触觉致动器的均匀缩放制造技术

提供一种外科手术系统，其包括：输入设备；第一致动器和第二致动器；控制器，其用于控制第一致动器和第二致动器，该控制器被配置成当第一命令输出将落入第一致动器的第一预定工作范围之外时，将第一缩放因子分别应用到第一致动器的第一命令输出和第二致动器的第二命令输出，其中第一缩放因子将第一命令输出调整到第一预定工作范围内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】触觉致动器的均匀缩放优先权申明本申请要求于2016年1月12日提交的美国临时专利申请号62/277,827的优先权的权益，通过引用的方式将所述临时专利申请全部并入本文。
本专利技术涉及用于向外科手术系统的操作者提供触觉反馈的系统和方法，并且更具体地涉及当触觉反馈致动器达到性能极限时维持用户的直观触觉轮廓(profile)。
技术介绍
远程操作的外科手术系统通常旨在医疗过程期间提高外科医生的精确度和/或减少患者创伤。在此类系统中，外科医生与输入设备(有时被称为“主设备”或“主控制器”)交互以控制由驱动机构(诸如马达)致动的外科手术器械。因为外科医生不直接操纵外科手术器械，所以有时在输入设备处提供指示或复制相互作用力(例如，在外科手术器械、外科手术系统的其它元件、和/或由外科手术系统生成的虚拟或合成元件/特征件处所感觉到的)的触觉反馈可能是有益的。注意，呈现给用户的力反馈可能是来自传感器、来自算法、来自用户界面提示、碰撞检测、模型交互等的反馈的总和。为了提供良好的用户体验，外科医生将通过系统状态和配置变化理想地经历无缝触觉体验。然而，这可能难以实现，例如用于提供触觉反馈的致动器具有不同的性能极限，或者不同的致动器是否在不同时间处达到其性能极限。在此类情况下，呈现给用户的触觉反馈可能未与所感知的用户体验(例如，在外科手术器械处感测的实际力或交互式对象的视觉表示)适当地对齐(align)，从而导致混淆或不直观的用户体验。例如，马达扭矩极限(即饱和极限)通常施加在用于机器人接口的软件中。这些性能极限可能由于多种原因而产生，包括保护马达免受过热、限制施加到外科医生/患者的力、和/或使马达保持在其理想的扭矩操作范围内。限制马达处的扭矩可以在接口(例如，输入设备的手柄或器械的尖端)处产生非各向同性的力饱和。这意味着，当您正努力在涉及两个或更多个马达的接口处呈现力时，如果一个马达受到马达扭矩极限的制约，则力的方向可能不正确。当在输入设备处向用户给予力(触觉反馈)时，这可能尤其是有问题的。用户可能正感受在给定方向上的力，但是随着施加到用户的力增加并且达到与向用户给予力相关联的任何马达的扭矩极限，展现给用户的力的方向开始旋转，这对于用户来说可能是困惑的和/或混淆的。因此，期望提供一种用于确保与外科手术器械处的力环境一致的触觉反馈的系统和方法。
技术实现思路
为了最小化预期的力方向和触觉力反馈方向之间的差异，每当一个或多个致动器达到预定输出阈值时，触觉反馈致动器的输出被缩放(scaled)，从而在个体致动器将以其它方式被命令以在其精确的性能范围之外操作时，维持适当的触觉反馈方向性。此类缩放可以改变总体触觉反馈幅度，但是允许合适地维持触觉反馈方向。在一些实施例中，在软件限制任何致动器的输出的情况下，监测过程可以确定致动器的输出何时将超过最大阈值输出(处于或低于软件定义的输出极限)，并且在该点处按比例缩小其它致动器中的至少一个的输出，使得总输出(例如，力或扭矩)的期望方向被维持。在一些实施例中，监测过程可以附加地或可选地确定致动器的输出何时将下降到最小输出阈值以下(在该最小输出阈值以下，致动器输出可能太低而不能精确地生成)，并且在该点处使其输出和其它致动器中的至少一个的输出按比例放大，使得总输出(例如，力或扭矩)的期望方向被维持。在一些实施例中，当一个致动器达到其阈值输出时，所有致动器被缩放，而在其它实施例中，仅缩放同时有效的致动器。在一些实施例中，致动器的输出阈值是固定的，而在各种其它实施例中，致动器的输出阈值可以随时间或基于致动器和/或系统状态而变化。应该理解，前面的总体描述和下面的详细描述本质上是示例性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解而不限制本公开的范围。就此而言，根据以下详细描述，本公开的附加方面、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。附图说明当结合附图阅读时，根据以下详细描述可以最好地理解本公开的各方面。需要强调的是，按照工业的标准实践，各种特征件不是按比例绘制的。实际上，为了清楚讨论，各种特征件的尺寸可以任意地增加或减小。另外，本公开可以在各种示例中重复附图标记和/或字母。这种重复是为了简单和清楚的目的，并且本身不表示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。图1示出一种根据本专利技术的各种实施例的当达到致动器最大输出时向外科手术系统的用户提供一致触觉反馈的方法。图2A和图2B示出当致动器输出最大值被忽略与被解决时的示例性触觉力矢量输出。图3A-图3B示出一种根据本专利技术的各种实施例的响应于致动器输出最大阈值而提供触觉力反馈的示例性外科手术系统。具体实施方式在本专利技术的各方面的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所公开实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其它实例中，公知的方法、过程、组件和电路未被详细描述，以免不必要地模糊本专利技术的实施例的各方面。而且，为了避免不必要的描述性重复，根据一个说明性实施例描述的一个或多个组件或动作可以根据其它说明性实施例的适用情况被使用或省略。为了最小化期望的触觉力反馈方向(例如，由外科手术系统感测的或建模的)和实际的触觉力反馈方向之间的差异，每当一个或多个致动器的命令输出落入该致动器的预定工作范围之外时，触觉反馈致动器的输出被缩放。预定工作范围可以由等于或小于致动器的输出极限的最大输出阈值、和/或等于或大于致动器的最小精确输出水平的最小输出阈值来定义。这样的缩放可以减少总体触觉反馈幅度，但是允许合适地维持触觉反馈方向，这通常是触觉反馈的更关键方面。图1示出一种用于当超过致动器输出极限时提供方向性一致的触觉反馈的示例性方法。在提供触觉反馈的步骤110中，外科手术系统允许用户(例如，外科医生)经由(一个或多个)输入设备(例如，(一个或多个)控制杆、(一个或多个)夹钳、(一个或多个)操纵杆、或能够接收用户输入的任何其它结构)控制外科手术器械(和/或外科手术系统的其它元件，诸如机器人臂、装配结构、或诸如吊杆或推车的定位元件)，并且然后基于期望的触觉反馈轮廓(至少部分地再现或表示真实或虚拟/建模的相互作用的物理体验的一个或多个触觉反馈效果的集合)向该输入设备提供力反馈。触觉反馈轮廓可以基于任何触觉模型输入，诸如在器械(例如，组织或其它器械相互作用)或机器人臂(例如，与结构或人员的臂碰撞)处感测的力、用户引导装置(例如，触觉止动装置、防护装置、或用于向用户提供引导以使(一个或多个)输入设备沿着期望的路径或轨迹移动的其它轮廓)、以及用户界面(UI)元件(例如向用户呈现虚拟手柄或转向盘)。该触觉反馈可以是从触觉反馈轮廓的直接复制到触觉反馈轮廓的缩放、到应用触觉反馈轮廓的非线性修改或任何其它转换(例如，根据诸如器械状态/速度、观察放大率等的一个或多个其它因素而变化的力缩放)的任何事物。在输入设备处提供的实际力反馈由两个或更多个致动器(例如，马达、驱动器或任何其它动力元件)生成，所述两个或更多个致动器协作地工作以提供变化的力和方向的反馈。例如，具有俯仰和偏航能力的输入设备可以耦接到第一对致动器和第二对致动器，该第一对致动器围绕俯仰轴在相对方向上施加力，该第二对致动器围绕偏航轴在相对方向上施加力。然后可以同时使用两个或更多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外科手术系统，其包括：输入设备；耦接到所述输入设备的第一致动器和第二致动器，以在所述输入设备处提供触觉反馈；控制器，用于控制所述第一致动器和所述第二致动器，所述控制器被配置为当第一命令输出将落入所述第一致动器的第一预定工作范围之外时，将第一缩放因子分别应用到所述第一致动器的所述第一命令输出、所述第二致动器的第二命令输出，其中所述第一缩放因子将所述第一命令输出调整到所述第一预定工作范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.12 US 62/277,8271.一种外科手术系统，其包括：输入设备；耦接到所述输入设备的第一致动器和第二致动器，以在所述输入设备处提供触觉反馈；控制器，用于控制所述第一致动器和所述第二致动器，所述控制器被配置为当第一命令输出将落入所述第一致动器的第一预定工作范围之外时，将第一缩放因子分别应用到所述第一致动器的所述第一命令输出、所述第二致动器的第二命令输出，其中所述第一缩放因子将所述第一命令输出调整到所述第一预定工作范围内。2.根据权利要求1所述的外科手术系统，其进一步包括耦接到所述输入设备的第三致动器，其中所述控制器进一步被配置为将所述第一缩放因子应用到所述第三致动器的第三命令输出以提供所述触觉反馈。3.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述控制器进一步被配置为当所述第一命令输出将落入所述第一预定工作范围之内时，从所述第一命令输出和所述第二命令输出移除所述第一缩放因子。4.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述第一预定工作范围包括小于或等于所述第一致动器的输出极限的最大输出阈值。5.根据权利要求1至4中任一项所述的外科手术系统，其中所述第一预定工作范围包括大于或等于所述第一致动器的最小可靠输出水平的最小输出阈值。6.根据权利要求1至4中任一项所述的外科手术系统，其中所述第一预定工作范围至少部分地基于所述输入设备的运动学配置。7.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述控制器进一步被配置为当通过所述第一缩放因子缩放的所述该第一命令输出将落入所述第一预定工作范围之外时，将所述第一缩放因子改变为第二缩放因子，并且其中所述第二缩放因子将所述第一命令输出调整到落入所述第一命令范围内。8.根据权利要求1所述的外科手术系统，其中所述控制器进一步被配置为当通过所述第一缩放因子缩放的所述第二命令输出将落入所述第二致动器的第二预定工作范围之外时，将第二缩放因子应用到所述第一命令...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·N·维纳，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