CN117773905A - 手术机器人摆位方法、装置、上位机和手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种手术机器人摆位方法、装置、上位机和手术机器人系统。方法应用于控制手术机器人的上位机；手术机器人包括机械臂、连接机械臂的驱动单元，以及设于机械臂末端的力传感器，驱动单元和力传感器均连接上位机；机械臂的末端用于连接目标工装；方法包括：基于当前目标点的位置信息得到第一驱动指令并输出；在接收到构型调整指令的情况下输出控制指令；处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出；检测参数包括力传感器输出的第一参数和驱动单元输出的第二参数中的至少一种；第二驱动指令用于指示驱动单元调整机械臂的构型直至满足针对当前目标点的摆位需求。采用本方法能够满足不同医护人员的操作习惯或不同术式的操作空间需求。

Description

手术机器人摆位方法、装置、上位机和手术机器人系统

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别是涉及一种手术机器人摆位方法、装置、上位机和手术机器人系统。

背景技术

随着机器人技术的发展，出现了采用手术机器人操纵末端手术器械执行相应的外科手术的技术。为了实现末端手术器械在入针点与靶点的精准定位，机器臂至少需要5个自由度。同时，为了提高手术机器人的避障性以及医护人员的操作空间，机械臂通常涉及具有1个冗余自由度的6自由度机器人。

通常，当外界环境都已知时，可根据机器人运动学特性优化冗余自由度，计算手术执行时的机器人摆位，进而达到较好的避障性与操作性。目前，通常采用算法实现机器人的自动摆位。

然而，目前的机器人摆位方式或者传统方法，存在无法满足不同医护人员的操作习惯或不同术式的操作空间需求等局限性。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够满足不同医护人员的操作习惯或不同术式的操作空间需求的手术机器人摆位方法、装置、上位机、手术机器人系统、计算机可读存储介质和计算机程序产品。

第一方面，本申请提供了一种手术机器人摆位方法，方法应用于上位机，上位机用于控制手术机器人；手术机器人包括机械臂、连接机械臂的驱动单元，以及设于机械臂末端的力传感器，驱动单元和力传感器均连接上位机；机械臂的末端用于连接目标工装；方法包括：

基于当前目标点的位置信息得到第一驱动指令，输出第一驱动指令；第一驱动指令用于指示驱动单元驱动机械臂达到目标位姿；

在接收到构型调整指令的情况下，输出控制指令；控制指令用于指示驱动单元控制机械臂进入零力拖动模式以及保持目标工装的末端方向向量不变；

处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出；检测参数包括力传感器输出的第一参数和驱动单元输出的第二参数中的至少一种；第二驱动指令用于指示驱动单元调整机械臂的构型，直至机械臂满足针对当前目标点的摆位需求。

在其中一个实施例中，第一参数为目标工装当前所受拖动力经力传感器处理得到；第二参数为机械臂的连杆当前所受拖动力经驱动单元处理得到。

在其中一个实施例中，处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出的步骤，包括：

基于机械臂的导纳控制模型处理第一参数，得到目标工装的末端速度；

基于运动学处理末端速度，得到机械臂的关节映射速度；

根据关节映射速度，生成第二驱动指令。

在其中一个实施例中，处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出的步骤，包括：

采用动力学模型对第二参数进行辨识，得到机械臂的连杆动力学参数；连杆动力学参数包括机械臂的关节速度；

根据关节速度，生成第二驱动指令。

在其中一个实施例中，基于当前目标点的位置信息得到第一驱动指令，输出第一驱动指令的步骤，包括：

根据当前目标点的位置信息，规划机械臂达到目标位姿的路径；

基于路径确定第一驱动指令，输出第一驱动指令至驱动单元；第一驱动指令用于指示驱动单元控制机械臂按照路径执行摆位操作。

在其中一个实施例中，当前目标点为多个目标点中的一个；方法还包括步骤：

针对当前目标点的所在位置，输出第三驱动指令；第三驱动指令用于指示驱动单元驱动机械臂进行微调校准；

若经微调校准后的机械臂满足针对当前目标点的精度需求，则将下一个目标点作为当前目标点，直至机械臂满足针对各目标点的摆位需求与精度需求。

第二方面，本申请提供了一种手术机器人摆位装置，装置应用于上位机，上位机用于控制手术机器人；手术机器人包括机械臂、连接机械臂的驱动单元，以及设于机械臂末端的力传感器，驱动单元和力传感器均连接上位机；机械臂的末端用于连接目标工装；装置包括：

路径规划单元，用于基于当前目标点的位置信息得到第一驱动指令，输出第一驱动指令；第一驱动指令用于指示驱动单元驱动机械臂达到目标位姿；

摆位控制单元，用于在接收到构型调整指令的情况下，输出控制指令；控制指令用于指示驱动单元控制机械臂进入零力拖动模式以及保持目标工装的末端方向向量不变；

构型调整单元，用于处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出；检测参数包括力传感器输出的第一参数和驱动单元输出的第二参数中的至少一种；第二驱动指令用于指示驱动单元调整机械臂的构型，直至机械臂满足针对当前目标点的摆位需求。

第三方面，本申请提供了一种上位机，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

第四方面，本申请提供了一种手术机器人系统，手术机器人系统包括手术机器人和用于控制手术机器人的上位机；其中：

手术机器人包括机械臂、连接机械臂的驱动单元，以及设于机械臂末端的力传感器，驱动单元和力传感器均连接上位机；机械臂的末端用于连接目标工装；

上位机包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

第五方面，本申请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方法的步骤。

第六方面，本申请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方法的步骤。

上述手术机器人摆位方法、装置、上位机、手术机器人系统、计算机可读存储介质和计算机程序产品，通过基于当前目标点的位置信息，得到并输出用于指示驱动单元驱动机械臂达到目标位姿的第一驱动指令；在接收到构型调整指令的情况下输出控制指令，用于指示驱动单元控制机械臂进入零力拖动模式以及保持目标工装的末端方向向量不变；若获取到力传感器输出的第一参数、驱动单元输出的第二参数，则处理第一参数或第二参数，得到并输出用于指示驱动单元调整机械臂的构型的第二驱动指令，输出第二驱动指令直至机械臂满足针对当前目标点的摆位需求，能够针对当前目标点调整机械臂的构型，保证机械臂的摆位满足不同术式的空间操作要求和不同医护人员的操作习惯，提高了手术机器人的适用性。

附图说明

图1为一个实施例中手术机器人的结构示意图；

图2为一个实施例中手术机器人摆位方法的流程示意图；

图3为一个实施例中第二驱动指令生成步骤的流程示意图；

图4为另一个实施例中第二驱动指令生成步骤的流程示意图；

图5为一个实施例中第一驱动指令确定步骤的流程示意图；

图6为一个实施例中手术机器人摆位步骤的流程示意图；

图7为一个具体的实施例中手术机器人摆位方法的流程示意图；

图8为另一个具体的实施例中手术机器人摆位方法的流程示意图；

图9为一个实施例中手术机器人摆位装置的结构框图；

图10为一个实施例中上位机的内部结构图。

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。

本申请实施例提供的手术机器人摆位方法，可以应用于控制手术机器人的上位机。手术机器人可以如图1所示，其中，机械臂110的末端设有力传感器120，机械臂110的末端用于连接目标工装130，其中，机械臂110可以为串联机械臂，目标工装130可以安装在力传感器120的测量面，例如，力传感器用于检测外部作用力的一面；目标工装末端132可以用于在手术前或在手术过程中移动至多个目标点执行相应的操作，进一步的，驱动单元可以根据相应指令驱动机械臂110执行相应的摆位操作。其中，在验证场景下，目标工装130可以为验证工装，验证工装可以用于验证机械臂手动摆位效果，通常在手术机器人出厂前进行验证；在手术场景下，目标点可以为入针点，目标工装130可以针对入针点执行相应的操作，便于后续机械臂基于入针点操纵手术器械执行手术操作。在一个实施例中，本申请提供了一种手术机器人摆位方法，方法应用于上位机，上位机用于控制手术机器人；手术机器人包括机械臂110、连接机械臂110的驱动单元，以及设于机械臂110末端的力传感器120，驱动单元和力传感器120均连接上位机；机械臂110的末端用于连接目标工装130；如图2所示，方法包括：

步骤210，基于当前目标点的位置信息得到第一驱动指令，输出第一驱动指令；第一驱动指令用于指示驱动单元驱动机械臂110达到目标位姿；

具体而言，当前目标点可以为根据病灶区域确定的多个目标点中的一个，基于当前目标点的位置信息，例如，空间坐标，可以对机械臂110的运动轨迹进行规划，确定机械臂110需要达到的目标位姿；目标位姿可以包括目标位置和目标姿态，其中，目标位置可以是靠近当前目标点的位置，也可以为当前目标点的位置，目标姿态可以为便于后续进行手术操作的姿态，例如，便于后续手术器械的末端能够到达病灶区域(靶点)的相应姿态(手术器械可以相应安装于机械臂110的末端)。上位机根据规划的目标位姿，可以得到并输出第一驱动指令，驱动单元可以根据第一驱动指令相应驱动机械臂110运动，以达到目标位姿。

在一些示例中，可以通过术前扫描影像进行重建得到各目标点在影像空间的位置信息(例如，影像空间坐标系下的三维坐标)，进一步的，基于手术机器人空间注册得到的、用于表征影像空间与实际空间之间的关系的转换矩阵，可以得到各目标点的在实际空间下的位置信息(推测值)。可以在机械臂110在整个术式工作流中完成空间注册后，根据当前目标点的位置信息输出第一驱动指令。机械臂110可以为六自由度的串联机械臂，也可以为六个以上自由度的串联机械臂。驱动单元可以包括机械臂110的各关节处的驱动电机，用于控制机械臂110的动作。力传感器120可以为六维力传感器，用于测量机械臂110的末端力矩，上位机可以根据六维力传感器测量的末端力矩对机械臂110进行重力补偿。

步骤220，在接收到构型调整指令的情况下，输出控制指令；控制指令用于指示驱动单元控制机械臂110进入零力拖动模式以及保持目标工装130的末端方向向量不变；

具体而言，在机械臂110达到目标位姿后，医护人员可以根据机械臂110的当前构型，判断是否满足手术的空间操作要求；若机械臂110的当前构型不满足手术的空间操作要求，医护人员可以通过相应的操作，向上位机输入构型调整指令，例如，在上位机的界面上选择“构型调整”，上位机即接收到构型调整指令，进而输出控制指令；驱动单元可以根据控制指令，控制机械臂110进入零力拖动模式，并且保持目标工装130的末端方向向量不变；其中，零力拖动模式可以为实时补偿重力项和摩擦力项力矩的情况下的零力矩拖动模式，即在零力拖动模式下，若医护人员拖动机械臂，机械臂110所受外部作用力对哪个关节有力矩，该关节就会被柔顺地拖动。目标工装130的末端方向向量，即目标工装末端132的所在轴线的方向向量。

在一些示例中，上位机输出的控制指令可以使目标工装130的末端轴向锁定，即在机械臂110后续进行构型调整的过程中，目标工装130的末端只能绕自身末端的轴向转动，由于目标工装130的末端为柱状结构，目标工装130的末端能够在轴向锁定的模式保持姿态不变。

步骤230，处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出；检测参数包括力传感器120输出的第一参数和驱动单元输出的第二参数中的至少一种；第二驱动指令用于指示驱动单元调整机械臂110的构型，直至机械臂110满足针对当前目标点的摆位需求。

具体而言，医护人员可以根据手术机器人实际的外界操作空间需求和医护人员自身的操作习惯，对机械臂110的连杆或目标工装130进行拖动操作。在医护人员的拖动操作下，上位机可以通过处理获取到的检测参数，输出第二驱动指令，其中，检测参数可以包括力传感器120基于相应的外部作用力输出的第一参数、和驱动单元基于相应的外部作用力输出的第二参数中的至少一种，第二驱动指令可以用于指示驱动单元根据医护人员的外部作用力相应地调整机械臂110的构型，在针对当前目标点对机械臂110的构型进行调整的过程中，目标工装130的末端方向向量保持不变。若机械臂110的构型调整至满足实际操作空间需求和医护人员自身的操作习惯，则医护人员可以停止拖动机械臂110的连杆或目标工装130。

在一些示例中，力传感器120输出的第一参数可以包括力传感器120测量得到的机械臂110的末端力矩，进一步的，上位机可以采用导纳控制模型处理力传感器120输出的第一参数，实现对机械臂110的力控柔顺拖动。需要说明的是，当机械臂110处于力控柔顺拖动模式下时，无外部作用力作用于目标工装130或机械臂110的连杆，机械臂110可以保持当前位姿不动，即医护人员只有对目标工装130或机械臂110的连杆施加外部作用力，机械臂110才会运动，否则机械臂110保持上一时刻的运动位姿。驱动单元输出的第二参数可以包括驱动单元的根据关节力矩转换得到的电流值，通过上位机对第二参数进行相应的参数辨识，可以实现对机械臂110的零力拖动。

本申请实施例通过基于当前目标点的位置信息，得到并输出用于指示驱动单元驱动机械臂达到目标位姿的第一驱动指令；在接收到构型调整指令的情况下输出控制指令，用于指示驱动单元控制机械臂进入零力拖动模式以及保持目标工装的末端方向向量不变；处理获取到的检测参数，得到并输出用于指示驱动单元调整机械臂的构型的第二驱动指令，输出第二驱动指令直至机械臂满足针对当前目标点的摆位需求。采用本申请实施例针对当前目标点调整机械臂的构型，能够保证机械臂的摆位满足不同术式的空间操作要求和不同医护人员的操作习惯，提高了手术机器人的适用性。

在其中一个实施例中，第一参数为目标工装130当前所受拖动力经力传感器120处理得到；第二参数为机械臂110的连杆当前所受拖动力经驱动单元处理得到。

具体而言，医护人员可以根据手术机器人实际的外界操作空间需求和医护人员自身的操作习惯，对机械臂110的连杆或目标工装130进行拖动操作；若医护人员拖动目标工装130，力传感器120相应地受到一个外部拖动力，可以通过力传感器120检测该外部拖动力并处理后输出第一参数，便于上位机对第一参数进行进一步处理以得到并输出第二驱动指令，进而保证机械臂110能够按照医护人员的拖动意图而相应改变构型。同理，若医护人员拖动机械臂110的连杆，则会对机械臂110的关节产生相应的关节力矩，进而驱动单元通过测量驱动电流并处理后输出第二参数，便于上位机对第二参数进行相应的参数辨识，得到并输出第二驱动指令，进而保证机械臂110能够按照医护人员的拖动意图而相应改变构型。

在一些示例中，力传感器120输出的第一参数可以包括力传感器120测量得到的机械臂110的末端力矩；驱动单元输出的第二参数可以包括驱动单元内部电流环的驱动电流值。

在其中一个实施例中，如图3所示，处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出的步骤，包括：

步骤310，基于机械臂110的导纳控制模型处理第一参数，得到目标工装130的末端速度；

步骤320，基于运动学处理末端速度，得到机械臂110的关节映射速度；

步骤330，根据关节映射速度，生成第二驱动指令。

具体而言，导纳控制模型可以为其中，x为控制对象的实际位姿与期望位姿之差，/>为x的一阶导数，/>为x的二阶导数，M为惯性矩阵，B为阻尼矩阵，K为刚度矩阵。导纳控制模型可以将力信号转换为机械臂110的运动控制量，上位机可以将运动控制量下发给机械臂110的底层伺服(即驱动单元)使得机械臂110运动。其中，运动控制量可以为目标工装130的末端速度(可以为机械臂110的末端速度，也可以进行相应转换得到机械臂110的末端速度)。进一步的，上位机基于运动学方法对目标工装130的末端速度进行处理，可以得到机械臂110的各个关节的关节映射速度，并基于关节映射速度生成第二驱动指令，驱动单元根据接收到的第二驱动指令，可以驱动机械臂110的各关节根据相应的关节映射速度运动，以达到目标工装130按照上述末端速度运动的效果。

在其中一个实施例中，如图4所示，处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出的步骤，包括：

步骤410，采用动力学模型对第二参数进行辨识，得到机械臂110的连杆动力学参数；连杆动力学参数包括机械臂110的关节速度；

步骤420，根据关节速度，生成第二驱动指令。

具体而言，动力学模型可以包括如下公式其中，θ为关节位置，/>为关节速度，/>为关节加速度，M为惯量矩阵，/>为离心力和科氏力，G(θ)为重力，/>为摩擦力，τ为关节输出力矩，对上述公式进行线性化处理，可得其中，/>为回归矩阵，π为辨识后的参数，即动力学基本参数集；上位机采用上述动力学模型对第二参数进行相应的参数辨识，可以得到动力学基本参数集。机械臂110的连杆动力学参数可以包括辨识得到的动力学基本参数集，还可以包括机械臂110的关节速度，可以基于机械臂110的关节速度得到并输出第二驱动指令，使得机械臂110的关节按照上述得到的关节速度运动。

在一些示例中，动力学基本参数集可以包括连杆i的质量、连杆i在关节坐标系i原点处的惯性张量矩阵参数、连杆i的质心在关节坐标系i中的位置、连杆i的粘滞摩擦系数和库伦摩擦系数，以及关节i处的等价电机惯量等。可以基于线性拟合的方法，例如，采用最小二乘法得到上述动力学基本参数集，进而得到机械臂110的关节速度。

在其中一个实施例中，如图5所示，基于当前目标点的位置信息得到第一驱动指令，输出第一驱动指令的步骤，包括：

步骤510，根据当前目标点的位置信息，规划机械臂110达到目标位姿的路径；

步骤520，基于目标位姿的路径确定第一驱动指令，输出第一驱动指令至驱动单元；第一驱动指令用于指示驱动单元控制机械臂110按照达到目标位姿的路径执行摆位操作。

具体而言，可以根据当前目标点的位置信息，例如，当前目标点的空间坐标、当前目标点与待手术对象的相对位置等信息，对机械臂110达到目标位姿的路径进行规划，并根据达到目标位置的路径确定第一驱动指令，驱动单元根据第一驱动指令控制机械臂110按照规划得到的目标位姿的路线运动，以达到目标位姿。

在其中一个实施例中，当前目标点为病灶的多个目标点中的一个；如图6所示，方法还包括步骤：

步骤610，针对当前目标点的所在位置，输出第三驱动指令；第三驱动指令用于指示驱动单元驱动机械臂110进行微调校准；

步骤620，若经微调校准后的机械臂110满足针对当前目标点的精度需求，则将下一个目标点作为当前目标点，直至机械臂110满足针对各目标点的摆位需求与精度需求。

具体而言，在医护人员通过拖动手术机器人的机械臂110的连杆或目标工装130以调整构型、执行相应的摆位操作，直至满足针对当前目标点的摆位需求后，可以进一步地通过上位机的预设的相关算法或模型，通过输出第三驱动指令，使得驱动单元控制机械臂110针对当前目标点进行自动微调校准，使得目标工装130的末端能够更为精确地到达当前目标点，并且对实现目标工装130的末端的在当前目标点处的精确控制进行验证。需要说明是，通过转换矩阵对术前扫描影像进行转换得到的当前目标点的位置信息，可能与当前目标点的真实位置存在偏差，进而导致目标工装130的末端无法与当前目标点重合，通过微调校准可以消除目标工装130的末端与当前目标点之间的差值。其中，微调校准可以为以基于当前目标点的所在位置和目标工装130的末端位置的差值情况，确定机械臂110的驱动单元的调整量，例如，各关节处的驱动电机的步进调整量；第三驱动指令可以包括各关节处的驱动电机的步进调整量，以指示机械臂110的各关节处的驱动电机根据相应的步进调整量驱动机械臂各关节的运动，实现机械臂110的微调校准，校准后目标点的位置符合对当前目标点的精度需求。若经微调校准后的机械臂110满足针对当前目标点的精度需求，即通过控制机械臂110使得目标工装130的末端能够到达当前目标点、并且在当前目标点处能够按照预设精度执行相应的动作以达到预设位姿，则将当前目标点更新为下一个目标点，继续执行上述的构型调整和自动微调校准步骤，直至机械臂110能够满足针对各目标点的摆位需求与精度需求，即满足当前术式的空间操作要求和当前医护人员的操作习惯。

在一些示例中，若机械臂110能够满足针对各目标点的摆位需求与精度需求，表明医护人员可以进行相应的手术操作。

在一个具体的实施例中，如图7所示，提供了一种手术机器人摆位方法，包括步骤：在机械臂110在整个术式工作流中完成空间注册后，指示驱动单元控制机械臂110按照达到目标位姿的路径执行摆位操作；若接收到构型调整指令，例如，医护人员在上位机的界面上选择“构型调整”，表明医护人员判断机械臂110的构型不满足实际操作空间需求和医护人员自身的操作习惯，则上位机响应于构型调整指令输出控制指令，若未接受到构型调整指令，则指示医护人员可以开始手术；驱动单元根据控制指令，控制机械臂110进入零力拖动模式轴向锁定的力控模式，即在机械臂110后续进行构型调整的过程中，目标工装130的末端只能绕自身末端的轴向转动；响应于轴向锁定的力控模式下的拖动操作，调整机械臂110的构型直至满足实际操作空间需求和医护人员自身的操作习惯；驱动单元控制机械臂110进行自动微调校准直至满足相应的精度要求，若满足相应的精度要求，则指示医护人员可以开始手术。本实施例可以保证机械臂110的摆位满足不同术式的空间操作要求和不同医护人员的操作习惯，以及保证机械臂110的末端满足精准定位需求，提高了手术机器人的适用性和准确度。

在一个具体的实施例中，如图8所示，提供了一种手术机器人摆位方法，包括步骤：控制装配目标工装130的机械臂110基于当前目标点达到目标位姿；对目标工装130的末端运动状态进行分析，控制目标工装130的末端只能绕自身末端的轴向转动；可以在响应于目标工装130受到的拖动操作调整机械臂110的构型的情况下，基于导纳控制模型和运动学得到目标工装130的末端速度f(v)；基于运动学，将目标工装130的末端速度f(v)转换至机械臂110的关节映射速度f(Θ)；基于机械臂110的关节映射速度f(Θ)生成控制指令下发给机械臂110的底层伺服控制器，对机械臂110进行控制；响应于操作者结合外界环境和自身操作习惯对目标工装130进行的拖动操作，相应调整机械臂110的构型；若机械臂110的构型满足现场和操作者的需求，则上位机程序控制机械臂110运动至下一个目标点；若机械臂构型不满足现场和操作者的需求，则可以响应于目标工装130受到的拖动操作调整机械臂110的构型，重复执行基于导纳控制模型和运动学得到目标工装130的末端速度f(v)的步骤以及后续的步骤，直至机械臂构型满足现场和操作者的需求；若机械臂构型不满足现场和操作者的需求，还可以调用动力学模块，其中，动力学模块可以包括动力学模型；在调用动力学模块的情况下，还可以进一步响应于机械臂110连杆受到的拖动操作调整机械臂110的构型，直至机械臂构型满足现场和操作者的需求；上位机程序控制机械臂110运动至下一个目标点，继续执行对目标工装130的末端运动状态进行分析，控制目标工装130的末端只能绕自身末端的轴向转动的步骤，以及后续的步骤；重复执行上述步骤直至完成针对所有目标点的机械臂110的构型调整。本实施例可以实现针对所有目标点的机械臂摆位，验证机械臂的构型是否满足现场和操作者的需求，并进行相应的构型调整，使得手术机器人以最优化的状态适应手术的需求。

应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些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流程图中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。

基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的手术机器人摆位方法的手术机器人摆位装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法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摆位装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于手术机器人摆位方法的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，如图9所示，本申请提供了一种手术机器人摆位装置，装置应用于上位机，上位机用于控制手术机器人；手术机器人包括机械臂110、连接机械臂110的驱动单元，以及设于机械臂110末端的力传感器120，驱动单元和力传感器120均连接上位机；机械臂110的末端用于连接目标工装130；装置包括：

路径规划单元910，用于基于当前目标点的位置信息得到第一驱动指令，输出第一驱动指令；第一驱动指令用于指示驱动单元驱动机械臂110达到目标位姿；

摆位控制单元920，用于在接收到构型调整指令的情况下，输出控制指令；控制指令用于指示驱动单元控制机械臂110进入零力拖动模式以及保持目标工装130的末端方向向量不变；

构型调整单元930，用于处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出；检测参数包括力传感器120输出的第一参数和驱动单元输出的第二参数中的至少一种；第二驱动指令用于指示驱动单元调整机械臂110的构型，直至机械臂110满足针对当前目标点的摆位需求。

在其中一个实施例中，构型调整单元930包括：

第一参数处理单元，用于基于机械臂110的导纳控制模型处理第一参数，得到目标工装130的末端速度；基于运动学处理末端速度，得到机械臂110的关节映射速度；根据关节映射速度，生成第二驱动指令。

在其中一个实施例中，构型调整单元930包括：

第二参数处理单元，用于采用动力学模型对第二参数进行辨识，得到机械臂110的连杆动力学参数；连杆动力学参数包括机械臂110的关节速度；根据关节速度，生成第二驱动指令。

在其中一个实施例中，路径规划单元910还用于根据当前目标点的位置信息，规划机械臂110达到目标位姿的路径；基于目标位姿的路径确定第一驱动指令，输出第一驱动指令至驱动单元；第一驱动指令用于指示驱动单元控制机械臂110按照目标位姿的路径执行摆位操作。

在其中一个实施例中，装置还包括：

微调校准单元，用于针对当前目标点的所在位置，输出第三驱动指令；第三驱动指令用于指示驱动单元驱动机械臂110进行微调校准；若经微调校准后的机械臂110满足针对当前目标点的精度需求，则将下一个目标点作为当前目标点，直至机械臂110满足针对各目标点的摆位需求与精度需求。

上述手术机器人摆位装置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。

在一个实施例中，本申请提供了一种上位机，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

在一个实施例中，提供了一种上位机，该上位机可以是终端，其内部结构图可以如图10所示。该上位机包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该上位机的处理器用于提供计算和控制能力。该上位机的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。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。该上位机的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、移动蜂窝网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时以实现一种手术机器人摆位方法。该上位机的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该上位机的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是上位机外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图10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上位机的限定，具体的上位机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，本申请提供了一种手术机器人系统，手术机器人系统包括手术机器人和用于控制手术机器人的上位机；其中：

手术机器人包括机械臂110、连接机械臂110的驱动单元，以及设于机械臂末端的力传感器120，驱动单元和力传感器120均连接上位机；机械臂110的末端用于连接目标工装130；

上位机包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

在一个实施例中，本申请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方法的步骤。

在一个实施例中，本申请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方法的步骤。

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 (10)

1.一种手术机器人摆位方法，其特征在于，所述方法应用于上位机，所述上位机用于控制手术机器人；所述手术机器人包括机械臂、连接所述机械臂的驱动单元，以及设于所述机械臂末端的力传感器，所述驱动单元和所述力传感器均连接所述上位机；所述机械臂的末端用于连接目标工装；所述方法包括：

基于当前目标点的位置信息得到第一驱动指令，输出所述第一驱动指令；所述第一驱动指令用于指示所述驱动单元驱动所述机械臂达到目标位姿；

在接收到构型调整指令的情况下，输出控制指令；所述控制指令用于指示所述驱动单元控制所述机械臂进入零力拖动模式以及保持所述目标工装的末端方向向量不变；

处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出；所述检测参数包括所述力传感器输出的第一参数和所述驱动单元输出的第二参数中的至少一种；所述第二驱动指令用于指示所述驱动单元调整所述机械臂的构型，直至所述机械臂满足针对所述当前目标点的摆位需求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一参数为所述目标工装当前所受拖动力经所述力传感器处理得到；所述第二参数为所述机械臂的连杆当前所受拖动力经所述驱动单元处理得到。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出的步骤，包括：

基于所述机械臂的导纳控制模型处理所述第一参数，得到所述目标工装的末端速度；

基于运动学处理所述末端速度，得到所述机械臂的关节映射速度；

根据所述关节映射速度，生成所述第二驱动指令。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出的步骤，包括：

采用动力学模型对所述第二参数进行辨识，得到所述机械臂的连杆动力学参数；所述连杆动力学参数包括所述机械臂的关节速度；

根据所述关节速度，生成所述第二驱动指令。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于当前目标点的位置信息得到第一驱动指令，输出所述第一驱动指令的步骤，包括：

根据所述当前目标点的位置信息，规划所述机械臂达到所述目标位姿的路径；

基于所述路径确定第一驱动指令，输出所述第一驱动指令至所述驱动单元；所述第一驱动指令用于指示所述驱动单元控制所述机械臂按照所述路径执行摆位操作。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前目标点为多个目标点中的一个；所述方法还包括步骤：

针对所述当前目标点的所在位置，输出第三驱动指令；所述第三驱动指令用于指示所述驱动单元驱动所述机械臂进行微调校准；

若经所述微调校准后的所述机械臂满足针对所述当前目标点的精度需求，则将下一个所述目标点作为所述当前目标点，直至所述机械臂满足针对各所述目标点的摆位需求与精度需求。

7.一种手术机器人摆位装置，其特征在于，所述装置应用于上位机，所述上位机用于控制手术机器人；所述手术机器人包括机械臂、连接所述机械臂的驱动单元，以及设于所述机械臂末端的力传感器，所述驱动单元和所述力传感器均连接所述上位机；所述机械臂的末端用于连接目标工装；所述装置包括：

路径规划单元，用于基于当前目标点的位置信息得到第一驱动指令，输出所述第一驱动指令；所述第一驱动指令用于指示所述驱动单元驱动所述机械臂达到目标位姿；

摆位控制单元，用于在接收到构型调整指令的情况下，输出控制指令；所述控制指令用于指示所述驱动单元控制所述机械臂进入零力拖动模式以及保持所述目标工装的末端方向向量不变；

构型调整单元，处理获取到的检测参数，得到第二驱动指令并输出；所述检测参数包括所述力传感器输出的第一参数和所述驱动单元输出的第二参数中的至少一种；所述第二驱动指令用于指示所述驱动单元调整所述机械臂的构型，直至所述机械臂满足针对所述当前目标点的摆位需求。

8.一种上位机，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1至6中任一项所述的方法的步骤。

9.一种手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括手术机器人和用于控制所述手术机器人的上位机；其中：

所述手术机器人包括机械臂、连接所述机械臂的驱动单元，以及设于所述机械臂末端的力传感器，所述驱动单元和所述力传感器均连接所述上位机；所述机械臂的末端用于连接目标工装；

所述上位机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权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。

10.一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1至6中任一项所述的方法的步骤。