调节外科机器人臂的关节空间速度制造技术

本发明专利技术提供了一种外科机器人系统，该外科机器人系统具有外科机器人臂和编程的处理器，该编程的处理器确定针对该臂的第一配置的速度椭球的最长主轴，将(沿该最长主轴的方向的)最大任务空间速度应用于计算潜在的关节空间速度的逆运动学方程，计算该臂的i)该潜在的关节空间速度和ii)关节空间速度极限的比率，并且将该比率应用于初始关节空间速度，以产生经过调节的关节空间速度。本发明专利技术还描述并要求保护其他方面。护其他方面。护其他方面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】调节外科机器人臂的关节空间速度


[0001]本公开涉及用于在重新定位端部执行器时给外科机器人臂和端部执行器的操作者一致的轻松感的数字控制技术。

技术介绍

[0002]微创外科手术(MIS)诸如腹腔镜手术涉及旨在在外科规程期间减少组织损伤的技术。例如，腹腔镜规程通常涉及在患者体内(例如，在腹部)形成多个小切口，以及通过切口将一个或多个工具和至少一个内窥镜相机引入患者体内。然后通过使用引入的工具执行外科规程，其中可视化辅助由相机提供。一般来讲，MIS提供多重有益效果，诸如减少患者疤痕、减轻患者疼痛、缩短患者恢复期以及降低与患者恢复相关联的医疗费用。
[0003]MIS可以用包括若干机器人臂的外科机器人系统来执行。每个臂具有外科工具或器械，外科工具或器械在其端部处是端部执行器，诸如夹钳、剪刀和内窥镜摄像头，它们在手术部位插入患者体内。使用由操作者(例如，外科医生)“远程”操纵的臂和端部执行器对患者的身体组织进行外科手术。外科机器人系统确保端部执行器的位置和取向将模拟外科医生手中的用户输入装置(UID)的操纵。这由数字控制系统实现，该数字控制系统跟踪UID的运动，并且作为响应来计算对臂的机动关节的适当命令，从而导致端部执行器的运动模拟手持式UID的运动。

技术实现思路

[0004]当操作者在外科机器人臂的端部处(经由他们手中的UID远程地)操纵端部执行器时，他们可能不知道端部执行器可以沿哪个方向更容易移动。他们可能期望端部执行器的控制应该是各向同性的，即能够沿所有方向并且对于臂的所有可能配置(例如，关节角度)以相同的速度移动。然而，实际上，外科机器人臂不是各向同性的。对于臂的任何给定配置(包括臂当前所处的一组给定关节角度)，端部执行器沿所有方向移动的难易程度不同。考虑人的实际臂—人的手从左到右摆动的速度比前后摇摆的速度要快。即使人对自己的身体有这样的了解，但他们通常不会对外科机器人臂的行为也有同样的了解。
[0005]在此公开的各个方面是数字控制方法，旨在为操纵外科机器人臂上的端部执行器的操作者产生一种各向同性或一致的轻松感。这可以使系统对操作者而言感觉更为自然。
[0006]在一个方面，一种用于调节外科机器人臂的关节空间速度的方法具有以下操作，由编程的处理器执行。对于外科机器人臂的给定配置，接收任务空间速度(例如，线性或平移速度，基于UID跟踪序列)。对于臂的活动关节中的每一个活动关节，潜在的关节速度由以下方式计算i)产生向量，该向量具有所接收的任务空间速度的范数并且具有沿端部执行器的速度椭球的最长主轴的取向，以及ii)将臂的逆运动学方程应用于该向量以产生潜在的关节速度。当所计算的潜在的关节速度超过相应关节的关节速度极限时，计算i)关节速度极限和ii)潜在的关节速度之间的比率。关节空间速度极限可以由主动(机动)和被动关节的机械特性定义，并且可以大于或小于所计算的潜在的最大关节空间速度。然后将该比率
应用于(例如，乘以)初始关节空间速度，该初始关节空间速度可以是所接收的任务空间速度到关节空间的转换，以(对于给定外科机器人臂配置)产生经过调节的关节空间速度。
[0007]经过调节的关节空间速度可以为正在操纵UID的操作者提供更一致的轻松感。控制端部执行器运动的这种方式可以给操作者沿所有方向一致的轻松感。
[0008]上述
技术实现思路
不包括本公开的所有方面的详尽列表。可以设想的是，本公开包括所有系统和方法，该系统和方法可由上文概述的各个方面的所有合适组合以及下文具体实施方式中公开并且在权利要求部分中特别指出的那些来实施。此类组合可具有未在上述
技术实现思路
中具体叙述的特定优点。
附图说明
[0009]本公开的若干方面在此以举例方式而非限制性方式在附图的各图中示出，其中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出，在本公开中提到“一”或“一个”方面不一定是同一个方面，并且它们是指至少一个。另外，为了简洁和减少附图的总数，可使用给定附图来示出本公开的多于一个方面的特征，并且对于给定方面可能并非需要附图中的所有元件。
[0010]图1是具有外科机器人系统的手术室布置的概览示意图。
[0011]图2示出了端部执行器线速度的区域或方向如何受到所需的最大端部执行器速度的影响，并且对于不同的外科机器人臂配置具有不同的最大关节速度。
[0012]图3描绘了作用中的示例性外科机器人臂，以及针对臂的给定配置的速度椭球。
[0013]图4是用于调节外科机器人臂的关节空间速度的过程的流程图。
具体实施方式
[0014]现在参考附图来解释本公开的若干方面。每当未明确限定所述零件的形状、相对位置和其他方面时，本专利技术的范围并不仅限于所示出的零件，所示出的零件只是出于说明目的。另外，虽然阐述了许多细节，但应当理解，可在没有这些细节的情况下实践本公开的一些方面。在其他情况下，未详细示出熟知的电路、结构和技术，以免模糊对本说明书的理解。
[0015]参见图1，这是手术场所中的示例性外科机器人系统1的绘画视图。机器人系统1包括用户控制台2、控制塔3和可安装到外科机器人平台5(例如，台、床等)的一个或多个外科机器人臂4。图1示出了臂4安装到搁置患者的台或床上的示例。系统1可以结合用于对患者6执行手术的任何数量的装置、工具或附件。例如，系统1可包括用于执行外科手术的一个或多个外科工具7。外科工具7可以是附接到外科臂4的远侧端部的端部执行器，用于执行外科规程。
[0016]每个外科工具7可在外科手术期间手动操纵、机器人操纵或两者。例如，外科工具7可以是用于进入、查看或操纵患者6的内部解剖结构的工具。在一个实施方案中，外科工具7为可抓持患者的组织的抓持器。外科工具7可由床边操作者8手动控制；或者其可经由其所附接的外科机器人臂4的致动移动而由机器人控制。机器人臂4被示出为台上安装系统，但在其他实例中，臂4可安装在手推车、天花板或侧壁上，或者安装在另一个合适的结构支撑件中。
[0017]一般来讲，远程操作者9(诸如外科医生或其他操作者)可使用用户控制台2以远程
操纵臂4和/或所附接的外科工具7，例如远程操作。用户控制台2可位于与系统1的其余部分相同的手术室中，如图1所示。然而，在其他环境中，用户控制台2可位于相邻或附近的房间中，或者其可位于远程位置，例如，在不同的建筑物、城市或国家中。用户控制台2可包括座椅10、脚动控件13、一个或多个手持式用户输入装置(UID)14以及至少一个用户显示器15，该用户显示器被配置为显示例如患者6体内的外科手术部位的视图。在示例性用户控制台2中，远程操作者9坐在座椅10中并且查看用户显示器15，同时操纵脚动控件13和手持式UID14，以便远程控制臂4和外科工具7(外科工具安装在臂4的远侧端部上)。
[0018]在一些变型中，床边操作者8还可以“床上”模式操作系统1，其中床边操作者8(用户)现在位于患者6的一侧并且同时操纵机器人驱动的工具(附接到臂4的端部执行器)，例如，用一只手握持手持式UID14和手动腹腔镜工具。例如，床边操作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于调节外科机器人臂的关节空间速度的方法，所述方法包括：a)计算针对外科机器人臂配置的速度椭球的最长主轴；b)接收任务空间速度，沿所述最长主轴应用所述任务空间速度的范数，以使用逆运动学来计算潜在的关节空间速度；d)计算所述外科机器人臂的i)所述潜在的关节空间速度和ii)关节空间速度极限的比率；以及e)将所述比率应用于初始关节空间速度，以产生经过调节的关节空间速度。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述关节空间速度极限小于所述潜在的关节空间速度，并且所述经过调节的关节空间速度小于所述关节空间速度极限。3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括：接收新的任务空间速度；将所述新的任务空间速度转换为新的关节空间速度；基于将所述新的任务空间速度与先前的任务空间速度进行比较来计算新的比率；以及将所述新的比率应用于所述新的关节空间速度以产生新的经过调节的关节空间速度。4.根据权利要求3所述的方法，所述方法还包括：应用所述新的经过调节的关节空间速度以更新控制所述外科机器人臂的多个机动关节的多个马达控制命令。5.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：响应于检测到所述外科机器人臂的更改配置，计算针对所述更改配置的速度椭球的新的最长主轴，接收新的任务空间速度并且产生具有所述新的任务空间速度的范数和所述新的最长主轴的取向的新的向量，以及基于所述新的向量来计算更新的潜在的关节空间速度，计算所述外科机器人臂的i)所述更新的潜在的关节空间速度和ii)所述关节空间速度极限的更新的比率，以及将所述更新的比率应用于所述新的任务空间速度的转换，以产生另一个经过调节的关节空间速度。6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：应用更新的经过调节的关节空间速度以更新控制所述外科机器人臂的多个机动关节的多个马达控制命令，使得所述臂上的端部执行器根据由UID跟踪序列指示的新的UID位置被驱动到新的任务空间位置。7.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：使用所述臂的逆雅可比行列式来计算所述速度椭球。8.一种外科机器人系统，包括：外科机器人臂；处理器；以及存储器，所述存储器已经在其中存储了指令，所述指令在被所述处理器执行时a)计算针对所述外科机器人臂的第一配置的速度椭球的最长主轴，b)将任务空间速度应用于所述最长主轴以产生新的向量，并且基于所述新的向量来计算潜在的关节空间速度，
c)计算所述外科机器人臂的i)所述潜在的关节空间速度和ii)关节空间速度极限的比率，以及d)使用所述比率来产生经过调节的关节空间速度。9.根据权利要求8所述的外科机器人系统，其中，所述存储器已经在其中存储了另外的指令，所述另外的指令在被所述处理器执行时：响应于所述外科机器人臂上的端部执行器被引导到新的任务空间位置，确定所述外科机器人臂的第二配置；以及针对所述第二配置重复操作a)至d)，从而为所述第二配置产生经过调节的关节空间速度。10.根据权利要求8所述的外科机器人系统，其中，所述存储器已经在其中存储了所述第一配置，所述第一配置包括所述外科机器人臂的多个关节的当前关节空间位置数据。11.根据权利要求10所述的外科机器人系统，其中，所述第一配置还包括所述外科机器人臂的多个机动关节的关节空间速度极...

【专利技术属性】
技术研发人员：于浩然，
申请(专利权)人：威博外科公司，
类型：发明
国别省市：