CN117549328A - 手术机器人的摆位系统、方法和手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种手术机器人的摆位系统、方法和手术机器人系统。所述系统包括：第一确定模块，用于确定手术机器人中持械臂的末端的预设工作空间，预设工作空间为使得与持械臂连接的器械能够对病灶区域进行操作的最小空间；第二确定模块，用于根据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度，确定在持械臂的戳卡的第一目标位姿不变时持械臂的末端的第一工作空间，第一工作空间大于预设工作空间；第一摆位模块，用于根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位。采用本系统能够减少对医生的依赖，并减少摆位时间。

Description

手术机器人的摆位系统、方法和手术机器人系统

技术领域

本申请涉及医学技术领域，特别是涉及一种手术机器人的摆位系统、方法和手术机器人系统。

背景技术

随着机器人技术的进步，手术机器人越来越广泛地应用于微创手术中。手术机器人在手术前需要摆位到合理的位置，保证足够的手术空间，避免手术机器人的机械臂之间的碰撞。目前，手术机器人的摆位过程需要医生通过阅读指导手册手动完成，摆位过程中过于依赖医生的经验，同时摆位时间也较长。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够减少对医生的依赖，并减少摆位时间的手术机器人的摆位系统、方法和手术机器人系统。

第一方面，本申请提供了一种手术机器人的摆位系统，包括：

第一确定模块，用于确定手术机器人中持械臂的末端的预设工作空间，预设工作空间为使得与持械臂连接的器械能够对病灶区域进行操作的最小空间；

第二确定模块，用于根据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度，确定在持械臂的戳卡的第一目标位姿不变时持械臂的末端的第一工作空间，第一工作空间大于预设工作空间；

第一摆位模块，用于根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位。

在其中一个实施例中，持械臂包括偏摆关节和俯仰关节，第一工作空间包括在偏摆关节和俯仰关节处于对应的最大运动范围的情况下，持械臂的末端的运动范围。

在其中一个实施例中，第二确定模块包括：

第一确定单元，用于针对各第一预设角度，基于第一目标位姿和第一预设角度进行逆运动学求解，确定持械臂中各关节的第二目标角度；

第二确定单元，用于根据偏摆关节的第二目标角度和偏摆关节的限位角度，确定第一预设角度对应的持械臂的偏摆关节的最大运动范围，并根据俯仰关节的第二目标角度和俯仰关节的限位角度，确定第一预设角度对应的持械臂的俯仰关节的最大运动范围。

在其中一个实施例中，第二确定单元，还用于：

确定目标关节的第二目标角度与目标关节的限位角度之间的最小差值；

根据最小差值确定第一运动范围；

其中，在目标关节为偏摆关节的情况下，第一运动范围为偏摆关节的最大运动范围；在目标关节为俯仰关节的情况下，第一运动范围为俯仰关节的最大运动范围。

在其中一个实施例中，该系统还包括：

第三确定模块，用于根据第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度和相邻已摆位机械臂的位姿确定碰撞风险；

第四确定模块，用于确定碰撞风险最小的第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度为第一目标角度。

在其中一个实施例中，第一摆位模块，还用于：

根据第一工作空间所对应的各关节的第一目标角度以及持械臂中各关节的当前角度，控制持械臂进行摆位。

在其中一个实施例中，第一确定模块包括：

第三确定单元，用于确定病灶区域对应的第一模拟模型；

第四确定单元，用于根据戳卡的远心点与病灶区域之间的距离以及第一模拟模型的尺寸信息，确定预设工作空间；预设工作空间包括在持械臂中偏摆关节和俯仰关节处于对应的预设运动范围的情况下，持械臂的末端的运动范围。

在其中一个实施例中，第一模拟模型为椭球体；第四确定单元，还用于：

确定椭球体在目标方向的目标轴长与距离之间的目标比值；

根据目标比值的反正切函数确定第二运动范围；

其中，目标方向包括第一方向和第二方向；在目标方向为第一方向的情况下，目标轴长为椭球体在第一方向的轴长的一半，目标角度阈值为偏摆关节的预设运动范围；

在目标方向为第二方向的情况下，目标轴长为椭球体在第二方向的轴长，目标角度阈值为俯仰关节的预设运动范围。

在其中一个实施例中，在根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位之后，该系统还包括：

第五确定模块，用于确定病灶区域的第二模拟模型，并根据第二模拟模型更新预设工作空间。

在其中一个实施例中，第二模拟模型为球体；第五确定模块还包括：

第五确定单元，用于根据第一持械臂中戳卡的远心点的第一位置信息和第二持械臂中戳卡的远心点的第二位置信息，确定第二模拟模型的直径；第一持械臂和第二持械臂为术中操作的持械臂；

第六确定单元，用于根据直径更新预设工作空间。

在其中一个实施例中，第六确定单元，还用于：

确定直径的一半与距离之间的第一比值，并根据第一比值的反正切函数更新偏摆关节的预设运动范围；

确定直径与距离之间的第二比值，并根据第二比值的反正切函数更新偏摆关节的预设运动范围。

在其中一个实施例中，该系统还包括：

第六确定模块，用于获取持械臂中各关节的当前角度，并通过持械臂的正运动计算出第一目标位姿。

在其中一个实施例中，该系统还包括：

第七确定模块，用于在病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况下，根据持械臂中各关节的当前角度，确定悬吊盘坐标系下戳卡的远心点的第三位置信息和病灶区域的第四位置信息；悬吊盘坐标系基于手术机器人的悬吊盘的位置确定；

第八确定模块，用于根据第三位置信息和第四位置信息，确定持械臂的第一目标位姿；第一目标位姿为戳卡的远心点的第三位置信息不变且戳卡的轴线方向指向病灶区域的位姿信息。

在其中一个实施例中，第八确定模块包括：

第七确定单元，用于根据第三位置信息和第四位置信息确定目标姿态信息；

第八确定单元，用于根据第三位置信息和目标姿态信息，确定持械臂的第一目标位姿。

在其中一个实施例中，第七确定单元，还用于：

根据第三位置信息和第四位置信息，确定由戳卡的远心点指向病灶区域的第一方向向量；

确定与第一方向向量正交的第二方向向量和第三方向向量；

根据第一方向向量、第二方向向量和第三方向向量，确定目标姿态信息。

在其中一个实施例中，第七确定模块，还用于：

获取持械臂中各关节的当前角度，并通过持械臂的正运动计算出悬吊盘坐标系下戳卡的远心点的第三位置信息。

在其中一个实施例中，第七确定模块，还用于：

获取持镜臂中各关节的当前角度，通过持镜臂的正运动计算出悬吊盘坐标系下内窥镜的末端的第五位置信息；

根据第五位置信息以及病灶区域在内窥镜坐标系下的第六位置信息确定第四位置信息。

在其中一个实施例中，该系统还包括：

第二摆位模块，用于根据第一目标位姿对持械臂进行摆位。

在其中一个实施例中，第二摆位模块，还用于：

根据第一目标位姿对持械臂进行逆运动学解算，在逆运动学解算存在逆解的情况下，确定持械臂中各关节的目标角度；

基于持械臂中各关节的当前角度和目标角度，确定持械臂的第一运动轨迹；

根据第一运动轨迹控制持械臂进行摆位。

在其中一个实施例中，该系统还包括：

第八确定模块，用于响应于输入操作，确定手术机器人待操作的手术部位和手术机器人的安装摆位模式；

第三摆位模块，用于响应于使能信号，根据手术部位和安装摆位模式对手术机器人进行摆位。

第二方面，本申请还提供了一种手术机器人的摆位方法，包括：

确定手术机器人中持械臂的末端的预设工作空间，预设工作空间为使得与持械臂连接的器械能够对病灶区域进行操作的最小空间；

根据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度，确定在持械臂的戳卡的第一目标位姿不变时持械臂的末端的第一工作空间，第一工作空间大于预设工作空间；

根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位。

第三方面，本申请还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一方法的步骤。

第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一方法的步骤。

第五方面，本申请还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一方法的步骤。

第六方面，本申请还提供了一种手术机器人系统，包括上述的任一项的手术机器人的摆位系统。

上述手术机器人的摆位系统、方法和手术机器人系统，由于预设工作空间为使得与持械臂连接的器械能够对病灶区域进行操作的最小空间，且第一工作空间大于预设工作空间，因此，确定手术机器人中持械臂的末端的预设工作空间，并根据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度，确定在持械臂的戳卡的第一目标位姿不变时持械臂的末端的第一工作空间，进而根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位之后，一方面，持械臂的末端的实际的工作空间大于预设工作空间，这样，与持械臂连接的器械就能够顺利地操作病灶区域，以满足手术的需求。另一方面，持械臂在摆位的过程中第一目标位姿不变，减小了摆位过程中对目标对象的影响。上述对持械臂摆位的过程中，无需依赖医生的经验，因此减少了对医生的依赖，减少了摆位时间，进而也能提高摆位的准确性和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中手术机器人的摆位方法的应用环境图；

图2为本申请中一种手术机器人的摆位系统的结构示意图；

图3为本申请实施例中一种远心机构的示意图；

图4为本申请实施例中一种第一模拟模型的示意图；

图5为本申请实施例中一种第二模拟模型的示意图；

图6为本申请实施例中一种坐标系的示意图；

图7为本申请实施例中一种交互界面的示意图；

图8为本申请实施例中一种右朝向摆位模式的示意图；

图9为本申请实施例中一种左朝向摆位模式的示意图；

图10为本申请实施例中一种正朝向摆位模式的示意图；

图11为本申请实施例中手术机器人的摆位方法的流程示意图；

图12为本申请实施例中一种摆位的流程示意图；

图13为本申请实施例中手术机器人的摆位方法的过程示意图之一；

图14为本申请实施例中手术机器人的摆位方法的过程示意图之二；

图15为本申请实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

图1为本申请实施例中手术机器人的摆位方法的应用环境图，如图1所示，计算机设备101能够与手术机器人102通信。手术机器人102能够用于对手术床103上的目标对象104执行手术。目标对象104躺在床体1031上，且在目标对象104能够确定病灶区域1041和孔位1042。

手术机器人102包括手术台车，手术台车包括台车机构1021和机械臂1022。其中，台车机构1021包括台车基座1021a、台车臂1021b和悬吊盘1021c，台车基座1021a是手术台车中固定的基座，台车基座1021a上连接有台车臂1021b，台车臂1021b能够在运动的过程中带动悬吊盘1021c移动，以移动与悬吊盘1021c连接的机械臂1022移动。手术台车可以包括多条机械臂1022，多条机械臂1022分别与悬吊盘1021c连接。

机械臂1022包括调整机构1022a和远心机构1022b。机械臂1022均可以包括至少一个关节，机械臂1022的关节包括主动关节，也即能够根据计算机设备101的信号主动运动的关节。在一些实施例中，机械臂1022的关节也可以包括被动关节。

多条机械臂1022按照功能可以分为持械臂和持镜臂。持械臂用于连接戳卡和手术器械，也就是说，持械臂连接戳卡后，手术器械设置于持械臂上，并穿过戳卡伸入患者体内，戳卡的远心点为戳卡与患者体表的接触点。持镜臂用于连接内窥镜。其中，戳卡也可称为套管。

本实施例对机械臂的数量不做限制。以腹腔手术为例，手术机器人至少包括一条持械臂和一条持镜臂。以图1为例的4条机械臂，从左至右依次为1号机械臂、2号机械臂、3号机械臂和4号机械臂，2号机械臂可以为持镜臂，其余3条机械臂可以为持械臂。

在一些实施例中，计算机设备101可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。便携式可穿戴设备可为智能手表、智能手环、头戴设备等。计算机设备101也可以用独立的服务器或者是多个服务器组成的服务器集群来实现。

在一些实施例中，计算机设备101也可以设置于手术机器人102的内部，计算机设备101包括但不限于是中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、数字信号处理器（Digital Signal Processing，DSP）、现场可编程门阵列（Field-Programmable GateArray，FPGA）或者其他可编程逻辑器件中的至少一种。

在一些实施例中，计算机设备101还包括有医生控制台和视觉台车，医生控制台和视觉台车与手术台车通信连接，医生通过医生控制台实现对手术台车的控制完成对患者的手术。视觉台车用于反馈手术过程中的影像。

图2为本申请中一种手术机器人的摆位系统的结构示意图，如图2所示，在一个示例性的实施例中，提供了一种手术机器人的摆位系统200，包括第一确定模块201、第二确定模块202和第一摆位模块203。其中：

第一确定模块201，用于确定手术机器人中持械臂的末端的预设工作空间，预设工作空间为使得与持械臂连接的器械能够对病灶区域进行操作的最小空间。

由于在实际的手术过程中，需要利用持械臂完成对病灶区域的手术，因此，将持械臂摆位在一个能够使得持械臂的末端操作病灶区域的状态是一项必要的工作，故而，在本实施例中，首先需要确定手术机器人的持械臂的末端的预设工作空间。

可以理解的是，在术前持械臂的末端为戳卡，在术中持械臂的末端为器械。进而，预设工作空间为使得与持械臂连接的器械能够对病灶区域进行操作的最小空间。

可选的，第一确定模块201可以接收其他设备发送的预设工作空间，第一确定模块201也可以根据病灶区域所在的位置进行规划，以确定持械臂的末端的预设工作空间，本实施例不做限制。需要说明的是，各持械臂的末端所对应的预设工作空间可能不同。

第二确定模块202，用于根据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度，确定在持械臂的戳卡的第一目标位姿不变时持械臂的末端的第一工作空间，第一工作空间大于预设工作空间。

在本实施例中，工作空间用于指示在当前的姿态下，持械臂的末端所能达到的位置的集合。持械臂中各关节在不同角度时，持械臂的末端所对应的工作空间也会不同。为了使得术中器械能够对病灶区域进行操作，因此，持械臂的末端实际的工作空间需要大于预设工作空间。

并且，由于持械臂中的戳卡需要连接手术器械，为了在持械臂摆位的过程中减小对目标对象的影响，在摆位过程中需要保持戳卡的第一目标位姿不变。其中，第一目标位姿也即是持械臂中戳卡的远心点的位姿。第一目标位姿可以是术前对持械臂进行摆位之后确定的位姿，也可以是当前根据位姿传感器获取到的位姿，本实施例不做限制。

故而，本实施例会确定戳卡的第一目标位姿不变时持械臂的末端的第一工作空间，并且，第一工作空间会大于预设工作空间。可以理解的是，第一工作空间大于预设工作空间，可以是预设工作空间处于第一工作空间的覆盖范围内。

进一步地，第二确定模块202会根据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度确定第一工作空间。

其中，冗余关节用于指示手术机器人中的冗余自由度，冗余关节可以是持械臂中用于调整持械臂的位置的关节。示例性地，假设持械臂包括关节1~关节4，则可以将关节1作为持械臂的冗余关节。

可选的，第二确定模块202可以基于第一目标位姿和第一预设角度进行逆运动学求解，确定出冗余关节为第一预设角度时，持械臂中除冗余关节之外的其他关节的目标角度，并根据各关节的目标角度确定第一预设角度对应的工作空间是否大于预设工作空间，直到第一预设角度对应的工作空间大于预设工作空间，并将大于预设工作空间的工作空间作为第一工作空间。当然，第二确定模块202也可以通过其他方式确定第一工作空间，本实施例并不以此为限。

以持械臂包括关节1~关节4，关节1为冗余关节为例。第二确定模块202在关节1为第一预设角度A时，可以基于第一目标位姿和第一预设角度A进行逆运动学求解，确定出第一预设角度A时关节2~关节4的目标角度，进而根据第一预设角度A时其关节2~关节4的目标角度，确定关节1为第一预设角度A且第一目标位姿不变时持械臂的末端的工作空间a。

若工作空间a小于预设工作空间，则第二确定模块202可以在关节1为第一预设角度B时，基于第一目标位姿和第一预设角度B进行逆运动学求解，确定出第一预设角度B时关节2~关节4的目标角度，并根据第一预设角度B时关节2~关节4的目标角度，确定关节1为第一预设角度B且第一目标位姿不变时持械臂的末端的工作空间b。若工作空间b大于预设工作空间，则可以将工作空间b作为第一工作空间。

需要说明的是，上述字母均是为了举例示意，并不代表实际的第一预设角度的数量，下述同理，之后不再赘述。

第一摆位模块203，用于根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位。

进一步地，在确定持械臂的末端的第一工作空间之后，就可以根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位。

可选的，第一摆位模块203可以根据持械臂各关节的第一目标角度，向持械臂的各关节发送驱动信号，以使持械臂的各关节运动至第一目标角度，以在第一目标位姿不变的情况下，使得持械臂的末端的工作空间等于第一工作空间，这样，在术前与持械臂的末端连接的戳卡具有足够的手术空间，进而，在术中，与持械臂连接的器械就能够对病灶区域进行操作。

继续上述的示例，在工作空间b作为第一工作空间的情况下，第一目标角度包括关节1的第一预设角度B以及第一预设角度B时关节2~关节4的目标角度。进而，第一摆位模块203就可以根据第一预设角度B以及第一预设角度B时关节2~关节4的目标角度，控制持械臂进行摆位。

上述手术机器人的摆位系统中，由于预设工作空间为使得与持械臂连接的器械能够对病灶区域进行操作的最小空间，且第一工作空间大于预设工作空间，因此，确定手术机器人中持械臂的末端的预设工作空间，并根据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度，确定在持械臂的戳卡的第一目标位姿不变时持械臂的末端的第一工作空间，进而根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位之后，一方面，持械臂的末端的实际的工作空间大于预设工作空间，这样，与持械臂连接的器械就能够顺利地操作病灶区域，以满足手术的需求。另一方面，持械臂在摆位的过程中第一目标位姿不变，减小了摆位过程中对目标对象的影响。上述对持械臂摆位的过程中，无需依赖医生的经验，因此减少了对医生的依赖，减少了摆位时间，进而也能提高摆位的准确性和效率。

在一个示例性的实施例中，可选的，持械臂包括偏摆关节和俯仰关节，第一工作空间包括在偏摆关节和俯仰关节处于对应的最大运动范围的情况下，持械臂的末端的运动范围。

在本实施例中，由于在术中台车机构和调整机构通常保持不动，因此术中器械的末端位置受远心机构的影响。图3为本申请实施例中一种远心机构的示意图，如图3所示，远心机构可以包括偏摆关节、俯仰关节和伸缩关节。考虑到伸缩关节并不会对戳卡的远心点的位姿产生任何影响，因此，术中器械的末端位置会受到偏摆关节和俯仰关节的影响。

也就是说，当持械臂中的偏摆关节和俯仰关节分别运动至不同的角度时，持械臂的末端的工作空间也会不同。进而，为了使得第一工作空间大于预设工作空间，持械臂的末端的第一工作空间包括在偏摆关节和俯仰关节处于对应的最大运动范围的情况下，持械臂的末端的运动范围。

其中，偏摆关节的最大运动范围可以根据偏摆关节的限位角度确定，俯仰关节的最大运动范围可以根据俯仰关节的限位角度确定。偏摆关节的限位角度用于指示偏摆关节所能达到的最大角度。同样地，俯仰关节的限位角度用于指示俯仰关节所能达到的最大角度。

可选的，限位角度可以包括上限值和下限值。例如，偏摆关节的限位角度包括上限值30°和下限值70°。俯仰关节的限位角度包括上限值20°和下限值80°。

由于持械臂中戳卡远心点与器械之间的长度不变，因此，可以通过向量计算的方式确定出偏摆关节和俯仰关节的最大运动范围。

以偏摆关节为例，可以根据当前持械臂中戳卡远心点的位置信息与器械的位置信息，确定出在偏摆关节处于对应的上限值的情况下，戳卡远心点与器械之间所在的第一向量，以及确定出在偏摆关节处于对应的下限值的情况下，戳卡远心点与器械之间所在的第二向量。进而，根据第一向量和第二向量，就可以确定第一向量与第二向量之间的第一夹角，并将第一夹角作为偏摆关节的最大运动范围。

以俯仰关节为例，同样地，可以根据当前持械臂中戳卡远心点的位置信息与器械的位置信息，确定出在俯仰关节处于对应的上限值的情况下，戳卡远心点与器械之间所在的第三向量，以及确定出在俯仰关节处于对应的下限值的情况下，戳卡远心点与器械之间所在的第四向量。进而，根据第三向量和第四向量，确定第三向量与第四向量之间的第二夹角，并将第二夹角作为俯仰关节的最大运动范围。

其中，当前持械臂中戳卡远心点的位置信息与器械的位置信息可以通过位置传感器获取，也可以通过正运动学计算确定，本实施例不做限制。

本实施例中由于持械臂包括偏摆关节和俯仰关节，而持械臂的末端的第一工作空间包括在偏摆关节和俯仰关节处于对应的最大运动范围的情况下，持械臂的末端的运动范围。因此，利用持械臂中的偏摆关节和俯仰关节，能够高效、准确地确定出持械臂的末端的第一工作空间。

在一个示例性的实施例中，可选的，第二确定模块202包括第一确定单元和第二确定单元。其中：

第一确定单元，用于针对各第一预设角度，基于第一目标位姿和第一预设角度进行逆运动学求解，确定持械臂中各关节的第二目标角度。

在本实施例中，继续上述的示例，第一确定单元可以基于第一目标位姿和第一预设角度A进行逆运动学求解，确定出第二目标角度1，第二目标角度1包括关节1的第一预设角度A以及第一预设角度A时关节2~关节4的目标角度。

第一确定单元可以基于第一目标位姿和第一预设角度B进行逆运动学求解，确定出第二目标角度2，第二目标角度2包括关节1的第一预设角度B以及第一预设角度B时关节2~关节4的目标角度，以此类推，在冗余关节为不同的第一预设角度时，针对每个第一预设角度，第一确定单元均能够确定持械臂中各关节的第二目标角度。

第二确定单元，用于根据偏摆关节的第二目标角度和偏摆关节的限位角度，确定第一预设角度对应的持械臂的偏摆关节的最大运动范围，并根据俯仰关节的第二目标角度和俯仰关节的限位角度，确定第一预设角度对应的持械臂的俯仰关节的最大运动范围。

在本实施例中，由于持械臂包括偏摆关节和俯仰关节，因此，持械臂中各关节的第二目标角度包括偏摆关节的第二目标角度和俯仰关节的第二目标角度。

进而，针对每个第一预设角度，根据偏摆关节的第二目标角度和偏摆关节的限位角度，就可以确定偏摆关节的最大运动范围。可选的，可以根据偏摆关节的第二目标角度与偏摆关节的限位角度之间的差值确定偏摆关节的最大运动范围。例如，将偏摆关节的第二目标角度与偏摆关节的限位角度之间的差值作为偏摆关节的最大运动范围。

继续上述的示例，根据第二目标角度1确定出偏摆关节的第二目标角度后，就可 以根据偏摆关节的第二目标角度和偏摆关节的限位角度，确定出第一预设角度A时偏摆 关节对应的最大运动范围。

根据第二目标角度2确定出偏摆关节的第二目标角度后，就可以根据偏摆关节 的第二目标角度和偏摆关节的限位角度，确定出第一预设角度B时偏摆关节对应的最大 运动范围，以此类推。在冗余关节设置不同的第一预设角度时，对应的最大运动范围可能也 不同。

同样地，针对每个第一预设角度，根据俯仰关节的第二目标角度和俯仰关节的限位角度，还可以确定第一预设角度对应的持械臂的俯仰关节的最大运动范围。俯仰关节的最大运动范围与偏摆关节的最大运动范围原理相同，在此不再赘述。

上述实施例中，由于针对各第一预设角度，基于第一目标位姿和第一预设角度进行逆运动学求解，确定持械臂中各关节的第二目标角度，因此，根据偏摆关节的第二目标角度和偏摆关节的限位角度，确定第一预设角度对应的持械臂的偏摆关节的最大运动范围，并根据俯仰关节的第二目标角度和俯仰关节的限位角度，确定第一预设角度对应的持械臂的俯仰关节的最大运动范围。这样，也即实现了根据偏摆关节和俯仰关节的最大运动范围确定持械臂的末端的第一工作空间。

在一个示例性的实施例中，可选的，第二确定单元，还用于：确定目标关节的第二目标角度与目标关节的限位角度之间的最小差值；根据最小差值确定第一运动范围；其中，在目标关节为偏摆关节的情况下，第一运动范围为偏摆关节的最大运动范围；在目标关节为俯仰关节的情况下，第一运动范围为俯仰关节的最大运动范围。

在本实施例中，限位角度包括上限值和下限值。继续上述的示例，以偏摆关节为 例，在冗余关节为第一预设角度A时，可以确定偏摆关节的第二目标角度与偏摆关节的限 位角度中的上限值之间的差值A1，以及偏摆关节的第二目标角度与偏摆关节的限位角度 中的下限值之间的差值A2。若差值A1小于差值A2，则确定差值A1为最小差值。进一步地，可 以根据差值A1确定第一预设角度A时偏摆关节的最大运动范围，例如，可以将差值A1作为第 一预设角度A时偏摆关节的最大运动范围。

在冗余关节为第一预设角度B时，可以确定偏摆关节的第二目标角度与偏摆关 节的限位角度中的上限值之间的差值B1，以及偏摆关节的第二目标角度与偏摆关节的限 位角度中的下限值之间的差值B2。若差值B1大于差值B2，则确定差值B2为最小差值。进一步 地，就可以根据差值B2确定第一预设角度A时偏摆关节的最大运动范围。以此类推，就可以 针对每个第一预设角度，确定出俯仰关节对应的最大运动范围。

俯仰关节同理，示例性地，在冗余关节为第一预设角度A时，可以确定俯仰关节的 第二目标角度与俯仰关节的限位角度中的上限值之间的差值A3，以及俯仰关节的第二目 标角度与俯仰关节的限位角度中的下限值之间的差值A4。若差值A3小于差值A4，则确定 差值A3为最小差值。进一步地，就可以根据差值A3确定第一预设角度A时俯仰关节的最大运 动范围。例如，可以将差值A3作为第一预设角度A时俯仰关节的最大运动范围。以此类推，针 对每个第一预设角度，也确定出了俯仰关节对应的最大运动范围。

上述实施例中，由于在目标关节为偏摆关节的情况下，第一运动范围为偏摆关节的最大运动范围，在目标关节为俯仰关节的情况下，第一运动范围为俯仰关节的最大运动范围，因此，确定目标关节的第二目标角度与目标关节的限位角度之间的最小差值之后，就可以根据最小差值确定偏摆关节的最大运动范围或俯仰关节的最大运动范围。

在一个示例性的实施例中，可选的，手术机器人的摆位系统200还包括第三确定模块和第四确定模块。其中：

第三确定模块，用于根据第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度和相邻已摆位机械臂的位姿确定碰撞风险。

在本实施例中，在冗余关节为不同的第一预设角度时，持械臂均会对应不同的工作空间。由于冗余关节对应多个第一预设角度，因此，根据冗余关节的多个第一预设角度，可以确定多个持械臂的末端的第一工作空间。

可选的，第二确定模块可以基于第一目标位姿和第一预设角度进行逆运动学求解，确定出冗余关节为第一预设角度时，持械臂中除冗余关节之外的其他关节的目标角度，并根据各关节的目标角度确定第一预设角度对应的工作空间是否大于预设工作空间，以得到多个第一工作空间。

示例性地，以第一预设角度包括第一预设角度A、第一预设角度B和第一预设角度C为例。在冗余关节为第一预设角度A时，根据第一预设角度A和第一目标位姿，可以确定出对应的工作空间a。在冗余关节为第一预设角度B时，根据第一预设角度A和第一目标位姿，可以确定出对应的工作空间b。在冗余关节为第一预设角度C时，根据第一预设角度C和第一目标位姿，可以确定出对应的工作空间c。

若工作空间a小于预设工作空间，工作空间b大于预设工作空间，工作空间c大于预设工作空间，则可以确定第一工作空间可以包括工作空间b和工作空间c。

进一步地，第三确定模块就可以确定根据第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度和相邻已摆位机械臂的位姿确定碰撞风险。

其中，碰撞风险可以用数字表示，数字越大，碰撞风险越高。相邻已摆位机械臂可以理解为当前位姿固定的相邻机械臂。假设需要对3号机械臂摆位，则相邻已摆位机械臂可以包括2号机械臂和4号机械臂。

可选的，第三确定模块可以通过位姿传感器获取相邻已摆位机械臂的位姿，也可以通过相邻已摆位机械臂中各关节的当前角度，通过正运动学计算相邻已摆位机械臂的位姿。

进一步可选的，第三确定模块可以通过第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度，模拟持械臂的运动轨迹，并根据持械臂的运动轨迹和相邻已摆位机械臂，确定碰撞风险。当然，也可以通过其他方式确定碰撞风险，本实施例并不以此为限。

继续上述的示例，第三确定模块根据工作空间b对应的第二目标角度2和相邻已摆位机械臂的位姿确定碰撞风险1，并根据工作空间c对应的第二目标角度3和相邻已摆位机械臂的位姿确定碰撞风险2。碰撞风险1表示将持械臂的末端摆位至工作空间b对应的状态时，与相邻已摆位机械臂发生碰撞的风险。碰撞风险2表示将持械臂的末端摆位至工作空间c对应的状态时，与相邻已摆位机械臂发生碰撞的风险。

第四确定模块，用于确定碰撞风险最小的第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度为第一目标角度。

更进一步地，第三确定模块可以确定碰撞风险最小的第一工作空间。继续上述的示例，假设碰撞风险1小于碰撞风险2，则确定碰撞风险最小的第一工作空间为工作空间b。

之后，就可以将碰撞风险最小的第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度为第一目标角度，并根据该第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位。

继续上述的示例，则第一摆位模块203将关节1的第一预设角度B以及第一预设角度B时关节2~关节4的目标角度作为第一目标角度，以控制持械臂进行摆位。

上述实施例中，由于根据第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度和相邻已摆位机械臂的位姿确定碰撞风险，并确定碰撞风险最小的第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度为第一目标角度，因此，减小了根据第一目标角度控制持械臂进行摆位的碰撞风险，提高了摆位过程的安全性。

在一个示例性的实施例中，可选的，第一摆位模块203，还用于根据第一工作空间所对应的各关节的第一目标角度以及持械臂中各关节的当前角度，控制持械臂进行摆位。

在本实施例中，第一摆位模块203还可以获取到持械臂中各关节的当前角度，因此，第一摆位模块203已知持械臂中各关节在摆位过程中的“起始角度”和“终止角度”。可以理解的是，各关节的当前角度即为“起始角度”，各关节的第一目标角度即为“终止角度”，

如此，第一摆位模块203就可以根据第一工作空间所对应的各关节的第一目标角度以及持械臂中各关节的当前角度，控制持械臂进行摆位。

可选的，第一摆位模块203可以利用预设算法，以根据持械臂中各关节的当前角度和目标角度对持械臂进行运动规划，并确定持械臂的第二运动轨迹。

其中，预设算法可以包括但不限于是网格搜索法、自由空间法、四叉树法。第二运动轨迹用于描述在根据第一目标角度对持械臂进行摆位的情况下，持械臂中各关节的关节轨迹。以1号持械臂的关节1为例，1号机械臂的第二运动轨迹可以包括1号机械臂的关节1在时刻1的期望角度1、时刻2的期望角度2、时刻3的期望角度3、……时刻t的期望角度t。其中，t为大于等于1的整数。

进一步地，确定了第二运动轨迹之后，第一摆位模块203就可以根据第二运动轨迹控制持械臂进行摆位。

继续以1号持械臂的关节1为例，可选的，第一摆位模块203可以根据第一运动轨迹，在每个时刻根据1号持械臂的关节1的当前角度，给定1号持械臂的关节1每个时刻下的驱动信号，以使1号持械臂的关节1在每个时刻的实际角度满足第一运动轨迹中的期望角度。这样，控制1号持械臂运动之后，1号持械臂就可以在第一目标位姿不变，且不与相邻已摆位机械臂发生碰撞的情况下，摆位至第一工作空间对应的状态。

上述实施例中，由于能够根据第一工作空间所对应的各关节的第一目标角度以及持械臂中各关节的当前角度，控制持械臂进行摆位，因此，提高了摆位的效率。

在一个示例性的实施例中，可选的，第一确定模块201包括第三确定单元和第四确定单元。其中：

第三确定单元，用于确定病灶区域对应的第一模拟模型。

在本实施例中，可选的，第三确定单元可以通过医学扫描设备获取病灶区域的大小、形状等属性信息，并根据属性信息确定病灶区域对应的第一模拟模型。第三确定单元也可以获取其他设备发送的第一模拟模型。第三确定单元还可以接收用户输入的病灶区域的相关参数，并根据输入的相关参数确定第一模拟模型。

其中，第一模拟模型可以包括用于模拟病灶区域的三维形状，例如为球体、正方体。医学扫描设备包括但不限于是超声设备、电子计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）设备、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）设备，正电子发射型计算机断层显像（Positron Emission Computed Tomography，PET）PET-CT设备等。

第四确定单元，用于根据戳卡的远心点与病灶区域之间的距离以及第一模拟模型的尺寸信息，确定预设工作空间；预设工作空间包括在持械臂中偏摆关节和俯仰关节处于对应的预设运动范围的情况下，持械臂的末端的运动范围。

在本实施例中，第一模拟模型的尺寸信息用于指示模拟模型的尺寸。以第一模拟模型为正方体为例，模拟模型的尺寸信息可以包括正方体的边长。

戳卡的远心点与病灶区域之间的距离可以根据戳卡的远心点对应的位置信息和病灶区域对应的位置信息确定。

其中，第四确定单元可以接收其他设备发送的戳卡的远心点与病灶区域之间的距离。第四确定单元也可以利用传感器获取戳卡的远心点对应的位置信息或病灶区域对应的位置信息，并根据戳卡的远心点对应的位置信息以及病灶区域对应的位置信息，计算出戳卡的远心点与病灶区域之间的距离。

进一步可选的，由于戳卡的远心点在摆位过程中不变，因此，可以根据第一目标位姿确定戳卡的远心点对应的位置信息。在一些实施例中，还可以获取持械臂中各关节的当前角度，并对持械臂进行正运动学后确定戳卡的远心点对应的位置信息。

进一步地，第四确定单元会根据戳卡的远心点与病灶区域之间的距离以及第一模拟模型的尺寸信息，确定预设工作空间。

可选的，第四确定单元可以根据戳卡的远心点与病灶区域之间的距离以及第一模拟模型的尺寸信息，利用反正切函数确定出偏摆关节对应的最大运动范围，以及俯仰关节对应的最大运动范围，并根据偏摆关节对应的最大运动范围和俯仰关节对应的最大运动范围得到预设工作空间。

示例性地，在本实施例中，可选的，第六确定单元可以根据的反正切函数确定偏摆关节的预设运动范围，并根据的反正切函数确定俯仰 关节的预设运动范围。其中，m和n为根据需求确定的经验系数，可以取大于1的数。

更进一步地，根据偏摆关节的预设运动范围和俯仰关节的预设运动范围，就 可以确定持械臂的末端的运动范围，也即确定了预设工作空间。

上述实施例中，由于预设工作空间包括在持械臂中偏摆关节和俯仰关节处于对应的预设运动范围的情况下，持械臂的末端的运动范围，因此，确定病灶区域对应的第一模拟模型，并根据戳卡的远心点与病灶区域之间的距离以及第一模拟模型的尺寸信息，就可以较为准确地确定出预设工作空间。

在一个示例性的实施例中，第一模拟模型为椭球体。第四确定单元，还用于：确定椭球体在目标方向的目标轴长与距离之间的目标比值；根据目标比值的反正切函数确定第二运动范围。其中，目标方向包括第一方向和第二方向；在目标方向为第一方向的情况下，目标轴长为椭球体在第一方向的轴长的一半，目标角度阈值为偏摆关节的预设运动范围；在目标方向为第二方向的情况下，目标轴长为椭球体在第二方向的轴长，目标角度阈值为俯仰关节的预设运动范围。

图4为本申请实施例中一种第一模拟模型的示意图，示例性地，可以通过三维扫描设备确定病灶区域的大小和形状，并根据病灶区域的大小和形状，将病灶区域包络拟合为一个椭球体，并将与持械臂连接的器械的末端拟合为圆锥体。

进而，请继续参考图4，第一模拟模型的尺寸信息包括椭球体在X方向，也即第一方向的轴长a以及Z方向，也即第二方向的轴长b。可以理解的是，偏摆关节会影响持械臂在X方向的运动，俯仰关节会影响持械臂在Z方向的运动。

记戳卡的远心点与病灶区域之间的距离为L。针对偏摆关节，由于在术中一般主手 会操作两条持械臂，因此，持械臂在X方向上的工作空间至少能够覆盖一半的病灶区域。基 于此，第四确定单元确定a/2与距离L之间的比值，并根据的反正切函数确定 偏摆关节的预设运动范围。示例性地，可以将作为预设运动范围。可以理解 的是，偏摆关节的预设运动范围指示了持械臂在X方向上的最小的运动范围，偏摆关节的 最大运动范围需要不小于预设运动范围。

针对俯仰关节，持械臂在Z方向上的工作空间至少能够覆盖所有的病灶区域。基于 此，第四确定单元确定b与距离L之间的比值，并根据的反正切函数确定俯仰关 节的预设运动范围。示例性地，可以将作为预设运动范围。可以理解的是，俯 仰关节的预设运动范围指示了持械臂在Z方向上的最小的运动范围，俯仰关节的最大运 动范围需要不小于预设运动范围。

在一个实施例中，针对每个第一预设角度，计算出偏摆关节和俯仰关节的最大运 动范围之后，会比较偏摆关节的最大运动范围是否不小于预设运动范围，以及俯仰关节 的最大运动范围是否不小于预设运动范围，并在偏摆关节的最大运动范围不小于预设运 动范围，以及俯仰关节的最大运动范围不小于预设运动范围的情况下，确定该第一预 设角度对应的工作空间大于预设工作空间。

上述实施例中，由于目标方向包括第一方向和第二方向，在目标方向为第一方向的情况下，目标轴长为椭球体在第一方向的轴长的一半，目标角度阈值为偏摆关节的预设运动范围，而在目标方向为第二方向的情况下，目标轴长为椭球体在第二方向的轴长，目标角度阈值为俯仰关节的预设运动范围，因此，确定椭球体在目标方向的目标轴长与距离之间的目标比值之后，就可以根据目标比值的反正切函数确定偏摆关节的预设运动范围或俯仰关节的预设运动范围。

一个示例性的实施例中，可选的，在根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位之后，手术机器人的摆位系统200还包括第五确定模块。其中：

第五确定模块，用于确定病灶区域的第二模拟模型，并根据第二模拟模型更新预设工作空间。

在术中对持械臂进行摆位时，可能会存在在术中的摆位过程中机械臂之间即将或者已经发生碰撞、持械臂中的关节已经运动到限位角度等部分的病灶区域器械无法操作到的情况。为了使得器械本来不能操作到的病灶区域可操作，在本实施例中，第五确定模块会确定病灶区域的第二模拟模型。其中，第二模拟模型可以小于第一模拟模型。

可选的，第五确定模块可以根据第一模拟模型和第一工作空间，确定出第二模拟模型。例如，从第一模拟模型中减去第一工作空间得到第二模拟模型。

进一步地，第五确定模块就可以根据第二模拟模型更新预设工作空间。其中，根据第二模拟模型更新预设工作空间的过程可以参考根据第一模拟模型确定第一模拟模型的过程，此处不再赘述。

本实施例由于在根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位之后，确定病灶区域的第二模拟模型，并根据第二模拟模型更新预设工作空间，因此，提高了摆位的成功率。

在一个示例性的实施例中，可选的，第五确定模块包括五确定单元和第六确定单元。

第五确定单元，用于根据第一持械臂中戳卡的远心点的第一位置信息和第二持械臂中戳卡的远心点的第二位置信息，确定第二模拟模型的直径；第一持械臂和第二持械臂为术中操作的持械臂。

为了使器械的末端操作本不可达的区域，工作空间可以不再是整个病灶区域，而是病灶区域中的部分区域。因此，在本实施例中，第五确定单元会根据主手所控制的两个持械臂的末端位置确定第二模拟模型。

图5为本申请实施例中一种第二模拟模型的示意图，示例性地，第二模拟模型可以为球体。记术中操作的持械臂为第一持械臂和第二持械臂，则第一机械臂为1号机械臂，第二机械臂为3号机械臂。其中，术中操作的机械臂可以是主手操作的机械臂。

进一步地，第五确定单元就可以根据第一持械臂中戳卡的远心点的第一位置信息和第二持械臂中戳卡的远心点的第二位置信息，确定第二模拟模型的直径。

可选的，第五确定单元可以将第一位置信息和第二位置信息在X方向作差以得到第二模拟模型的直径。第五确定单元也可以将第一位置信息和第二位置信息在X方向作差之后进行修正处理，以得到第二模拟模型的直径。

其中，第一位置信息可以通过位置传感器获取，也可以通过获取第一持械臂中各关节的当前角度，对第一持械臂进行正运动学计算后得到，本实施例不做限制。第二位置信息原理相同，此处不再赘述。

示例性地，第五确定单元可以在机械臂之间即将或者已经发生碰撞、持械臂中的关节已经运动到限位角度等情况下，获取第一持械臂中各关节的当前角度，对第一持械臂进行正运动学计算，确定第一位置信息，并获取第二持械臂中各关节的当前角度，对第二持械臂进行正运动学计算，确定第二位置信息。之后，根据第一位置信息和第二位置信息，确定第二模拟模型的直径。

第六确定单元，用于根据直径更新预设工作空间。

在本实施例中，可选的，第六确定单元可以根据的反正切函数更新 偏摆关节的预设运动范围，并根据的反正切函数更新俯仰关节的预设运动 范围。其中，k和q为根据需求确定的经验系数，可以取大于1的数。

上述实施例中，由于第一持械臂和第二持械臂为术中操作的持械臂，因此，根据第一持械臂中戳卡的远心点的第一位置信息和第二持械臂中戳卡的远心点的第二位置信息，确定第二模拟模型的直径之后，就可以根据直径更新预设工作空间，以更新器械对病灶区域进行操作的最小空间，提高摆位的成功率和效率。

在一个示例性的实施例中，可选的，第六确定单元，还用于确定直径的一半与距离之间的第一比值，并根据第一比值的反正切函数更新偏摆关节的预设运动范围；确定直径与距离之间的第二比值，并根据第二比值的反正切函数更新偏摆关节的预设运动范围。

在本实施例中，记第二模拟模型的直径为D。第四确定单元确定D/2与距离L之间的 比值，并根据的反正切函数确定偏摆关节的预设运动范围。示例性地，可 以将预设运动范围更新为。

针对俯仰关节，第四确定单元确定D与距离L之间的比值，并根据的反正切函数确定俯仰关节的预设运动范围。示例性地，可以将作为预设运动范围。

上述实施例中，由于能够确定直径的一半与距离之间的第一比值，并根据第一比值的反正切函数更新偏摆关节的预设运动范围，并确定直径与距离之间的第二比值，并根据第二比值的反正切函数更新偏摆关节的预设运动范围，因此，利用第二模拟模型，就可以高效地更新预设工作空间。

在一个示例性的实施例中，可选的，手术机器人的摆位系统200还包括第六确定模块。其中：

第六确定模块，用于获取持械臂中各关节的当前角度，并通过持械臂的正运动计算出第一目标位姿。

在术中由于主手会操作持械臂运动，因此，术中持械臂的第一目标位姿也可能发生了变化。基于此，本实施例在根据第二模拟模型更新预设工作空间之后，就可以获取持械臂中各关节的当前角度，并通过持械臂的正运动计算出第一目标位姿。

进一步地，第六确定单元就可以继续根据冗余关节的多个第一预设角度，确定在持械臂的戳卡的第一目标位姿不变时持械臂的末端的第一工作空间，并根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位。

上述实施例中，由于能够获取持械臂中各关节的当前角度，并通过持械臂的正运动计算出第一目标位姿，因此，提高了第一目标位姿的准确性。

上述介绍了一种使得器械能够操作病灶区域的摆位流程，下述将介绍一种在戳卡远心点不动的基础上，将戳卡的轴线对准病灶区域的摆位过程。

在一个示例性的实施例中，可选的，手术机器人的摆位系统200还包括第七确定模块和第八确定模块。其中：

第七确定模块，用于在病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况下，根据持械臂中各关节的当前角度，确定悬吊盘坐标系下戳卡的远心点的第三位置信息和病灶区域的第四位置信息；悬吊盘坐标系基于手术机器人的悬吊盘的位置确定。

图6为本申请实施例中一种坐标系的示意图，如图6所示，在本实施例中，可以基于 手术机器人的悬吊盘的位置确定悬吊盘坐标系，基于与手术机器人连接的戳卡的远心点 确定远心点坐标系，基于与手术机器人连接的内窥镜的末端确定内窥镜坐标系。例 如，基于悬吊盘的中心确定悬吊盘坐标系，在第条持械臂连接的戳卡的远心点建立远心 点坐标系，在内窥镜末端建立内窥镜坐标系。其中，i可以取1，2，3，4，当i=1时，表示 第1条机械臂，也即1号机械臂，表示1号机械臂对应的远心点坐标系，以此类推。

若病灶区域位于内窥镜的视野中心，则说明持镜臂已经与内窥镜连接，并且已经将内窥镜对准病灶区域。其中，病灶区域位于内窥镜的视野中心可以是病灶区域中的任意一点位于内窥镜的视野中心，例如，可以是病灶区域的中点位于内窥镜的视野中心。

可选的，医生可以为持镜臂安装内窥镜以及为持械臂安装戳卡，并将内窥镜对准病灶区域，在病灶区域位于内窥镜的视野中心之后，按下摆位按钮，以由第七确定模块确定病灶区域已经位于内窥镜的视野中心。第七确定模块也可以通过周期性地获取内窥镜的图像，确定病灶区域是否位于内窥镜的视野中心。

进而，在病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况下，手术机器人机械臂的位姿暂 时是静止固定的，因此，第七确定模块就可以根据手术机器人的机械臂中各关节的当前角 度，确定与持械臂连接的戳卡的远心点在悬吊盘坐标系下的第三位置信息以及病灶区域 的第四位置信息。

可以理解的是，根据持械臂中各关节的当前角度，可以确定第三位置信息。根据 持镜臂中各关节的当前角度，可以确定第四位置信息。

下述介绍确定第三位置信息的过程。

在一个示例性的实施例中，可选的，第七确定模块，进一步用于获取持械臂中各关 节的当前角度，通过持械臂的正运动计算出悬吊盘坐标系下戳卡的远心点的第三位置信息，以提高第三位置信息的确定效率。

在一些实施例中，第七确定模块也可以在获取持械臂中各关节的当前角度并进行 正运动学计算之后，对正运动学计算后的结果进行修正等后处理，以得到第三位置信息。

其中，第七确定模块可以根据持械臂中各个关节对应的传感器，获取每条持械臂中各关节的当前角度。

记，、和可以分别表示第i条持械臂对应的戳卡远心点的 第三位置信息在x方向、y方向和z方向上的坐标。

示例性地，第七确定模块根据1号机械臂中各关节的当前角度，通过正运动学能够 确定1号机械臂对应的戳卡远心点的第三位置信息；根据3号机械臂中各关节的当前角 度，通过正运动学能够可以确定3号机械臂对应的戳卡远心点的第三位置信息；根据4号 机械臂中各关节的当前角度，通过正运动学能够可以确定4号机械臂对应的戳卡远心点的 第三位置信息。

需要说明的是，戳卡的远心点在悬吊盘坐标系下的第三位置信息，也可以理解 为戳卡的远心点在远心点坐标系的位置信息相对于悬吊盘坐标系的位置信息。

下述介绍确定病灶区域的第四位置信息的过程。

在一个示例性的实施例中，可选的，第七确定模块，进一步用于获取持镜臂中各关节的当前角度，通过持镜臂的正运动计算出悬吊盘坐标系下内窥镜的末端的第五位置信息；根据第五位置信息以及病灶区域在内窥镜坐标系下的第六位置信息确定第四位置信息。

以2号机械臂为持镜臂为例，第七确定模块根据2号机械臂中各关节的当前角度， 可以确定2号机械臂对应的内窥镜的末端在悬吊盘坐标系下的第五位置信息。其中， 第五位置信息也可以理解为内窥镜的末端在内窥镜坐标系的位姿信息相对于悬 吊盘坐标系的位姿信息。

进而，第七确定模块能够确定病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况下，病灶区 域在内窥镜坐标系下的第六位置信息。其中，。、和可以分 别表示病灶区域的第六位置信息在x方向、y方向和z方向上的坐标。

其中，第七确定模块可以通过与内窥镜通信，以获取第六位置信息。在一些 实施例中，第七确定模块还可以获取内窥镜的类型，并根据内窥镜的类型确定出第六位置 信息。内窥镜的类型可以包括不同视场角类型的内窥镜，例如可以包括30°内窥镜、 0°内窥镜或其它角度的内窥镜。

由于不同视场角的视野中心的位置不同，因此，在一些实施例中，第七确定模块可 以存储不同内窥镜的类型与不同的第六位置信息之间的第一对应关系，进而，确定内窥镜 的类型之后，就可以利用内窥镜的类型和上述第一对应关系，确定出第六位置信息。

更进一步地，就可以根据第五位置信息和第六位置信息，确定第四位 置信息。可选的，可以利用内窥镜坐标系和悬吊盘坐标系之间的转换关系，根据第五位 置信息和第六位置信息，确定第四位置信息。

在一些实施例中，也可以根据如下式（1）确定出第四位置信息。

（1）

上述实施例中，由于能够获取持镜臂中各关节的当前角度，通过持镜臂的正运动计算出悬吊盘坐标系下内窥镜的末端的第五位置信息，根据第五位置信息以及病灶区域在内窥镜坐标系下的第六位置信息确定第四位置信息，因此，提高了第四位置信息的确定效率。

在一些实施例中，第七确定模块也可以在获取持镜臂中各关节的当前角度并进行 正运动学计算之后，对正运动学计算后的结果进行修正等后处理，以得到第五位置信息，并根据第五位置信息和第六位置信息，确定第四位置信息，本实施 例并不以此为限。

第八确定模块，用于根据第三位置信息和第四位置信息，确定持械臂的第一目标位姿；第一目标位姿为戳卡的远心点的第三位置信息不变且戳卡的轴线方向指向病灶区域的位姿信息。

由于已经将内窥镜对准病灶区域，且在手术过程中持镜臂通常不动，因此仅需要 对持械臂进行摆位。而由于持械臂中的戳卡需要连接手术器械，为了在持械臂摆位的过程 中减小对目标对象的影响，并且使得摆位之后的持械臂朝向病灶区域，方便后续的手术，在 本实施例中，确定了第一位置信息和第二位置信息之后，第八确定模块可以根据第 一位置信息和第二位置信息，确定在戳卡的第一位置信息不变，且戳卡的轴线方 向指向病灶区域的情况下的第一目标位姿。

可选的，第八确定模块可以根据第一位置信息和第二位置信息，确定出持 械臂对应的戳卡的轴向方向指向病灶区域的中心时持械臂的姿态，并将第一位置信息以 及戳卡远心点指向病灶区域的中心时持械臂的姿态作为第一目标位姿。

可以理解的是，不同的戳卡的第一目标位姿可以不同。例如，1号机械臂对应第一 目标位姿，3号机械臂对应第一目标位姿。

上述实施例中，由于悬吊盘坐标系基于手术机器人的悬吊盘的位置确定，并且是在病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况下，根据手术机器人的机械臂中各关节的当前角度，确定悬吊盘坐标系下持械臂的戳卡的远心点的第一位置信息和病灶区域的第二位置信息。这样，就可以较为准确地确定出第一位置信息和第二位置信息。进一步地，根据第一位置信息和第二位置信息，就可以确定出第一位置信息不变，且戳卡的轴线方向指向病灶区域的情况下的第一位姿信息。

在一个示例性的实施例中，可选的，第八确定模块包括第七确定单元和第八确定单元。其中：

第七确定单元，用于根据第三位置信息和第四位置信息确定目标姿态信息。

在本实施例中，由于第三位置信息为在病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况 下，戳卡的远心点在悬吊盘坐标系下的位置信息。第四位置信息为病灶区域位于内窥 镜的视野中心的情况下，病灶区域在悬吊盘坐标系下的位置信息。因此，根据第三位置信息和第四位置信息，就可以确定目标姿态信息。

其中，目标姿态信息是在持械臂的戳卡的轴线方向指向病灶区域的情况下持 械臂的姿态信息。可选的，第七确定单元可以将各持械臂对应的第三位置信息减去第四位 置信息，确定各持械臂对应的目标姿态信息。

第八确定单元，用于根据第三位置信息和目标姿态信息，确定持械臂的第一目标位姿。

进一步地，确定持镜臂的目标姿态信息之后，由于第三位置信息不变，因 此，根据第三位置信息和目标姿态信息，就可以确定戳卡的第一目标位姿。其 中，第一目标位姿包括第一位置信息和目标姿态信息。也就是说，第八确定单元 可以将第一位置信息和目标姿态信息作为第一目标位姿。

示例性地，第八确定单元可以根据如下式（2）确定第一目标位姿。

（2）

上述实施例中，由于目标姿态信息为持械臂的戳卡的轴线指向病灶区域时戳卡的姿态信息，因此，根据第三位置信息和第四位置信息确定目标姿态信息，并根据第三位置信息和目标姿态信息，就可以确定出符合摆位期望的第一目标位姿。

在一个示例性的实施例中，第七确定单元，还用于根据第三位置信息和第四位置信息，确定由戳卡的远心点指向病灶区域的第一方向向量；确定与第一方向向量正交的第二方向向量和第三方向向量；根据第一方向向量、第二方向向量和第三方向向量，确定目标姿态信息。

在本实施例中，由于第三位置信息是机械臂对应的戳卡远心点在悬吊盘坐标下 的位置信息，第四位置信息是在病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况下，病灶区域 在悬吊盘坐标系下的位置信息，因此，根据第三位置信息和第四位置信息，就可以确 定第i条机械臂中，由戳卡的轴线方向指向病灶区域的第一方向向量。可以理解的是，第 一方向向量是第i条机械臂的戳卡所在的轴线方向的方向向量，也即远心点坐标系中y 方向的向量。

其中，可以将第三位置信息减去第四位置信息得到第一结果，并对第一结 果进行向量化之后，得到第一方向向量。

示例性地，针对1号机械臂，根据第三位置信息和第四位置信息，就可以确 定出1号机械臂对应的第一方向向量。同样地，也可以确定出3号机械臂对应的第一方向 向量，以及4号机械臂对应的第一方向向量。

进一步地，由于在垂直于戳卡所在的轴线方向无其它约束，因此，第二确定子单元 502可以任意空间中确定与第一方向向量正交的两个方向向量作为第二方向向量和第 三方向向量。其中，第二方向向量也即x方向的向量，第三方向向量也即z方向的方向 向量。

也就是说，可以从空间中选取第二方向向量和第三方向向量，只要满足针对 同一条机械臂，第一方向向量、第二方向向量和第三方向向量两两垂直即可。可选 的，第二方向向量和第三方向向量可以是单位向量。

示例性地，针对1号机械臂，第一确定单元402确定与第一方向向量正交的第二 方向向量和第三方向向量。其他机械臂同理，此处不再赘述。

更进一步地，第一确定单元402就可以根据第一方向向量、第二方向向量和第 三方向向量，确定目标姿态信息。可选的，第三确定子单元503可以将第一方向向量、第二方向向量和第三方向向量作为目标姿态信息。也即是，。

继续上述的示例，则可以将作为1号机械臂的目标姿态信息，将作为3号机械臂的目标姿态信息，将作为4号机械臂的目标姿态信息。

上述实施例中，由于根据第三位置信息和第四位置信息，确定由戳卡的远心点指向病灶区域的第一方向向量，并确定与第一方向向量正交的第二方向向量和第三方向向量，这样，根据第一方向向量、第二方向向量和第三方向向量，就可以准确、高效地确定出使得戳卡的轴线方向指向病灶区域的目标姿态信息。

一个示例性的实施例中，可选的，手术机器人的摆位系统200还包括第二摆位模块。其中：

第二摆位模块，用于根据第一目标位姿对持械臂进行摆位。

在本实施例中，第二摆位模块就可以根据第一目标位姿对持械臂进行摆位。可选的，针对每条持械臂，第二摆位模块可以根据第一目标位姿对持械臂进行逆运动学解算确定解算结果。进而，第二摆位模块根据每条持械臂的解算结果确定出各持械臂的运动策略，以根据该运动策略控制每条机械臂运动。

上述实施例中，由于第一目标位姿为第一位置信息不变，且戳卡的轴线方向指向病灶区域的情况下的位姿信息，因此，根据第一目标位姿对持械臂进行摆位之后，就可以实现在持械臂对应的戳卡远心点不动的情况下，将戳卡的轴线方向对准病灶区域。上述对持械臂摆位的过程中，无需依赖医生的经验，因此减少了对医生的依赖，减少了摆位时间，进而也能提高摆位的准确性和效率。

在一个示例性的实施例中，第二摆位模块还用于：根据第一目标位姿对持械臂进行逆运动学解算，在逆运动学解算存在逆解的情况下，确定持械臂中各关节的目标角度；基于持械臂中各关节的当前角度和目标角度，确定持械臂的第一运动轨迹；根据第一运动轨迹控制持械臂进行摆位。

在本实施例中，确定第一目标位姿之后，第二摆位模块就可以根据第一目标位姿对持械臂进行逆运动学解算，在逆运动学解算存在逆解的情况下，则解算出的逆解即为持械臂中各关节的目标角度。其中，目标角度也即持械臂中各关节在摆位完成后最终需要达到的角度。

示例性地，假设1号持械臂包括关节1~关节3，则第二摆位模块根据第一目标位姿对1号持械臂进行逆运动学解算之后，就可以确定1号持械臂的关节1的目标角度1、1号持械臂的关节2的目标角度2以及1号持械臂的关节3的目标角度3。其他持械臂同理，此处不再赘述。

可选的，根据第一目标位姿对持械臂进行逆运动学解算，也可能不存在逆解，在逆运动学解算不存在逆解的情况下，第二摆位模块可以发出提示信息，以提示医生当前摆位失败。

进一步地，第二摆位模块还可以确定出持械臂中各关节的当前角度。因此，第二摆位模块已知持械臂中各关节在摆位过程中的“起始角度”和“终止角度”，如此，第二摆位模块就可以根据持械臂中各关节的当前角度和目标角度，对持械臂进行运动规划，以确定持械臂的第一运动轨迹。

可选的，第二摆位模块可以利用预设算法，以根据持械臂中各关节的当前角度和目标角度确定持械臂的第一运动轨迹。其中，预设算法可以包括但不限于是网格搜索法、自由空间法、四叉树法。

同样地，第一运动轨迹用于根据第一目标位姿对持械臂进行摆位的情况下，描述持械臂中各关节的关节轨迹。以1号持械臂的关节1为例，1号机械臂的第一运动轨迹可以包括1号机械臂的关节1在时刻1的期望角度1、时刻2的期望角度2、时刻3的期望角度3、……时刻t的期望角度t。其中，t为大于等于1的整数。

更进一步地，确定了第一运动轨迹之后，第二摆位模块就可以根据第一运动轨迹控制持械臂进行摆位。

继续以1号持械臂的关节1为例，可选的，第二摆位模块可以根据第一运动轨迹，在每个时刻根据1号持械臂的关节1的当前角度，给定1号持械臂的关节1每个时刻下的驱动信号，以使1号持械臂的关节1在每个时刻的实际角度满足第一运动轨迹中的期望角度。

在一些实施例中，第二摆位模块也可以根据持械臂中各关节的当前角度、目标角度和目标参数，确定持械臂的多个候选路径点。其中，目标参数包括预设步长、各关节的角度限位范围、碰撞检测阈值中的至少一项。预设步长用于指示对持械臂进行规划的步长。角度限位范围用于指示持械臂中各关节的可调节的角度范围，避免关节的转动角度位于角度限位范围之外的情况。碰撞检测阈值可以包括各持械臂之间的臂间距阈值，以避免对持械臂摆位的过程中发生碰撞。

这样，基于根据持械臂中各关节的当前角度和目标角度，通过设置预设步长、角度限位范围和碰撞检测阈值，可以在持械臂的关节空间规划内，确定出从当前角度到目标角度的无碰撞的路径，从而得到持械臂中各关节的候选路径点。

进而，根据各候选路径点，就可以确定第一运动轨迹。例如，第二摆位模块基于各候选路径点，通过多轴同步轨迹规划确定第一运动轨迹。

进而，持械臂的各个关节按照第一运动轨迹运动之后，持械臂就可以达到第一目标位姿。如此，就实现了在第一位置信息不变的情况下，将戳卡的轴线方向指向病灶区域。

上述实施例中，根据第一目标位姿对持械臂进行逆运动学解算，在逆运动学解算存在逆解的情况下，确定持械臂中各关节的目标角度，并基于持械臂中各关节的当前角度和目标角度，确定持械臂的第一运动轨迹。这样，根据第一运动轨迹控制持械臂进行摆位之后，使得持械臂对应的戳卡满足第一目标位姿。

在一个示例性的实施例中，可选的，手术机器人的摆位系统200还包括第八确定模块和第三摆位模块。其中：

第八确定模块，用于响应于输入操作，确定手术机器人待操作的手术部位和手术机器人的安装摆位模式。

在本实施例中，第八确定模块可以提供交互界面。交互界面中可以包括多个候选手术部位以及多个候选摆位模式。用户可以基于交互界面发起输入操作，以从多个候选手术部位中选择待操作的手术部位，以及从多个候选摆位模式中选择安装摆位模式。这样，第八确定模块就可以响应于输入操作，确定手术机器人待操作的手术部位和手术机器人的安装摆位模式。

其中，手术部位可以是目标对象中的任意一个部位。安装摆位模式用于指示手术机器人与目标对象之间的方位关系。

图7为本申请实施例中一种交互界面的示意图，如图7所示，候选手术部位可以包括胸腔、心脏、上腹、下腹、肾脏和盆腔。在一些实施例中，候选手术部位还可以包括但不限于是直肠、肝胆等部位，本实施例并不以此为限。

请继续参考图7，候选摆位模式可以包括Right模式、Left模式和Straight模式。其中，Right模式也即右朝向摆位模式，图8为本申请实施例中一种右朝向摆位模式的示意图，如图8所示，在Right模式中，手术机器人102在手术床103的左侧，手术机器人中的悬吊盘向右旋转一定角度。Left模式也即左朝向摆位模式，图9为本申请实施例中一种左朝向摆位模式的示意图，如图9所示，在Left模式中，手术机器人102在手术床103的右侧，手术机器人中的悬吊盘向左旋转一定角度。Straight模式也即正朝向摆位模式，图10为本申请实施例中一种正朝向摆位模式的示意图，如图10所示，在Straight模式中，手术机器人102可以手术床103中目标对象的脚侧，手术机器人中的悬吊盘不旋转保持正向。

示例性地，第八确定模块可以响应于输入操作确定手术部位为盆腔，确定安装摆位模式为Right模式。

第三摆位模块，用于响应于使能信号，根据手术部位和安装摆位模式对手术机器人进行摆位。

其中，交互界面中可以包括使能控件。第三摆位模块可以响应于针对交互界面中使能控件的操作生成对应的使能信号。请继续参考图7，交互界面中包括“自动摆位”，这样，用户可以按下“自动摆位”，在用户按下“自动摆位”的过程中，第三摆位模块能够生成使能信号，进而，第三摆位模块就可以响应于使能信号，根据手术部位和安装摆位模式对手术机器人进行摆位。

可选的，第三摆位模块可以存储不同的候选手术部位、候选摆位模式可与摆位方式之间的第二对应关系，这样，第三摆位模块就可以根据手术部位和安装摆位模式，利用第二对应关系，确定出对应的目标摆位方式，进而，第三摆位模块就可以利用目标摆位方式对手术机器人进行摆位。

其中，目标摆位方式可以包括将手术机器人移动到预设位置，和/或，将手术机器人中的悬吊盘转动预设角度。预设角度可以位于区间[-90，90°]内，本实施例不做限制。

继续上述的示例，确定手术部位为盆腔，确定安装摆位模式为Right模式之后，第三摆位模块就可以在响应于使能信号的情况下，将手术机器人移动到手术床的左侧，并将手术机器人的悬吊盘向右转动预设角度。

在一些实施例中，第三摆位模块还可以响应于停止使能信号，以停止手术机器人进行摆位。例如，当存在意外情况或医生需要优先处理其它事情时，医生可以松开交互界面中的“自动摆位”，这样，手术机器人就可以停止自动摆位。若用户再次继续长按“自动摆位”，手术机器人将继续摆位。

上述实施例中，由于能够响应于输入操作，确定手术机器人待操作的手术部位和手术机器人的安装摆位模式，并响应于使能信号，根据手术部位和安装摆位模式对手术机器人进行摆位，因此，在对手术机器人摆位之后，手术机器人就可以合理位于目标对象附近，方便后续机械臂对准病灶区域，提高了后续持械臂的摆位效率。

上述手术机器人的摆位系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于手术机器人的摆位方法。该方法所提供的解决问题的实现方案与上述系统中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个手术机器人的摆位方法实施例中的具体限定可以参见上文中对于手术机器人的摆位系统的限定，在此不再赘述。

图11为本申请实施例中手术机器人的摆位方法的流程示意图，在一个示例性的实施例中，如图11所示，提供了一种手术机器人的摆位方法，以该方法应用于图1中的计算机设备为例进行说明，包括以下S1101至S1103。

S1101，确定手术机器人中持械臂的末端的预设工作空间，预设工作空间为使得与持械臂连接的器械能够对病灶区域进行操作的最小空间。

S1102，根据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度，确定在持械臂的戳卡的第一目标位姿不变时持械臂的末端的第一工作空间，第一工作空间大于预设工作空间。

S1103，根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位。

在一个示例性的实施例中，可选的，持械臂包括偏摆关节和俯仰关节，持械臂的末端的第一工作空间包括在偏摆关节和俯仰关节处于对应的最大运动范围的情况下，持械臂的末端的运动范围。

在一个示例性的实施例中，可选的，S1102可以通过如下方式实现：

针对各第一预设角度，基于第一目标位姿和第一预设角度进行逆运动学求解，确定持械臂中各关节的第二目标角度；根据偏摆关节的第二目标角度和偏摆关节的限位角度，确定第一预设角度对应的持械臂的偏摆关节的最大运动范围，并根据俯仰关节的第二目标角度和俯仰关节的限位角度，确定第一预设角度对应的持械臂的俯仰关节的最大运动范围。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述的“根据偏摆关节的第二目标角度和偏摆关节的限位角度，确定第一预设角度对应的持械臂的偏摆关节的最大运动范围，并根据俯仰关节的第二目标角度和俯仰关节的限位角度，确定第一预设角度对应的持械臂的俯仰关节的最大运动范围”，还可以通过如下方式实现：

确定目标关节的第二目标角度与目标关节的限位角度之间的最小差值；根据最小差值确定第一运动范围；其中，在目标关节为偏摆关节的情况下，第一运动范围为偏摆关节的最大运动范围；在目标关节为俯仰关节的情况下，第一运动范围为俯仰关节的最大运动范围。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述手术机器人的摆位方法还包括如下步骤：

根据第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度和相邻已摆位机械臂的位姿确定碰撞风险；确定碰撞风险最小的第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度为第一目标角度。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述的S1103还可以通过如下方式实现：

根据第一工作空间所对应的各关节的第一目标角度以及持械臂中各关节的当前角度，控制持械臂进行摆位。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述的S1101可以通过如下方式实现：

确定病灶区域对应的第一模拟模型；根据戳卡的远心点与病灶区域之间的距离以及第一模拟模型的尺寸信息，确定预设工作空间；预设工作空间包括在持械臂中偏摆关节和俯仰关节处于对应的预设运动范围的情况下，持械臂的末端的运动范围。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述的“根据戳卡的远心点与病灶区域之间的距离以及第一模拟模型的尺寸信息，确定预设工作空间”，可以通过如下方式实现：

确定椭球体在目标方向的目标轴长与距离之间的目标比值；根据目标比值的反正切函数确定第二运动范围；其中，目标方向包括第一方向和第二方向；在目标方向为第一方向的情况下，目标轴长为椭球体在第一方向的轴长的一半，目标角度阈值为偏摆关节的预设运动范围；在目标方向为第二方向的情况下，目标轴长为椭球体在第二方向的轴长，目标角度阈值为俯仰关节的预设运动范围。

在一个示例性的实施例中，可选的，在根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位之后，上述手术机器人的摆位方法还包括如下步骤：

确定病灶区域的第二模拟模型，并根据第二模拟模型更新预设工作空间。

在一个示例性的实施例中，可选的，第二模拟模型为球体；上述的“确定病灶区域的第二模拟模型，并根据第二模拟模型更新预设工作空间”，还可以通过如下方式实现：

根据第一持械臂中戳卡的远心点的第一位置信息和第二持械臂中戳卡的远心点的第二位置信息，确定第二模拟模型的直径；第一持械臂和第二持械臂为术中操作的持械臂；根据直径更新预设工作空间。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述的“根据直径更新预设工作空间”，还可以通过如下方式实现：

确定直径的一半与距离之间的第一比值，并根据第一比值的反正切函数更新偏摆关节的预设运动范围；确定直径与距离之间的第二比值，并根据第二比值的反正切函数更新偏摆关节的预设运动范围。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述手术机器人的摆位方法还包括如下步骤：

获取持械臂中各关节的当前角度，并通过持械臂的正运动计算出第一目标位姿。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述手术机器人的摆位方法还包括如下步骤：

在病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况下，根据持械臂中各关节的当前角度，确定悬吊盘坐标系下戳卡的远心点的第三位置信息和病灶区域的第四位置信息；悬吊盘坐标系基于手术机器人的悬吊盘的位置确定；根据第三位置信息和第四位置信息，确定持械臂的第一目标位姿；第一目标位姿为戳卡的远心点的第三位置信息不变且戳卡的轴线方向指向病灶区域的位姿信息。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述的“根据第三位置信息和第四位置信息，确定持械臂的第一目标位姿”，可以通过如下方式实现：

根据第三位置信息和第四位置信息确定目标姿态信息；根据第三位置信息和目标姿态信息，确定持械臂的第一目标位姿。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述的“根据第三位置信息和第四位置信息确定目标姿态信息”，可以通过如下方式实现：

根据第三位置信息和第四位置信息，确定由戳卡的远心点指向病灶区域的第一方向向量；确定与第一方向向量正交的第二方向向量和第三方向向量；根据第一方向向量、第二方向向量和第三方向向量，确定目标姿态信息。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述的“根据持械臂中各关节的当前角度，确定悬吊盘坐标系下戳卡的远心点的第三位置信息和病灶区域的第四位置信息”，可以通过如下方式实现：

获取持械臂中各关节的当前角度，并通过持械臂的正运动计算出悬吊盘坐标系下戳卡的远心点的第三位置信息。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述的“根据持械臂中各关节的当前角度，确定悬吊盘坐标系下戳卡的远心点的第三位置信息和病灶区域的第四位置信息”，可以通过如下方式实现：

获取持镜臂中各关节的当前角度，通过持镜臂的正运动计算出悬吊盘坐标系下内窥镜的末端的第五位置信息；根据第五位置信息以及病灶区域在内窥镜坐标系下的第六位置信息确定第四位置信息。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述手术机器人的摆位方法还包括如下步骤：

根据第一目标位姿对持械臂进行摆位。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述的“根据第一目标位姿对持械臂进行摆位”，可以通过如下方式实现：

根据第一目标位姿对持械臂进行逆运动学解算，在逆运动学解算存在逆解的情况下，确定持械臂中各关节的目标角度；基于持械臂中各关节的当前角度和目标角度，确定持械臂的第一运动轨迹；根据第一运动轨迹控制持械臂进行摆位。

在一个示例性的实施例中，可选的，上述手术机器人的摆位方法还包括如下步骤：

响应于输入操作，确定手术机器人待操作的手术部位和手术机器人的安装摆位模式；响应于使能信号，根据手术部位和安装摆位模式对手术机器人进行摆位。

为了更清楚地介绍本申请实施例中的手术机器人的摆位方法，在此结合图12~图14进行说明。

图12为本申请实施例中一种摆位的流程示意图，如图12所示，如图12所示，该方法的流程可以为：

S1201，选择手术部位和安装摆位模式，完成第一摆位阶段。也就是说，在第一摆位阶段，会根据手术部位和安装摆位模式对手术机器人进行摆位，以将手术机器人移动至空间中较为合理的位置。

S1202，持械臂对接戳卡以及持镜臂对接内窥镜，并移动内窥镜对准病灶区域。

S1203，计算第三位置信息和第四位置信息。

S1204，计算第一目标位姿，根据第一目标位姿完成第二摆位阶段。也就是说，在第二摆位阶段，会确定出戳卡的远心点的第三位置信息不变且戳卡的轴线方向指向病灶区域的第一位姿信息，并根据第一目标位姿对持械臂进行摆位，以实现在持械臂对应的戳卡远心点不动的情况下，将戳卡的轴线方向对准病灶区域。

S1205，确定预设工作空间。

S1206，确定出大于预设工作空间，且碰撞风险最小的第一工作空间对应的第一目标角度。

S1207，根据第一目标角度完成第三摆位阶段。也就是说，在第三摆位阶段，会确定手术机器人中持械臂的末端的预设工作空间，并据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度，确定第一工作空间，进而根据第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制持械臂进行摆位，以在第一目标位姿不变的情况下，使得与持械臂连接的器械就能够顺利地操作病灶区域。

图13为本申请实施例中手术机器人的摆位方法的过程示意图之一，图14为本申请实施例中手术机器人的摆位方法的过程示意图之二，在一个示例性的实施例中，如图13和图14所示，上述手术机器人的摆位方法包括S1301至S1326。

首先，在术前进入第一摆位阶段，执行S1301~S1302。

S1301，响应于输入操作，确定手术机器人待操作的手术部位和手术机器人的安装摆位模式。

S1302，响应于使能信号，根据手术部位和安装摆位模式对手术机器人进行摆位。

进而，在第一摆位阶段之后，在术前进入第二摆位阶段，执行S1303~S1312。

S1303，在病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况下，获取持械臂中各关节的当前角度，并通过持械臂的正运动计算出悬吊盘坐标系下戳卡的远心点的第三位置信息。

S1304，在病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况下，获取持镜臂中各关节的当前角度，通过持镜臂的正运动计算出悬吊盘坐标系下内窥镜的末端的第五位置信息。

S1305，根据第五位置信息以及病灶区域在内窥镜坐标系下的第六位置信息确定第四位置信息。

S1306，根据第三位置信息和第四位置信息，确定由戳卡的远心点指向病灶区域的第一方向向量。

S1307，确定与第一方向向量正交的第二方向向量和第三方向向量。

S1308，根据第一方向向量、第二方向向量和第三方向向量，确定目标姿态信息。其中，第一目标位姿为戳卡的远心点的第三位置信息不变且戳卡的轴线方向指向病灶区域的位姿信息。

S1309，根据第三位置信息和目标姿态信息，确定持械臂的第一目标位姿。

S1310，根据第一目标位姿对持械臂进行逆运动学解算，在逆运动学解算存在逆解的情况下，确定持械臂中各关节的目标角度。

S1311，基于持械臂中各关节的当前角度和目标角度，确定持械臂的第一运动轨迹。

S1312，根据第一运动轨迹控制持械臂进行摆位。

之后，在第二摆位阶段之后，在术前或者术中进入第三摆位阶段，执行S1313~S1326。

S1313，确定病灶区域对应的第一模拟模型。

S1314，确定椭球体在目标方向的目标轴长与距离之间的目标比值。

S1315，根据目标比值的反正切函数确定第二运动范围。其中，在目标方向为第一方向的情况下，目标轴长为椭球体在第一方向的轴长的一半，目标角度阈值为偏摆关节的预设运动范围；在目标方向为第二方向的情况下，目标轴长为椭球体在第二方向的轴长，目标角度阈值为俯仰关节的预设运动范围。

S1316，根据偏摆关节和俯仰关节的预设运动范围确定预设工作空间。可以理解的是，预设工作空间包括在持械臂中偏摆关节和俯仰关节处于对应的预设运动范围的情况下，持械臂的末端的运动范围。

S1317，针对各第一预设角度，基于第一目标位姿和第一预设角度进行逆运动学求解，确定持械臂中各关节的第二目标角度。

S1318，根据偏摆关节的第二目标角度和偏摆关节的限位角度，确定目标关节的第二目标角度与目标关节的限位角度之间的最小差值。

S1319，根据最小差值确定第一运动范围。在目标关节为偏摆关节的情况下，第一运动范围为偏摆关节的最大运动范围；在目标关节为俯仰关节的情况下，第一运动范围为俯仰关节的最大运动范围。

S1320，根据第一预设角度对应的偏摆关节的最大运动范围和俯仰关节的最大运动范围以及预设工作空间，确定第一工作空间。其中，第一工作空间大于预设工作空间。

S1321，根据第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度和相邻已摆位机械臂的位姿确定碰撞风险。

S1322，确定碰撞风险最小的第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度为第一目标角度。

S1323，根据第一工作空间所对应的各关节的第一目标角度以及持械臂中各关节的当前角度，控制持械臂进行摆位。

在第三摆位阶段中，若持械臂之间即将发生碰撞，或者，则可以执行S1324~S1326。

S1324，获取持械臂中各关节的当前角度，并通过持械臂的正运动计算出第一目标位姿。

S1325，根据第一持械臂中戳卡的远心点的第一位置信息和第二持械臂中戳卡的远心点的第二位置信息，确定第二模拟模型的直径。其中，第一持械臂和第二持械臂为术中操作的持械臂。

S1326，根据直径更新预设工作空间。其中，可以确定直径的一半与距离之间的第一比值，并根据第一比值的反正切函数更新偏摆关节的预设运动范围，以及确定直径与距离之间的第二比值，并根据第二比值的反正切函数更新偏摆关节的预设运动范围。S1326之后，返回执行S1317的步骤。

应该理解的是，如上所述的各实施例所涉及的各个步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

图15为本申请实施例中计算机设备的内部结构图，在一个示例性的实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图15所示。该计算机设备包括处理器、存储器、输入/输出接口（Input/Output，简称I/O）和通信接口。其中，处理器、存储器和输入/输出接口通过系统总线连接，通信接口通过输入/输出接口连接到系统总线。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储相关数据。该计算机设备的输入/输出接口用于处理器与外部设备之间交换信息。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种手术机器人的摆位方法。

本领域技术人员可以理解，图15中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，还提供了一种手术机器人系统，该手术机器人系统包括上述任一项的手术机器人的摆位系统。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-OnlyMemory，ROM）、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器（ReRAM）、磁变存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）、铁电存储器（Ferroelectric Random Access Memory，FRAM）、相变存储器（Phase Change Memory，PCM）、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（Dynamic RandomAccess Memory，DRAM）等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。

以上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本申请专利范围的限制。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，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (24)

1.一种手术机器人的摆位系统，其特征在于，所述系统包括：

第一确定模块，用于确定手术机器人中持械臂的末端的预设工作空间，所述预设工作空间为使得与所述持械臂连接的器械能够对病灶区域进行操作的最小空间；

第二确定模块，用于根据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度，确定在所述持械臂的戳卡的第一目标位姿不变时所述持械臂的末端的第一工作空间，所述第一工作空间大于所述预设工作空间；

第一摆位模块，用于根据所述第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制所述持械臂进行摆位。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述持械臂包括偏摆关节和俯仰关节，所述第一工作空间包括在所述偏摆关节和所述俯仰关节处于对应的最大运动范围的情况下，所述持械臂的末端的运动范围。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二确定模块包括：

第一确定单元，用于针对各所述第一预设角度，基于所述第一目标位姿和所述第一预设角度进行逆运动学求解，确定所述持械臂中各关节的第二目标角度；

第二确定单元，用于根据所述偏摆关节的第二目标角度和所述偏摆关节的限位角度，确定所述第一预设角度对应的所述持械臂的偏摆关节的最大运动范围，并根据所述俯仰关节的第二目标角度和所述俯仰关节的限位角度，确定所述第一预设角度对应的所述持械臂的俯仰关节的最大运动范围。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二确定单元，还用于：

确定目标关节的第二目标角度与所述目标关节的限位角度之间的最小差值；

根据所述最小差值确定所述第一运动范围；

其中，在所述目标关节为所述偏摆关节的情况下，所述第一运动范围为偏摆关节的最大运动范围；在所述目标关节为所述俯仰关节的情况下，所述第一运动范围为俯仰关节的最大运动范围。

5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第三确定模块，用于根据所述第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度和相邻已摆位机械臂的位姿确定碰撞风险；

第四确定模块，用于确定碰撞风险最小的第一工作空间所对应的各关节的第二目标角度为所述第一目标角度。

6.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述第一摆位模块，还用于：

根据所述第一工作空间所对应的各关节的第一目标角度以及所述持械臂中各关节的当前角度，控制所述持械臂进行摆位。

7.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述第一确定模块包括：

第三确定单元，用于确定所述病灶区域对应的第一模拟模型；

第四确定单元，用于根据所述戳卡的远心点与所述病灶区域之间的距离以及所述第一模拟模型的尺寸信息，确定所述预设工作空间；所述预设工作空间包括在所述持械臂中偏摆关节和俯仰关节处于对应的预设运动范围的情况下，所述持械臂的末端的运动范围。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一模拟模型为椭球体；所述第四确定单元，还用于：

确定所述椭球体在目标方向的目标轴长与所述距离之间的目标比值；

根据所述目标比值的反正切函数确定第二运动范围；

其中，所述目标方向包括第一方向和第二方向；在所述目标方向为所述第一方向的情况下，所述目标轴长为所述椭球体在所述第一方向的轴长的一半，所述目标角度阈值为所述偏摆关节的预设运动范围；

在所述目标方向为所述第二方向的情况下，所述目标轴长为所述椭球体在所述第二方向的轴长，所述目标角度阈值为所述俯仰关节的预设运动范围。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，在所述根据所述第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制所述持械臂进行摆位之后，所述系统还包括：

第五确定模块，用于确定所述病灶区域的第二模拟模型，并根据所述第二模拟模型更新所述预设工作空间。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第二模拟模型为球体；所述第五确定模块还包括：

第五确定单元，用于根据第一持械臂中戳卡的远心点的第一位置信息和第二持械臂中戳卡的远心点的第二位置信息，确定所述第二模拟模型的直径；所述第一持械臂和所述第二持械臂为术中操作的所述持械臂；

第六确定单元，用于根据所述直径更新所述预设工作空间。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第六确定单元，还用于：

确定所述直径的一半与距离之间的第一比值，并根据第一比值的反正切函数更新所述偏摆关节的预设运动范围；

确定所述直径与所述距离之间的第二比值，并根据第二比值的反正切函数更新所述偏摆关节的预设运动范围。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第六确定模块，用于获取所述持械臂中各关节的当前角度，并通过所述持械臂的正运动计算出所述第一目标位姿。

13.根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第七确定模块，用于在病灶区域位于内窥镜的视野中心的情况下，根据所述持械臂中各关节的当前角度，确定悬吊盘坐标系下所述戳卡的远心点的第三位置信息和所述病灶区域的第四位置信息；所述悬吊盘坐标系基于所述手术机器人的悬吊盘的位置确定；

第八确定模块，用于根据所述第三位置信息和所述第四位置信息，确定所述持械臂的第一目标位姿；所述第一目标位姿为所述戳卡的远心点的第三位置信息不变且所述戳卡的轴线方向指向所述病灶区域的位姿信息。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第八确定模块包括：

第七确定单元，用于根据所述第三位置信息和所述第四位置信息确定目标姿态信息；

第八确定单元，用于根据所述第三位置信息和所述目标姿态信息，确定所述持械臂的第一目标位姿。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述第七确定单元，还用于：

根据所述第三位置信息和所述第四位置信息，确定由所述戳卡的远心点指向所述病灶区域的第一方向向量；

确定与所述第一方向向量正交的第二方向向量和第三方向向量；

根据所述第一方向向量、所述第二方向向量和所述第三方向向量，确定所述目标姿态信息。

16.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第七确定模块，还用于：

获取所述持械臂中各关节的当前角度，并通过所述持械臂的正运动计算出所述悬吊盘坐标系下所述戳卡的远心点的第三位置信息。

17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第七确定模块，还用于：

获取持镜臂中各关节的当前角度，通过所述持镜臂的正运动计算出所述悬吊盘坐标系下所述内窥镜的末端的第五位置信息；

根据所述第五位置信息以及所述病灶区域在内窥镜坐标系下的第六位置信息确定所述第四位置信息。

18.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第二摆位模块，用于根据所述第一目标位姿对所述持械臂进行摆位。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述第二摆位模块，还用于：

根据所述第一目标位姿对所述持械臂进行逆运动学解算，在逆运动学解算存在逆解的情况下，确定所述持械臂中各关节的目标角度；

基于所述持械臂中各关节的当前角度和目标角度，确定所述持械臂的第一运动轨迹；

根据所述第一运动轨迹控制所述持械臂进行摆位。

20.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

第八确定模块，用于响应于输入操作，确定所述手术机器人待操作的手术部位和所述手术机器人的安装摆位模式；

第三摆位模块，用于响应于使能信号，根据所述手术部位和所述安装摆位模式对所述手术机器人进行摆位。

21.一种手术机器人的摆位方法，其特征在于，所述方法包括：

确定手术机器人中持械臂的末端的预设工作空间，所述预设工作空间为使得与所述持械臂连接的器械能够对病灶区域进行操作的最小空间；

根据手术机器人持械臂中冗余关节的多个第一预设角度，确定在所述持械臂的戳卡的第一目标位姿不变时所述持械臂的末端的第一工作空间，所述第一工作空间大于所述预设工作空间；

根据所述第一工作空间所对应的持械臂各关节的第一目标角度控制所述持械臂进行摆位。

22.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求21所述的方法的步骤。

23.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求21所述的方法的步骤。

24.一种手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括如权利要求1-20任一项所述的手术机器人的摆位系统。