计算机可读存储介质及手术机器人系统

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种计算机可读存储介质及手术机器人系统。

背景技术

髋关节置换术中，髋臼杯被安装于机械臂的末端，医生采用协同控制模式控制机械臂进给以将髋臼杯打入髋臼窝，该过程可以被称之为打杯。打杯过程中，髋臼窝的中心轴线被期望于始终与髋臼杯的中心轴线保持共线。但在实际操作中，髋臼窝因与髋臼杯接触，使得两者之间具有相互作用力，髋臼窝在该作用力的作用下容易发生位姿变化，导致髋臼窝的中心轴线与髋臼杯的中心轴线不再共线。目前，当髋臼窝的中心轴线偏离髋臼杯的中心轴线，且偏离程度达到预定值时，可由医护人员凭借经验来手动地调整机械臂的位姿或由机械臂随动控制系统控制机械臂随着髋臼窝的位姿变化发生移动而实现位姿调整，以使得调整后的髋臼杯的中心轴线重新与髋臼窝的中心轴线共线。由医护人员手动调整机械臂的方式存在效率低、精度低的问题，而由机械臂随动控制系统控制机械臂运动时，由于机械臂还需要完成协同磨骨操作，导致控制过程中干扰因素多，容易引起控制刚度和控制精度降低。

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及手术机器人系统，旨在在手术过程中自动、快速、精准地进行控制，使得机械臂末端的第一目标物与对应的第二目标物之间的相对位姿符合要求。

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：

获取连接于机械臂末端的第一目标物的中心轴线的当前位姿，以及获取固定于随动平台上的第二目标物的中心轴线的当前位姿；所述第二目标物用于与所述第一目标物同轴地配合；

根据所述第一目标物的中心轴线的当前位姿和所述第二目标物的中心轴线的当前位姿获取用于驱使所述随动平台运动的位姿调节机构的各个关节的目标位置；当所述位姿调节机构的各个关节位于对应的所述目标位置时，所述第一目标物与所述第二目标物同轴；以及，

控制所述位姿调节机构运动，以使所述位姿调节机构的各个关节抵达对应的所述目标位置。

可选地，根据所述第一目标物的中心轴线的当前位姿和所述第二目标物的中心轴线的当前位姿获取用于驱使所述随动平台运动的位姿调节机构的各个关节的目标位置的步骤包括：

根据所述第一目标物的中心轴线的当前位姿和所述第二目标物的中心轴线的当前位姿获取所述第二目标物的中心轴线相对于所述第一目标物的中心轴线的位姿偏移量；

根据所述第二目标物的中心轴线相对于所述第一目标物的中心轴线的所述位姿偏移量获取所述随动平台的目标位姿；

根据所述随动平台的目标位姿对所述位姿调节机构进行逆运动学解算，以获取所述位姿调节机构的各个关节的目标位置。

可选地，根据所述第一目标物的中心轴线的当前位姿和所述第二目标物的中心轴线的当前位姿获取用于驱使所述随动平台运动的位姿调节机构的各个关节的目标位置的步骤包括：

根据所述第一目标物的中心轴线的当前位姿和所述第二目标物的中心轴线的当前位姿获取所述第二目标物的中心轴线相对于所述第一目标物的中心轴线的位姿偏移量的径向分离值；径向是垂直于所述第二目标物的中心轴线的方向；

根据所述第二目标物的中心轴线相对于所述第一目标物的中心轴线的位姿偏移量的径向分离值与所述第二目标物的当前位姿获取所述位姿调节机构的各个关节的目标位置。

可选地，所述第二目标物的中心轴线相对于所述第一目标物的中心轴线的位姿偏移量的径向分离值包括所述第二目标物的中心轴线的方向向量相对于所述第一目标物的中心轴线的径向分离位置量和姿态方向误差量；

所述根据所述第二目标物的中心轴线相对于所述第一目标物的中心轴线的位姿偏移量的径向分离值与所述第二目标物的当前位姿获取所述位姿调节机构的各个关节的目标位置的步骤包括：

根据所述径向分离位置量获取第一补偿速度，以及根据所述姿态方向误差量获取第二补偿速度；

根据所述第二目标物的当前位姿获取所述位姿调节机构的速度雅可比矩阵；

根据所述第一补偿速度、所述第二补偿速度和所述位姿调节机构的速度雅可比矩阵获取所述位姿调节机构的各个关节的目标速度；

根据所述位姿调节机构的各个关节的目标速度获取各个关节的目标位置。

可选地，获取所述第二目标物的中心轴线的方向向量相对于所述第一目标物的中心轴线的径向分离位置量的步骤包括：

将所述第二目标物的中心轴线的方向向量投影至所述第一目标物的中心轴线的法平面。

可选地，所述根据所述径向分离位置量获取所述第一补偿速度的步骤包括：

根据所述径向分离位置量获取第一转换矩阵；以及，

根据所述第一转换矩阵和所述径向分离位置量获取所述第一补偿速度。

可选地，获取所述第二目标物的中心轴线的方向向量相对于所述第一目标物的中心轴线的姿态方向误差量的步骤包括：

根据所述第一目标物的当前位姿获取所述第一目标物的中心轴线的当前的四元数，以及根据所述第二目标物的当前位姿获取所述第二目标物的中心轴线的当前的四元数；

根据所述第一目标物的中心轴线的当前的四元数和所述第二目标物的中心轴线的当前的四元数获取所述第二目标物的中心轴线的方向向量相对于所述第一目标物的中心轴线的姿态方向误差量。

可选地，所述根据所述姿态方向误差量获取第二补偿速度的步骤包括：

根据所述姿态方向误差量获取第二转换矩阵；

根据所述姿态方向误差量和所述第二转换矩阵获取所述第二补偿速度。

可选地，所述根据所述第一补偿速度、所述第二补偿速度和所述速度雅可比矩阵获取所述位姿调节机构的各个关节的目标速度的步骤包括：

对所述位姿调节机构的速度雅可比矩阵求逆，得到所述位姿调节机构的速度雅可比矩阵的逆矩阵；

根据所述第一补偿速度、所述第二补偿速度及所述位姿调节机构的速度雅可比矩阵的逆矩阵获得所述位姿调节机构的各个关节的目标速度。

可选地，所述根据所述位姿调节机构的各个关节的目标速度获取各个关节的目标位置的步骤包括：

使所述位姿调节机构的各个关节的目标速度对时间积分。

为实现上述目的，本发明还提供了一种手术机器人系统，包括:

机械臂，机械臂末端连接有第一目标物；

承载组件，包括位姿调节机构和随动平台，所述位姿调节机构与所述随动平台连接，所述位姿调节机构用于带动所述随动平台运动以对所述随动平台的位姿进行调节；

导航设备，包括定位靶标和定位跟踪装置，所述定位靶标用于标识所述第一目标物和所述第二目标物，所述定位跟踪装置用于识别所述定位靶标以采集所述第一目标物的位姿和所述第二目标物的位姿；以及，

控制单元，与所述位姿调节机构及所述定位跟踪位置通信连接，所述控制单元用于执行如前所述的计算机可读存储介质上所存储的程序。

与现有技术相比，本发明的计算机可读存储介质及手术机器人系统具有如下优点：

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：获取连接于机械臂末端的第一目标物的中心轴线的当前位姿，以及获取固定于随动平台上的第二目标物的中心轴线的当前位姿；所述第二目标物与所述第一目标物用于同轴地配合；根据所述第一目标物的中心轴线的当前位姿和所述第二目标物的中心轴线的当前位姿获取用于驱使所述随动平台运动的位姿调节机构的各个关节的目标位置；当所述位姿调节机构的各个关节处于对应的目标位置时，所述第一目标物与所述第二目标物同轴；以及，控制所述位姿调节机构运动，以使得所述位姿调节机构的各个关节抵达对应的所述目标位置。所述第一目标物可以是髋臼杯，所述第二目标物对应地为髋臼窝，如此，当计算机可读存储介质应用于手术机器人系统时，所述手术机器人系统能够用于执行髋关节置换术。在髋关节置换术的打杯操作中，通过位姿调节机构带动随动平台运动，达到调节第二目标物的位姿以使得所述第二目标物的中心轴线与第一目标物的中心轴线共线的目的，一方面使用自动调节取代人工调节，提高调节效率和调节精度，另一方面通过随动平台带动第二目标物运动，使得机械臂与随动平台间的随动控制与机械臂的协同控制区分开，有利于机械臂专注于磨骨操作及轴向进给操作，减少机械臂磨骨及轴向进给控制过程中因随动控制所引起的干扰，提高机械臂运动的精度。

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系统的应用场景示意图；

图2是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统中利用导航设备对第一目标物和第二目标物进行定位的示意图；

图3是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统执行髋关节置换术时进行打杯操作时的示意图，图示中髋臼杯的中心轴线与髋臼窝的中心轴线共线；

图4是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统执行髋关节置换术中进行打杯操作时的示意图，图示中髋臼窝移动导致髋臼窝的中心轴线偏离髋臼杯的中心轴线；

图5是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统执行髋关节置换术中进行打杯操作时的示意图，图示中机械臂末端径向移动导致髋臼窝的中心轴线偏离髋臼杯的中心轴线，图示中的箭头S表示机械臂末端的移动方向；

图6是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的承载组件的结构示意图，图中示出位姿调整机构的六个运动方向；

图7是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的承载组件的结构示意图，图示中的位姿调节机构包括四个伸缩杆；

图8是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的承载组件的结构示意图，图示中的位姿调整机构包括六个伸缩杆；

图9是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的控制方法的整体流程图；

图10是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的控制方法的流程图，图示中髋臼窝移动导致髋臼窝的中心轴线偏离髋臼杯的中心轴线，且控制单元基于位姿调节机构的逆运动学获取位姿调节机构的各个关节的目标位置；

图11是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的控制方法的流程图，图中示出基于髋臼窝的中心轴线相对于髋臼杯的中心轴线的位姿偏移量的径向分离值获取位姿调节机构的各个关节的目标位置；

图12是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的控制方法的详细流程图，图中示出基于髋臼窝的中心轴线相对于髋臼杯的中心轴线的位姿偏移量的径向分离值获取位姿调节机构的各个关节的目标位置；

图13是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的控制方法中的部分步骤的流程图；

图14是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的控制方法中部分步骤的流程图；

图15是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的控制单元所执行的控制方法的整体流程图，图中示出机械臂末端径向移动导致髋臼窝的中心轴线偏离髋臼杯的中心轴线；

图16是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的随动平台随动控制组件的整体框架示意图；

图17是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的随动平台随动控制组件的框架示意图，图示中的计算模块包括逆运动学解算子模块；

图18是本发明根据一实施例所提供的手术机器人系统的随动平台随动控制组件的框架示意图，图示中的计算模块包括径向分离值解算子模块。

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，复数形式“多个”包括两个以上的对象，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，以下结合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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种手术机器人系统10，手术机器人系统10用于独立地执行手术操作或辅助医护人员执行手术操作。在一些可选的实现方式中，手术机器人系统10可以是骨科手术机器人系统，其能够用于辅助执行骨科手术，例如髋关节置换术。

请继续参考图1，手术机器人系统10包括机械臂100、导航设备(图中未标注)、承载组件300和控制单元(图中未示出)。其中，机械臂100的末端(后文中直接称之为机械臂末端)用于装载第一目标物，第一目标物用于与一第二目标物同轴地配合。承载组件300用于承载目标对象，目标对象例如是人或人体模型，目标对象具有第二目标物。如图2所示，导航设备包括定位靶标210和定位跟踪装置220，定位靶标210用于标示需要被识别的物体，需要被识别的物体例如是第二目标物、机械臂100及第一目标物。为便于理解，后文中以手术机器人系统为可用于辅助执行髋关节置换术的骨科手术机器人系统为例进行描述，相应地，第一目标物可以是髋臼杯20，第二目标物可以是髋臼窝30(如图3所示)。实践中，将髋臼杯20装载至机械臂末端之后，髋臼杯20的中心轴线与机械臂末端的轴线共线。定位靶标210包括第一定位靶标211和第二定位靶标212(如图2所示)。第一定位靶标211设置在机械臂末端上，第二定位靶标212设置在与髋关节相连的一目标骨头上。此外，导航设备还包括基准靶标230，基准靶标230固定安装于髋臼窝30附近的目标位置，且基准靶标230用于构建基准坐标系。定位跟踪装置220用于识别定位靶标210和基准靶标230，以监测机械臂末端、髋臼杯20和髋臼窝30在基准坐标系下的空间位姿。控制单元与定位跟踪装置220及机械臂100通信连接，控制单元用于在导航设备的引导下进行机械臂注册和骨注册，从而使得定位跟踪装置220可以在基准坐标系下对机械臂末端和髋臼窝20进行定位(如图3所示)。本领域技术人员知晓如何根据导航设备进行机械臂注册和骨注册，此处不赘述。由于髋臼杯20与机械臂末端之间的相对位置固定，因此定位跟踪装置220通过识别第一定位靶标211来实现对机械臂末端和髋臼杯20的定位。

后文中所述及的位置、姿态、位姿等均以基准坐标系位参考。例如“髋臼杯20的当前位姿”是指髋臼杯20在基准坐标系下的当前位姿，“髋臼窝30的当前位姿”是指髋臼窝30在基准坐标系下当前位姿。此外，“位姿”包括位置和姿态。

本领域技术人员知晓，在髋关节置换术中，通过机械臂120辅助髋臼杯20运动，以将髋臼杯20打入髋臼窝30(该过程称之为打杯)。在此过程中，髋臼杯20的中心轴线的轴线被期望于始终与髋臼窝30的中心轴线共线，以使得机械臂120能够沿着髋臼窝30的中心轴线所在的方向进给，进而使得髋臼杯20的中心轴线与髋臼窝30的中心轴线共线(如图3所示)，达到髋臼杯20与髋臼窝30同轴地配合的目的。

实践中，在打杯之前，预先将髋臼窝30的中心轴线与髋臼杯20的中心轴线对齐。本文中将髋臼窝30的中心轴线与髋臼杯20的中心轴线对齐时，两条中心轴线所在的直线称之为参考直线。在打杯过程中，髋臼窝30往往因与髋臼杯20接触受力而发生移动，导致髋臼窝30的中心轴线偏离所述参考直线，引起髋臼窝30的中心轴线偏离髋臼杯20的中心轴线(如图4所示)。或者机械臂120因受力不均导致机械臂末端沿箭头S方向移动而带动髋臼杯20不沿参考直线运动，引起髋臼杯20的中心轴线偏离髋臼窝30的中心轴线(如图5所示)。此时，需要调整机械臂末端与髋臼窝30的相对位姿，使得髋臼杯20的中心轴线与髋臼窝30的中心轴线重新对齐，重新对齐之后，髋臼杯20的中心轴线与髋臼窝30的中心轴线所在的直线仍被称之为参考直线。为简化描述，后文中一律以第一轴线40来指代髋臼杯20的中心轴线，以第二轴线50来指代髋臼窝30的中心轴线。

有鉴于此，如图6至图8所示，本发明实施例所提供的手术机器人系统10的承载组件300包括随动平台310和位姿调节机构320。随动平台310用于承载目标对象，如此，髋臼窝30即被固定于随动平台310上。位姿调节机构320与随动平台310连接，并用于带动随动平台310运动以对随动平台310的位姿进行调节。如此，在髋关节置换术中因任何原因导致第一轴线40与第二轴线50发生偏离时，都可以通过控制位姿调节机构320带动随动平台310运动，以通过调节随动平台310的位姿来调节髋臼窝30的位姿，使得第一轴线40和第二轴线50重新共线。

可选地，位姿调节机构320包括至少两个平移关节和至少两个旋转关节。当位姿调节机构320包括两个平移关节时，两个平移关节分别用于带动随动平台310沿X方向做水平移动(如图6中箭头x所示)和Y方向做水平移动(如图6中箭头y所示)。当位姿调节机构320包括三个平移关节时，三个平移关节分别用于带动随动平台310沿X方向和Y方向做水平移动，以及带动随动平台沿Z方向做竖直移动(如图6中箭头z所示)。当位姿调节机构320包括两个旋转关节时，两个旋转关节分别用于带动随动平台310在XZ平面做俯仰运动(如图6中箭头z2所示)及YZ平面做俯仰运动(如图6中箭头z1所示)。当位姿调节机构320包括三个旋转关节时，三个旋转关节分别用于带动随动平台310分别用于带动随动平台310在XZ平面及YZ平面做俯仰运动、以及在XY平面做旋转运动(如图6中箭头z3所示)。

较为具体地，如图7及图8所示，承载组件300还包括底座330。位姿调节机构320可包括多个伸缩杆321，每个伸缩杆321的轴向两端分别与底座330和随动平台310铰接。通过伸缩杆321的伸缩和伸缩杆321在铰接点处的旋转就可以带动随动平台310进行平移、旋转动作，实现随动平台310的位姿调整。根据实际需要，伸缩杆321的数量可以为四个，也可以为六个，还可以为其他数量。也就是说，多个伸缩杆321用于形成位姿调节机构320的至少两个平移关节和至少两个旋转关节。伸缩杆321可以是电动伸缩杆，也可以是气动伸缩杆，本发明实施例对此不作限定。

进一步地，手术机器人系统10的控制单元还被配置用于执行一控制方法，以在第一轴线40与第二轴线50发生偏离时对位姿调节机构300的运动进行精准控制，使得随动平台310能够运动至使第一轴线重新与与第二轴线共线的位姿。

如图9所示，控制单元所执行的控制方法包括如下步骤：

步骤S100、获取第一轴线40的当前位姿，以及获取第二轴线50的当前位姿。

步骤S200、根据第一轴线40的当前位姿和第二轴线50的当前位姿获取位姿调节机构320的各个关节的目标位置。当位姿调节机构320的各个关节处于对应的目标位置时，第一轴线40与第二轴线50共线。

步骤S300、控制位姿调节机构320运动，以使得位姿调节机构320的各个关节抵达对应的目标位置。

接下去通过具体实施例对控制方法进行介绍。

在本发明第一实施例中，如图4所示，髋臼杯20在机械臂100的辅助下沿参考直线运动，而髋臼窝30因受力发生位姿变化，使得第二轴线50偏离参考直线。如此情形下，所述第一轴线40的位姿未发生变化。

因此，在本实施例中，如图10所示，所述步骤S100包括步骤S110和步骤S120。步骤S110包括通过导航设备获取髋臼窝30的当前位姿进而获取第二轴线50的当前位姿。步骤S120包括直接调用第一轴线40在上一时刻的位姿以作为第一轴线40的当前位姿。替代性地，步骤S120中可以通过导航设备获取髋臼杯20的当前位姿(图中未示出)来获取第一轴线40的当前位姿(图中未示出)。

如图10所示，步骤S200包括步骤S210、步骤S220和步骤S230。步骤S210包括根据第二轴线50的当前位姿和第一轴线40的当前位姿获取第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量。本实施例中，第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量与随动平台310的位姿补偿量的比例为1:1。因此，步骤S220包括以第二轴线50与第一轴线40的位姿偏移量作为随动平台310的位姿补偿量，进而获取随动平台310的目标位姿。当所述随动平台310处于目标位姿时，第二轴线50重新与第一轴线40共线。步骤S230包括根据随动平台310的目标位姿对位姿调节机构320进行逆运动学解算，以获取位姿调节机构320的各个关节的目标位置。

第一实施例中基于位姿调节机构320的逆运动学进行关节位置解算，可以较为快速地获得位姿调节机构320的各个关节的目标位置，从而实现快速调整随动平台310的位姿调整的效果。

可以理解，控制方法与打杯操作同时执行。换言之，在打杯操作开始后，步骤S100立即开始执行，随后执行步骤S210。在步骤S210中，若第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量小于或等于预定值，则步骤S220及其后的步骤S230、步骤S300不执行。若第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量大于预定值，则步骤S210之后，依次执行步骤S220、步骤S230及步骤S300。预定值可以是零，也可以大于零。

在本发明的第二实施例中，髋臼杯20在机械臂100的辅助下沿参考直线运动，而髋臼窝30因受力发生位姿变化，使得第二轴线50偏离参考直线。第二实施例与第一实施例的区别之处在于，步骤S200有所不同。

请参考图11及图12，本实施例中，步骤S200包括步骤S210’和步骤S220’。步骤S210’包括根据第二轴线50的当前位姿和第一轴线40的当前位姿获取第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量的径向分离值。径向是垂直于第一目标物的中心轴线的方向。步骤S220’包括根据第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量的径向分离值获取位姿调节机构320的各个关节的目标位置。

如图12所示，在一个非限制性的实现方式中，第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量的径向分离值包括第二轴线50的方向向量相对于第一轴线40的径向分离位置量和姿态方向误差量。

于此情形中，请继续参考图12，步骤S210’可具体包括步骤S211’和步骤S212’。步骤S211’包括获取第二轴线50的方向向量相对于第一轴线40的径向分离位置量。步骤S212’包括获取第二轴线50的方向向量相对于第一轴线40的姿态方向误差量。

在一个示范性的实现方式中，如图13所示，步骤S211’包括将第二轴线50的方向向量投影至第一轴线40的法平面，以第二轴线50在第一轴线40的法平面上的投影作为第二轴线50的方向向量相对于第一轴线40的径向分离位置量。第一轴线40的法平面是指垂直于第一轴线40的平面。在替代性的实现方式中，步骤S211’也可通过如下方式实现：先将第二轴线50的方向向量投影至第一轴线40上，得到第二轴线50的方向向量沿第一轴线40的轴向分离量。然后获取第二轴线50的方向向量与第二轴线50的方向向量沿第一轴线40的轴向分离量的差值，以作为第二轴线50的方向向量相对于第一轴线40的径向分离位置量(图中未示出)。

在一个示范性的实现方式中，如图14所示，步骤S212’包括：先根据第一轴线40的当前位姿获取第一轴线40的当前的四元数，以及根据第二轴线50的当前位姿获取第二轴线50的当前的四元数。然后，根据第一轴线40的当前的四元数和第二轴线50的当前的四元数获取第二轴线50的方向向量相对于第一轴线40的姿态方向误差。

具体地，第一轴线40的当前的位姿通过如下的式(1)表示：

T

其中，

如此，第一轴线40的当前的四元数通过如下式(2)、式(3)及式(4)计算：

Q

式中，r

第二轴线50的当前的位姿通过如下的式(5)表示：

T

其中，

如此，第二轴线50的当前的四元数通过如下式(6)、式(7)及式(8)计算：

Q

式中，r

然后通过如下的式(9)计算第二轴线50相对于第一轴线40的姿态方向误差量。式(9)为：

e

式中，e

请继续参考图12并结合图13及图14，步骤S220’具体包括步骤S221’、步骤S222’、步骤S223’、步骤S224’和步骤S225’。

步骤S221’包括根据第二轴线50相对于第一轴线40的径向分离位置量获取第一补偿速度。具体包括：先根据第二轴线50相对于第一轴线40的径向分离位置量和等效轴算法获取第一转换矩阵，本领域技术人员知晓在已知第二轴线50相对于第一轴线40的径向分离位置量如何计算第一转换矩阵，此处不赘述。然后根据所述第一转换矩阵和第二轴线50相对于第一轴线40的径向分离位置量获取第一补偿速度。计算公式如下式(10)所示：

V

式中，V

步骤S222’包括根据第二轴线50相对于第一轴线40的姿态方向误差量获取第二补偿速度，具体包括：先根据第二轴线50相对于第一轴线40的姿态方向误差量和等效轴法获取第二转换矩阵，本领域技术人员知晓在已知第二轴线50相对于第一轴线40的姿态方向误差量的情况下如何计算第二转换矩阵，此处不赘述。然后根据第二轴线50相对于第一轴线40的姿态方向误差量与第二转换矩阵计算第二补偿速度，计算公式如下式(11)所示：

V

式中，V

可以理解，式(10)和式(11)可以整体表示为如下式(12)：

[V

步骤S223’包括根据髋臼窝30的当前位姿获取位姿调节机构320的速度雅可比矩阵。可以理解，髋臼窝30固定于随动平台310上，随动平台310的位姿由位姿调节机构320决定，因此，根据髋臼窝30的当前位姿就可以得到位姿调节机构320的速度雅可比矩阵。可以理解，在获取第二轴线50的当前位姿时，就已经获取了髋臼窝30的当前位姿。

步骤S224’包括根据第一补偿速度、第二补偿速度及位姿调节机构320的速度雅可比矩阵得到位置调节机构320的各个关节的目标速度。具体是先对位姿调节机构320的速度雅可比矩阵求逆，得到位姿调节机构320的速度雅可比矩阵的逆矩阵，然后根据第一补偿速度、第二补偿速度及位姿调节机构320的速度雅可比矩阵的逆矩阵求解位姿调节机构320的各个关节的目标速度。计算公式如下式(13)所示：

式中，

步骤S225’包括根据位姿调节机构320的各个关节的目标速度获取各个关节的目标位置。具体使各个关节的目标速度对时间积分以得到各个关节对应的目标位置。

第二实施例中，基于第二轴线50的方向向量相对于第一轴线40的径向分离值进行偏差补偿，可以有效消除随动平台310的当前位姿与目标位姿之间的偏差，提高控制精度。并且通过速度雅可比矩阵求解位姿调节机构320的各个关节的目标速度，进而求解各个关节的目标位置，有利于提高位姿调节机构320的奇异位置的控制稳定性。

可以理解，第二实施例中的步骤S221’、步骤S222’及步骤S223’可同步执行。

在本发明的第三实施例中，如图5所示，髋臼窝30保持不动，而机械臂120的运动发生偏离导致髋臼杯20不沿参考直线运动，引起第一轴线40与第二轴线50偏离。于本实施例中，控制方法与第一实施例或第二实施例的区别之处在于步骤S100不同。具体地，请参考图15，本实施例中，步骤S100包括步骤S110’及步骤S120’。步骤S110’包括通过导航设备获取髋臼杯20的当前位姿。步骤S120’包括直接调用髋臼窝30在上一时刻的位姿。之后参照第一实施例或第二实施例依次执行步骤S200及步骤S300。

在本发明的第四实施例中，髋臼窝30发生移动导致第二中心轴线50偏离参考直线，同时髋臼杯20也因机械臂120的运动的偏离而不再沿参考直线运动。本实施例与第一实施例、第二实施例及第三实施例的区别之处在于步骤S100不同，具体是根据导航设备获取髋臼杯20的当前位姿和髋臼窝30的当前位姿，进而可以获取第一轴线40的当前位姿和第二轴线50的当前位姿。

需要说明的是，控制单元所执行的是一种根据预设的控制逻辑并执行的方法，其实质是手术自主的类别选择，并非用于对对象进行识别。可以理解的，由于并不需要对目标对象进行识别，即使目标对象是人体模型或其它的物体，其同样可以执行这些操作，因此这里的手术，并非特指对患者进行外科手术操作，而仅仅是根据预设的控制逻辑所执行的一套操作步骤，例如可用于模拟训练(此时目标对象可以是人体模型或其他物)等应用场景。

通过以上介绍可知，本发明实施例所提供的手术机器人系统实际应用了提供了一种随动平台控制组件来对位姿调节机构的各个关节的运动进行随动控制。如图16所示，随动平台控制组件包括信息获取模块400、计算模块500、关节控制模块600及关节执行模块700。其中，信息获取模块400用于获取第一轴线40的当前位姿和第二轴线50的当前位姿。计算模块500与信息获取模块600通信连接，且用于接收髋臼窝30的第一轴线40的当前位姿和第二轴线50的当前位姿，计算模块500还用于根据第一轴线40的当前位姿和第二轴线50的当前位姿获取计算位姿调节机构320的各个关节的目标位置。关节控制模块600用于与计算模块500通信连接，并用于根据位姿调节机构320的各个关节的对应的目标位置生成控制指令。关节执行模块500与关节控制模块通信连接，并用于接收控制指令，且根据控制指令输出驱动力矩，以驱使位姿调节机构320的各个关节运动至对应的目标位置。

具体地，如图17所示，当计算模块500基于位姿调节机构320的逆运动学求算位姿调节机构320的各个关节的目标位置时，计算模块500可具体包括位姿偏移量计算模块510、随动补偿量计算模块520、位姿求解模块530以及逆运动学解算模块540，随动补偿量计算模块520与位姿偏移量计算模块510通信连接，位姿求解模块530与随动补偿量计算模块520通信连接，逆运动学解算模块540与位姿求解模块530通信连接。其中，偏移量计算模块510用于获取第二轴线50和第一轴线40的当前位姿，并计算第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量。随动补偿量计算模块520用于根据第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量计算随动平台310的运动补偿量，于本发明实施例中，随动平台310按照同比例补偿的原则对第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量进行补偿，也即随动补偿量计算模块520直接以第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量作为随动平台310的位姿补偿量，并发送给位姿求解模块530。位姿求解模块530根据随动平台310的位姿补偿量求解随动平台310的目标位姿。之后，逆运动学解算模块540用于根据随动平台310的目标位姿求解位姿调节机构320的各个关节的目标位置。

或者，如图18所示，当计算模块500基于第二轴线50相对于第一轴线40的位姿偏移量的径向分离值和位姿调节机构320的速度雅可比矩阵求算位姿调节机构320的各个关节的目标位置时，计算模块500包括径向分离值计算模块510’、随动补偿速度计算模块520’、速度转换模块530’和积分模块540’。其中，径向分离值计算模块510’与信息获取位姿获取模块400通信连接，并用于计算第二轴线50的方向向量相对于第一轴线40的位姿偏移量的径向分离值。随动补偿速度计算模块520’与径向分离值计算模块510’通信连接，并用于接收第二轴线50的方向向量相对于第一轴线40的位姿偏移量的径向分离值，且根据第二轴线50的方向向量相对于第一轴线40的位姿偏移量的径向分离值计算第一补偿速度和第二补偿速度。速度转换模块530’与位姿获取模块400及随动补偿速度计算模块520’通信连接，并用于根据髋臼窝30的当前位姿获取位姿调节机构320的速度雅可比矩阵，且根据第一补偿速度、第二补偿速度、位姿调节机构320的速度雅可比矩阵获取位姿调节机构320的各个关节的目标速度。积分模块540’与速度转换模块530’通信连接，并用于接收位姿调节机构320的各个关节的目标速度，且使各个关节的目标速度对时间积分以得到各个关节的目标位置。

进一步地，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有程序，当程序被执行时，执行前述的控制方法。

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。