一种手术机器人及其姿态配准方法、控制方法与流程

本技术涉及医疗机械，具体涉及一种手术机器人及其姿态配准方法、控制方法。

背景技术：

1、微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式，微创手术具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优势。

2、随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创手术机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台包括手柄，医生通过操作手柄向从操作设备发送控制命令，从操作设备包括驱动臂及装设于驱动臂远端的穿刺装置，穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，以提供用于医疗器械穿过的通道。

3、在使用手术机器人辅助手术的过程中，医生经常会期望手术床能够移动一定距离或旋转一定角度，从而调整术中患者的体位，以便改善或优化手术操作过程中患者手术部位的视野和操作空间。然而，手术床的运动会引起患者身体开口的运动，而通常手术机器人无法基于手术床的运动信息主动控制穿刺装置跟随身体开口的运动，导致在调整手术床的过程中，对手术机器人的操作较为繁琐、耗时，甚至可能会对患者造成伤害，增加了手术过程中的不确定性风险。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本技术提供一种手术机器人及其姿态配准方法、控制方法，可以在驱动臂被动地执行跟踪身体开口在平移自由度的运动的过程中，基于穿刺装置的位置变化确定手术机器人与手术床之间的姿态配准关系，为手术机器人的控制提供依据。

2、为解决上述技术问题，本技术提供一种手术机器人的姿态配准方法，所述手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，所述驱动臂的远端装设有穿刺装置，所述穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，所述方法包括：

3、控制所述多个关节中的第一关节处于零力状态，所述第一关节包括具有平移自由度的关节，以通过所述第一关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口的体壁施加的力来跟踪所述身体开口在平移自由度的运动；

4、响应于所述手术床的台面在平移自由度的平移运动，在所述第一关节被动地执行跟踪所述身体开口在所述平移自由度的运动的过程中，获取所述穿刺装置在第一时刻的第一位置、并获取所述穿刺装置在相邻于所述第一时刻的第二时刻的第二位置；

5、基于所述第一位置和所述第二位置，确定所述手术机器人与所述手术床之间的第一姿态配准关系。

6、其中一实施例中，所述方法还包括：

7、在所述第一关节被动地执行跟踪所述身体开口在所述平移自由度的运动的过程中，获取所述穿刺装置在相邻于第二时刻的第三时刻的第三位置；

8、基于所述第二位置和所述第三位置，确定所述手术机器人与所述手术床之间的第二姿态配准关系；

9、在所述第一姿态配准关系和所述第二姿态配准关系满足预设条件时，基于所述第一姿态配准关系和所述第二姿态配准关系中的一个或多个确定所述手术机器人与所述手术床之间的第三姿态配准关系。

10、其中一实施例中，所述平移运动包括命令所述手术床的台面在平移自由度运动的平移运动、和命令所述手术床的台面在姿态自由度运动所引起的所述手术床的台面在平移自由度运动的平移运动中的至少一种。

11、其中一实施例中，所述获取所述穿刺装置在第一时刻的第一位置，包括：

12、获取所述第一时刻所述多个关节的关节变量，基于所述关节变量并利用正运动学确定所述第一位置；

13、所述获取所述穿刺装置在相邻于所述第一时刻的第二时刻的第二位置，包括：

14、获取所述第二时刻所述多个关节的关节变量，基于所述关节变量并利用正运动学确定所述第二位置；

15、所述获取所述穿刺装置在相邻于第二时刻的第三时刻的第三位置，包括：

16、获取所述第三时刻所述多个关节的关节变量，基于所述关节变量并利用正运动学确定所述第三位置。

17、其中一实施例中，所述手术机器人的基准坐标系与所述手术床的基准坐标系均包括二维水平坐标系，所述手术机器人的基座所在水平面与所述手术床的基座所在水平面之间相互平行或重合；所述基于所述第一位置和所述第二位置，确定所述手术机器人与所述手术床之间的第一姿态配准关系，包括：

18、根据所述第一位置和所述第二位置在所述手术机器人的二维水平坐标系中的坐标，确定所述穿刺装置在所述手术机器人的二维水平坐标系的第一水平坐标轴上的第一位移分量，以及在所述手术机器人的二维水平坐标系的第二水平坐标轴上的第二位移分量；

19、根据所述第一位移分量与所述第二位移分量，计算所述手术机器人的基准坐标系与所述手术床的基准坐标系之间在水平面上的第一旋转角度值，以得到所述手术机器人与所述手术床之间的第一姿态配准关系；所述基于所述第二位置和所述第三位置，确定所述手术机器人与所述手术床之间的第二姿态配准关系，包括：

20、根据所述第二位置和所述第三位置在所述手术机器人的二维水平坐标系中的坐标，确定所述穿刺装置在所述手术机器人的二维水平坐标系的第一水平坐标轴上的第三位移分量，以及在所述手术机器人的二维水平坐标系的第二水平坐标轴上的第四位移分量；

21、根据所述第三位移分量与所述第四位移分量，计算所述手术机器人的基准坐标系与所述手术床的基准坐标系之间在水平面上的第二旋转角度值，以得到所述手术机器人与所述手术床之间的第二姿态配准关系。

22、其中一实施例中，所述手术机器人的基准坐标系与所述手术床的基准坐标系均包括二维水平坐标系，所述手术机器人的基座所在水平面与所述手术床的基座所在水平面之间相互平行或重合；所述第一姿态配准关系采用所述手术机器人的基准坐标系与所述手术床的基准坐标系之间在水平面上的第一旋转角度值进行表征，所述第二姿态配准关系采用所述手术机器人的基准坐标系与所述手术床的基准坐标系之间在水平面上的第二旋转角度值进行表征；所述在所述第一姿态配准关系和所述第二姿态配准关系满足预设条件时，基于所述第一姿态配准关系和所述第二姿态配准关系中的一个或多个确定所述手术机器人与所述手术床之间的第三姿态配准关系，包括：

23、判断所述第一旋转角度值与所述第二旋转角度值之间的差值是否处于预设范围内；

24、若处于预设范围内，则将所述第一旋转角度值作为所述第三姿态配准关系，或者，将所述第二旋转角度值作为所述第三姿态配准关系，或者，将所述第一旋转角度值与所述第二旋转角度值的均值作为第三姿态配准关系。

25、其中一实施例中，所述控制所述多个关节中的第一关节处于零力状态的步骤之后，所述方法，还包括：

26、响应于所述手术床的台面在平移自由度的平移运动，控制所述多个关节中的第二关节运动，以补偿由于所述第一关节被动地执行跟踪所述平移自由度的运动所导致的所述穿刺装置的姿态变化。

27、其中一实施例中，所述控制所述多个关节中的第二关节运动，包括：

28、获取所述第一关节中的第一旋转关节的运动信息，基于所述第一关节中的第一旋转关节的运动信息生成所述第二关节中的第二旋转关节的运动信息，所述第一关节中的第一旋转关节的运动信息包括运动量和运动方向，所述第二关节中的第二旋转关节的运动信息包括与所述第一关节中的第一旋转关节的运动方向相反的运动方向、和与所述第一关节中的第一旋转关节的运动量大小相同的运动量；

29、根据所述第二关节中的第二旋转关节的运动信息控制所述第二关节中的第二旋转关节运动。

30、本技术还提供一种手术机器人的控制方法，所述手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，所述驱动臂的远端装设有穿刺装置，所述穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，所述手术机器人与所述手术床之间使用如上所述方法获取的姿态配准关系作为目标姿态配准关系，所述方法包括：

31、响应于所述手术床的台面在姿态自由度的运动，获取所述手术床的台面在所述姿态自由度的运动信息；

32、基于所述运动信息和所述目标姿态配准关系确定所述多个关节中第三关节的目标关节量，根据所述目标关节量控制所述第三关节运动，以在所述姿态自由度保持所述穿刺装置相对于所述手术床的台面的姿态。

33、其中一实施例中，所述控制方法还包括：

34、响应于所述手术床的台面在姿态自由度的运动，控制所述多个关节中关联于位置自由度调节的目标关节，以通过所述目标关节来允许所述驱动臂，基于由所述患者的所述身体开口处的体壁施加的力来跟踪所述身体开口的位置。

35、其中一实施例中，所述控制方法，还包括：

36、在根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂的过程中，判断所述手术机器人是否符合第一预设条件；

37、若不符合第一预设条件，则停止根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂；其中，

38、所述符合第一预设条件，包括以下至少一项：

39、所述穿刺装置与所述身体开口的位置之间处于预设状态；

40、装设于所述驱动臂远端的医疗器械与手术部位的位置之间处于预设状态；

41、所述驱动臂中各关节的可运动范围处于预设运动范围。

42、其中一实施例中，所述控制方法，还包括：

43、根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂之前，判断所述手术机器人和/或手术床是否符合第二预设条件；

44、若符合第二预设条件，则根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂；其中，

45、所述符合第二预设条件，包括以下至少一项：

46、所述手术机器人与患者对接；

47、所述手术机器人的基座与所述手术床的基座处于运动锁定状态；

48、所述手术机器人的主操作台处于允许进入手术操作状态；

49、所述手术机器人与所述手术床之间的通讯连接处于正常状态；

50、所述驱动臂中各关节的可运动范围处于预设运动范围。

51、其中一实施例中，所述驱动臂的远端装设有成像器械，所述成像器械穿过所述穿刺装置进入所述患者的体内，所述控制方法，还包括：

52、根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂的过程中，获取所述成像器械采集的图像；

53、响应于识别到所述图像中的目标区符合第三预设条件，向所述手术床发送控制指令，所述控制指令包括用于控制所述手术床延迟调节、停止调节、减速调节中至少一项的指令；其中，所述符合第三预设条件，包括以下至少一项：

54、在所述目标区中识别到目标手术部位或关联于目标手术部位的标记；

55、所述目标手术部位在所述目标区中处于预设姿态。

56、其中一实施例中，所述手术机器人还包括操作部，所述驱动臂的远端设有医疗器械，所述控制方法还包括：

57、根据所述手术床的台面在预设自由度的运动控制所述驱动臂的过程中，响应于所述手术机器人的操作部与装设于所述驱动臂远端的医疗器械之间的取向发生改变，将所述操作部的取向对齐于所述医疗器的取向。

58、本技术还提供一种手术机器人的控制装置，包括：

59、存储器，用于加载并执行计算机程序；

60、处理器，用于加载并执行所述计算机程序；

61、其中，所述计算机程序由所述处理器加载并执行实现如上所述的手术机器人的姿态配准方法，和/或，实现如上所述的手术机器人的控制方法的步骤。

62、本技术还提供一种手术机器人，所述手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，所述驱动臂的远端装设有穿刺装置，所述穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内；

63、所述手术机器人还包括控制装置，所述控制装置用于执行实现如上所述的手术机器人的姿态配准方法，和/或，实现如上所述的手术机器人的控制方法的步骤。

64、本技术还提供一种手术系统，其特征在于，包括手术床与如上所述的手术机器人，所述手术机器人与所述手术床通信连接，所述手术床的台面可在一个或多个自由度进行调节。

65、本技术还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的手术机器人的姿态配准方法，和/或，实现如上所述的手术机器人的控制方法的步骤。

66、本技术的手术机器人的姿态配准方法，手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，驱动臂的远端装设有穿刺装置，穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，方法包括：控制多个关节中的第一关节处于零力状态；响应于手术床的台面在平移自由度的平移运动，在第一关节被动地执行跟踪身体开口在平移自由度的运动的过程中，获取穿刺装置在第一时刻的第一位置、以及在第二时刻的第二位置；基于第一位置和第二位置，确定手术机器人与手术床之间的姿态配准关系。本技术可以在驱动臂被动地执行跟踪身体开口在平移自由度的运动的过程中，基于穿刺装置的位置变化确定手术机器人与手术床之间的姿态配准关系，为手术机器人的主动控制提供依据，提高操作效率和安全性。

67、本技术的手术机器人的控制方法，手术机器人包括具有多个关节的驱动臂，驱动臂的远端装设有穿刺装置，穿刺装置用于插入躺卧于手术床的台面的患者的身体开口内，手术机器人与手术床之间使用如上方法获取的姿态配准关系作为目标姿态配准关系，方法包括：响应于手术床的台面在姿态自由度的运动，获取手术床的台面在姿态自由度的运动信息；基于运动信息和目标姿态配准关系确定多个关节中第三关节的目标关节量，根据目标关节量控制第三关节运动，以在姿态自由度保持穿刺装置相对于手术床的台面的姿态。本技术可以基于手术机器人与手术床之间的姿态配准信息，在手术床的台面进行姿态自由度的运动时，主动控制驱动臂调整穿刺装置的姿态，提高操作效率和安全性。