CN115120348A - 一种计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人*** - Google Patents

一种计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人*** Download PDF

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punching
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何超
陈功
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王家寅
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Shanghai Microport Medbot Group Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人***，该手术机器人***通过获取患者的体征图像模型上的目标打孔位置，并根据目标打孔位置、病灶位置及机械臂的结构规划机械臂的目标打孔位姿，然后在碰撞模型外侧规划运动路径，以使机械臂从初始状态可沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿以得到患者体表的实际打孔位置，具有指引准确、安全、高效的优势。

Description

一种计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人***
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人***。
背景技术
手术机器人的设计理念是采用微创伤的方式精准地实施复杂的外科手术。在传统的手术操作面临种种局限的情况下发展出现了手术机器人，手术机器人突破了人眼的局限，其能够利用立体成像技术将人体内部的器官更加清晰地呈现给施术者。并且对于一些人的手部无法伸入的狭小区域，手术机器人仍可控制手术器械完成挪动、摆动、夹持及360°转动，并可避免抖动，提高手术精确度，进一步达到创口小、出血少、术后恢复快、极大地缩短患者术后住院时间的优势。因此，手术机器人深受广大医患的青睐，广泛应用于各自临床手术中。
与传统手术一样，在利用手术机器人进行手术之前，需要对病灶进行定位，并根据病灶位置确定打孔点，然后在打孔点进行打孔，进而开展手术操作。但是在上述操作过程中，打孔点的确认严重依赖医生的经验，并且针对不同的患者进行打孔位置规划后，往往由于各种原因(例如患者憋气、饱食、建立气腹等)造成实际手术时患者***发生变化，导致无法快速精确地确定找到规划的打孔位置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人***，通过对机械臂的位姿及运动路径进行规划，使得机械臂可自动、准确、安全地指引患者体表的打孔位置，提高打孔位置指引准确性，并降低术前准备时间。
为实现上述目的，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，执行如下步骤：
根据患者的体征图像模型获取目标打孔位置信息；
根据患者的病灶位置、所述目标打孔位置及机械臂的结构中的至少一者规划所述机械臂的目标打孔位姿，以使所述机械臂处于所述目标打孔位姿时，患者的指定组织的表面到所述机械臂的器械轴之轴线的延长线的距离的总和最小；
建立碰撞模型，所述碰撞模型覆盖患者的体表；
在所述碰撞模型的外侧规划运动路径，以使所述机械臂能够从初始位姿沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿；以及，
驱使所述机械臂沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿。
可选地，所述程序还执行如下步骤：
规划运动轨迹，以得到所述机械臂沿所述运动路径运动时的位姿与时间的变化关系，并计算得到所述机械臂的关节随时间变化的位置信息、速度信息及加速度信息，进而根据所得到的信息控制所述机械臂的运动。
可选地，所述程序还执行如下步骤：
通过三角形速度曲线生成所述机械臂的关节的速度信息；或者，通过梯形速度曲线生成所述机械臂的关节的速度信息。
可选地，所述程序执行如下步骤以规划所述机械臂的所述目标打孔位姿：
以病灶位置和所述目标打孔位置的连线为中心轴线，并以所述目标打孔位置为锥顶构建圆锥空间，以使病灶位于所述圆锥空间的底面上；
以所述圆锥空间的所述底面上的任意一点与所述目标打孔位置的连线为参考线，获取所述参考线到所述指定组织的表面的距离的总和，并得到所述距离的总和最小的所述参考线作为目标参考线，以使处于所述目标打孔位姿的所述机械臂的器械轴的轴线与所述目标参考线重合。
可选地，所述运动路径包括第一子运动路径和第二子运动路径；所述程序执行如下步骤以规划所述运动路径：
在所述目标参考线上选定一位于体外的前置打孔位置；
规划所述第一子运动路径，具体包括：判断所述机械臂的末端点的初始位置与所述前置打孔位置的连线是否与所述碰撞模型相交，若是，则在所述碰撞模型的外侧选定至少一个过渡点，至少一个所述过渡点到所述碰撞模型的距离大于所述机械臂的末端点的初始位置到所述碰撞模型的距离，以及大于所述前置打孔位置到所述碰撞模型的距离；以及，规划一始于所述机械臂的末端点的初始位置，并经过所有所述过渡点，且终止于所述前置打孔位置的圆弧路径，以作为所述第一子运动路径；若否，则规划一始于所述机械臂的末端点的初始位置，并终止于所述前置打孔位置的直线路径，以作为所述第一子运动路径；
规划所述第二子运动路径，所述第二子运动路径定义为始于所述前置打孔位置，并终止于所述目标打孔位置的直线路径。
可选地，所述程序还执行如下步骤：
根据所述运动路径得到所述机械臂沿所述运动路径运动过程中所述机械臂的关节随时间变化的位置信息、速度信息及加速度信息；其中，所述机械臂的关节的最大运动速度为Vmax，加速时间为ts；
当所述前置打孔位置与所述目标打孔位置之间的距离s满足s＜Vmax×ts时，通过三角形速度曲线生成所述机械臂的关节的速度信息；或者，当所述前置打孔位置与所述目标打孔位置之间的距离s满足s≥Vmax×ts时，通过梯形速度曲线生成所述机械臂的关节的速度信息。
可选地，所述体征图像模型包括第一体征图像模型和第二体征图像模型，所述第一体征图像模型根据处于第一状态的患者的第一体表数据和病灶数据建立，所述第二体征图像模型根据处于第二状态的患者的第二体表数据建立；所述程序执行如下步骤以得到所述目标打孔位置：
得到所述第一体征图像模型，以在所述第一体征图像模型上规划预打孔位置；
得到所述第二体征图像模型；
对所述第二体征图像模型和所述第一体征图像模型进行配准，以将所述第一体征图像模型上的所述预打孔位置转换为所述第二体征图像模型上的目标打孔位置。
可选地，所述程序还执行如下步骤：
生成提示信息，所述提示信息用于提示所述机械臂已抵达所述目标打孔位姿。
为实现上述目的，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器和如前任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上存储的程序。
为实现上述目的，本发明还提供了一种手术机器人***，包括机械臂和控制模块，所述控制模块与所述机械臂通信连接，且所述控制模块被配置用于执行如前任一项所述的计算机可读存储介质上所存储的程序。
可选地，所述手术机器人***包括如前所述的电子设备，所述控制模块包括所述处理器。
可选地，所述机械臂包括机械臂本体和设置在所述机械臂本体上的辅助装置；
当所述机械臂运动至所述目标打孔位姿时，所述辅助装置所指示的患者体表的位置为实际打孔位置。
可选地，所述辅助装置包括戳卡，所述戳卡用于与所述机械臂本体的末端相连接，当所述机械臂运动至所述目标打孔位姿时，连接于所述机械臂本体的末端的所述戳卡的尖端指示所述实际打孔位置。
可选地，所述机械臂本体包括依次连接的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆和所述第四连杆限定了平行四边形结构，且所述第四连杆沿着所述机械臂的器械轴的轴线方向延伸；
所述辅助装置包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器设置在所述第一连杆上，所述第一激光器发射的第一激光束沿所述第一连杆的长度方向传播，所述第二激光器设置在所述第四连杆上，所述第二激光器发射的激光束沿所述第四连杆的长度方向传播，且所述第二激光束和所述第一激光束相交形成光斑；所述光斑所指示的患者体表的位置为实际打孔位置。
可选地，还包括手术台车，所述手术台车上设置有第一电气接口，所述机械臂上设置有第二电气接口，所述第二电气接口用于与所述第一电气接口可拆卸地连接。
与现有技术相比，本发明的计算机可读存储介质、电子设备及手术机器人***具有如下优点：
前述的计算机可读存储介质上存储有程序，当所述程序被执行时，执行如下步骤：根据患者的体征图像模型获取目标打孔位置信息；根据患者的病灶位置、所述目标打孔位置信息及所述机械臂的结构中的至少一者规划所述机械臂的目标打孔位姿，以使所述机械臂处于所述目标打孔位姿时，患者的指定组织的表面到所述机械臂的器械轴之轴线的延长线的距离的总和最小；建立碰撞模型，所述碰撞模型覆盖患者的体表；在所述碰撞模型的边界的外侧规划运动路径，以使所述机械臂能够从从初始位姿沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿；以及，驱使所述机械臂沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿，以得到患者体表的实际打孔位置。将所述计算机可读存储介质应用于手术机器人***时，通过规划机械臂的目标打孔位姿以及规划机械臂的运动路径，并使所述机械臂沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿，以准确地指示患者体表的实际打孔位置，提高打孔指引的可靠性、便捷性、安全性，同时在该实际打孔位置进行打孔还可增大手术操作的空间。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***的结构示意图，图示中机械臂处于初始状态；
图2是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***的结构示意图，图示中机械臂处于目标打孔位姿；
图3是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***进行打孔指引时的流程图；
图4是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***的一种机械臂的结构示意图；
图5是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***的机械臂与手术台车的连接关系示意图；
图6是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***在规划目标打孔位置时的流程图；
图7是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***利用第一影像设备获取第一体表数据和病灶数据的示意图；
图8是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***利用第二影像设备获取第二体表数据的示意图；
图9是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***对患者体表的靶标及控制模块建立映射关系时的示意图；
图10是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***在规划机械臂的最佳打孔姿态时的流程图；
图11是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***规划目标打孔位姿时的示意图；
图12是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***构建的碰撞模型的示意图；
图13是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***进行路径规划时的流程图；
图14是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***进行路径规划时的示意图；
图15是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***规划圆弧路径以作为第一路径时的示意图；
图16是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***规划直线路径以作为第二路径时的示意图；
图17是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***规划运动轨迹时的速度变化示意图，其中a)所示为采用三角形速度曲线生成速度信息时的示意图，b)所示为采用梯形速度曲线生成速度信息时的示意图；
图18是本发明根据一实施例所提供的手术机器人***的应用场景示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。
如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。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或两个元件的相互作用关系。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发明中的具体含义。
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下根据附图对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均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例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
请参考图1及图2，本实施例所提供的手术机器人***包括机械臂100和控制模块(图中未示出)，所述控制模块与所述机械臂100通信连接。且所述控制模块被配置用于：
获取患者的体征图像模型上的目标打孔位置M(请参考图2、11)；
根据患者的病灶位置、所述目标打孔位置M及所述机械臂100的结构中的至少一者规划所述机械臂100的目标打孔位姿，以使所述机械臂100处于所述目标打孔位姿时，患者的指定组织N(参考图11)的表面到所述机械臂100的器械轴之轴线的延长线的距离的总和最小；此处，所述的“指定组织N”由医生根据实际病症进行确定，例如在腹腔镜手术中，所述指定组织N是包括腹腔内凸出的主要脏器；
建立碰撞模型S(参考图12)，所述碰撞模型S优选覆盖患者的全部体表；
在所述碰撞模型S的边界的外侧规划运动路径，以使所述机械臂100能够从初始位姿沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿；以及，
驱使所述机械臂100沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿，以得到患者体表的实际打孔位置。
通过在体征图像模型上规划目标打孔位置，并根据所述目标打孔位置、病灶位置和所述机械臂100的自身结构确定机械臂100的目标打孔位姿，然后在碰撞模型S的边界的外侧规划所述机械臂100的运动路径，最后驱使所述机械臂100沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿，从而可根据机械臂100的器械轴的轴线确定患者体表的实际打孔位置，指引过程快速、准确、安全，不仅可减少术前打孔的准备时间，还有利于提高后续手术的操作空间。
进一步地，所述机械臂100包括至少一个关节。在所述运动路径规划完成之后，以及在驱使所述机械臂100沿所述运动路径运动之前，所述控制模块还被配置用于：规划所述机械臂100的运动轨迹，得到所述机械臂100沿所述运动路径运动时的位姿与时间的变化关系，进而通过机械臂逆运动学解算得到所述机械臂100上的关节随时间变化的位置信息、速度信息及加速度信息。之后，所述控制模块控制所述机械臂100按照规划的运动轨迹运动。
更进一步地，在所述机械臂100运动至所述最佳打孔姿态时，所述控制模块还被配置用于生成提示信息，以提示打孔指引完成。
在一个示范性的实施方式中，施术者在利用所述手术机器人***进行打孔指引的方法如图3所示，包括：
步骤S1：获取患者的体征图像模型上的目标打孔位置。
步骤S2：所述控制模块结合病灶位置、所述目标打孔位置及机械臂自身的结构规划机械臂的目标打孔位姿。
步骤S3：所述控制模块建立一覆盖患者全部体表的碰撞模型S。
步骤S4：所述控制模块在所述碰撞模型的边界的外侧规划运动路径，以使机械臂在沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿时，不与患者体表发生碰撞。
步骤S5：所述控制模块规划所述机械臂的运动轨迹，得到机械臂的关节在预定时间点的位置信息、速度信息及加速度信息。
步骤S6：所述控制模块驱使所述机械臂按照规划的运动轨迹运动至所述目标打孔位置。
进一步地，还包括步骤S7：所述控制模块生成提示信息以提示打孔指引完成。
之后，施术者可根据所述机械臂100的器械轴之轴线的指向确认患者体表的实际打孔位置，并进行标记。或者，所述打孔指引方法还包括步骤S8：所述控制模块驱使所述机械臂对所述实际打孔位置进行标记，本发明对此不作限定。
前述方法中的每个步骤的具体实现方式将在后文中详细叙述。
进一步地，为了方便根据所述机械臂100的器械轴的轴线获取患者体表的实际打孔位置，所述机械臂100包括机械臂本体和设置在所述机械臂本体上的辅助装置。
如图1及图2所示，所述辅助装置包括戳卡170，所述戳卡170设置在所述机械臂100的本体的末端。当所述机械臂100运动至所述目标打孔位姿时，所述戳卡170的尖端所指示的患者体表的位置为所述实际打孔位置。
或者，如图4所示，在一个可选的实现方式中，所述机械臂100的本体包括依次连接的第一连杆110、第二连杆120、第三连杆130和第四连杆140，所述第一连杆110、所述第二连杆120、所述第三连杆130及所述第四连杆140限定出一个平行四边形，且所述第四连杆140的延伸方向是所述机械臂100的器械轴的轴线的延伸方向。所述辅助装置包括第一激光器150和第二激光器160，所述第一激光器150设置在所述第一连杆110上，所述第一激光器150发射的第一激光束沿所述第一连杆110的长度方向传播，所述第二激光器160设置在所述第四连杆140上，所述第二激光器160发射的第二激光束沿所述第四连杆140的长度方向传播，且所述第二激光束与所述第一激光束相交形成光斑。当所述机械臂100运动至所述目标打孔位姿时，所述光斑落在患者体表，且所述光斑的位置即为所述实际打孔位置。
此外，如图5所示，所述手术机器人***还包括手术台车300，所述手术台车300用于在进行打孔指引时承载患者。本实施例中，所述手术台车300与所述机械臂100不可拆卸地连接，或者，所述手术台车300与所述机械臂100可拆卸地连接，具体而言，所述手术台车300上设置有第一电气接口301，所述机械臂100的底座上设置有第二电气接口101，当所述第二电气接口101与所述第一电气接口301配合连接时，建立所述手术台车300与所述机械臂100之间的映射关系。这样设置的好处在于，所述机械臂100独立于所述手术台车300，方便运输和使用。
下面本文将结合附图说明利用所述手术机器人***进行打孔指引的方法(即对图2所示的打孔指引方法做详细说明)。
请参考图6，获取患者的体征图像模型上的目标打孔位置的过程如下：
步骤S11：得到所述第一体征图像模型。本实施例中，所述控制模块根据处于第一状态的患者的第一体表数据和病灶数据构建体征图像模型，以作为第一体征图像模型。
步骤S12：在所述第一体征图像模型上规划预打孔位置。本实施例中，所述预打孔位置由所述控制模块通过三维模拟的方式规划得到。在其他实施例中，也可由施术者根据经验确定，之后还可通过所述控制模块进行模拟打孔，以验证预打孔位置是否合适。
步骤S13：所述控制模块根据处于第二状态的患者的第二体表数据构建体征图像模型，以作为第二体征图像模型。
步骤S14：所述控制模块对所述第二体征图像模型和所述第一体征图像模型进行图像配准，以将所述第一体征图像模型上的预打孔位置转换为所述第二体征图像模型的目标打孔位置。本步骤中的图像配准为常规技术手段，此处不作详细介绍。
以及，如图7所示，所述第一体表数据和所述病灶数据由第一影像设备400采集，所述第一影像设备400包括但不限于MRI、CT或其他的X射线装置。如图8所示，所述第二体表数据由第二影像设备500采集，所述第二影像设备包括但不限于3D视觉***。当患者分别处于所述第一状态和所述第二状态时，患者的***存在差异。通常，所述第一状态是指患者在确诊阶段的状态，所述第二状态是指患者处于术前准备时的状态。以腹腔镜手术为例，所述第一状态是指患者气腹前的状态，所述第二状态是患者建立气腹后的状态。在其他手术中或其他环境下，所述第一状态和所述第二状态的区别也可能是由于患者憋气、饱食、排便等原因引起的不同状态。此外，本领域技术人员可理解，所述步骤S12也可在所述步骤S13之后执行。
实践中，所述第一影像设备400、所述第二影像设备500、所述控制模块及患者处于不同的坐标系中，但对于本领域技术人员而言，可采用常规方法在不同坐标系之间建立映射关系。在一个具体实施例中，如图7至图9所示，所述第二影像设备采集所述第二体表数据时，患者的体表分布有多个标记物1，多个所述标记物1的位置由施术者标定，并根据多个所述标记物1的位置建立第一坐标系F1(即患者坐标系)。所述第二影像设备500在第二坐标系F2内，所述第二影像设备500通过获取所述标记物1的坐标以作为所述第二体表数据，由此可知所述第二坐标系F2与所述第一坐标系F1的映射关系。所述第一影像设备400在第三坐标系F3内，在步骤S14中，通过图像配准可得到所述第二坐标系F2与所述第三坐标系F3的映射关系，进而可得到所述目标打孔位置在所述第一坐标系F1内的位置。所述控制模块和所述机械臂100在第四坐标系F4内，在世界坐标系F0中可直接获取所述第四坐标系F4与所述第一坐标系F1的映射关系。由此可建立各个坐标系之间的映射关系，实现不同坐标系之间的坐标转换。
需要说明的是，在替代性的实施例中，所述控制模块也可不建立所述第一体征图像模型。此时，所述第一体征图像模型由外部机构建立，然后所述控制模块接收所述第一体征图像模型。可理解，此处所述控制模块接收所述第一体征图像模型包括两种情况，其一是所述控制模块与所述外部控制机构通信连接，以通过电子传输的方式接收所述第一体征图像模型；其二是所述控制模块与所述外部控制机构不连接，由医生手动将所述第一体征图像模型的相关数据输入所述控制模块，以使所述控制模块接收所述第一体征图像模型。所述外部控制机构可以是与所述第一影像设备相连接的控制机构。
接着，所述控制模块规划所述机械臂100的目标打孔位姿。请参考图10至图11，所述控制模块在规划所述机械臂100的目标打孔位姿时执行如下步骤：
步骤S21：在所述第二体征图像模型上，以病灶的中心P和所述目标打孔位置M的连线为中心轴线L1，并以所述目标打孔位置M为锥顶构建圆锥空间，以使病灶位于所述圆锥空间的底面上。
步骤S22：以所述圆锥空间的所述底面上的任意一点与所述目标打孔位置M的连线为参考线，获取所述参考线到所述指定组织N的表面的距离的总和。重复本步骤直至遍历所述底面上的所有点。本实施例中，所述第一影像设备400是CT，因此，施术者可根据CT模型、病灶位置、手术术式、病人体征等因素来确定所述指定组织N。
步骤S23：选定所述距离的总和最小的所述参考线作为目标参考线L2，以使所述机械臂100处于所述目标打孔位姿时，所述机械臂100的器械轴的轴线与所述目标参考线L2重合，即所述目标参考线L2的位置即为处于所述目标打孔位姿的所述机械臂100的器械轴的轴线的位置。
通过前述方法规划所述机械臂100的目标打孔位姿，使得当所述机械臂100处于所述目标打孔位姿而获得患者体表的实际打孔位置时，可使得病灶尽可能地靠近所述实际打孔位置的轴线，提高手术操作空间，便于执行手术操作。
接着，如图12所示，所述控制模块构建碰撞模型S。本发明对于所述碰撞模型S的构建方法及所述碰撞模型的形状没有特别限定，只要所述碰撞模型S能够覆盖患者的全部体表即可。本实施例中，所述碰撞模型为立方体形，在其他实施例中，所述碰撞模型还可以是圆柱形、椭球形等。
接着，所述控制模块规划所述机械臂100的运动路径。在优选的实现方式中，所述运动路径包括第一子运动路径和第二子运动路径，所述机械臂100先沿所述第一子运动路径运动，再沿所述第二子运动路径运动。请参考图1，图2并结合图13至图16所示，所述控制模块在规划所述运动路径时被配置执行如下步骤：
步骤S41：在所述目标参考线L2上选定一位于体外的前置打孔位置Q。
步骤S42：规划所述第一子运动路径。具体包括：
步骤S421：判断所述机械臂的末端点的初始位置R与所述前置打孔位置Q的连线是否与所述碰撞模型S相交，若是，则执行步骤S422和步骤S423,若否，则执行步骤S424。
步骤S422：在所述碰撞模型S的边界的外侧选定至少一个过渡点T，至少一个所述过渡点T到所述碰撞模型S的距离大于所述机械臂的末端点的初始位置R到所述碰撞模型S的距离，也大于所述前置打孔位置Q到所述碰撞模型S的距离。
步骤S423：规划一始于所述机械臂的末端点的初始位置R，并经过所有所述过渡点T，且终止于所述前置打孔位置Q的圆弧路径，以作为所述第一子运动路径。
步骤S424：规划一始于所述机械臂的末端点的初始位置R，并终止于所述前置打孔位置Q的直线路径，以作为所述第一子运动路径。
步骤S43：规划所述第二子运动路径，所述第二子运动路径是始于所述前置打孔位置Q，终止于所述目标打孔位置M。由于所述前置打孔点Q和所述目标打孔点M均位于所述目标参考线L2上，因此所述第二子运动路径是直线路径。
本实施例中，所述步骤S422选取了一个所述过渡点T，但在其他实施例中，可选择两个以上的过渡点T。通过该方法规划得到的运动路径，可确保后续机械臂100在移动过程中不会碰撞患者，有效保保证自动指引时的安全性和有效性。本领域技术人员应知晓，当所述辅助装置包括所述戳卡170时，所述机械臂100的末端点是指所述戳卡170的尖端端点，而当所述辅助装置包括所述第一激光器150和所述第二激光器160时，所述机械臂100的末端点是指所述机械臂100的本体的末端点。
之后，所述控制模块可对所述机械臂100进行运动轨迹的规划。具体来说，由所述控制模块对所述机械臂100沿所述运动路径的运动增加时间约束，以得到所述运动轨迹，也即所述运动轨迹包括所述机械臂100沿所述运动路径运动时，机械臂100的位姿随运动的时间的变化关系，进而通过机械臂逆运动学解算得到机械臂100的关节随时间变化的位置信息、速度信息和加速度信息。本实施例中，对于逆运动学解算的具体方法不作限定，常规技术中的解析解法或数值解法均可使用，所述解析解法包括代数法和几何法，所述数值解法包括增量式位置解法和逆运动学牛顿迭代法，具体根据实际需要选择。
本实施例中，在进行运动轨迹规划的过程中，设定所述机械臂100的关节的最大运动速度为Vmax，加速时间为ts，当所述前置打孔位置与所述目标打孔位置之间的距离s满足s＜Vmax×ts时，如图17中a)所示，所述控制模块被配置用于采用三角形速度曲线来生成速度曲线，所述机械臂100的关节的位置可由速度积分得到。其中：
Figure BDA0002991365430000151
v＝a·t,t≤ts
v＝a(t-2ts),ts≤t≤2ts
式中，a是机械臂100的关节的加速度。
当所述前置打孔位置与所述目标打孔位置之间的距离s满足s≥Vmax×ts时，如图17中b)所示，所述控制模块被配置用于采用梯形速度曲线来生成速度曲线，所述机械臂100的关节位置同样可由速度积分得到。其中，
Figure BDA0002991365430000161
v1＝at，t≤ts
v2＝Vmax，ts<t≤tf-s
v3＝-a(t-tf)，tf-s<t≤tf
式中，tf是所述机械臂100的关节的运动时间，ts至tf-s是机械臂100的关节做匀速运动的时间，v1是所述机械臂100的关节在加速阶段的速度，v2是所述机械臂100的关节匀速运动阶段的速度，v3是所述机械臂100的关节在减速阶段的速度。
最后，所述控制模块驱使所述机械臂100按照所述运动轨迹沿所述运动路径运动，本领域技术人员可知晓，在所述机械臂100的运动过程中，所述控制模块还可实时获取所述机械臂100的位置，以便于监测所述机械臂100是否按照预期的运动方式运动。
如前所述，本实施例所提供的所述手术机器人***中，所述控制模块需要实现建立体征图像模型、图像配准、最佳打孔位置的规划、路径规划、运动轨迹规划及驱动机械臂运动等功能。因此，本实施例所述的控制模块包括建模模块、配准模块、目标构型解算模块、路径规划模块、轨迹规划模块及关节控制模块。其中，所述建模模块用于构建患者的体征图像模型，所述配准模块用于对不同的体征图像模型进行配准，所述目标构型解算模块用于规划所述机械臂的目标打孔位姿，所述路径规划模块用于规划所述运动路径，所述轨迹规划模块用于规划所述运动轨迹，所述关节控制模块用于控制所述机械臂运动。
本领域技术人员可理解，所述手术机器人***可应用于各类需要在患者体表进行打孔的手术操作，不仅仅包括利用手术机器人***进行的手术，也包括由医生手动操作的手术，此时所述手术机器人***仅用于在患者体表进行打孔指引。
如图18所示，所述手术机器人***通常包括控制端和执行端，所述控制端包括医生控制台和设置在所述医生控制台上的医生端控制装置10，所述执行端包括患者控制端(图中未标注)和图像端控制装置20等设备。一些实施例中，所述控制模块位于所述患者端控制装置处时，并用于建立患者的体征图像模型(根据实际情况建立所述第一体征图像模型和所述第二体征图像模型，或仅建立所述第二体征图像模型)、规划机械臂100的目标打孔位姿、构建碰撞模型S，规划运动路径、规划运动轨迹以及驱使所述机械臂100运动。但如此，所述患者端控制装置需要有较高的配置才可完成相应工作。有鉴于此，优选所述控制模块的一部分位于所述图像端控制装置20处，以用于建立患者的体征图像模型、规划所述机械臂100的目标打孔位姿、构建所述碰撞模型S、规划所述运动路径及所述运动轨迹。所述控制模块的另一部分可位于所述患者端控制装置处，以用于驱使所述机械臂100运动。
进一步地，当所述机械臂100运动至所述目标打孔位姿时，所述控制模块还生成提示信息以提示打孔指引完成，所述医生端控制装置10和所述图像端控制装置20接收所述提示信息并进行提示。
进一步地，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，当所述程序被执行时，执行前述的手术机器人***的控制模块所执行的相应步骤。
再进一步地，本发明实施例还提供一种电子设备，包括处理器和如前所述的计算机可读存储介质，所述处理器执行所述计算机可读存储器上所存储的程序。
本发明实施例还提供一种打孔路径规划方法，该方法包括以上所述程序所执行的步骤；所述打孔路径规划方法用于手术机器人***，该手术机器人***的机械臂根据规划路径移动至目标打孔位姿。
虽然本发明披露如上，但并不局限于此。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，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，当所述程序被执行时，执行如下步骤：
根据患者的体征图像模型获取目标打孔位置信息；
根据患者的病灶位置、所述目标打孔位置信息及机械臂的结构中的至少一者规划所述机械臂的目标打孔位姿，以使所述机械臂处于所述目标打孔位姿时，患者的指定组织的表面到所述机械臂的器械轴之轴线的延长线的距离的总和最小；
建立碰撞模型，所述碰撞模型覆盖患者的体表；
在所述碰撞模型的外侧规划运动路径，以使所述机械臂能够从初始位姿沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿；以及，
驱使所述机械臂沿所述运动路径运动至所述目标打孔位姿。
2.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序还执行如下步骤：
规划运动轨迹，以得到所述机械臂沿所述运动路径运动时的位姿与时间的变化关系，并计算得到所述机械臂的关节随时间变化的位置信息、速度信息及加速度信息，进而根据所得到的信息控制所述机械臂的运动。
3.根据权利要求2所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序还执行如下步骤：
通过三角形速度曲线生成所述机械臂的关节的速度信息；或者，通过梯形速度曲线生成所述机械臂的关节的速度信息。
4.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序执行如下步骤以规划所述机械臂的所述目标打孔位姿：
以病灶位置和所述目标打孔位置的连线为中心轴线，并以所述目标打孔位置为锥顶构建圆锥空间，以使病灶位于所述圆锥空间的底面上；
以所述圆锥空间的所述底面上的任意一点与所述目标打孔位置的连线为参考线，获取所述参考线到所述指定组织的表面的距离的总和，并得到所述距离的总和最小的所述参考线作为目标参考线，以使处于所述目标打孔位姿的所述机械臂的器械轴的轴线与所述目标参考线重合。
5.根据权利要求4所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述运动路径包括第一子运动路径和第二子运动路径；所述程序执行如下步骤以规划所述运动路径：
在所述目标参考线上选定一位于体外的前置打孔位置；
规划所述第一子运动路径，具体包括：
判断所述机械臂的末端点的初始位置与所述前置打孔位置的连线是否与所述碰撞模型相交，若是，则在所述碰撞模型的外侧选定至少一个过渡点，至少一个所述过渡点到所述碰撞模型的距离大于所述机械臂的末端点的初始位置到所述碰撞模型的距离，以及大于所述前置打孔位置到所述碰撞模型的距离；以及规划一始于所述机械臂的末端点的初始位置，并经过所有所述过渡点，且终止于所述前置打孔位置的圆弧路径，以作为所述第一子运动路径；若否，则规划一始于所述机械臂的末端点的初始位置，并终止于所述前置打孔位置的直线路径，以作为所述第一子运动路径；
规划所述第二子运动路径，所述第二子运动路径定义为始于所述前置打孔位置，并终止于所述目标打孔位置的直线路径。
6.根据权利要求5所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序还执行如下步骤：
根据所述运动路径得到所述机械臂沿所述运动路径运动过程中所述机械臂的关节随时间变化的位置信息、速度信息及加速度信息；其中，所述机械臂的关节的最大运动速度为Vmax，加速时间为ts；
当所述前置打孔位置与所述目标打孔位置之间的距离s满足s＜Vmax×ts时，通过三角形速度曲线生成所述机械臂的关节的速度信息；或者，当所述前置打孔位置与所述目标打孔位置之间的距离s满足s≥Vmax×ts时，通过梯形速度曲线生成所述机械臂的关节的速度信息。
7.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述体征图像模型包括第一体征图像模型和第二体征图像模型，所述第一体征图像模型根据处于第一状态的患者的第一体表数据和病灶数据建立，所述第二体征图像模型根据处于第二状态的患者的第二体表数据建立；所述程序执行如下步骤以得到所述目标打孔位置：
得到所述第一体征图像模型，以在所述第一体征图像模型上规划预打孔位置；
得到所述第二体征图像模型；
对所述第二体征图像模型和所述第一体征图像模型进行配准，以将所述第一体征图像模型上的所述预打孔位置转换为所述第二体征图像模型上的目标打孔位置。
8.根据权利要求1所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述程序还执行如下步骤：
生成提示信息，所述提示信息用于提示所述机械臂已抵达所述目标打孔位姿。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和如权利要求1-8中任一项所述的计算机可读存储介质，所述处理器用于执行所述计算机可读存储介质上存储的程序。
10.一种手术机器人***，其特征在于，包括机械臂和控制模块，所述控制模块与所述机械臂通信连接，且所述控制模块被配置用于执行如权利要求1-8中任一项所述的计算机可读存储介质上所存储的程序。
11.根据权利要求10所述的手术机器人***，其特征在于，所述手术机器人***包括如权利要求9所述的电子设备，所述控制模块包括所述处理器。
12.根据权利要求10所述的手术机器人***，其特征在于，所述机械臂包括机械臂本体和设置在所述机械臂本体上的辅助装置；
当所述机械臂运动至所述目标打孔位姿时，所述辅助装置所指示的患者体表的位置为实际打孔位置。
13.根据权利要求12所述的手术机器人***，其特征在于，所述辅助装置包括戳卡，所述戳卡用于与所述机械臂本体的末端相连接，当所述机械臂运动至所述目标打孔位姿时，连接于所述机械臂本体的末端的所述戳卡的尖端指示所述实际打孔位置。
14.根据权利要求12所述的手术机器人***，其特征在于，所述机械臂本体包括依次连接的第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆，所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆和所述第四连杆限定了平行四边形结构，且所述第四连杆沿着所述机械臂的器械轴的轴线方向延伸；
所述辅助装置包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器设置在所述第一连杆上，所述第一激光器发射的第一激光束沿所述第一连杆的长度方向传播，所述第二激光器设置在所述第四连杆上，所述第二激光器发射的激光束沿所述第四连杆的长度方向传播，且所述第二激光束和所述第一激光束相交形成光斑；所述光斑所指示的患者体表的位置为实际打孔位置。
15.根据权利要求10所述的手术机器人***，其特征在于，还包括手术台车，所述手术台车上设置有第一电气接口，所述机械臂上设置有第二电气接口，所述第二电气接口用于与所述第一电气接口可拆卸地连接。
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