CN115227407B - 一种手术机器人控制方法、装置、系统、设备及存储介质 - Google Patents

一种手术机器人控制方法、装置、系统、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种手术机器人控制方法、装置、系统、设备及存储介质，涉及数据处理技术领域，上述方法包括：获得手术机器人机械臂末端的目标位姿以及当前的第一位姿；根据目标位姿以及第一位姿，确定机械臂末端的第一速度，并控制机械臂末端按照第一速度进行移动；每间隔预设的第一时长，获得机械臂末端第二位姿以及目标对象第三位姿，根据第三位姿更新期望位置以及目标位姿，根据第一时长、第二位姿以及更新后的目标位姿，计算机械臂末端的第二速度，并控制机械臂末端按照第二速度进行移动，直至机械臂末端移动至最近更新的期望位置。应用本发明实施例提供的手术机器人控制方案，能够控制手术机器人机械臂末端移动到期望的位置。

Description

一种手术机器人控制方法、装置、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，特别是涉及一种手术机器人控制方法、装置、系统、设备及存储介质。
背景技术
手术机器人能够辅助医生完成手术。手术机器人通常安装有机械臂，医生在使用手术机器人时，通常会预先规划好机械臂末端的目标位姿，并希望手术机器人的机械臂末端移动到目标位姿指示的位置，从而帮助自己完成手术。
因此，需要一种手术机器人控制方案，以使得手术机器人的机械臂末端移动到期望的位置。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种手术机器人控制方法、装置、系统、设备及存储介质，用于控制手术机器人机械臂末端移动到期望的位置。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种手术机器人控制方法，所述方法包括：
获得手术机器人机械臂末端在基座坐标系下的目标位姿以及当前的第一位姿，其中，所述目标位姿为：根据目标对象在预先采集的图像中的位姿规划的、机械臂末端位于期望位置时的位姿，所述基座坐标系为：根据手术机器人机械臂基座建立的坐标系；
根据所述目标位姿以及第一位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
每间隔预设的第一时长，获得所述机械臂末端在所述基座坐标系下的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，根据所述第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
本发明的一个实施例中，所述根据所述第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，包括：
计算历史的各个第一时长对应的第二位姿和目标位姿之间的第一位姿差值；
根据所获得的各个第一位姿差值以及第一PID控制参数，计算基于所述第一位姿差值的变化趋势确定的、所述机械臂末端的第二速度。
本发明的一个实施例中，所述根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，包括：
根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内，其中，所述目标区域的边界与所述期望位置之间的距离为预设距离。
本发明的一个实施例中，所述根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内，包括：
基于所述目标位姿以及第一位姿，规划所述机械臂末端待经过的多个目标位置以及所述机械臂末端在各个目标位置上的中间位姿；
根据所述第一位姿以及第一个目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
每间隔预设的第二时长，获得所述机械臂末端第四位姿，根据所述第四位姿以及下一目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第三速度，作为新的第一速度，并控制所述机械臂末端按照新的第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内。
本发明的一个实施例中，所述根据所述第四位姿以及下一目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第三速度，包括：
计算历史的各个第二时长对应的第四位姿和下一目标位置对应的中间位姿之间的第二位姿差值；
根据所获得的各个第二位姿差值以及所述第二PID控制参数，计算基于所述第二位姿差值的变化趋势确定的、所述机械臂末端的第三速度。
本发明的一个实施例中，各相邻目标位置之间的距离相同。
本发明的一个实施例中，所述根据所述目标位姿以及第一位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，包括：
根据所述目标位姿，确定所述机械臂末端位于所述期望位置时所述机械臂在所述基座坐标系下的第五位姿；
根据所述第一位姿，确定所述机械臂当前在所述基座坐标系下的第六位姿；
根据所述第五位姿和第六位姿，计算所述机械臂各个关节的第一旋转速度，并控制所述机械臂各个关节按照各自对应的第一旋转速度进行旋转；
所述根据所述第一时长、第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，包括：
根据所述第二位姿，确定所述机械臂的第七位姿；
根据所述更新后的目标位姿，确定所述机械臂末端位于更新后的期望位置时所述机械臂的第八位姿；
根据所述第七位姿和第八位姿，计算所述机械臂各个关节的第二旋转速度，并控制所述机械臂各个关节按照各自对应的第二旋转速度进行旋转。
第二方面，本发明实施例还提供了一种手术机器人控制装置，所述装置包括：
位姿获得模块，用于获得手术机器人机械臂末端在基座坐标系下的目标位姿以及当前的第一位姿，其中，所述目标位姿为：根据目标对象在预先采集的图像中的位姿规划的、机械臂末端位于期望位置时的位姿，所述基座坐标系为：根据手术机器人机械臂基座建立的坐标系；
第一控制模块，用于根据所述目标位姿以及第一位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
第二控制模块，用于每间隔预设的第一时长，获得在所述基座坐标系所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，根据所述第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
本发明的一个实施例中，所述第二控制模块，具体用于：
每间隔预设的第一时长，获得所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，计算历史的各个第一时长对应的第二位姿和目标位姿之间的第一位姿差值，根据所获得的各个第一位姿差值以及第一PID控制参数，计算基于所述第一位姿差值的变化趋势确定的、所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
本发明的一个实施例中，所述第一控制模块，具体用于：
根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内，其中，所述目标区域的边界与所述期望位置之间的距离为预设距离。
本发明的一个实施例中，所述第一控制模块，包括：
位置规划子模块，用于基于所述目标位姿以及第一位姿，规划所述机械臂末端待经过的多个目标位置以及所述机械臂末端在各个目标位置上的中间位姿；
第一控制子模块，用于根据所述第一位姿以及第一个目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
第二控制子模块，用于每间隔预设的第二时长，获得所述机械臂末端第四位姿，根据所述第四位姿以及下一目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第三速度，作为新的第一速度，并控制所述机械臂末端按照新的第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内。
本发明的一个实施例中，所述第二控制子模块，具体用于：
每间隔预设的第二时长，获得所述机械臂末端第四位姿，计算历史的各个第二时长对应的第四位姿和下一目标位置对应的中间位姿之间的第二位姿差值，根据所获得的各个第二位姿差值以及所述第二PID控制参数，计算基于所述第二位姿差值的变化趋势确定的、所述机械臂末端的第三速度，作为新的第一速度，并控制所述机械臂末端按照新的第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内。
本发明的一个实施例中，各相邻目标位置之间的距离相同。
本发明的一个实施例中，所述装置还包括：还包括：
基座位姿获得模块，用于在所述根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度之前，获得所述手术机器人机械臂基座的基座位姿；
所述第一控制模块，具体用于：
根据所述目标位姿，确定所述机械臂末端位于所述期望位置时所述机械臂在所述基座坐标系下的第五位姿；
根据所述第一位姿，确定所述机械臂当前在所述基座坐标系下的第六位姿；
根据所述第五位姿和第六位姿，计算所述机械臂各个关节的第一旋转速度，并控制所述机械臂各个关节按照各自对应的第一旋转速度进行旋转；
所述第二控制模块，具体用于：
每间隔预设的第一时长，获得在所述基座坐标系下所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿；根据所述第二位姿，确定所述机械臂的第七位姿；根据更新后的目标位姿，确定所述机械臂末端位于更新后的期望位置时所述机械臂的第八位姿；根据所述第七位姿和第八位姿，计算所述机械臂各个关节的第二旋转速度，并控制所述机械臂各个关节按照各自对应的第二旋转速度进行旋转，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
第三方面，本发明实施例还提供了一种手术机器人控制系统，所述系统包括三维导航追踪设备、带有机械臂的手术机器人、用于示出目标对象的位姿的对象示踪器、安装有定位示踪器的定位器、图像采集设备以及上位机；
所述定位器安装于所述手术机器人的机械臂末端；
所述图像采集设备，用于采集所述目标对象的目标图像，并向所述上位机发送所述目标图像；
所述上位机，用于获得所述目标图像以及所述目标图像中所述目标对象的位姿，并根据所获得的位姿规划所述机械臂末端位于期望位置时在基座坐标系下的目标位姿，其中，所述基座坐标系为：根据手术机器人机械臂基座建立的坐标系；
所述上位机，还用于获得所述机械臂末端当前在所述基座坐标系下的第一位姿，根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
所述三维导航追踪设备，用于每间隔预设的第一时长，获得所述定位示踪器的定位示踪器位姿以及所述对象示踪器的对象示踪器位姿，并向所述上位机发送所述定位示踪器位姿和对象示踪器位姿，其中，所述定位示踪器位姿以及对象示踪器位姿均为所述三维导航追踪设备所在的追踪坐标系下的位姿；
所述上位机，还用于获得所述定位示踪器位姿和对象示踪器位姿，根据所述定位示踪器位姿，确定所述机械臂末端在所述基座坐标系下的第二位姿，根据所述对象示踪器位姿，确定所述目标对象在所述基座坐标系下的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，根据所述第一时长、第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
第四方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述第一方面所述的方法步骤。
第五方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的方法步骤。
本发明实施例有益效果：
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制手术机器人时，在确定出第一速度，并控制机械臂末端按照第一速度进行移动之后，每间隔第一时长，获得机械臂末端的第二位姿和目标对象的第三位姿，根据第三位姿更新期望位置以及目标位姿，这样能够周期性根据目标对象的位姿变化调整期望位置和目标姿态，从而能够保证机械臂末端准确的移动至期望的位置。由以上可见，应用本发明实施例提供的手术机器人控制方案，不仅能够控制手术机器人的机械臂末端移动至期望的位置，而且能够提高控制手术机器人的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本发明实施例提供的第一种手术机器人控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的第二种手术机器人控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的第三种手术机器人控制方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的第四种手术机器人控制方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的第五种手术机器人控制方法的流程示意图；
图6为本发明实施例提供的第一种手术机器人控制装置的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的第二种手术机器人控制装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种手术机器人控制系统的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员基于本发明所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，医生通常根据目标对象的图像规划植入物或者目标靶点在图像坐标系下的位姿，并通过坐标系转换关系求解期望机械臂到达的基座坐标系下的目标位姿，基座坐标系为根据机械臂基座建立的坐标系。由于手术台升降、目标对象自身移动等原因，植入物或者靶点的位姿可能会发生改变，这种情况下，医生规划的目标位姿指示的位置和目标对象的位姿改变后期望机械臂末端到达的位置之间可能存在偏差。
为解决这一问题，本发明实施例提供了一种手术机器人控制方法、装置、系统、设备及存储介质。下面分别进行详细介绍。
首先对本发明实施例提供的方案的执行主体进行说明。
一种情况下，上述执行主体可以是用于控制手术机器人的控制设备。这种情况下，控制设备可以向手术机器人发送控制指令，手术机器人根据上述控制指令，控制机械臂移动。
例如，控制设备可以向手术机器人发送控制机械臂末端的移动速度的移动速度控制指令，手术机器人接收上述移动速度控制指令，控制机械臂末端按照指令指示的移动速度进行移动。
又例如，控制设备还可以向手术机器人发送控制机械臂各个关节的旋转速度的旋转速度控制指令，手术机器人接收上述旋转速度控制指令，控制机械臂各个关节按照指令指示的各自对应的旋转速度进行旋转。
本发明的一个实施例中，上述控制设备为上位机。
另一种情况下，上述执行主体还可以是手术机器人自身。这种情况下，手术机器人可以根据机械臂以及目标对象在不同时刻下的位姿，计算机械臂末端的移动速度或者机械臂各个关节的旋转速度，从而控制机械臂移动。
下面通过具体实施例对本发明实施例提供的手术机器人控制方案进行说明。
参见图1，图1为本发明实施例提供的第一种手术机器人控制方法的流程示意图，上述方法包括以下步骤S101-S103。
步骤S101：获得手术机器人机械臂末端在基座坐标系下的目标位姿以及当前的第一位姿。
其中，目标位姿为：根据目标对象在预先采集的图像中的位姿规划的、机械臂末端位于期望位置时的位姿。
上述期望位置可以理解为期望机械臂末端到达的位置。
基座坐标系为：根据手术机器人机械臂基座建立的坐标系。
具体的，在获得上述目标位姿时，可以获得目标对象的图像，根据目标对象在图像中的位姿，规划植入物或者目标靶点的图像位姿，再通过图像坐标系至基座坐标系之间的一系列坐标系转换关系以及植入物或者目标靶点与机械臂末端之间的相对位置关系，确定出机械臂末端位于期望位置时的位姿。
机械臂末端的当前位姿通常可以实时检测获得，因此，在获得上述第一位姿时，可以直接获取当前时刻下机械臂末端的位姿，作为第一位姿。
另外，还可以获得机械臂当前的姿态数据，该姿态数据可以反映机械臂末端与机械臂基座之间的相对位置，这样也就获得了在基座坐标系下机械臂末端的位姿。
步骤S102：根据目标位姿以及第一位姿，计算机械臂末端的第一速度，并控制机械臂末端按照第一速度进行移动。
具体的，位姿数据通常包括位置数据以及姿态数据，在计算上述第一速度时，可以根据目标位姿以及第一位姿中位置数据的位置差值，计算机械臂末端移动的移动速度，根据目标位姿以及第一位姿中姿态数据的姿态差值，计算机械臂末端的姿态变化速度。
例如，在目标位姿以及第一位姿所在的三维坐标系中，计算目标位姿和第一位姿中位置数据在三个坐标轴方向上的位置差值ΔX、ΔY、ΔZ，根据这三种位置差值计算机械臂末端沿三个坐标轴方向移动的移动速度；计算目标位姿和第一位姿中姿态数据在三个坐标轴方向上的的姿态差值ΔRX、ΔRY、ΔRZ，根据这三种姿态差值计算机械臂末端沿三个坐标轴方向旋转的旋转速度，作为机械臂末端的姿态变化速度。
本发明的一个实施例中，可以通过以下三种实现方式中任一种计算机械臂末端的第一速度。
第一种实现方式中，可以设置任一移动时长，根据目标位姿和第一位姿中位置数据的位置差值以及该移动时长，计算机械臂末端的移动速度，根据目标位姿和第一位姿中姿态数据的姿态差值以及该移动时长，计算机械臂末端的姿态变化速度。
第二种实现方式中，还可以设置任一移动速度，根据目标位姿和第一位姿中位置数据的位置差值以及该移动速度，计算移动时长，根据目标位姿和第一位姿中姿态数据的姿态差值以及计算得到的移动时长，计算机械臂末端的姿态变化速度。
第三种实现方式中，还可以设置任一姿态变化速度，根据目标位姿和第一位姿中姿态数据的姿态差值以及该姿态变化速度，计算移动时长，根据目标位姿和第一位姿中位置数据的位置差值以及计算得到的移动时长，计算机械臂末端的移动速度。
步骤S103：每间隔预设的第一时长，获得在基座坐标系下机械臂末端的第二位姿以及目标对象的第三位姿，根据第三位姿更新期望位置以及目标位姿，根据第二位姿以及更新后的目标位姿，计算机械臂末端的第二速度，并控制机械臂末端按照第二速度进行移动，直至机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
其中，上述第一时长的计时零点可以是控制机械臂末端按照第一速度进行移动的起始时刻，也可以是机械臂末端按照第一速度移动至特定位置的时刻，还可以是机械臂末端移动过程中的其他时刻。
上述特定位置可以根据第一位姿指示的位置或者期望位置确定，例如，上述特定位置可以是距离期望位置10cm的位置。
上述第一时长可以是人为预设的时长，如0.5s、1s或者其他时长。
获得上述第二位姿的实现方式可参见上述步骤S101中获得上述第一位姿的实现方式，这里不再赘述。
具体的，在获得上述第二位姿和第三位姿后，可以根据第三位姿重新规划机械臂末端位于新的期望位置时的位姿，并将期望位置更新为重新规划得到的新的期望位置，将目标位姿更新为重新规划得到的位姿。更新目标位姿之后，根据第二位姿以及更新后的目标位姿，可以计算机械臂末端的第二速度，从而控制机械臂末端按照第二速度进行移动，这样每间隔第一时长，可以根据机械臂末端的位姿以及更新的目标位姿不断调整机械臂末端的速度，直至机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
根据第二位姿以及更新后的目标位姿计算机械臂末端的第二速度的实现方式可参见后续实施例，这里暂不详述。
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制手术机器人时，在确定出第一速度，并控制机械臂末端按照第一速度进行移动之后，每间隔第一时长，获得机械臂末端的第二位姿和目标对象的第三位姿，根据第三位姿更新期望位置以及目标位姿，这样能够周期性根据目标对象的位姿变化调整期望位置和目标姿态，形成闭环控制，从而能够保证机械臂末端准确的移动至期望的位置。由以上可见，应用本发明实施例提供的手术机器人控制方案，不仅能够控制手术机器人的机械臂末端移动至期望的位置，而且能够提高控制手术机器人的准确性。
另外，应用现有技术控制手术机器人时，通常首先将手术机器人的机械臂末端移动至规划好的位置，再计算机械臂末端所在位置与期望到达的位置之间的误差，从而根据计算得到的误差矫正机械臂末端的位置，这种情况下，若目标对象的位姿发生变化，使得原本规划好的期望机械臂末端到达的位置为目标对象的某一身体部位，机械臂末端仍需要移动至规划好的目标位置，这就可能增加目标对象进行手术的风险。并且每矫正一次机械臂末端的位置，机械臂都会进行一次启停过程，若矫正次数较多，则会增加机械臂损坏的风险，并且多次启停会消耗较多时间，从而增加对目标对象进行手术的手术时长，而本方案能够在控制机械臂末端向期望位置移动的过程下对机械臂末端的速度进行矫正，这样当目标对象的位姿改变时，期望位置也会随之改变，从而能够降低对目标对象进行手术的风险，实现手术机器人机械臂末端稳定、安全的定位，并且本方案无需机械臂多次启停，从而能够降低机械臂损坏的风险，缩短手术机器人控制的时长，进而缩短对目标对象进行手术的手术时长，提升医生在手术过程中使用手术机器人的体验感。
下面对计算机械臂末端的第二速度的实现方式进行说明。
本发明的一个实施例中，可以计算第二位姿和更新后的目标位姿之间的第二位姿差值，并将该第二位姿差值与第一时长相除，将相除后得到的结果作为机械臂末端的第二速度。
在计算第二位姿差值时，可以计算第二位姿中的位置数据和目标位姿中的位置数据之间的位置差值，并计算第二位姿中的姿态数据和目标位姿中的姿态数据之间的姿态差值，计算得到的位置差值和姿态差值即为第二位姿差值。这种情况下，可以将位置差值与第一时长相除，得到机械臂末端的位置移动速度，将姿态差值与第一时长相除，得到机械臂末端的姿态旋转速度，将这两种速度作为上述第二速度。
本实施例中，计算上述第二速度仅与本次获得的第二位姿和第三位姿相关，即仅与上述第二位姿差值相关，当相邻的第一时长对应的第二位姿差值相差较大时，计算得到的相邻第一时长对应的第二速度也相差较大，这样在控制机械臂末端按照第二速度进行移动时，在相邻第一时长的交界点处机械臂末端的速度变化幅度较大，从而可能增大机械臂的机械磨损。
为解决这一问题，本发明的另一个实施例中，在计算机械臂末端的第二速度时，可以通过以下步骤一至步骤二进行计算。
步骤一：计算历史的各个第一时长对应的第二位姿和目标位姿之间的第二位姿差值。
计算历史的各个第一时长对应的第二位姿差值的实现方式可参见前述实施例，这里不再赘述。
步骤二：根据所获得的各个第二位姿差值以及第一PID（Proportional-Integral-Derivative，比例积分微分）控制参数，计算基于第二位姿差值的变化趋势确定的、机械臂末端的第二速度。
其中，上述第一PID控制参数包括比例控制参数、积分控制参数以及微分控制参数。
具体的，上述比例控制参数用于实现对机械臂末端的速度进行比例调节，在计算上述第二速度时，可以将第二位姿差值与比例控制参数相乘，得到比例控制结果，第二位姿差值越大，则比例控制结果越大，反之，第二位姿差值越小，则比例控制结果越小。
上述积分控制参数用于消除上述比例控制过程中可能出现的暂态误差，在计算上述第二速度时，可以计算历史的各个第一时长对应的第二位姿差值之和，并将计算得到的第二位姿差值之和与积分控制参数相乘，得到积分控制结果。
上述微分控制参数用于减缓两次相邻第二时长对应的第二速度可能出现的速度跃迁，在计算上述第二速度时，可以计算上一第一时长对应的第二位姿差值与本次计算得到的第二位姿差值之差，并将计算得到的第二位姿差值之差与微分控制参数相乘，得到微分控制结果。
在得到上述三种控制结果后，可以将这三种控制结果相加，得到相加后的控制结果，作为机械臂末端的第二速度。
本方案中，利用各个第一时长对应的第二位姿差值以及第一PID控制参数计算第二速度，可以理解为采用过程控制方式计算机械臂末端的第二速度，在过程控制中使用的微分控制能够有效的抑制机械臂末端发生较大的速度跃迁，从而能够在手术机器人控制过程中减小机械臂的机械磨损。
在手术机器人控制过程中，机械臂末端与期望位置之间的距离通常较长，并且上述步骤S103需要执行获得第二位姿、获得第三位姿、更新目标位姿、计算第二速度、调整机械臂末端的速度为第二速度等一系列操作，执行过程复杂，并且所需处理的数据量较大，因此，若从控制机械臂末端按照第一速度进行移动的开始时刻起，每间隔第一时长进行一次上述所有操作，则会增大整个手术机器人控制过程的数据处理负荷。
鉴于此，本发明的一个实施例中，参见图2，提供了第二种手术机器人控制方法的流程示意图，本实施例中，可以通过以下步骤S102A实现上述步骤S102。
步骤S102A：根据目标位姿以及第一位姿，确定机械臂末端的第一速度，并控制机械臂末端按照第一速度进行移动，直至机械臂末端移动至目标区域内。
其中，目标区域的边界与期望位置之间的距离为预设距离。
上述预设距离可以是人为设置的，例如3cm、5cm或者其他距离。
目标位姿中位置数据指示的位置即为机械臂末端的期望位置，因此，获得了上述目标位姿，也就得知了期望位置，这样可以根据期望位置以及预设距离，确定上述目标区域。
具体的，在控制机械臂末端移动的过程中，可以实时检测机械臂末端的位置，从而根据所检测的位置判断机械臂末端是否到达目标区域内。
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制手术机器人时，在机械臂末端未移动至目标区域内时，可以控制机械臂末端始终按照第一速度进行移动，这样无需多次执行获得第二位姿、获得第三位姿、更新目标位姿、计算第二速度、调整机械臂末端的速度为第二速度等操作，从而减小了手术机器人控制的数据处理负荷。
在控制手术机器人的过程中，通常可以规划机械臂末端的移动路径，并控制机械臂末端按照规划好的移动路径进行移动。
鉴于此，在控制机械臂末端从第一位姿对应的初始位置移动至目标区域的过程中，本发明的一个实施例中，参见图3，提供了第三种手术机器人控制方法的流程示意图，本实施例中，可以通过以下步骤S102A1-S102A3实现上述步骤S102A。
步骤S102A1：基于目标位姿以及第一位姿，规划机械臂末端待经过的多个目标位置以及机械臂末端在各个目标位置上的中间位姿。
具体的，根据目标位姿以及第一位姿，可以规划机械臂末端的移动路径，并在所规划的移动路径中选择多个目标位置，并且根据各个目标位置在整个移动路径中所处的位置，确定机械臂末端在各个目标位置上的中间位姿。
例如，可以选择移动路径的中间点作为目标位置，在确定该中间点上机械臂末端的中间位姿时，可以计算目标位姿和第一位姿之间的位姿差值，并将该位姿差值除以2，得到相除后得到的位姿差值，并将相除得到的位姿差值与第一位姿相加，得到相加后的位姿，即为机械臂末端在该中间点上的中间位姿。
根据目标位姿以及第一位姿规划上述移动路径可以通过现有的路径规划技术实现，这里不再详述。
本发明的一个实施例中，各相邻目标位置之间的距离相同。
具体的，在所规划的移动路径中选择目标位置时，可以等距选择多个目标位置，从而保证各相邻目标位置之间的距离相同，这样在后续使用各目标位置之间的距离时，无需根据各目标位置的位置数据进行计算，从而能够减少数据计算量，提高手术机器人控制的便捷性。
另外，还可以选择所规划的移动路径中的拐点作为目标位置，以保证机械臂末端能够尽可能按照所规划的移动路径进行移动。
步骤S102A2：根据第一位姿以及第一个目标位置对应的中间位姿，计算机械臂末端的第一速度，并控制机械臂末端按照第一速度进行移动。
本步骤与前述图1所示实施例中步骤S102相类似，区别仅在于步骤S102所使用的位姿为目标位姿以及第一位姿，本步骤所使用的位姿为第一位姿以及第一个目标位置对应的中间位姿，这里不再赘述。
步骤S102A3：每间隔预设的第二时长，获得机械臂末端第四位姿，根据第四位姿以及下一目标位置对应的中间位姿，计算机械臂末端的第三速度，作为新的第一速度，并控制机械臂末端按照新的第一速度进行移动，直至机械臂末端移动至目标区域内。
其中，上述第二时长的计时零点，可以是控制机械臂末端按照上述步骤S102A2中计算得到的第一速度进行移动的起始时刻。
上述第二时长可以是人为预设的时长，如0.5s、1s或者其他时长。
上述第二时长与上述第一时长可以相同，也可以不同。
获得上述第四位姿的方式可参见前述图1所示实施例中提及的获得第一位姿的实现方式，这里不再赘述。
本步骤中计算机械臂末端的第三速度的实现方式可参见前述图1所示实施例中步骤S103计算机械臂末端的第二速度的实现方式，这里不再赘述。
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制手术机器人时，规划机械臂末端待经过的多个目标位置以及各个目标位置对应的中间位姿，根据第一位姿、各个中间位姿以及第二时长，能够准确计算出机械臂末端在各个相邻目标位置构成的路径上移动的速度，从而能够控制机械臂末端按照计算出的较为准确的速度进行移动，直至机械臂末端移动至目标区域内。由此可见，应用本发明实施例提供的手术机器人控制方案，能够提高手术机器人控制的准确性。
在计算机械臂末端的第三速度时，也可以通过过程控制方式进行计算。
本发明的一个实施例中，在计算机械臂末端的第三速度时，可以通过以下步骤三至步骤四进行计算。
步骤三：计算历史的各个第二时长对应的第四位姿和下一目标位置对应的中间位姿之间的第二位姿差值。
本步骤与前述实施例中的步骤一相类似，这里不再赘述。
步骤四：根据所获得的各个第二位姿差值以及第二PID控制参数，计算基于第二位姿差值的变化趋势确定的、机械臂末端的第三速度。
其中，上述第二PID控制参数可以与上述第一PID控制参数相同，也可以不同。
本步骤与前述实施例中的步骤二相类似，这里不再赘述。
本方案中，采用过程控制方式计算机械臂末端的第三速度，同样能够在手术机器人控制过程中减小机械臂的机械磨损。
在手术机器人控制过程中，除了可以控制机械臂末端按照一定的速度进行移动之外，还可以通过控制机械臂各个关节的旋转速度实现手术机器人控制。
本发明的一个实施例中，参见图4，提供了第四种手术机器人控制方法的流程示意图，本实施例中，可以通过以下步骤S102B-S102D实现上述步骤S102，通过以下步骤S103A实现上述步骤S103。
步骤S102B：根据目标位姿，确定机械臂末端位于期望位置时机械臂在基座坐标系下的第五位姿。
由于基座坐标系是根据机械臂基座建立的坐标系，机械臂基座在基座坐标系下可以认为是位于坐标原点，因此，在确定上述第五位姿时，可以根据目标位姿以及位于坐标原点的机械臂基座的基座位姿确定上述第五位姿数据，其中，该基座位姿中包含的各参数均为0。
根据基座位姿以及目标位姿，可以通过现有的如DH建模法、旋量解法等多种位姿计算技术，计算机械臂末端位于期望位置时机械臂的第五位姿。
步骤S102C：根据第一位姿，确定机械臂当前在基座坐标系下的第六位姿。
本步骤与上述步骤S102B相类似，这里不再赘述。
步骤S102D：根据第五位姿和第六位姿，计算机械臂各个关节的第一旋转速度，并控制机械臂各个关节按照各自对应的第一旋转速度进行旋转；
具体的，根据第五位姿和第六位姿，可以计算机械臂各个关节的旋转角度的差值，这样可以根据各个关节的旋转角度差值，确定各个关节的第一旋转速度，从而控制机械臂各个关节按照各自对应的第一旋转速度进行旋转。
例如，可以设置任一旋转时长，将各个关节的旋转角度差值分别与所设置的旋转时长相除，即可得到各个关节的第一旋转速度。
在控制机械臂各个关节开始旋转之后，还可以通过以下步骤S103A实现上述步骤S103。
步骤S103A：每间隔第一时长，获得机械臂末端的第二位姿以及目标对象的第三位姿，根据第三位姿更新期望位置以及目标位姿，根据第二位姿，确定机械臂的第七位姿，根据更新后的目标位姿，确定机械臂末端位于更新后的期望位置时机械臂的第八位姿，根据第七位姿和第八位姿，计算机械臂各个关节的第二旋转速度，并控制机械臂各个关节按照各自对应的第二旋转速度进行旋转，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
具体的，获得第二位姿以及第三位姿、更新目标位姿的实现方式可参见前述图1所示实施例中步骤S103，这里不再赘述。
根据第二位姿计算第七位姿、根据更新后的目标位姿计算第八位姿的实现方式可参见上述步骤S102B或者步骤S102C，这里不再赘述。
本发明的一个实施例中，可以通过以下两种实现方式中任一种计算机械臂各个关节的第二旋转速度。
第一种实现方式中，可以根据第七位姿和第八位姿，计算机械臂各个关节的旋转角度差值，将各个关节的旋转角度差值分别与第一时长相除，得到相除后的各个关节的第二旋转速度。
第二种实现方式中，还可以根据历史的各个第一时长对应的第七位姿和第八位姿，计算各个第一时长对应的各个关节的旋转角度差值，根据历史的各个第一时长对应各个关节的旋转角度差值以及预设的PID控制参数，计算各个关节的第二旋转角度。
利用预设的PID控制参数计算各个关节的第二旋转角度实现方式，与前述实施例中利用PID控制参数计算机械臂末端的速度的实现方式相类似，这里不再赘述。
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制手术机器人时，第五位姿为机械臂当前的位姿，第六位姿为机械臂末端位于期望位置时机械臂的位姿，根据第五位姿和第六位姿，能够准确确定机械臂各个关节的第一旋转角度，同理，根据第七位姿和第八位姿，能够准确计算出机械臂各个关节的第二旋转速度，从而控制机械臂各个关节按照计算得到的旋转速度进行旋转，能够提高手术机器人控制的准确性。
本发明的一个实施例中，参见图5，提供了第五种手术机器人控制方法的流程示意图，本实施例中，上述方法包括以下步骤S501-S518。
步骤S501：计算目标对象对机械臂基座的关系。
上述目标对象对机械臂基座的关系可以理解为目标对象在机械臂基座的基座坐标系下的位姿。
具体的，可以观测用于示出目标对象的位姿的示踪器，得到该示踪器在基座坐标系下的位姿，作为目标对象在基座坐标系下的位姿。
步骤S502：获得手术机器人TCP（tool center point，工具中心点）位姿。
上述TCP位姿可以理解为上述手术机器人机械臂末端的目标位姿，获得TCP位姿的的实现方式可参见前述图1所示实施例中步骤S101。
步骤S503：建立术区模型。
上述术区模型中可以包含手术机器人以及目标对象的模型。
具体的，可以根据手术机器人位姿和目标对象位姿，利用现有的模型构建技术，构建术区模型。
步骤S504：选择是否进行机械臂末端的移动路径/姿态规划。
具体的，可以获得用户根据自身需求做出的选择。
步骤S505：若为是，则根据目标对象对机械臂基座的关系以及TCP位姿，规划机械臂末端的移动路径以及姿态，得到包含多个位置点的位置集S1或J1，其中，S1表示在笛卡尔空间中各位置点的集合，J1表示在关节空间中各位置点的集合；
步骤S506：若为否，则将TCP位姿在笛卡尔空间中指示的位置点作为位置集S1，或者将TCP位姿在关节空间中指示的位置点作为位置集J1。
步骤S507：选择全程PID控制模式T1和速度与内PID控制模式T0中其中一种。
具体的，若上述位置集为通过路径/姿态规划得到的，则可以选择模式T1；若上述位置集未通过路径/姿态规划得到，则可以选择模式T0。
步骤S508：若选择模式T0，则根据位置集中包含位置点，控制机器臂进行平滑运动，直至机械臂末端运动至定位域内。
其中，上述定位域可以看做是上述目标区域。
根据位置集中包含位置点，控制机器臂进行平滑运动可以通过现有的控制技术实现，这里不再详述。
步骤S509：若选择模式T1，则每隔一个周期，在位置集中按照位置排列顺序获得一个位置点。
步骤S510：计算控制量。
其中，上述控制量可以是机械臂末端的移动速度，也可以是机械臂各个关节的旋转速度。
本步骤可以采用前述实施例中提及的过程控制方式计算控制机械臂运动的控制量。
步骤S511：控制手术机器人运动，并检测机械臂末端是否到达预设的定位域。
步骤S512：获得机器人TCP当前位姿。
步骤S513：若机械臂末端到达定位域，则检测目标对象当前的位姿，并根据目标对象当前位姿实时更新目标位姿。
步骤S514：根据TCP当前位姿以及更新后的目标位姿，再次计算控制机械臂移动的速度控制量。
步骤S515：对计算得到的控制量进行校验。
本发明的一个实施例中，可以对控制量进行以下校验方式中至少一种：
校验数据有效性、校验数据是否存在奇艺位。另外，还可以校验手术机器人状态。
步骤S516：校验通过后，控制手术机器人按照控制量运动。
步骤S517：判断手术机器人机械臂位姿与更新后的目标位姿之间的精度误差是否小于精度阈值，若为否，则返回步骤S514，若为是，则执行步骤S518。
步骤S518：结束手术机器人控制。
与上述手术机器人控制方法相对应，本发明实施例还提供了一种手术机器人控制装置。
本发明的一个实施例中，参见图6，提供了一种手术机器人控制装置的结构示意图，所述装置包括：
位姿获得模块601，用于获得手术机器人机械臂末端在基座坐标系下的目标位姿以及当前的第一位姿，其中，所述目标位姿为：根据目标对象在预先采集的图像中的位姿规划的、机械臂末端位于期望位置时的位姿，所述基座坐标系为：根据手术机器人机械臂基座建立的坐标系；
第一控制模块602，用于根据所述目标位姿以及第一位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
第二控制模块603，用于每间隔预设的第一时长，获得在所述基座坐标系所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，根据所述第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制手术机器人时，在确定出第一速度，并控制机械臂末端按照第一速度进行移动之后，每间隔第一时长，获得机械臂末端的第二位姿和目标对象的第三位姿，根据第三位姿更新期望位置以及目标位姿，这样能够周期性根据目标对象的位姿变化调整期望位置和目标姿态，从而能够保证机械臂末端准确的移动至期望的位置。由以上可见，应用本发明实施例提供的手术机器人控制方案，不仅能够控制手术机器人的机械臂末端移动至期望的位置，而且能够提高控制手术机器人的准确性。
本发明的一个实施例中，所述第二控制模块603，具体用于：
每间隔预设的第一时长，获得所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，计算历史的各个第一时长对应的第二位姿和目标位姿之间的第一位姿差值，根据所获得的各个第一位姿差值以及第一PID控制参数，计算基于所述第一位姿差值的变化趋势确定的、所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
本方案中，利用各个第一时长对应的第二位姿差值以及第一PID控制参数计算第二速度，可以理解为采用过程控制方式计算机械臂末端的第二速度，在过程控制中使用的微分控制能够有效的抑制机械臂末端发生较大的速度跃迁，从而能够在手术机器人控制过程中减小机械臂的机械磨损。
本发明的一个实施例中，所述第一控制模块602，具体用于：
根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内，其中，所述目标区域的边界与所述期望位置之间的距离为预设距离。
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制手术机器人时，在机械臂末端未移动至目标区域内时，可以控制机械臂末端始终按照第一速度进行移动，这样无需多次执行获得第二位姿、获得第三位姿、更新目标位姿、计算第二速度、调整机械臂末端的速度为第二速度等操作，从而减小了手术机器人控制的数据处理负荷。
本发明的一个实施例中，参见图7，提供了第二种手术机器人控制装置的结构示意图，本实施例中，所述第一控制模块602，包括：
位置规划子模块602A，用于基于所述目标位姿以及第一位姿，规划所述机械臂末端待经过的多个目标位置以及所述机械臂末端在各个目标位置上的中间位姿；
第一控制子模块602B，用于根据所述第一位姿以及第一个目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
第二控制子模块602C，用于每间隔预设的第二时长，获得所述机械臂末端第四位姿，根据所述第四位姿以及下一目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第三速度，作为新的第一速度，并控制所述机械臂末端按照新的第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内。
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制手术机器人时，规划机械臂末端待经过的多个目标位置以及各个目标位置对应的中间位姿，根据第一位姿、各个中间位姿以及第二时长，能够准确计算出机械臂末端在各个相邻目标位置构成的路径上移动的速度，从而能够控制机械臂末端按照计算出的较为准确的速度进行移动，直至机械臂末端移动至目标区域内。由此可见，应用本发明实施例提供的手术机器人控制方案，能够提高手术机器人控制的准确性。
本发明的一个实施例中，所述第二控制子模块602C，具体用于：
每间隔预设的第二时长，获得所述机械臂末端第四位姿，计算历史的各个第二时长对应的第四位姿和下一目标位置对应的中间位姿之间的第二位姿差值，根据所获得的各个第二位姿差值以及所述第二PID控制参数，计算基于所述第二位姿差值的变化趋势确定的、所述机械臂末端的第三速度，作为新的第一速度，并控制所述机械臂末端按照新的第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内。
本方案中，采用过程控制方式计算机械臂末端的第三速度，同样能够在手术机器人控制过程中减小机械臂的机械磨损。
本发明的一个实施例中，各相邻目标位置之间的距离相同。
本方案中，各相邻目标位置之间的距离相同，这样在后续使用各目标位置之间的距离时，无需根据各目标位置的位置数据进行计算，从而能够减少数据计算量，提高手术机器人控制的便捷性。
本发明的一个实施例中，所述第一控制模块602，具体用于：
根据所述目标位姿，确定所述机械臂末端位于所述期望位置时所述机械臂在所述基座坐标系下的第五位姿；
根据所述第一位姿，确定所述机械臂当前在所述基座坐标系下的第六位姿；
根据所述第五位姿和第六位姿，计算所述机械臂各个关节的第一旋转速度，并控制所述机械臂各个关节按照各自对应的第一旋转速度进行旋转；
所述第二控制模块603，具体用于：
每间隔预设的第一时长，获得在所述基座坐标系下所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿；根据所述第二位姿，确定所述机械臂的第七位姿；根据更新后的目标位姿，确定所述机械臂末端位于更新后的期望位置时所述机械臂的第八位姿；根据所述第七位姿和第八位姿，计算所述机械臂各个关节的第二旋转速度，并控制所述机械臂各个关节按照各自对应的第二旋转速度进行旋转，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
由以上可见，应用本发明实施例提供的方案控制手术机器人时，第五位姿为机械臂当前的位姿，第六位姿为机械臂末端位于期望位置时机械臂的位姿，根据第五位姿和第六位姿，能够准确确定机械臂各个关节的第一旋转角度，同理，根据第七位姿和第八位姿，能够准确计算出机械臂各个关节的第二旋转速度，从而控制机械臂各个关节按照计算得到的旋转速度进行旋转，能够提高手术机器人控制的准确性。
与上述手术机器人控制方法相对应，本发明实施例还提供了一种手术机器人控制系统。
本发明的一个实施例中，参见图8，提供了一种手术机器人控制系统的结构示意图，所述系统包括三维导航追踪设备801、带有机械臂的手术机器人802、用于示出目标对象的位姿的对象示踪器803、安装有定位示踪器804的定位器805、图像采集设备806以及上位机807；
所述定位器805安装于所述手术机器人的机械臂末端。
所述图像采集设备806，用于采集所述目标对象的目标图像，并向所述上位机807发送所述目标图像。
所述上位机807，用于获得所述目标图像以及所述目标图像中所述目标对象的位姿，并根据所获得的位姿规划所述机械臂末端位于期望位置时在基座坐标系下的目标位姿，其中，所述基座坐标系为：根据手术机器人机械臂基座建立的坐标系。
其中，上述目标图像中目标对象的位姿可以是目标对象在目标图像的图像坐标系下的位姿。
上述目标位姿可以是机械臂基座的基座坐标系下的位姿。
具体的，上位机807可以预先获得图像坐标系与第一坐标系之间的转换关系M1、第一坐标系与导航坐标系之间的转换关系M2、导航坐标系与第二坐标系之间的转化关系M3、第二坐标系与定位坐标系之间的转换关系M4、定位坐标系与末端坐标系之间的转换关系M5、末端坐标系与基座坐标系之间的转换关系M6，这样在获得上述目标图像中目标对象的位姿之后，可以根据转换关系M1-M6，将目标对象在图像坐标系下的位姿转换为在基座坐标系下的位姿，从而根据转换后的位姿规划机械臂末端在期望位置时的目标位姿，其中，第一坐标系为根据对象示踪器建立的坐标系，第二坐标系为根据定位示踪器建立的坐标系，导航坐标系为三维导航追踪设备所在的坐标系，末端坐标系为根据机械臂末端建立的坐标系，基座坐标系为根据机械臂基座建立的坐标系。
所述上位机807，还用于获得所述机械臂末端当前在所述基座坐标系下的第一位姿，根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动。
所述三维导航追踪设备801，用于每间隔预设的第一时长，获得所述定位示踪器804的定位示踪器位姿以及所述对象示踪器803的对象示踪器位姿，并向所述上位机807发送所述定位示踪器位姿和对象示踪器位姿，其中，所述定位示踪器位姿以及对象示踪器位姿均为所述三维导航追踪设备所在的追踪坐标系下的位姿。
所述上位机807，还用于获得所述定位示踪器位姿和对象示踪器位姿，根据所述定位示踪器位姿，确定所述机械臂末端在所述基座坐标系下的第二位姿，根据所述对象示踪器位姿，确定所述目标对象在所述基座坐标系下的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，根据所述第一时长、第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
上位机807获得定位示踪器位姿以及对象示踪器位姿之后，根据上述转换关系M4-M6，可以将定位示踪器位姿转换至定位示踪器在基座坐标系下的位姿，进而根据上述转换关系M4、M5以及转换后的位姿，计算机械臂末端在基座坐标下的第二位姿，根据上述转换关系M2-M6，可以将对象示踪器位姿也转换至基座坐标系下，即目标对象在基座坐标系下的第三位姿。上位机807在获得同一坐标系下的第二位姿和第三位姿之后，可以根据第二位姿和第三位姿计算机械臂末端的第二速度，从而控制手术机器人按照第二速度进行移动，直至机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
本发明实施例还提供了一种电子设备，如图9所示，包括处理器901、通信接口902、存储器903和通信总线904，其中，处理器901，通信接口902，存储器903通过通信总线904完成相互间的通信，
存储器903，用于存放计算机程序；
处理器901，用于执行存储器903上所存放的程序时，实现如下步骤：
获得手术机器人机械臂末端在基座坐标系下的目标位姿以及当前的第一位姿，其中，所述目标位姿为：根据目标对象在预先采集的图像中的位姿规划的、机械臂末端位于期望位置时的位姿，所述基座坐标系为：根据手术机器人机械臂基座建立的坐标系；
根据所述目标位姿以及第一位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
每间隔预设的第一时长，获得在所述基座坐标系下所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，根据所述第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
上述处理器901执行存储器903上存放的程序而实现手术机器人控制的其他方案，与前述方法实施例中提及的方案相同，这里不再赘述。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准（Peripheral ComponentInterconnect，PCI）总线或扩展工业标准结构（Extended Industry StandardArchitecture，EISA）总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），也可以包括非易失性存储器（Non-Volatile Memory，NVM），例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、网络处理器（Network Processor，NP）等；还可以是数字信号处理器（Digital SignalProcessor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一手术机器人控制方法的步骤。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一手术机器人控制方法。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质（例如固态硬盘Solid State Disk (SSD)）等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、电子设备、计算机可读存储介质以及计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (17)

1.一种手术机器人控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获得手术机器人机械臂末端在基座坐标系下的目标位姿以及当前的第一位姿，其中，所述目标位姿为：根据目标对象在预先采集的图像中的位姿规划的、机械臂末端位于期望位置时的位姿，所述基座坐标系为：根据手术机器人机械臂基座建立的坐标系；
根据所述目标位姿以及第一位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
每间隔预设的第一时长，获得在所述基座坐标系下所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，根据所述第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，包括：
计算历史的各个第一时长对应的第二位姿和目标位姿之间的第一位姿差值；
根据所获得的各个第一位姿差值以及第一PID控制参数，计算基于所述第一位姿差值的变化趋势确定的、所述机械臂末端的第二速度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，包括：
根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内，其中，所述目标区域的边界与所述期望位置之间的距离为预设距离。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内，包括：
基于所述目标位姿以及第一位姿，规划所述机械臂末端待经过的多个目标位置以及所述机械臂末端在各个目标位置上的中间位姿；
根据所述第一位姿以及第一个目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
每间隔预设的第二时长，获得所述机械臂末端第四位姿，根据所述第四位姿以及下一目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第三速度，作为新的第一速度，并控制所述机械臂末端按照新的第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述第四位姿以及下一目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第三速度，包括：
计算历史的各个第二时长对应的第四位姿和下一目标位置对应的中间位姿之间的第二位姿差值；
根据所获得的各个第二位姿差值以及第二PID控制参数，计算基于所述第二位姿差值的变化趋势确定的、所述机械臂末端的第三速度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，各相邻目标位置之间的距离相同。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标位姿以及第一位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，包括：
根据所述目标位姿，确定所述机械臂末端位于所述期望位置时所述机械臂在所述基座坐标系下的第五位姿；
根据所述第一位姿，确定所述机械臂当前在所述基座坐标系下的第六位姿；
根据所述第五位姿和第六位姿，计算所述机械臂各个关节的第一旋转速度，并控制所述机械臂各个关节按照各自对应的第一旋转速度进行旋转；
所述根据所述第一时长、第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，包括：
根据所述第二位姿，确定所述机械臂的第七位姿；
根据所述更新后的目标位姿，确定所述机械臂末端位于更新后的期望位置时所述机械臂的第八位姿；
根据所述第七位姿和第八位姿，计算所述机械臂各个关节的第二旋转速度，并控制所述机械臂各个关节按照各自对应的第二旋转速度进行旋转。
8.一种手术机器人控制装置，其特征在于，所述装置包括：
位姿获得模块，用于获得手术机器人机械臂末端在基座坐标系下的目标位姿以及当前的第一位姿，其中，所述目标位姿为：根据目标对象在预先采集的图像中的位姿规划的、机械臂末端位于期望位置时的位姿，所述基座坐标系为：根据手术机器人机械臂基座建立的坐标系；
第一控制模块，用于根据所述目标位姿以及第一位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
第二控制模块，用于每间隔预设的第一时长，获得在所述基座坐标系所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，根据所述第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二控制模块，具体用于：
每间隔预设的第一时长，获得所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，计算历史的各个第一时长对应的第二位姿和目标位姿之间的第一位姿差值，根据所获得的各个第一位姿差值以及第一PID控制参数，计算基于所述第一位姿差值的变化趋势确定的、所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述第一控制模块，具体用于：
根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内，其中，所述目标区域的边界与所述期望位置之间的距离为预设距离。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第一控制模块，包括：
位置规划子模块，用于基于所述目标位姿以及第一位姿，规划所述机械臂末端待经过的多个目标位置以及所述机械臂末端在各个目标位置上的中间位姿；
第一控制子模块，用于根据所述第一位姿以及第一个目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
第二控制子模块，用于每间隔预设的第二时长，获得所述机械臂末端第四位姿，根据所述第四位姿以及下一目标位置对应的中间位姿，计算所述机械臂末端的第三速度，作为新的第一速度，并控制所述机械臂末端按照新的第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第二控制子模块，具体用于：
每间隔预设的第二时长，获得所述机械臂末端第四位姿，计算历史的各个第二时长对应的第四位姿和下一目标位置对应的中间位姿之间的第二位姿差值，根据所获得的各个第二位姿差值以及第二PID控制参数，计算基于所述第二位姿差值的变化趋势确定的、所述机械臂末端的第三速度，作为新的第一速度，并控制所述机械臂末端按照新的第一速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至目标区域内。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，各相邻目标位置之间的距离相同。
14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一控制模块，具体用于：
根据所述目标位姿，确定所述机械臂末端位于所述期望位置时所述机械臂在所述基座坐标系下的第五位姿；
根据所述第一位姿，确定所述机械臂当前在所述基座坐标系下的第六位姿；
根据所述第五位姿和第六位姿，计算所述机械臂各个关节的第一旋转速度，并控制所述机械臂各个关节按照各自对应的第一旋转速度进行旋转；
所述第二控制模块，具体用于：
每间隔预设的第一时长，获得在所述基座坐标系下所述机械臂末端的第二位姿以及所述目标对象的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿；根据所述第二位姿，确定所述机械臂的第七位姿；根据更新后的目标位姿，确定所述机械臂末端位于更新后的期望位置时所述机械臂的第八位姿；根据所述第七位姿和第八位姿，计算所述机械臂各个关节的第二旋转速度，并控制所述机械臂各个关节按照各自对应的第二旋转速度进行旋转，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
15.一种手术机器人控制系统，其特征在于，所述系统包括三维导航追踪设备、带有机械臂的手术机器人、用于示出目标对象的位姿的对象示踪器、安装有定位示踪器的定位器、图像采集设备以及上位机；
所述定位器安装于所述手术机器人的机械臂末端；
所述图像采集设备，用于采集所述目标对象的目标图像，并向所述上位机发送所述目标图像；
所述上位机，用于获得所述目标图像以及所述目标图像中所述目标对象的位姿，并根据所获得的位姿规划所述机械臂末端位于期望位置时在基座坐标系下的目标位姿，其中，所述基座坐标系为：根据手术机器人机械臂基座建立的坐标系；
所述上位机，还用于获得所述机械臂末端当前在所述基座坐标系下的第一位姿，根据所述目标位姿以及第一位姿，确定所述机械臂末端的第一速度，并控制所述机械臂末端按照所述第一速度进行移动；
所述三维导航追踪设备，用于每间隔预设的第一时长，获得所述定位示踪器的定位示踪器位姿以及所述对象示踪器的对象示踪器位姿，并向所述上位机发送所述定位示踪器位姿和对象示踪器位姿，其中，所述定位示踪器位姿以及对象示踪器位姿均为所述三维导航追踪设备所在的追踪坐标系下的位姿；
所述上位机，还用于获得所述定位示踪器位姿和对象示踪器位姿，根据所述定位示踪器位姿，确定所述机械臂末端在所述基座坐标系下的第二位姿，根据所述对象示踪器位姿，确定所述目标对象在所述基座坐标系下的第三位姿，根据所述第三位姿更新所述期望位置以及目标位姿，根据所述第一时长、第二位姿以及更新后的目标位姿，计算所述机械臂末端的第二速度，并控制所述机械臂末端按照所述第二速度进行移动，直至所述机械臂末端移动至最近更新的期望位置。
16.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1-7任一所述的方法步骤。
17.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一所述的方法步骤。
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