手术机器人的摆位方法、装置及计算机设备与流程

1.本技术涉及医疗服务技术领域，特别是涉及一种手术机器人的摆位方法、装置及计算机设备。


背景技术：

2.随着机器人技术的应用和发展，微创手术机器人在临床中的应用越来越广泛。通常，微创手术前，需要将微创手术机器人的机械臂进行摆位，使机械臂所持的操作器械(如内窥镜和手术器械)与患者身上设置的对应操作手术器械套管连接。
3.传统技术中，是间隔采集机械臂和操作手术器械套管的图像，通过对采集到的图像中的机械臂关节和操作手术器械套管进行识别，以确定机械臂关节的目标位置和操作手术器械套管的位置，并通过机械臂关节的目标位置和操作手术器械套管的位置来实现微创手术前机械臂的摆位。
4.然而，由于内窥镜套管与手术器械套管的形状相似，在实现机械臂摆位的过程中，需要采集大量图像才能正确识别出内窥镜套管与手术器械套管，导致计算量增加，进而增加了手术机器人摆位耗时。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种摆位计算量较小且耗时更短的手术机器人的摆位方法、装置及计算机设备。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种手术机器人的摆位方法，手术机器人包括手术台车、持镜臂和持械臂，手术台车包括台车臂，上述方法包括：
7.控制持镜臂和内窥镜套管连接，内窥镜套管设置于目标对象体表；
8.根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值；
9.控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值；
10.根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂最优构型，并控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。
11.在其中一个实施例中，控制持镜臂和内窥镜套管连接包括：
12.根据手术机器人发射的标识信号获取操作信号；
13.获取操作信号后控制持镜臂与内窥镜套管连接，并调整内窥镜朝向目标对象的病灶区域。
14.在其中一个实施例中，根据手术机器人发射的标识信号获取操作信号，包括：若手术机器人发射的标识信号位于目标对象的病灶区域预设范围内，则发出操作信号。
15.在其中一个实施例中，根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和台车关节的目标关节值，包括：
16.利用正运动学根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值计算内窥镜套管
不动点的位置和内窥镜方向；
17.根据内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向，计算持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值。
18.在其中一个实施例中，根据内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向，计算持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值，包括：
19.以手术机器人发射的标识信号与内窥镜套管不动点重合且手术机器人的悬吊盘对准内窥镜方向为约束条件，利用正运动学根据内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向，计算持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值。
20.在其中一个实施例中，控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值，包括：
21.根据持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值，规划持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹；
22.根据持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹，控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值自主运动到目标关节值。
23.在其中一个实施例中，在根据持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值，规划持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹之后，方法还包括：若持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹规划失败，则由用户控制持镜臂关节和台车关节从当前关节值运动到目标关节值。
24.在其中一个实施例中，根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂的最优构型，包括：
25.以持镜臂各关节的目标关节值所对应的构型为基准，使用基于运动学和碰撞检测的摆位构型优化方法计算持械臂的最优构型。
26.第二方面，本技术实施例提供了一种手术机器人的摆位装置，手术机器人包括手术台车、持镜臂和持械臂，手术台车包括台车臂；上述装置包括：
27.交互模块，用于实现持镜臂和内窥镜套管连接，内窥镜套管设置于目标对象体表；
28.处理模块，用于根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和手术台车的台车臂各关节的目标关节值；
29.运动控制模块，用于控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值；
30.最优构型获取模块，用于根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂最优构型，并控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。
31.第三方面，本技术实施例提供了一种计算机设备，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第一方面任一实施例中的方法的步骤。
32.本技术实施例提供的手术机器人的摆位方法、装置及计算机设备，手术机器人可以控制持镜臂和内窥镜套管连接，内窥镜套管设置于目标对象体表，根据持镜臂各关节和手术台车的台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和手术台车的台车臂各关节的目标关节值，控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值，根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂最优构型，并控
制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。该方法可以通过交互的方式控制持镜臂和内窥镜套管连接，能够避免手术机器人直接控制持镜臂和内窥镜套管连接出现多次连接失败的情况，从而能够提高持镜臂和内窥镜套管的连接效率，缩短持镜臂与内窥镜套管连接所需的时长，进一步可以缩短手术机器人的机械臂摆位所花费的时长；另外，该方法在手术机器人执行手术操作前，通过视觉引导和交互式控制就能够确定手术机器人的各机械臂的最优构型，并控制各机械臂运动至最优构型，以使手术机器人执行手术操作时能够避免各机械臂之间发生碰撞，从而能够减轻医护人员的负担，节省人力成本，缩短手术机器人的各机械臂的摆位所花费的时间，进一步还能提高手术的精准度以及手术效果。
附图说明
33.图1为一个实施例中手术机器人的摆位方法的应用环境图；
34.图2为一个实施例中手术机器人的摆位方法的流程示意图；
35.图3为一个实施例中手术机器人的台车与持镜臂、持械臂之间的系统轴向图；
36.图4为一个实施例中持镜臂和持械臂之间的轴向图；
37.图5为一个实施例中手术机器人的摆位方法的一种场景图；
38.图6为另一个实施例中手术机器人的摆位方法的流程示意图；
39.图7为另一个实施例中持镜臂的调整关节和调整关节在目标对象投影面上的位置关系图；
40.图8为另一个实施例中手术机器人的摆位方法的流程示意图；
41.图9为一个实施例中手术机器人的摆位装置的结构框图；
42.图10为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
43.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术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技术，并不用于限定本技术。
44.在临床手术中，需要对目标对象执行手术操作时，可以通过手术机器人对目标对象执行手术操作，在手术操作前需要对手术机器人的持镜臂和持械臂进行合理摆位。手术机器人中的处理模块可以通过一系列的算法实现手术机器人的持镜臂和持械臂的摆位处理，其中，通常获取持镜臂和持械臂分别对应的套管，进而计算出持镜臂和持械臂的最优目标位姿，使得手术机器人在执行手术操作的过程中，在避免持镜臂和持械臂发生碰撞的情况下的最大运动空间。然而，在摆位过程中，由于目标对象体表上内窥镜套管和手术器械套管很相似，图像识别时很难区分内窥镜套管和手术器械套管，为了保证将手术机器人的持镜臂和持械臂分别与对应套管准确连接，需要采集大量图像数据进行处理才能正确识别出内窥镜套管与手术器械套管，导致摆位计算量增大，摆位过程耗时较长。
45.请参见图1，图1是本技术实施例提供的一种手术机器人的应用环境图，该应用环境中包括手术机器人和手术床。手术机器人包括手术台车、主控台车和视觉台车。其中，手术台车用于对患者执行手术操作；主控台车用于医生控制手术台车对目标对象执行手术操作；视觉台车用于对手术过程中的影像进行显示。手术台车包括多个机械臂，用于承载内窥
镜和手术器械对目标对象执行手术操作，其中包括至少一个持镜臂和至少一个持械臂，手术台车中持镜臂和持械臂的总数量可以根据手术的需求来设置，在本技术中的一个实施例中，持镜臂的总数量为1个，持械臂的总数量为3个。持械臂和持镜臂都包含多个关节，能够支持多自由度的运动。手术台车还包括台车臂，台车臂包括可以实现多个方向运动的关节，能够实现升降、平移和旋转等运动，台车臂通过悬吊机构分别与各机械臂连接，且台车臂各关节的运动能够带动整个机械臂结构一起运动。
46.本技术中所说的摆位指的是通过手术台车的台车臂和多个机械臂的运动，使得多个机械臂完成手术前的运动，到达一个合适的摆放位置，以保证手术中各机械臂之间无碰撞。为了便于内窥镜和手术器械对目标对象的操作，在目标对象体表设置有多个套管，用于内窥镜和手术器械伸入目标对象体内执行手术操作，套管分别与持镜臂和持械臂连接，内窥镜和手术器械安装于相应的机械臂上，并穿过套管伸入目标对象体内。
47.本技术实施例提供一种手术机器人的摆位方法，可以缩短手术机器人执行手术操作前摆位所花费的时长。本技术提供的手术机器人的摆位方法，可以适用于手术机器人交互式术前摆位系统，该手术机器人交互式术前摆位系统包括交互模块、数据获取模块、处理模块、运动控制模块和采集装置。其中，交互模块、数据获取模块、处理模块、运动控制模块和采集装置之间均可以通信连接，该连接方式可以为wifi、蓝牙、移动数据等等。
48.交互模块可以由用户控制实现持镜臂与内窥镜套管连接。其中，用户控制持镜臂与内窥镜套管的连接可以更加快速高效的实现持镜臂的优先摆位，然后在此基础上对持械臂进行自动摆位。在其中一个实施例中，用户采用手动拖动持镜臂与内窥镜套管连接，交互模块能够实现根据用户的动作来完成持镜臂的相应动作。在其他实施例中，用户控制持镜臂与内窥镜套管的连接还可以通过交互模块输入内窥镜套管的位姿，进而实现持镜臂自动运动到内窥镜套管位置处并完成连接。
49.数据获取模块可以是获取持镜臂和手术台车台车臂姿态的设备。例如，数据获取模块可以是机械臂各关节和台车臂各关节值的姿态传感器，例如编码器、激光跟踪仪等。数据获取模块可以是测量机械臂各关节和手术台车的台车臂各关节值的设备，也可以是汇总各个传感器测量得到的姿态值的设备。
50.处理模块可以是具有计算和数据处理能力的电子设备，包括但不限于中央处理器、数据信号处理器、可编程逻辑器等等，本技术实施例对此并不做限定。处理模块可以用于计算持镜臂各关节和手术台车的台车臂各关节的目标关节值。进一步地，处理模块还可以用于规划机械臂各关节和台车臂各关节的运动路径。
51.最优构型获取模块可以用于根据处理模块得到的持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值以及持械臂各关节的当前目标关节值来计算得到持械臂的最优构型，最优构型可以理解为手术台车在执行手术操作时持械臂与持镜臂不发生碰撞的位姿状态，且持械臂在该位姿状态下，各持械臂具有最大的活动空间，便于进行手术操作。
52.运动控制模块用于控制机械臂各关节和台车臂各关节的运动，可以根据输入参数实现对机械臂各关节和台车臂各关节的运动控制。具体地，运动控制模块能够控制持镜臂各关节和台车臂各关节运动到目标关节值处，进一步地，还能够控制持械臂各关节从当前目标关节值运动到最优构型处。运动控制模块可以包括至少一个控制器，这里需要说明的是，若手术机器人的运动控制模块包括一个控制器，则该控制器可以控制手术台车的各机
械臂和台车臂运动；若手术机器人的运动控制模块包括两个控制器，则一个控制器可以控制手术机器人的各机械臂运动，另一个控制器可以控制手术台车的台车臂运动；若手术机器人包括多个控制器，则一个控制器可以控制手术机器人的手术台车运动，另一个控制器可以控制持镜臂运动，其它控制器可以控制手术台车的各持械臂运动。
53.采集装置可以是具有数据采集能力和数据收发能力的电子设备。比如说采集装置可以包括能够采集到手术环境中三维信息的电子设备，例如深度相机、激光扫描仪、ct/mr等，其中，深度相机还可以包括基于飞行时间(tof)、结构光、双目深度视觉等技术的相机，本技术实施例对此不做限制。采集装置用于采集环境的三维数据，采集装置可以安装于图1所示的手术台车上，当然，也可以将采集装置安装于手术灯上、视觉台车上或者其他任何能够对准套管的位置，本技术实施例对此不做限制。采集装置的安装方式可以是通过自由度云台安装于手术台车上、手术灯上、视觉台车上或者其他任何能够操作手术操作区域的位置，以便调整采集装置的采集视野。
54.进一步地，悬吊机构上还设置有发射模块，用于发射标识信号，其中，根据标识信号来获取操作信号，操作信号用于指示控制持镜臂和内窥镜套管连接。
55.在本技术的一个实施例中，在用户控制持镜臂与内窥镜套管连接时，采集装置采集内窥镜套管的图像，并将该图像发送给处理模块，处理模块可以根据采集到的内窥镜套管的图像来获取内窥镜套管的位姿，进而由交互模块控制持镜臂与内窥镜套管进行自动连接。
56.进一步地，处理模块在确定持镜臂和内窥镜套管连接成功后，可以输出连接成功的相关信息。在医护人员接收到该连接成功的相关信息后，可以触发手术台车的垂直顶升装置启动按钮或者控件，手术台车的控制器接收到医护人员触发的垂直顶升装置启动指令后，启动垂直顶升装置以固定手术台车的位置，这里需要说明的是，因为手术机器人与手术床是独立设置的，所以通过启动垂直顶升装置固定手术台车，以避免手术台车在执行手术操作的过程中因滑动而影响手术操作。
57.虽然本技术提供了如下述实施例或附图所示的方法操作步骤，但基于常规或者无需创造性的劳动在该方法中可以包括更多或者更少的操作步骤。下面结合附图对本技术提出的手术机器人的摆位方法进行说明，并且以执行主体为手术机器人交互式术前摆位系统来介绍手术机器人的摆位方法的具体过程。图2是本技术提供的一种手术机器人的摆位方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：
58.s100、控制持镜臂和内窥镜套管连接。
59.在本技术实施例中，内窥镜套管设置于目标对象体表，用于连接持镜臂，进而使得持镜臂上安装的内窥镜能够通过内窥镜套管伸入目标对象体内。内窥镜通过内窥镜套管伸入目标对象体内，是为了采集病灶区域的视觉图像。在其中一个更具体地实施例中，控制持镜臂和内窥镜套管连接是由操作人员手动拖动持镜臂与目标对象体表上设置的内窥镜套管连接，这样可以实现持镜臂和内窥镜套管之间快速、便捷的连接，避免了持镜臂与内窥镜套管之间自动连接时存在无法有效识别内窥镜套管和器械套管的问题，进而缩短了持镜臂的摆位时长，提高了持镜臂的摆位效率。
60.在手术机器人执行手术操作过程中，医护人员可以通过内窥镜观察病灶区域和后续手术器械套管的伸入，因此，在手术操作过程中需要先将内窥镜伸入目标对象体内以采
集手术操作部位的相关图像。
61.s200、根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和手术台车的台车臂各关节的目标关节值。
62.具体地，持镜臂通过多个关节连接而成，相邻关节之间可活动连接；台车臂上也设置有多个关节，相邻关节之间也可活动连接，其中台车臂末端的关节通过悬吊机构与机械臂的关节连接。如图3为手术机器人的台车臂与机械臂之间的系统轴向图，其中持镜臂和持械臂之间的轴向结构如图4所示。
63.需要说明的是，持镜臂各关节的当前关节值可以理解为控制持镜臂与内窥镜套管连接后，持镜臂各关节的初始位姿，即持镜臂各关节的初始位置和初始姿态。在本技术实施例中，为了避免手术机器人在执行手术操作过程中，持镜臂和持械臂发生碰撞，并保证机械臂具有最大的可操作空间，在将持镜臂与内窥镜套管连接后，需要对持镜臂的全部关节或者部分关节的当前关节值进行调整。同时，为了尽可能让手术机器人的机械臂与目标对象的病灶区域保持合理的位置关系，以提高手术机器人的操作便捷性，台车臂各关节需要进行适应的调整，以保证机械臂与手术台上的目标对象之间的相对位置合理。
64.在本技术的一个实施例中，手术机器人通过数据获取模块来获取持镜臂各关节和台车臂各关节的关节值，进一步地，持镜臂各关节和台车臂各关节处设置有角度传感器，比如编码器等，用于测量持镜臂各关节和台车臂各关节的关节值，数据获取模块能够汇总上述关节值信息。在本技术的又一个实施例中，手术机器人还可以通过采集装置获取持镜臂各关节和台车臂各关节的信息，进而由处理模块计算得到相应的关节值。
65.进一步地，在获取持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值后，处理模块基于正运动学原理，根据持镜臂各关节的当前关节值、台车臂各关节的当前关节值和目标对象的病灶区域的位置，计算持镜臂各关节的目标关节值和台车臂各关节的目标关节值。
66.s300、控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值。
67.基于获取到的持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值，运动控制模块可以控制持镜臂各关节和台车臂各关节运动到目标关节值位置处。本领域技术人员应当知晓，这种控制可以是自动控制完成，也可以是通过指引用户来完成。在本技术的一个实施例中，在控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值之前，还包括处理模块根据持镜臂各关节和台车臂各关节当前关节值及其目标关节值规划运动路径。
68.其中，处理模块在规划出持镜臂各关节和台车臂各关节的运动路径后，由运动控制模块控制持镜臂各关节和台车臂各关节运动到目标关节值处。需要说明的是，处理模块规划得到的路径应当是持镜臂和持械臂无碰撞的情况下，到达目标关节值的路径。处理模块在获取了持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值以及规划的运动路径后，向运动控制模块发送控制指令，运动控制模块控制持镜臂各关节和台车臂各关节按照规划路径运动到目标关节值位置。
69.s400、根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂最优构型，并控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。
70.具体地，处理模块可以采用防碰撞算法，根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂最优构型，并可以基于持械臂最优构型生成持械臂运动控制指令，并将该持械臂运动控制指令发送给控制持械臂运动的运动控制模块，以使运
动控制模块接收并响应持械臂运动控制指令，控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。这里需要说明的是，持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型时，能够保证持镜臂各关节在运动过程中持镜臂与持镜臂不会发生碰撞，同时在持械臂到达最优构型位置处，能够保证手术过程中持镜臂和持械臂之间具有足够的运动空间，使得手术机器人在执行手术操作的过程中持械臂与持镜臂不会发生碰撞。
71.在本技术实施例中，持械臂各关节处也相应设置有角度传感器，用于获取持械臂各关节的关节值，具体地，角度传感器可以为编码器等。在根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值确定持械臂最优构型的过程中，需要明确持械臂所对应的器械套管，在本技术的一个实施例中通过采集装置获取套管的位置，并将套管与持械臂相对应，然后基于运动学原理和碰撞检测算法来计算持械臂的最优构型。为了实现不同器械套管的区别，在本技术的一个实施例中还可以在套管上设置标记物，利用采集装置来采集信息后进行识别。图5中是以手术机器人的任一机械臂、手术床以及手术床上躺的目标对象为例示例出了一个场景图，图5中的机械臂可以为持镜臂或者持械臂，目标对象的体表设置有内窥镜套管和器械套管，且手术器械套管设置有标记物。为了提高不同器械套管的识别度，标记物可以设置成不同的标记物，例如，设置成不同颜色、不同尺寸的标记物等等。
72.本技术实施例提供的手术机器人的摆位方法可以控制持镜臂和内窥镜套管连接，内窥镜套管为设置于目标对象体表的套管，根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值，控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值，根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂最优构型，并控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。该方法可以通过交互的方式控制持镜臂和内窥镜套管连接，能够避免手术机器人直接控制持镜臂和内窥镜套管连接出现多次连接失败的情况，减少了图像采集量以及摆位计算量，进一步能够提高持镜臂和内窥镜套管的连接效率，缩短持镜臂与内窥镜套管连接所需的时长，进一步可以缩短手术机器人的机械臂摆位所花费的时长；另外，该方法在手术机器人执行手术操作前，通过视觉引导和交互式控制就能够确定手术机器人的各机械臂的最优构型，并控制各机械臂运动至最优构型，以使手术机器人执行手术操作时能够避免各机械臂之间发生碰撞，从而能够减轻医护人员的负担，节省人力成本，缩短手术机器人的各机械臂的摆位所花费的时间，进一步还能提高手术的精准度以及手术效果。
73.在本技术实施例中，手术机器人是在无菌手术室工作的，因此为了保持手术室的无菌环境，本技术实施例在执行上述s100之前，需要先对手术机器人安装无菌罩，具体安装流程如下：
74.(1)获取手术机器人的显示器上输出的无菌处理提示信息，以指示医护人员为手术机器人安装无菌罩；
75.(2)医护人员触发手术机器人上的展开按钮或展开控件，手术机器人的控制器接收并响应该触发指令，控制手术机器人展开，在展开动作完成后手术机器人的显示屏上会输出展开成功的相关信息，或者手术机器人会输出语音提示展开成功的相关信息；其中，若手术机器人的控制器未接收到展开对应的触发指令时，手术机器人会处于禁止移动模式；
76.(3)医护人员在接收到输出展开成功的相关信息或者语音提示展开成功的相关信息后，医护人员开始手动给手术机器人安装无菌罩；
77.(4)无菌罩安装完成后，医护人员开始触发手术机器人上的收缩按钮或收缩控件，手术机器人的控制器接收并响应该触发指令，控制手术机器人收缩，在收缩动作完成后手术机器人的显示屏上会输出收缩成功的相关信息，或者手术机器人会输出语音提示收缩成功的相关信息，之后，医护人员可以移动手术机器人的台车，以使手术机器人伸入执行上述s100中的步骤；其中，若手术机器人的控制模块未接收到收缩对应的触发指令时，手术机器人也会处于禁止移动模式。
78.下面本技术实施例将介绍如何控制持镜臂和内窥镜套管连接的过程。在一实施例中，上述s100中的步骤具体可以包括：根据手术机器人发射的标识信号获取操作信号；获取操作信号后控制持镜臂与内窥镜套管连接，并调整内窥镜朝向目标对象的病灶区域。
79.具体地，上述手术机器人发射的标识信号可以为视觉信号或其他形式的信号。手术台车在执行手术操作之前，医护人员需要为手术台车安装无菌罩，并使其运动到待操作位置，可以理解的是，待操作位置指的是手术台车执行手术操作的位置。
80.其中，上述根据手术机器人发射的标识信号获取操作信号的步骤可以包括：若手术机器人发射的标识信号位于目标对象的病灶区域预设范围内，则发出操作信号。
81.在本技术的一个实施例中，手术台车的台车臂与机械臂连接的悬吊机构上设置有发射标识信号的发射模块，当发射的标识信号位于目标对象的病灶区域所在的预设范围内时，则认为手术台车运动到了待操作位置，进而向用户发出操作信号。该标识信号可以是十字激光或其他形式的视觉信号，还可以为其他能够进行标识的信号。
82.在实际处理过程中，医护人员可以移动手术机器人的台车，以使手术机器人发射的标识信号对应的映射位置处于目标对象的病灶位置预设距离内，在确定标识信号对应的映射位置处于病灶位置周围一定预设范围内时，手术机器人的处理模块可以输出操作信号给交互模块，指示医护人员控制持有内窥镜的持镜臂与内窥镜套管连接，并且在将持镜臂与内窥镜套管连接后调整内窥镜朝向目标对象的病灶区域。
83.下面对通过交互方式控制台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值的方式进行说明。
84.在其中一个实施例中，医护人员还可以通过交互模块触发持镜臂与内窥镜的自动对接，采集装置可以获取内窥镜套管的位姿，处理模块规划持镜臂从当前位置运动到与套管对接位置的路径，运动控制模块控制持镜臂根据路径进行运动，并于内窥镜对接。在另一实施例中，医护人员还可以手动拖动持镜臂，将其与内窥镜套管进行对接。
85.下面对确定标识信号对应的映射位置处于病灶位置周围一定预设范围内的方式进行说明。
86.一个实施例中，采集装置采集第一图像，第一图像包括手术床上躺着的目标对象的病灶区域和手术机器人发射的标识信号的图像，并将采集到的第一图像发送给处理模块，处理模块可以采用目标识别算法，对采集装置发送的第一图像中标识信号的映射位置和目标对象的病灶位置周围一定预设范围进行识别，进一步根据标识信号和预设范围的识别结果确定预设范围内是否存在标识信号的映射位置，若存在，则确定标识信号对应的映射位置处于病灶位置周围一定预设范围内。
87.这里需要说明的是，在采集装置采集第一图像之前，需要先执行以下处理：采集装置先采集第二图像，并将第二图像发送给处理模块，处理模块可以采用目标识别算法对第
二图像进行目标识别处理，以确定第二图像中是否存在目标对象的病灶区域，若不存在，则处理模块可以向采集装置的控制器发送视角调整指令，以指示采集装置的控制器调整采集装置的采集视野，进一步，采集装置通过重复采集第二图像以及目标识别处理的过程，以确定目标对象的病灶区域在采集装置的采集视野内。
88.本技术实施例中的手术机器人的摆位方法可以根据手术机器人发射的标识信号获取操作信号，以使医护人员根据接收到的操作信号控制持有内窥镜的持镜臂与内窥镜套管连接，从而使得通过交互的方式控制持镜臂和内窥镜套管连接，能够避免手术机器人直接控制持镜臂和内窥镜套管连接出现多次连接失败的情况，能够提高持镜臂和内窥镜套管的连接效率，缩短持镜臂与内窥镜套管连接所需的时长。
89.下面本技术实施例将介绍如何根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值的过程。在一实施例中，如图6所示，上述s200中的步骤，可以通过以下步骤实现：
90.s210、利用正运动学根据持镜臂各关节的当前关节值计算内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向。
91.在持镜臂摆位过程中，只有持镜臂的关节j5～j8会运动，持镜臂远心机构(rcm)的关节不会发生运动，因此远心机构的关节可以作为一个整体，则调整关节j5～j8在目标对象投影面上退化为了一个平面三自由度的持镜臂，如图7所示为持镜臂的调整关节和调整关节在目标对象投影面上的位置关系图。由刚体运动学可知，平面刚体的目标关节值只有3个自由度(x、y和z轴)，因此，当确定了平面刚体的目标关节值后，即可唯一确定平面三自由度持镜臂的关节角j5～j7，所以为了确定持镜臂的目标关节值，需要得先确定内窥镜套管不动点的坐标和内窥镜在目标对象投影面上的方向(绕z的转动)，即内窥镜方向。
92.其中，上述内窥镜套管不动点的位置可以理解为目标对象体表的内窥镜套管的位置。在本技术实施例中，处理模块可以采用机器人的机械臂的正运动学，根据持镜臂各关节的当前关节值进行运算处理，得到内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向。在本技术实施例中，上述内窥镜方向可以理解为内窥镜的姿态，即内窥镜的方向角。
93.s220、根据内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向，计算持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值。
94.基于获取到的内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向，处理模块可以根据内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向进行正运动学解算，得到持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值。
95.在本技术的一个实施例中，上述s220中的步骤可以包括：以手术机器人发射的标识信号与内窥镜套管不动点重合且手术机器人的悬吊盘对准内窥镜方向为约束条件，根据内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向利用正运动学计算持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值。
96.本技术实施例中的手术机器人的摆位方法可以利用正运动学根据持镜臂各关节的当前关节值计算内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向，然后根据内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向，计算持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值，然后基于持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值实现持镜臂各关节和台车臂各关节的摆位，并以持镜臂各关节的构型为基准完成持械臂最优构型的计算，最终实现持械臂的自动摆位，该过程不
需要人工参与调整手术机器人的各机械臂的位置，就能够实现手术机器人的各机械臂的摆位，从而能够减轻医护人员的负担，节省人力成本，缩短手术机器人的各机械臂的摆位所花费的时间，提高机械臂摆位的准确性。
97.在实际摆位过程中，先要对手术机器人的台车臂各关节和持镜臂各关节进行摆位，在此基础上，进一步实现持械臂的摆位过程，基于此，下面本技术实施例将介绍如何完成持镜臂各关节和台车臂各关节的自动摆位。在一实施例中，如图8所示，上述s300中控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值的步骤，可以包括：
98.s310、根据持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值，规划持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹。
99.在本技术的一个实施例中，手术机器人通过数据获取模块来获取持镜臂各关节和台车臂各关节的关节值，进一步地，持镜臂各关节和台车臂各关节处设置有角度传感器，比如编码器等，用于测量持镜臂各关节和台车臂各关节的关节值，数据获取模块能够汇总上述关节值信息。在本技术的又一个实施例中，手术机器人还可以通过采集装置获取持镜臂各关节和台车臂各关节的信息，进而由处理模块计算得到相应的当前关节值。基于上述获取到的持镜臂各关节的当前关节值和台车臂各关节的当前关节值，处理模块可以根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值和目标关节值，分别规划持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值的运动轨迹。
100.s320、根据规划出的持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹，控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值自主运动到目标关节值。
101.在本技术实施例中，处理模块可以根据持镜臂各关节的运动轨迹生成持镜臂关节运动轨迹控制指令，然后将持镜臂各关节对应的持镜臂关节运动轨迹控制指令发送给运动控制模块，这里需要说明的是，运动控制模块接收并响应持镜臂各关节对应的持镜臂关节运动轨迹控制指令，以控制持镜臂各关节从持镜臂各关节的当前关节值，按照对应的运动轨迹运动到持镜臂各关节的目标关节值。
102.相应地，处理模块还可以根据台车臂各关节的运动轨迹生成台车关节运动轨迹控制指令，然后将台车臂各关节对应的台车关节运动轨迹控制指令发送给运动控制模块，这里需要说明的是，运动控制模块接收并响应台车臂各关节对应的台车关节运动轨迹控制指令，以控制台车臂各关节从台车臂各关节的当前关节值，按照对应的运动轨迹运动到台车臂各关节的目标关节值。这里需要说明的是，台车关节运动轨迹控制指令中可以携带台车对应关节的运动轨迹，即台车对应关节的运动方向和运动位移。
103.在本技术的一个实施例中，在上述s310中根据持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值，规划持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹的步骤之后，上述手术机器人的摆位方法还可以包括：若持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹规划失败时，手动控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值。
104.具体地，若持镜臂各关节的运动轨迹和台车臂各关节的运动轨迹均规划失败后，处理模块可以输出运动轨迹规划失败的提示信息，以提醒医护人员持镜臂各关节的运动轨迹和台车臂各关节的运动轨迹均规划失败了，需要医护人员通过交互方式控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值。
105.下面对通过交互方式控制持镜臂各关节从当前关节值运动到目标关节值的方式
进行说明。
106.一个实施例中，医护人员可以通过触发的方式自动控制持镜臂各关节从当前关节值运动到目标关节值处，具体地，处理模块根据持镜臂各关节的当前关节值和目标关节值规划出运动轨迹，运动控制模块根据接收到的运动轨迹自动控制持镜臂各关节从持镜臂各关节的当前关节值运动至对应的目标关节值。又一实施例中，医护人员还可以根据持镜臂各关节的当前关节值和目标关节值，手动操作持镜臂从持镜臂各关节的当前关节值运动至对应的目标关节值。相应的台车臂也可以采用与持镜臂各关节的控制方式来实现。
107.在本技术的一个实施例中，控制持镜臂各关节和台车关节根据对应运动轨迹自主运动到目标关节值，包括：若手术机器人发射的标识信号与内窥镜套管不动点重合，且台车悬吊盘对准内窥镜方向，则确定持镜臂各关节和台车关节根据对应运动轨迹已运动至目标关节值。
108.其中，采集装置可以采集第三图像，该第三图像包括手术机器人发射的标识信号与内窥镜套管不动点，并将第三图像发送给处理模块。进一步，处理模块可以采用目标识别算法对第三图像进行目标识别处理，分别得到第三图像中标识信号的映射位置与内窥镜套管不动点的位置，并判断标识信号的映射位置与内窥镜套管不动点的位置是否相同，若相同，则处理模块可以确定手术机器人发射的标识信号与内窥镜套管不动点重合。
109.同时，采集装置还可以采集第四图像，该第四图像包括手术机器人的悬吊盘和内窥镜，并将第四图像发送给处理模块。进一步，处理模块可以采用目标识别算法对第四图像进行目标识别处理，分别得到第四图像中悬吊盘的方向与内窥镜的方向，并判断悬吊盘的方向与内窥镜的方向是否相同，若相同，则处理器可以确定手术机器人的悬吊盘对准内窥镜方向。
110.在实际处理过程中，处理模块在确定手术机器人发射的标识信号与内窥镜套管不动点重合，且台车悬吊盘对准内窥镜方向后，可以确定持镜臂各关节和台车关节根据对应运动轨迹已自主运动至目标关节值。
111.本技术实施例中的手术机器人的摆位方法可以规划持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹，然后按照对应轨迹控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值自主运动到目标关节值，该过程能够避免人工参与持镜臂各关节和台车臂各关节的摆位过程，可以缩短持镜臂各关节和台车臂各关节摆位所花费的时间，提高持镜臂各关节和台车臂各关节的摆位效率，并且在避免人工参与摆位过程的基础上，还可以提高摆位结果的准确性。
112.在实际处理过程中，手术机器人控制持械臂实现自动摆位，需要先确定持械臂各关节的最优构型，然后控制持械臂各关节从持械臂各关节的当前关节值运动至最优构型，下面本技术实施例将介绍如何根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂的当前关节值确定持械臂的最优构型的过程。在一实施例中，上述s400中根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂的当前关节值确定持械臂的最优构型的步骤，可以包括：以持镜臂各关节的目标关节值所对应的构型为基准，使用基于运动学和碰撞检测的摆位构型优化方法计算持械臂的最优构型。
113.在本技术实施例中，最优构型获取模块以持镜臂各关节的目标关节值所对应的构型为基准，使用基于运动学和碰撞检测的摆位构型优化方法，采用层次包围盒实现机械臂之间的碰撞检测，并以3个持械臂之间的运动范围最大且不发生相互碰撞为最优目标，计算
手术机器人的持械臂的最优构型。
114.本技术实施例实施例中的手术机器人的摆位方法可以以持镜臂的目标关节值为基准，使用基于运动学和碰撞检测的摆位构型优化方法计算持械臂的最优构型，进一步控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型，使得手术机器人在执行手术操作的过程中，能够避免持镜臂与持械臂以及相邻两个持械臂之间发生碰撞的问题，从而可以提高手术的精准度以及手术效果。
115.在本技术的一个实施例中，为了便于本领域技术人员的理解，以执行主体为手术机器人为例介绍本技术提供的手术机器人的摆位方法，具体的，手术机器人包括手术台车、持镜臂和持械臂，且手术台车包括台车臂，上述手术机器人的摆位方法包括以下过程：
116.(1)根据手术机器人发射的标识信号获取操作信号；操作信号用于指示用户控制持有内窥镜的持镜臂与内窥镜套管连接，并调整内窥镜朝向目标对象的病灶区域，内窥镜套管设置于目标对象体表。
117.(2)利用正运动学根据持镜臂各关节的当前关节值计算内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向。
118.(3)以手术机器人发射的标识信号与内窥镜套管不动点重合且手术机器人的悬吊盘对准内窥镜方向为约束条件，利用正运动学根据内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向，计算持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值。
119.(4)根据持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值，规划持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹。
120.(5)若持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹规划成功，则根据持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹，控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值自主运动到目标关节值。
121.(6)若持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹规划失败时，控制持镜臂关节和台车关节运动到目标关节值。
122.(7)以持镜臂各关节的目标关节值所对应的构型为基准，使用基于运动学和碰撞检测的摆位构型优化方法计算持械臂的最优构型，并控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。
123.以上(1)至(7)的执行过程具体可以参见上述实施例的描述，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
124.应该理解的是，虽然图2、6和8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，图2、6和8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。
125.在一个实施例中，如图9所示，提供了一种手术机器人的摆位装置，手术机器人包括台车、持镜臂和持械臂，手术台车包括台车臂，包括：交互模块11、处理模块12、运动控制模块13和最优构型获取模块14，其中：
126.交互模块11，用于实现持镜臂和内窥镜套管连接，内窥镜套管设置于目标对象体表；
127.处理模块12，用于根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和手术台车的台车臂各关节的目标关节值；
128.运动控制模块13，用于控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值；
129.最优构型获取模块14，用于根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂最优构型，并控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。
130.本实施例提供的手术机器人的摆位装置的实现原理和技术效果与上述手术机器人的摆位方法类似，在此不再赘述。
131.在其中一个实施例中，交互模块11包括：操作信号获取单元，其中：
132.操作信号获取单元，用于根据手术机器人发射的标识信号获取操作信号；操作信号用于指示用户控制持有内窥镜的持镜臂与内窥镜套管连接，并调整内窥镜朝向目标对象的病灶区域。
133.本实施例提供的手术机器人的摆位装置的实现原理和技术效果与上述手术机器人的摆位方法类似，在此不再赘述。
134.在其中一个实施例中，处理模块12包括：位置方向计算单元和目标关节值计算单元，其中：
135.位置方向计算单元，用于利用正运动学根据持镜臂各关节的当前关节值计算内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向；
136.目标关节值计算单元，用于根据内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向，计算持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值。
137.本实施例提供的手术机器人的摆位装置的实现原理和技术效果与上述手术机器人的摆位方法类似，在此不再赘述。
138.在其中一个实施例中，目标关节值计算单元具体用于以手术机器人发射的标识信号与内窥镜套管不动点重合且手术机器人的悬吊盘对准内窥镜方向为约束条件，利用正运动学根据内窥镜套管不动点的位置和内窥镜方向，计算持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值。
139.本实施例提供的手术机器人的摆位装置的实现原理和技术效果与上述手术机器人的摆位方法类似，在此不再赘述。
140.在其中一个实施例中，运动控制模块13包括：运动轨迹规划单元和第一运动控制单元，其中：
141.运动轨迹规划单元，用于根据持镜臂各关节和台车臂各关节的目标关节值，规划持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹；
142.第一运动控制单元，用于根据持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹，控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值自主运动到目标关节值。
143.本实施例提供的手术机器人的摆位装置的实现原理和技术效果与上述手术机器人的摆位方法类似，在此不再赘述。
144.在其中一个实施例中，运动控制模块13还包括：第二运动控制单元，其中：
145.第二运动控制单元，用于在确定持镜臂各关节和台车臂各关节的运动轨迹规划失败时，控制持镜臂关节和台车关节运动到目标关节值。
146.本实施例提供的手术机器人的摆位装置的实现原理和技术效果与上述手术机器人的摆位方法类似，在此不再赘述。
147.在其中一个实施例中，第一运动控制单元具体用于在确定手术机器人发射的标识信号与内窥镜套管不动点重合，且台车悬吊盘对准内窥镜方向时，确定持镜臂各关节和台车关节从当前关节值已自主运动至目标关节值。
148.本实施例提供的手术机器人的摆位装置的实现原理和技术效果与上述手术机器人的摆位方法类似，在此不再赘述。
149.在其中一个实施例中，最优构型获取模块14包括：最优构型获取单元，其中：
150.最优构型获取单元，用于以持镜臂各关节的目标关节值所对应的构型为基准，使用基于运动学和碰撞检测的摆位构型优化方法计算持械臂的最优构型。
151.本实施例提供的手术机器人的摆位装置的实现原理和技术效果与上述手术机器人的摆位方法类似，在此不再赘述。
152.关于手术机器人的摆位装置的具体限定可以参见上文中对于手术机器人的摆位方法的限定，在此不再赘述。上述手术机器人的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手术机器人的处理器中，也可以以软件形式存储于手术机器人中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
153.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备内部结构图可以如图10所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备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、计算机程序和数据库。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。该计算机设备的网络接口用于与外部的终点通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种手术机器人的摆位方法。
154.本领域技术人员可以理解，图10中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备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。
155.在一个实施例中，提供了一种手术机器人，包括手术台车、持镜臂、持械臂、存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
156.控制持镜臂和内窥镜套管连接，内窥镜套管设置于目标对象体表；
157.根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和手术台车的台车臂各关节的目标关节值；
158.控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值；
159.根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂最优构型，并控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。
160.在一个实施例中，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以下步骤：
161.控制持镜臂和内窥镜套管连接，内窥镜套管设置于目标对象体表；
162.根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和手术台车的台车臂各关节的目标关节值；
163.控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值；
164.根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂最优构型，并控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。
165.在一个实施例中，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以下步骤：
166.控制持镜臂和内窥镜套管连接，内窥镜套管设置于目标对象体表；
167.根据持镜臂各关节和台车臂各关节的当前关节值，分别获取持镜臂各关节和手术台车的台车臂各关节的目标关节值；
168.控制持镜臂各关节和台车臂各关节从当前关节值运动到目标关节值；
169.根据持镜臂各关节的目标关节值和持械臂各关节的当前关节值，确定持械臂最优构型，并控制持械臂各关节从当前关节值运动至最优构型。
170.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，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、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-only memory，rom)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。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。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 random access memory，dram)等。
171.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。
172.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。