CN114952855A - 机械臂位姿偏差索引表的形成方法及机械臂的控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种机械臂位姿偏差索引表的形成方法及机械臂的控制方法，包括：确定手术区域的边界；控制机械臂末端移动至边界内的多个预设位置，并记录机械臂末端在多个预设位置时产生的多个第一位姿数据；获取机械臂末端在机器人视觉装置中于多个预设位置时的多个第二位姿数据，根据每一第一位姿数据和每一第二位姿数据的差值、多个第一位姿数据或多个第二位姿数据形成偏差索引表；多个第一位姿数据和多个第二位姿数据一一对应。本申请可以在手术过程中直接通过查表来获取机械臂运动的偏差补偿量，实现在不依赖操作者的主观判断及经验的情况下，根据偏差补偿量对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度。

Description

机械臂位姿偏差索引表的形成方法及机械臂的控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种机械臂位姿偏差索引表的形成方法及机械臂的控制方法。

背景技术

机器人因其学习曲线短且学习时间短、能够承受射线辐射、动作执行延迟时间短及准确性高等诸多优点，被广泛应用于工业、医学、农业、服务业、建筑业及军事等领域中。用户通过控制机械臂关节运动以带动机械臂关节末端的手术器械执行预设手术动作，精准地实施复杂的医疗操作。

然而，在传统的手术机器人系统中，需要通过传感器感知手术器械手术期间在患者体内的实时位置信息，医生结合影像进行手术规划和导航，由于医生难以兼顾手术部位的实际情况和影屏导航信息，且术中定位依赖操作者的主观判断及经验，不确定因素较高，影响医生操作的效率与准确度；并且，在手术空间狭小的情况下，容易导致定位信息被遮断而中断手术进程。

发明内容

基于此，有必要提供一种机械臂位姿偏差索引表的形成方法及机械臂的控制方法，根据手术区域的边界自动生成机械臂位姿偏差索引表，以在手术过程中直接通过查表来获取机械臂运动的偏差补偿量，对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度。

为了实现上述目的及其他目的，本申请的一方面提供了一种机械臂位姿偏差索引表的形成方法，包括：确定手术区域的边界；控制机械臂末端移动至边界内的多个预设位置，并记录机械臂末端在多个预设位置时产生的多个第一位姿数据；获取机械臂末端在机器人视觉装置中于多个预设位置时的多个第二位姿数据，根据每一第一位姿数据和每一第二位姿数据的差值、多个第一位姿数据或多个第二位姿数据形成偏差索引表；多个第一位姿数据和多个第二位姿数据一一对应。

于上述实施例中的机械臂位姿偏差索引表的形成方法中，在确定手术区域的边界之后，通过控制机械臂末端移动至边界内的多个预设位置，并获取机械臂末端在多个预设位置时产生的多个第一位姿数据，及机械臂末端在机器人视觉装置中于该多个预设位置时第二位姿数据，各第二位姿数据与各第一位姿数据一一对应，根据每一第一位姿数据和每一第二位姿数据的差值和第一位姿数据或第二位姿数据形成偏差索引表，以在手术过程中直接通过查表来获取机械臂运动的偏差补偿量，实现在不依赖操作者的主观判断及经验的情况下，根据偏差补偿量对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度。

在一些实施例中，控制机械臂末端移动至边界内的多个预设位置，包括：

生成自动控制指令，自动控制指令用于指示机械臂末端依次移动至预设位置；或，生成提醒指令，提醒指令用于提示用户将机械臂末端拖动至预设位置。

在一些实施例中，记录机械臂末端在多个预设位置时产生的多个第一位姿数据，包括：获取机械臂末端在多个预设位置时机械臂的关节角度数据；根据关节角度数据，计算得到机械臂末端在机器人基坐标系下的第一位姿数据。

在一些实施例中，机械臂末端设置有末端光学标记；获取机械臂末端在机器人视觉装置中于多个预设位置时的多个第二位姿数据，包括：获取机器人视觉装置和机械臂之间的坐标转换关系；基于末端光学标记获取机械臂末端在多个预设位置时的末端光学标记数据；基于末端光学标记数据和坐标转换关系，获取机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据。

在一些实施例中，机械臂末端设置有末端光学标记，承载机械臂的台车上设置有台车光学标记；获取机械臂末端在机器人视觉装置中于多个预设位置时的多个第二位姿数据，包括：获取台车光学标记在机器人基坐标系中的坐标信息；基于台车光学标记获取台车光学标记数据；基于末端光学标记获取机械臂末端在多个预设位置时的末端光学标记数据；根据台车光学标记数据、末端光学标记数据和台车光学标记在机器人基坐标系中的坐标信息，获取机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据。

本申请的第二方面提供了一种机械臂的控制方法，包括：获取运动位姿指令，运动位姿指令中包括机械臂的目标位姿；查询任一本申请实施例中的方法生成的偏差索引表，获取与目标位姿相对应的偏差值；根据偏差值获取运动位姿指令的偏差补偿量；根据偏差补偿量修正运动位姿指令；执行修正后的运动位姿指令。

在一些实施例中，若偏差索引表中没有与目标位姿相对应的偏差值，则获取与目标位姿邻近的若干位置所对应的若干偏差值；对若干偏差值进行插值拟合，以获取与目标位姿相对应的偏差值。

本申请的第三方面提供了一种机械臂控制系统，包括机械臂、关节传感器、机器人视觉装置及控制器，机械臂的末端设置有末端光学标记；关节传感器用于获取机械臂各关节的关节角度数据；机器人视觉装置用于根据末端光学标记采集机械臂末端在预设位置时的末端光学标记数据；控制器分别与机械臂、关节传感器和机器人视觉装置连接，控制器用于执行任一本申请实施例中的机械臂位姿偏差索引表的形成方法，或任一本申请实施例中的机械臂的控制方法。

在一些实施例中，机械臂控制系统还包括机械臂台车，机械臂台车用于承载机械臂，机械臂台车上设置有台车光学标记；机器人视觉装置根据台车光学标记获取台车光学标记数据，并将台车光学标记数据发送至控制器。

在一些实施例中，机械臂控制系统还包括多个机器人视觉装置，多个机器人视觉装置均与控制器连接，用于根据末端光学标记采集机械臂末端在预设位置时的末端光学标记数据。

在一些实施例中，机械臂控制系统还包括多个机械臂及多个关节传感器，多个机械臂的末端均设置有末端光学标记；多个关节传感器分别设置在各个机械臂上，用于获取各个机械臂的关节角度数据。

本申请的第四方面提供了一种手术系统，包括任一本申请实施例中的机器人控制系统。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一实施例中机械臂位姿偏差索引表的形成方法的流程示意图；

图2为一实施例中位姿偏差索引表的坐标空间示意图；

图3为另一实施例中机械臂的控制方法的流程示意图；

图4为再一实施例中机械臂的控制方法的流程示意图；

图5a为一实施例中机械臂控制系统的侧视图示意图；

图5b为图5a中所示实施例中的机械臂控制系统的俯视图示意图；

图6a为另一实施例中机械臂控制系统的侧视图示意图；

图6b为图6a中所示实施例中的机械臂控制系统的俯视图示意图；

图6c为一实施例中末端光学标记的图形示意图；

图6d为一实施例中台车光学标记的图形示意图；

图7为再一实施例中机械臂控制系统的俯视图示意图。

附图标记说明：

100、机械臂控制系统；101、机械臂；20、末端光学标记；10、机器人视觉装置；102、手术器械；103、机械臂台车；30、台车光学标记。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，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申请中的具体含义。

在口腔手术中，一般采用如下三种技术方案来精准确定口腔手术区的实际情况：

(1)根据患者口腔区域情况制作导板，医生沿导板导向进行口腔手术；

(2)采用传感器感知医生手中医疗器械和患者口腔位置，医生结合医学影像进行规划和手术；

(3)机械臂末端设置有手术器械，传感器感知手术器械和患者口腔手术区相对位置关系，医生结合医学影像进行手术规划，操作机器人完成手术。

上述技术方案中，根据导板确定患者口腔手术位置，导板制作周期长，术中方案修改性差；通过传感器感知手术器械位置和患者口腔位置，医生结合影像进行口腔手术规划和导航，医生难以兼顾口腔和影屏导航信息，且术中定位信息依赖操作者的主观判断及个人经验，人为不确定因素较高；对于常见的机器人导航手术系统，由于口腔手术空间狭窄，医生在操作手术机器人过程中，很容易遮挡机械臂末端的光学标记点，使得机器人失去了光学标记位置反馈信息，造成系统报警，手术中断。

本申请旨在提供一种机械臂位姿偏差索引表的形成方法及机械臂的控制方法，通过术前根据手术区域的边界自动生成机械臂位姿偏差索引表，以在手术过程中直接通过查表来获取机械臂运动的偏差补偿量，对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度；使得手术过程中医生无需担心遮挡定位靶标造成系统宕机的情况发生，提高了手术例如种植牙手术的效率、安全性和可靠性。

请参考图1，在本申请的一实施例中，提供了一种机械臂位姿偏差索引表的形成方法，可以包括如下步骤：

步骤S210：确定手术区域的边界；

步骤S220：控制机械臂末端移动至边界内的多个预设位置，并记录机械臂末端在多个预设位置时产生的多个第一位姿数据；

步骤S230：获取机械臂末端在机器人视觉装置中于多个预设位置时的多个第二位姿数据，根据每一第一位姿数据和每一第二位姿数据的差值、多个第一位姿数据或多个第二位姿数据形成偏差索引表；多个第一位姿数据和多个第二位姿数据一一对应。

具体地，由于机械臂在执行控制指令的过程中，受机械臂自身的系统误差，对其末端定位信息的误差等多种误差因素的影响，机械臂末端因执行目标控制指令实际抵达位置与目标控制指令表征的目标位置可能存在偏差，因此，在对机械臂实际进行运动控制的过程中，需要根据机械臂末端实际抵达位置与目标控制指令表征的目标位置之间的位置信息对机械臂运动控制进行动态补偿，使得机械臂末端尽可能精准地运动至目标位置处，提高机械臂位姿控制的精度。可以在确定手术区域的边界如图2中球心a连线形成的手术区域边界之后，通过控制机械臂末端移动至边界内多个预设位置如图2中网格线交点b所示位置，并获取机械臂末端在多个预设位置时产生的多个第一位姿数据，及机械臂末端在机器人视觉装置中于该多个预设位置时第二位姿数据，各第二位姿数据与各第一位姿数据一一对应，根据每一第一位姿数据和每一第二位姿数据的差值和第一位姿数据形成偏差索引表，或者，根据每一第一位姿数据和每一第二位姿数据的差值和第二位姿数据形成偏差索引表，以在手术过程中通过查询偏差索引表来直接或者间接获取机械臂运动的偏差补偿量，实现在不依赖操作者的主观判断及经验的情况下，根据偏差补偿量对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度。

作为示例，请参考图3，步骤S220中控制机械臂末端移动至边界内的多个预设位置，可以包括如下步骤：

步骤S221：生成自动控制指令，自动控制指令用于指示机械臂末端依次移动至预设位置；

步骤S223：记录机械臂末端在多个预设位置时产生的多个第一位姿数据。

具体地，用户可以通过向机械臂控制器下发用于指示机械臂末端依次移动至预设位置的控制指令，使得该控制器响应控制指令自动控制机械臂末端按照预设路径依次移动至预设位置，实现机械臂响应自动控制指令而自动构建偏差索引表。医生可以在设置完手术区域(例如方形区域)之后，向机械臂下发用于指示机械臂末端依次移动至预设位置的控制指令，使得机械臂按照设定步长，生成如图2中网格线交点b所示点位信息，机械臂沿预设路径自动运动至各点位，且机械臂运动过程中，设置在机械臂附近的光学传感器和机械臂关节编码器分别记录机械臂末端光学标记和关节转角信息，计算机械臂操作空间偏差值，根据此偏差值集合和对应的第一位姿数据集合或者第二位姿数据集合直接构建偏差索引表，以供手术过程中偏差值的快速查询，实现在不依赖操作者的主观判断及经验的情况下，根据查表获取的偏差补偿量对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度。

作为示例，请继续参考图3，步骤S220中控制机械臂末端移动至边界内的多个预设位置，可以包括如下步骤：

步骤S222：生成提醒指令，提醒指令用于提示用户将机械臂末端拖动至预设位置；

步骤S223：记录机械臂末端在多个预设位置时产生的多个第一位姿数据。

具体地，用户可以通过与机械臂交互的方式构建偏差索引表，用户例如医生可以拖动机械臂确认手术区域(例如方形区域)，然后在手术区域内拖动机械臂运动，机械臂运动过程中，设置在机械臂附近的光学传感器和机械臂关节编码器分别记录机械臂末端光学标记和关节转角信息，计算机械臂操作空间偏差值，根据此偏差值集合运用数据拟合的方法构建偏差索引表，以供手术过程中偏差值的快速查询，实现在不依赖操作者的主观判断及经验的情况下，根据查表获取的偏差补偿量对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度。

表1

索引(机器人操作空间位姿)	数值(操作空间偏差)
		{x1,y1,z1,qw1,qx1,qy1,qz1}	{Δx1,Δy1,Δz1,Δqw1,Δqx1,Δqy1,Δqz1}
{x2,y2,z2,qw2,qx2,qy2,qz2}	{Δx2,Δy2,Δz2,Δqw2,Δqx2,Δqy2,Δqz2}
		{x3,y3,z3,qw3,qx3,qy3,qz3}	{Δx3,Δy3,Δz3,Δqw3,Δqx3,Δqy3,Δqz3}
…	…

具体地，请参考表1，在机器臂获取手术区域之后，可以基于控制命令控制机械臂末端依次移动至预设位置，或生成提醒指令，以提示用户将机械臂末端拖动至预设位置。例如，用户可以在设置完手术区域(例如方形区域)之后，向机械臂下发用于指示机械臂末端依次移动至预设位置的控制指令，使得机械臂按照固定步长，生成如图2中网格线交点b所示点位信息，机械臂自动运动至各点位，且机械臂运动过程中，设置在机械臂附近的光学传感器和机械臂关节编码器分别记录机械臂末端光学标记和关节转角信息，计算机械臂操作空间偏差值，根据此偏差值集合直接构建偏差索引表，以供手术过程中偏差值的快速查询。操作空间偏差可以用四元数表示，四元数q＝[qw,qx,qy,qz]^T，在三维空间中通过绕一定轴旋转一定角度来表示物体在空间中的姿态。其中：

qw＝cos(a/2)；

qx＝sin(a/2)*wx；

qy＝sin(a/2)*wy；

qz＝sin(a/2)*wz。

其中w＝[wx,wy,wz]T，为空间旋转轴单位向量，a为旋转角度。

作为示例，步骤S223中记录机械臂末端在多个预设位置时产生的多个第一位姿数据，可以包括如下步骤：

步骤S2231：获取机械臂末端在多个预设位置时机械臂的关节角度数据；

步骤S2232：根据关节角度数据，计算得到机械臂末端在机器人基坐标系下的第一位姿数据。

具体地，机械臂一般具有机器人基坐标系，为了实时获取机械臂末端的实时位置信息，可以在机械臂附近设置光学传感器，在机械臂末端设置光学标记，在机械臂关节处设置关节编码器。在机械臂执行运动控制指令运动期间，光学传感器可以获取机械臂末端光学标记的位置信息，关节编码器可以记录机械臂关节角度数据；根据关节角度数据可以计算得到机械臂末端在机器人基坐标系下的第一位姿数据。

作为示例，机械臂末端设置有末端光学标记；步骤S230中获取机械臂末端在机器人视觉装置中于多个预设位置时的多个第二位姿数据，可以包括如下步骤：

步骤S2311：获取机器人视觉装置和机械臂之间的坐标转换关系；

步骤S2312：基于末端光学标记获取机械臂末端在多个预设位置时的末端光学标记数据；

步骤S2313：基于末端光学标记数据和坐标转换关系，获取机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据。

具体地，为了获取末端光学标记的实时位置信息，可以在机械臂附近设置机器人视觉装置，例如可以是双目视觉相机或深度相机等光学传感器。在机械臂执行运动控制指令运动期间，可以获取末端光学标记在多个预设位置时的末端光学标记数据，该末端光学标记数据可以包括末端光学标记在机器人视觉装置坐标系下的位置数据。在获取机器人视觉装置和机械臂之间的坐标转换关系之后，可以基于末端光学标记数据和坐标转换关系，获取机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据。

作为示例，机械臂末端设置有末端光学标记，承载机械臂的台车上设置有台车光学标记；步骤S230中获取机械臂末端在机器人视觉装置中于多个预设位置时的多个第二位姿数据，可以包括如下步骤：

步骤S2321：获取台车光学标记在机器人基坐标系中的坐标信息；

步骤S2322：基于台车光学标记获取台车光学标记数据，基于末端光学标记获取机械臂末端在多个预设位置时的末端光学标记数据；

步骤S2323：根据台车光学标记数据、末端光学标记数据和台车光学标记在机器人基坐标系中的坐标信息，获取机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据。

具体地，在机械臂执行运动控制指令运动期间，可以基于台车光学标记获取台车光学标记数据，基于末端光学标记获取机械臂末端在多个预设位置时的末端光学标记数据，并获取关节编码器记录的机械臂关节角度数据，该末端光学标记数据可以包括末端光学标记在机器人视觉装置坐标系下的位置数据；根据机械臂关节角度数据可以采用运动学正解算法计算机械臂末端位置数据，得到机械臂末端在机器人基坐标系下的第一位姿数据；根据台车光学标记数据、末端光学标记数据和台车光学标记在机器人基坐标系中的坐标信息，获取机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据；再计算机械臂操作空间偏差值，根据此偏差值集合运用数据拟合的方法构建偏差索引表，以供手术过程中偏差值的快速查询，实现在不依赖操作者的主观判断及经验的情况下，根据查表获取的偏差补偿量对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度。

请参考图4，在本申请的一实施例中，提供了一种机械臂的控制方法，可以包括如下步骤：

步骤S310：获取运动位姿指令，运动位姿指令中包括机械臂的目标位姿；

步骤S320：查询任一本申请实施例中的方法生成的偏差索引表，获取与目标位姿相对应的偏差值；

步骤S330：根据偏差值获取运动位姿指令的偏差补偿量；根据偏差补偿量修正运动位姿指令；执行修正后的运动位姿指令。

作为示例，步骤S320中可以包括如下步骤：

步骤S321：查询任一本申请实施例中的方法生成的偏差索引表；

步骤S322：判断偏差索引表中是否存在与目标位姿相对应的偏差值；

步骤S323：若是，则获取与目标位姿相对应的偏差值；

步骤S324：若否，则获取与目标位姿邻近的若干位置所对应的若干偏差值，对若干偏差值进行插值拟合，以获取与目标位姿相对应的偏差值。例如，术中可以根据索引临近点位的偏差数值，插值获得当前点位的位置偏差和姿态偏差。可以用四元数表示，四元数q＝[qw,qx,qy,qz]^T，在三维空间中通过绕一定轴旋转一定角度来表示物体在空间中的姿态。其中：

qw＝cos(a/2)；

qx＝sin(a/2)*wx；

qy＝sin(a/2)*wy；

qz＝sin(a/2)*wz。

其中w＝[wx,wy,wz]T，为空间旋转轴单位向量，a为旋转角度。

具体地，由于偏差索引表仅包括手术区域内有限数量个位置的偏差值，很难完全覆盖到手术区域内的任意位置，机械臂末端在手术区域内的位置是任意的、随机的，因此，首先判断偏差索引表中是否存在与目标位姿相对应的偏差值，若是，则直接获取该偏差值并对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的效率及精度；若否，即，偏差索引表中不存在与目标位姿相对应的偏差值，则获取与目标位姿邻近的若干位置所对应的若干偏差值，对若干偏差值进行插值拟合，获取与目标位姿相对应的偏差值，避免产生因查表不得而导致位置控制中断或失败的现象产生。

请参考图5a-图5b，在本申请的一实施例中，提供了一种机械臂控制系统100，包括机械臂101、关节传感器(未图示)、机器人视觉装置10及控制器(未图示)，机械臂101的末端设置有末端光学标记20；关节传感器用于获取机械臂101各关节的关节角度数据；机器人视觉装置10用于根据末端光学标记20采集机械臂末端在预设位置时的末端光学标记数据；控制器分别与机械臂101、关节传感器和机器人视觉装置10连接，控制器用于执行任一本申请实施例中的机械臂位姿偏差索引表的形成方法，或任一本申请实施例中的机械臂的控制方法。

作为示例，请继续参考图5a-图5b，以将本申请实施例以用于口腔手术例如种植牙手术来示例性说明本申请实施例的具体实现原理。患者300躺在牙椅上，机械臂101末端设置有手术器械102，牙医通过控制机械臂101动作，以带动手术器械102进入患者300口腔，并在预设控制程序的指引下，对患者执行种植牙手术。在机械臂执行运动控制指令运动期间，可以获取末端光学标记10在多个预设位置时的末端光学标记数据，该末端光学标记数据可以包括末端光学标记在机器人视觉装置坐标系下的位置数据；关节编码器可以记录机械臂关节角度数据；根据关节角度数据可以计算得到机械臂末端在机器人基坐标系下的第一位姿数据。在获取机器人视觉装置10和机械臂101之间的坐标转换关系之后，可以基于末端光学标记数据和坐标转换关系，获取机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据。再计算机械臂操作空间偏差值，根据此偏差值集合运用数据拟合的方法构建偏差索引表，以供手术过程中偏差值的快速查询，实现在不依赖操作者的主观判断及经验的情况下，根据查表获取的偏差补偿量对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度。

作为示例，请参考图6a-图6b，机械臂控制系统100还包括机械臂台车103，机械臂台车103用于承载机械臂101，机械臂台车103上设置有台车光学标记30；机器人视觉装置10根据台车光学标记30获取台车光学标记数据，并将台车光学标记数据发送至控制器。在机械臂执行运动控制指令运动期间，可以基于台车光学标记30获取台车光学标记数据，基于末端光学标记20获取机械臂末端在多个预设位置时的末端光学标记数据，并获取关节编码器记录的机械臂关节角度数据，该末端光学标记数据可以包括末端光学标记在机器人视觉装置坐标系下的位置数据；根据机械臂关节角度数据可以采用运动学正解算法计算机械臂末端位置数据，得到机械臂末端在机器人基坐标系下的第一位姿数据；根据台车光学标记数据、末端光学标记数据和台车光学标记30在机器人基坐标系中的坐标信息，获取机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据；再计算机械臂操作空间偏差值，根据此偏差值集合运用数据拟合的方法构建偏差索引表，以供手术过程中偏差值的快速查询，实现在不依赖操作者的主观判断及经验的情况下，根据查表获取的偏差补偿量对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度。

作为示例，请参考图6c-图6d，可以设置末端光学标记20的图形为圆形，设置台车光学标记30的图形为矩形，以便于机器人视觉装置10能够清楚地区分末端光学标记20与台车光学标记30。本领域技术人员可以毫无疑义的确定，本实施例旨在示例性说明实现原理，对末端光学标记20的图形形状或台车光学标记30的图形形状不作具体限定，在其他实施例中，可以设置光学标记20的图形形状、台车光学标记30的图形形状为矩形、三角形、多边形、椭圆、圆形及环形中任一种或多种组合，且光学标记20的图形形状与台车光学标记30的图形形状不同。

作为示例，请参考图7，机械臂控制系100还包括多个机器人视觉装置10，多个机器人视觉装置10均与控制器连接，用于根据末端光学标记采集机械臂末端在预设位置时的末端光学标记数据。多个机器人视觉装置10多方向同时拍摄光学标记，减少标记被遮挡的可能性，提高机械臂位姿控制的精度与可靠性。

作为示例，请继续参考图7，机械臂控制系统100还包括多个机械臂101及多个关节传感器，多个机械臂101的末端均设置有末端光学标记20；多个关节传感器分别设置在各个机械臂上，用于获取各个机械臂的关节角度数据。多条机械臂101满足多器械手术的需求，提高手术的效率，且在一机械臂101出现故障的情况下，保证手术顺利完成。

作为示例，请继续参考图7，在本申请的一实施例中，提供了一种手术系统，包括任一本申请实施例中的机器人控制系统，包括若干个机械臂101，机械臂可以用于挂载如手术刀或内窥镜(例如腹腔镜)等手术器械。机械臂101的末端设置有末端光学标记20；关节传感器用于获取机械臂101各关节的关节角度数据；机器人视觉装置10用于根据末端光学标记20采集机械臂末端在预设位置时的末端光学标记数据；控制器分别与机械臂101、关节传感器和机器人视觉装置10连接，在机械臂执行运动控制指令运动期间，可以获取末端光学标记10在多个预设位置时的末端光学标记数据，该末端光学标记数据可以包括末端光学标记在机器人视觉装置坐标系下的位置数据；关节编码器可以记录机械臂关节角度数据；根据关节角度数据可以计算得到机械臂末端在机器人基坐标系下的第一位姿数据。在获取机器人视觉装置10和机械臂101之间的坐标转换关系之后，可以基于末端光学标记数据和坐标转换关系，获取机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据。再计算机械臂操作空间偏差值，根据此偏差值集合运用数据拟合的方法构建偏差索引表，以供手术过程中偏差值的快速查询，实现在不依赖操作者的主观判断及经验的情况下，根据查表获取的偏差补偿量对机械臂进行位置偏差补偿，提高机械臂位姿控制的精度。

应该理解的是，虽然图1、图3-图4的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1、图3-图4中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

上述机器人系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

请注意，上述实施例仅出于说明性目的而不意味对本发明的限制。上下文中的实施例可以相互引用、互相参见即可。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种机械臂位姿偏差索引表的形成方法，其特征在于，包括：

确定手术区域的边界；

控制机械臂末端移动至所述边界内的多个预设位置，并记录所述机械臂末端在所述多个预设位置时产生的多个第一位姿数据；

获取所述机械臂末端在机器人视觉装置中于所述多个预设位置时的多个第二位姿数据，根据每一第一位姿数据和每一第二位姿数据的差值、所述多个第一位姿数据或所述多个第二位姿数据形成偏差索引表；所述多个第一位姿数据和所述多个第二位姿数据一一对应。

2.根据权利要求1所述的机械臂位姿偏差索引表的形成方法，其特征在于，所述控制机械臂末端移动至所述边界内的多个预设位置，包括：

生成自动控制指令，所述自动控制指令用于指示所述机械臂末端依次移动至所述预设位置；或

生成提醒指令，所述提醒指令用于提示用户将所述机械臂末端拖动至所述预设位置。

3.根据权利要求1所述的机械臂位姿偏差索引表的形成方法，其特征在于，所述记录所述机械臂末端在所述多个预设位置时产生的多个第一位姿数据，包括：

获取所述机械臂末端在所述多个预设位置时所述机械臂的关节角度数据；

根据所述关节角度数据，计算得到所述机械臂末端在机器人基坐标系下的第一位姿数据。

4.根据权利要求1所述的机械臂位姿偏差索引表的形成方法，其特征在于，所述机械臂末端设置有末端光学标记；所述获取所述机械臂末端在机器人视觉装置中于所述多个预设位置时的多个第二位姿数据，包括：

获取所述机器人视觉装置和机械臂之间的坐标转换关系；

基于所述末端光学标记获取所述机械臂末端在所述多个预设位置时的末端光学标记数据；

基于所述末端光学标记数据和所述坐标转换关系，获取所述机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据。

5.根据权利要求1所述的机械臂位姿偏差索引表的形成方法，其特征在于，所述机械臂末端设置有末端光学标记，承载机械臂的台车上设置有台车光学标记；所述获取所述机械臂末端在机器人视觉装置中于所述多个预设位置时的多个第二位姿数据，包括：

获取所述台车光学标记在机器人基坐标系中的坐标信息；

基于所述台车光学标记获取台车光学标记数据，基于所述末端光学标记获取所述机械臂末端在所述多个预设位置时的末端光学标记数据；

根据所述台车光学标记数据、所述末端光学标记数据和所述台车光学标记在机器人基坐标系中的坐标信息，获取所述机械臂末端在机器人基坐标系下的第二位姿数据。

6.一种机械臂的控制方法，其特征在于，包括：

获取运动位姿指令，所述运动位姿指令中包括机械臂的目标位姿；

查询权利要求1至5任意一项所述的方法生成的偏差索引表，获取与所述目标位姿相对应的偏差值；

根据所述偏差值获取所述运动位姿指令的偏差补偿量；

根据所述偏差补偿量修正所述运动位姿指令；

执行所述修正后的运动位姿指令。

7.根据权利要求6所述的机械臂的控制方法，其特征在于，

若所述偏差索引表中没有与所述目标位姿相对应的偏差值，则获取与所述目标位姿邻近的若干位置所对应的若干偏差值；

对所述若干偏差值进行插值拟合，以获取与所述目标位姿相对应的偏差值。

8.一种机械臂控制系统，其特征在于，包括：

机械臂，所述机械臂的末端设置有末端光学标记；

关节传感器，用于获取所述机械臂各关节的关节角度数据；

机器人视觉装置，用于根据所述末端光学标记采集所述机械臂末端在预设位置时的末端光学标记数据；

控制器，分别与所述机械臂、所述关节传感器和所述机器人视觉装置连接，所述控制器用于执行权利要求1至5任一项所述的机械臂位姿偏差索引表的形成方法或权利要求6至7任一项所述的机械臂的控制方法。

9.根据权利要求8所述的机械臂控制系统，其特征在于，还包括：

机械臂台车，用于承载所述机械臂，所述机械臂台车上设置有台车光学标记；

所述机器人视觉装置根据所述台车光学标记获取台车光学标记数据，并将所述台车光学标记数据发送至所述控制器。

10.根据权利要求8所述的机器人控制系统，其特征在于，还包括：

多个机器人视觉装置，均与所述控制器连接，用于根据所述末端光学标记采集所述机械臂末端在预设位置时的末端光学标记数据。

11.根据权利要求8所述的机器人控制系统，其特征在于，还包括：

多个机械臂，所述多个机械臂的末端均设置有末端光学标记；

多个关节传感器，分别设置在各个机械臂上，用于获取各个机械臂的关节角度数据。

12.一种手术系统，包括权利要求8至11任一项所述的机器人控制系统。

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