夹角，控制单元控制吊杆电机驱动吊杆带着机械臂转动该夹角，使基准线A与定位线C平行或重合。该调整机械臂基准线防止机械臂产生干涉，其上安装的内窥镜或手术器具可以置入相对应的手术孔内，该调整方法同样操作简单方便，一个人即可操作，不需要辅助人员，对操作人员的专业度要求低，不需要多个辅助人员反复调整机械臂操作，因此该手术机器人系统省工省时省力，相比双目视觉和手持工具定位方法，该手术孔定位方法和机械臂调整方法简单，成本低，不需要手持工具反复调整，定位调整快速高效。

参考以下描述，本申请的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本申请的实施例，且连同所述描述一起用于解释本申请的原理。

附图说明

本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本申请的完整和启发性公开内容，包括其最佳实施方式，本说明书参考了附图，在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种手术机器人系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种手术机器人系统与患者配合的俯视图；

图3为本发明实施例提供的患者身上的手术孔呈一条直线设置的示意图；

图4为本发明实施例提供的利用图1和图2所示的手术机器人系统进行定位内窥镜孔的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的利用图1和图2所示的手术机器人系统进行定位手术器具孔的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的图2所示的手术机器人系统中的吊杆旋转一定角度后机械臂均在定位线一侧时的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的患者身上的手术孔不在一条直线上设置的示意图。

附图标记：

1-手术机器人；11-底座；12-竖直直线驱动器；13第一水平直线驱动器；14-吊杆；15-摄像头；16-机械臂；17-吊杆电机;

2-病床；3-患者；31-第一手术孔；32-第二手术孔；33-第三手术孔；34-第四手术孔。

具体实施方式

现将详细参考本申请的实施例，在图中说明本申请的实施例的一个或多个实例。每个实例是为了解释本申请而提供，而非限制本申请。实际上，所属领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下可在本申请中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一实施例一起使用以产生再一实施例。因此，希望本申请涵盖此类修改和变化，所述修改和变化处于所附权利要求书及其等效物的范围内。如本说明书中所使用，术语“第一”、“第二”等可互换使用以区分一部件与另一部件而并非意图表示各个部件的位置或重要性。如说明书中所使用，除非上下文另外明确指出，否则术语“一”，“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件。术语“包括”，“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着除列出的要素外可能还有其他要素。

现在参考附图，其中在所有附图中相同的数字表示相同的元件，下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。图1示出了本发明手术机器人系统的结构示意图，手术机器人1包括底座11、位于底座11上的竖直直线驱动器12、可枢转地设于竖直直线驱动器12上端部的第一水平直线驱动器13、以及可枢转地设于第一水平直线驱动器端部的吊杆14，吊杆电机17的输出轴竖直向下设置，所述吊杆14安装在吊杆电机17的输出轴上即位于吊杆电机17的下部，并被吊杆电机17驱动在水平面内转动；吊杆14为柱状物或盘状物，其侧壁上设有多个例如至少3个可绕吊杆14侧部枢转的机械臂16，所述机械臂16用于执行微创手术。吊杆14的底部设有用于采集含有手术孔的影像单元，例如摄像头15或激光雷达，可按需实时采集或记录下方的手术孔影像，影像单元采集的含有手术孔的图像经过系统处理后叠加有指示标记和操作指引，可显示在辅助显示屏（未示出）或医生控制台（未示出）的主显示器中。所述竖直直线驱动器12用于调整影像单元、机械臂16等相对于底座11的竖直高度；第一水平直线驱动器13主要用于调整影像单元、机械臂16等的水平面位置；所述机械臂16上安装有内窥镜和手术用的手术器具。

本发明的手术机器人系统还包括与手术机器人1耦接的医生控制台（未示出）和控制单元（未示出）。

所述控制单元用于接收所述影像单元例如摄像头15或激光雷达发送的所述含有手术孔的影像，识别所述手术孔相对于所述底座11的位置后，在所述含有手术孔的影像上叠加影像单元中心标定点和移动指引，并将带有所述中心标定点和移动指引的所述手术孔影像发送到所述医生控制台的主显示器上显示，所述影像单元中心标定点和移动指引帮助操作者通过移动所述影像单元相对于所述底座11的位置使所述主显示器上的所述影像单元中心标定点不断与所述主显示器上的即要定位的所述手术孔重合。

所述吊杆电机17与所述控制单元耦接并被其驱动。

所述医生控制台包括与控制单元耦接的所述主显示器和操作手柄，所述主显示器显示所述控制单元发送的带有所述中心标定点和移动指引的所述手术孔影像，操作者根据所述中心标定点和移动指引操作所述操作手柄，所述控制单元根据所述操作手柄的操作控制所述执行单元动作，以移动所述影像单元相对于所述底座11的位置，使所述影像单元的中心标定点和要定位的所述手术孔在主显示器上重合。

图2示出了图1所示的手术机器人系统与患者3配合的示意图。如图2所示，病床2位于手术机器人1的右侧，患者3仰面平卧在病床2上。外科微创手术中，微创手术的手术孔为穿刺孔，术后疼痛感极低，为了完成整个手术，手术中需要内窥镜获取病灶区域的视频，以便进行手术操作，比如剥离切割以及止血等，所以需要在患者身上开设几个手术孔，以便将内窥镜和手术器具置入手术孔内。一般至少需要在患者身上开设3个手术孔，分别是：手术时便于观察病灶区域将内窥镜置入其中的第一手术孔、将剥离切断组织的电切刀置入其中的第二手术孔、以及将止血钳置入其中的第三手术孔。有些手术中，还需要在患者身上开第四手术孔或更多，用于置入引流管或其他用途。在本发明图2的实施例中，患者3的腹部自左至右依次开有用于微创手术的第一手术孔31、第二手术孔32、第三手术孔33和第四手术孔34。

图2中，设定病床2的宽度方向即x方向为第一水平方向，病床2的长度方向即y方向为第二水平方向，患者3身上开设的所述4个手术孔即第一手术孔31、第二手术孔32、第三手术孔33和第四手术孔34沿x方向呈一条直线或大致呈一条直线设置。

在图2中，过影像单元例如摄像头15的中心做两条相互垂直的水平线B和竖直线A，初始状态下的机械臂16分布在水平线B的两侧，而在竖直线A的一侧，此时将竖直线A定义为机械臂的基准线。当患者3身上的手术孔在一条直线上时，如图2所示的在患者腹部水平开4个手术孔，其连线为定位线C （在本申请中，定位线C定义为用于内窥镜的手术孔与用于手术器具的手术孔的连线），此时定位线C与基准线A垂直。在将机械臂16上安装的内窥镜和手术刀等手术器具分别置入第一至第四手术孔31-34内之前，可通过控制单元驱动第一水平直线驱动器13伸缩移动、吊杆电机17旋转，吊杆14转动并带着机械臂16在水平面内旋转一定角度，从而使得吊杆14位于患者3的正上方、且使所有机械臂16都位于定位线C的一侧，即机械臂的基准线A与定位线C基本平行，较佳的，使机械臂的基准线A与定位线C基本重合。

在某些实施例中，上述影像单元为摄像头15，在一较佳实施例中，摄像头15的数量为两个，形成双目立体视觉，通过控制单元，不仅可以对水平面内手术孔位置进行定位，还可以得到摄像头15与手术孔之间的高度距离信息，在摄像头15与手术孔之间的高度设置的不合适时，控制单元可以自动调整。

在某些实施例中，所述影像单元为激光雷达，此时通过激光雷达可采集到包含手术孔的整个患者腹部3D点云图像，通过系统算法形成含位置信息的3D图像，之后通过医生在3D图像上对手术孔进行手动标记，完成定位。

在某些实施例中，本发明的手术机器人1还设有第二水平直线驱动器（未示出），所述第二水平直线驱动器可枢转地安装在所述第一水平直线驱动器13的伸缩端端部，在此情况下，吊杆14固定在所述第二水平直线驱动器的伸出端。

在某些实施例中，本发明的手术机器人系统还包括辅助显示器，所述辅助显示器与所述控制单元耦接，所述控制单元将带有影像单元例如摄像头15的中心标定点和移动指引的含有手术孔的影像同时发送到主显示器和辅助显示器上显示，医生一方面可观看医生控制台上的主显示器操作手术机器人1定位患者身上的手术孔位置获取定位线C后，控制单元自动识别机械臂16的基准线A，计算基准线A与定位线C之间的夹角，控制吊杆电机17驱动吊杆14转动该夹角，从而使机械臂16的基准线A与定位线C平行或重合；另一方面在手术室的辅助人员或其他医生可通过辅助显示器观看手术机器人定位手术孔的过程，以及整个手术过程，以便在发生意外时方便及时提醒医生采取补救措施。

在某些实施例中，每个机械臂16上均设置有手术器具执行件，手术器具执行件上固定有内窥镜或手术器具，手术器具执行件与控制单元耦接并被其控制，可以小范围内改变内窥镜或手术器具的位置，以适应一些特殊情况，比如手术孔中的某个手术孔和其他手术孔不在一条直线上，此时在按照上述方法使机械臂的基准线A和定位线C平行或重合后，可以操作操作手柄通过控制单元控制手术器具执行件改变预置于该手术孔的手术器具的位置，使其可置入该手术孔内。

竖直直线驱动器12、第一水平直线驱动器13和第二水平直线驱动器通常为但不局限于电动缸或电动推杆，也可以是其他可实现直线伸缩运动的电驱动或液压驱动的机械结构。

本实施例的手术机器人系统包括相互耦接的手术机器人1和医生控制台（未图示）。如图2所示，手术机器人1代替医生的双手对患者实施手术，在手术室内的医生或远程的医生可以通过医生控制台操控手术机器人1对患者进行手术。

手术前，将腹部开有手术孔的患者3放在病床2上，病床2放置在位于手术机器人1适当的位置，如图2所示位于手术机器人1的右侧，调整所述竖直直线驱动器12和第一水平直线驱动器13和/或第二水平直线驱动器，使得影像单元例如摄像头15或激光雷达置于患者手术孔区域的上方位置，并且机械臂16的基准线A与定位线C基本平行重合。

用影像单元例如摄像头15或激光雷达对手术孔进行定位时，首先影像单元将获取到的含有患者手术孔的影像传递给控制单元，控制单元识别影像上各个手术孔相对于底座11的位置后，在影像上叠加影像单元例如摄像头15或激光雷达的中心标定点和移动指引，并将带有中心标定点和移动指引的含手术孔的影像传到主显示器上显示，操作者根据主显示器上显示的中心标定点和移动指引操控操作手柄，控制单元根据操作手柄的操作控制执行单元工作。如果主显示器上显示的含有手术孔的影像不清晰需要改变影像单元例如摄像头15或激光雷达在竖直方向上的位置时，操作者可通过操作操作手柄沿竖直方向摆动操作手柄即可。同样，在含手术孔的影像清晰的情况下，为了使主显示器上影像单元的中心标定点与需要定位的手术孔位置重合，需要沿着第一水平方向或/和第二水平方向移动影像单元时，操作者通过操作操作手柄沿第一水平方向或第二水平方向摆动操作手柄即可。

上述的手术机器人定位患者身上手术孔的方法简单快速高效，无需额外人工辅助帮助医生进行手术孔定位，对操作人员的专业度要求低，不需要专门的医生，其他辅助人员一人即可操作对手术孔定位。

本实施例中，手术孔设置4个，如图3所示，因此也需要对应设置4个机械臂16。但是，实践中根据手术部位以及手术难易程度的不同，在患者身上开设的手术孔的数量不同，对应的需要安装的机械臂16的数量也会因为有所不同。首先利用上述定位手术孔的方法定位内窥镜孔，即第一手术孔31，然后还需要再定位一个手术器具孔，控制单元将定位的内窥镜孔和手术器具孔连线定义为定位线C，控制单元因为机械臂上设置有位置传感器可以识别机械臂的基准线A（该技术为现有技术），计算基准线A和定位线C之间的夹角，控制单元控制吊杆电机17驱动吊杆14带着机械臂16转动该夹角，使机械臂16的基准线A与定位线C平行或重合。

本发明还提供一种利用上述的手术机器人系统对手术孔进行定位的方法，该定位方法简单快速高效，一个人即可操作，不需要其他医护人员的辅助，对操作人员的专业度要求低。

上述的手术孔定位方法包括以下步骤：

步骤a：把腹腔或其它部位开有至少三个手术孔的患者放在病床2上，将病床2放置在手术机器人1附近适当的位置，然后调整影像单元的位置，使其位于病床2的上方；

步骤b：在每个机械臂16上分别安装内窥镜或手术器具；

上述的步骤b也可以设置在步骤a之前或后续的步骤c之后。

步骤c：操控操作手柄定位预置入内窥镜或手术器具的手术孔，获得该手术孔相对于底座11的位置；

具体的，上述步骤c包括：

步骤c1：影像单元例如摄像头15或激光雷达采集患者的含有手术孔的影像并传递给控制单元；

步骤c2：所述控制单元接收并处理所述含有手术孔的影像，在所述含有手术孔的影像上叠加所述影像单元的中心标定点和移动指引后，将带有所述中心标定点和移动指引的所述含有手术孔的影像传递到主显示器上显示；

步骤c3：医生或辅助操作人员根据主显示器上的所述中心标定点和移动指引操作操作手柄，通过控制单元控制执行单元改变所述影像单元的位置，使主显示器上的所述中心标定点与主显示器上的内窥镜孔重合。

上述的步骤c2：控制单元将带有所述中心标定点和移动指引的所述含有手术孔的影像同时传递到主显示器和辅助显示器上显示，可以让在手术现场的其他人员在辅助显示器上观看手术孔定位过程，如果在对手术孔定位过程中发生意外情况，观看辅助显示器的现场人员可及时采取措施进行补救。

本发明还提供一种手术机器人系统的机械臂防干涉的调整方法，该调整方法同样简单快速高效，一个人即可操作，不需要其他医护人员的辅助，对操作人员的专业度要求低。该调整方法包括：

步骤a：把腹腔或其它部位开有至少三个手术孔的患者放在病床2上，将病床2放置在手术机器人1附近适当的位置，然后调整影像单元的位置，使其位于病床2的上方；

步骤b：在每个机械臂16上分别安装内窥镜或手术器具；

上述的步骤b也可以设置在步骤a之前或后续的步骤g之后。

步骤c：操控操作手柄定位预置入内窥镜的内窥镜孔，获得内窥镜孔相对于底座11的位置，如图4所示；

具体的，上述步骤c包括：

步骤c1：影像单元例如摄像头15或激光雷达采集患者的含有手术孔的影像并传递给控制单元；

步骤c2：控制单元接收并处理所述含有手术孔的影像，在所述含有手术孔的影像上叠加所述影像单元的中心标定点和移动指引后，将带有所述中心标定点和所述移动指引的所述含有手术孔的影像传递到辅助显示器和主显示器上显示；

步骤c3：操作人员根据主显示器上的所述中心标定点和所述移动指引操作操作手柄，通过控制单元控制执行单元改变所述影像单元的位置，使主显示器上的所述中心标定点与主显示器上的内窥镜孔重合。

步骤c3中，控制单元控制竖直直线驱动器12伸缩改变影像单元例如摄像头15或激光雷达的高度，使影像单元可以清晰获取患者身上的含有手术孔的图像；或者/和控制第一水平直线驱动器13伸缩，调整影像单元在第一水平方向上的伸出长度；或者/和控制第二水平直线驱动器伸缩，调整影像单元在第二水平方向上的伸出长度。

步骤d：在步骤c的基础上操控操作手柄定位预置入手术器具的手术器具孔，即第二手术孔32，获得手术器具孔相对于底座11的位置；

医生或辅助操作人员操控主显示器上的操作手柄，使主显示器中的摄像头15的中心标定点与主显示器上的手术器具孔位置重叠，控制单元通过识别此时摄像头15的位置从而确定手术器具孔的位置，完成手术器具孔的定位，如图5所示。

步骤e，控制单元根据步骤c和步骤d中定位的内窥镜孔和手术器具孔的位置确定定位线C;

控制单元分别识别内窥镜孔和手术器具孔的中心，然后连线形成定位线C。

步骤f，控制单元获得机械臂基准线A的位置；

各个机械臂上设置的传感器将各个机械臂位置信息传递给控制单元，从而通过坐标转换获得机械臂的基准线A的位置；

步骤g，控制单元计算定位线C与基准线A之间的夹角，并控制驱动电机17带着各个机械臂转动该角度,使基准线A与定位线C平行或重合,如图6所示。该手术机器人系统的调整机械臂基准线防止机械臂干涉的方法相比现有技术简单，快速，不需要那么多辅助人员的帮忙，一个医生或一个辅助人员就可以完成调整机械臂基准线的工作。

上述的定位方法适合患者身上的所有手术孔基本设置在一条直线上的情况。当然并不是所有的微创手术的手术孔都成一条直线，当其中一个手术孔与其他手术孔不在一条直线上而是错开一定距离（该距离不大，在5厘米以内）时，如图7所示，也可以按照上述的调整机械臂的基准线方法防止机械臂干涉，通过定位在一条直线上的其他手术孔来调整机械臂的基准线，那个错开一定距离的手术孔在置入手术器具前，可以操作操作手柄通过手术器具执行件移动手术孔对应的手术器具，以便该手术器具能够置入该手术孔内。

在另一些实施例中，如果患者身上所有的手术孔分布较散，控制单元通过影像单元例如摄像头15或激光雷达传递的含有手术孔的影像识别所有手术孔的中心点或接近中心点，并在所述含有手术孔的影像上叠加影像单元的中心标定点、手术孔中心标定点和移动指引，控制单元将带有影像单元的中心标定点、手术孔中心标定点和移动指引的含有手术孔的影像发送到主显示器和辅助显示器上显示，医生或辅助操作人员根据主显示器上的移动指引操作操作手柄，使主显示器中的影像单元的中心标定点与主显示器上的手术孔中心点位置重叠，此时不需调整机械臂的基准线。

对于分布比较散的手术孔来说，上述的定位方法比较简单，同样不需要别的医护人员的辅助，一个人即可操作，节省了医护人员的开支，省时省力。

本说明书使用实施例来公开本申请，包括最佳实施例，并且还使所属领域的技术人员能够实践本申请，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本申请的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实施例。如果此类其它实施例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求范围内。

Claims (17)

1.一种手术机器人系统，其包括相互耦接的手术机器人（1）和医生控制台，其特征在于，

所述手术机器人（1）包括

底座（11）；

影像单元，用于获取患者身上的手术孔影像，

执行单元，与所述底座（11）固定连接，并驱动调整所述影像单元相对于所述底座（11）的位置；

控制单元，用于接收所述影像单元发送的所述手术孔影像，识别预定位的所述手术孔的位置后在所述手术孔影像上叠加所述影像单元的中心标定点和移动指引，并将带有所述中心标定点和移动指引的所述手术孔影像发送到所述医生控制台的主显示器上显示，通过移动影像单元相对于所述底座（11）的位置使所述主显示器上的所述中心标定点不断与预定位的所述手术孔重合；

所述医生控制台包括所述主显示器和操作手柄，所述主显示器显示带有所述中心标定点和移动指引的所述手术孔影像，根据所述中心标定点和移动指引操作所述操作手柄，所述控制单元根据所述操作手柄的操作信号控制所述执行单元移动所述影像单元相对于所述底座（11）的位置。

2.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述影像单元为一个激光雷达或至少一个摄像头（15）。

3.根据权利要求2所述的手术机器人系统，其特征在于，所述摄像头（15）数量为两个。

4.根据权利要求3所述的手术机器人系统，其特征在于，所述执行单元包括：

竖直直线驱动器（12），固定在所述底座（11）上，其伸出端向上伸出设置，用于调整所述激光雷达或摄像头（15）相对于所述底座（11）的高度；

水平直线驱动器，可枢转的安装在所述竖直直线驱动器（12）的伸缩端，用于调整所述激光雷达或摄像头（15）相对于所述底座（11）的水平方向的伸出长度；

吊杆（14），可枢转的安装在所述水平直线驱动器的伸出端；

所述激光雷达或摄像头（15）安装在所述吊杆（14）的底面上；

所述竖直直线驱动器（12）、所述水平直线驱动器均与所述控制单元耦接并被其驱动。

5.根据权利要求4所述的手术机器人系统，其特征在于，所述水平直线驱动器包括

第一水平直线驱动器（13），可枢转的安装在所述竖直直线驱动器（12）的伸缩端，其伸出端沿第一水平方向伸缩设置，用于调整所述激光雷达或摄像头（15）相对于所述底座（11）的第一水平方向的伸出长度；

第二水平直线驱动器，可枢转的安装在所述第一水平直线驱动器（13）的伸缩端，其伸出端沿着第二水平方向伸缩设置，用于调整所述激光雷达或摄像头（15）相对于所述底座（11）的第二水平方向的伸出长度；

所述吊杆（14），可枢转的安装在所述第二水平直线驱动器的伸出端。

6.根据权利要求5所述的手术机器人系统，其特征在于，所述竖直直线驱动器（12）、所述第一水平直线驱动器（13）和所述第二水平直线驱动器为电动缸或电动推杆。

7.根据权利要求5所述的手术机器人系统，其特征在于，所述执行单元还包括：

吊杆电机（17），其输出轴竖直向下设置，所述吊杆（14）安装在所述输出轴上，并被所述吊杆电机（17）驱动在水平面内转动；

至少三个机械臂（16），与所述吊杆（14）的侧面万向铰接，所述机械臂（16）上安装有内窥镜或手术器具；

所述吊杆电机（17）与所述控制单元耦接并被其控制启停。

8.根据权利要求7所述的手术机器人系统，其特征在于，所述执行单元还包括设置在每个所述机械臂（16）上的手术器具执行件，内窥镜或手术器具安装在所述手术器具执行件上。

9.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，还包括辅助显示器，所述辅助显示器与所述控制单元耦接，用于与所述主显示器同时显示带有所述中心标定点和移动指引的所述手术孔影像。

10.一种手术孔定位方法，其特征在于，其利用权利要求1至9任一所述的手术机器人系统对分布呈一条直线或基本呈一条直线上的手术孔进行定位，所述定位方法包括：

步骤a：把腹腔或其它部位开有至少三个手术孔的患者放在病床（2）上，将病床（2）放置在手术机器人（1）附近适当的位置，然后调整影像单元的位置，使其位于病床（2）的上方；

步骤b：在每个机械臂(16)上分别安装内窥镜或手术器具；

步骤c：操控操作手柄定位预置入内窥镜或手术器具的手术孔，获得所述手术孔相对于底座（11）的位置；

所述步骤c包括：

步骤c1：所述影像单元获取患者的含手术孔的影像并传递给控制单元；

步骤c2：所述控制单元接收并处理所述含手术孔的影像，在所述含手术孔的影像上叠加所述影像单元的中心标定点和移动指引后，将带有所述中心标定点和移动指引的所述手术孔影像传递到主显示器上显示；

步骤c3：根据所述主显示器上的所述中心标定点和所述移动指引操作所述操作手柄，通过所述控制单元控制执行单元改变所述影像单元的位置，使所述主显示器上的所述中心标定点与所述主显示器上的内窥镜或手术器具的所述手术孔重合。

11.根据权利要求10所述的手术孔定位方法，其特征在于，

所述步骤c2中，所述控制单元将带有所述中心标定点和移动指引的所述手术孔影像也同时传递到辅助显示器上显示。

12.根据权利要求10所述的手术孔定位方法，其特征在于，

所述步骤c3中，所述控制单元控制竖直直线驱动器（12）竖直上下伸缩改变所述影像单元的高度，使所述影像单元可以清晰获取所述手术孔影像；或者/和控制第一水平直线驱动器（13）伸缩，调整所述影像单元在第一水平方向上的伸出长度；或者/和控制第二水平直线驱动器伸缩，调整所述影像单元在第二水平方向上的伸出长度。

13.根据权利要求10所述的手术孔定位方法，其特征在于，

所述步骤b可以设置在所述步骤a之前或所述步骤c之后。

14.一种患者手术孔定位方法，其特征在于，其利用权利要求1至9任一所述的手术机器人系统对分布较散的手术孔进行定位，所述定位方法包括：

控制单元通过影像单元传递的含手术孔的影像识别所有手术孔的中心点，并在所述手术孔影像上叠加所述影像单元的中心标定点、所有手术孔的中心标定点和移动指引，所述控制单元将带有所述影像单元的中心标定点、所有手术孔的中心标定点和移动指引的所述手术孔影像发送到主显示器上显示，根据所述主显示器上的所述移动指引操控操作手柄，控制吊杆移动，使所述主显示器上的所述影像单元的中心标定点与所有手术孔的中心标定点位置重叠。

15.根据权利要求14所述的患者手术孔定位方法，其特征在于，

所述控制单元将带有所述影像单元的中心标定点、所有手术孔的中心标定点和移动指引的所述手术孔影像也同时发送到辅助显示器上显示。

16.一种手术机器人的机械臂防干涉调整方法，其特征在于，其利用权利要求1至9任一所述的手术机器人系统对手术孔进行定位，所述调整方法包括：

步骤a：把腹腔或其它部位开有至少三个手术孔的患者放在病床（2）上，将病床（2）放置在手术机器人（1）附近适当的位置，然后调整影像单元的位置，使其位于病床（2）的上方；

步骤b：在每个机械臂（16）上安装内窥镜或手术器具；

步骤c：操控操作手柄定位预置入内窥镜的内窥镜孔，获得所述内窥镜孔相对于底座（11）的位置；

步骤d：操控所述操作手柄定位预置入手术器具的手术器具孔，获得所述手术器具孔相对于所述底座（11）的位置；

步骤e，所述控制单元根据所述步骤c和所述步骤d中定位的所述内窥镜孔和所述手术器具孔的位置连线确定定位线C;

步骤f，所述控制单元获得机械臂（16）的基准线A的位置；

步骤g，所述控制单元计算所述定位线C与所述基准线A之间的夹角，并控制吊杆电机（17）驱动吊杆（14）带着所述机械臂（16）转动该夹角,使所述基准线A与所述定位线C平行或重合。

17.根据权利要求16所述的机械臂防干涉调整方法，其特征在于，所述步骤b可以设置在所述步骤a之前或所述步骤g之后。

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