机器人系统及其控制方法与流程

1.本公开涉及医疗器械领域，尤其涉及一种机器人系统及其控制方法。


背景技术：

2.腔镜微创手术相比于传统的开放手术，具有手术创伤小，术后恢复快，术后感染和并发症低，已被广泛应用。现有的腔镜手术机器人系统，由运动臂搭载手术器械。根据不同的患者和手术术式，需要对运动臂在术前或术中进行调整定位，以使手术器械调整到手术指定位置。在手术时，由主刀医生采用遥操作模式，控制手术器械末端的手术执行器实现不同部位的外科手术。对于手术机器人系统，体外运动臂在空间中的定位能力直接关系手术机器人能否施展多种手术术式。
3.目前，使用手术机器人实现手术过程主要包括术前定位、手术准备和术后整理三个过程。在术前定位和准备过程，手术助理(例如护士或医生)根据手术类型、手术位置，先调整至少一个运动臂到合适的位置和姿态，以便于至少一个运动臂能与鞘套连接，以使运动臂上的手术器械通过鞘套进入人体内需要手术的相应位置。术中通过遥操作控制手术器械从动于输入端命令以到达范围内的各种位置和角度，以实现各种操作动作。
4.目前的手术机器人在术前定位和准备过程，尤其针对手术机器人的内窥镜手术，在手术准备过程，根据术式角度，调节运动臂的流程较复杂，且运动臂的调节具有一定的顺序规定，需要人为的将各运动臂移动到对应的位置处，效率低，且不够准确。手术准备过程，需要在手术机器人，例如运动臂上穿戴无菌保护套，以将靠近无菌侧的手术器械与有菌侧的运动臂隔离开，以保证手术的卫生安全。但在运动臂与鞘套连接过程中，时常会有因为各种原因导致的无菌保护套的细节部位的脱落拉扯等情况，此时若无提示，则容易造成手术过程中的手术污染。


技术实现要素：

5.在一些实施例中，本公开提供了一种用于手术机器人系统的控制方法，所述手术机器人系统包括多个运动臂，所述多个运动臂包括参考运动臂和至少一个跟随运动臂，所述控制方法包括：基于输入命令，控制所述参考运动臂移动到参考位置和参考姿态；基于所述参考运动臂的参考位置和参考姿态以及所述多个运动臂的相对位姿关系，确定所述至少一个跟随运动臂的定位位置和定位姿态；以及控制所述至少一个跟随运动臂移动至所述定位位置和定位姿态。
6.在一些实施例中，本公开提供了一种机器人系统，包括：多个运动臂，所述多个运动臂包括参考运动臂和至少一个跟随运动臂；以及控制装置，被设置成基于接收到的输入信息，控制所述参考运动臂运动至参考位置和参考姿态，基于确定的所述参考位置和参考姿态以及所述多个运动臂的相对位姿关系，确定所述至少一个跟随运动臂的定位位置和定位姿态，控制所述至少一个跟随运动臂运动至所述定位位置和定位姿态。
附图说明
7.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对本公开实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图仅仅示出本公开的一些实施例，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，还可以根据本公开实施例的内容和这些附图获得其他的实施例。
8.图1示出根据本公开一些实施例的机器人系统的控制方法流程图；
9.图2示出根据本公开一些实施例的机器人系统的结构示意图；
10.图3示出根据本公开一些实施例的另一机器人系统的控制方法流程图；
11.图4示出根据本公开一些实施例的机器人系统的简化框图；
12.图5(a)示出根据本公开一些实施例的另一机器人系统的简化框图；
13.图5(b)示出图5(a)根据本公开一些实施例的机器人系统的模拟控制单元的简化框图。
具体实施方式
14.为使本公开解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本公开实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开示例性实施例，而不是全部的实施例。
15.在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“耦合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；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。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公开中的具体含义。在本公开中，定义靠近操作者(例如医生)的一端为近端、近部或后端、后部，靠近手术患者的一端为远端、远部或前端、前部。本领域技术人员可以理解，本公开的实施例可以用于医疗器械或手术机器人，也可以用于其他非医疗装置。
16.在本公开中，术语“位置”指对象或对象的一部分在三维空间中的定位(例如，可使用笛卡尔x、y和z坐标方面的变化描述三个平移自由度，例如分别沿笛卡尔x轴、y轴和z轴的三个平移自由度)。在本公开中，术语“姿态”指对象或对象的一部分的旋转设置(例如，三个旋转自由度，可使用滚转、俯仰和偏转来描述这三个旋转自由度)。在本公开中，术语“位姿”指对象或对象的一部分的位置和姿态的组合，例如可使用以上提到的六个自由度中的六个参数来描述。在本公开中，运动臂或其一部分的位姿是指运动臂或其一部分定义的坐标系相对于运动臂所在的支架、基座定义的坐标系或世界坐标系的位姿。在本公开中，运动臂或其一部分的位置可由运动臂的关节的关节值的集合(例如由这些关节值组成的一维矩阵)来表示。在本公开中，关节的关节值可以包括相应关节相对于相应的关节轴所旋转的角度或者相对于初始位置移动的距离。
17.图1示出根据本公开一些实施例的机器人系统的控制方法流程图100，图2示出根据本公开一些实施例的机器人系统10的结构示意图。该方法100可以由用于机器人系统10的控制装置(例如，图4所示的控制装置5)来执行，可以由软件和/或硬件来实现。例如，用于机器人系统10的控制装置可以包括处理器(例如，图4所示的处理器51)，被配置为执行方法100。在一些实施例中，如图2所示，机器人系统10可以包括多个运动臂，例如运动臂1以及运动臂2(例如，运动臂2a、2b和2c)。其中，运动臂1可以作为参考运动臂，运动臂2可以作为跟随运动臂。应当理解，参考运动臂可以是用于辅助确定至少一个跟随运动臂的位置和姿态的运动臂，或者可以是至少一个跟随运动臂进行移动过程中所参考的运动臂。跟随运动臂可以包括基于参考运动臂的位置和姿态而确定其位置和姿态的运动臂，或者可以是基于参考运动臂进行移动的运动臂。跟随运动臂可以与参考运动臂的结构相同或不同。在一些实施例中，每一运动臂上都可以可拆卸地设置有手术器械3(例如手术工具或内窥镜)，并且每一手术器械3都被设置成能够通过鞘套进入操作区域。鞘套可以固定在患者的手术口(例如切口或自然开口)处，并且与运动臂连接。操作区域可以是进行手术的区域。例如，运动臂1可以与内窥镜32可拆卸地连接，并且运动臂2可以与手术工具3(例如手术工具31a、31b和31c)可拆卸地连接。在一些实施例中，机器人系统10可以包括手术台车4，多个运动臂1和2可以设置在手术台车4上。手术器械3可以包括手术工具31和内窥镜32。手术工具31或内窥镜32可以包括驱动传动装置、臂体和末端装置。手术工具31的末端装置可以包括但不限于手术钳、电刀、电勾等。内窥镜32的末端装置可以包括但不限于成像装置或照明装置等。
18.应当理解，一些实施例可以适用于在手术前基于手术类型控制各运动臂进行移动的情况。例如，在移动运动臂前，图2中一个或多个运动臂处于储藏位。储藏位可以是运动臂在术前的预设初始位置。例如，在储藏位处，每个运动臂可处于收拢状态，以缩小其占据的空间。在一些实施例中，储藏为可被设置为运动臂姿态的零位。
19.由于手术需要在无菌环境中进行操作，因此，在术前，需对每个运动臂以及机器人系统10的其他部件(例如手术台车4的主立柱等)，套上无菌保护套。因此，每个运动臂可以运动到保护套安装位。在从储藏位达到保护套安装位时，运动臂向远端伸展，各运动臂之间的间距打开，使运动臂远端基本与地面呈平行或略向下或略向上倾的姿态以方便穿戴保护套。在该位置处，根据无菌保护套的穿戴要求和流程进行保护套的安装，以使各运动臂与无菌环境隔离，且设置在运动臂上的手术器械处于无菌环境。应当理解，在储藏位以及保护套安装位，多个运动臂上可以不设置手术器械。在保护套安装位，各运动臂处于较大的舒张伸展状态，以供用户为各运动臂穿戴无菌保护套，实现无菌环境和有菌环境的有效隔离。
20.在保护套安装完成后，可将各运动臂的伸展状态进行收拢，处于储藏位和保护套安装位之间的收拢位(例如，可以靠近储藏位以方便移动)。在收拢位，用户可以以收拢的状态将机器人系统10(例如手术台车4)移动至手术台附近(此时病人可能已躺在手术台上)。
21.在手术台车4移动至手术台附近后，各运动臂可以处于调整位。在调整位，可以对各运动臂进行调整控制，以使各运动臂的位置和姿态调整至适于进行手术操作的位置和姿态。调整位可以包括收拢位以及运动臂调整过程中的多个过渡位。例如适于进行手术操作的位置和姿态可以指各运动臂能与鞘套连接的位置和姿态。在调整位，可以进行本公开实施例中的机器人系统的控制方法，例如方法100。
22.如图1所示，在步骤101，基于输入命令，控制参考运动臂移动到参考位置和参考姿
态。在一些实施例中，输入命令可以包括用户通过输入装置输入的命令或存储在非易失性存储介质上的指令。应当理解，输入命令可以包括参考运动臂的运动命令，基于运动命令可以命令参考运动臂运动。
23.在一些实施例中，机器人系统10的控制装置可以包括输入装置。在一些实施例中，输入装置可以包括用户接口，例如键盘、触摸屏、按钮等。例如，用户可以按压与运动臂对应的按钮，以生成控制对应的运动臂运动的运动命令。基于运动命令，可使对应的运动臂运动。在运动臂运动至目标位置和目标姿态(例如参考位置和参考姿态)时，用户可以再次按压或者释放该运动臂对应的按钮，以生成停止命令，基于停止命令，使运动臂停止运动。用户接口可以包括“确认键”、“启停键”、“上一步”或“下一步”等等功能。这些功能可以用于运动臂整体、单独控制，或者步骤流程状态的整体、单独控制。
24.在一些实施例中，输入装置还可以包括触摸屏，用户可以通过触摸屏触发各运动臂运动的操作，以生成使各运动臂运动的运动命令。应当理解，也可通过触摸屏的方式触发各运动臂停止运动的操作，以生成使各运动臂停止运动的停止指令。
25.在一些实施例中，输入装置还可以包括微调输入模块。微调输入模块可以设置于运动臂上和/或设置于与运动臂连接的手术器械上，用于单个运动臂的运动调节，以控制单个运动臂的关节姿态调整，以调整运动臂上的手术器械的姿态。微调输入装置可以包括按钮，用于运动臂的精细调整。
26.在一些实施例中，将手术台车4移动至手术台附近，用户可根据手术台车4上设置的指示灯来调整手术台车4(例如设置在手术台车4上的运动臂)与手术台的高度对应关系以及水平距离对应关系。在一些实施例中，指示灯例如可以包括手术台车4(例如主立柱)顶部向下射出的激光对齐灯。指示灯可以指示手术台4或手术台上的患者的手术口位置及操作高度，以及手术台车4与手术台或手术台上的患者的手术口的距离。用户可根据手术台或手术台上的患者的手术口位置及操作高度，以及手术台车4与手术台或手术台上的患者的手术口的距离，通过用户接口(例如按钮)产生输入命令(例如多个移动命令)，以调整手术台车4的高度以及平移手术台车4，以使指示灯与手术部位手术口处于对应位置。在一些实施例中，对应位置可以是指示灯可以覆盖手术口的位置，或者指示灯与手术口呈角度的位置，还可以是其他位置关系。
27.在一些实施例中，在手术台车4上的指示灯与手术部位手术口处于对应位置时，设置在手术台车4上的参考运动臂1可以运动至靠近手术口处的鞘套的位置，参考运动臂1可以处于参考位置和参考姿态。在一些实施例中，在手术台车4上的指示灯与手术部位手术口处于对应位置时，参考运动臂1也可以位于靠近参考位置和参考姿态处。这样，用户还可以通过用户接口(例如按钮)输入参考运动臂的运动命令，进一步调整参考运动臂1的位姿，以使其运动至参考位置和参考姿态。
28.在一些实施例中，基于运动命令，移动机器人系统10的参考运动臂1到参考位姿，参考位姿包括参考位置和参考姿态。在一些实施例中，参考运动臂1可以是用于辅助确定至少一个跟随运动臂2的位置和姿态的运动臂，可以是至少一个跟随运动臂2进行移动过程中所参考的运动臂。例如，参考运动臂1可以用于与内窥镜32可拆卸地连接。跟随运动臂2可以用于与手术工具可拆卸地连接。在一些实施例中，参考运动臂1设有内窥镜32，在参考位姿处，内窥镜32(例如臂体以及设置在臂体末端或远端的末端器械)可以顺利通过鞘套进入手
术操作区域。在一些实施例中，参考位姿可以是参考运动臂1的末端(例如末端臂或者末端臂的远端)的位置和姿态。或者，参考位姿可以是参考运动臂1的远端运动中心(rcm)的位置和姿态。或者，参考位姿可以是参考运动臂1用于与鞘套连接的连接点(例如可以位于末端臂的末端)的位置和姿态。应当理解，连接点的位置可以包括距离鞘套预设距离范围内的位置处，预设距离可以包括但不限于是10cm等。参考姿态可以是参考运动臂1在参考位置处所处的取向。在一些实施例中，在参考运动臂1上设置有手术器械(例如内窥镜32)时，参考位姿还可以是手术器械的位置和姿态。
29.在步骤103，基于参考运动臂的参考位置和参考姿态以及多个运动臂的相对位姿关系，确定至少一个跟随运动臂的定位位置和定位姿态。在一些实施例中，基于手术类型或鞘套的构型，确定多个运动臂的相对位姿关系。应当理解，相对位姿关系可以包括至少一个跟随运动臂和参考运动臂的相对位姿关系。在一些实施例中，定位位置和定位姿态可以分别是跟随运动臂2的末端(例如末端臂或者末端臂的远端)的位置和姿态。或者定位位置和定位姿态可以分别是跟随运动臂2的远端运动中心(rcm)的位置和姿态。或者定位位置和定位姿态可以分别是跟随运动臂2用于与鞘套连接的连接点的位置和姿态。应当理解，连接点的位置可以包括距离鞘套预设距离范围内的位置处，这里的预设距离可以包括但不限于是10cm等。定位姿态可以是跟随运动臂2在定位位置处所处的取向。由于鞘套的构型不同，每个跟随运动臂2均有其对应的定位位置和定位姿态。每个跟随运动臂2在定位位置处的定位姿态(例如取向)也可以不同。在一些实施例中，在跟随运动臂2上设置有手术器械(例如手术工具31)时，定位位置和姿态还可以分别是手术器械的位置和姿态。
30.在一些实施例中，可以基于当前手术类型，确定鞘套的构型，以确定多个运动臂的相对位姿关系。应当理解，当前手术类型可以是当前需进行手术的类型。例如，手术类型可以包括但不限于普外科手术、胸外科手术、泌尿外科手术、妇科手术等。在一些实施例中，鞘套的构型可以包括鞘套的类型，例如不同术士下的鞘套的规格和型号(规格和型号可以包括但不限于例如鞘套的长度、径向尺寸、孔径大小、鞘管数量、多个鞘管设置的相对位置关系等)。多个鞘套中的每个与至少一个运动臂的相对位姿关系相关联，不同构型的鞘套与每个运动臂的相对位姿关系可以不同。
31.在步骤107，控制至少一个跟随运动臂移动至定位位置和定位姿态。应当理解，参考运动臂1处于参考位置和参考姿态，至少一个跟随运动臂2处于定位位置和定位姿态，以使参考运动臂1和至少一个跟随运动臂2能与鞘套连接。鞘套处于手术台上的患者手术口处，对于不同手术类型，可以选择相应的鞘套。对于单孔手术，鞘套可以具有多个呈角度布置的鞘管，参考运动臂1和至少一个跟随运动臂2可以分别与鞘套的多个鞘管连接。在一些实施例中，鞘套的至少一部分用于伸入患者体内，鞘套暴露在患者体外的部分可以用于与参考运动臂1和至少一个跟随运动臂2连接。参考运动臂1和至少一个跟随运动臂2上设有手术器械3，手术器械3(例如手术器械3的臂体的一部分以及设置在臂体末端的末端器械)被设置成能通过鞘套进入操作区域。例如，参考运动臂1上的手术器械可以包括内窥镜32，跟随运动臂2上的手术器械可以包括手术工具31。在一些实施例中，参考运动臂1可拆卸地连接内窥镜32。在参考运动臂1处于参考位置和参考姿态时，内窥镜32可以通过鞘套的鞘管进入手术操作区。至少一个跟随运动臂2可拆卸地连接手术工具31，在每个跟随运动臂2位于对应的定位位置和定位姿态时，每个跟随运动臂2上的手术工具31可以顺利通过鞘套的鞘
管进入手术操作区域。
32.这样基于当前手术类型以及鞘套的构型，以及参考运动臂1的参考位置和参考姿态，可以确定跟随运动臂2的定位位置和定位姿态，节省了手术前的准备工作，提高了手术效率。
33.在一些实施例中，基于参考运动臂的参考位置和参考姿态、跟随运动臂的定位位置和定位姿态以及鞘套的位置和姿态，确定设置在运动臂上的手术器械进入鞘套的目标位置和目标姿态。应理解，在鞘套设置于手术口时，将参考运动臂1移动至参考位置和参考姿态，可以将参考运动臂1(例如通过与鞘套连接的连接点)与鞘套(例如其中一个鞘管)连接。至少一个跟随运动臂2移动至定位位置和定位姿态，将至少一个跟随运动臂2(例如通过与鞘套连接的连接点)与鞘套(例如另外一些鞘管)连接。从而可以确定参考运动臂1上的内窥镜32或跟随运动臂2上的手术工具31进入鞘套的位置和姿态。应理解，内窥镜32的末端可以在安装于参考运动臂1上时已部分伸入鞘套，但未达到手术操作区域。在一些实施例中，可以基于运动命令，控制参考运动臂1上的内窥镜32的末端通过鞘套进入手术操作区域，以确定手术操作区域的内部环境。通过调整内窥镜32的末端，以确定最佳手术位置视野，以确定内窥镜32末端的目标位置和姿态。基于内窥镜32(例如内窥镜32的末端)位于手术操作区域的目标位置和姿态，可以确定设置在跟随运动臂2上的手术工具31进入鞘套的目标位置和姿态，从而控制手术工具31通过鞘套进入手术操作区域的目标位置和姿态。可以实现精确移动各跟随运动臂2上配置的手术工具31，从而加快术前准备工作，提高工作效率。
34.在一些实施例中，可选地，至少一个跟随运动臂包括多个跟随运动臂，方法100还可以包括步骤105。在步骤105，确定多个跟随运动臂的运动次序。在一些实施例中，可以基于当前手术类型，确定多个跟随运动臂2的运动次序。基于运动次序，控制多个跟随运动臂2运动至定位位置和定位姿态。
35.在一些实施例中，至少一个跟随运动臂2可包括但不限于两个、三个、四个或更多个跟随运动臂。在一些实施例中，如图2所示，至少一个跟随运动臂2可以包括跟随运动臂2a、跟随运动臂2b和跟随运动臂2c。在一些实施例中，基于与至少一个跟随运动臂对应的手术器械，确定至少一个跟随运动臂的运动次序。例如，可以基于当前手术类型，确定与跟随运动臂2a-2c对应的手术器械(例如手术工具31a-31c)的预设顺序。基于手术工具31a-31c的预设顺序，确定跟随运动臂2a-2c的运动次序。例如，跟随运动臂2a、2b和2c可以分别用于搭载手术工具31a、31b和31c。以当前手术类型为腹部肿瘤切除手术为例，在后续手术时，需要用到手术工具31a、手术工具31b和手术工具31c，其使用顺序为手术工具31b-手术工具31a-手术工具31c。应理解，手术工具的使用顺序可作为对应跟随运动臂在当前手术类型下的运动次序。基于使用顺序，分别控制配置有手术工具31a、手术工具31b和手术工具31c的跟随运动臂2a、2b和2c按手术工具31b-手术工具31a-手术工具31c的使用顺序将对应的跟随运动臂2b、2a和2c依次移动至定位位姿处。
36.在一些实施例中，还可以基于与至少一个跟随运动臂与参考运动臂的位置关系，确定至少一个跟随运动臂的运动次序。例如，可以基于至少一个跟随运动臂2相对于参考运动臂1的初始位置关系，确定的至少一个跟随运动臂2的运动次序。例如，如图2所示，机器人系统10可以包括参考运动臂1，至少一个跟随运动臂2可以包括跟随运动臂2a、跟随运动臂2b和跟随运动臂2c。在一些实施例中，将参考运动臂1移动至参考位姿处后，可以基于跟随
运动臂2a、2b和2c在图2所示的位置的对应关系，先将与参考运动臂1距离近的跟随运动臂2a或2b移动至定位位姿处，再将与参考运动臂1距离远的跟随运动臂2c移动至定位位姿处。例如，可以先移动跟随运动臂2b至定位位姿处，然后移动跟随运动臂2c至定位位姿处，最后移动跟随运动臂2a至定位位姿处。应理解，在将参考运动臂1移动到参考位姿处后，若先移动跟随运动臂2c，后移动随运动臂2b，可能会增加运动臂之间的碰撞风险。由于参考运动臂1和跟随运动臂2c在定位位姿处距离较近，在移动跟随运动臂2b至定位位姿的过程中，使得跟随运动臂2b易于与跟随运动臂1和/或跟随运动臂2c发生碰撞。因此，可以先将跟随运动臂2b移动至定位位姿处，然后移动跟随运动臂2c至定位位姿处，最后移动跟随运动臂2a至定位位姿处。应当理解，还可以先将跟随运动臂2b移动至定位位姿处，然后移动跟随运动臂2a至定位位置处，最后移动跟随运动臂2c至定位位置处。因为，跟随运动臂2a和跟随运动臂2b之间在距离上没有较靠近。应当理解，确定运动次序的原则可以为：先将与处于参考位姿处的参考运动臂1距离近的跟随运动臂移动至定位位姿处，然后再将与参考运动臂1距离远的跟随运动臂移动至定位位姿处。
37.这样，基于运动次序控制至少一个跟随运动臂2依次移动至对应位置处，可以避免人为移动跟随运动臂2，导致的效率低、且移动精准性差的问题，可以实现自动、高效的移动跟随运动臂2。
38.在一些实施例中，方法100还可以包括：检测至少一个跟随运动臂在运动过程中出现的异常情况；以及基于异常情况，控制至少一个跟随运动臂停止运动或者发出警报信息。在一些实施例中，异常情况可以包括下述中的至少一项：多个运动臂中的至少两个之间出现不期望的关系、至少一个跟随运动臂中的至少一个超出运动范围极限、或多个运动臂中的至少一个上的无菌保护套脱落。例如，异常情况可以包括但不限于至少一个跟随运动臂2之间和/或至少一个跟随运动臂2与参考运动臂1之间出现不期望的关系(例如发生碰撞)、至少一个跟随运动臂2超出运动范围极限或至少一个跟随运动臂2和/或参考运动臂1上的无菌保护套脱落。在一些实施例中，在检测到其中一个跟随运动臂2在移动至定位位姿的过程中出现异常情况，例如与其他运动臂发生碰撞或无菌保护套脱落，可控制发生碰撞的该跟随运动臂2停止移动。以避免造成跟随运动臂的损坏。
39.在一些实施例中，在检测到其中一个跟随运动臂2在移动至定位位姿的过程中出现异常情况，基于出现的异常情况，可以发出警报信息。在一些实施例中，警报信息可以通过显示屏显示。显示屏可以设置在手术台车4上的任意位置处，例如，可以位于手术台车4的各运动臂的交汇的支架处。应当理解，显示屏还可以设置在除手术台车4的其他地方。在该显示屏上可以显示异常情况的报警信息。例如，当运动臂上的保护罩脱落时，显示屏上可以显示“保护罩脱落，请检查保护罩”的报警信息。
40.在一些实施例中，对出现的异常情况发出报警信息，还可通过手术台车4的其他输出模块(例如音箱、报警指示灯等)来输出。例如，当运动臂上的保护罩脱落时，显示屏上可以显示“保护罩脱落，请检查保护罩”的报警信息。或者，音箱可以发出报警声、报警指示灯闪烁等。根据报警信息，用户可及时查看报警信息，及时解决问题，这样以便于提示用户实时了解跟随运动臂运动过程中的各种异常情况，保证跟随运动臂的顺利移动。
41.应当理解，显示屏还可以用于显示各跟随运动臂2移动过程中的流程操作指示。例如，在手术台车4移动至靠近手术台的位置时，显示屏上可显示移动各参考运动臂1移动至
参考位置的指示信息。当各跟随运动臂2以定位姿态处于定位位置处后，显示屏上还可以显示将各跟随运动臂2移动至定位位置处的指示信息等等。
42.图3示出根据本公开一些实施例用于确定运动臂的位置和姿态的方法300的流程图。该方法300可以由用于机器人系统10的控制装置(例如，图4所示的控制装置5)来执行，可以由软件和/或硬件来实现。例如，用于机器人系统10的控制装置可以包括处理器(例如，图4所示的处理器51)，被配置为执行方法300。方法300可以用于实现例如图1所示的步骤103，以确定至少一个跟随运动臂的定位位置和定位姿态。
43.如图3所示，在步骤301，基于运动臂模型，确定至少一个跟随运动臂与参考运动臂的相对位姿关系。应当理解，运动臂模型可以预先设置。在一些实施例中，运动臂模型可以是基于当前手术类型或对应的鞘套的构型来配置的模型，可以用于限定多个运动臂的相对位姿关系。在一些实施例中，可以通过手术台车4上的触屏输入模块，选择当前手术类型或对应的鞘套的形状和结构，以确定运动臂模型。应理解，参考运动臂1和至少一个跟随运动臂2的相对位置和相对姿态与手术类型或对应的鞘套的构型相关联。运动臂模型可以用于基于当前手术类型或对应的鞘套的构型，确定在当前手术类型或对应的鞘套的构型中，至少一个跟随运动臂2与参考运动臂1之间的相对位姿关系，以及各跟随运动臂2之间的相对位姿关系。在一些实施例中，运动臂模型还可以基于当前手术类型或对应的鞘套的构型，确定多个跟随运动臂2上的手术工具31的使用顺序，以确定多个跟随运动臂2的运动次序。
44.在步骤303，基于参考运动臂的参考位姿以及至少一个跟随运动臂与参考运动臂的相对位姿关系，确定至少一个跟随运动臂2的预测位置和预测姿态。例如，基于参考运动臂1的参考位置和参考姿态以及至少一个跟随运动臂2与参考运动臂1的相对位姿关系，确定至少一个跟随运动臂2的预测位置和预测姿态。在一些实施例中，预测位置可以是运动臂模型基于参考运动臂1的参考位置，以及各跟随运动臂2与参考运动臂1的位置对应关系，所预测的各跟随运动臂2的位置。预测姿态可以是运动臂模型基于参考运动臂1的参考姿态，以及各跟随运动臂2与参考运动臂1的姿态对应关系，所预测的各跟随运动臂2在对应预测位置的姿态。
45.在步骤305，基于预测位置和预测姿态，对至少一个跟随运动臂进行模拟控制。示例性的，可以基于至少一个跟随运动臂2的预测位置和预测姿态，模拟控制各跟随运动臂2移动。应当理解，各跟随运动臂2的预测位置和预测姿态可以不同。在一些实施例中，模拟控制可以包括基于预测位置和预测姿态，确定至少一个跟随运动臂是否处于运动范围极限、至少一个跟随运动臂之间和/或至少一个跟随运动臂与参考运动臂之间是否会导致不期望的关系。在一些实施例中，跟随运动臂2的运动范围极限可以包括至少一个手术定位2臂的多个关节中的每个关节运动极限。在一些实施例中，跟随运动臂2的运动范围极限还可以包括跟随运动臂2能实现的可操作范围。可操作范围可以包括各跟随运动臂2在移动过程中，所处位置或以其所处姿态不会与其他跟随运动臂、参考运动臂或其他障碍物发生碰撞的预设范围。应当理解，不期望的关系可以包括至少一个跟随运动臂2之间和/或与至少一个跟随运动臂2与参考运动臂1之间发生碰撞的关系。响应于跟随运动臂2在移动至预测位置和预测姿态时，处于运动范围极限，以及至少一个跟随运动臂2之间和至少一个跟随运动臂2与参考运动臂1之间不会导致不期望的关系，确定模拟控制成功，否则确定模拟控制失败。
46.在一些实施例中，方法300还包括步骤307。在步骤307，响应于模拟控制失败，调整
至少一个跟随运动臂的预测位置和预测姿态，以避免运动范围极限或不期望的关系。在一些实施例中，可以基于基础距离调节单元，调整预测位置，以及基于基础角度调节单元，调整预测姿态。方法300返回步骤305，基于调整后的预测位置和预测姿态，对至少一个跟随运动臂进行模拟控制。
47.在一些实施例中，调整预测位置和预测姿态可以是基于基础调节单元调整预测位置和预测姿态。基础调节单元可以包括基础距离调节单元和基础角度调节单元。示例性的，响应于跟随运动臂2在移动至预测位置或预测姿态时，不处于可操作范围内，或在至少一个跟随运动臂2之间和/或至少一个跟随运动臂2与参考运动臂1之间发生碰撞，以基础调节单元对预测位置或姿态进行调整。例如，每次调整可以将预测位置移动0.5厘米。以基础角度调节单元对预测姿态进行调整，例如，每次调整可以将预测姿态旋转0.5
°
。直至调整后的预测位置和预测姿态，在当前跟随运动臂的可操作范围内，且不与任一其他跟随运动臂或参考运动臂发生碰撞，则模拟调整完成，模拟控制成功。
48.在一些实施例中，方法300还包括步骤309。在步骤309，响应于模拟控制成功，将至少一个跟随运动臂的预测位置和预测姿态确定为至少一个跟随运动臂的定位位置和定位姿态。在一些实施例中，响应于模拟控制成功，基于确定的定位位置和定位姿态，控制各跟随运动臂2移动至定位位置和定位姿态。在一些实施例中，可以基于预先设置的多个跟随运动臂2相对于参考运动臂1的运动次序，控制各跟随运动臂2移动至定位位置和定位姿态。以避免运动臂在移动过程中发生碰撞。
49.这样，在移动各跟随运动臂2前，对运动臂进行模拟控制，可自动、高效、准确地确定跟随运动臂的定位位置和定位姿态。基于模拟控制失败，调整跟随运动臂2的预测位置和预测姿态。基于模拟控制成功，再移动各跟随运动臂2至定位位置和定位姿态，可避免在实际移动过程中，各跟随运动臂2之间或各跟随运动臂2与参考运动臂1之间出现碰撞等异常情况，可以避免对各跟随运动臂2造成损伤，节省了成本。
50.图4示出根据本公开一些实施例的机器人系统10的简化框图。如图4所示，机器人系统10可以包括参考运动臂1、至少一个跟随运动臂2和控制装置5。在一些实施例中，参考运动臂1和至少一个跟随运动臂2上可拆卸地设置有手术器械，每个手术器械被设置成能够通过鞘套进入操作区域。控制装置5可以包括至少一个处理器51和至少一个存储器52。如图4所示，在一些实施例中，控制装置5还可以包括输入装置53和输出装置54。处理器51、存储器52、输入装置53和输出装置54可以通过总线或其他方式连接。
51.参考运动臂1可以包括多个关节11和与多个关节11连接的传感器12。至少一个跟随运动臂2可以包括跟随运动臂2a和2b。跟随运动臂2a可以包括多个关节21a和传感器22a，跟随运动臂2b可以包括多个关节21b和传感器22b。多个关节21a和21b可以分别与至少一个传感器22a和22b耦合。在一些实施例中，多个关节(例如关节11、21a和21b)可以包括电机，传感器(例如传感器12、22a和22b)与电机通信连接。传感器可以包括例如编码器、电位计或延伸设置在运动臂上的光纤传感器。传感器可以用于获取对应运动臂的多个关节的数据，以得到运动臂的当前位姿数据。应当理解，当前位姿数据可以是任一时刻的位置和姿态数据，例如初始位姿以及运动过程中的位姿数据。
52.至少一个处理器51可以与传感器12、22a和22b通信连接，例如通过线缆连接或无线连接，以获取参考运动臂1、跟随运动臂2a和跟随运动臂2b的当前位姿数据。在一些实施
例中，控制装置5的处理器51可以基于接收到的输入命令，控制参考运动臂1(例如参考运动臂1的末端臂)移动至参考位置和参考姿态。传感器12可以用于获取参考运动臂1的多个关节11的数据，以得到参考运动臂1的位姿数据，例如在参考位置和参考姿态处的位姿数据。处理器51可以与参考运动臂1的传感器12通信连接，以获取参考运动臂1的位姿数据，例如在参考位置和参考姿态处的位姿数据。
53.存储器52用于存储多个手术类型和对应的鞘套的构型，以及多个运动臂模型。处理器51可以和存储器52通信连接，处理器51可以基于当前手术类型或对应的鞘套的构型，确定对应的运动臂模型，并基于运动臂模型，确定跟随运动臂2a、跟随运动臂2b与参考运动臂1的相对位姿关系。处理器51可以基于参考运动臂1的参考位置和参考姿态以及跟随运动臂2a、跟随运动臂2b与参考运动臂1的相对位姿关系，确定跟随运动臂2a和2b的定位位置和定位姿态，并基于确定的定位位置和定位姿态控制跟随运动臂2a和2b分别移动至对应的定位位置和定位姿态。在一些实施例中，处理器51还可以基于当前手术类型，确定跟随运动臂2a和2b的运动次序，基于跟随运动臂2a和2b的运动次序，控制跟随运动臂2a和2b分别移动至定位位置和定位姿态。传感器22a、22b可以用于分别获取跟随运动臂2a、2b的多个关节21a、21b的数据，以得到跟随运动臂2a、2b在对应的位姿数据，例如定位位置和定位姿态的位姿数据。
54.在一些实施例中，机器人系统10可以包括，但不限于，一个跟随运动臂、两个跟随运动臂、三个跟随运动臂、四个跟随运动臂或更多个跟随运动臂。应当理解，可以通过控制装置5，得到多个跟随运动臂与参考运动臂的相对位姿关系。
55.在一些实施例中，存储器52可以作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本公开实施例中的运动臂控制方法对应的程序指令/模块(可参考图5(a)中的多个模块，例如第一控制模块、位姿确定模块、第二控制模块、报警模块、第三控制模块、手术器械位姿确定模块、第四控制模块等)。处理器51可以通过运行存储在存储器52中的软件程序或指令以及模块，执行机器人系统的各种功能应用以及数据处理，以实现上述的控制方法。
56.在一些实施例中，存储器52可以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、至少一个功能所需的应用程序。存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器52可以包括随机存取存储器，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、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器52可进一步包括相对于处理器51远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至机器人系统。上述网络可以包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
57.在一些实施例中，输入装置53可用于接收输入的数字信息、字符信息、或按压信息，以及产生与机器人系统的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置54可包括显示屏、指示灯和音箱等显示设备。
58.图5(a)示出根据本公开一些实施例的机器人系统的控制装置50的简化框图。控制装置50可以由硬件或软件模块实现。如图5(a)所示，控制装置50可以包括：第一控制模块501、位姿确定模块502和第二控制模块503。
59.在一些实施例中，第一控制模块501可以基于输入命令控制参考运动臂移动至参
考位置和参考姿态。位姿确定模块502可以基于当前手术类型或鞘套的构型，以及参考运动臂的参考位置和参考姿态，确定至少一个跟随运动臂的定位位置和定位姿态。第二控制模块503可以基于当前手术类型，确定至少一个跟随运动臂的运动次序，并控制至少一个跟随运动臂移动至定位位置和定位姿态。
60.在一些实施例中，如图5(a)所示，位姿确定模块502可以包括对应关系确定单元5021、预测位姿确定单元5022、模拟控制单元5023和位姿确定单元5024。
61.在一些实施例中，对应关系确定单元5021可以用于基于预先配置的运动臂模型，确定至少一个跟随运动臂相对于参考运动臂预期达到的对应关系，其中运动臂模型是基于当前手术类型或对应的鞘套的构型来配置的，并且运动臂模型用于限定至少一个跟随运动臂相对于参考运动臂的预期达到的对应关系。应理解，预期达到的对应关系可以包括至少一个跟随运动臂2与参考运动臂1之间的相对位姿关系，以及各跟随运动臂2之间的相对位姿关系。
62.在一些实施例中，预测位姿确定单元5022可以用于基于参考运动臂的参考位置和参考姿态以及至少一个跟随运动臂相对于参考运动臂预期达到的对应关系，确定跟随运动臂的预测位置和预测姿态。模拟控制单元5023，用于基于预测位置和预测姿态对至少一个跟随运动臂进行模拟控制。位姿确定单元5024，用于在模拟控制成功的情况下，将预测位置和预测姿态确定为至少一个跟随运动臂的定位位置和定位姿态。
63.在一些实施例中，控制装置50还可以包括停止移动控制模块。停止移动控制模块可以用于在检测到至少一个跟随运动臂移动至定位位置或定位姿态的过程中出现碰撞时，控制至少一个跟随运动臂停止移动。
64.图5(b)示出根据本公开一些实施例的机器人系统的控制装置50的模拟控制单元5023的简化框图。在一些实施例中，如图5(b)所示，模拟控制单元5023可以包括第一判断子单元5023a、第一模拟控制子单元5023b、第二判断子单元5023c和模拟成功确定子单元5023d。
65.在一些实施例中，第一判断子单元5023a可以用于判断跟随运动臂在移动至预测位置和预测姿态时是否处于运动范围极限内。第一模拟控制子单元5023b可以响应于跟随运动臂在移动至预测位置和预测姿态的过程处于运动范围极限内，模拟控制跟随运动臂移动至预测位置和预测姿态。在一些实施例中，至少一个跟随运动臂包括多个跟随运动臂，第一模拟控制子单元5023b还可以响应于多个跟随运动臂在移动至预测位置和预测姿态的过程处于运动范围极限内，基于多个跟随运动臂相对于参考运动臂的运动次序，控制多个跟随运动臂移动至预测位置和预测姿态。第二判断子单元5023c可以用于判断至少一个跟随运动臂之间或至少一个跟随运动臂与参考运动臂之间是否发生碰撞。模拟成功确定子单元5023d可以用于在跟随运动臂处于运动范围极限内，且至少一个跟随运动臂没有与其他运动臂发生碰撞的情况下，确定模拟控制成功。
66.在一些实施例中，如图5(b)所示，模拟控制单元5023还可以包括第二模拟控制子单元5023e，可以响应于至少一个跟随运动臂在移动至预测位置和预测姿态时，不处于至少一个跟随运动臂的可操作范围内，或至少一个跟随运动臂之间或至少一个跟随运动臂与参考运动臂之间发生碰撞，调整预测位置和预测姿态，并基于调整后的预测位置和预测姿态进行模拟控制。在一些实施例中，可以利用基础调节单元调整预测位置和预测姿态，基于调
整后的预测位置和预测姿态进行模拟控制，其中，基础调节单元可以包括基础距离调节单元和基础角度调节单元。
67.在一些实施例中，如图5(a)所示，控制装置50还可以包括：报警模块504，用于在各运动臂的移动过程中，对出现的异常情况发出报警信息；其中，异常情况包括下述一至少项：多个运动臂中的至少两个之间出现不期望的关系(例如碰撞)、至少一个跟随运动臂中的至少一个超出运动范围极限、或多个运动臂中的至少一个上的无菌保护套脱落。
68.应当理解，本公开的一些实施例所提供的机器人系统或控制装置可执行本公开任意实施例所提供的机器人系统的控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
69.在一些实施例中，如图5(a)所示，控制装置50还可以包括第三控制模块505、手术器械位姿确定模块506和第四控制模块507。在一些实施例中，第三控制模块505可以基于参考运动臂的参考位置和参考姿态以及鞘套的相应位置和姿态，控制参考运动臂上的手术器械进入鞘套至目标位姿。手术器械位姿确定模块506可以基于参考运动臂上的手术器械(例如内窥镜末端)的目标位姿，以及至少一个跟随运动臂的定位位置和定位姿态，确定至少一个跟随运动臂上的手术器械(例如手术工具)进入鞘套的目标位姿。第四控制模块507可以基于至少一个跟随运动臂上的手术器械进入鞘套的目标位姿，控制至少一个跟随运动臂上的手术器械移动进入鞘套至目标位姿。
70.在一些实施例中，本公开提供了一种计算机可读存储介质。存储介质可以包括至少一个指令，至少一个指令由处理器执行以将处理器配置为执行以上任何实施例中的控制方法。
71.在一些实施例中，本公开提供了一种计算机系统，可以包括非易失性存储介质和至少一个处理器。非易失性存储介质可以包括至少一个指令。处理器被配置为执行至少一个指令以将处理器配置为执行以上任何实施例中的控制方法。
72.通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本公开可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(read-only memory,rom)、随机存取存储器(random access memory,ram)、闪存(flash)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述的方法。
73.注意，上述仅为本公开的示例性实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本公开不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本公开的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本公开进行了较为详细的说明，但是本公开不仅仅限于以上实施例，在不脱离本公开构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本公开的范围由所附的权利要求范围决定。