CN115429438A - 支撑装置不动点随动调整系统及手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支撑装置不动点随动调整系统及手术机器人系统，所述支撑装置不动点随动调整系统包括：定位单元及控制单元；所述控制单元与所述定位单元通信连接，所述控制单元用于通过所述定位单元获取支撑装置相对于患者端控制装置的第一位姿信息；所述控制单元基于所述第一位姿信息监控所述支撑装置相对于所述患者端控制装置的位姿变化；其中所述患者端控制装置的机械臂用于驱动所连接的器械穿过不动点运动；所述控制单元被配置为，当识别出所述位姿变化超过预定值时，控制所述患者端控制装置作相应运动，以使所述不动点相对于所述支撑装置的位姿保持不变。如此配置，在不中断手术的情况下，可进行术中体位调整。

Description

支撑装置不动点随动调整系统及手术机器人系统

技术领域

本发明涉及机器人辅助手术技术领域，特别涉及一种支撑装置不动点随动调整系统及手术机器人系统。

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，以上特点对手术机器人手术的术前的打孔位置提出了非常高的要求，如无法合理布置打孔位置，将造成机械臂运动空间受限，影响手术操作，严重的将导致手术无法完成，需要将手术机器人上的器械、内窥镜撤下，使手术机器人的不动点与患者的手术孔脱开，重新调整患者体位及手术机器人的位置，重新将手术机器人的不动点与患者的手术孔进行匹配，整个过程会造成手术中断、耗时长、无法监控调整过程以及无法监控调整后是否满足操作空间的要求，所以会造成手术的时间长、安全性降低等不良影响。

当前手术机器人手术的术前准备时间较长，打孔选择对经验的依赖性高，且因不同患者存在差异，十分容易造成打孔位置不合适，导致手术过程进展不顺利或需中断调整位置，更严重的会导致需重新进行孔位选择，对患者造成不必要的伤害。因此急需一种可以在术中能够在手术不中断的情况下对体位进行调整来满足当前手术机器人无法满足操作需要的方法，来提高手术机器人手术的效率及安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种支撑装置不动点随动调整系统及手术机器人系统，以解决现有手术机器人系统于术中无法高效对手术机器人的位置以及患者体位进行调整的问题。

为解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种支撑装置不动点随动调整系统，其包括：定位单元及控制单元；

所述控制单元与所述定位单元通信连接，所述控制单元用于通过所述定位单元获取支撑装置相对于患者端控制装置的第一位姿信息；

所述控制单元基于所述第一位姿信息监控所述支撑装置相对于所述患者端控制装置的位姿变化；其中所述患者端控制装置的机械臂用于驱动所连接的器械穿过不动点运动；

所述控制单元被配置为，当识别出所述位姿变化超过预定值时，控制所述患者端控制装置作相应运动，以使所述不动点相对于所述支撑装置的位姿保持不变。

可选的，所述第一位姿信息包括所述支撑装置相对于所述患者端控制装置的距离，以及所述支撑装置相对于所述患者端控制装置的角度。

可选的，所述支撑装置不动点随动调整系统还包括：与所述控制单元通信连接的第一位姿获取单元；所述第一位姿获取单元用于获取所述患者端控制装置的机械臂的第二位姿信息；所述控制单元基于所述第二位姿信息得到所述不动点于患者端控制装置坐标系下的坐标信息。

可选的，所述支撑装置不动点随动调整系统还包括：与所述控制单元通信连接的第二位姿获取单元；所述第二位姿获取单元用于获取所述支撑装置的床板的第三位姿信息；所述控制单元基于所述第三位姿信息得到所述床板于支撑装置坐标系下的坐标信息。

可选的，第三位姿信息包括所述床板的升降高度信息及所述床板的转动角度；所述第二位姿获取单元包括设置于升降立柱的编码器以及设置于旋转关节的陀螺仪，所述编码器用于反馈所述床板的升降高度信息，所述陀螺仪用于反馈所述床板的转动角度。

可选的，所述定位单元包括相适配的第一端以及第二端，所述第一端用于通过预定的感测介质感测所述第二端的位置；所述第一端与所述第二端根据所述感测介质的类型，设置于所述患者端控制装置和/或所述支撑装置上，用以获取所述支撑装置相对于所述患者端控制装置的所述第一位姿信息。

可选的，所述第一端包括至少两个光学拍摄装置，所述第二端包括光学靶标组，所述光学靶标组包括至少三个不共线的光学靶标，所述第一端用于设置于所述患者端控制装置上，所述第二端用于设置于所述支撑装置上。

可选的，所述第二端包括多个光学靶标组，每个所述光学靶标组用于设置于所述支撑装置的一个侧边上。

可选的，所述第一端包括至少两个超声波发射器，所述第二端包括至少两个超声波接收器，所述第一端用于设置于所述支撑装置与所述患者端控制装置中的一者，所述第二端用于设置于所述支撑装置与所述患者端控制装置中的另一者。

可选的，每个所述超声波接收器分别用于接收至少两个所述超声波发射器所发射的超声波；所述控制单元还用于根据所述患者端控制装置的机械臂相对于所述支撑装置的位置信息，排除基于所述超声波接收器所得到的超声波发射器冗余位置信息。

可选的，所述第一端包括磁场发生器，所述第二端包括至少3自由度的磁定位传感器，所述第一端用于设置于所述患者端控制装置上，所述第二端用于设置于所述支撑装置上。

可选的，所述第二端包括6自由度的磁定位传感器。

可选的，所述第一端包括磁场发生器，所述第二端包括至少3个不在同一直线上的磁定位传感器，所述第一端用于设置于所述患者端控制装置上，所述第二端用于设置于所述支撑装置上。

可选的，所述第一端包括激光器，所述第二端包括拍摄装置，所述第一端和所述第二端均用于设置于所述患者端控制装置上，或者所述第一端和所述第二端均用于设置于所述支撑装置上。

可选的，所述定位单元还包括反射板，所述反射板用于设置于所述患者端控制装置和所述支撑装置中未设置有所述激光器和所述拍摄装置的一者上，用于反射所述激光器所发射的激光。

为解决上述技术问题，根据本发明的第二个方面，还提供了一种手术机器人系统，其包括：支撑装置、患者端控制装置以及如上所述的支撑装置不动点随动调整系统；所述支撑装置不动点随动调整系统用于控制所述患者端控制装置运动，以使所述不动点相对于所述支撑装置的位姿保持不变。

综上所述，在本发明提供的支撑装置不动点随动调整系统及手术机器人系统中，所述支撑装置不动点随动调整系统包括：定位单元及控制单元；所述控制单元与所述定位单元通信连接，所述控制单元用于通过所述定位单元获取支撑装置相对于患者端控制装置的第一位姿信息；所述控制单元基于所述第一位姿信息监控所述支撑装置相对于所述患者端控制装置的位姿变化；其中所述患者端控制装置的机械臂用于驱动所连接的器械穿过不动点运动；所述控制单元被配置为，当识别出所述位姿变化超过预定值时，控制所述患者端控制装置作相应运动，以使所述不动点相对于所述支撑装置的位姿保持不变。

如此配置，控制单元通过定位单元可以实时地检测支撑装置与患者端控制装置之间的相对位姿，并控制患者端控制装置作相应运动，从而可使得不动点相对于支撑装置的位姿保持不变，在不中断手术的情况下，可进行术中体位调整以满足因当前手术机器人位置与患者位置关系导致机械臂运动空间受限或手术孔位置不够理想等情况，且调整时无需撤出器械，能够有效满足各种术中体位调整，提高手术机器人手术的效率和安全性，减少了术前准备时间，有效弥补现有手术打孔操作的风险和缺陷，提高手术操作的精准性，降低患者的伤痛，提高恢复效率。

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是本发明涉及的手术机器人系统的手术场景的示意图；

图2是本发明涉及的手术规划的总体步骤的流程图；

图3是本发明涉及的手术场景的环境坐标系建立的示意图；

图4a和图4b是本发明涉及的手术场景建立的示意图；

图5是本发明涉及的手术孔建立的示意图；

图6是本发明涉及的患者端手术平台的示意图；

图7a是本发明涉及的通过位置传感器建立安全区域的示意图；

图7b是本发明涉及的通过光纤形状传感器建立安全区域的示意图；

图8是本发明涉及的机器人适应前的示意图；

图9是本发明涉及的机器人适应后的示意图；

图10是本发明实施例的手术机器人系统的示意图；

图11是本发明实施例的定位单元包括光学拍摄定位组件的示意图；

图12a和图12b是本发明实施例的双目视觉定位原理的示意图；

图13是本发明实施例的分散式光学靶标组的示意图；

图14是本发明实施例的集成式光学靶标组的示意图；

图15a和图15b是本发明实施例的定位单元包括超声波定位组件的示意图；

图16是本发明实施例的超声波定位组件的定位原理的示意图；

图17是本发明实施例的定位单元包括磁场定位组件的示意图；

图18a和图18b是本发明实施例的定位单元包括另一种磁场定位组件的示意图；

图19a和图19b是本发明实施例的定位单元包括激光定位组件的示意图；

图20是本发明实施例的激光定位组件的示意图；

图21是本发明实施例的激光光反射测量原理的示意图；

图22是本发明实施例的第一位姿获取单元的示意图；

图23是本发明实施例的第二位姿获取单元的示意图；

图24是本发明实施例的患者端控制装置和支撑装置设置于同一水平面上的示意图。

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；220-器械；221-手术器械；222-内窥镜；

300-图像台车；302-显示设备；400-支撑装置；410-患者；411-手术孔；500-安全区域；510-操作空间；520-病灶区；610-位置传感器；620-靶标；630-光纤形状传感器；

700-定位单元；711-光学拍摄装置；712-超声波发射器；7120-冗余解；713-磁场发生器；714-激光器；721-光学靶标组；7210-光学靶标；722-超声波接收器；723-磁定位传感器；724-拍摄装置；730-反射板；800-控制单元；810-第一位姿获取单元；820-第二位姿获取单元；821-升降立柱；822-旋转关节。

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，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。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、支撑装置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9，其中，图1是本发明涉及的手术机器人系统的手术场景的示意图；图2是本发明涉及的手术规划的总体步骤的流程图；图3是本发明涉及的手术场景的环境坐标系建立的示意图；图4a和图4b是本发明涉及的手术场景建立的示意图；图5是本发明涉及的手术孔建立的示意图；图6是本发明涉及的患者端手术平台的示意图；图7a是本发明涉及的通过位置传感器建立安全区域的示意图；图7b是本发明涉及的通过光纤形状传感器建立安全区域的示意图；图8是本发明涉及的机器人适应前的示意图；图9是本发明涉及的机器人适应后的示意图。

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10以及用于支撑手术对象进行手术的支撑装置400(例如，手术床)。需要说明的，在一些实施例中，支撑装置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221(如高频电刀等)，以及用于辅助观察的内窥镜222等。在一个实施例中，所述机械臂包括调整臂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，以实现对支撑装置400上的患者410进行微创伤手术治疗。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。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222通信连接内窥镜处理器(未图示)。所述内窥镜222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222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，主操作医生)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。

下面请参考图2，对本发明所涉及的手术机器人系统的应用场景作示范性地说明。利用手术机器人系统进行不动点调整或患者端控制装置的调整前，可包括如下步骤：

步骤SO1：建立手术场景，并将支撑装置坐标系以及所述机械臂210所在的手术机器人坐标系转换统一至一环境坐标系；所述支撑装置400的位姿和所述机械臂210的位姿均基于所述环境坐标系表达。请参考图3，在一个示范例中，如可通过一定的手段对手术场景建立环境坐标系(X0,Y0,Z0)，并将手术机器人坐标(X1,Y1,Z1)、支撑装置坐标(X2,Y2,Z2)统一到环境坐标系(X0,Y0,Z0)中，实现手术场景的坐标统一，建立支撑装置坐标与手术机器人坐标之间的位置关系，为后续支撑装置400调整造成患者手术孔位置的变化及患者端控制装置200的不动点位置变化提供坐标变化关系。建立手术场景是术中不动点调整的第一步，在一个示范例中，如可通过位置传感器610(例如，双目视觉装置)及靶标620，进行患者端控制装置200与支撑装置400相对位置关系的建立。手术场景的建立步骤如图4a所示，主要包括：

步骤SP1：环境坐标的建立，通过位置传感器610对患者端控制装置200、支撑装置400所在的环境进行坐标(X0,Y0,Z0)的建立，将各系统的坐标进行统一；

步骤SP2：患者端控制装置坐标的建立：针对于机械臂210固定于患者端控制装置200的手术机器人形式，通过所述位置传感器610对患者端控制装置200在环境坐标系(X0,Y0,Z0)下进行坐标识别，用于确定患者端控制装置200在环境坐标系(X0,Y0,Z0)下的位置，后续进一步用于确定所述手术机器人系统的不动点在环境坐标系下的位置；

步骤SP3：支撑装置坐标的建立：通过位置传感器610对支撑装置400在环境坐标系下进行坐标识别，用于确定支撑装置400在环境坐标系下的位置，后续进一步用于确定支撑装置400调整时造成患者手术孔的位置变化坐标和变化路径；

步骤SP4：不动点坐标的建立：如图5所示，在将患者410安置于支撑装置400，并完成手术孔411的建立后，通过位置传感器610，对患者410体表的手术孔411进行在环境坐标系下的坐标识别，以确定手术孔411在环境坐标系下的位置。

步骤SP5：坐标统一，完成步骤SP1环境坐标的建立、步骤SP2患者端控制装置坐标的建立、步骤SP3支撑装置坐标的建立以及步骤SP4不动点坐标的建立后，即完成了坐标系的统一，将患者端控制装置200、支撑装置400以及患者410的手术孔411进行了坐标统一，实现术中调整时在统一的坐标系下进行。

根据手术机器人的不同形式，环境坐标建立的存在不同的实施例，如另一种实施例中，支撑装置400与患者端控制装置200连接在一起，如图6所示，形成统一的患者端手术平台。可以理解的，此时可不需要对患者端控制装置200及支撑装置400分别进行坐标识别，整合为步骤SP6：患者端手术平台坐标的建立。其手术场景的建立的步骤流程图如图4b所示。当然，本发明并不局限于上述的坐标识别和建立方式，本领域技术人员可根据实际选取其他的坐标识别和建立方式。

继续参考图2，步骤SO2：打孔，操作者根据病灶位置进行手术孔的位置选择，并执行打孔操作。

步骤SO3：不动点识别，在完成打孔后，通过一定的技术手段对患者身上的手术孔进行识别，以获得手术孔在环境坐标系下的坐标。例如，可通过位置传感器610及靶标620完成手术孔坐标的识别。该手术孔坐标会随着支撑装置400的调整而更新，手术孔坐标会与患者端控制装置200的不动点坐标进行匹配，进而对匹配度进行监控，以保证术中不动点的匹配性，从而保证手术的安全。

进一步，为了保障不动点识别的合理性，本实施例提供了两种不同的具体识别方案：

不动点识别方案一：通过所述位置传感器610对不动点在环境坐标系进行识别：完成手术孔411建立后，使用靶标620对所述手术孔411进行坐标识别，具体地，将该靶标620与支撑装置400系统相连，在患者410与支撑装置400相对位置固定状态不变的情况下，该不动点坐标的变化仅由支撑装置400运动引起。

不动点识别实施例二，通过所述位置传感器610对不动点在环境坐标系下进行实时识别：将识别靶标620采取一定方式(如粘接)固定于患者410的手术孔411位置，并实时识别该坐标在环境坐标系下的坐标位置，该靶标620的变化由支撑装置400和患者410的实时状态引起，能够更准确的判断患者410的手术孔411位置的坐标。

可选的，在一些实施例中，还包括步骤SO4：建立安全区域500，在患者完成与支撑装置400的固定后，完成病人区域的坐标建立，避免手术过程中及术中调整过程中，机械臂210与患者发生碰撞，以保证患者的安全。具体的，安全区域500的建立可包括如下步骤：步骤SO41：获取置于所述支撑装置400上的预定对象(如患者410)的体表信息；步骤SO42：基于所述体表信息建立安全区域500，并将所述安全区域500的位置信息与所述支撑装置400的位置信息相关联；所述机械臂210的位姿调整避开所述安全区域500。实际中，安全区域500为患者以及患者体表外一定范围所在的区域，机械臂210应避开安全区域500，以避免在调整中对患者产生伤害。

请参考图7a，在一个可替代的实施例中，安全区域的建立可以通过位置传感器610及靶标620来实现，所述安全区域的建立方法包括：利用位置传感器610获取靶标620于预定对象的体表抵靠而得到的点云数据；基于所述点云数据拟合得到所述安全区域。请参考图7b，在另一个可替代的实施例中，安全区域的建立也可以利用光纤形状传感器630来实现，具体的，所述安全区域的建立方法包括：利用光纤形状传感器630获取于预定对象的体表铺盖而得到的形状数据；基于所述形状数据拟合得到所述安全区域。

步骤SO5：不动点调整，在术中时进行不动点的调整，使手术机器人的操作空间满足操作需求。

可选的，在一些实施例中，还包括步骤SO6：机器人适应，在完成步骤SO5的不动点调整后，根据所述机械臂210调整后的位姿，调整所述机械臂210至合适位姿。具体的，机械臂210根据病灶位置、不动点位姿、安全区域及机械臂210的相对位置，将自身的姿态调整至合适的理想位姿，以便于操作。实际中，在步骤SO5的不动点调整完成之后，当前机械臂210的操作姿态不一定处于便于操作的状态，此时，如图8和图9所示，可以进行机器人适应的步骤，机械臂210调整至器械220合适操作的位置。进一步的，在机械臂210调整至合适位姿后，还可匹配当前机械臂210的位姿与医生控制端(即医生端控制装置100)的控制臂(即主操作手101)，使得医生控制端的控制臂更新位姿，与当前的机械臂210的位姿相匹配。

基于背景技术的说明可以知道，在一般的手术机器人系统中，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。为此，本发明提供了若干实施例，以解决术中难以对患者体位进行调整的问题。

请参考图10至图24，其中，图10是本发明实施例的手术机器人系统的示意图；图11是本发明实施例的定位单元包括光学拍摄定位组件的示意图；图12a和图12b是本发明实施例的双目视觉定位原理的示意图；图13是本发明实施例的分散式光学靶标组的示意图；图14是本发明实施例的集成式光学靶标组的示意图；图15a和图15b是本发明实施例的定位单元包括超声波定位组件的示意图；图16是本发明实施例的超声波定位组件的定位原理的示意图；图17是本发明实施例的定位单元包括磁场定位组件的示意图；图18a和图18b是本发明实施例的定位单元包括另一种磁场定位组件的示意图；图19a和图19b是本发明实施例的定位单元包括激光定位组件的示意图；图20是本发明实施例的激光定位组件的示意图；图21是本发明实施例的激光光反射测量原理的示意图；图22是本发明实施例的第一位姿获取单元的示意图；图23是本发明实施例的第二位姿获取单元的示意图；图24是本发明实施例的患者端控制装置和支撑装置设置于同一水平面上的示意图。

请参考图10，在本实施例提供一种支撑装置不动点随动调整系统，其包括：定位单元700及控制单元800；所述控制单元800与所述定位单元700通信连接，所述控制单元800用于通过所述定位单元700获取支撑装置400相对于患者端控制装置200的第一位姿信息；所述控制单元800基于所述第一位姿信息监控所述支撑装置400相对于所述患者端控制装置200的位姿变化；其中所述患者端控制装置200的机械臂210用于驱动所连接的器械220穿过不动点运动；所述控制单元800被配置为，当识别出所述支撑装置400相对于所述患者端控制装置200的位姿变化超过预定值时，控制所述患者端控制装置200作相应运动，以使所述不动点相对于所述支撑装置400的位姿保持不变。

如此配置，控制单元800通过定位单元700可以实时地检测支撑装置400与患者端控制装置200之间的相对位姿，并控制患者端控制装置200作相应运动，从而可使得不动点相对于支撑装置400的位姿保持不变，在不中断手术的情况下，可进行术中体位调整以满足因当前手术机器人位置与患者位置关系导致机械臂运动空间受限或手术孔位置不够理想等情况，且调整时无需撤出器械，能够有效满足各种术中体位调整，提高手术机器人手术的效率和安全性，减少了术前准备时间，有效弥补现有手术打孔操作的风险和缺陷，提高手术操作的精准性，降低患者的伤痛，提高恢复效率。

可选的，所述第一位姿信息包括所述支撑装置400相对于所述患者端控制装置200的距离，以及所述支撑装置400相对于所述患者端控制装置200的角度。可以理解的，在获得了支撑装置400相对于患者端控制装置200的距离和角度后，即可确定两者之间的相对位姿关系，亦即确定了所述第一位姿信息。

优选的，所述定位单元700包括相适配的第一端以及第二端，所述第一端用于通过预定的感测介质感测所述第二端的位置；所述第一端与所述第二端根据所述感测介质的类型，设置于所述患者端控制装置200和/或所述支撑装置400上。

请参考图11，在一个可替代的实施例中，感测介质为光，所述第一端包括至少两个光学拍摄装置711，所述第二端包括光学靶标组721，所述光学靶标组721包括至少三个不共线的光学靶标7210，所述第一端用于设置于所述患者端控制装置200上，所述第二端用于设置于所述支撑装置400上。光学拍摄装置711如可为NDI光学测量仪，NDI光学测量仪如可安装在患者端控制装置200的底座201上。而光学靶标组721如可安装在支撑装置400的特点位置上。控制单元800通过NDI光学测量仪能够得到患者端控制装置200的底座201与支撑装置400之间的位置及姿态，就能得到以患者端控制装置200的坐标为中心的支撑装置坐标。

光学拍摄装置711利用双目视觉原理进行检测。请参考图12a和图12b，其中图12a为定位单元700的俯视图，图12b为定位单元700的正视图，其示出了双目视觉定位原理。由于两个光学拍摄装置711是固定安装在患者端控制装置200上的，可以认为边长a是已知的，光学拍摄装置711能够测出角C、角B的大小和b、c的长度，就能求出光学靶标7210到光学拍摄装置711的距离。由于光学靶标7210是固定安装在支撑装置400上的，其自己本身的坐标是已知的，由三个不在一条直线的点能确定一个面，因此最少三个光学靶标7210能够得到一个面在光学拍摄装置711的坐标系下的坐标。

进一步的，所述第二端包括多个光学靶标组721，每个所述光学靶标组721用于设置于所述支撑装置400的一个侧边上。请参考图13，支撑装置400的床板四周每边安装有一个光学靶标组721，所述光学靶标组721包括N(N≥3)个分散式的光学靶标7210，并且每个光学靶标组721中的N个光学靶标7210不在同一直线上，图中展示了光学靶标组721中包括4个光学靶标7210的情况。控制单元800通过测量患者端控制装置200到每个光学靶标7210的距离，就能得到支撑装置400相对于光学靶标7210的距离及姿态。

请参考图14，在第一个示例中，支撑装置400的床板四周每边安装有一个光学靶标组721，所述光学靶标组721为集成式的靶标组，其包括N(N≥3)个不再一条直线上的光学靶标7210，其应用原理与上述分散式的光学靶标7210相同。

在第二个示例中，感测介质为超声波，定位单元700包括超声波定位组件，请参考图15a和图15b，其中图15a是超声波定位组件的俯视图，图15b是超声波定位组件的正视图。所述第一端包括至少两个超声波发射器712，所述第二端包括至少两个超声波接收器722，所述第一端用于设置于所述支撑装置400与所述患者端控制装置200中的一者，所述第二端用于设置于所述支撑装置400与所述患者端控制装置200中的另一者。

下面以第一端设置于支撑装置400上，第二端设置于患者端控制装置200上，第一端包括两个超声波发射器712，第二端包括两个超声波接收器722为例，结合请参考图16进行说明：

在支撑装置400上安装有两个超声波发射器712，所述超声波发射器712均与控制单元800通信连接(如可通过线缆连接或无线连接实现通信)，超声波发射器712在控制单元800的控制下向外发射超声波。在患者端控制装置200的底座201上安装有两个超声波接收器722，所述超声波接收器722亦与控制单元800通信连接，超声波接收器722能够接收来自超声波发射器712所发射的超声波，由此，控制单元800能够获知超声波发射器712和超声波接收器722之间的超声波的传输时间，从而计算得到超声波发射器712与超声波接收器722之间的距离。例如：超声波发射器712所发出声波时间为t1，超声波接收器722接收声波时间为t2。则超声波发射器712与超声波接收器722之间的距离s＝340*(t2-t1)。进一步的，通过一个超声波发射器12到两个超声波接收器722的距离，能够得到一个确定的距离和形状。

进一步的，每个所述超声波接收器722分别用于接收至少两个所述超声波发射器712所发射的超声波；所述控制单元800还用于根据所述患者端控制装置200的机械臂210相对于所述支撑装置400的位置信息，排除基于所述超声波接收器722所得到的超声波发射器冗余位置信息。请继续参考图X，根据两个超声波接收器722所接收到的超声波，实际能够得到超声波发射器712位置的两个解，两个解关于超声波接收器722连线成轴对称分布，这两个解一个在患者端控制装置200的前面(与机械臂210的方向相同)，一个在患者端控制装置200的后面(与机械臂210的方向相反)，其中有一个解是冗余解7120。根据机械臂210相对于支撑装置400的位置信息，即可排除冗余解7120，得到超声波发射器712的真实位置。由此即可确定支撑装置400与患者端控制装置200的相对位姿关系。

请参考图17，在第三个示例中，感测介质为磁场，所述第一端包括磁场发生器713，所述第二端包括至少3自由度的磁定位传感器723(磁定位传感器如可为磁定位线圈等)，所述第一端用于设置于所述患者端控制装置200上，所述第二端用于设置于所述支撑装置400上。磁场发生器713如可安装在患者端控制装置200之底座201的表面上，控制单元800通过采集到的磁定位传感器723的姿态信息以及距离信息，即能够得到支撑装置400在患者端控制装置坐标系下的坐标。

在一些实施例中，磁定位传感器723为3自由度线圈，控制单元800能够采集到磁定位传感器723的X、Y、Z坐标，从而获知磁定位传感器723的位置信息，但无法直接得知磁定位传感器723的α、β、γ坐标而无法得知姿态信息。此时可选的，支撑装置400还包括陀螺仪，陀螺仪能够采集到支撑装置400的角度信息α、β、γ坐标，由此，控制单元800即可得到支撑装置400相对于患者端控制装置200的位姿。

优选的，所述第二端包括6自由度的磁定位传感器723。控制单元800通过6自由度的磁定位传感器723可以直接获知磁定位传感器723的X、Y、Z、α、β、γ坐标，从而直接得到支撑装置400的位姿。当然在一些实施例中，磁场发生器713通过6自由度的磁定位传感器723获得的α、β、γ坐标也可以与陀螺仪采集到的α、β、γ坐标相互校验。

在第四个示例中，感测介质亦为磁场，请参考图18a和图18b，其中图18a为另一种磁场定位组件的正视图，图18b为磁定位传感器723安装于支撑装置400上的立体图；所述第一端包括磁场发生器713，所述第二端包括至少3个不在同一直线上的磁定位传感器723，所述第一端用于设置于所述患者端控制装置200上，所述第二端用于设置于所述支撑装置400上。在一个示范例中，第二端包括4个磁定位传感器723，4个磁定位传感器723分别设置在支撑装置400的底座的四角，由此，控制单元800可以得到磁场发生器713与每个磁定位传感器723之间的距离，由此可以得到支撑装置400相对于患者端控制装置200的距离和角度。

在第五个示例中，感测介质为激光，定位单元700包括激光定位组件。请参考图19a、图19b和图20，其中图19a为激光定位组件的俯视图，图19b为激光定位组件的正视图。所述第一端包括激光器714，所述第二端包括拍摄装置724，所述第一端和所述第二端均用于设置于所述患者端控制装置200上，或者所述第一端和所述第二端均用于设置于所述支撑装置400上。激光器714与拍摄装置724都可以在一定角度范围内转动。在一个示范例中，患者端控制装置200的底座201上安装有一个激光器714以及一个拍摄装置724，支撑装置400则能够反射激光器714所发射的激光。激光器714发射脉冲激光，并通过转动在整个支撑装置400之底座的范围内扫描，拍摄装置724则接受激光，由此控制单元800即可计算得到支撑装置400之底座两端的距离，进而确定支撑装置400相对于患者端控制装置200的距离和姿态。

下面结合图21，说明激光反射测量的原理。设三角形三边为a、b、c，其对角分别为A、B、C，若激光器714的角度B以及拍摄装置724的角度A都是已知的，则角度C也是确定的。由于激光器714与拍摄装置724分别固定在患者端控制装置200的底座201上，可以认为激光器714与拍摄装置724之间的距离c是已知的，根据正弦定理：a/sinA＝b/sinB＝c/sinC，即可求得a、b的长度，由此就能得到支撑装置400到患者端控制装置200的距离和角度。

优选的，所述定位单元700还包括反射板730，所述反射板730用于设置于所述患者端控制装置200和所述支撑装置400中未设置有所述激光器714和所述拍摄装置724的一者上，用于反射所述激光器714所发射的激光。例如在一个示范例中，激光器714和拍摄装置724均设置在患者端控制装置200上，则反射板730可相应地设置在支撑装置400上。

请参考图22，可选的，所述支撑装置不动点随动调整系统还包括：与所述控制单元800通信连接的第一位姿获取单元810；所述第一位姿获取单元810用于获取所述患者端控制装置200的机械臂210的第二位姿信息；所述控制单元800基于所述第二位姿信息得到所述不动点于患者端控制装置坐标系下的坐标信息。第一位姿获取单元810如可包括设置于患者端控制装置200之升降立柱、悬吊盘、调整臂或工具臂之各关节上的编码器，编码器能够反馈各关节电机的平移距离信息或转动角度信息。通过各编码器所反馈的信息，控制单元800即可得到不动点于患者端控制装置坐标系下的坐标信息。具体的，患者端控制装置200本身的坐标是

经过N个关节后到达不动点的坐标

每个关节安装有编码器计算平移距离和旋转角度，根据DH参数就能得到末端不动点的坐标：

请参考图23，可选的，所述支撑装置不动点随动调整系统还包括：与所述控制单元800通信连接的第二位姿获取单元820；所述第二位姿获取单元820用于获取所述支撑装置400的床板的第三位姿信息；所述控制单元基于所述第三位姿信息得到所述床板于支撑装置坐标系下的坐标信息。一般的，支撑装置400具有升降立柱821和旋转关节822，其分别用于控制床板的升降和转动，第三位姿信息包括所述床板的升降高度信息及所述床板的转动角度。床板可以围绕旋转关节822万向转动，如图23所示。优选的，第二位姿获取单元820包括设置于升降立柱的编码器以及设置于旋转关节的陀螺仪，升降立柱中的编码器能够反馈床板的升降高度信息，陀螺仪能够反馈床板的转动角度。进而根据DH参数就能得到床板在支撑装置坐标系下的坐标。

请参考图24，可选的，患者端控制装置200和支撑装置400都设置于同一水平面上，两者的Z轴坐标一致，进一步的，只要得到支撑装置400相对于患者端控制装置200的距离信息(X轴坐标)和支撑装置400相对于患者端控制装置200的角度信息(Y轴坐标)，即可得到支撑装置坐标系在患者端控制装置坐标系下的坐标。

基于上述支撑装置不动点随动调整系统，本实施例还提供一种手术机器人系统，其包括：支撑装置400、患者端控制装置200以及如上所述的支撑装置不动点随动调整系统；所述支撑装置不动点随动调整系统用于控制所述患者端控制装置200运动，以使所述不动点相对于所述支撑装置400的位姿保持不变。

需要说明的，上述若干实施例并不限于单独使用，其可相互组合，本发明对此不限。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 (16)

1.一种支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，包括：定位单元及控制单元；

所述控制单元与所述定位单元通信连接，所述控制单元用于通过所述定位单元获取支撑装置相对于患者端控制装置的第一位姿信息；

所述控制单元基于所述第一位姿信息监控所述支撑装置相对于所述患者端控制装置的位姿变化；其中所述患者端控制装置的机械臂用于驱动所连接的器械穿过不动点运动；

所述控制单元被配置为，当识别出所述位姿变化超过预定值时，控制所述患者端控制装置作相应运动，以使所述不动点相对于所述支撑装置的位姿保持不变。

2.根据权利要求1所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述第一位姿信息包括所述支撑装置相对于所述患者端控制装置的距离，以及所述支撑装置相对于所述患者端控制装置的角度。

3.根据权利要求1所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述支撑装置不动点随动调整系统还包括：与所述控制单元通信连接的第一位姿获取单元；所述第一位姿获取单元用于获取所述患者端控制装置的机械臂的第二位姿信息；所述控制单元基于所述第二位姿信息得到所述不动点于患者端控制装置坐标系下的坐标信息。

4.根据权利要求1所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述支撑装置不动点随动调整系统还包括：与所述控制单元通信连接的第二位姿获取单元；所述第二位姿获取单元用于获取所述支撑装置的床板的第三位姿信息；所述控制单元基于所述第三位姿信息得到所述床板于支撑装置坐标系下的坐标信息。

5.根据权利要求4所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，第三位姿信息包括所述床板的升降高度信息及所述床板的转动角度；所述第二位姿获取单元包括设置于升降立柱的编码器以及设置于旋转关节的陀螺仪，所述编码器用于反馈所述床板的升降高度信息，所述陀螺仪用于反馈所述床板的转动角度。

6.根据权利要求1所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述定位单元包括相适配的第一端以及第二端，所述第一端用于通过预定的感测介质感测所述第二端的位置；所述第一端与所述第二端根据所述感测介质的类型，设置于所述患者端控制装置和/或所述支撑装置上，用以获取所述支撑装置相对于所述患者端控制装置的所述第一位姿信息。

7.根据权利要求6所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述第一端包括至少两个光学拍摄装置，所述第二端包括光学靶标组，所述光学靶标组包括至少三个不共线的光学靶标，所述第一端用于设置于所述患者端控制装置上，所述第二端用于设置于所述支撑装置上。

8.根据权利要求7所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述第二端包括多个光学靶标组，每个所述光学靶标组用于设置于所述支撑装置的一个侧边上。

9.根据权利要求6所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述第一端包括至少两个超声波发射器，所述第二端包括至少两个超声波接收器，所述第一端用于设置于所述支撑装置与所述患者端控制装置中的一者，所述第二端用于设置于所述支撑装置与所述患者端控制装置中的另一者。

10.根据权利要求9所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，每个所述超声波接收器分别用于接收至少两个所述超声波发射器所发射的超声波；所述控制单元还用于根据所述患者端控制装置的机械臂相对于所述支撑装置的位置信息，排除基于所述超声波接收器所得到的超声波发射器冗余位置信息。

11.根据权利要求6所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述第一端包括磁场发生器，所述第二端包括至少3自由度的磁定位传感器，所述第一端用于设置于所述患者端控制装置上，所述第二端用于设置于所述支撑装置上。

12.根据权利要求11所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述第二端包括6自由度的磁定位传感器。

13.根据权利要求6所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述第一端包括磁场发生器，所述第二端包括至少3个不在同一直线上的磁定位传感器，所述第一端用于设置于所述患者端控制装置上，所述第二端用于设置于所述支撑装置上。

14.根据权利要求6所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述第一端包括激光器，所述第二端包括拍摄装置，所述第一端和所述第二端均用于设置于所述患者端控制装置上，或者所述第一端和所述第二端均用于设置于所述支撑装置上。

15.根据权利要求14所述的支撑装置不动点随动调整系统，其特征在于，所述定位单元还包括反射板，所述反射板用于设置于所述患者端控制装置和所述支撑装置中未设置有所述激光器和所述拍摄装置的一者上，用于反射所述激光器所发射的激光。

16.一种手术机器人系统，其特征在于，包括：支撑装置、患者端控制装置以及根据权利要求1～15中任一项所述的支撑装置不动点随动调整系统；所述支撑装置不动点随动调整系统用于控制所述患者端控制装置运动，以使所述不动点相对于所述支撑装置的位姿保持不变。

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