包括弯曲工具的机器人系统及其主从运动控制方法与流程

1.本公开涉及医疗器械领域，尤其涉及一种包括弯曲工具的机器人系统及其主从运动控制方法。


背景技术：

2.微创术式对病人创伤更小、术后产出更高，已经在外科手术中占据了重要的地位。其利用手术工具，包括视觉照明模块和手术操作臂在内的手术器械均通过切口或者自然腔道进入人体中到达术部进行手术。现有手术器械主要为刚性直杆，刚性直杆的远端设有多杆件串联铰接的腕关节，通过钢丝绳拉力驱动，使手术器械在铰接关节处实现弯转。
3.由手术机器人的多个定位臂分别搭载的多个刚性直杆手术器械通过单一切口或自然腔道进行手术时，在体外通常需要较大的运动工作空间，以带动刚性直杆手术器械的远端腕关节运动，以满足远端灵活性。但是，较大范围的运动，容易造成手术器械之间发生碰撞，存在安全隐患。手术机器人在操作开始时或者操作过程中，要将主操作器先与手术器械建立映射，然后进行主从控制。由于没有预先将主操作器与对应控制的手术器械进行姿态匹配，会存在主操作器与手术器械之间的姿态(如朝向或者角度)不匹配。如果直接将两者对应匹配进行主从映射，将会降低对手术器械的控制精度，劣化医疗工作人员(例如手术医生)的人机互动体验。


技术实现要素：

4.基于以上问题，本公开的目的在于提供一种用于弯曲工具机器人系统的主从运动控制方法，其特征在于，所述机器人系统包括主操作器、至少一个运动臂以及设置在所述至少一个运动臂的远端的至少一个弯曲工具，所述弯曲工具包括弯曲刚性臂和设置在所述弯曲工具远端的末端装置，所述控制方法包括：
5.确定所述末端装置相对参考坐标系的当前姿态；
6.基于所述末端装置的当前姿态，确定所述主操作器的手柄的目标姿态；
7.控制所述主操作器的手柄向所述手柄的目标姿态运动；
8.执行至少一个运动控制循环，包括：在每个运动控制循环中，
9.确定所述主操作器的手柄的当前位姿；
10.基于所述主操作器的手柄的当前位姿及所述主操作器的手柄与所述弯曲工具的末端装置的位姿关系，确定所述末端装置的目标位姿；
11.基于参考点，确定位于所述至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的远程运动中心(rcm)点；以及
12.控制所述至少一个弯曲工具绕所述rcm点运动，以使所述末端装置向目标位姿运动
13.在一些实施例中，一种机器人系统，包括：
14.至少一个运动臂；
15.至少一个弯曲工具，设置在所述至少一个运动臂的远端，所述弯曲工具包括弯曲刚性臂和设置在所述弯曲工具远端的末端装置；以及
16.控制装置，被设置成基于运动命令，执行如本公开任意实施例中所述的控制方法。
17.在一些实施例中，本公开还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括：存储器，用于存储至少一条指令；以及处理器，与所述存储器耦合并且用于执行所述至少一条指令以执行如本公开任意实施例中所述的控制方法。
18.本公开还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储至少一条指令，所述至少一条指令由计算机执行时致使所述计算机实现如本公开任意实施例中所述的控制方法。
附图说明
19.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。
20.图1(a)示出根据本公开一些实施例的用于弯曲工具机器人系统的主从运动控制方法的流程图；
21.图1(b)示出根据本公开一些实施例的每个运动控制循环的方法的流程图；
22.图2示出根据本公开一些实施例的机器人系统的多个从动台车的结构示意图；
23.图3示出根据本公开一些实施例的机器人系统的框架示意图；
24.图4示出根据本公开一些实施例的主操作器的结构示意图；
25.图5示出根据本公开一些实施例的主控台车的结构示意图；
26.图6示出根据本公开一些实施例的弯曲工具的结构示意图；
27.图7示出根据本公开一些实施例的主从运动映射中的坐标系示意图；
28.图8示出根据本公开一些实施例的运动臂的结构示意图；
29.图9示出根据本公开一些实施例的包括弯曲工具的运动臂系统的部分结构示意图；
30.图10示出根据本公开一些实施例的连续体构节的结构示意图；
31.图11示出根据本公开一些实施例的弯曲工具的部分结构示意图；
32.图12示出根据本公开一些实施例的可弯转构件的纵向剖视图；
33.图13示出根据本公开另一些实施例的可弯转构件的结构示意图；
34.图14(a)示出根据本公开一些实施例的弯转单元的结构示意图；
35.图14(b)示出根据本公开一些实施例的相邻弯转单元配合的结构示意图；
36.图15(a)示出根据本公开一些实施例的远端连续体构节的结构示意图；
37.图15(b)示出根据本公开另一些实施例的远端连续体构节的结构示意图；
38.图16示出根据本公开一些实施例的近端连续体构节的结构示意图。
具体实施方式
39.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。
40.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。
41.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。
42.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，弯曲工具的位姿是指弯曲工具定义的坐标系相对于运动臂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构型或位姿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。
43.图1示出根据本公开一些实施例的用于弯曲工具机器人系统的主从运动控制方法1000(a)的流程图，图2示出根据本公开一些实施例的机器人系统10的多个从动台车的结构示意图，图3示出根据本公开一些实施例的机器人系统10的框架示意图。方法1000(a)可以由硬件、软件或者固件实现或执行。在一些实施例中，方法1000(a)可以由机器人系统(例如，图3所示的机器人系统10的控制装置3)执行。在一些实施例中，方法1000(a)可以实现为计算机可读的指令。这些指令可以由通用处理器或专用处理器读取并执行。例如，机器人系统10的控制装置3的处理器，被配置为执行方法1000(a)。在一些实施例中，这些指令可以存储在计算机可读介质上。
44.在一些实施例中，如图2所示，机器人系统10包括至少一个运动臂101以及设置在至少一个运动臂101的远端的至少一个弯曲工具100。例如，图2所示的机器人系统包括可以包括三个从动台车1，从动台车1包括运动臂101以及设置在各个运动臂101的远端的弯曲工具100。本领域技术人员可以理解，可以采用其他数量的从动台车1、运动臂101和弯曲工具100。应当理解，多个运动臂还可以设置在同一从动台车上。
45.在一些实施例中，如图3所示，机器人系统10可以包括从动台车1、主控台车2及控制装置3。控制装置3可以与主控台车2和从动台车1通信连接，例如可通过线缆连接、也可以通过无线连接，以实现与主控台车2和从动台车1之间的通信。主控台车2包括供操作者遥操
作的主操作器20，从动台车1包括至少一个运动臂101以及设置在至少一个运动臂101的远端的至少一个弯曲工具100。通过控制装置3实现主控台车2中的主操作器20与从动台车1中的弯曲工具100之间的主从映射，实现主操作器20对弯曲工具100的运动控制。应当理解，控制装置3可以配置在计算机设备上，设置在主控台车2内部。本领域技术人员可以理解，主控台车2和从动台车1可以采用其他结构或者形式，例如基座、支架或建筑物等。
46.在一些实施例中，弯曲工具的末端装置可以为手术执行器，例如夹钳、弯剪、电刀，以进行手术操作。应当理解，末端装置还可以包括但不限于图像采集设备或照明设备等。
47.图4示出根据本公开一些实施例的主操作器20的结构示意图，图5示出根据本公开一些实施例的主控台车2的结构示意图。在一些实施例中，如图5所示，主控台车2可以包括主操作器20和用于显示操作区域的图像的显示器(例如图5所示显示器21-23)。图像采集设备可以用于采集操作区域的图像，并将采集到的图像经视频处理模块处理后，显示在主控台车2的显示器上。操作者通过显示器中的图像实时获得弯曲工具的末端装置相对参考坐标系的位姿。主操作器相对参考坐标系的位姿是操作者真实感知到的姿态。操作者通过遥操作主操作器所感受到的位姿变化与操作者在显示器中感知到的弯曲工具的末端装置的姿态变化之间符合预设的位姿关系，这样，通过远程遥操作主操作器，基于预设的位姿关系将主操作器的位姿变换转换为弯曲工具的末端装置的位姿变化，进而实现对弯曲工具的末端装置的位姿控制。这样，当操作者握住主操作器的手柄运动以操作弯曲工具时，基于直观性操作的原则，操作者感受到的弯曲工具的末端装置的姿态变化量与操作者感受到的主操作器的姿态变化量保持一致，有助于改善操作者的遥操作感受以及遥操作精度。
48.在一些实施例中，如图5所示，主控台车2的显示器可以包含立体显示器21、主控外部显示器22、主控触摸显示器23。立体显示器21显示术部图像及系统状态提示，主控外部显示器22显示术部图像及系统状态提示，触摸显示器23显示主控台车2的软件用户界面。在一些实施例中，立体显示器21或主控外部显示器22显示的图像可以基于图像采集设备获取的图像确定。在一些实施例中，主控台车2还可以包括脚踏板(例如脚踏板24-26)，脚踏板用于采集医疗工作人员双脚的输入。例如，脚踏板可以包括电切踏板24、电凝踏板25、离合踏板26等结构。控制装置分别与主操作器20、主控台车显示器和脚踏板通信连接，用于与主操作器20、主控台车显示器和脚踏板进行信号交互，并基于收集到的控制信息生成相应的控制指令。
49.图6示出根据本公开一些实施例的弯曲手术工具的结构示意图。如图6所示，弯曲工具100包括弯曲刚性臂111和设置在弯曲工具100远端的末端装置140。在一些实施例中，运动臂101可以包括多个关节和与多个关节连接的臂体，通过多个关节以实现运动臂101的多个自由度运动。例如，运动臂101可以包括六个自由度，以实现运动臂101的位姿调整。应当理解，通过一个或多个传感器可以用于获取对应运动臂101的多个关节的关节值数据，以得到运动臂101的位姿数据。
50.在一些实施例中，弯曲工具100还可以包括远端连续体构节120。末端装置140(例如夹持器)可以设置在远端连续体构节120的远端。远端连续体构节120可以采用各种适当的结构，并且可以实现多个自由度。例如，远端连续体构节120可以包括串联的蛇骨结构，实现2个自由度。
51.图7示出根据本公开一些实施例的主从运动映射中的坐标系示意图。在图7中各坐
标系的定义如下：弯曲工具基坐标系{tb}，原点位于运动臂基座上，的方向可以向上，的方向可以与运动臂未被驱动时的方向垂直，例如，弯曲工具基坐标系{tb}可以为如图8所示的运动臂坐标系或者，在一些实施例中，弯曲工具基坐标系{tb}的原点位于运动臂基座上，和的方向可以与参考坐标系{w}的方向和方向相同。应当理解，弯曲工具基坐标系{tb}，原点还可以位于弯曲工具所穿过的鞘套出口处。相机坐标系{lens}，原点位于相机中心，相机轴线方向为方向，视野摆正后上方为方向。弯曲工具的末端装置坐标系{wm}，原点位于弯曲工具的末端，与末端的轴线方向一致，方向如图7所示。参考坐标系{w}，可以是主操作器或弯曲工具或相机所在空间的坐标系，例如弯曲工具基坐标系{tb}，或者世界坐标系，如图7所示。在一些实施例中，可以以操作者的体感为基准，当操作者端坐于主控台之前时，体感向上为方向，体感向前方向为方向。显示器坐标系{screen}，原点位于显示器中心，垂直屏幕画面向内方向为正方向，屏幕画面上方为方向。主操作器基坐标系{combx}，坐标轴方向如图7所示。主操作器的手柄坐标系{h}，坐标轴方向如图7所示。
52.如图1(a)所示，在步骤1001，确定末端装置相对参考坐标系的当前姿态。应当理解，参考坐标系可以为主操作器或弯曲工具或相机所在空间的坐标系或者世界坐标系。在一些实施例中，末端装置相对参考坐标系的当前姿态可以是末端装置相对于弯曲工具基坐标系{tb}的当前姿态。例如，弯曲工具基坐标系{tb}可以是手术机器人的运动臂基座的坐标系、弯曲工具所穿过的鞘管的坐标系(例如，鞘管出口的坐标系)等。弯曲工具基坐标系在遥操作过程中，固定不变。在一些实施例中，末端装置相对参考坐标系的当前姿态可以是末端装置在显示器中的图像相对于世界坐标系的当前姿态。例如，世界坐标系可以是操作者或主操作器所在空间的坐标系(例如{combx})。因此，末端装置在显示器中的图像相对于世界坐标系的姿态是操作者所感知的姿态。在一些实施例中，末端装置在显示器中的图像相对于世界坐标系的当前姿态可以通过坐标变换得到。例如，基于弯曲工具基坐标系{tb}、相机坐标系{lens}、显示器坐标系{screen}及世界坐标系，可以获得末端装置在显示器中的图像相对于世界坐标系的当前姿态。
53.在步骤1003，基于末端装置的当前姿态，确定主操作器的手柄的目标姿态。在一些实施例中，主操作器的手柄的目标姿态是相对于主操作器基坐标系{combx}的姿态。主操作器基坐标系{combx}可以是主操作器所连接的基座的坐标系。在一些实施例中，主操作器基坐标系{combx}与弯曲工具基坐标系{tb}具有确定的变换关系。
54.在一些实施例中，末端装置的当前姿态与手柄的目标姿态相匹配，例如相同、成比例或具有固定差值。例如，在遥操作之前，保持末端装置的当前姿态不变，并将末端装置的当前姿态作为手柄的目标姿态，将手柄的当前姿态调整至手柄的目标姿态，实现手柄与末端装置的姿态匹配。
55.在步骤1005，控制主操作器的手柄向手柄的目标姿态运动。在一些实施例中，确定主操作器的手柄的当前姿态，以及基于主操作器的手柄的目标姿态和手柄的当前姿态，生成主操作器的控制信号。通过控制信号以控制主操作器的手柄从手柄的当前姿态运动至手
柄的目标姿态。主操作器的手柄的当前姿态可以是主操作器的手柄相对于主操作器基坐标系{combx}的姿态。在一些实施例中，主操作器包括用于控制主操作器的手柄的姿态的至少一个姿态关节，控制主操作器的手柄向手柄的目标姿态运动包括生成用于控制至少一个姿态关节中的一个或多个姿态关节的控制信号。通过调整一个或者多个姿态关节实现对主操作器的手柄的姿态调整，实现主操作器的手柄与末端装置的姿态匹配。
56.在一些实施例中，主操作器包括用于控制手柄的姿态的至少一个姿态关节。确定主操作器的手柄的当前姿态包括：获得至少一个姿态关节的关节信息，并且基于至少一个姿态关节的关节信息，确定主操作器的当前姿态。
57.如图4所示，主操作器20包括多自由度机械臂201以及设置在机械臂201末端的手柄202。多自由度机械臂201包括多个关节。机械臂201的多个关节可以包括位置关节以及姿态关节。姿态关节可以用于调整主操作器的姿态，位置关节调整主操作器的位置。主操作器传感器可以设置在机械臂的姿态关节以及位置关节处，用于获取姿态关节以及位置关节对应的关节信息(位置或者角度)。根据获取到的关节信息，可以确定主操作器的手柄相对主操作器基坐标系{combx}的当前位姿。本领域技术人员可以理解，同一关节可以既是位置关节，又是姿态关节。
58.例如，如图4所示，主操作器20可以包括7个关节2011-2017，其中，第一关节2011、第二关节2012以及第三关节2013为位置关节，第一关节2011、第二关节2012、第五关节2015、第六关节2016以及第七关节2017为姿态关节。第一关节2011以及第二关节2012既可以调整主操作器手柄202的位置又可以调整主操作器手柄202的姿态。第五关节2015以及第六关节2016以及第七关节2017只能调整主操作器手柄202的姿态。第三关节2013只能调整主操作器手柄202的位置。
59.在一些实施例中，主操作器基坐标系{combx}是以基座虚拟为一点而建立的坐标系，其方向可以基于其物理构造而确定。手柄坐标系{h}是以手柄虚拟为一点而建立的坐标系，其方向可以基于其物理构造而确定。在一些实施例中，手柄坐标系{h}的原点可以与第五关节、第六关节、第七关节的坐标系的原点重合。
60.基于姿态关节的主操作器传感器获取的关节信息(如角度)以及正向运动学算法，计算主操作器的当前姿态。基于位置关节的主操作器传感器获取的关节信息(如位置)以及正向运动学算法，计算主操作器的当前位置。
61.在一些实施例中，方法1000(a)还可以包括：响应于预定条件得到满足，确定主操作器的手柄与末端装置之间的姿态匹配度，预定条件包括遥操作控制权的触发。在一些实施例中，可以通过触发装置实现遥操作控制权的触发。例如，触发装置可以是设置于主操作器或显示器上方便操作者靠近、触碰、按动或划拨的开关。触发方式可以包括但不限于，保持靠近、触碰、划拨、点按或长按等。触发装置的触发方式可以是靠近传感器、拨动主操作器上的开关、触碰主操作器上的感应位置、长按或点按主操作器上的按键、踩主控台的脚踏板、操作主控台的显示屏等。在一些实施例中，匹配是指手柄的姿态与末端装置的姿态满足预设关系(例如，一致)，姿态匹配度是指手柄的当前姿态与末端装置的当前姿态之间匹配的程度。在一些实施例中，基于主操作器的手柄的当前姿态及末端装置的当前姿态，确定主操作器与末端装置之间的姿态匹配度。
62.在一些实施例中，方法1000(a)还可以包括响应于姿态匹配度低于预设阈值，生成
主操作器的手柄的控制信号以使得姿态匹配度高于或等于预设阈值。或者响应于姿态匹配度高于或等于预设阈值，建立主操作器与末端装置之间的主从映射。例如，当姿态匹配度低于预设阈值时，响应于姿态匹配度低于预设阈值，生成对主操作器的手柄的当前姿态进行调整的控制信号以使得姿态匹配度高于或等于预设阈值。这样，当两者的姿态不匹配时可以自动进行姿态调整以实现两者姿态的一致性。当两者的当前姿态一致或者基本一致(姿态匹配度高于或者等于预设阈值)时，响应于姿态匹配度高于或等于预设阈值，建立主操作器与末端装置之间的主从映射，这样可以执行下一步的遥操作流程。
63.在一些实施例中，将主操作器的手柄的姿态与末端装置的姿态调整一致的方式包括：保持末端装置的当前姿态不改变，通过调整主操作器的手柄的姿态以使得主操作器的手柄的姿态与末端装置的姿态一致。
64.在一些实施例中，主操作器的手柄的目标姿态与末端装置的当前姿态一致，在主操作器与末端装置之间建立主从映射，可以执行主操作器对末端装置的遥操作，提高遥操作的操作精度以及遥操作的体验感。本领域技术人员可以理解，姿态一致是指姿态基本一致，主操作器的手柄的目标姿态与末端装置的当前姿态之间可以存在一定的误差，但是误差的范围在可接受的范围内。
65.在步骤1007，执行至少一个运动控制循环。通过至少一个运动控制循环，可以实现主操作器对末端器械的主从控制。
66.图1(b)示出根据本公开一些实施例的每个运动控制循环的方法1000(b)的流程图。在一些实施例中，如图1(b)所示，在步骤1009，方法1000(b)可以包括：在每个运动控制循环中，确定主操作器的手柄的当前位姿。
67.应当理解，当前位姿包括当前位置和当前姿态。以图7所示的坐标系为例，在一些实施例中，主操作器的手柄的当前位姿是相对主操作器基坐标系{combx}的位姿。例如，主操作器所在的支架或基座定义的坐标系、或世界坐标系的位姿。在一些实施例中，确定主操作器的手柄的当前位姿包括确定主操作器的手柄相对主操作器基坐标系{combx}的当前位置和当前姿态。
68.在一些实施例中，可以基于坐标变换确定主操作器的当前位姿。例如，可以基于主操作器的手柄坐标系{h}与主操作器基坐标系{combx}之间的变换关系确定手柄的当前位姿。通常情况下，主操作器基坐标系{combx}可以设置在主操作器所在的支架或基座上，且在遥操作过程中，主操作器基坐标系{combx}保持不变。
69.在一些实施例中，可以基于主操作器传感器确定主操作器的当前位姿。在一些实施例中，接收主操作器的至少一个关节的当前关节信息，并且基于至少一个关节的当前关节信息，确定主操作器的当前位姿。例如，主操作器的当前位姿是基于主操作器传感器获得的至少一个关节的当前关节信息确定的。主操作器传感器设置在主操作器的至少一个关节位置处。例如，主操作器包括至少一个关节，在至少一个关节处设置至少一个主操作器传感器。基于主操作器传感器获取对应关节的关节信息(位置或者角度)，计算主操作器的当前位姿。例如，基于正向运动学算法计算主操作器的当前位置和当前姿态。
70.例如，如图4所示，主操作器20可以包括7个关节2011-2017，其中，第一关节2011、第二关节2012以及第三关节2013为位置关节，第一关节2011、第二关节2012、第五关节2015、第六关节2016以及第七关节2017为姿态关节。
71.本领域技术人员可以理解，手柄坐标系{h}相对于主操作器基坐标系{combx}的位置和姿态可以通过第一关节至第七关节的关节信息确定。
72.在步骤1011，方法1000(b)可以包括：基于主操作器的手柄的当前位姿及主操作器的手柄与弯曲工具的末端装置的位姿关系，确定末端装置的目标位姿。例如，建立主操作器的手柄与弯曲工具的末端装置的主从映射关系，通过遥操作主操作器以控制弯曲工具的末端装置的位姿。位姿关系包括弯曲工具的末端装置相对参考坐标系{w}的位姿与主操作器相对参考坐标系{w}的位姿之间的关系。参考坐标系{w}包括主操作器或弯曲工具或相机所在空间的坐标系或者世界坐标系。
73.在一些实施例中，主操作器的手柄与弯曲工具的末端装置之间的位姿关系可以包括主操作器的手柄的位姿变化量与弯曲工具的末端装置的位姿变化量之间的关系，例如相等或者成比例。确定弯曲工具的末端装置的目标位姿包括：确定主操作器的手柄的先前位姿，确定弯曲工具的末端装置的起始位姿，并且基于主操作的手柄的先前位姿和手柄的当前位姿以及弯曲工具的末端装置的起始位姿，确定弯曲工具的末端装置的目标位姿。手柄的先前位姿以及当前位姿可以是主操作器的手柄相对主操作器基坐标系{combx}的位姿。弯曲工具的末端装置的起始位姿以及目标位姿可以是弯曲工具的末端装置相对弯曲工具基坐标系{tb}的位姿。
74.弯曲工具的末端装置的位姿可以包括弯曲工具的末端装置坐标系{wm}相对弯曲工具基坐标系{tb}的位姿。弯曲工具的基坐标系{tb}可以是运动臂所安装的基座的坐标系，或者弯曲工具的末端装置所穿过的鞘套的坐标系或世界坐标系。例如，弯曲工具的基坐标系{tb}可以设置在运动臂所安装的从动台车处，且在遥操作过程中，弯曲工具的基坐标系{tb}保持不变。可以对弯曲工具的末端装置的起始位姿进行坐标系变换，得到相对其他坐标系(例如，参考坐标系)的姿态。如图2所示，机器人系统10可以包括多个运动臂101。多个运动臂101可以安装在不同的从动台车上，也可以安装在同一从动台车上。
75.在一些实施例中，可以接收主操作器的至少一个关节的先前关节信息，并且基于至少一个关节的先前关节信息，确定主操作器的先前位姿。例如，基于主操作器传感器读取主操作器在先前时间以及当前时间的关节信息，确定主操作器的手柄的先前位姿和当前位姿。基于手柄相对主操作器基坐标系{combx}的先前位置以及当前位置，确定主操作器的手柄的位置变化量。基于手柄相对主操作器基坐标系{combx}的先前姿态以及当前姿态，确定主操作器的手柄的姿态变化量。
76.对于每个运动控制循环，可以将上一轮运动控制循环获得的主操作器的位姿，确定为本轮运动控制循环中，主操作器的先前位姿。可以将上一轮控制循环获得的弯曲工具的末端装置的目标位姿，作为本轮运动控制循环中弯曲工具的末端装置的起始位姿。例如，在每一轮运动控制循环中，可以基于主操作器的手柄的当前位姿，确定弯曲工具的末端装置的目标位姿，该目标位姿可以作为下一轮控制循环中弯曲工具的末端装置的起始位姿。例如，对于第一轮运动控制循环，则可以采用弯曲工具的末端装置的初始位姿(例如，弯曲工具的零位)作为第一轮运动控制循环的起始位姿。例如，遥操作中断后，在开始新的遥操作之前，保持末端装置的当前姿态(可以是遥操作中断前，最后一次运动控制循环中末端装置的目标位姿)不变，并将末端装置的当前姿态作为手柄的目标姿态，将手柄的当前姿态(例如，可以是遥操作中断前，最后一次运动控制循环中手柄的当前位姿)调整至手柄的目
标姿态，实现手柄与末端装置的姿态匹配，然后开始新的遥操作运动控制循环。
77.在一些实施例中，可以基于主操作器的先前位姿以及当前位姿，确定主操作器的位姿变化量。可以基于主操作器的位姿变化量及主操作器与弯曲工具的末端装置的位姿关系，确定弯曲工具的末端装置的位姿变化量。可以基于弯曲工具的末端装置的起始位姿以及弯曲工具的末端装置的位姿变化量，确定弯曲工具的末端装置的目标位姿。
78.位姿关系可以包括位置关系以及姿态关系。主操作器与弯曲工具的末端装置之间的位置关系可以包括主操作器的位置变化量与弯曲工具的末端装置的位置变化量之间的关系，例如相等或成比例。主操作器与弯曲工具的末端装置之间的姿态关系可以包括主操作器的姿态变化量与弯曲工具的末端装置的姿态变化量之间的关系，例如相等或成比例。
79.在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括基于手柄相对主操作器基坐标系的先前位姿和当前位姿、弯曲工具基坐标系与主操作器基坐标系的变换关系、末端装置相对弯曲工具基坐标系的起始位姿，确定末端装置相对所述弯曲工具基坐标系的目标位姿。
80.在一些实施例中，可以基于弯曲工具基坐标系与相机坐标系的变换关系、相机坐标系与显示器坐标系的变换关系、显示器坐标系与主操作器基坐标系的变换关系，确定弯曲工具基坐标系与主操作器基坐标系的变换关系。
81.如图7所示，弯曲工具基坐标系{tb}与主操作器基坐标系{combx}的变换关系
combxrtb
可以是基于弯曲工具基坐标系{tb}与相机坐标系{lens}的变换关系
lensrtb
、相机坐标系{lens}与显示器坐标系{screen}的变换关系
screenrlens
、显示器坐标系{screen}与主操作器基坐标系{combx}的变换关系
combxrscreen
确定。
82.在一些实施例中，显示器坐标系{screen}与主操作器基坐标系{combx}具有预定的变换关系。例如，主操作器与显示器的变换关系可以预先确定，例如主操作器与显示器可以分别固定设置在主控台车上。一些实施例中，弯曲工具基坐标系{tb}与相机坐标系{lens}具有预定的变换关系。在一些实施例中，相机可以设置在视觉工具的末端，在操作者进行作业之前，视觉工具已经运动结束，弯曲工具基坐标系{tb}与相机坐标系{lens}的变换关系
lensrtb
不再变化。例如，如图2所示，弯曲工具基坐标系{tb}可以位于运动臂基座上，与相机所安装的运动臂所在的基座具有预定变换关系。基于相机所安装的运动臂的构型或位姿，可以确定弯曲工具基坐标系{tb}与相机坐标系{lens}的变换关系
lensrtb
。
83.在一些实施例中，显示器坐标系{screen}与相机坐标系{lens}对于视野方向的定义一致。因此弯曲工具的末端装置在显示器中的图像相对于显示器坐标系{screen}的位置变化量与弯曲工具的末端装置相对于相机坐标系{lens}的位置变化量一致。这样，当操作者握住主操作器的手柄操作时，操作者感受到的弯曲工具末端装置的执行器的图像的位姿变化与操作者感受到的主操作器的手柄的位姿变化保持预设的变换关系。
84.在一些实施例中，在遥操作之前对手柄的姿态与末端装置的姿态进行匹配，当操作者开始操作(例如按下主操作器的手柄的夹钳按钮)，主从映射能够快速建立，主操作器和末端装置进入遥操作模式。此外，只对末端装置的当前姿态进行保持，操作者在非操作状态下仍可移动主操作器的手柄的位置，使其移动到合适的位置再进行遥操作匹配，极大增加了主操作器的手柄的运动空间。并且，上述提供的主从运动的控制方法，可以适用于多种不同原理和形式的从动端，且计算过程针对性强、计算量小，也降低将主操作器的手柄调整至目标姿态时的驱动量。
85.在一些实施例中，通过将主操作器与末端装置之间建立连接并实现控制权转移，在连接以及控制权转移的状态下确定主操作器的手柄与末端装置之间的姿态匹配度。若姿态匹配度满足预设阈值条件，则建立主操作器与末端装置之间的主从映射，执行遥操作步骤，以执行多个运动控制循环。若姿态匹配度不满足预设阈值条件，此时需要将主操作器的手柄的姿态调整至与末端装置的当前姿态一致，然后再建立主操作器与末端装置之间的主从映射，通过主操作器的手柄执行遥操作。在主操作器和末端装置建立遥操作关系之前及时调整主操作器的手柄的姿态与末端装置的姿态一致，实现了主操作器的手柄与末端装置之间的主从映射的准确性，提高操作者在遥操作时的操作体验，实现操作动作与实际动作的高精度匹配，同时避免了由于主操作器和末端装置彼此运动控制边界不一致导致的操作限制。
86.应当理解，当变换主操作器的控制对象(例如，末端装置)时，末端装置入腹的前端朝向与主操作器的手柄的当下的朝向很有可能是不同的。本公开提供的方法可以在主操作器和末端装置建立主从映射关系之前，操作者实际操作之前调整主操作器的手柄的姿态与末端装置的当前姿态一致，以实现操作者良好的操作体验以及动作预期与实际的高精度匹配，同时避免了主操作器和末端装置因为彼此运动控制边界不一致导致的操作限制。
87.如图1(b)所示，在步骤1013，方法1000(b)可以包括：基于参考点，确定位于至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的远程运动中心(rcm)点。应当理解，参考点可以是入口位置。例如，对于手术机器人而言，参考点可以是患者的入腹切口、自身入口等。一个或多个弯曲工具的远端可以通过入腹切口伸入患者体内。在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括基于参考点的位置，确定至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的点与参考点之间的距离，例如欧几里得距离，并且将弯曲刚性臂上与参考点的距离(例如，欧几里得距离)最小的点，确定为rcm点。应当理解，在弯曲工具的运动过程中，弯曲刚性臂上与参考点的距离最小的点沿弯曲刚性臂不断更新，rcm点的位置不断沿弯曲工具的弯曲刚性臂变化。
88.在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括响应于弯曲刚性臂的构型，确定弯曲刚性臂上的点与参考点之间的欧几里得距离的解析解。应当理解，弯曲刚性臂的构型可以包括弯曲刚性臂的形状。例如，弯曲刚性臂包括至少一个弧形刚性臂，可以基于点与弧线之间的解析解，确定弧形刚性臂上的点与参考点之间的欧几里得距离。
89.如图1(b)所示，在步骤1015，方法1000(b)可以包括：控制至少一个弯曲工具绕rcm点运动，以使末端装置向目标位姿运动。在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括控制至少一个弯曲工具上的rcm点(例如，在径向上)向参考点靠近。在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括确定至少一个弯曲工具上的rcm点的径向收敛速度，以及基于至少一个运动臂的运动学模型，确定与径向收敛速度相关的雅可比矩阵。应当理解，通过控制弯曲工具上的rcm点向参考点靠近，以使弯曲工具在运动过程中，rcm点能始终朝向参考点移动，以满足rcm约束。这样，可以防止弯曲工具远离参考点，带来安全风险。例如，在手术机器人中，弯曲工具如果向远离入腹切口的方向运动，会对切口形成横向牵拉，造成切口撕裂。本公开的一些实施例中，通过动态确定rcm点，并且控制弯曲工具绕rcm点运动，可以满足rcm约束，从而减轻甚至避免对入腹切口的牵拉风险。
90.在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括基于末端装置的目标位姿、至少一个运动臂的逆运动学模型以及至少一个弯曲工具的逆运动学模型，确定至少一个运动臂和至少
一个弯曲工具的目标构型。基于至少一个运动臂和至少一个弯曲工具的目标构型，控制至少一个运动臂和/或至少一个弯曲工具运动，以使末端装置向目标位姿运动。
91.在一些实施例中，如图6所示，弯曲工具100从近端到远端可以依次包括近端连续体构节421、弯曲刚性臂110、远端连续体构节120以及设置在远端连续体构节120上的末端装置140(例如夹持器)。远端连续体构节120和近端连续体构节421可以在结构上类似，例如，每个构节可以包括基盘(例如，如图16所示的近端基盘4212、如图15(a)所示的远端基盘3212)、至少一个间隔盘(例如，如图16所示的近端间隔盘4214、如图15(a)所示的远端间隔盘3214)、端盘(例如，如图16所示的近端止盘4213、如图15(a)所示的远端止盘3213)和多根结构骨(例如，如图16所示的近端结构骨4211、如图15(a)所示的远端结构骨3211)。通过拉动和推动由超弹性镍钛合金制成的结构骨，以使构节弯曲。间隔盘(例如，远端构节中的间隔盘可以由波纹管实现)可以防止结构骨在压缩载荷下失稳。在一些实施例中，构节的弯曲形状可以近似为圆弧。
92.多个结构骨穿过远端连续体构节120、弯曲刚性臂110和近段连续体构节421，两端固定在两个连续体构节的端盘上。远端连续体构节120中分布的结构骨数量与近端连续体构节421中分布的结构骨数量成正比，以形成对偶连续体机构。由于结构骨的总长度恒定，因此近端连续体构节421的弯曲可以改变结构骨在近端连续体构节421中的长度，以使远段连续体构节120内的结构骨的长度发生变化，从而使远端连续体构节120以一定比例的弯曲角度沿相反方向弯曲。由于对偶连续体机构包括冗余结构骨，可以使用更细的结构骨来保持适当的负载能力。同时，更细的结构骨会导致较大的弯曲曲率。在有限的构节长度内，可以实现更大的弯曲角度。通过将连续体构节作为远端腕关节，可以提高弯曲工具的灵活性和有效载荷能力。
93.在一些实施例中，如图6所示，弯曲刚性臂110可以至少一个弧形弯曲臂111。至少一个弧形臂111可以包括弯曲方向相反的第一弧形弯曲臂111a和第二弧形弯曲臂111b。弧形弯曲臂111的形状可以进行运动学优化，以提高弯曲工具的灵巧性和有效载荷能力，满足实际使用需求。弯曲刚性臂内部可以包括引导通道，以便于连续体构节的结构骨通过。应当理解，可以通过优化弧形弯曲臂的弯曲曲率或者弧形段的长度，以增加弯曲工具100远端的灵巧性或者提高弯曲工具100的载荷能力，以满足多种术式需求。
94.图8示出根据本公开一些实施例的运动臂的结构示意图，图9示出根据本公开一些实施例的包括弯曲工具的运动臂系统的部分结构示意图，图10示出根据本公开一些实施例的连续体构节的结构示意图，图11示出根据本公开一些实施例的弯曲工具的部分结构示意图。应当理解，可以用表i中列出的命名法和图8至图11中所示的坐标来定义坐标，以描述单个连续体构节的运动学和包括弯曲工具的运动臂系统的运动学。本公开中的坐标系定义如下：
95.世界坐标系用于描述弯曲工具的运动臂系统。
96.运动臂坐标系分配给运动臂的关节轴，基于denavit-hartenberg规则如表ii所示。{d0}位于运动臂的底部。
97.弯曲工具坐标系从{d6}在方向平移距离l。{ste}位于弯曲工具底部在yz平面上具有优化的两圆弧平面曲线。
98.构节基座坐标系附加到构节的基盘上。xy平面于以原点为中心的基盘。从中心指向第一个结构骨。
99.构节基座弯曲坐标系位于{s1}的原点，构节在xy平面上。
100.构节末端弯曲坐标系是从{s2}通过围绕旋转得到的，使得与端盘处的虚拟中心主干相切。{s3}的原点位于端盘的中心。
101.构节末端坐标系固定在端盘上。点从端盘中心到第一个结构骨。垂直于端盘。
102.表i命名法
[0103][0104]
表ii
[0105]
包括弯曲工具的运动臂的结构参数和范围
[0106]
[0107][0108]
应当理解，以上表i中的命名法和表ii中的弯曲工具和运动臂的结构参数和范围仅仅是示例性的，并不构成限制。本领域技术人员可以根据实际情况采用其他命名法或结构参数和范围。
[0109]
对于单个连续体构节(例如近端构节或者远端构节)，基于恒定弯曲假设，端盘的中心位置可以基于公式(1)确定：
[0110][0111]
在公式(1)中，当θ
l
接近零时，
s1
p s1_s4
＝[0 0l]
t
。
[0112]
从{s4}到{s1}的方向映射可以如公式(2)所示：
[0113]
s1rs4
＝
s1rs2s2rs3s3rs4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0114]
在公式(2)中，和表示围绕旋转一个角度-δ，
[0115]
从{s4}到{s1}的构型空间和工作空间之间的瞬时运动学如公式(3)所示：
[0116][0117]
在公式(3)中，在公式(3)中，为从{s4}到{s1}的工作空间速度(包括线速度和角速度)，为连续体构节的构型空间内的构型速度向量，js表示连续体构节的雅可比矩阵，j
vs
和j
ωs
分别表示连续体构节的线速度雅可比矩阵和角速度雅可比矩阵。
[0118]
连续体构节的线速度雅可比矩阵j
vs
可以基于公式(4)确定，连续体构节的角速度雅可比矩阵j
ωs
可以基于公式(5)确定：
[0119][0120][0121]
应当理解，表ii中列出的denavit-hartenberg参数可用于描述运动臂的运动学。运动臂的齐次变换矩阵如公式(6)所示：
[0122][0123]
在公式(6)中，
[0124][0125]
从{d0}到{d6}的运动臂的构型空间和工作空间之间的瞬时运动学如公式(7)所示：
[0126][0127]
在公式(7)中，为从{d6}到{d0}的工作空间速度(包括线速度和角速度),为运动臂的构型空间内的构型速度向量，jd分别表示运动臂的雅可比矩阵，j
vd
和j
ωd
分别表示运动臂的线速度雅可比矩阵和角速度雅可比矩阵。
[0128]
运动臂的线速度雅可比矩阵j
vd
可以基于公式(8)确定，运动臂的角速度雅可比矩阵j
ωd
可以基于公式(9)确定：
[0129][0130][0131]
在一些实施例中，驱动单元和弯曲工具可以连接到运动臂的远端(例如运动臂的远端法兰上)，{ste}沿从{d6}平移恒定距离l:
d6
p
d6_ste
＝[0 0 l]
t
,
d6rste
＝i。
[0132]
{s1}位于从{ste}沿{ste}的yz平面内的平面曲线变换的位置。变换包括由
sters1
表示的围绕的旋转，以及由
ste
p
ste_s1
表示的平面内的平移。应当理解，对于特定直杆，
sters1
可以为单位矩阵。
[0133]
末端装置(例如夹持器)的尖端位置位于{s4}中，
s4
p
s4_gp
＝[0 0g]
t
。{d0}中的尖端位置可以基于公式(10)确定：
[0134][0135]
在公式(10)中，
[0136]
从末端装置尖端到{d0}的构型空间和工作空间之间的瞬时运动学如公式(11)所示：
[0137][0138]
为从末端装置尖端到{d0}的工作空间速度(包括线速度和角速度),为包括弯曲工具的运动臂系统的构型空间内的构型速度向量，j
gp
表示包括弯曲工具的运动臂系统的雅可比矩阵，j
vgp
和j
ωgp
分别表示包括弯曲工具的运动臂系统的线速度雅可比矩阵和角速度雅可比矩阵。
[0139]
在公式(11)中，中的线速度和角速度可以基于公式(12)和公式(13)确定：
[0140][0141]
[0142]
在公式(12)和公式(13)中，
d0rs1
＝
d0rd6 d6rste sters1
，
d0
p
d6_gp
＝
d0rd6 d6
p
d6_gp
，
s1
p
s4_gp
＝
s1rs4 s4
p
s4_gp
。
[0143]
包括弯曲工具的运动臂系统的线速度雅可比矩阵可以基于公式(14)确定，包括弯曲工具的运动臂系统的角速度雅可比矩阵可以基于公式(15)确定：
[0144]jvgp
＝[j
vd-[
d0
p
d6_gp
×
]j
ωd d0rs1
(j
vs-[
s1
p
s4_gp
×
]j
ωs
)]
ꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0145]jωgp
＝[j
ωd d0rs1jωs
]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0146]
在公式(14)中，[p
×
]是p的斜对称矩阵。
[0147]
在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括确定至少一个弯曲工具上的rcm点的位置，确定至少一个弯曲工具上的rcm点的切向的单位向量，以及基于至少一个运动臂的运动学模型、单位向量以及rcm点的位置，确定与径向收敛速度相关的雅可比矩阵。在一些实施例中，如图11所示，rcm点为
ste
p
ste_rcm
(s)＝[0fy(s)fz(s)]
t
,s∈[0,h]，fy(s)表示在{ste}坐标系下，从{ste}坐标系原点沿着弯曲刚性臂距离为s处的y坐标，fz(s)表示在{ste}坐标系下，从{ste}坐标系原点沿着弯曲刚性臂距离为s处的z坐标，rcm点沿弯曲工具的切线方向在不同点处不同。例如，沿rcm点的切线方向的单位向量可以基于公式(16)计算：
[0148][0149]
在公式(16)中，为rcm点的切向的单位向量，arb表示从{b}到{a}的坐标变换矩阵(例如
d0rste
为从坐标系{ste}到{d0}的坐标变换矩阵)，为弯曲工具坐标系，为运动臂坐标系，j为自由度指数,j＝1,2,
…
,8.{d0}为位于运动臂的底部的坐标系，ap
b_c
表示在{a}中{b}原点到{c}原点的位置向量(例如
ste
p
ste_rcm
(s)为在{ste}中{ste}原点到{rcm}原点的位置向量)。
[0150]
rcm点的实际线速度
d0vrcm
可以基于公式(17)计算：
[0151][0152]
在公式(17)中，
d6
p
d6_rcm
(s)＝
d6
p
d6_ste
+
d6rste ste
p
ste_rcm
(s)。
[0153]
rcm点的径向速度
d0vrcm
⊥
可以基于公式(18)计算：
[0154][0155]
应当理解，rcm点的径向速度包括朝向参考点的方向和远离参考点的方向，将朝向参考点的径向速度定义为径向收敛速度。
[0156]
与径向收敛速度相关的雅可比矩阵j
rcm
⊥
可以基于公式(19)计算：
[0157][0158]
在公式(19)中，j
vd
和j
ωd
分别表示从{d0}到{d6}的雅可比矩阵的线速度和角速度。
[0159]
在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括确定至少一个弯曲工具上的rcm点与参考点之间的偏差距离，将径向收敛速度确定为与偏差距离成比例。例如，可以基于公式(20)确定rcm点的径向收敛速度：
[0160]
[0161]
在公式(20)中，k
rcm
是标量系数，
d0
p
dis_rcm
(s)＝
d0
p
d0_aep
–
d0
p
d0_rcm
(s)and
d0
p
d0_rcm
(s)＝
d0
p
d0_d6
+
d0rd6d6
p
d6_rcm
(s)。其中，
d0
p
d0_aep
为参考点(例如入腹切口)。
[0162]
基于公式(21)以将rcm点收敛到参考点：
[0163][0164]
在一些实施例中，至少一个运动臂可以包括第一运动臂和第二运动臂，至少一个弯曲工具可以包括第一弯曲工具和第二弯曲工具，第一弯曲工具和第二弯曲工具分别设置在第一运动臂和第二运动臂的远端。应当理解，运动臂和弯曲工具还可以是其他数量，例如三个、四个或者更多个。方法1000(b)还可以包括判断第一运动臂与第二运动臂之间是否会形成干涉，响应于第一运动臂与第二运动臂之间会形成干涉，增加第一运动臂与第二运动臂之间的距离。在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括判断第一弯曲工具与第二弯曲工具之间是否会形成干涉，以及响应于第一弯曲工具与第二弯曲工具之间会形成干涉，增加第一弯曲工具与第二弯曲工具之间的距离。
[0165]
在一些实施例中，可以确定与第一运动臂和第二运动臂分别对应的第一运动臂模型和第二运动臂模型上距离最近的点，判断第一运动臂模型和第二运动臂模型上距离最近的点之间的距离是否小于第一预设阈值，以及响应于距离小于第一阈值，增加第一运动臂和第二运动臂之间的距离。
[0166]
在一些实施例中，可以确定与第一弯曲工具与第二弯曲工具分别对应的第一弯曲工具模型和第二弯曲工具模型上距离最近的点，判断第一弯曲工具模型和第二弯曲工具模型上距离最近的点之间的距离是否小于第二阈值，以及响应于距离小于第二阈值，增加第一弯曲工具与第二弯曲工具之间的距离。
[0167]
应当理解，与运动臂对应的运动臂模型可以包括凸多面体，与弯曲工具对应的弯曲工具模型可以包括线段和圆弧(例如，圆弧可以对应弯曲工具的弯曲刚性臂)。两个凸多面体之间的距离可以通过gjk(gilbert
–
johnson
–
keerthi)算法确定，线段之间、线段与圆弧的距离可以解析计算确定。例如，两个包括弯曲工具的运动臂系统分别表示为a和b。{d3}和{d4}之间的结构表示为实体1，{d6}和{ste}之间的结构表示为实体2，弯曲刚性臂的两段圆弧分别表示为实体3和实体4。可以通过确定四对实体a
e1-b
e1
,a
e1-b
e2
,a
e2-b
e1
,和a
e2-b
e2
之间的距离，以判断第一运动臂和第二运动臂在腹部外是否发生干涉(例如碰撞)。通过确定四对实体a
e3-b
e3
,a
e3-b
e4
,a
e4-b
e3
,和a
e4-b
e4
之间的距离，以判断第一弯曲工具和第二弯曲工具在腹部内是否发生干涉。
[0168]
在实体a
e1-b
e1
,a
e1-b
e2
,a
e2-b
e1
,和a
e2-b
e2
中，距离小于第一阈值(可以为预设值)的，以及在实体a
e3-b
e3
,a
e3-b
e4
,a
e4-b
e3
,和a
e4-b
e4
中，距离小于第二阈值(可以为预设值)，对应的两个实体可以表示为at和bt(t＝1,2,3,
…
)，两个实体上距离最近的点的对应位置向量表示为p
at
和p
bt
。
[0169]
响应于运动臂之间或者弯曲工具之间会形成干涉，可以增加p
at
和p
bt
之间的距离：d
t_ab
＝||p
at-p
bt
||2。雅可比矩阵作为平方距离相对于ψ的偏导数，(以行向量j
at_ca
和j
bt_ca
的形式)可以如公式(22)所示：
[0170][0171]
在公式(22)中，ψa和ψb分别为两个包括弯曲工具的运动臂系统的构型向量。j
at_ca
和j
bt_ca
分别表示驱动对于a和b两个系统上的at和bt几何实体对上面的任意两个点p
at
和p
bt
各自沿着连线反方向运动的雅可比矩阵。应当理解，对于单个包括弯曲工具的运动臂系统只附加了一个任务，因此j
at_ca
和j
bt_ca
均是行向量。
[0172]
在一些实施例中，可以将第一运动臂与第二运动臂之间的分离速度确定为与第一运动臂与第二运动臂之间的距离成比例，以增加第一运动臂与第二运动臂之间的距离。可以将第一弯曲工具与第二弯曲工具之间的分离速度确定为与第一弯曲工具与第二弯曲工具之间的距离成比例，以增加第一弯曲工具与第二弯曲工具之间的距离。例如，p
at
和p
bt
相应的分离速度可以基于公式(23)确定：
[0173][0174]
在公式(23)中，k
ca
为标量系数，可以用于定义分离速度的大小。
[0175]
对于距离小于阈值(例如第一阈值或第二阈值)的多对实体，可以基于公式(24)防止发生干涉：
[0176][0177]
在公式(24)中，和分别对应的两个包括弯曲工具的运动臂系统a和b的构型速度向量。j
a_ca
表示多个j
at_ca
行向量经过行叠加组成的雅可比矩阵，j
b_ca
表示多个j
bt_ca
行向量经过行叠加组成的雅可比矩阵。
[0178]
在一些实施例中，末端装置的目标位姿可以包括目标位置和目标姿态，方法1000(b)还可以包括响应于末端装置不能到达目标位姿，控制末端装置到达目标位置，以及控制末端装置向目标姿态运动。应当理解，控制至少一个弯曲工具绕rcm点运动的过程中，需要防止弯曲工具之间，以及运动臂之间发生干涉。将绕rcm点运动以及防干涉约束赋予最高优先级，在一些情况下，可能使末端装置不能达到目标位姿。响应于末端装置不能到达目标位姿，将末端装置的线速度
d0vdes
设置为比角速度
d0
ω
tar
更高的优先级，通过控制末端装置的线速度
d0vdes
，以使末端装置到达目标位置。并控制末端装置的角速度
d0
ω
tar
，以使末端装置向目标姿态运动。例如，可以基于公式(25)确定包括弯曲工具的运动臂系统的三级优先逆运动学。应当理解，较低优先级的任务与系统的剩余运动能力相适应，且不会违反较高优先级的任务。
[0179][0180]
在公式(25)中，在公式(25)中，为雅可比矩阵j的moore-penrose伪逆。v
1st
表示第一
优先级对应的目标速度，j
1st
表示将rcm约束以及防干涉约束赋予第一优先级的雅可比矩阵，j
2nd
表示将末端装置的线速度赋予第二优先级的雅可比矩阵，j
3rd
表示将末端装置的角速度赋予第三优先级的雅可比矩阵。
[0181]
在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括基于末端装置的目标位姿，确定至少一个运动臂的多个关节的关节速度，以及响应于关节速度超过关节速度限制，缩小至少一个运动臂的多个关节的关节速度。应当理解，对于第j个关节，第j个元素的速度限制可以基于公式(26)定义，可以基于公式(27)按比例缩小多个关节的关节速度，以避免关节速度过快：
[0182][0183][0184]
公式(26)和公式(27)中的构型向量的第j个元素(ψ|
j_lower
和ψ|
j_upper
)的下限和上限可以基于公式(28)定义：
[0185]
ψ|
j_lower
≤ψ|j≤ψ|
j_upper
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0186]
应当理解，当更新后的构型向量的至少一个构型变量违反速度限制时，通过按比例缩小多个关节的关节速度，以使构型变量在速度限制范围内，以避免构型变量超限制后可能会导致位置和(或)方向偏离。
[0187]
在一些实施例中，方法1000(b)还可以包括基于末端装置的目标位姿，确定至少一个运动臂的多个关节的关节值，以及响应于至少一个关节的关节值超过关节限制，进行降维处理。应当理解，降维处理可以包括降低雅可比矩阵的维数，使用不饱和关节来满足原始任务和约束。例如，可以基于公式(29)进行降维处理：
[0188]
j'＝jd
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0189]
在公式(29)中，d是对角矩阵。当超过第j个关节的限制时，第j个对角元素被指定为0，否则被指定为1，表示对应的自由度可用。
[0190]
将基于降维处理的雅可比矩阵将代入公式(25)以重新计算构型速度向量，以得到更新后的构型向量。
[0191]
在一些实施例中，降维处理后，基于末端装置的目标位姿，确定至少一个运动臂的多个关节的关节值，以及响应于至少一个关节的关节值超过关节限制，再次进行降维处理。应当理解，更新后的构型速度向量仍然导致剩余的构型变量超出限制，可以进一步降低雅可比矩阵的维数，如公式(29)所示，直到所有计算的构型变量都在对应的限制范围内。
[0192]
应当理解，该控制方法可以控制弯曲工具绕弯曲刚性臂上的远程运动中心(rcm)点运动，且能防止体外运动臂之间和体内弯曲工具之间发生碰撞，同时各个关节的实时运动满足系统的极限位置和速度限制。该控制方法可以基于优先逆运动学，以使系统优先完成更重要的任务，并在运动能力超限制时，进行降维处理，以保证系统便捷、安全有效的运行。
[0193]
在一些实施例中，如图3所示，本公开提供了一种弯曲工具100，包括弯曲刚性臂110、可弯转组件120和设置在可弯转组件120远端的末端装置140。可弯转组件120设置在弯
曲刚性臂110的远端，被配置为驱动末端装置140相对于弯曲刚性臂110弯曲或旋转。弯曲刚性臂可以增强手术工具的强度，而且可以增加末端装置的运动灵活性，可弯转组件可以进一步增强末端装置的灵活性，使手术工具在狭小空间中实现负载强、灵活度高的手术操作。
[0194]
在一些实施例中，图12示出根据本公开一些实施例的可弯转构件的纵向剖视图。如图12所示，可弯转组件120包括至少一个可弯转构件121和多根驱动丝122。至少一个可弯转构件121设置在弯曲刚性臂110的远端，多根驱动丝122的远端与可弯转构件121连接。多根驱动丝122延伸穿过可弯转构件121的至少一部分和弯曲刚性臂110，多根驱动丝122用于驱动可弯转构件121在至少一个自由度上弯转。应当理解，弯曲刚性臂110可以由镍钛合金管通过预弯曲成型。根据不同需求，可以改变弯曲刚性臂110的预弯曲的曲率以及臂体长度，以增加适用性。在一些实施例中，弯曲刚性臂110可以包括一个弯曲段，或者两个弯曲段，或者更多个弯曲段。例如，每个弯曲段的长度或者弯曲曲率可以不同。
[0195]
在一些实施例中，可弯转组件120可以包括至少一个转轮和至少一根驱动丝。至少一个转轮与末端装置140连接，用于带动末端装置140转动，至少一根驱动丝，与至少一个转轮连接，用于驱动转轮转动。例如，转轮可以是固定设置在末端装置140上的滑轮，驱动丝可以为钢丝绳，通过钢丝绳驱动滑轮转动，以驱动末端装置140转动。再例如，至少一个转轮可以是固定设置在末端装置140上的滑轮组，多根驱动丝与滑轮组连接，驱动滑轮组转动，以带动末端装置140在多个自由度上转动。
[0196]
如图12所示，可弯转构件121可以包括波纹管121a，驱动丝122贯穿设置在波纹管121a内或贯穿设置在波纹管121a的波纹管壁中。驱动丝122的远端与波纹管121a的远端固定连接。例如，波纹管121a可以包括管体1211，管体1211的管壁沿径向波纹弯折，形成多个朝管体的延伸方向间隔布置的波纹凸缘1212。应当理解，多个波纹凸缘1212上可以对应设有通过孔，以供驱动丝122通过。或者，波纹管121a内固定地间隔设置多个间隔盘，间隔盘上对应设有通过孔，以供驱动丝122通过。应当理解，多个波纹凸缘1212等间距地间隔设置，相邻的波纹凸缘1212之间形成凹槽，为波纹管121a的弯曲变形提供空间。通过波纹管可以使可弯转构件121在径向上的弯曲受力更加均匀，弯曲变形精度更高。管体1211可以为金属波纹管，变形性好的同时保证结构强度，且便于手术工具的灭菌消毒。
[0197]
驱动机构推或拉多根驱动丝122，以带动波纹管121a弯转，从而驱动弯曲工具100的远端在至少一个自由度上弯转。在一些实施例中，驱动丝122的数量可以为多根，沿周向间隔分布。通过推、拉或协同推拉多根驱动丝122，以调整波纹管121a的弯转方向，以实现可弯转构件121向多个自由度方向的弯转。例如，协同推拉对应设置的两根驱动丝122，可以实现可弯转构件121向第一自由度方向的弯转，协同推拉对应设置的另外两根驱动丝122，可以实现可弯转构件120向第二自由度方向的弯转，从而使可弯转构件121具有至少一个方向上的自由度。
[0198]
图13示出根据本公开一些实施例的可弯转构件221的结构示意图。在一些实施例中，如图13所示，可弯转构件221可以包括蛇骨结构221a。图14(a)示出根据本公开一些实施例的弯转单元2211的结构示意图，图14(b)示出根据本公开一些实施例的相邻弯转单元2211配合的结构示意图。如图13、图14(a)和图14(b)所示，蛇骨结构221a可以包括多个首尾相接的中空竹节状弯转单元2211，相邻两个弯转单元2211之间通过相互嵌套的连接凹槽2212和连接凸起2213形成可径向弯转的运动副。
[0199]
驱动丝122可以贯穿设置在各弯转单元2211内或贯穿设置在各弯转单元2211的管壁中。驱动丝122的远端固定可以设置在蛇骨结构221a的远端，或者蛇骨结构221a的中间弯转单元2211远端，驱动丝122的近端与驱动机构连接。驱动机构推或拉驱动丝122，以带动蛇骨结构221a弯转，从而驱动可弯转构件221弯转。通过推、拉或协同推或拉多根驱动丝122，以调整蛇骨结构221a的弯转方向，以实现可弯转构件221向多个自由度方向的弯转。
[0200]
应当理解，可弯转构件包括但不限于上述结构，任何可以弯转的结构均落入本公开的保护范围。
[0201]
图15(a)和图15(b)分别示出根据本公开一些实施例的远端连续体构节321的结构示意图。在一些实施例中，如图15(a)和图15(b)所示，可弯转构组件120可以包括至少一个远端连续体构节321。如图15(a)所示，可弯转构组件120可以包括一个远端连续体构节321。远端连续体构节321可以包括多根远端结构骨3211、远端基盘3212、远端止盘3213和设置在远端基盘3212和远端止盘3213之间的至少一个远端间隔盘3214。多根远端结构骨3211的远端与远端止盘3213固定连接，多根远端结构骨3211可滑动地穿过至少一个远端间隔盘3214和远端基盘3212。例如，远端基盘3212、至少一个远端间隔盘3214和远端止盘3213可以间隔设置，各盘上分别设有对应的沿周向间隔分布的通过孔，多根远端结构骨3211可以滑动穿过远端间隔盘3214和远端基盘3212上的通过孔。多根远端结构骨3211可以沿径向相对的位置分布，协同推拉位置相对的两根结构骨，以驱动远端连续体构节321弯曲。在一些实施例中，远端基盘3212、远端止盘3213和至少一个远端间隔盘3214可以通过波纹管结构实现，类似于图12所示的波纹管121a。
[0202]
图16示出根据本公开一些实施例的近端连续体构节421的结构示意图。在一些实施例中，如图16所示，弯曲工具100还包括至少一个近端连续体构节421。近端连续体构节421可以包括多根近端结构骨4211、近端止盘4213、近端基盘4212和设置在近端基盘4212和近端止盘4213之间的至少一个近端间隔盘4214。多根近端结构骨4211的近端与近端止盘4213固定连接，多根近端结构骨4211与至少一个近端间隔盘4214和近端基盘4212滑动连接，近端结构骨4211的远端与多根远端结构骨中的相应远端结构骨的近端固定连接或一体成型。
[0203]
本领域技术人员应当理解，近端基盘4212可以固定设置，例如固定设置于支架150上，或者近端基盘4212可以与支架150一体成型。多根近端结构骨4211的近端可以沿近端止盘4213的周向分布，并与近端止盘4213固定连接。近端结构骨4211可以沿近端止盘4213的周向均匀间隔分布，也可以非均匀的对称间隔分布。例如，近端基盘4212、至少一个近端间隔盘4214和近端止盘4213可以间隔设置，各盘上分别设有对应的沿周向间隔分布的通过孔，多根近端结构骨4211可以滑动穿过近端间隔盘4214和近端基盘4212上的通过孔，远端与对应的远端结构骨3211的近端固定连接或一体成型。通过设置近端间隔盘4214和远端间隔盘3214，以防止结构骨在推拉时失稳，以增加连续体构节的运动精度和稳定性。应当理解，驱动丝122(例如近端结构骨4211和/或远端结构骨3211)可以包括由超弹性材料制成的弹性细杆或细管，例如镍钛合金材料。
[0204]
在一些实施例中，如图16所示，近端连续体构节421还可以包括多根近端驱动结构骨4215。近端驱动结构骨4215的近端可以与近端止盘4213固定连接，近端驱动结构骨4215穿过至少一个近端间隔盘4214和近端基盘4212，远端与至少一个驱动机构连接。通过驱动
机构协同推拉位置相对的两根近端驱动结构骨4215，以驱动近端连续体构节421弯曲，通过近端连续体构节421带动远端连续体构节321弯曲。例如，近端驱动结构骨4215的直径可以大于近端结构骨4211，以避免近端驱动结构骨4215在推拉时发生折断，以增加弯曲工具100的使用寿命。应当理解，近端驱动结构骨4215的直径也可以等于或者小于近端结构骨4211的直径。
[0205]
应当理解，通过将近端驱动结构骨4215的近端与近端止盘4213固定连接，远端与驱动机构连接，以将驱动机构前置(更靠近远端的方向)，实现驱动机构与近端连续体构节421的紧密布置，以减少弯曲工具100的尺寸。应当理解，近端驱动结构骨4215的近端可以与近端基盘4212固定连接，近端驱动结构骨4215穿过至少一个近端间隔盘4214和近端止盘4213，近端与至少一个驱动机构连接，以将驱动机构后置(更靠近近端的方向)。
[0206]
在一些实施例中，弯曲工具100还包括多个近端连续体构节421，可以提供更多的自由度。如图15(b)所示，至少一个远端连续体构节321可以包括第一远端连续体构节321a和第二远端连续体构节321b，第二远端连续体构节321b可以设置在第一远端连续体构节321a的远端。第一远端连续体构节321a可以包括多根第一远端结构骨3211a、第一远端止盘3213a、第一远端基盘3212a和设置在第一远端基盘3212a和第一远端止盘3213a之间的至少一个第一远端间隔盘3214a。多根第一远端结构骨3211a的远端与第一远端止盘3213a固定连接，滑动穿过至少一个第一远端间隔盘3214a和第一远端基盘3212a，近端与至少一个驱动机构连接。通过部分驱动机构协同推拉多根第一远端结构骨3211a，以驱动第一远端连续体构节321a弯曲。
[0207]
第二远端连续体构节321b可以包括多根第二远端结构骨3211b、第二远端止盘3213b、第二远端基盘(应当理解，第二远端基盘即为第一远端止盘3213a)和设置在第二远端基盘和第二远端止盘3213b之间的至少一个第二远端间隔盘3214b。多根第二远端结构骨3211b的远端与第二远端止盘3213b固定连接，多根第二远端结构骨3211b滑动穿过至少一个第二远端间隔盘3214b、第二远端基盘(或第一远端止盘3213a)，近端与多根近端结构骨4211的远端固定连接或一体成型。通过部分驱动机构协同推拉多根近端驱动结构骨4215，以驱动近端连续体构节421弯曲，通过近端连续体构节421带动远端连续体构节321弯曲。
[0208]
应当理解，也可以通过部分驱动机构直接推拉远端结构骨3211a，以驱动远端连续体构节321a弯转，通过部分驱动机构驱动近端连续体构节421弯曲以驱动远端连续体构节321b弯转。
[0209]
在一些实施例中，如图2所示，本公开还提供了一种机器人系统10，包括至少一个运动臂101、至少一个本公开任意实施例中的弯曲工具100以及控制装置(例如，控制装置3)。弯曲工具100设置在运动臂101的远端。弯曲工具包括弯曲刚性臂和设置在弯曲工具远端的末端装置。应当理解，运动臂101可以包括多个活动关节和连杆，具有多个自由度，弯曲工具100可拆卸地设置在运动臂101的远端，运动臂101用于调整弯曲工具100末端的位置和姿态。控制装置可以被设置成基于运动命令，执行控制方法1000(b)。应当理解，机器人系统10可以是手术机器人，弯曲工具可以搭载手术执行器，作为末端装置。在操作中，手术机器人系统10可以通过一个或多个弯曲工具100伸入腔内，用于腔内介入诊断和治疗。通过运动臂101带动弯曲工具100运动，可以增加手术工具远端的灵巧性，且弯曲刚性臂110可以提高弯曲工具100的负载能力，以满足多种术式需求。应当理解，虽然图2示出的机器人系统10将
多个弯曲工具100通过单个开口进行操作，但是机器人系统10的多个弯曲工具100也可以通过多个开口进行操作。
[0210]
在一些实施例中，运动臂101被配置成使弯曲工具100绕位于弯曲刚性臂110的弯曲段111上的远程运动中心(rcm)运动。例如，远程运动中心可以位于弯曲刚性臂110的弯曲段111上，弯曲工具100可以在运动臂101的驱动下，绕远程运动中心运动。因此，在手术中，可以将弯曲工具100的远程运动中心设置在进入病人体内的开口(例如，切口或自然开口)位置。通过控制弯曲工具100围绕远程运动中心运动，不会伤害开口位置，而且弯曲工具100的弯曲刚性臂110可以增大末端装置140的运动灵活性。而且，相对于柔性臂而言，弯曲刚性臂110可以增加末端装置140的负载强度。
[0211]
在一些实施例中，本公开提供了一种计算机可读存储介质，用于存储至少一条指令。至少一个指令由计算机执行时致使计算机实现以上任何实施例中的控制方法。
[0212]
在一些实施例中，本公开提供了一种计算机设备，可以包括存储器和至少一个处理器。存储器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。
[0213]
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。
[0214]
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。

技术特征：
1.一种用于弯曲工具机器人系统的主从运动控制方法，其特征在于，所述机器人系统包括主操作器、至少一个运动臂以及设置在所述至少一个运动臂的远端的至少一个弯曲工具，所述弯曲工具包括弯曲刚性臂和设置在所述弯曲工具远端的末端装置，所述控制方法包括：确定所述末端装置相对参考坐标系的当前姿态；基于所述末端装置的当前姿态，确定所述主操作器的手柄的目标姿态；控制所述主操作器的手柄向所述手柄的目标姿态运动；执行至少一个运动控制循环，包括：在每个运动控制循环中，确定所述主操作器的手柄的当前位姿；基于所述主操作器的手柄的当前位姿及所述主操作器的手柄与所述弯曲工具的末端装置的位姿关系，确定所述末端装置的目标位姿；基于参考点，确定位于所述至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的远程运动中心(rcm)点；以及控制所述至少一个弯曲工具绕所述rcm点运动，以使所述末端装置向目标位姿运动。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，控制所述主操作器的手柄向所述手柄的目标姿态运动包括：确定所述主操作器的手柄的当前姿态；以及基于所述主操作器的手柄的目标姿态和当前姿态，生成所述主操作器的控制信号。3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述主操作器包括用于控制所述主操作器的手柄的姿态的至少一个姿态关节，并且控制所述主操作器的手柄向所述手柄的目标姿态运动包括生成用于控制所述至少一个姿态关节中的一个或多个姿态关节的控制信号。4.根据权利要求1-3中任一项所述的控制方法，其特征在于，还包括：响应于预定条件得到满足，确定所述主操作器的手柄与所述末端装置之间的姿态匹配度，所述预定条件包括遥操作控制权的触发。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，还包括：响应于所述姿态匹配度低于预设阈值，生成所述主操作器的手柄的控制信号以使得所述姿态匹配度高于或等于预设阈值；或者响应于所述姿态匹配度高于或等于预设阈值，建立所述主操作器与所述末端装置之间的主从映射。6.根据权利要求1-3中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述主操作器的手柄的目标姿态与所述末端装置的当前姿态一致。7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，基于参考点确定位于所述至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的rcm点，包括：将所述弯曲刚性臂上与参考点的距离最小的点，确定为所述rcm点。8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，控制所述至少一个弯曲工具绕所述rcm点运动还包括：控制所述至少一个弯曲工具上的所述rcm点向所述参考点靠近。9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，执行至少一个运动控制循环还包括：在每个运动控制循环中，
确定所述至少一个弯曲工具上的所述rcm点的径向收敛速度；以及基于所述至少一个运动臂的运动学模型，确定与所述径向收敛速度相关的雅可比矩阵。10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，确定所述至少一个弯曲工具上的所述rcm点的径向收敛速度包括：确定所述至少一个弯曲工具上的所述rcm点与所述参考点之间的偏差距离；以及将所述径向收敛速度确定为与所述偏差距离成比例。11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，确定与所述径向收敛速度相关的雅可比矩阵包括：确定所述至少一个弯曲工具上的所述rcm点的位置；确定所述至少一个弯曲工具上的所述rcm点的切向的单位向量；以及基于所述至少一个运动臂的运动学模型、所述单位向量以及所述rcm点的位置，确定与所述径向收敛速度相关的雅可比矩阵。12.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，执行至少一个运动控制循环还包括：在每个运动控制循环中，基于所述末端装置的目标位姿、所述至少一个运动臂的逆运动学模型以及所述至少一个弯曲工具的逆运动学模型，确定所述至少一个运动臂和所述至少一个弯曲工具的目标构型；以及基于所述至少一个运动臂和所述至少一个弯曲工具的目标构型，控制至少一个运动臂和/或所述至少一个弯曲工具运动，以使所述末端装置向目标位姿运动。13.根据权利要求1-3、5、7-12中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述至少一个运动臂包括第一运动臂和第二运动臂，所述至少一个弯曲工具包括第一弯曲工具和第二弯曲工具，所述第一弯曲工具和所述第二弯曲工具分别设置在所述第一运动臂和第二运动臂的远端，执行至少一个运动控制循环还包括：在每个运动控制循环中，判断所述第一运动臂与所述第二运动臂之间是否会形成干涉；以及响应于所述第一运动臂与所述第二运动臂之间会形成干涉，增加所述第一运动臂与所述第二运动臂之间的距离；和/或判断所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间是否会形成干涉；以及响应于所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间会形成干涉，增加所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间的距离。14.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，判断所述第一运动臂与所述第二运动臂之间是否会形成干涉包括：确定与所述第一运动臂和所述第二运动臂分别对应的第一运动臂模型和第二运动臂模型上距离最近的点；判断第一运动臂模型和第二运动臂模型上距离最近的点之间的距离是否小于第一阈值；以及响应于所述距离小于所述第一阈值，增加所述第一运动臂和所述第二运动臂之间的距离；和/或
判断所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间是否会形成干涉包括：确定与所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具分别对应的第一弯曲工具模型和第二弯曲工具模型上距离最近的点；判断第一弯曲工具模型和第二弯曲工具模型上距离最近的点之间的距离是否小于第二阈值；以及响应于所述距离小于所述第二阈值，增加所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间的距离。15.根据权利要求13所述的控制方法，其特征在于，增加所述第一运动臂与所述第二运动臂之间的距离包括：将所述第一运动臂与所述第二运动臂之间的分离速度确定为与所述第一运动臂与所述第二运动臂之间的距离成比例；和/或增加所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间的距离包括：将所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间的分离速度确定为与所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间的距离成比例。16.根据权利要求1-3、5、7-12、14-15中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述末端装置的目标位姿包括目标位置和目标姿态，控制所述至少一个弯曲工具绕所述rcm点运动还包括：响应于所述末端装置不能到达目标位姿，控制所述末端装置到达所述目标位置；以及控制所述末端装置向所述目标姿态运动。17.根据权利要求1-3、5、7-12、14-15中任一项所述的控制方法，其特征在于，执行至少一个运动控制循环还包括：在每个运动控制循环中，基于所述末端装置的目标位姿，确定所述至少一个运动臂的多个关节的关节速度；以及响应于所述关节速度超过关节速度限制，缩小所述至少一个运动臂的多个关节的关节速度。18.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，执行至少一个运动控制循环还包括：在每个运动控制循环中，基于所述末端装置的目标位姿，确定所述至少一个运动臂的多个关节的关节值；以及响应于至少一个关节的关节值超过关节限制，进行降维处理。19.根据权利要求1-3、5、7-12、14-15中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述弯曲工具还包括：可弯转组件，设置在所述弯曲刚性臂的远端，所述末端装置设置在所述可弯转组件的远端，其中所述可弯转组件被配置为驱动所述末端装置相对于所述弯曲刚性臂弯曲或旋转。20.一种机器人系统，包括：至少一个运动臂；至少一个弯曲工具，设置在所述至少一个运动臂的远端，所述弯曲工具包括弯曲刚性臂和设置在所述弯曲工具远端的末端装置；以及控制装置，被设置成基于运动命令，执行如权利要求1-19中任一项所述的控制方法。21.根据权利要求20所述的机器人系统，其特征在于，所述弯曲刚性臂包括第一弯曲段
和第二弯曲段，所述弯曲工具的可弯转组件包括至少一个远端连续体构节，所述远端连续体构节包括多根远端结构骨、远端基盘、远端止盘和设置在所述远端基盘和所述远端止盘之间的至少一个远端间隔盘；所述多根远端结构骨的远端与所述远端止盘固定连接，所述多根远端结构骨可滑动地穿过所述至少一个远端间隔盘和所述远端基盘；或者所述弯曲刚性臂包括第一弯曲段和第二弯曲段，所述弯曲工具的可弯转组件包括至少一个可弯转构件和多根驱动丝，所述可弯转构件设置在所述第二弯曲段的远端，所述多根驱动丝的远端与所述可弯转构件连接，所述多根驱动丝延伸穿过所述可弯转构件的至少一部分和所述弯曲刚性臂，所述多根驱动丝用于驱动所述可弯转构件在至少一个自由度上弯转；或者所述弯曲刚性臂包括第一弯曲段和第二弯曲段，所述弯曲工具的可弯转组件包括至少一个可弯转构件和多根驱动丝，所述可弯转构件包括蛇骨结构，所述蛇骨结构包括多个首尾相接的中空竹节状弯转单元，相邻两个所述弯转单元之间通过相互嵌套的连接凹槽和连接凸起形成可径向弯转的运动副，所述驱动丝贯穿设置在所述蛇骨结构内。22.根据权利要求20所述的机器人系统，其特征在于，所述至少一个弯曲工具包括能够通过单个开口进行操作的多个弯曲工具。23.一种计算机设备，所述计算机设备包括：存储器，用于存储至少一条指令；以及处理器，与所述存储器耦合并且用于执行所述至少一条指令以执行如权利要求1-19中任一项所述的控制方法。24.一种计算机可读存储介质，用于存储至少一条指令，所述至少一条指令由计算机执行时致使所述计算机实现如权利要求1-19中任一项所述的控制方法。

技术总结
本公开涉及医疗器械领域，公开一种包括弯曲工具的机器人系统及其主从运动控制方法，机器人系统包括主操作器、运动臂及弯曲工具，弯曲工具包括弯曲刚性臂和末端装置。该方法包括基于末端装置的当前姿态，确定主操作器的手柄的目标姿态，控制手柄向目标姿态运动；执行运动控制循环，在每个循环中，基于手柄的当前位姿及手柄与末端装置的位姿关系，确定末端装置的目标位姿。基于参考点，确定位于弯曲刚性臂上的RCM点，以及控制弯曲工具绕RCM点运动，以使末端装置向目标位姿运动。该方法在建立遥操作关系前，调整主操作器的手柄的姿态与末端装置的姿态一致，实现主从映射的准确性，控制弯曲工具绕弯曲刚性臂上的RCM点运动，增加末端装置的运动灵活性。装置的运动灵活性。装置的运动灵活性。


技术研发人员：徐凯 吴中昊 朱传祥 丁跃 王一帆 姬利永 陈诗英
受保护的技术使用者：北京术锐机器人股份有限公司
技术研发日：2022.05.27
技术公布日：2023/9/20