反向驱动关节中的受控阻力制造技术

一种计算机辅助系统，其包括：包括关节的操纵器臂、被配置为驱动关节的致动器机构以及包括计算机处理器的控制器。控制器被通信地耦连到操纵器臂，并且被配置有第一控制模式和第二控制模式。在第一控制模式和第二控制模式中的每一个中，控制器命令致动器机构允许外部关节运动，以通过使关节反向驱动来重新配置操纵器臂。第一控制模式与第二控制模式的区别至少在于，控制器被配置为在第一控制模式中，响应于关节以高于第一速度阈值的第一反向驱动速度被反向驱动，命令致动器机构提供第一速度相关阻力。第一速度相关阻力与被反向驱动的关节相反。相反。相反。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】反向驱动关节中的受控阻力


本专利技术大致提供改进的机器人和/或医疗(包括外科手术)设备、系统和方法。

技术介绍

机器人设备系统可以用于在工作位点(worksite)处执行任务。例如，机器人系统可以包括机器人操纵器组件以操纵用于执行任务的器械。机器人操纵器组件可以包括通过一个或多个关节而被耦连在一起的两个或多个连杆。关节可以是由系统主动移动和控制的主动关节。关节也可以是不由系统主动移动和控制的被动关节。关节可以是旋转关节或棱柱关节，或者可以是其他关节，诸如球形关节。机器人操纵器组件的配置可以由关节的方位和取向、机器人操纵器组件的结构以及连杆的耦连来确定。机器人系统包括工业和娱乐机器人系统。机器人系统还包括在用于诊断、非外科手术治疗、外科手术治疗等程序中使用的医疗机器人系统。作为具体示例，机器人系统包括微创机器人远程外科手术系统，其中外科医生可以从床边或远程位置对患者进行操作。远程外科手术通常指使用外科手术系统执行的外科手术，其中外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构)来操纵外科手术器械的移动，而不是直接用手握持和移动器械。能够用于远程外科手术或其他远程医疗程序的机器人医疗系统可以包括能够远程控制的机器人操纵器组件。操作者可以对能够远程控制的机器人操纵器组件的运动进行远程控制。操作者还可以手动地将机器人医疗系统的零部件(parts)移动到其环境内的方位或取向。

技术实现思路

在一个方面，一个或多个实施例涉及一种计算机辅助系统，该计算机辅助系统包括：包括关节的操纵器臂、被配置为驱动关节的致动器机构以及包括计算机处理器的控制器。控制器被通信地耦连到操纵器臂，并且被配置有第一控制模式和第二控制模式。在第一控制模式和第二控制模式中的每一个中，控制器命令致动器机构允许外部关节运动(articulation)，以通过使关节反向驱动(backdriving)来重新配置操纵器臂。第一控制模式与第二控制模式的区别至少在于，控制器被配置为在第一控制模式中，响应于关节以高于第一速度阈值的第一反向驱动速度被反向驱动，命令致动器机构提供第一速度相关阻力。第一速度相关阻力与被反向驱动的关节相反。在一个方面，一个或多个实施例涉及一种用于操作机器人系统的方法，该机器人系统包括操纵器臂和控制器。操纵器臂包括关节和被配置为驱动关节的致动器机构。控制器被配置有第一控制模式和第二控制模式。所述方法包括：当控制器处于第一控制模式和第二控制模式中的每一个时，控制器命令致动器机构允许外部关节运动，以通过使关节反向驱动来重新配置操纵器臂；以及当控制器处于第一控制模式时，控制器响应于关节以高于第一速度阈值的第一反向驱动速度被反向驱动而命令致动器机构提供第一速度相关阻力。第一速度相关阻力与被反向驱动的关节相反，并且第一控制模式与第二控制模式的区别至少在于第一速度相关阻力。
本专利技术的其他方面将从以下描述和所附权利要求中显而易见。
附图说明
图1A示出了根据一个或多个实施例的机器人程序场景中的计算机辅助系统的俯视图。图1B示意性地示出了根据一个或多个实施例的计算机辅助系统(诸如图1A的计算机辅助的系统)的各种部件。图2示出了说明根据一个或多个实施例的用户控制系统的透视图，该用户控制系统能够用于输入用于图1A的机器人程序场景的命令。图3示出了根据一个或多个实施例的能够用于图1A的机器人程序场景的辅助系统的透视图。图4A示出了根据一个或多个实施例的机器人操纵系统的透视图。图4B示出了根据一个或多个实施例的机器人操纵系统的透视图。图5示出了根据一个或多个实施例的操纵器组件的示例。图6示出了根据一个或多个实施例的工具的透视图。图7A和图7B示出了根据一个或多个实施例的用于控制计算机辅助系统的控制架构。图8示出了描述根据一个或多个实施例的用于在反向驱动关节中提供受控阻力的方法的流程图。图9示出了根据一个或多个实施例的阻力与速度的曲线图。
具体实施方式
现在将参考所附附图详细描述本公开的具体实施例。为了一致性，各个图中的相似元素由相似的附图标记表示。在以下对本公开实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节，以提供对本专利技术的更彻底的理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，本专利技术可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在其他情况下，没有详细描述公知的特征以避免不必要地使描述复杂化。在整个应用中，序数(例如，第一、第二、第三等)可以用作元素(即应用中的任何名词)的形容词。序数的使用并不是暗示或创建元素的任何特定顺序，也不是将任何元素限制为仅为单个元素，除非明确公开，诸如通过使用术语“之前”、“之后”、“单个”和其他此类术语。相反，序数的使用是为了区分元素。举例来说，第一元素不同于第二元素，并且第一元素可以涵盖多于一个元素，并且在元素的顺序中在第二元素之后(或之前)。尽管本文所述的一些示例涉及外科手术程序或工具，或医疗程序和医疗工具，但所公开的技术适用于医疗和非医疗程序，以及医疗和非医疗工具。例如，本文所述的工具、系统和方法可以用于非医疗目的，包括工业用途、通用机器人用途以及感测或操纵非组织工件。其他示例应用涉及美容改进、人类或动物解剖体的成像、从人类或动物解剖体中收集数据、设置或拆除系统以及培训医疗人员或非医疗人员。附加的示例应用包括用于对从人类或动物解剖体移除的组织进行的程序(不返回到人类或动物解剖体)，以及在人类或动物
尸体上执行程序。此外，这些技术也可以用于包括或不包括外科手术方面的医疗治疗或诊断程序。通常，本公开的实施例可以利于机器人系统的使用或改进各种条件下的工作流程。例如，在机器人系统的多种不同控制模式中，机器人系统的关节的反向驱动是可能的。获得使得能够识别当前控制模式的触觉反馈对于执行反向驱动的用户可能是有益的。换言之，可能期望在反向驱动期间提供的触觉反馈对于不同的控制模式是不同的。在一个或多个实施例中，触觉反馈包括与关节的反向驱动相反的受控阻力。受控阻力可以是特定于控制模式的。例如，在第一控制模式中，受控阻力可以比在第二控制模式中更高，从而使得用户能够基于由阻力水平提供的触觉来部分或完全地区分第一控制模式和第二控制模式。此外，提供受控阻力以提供有助于使得用户能够避免引起关节的不期望的操作条件的触觉反馈也可能是有益的。例如，在一个实施例中，以在致动器机构将基于致动器机构的致动器的反电动势(反EMF)效应而饱和的速度以下的反向驱动速度来提供受控阻力。在这种场景下，使关节反向驱动的用户可以将受控阻力感知为指示虽然可能但可能是不希望的更快反向驱动的信号。下文提供了反向驱动关节中受控阻力的详细描述，包括可能的实施方式和应用。现在参考附图，其中在若干视图中，相同的附图标记表示相同的零部件，图1A示出了机器人程序场景中的计算机辅助系统(100)(以下称为系统(100))的俯视图。虽然在图1A中，计算机辅助系统(100)被示出为微创机器人外科手术系统，但是以下描述能够应用于其他场景(例如，非外科手术场景或非医疗场景)中的计算机辅助系统。在图1A的示例中，对躺在手术台(110)上的患者(190)执行诊断或治疗程序。系统(100)可以包括用户控制系统(12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】1.一种计算机辅助系统，其包括：操纵器臂，其包括关节和被配置为驱动所述关节的致动器机构；和控制器，其包括计算机处理器，所述控制器被通信地耦连到所述操纵器臂并且被配置有第一控制模式和第二控制模式，其中，在所述第一控制模式和所述第二控制模式中的每一个中，所述控制器命令所述致动器机构允许外部关节运动，以通过使所述关节反向驱动来重新配置所述操纵器臂，以及其中，所述第一控制模式与所述第二控制模式的区别至少在于，所述控制器被配置为在所述第一控制器模式中，响应于所述关节以高于第一速度阈值的第一反向驱动速度被反向驱动，命令所述致动器机构提供第一速度相关阻力，所述第一速度相关阻力与被反向驱动的所述关节相反。2.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中所述第一速度相关阻力包括扭矩。3.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中所述第一速度相关阻力模拟速度相关阻尼响应。4.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中所述控制器被配置为在所述第二控制模式中，命令所述致动器机构使所述关节浮动。5.根据权利要求4所述的计算机辅助系统，其中所述控制器还被配置为在所述第二控制模式中，响应于所述关节以高于第二速度阈值的第二反向驱动速度被反向驱动，命令所述致动器机构提供第二速度相关阻力，其中所述第二速度阀值高于所述第一速度阀值。6.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中，在所述第一控制模式中，所述控制器命令所述致动器机构允许所述外部关节运动，以通过执行包括以下项的操作来重新配置所述操纵器臂：获得所述关节的实际状态；确定所述关节的命令状态与所述实际状态之间的偏差；响应于所述偏差超过定义的阈值：调整所述命令状态以生成经调整的命令状态，其中所述经调整的命令状态与所述实际状态之间的差小于所述偏差，以及在命令所述致动器机构时应用所述经调整的命令状态；和响应于所述偏差不超过所述定义的阈值：在命令所述致动器机构时应用所述命令状态。7.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中所述第一速度相关阻力随着所述第一反向驱动速度超过所述第一速度阈值的量增加。8.根据权利要求7所述的计算机辅助系统，其中所述第一速度相关阻力随着所述量线性增加。9.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助系统，其中所述致动器机构包括具有反电动势速度极限的致动器，以及其中所述第一速度阈值低于所述反电动势速度极限。10.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助系统，其中所述致动器机构包括具有反电动势速度极限的致动器；
其中所述控制器被配置为：在所述第一控制模式中，命令所述致动器机构根据第一阻力与速度曲线来抵抗所述关节的反向驱动；其中所述控制器进一步被配置为：在所述第二控制模式中，命令所述致动器机构根据第二阻力与速度曲线来抵抗所述关节的反向驱动；和其中对于低于所述反电动势速度极限的所有非零反向驱动速度，所述第一阻力与速度曲线不同于所述第二阻力与速度曲线。11.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助系统，其中：所述操纵器臂被配置为支撑和移动工具；和所述关节提供将所述工具沿着插入轴线移动到工作空间中的自由度。12.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助系统，其中所述控制器还被配置为在所述第一控制模式中，命令所述致动器机构提供与所述关节的反向驱动相反的速度无关阻力，使得所述速度无关阻力向引起所述反向驱动的用户提供触觉反馈，其中所述触觉反馈将所述第一控制模式中的所述关节的所述反向驱动与所述第二控制模式中的所述关节的所述反向驱动区分开。13.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助系统，其中所述第一速度相关阻力向引起所述第一控制模式中的所述关节的所述反向驱动的用户提供触觉反馈，其中所述触觉反馈将所述第一控制模式中的所述关节的所述反向驱动与所述第二控制模式中的所述关节的所述反向驱动区分开。14.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助系统，其中所述控制器还被配置为在所述第一控制模式中，响应于所述关节以不超过所述第一速度阈值的速度被反向驱动，命令所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：