用于机器人外科手术系统的逆运动学控制系统技术方案

一种使用逆运动学来控制机器人系统的方法包含：从用户界面接收输入位姿以移动所述机器人系统的臂；根据工具中心点坐标系中的所述输入位姿来计算期望位姿的远程运动中心；检查何时所述期望位姿需要矫正；矫正所述臂的所述期望位姿；并且响应于所述输入位姿将所述臂移动到所述期望位姿。所述机器人系统的所述臂包含工具，所述工具具有安置在所述臂的端部处的钳口。检查何时所述期望位姿需要矫正包含验证所述远程运动中心处于所述期望位姿中的边界距离内还是超出所述边界距离。当所述远程运动中心处于所述边界距离内时矫正所述臂的所述期望位姿发生。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于机器人外科手术系统的逆运动学控制系统相关申请的交叉引用本申请要求于2016年3月4日提交的美国临时专利申请号62/303,437的权益和优先权，所述申请的全部公开通过引用结合在此。
技术介绍
如远程操作系统等机器人外科手术系统用于进行微创外科手术，与传统开腹手术技术相比，所述微创外科手术提供许多益处，包含较少痛苦、较短住院时间、较快恢复正常活动、极少瘢痕形成、减少的恢复时间和对组织损伤较小。机器人外科手术系统可以具有许多机器人臂，所述机器人臂响应于外科医生查看由外科手术部位的图像捕获装置捕获的图像移动输入装置来移动附接器械和工具，如图像捕获装置、吻合器、电外科手术器械等。在外科手术期间，所述工具中的每一个通过自然开口或切口开口插入患者体内并且被定位成操纵外科手术部位处的组织。开口围绕患者的身体放置，从而使得外科手术器械可以用于协作地进行外科手术并且图像捕获装置可以查看外科手术部位。在外科手术期间，以多个自由度操纵工具。当所述自由度中的一个或多个彼此对准时，奇点产生。当工具接近奇点时，工具的操作可以变得不可预测，并且工具的自由度可能减少。为了防止工具到达奇点，一些系统采用硬停机。其它系统允许工具到达奇点并且使用输入控制器的速度与工具的移动速度的比较来预测工具的移动。存在对当工具接近和/或穿过奇点时控制机器人外科手术系统的工具的持续需求。另外地或可替代地，需要控制机器人外科手术系统的工具以避免到达奇点并且维持工具的每个自由度。
技术实现思路
本公开总体上涉及矫正机器人系统的臂和工具的位姿以避免关节间的奇点并且维持臂和工具的移动自由度。具体地讲，当臂的远程运动中心处于距工具中心点坐标系的原点一定距离的边界内时，远程运动中心被移动到边界距离，同时维持工具的钳口轴线的方位并且根据刚体运动学旋转远程运动中心。旋转之后，工具中心点坐标系被表达在旋转的远程运动中心坐标系中并且被处理为矫正的期望位姿以进行逆运动学计算。在本公开的一个方面，一种使用逆运动学来控制机器人系统的方法包含：从用户界面接收输入位姿以移动所述机器人系统的臂；根据工具中心点坐标系中的所述输入位姿来计算期望位姿的远程运动中心；检查何时所述期望位姿需要矫正；矫正所述臂的所述期望位姿；并且响应于所述输入位姿将所述臂移动到所述期望位姿。所述机器人系统的所述臂包含工具，所述工具具有安置在所述臂的端部处的钳口。检查何时所述期望位姿需要矫正包含验证所述远程运动中心处于所述期望位姿中的边界距离内还是超出所述边界距离。当所述远程运动中心处于所述边界距离内时矫正所述臂的所述期望位姿发生。在多个方面，在矫正所述臂的所述期望位姿期间，所述钳口轴线被固持在位。矫正所述臂的所述期望位姿可以包含将所述远程运动中心移动到所述边界距离。在一些方面，根据在所述工具与所述工具中心点的原点与所述俯仰关节之间的距离之间限定的俯仰关节的最大关节角，确定所述边界距离发生。所述俯仰关节的所述最大关节角可以为约75°。确定所述边界距离可以包含求取所述工具中心点的所述原点与所述俯仰关节之间的所述距离之和以及所述俯仰点的所述最大关节角的余弦。所述边界距离可以沿着所述钳口轴线选取。在某些方面，所述方法包含当所述远程运动中心接近所述期望位姿中的所述边界距离时提供反馈。当所述期望位姿中的所述远程运动中心接近所述边界距离时提供反馈可以包含当所述远程运动中心接近所述边界距离时增加所述反馈。增加所述反馈可以包含线性地或指数式地增加所述反馈。可替代地，增加所述反馈可以包含当所述远程运动中心接近所述边界距离时线性地增加所述反馈以及当所述远程运动中心跨越所述边界距离时指数式地增加所述反馈。在特定方面，所述方法包含当所述远程运动中心处于所述边界距离内时确定在所述钳口轴线与所述工具中心点坐标系的原点与所述远程运动中心之间的向量之间限定的检查角。所述方法可以包含当所述检查角低于预先限定的极端角时提供反馈。在本公开的另一方面，机器人外科手术系统包含处理单元、用户界面和机器人系统。所述用户界面与所述处理单元通信并且包含输入手柄。所述机器人系统与所述处理单元通信并且包含臂和在所述臂的端部处支撑的工具。所述臂限定远程运动中心，并且所述工具限定工具中心点坐标系。所述臂和所述工具被配置成响应于所述输入手柄的输入位姿而移动到期望位姿。所述处理单元被配置成验证何时所述远程运动中心处于所述期望位姿中的所述边界距离内。所述处理单元被配置成当所述远程运动中心处于所述边界距离内时矫正所述期望位姿。在多个方面，所述处理单元被配置成当所述远程运动中心处于所述期望位姿中的所述边界距离内时验证在所述钳口轴线与在所述工具中心点坐标系的原点与所述远程运动中心之间限定的向量之间限定的检查角是否低于预先限定的极端角。所述用户界面可以被配置成当所述检查角低于所述预先限定的极端角时向临床医生提供反馈。另外地或可替代地，所述输入手柄可以被配置成当所述远程运动中心接近所述期望位姿中的所述边界距离时向临床医生提供力反馈。进一步地，在一致的程度上，本文中所描述的任何方面可以与本文中所描述的其它方面中的任一个或全部结合使用。附图说明下文参照结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图对本公开的各个方面进行说明，其中：图1是根据本公开的机器人外科手术系统的用户界面和机器人系统的示意图示；图2是图1的机器人系统的示例性臂和工具的侧视图；图3是在第一种情况下图2的臂和工具的模型；图4是在第二种情况下图2的臂和工具的模型；图5是在第三种情况下图2的臂和工具的模型；图6是图3的模型，展示了关节角θ6的计算；图7是图6的模型，展示了关节角θ5的计算；图8是图7的模型，展示了关节角θ1和θ2的计算；图9是图8的模型，展示了关节角θ3的计算；图10是图3的模型的平面的平面图；图11是展示u0的确定的模型；图12是包含边界线B的图10的平面图；图13是展示计算套管针点O到旋转的套管针点M的旋转的投影方法的模型；图14是图13的套管针点O到旋转的套管针点M的旋转角φ的计算；图15是基础坐标系的旋转的取向矩阵的计算；图16是展示极端条件的检测的模型；图17是具有图1的根据本公开的机器人系统的臂的长钳口式器械的模型；图18是图17的套管针点O到旋转的套管针点M的坐标系6中的旋转角φ的计算；图19是展示图17的长钳口式器械的u0的确定的模型；图20是图17的末端执行器坐标系到旋转的套管针点M的投影；图21是坐标系6的旋转的取向矩阵的计算；并且图22是展示图17的长钳口式器械的极端条件的检测的模型。具体实施方式现在参照附图对本公开的实施例进行详细的说明，在所述附图中，相同的附图标记指代若干视图中的每个视图中的完全相同或对应的元件。如本文中所使用的，术语“临床医生”指医生、护士、或任何其它护理提供者，并且可以包含支援人员。贯穿本说明书，术语“近端”指最靠近临床医生的装置或其部件的部分，并且术语“远端”指离临床医生最远的装置或其部件的部分。本公开总体上涉及矫正机器人系统的臂和工具的位姿以避免关节间的奇点并且维持臂和工具的移动自由度。具体地讲，当臂的远程运动中心处于距工具中心点坐标系的原点一定距离的边界内时，远程运动中心被移动到边界距离，同时维持工具的钳口轴线的方位并且根据刚体运动学旋转远程运动中心。旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制机器人系统的方法，所述方法包括：从用户界面接收输入位姿以移动所述机器人系统的臂，其中具有钳口的工具被安置在所述臂的端部处，所述钳口限定钳口轴线；根据工具中心点坐标系中的所述输入位姿来计算期望位姿的远程运动中心；通过验证所述远程运动中心处于所述期望位姿中的边界距离内还是超出所述边界距离来检查何时所述期望位姿需要矫正；当所述远程运动中心处于所述边界距离内时矫正所述臂的所述期望位姿；并且响应于所述输入位姿将所述臂移动到所述期望位姿。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.04 US 62/303,4371.一种控制机器人系统的方法，所述方法包括：从用户界面接收输入位姿以移动所述机器人系统的臂，其中具有钳口的工具被安置在所述臂的端部处，所述钳口限定钳口轴线；根据工具中心点坐标系中的所述输入位姿来计算期望位姿的远程运动中心；通过验证所述远程运动中心处于所述期望位姿中的边界距离内还是超出所述边界距离来检查何时所述期望位姿需要矫正；当所述远程运动中心处于所述边界距离内时矫正所述臂的所述期望位姿；并且响应于所述输入位姿将所述臂移动到所述期望位姿。2.根据权利要求1所述的方法，其中在矫正所述臂的所述期望位姿期间，所述钳口轴线被固持在位。3.根据权利要求1所述的方法，其中矫正所述臂的所述期望位姿包含将所述远程运动中心移动到所述边界距离。4.根据权利要求1所述的方法，其中根据所述工具与所述工具中心点的原点与俯仰关节之间的距离之间的所述俯仰关节的最大关节角来确定所述边界距离。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述俯仰关节的所述最大关节角为75°。6.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述边界距离包含求取所述工具中心点的所述原点与所述俯仰关节之间的所述距离之和以及所述俯仰关节的所述最大关节角的余弦。7.根据权利要求5所述的方法，其中所述边界距离是沿着所述钳口轴线选取的。8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括当所述远程运动中心接近所述边界距离时提供反馈。9.根据权利要求8所述的方法，其中当所述远程运动中心接近所述边界距离时提供反馈包含当所述远程运动中心接近所述边界距离时增加所述反馈。10.根据权利要求9所述的方法，其中增加所述反馈包含线性地增加所述反馈。11.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：成济奇，
申请(专利权)人：柯惠LP公司，
类型：发明
国别省市：美国,US