机器人臂的接触感测和接触反应的系统和方法与流程

本文公开的系统和方法涉及机器人医疗系统，并且更具体地涉及机器人医疗系统的机器人控制臂。

背景技术：

1、机器人使能的医疗系统能够执行多种医疗规程，包括微创规程(诸如腹腔镜检查)和非侵入规程(诸如内窥镜检查)两者。在内窥镜检查规程中，系统可能能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。

2、这类机器人医疗系统可包括被配置成在给定医疗规程期间控制医疗工具的移动的机器人臂。为了实现医疗工具的期望位姿，机器人臂可以在设置过程期间或者在远程操作期间被放置成适当位姿。一些机器人使能的医疗系统可以包括臂支撑件(例如，杆)，该臂支撑件连接到机器人臂的相应基部并且支撑机器人臂。

技术实现思路

1、在机器人手术期间，机器人臂可能例如由于在机器人臂的远程操作下的移动而与相邻对象诸如患者、医护人员或手术室中的附件接触，从而导致对患者或医护人员的过大的接触力和/或扭矩。过大的接触力或扭矩可能在手术期间对患者或医护人员造成伤害和不适。在一些情况下，响应于这样的接触力和/或扭矩，机器人臂的一个或多个关节和/或连杆可以执行零空间运动以保持位姿(例如，插管的位置和/或取向的位姿)。在一些情况下，可能需要操作者在将机器人臂移动离开之前移动患者或到达输入控件。然而，这些动作可能带来与患者或手术室中的其他对象发生不期望的碰撞和接触的额外风险。

2、因此，需要改进的机器人医疗系统。特别地，需要一种机器人医疗系统，该机器人医疗系统检测机器人臂(例如，机器人臂的连杆、关节等)上的交互(例如，力和/或扭矩)，并且根据所检测到的力和/或扭矩的特性(例如，量值、方向、变化速率等)而采取某些适当的动作，诸如启用机器人臂的零空间运动、以合适的速度以及/或者在根据所检测到的力和/或扭矩的特性(例如，量值、方向、变化速率等)选择的方向上移动机器人臂的一个或多个关节和/或连杆，或者禁用远程操作等。这样有利地提高了手术期间患者和/或操作者的安全性。这还确保了在手术期间当外科医生驱动机器人臂中的一个或多个机器人臂时减少中断。

3、此外，如本文所公开的，传感器分布在机器人臂的多个区域，以检测机器人臂上的力和/或扭矩，并且根据所检测到的接触力或扭矩来启用机器人臂上的受控移动。因此，减少了医护人员在远程操作期间手动调节机器人臂的位姿、移动患者和/或重新定位自身等的操作负担。

4、在本公开的另一方面，机器人臂可包括至少一个冗余度自由度，可用于若干不同目标，同时将器械递送到期望位姿并且保持远程运动中心(rcm)。这些目标可包括运动学碰撞避免、关节极限避免、过度接触避免、用于手动臂重新定位的导纳零空间运动，以及将机器人关节定位在优选位置处。在一些情况下，这些目标中的每个目标要求机器人臂的相应零空间运动。因为机器人臂具有可用于零空间运动的有限自由度，所以这些目标有时可能彼此冲突。因此，需要在各种操作状态下同时优化机器人臂的这些目标并且以平衡的、最佳的方式控制零空间运动。

5、如本文所公开的，机器人医疗系统可以通过识别机器人系统的多个任务来管理与各种目标相关联的零空间运动请求，每个任务可以请求机器人臂的相应零空间运动。机器人系统可以根据统一方案(例如，从许多可用方案中选择的一个方案，诸如排他性、切换或加权等)来对任务进行优先级排序，并且根据统一方案来确定机器人臂的零空间速度。在一些实施方案中，医疗机器人系统可以确定当前情况下每个零空间运动请求的“严重程度”或必要性(例如，生成具有合适的权重和定量测量的“成本函数”)，并且通过降低当前情况下零空间运动请求的聚合的“严重程度”(例如，优化成本函数)来确定机器人臂合适的零空间关节速度。机器人医疗系统然后基于使用统一方案确定的零空间关节速度来执行机器人臂的零空间运动，这对应于在这种情况下的竞争优先级(例如，安全性、功率消耗、效率、不同任务的目标和约束等)之间的适当平衡。

6、本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，这些创新方面中没有一个独自负责本文所公开的期望属性。

7、根据本公开的一些实施方案，一种机器人系统包括机器人臂。机器人系统还包括一个或多个传感器。该机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。该存储器存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器经由一个或多个传感器来检测由外部对象施加在机器人臂上的接触力或扭矩。响应于检测到接触力或扭矩，根据确定接触力或扭矩的量值介于接触力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间，一个或多个处理器根据所检测到的接触力或扭矩来启用机器人臂上的第一组受控移动。

8、在一些实施方案中，启用机器人臂上的第一组受控移动包括激活机器人臂的零空间运动。

9、在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器：响应于检测到接触力或扭矩，根据确定接触力或扭矩超过接触力或扭矩上限，禁用机器人系统的一部分的移动。

10、在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器：响应于检测到接触力或扭矩，根据确定接触力或扭矩小于接触力或扭矩下限，放弃根据所检测到的接触力或扭矩来启用机器人臂上的第一组受控移动。

11、在一些实施方案中，一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器。使用一个或多个接触传感器来检测接触力或扭矩。

12、在一些实施方案中，一个或多个接触传感器位于机器人臂的连杆上。

13、在一些实施方案中，机器人臂的连杆是远侧连杆或近侧连杆。

14、在一些实施方案中，一个或多个传感器包括多轴负荷传感器。使用多轴负荷传感器来检测接触力或扭矩。

15、在一些实施方案中，多轴负荷传感器包括位于机器人臂的远侧部分上的六轴负荷传感器。

16、在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器接收包括机器人臂的第一速度的第一用户命令。根据确定接触力的量值介于接触力下限和接触力上限之间，该一个或多个处理器(a)确定接触力的方向，(b)确定扭矩的方向，(c)确定由机器人臂的平移速度和接触力的方向形成的第一角度，以及(d)确定由机器人臂的旋转速度和扭矩的方向形成的第二角度。根据确定第一角度在第一角度阈值内并且第二角度在第二角度阈值内，一个或多个处理器启用机器人臂的一个或多个关节以第一速度移动。根据以下项中的至少一项，一个或多个处理器禁用机器人臂的移动：(i)确定第一角度超过第一角度阈值，或者(ii)确定第二角度超过第二角度阈值。

17、在一些实施方案中，根据用于检测接触力的一个或多个接触传感器的测量不确定性来确定第一角度阈值和第二角度阈值。

18、在一些实施方案中，存储器还包括指令，这些指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器接收第二用户命令，该第二用户命令包括机器人臂的所请求的速度(例如，线性速度或角速度)。根据确定扭矩的量值介于扭矩下限和扭矩上限之间，一个或多个处理器确定扭矩的方向。在一些实施方案中，一个或多个处理器可以确定由扭矩的方向和机器人臂的所请求的速度(例如，线性速度或角速度)形成的第三角度。根据确定第三角度在第三角度阈值内，一个或多个处理器启用机器人臂以所请求的速度移动。根据确定第三角度超过第三角度阈值，一个或多个处理器禁用机器人臂的移动。

19、在一些实施方案中，相对于机器人臂的远程运动中心来确定扭矩的量值。

20、在一些实施方案中，根据用于检测扭矩的六轴负荷传感器的测量不确定性来确定第三角度阈值。

21、根据本公开的一些实施方案，一种机器人系统包括机器人臂。机器人系统还包括一个或多个传感器。该机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器经由一个或多个传感器来检测由外部对象施加在机器人臂上的接触力或扭矩。响应于检测到接触力或扭矩，并且根据确定接触力或扭矩介于力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间，一个或多个处理器启用机器人臂按基于机器人臂的预先建立或预先记录的路径的轨迹移动。

22、在一些实施方案中，一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器。

23、在一些实施方案中，该一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。

24、在一些实施方案中，机器人臂的预先建立或预先记录的路径包括机器人臂的连杆质心的预先记录的路径。

25、在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器根据连杆质心的预先记录的路径来确定在可配置时间段内沿预先记录的路径的平移和旋转运动方向。

26、在一些实施方案中，机器人臂的预先建立或预先记录的路径包括机器人臂的远程中心运动的俯仰和/或偏航角的预先建立或预先记录的路径。

27、在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器根据机器人臂的预先建立或预先记录的路径来确定在可配置时间段内沿预先记录的路径的平均运动方向。

28、根据本公开的一些实施方案，一种机器人系统包括机器人臂。机器人系统包括一个或多个传感器。机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器经由一个或多个传感器来检测由外部对象施加在机器人臂上的接触力或扭矩。根据确定接触力或扭矩大于或等于反作用力或扭矩下限，一个或多个处理器降低机器人臂的速度。

29、在一些实施方案中，机器人臂包括一个或多个关节。降低机器人臂的速度包括降低机器人臂的一个或多个关节中的每个关节的相应速度。

30、在一些实施方案中，降低一个或多个关节中的每个关节的相应速度包括以相同的比例降低所有关节的速度。

31、在一些实施方案中，降低机器人臂的速度包括降低机器人臂的远程中心运动处的角速度。

32、在一些实施方案中，一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器。

33、在一些实施方案中，该一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。

34、根据本公开的另一方面，机器人系统包括用户控制台。机器人系统还包括机器人臂。机器人系统还包括联接到机器人臂的可调式杆。该机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器基于来自由机器人系统执行的多个任务中的两个或更多个任务的输入来控制机器人臂和/或可调式杆的零空间运动。多个任务包括：第一任务，该第一任务包括机器人臂的接触检测和反应；第二任务，该第二任务包括可调式杆的优化；第三任务，该第三任务包括经由运动学进行的碰撞和/或关节极限处理；第四任务，该第四任务包括机器人臂零空间和/或杆位姿点动(pose jogging)；以及第五任务，该第五任务包括朝向优选的关节位置的运动。

35、在一些实施方案中，机器人系统还包括被定位在机器人臂上的一个或多个力传感器。第一任务还包括使用一个或多个力传感器来检测机器人臂上的接触。

36、在一些实施方案中，一个或多个力传感器包括被定位在机器人臂的连杆上的接触传感器。

37、在一些实施方案中，一个或多个力传感器包括被定位在机器人臂的关节或远侧端部上的接触传感器。

38、在一些实施方案中，机器人系统还包括被定位在机器人臂的关节上的一个或多个力传感器。第二任务包括使用在一个或多个传感器上感测到的力来调节可调式杆相对于机器人臂的位姿。

39、在一些实施方案中，机器人系统还包括被定位在机器人臂的关节上的一个或多个编码器。第三任务包括使用一个或多个编码器来检测碰撞并且经由运动学控制来减轻碰撞。

40、在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器基于多个任务中的任务之间的预设互斥性来对多个任务中的一个或多个任务进行优先级排序。

41、在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器将相应的权重分配给多个任务中的每个任务。存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器基于多个任务的相应权重的相对量值对多个任务中的一个或多个任务进行优先级排序。

42、在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器基于机器人系统的当前状态在多个任务中的一个或多个任务的不同组之间切换。

43、在一些实施方案中，机器人臂具有至少一个冗余度自由度。

44、在一些实施方案中，控制机器人臂的零空间运动包括以最佳零空间关节速度将机器人臂的一个或多个关节移动到期望位姿。

45、在一些实施方案中，存储器还包括指令，这些指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器执行机器人臂的零空间运动，同时允许机器人臂的端部执行器遵循命令。

46、根据本公开的另一方面，在机器人系统处执行一种方法。机器人系统包括机器人臂、联接到机器人臂的可调式杆、一个或多个处理器，以及存储器。存储器存储被配置用于由一个或多个处理器执行的一个或多个程序。该方法包括识别机器人系统的第一多个任务。第一多个任务中的每个任务请求具有对应的零空间关节速度的机器人臂的相应零空间运动。第一多个任务包括以下项中的两项或更多项：第一任务，该第一任务包括运动学碰撞避免；第二任务，该第二任务包括关节极限避免；第三任务，该第三任务包括接触避免和导纳零空间运动；以及第四任务，该第四任务包括朝向优选的关节位置的运动。该方法包括基于机器人臂的第一零空间关节速度来执行机器人臂的零空间运动，该第一零空间关节速度是通过减小成本函数来确定的，该成本函数包括对应于可调式杆和/或机器人臂零空间和/或杆位姿点动的优化的第一成本以及对应于第一多个任务中的每个任务的多个第二成本。

47、在一些实施方案中，该方法包括使用具有连续步长减小的梯度下降算法来减小成本函数。

48、在一些实施方案中，该方法包括以第一零空间关节速度将机器人臂的一个或多个关节移动到期望位姿。

49、在一些实施方案中，在允许机器人臂的端部执行器遵循命令时发生机器人臂的零空间运动的执行。

50、在一些实施方案中，该方法还包括为第一成本分配第一权重，以及为多个第二成本中的每个第二成本分配相应的第二权重。

51、在一些实施方案中，第二成本中的至少一者具有相应的第二权重零。

52、在一些实施方案中，根据机器人系统的操作状态来执行将相应的第二权重分配给多个第二成本中的每一者。

53、在一些实施方案中，机器人系统包括机器人臂、联接到机器人臂的可调式杆、一个或多个处理器，以及存储器。存储器存储一个或多个程序，该一个或多个程序在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器执行本文所述方法中的任一种方法。

54、需注意，上述各种实施方案可与本文所述的任何其他实施方案组合。在说明书中描述的特征和优点不是全部包含的，并且特别地，考虑到附图、说明书和权利要求书，许多另外的特征和优点对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。此外，应当注意，说明书中使用的语言主要是为了可读性和指导目的而选择的，并且可能不是为了描绘或限制本发明的主题而选择的。