当错开时的主从取向映射制造技术

在主从对齐过程完成后，控制器存储主工具把手和从外科手术器械尖端的取向，并且进入跟随。在跟随期间，来自主工具把手的从外科手术器械尖端的每个命令移动由控制器进行处理，以补偿在进入跟随之前主工具把手与从外科手术器械尖端之间的任何对齐误差。不管主工具把手与从外科手术器械尖端之间的初始俯冲取向错开如何，这种处理的结果是从外科手术器械尖端的运动都直观地对应于主工具把手的运动。

Mappings of principal and subordinate orientation when wrong

After the master-slave alignment process is completed, the controller stores the main tool handle and the orientation of the tip of the surgical instrument and enters the following. During the follow up, every command movement from the surgical tool tip on the main tool handle is processed by the controller to compensate for any alignment error between the main tool handle and the surgical instrument tip before entering and following. No matter how the main tool handle and the initial subduction alignment between the surgical instruments tip are stagger, the result of this treatment is directly corresponding to the movement of the main tool handle on the movement of the tip of the surgical instrument.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】当错开时的主从取向映射相关申请本申请要求2015年6月10日提交的标题为“MASTER-TO-SLAVEORIENTATIONMAPPINGWHENMISALIGNED”的美国临时专利申请62/173,844的申请日的优先权和权益，该申请通过引用以其整体并入本文。
本专利技术的方面涉及外科手术系统，并且更具体涉及当外科手术系统中的主工具把手和从外科手术器械尖端最初错开时控制两者的取向。
技术介绍
诸如微创远程操作机器人系统的外科手术系统为患者提供了许多益处，诸如减小身体创伤、更快恢复、以及更短的住院时间。通常，在外科手术系统中，外科医生使用主工具操纵器(有时被称为主工具)来控制外科手术器械(被称为从外科手术器械)的移动。在一种远程操作外科手术系统中，主工具操纵器的主工具把手被特别设计为用于人机(ergonomic)和直观双重控制从外科手术器械。外科医生使用他/她的食指和大拇指以特殊方式握住主工具把手，以便瞄准和抓取运动包含直观指向运动和捏取运动。为了能够直观控制从外科手术器械，主工具把手在外科手术系统中的立体视镜(stereoscopicviewer)的视图框中在取向上与从外科手术器械尖端理想地对齐。从外科手术器械尖端的运动理想地经由远程操作来跟随主工具运动，并且在运动方向以及绝对取向两者上是一致的，即，外科手术器械尖端运动跟随主工具把手的运动。如果主工具与从外科手术器械尖端之间未实现取向对齐，但是从外科手术器械尖端既不指向与外科医生正在利用主工具指向的相同的绝对方向，也不沿着与外科医生正在利用主工具指向的相同轴线滚动。在一个方面中，主工具操纵器使用万向节组件中的马达来主动对齐外科医生眼睛观察坐标下的主工具把手的取向轴线与摄像机观察坐标下的相关联的从外科手术器械尖端。在主工具的运动与从外科手术器械的运动之间接合跟随之前，这种对齐自动发生。具体地，在进入对之前远程操作外科手术系统的跟随之前，系统设法对齐从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的取向与主工具把手在眼睛观察坐标系(有时也被称为眼坐标系)中的取向。通常，只要系统从主工具把手与从外科手术器械尖端之间的取向对齐可能已经被危及的模式转变(在工具改变、摄像机啮合(clutch)、从动件啮合、在四臂系统中的臂交换等之后)，远程操作外科手术系统就执行主从对齐。在主从对齐过程中，在不改变主工具把手x-y-z位置的情况下，计算使主工具把手在眼睛观察坐标系中的取向匹配从外科手术器械尖端在摄像机观察坐标系中的取向的一组主腕部接头角。然后使用马达来命令主腕部接头匹配计算的角。这将会导致主工具把手与从外科手术器械尖端的取向的对齐。然而，如果当马达正在将腕部接头定位在主工具中时外科医生太牢固地抓握主工具把手，主工具把手与从外科手术器械尖端之间则会存在位移误差和取向误差两者。在主工具把手中的腕部接头被命令对齐主工具把手与从外科手术器械尖端的取向之后，远程操作外科手术系统在允许用户进入跟随之前再次检查主和从取向匹配。如果取向不匹配，警告消息被显示并且主从对齐被再次尝试。该过程被重复直至主工具把手与从外科手术器械尖端的取向之间的对齐在可接受容差内，例如，主从之间的取向错开小于十度。取向错开被限制于小角度偏差，使得当主工具被旋转时，从外科手术尖端通常被外科医生感知为以相同方式的滚动。(参见图4C和4D以及下面的相关讨论，其展示了当取向错开大于允许的小角度偏差时，当主工具把手被旋转时从外科手术器械尖端以未预期的方式旋转。)当主工具把手与从外科手术器械尖端的取向之间的对齐误差小于允许的小取向错开时，主工具把手与从外科手术器械尖端被认为对齐，并且远程操作外科手术系统进入跟随。对使主工具把手与从外科手术器械尖端以这样的小取向错开对齐的要求往往使外科医生的进入跟随减慢。
技术实现思路
一种外科手术系统包括从外科手术器械和主工具操纵器，所述从外科手术器械具有从外科手术器械尖端，并且主工具操纵器包括主工具把手。主工具把手通过控制器被耦连至从外科手术器械尖端。从外科手术器械尖端与主工具把手之间的所需的取向对齐被放宽，使得控制器正常进入跟随，其中不管主工具把手与从外科手术器械尖端之间的任何取向错开如何，从外科手术器械尖端的运动都跟随主工具把手的运动。因此，实现小取向错开的现有技术主从对齐过程的多次重复被消除或被显著减少。进一步地，不管刚好在进入跟随之前的主工具把手与从外科手术器械尖端之间的任何俯冲取向错开(swoopingorientationmisalignment)如何，从外科手术器械的运动都直观地跟随主工具把手的运动，并且在跟随期间不存在与主工具把手的运动相关联的未预期的运动。在一个方面中，控制器被配置为接收来自主工具操纵器的第一命令，并且向从外科手术器械发送包括从外科手术器械尖端的期望取向的第二命令。控制器被进一步配置为通过使用主工具把手的取向来产生从外科手术器械尖端的期望取向。主工具把手的取向被包括在第一命令中。即使当主工具把手与从外科手术器械尖端之间存在俯冲取向错开时，由控制器产生的从外科手术器械尖端的期望取向也保留主工具把手与从外科手术器械尖端之间的相同的感知旋转。此处，相同的感知旋转意味着，如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定轴线，则从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定轴线。例如，如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定x轴线，从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定x轴线，或如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定y轴线，从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定y轴线，或如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定z轴线，从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定z轴线。这是与主控件围绕眼坐标系中的空间固定轴线的旋转导致围绕摄像机坐标系中的相同空间固定轴线的从旋转的现有系统相比。当在进入跟随时主工具把手与从外科手术器械尖端之间的取向偏移被准许为大取向偏移时，主把手围绕其指向方向的旋转能够导致投影在从观察坐标系上的围绕主指向方向的从外科手术器械尖端圆形运动。因此，现有系统中的主工具把手和从外科手术器械尖端不具有对于俯冲取向错开的相同的感知运动。在一个方面中，控制器包括存储器和取向控制模块。存储器被配置为存储从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的基本取向并且存储眼坐标系在主坐标系中基本取向。控制器还被配置为接收来自主工具操纵器的第一命令。来自主工具操纵器的第一命令包括主工具把手在眼坐标系中的当前取向。控制器被进一步配置为向从外科手术器械发送包括从外科手术器械的期望取向的第二命令。应当认识到，控制器能够由一个单元或多个不同单元组成。当控制器被分割在在不同的单元之间时，所述单元可以被集中在一个位置中或被分布成遍布外科手术系统。取向控制模块被配置为接收主工具把手在眼坐标系中的当前取向，并且产生从外科手术器械的期望取向。取向控制模块还被配置为检索主工具把手的存储的基本取向和从外科手术器械尖端的存储的基本取向。取向控制模块被进一步配置为基于从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的存储的基本取向和相对旋转矩阵产生从外科手术器械尖端在摄像机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外科手术系统，其包含：从外科手术器械，所述从外科手术器械具有从外科手术器械尖端；主工具操纵器，所述主工具操纵器包括主工具把手；以及控制器，所述控制器被配置为接收来自所述主工具操纵器的第一命令，并且发送控制所述从外科手术器械的第二命令，所述第一命令包括所述主工具把手的取向，并且所述第二命令包括所述从外科手术器械尖端的期望取向；所述控制器被进一步配置为通过使用所述主工具把手的所述取向来产生所述从外科手术器械尖端的所述期望取向，在所述主工具把手与所述从外科手术器械尖端之间具有俯冲取向错开的情况下，所述从外科手术器械尖端的所述期望取向保留所述主工具把手与所述从外科手术器械尖端之间的相同的感知旋转。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.10 US 62/173,8441.一种外科手术系统，其包含：从外科手术器械，所述从外科手术器械具有从外科手术器械尖端；主工具操纵器，所述主工具操纵器包括主工具把手；以及控制器，所述控制器被配置为接收来自所述主工具操纵器的第一命令，并且发送控制所述从外科手术器械的第二命令，所述第一命令包括所述主工具把手的取向，并且所述第二命令包括所述从外科手术器械尖端的期望取向；所述控制器被进一步配置为通过使用所述主工具把手的所述取向来产生所述从外科手术器械尖端的所述期望取向，在所述主工具把手与所述从外科手术器械尖端之间具有俯冲取向错开的情况下，所述从外科手术器械尖端的所述期望取向保留所述主工具把手与所述从外科手术器械尖端之间的相同的感知旋转。2.根据权利要求1所述的外科手术系统：所述从外科手术器械尖端具有在摄像机坐标系中的取向；眼坐标系具有在主坐标系中的取向；以及所述控制器包含存储器和取向控制模块，所述存储器被配置为存储所述从外科手术器械尖端在所述摄像机坐标系中的取向并且存储所述眼坐标系在所述主坐标系中的取向；所述取向控制模块被配置为产生所述从外科手术器械尖端的所述期望取向。3.根据权利要求2所述的外科手术系统，所述取向控制模块被进一步配置为接收所述主工具把手的所述取向，所述主工具把手的所述取向是所述主工具把手在所述眼坐标系中的当前取向；检索所述主工具把手的存储取向和所述从外科手术器械尖端的存储取向；以及基于所述从外科手术器械尖端在所述摄像机坐标系中的所述存储取向和相对旋转矩阵，产生所述从外科手术器械尖端在所述摄像机坐标系中的所述期望取向，所述相对旋转矩阵表示所述眼坐标系在所述主坐标系中的相对旋转。4.根据权利要求3所述的外科手术系统，所述相对旋转矩阵进一步包含所述主工具把手在所述眼坐标系中的所述当前取向和所述眼坐标系在所述主坐标系中的所述存储取向的组合。5.根据权利要求1所述的外科手术系统，所述控制器进一步包含：主从对齐模块，所述主从对齐模块被进一步配置为：向所述主工具发送移动所述主工具把手的命令，以对齐所述主工具把手在所述眼坐标系中的所述取向与所述从外科手术器械尖端在所述摄像机坐标系中的所述取向；在所述主工具操纵器移动所述主工具把手之后，确定所述主工具把手在所述眼坐标系中的所述取向与所述从外科手术器械尖端在所述摄像机坐标系中的所述取向之间的取向对齐误差；以及确定所述取向对齐误差是否小于或等于最大俯冲取向误差。6.根据权利要求5所述的外科手术系统，所述主从对齐模块被进一步配置为，只要所述取向对齐误差大于所述最大俯冲取向误差，就重复所述发送、所述确定所述取向对齐误差、以及所述确定所述取向对齐误差是否小于或等于所述最大俯冲取向误差。7.根据权利要求6所述的外科手术系统，其进一步包含：存储模块，所述存储模块被耦连至所述主从对齐模块，所述存储模块被配置为：在所述主工具操纵器移动所述主工具把手之后，如果所述取向对齐误差小于或等于所述最大俯冲取向误差，则接收所述主工具把手在所述眼坐标系中的所述取向和所述从外科手术器械尖端在所述摄像机坐标系中的所述取向；将所述主工具把手在所述眼坐标系中的所述取向作为所述眼坐标系在所述主坐标系中的所述取向存储在所述存储器中；以及将所述从外科手术器械尖端在所述摄像机参考系中的所述取向存储在所述存储器中。8.根据权利要求1所述的外科手术系统，其进一步包含：内窥镜，所述内窥镜具有远端，所述摄像机坐标系相对于所述内窥镜的所述远端被限定。9.根据权利要求1所述的外科手术系统，其进一步包含：外科医生控制台，所述外科医生控制台包括观察器和所述主工具。10.一种外科手术系统，其包含：从外科手术器械，所述从外科手术器械具有从外科手术器械尖端，所述从外科手术器械尖端具有在摄像机坐标系中的取向；主工具操纵器，所述主工具操纵器包括主工具把手，所述主工具操纵器被耦连至所述从外科手术器械，所述主工具把手具有在眼坐标系中的取向，并且所述眼坐标系具有在主坐标系中的取向；以及控制器，所述控制器被连接至所述从外科手术器械并且被连接至所述主工具操纵器，所述控制器包含存储器和取向控制模块，所述控制器被配置为接收来自所述主工具操纵器的第一命令，并且发送控制所述从外科手术器械的第二命令，来自所述主工具操纵器的所述第一命令包括所述主工具把手在所述眼坐标系中的当前取向；所述存储器被配置为存储所述从外科手术器械尖端在所述摄像机坐标系中的基本取向并且存储所述眼坐标系在所述主坐标系中的基本取向；所述取向控制模块被配置为：接收所述主工具把手在所述眼坐标系中的所述当前取向；检索所述主工具把手的存储的基本取向和所述从外科手术器械尖端的存储的基本取向；以及基于所述从外科手术器械尖端在所述摄像机坐标系中的所述存储的基本取向和相对旋转矩阵，产生所述从外科手术器械尖端在所述摄像机坐标系中的期望取向，所述相对旋转矩阵表示所述眼坐标系在所述主坐标系中的相对旋转；以及所述控制器被配置为在所述第二命令中包括所述从外科手术器械尖端的所述期望取向。11.一种外科手术系统，其包含：从外科手术器械，所述从外科手术器械具有从外科手术器械尖端，所述从外科手术器械尖端具有在摄像机坐标系中的取向；主工具操纵器，所述主工具操纵器包括主工具把手，所述主工具被耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：HH·廖，
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