CN117357267A - 一种手术机器人及其控制方法、装置、以及手术系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种手术机器人及其控制方法、装置、以及手术系统，手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，驱动臂的远端装设有穿刺装置，穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，控制方包括：获取手术机器人与手术床之间的姿态配准信息；响应于手术床的台面在姿态自由度的运动，获取手术床的台面在姿态自由度的运动信息；基于运动信息和姿态配准信息确定多个关节中第一关节的目标关节量，根据目标关节量控制第一关节运动，以在姿态自由度保持穿刺装置相对于手术床的台面的姿态。本申请可以基于手术机器人与手术床之间的姿态配准信息，在手术床的台面进行姿态自由度的运动时，主动控制驱动臂调整穿刺装置的姿态，提高操作效率和安全性。

Description

一种手术机器人及其控制方法、装置、以及手术系统
技术领域
本申请涉及医疗机械技术领域，具体涉及一种手术机器人及其控制方法、装置、以及手术系统。
背景技术
微创手术是指利用腹腔镜、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的一种手术方式。相比传统手术方式，微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。
随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台包括手柄，医生通过操作手柄向从操作设备发送控制命令，从操作设备包括驱动臂及装设于驱动臂远端的穿刺装置，穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，以提供用于医疗器械穿过的通道。
在使用手术机器人辅助手术的过程中，医生经常会期望手术床能够移动一定距离或旋转一定角度，从而调整术中患者的体位，以便改善或优化手术操作过程中患者手术部位的视野和操作空间。然而，手术床的运动会引起患者身体开口的运动，而通常手术机器人无法基于手术床的运动信息主动控制穿刺装置跟随身体开口的运动，导致在调整手术床的过程中，对手术机器人的操作较为繁琐、耗时，甚至可能会对患者造成伤害，增加了手术过程中的不确定性风险。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提供一种手术机器人及其控制方法、装置、以及手术系统，可以基于手术机器人与手术床之间的姿态配准信息，在手术床的台面进行姿态自由度的运动时，主动控制驱动臂调整穿刺装置的姿态，提高操作效率和安全性。
为解决上述技术问题，本申请提供一种手术机器人的控制方法，所述手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，所述驱动臂的远端装设有穿刺装置，所述穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，所述方法包括：
获取所述手术机器人与手术床之间的姿态配准信息；
响应于所述手术床的台面在姿态自由度的运动，获取所述手术床的台面在所述姿态自由度的运动信息；
基于所述运动信息和所述姿态配准信息确定所述多个关节中第一关节的目标关节量，根据所述目标关节量控制所述第一关节运动，以在所述姿态自由度保持所述穿刺装置相对于所述手术床的台面的姿态。
其中一实施例中，所述方法还包括：
响应于所述手术床的台面在姿态自由度的运动，控制所述多个关节中关联于位置自由度调节的目标关节，以通过所述目标关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口处的体壁施加的力来跟踪所述身体开口的位置。
其中一实施例中，所述位置自由度包括升降自由度，所述控制所述多个关节中关联于位置自由度调节的目标关节，以通过所述目标关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口处的体壁施加的力来跟踪所述身体开口的位置，包括：
响应于所述手术床的台面在姿态自由度的运动，控制所述目标关节中的第二关节处于零力状态，所述第二关节包括具有升降自由度的关节，以通过所述第二关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口的体壁施加的力来跟踪所述身体开口在所述升降自由度的运动。
其中一实施例中，所述位置自由度包括平移自由度，所述控制所述多个关节中关联于位置自由度调节的目标关节，以通过所述目标关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口处的体壁施加的力来跟踪所述身体开口的位置，包括：
响应于所述手术床的台面在姿态自由度的运动，控制所述目标关节中的第三关节处于零力状态，所述第三关节包括具有平移自由度的关节，以通过所述第三关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口的体壁施加的力来跟踪所述身体开口在所述平移自由度的运动；
响应于所述第三关节的运动，控制所述目标关节中的第四关节运动，以补偿由于跟踪所述身体开口在所述平移自由度的运动而引起的所述穿刺装置的姿态的变化。
其中一实施例中，所述控制所述目标关节中的第四关节运动，包括：
获取所述第三关节中的第一旋转关节的运动信息，基于所述第三关节的运动信息生成所述第四关节中的第二旋转关节的运动信息，所述第一旋转关节的运动信息包括运动量和运动方向，所述第二旋转关节的运动信息包括与所述第一旋转关节的运动方向相反的运动方向、和与所述第一旋转关节的运动量大小相同的运动量；
根据所述第二旋转关节的运动信息控制所述第二旋转关节运动。
其中一实施例中，使用所述手术机器人的基座与所述手术床的基座在水平面上的姿态夹角表征所述手术机器人与所述手术床的相对姿态，所述手术机器人的基准坐标系位于所述手术机器人的基座上，所述手术床的基准坐标系位于所述手术床的基座上。
其中一实施例中，所述手术机器人的基座的一侧间隔设置两个测距模块，所述测距模块的检测方向位于水平面上且垂直所述手术机器人的基准坐标系的第一水平坐标轴或第二水平坐标轴；或者，所述手术床的基座的一侧间隔设置两个测距模块，所述测距模块的检测方向位于水平面上且垂直所述手术床的基准坐标系的第一水平坐标轴或第二水平坐标轴；获取所述姿态夹角，包括：
获取所述两个测距模块检测的距离值，所述距离值表征所述手术机器人的基座与手术床的基座之间在对应测距模块处的距离；
根据所述距离值，计算所述手术机器人的基准坐标系的指定水平坐标轴与所述手术床的基准坐标系的指定水平坐标轴之间的夹角；
根据所述夹角确定所述姿态夹角。
其中一实施例中，所述方法，还包括：
在根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂的过程中，判断所述手术机器人是否符合第一预设条件；
若不符合第一预设条件，则停止根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂；其中，
所述符合第一预设条件，包括以下至少一项：
所述穿刺装置与所述身体开口的位置之间处于预设状态；
装设于所述驱动臂远端的医疗器械与手术部位的位置之间处于预设状态；
所述驱动臂中各关节的可运动范围处于预设运动范围。
其中一实施例中，所述方法，还包括：
根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂之前，判断所述手术机器人和/或手术床是否符合第二预设条件；
若符合第二预设条件，则根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂；其中，
所述符合第二预设条件，包括以下至少一项：
所述手术机器人与患者对接；
所述手术机器人的基座与所述手术床的基座处于运动锁定状态；
所述手术机器人的主操作台处于允许进入手术操作状态；
所述手术机器人与所述手术床之间的通讯连接处于正常状态；
所述驱动臂中各关节的可运动范围处于预设运动范围。
其中一实施例中，所述驱动臂的远端装设有成像器械，所述成像器械穿过所述穿刺装置进入所述患者的体内，所述方法，还包括：
根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂的过程中，获取所述成像器械采集的图像；
响应于识别到所述图像中的目标区符合第三预设条件，向所述手术床发送控制指令，所述控制指令包括用于控制所述手术床延迟调节、停止调节、减速调节中至少一项的指令；其中，
所述符合第三预设条件，包括以下至少一项：
在所述目标区中识别到目标手术部位或关联于目标手术部位的标记；
所述目标手术部位在所述目标区中处于预设姿态。
其中一实施例中，所述方法，还包括：
根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂的过程中，响应于所述手术机器人的操作部与装设于所述驱动臂远端的医疗器械之间的取向发生改变，对所述操作部和所述医疗器械之间进行取向对齐。
本申请还提供一种手术机器人的控制装置，包括：
存储器，用于加载并执行计算机程序；
处理器，用于加载并执行所述计算机程序；
其中，所述计算机程序由所述处理器加载并执行实现如上所述的手术机器人的控制方法的步骤。
本申请还提供一种手术机器人，所述手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，所述驱动臂远端装设有穿刺装置，所述穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内；
所述手术机器人还包括控制装置，所述控制装置用于执行实现如上所述的手术机器人的控制方法的步骤。
本申请还提供一种手术系统，包括手术床与如上所述的手术机器人，所述手术机器人与所述手术床通信连接，所述手术床的台面可在一个或多个自由度进行调节。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的手术机器人的控制方法的步骤。
本申请的手术机器人及其控制方法、装置、以及手术系统、存储介质，手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，驱动臂的远端装设有穿刺装置，穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，控制方包括：获取手术机器人与手术床之间的姿态配准信息；响应于手术床的台面在姿态自由度的运动，获取手术床的台面在姿态自由度的运动信息；基于运动信息和姿态配准信息确定多个关节中第一关节的目标关节量，根据目标关节量控制第一关节运动，以在姿态自由度保持穿刺装置相对于手术床的台面的姿态。本申请可以基于手术机器人与手术床之间的姿态配准信息，在手术床的台面进行姿态自由度的运动时，主动控制驱动臂调整穿刺装置的姿态，提高操作效率和安全性。
附图说明
图1是根据一实施例示出的手术系统的设备关系简化图；
图2是根据一实施例示出的一种手术系统的结构示意图；
图3是根据一实施例示出的手术机器人的控制方法的流程示意图；
图4是根据一实施例示出的手术系统的运动学模型关系简化图；
图5是根据一实施例示出的姿态定位的原理示意图；
图6是根据一实施例示出的测距模块的安装示意图；
图7是根据一实施例示出的手术床操作面板的示意图；
图8是根据一实施例示出的手术机器人的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明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发明的公开内容理解的更加透彻全面。
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。当一个元件被认为是“耦合”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。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”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。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操作者的一端，“近端”表示手术过程中靠近操作者的一端。
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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明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，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/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。本发明中，“各”包括一个及两个以上的数量。
图1是根据一实施例示出的手术系统的设备关系简化图。如图1所示，手术系统100包括手术机器人与手术床105，手术机器人包括床旁机械臂系统101、医生主操控台103与图像车成像系统108，可以理解，手术机器人的构成不限于此。
床旁机械臂系统101包括具有多个关节的驱动臂，驱动臂的远端装设有穿刺装置，穿刺装置用于插入躺卧于手术床105的台面的患者106的身体开口内，穿刺装置可以提供手术机器人与生物体(包括人/动物)之间的通道，医疗器械通过该连接通道插入生物体的体内，医疗器械包括提供视野的成像器械和提供手术操作的手术器械。
医生主操控台103与床旁机械臂系统101通过数据传输路径120进行实时通讯，医生在医生主操控台103上的手术动作通过基于运动学模型的主从映射关系对床旁机械臂系统101中的医疗器械进行操作，同时，医生主操控台103可以对床旁机械臂系统101进行状态监测，例如监测床旁机械臂系统101中各关节的运动信息。手术床105执行相应自由度的运动时，固定在手术床105的台面上的患者106相对于台面保持相对静止状态，患者106的体位变化由手术床105执行相应自由度的运动而实现，手术床105的各运动关节的运动信息被实时记录和存储，并且通过数据传输路径150将手术床105的运动信息传输到床旁机械臂系统101中。医生主操控台103与手术床105之间的数据传输通过数据传输路径130进行。患者106的手术部位的图像由装设于床旁机械臂系统101的成像器械采集，成像器械连接图像车成像系统108，成像器械采集的图像通过数据传输路径110传输到图像车成像系统108中，进而，图像车成像系统108通过数据传输路径160实时将成像器械采集的图像反馈到医生主操控台103，为医生提供手术视野，从而便于手术的顺利实施。实际实现时，数据传输路径110、120、130、150、160可以是有线传输也可以是无线传输。
关于手术床105执行相应自由度的运动时，手术机器人的控制方法将在下文进行详细介绍。
图2是根据一实施例示出的一种手术系统的结构示意图。如图2所示，主要示意了手术机器人的床旁机械臂系统101与手术床105的结构。床旁机械臂系统101包括运动底盘201、机械臂250与驱动臂，运动底盘201能够在水平地面任意方向对床旁机械臂系统101进行整体移动，机械臂250用于对一条或多条驱动臂进行整体摆位，驱动臂包括调整臂260与操纵臂270。
运动底盘201可以采用轮式移动结构，使得床旁机械臂系统101与手术床105之间的相对位置关系更加灵活，不存在指定位置区域性的约束条件，现场医务人员可以依据实际手术使用需求自行推动完成摆位操作和摆位后的锁定操作，在能够充分靠近手术床105的同时方便各操纵臂270在患者体外上方的术前摆位动作。在本实施例中，床旁机械臂系统101还设有用于测量外部距离的测距组件202，例如为激光测距组件、超声测距组件、视觉测距组件等，示例性的，激光测距组件通常具有超高精度以利于精准测距。
机械臂250包括与运动底盘201固定连接的用于支撑所有运动关节的固定支撑柱203、执行机械臂250整体升降直线运动J1的升降立柱204、分别执行旋转运动J2和J3的大臂205和小臂206，以及控制一条或多条调整臂260执行整体旋转运动J4的定向平台207，这些关节的运动能够实现快速达到预计的术前摆位区域，有利于缩短术前床旁机器臂系统101与患者106之间的对接时间。
一条或多条调整臂260单独或采用并联方式与定向平台207通过旋转关节J5完成连接，在一些示例中，床旁机械臂系统101存在多条调整臂260的情况，考虑到多条调整臂260之间构型基本相同以及各关节运动描述基本相同，因此，图2中仅以一条调整臂260和一条操纵臂270作为示例进行结构呈现以及下文中各关节运动关系的描述。在一些示例中，调整臂260包括小转动平台208、在平行于地面的水平方向上执行直线平移运动J6的伸缩臂209、相对于固定连接在伸缩臂209上的固定竖臂210、在垂直于地面的竖直方向上执行上下升降运动J7的移动竖臂211、执行旋转运动J8转弯头212、以及执行旋转运动J9的旋风关节213。
操纵臂270包括与旋风关节213发生旋转运动J10的偏转关节214、平行四边形联动装置底座215、执行旋转运动J11的第一连杆216和第二连杆217，以及用于使医疗器械219沿导轨方向执行直线运动J12的持械臂218。穿刺装置(Trocar)229装设在操纵臂270的远端。与患者106的身体开口位置相同的穿刺装置229的远心不动点220由旋风关节213轴线和偏转关节214轴线的交点进行定义，并且这两条轴线与平行四边形联动装置底座215的侧向中心面的交点同样汇聚到穿刺装置229的远心不动点220处，此外，第一连杆216和第二连杆217作为两条相邻边与相对他们平行的两条虚拟相邻边构成平行四边形运动机构，由一个电机控制并围绕旋转运动J11轴线执行平行四边形运动的折叠和张开运动，平行四边形的运动不动点同样与穿刺装置229的远心不动点220汇交于一点，并且该交点位于医疗器械219的中心轴线上，医疗器械末端221插入到患者106的体内，并基于主从映射关系执行医生在主操控台的手术动作。
手术床105包括手术床运动机构280，手术床运动机构280包括可以在水平地面移动的轮式底盘227、固定立柱226、伸缩立柱225、前后倾斜旋转关节223、左右倾斜旋转关节224，以及最上方的台面222。固定立柱226通过螺栓连接固定在轮式底盘227上，伸缩立柱225与固定立柱226之间发生相对移动执行上下升降运动B2，同时两者作为支撑机构支撑手术床105的台面222和患者106，前后倾斜旋转关节223的旋转运动B3轴线与左右倾斜旋转关节224的旋转运动B4轴线相交于伸缩立柱225的上方位置，最上面为用于支撑和固定患者106的台面222，台面222的前后平移运动B1由位于床板内部的伸缩传动机构执行。手术床105的台面222运动的过程中，患者106需要相对于台面222保持不动，穿刺装置229的远心不动点220需要相对于患者106保持不动，医疗器械末端221需要相对于手术部位维持静止不动，以能够保证患者的安全。
关于手术床105执行相应自由度的运动时，手术机器人的控制方法将在下文进行详细介绍。
本实施例的手术机器人的控制方法可应用于图1和图2中所涉及的手术机器人，也可以应用于其他类型的手术机器人，如单孔手术机器人。手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，驱动臂的远端装设有穿刺装置，穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内。如图3所示，一实施例的手术机器人的控制方法包括：
步骤S1，获取手术机器人与手术床之间的姿态配准信息；
步骤S2，响应于手术床的台面在姿态自由度的运动，获取手术床的台面在姿态自由度的运动信息；
步骤S3，基于运动信息和姿态配准信息确定多个关节中第一关节的目标关节量，根据目标关节量控制第一关节运动，以在姿态自由度保持穿刺装置相对于手术床的台面的姿态。
通过上述方式，可以基于手术机器人与手术床之间的姿态配准信息，在手术床的台面进行姿态自由度的运动时，主动控制驱动臂调整穿刺装置的姿态，可以在不解除手术机器人与患者对接关系的情况下调整手术床，提高操作效率和安全性。
为实现在手术床的台面进行姿态自由度的运动时，主动控制驱动臂调整穿刺装置的姿态，需要先获取手术机器人与手术床之间的姿态配准信息，姿态配准信息是指手术机器人所在参考坐标系与手术床所在参考坐标系之间的转换关系。在本实施例中，通过在手术机器人的基准坐标系与手术床的基准坐标系之间建立坐标系转换关系，得到手术机器人与手术床之间的姿态配准信息。
手术机器人的基准坐标系为手术机器人的参考坐标系，手术床的基准坐标系为手术床的参考坐标系。一些实施例中，手术机器人的基准坐标系包括手术机器人的基坐标系。一些实施例中，手术床的基准坐标系包括手术床的基坐标系。请结合图2与图4，手术机器人的基准坐标系301通常可以建立在床旁机械臂系统101的运动底盘201上，包括位于水平面上的两个坐标轴且坐标原点位于固定支撑柱203的轴线上，但实际实现时，手术机器人的基准坐标系301也可以不建立在运动底盘201上，只需与运动底盘201的坐标系具有固定坐标转换关系即可。依据运动学坐标系建系规则，可以分别建立机械臂末端坐标系302、调整臂末端坐标系303和医疗器械末端坐标系304，医疗器械末端坐标系304或称为操纵臂末端坐标系，通过确定坐标系之间的转换矩阵关系310、320和330，能够获知安装在操纵臂末端的医疗器械在手术机器人的基准坐标系301下的运动情况，机械臂250、调整臂260和操纵臂270中各运动关节在手术机器人的基准坐标系301下的运动情况将通过监测相应关节坐标系的运动来实现，医生主操控台与床旁机械臂系统101之间的主从映射关系亦是基于这些坐标系转换矩阵之间的关系变换从而完成的。此外，依据远心不动点坐标系307与调整臂末端坐标系303之间的转换矩阵关系370，能够知晓穿刺装置的远心不动点在手术机器人的基准坐标系301的位置信息以及穿刺装置的姿态信息。
考虑到手术床105在机械结构上的中心对称特性及其各运动关节在系统内的分布情况，手术床的基准坐标系305通常建立在轮式底盘227的中心处，包括位于水平面的两个坐标轴且坐标原点位于轮式底盘227的中心轴线上，但实际实现时，手术床的基准坐标系305也可以不建立在轮式底盘227的中心处，只需与轮式底盘227的坐标系具有固定坐标转换关系即可。手术床105的各关节坐标系依据坐标系建立规则依次建立在各运动关节处，手术床台面坐标系306建立在台面的上表面中心处，考虑到患者相对台面运动相对静止，因此，通过坐标系转换关系350，手术床台面坐标系306可以准确反映出患者在手术床的基准坐标系305的整体运动情况，并能够对手术床的各关节的运动进行监测。
由于不同患者之间的体型和重量存在较大不同，并且手术类型的不同使得身体开口的位置信息无法在术前准确获取到，因此，远心不动点坐标系307与手术床台面坐标系306之间的转换关系360无法直接获取得到，导致床旁机械臂系统101与手术床105之间无法得到位姿(位置和姿态)的定位，给在不解除手术机器人与患者对接关系的情况下调整手术床时，控制手术机器人与手术床进行联动带来了技术层面障碍。通常，在不解除手术机器人与患者对接关系的情况下调整手术床时，只能利用手术床运动时作用在穿刺装置上的力来控制驱动臂做跟随运动，同时叠加运动补偿用来提高姿态的跟踪准确性，由于驱动臂的运动为被动式，而不是将准确的运动指令直接传输到手术机器人的驱动臂的关节进行主动控制，将穿刺装置与患者体壁之间的相互作用力作为原始驱动力，无法评估受摩擦等不确定性因素的影响程度，同样存在不稳定性风险。
在本实施例中，通过在手术机器人的基准坐标系301与手术床的基准坐标系305之间建立坐标系转换关系340，替代远心不动点坐标系307与手术床台面坐标系306之间的转换关系360，实现了手术机器人与手术床之间的姿态配准，便于控制手术机器人与手术床进行联动的可实现性。
在本实施例中，手术机器人的基准坐标系与手术床的基准坐标系之间的坐标系转换关系包括手术机器人的基准坐标系与手术床的基准坐标系之间的姿态夹角。一种情况下，手术机器人的基准坐标系可以建立在床旁机械臂系统的运动底盘上且包括位于水平面上的两个水平坐标轴(例如x轴和y轴)，手术床的基准坐标系建立在手术床的轮式底盘上且包括位于水平面的两个水平坐标轴(例如x轴和y轴)，同时，运动底盘与轮式底盘所在水平面相互平行或重合，这样，手术机器人的基准坐标系与手术床的基准坐标系之间的姿态夹角，可以仅表征为手术机器人的基准坐标系的水平坐标轴与手术床的基准坐标系的水平坐标轴之间的相对偏转角度，从而简化坐标转换的运算。
具体地，如图5所示，本实施例中，手术机器人的基准坐标系建立在基座401的中心位置，使得手术机器人的基准坐标系具有平行于地面的二维坐标系402(Orobot-XrobotYrobot)。手术床的基准坐标系建立在基座405的中心位置，使得手术床的基准坐标系具有平行于地面的二维坐标系406(Obed-XbedYbed)，在不考虑地面不平整的情况下，手术机器人的基准坐标系的轴线Zrobot和手术床的基准坐标系的Zbed相互平行且垂直于地面，由于手术机器人与手术床之间相对位姿关系不固定，使得坐标系Orobot-XrobotYrobotZrobot与Obed-XbedYbedZbed之间存在绕Z轴向的夹角θz，该夹角θz即为用于手术机器人的基准坐标系与手术床的基准坐标系之间进行姿态定位的待获知变量。
请参考图2、图5与图6，在一种实施方式中，测距组件202包括第一测距模块403和第二测距模块404，第一测距模块403和第二测距模块404间隔设置在手术机器人的基座(例如运动底盘)的侧面407，第一测距模块403和第二测距模块404的检测方向位于水平面上且垂直手术机器人的基准坐标系的第一水平坐标轴(例如Xrobot轴)或第二水平坐标轴(例如Yrobot轴)，图5中以Yrobot轴与手术机器人基座的长轴平行或重合、且第一测距模块403和第二测距模块404的检测方向垂直Yrobot轴进行示意。在另一种实施方式中，也可以是在手术床的基座的一侧间隔设置第一测距模块403和第二测距模块404，第一测距模块403和第二测距模块404的检测方向位于水平面上且垂直手术床的基准坐标系的第一水平坐标轴(例如Xbed轴)或第二水平坐标轴(例如Ybed轴)。考虑到手术床的基座的长度通常相对手术机器人的基座的长度更长，因此第一测距模块403和第二测距模块404设置在手术机器人的基座上，可以更好地保证检测目标(手术床)处于检测范围内。
本实施例的控制方法中，获取手术机器人的基准坐标系与手术床的基准坐标系之间的姿态夹角θz，包括以下步骤：
获取第一测距模块和第二测距模块检测的距离值；
根据距离值、第一测距模块在手术机器人的基准坐标系中的位置坐标和第二测距模块在手术机器人的基准坐标系中的位置坐标，计算手术机器人的基准坐标系的水平坐标轴与手术床的基准坐标系的水平坐标轴之间的夹角；
根据夹角确定姿态夹角。
其中，请结合图5，第一测距模块403在手术机器人的基准坐标系中的位置坐标和第二测距模块404在手术机器人的基准坐标系中的位置坐标可以体现出，第一测距模块403与第二测距模块404在Xrobot轴上的相对位置，进而，结合第一测距模块403和第二测距模块检测的距离值，可以得到距离b和c。具体地，当第一测距模块403和第二测距模块404的连线平行于Yrobot轴时，第一测距模块403在手术机器人的基准坐标系中的位置坐标和第二测距模块404在手术机器人的基准坐标系中的位置坐标可以简化无需获取，此时，第一测距模块和第二测距模块检测的距离值即为距离b和c。
在获得距离b和c后，依据三角函数定理，可以采用如下公式计算得到坐标系402和坐标系406的水平坐标轴(如y轴)之间的夹角，该夹角也即θz：
基于上述公式，即能够实现手术机器人的基准坐标系与手术床的基准坐标系之间准确的姿态定位，定位精度依赖于测距组件的测量精度，该定位的实现是执行手术机器人与手术床联动的技术基础和实现前提条件。应当理解，图5所示原理为基于简化配置和运算所使用的方案，基于测距组件计算姿态夹角的方式不限于此。
在获取手术机器人与手术床之间的姿态配准信息后，响应于手术床的台面在姿态自由度的运动，获取手术床的台面在姿态自由度的运动信息，进而可以基于手术床的台面在姿态自由度的运动信息和姿态配准信息确定驱动臂的多个关节中第一关节的目标关节量，根据目标关节量控制第一关节运动，以在姿态自由度保持穿刺装置相对于手术床的台面的姿态。
其中，姿态自由度是指手术床的台面围绕平行于台面长度方向的轴线的倾斜运动或围绕垂直于台面长度方向的轴线的倾斜运动，在手术床的台面进行姿态自由度的运动时，由于患者身体开口(远心不动点)在手术床进行姿态自由度运动时产生位置移动，因而穿刺装置也需进行位姿(包括位置和姿态)的改变。手术床的台面在姿态自由度的运动信息包括旋转方向和旋转角度，运动信息传输到手术机器人作为穿刺装置围绕远心不动点的目标运动方向和角度，从而确定驱动臂的多个关节中第一关节的目标关节量，第一关节可以是一个关节或多个关节，以图2中所示的倾斜运动B4为例，根据手术床台面的运动信息，基于手术机器人运动学模型逆向求解操纵臂270中转动关节J10和J11得到唯一逆解，进而控制穿刺装置229围绕远心不动点220执行与手术床台面相同的旋转运动。
在手术床的台面调整姿态的过程中，其台面还可能发生位置的变化，包括台面的平移和升降。由于穿刺装置的调整关联于手术床的台面的调整，进而，在穿刺装置调整姿态的过程中，随着远心不动点的位置变化，还可能发生穿刺装置的平移和升降。因此，本实施例的方法还包括：
响应于手术床的台面在姿态自由度的运动，控制多个关节中关联于位置自由度调节的目标关节，以通过目标关节来允许驱动臂，基于由患者的身体开口处的体壁施加的力来跟踪身体开口的位置。
其中，穿刺装置在调整姿态时所引起的平移和升降，基于由患者的身体开口处的体壁施加的力来被动执行。
具体地，位置自由度包括升降自由度，控制多个关节中关联于位置自由度调节的目标关节，以通过目标关节来允许驱动臂，基于由患者的身体开口处的体壁施加的力来跟踪身体开口的位置，包括：
响应于手术床的台面在姿态自由度的运动，控制目标关节中的第二关节处于零力状态，第二关节包括具有升降自由度的关节，以通过第二关节来允许驱动臂，基于由患者的身体开口的体壁施加的力来跟踪身体开口在升降自由度的运动。
具体地，位置自由度包括平移自由度，控制多个关节中关联于位置自由度调节的目标关节，以通过目标关节来允许驱动臂，基于由患者的身体开口处的体壁施加的力来跟踪身体开口的位置，包括：
响应于手术床的台面在姿态自由度的运动，控制目标关节中的第三关节处于零力状态，第三关节包括具有平移自由度的关节，以通过第三关节来允许驱动臂，基于由患者的身体开口的体壁施加的力来跟踪身体开口在平移自由度的运动；
响应于第三关节的运动，控制目标关节中的第四关节运动，以补偿由于跟踪身体开口在平移自由度的运动而引起的穿刺装置的姿态的变化。
其中一实施例中，控制目标关节中的第四关节运动，包括：
获取第三关节中的第一旋转关节的运动信息，基于第三关节的运动信息生成第四关节中的第二旋转关节的运动信息，第一旋转关节的运动信息包括运动量和运动方向，第二旋转关节的运动信息包括与第一旋转关节的运动方向相反的运动方向、和与第一旋转关节的运动量大小相同的运动量；
根据第二旋转关节的运动信息控制第二旋转关节运动。
一些实施例中，控制目标关节中的相应关节例如第二关节和/或第三关节处于零力状态，示例性的需要控制该相应关节基本能够补偿(或称平衡)其远端负载的重力和/或克服其关节本身的摩擦力，以容易的基于由患者的身体开口处的体壁施加的力来跟踪身体开口的位置。当然，该原理对于后文控制目标关节的相应关节处于零力状态也是适用的。
一些实施例中，控制目标关节中的相应关节处于零力状态，可以包括：
获取至少该相应关节及其远端的关节的关节位置，结合关节位置及关联于该相应关节的动力学模型确定对应于该相应关节输出的补偿力矩；进而，控制该相应关节输出该补偿力矩。
其中，驱动臂的关节通常包括用于检测其关节位置的位置传感器，该位置传感器例如可以采用编码器。驱动臂的关节通常还包括驱动机构如电机，控制相应关节处于零力状态例如即控制关联的电机输出补偿力矩。
本申请所需要使用到的动力学模型通常是针对该相应关节而构建的，例如，针对不同相应关节，所构建的动力学模型通常不同。通常，该动力学模型关联于该相应关节及其远端的关节。
示例性的，针对该相应关节的动力学模型可以这样构建：
获取相应关节及其远端的关节的连杆参数，根据这些连杆参数建立连杆坐标系。其中，关节包括关节和与关节连接的连杆，连杆参数(即DH参数)包括关节角及/或关节位移、连杆长度等参数。
根据该连杆坐标系构建关联于相应关节的第一动力学模型。其中，该第一动力学模型通常以符号形式(即具有未知参数的公式)表示，第一动力学模型是模糊的(即动力学参数暂不确定的)动力学模型。例如，该第一动力学模型表达为如下公式：
其中，τ是关节的实际力矩，θ是关节的关节位置，是关节的速度(/>是θ的一次导)，/>是关节的速度(/>是θ的二次导)，M(θ)是惯性矩阵，/>包含科式力和离心力，G(θ)是关节的重力矩。
确定该第一动力学模型中未知的动力学参数。其中，第一动力学模型通常包括至少一个未知的动力学参数，通常，可以对公式(1)所涉及的未知的动力学参数均进行确定，以得到准确的第二动力学模型。一实施例中，也可以根据实际情况忽略部分未知的动力学参数对关节力矩的贡献，例如，可以主要关注关节的质量、质心及摩擦力矩这几个较关键的动力学参数，一些实施例中，关节的质量、质心及摩擦力矩可能受到驱动该关节的驱动机构及/或将驱动机构和关节进行连接以实现传动的传动机构的影响。示例性的，在驱动臂的结构较为规整时，关节的质量、质心及摩擦力矩等动力学参数中至少部分可以直接获得而无需辨识。当然，关节的质量、质心及摩擦力矩等动力学参数中至少部分也可以通过采用辨识的方法获得。例如，关节的质量可以通过称重获得，关节的质心及摩擦力矩可以通过采用辨识的方法获得。例如，认为忽略M(θ)及对关节力矩的贡献在本发明的一个示例中是可以接受的，因而，公式(1)可以简写为如下：
τ＝G(θ) 公式(2)
将确定的动力学参数代入第一动力学模型中得到第二动力学模型。其中，该第二动力学模型是清晰的(即动力学参数已确定的)动力学模型。进而，在结合这些关节位置及关联于相应关节的动力学模型确定对应于相应关节的驱动机构期望输出的补偿力矩时，所使用的动力学模型指的是该第二动力学模型。
一些实施例中，考虑到摩擦力矩所带来的不良影响，可以从关节的实际力矩中排除摩擦力矩，具体而言：
可以基于动态平衡原理，构建关节的力矩平衡模型，该力矩平衡模型可表达为如下公式：
其中，τ是关节的实际力矩，θ是关节的关节位置，是关节的速度，k1、k2为重力矩参数，f为关节的摩擦力矩，/>表示速度的方向。
进而，可以通过辨识的方法确定关节的摩擦力矩，例如可以控制单个关节以低速进行匀速运动，遍历整个运动范围，采集关节的实际力矩和对应的关节位置，该单个关节指的是相应关节对应的关节。其中，在匀速运动过程中，摩擦力矩近似不变而通常被认为是定值，因此，根据采集的关节的实际力矩和对应的关节位置，并利用如最小二乘法可以辨识出该关节的摩擦力矩。可理解的，关节的实际力矩是由驱动该关节运动的驱动机构输出的。
进而，在通过辨识的方法确定该第一动力学模型中未知的动力学参数(例如公式(2)中的重力矩)时，可以控制各个关节以低速进行匀速运动，遍历整个运动范围，采集相应关节的实际力矩、以及相应关节及其远端的关节对应的关节位置，结合相应关节的实际力矩、相应关节的摩擦力矩以及相应关节及其远端的关节对应的关节位置，并利用如最小二乘法可以辨识出该关节辨识出未知的动力学参数(例如公式(2)中的重力矩)。例如，在公式(2)中，辨识出的未知的动力学参数主要即重力矩参数(包括质量和质心等)，因而，可以有效的构建关联有相应关节及其远端的关节的关节位置与相应关节的补偿力矩之间的关系的第二动力学模型。
以图2中所示的倾斜运动B4为例，在基于手术机器人运动学模型逆向求解操纵臂270中转动关节J10和J11得到唯一逆解，进而控制穿刺装置围绕远心不动点执行与手术床台面相同的旋转运动的同时，调整臂270各关节处于非运动锁定状态，其中，通过控制关节J5执行与J8大小相同、方向相反的运动量作为由于操纵臂270的旋转运动而导致的穿刺装置的姿态被动改变的运动补偿，最终使得在姿态自由度进行联动的过程中，穿刺装置的姿态相对台面保持不变。此外，调整臂270的关节J6、J7和J8处于零力拖动模式(即零力状态)，从而使得手术床台面运动过程中能够依靠腹腔壁处的相互作用力，拖动操纵臂末端的穿刺装置的远心不动点在二维平面内的执行移动。
需要说明的是，在执行倾斜运动B3过程中，机械臂250各关节处于运动锁定状态，调整臂260和操纵臂270的联动形式与执行倾斜运动B4相同，区别在于倾斜运动B3和倾斜运动B4的旋转轴线相互垂直，由于围绕不同轴线转动的台面运动旋转矩阵不同，在进行联动计算时使用的运动学模型中涉及到台面运动的旋转矩阵做出相应调整即可，从而实现执行倾斜运动B3的联动过程中穿刺状态的姿态相对于手术床的台面保持不变。
此外，在不进行姿态自由度的运动时，手术床的台面还可以单独进行升降自由度的运动。本实施例的控制方法，还包括：响应于手术床的台面在升降自由度的运动，获取手术床的台面在升降自由度的运动信息，基于手术床的台面在升降自由度的运动信息确定用于带动驱动臂的第五关节的目标关节量，根据目标关节量控制第五关节运动，以在升降自由度保持穿刺装置相对于手术床的台面的位置。其中，手术床的台面在升降自由度的运动信息包括运动方向和移动量，以图2中所示的升降运动B2为例，用于带动驱动臂的第五关节可以是机械臂250的升降立柱204，从而带动驱动臂进行整体升降而无需调节驱动臂中具有升降自由度的关节，避免驱动臂中具有升降自由度的关节运动到极限位置而影响后续的动作，运动过程中机械臂250除了升降立柱204之外的其他运动关节以及驱动臂(调整臂260和操纵臂270)的全部运动关节都处于运动锁定状态，从而使得运动中的穿刺装置229的姿态相对于患者部位始终保持静止状态。一些实施例中，用于带动驱动臂的第五关节也可以是调整臂260的执行上下升降运动J7的移动竖臂211。一些实施例中，用于带动驱动臂的第五关节也可以是升降立柱204和移动竖臂211的组合。
在不进行姿态自由度的运动时，手术床的台面还可以单独进行平移自由度的运动。本实施例的控制方法，还包括：响应于手术床的台面在平移自由度的运动，控制目标关节中的第六关节处于零力状态，第六关节包括具有平移自由度的关节，以通过第六关节来允许驱动臂，基于由患者的身体开口的体壁施加的力来跟踪身体开口在平移自由度的运动；响应于第六关节的运动，控制目标关节中的第七关节运动，以补偿由于跟踪身体开口在平移自由度的运动而引起的穿刺装置的姿态的变化。其中，控制目标关节中的第七关节运动，包括：获取第六关节中的第三旋转关节的运动信息，基于第六关节中的第三旋转关节的运动信息生成第七关节中的第四旋转关节的运动信息，第六关节中的第三旋转关节的运动信息包括运动量和运动方向，第七关节中的第四旋转关节的运动信息包括与第六关节中的第三旋转关节的运动方向相反的运动方向、和与第六关节中的第三旋转关节的运动量大小相同的运动量；根据第七关节中的第四旋转关节的运动信息控制第七关节中的第四旋转关节运动。以图2中所示的前后平移运动B1为例，机械臂250和操纵臂270的各关节处于运动锁定状态，调整臂260的升降运动J7同样处于运动锁定状态，而调整臂260的其余运动J5、J6和J8均处于零力拖动模式。手术床台面运动过程中，依靠穿刺装置229与患者身体开口的体壁在远心不动点220处的相互作用力，台面将拖动操纵臂270带动远心不动点220执行平移运动，基于运动学模型控制J5和J8的运动大小相等并且方向相反，从而可以使得穿刺装置229在运动过程中的姿态保持不变。
通过上述方式，可以在手术床与手术机器人同时发生运动的过程中，允许安装在手术机器人末端的穿刺装置和/或医疗器械始终保持插入在患者体内的状态，而不需要在手术床运动之前从手术机器人末端拆卸正在使用中的穿刺装置和/或医疗器械，并将其完全从患者体内移除，或者，无需完全断开手术机器人与手术床之间的全部接触并拖动机械臂为手术床释放可运动空间。本申请的控制方法，消除了手术机器人与手术床之间反复对接的繁琐操作，缩短了手术时间以及提高了整套手术的执行流畅性，此外，在姿态自由度实现主动控制，减少了对患者体壁的摩擦，提高了安全性。并且，在执行手术机器人与手术床联动的过程中，允许主操控台的医生通过成像器械采集的图像实时观察和监测手术部位视野中，患者器官的移动情况以及手术器械和成像器械在视窗中的姿态保持情况，可以在最短时间内到达期望姿态过程，并确保了执行过程的安全性和流畅性。
在联动过程中，本申请的控制方法，还包括：
根据手术床的台面在预设自由度的运动控制驱动臂的过程中，获取成像器械采集的图像；
响应于识别到图像中的目标区符合第三预设条件，向手术床发送控制指令，控制指令包括用于控制手术床延迟调节、停止调节、减速调节中至少一项的指令；其中，
符合第三预设条件，包括以下至少一项：
在目标区中识别到目标手术部位或关联于目标手术部位的标记；
目标手术部位在目标区中处于预设姿态。
其中，预设自由度包括平移自由度、升降自由度、姿态自由度中的至少一项，根据手术床的台面在预设自由度的运动控制驱动臂的过程也即手术机器人与手术床进行联动的过程。目标区是预先在图像显示区域中标记的区域，包括医生在图像显示区域中期望关注的区域，例如图像显示区域的中间区域或任意期望进行识别的区域，也可以是整个图像显示区域，在手术床的台面运动的过程中，目标区在成像器械采集的图像中的位置保持不变，也可以在医生操纵下重新进行标记。可以在联动前或联动过程中对图像显示区域进行目标区的标记，此外，在联动前，还可以在真实的患者解剖结构中标记特征区域，例如通过荧光等方式进行标记，进而在联动过程中，对该真实标记进行识别。在识别到图像中的目标区符合条件时，可以控制手术床延迟调节、停止调节或减速调节，从而，便于医生观察期望的手术部位是否到达期望位置或姿态。对于延迟调节和减速调节，可以在医生确认期望的手术部位符合条件时，由医生触发停止调节的指令，或者在超过预设时长未收到其他指令时，手术床重新恢复原有的联动。
一些实施例中，第三预设条件之一的“在目标区中识别到目标手术部位或关联于目标手术部位的标记”，可以包括检测到联动过程中该目标手术部位落入当前采集的图像的目标区的比例达到目标区的预设值，例如，该目标手术部位落入当前采集的图像的目标区的比例达到目标区的70％以上；又例如，该目标手术部位完全落入当前采集的图像的目标区；还包括检测到联动过程中关联于目标手术部位的标记落入当前采集的图像的目标区的数量和/或落入目标区的数量占标记总数量的比例达到预设值，例如，关联于目标手术部位的标记有10个，其中7个标记落入当前采集的图像的目标区，又例如，10个标记均落入当前采集的图像的目标区，又例如6个以上的标记落入当前采集的图像的目标区。
一些实施例中，第三预设条件之一的“目标手术部位在目标区中处于预设姿态”，是指在图像的目标区识别到目标手术部位且目标手术部位在目标区中的姿态符合设定的识别条件，例如，左倾、右倾、打开等，从而具有更好的手术视野。在手术床的台面运动时，目标手术部位会根据手术床的台面运动而改变相对于成像器械的姿态，进而体现在成像器械的图像中的姿态发生改变，通过对图像进行识别，可以识别出目标手术部位及其当前的姿态是否满足设定的识别条件，当在目标区识别到目标手术部位且目标手术部位在图像中的姿态符合设定的识别条件，即认为目标手术部位在目标区中处于预设姿态。
在联动过程中，本申请的控制方法，还包括：
根据手术床的台面在预设自由度的运动控制驱动臂的过程中，响应于手术机器人的操作部与装设于驱动臂远端的医疗器械之间的取向发生改变，对操作部和医疗器械之间进行取向对齐。
其中，手术机器人的操作部与装设于驱动臂远端的医疗器械之间的取向发生改变包括两种情况，一种是联动前没有建立取向关系，在联动中建立了取向关系，另一种是随着联动的进行，取向关系发生了变化。示例性的，操作部包括第一操作部和第二操作部，医疗器械包括第一医疗器械和第二医疗器械，相应于第一种情况，如果联动前，第一操作部和第二操作部均未与第一医疗器械和第二医疗器械建立映射，联动过程中，第一操作部与第一医疗器械建立了映射，此时即建立了取向关系；相应于第二种情况，如果联动前第一操作部与第一医疗器械建立了映射，而在联动过程中第一操作部被切换成与第二医疗器械建立了映射，此时取向关系发生了变化。也即，取向关系发生改变通常源于映射关系发生改变。
对操作部和的医疗器械之间进行取向对齐的过程可以是，获取操作部映射的医疗器械在成像器械坐标系的第一姿态，将第一姿态换算成操作部在显示器的显示器坐标系的第二姿态，再基于第二姿态确定操作部中关节的目标关节量，根据操作部中关节的目标关节量驱动操作部中相应关节运动，以使操作部的姿态与医疗器械的姿态一致，完成操作部和医疗器械之间的取向对齐。通过在联动过程中实现操作部的取向对齐于关联的医疗器械的姿态，有利于节约手术准备时间。
在联动过程中，手术机器人和手术床的所有关节的运动信息被实时监测记录并存储，如在完成一个自由度的联动后再次受到另一自由度的联动指令，则允许继续执行下一个联动过程，而不需要中途执行各运动关节返回到初始启动位置。此外，医生主操控台屏幕显示当前手术机器人与电动手术床之间的联动状态，如若出现异常，可以依据已经编写的程序指令及时终止联动过程。
为保证手术机器人与手术床联动过程的顺利进行，本实施例的控制方法，还包括：
根据手术床的台面在预设自由度的运动控制驱动臂之前，判断手术机器人和/或手术床是否符合第二预设条件；
若符合第二预设条件，则根据手术床的台面在预设自由度的运动控制驱动臂；其中，
符合第二预设条件，包括以下至少一项：
手术机器人与患者对接；
手术机器人的基座与手术床的基座处于运动锁定状态；
手术机器人的主操作台处于允许进入手术操作状态；
手术机器人与手术床之间的通讯连接处于正常状态；
驱动臂中各关节的可运动范围处于预设运动范围。
其中，预设自由度包括姿态自由度、平移自由度、高度自由度中的至少一项。关于是否符合第二预设条件的判断过程，可具体如下：
关于手术机器人的基座与手术床的基座是否处于运动锁定状态。请一并参考图2，手术机器人的运动底盘201(也即基座),手术床的轮式底盘227(也即基座)处于运动锁定状态，确保执行在手术过程中以及在联动过程中不会产生任何运动，手术机器人的基座与手术床的基座是否处于运动锁定状态可以通过基座上的锁定传感器进行检测确定，或者在医务辅助人员实施操作后，在手术床或手术机器人上的操作界面上进行确认锁定的信息输入；
关于手术机器人与手术床之间的通讯连接是否处于正常状态。在建立手术机器人与手术床之间的通讯连接后，可以运行手术床或手术机器人上的通讯检测程序，根据检测结果确定手术机器人与手术床之间的通讯连接是否处于正常状态，以便于对手术机器人和手术床的工作状态和关节运动信息进行监测；
关于手术机器人与患者是否对接。需要检查患者与手术床台面的相对固定设备，将患者平稳固定在手术床的台面上，确保患者在体位发生改变后不会相对于手术床的台面发生大幅度滑移现象，以免阻碍手术机器人与手术床进行联动。将手术机器人与患者对接时，可以允许医务辅助人员依据手术的术式需求通过调整机械臂250、调整臂260和操纵臂270执行期望的定向摆位，并操作使得安装在手术机器人驱动臂远端的手术器械和成像器械处于插入患者体内的状态，在完成操作后，在手术床或手术机器人上的操作界面上进行确认对接的信息输入；
关于驱动臂中各关节的可运动范围是否处于预设运动范围。预设运动范围包括驱动臂中各关节的最大运动范围的中心区域，预设运动范围包括角度运动范围、直线运动范围中的至少一种，例如，最大的角度运动范围为-90°～90°，则预设运动范围可以是-45°～45°。联动过程中涉及到的运动关节应处于各自运动范围内的非极限区域中，关节处于运动范围的中心区域为最理想位置，以避免在运动未执行完成之前，由于关节已经达到极限位置而导致被迫产生运动终止的非期望现象，因此，需在开始联动前对各关节的可运动范围进行判断，例如通过检测关节当前的位置和角度来判断关节的可运动范围是否处于预设运动范围；
关于手术机器人的主操作台是否处于允许进入手术操作状态，可通过检测手术机器人的操作部与装设于驱动臂远端的医疗器械之间的取向是否对齐，以及其它需要满足操作的条件，根据检测结果确定手术机器人的主操作台是否允许进入手术操作。
在完成术前的设备准备工作后，医务辅助人员可在手术床触发进入联动模式的命令，联动模式是指手术机器人根据手术床的台面在预设自由度的运动控制驱动臂，以使得穿刺装置相对手术床台面的位置和姿态保持不变。触发进入联动模式的命令后，手术床的控制器通过有线或无线方式(诸如红外线传输)向手术机器人的控制系统发送启动联动的命令请求，此时手术机器人依据内部已经编写好的程序指令做出关于第二预设条件的准确判断，如若第二预设条件全部满足，才允许进入联动模式，如若第二预设条件中的一条或多条无法满足，则可以再次发送联动请求直到第二预设条件全部满足，才允许进入联动模式。如若出现判断第二预设条件的过程和发送联动请求处于迭代循环过程的时间超过系统内部设定时间，则进入联动模式的请求过程将被迫终止并退出。
在进入联动模式后，首先进行手术机器人与手术床的姿态配准，如若配准成功，则在医生主操控台可以允许通过可读性介质(诸如颜色可变的信号灯)反馈并显示出配准成功信号供医生及时获知，从而提示医生和医务辅助人员可继续执行下一步指令；如若配准不成功，则无法进入联动模式的下一步联动命令，同时医生主操控台会有可读性介质呈现颜色醒目(诸如红色)的信号提示信息，直到配准成功才允许进入下一步骤。
在配准成功后，允许开始进行联动，为保证手术机器人与手术床联动过程的安全性，本申请的控制方法，还可以包括：
在根据手术床的台面在预设自由度的运动控制驱动臂的过程中，判断手术机器人是否符合第一预设条件；
若不符合第一预设条件，则停止根据手术床的台面在预设自由度的运动控制驱动臂；其中，
符合第一预设条件，包括以下至少一项：
穿刺装置与身体开口的位置之间处于预设状态；
装设于驱动臂远端的医疗器械与手术部位的位置之间处于预设状态；
驱动臂中各关节的可运动范围处于预设运动范围。
其中，联动过程中对手术机器人的控制方法参考前文所述，在联动过程中，手术机器人和手术床的所有关节的运动信息被实时监测记录并存储，并且，实时监测手术机器人是否符合第一预设条件。其中，穿刺装置与身体开口的位置之间是否处于预设状态，可以通过对装设于驱动臂远端的成像器械采集的图像进行识别，如出现手术区域部分或全部消失在图像中的情况，可以判断穿刺装置与身体开口发生较大的相对运动，不处于预设状态。装设于驱动臂远端的医疗器械与手术部位的位置之间是否处于预设状态，可以通过对装设于驱动臂远端的成像器械采集的图像进行识别，如出现医疗器械与手术部位之间的相对距离或角度的变化超过一定阈值的情况，则可以判断医疗器械与手术部位的位置之间发生较大的相对运动，不处于预设状态。此外，联动过程中，涉及到的运动关节应处于各自运动范围内的非极限区域中，关节处于运动范围的中心区域为最理想位置，以避免在运动未执行完成之前，由于关节已经达到极限位置而导致被迫产生运动终止的非期望现象，因此，可以通过检测关节当前的位置和角度来判断关节的可运动范围是否处于预设运动范围。
一些实施例中，在不符合第一预设条件则停止根据手术床的台面在预设自由度的运动控制驱动臂时，通常也可以发出指令以停止对手术床的台面在预设自由度的运动控制。
在手术床的台面的位姿到达目标位姿之前，手术床台面的运动仅仅执行手术床控制器的运动指令区中的由医务辅助人员按键操作的运动命令，如若一个按键命令正在执行过程中出现连续多次按压同一按键情况时，系统仅执行第一次按键命令并且程序中自动屏蔽重复动作请求。此外，如若一个按键命令正在执行过程中出现按压其它运动命令功能键的情况时，系统将继续执行还未结束的运动指令，并且自动屏蔽在此过程中的其它按键请求。手术床位姿到达目标位姿后，在执行的运动命令自动结束，并且处于等待下一步操作命令的状态，如若需要继续执行新的运动命令，则需要再次按压将要执行运动的按键，向系统再次发出运动请求。联动结束后，操作退出功能键从而退出联动模式，退出联动模式后系统自动切换回常规主从操作模式，并且处于等待下一步操作命令的状态。
图7是根据一实施例示出的手术床操作面板的示意图。操作面板600包括但不限于诸如屏幕显示区801、模式切换功能区802、运动指令区803等显示区域和操作区域。屏幕显示区801进一步包括但不限于手术床当前所处状态、各关节运动范围、台面执行的当前运动指令、数据连接和配准成功信号等，从而允许医务辅助人员随时通过屏幕显示信息能够查看和掌握手术床当前的诸多运动状态，为下一步按键操作提供准确的当前信息从而有效避免操作失误。模式切换功能区802进一步包括但不限于配准按键、停止按键、退出按键、锁定和解锁按键。配准按键用于执行手术机器人与手术床在各运动自由度的全部配准，并且等待执行下一步操作命令。停止按键用于中途阻断控制程序停止各关节之间联动动作并且维持停止时刻的运动状态直到下一步操作命令开始执行。退出按键用于在联动结束后，从联动模式切换回常规主从操作模式。锁定和解锁按键是对手术机器人和手术床的轮式底盘的运动在术前和术后的停止和释放。运动指令区803进一步包括但不限于图7中操作面板显示的按键，各按键以手术床的基准坐标系为运动参考坐标系定义各自由度的运动指令，按键的数量依据联动模式下手术床允许执行运动的自由度数量来确定。
本申请的手术机器人的控制方法，手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，驱动臂的远端装设有穿刺装置，穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，控制方包括：获取手术机器人与手术床之间的姿态配准信息；响应于手术床的台面在姿态自由度的运动，获取手术床的台面在姿态自由度的运动信息；基于运动信息和姿态配准信息确定多个关节中第一关节的目标关节量，根据目标关节量控制第一关节运动，以在姿态自由度保持穿刺装置相对于手术床的台面的姿态。本申请可以基于手术机器人与手术床之间的姿态配准信息，在手术床的台面进行姿态自由度的运动时，主动控制驱动臂调整穿刺装置的姿态，提高操作效率和安全性。
本申请的控制方法还具有如下有益效果：
①能够实现手术机器人与手术床之间的联动，联动过程中消除了从患者体内移除穿刺装置和/或手术工具(诸如手术器械和成像器械)、在手术机器人末端拆卸和安装手术工具、解除手术机器人与手术床之间全部接触等繁琐的反复对接操作，减少了医护辅助人员的工作强度，提升了手术机器人系统的智能化水平，缩短了手术时间，提高了手术实施的顺畅度；
②仅采用姿态定位方式即能够实现手术机器人与手术床之间的联动，应用实现方式简单，可靠性更高。
本申请还提供一种手术机器人的控制装置，如图8所示，该控制装置包括处理器(processor)501、通信接口(Communications Interface)502、存储器(memory)503、以及通信总线504。
处理器501、通信接口502、以及存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。
通信接口502，用于与其它设备比如各类传感器或电机或电磁阀或其它客户端或服务器等的网元通信。
处理器501，用于执行程序505，具体可以执行上述方法实施例中的相关步骤。
具体地，程序505可以包括程序代码，该程序代码包括计算机操作指令。
处理器505可能是中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路，或者是图形处理器GPU(Graphics Processing Unit)。控制装置包括的一个或多个处理器，可以是同一类型的处理器，如一个或多个CPU，或者，一个或多个GPU；也可以是不同类型的处理器，如一个或多个CPU以及一个或多个GPU。
存储器503，用于存放程序505。存储器503可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
程序505具体可以用于由处理器501加载并执行实现如上实施例所述的手术机器人的控制方法的步骤。
本申请还提供一种手术机器人，手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，所述驱动臂远端装设有穿刺装置，所述穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内；
手术机器人还包括控制装置，所述控制装置用于执行实现如上实施例所述的手术机器人的控制方法的步骤。
本申请还提供一种手术系统，包括手术床与如上实施例所述的手术机器人，所述手术机器人与所述手术床通信连接，所述手术床的台面可在一个或多个自由度进行调节。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上实施例所述的手术机器人的控制方法的步骤。
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。
上述所述实施例的各技术特征及任意技术特征之间的组合具有通用性，其不但适用于单孔手术机器人，也适用于多孔手术机器人，并且，其既不会影响也不会限制在具有不同构形的机械臂中进行使用。
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 (13)

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具有多个关节的驱动臂，所述驱动臂的远端装设有穿刺装置，所述穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，所述方法包括：
获取所述手术机器人与手术床之间的姿态配准信息；
响应于所述手术床的台面在姿态自由度的运动，获取所述手术床的台面在所述姿态自由度的运动信息；
基于所述运动信息和所述姿态配准信息确定所述多个关节中第一关节的目标关节量，根据所述目标关节量控制所述第一关节运动，以在所述姿态自由度保持所述穿刺装置相对于所述手术床的台面的姿态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
响应于所述手术床的台面在姿态自由度的运动，控制所述多个关节中关联于位置自由度调节的目标关节，以通过所述目标关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口处的体壁施加的力来跟踪所述身体开口的位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述位置自由度包括升降自由度，所述控制所述多个关节中关联于位置自由度调节的目标关节，以通过所述目标关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口处的体壁施加的力来跟踪所述身体开口的位置，包括：
响应于所述手术床的台面在姿态自由度的运动，控制所述目标关节中的第二关节处于零力状态，所述第二关节包括具有升降自由度的关节，以通过所述第二关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口的体壁施加的力来跟踪所述身体开口在所述升降自由度的运动。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述位置自由度包括平移自由度，所述控制所述多个关节中关联于位置自由度调节的目标关节，以通过所述目标关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口处的体壁施加的力来跟踪所述身体开口的位置，包括：
响应于所述手术床的台面在姿态自由度的运动，控制所述目标关节中的第三关节处于零力状态，所述第三关节包括具有平移自由度的关节，以通过所述第三关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口的体壁施加的力来跟踪所述身体开口在所述平移自由度的运动；
响应于所述第三关节的运动，控制所述目标关节中的第四关节运动，以补偿由于跟踪所述身体开口在所述平移自由度的运动而引起的所述穿刺装置的姿态的变化。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制所述目标关节中的第四关节运动，包括：
获取所述第三关节中的第一旋转关节的运动信息，基于所述第三关节的运动信息生成所述第四关节中的第二旋转关节的运动信息，所述第一旋转关节的运动信息包括运动量和运动方向，所述第二旋转关节的运动信息包括与所述第一旋转关节的运动方向相反的运动方向、和与所述第一旋转关节的运动量大小相同的运动量；
根据所述第二旋转关节的运动信息控制所述第二旋转关节运动。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：
在根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂的过程中，判断所述手术机器人是否符合第一预设条件；
若不符合第一预设条件，则停止根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂；其中，
所述符合第一预设条件，包括以下至少一项：
所述穿刺装置与所述身体开口的位置之间处于预设状态；
装设于所述驱动臂远端的医疗器械与手术部位的位置之间处于预设状态；
所述驱动臂中各关节的可运动范围处于预设运动范围。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：
根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂之前，判断所述手术机器人和/或手术床是否符合第二预设条件；
若符合第二预设条件，则根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂；其中，
所述符合第二预设条件，包括以下至少一项：
所述手术机器人与患者对接；
所述手术机器人的基座与所述手术床的基座处于运动锁定状态；
所述手术机器人的主操作台处于允许进入手术操作状态；
所述手术机器人与所述手术床之间的通讯连接处于正常状态；
所述驱动臂中各关节的可运动范围处于预设运动范围。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述驱动臂的远端装设有成像器械，所述成像器械穿过所述穿刺装置进入所述患者的体内，所述方法，还包括：
根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂的过程中，获取所述成像器械采集的图像；
响应于识别到所述图像中的目标区符合第三预设条件，向所述手术床发送控制指令，所述控制指令包括用于控制所述手术床延迟调节、停止调节、减速调节中至少一项的指令；其中，
所述符合第三预设条件，包括以下至少一项：
在所述目标区中识别到目标手术部位或关联于目标手术部位的标记；
所述目标手术部位在所述目标区中处于预设姿态。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述手术机器人还包括操作部，所述驱动臂的远端设有医疗器械，所述方法还包括：
根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂的过程中，响应于所述手术机器人的操作部与装设于所述驱动臂远端的医疗器械之间的取向发生改变，将所述操作部的取向对齐于所述医疗器械的取向。
10.一种手术机器人的控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于加载并执行计算机程序；
处理器，用于加载并执行所述计算机程序；
其中，所述计算机程序由所述处理器加载并执行实现如权利要求1至9中任一项所述的手术机器人的控制方法的步骤。
11.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，所述驱动臂远端装设有穿刺装置，所述穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内；
所述手术机器人还包括控制装置，所述控制装置用于执行实现如权利要求1至9中任一项所述的手术机器人的控制方法的步骤。
12.一种手术系统，其特征在于，包括手术床与如权利要求11所述的手术机器人，所述手术机器人与所述手术床通信连接，所述手术床的台面可在一个或多个自由度进行调节。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至9中任一项所述的手术机器人的控制方法的步骤。
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