CN113616334A - 用于机器人***的使用光源的远程运动中心定义 - Google Patents

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Abstract

一种机器人***包括：机器人联动装置(202)，其具有通过两个关节(220、222)连接的一个或多个臂。所述关节每个包括关节旋转轴(206或208)以及与各自的关节轴对齐的光源(128)。光源被配置为沿各自的关节轴对光进行导向，使得来自光源的光在沿被所述机器人联动装置保持在操作位置中的仪器(204)的位置处相交，以定义针对所述机器人联动装置的远程运动中心(RCM)。

Description

用于机器人***的使用光源的远程运动中心定义
本申请是2015年01月22日提交的申请号为201580007186.6、名称为“用于机器人***的使用光源的远程运动中心定义”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及医学仪器，并且更具体地涉及具有经改进的远程运动中心确定的机器人***。
背景技术
在机器人引导的微创手术中，一个或多个工具由机器人操纵器保持。为确保机器人不在患者的切口点上施加平移力，一些机器人在支点处实施所谓的远程运动中心(RCM)。RCM强制要求在端口处只能执行旋转并且消除该位置处的所有平移力。在这种情况下，机器人的RCM必须与患者的切口点对齐。因此，必须有一种方法在机器人上指示RCM在空间中的位置。手术室人员需要在空间上将该点与切口点对齐。大多数***需要放置在机器人上的外部硬件与切口点接触，这增加了成本和设置时间。这反映了这样一个事实：指示RCM位置的硬件通常是在机器人被设计和建立之后添加的，很少作为机器人设计过程的一部分。
发明内容
根据本发明的原理，一种机器人***包括机器人联动装置，所述机器人联动装置具有通过至少两个关节连接的臂，每个关节包括关节旋转轴和与各自的关节轴对齐的光源。所述光源被配置为沿各自的关节轴对光进行导向，使得来自所述光源的光在沿着被所述机器人联动装置保持在操作位置中的仪器的位置处相交，以定义针对所述机器人联动装置的远程运动中心(remote center of motion,RCM)。
另一种机器人***包括第一关节和第二关节，所述第一关节具有在至少两个机器人部件之间的第一旋转轴，所述第二关节具有在至少两个机器人部件之间的第二旋转轴。仪器由所述机器人***保持在操作位置中。第一光源被配置为沿所述第一轴对光进行导向，并且第二光源被配置为沿所述第二轴对光进行导向，使得来自所述第一光源的光与所述第二光源的光在沿着所述仪器的位置处相交，以定义针对所述机器人***的远程运动中心(RCM)。
一种用于确定远程运动中心的方法包括：沿着在至少两个机器人部件之间的关节的第一旋转轴将第一光源对齐；沿着在至少两个机器人部件之间的关节的第二旋转轴将第二光源对齐；由所述机器人***将仪器紧固在操作位置；从所述第一光源沿所述第一轴对光进行导向；从所述第二光源沿所述第二轴对光进行导向；并且在来自所述第一光源的光与来自所述第二光源的光的相交处定义针对所述机器人***的远程运动中心(RCM)，其中，所述相交在沿所述仪器的位置处。
本公开的这些和其他目标、特征和优势将下面结合附图阅读的对本公开示例性实施例的详细描述中变得显而易见。
附图说明
本公开将参考附图来详细呈现对优选实施例的以下说明，其中：
图1是示出了根据一个实施例的机器人控制工作站的方框图/流程图，所述机器人控制工作站采用对远程运动中心(RCM)的光源定义；
图2是根据本发明的原理的机器人***的部分的侧视图，机器人***示出了具有拥有与其对齐的激光的关节的联动装置并示出了光在仪器上的相交以定义RCM；
图3是根据本发明的原理的关节组件的***图，其示出了与关节部件对齐的激光；并且
图4是示出了根据说明性实施例的用于定义RCM的方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明的原理，提供了用于确定远程运动中心(RCM)的***和方法以确定机器人轴，所述机器人轴允许使用低成本光源来指示机器人***的RCM的位置。在一个实施例中，使用通过小端口***患者体内的细长仪器(例如内窥镜)进行微创手术。一个或多个仪器由机器人设备保持和控制，其中所述仪器能够围绕(一个或多个)支点旋转，但是所述仪器不能在端口或患者上施加平移力以防止对患者造成伤害或危害。这对于机器人引导的手术尤其重要，因为机器人可能会施加很大的力。需要知道RCM在空间中的具***置。接着将空间中的点与端口对齐。
根据本发明的原理，采用激光或其他光源通过轴(即光束)在RCM处的相交来指示在机器人***上RCM的位置。公开了机器人设计以提供允许使用光***来定义RCM的机器人轴。如果机器人设计有RCM，则机器人的RCM需要与患者的切口点对齐。提供了在机器人上指示RCM在空间中的位置的方法。一旦定义了RCM，在空间中将RCM与切口点对齐对于手术室人员来说就不那么复杂了。
应该理解，将关于与医学仪器一起使用的机器人***来描述本发明；然而，本发明的教导要宽泛得多并且适用于任何机器人仪器。在一些实施例中，本发明的原理在跟踪、操纵或分析复杂生物或机械***中被采用。特别是，本发明的原理适用于涉及生物***的流程以及在身体的所有区域中的流程，例如，肺、胃肠道、***器官、血管等。各附图中描绘的元件可以被以硬件和软件的各种组合来实现，并且提供可以被组合在单个元件或多个元件中的功能。
可以通过使用专用硬件以及能够与合适的软件相关联来执行软件的硬件来提供各附图中示出的各元件的功能。在由处理器提供功能时，可以通过单个专用处理器，通过单个共享处理器，或者其中一些能够被共享的多个独立处理器来提供功能。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应当被解释为排他性地指代能够执行软件的硬件，并且能够隐含地包括但不限于：数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性存储器等。
此外，本文中详述本发明的原理、方面和实施例及其具体范例的所有陈述旨在包括其结构等价方案和功能等价方案两者。另外，旨在使这样的等价方案包括当前已知的等价方案以及未来开发的等价方案(即所开发出的执行相同的功能的任何元件，而不管其结构如何)两者。因此，例如，本领域技术人员将意识到，本文中提出的方框图表示说明性***部件的概念性视图和/或实现本发明的原理的电路图。相似地，应当意识到任何流程图表、流程图等表示各个过程，这些过程可以基本在计算机可读存储媒体中表示并且因此由这样的计算机或处理器执行，不论是否明确示出了计算机或处理器。
另外，本发明的原理的实施例可以采取能够从计算机可用或计算机可读存储介质访问的计算机程序产品的形式，所述计算机可用或计算机可读存储介质提供由计算机或任何指令执行***使用或结合计算机或任何指令执行***使用的程序代码。出于这种说明的目的，计算机可用或计算机可读存储介质能够是可以包括、存储、传送、传播或输送由指令执行***、装置或设备使用或结合指令执行***、装置或设备使用的程序的任何装置。所述介质可以是电子、磁性、光学、电磁、红外线或半导体***(或装置或设备)或者传播介质。计算机可读介质的范例包括半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘和光盘。光盘的当前范例包括光盘-只读存储器(CD-ROM)、光盘-读/写(CD-R/W)、蓝光盘TM和DVD。
现在参考附图，在附图中，类似的附图标记表示相同或类似的元件，并且首先参考图1，根据一个实施例说明性地示出了用于使用机器人来执行手术流程的***100。***100可以包括工作站或控制台112，从所述工作站或控制台来监督和/或管理流程。工作站112优选包括一个或多个处理器114以及用于存储程序和应用的存储器116。存储器116可以存储机器人控制模块115，所述机器人控制模块被配置为解读来自用户或者来自程序的命令并且控制针对机器人***108的移动(例如平移和旋转)、速度、角速度、加速度、角加速度等。使用运动设备或关节130来提供机器人***108的运动，所述运动设备或关节可以包括马达、致动器、饲服机等。控制模块115可以包括硬件(控制板、软件和/或它们的组合)。
在一个实施例中，工作站112可以包括用于存储和执行手术计划的规划模块104。规划模块104可以在流程期间向机器人***108提供指令。在另一实施例中，可以使用图像引导来控制机器人***108。图像引导模块106根据由成像设备102、额外的成像***110(例如X射线、超声等)收集的图像数据134和/或根据通过经扫描的图像(例如术前图像数据或术中图像数据)生成的图像模型136来向控制***提供命令。图像处理模块148可以被提供为将图像数据转换成针对机器人***108的指令。应该理解，也预期用于控制机器人***108的其他配置和控制***。
工作站112可以包括用于察看对象(患者)160的内部体积131的显示器118。显示器118也可以允许用户与工作站112及其部件和功能或者***100内的任何其他元件交互。这是通过接口120来进一步促进的，所述接口可以包括键盘、鼠标、游戏杆、触觉设备或任何其他***设备或控件，以允许来自工作站112的用户反馈以及与工作站112的交互。
在特别有用的实施例中，机器人***108被用于微创手术，尽管机器人***108可以被用在其他外科流程和非手术任务中。出于说明性目的，机器人***108可以被用于保持仪器102，例如具有相机的内窥镜或其他设备或仪器。也可以采用其他仪器在手术期间使用。仪器102可以包括导管、导丝、探头、内窥镜、机器人、电极、过滤器设备、球囊设备、钳子、夹具、其他部件或工具等。在特别有用的实施例中，仪器102经过远程运动中心(RCM)122。由于很多机器人操纵的仪器是刚性的或半刚性的，因此仪器需要经过RCM 122。因此，RCM 122是仪器102上的点并需要被定位。
根据本发明的原理，机器人***108需要与切口点或端口124对齐。一个或多个运动设备130(例如关节、马达关节、枢轴点等)包括光源128(例如激光、发光二极管或其他聚焦光源)。光源128在下文中将被描述为激光器128。激光器128朝向RCM 122的位置，以便当仪器102被装载到操纵器臂132中时，来自激光器128的光照亮仪器102上指示RCM 122的位置。在一个实施例中，机器人***(机器人)108可以被设置为在两个或更多个关节130上具有激光器128，使得通过来自两个或更多个激光器128的光的相交来定义RCM 122。
在一个实施例中，(一个或多个)激光器128被安装在关节130的邻近仪器102的一侧上。激光器128被激活以指示工具中RCM 122被定位的位置。激光器128可以包括相同的颜色、不同的颜色和/或产生不同的形状(正交地被定位的卵形或狭缝)，使得将容易地找到激光器128的射束相交的相交点，以定义RCM 122。一旦RCM 122在空间中被定义并且在仪器102上可见，就可以在相交点处将不同的颜色组合以在其上产生新的颜色。用户、外科医师、医师助理等可以将RCM 122与切口点或端口124对齐。激光器128优选地是可以与机器人***108的马达关节130对齐并被应用到所述马达关节的低成本激光器。机器人***108可以包括弓形架构，但是也预期其他机器人架构。
参考图2，说明性地示出了机器人设备或联动装置202，其被配置为使用操纵器214来围绕RCM 122操纵内窥镜204(或其他仪器)。具有RCM 122的机器人设备202(具有操纵器214)包括两个串联同轴弓210、212。激光器128被安装在机器人202的两个关节轴206、208中的每个上以在RCM 122处相交，从而指示其位置。RCM 122是内窥镜204的轴、关节220的关节轴206以及关节222的关节轴208相交的位置。通过将激光器128安装在关节轴206、208中的每个上，可以通过两个激光束216、218的相交来在内窥镜204(或其他设备)上指示机器人的RCM 122的位置。
一旦RCM 122被定位，则对于操作室人员而言，将该点与患者上的切口点对齐是简单的。激光128通过以允许(一个或多个)激光器128与运动轴对齐的方式设计机器人202的轴组件来指示RCM 122。尽管机器人202包括具有两个串联同心弓配置210、212的配置，但是对于要被安装在轴206、208上的激光器128而言，轴需要以如下的方式被设计，即，将马达、齿轮箱、轴承和杆沿共同的轴对齐(见图3)。以这样的方式，激光器128可以被安装在轴的底部处并且容易地与轴对齐，使得其能够用作RCM 122的***。
参考图3，根据一个实施例示出了沿轴322成直线的关节组件300的部件的***图。关节组件或关节300包括保持对齐的马达318、上杆310和下杆302、以及轴承308和312，使得激光器128(及其壳体)可以被放置于关节300的底部处并且与轴322对齐。关节300可以包括编码器320和绝对编码器304。一个或多个机器人臂或弓306可以被连接到杆302、310。马达318可以与齿轮箱316接合，所述齿轮箱316适配在马达壳体314等的里面。马达318和齿轮箱316被配置为相对于彼此驱动机器人臂306。
应该理解，可以用不同于图3中描绘的顺序来配置关节300及其部件，作为对所描述的那些部件的替代或补充，关节300及其部件可以包括其他部件，并且可以包括不同的形状和结构特征。在备选实施例中，也可以采用激光器以外的元件来指示RCM 122的位置。例如，可以采用具有或不具有其他光学器件(例如透镜等)的任何其他光学的光元件(例如发光二极管(LED)组件或任何其他类型的光源)。光学的光源应该提供能够被用于可靠地并准确地识别针对RCM 122的空间中位置的射束。
还应当理解，本发明的原理可以用于多种不同的应用，包括微创手术、其他机器人手术、诸如在制造和处理中的机器人应用等。本发明的原理特别有用的应用包括心脏手术、例如微创冠状动脉旁路移植术、心房间隔缺损闭合、瓣膜修复/替换等；腹腔镜手术，例如子宫切除、***切除术、胆囊手术等；或其他手术。其他手术可以包括例如：自然孔道腔内手术(NOTES)、单切口腹腔镜手术(SILS)、肺/支气管手术、微创诊断介入(例如关节镜检查)等。
参考图4，根据本发明的原理说明性地示出了用于确定远程运动中心的方法。在框402中，提供了机器人联动装置。该联动装置可以包括一个或多个机器人部件，所述一个或多个机器人部件可以包括被动臂、操纵器臂或其他联动器件或结构。联动装置的部分通过可以包括马达的关节组件结合。在框404中，第一光源沿着至少两个机器人部件之间的关节的第一旋转轴对齐。在框406中，第二光源沿着至少两个机器人部件之间的关节的第二旋转轴对齐。第一光源和/或第二光源还可以沿着各自的轴与马达、一个或多个杆、齿轮箱等对齐。第一光源可以包括与第二光源不同颜色的光或不同形状的光束。光源可以包括激光器、定向或聚焦的白炽光、发光二极管等。
在框408中，仪器由机器人固定在操作位置。仪器可以包括诸如内窥镜的医学设备，但是也可以采用其他医学或非医学设备。在框410中，从第一光源沿第一轴对光进行导向。在框412中，从第二光源沿第二轴对光进行导向。在框414中，在来自第一光源的光与来自第二光源的光在沿着所述仪器的一位置处相交定义了针对机器人***的远程运动中心(RCM)。在框416中，例如在手术准备或其他应用中将RCM与机器人***的工作区域对齐。
在解释随附的权利要求时，应当理解：
a)“包括”一词不排除在给定权利要求中所列举的其他元件或动作之外的元件或动作的存在；
b)在元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在；
c)在权利要求中的任何附图标记不限制其范围；
d)若干“单元”可以由相同的项或硬件或软件实施的结构或动能来表示；并且
e)并不旨在需要特定序列的动作，除非明确指出。
已经描述了用于针对机器人***的使用光源的远程运动中心定义的优选实施例(所述优选实施例旨在是说明性的而不是限制性的)，注意到本领域技术人员鉴于以上教导可以做出修改和变型。因此应当理解，可以在本文中如权利要求书概括的那样公开的实施例的范围内，对所公开的公开内容的特定实施例中做出变化。因此已经描述了专利法所要求的细节和特性，在权利要求书中阐述了由专利证书要求并且期望被保护的内容。

Claims (16)

1.一种机器人***，包括：
机器人设备(202)，其包括通过至少两个关节(220、222)连接的一个或多个臂，所述至少两个关节中的每个是马达关节并且包括被安装在每个关节的底部处并与各自的关节旋转轴(206或208)对齐的光源(128)以及沿所述各自的关节旋转轴(206或208)对齐的马达(318)和至少一个杆(302、310)；所述光源中的每个被配置为沿各自的关节旋转轴对光进行导向，使得来自所述光源的光在沿被所述机器人设备保持在操作位置中的仪器(204)的位置处相交，以定义针对所述机器人设备的远程运动中心(RCM)。
2.如权利要求1所述的机器人***，其中，所述光源(128)包括激光器或发光二极管之一。
3.如权利要求1所述的机器人***，其中，所述光源(128)包括针对每个关节的不同颜色。
4.如权利要求1所述的机器人***，其中，所述光源(128)针对每个关节产生不同的射束形状。
5.如权利要求1所述的机器人***，其中，所述光源(128)照射所述仪器上的位置以使得RCM能够与所述机器人***的工作区域对齐。
6.如权利要求1所述的机器人***，其中，所述仪器(204)包括手术工具。
7.一种机器人***，包括：
第一关节(220)，其具有在至少两个机器人部件之间的第一旋转轴，其中，所述第一关节(220)包括沿所述第一旋转轴对齐的马达和至少一个杆；
第二关节(222)，其具有在至少两个机器人部件之间的第二旋转轴，其中，所述第二关节(222)包括沿所述第二旋转轴对齐的马达和至少一个杆；
仪器(204)，其由所述机器人***保持在操作位置中；
第一光源(128)，其被安装在所述第一关节的底部处并与所述第一旋转轴对齐并且被配置为沿所述第一旋转轴对光进行导向；以及
第二光源(128)，其被安装在所述第二关节的底部处并与所述第二旋转轴对齐并且被配置为沿所述第二旋转轴对光进行导向，使得来自所述第一光源的光与来自所述第二光源的光在沿所述仪器的位置处相交，以定义针对所述机器人***的远程运动中心(RCM)。
8.如权利要求7所述的机器人***，其中，所述第一光源(128)包括激光器或发光二极管之一。
9.如权利要求7所述的机器人***，其中，所述第二光源(128)包括激光器或发光二极管之一。
10.如权利要求7所述的机器人***，其中，所述第一光源(128)包括与来自所述第二光源的光不同颜色的光。
11.如权利要求7所述的机器人***，其中，所述第一光源(128)产生与来自所述第二光源的光束不同形状的光束。
12.如权利要求7所述的机器人***，其中，所述第一光源(128)和所述第二光源(128)照射所述仪器上的位置以使得RCM能够与所述机器人***的工作区域对齐。
13.一种用于确定远程运动中心的方法，包括：
沿在至少两个机器人部件之间的第一关节的第一旋转轴将第一光源对齐(404)，其中，所述第一光源被配置为被安装在所述第一关节的底部处，其中，将所述第一光源对齐(404)包括沿所述第一旋转轴将所述第一关节与马达和至少一个杆对齐；
沿在至少两个机器人部件之间的第二关节的第二旋转轴将第二光源对齐(406)，其中，所述第二光源被配置为被安装在所述第二关节的底部处，其中，将所述第二光源对齐(406)包括沿所述第二旋转轴将所述第二关节与马达和至少一个杆对齐；
由机器人***将仪器紧固(408)在操作位置中；
从所述第一光源沿所述第一旋转轴对光进行导向(410)；
从所述第二光源沿所述第二旋转轴对光进行导向(412)；并且
在来自所述第一光源的光与来自所述第二光源的光的相交处定义(414)针对所述机器人***的远程运动中心(RCM)，所述相交在沿所述仪器的位置处。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一光源包括以下之一：与来自所述第二光源的光不同颜色的光或与来自所述第二光源的光束不同形状的光束。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一光源和/或所述第二光源中的至少一个包括激光器或发光二极管之一。
16.如权利要求13所述的方法，还包括将所述RCM与所述机器人***的工作区域对齐(416)。
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