CN116784984A - 手术机器人的控制方法、系统及介质 - Google Patents

手术机器人的控制方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种手术机器人的控制方法、系统及介质，该手术机器人包括控制器、手术工具和套管；手术工具与控制器耦接，并可延伸容纳于套管的内腔，且包括远端的柔性部分；该控制方法包括：响应于对手术工具的控制信息，根据柔性部分容纳于套管内的长度，确定柔性部分与套管之间为第一或者第二相对位置关系；根据控制信息，按照与第一相对位置关系相关联的预设第一约束，对柔性部分进行运动控制；或者，根据控制信息，按照与第二相对位置关系相关联的预设第二约束，对柔性部分进行运动控制。本申请实现了手术工具的柔性部分在相对于套管不同位置的不同运动约束，防止柔性部分相对于套管运动时造成损伤。

Description

手术机器人的控制方法、系统及介质
技术领域
本发明属于医疗器械领域，特别是涉及一种手术机器人的控制方法、系统及介质。
背景技术
在使用手术机器人过程中，手术工具（包括手术器械和内窥镜）通常由坐在主操作台前的主刀医生通过主从运动控制方式，控制从操作设备执行相应手术动作。为了提高手术操作过程的流畅性，在手术工具安装在患者手术平台的机械臂上，并通过软件激活之后即可以交由主刀医生进行主从控制操作。
在从操作设备的现有方案中，由于套管（trocar）在机械结构设计上的空间约束，手术工具在套管的内部和外部的可操作空间不同，因此对应于适用的手术场景也就不同。现有方案未对手术工具在套管内外的运动配置约束条件，使得操作人员在控制手术工具的柔性部分伸出套管外、或者退回套管内时，会因为柔性部分可能处于弯曲状态，而使得弯曲处与套管端口发生碰撞，导致对柔性部分或者套管端口造成损伤。
发明内容
为了解决现有手术工具在套管内外的运动自由度较大，在操作时容易对手术工具造成损伤的技术问题，本发明提出技术方案如下：
本发明的第一方面提供了一种手术机器一种手术机器人的控制方法，所述手术机器人包括控制器、手术工具和套管；可延伸容纳所述手术工具可延伸容纳于所述套管内，且包括远端的柔性部分所述手术工具可延伸容纳于所述套管内，且包括远端的柔性部分；所述控制器被配置成执行对所述手术工具的运动控制；所述控制方法包括：响应于对所述手术工具的控制信息，确定所述柔性部分与所述套管之间为第一相对位置关系或者第二相对位置关系；根据所述控制信息，按照与所述第一相对位置关系相关联的预设第一约束，对所述柔性部分进行运动控制；或者，根据所述控制信息，按照与所述第二相对位置关系相关联的预设第二约束，对所述柔性部分进行运动控制；其中，所述第一相对位置关系相对于所述第二相对位置关系，所述柔性部分容纳于所述套管内的长度更短。
可选的，所述柔性部分包括至少一个关节机构，所述关节机构包括基座部分和关节部分，其中，所述第一约束所约束的关节机构数量多于所述第二约束所约束的关节机构数量，对所述关节机构的约束包括对所述关节部分的运动自由度的约束。
可选的，所述柔性部分还包括末端工具，所述关节机构包括第一关节机构和第二关节机构，所述第一关节机构包括第一基座部分和第一关节部分，所述第二关节机构包括第二基座部分和第二关节部分，所述第二关节部分与第一基座部分耦接，所述第一关节部分与所述末端工具耦接；所述确定所述柔性部分与所述套管之间为第一相对位置关系或者第二相对位置关系包括；在所述末端工具、所述第一基座部分和所述第二基座部分中，确定是否存在至少一项相对于所述套管的端口位置满足预设位置关系；若存在至少一项满足预设位置关系，则确定所述柔性部分与所述套管之间为所述第一相对位置关系；若不存在至少一项满足预设位置关系，则确定所述柔性部分与所述套管之间为第二相对位置关系。
可选的，所述第一约束包括第一自由度、第二自由度约束和第三自由度约束；所述根据所述控制信息，按照与所述第一相对位置关系相关联的预设第一约束，对所述柔性部分进行运动控制包括：若所述末端工具满足预设位置关系，且所述第一基座部分不满足预设位置关系，则根据所述控制信息，按照所述第一自由度对所述柔性部分进行运动控制；若所述第一基座部分满足预设位置关系，且所述第二基座部分不满足预设位置关系，则根据所述控制信息，按照所述第二自由度约束对所述柔性部分进行运动控制；若所述第二基座部分满足预设位置关系，则根据所述控制信息，按照所述第三自由度约束对所述柔性部分进行运动控制。
可选的，第一自由度包括：所述末端工具执行功能性操作的运动、以及所述第一关节部分和所述第二关节部分围绕着自身中心轴线的旋转运动、和沿着所述套管的中心轴线的旋转运动和平移运动；第二自由度约束包括：所述第一自由度、以及所述第一关节部分沿着所述第一基座部分的弯曲运动；第三自由度约束包括：所述第一自由度、所述第二自由度约束、以及所述第二关节部分沿着所述第二基座部分的弯曲运动。
可选的，所述第二约束包括：所述末端工具、所述第一关节部分和所述第二关节部分围绕着自身中心轴线的旋转运动、和沿着所述套管的中心轴线的旋转运动和平移运动。
可选的，所述第一基座部分设置有第一坐标系，所述第二基座部分设置有第二坐标系，所述套管的中心轴线上设置有远程运动中心，所述远程运动中心相对于所述端口位置设置有预设距离阈值；所述在所述末端工具、所述第一基座部分和所述第二基座部分中，确定是否存在至少一项相对于所述套管的端口位置满足预设位置关系包括：确定所述第一坐标系和所述第二坐标系分别与所述远程运动中心之间，在所述套管的中心轴线的远端方向上的第一轴向距离；对比每个所述第一轴向距离与预设距离阈值之间的大小，并基于对比的结果，分别确定所述末端工具、所述第一基座部分和所述第二基座部分相对于所述套管的端口位置是否满足预设位置关系。
可选的，所述控制方法还包括：获取所述柔性部分的尺寸信息，以及确定目标病灶区域与所述端口位置之间的第二轴向距离；基于每个所述尺寸信息和第二轴向距离，控制所述套管相对于中心轴线进行平移运动；响应于所述远程运动中心的设定指令，根据所述套管进行平移平移运动时的终止位置，对所述远程运动中心进行重置。
可选的，所述基于每个所述尺寸信息和第二轴向距离，控制所述套管相对于中心轴线进行平移平移运动包括：根据所述尺寸信息，确定所述末端工具、所述第一基座部分和所述第二基座部分的各个分段长度；根据每个所述分段长度和所述第二轴向距离，设置所述套管相对于所述套管的中心轴线的平移范围，并控制所述套管在所述平移范围内进行运动；或者，根据每个所述分段长度和所述第二轴向距离，设置所述套管相对于所述套管的中心轴线的各个平移节点，并控制所述套管在各所述平移节点上进行运动，使得所述所述套管的终止位置位于其中一个平移节点上。
可选的，所述响应于所述远程运动中心的设定指令，根据所述套管进行平移运动时的终止位置，对所述远程运动中心进行重置包括：响应于所述远程运动中心的设定指令，根据所述套管进行平移平移运动时的终止位置，确定所述套管的平移距离；根据所述平移距离控制所述远程运动中心进行移动，得到重置后的远程运动中心，其中，所述远程运动中心位于所述套管所在位置范围之内。
可选的，所述控制方法还包括：确定所述柔性部分在运动过程中，在所述第一相对位置关系和所述第二相对位置关系之间的切换情况；根据所述切换情况和所述控制信息，确定所述柔性部分当前的运动状态，并控制所述关节部分按照与所述运动状态相对应的关节位姿形态进行运动。
可选的，所述根据所述切换情况和所述控制信息，确定所述柔性部分当前的运动状态包括：判断所述切换情况是否满足预设条件，其中，预设条件包括当前所述柔性部分在第一相对位置关系和所述第二相对位置关系之间进行逐渐切换，且在此之前存在所述柔性部分从第二相对位置关系切换为第一相对位置关系；若所述切换情况满足预设条件，则根据所述控制信息，确定所述柔性部分当前的运动状态。
可选的，所述控制所述关节部分按照与所述运动状态相对应的关节位姿形态进行运动包括：当所述控制信息为推进控制时，设置与所述运动状态相对应的关节位姿形态为：所述柔性部分在第一相对位置关系即将切换至第二相对位置关系时，所述关节部分的记忆形态；当所述控制信息为后退控制时，设置与所述运动状态相对应的关节位姿形态为：所述关节部分的拉直形态；控制所述关节部分按照所述记忆形态或者所述拉直形态进行运动。
可选的，所述手术工具包括内窥镜和至少一个手术器械，所述内窥镜的关节机构和所述至少一个手术器械的关节机构之间设置有对应关系，所述控制方法还包括：确定所述内窥镜或者所述至少一个手术器械中，处于回退状态、或者复位状态的目标关节机构时，控制与所述目标关节机构具有对应关系的另一个关节机构进行协同运动。
可选的，所述远程运动中心设置有第三坐标系；所述手术工具的数量为多个；所述手术机器人还包括显示设备；所述控制方法还包括：基于所述第三坐标系，对各个手术工具建立运动学模型；基于所述运动学模型，在各个手术工具的柔性部分运动过程中，确定各个手术工具之间的关节基座和末端工具的第三相对位置关系；基于所述第三相对位置关系，生成各个手术工具对应柔性部分的三维模型图；在所述显示设备上显示所述三维模型图；或者，根据所述柔性部分在所述第一相对位置关系和所述第二相对位置关系的切换情况，在所述三维模型图中截取对应视角的二维视图，并在所述显示设备上显示所述二维视图。
本发明的第二方面提供了一种手术机器人系统，包括：如上所述的手术机器人和主控台，所述主控台与所述手术机器人通信连接；所述控制器被配置成：响应于所述主控台发送的控制信息，确定所述柔性部分与所述套管之间为第一相对位置关系或者第二相对位置关系；根据所述控制信息，按照与所述第一相对位置关系相关联的预设第一约束，对所述柔性部分进行运动控制；或者，根据所述控制信息，按照与所述第二相对位置关系相关联的预设第二约束，对所述柔性部分进行运动控制；其中，所述第一相对位置关系相对于所述第二相对位置关系，所述柔性部分容纳于所述套管内的长度更短。
本发明的第三方面提供了一种可读存储介质，可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以上手术机器人的控制方法的步骤。
本发明的有益效果是：在接收到对手术工具的控制信息时，需要判断手术工具远端的柔性部分跟套管之间的相对位置关系，在不同的相对位置关系，对控制信息响应不同的约束，以不同的运动自由度来对该柔性部分进行运动控制，比如柔性部分在套管外相对于在套管内具有更多的运动自由度，防止柔性部分在弯曲状态下进出套管而造成损伤。同时手术工具在套管内和套管外，以不同约束进行主从操作，可以适用于狭窄腔道的手术场景。
附图说明
图1是本发明中手术机器人系统的结构示意图；
图2是本发明中手术机器人的结构示意图；
图3是本发明中手术机器人的控制方法的第一个流程图；
图4是本发明中手术工具的结构示意图；
图5A是本发明中耦接有手术工具的套管的一个结构示意图；
图5B是本发明中耦接有手术工具的套管的另一个结构示意图；
图6是本发明中柔性部分相对于套管位置的第一个示意图；
图7是本发明中柔性部分相对于套管位置的第二个示意图；
图8A是本发明中套管上的远程运动中心重置的第一个示意图；
图8B是本发明中中套管上的远程运动中心重置的第二个示意图；
图8C是本发明中中套管上的远程运动中心重置的第三个示意图；
图9是本发明中手术机器人的控制方法的第二个流程图；
图10A是本发明中柔性部分相对于套管位置的第三个示意图；
图10B是本发明中柔性部分相对于套管位置的第四个示意图；
图11是本发明中柔性部分相对于套管位置的第五个示意图；
图12是本发明中显示界面的一个示意图；
图13是本发明中显示界面的另一个示意图；
图14是本发明中手术机器人的控制方法的第三个流程图。
实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是用于限制本发明。例如，术语“多个”包括两个及以上。
一、手术机器人系统
为了便于理解，接下来对手术机器人的结构进行说明，请参阅图1-图2，本发明提供了手术机器人系统的一个实施例，具体如下所示：图1
如图1所示，对于手术机器人系统100，至少包括手术机器人10和主控台20，所述主控台10与所述手术机器人20之间通信连接；针对主控台输出的控制信息，由手术机器人中进行响应，依据接收到控制信并执行主从操作，以完成相应的手术动作。
具体的，在一个示例性的手术环境中，手术机器人10和主控台20通过主从通讯总线30进行通信连接，主控台20发出的控制信息通过该主从通讯总线30传输给手术机器人10；对于手术机器人的被执行对象如患者40，按照所需的姿势放置在手术台50，手术机器人可以被推放至手术台50的旁边，伸出机械臂至患者40的预设方位，以执行手术操作；主控台20由医生60进行操控，根据医生60的操作同步输出控制信息，其中，主控台20和手术机器人10可以部署在同一连通空间或者完全隔离的不同空间，使得医生可以实现远程手术操作；机械臂还耦接有体内介入的内窥镜（图中未示出），用于观测手术过程中的组织和手术工具的运动情况，通过影像台车70显示内窥镜视野范围的组织，而影像台车70和内窥镜之间通过内窥镜数据线80进行通信连接，将实时拍摄到的视频流通过内窥镜数据线发送至影像台车70进行显示；同时，医生60在主控台20对手术机器人10进行控制时，影像台车通过主图通讯总线90将显示的视频流转发给主控台20，在主控台20上也进行实时呈现，为医生60提供手术视野和手术工具的运动情况。
如图2所示，所述手术机器人10用于实际执行手术动作，具体包括控制器（图中未示出）、手术工具11（手术工具11-A，手术工具11-B）和套管12；所述手术工具11与所述控制器耦接，并可延伸容纳于所述套管12的内腔，且包括远端的柔性部分111；所述控制器被配置成执行对所述手术工具11的运动控制；以及：响应于所述主控台10发送的控制信息，确定所述柔性部分111与所述套管12之间为第一相对位置关系或者第二相对位置关系；根据所述控制信息，按照与所述第一相对位置关系相关联的预设第一约束，对所述柔性部分111进行运动控制；或者，根据所述控制信息，按照与所述第二相对位置关系相关联的预设第二约束，对所述柔性部分111进行运动控制。
本实施例中，针对主控台每次发送控制信息至手术机器人时，手术机器人不会直接基于该控制信息来执行对应的手术动作；而是会先校验当前时刻下柔性部分的相对位置关系（第一相对位置关系和第二相对位置关系），不同的相对位置关系关联对应的运动约束（第一约束和第二约束）；基于确定的运动约束来对控制信息调整，输出实际执行的控制指令，以致动柔性部分执行手术动作。即对于主控台输出的控制信息，手术机器人并不完全执行所述控制信息中的手术动作。
示例性的，第一约束包括对柔性部分可执行自由度A和自由度B的相关约束，第二约束包括对柔性部分可执行的自由度B的相关约束；主控台输出的控制信息包括第一控制指令和第二控制指令，其中，第一控制指令指示柔性部分执行自由度A，第二控制指令指示柔性部分执行自由度B；手术机器人对控制信息进行过滤，若柔性部分处于第二相对位置关系，则使得手术机器人不响应第一控制指令，仅响应第二控制指令，控制柔性部分可以按照自由度B执行手术动作；若柔性部分处于第一相对位置关系，则手术机器人同时响应第一、第二控制指令，控制柔性部分可以按照自由度A和自由度B执行手术动作。具体的，控制信息，用于传输给手术机器人以控制手术工具执行手术动作时，至少包括控制柔性部分运动的方位信息和距离信息；方位信息比如表示柔性部分沿着套管的内腔推进、回退和/或弯折等，距离信息比如表示柔性部分推进量、回退量和/或弯折角度等。通过对方位信息和距离信息进行过滤，使得最终形成的控制指令满足第一约束或者第二约束的要求。
本实施例中，第一相对位置关系和第二相对位置关系，可以基于柔性部分相对于套管的可活动空间的大小进行确定，在柔性部分具有更大的可活动空间时确定为第一相对位置关系，在柔性部分具有更小的可活动空间时确定为第二相对位置关系。第一约束和第二约束，也可以按照柔性部分与套管的结构特性，基于两者耦接后的可活动空间的大小进行预先设置。比如在第一约束中，对柔性部分设置更大的运动幅度（比如更多的可运动方位和更大的可运动距离），在第二约束中，对柔性部分设置更小的运动幅度（比如更少的可运动方位和更小的可运动距离）。
示例性的，第一相对位置关系可以为柔性部分处于套管之外，柔性部分在套管之外的可活动空间更大；第二相对位置关系可以为柔性部分处于套管之内，由于套管的物理限制，使得柔性部分的可活动空间更小。第一约束相对于第二约束，由于不受套管的物理限制，使得第一约束设置的运动幅度至少增加所述柔性部分处于套管外的径向延伸范围。
另外，在具体的手术空间中，套管12布置在人体切口13处并设置于固定位置，同时套管12上还设置有远程运动中心14，使得套管12和手术工具11（11-A，11-B）可以围绕着远程运动中心14进行运动；耦接于套管12的内腔的手术工具11（11-A，11-B），可以向远端延伸达到目标组织位置（如病灶15）；套管12上设置有中心轴线16，远程运动中心14优选设置于中心轴线16和人体切口13中心的交叉位置，使得套管沿着中心轴线16绕着远程运动中心14进行运动时，防止对组织造成损伤。
另外，图2所示的套管内腔所耦接的手术工具11（11-A，11-B），为了实现手术过程中的手眼协调，通常至少安装一把内窥镜112-A和至少两把手术器械112-B，在安装三把或三把以上数量的手术器械时，需要医生通过操作主控台的器械切换功能执行不同手术工具之间的切换使用。
二、主从操作-藏袖功能
上面对本发明的手术机器人进行了说明，下面请参阅图2-图7，本发明提供了手术机器人的控制方法的第一个实施例，具体如下所示：
301、响应于对所述手术工具的控制信息，确定所述柔性部分与所述套管之间为第一相对位置关系或者第二相对位置关系；
302、根据所述控制信息，按照与所述第一相对位置关系相关联的预设第一约束，对所述柔性部分进行运动控制；或者，
303、根据所述控制信息，按照与所述第二相对位置关系相关联的预设第二约束，对所述柔性部分进行运动控制。
本实施例中，如图3所示的流程图介绍了在手术机器人系统中，手术机器人在响应主控台发送的控制信息时所执行的控制方法。前面关于手术机器人系统的实施例，已经介绍了手术机器人单端的控制过程，可以参阅前述内容，此处不再赘述。需要注意的是，在对整个手术工具的控制过程中，至少需要根据柔性部分的第一相对位置关系和第二相对位置关系，按照第一约束和第二约束执行运动控制。而对于手术工具中的其他部分，也可以根据具体需求进行适应性调整，比如按照前述的第一相对位置关系和第二相对位置关系设置不同的运动约束。其中，所述第一相对位置关系相对于所述第二相对位置关系，所述柔性部分容纳于所述套管内的长度更短
在一种实施方式中，如图4所示的一种手术工具示意图，手术工具远端的柔性部分111包括至少一个关节机构（112-A，112-B），所述关节机构包括基座部分（113-A，113-B）和关节部分（114-A，114-B），其中，所述第一约束所约束的关节机构（112-A，112-B）数量多于所述第二约束所约束的关节机构（112-A，112-B）数量，对所述关节机构（112-A，112-B）的约束包括对所述关节部分（114-A，114-B）的运动自由度的约束。
本实施例中，柔性部分通过至少一个关节机构来实现柔性运动，如弯曲运动。进一步的，柔性运动由关节部分来实现，关节基座作为参考作用，也就是说，控制信息中包含的方位、距离等相关信息是以关节基座为基准，来对对关节部分的运动控制进行控制的。而第一约束相对于第二约束所增加的关节部分的运动自由度，即为关节部分的柔性运动。
除此之外，手术工具还可以包括近端的长轴连杆115，可以是刚性材质；手术工具的中心轴线116，与套管的中心轴线平行或重合；驱动单元117，用于控制长轴连杆115、关节机构（112-A，112-B）、末端工具118执行运动的有源器件布置位置。长轴连杆115连接基座部分（113-A，113-B）和驱动单元117，能够依据控制信息实现绕自身轴线的旋转运动，带动柔性部分的旋转运动，以及沿着套管的中心轴线进行轴向平移，带动柔性部分进行轴向平移。
在一种实施方式中，末端工具执行功能性操作的运动，如末端夹持工具的开合运动，其自由度不受第一相对位置关系和第二相对位置关系的影像，均可执行相应运动动作。即第一约束和第二约束中均包括末端工具执行功能性操作的运动自由度，第一约束相对于第二约束不增加对该末端工具执行功能性操作的运动自由度的约束。
具体的，对于柔性部分至少包括两方面的运动控制，一种是基于中心轴线对柔性部分的运动控制，另一种是基于基座部分对关节部分的运动控制。前者在柔性部分的运动过程中，会始终保持手术工具的中心轴线与套管的中心轴线保持平行，后者在柔性部分的运动过程中，会使得关节部分的中心轴线至少存在局部轴线偏离套管的中心轴线。即第一约束至少包括该两方面对柔性部分的运动控制，第二约束至少包括第一方面基于中心轴线的对柔性部分的运动控制。
示例性的，第一种对柔性部分的运动控制包括以下三项：柔性部分随着整个手术工具沿着套管的中心轴线进行轴向平移；柔性部分随着整个手术工具沿着自身的中心轴线进行旋转；套管沿着自身的中心轴线进行旋转，带动柔性部分随着整个手术工具沿着套管的中心轴线进行旋转。在前面三种对柔性部分的运动控制中，均保持手术工具的中心轴线与套管的中心轴线保持平行，此处柔性部分的位姿形态为相对于长轴连杆的拉直形态。
示例性的，第二种对关节部分的运动控制包括：关节部分沿着基座部分的弯曲运动。如图4所示，关节机构112-A的关节部分114-A相对于基座部分113-A朝着套管的中心轴线的下方弯曲，关节机构112-B的关节部分114-B相对于基座部分113-B朝着套管的中心轴线的上方弯曲，关节部分114-A和关节部分114-B与套管的中心轴线形成预设角度。
其中，基座部分113-A设置有坐标系XwYwZw，基座部分113-B设置有坐标系XbYbZb，关节部分114-A和关节部分114-B分别沿着坐标系XwYwZw和坐标系XbYbZb进行弯曲运动。需注意的是，此处设置两个坐标系XwYwZw和XbYbZb，可以实现柔性部分中两个关节机构（112-A，112-B）的独立控制。
在一种实施方式中，如图4和图5A所示所述柔性部分还包括末端工具118，所述关节机构包括第一关节机构112-A和第二关节机构112-B，所述第一关节机构112-A包括第一基座部分113-A和第一关节部分114-A，所述第二关节机构112-B包括第二基座部分113-B和第二关节部分114-B，所述第二关节部分114-B与第一基座部分113-A耦接，所述第一关节部分114-A与所述末端工具118耦接；所述确定所述柔性部分111与所述套管12之间为第一相对位置关系或者第二相对位置关系包括；在所述末端工具118、所述第一基座部分113-A和所述第二基座部分113-B中，确定是否存在至少一项相对于所述套管12的端口位置121满足预设位置关系；若存在至少一项满足预设位置关系，则确定所述柔性部分111与所述套管12之间为所述第一相对位置关系；若不存在至少一项满足预设位置关系，则确定所述柔性部分111与所述套管12之间为第二相对位置关系。
本实施例中，评估柔性部分与套管之间的相对位置关系，其目的在于选择柔性部分在不同可活动空间下的运动约束。此处区分柔性部分相对于套管的可活动空间，是以套管的端口位置为界限。预设第一约束和第二约束的区别在于增加关节部分的柔性运动，而关节部分的柔性运动是关节部分以基座部分为基准进行的独立控制；因此可以通过套管的端口位置与基座部分之间的相对位置，评估套管与柔性部分之间的相对位置关系。
此外，相对于前述的内容：第一约束相对于第二约束不增加对该末端工具执行功能性操作的运动自由度的约束。在另一种实施方式中，还可以评估末端工具与端口位置之间的相对位置关系，第一约束相对于第二约束也可以增加末端工具的运动，比如具有夹持功能的末端工具的开合运动。防止末端工具执行功能性操作时损伤套管或者手术工具。
具体的，预设位置关系可以为末端工具、第一基座部分或者第二基座部分处于端口位置之外，由于柔性部分中由远端至近端顺序包括：末端工具、第一基座部分、第二基座部分，因此在第二基座部分满足预设位置关系时，第一基座部分和末端工具也满足预设位置关系。以此类推。
另外，如图4所示，第一关节机构可以为腕部关节机构，第二关节机构可以为肩肘关节机构，如前述即是在腕部基座（第一基座部分）建立坐标系XwYwZw，在肩肘基座（第二基座部分）建立坐标系XbYbZb。在肩肘关节（第二关节部分）基于肩肘基座进行柔性运动时，可以围绕Xb轴和Yb轴实现两个自由度的旋转运动，用于带动腕部基座在XwYw平面内的两自由度平移运动；在腕部关节（第一关节部分）基于腕部基座进行柔性运动时，也可以围绕Xw轴和Yw轴实现两个自由度的旋转运动，用于对手术器械的末端工具和内窥镜的摄像镜头进行姿态调整。在肩肘关节的运动过程中，坐标系XbYbZb的Zb轴线与坐标系XwYwZw的Zw轴线需始终保持平行。
在本应用场景中，结合前述的控制信息包括方位信息和距离信息，进一步可以由肩肘关节围绕Xb轴和Yb轴的两个自由度信息、以及腕部关节围绕Xw轴和Yw轴的两个自由度信息进行表示。
其中，长轴连杆、肩肘关节机构与腕部关节机构之间可以运动解耦，即三者单独执行运动控制；而多关节机构之间也可以是联合运动，比如肩肘关节机构与腕部关节机构之间的联合运动，则是以肩肘基座为基础，可以实现各关节机构和末端工具在肩肘基座坐标系下的位姿（位置和姿态）调整。
示例性的，如图5A所示，套管12的内腔耦接的手术工具包括：内窥镜11-A和两个手术器械11-B，手术器械11-B和内窥镜11-A的主体结构构成相同，不同之处在于末端工具118分别为夹持/消融的功能性工具、和摄像头。
其中，通过在套管中心轴线16上的远程运动中心14设置坐标系XmYmZm，三个手术工具的腕部关节机构和肩肘关节机构均在套管内部，未超出套管的端口位置，而两个手术器械的末端工具则处于套管的端口位置外侧，此时，内窥镜11-A和手术器械11-B整体可以跟随套管12围绕远程运动中心14执行整体旋转运动，以及可以围绕自身中心轴线执行旋转运动和沿着套管中心轴线116的前后平移运动，同时末端夹持工具可以执行开合运动。
其中，在对手术工具的运动过程中，坐标系XmYmZm的Zm轴线还可以与坐标系XbYbZb的Zb轴线、以及坐标系XwYwZw的Zw轴线始终保持平行。
在本应用场景中，结合前述的控制信息包括方位信息和距离信息，进一步还可以由手术工具围绕着自身轴线的旋转自由度信息和平移自由度信息进行表示。
另外，如图5A所示的手术工具安装方式，可以为手术工具容纳于套管内的初始安装状态，各关节机构处于软件零位位置，后续各关节机构的运动基于该零位位置进行弯曲运动。通过该初始安装状态，使得手术工具应用如上所述的响应控制信息的运动方式，使得内窥镜11-A和手术器械11-B可以逐渐伸出，以逐渐解锁各个关节机构相关的第二约束，用于在狭小的手术空间操作中、或者在无手术空间的情况下需要操作手术器械开辟手术通道时的术式场景。
在一种实施方式中，手术工具在套管内的初始安装状态，除了如图5A所示的手术工具安装方式，还可以是其他安装方式，比如将内窥镜11-A和手术器械11-B的末端工具也回收至套管内。但是需遵守的前提条件时是：第一关机机构、第二关节机构和长轴连杆均不应该设置在套管外侧，或者部分在外侧。
如图5B所示，手术器械11-B和内窥镜11-A的肩肘基座和腕部基座均在套管的端口位置121外侧，属于第一相对位置关系；各关节机构的运动不受套管限制（即属于第一约束），手术器械11-B可以实现工作空间内的六自由度手术操作，内窥镜11-A可以实现工作空间内的六自由度视野探查；六自由度包括：手术工具围绕着自身轴线的旋转运动和平移运动的两个自由度，肩肘关节围绕Xb轴和Yb轴转动的两个自由度，以及由腕部关节围绕Xw轴和Yw轴转动的两个自由度。第一约束包括该六自由度的运动约束。
第一约束相对于第二约束至少增加了肩肘关节围绕Xb轴和Yb轴的两个自由度的约束，以及由腕部关节围绕Xw轴和Yw轴的两个自由度，即第二约束包括：手术工具围绕着自身轴线的旋转运动和平移运动的两个自由度的运动约束。
在一种实施方式中，控制信息包括前述六个自由度中的至少一个自由度信息，表示控制柔性部分运动的方位信息和距离信息。对控制信息进行过滤，使得最终输出给控制器以致动柔性部分的运动，满足第一约束或者第二约束。
示例性的，在对控制信息进行过滤时，比如控制信息包括肩肘关节围绕Xb轴和Yb轴的两个自由度、以及围绕着自身轴线的旋转运动，则柔性部分在处于第二相对位置关系下，会将肩肘关节围绕Xb轴和Yb轴的两个自由度信息筛除，不响应该两个自由度的控制指令，仅响应围绕着自身轴线的旋转运动的控制指令，以致动长轴连杆围绕自身轴线进行旋转，并带动柔性部分的旋转。
此外，通过控制内窥镜沿着套管的中心轴线进行前后平移运动，可以不断调整内窥镜的视野范围大小，使得将手术器械的腕部关节和肩肘关节涵盖在视野范围内，从而辅助手术器械在操作过程中避免相互之间产生碰撞，类似地，通过控制手术器械沿着套管的中心轴线进行前后平移运动，可以调整手术器械与病灶和人体组织之间的操作距离。
在一种实施方式中，所述第一约束包括第一自由度、第二自由度约束和第三自由度约束；所述根据所述控制信息，按照与所述第一相对位置关系相关联的预设第一约束，对所述柔性部分进行运动控制包括：若所述末端工具满足预设位置关系，且所述第一基座部分不满足预设位置关系，则根据所述控制信息，按照所述第一自由度对所述柔性部分进行运动控制；若所述第一基座部分满足预设位置关系，且所述第二基座部分不满足预设位置关系，则根据所述控制信息，按照所述第二自由度约束对所述柔性部分进行运动控制；若所述第二基座部分满足预设位置关系，则根据所述控制信息，按照所述第三自由度约束对所述柔性部分进行运动控制。
本实施例中，如图6所示，呈现了柔性部分与套管之间的四种相对位置关系的简易示意图（如图6中的a至d）。其中，预设位置关系为末端工具601、第一基座部分602和第二基座部分603处于端口位置604的外侧（相当于图6所示的端口位置604的上方区域）。
具体的，针对图6中的a，末端工具601、第一基座部分602和第二基座部分603均处于端口位置604的内侧，即三者均不满足预设位置关系，则此时柔性部分与套管之间处于第二相对位置关系。针对图6中的b，末端工具601处于端口位置604的外侧，第一基座部分602和第二基座部分603均处于端口位置604的内侧，则使用第一自由度对柔性部分进行运动控制；针对图6中的c，末端工具601和第一基座部分602均处于端口位置604的外侧，第二基座部分603处于端口位置604的内侧，则此时使用第二自由度约束对柔性部分进行运动控制；针对图6中的d，末端工具601、第一基座部分602和第二基座部分603均处于端口位置604的外侧，则使用第三自由度约束对柔性部分进行运动控制。
需注意的是，如图6所示，在第一关节部分和/或第二关节部分进行弯曲运动时，第一基座部分和第二基座部分的坐标轴Zw和Zb仍然处于平行状态，优选坐标轴Zw和Zb与手术工具的中心轴线、或者与套管的中心轴线保持平行。
在一种实施方式中，第一自由度包括：所述末端工具执行功能性操作的运动、以及所述第一关节部分和所述第二关节部分围绕着自身中心轴线的旋转运动、和沿着所述套管的中心轴线的旋转运动和平移运动；第二自由度约束包括：所述第一自由度、以及所述第一关节部分沿着所述第一基座部分的弯曲运动；第三自由度约束包括：所述第一自由度、所述第二自由度约束、以及所述第二关节部分沿着所述第二基座部分的弯曲运动。
具体的，针对图6中的b，对柔性部分按照第一自由度进行运动控制，第一自由度包括末端工具执行功能性操作的运动自由度，第一关节部分和第二关节部分围绕着自身轴线的旋转自由度和平移自由度，自身轴线可以为第一基座部分的Zw轴线和第二基座部分的Zb轴线。针对图6中的c，第二自由度约束还包括：第一关节部分围绕着第二基座部分中Xw轴和Yw轴的两个旋转自由度。针对图6中的d，第三自由度约束还包括：第二关节部分围绕着第二基座部分中Xb轴和Yb轴的两个旋转自由度。
在一种实施方式中，针对图6中的a，所述第二约束包括：所述末端工具、所述第一关节部分和所述第二关节部分围绕着自身中心轴线的旋转运动、和沿着所述套管的中心轴线的旋转运动和平移运动。
在一种实施方式中，如图7所示，所述第一基座部分701设置有第一坐标系XwYwZw，所述第二基座部分702设置有第二坐标系XbYbZb，所述套管703的中心轴线上设置有远程运动中心704，所述远程运动中心704相对于所述端口位置705设置有预设距离阈值f；所述在所述末端工具706、所述第一基座部分701和所述第二基座部分702中，确定是否存在至少一项相对于所述套管的端口位置满足预设位置关系包括：确定所述第一坐标系XwYwZw和所述第二坐标系XbYbZb分别与所述远程运动中心704之间的，在所述套管的中心轴线的远端方向上第一轴向距离（d1，d2）；对比每个所述第一轴向距离（d1，d2）与预设距离阈值f之间的大小，并基于对比的结果，分别确定所述末端工具706、所述第一基座部分701和所述第二基座部分702相对于所述套管703的端口位置705是否满足预设位置关系。
本实施例中，比如若第一坐标系XwYwZw与远程运动中心704之间的第一轴向距离d1大于预设距离阈值f，则确定第一基座部分701满足预设位置关系；若第二坐标系XbYbZb与远程运动中心704之间的第一轴向距离d2小于预设距离阈值f，则确定第二基座部分702不满足预设位置关系。
进一步的，还已知第一关节部分的伸直长度d3，当第一轴向距离d1小于预设距离阈值f时，则进一步判断d1+ d3是否大于预设距离阈值f，若大于，则确定末端工具706满足预设位置关系，否则末端工具706不满足预设位置关系。
示例性的，第一坐标系和第二坐标系基于所处远程运动中心之间的相对位置，可以以正数和负数表示第一轴向距离。若第一坐标系、第二坐标系处于远程运动中心朝向远端的方位，则以正数表示两者之间的第一轴向距离；若第一坐标系、第二坐标系处于远程运动中心朝向近端的方位，则以负数表示两者之间的第一轴向距离。比如第一坐标系XwYwZw与远程运动中心704之间的第一轴向距离d1为正数，第二坐标系XbYbZb与远程运动中心704之间的第一轴向距离d2为负数。
在一个优选技术方案中，可以相对于手术机器人构建空间坐标系，确定远程运动中心、第一坐标系和第二坐标系在该空间坐标系中的位置坐标；基于位置坐标计算远程运动中心分别与第一坐标系和第二坐标系之间的距离；基于距离与预设距离阈值之间的大小，确定柔性部分相对于套管之间的第一相对位置关系或者第二相对位置关系，其中，第一相对位置关系表示柔性部分处于套管的非藏袖状态，第二相对位置关系表示柔性部分处于套管的藏袖状态；在非藏袖状态下，应用更多运动自由度约束的第一约束控制柔性部分的运动，在藏袖状态下，应用更少运动自由度约束的第二约束控制柔性部分的运动。在藏袖状态下和非藏袖状态下，对控制信息进行过滤，实现对柔性部分以不同自由度约束的控制，即为主控台对手术机器人的主从控制下，对柔性部分相对于套管实现的藏袖功能。
其中，第一约束相对于第二约束增加了柔性部分中，至少包括一个关节机构的弯曲运动自由度，使得柔性部分在藏袖状态和非藏袖状态之间的转换，可以避免关节机构的弯曲损伤套管和柔性部分。其中，多个关节机构的弯曲运动，可以基于各自的自由度约束进行独立控制，使得控制柔性部分对病灶的处理更加灵活，适用更多场景，比如用于狭小的手术空间操作、在无手术空间的情况下需要操作手术器械开辟手术通道、或者处理较为接近体表的病灶部分的术式场景。
三、藏袖功能-重置远程运动中心
下面请参阅图8A至8C，本发明提供了手术机器人的控制方法的第二个实施例，具体如下所示：
如图8A所示，通过获取所述柔性部分的尺寸信息（d1、d2和d3），以及确定目标病灶区域H1与所述远程运动中心801之间的第二轴向距离d4；基于每个所述尺寸信息（d1、d2和d3）、预设距离阈值f和第二轴向距离d4，控制所述套管相对于中心轴线进行平移平移运动；响应于所述远程运动中心801的设定指令，根据所述套管进行平移平移运动时的终止位置，对所述远程运动中心801进行重置。
本实施例中，对容纳有手术工具的套管整体进行平移平移运动控制，使得末端工具、第一基座部分、或者第二基座部分平移至刚好处于套管的第一相对位置关系时，末端工具、第一关节部分、或者第二关节部分的最近端运动界限能够达到目标病灶区域。此时医生在主控台输入远程运动中心的设定指令，来对套管上的远程运动中心进行重置。
仍参照图8A，可以根据所述尺寸信息，确定所述末端工具802、所述第一基座部分803和所述第二基座部分804的各个分段长度（d1、d2，d3）；根据每个所述分段长度（d1、d2，d3）和所述第二轴向距离d4，设置所述套管相对于所述套管的中心轴线的平移范围，并控制所述套管在所述平移范围内进行运动；或者，根据每个所述分段长度（d1、d2，d3）和所述第二轴向距离d4，设置所述套管相对于所述套管的中心轴线的各个平移节点，并控制所述套管在各所述平移节点上进行运动，使得所述所述套管的终止位置位于其中一个平移节点上。
具体的，取目标病灶部位上的最近端点805，基于柔性部分的尺寸信息，可以确定末端工具802的分段长度d1、第一基座部分803的分段长度d2和第二基座部分804的分段长度d3，在末端工具刚好处于套管的第一相对位置关系时，其距离目标病灶区域的距离需大于或者等于分段长度d1，才能使得末端工具的最近端运动界限能够达到目标病灶区域。同理可以得到，第一基座部分距离目标病灶区域的距离需大于或者等于分段长度d2，第二基座部分距离目标病灶区域的距离需大于或者等于分段长度d3。
承上所述，由于末端工具802、第一基座部分803和第二基座部分804刚好处于套管的第一相对位置关系，则分段长度d1、分段长度d2和分段长度d3也可以确定为：末端工具802、第一基座部分803和第二基座部分804的最近端运动界限能够达到目标病灶区域时，端口位置806分别与最近端点805的距离。
进一步，在末端工具802、第一基座部分803和第二基座部分804刚好处于套管的第一相对位置关系时，确定套管相对于所述套管的中心轴线的平移范围，具体包括：
末端工具802刚好处于套管的第一相对位置关系时，第一平移范围R1为：R 1≥f+d1-d4；
第一基座部分803刚好处于套管的第一相对位置关系时，第二平移范围R2为：R2≥f+d2-d4；
第二基座部分804刚好处于套管的第一相对位置关系时，第三平移范围R3为：R3≥f+d3-d4；
进一步的，为了保证套管在平移后仍处于患者体内，则确定第四平移范围R4为：R4＜f。
在一种实施方式中，基于上述的R1、R2、R3、R4，设置所述套管相对于所述套管的中心轴线的最终平移范围R：（f+d1-d4| f+d1-d4| f+d1-d4）≤R≤f。通过在主控台上操作套管在平移范围R进行任意平移平移运动。
在另一种实施方式中，设置所述套管相对于所述套管的中心轴线的各个平移节点（平移长度分别为：f+d1-d4，f+d1-d4，f+d1-d4）。通过在主控台上的操作，使得套管在各个平移节点上进行跳动平移平移运动，此时端口位置与平移节点重合。进一步预设前后平移按键，响应对前移按键的触碰操作，使得套管的端口位置移动至相邻的更远端的平移节点，响应对后退按键的触碰操作，使得套管的端口位置移动至相邻的更近端的平移节点。
通过设置套管在平移平移运动时的平移范围或者平移节点，一方面使得套管不会退出体外，另一方面使得手术工具在穿过套管的内腔进入患者体内时，末端工具、第一基座部分和第二基座部分中存在至少一项伸出套管外，末端工具、第一关节部分、第二关节部分中存在至少一项可以以第一约束进行运动，实现末端工具对目标病灶区域的处理。需注意的是，该平移范围或者平移节点的设置方式也得益于末端工具、第一关节机构和第二机构在套管外时，可以实现第一约束的独立控制，以局部藏袖的方式在套管外实现手术操作。
在一种实施方式中，所述响应于所述远程运动中心的设定指令，根据所述套管进行平移平移运动时的终止位置，对所述远程运动中心进行重置包括：响应于所述远程运动中心的设定指令，根据所述套管进行平移平移运动时的终止位置，确定所述套管的平移距离；根据所述平移距离控制所述远程运动中心进行移动，得到重置后的远程运动中心，其中，所述远程运动中心位于所述套管所在位置范围之内。
本实施例中，如图8B所示，当目标病灶区域处于接近人体切口801的位置时，由于末端工具802的最近端运动界限位于目标病灶区域H1更深度位置，无法对目标病灶区域H1进行处理（图8B中的a），因此需要对套管进行移动，使得末端工具802的最近端运动界限的深度更浅，直到到达目标病灶区域H1（图8B中的b）。控制套管的平移距离D，则远程运动中心803反向平移D的距离，得到重置后的远程运动中心803的位置（图8B中的c），同时在平移范围或者平移节点的约束下，远程运动中心803位于套管的位置范围内，相当于套管位于患者的体表之内。
本实施例中，如图8C所示，在手术工具的柔性部分中，若末端工具801、第一关节机构802、第二关节机构803无法独立控制，则需要将三者全部伸出套管的端口位置804之外，才能末端工具801对目标病灶区域H1的处理，而在套管平移至即将退出人体切口805的极限位置时，末端工具801的最近端运动界限仍然处于相对于目标病灶区域H1的更深处，无法对目标病灶区域H1进行处理。在此情况下则需要将套管进一步平移至退出体外，同时在套管和人体切口805之间增加保护套806，防止环境通过人体切口805对患者造成感染。（图8C中的d）
本实施例中，由于对末端工具801、第一关节机构802、第二关节机构803实现独立控制，则无需将三者全部伸出套管外，只需伸出其中一项，即可实现末端工具801对目标病灶区域H1的处理。基于此，套管在平移范围内可以退出更少的距离，末端工具801的最近段运动界限即可达到目标病灶区域H1/H2，使得套管不需要退出体外，降低对患者造成感染的风险下，也能实现末端工具801对目标病灶区域H1/H2的处理。（图8C中的e和f）。
进一步的，随着目标病灶区域处于离体表位置更近的位置，控制套管的回退距离，如图8C中f的目标病灶区域目标病灶区域H1相对于图8C中d的目标病灶区域目标病灶区域H2更加接近体表位置，以控制末端工具801、第一关节机构802、第二关节机构803中一项或多项的伸出，在兼顾套管不需要退出体外以降低对患者造成感染的风险下，还尽可能的增加柔性部分的运动自由度，比如在图8C中e的柔性部分可以实现第一关节部分的两个旋转自由度和沿着中心轴的平移和旋转自由度（四个自由度），使得末端部分实现功能性操作的运动自由度，但是图8C中f的柔性部分只能实现沿着中心轴的平移和旋转自由度（两个自由度）。
除此之外，进一步检测套管的平移距离与预设距离阈值的差值是否预设差值阈值内；若是，则可以控制套管往远端方向推进使得差值超过预设差值阈值，防止套管的端口位置刚好贴合在人体切口，使得在套管与患者之间的相对径向位移过大时，导致人体切口、或者与套管贴合的组织部分受到损伤。
四、藏袖功能-回退与复位
下面请参阅图9、图10A和图10B，本发明提供了手术机器人的控制方法的第三个实施例，具体如下所示：
901、确定所述柔性部分在运动过程中，在所述第一相对位置关系和所述第二相对位置关系之间的切换情况；
902、根据所述切换情况和所述控制信息，确定所述柔性部分当前的运动状态；
903、控制所述关节部分按照与所述运动状态相对应的关节位姿形态进行运动。
本实施例中，柔性部分的第一相对位置关系包括末端工具、第一基座部分和第二基座部分中至少一项满足预设位置关系，具体表示为至少一项处于套管端口位置的外侧。设置末端工具满足预设位置关系时，柔性部分与套管之间属于第一关系，设置第一基座部分满足预设位置关系时，柔性部分与套管之间属于第二关系，设置第二基座部分满足预设位置关系时，柔性部分与套管之间属于第三关系，第一相对位置关系包括第一关系、第二关系和第三关系；确定所述柔性部分在第一相对位置关系和第二相对位置关系之间的切换情况为：确定第一关系、第二关系、第三关系和第二相对位置关系之间的顺序切换情况。
具体的，如图10A所示的a至d，顺序表示第二相对位置关系、第一关系、第二关系、第三关系下，柔性部分相对于套管所处的位置。故所述第一相对位置关系为所述柔性部分在处于所述第二相对位置关系时，穿过所述套管的内腔向远端延伸得到。
进一步的，当柔性部分与套管之间的相对位置关系，首次从第二相对位置关系切换至第一相对位置关系，则确定柔性部分当前的运动状态属于第一类型状态；从第一相对位置关系切换至第二相对位置关系、或者再次从第二相对位置关系切换回第一相对位置关系，则确定柔性部分当前的运动状态属于第二类型状态。运动状态包括第一类型状态和第二类型状态。再结合控制信息中相对于中心轴线的平移运动信息，来确定第一类型状态或者第二类型状态的最终运动状态。
在一种实施方式中，如图10A所示，基于最终形态控制关节部分的运动时，具体的运动控制方式如下所示：
1）基于第一类型状态和控制信息为推进控制，确定柔性部分当前的第一运动状态；基于第一运动状态，完全映射控制信息对应实时关节位姿形态，对关节部分进行控制。
2）基于第一类型状态和控制信息为后退控制，确定柔性部分当前的第二运动状态；基于第二运动状态，以拉直形态P1对关节部分进行控制。
3）基于第二类型状态和控制信息为推进控制，确定柔性部分当前的第三运动状态；基于第三运动状态，按照记忆形态（P2至P4），对关节部分进行控制。
4）基于第二类型状态和控制信息为后退控制，确定柔性部分当前的第四运动状态；基于第四运动状态，以拉直形态P1对关节部分进行控制。
其中，若运动控制方式2）、运动控制方式4）从后退控制转换为推进控制，则分别进入运动控制方式1）、运动控制方式4）中。
在一种实施方式中，所述根据所述切换情况和所述控制信息，确定所述柔性部分当前的运动状态包括：判断所述切换情况是否满足预设条件，其中，预设条件包括当前所述柔性部分在第一相对位置关系和所述第二相对位置关系之间进行逐渐切换，且在此之前存在所述柔性部分从第二相对位置关系切换为第一相对位置关系；若所述切换情况满足预设条件，则根据所述控制信息，确定所述柔性部分当前的运动状态。
本实施例中，当切换情况满足预设条件时，柔性部分当前的运动状态属于前述的第二类型状态，即柔性部分相对于套管为：再次从第二相对位置关系切换至第一相对位置关系（复位状态）、或者从第一相对位置关系切换至第二相对位置关系（回退状态）。因此可以确定在此之前柔性部分需要先从第二相对位置关系切换至第一相对位置关系。此时根据控制信息为前进控制或者后退控制，利用前述的运动控制方式3）或者运动控制方式4），对关节部分进行运动控制。
具体的，针对“在此之前存在所述柔性部分从第二相对位置关系切换为第一相对位置关系”， 柔性部分相对于套管的位置在此之前从图10A中的a（第二相对位置关系）切换至图10A中的b（第二关系），甚至进一步切换至图10A中的c（第三关系）或者图10A中的d（第四关系）；即在此之前存在：末端工具、第一基座部分和第二基座部分至少存在一项伸出套管的端口位置外侧。
参阅图10A，而后柔性部分在第一相对位置关系和第二相对位置关系之间进行逐渐切换时，切换方式包括：
1）从末端工具1001开始露出端口位置1004，逐渐移动至末端工具1001完全露出端口位置1004；（即从图10A中的a切换至图10A中的b）
2）从末端工具1001完全露出端口位置1004，逐渐移动至第一基座部分1002完全露出端口位置1004；（即从图10A中的c切换至图10A中的c）
3）从第一基座部分1002完全露出端口位置1004，逐渐移动至第二基座部分1003完全露出端口位置1004；（即从图10A中的c切换至图10A中的d）
4）从第二基座部分1003开始退回端口位置1004，逐渐移动至第二基座部分1003完全退回端口位置1004；（即从图10A中的d切换至图10A中的c）
5）从第一基座部分1002开始退回端口位置1004，逐渐移动至第一基座部分1002完全退回端口位置1004；（即从图10A中的c切换至图10A中的b）
6）从末端工具1001开始退回端口位置1004，逐渐移动至末端工具1001完全退回端口位置1004。（即从图10A中的b切换至图10A中的a）
在一种实施方式中，所述控制所述关节部分按照与所述运动状态相对应的关节位姿形态进行运动包括：当所述控制信息为推进控制时，设置与所述运动状态相对应的关节位姿形态为：所述柔性部分在第一相对位置关系即将切换至第二相对位置关系时，所述关节部分的记忆形态；当所述控制信息为后退控制时，设置与所述运动状态相对应的关节位姿形态为：所述关节部分的拉直形态；控制所述关节部分按照所述记忆形态或者所述拉直形态进行运动。
本实施例中，当控制信息为推进控制时，柔性部分属于前述的切换方式1）至切换方式3）；当控制信息为后退控制时，柔性部分属于前述的切换方式4）至切换方式6）。关节部分的记忆形态为：在此之前柔性部分从第二相对位置关系切换至第一相对位置关系时，关节部分的位姿形态。其中，在此之前的关节部分的位姿形态进一步包括：在此之前最近时刻的关节部分的位姿形态，或者在此之前主控台触发设置的关节部分的位姿形态。
具体的，请参阅图10A，当柔性部分属于前述的切换方式1）时，关节部分的记忆形态局部预设为图10A中的b中的第一记忆形态P2；当柔性部分属于前述的切换方式2）时，关节部分的记忆形态局部预设为图10A中的c中的第二记忆形态P3；当柔性部分属于前述的切换方式3）时，关节部分的记忆形态预设为图10A中的d中的第三记忆形态P4。
在另一种实施方式中，若柔性部分属于前述的切换方式1），且完整的关节部分的记忆形态为：柔性部分从第二相对位置关系切换至第二关系、或者切换至第三关系时，关节部分的位姿形态；则关节部分的记忆形态还可以预设为第二记忆形态，或者第三记忆形态。
在另一种实施方式中，若柔性部分属于前述的切换方式2），且关节部分的记忆形态为：柔性部分从第二相对位置关系切换至第三关系时，关节部分的位姿形态；则关节部分的记忆形态还可以预设为第三记忆形态。
其中，在此之前柔性部分从第二相对位置关系切换至第一相对位置关系若属于以下情况：1）柔性部分从第二相对位置关系切换至第一关系（图10A中的a）；2）柔性部分从第二相对位置关系切换至第二关系（图10A中的a）；则针对情况1），当柔性部分属于前述的切换方式2）或切换方式3）时，则第二记忆形态和第三记忆形态可以设置为拉直形态；针对情况2），当柔性部分属于前述的切换方式3）时，则第三记忆形态可以设置为拉直形态。
除此之外，当柔性部分属于前述的切换方式4）至切换方式6）时，则按照切换方式1）至切换方式3）的前述形态设置方式进行反向操作即可，此处不再赘述。
本实施例中，请参阅图10B，当柔性部分属于前述的切换方式1）至切换方式6）中的任意一种时，柔性部分在逐渐切换过程中，比如在将第一关节部分1005伸出套管之外时（图10B中的a切换至图10B中的b），随着逐渐伸出过程，第一关节部分逐渐从拉直形态P2恢复至记忆心态P5；比如在将第二关节部分1006伸出套管之外时（图10B中的b切换至图10B中的c），随着逐渐伸出过程，第一关节部分逐渐从记忆形态P5恢复至记忆形态P6，直到恢复至最终的记忆心态P4（图10B中的d）。在将第一关节部分1005和第二关节部分1006退回套管之内时，则执行第一关节部分1005和第二关节部分1006伸出套管之外的反向操作，记忆形态P6拉直至记忆形态P5，直至最后拉直至拉直形态P2。
在另一种实施方式中，如图10A所示，柔性部分在逐渐切换过程，随着第一关节部分、第二关节部分逐渐伸出套管之外的过程中，随着对应的第一基座部分、第二基座部分全部伸出套管之外后，才将拉直形态下的第一关节部分、第二关节部分恢复至对应的记忆形态P3、P4。实现了两种第一、第二关节部分从位姿形态P2转换至位姿形态P6。
示例性的，在控制关节部分按照与回退状态对应的拉直形态进行运动时，实时发送的控制信息中至少包括手术工具相对于中心轴线的后退运动信息，基于后退运动信息，配置将关节部分当前的形态调整为拉直形态时的拉直控制指令，以及后退控制指令，将拉直控制指令和后退控制指令发送给控制器，由控制器致动关节部分逐渐拉直和后退。
示例性的，在控制关节部分按照与复位状态对应的记忆形态进行运动时，实时发送的控制信息中至少包括手术工具相对于中心轴线的推进运动信息，基于推进运动信息，配置将关节部分当前的形态调整为记忆形态时的拉直控制指令，以及后退控制指令，将拉直控制指令和后退控制指令发送给控制器，由控制器致动关节部分逐渐推进和复原。
在一种实施方式中，在确定所述柔性部分在运动过程中，所述第一相对位置关系和所述第二相对位置关系之间的切换情况时，可以根据所述柔性部分在运动过程中所述第一轴向距离的变化情况，来确定切换情况。
本实施例中，确定柔性部分在运动过程中，第一轴向距离相对于预设距离阈值的大小；若随着柔性部分的运动，第一轴向距离从小于预设距离阈值转变成大于预设距离阈值，则确定柔性部分从第二相对位置关系切换至第一相对位置关系；若第一轴向距离从大于预设距离阈值转变成小于预设距离阈值，则确定柔性部分从第一相对位置关系切换至第二相对位置关系。记录每次第一轴向距离相对于预设距离阈值的大小的转换，得到切换情况。
进一步的，在判断所述切换情况是否满足预设条件时，也可以通过判断所述柔性部分在运动过程中所述第一轴向距离的变化情况是否满足预设距离条件，若第一轴向距离的变化情况是否满足预设距离条件，则确定柔性部分在第一相对位置关系和所述第二相对位置关系之间的切换情况满足预设条件。
其中，预设距离条件包括当前的第一轴向距离小于或者等于预设距离阈值、以及在此之前存在大于预设距离阈值的第一轴向距离；若所述第一轴向距离的变化情况满足预设距离条件，则确定所述柔性部分当前的运动状态为相对于所述套管的回退状态、或者复位状态。
在一种实施方式中，操作状态为刚进入回退状态或者复位状态时，控制信息可以为瞬时控制指令，控制远端部分自动运动至设置好的位姿形态。比如在主控台上设置一键退回/一键复位的按钮，医生触控按钮，实现柔性部分的一键退回套管、或者一键伸出套管。
其中，每个瞬时控制指令，可以仅设置单个关节机构的位姿形态；即每次触控按钮，输出一个瞬时控制指令，每次控制一个关节机构自动运动至设置好的位姿形态。再次触控按钮时，则控制下一个关节机构自动运动至设置好的位姿形态。
在另一种实施方式中，操作状态为持续回退/复位状态，控制信息为持续控制指令，控制远端部分随着持续控制指令的持续发送期间，按照设置好的位姿形态进行持续运动。比如位姿形态为回退状态时的拉直形态，则随着持续控制指令，柔性部分/关节机构在t1-t2拉直，t2-t3回退；位姿形态为复位状态时的记忆形态，则柔性部分/关节机构在t1-t2推进，t2-t3复位；或者，基于退出量确定柔性部分退出套管内的部分，对该部分按照拉直形态进行实时拉直；基于推进量确定远端部分伸出套管外的部分，对该部分按照记忆形态进行实时复位。
五、藏袖功能-协同运动
下面请参阅图11，本发明提供了手术机器人的控制方法的第四个实施例，具体如下所示：
所述手术工具包括内窥镜和至少一个手术器械，所述内窥镜的关节机构和所述至少一个手术器械的关节机构之间设置有对应关系，确定所述内窥镜或者所述至少一个手术器械中，处于回退状态、或者复位状态的目标关节机构时，控制与所述目标关节机构具有对应关系的另一个关节机构进行协同运动。
本实施例中，在内窥镜和手术器械中存在其中一项的柔性部分，随着相对套管在第一相对位置关系和第二相对位置关系之间进行切换，且在此之前存在从第二相对位置关系至第一相对位置关系的切换，则确定该项手术工具处于回退状态或者复位状态。
而在回退状态或者复位状态下，随着手术器械或者内窥镜的柔性部分推进或者后退，会产生位姿形态的大幅度变化，使得手术器械的位置相对于内窥镜的视野范围发生较大的改变，在该较大的改变下容易使得手术器械脱离内窥镜的视野范围，而丢失手术器械的可视位置。故此时将未处于回退状态或者复位状态下的另一个手术器械或者内窥镜，随之进行协同运动，使得两者之间的位姿形态的变化幅度差别较小，降低手术器械脱离内窥镜的视野范围的概率。
具体的，设置手术器械的关节机构与内窥镜的关节机构之间的对应关系时，由于手术器械通常相对于内窥镜处于更远端的位置，使得内窥镜末端的摄像头可以拍摄到更远端的手术器械的末端工具，基于此可以确定手术器械的第一关节机构、第二关节机构，处于内窥镜的第一关节机构、第二关节机构的更远端位置，预先设置好内窥镜的第一关节机构与手术器械的第二关节机构之间的第一对应关系，内窥镜的第二关节机构与手术器械的第二关节机构之间的第二对应关系。基于第一对应关系和第二对应关系，控制手术器械的第二关节机构随着内窥镜的第一关节机构和第二关节机构进行运动。
其中，内窥镜的柔性部分在第一相对位置关系和第二相对位置关系之间的切换，包括从第二相对位置关系分别至第一关系、第二关系和第三关系的顺序切换，具体包括正向或者反向的顺序切换。第二相对位置关系至第二关系的切换，可以分为第二相对位置关系至第一关系、第一关系至第二关系的两个切换阶段。第二相对位置关系至第三关系的切换，可以分为第二相对位置关系至第一关系、第一关系至第二关系、以及第二关系至第三关系的三个切换阶段。
示例性的，如图11所示，包括内窥镜110-A、手术器械110-B和手术器械110-C，设置内窥镜110-A的第二关节机构1101和第一关节机构1102，分别与手术器械110-B的第二关节机构1103和手术器械110-C的第二关节机构1104之间的对应关系；第一对应关系为：随着第二关节机构1101回退至套管内，第二关节机构1103和第二关节机构1104后退；第二对应关系为：随着第一关节机构1102回退至套管内，第二关节机构1103和第二关节机构1104回退至套管内。
具体的，继续参阅图11，内窥镜110-A、手术器械110-B和手术器械110-C之间，各个关节机构之间初始的相对位置关系如图11中的a所示；当第二关节机构1101从如图11中的a中的位置移动至开始进入套管内的位置时（如图11中的b所示）时，则根据第一对应关系，第二关节机构1103和第二关节机构1104也可以开始后退；当第一关节机构1002从图11中的b的位置移动至开始进入套管内的位置时（如图11中的c所示），则根据第二对应关系，第二关节机构1103和第二关节机构1104开始回退至套管内。
在一种实施方式中，在根据第一对应关系，控制第二关节机构1103和第二关节机构1104进行后退时，一方面约束第二关节机构1103和第二关节机构1104不会回退至套管内；另一方面可以约束第二关节机构1103和第二关节机构1104，按照第二关节机构1101的移动距离进行后退，或者约束第二关节机构1103和第二关节机构1104，后退至即将回退至套管内时的位置。
在一种实施方式中，在根据第一对应关系，控制第二关节机构1103和第二关节机构1104逐渐后退时，第二关节机构1101停留在开始进入套管内的位置，直到第二关节机构1103和第二关节机构1104后退预设距离、或者距离套管端口至预设距离阈值内；
在一种实施方式中，在根据第一对应关系，控制第二关节机构1103和第二关节机构1104逐渐后退时，根据输入的控制信息，以预设权重的回退速率，控制第二关节机构1101逐渐回退至套管内，使得第一关节机构1102、第二关节机构1103和第二关节机构1104同时到达开始进入套管内的位置。
在一种实施方式中，在根据第二对应关系，控制第二关节机构1103和第二关节机构1104回退至套管内时，根据输入的控制信息，以预设权重的回退速率，控制第一关节机构1102逐渐回退至套管内，使得第一关节机构1102、第二关节机构1103和第二关节机构1104同时完全回退至套管内。
除此之外，在第一关节机构1102、第二关节机构1103和第二关节机构1104完全回退至套管内之后，随着内窥镜110-A的继续后退，手术器械110-B的第一关节机构1105、手术器械110-C的第一关节机构1106也逐渐回退至套管内。
在另一种实施方式中，第一关节机构1105和第一关节机构1106可以持续保持在套管之外，继续执行手术操作，用于狭小的手术空间操作或者对距离体表较近的病灶进行处理。
六、藏袖功能-视图切换
下面请参阅图12至图13，本发明提供了手术机器人的控制方法的第五个实施例，具体如下所示：
所述远程运动中心设置有第三坐标系；所述手术工具的数量为多个；所述手术机器人还包括显示设备；基于所述第三坐标系，对各个手术工具建立运动学模型；基于所述运动学模型，在各个手术工具的柔性部分运动过程中，确定各个手术工具之间的关节基座和末端工具的第三相对位置关系；基于所述第三相对位置关系，生成各个手术工具对应柔性部分的三维模型图；在所述显示设备上显示所述三维模型图；或者，根据所述柔性部分在所述第一相对位置关系和所述第二相对位置关系的切换情况，在所述三维模型图中截取对应视角的二维视图，并在所述显示设备上显示所述二维视图。
本实施例中，请参阅图5B，针对多个手术工具，比如除了内窥镜11-A和手术器械11-B的第一基座部分，分别设置第一坐标系XewYewZew和XiwYiwZiw，以及在第二基座部分分别设置第二坐标系XebYebZeb和XibYibZib之外，还在远程运动中心上设置第三坐标系xmymzm，第三坐标系xmymzm作为位置参考基准，用于估计柔性部分运动过程中第一坐标系XewYewZew、XiwYiwZiw、第二坐标系XebYebZeb和XibYibZib之间的相对位置。
具体的，以第三坐标系xmymzm作为位置参考基准，通过对手术器械和内窥镜建立运动学模型，得到手术器械与手术器械器械之间、手术器械与内窥镜之间，其第一基座部分、第二基座部分、末端工具之间的第三相对位置关系，从而可以通过UI视图对各个手术工具的运动过程进行实时动态显示。其中，该UI视图包括三维模型图和二维视图，通常呈现在主控台的屏幕上，也可以呈现在手术机器人和/或影像台车上。
如图12所示，UI视图的显示区域可以为处于显示界面1200的屏幕底端的显示区域1201、屏幕左侧的显示区域1202、屏幕右侧的显示区域1203、或者屏幕顶端的显示区域1204，或者显示界面中其他任意位置，以便于医生在显示界面中观察到各个手术工具之间的相对运动位置。其中，UI视图显示区域默认处于屏幕底端1201的位置。
进一步的，基于柔性部分在所述第一相对位置关系和所述第二相对位置关系的切换情况，可以确定柔性部分的各个执行过程，根据柔性部分的不同执行过程，从三维模型图中截取出相关联的视角的二维视图，以在柔性部分的不同执行过程，更加清晰明了的显示各个手术工具的相对运动位置。其中，不同视角的二维视图至少包括顶视图、侧视图和正视图。
在一种实施方式中，在基于柔性部分在所述第一相对位置关系和所述第二相对位置关系的切换情况，确定柔性部分的各个执行过程时，在柔性部分从第二相对位置关系逐渐切换至第一相对位置关系时、从第一相对位置关系逐渐切换至第二相对位置关系时，确定柔性部分处于第一执行过程；在柔性部分从第二相对位置关系切换至第一相对位置关系之后，并持续停留在第一相对位置关系时，确定柔性部分处于第二执行过程；在主从控制激活（柔性部分首次处于第二相对位置关系）之前，确定柔性部分处于第三执行过程。
进一步的，请参阅图13，当柔性部分处于第一执行过程时，截取三维模型图的顶视图1301；当柔性部分处于第二执行过程时，截取三维模型图的侧视图1302；当柔性部分处于第三执行过程时，截取三维模型图的正视图1303。为了避免二维视图尽可能少地遮挡显示界面中的手术视野，显示区域内通常显示一个二维视图，当柔性部分在第一、第二、第三执行过程进行切换时，自动切换截取的顶视图1301、侧视图1302和正视图1303并显示。该三个二维视图也允许通过主控台、手术机器人、和/或影像台车上的触摸屏按键进行手动选择切换。
上面分别对手术机器人的控制方法中，主从操作的藏袖功能、以及藏袖功能下对应的远程运动中心重置、手术工具相对于套管的回退与复位、多个手术工具的协同运动、以及手术工具不同执行过程下的视图切换，进行了详细的说明，接下来结合前述的几个关于手术机器人的控制方法的实施例，提供一个完整流程的优选实施例，请参阅图14，具体如下所示：
针对步骤1401至1402，将手术工具安装到控制器上、并穿过布置在人体切口的套管插入患者体内，同时为了保证手术工具操作的安全性，在主从操作前需要激活本藏袖功能，才允许使用相关算法执行本手术机器人的控制方法，若激活不成功，则主从操作的控制信号为断开状态，手术工具无法被控制操作，即手术机器人不响应主控台输入的控制信息执行手术动作。在藏袖功能激活成功之后，主控台可以控制手术工具进行运动。
针对步骤1403，若对手术工具不执行伸出套管的动作，则对手术工具执行步骤1411 的主从控制操作时，响应主控台输出的控制信息，确定手术工具相对于套管处于第二相对位置关系，此时基于第一约束对手术工具进行运动控制，即只允许手术工具执行围绕自身中心轴线的旋转运动（或者进一步执行末端工具的夹持开合运动），腕部关节（第一关节部分）和肩肘关节（第二关节部分）不执行弯曲动作，并且仍然保持拉直状态。
针对步骤1404至1405，若对手术工具执行伸出套管的动作，则进一步检测在手术工具伸出套管的过程中，柔性部分与套管之间的相对位置关系，以确定柔性部分的运动约束，具体包括以下情况：
A、在手术工具沿着套管的中心轴线向套管外平移运动的过程中，若腕部基座（第一基座部分）的第一坐标系XwYwZw，与远程运动中心在套管的中心轴线方向上的第一轴向距离小于预设距离阈值f，则腕部关节（第一关节部分）和肩肘关节（第二关节部分）仍然保持拉直状态不执行弯曲运动，从而有效避免腕部关节与套管的端口位置发生碰撞；即相对位置关系为第二相对位置关系，运动约束为第二约束。
B、若腕部基座对应的第一轴向距离大于等于f，同时肩肘基座（第二基座部分）的第二坐标系XbYbZb，与远程运动中心在套管的中心轴线方向上的第一轴向距离小于f，则主从控制操作可实现腕部关节两个自由度的旋转运动，从而调整末端工具的姿态；而肩肘关节仍然保持拉直状态不执行弯曲运动，从而有效避免肩肘关节与套管的端口位置发生碰撞。即相对位置关系为第二关系，运动约束为第二自由度约束。
C、若肩肘基座对应的第一轴向距离大于等于f，则肩肘关节和腕部关节全部处于套管外部，分别实现两个自由度的旋转运动，在主从控制操作下实现手术工具的六自由度运动。即相对位置关系为第三关系，运动约束为第三自由度约束。
针对步骤1406至1407，若步骤1406中肩肘基座对应的第一轴向距离等于f，则执行步骤1407中的手术工具开始退入套管，在肩肘基座对应的第一轴向距离小于f，肩肘关节执行逐渐平行于套管的中心轴线的拉直动作，并且当腕部基座对应的第一轴向距离等于f时，肩肘关节完全拉直，此时腕部关节仍然可以依据主从控制操作实现弯曲运动。
随着腕部基座对应的第一轴向距离逐渐小于f，则腕部关节执行逐渐平行于套管的中心轴线的拉直动作，直到腕部关节完全拉直；腕部关节执行拉直动作时，肩肘关节仍然保持拉直状态。此时长轴示意图连杆允许执行围绕自身轴线的旋转运动。
针对步骤1408至1410，依据步骤1404中腕部关节和肩肘关节的可操作顺序执行相应运动，在手术工具伸出套管的过程中，腕部关节和肩肘关节自动执行复位到步骤1407中退入套管之前的位姿形态，直到肩肘关节完全在套管外部，继而执行六自由度的主从控制操作。步骤1410的执行则如步骤1405所述，此处不再赘述。
在一种实施方式中，步骤1407和步骤1409可以通过建立力学模型在主控台主手端执行力反馈提示、同时/或者在主控台显示界面的观察窗口上，通过增加手术工具沿着套管的中心轴线运动的行程进度条、同时/或者通过其他方式，提示医生手术工具正在处于回退入套管（步骤1407）或者二次伸出套管（步骤1409）的过程中。
示例性的，力反馈提示可以是在主手端的振动提示，也可以是主手端的弹簧力提示，弹簧力提示是指在主手端根据力反馈进行逆运动学解算来实现。
进一步的，在显示界面中提示多个手术工具之间的二维视图时，预设在控制手术机器人执行步骤1401-1402时显示顶视图、执行步骤1404、1407和1409时显示侧视图、执行步骤1405、1410和1411时显示正视图。
需要说明的是，本领域技术人员在本发明揭露的技术范围内，可容易想到的其他排序方案也应在本发明的保护范围之内，在此不一一赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将移动终端的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述移动终端中模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现可实现上述各个方法实施例中的步骤。
本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在移动终端上运行时，使得移动终端执行时实现可实现上述各个方法实施例中的步骤。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到所描述条件或事件”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到所描述条件或事件”或“响应于检测到所描述条件或事件”。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种手术机器人的控制方法，其特征在于，所述手术机器人包括控制器、手术工具和套管；
所述手术工具可延伸容纳于所述套管内，且包括远端的柔性部分；
所述控制器被配置成执行对所述手术工具的运动控制；
所述控制方法包括：
响应于对所述手术工具的控制信息，确定所述柔性部分与所述套管之间为第一相对位置关系或者第二相对位置关系；
根据所述控制信息，按照与所述第一相对位置关系相关联的预设第一约束，对所述柔性部分进行运动控制；或者，
根据所述控制信息，按照与所述第二相对位置关系相关联的预设第二约束，对所述柔性部分进行运动控制；
其中，所述第一相对位置关系相对于所述第二相对位置关系，所述柔性部分容纳于所述套管内的长度更短。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述柔性部分包括至少一个关节机构，所述关节机构包括基座部分和关节部分，其中，所述第一约束所约束的关节机构数量多于所述第二约束所约束的关节机构数量，对所述关节机构的约束包括对所述关节部分的运动自由度的约束。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述柔性部分还包括末端工具，所述关节机构包括第一关节机构和第二关节机构，所述第一关节机构包括第一基座部分和第一关节部分，所述第二关节机构包括第二基座部分和第二关节部分，所述第二关节部分与第一基座部分耦接，所述第一关节部分与所述末端工具耦接；
所述确定所述柔性部分与所述套管之间为第一相对位置关系或者第二相对位置关系包括：
在所述末端工具、所述第一基座部分和所述第二基座部分中，确定是否存在至少一项相对于所述套管的端口位置满足预设位置关系；
若存在至少一项满足预设位置关系，则确定所述柔性部分与所述套管之间为所述第一相对位置关系；
若不存在至少一项满足预设位置关系，则确定所述柔性部分与所述套管之间为第二相对位置关系。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述第一约束包括第一自由度约束、第二自由度约束和第三自由度约束；
所述根据所述控制信息，按照与所述第一相对位置关系相关联的预设第一约束，对所述柔性部分进行运动控制包括：
若所述末端工具满足预设位置关系，且所述第一基座部分不满足预设位置关系，则根据所述控制信息，按照所述第一自由度约束对所述柔性部分进行运动控制；
若所述第一基座部分满足预设位置关系，且所述第二基座部分不满足预设位置关系，则根据所述控制信息，按照所述第二自由度约束对所述柔性部分进行运动控制；
若所述第二基座部分满足预设位置关系，则根据所述控制信息，按照所述第三自由度约束对所述柔性部分进行运动控制。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，
第一自由度约束包括：所述末端工具执行功能性操作的运动、以及所述第一关节部分和所述第二关节部分围绕着自身中心轴线的旋转运动、和沿着所述套管的中心轴线的旋转运动和平移运动；
第二自由度约束包括：所述第一自由度约束、以及所述第一关节部分沿着所述第一基座部分的弯曲运动；
第三自由度约束包括：所述第一自由度约束和所述第二自由度约束中的至少一项、以及所述第二关节部分沿着所述第二基座部分的弯曲运动。
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述第二约束包括：所述末端工具、所述第一关节部分和所述第二关节部分围绕着自身中心轴线的旋转运动、和沿着所述套管的中心轴线的旋转运动和平移运动。
7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述第一基座部分设置有第一坐标系，所述第二基座部分设置有第二坐标系，所述套管的中心轴线上设置有远程运动中心，所述远程运动中心相对于所述端口位置设置有预设距离阈值；
所述在所述末端工具、所述第一基座部分和所述第二基座部分中，确定是否存在至少一项相对于所述套管的端口位置满足预设位置关系包括：
确定所述第一坐标系和所述第二坐标系分别与所述远程运动中心之间，在所述套管的中心轴线的远端方向上的第一轴向距离；
对比每个所述第一轴向距离与预设距离阈值之间的大小，并基于对比的结果，分别确定所述末端工具、所述第一基座部分和所述第二基座部分相对于所述套管的端口位置是否满足预设位置关系。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
获取所述柔性部分的尺寸信息，以及确定所述远程运动中心与目标病灶区域之间的第二轴向距离；
基于每个所述尺寸信息和第二轴向距离，控制所述套管相对于中心轴线进行平移运动；
响应于所述远程运动中心的设定指令，根据所述套管进行平移运动时的终止位置，对所述远程运动中心进行重置。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述基于每个所述尺寸信息和第二轴向距离，控制所述套管相对于中心轴线进行平移运动包括：
根据所述尺寸信息，确定所述末端工具、所述第一基座部分和所述第二基座部分的各个分段长度；
根据每个所述分段长度和所述第二轴向距离，设置所述套管相对于所述套管的中心轴线的平移范围，并控制所述套管在所述平移范围内进行运动；或者，
根据每个所述分段长度和所述第二轴向距离，设置所述套管相对于所述套管的中心轴线的各个平移节点，并控制所述套管在各所述平移节点上进行运动，使得所述套管的终止位置位于其中一个平移节点上。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述响应于所述远程运动中心的设定指令，根据所述套管进行平移运动时的终止位置，对所述远程运动中心进行重置包括：
响应于所述远程运动中心的设定指令，根据所述套管进行平移运动时的终止位置，确定所述套管的平移距离；
根据所述平移距离控制所述远程运动中心进行移动，得到重置后的远程运动中心，其中，所述远程运动中心位于所述套管所在位置范围之内。
11.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
确定所述柔性部分在运动过程中，在所述第一相对位置关系和所述第二相对位置关系之间的切换情况；
根据所述切换情况和所述控制信息，确定所述柔性部分当前的运动状态，并控制所述关节部分按照与所述运动状态相对应的关节位姿形态进行运动。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述切换情况和所述控制信息，确定所述柔性部分当前的运动状态包括：
判断所述切换情况是否满足预设条件，其中，预设条件包括当前所述柔性部分在第一相对位置关系和所述第二相对位置关系之间进行逐渐切换，且在此之前存在所述柔性部分从第二相对位置关系切换为第一相对位置关系；
若所述切换情况满足预设条件，则根据所述控制信息，确定所述柔性部分当前的运动状态。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述控制所述关节部分按照与所述运动状态相对应的关节位姿形态进行运动包括：
当所述控制信息为推进控制时，设置与所述运动状态相对应的关节位姿形态为：所述柔性部分在第一相对位置关系即将切换至第二相对位置关系时，所述关节部分的记忆形态；
当所述控制信息为后退控制时，设置与所述运动状态相对应的关节位姿形态为：所述关节部分的拉直形态；
控制所述关节部分按照所述记忆形态或者所述拉直形态进行运动。
14.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述手术工具包括内窥镜和至少一个手术器械，所述内窥镜的关节机构和所述至少一个手术器械的关节机构之间设置有对应关系，所述控制方法还包括：
确定所述内窥镜或者所述至少一个手术器械中，处于回退状态、或者复位状态的目标关节机构时，控制与所述目标关节机构具有对应关系的另一个关节机构进行协同运动。
15.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述套管的中心轴线上设置有远程运动中心，所述远程运动中心设置有第三坐标系；所述手术工具的数量为多个；所述手术机器人还包括显示设备；
所述控制方法还包括：
基于所述第三坐标系，对各个手术工具建立运动学模型；
基于所述运动学模型，在各个手术工具的柔性部分运动过程中，确定各个手术工具之间的关节基座和末端工具的第三相对位置关系；
基于所述第三相对位置关系，生成各个手术工具对应柔性部分的三维模型图；
在所述显示设备上显示所述三维模型图；或者，
根据所述柔性部分在所述第一相对位置关系和所述第二相对位置关系的切换情况，在所述三维模型图中截取对应视角的二维视图，并在所述显示设备上显示所述二维视图。
16.一种手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括主控台和执行如权利要求1-15所述的控制方法的手术机器人，所述主控台与所述手术机器人通信连接；
所述控制器被配置成：
响应于所述主控台发送的控制信息，确定所述柔性部分与所述套管之间为第一相对位置关系或者第二相对位置关系；
根据所述控制信息，按照与所述第一相对位置关系相关联的预设第一约束，对所述柔性部分进行运动控制；或者，
根据所述控制信息，按照与所述第二相对位置关系相关联的预设第二约束，对所述柔性部分进行运动控制；
其中，所述第一相对位置关系相对于所述第二相对位置关系，所述柔性部分容纳于所述套管内的长度更短。
17.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质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如权利要求1-15所述的手术机器人的控制方法的步骤。
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