CN116869668B - 手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种手术机器人系统，其包括多种操作模式，多种操作模式至少包括跟随模式和相机模式，在跟随模式中，通过输入装置的第一动作控制手术器械的姿态跟随输入装置的姿态；根据进入内窥镜模式动作和第一动作将操作模式从跟随模式切换到相机模式；在所述相机模式中，通过输入装置的第二动作调整内窥镜的位置和姿态，其中，第二动作改变输入装置的位置而不改变输入装置的姿态。

Description

手术机器人系统

技术领域

本申请涉及医疗领域，特别是涉及一种外科手术机器人。

背景技术

微创医疗技术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术或进行活检的一种医疗方式。相比传统手术方式，微创医疗技术具有创伤小、疼痛轻、恢复快，减轻患者的不适并且减少有害的副作用等优势。

随着科技的进步，微创医疗手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术医疗机器人通常包括主控制台及从操作设备，医生通过控制主控制台的输入装置控制从操作设备，从操作设备用于响应主控制台发送的控制命令，并执行相应的手术操作。器械与从操作设备的驱动装置连接，用于执行外科手术，器械的远端包括用于执行手术操作的末端装置和与末端装置连接的可以多个自由度动作的关节组件。

在术前和术中，外科医生需要通过手术机器人的内窥镜来探测患者体内环境，如何使用多种内窥镜操作模式以方便医生探测患者体内环境，以及如果减少培训时间和减少误操作，目前没有较好解决方案。

发明内容

基于此，本申请在第一方面提供一种手术机器人，其包括：

机械臂，其具有多个关节；

多个驱动装置，其用于驱动手术器械和内窥镜；

输入装置，其用于在多个操作模式中操纵所述多个驱动装置，所述多个操作模式至少包括跟随模式和相机模式；

控制装置，其被配置为：

在所述跟随模式中，根据所述输入装置的第一动作控制所述多个驱动装置的第一驱动装置运动，以使所述手术器械的姿态跟随所述输入装置的姿态；所述控制装置响应于进入内窥镜模式动作和所述第一动作将所述操作模式从所述跟随模式切换到相机模式；

在所述相机模式中，根据所述输入装置的第二动作控制所述多个驱动装置的第二驱动装置运动，以调整所述内窥镜的位置和姿态，其中，所述第二动作改变所述输入装置的位置而不改变所述输入装置的姿态。

在一个具体的实施例中，所述多个操作模式还包括调整模式，在所述调整模式中，所述控制装置根据所述输入装置的所述第二动作控制所述机械臂运动以使所述内窥镜围绕一远程运动中心转动，以调整所述内窥镜的末端的位置和姿态，并维持所述手术器械的末端的位置和姿态不变。

在一个具体的实施例中，所述多个操作模式还包括重新定位模式，在所述重新定位模式中，所述控制装置根据所述输入装置的所述第二动作控制所述机械臂运动，以同时调整所述手术器械和所述内窥镜位置和姿态。

在一个具体的实施例中，在所跟随模式中，所述控制装置响应于进入内窥镜模式动作将所述操作模式从所述跟随模式切换到调整模式。

在一个具体的实施例中，在所述相机模式、所述调整模式及所述重新定位模式中，所述第一动作不引起所述多个驱动装置和所述机械臂的关节的运动。

在一个具体的实施例中，所述控制装置响应于进入内窥镜模式动作和所述与所述第一动作相反的动作将所述操作模式从所述跟随模式切换到重新定位模式。

在一个具体的实施例中，还包括预先存储的用于约束所机械臂运动的第一运动边界和第二运动边界，在所述操作模式从所述调整模式切换到所述重新定位模式后，所述控制装置同步将所述机械臂的运动范围从所述第一运动边界切换到所第二运动边界。

在一个具体的实施例中，所述第一运动边界根据所述手术器械的关节组件的运动范围确定，所述第二运动边界根据所述机械臂的多个关节的运动范围确定。

在一个具体的实施例中，所述控制装置根据所述第二动作计算所述机械臂第一目标位置，在所述第一目标位置超过所述第一运动边界或所述第二运动边界时，所述控制装置约束所述机械臂进一步运动，并针对所述输入装置产生阻碍所述输入装置继续运动的阻抗力命令，以在所述输入装置上产生阻碍所述输入装置继续运动的阻抗力。

在一个具体的实施例中，所述阻抗力随所述第一目标位置与所述第一运动边界或所第二运动边界之间的距离增大而增大。

在一个具体的实施例中，所述控制装置根据所述第二动作计算所述机械臂的第二目标位置，如果所述第二目标位置比所述第一目标位置更靠近所述第一运动边界或所述第二运动边界时，所述控制装置解除对所述机械臂运动的约束，并且停止产生所述阻抗力命令。

在一个具体的实施例中，所述内窥镜包括相机、腕关节以及平行关节，所述腕关节连接于所述相机与所述平行关节之间，所述腕关节运动改变所述相机的位置和姿态，所述平行关节运动改变所述相机的位置并保持其姿态不变，所述第二动作操纵所述腕关节运动，而不操纵所述平行关节运动。

本申请在第二方面提供一种手术机器人系统，其包括：

机械臂，其具有多个关节；

多个驱动装置，其用于驱动至少一个手术器械和一个内窥镜；

输入装置，其用于在多个操作模式中操纵所述多个驱动装置，所述多个操作模式至少包括跟随模式、重新定位模式；

控制装置，其被配置为：

在所述跟随模式中，根据进入内窥镜模式动作和所述输入装置的第一动作将所述手术机器人系统从所述跟随模式切换为所述重新定位模式，在所述重新定位模式中，响应于所述输入装置的第二动作，所述控制装置控制所述机械臂运动以同时改变所述手术器械和所述内窥镜的位姿，其中，所述第一动作在所述重新定位模式中不会引起所述机械臂或所述多个驱动装置的运动，所述第二动作改变所述输入装置的位置而不改变所述输入装置的姿态。

附图说明

图1为本申请一个实施例的手术机器人系统在手术室中布置的俯视示意图；

图2A为本申请一个实施例的手术机器人系统的主控制台的示意图；

图2B为本申请一个实施例的手术机器人系统的从操作设备的示意图；

图3A为本申请一个实施例的手术工具示意图；

图3B为本申请一个实施例的持械装置内部结构示意图；

图4A为本申请一个实施例的从操作设备的示意图；

图4B为本申请一个实施例的从操作设备的运动学模型示意图；

图5为本申请一个实施例的手术工具的运动学模型示意图；

图6为本申请一个实施例的多个手术工具穿过套管的示意图；

图7A为本申请一个实施例的输入装置的坐标系和显示装置的坐标系之间的关系示意图；

图7B为本申请一个实施例的手术工具末端的坐标系和内窥镜末端的坐标系之间的关系示意图；

图8为本申请一个实施例的跟随模式控制方法的流程图；

图9为本申请一个实施例的调整模式的控制方法的流程图；

图10为本申请一个实施例的内窥镜校直控制方法的流程图；

图11为本申请一个实施例的多个操作模式之间进行切换的控制方法流程图。

实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面，并非对本申请的限制。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，也可指两个元件通过信号进行交互相连。当一个元件被认为是“耦合”/“耦接”另一个元件，它可以是直接耦合到另一个元件或者可能同时存在居中元件，也可指两个元件通过信号进行交互。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上方”、“下方”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式，应理解的是，这些与空间相关的术语旨在除了附图中描绘的取向之外还涵盖设备在使用中或在操作中的不同取向，例如，如果设备在附图中被翻转，则描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件或特征将被取向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”可以包括上方和下方两种取向。

本文所使用的术语“远端”、“近端”作为方位词，该方位词为介入医疗器械领域惯用术语，其中“远端”表示手术过程中远离外科医生的一端，“近端”表示手术过程中靠近外科医生的一端。本文所使用的术语“多个”包括两个及两个以上。

术语“器械”在文中被用来描述医疗设备，该医疗设备用于插入患者身体并用于执行外科手术或诊断程序，该器械包括末端装置，末端装置可以是用于执行外科手术相关的外科手术工具，例如活检针、电烧灼器、钳夹器、吻合器、剪割器、成像设备（例如内窥镜或超声探头）以及类似物。本申请实施例中使用的一些器械进一步包括为末端装置提供了铰接部件（例如关节组件），使得末端装置的位置和取向能够以相对于器械轴一个或多个机械自由度被操控而运动。进一步地，末端装置包括还包括功能性机械自由度，例如打开和闭合的钳夹。器械还可以包括可以被外科手术系统更新的存储信息，借此该存储系统可以提供器械与一个或多个系统元件之间的单向或双向通信。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及／或”和“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请一个实施例的手术机器人系统如图1所示，手术机器人系统包括主控制台20和从操作设备10，主控制台20远程通信地连接到从操作设备10，外科医生S可在主控制台20上远程操作控制从操作设备10。主控制台20被配置为根据外科医生S的操作向从操作设备10发送控制信号和显示从操作设备10获取的影像，外科医生S通过主控制台10可以观察到影像系统提供的患者体内的三维立体成像，外科医生S通过观察患者体内三维的影像，能以沉浸式的感觉控制从操作设备10执行相关操作（例如执行手术或获取患者体内影像）。

从操作设备10包括控制装置、机械臂11以及持械装置12，控制装置可以设置在从操作设备10的底座中，也可以设置在机械臂11上，在一个实施例中，控制装置用于控制驱动机械臂11的关节运动以及持械装置12中的驱动装置的运动。持械装置12上可以安装多个手术工具，持械装置12的驱动装置用于驱动手术工具动作以执行各种手术。

在一个实施例中，手术机器人系统还包括气体吹入装置、管腔组(图未示出)以及套管13，管腔组将套管13与气体吹入装置流体连通。套管13连接于持械装置12的远端，套管插入躺在手术床T的患者P的体腔上，多个手术工具的末端装置或内窥镜远端的相机穿过套管13伸入患者P体腔内，以执行手术相关的操作，或获取患者P体内的环境影像。

在一个实施例中，外科医生S通过主控制台10可控制气体吹入装置的工作模式，例如将气源中的气体注入患者P的体腔中，以形成人工气腹，或从患者P的体腔中抽吸气体。助手A根据手术状况将手术工具40安装到持械装置12上，或从持械装置12更换手术工具40。外科医生S、助手A以及麻醉师B组成基本的外科手术团队。手术工具40可以是用于执行手术操作的电烧灼器、钳夹器、吻合器、超声刀等手术工具，也可以是获取影像的图像装置(例如内窥镜)或者其他外科工具。

主控制台10还远程通信地与电子设备推车30连接，电子设备推车30远程通信地与从操作设备10，电子设备推车30可包括能量发生装置、图像信号处理装置及上述气体吹入装置等设备。本实施例中，主控制台10、从操作设备10和电子设备推车30之间采用有线以太网通讯方式进行远程通信，但远程通信并不限于有线以太网通讯，也可以是其他有线方式，例如包括但不限于串口、CAN、RS485、RS232、USB、SPI等，或者以及无线通讯方式，例如包括但不限于5G、WiFi、NB、Zigbee、蓝牙、RFID等。

在一个实施例中，如图2A所示，主控制台20包括显示装置21、扶手22、输入装置23、观察装置24及控制信号处理系统25，其中，显示装置21用于显示上述影像系统所获取图像。扶手22用于放置医生S(例如，外科医生S)的胳膊及/或手部，以使医生S更舒适地操作输入装置23，观察装置24用于观察显示装置所显示的所述图像。根据实际需要，也可以省略扶手；或省略观察装置24，此时可直接观察。医生S通过操作输入装置23操纵从操作设备10的手术工具运动，主控制台20的控制信号处理系统处理输入装置23的输入信号后向从操作设备发出控制命令，从操作设备10响应主控制台20的控制命令，并进行相应的操作，在一些实施例中，控制信号处理系统25也可以设置在从操作设备10中，例如设置在从设操作设备10的底座中。控制信号处理系统25可以和上述的控制装置是一个装置。

手术机器人系统通常还包括使医生S能够从患者身体外部观察手术部位的影像系统部分(未示出)。该影像系统部分通常包括具有视频图像采集功能(例如具有图像获取功能的手术工具40)和用于显示被采集图像的一个或多个视频显示设备。一般地，具有图像获取能功能的手术工具40包括将获取患者身体内图像的一个或多个成像传感器(例如CCD或CMOS传感器)的光学器件。该一个或多个成像传感器可以被放置在的具有图像获取能的手术工具40远端处，并且该一个或多个传感器产生的信号可以沿电缆或通过无线传输以在视频显示设备上处理和显示。

在一个实施例中，如图2B所示，手术机器人系统的从操作设备10的机械臂11包括底座110，与底座110连接的立柱120，依次连接的大臂130，小臂140以及竖臂150。机械臂还包括多个用于连接立柱120、大臂160、小臂140以及竖臂150的关节J1-J5。具体的，立柱120包括支撑柱121和升降柱122，支撑柱121与底座110固定连接，升降柱122与支撑柱121通过第一关节J1连接，第一关节J1为直线运动关节，升降柱122可沿第一关节J1的轴线101直线运动，以改变与立柱120远端连接的机械臂11的部分的高度。升降柱122与大臂130通过第二关节J2连接，大臂130与小臂140通过第三关节J3连接，小臂140与竖臂150通过第四关节J4连接，第二关节J2、第三关节J3以及第四关节J4均为旋转关节，且这3个旋转关节的转动轴线102,103,104都垂直水平面。竖臂150与持械装置112通过第五关节J5，第五关节J5的轴线105垂直于轴线101-104。

控制装置160被配置为控制多个关节J1-J5联动，以实现整条机械臂11的各种摆位，调整持械装置112的位置和姿态以及实现持械装置112围绕其远端的远程运动中心116的旋转运动，控制装置160可以设置在底座110中，也可以设置在主控制台20中。

在一个实施例中，持械装置112还包括套管115,套管115通过对接装置114与持械装置112可拆卸连接，持械装置112的中心轴线106与套管115的轴线118基本重合，持械装置112带动套管115围绕远程运动中心116转动，由于远程运动中心116位于切口117处，因此在套管115围绕远程运动中心116转动时，不会损伤患者P。

在一个实施例中，从操作设备10还包括设在支撑柱121上的控制面板170，控制面板170包括至少一个开关171，开关171用于输入摆位指令给控制装置160，控制装置160响应开关171的动作，控制机械臂11运动，以快速实现机械臂11的各种预定姿势的摆位，例如展开成布置无菌帷帘的姿势。

在一个实施例中，持械装置112上可以装载多个手术工具40，多个手术工具40穿过同一个套管115从切口117进入体内。如图3A所示，手术工具40包括器械盒41、长轴42、关节组件43、末端装置44，手术工具40可拆卸的安装在从操作设备10的持械装置112上的驱动系统上，器械盒41内具有传动装置(图未示出)，传动装置包括多个传动单元（例如绞盘），传动单元通过多个缆绳与关节组件43及末端装置44相连接，多个传动单元分别耦合到所述驱动系统内的多个致动器（例如马达），并被致动器所驱动。多个致动器接收来自控制装置的控制指令，并根据该控制指令通过驱动传动单元运动从而驱动末端装置44运动。例如，驱动单元通过驱动传动单元转动从而对缆绳进行收/拉以对末端装置进行运动控制。末端装置44通过关节组件43能够能执行多个笛卡尔自由度的动作，例如改变末端装置44位置的平移运动(包括横移和/或纵移)和改变模式装置44姿态的俯仰、偏摆及滚转运动等，可以理解的是，平移和俯仰、平移、偏摆以及滚转即可以独立运动也同时运动。末端装置44用于执行与外科手术相关的操作，根据手术操作的需求不同，末端装置44可以是电烧灼器、钳夹器、吻合器、剪刀、超声刀、相机、成像装置等，其中相机或成像装置用于获取人体内部影像。

在一个实施例中，如图3B所示，持械装置112的驱动系统至少包括第一驱动装置2201、第二驱动装置2202，多个手术工具的手术器械310可拆卸地安装在第一驱动装置2201上，多个手术工具的内窥镜320可拆卸安装在第二驱动装置2202上，第一驱动装置2201内的多个致动器耦接到手术器械310的器械盒311内的传动装置，第一驱动装置2201用于驱动手术器械310的关节组件313进行多个自由度运动以及长轴312的自转运动。第二驱动装置2202内的多个致动器耦接到内窥镜320的器械盒321内的传动装置，第二驱动装置2202用于驱动内窥镜321的关节组件323进行多个自由度运动以及长轴322的自转运动。

在一个实施例中，持械装置112的驱动系统还包括第一进给驱动装置2211和第二进给驱动装置2212，第一进给驱动装置2211用于第一驱动装置2201沿导轨2213直线运动，从而带动手术器械310在近端和远端之间执行进给运动。第二进给驱动装置2212用于驱动第二驱动装置2202沿导轨2214直线运动，从而带动内窥镜320直线运动。

图4A是本申请一个实施例的从操作设备200示意图，图4B是一个实施例的从操作设备500的运动学模型示意图。如图4A所示，运动学模型500包括与许多有源设备相关联的运动学信息，运动学信息基于用于从操作设备200的各机构连杆(例如上述立柱、大臂、小臂及竖臂)和关节的已知运动学模型，运动学信息进一步基于与从操作设备200的各关节的位置和姿态相关联信息，关节的位置和姿态相关联的信息通过使用一个或多个位置传感器（如编码器）测量得到直线运动关节的线性位置和转动关节的旋转位置。运动学模型500包括几个坐标系或坐标系统和坐标系变换关系（如坐标系的齐次变换），用于将目标物的位置和姿态从其中一个坐标系下的描述变换到另一个坐标系下的描述。运动学模型500可以同时使用其中涉及到的一个或几个坐标系和坐标系转换关系经过正向变换或反向变换来使得相邻或非相邻坐标系之间建立运动学关系。在一些实施例中，运动学模型500用于对图4A中的从操作设备200的运动学关系进行建模。

运动学模型500包括用于对从操作设备200的各关节位置和姿态进行运动学建模的基坐标系510，基坐标系510建立在底座210上并与从操作设备200底座保持相对静止状态，在一些实施例中，基坐标系510用于从操作设备200的运动关节之间进行建模的基准参考点，基坐标系510一经确定后其坐标系原点和坐标轴取向在底座210机械构件上的几何关系也得到确定，此外，为了便于对各运动关节的运动信息进行直观描述，基坐标系510的Z轴取向可以垂直于放置从操作设备200的地面或地板表面。

运动学模型500进一步包括立柱坐标系520，其用于对升降柱240的位置和姿态进行建模，并且该坐标系与允许运动的升降柱240保持相对静止状态。在一些实施例中，考虑到相邻坐标系之间坐标系变换关系建立的便捷性和快速性，在满足坐标系建立规则的基础上，升降柱坐标系520的Z轴可以与升降柱240的中心轴线202重合，立柱坐标系520的X轴和Y轴的取向可以与基坐标系510的坐标轴平行，坐标系520的原点可以被确定在升降柱的中心轴线202与大臂250的水平中心面201的交点位置。在一些实施例中，可以使用一个或多个传感器测量得到升降柱240相对于固定不动的支撑柱220的平移位置，并进一步被用于确定立柱坐标系520与基坐标系510之间的坐标系变换关系515。

运动学模型500进一步包括从操作设备200的大臂坐标系530，其被建立在大臂250末端。在一些实施例中，其可以被建立在大臂250水平中心面201与第三关节J3的转动轴线203的交点位置，用于对大臂250的运动信息进行描述。在满足坐标系建立规则的基础上，大臂坐标系530的Z轴可以与第三关节J3的转动轴线203重合。在一些实施例中，可以使用一个或多个传感器测量得到大臂250相对于升降柱240的旋转位置，并进一步被用于确定大臂坐标系530与立柱坐标系520之间的坐标系变换关系525。在一些实施例中，基于坐标系变换关系515和525，可以建立坐标系530与510之间的运动学模型，并进一步可以被用于描述大臂250在基坐标系510中的位置和姿态的运动信息。在一些实施例中，在已知大臂250在基坐标系510中的位置和姿态的运动信息基础上，基于坐标系变换关系515和525，经过运动学反变换，可以确定升降柱240和大臂250的关节的运动信息。

运动学模型500进一步包括小臂坐标系540，其被建立在小臂260末端。在一些实施例中，坐标系540可以被建立在小臂260水平中心面205与第四关节J4的转动轴线204的交点位置，用于对小臂260的运动信息进行描述。在满足坐标系建立规则的基础上，小臂坐标系540的Z轴可以与竖臂270中心轴线204重合。在一些实施例中，可以使用一个或多个传感器测量得到小臂260相对于大臂250的旋转位置，并进一步被用于确定小臂坐标系540与大臂坐标系530之间的坐标系变换关系535。在一些实施例中，基于坐标系变换关系525和535，可以建立坐标系540与520之间的运动学模型，并进一步可以被用于描述小臂260相对于升降柱240的姿态运动信息。在一些实施例中，基于坐标系变换关系515、525和535组合，可以建立坐标系540与510之间的运动学模型，并进一步可以被用于描述小臂260在基坐标系510中的位置和姿态的运动信息。在一些实施例中，在已知小臂260在基坐标系510中的位置和姿态的运动信息基础上，基于坐标系变换关系515、525和535，经过运动学反变换，可以确定升降柱240、大臂250和小臂260的关节的运动信息。

运动学模型500进一步包括竖臂坐标系550，其被建立在竖臂270末端。在一些实施例中，竖臂坐标系550可以被建立在竖臂270中心轴线204与第五关节J5的转动轴线206的交点位置，用于对竖臂270的运动信息进行描述。在满足坐标系建立规则的基础上，竖臂坐标系550的Z轴可以与第五关节J5的转动轴线206重合。在一些实施例中，可以使用一个或多个传感器测量得到竖臂270相对于小臂260的旋转位置，并进一步被用于确定竖臂坐标系550与小臂坐标系540之间的坐标系变换关系545。在一些实施例中，基于坐标系变换关系515~545组合，可以建立坐标系550与510之间的运动学模型，并进一步可以被用于描述竖臂270在基坐标系510中的位置和姿态的运动信息。在一些实施例中，在已知竖臂270在基坐标系510中的位置和姿态的运动信息基础上，基于坐标系变换关系515~545，经过运动学反变换，可以确定升降柱240、大臂250、小臂260和竖臂270的关节的运动信息。

运动学模型500进一步包括持械装置坐标系560，其被建立在持械装置280末端。在一些实施例中，持械装置坐标系560可以被建立持械装置280末端且在持械装置280的竖直中心面207上（例如持械装置的末端的对接部上），用于对持械装置280的运动信息进行描述。在一些实施例中，可以使用一个或多个传感器测量得到持械装置280相对于竖臂270的旋转位置，并进一步被用于确定持械装置坐标系560与竖臂坐标系550之间的坐标系变换关系555。在一些实施例中，基于坐标系变换关系515~555组合，可以建立坐标系560与510之间的运动学模型，并进一步可以被用于描述持械装置280在基坐标系510中的位置和姿态的运动信息。在一些实施例中，在已知持械装置280在基坐标系510中的位置和姿态的运动信息基础上，基于坐标系变换关系515~555，经过运动学反变换，可以确定机械臂211的各关节的运动信息，并对从操作设备200的机械臂211末端点进行准确的运动控制。

运动学模型500进一步包括机械臂211的远程运动中心坐标系570，该坐标系原点与远程运动中心116重合。在一些实施例中，通过持械装置280上的机构几何关系，可以确定远程运动中心坐标系570与持械装置坐标系560之间的坐标系变换关系565，此外，基于坐标系变换关系515~565组合，可以建立坐标系570与510之间的坐标变换关系575，并进一步可以被用于描述机械臂211的远程运动中心116在推车底座基坐标系510中的位置运动信息和持械装置280的姿态运动信息。在一些实施例中，已知远程运动中心116在基坐标系510中的位置运动信息和持械装置280的姿态运动信息，基于坐标变换关系575，经过运动学反变换，可以确定机械臂211的各关节的运动信息，进而可以实现手持拖动持械装置280在工作空间中的平移运动和旋转运动。

图5是本申请一实施例的用于手术机器人的多个手术工具40的运动学模型简化示意图。如图5所示，多个手术工具40包括手术器械和内窥镜，为了准确把控手术工具的运动控制，通常对每一个手术工具40建立各自的基座坐标系610，对沿着持械装置112的中心轴线106的平移运动自由度建立轴向移动坐标系620，对手术工具围40绕各自长轴轴线的旋转自由度建立自转坐标系630，此外，如图6所示，对手术工具40远端的其他运动自由度分别建立平行关节坐标系640、腕关节坐标系650、末端坐标系660，其中平行关节坐标系640建立在平行关节422的近端关节4221的近端基座上。

在一些实施例中，基于坐标系变换关系615~655，可以建立末端坐标系660与手术工具基坐标系610之间的运动学模型关系665，并进一步可以被用于描述手术工具的末端装置或内窥镜画面在基座坐标系610中的位姿运动信息。在一些实施例中，在已知手术工具末端坐标系660在手术工具基座坐标系610中的位姿运动信息的基础上，对坐标系变换关系665进行反变换求解，则可以计算得到手术工具各运动关节的运动信息。在一些实施例中，已知各个手术工具基座坐标系610之间的固定运动学关系，基于坐标系变换关系665，可以得到手术器械末端装置在内窥镜画面中的位姿信息，从而基于主从运动控制模型可以实现对于手术器械的主从控制操作。在一些实施例中，可以建立手术工具基座坐标系610与患者手术平台的远程运动中心坐标系560之间的运动学关系675，从而手术工具40与机械臂211建立起联系。

在一个实施例中，如图6所示，多个手术工具包括手术器械410,430和内窥镜420，手术器械410,430和内窥镜420一起穿过套管115，在本实施例中，手术工具410为末端装置411是双极烧灼钳的手术器械，手术工具420为末端装置424是相机，手术工具430为末端装置424为持针钳的手术器械，两个手术器械410，430和内窥镜420具有相同构型的关节组件，在其他的一些实施例中，也可以是其他数量的手术工具，例如4个手术工具。在其他的一些实施例中，根据需求，手术工具410,420,430的关节组件的构型可以不同，以实现不同的自由度运动。

在一个实施例中，手术工具420包括近端的器械盒(图6未示出)、长轴421、关节组件以及相机424，关节组件包括平行关节422和腕关节423，平行关节422包括近端关节4211、中间段4223以及远端关节4222，近端关节4211和远端关节4222同时运动从而改变相机424的位置，但可以维持相机424的姿态不变，关于平行关节422详细运动原理请参看中国专利申请CN202111604327.6(具有平行关节的器械、手术机器人)和CN202111604322.3(具有平行关节的器械、手术机器人)。腕关节423运动可以改变相机424的位置和姿态，以探查体内环境。

在一些实施例中，主控制台20具有四种不同的操作模式来操作手术工具410,420,430，在四种操作模式中的第一种模式为跟随模式，如图7A所示为本申请一实施例的输入装置23运动关系的简化示意图。在左输入装置23L末端的手柄位置建立了笛卡尔空间坐标系ML坐标系，在右输入装置23R末端的手柄位置建立笛卡尔空间坐标系MR,在显示装置21处建立了笛卡尔显示画面坐标系MB。基于机械结构设计，左输入装置23L和右输入装置23R都具有六个自由度的运动，左输入装置23L的六个自由度运动包括沿坐标系ML三个坐标轴，，的三个平移自由度和绕坐标轴，，的三个转动自由度；同样的，右输入装置23R也具有沿坐标轴，，三个平移自由度和绕坐标轴，，三个转动自由度。通过输入装置23的坐标系ML，MR与显示装置坐标系之MB之间的运动学关系，即可以将外科医生S手部的六个自由度运动信息经过运动转换到显示画面坐标系MB，从而可以在主控制台中将医生S的手部运动信息存储和记录。

图7B是本发明一实施例的用于手术机器人系统的手术工具运动关系的简化示意图。如图6和图7B所示，在手术器械410的末端建立了坐标系415，在手术工具430的末端建立了坐标系435,基于输入装置运动和手术工具运动之间的主从运动映射关系，可以将左输入装置23L的坐标系ML映射为手术工具410的末端的坐标系414，将右输入装置23R的坐标系MR映射为手工具430的末端坐标系415，将显示装置21的画面坐标系MB映射为内窥镜420的画面坐标系660，进而可以得到手术工具410的末端的坐标系415在内窥镜420的画面坐标系660下，以及手术工具420的末端的坐标系425在内窥镜420的画面坐标系660下的运动情况，基于手术工具410,430的运动转换关系，可以解算出手术工具的关节组件的运动量从而完成相应电机的运动控制。

图8是本发明一实施例的手术机器人系统的跟随模式控制方法的简化流程示意图。在过程1111中，医生S通过输入装置23完成主从对位激活，从而激活主控制台与患者从操作设备之间的主从操作功能;在过程1112中医生S操控左输入装置23L和/或右输入装置23R运动，并基于图7A中的坐标系转换关系，将左输入装置23L和右输入装置23R的实际运动信息转换到显示装置21的画面坐标系MB中。基于主从运动控制模型，显示装置21的画面坐标系MB与从操作设备的内窥镜420的画面坐标系660的等同关系，输入装置23的主从运动映射及数据传输通过主从通讯总线执行。从操作设备的控制装置得到运动控制指令后，基于预先存储的运动学模型对手术工具410,430的关节组件执行运动解算，从而实现手术工具410,430实时跟随左输入装置23L和右输入装置23R进行运动。

在一个实施例中，手术机器人系统的四种操作模式还包括调整模式。再次参照图6，在调整模式下，医生S可以通过操控输入装置23控制持械装置112,280围绕远程运动中心116转动，从而内窥镜420画面可实现四个自由度运动，该四个自由度包括内窥镜420以远程运动中心为旋转中心，可以围绕坐标系570的轴和轴执行两个自由度的旋转运动，实现内窥镜420画面的上下、左右方向上的视野范围改变，从而便于医生S在不同手术部位开展连续性地手术操作，提高手术操作流畅性。此外，沿着套管115中心轴线118方向，内窥镜420可以执行前后移动自由度运动，即内窥镜420沿套管轴线118朝近端或远端直线运动，从而可以调整内窥镜画面的可观察视野范围大小，该自由度运动有助于将视野范围外的手术器械随时调整到视野范围内让医生S观察到，从而能够降低手术操作风险。手术过程中，可以通过控制内窥镜画面围绕画面轴线执行旋转自由度运动，能够实现画面顺时针或逆时针的旋转方向视野调整，该自由度运动过程中，画面轴线在远程运动中心坐标系570中的位姿保持不动，同时，内窥镜画面中心在坐标系570中的位置保持不动。

在一个实施例中，调整模式还包括内窥镜420围绕坐标系660的轴线转动，从而使内窥镜画面自转，并且在内窥镜420围绕轴线转动时，控制装置控制平行关节422和腕关节423联动，从而维持平行关节422和腕关节423的姿势不变。

在调整模式中，内窥镜420和手术器械410,430联动，从而在内窥镜420围绕远程运动中心116转动时，手术器械410,430的末端不动。在一个实施例中，调整模式的控制方法300如图9所示，在过程761中，基于输入装置23运动控制输入指令，可以对内窥镜画面执行上述的四个自由度运动控制。内窥镜420在执行运动控制过程中，手术器械410,430的末端装置在远程运动中心坐标系570中的位姿始终保持不变，手术器械410,420的关节组件依据运动学模型执行联合运动控制过程762，在过程762中，机械臂、第一驱动装置2201以及第一进给驱动装置2211联动使得内窥镜430围绕远程中心116转动时，手术器械410,420的末端装置的位置和姿态不变，从而能使得手术器械410,430在夹持组织状态时仍然允许控制内窥镜420画面执行多自由度运动，并且在运动过程中手术器械410,430能够维持对于组织的牵拉力不变。在一些实施例中，安装在持械装置上并且处于激活状态的所有手术器械均参与联合运动控制过程。

手术器械410,420和机械臂执行联合运动过程中，同时执行过程763实时判断机械臂的运动是否达到第一运动边界位置，过程763若输出为“否”，则执行过程769，机械臂带动内窥镜继续运动；过程763若输出为“是”，则执行过程764，触发边界阻抗模型。在一些实施例中，第一运动边界位置允许被定义为与其联动的手术器械410,420运动到达设定的任意关节限位位置时的内窥镜430位姿或机械臂位姿。在过程764中，内窥镜运动到达边界位置，触发软件设置的边界阻抗模型，此时，手术器械410,430、内窥镜420的关节组件以及机械臂200的运动关节停止该方向上继续运动。在内窥镜430运动的边界阻抗模型被触发时，若输入装置继续该方向运动，则内窥镜运动的边界阻抗力将由从操作设备传输到输入装置的机械臂进而执行力反馈过程765，并在医生S手部实现边界阻抗力反馈效果。

在一些实施例中，控制内窥镜运动的输入指令和内窥镜实际运动位置之间的偏差与边界阻抗力大小呈现一定的相关性，随着位置偏差的增大，医生S手部的边界阻抗力的效果也逐渐增强。在一些实施例中，输入装置的力反馈功能被允许设置成可以由医生S在医生操作台上或者由辅助人员在患者手术平台上进行开启和/或关闭设置。在一些实施例中，医生操作台的主手力反馈功能的开启和/或关闭设置被允许通过机械按键和/或触摸屏和/或语音系统等执行完成。过程764触发时，会同时产生主手运动达到边界的提示信息，在一些实施例中，该提示信息被允许为声音和/或图标和/或数字和/或指示进度条和/或其他形式执行完成，该提示信息的输出来源被允许是医生操作台和/或患者手术平台和/或影像台车和/或其他设备。在内窥镜430运动到达边界位置时，需要医生S执行过程767，做出是否变换主从操作的运动方向的判断，过程767若输出为“否”，则触发768过程，机械臂211停止运动；过程767若输出为“是”，则触发769过程，机械臂211被允许继续执行运动控制，边界阻抗模型自动被关闭，医生操作台主手的阻抗边界力逐渐减弱直至为零。

再次参看图6，在调整模型下，内窥镜420执行前后移动自由度运动过程中，在主从运动控制内窥镜从套管115外部沿着套管115的中心轴线118朝近端运动靠近套管端口115a时，当平行关节422的近端关节4221的近端与远程运动中心116之间的距离大于套管端口115a与远程运动中心116的距离时，平行关节422不会与套管端口发生碰撞现象，反之，当平行关节422的近端关节4221的近端与远程运动中心116之间的距离小于套管端口115a与远程运动中心116的距离时，平行关节422会与套管端口115a发生碰撞现象。为了解决内窥镜420与套管端口115a之间的碰撞现象，内窥镜420沿着套管中心轴线118的前后平移运动过程中执行拉直动作命令，即当内窥镜430的肩肘基座从套管外部运动靠近套管端口时，平行关节422与套管115的中心轴线118之间的夹角α，以及腕部关节423与中心轴线118之间的夹角β逐渐减小直到为零并保持零值不变。

在一个实施例中，为给医生S提供内窥镜420处于上述拉直动作过程中的有利信息提示，在套管115附近设置有虚拟区域Z1，虚拟区域Z1包括位于近端的第一边界S1和位于远端的第二边界S2，并在第一边界S1和第二边界S2位置之间建立了弹簧阻抗力模型，控制转轴更加弹簧阻抗力模型针对输入装置23产生力命令，以在输入装置23的关节上产生与阻碍输入装置23继续运动的阻抗力，医生S通过感受该阻抗力从而获知内窥镜420的拉直状态。

在一个实施例中，第一边界S1设置在套管端口115a的位置或套管端口115a远端的位置，第二边界S2设置在套管端口115a与远程运动中心116之间，第一边界S1和第二S2之间为拉直过程距离h，内窥镜420拉直速度与距离h被允许建立为线性或非线性关系模型，若距离h越小，则内窥镜拉直速度越快，反之越慢，该h值在系统初始设置完成后即保持不变。

第一边界S1和第二边界S2位置为触发类弹簧阻抗力模型的零位位置，即在第一边界S1和第二边界S2位置时，输入装置根据类弹簧阻抗力模型输出的阻抗力为零。

在一个实施例中，虚拟区域Z1还包括位于第一边界S1和第二边界S2之间的中间边界S3，近端关节4221的近端在第三边界S3时，输入装置23输出的阻抗力为最大值，从第一边界S1和第二边界S2位置向第三边界S3靠近时，阻抗力逐渐增大,从第三边界S3到第一边界S1和第二边界S2的过程中，输出的阻抗力逐渐减少。

具体地，在输入装置23控制内窥镜420沿套管中心轴线118向近端平移的过程中，在平行关节坐标系640接触到第一边界S1时，即与第一边界S1重合时，开始触发类弹簧阻抗力模型，随着平行关节坐标系640由S1逐渐靠近S1的过程中，平行关节422与套管中心轴线118夹角β逐渐减小直到为零，阻抗力从零开始增大到中间边界S3时的最大值再逐渐减少直达第二边界S2处时减少为零。在一个实施例中，中间边界S3为虚拟区域h/2处。此时，内窥镜420变为拉直状态。在一个实施例中，平行关节坐标系640接触第一边界S1、第二边界S2或中间界限S3的判断，可以通过比较平行关节坐标系640和在第一边界S1、第二边界S2或中间界限S3建立的坐标系之间的位置关系来判断。

在输入装置23控制内窥镜420从套管115内部沿套管中心轴线118向远端平移的过程中，当坐标系640从套管内部并在第二边界S2近端开始执行逐渐靠近套管端口115a的运动过程中，若坐标系640接触第二边界S2，则触发拉直动作指令，并允许内窥镜420保持拉直状态直到坐标系640到达S1S2范围之外的套管外部，在随坐标系640从第二边界S2到中间边界S3过程中，输入装置23输出的阻抗力逐渐增大，从中间边界S3到第一边界S1的过程中，输入装置23输出的阻抗力逐渐减少直到为零。

一些实施例中，在内窥镜420从远端往近端运动的过程中，在坐标系640接触到第一边界S1时，控制装置将此时的内窥镜420的关节组件的姿势存储到存储器中。在内窥镜420从近端往远端运动的过程中，在坐标系640再次接触到第一边界S1时，控制装置读取之前存储的所述内窥镜420的关节组件的姿势，并将内窥镜420恢复到该姿势。

图10是本申请一实施例的内窥镜校直控制方法的简化流程图。如图10所示，在过程810中，通过输入装置23操控内窥镜沿着套管轴线方向执行平移运动，运动过程中系统同时执行过程820，当平行关节基座坐标系640从套管115远端外部运动到达第一边界S1位置或者从套管115近端内部运动到达第二边界S2位置，则开始触发校直功能，同时执行过程830，记录触发时的S1位置或S2位置，如果触发是第一边界S1位置，则还同时记录此时的内窥镜420姿势，并以触发位置作为基准零位计算坐标系640在虚拟区域Z1内与基准零位的运动偏差840，在此期间，同时执行过程850，腕关节和平行关节的姿态发生变化，即内窥镜开始执行拉直动作或者恢复拉直动作之前的姿态。

在过程860中，控制装置根据类弹簧模型输出计算力命令，并将力命令传输到主控制台，主控制台在接收到阻抗力输入指令后，将其输入建立好的输入装置23在显示装置21的画面中的逆运动学模型中，执行运动学解算过程870，进而得到输入装置的各关节运动指令值，执行过程880，各关节运动根据该运动指令至输出阻抗力，实现力反馈作用效果，以提示医生S内窥镜420目前的状态。

在一个实施例中，手术机器人系统的多个操作模式还包括重新定位模式，重新定位模式和上述调整模式有一些相似之处，不同的是在重新定位模式中，手术器械410,430与内窥镜420不联动。再次参看图6，在重新定位模式中，医生S通过操作输入装置控制套管115围绕远程运动中心116转动，并且手术器械410,430以及内窥镜420同套管115一起围绕远程运动中心116转动，从而整体调整手术器械410,430以及内窥镜420的位置和姿态。并且通过输入装置23可控制手术器械410,430以及内窥镜420整体前后移动，即整体朝近端或远端移动。手术器械410,430以及内窥镜420整体前后移动过程中，手术器械410,430以及内窥镜420中任一个的平行关节的第一关节从远端向近端运动接触到虚拟区域Z1的第一边界S1，或从近端向远端运动接触第二边界S1，都会触发上述类弹簧阻抗力模型，从而输入装置23输出阻抗力。在一个实施例中，手术器械410,430以及内窥镜420中的每个独立触发类弹簧阻抗力模型，并在输入装置23累计阻抗力，从而使医生S能感受有多少个手术工具处于拉直状态中。

在一个实施例中，在手术机器人系统的操作模式从调整模式切换到重新定位模式后，同步地，机械臂的运动边界也从第一运动边界切换到第二运动边界，其中，第二运动边界是根据机械臂的关节的限位位置确定。

在一个实施例中，上述的手术机器人系统的多种操作模式还包括相机模式，通过输入装置23可以单独控制内窥镜420运动，而远程运动中心116以及手术器械410，430维持不动。

在一个实施例中，相机模式包括第一相机模式和第二相机模式。在第一相机模式中，输入装置23单独操纵控制内窥镜420的平行关节422运动，从而改变相机424的位置。在一个实施例中，在第一相机模式中，输入装置23单独操控腕关节423运动，而保持平行关节422不动，腕关节423运动包括腕关节围绕坐标系650的坐标轴转动和坐标轴轴转动的两自由度，通过腕关节423运动可以改变相机424的位置和姿态。

在一个实施例中，在第一相机模式中，输入装置23操纵内窥镜的平行关节422和第一进给驱动装置2201联动以改变相机424的远端端面424a的位置，并维持相机424的远端端面424a的中心点P1到第一平面M1的距离不变，第一平面M1经过所述远程运动中心116并垂直于所述长轴轴线421a和套管中心轴线118。在一个实施例中，关节组件包括直线运动关节，平行关节422和平行关节联动以改变相机424的远端端面424a的位置，并维持相机424的远端端面424a的中心点P1到第一平面M1的距离不变。

在一个实施例中，在第一相机模式中，输入装置23操控平行关节422和腕关节423一起运动，在平行关节422运动到物理边界时，腕关节423开始转动，或者腕关节423运动到物理边界时，平行关节422开始转动，从而使相机424的工作空间更大。

参照图6，在一个实施例中，在第二相机模式中，根据输入装置23的输入，控制装置可以控制腕关节423、平行关节422以及第二进给驱动装置联动，从而使得相机424的远端端面424a围绕端面坐标系660转动时，并维持端面中心点P1相对远程运动中心116的位置不变，其中，端面中心点P1和坐标系660的原点重合。

具体地，控制装置控制腕关节423围绕坐标系650的坐标轴转动，平行关节422围绕坐标系640的坐标轴,第二进给驱动装置驱动长轴421沿其轴线421a的直线运动，从而使内窥镜422的端面424a围绕坐标系660的第一轴线转动，并且维持中心点P1相对于远程中心116的位置不变。控制装置控制腕关节423围绕坐标系650的坐标轴转动，平行关节422围绕坐标系640的坐标轴,第二进给运动装置驱动长轴421沿其轴线421a的直线运动，从而使内窥镜422的端面424a围绕坐标系660的第二轴线转动，并且维持中心点P1相对于远程中心116的位置不变，第二相机模式可以适用在狭小的手术空间中探测周围环境。

在一个实施例中，内窥镜430的关节组件还包括直线运动关节(图未示出)，直线运动关节运动带动长轴421沿轴线421a，从而实现相机424前进和后退的进给运动。相机端面424a围绕所述第一轴线或第二轴线旋转时，控制装置控制所述腕关节和所述直线运动关节联动以维持所述端面中心点P1相对于所述远程运动中心570的位置不变。所述腕关节423和所述直线运动关节联动包括在所述腕关节423远离所述长轴轴线421A运动时，所述直线运动关节驱动长轴朝远端运动；在所述腕关节接近所述长轴轴向运动时，所述直线运动关节驱动所述长轴朝近端运动。

在一个实施例中，本申请还提供上述多种操作模式之间进行切换的方法5000，如图11所示，在过程5111中，手术机器人系统开启后，通常处于默认的待机状态，从操作设备和主控制台的各运动关节均处于保持当前位置不运动状态，等待医生S进行操作使用，同时，从操作设备的机械臂各运动关节和医生主控制台的输入装置处于初始状态，该初始状态通常为系统设置的固定位姿。

在过程中5112中，该方法检测主控制台20是否有医生S是否在位，如果检测到医生S在位，则可以进入道过程5113，否则返回到过程5111中，检测医生S是否在位可以通过红外、距离传感器检测、相机或压力传感器等来检测。

在过程5113中，该方法确定医生S执行的操作模式选择的动作，如果确定医生S执行的是选择进入跟随模式的动作，则在过程5114中，该方法将手术机器人系统设置成在跟随模式下运动；如果确定医生S是选择进入的内窥镜模式，则在过程5210中，将手术机器人系统设置成在内窥镜模式下运动，其中，选择进入跟随模式和内窥镜模式的动作不同，在一个实施例中，选择进入跟随模式的动作是医生S同时按捏左输入装置23L和右输入装置23R，或者同时旋转左输入装置23L和右输入装置23R。在一个实施例中，选择进入内窥镜模式的动作是医生S踩下踏板，或者按下按钮，或者语音提示等其他输入。可以理解的是，选择进入跟随模式和内窥镜模式的动作也可以是其他动作，只需确保选择跟随模式和内窥镜模式的动作不同即可。在本实施例中，内窥镜模式包括上述的调整模式、重新定位模式以及相机模式，在一些实施例中，内窥镜还包括其他操作内窥镜的模式，例如内窥镜清洗模式，荧光模式等。

在过程5115，该方法确定医生S是否执行了进入到内窥镜模式的动作，例如医生S踩下踏板，或者按下按钮，或者语音提示等其他输入，如果“是”，则过程5210将手术机器人系统的操作模式从跟随模式切换到内窥镜模式，如果“否”，则进入过程5116，在过程5116中，该方法确定是否退出跟随模式，如果“是”，则方法循环回到过程5111，如果判断为“否”，则保持手术机器人系统在跟随模式。在一些实施例中，是否退出跟随模式的操作为医生S断开主控制台20与从操作设备10之间的主从控制。

在一个实施例中，在过程5210中，该方法将手术机器人系统设置成的内窥镜模式的默认内窥镜模式，在本实施例中，默认内窥镜模式为上述调整模式。

在过程5211中，该方法确定手术机器人系统是否退出内窥镜模式，如果“是”，则进入到过程5217，在过程5217中，该方法判断医生S是否在位，如果医生S在位，该方法将手术机器人系统设置成跟随模式，如果“否”，则循环回到过程5111。退出内窥镜模式的动作可以是释放踏板，或者释放按钮，或者语音提示等其他输入。

如果过程5211中确定的为“否”，则进入到过程5212，在过程5212中，方法确定输入装置23是否执行了内窥镜模式切换动作，如果过程5212确定的为“否”，则该方法将手术机器人系统保持在默认的内窥镜模式中；如果过程5212确定的为“是”，则该方法将手术机器人系统从默认的内窥镜切换至选择的内窥镜模式，在本实施例中，选择的内窥镜模式包括上述重新定位模式和相机模式中的一种，但与默认的内窥镜模式不同。在一些实施例中，选择的内窥镜模式还包括其他模式，例如内窥镜清洗模式、荧光模式等。

在一个实施例中，在过程5212中，用于内窥镜模式切换动作至少包括第一动作，其中，该第一动作在跟随模式下控制第一驱动装置2202运动，从而控制手术器械410或手术器械430的末端装置跟随输入装置23运动，但该第一动作在内窥镜模式中（例如调整模式、重新定位模式、相机模式），不会引起手术器械410,430和内窥镜420之一的运动，即在内窥镜模式中，第一动作不会引起第一驱动装置2201、第二驱动装置2202、进给驱动装置2213,2214以及机械臂的运动。

在一个实施例中，参看图7A，响应于进入内窥镜模式动作和第一动作，该方法将手术机器人系统从跟随模式切换到相机模式，第一动作为右输入装置23R的末端绕轴线沿逆时针方向的转动；响应于进入内窥镜模式动作与第一动作相反的动作将手术机器人系统从跟随模式切换到重新定位模式，与第一动作相反的动作为右输入装置23R的末端绕轴线沿顺时针方向的转动。

在一个实施例中，在内窥镜模式下(例如调整模式、重新定位模式、相机模式)，输入装置23通过第二动作来控制机械臂11,211、手术器械410,430内窥镜420以及相关驱动系统运动，第二动作为左输入装置23L和右输入装置23R上下、左右和前后三个自由度运动，第二动作仅改变输入装置23L和右输入装置23R的位置而不改变其姿态。在一个实施例中，第二动作以左输入装置坐标系ML的原点与有输入装置坐标系MR原点的连线中点O1在显示屏坐标系MB下的运动控制重新定位模式、相机模式以及调整模式的操作。在左输入装置23L向上/向下运动而右输入装置23R向下/向上运动时，则控制相机424围绕坐标系660的第三轴线旋转。

在一个实施例中，如果内窥镜模式选择的相机模式，控制装置160基于第二动作控制第二驱动装置2201控制内窥镜430的关节组件运动。第二动作包括左输入装置23L的第二动作和右输入装置23R的第二动作，左输入装置23L的第二动作控制内窥镜430在第一相机模式下运动，右输入装置23R的第二动作从中内窥镜430在第二相机模式下运动。

在一个实施例中，第一动作是输入装置23仅改变姿态的动作，第二动作是输入装置23仅改变位置的相关动作，由于在内窥镜模式下，不论是调整模式、重新定位模式还是相机模式都采用的是第二动作来操控内窥镜430，使医生S无需记住多种操作方式，减少误操作。

在过程5215中，该方法确定是否退出当前的内窥镜模式，如果确定为“是”，则返回到过程5217,如果确定为“否”，则循环返回到默认的内窥镜模式。退出当前的内窥镜模式的动作可以是释放踏板，或者释放按钮，或者语音提示等其他输入。

在过程5216中，，该方法确定是否退出当前的内窥镜模式，如果确定为“是”，则返回到过程5217,如果确定为“否”，则循环返回到选择的内窥镜模式。

在一个实施例中，由控制装置160来执行上述切换方法。控制装置根据第二动作计算所述机械臂第一目标位置，在第一目标位置超过所述第一运动边界或所述第二运动边界时，所述控制装置针对所述输入装置产生阻抗力命令，以在输入装置上产生阻碍输入装置继续运动阻抗力。阻抗力命令随所述第一目标位置与所述第一运动边界或所第二运动边界之间的距离增大而增大。

在一个实施例中，在第一目标位置超过第一运动边界或第二运动边界后，如果输入装置继续第二动作运动，控制装置根据第二动作计算所述机械臂第二目标位置，如果第二目标位置比所述第一目标位置更靠近所述第一运动边界或所述第二运动边界时，所述控制装置解除对所述机械臂运动的约束，并且停止产生所述阻抗力命令。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种手术机器人系统，其特征在于，包括：

机械臂，其具有多个关节；

多个驱动装置，其用于驱动手术器械和内窥镜；

输入装置，其用于在多个操作模式中操纵所述多个驱动装置，所述多个操作模式至少包括跟随模式、相机模式、重新定位模式以及调整模式；

控制装置，其被配置为：

在所述跟随模式中，根据所述输入装置的第一动作控制所述多个驱动装置的第一驱动装置运动，以使所述手术器械的姿态跟随所述输入装置的姿态；所述控制装置响应于进入内窥镜模式动作和所述第一动作将所述操作模式从所述跟随模式切换到相机模式；

在所述相机模式中，根据所述输入装置的第二动作控制所述多个驱动装置的第二驱动装置运动，以调整所述内窥镜的位置和姿态，其中，所述第二动作改变所述输入装置的位置而不改变所述输入装置的姿态；

响应于所述进入内窥镜模式动作和所述第一动作相反的动作将所述操作模式从所述跟随模式切换到所述重新定位模式；

在所跟随模式中，响应于所述进入内窥镜模式动作将所述操作模式从所述跟随模式切换到所述调整模式。

2.如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，在所述调整模式中，所述控制装置根据所述输入装置的所述第二动作控制所述机械臂运动以使所述内窥镜围绕一远程运动中心转动，以调整所述内窥镜的末端的位置和姿态，并维持所述手术器械的末端的位置和姿态不变。

3.如权利要求2所述的手术机器人系统，其特征在于，在所述重新定位模式中，所述控制装置根据所述输入装置的所述第二动作控制所述机械臂运动，以同时调整所述手术器械和所述内窥镜位置和姿态。

4.如权利要求3所述的手术机器人系统，其特征在于，在所述相机模式、所述调整模式及所述重新定位模式中，所述第一动作不引起所述多个驱动装置和所述机械臂的关节的运动。

5.如权利要求4所述的手术机器人系统，其特征在于，还包括预先存储的用于约束所机械臂运动的第一运动边界和第二运动边界，在所述操作模式从所述调整模式切换到所述重新定位模式后，所述控制装置同步将所述机械臂的运动范围从所述第一运动边界切换到所第二运动边界。

6.如权利要求5所述的手术机器人系统，其特征在于，所述第一运动边界根据所述手术器械的关节组件的运动范围确定，所述第二运动边界根据所述机械臂的多个关节的运动范围确定。

7.如权利要求6所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制装置根据所述第二动作计算所述机械臂第一目标位置，在所述第一目标位置超过所述第一运动边界或所述第二运动边界时，所述控制装置约束所述机械臂进一步运动，并针对所述输入装置产生阻碍所述输入装置继续运动的阻抗力命令，以在所述输入装置上产生阻碍所述输入装置继续运动的阻抗力。

8.如权利要求7所述的手术机器人系统，其特征在于，所述阻抗力随所述第一目标位置与所述第一运动边界或所第二运动边界之间的距离增大而增大。

9.如权利要求7所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制装置根据所述第二动作计算所述机械臂的第二目标位置，如果所述第二目标位置比所述第一目标位置更靠近所述第一运动边界或所述第二运动边界时，所述控制装置解除对所述机械臂运动的约束，并且停止产生所述阻抗力命令。

10.如权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述内窥镜包括相机、腕关节以及平行关节，所述腕关节连接于所述相机与所述平行关节之间，所述腕关节运动改变所述相机的位置和姿态，所述平行关节运动改变所述相机的位置并保持其姿态不变，所述第二动作操纵所述腕关节运动，而不操纵所述平行关节运动。