包括弯曲工具的机器人系统及其控制方法技术方案

本公开涉及医疗器械领域，公开一种包括弯曲工具的机器人系统及其控制方法，机器人系统包括至少一个运动臂以及至少一个弯曲工具，弯曲工具包括弯曲刚性臂和设置在弯曲工具远端的末端装置。该方法包括获得末端装置的目标位姿，基于参考点，确定位于至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的远程运动中心(RCM)点，以及控制至少一个弯曲工具绕RCM点运动，使末端装置向目标位姿运动。该控制方法可以控制弯曲工具绕弯曲刚性臂上的RCM点运动，弯曲刚性臂可以增强手术工具的刚度，而且可以增加末端装置的运动灵活性，并避免多个弯曲工具机器人系统在协同运动时的互相干涉风险，同时各个关节的实时运动满足系统的极限位置和速度限制。时运动满足系统的极限位置和速度限制。时运动满足系统的极限位置和速度限制。

【技术实现步骤摘要】
包括弯曲工具的机器人系统及其控制方法


[0001]本公开涉及医疗器械领域，尤其涉及一种包括弯曲工具的机器人系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]微创术式对病人创伤更小、术后产出更高，已经在外科手术中占据了重要的地位。其利用手术工具，包括视觉照明模块和手术操作臂在内的手术器械均通过切口或者自然腔道进入人体中到达术部进行手术。现有手术器械主要为刚性直杆，刚性直杆的远端设有多杆件串联铰接的腕关节，通过钢丝绳拉力驱动，使手术器械在铰接关节处实现弯转。
[0003]由手术机器人的多个定位臂分别搭载的多个刚性直杆手术器械通过多个切口、单一切口或自然腔道进行手术时，在体外通常需要较大的运动工作空间，以带动刚性直杆手术器械的远端腕关节运动，以满足远端灵活性。但是，较大范围的运动，容易造成手术器械之间发生碰撞，存在安全隐患。

技术实现思路

[0004]在一些实施例中，本公开提供一种用于弯曲工具机器人系统的控制方法，所述机器人系统包括至少一个运动臂以及设置在所述至少一个运动臂的远端的至少一个弯曲工具，所述弯曲工具包括弯曲刚性臂和设置在所述弯曲工具远端的末端装置，所述控制方法包括：获得所述末端装置的目标位姿；基于参考点，确定位于所述至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的远程运动中心(RCM)点；以及控制所述至少一个弯曲工具绕所述RCM点运动，以使所述末端装置向目标位姿运动。
[0005]在一些实施例中，本公开还提供了一种机器人系统，包括：至少一个运动臂；至少一个弯曲工具，设置在所述至少一个运动臂的远端，所述弯曲工具包括弯曲刚性臂和设置在所述弯曲工具远端的末端装置；以及控制装置，被设置成基于运动命令，执行如本公开任意实施例中所述的控制方法。
[0006]在一些实施例中，本公开还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括：存储器，用于存储至少一条指令；以及处理器，与所述存储器耦合并且用于执行所述至少一条指令以执行如本公开任意实施例中所述的控制方法。
[0007]本公开还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储至少一条指令，所述至少一条指令由计算机执行时致使所述计算机实现如本公开任意实施例中所述的控制方法。
附图说明
[0008]为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对本公开实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图仅仅示出本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本公开实施例的内容和这些附图获得其他的实施例。
[0009]图1示出根据本公开一些实施例的用于弯曲工具机器人系统的控制方法的流程图；
[0010]图2示出根据本公开一些实施例的机器人系统的结构示意图；
[0011]图3示出根据本公开一些实施例的弯曲工具的结构示意图；
[0012]图4示出根据本公开一些实施例的运动臂的结构示意图；
[0013]图5示出根据本公开一些实施例的包括弯曲工具的运动臂系统的部分结构示意图；
[0014]图6示出根据本公开一些实施例的连续体构节的结构示意图；
[0015]图7示出根据本公开一些实施例的弯曲工具的部分结构示意图；
[0016]图8示出根据本公开一些实施例的可弯转构件的纵向剖视图；
[0017]图9示出根据本公开另一些实施例的可弯转构件的结构示意图；
[0018]图10(a)示出根据本公开一些实施例的弯转单元的结构示意图；
[0019]图10(b)示出根据本公开一些实施例的相邻弯转单元配合的结构示意图；
[0020]图11(a)示出根据本公开一些实施例的远端连续体构节的结构示意图；
[0021]图11(b)示出根据本公开另一些实施例的远端连续体构节的结构示意图；
[0022]图12示出根据本公开一些实施例的近端连续体构节的结构示意图。
具体实施方式
[0023]为使本公开解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本公开实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开示例性实施例，而不是全部的实施例。
[0024]在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0025]在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“耦合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。在本公开中，定义靠近操作者(例如医生)的一端为近端、近部或后端、后部，靠近手术患者的一端为远端、远部或前端、前部。本领域技术人员可以理解，本公开的实施例可以用于医疗器械或手术机器人，也可以用于其他非医疗装置。
[0026]在本公开中，术语“位置”指对象或对象的一部分在三维空间中的定位(例如，可使用笛卡尔X、Y和Z坐标方面的变化描述三个平移自由度，例如分别沿笛卡尔X轴、Y轴和Z轴的三个平移自由度)。在本公开中，术语“姿态”指对象或对象的一部分的旋转设置(例如，三个旋转自由度，可使用滚转、俯仰和偏转来描述这三个旋转自由度)。在本公开中，术语“位姿”指对象或对象的一部分的位置和姿态的组合，例如可使用以上提到的六个自由度中的六个参数来描述。在本公开中，弯曲工具的位姿是指弯曲工具定义的坐标系相对于运动臂、基座
定义的坐标系或世界坐标系的位姿。在本公开中，运动臂或其一部分的构型或位姿可由运动臂的关节的关节值的集合(例如由这些关节值组成的一维矩阵)来表示。在本公开中，关节的关节值可以包括相应关节相对于相应的关节轴所旋转的角度或者相对于初始位置移动的距离。
[0027]图1示出根据本公开一些实施例的用于弯曲工具机器人系统的控制方法1000的流程图，图2示出根据本公开一些实施例的机器人系统10的结构示意图。方法1000可以由硬件、软件或者固件实现或执行。在一些实施例中，方法1000可以由机器人系统(例如，图2所示的机器人系统10)执行。在一些实施例中，方法1000可以实现为计算机可读的指令。这些指令可以由通用处理器或专用处理器读取并执行。例如，用于机器人系统10的处理器，被配置为执行方法1000。在一些实施例中，这些指令可以存储在计算机可读介质上。
[0028]在一些实施例中，如图2所示，机器人系统10包括至少一个运动臂101以及设置在至少一个运动臂101的远端的至少一个弯曲工具100。例如，图2所示的机器人系统包括三个运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于弯曲工具机器人系统的控制方法，其特征在于，所述机器人系统包括至少一个运动臂以及设置在所述至少一个运动臂的远端的至少一个弯曲工具，所述弯曲工具包括弯曲刚性臂和设置在所述弯曲工具远端的末端装置，所述控制方法包括：获得所述末端装置的目标位姿；基于参考点，确定位于所述至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的远程运动中心(RCM)点；以及控制所述至少一个弯曲工具绕所述RCM点运动，以使所述末端装置向目标位姿运动。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，基于参考点确定位于所述至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的RCM点，包括：确定所述至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的点与参考点之间的距离；以及将所述弯曲刚性臂上与参考点的距离最小的点，确定为所述RCM点。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，确定所述至少一个弯曲工具的弯曲刚性臂上的点与参考点之间的距离还包括：响应于所述弯曲刚性臂的构型，确定所述弯曲刚性臂上的点与参考点之间的欧几里得距离的解析解。4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，控制所述至少一个弯曲工具绕所述RCM点运动还包括：控制所述至少一个弯曲工具上的所述RCM点向所述参考点靠近。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，还包括：确定所述至少一个弯曲工具上的所述RCM点的径向收敛速度；以及基于所述至少一个运动臂的运动学模型，确定与所述径向收敛速度相关的雅可比矩阵。6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，确定所述至少一个弯曲工具上的所述RCM点的径向收敛速度包括：确定所述至少一个弯曲工具上的所述RCM点与所述参考点之间的偏差距离；以及将所述径向收敛速度确定为与所述偏差距离成比例。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，确定与所述径向收敛速度相关的雅可比矩阵包括：确定所述至少一个弯曲工具上的所述RCM点的位置；确定所述至少一个弯曲工具上的所述RCM点的切向的单位向量；以及基于所述至少一个运动臂的运动学模型、所述单位向量以及所述RCM点的位置，确定与所述径向收敛速度相关的雅可比矩阵。8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括：基于所述末端装置的目标位姿、所述至少一个运动臂的逆运动学模型以及所述至少一个弯曲工具的逆运动学模型，确定所述至少一个运动臂和所述至少一个弯曲工具的目标构型；以及基于所述至少一个运动臂和所述至少一个弯曲工具的目标构型，控制至少一个运动臂和/或所述至少一个弯曲工具运动，以使所述末端装置向目标位姿运动。9.根据权利要求1
‑
8中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述至少一个运动臂包括
第一运动臂和第二运动臂，所述至少一个弯曲工具包括第一弯曲工具和第二弯曲工具，所述第一弯曲工具和所述第二弯曲工具分别设置在所述第一运动臂和第二运动臂的远端，所述控制方法还包括：判断所述第一运动臂与所述第二运动臂之间是否会形成干涉；以及响应于所述第一运动臂与所述第二运动臂之间会形成干涉，增加所述第一运动臂与所述第二运动臂之间的距离。10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，还包括：判断所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间是否会形成干涉；以及响应于所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间会形成干涉，增加所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间的距离。11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，判断所述第一运动臂与所述第二运动臂之间是否会形成干涉包括：确定与所述第一运动臂和所述第二运动臂分别对应的第一运动臂模型和第二运动臂模型上距离最近的点；判断第一运动臂模型和第二运动臂模型上距离最近的点之间的距离是否小于第一阈值；以及响应于所述距离小于所述第一阈值，增加所述第一运动臂和所述第二运动臂之间的距离；和/或判断所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间是否会形成干涉包括：确定与所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具分别对应的第一弯曲工具模型和第二弯曲工具模型上距离最近的点；判断第一弯曲工具模型和第二弯曲工具模型上距离最近的点之间的距离是否小于第二阈值；以及响应于所述距离小于所述第二阈值，增加所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间的距离。12.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，增加所述第一运动臂与所述第二运动臂之间的距离包括：将所述第一运动臂与所述第二运动臂之间的分离速度确定为与所述第一运动臂与所述第二运动臂之间的距离成比例。13.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，增加所述第一弯曲工具与所述第二弯曲工具之间的距离包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐凯，吴中昊，朱传祥，丁跃，王一帆，
申请(专利权)人：北京术锐机器人股份有限公司，
类型：发明
国别省市：