利用硬件约束进行远程操作的外科机器人的逆向运动学制造技术

用于求解逆向运动学的各种方法可用于外科机器人系统的远程操作。在一种方法中，迭代求解器求解运动的角分量，独立于求解运动的线性分量。可以使用一个求解器来一起求解两者。在另一种方法中，在一个解中处理所有极限(例如，位置、速度和加速度)。在达到极限的情况下，将该极限用作中间解中的边界，即使在达到边界的情况下也接受解。在另一种方法中，使用位置极限比在边界附近创建减速区域以更自然地控制运动。在又一种方法中，基于医疗的远程操作使用有界高斯

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用硬件约束进行远程操作的外科机器人的逆向运动学

技术介绍

[0001]本实施方案涉及用于微创外科手术(MIS)的机器人系统。可利用机器人系统执行MIS，该机器人系统包括一个或多个机器人臂，该一个或多个机器人臂用于基于来自远程操作者的命令来操纵外科工具。例如，机器人臂可在其远侧端部支撑各种外科端部执行器，包括解剖刀、成像设备(例如，内窥镜)、夹钳和剪刀。使用机器人系统，外科医生在MIS期间控制机器人臂进行远程操作。
[0002]远程操作将用户命令转换为作为逆向运动学问题的机器人臂和外科工具接合部命令。逆向运动学问题可能需要处理不同数量的自由度(DOF)，这取决于所使用的端部执行器。例如，夹钳在远程操作中具有六个自由度。在制动一个或多个接合部之后，一旦其被定位用于操作，通过外科工具上的三个接合部(例如，旋转、俯仰和偏转)和机器人臂上的三个接合部(例如，球形旋转、球形俯仰和工具平移)来提供六个活动接合部和对应的六个DOF。又如，缝合器在远程操作中具有五个DOF。五个活动接合部和对应的DOF包括器械上的两个接合部(例如，旋转和关节运动)和机器人臂上的三个接合部(例如，球形旋转、球形俯仰和工具平移)。再又如，内窥镜或超声手术刀在远程操作中具有四个DOF。四个活动接合部和对应的DOF包括器械上的一个接合部(例如，旋转)和机器人臂上的三个接合部(例如，球形旋转、球形俯仰和工具平移)。
[0003]在远程操作期间，用户以六个DOF进行输入，这些命令被转换成接合部运动，使得仪器以受控的精度按照用户命令执行。为了将用户命令转换成接合部命令，求解逆向运动学函数。一个示例如下：
[0004]Δ
命令i
＝J
i
Δθ
i
，
[0005]其中Δ
命令i
是当前时间i任务空间中的用户命令矩阵(6
×
1)，J
i
是当前时间i的雅可比(Jacobian)矩阵(6
×
n)，并且Δθ
i
是当前时间i的接合部运动矩阵(n
×
1)。归因于机器人臂和外科工具上的物理约束(例如，接合部位置极限、接合部速度极限和接合部加速度极限)，当解违反这些约束中的一个或多个约束时，可能无法实现精确解。

技术实现思路

[0006]通过介绍，下文描述的优选实施方案包括用于外科机器人系统的远程操作的方法、系统、指令和计算机可读介质。可以使用用于求解逆向运动学的各种方法。在一种方法中，迭代求解器求解运动的角分量，独立于求解运动的线性分量。可以使用一个求解器来一起求解两者。在另一种方法中，在一个解中处理所有极限(例如，位置、速度和加速度)。在达到极限的情况下，将该极限用作中间解中的边界，即使在达到边界的情况下也接受解。在另一种方法中，使用位置极限比在边界附近创建减速区域以更自然地控制运动。在又一种方法中，基于医疗的远程操作使用有界高斯
‑
塞德尔(Gauss
‑
Seidel)求解器，诸如具有逐次超松驰。这些方法中的任何方法可以一起使用或分开使用。
[0007]在第一方面，提供了一种用于外科机器人系统的远程操作的方法。在远程操作期间接收移动机器人臂或机器人臂的外科工具的用户命令。在第一阶段中求解移动的线性运
动。在与第一阶段分开的第二阶段中求解移动的角运动。机器人臂或机器人臂的外科工具基于线性运动和角运动的解来移动。
[0008]在第二方面，提供了一种用于外科机器人系统的远程操作的方法。在远程操作期间接收移动机器人臂或机器人臂的外科工具的用户命令。机器人臂或机器人臂的外科工具的运动利用迭代解来求解，其中迭代解包括考虑了关于运动的所有极限的解。机器人臂或机器人臂的外科工具基于迭代解来移动。
[0009]在第三方面，提供了一种用于医疗远程操作的外科机器人系统。外科器械连接到机器人臂。控制器被配置为在对患者进行医疗远程操作期间并且响应于用户输入的移动命令来求解机器人臂和/或外科器械的运动。该解使用具有逐次超松驰的有界高斯
‑
塞德尔求解器。
[0010]本专利技术由以下权利要求书限定，并且本章节中的内容不应视为对那些权利要求的限制。针对一类权利要求(例如，方法)的任何教导可适用于另一类权利要求(例如，计算机可读存储介质或系统)。下文结合优选的实施方案论述本专利技术的其他方面和优点，并且可以随后独立地或组合地要求保护。
附图说明
[0011]部件和图示未必按比例绘制，而是重点举例说明本专利技术的原理。此外，在附图中，贯穿不同附图，相似参考标号指示对应的部分。
[0012]图1为根据一个实施方案的配置有外科机器人系统的手术室环境的一个实施方案的图示；
[0013]图2示出了示例性外科机器人臂和外科工具；
[0014]图3为用于外科机器人系统的远程操作的方法的一个实施方案的流程图；
[0015]图4示出了六个DOF的示例性机器人臂和外科工具；
[0016]图5示出了四个DOF的示例性机器人臂和外科工具；
[0017]图6是用于远程操作中的逆向运动学迭代解的嵌套控制回路的一个实施方案的流程图；并且
[0018]图7为外科机器人系统的一个实施方案的框图。
具体实施方式
[0019]迭代逆向运动学提供了用于求解六个、五个和四个DOF问题的统一框架。在单一解中处理接合部位置极限、接合部速度极限和接合部加速度极限。合并基于硬件的接合部极限、速度极限和加速度极限。六个、五个和四个DOF逆向运动学可以以解耦的方式使用迭代解，其中独立地求解线性运动命令和角运动命令。在不存在极限违反的情况下，提供精确解(在容差内)。在存在极限违反的情况下，仍然可以提供解，尽管是次优解。在解中使用违反极限的值，从而至少在迭代逆向运动学中的中间解中将位置、速度和/或加速度夹紧到极限。
[0020]图1和图2示出了示例性外科机器人系统。下面参考该示例性系统讨论用于远程操作中的迭代逆向运动学解的方法。其他外科机器人系统和外科机器人或非外科机器人系统和机器人也可使用该方法。
[0021]图3至图6涉及远程操作中的迭代逆向运动学解。图7涉及将迭代逆向运动学求解器与用于远程操作的医疗机器人系统一起使用的系统。
[0022]图1为配置有外科机器人系统100的示例性操作室环境的示意图，该系统将来自用户的命令转换成根据迭代逆向运动学的外科机器人臂122的运动。外科机器人系统100包括用户控制台110、控制塔130和外科机器人120，该外科机器人具有安装在外科平台124(例如，台或床等)上的一个或多个外科机器人臂122，其中具有端部执行器的外科工具附接到机器人臂122的远侧端部用于执行外科规程。还可提供额外的、不同的或更少的组件，诸如将控制塔130与控制台110或外科机器人120组合起来。机器人臂122示出为台式安装，但在其他构型中，机器人臂122可安装在推车、天花板、侧壁或其他合适的支承表面中。
[0023]一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于外科机器人系统的远程操作的方法，所述方法包括：在所述远程操作期间接收移动安装在机器人臂上的外科工具的用户命令；在第一阶段中求解所述移动的线性运动；在与所述第一阶段分开的第二阶段中求解所述移动的角运动；以及基于所述线性运动和所述角运动的解来移动所述机器人臂和/或所述外科工具。2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述远程操作期间接收包括在所述机器人臂将一个或多个接合部在患者入口点处与固定远程运动中心进行锁定就位的情况下接收。3.根据权利要求1所述的方法，其中接收包括在所述远程操作针对少于六个自由度的情况下接收所述用户命令，并且其中求解所述线性运动和/或求解所述角运动包括利用针对六个自由度的雅可比矩阵来求解，其中不在少于六个自由度下的所述线性运动和/或所述角运动具有零项。4.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动包括在第一单一解中利用关于所述机器人臂的所述移动的线性分量的所有限制来求解，并且其中求解所述角运动包括在第二单一解中利用关于所述机器人臂的所述移动的角分量的所有限制来求解。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一单一解包括第一项，所述第一项包括正和负位置边界、速度边界和加速度边界作为所有所述限制，并且其中所述第二单一解包括第二项，所述第二项包括正和负位置边界、速度边界和加速度边界作为所有所述限制。6.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动和/或求解所述角运动包括利用归因于分开的所述第一阶段和所述第二阶段而独立地影响所述线性运动和所述角运动的极限违反来求解。7.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动和/或求解所述角运动包括利用在解中用作结果的位置、速度或加速度极限来求解。8.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动和求解所述角运动各自包括利用嵌套在第二控制回路中的第一控制回路来求解，所述第一控制回路包括与求解器一起操作的边界发生器和用于由所述求解器迭代求解的终止校验，所述第二控制回路包括对所述外科工具的位置的正向运动学确定、根据所述用户命令和所述外科工具的所述位置的所述移动的命令生成、提供给所述第二控制回路的所述移动、以及从所述第一控制回路接收终止的第二终止校验。9.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动和/或求解所述角运动包括利用限定接近所述机器人臂的接合部的位置限制的减速区域的位置极限比来求解。10.根据权利要求1所述的...

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