多关节医疗器械的致动中的张力控制的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2011年10月28日、名称为"多关节医疗器械的致动中的张力 控制"的中国专利申请201180054014. 6的分案申请。
技术领域
【背景技术】
[0002] 微创医疗程序通常采用借助于计算机或通过计算机接口控制的器械。例如，图1 示出具有被简化W用于图示一些当前自动控制的医疗器械的基本工作原理的结构的自动 控制器械100。（本文中使用的术语"机器人"或"自动"等包括遥控操作装置或遥控机器 人方面。）器械100包括在细长轴或主管120远端处的工具或末端执行器110。在图示的 示例中，末端执行器110是飄式工具，诸如具有分离的夹片112和114的错子或剪刀，并且 至少夹片112可移动从而相对于夹片114打开或闭合。在医疗程序期间的使用中，主管120 远端上的末端执行器110可W通过病人身体中的小切口插入并且定位在病人身体内的工 作部位。然后，例如，在执行手术任务期间，夹片112可W打开和闭合，因此必须进行精确控 制夹片W便仅执行期望的移动。除了打开和闭合夹片112和114之外，实际医疗器械一般 将需要许多运动自由度，W便执行医疗程序。
[0003] 主管120的近端附连至传动或驱动机构130,传动或驱动机构有时被称为后端机 构130。腫122和124,可W是多股绞线、杆、管或运种结构的组合，其从后端机构130延伸 通过主管120并附连至末端执行器110。典型的手术器械还将包括将后端机构130连接到 末端执行器110的其他致动构件、腕机构（未示出）或主管120中的致动椎骨的额外的腫， W便后端机构130可W操纵腫W操作器械100的末端执行器110和/或其他致动元件。图 1示出了具有提供夹片112的单运动自由度的枢接结构116的夹片112。两个键122和124 附连至夹片112和后端机构130中的滑轮132,W便滑轮132的转动引起夹片112转动。
[0004] 滑轮132附连至驱动马达140,驱动马达可W位于机械臂（未示出）的末端，控制 系统150电控制驱动马达140。控制系统150-般包括计算系统W及适当的软件、固件和外 围硬件。除了其他功能，控制系统150 -般还为外科医生或其他系统操作人员提供工作部 位和末端执行器110的图像（例如，立体视图），并且提供控制装置或操纵器，外科医生可W 操作控制装置或操纵器来控制末端执行器110的移动。用于解释控制装置的用户操纵和生 成引起夹片112的对应移动的马达信号所需的软件或固件在实际机器人医疗器械中一般 是复杂的。为了考虑控制任务的一部分，用于驱动马达140的控制信号的生成一般利用夹 片112的角度或位置与驱动马达140或后端机构130中的滑轮132的角度或位置之间的关 系。如果腫122和124是刚性的（例如，如果腫的拉伸可W忽略不计），则控制系统150在 确定按照外科医生的指示移动夹片112所需的控制信号时，可W利用驱动马达140的角位 置与夹片112的角位置之间的直接关系，其由器械100的几何结构限定。腫122和124例 如在工作负载下的微小拉伸可W通过马达位置和执行器位置相关的某些数学模型处理。然 而，如果包括末端执行器110、腫122和124W及后端机构130的机械结构具有高度的柔度， 那么马达140(或滑轮132)的角位置与夹片112的角位置之间的关系很难或不可能W足够 准确度对医疗器械建模。因此，运些系统需要不依赖于应用的致动器控制信号和致动元件 的位置之间的固定关系的控制过程。
[0005] 应当注意，在下面，医疗器械的关节可W是枢接结构或者是为器械尖端提供一个 或多个运动自由度的结构。例如，关节可W是连续晓性部段或者是近似连续晓性部段的 枢转关节或不完全旋转但也提供滚动接合的单个旋转关节的组合。例如参见Cooper等 人的标题为"FlexibleWristforSurgicalTool"的美国专利US7, 320, 700 和Cooper 等人的标题为"SurgicalTool化vingaPositively化sition油IeTendon-Actuated Multi-diskWrist化int"的美国专利US6,817,974。
[0006] 还应当注意，在医疗机器人器械控制的领域的状态中，致动器位置是伺服控制 的，从而产生期望的器械尖端运动或定位。实际上只要致动器和器械关节之间的传动系 统是刚性的，运种方法就是有效的。例如参见标题为"CameraReferencedControlina MinimallyInvasiveSurgicalApparatus"的美国专利US6, 424, 885。如果可W准确地 建模传动系统的晓性，该方法也可W是有效的，模型包括在控制器中，运在Barbagli等人 的标题为"RoboticInstrumentControlSystem"的美国专利申请No. 2009/0012533A1 中 进行描述。
【发明内容】
[0007] 根据本发明一方面，具有多个自由度的器械的控制系统和方法使用器械的当前构 形/速度和器械的期望构形/速度之间的差来确定和控制近端致动器通过一组传动系统施 加到器械的力。使用施加的力和指示医疗器械的结果构形的反馈允许对医疗器械的自动控 审IJ，即使器械的传动系统具有近端致动器和远处致动元件之间的不可忽略的柔度。反馈方 法特别允许精确的器械操作，即使在器械的构形不能直接从近端致动器的位置推断出时。
[0008] 在本发明的一个实施例中，测量或另外确定末端执行器或尖端的构形，并且在确 定实现期望的尖端构形所需的关节力矩和施加的力的过程中，采用尖端的当前构形和期望 构形之间的差。该控制方法的实施例可W允许选择尖端的动态行为，从而例如利于器械与 组织的相互作用，同时允许器械其他部分中的灵活性。
[0009] 在本发明的另一个实施例中，测量器械中每个关节的构形，当前关节构形和期望 关节构形之间的差被用于确定将所有关节移动到期望构形所需的致动器力。
[0010] 本发明的一个具体实施例是包括多个关节、致动器和传动系统的医疗系统。该传 动系统具有分别禪连到致动器的近端，并且每个传动系统具有附连到多个关节中的相关联 的一个关节的远端，从而允许较接相关联关节的力传动。医疗系统中的传感器测量关节或 器械尖端的构形，操作致动器将力施加到传动系统的控制系统接收来自传感器的构形测量 结果，并且使用该构形测量结果确定施加到传动系统的致动力。
[0011] 本发明的另一个具体实施例是用于控制医疗器械的方法。该方法包括：测量医疗 器械的多个关节的构形；接收指示该医疗器械的期望构形的命令；确定将相应致动器连接 到关节的传动系统中的各张力；和操作致动器W将力分别施加到传动系统。确定施加的力 不依赖于致动器的位置。
【附图说明】
[0012] 图1示出已知自动控制的医疗器械的零件。
[0013] 图2示出可W利用根据本发明实施例的控制过程操作的医疗器械，其控制通过柔 性传动系统施加的力W便控制器械的较接椎骨。
[0014] 图3A示出医疗器械，其中可W用传动系统操作根据本发明实施例的控制过程，该 传动系统具有用于操作机械关节的最小和最大力传递。
[0015] 图3B示出其中关节包括连续晓性结构的本发明实施例。
[0016] 图3C示出用于控制图3B中关节的单运动自由度的一对腫的位置。
[0017] 图4示意性示出机器人医疗系统并具体示出本发明实施例中使用的控制远处关 节的量，该远处关节通过柔性传动系统连接到致动器。
[0018] 图5A是根据本发明实施例的控制过程的流程图。
[0019] 图5B是用于确定与致动器速度和关节速度之差相关联的张力校正的过程的流程 图。
[0020] 图5C是用于确定与操纵相同关节的致动器速度之差相关联的张力校正的过程的 流程图。
[0021] 图5D示出最大施加张力和最小施加张力的控制的函数。
[0022] 图6示意性示出机器人医疗系统并具体示出本发明实施例中使用的控制多关节 器械的量。
[0023] 图7A是根据本发明实施例的基于所测量的关节构形和期望的关节构形之差选择 施加的张力的过程的流程图。
[0024] 图7B是根据本发明实施例的基于所测量的尖端构形和期望的尖端构形之差选择 施加的张力的过程的流程图。
[00巧]图8A是部分多关节器械的侧视图，该多关节器械可W利用根据本发明实施例的 驱动力控制而操作从而控制具有平行致动轴线的关节。
[00%] 图8B和8C分别示出部分多关节器械的侧视图和端视图，该多关节器械具有可W利用根据本发明实施例的驱动力控制而操作的带垂直致动轴线的关节。
[0027] 图9A示出其中关节包括提供两个运动自由度的连续晓性结构的本发明实施例。 [002引图9B和9C示出分别使用四个腫和S个腫控制图9A中关节的两个运动自由度的 本发明实施例。
[0029] 图9D示出其中每个关节包括连续晓性结构和提供两个运动自由度的双关节医疗 器械的实施例。
[0030] 图9E示出使用六个腫控制由图9D中器械的两个关节提供的四个运动自由度的本 发明实施例。
[0031] 图10是示出根据本发明实施例通过顺序评价多关节器械中的关节来确定张力的 过程的流程图。
[0032] 不同附图中使用的相同参考符号表示相似或相同的项。
【具体实施方式】
[0033] 根据本发明一方面，可W经由不提供致动器位置和关节位置之间固定关系的传动 系统来控制医疗器械。特别地，系统操作人员（例如，外科医生）的行为可W指示医疗器械 当前期望的构形/速度，同时传感器测量器械的实际构形/速度。然后，根据期望的构形和 测量的构形可W选择力、张力或扭矩，并且通过传动系统施加力、张力或扭矩从而使器械朝 其期望构形移动。如果先前选择的施加的力、张力或扭矩导致关节超过或未能达到期望位 置，那么可W改变施加的力、张力或扭矩的选择标准。
[0034] 图2示出具有传动系统的柔性医疗器械200的一部分，诸如标题为"Compliant SurgicalDevice"的美国专利申请No. 12/494, 797所描述的，其整体内容并入本文作为参 考。器械200包括通过控制腫222和224的各自张力而被操纵的关节元件210。一般地，器 械200可W含有与关节元件210相似的许多机械关节，每个关节可W利用与腫222和224相 似的腫控制。在示例性的实施例中，器械200是进入导引装置，其可W被操纵W沿着病人体 内的自然腔而行。进入导引装置一般包括包围椎骨（包括元件210)的晓性外护套（未示 出），并且提供一个或多个中央腔，其他医疗器械可W通过中央腔插入从而进入工作部位。 柔度在进入导引装置中是特别期望的，W便防止进入导引装置的行为或反作用损伤朝着进 入导引装置移动或挤压的周围组织。然而，其他类型的医疗器械也可W受益于图2中所示 类型的柔性驱动机构。
[0035] 器械200包括具有腫222和224的后端机构230,其提供将关节元件210连接到驱 动马达242和244的柔性传动系统。特别地，后端机构230包括弹黃系统235,其附连至腫 222和224W及驱动马达242和244。图2中的每个弹黃系统235包括机械驱动系统232和 恒压弹黃234。每个驱动系统232禪连马达242或244,并且将驱动马达242或244的旋转 运动转换成线性运动，其改变由关联的恒压弹黃234施加到腫222或224的恒定力。在所 示的实施例中，每个恒压弹黃234包括常规的胡克定律弹黃236和凸轮238。每个弹黃236 连接到关联的驱动系统232,W便驱动系统232的线性运动使弹黃236的近端移动。每个凸 轮238具有第一引导表面和第二引导表面，其中附连至关联弹黃236远端的缆绳237附连 在第一引导表面上并骑跨在其