用于力或扭矩极限补偿的系统和方法技术方案

本申请公开一种力或扭矩极限补偿的系统和方法，其包括与计算机辅助医疗设备一起使用的外科手术器械。外科手术器械包括位于器械的远端处的末端执行器、用于操作器械的自由度的驱动单元、耦合到驱动单元的轴、以及在轴中用于将来自驱动单元的力或扭矩耦合到末端执行器和铰接腕的一个或多个驱动机构。为了控制自由度，器械被配置为确定自由度的当前位置，基于当前位置确定力或扭矩极限补偿，基于力或扭矩极限补偿改变一个或多个力或扭矩极限，以及调节经受一个或多个力或扭矩极限的自由度。

System and method for limit compensation for force or torque

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于力或扭矩极限补偿的系统和方法相关申请本专利申请要求于2015年5月15日提交的题为“SYSTEMANDMETHODFORFORCEORTORQUELIMITCOMPENSATION”的美国临时专利申请62/162,239的优先权和权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。
本公开总体涉及具有关节式臂和末端执行器的设备的操作，并且更具体地涉及末端执行器中的力或扭矩极限补偿。
技术介绍
越来越多的设备正被自主和半自主电子设备替代。这在如今具有存在于手术室、介入病房、重症监护病房、急诊室等中的大批自主和半自主电子设备的医院尤其如此。例如，玻璃和水银温度计被电子温度计替代，静脉滴注管线现在包括电子监测器和流量调节器，并且传统的手持式外科手术器械正被计算机辅助医疗设备替代。使用计算机辅助医疗设备的微创外科手术技术通常试图在最小化对健康组织的损伤的同时执行外科手术规程和/或其他规程。可以通过使用具有外科手术器械的计算机辅助医疗设备来远程执行一些微创规程。对于许多计算机辅助医疗设备，外科医生和/或其他医务人员通常可以使用操作者控制台上的一个或多个控制装置来操纵输入设备。当外科医生和/或其他医务人员在操作者控制台处操作各种控制装置时，将命令从操作者控制台传送到安装有一个或多个末端执行器和/或外科手术器械的患者侧设备。以这种方式，外科医生和/或其他医务人员能够使用末端执行器和/或外科手术器械对患者执行一个或多个规程。根据期望的规程和/或正在使用的外科手术器械，期望的规程可以部分或完全地在使用远程操作的外科医生和/或医务人员的控制下执行和/或在半自主控制下执行，在半自主控制中，外科手术器械可基于外科医生和/或其他医务人员的一个或多个激活动作来执行一系列操作。无论是以手动方式致动、以远程操作方式致动和/或以半自主方式致动，微创外科手术器械都可以用于各种操作和/或规程，并且可以具有各种配置。许多此类器械包括安装在轴的远端处的末端执行器，该轴可以安装到铰接臂的远端。在许多操作情况下，轴可以被配置为(例如，以腹腔镜方式、以胸腔镜方式和/或类似方式)插入穿过开口(例如，体壁切口、自然孔口和/或类似开口)，以到达远程外科手术部位。在一些器械中，铰接腕机构可以安装到器械的轴的远端，以支撑末端执行器，其中铰接腕提供改变末端执行器相对于轴的纵向轴线的取向的能力。可以使用不同设计和/或配置的末端执行器来执行不同的任务、规程和功能，以便允许外科医生和/或其他医务人员执行各种外科手术规程中的任何一种。示例包括但不限于烧灼、消融、缝合、切割、吻合(stapling)、融合、封闭等和/或它们的组合。因此，末端执行器能够包括各种部件和/或部件的组合以执行这些外科手术规程。与微创规程的目标一致，末端执行器的尺寸通常保持尽可能小，同时仍允许其执行其既定任务。保持末端执行器的小尺寸的一种方法是通过使用通常位于患者外部的外科手术器械的近端处的一个或多个输入装置来完成末端执行器的致动。然后可以使用各种齿轮、杠杆、滑轮、缆线、杆、带和/或类似机构沿外科手术器械的轴传输来自一个或多个输入装置的动作并致动末端执行器。在具有适当的外科手术器械的计算机辅助医疗设备的情况下，在该器械的近端处的传动机构与设置在患者侧设备或患者侧推车的铰接臂上的各种马达、螺线管、伺服机构、主动致动器、液压装置、气动装置和/或类似装置接合。马达、螺线管、伺服机构、主动致动器、液压装置、气动装置和/或类似装置通常通过主控制器接收控制信号，并在传动机构的近端处提供力和/或扭矩形式的输入，各种齿轮、杠杆、滑轮、缆线、杆、带和/或类似机构最终传输所述输入以致动传动机构的远端处的末端执行器。通常期望末端执行器的自由度中的一个或多个被配置为具有默认位置或原始位置，其中在没有主动致动的情况下，预期一个或多个自由度返回到所述默认位置或原始位置。在一些示例中，安全性问题可指示当切割刀片未被使用时，末端执行器的锋利的切割刀片返回到封套的和/或停放的原始位置。这可以减少患者的组织和/或操作末端执行器的医务人员被切割刀片意外切割的可能性。在一些示例中，其他的自由度可以具有满足其他设计和/或安全性问题的原始位置。在一些示例中，外科手术器械和/或末端执行器可以被配置有将力和/或扭矩施加到自由度以使自由度返回到原始位置的限制和/或回位机构。在一些示例中，该限制和/或回位机构可能不利地影响末端执行器的使用，因为必须克服限制和/或回位机构，以便根据需要操作相应的自由度。因此，期望用于外科手术器械(诸如切割器械)的操作的改进方法和系统。在一些示例中，可能期望包括支持回位功能但是不以其他方式不利地影响外科手术器械的使用的限制和/或回位机构。
技术实现思路
与一些实施例一致，一种与计算机辅助医疗设备一起使用的外科手术器械包括位于器械的远端处的末端执行器、用于操作器械的自由度的驱动单元、耦合到驱动单元的轴，以及在轴中用于将来自驱动单元的力或扭矩耦合到末端执行器和铰接腕的一个或多个驱动机构。为了控制自由度，器械被配置为确定自由度的当前位置，基于当前位置确定力或扭矩极限补偿，基于力或扭矩极限补偿改变一个或多个力或扭矩极限，以及调节经受一个或多个力或扭矩极限的自由度。与一些实施例一致，一种操作与计算机辅助医疗设备一起使用的外科手术器械的方法包括确定外科手术器械的自由度的当前位置，基于当前位置确定力或扭矩极限补偿，基于力或扭矩极限补偿改变一个或多个力或扭矩极限，以及调节经受一个或多个力或扭矩极限的自由度。与一些实施例一致，一种非瞬态机器可读介质包括多个机器可读指令，所述机器可读指令在由与计算机辅助医疗设备相关联的一个或多个处理器执行时适于使得一个或多个处理器执行一种方法。该方法包括确定由计算机辅助医疗设备操作的外科手术器械的自由度的当前位置，基于当前位置确定力或扭矩极限补偿，基于力或扭矩极限补偿改变一个或多个力或扭矩极限，以及调节经受一个或多个力或扭矩极限的自由度。与一些实施例一致，一种计算机辅助医疗设备包括一个或多个处理器、铰接臂，以及耦合到铰接臂的远端的外科手术器械。外科手术器械包括位于外科手术器械的远端处的末端执行器、用于操作外科手术器械的自由度的位于外科手术器械的近端处的驱动单元、耦合到驱动单元的轴，以及在轴中用于将来自驱动单元的力或扭矩耦合到末端执行器和铰接腕的一个或多个驱动机构。计算机辅助医疗设备被配置为确定自由度的当前位置，基于当前位置确定力或扭矩极限补偿，基于力或扭矩极限补偿改变一个或多个力或扭矩极限，以及调节经受一个或多个力或扭矩极限的自由度。附图说明图1是根据一些实施例的计算机辅助系统的简化图。图2是示出根据一些实施例的微创外科手术器械的简化图。图3是根据一些实施例的图2的外科手术器械的远端的简化透视图。图4A至图4C是根据一些实施例的图2和图3的末端执行器的简化剖视图。图5是根据一些实施例的驱动单元的针对自由度的简化透视图。图6是根据一些实施例的扭矩极限补偿模型的简化图。图7是根据一些实施例用于表征来自图6的扭矩极限补偿曲线的查找表的简化图。图8是根据一些实施例的扭矩极限补偿的方法的简化图。在附图中，具有相同名称的元件具有相同或相似的功能。具体实施方式在下面的描述中，阐述了描述与本公开一致的一些实施例的具体细本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种与计算机辅助医疗设备一起使用的外科手术器械，所述器械包括：末端执行器，其位于所述器械的远端处；驱动单元，其用于操作所述器械的至少机械自由度；轴，其将所述末端执行器耦合到所述驱动单元；以及一个或多个驱动机构，其延伸穿过所述轴，所述一个或多个驱动机构用于将来自所述驱动单元的力或扭矩耦合到至少所述末端执行器；其中为了控制所述机械自由度，所述器械被配置为：确定所述机械自由度的当前位置；基于所述当前位置确定力或扭矩极限补偿；基于所述力或扭矩极限补偿改变一个或多个力或扭矩极限；以及调节经受所述一个或多个力或扭矩极限的所述机械自由度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.15 US 62/162,2391.一种与计算机辅助医疗设备一起使用的外科手术器械，所述器械包括：末端执行器，其位于所述器械的远端处；驱动单元，其用于操作所述器械的至少机械自由度；轴，其将所述末端执行器耦合到所述驱动单元；以及一个或多个驱动机构，其延伸穿过所述轴，所述一个或多个驱动机构用于将来自所述驱动单元的力或扭矩耦合到至少所述末端执行器；其中为了控制所述机械自由度，所述器械被配置为：确定所述机械自由度的当前位置；基于所述当前位置确定力或扭矩极限补偿；基于所述力或扭矩极限补偿改变一个或多个力或扭矩极限；以及调节经受所述一个或多个力或扭矩极限的所述机械自由度。2.根据权利要求1所述的器械，其中所述机械自由度与所述末端执行器的夹持夹钳的角度相关联。3.根据权利要求1所述的器械，其中所述机械自由度与所述末端执行器的切割刀片的延伸量相关联。4.根据权利要求1所述的器械，还包括将所述末端执行器耦合到所述轴的铰接腕，其中所述机械自由度与所述铰接腕的弯曲角度相关联。5.根据权利要求1所述的器械，其中所述一个或多个力或扭矩极限包括与可以被施加以调节所述机械自由度的最大力或扭矩相关联的上限。6.根据权利要求1所述的器械，其中所述一个或多个力或扭矩极限包括上限和下限，所述上限和所述下限指定可以被施加以调节所述机械自由度的力或扭矩的范围。7.根据权利要求1所述的器械，其中在所述驱动单元处测量所述当前位置。8.根据权利要求1所述的器械，其中使用补偿曲线对所述当前位置与所述力或扭矩极限补偿之间的关系进行建模。9.根据权利要求8所述的器械，其中所述补偿曲线包括：过渡区域，在其中所述补偿曲线具有第一斜率；操作区域，在其中所述补偿曲线具有小于所述第一斜率的第二斜率；以及饱和区域，在其中所述力或扭矩极限补偿处于最大值。10.根据权利要求9所述的器械，其中所述补偿曲线还包括启动区域，在其中所述力或扭矩极限补偿为零。11.根据权利要求8所述的器械，其中所述补偿曲线包括迟滞。12.根据权利要求8所述的器械，其中所述补偿曲线关于所述机械自由度的原始位置是对称的。13.根据权利要求1所述的器械，其中使用控制点的查找表对所述当前位置与所述力或扭矩极限补偿之间的关系进行建模。14.根据权利要求13所述的器械，其中所述查找表和内插被用于基于所述当前位置来确定所述力或扭矩极限补偿。15.根据权利要求1所述的器械，其中所述力或扭矩极限补偿补偿了施加到所述机械自由度的限制或回位力或扭矩。16.根据权利要求1所述的器械，其中通过将所述力或扭矩极限补偿添加到所述一个或多个力或扭矩极限中的每一个来改变所述一个或多个力或扭矩极限。17.一种操作与计算机辅助医疗设备一起使用的外科手术器械的方法，所述方法包括：通过一个或多个处理器确定所述外科手术器械的机械自由度的当前位置；基于所述当前位置通过所述一个或多个处理器确定力或扭矩极限补偿；基于所述力或扭矩极限补偿通过所述一个或多个处理器改变一个或多个力或扭矩极限；以及调节经受所述一个或多个力或扭矩极限的所述机械自由度。18.根据权利要求17所述的方法，其中确定所述当前位置包括在所述外科手术器械的驱动单元处测量所述当前位置。19.根据权利要求17所述的方法，还包括使用补偿曲线对所述当前...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·吴，D·W·威尔，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国,US