输入装置上的力反馈的应用促使其操作者命令关节式仪器摆成优选姿势制造方法及图纸

一种医疗机器人系统包含进入导管，其具有从其远端延伸出来的关节式仪器。控制器经配置响应于相关联输入装置的操作者操纵以命令操纵关节式仪器，同时向所述输入装置产生力命令，其推动所述操作者命令所述仪器摆成优选姿势。当第一与第二优选姿势之间将发生转变时，一者分阶段引入，而另一者分阶段停止。可强加虚拟屏障，以防止所述关节式仪器被命令摆成不期望的姿势。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2012年11月9日、专利技术名称为“输入装置上的力反馈的应用促使其操作者命令关节式仪器摆成优选姿势”的中国专利申请201280055123.4(PCT/US2012/064400)的分案申请。相关申请案的交叉引用本申请案是2010年2月12日申请的标题为“提供指示关节式仪器的所命令的状态与优选姿势之间的差的感觉反馈的医疗机器人系统(Medical Robotic System Providing Sensory Feedback Indicating a Difference Between a Commanded State and a Preferred Pose ofan Articulated Instrument)”的第12/704,669号美国申请案的部分继续申请案，其由引用并入此处。本申请案也是2009年11月5日申请的标题为“关节式仪器在进入导管移入和移出的运动期间的控制器辅助的重新配置(Controller Assisted Reconfiguration of an Articulated Instrument During Movement Into and Out of an Entry Guide)”的第12/613,328号美国申请案的部分继续申请案，所述美国申请案是2009年8月15日申请的标题为“跨过具有不同工作空间条件的区域平滑控制关节式仪器(Smooth Control of an Articulated Instrument Across Areas with Different Work Space Conditions)”的第12/541,913号美国申请案的部分继续申请案，所述美国申请案中的每一个由引用并入此处。
本专利技术一般涉及医疗机器人系统，且尤其，涉及一种应用输入装置上的力反馈来促使其操作者命令关节式仪器摆成优选姿势的方法和系统。
技术介绍
例如执行微创外科手术时所使用的遥操作系统等医疗机器人系统提供优于传统开腹手术技术的许多益处，包含疼痛较少、住院时间较短、较快地返回到正常活动、最小的伤疤、恢复时间减少以及对组织的伤害较小。因此，对于这样的医疗机器人系统的需求是强烈的并且逐渐增长。这样的医疗机器人系统的一个实例是来自加利福尼亚州森尼韦尔市的直观外科公司(Intuitive Surgical，Inc.，)的手术系统，其为微创机器人手术系统。DA手术系统具有若干机械臂，其响应于观看由手术部位的图像捕获装置捕获的图像的外科医生对输入装置的移动而移动所附接的医疗装置，例如图像捕获装置和直观外科的专有ENDOWRIST用关节连接的外科仪器。将医疗装置中的每一个穿过其自己的微创切口插入到患者体内，并定位以在手术部位执行医疗程序。切口可放置在患者身体附近，使得手术仪器可用来协作地执行医疗程序，且图像捕获装置可观看此医疗程序，其机械臂在所述程序期间无碰撞。为了执行某些医疗程序，使用单个进入孔口例如微创切口或自然的身体孔来进入患者体内以执行医疗程序可为有利的。举例来说，可首先将进入导管插入、定位且保持在进入孔口的适当位置。关节式仪器例如，关节式相机仪器以及多个关节式手术工具仪器可用来执行医疗程序，然后其可以被插入到进入导管的近端中，以便从其远端延伸出来。因此，进入导管容纳多个仪器的单个进入孔口，同时在进入导管引导仪器进入工作部位时，使所述仪器保持捆束在一起。然而，由于关节式相机和工具仪器极为贴近，若干挑战存在于使用这样的捆束单元的医疗机器人系统中。举例来说，因为相机仪器具有接近的关节(例如，接合点)，其从远端的相机视图不可见，因此外科医生在移动相机时会跟踪不到这些关节的当前状态，且因此跟踪不到其可用运动范围。并且，当相机和工具仪器的关节在相机视野之外且因此外科医生通过其所捕获的图像不可见时，外科医生在以遥控机器人技术移动关节型仪器以执行医疗程序时，会不经意地驱动工具和/或相机仪器的链接而彼此相撞。在任一情况下，可危害患者的安全，且会不利地影响医疗程序的成功和/或按时完成。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个或更多个方面的一个目标是医疗机器人系统，以及在其中实施的方法，其促使操作者命令关节式仪器的正常模式操作的优选姿势，其充当在所述仪器的正常操作期间相对于关节式仪器的操作者所命令移动的偏置点。本专利技术的一个或更多个方面的另一目标是医疗机器人系统，以及其中所实施的方法，其应用输入装置上的力反馈促使其操作者命令关节式仪器的姿势通过平滑过渡到优选姿势来摆成优选姿势。本专利技术的一个或更多个方面的另一目标是医疗机器人系统，以及其中所实施的方法，其应用输入装置上的力反馈促使其操作者命令关节式仪器的姿势摆成第一优选姿势，然后根据激活信号平滑地过渡到第二优选姿势。通过本方面的各个方面可实现这些和额外的目标，其中简而言之，一个方面是用于促使操作者操纵输入装置来命令关节式仪器摆成优选姿势的方法，所述方法包括：响应于操作者对输入装置的操纵产生关节式仪器的所命令姿势；针对输入装置的多个自由度产生第一力命令，以便指示第一优选姿势与所命令姿势之间的差；以及通过根据第一激活信号分阶段引入其应用来将第一力命令应用于输入装置的所述多个自由度。另一方面是医疗机器人系统，其包括：输入装置；关节式仪器；以及处理器，其经配置以响应于操作者对输入装置的操纵而产生关节式仪器的所命令姿势，针对输入装置的多个自由度产生第一力命令，以便指示第一优选姿势与经修改所命令姿势之间的差，且所述第一力命令的应用命令于输入装置的所述多个自由度，以便根据第一激活信号分阶段引入其应用。从对本专利技术优选实施例的以下描述中，将明白本专利技术的各种方面的额外目标、特征和优点，所述描述应结合附图进行。附图说明图1示出利用本专利技术的方面的医疗机器人系统的方框图。图2示出利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中具有从中延伸出来的多个关节式仪器的进入导管的远端的立体图。图3到4分别示出利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中从进入导管的远端延伸出来的关节式仪器的俯视图和右侧视图。图5示出如在利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中使用的关节式仪器操纵器和关节式仪器的交互组件的方框图。图6示出针对利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中的关节式仪器的操作者所命令移动的仪器控制器的方框图。图7示出从用于正常操作的优选姿势中的进入导管的远端延伸出来的关节式仪器的侧视图，正如其被使用在利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中。图8示出处于缩回到进入导管中的优选姿势的进入导管的远端延伸出来的关节式仪器的侧视图，正如其被使用在利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中。图9示出图6的仪器控制器的模拟仪器块的方框图正如其被使用在利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中。图10示出如在利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中使用的图6的仪器控制器的姿势数据和姿势推动块的方框图。图11示出如在利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中使用的依据时间函数的正常模式操作和缩回模式的激活信号。图12示出如在利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中使用的图10的缩回模式推动块的方框图。图13示出如在利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中使用的图10的正常模式推动块的方框图。图14示出如在利用本专利技术的方面的医疗机器人系统中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于促使操作者操纵输入装置来命令关节式仪器摆成优选姿势的方法，所述方法包括：响应于输入装置的操作者操纵而产生所述关节式仪器的命令姿势；通过以下步骤来修改所述命令姿势：施加虚拟屏障作为约束以防止所述关节式仪器被命令而在第一方向上移出所述虚拟屏障，直到所述关节式仪器的最靠近所述虚拟屏障但尚未与其碰到的至少一部分与第一优选姿势一致为止；产生指示所述命令姿势与修改的命令姿势之间的差的调制系数流；通过使所述调制系数流穿过低通滤波器来产生第一激活信号；针对所述输入装置的多个自由度产生第一力命令，以便指示所述第一优选姿势与所述命令姿势之间的差；并且通过根据所述第一激活信号分阶段引入其应用来将所述第一力命令应用于所述输入装置的所述多个自由度。

【技术特征摘要】
2011.11.09 US 13/292,7601.一种用于促使操作者操纵输入装置来命令关节式仪器摆成优选姿势的方法，所述方法包括：响应于输入装置的操作者操纵而产生所述关节式仪器的命令姿势；通过以下步骤来修改所述命令姿势：施加虚拟屏障作为约束以防止所述关节式仪器被命令而在第一方向上移出所述虚拟屏障，直到所述关节式仪器的最靠近所述虚拟屏障但尚未与其碰到的至少一部分与第一优选姿势一致为止；产生指示所述命令姿势与修改的命令姿势之间的差的调制系数流；通过使所述调制系数流穿过低通滤波器来产生第一激活信号；针对所述输入装置的多个自由度产生第一力命令，以便指示所述第一优选姿势与所述命令姿势之间的差；并且通过根据所述第一激活信号分阶段引入其应用来将所述第一力命令应用于所述输入装置的所述多个自由度。2.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述调制系数流包括：通过确定所述命令姿势与所述修改的命令姿势之间的差来产生调制系数流，沿所述第一方向投射所述差，并且通过在所述投射的差大于阈值时将当前调制系数设定为第一值且在所述投射的差小于或等于所述阈值时将所述当前调制系数设定为第二值来对所述投射的差进行二进制编码。3.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述第一力命令包括：比较所述第一优选姿势与所述修改的命令姿势，以产生笛卡尔位置和速度误差；通过移除沿所述第一方向且围绕所述关节式仪器的可枢转尖端的轴的组件来修改所述笛卡尔位置和速度误差；并且使用所述修改的笛卡尔位置和速度误差来产生粘弹性六自由度力命令。4.根据权利要求3所述的方法，其中产生所述粘弹性六自由度力命令包括：通过位置增益放大所述修改的笛卡尔位置误差以产生第一结果，且将所述第一结果限制为位置饱和限制以产生第二结果；通过速度增益放大所述修改的笛卡尔速度误差以产生第三结果；通过从所述第二结果减去所述第三结果来产生临时的粘弹性六自由度力命令；并且通过将所述临时的粘弹性六自由度力命令限制为力饱和限制来产生所述粘弹性六自由度力命令。5.根据权利要求3所述的方法，其中通过根据所述第一激活信号分阶段引入其应用来将所述第一力命令应用于所述输入装置的所述多个自由度包括：用所述第一激活信号对所述粘弹性六自由度力命令进行振幅调制。6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：针对所述输入装置的多个自由度产生第二力命令，以便指示第二优选姿势与所述命令姿势之间的差；在根据所述第一激活信号分阶段引入所述第一力命令的应用之前，将所述第二力命令应用于所述输入装置的所述多个自由度；并且根据第二激活信号分阶段停止所述第二力命令的应用。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一激活信号和所述第二激活信号为互补信号，使得当所述第二激活信号分阶段停止时，所述第一激活信号分阶段引入。8.一种机器人系统，其包括：输入装...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·迪奥拉伊蒂，P·E·利拉根，
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