CN117338411A - 手术机器人系统运动控制装置、方法及计算机可读取介质 - Google Patents

手术机器人系统运动控制装置、方法及计算机可读取介质 Download PDF

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CN117338411A CN202311277541.4A CN202311277541A CN117338411A CN 117338411 A CN117338411 A CN 117338411A CN 202311277541 A CN202311277541 A CN 202311277541A CN 117338411 A CN117338411 A CN 117338411A
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Abstract

本发明提供一种手术机器人系统运动控制装置、方法及计算机可读取介质，能实现不动点约束并使手术器械末端精确到达要求位置。所述方法包括：基于机械臂末端状态及不动点标定位置，来对不动点相对于机械臂末端的第一向量在机械臂末端的与器械轴正交的平面上的投影进行不动点约束建模，以计算第一雅可比矩阵；基于机械臂末端状态、器械末端状态、及机械臂和手术器械的关节速度，来对器械末端进行运动学建模，以计算第二雅可比矩阵；基于第一雅可比矩阵和第二雅可比矩阵来计算扩展雅可比矩阵；基于器械末端目标位置和实际位置、及扩展雅可比矩阵，来计算机械臂和手术器械各关节的关节目标位置；以及发送关节目标位置来进行手术机器人系统运动控制。

Description

手术机器人系统运动控制装置、方法及计算机可读取介质
技术领域
本发明涉及手术机器人领域，特别涉及一种手术机器人系统的运动控制装置、运动控制方法、以及存储有结果为执行该手术机器人系统的运动控制方法的程序的计算机可读取介质。
背景技术
微创手术机器人作为一种能减轻医生在手术过程中的体力劳动、并能实现高精度手术目的的辅助手段，正大量运用于各个科室的手术。在利用微创手术机器人来进行腹腔镜微创手术时，需要在患者身上切开一个或多个小的切口，并将套管(Trocar)放置于切口内作为手术器械的通道。然而，切口的存在使得器械只能沿器械轴进行平移、以及绕器械轴上的瞬时不动点进行旋转。通常将该瞬时不动点称为远端运动中心(RCM：remotecentermotion，简称为不动点)。
以往，为了实现RCM约束，提出有例如现有的手术机器人系统所使用的双平行四边形机构等机械RCM机构、以及例如现有的手术机器人系统所使用的被动关节等方案。
此外，作为另一种实现RCM约束的方式，还提出有采用运动控制算法来实现远心点约束的可编程RCM的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题
然而，作为常见的机械RCM机构，存在以下问题：第一，其精度好坏取决于设计制造以及工艺水平，且在后期难以对精度进行调整；第二，这种机构需要增加额外的硬件成本，会导致整个手术机器人系统的成本的提高；第三，在手术过程中，气腹压力或患者呼吸等的变化会导致不动点发生运动，而该方案无法适应这种不动点发生运动的情况。另外，作为常见的被动关节的方案，也存在以下问题：第一，完全依赖不动点处的被动约束很难获得较高的不动点精度；第二，被动约束的存在有可能会对Trocar处的腹壁产生比较大的压力，从而会损伤患者的组织；第三，该方案同样无法适应不动点发生运动的情况。
此外，作为常见的可编程RCM方案，通常无法单独调节不动点精度，并且，也同样无法适应不动点运动的情形。
另外，由于RCM的存在会导致手术机器人系统失去两个自由度，因此，通常需要通过在手术器械的末端增加额外的两个以上的自由度，来满足器械末端能够在3D空间中以任意姿态到达任意位置的要求。由此，就需要通过对包括手术器械在内的整个手术机器人系统的运动进行控制，使得不仅能满足RCM约束的要求，同时还能使手术器械的末端以要求的姿态到达要求的位置。然而，作为现有的可编程RCM方案，无法同时满足上述多个需求。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种手术机器人系统的运动控制装置、运动控制方法、以及存储有结果为执行该手术机器人系统的运动控制方法的程序的计算机可读取介质，能够在高精度地实现不动点约束的同时，根据控制目标使手术器械末端以要求的姿态精确到达要求的位置，并且能够灵活应对不动点发生运动的情况。
解决技术问题的技术方案
为了解决上述技术问题，本发明的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法，所述手术机器人系统包括机械臂、以及与所述机械臂的末端耦接的手术器械，所述手术机器人系统的运动控制方法包括：
基于所述机械臂末端的状态信息、以及不动点的标定位置，来对所述不动点相对于所述机械臂末端的第一向量在所述机械臂末端的与所述手术器械的器械轴正交的平面上的投影进行不动点约束建模，从而计算所述不动点的第一雅可比矩阵，所述不动点是所述器械轴在手术过程中始终通过的点；
基于所述机械臂末端的状态信息、所述手术器械末端的状态信息、所述机械臂的关节速度、以及所述手术器械的关节速度，来对所述手术器械的末端进行运动学建模，从而计算所述手术器械末端的第二雅可比矩阵；
基于所述第一雅可比矩阵和所述第二雅可比矩阵，来计算扩展任务空间的扩展雅可比矩阵，所述扩展任务空间包含所述不动点的运动空间和所述手术器械末端的运动空间；
基于所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的目标位置和实际位置、以及所述扩展雅可比矩阵，来计算所述机械臂和所述手术器械的各关节的关节目标位置；以及
将所述关节目标位置发送给所述机械臂和所述手术器械的各关节，以对所述手术机器人系统的运动进行控制。
另外，在本发明的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，优选为所述计算所述不动点的第一雅可比矩阵包括：
基于所述第一向量和所述机械臂末端的状态信息来计算从所述不动点起的与所述器械轴正交的第二向量；以及
通过使所述第二向量的导数为零，来使得所述第一向量在所述机械臂末端的与所述手术器械的器械轴正交的平面上的投影为零，从而计算所述第一雅可比矩阵。
另外，在本发明的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，进一步优选为所述计算所述第二向量包括：
获取机械臂末端位置、机械臂末端姿态和机械臂末端雅可比矩阵，以作为所述机械臂末端的状态信息；
基于所述机械臂末端位置和所述不动点的标定位置来计算所述不动点相对于所述机械臂末端的第一向量；
基于所述机械臂末端姿态来计算所述机械臂末端处的与所述器械轴正交的平面的基向量；以及
基于所述第一向量以及所述基向量，来计算所述第二向量。
另外，在本发明的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，优选为所述计算所述手术器械末端的第二雅可比矩阵包括：
获取机械臂末端位置、机械臂末端速度和机械臂末端雅可比矩阵，以作为所述机械臂末端的状态信息；
获取手术器械末端位置和手术器械末端速度，以作为所述手术器械末端的状态信息；
基于所述机械臂末端位置和所述手术器械末端位置，来计算所述手术器械末端相对于所述机械臂末端的相对位置；
基于所述机械臂末端速度和所述机械臂的关节速度，来计算与所述机械臂末端速度相对应的子雅可比矩阵；
基于所述手术器械末端速度和所述手术器械的关节速度，来计算所述手术器械末端相对于所述机械臂末端的相对雅可比矩阵；以及
基于所述机械臂末端雅可比矩阵、所述相对位置、所述子雅可比矩阵以及所述相对雅可比矩阵，来计算所述第二雅可比矩阵。
另外，在本发明的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，优选为所述计算所述关节目标位置包括：
基于所述目标位置和所述实际位置，来计算所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的位置偏差；
基于所述目标位置来计算所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的目标速度；以及
基于所述位置偏差、所述目标速度、以及所述扩展雅可比矩阵，来计算所述机械臂和所述手术器械的各关节的控制量；以及
基于所述机械臂和所述手术器械的各关节的上一控制周期的关节位置、及所述控制量，来计算所述关节目标位置。
另外，在本发明的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，优选为所述计算所述关节目标位置包括：
获取机械臂末端姿态，以作为所述机械臂末端的状态信息；
获取所述不动点的标定位置；
基于所述目标位置和所述实际位置，来计算所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的位置偏差；
基于所述目标位置来计算所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的目标速度；
基于所述机械臂末端姿态来计算所述机械臂末端处的与所述器械轴正交的平面的基向量；
基于所述位置偏差、所述目标速度、所述基向量、所述不动点的标定位置、以及所述扩展雅可比矩阵，来计算所述机械臂和所述手术器械的各关节的控制量；以及
基于所述机械臂和所述手术器械的各关节的上一控制周期的关节位置、及所述控制量，来计算所述关节目标位置。
另外，在本发明的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，进一步优选为所述计算所述控制量包括：通过所述目标速度的前馈来计算所述控制量。
另外，在本发明的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，进一步优选为所述计算所述控制量包括：基于所述扩展雅可比矩阵的逆矩阵来计算所述控制量。
另外，在本发明的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，优选为所述机械臂的关节数大于等于6，和/或所述手术器械的关节数大于等于2。
此外，为了解决上述技术问题，本发明的第二方面所涉及的控制装置是手术机器人系统的运动控制装置，所述手术机器人系统包括机械臂、以及与所述机械臂的末端耦接的手术器械，所述手术机器人系统的运动控制装置包括：
信息获取单元，所述信息获取单元获取所述机械臂末端的状态信息、所述手术器械末端的状态信息、所述机械臂的关节速度、所述手术器械的关节速度、以及不动点的标定位置，所述不动点是所述手术器械的器械轴在手术过程中始终通过的点；
不动点约束单元，所述不动点约束单元基于所述机械臂末端的状态信息、以及所述不动点的标定位置，来对所述不动点相对于所述机械臂末端的第一向量在所述机械臂末端的与所述器械轴正交的平面上的投影进行不动点约束建模，从而计算所述不动点的第一雅可比矩阵；
器械末端运动建模单元，所述器械末端运动建模单元基于所述机械臂末端的状态信息、所述手术器械末端的状态信息、所述机械臂的关节速度、以及所述手术器械的关节速度，来对所述手术器械的末端进行运动学建模，从而计算所述手术器械末端的第二雅可比矩阵；
扩展任务空间构建单元，所述扩展任务空间构建单元基于所述第一雅可比矩阵和所述第二雅可比矩阵，来计算扩展任务空间的扩展雅可比矩阵，所述扩展任务空间包含所述不动点的运动空间和所述手术器械末端的运动空间；
关节目标位置计算单元，所述关节目标位置计算单元基于所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的目标位置和实际位置、以及所述扩展雅可比矩阵，来计算所述机械臂和所述手术器械的各关节的关节目标位置；以及
运动控制单元，所述运动控制单元将所述关节目标位置发送给所述机械臂和所述手术器械的各关节，以对所述手术机器人系统的运动进行控制。
另外，在本发明的第二方面所涉及的手术机器人系统的运动控制装置中，优选为所述信息获取单元获取机械臂末端姿态以作为所述机械臂末端的状态信息，所述关节目标位置计算单元还基于所述机械臂末端姿态、以及所述不动点的标定位置，来计算所述关节目标位置。
另外，在本发明的第二方面所涉及的手术机器人系统的运动控制装置中，优选为所述机械臂的关节数大于等于6，和/或所述手术器械的关节数大于等于2。
此外，为了解决上述技术问题，本发明的第三方面所涉及的计算机可读取介质存储有如下程序，该程序用于执行本发明的第一方面所涉及的手术机器人系统的运动控制方法。
发明效果
根据本发明所涉及的手术机器人系统运动控制装置、方法及计算机可读取介质，能够在高精度地实现不动点约束的同时，根据控制目标使手术器械末端以要求的姿态精确到达要求的位置，并且能够灵活应对不动点发生运动的情况。
附图说明
通过结合附图对于本公开的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本公开，在附图中：
图1是表示本公开的手术机器人系统的一个实施例的结构图。
图2是用于对本公开的RCM约束建模的原理进行说明的示意图。
图3是表示本公开的手术机器人系统运动控制方法的流程图。
图4是表示图3中的不动点约束建模的具体方法的一个实施例的流程图。
图5是表示图3中的手术器械末端运动学建模的具体方法的一个实施例的流程图。
图6是表示图3中的关节目标位置计算的具体方法的一个实施例的流程图。
图7是表示不动点固定时的包含手术器械在内的系统整体的控制方式的系统控制框图。
图8是表示本公开的手术机器人系统运动控制装置的结构的框图。
标号说明：1信息获取单元、2不动点约束单元、3器械末端运动建模单元、4扩展任务空间构建单元、5关节目标位置计算单元、6运动控制单元、10机械臂、20法兰、30手术器械、100手术机器人系统、200手术机器人系统运动控制装置。
具体实施方式
下面的详细描述参照附图进行。附图以例示方式示出可实践所要求保护的主题的特定实施例。应当理解，以下具体实施例出于阐释的目的旨在对典型示例作出具体描述，但不应被理解成对本发明的限制；本领域技术人员在充分理解本发明精神主旨的前提下，可对所公开实施例作出适当的修改和调整，而不背离本发明所要求保护的主题的精神和范围。
在以下的详细描述中，阐述了众多具体细节以便提供对所描述的实施例的透彻理解。然而，对本领域的普通技术人员将显而易见的是，无需这些具体细节就可实践所描述的各种实施例。在其他实例中，并未对公知的结构进行详细描述以免不必要地模糊实施例的各方面。除非另外定义，否则在本文中所使用的术语应具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等并不意味着任何顺序、数量或重要性，而是仅用于区分不同的组件或特征。
图1是表示本公开的手术机器人系统的一个示例的结构图。
在实际运用中，手术机器人系统还可以包括未图示的控制系统、显示系统等，或者，还可以包括多条机械臂。然而，在本公开中为了简化说明，图1中仅示出了单臂的分体式手术机器人系统的单条机械臂来表示手术机器人系统100。
如图1所示，手术机器人系统100，包括：具有n(n≥6)个关节的串联式的机器人，该机器人具有由各关节进行耦接的多个机械臂10；未图示的转接/夹持机构，该转接/夹持机构安装于串联机器人的机械臂10末端的法兰20，用于对后述的手术器械30进行转接/夹持；以及手术器械30，该手术器械30具有若干(记为e)个自由度。
在本公开中，有时也将机械臂末端的法兰20简称为机械臂末端。并且，如无特别说明，机械臂末端的位置和速度、手术器械末端的位置和速度、以及后文中所涉及的不动点的标定位置、手术器械末端在扩展任务空间中的目标位置和目标速度等，均可简化为是点的位置和速度。
在进行腹腔镜微创手术时，先在患者身上切开一个或若干个切口，并将套管(Trocar)放置于切口内作为手术器械通道。然后，将手术器械30经由套管(图中以Ptrocar表示其位置)，插入患者体内(图中虚线右侧)，使得手术器械30的末端(图中以Pe表示)到达病变组织附近，再利用手术器械30的多个关节(图中为2个关节P8和P9)来实现手术器械末端的e自由度的运动。将手术器械30上与Ptrocar重合的点称为不动点(RCM)，图中以Prcm表示。该不动点是手术器械的器械轴在手术过程中必须始终通过的点，是一个可沿器械轴发生变动的点。由于不动点的限制，整个系统在3D空间中失去了两个自由度，为了完成m维的任务，需要系统至少具有额外的2个自由度，即，e≥2。
下面，对上述手术机器人系统100进行运动学描述。在本公开中，若无特别说明，则所有坐标位置均是在机器人基坐标系(即，以机器人基座为原点的坐标系，图中以x0-y0-z0表示)下进行描述。另外，在本公开中，有时在参数的左上角标注“0”，例如0Je，该标注均代表本参数是机器人基坐标系下的参数。为书写方便，下文中有时也会省略该上标“0”。
如图1所示，设机器人的各关节的速度为手术器械30的各关节的速度为/>其中/>分别表示机器人各关节的速度，/>分别表示手术器械各关节的速度，则整个手术机器人系统100的关节速度、即各关节的控制量可以表示为/>设机械臂末端Pr处的雅可比矩阵为/>其中，m为任务空间的维数，n为机械臂10的关节个数。由此，机械臂10的微分运动学方程可写成/>
下面，首先对本实施方式所涉及的手术机器人系统的运动控制方法中所采用的不动点约束建模的原理进行说明。
图2是用于对本公开的RCM约束建模的原理进行说明的示意图。
如图2所示，设手术器械通过Ptrocar时夹持手术器械的机器人机械臂末端法兰的位置为Pr，手术器械未通过Ptrocar’时机械臂末端法兰的位置为Pr’，Ptrocar与手术器械的交点设为不动点RCM，手术器械末端位置为本发明的目的在于使手术器械始终通过Ptrocar，即，使机械臂末端的实际位置从Pr’调整为Pr，因此，需要将Ptrocar约束为线段Pt-Pr上的点，即，需要满足(pt-pr)×(pr-ptrocar)＝0。向量(Pt-Pr)与单位向量Xr方向相同，换言之，向量(Pr-Ptrocar)在与Xr正交的平面上的投影为零。在本实施方式中，将该向量(Pr-Ptrocar)定义为“第一向量”，将该正交平面定义为约束空间，取该空间的一组基向量Bc＝[yr,zr]，显然xTBc＝0。
换言之，由于通常情况下手术器械的器械轴与机器人的机械臂末端的法兰处的与Xr正交的平面(可以一组基向量Bc＝[yr,zr]来表示)是正交的，因此，为了将Ptrocar约束为线段Pt-Pr上的点，只要使不动点RCM相对于机械臂末端的向量、即第一向量(Pr-Ptrocar)在机械臂末端处的与手术器械的器械轴正交的平面、即约束空间的投影为零即可。在本实施方式中，将实现该不动点约束的方法称为“不动点约束建模”。在下文中，将对该“不动点约束建模”的具体方法进行说明。
接下来，对本实施方式所涉及的手术机器人系统的运动控制方法进行说明。
图3是表示本公开的手术机器人系统运动控制方法的流程图。
如图1和图3所示，首先，基于机械臂末端Pr的状态信息、以及不动点RCM的标定位置来对不动点RCM相对于机械臂末端Pr的第一向量(Pr-Ptrocar)在机械臂末端Pr处的、与手术器械30的器械轴正交的平面上的投影进行不动点约束建模，从而计算不动点RCM处的雅可比矩阵(步骤ST1)。在本实施方式中，将该不动点RCM处的雅可比矩阵定义为“第一雅可比矩阵”。另外，在本实施方式中，所谓“机械臂末端的状态信息”，例如可以包括机械臂末端位置Pr、可表示机械臂末端的朝向角度等信息的机械臂末端姿态R＝[xr,yr,zr]、以及机械臂末端雅可比矩阵/>中的至少任意一个。关于不动点约束建模方法的具体实施例，将在下文中进行详细说明。
接着，基于机械臂末端Pr的状态信息、手术器械末端Pe的状态信息、机械臂10的关节速度以及手术器械30的关节速度/>来对手术器械的末端进行运动学建模，从而计算手术器械末端的雅可比矩阵(步骤ST2)。在本实施方式中，将该手术器械末端的雅可比矩阵定义为“第二雅可比矩阵”。另外，在本实施方式中，所谓“手术器械末端的状态信息”，例如可以包括手术器械末端位置Pe、以及手术器械末端速度(包括线速度Ve和角速度ωe)中的至少任意一个。关于手术器械末端运动学建模方法的具体实施例，将在下文中进行详细说明。
然后，基于以上所计算出的第一雅可比矩阵和第二雅可比矩阵，来计算扩展任务空间的雅可比矩阵(步骤ST3)。这里，所谓“扩展任务空间”，是指包含不动点的运动空间和手术器械末端的运动空间这两个运动空间在内的运动空间，将包含手术器械末端的运动以及RCM的运动这两个任务空间的微分运动学方程进行组合而构建的任务空间。医生可通过未图示的控制台上的操纵手柄、脚踏板等，来操纵手术器械在该扩展任务空间中进行手术操作。在本实施方式中，将该扩展任务空间的雅可比矩阵定义为“扩展雅可比矩阵”。关于扩展任务空间构建方法的具体实施例，将在下文中进行详细说明。
之后，基于手术器械末端在扩展任务空间中的目标位置和实际位置、以及扩展雅可比矩阵，来计算机械臂10和手术器械30的各关节的关节目标位置(步骤ST4)。这里，扩展任务空间中的目标位置是医生通过控制台的控制希望手术器械末端在扩展任务空间中所到达的位置。扩展任务空间中的实际位置是手术器械在经机械臂和手术器械的各关节的旋转和/或移动后所实际到达的位置。该实际位置例如可通过未图示的传感器等来获得。关节目标位置是当前控制周期中希望机械臂10和手术器械30的各关节所要达到的位置，可由上一控制周期的关节位置加上本控制周期中相应关节的控制量而获得。另外，关节目标位置例如可以是旋转关节的旋转角度等。关于关节目标位置计算方法的具体实施例，将在下文中进行详细说明。
此后，将关节目标位置发送给机械臂10和手术器械30的各关节，以对手术机器人系统100的运动进行控制(步骤ST5)。
在完成一个控制周期的运动控制后，对是否从控制台收到新的目标位置进行判断(步骤ST6)。
当判断为收到了新的目标位置时(步骤ST5为“是”)，返回步骤ST1的处理，并重复执行步骤ST1～ST6，以进入下一个控制周期。
另一方面，当判断为未收到新的目标位置时(步骤ST5为“否”)，结束处理。
如上所述，根据本实施方式所涉及的手术机器人系统的运动控制方法，通过运动学控制来实现RCM控制，因此，无需额外设置机械RCM机构或被动关节，能提高控制精度，减少手术器械对腹壁的压力，减轻对患者的损伤，并能降低手术机器人系统的硬件成本。
另外，根据本实施方式所涉及的手术机器人系统的运动控制方法，通过不动点在机械臂末端法兰处的、与器械轴正交的平面上的投影来将手术器械约束为绕不动点进行运动，因此，无需通过在患者的切口处建立切面来描述RCM约束，从而无需依赖于注册或对患者身体进行建模。
此外，根据本实施方式所涉及的手术机器人系统的运动控制方法，对RCM约束进行建模时除套管位置以外无需引入其他参数，因此，能降低雅可比矩阵维数，从而能降低系统整体的运算负荷。
此外，根据本实施方式所涉及的手术机器人系统的运动控制方法，利用扩展任务空间的雅可比矩阵来进行运动控制，因此，能同时确保器械末端的精度以及RCM约束。
下面，对本实施方式的手术机器人系统的运动控制方法的各个步骤的优选实施例进行说明。
＜不动点约束建模＞
图4是表示图3中的不动点约束建模的具体方法的一个实施例的流程图。
如图4所示，首先，获取机械臂末端位置作为机械臂末端姿态的以法兰位置为原点的基向量R＝[xr,yr,zr]、以及机械臂末端雅可比矩阵/>以作为机械臂末端的状态信息，并获取不动点标定位置/>(步骤ST11)。其中，不动点标定位置/>可以理解为不动点的空间位置。关于获取不动点标定位置/>的意义和具体获取方法，将在下文中进行说明。
接着，基于机械臂末端位置和不动点的标定位置/>来计算不动点相对于机械臂末端的第一向量(Pr-Ptrocar)(步骤ST12)。
然后，基于机械臂末端姿态R＝[xr,yr,zr]，来计算机械臂末端处的与器械轴正交的平面的基向量Bc＝[yr，zr](步骤ST13)。
之后，基于第一向量(Pr-Ptrocar)以及基向量Bc＝[yr，zr]，来计算第二向量Xrcm(步骤ST14)，然后通过使第二向量Xrcm的导数为零，来使得第一向量(Pr-Ptrocar)在机械臂末端的与手术器械的器械轴正交的平面上的投影为零，从而计算第一雅可比矩阵(步骤ST15)。
具体而言，在本实施方式中，将从不动点的标定位置Ptrocar开始与手术器械的器械轴正交的向量Xrcm定义为“第二向量”。如上所述，为了确保器械轴始终通过不动点，需要满足xTBc＝0。由此，可得到为了使第一向量(Pr-Ptrocar)在与Xr正交的平面上的投影为零，必然需要使得第二向量Xrcm始终保持为零。
由此，可基于基向量Bc＝[yr，zr]、第一向量(Pr-Ptrocar)、以及机械臂末端雅可比矩阵来求出RCM处的第一雅可比矩阵/>
利用通过以上方法所求出的第一雅可比矩阵能确保手术器械的器械轴始终通过不动点，而无需额外设置不动点机构，且不会对Trocar处的患者组织造成损伤。
＜手术器械末端运动学建模＞
图5是表示图3中的手术器械末端运动学建模的具体方法的一个实施例的流程图。
如图5所示，首先，获取机械臂末端位置Pr、机械臂末端速度Vr、ωr和机械臂末端雅可比矩阵以作为机械臂末端的状态信息(步骤ST21)。
接着，获取手术器械末端位置Pe和手术器械末端速度Ve、ωe，以作为手术器械末端的状态信息(步骤ST22)。
然后，在基于机械臂末端位置Pr和手术器械末端位置Pe，来计算手术器械末端相对于机械臂末端的相对位置(步骤ST23)，基于机械臂末端速度ωe和机械臂的关节速度来计算与机械臂末端速度ωe相对应的子雅可比矩阵0JrA(步骤ST24)，并基于手术器械末端速度Ve、ωe和手术器械的关节速度/>来计算手术器械末端相对于机械臂末端的相对雅可比矩阵/>(步骤ST25)之后，基于机械臂末端雅可比矩阵相对位置/>子雅可比矩阵0JrA以及相对雅可比矩阵/>来计算第二雅可比矩阵0Je(步骤ST26)。
具体而言，可基于机械臂末端的速度(Vr、ωr)和手术器械末端的速度(Ve、ωe)来获得手术器械末端相对于机械臂末端的线速度和角速度/>可基于机械臂末端位置(Pr)和手术器械末端位置(Pe)来获得手术器械末端相对于机械臂末端的位置/>
并且，可基于机械臂末端角速度ωr、以及机械臂各关节速度来获得与法兰处的角速度相对应的子雅可比矩阵0JrA，可基于手术器械各关节速度以及手术器械末端相对于机械臂末端的线速度和角速度/>和/>来获得手术器械末端相对于机械臂末端的雅可比矩阵/>
进而，可基于机械臂末端处的雅可比矩阵0Jr、手术器械末端相对于机械臂末端的位置与法兰处的角速度相对应的子雅可比矩阵0JrA、以及手术器械末端相对于机械臂末端的雅可比矩阵/>来获得手术器械末端的第二雅可比矩阵0Je。
＜扩展任务空间构建＞
下面对图3中构建扩展任务空间的步骤(ST3)的具体实施例进行说明。
具体而言，通过将第一雅可比矩阵Jrcm和第二雅可比矩阵Je相结合，可求出扩展任务空间的雅可比矩阵Jc。
通过求出该扩展任务空间的雅可比矩阵Jc，能同时实现对手术器械末端和RCM约束的控制。
＜关节目标位置计算＞
图6是表示图3中的关节目标位置计算的具体方法的一个实施例的流程图。
如图6所示，首先，获取扩展任务空间中的目标位置xc_des和实际位置xc(步骤ST41)。
接着，基于目标位置xc_des和实际位置xc，来计算手术器械末端在扩展任务空间中的位置偏差ec(步骤ST42)。
然后，基于目标位置xc_des来计算手术器械末端在扩展任务空间中的目标速度(步骤ST43)。
之后，对不动点不动点是否固定进行判断(步骤ST44)。
(不动点固定的情况)
当判断为不动点固定时(步骤ST44为“是”)，前进至步骤ST48，基于位置偏差ec、目标速度以及扩展雅可比矩阵Jc，来计算机械臂和手术器械的各关节的控制量/>(步骤ST48)。
最后，基于机械臂和手术器械的各关节的上一控制周期的关节位置qd、及控制量(也可表示为dq)，来计算各关节的关节目标位置q1、q2、……qn(步骤ST49)，并结束处理。
图7是表示不动点固定时的包含手术器械在内的系统整体的控制方式的系统控制框图。如图7所示，从机械臂获取的关节控制量qa经由正向运动学(Forward Kinematics)生成手术器械末端在扩展任务空间的实际位置xc。对该实际位置xc与手术器械末端在扩展任务空间的目标位置xc_des之间的误差ec乘以增益K后，进一步以手术器械末端在扩展任务空间的目标速度来进行前馈。其中，增益K的特征值的大小决定了系统收敛的快慢。在实际控制中，/>其中，Kp、Ko、Krcm为三个对角阵，分别代表了位置、朝向和RCM处的目标刚度。关于K矩阵的特征值的设定，可以由技术人员进行输入，也可以通过神经网络、机器学习等方式来学习获得最佳的设定值。另外，当手术器械为固定器械时，由于无需对器械末端的姿态进行控制，因此，也可以将Ko置零。
然后，通过扩展任务空间的雅可比矩阵的逆矩阵来求出各机械臂关节的控制量在图7中，将控制量/>表示成各关节的位置增量dq，并将上一个控制周期的各关节的关节位置表示成qd，由此，可将各关节的关节目标位置表示成qd+dq，即，各关节的关节目标位置q1、q2、……qn、qn+1、……qn+e由上一个控制周期的期望值qd加上本周期的增量dq迭代而成。将迭代后的各关节的目标位置发送至机器人和手术器械的各关节，从而实现了不动点固定情况下的手术机器人系统的运动控制。
根据上述控制方法，由于在控制上引入了速度前馈，因此，能确保系统误差沿整个轨迹保持为零，而与参考所输入的目标位置xc_des(t)的类型无关。
(不动点可动的情况)
另一方面，在图6中，当判断为不动点可动的情况下(步骤ST44为“否”)，前进至步骤ST45，获取机械臂末端姿态R＝[xr，yr，zr]，以作为机械臂末端的状态信息，并获取不动点的标定位置(步骤ST45)。
然后，基于机械臂末端姿态R＝[xr，yr，zr]来计算机械臂末端处的与器械轴正交的平面的基向量Bc＝[yr，zr](步骤ST46)。
之后，基于位置偏差ec、目标速度基向量Bc＝[yr，zr]、不动点的标定位置以及扩展雅可比矩阵Jc，来计算机械臂和手术器械的各关节的控制量/>(步骤ST47)。
最后，基于机械臂和手术器械的各关节的上一控制周期的关节位置qd、及控制量(也可表示为dq)，来计算各关节的关节目标位置q1、q2、……qn、qn+1、……qn+e(步骤ST49)，并结束处理。
具体而言，由于在手术中套管可能会随着气腹压力的波动或患者呼吸的变化而发生运动，因此，不动点也会随之发生运动。在本公开中，例如可通过NDI光学导航设备等来对不动点的运动进行跟踪，从而能获得不动点标定位置Ptrocar，进而可求出其导数在不动点运动的情况下，/>
根据上述结构，在以上不动点固定情况下的计算方法的基础上，进一步引入了机械臂末端处的与器械轴正交的平面的基向量Bc＝[yr，zr]和不动点的标定位置因此，能将该不动点的运动引入系统控制之中，从而可实现不动点精度的单独调节，因而，能适用于各种不动点运动的情形。
以上对本公开所涉及的手术机器人系统的运动控制方法及其优选实施例进行了说明。作为实现该手术机器人系统的运动控制方法的硬件结构的一个示例，例如可采用如下所述的手术机器人系统运动控制装置200。
图8是表示本公开的手术机器人系统运动控制装置200的结构的框图。
如图8所示，手术机器人系统100包括机械臂、安装于机械臂法兰的转接或夹持机构、以及与转接或夹持机构耦接的手术器械，该手术机器人系统100的结构例如图1所示。
本实施方式的手术机器人系统运动控制装置200用于对手术机器人系统100中的机器人的机械臂及手术器械的各关节的运动进行控制，所述运动是指手术器械绕不动点RCM的运动以及手术器械末端的平移运动的合成。手术机器人系统运动控制装置200包括信息获取单元1、不动点约束单元2、器械末端运动建模单元3、扩展任务空间构建单元4、关节目标位置计算单元5以及运动控制单元6。
信息获取单元1从手术机器人系统100获取各种状态信息，该状态信息包括：机械臂末端的状态信息(如上所述，例如可包括机械臂末端位置Pr、机械臂末端速度Vr、ωr、机械臂末端姿态R＝[xr，yr，zr]以及机械臂末端雅可比矩阵)、手术器械末端的状态信息(如上所述，例如可包括手术器械末端位置Pe和手术器械末端速度Ve、ωe)、机械臂的关节速度/>手术器械的关节速度/>以及不动点的标定位置
不动点约束单元2从信息获取单元1获取机械臂末端的状态信息(例如，机械臂末端位置Pr、机械臂末端姿态R＝[xr，yr，zr]、以及机械臂末端的雅可比矩阵)以及不动点的标定位置Ptrocar，基于机械臂末端的状态信息、以及不动点的标定位置，来对不动点相对于机械臂末端的第一向量(Pr-Ptrocar)在机械臂末端的与器械轴正交的平面上的投影进行不动点约束建模，从而计算不动点的第一雅可比矩阵/>关于不动点的第一雅可比矩阵/>的具体计算方法，已在上文中进行了描述，此处省略详细说明。通过不动点约束单元2所计算出的不动点的第一雅可比矩阵，即能够实现对不动点运动的约束，从而能确保手术器械始终绕不动点进行运动，而不依赖于特定的不动点机构。
器械末端运动建模单元3从信息获取单元1获取机械臂末端的状态信息(例如，机械臂末端位置Pr、机械臂末端速度Vr、ωr、以及机械臂末端的雅可比矩阵)、手术器械末端的状态信息(例如，手术器械末端位置Pe、手术器械末端速度Ve、ωe)、机械臂的关节速度/>以及手术器械的关节速度/>基于机械臂末端的状态信息、手术器械末端的状态信息、机械臂的关节速度、以及手术器械的关节速度，来对手术器械的末端进行运动学建模，从而计算手术器械末端的第二雅可比矩阵Je。关于手术器械末端的第二雅可比矩阵的具体计算方法，已在上文中进行了描述，此处省略详细说明。
扩展任务空间构建单元4从不动点约束单元2获取不动点的第一雅可比矩阵Jrcm，从器械末端运动建模单元3获取手术器械末端的第二雅可比矩阵Je，并基于不动点的第一雅可比矩阵Jrcm和手术器械末端的第二雅可比矩阵Je，来计算出扩展任务空间的扩展雅可比矩阵Jc。关于扩展任务空间的雅可比矩阵的具体计算方法，已在上文中进行了描述，此处省略详细说明。
在不动点固定的情况下，关节目标位置计算单元5从扩展任务空间构建单元4获取扩展任务空间的扩展雅可比矩阵Jc，从手术机器人系统100获取手术器械末端在扩展任务空间中的实际位置xc，从未图示的医生控制台获取手术器械末端在扩展任务空间中的目标位置xc_des，基于手术器械末端在扩展任务空间中的目标位置和实际位置、以及扩展雅可比矩阵，来计算机械臂和手术器械的各关节的关节目标位置。关于在不动点固定的情况下的各关节的关节目标位置的具体计算方法，已在上文中进行了描述，此处省略详细说明。
另一方面，在不动点可动的情况下，如图8所示，关节目标位置计算单元5除了获取扩展雅可比矩阵Jc、手术器械末端在扩展任务空间中的实际位置xc、以及手术器械末端在扩展任务空间中的目标位置xc_des以外，还可从信息获取单元1获取不动点标定位置Ptrocar，并从信息获取单元1获取机械臂末端姿态R＝[xr，yr，zr]以作为机械臂末端的状态信息，基于手术器械末端在扩展任务空间中的目标位置和实际位置、扩展雅可比矩阵、不动点标定位置、以及机械臂末端姿态，来计算机械臂和手术器械的各关节的关节目标位置。关于在不动点固定的情况下的各关节的关节目标位置的具体计算方法，已在上文中进行了描述，此处省略详细说明。
运动控制单元6从关节目标位置计算单元5获取各关节的关节目标位置，将关节目标位置作为控制指令发送给手术机器人系统100的机械臂和手术器械的各关节，以对手术机器人系统的运动进行控制。
这里，手术机器人系统运动控制装置200例如可通过电缆等与未图示的医生控制台相连接，从医生控制台获取包括手术器械末端在扩展任务空间中的目标位置等信息在内的各种控制指令。
以上对通过硬件来实现本发明的手术机器人系统运动控制方法的情况进行了说明，但本发明并不局限于此。也可以通过软件来实现本发明的手术机器人系统运动控制方法，或者通过软件与硬件的结合来实现本发明。此外，也可以将用于执行本发明的手术机器人系统运动控制方法的程序存储于各种计算机可读取介质，并在需要时将其加载至例如CPU等中来执行。作为计算机可读取介质并无特别限定，例如可使用HDD、CD-ROM、CD-R、MO、MD、DVD等光盘、IC卡、软盘、以及掩模ROM、EPROM、EEPROM、闪存ROM等半导体存储器等。
此外，应当认为本次披露的实施方式的所有方面仅是举例表示，并非是限制性的。本发明的范围由权利要求书来表示，而并非由上述实施方式来表示，本发明的范围还包括与权利要求书等同的含义及范围内的所有的修正和变形。

Claims (15)

1.一种手术机器人系统的运动控制方法，所述手术机器人系统包括机械臂、以及与所述机械臂的末端耦接的手术器械，所述手术机器人系统的运动控制方法的特征在于，包括：
基于所述机械臂末端的状态信息、以及不动点的标定位置，来对所述不动点相对于所述机械臂末端的第一向量在所述机械臂末端的与所述手术器械的器械轴正交的平面上的投影进行不动点约束建模，从而计算所述不动点的第一雅可比矩阵，所述不动点是所述器械轴在手术过程中始终通过的点；
基于所述机械臂末端的状态信息、所述手术器械末端的状态信息、所述机械臂的关节速度、以及所述手术器械的关节速度，来对所述手术器械的末端进行运动学建模，从而计算所述手术器械末端的第二雅可比矩阵；
基于所述第一雅可比矩阵和所述第二雅可比矩阵，来计算扩展任务空间的扩展雅可比矩阵，所述扩展任务空间包含所述不动点的运动空间和所述手术器械末端的运动空间；
基于所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的目标位置和实际位置、以及所述扩展雅可比矩阵，来计算所述机械臂和所述手术器械的各关节的关节目标位置；以及
将所述关节目标位置发送给所述机械臂和所述手术器械的各关节，以对所述手术机器人系统的运动进行控制。
2.如权利要求1所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
所述计算所述不动点的第一雅可比矩阵包括：
基于所述第一向量和所述机械臂末端的状态信息来计算从所述不动点起的与所述器械轴正交的第二向量；以及
通过使所述第二向量的导数为零，来使得所述第一向量在所述机械臂末端的与所述手术器械的器械轴正交的平面上的投影为零，从而计算所述第一雅可比矩阵。
3.如权利要求2所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
所述计算所述第二向量包括：
获取机械臂末端位置、机械臂末端姿态和机械臂末端雅可比矩阵，以作为所述机械臂末端的状态信息；
基于所述机械臂末端位置和所述不动点的标定位置来计算所述不动点相对于所述机械臂末端的第一向量；
基于所述机械臂末端姿态来计算所述机械臂末端处的与所述器械轴正交的平面的基向量；以及
基于所述第一向量以及所述基向量，来计算所述第二向量。
4.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
所述计算所述手术器械末端的第二雅可比矩阵包括：
获取机械臂末端位置、机械臂末端速度和机械臂末端雅可比矩阵，以作为所述机械臂末端的状态信息；
获取手术器械末端位置和手术器械末端速度，以作为所述手术器械末端的状态信息；
基于所述机械臂末端位置和所述手术器械末端位置，来计算所述手术器械末端相对于所述机械臂末端的相对位置；
基于所述机械臂末端速度和所述机械臂的关节速度，来计算与所述机械臂末端速度相对应的子雅可比矩阵；
基于所述手术器械末端速度和所述手术器械的关节速度，来计算所述手术器械末端相对于所述机械臂末端的相对雅可比矩阵；以及
基于所述机械臂末端雅可比矩阵、所述相对位置、所述子雅可比矩阵以及所述相对雅可比矩阵，来计算所述第二雅可比矩阵。
5.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
所述计算所述关节目标位置包括：
基于所述目标位置和所述实际位置，来计算所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的位置偏差；
基于所述目标位置来计算所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的目标速度；以及
基于所述位置偏差、所述目标速度、以及所述扩展雅可比矩阵，来计算所述机械臂和所述手术器械的各关节的控制量；以及
基于所述机械臂和所述手术器械的各关节的上一控制周期的关节位置、及所述控制量，来计算所述关节目标位置。
6.如权利要求5所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
所述计算所述控制量包括：
通过所述目标速度的前馈来计算所述控制量。
7.如权利要求5所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
所述计算所述控制量包括：
基于所述扩展雅可比矩阵的逆矩阵来计算所述控制量。
8.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
所述计算所述关节目标位置包括：
获取机械臂末端姿态，以作为所述机械臂末端的状态信息；
获取所述不动点的标定位置；
基于所述目标位置和所述实际位置，来计算所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的位置偏差；
基于所述目标位置来计算所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的目标速度；
基于所述机械臂末端姿态来计算所述机械臂末端处的与所述器械轴正交的平面的基向量；
基于所述位置偏差、所述目标速度、所述基向量、所述不动点的标定位置、以及所述扩展雅可比矩阵，来计算所述机械臂和所述手术器械的各关节的控制量；以及
基于所述机械臂和所述手术器械的各关节的上一控制周期的关节位置、及所述控制量，来计算所述关节目标位置。
9.如权利要求8所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
所述计算所述控制量包括：
通过所述目标速度的前馈来计算所述控制量。
10.如权利要求8所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
所述计算所述控制量包括：
基于所述扩展雅可比矩阵的逆矩阵来计算所述控制量。
11.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
所述机械臂的关节数大于等于6，和/或所述手术器械的关节数大于等于2。
12.一种手术机器人系统的运动控制装置，所述手术机器人系统包括机械臂、以及与所述机械臂的末端耦接的手术器械，所述手术机器人系统的运动控制装置的特征在于，包括：
信息获取单元，所述信息获取单元获取所述机械臂末端的状态信息、所述手术器械末端的状态信息、所述机械臂的关节速度、所述手术器械的关节速度、以及不动点的标定位置，所述不动点是所述手术器械的器械轴在手术过程中始终通过的点；
不动点约束单元，所述不动点约束单元基于所述机械臂末端的状态信息、以及所述不动点的标定位置，来对所述不动点相对于所述机械臂末端的第一向量在所述机械臂末端的与所述器械轴正交的平面上的投影进行不动点约束建模，从而计算所述不动点的第一雅可比矩阵；
器械末端运动建模单元，所述器械末端运动建模单元基于所述机械臂末端的状态信息、所述手术器械末端的状态信息、所述机械臂的关节速度、以及所述手术器械的关节速度，来对所述手术器械的末端进行运动学建模，从而计算所述手术器械末端的第二雅可比矩阵；
扩展任务空间构建单元，所述扩展任务空间构建单元基于所述第一雅可比矩阵和所述第二雅可比矩阵，来计算扩展任务空间的扩展雅可比矩阵，所述扩展任务空间包含所述不动点的运动空间和所述手术器械末端的运动空间；
关节目标位置计算单元，所述关节目标位置计算单元基于所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的目标位置和实际位置、以及所述扩展雅可比矩阵，来计算所述机械臂和所述手术器械的各关节的关节目标位置；以及
运动控制单元，所述运动控制单元将所述关节目标位置发送给所述机械臂和所述手术器械的各关节，以对所述手术机器人系统的运动进行控制。
13.如权利要求12所述的手术机器人系统的运动控制装置，其特征在于，
所述信息获取单元获取机械臂末端姿态以作为所述机械臂末端的状态信息，
所述关节目标位置计算单元还基于所述机械臂末端姿态、以及所述不动点的标定位置，来计算所述关节目标位置。
14.如权利要求12或13所述的手术机器人系统的运动控制装置，其特征在于，
所述机械臂的关节数大于等于6，和/或所述手术器械的关节数大于等于2。
15.一种计算机可读取介质，该计算机可读取介质存储有如下程序，该程序用于执行如权利要求1至11的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法。
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