CN117503360A - 手术床与手术机器人的联动系统 - Google Patents

Abstract

本说明书公开了手术床与手术机器人的联动系统，借助于测量机器人确定手术床与手术机器人之间的位姿变换关系，并在手术床运动过程中采用测量机器人实时测量手术床的位姿，可以根据手术床的实时位姿调整手术机器人机械臂的位姿，使得手术器械与手术床的相对位置关系保持不变。本方案仅需要在原有的通用手术床、手术机器人的基础上增设测量机器人即可实现手术床与手术机器人的联动，成本较低；本方案通过末端固定在手术床的测量机器人来测量手术床的位姿，手术床位姿一旦变化便可以检测到，并根据手术床的位姿变化确定快速确定手术机器人的联动方案，联动控制方法实时性较高、手术床的位姿检测精度较高，从而联动控制的准确性较高。

Description

手术床与手术机器人的联动系统

技术领域

本申请涉及智能手术系统技术领域，特别涉及手术床与手术机器人的联动系统。

背景技术

在手术的过程中，手术机器人在手术医生的控制下在患者身上执行具体的手术操作。在一些情况下，会需要调节患者身下的手术床的倾斜角来调节用户的位姿，以利于手术操作。在患者的位姿发生变化之后，机械臂与患者的相对位置发生了改变，这使得手术机器人原先的手术规划信息等都需要进行相应调整。通常情况下，手术床是通用的，是与手术机器人是没有信息交互的，从而较难实现这一调整过程。

为了能够实现这一调整过程，现有技术通常采用以下三种方法：1、定制手术床与手术机器人为一个联动系统，也即使得手术床与手术机器人之间能够进行信息交互，这样便可以实现手术床位姿调整时手术机器人随之调整；2、在使用通用手术床的情况下，通过光学导航系统测量RCM(Remote Center of Motion，远端运动中心点)点在手术床位姿变化前、后的坐标，根据RCM点在手术床位姿变化前、后的坐标来确定手术器械调整的目标位姿，以使调整后的手术器械与患者的相对位置不变；3、在使用通用手术床的情况下，通过设置在手术床上的陀螺仪和相机等确定手术床位姿变化前、后的位姿，根据手术床位姿变化前、后的位姿确定手术器械调整的目标位姿，以使调整后的手术器械与患者的相对位置不变。

上述方法1中定制手术床的成本较高，方法2中光学导航系统的信号频率为60Hz，延时较大，影响手术效率，方法3中陀螺仪和相机的计算精度较低，误差较大。

发明内容

本说明书的目的是提供一种手术床与手术机器人的联动系统，以解决现有手术床与手术机器人的联动方式成本高、延时大、精度低的问题。

为解决上述技术问题，本说明书提供一种手术床与手术机器人的联动系统，包括手术床、手术机器人和测量机器人；所述手术床上用于设置所述手术机器人的远端运动中心；通过手术机器人、测量机器人对于同一目标的位姿记录确定手术机器人基座与测量机器人基座之间的第一变换关系；在所述测量机器人末端固定于手术床上时，通过所述手术机器人确定所述远端运动中心与测量机器人末端之间的第二变换关系；根据所述第一变换关系、所述第二变换关系确定所述远端运动中心与所述手术机器人末端器械之间的第三变换关系；维持所述测量机器人末端固定于手术床上，根据基于所述第一变换关系、所述第二变换关系、所述第三变换关系以及测量机器人的实时测量结果控制手术机器人末端随手术床运动，以使在手术床位姿变化前后所述手术机器人末端器械与所述远端运动中心的相对位姿不变。

在一些实施例中，所述手术机器人与所述手术床的预定面平行设置；或者，所述手术机器人与所述手术床的预定面呈角度设置；其中，所述手术床的预定面为用于固定所述测量机器人末端的一侧表面。

在一些实施例中，所述手术床具有一个活动自由度，实现所述活动自由度的旋转轴水平设置，并且所述旋转轴与所述预定面垂直设置。

在一些实施例中，所述手术机器人与所述手术床的预定面之间的角度，包括所述手术机器人基座的一侧表面与所述手术床的预定面之间的角度。

在一些实施例中，所述手术机器人基座上设置有第一测量基准、第二测量基准，所述测量机器人末端设置有距离测量装置；通过所述测量机器人末端分别对准第一测量基准、第二测量基准时所述距离测量装置的测量结果以及所述测量机器人记录的末端位置，确定所述手术机器人与所述手术床的预定面之间的夹角。

在一些实施例中，所述测量机器人包括三自由度机械臂和设置于所述三自由度机械臂末端关节的固定块，所述三自由度机械臂的末端关节通过所述固定块固定于所述手术床上的目标点；所述三自由度机械臂包括相互平行的三个关节轴，所述三自由度机械臂的末端关节可绕所述固定块转动；其中，在所述三自由度机械臂运动时，所述固定块可在三个自由度上移动。

在一些实施例中，确定所述第一变换关系包括：在所述测量机器人末端固定在所述手术床上时，记录所述测量机器人的末端位姿；维持所述测量机器人和所述手术床的位姿，并控制所述手术机器人末端触碰所述测量机器人末端，记录手术机器人的第一末端位姿；根据所述测量机器人的末端位姿和所述手术机器人的第一末端位姿，确定所述第一变换关系。

在一些实施例中，确定所述第二变换关系包括：在所述测量机器人末端固定在所述手术床上时，记录测量机器人的末端位姿；维持所述测量机器人和所述手术床的位姿，并控制手术机器人末端至所述远端运动中心，记录所述手术机器人的第二末端位姿；根据所述测量机器人的末端位姿和所述手术机器人的第二末端位姿，确定所述第二变换关系。

在一些实施例中，确定所述第三变换关系包括：维持所述测量机器人和所述手术床的位姿，并通过手术机器人确定手术机器人末端器械的位姿；根据所述测量机器人的末端位姿、所述手术机器人末端器械的位姿、所述第一变换关系、所述第二变换关系，确定所述第三变换关系。

在一些实施例中，控制手术机器人末端随手术床运动，包括：采用所述第一变换关系、所述第二变换关系对所述测量机器人记录的目标点的实时位姿进行处理，得到所述远端运动中心的预计位姿；对所述远端运动中心的预计位姿采用所述第三变换关系，得到所述手术机器人末端器械的新位姿；控制所述手术机器人末端器械移动至所述新位姿。

本说明书所提供的手术床与手术机器人的联动系统，借助于测量机器人确定手术床与手术机器人之间的位姿变换关系，并在手术床运动过程中采用测量机器人实时测量手术床的位姿，可以根据手术床的实时位姿调整手术机器人机械臂的位姿，使得手术器械与手术床的相对位置关系保持不变。

本方案仅需要在原有的通用手术床、手术机器人的基础上增设测量机器人即可实现手术床与手术机器人的联动，成本较低；本方案通过末端固定在手术床的测量机器人来测量手术床的位姿，手术床位姿一旦变化便可以检测到，并根据手术床的位姿变化确定快速确定手术机器人的联动方案，联动控制方法实时性较高、手术床的位姿检测精度较高，从而联动控制的准确性较高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为手术床与手术机器人的联动控制系统的立体示意图；

图2为手术床与手术机器人的联动控制系统的俯视示意图；

图3为测量机器人的结构示意图；

图4为测量手术机器人与手术床的侧面之间的夹角的立体示意图；

图5为测量手术机器人与手术床的侧面之间的夹角的俯视示意图；

图6为本说明书提供的手术床与手术机器人的联动控制方法的流程图；

图7为测量机器人与手术机器人测量目标点坐标的示意图；

图8为确定测量机器人末端与远端运动中心之间变换关系时所涉及的测量机器人坐标系、手术机器人坐标系、手术机器人末端位姿、远端运动中心位姿的示意图；

图9为手术机器人安装了手术器械的示意图；

图10为手术床与手术机器人联动控制过程中所涉及的测量机器人坐标系、手术机器人坐标系、手术机器人末端位姿、远端运动中心位姿、手术器械位姿的示意图；

图11为手术床位姿变化之前的手术场景示意图；

图12为手术床位姿变化之后手术机器人未随之调整的示意图；

图13为本说明书提供的控制器的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本申请保护的范围。

如图1和图2所示，本说明书提供一种手术床与手术机器人的联动系统，包括手术床100、手术机器人200和测量机器人300。

手术床100上用于设置手术机器人200的远端运动中心(Remote Center ofMotion，RCM)。手术机器人200的手术臂末端安装手术器械对手术床100上的患者执行腔内手术时，手术器械通过患者身上的开口伸入腔体内。为防止手术过程对患者身上开口处造成损伤，手术臂在运动的过程中使得手术器械围绕开口处的一个固定点(不考虑呼吸作用的情况下远端运动中心为固定点)进行旋转，该固定点即为远端运动中心。

手术床100包括支柱110和床板120，床板120可活动地安装在支柱110上。

在一些实施例中，床板120与支柱110之间具有多个活动自由度，例如，手术床100的运动方式可以包括床板120一端翘起另一端下落式的“跷跷板”运动、床板120整体上升或下降、床板120绕支柱110做旋转运动。相应地，测量机器人300也应当具有多个活动自由度，且实现各活动自由度的旋转轴不完全平行。

在另一些实施例中，可以设置床板120和支柱110之间具有一个活动自由度，实现该活动自由度的旋转轴水平设置。手术床100上的预定面为用于固定测量机器人300末端的表面。预定面可以是手术床100的床板120的地面或者前侧面(即患者头部一侧的侧表面)、后侧面(即患者脚部一侧的侧表面)，如图7至图13所示，预定面可以是指床板120上位于手术机器人200的一侧的侧表面。

在预定面为床板120上位于手术机器人200的一侧的侧表面的情况下，测量机器人300可以包括基座310、三自由度机械臂320和设置于三自由度机械臂末端关节的固定块330，三自由度机械臂320的末端关节通过该固定块330固定于手术床100上的目标点。如图3所示，三自由度机械臂320包括第一测量杆321、第二测量杆322以及相互平行的三个关节轴，三自由度机械臂320的末端关节可绕固定块330转动。在三自由度机械臂运动时，固定块330可在三个自由度上移动。图3中的虚线表示关节轴的旋转中心轴。

三自由度的测量机器人300只能够在平面内活动，设置手术床具有一个活动自由度，实现该活动自由度的旋转轴水平设置，并且该旋转轴与预定面垂直设置。这一设置方式下手术床100无论位姿如何变化，位于手术机器人200一侧的侧表面都是在侧平面内活动，从而末端固定在手术床100该侧面的测量机器人300只在平面内活动就能够跟随手术床100运动并实时测量手术床100的位姿。这一设置方式使得测量机器人能够采用结构最为简单的三自由度测量机器人，从而极大地降低联动系统的成本与联动控制方法的复杂度。

手术机器人200设置在手术床100的一侧，用于对手术床100上的患者执行手术操作。手术机器人200与手术床100的预定面可以平行设置，也可以呈角度设置(即不平行设置)。

手术机器人200与手术床100的预定面所呈角度是指，手术机器人200的基座坐标系中的一个预定坐标轴与手术床100的预定面之间的角度。

在手术机器人200与手术床100的预定面平行设置的情况下，确定手术机器人基座与测量机器人基座之间变换关系的复杂度相对较低。

然而，在术前对手术机器人进行摆位时，通常难以确定手术机器人基座坐标系中的预定坐标轴的方向，因此通常情况下手术机器人200与手术床100的预定面之间夹角是不确定的。为了使得本说明书提供的联动系统适用于手术机器人200的任意摆位情况，可以设置手术机器人200的基座坐标系中的预定坐标轴与手术机器人200基座的一侧表面平行，那么手术机器人200与手术床100的预定面之间的角度也就是手术机器人200基座的一侧表面与手术床100的预定面之间的角度。

如图1、图2和图4所示，可以在手术机器人200基座上设置第一测量基准A、第二测量基准B，根据测量机器人300对于第一测量基准A、第二测量基准B的测量结果确定手术机器人200与手术床100之间的夹角。

在测量机器人300为多自由度机械臂且多个关节轴不完全平行的情况下，可以直接移动测量机器人300末端分别至第一测量基准A、第二测量基准B进行测量。在测量机器人300包括三个关节轴相互平行的三自由度机械臂的情况下，可以在测量机器人300末端设置位移测量装置、距离测量装置340，如图2和图5所示，移动测量机器人300的末端分别对准第一测量基准A、第二测量基准B时，通过位移测量装置测量末端的移动位移，通过距离测量装置340测量末端与第一测量基准A、第二测量基准B之间的距离。

如图1、图2、图4和图5，在测量机器人300包括三个关节轴相互平行的三自由度机械臂，且保持测量机器人300的机械臂与手术床100的预定面平行的情况下，测量机器人300末端无法移动至第一测量基准A、第二测量基准B，只能够到达第一测量基准A、第二测量基准B在其活动平面上的投影位置，该投影位置也即测量基准对应位置。距离测量装置340所发射的测距信号是与测量机器人300的活动平面垂直的，因此当测量机器人300末端移动至对准第一测量基准A对应位置时，可以通过距离测量装置340测得与第一测量基准A的距离L₁，同时记录测量机器人300末端的第一位置P1(x₁，y₁)；当测量机器人300末端移动至对准第二测量基准B对应位置时，可以通过距离测量装置340测得与第二测量基准B的距离L₂，同时记录距离测量装置340的第二位置P2(x₂，y₂)。

在测量机器人300的机械臂与手术床100的预定面平行的情况下，测量机器人300的活动平面与手术机器人200的夹角也就是手术床100的预定面与手术机器人200的夹角。那么，手术床100的预定面与手术机器人200的夹角θ可以通过以下公式计算得到：

上述距离测量装置340可以是激光测距装置、超声测距装置、红外测距装置等。

基于此可以预想到，在测量机器人300的多个关节轴不完全平行的情况下，也可以通过测量机器人300的测量和计算得到手术机器人200相对于手术床100的夹角，只是计算过程更为复杂。本说明书不再详述。

下面介绍本说明书提供的手术床与手术机器人的联动系统实现联动控制的方式。需要注意的是，该联动控制方式可以用于上述提及的只有一个活动自由度的手术床、图3所示的测量机器人，也可以用于上述提及的具有多个活动自由度的手术床、多个关节轴不完全平行的测量机器人等。下文及其相关附图仅以该联动控制方式用于上述提及的只有一个活动自由度的手术床、图3所示的测量机器人为例来阐述本说明书提供的联动控制方式，但是并不表示该联动控制方式仅限于采用只有一个活动自由度的手术床、图3所示的测量机器人。

如图6所示，该手术床与手术机器人的联动系统通过如下S10-S30实现手术床与手术机器人的联动控制。

S10：通过手术机器人、测量机器人对于同一目标的位姿记录确定手术机器人基座与测量机器人基座之间的第一变换关系。

以手术机器人基座上一点建立第一坐标系，以测量机器人基座上一点建立第二坐标系，那么手术机器人基座与测量机器人基座之间的变换关系是指第一坐标系与第二坐标系之间的变换关系。

在本申请中，“采用变换关系矩阵对坐标进行变换”、“采用变换关系矩阵的逆矩阵对坐标进行变换”都称为采用变换关系对坐标进行变换。在对坐标进行变换时，具体采用变换关系矩阵本身还是其逆矩阵是容易确定的，本申请不进行区分。

由于在手术过程中手术机器人基座和测量机器人基座的位姿是不变的，因此，在术前将手术机器人与测量机器人的摆位确定之后，手术机器人基座和测量机器人基座之间的变换关系就已确定。可以在术前预先确定手术机器人基座和测量机器人基座之间的变换关系。

手术机器人的内部数据处理系统具备精确定位手术机器人末端具体位姿的能力，因此，可以控制手术机器人末端移动至一个目标点，将手术机器人末端位姿作为手术机器人记录的目标点位姿。具体实施过程中，可以通过手术机器人的控制端用户操作组件控制手术机器人末端移动至该目标点，也可以由用户直接拖动机械臂使得手术机器人末端移动至该目标点。

测量机器人的内部数据处理系统也具备精确定位测量机器人末端具体位姿的能力，因此，可以移动测量机器人末端移动至该目标点，将测量机器人末端位姿作为测量机器人记录的目标点位姿。

理论上，目标点可以是任意一点，也可以是直接采用手术机器人的末端接触测量机器人末端，并在接触时记录手术机器人末端的位姿、测量机器人末端的位姿。

在联动控制的过程中，测量机器人末端被固定在手术床上，那么为了简化联动控制方法，在一些实施例中，如图7所示，确定手术机器人基座与测量机器人基座之间的第一变换关系可以包括如下S11至S13。

S11：在测量机器人末端固定在手术床上时，记录测量机器人的末端位姿。

S12：维持测量机器人和手术床的位姿，并控制手术机器人末端触碰测量机器人末端，记录手术机器人的第一末端位姿。

S13：根据测量机器人的末端位姿和手术机器人的第一末端位姿确定第一变换关系。

例如，如图7所示，以测量机器人基座上的一个固定点为坐标原点、测量臂的运动平面为xoy平面建立测量机器人坐标系，以手术机器人基座上的一个固定点为坐标原点建立手术机器人坐标系，手术机器人坐标系的x轴可以与上述第一测量基准、第二测量基准所在的直线平行。

测量机器人末端固定在手术床上的目标点，此时测量机器人的末端位姿为P_m(x_m，y_m，0)，维持测量机器人和手术床的位姿不变的情况下，手术机器人末端触碰测量机器人末端时，手术机器人的第一末端位姿为P _{r m}(x _{r m}，y _{r m}，z _{r m})。

假设手术机器人与手术床的夹角为θ，那么可以构建测量机器人坐标系与手术机器人坐标系之间的第一变换关系矩阵为：

其中为p_rmx、p_rmy、p_rmz待求变量。根据可以得到以下三个等式：

上述三个等式中的(0)、(1)、(2)分别表示x、y、z坐标。根据这三个等式可以计算出上述第一变换关系矩阵中的三个变量p_rmx、p_rmy、p_rmz，从而也就确定了第一变换关系矩阵。

需要说明的是，在一些情况下，采用图1、图2、图4、图5所示的方式确定手术机器人相对于手术床的夹角之后，需要将移动测量机器人300向手术床100移动一段距离才能够将测量机器人300末端固定在手术床的侧面，移动前后都需要保持测量机器人300的活动平面与手术床100的预定面平行。保持平行的方法并不是本方案的关键，而且现有技术中有很多种方法可以保持两个平面平行，故本说明书不再详述。

本说明书所述的“平行”可以不是绝对的平行，只需要误差在操作精度允许的范围内即可。

S20：在所述测量机器人末端固定于手术床上时，通过所述手术机器人确定所述远端运动中心与测量机器人末端之间的第二变换关系；根据所述第一变换关系、所述第二变换关系确定所述远端运动中心与所述手术机器人末端器械之间的第三变换关系。

远端运动中心与测量机器人末端之间的变换关系是指，同一坐标系下的远端运动中心位姿、测量机器人末端位姿之间变换关系。或者，以远端运动中心为坐标原点建立第三坐标系，以测量机器人末端为坐标原点建立第四坐标系，远端运动中心与测量机器人末端之间的变换关系是指第三坐标系与第四坐标系之间的变换关系。

在手术过程中，手术机器人具备实时、精确定位远端运动中心位姿的能力，测量机器人具备实时、精确定位测量机器人末端位姿的能力。由于测量机器人末端固定在手术床上，因此，可以以测量机器人末端位姿作为手术床的位姿，也就是说，在手术过程中，测量机器人具备实时、精确定位手术床位姿的能力。

在手术过程中，远端运动中心的位置是不变的(不考虑呼吸作用的情况下)，无论手术床的位姿如何变化，远端运动中心相对于测量机器人末端的位姿是不变的，也即测量机器人末端与远端运动中心的位姿变换关系是不变的。可以预先确定测量机器人末端与远端运动中心之间的变换关系，以用于术中实时确定远端运动中心的新位姿，并基于远端运动中心的新位姿确定手术机器人末端器械的新位姿，以使得在手术床位姿变换前后，手术机器人末端器械与远端运动中心的相对位姿不变。

在一些实施中，确定远端运动中心与测量机器人末端之间的第二变换关系包括如下S21至S23。

S21：在测量机器人末端固定在手术床上时，记录测量机器人的末端位姿。

S21和S11中所记录的测量机器人的末端位姿可以是同一位姿数据。

S22：维持测量机器人和手术床的位姿不变，并控制手术机器人末端至远端运动中心，记录手术机器人的第二末端位姿。

S23：根据测量机器人的末端位姿和手术机器人的第二末端位姿，确定远端运动中心与测量机器人末端之间的第二变换关系。

沿用上例，如图8所示，测量机器人末端固定在手术床上的目标点时，此时测量机器人的末端位姿为T_m1，维持测量机器人和手术床的位姿不变的情况下，手术机器人末端移动至远端运动中心时，手术机器人的第二末端位姿为P_r1(x_r1，y_r1，z_r1)。

可以构造远端运动中心与测量机器人末端之间的第二变换关系矩阵为：

其中，p_mrcmx、p_mrcmy、p_mrcmz为待求变量。

测量机器人的末端位姿T_m1采上述第一变换关系、第二变换关系变化之后便可以计算出远端运动中心在手术机器人坐标系下的坐标，即其中，/>经过坐标变换计算得到的远端运动中心在手术机器人坐标系下的坐标，/>表示手术机器人坐标系与测量机器人坐标系之间的变换关系(也即上述第一变换关系)，/>表示测量机器人末端与远端运动中心之间的变换关系(也即上述第二变换关系)。

根据计算得到的远端运动中心位姿与手术机器人实际确定的远端运动中心位姿相等，即与P_r1(x_r1，y_r1，z_r1)相等，可以得到以下三个等式：

其中，表示矩阵/>中的第1行第4列的元素，/>表示矩阵/>中的第2行第4列的元素，/>表示矩阵/>中的第3行第4列的元素。根据这三个等式可以计算出上述第二变换关系矩阵中的三个变量p_mrcmx、p_mrcmy、p_mrcmz，从而也就确定了第二变换关系矩阵。

在一些实施例中，确定远端运动中心与手术机器人末端器械之间的第三变换关系包括如下S24和S25。

S24：维持所述测量机器人和所述手术床的位姿，并通过手术机器人确定手术机器人末端器械的位姿。

S25：根据所述测量机器人的末端位姿、所述手术机器人末端器械的位姿、所述第一变换关系、所述第二变换关系，确定所述第三变换关系。

图8为手术机器人末端未安装手术器械的情形，图9至图12为手术机器人末端安装了手术器械的情形。

沿用上例，如图10所示，依然保持测量机器人与手术床的位姿不变，在手术机器人末端安装了手术器械并开始执行手术操作后，通过手术机器人可实时确定手术器械的位姿，记手术机器人坐标系下的手术器械位姿为此时测量机器人的位姿(也即手术床的位姿)记为T_M，则通过手术床计算得到的远端运动中心在手术机器人坐标系下的位姿为：从而远端运动中心与手术机器人末端器械之间的第三位姿变换为：

其中，T_M表示测量机器人测得的手术床的位姿，表示手术机器人基座与测量机器人基座之间的变换关系，/>表示测量机器人末端与远端运动中心之间的变换关系；表示远端运动中心与手术机器人末端器械之间的第三位姿变换，/>表示手术机器人坐标系下的手术器械位姿，/>表示远端运动中心与手术机器人基座之间变换关系的逆运算(即矩阵的逆运算)。

S30：维持所述测量机器人末端固定于手术床上，根据基于所述第一变换关系、所述第二变换关系、所述第三变换关系以及测量机器人的实时测量结果控制手术机器人末端随手术床运动，以使在手术床位姿变化前后所述手术机器人末端器械与所述远端运动中心的相对位姿不变。

具体地，S30包括如下S31至S33。

S31：采用所述第一变换关系、所述第二变换关系对所述测量机器人记录的目标点的实时位姿进行处理，得到所述远端运动中心的预计位姿。

S32：对所述远端运动中心的预计位姿采用所述第三变换关系，得到所述手术机器人末端器械的新位姿。

S33：控制所述手术机器人末端器械移动至所述新位姿。

如图10所示，手术床位姿变化之后，远端运动中心的新位姿为T_m1'为手术床位姿变化之后测量机器人的新位姿，也即是手术床的新位姿，/>表示手术机器人基座与测量机器人基座之间的变换关系，/>表示测量机器人末端与远端运动中心之间的变换关系。

为保持手术器械与手术床位姿不变，也即是手术器械与远端运动中心的相对位姿不变，则手术器械的新位姿应当为：其中，/>为手术器械上目标点的新位姿，也即是手术器械的新位姿；/>为远端运动中心与手术器械之间的变换关系，为基于手术床的新位姿计算得到的远端运动中心的新位姿。

手术机器人控制机械臂使得手术器械调整至新位姿，即可以使得在手术床位姿变换前后手术器械与手术床的相对位姿不变。

图11为手术床位姿变化之前的手术场景示意图，此时手术器械与手术床之间的夹角为α。图12为手术床位姿变化之后手术机器人未随之调整手术器械位姿的示意图，此时手术器械与手术床之间的夹角更改为β。本说明书所提供的手术床与手术机器人的联动方式，在手术床的位姿变化之后能够控制手术器械的位姿随之改变，从而使得手术器械与手术床之间的夹角依然保持为α。

手术床与手术机器人联动的关键在于：建立手术床位姿与手术机器人坐标系之间的位姿变换关系。本说明书所提供的手术床与手术机器人的联动系统，借助于测量机器人确定手术床与手术机器人之间的位姿变换关系，并在手术床运动过程中采用测量机器人实时测量手术床的位姿，可以根据手术床的实时位姿调整手术机器人机械臂的位姿，使得手术器械与手术床的相对位置关系保持不变。

本方案仅需要在原有的通用手术床、手术机器人的基础上增设测量机器人即可实现手术床与手术机器人的联动，成本较低；本方案通过末端固定在手术床的测量机器人来测量手术床的位姿，手术床位姿一旦变化便可以检测到，并根据手术床的位姿变化确定快速确定手术机器人的联动方案，联动控制方法实时性较高、手术床的位姿检测精度较高，从而联动控制的准确性较高。

本发明实施例还提供了一种控制器，可以用于实现上述手术床与手术机器人的联动控制方式。如图13所示，该控制器可以包括处理器1301和存储器1302，其中处理器1301和存储器1302可以通过总线或者其他方式连接，图13中以通过总线连接为例。

处理器1301可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)等。

存储器1302作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的手术床与手术机器人的联动方式对应的程序指令/模块。处理器1301通过运行存储在存储器1302中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述联动控制方式。

存储器1302可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器1301所创建的数据等。此外，存储器1302可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器1302可选包括相对于处理器1301远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器1301。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器1302中，当被所述处理器1301执行时，执行上述联动控制方式。

上述控制器具体细节可以上述实施例中的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种手术床与手术机器人的联动系统，其特征在于，包括手术床、手术机器人和测量机器人；所述手术床上用于设置所述手术机器人的远端运动中心；

通过手术机器人、测量机器人对于同一目标的位姿记录确定手术机器人基座与测量机器人基座之间的第一变换关系；

在所述测量机器人末端固定于手术床上时，通过所述手术机器人确定所述远端运动中心与测量机器人末端之间的第二变换关系；根据所述第一变换关系、所述第二变换关系确定所述远端运动中心与所述手术机器人末端器械之间的第三变换关系；

维持所述测量机器人末端固定于手术床上，根据基于所述第一变换关系、所述第二变换关系、所述第三变换关系以及测量机器人的实时测量结果控制手术机器人末端随手术床运动，以使在手术床位姿变化前后所述手术机器人末端器械与所述远端运动中心的相对位姿不变。

2.根据权利要求1所述的手术床与手术机器人的联动系统，其特征在于，所述手术机器人与所述手术床的预定面平行设置；或者，所述手术机器人与所述手术床的预定面呈角度设置；

其中，所述手术床的预定面为用于固定所述测量机器人末端的一侧表面。

3.根据权利要求2所述的手术床与手术机器人的联动系统，其特征在于，所述手术床具有一个活动自由度，实现所述活动自由度的旋转轴水平设置，并且所述旋转轴与所述预定面垂直设置。

4.根据权利要求2所述的手术床与手术机器人的联动系统，其特征在于，所述手术机器人与所述手术床的预定面之间的角度，包括所述手术机器人基座的一侧表面与所述手术床的预定面之间的角度。

5.根据权利要求4所述的手术床与手术机器人的联动系统，其特征在于，所述手术机器人基座上设置有第一测量基准、第二测量基准，所述测量机器人末端设置有距离测量装置；

通过所述测量机器人末端分别对准第一测量基准、第二测量基准时所述距离测量装置的测量结果以及所述测量机器人记录的末端位置，确定所述手术机器人与所述手术床的预定面之间的夹角。

6.根据权利要求1所述的手术床与手术机器人的联动系统，其特征在于，所述测量机器人包括三自由度机械臂和设置于所述三自由度机械臂末端关节的固定块，所述三自由度机械臂的末端关节通过所述固定块固定于所述手术床上的目标点；所述三自由度机械臂包括相互平行的三个关节轴，所述三自由度机械臂的末端关节可绕所述固定块转动；其中，在所述三自由度机械臂运动时，所述固定块可在三个自由度上移动。

7.根据权利要求1所述的手术床与手术机器人的联动系统，其特征在于，确定所述第一变换关系包括：

在所述测量机器人末端固定在所述手术床上时，记录所述测量机器人的末端位姿；

维持所述测量机器人和所述手术床的位姿，并控制所述手术机器人末端触碰所述测量机器人末端，记录手术机器人的第一末端位姿；

根据所述测量机器人的末端位姿和所述手术机器人的第一末端位姿，确定所述第一变换关系。

8.根据权利要求1所述的手术床与手术机器人的联动系统，其特征在于，确定所述第二变换关系包括：

在所述测量机器人末端固定在所述手术床上时，记录测量机器人的末端位姿；

维持所述测量机器人和所述手术床的位姿，并控制手术机器人末端至所述远端运动中心，记录所述手术机器人的第二末端位姿；

根据所述测量机器人的末端位姿和所述手术机器人的第二末端位姿，确定所述第二变换关系。

9.根据权利要求8所述的手术床与手术机器人的联动系统，其特征在于，确定所述第三变换关系包括：

维持所述测量机器人和所述手术床的位姿，并通过手术机器人确定手术机器人末端器械的位姿；

根据所述测量机器人的末端位姿、所述手术机器人末端器械的位姿、所述第一变换关系、所述第二变换关系，确定所述第三变换关系。

10.根据权利要求1所述的手术床与手术机器人的联动系统，其特征在于，控制手术机器人末端随手术床运动，包括：

采用所述第一变换关系、所述第二变换关系对所述测量机器人记录的目标点的实时位姿进行处理，得到所述远端运动中心的预计位姿；

对所述远端运动中心的预计位姿采用所述第三变换关系，得到所述手术机器人末端器械的新位姿；

控制所述手术机器人末端器械移动至所述新位姿。