减轻运动学部件的不期望定向运动的机器人系统和方法与流程

本公开总体上涉及用于控制考虑机器人的运动链中的部件的不期望定向运动的机器人系统和方法。

背景技术：

1、在外科手术部位处执行外科手术规程的机器人系统通常包括：操纵器，该操纵器具有基部、多个连杆和关节；以及端部执行器，该端部执行器联接到操纵器。许多时候，端部执行器包括或支撑具有能量施加器的外科手术工具，该能量施加器被设计成在外科手术部位处去除组织。由基部、连杆和关节以及包括能量施加器的外科手术工具限定运动链。

2、对于导纳控制的机器人系统，力作为输入被接收，并且能量施加器的命令位置被输出。由于导纳控制的逆运动学性质，能量施加器的命令位置被输出为任务空间(x,y,z)坐标，并且运动链部件的相应位姿(位置和定向)根据满足由复杂方程组限定的约束的解被输出。

3、能量施加器通常根据命令位置沿着工具路径移动。能量施加器沿着工具路径移动的速度通常被称为能量施加器的“进给速率”。现有系统已经设想调整进给速率以考虑条件或输入，诸如用户手动选择进给速率、组织的特性、施加到能量施加器的感测力、路径的曲率等。现有导纳控制的机器人系统中的进给速率的调整仅响应于直接影响能量施加器沿着工具路径的移动的期望(或预期)输入或条件。然而，用于调整进给速率的现有技术没有考虑运动链的除了能量施加器之外的部件(即，非工具路径部件)诸如操纵器的工具轴、关节或连杆发生不期望定向运动的可能性。当根据复杂逆运动学解运动学地操纵此类非工具路径部件时，此类非工具路径部件可经历突然的角速度、角加速度或角加加速度。非工具路径部件的此类不期望定向运动可能导致命令位置不准确。例如，非工具路径部件的惯性可能导致运动或方向的意外变化，从而导致偏离命令位置。此外，此类不期望定向运动可能会中断外科手术工作流程或用户体验，因为操作者可能会被此类运动吓到，并且可能想要手动减慢或停止操作。仍然需要解决至少上述缺点。

技术实现思路

1、根据第一方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具，并且其中由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及改变能量施加器的进给速率以考虑该不期望定向运动。

2、根据第二方面，提供了一种操作根据第一方面的外科手术系统的方法。

3、根据第三方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具，并且其中由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及修改操纵器的操作以考虑该不期望定向运动。

4、根据第四方面，提供了一种操作根据第三方面的外科手术系统的方法。

5、根据第五方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具，并且其中由操纵器的部件和包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：确定进给速率，该进给速率被定义为能量施加器推进的速度；根据该进给速率控制操纵器将能量施加器推进到多个命令位置；识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在能量施加器根据该进给速率推进期间发生的不期望定向运动；以及改变进给速率以考虑该不期望定向运动。

6、根据第六方面，提供了一种操作根据第四方面的外科手术系统的方法。

7、根据第七方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且被配置为支撑外科手术工具，并且其中由包括操纵器的基部和多个连杆和关节的部件以及包括能量施加器的外科手术工具限定运动链；以及至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：确定进给速率，该进给速率被定义为能量施加器在半自主模式下沿着工具路径推进的速度；在半自主模式下控制操纵器以根据该进给速率沿着工具路径将能量施加器推进到多个命令位置；识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历在根据该进给速率沿着工具路径推进能量施加器期间发生的不期望定向运动；以及改变进给速率以考虑该不期望定向运动。

8、根据第八方面，提供了一种操作根据第七方面的外科手术系统的方法。

9、根据第九方面，具有至少一个控制器的外科手术系统设置有非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，该模拟数据指示运动链的一个或多个部件的不期望定向运动，其中模拟数据从被配置为模拟控制操纵器以将能量施加器推进到多个命令位置的模拟中获得，并且其中该至少一个控制器被配置为：从非暂时性计算机可读介质检索模拟数据；基于该模拟数据识别该运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动；以及修改操纵器的操作以考虑不期望定向运动。

10、根据第十方面，提供了一种操作根据第九方面的外科手术系统的方法。

11、根据第十一方面，提供了一种外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术工具，该外科手术工具包括轴和位于轴的远侧端部处的能量施加器；操纵器，该操纵器包括基部和多个连杆和关节，并且该操纵器被配置为支撑外科手术工具；至少一个控制器，该至少一个控制器被配置为：在外科手术工具的轴上的位置处将一个或多个虚拟触觉对象相对于该轴相关联；将虚拟边界相对于外科手术工具与其相互作用的外科手术部位相关联；检测与轴相关联的一个或多个虚拟触觉对象和与外科手术部位相关联的虚拟边界之间的碰撞；响应于检测到碰撞，控制操纵器以约束轴不超过虚拟边界。

12、根据第十二方面，提供了一种操作根据第十一方面的外科手术系统的方法。

13、上述方面中的任何方面都可部分或全部组合。

14、对于任何上述方面，单独地或组合地设想了以下实施方式中的任何一个或多个实施方式：

15、在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为确定进给速率，该进给速率被定义为能量施加器推进的速度。

16、在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为根据进给速率控制操纵器以将能量施加器推进到多个命令位置。

17、在一些实施方式中，根据该进给速率，在能量施加器的推进期间发生不期望定向运动。

18、在一些实施方式中，操纵器包括多个连杆和关节，该多个连杆和关节是运动链的一部分。

19、在一些实施方式中，进给速率用于特别地根据命令位置沿着工具路径推进能量施加器。

20、在一些实施方式中，进给速率用于特别地在半自主操作模式下推进能量施加器。

21、在一些实施方式中，该至少一个控制器通过被进一步配置为按因子减小进给速率来改变进给速率以考虑不期望定向运动，该因子与运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件所经历的或将经历的不期望定向运动的幅度相关。在一些实施方式中，改变的进给速率是非零速度，该非零速度小于改变进给速率之前存在的进给速率的速度。

22、在一些实施方式中，该至少一个控制器通过被进一步配置为执行以下操作来识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动：将不期望定向运动与阈值或范围进行比较；以及响应于不期望定向运动满足阈值或范围，改变进给速率以考虑不期望定向运动。

23、在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：在根据进给速率沿着工具路径将能量施加器推进到多个命令位置期间，获得运动链的正向运动学测量结果；以及评估正向运动学测量结果以识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。

24、在一些实施方式中，非暂时性计算机可读介质具有存储在其上的模拟数据，该模拟数据指示运动链的一个或多个部件的不期望定向运动，其中该模拟数据是从手术前模拟获得的，该手术前模拟被配置为模拟在半自主模式下控制操纵器以根据该进给速率沿着工具路径将能量施加器推进到多个命令位置。在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：从非暂时性计算机可读介质检索模拟数据；以及基于模拟数据识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。

25、在一些实施方式中，一个或多个传感器被配置为生成与运动链的任何一个或多个部件相关的测量结果。在一些实施方式中，一个或多个传感器包括以下各项中的任何一者或多者：传感器，该传感器联接到任何一个或多个关节并且被配置为感测关节位置、关节速度和关节加速度中的任何一者或多者；电流传感器，该电流传感器被配置为感测由关节中的任何一个或多个关节的致动器汲取的电流；导航系统，该导航系统被配置为检测联接到运动链的任何一个或多个部件的跟踪器的状态；以及视觉系统，该视觉系统被配置为检测运动链的任何一个或多个部件的运动。在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为分析测量结果，以识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。

26、在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：在非暂时性计算机可读介质中存储运动链的任何一个或多个部件的惯性值；并且在一些实施方式中，利用存储的惯性值来识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历不期望定向运动。在一个实施方式中，惯性值是旋转惯性值。在一个实施方式中，惯性值是平移或线性惯性值。

27、在一些实施方式中，在能量施加器在半自主模式下沿着工具路径推进期间，该至少一个控制器被进一步配置为：使得外科手术工具能够重新定向；识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历响应于外科手术工具的重新定向而进一步发生的不期望定向运动；以及改变进给速率以考虑响应于外科手术工具的重新定向而进一步发生的不期望定向运动。在一些实施方式中，重新定向由用户发起。在其他实施方式中，重新定向是由系统自动进行的。

28、在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：将一个或多个虚拟触觉对象相对于运动链的一个或多个部件相关联；限定虚拟边界；检测一个或多个虚拟触觉对象和虚拟边界之间的碰撞；响应于检测到碰撞，控制操纵器以约束运动链的具有与其相关联的虚拟触觉对象的一个或多个部件不超过虚拟边界；响应于检测到碰撞，识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件正在经历或将经历响应于对运动链的一个或多个部件的约束而进一步发生的不期望定向运动；以及响应于检测到碰撞，改变进给速率以考虑响应于对运动链的一个或多个部件的约束而进一步发生的不期望定向运动。

29、在一些实施方式中，外科手术工具包括轴和位于轴的远侧端部处的能量施加器，并且该至少一个控制器被配置为：在外科手术工具的轴上除了远侧端部之外的位置处将虚拟触觉对象中的一个或多个虚拟触觉对象相对于该轴相关联；将虚拟边界相对于外科手术工具与其相互作用的外科手术部位相关联；响应于检测到轴的一个或多个虚拟触觉对象和外科手术部位的虚拟边界之间的碰撞，控制操纵器以约束轴不超过虚拟边界；识别轴正在经历或将经历不期望定向运动；以及改变进给速率以考虑轴所经历的或将经历的不期望定向运动。

30、在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为通过被进一步配置为评估在轴的一个或多个虚拟触觉对象和外科手术部位的虚拟边界之间发生的穿透来识别轴正在经历或将经历不期望定向运动。在一些实施方式中，可以评估在一个或多个虚拟触觉对象和虚拟边界之间发生的穿透的值/幅度，并且可以响应于该评估来调整进给速率。

31、在一些实施方式中，响应于改变进给速率以考虑不期望定向运动，该至少一个控制器被配置为：识别运动链的除了能量施加器之外的一个或多个部件不再经历或将不再经历不期望定向运动，并且作为响应，还原或恢复在改变进给速率之前存在或之后计划的进给速率。

32、在一些实施方式中，不期望定向运动被进一步定义为运动链的除了能量施加器之外的任何一个或多个部件所经历的或将经历的不期望角速度、角加速度或角加加速度中的一者或多者。

33、在一些实施方式中，外科手术器械包括轴和位于轴的远侧端部处的能量施加器，其中能量施加器被进一步限定为切割锉。

34、在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：将外科手术器械和能量施加器建模为虚拟刚性体；以及基于施加到虚拟刚性体的虚拟力来改变器械进给速率以考虑不期望定向运动。

35、在一些实施方式中，该至少一个控制器被配置为：基于多个变量计算进给速率，这些变量包括以下各项中的一者或多者：能量施加器所施加到的空间的形状；能量施加器的类型；患者健康；能量施加器所施加到的组织的性质；以及工具路径的路径区段的几何形状。

36、在一些实施方式中，除了改变进给速率以考虑不期望定向运动之外，该至少一个控制器被进一步配置为基于以下各项中的任何一者或多者来调整确定的器械进给速率：器械进给速率的用户调整；能量施加器受到的力和扭矩；工具路径的路径区段的曲率；器械功率；组织温度；以及患者或解剖结构跟踪器的移动或施加到患者或解剖结构跟踪器的外力。

37、在一些实施方式中，在进给速率的改变期间，能量施加器沿着工具路径的线性且不弯曲的区段推进。

38、在一些实施方式中，该一个或多个控制器通过以除了改变进给速率fr之外的方式或替代改变进给速率fr的方式改变操纵器的行为来减轻不期望定向运动。在一些实施方式中，该一个或多个控制器可以预测地或动态地：例如在零空间内操纵关节运动、关节限制或关节位姿；改变工具的轨迹；修改工具路径；调整虚拟边界或其他约束；禁止机器人功能，诸如重新定向、反向驱动或由用户进行的进给速率调整等。

39、上述实施方式中的任一个实施方式可单独地或与上述方面中的任一个的任何部分组合地使用。