CN117379186A - 手术机器人及其控制方法、控制装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种手术机器人及其控制方法、控制装置。手术机器人，具有控制臂、操作臂以及控制器，所述控制器与所述控制臂、所述操作臂耦接，控制器被配置成执行：将获取的关联于所述手术机器人的第一信息与第一条件进行匹配；当所述第一信息与所述第一条件匹配时，对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系；根据所述器械的姿态控制所述控制臂运动，以使得所述控制臂末端的姿态与所述器械的姿态在相同参考坐标系中保持一致；其中，所述第一条件包括所述手术机器人处于空闲状态。本申请实施例中的手术机器人的操作安全性较高，可以保证手术的安全性及可靠性。

Description

手术机器人及其控制方法、控制装置

本申请是申请日为2021年11月01日提交的申请号为202111285649.9、申请名称为“手术机器人及其控制方法、控制装置”的分案申请，该案的全文以引用的方式并入本申请中。

技术领域

本申请涉及医疗器械领域，特别是涉及一种手术机器人及其控制方法、控制装置。

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，微创机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台包括控制臂，医生通过操作控制臂向从操作设备发送控制命令，从操作设备包括机械臂及设置于机械臂远端的操作臂，操作臂具有末端器械，在工作状态时，末端器械跟随控制臂移动，以实现远程手术操作。

随着微创机器人的应用越来越广泛，微创机器人进行手术的安全性及可靠性也得到了越来越多的关注。因此，如何提高微创机器人的操作安全性成为亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例致力于提供一种手术机器人及其控制方法、控制装置，有助于提高手术机器人的操作安全性。

第一方面，本申请提供了一种手术机器人的控制方法，所述手术机器人包括控制臂和安装于操作臂末端的器械，所述控制方法包括：将获取的关联于所述手术机器人的第一信息与第一条件进行匹配；当所述第一信息与所述第一条件匹配时，对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系；根据所述器械的姿态控制所述控制臂运动，以使得所述控制臂末端的姿态与所述器械的姿态在相同参考坐标系中保持一致；其中，所述第一条件包括所述手术机器人处于空闲状态。

其中，所述手术机器人包括主操作台和从操作设备，所述从操作设备包括多个操作臂，所述第一条件包括以下至少一项：所述多个操作臂中的至少一个操作臂的末端安装有器械且所述器械安装完成、所述主操作台和所述从操作设备处于正常连接状态、未收到所述主操作台中离合的控制命令、未收到内窥镜控制命令、未收到所述主操作台的关机指令、未收到所述从操作设备的关机指令、所述主操作台未报错、所述从操作设备未报错、医生的头部位于所述主操作台的指定区域、未使用所述操作臂对应的调整按钮、所述多个操作臂中的一个操作臂的末端安装有内窥镜。

其中，当所述第一信息与所述第一条件不匹配时，所述方法还包括：获取所述手术机器人的运行状态；判断所述手术机器人的运行状态与第二条件是否匹配；在所述手术机器人的运行状态与所述第二条件匹配的情况下，对所述手术机器人进行复位操作；其中，所述第二条件包括医生的头部离开所述主操作台的指定区域、和/或未收到所述主操作台中离合的控制命令。

其中，所述主操作台包括所述控制臂，所述对所述手术机器人进行复位操作，包括：若医生的头部离开所述主操作台的指定区域，则复位安装于从操作设备中的操作臂末端的器械的匹配命令；和/或，若未收到离合控制命令，则将所述控制臂置为阻抗状态。

其中，所述控制臂包括多个关节组件和驱动所述多个关节组件的驱动机构，所述将所述控制臂置为阻抗状态，包括：调节多个关节组件对应的驱动机构的输出合力矩，其中，所述输出合力矩包括第一力矩和第二力矩之和，所述第一力矩包括用于平衡所述关节组件远端的负载的重力矩，所述第二力矩包括用于恢复所述关节组件的关节位置。

其中，在所述调节多个关节组件对应的驱动机构的输出合力矩之前，所述方法还包括：获取传感器检测的所述关节组件的初始关节位置和当前关节位置；根据所述初始关节位置和所述当前关节位置计算所述关节组件的关节位置变量；基于所述关节位置变量确定对应于所述关节组件的所述驱动机构输出的所述第二力矩。

其中，所述第二力矩随着所述关节位置变量的增大而增大。

其中，所述第二力矩与所述关节位置变量之间的关系为下式：τ＝k*Δx；其中，τ为所述第二力矩，k为刚度系数，Δx为所述关节位置变量。

其中，在所述调节多个关节组件对应的驱动机构的输出合力矩之前，所述方法还包括：获取传感器检测的至少所述第一关节组件及所述第一关节组件远端的所述关节组件的关节位置；结合所述关节位置及关联于所述第一关节组件的动力学模型确定对应于所述第一关节组件的所述驱动机构期望输出的所述第一力矩。

其中，所述对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系，包括：获取切换指令；响应于所述切换指令，确定所述控制臂对应的所述多个操作臂中的目标操作臂；对所述控制臂与安装于所述目标操作臂末端的器械建立主从映射关系。

其中，所述确定所述控制臂对应的所述多个操作臂中的目标操作臂，包括：确定所述控制臂对应的所述多个操作臂中的可切换臂；在所述可切换臂的数量大于或等于1的情况下，依次确定所述可切换臂中的每个可切换臂是否为所述目标操作臂；或者，在所述可切换臂的数量大于或等于1的情况下，将所述可切换臂中的指定操作臂确定为所述目标操作臂。

其中，所述控制方法还包括：在无法建立所述控制臂与所述目标操作臂末端的器械之间的主从映射关系的情况下，输出提示信息，所述提示信息用于指示建立主从映射关系失败。

其中，所述控制方法还包括：在所述控制臂满足第三条件的情况下，对所述控制臂及所述目标操作臂末端的器械进行匹配；其中，所述第三条件包括以下至少一项：未使用所述控制臂对应的离合、获取所述目标操作臂末端的器械的位姿数据成功、及所述目标操作臂对应的调整按钮未按下。

其中，在所述根据所述器械的姿态控制所述控制臂运动之后，所述控制方法还包括：获取所述控制臂的当前姿态，所述当前姿态是根据所述控制臂被操控运动后的关节位置确定的；根据所述当前姿态确定所述目标操作臂的目标关节位置；根据所述目标关节位置控制所述目标操作臂运动。

第二方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被配置为由处理器加载并执行实现如上述任一项实施例所述的控制方法的步骤。

第三方面，本申请提供了一种手术机器人的控制装置，包括：存储器，用于存储计算机程序；及处理器，用于加载并执行所述计算机程序；其中，所述计算机程序被配置为由所述处理器加载并执行实现如上述任一项实施例所述的控制方法的步骤。

第四方面，本申请提供了一种手术机器人，包括：控制臂、操作臂以及控制器，所述控制器与所述控制臂、所述操作臂耦接，并被配置成执行如上述任一项实施例所述的控制方法的步骤。

本申请的手术机器人及其控制方法、控制装置，具有如下有益效果：

将所述手术机器人的第一信息与第一条件进行否匹配，并在所述第一信息与所述第一条件匹配的情况下，对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系，对所述控制臂与所述器械进行匹配，可以保证手术机器人在安全的条件下运转，能够提高手术机器人的操作安全性，进而可以保证手术的安全性及可靠性。

附图说明

图1为本申请手术机器人一实施例的结构示意图。

图2为图1所示手术机器人一实施例的局部示意图。

图3为图1所示手术机器人另一实施例的局部示意图。

图4为手术机器人的控制方法一实施例的流程图。

图5为手术机器人的控制方法另一实施例的流程图。

图6为本申请手术机器人另一实施例的结构示意图。

图7为本申请一实施例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，并不限于本申请所描述的实施方式。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。

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“耦接”另一个元件，它可以是直接耦接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本申请所使用的术语“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。本申请所使用的术语“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。本申请所使用的术语“第一/第二”等表示一个部件以及一类具有共同特性的两个以上的部件。

除非另有定义，本申请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。本申请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。本申请所使用的术语“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。本申请中所使用的术语“各”包括一个或两个以上。

如图1至图2所示，其分别为本申请手术机器人一实施例的结构示意图，及其局部示意图。

手术机器人包括主操作台2及由主操作台2控制的从操作设备3。主操作台2具有运动输入设备21及显示器22，运动输入设备21具有控制臂，医生通过操作控制臂向从操作设备3发送控制命令，以令从操作设备3根据医生操作控制臂的控制命令执行相应操作，并通过显示器22观察手术区域。其中，从操作设备3具有臂体机构，臂体机构具有机械臂30及可拆卸地装设于机械臂30远端的操作臂31(操作臂31设置于穿刺器4内，图1中未示出，具体如图2及图3所示)。机械臂30包括依次连接的基座及连接组件，连接组件具有多个关节组件。

如图2所示，操作臂31包括依次连接的连杆32、连接组件33及末端器械34，其中，连接组件33具有多个关节组件，通过调节操作臂31的关节组件调节末端器械34的姿态；末端器械34具有图像末端器械34A及操作末端器械34B。图像末端器械34A用于采集视野内的图像，显示器22用于显示该图像。操作末端器械34B用于执行手术操作如剪切、缝合。操作臂31可以设置于穿刺器4内。如图3所示，穿刺器4是中空的，供连杆32穿过，动力传输部302通过连杆32与末端器械34(以及连接组件33)相连接，动力传输部302可拆卸的装设于动力机构301中的动力部上，动力传输部302用于将动力部输出的动力传输至末端器械34，以操纵末端器械34进行运动，执行相关手术操作。

图1所示的手术机器人为单孔手术机器人，各操作臂31通过装设于机械臂30远端的同一个穿刺器4插入至患者体内。在单孔手术机器人中，医生一般仅对操作臂31进行控制以完成基本手术操作。此时，单孔手术机器人的操作臂31应当同时具有位置自由度(即定位自由度)和姿态自由度(即定向自由度)，以实现在一定范围内位姿的变化，例如操作臂31具有水平移动自由度x、竖直移动自由度y，自转自由度α、俯仰自由度β及偏航自由度γ，操作臂31还可以在机械臂30远端关节即动力机构301的驱动下实现前后移动自由度z(即进给自由度)，此外，一些实施例中，还可以为操作臂31设置冗余自由度以实现更多功能的可能性，例如，在上述可实现6个自由度的前提下，额外再设置一个、两个甚至更多个自由度。例如，动力机构301具有导轨和滑动设置于导轨上的动力部，操作臂31(通过动力传输部302)可拆卸的装设于动力部上，一方面，动力部在导轨上的滑动提供操作臂31前后移动自由度z，另一方面，动力部为操作臂31的关节提供动力实现其余5个自由度(即[x，y，α，β，γ])。

手术机器人还包括控制器。控制器可以集成于主操作台2，也可以集成于从操作设备3。当然，控制器也可以独立于主操作台2和从操作设备3，其例如可部署在本地，又例如控制器可以部署在云端。其中，控制器可以由一个以上的处理器构成。

手术机器人还包括输入部。输入部可以集成于主操作台2。输入部可以也可以集成于从操作设备3。当然，输入部也可以独立于主操作台2和从操作设备3。该输入部例如可以是鼠标、键盘、语音输入装置、触摸屏。一实施例中，采用触摸屏作为输入部，触摸屏例如可以设置于主操作台2的扶手上。

操作臂31还包括感应关节的关节变量的传感器。这些传感器包括感应关节组件转动运动的角度传感器及感应关节组件线性运动的位移传感器，具体可根据关节的类型来配置适应的传感器。

控制器与这些传感器耦接，并与输入部及显示器22耦接。

本申请实施例提供一种手术机器人的控制方法，该控制方法可以由控制器执行。如图4所示，该控制方法400包括步骤S410、S420及S430，具体如下：

S410，将获取的关联于所述手术机器人的第一信息与第一条件进行匹配。

其中，所述手术机器人可以包括主操作台和从操作设备，医生可以通过所述主操作台发送控制命令以控制从操作设备运动。例如，所述手术机器人的结构可以如图1至图3所示。

所述主操作台可以包括一个或多个控制臂。例如，所述主操作台可以包括两个控制臂，即左手控制臂和右手控制臂，分别对应左手和右手，以便于医生的左手和右手分别对其进行操作。

所述从操作设备可以包括一个或多个操作臂。例如，当所述从操作设备包括多个操作臂时，所述多个操作臂中的一个操作臂的末端可以安装有内窥镜，至少一个操作臂末端可以安装有器械(或者，也可以称为手术器械)，该器械可以用于执行手术操作如剪切、缝合等。

当然，所述手术机器人也可以包括多个主操作台和/或多个从操作设备，本申请实施例中对此并不限定。

可选地，所述第一信息可以包括主操作台的状态信息、从操作设备的状态信息、和/或所述手术机器人的其他信息等。

例如，所述第一信息可以包括以下至少一项：

所述多个操作臂中的至少一个操作臂的末端是否安装有器械且所述器械是否安装完成、所述主操作台和所述从操作设备之间的连接状态(例如，是否处于正常连接状态)、所述主操作台是否收到离合的控制命令、所述从操作设备是否未收到内窥镜控制命令、所述主操作台是否收到关机指令、所述从操作设备是否收到关机指令、所述主操作台是否发生错误、所述从操作设备是否发生错误、医生的头部是否位于所述主操作台的指定区域、所述操作臂对应的调整按钮是否收到控制指令、所述多个操作臂中的一个操作臂的末端是否安装有内窥镜。

可选地，所述第一条件可以包括所述手术机器人处于空闲状态。所述手术机器人处于空闲状态可以指：手术机器人未启用运动功能，和/或所述手术机器人处于非运动状态。例如，空闲状态包括：未通过主操作台对从操作设备进行主从操作、未通过从操作设备的控制面板控制任何操作臂的移动、从操作设备的任何部件均处于非运动状态、和/或未移动从操作设备。

可选地，可以通过所述手术机器人对应的状态机判断所述手术机器人是否处于空闲状态。其中，该状态机为有限状态机(Finite State Machine，FSM)的简称，该状态机可以用于对所述手术机器人进行抽象表示。例如，在所述手术机器人对应的状态机可以处于空闲状态(idle态)时，可以确定所述手术机器人处于空闲状态。

当然，所述第一条件还可以包括其他条件，本申请实施例对此并不限定。例如，所述第一条件还可以包括所述手术机器人是否发生错误，和/或医生是否处于操作位置或操作区域。

可选地，所述第一条件可以包括以下至少一项：

所述多个操作臂中的至少一个操作臂的末端安装有器械且所述器械安装完成、所述主操作台和所述从操作设备处于正常连接状态、未收到所述主操作台中离合的控制命令、未收到内窥镜控制命令、未收到所述主操作台的关机指令、未收到所述从操作设备的关机指令、所述主操作台未报错、所述从操作设备未报错、医生的头部位于所述主操作台的指定区域、未使用所述操作臂对应的调整按钮、所述多个操作臂中的一个操作臂的末端安装有内窥镜。

所述手术机器人的多个操作臂中的一个或多个操作臂的末端可以安装有器械。例如，操作臂中的硬件传感器在感应到安装的器械之后，会产生相应的信号(例如，该信号可以携带器械的类型信息、版本信息及生产日期等)并将该信号传递给(所述手术机器人中的)软件系统，软件系统在接收到该信号后会对器械进行安全检查，以判定器械是否安装完成。同时，软件系统还可以基于该信号进行鉴权操作，以判定该器械是否与所述手术机器人为同一厂商生产的。

所述主操作台和所述从操作设备之间主从连接线连接之后，所述从操作设备可以向所述主操作台发送信号，以便于所述主操作台确定所述主操作台和所述从操作设备处于正常连接状态。

所述离合可以用于断开从操作设备中的操作臂与主操作台的跟随运动。所述手术机器人可以包括多个离合，例如，脚踏离合、左手离合及右手离合。所述离合可以集成于主操作台，也可以集成于从操作设备。当所述手术机器人中的离合被踩下或按下之后，会产生相应的信号(例如，离合控制命令)并将该信号传递给软件系统，以便软件系统获知该离合被踩下或按下。

与离合类似，在内窥镜控制按钮、关机按钮或调整按钮被按下之后，也会产生相应的信号(例如，内窥镜控制命令、未收到关机指令或调整控制命令)并将该信号传递给软件系统，以便软件系统获知内窥镜控制按钮、关机按钮或调整按钮被按下。其中，调整按钮可以包括用于调整不同的自由度的按钮和/或远程运动中心(Remote Center of Motion，RCM)按钮。

当所述手术机器人中的某一模块或器件等发生错误时，其对应的驱动器会上报错误信息给软件系统，相应地，软件系统可以对发报错误信息的模块或器件进行多次复位操作，以使得该模块或器件重新运行。当无法通过复位操作恢复该错误时可以提升该错误信息的错误等级，例如，将错误等级升级为“致命错误”。错误等级可以是软件系统自定义的一些异常情况，例如，“致命错误”可以包括不可恢复的驱动器异常，“非致命错误”可以包括算法超限、驱动器跟随误差及驱动器电流过载等。在所述软件系统未收到任何错误信息的情况下，可以认为所述手术机器人处于正常运行状态。

所述主操作台上可以设置有关机按钮，用于关闭所述主操作台和/或所述从操作设备的电源。所述从操作设备上也可以设置有关机按钮，用于关闭所述从操作设备的电源。

所述主操作台可以包括显示器，所述指定区域可以指显示器的前方。当医生的头部位于所述指定区域时，可以认为医生准备完成，即可以开始执行图4中的方法400。所述主操作台可以集成有接近传感器或其他类型传感器，用于检测医生的头部是否位于所述指定区域。

所述多个操作臂中可以有部分臂被禁用，对于其中未被禁用的臂，如果该臂出现错误，其对应的驱动器会产生相应的信号，以向软件系统报错。

S420，当所述第一信息与所述第一条件匹配时，对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系。

可选地，当所述第一信息与所述第一条件不匹配时，可以对所述手术机器人进行复位操作。

例如，可以获取所述手术机器人的运行状态；判断所述手术机器人的运行状态与第二条件是否匹配；在所述手术机器人的运行状态与所述第二条件匹配的情况下，对所述手术机器人进行复位操作。其中，所述第二条件可以包括医生的头部离开所述主操作台的指定区域、和/或未收到所述主操作台中离合的控制命令。

医生的头部离开所述主操作台的指定区域可以通过在该指定区域设置的传感器来检测。例如，可以在所述主操作台的指定区域设置接近传感器，当头部离开接近传感器的距离达到距离阈值时，可以认为头部离开了该指定区域。

可选地，在对所述手术机器人进行复位操作时，若医生的头部离开所述主操作台的指定区域，可以复位安装于从操作设备中的操作臂末端的器械的匹配命令。其中，该匹配命令可以用于指示对所述手术机器人执行S420中的步骤，以对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系、执行匹配握手流程。例如，软件系统中可以定义所述器械的匹配标志，该匹配标志为0可以表示所述器械未进行匹配，该匹配标志为1可以表示所述器械人已进行匹配(或正在进行匹配)，在所述手术机器人开始执行图4中的方法时，可以将该器械的匹配标志置为1，在对所述手术机器人进行复位操作时，可以将该器械的匹配标志重新置为0。

和/或，在对所述手术机器人进行复位操作时，若未收到离合控制命令，还可以将所述控制臂置为阻抗状态。这里的阻抗状态可以指：所述控制臂处于一个具有弹性的状态，在施加在所述控制臂上的外力消失后，所述控制臂会回弹至原位。例如，在阻抗状态下，施加于所述控制臂上的外力使得所述控制臂的当前位置(或所述控制臂中部分关节的当前位置)相对于原位置发生变化时，就会产生一种扭力，存在回弹的趋势，当外力消失时，使所述控制臂(或所述控制臂中的部分关节)自动回弹至原位置。

在本申请实施例中，可以通过下述各实施例将所述控制臂置为阻抗状态。

可选地，所述控制臂可以包括多个关节组件和驱动所述多个关节组件的驱动机构，可以通过调节多个关节组件对应的驱动机构的输出合力矩将所述控制臂置为阻抗状态。其中，所述输出合力矩可以包括第一力矩和第二力矩之和，所述第一力矩可以包括用于平衡所述关节组件远端的负载的重力矩，所述第二力矩可以包括用于恢复所述关节组件的关节位置。

可选地，所述控制臂可以包括感应关节的关节变量的传感器。例如，这些传感器可以包括感应关节组件转动运动的角度传感器及感应关节组件线性运动的位移传感器，具体可根据关节的类型来配置适应的传感器。

可选地，可以获取(所述控制臂中的)传感器检测的所述关节组件的初始关节位置和当前关节位置；根据所述初始关节位置和所述当前关节位置计算所述关节组件的关节位置变量；基于所述关节位置变量确定对应于所述关节组件的所述驱动机构输出的所述第二力矩。

可选地，所述第二力矩可以随着所述关节位置变量的增大而增大。例如，所述第二力矩与所述关节位置变量之间的关系可以为下式：

τ＝k*Δx

其中，τ为所述第二力矩，k为刚度系数，Δx为所述关节位置变量。

可选地，可以获取(所述控制臂中的)传感器检测的至少所述第一关节组件及所述第一关节组件远端的所述关节组件的关节位置；结合所述关节位置及关联于所述第一关节组件的动力学模型确定对应于所述第一关节组件的所述驱动机构期望输出的所述第一力矩。

在一些实施例中，所述控制方法400还可以包括步骤S440、S450及S460，具体如下：

S440，获取切换指令。

切换指令可以用于指示切换与控制臂连接的操作臂。切换指令可以为侧踢指令、语音指令、手势指令等。其中，侧踢指令可以是由脚踏离合产生的。

S450，响应于所述切换指令，确定所述控制臂对应的所述多个操作臂中的目标操作臂。

可选地，可以确定所述控制臂对应的所述多个操作臂中的可切换臂，并在可切换臂中选择所述目标操作臂。

可切换臂可以指所述多个操作臂中除已连接的臂和被禁用的臂以外的臂。可切换臂可以为一个或多个。或者，可切换臂也可以为0个(即不存在可切换臂)。

例如，所述主控制台包括2个控制臂，所述多个操作臂包括4个操作臂，其中，这2个控制臂当前分别与一个操作臂连接，如果这4个操作臂中没有被禁用的臂，则此时，可切换臂为2个。

S460，对所述控制臂与安装于所述目标操作臂末端的器械建立主从映射关系。

可选地，在所述可切换臂的数量大于或等于1的情况下，可以至少通过如下述两种方式确定所述控制臂对应的所述多个操作臂中的可切换臂，具体如下：

方式一：

依次确定所述可切换臂中的每个可切换臂是否为所述目标操作臂。

例如，当所述可切换臂包括多个时，可以按顺序依次从所述可切换臂中选择操作臂，以确定该操作臂是否存在故障，或被按下其对应的调整按钮，若不存在故障，或未被按下其对应的调整按钮，则可以将该操作臂确定为所述目标操作臂；否则，可以选择所述可切换臂中的下一个操作臂进行判定。这里的顺序可以为软件系统中的软件编号顺序或硬件编号顺序。

若所述可切换臂为一个，则可以判断该操作臂是否存在故障，或被按下其对应的调整按钮，若不存在故障，且未被按下其对应的调整按钮，则可以将该操作臂确定为所述目标操作臂；否则，可以输出提示信息，以提示无可切换的操作臂，或某个或某些器械发生错误或未准备就绪。该提示信息可以为声音信息、文字信息或图像信息等。例如，该提示信息可以为文字信息，通过集成于主操作台的显示器输出。

方式二：

将所述可切换臂中的指定操作臂确定为所述目标操作臂。

例如，可以预先指定所述可切换臂中的某一操作臂，将该操作臂确定为所述目标操作臂。医生可以通过用户界面(User Interface，UI)提示结合触摸屏选择或语音选择等输入方式指定(即主动选择)该操作臂。

进一步地，可以对所述控制臂与安装于所述目标操作臂末端的器械建立主从映射关系。

可选地，在所述可切换臂的数量为0的情况下，可以输出提示信息，以指示建立主从映射关系失败或无可切换的操作臂。

进一步地，在本申请实施例中，还可以对所述控制臂及所述目标操作臂末端的器械进行匹配(或者说握手)，以便于医生通过所述控制臂对所述目标操作臂末端的器械进行主从控制。

S430，根据所述器械的姿态控制所述控制臂运动，以使得所述控制臂末端的姿态与所述器械的姿态在相同参考坐标系中保持一致。

可选地，可以先获取所述器械的姿态，然后，根据所述器械的姿态控制所述控制臂运动，以使得所述控制臂末端的姿态与所述器械的姿态在相同参考坐标系中保持一致。

例如，可以先获取操作臂的当前姿态，将该操作臂的当前实际姿态通过坐标转换换算成所述控制臂的目标姿态，将所述控制臂的目标姿态逆解成所述控制臂的目标关节位置；调整所述控制臂，以使其接近(或达到)所述目标关节位置；获取所述控制臂的当前位置，将所述控制臂的当前位置正解成所述控制臂的当前姿态；将所述控制臂的当前姿态换算成所述操作臂的当前姿态，并计算所述控制臂的当前姿态与所述操作臂的当前姿态之间的偏差；若该偏差小于或等于偏差阈值，则所述控制臂末端的姿态与所述器械的姿态在相同参考坐标系中保持一致；否则，则继续调整所述控制臂，重新计算调整后的所述控制臂的姿态与与所述操作臂的当前姿态之间的偏差，并判断该偏差是否小于或等于偏差阈值。

在一些实施例中，所述控制方法400还可以包括步骤S470，具体如下：

S470，在所述控制臂满足第三条件的情况下，对所述控制臂及所述目标操作臂末端的器械进行匹配。

所述第三条件可以包括下述至少一项：

未使用所述控制臂对应的离合、获取所述目标操作臂末端的器械的位姿数据成功、及所述目标操作臂对应的调整按钮未按下。

可选地，所述主操作台可以包括多个控制臂，其中，每个控制臂可以对应至少一个离合。

可选地，可以为所述多个操作臂中的每个操作臂设置一个或多个调整按钮，该调整按钮可以用于使医生自由调节其对应的操作臂。

例如，一个操作臂可以设置有多个调整按钮，该多个调整按钮分别用于调整不同的自由度，以便于医生按下某一调整按钮后，可以自由调节该调整按钮对应的角度、方向或自由度。该多个调整按钮也可以包括RCM按钮。

本申请实施例中对控制臂与器械(即安装于所述目标操作臂末端的器械)的匹配方法并不限定。例如，可以参考现有技术中控制臂与器械的握手流程，本申请中对此不再赘述。

在所述主操作台包括多个控制臂的情况下，可以通过S470分别对这多个控制臂单独进行匹配。这多个控制臂的匹配可以同时进行，即可以并行执行S470，以同时对多个控制臂进行匹配。

进一步地，医生可以通过匹配成功的控制臂对与其连接的所述目标操作臂末端的器械进行主从控制。在本申请实施例中，可以根据下述实施例，通过所述控制臂对所述目标操作臂进行主从控制。

可选地，可以获取所述控制臂的当前姿态，所述当前姿态是根据所述控制臂被操控运动后的关节位置确定的；根据所述当前姿态确定所述目标操作臂的目标关节位置；根据所述目标关节位置控制所述目标操作臂(或者说所述目标操作臂末端的器械)运动。

例如，在所述控制臂被操控运动时，获取所述控制臂的当前姿态；将所述控制臂的当前姿态通过坐标转换换算成目标操作臂的目标姿态；将该操作臂的目标姿态逆解成该目标操作臂的目标关节位置；控制该目标操作臂运动，以使其接近(或达到)所述目标关节位置。

进一步地，可以在所述控制臂末端的姿态与所述器械的姿态在相同参考坐标系中保持一致的情况下，对所述控制臂及所述目标操作臂末端的器械进行匹配。

当然，这多个控制臂可能只有部分控制臂匹配成功，此时，只有这些匹配成功的控制臂可以使用。

在本申请实施例中，将所述手术机器人的第一信息与第一条件进行否匹配，并在所述第一信息与所述第一条件匹配的情况下，对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系，对所述控制臂与所述器械进行匹配，可以保证手术机器人在安全的条件下运转，能够提高手术机器人的操作安全性，进而可以保证手术的安全性及可靠性。

本申请实施例提供一种手术机器人的控制方法，该控制方法可以由控制器执行。如图5所示，该控制方法500包括下述多个步骤：

S501，确定手术机器人是否处于空闲状态。

可选地，可以通过所述手术机器人对应的状态机进行判断。例如，当状态机处于空闲状态时，可以确定所述手术机器人处于空闲状态。

所述手术机器人可以包括主操作台和从操作设备，所述主操作台可以包括一个或多个控制臂，所述从操作设备可以包括一个或多个操作臂。为便于描述，图5中以所述主操作台包括左手控制臂和右手控制臂为例进行说明。

若手术机器人处于空闲状态，则可以执行S502，否则，可以执行S510。

S502，判断所述手术机器人的状态与第一条件是否匹配。

所述第一条件可以包括以下至少一项：

所述多个操作臂中的至少一个操作臂的末端安装有器械且所述器械安装完成、所述主操作台和所述从操作设备处于正常连接状态、未收到所述主操作台中离合的控制命令、未收到内窥镜控制命令、未收到所述主操作台的关机指令、未收到所述从操作设备的关机指令、所述主操作台未报错、所述从操作设备未报错、医生的头部位于所述主操作台的指定区域、未使用所述操作臂对应的调整按钮、所述多个操作臂中的一个操作臂的末端安装有内窥镜。

若所述手术机器人的状态与第一条件匹配，则可以执行S504，否则，可以执行S503。

S503，对所述手术机器人进行复位操作。

可选地，当所述第一信息与所述第一条件不匹配时，可以对所述手术机器人进行复位操作。

例如，可以获取所述手术机器人的运行状态；判断所述手术机器人的运行状态与第二条件是否匹配；在所述手术机器人的运行状态与所述第二条件匹配的情况下，对所述手术机器人进行复位操作。其中，所述第二条件可以包括医生的头部离开所述主操作台的指定区域、和/或未收到所述主操作台中离合的控制命令。

例如，若医生的头部离开所述主操作台的指定区域，则复位安装于从操作设备中的操作臂末端的器械的匹配命令。其中，该匹配命令可以用于指示对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系、执行匹配握手流程。

或者，在对所述手术机器人进行复位操作时，若未收到离合控制命令，则将所述控制臂置为阻抗状态。

S504，对所述控制臂与安装于所述目标操作臂末端的器械建立主从映射关系。

例如，可以接收切换指令；获取可操作的控制臂的数量X，以及可操作的控制臂对应的可切换的臂的数量Y，其中，X和Y均为整数；可以获取与可操作的控制臂连接的操作臂的编号。

其中，所述可切换的臂可以指所述多个操作臂中的无故障、未按下其对应的调整按钮、未被连接、且未被禁用的操作臂。

若可切换的臂的数量Y小于0，则不可进行切换，此时，可以退出并输出相应的提示信息。

若可切换的臂的数量Y等于1，所述操作臂不存在故障，且未被按下其对应的调整按钮，则可以将所述操作臂确定为所述目标操作臂。

若可切换的臂的数量Y大于1，则可以通过下述两种方式确定所述控制臂对应的所述多个操作臂中的可切换臂，具体如下：

方式一：

依次确定所述可切换臂中的每个可切换臂是否为所述目标操作臂。

方式二：

将所述可切换臂中的指定操作臂确定为所述目标操作臂。

此时，可以对所述控制臂与安装于所述目标操作臂末端的器械建立主从映射关系。

S505，判断手术机器人的左手控制臂是否满足第三条件。

所述第三条件可以包括下述至少一项：未使用所述控制臂对应的离合、获取所述目标操作臂末端的器械的位姿数据成功、及所述目标操作臂对应的调整按钮未按下。

若所述左手控制臂满足第三条件，则可以执行S507，否则，可以执行S510。

S506，判断手术机器人的右手控制臂是否满足第三条件。

若所述右手控制臂满足第三条件，则可以执行S507，否则，可以执行S510。

S507，获取控制臂的匹配状态。

例如，可以获取控制臂当前连接的所述目标操作臂末端的器械的编号。

S508，对所述控制臂与所述目标操作臂末端的器械进行匹配。

例如，控制臂可以接收所述目标操作臂末端的器械发送的匹配请求，随后，控制臂开始运动，对齐该器械的位姿；将该器械对应的匹配开始标识置为真(true)，并开始匹配流程；若匹配成功，则控制臂可以反馈匹配成功信号。若器械匹配成功，则将主控制台设置为对位成功状态，将对应器械的匹配开始标识置为假(false)，将该目标操作臂的匹配状态修改为匹配成功状态；否则，将主控制台设置为重新对位状态。

S509，匹配成功。

此时，医生可以通过该控制臂对所述操作臂末端的器械进行主从控制。

S510，退出。

上述实施例的手术机器人还可以是多孔手术机器人。多孔手术机器人与单孔手术机器人之间的区别主要在从操作设备上。图6示意了一种多孔手术机器人的从操作设备。该多孔手术机器人中从操作设备的操作臂具有依次连接的主臂110、调整臂120及操纵器130。调整臂120及操纵器130均为两个以上，例如四个，主臂110远端具有定向平台，调整臂120近端均连接于定向平台，操纵器130近端连接于调整臂120远端。操纵器130用于可拆卸地连接操作臂150，操纵器130具有多个关节组件。在多孔手术机器人中，不同操作臂150通过不同的穿刺器插入患者体内，多孔手术机器人的操作臂150相较于单孔手术机器人的操作臂31而言，一般具有较少的自由度，通常，操作臂150仅具有姿态自由度(即定向自由度)，当然其姿态的变化一般也对位置产生影响，但因为影响较小通常可以被忽略。操作臂150的位置常由操纵器130辅助实现，由于操纵器130与操作臂150联动实现位姿变化，可以将这两者认为是操纵器组件，与单孔手术机器人中操作臂31相当。

本申请一实施例中，提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被配置为由处理器加载并执行实现如下步骤：将获取的关联于所述手术机器人的第一信息与第一条件进行匹配；当所述第一信息与所述第一条件匹配时，对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系；根据所述器械的姿态控制所述控制臂运动，以使得所述控制臂末端的姿态与所述器械的姿态在相同参考坐标系中保持一致。计算机程序还可以被配置为由处理器加载并执行上述图4及图5中的各个实施例的其他步骤。

本申请一实施例中，提供一种手术机器人的控制装置700。如图7所示，该控制装置可以包括：处理器(processor)701、通信接口(Communications Interface)702、存储器(memory)703、以及通信总线704。

处理器701、通信接口702、以及存储器703通过通信总线704完成相互间的通信。

通信接口702，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701，用于执行程序705，具体可以执行上述方法实施例中的相关步骤。

具体地，程序705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701可能是中央处理器CPU，或者是特定集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路，或者是图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)。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703，用于存放程序705。存储器703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705具体可以用于使得处理器701执行以下操作：在手术机器人处于空闲状态时，将获取的关联于所述手术机器人的第一信息与第一条件进行匹配；当所述第一信息与所述第一条件匹配时，对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系；根据所述器械的姿态控制所述控制臂运动，以使得所述控制臂末端的姿态与所述器械的姿态在相同参考坐标系中保持一致。程序705还可以用于使得处理器701执行上述图4及图5中的各个实施例的其他步骤。

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。

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)

1.一种手术机器人的控制方法，其特征在于，所述手术机器人包括控制臂，所述控制方法包括：

获取所述手术机器人的运行状态；

判断所述手术机器人的运行状态与第二条件是否匹配，所述第二条件包括未收到用于离合的控制命令；

在所述手术机器人的运行状态与所述第二条件匹配的情况下，调节所述控制臂中多个关节组件对应的驱动机构的输出合力矩，其中，所述输出合力矩包括第一力矩和第二力矩之和，所述第一力矩用于平衡所述关节组件远端的负载的重力矩，所述第二力矩用于恢复所述关节组件的关节位置。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在所述调节多个关节组件对应的驱动机构的输出合力矩之前，所述方法还包括：

获取传感器检测的所述关节组件的初始关节位置和当前关节位置；

根据所述初始关节位置和所述当前关节位置计算所述关节组件的关节位置变量；

基于所述关节位置变量确定对应于所述关节组件的所述驱动机构输出的所述第二力矩。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述第二力矩随着所述关节位置变量的增大而增大。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述第二力矩与所述关节位置变量之间的关系为下式：

τ＝k*Δx

其中，τ为所述第二力矩，k为刚度系数，Δx为所述关节位置变量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制方法，其特征在于，在所述调节多个关节组件对应的驱动机构的输出合力矩之前，所述方法还包括：

获取传感器检测的至少所述第一关节组件及所述第一关节组件远端的所述关节组件的关节位置；

结合所述关节位置及关联于所述第一关节组件的动力学模型确定对应于所述第一关节组件的所述驱动机构期望输出的所述第一力矩。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述手术机器人包括主操作台和从操作设备，所述主操作台包括所述控制臂，所述从操作设备包括器械，所述控制方法还包括：

将获取的关联于所述手术机器人的第一信息与第一条件进行匹配；

当所述第一信息与所述第一条件匹配时，对所述控制臂与所述器械建立主从映射关系；

根据所述器械的姿态控制所述控制臂运动，以使得所述控制臂末端的姿态与所述器械的姿态在相同参考坐标系中保持一致；

其中，所述第一信息包括所述手术机器人的主操作台的状态信息和从操作设备的状态信息，所述第一条件包括所述手术机器人处于空闲状态。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述从操作设备包括多个用于安装所述器械的操作臂，所述第一条件包括以下至少一项：

所述多个操作臂中的至少一个操作臂的末端安装有器械且所述器械安装完成、所述主操作台和所述从操作设备处于正常连接状态、未收到所述主操作台中离合的控制命令、未收到内窥镜控制命令、未收到所述主操作台的关机指令、未收到所述从操作设备的关机指令、所述主操作台未报错、所述从操作设备未报错、医生的头部位于所述主操作台的指定区域、未使用所述操作臂对应的调整按钮、所述多个操作臂中的一个操作臂的末端安装有内窥镜。

8.一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臂，所述控制方法包括：

获取所述手术机器人的运行状态；

判断所述手术机器人的运行状态与第二条件是否匹配，所述第二条件包括未收到用于离合的控制命令；

在所述手术机器人的运行状态与所述第二条件匹配的情况下，将所述控制臂置为阻抗状态，以使所述控制臂处于具有弹性的状态，进而当外力施加在所述控制臂时，所述控制臂的当前位置将相对于原位置变化，当施加在所述控制臂的外力消失时，所述控制臂将回弹至原位置。

9.一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存储有计算机程序，所述计算机程序被配置为由处理器加载并执行实现如权利要求1至8中任一项所述的控制方法的步骤。

10.一种手术机器人的控制装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

及处理器，用于加载并执行所述计算机程序；

其中，所述计算机程序被配置为由所述处理器加载并执行实现如权利要求1至8中任一项所述的控制方法的步骤。