在位置控制模式下限制夹持力并保持钳口的最小打开力并且当在位置控制模式与力模式之间转变时控制夹持力制造技术

本发明专利技术公开了用于限制通过闭合在位置模式下操作时的机器人腕部钳口而生成的夹持力的系统和方法，在该位置模式下，在命令钳口生成夹持力之前命令该钳口达到期望钳口角度。还公开了用于保持由在位置模式下操作的机器人腕部钳口生成的打开力的系统和方法，在该位置模式下，在命令钳口生成夹持力之前命令该钳口达到期望钳口角度。还公开了用于当腕部钳口在位置模式与力模式之间转变时实现夹持力的平滑转变的系统和方法。滑转变的系统和方法。滑转变的系统和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在位置控制模式下限制夹持力并保持钳口的最小打开力并且当在位置控制模式与力模式之间转变时控制夹持力


[0001]本技术整体涉及机器人和外科系统，并且更具体地涉及控制外科工具(诸如机器人辅助外科系统的腕部钳口)的夹持力或打开力。

技术介绍

[0002]微创外科手术(MIS)诸如腹腔镜手术使用旨在在外科规程期间减少组织损伤的技术。腹腔镜规程通常需要在患者体内(例如，在腹部中)形成多个小切口，然后通过这些小切口将若干外科工具(诸如内窥镜、解剖刀、抓持器和针)插入到患者体内。将气体注入到腹部中，其对腹部进行充气，从而在工具的尖端周围提供更多空间，使得外科医生更容易看到(经由内窥镜)和操纵外科手术部位处的组织。MIS还可使用机器人系统来执行，其中外科工具操作性地附接到机器人臂的远侧端部，并且控制系统致动臂及其附接的工具，使得当用户输入设备(UID)正由外科医生在其手中操纵时，该臂及其附接的工具模拟该UID的移动和工具特定命令。
[0003]外科工具可包括支撑一对相对钳口的机器人腕部。腕部和钳口可在由来自远程操作者的命令控制时以多个自由度移动，以执行抓持、切割、缝合和其他外科任务。例如，机械臂的工具驱动装置中的致动器可驱动腕部钳口的多轴运动(例如，俯仰和偏转)以枢转、打开、闭合钳口，或控制钳口之间的夹持力或打开力，同时将腕部移动到任何角位置。钳口可抓持患者组织、固持切割器械等。当闭合或打开钳口时，对夹持力或打开力的精确控制对于防止对组织的损伤或确保器械的精确切割是至关重要的。此外，钳口可在位置模式和力模式下操作，在该位置模式下，命令一对钳口之间的角度为期望钳口角度，在该力模式下，命令钳口施加期望夹持力。位置模式与力模式之间的平滑转变使夹持力的不期望的突然变化最小化，该突然变化可能导致正被抓持的任何物体的意外掉落。

技术实现思路

[0004]公开了用于限制通过闭合在位置控制模式下操作时的机器人腕部钳口而生成的夹持力的系统和方法，在该位置模式下，在命令钳口生成夹持力之前命令该钳口达到期望钳口角度。在位置控制模式或简称为位置模式下，期望钳口角度高于阈值，该阈值对应于两个钳口恰好同时与钳口之间的物体接触的角度，或者如果没有物体要抓持，则对应于钳口开始彼此触碰时的角度。当期望钳口角度低于阈值时，腕部钳口在力控制模式或简称为力模式下操作，并且期望钳口角度被转换成期望夹持力。所公开的系统和方法限制了当钳口正在位置模式下闭合时的最大量的夹持力，以防止对可由钳口抓持的组织的损伤。夹持力可以被估计或测量。反馈回路可以分析期望钳口角度和测量到的夹持力以确定钳口是否正在位置模式下闭合，以及测量到的夹持力是否超过预先指定的最大夹持力阈值。如果是这样，则反馈回路可计算夹持力误差以将测量到的夹持力限制到预先指定的最大夹持力阈值。
[0005]在另一个方面，公开了一种用于通过由在位置模式下操作时的腕部钳口实现最小钳口打开力的系统和方法。当钳口在位置模式下打开时保持最小钳口打开力有助于钳口克服可能阻止钳口打开到期望钳口角度的阻力。表示钳口打开力和钳口角度的打开力可以被测量或估计。反馈回路可以分析期望钳口角度、估计的钳口角度和测量到的钳口打开力，以确定钳口是否在位置模式下打开，以及测量到的钳口打开力是否低于预先指定的最小打开力阈值。如果是这样，则反馈回路可计算钳口打开力误差以保持钳口打开力高于预先指定的最小打开力阈值。
[0006]在另一个方面，公开了一种用于当腕部钳口在位置模式与力模式之间转变时实现夹持力的平滑转变的系统和方法。从位置模式到力模式的平滑转变以及从力模式到位置模式的平滑转变使夹持力的不期望的突然变化最小化，当钳口穿过两个模式之间的不连续点时，该突然变化可能导致腕部钳口意外地掉落被抓持的物体。在一个实施方案中，为了从位置模式转变到力模式，可使用防抖策略来确保在腕部钳口转变到力模式之前，期望钳口角度小于位置模式与力模式之间的阈值持续预先指定的最小持续时间。
[0007]在一个实施方案中，该系统和方法可根据期望钳口角度确定期望夹持力并且可测量或估计夹持力。反馈回路可以分析期望钳口角度、期望夹持力和测量到的夹持力，以确定钳口是否正在从位置模式转变到力模式、测量到的夹持力与期望夹持力之间的误差是否大于预先指定的最大力误差，以及期望夹持力是否正在增大。如果是这样，则当钳口从位置模式转变到力模式时，反馈回路可将期望夹持力设定为当前测量到的夹持力减去预先指定的余量。
[0008]在一个实施方案中，反馈回路可分析期望钳口角度、根据期望钳口角度确定的期望夹持力和测量到的夹持力，以确定钳口是否正在从力模式转变到位置模式、期望夹持力是否小于最小夹持力值、期望夹持力是否正在减小，以及测量到的夹持力与最小夹持力之间的误差的绝对值是否小于预先指定的最大力误差。如果是这样，则当钳口从力模式转变到位置模式时，反馈回路可将期望夹持力设定为最小夹持力值。
[0009]公开了一种用于控制由夹持工具的钳口生成的钳口夹持力的方法。该方法可以包括基于钳口之间的期望钳口角度来确定钳口是否正在位置模式下闭合。位置模式的特征在于应用位置命令以将钳口驱动到具有期望钳口角度的期望位置。该方法还包括如果钳口正在位置模式下闭合，则确定测量到的夹持力是否超过最大夹持力阈值。该方法还包括如果测量到的夹持力超过最大夹持力阈值，则生成要与位置命令组合以将测量到的夹持力限制到最大夹持力阈值的夹持力误差。
[0010]公开了另一种用于控制由夹持工具的钳口生成的钳口打开力的方法。该方法可以包括基于钳口之间的期望钳口角度来确定钳口是否处于位置模式。位置模式的特征在于应用位置命令以将钳口驱动到具有期望钳口角度的期望位置。该方法还包括如果钳口处于位置模式，则确定期望钳口角度与测量到的钳口角度之间的钳口角度误差是否大于误差阈值。该方法还包括如果钳口角度误差大于误差阈值，则确定测量到的打开力是否小于最小打开力阈值。该方法还包括如果测量到的打开力小于所述最小打开力阈值，则生成要与位置命令组合以保持测量到的打开力高于最小打开力阈值的打开力误差。
[0011]公开了又一种用于控制由夹持工具的钳口生成的夹持力的方法。该方法可以包括基于钳口之间的期望钳口角度的变化来确定钳口正在位置模式与力模式之间转变。在位置
模式期间，钳口以命令钳口角度被驱动，该命令钳口角度可以是期望钳口角度。在力模式期间，用基于具有负值的期望钳口角度来确定的命令夹持力驱动钳口。该方法还包括基于命令夹持力和测量到的夹持力来确定是否在位置模式与力模式之间的转变期间调节命令夹持力。如果是这样，则该方法还包括调节命令夹持力以减小测量到的夹持力的变化，否则该测量到的夹持力是基于转变期间的期望钳口角度确定的。
附图说明
[0012]为了更全面地理解本专利技术，附图与本主题技术的各个方面和实施方案的以下描述一起提供。附图和实施方案是对本专利技术的说明，并且不旨在限制本专利技术的范围。应当理解，本领域的普通技术人员可修改附图以生成仍将落入本专利技术的范围内的其他实施方案的附图。
[0013]图1是根据本主题技术的各方面的在手本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于控制由外科机器人系统的夹持工具的钳口生成的夹持力的方法，包括：由处理器基于所述钳口之间的输入钳口角度来确定所述钳口正在位置模式下闭合，所述位置模式的特征在于使用位置命令将所述钳口定位在所述输入钳口角度；测量在所述位置模式下所述钳口之间的夹持力；由所述处理器确定测量到的夹持力是否超过所述位置模式下的阈值；以及由所述处理器响应于确定所述测量到的夹持力超过所述阈值，生成夹持力误差以将所述测量到的夹持力限制到所述阈值。2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述钳口正在所述位置模式下闭合包括：由所述处理器确定所述输入钳口角度大于或等于阈值钳口角度持续超过最小时间段，其中所述阈值钳口角度包括当所述钳口同时接触固持在所述钳口之间的物体时或者当所述钳口在没有固持物体的情况下开始彼此触碰时的钳口角度。3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述钳口正在所述位置模式下闭合包括：由所述处理器确定所述输入钳口角度正在所述位置模式下减小持续最小时间段。4.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述测量到的夹持力是否超过所述阈值包括：只要所述测量到的夹持力超过所述阈值减去时间窗口内任何地方的余量，就由所述处理器确定所述测量到的夹持力超过所述阈值。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述时间窗口的长度由夹持力计数器测量，其中所述夹持力计数器的操作包括：每当所述测量到的夹持力被采样时，在所述测量到的夹持力小于所述阈值减去所述余量时将所述夹持力计数器递增一；以及当所述测量到的夹持力大于所述阈值时，复位所述夹持力计数器。6.根据权利要求5所述的方法，其中确定所述测量到的夹持力是否超过所述阈值还包括：当所述测量到的夹持力超过所述阈值减去所述时间窗口内任何地方的所述余量时，由所述处理器确定所述测量到的夹持力超过所述阈值持续等于所述夹持力计数器的所述时间窗口的整个所述长度。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述夹持力误差包括所述测量到的夹持力与所述阈值之间的差。8.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述夹持力误差以将所述测量到的夹持力限制到所述阈值包括：由所述处理器根据所述夹持力误差生成补偿位置命令；以及由所述处理器组合所述补偿位置命令和所述位置命令以生成更新后的位置命令。9.根据权利要求8所述的方法，还包括：应用所述更新后的位置命令来驱动所述钳口，以将所述测量到的夹持力限制到所述阈值。10.一种控制外科机器人系统的夹持工具的钳口的装置，包括：传感器，所述传感器被配置为估计由所述钳口生成的夹持力以生成测量到的夹持力；处理器，所述处理器被配置为：基于所述钳口之间的期望钳口角度来确定所述钳口正在位置模式下闭合，所述位置模
式的特征在于应用位置命令以将所述钳口定位在所述期望钳口角度；确定所述测量到的夹持力是否超过所述位置模式下的阈值；并且响应于确定所述测量到的夹持力超过所述阈值，生成夹持力误差以更新所述位置命令以将所述测量到的夹持力限制到所述阈值；以及致动器驱动单元，所述致动器驱动单元被配置为应用更新后的位置命令以驱动所述钳口，以将所述测量到的夹持力限制到所述阈值。11.根据权利要求10所述的装置，其中所述处理器被配置为确定所述钳口正在所述位置模式下闭合包括：确定所述期望钳口角度大于或等于阈值钳口角度持续超过最小时间段，其中所述阈值钳口角度包括当所述钳口同时接触固持在所述钳口之间的物体时或者当所述钳口在没有固持物体的情况下开始彼此触碰时的钳口角度。12.根据权利要求10所述的装置，其中所述处理器被配置为确定所述钳口正在所述位置模式下闭合包括：确定所述期望钳口角度正在所述位置模式下减小持续最小时间段。13.根据权利要求10所述的装置，其中所述处理器被配置为确定所述测量到的夹持力是否超过所述阈值包括：只要所述测量到的夹持力超过所述阈值减去时间窗口内任何地方的余量，就确定所述测量到的夹持力超过所述阈值。14.根据权利要求13所述的装置，其中所述时间窗口的长度由夹持力计数器测量，其中所述夹持力计数器被配置为：每当由所述传感器估计所述测量到的夹持力时，在所述测量到的夹持力小于所述阈值减去所述余量时递增一；并且当所述测量到的夹持力大于所述阈值时，复位所述夹持力计数器。15.根据权利要求14所述的装置，其中所述处理器被配置为确定所述测量到的夹持力是否超过所述阈值还包括：当所述测量到的夹持力超过所述阈值减去所述窗口内任何地方的所述余量时，确定所述测量到的夹持力超过所述阈值持续等于所述夹持力计数器的所述时间窗口的整个所述长度。16.根据权利要求10所述的装置，其中所述夹持力误差包括所述测量到的夹持力与所述阈值之间的差。17.根据权利要求10所述的装置，其中所述处理器被配置为生成所述夹持力误差以更新所述位置命令包括：根据所述夹持力误差生成补偿位置命令；以及组合所述补偿位置命令和所述位置命令以生成所述更新后的位置命令以将所述测量的夹持力限制到所述阈值。18.一种外科机器人系统，包括：端部执行器，所述端部执行器包括一对钳口；用户界面设备，所述用户界面设备被配置为生成所述钳口之间的输入钳口角度；处理器，所述处理器通信地联接到所述端部执行器，所述处理器被配置为：
基于所述钳口之间的所述输入钳口角度确定所述钳口正在位置模式下闭合，所述位置模式的特征在于应用位置命令以将所述钳口定位在所述输入钳口角度；测量在所述位置模式下所述钳口之间的夹持力；确定所述测量到的夹持力是否超过所述位置模式下的阈值；响应于确定所述测量到的夹持力超过所述阈值，生成夹持力误差以更新所述位置命令以将所述测量到的夹持力限制到所述阈值；以及应用更新后的位置命令来定位所述钳口，以将所述测量到的夹持力限制到所述阈值。19.根据权利要求18所述的外科机器人系统，其中所述处理器被配置为确定所述钳口正在所述位置模式下闭合包括：确定所述输入钳口角度大于或等于阈值钳口角度持续超过第一最小时间段，其中所述阈值钳口角度包括当所述钳口同时接触固持在所述钳口之间的物体时或者当所述钳口在没有固持物体的情况下开始彼此触碰时的钳口角度；以及确定所述输入钳口角度正在所述位置模式下减小持续第二最小时间段。20.根据权利要求18所述的外科机器人系统，其中所述处理器被配置为确定所述测量到的夹持力是否超过所述阈值包括：使用防抖算法确定所述测量到的夹持力超过所述阈值减去余量。21.一种用于控制由外科机器人系统的夹持工具的钳口生成的打开力的方法，包括：由处理器基于所述钳口之间的输入钳口角度来确定所述钳口处于位置模式，所述位置模式的特征在于使用位置命令将所述钳口定位在所述输入钳口角度；测量在所述位置模式下所述钳口之间的钳口角度和打开力；由所述处理器确定所述输入钳口角度与测量到的钳口角度之间的钳口角度误差是否大于所述位置模式下的钳口角度误差阈值；由所述处理器响应于确定所述钳口角度误差大于所述钳口角度误差阈值，确定所述测量到的打开力是否小于最小打开力阈值；以及由所述处理器响应于确定所述测量到的打开力小于所述最小打开力阈值，生成打开力误差以保持所述测量到的打开力高于所述最小打开力阈值。22.根据权利要求21所述的方法，其中确定所述钳口处于所述位置模式包括：由所述处理器确定所述输入钳口角度大于或等于阈值钳口角度持续超过最小时间段，其中所述阈值钳口角度包括当所述钳口同时接触固持在所述钳口之间的物体时或者当所述钳口在没有固持物体的情况下开始彼此触碰时的钳口角度。23.根据权利要求21所述的方法，其中确定所述钳口角度误差是否大于所述钳口角度误差阈值包括：由所述处理器确定所述输入钳口角度大于所述测量到的钳口角度；以及由所述处理器确定所述钳口角度误差大于所述钳口角度误差阈值持续至少最小时间段。24.根据权利要求21所述的方法，其中确定所述测量到的打开力是否小于所述最小打开力阈值包括：只要所述测量到的打开力小于所述最小打开力阈值加上时间窗口内任何地方的余量，则由所述处理器确定所述测量到的打开力小于所述最小打开力阈值。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述时间窗口的长度由打开力计数器测量，其中所述打开力计数器的操作包括：每当所述测量到的打开力被采样时，在所述测量到的打开力大于所述最小打开力阈值加上所述余量时将所述打开力计数器递增一；以及当所述测量到的打开力小于所述最小打开力阈值时，复位所述打开力计数器。26.根据权利要求25所述的方法，其中确定所述测量到的打开力是否小于所述最小打开力阈值还包括：当所述测量到的打开力小于所述最小打开力阈值加上所述窗口内任何地方的所述余量时，由所述处理器确定所述测量到的打开力小于所述最小打开力阈值持续等于所述打开力计数器的所述时间窗口的整个所述长度。27.根据权利要求21所述的方法，其中所述打开力误差包括所述测量到的打开力与所述最小打开力阈值之间的差。28.根据权利要求21所述的方法，其中生成所述打开力误差以保持所述测量到的打开力高于所述最小打开力阈值包括：由所述处理器根据所述打开力误差生成补偿位置命令；以及由所述处理器组合所述补偿位置命令和所述位置命令以生成更新后的位置命令。29.根据权利要求28所述的方法，还包括：应用所述更新后的位置命令来定位所述钳口，以保持所述测量到的打开力高于所述最小打开力阈值。30.一种用于控制外科机器人系统的夹持工具的钳口的装置，包括：传感器，所述传感器被配置为：估计所述钳口之间的角度以生成测量到的钳口角度；并且估计由所述钳口生成的打开力以生成测量到的打开力；处理器，所述处理器被配置为：基于所述钳口之间的期望钳口角度来确定所述钳口处于位置模式，所述位置模式的特征在于应用位置命令以将所述钳口定位在所述期望钳口角度；确定所述期望钳口角度与所述测量到的钳口角度之间的钳口角度误差是否大于所述位置模式下的钳口角度误差阈值；响应于确定所述钳口角度误差大于所述钳口角度误差阈值，确定所述测量到的打开力是否小于最小打开力阈值；并且响应于确定所述测量到的打开力小于所述最小打开力阈值，生成打开力误差以更新所述位置命令，以保持所述测量到的打开力高于所述最小打开力阈值；以及致动器驱动单元，所述致动器驱动单元被配置为应用更新后的位置命令以定位所述钳口，以保持所述测量到的打开力高于所述最小打开力阈值。31.根据权利要求30所述的装置，其中所述处理器被配置为确定所述钳口处于所述位置模式包括：确定所述期望钳口角度大于或等于阈值钳口角度持续超过最小时间段，其中所述阈值钳口角度包括当所述钳口同时接触固持在所述钳口之间的物体时或者当所述钳口在没有固持物体的情况下开始彼此触碰时的钳口角度。
32.根据权利要求30所述的装置，其中所述处理器被配置为确定所述钳口角度误差是否大于所述钳口角度误差阈值包括：确定所述期望钳口角度大于所述测量到的钳口角度；以及确定所述钳口角度误差大于所述钳口角度误差阈值持续至少最小时间段。33.根据权利要求30所述的装置，其中所述处理器被配置为确定所述测量到的打开力是否小于所述最小打开力阈值包括：只要所述测量到的打开力小于所述最小打开力阈值加上时间窗口内任何地方的余量，则确定所述测量到的打开力小于所述最小打开力阈值。34.根据权利要求33所述的装置，其中所述时间窗口的长度由打开力计数器测量，其中所述打开力计数器被配置为：每当由所述传感器估计所述测量到的打开力时，在所述测量到的打开力大于所述最小打开力阈值加上所述余量时递增一；以及当所述测量到的打开力小于所述最小打开力阈值时，复位所述打开力计数器。35.根据权利要求34所述的装置，其中所述处理器被配置为确定所述测量到的打开力是否小于所述最小打开力阈值还包括：当所述测量到...

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