使用虚拟边界避免碰撞的系统和方法技术方案

一种碰撞避免的系统和方法包含确定第一可重定位臂的第一接头的第一位置和第二可重定位臂的第二接头的第二位置。第一可重定位臂和第二可重定位臂的远侧端经配置为分别支撑第一器械和第二器械。系统和方法进一步包含确定围绕第一可重定位臂和第二可重定位臂的第一虚拟边界和第二虚拟边界，确定在第一虚拟边界和第二虚拟边界之间的重叠，确定由于重叠导致的在第一可重定位臂上的重叠力，将重叠力映射到在接近于重叠的第一接头上的虚拟扭矩，确定在第一器械的远侧端上的尖端力，并将尖端力作为反馈施加在第一器械上。

System and method using virtual boundary to avoid collision

A collision avoidance system and method include determining the first position of the first joint of the first relocatable arm and the second position of the second joint of the second relocatable arm. The distal end of the first relocatable arm and the second relocatable arm are configured to support the first and second instruments, respectively. The system and method further include determining the first virtual boundary and the second virtual boundary around the first and second repositable arms, determining the overlap between the first virtual boundary and the second virtual boundary, determining the overlap force on the first repositable arm resulting from the overlap, and mapping the overlap force to the approaching one. The virtual torque on the overlapping first joint determines the tip force on the distal end of the first instrument and applies the tip force as feedback to the first instrument.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用虚拟边界避免碰撞的系统和方法相关申请此专利申请要求于2016年2月26日提交的名称为“SYSTEMANDMETHODFORCOLLISIONAVOIDANCEUSINGVIRTUALBOUNDARIES”的美国临时专利申请62/300,706的申请日的优先权和权益，所述美国临时专利申请通过引用以其整体被并入本文。
本专利技术通常涉及远程操作具有可重定位臂的装置，且更具体地涉及使用虚拟边界避免碰撞。
技术介绍
越来越多的器械正被自主装置和半自主装置替代。在现今的医院中尤为如此，其中大量的自主医疗装置和半自主医疗装置在手术室、介入室、重症监护病房、急诊室等等中被找到。例如，玻璃和水银温度计正被电子温度计替代，静脉滴注管线现今包含电子监视器和流量调节器，且传统的手持式手术器械正被计算机辅助的医疗装置替代。这些医疗装置对操作所述医疗装置的人员提供优点和挑战两者。这些医疗装置中的许多医疗装置可以能够自主运动或半自主运动一个或多个可重定位臂和/或末端执行器。也通常通过使用操作人员工作站上的一个或多个输入控制经由远程操作来操作医疗装置以控制可重定位臂和/或末端执行器的运动和/或操作。此类装置的示例包含由加利福尼亚州森尼维耳市的直觉外科公司(IntuitiveSurgical,Inc.)销售的da外科手术系统。当从操作人员工作站远程地操作医疗装置和/或末端执行器正被用于操作人员不直接可见的区域中时，诸如在末端执行器被患者解剖结构、手术帘等等隐藏时的计算机辅助的外科手术期间，它可以使操作人员检测和/或避免在一个或多个可重定位臂之间的碰撞的能力复杂化，该碰撞可能导致对医疗装置的损害、对患者或其它人员的伤害，和/或无菌区中的故障。在可重定位装置(诸如医疗装置的可重定位臂)之间的碰撞避免通常在运动规划背景中解决。在此背景中，确定可重定位臂中的每个的运动规划，并评估可重定位臂的未来运动以确定可重定位臂之间的碰撞是否将发生，其中发生对运动规划的适当校正以避免碰撞。此方法通常远离经由远程操作来控制可重定位臂的理想，这是因为可重定位臂的控制由操作人员实时指导(即，操作人员不能够察觉到在进行输入与所产生移动之间的延迟)，使得可重定位臂的运动规划为未知的且不能用作碰撞避免确定的基础。作为碰撞避免的替代方案，可以使用碰撞检测方法，该碰撞检测方法在可重定位臂之间发生碰撞时将反馈提供到操作人员。但是，碰撞检测方法具有缺点。实际碰撞通常导致操作人员的糟糕的用户体验。并且，最低限度地，在臂之间的碰撞检测通常太晚检测到碰撞以至于无法避免对无菌区的损害，这是因为覆盖臂的无菌帘通常在可重定位臂碰撞之前彼此接触，且陷入在两个碰撞臂之间的帘子可能被撕裂。一些混合碰撞避免-碰撞检测系统通过建模大体积来操作，该大体积通常具有平面表面且其形状通常为凸形的，且外接可重定位臂的连杆和接头。在一些情况下，可重定位臂的连杆和接头被划分成区段，其中每个区段具有其自身的三维外接图元，例如球体、圆柱体或箱体，其中总外接体积通过采用外接图元的联合来构造。当操作可重定位臂时，将碰撞检测应用到外接体积，使得在实际碰撞发生之前检测到在外接体积之间的“碰撞”并对碰撞做出反应。其它方法包含为可重定位臂中的每个提供分离的非相交工作空间，该非相交工作空间消除对附加的碰撞检测或避免的需要。然而，这些混合方法在预测碰撞时通常太过保守，这是因为外接体积对于外接的连杆和接头而言通常过大，且这些过大的外接体积以及分离的工作空间通常妨碍以比外接体积更小的分离距离来操作可重定位臂的能力。因此，可期望避免在计算机辅助的医疗装置的可重定位臂之间的碰撞的改进的方法和系统。
技术实现思路
有利地，根据本专利技术的系统和方法允许远程操作具有可重定位臂的装置，其中碰撞避免行为优于基于运动规划的碰撞避免方法或碰撞检测方法。在一个方面中，可重定位模型的高保真CAD(计算机辅助设计(drafting)或计算机辅助建模(modeling))或运动学模型用于创建每个可重定位臂的虚拟模型。虚拟模型随后扩展预定距离以创建虚拟边界，该虚拟边界界定围绕可重定位臂中的接头和连杆中的每个的对应的虚拟缓冲区。当可重定位臂经由远程操作来控制时，碰撞引擎确定在虚拟边界之间何时存在重叠，所述重叠指示可重定位臂中的至少两个已移动成十分接近于彼此内。表面或体积相互作用的物理模型，诸如基于表面或体积穿透的弹性模型，随后由物理引擎应用以确定施加到可重定位臂的反馈力，该反馈力将可重定位臂推开以便减少或消除虚拟边界中的重叠。反馈力随后被映射到施加到可重定位臂的那些接头的力或扭矩的变化，该力或扭矩的变化允许可重定位臂在实际碰撞发生之前被推离潜在的碰撞。在一些可选的方面中，反馈力还映射到触觉反馈，该触觉反馈施加到由操作人员所使用的输入控制以远程操作可重定位臂，以便反抗操作人员命令可重定位臂朝向碰撞情况的能力。以此方式，操作人员在输入控制中的一个或多个中的碰撞发生之前“感觉到”该碰撞，且作为响应，操作人员可以将可重定位臂移动远离潜在的碰撞。在一些方面中，使用虚拟模型和虚拟边界来产生反馈力提供优于更传统的碰撞检测方法的优点。例如，根据可重定位臂之间的实际碰撞，例如通过注意在可重定位臂的期望位置与实际位置之间的差异来检测到的那些碰撞，通常产生不良的操作人员力反馈结果，该结果具有不良的碰撞方向性和较低的大小，该不良的碰撞方向性和较低的大小通常不提供对一个或多个输入控制的良好触觉反馈。例如，众所周知，当可重定位臂之间的物理接触用于反映用于控制那些可重定位臂的输入控制中的触觉反馈时，在触觉反馈的保真度和有力性(forcefulness)与对可重定位臂的控制稳定性之间存在伴随的妥协(compromise)。因此，简单地增加被触觉反馈到输入控制的力的大小可能导致对可重定位臂的控制的稳定性的不可接受的损失。相反，因为在专利技术性方面中，反馈力从虚拟边界中的重叠而非实际碰撞得到，所以通过可重定位臂的全反馈控制路径被绕开，使得即使施加较强的触觉反馈也可维持控制稳定性。此外，可以经由适当的缩放(scaling)来确定较强的碰撞方向性且可以获得较高的触觉反馈大小。增强的力和触觉反馈对操作人员体验提供附加的增强，使得一个可重定位臂的形状和轮廓可以可选地在另一可重定位臂的输入控制中被感觉到，且这可选地允许远程操作，其中可重定位臂如同沿着彼此“滑动”一般移动。(运动类似于通过使刀和磨刀钢棒沿着彼此移动来磨刀口，但臂不接触而是替代地维持界定的分离距离。)此外，虚拟边界允许可重定位臂密切接近于彼此操作，同时还避免实际碰撞，该实际碰撞可能损害可重定位臂或用于产生围绕可重定位臂的无菌区的无菌帘。在一些方面中，用于创建虚拟边界的预定距离被控制以允许可重定位臂的靠近操作同时避免碰撞，而不过度限制可以通过其操作可重定位臂的运动的范围。在一些示例中，预定距离基于可重定位臂的建模和运动学校准来调整，其中较小的预定距离用于可用较高精度控制的可重定位臂。在一些情况下，预定距离被设定为与可重定位臂的相应连杆和接头的运动学校准近似相同的值。在一些情况下，较小的预定距离用于更接近于可重定位臂上的机械底座而定位的连杆和接头，且较高的预定距离用于更远地定位在可重定位臂上的连杆和接头。在一些情况下，预定距离可以可选地减小至零本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算机辅助的医疗装置，所述装置包括：第一可重定位臂，所述第一可重定位臂具有多个第一接头、多个第一连杆，以及经配置以支撑第一器械的第一远侧端；第二可重定位臂，所述第二可重定位臂具有多个第二接头、多个第二连杆，以及经配置以支撑第二器械的第二远侧端；第一输入控制，所述第一输入控制经配置以为所述第一器械提供移动命令；控制单元，所述控制单元包括一个或多个处理器，所述控制单元耦合到所述第一可重定位臂、所述第二可重定位臂以及所述第一输入控制，其中所述控制单元：确定所述多个第一接头的第一接头位置和所述多个第二接头的第二位置；使用所述第一可重定位臂的第一虚拟模型和所述第一位置来确定围绕所述第一可重定位臂的多个第一虚拟边界；使用所述第二可重定位臂的第二虚拟模型和所述第二位置来确定围绕所述第二可重定位臂的多个第二虚拟边界；确定在所述多个第一虚拟边界中的第一虚拟边界与所述多个第二虚拟边界中的第一虚拟边界之间的第一重叠；确定由于所述第一重叠导致的在所述第一可重定位臂上的第一重叠力；将所述第一重叠力映射到在所述多个第一接头中的许多第一接头上的第一虚拟扭矩；基于所述第一虚拟扭矩来确定在所述第一器械的远侧端上的第一尖端力；以及将所述第一尖端力作为第一反馈力施加在所述第一器械和所述第一可重定位臂上。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.26 US 62/300,7061.一种计算机辅助的医疗装置，所述装置包括：第一可重定位臂，所述第一可重定位臂具有多个第一接头、多个第一连杆，以及经配置以支撑第一器械的第一远侧端；第二可重定位臂，所述第二可重定位臂具有多个第二接头、多个第二连杆，以及经配置以支撑第二器械的第二远侧端；第一输入控制，所述第一输入控制经配置以为所述第一器械提供移动命令；控制单元，所述控制单元包括一个或多个处理器，所述控制单元耦合到所述第一可重定位臂、所述第二可重定位臂以及所述第一输入控制，其中所述控制单元：确定所述多个第一接头的第一接头位置和所述多个第二接头的第二位置；使用所述第一可重定位臂的第一虚拟模型和所述第一位置来确定围绕所述第一可重定位臂的多个第一虚拟边界；使用所述第二可重定位臂的第二虚拟模型和所述第二位置来确定围绕所述第二可重定位臂的多个第二虚拟边界；确定在所述多个第一虚拟边界中的第一虚拟边界与所述多个第二虚拟边界中的第一虚拟边界之间的第一重叠；确定由于所述第一重叠导致的在所述第一可重定位臂上的第一重叠力；将所述第一重叠力映射到在所述多个第一接头中的许多第一接头上的第一虚拟扭矩；基于所述第一虚拟扭矩来确定在所述第一器械的远侧端上的第一尖端力；以及将所述第一尖端力作为第一反馈力施加在所述第一器械和所述第一可重定位臂上。2.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述控制单元通过以下操作来确定由于所述第一重叠导致的在所述第一可重定位臂上的所述第一重叠力：确定由于所述第一重叠导致的在所述第一可重定位臂和所述第二可重定位臂上的所述第一重叠力；3.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述许多第一接头包含所述多个第一接头中接近于所述第一重叠的第一接头4.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述控制单元进一步：通过使用所述第一尖端力来将第一触觉反馈力施加到所述第一输入控制。5.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述控制单元进一步：通过缩放所述第一尖端力来将第一触觉反馈力施加到所述第一输入控制。6.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述控制单元进一步：基于由于将所述第一反馈力施加在所述第一器械上导致的所述第一器械的第一命令位置与从所述第一输入控制确定的所述第一器械的第二命令位置之间的差异来将第一触觉反馈力施加到所述第一输入控制。7.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述控制单元进一步：确定在所述多个第一虚拟边界中的第二虚拟边界与所述多个第二虚拟边界中的第二虚拟边界之间的第二重叠；确定由于所述第二重叠导致的在所述第一可重定位臂上的第二重叠力；将所述第二重叠力映射到所述多个第一接头中接近于所述第二重叠的第二重叠位置的第一接头上的第二虚拟扭矩；叠加所述第一虚拟扭矩和所述第二虚拟扭矩以产生叠加的第一虚拟扭矩和第二虚拟扭矩；以及基于所述第一虚拟扭矩通过使用叠加的所述第一虚拟扭矩和所述第二虚拟扭矩来确定在所述第一器械的所述远侧端上的所述第一尖端力。8.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中：所述第一虚拟模型包括近似所述第一可重定位臂的物理几何结构的多个凸包；以及所述多个第一虚拟边界中的每个边界对应于在大小上扩展相应距离的所述凸包中的相应凸包。9.根据权利要求8所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述多个第一虚拟边界中的每个边界的所述相应距离是基于所述第一可重定位臂的运动学校准。10.根据权利要求8所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述多个第一虚拟边界中的每个边界的所述相应距离不小于6mm且不超过12mm。11.根据权利要求8所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述多个第一虚拟边界中的边界的所述相应距离为零。12.根据权利要求8所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述多个第一虚拟边界中的边界的所述相应距离为负的。13.根据权利要求8所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述相应距离对于所述多个第一虚拟边界中的更接近于所述第一可重定位臂的机械基座定位的边界更短。14.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述第一重叠力通过使用所述第一可重定位臂的雅可比转置来映射到所述第一虚拟扭矩，所述雅可比转置在所述第一重叠的第一重叠位置与所述多个第一接头中接近于所述第一重叠的第一重叠位置的所述第一接头之间。15.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述第一尖端力通过使用所述第一可重定位臂的雅可比转置的逆来进一步确定，所述雅可比转置在所述第一器械的所述远侧端与所述多个第一接头之间。16.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述第一位置通过使用耦合到所述第一可重定位臂的一个或多个传感器来确定。17.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述多个第一虚拟边界仅应用到所述第一可重定位臂和所述第一器械的接近于身体开口的部分，在所述身体开口处所述第一器械插入到患者中。18.根据权利要求17所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述身体开口对应于所述第一可重定位臂和所述第一器械的远程运动中心。19.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中通过使用虚拟弹簧模型根据所述第一重叠来确定所述第一重叠力。20.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中通过使用可变形材料模型根据所述第一重叠来确定所述第一重叠力。21.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述第一重叠对应于在所述多个第一虚拟边界中的所述第一虚拟边界与所述多个第二虚拟边界中的所述第一虚拟边界之间的最大重叠。22.根据权利要求21所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述第一重叠力的方向与所述最大重叠的方向对准。23.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述第一重叠力的方向正交于所述多个第一虚拟边界中的所述第一虚拟边界在所述第一重叠的第一重叠位置处的表面。24.根据权利要求1所述的计算机辅助的医疗装置，其中所述第一重叠力的大小基于所述第一重叠的最大...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·G·格利菲斯，N·斯瓦尔普，
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