用于机器人手术系统的手眼协调系统技术方案

一种利用处理单元控制手术机器人的工具使得所述工具跟随用户控制台的输入手柄的输入的方法包括：接收所述输入手柄在所述用户控制台的主坐标系中的移动；将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为所述工具在提供手术部位的实时图像的摄像头的摄像头坐标系中的移动；将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在手术室中限定的世界坐标系中的移动，将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具在由支撑所述工具的臂限定的工具坐标系中的移动，并且将控制命令传输到控制所述工具的马达，使得所述工具跟随所述输入手柄的移动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于机器人手术系统的手眼协调系统
技术介绍
机器人手术系统已被用于微创医疗手术。在医疗手术过程中，机器人手术系统由与用户接口介接的外科医生控制。用户接口允许外科医生操纵作用于患者的手术器械的末端执行器。用户接口包括输入控制器或手柄，所述输入控制器或手柄可由外科医生移动以控制机器人手术系统，还包括显示器，所述显示器允许外科医生观察手术部位内的末端执行器。手术部位的可视化由一个或多个摄像头(例如内窥镜)提供，它们提供手术部位的实时图像。一直需要改进手术部位的可视化和对手术机器人的直观控制。
技术实现思路
本公开总体上涉及一些方法，用于将用户控制台的输入手柄的移动转换为手术机器人的工具的移动，这样使得工具如预期地并且如在用户控制台的显示器上所看到的那样移动。在本公开的一个方面，一种利用处理单元控制手术机器人的工具使得该工具跟随用户控制台的输入手柄的输入的方法，包括：接收输入手柄在用户控制台的主坐标系中的移动；将所述输入手柄在所述主坐标系中的移动转换为所述工具在提供手术部位的实时图像的摄像头的摄像头坐标系中的移动，将所述工具在所述摄像头坐标系中的移动转换为所述工具在手术室中限定的世界坐标系中的移动，将所述工具在所述世界坐标系中的移动转换为所述工具在工具坐标系中的移动，所述工具坐标系由支撑所述工具的臂限定，并且将控制命令传输到控制所述工具的马达，使得所述工具跟随所述输入手柄的移动。在各方面，将输入手柄在主坐标系中的移动转换为工具在摄像头坐标系中的移动包括将显示旋转矩阵应用于主坐标系中的输入手柄的移动，以将输入手柄的移动转换为用户控制台的显示器的显示坐标系。显示器可以提供手术部位的实时图像的可视化。显示旋转矩阵可以使移动绕主坐标系的轴旋转30度。在一些方面，将主坐标系中的输入手柄的移动转换为摄像头坐标系中的工具的移动包括将翻转旋转矩阵应用于主坐标系中的输入手柄的移动，以将输入手柄的移动转换为摄像头坐标系。翻转旋转矩阵可以使移动绕显示坐标系的轴旋转180度。该方法可以包括接收翻转标志，并且当翻转标志指示来自摄像头的实时图像在显示器上被观看之前被翻转时应用翻转旋转矩阵。在某些方面，将工具在摄像头坐标系中的移动转换为工具在世界坐标系中的移动包括：确定摄像头坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角；以及应用世界坐标系旋转矩阵，其包括摄像头坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角，以将工具在摄像头坐标系中的移动转换为工具在世界坐标系中的移动。在特定方面，将所述工具在所述摄像头坐标系中的移动转换为所述工具在所述世界坐标系中的移动包括：接收所述摄像头的偏移；及通过将包括所述摄像头的所述偏移的调节旋转矩阵应用于所述工具在所述摄像头坐标系中的移动，由摄像头的偏移调节所述摄像头坐标系中的移动。在一些方面，将工具在世界坐标系中的移动转换为工具在工具坐标系中的移动包括确定工具坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角，以及应用包括工具坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角的工具坐标系旋转矩阵的转置，以将工具在世界坐标系中的移动转换为工具坐标系的移动。该方法可以包括在向控制工具的马达传输控制命令之前，验证摄像头在输入手柄的移动期间是固定的。在本公开的另一方面，机器人手术系统包括手术机器人、用户控制台和处理单元。手术机器人包括支撑摄像头的第一臂和支撑工具的第二臂。摄像头限定摄像头坐标系，并被配置为捕获手术部位的实时图像。第二臂限定工具坐标系，并被配置为在工具坐标系内操纵工具，手术机器人限定世界坐标系。用户控制台包括输入手柄和显示器。输入手柄可在由用户控制台限定的主坐标系内移动。显示器被配置为显示由摄像头提供的手术部位的实时图像。处理单元被配置为接收输入手柄在主坐标系中的移动，将输入手柄在主坐标系中的移动转换为工具在摄像头坐标系中的移动，将工具在摄像头坐标系中的移动转换为工具在世界坐标系中的移动，将工具在世界坐标系中的移动转换为工具在工具坐标系中的移动，以及将控制命令传输到第二臂，使得工具跟随输入手柄的移动。在各方面，显示器限定相对于主坐标系的一个轴旋转的显示坐标系。显示器可以绕主坐标系的一个轴旋转30度。处理单元被配置为将显示旋转矩阵应用于输入手柄在主坐标系中的移动，以将输入手柄的移动转换为显示坐标系。在一些方面，显示器被配置为在显示实时图像之前将由摄像头提供的实时图像翻转180度。处理单元被配置为接收指示实时图像在显示器上翻转的翻转标志，并将翻转旋转矩阵应用于工具的移动，以将工具的移动转换为摄像头坐标系。在某些方面，处理单元被配置为接收摄像头坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角，且应用包括摄像头坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角的世界坐标系旋转矩阵，以将工具在摄像头坐标系中的移动转换为工具在世界坐标系中的移动。处理单元可以被配置为接收摄像头的偏移角并且应用包括摄像头的偏移角的调节旋转矩阵来调节工具在摄像头坐标系中的移动。在特定方面，处理单元被配置为接收工具坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角，且应用包括工具坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角的工具坐标系旋转矩阵的转置，以将工具在世界坐标系中的移动转换为工具在工具坐标系中的移动。处理单元可以被配置为在传输控制命令之前验证摄像头在输入手柄的移动期间是固定的。在本公开的另一方面，一种计算机可读介质具有存储的指令序列，这些指令序列在由处理器执行时致使处理器接收输入手柄在用户控制台的主坐标系中的移动，将输入手柄在主坐标系中的移动转换为工具在提供手术部位的实时图像的摄像头的摄像头坐标系中的移动，将工具在摄像头坐标系中的移动转换为工具在手术室中限定的世界坐标系中的移动，将工具在世界坐标系中的移动转换为工具在由支撑工具的臂限定的工具坐标系中的移动，并且将控制命令传输到控制工具的马达，使得工具跟随输入手柄的移动。此外，在一致的程度上，本文所描述的任何方面可与本文所描述的任何或所有其它方面结合使用。附图说明下面参考附图描述本公开的各个方面，这些附图被并入本说明书并构成本说明书的一部分，其中：图1是根据本公开的机器人手术系统的示意图；图2是图1的机器人手术系统的示范性用户控制台的示意图；图3A和3B是支撑图1的机器人手术系统的摄像头和工具的示范性机器人基座和臂的侧视图；图4是将图2的用户控制台的输入手柄的移动转换为图3B的工具的移动的方法的流程图；以及图5是可以在本系统的各种实施例中采用的计算装置(例如，作为图1的机器人手术系统的一部分)的说明性实施例的示意性框图。具体实施方式现将参考图式详细地描述本公开的实施例，其中相同的附图标记表示若干视图中的每个视图中相同的或对应的元素。如本文所用，术语“临床医师”是指医生、护士或任何其他护理提供者，并且可以包括辅助人员。参照图1，根据本公开的机器人手术系统1通常被示出为手术机器人10、处理单元30以及用户控制台40。手术机器人10通常包括连杆或臂12和一个或多个机器人基座18。连杆12可移动地支撑末端执行器或工具20，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，其利用处理单元控制手术机器人的工具，使得所述工具跟随用户控制台的输入手柄的输入，所述方法包含：/n接收所述输入手柄在所述用户控制台的主坐标系中的移动；/n将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为所述工具在提供手术部位的实时图像的摄像头的摄像头坐标系中的移动；/n将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在手术室中限定的世界坐标系中的移动；/n将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具在工具坐标系中的移动，所述工具坐标系由支撑所述工具的臂限定；以及/n将控制命令传输到控制所述工具的马达，使得所述工具跟随所述输入手柄的移动。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20190206 US 62/801,7341.一种方法，其利用处理单元控制手术机器人的工具，使得所述工具跟随用户控制台的输入手柄的输入，所述方法包含：
接收所述输入手柄在所述用户控制台的主坐标系中的移动；
将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为所述工具在提供手术部位的实时图像的摄像头的摄像头坐标系中的移动；
将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在手术室中限定的世界坐标系中的移动；
将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具在工具坐标系中的移动，所述工具坐标系由支撑所述工具的臂限定；以及
将控制命令传输到控制所述工具的马达，使得所述工具跟随所述输入手柄的移动。


2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述摄像头坐标系中的移动包括将显示旋转矩阵应用于所述输入手柄在所述主坐标系中的移动，以将所述输入手柄的移动转换为所述用户控制台的显示器的显示坐标系，所述显示器提供所述手术部位的所述实时图像的可视化。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述显示旋转矩阵使所述移动绕所述主坐标系的轴旋转30度。


4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述摄像头坐标系中的移动包括将翻转旋转矩阵应用于所述输入手柄在所述主坐标系中的移动，以将所述输入手柄的移动转换为所述摄像头坐标系，所述翻转旋转矩阵使移动绕所述显示坐标系的轴旋转180度。


5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包含：
接收翻转标志；以及
当所述翻转标志指示来自所述摄像头的所述实时图像在显示器上被观看之前被翻转时，应用所述翻转旋转矩阵。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述世界坐标系中的所述移动包括：
确定所述摄像头坐标系相对于所述世界坐标系的偏航角和俯仰角；以及
应用包括所述摄像头坐标系相对于所述世界坐标系的所述偏航角和俯仰角的世界坐标系旋转矩阵，以将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述世界坐标系中的移动。


7.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述世界坐标系中的所述移动包括：
接收所述摄像头的偏移；以及
通过将包括所述摄像头的所述偏移的调节旋转矩阵应用于所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动，由所述摄像头的所述偏移调节所述摄像头坐标系中的所述移动。


8.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述工具坐标系中的移动包括：
确定所述工具坐标系相对于所述世界坐标系的偏航角和俯仰角；以及
应用包括所述工具坐标系相对于所述世界坐标系的所述偏航角和俯仰角的工具坐标系旋转矩阵的转置，以将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具坐标系的移动。


9.根据权利要求1所述的方法，其还包含在向控制所述工具的所述马达传输所述控制命令之前，验证所述摄像头在所述输入手柄的所述移动期间是固定的。


10.一种机器人手术系统，其包含：
手术机器人，其包括支撑摄像头的第一臂和支撑工具的第二臂，所述摄像头限定摄像头坐标系并且被配置为捕获手术部位的实时图像，所述第二臂限定工具坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：威廉·派纳，斯特凡·约尔格，保罗·洛沙克，
申请(专利权)人：柯惠LP公司，
类型：发明
国别省市：美国;US