CN115363772A - 手术机器人的调整方法、可读存储介质及手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手术机器人的调整方法、可读存储介质及手术机器人系统，所述手术机器人的调整方法包括：在手术机器人之机械臂的关节的位置达到限位位置时，触发所述手术机器人执行位姿调整；其中所述机械臂所连接的器械用于穿过不动点运动；驱动所述手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使达到限位位置的关节的位置调节至所述限位位置以内，同时保证所述不动点的位姿不变。如此配置，通过驱动手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使受限的关节的位置调节至限位位置以内，实现对机械臂与手术床之相对位姿的调整，且无需中断当前手术过程即可调整器械运动范围，节约了手术时间；同时可避免不动点位置变化对患者造成二次伤害。

Description

手术机器人的调整方法、可读存储介质及手术机器人系统

技术领域

本发明涉及机器人辅助手术技术领域，特别涉及一种手术机器人的调整方法、可读存储介质及手术机器人系统。

背景技术

手术机器人的出现符合精准外科的发展趋势。手术机器人成为帮助医生完成手术的有力工具，并且在目前已经在多科室、多领域开发了多种适用于不同适应症的手术机器人。

手术机器人的设计理念是采用微创伤的方式精准灵巧地实施复杂的外科手术，其具有高精度和高安全性。在传统的手术面临种种局限的情况下，发展出了手术机器人来替代传统手术，手术机器人突破了人眼的局限，采用立体成像技术，将内部器官更加清晰的呈现给操作者。在原来手伸不进的区域，机械臂能完成360度转动、挪动、摆动或夹持，并可避免抖动。患者的创口小、出血少、恢复快，大大缩短了患者术后住院时间，术后存活率和康复率也能明显提高，受到广大医患的青睐，现在作为一种高端医疗器械，已广泛运用于各种临床手术中。

与传统腹腔镜手术不同，手术机器人系统具有不动点机构，不动点机构可以保证医生在手术过程中使机械臂的运动围绕着一个不动点运动，该不动点会与患者腹腔上的手术孔重合，保证机械臂在运动过程中不会对患者造成伤害，不动点的存在也造成了手术机器人的器械操作空间会受到限制，其手术机器人的机械体积是普通腔镜器械的数倍至几十倍，机械臂之间也会存在干涉，进一步减小了器械的可操作范围，当手术机器人系统的不动点与患者的手术孔匹配后，就不能再对手术机器人的位置以及患者体位进行调整，否则会造成不动点位置移动，对患者造成伤害。

在使用手术机器人进行微创手术时，重要的一步在于在术前将手术机器人的各个机械臂及各个关节摆放至合理位置，确保在接下来的手术中机器人的运动能有充足的范围。但是，手术中由于病人体位的更变，医生的操作等原因，仅仅靠术前调整的机器人的各关节的位置是很难保证术中机器人依然拥有足够的运动空间的。此时，不免要进行一些调整以确保手术顺利进行。但是现有手术机器人的术中调整通常比较繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手术机器人的调整方法、可读存储介质及手术机器人系统，以解决现有手术机器人系统于术中调整不便的问题。

为解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种手术机器人的调整方法，其包括：

在手术机器人之机械臂的关节的位置达到限位位置时，触发所述手术机器人执行位姿调整；其中所述机械臂所连接的器械用于穿过不动点运动；

驱动所述手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使达到限位位置的关节的位置调节至所述限位位置以内，同时保证所述不动点的位姿不变。

可选的，所述预设逻辑包括主动调整逻辑，所述主动调整逻辑包括：

以所述手术机器人之机械臂的包括达到限位位置的关节在内的两个以上的关节的位置调节至最佳位置为调整目标，得到所述手术机器人之底座的调整路径；

基于所述调整路径，对达到限位位置的关节所在机械臂的其它关节以及所述底座上其它机械臂进行补偿调节。

可选的，所述预设逻辑包括被动调整逻辑，所述被动调整逻辑包括：

以达到限位位置的关节按预定调节量调节至所述限位位置以内为调整目标，得到所述手术机器人之底座的调整路径；

基于所述调整路径，对达到限位位置的关节所在机械臂的其它关节以及所述底座上其它机械臂进行补偿调节。

可选的，对达到限位位置的关节所在机械臂的其它关节以及所述底座上其它机械臂进行补偿调节的步骤包括：

通过迭代求解法、解析法或雅克比法得到所述机械臂的调节路径。

可选的，通过迭代求解法得到所述机械臂的调节路径的步骤包括：

获取不动点的位姿信息以及所述机械臂上各关节的位置信息；

基于所述不动点的位姿信息以及各关节的位置信息，根据预设算法计算得到所述机械臂的调节路径；

筛选得到所述机械臂的最优的调节路径。

可选的，所述预设算法包括：

根据所述关节的全行程运动范围，得到各个关节的迭代步长，从而得到所述机械臂的所有可能的调节路径。

可选的，筛选得到所述机械臂的最优的调节路径的方法包括：

基于所述机械臂的所有可能的调节路径，根据代价函数、启发函数、权重函数以及收敛判断函数，得到所述机械臂的最优的调节路径。

可选的，所述收敛判断函数包括收敛条件和约束条件；

所述收敛条件包括达到限位位置的关节的位置在第一预设位置范围内；

所述约束条件包括以下至少一者：

机械臂之间不发生碰撞、不动点的位姿不发生变动、机械臂末端的位姿改变小于预设阈值、以及各关节的位置在第二预设位置范围内。

可选的，通过解析法得到所述机械臂的调节路径的步骤包括：

基于期望的关节位置增量，得到所述不动点的笛卡尔位姿变化量；

根据所述不动点的笛卡尔位姿变化量，得到所述手术机器人之底座的调整量；

将所述手术机器人之底座的调整量换算为所述不动点的余量；

基于所述不动点的余量，转换得到所述手术机器人之机械臂的各关节的位置调节量，从而得到所述机械臂的调节路径。

可选的，通过雅克比法得到所述机械臂的调节路径的步骤包括：

获取各关节的运动速度；

将所述运动速度通过雅克比矩阵映射到所述机械臂之末端的运动速度；

利用所述机械臂之末端的运动速度为零的约束求解得到所述机械臂的调节路径。

可选的，所述主动调整逻辑包括：在执行位姿调整前，将所述机械臂所连接的器械收回戳卡。

可选的，所述被动调整逻辑包括：在执行位姿调整前，保持所述机械臂所连接的器械留置于预定对象中。

为解决上述技术问题，根据本发明的第二个方面，还提供了一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的手术机器人的调整方法。

为解决上述技术问题，根据本发明的第三个方面，还提供了一种手术机器人系统，其包括检测单元、动作单元以及控制单元；所述动作单元包括机械臂，所述机械臂用于连接器械；所述控制单元用于根据如上所述的手术机器人的调整方法，在所述机械臂的关节的位置达到限位位置时，驱动所述手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使达到限位位置的关节的位置调节至所述限位位置以内，同时保证所述不动点的位姿不变。

可选的，所述检测单元用于检测所述动作单元的动作信息，所述控制单元分别与所述检测单元和所述动作单元通信连接，所述控制单元被配置为对所述动作单元与所述检测单元形成闭环控制。

综上所述，在本发明提供的手术机器人的调整方法、可读存储介质及手术机器人系统中，所述手术机器人的调整方法包括：在手术机器人之机械臂的关节的位置达到限位位置时，触发所述手术机器人执行位姿调整；其中所述机械臂所连接的器械用于穿过不动点运动；驱动所述手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使达到限位位置的关节的位置调节至所述限位位置以内，同时保证所述不动点的位姿不变。

如此配置，通过驱动手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使受限的关节的位置调节至限位位置以内，实现对机械臂与手术床之相对位姿的调整，且无需中断当前手术过程即可调整器械运动范围，节约了手术时间；同时可避免手动调整过程造成的不动点位置变化，避免手术过程中不动点变化对患者造成二次伤害。

附图说明

本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：

图1是本发明一实施例的手术机器人系统的手术场景的示意图；

图2是本发明一实施例的手术机器人的调整方法的流程图；

图3是本发明一实施例的机械臂的示意图；

图4a是本发明一实施例的转动关节处于最大行程位置时的示意图；

图4b是本发明一实施例的转动关节处于最小行程位置时的示意图；

图5是本发明一实施例的关节受限以及底座调整的示意图；

图6是本发明一实施例的戳卡的示意图；

图7是本发明一实施例的通过迭代求解法得到调节路径的流程图；

图8是本发明一实施例的预设算法及筛选最优调节路径的流程图；

图9是本发明一实施例的各关节的移动规则的示意图；

图10是本发明一实施例的手术机器人系统的模块化示意图；

图11是本发明一实施例的动作单元和控制单元的模块示意图；

图12至图17是本发明一实施例的显示单元显示手术机器人位姿调整过程中的各个阶段的示意图。

附图中：

100-医生端控制装置；101-主操作手；102-成像设备；103-脚踏手术控制设备；

200-患者端控制装置；201-底座；210-机械臂；211-调整臂；212-工具臂；213-转动关节；214-受限关节；220-器械；

300-图像台车；302-显示设备；400-手术床；410-患者；

900-戳卡；910-检测单元；920-动作单元；930-控制单元；931-限位比较单元；932-路径规划单元；933-运动控制器；940-显示单元；

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，术语“近端”通常是靠近操作者的一端，术语“远端”通常是靠近患者即靠近病灶的一端，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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。此外，如在本说明书中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动。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说明书中的具体含义。

本发明的目的在于提供一种术中不动点的调整方法、手术床不动点随动调整系统、手术机器人的调整方法、可读存储介质及手术机器人系统，以解决现有手术机器人系统于术中无法对手术机器人的位置以及患者体位进行调整的问题。

以下参考附图进行描述。

请参考图1至图17，其中，图1是本发明一实施例的手术机器人系统的手术场景的示意图；图2是本发明一实施例的手术机器人的调整方法的流程图；图3是本发明一实施例的机械臂的示意图；图4a是本发明一实施例的转动关节处于最大行程位置时的示意图；图4b是本发明一实施例的转动关节处于最小行程位置时的示意图；图5是本发明一实施例的关节受限以及底座调整的示意图；图6是本发明一实施例的戳卡的示意图；图7是本发明一实施例的通过迭代求解法得到调节路径的流程图；图8是本发明一实施例的预设算法及筛选最优调节路径的流程图；图9是本发明一实施例的各关节的移动规则的示意图；图10是本发明一实施例的手术机器人系统的模块化示意图；图11是本发明一实施例的动作单元和控制单元的模块示意图；图12至图17是本发明一实施例的显示单元显示手术机器人位姿调整过程中的各个阶段的示意图。

图1示出了一种手术机器人系统的应用场景，所述手术机器人系统包括主从式遥操作的手术机器人，即所述手术机器人系统包括医生端控制装置100、患者端控制装置200、主控制器(未图示)以及手术床400。需要说明的，在一些实施例中，手术床400也可替换为其它的手术操作平台，本发明对此不限。

所述医生端控制装置100为遥操作手术机器人的操作端，并包含安装其上的主操作手101。所述主操作手101用于接收操作者的手部运动信息，以作为整个系统的运动控制信号输入。可选的，所述主控制器亦设置在所述医生端控制装置100上。优选的，医生端控制装置100还包括成像设备102，所述成像设备102可为操作者提供立体图像，为操作者进行手术操作提供手术操作信息。所述手术操作信息包括手术器械类型、数量、在腹中的位姿，病患器官组织以及周围器官组织血管的形态、布置等。可选的，医生端控制装置100还包括脚踏手术控制设备103，操作者还可通过脚踏手术控制设备103，完成电切、电凝等相关操作指令的输入。

患者端控制装置200为遥操作手术机器人的具体执行平台，并包括底座201及安装于其上的手术执行组件。所述手术执行组件包括机械臂210和器械220，器械220包括具体执行手术的手术器械(如高频电刀等)，以及用于辅助观察的内窥镜等。在一个实施例中，所述机械臂210包括调整臂211和工作臂212。所述工具臂212为机械不动点机构，用于驱动器械220围绕机械不动点运动，以实现对手术床400上的患者410进行手术治疗。所述调整臂211用于调整机械不动点在工作空间的位置。在另外一个实施例中，所述机械臂210为一个至少具有六个自由度的空间构型的机构，用于在程序控制下驱动器械220围绕一主动不动点运动。当然在其它的实施例中，所述机械臂210还可以包括串联机械臂结合算法不动点，或者调整臂211结合被动不动点等，本发明对机械臂210的类型不作限定。

所述器械220用于执行具体的手术操作，如夹、切、剪等操作，或者用于辅助手术，如拍摄等。需要说明的，由于实际中器械220有一定的体积，上述的“不动点”应理解为一个不动区域。当然本领域技术人员可根据现有技术对“不动点”进行理解。

主控制器分别与医生端控制装置100、患者端控制装置200通信连接，用于根据主操作手101的运动控制手术执行组件的运动。具体而言，所述主控制器可以为软件、硬件或者软硬件相结合的模块，其包括主从映射模块，所述主从映射模块用于获取所述主操作手101的末端位姿，以及预定的主从映射关系，获得手术执行组件的期望末端位姿，进而控制机械臂210驱动器械220运动到期望的末端位姿。进一步，所述主从映射模块还用于接收器械功能操作指令(如电切、电凝等相关操作指令)，控制器械220的能量驱动器，以释放能量实现电切、电凝等手术操作。

进一步，所述医疗机器人系统还包括图像台车300。所述图像台车300包括：与所述内窥镜通信连接内窥镜处理器(未图示)。所述内窥镜用于获取腔内(指患者的体腔内)的手术操作信息。所述内窥镜处理器用于对所述内窥镜所获取的手术操作信息进行图像化处理，并传输至所述成像设备102，以便于操作者观察到手术操作信息。可选的，所述图像台车300还包括显示设备302。所述显示设备302与所述内窥镜处理器通信连接，用于为辅助操作者(例如护士)实时提供显示手术操作信息。

手术中，操作者(例如医生)坐在位于无菌区之外的医生端控制装置100前，通过成像设备102观察传回的手术操作信息，并通过操作主操作手101来控制手术执行组件和腹腔镜运动，以完成各种手术操作。

请参考图2，基于上述手术机器人系统，本实施例提供一种手术机器人的调整方法，其包括：

步骤S1：在手术机器人之机械臂210的关节的位置达到限位位置时，触发所述手术机器人执行位姿调整；其中所述机械臂210所连接的器械220用于穿过不动点运动；

步骤S2：驱动所述手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使受限的关节的位置调节至所述限位位置以内，同时保证所述不动点的位姿不变。

可选的，步骤S1中，在手术机器人之机械臂210的关节的位置达到限位位置时，所述手术机器人的调整方法还包括步骤SC11：交互提示是否执行位姿调整，以供操作者确认。在操作者确认执行位姿调整后，才触发手术机器人执行位姿调整。进一步的，在步骤S2之后，即位姿调整结束后，所述手术机器人的调整方法还包括：交互提示调整完毕和/或当前关节运动范围等信息。交互提示的方式有多种，如可通过于成像设备102或显示设备302上显示的方式；或者通过按钮、声光等方式提示，本实施例对此不限。

手术开始后，操作者通过医生端控制装置100远程操作患者端控制装置200对患者进行手术。当机械臂210上的某个关节到达限位位置后，执行步骤SC11，交互提示操作者是否执行位姿调整。当然该步骤SC11也可以不是必须的，如可在手术前选择是否有执行位姿调整的交互提示，若选择没有交互提示，则可以不执行步骤SC11。在操作者确认调整后，手术机器人进入调整状态，主控制器根据预设逻辑驱动所述手术机器人执行位姿调整，使达到限位位置的关节的位置调节至所述限位位置以内，同时保证所述不动点的位姿不变。

请参考图3，下面以调整臂211和具有机械不动点机构的工作臂212作为机械臂210的示例，进行说明。在图3示出的示范例中，患者端控制装置200包括底座201以及设置于底座201上的4条机械臂210。一般的，机械臂210上存在多个关节，如转动关节、平移关节等，每个关节自身的位置均在一定的行程范围内，在行程范围的两端则为机械限位位置，即每个关节的位置均在机械限位位置的范围内运动。从而实现驱动器械220执行手术。图4a和图4b示出了一个转动关节213的机械限位位置的示例，其中图4a示出了转动关节213处于最大行程位置P_max时的状态，此时该转动关节213的运动已达到其能达到的最大角度，图4b示出了转动关节213处于最小行程位置P_min时的状态，此时该转动关节213的运动已达到其能达到的最小角度。可以理解的，正常使用中，该转动关节213的位置位于最大行程位置P_max和最小行程位置P_min之间，最大行程位置P_max和最小行程位置P_min即为该转动关节213的机械限位位置。为了各关节更可靠地工作，一般会将关节实际的行程设置在机械限位位置以内。在一个示范例中，可将关节的限位位置设置于机械限位位置的5％～95％的运动范围内。即关节的当前位置P_c满足：

P_min+5％*P_r<P_c<P_max-5％*P_r

其中，P_r＝P_max-P_min即为关节的运动范围。当然在其它的实施例中，本领域技术人员也可根据实际，设置关节实际的行程范围。

进一步的，为了驱动手术机器人执行位姿调整，本实施例对预设逻辑提供了两种调整逻辑策略，其分别为主动调整逻辑和被动调整逻辑。下面对上述两种调整逻辑策略分别进行说明。

所述主动调整逻辑包括：

步骤S21：以所述手术机器人之机械臂210的包括达到限位位置的关节在内的两个以上的关节的位置调节至最佳位置为调整目标，得到所述手术机器人之底座201的调整路径；

步骤S22：基于所述调整路径，对达到限位位置的关节所在机械臂210的其它关节以及所述底座201上其它机械臂210进行补偿调节。

请参考图5，以上所述步骤S21中，在某一条机械臂210上的某一个关节达到限位位置(为便于叙述，下文称该达到限位位置的关节为受限关节214，该受限关节所在的机械臂为受限机械臂)后，首先以将包括受限关节在内的至少两个关节调整至拥有最佳运动范围的最佳位置t为目标计算底座201的调整路径。需要说明的，这里的最佳位置并不限于是一个点，而可以是一个范围，例如最佳位置可在该关节的限位位置的40％～60％的运动范围内，本领域技术人员可根据实际对最佳位置进行合理的设置。优选的，可以各条机械臂210上的各个关节调整至拥有最佳运动范围的最佳位置为目标计算底座201的调整路径。在图5示出的示范例中，底座201的调整路径为从调整前位置P1至调整后位置P2。

步骤S22中，在得到底座201的调整路径后，根据一定的方法(详见下文说明)计算底座201沿所述调整路径调整后，受限机械臂的其它关节需要补偿的调整距离以及底座201上其它机械臂210的调整距离，以确保器械220的末端位姿变化在一个较小范围内。如此配置，该主动调整逻辑中受限关节的调整范围主要是由计算得到的，可避免受限关节调整至最佳位置后，其它关节到达限位或接近限位。

进一步的，请参考图6，在一个示范例中，在完成对患者体表进行打孔的操作后，利用一戳卡900穿设于患者的手术孔中，而机械臂210所连接的器械220用于经由戳卡900穿入患者体内。可以理解的，此时机械不动点即与戳卡900之轴线与患者体表的交点重合。所述主动调整逻辑包括：在执行位姿调整前，将所述机械臂210所连接的器械220收回戳卡900。为了安全考虑，由于主动调整逻辑可能会导致机械臂210有较大动作，在根据主动调整逻辑进行位姿调整时，可将器械220从患者体内收回戳卡900中，以保证手术安全。

所述被动调整逻辑包括：

步骤S23：以达到限位位置的关节按预定调节量调节至所述限位位置以内为调整目标，得到所述手术机器人之底座201的调整路径；

步骤S24：基于所述调整路径，对达到限位位置的关节所在机械臂210的其它关节以及所述底座201上其它机械臂210进行补偿调节。

步骤S23中，在某一条机械臂210上的某一个关节达到限位位置后，与主动调整逻辑不同的，首先以对受限关节按照一个固定的预定调节量为目标计算底座201的调整路径。

步骤S24中，在得到底座201的调整路径后，根据一定的方法(详见下文说明)计算底座201调整后，受限机械臂的其它关节需要补偿的调整距离以及底座201上其它机械臂210的调整距离，以确保器械220的末端位姿变化在一个较小范围内。如此配置，该被动调整逻辑主要是将受限关节的关节运动范围调整扩大到某一预定的范围，该受限关节的调节量是固定的。

可选的，所述被动调整逻辑包括：在执行位姿调整前，保持所述机械臂210所连接的器械220留置于预定对象中(如患者体内)。在被动调整逻辑下，因调整动作较小，不确定因素少且此时操作者还需继续操作，故器械220优选可继续留在患者体内。

上述的主动调整逻辑和被动调整逻辑均考虑利用底座201的调节，来应对机械臂之关节受限的问题。一般的，底座201相比手术床400拥有的调整自由度更多且移动更可控更方便，能够较为全面的进行调整，以扩大受限关节的运动范围。进一步的，在底座201进行调整后不会影响底座201上其他关节的运动范围，底座201上的多条机械臂210可同步进行调整，从而补偿因底座201移动造成的器械220的末端位姿变化。

基于上述的主动调整逻辑和被动调整逻辑，在底座201按照调整路径调整后，受限机械臂上的非受限关节以及非受限关节所在机械臂的位姿会受到影响。因此需要对受限机械臂的其它关节以及其它的机械臂210进行补偿调节，以保证各机械臂210所连接的器械220的末端位姿相对于手术床400的位姿保持不变。

为了得到机械臂210的调节路径，以实现补偿调节，本实施例提供了以下若干种方法：迭代求解法、解析法或雅克比法。

请参考图7，通过迭代求解法得到所述机械臂210的调节路径的步骤包括：

步骤S31：获取不动点的当前位姿信息以及所述机械臂210上各关节的当前位置信息；

步骤S32：基于所述不动点的位姿信息以及各关节的位置信息，根据预设算法计算得到所述机械臂210的调节路径；

步骤S33：筛选得到所述机械臂210的最优的调节路径。

进一步的，请参考图8，步骤S32中的预设算法包括：步骤S321：计算迭代步长，开始迭代。根据所述关节的全行程运动范围P_r，得到各个关节的迭代步长S，从而得到所述机械臂210的所有可能的调节路径。迭代步长S的计算公式如下：

由于各个关节的电机步长不同，因此需对各关节的电机分别进行计算。

更进一步的，在得到各个关节的迭代步长S后，所述预设算法包括：步骤S322：计算各关节的移动距离，移动距离即为一个单位步长的距离，移动规则如图9所示，底座201上电机B1正转记为1，反转记为0，底座201上电机B2同理，悬吊盘上的电机Z1、Z2，调整臂211上的电机T1、T2、T3、T4…以此类推，可得到所述机械臂210的所有可能的调节路径。

优选的，步骤S33中筛选得到所述机械臂的最优的调节路径的方法包括：步骤S331：计算代价函数g(n)、启发函数h(n)及权重函数w(n)，以及步骤S332：计算收敛判断函数f(n)。基于所述机械臂210的所有可能的调节路径，根据代价函数g(n)、启发函数h(n)、权重函数w(n)以及收敛判断函数f(n)，得到所述机械臂210的最优的调节路径。

代价函数g(n)的计算公式如下：

其中，

ι_j＝distance(Arm&Arm)，代表异面直线的距离；

λ_j＝Point_c-Point_p

μ_j＝Pose_c-Pose_p

ν_j＝Pos_c-Pos_p，m为电机数量，根据机械臂的结构内是否有调整臂211而不同。

η_β,η_γ,η_δ为调整因子，当λ_j,μ_j,η_δ大于阈值时为0，小于阈值时为1。

启发函数h(n)的计算公式如下：

h(n)＝abs(θ_c-θ_t)

θ_c为受限关节的当前位置；

θ_t为受限关节的目标调整位置(例如全行程范围的中点)。

f(n)＝g(n)+ω(n)*h(n)

ω(n)为启发函数权重，ω≥1，当接近目标时降低权重，以侧重于路径的机械臂之间的防碰撞及不动点与器械末端位姿不变。

可选的，所述收敛判断函数f(n)包括收敛条件和约束条件，

对于受限关节而言，所述收敛条件包括达到限位位置的关节的位置在第一预设位置范围内；本领域技术人员可根据实际对第一预设位置范围进行设定，如在主动调整逻辑中，可将第一预设位置范围设定为全行程范围的40％～60％，而在被动调整逻辑中，可将第一预设位置范围设定为一个合理的固定值。

对于受限机械臂上的非受限关节以及其它的非受限机械臂而言，所述收敛条件包括机械臂210的不动点位姿保持不变。该收敛条件也可以理解为机械臂210的不动点在受底座201影响后位置变化，通过算法迭代计算出调整路径，使该机械臂210的不动点移动到原先位置。

所述约束条件包括以下至少一者：

1)机械臂210之间不发生碰撞，以任意的两条机械臂210为例进行说明，需满足：

其中，ι为所述两条机械臂210之间的距离，

为一条机械臂所在直线的单位向量，

为另一条机械臂所在直线的单位向量，

为两条机械臂210的器械上电机包连线的向量。

2)不动点的位姿不发生变动：

Point_c-Point_p<threshold1

其中，Point_c、Point_p分别为不动点现在的位姿与初始位姿，threshold1为不动点位姿所设的阈值。

3)机械臂210之末端的位姿改变小于预设阈值：

Pose_c-Pose_p<threshold2

其中，Pose_c、Pose_p分别为机械臂末端现在的位姿与初始位姿，threshold2为机械臂210之末端的位姿所设的阈值。为了保证器械220留在患者体内触发调整的情况下的安全，器械220的位姿在调整中可动作的范围应保持在一个极小的预设阈值之内。若调整过程中会导致器械220动作超出该预设阈值，则放弃当下的调整路径，转而搜索下一条调整路径，直至找到一条满足约束条件的最优路径。

4)各关节的位置在第二预设位置范围内：

P_min+20％*P_r<P_c<P_max-20％*P_r

其中，P_min、P_max分别为关节最小限位和最大限位，P_r、P_c分别为关节运动范围以及关节当前所处位置。

可选的，通过解析法得到所述机械臂210的调节路径的步骤包括：

步骤S41：基于期望的关节位置增量，得到所述不动点的笛卡尔位姿变化量可选的，可利用正向运动学算出不动点的笛卡尔位姿变化量。

步骤S42：根据所述不动点的笛卡尔位姿变化量，得到所述手术机器人之底座201的调整量；可选的，可利用逆运动学算出底座201的调整量。

步骤S43：将所述手术机器人之底座201的调整量换算为所述不动点的余量；如果底座201需要多动一些，则多出来的调整量(指底座根据需要要多调整之后造成的不动点的偏移)可通过正向运动学换算成不动点的余量。

步骤S44：基于所述不动点的余量，转换得到所述手术机器人之机械臂210的各关节的位置调节量，从而得到所述机械臂210的调节路径。不动点的余量可通过逆运动学转换到各关节的调节量去抵消底座201多动带来的影响，从而保证不动点不动。

可选的，通过雅克比法得到所述机械臂210的调节路径的步骤包括：

步骤S51：获取各关节的运动速度；

步骤S52：将所述运动速度通过雅克比矩阵映射到所述机械臂210之末端的运动速度；

步骤S53：利用所述机械臂210之末端的运动速度为零的约束求解得到所述机械臂210的调节路径。

图10示出了用于实现本实施例所提供的手术机器人的调整方法的手术机器人系统的模块化示意图，该手术机器人系统包括：检测单元910、动作单元920以及控制单元930，所述检测单元910用于检测动作单元920的动作信息，所述控制单元930分别与所述检测单元910和所述动作单元920通信连接，控制单元930在接收到来自检测单元910所检测的动作单元920的动作信息后，根据预设的算法处理后，将处理后的动作信息传递给动作单元920，动作单元920作为执行机构执行来自控制单元930的动作信息，随后，动作单元920实际的动作信息又被检测单元910所检测到，形成闭环。请参考图11，在一个示范例中，动作单元920包括患者端控制装置200的机械臂210以及器械220，在一个更具体的实施例中，动作单元920包括底座201、工具臂212以及器械220，控制单元930包括限位比较单元931、路径规划单元932和运动控制器933。控制单元930如可集成设置于手术机器人系统的主控制器中，当然其它的一些实施例中，控制单元930也可以独立设置。其中限位比较单元931用于获取关节的位置信息，并通过与限位位置的比较输出触发信息。路径规划单元932在得到来自限位比较单元931的触发信息后，即根据预设逻辑对患者端控制装置200的底座201及机械臂210的调整路径进行规划。运动控制器933在得到来自规划单元932的规划路径后，即控制底座201和/或机械臂210执行具体的运动。

可选的，所述手术机器人系统还包括显示单元940，显示单元940如包括医生端控制装置100上的成像设备102和/或图像台车300上的显示设备302。其可用于显示各个步骤中的提示信息。例如图12至图17，分别示出了显示单元940显示手术机器人位姿调整过程中的各个阶段的示意图。

基于上述手术机器人的调整方法，本实施例还提供一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的手术机器人的调整方法，该可读存储介质可集成设置在手术机器人系统中，如集成于主控制器中，也可以独立附设。

综上，在本发明提供的手术机器人的调整方法、可读存储介质及手术机器人系统中，所述手术机器人的调整方法包括：在手术机器人之机械臂的关节的位置达到限位位置时，触发所述手术机器人执行位姿调整；其中所述机械臂所连接的器械用于穿过不动点运动；驱动所述手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使达到限位位置的关节的位置调节至所述限位位置以内，同时保证所述不动点的位姿不变。如此配置，通过驱动手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使受限的关节的位置调节至限位位置以内，实现对机械臂与手术床之相对位姿的调整，且无需中断当前手术过程即可调整器械运动范围，节约了手术时间；同时可避免手动调整过程造成的不动点位置变化，避免手术过程中不动点变化对患者造成二次伤害。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (15)

1.一种手术机器人的调整方法，其特征在于，包括：

在手术机器人之机械臂的关节的位置达到限位位置时，触发所述手术机器人执行位姿调整；其中所述机械臂所连接的器械用于穿过不动点运动；

驱动所述手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使达到限位位置的关节的位置调节至所述限位位置以内，同时保证所述不动点的位姿不变。

2.根据权利要求1所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，所述预设逻辑包括主动调整逻辑，所述主动调整逻辑包括：

以所述手术机器人之机械臂的包括达到限位位置的关节在内的两个以上的关节的位置调节至最佳位置为调整目标，得到所述手术机器人之底座的调整路径；

基于所述调整路径，对达到限位位置的关节所在机械臂的其它关节以及所述底座上其它机械臂进行补偿调节。

3.根据权利要求1所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，所述预设逻辑包括被动调整逻辑，所述被动调整逻辑包括：

以达到限位位置的关节按预定调节量调节至所述限位位置以内为调整目标，得到所述手术机器人之底座的调整路径；

基于所述调整路径，对达到限位位置的关节所在机械臂的其它关节以及所述底座上其它机械臂进行补偿调节。

4.根据权利要求2或3所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，对达到限位位置的关节所在机械臂的其它关节以及所述底座上其它机械臂进行补偿调节的步骤包括：

通过迭代求解法、解析法或雅克比法得到所述机械臂的调节路径。

5.根据权利要求4所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，通过迭代求解法得到所述机械臂的调节路径的步骤包括：

获取不动点的位姿信息以及所述机械臂上各关节的位置信息；

基于所述不动点的位姿信息以及各关节的位置信息，根据预设算法计算得到所述机械臂的调节路径；

筛选得到所述机械臂的最优的调节路径。

6.根据权利要求5所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，所述预设算法包括：

根据所述关节的全行程运动范围，得到各个关节的迭代步长，从而得到所述机械臂的所有可能的调节路径。

7.根据权利要求6所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，筛选得到所述机械臂的最优的调节路径的方法包括：

基于所述机械臂的所有可能的调节路径，根据代价函数、启发函数、权重函数以及收敛判断函数，得到所述机械臂的最优的调节路径。

8.根据权利要求7所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，所述收敛判断函数包括收敛条件和约束条件；

所述收敛条件包括达到限位位置的关节的位置在第一预设位置范围内；

所述约束条件包括以下至少一者：

机械臂之间不发生碰撞、不动点的位姿不发生变动、机械臂末端的位姿改变小于预设阈值、以及各关节的位置在第二预设位置范围内。

9.根据权利要求4所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，通过解析法得到所述机械臂的调节路径的步骤包括：

基于期望的关节位置增量，得到所述不动点的笛卡尔位姿变化量；

根据所述不动点的笛卡尔位姿变化量，得到所述手术机器人之底座的调整量；

将所述手术机器人之底座的调整量换算为所述不动点的余量；

基于所述不动点的余量，转换得到所述手术机器人之机械臂的各关节的位置调节量，从而得到所述机械臂的调节路径。

10.根据权利要求4所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，通过雅克比法得到所述机械臂的调节路径的步骤包括：

获取各关节的运动速度；

将所述运动速度通过雅克比矩阵映射到所述机械臂之末端的运动速度；

利用所述机械臂之末端的运动速度为零的约束求解得到所述机械臂的调节路径。

11.根据权利要求2所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，所述主动调整逻辑包括：在执行位姿调整前，将所述机械臂所连接的器械收回戳卡。

12.根据权利要求3所述的手术机器人的调整方法，其特征在于，所述被动调整逻辑包括：在执行位姿调整前，保持所述机械臂所连接的器械留置于预定对象中。

13.一种可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现根据权利要求1～12中任一项所述的手术机器人的调整方法。

14.一种手术机器人系统，其特征在于，包括：检测单元、动作单元以及控制单元；所述动作单元包括机械臂，所述机械臂用于连接器械；所述控制单元用于根据权利要求1～12中任一项所述的手术机器人的调整方法，在所述机械臂的关节的位置达到限位位置时，驱动所述手术机器人根据预设逻辑执行位姿调整，使达到限位位置的关节的位置调节至所述限位位置以内，同时保证所述不动点的位姿不变。

15.根据权利要求14所述的不动点的调整系统，其特征在于，所述检测单元用于检测所述动作单元的动作信息，所述控制单元分别与所述检测单元和所述动作单元通信连接，所述控制单元被配置为对所述动作单元与所述检测单元形成闭环控制。

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