CN109512516B - 机器人接口定位确定***及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开指向一种机器人手术***，具体涉及一种利用具有末端执行器的机器人手术装置重新定向手持式接口的方法。所述方法包括：检测工作区域中的所述手持式接口；建立所述手持式接口相对于所述末端执行器的绝对位置和角度误差；检测所述手持式接口的运动；计算所述手持式接口的位置偏移或角速度偏移；以及基于所计算的所述手持式接口的位置偏移或角速度偏移来将所述手持式接口的矢量校准为接近相对于所述末端执行器的运动的当前矢量。

Description

机器人接口定位确定***及方法
本申请是申请号为201480078205X(国际申请号为PCT/US2014/069015)、申请日为2014年12月8日、发明名称为“机器人接口定位确定***及方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及机器人手术***。具体地，本公开指向一种用于控制机器人手术***的手持式用户接口。
背景技术
机器人手术***已经被用于微创医疗操作。一些机器人手术***包括支撑机器人手臂和安装至机器人手臂的手术器械或末端执行器(诸如手术钳或抓紧工具)的控制台。具有多个接头的机械输入装置由外科医生操纵来移动机器人手臂和/或安装至机器人手臂的手术器械。
机械输入装置提供了该装置可以移动的有限活动范围，其根据接头和连接该接头的杆的构造而改变。通过扩大接头和/或杆以增加输入装置移动的工作空间和/或扩展末端执行器的输出活动，实现了更大的活动范围。扩大接头、杆和/或工作空间使得上述***不太容易运输。扩展该末端执行器活动在输入装置的人机工程学缩放活动方面减小了末端执行器的微运动的精度，使得该***不太精确。
机器人***和输入装置的尺寸可通过使用利用光学跟踪技术的无线输入装置而非机械输入装置来减小，无线输入装置诸如为光源和位置感应探测器。在光学输入装置将消除机械杆和接头的空间需求的同时，活动范围仍将受到位置探测器和光源的特性和构造的限制。通过扩展末端执行器活动也支持了更大的活动范围，并因此减小了手术***的精度。
存在对具有更大的活动范围的、容易运输的手术机器人输入装置的需求，该输入装置还应占地较小。还存在对支持更大的活动范围的光学跟踪输入装置的需求，其不会因扩展而减小末端执行器运动的精度。
发明内容
机器人手术***可编程有另外的指令并且包括补充输入设备中的光学跟踪传感器的另外的非光学传感器。该另外的非光学传感器可配置成为输入设备提供超出光学传感器的活动范围的另外的活动范围。另外的编程指令可包括减小从光学传感器和非光学传感器获得的信号之间的位置计算误差的算法。这些算法还可在改变光学传感器和非光学传感器之间的位置计算的输入源时提供较平滑的过渡。
一种机器人手术***可包括机器人手术装置，所述机器人手术装置具有至少一个机器人手臂和末端执行器，所述末端执行器具有在所述机器人手臂的远侧端处的一对钳夹构件。所述***还包括操作控制台。机头包括：挤捏接口，其构造成控制所述机器人手术装置上的所述末端执行器；至少一个标记；加速计，其构造成测量所述机头的加速度；以及发射器，其构造成将来自所述挤捏接口或加速计中的至少一个的数据传送至所述机器人手术装置。所述***还包括跟踪***，所述跟踪***跟踪所述标记并且提供所述机头的位置或定向。控制器从所述跟踪***接收所述机头的位置或定向或者从所述加速计接收所述机头的测量的加速度。所述控制器基于所述机头的位置、定向或加速度控制所述机器人手臂的运动。
所述挤捏接口可包括一对挤捏构件。在一些方案中，所述一对挤捏构件可包括配置成测量所述挤捏构件的相对运动的至少一个挤捏传感器。所述一对挤捏构件的相对运动引起所述一对钳夹构件移动。测量的所述一对挤捏构件的相对运动乘以预定因子以引起所述一对钳夹构件的运动。
在一些方案中，所述一对挤捏构件可包括测量施加至所述一对挤捏构件的力的力传感器。施加至所述一对挤捏构件的力引起所述一对钳夹构件移动到以下位置：在该位置处，对布置于所述一对钳夹构件之间的组织的闭合力被按比例地匹配给所述挤捏构件。
所述机器人手术装置可包括多个机器人手臂并且所述机头可包括配置成选择其中一个机器人手臂的开关。
在其他方案中，所述机头可包括配置成接合主设备或从设备的开关。
在多个方案中，所述跟踪***是光学跟踪***、磁性跟踪***或感应跟踪***。
在本公开的另一方案中，提供了一种用于控制机器人手术装置的手持式器械。所述手持式器械包括至少一个机头，所述机头具有：挤捏接口，其构造成控制机器人手术装置上的末端执行器；以及加速计，其配置成测量所述机头的加速度。所述机头还包括发射器，其配置成将来自所述挤捏接口或所述加速计中的至少一个的数据传送至机器人手术装置以控制机器人手术装置的运动。
在本公开的又一方案中，提供了一种使用手持式接口控制机器人手术装置的方法。所述方法包括捕捉所述手持式接口上的多个光学标记的图像。所述手持式接口的位置或定向基于所述图像确定。加速度数据从所述手持式接口接收。所述机器人手术装置的运动基于所确定的所述手持式接口的位置或定向或者基于所述手持式接口的加速度数据来控制。
所述机器人手术装置的位置或定向可基于所确定的所述手持式接口的位置或定向来控制。当所述手持式接口的位置和定向不能确定时，所述机器人手术装置的位置或定向可基于所述加速度数据来控制。所述加速度数据可被用以计算所述机器人手术装置的预估位置或定向。
在一些方案中，确定所述手持式接口的位置或定向包括将所捕捉的图像与图像数据库进行比较。在其他方案中，确定所述手持式接口的位置或定向包括计算光学标记中的至少两个之间的至少两个距离。
在一些方案中，所述机头的位置在所述机头可由所述光学标记确定的定向再次定位时通过调整机器人的非零速度运动而被带回到校准。
在本公开的另一方案中，提供了一种利用具有末端执行器的机器人手术装置重新定向手持式接口的方法。所述方法包括检测工作区域中的所述手持式接口并且建立所述手持式接口相对于所述末端执行器的绝对位置和角度误差。检测所述手持式接口的运动并且计算所述手持式接口的位置偏移或角速度偏移。基于所计算的所述手持式接口的位置偏移或角速度偏移来将所述手持式接口的矢量校准为接近相对于所述末端执行器的运动的当前矢量。
所计算的位置偏移或角速度偏移可为所述手持式接口的速度的分数乘子。所述分数乘子的大小可源自运动定向的偏移的大小和比例因子。所述比例因子可为无量纲因子、角度因子、量纲因子或时间因子。
下面参照附图更详细地描述本公开的更多的细节和方案。
附图说明
当结合附图时，鉴于以下详细说明，本公开的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见，其中：
图1是根据本公开的实施例的机器人手术***的示意图；
图2是根据本公开的实施例示出的机头的图示；
图3是图2的机头的示意图；
图4是根据本公开的实施例的控制器的示意图；
图5是描述根据本公开的实施例的跟踪算法的流程图；以及
图6是描述根据本公开的实施例的校准算法的流程图。
具体实施方式
在此参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的实例并且可采用多种方式实施。熟知的功能或结构并未详细描述以避免不必要的细节使得本公开模糊不清。因此，在此所公开的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。相同的参考标号在整个附图的描述中可指代相似或相同的元件。
本说明书可使用词组“在某实施例中”、“在多个实施例中”、“在一些实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。为了这种说明的目的，以“A或B”的形式的词组意味着“(A)、(B)或者(A和B)”。为了这种说明的目的，以“A、B或C中的至少一个”的形式的词组意味着“(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或者(A、B和C)”。
术语“临床医生”指的是执行涉及在此描述的实施例的使用的医疗操作的任意医疗专业人员(即，医生、外科医生、护士等)。正如在附图中示出和下面的整个说明书中描述的，按照当参考在手术器械上的相对定位时的传统，术语“近侧”或“尾部”指代设备的靠近临床医生的端部，而术语“远侧”或“前部”指代设备的远离临床医生的端部。
在此描述的***还可利用一个或多个控制器来接收信息并变换所接收的信息以生成输出。该控制器可包括任意类型的计算装置、计算电路或者任意类型的处理器或能够执行存储在存储器中的一系列指令的处理电路。该控制器可包括多个处理器和/或多核中央处理单元(CPU)并且可包括任意类型的处理器，诸如微处理器、数字信号处理器、微控制器等。该控制器还可包括存储器以存储数据和/或算法以执行一系列指令。
在此描述的任意方法、程序、算法或编码可以转换成或表达为编程语言或计算机程序。“编程语言”和“计算机程序”是用以将指令指定给计算机的任意语言，并且包括(但不限于)这些语言和它们的派生物：汇编语言、Basic、批处理文件、BCPL、C、C+、C++、Delphi、Fortran、Java、JavaScript、机器代码、操作***命令语言、Pascal、Perl、PL1、脚本语言、Visual Basic、其自身指定程序的元语言，以及第一代、第二代、第三代、***和第五代计算机语言。同样包括的是数据库和其他数据模式，以及任意其他元语言。为了这种定义的目的，不在被解译、编译的语言之间或者是使用编译和解译这两种方法的语言之间进行区分。为了这种定义的目的，不在程序的编译版本和源版本之间进行区分。因此，参考编程语言可存在于一个以上状态(诸如源状态、编译状态、对象状态或链接状态)中的程序是参考任意和所有这种状态。该定义还包含有效指令和这些指令的意图。
在此描述的任意方法、程序、算法或代码可包含在一个或多个机器可读媒介或存储器上。术语“存储器”可包括提供(例如，存储和/或传送)以由诸如处理器、计算机或数字处理设备的机器可读格式的信息的机构。例如，存储器可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存设备或任意其他易失性或非易失性存储设备。包含在其上的代码或指令可由载波信号、红外信号、数字信号和其他相似的信号表示。
开关可包括能够引起在至少两种状态之间的变化的装置。因此，开关可包括按钮、触发器、晶体管、转动机构、滚轮、摇杆、闸刀开关等等。
本公开旨在一种手持式接口或机头(handpiece)，其设计成被消毒并使得临床医生能够从无菌操作领域内操作机器人(robot)手术***。临床医生可具有独立的左机头和右机头。各机头可包含手指形挤捏操纵台，其包括挤捏传感器和力传感器。机头由常常在手术室中使用的位置传感器***(例如，光学***)在绝对空间中进行跟踪。本公开的机头还包含a轴加速计以提供冗余位置或定向信息。机头将数据传送至控制机器人手术装置的控制器。机头的位置在光学***不能跟踪机头时(例如，当临床医生阻碍任意或所有光学标记的视野时)使用加速计数据来增加。
在一些实施例中，使用机头中的线圈的磁场传感器可经由磁性或感应跟踪***来用以跟踪机头。
转向图1，根据本公开的实施例的机器人手术***的一个实例总体上示出为100。***100包括机器人手术装置102，其包括具有末端执行器106的多个机器人手臂104和配置成控制多个机器人手臂104和末端执行器106的电动机108。末端执行器106可为手术钳(如图1中所示)、探针、摄像机或适用于在手术操作中使用的任意其他器械。机器人手术装置102由控制器110来控制。显示器112向临床医生提供了手术区域的视觉表征。显示器112可为电视或监视器，其提供了手术区域的二维或三维视图。在一些实施例中，显示器112可为将图像投影到其中一个透镜上的一副眼镜(例如，GOOGLE
Figure BDA0001871047380000061
)。
机头114通过经由传输导线管116向控制器110提供指令来控制机器人手术装置102。传输导线管116可为导线、光纤、无线电波或其他无线通信导线管。***100可包括单个机头114以控制机器人手术装置102或者***100可包括两个机头114(左机头和右机头)。可包括至少一个图像捕捉装置和处理器的光学测量***(OMS)118被用以跟踪机头114的位置或定向。OMS 118可例如为POLARIS
Figure BDA0001871047380000062
或POLARIS
Figure BDA0001871047380000063
***(由北方数字公司(Northern Digital,Inc)制造)。
图2和图3图示出了用于在本文描述的实施例中使用的机头114的一个实例。机头114可具有人体工程学设计以减少由临床医生经历的任何疲劳。机头114包括构造成容置机头114的多个部件的外壳120。激活开关122被用以激活机器人手术装置102。挤捏接口124包括分别绕着点128a、128b枢转的成对挤捏构件126a、126b。每个挤捏构件126a、126b包括挤捏传感器130，其确定挤捏构件126a、126b之间的相对距离。末端执行器106的钳夹构件受到控制以基于所确定的挤捏构件126a、126b的相对距离来开启或关闭。一旦挤捏构件126a、126b到达其各自的运动界限，则力传感器132确定被施加至挤捏构件126a、126b的力的大小。所施加的力的大小乘以因子并且被转换为用于末端执行器106的钳夹构件的闭合力。在其他实施例中，吻合或血管密封操作的激活可施加预定的闭合力用于末端执行器106的钳夹构件。
机头114还包括一个或多个功能开关134。机头114可包括显示开关136。当临床医生激活显示开关136时，临床医生可使用机头114来控制显示器112。例如，临床医生可移动光标、放大或缩小、选择区域或可在显示器112上执行的任意其他功能。因为机器人手术装置102具有多个手臂104，临床医生可使用手臂选择开关138以选择机器人手术装置102的手臂104中的一个。在选择手臂104中的一个时，机头114的移动引起所选择的手臂104的移动。该机器人手术装置还可包括主/从配置，在该配置中，机器人手术装置包括多个主设备并且每个主设备包括对应数目的从设备。主/从开关140可被用以选择不同的主设备和从设备。机头114是主设备而手臂104是从设备。
机头114还包括用于测量恰当的加速度的加速计142，该加速度是相对于自由落体、惯性、对于被测量物体而言暂时处于静止的观察者的加速度。具体地，加速计142可为单轴或多轴加速计，其可检测上述恰当的加速度(或重力加速度)的大小和方向作为矢量。加速计142还可感测机头114的旋转加速度、坐标加速度、振动或震动。
处理器144从激活开关122、挤捏传感器130、力传感器132、功能开关134和加速计142接收信号并且将信号经由收发器146通过常规手段传送至控制器110。收发器146还可从控制器110接收信号以经由设置在机头114上的触觉设备148向临床医生提供触觉反馈。触觉设备148可为向临床医生提供模拟触觉响应的任意设备。
机头114还包括多个光学标记149。光学标记149布置成图案(例如，以图2中所示的菱形图案)以便提供正如将在下面描述的机头114的距离和定向。可以使用任意数目的光学标记149并且光学标记149可以布置成任意图案。
图4是图1的控制器110的示意性框图。控制器110包括处理器150、输入152、存储器154、机器人控制器156、显示控制装置158和收发器160。处理器150可为集成电路或由模拟或数字元件组成的电路，其接收信息或数据并且处理所接收的信息或数据以提供输出。例如，处理器150可积分来自加速计142的加速度传感器信号以确定正交和旋转运动或位置。输入152(可为一个或多个开关、键盘、鼠标、触摸屏等)由临床医生操作以执行多种功能。存储器154可存储由处理器使用的算法以控制机器人手术***100的多个方面。存储器154还可存储与患者相关的图像或光学标记图案的数据库以确定机头114的距离和定向。机器人控制器156从处理器150接收信号以控制机器人手术装置102的运动。显示控制装置158从处理器150接收数据并且呈现提供至显示器112的图像。收发器160从机头114接收数据。该数据由处理器150使用来控制机器人手术装置102或显示器112。
将结合图1至图4讨论的图5是描述根据本公开的实施例的机头114的跟踪方法的流程图。如图5中所示，机器人手术装置102在步骤s200中激活。在步骤s202中OMS 118捕捉光学标记149的图像。在OMS 118捕捉图像之后，该图像由处理器150处理以确定该图像是否包括所有光学标记149。如果所捕捉的图像包括所有的光学标记149，则过程进行到确定手术装置的位置或定向的步骤s206。存储器154存储查找表，在查找表中，两个以上光学标记图案图像与距离和定向关联。在步骤s206中，处理器150将所捕捉的图像与存储在存储器154中的光学标记的图像进行比较。处理器然后确定所存储的哪个图像最佳地匹配所捕捉的图像。处理器150然后读取查找表以提取机头114的距离和定向。在其他实施例中，可以计算光学标记之间的距离或角度以确定机头114的距离和定向。机头114的距离和定向由处理器150转换以确定机器人手术装置102或末端执行器106的期望的位置和定向。然后在步骤s208中，机器人手术装置102或末端执行器106基于所确定的位置或定向来移动。在步骤s210中，处理器150确定是否应当继续跟踪机头114。如果机头114不再需要，那么过程进行至中断跟踪的步骤s212。如果仍需要机头114，那么过程进行至步骤s202。
在步骤s204中，如果所捕捉的图像不包含所有光学标记149，那么在步骤s214中由加速计142捕捉机头114的加速度。加速计142不但测量机头114的运动的大小和方向而且还感测机头114的定向。机头114的大小和方向或定向被提供至处理器150以在步骤s216中预估机器人手术装置102或末端执行器106的期望的位置或定向。机器人手术装置102或末端执行器106然后在步骤s218中基于所预估的位置或定向移动。
因为机头114的加速计142缺乏有效参考以确定相对于患者的位置或定向和偏移可能，处理器150执行存储在存储器154中的校准算法。通过借助光学跟踪***调整非零速度以使计算的机头114位置回到绝对定向中，校准算法不带任何迷失方向性跃动地重建机头114对于机器人手术装置102、机器人手臂104、末端执行器106、手术区域或患者的绝对定向。该***在机头114的运动接近零速度时将不进行修正。如图6中所示，在检测机头114的步骤s300中开始上述算法。在步骤s302中，通过反求机头114相对于机器人当前位置的方位并且确定机头114的位置相对于机器人当前位置的当前偏移和机头114在光场中的位置，建立机头114的绝对位置和角度误差。在步骤s304中，由处理器150检测机头114的运动。例如，当机头114移动时，加速计142将加速度数据传送至处理器150。基于该加速度数据，处理器150确定机头114正在移动。
处理器150然后在步骤s306中计算使机头114的矢量与相对于机器人手术装置102、机器人手臂104或末端执行器106的运动的当前矢量校准所需的位置偏移或角速度偏移。位置偏移或角速度偏移是机头114的速度的分数乘子。分数乘子的大小源自机头114的运动的定向的偏移的大小和比例因子(scale factor)。该比例因子可以为无量纲因子、角度因子、量纲因子或时间因子。
例如，在给定的***中，诸如末端执行器106的装置作为安置在整个坐标位置内的a、x、y、z坐标系的矢量参考而在数学上被定位，并且机头114的矢量在临床医生关于y轴旋转地移动机头114的同时在角度上漂移时，分数乘子的大小可以如下地计算为：
Figure BDA0001871047380000091
其中，ω是角位置并且
Figure BDA0001871047380000092
是角速度。
在校准算法中，反时常数(比例因子)越大，则校准发生地越快。这导致渐进至完全校准条件的修正，在该条件下，机头114的速度与机器人手臂装置102、机器人手臂104或末端执行器106的速度之间的偏移随着所要求的修正接近零而接近相等，而不管比例因子的大小如何。
在其他实施例中，只要伴随着所计算的偏移的速度存在并且误差大于零(0)，那么速度偏移可以是恒定的。在这种情形下，反时常数应当相对小，以便维持校准过程的期望的细微性。当速度为零时可以不进行修正，以防止无意的运动并消除由于用户和机器人之间的不匹配运动造成的任意迷失方向性影响。
一旦在步骤s306中计算了位置偏移或角速度偏移，则机头114的矢量与机器人手术装置102、机器人手臂104或末端执行器106的矢量校准。
应当理解，前面的描述仅仅是本公开的示意。本领域技术人员可以设想出多种替代和修改而不偏离本公开。因此，本公开意在包含所有这种替代、修改和变型。参照附图所描述的实施例被呈现以仅仅展示本公开的特定实例。与上面和/或附属权利要求中描述的那些实质上不同的其他元件、步骤、方法和技术也意在位于本公开的范围内。

Claims (3)

1.一种利用具有末端执行器的机器人手术装置重新定向手持式接口的方法，所述方法包括：
检测工作区域中的所述手持式接口；
通过反求所述手持式接口相对于所述末端执行器的位置的方位并且确定所述手持式接口的位置相对于所述末端执行器的位置的偏移和所述手持式接口在所述工作区域中的位置，建立所述手持式接口相对于所述末端执行器的绝对位置和角度误差；
检测所述手持式接口的运动；
计算所述手持式接口的位置偏移或角速度偏移，其中，所计算的位置偏移或角速度偏移是所述手持式接口的速度的分数乘子；以及
基于所计算的所述手持式接口的位置偏移或角速度偏移来将所述手持式接口的矢量校准为接近相对于所述末端执行器的运动的当前矢量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述分数乘子的大小源自定向偏移的大小和比例因子。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述比例因子是无量纲因子、角度因子、量纲因子或时间因子。
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