触觉致动器的均匀缩放的制作方法

触觉致动器的均匀缩放
1.本技术是于2017年1月12日提交的名称为“触觉致动器的均匀缩放”的中国专利申请201780006284.7的分案申请。
2.优先权申明
3.本技术要求于2016年1月12日提交的美国临时专利申请号62/277,827的优先权的权益，通过引用的方式将所述临时专利申请全部并入本文。
技术领域
4.本发明涉及用于向外科手术系统的操作者提供触觉反馈的系统和方法，并且更具体地涉及当触觉反馈致动器达到性能极限时维持用户的直观触觉轮廓(profile)。


背景技术：

5.远程操作的外科手术系统通常旨在医疗过程期间提高外科医生的精确度和/或减少患者创伤。在此类系统中，外科医生与输入设备(有时被称为“主设备”或“主控制器”)交互以控制由驱动机构(诸如马达)致动的外科手术器械。因为外科医生不直接操纵外科手术器械，所以有时在输入设备处提供指示或复制相互作用力(例如，在外科手术器械、外科手术系统的其它元件、和/或由外科手术系统生成的虚拟或合成元件/特征件处所感觉到的)的触觉反馈可能是有益的。注意，呈现给用户的力反馈可能是来自传感器、来自算法、来自用户界面提示、碰撞检测、模型交互等的反馈的总和。
6.为了提供良好的用户体验，外科医生将通过系统状态和配置变化理想地经历无缝触觉体验。然而，这可能难以实现，例如用于提供触觉反馈的致动器具有不同的性能极限，或者不同的致动器是否在不同时间处达到其性能极限。在此类情况下，呈现给用户的触觉反馈可能未与所感知的用户体验(例如，在外科手术器械处感测的实际力或交互式对象的视觉表示)适当地对齐(align)，从而导致混淆或不直观的用户体验。
7.例如，马达扭矩极限(即饱和极限)通常施加在用于机器人接口的软件中。这些性能极限可能由于多种原因而产生，包括保护马达免受过热、限制施加到外科医生/患者的力、和/或使马达保持在其理想的扭矩操作范围内。限制马达处的扭矩可以在接口(例如，输入设备的手柄或器械的尖端)处产生非各向同性的力饱和。这意味着，当您正努力在涉及两个或更多个马达的接口处呈现力时，如果一个马达受到马达扭矩极限的制约，则力的方向可能不正确。
8.当在输入设备处向用户给予力(触觉反馈)时，这可能尤其是有问题的。用户可能正感受在给定方向上的力，但是随着施加到用户的力增加并且达到与向用户给予力相关联的任何马达的扭矩极限，展现给用户的力的方向开始旋转，这对于用户来说可能是困惑的和/或混淆的。
9.因此，期望提供一种用于确保与外科手术器械处的力环境一致的触觉反馈的系统和方法。


技术实现要素：

10.为了最小化预期的力方向和触觉力反馈方向之间的差异，每当一个或多个致动器达到预定输出阈值时，触觉反馈致动器的输出被缩放(scaled)，从而在个体致动器将以其它方式被命令以在其精确的性能范围之外操作时，维持适当的触觉反馈方向性。此类缩放可以改变总体触觉反馈幅度，但是允许合适地维持触觉反馈方向。
11.在一些实施例中，在软件限制任何致动器的输出的情况下，监测过程可以确定致动器的输出何时将超过最大阈值输出(处于或低于软件定义的输出极限)，并且在该点处按比例缩小其它致动器中的至少一个的输出，使得总输出(例如，力或扭矩)的期望方向被维持。在一些实施例中，监测过程可以附加地或可选地确定致动器的输出何时将下降到最小输出阈值以下(在该最小输出阈值以下，致动器输出可能太低而不能精确地生成)，并且在该点处使其输出和其它致动器中的至少一个的输出按比例放大，使得总输出(例如，力或扭矩)的期望方向被维持。在一些实施例中，当一个致动器达到其阈值输出时，所有致动器被缩放，而在其它实施例中，仅缩放同时有效的致动器。在一些实施例中，致动器的输出阈值是固定的，而在各种其它实施例中，致动器的输出阈值可以随时间或基于致动器和/或系统状态而变化。
12.应该理解，前面的总体描述和下面的详细描述本质上是示例性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解而不限制本公开的范围。就此而言，根据以下详细描述，本公开的附加方面、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
13.当结合附图阅读时，根据以下详细描述可以最好地理解本公开的各方面。需要强调的是，按照工业的标准实践，各种特征件不是按比例绘制的。实际上，为了清楚讨论，各种特征件的尺寸可以任意地增加或减小。另外，本公开可以在各种示例中重复附图标记和/或字母。这种重复是为了简单和清楚的目的，并且本身不表示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
14.图1示出一种根据本发明的各种实施例的当达到致动器最大输出时向外科手术系统的用户提供一致触觉反馈的方法。
15.图2a和图2b示出当致动器输出最大值被忽略与被解决时的示例性触觉力矢量输出。
16.图3a-图3b示出一种根据本发明的各种实施例的响应于致动器输出最大阈值而提供触觉力反馈的示例性外科手术系统。
具体实施方式
17.在本发明的各方面的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对所公开实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。在其它实例中，公知的方法、过程、组件和电路未被详细描述，以免不必要地模糊本发明的实施例的各方面。而且，为了避免不必要的描述性重复，根据一个说明性实施例描述的一个或多个组件或动作可以根据其它说明性实施例的适用情况被使用或省略。
18.为了最小化期望的触觉力反馈方向(例如，由外科手术系统感测的或建模的)和实际的触觉力反馈方向之间的差异，每当一个或多个致动器的命令输出落入该致动器的预定工作范围之外时，触觉反馈致动器的输出被缩放。预定工作范围可以由等于或小于致动器的输出极限的最大输出阈值、和/或等于或大于致动器的最小精确输出水平的最小输出阈值来定义。这样的缩放可以减少总体触觉反馈幅度，但是允许合适地维持触觉反馈方向，这通常是触觉反馈的更关键方面。
19.图1示出一种用于当超过致动器输出极限时提供方向性一致的触觉反馈的示例性方法。在提供触觉反馈的步骤110中，外科手术系统允许用户(例如，外科医生)经由(一个或多个)输入设备(例如，(一个或多个)控制杆、(一个或多个)夹钳、(一个或多个)操纵杆、或能够接收用户输入的任何其它结构)控制外科手术器械(和/或外科手术系统的其它元件，诸如机器人臂、装配结构、或诸如吊杆或推车的定位元件)，并且然后基于期望的触觉反馈轮廓(至少部分地再现或表示真实或虚拟/建模的相互作用的物理体验的一个或多个触觉反馈效果的集合)向该输入设备提供力反馈。触觉反馈轮廓可以基于任何触觉模型输入，诸如在器械(例如，组织或其它器械相互作用)或机器人臂(例如，与结构或人员的臂碰撞)处感测的力、用户引导装置(例如，触觉止动装置、防护装置、或用于向用户提供引导以使(一个或多个)输入设备沿着期望的路径或轨迹移动的其它轮廓)、以及用户界面(ui)元件(例如向用户呈现虚拟手柄或转向盘)。该触觉反馈可以是从触觉反馈轮廓的直接复制到触觉反馈轮廓的缩放、到应用触觉反馈轮廓的非线性修改或任何其它转换(例如，根据诸如器械状态/速度、观察放大率等的一个或多个其它因素而变化的力缩放)的任何事物。
20.在输入设备处提供的实际力反馈由两个或更多个致动器(例如，马达、驱动器或任何其它动力元件)生成，所述两个或更多个致动器协作地工作以提供变化的力和方向的反馈。例如，具有俯仰和偏航能力的输入设备可以耦接到第一对致动器和第二对致动器，该第一对致动器围绕俯仰轴在相对方向上施加力，该第二对致动器围绕偏航轴在相对方向上施加力。然后可以同时使用两个或更多个的俯仰致动器和偏航致动器以提供从俯仰轴和偏航轴偏移的力反馈。
21.因为致动器通常不具有完全相同的性能特征，无论是由于固有的性能极限还是由于操作约束/效果(例如，热制约、机械制约)。例如，触觉反馈致动器组中的一个将典型地在其它触觉反馈致动器之前达到其最大输出水平。超过最大输出水平的任何命令输出将不导致任何增加的输出，并且因此涉及最大输出之外(maxed-out)的致动器的任何触觉反馈将可能偏离预期的力反馈方向。另外，当输出降低到某一水平以下时，致动器将可能开始产生噪声更大(较不准确)的输出，使得某一水平以下的触觉反馈也可能偏离预期的力反馈方向。
22.图2a图示地描绘了该触觉偏移的示例，其中分别由图的水平轴线和竖直轴线表示第一致动器和第二致动器(分别为“致动器1”和“致动器2”)的输出。在图的轴线上还分别指示了用于第一致动器和第二致动器的输出极限ol1和ol2，表示第一致动器和第二致动器的输出极限。
23.如上所述，致动器不能超过其输出极限，该输出极限可以是静态的(例如，由致动器的固有性能特征定义)，或者可以是动态的(例如，基于致动器的当前参数，诸如温度、或物理制约诸如将致动器放置在机械上不利位置中的从动结构的运动学配置
(configuration))。
24.如果致动器的命令输出超过其输出极限(诸如由期望(命令)的反馈力fd所指示的)，则出现问题。为了生成期望的反馈力fd，致动器1接收命令输出co1，并且致动器2接收命令输出co2。命令输出co1小于输出极限ol1，并且因此可以由致动器1提供命令输出co1。然而，因为命令输出co2大于输出极限ol2，因此致动器2的实际输出将被限制到输出水平ol2，从而导致既小于期望的反馈力fd又从期望的反馈力fd偏移的总体反馈力fo。虽然触觉反馈幅度的轻微变化通常可以由用户毫不费力地适应，但是力方向的偏离可能对用户造成相当大的误导，并且可能导致用户作出不适当的控制动作作为响应。
25.回到图1，为了减轻该力反馈偏移问题，在致动器阈值检测的步骤120中，识别针对致动器的超过该致动器的最大输出阈值的任何命令输出。注意，尽管在一些实施例中，致动器的最大输出阈值可以被定义为该致动器的输出极限，但是在各种其它实施例中，最大输出阈值可以被设置在低于输出极限的水平，以在达到任何输出极限之前提供用于检测致动器极限的方法和/或应用缩放因子(如下面更详细描述)的缓冲。进一步注意，如上所述，触觉反馈致动器的最大输出阈值可以是静态的或动态的，并且可以是个体化的或者跨越致动器是通用的。
26.然后，在全局致动器缩放的步骤130中，将公共缩放因子应用于致动器的命令输出。选择缩放因子以使所标识的致动器(即，在步骤120中标识的具有大于其输出阈值的命令输出的致动器)的输出保持小于其输出极限。因为缩放因子被应用于每个致动器的命令输出，所以维持总体力的方向，其中总体幅度减小。注意，在一些实施例中，如果多个致动器将接收超过其输出极限的命令输出，那么缩放因子将基于超过其关联的致动器的输出阈值一最大量的命令输出，即，缩放因子将基于“最差”的输出差异。
27.图2b图示描绘了相对于相同的第一致动器特征和第二致动器特征(输出极限分别为ol1和ol2)和期望的反馈力fd的触觉缩放的示例。然而，不允许如图2a所示的与致动器2相关联的输出极限将总体触觉力拉离期望的力方向，缩放因子被应用于命令输出co1和co2，以分别成比例地减小两者至调整的命令输出co1'和co2'。缩放因子被选择使得调整的命令输出co2'至少减小到输出极限ol2，尽管在各种其它实施例中可以选择缩放因子以使得调整的命令输出co2'比输出极限ol2小某个增量。
28.在一些实施例中，致动器1和致动器2可以附加地或替代地表现出在低输出水平处的降低的输出精度。在此类实施例中，如果命令输出co1和co2中的任一个小于致动器1或致动器2的最小输出阈值，则可以将缩放因子分别应用于命令输出co1和co2。然后缩放因子将调整的命令输出co1'和co2'增加到输出精度下降的水平以上。注意，如上所述，触觉反馈致动器的最小输出阈值可以是静态的或动态的，并且可以是个体化的或者跨越致动器是通用的。
29.在任何情况下，缩放因子的应用导致与原始期望反馈力fd方向性对齐的总体缩放反馈力fs。如上所述，只要维持力反馈的方向一致性，即使力的幅度发生变化，也可以提供一致的触觉体验。
30.回到图1，在各种实施例中，当在可选的致动器子阈值检测的步骤140中检测到步骤120中标识的致动器的(未缩放的)命令输出将超出该致动器的输出阈值(例如，超过最大输出阈值或下降到最小输出阈值以下)时，在可选的全局致动器去缩放的步骤150中去除
(或设置为1)在步骤130中应用于所有命令输出的缩放因子。返回到步骤110，提供未缩放的触觉反馈以前进。
31.如前所述，在一些实施例中，触觉反馈致动器的输出阈值可以是动态的，即特定值可以根据致动器操作参数、输入设备运动学配置或各种其它因素而改变。在此类实施例中，在外科手术系统的操作过程中，在步骤120中应用的(一个或多个)输出阈值可以具有不同的值。另外，在各种其它实施例中，不同的致动器可以在外科手术系统的操作过程中触发步骤120。
32.图3a和图3b示出了在输入设备330处并入触觉反馈的外科手术系统300，以及用于向用户提供如上面关于图1、图2a和图2b所描述的一致的触觉体验的装置的框图。外科手术系统300包括：用于执行外科手术任务的器械310(例如，钳子、切割器、牵开器、血管封闭器、针驱动器、导管等)；用于接收来自用户(例如，外科医生)的输入的输入设备330(例如，(一个或多个)控制杆、(一个或多个)夹钳、(一个或多个)操纵杆、或能够接收用户输入的任何其它结构)；以及控制器320，用于接收来自输入设备330的输入指令，经由操纵结构313相应地控制器械310的动作，并且根据期望的触觉反馈轮廓向触觉反馈致动机构340提供指令以向输入设备330提供触觉反馈。在各种实施例中，操纵结构313可以包括用于机动、定位、致动、或以其它方式控制器械310的行为的任何数量的系统和结构，包括(一个或多个)机器人臂/(一个或多个)操纵器、(一个或多个)装配结构、和/或诸如(一个或多个)吊杆或(一个或多个)推车的(一个或多个)定位元件等。控制器320可以包括硬件、软件、固件、以及用于生成、管理、控制和实现本文描述的动作的其它模式的任何组合。在各种实施例中，控制器320可以与器械310、输入设备330和/或分立控制硬件(例如，独立处理单元或计算平台)集成。
33.为了示例性的目的，图3a示出了在器械310的轴312的端部抓紧组织390的一部分(例如缩回)的末端执行器311。这导致末端执行器311处的力fm，该力在理想情况下将在输入设备330处被递送为期望的触觉反馈轮廓力fd。实际触觉反馈递送由触觉反馈致动机构340实现，该触觉反馈致动机构340包括多个致动器，该多个致动器尝试提供触觉反馈轮廓力fd，以向外科医生呈现组织390正在缩回时由组织390提供的阻力的“感觉”。
34.虽然为了示例性目的，触觉反馈轮廓力fd被描述为来源于在器械310的末端执行器311处感测的力fm，但是在各种其它实施例中，力fm可以在对输入设备330处的对应的触觉反馈将有益的任何方位处被感测，诸如在轴312或操纵结构313的任何其它元件处的交互处(例如，与结构或人员的臂碰撞)。
35.在各种其它实施例中，力fm可以根据非物理参数(诸如引导或用户界面特征)来定义。例如，在一些实施例中，外科手术系统300可以包括显示器350(例如，(一个或多个)监测器、(一个或多个)浸入(head-in)观察器、投影仪、视频眼镜/(一个或多个)头盔、和/或任何其它图形表示元件)。在各种实施例中，显示器350可以呈现可以经由输入设备330与其交互的虚拟或合成元件361。在一些实施例中，合成元件361可以用作用于与外科手术系统300的物理组件交互的补充接口。例如，如图3a所示，合成元件361可以是虚拟手柄或旋钮，其可以使用输入设备330被“抓紧”并在周围被拖动以在外科手术部位重新定位器械310。在其它实施例中，合成元件361可以提供纯虚拟的交互元件，诸如转盘、肘节、控制杆或用于控制外科手术系统300的任何其它结构。在任何情况下，通过基于与合成元件361相互作用相关联的模型力fm1(例如，通过抓紧圆形旋钮而产生的径向向外的阻力)生成触觉反馈轮廓，控制器
320然后可以尝试在输入设备330处提供合适的触觉反馈轮廓力fd。
36.在各种其它实施例中，外科手术系统300可以向用户提供关于器械310和/或输入设备330的移动的引导。例如，器械310的期望运动(例如，目标或安全解剖路径、期望缩回移动、或任何其它有益的关节运动)可以可选地被定义为轨迹362。通过基于与维持器械310沿着轨迹362的位置相关联的模型力fm2(例如，在偏离轨迹362时产生的向内力)生成触觉反馈轮廓，控制器320然后可以尝试在输入设备330处提供合适的触觉反馈轮廓力fd。
37.图3b示出致动机构340的示例性框图，该致动机构340包括将触觉反馈力的分量施加到输入设备330的多个致动器341。注意，尽管为了描述的目的描绘了经由线缆(cable)或腱(tendon)驱动输入设备330的四个致动器，但是在各种其它实施例中，致动机构340可以包括任何数量和类型的致动器(例如，旋转致动器，线性致动器，液压、和/或压电、振动触觉或流体致动器)和/或力传递机构(例如，直接驱动装置、联动装置、传动装置等)。
38.各种致动器341彼此组合地提供致动输出(例如，扭矩或力)以努力产生期望的触觉反馈轮廓力fd。然而，如果期望的触觉反馈轮廓力fd需要来自致动器341之一的落入其工作范围之外的输出，尝试使用针对致动器341的命令输出而不进行修改将导致具有(如以上关于图1和2a所述的)不同于期望力fd的幅度和方向两者的未经修改的触觉反馈力fo。如上所述，致动器的工作范围可以由最大输出阈值(例如，处于或低于致动器的输出极限)和/或最小输出阈值(例如，处于或高于致动器的最小可靠输出水平)来定义。
39.因此，当控制器320检测到针对任何致动器341的命令输出将超出该致动器定义的输出阈值时(如上面关于图1中的步骤120所述)，其将共同的缩放因子应用于供应给每个致动器341的命令输出，使得所有致动器341的命令输出保持在其预定工作范围内(如上面关于图1中的步骤130所述)。这具有成比例地改变所有致动器341的输出的效果，这进而导致缩放的触觉反馈力fs，该缩放的触觉反馈力fs尽管相对于期望的反馈力fd在幅度上不同，但是保持与期望的反馈力fd(如上面关于图2b所述)方向性对齐。
40.在各种实施例中，当控制器320检测到未缩放的命令输出将不再超出任何致动器341定义的输出阈值时，缩放因子可以被消除(或设置为1)，从而允许在输入设备330处恢复未缩放触觉反馈(如上面关于图1中的步骤140和150所述)。
41.虽然已经在附图中描述和示出本发明的某些示例性实施例，但应该理解的是，此类实施例仅仅是对广义发明的说明而不是限制，并且本发明的实施例不限于所示和所述的具体构造和布置，因为本领域普通技术人员可以想到各种其它修改。