减轻运动学部件的不期望定向运动的机器人系统和方法技术方案

机器人外科手术系统包括由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定的运动链。至少一个控制器识别该运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。该至少一个控制器改变操纵器的操作，以减轻当前或预期的不期望定向运动。以减轻当前或预期的不期望定向运动。以减轻当前或预期的不期望定向运动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】减轻运动学部件的不期望定向运动的机器人系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本国际专利申请要求2020年12月31日提交的美国临时专利申请号63/132,821的优先权和全部权益，所述临时专利申请的内容据此全文以引用方式并入。


[0003]本公开总体上涉及用于控制考虑机器人的运动链中的部件的不期望定向运动的机器人系统和方法。

技术介绍

[0004]在外科手术部位处执行外科手术规程的机器人系统通常包括：操纵器，该操纵器具有基部、多个连杆和关节；以及端部执行器，该端部执行器联接到操纵器。许多时候，端部执行器包括或支撑具有能量施加器的外科手术工具，该能量施加器被设计成在外科手术部位处去除组织。由基部、连杆和关节以及包括能量施加器的外科手术工具限定运动链。
[0005]对于导纳控制的机器人系统，力作为输入被接收，并且能量施加器的命令位置被输出。由于导纳控制的逆运动学性质，能量施加器的命令位置被输出为任务空间(x,y,z)坐标，并且运动链部件的相应位姿(位置和定向)根据满足由复杂方程组限定的约束的解被输出。
[0006]能量施加器通常根据命令位置沿着工具路径移动。能量施加器沿着工具路径移动的速度通常被称为能量施加器的“进给速率”。现有系统已经设想调整进给速率以考虑条件或输入，诸如用户手动选择进给速率、组织的特性、施加到能量施加器的感测力、路径的曲率等。现有导纳控制的机器人系统中的进给速率的调整仅响应于直接影响能量施加器沿着工具路径的移动的期望(或预期)输入或条件。然而，用于调整进给速率的现有技术没有考虑运动链的除了能量施加器之外的部件(即，非工具路径部件)诸如操纵器的工具轴、关节或连杆发生不期望定向运动的可能性。当根据复杂逆运动学解运动学地操纵此类非工具路径部件时，此类非工具路径部件可经历突然的角速度、角加速度或角加加速度。非工具路径部件的此类不期望定向运动可能导致命令位置不准确。例如，非工具路径部件的惯性可能导致运动或方向的意外变化，从而导致偏离命令位置。此外，此类不期望定向运动可能会中断外科手术工作流程或用户体验，因为操作者可能会被此类运动吓到，并且可能想要手动减慢或停止操作。仍然需要解决至少上述缺点。

技术实现思路

[0007]根据第一方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具，并且其中由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及改变能量施加器
的进给速率以考虑该不期望定向运动。
[0008]根据第二方面，提供了一种操作根据第一方面的外科手术系统的方法。
[0009]根据第三方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具，并且其中由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及修改操纵器的操作以考虑该不期望定向运动。
[0010]根据第四方面，提供了一种操作根据第三方面的外科手术系统的方法。
[0011]根据第五方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具，并且其中由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：确定进给速率，该进给速率被定义为能量施加器推进的速度；根据该进给速率控制操纵器将能量施加器推进到多个命令位置；识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在能量施加器根据该进给速率推进期间发生的不期望定向运动；以及改变进给速率以考虑该不期望定向运动。
[0012]根据第六方面，提供了一种操作根据第四方面的外科手术系统的方法。
[0013]根据第七方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且被配置为支撑外科手术工具，并且其中由包括操纵器的基部和多个连杆和关节的部件以及包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：确定进给速率，该进给速率被定义为能量施加器在半自主模式下沿着工具路径推进的速度；在半自主模式下控制操纵器以根据该进给速率沿着工具路径将能量施加器推进到多个命令位置；识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在根据该进给速率沿着工具路径推进能量施加器期间发生的不期望定向运动；以及改变进给速率以考虑该不期望定向运动。
[0014]根据第八方面，提供了一种操作根据第七方面的外科手术系统的方法。
[0015]根据第九方面，具有至少一个控制器的外科手术系统设置有非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，该模拟数据指示运动链的一个或多个部件的不期望定向运动，其中模拟数据从被配置为模拟控制操纵器以将能量施加器推进到多个命令位置的模拟中获得，并且其中该至少一个控制器被配置为：从非暂时性计算机可读介质检索模拟数据；基于该模拟数据识别该运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及修改操纵器的操作以考虑不期望定向运动。
[0016]根据第十方面，提供了一种操作根据第九方面的外科手术系统的方法。
[0017]根据第十一方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括轴和位于轴的远侧端部处的能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具；至少一个控制器，该至少
一个控制器被配置为：在外科手术工具的轴上的位置处将一个或多个虚拟触觉对象相对于该轴相关联；将虚拟边界相对于外科手术工具与其相互作用的外科手术部位相关联；检测与轴相关联的一个或多个虚拟触觉对象和与外科手术部位相关联的虚拟边界之间的碰撞；响应于检测到碰撞，控制操纵器以约束轴不超过虚拟边界。
[0018]根据第十二方面，提供了一种操作根据第十一方面的外科手术系统的方法。
[0019]上述方面中的任何方面都可部分或全部组合。
[0020]对于任何上述方面，单独地或组合地设想了以下实施方式中的任何一个或多个实施方式：
[0021]在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为确定进给速率，该进给速率被定义为能量施加器推进的速度。
[0022]在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为根据进给速率控制操纵器以将能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种外科手术系统，其包括：外科手术工具，所述外科手术工具包括能量施加器；操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器被配置为支撑所述外科手术工具，并且其中由包括所述操纵器的所述基部和所述多个连杆和关节的部件以及包括所述能量施加器的所述外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：确定进给速率，所述进给速率被限定为所述能量施加器在半自主模式下沿着工具路径推进的速度；在所述半自主模式下控制所述操纵器以根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到多个命令位置；识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在根据所述进给速率沿着所述工具路径推进所述能量施加器期间发生的不期望定向运动；并且改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动。2.如权利要求1所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器通过被进一步配置为将所述进给速率按因子减小来改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动，所述因子与所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件所经历的或将经历的所述不期望定向运动的幅度相关，并且其中所改变的进给速率是非零速度，所述非零速度小于改变所述进给速率之前存在的所述进给速率的速度。3.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器通过被进一步配置为执行以下操作来识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动：将所述不期望定向运动与阈值或范围进行比较；并且响应于所述不期望定向运动满足所述阈值或范围，改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动。4.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器被配置为：在根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到所述多个命令位置期间，获得所述运动链的正向运动学测量结果；并且评估所述正向运动学测量结果以识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。5.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其还包括非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，所述模拟数据指示所述运动链的所述一个或多个部件的所述不期望定向运动，其中所述模拟数据是从手术前模拟获得的，所述手术前模拟被配置为模拟在所述半自主模式下控制所述操纵器以根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到所述多个命令位置，并且其中所述至少一个控制器被配置为：从所述非暂时性计算机可读介质检索所述模拟数据；并且基于所述模拟数据识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。
6.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置为生成与所述运动链的任何一个或多个部件相关的测量结果；并且其中所述至少一个控制器被配置为分析所述测量结果，以识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。7.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器被配置为：在非暂时性计算机可读介质中存储所述运动链的任何一个或多个部件的惯性值；并且利用所存储的惯性值来识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。8.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中在所述能量施加器在所述半自主模式下沿着所述工具路径推进期间，所述至少一个控制器被进一步配置为：使得所述外科手术工具能够重新定向；识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件正在经历或将经历响应于所述外科手术工具的重新定向而进一步发生的所述不期望定向运动；并且改变所述进给速率以考虑响应于所述外科手术工具的重新定向而进一步发生的所述不期望定向运动。9.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器被配置为：将一个或多个虚拟触觉对象相对于所述运动链的所述一个或多个部件相关联；限定虚拟边界；检测所述一个或多个虚拟触觉对象和所述虚拟边界之间的碰撞；响应于检测到所述碰撞，控制所述操纵器以约束所述运动链的具有与其相关联的所述虚拟触觉对象的所述一个或多个部件不超过所述虚拟边界；响应于检测到所述碰撞，识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件正在经历或将经历响应于对所述运动链的所述一个或多个部件的约束而进一步发生的所述不期望定向运动；并且响应于检测到所述碰撞，改变所述进给速率以考虑响应于对所述运动链的所述一个或多个部件的约束而进一步发生的所述不期望定向运动。10.如权利要求9所述的外科手术系统，其中所述外科手术工具包括轴和位于所述轴的远侧端部处的能量施加器，并且所述至少一个控制器被配置为：在所述外科手术工具的所述轴上除了所述远侧端部之外的位置处将所述虚拟触觉对象中的所述一个或多个虚拟触觉对象相对于所述轴相关联；将所述虚拟边界相对于所述外科手术工具与其相互作用的外科手术部位相关联；响应于检测到所述轴的所述一个或多个虚拟触觉对象和所述外科手术部位的所述虚拟边界之间的所述碰撞，控制所述操纵器以约束所述轴不超过所述虚拟边界；识别所述轴正在经历或将经历所述不期望定向运动；并且改变所述进给速率以考虑所述轴所经历的或将经历的所述不期望定向运动。11.如权利要求9至10中任一项所述的外科手术系统，其中所述至少一个控制器被配置为：评估在所述一个或多个虚拟触觉对象和所述外科手术部位的所述虚拟边界之间发生的穿透的值；并且
根据对所述穿透的值的评估来改变所述进给速率。12.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中响应于改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动，所述至少一个控制器被配置为：识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件不再经历或将不再经历所述不期望定向运动，并且作为响应，在改变所述进给速率之后恢复计划的所述进给速率。13.如任一前述权利要求所述的外科手术系统，其中所述不期望定向运动被进一步限定为所述运动链的除了所述能量施加器之外的任何一个或多个部件所经历的或将经历的不期望角速度、角加速度或角加加速度中的一者或多者。14.一种操作外科手术系统的方法，所述外科手术系统包括：外科手术工具，所述外科手术工具包括能量施加器；操纵器，所述操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且所述操纵器支撑所述外科手术工具，并且其中由包括所述操纵器的所述基部和多个连杆和关节的部件以及包括所述能量施加器的所述外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，所述至少一个控制器用于：确定进给速率，所述进给速率被限定为所述能量施加器在半自主模式下沿着工具路径推进的速度；在所述半自主模式下控制所述操纵器以根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到多个命令位置；识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在根据所述进给速率沿着所述工具路径推进所述能量施加器期间发生的不期望定向运动；以及改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动。15.如权利要求14所述的方法，其中改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动包括所述至少一个控制器将所述进给速率按因子减小，所述因子与所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件所经历的或将经历的所述不期望定向运动的幅度相关，并且其中所改变的进给速率是非零速度，所述非零速度小于改变所述进给速率之前存在的所述进给速率的速度。16.如权利要求14至15中任一项所述的方法，其中识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动包括所述至少一个控制器：将所述不期望定向运动与阈值或范围进行比较；以及响应于所述不期望定向运动满足所述阈值或范围，改变所述进给速率以考虑所述不期望定向运动。17.如权利要求14至16中任一项所述的方法，其包括所述至少一个控制器：在根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到所述多个命令位置期间，获得所述运动链的正向运动学测量结果；以及评估所述正向运动学测量结果以识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。18.如权利要求14至17中任一项所述的方法，其包括非暂时性计算机可读介质，所述非
暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，所述模拟数据指示所述运动链的所述一个或多个部件的所述不期望定向运动，其中所述模拟数据是从手术前模拟获得的，所述手术前模拟用于模拟在所述半自主模式下控制所述操纵器以根据所述进给速率沿着所述工具路径将所述能量施加器推进到所述多个命令位置，并且所述方法包括所述至少一个控制器：从所述非暂时性计算机可读介质检索所述模拟数据；以及基于所述模拟数据识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。19.如权利要求14至18中任一项所述的方法，其还包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器生成与所述运动链的任何一个或多个部件相关的测量结果，并且所述方法包括所述至少一个控制器：分析所述测量结果，以识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。20.如权利要求14至19中任一项所述的方法，其包括所述至少一个控制器：在非暂时性计算机可读介质中存储所述运动链的任何一个或多个部件的惯性值；以及利用所存储的惯性值来识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历所述不期望定向运动。21.如权利要求14至20中任一项所述的方法，其包括所述至少一个控制器在所述能量施加器在所述半自主模式下沿着所述工具路径推进期间：使得所述外科手术工具能够重新定向；识别所述运动链的除了所述能量施加器之外的所述一个或多个部件正在经历或将经历响应于所述外科手术工具的重新定向而进一步发生的所述不期望定向运动...

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