计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人系统的制作方法

1.本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人系统。


背景技术：

2.采用机器人手术系统来进行微创伤外科手术，一方面患者的创伤小，伤口感染风险低，术后恢复快，另一方面可降低医生的操作难度和手术疲劳程度。然而，在机器人手术过程中，因内窥镜移动或手术器械移动，极易出现手术器械不在手术视野内的情况，这对于医生而言就是一个不可见的手术盲区。当手术器械不在手术视野内时，医生不能直接地控制手术器械或视野，此时若直接进行手术操作，非常容易对人体组织造成伤害。
3.现有技术中出现了一些可提高手术安全性的装置，例如现有技术中的一种医疗成像系统通过在护士显示屏上增加方向性等提示信息，达到提示医生手术器械的当前位置的目的，但其仅粗略地定位了手术器械的方位，不能保证手术操作的安全。
4.因此，设计一种可自动使手术器械回到手术视野中的手术机器人系统及其控制方法，以提高手术机器人系统使用过程的安全性和可控性，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人系统，该手术机器人系统可提高手术操作的安全性和可控性。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，执行如下步骤：
7.根据由图像获取装置所提供的手术视野信息，判断手术器械是否在手术视野内；
8.当所述手术器械位于所述手术视野外时，规划运动方案，并使连接有所述图像获取装置的图像臂和/或连接有所述手术器械的工具臂执行所述运动方案，使得所述手术器械回到所述手术视野内。
9.可选地，所述程序执行如下步骤以规划所述运动方案：
10.规划所述手术器械在所述手术视野内的目标位置；
11.根据所述手术器械的当前位置和所述目标位置规划所述运动方案。
12.可选地，当所述图像获取装置移动和/或所述手术器械移动导致所述手术器械不在所述手术视野内时，所述目标位置是指能够使所述手术器械恢复至所述手术视野内并对应于其在离开所述手术视野前的位置。
13.可选地，所述程序还执行如下步骤：获取所述手术视野的中心点c的坐标，并以所述手术视野的中心点c为所述目标位置。
14.可选地，所述程序执行如下步骤以获取所述目标位置：
15.获取所述手术视野的中心点c的坐标；
16.获取以所述中心点c为球心的球面，并以球内或球面上的任意一点为所述目标位
置；其中球面的半径为所述手术器械的末端执行器的长度。
17.可选地，所述程序执行如下步骤以得到位于所述手术视野外的所述手术器械的目标位置：
18.获取所述手术视野的中心点c的坐标，以及位于所述手术视野内的手术器械的末端点t的坐标；
19.计算所述中心点c与位于所述手术视野内的手术器械的末端点t的连线的中点z的坐标，并以所述中点z作为位于所述手术视野外的手术器械的目标位置。
20.可选地，所述程序执行如下步骤以获取位于所述手术视野外的所述手术器械的目标位置：
21.获取所述手术视野的中心点c的坐标，以及位于所述手术视野内的手术器械的末端点t的坐标；
22.计算所述中心点c与位于所述手术视野内的所述手术器械的末端点t的连线tc的中点z的坐标；
23.获取以位于所述手术视野内的所述手术器械的末端点t为球心的球面，所述球面的半径为位于所述手术视野内的手术器械的末端执行器的长度；
24.判断所述中点z到位于所述手术视野内的所述手术器械的末端点t的距离是否大于所述球面的半径，若是，则以所述中点z为所述目标位置；若否，则选择所述连线tc上的点a为所述目标位置，所述点a位于所述中点z与所述中心点c之间，且所述点a到位于所述手术视野内的所述手术器械的末端点t的距离为所述球面的半径的m倍，m大于1。
25.可选地，所述程序执行如下步骤：
26.根据所述图像获取装置的末端点n和参考点m的坐标，以及所述图像获取装置的景深h，得到所述中心点c的坐标；其中，所述参考点m是手术过程中位置固定，并位于所述图像获取装置的轴线上的点。
27.可选地，所述程序执行如下步骤以得到所述中心点c的坐标：
28.获取所述末端点n的坐标n(x1,y1,z1)，以及所述参考点m的坐标m(x2,y2,z2)；
29.计算所述图像获取装置的轴线方向上的方向向量为
30.计算所述手术视野的中心点c的坐标c(x3,y3,z3)为：c(x3,y3,z3)＝n(x1,y1,z1)+h
×enm
。
31.可选地，所述程序执行如下步骤以规划所述运动方案：
32.根据一人为规划的所述手术器械的第一运动轨迹得到第一运动轨迹方程；所述第一运动轨迹的起始点为所述手术器械的当前位置，所述第一运动轨迹的终止点为所述目标位置；
33.选取与所述第一运动轨迹相匹配的预设运动轨迹方程,以作为第二运动轨迹方程；
34.对所述第一运动轨迹方程和所述第二运动轨迹方程进行组合优化，以得到第三运动轨迹方程；
35.获取所述手术器械与所述手术视野的相对位置关系；
36.根据所述手术器械与所述手术视野的相对位置关系确定所述运动方案；所述运动
方案由所述第一运动轨迹方程限定，或由所述第二运动轨迹方程限定，或由所述第三运动轨迹方程限定。
37.可选地，当所述手术器械的当前位置与所述目标位置之间具有目标组织时，在得到所述相对位置关系之后，以及确定所述运动方案之前，所述程序还执行如下步骤以规划安全区域：
38.规划一安全区域，所述安全区域包围所述目标组织；
39.规划一移动区域，所述移动区域的边界在所述安全区域的外部，以使所述工具臂执行所述运动方案时，所述手术器械形成的运动轨迹上的任意一点在所述移动区域的边界上，或在所述移动区域的外部。
40.可选地，当所述手术器械的当前位置与所述目标位置之间具有目标组织时，在规划所述运动方案之前，所述程序执行如下步骤：
41.获取所述手术器械与所述手术视野的相对位置关系；
42.规划一安全区域，所述安全区域包围所述目标组织；
43.规划一移动区域，所述移动区域的边界在所述安全区域的外部；
44.当所述工具臂执行所述运动方案时，所述手术器械形成的运动轨迹上的任意一点在所述移动区域的边界上，或在所述移动区域的外部。
45.可选地，所述移动区域为球形区域，所述手术器械所形成的运动轨迹包括多条依次连接的直线轨迹，每一条所述直线轨迹均与所述移动区域相切。
46.可选地，所述程序执行如下操作以规划所述运动方案：
47.获取所述图像获取装置的末端点e1的位置，以及所述图像臂上的不动点r1的位置；
48.获取所述手术器械的末端点t1的位置；
49.计算直线e1t1与直线t1r1所形成的夹角θ1；
50.确定所述运动方案，所述运动方案包括所述图像获取装置以所述图像臂的不动点r1为转动中心沿第一方向旋转θ1角度。
51.可选地，所述程序还执行如下步骤：
52.获取所述工具臂上的不动点r2的位置；
53.所述运动方案还包括所述图像臂以所述图像臂的不动点r1为转动中心沿第二方向旋转θ2角度，以及所述工具臂以所述工具臂的不动点r2为转动中心沿所述第二方向旋转θ2角度，以使所述手术器械保持在所述手术视野内。
54.可选地，至少一个所述手术器械位于所述手术视野内，至少一个手术器械位于所述手术视野外；用于挂载位于所述手术视野内的手术器械的工具臂为第一工具臂，用于挂载位于所述手术视野外的手术器械的工具臂为第二工具臂；
55.所述程序执行如下步骤以规划所述运动方案：
56.获取所述图像获取装置的末端点e1的位置，以及所述图像臂的不动点r1的位置；
57.获取所述第一工具臂的不动点r3，以及位于所述手术视野外的手术器械的末端点t1的位置；
58.计算直线e1t1与直线t1r1所形成的夹角θ1；
59.确定所述运动方案，所述运动方案包括所述图像臂以所述图像臂上的不动点r1为转动中心沿第一方向旋转θ1角度，以及所述第一工具臂以所述第一工具臂上的不动点r3为
转动中心沿第一方向旋转θ1角度，以使所述第二工具臂上挂载的所述手术器械回到所述手术视野内的同时，所述第一工具臂上挂载的所述手术器械保持在所述手术视野内。
60.为实现上述目的，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和如前任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储器上所存储的程序。
61.为实现上述目的，本发明还提供了一种手术机器人系统，包括：
62.图像臂，用于挂载图像采集装置，所述图像采集装置用于提供手术视野；
63.工具臂，用于挂载手术器械，所述手术器械用于在所述手术视野内执行手术操作；以及，
64.控制单元，所述控制单元被配置用于执行如前任一项所述的计算机可读存储介质上所存储的程序。
65.可选地，还包括输入装置，所述控制单元根据所述输入装置所输入的指令来规划所述运动方案。
66.可选地，所述手术机器人系统包括如前所述的电子设备，所述控制单元包括所述处理器。
67.与现有技术相比，本发明的计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人系统具有如下优点：
68.第一、前述的计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，执行如下步骤：根据图像获取装置所提供的手术视野信息判断手术器械是否在手术视野内；当所述手术器械位于所述手术视野外时，规划运动方案，并使连接有所述图像获取装置的图像臂和/或连接有所述手术器械的工具臂执行所述运动方案，使得所述手术器械能够回到所述手术视野内。将所述计算机可读存储介质应用于手术机器人系统时，可确保位于手术视野外的手术器械能够回到手术视野内，提高手术操作的可控性和安全性。
69.第二、所述计算机可读存储介质提供了多种位于手术视野外的手术器械的目标位置的规划方法，可适用于不同的手术场景，提高手术机器人系统的通用性。
70.第三、针对所述手术器械的当前位置和目标位置之间具有人体组织的情况设计手术器械的运动方案，避免手术器械在移动过程中对人体组织造成伤害，进一步提高手术安全性。
71.第四、在对所述手术器械的运动方案进行规划时，采用最优的运动方案，保证手术器械移动的安全、稳定、可靠。
72.第五、控制单元还可设计图像获取装置的运动方案，并控制图像臂运动，以驱使图像获取装置运动而使手术器械回到手术视野中，利用所述工具臂运动和/或所述图像臂运动，组合形成不同的调整策略，保证手术过程中的冗余选择，确保手术器械回到手术视野。
附图说明
73.图1是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的结构示意图；
74.图2是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制流程图；
75.图3a是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的手术器械在手术视野内的示意图，图示中有一个手术器械；
76.图3b是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的手术器械在手术视野内
的示意图，图示中有两个手术器械；
77.图3c是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的手术器械在手术视野内的示意图，图示中有三个手术器械；
78.图4是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统在进行手术时的示意图，图示中有两个手术器械，且两个手术器械均在手术视野内；
79.图5是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统在进行手术时的示意图，图示中有两个手术器械，其中一个手术器械在手术视野内，另一个手术器械在手术视野外；
80.图6a是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统中控制单元规划的手术器械的目标位置的示意图，图示中虚线所示为第二手术器械在视野外的情形，实线所示为第二手术器械回到手术视野内的情形；
81.图6b是本发明根据另一实施例所提供的手术机器人系统中控制单元规划的手术器械的目标位置的示意图；
82.图6c是本发明根据又一实施例所提供的手术机器人系统中控制单元规划的手术器械的目标位置的示意图；
83.图7是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统中控制单元规划工具臂的运动方案时的原理框图；
84.图8a是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统中的手术器械位于手术视野外的示意图，图示中，手术器械的当前位置与目标位置之间具有人体组织；
85.图8b是本发明根据一实施例所提供的手术系统机器人系统的手术器械从手术视野外回到手术视野中时的路径示意图，图示中手术器械的当前位置与目标位置之间具有人体组织；
86.图9a是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元采用t型轨迹规划法规划的工具臂的运动方案中，手术器械的位置与时间关系图；
87.图9b是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元采用t型轨迹规划法规划的工具臂的运动方案中，手术器械的运动速度与时间的关系图；
88.图9c是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元采用t型轨迹规划法规划的工具臂的运动方案中，手术器械的加速度与时间的关系图；
89.图10a是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元规划内窥镜的运动方案的示意图；
90.图10b是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元控制内窥镜运动的示意图，图示中第二手术器械处于手术视野内；
91.图10c是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元控制内窥及第二手术器械运动的示意图。
92.附图中：
93.10-医生控制台；
94.11-显示装置；
95.20-图像显示装置；
96.30-手术操作装置；
97.31-图像臂，32-工具臂，第一工具臂32a，第二工具臂32b，33-内窥镜，33
’‑
手术视
野，34-手术器械，34a-第一手术器械，34b-第二手术器械；
98.40-手术台；
99.50-工具放置装置；
100.61-轨迹识别模块，62-选择模块，63-存储模块，64-位置计算单元，65-轨迹计算单元。
具体实施方式
101.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
102.另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。
103.如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，复数形式“多个”包括两个以上的对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
104.本发明的主要目的在于提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，执行如下步骤：根据图像获取装置所提供的手术视野信息判断手术器械是否在手术视野内；当所述手术器械位于所述手术视野外时，规划运动方案，并使连接有所述图像获取装置的图像臂和/或连接有所述手术器械的工具臂执行所述运动方案，使得所述手术器械能够回到所述手术视野内。将所述计算机可读存储介质应用于手术机器人系统时，若手术器械离开手术视野，手术机器人系统可通过执行相应，以使手术器械自动地回到手术视野内，避免医生在视野盲区进行手术操作，提高手术的安全性和可控性。
105.本发明的另一目的在于提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器和前述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上存储的程序。
106.本发明的再一目的在于提供一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括图像臂、工具臂和控制单元，所述图像臂用于挂载所述图像获取装置，所述工具臂用于挂载所述手术器械，所述控制单元用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
107.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
108.本发明实施例所提供的手术机器人系统例如可以是遥操作的主从机器人系统，也可以是其他的手术机器人系统。该手术机器人系统可进行各类微创伤手术操作。以下的描述中，为方便理解，以所述手术机器人系统为主从机器人系统，且所述手术机器人系统进行腹腔镜手术为例进行说明，但本领域技术人员应知晓，其不应当对本发明构成限制。
109.请参考图1，所述手术机器人系统包括控制端和执行端，所述控制端包括医生控制台10，所述执行端包括图像显示装置20、手术操作装置30、手术台40和工具放置装置50。所述手术机器人系统主要是对所述手术台40上的患者进行微创伤手术治疗。
110.请继续参考图1，所述手术操作装置30上包括至少一个图像臂31和至少一个工具臂32，所述图像臂31上挂载有图像获取装置。所述图像获取装置例如是内窥镜33或超声探测器等其他可以进入患者体内并获取患者体内的图像的装置，为方便描述，后文中以所述图像获取装置为内窥镜33为例进行介绍。所述工具臂31用于挂载手术器械34，所述内窥镜33和所述手术器械34通过患者身体上的创口进入患者体内。之后，所述内窥镜33可获取人体组织信息、人体内的手术器械34信息及手术环境信息，即所述内窥镜33提供手术视野，而所述手术器械34在所述手术视野中执行手术操作。
111.本实施例中，所述医生控制台10包括主操作手(又称主手)，所述控制单元与所述主操作手、所述图像臂31、所述工具臂32及所述手术器械34通信连接，且所述主操作手与所述工具臂32和所述手术器械34构成主从控制关系。即，所述控制单元被配置为控制所述工具臂32在手术过程中根据主操作手的运动而运动，且控制所述手术器械34执行所述主操作手相关的运动指令。进一步地，所述医生控制台10还包括显示器11，所述显示器11用于显示患者体内的情况以及所述手术器械34的运动情况。
112.本实施例中，当手术器械不在手术视野内时，手术机器人系统的控制单元被配置为根据接收到的恢复操作指令，断开所述主操作手与所述工具臂32及所述手术器械34的主从控制关系，之后执行恢复操作，以使所述手术器械回到所述手术视野内。
113.本实施例中对所述恢复操作指令的触发方式不做限定，可选地，医生可通过触发手术机器人系统中的输入装置来向所述控制单元传输所述指令，所述输入装置可以是显示装置的交换界面上的虚拟按键，也可以是声控开关，还可以是电气硬件开关，所述电气硬件开关可设置在所述医生控制台10的支撑横梁或主控制臂上，或者所述指令可以由现有的手术机器人系统的脚踏开关或主手捏合控制的不同控制模式触发等。
114.在执行所述恢复操作时，所述控制单元被配置为：规划机械臂的运动方案；控制所述机械臂，例如图像臂31和/或所述工具臂32执行所述运动方案，以使所述手术器械34回到所述手术视野内。
115.图2示出了所述手术机器人系统的控制流程图，请参考图2，所述手术机器人系统的控制流程如下：
116.步骤s1：医生根据所述内窥镜提供的手术视野信息判断所述手术器械是否在所述手术视野内，若是，则继续进行手术操作，若否，则执行步骤s2。
117.步骤s2：医生判断是否需要对所述手术器械及所述内窥镜的相对位置进行调整，
以使所述手术器械回到所述手术视野，若是，则执行步骤s3，若否，在继续进行手术操作。
118.步骤s3：医生触发所述输入装置来输入恢复操作指令，以使所述控制单元断开主操作手与所述工具臂及所述手术器械的主从控制关系。
119.步骤s4：所述控制单元规划机械臂运动方案；
120.步骤s5：所述控制单元控制所述机械臂，例如图像臂和/或所述工具臂执行所述运动方案；
121.步骤s6：医生判断所述手术器械是否回到所述手术视野，若是，则再次触发所述输入装置，以恢复所述主操作手与所述工具臂及所述手术器械的主从控制关系，并进行手术操作；若否，则返回执行所述步骤s4。
122.换句话说，当所述手术器械离开所述手术视野后，所述手术机器人系统在断开所述主操作手与所述工具臂及所述手术器械之间的主从控制关系的情况下，使所述手术器械与所述内窥镜相对移动，达到所述手术器械回到所述手术视野的目的。
123.如图3a至图3c所示，本实施例中所述手术机器人系统完成手术操作至少需要一个所述内窥镜33和至少一个所述手术器械34。图3a示出了所述手术机器人系统包括一个内窥镜33和一个所述手术器械34的示意图，图3b示出了所述手术机器人系统包括一个内窥镜33和两个所述手术器械34的示意图，图3c示出了所述手术机器人包括一个内窥镜33和三个所述手术器械34的示意图。当然，在其他实施例中，所述手术机器人还可以包括更多个所述手术器械34以及两个以上的内窥镜。
124.接着，本文以所述手术机器人系统包括一个所述内窥镜33和两个所述手术器械34为例对本发明做更为详尽的说明，为便于表述，如图4所示，两个所述手术器械34分别被称之为第一手术器械34a和第二手术器械34b，相应地，用于挂载第一手术器械34a的工具臂32被称之为第一工具臂32a，用于挂载所述第二手术器械34b的工具臂被称之为第二工具臂32b。本领域技术人员可对以下描述进行修改，以使其适用于所述手术机器人系统包括两个以上的图像获取装置，例如多个内窥镜和/或其超声内镜等它类型的图像获取装置，及三个以上的手术器械的情形。
125.请参考图4，在手术进行过程中，两个所述手术器械34均位于所述内窥镜提供的手术视野33’内时，医生可进行手术操作。但当至少一个所述手术器械34例如所述第二手术器械34b位于所述手术视野33’以外(如图5所示)时，不利于手术操作。当医生确认需要对所述第二手术器械34b与所述内窥镜33的位置进行调整时，触发所述恢复操作指令，以使所述控制单元断开主操作手与工具臂32及所述手术器械34之间的主从控制关系，并调整所述手术器械34与所述内窥镜33的位置关系，以使所述第二手术器械34b回到所述手术视野33’内。后文中均以在触发所述回复操作指令前，所述第二手术器械34b位于所述手术视野外，所述第一手术器械34a位于所述手术视野内为例进行介绍。需要说明的是，本文中为了进行区分，将位于所述手术视野内的手术器械即所述第一手术器械34a的末端点记为t，将位于所述手术视野外的手术器械即所述第二手术器械34b的末端点记为t1。
126.在一个实施例中，所述控制单元通过控制所述第二工具臂32b移动，以使所述第二手术器械34b回到所述手术视野33’内。此时，所述控制单元被配置为先规划所述第二手术器械34b在所述手术视野33’内的目标位置，再根据所述第二手术器械34b的当前位置和目标位置规划所述第二工具臂的运动方案。
127.针对不同的手术环境，所述目标位置可采用不同的方法进行规划。例如，如图6a所示，在一个实施例中，以所述手术视野33’所在的坐标系为参考，将所述第二手术器械34b在上一时刻在所述手术视野33’内的位置作为所述目标位置，此处所述的“上一时刻”是指所述第二手术器械34b在离开所述手术视野33’之前的一指定时刻。
128.具体而言，因所述内窥镜33调整位姿造成所述手术视野33’移位，导致所述第二手术器械34b离开所述手术视野33’时，所述上一时刻即所述内窥镜33移动前的一指定时刻，此时所述控制单元被配置为：获取所述第二手术器械34b在所述内窥镜33移动前所述第二手术器械34b在所述手术视野33’内的位置，并以此作为所述目标位置。可理解，所述第二手术器械34b的在任意时刻的位置可通过机器人运动学方法(dh法)获得。本领域技术人员可理解，在该方式中，当所述内窥镜33移动时，手术视野的坐标系随所述内窥镜33同步移动，以将所述内窥镜33的移动转换为所述第二手术器械34b相对于所述手术视野的坐标系的移动。
129.而因所述第二手术器械34b自身的移动导致其离开所述手术视野33’时，所述控制单元被配置为：实时记录所述第二手术器械34b的位置，确定所述第二手术器械34b离开所述手术视野33’的时刻，并以上一时刻所述第二手术器械34b的在所述手术视野33’内的位置作为所述目标位置。例如，所述控制单元每隔预定时间记录一次所述第二手术器械34b的位置，在第i时刻所述第二手术器械34b在所述手术视野33’内，而在第i+1时刻，所述控制单元确定所述第二手术器械34b离开所述手术视野33’，则以第i时刻时所述第二手术器械34b的在所述手术视野内的位置为所述目标位置。本领域技术人员应知晓，所述控制单元可根据机器人运动学方法获得所述第二手术器械34b在任意时刻的位置，也可以通过监测设置在所述第二手术器械34b上的标识符来获取所述第二手术器械34b在任意时刻的位置，所述标识符可以是显影元件，也可以是其他任何可指示所述第二手术器械34b的指向性标记。
130.又如，如图6b所示，在另一个实施例中，所述控制单元被配置用于获取所述手术视野的中心点c的位置，并以所述中心点c作为所述目标位置。所述控制单元在获取所述中心点c的位置时被具体配置用于：根据所述内窥镜33的末端点n和参考点m的坐标(如图3a所标识)，以及所述内窥镜33的景深h，得到所述中心点c的坐标。所述参考点m是在手术过程中位置始终不变的点，且所述参考点m在所述内窥镜33的轴线上。通常，在腹腔镜手术中，所述参考点m是内窥镜33位于患者腹部创口(俗称肚皮点)处的点，或者所述参考点m也可以是戳卡上的点。
131.具体地，在一个基准坐标系中，先根据机器人运动学方法获得所述内窥镜33的末端点n的位置n(x1,y1,z1)，以及获取一个参考点m的位置m(x2,y2,z2)。所述基准坐标系是人为建立的坐标系，例如大地坐标系。
132.再根据方向向量计算方法，计算所述内窥镜33轴线方向上的方向向量为
133.最后计算所述手术视野的中心点c的坐标c(x3,y3,z3)为：c(x3,y3,z3)＝n(x1,y1,z1)+h
×enm
，h是所述内窥镜的景深。本领域技术人员可理解，在内窥镜手术中，只有在内窥镜景深合理范围内，视野才会清晰。
134.进一步地，请继续参考图6b，在替代性地，所述目标位置也可以是以所述中心点c
为球心的一个球内的其他点(包括球面上的点)，这样所述控制单元还进一步被配置为：获取一以所述中心点c为球心的球，并以所述球内或球面上的任意一点为所述目标位置。所述球的半径r可以是所述第二手术器械34b的末端执行器的长度，或者所述球的半径由医生根据人体组织的大小进行确定，这对于本领域技术人员而言是可以合理设置的。此时，当所述目标位置在所述球上时，所述目标位置的坐标d(x4,y4,z4)与所述中心点c的坐标及球的半径满足如下关系：
135.r3＝(x
3-x4)2+(y
3-y4)2+(z
3-z4)2136.再如，在又一个实施例中，如图6c所示，利用所述第一手术器械34a和所述手术视野33’的中心点c共同确定所述目标位置。详细而言，所述控制单元被配置为：
137.首先，在一个基准坐标系中采用前述的方法获取所述手术视野的中心点c的坐标c(x3,y3,z3)，以及利用机器人运动学方法获取所述第一手术器械34a的末端点t(x5,y5,z5)的步骤t(x5,y5,z5)；
138.接着，采用平均算法计算所述中心点c与所述第一手术器械34a的末端点t的连线tc的中点z的坐标。
139.本实施例中，在不考虑所述第二手术器械34b与所述第一手术器械34a可能发生的干涉问题时，可以直接以所述中点z作为所述目标位置。若考虑所述第二手术器械34b与所述第一手术器械34a可能产生干涉问题，如图6c所示，所述控制单元还进一步地被配置为：
140.获取一以所述第一手术器械34a的末端点t为球心的球面，所述球的半径r为所述第一手术器械34a的末端执行器的长度。
141.判断所述中点z到所述第一手术器械34a的末端点t的距离是否大于所述球的半径，若是，则以所述中点z为所述目标位置；若否，则选择连线tc上的点a为所述目标位置，所述点a位于所述中点z与所述中心点c之间，且所述点a到所述第一手术器械的末端点t的距离为所述球的半径r的m倍，m大于1。这样，所述点a的坐标a(x6,y6,z6)可通过以下公式计算：
[0142][0143]
其中，是tc连线的方向向量。
[0144]
鉴于以上介绍可知，于本实施例中，所述控制单元具有多种目标位置的规划方法，使得医生可根据手术的实际情况选择最为合适的方法来确定所述第二手术器械34b的目标位置，提高所述手术机器人系统的适应性和通用性。
[0145]
接着，所述控制单元规划所述运动方案。
[0146]
在一种可选地实现方式中，所述机器人系统的所述显示装置11还具有触屏手写功能。如图7所示，所述控制单元可包括轨迹识别模块61、选择模块62、存储模块63、位置计算单元64和轨迹计算单元65，所述存储模块63内存储有预设运动轨迹方程。其中，所述显示装置11还用于显示操作人员人为规划的所述第二手术器械34b的运动轨迹以作为第一运动轨迹，所述第一运动轨迹的起始点为所述第二手术器械34b的当前位置，所述第一运动轨迹的终止点为所述第二手术器械的目标位置，即当所述第二手术器械沿所述运动轨迹运动时能够回到所述手术视野)。也就是说，当所述控制单元规划/确定所述目标位置之后，医护人员
可根据显示装置11所显示的患者体内情况，人为地在所述显示装置上绘出一条所述第二手术器械34b的第一运动轨迹。与此同时，所述轨迹识别模块识61别所述第一运动轨迹，并生成第一运动轨迹方程。接着，所述选择模块62在所述存储模块63中选择一与所述第一运动轨迹方程相匹配的预设运动轨迹方程，以作为第二运动轨迹方程。应知晓，这里所述的“一与所述第一运动轨迹方程相匹配的预设运动轨迹方程”是指，一与所述第一运动轨迹方程最为接近的预设运动轨迹方程。以及，所述轨迹计算单元65对所述第一运动轨迹方程和所述第二运动轨迹方程进行结合并重新优化，以得到第三运动轨迹方程。接着，所述位置计算单元64用于计算所述第二手术器械34b与所述手术视野的相对位置关系。最后所述轨迹计算单元65用于根据所述第二手术器械34b与所述手术视野的相对位置关系确定所述运动方案，根据实际情况，所述运动方案可以由所述第一运动轨迹方程限定，或由所述第二运动轨迹方程限定，或由所述第三运动轨迹方程限定。此处，所述运动方案可由第一运动轨迹方程或所述第二运动轨迹方程或所述第三运动轨迹方程限定是指，通过机器人逆运动学算法将相应运动轨迹方程所限定的第二手术器械34b的运动解算为第二工具臂32b的关节的运动，由此可得到所述运动方案。本实施例中，通过人为规划的第一运动轨迹进行运动方案的初步规划(即，通过所述第一运动轨迹方程限定的运动方案及通过第二运动轨迹方程限定的运动方案是大致的运动方案，并不一定是最终的运动方案)，然后再利用所述轨迹计算单元获得最优的运动方案，保证所述第二工具臂32b在执行所述运动方案时可平稳、安全地运动。
[0147]
可选地，所述控制单元包括第一控制单元和第二控制单元，其中所述第一控制单元可设置在所述图像显示装置20或医生控制台10上，并包括所述轨迹识别模块、所述存储模块和所述选择模块。所述第二控制单元包括所述位置计算单元和所述轨迹计算单元，所述第二控制单元可设置在所述医生控制台10上，或设置在所述手术操作装置30上。在其他实现方式中，所述第一控制单元和所述第二控制单元也可集成为一体，对于控制单元具体如何设置不作特别限制。
[0148]
此外，本领域技术人员可知晓，在替代性的实现方式中，获取所述第一运动轨迹方程及所述第二运动轨迹方程的过程并不是必须的。即，所述控制单元可直接利用所述位置计算单元计算所述第二手术器械34b与所述手术视野33’的位置关系，然后所述轨迹计算单元根据所述第二手术器械34b与所述手术视野33’的位置关系规划所述运动方案。
[0149]
进一步地，如图8a所示，在所述第二手术器械34b与所述手术视野33’之间存在人体组织时，为避免所述第二工具臂在运动过程中，所述第二手术器械34b对人体组织造成伤害，控制单元还被配置为根据图像识别定位出的人体组织，规划合理的运动方案，确保所述图像臂和/或所述工具臂移动安全、顺畅。
[0150]
具体来说，在所述位置计算单元获取所述第二手术器械34b与所述手术视野33’之间的位置关系之后，所述控制单元还被配置用于：规划一安全区域s1和一移动区域s2，其中，所述安全区域s1包围在所述人体组织的外部，所述移动区域s2的边界在所述安全区域s1的外部。之后所述控制单元再确定所述运动方案，且所述第二工具臂执行所述运动方案时，所述第二手术器械34b所形成的运动轨迹上的任意一点在所述移动区域s2的边界上，或在所述移动区域s2的外部(如图8b所示)。这样所述第二手术器械34b不会对人体组织造成任何损伤。
[0151]
请继续参考图8b，本实施例中，优选所述安全区域s1是以人体组织的中心为球心的球形区域，所述移动区域s2是与所述安全区域s1同心的球形区域。所述第二手术器械34b的运动轨迹包括多条依次连接的直线轨迹，且每条所述直线轨迹均是所述移动区域s2的切线。具体地，如图8b所示，所述第二手术器械34b的当前位置为a1，其在所述手术视野33’的外部，所述第二手术器械34b的目标位置为d，且a1与d之间存在人体组织。所述控制单元规划了一半径为r1的安全区域s1，以包围人体组织，同时所述控制单元还规划了一半径为r2的移动区域s2，r2》r1，所述移动区域s2可以经过a1。然后控制单元在所述移动区域s2的轮廓上设置点a4，以及在所述移动区域s2的外部设置了点a2和点a3，且点a1和点a2的连线、点a2和点a3的连线，点a3和点a4的连线均与所述移动区域s2相切，这样点a1、点a2、点a3、点a4及点d之间的连线便可构成所述第二手术器械34b的运动轨迹。
[0152]
本实施例中，所述控制单元(具体为所述轨迹计算单元)可采用常规的多项式轨迹设计例如n次多项式样条差值法(n≥5)、s型轨迹设计或t型轨迹设计中的任意一种来确定最终的运动方案。下面以所述控制单元采用t型轨迹设计方法设计所述第二手术器械34b的运动方案为例进行说明。
[0153]
利用t型轨迹设计方法设计的运动方案中，所述运动方案包括：匀加速运动阶段、匀速运动阶段及匀减速运动阶段。在执行所述运动方案的过程中，所述第二手术器械34b的位置、速度、加速度随时间的变化关系图请参考图9a、图9b及图9c。以及，在执行所述运动方案时，当所述第二手术器械34b处于匀加速运动阶段，所述第二手术器械34b的位置可通过以下公式计算：
[0154][0155]
所述第二手术器械34b的速度可通过以下公式计算：
[0156][0157]
所述第二手术器械34b的加速度有：
[0158][0159]
当所述第二手术器械34b处于匀速运动阶段时，所述第二手术器械34b的位置可通过如下公式计算：
[0160][0161]
所述第二手术器械34b的速度为：
[0162][0163]
所述第二手术器械34b的加速度为：
[0164][0165]
当所述第二手术器械34b处于匀减速运动阶段时，所述第二手术器械34b的位置可通过如下公式计算：
[0166][0167]
所述第二手术器械34b的速度通过如下公式计算：
[0168][0169]
所述第二手术器械34b的加速度为：
[0170][0171]
式中，q0是所述第二手术器械34b在开始时的位置，是所述第二手速器械34b在tc时刻的位置，是所述第二手术器械34b在tj时刻的位置。tc是所述第二手术器械34b达到最大速度的时刻，tj是所述第二手术器械34b开始减速的时刻，tf是所述第二手术器械34b的速度为零的时刻。
[0172]
在另一个实施例中，所述控制单元还可以通过控制所述图像臂运动，以使所述第二手术器械34b回到所述手术视野。请参考图10a，当所述第二手术器械34b位于所述手术视野33’以外时，所述控制单元被配置用于：
[0173]
根据机器人运动学方法获取图像臂31的末端点e1的位置，以及图像臂31上一个不动点r1的位置，所述不动点r1位于所述内窥镜33的轴线上，不动点r1可以是内窥镜的戳卡上对应于患者腹部创口处的点(俗称肚皮点)，或图像臂31上对应于肚皮点处的一点。
[0174]
根据机器人运动学方法获取所述第二手术器械34b的末端点t1的位置，以及所述第二工具臂32b上的一个不动点r2的位置。本领域技术人员熟知如何所述第二工具臂32b上的不动点r2，对于本领域技术人员而言，所述第二工具臂32b上的不动点r2是清楚的。
[0175]
计算直线e1t1与直线t1r1所形成的夹角θ1为：
[0176][0177]
这样，如图10b所示，所述控制单元确定的运动方案可包括：所述图像臂31以所述图像臂31上的不动点r1为转动中心沿第一方向转动θ1角度。
[0178]
由于所述机器人手术系统的第一工具臂(图10a及图10b中均未示出)上还连接有第一手术器械(图10a和图10b中未示出)，而如前所介绍的，所述第一手术器械位于所述手术视野内，为了避免因图像臂带动所述内窥镜移动而造成所述第一手术器械离开所述手术视野，所述运动方案还包括：所述第一工具臂以所述第一工具臂上的不动点r3(图10a及图10b中均未示出)为转动中心沿所述第一方向转动θ1角度，如此所述第一手术器械随之旋转，以使所述第一手术器械和所述第二手术器械34b均可位于所述手术视野33’内。当然，若当所述图像臂31沿第一方向旋转θ1角度后，所述第一手术器械34a仍在所述手术视野33’内，则所述第一工具臂也可不旋转。
[0179]
或者，所述控制单元所确定的运动方案包括：所述图像臂31先以所述图像臂31上的不动点r1为转动中心沿第一方向转动θ1角度；之后，如图10c所示，所述图像臂31再以所述图像臂31上的不动点r1为转动中心沿第二方向旋转θ2角度，以及所述第二手术器械34b以所述第二手术器械34b的所述工具臂32(即所述第二工具臂32b)上的不动点r2为转动中心沿第二方向旋转θ2角度，以使所述第二手术器械34b保持在所述手术视野33’内。在存在所述第一手术器械34a的情况下，为确保所述第一手术器械34a和所述第二手术器械34b均在手术视野33’内，所述第二方向与所述第一方向相反，以图10a至图10c所示的方位为例，所述第一方向为顺时针方向，具体如图10a中箭头所标识，所述第二方向为逆时针方向，如图10c中箭头所标识。这样操作以后，所述第一手术器械和所述第二手术器械34b均在手术视野
33’内。若需要手术视野33’完全回到原来的位置，则有θ2等于θ1，若所述手术视野33’可不完全回到原来的位置，θ2可不等于θ1。但需要说明的是，若不存在所述第一手术器械34a，所述第二方向也可以与所述第一方向同向。
[0180]
进一步地，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，所述程序执行如上控制单元所执行的相应操作。
[0181]
进一步地，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和所述计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上所存储的程序。
[0182]
虽然本发明披露如上，但并不局限于此。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。