【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及手术机器人领域，特别涉及一种手术机器人系统的运动控制装置、运动控制方法、以及存储有结果为执行该手术机器人系统的运动控制方法的程序的计算机可读取介质。
技术介绍
1、微创手术机器人作为一种能减轻医生在手术过程中的体力劳动、并能实现高精度手术目的的辅助手段，正大量运用于各个科室的手术。在利用微创手术机器人来进行腹腔镜微创手术时，需要在患者身上切开一个或多个小的切口，并将套管(trocar)放置于切口内作为手术器械的通道。然而，切口的存在使得器械只能沿器械轴进行平移、以及绕器械轴上的瞬时不动点进行旋转。通常将该瞬时不动点称为远端运动中心(rcm：remotecentermotion，简称为不动点)。
2、以往，为了实现rcm约束，提出有例如现有的手术机器人系统所使用的双平行四边形机构等机械rcm机构、以及例如现有的手术机器人系统所使用的被动关节等方案。
3、此外，作为另一种实现rcm约束的方式，还提出有采用运动控制算法来实现远心点约束的可编程rcm的方案。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题
2、然而，作为常见的机械rcm机构，存在以下问题：第一，其精度好坏取决于设计制造以及工艺水平，且在后期难以对精度进行调整；第二，这种机构需要增加额外的硬件成本，会导致整个手术机器人系统的成本的提高；第三，在手术过程中，气腹压力或患者呼吸等的变化会导致不动点发生运动，而该方案无法适应这种不动点发生运动的情况。另外，作为常见的被动关节的方案，
3、此外，作为常见的可编程rcm方案，通常无法单独调节不动点精度，并且，也同样无法适应不动点运动的情形。
4、另外，由于rcm的存在会导致手术机器人系统失去两个自由度，因此，通常需要通过在手术器械的末端增加额外的两个以上的自由度，来满足器械末端能够在3d空间中以任意姿态到达任意位置的要求。由此，就需要通过对包括手术器械在内的整个手术机器人系统的运动进行控制，使得不仅能满足rcm约束的要求，同时还能使手术器械的末端以要求的姿态到达要求的位置。然而，作为现有的可编程rcm方案，无法同时满足上述多个需求。
5、本专利技术是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种手术机器人系统的运动控制装置、运动控制方法、以及存储有结果为执行该手术机器人系统的运动控制方法的程序的计算机可读取介质，能够在高精度地实现不动点约束的同时，根据控制目标使手术器械末端以要求的姿态精确到达要求的位置，并且能够灵活应对不动点发生运动的情况。
6、解决技术问题的技术方案
7、为了解决上述技术问题，本专利技术的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法，所述手术机器人系统包括机械臂、以及与所述机械臂的末端耦接的手术器械，所述手术机器人系统的运动控制方法包括：
8、基于所述机械臂末端的状态信息、以及不动点的标定位置，来对所述不动点相对于所述机械臂末端的第一向量在所述机械臂末端的与所述手术器械的器械轴正交的平面上的投影进行不动点约束建模，从而计算所述不动点的第一雅可比矩阵，所述不动点是所述器械轴在手术过程中始终通过的点；
9、基于所述机械臂末端的状态信息、所述手术器械末端的状态信息、所述机械臂的关节速度、以及所述手术器械的关节速度，来对所述手术器械的末端进行运动学建模，从而计算所述手术器械末端的第二雅可比矩阵；
10、基于所述第一雅可比矩阵和所述第二雅可比矩阵，来计算扩展任务空间的扩展雅可比矩阵，所述扩展任务空间包含所述不动点的运动空间和所述手术器械末端的运动空间；
11、基于所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的目标位置和实际位置、以及所述扩展雅可比矩阵，来计算所述机械臂和所述手术器械的各关节的关节目标位置；以及
12、将所述关节目标位置发送给所述机械臂和所述手术器械的各关节，以对所述手术机器人系统的运动进行控制。
13、另外，在本专利技术的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，优选为所述计算所述不动点的第一雅可比矩阵包括：
14、基于所述第一向量和所述机械臂末端的状态信息来计算从所述不动点起的与所述器械轴正交的第二向量；以及
15、通过使所述第二向量的导数为零，来使得所述第一向量在所述机械臂末端的与所述手术器械的器械轴正交的平面上的投影为零，从而计算所述第一雅可比矩阵。
16、另外，在本专利技术的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，进一步优选为所述计算所述第二向量包括：
17、获取机械臂末端位置、机械臂末端姿态和机械臂末端雅可比矩阵，以作为所述机械臂末端的状态信息；
18、基于所述机械臂末端位置和所述不动点的标定位置来计算所述不动点相对于所述机械臂末端的第一向量；
19、基于所述机械臂末端姿态来计算所述机械臂末端处的与所述器械轴正交的平面的基向量；以及
20、基于所述第一向量以及所述基向量，来计算所述第二向量。
21、另外，在本专利技术的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，优选为所述计算所述手术器械末端的第二雅可比矩阵包括：
22、获取机械臂末端位置、机械臂末端速度和机械臂末端雅可比矩阵，以作为所述机械臂末端的状态信息；
23、获取手术器械末端位置和手术器械末端速度，以作为所述手术器械末端的状态信息；
24、基于所述机械臂末端位置和所述手术器械末端位置，来计算所述手术器械末端相对于所述机械臂末端的相对位置；
25、基于所述机械臂末端速度和所述机械臂的关节速度，来计算与所述机械臂末端速度相对应的子雅可比矩阵；
26、基于所述手术器械末端速度和所述手术器械的关节速度，来计算所述手术器械末端相对于所述机械臂末端的相对雅可比矩阵；以及
27、基于所述机械臂末端雅可比矩阵、所述相对位置、所述子雅可比矩阵以及所述相对雅可比矩阵，来计算所述第二雅可比矩阵。
28、另外，在本专利技术的第一方面所涉及的控制方法是手术机器人系统的运动控制方法中，优选为所述计算所述关节目标位置包括：
29、基于所述目标位置和所述实际位置，来计算所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的位置偏差；
30、基于所述目标位置来计算所述手术器械末端在所述扩展任务空间中的目标速度；以及
31、基于所述位置偏差、所述目标速度、以及所述扩展雅可比矩阵，来计算所述机械臂和所述手术器械的各关节的控制量；以及
32、基于所述机械臂和所述手术器械的各关节的上一控制周期的关节位置、及所述控制量，来计算所述关节目标位置。
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【技术保护点】
1.一种手术机器人系统的运动控制方法，所述手术机器人系统包括机械臂、以及与所述机械臂的末端耦接的手术器械，所述手术机器人系统的运动控制方法的特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
3.如权利要求2所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
4.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
5.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
6.如权利要求5所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
7.如权利要求5所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
8.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
9.如权利要求8所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
10.如权利要求8所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
11.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，>
12.一种手术机器人系统的运动控制装置，所述手术机器人系统包括机械臂、以及与所述机械臂的末端耦接的手术器械，所述手术机器人系统的运动控制装置的特征在于，包括：
13.如权利要求12所述的手术机器人系统的运动控制装置，其特征在于，
14.如权利要求12或13所述的手术机器人系统的运动控制装置，其特征在于，
15.一种计算机可读取介质，该计算机可读取介质存储有如下程序，该程序用于执行如权利要求1至11的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法。
...【技术特征摘要】
1.一种手术机器人系统的运动控制方法，所述手术机器人系统包括机械臂、以及与所述机械臂的末端耦接的手术器械，所述手术机器人系统的运动控制方法的特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
3.如权利要求2所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
4.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
5.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
6.如权利要求5所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
7.如权利要求5所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
8.如权利要求1至3的任一项所述的手术机器人系统的运动控制方法，其特征在于，
【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，马峰，蒋劲峰，
申请(专利权)人：医达极星医疗科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：
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