控制手术机器人的方法与流程

控制手术机器人的方法
1.本公开涉及控制机器人的运动，特别是手术机器人，并且更具体地涉及控制手术内窥镜在两个方位之间(通常在手术区域内)的移动。
2.典型的机器人操纵器(或机器人)包括通过关节联接在一起的一系列刚性元件。这些元件可以串联连接以形成臂。可驱动关节以便引起刚性元件的相对运动。刚性元件可从基座伸出并终止于末端执行器。因此，可采用关节处的运动将末端执行器定位在期望的位置。每个关节可以提供旋转运动或线性运动。关节可以由任何合适的装置(例如电机或液压致动器)驱动。
3.当机器人操作时，需要机器人使末端执行器移动到某个期望的方位。例如，可能需要机器人使用末端执行器来拾取物体。这需要将末端执行器移动到物体所在的位置。为了实现这一点，需要关节运动的某些组合。机器人控制系统的作用是计算这些运动。
4.图1示出了在公共工作空间中操作的多个机器人101、102、103。在此实例中，机器人是用于对人104执行手术的手术机器人。每个机器人包括经由柔性臂连接到手术器械的基座。在这种情况下，机器人由外科医生远程控制。外科医生位于外科医生控制台200处，如图2所示。外科医生操纵手动控制器201、202。控制系统将手动控制器的移动转换成控制信号，以移动手术机器人的臂关节和/或器械末端执行器。一个以上的机器人可以同时移动。
5.内窥镜可以具有直的或成角度的光学器件。一些内窥镜可以具有允许直的和成角度的配置的铰接尖端。成角度的内窥镜可以不同的取向附接到摄像头上，并且通常有三种可能的视角：直的，即沿着内窥镜的纵轴(零度)，相对于内窥镜的纵轴30
°
向上或30
°
向下。这些示例配置可以在图7a至7c中看到。图7a示出了零度视角，即来自尖端e的视场702，使得该视场的中点701相对于器械404的纵向轴线为零度。图7b示出了30
°
向上的配置，并且图7c示出了30
°
向下的配置。虽然提及了30
°
，因为这是优选的角度，但是其他角度也是可能的，例如45
°
或60
°
向上或向下。
6.在图7a至图7c中，刚性臂构件706通过关节700连接到附接件403，该关节是机器人的第八个关节的示例，因此使用下标“8”。关节700允许附接件403围绕轴线z8相对于臂构件706旋转。附接件403在与关节700相对的端部处具有手术器械404，在这种情况下是内窥镜。内窥镜在其远侧端部具有观察尖端e。内窥镜尖端包括一些光学器件，一旦内窥镜插入患者体内，外科医生可以通过这些光学器件看到手术区域。光学器件通常穿过手术器械并且在这种情况下经由光导管710退出。如图7a所示，光学器件可以被配置成直的，即主观察轴线(ye)沿着或至少平行于器械404的纵向轴线。或者，如图7b和7c所示，光学器件可以相对于器械404的纵向轴线成一定角度。图7b示出了30
°
向上的布置，并且图7c示出了30
°
向下的配置。
7.外科医生通常需要改变内窥镜的尖端的方位，以便放大或缩小手术区域，从而获得手术区域的适当比例的图像。这需要改变内窥镜尖端在手术区域内的深度。
8.附接到手术机器人的内窥镜通过开口进入正在进行手术的患者体内，该开口通常是小开口，允许内窥镜进行有限的或不允许内窥镜进行左右移动。因此，该开口限定了内窥镜必须穿过的虚拟枢轴点(vpp)。在替代方案中，可以例如通过内窥镜穿过的结构元件来产
生物理枢转点，或者可以通过锁定机器人臂上的一个或多个关节来限定枢转点。以这种方式产生机械枢轴点。除非另有明确说明，否则对“虚拟枢轴点”、“机械枢轴点”或“枢轴点”的任何引用都旨在涵盖产生枢轴点的所有选项。内窥镜将具有标称视点(n)，该视点位于距内窥镜尖端的距离n处。n可以被估计为从内窥镜尖端到外科医生希望观察的手术区域的期望距离。
9.当使用直内窥镜时，即来自摄像头的视线沿着或至少平行于内窥镜轴的内窥镜，这种深度变化相对直接。当外科医生命令改变内窥镜尖端的深度时，与手术机器人相关联的控制单元计算必要的机器人臂的移动。
10.对于成角度的内窥镜(即具有非零视角)，运动问题更加复杂。没有简单的方法来精确地移入或移出主观视图，即朝向或远离标称视点，因为尖端的任何运动固有地导致视图倾斜，因此“进入视图”的方向改变。仅仅沿着内窥镜的轴线移动成角度的内窥镜使得很难移入和移出工作空间，因为内窥镜的尖端的俯仰控制必须用于补偿运动线。
11.因此，提供一种控制手术内窥镜的改进方法将是有益的。
12.根据本发明，提供了一种控制手术内窥镜的尖端从第一方位(e)到中间方位(e’)的移动的方法，来自内窥镜的尖端的视场相对于内窥镜的纵轴成一定角度(α)，该方法包括：接收在第一方向上从第一方位移动的命令；在第一方位从内窥镜的尖端标识标称视点(n)；基于所接收的命令、所标识的标称视点和角度(α)从第一方位计算尖端移动路径；确定中间方位；以及将尖端移动到中间方位，中间方位使得标称视点保持在来自尖端的视场内。
13.计算步骤可以包括计算尖端移动路径的弯曲路径。弯曲路径可以是椭圆形的。弯曲路径可以是穿过枢轴点(v)、第一方位(e)和标称视点(n)的圆。
14.计算步骤可以包括计算弯曲路径在e处的切线。切线可以位于包含v、e和n的平面中。中间方位可以沿着切线。
15.尖端的移动可以沿着尖端移动路径。尖端向中间方位的移动可以沿着切线。
16.一旦尖端处于中间方位，所述方法可还可以包括(i)从中间方位重新计算尖端移动路径，(ii)确定新的中间方位，以及(iii)将尖端移动到新的中间方位。
17.步骤(i)至(iii)可以重复一次或多次。可以重复步骤(i)至(iii)，直到中间方位变成最终方位。
18.重复计算的频率可以在500hz与10khz之间，优选5khz。
19.标称视点(n)可以在距尖端的距离(n)处，其中n是固定值。
20.标称视点(n)可以在距尖端的距离(n)处，其中n是变量。
21.第一方向可以包括改变n的运动的分量
22.命令可以包括朝向标称视点放大的命令。
23.命令可以包括远离标称视点缩小的命令。
24.标称视点可能不会改变，即它由一个或多个决定因子固定在三维空间中。
25.角度(α)可以相对于内窥镜的纵轴为
±
30度、45度或60度。
26.在移动步骤中，内窥镜可以轴向移动通过内窥镜必须穿过的枢轴点。
27.第一方向可以包括来自以下的运动的一个或多个分量：在x轴上的运动；在y轴上的运动；在z轴上的运动；俯仰；滚动；或偏转。
28.计算中间方位的步骤可以包括使用下式来确定圆的圆心ow：
[0029][0030]
其中r是三角形(v,e,n)的外接圆的半径，并且d是内窥镜在患者体内的深度。
[0031]
半径(r)可以使用内窥镜距v的深度(d)和预定距离(n)使用下式来确定：
[0032][0033]
本发明还提供了一种手术机器人，其具有可控臂和控制单元，手术内窥镜能够安装在可控臂上，控制单元被配置成执行如上所述的方法。
附图说明
[0034]
现在将参照附图以举例的方式描述本公开。在附图中：
[0035]
图1示出了正在由包括三个手术机器人的机器人系统进行手术的人；
[0036]
图2示出了外科医生控制台；
[0037]
图3示出了机器人系统的示意图；
[0038]
图4示出了机器人；
[0039]
图5是示出将内窥镜尖端从第一方位移动到第二方位的过程的流程图；图6a和图6b是移入(图6a)和移出(图6b)手术区域的示意性图示，以及
[0040]
图7a至图7c示出了内窥镜尖端的不同观察配置。
具体实施方式
[0041]
以下描述涉及包括多个机器人和控制单元的机器人系统。控制单元驱动机器人移动。机械臂上的方位传感器和扭矩传感器将传感数据传递给控制单元。控制单元使用该传感数据来检测作用在机器人臂上的外力。
[0042]
以下示例涉及手术机器人系统。参照图3，手术机器人系统300包括由控制单元303驱动的两个手术机器人301、302。控制单元303从外科医生控制台304接收一个或多个输入307，这些输入包括来自第一手动控制器和第二手动控制器305、306的输入。这些输入通常对应于与手术机器人的一个或多个臂(参见图4中的402)的移动相关的一个或多个运动控制命令。控制单元可以从外科医生控制台接收其他输入307，诸如脚踏板输入、按钮输入、语音识别输入、手势识别输入、眼睛识别输入等。控制单元303还从手术机器人301、302接收输入308。这些输入包括来自位于机器人臂关节上的方位传感器和扭矩传感器的传感数据。控制单元303可以从每个机器人接收其他输入308，诸如力反馈、来自手术器械的数据等。控制单元303响应于从机器人和外科医生控制台接收的输入来驱动机器人301、302。控制单元303包括处理器309和存储器310。存储器以非暂态方式存储可以由处理器执行的软件代码，以使处理器以本文描述的方式控制驱动器。
[0043]
每个机器人301、302具有图4所示的形式400。机器人包括基座401，当进行手术程序时，基座401固定在适当的位置。适当地，基座401安装在底盘上。该底盘可以是推车，例如
用于将机器人安装在床高度的床边推车。替代地，底盘可以是安装在天花板上的装置或安装在床上的装置。
[0044]
臂402从机器人的基座401延伸到用于手术器械404的附接件403。臂是柔性的。它通过沿其长度的多个柔性关节405铰接。在关节之间是刚性臂构件406。图4中的臂具有七个关节。该关节包括一个或多个滚动关节(其沿着臂构件的纵向方向在关节的任一侧上具有旋转轴线)、一个或多个俯仰关节(其具有横向于前一臂构件的纵向方向的旋转轴线)和一个或多个偏转关节(其还具有横向于前一臂构件的纵向方向并且还横向于共同定位的俯仰关节的旋转轴线)。然而，臂可以不同地接合。例如，臂可以具有更少或更多的关节。臂可以包括允许除了在关节的相应侧之间旋转之外的运动的关节，例如伸缩关节。机器人包括一组驱动器407，每个驱动器407驱动一个或多个关节405。
[0045]
附接件403使得手术器械404能够可释放地附接到臂的远侧端部。手术器械404具有线性刚性轴和位于该轴的远侧端部的工作尖端。工作尖端包括用于参与医疗程序的末端执行器。手术器械可以被配置成与臂的末端关节的旋转轴线线性平行地延伸。例如，手术器械可以沿着与臂的末端关节的旋转轴线重合的轴线延伸。手术器械404可以是例如切割、抓握、烧灼或成像装置。
[0046]
机器人臂包括一系列传感器408、409。对于每个关节，这些传感器包括用于感测关节方位的方位传感器408和用于感测围绕关节的旋转轴线施加的扭矩的扭矩传感器409。用于关节的方位传感器和扭矩传感器中的一者或两者可以与用于该关节的电机集成。传感器的输出被传递到控制单元303，这些输出在控制单元处形成处理器309的输入。
[0047]
图6a示出了向内运动的几何形状，其中成角度的内窥镜以30
°
向下取向附接。下面的讨论假设30
°
向下取向，但是通过在计算中适当改变角度，同样适用于其他角度配置。当外科医生希望放大标称视点时，需要这种向内运动。相比之下，图6b示出了向外运动的几何形状，其中成角度的内窥镜以30
°
向上附接。当外科医生希望从标称视点缩小时，需要这种向外运动。
[0048]
本发明采用的方法使用标称视点n、内窥镜的尖端相对于内窥镜轴的视角以及任何控制命令来确定最适合内窥镜尖端的移动路径。标称视点可以是三维空间中的固定方位，或者如本示例中所述，可以是沿着ye(即，进入图2所示的控制台的“屏幕”)处于固定距离或“观察距离参数”n。这在图6a和图6b中示出，其中内窥镜尖端方位是e，观察线是en，并且距离|e-n|是观察距离参数n，该距离是图6a中xz平面中的距离。
[0049]
虽然在本示例中n是固定距离，但是它可以是变量，例如取决于另一个参数，诸如内窥镜尖端在患者体内的深度，即距枢轴点的距离，或者n可以是固定方位(例如由外科医生确定为手术区域中的固定方位)，使得n本来就必须随着内窥镜尖端的移动而变化。
[0050]
目标是找到新的内窥镜轴尖端方位e’(以及保持vpp的新的腕部方位w’)，使得|e-e’|＝δ，并且来自e’的新视线也穿过n。因此对于小的δ，n处的物体将保持在外科医生的显示器上的视图的中心。在本示例中，计算需要确定如下所述的圆形路径。在替代方案中，不同的弯曲路径，例如遵循椭圆形路径，或不同的复杂路径，诸如代数曲线、超越曲线、分段构造或这些的任意组合。
[0051]
图6a和图6b中的关键词：
[0052]w–
先前的腕部原点
[0053]e–
内窥镜尖端
[0054]
w’、e
’–
一个时间步长后更新的点。为了便于说明，夸大了时间步长距离。
[0055]n–
标称视点e+n*ye[0056]
vpp
–
虚拟枢轴点(尽管也可能是机械枢轴点)
[0057]o–
三角形(vpp,e,n)的外接圆的圆心
[0058]r–
三角形(vpp,e,n)的外接圆的半径
[0059]
d＝|vpp-e|＝内窥镜插入患者体内的“深度”[0060]
δ＝被命令的深度变化(对于本文公开的采样频率，通常为10e-7m至10e-4m)
[0061]
角度vpp-e-n＝vpp-e
’‑
n＝150
°
，因为这些是光学元件的观察线。所以e'在vpp-e-p的外接圆上，圆心为o，也就是说，另
[0062]
r＝|o-vpp|＝|o-e|＝|o-e’|＝|o-n|
[0063]
角度vpp-o-n是60
°
；这是圆的远侧的vpp-n所对的角度的两倍，即180
°‑
150
°
＝30
°
(根据圆内接四边形定理，即圆内接四边形的对角是互补的)。所以vpp
–o–
n是一个边长为r的等边三角形。
[0064]
我们现在先根据d、n和vpp找到o，从而找到e’。
[0065]
坐标系w中o的坐标(根据w、vpp、o和e的几何形状)由下式给出：
[0066][0067]
符号
±
取决于内窥镜是30
°
向下(+)还是30
°
向上(-)。图6b示出了后一种情况，也示出了向外运动的情况，其中δ《0。
[0068]
为了找到d和n的r项，我们可以对三角形vpp-e-n应用余弦规则，
[0069]
r2＝d2+n
2-2dncos150
°
[0070][0071]
现在的目的是使|e-e’|成为被命令的深度变化δ，所以原则上e’是圆心为o但朝向n的弦长为δ的圆上的点。
[0072]
因为方位更新以高速率(例如，在500hz至10khz之间，优选地在5khz)完成，所以各个时间步长通常非常小，于是ee’可能近似于圆在e处的切线。因此，可以使用计算切线而非弦的更简单的近似法。假定从e到e’的距离很小，e’通常是一个中间方位。在某个阶段，e’将成为外科医生希望到达的最终方位。
[0073]
沿着半径oe取单位向量：
[0074][0075]
然后围绕与关节700的旋转轴线垂直的轴线旋转π/2(参见图7a至图7c)
–
该轴线在30
°
向下的情况下可称为8，或者在30
°
向上的情况下可称为-π/2；
±
与上文的平方根相同。
z8轴线可以与末端执行器轴线404重合，即相同，或者可以平行于该轴线。重合时，z8轴线也与直内窥镜的观察轴线(ye)相同。y8轴线垂直于z8轴线，并且根据图6a在e处“进入页面”。
[0076][0077][0078]
然后，内窥镜臂腕部姿态，即内窥镜的方位和取向，可以由e’和vpp计算出。
[0079]
一旦尖端已经移动到e’，e’变成新的e，并且系统可以基于新的开始方位e重新计算新的e’。可以继续重新计算，直到e’是外科医生希望尖端放置的最终方位，在这种情况下不需要进一步重新计算。如上所述，当e’不在计算出的路径上，而是沿着e的切线时，通常需要这种重新计算。在这种情况下，尖端的实际移动不遵循计算出的路径。尖端可以沿循圆形、椭圆形或更复杂的曲线诸如螺旋形的路径。所沿循的路径可能与计算出的路径相同，但也可能不同。尖端所沿循的路径可以是一系列线性移动，由于它们的短暂性(参见上文的δ)，可以近似于曲线。
[0080]
在替代方案中，一旦计算出路径，就有可能控制尖端的移动，使得它遵循计算出的路径，在这种情况下，可能不需要重新计算。
[0081]
观察距离参数优选地按照30
°
的情况进行调整，但该观察距离参数n没有“完美”的值。在
→
0的极限情况下，半径
→
和切线ee’变成与观察线en相同。这相当于沿着望远镜光学元件的法线移入或移出。虽然这在理论上很有吸引力，但它会随着您的移入而倾向于“俯仰向下”，而不会像较大的n值那样有效地保持“直接移入”的错觉。
[0082]
在
→
∞的极限情况下，切线ee’成为内窥镜轴线，并且这种方法简化为沿着内窥镜轴线移动，对于如上所述的成角度(诸如30
°
)的内窥镜，我们通常会避免这种情况。
[0083]
该值已经根据经验进行了调整，并且＝0.1米已被标识为最合适的值。取决于固定的变量，诸如尖端角度(即对于不同的尖端角度，n是不同的)，或者取决于更连续的变量，诸如内窥镜在体内的变化深度，即随着深度的变化，n与深度成某种关系的变化，可以改变n的值。
[0084]
如果尖端在任一侧非常靠近枢轴点，那么这种30
°
运动模型会在机器人臂的一个或多个关节中产生不期望的高速度。此外，视觉倾向于来自端口本身，所以在视野中的想象的物体处移动是不太有用的。因此，当深度小于阈值时，控制单元可以回复到沿着轴线的运动(即
→
∞)，如在直内窥镜的情况下。
[0085]
图5是示出本发明方法的最简单形式的流程图。一旦在患者体内形成了用于插入手术内窥镜的合适开口，包括内窥镜将穿过的任何合适端口或其他物品的装配，该开口就限定了虚拟枢转点(步骤501)。标识外科医生在患者体内进行手术的位置，并且通常在观察距离参数处定位内窥镜，使得在距第一方位中的内窥镜的尖端的预定距离处标识标称视点(步骤502)。然而，例如，如果系统例如在对正在进行手术的患者进行成像以标识感兴趣的位置之后设置期望的视点，则可以在标识vpp之前标识标称视点。然后，在步骤503，系统由于通常来自外科医生的一个或多个运动输入而接收移动内窥镜的命令，然后计算内窥镜的尖端在穿过虚拟枢轴点、标称视点和第一方位e的圆形路径上的中间方位e
′
，这与上面给出的示例一致。该中间方位取决于来自外科医生的涉及是否需要放大还是缩小以及该缩放的
程度的输入。在步骤504，内窥镜的尖端朝着中间方位移动，中间方位使得标称视点将在尖端的视图内。词语“朝向”并不意味着在朝向第二方位的直线上，而是涵盖减小内窥镜尖端方位e和标称视点n之间的距离的任何运动。如上所述，该运动可以沿着已经计算的圆形路径，或者可以采取一个或多个切向步长的形式，这些步长与圆形路径相切。所述方法还可以包括，可能在尖端的相对小的移动之后或者在给定的持续时间之后，计算修正的或者替代的圆形路径，如在步骤506。这也可以包括关于尖端是否已经到达期望的最终方位，即外科医生希望移动到的方位的决定(步骤505)。进一步计算的原因是，如果或当n改变，和/或尖端在患者体内的深度改变时，最初计算的圆形路径对于内窥镜尖端的新方位e’和/或诸如n的新方位的其它可变因子不再正确。这样，计算新的“r”来限定新的圆形路径，这意味着内窥镜尖端沿着新的路径或以一系列一个或多个切向步长“朝向”标称视点移动。这种计算更新可以500hz到10khz之间的频率进行，或者在内窥镜尖端已经移动了某个距离之后进行，该距离可以是直线距离或弓形距离。因此，内窥镜尖端遵循的实际路径可以是圆形的，这与中间方位的初始计算一致，或者可以遵循椭圆形或其他几何形状。一旦尖端已经到达期望方位，即e’是期望方位，则停止移动(步骤507)。通常，仅当外科医生已经释放控制件时，即不再提供影响内窥镜移动的输入时，才确定期望的方位。
[0086]
申请人在此独立地公开了本文描述的每个单独的特征以及两个或更多个这种特征的任意组合，只要这些特征或组合能够基于本说明书作为一个整体根据本领域技术人员的公知常识来实施，而不管这些特征或特征的组合是否解决本文公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单个特征或特征组合组成。鉴于以上描述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。