具体实施方式

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

在本实施例中，提供了一种手术机械臂的模型，图1为根据本发明实施例的一种手术机械臂的模型的示意图，如图1所示。该手术机械臂包括术前摆位组件12和主动臂14。该术前摆位组件12包括伸缩机构122和旋转机构124；该伸缩机构122做伸缩运动用于控制伸缩位置，主要用于术前摆位；该旋转机构124用于术前摆位，用于调整机构的位置。

该主动臂14包括执行组件142和远心操控组件144；该执行组件142包括驱动件1422、执行杆1424和手术器具1426，执行杆1424与手术器具1426之间由转动关节连接，执行杆1424与转动关节的边沿均为圆滑过渡，无棱角，避免对人体或器官造成伤害；执行杆1424内部置有钢丝绳用于控制手术器具1426的动作，该驱动件1422用于驱动钢丝绳运动，从而驱动控制该执行杆1424的三个自由度的转动，以及控制该手术器具1426的夹取组织的动作。

该远心操控组件144是由一个具有多个方向运动的末端执行器通过铰链及可伸缩机构与机械系统的另一固定端相连接而构成的空间并联机构，该远心操控组件144可以是Stewart并联平台，该Stewart并联平台包括静平台1442、6个第一伸缩元件1444和第一动平台1446；该静平台1442与该6个第一伸缩元件1444采用U副铰接，该静平台1442可以在x轴和y轴方向转动，但是限制了z轴方向的自由度；，该第一伸缩元件1444可以为驱动杆，该驱动杆由电极和丝杠组成，通过电极驱动丝杠可以使电缸自由伸缩，从而改变该第一动平台1446的运动状态，该6个第一伸缩元件1444按照一定规律排列，使该Stewart并联平台偏转角度较小，其中，该第一伸缩元件1444与z轴的偏转角度范围在±20°之间；该第一动平台1446的直径小于该静平台1442，该第一动平台1446的运动状态由该第一伸缩元件1446的长度变化来控制，该第一动平台1446与该第一伸缩元件1444采用球铰接的方法，可以实现在x轴、y轴和z轴三个方向转动；其中，本发明实施例中动坐标系下和静坐标系下的第一坐标轴为z轴，第二坐标轴为x轴，第三坐标轴为y轴。

在本实施例中，提供了一种手术机械臂的控制方法，图2为根据本发明实施例的一种手术机械臂的控制方法的流程图一，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤S202，根据目标靶点计算得到该执行杆1424上的远心不动点，具体地，该目标靶点由操作者给出，通过医生主操作手的位置来给出该目标靶点的位置，通过该目标靶点位置与微创开口的距离计算得到该远心不动点在执行杆1424上的位置。

控制该术前摆位组件12沿动坐标系的第一坐标轴推进该远心操控组件144的第一动平台1446，其中，通过测距传感器获取该推进的距离，且该推进的距离等于根据坐标获取的该远心操控组件144和末端点的距离，该测距传感器设置于该执行杆1424和远心操控组件144的连接处；此外，在该推动过程中，可以由该术前摆位组件12带动该主动臂14运动使得该远心不动点与该微创开口重合；或者可以由该术前摆位组件12带动该主动臂14至指定位置，再由该远心操控组件144沿第一坐标轴移动使得该远心不动点与该微创开口重合，从而提高该重合过程的精度；该远心操控组件144可以为Stewart并联平台；

图3A为根据本发明实施例的一种远心操控组件的轴视图，图3B为根据本发明实施例的一种远心操控组件的正视图，图3C为根据本发明实施例的一种远心操控组件的俯视图，如图3A至图3C所示，该远心操控组件144包含第一动平台1446、静平台1442、动铰接副、静铰接副和第一伸缩元件1444，该远心操控组件144与执行杆1424连接。平台上动铰接点为其所在第一动平台1446上的连接点，静铰接点为其所在静平台1442上的连接点，其中，六个静铰接点S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆呈圆周分布在静平台1442上，六个动铰接点M₁、M₂、M₃、M₄、M₅和M₆呈圆周分布在第一动平台1446上；相邻最近的动铰接点对应的圆心角为α，相邻最近的静铰接点对应的圆心角为β；该第一动平台1446的半径为r_S，该静平台1442的半径为r_M。

在初始时刻，该执行杆1424垂直于第一动平台1446，且该执行杆1424的轴线通过该远心操控组件144中心，l_h为该执行杆1424末端点T距远心不动点F的距离；l_j为平台运动过程中该执行杆1424与远心不动点重合的部分，其中F₁与F₂为执行杆1424上这一部分的两个端点；h为初始时刻第一动平台1446与静平台1442间的垂直距离；l为该执行杆1424长度。

建立远心操控组件144各坐标系如下：静坐标系O_S-X_SY_SZ_S固连于静平台1442，原点建立于初始位姿(即图3所示位姿)时静铰接点分布圆的圆心O_S处，X_S轴沿角S₅O_SS₆的角平分线，Z_S轴垂直于静平台1442向上，Y_S轴符合右手定则；动坐标系O_M-X_MY_MZ_M固连于第一动平台1446，原点建立于初始位置时动铰接点分布圆的圆心OM处，初始位姿时，各轴与静坐标系对应轴平行。静铰接坐标系S_i-X_SiY_SiZ_Si(i＝1，2，3……6)固连于静平台1442，原点位于对应标号的静铰接点中心处，X_Si轴由静铰接点分布圆的圆心O_S指向S_i，Z_Si轴垂直于静平台1442向上，Y_Si符合右手定则(图3中示出了S₄-X_S4Y_S4Z_S4)；动铰接坐标系M_i-X_MiY_MiZ_Mi固连于第一动平台1446，原点位于对应标号的动铰接点中心处，X_Mi轴由静铰接点分布圆的圆心O_M指向M_i，Z_Mi轴垂直于静平台1442向上，Y_Mi符合右手定则。

远心操控组件144尺寸参数如表1所示，由此可得到远心不动点到在静坐标系O_S-X_SY_SZ_S下的第一坐标(f_x，f_y，f_z)。

表1远心操控组件尺寸参数

此外，手术过程中，执行组件142始终围绕与患者微创开口重合的远心不动点运动并实施手术操作；为了实现手术机械臂中手术器具1426在不同区域内的摆动，执行杆1424上的远心不动点可以在预设范围内移动，结合图3A以及表1可知，该预设范围为该执行杆1424上F₁点与F₂点之间的范围，在本发明实施例中该范围长度为100mm。

步骤S204，在该第一坐标轴不变的情况下，根据远心不动点坐标和该执行杆1424上的末端点的轨迹坐标，计算得到该第一动平台1446的原点在静坐标系下的第一原点坐标；

静坐标系下远心不动点F坐标为(f_x，f_y，f_z)，其中，f_x＝f_y＝0，f_z＝h+l-l_h。手术机器人末端轨迹点根据控制系统给出，故任意时刻轨迹点T已知表示为(t_x，t_y，t_z)，整个平台被后端的术前摆位组件12向前推进到相应位置后(此时执行杆1424末端已伸入体内)，该远心不动点F(0，0，h+l-l_h)和执行杆1424上的F₁重合，此时末端点在绝对坐标系下的坐标为(0，0，h+l)。运动过程中，第一动平台1446在静坐标系下按预定要求移动，可以转换为以动坐标系为基准，静坐标系下固定的远心不动点F在执行杆1424上的F₁和F₂之间范围内移动，因此第一动平台1446在Z_S方向上的移动范围为l_j，相应的手术器具1426在Z_S方向上的移动范围也为l_j，末端相应方向的坐标范围为t_z∈[h+l，h+l+lj]。

步骤S206，根据动铰接点在该静坐标系下的坐标，以及静铰接点在该静坐标系下的坐标，计算得到该远心操控组件144的第一伸缩元件1444长度；其中，根据空间两点间的距离公式，计算任意一对动、静铰接点之间的距离，如公式1所示：

步骤S208，控制该第一动平台1446移动至指定位姿；其中，根据该原点坐标和该第一伸缩元件1444长度确定该指定位姿；当需要调整至该指定位姿的时候，根据该原点坐标和该第一伸缩元件1444长度，移动该第一动平台1446，该第一动平台1446调节执行杆1424绕远心不动点偏转一定角度，其中，在调节时，保持六个第一伸缩元件1444均匀调整。

在相关技术中手术机器人通常在手术过程中动作幅度较大，而本发明实施例通过上述步骤S202至S208，根据目标靶点计算得到执行杆1424上的远心不动点，并根据该远心不动点和执行杆1424末端轨迹，实时反解获取该第一动平台1446的位姿，从而容易实现在线实时计算反解，并保证该执行杆1424在偏转不同的角度的时候具有一定的远心不动点，使得在手术的过程中保持皮肤创口不被入路的执行杆1424划开；同时，与相关技术相比，达芬奇手术机器人的结构复杂，成本昂贵，且由于载荷原因导致其使用寿命有限，同时达芬奇采用平行四边形结构带来了干涉问题，本发明实施例通过该第一动平台1446和该静平台1442连接形成的并联机构及其控制方法，结构更加简单，结构尺寸较小且承载能力更大，从而解决了手术机械臂的结构尺寸大和手术机械臂之间存在干涉的问题，并降低了成本。

在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的控制方法，图4为根据本发明实施例的一种手术机械臂的控制方法的流程图二，如图4所示，该方法还包括如下步骤：

步骤S402，在接收到更换该执行杆1424指令的情况下，控制该第一动平台1446该第一动平台1446牵引该执行杆1424移动至与所述微创开口所在平面垂直，并保存所述远心不动点的第三坐标；例如，在出于不同的目的对病灶进行活检取样或消融切除的情况下，需要采用不同的执行杆1424来实现对应的目的，该控制系统在接收到更换该执行杆1424指令后，首先根据该远心不动点的坐标，计算在动坐标系下与该远心不动心坐标的x轴和y轴方向的坐标点均相同的末端点坐标，根据该远心不动点坐标和末端点坐标移动该第一动平台，使得执行杆1424与该微创开口所在平面垂直，并保存此时末端点坐标即第一坐标，以便进行后续将该执行杆1424从病人体内取出的操作。

步骤S404，保证在x轴和y轴方向锁定，指示该术前摆位组件牵引该第一动平台沿该第一坐标轴即y轴移动，该第一动平台1446牵引该执行杆沿该第一坐标轴移动至该微创开口的外侧，从而控制该执行杆1424沿着z轴方向从取出病人体内取出。

步骤S404，在接收到更换完成指令的情况下，控制该第一动平台1446牵引该执行杆1424沿该第一坐标轴移动，根据该第三坐标，复位至该远心不动点与该微创开口重合；其中，在该执行杆1424已经更换完成的情况下，该控制系统接收到该更换完成指令，并控制该执行杆1424进行复位，之后继续手术。

通过上述步骤S402至S404，在接收到更换该执行杆1424指令的情况下，控制该第一动平台1446沿该第一坐标轴移动，该第一动平台1446牵引该执行杆1424沿该第一坐标轴移动至该微创开口的外侧，从而确保在更换该执行杆1424的情况下不扩大微创开口。

在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的控制方法，图5为根据本发明实施例的一种手术机械臂的控制方法的流程图三，如图5所示，该方法还包括如下步骤：

步骤S502，在驱动件1422包括转动驱动件、第一偏转驱动件、第二偏转驱动件和开合驱动件的情况下，控制该转动驱动件驱动该执行组件142沿该执行杆1424的轴向转动，该转动驱动件安装在该第一动平台1446内。

同时，在执行组件142与该第一动平台1446连接处安装第一偏转驱动件、第二偏转驱动件和开合驱动件，第一偏转驱动件与第二偏转驱动件驱动所述执行组件内置的传动线缆，分别带动所述执行组件的手术器具1426朝交错的两个不同的方向偏转，开合驱动件驱动通过所述传动线缆带动所述手术器具1426张开与闭合。

通过上述步骤S502，将驱动驱动执行杆1424与手术器具1426沿该执行杆1424的轴向同步转动的转动驱动件安装在该第一动平台1446内，避免了4个电机都放在执行杆1424一端时沿z轴转动时钢丝绳会发生扭转，从而进一步提高了手术精度，且减少了驱动件1422的输出功率，增长了驱动件1422的使用寿命。

在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的控制方法，其中，本实施例中手术机械臂的远心操控组件还包括多级相互连接的并联平台；需要额外说明的是，每一级并联平台均可以包括两个平台以及位于两个平台之间的伸缩元件。例如第一级并联平台包括两个平台，分别为第一动平台1446与静平台1442；第二级并联平台也可以包括两个平台，分别为第二动平台以及固定在第一动平台1446上的安装平台(图未示)。

当然，除了第一级并联平台需要两个平台之外，第二级并联平台以及更大级数的并联平台也可以将对应的安装平台省略，而由前一级并联平台中的某一平台承当。例如第二级并联平台中的包括两个平台，分别为第二动平台以及第一级并联平台中的第一动平台1446，也即此时第一动平台1446为两级并联平台所共用。

总结而言，本文所称的“每级所述并联平台均包括相对的两个平台以及位于两个所述平台之间的伸缩元件”具有两种情况，一种是每级并联平台均具有两个平台，且两个平台在不同级并联平台之间不共用；一种是每级并联平台通过共用相邻级别的平台，实现自身两个平台之间的相对运动。

具体的，该并联平台的级数为两级，即该远心操控组件144还包括连接于该第一级并联平台的第二级并联平台，该第二级并联平台包括第二动平台以及设置于该第一动平台1446与该第二动平台之间的多个第二伸缩元件；该第二动平台相对远离该远心操控组件144的静平台1442的一侧固定连接于该执行组件142；图6为根据本发明实施例的一种手术机械臂的控制方法的流程图四，如图6所示，该方法还包括如下步骤：

步骤S602，计算获取该第二动平台的原点在该静坐标系上的二级原点坐标，并获取第二伸缩元件长度；其中，图7A为根据本发明实施例的一种远心操控组件的立体图，如图7A所示，第二动平台72以及设置于该第一动平台1446与该第二动平台72之间的多个第二伸缩元件74，且该第二动平台72连接所述执行组件142。

图7B为根据本发明实施例的一种远心操控组件的俯视图，如图7B所示，第一级极限边界以内为第一级的第一动平台1446偏角运动范围；当该远心操控组件144在第二级开启边界以内运动的时候，该第二动平台72处于零位且锁住状态；一旦该第一动平台1446的偏角计算值超出第二级开启边界，解锁第二级进行运动，启动第二级平台之后的活动边界为二级极限边界。同时将该第一动平台1446的运动限制在该第一级极限边界，并保证第二动平台72偏转角度的法线和远心不动点所成的平面，与该第一动平台1446偏转的法线和远心不动点形成的面处于同一平面内，从而防止该远心操控组件144处于扭曲状态；其中，图7B中的第一级极限边界和二级极限边界之间的圆环区域为安全控制区域，该安全控制区域的设定值必须大于单个运动指令周期(例如1ms)内该第一动平台1446可能的最大偏转角，例如该最大偏转角为1°。

当远心操控组件进入第二级开启边界内区域时，该第二动平台运动至零位，同时第一级的第一动平台1446运动至目标值；其中，该一、二级运动都要满足原定的不动点约束条件。

根据该二级原点坐标和该第二伸缩元件74长度，确定该第二动平台72的位姿；其中，该二级原点坐标的算法与原点坐标的算法相同，该第二伸缩元件74长度的算法与第一伸缩元件1444长度的算法相同。

通过上述步骤S602，通过增加第二动平台，并根据该二级原点坐标和该二级第一伸缩元件长度，确定该第二动平台的位姿，实现了手术机械臂的多级方案，由于单级Stewart并联机构偏转的角度较小，把单级平台叠加为多级平台，可以使偏转角度累积，从而增大了手术器具1426的手术空间。

在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的控制方法，该方法还包括如下步骤：

步骤S702，依据该远心不动点坐标、该轨迹坐标和方向向量模长的关系确定第一计算模型，该方向向量模长为该执行杆1424在静坐标系下的方向向量模长；依据该远心不动点坐标、该轨迹坐标和该第一原点坐标的之间的位置关系确定第二计算模型；依据该轨迹坐标和该原点坐标的距离公式确定第三计算模型；根据该第一计算模型、该第二计算模型和该第三计算模型得到该原点坐标；

其中，任意时刻，该远心不动点坐标为(f_x，f_y，f_z)，该末端点的轨迹坐标为(t_x，t_y，t_z)，由于该远心不动点坐标和该轨迹坐标位于该执行杆1424上，此时得到该执行杆1424所在直线在静坐标系下的方向向量为：

计算该方向向量的模长，得到该第一计算模型，如公式3所示：

根据定义，动坐标系的原点O_M＝(m_ox，m_oy，m_oz)在动铰接点所在平面的中心，故任意时刻远心不动点坐标、该轨迹坐标和该原点坐标在同一条直线上，满足以下关系：

因末端点和远心不动点不重合，即k≠0。

上式公式4可转化为第二计算模型，如公式5所示：

其中，i为x，y，z。考虑到末端点和动坐标系原点之间的距离是固定值，即执行杆1424长度l，可得到第三计算模型，如公式6所示：

(t_x-m_ox)²+(t_y-m_oy)²+(t_z-m_oz)²＝l² 公式6

又根据该第一计算模型有：

联合公式5、公式6和公式7，k可由远心点和末端点在静坐标系下的坐标表示，从而可求得动坐标系原点O_M在静坐标系下的坐标。

通过上述步骤S702，通过远心不动点和执行杆1424末端运动轨迹，确定该第一计算模型、第二计算模型和第三计算模型；并根据该第一计算模型、第二计算模型和第三计算模型计算得到该原点坐标，从而实现了在手术过程中对该第一动平台1446运动轨迹的实时确定，提高了手术精度。

在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的控制方法，该方法还包括如下步骤：

步骤S802，根据第一旋转角度和第二旋转角度，确定第一转换矩阵；其中，该第一旋转角度为该执行杆1424绕第二坐标轴旋转的角度，该第二旋转角度为该执行杆1424绕第三坐标轴旋转的角度；该第二坐标轴可以为X轴，该第三坐标轴可以为Y轴。

对于执行杆1424，在手术过程中，其旋转运动可以描述成先后绕动坐标系中的X_M，Y_M两坐标轴旋转，其中，该第一旋转角度为λ_x，该第二旋转角度为λ_y，则该第一转换矩阵为：

由F指向T的向量在动坐标系中和Z_M轴重合，可以表示为

则该向量在两坐标系中的转换关系如公式9所示：

将该方向向量和公式9带入公式8，可得到如公式10所示的计算公式：

在手术过程中，x∈(-90°，90°)，y∈(-90°，90°)，x，y的正弦函数在该范围内单调递增。考察该第一转换矩阵第三列的第一元素利用反正弦函数可求出绕Y_M轴转动的欧拉角λ_y，同理再结合该第一转换矩阵第三列第二元素可求出绕X_M轴转动的欧拉角λ_x，则该第一转换矩阵可以唯一确定并求出。

步骤S804，根据该第一转换矩阵确定该第一坐标，根据第一坐标和第二坐标，计算得到该远心操控组件144的第一伸缩元件1444长度；其中，任意静铰接点S_i在静坐标系下的坐标为(ss_ix，ss_iy，0)，其对应动铰接点M_i在动坐标系下的坐标可表示为(mm_ix，mm_iy，0)，则其在静坐标系下的坐标^SM_i＝(sm_ix，sm_iy，0)的计算公式为：

^SM_i＝^SR_MM_i 公式11

将该第一坐标和第二坐标代入公式1，计算任意一对动、静铰接点之间的距离，即该第一伸缩元件1444长度l_i；

为满足第一伸缩元件1444伸长条件，任意时刻杆长满足以下公式：

l_min≤l_i≤l_max 公式12

通过上述步骤S802至S804，根据动铰接点在该静坐标系下的坐标，以及静铰接点在该静坐标系下的坐标，利用空间中两点的距离公式计算获得第一伸缩元件1444长度，从而反解出在手术过程中该第一动平台1446的位姿，提高了对控制系统指令的响应速度。

在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的控制方法，该方法还包括如下步骤：

步骤S902，根据该第一原点坐标和第三旋转角度，获取该动铰链点在动坐标系下的第一齐次坐标；根据该第一原点坐标和第四旋转角度，获取该静铰链点在所述静坐标系下的第二齐次坐标；其中，该第三旋转角度为该动铰链点绕该第一动平台1446原点旋转的角度，该第四旋转角度为所述静铰链点绕该静平台1442原点旋转的角度；

现计算动铰接点在动坐标系、静铰接点在静坐标系的坐标。以静铰接点坐标计算为例，根据前文叙述，先将静铰接点S_i(i＝1～6)由静坐标系原点O_S移动到静坐标系X_S轴和静坐标系平台分布圆周交点处，此时坐标值为(r_s,0)。根据平面坐标旋转定理，任意坐标点为(x，y)绕原点旋转θ角度后的坐标可由公式13计算得到：

x'＝xcosθ-ysinθ，y'＝xsinθ+ycosθ 公式13

将坐标(r_s,0)作为x，y的值带入公式13，则其坐标可表示为：

(ss_ix,ss_iy)＝(r_s cosθ_si,r_s sinθ_si) 公式14

其中s_i为以静坐标系原点为圆心从交点旋转到相应铰接点的旋转角度。

静平台1442坐标系原点定义在静铰接点所在平面中心处，因此任意静铰接点在静坐标系下的Z_S轴向坐标为0，同时考虑到坐标旋转和平移变换，可得到静铰接点在静平台1442的第二齐次坐标：

S_i＝(ss_ix,ss_iy,0,1) 公式15

同理，获得动铰接点在动坐标系下的第一齐次坐标：

M_i＝(mm_ix,mm_iy,0,1) 公式16

步骤S904，根据该第一转换矩阵和该原点坐标确定第二转换矩阵，根据该第二转换矩阵和该第一齐次坐标，获取该动铰链点在该静坐标系下的第三齐次坐标；

为方便坐标变换，定义从静坐标S到动坐标M的第二转换矩阵可表示为：

任意静铰接点S_i在静坐标系下的齐次坐标为(ss_ix，ss_iy，0，1)，其对应动铰接点M_i在动坐标系下的齐次坐标可表示为(mm_ix，mm_iy，0，1)，则其在静坐标系下的第三齐次坐标SM_i＝(sm_ix，sm_iy，0，1)的计算公式为

^SM_i＝^ST_MM_i 公式18

步骤S906，根据该第二齐次坐标和第三齐次坐标，计算得到所述远心操控组件144的第一伸缩元件1444长度；其中，该第二齐次坐标为该静铰接点在该静坐标系下的的齐次坐标；将该第二齐次坐标和第三齐次坐标代入公式12，即可求出该第一伸缩元件1444长度。

通过上述步骤S902至S906，通过该第二转换矩阵确定齐次坐标，与确定普通坐标相比，齐次坐标是四维的向量，本身就包含了姿态信息和位置信息，从而一步到位地求出在静坐标系下该动铰接点的姿态坐标和位置坐标，进一步提高了对控制系统指令的响应速度。

在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的控制方法，该方法还包括如下步骤：

步骤S1002，在将该远心不动点由第一端点遍历至第二端点的情况下，计算获取第一最大值、第二最大值和第三最大值；其中，该第一最大值为该第一伸缩元件1444长度的最大值，该第二最大值为该静铰接点的摆角最大值，该第三最大值为该动铰接点的摆角最大值；

其中，远心操控组件144处于初始位置时，第一伸缩元件1444处于收缩极限位置附近。首先计算初始位置时动铰接点在静坐标系下的齐次坐标^SM_i0＝(sm_ix0，sm_iy0，sm_iz0，1)，

sm_ix0＝mm_ix,sm_iy0＝mm_iy,sm_iz0＝h 公式19

从而得到初始位置时，第一伸缩元件1444在静坐标系下的方向向量：

动铰接点在静坐标系中的坐标为^SM_i＝(sm_ix，sm_iy，sm_iz，1)，任意时刻静坐标系下从静铰接点指向动铰接点的向量为：

用i(i＝1～6)表示静铰接摆角，以第四杆为例，此时该第一伸缩元件1444静铰接处和初始位置的夹角φ₄为：

为满足摆角范围要求，夹角φ_i的限定要求为：

0≤φ_i≤φ_imax 公式23

其中，φ_imax为球铰接副极限摆角。

将以上计算过程通过MATLAB进行求解，得到预期运动空间中第一伸缩元件1444的摆动角度，在现有参数条件下，静铰接最大摆动角度范围(相对于初始位置)的最小值为约22°。为保险起见，应确保选择的球铰副的最大摆动角度(相对初始位置时的各个方向)大于等于25°。

为计算动铰接处摆角大小，先计算初始位置时静铰接点在动坐标系下的齐次坐标^MS_i0＝(ms_ix0，ms_iy0，ms_iz0，1)，如公式24所示：

ms_ix0＝ss_ix，ms_iy0＝ss_iy,ms_iz0＝-h 公式24

从而得到初始位置时，第一伸缩元件1444在动坐标系下的方向向量，如公式25所示：

利用第二转换矩阵，可知静铰接点在动坐标系中的坐标^MS_i＝(ms_ix，ms_iy，ms_iz，1)，如公式26所示：

MS_i＝(^ST_M)^-1S_i 公式26

其中S_i为对应静铰接点在静坐标系下的坐标。任意时刻动坐标系下动铰接点到指向静铰接点的向量为：

用i(i＝1～6)表示动铰接摆角。以第四杆为例，此时该第一伸缩元件1444动铰接处和初始位置的夹角为：

为满足摆角范围要求，夹角i的限定要求为：

其中，为虎克铰接副极限摆角。将以上计算过程通过MATLAB进行求解，得到动坐标系下第一伸缩元件1444虎克铰处的摆动角度。在现有参数条件下，动铰的最大摆动角度范围(相对于初始位置)的最小值为约43°。为保险起见，应确保选择的虎克铰接副的最大摆动角度(相对初始位置时的各个方向)大于等于45°。

其中，由于远心操控组件144的铰接副运动干涉验算需要各铰接副构件的具体尺寸，因此先设定一部分可调参数(如动静平台尺寸，垂直距等)，针对杆长所需伸长量(行程)最小以及铰接副运动摆角最小进行参数优化，得到推荐的参数值(此时即是参数范围内满足需求的最优情况)，再选择合适的零部件型号，进而给出合适的平台相关具体尺寸，得到最终确定满足功能要求的方案。

为获得杆长、摆角范围的合适衡量方式，以满足所有六个第一伸缩元件1444的运动情况。设定末端点遍历运动如下：遍历开始时，静坐标系下坐标不变的远心点F和执行杆1424上的F₁重合。随后，远心操控组件144由于第一伸缩元件1444的伸长运动向前进给，远心点由此相对执行杆1424运动，末端伸到最远距离时，静坐标系下的远心点和执行杆1424上的F₂重合；执行杆1424末端外伸过程中的每一个Z_S轴向分度位置，执行杆1424相对静坐标系Z_S有逐渐增大的偏角，偏角范围为0-20°；对应每一个Z_S轴方向伸出长度和每一个器械偏角，末端有在垂直于Z_S轴平面上的圆周运动。利用微分的思想，执行杆1424末端选择合适细分经历以上遍历运动后，理论上能够达到空间上任一点。此时记录下这一过程第一伸缩元件1444的长度和运动摆角处理后作为遍历运动下参数优化的评价函数。

对于每一个第一伸缩元件1444，记录其遍历运动过程中最长和最短的杆长，得出各第一伸缩元件1444长度变化范围，如公式30所示：

l_imin＝min(L_i)，l_imax＝max(L_i)，l_iΔ＝l_imax-l_imin 公式30

其中l_i为某一第一伸缩元件1444记录到的所有长度的集合，i＝1～6。

同理，得到静铰接摆角变化范围，如公式31所示：

a_siΔ＝A_simax-A_simin 公式31

其中，a_simin＝min(A_si)，a_simax＝max(A_si)，A_si为某一第一伸缩元件1444记录的所有静铰接摆角大小的集合。

再次，得到动铰接摆角变化范围，如公式32所示：

a_miΔ＝A_mimax-A_mimin 公式32

其中，a_mimin＝min(A_mi)，a_mimax＝max(A_mi)，A_mi为某一杆记录的所有动铰接摆角大小的集合。

为确保满足每一个第一伸缩元件1444都能满足要求，取各第一伸缩元件1444长度变化范围的最大值：

f_lmax＝max(l_1Δ,l_2Δ,l_3Δ,l_4Δ,l_5Δ,l_6Δ) 公式33

f_asmax＝max(a_s1Δ,a_s2Δ,a_s3Δ,a_s4Δ,a_s5Δ,a_s6Δ) 公式34

f_ammax＝max(a_m1Δ,a_m2Δ,a_m3Δ,a_m4Δ,a_m5Δ,a_m6Δ) 公式35

利用MATLAB遗传算法工具箱对远心操控组件144五个尺寸相关的参数进行优化，五个参数的含义及范围如表2所示：

表2遗传算法优化参数

步骤S1004，根据遗传算法，确定该第一最大值、该第二最大值和该第三最大值的适应函数；根据该远心操控组件144的尺寸参数，确定遍历函数，根据该遍历函数得到参数优化数据；

根据遗传算法多目标优化的要求，为第一伸缩元件1444长度变化最大值f_lmax和摆角范围最大值f_amax分配不同的权重，求和得到适应函数f_max，如公式36所示：

f_max＝w₁f_lmax+w₂f_asmax+w₃f_ammax 公式36

根据初期数据观察，使第一伸缩元件1444长度和摆角范围在同一数量级，取w₁＝1，w₂＝10，w₃＝4。

步骤S1006，根据该适应函数和该参数优化数据，确定该远心操控组件144的优化尺寸；其中，该优化尺寸用于确保满足控制该执行杆1424的要求；

优化过程中，设置相应约束；保证远心操控组件144基本性能和运动特性，第一动平台1446铰接分布圆半径小于等于静平台1442铰接分布圆半径的0.9倍，静平台1442铰接点相邻夹角小于第一动平台1446铰接点相邻角度夹角，如公式37所示：

r_m≤0.9r_s，α≤β 公式37

写成线性约束的矩阵形式，如公式38所示：

Ax≤b 公式38

其中，x＝[r_s,r_m,α,β,h]，b＝[0,0]。

将待优化的五个参数作为参变量编写遍历函数后，进行五次优化得到的结果如表3所示。

表3：参数优化结果

根据表3数据，取r_s＝55mm，r_m＝35mm，α＝45°，β＝45°，h＝300mm，在获取的最优参数下再次计算第一伸缩元件1444长度和动静铰摆角变化范围，图8为本发明实施例中一种第一伸缩元件长度范围的示意图，图9为本发明实施例中一种静铰摆角范围的示意图，图10为本发明实施例中一种动铰摆角范围的示意图，具体数据如图8至图10所示，可以理解的是，该远心操控组件144中的6个第一伸缩元件1444的长度变换趋势一致，6个静铰摆角变化趋势一致，且6个动铰摆角变化趋势一致。

根据数据情况可知，当遗传种群处于最优状态时，五个参数的平均数值圆整后分别为55、35、45、45、300，即静平台1442相邻铰接点、第一动平台1446相邻铰接点和动静平台1442垂直距h分别取上极限值，静平台1442铰接分布圆半径r_s和第一动平台1446铰接分布圆半径r_m分别取下极限时能获得最优状态。此时第一伸缩元件1444长度小于140mm，静铰接摆角小于16°，动铰接摆角小于40°。考虑到静平台1442需要足够空间安装驱动件1422，第一动平台1446需安装虎克铰接副，其分布圆半径不可太小，同时结合推荐的第一动平台1446、静平台1442分布圆半径大小r_s＝70mm，r_m＝40mm，并且考虑到第一伸缩元件1444伸长范围和第一伸缩元件1444的型号有关，推荐第一动平台144和静平台1442之间最短垂直距为200mm，因此本发明实施例的手术机械臂中使用优化后的推荐参数r_s＝70mm，r_m＝40mm，α＝45°，β＝45°，h＝200mm。

同时，为验证本发明实施例中方法的正确性，进行了Adams仿真验证。根据同样的尺寸参数(r_s＝70mm，r_m＝40mm，α＝45°，β＝45°，h＝200mm)建立Adams模型，软件中对执行组件142末端施加相同的螺旋运动，并通过内置算法逆解得出各第一伸缩元件1444长度、动静铰接副摆角随时间变化的数据，对比发现两组数据无明显差异。

通过上述步骤S1002至S1006，通过远心不动点的遍历运动，获取第一伸缩元件1444长度范围、动铰接点摆角范围和静铰接点摆角范围，并根据第一伸缩元件1444长度最大值、动铰接点摆角最大值和静铰接点摆角最大值，获取该远心操控组件144的优化参数，确保了在手术过程中该第一动平台1446的运动不会受到限制，实现了对手术精度的提高。

应该理解的是，虽然图2、图4至图7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2、图4至图7中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子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，这些子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的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在本实施例中，提供了一种手术机械臂，图11为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构框图一，如图11所示，该手术机械臂包括术前摆位组件12、主动臂14和控制系统112，该主动臂包括执行杆1424和远心操控组件144，该执行杆1424和该远心操控组件144连接，该远心操控组件144和该术前摆位组件12连接；

该控制系统112根据目标靶点计算得到该执行杆1424上的远心不动点，并控制该术前摆位组件12沿动坐标系的第一坐标轴推进该远心操控组件144的第一动平台1446，该推进的距离等于获取的该远心操控组件144和微创开口的距离；

该控制系统112根据该远心不动点坐标和该执行杆1424上的末端点的轨迹坐标，计算得到该远心操控组件144的第一动平台1446原点在静坐标系上的原点坐标；

该控制系统112根据该远心操控组件144的铰接点在所述静坐标系下的坐标，计算得到该远心操控组件144的第一伸缩元件1444长度；

该控制系统112控制该第一动平台1446移动至指定位姿；其中，根据该原点坐标和该第一伸缩元件1444长度确定该指定位姿。

通过上述实施例，该控制系统112根据目标靶点计算得到执行杆1424上的远心不动点，并根据该远心不动点和执行杆1424末端轨迹，该控制系统112实时反解获取该第一动平台1446的位姿，从而容易实现在线实时计算反解，并保证该执行杆1424在偏转不同的角度的时候具有一定的远心不动点，使得在手术的过程中保持皮肤创口不被入路的执行杆1424划开；同时，通过该第一动平台1446和该静平台1442连接形成的并联机构，结构尺寸较小且承载能力更大。

在一个实施例中，该控制系统112还用于在接收到更换该执行杆1424指令的情况下，控制该第一动平台1446牵引执行杆1424移动至与微创开口所在平面垂直，并保存末端点的第一坐标；

该控制系统112指示术前摆位组件12牵引述第一动平台1446沿该第一坐标轴移动，该第一动平台1446牵引该执行杆1424沿该第一坐标轴移动至该微创开口的外侧；

该控制系统112在接收到更换完成指令的情况下，控制该第一动平台1446牵引该执行杆1424沿该第一坐标轴移动，根据第一坐标复位至该远心不动点与该微创开口重合。

在一个实施例中，提供了一种手术机械臂，图12为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构框图二，如图12所示，该手术机械臂还包括驱动件1422；

该控制系统112控制该驱动件1422驱动该执行杆1424的手术器具1426沿该第一坐标轴移动至指定位置，该驱动件1422安装在该第一动平台1446内。

在一个实施例中，提供了一种手术机械臂，该手术机械臂还包括第二动平台72和第二伸缩元件74，该第二动平台72通过该二级第一伸缩元件74连接该第一动平台72；

该控制系统112计算获取该第二动平台72的原点在该静坐标系上的二级原点坐标，并获取二级第一伸缩元件74长度；该控制系统112根据该二级原点坐标和该二级第一伸缩元件74长度，确定该第二动平台72的位姿。

在一个实施例中，该控制系统112还用于在将该远心不动点由第一端点遍历至第二端点的情况下，计算获取第一最大值、第二最大值和第三最大值；其中，该第一最大值为该第一伸缩元件1444长度的最大值，该第二最大值为该静铰接点的摆角最大值，该第三最大值为所述动铰接点的摆角最大值；

该控制系统112根据遗传算法，确定该第一最大值、该第二最大值和该第三最大值的适应函数；该控制系统112根据该远心操控组件144的尺寸参数，确定遍历函数，该控制系统112根据该遍历函数得到参数优化数据；

该控制系统112根据该适应函数和该参数优化数据，确定该远心操控组件144的优化尺寸；其中，该优化尺寸用于确保满足控制该执行杆1424的要求。

在一个实施例中，该远心操控组件144的第一动平台1446与静平台1442的直径之比在1:1至1:2之间，能够实现控制第一动平台1446的偏转来调节远心不动点的位置，进一步地，本发明实施例采用第一动平台1446与静平台1442的直径之比为：1:1.7，从而提高了机构的稳定性，且此时该远心操控组件144的空间体积较适合。

在一个实施例中，该远心操控组件144的第一动平台1446的6个动铰接点成对分布，每对点之间的夹角范围在15°至60°之间，静平台上1442的6个静铰接点也是成对分布，每对点之间的夹角范围在60°至105°之间。动铰接点成与静铰接点依次连接起来形成第一伸缩元件1444的排布位置；其中，第一动平台1446和静平台1442之间的第一伸缩元件1444的位置排布形成并联机构，与达芬奇机器人相比刚度大，结构稳定，承载能力更大，并且容易实现在线实时计算反解。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，图13为根据本发明实施例的一种计算机设备内部的结构图，如图13所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储远心不动点相关数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种手术机械臂控制方法。

本领域技术人员可以理解，图13中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述各实施例提供的手术机械臂控制方法中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各实施例提供的手术机械臂控制方法中的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上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申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。