可读存储介质、手术机器人系统和调整系统的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种可读存储介质、手术机器人系统和调整系统。


背景技术：

2.目前各行业均处于电子化、智能化的大趋势中，尤其在手术室中，大批的半自动、全自动机电设备正在逐步应用于各种手术场景，例如传统的手持式外科器械正在逐步由手术机器人所取代。
3.手术机器人其设计理念是采用微创伤方式，精准地实施复杂的外科手术，突破了人眼的局限，采用立体成像技术，将内部器官更加清晰的呈现给操作者。在原来手伸不进的区域，机器手能完成360度转动、挪动、摆动、夹持，并避免抖动，受到广大医患的青睐，现在作为一种高端医疗器械，已广泛运用于各种临床手术中。但在手术过程中，当术前打孔位置不够理想情况下，相邻机械臂间容易发生碰撞，极大影响手术进程，或是由于患者体位的影响，手术过程中病灶位置被患者其他组织遮挡，无法继续完成手术，或是术中发现新的病灶，需要在新的病灶位置处进行相应手术操作。一般而言，用户需要先中断手术进程，移除外科器械，且手术机器人上的机械臂必须通过患者身体打孔位置处从该处套管内脱离，使患者与手术机器人完全分开，再调整患者体位，继续进行手术机器人的术前准备流程后才能继续进行手术。该过程不仅耗时，且操作过程非常繁琐，对医护人员的熟练度要求很高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种可读存储介质、手术机器人系统和调整系统，可以实现在器械不撤出的情况下，即可进行患者体位与机械臂的位姿的自动调整的目的。
5.为达到上述目的，本发明提供一种可读存储介质，应用于手术机器人系统，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如下步骤：
6.接收用户的调整指令；
7.获取机械臂的目标位姿或支撑装置的目标位姿；
8.根据所述机械臂的目标位姿，控制所述机械臂进行调整运动并控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动；或
9.根据所述支撑装置的目标位姿，控制所述支撑装置进行调整运动并控制所述机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动。
10.可选的，所述获取所述机械臂的目标位姿或支撑装置的目标位姿，包括：
11.根据预先存储的目标位姿与手术类型之间的对应关系，获取所述机械臂的目标位姿或支撑装置的目标位姿；或
12.根据预设目标函数获取所述机械臂的目标位姿或支撑装置的目标位姿。
13.可选的，所述根据预设目标函数获取所述机械臂的目标位姿或支撑装置的目标位姿，包括：
14.将其中一条机械臂作为目标机械臂；
15.获取所述目标机械臂的不动点的当前位置；
16.根据所述目标机械臂的不动点的当前位置创建安全空间；
17.遍历所述安全空间的每一点，求解不同位置下的预设目标函数的函数值；
18.将函数值满足预设条件的位置作为所述目标机械臂的不动点的目标位置；
19.根据所述目标机械臂的不动点的目标位置获取所述机械臂的目标位姿或支撑装置的目标位姿。
20.可选的，所述预设目标函数为：
21.w(q)＝α
·
w1(q) β
·
w2(q)
[0022][0023][0024]
其中，α为w1(q)的权重，β为w2(q)的权重，且α β＝1，n为所述目标机械臂的关节数，qi为遍历所述安全空间时，所述目标机械臂的第i个关节的位置，为所述目标机械臂的第i个关节的平均位置，q
imax
为所述目标机械臂的第i个关节的最大位置，q
imin
为所述目标机械臂的第i个关节的最小位置，n为所述机器人的机械臂数量，hi为遍历所述安全空间时，相邻两机械臂之间的间距，为所有相邻机械臂之间的间距的平均值；
[0025]
所述将函数值满足预设条件的位置作为所述目标机械臂的不动点的目标位置，包括：
[0026]
将函数值最大时的位置作为所述目标机械臂的不动点的目标位置。
[0027]
可选的，所述根据所述机械臂的目标位姿，控制所述机械臂进行调整运动并控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动，包括：
[0028]
获取所述机械臂的当前位姿；
[0029]
根据所述机械臂的目标位姿和当前位姿，规划所述机械臂的运动轨迹；
[0030]
根据所规划的所述机械臂的运动轨迹，控制所述机械臂按照所述运动轨迹进行调整运动，并控制所述支撑装置跟随所述机械臂的运动轨迹进行相应运动；
[0031]
所述根据所述支撑装置的目标位姿，控制所述支撑装置进行调整运动并控制所述机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动，包括：
[0032]
获取所述支撑装置的当前位姿；
[0033]
根据支撑装置的目标位姿和当前位姿，规划所述支撑装置的运动轨迹；
[0034]
根据所规划的支撑装置的运动轨迹，控制所述支撑装置按照其运动轨迹进行调整运动，并控制所述机械臂跟随所述支撑装置的运动轨迹进行相应运动。
[0035]
可选的，所述根据所述机械臂的目标位姿和当前位姿，规划所述机械臂的运动轨迹，包括：
[0036]
根据所述机械臂的目标位姿和当前位姿，采用插值算法，获取所述机械臂的运动轨迹；
[0037]
所述根据支撑装置的目标位姿和当前位姿，规划所述支撑装置的运动轨迹，包括：
[0038]
根据所述支撑装置的目标位姿和当前位姿，采用插值算法，获取所述支撑装置的运动轨迹。
[0039]
可选的，所述根据所述机械臂的目标位姿和当前位姿，规划所述机械臂的运动轨迹，包括：
[0040]
根据所述机械臂的各关节的目标位置和当前位置，规划所述机械臂的各关节的运动轨迹；
[0041]
所述根据支撑装置的目标位姿和当前位姿，规划所述支撑装置的运动轨迹，包括：
[0042]
根据所述支撑装置的各关节的目标位置和当前位置，规划所述支撑装置的各关节的运动轨迹。
[0043]
可选的，所述控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动，包括：
[0044]
获取所述机械臂的不动点在机器人坐标系下的实时位置信息；
[0045]
根据所述不动点在机器人坐标系下的实时位置信息、所述不动点与支撑装置坐标系之间的映射关系以及所述机器人坐标系与世界坐标系之间的映射关系，实时获取所述支撑装置坐标系与所述世界坐标系之间的目标映射关系；
[0046]
根据实时获取的所述支撑装置坐标系与所述世界坐标系之间的目标映射关系，控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动；
[0047]
所述控制所述机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动，包括：
[0048]
获取支撑装置坐标系与世界坐标系之间的实时映射关系；
[0049]
根据所述支撑装置坐标系与所述世界坐标系之间的实时映射关系、所述机械臂的不动点与所述支撑装置坐标系之间的映射关系以及机器人坐标系与所述世界坐标系之间的映射关系，实时获取所述机械臂的不动点在所述机器人坐标系下的目标位置信息；
[0050]
根据实时获取的所述机械臂的不动点在所述机器人坐标系下的目标位置信息，控制所述机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动。
[0051]
可选的，所述计算机程序被处理器执行时，实现如下步骤：
[0052]
判断所述手术机器人系统的当前状态是否满足调整要求。
[0053]
可选的，所述计算机程序被处理器执行时，实现如下步骤：
[0054]
对所述机械臂和所述支撑装置的实时调整运动过程进行监测，以判断是否出现异常情况。
[0055]
可选的，所述计算机程序被处理器执行时，实现如下步骤：
[0056]
对所述机械臂和所述支撑装置的实时调整运动过程进行显示。
[0057]
为达到上述目的，本发明还提供一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括机器人和控制器，所述机器人包括至少一条机械臂，所述控制器与所述机器人通信连接，所述控制器包括处理器和如上文所述的可读存储介质。
[0058]
可选的，所述手术机器人系统包括与所述控制器通信连接的显示装置，所述显示装置用于对所述机械臂和所述支撑装置的实时调整运动过程进行显示。
[0059]
为达到上述目的，本发明还提供一种调整系统，所述调整系统包括上文所述的机器人系统和定位装置，所述定位装置用于获取机器人坐标系与世界坐标系之间的映射关系以及支撑装置坐标系与所述世界坐标系之间的映射关系。
[0060]
可选的，所述调整系统包括支撑装置，所述支撑装置与所述控制器通信连接，所述
控制器用于控制所述支撑装置进行调整运动。
[0061]
与现有技术相比，本发明提供的可读存储介质、手术机器人系统和调整系统具有以下优点：本发明通过先获取机器人的机械臂的目标位姿，再对所述机械臂进行调整运动，以将所述机械臂的位姿调整至目标位姿，并在所述机械臂的调整过程中，控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动；或者先获取支撑装置的目标位姿，再对所述支撑装置进行调整运动，以将所述支撑装置的位姿调整至目标位姿，并在所述支撑装置的调整过程中，控制机器人的机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动。可见，本发明能够在不撤出器械的情况下，即可实现患者体位(即支撑装置位姿)与机械臂的位姿的调整，从而能够更高效、安全地完成手术，降低了对术前打孔位置以及设备摆位的要求，有效减少了术前准备时间，并且可以有效避免机械臂发生碰撞的概率。
附图说明
[0062]
图1为本发明一实施方式中的可读存储介质上存储的计算机程序被处理器执行时，实现的步骤示意图；
[0063]
图2为本发明一实施方式中的获取目标位姿的流程示意图；
[0064]
图3为本发明一实施方式中的解算获取目标位姿的流程示意图；
[0065]
图4为本发明一实施方式中的机械臂跟随支撑装置进行调整运动的流程示意图；
[0066]
图5为本发明一实施方式中的支撑装置跟随机械臂进行调整运动的流程示意图；
[0067]
图6为本发明一实施方式中的采用梯形速度曲线插值规划运动轨迹的流程示意图；
[0068]
图7为本发明一实施方式中的梯形速度曲线规划运动轨迹的示意图；
[0069]
图8为本发明一实施方式中的三角形速度曲线规划运动轨迹的示意图；
[0070]
图9为本发明一实施方式中的多项式插值规划运动轨迹的速度曲线图；
[0071]
图10为本发明一实施方式中的多项式插值规划运动轨迹的加速度曲线图；
[0072]
图11为本发明一实施方式中的机械臂与支撑装置的自动调整的总流程示意图；
[0073]
图12为本发明一实施方式中的调整状态的监测流程示意图；
[0074]
图13为本发明一实施方式中的调整系统的框架结构示意图；
[0075]
图14为本发明一实施方式中的处理器的方框结构示意图；
[0076]
图15为本发明一实施方式中的定位装置的测量原理示意图；
[0077]
图16为本发明一实施方式中的显示装置的显示示意图。
[0078]
其中，附图标记如下：
[0079]
支撑装置-100；支撑装置基座-110；支撑体-120；机器人-200；机器人基座-210；机械臂-220；器械-230；控制器-300；目标位姿获取模块-310；控制模块-320；记忆单元-311；解算单元-312；轨迹规划单元-321；调整单元-322；状态判断模块-330；监测模块-340；定位装置-400；第一标记物-130；第二标记物-240；显示装置-500；医生控制端-600。
具体实施方式
[0080]
以下结合附图1至16和具体实施方式对本发明提出的可读存储介质、手术机器人系统和调整系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说
明的是，附图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方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在与本发明所能产生的功效及所能达成的目的相同或近似的情况下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0081]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0082]
本发明的主要目的在于提供一种可读存储介质、手术机器人系统和调整系统，可以实现在器械不撤出的情况下，即可进行患者体位与机械臂的位姿的自动调整的目的。需要说明的是，本文中所称的机器人坐标系(x2，y2，z2)是以机器人基座上的任一点为原点所创建的坐标系，所称的支撑装置坐标系(x1，y1，z1)是以支撑装置的支撑体上的任一点为原点所创建的坐标系，所称的机械臂的位姿是指机械臂在机器人坐标系(x2，y2，z2)下的位姿，所称的支撑装置的位姿是指支撑装置在世界坐标系(x0，y0，z0)下的位姿；在自动调整过程中，所述机器人坐标系(x2，y2，z2)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系不变，所述支撑装置坐标系(x1，y1，z1)与所述世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系随着所述支撑装置的位姿的改变而发生改变。
[0083]
为实现上述目的，本发明提供一种可读存储介质，应用于手术机器人系统，所述手术机器人系统包括机器人，所述机器人包括至少一条机械臂，所述可读存储介质内存储有计算机程序。请参考图1，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的可读存储介质上存储的计算机程序被处理器执行时，实现的步骤示意图。如图1所示，所述计算机程序被处理器执行时，实现如下步骤：
[0084]
步骤s1、接收用户的调整指令；
[0085]
步骤s2、获取机械臂的目标位姿或所述支撑装置的目标位姿；
[0086]
步骤s3、根据所述机械臂的目标位姿，控制所述机械臂进行运动并控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动；或根据所述支撑装置的目标位姿，控制所述支撑装置进行调整运动并控制所述机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动。
[0087]
由此，本发明通过先获取机器人的机械臂的目标位姿，再对所述机械臂进行调整运动，以将所述机械臂的位姿调整至目标位姿，并在所述机械臂的调整过程中，控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动；或者先获取支撑装置的目标位姿，再对所述支撑装置进行调整运动，以将所述支撑装置的位姿调整至目标位姿，并在所述支撑装置的调整过程中，控制机器人的机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动。可见，本发明能够在不撤出器械的情况下，即可实现患者体位(即支撑装置位姿)与机械臂的位姿的调整，从而能够更高效、安全地完成手术，降低了对术前打孔位置以及设备摆位的要求，有效减少了术前准备时
间，并且可以有效避免机械臂发生碰撞的概率。
[0088]
进一步地，所述获取所述机械臂的目标位姿或所述支撑装置的目标位姿，包括：
[0089]
根据预先存储的目标位姿与手术类型之间的对应关系，获取所述机械臂的目标位姿或所述支撑装置的目标位姿；或
[0090]
根据预设目标函数获取所述机械臂的目标位姿或所述支撑装置的目标位姿。
[0091]
请参考图2，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的获取目标位姿的流程示意图。如图2所示，用户(例如医护人员)可通过输入单元(例如实体按键或虚拟按键)选择相应的手术类型以进入恢复模式，此时可以根据预先存储的目标位姿与手术类型之间的对应关系，选取所述机械臂的目标位姿或所述支撑装置的目标位姿。用户(例如医护人员)还可通过实体按键或虚拟按键选择进入设定模式，此时，可以根据预设目标函数获取所述机械臂的目标位姿或所述支撑装置的目标位姿。需要说明的是，本技术中所称的机械臂的目标位姿，是指机械臂所需要调整到的位姿(即机械臂的末端位置与姿态)，所称的支撑装置的目标位姿，是指支撑装置所需要调整到的位姿(即支撑装置的三维空间位置与绕各方向的旋转角度)。
[0092]
具体的，可通过以下步骤根据预设目标函数获取所述机械臂的目标位姿或所述支撑装置的目标位姿：
[0093]
将其中一条机械臂作为目标机械臂；
[0094]
获取所述目标机械臂的不动点的当前位置；
[0095]
根据所述目标机械臂的不动点的当前位置创建安全空间；
[0096]
遍历所述安全空间的每一点，求解不同位置下的预设目标函数的函数值；
[0097]
将函数值满足预设条件的位置作为所述目标机械臂的不动点的目标位置；
[0098]
根据所述目标机械臂的不动点的目标位置获取所述机械臂的目标位姿或支撑装置的目标位姿。
[0099]
请参考图3，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的解算获取目标位姿的流程示意图。如图3所示，在实际操作过程中，可以选取任意一条机械臂作为目标机械臂，例如，选取安装有内窥镜的机械臂作为目标机械臂，通过获取该目标机械臂的不动点的当前位置(机器人坐标系(x2，y2，z2)下的坐标)，并根据该目标机械臂的不动点的当前位置创建安全空间(保证机械臂在此安全空间内运动时，不会伤害患者的器官组织)，所述安全空间可以为球空间、椭球空间、圆锥空间等具有平滑边界的立体空间，具体地，以球空间为例，可以以所述不动点的当前位置为球心、预设半径(例如2cm)为半径创建安全空间，再以固定步长遍历所述安全空间的每一点(包括所述安全空间的边界上的每一点以及所述安全空间内的每一点)，求解不同位置下的预设目标函数的函数值，并将函数值满足预设条件的位置作为所述不动点的目标位置，此时所述不动点的目标位置指不动点在机器人坐标系(x2，y2，z2)下的坐标，即所述目标机械臂的目标位姿。通过对所述不动点的目标位置进行逆解，例如采用逆运动学方法即可获取所述目标机械臂的各关节的目标位置。由于其它的机械臂的不动点与所述目标机械臂的不动点之间具有预定的映射关系，由此，根据其它的机械臂的不动点与所述目标机械臂的不动点之间的映射关系以及所述目标机械臂的不动点的目标位置，可以获取其它的机械臂的不动点的目标位置，即其它的所述机械臂的目标位姿，通过对其它的机械臂的不动点的目标位置进行逆解，即可获取其它的所述机械臂的各关节的目
标位置。
[0100]
同理，由于所述目标机械臂的不动点与支撑装置坐标系(x1，y1，z1)之间具有预定的映射关系，机器人坐标系(x2，y2，z2)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间具有预定的映射关系，由此，根据所述目标机械臂的不动点的目标位置、所述目标机械臂的不动点与支撑装置坐标系(x1，y1，z1)之间的映射关系以及所述机器人坐标系(x2，y2，z2)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系，即可获取所述支撑装置在世界坐标系(x0，y0，z0)下的目标位姿，通过对所述支撑装置的目标位姿进行逆解，即可获取所述支撑装置的各关节的目标位置。其中，所述机器人坐标系(x2，y2，z2)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系可通过下文所述的定位装置测得。
[0101]
进一步地，所述预设目标函数为：
[0102]
w(q)＝α
·
w1(q) β
·
w2(q)
[0103][0104][0105]
其中，α为w1(q)的权重，β为w2(q)的权重，且α β＝1，n为所述目标机械臂的关节数，qi为遍历所述安全空间时，所述目标机械臂的第i个关节的位置，为所述目标机械臂的第i个关节的平均位置，q
imax
为所述目标机械臂的第i个关节的最大位置，q
imin
为所述目标机械臂的第i个关节的最小位置，n为所述机器人的机械臂数量，hi为遍历所述安全空间时，相邻两机械臂之间的间距，为所有相邻机械臂之间的间距的平均值。
[0106]
对应的，所述将函数值满足预设条件的位置作为所述不动点的目标位置，包括：
[0107]
将目标函数值最大时的位置作为所述不动点的目标位置。
[0108]
具体的，在遍历所述安全空间的某一点时，通过逆运动学算法，求得该位置下的所述目标机械臂的各关节的位置，以及该位置下的其它机械臂的不动点的对应位置，以获得该位置下的目标函数w(q)的函数值。同理，在遍历所述安全空间的其它任意一点时，均可采用以上方法获取对应位置下的目标函数w(q)的函数值。通过对不同位置下的目标函数w(q)的函数值进行比对，将函数值最大时的位置作为所述目标机械臂的不动点的目标位置。
[0109]
所述α和所述β的具体数值可以根据具体情况进行设定，例如，当α为1，β为0时，目标函数为：
[0110][0111]
针对此种情况，当目标函数w(q)的函数值最大时，qi趋近于即所述机器人的机械臂220的各关节的位置均趋近于其平均位置，因此机械臂的工作空间范围大大提高，此时能够满足机械臂运动空间最优的条件。
[0112]
当α为0，β为1时，目标函数为：
[0113]
[0114]
针对此种情况，当目标函数值最大时，hi趋近于即所述机器人的各机械臂之间趋近于等间距分布，因此可以有效避免手术过程中各机械臂之间发生碰撞，此时能够满足机械臂摆位最优的条件。
[0115]
当α为0.5，β为0.5时，机械臂运动空间的优化和机械臂摆位的优化能够达到均衡，不仅能够提高机械臂的有效运动空间，而且还能有效降低手术操作过程中机械臂发生碰撞的概率。
[0116]
请继续参考图4，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的机械臂跟随支撑装置进行调整运动的流程示意图，如图4所示，所述根据所述机械臂的目标位姿，控制所述机械臂进行调整运动并控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动的流程包括：
[0117]
获取所述机械臂的当前位姿；
[0118]
根据所述机械臂的目标位姿和当前位姿，规划所述机械臂的运动轨迹；
[0119]
根据所规划的所述机械臂的运动轨迹，控制所述机械臂按照所述运动轨迹进行调整运动，并控制所述支撑装置(例如手术床)跟随所述机械臂的运动轨迹进行相应运动。
[0120]
请继续参考图5，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的支撑装置跟随机械臂进行调整运动的流程示意图。如图5所示，所述根据所述支撑装置的目标位姿，控制所述支撑装置进行调整运动并控制所述机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动，包括：
[0121]
获取所述支撑装置的当前位姿；
[0122]
根据支撑装置的目标位姿和当前位姿，规划所述支撑装置的运动轨迹；
[0123]
根据所规划的支撑装置的运动轨迹，控制所述支撑装置按照其运动轨迹进行调整运动，并控制所述机械臂跟随所述支撑装置的运动轨迹进行相应运动。
[0124]
进一步地，所述根据所述机械臂的目标位姿和当前位姿，规划所述机械臂的运动轨迹，包括：
[0125]
根据所述机械臂的目标位姿和当前位姿，采用插值算法，获取所述机械臂的运动轨迹；
[0126]
所述根据支撑装置的目标位姿和当前位姿，规划所述支撑装置的运动轨迹，包括：
[0127]
根据所述支撑装置的目标位姿和当前位姿，采用插值算法，获取所述支撑装置的运动轨迹。
[0128]
请参考图6至图8，其中，图6示意性地给出了本发明一实施方式提供的采用梯形速度曲线插值规划机械臂或支撑装置的运动轨迹的流程示意图；图7示意性地给出了本发明一实施方式提供的梯形速度曲线规划示意图；图8示意性地给出了本发明一实施方式提供的三角形速度曲线规划示意图。如图6至图8所示，根据设定的最大速度v
max
和恒定加速度a可得到梯形速度曲线中速度上升时间ts，其中，最大速度v
max
和恒定加速度a可以根据具体情况进行设置。当规划距离s(目标位置与当前位置之间的距离)小于v
max
*ts时，采用三角形速度曲线生成运动轨迹，其中速度轨迹如图8所示，位置轨迹可由速度积分得到，其中：
[0129][0130]
v＝at，t≤0
[0131]
v＝a(t-2t0)，t0≤t≤2t0[0132]
当规划距离s大于或等于v
max
*ts时，采用梯形速度曲线生成运动轨迹，其中速度轨
迹如图7所示，位置轨迹可由速度积分得到，其中：
[0133]
v＝at，t≤ts[0134]
v＝v
max
，ts≤t≤t
f-ts[0135]
v＝-a(t-tf)，t
f-ts≤t≤tf[0136]
下面以五项式插值为例对采用多项式插值规划运动轨迹的原理进行说明。
[0137]
设定t时刻的位置表达式为：
[0138]
q(t)＝a5t5 a4t4 a3t3 a2t2 a1t a0[0139]
设定初始时刻位置为q0，终止时刻位置为qf，初始时刻速度和终止时刻的速度均为0，上述条件均为约束条件，即约束条件为：
[0140]
q(0)＝qs[0141]
q(tf)＝qf[0142][0143][0144][0145][0146]
利用上述6个约束条件，便可得到位置轨迹，其中：
[0147]
a0＝qs[0148]
a1＝a2＝0
[0149][0150][0151][0152]
速度轨迹可通过对位置轨迹进行求导得到，请参考图9，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的五项式插值规划轨迹的速度曲线图。加速度轨迹可通过对速度轨迹进行求导得到，请参考图10，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的五项式插值规划轨迹的加速度曲线图。
[0153]
在一种示范性的实施方式中，所述根据所述机械臂的目标位姿和当前位姿，规划所述机械臂的运动轨迹，包括：
[0154]
根据所述机械臂的各关节的目标位置和当前位置，规划所述机械臂的各关节的运动轨迹；
[0155]
所述根据支撑装置的目标位姿和当前位姿，规划所述支撑装置的运动轨迹，包括：
[0156]
根据所述支撑装置的各关节的目标位置和当前位置，规划所述支撑装置的各关节的运动轨迹。
[0157]
进一步地，所述控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动，包括：
[0158]
获取所述机械臂的不动点在机器人坐标系下的实时位置信息；
[0159]
根据所述不动点在机器人坐标系下的实时位置信息、所述不动点与支撑装置坐标
系之间的映射关系以及所述机器人坐标系与世界坐标系之间的映射关系，实时获取所述支撑装置坐标系与所述世界坐标系之间的目标映射关系；
[0160]
根据实时获取的所述支撑装置坐标系与所述世界坐标系之间的目标映射关系，控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动。
[0161]
具体的，在支撑装置跟随机械臂j进行相应运动的过程中，支撑装置坐标系(x1，y1，z1)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的目标映射关系可通过如下公式求得：
[0162][0163]
其中，为机器人坐标系(x2，y2，z2)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系，2pi为机械臂j的不动点在机器人坐标系(x2，y2，z2)下的坐标，其随着机械臂j的调整运动不断变化，1pj为机械臂j的不动点在支撑装置坐标系(x1，y1，z1)下的坐标，(1pj)

为1pj的伪逆。
[0164]
由于所述机械臂j的各关节上均安装有位置传感器，由此在机械臂220的调整运动过程中，可以实时获取各关节的在机器人坐标系(x2，y2，z2)下的坐标，通过运动学方程即可实时获取所述机械臂j的不动点在机器人坐标系(x2，y2，z2)下的坐标2pj。由此，根据上述公式，即可实时获取所述支撑装置坐标系(x1，y1，z1)与所述世界坐标系(x0，y0，z0)之间的目标映射关系进而可以根据实时获取的所述支撑装置坐标系(x1，y1，z1)与所述世界坐标系(x0，y0，z0)之间的目标映射关系控制所述支撑装置跟随所述机械臂j进行相应运动。具体的，可以通过对所获取的支撑装置坐标系(x1，y1，z1)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的目标映射关系采用逆运动学解法获取所述支撑装置的各个关节的目标位置，进而根据实时获取的所述支撑装置的各个关节的目标位置，控制所述支撑装置跟随所述机械臂j进行相应运动。
[0165]
所述控制所述机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动，包括：
[0166]
获取支撑装置坐标系与世界坐标系之间的实时映射关系；
[0167]
根据所述支撑装置坐标系与所述世界坐标系之间的实时映射关系、所述机械臂的不动点与所述支撑装置坐标系之间的映射关系以及机器人坐标系与所述世界坐标系之间的映射关系，实时获取所述机械臂的不动点在所述机器人坐标系下的目标位置信息；
[0168]
根据实时获取的所述机械臂的不动点在所述机器人坐标系下的目标位置信息，控制所述机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动。
[0169]
具体的，以机械臂j为例，在机械臂j跟随支撑装置进行调整运动的过程中，机械臂j的不动点在机器人坐标系(x2，y2，z2)下的目标坐标2p
′j可通过如下公式求得：
[0170][0171]
其中，为支撑装置坐标系(x1，y1，z1)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系，其随着支撑装置的调整运动不断变化，为机器人坐标系(x2，y2，z2)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系，1pj为机械臂j的不动点在支撑装置坐标系(x1，y1，z1)下的坐标。
[0172]
在支撑装置的调整运动中，通过下文所述的定位装置可以实时测得支撑装置坐标系(x1，y1，z1)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系由此，根据上述公式，即可实时
获取所述机械臂j的不动点在机器人坐标系(x2，y2，z2)下的目标坐标2pj′
，进而可以根据实时获取的所述不动点在机器人坐标系(x2，y2，z2)下的目标坐标2pj′
，控制所述机械臂j跟随所述支撑装置100进行调整运动。具体的，可以根据所述不动点在机器人坐标系(x2，y2，z2)下的目标坐标2pj′
，采用逆运动学解法获取所述机械臂j的各个关节的目标位置，进而根据实时获取的所述机械臂j的各个关节的目标位置，控制所述机械臂j跟随所述支撑装置100进行相应运动。其它机械臂220的运动过程可以参考上述机械臂j的调整过程，故在此不再进行赘述。
[0173]
请参考图11，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的机械臂与支撑装置自动调整的流程示意图。如图11所示，所述计算机程序被处理器执行时，还实现如下步骤：
[0174]
判断所述手术机器人系统的当前状态是否满足调整要求。
[0175]
具体的，如图11所示，当接收用户的自动调整指令后，通过先判断所述手术机器人系统的当前状态是否适合进行机械臂和支撑装置的调整运动，若判断结果为是，再进行支撑装置与机械臂的自动调整运动；若判断结果为否，则结束自动调整过程。由此可见，本发明通过在手术机器人系统的当前状态满足调整要求的前提下，进行支撑装置与机械臂的自动调整运动，可以有效保证自动调整过程中的手术安全性。具体的，可以通过执行若干安全检测，以判断所述手术机器人系统的当前状态是否满足调整要求，所述安全检测包括但不限于检测各所述机械臂是否处于位置保持状态(即机械臂是否处于静止状态)，安装在各所述机械臂上的器械的位置是否已被锁定，安装在各所述机械臂上的器械的位置是否合适，例如当各所述机械臂未处于位置保持状态，安装在各所述机械臂上的器械的位置未被锁定，安装在各所述机械臂上的器械的位置不合适等任一情况出现时，则判定所述手术机器人系统的当前状态不满足调整要求。当各所述机械臂处于位置保持状态，安装在各所述机械臂上的器械的位置被锁定，安装在各所述机械臂上的器械的位置合适，则判定所述手术机器人系统的当前状态满足调整要求。
[0176]
进一步地，如图11所示，所述计算机程序被处理器执行时，还实现如下步骤：
[0177]
对所述机械臂和所述支撑装置的实时调整运动过程进行显示。
[0178]
由此，通过在自动调整过程中，对所述机械臂和所述支撑装置的实时调整运动过程进行显示，可以便于用户观察所述机械臂和所述支撑装置的调整运动过程。
[0179]
请继续参考图12，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的调整状态的监测流程示意图。如图12所示，所述计算机程序被处理器执行时，还实现如下步骤：
[0180]
对各所述机械臂和所述支撑装置的实时调整运动过程进行监测，以判断是否出现异常情况。
[0181]
具体的，如图12所示，在机械臂和支撑装置的自动调整过程中，对各所述机械臂和所述支撑装置的实时调整运动过程进行监测，并判断调整过程中是否存在异常情况，从而可以在调整过程中出现异常情况时，立即停止自动调整进程，以保护患者安全。例如，当判断患者打孔处受力过大时，会将其判断为异常情况，当机械臂不动点在支撑装置坐标系下发生的偏移较大时，也会将其判断为异常情况。
[0182]
进一步地，如图12所示，所述计算机程序被处理器执行时，还实现如下步骤：
[0183]
判断所述机械臂和/或所述支撑装置是否运动至目标位姿；
[0184]
若是，则保存该目标位姿。
[0185]
由此，在机械臂和支撑装置的自动调整过程中，判断所述机械臂和/或所述支撑装置是否运动至目标位姿，从而可以在机械臂和/或支撑装置运动至目标位姿时，保存该目标位姿并结束自动调整过程。
[0186]
本发明还提供一种调整系统，请参考图13，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的调整系统的框架结构示意图，如图13所示，所述调整系统包括手术机器人系统，所述手术机器人系统包括机器人200，所述机器人200包括机器人基座210，所述机器人基座210上安装有至少一条机械臂220。
[0187]
请继续参考图13，所述调整系统还包括定位装置400、支撑装置100和控制器300，所述机器人200、所述定位装置400和所述支撑装置100均与所述控制器300通信连接。所述控制器300包括处理器和上文所述的可读存储介质。所述支撑装置100具有移动、俯仰、偏摆等多个自由度(所述支撑装置具有多个关节，以实现移动、俯仰、偏摆等多个自由度的运动，所述支撑装置的具体结构可以参考现有技术中的多自由度病床，在此不再赘述)。所述支撑装置100包括支撑装置基座110和安装于所述支撑装置基座110上的支撑体120。所述支撑装置100用于支撑所述手术对象(例如手术对象)，即所述手术对象可以躺在或坐在所述支撑装置200上进行手术，所述支撑装置200可以为病床或者除病床以外的其它能够支撑所述手术对象以进行手术操作的部件。
[0188]
在一些实施例中，所述控制器300可与所述手术机器人系统中的任意一个或多个装置结合设置，例如设置在所述手术机器人系统的医生控制端600处，或设置在所述机器人100处、或设置在下文所述的显示装置500处等；在一些实施例中，所述控制器300也可设置在所述定位装置400处；在又一些实施例中，所述控制器300单独设置；并且所述控制器300可以为具体的硬件或者软件单元，也可以为硬件与软件相结合的设置，本发明对于所述控制器300的具体设置不作限定。
[0189]
请继续参考图14，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的控制器中的处理器的方框结构示意图。如图14所示，所述处理器具体包括目标位姿获取模块310和控制模块320。其中，所述目标位姿获取模块310用于获取所述机械臂220的目标位姿或所述支撑装置100的目标位姿；所述控制模块320用于根据所述机械臂220的目标位姿，控制所述机械臂220进行调整运动并控制所述支撑装置100跟随所述机械臂220进行相应运动；或根据支撑装置100的目标位姿，控制所述支撑装置100进行调整运动并控制所述机械臂220跟随所述支撑装置100进行相应运动。
[0190]
如图14所示，进一步地，所述目标位姿获取模块310包括记忆单元310和解算单元312，其中，所述记忆单元310用于根据预先存储的目标位姿与手术类型之间的对应关系，获取所述机械臂220的目标位姿或所述支撑装置100的目标位姿，例如所述记忆单元用于存储预设的机械臂与病床构型，并保存该预设的构型，以实现术中能够自动恢复至该预设的构型，该预设构型能够避免机械臂术中发生碰撞和/或具有最佳操作空间；所述解算单元312用于根据预设目标函数获取所述机械臂220的目标位姿或所述支撑装置100的目标位姿。
[0191]
其中，所述记忆单元310内预设有若干种不同的机械臂220与支撑装置100的手术构型(即目标位姿)，例如肾脏类型手术构型、前列腺类型手术构型等，所述解算单元312可根据手术机器人系统的状态与用户(例如医护人员)的具体需求，通过优化算法计算得到机械臂220或支撑装置100的最优构型。在实际操作过程中，用户(例如医护人员)可通过实体
按键或虚拟按键选择相应的手术类型以进入恢复模式，此时所述控制模块320会根据所述记忆单元310获取的机械臂220或支撑装置100的构型控制所述机械臂220或所述支撑装置100自动运动至该构型位置处。用户(例如医护人员)还可通过实体按键或虚拟按键选择进入设定模式，此时，所述控制模块320会根据所述解算单元312计算得到的机械臂220或支撑装置100的最优构型，控制所述机械臂220或所述支撑装置100自动运动至该最优构型处。在确定了机械臂220或支撑装置100的最优构型后，用户(例如医护人员)可通过记忆单元310保存该最优构型的相关信息，从而可以在之后的手术过程中，用户(例如医护人员)可通过所述控制器300直接控制机械臂220或支撑装置100恢复至该保存的最优构型处。
[0192]
需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，在其它一些实施方式中，所述目标位姿获取模块310可以仅包括记忆单元310；在其它一些实施方式中，所述目标位姿获取模块310也可以仅包括解算单元312。
[0193]
如图14所示，所述控制模块320包括轨迹规划单元321和调整单元322。其中，所述轨迹规划单元321用于根据所述机械臂220的目标位姿和当前位姿，规划所述机械臂220的运动轨迹，或根据支撑装置100的目标位姿和当前位姿，规划所述支撑装置100的运动轨迹；所述调整单元322用于根据所规划的所述机械臂220的运动轨迹，控制各所述机械臂220按照所述运动轨迹进行调整运动，并控制所述支撑装置100跟随所述机械臂220的运动轨迹进行相应运动，或根据所规划的支撑装置100的运动轨迹，控制所述支撑装置100按照其运动轨迹进行调整运动，并控制所述机械臂220跟随所述支撑装置100的运动轨迹进行相应运动。
[0194]
更进一步的，所述轨迹规划单元321用于根据所述机械臂220的各关节的目标位置和当前位置，规划所述机械臂220的各关节的运动轨迹；或根据所述支撑装置100的各关节的目标位置和当前位置，规划所述支撑装置100的各关节的运动轨迹。
[0195]
进一步的，所述轨迹规划单元321用于根据所述机械臂220的目标位姿和当前位姿(所述机械臂220的各关节的目标位置和当前位置)，采用插值算法，获取所述机械臂220的运动轨迹(所述机械臂220的各关节的运动轨迹)；或根据所述支撑装置100的目标位姿和当前位姿(所述支撑装置100的各关节的目标位置和当前位置)，采用插值算法，获取所述支撑装置100的运动轨迹(所述支撑装置100的各关节的运动轨迹)。
[0196]
请参考图15，其示意性地给出了本发明一实施方式提供的定位装置的测量原理示意图。如图15所示，所述定位装置400为双目摄像机，即在本实施方式中，所述定位装置400基于双目视觉测量原理获取机器人坐标系(x2，y2，z2)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系以及支撑装置坐标系(x1，y1，z1)与所述世界坐标系(x0，y0，z0)之间的实时映射关系。所述支撑装置100的支撑体120上设有多个第一标记物130，进一步地，为了提高测量精度，所述支撑装置基座110上也可设有多个所述第一标记物130，所述机器人基座210上设有多个第二标记物240，通过所述双目摄像机获取所述多个第一标记物130的图像，即可获取所述多个第一标记物130在世界坐标系(x0，y0，z0)下的坐标，再根据所述多个第一标记物130与支撑装置坐标系(x1，y1，z1)之间的映射关系，即可获取所述支撑装置坐标系(x1，y1，z1)与所述世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系。同理，通过所述双目摄像机获取所述多个第二标记物240的图像，即可获取所述多个第二标记物240在世界坐标系(x0，y0，z0)下的坐标，再根据所述多个第二标记物240与机器人坐标系(x2，y2，z2)之间的映射关系，即可获
取所述机器人坐标系(x2，y2，z2)与所述世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系。
[0197]
需要说明的是，如本领域技术人员所能理解的，在其它一些实施方式中，所述定位装置400还可以基于单目视觉测量法、光学跟踪测量法或电磁测量法等常用的位置测量法，获取机器人坐标系(x2，y2，z2)与世界坐标系(x0，y0，z0)之间的映射关系以及支撑装置坐标系(x1，y1，z1)与所述世界坐标系(x0，y0，z0)之间的实时映射关系，本发明对此不进行限定。
[0198]
进一步地，当完成所述机械臂220和所述支撑装置100的调整运动后，系统会将调整后的所述机械臂220的位姿和所述支撑装置100的位姿进行保存，结束整个自动调整过程。由此，通过将调整后的所述机械臂220的位姿和所述支撑装置100的位姿进行保存，可以在之后的手术过程中，直接将机械臂220和支撑装置100恢复至该保存的位姿。
[0199]
如图14所示，所述处理器还包括状态判断模块330，所述状态判断模块330用于判断所述手术机器人系统的当前状态是否适合进行所述机械臂220和所述支撑装置100的调整运动。具体的，当用户(例如医护人员)通过所述手术机器人系统上的实体按键或交互界面上的虚拟按键发送自动调整指令至所述控制器300后(即所述控制器300接收用户指令后)，为了保证自动调整过程中的安全性，在进入自动调整过程前，所述状态判断模块330会执行若干安全检测，以判断所述手术机器人系统的当前状态是否适合进行机械臂220和支撑装置100的调整运动，若判断结果为是，则进行支撑装置100与机械臂220的自动调整运动。若判断结果为否，则用户(例如医护人员)的自动调整请求将被禁止，自动调整流程直接结束。为了便于用户(例如医护人员)及时知晓，在所述控制器300的控制下，所述手术机器人系统会向用户(例如医护人员)提供若干条解释性信息，或者通过声光报警的形式进行反馈。
[0200]
如图14所示，所述处理器还包括监测模块340，所述监测模块340用于对各所述机械臂220和所述支撑装置100的调整运动进行监测。
[0201]
如图13所示，所述调整系统还包括与所述控制器300通信连接的显示装置500，所述显示装置500用于对所述机械臂220和所述支撑装置100的实时调整运动过程进行显示。由此，通过所述显示装置500，可以实时对所述机械臂220和所述支撑装置100的调整运动过程进行显示，显示内容例如如图16中的右侧方框所示，此外，用户(例如医护人员)还可以通过所述显示装置500观察安装于所述机械臂220上的内窥镜所拍摄的图像，显示内容如图16中的左侧方框所示，以防止安装于所述机械臂220上的器械230伤害患者组织。
[0202]
需要说明的是，本发明实施方式的可读存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机硬盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其组合使用。
[0203]
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，
其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
[0204]
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言-诸如java、smalltalk、c ，还包括常规的过程式程序设计语言-诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0205]
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的可读存储介质、手术机器人系统和调整系统具有以下优点：本发明通过先获取机器人的机械臂的目标位姿，再对所述机械臂进行调整运动，以将所述机械臂的位姿调整至目标位姿，并在所述机械臂的调整过程中，控制所述支撑装置跟随所述机械臂进行相应运动；或者先获取支撑装置的目标位姿，再对所述支撑装置进行调整运动，以将所述支撑装置的位姿调整至目标位姿，并在所述支撑装置的调整过程中，控制机器人的机械臂跟随所述支撑装置进行相应运动。可见，本发明能够在不撤出器械的情况下，即可实现患者体位(即支撑装置位姿)与机械臂的位姿的调整，从而能够更高效、安全地完成手术，降低了对术前打孔位置以及设备摆位的要求，有效减少了术前准备时间，并且可以有效避免机械臂发生碰撞的概率。
[0206]
应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0207]
另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
[0208]
上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的保护范围。显然，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，倘若这些修改和变型属于本发明及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。