CN106272554B - 一种手术机器人运行状态故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术机器人运行状态故障检测方法，其特征在于设置包括有主控计算机、主嵌入式计算机和从嵌入式计算机的手术机器人系统；主控计算机通过局域网路由器对主嵌入式计算机和从嵌入式计算机进行控制，主嵌入式计算机分别通过局域网路由器和第一通信总线与从嵌入式计算机进行相互通信。本发明主控计算机、主嵌入式计算机和从嵌入式计算机相互进行故障检测，可以在不增加任何附属检测元件的前提下提高手术机器人系统运行的安全性和可靠性，且有效减少系统的通信负担。本发明可以广泛应用于微创手术机器人系统中。

Description

一种手术机器人运行状态故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种手术机器人故障检测方法，特别是关于一种手术机器人运行状态故障检测方法。

背景技术

近年来，微创手术由于其创伤面积小、恢复快等特点已经成为一种重要的外科手术方法，手术机器人系统凭借其清晰的立体视觉反馈、灵活操控等特点已经广泛地应用于微创手术领域，其中，Intuitive Surgical公司的da Vinci(达芬奇)手术机器人在微创手术领域取得了巨大成功。手术机器人系统通常包括一个视觉操作臂和多个手术操作臂，外科医生通过操作输入设备和界面输入控制指令，该控制指令经过可相互通信的多个控制计算机节点的运算处理后，发送给视觉操作臂和手术操作臂实现对它们的驱动以施展微创手术。上述多个控制计算机节点组成了一种分布式计算机系统。

由于施展于人体的微创手术对手术机器人系统安全性存在严苛要求，需要对各控制计算机节点实时进行故障检测，并根据故障采取最为安全的应对措施。现有手术机器人系统采用额外的检测信号以实时监测控制计算机节点是否出现故障，这样将大大增加系统的通信负担。目前多数系统采取冗余设备以随时接管故障设备，此方法造成了系统资源的浪费；进一步地，现有手术机器人系统并未针对性地提出以人体安全为基础的系统解决方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种手术机器人运行状态故障检测方法，能够在不增加附属检测元件的前提下提高手术机器人系统运行的安全性和可靠性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种手术机器人运行状态故障检测方法，运行状态包括完全运行状态和不完全运行状态，其特征在于具体内容为：1)主控计算机在完全运行状态或不完全运行状态的故障检测：A1)主控计算机在完全运行状态出现故障：主控计算机以设定周期通过局域网路由器分别向主嵌入式计算机和若干从嵌入式计算机广播期望位姿信号，并以设定周期接收主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，且同时以设定周期接收各从嵌入式计算机发送的实际位姿信号；如果主嵌入式计算机、从嵌入式计算机在设定周期内未收到主控计算机通过局域网路由器发送的期望位姿信号，且主嵌入式计算机未通过局域网路由器接收到主控计算机返回的空操作应答信号，则认为主控计算机出现故障；B1)主控计算机在不完全运行状态下出现故障：主控计算机以设定周期通过局域网路由器分别向主嵌入式计算机和若干从嵌入式计算机发送空操作指令信号，并以设定周期接收主嵌入式计算机和各从嵌入式计算机返回的空操作应答信号；如果主嵌入式计算机和从嵌入式计算机在设定周期内均未收到主控计算机通过局域网路由器发送的空操作指令信号，则认为主控计算机出现故障；2)主嵌入式计算机在完全运行状态或不完全运行状态的故障检测：A2)主嵌入式计算机在完全运行状态下出现故障：主嵌入式计算机以设定周期接收主控计算机发送的期望位姿信号，并以设定周期向主控计算机发送空操作指令信号并获得主控计算机返回的空操作应答信号；且同时通过第一通信总线监听各从嵌入式计算机发送的电机位控信号；如果主控计算机在设定周期内未通过局域网路由器接收到主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，则认为主嵌入式计算机出现故障；B2)主嵌入式计算机在不完全运行状态下出现故障：主嵌入式计算机以设定周期接收主控计算机发送的空操作指令信号且向主控计算机返回空操作应答信号，并以设定周期通过局域网路由器向从嵌入式计算机发送空操作指令信号且接收各从嵌入式计算机返回的空操作应答信号；如果主控计算机在设定周期内未通过局域网路由器接收到主嵌入式计算机返回的空操作应答信号，且各从嵌入式计算机在设定周期内未接收到主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，则认为主嵌入式计算机出现故障；3)从嵌入式计算机在完全运行状态或不完全运行状态的故障检测：A3)从嵌入式计算机在完全运行状态下出现故障：各从嵌入式计算机以设定周期通过局域网路由器接收主控计算机发送的期望位姿信号且通过局域网路由器向主控计算机发送实际位姿信号；同时以设定周期经第一通信总线向手术工具驱动模组或成像工具驱动模组发送电机位控信号；如果主控计算机在设定周期内未收到某一从嵌入式计算机通过局域网路由器发送的实际位姿信号，且如果在设定周期内主嵌入式计算机未通过第一通信总线监听到从嵌入式计算机发送的电机位控信号，则认为此从嵌入式计算机出现故障；B3)从嵌入式计算机在不完全运行状态下出现故障：各从嵌入式计算机以设定周期通过局域网路由器接收主控计算机和主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，且以设定周期向主控计算机和主嵌入式计算机返回空操作应答信号；如果主控计算机在设定周期内未收到某一从嵌入式计算机通过局域网路由器返回的空操作应答信号，且如果在设定周期内主嵌入式计算机未收到此从嵌入式计算机返回的空操作应答信号，则认为此从嵌入式计算机出现故障。

进一步地，当主控计算机发生故障时，首先对手术机器人系统采取报警机制和急停机制或仅仅采取报警机制，然后对主控计算机执行恢复机制后，主控计算机继续通过局域网路由器向各从嵌入式计算机发送信号，若对主控计算机的恢复机制未成功，则以主嵌入式计算机执行手动机制，并通过局域网路由器控制从嵌入式计算机，进而控制手术工具或成像工具进行动作。

进一步地，当主嵌入式计算机发生故障时，首先对手术机器人系统采取报警机制和急停机制或仅仅采用报警机制，然后通过主控计算机执行手动机制，进而通过从嵌入式计算机控制手术工具或成像工具进行动作。

进一步地，当某一从嵌入式计算机发生故障时，首先对手术机器人系统采取报警机制和急停机制或仅仅采用报警机制，通过主控计算机执行手动机制，以主嵌入式计算机代替出现故障的某一从嵌入式计算机，主控计算机通过主嵌入式计算机或其它从嵌入式计算机控制手术工具或成像工具进行动作。

进一步地，恢复机制是指主控计算机发生故障时，主嵌入式计算机等待主控计算机重启恢复正常，待主控计算机恢复正常后，操作者在主控计算机的操作界面进行状态询问操作，主控计算机通过局域网路由器向主嵌入式计算机发送状态询问指令，接收到主嵌入式计算机发来的状态应答指令后，调整手术机器人系统至发生故障前的状态。

进一步地，报警机制具体包括：(1)当主控计算机发生故障时，主嵌入式计算机通过第二通信总线使得所对应的主控计算机指示灯更新到错误显示状态；(2)当主嵌入式计算机发生故障时，主控计算机自动将操作界面切换到手动操作界面，在该界面上提示主嵌入式计算机发生故障，同时主控计算机将对应的主嵌入式计算机指示灯更新到错误显示状态；(3)当某一从嵌入式计算机发生故障时，主控计算机自动将操作界面切换到手动操作界面，在该界面上提示某一从嵌入式计算机发生故障，此时主嵌入式计算机通过第二通信总线使得所对应的从嵌入式计算机指示灯更新到错误显示状态。

进一步地，当主控计算机、主嵌入式计算机或从嵌入式计算机在完全运行状态下发生故障时均需启动急停机制，其中：急停机制是指从嵌入式计算机接收到主控计算机或主嵌入式计算机的保持命令后通过相应手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具停止运动，并保持当前位姿；或急停机制是指代替出现故障的某一从嵌入式计算机的主嵌入式计算机接收到主控计算机的保持命令后通过相应手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具停止运动，并保持当前位姿。

进一步地，手动机制是指通过手术机器人的关节参数手动调整区直接控制主控计算机、主嵌入式计算机或从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具的动作，具体过程为：当主控计算机发生故障时，主嵌入式计算机切换到手动操作界面，通过关节参数手动调整区直接控制各从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具进行动作；当主嵌入式计算机发生故障时，主控计算机切换到手动操作界面，通过关节参数手动调整区直接控制各从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具进行动作；当某一从嵌入式计算机发生故障时，主控计算机切换到手动操作界面，主嵌入式计算机接管故障的某一从嵌入式计算机，主控计算机通过关节参数手动调整区直接控制主嵌入式计算机和其余未出现故障的从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具进行动作。

进一步地，上位机通过作为接管故障的某一从嵌入式计算机使用的主嵌入式计算机或正常工作的从嵌入式计算机控制手术工具驱动模组，进而控制手术工具进行动作，其中，上位机为主控计算机或主嵌入式计算机；当手术机器人为完全运行状态或不完全运行状态时，均以主控计算机发生故障，控制手术工具进行动作的从嵌入式计算机工作正常，主嵌入式计算机作为主控计算机进行使用为例说明控制手术工具进行动作，操作者操作关节参数手动调整区的映射选择区中所要控制的手术工具驱动模组的位姿，主嵌入式计算机以设定周期读取手术臂关节参数，并将产生的期望位姿发送到从嵌入式计算机；当手术机器人为完全运行状态时，从嵌入式计算机接收到期望位姿信号并通过手术工具驱动模组对手术工具末端的手术执行器位姿进行闭环控制，具体顺序为： a1)如果手术工具末端携带手术执行器的手术臂处于展开状态，则手术工具驱动模组驱动手术工具末端的手术执行器保持当前的位置、姿态并恢复至初始状态，进而驱动手术臂回直，然后进入步骤a2)；a2)如果手术工具末端携带的手术执行器未处于初始位置且手术臂处于直态，则手术工具驱动模组驱动手术工具末端的手术执行器直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤a3)；a3)操作者将手术工具从手术工具驱动模组上卸下，完成手术工具与手术机器人的分离；当手术机器人为不完全运行状态时，从嵌入式计算机接收到期望位姿信号并通过手术工具驱动模组对手术工具末端的手术执行器位姿进行控制，具体顺序为：a1)如果手术工具末端携带手术执行器的手术臂处于展开状态，则手术工具驱动模组驱动手术臂回直，然后进入步骤a2)；a2)如果手术工具末端携带的手术执行器未处于初始位置且手术臂处于直态，则手术工具驱动模组驱动手术工具末端的手术执行器直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤a3)；a3)操作者将手术工具从手术工具驱动模组上卸下，完成手术工具与手术机器人的分离。

进一步地，当手术工具从病人身上的手术切口退出，完成手术工具与手术机器人的完全分离时，上位机通过控制作为接管故障的某一从嵌入式计算机使用的主嵌入式计算机或正常工作的从嵌入式计算机控制成像工具驱动模组，进而控制成像工具进行动作；当手术机器人为完全运行状态或不完全运行状态时，均以某一控制成像工具进行动作的从嵌入式计算机发生故障，主嵌入式计算机作为接管发生故障的从嵌入式计算机进行使用为例说明控制成像工具进行动作，操作者操作关节参数手动调整区的映射选择区中所要控制的成像工具驱动模组，主控计算机以设定周期读取手术臂关节参数并将产生的期望位姿发送到主嵌入式计算机；当手术机器人为完全运行状态，主嵌入式计算机接收到期望位姿信号通过成像工具驱动模组对成像工具末端的成像照明模组位姿进行闭环控制的具体顺序为：b1)如果成像工具末端携带成像照明模组的手术臂处于展开状态，则成像工具驱动模组驱动成像工具末端的成像照明模组保持当前的位置、姿态，进而驱动手术臂回直，然后进入步骤b2)；b2)如果成像工具末端携带的成像照明模组未处于初始位置且手术臂处于直态，则成像工具驱动模组驱动成像工具末端的成像照明模组直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤 b3)；b3)操作者将成像工具从成像工具驱动模组上卸下，完成成像工具与手术机器人的分离；当手术机器人为不完全运行状态时，主嵌入式计算机接收到期望位姿信号通过成像工具驱动模组对成像工具末端的成像照明模组位姿进行控制，具体顺序为：b1) 如果成像工具末端携带成像照明模组的手术臂处于展开状态，则成像工具驱动模组驱动手术臂回直，然后进入步骤b2)；b2)如果成像工具末端携带的成像照明模组未处于初始位置且手术臂处于直态，则成像工具驱动模组驱动成像工具末端的成像照明模组直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤b3)；b3)操作者将成像工具从成像工具驱动模组上卸下，完成成像工具与手术机器人的分离。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在手术机器人系统处于完全运行状态或不完全运行状态时，通过手术机器人系统中的主控计算机、主嵌入式计算机和从嵌入式计算机相互检测故障的方法，可以在不增加任何附属检测元件的前提下提高手术机器人系统运行的安全性和可靠性，而且有效减少了系统的通信负担。 2、本发明的主嵌入式计算机用于记录手术机器人系统的运行状态，同时，主嵌入式计算机可以作为冗余的从嵌入式计算机使用，当某一从嵌入式计算机发生故障后，主嵌入式计算机可替代出现故障的从嵌入式计算机。3、当手术机器人系统中主控计算机、主嵌入式计算机或从嵌入式计算机出现故障时，本发明可以采用设定的安全机制完成故障恢复，以辅助退出位于病人体内的手术机器人部分，可进一步提高手术机器人系统的安全性。本发明可以广泛应用于微创手术机器人系统中。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，实施例的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制，本实施例中的“/”表示的含义为“或”。

手术机器人系统包括有一主控计算机、一主嵌入式计算机和若干从嵌入式计算机；主控计算机通过局域网路由器对主嵌入式计算机和从嵌入式计算机进行控制，主嵌入式计算机分别通过局域网路由器和第一通信总线与从嵌入式计算机进行相互通信，其中，第一通信总线优选CAN总线。

本发明手术机器人的运行状态包括完全运行状态和不完全运行状态，其中，完全运行状态定义为：主控计算机通过局域网路由器持续向主嵌入式计算机和各从嵌入式计算机发送期望位姿信号，任一从嵌入式计算机通过第一通信总线向手术工具驱动模组/成像工具驱动模组发送电机位控信号进而控制手术工具/成像工具进行动作，任一从嵌入式计算机通过局域网路由器持续向主控计算机发送实际位姿信号。

不完全运行状态定义为：主控计算机没有持续通过局域网路由器向主嵌入式计算机和任一从嵌入式计算机发送期望位姿信号，各从嵌入式计算机没有持续向主控计算机发送实际位姿信号，同时任一从嵌入式计算机没有通过第一通信总线向手术工具驱动模组/成像工具驱动模组发送电机位控信号。

下面分别通过两个具体实施例详细说明本发明的手术机器人完全运行状态和手术机器人不完全运行状态的故障检测方法。

实施例1：

本实施例对手术机器人完全运行状态故障检测方法进行详细说明，包括以下内容：

1、主控计算机以设定周期通过局域网路由器分别向主嵌入式计算机和若干从嵌入式计算机广播期望位姿信号，并以设定周期接收主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，且同时以设定周期接收各从嵌入式计算机发送的实际位姿信号；

2、主嵌入式计算机以设定周期接收主控计算机发送的期望位姿信号，并以设定周期向主控计算机发送空操作指令信号并获得主控计算机返回的空操作应答信号；且同时通过第一通信总线监听各从嵌入式计算机发送的电机位控信号；

3、各从嵌入式计算机以设定周期通过局域网路由器接收主控计算机发送的期望位姿信号且通过局域网路由器向主控计算机发送实际位姿信号；同时以设定周期经第一通信总线向手术工具驱动模组/成像工具驱动模组发送电机位控信号；

4、如果主嵌入式计算机、从嵌入式计算机在设定周期内未收到主控计算机通过局域网路由器发送的期望位姿信号，且主嵌入式计算机未通过局域网路由器接收到主控计算机返回的空操作应答信号，则认为主控计算机在完全运行状态下出现故障；

5、如果主控计算机在设定周期内未通过局域网路由器接收到主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，则认为主嵌入式计算机在完全运行状态下出现故障；

6、如果主控计算机在设定周期内未收到某一从嵌入式计算机通过局域网路由器发送的实际位姿信号，且如果在设定周期内主嵌入式计算机未通过第一通信总线监听到从嵌入式计算机发送的电机位控信号，则认为此从嵌入式计算机在完全运行状态下出现故障。

进一步地，当主控计算机发生故障时，对手术机器人系统采取报警机制和急停机制，并对主控计算机执行恢复机制后，主控计算机继续通过局域网路由器向各从嵌入式计算机发送期望位姿信号，若对主控计算机的恢复机制未成功，则以主嵌入式计算机执行手动机制，并通过局域网路由器控制从嵌入式计算机，进而控制手术工具/成像工具进行动作。

进一步地，当主嵌入式计算机发生故障时，对手术机器人系统采取报警机制和急停机制后，并通过主控计算机执行手动机制，进而通过从嵌入式计算机控制手术工具/ 成像工具进行动作。

进一步地，当某一从嵌入式计算机发生故障时，对手术机器人系统采取报警机制和急停机制后，通过主控计算机执行手动机制，以主嵌入式计算机代替出现故障的某一从嵌入式计算机，主控计算机通过主嵌入式计算机和其它从嵌入式计算机控制手术工具/成像工具进行动作。

进一步地，本发明的恢复机制是指主控计算机发生故障时，主嵌入式计算机等待主控计算机重启恢复正常，待主控计算机恢复正常后，操作者在主控计算机的操作界面进行状态询问操作，主控计算机通过局域网路由器向主嵌入式计算机发送状态询问指令，接收到主嵌入式计算机发来的状态应答指令后，调整手术机器人系统至发生故障前的状态。

进一步地，本发明的报警机制是为引起操作者的注意，具体包括：

1)当主控计算机发生故障时，主嵌入式计算机通过第二通信总线使得所对应的主控计算机指示灯更新到错误显示状态，第二通信总线优选为两线式串行总线，即I2C 总线；

2)当主嵌入式计算机发生故障时，主控计算机自动将操作界面切换到手动操作界面，在该界面上提示主嵌入式计算机发生故障，同时主控计算机将对应的主嵌入式计算机指示灯更新到错误显示状态；

3)当某一从嵌入式计算机发生故障时，主控计算机自动将操作界面切换到手动操作界面，在该界面上提示某一从嵌入式计算机发生故障，此时主嵌入式计算机通过第二通信总线使得所对应的从嵌入式计算机指示灯更新到错误显示状态。

进一步地，本发明的急停机制是指从嵌入式计算机收到上位机的保持命令后通过相应手术工具驱动模组/成像工具驱动模组控制手术工具和成像工具停止运动，并保持当前位姿，其中，上位机可以是主控计算机或主嵌入式计算机。

进一步地，本发明的手动机制是指通过手术机器人的关节参数手动调整区直接控制主控计算机、主嵌入式计算机或从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组/成像工具驱动模组控制手术工具/成像工具的动作，具体过程为：

1)当主控计算机发生故障时，主嵌入式计算机切换到手动操作界面，通过关节参数手动调整区直接控制各从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组/成像工具驱动模组控制手术工具/成像工具进行动作；

2)当主嵌入式计算机发生故障时，主控计算机切换到手动操作界面，通过关节参数手动调整区直接控制各从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组/成像工具驱动模组控制手术工具/成像工具进行动作；

3)当某一从嵌入式计算机发生故障时，主控计算机切换到手动操作界面，主嵌入式计算机接管故障的某一从嵌入式计算机，主控计算机通过关节参数手动调整区直接控制主嵌入式计算机和其余未出现故障的从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组/成像工具驱动模组控制手术工具/成像工具进行动作。

进一步地，上位机通过主嵌入式计算机(作为接管故障的某一从嵌入式计算机使用)或正常工作的各从嵌入式计算机控制手术工具驱动模组，进而控制手术工具进行动作。

例如，当主控计算机发生故障时，此时主嵌入式计算机作为主控计算机进行使用，操作者操作关节参数手动调整区的映射选择区中所要控制的手术工具驱动模组的位姿，主嵌入式计算机以设定周期读取手术臂关节参数，并将产生的期望位姿发送到从嵌入式计算机，从嵌入式计算机接收到期望位姿信号并通过手术工具驱动模组对手术工具末端的手术执行器位姿进行闭环控制，进而实现对手术机器人的操作以将手术机器人中手术工具位于病人体内的部分安全撤回至初始位置，具体顺序为：

1)如果手术工具末端携带手术执行器的手术臂处于展开状态，则手术工具驱动模组驱动手术工具末端的手术执行器保持当前的位置、姿态并恢复至初始状态(例如手术执行器为手术钳时，应该恢复到闭合姿态)，进而驱动手术臂回直，然后进入步骤2)；

2)如果手术工具末端携带的手术执行器未处于初始位置且手术臂处于直态，则手术工具驱动模组驱动手术工具末端的手术执行器直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤3)；

3)操作者将手术工具从手术工具驱动模组上卸下，完成手术工具与手术机器人的分离。

进一步地，当手术工具从病人身上的手术切口退出，完成手术工具与手术机器人的完全分离时，上位机通过主嵌入式计算机(作为接管故障的某一从嵌入式计算机使用)或正常工作的各从嵌入式计算机控制成像工具驱动模组，进而控制成像工具进行动作。

例如，当某一控制成像工具进行动作的从嵌入式计算机发生故障时，此时主嵌入式计算机作为接管发生故障的从嵌入式计算机进行使用，操作者操作关节参数手动调整区的映射选择区中所要控制的成像工具驱动模组，主控计算机以设定周期读取手术臂关节参数并将产生的期望位姿发送到主嵌入式计算机，主嵌入式计算机接收到期望位姿信号通过成像工具驱动模组对成像工具末端的成像照明模组位姿进行闭环控制，进而实现对手术机器人的操作以将手术机器人中成像工具位于病人体内的部分安全撤回至初始位置，具体顺序为：

1)如果成像工具末端携带成像照明模组的手术臂处于展开状态，则成像工具驱动模组驱动成像工具末端的成像照明模组保持当前的位置、姿态，进而驱动手术臂回直，然后进入步骤2)；

2)如果成像工具末端携带的成像照明模组未处于初始位置且手术臂处于直态，则成像工具驱动模组驱动成像工具末端的成像照明模组直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤3)；

3)操作者将成像工具从成像工具驱动模组上卸下，完成成像工具与手术机器人的分离。

实施例2：

本实施例对手术机器人不完全运行状态故障检测方法进行详细说明，包括以下内容：

1、主控计算机以设定周期通过局域网路由器分别向主嵌入式计算机和若干从嵌入式计算机发送空操作指令信号，并以设定周期接收主嵌入式计算机和各从嵌入式计算机返回的空操作应答信号。

2、主嵌入式计算机以设定周期接收主控计算机发送的空操作指令信号且向主控计算机返回空操作应答信号，并以设定周期通过局域网路由器向从嵌入式计算机发送空操作指令信号且接收各从嵌入式计算机返回的空操作应答信号。

3、各从嵌入式计算机以设定周期通过局域网路由器接收主控计算机和主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，且以设定周期向主控计算机和主嵌入式计算机返回空操作应答信号。

4、如果主嵌入式计算机和从嵌入式计算机在设定周期内均未收到主控计算机通过局域网路由器发送的空操作指令信号，则认为主控计算机在不完全运行状态下出现故障。

5、如果主控计算机在设定周期内未通过局域网路由器接收到主嵌入式计算机返回的空操作应答信号，且各从嵌入式计算机在设定周期内未接收到主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，则认为主嵌入式计算机在不完全运行状态下出现故障。

6、如果主控计算机在设定周期内未收到某一从嵌入式计算机通过局域网路由器返回的空操作应答信号，且如果在设定周期内主嵌入式计算机未收到此从嵌入式计算机返回的空操作应答信号，则认为此从嵌入式计算机在不完全运行状态下出现故障。

进一步地，当主控计算机、主嵌入式计算机或某一从嵌入式计算机在不完全运行状态下发生故障时，具体报警机制、恢复机制和手动机制及操作过程与实施例1基本相同，唯一不同的是，在不完全运行状态下发生故障时，主控计算机、主嵌入式计算机或某一从嵌入式计算机仅仅采用报警机制，均不采取急停机制。另外，本实施例的报警机制、恢复机制和手动机制的工作原理与实施例1完全相同，在此不再赘述。

进一步地，上位机通过主嵌入式计算机(作为接管故障的某一从嵌入式计算机使用)或正常工作的各从嵌入式计算机控制手术工具驱动模组，进而控制手术工具进行动作，此过程与实施例1基本相同，由于手术机器人为不完全运行状态，因此将手术机器人中的手术工具安全撤回至初始位置的具体过程存在不同，具体为：

1)如果手术工具末端携带手术执行器的手术臂处于展开状态，则手术工具驱动模组驱动手术臂回直，然后进入步骤2)；

2)如果手术工具末端携带的手术执行器未处于初始位置且手术臂处于直态，则手术工具驱动模组驱动手术工具末端的手术执行器直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤3)；

3)操作者将手术工具从手术工具驱动模组上卸下，完成手术工具与手术机器人的分离。

进一步地，当手术工具从病人身上的手术切口退出，完成手术工具与手术机器人的完全分离时，上位机通过主嵌入式计算机(作为接管故障的某一从嵌入式计算机使用)或正常工作的各从嵌入式计算机控制成像工具驱动模组，进而控制成像工具进行动作，此过程与实施例1基本相同，由于手术机器人系统为不完全运行状态，将手术机器人中成像工具安全撤回至初始位置的具体过程存在不同，具体为：

1)如果成像工具末端携带成像照明模组的手术臂处于展开状态，则成像工具驱动模组驱动手术臂回直，然后进入步骤2)；

2)如果成像工具末端携带的成像照明模组未处于初始位置且手术臂处于直态，则成像工具驱动模组驱动成像工具末端的成像照明模组直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤3)；

3)操作者将成像工具从成像工具驱动模组上卸下，完成成像工具与手术机器人的分离。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种手术机器人运行状态故障检测方法，手术机器人系统包括有一主控计算机、一主嵌入式计算机和若干从嵌入式计算机；主控计算机通过局域网路由器对主嵌入式计算机和从嵌入式计算机进行控制，主嵌入式计算机分别通过局域网路由器和第一通信总线与从嵌入式计算机进行相互通信；运行状态包括完全运行状态和不完全运行状态，其中，完全运行状态定义为：主控计算机通过局域网路由器持续向主嵌入式计算机和各从嵌入式计算机发送期望位姿信号，任一从嵌入式计算机通过第一通信总线向手术工具驱动模组或成像工具驱动模组发送电机位控信号进而控制手术工具或成像工具进行动作，任一从嵌入式计算机通过局域网路由器持续向主控计算机发送实际位姿信号；不完全运行状态定义为：主控计算机没有持续通过局域网路由器向主嵌入式计算机和任一从嵌入式计算机发送期望位姿信号，各从嵌入式计算机没有持续向主控计算机发送实际位姿信号，同时任一从嵌入式计算机没有通过第一通信总线向手术工具驱动模组或成像工具驱动模组发送电机位控信号；其特征在于具体内容为：

1)主控计算机在完全运行状态或不完全运行状态的故障检测：

A1)主控计算机在完全运行状态出现故障：

主控计算机以设定周期通过局域网路由器分别向主嵌入式计算机和若干从嵌入式计算机广播期望位姿信号，并以设定周期接收主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，且同时以设定周期接收各从嵌入式计算机发送的实际位姿信号；如果主嵌入式计算机、从嵌入式计算机在设定周期内未收到主控计算机通过局域网路由器发送的期望位姿信号，且主嵌入式计算机未通过局域网路由器接收到主控计算机返回的空操作应答信号，则认为主控计算机出现故障；

B1)主控计算机在不完全运行状态下出现故障：

主控计算机以设定周期通过局域网路由器分别向主嵌入式计算机和若干从嵌入式计算机发送空操作指令信号，并以设定周期接收主嵌入式计算机和各从嵌入式计算机返回的空操作应答信号；如果主嵌入式计算机和从嵌入式计算机在设定周期内均未收到主控计算机通过局域网路由器发送的空操作指令信号，则认为主控计算机出现故障；

2)主嵌入式计算机在完全运行状态或不完全运行状态的故障检测：

A2)主嵌入式计算机在完全运行状态下出现故障：

主嵌入式计算机以设定周期接收主控计算机发送的期望位姿信号，并以设定周期向主控计算机发送空操作指令信号并获得主控计算机返回的空操作应答信号；且同时通过第一通信总线监听各从嵌入式计算机发送的电机位控信号；如果主控计算机在设定周期内未通过局域网路由器接收到主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，则认为主嵌入式计算机出现故障；

B2)主嵌入式计算机在不完全运行状态下出现故障：

主嵌入式计算机以设定周期接收主控计算机发送的空操作指令信号且向主控计算机返回空操作应答信号，并以设定周期通过局域网路由器向从嵌入式计算机发送空操作指令信号且接收各从嵌入式计算机返回的空操作应答信号；如果主控计算机在设定周期内未通过局域网路由器接收到主嵌入式计算机返回的空操作应答信号，且各从嵌入式计算机在设定周期内未接收到主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，则认为主嵌入式计算机出现故障；

3)从嵌入式计算机在完全运行状态或不完全运行状态的故障检测：

A3)从嵌入式计算机在完全运行状态下出现故障：

各从嵌入式计算机以设定周期通过局域网路由器接收主控计算机发送的期望位姿信号且通过局域网路由器向主控计算机发送实际位姿信号；同时以设定周期经第一通信总线向手术工具驱动模组或成像工具驱动模组发送电机位控信号；如果主控计算机在设定周期内未收到某一从嵌入式计算机通过局域网路由器发送的实际位姿信号，且如果在设定周期内主嵌入式计算机未通过第一通信总线监听到从嵌入式计算机发送的电机位控信号，则认为此从嵌入式计算机出现故障；

B3)从嵌入式计算机在不完全运行状态下出现故障：

各从嵌入式计算机以设定周期通过局域网路由器接收主控计算机和主嵌入式计算机发送的空操作指令信号，且以设定周期向主控计算机和主嵌入式计算机返回空操作应答信号；如果主控计算机在设定周期内未收到某一从嵌入式计算机通过局域网路由器返回的空操作应答信号，且如果在设定周期内主嵌入式计算机未收到此从嵌入式计算机返回的空操作应答信号，则认为此从嵌入式计算机出现故障。

2.如权利要求1所述的一种手术机器人运行状态故障检测方法，其特征在于，当主控计算机发生故障时，首先对手术机器人系统采取报警机制和急停机制或仅仅采取报警机制，然后对主控计算机执行恢复机制后，主控计算机继续通过局域网路由器向各从嵌入式计算机发送信号，若对主控计算机的恢复机制未成功，则以主嵌入式计算机执行手动机制，并通过局域网路由器控制从嵌入式计算机，进而控制手术工具或成像工具进行动作。

3.如权利要求1所述的一种手术机器人运行状态故障检测方法，其特征在于，当主嵌入式计算机发生故障时，首先对手术机器人系统采取报警机制和急停机制或仅仅采用报警机制，然后通过主控计算机执行手动机制，进而通过从嵌入式计算机控制手术工具或成像工具进行动作。

4.如权利要求1所述的一种手术机器人运行状态故障检测方法，其特征在于，当某一从嵌入式计算机发生故障时，首先对手术机器人系统采取报警机制和急停机制或仅仅采用报警机制，通过主控计算机执行手动机制，以主嵌入式计算机代替出现故障的某一从嵌入式计算机，主控计算机通过主嵌入式计算机或其它从嵌入式计算机控制手术工具或成像工具进行动作。

5.如权利要求2所述的一种手术机器人运行状态故障检测方法，其特征在于，恢复机制是指主控计算机发生故障时，主嵌入式计算机等待主控计算机重启恢复正常，待主控计算机恢复正常后，操作者在主控计算机的操作界面进行状态询问操作，主控计算机通过局域网路由器向主嵌入式计算机发送状态询问指令，接收到主嵌入式计算机发来的状态应答指令后，调整手术机器人系统至发生故障前的状态。

6.如权利要求2或3或4所述的一种手术机器人运行状态故障检测方法，其特征在于，报警机制具体包括：

(1)当主控计算机发生故障时，主嵌入式计算机通过第二通信总线使得所对应的主控计算机指示灯更新到错误显示状态；

(2)当主嵌入式计算机发生故障时，主控计算机自动将操作界面切换到手动操作界面，在该界面上提示主嵌入式计算机发生故障，同时主控计算机将对应的主嵌入式计算机指示灯更新到错误显示状态；

(3)当某一从嵌入式计算机发生故障时，主控计算机自动将操作界面切换到手动操作界面，在该界面上提示某一从嵌入式计算机发生故障，此时主嵌入式计算机通过第二通信总线使得所对应的从嵌入式计算机指示灯更新到错误显示状态。

7.如权利要求2或3或4所述的一种手术机器人运行状态故障检测方法，其特征在于，当主控计算机、主嵌入式计算机或从嵌入式计算机在完全运行状态下发生故障时均需启动急停机制，其中：

急停机制是指从嵌入式计算机接收到主控计算机或主嵌入式计算机的保持命令后通过相应手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具停止运动，并保持当前位姿；

或急停机制是指代替出现故障的某一从嵌入式计算机的主嵌入式计算机接收到主控计算机的保持命令后通过相应手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具停止运动，并保持当前位姿。

8.如权利要求2或3或4所述的一种手术机器人运行状态故障检测方法，其特征在于，手动机制是指通过手术机器人的关节参数手动调整区直接控制主控计算机、主嵌入式计算机或从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具的动作，具体过程为：

当主控计算机发生故障时，主嵌入式计算机切换到手动操作界面，通过关节参数手动调整区直接控制各从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具进行动作；

当主嵌入式计算机发生故障时，主控计算机切换到手动操作界面，通过关节参数手动调整区直接控制各从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具进行动作；

当某一从嵌入式计算机发生故障时，主控计算机切换到手动操作界面，主嵌入式计算机接管故障的某一从嵌入式计算机，主控计算机通过关节参数手动调整区直接控制主嵌入式计算机和其余未出现故障的从嵌入式计算机，进而通过手术工具驱动模组或成像工具驱动模组控制手术工具或成像工具进行动作。

9.如权利要求2或3或4或5所述的一种手术机器人运行状态故障检测方法，其特征在于，上位机通过作为接管故障的某一从嵌入式计算机使用的主嵌入式计算机或正常工作的从嵌入式计算机控制手术工具驱动模组，进而控制手术工具进行动作，其中，上位机为主控计算机或主嵌入式计算机；

当手术机器人为完全运行状态或不完全运行状态时，主控计算机发生故障，控制手术工具进行动作的从嵌入式计算机工作正常，主嵌入式计算机作为主控计算机进行使用说明控制手术工具进行动作，操作者操作关节参数手动调整区的映射选择区中所要控制的手术工具驱动模组的位姿，主嵌入式计算机以设定周期读取手术臂关节参数，并将产生的期望位姿发送到从嵌入式计算机；

当手术机器人为完全运行状态时，从嵌入式计算机接收到期望位姿信号并通过手术工具驱动模组对手术工具末端的手术执行器位姿进行闭环控制，具体顺序为：a1)如果手术工具末端携带手术执行器的手术臂处于展开状态，则手术工具驱动模组驱动手术工具末端的手术执行器保持当前的位置、姿态并恢复至初始状态，进而驱动手术臂回直，然后进入步骤a2)；a2)如果手术工具末端携带的手术执行器未处于初始位置且手术臂处于直态，则手术工具驱动模组驱动手术工具末端的手术执行器直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤a3)；a3)操作者将手术工具从手术工具驱动模组上卸下，完成手术工具与手术机器人的分离；

当手术机器人为不完全运行状态时，从嵌入式计算机接收到期望位姿信号并通过手术工具驱动模组对手术工具末端的手术执行器位姿进行控制，具体顺序为：a1)如果手术工具末端携带手术执行器的手术臂处于展开状态，则手术工具驱动模组驱动手术臂回直，然后进入步骤a2)；a2)如果手术工具末端携带的手术执行器未处于初始位置且手术臂处于直态，则手术工具驱动模组驱动手术工具末端的手术执行器直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤a3)；a3)操作者将手术工具从手术工具驱动模组上卸下，完成手术工具与手术机器人的分离。

10.如权利要求9所述的一种手术机器人运行状态故障检测方法，其特征在于，当手术工具从病人身上的手术切口退出，完成手术工具与手术机器人的完全分离时，上位机通过控制作为接管故障的某一从嵌入式计算机使用的主嵌入式计算机或正常工作的从嵌入式计算机控制成像工具驱动模组，进而控制成像工具进行动作；

当手术机器人为完全运行状态或不完全运行状态时，某一控制成像工具进行动作的从嵌入式计算机发生故障，主嵌入式计算机作为接管发生故障的从嵌入式计算机进行使用说明控制成像工具进行动作，操作者操作关节参数手动调整区的映射选择区中所要控制的成像工具驱动模组，主控计算机以设定周期读取手术臂关节参数并将产生的期望位姿发送到主嵌入式计算机；

当手术机器人为完全运行状态，主嵌入式计算机接收到期望位姿信号通过成像工具驱动模组对成像工具末端的成像照明模组位姿进行闭环控制的具体顺序为：b1)如果成像工具末端携带成像照明模组的手术臂处于展开状态，则成像工具驱动模组驱动成像工具末端的成像照明模组保持当前的位置、姿态，进而驱动手术臂回直，然后进入步骤b2)；b2)如果成像工具末端携带的成像照明模组未处于初始位置且手术臂处于直态，则成像工具驱动模组驱动成像工具末端的成像照明模组直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤b3)；b3)操作者将成像工具从成像工具驱动模组上卸下，完成成像工具与手术机器人的分离；

当手术机器人为不完全运行状态时，主嵌入式计算机接收到期望位姿信号通过成像工具驱动模组对成像工具末端的成像照明模组位姿进行控制，具体顺序为：b1)如果成像工具末端携带成像照明模组的手术臂处于展开状态，则成像工具驱动模组驱动手术臂回直，然后进入步骤b2)；b2)如果成像工具末端携带的成像照明模组未处于初始位置且手术臂处于直态，则成像工具驱动模组驱动成像工具末端的成像照明模组直接从病人身上的手术切口退出至初始位置，然后进入步骤b3)；b3)操作者将成像工具从成像工具驱动模组上卸下，完成成像工具与手术机器人的分离。