CN118105174A - 手术机器人系统的控制方法、装置及存储介质 - Google Patents

手术机器人系统的控制方法、装置及存储介质 Download PDF

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CN118105174A CN202410081983.XA CN202410081983A CN118105174A CN 118105174 A CN118105174 A CN 118105174A CN 202410081983 A CN202410081983 A CN 202410081983A CN 118105174 A CN118105174 A CN 118105174A
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Abstract

本申请公开了一种手术机器人系统的控制方法、装置及存储介质，所述方法应用于机器人领域，手术机器人系统包括主操作设备以及由主操作设备控制的从操作设备，所述方法包括：设置手术机器人系统的运动自由度参数；检测操作对象针对主操作设备施加的外力，并将外力转化为操作控制指令；基于运动自由度参数以及操作控制指令，确定主操作设备对应的第一关节动作指令；根据主操作设备对应的第一关节动作指令，确定从操作设备对应的第二关节动作指令；使从操作设备执行与第二关节动作指令相匹配的动作。本发明提高了手术机器人系统在手术过程中的操作效率以及操作准确率。

Description

手术机器人系统的控制方法、装置及存储介质
技术领域
本申请涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种手术机器人系统的控制方法、装置及存储介质。
背景技术
手术机器人可以用在微创或者无创的外科手术中，医生通过操作主端操作臂控制从端器械臂在患者体内进行手术操作，因此，柔性手术机器人的主从控制的可靠性和易用性对手术的安全来说非常关键。
虽然器械能够十分小巧灵活地运动，但在临床应用中通常有约束器械末端一个或者多个运动自由度的需要，比如围绕手术目标的某一点进行环绕剥离组织，或是夹住组织沿着某个方向直线牵拉。如果单一地只对从端器械的自由度做限制而不对主端操作臂做限制，那么会丢失手术机器人系统主从操作的直觉性。
发明内容
本申请提供了一种手术机器人系统的控制方法、装置及存储介质，可以提高手术机器人系统在手术过程中的操作效率以及操作准确率。
一方面，本申请提供了一种手术机器人系统的控制方法，所述手术机器人系统包括主操作设备以及由所述主操作设备控制的从操作设备，所述方法包括：
设置所述手术机器人系统的运动自由度参数；
检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力，并将所述外力转化为操作控制指令；
基于所述运动自由度参数以及所述操作控制指令，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令；
根据所述主操作设备对应的第一关节动作指令，确定所述从操作设备对应的第二关节动作指令；
使所述从操作设备执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作。
可选的，所述基于所述运动自由度参数以及所述操作控制指令，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令，包括：
基于所述运动自由度参数，对所述操作控制指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节控制指令；
采集所述主操作设备对应的当前关节信息；
根据所述关节控制指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令。
可选的，所述当前关节信息包括当前关节位置信息，所述关节控制指令包括关节位置指令；
所述根据所述关节控制指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令，包括：
根据所述关节位置指令以及所述当前关节位置信息，确定所述主操作设备对应的初始关节位置信息；
将所述初始关节位置信息，确定为所述第一关节动作指令。
可选的，所述将所述外力转化为操作控制指令，包括：
基于预设转换算法，将所述外力转化为位置指令以及姿态指令；
基于所述运动自由度参数，获取当前主操作设备末端的实际位置或实际姿态，并将所述实际位置转换为固定位置指令或将所述实际姿态转换为固定姿态指令；
基于所述固定位置指令和所述姿态指令确定所述操作控制指令，或基于所述位置指令和所述固定姿态指令确定所述操作控制指令。
可选的，所述基于所述运动自由度参数，对所述操作控制指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节控制指令，包括：
基于所述运动自由度参数，对所述固定位置指令和所述姿态指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令；
或，
基于所述运动自由度参数，对所述位置指令和所述固定姿态指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令。
可选的，所述使所述从操作设备执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作，包括：
使所述从操作设备对应的关节电机执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作。
可选的，所述根据所述关节控制指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令之前，所述方法还包括：
对所述主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令进行运动学正解，得到验证位姿；
判断所述验证位姿与所述实际位置或所述实际姿态是否一致，得到判断结果；
所述根据所述关节控制指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令，包括：
若所述判断结果表征所述验证位姿与所述实际位置或所述实际姿态一致，根据所述关节位置指令、所述关节姿态指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令。
可选的，在所述检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力之后，所述方法还包括，包括：
基于柔顺控制算法，将所述外力转化为所述主操作设备对应的笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令；
将所述笛卡尔位置指令以及所述笛卡尔姿态指令映射至关节空间，转换为所述主操作设备对应的操作控制指令。
可选的，所述基于柔顺控制算法，将所述外力转化为所述主操作设备对应的笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令，包括：
基于所述运动自由度参数，设置所述柔顺控制算法对应的柔顺控制参数；
获取所述主操作设备对应的当前位置、当前速度以及当前加速度；
根据所述外力、所述当前位置、所述当前速度以及所述当前加速度，确定所述主操作设备对应的期望位置、期望速度以及期望加速度；
基于所述主操作设备对应的期望位置、期望速度以及期望加速度，生成所述笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令。
可选的，在设置所述手术机器人系统的运动自由度参数之后，所述方法还包括：
根据所述运动自由度参数，确定所述主操作设备对应的待调关节数量；所述待调关节数量为满足所述运动自由度参数要求的最小数量；
基于所述待调关节数量，确定所述主操作设备的第一自由关节；
根据所述主操作设备的第一自由关节和主从映射，确定所述从操作设备的第二自由关节；
其中，所述第二自由关节执行与所述第一自由关节相对应的动作。
可选的，所述根据所述主操作设备对应的第一关节动作指令，确定所述从操作设备对应的第二关节动作指令，包括：
采集执行所述第一关节动作指令后的所述主操作设备对应的关节反馈位置，并对所述关节反馈位置进行运动学正解得所述主操作设备的第一笛卡尔位姿；
基于所述第一笛卡尔位姿和主从映射，得到所述从操作设备的第二笛卡尔位姿；
对所述第二笛卡尔位姿进行运动学逆解，得到所述从操作设备对应的第二关节动作指令。
可选的，所述主操作设备包括力检测设备，所述力检测设备为力传感器或力反馈电机；所述检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力，包括：
接收所述力检测设备发送的外力大小以及外力方向；所述外力大小以及外力方向为所述力检测设备获取所述操作对象针对所述主操作设备施加的外力并解析得到。
另一方面提供了一种手术机器人系统的控制装置，所述手术机器人系统包括主操作设备以及由所述主操作设备控制的从操作设备；所述装置包括：
参数设置模块，用于设置所述手术机器人系统的运动自由度参数；
检测模块，用于检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力，并将所述外力转化为操作控制指令；
初始信息确定模块，用于基于所述运动自由度参数以及所述操作控制指令，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令；
目标信息确定模块，用于根据所述主操作设备对应的第一关节动作指令，确定所述从操作设备对应的第二关节动作指令；
指令执行模块，用于使所述从操作设备执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作。
可选的，所述初始信息确定模块包括：
逆解单元，用于基于所述运动自由度参数，对所述操作控制指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节控制指令；
信息采集单元，用于采集所述主操作设备对应的当前关节信息；
初始信息确定单元，用于根据所述关节控制指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令。
可选的，所述当前关节信息包括当前关节位置信息，所述关节控制指令包括关节位置指令，所述初始信息确定单元包括：
初始位置确定子单元，用于根据所述关节位置指令以及所述当前关节位置信息，确定所述主操作设备对应的初始关节位置信息；
初始指令确定子单元，用于将所述初始关节位置信息，确定为所述第一关节动作指令。
可选的，所述检测模块包括：
指令转化单元，用于基于预设转换算法，将所述外力转化为位置指令以及姿态指令；
控制指令确定单元，用于基于所述运动自由度参数，获取当前主操作设备末端的实际位置或实际姿态，并将所述实际位置转换为固定位置指令或将所述实际姿态转换为固定姿态指令；基于所述固定位置指令和所述姿态指令确定所述操作控制指令，或基于所述位置指令和所述固定姿态指令确定所述操作控制指令。
可选的，所述逆解单元包括：
第一逆解子单元，用于基于所述运动自由度参数，对所述固定位置指令和所述姿态指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令；
或，
第二逆解子单元，用于基于所述运动自由度参数，对所述位置指令和所述固定姿态指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令。
可选的，所述指令执行模块，还用于使所述从操作设备对应的关节电机执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作。
可选的，所述装置还包括：
验证模块，用于对所述主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令进行运动学正解，得到验证位姿；
判断结果确定模块，用于判断所述验证位姿与所述实际位置或所述实际姿态是否一致，得到判断结果；
所述初始位置确定子单元，还用于若所述判断结果表征所述验证位姿与所述实际位置或所述实际姿态一致，根据所述关节位置指令、所述关节姿态指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令。
可选的，所述装置还包括：
笛卡尔指令转化单元，用于基于柔顺控制算法，将所述外力转化为所述主操作设备对应的笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令；
指令映射单元，用于将所述笛卡尔位置指令以及所述笛卡尔姿态指令映射至关节空间，转换为所述主操作设备对应的操作控制指令。
可选的，所述笛卡尔指令转化单元包括：
参数设置子单元，用于基于所述运动自由度参数，设置所述柔顺控制算法对应的柔顺控制参数；
当前速度获取子单元，用于获取所述主操作设备对应的当前位置、当前速度以及当前加速度；
期望速度确定子单元，用于根据所述外力、所述当前位置、所述当前速度以及所述当前加速度，确定所述主操作设备对应的期望位置、期望速度以及期望加速度；
笛卡尔指令生成子单元，用于基于所述主操作设备对应的期望位置、期望速度以及期望加速度，生成所述笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令。
可选的，所述装置还包括：
待调数量确定模块，用于根据所述运动自由度参数，确定所述主操作设备对应的待调关节数量；所述待调关节数量为满足所述运动自由度参数要求的最小数量；
第一关节确定模块，用于基于所述待调关节数量，确定所述主操作设备的第一自由关节；
第二关节确定模块，用于根据所述主操作设备的第一自由关节和主从映射，确定所述从操作设备的第二自由关节；其中，所述第二自由关节执行与所述第一自由关节相对应的动作。
可选的，所述目标信息确定模块包括：
坐标系获取单元，用于采集执行所述第一关节动作指令后的所述主操作设备对应的关节反馈位置，并对所述关节反馈位置进行运动学正解得所述主操作设备的第一笛卡尔位姿；
坐标系映射单元，用于基于所述第一笛卡尔位姿和主从映射，得到所述从操作设备的第二笛卡尔位姿；
目标信息确定单元，用于对所述第二笛卡尔位姿进行运动学逆解，得到所述从操作设备对应的第二关节动作指令。
可选的，所述主操作设备包括力检测设备，所述力检测设备为力传感器或力反馈电机；所述检测模块，还用于接收所述力检测设备发送的外力大小以及外力方向；所述外力大小以及外力方向为所述力检测设备获取所述操作对象针对所述主操作设备施加的外力并解析得到。
另一方面提供了一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括主操作设备以及由所述主操作设备控制的从操作设备；
所述主操作设备，用于设置所述手术机器人系统的运动自由度参数；检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力，并将所述外力转化为操作控制指令；基于所述运动自由度参数以及所述操作控制指令，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令；根据所述主操作设备对应的第一关节动作指令，确定所述从操作设备对应的第二关节动作指令；以及基于所述第二关节动作指令，向所述从操作设备发送控制指令；
所述从操作设备，用于执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作。
另一方面提供了一种电子设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由所述处理器加载并执行以实现如上所述的手术机器人系统的控制方法。
另一方面提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或至少一段程序由处理器加载并执行以实现如上所述的手术机器人系统的控制方法。
另一方面提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行以实现如上所述的手术机器人系统的控制方法。
本申请提供的手术机器人系统的控制方法、装置及存储介质，具有如下技术效果：
本申请提供了一种手术机器人系统的控制方法，所述手术机器人系统包括主操作设备以及由所述主操作设备控制的从操作设备，所述方法包括：设置所述手术机器人系统的运动自由度参数；检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力，并将所述外力转化为操作控制指令；基于所述运动自由度参数以及所述操作控制指令，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令；根据所述主操作设备对应的第一关节动作指令，确定所述从操作设备对应的第二关节动作指令；使所述从操作设备执行与所述第二关节动作指令相匹配的指令。本发明根据施加在主操作设备上的外力以及主操作设备的自由度，生成主操作设备的第一关节动作指令(位置、姿态)，再根据主操作设备的第一关节动作指令以及从操作设备的自由度，生成针对从操作设备的关节控制指令。不需要提前设置虚拟边界以及从操作设备的关节位置信息，减少了手术机器人系统在操作过程中的计算量，提高了手术机器人系统在手术过程中的操作效率以及操作准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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它附图。
图1是本说明书实施例提供的一个手术机器人系统的应用场景的示意图；
图2是本说明书实施例提供的一种从操作设备的结构示意图；
图3是本说明书实施例提供的一种从操作设备中柔性机械臂的结构示意图；
图4是本说明书实施例提供的一种柔性手术机器人系统的结构示意图；
图5是本说明书实施例提供的一种主端操作臂的结构示意图；
图6是本说明书实施例提供的一种从端器械臂的结构示意图；
图7是本说明书实施例提供的一种手术机器人系统的控制方法的流程示意图；
图8是本说明书实施例提供的一种外力转化成指令的方法的流程示意图；
图9是本说明书实施例提供的一种基于所述运动自由度参数以及所述操作控制指令，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令的方法的流程示意图；
图10是本说明书实施例提供的一种关节指令的运动学逆解方法的流程示意图；
图11是本说明书实施例提供的一种根据所述关节控制指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令的方法的流程示意图；
图12是本说明书实施例提供的一种根据所述主操作设备对应的第一关节动作指令，确定所述从操作设备对应的第二关节动作指令的方法的流程示意图；
图13是本说明书实施例提供的一种确定主操作设备中第一自由关节的方法的流程示意图；
图14是本说明书实施例提供的另一种手术机器人系统的控制方法的流程示意图；
图15是本说明书实施例提供的一种基于柔顺控制算法，将所述外力转化为所述主操作设备对应的笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令的方法的流程示意图；
图16是本说明书实施例提供的一种柔顺控制算法的虚拟二阶系统的结构示意图；
图17是本说明书实施例提供的一种基于主操作设备中各个关节的自由度参数，控制电机执行控制指令的方法的流程图；
图18是本说明书实施例提供的一种手术机器人系统的控制装置的结构示意图；
图19是本说明书实施例提供的一种服务器的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
请参阅图1，图1示出了一个手术机器人系统的应用场景。本实施例的手术机器人系统包括主操作设备100(即控制装置)、由主操作设备100控制的从操作设备200(即手术机器人)。
主操作设备100具有控制输入设备，其能够根据操作者的手部和/或脚部的动作向从操作设备200发送控制命令，以驱动调整从操作设备200的机械臂组件210的姿态，以及驱动机械臂组件210的执行器械执行相应的操作。
如图2和图3所示，从操作设备200具有用于执行手术动作的机械臂组件210、用于根据控制命令驱动机械臂组件210的驱动装置220，以及用于支撑驱动装置220的基座230，其中，机械臂组件210包括至少一个柔性机械臂211，每个柔性机械臂211的末端可以装载执行不同或相同手术操作的执行器械，执行器械可执行的手术操作包括但不限于夹、切、剪、缝合、电切或电凝等。例如，执行器械可以是包括但不限于持针钳类、剪类、抓持器类、施夹钳类的任一种。而持针钳类器械一般用于实现夹持、缝合、打结等操作，剪类器械一般用于实现剪线、解剖、切割等操作，抓持器类器械一般用于实现抓持、牵拉等操作，施夹钳类器械一般用于配合结扎夹进行结扎。
可选地，手术机器人系统还包括图像设备400，图像设备400用于获取内窥镜所拍摄的腔内(指患者的体腔内)的术野图像，进而对术野图像进行图像化处理，并传输至图像设备400的第一显示装置和/或主操作设备100的第二显示装置(图中未示出)进行显示，以便于操作者观察到术野图像。术野图像包括但不限于执行器械的类型、数量、在体腔内的位置和姿态，需要进行操作的目标器官组织以及周围血管的形态等等。进一步的，从操作设备200的机械臂组件210中的一个柔性机械臂211还可以装载用于辅助采集术野内图像的内窥镜，进而可以通过第一显示装置和/或第二显示装置显示。需理解的，图像设备400所显示的图像，可以是二维或三维的图像。内窥镜可包括用于手术的各种内窥镜，诸如胸腔镜、关节镜和鼻镜等。
可选地，手术机器人系统还包括用于支撑手术对象进行手术的支撑设备300(例如，手术床)，支撑设备300也根据手术类型可替换为其它的手术平台，本实施例对此不限。
如图4所示，图4为一种柔性手术机器人系统的结构示意图，包括医生台车、患者台车以及图像台车，其中，医生台车包括主操作设备，主操作设备包括主端操作臂；患者台车包括从操作设备，从操作设备包括从端器械臂；图像台车包括柔性内窥镜臂。其中，主端操作臂是一种具备力反馈功能的多自由度机械臂，能够获取医生操作意图并通过算法转化成从端器械臂或是内窥镜臂的指令。从端器械臂是由多段柔性连续体组成，可以灵活的控制每一段的弯曲角度和弯曲方向从而实现不同的位置和姿态。柔性内窥镜臂和柔性器械臂类似，也是一种可以控制位置和姿态的柔性机构。
示例性的主端操作臂和从端器械臂具有相同数量的运动自由度，通常是7个自由度，这7个自由度分别是沿参考坐标系X、Y、Z三个方向平移、X、Y、Z三个方向自转、末端手术器械的开合。如果是柔性内窥镜，则一般是6个自由度，即沿参考坐标系X、Y、Z三个方向平移、X、Y、Z三个方向自转。
如图5所示，图5为一种主端操作臂的结构示意图，主端操作臂一共有N个关节，q1至qN是主端操作臂的各个关节位置；如图6所示，图6为一种从端器械臂的结构示意图，其包括连续体弯曲段，可以自由弯曲、旋转。
以下介绍本申请的一种手术机器人系统的控制方法，手术机器人系统包括主操作设备以及由主操作设备控制的从操作设备，图7是本说明书实施例提供的一种手术机器人系统的控制方法的流程示意图，本说明书提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或服务器产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。具体的如图7所示，该方法可以包括：
S701：设置手术机器人系统的运动自由度参数。
在本说明书实施例中，可以设置手术机器人系统中从操作设备的的运动自由度参数。医生可以给出指令让手术机器人系统进入运动约束模式，可以根据实际需求选择限制运动自由度的类型，如位置限制、姿态限制、方向限制等等。在本实施例中，可以单独设置限制某一自由度，例如，X方向的平移自由度，Y方向的平移自由度，X方向的旋转自由度，Z方向的旋转自由度，又或是根据需求同时限制多个自由度，如同时限制X方向的平移自由度和旋转自由度，或者同时限制X方向的平移自由度和旋转自由度以及Z方向的旋转自由度等等，本实施例对此不作限制。进而根据所选的限制的运动自由度类型，对主端控制臂各关节施加约束使得医生只能在有限的自由度内操作主端控制臂，同时从端器械臂跟随主端操作臂的运动，这样实现了对器械运动的约束并且保证了主操作设备和从操作设备的动作一致性，使主从操作符合人的直觉。
在本说明书实施例中，对于操作臂和器械臂的每个自由度有2个模式，分别为enabled(可用)和disabled(禁用)。如果用户选择了限制该方向的自由度则对应的模式变成disabled，反之则保持enabled。
示例性的，设置手术机器人系统的运动自由度参数，是指针对主端控制臂、从端器械臂都进行限制；比如，要使从端器械臂沿着x方向走直线，那么针对主端控制臂的控制也是沿x方向走直线这种效果。所以，运动自由度参数最终目的是针对从操作设备设置的，但是，主操作设备也会进行相应的调整。在设置手术机器人系统的运动自由度参数的过程中，可以通过终端屏幕进行选择，还支持通过物理按键输入指令进行控制，例如，可以通过踩脚踏或者是按按钮的方式；此外，还可以通过语音的方式设置运动自由度参数。
S703：检测操作对象针对主操作设备施加的外力，并将外力转化为操作控制指令。
在本说明书实施例中，主操作设备包括力检测设备，力检测设备为力传感器或力反馈电机；检测操作对象针对主操作设备施加的外力，包括：
接收力检测设备发送的外力大小以及外力方向；外力大小以及外力方向为力检测设备获取操作对象针对主操作设备施加的外力并解析得到。
在本说明书实施例中，在主操作设备中可以设置力检测设备，示例性的，可以在主操作设备的各个关节上均设置力检测设备，力检测设备可以为力传感器或力反馈电机；可以通过主操作设备上每个关节对应的力检测设备，检测操作对象施加的外力，并对其进行解析得到外力大小以及外力方向，提高了外力检测效率以及检测准确率；从而可以根据各个关节对应的外力大小、外力方向，确定主操作设备接收到的外力大小以及外力方向，从而进一步将外力转化为操作控制指令。
在本说明书实施例中，主操作设备的操作末端可以使用有一定弹性的并且可被摄像头识别的无源物体包裹。通过实时图像和机器施加算法识别物体受到外力而产生的形变，将形变通过物体的弹性模量等物理参数转换成其所受的外力；当然，本领域技术人员应当知道其他可以实现力检测的方法和/或设备也可以应用在本实施例，对此不作限定。
在本说明书实施例中，将外力转化为操作控制指令，包括：
基于预设转换算法，将外力转化为位置指令以及姿态指令；
基于运动自由度参数，获取当前主操作设备末端的实际位置或实际姿态，并将实际位置转换为固定位置指令或将实际姿态转换为固定姿态指令；
基于固定位置指令和姿态指令确定操作控制指令，或基于位置指令和固定姿态指令确定操作控制指令。
在本说明书实施例中，以限制器械臂末端X、Y、Z三个方向平移的自由度为例，需要使得器械末端位置保持不变或者在一个固定的很小范围内移动，但器械的姿态不受影响可以自由调整。实现主操作设备的主端操作臂位置的限制可以通过外力检测和主操作设备的运动学逆解实现，首先获得用户施加在主操作设备末端的外力F，可以通过主操作设备安装力传感器或者是电机反馈力矩计算预估出外力的大小和方向。然后将外力转化为主操作设备末端的位置和姿态指令。此处需要用到外力和位置、姿态的预设转换算法，其种类很多，预设算法可以包括但不限于比例转换、指数转换、对数转换等。在应用过程中，如果需要力和位移等比例可以用比例转换算法，如果需要力小的时候位移变化慢，力大的时候位移变化快则可以用指数转换算法，如果需要力小时位移快速变化而得到力大于一定值后位移的增长变缓则可以用对数转换算法。如图8所示，图8为一种外力转化成指令的方法的流程示意图，可以基于预设转换算法，将外力转化为位置指令以及姿态指令。
示例性的，上述三种算法比例转换、指数转换、对数转换对应的计算公式如下：
在本说明书实施例中，由于位置需要受到限制，因此，需要用一个固定位置替换掉位置指令，但保留姿态指令，输入到运动学逆解算法进行求解。通常，该固定位置是医生选择并确认好自由度限制模式前最后一个程序运行周期获取到的主操作设备的末端实际位置。示例性的，可以基于运动自由度参数，获取当前主操作设备末端的实际位置或实际姿态，并将实际位置转换为固定位置指令或将实际姿态转换为固定姿态指令；可以将固定位置指令和姿态指令，确定为操作控制指令，或将位置指令和固定姿态指令确定为操作控制指令，从而提高了操作控制指令的确定方式的多样性。
S705：基于运动自由度参数以及操作控制指令，确定主操作设备对应的第一关节动作指令。
在本说明书实施例中，如图9所示，基于运动自由度参数以及操作控制指令，确定主操作设备对应的第一关节动作指令，包括：
S7051：基于运动自由度参数，对操作控制指令进行运动学逆解，得到主操作设备对应的关节控制指令；
示例性的，基于运动自由度参数，对操作控制指令进行运动学逆解，得到主操作设备对应的关节控制指令，包括：
基于运动自由度参数，对固定位置指令和姿态指令进行运动学逆解，得到主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令；
或，
基于运动自由度参数，对位置指令和固定姿态指令进行运动学逆解，得到主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令。
在本说明书实施例中，可以保持主操作设备的位置固定，根据运动自由度参数，对固定位置指令和姿态指令进行运动学逆解，得到主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令；还可以保持主操作设备的姿态固定，根据运动自由度参数，对位置指令和固定姿态指令进行运动学逆解，得到主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令，从而提高了主操作设备对应的关节指令的生成方式的多样性。
在本说明书实施例的一个例子中，由于位置需要受到限制，因此需要用一个固定位置指令替换掉原有的位置指令，但保留姿态指令，并采用运动学逆解算法进行求解，得到主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令。示例性的，如图10所示，图10为一种关节指令的运动学逆解方法的流程示意图，当位置固定时，可以将姿态指令以及固定位置指令输入运动学逆解算法对应的公式中进行求解，得到关节位置指令。该方法也适用于其他自由度限制的情况，比如限制姿态固定，位置自由变化，只需要用一个固定姿态指令替换掉主操作设备的姿态指令然后进行运动学逆解即可。
S7053：采集主操作设备对应的当前关节信息；
S7055：根据关节控制指令以及当前关节信息，确定主操作设备对应的第一关节动作指令。
在本说明书实施例中，根据关节控制指令以及当前关节信息，确定主操作设备对应的第一关节动作指令之前，方法还包括：
对主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令进行运动学正解，得到验证位姿；
判断验证位姿与实际位置或实际姿态是否一致，得到判断结果。
示例性的，根据关节控制指令以及当前关节信息，确定主操作设备对应的第一关节动作指令，包括：
若判断结果表征验证位姿与实际位置或实际姿态一致，根据关节位置指令、关节姿态指令以及当前关节信息，确定主操作设备对应的第一关节动作指令。
在本说明书实施例中，为了确保算法的安全性，可以将求解的结果进行验证判断是否符合位置不变的条件，若满足则将求解的结果也即主操作设备各关节的位置指令输出让电机执行；若不满足则主操作设备的各关节保持上一计算周期的指令不变。这一步验证可以通过将关节位置指令进行运动学正解计算得到下一周期操作臂的末端位置和姿态，再与固定位置作比较看是否存在偏差。从端器械臂的位置需要响应主端操作臂位置变化，由于主端操作臂位置没有变化，因此，从端器械臂的位置也不会变化。
在本说明书实施例中，当前关节信息包括当前关节位置信息，关节控制指令包括关节位置指令，如图11所示，根据关节控制指令以及当前关节信息，确定主操作设备对应的第一关节动作指令，包括：
S70551：根据关节位置指令以及当前关节位置信息，确定主操作设备对应的初始关节位置信息；
S70553：将初始关节位置信息，确定为第一关节动作指令。
在本说明书实施例中，可以根据关节位置指令以及当前关节位置信息，确定主操作设备对应的初始关节位置信息；以及根据关节姿态指令以及当前关节姿态信息，确定主操作设备对应的初始关节姿态信息，从而进一步确定从操作设备的关节指令。
S707：根据主操作设备对应的第一关节动作指令，确定从操作设备对应的第二关节动作指令。
在本说明书实施例中，如图12所示，根据主操作设备对应的第一关节动作指令，确定从操作设备对应的第二关节动作指令，包括：
S7071：采集执行第一关节动作指令后的主操作设备对应的关节反馈位置，并对关节反馈位置进行运动学正解得主操作设备的第一笛卡尔位姿；
S7073：基于第一笛卡尔位姿和主从映射，得到从操作设备的第二笛卡尔位姿；
S7075：对第二笛卡尔位姿进行运动学逆解，得到从操作设备对应的第二关节动作指令。
示例性的，还可以获取主操作设备对应的第一坐标系以及从操作设备对应的第二坐标系；将主操作设备对应的第一关节动作指令，从第一坐标系映射至第二坐标系，得到从操作设备对应的映射关节操作指令；对映射关节操作指令进行运动学逆解，得到从操作设备对应的第二关节动作指令。
在本说明书实施例中，从操作设备在第二坐标系下(该坐标系可以定位在患者台车上，也可以定位在其他合理的地方)的位置和姿态可以分别用一个3x1的向量和3x3的矩阵表示：
在本说明书实施例中，主操作设备在第一坐标系下(该坐标系可以定位在医生台车上或者其他合理的地方)的位置和姿态同样可用向量Pmaster和矩阵Pmaster表示。
在本说明书实施例中，可以通过主操作设备以及从操作设备各自对应的坐标系进行关节操作信息的映射，从而实现快速、准确地确定从操作设备对应的第二关节动作指令。
S709：使从操作设备执行与第二关节动作指令相匹配的动作。
在本说明书实施例中，可以使从操作设备对应的关节电机执行与第二关节动作指令相匹配的动作。从操作设备中可以包括关节电机，在确定从操作设备对应的第二关节动作指令之后，可以向从操作设备对应的关节电机发送第二关节动作指令；第二关节动作指令可以为一个或多个，每个第二关节动作指令均设置有对应的关节电机，可以通过每个第二关节动作指令对应的关节电机执行每个第二关节动作指令。
在本说明书实施例中，在设置手术机器人系统的运动自由度参数之后，方法还包括：
根据运动自由度参数，确定主操作设备对应的待调关节数量；待调关节数量为满足运动自由度参数要求的最小数量；
基于待调关节数量，确定主操作设备的第一自由关节；
根据主操作设备的第一自由关节和主从映射，确定从操作设备的第二自由关节；其中，第二自由关节执行与第一自由关节相对应的动作。
在本说明书实施例中，可以根据手术机器人系统的运动自由度参数，确定主操作设备的待调关节数量；待调关节数量为满足运动自由度参数要求的最小数量；待调关节数量可以为至少两个；可以从主操作设备对应的多个关节中筛选出待调关节数量对应的第一自由关节；第一自由关节可以为至少两个；从而可以对位置指令和固定姿态指令进行运动学逆解，进一步确定第一自由关节对应的关节位置指令以及关节姿态指令，以便于对主操作设备进行控制。
示例性的，本发明提供一种基于降低主手可移动关节数量的限制柔性器械臂运动自由度的实施例。如图13所示，图13为一种确定主操作设备中第一自由关节的方法的流程示意图，包括获取主操作设备中全部模式为enable的(可用)的自由度；求解满足自由度需求的关节的最小数量；将主操作设备中最小数量个关节设置为freemove(自由移动)状态，并将剩余的关节设置为locked(锁定)状态。由于主端的操作臂是一个多自由度多关节的冗余机械臂，因此可以通过锁定多余的关节的指令位置，只保留最少数量满足运动自由度设定的关节能自由拖动。以器械臂被设置成只允许绕第一坐标系Z轴自转为例说明如下。可以将主端操作臂中关节1至关节N-1全部锁定位置，只允许关节N能自由转动，即能实现主手末端在第二坐标系下只绕第一坐标系Z轴自转的运动限制。此处实现某一个或几个关键自由转动，也即freemove，是指通过一些方法让关节直接能被医生驱动而改变位置。方法可以是给电机输出力矩置零，也可以是通过主手的力学模型计算重力力矩并让电机输出使被控关节处于重力补偿的状态。
在本说明书实施例中，如图14所示，在检测操作对象针对主操作设备施加的外力之后，上述方法还包括：
S1401：基于柔顺控制算法，将外力转化为主操作设备对应的笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令；
S1403：将笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令映射至关节空间，转换为主操作设备对应的操作控制指令。
在本说明书实施例中，通过主端操作臂的力矩传感器或是电机反馈力矩计算医生施加在主端操作臂末端的外力的大小和方向，并通过一种参数可变的柔顺控制算法获得主端操作臂的笛卡尔位置指令，然后映射到关节空间变成关节位置指令让电机执行。同时从端器械臂将按照主端操作臂在笛卡尔空间内位置和姿态的变化而变化。本实施例中所用的柔顺控制算法是一种参数可变的算法，柔顺控制算法是用一个虚拟的二阶系统表示外力和位置之间的关系；已知主端操作臂和从端器械臂都具备N个运动自由度，那么柔顺控制算法有3x N个参数，分别是M、K、C，M表示二阶系统的质量，K表示刚度，C表示阻尼，对应的公式如下：
在本说明书实施例中，如图15所示，基于柔顺控制算法，将外力转化为主操作设备对应的笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令，包括：
S14011：基于运动自由度参数，设置柔顺控制算法对应的柔顺控制参数；
S14013：获取主操作设备对应的当前位置、当前速度以及当前加速度；
S14015：根据外力、当前位置、当前速度以及当前加速度，确定主操作设备对应的期望位置、期望速度以及期望加速度；
S14017：基于主操作设备对应的期望位置、期望速度以及期望加速度，生成笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令。
在本说明书实施例中，如图16所示，图16为一种柔顺控制算法的虚拟二阶系统的结构示意图，包括二阶系统的质量M、刚度K、阻尼C、检测外力F以及操作臂的移动位移X；若第i个自由度的期望位置是Xd，实际反馈位置是X0，该方向上所受的外力/外力矩是，那么计算公式如下：
因此，根据设置的柔顺控制参数M、K、C，和检测的外力F以及当前位置、速度、加速度，即可获得下一周期的期望位置、速度、加速度。正常模式下，M、K、C的值为大小合适的值，尤其刚度K和阻尼C偏小，这样能够实现医生较轻松的拖动主端操作臂在任意自由度运动，可以把该组参数命名为A参数，此时，M、K、C的值满足下式：
M＝MA
C＝CA
K＝KA
如果医生选择了限制器械臂的某一个或多个自由度，那么该自由度对应的柔顺参数将产生变化，其中刚度K和阻尼C变得非常大，使得主端操作臂在该自由度的运动受限，因而达到限制从端器械臂在该自由度下运动的目的。可以把该组参数命名为B参数，此时，M、K、C的值满足下式：
M＝MB
C＝CB
K＝KB
并且两组参数存在如下关系：
CA＜＜CB
KA＜＜KB
在本说明书实施例中，如图17所示，图17为一种基于主操作设备中各个关节的自由度参数，控制电机执行控制指令的方法的流程图，该方法包括：
(1)读取主操作设备中第i个关节的自由度对应的模式Modei；
(2)根据Modei判断第i个关节是否可用；
(3)若第i个关节为可用，设置柔顺控制参数M、K、C的值为A参数值；
(4)若第i个关节为禁用，设置柔顺控制参数M、K、C的值为B参数值；
(5)根据外力检测值F以及柔顺控制参数，计算笛卡尔期望值Xd；
(6)根据笛卡尔期望值Xd，计算第i个关节的自由度期望值Jd；
(7)根据第i个关节的自由度期望值Jd，向第i个关节对应的电机输出控制指令。
由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，本说明书实施例提供了一种手术机器人系统的控制方法，手术机器人系统包括主操作设备以及由主操作设备控制的从操作设备，方法包括：设置手术机器人系统的运动自由度参数；检测操作对象针对主操作设备施加的外力，并将外力转化为操作控制指令；基于运动自由度参数以及操作控制指令，确定主操作设备对应的第一关节动作指令；根据主操作设备对应的第一关节动作指令，确定从操作设备对应的第二关节动作指令；使从操作设备执行与第二关节动作指令相匹配的指令。本发明根据施加在主操作设备上的外力以及主操作设备的自由度，生成主操作设备的第一关节动作指令(位置、姿态)，再根据主操作设备的第一关节动作指令以及从操作设备的自由度，生成针对从操作设备的关节控制指令。不需要提前设置虚拟边界以及从操作设备的关节位置信息，减少了手术机器人系统在操作过程中的计算量，提高了手术机器人系统在手术过程中的操作效率以及操作准确率。
本说明书实施例还提供了一种手术机器人系统的控制装置，手术机器人系统包括主操作设备以及由主操作设备控制的从操作设备；如图18所示，装置包括：
参数设置模块1810，用于设置手术机器人系统的运动自由度参数；
检测模块1820，用于检测操作对象针对主操作设备施加的外力，并将外力转化为操作控制指令；
初始信息确定模块1830，用于基于运动自由度参数以及操作控制指令，确定主操作设备对应的第一关节动作指令；
目标信息确定模块1840，用于根据主操作设备对应的第一关节动作指令，确定从操作设备对应的第二关节动作指令；
指令执行模块1850，用于使从操作设备执行与第二关节动作指令相匹配的动作。
可选的，初始信息确定模块包括：
逆解单元，用于基于运动自由度参数，对操作控制指令进行运动学逆解，得到主操作设备对应的关节控制指令；
信息采集单元，用于采集主操作设备对应的当前关节信息；
初始信息确定单元，用于根据关节控制指令以及当前关节信息，确定主操作设备对应的第一关节动作指令。
可选的，当前关节信息包括当前关节位置信息，关节控制指令包括关节位置指令，初始信息确定单元包括：
初始位置确定子单元，用于根据关节位置指令以及当前关节位置信息，确定主操作设备对应的初始关节位置信息；
初始指令确定子单元，用于将初始关节位置信息，确定为第一关节动作指令。
可选的，检测模块包括：
指令转化单元，用于基于预设转换算法，将外力转化为位置指令以及姿态指令；
控制指令确定单元，用于基于运动自由度参数，获取当前主操作设备末端的实际位置或实际姿态，并将实际位置转换为固定位置指令或将实际姿态转换为固定姿态指令；基于固定位置指令和姿态指令确定操作控制指令，或基于位置指令和固定姿态指令确定操作控制指令。
可选的，逆解单元包括：
第一逆解子单元，用于基于运动自由度参数，对固定位置指令和姿态指令进行运动学逆解，得到主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令；
或，
第二逆解子单元，用于基于运动自由度参数，对位置指令和固定姿态指令进行运动学逆解，得到主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令。
可选的，指令执行模块，还用于使从操作设备对应的关节电机执行与第二关节动作指令相匹配的动作。
可选的，装置还包括：
验证模块，用于对主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令进行运动学正解，得到验证位姿；
判断结果确定模块，用于判断验证位姿与实际位置或实际姿态是否一致，得到判断结果；
初始位置确定子单元，还用于若判断结果表征验证位姿与实际位置或实际姿态一致，根据关节位置指令、关节姿态指令以及当前关节信息，确定主操作设备对应的第一关节动作指令。
可选的，装置还包括：
笛卡尔指令转化单元，用于基于柔顺控制算法，将外力转化为主操作设备对应的笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令；
指令映射单元，用于将笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令映射至关节空间，转换为主操作设备对应的操作控制指令。
可选的，笛卡尔指令转化单元包括：
参数设置子单元，用于基于运动自由度参数，设置柔顺控制算法对应的柔顺控制参数；
当前速度获取子单元，用于获取主操作设备对应的当前位置、当前速度以及当前加速度；
期望速度确定子单元，用于根据外力、当前位置、当前速度以及当前加速度，确定主操作设备对应的期望位置、期望速度以及期望加速度；
笛卡尔指令生成子单元，用于基于主操作设备对应的期望位置、期望速度以及期望加速度，生成笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令。
可选的，装置还包括：
待调数量确定模块，用于根据运动自由度参数，确定主操作设备对应的待调关节数量；待调关节数量为满足运动自由度参数要求的最小数量；
第一关节确定模块，用于基于待调关节数量，确定主操作设备的第一自由关节；
第二关节确定模块，用于根据主操作设备的第一自由关节和主从映射，确定从操作设备的第二自由关节；其中，第二自由关节执行与第一自由关节相对应的动作。
可选的，目标信息确定模块包括：
坐标系获取单元，用于采集执行第一关节动作指令后的主操作设备对应的关节反馈位置，并对关节反馈位置进行运动学正解得主操作设备的第一笛卡尔位姿；
坐标系映射单元，用于基于第一笛卡尔位姿和主从映射，得到从操作设备的第二笛卡尔位姿；
目标信息确定单元，用于对第二笛卡尔位姿进行运动学逆解，得到从操作设备对应的第二关节动作指令。
可选的，主操作设备包括力检测设备，力检测设备为力传感器或力反馈电机；检测模块，还用于接收力检测设备发送的外力大小以及外力方向；外力大小以及外力方向为力检测设备获取操作对象针对主操作设备施加的外力并解析得到。
上述的装置实施例中的装置与方法实施例基于同样地发明构思。
本实施例还提供了一种手术机器人系统，手术机器人系统包括主操作设备以及由主操作设备控制的从操作设备；
主操作设备，用于设置手术机器人系统的运动自由度参数；检测操作对象针对主操作设备施加的外力，并将外力转化为操作控制指令；基于运动自由度参数以及操作控制指令，确定主操作设备对应的第一关节动作指令；根据主操作设备对应的第一关节动作指令，确定从操作设备对应的第二关节动作指令；以及基于第二关节动作指令，向从操作设备发送控制指令；
从操作设备，用于执行与第二关节动作指令相匹配的指令。
本说明书实施例提供了一种电子设备，该设备包括处理器和存储器，该存储器中存储有至少一条指令或至少一段程序，该至少一条指令或至少一段程序由该处理器加载并执行以实现如上述方法实施例所提供的手术机器人系统的控制方法。
本申请的实施例还提供了一种计算机存储介质，存储介质可设置于终端之中以保存用于实现方法实施例中一种手术机器人系统的控制方法相关的至少一条指令或至少一段程序，该至少一条指令或至少一段程序由该处理器加载并执行以实现上述方法实施例提供的手术机器人系统的控制方法。
本申请的实施例还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行以实现上述方法实施例提供的手术机器人系统的控制方法。
可选地，在本说明书实施例中，存储介质可以位于计算机网络的多个网络服务器中的至少一个网络服务器。可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书实施例存储器可用于存储软件程序以及模块，处理器通过运行存储在存储器的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器可主要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、功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。相应地，存储器还可以包括存储器控制器，以提供处理器对存储器的访问。
本说明书实施例所提供的手术机器人系统的控制方法实施例可以在移动终端、计算机终端、服务器或者类似的运算装置中执行。以运行在服务器上为例，图19是本说明书实施例提供的一种手术机器人系统的控制方法的服务器的硬件结构框图。如图19所示，该服务器1900可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上中央处理器(Central Processing Units，CPU)1910(中央处理器1910可以包括但不限于微处理器MCU或可编程逻辑器件FPGA等的处理装置)、用于存储数据的存储器1930，一个或一个以上存储应用程序1923或数据1922的存储介质1920(例如一个或一个以上海量存储设备)。其中，存储器1930和存储介质1920可以是短暂存储或持久存储。存储在存储介质1920的程序可以包括一个或一个以上模块，每个模块可以包括对服务器中的一系列指令操作。更进一步地，中央处理器1910可以设置为与存储介质1920通信，在服务器1900上执行存储介质1920中的一系列指令操作。服务器1900还可以包括一个或一个以上电源1960，一个或一个以上有线或无线网络接口1950，一个或一个以上输入输出接口1940，和/或，一个或一个以上操作系统1921，例如Windows ServerTM，Mac OS XTM，UnixTM,LinuxTM，FreeBSDTM等等。
输入输出接口1940可以用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络具体实例可包括服务器1900的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，输入输出接口1940包括一个网络适配器(Network Interface Controller，NIC)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，输入输出接口1940可以为射频(RadioFrequency，RF)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
本领域普通技术人员可以理解，图19所示的结构仅为示意，其并不对上述电子装置的结构造成限定。例如，服务器1900还可包括比图19中所示更多或者更少的组件，或者具有与图19所示不同的配置。
由上述本申请提供的手术机器人系统的控制方法、装置、设备或存储介质的实施例可见，本申请提供了一种手术机器人系统的控制方法，手术机器人系统包括主操作设备以及由主操作设备控制的从操作设备，方法包括：设置手术机器人系统的运动自由度参数；检测操作对象针对主操作设备施加的外力，并将外力转化为操作控制指令；基于运动自由度参数以及操作控制指令，确定主操作设备对应的第一关节动作指令；根据主操作设备对应的第一关节动作指令，确定从操作设备对应的第二关节动作指令；使从操作设备执行与第二关节动作指令相匹配的指令。本发明根据施加在主操作设备上的外力以及主操作设备的自由度，生成主操作设备的第一关节动作指令(位置、姿态)，再根据主操作设备的第一关节动作指令以及从操作设备的自由度，生成针对从操作设备的关节控制指令。不需要提前设置虚拟边界以及从操作设备的关节位置信息，减少了手术机器人系统在操作过程中的计算量，提高了手术机器人系统在手术过程中的操作效率以及操作准确率。
需要说明的是：上述本说明书实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且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，对于装置、设备、存储介质实施例而言，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。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于一种计算机存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种手术机器人系统的控制方法，其特征在于，所述手术机器人系统包括主操作设备以及由所述主操作设备控制的从操作设备，所述方法包括：
设置所述手术机器人系统的运动自由度参数；
检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力，并将所述外力转化为操作控制指令；
基于所述运动自由度参数以及所述操作控制指令，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令；
根据所述主操作设备对应的第一关节动作指令，确定所述从操作设备对应的第二关节动作指令；
使所述从操作设备执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述运动自由度参数以及所述操作控制指令，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令，包括：
基于所述运动自由度参数，对所述操作控制指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节控制指令；
采集所述主操作设备对应的当前关节信息；
根据所述关节控制指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当前关节信息包括当前关节位置信息，所述关节控制指令包括关节位置指令，
所述根据所述关节控制指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令，包括：
根据所述关节位置指令以及所述当前关节位置信息，确定所述主操作设备对应的初始关节位置信息；
将所述初始关节位置信息，确定为所述第一关节动作指令。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述外力转化为操作控制指令，包括：
基于预设转换算法，将所述外力转化为位置指令以及姿态指令；
基于所述运动自由度参数，获取当前主操作设备末端的实际位置或实际姿态，并将所述实际位置转换为固定位置指令或将所述实际姿态转换为固定姿态指令；
基于所述固定位置指令和所述姿态指令确定所述操作控制指令，或基于所述位置指令和所述固定姿态指令确定所述操作控制指令。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述运动自由度参数，对所述操作控制指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节控制指令，包括：
基于所述运动自由度参数，对所述固定位置指令和所述姿态指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令；
或，
基于所述运动自由度参数，对所述位置指令和所述固定姿态指令进行运动学逆解，得到所述主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使所述从操作设备执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作，包括：
使所述从操作设备对应的关节电机执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述关节控制指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令之前，所述方法还包括：
对所述主操作设备对应的关节位置指令以及关节姿态指令进行运动学正解，得到验证位姿；
判断所述验证位姿与所述实际位置或所述实际姿态是否一致，得到判断结果；
所述根据所述关节控制指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令，包括：
若所述判断结果表征所述验证位姿与所述实际位置或所述实际姿态一致，根据所述关节位置指令、所述关节姿态指令以及所述当前关节信息，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力之后，所述方法还包括：
基于柔顺控制算法，将所述外力转化为所述主操作设备对应的笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令；
将所述笛卡尔位置指令以及所述笛卡尔姿态指令映射至关节空间，转换为所述主操作设备对应的操作控制指令。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于柔顺控制算法，将所述外力转化为所述主操作设备对应的笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令，包括：
基于所述运动自由度参数，设置所述柔顺控制算法对应的柔顺控制参数；
获取所述主操作设备对应的当前位置、当前速度以及当前加速度；
根据所述外力、所述当前位置、所述当前速度以及所述当前加速度，确定所述主操作设备对应的期望位置、期望速度以及期望加速度；
基于所述主操作设备对应的期望位置、期望速度以及期望加速度，生成所述笛卡尔位置指令以及笛卡尔姿态指令。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在设置所述手术机器人系统的运动自由度参数之后，所述方法还包括：
根据所述运动自由度参数，确定所述主操作设备对应的待调关节数量；所述待调关节数量为满足所述运动自由度参数要求的最小数量；
基于所述待调关节数量，确定所述主操作设备的第一自由关节；
根据所述主操作设备的第一自由关节和主从映射，确定所述从操作设备的第二自由关节；
其中，所述第二自由关节执行与所述第一自由关节相对应的动作。
11.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述主操作设备对应的第一关节动作指令，确定所述从操作设备对应的第二关节动作指令，包括：
采集执行所述第一关节动作指令后的所述主操作设备对应的关节反馈位置，并对所述关节反馈位置进行运动学正解得所述主操作设备的第一笛卡尔位姿；
基于所述第一笛卡尔位姿和主从映射，得到所述从操作设备的第二笛卡尔位姿；
对所述第二笛卡尔位姿进行运动学逆解，得到所述从操作设备对应的第二关节动作指令。
12.根据权利要求1-10中任意一项所述的方法，其特征在于，所述主操作设备包括力检测设备，所述力检测设备为力传感器或力反馈电机；所述检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力，包括：
接收所述力检测设备发送的外力大小以及外力方向；所述外力大小以及外力方向为所述力检测设备获取所述操作对象针对所述主操作设备施加的外力并解析得到。
13.一种手术机器人系统的控制装置，其特征在于，所述手术机器人系统包括主操作设备以及由所述主操作设备控制的从操作设备；所述装置包括：
参数设置模块，用于设置所述手术机器人系统的运动自由度参数；
检测模块，用于检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力，并将所述外力转化为操作控制指令；
初始信息确定模块，用于基于所述运动自由度参数以及所述操作控制指令，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令；
目标信息确定模块，用于根据所述主操作设备对应的第一关节动作指令，确定所述从操作设备对应的第二关节动作指令；
指令执行模块，用于使所述从操作设备执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作。
14.一种手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括主操作设备以及由所述主操作设备控制的从操作设备；
所述主操作设备，用于设置所述手术机器人系统的运动自由度参数；检测操作对象针对所述主操作设备施加的外力，并将所述外力转化为操作控制指令；基于所述运动自由度参数以及所述操作控制指令，确定所述主操作设备对应的第一关节动作指令；根据所述主操作设备对应的第一关节动作指令，确定所述从操作设备对应的第二关节动作指令；所述从操作设备，用于执行与所述第二关节动作指令相匹配的动作。
15.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1-12中任一项所述的手术机器人系统的控制方法。
16.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由处理器加载并执行以实现如权利要求1-12中任一项所述的手术机器人系统的控制方法。
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