CN116997444A - 反向驱动关节中的受控阻力 - Google Patents

反向驱动关节中的受控阻力 Download PDF

Info

Publication number
CN116997444A
CN116997444A CN202280022657.0A CN202280022657A CN116997444A CN 116997444 A CN116997444 A CN 116997444A CN 202280022657 A CN202280022657 A CN 202280022657A CN 116997444 A CN116997444 A CN 116997444A
Authority
CN
China
Prior art keywords
speed
joint
control mode
controller
actuator mechanism
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280022657.0A
Other languages
English (en)
Inventor
G·A·林奇
S·达菲
W·瓦拉道
A·泽艾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Intuitive Surgical Operations Inc
Original Assignee
Intuitive Surgical Operations Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Intuitive Surgical Operations Inc filed Critical Intuitive Surgical Operations Inc
Publication of CN116997444A publication Critical patent/CN116997444A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/37—Master-slave robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B34/35—Surgical robots for telesurgery
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/42—Recording and playback systems, i.e. in which the programme is recorded from a cycle of operations, e.g. the cycle of operations being manually controlled, after which this record is played back on the same machine
    • G05B19/423—Teaching successive positions by walk-through, i.e. the tool head or end effector being grasped and guided directly, with or without servo-assistance, to follow a path
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B2034/302—Surgical robots specifically adapted for manipulations within body cavities, e.g. within abdominal or thoracic cavities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1689—Teleoperation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

一种计算机辅助***，其包括：包括关节的操纵器臂、被配置为驱动关节的致动器机构以及包括计算机处理器的控制器。控制器被通信地耦连到操纵器臂，并且被配置有第一控制模式和第二控制模式。在第一控制模式和第二控制模式中的每一个中，控制器命令致动器机构允许外部关节运动，以通过使关节反向驱动来重新配置操纵器臂。第一控制模式与第二控制模式的区别至少在于，控制器被配置为在第一控制模式中，响应于关节以高于第一速度阈值的第一反向驱动速度被反向驱动，命令致动器机构提供第一速度相关阻力。第一速度相关阻力与被反向驱动的关节相反。

Description

反向驱动关节中的受控阻力
技术领域
本发明大致提供改进的机器人和/或医疗(包括外科手术)设备、***和方法。
背景技术
机器人设备***可以用于在工作位点(worksite)处执行任务。例如，机器人***可以包括机器人操纵器组件以操纵用于执行任务的器械。机器人操纵器组件可以包括通过一个或多个关节而被耦连在一起的两个或多个连杆。关节可以是由***主动移动和控制的主动关节。关节也可以是不由***主动移动和控制的被动关节。关节可以是旋转关节或棱柱关节，或者可以是其他关节，诸如球形关节。机器人操纵器组件的配置可以由关节的方位和取向、机器人操纵器组件的结构以及连杆的耦连来确定。
机器人***包括工业和娱乐机器人***。机器人***还包括在用于诊断、非外科手术治疗、外科手术治疗等程序中使用的医疗机器人***。作为具体示例，机器人***包括微创机器人远程外科手术***，其中外科医生可以从床边或远程位置对患者进行操作。远程外科手术通常指使用外科手术***执行的外科手术，其中外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构)来操纵外科手术器械的移动，而不是直接用手握持和移动器械。能够用于远程外科手术或其他远程医疗程序的机器人医疗***可以包括能够远程控制的机器人操纵器组件。操作者可以对能够远程控制的机器人操纵器组件的运动进行远程控制。操作者还可以手动地将机器人医疗***的零部件(parts)移动到其环境内的方位或取向。
发明内容
在一个方面，一个或多个实施例涉及一种计算机辅助***，该计算机辅助***包括：包括关节的操纵器臂、被配置为驱动关节的致动器机构以及包括计算机处理器的控制器。控制器被通信地耦连到操纵器臂，并且被配置有第一控制模式和第二控制模式。在第一控制模式和第二控制模式中的每一个中，控制器命令致动器机构允许外部关节运动(articulation)，以通过使关节反向驱动(backdriving)来重新配置操纵器臂。第一控制模式与第二控制模式的区别至少在于，控制器被配置为在第一控制模式中，响应于关节以高于第一速度阈值的第一反向驱动速度被反向驱动，命令致动器机构提供第一速度相关阻力。第一速度相关阻力与被反向驱动的关节相反。
在一个方面，一个或多个实施例涉及一种用于操作机器人***的方法，该机器人***包括操纵器臂和控制器。操纵器臂包括关节和被配置为驱动关节的致动器机构。控制器被配置有第一控制模式和第二控制模式。所述方法包括：当控制器处于第一控制模式和第二控制模式中的每一个时，控制器命令致动器机构允许外部关节运动，以通过使关节反向驱动来重新配置操纵器臂；以及当控制器处于第一控制模式时，控制器响应于关节以高于第一速度阈值的第一反向驱动速度被反向驱动而命令致动器机构提供第一速度相关阻力。第一速度相关阻力与被反向驱动的关节相反，并且第一控制模式与第二控制模式的区别至少在于第一速度相关阻力。
本发明的其他方面将从以下描述和所附权利要求中显而易见。
附图说明
图1A示出了根据一个或多个实施例的机器人程序场景中的计算机辅助***的俯视图。
图1B示意性地示出了根据一个或多个实施例的计算机辅助***(诸如图1A的计算机辅助的***)的各种部件。
图2示出了说明根据一个或多个实施例的用户控制***的透视图，该用户控制***能够用于输入用于图1A的机器人程序场景的命令。
图3示出了根据一个或多个实施例的能够用于图1A的机器人程序场景的辅助***的透视图。
图4A示出了根据一个或多个实施例的机器人操纵***的透视图。
图4B示出了根据一个或多个实施例的机器人操纵***的透视图。
图5示出了根据一个或多个实施例的操纵器组件的示例。
图6示出了根据一个或多个实施例的工具的透视图。
图7A和图7B示出了根据一个或多个实施例的用于控制计算机辅助***的控制架构。
图8示出了描述根据一个或多个实施例的用于在反向驱动关节中提供受控阻力的方法的流程图。
图9示出了根据一个或多个实施例的阻力与速度的曲线图。
具体实施方式
现在将参考所附附图详细描述本公开的具体实施例。为了一致性，各个图中的相似元素由相似的附图标记表示。
在以下对本公开实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节，以提供对本发明的更彻底的理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在其他情况下，没有详细描述公知的特征以避免不必要地使描述复杂化。
在整个应用中，序数(例如，第一、第二、第三等)可以用作元素(即应用中的任何名词)的形容词。序数的使用并不是暗示或创建元素的任何特定顺序，也不是将任何元素限制为仅为单个元素，除非明确公开，诸如通过使用术语“之前”、“之后”、“单个”和其他此类术语。相反，序数的使用是为了区分元素。举例来说，第一元素不同于第二元素，并且第一元素可以涵盖多于一个元素，并且在元素的顺序中在第二元素之后(或之前)。
尽管本文所述的一些示例涉及外科手术程序或工具，或医疗程序和医疗工具，但所公开的技术适用于医疗和非医疗程序，以及医疗和非医疗工具。例如，本文所述的工具、***和方法可以用于非医疗目的，包括工业用途、通用机器人用途以及感测或操纵非组织工件。其他示例应用涉及美容改进、人类或动物解剖体的成像、从人类或动物解剖体中收集数据、设置或拆除***以及培训医疗人员或非医疗人员。附加的示例应用包括用于对从人类或动物解剖体移除的组织进行的程序(不返回到人类或动物解剖体)，以及在人类或动物尸体上执行程序。此外，这些技术也可以用于包括或不包括外科手术方面的医疗治疗或诊断程序。
通常，本公开的实施例可以利于机器人***的使用或改进各种条件下的工作流程。例如，在机器人***的多种不同控制模式中，机器人***的关节的反向驱动是可能的。获得使得能够识别当前控制模式的触觉反馈对于执行反向驱动的用户可能是有益的。换言之，可能期望在反向驱动期间提供的触觉反馈对于不同的控制模式是不同的。在一个或多个实施例中，触觉反馈包括与关节的反向驱动相反的受控阻力。受控阻力可以是特定于控制模式的。例如，在第一控制模式中，受控阻力可以比在第二控制模式中更高，从而使得用户能够基于由阻力水平提供的触觉来部分或完全地区分第一控制模式和第二控制模式。此外，提供受控阻力以提供有助于使得用户能够避免引起关节的不期望的操作条件的触觉反馈也可能是有益的。例如，在一个实施例中，以在致动器机构将基于致动器机构的致动器的反电动势(反EMF)效应而饱和的速度以下的反向驱动速度来提供受控阻力。在这种场景下，使关节反向驱动的用户可以将受控阻力感知为指示虽然可能但可能是不希望的更快反向驱动的信号。下文提供了反向驱动关节中受控阻力的详细描述，包括可能的实施方式和应用。
现在参考附图，其中在若干视图中，相同的附图标记表示相同的零部件，图1A示出了机器人程序场景中的计算机辅助***(100)(以下称为***(100))的俯视图。虽然在图1A中，计算机辅助***(100)被示出为微创机器人外科手术***，但是以下描述能够应用于其他场景(例如，非外科手术场景或非医疗场景)中的计算机辅助***。在图1A的示例中，对躺在手术台(110)上的患者(190)执行诊断或治疗程序。***(100)可以包括用户控制***(120)，用于在程序期间由用户(192)(例如，临床医生，诸如医疗示例中的外科医生)使用。一个或多个助手(194)也可以参与程序。***(100)还可以包括机器人操纵***(130)(例如，医疗示例中的患者侧机器人设备)和辅助***(140)。机器人操纵***(130)可以包括至少一个操纵器臂(150)，操纵器臂(150)中的每一个可以支撑被可移除地耦连的工具(160)(也被称为器械(160))。在图1A所示的医疗程序中，工具(160)可以通过自然孔口(诸如口腔或***)或者通过切口(诸如体壁(诸如腹壁)中的切口)进入患者(190)的身体，同时用户(192)通过用户控制***(120)查看工作位点(例如，外科手术场景中的外科手术位点)。工作位点的图像可以通过工具(160)获得，工具(160)包括能够对工作位点进行成像的成像设备(例如，内窥镜、光学相机、超声探头等)，工具(160)可以由机器人操纵***(130)操纵以定位和定向成像设备。辅助***(140)可以用于处理工作位点的图像，以便通过用户控制***(120)或位于程序本地或远离程序的其他显示***显示给用户(192)。一次使用的工具(160)的数量通常取决于任务和空间约束以及其他因素。如果在程序期间更换、清洁、检查或重新装载正在使用的工具(160)中的一个或多个是合适的，则助手(194)可以从操纵器臂(150)移除工具(160)并且用相同的工具(160)或另一工具(160)替换它。工具(160)可以被存储在托盘(162)或其他类型的工具储存器上。
图1B示意性地示出了计算机辅助***(100)的***(102)。如上所述，计算机辅助***(100)可以是计算机辅助医疗***(诸如机器人外科手术***)或者非医疗***(诸如计算机辅助工业或娱乐***)。***(102)可以包括一个或多个计算***(142)。计算***(142)可以用于处理由用户控制***(120)提供的来自用户的输入。计算***(142)可以进一步用于向显示器(144)提供输出，例如视频图像。一个或多个计算***(142)可以进一步用于控制机器人操纵***(130)。
计算***(142)可以包括一个或多个计算机处理器、非永久性储存器(例如，易失性存储器(诸如随机存取存储器(RAM))、高速缓存存储器)、永久性储存器(例如，硬盘、光驱动器(诸如光盘(CD)驱动器或数字多功能盘(DVD)驱动器)、闪存等)、通信接口(例如，蓝牙接口、红外接口、网络接口、光接口等)以及许多其他元件和功能。
计算***(142)的计算机处理器可以是用于处理指令的集成电路。例如，计算机处理器可以是处理器的一个或多个核或微核。计算***(142)还可以包括一个或多个输入设备，诸如触摸屏、键盘、鼠标、麦克风、触摸板、电子笔或任何其他类型的输入设备。
计算***(142)的通信接口可以包括集成电路，用于将计算***(142)连接到网络(未示出)(例如，局域网(LAN)、广域网(WAN)(诸如互联网)、移动网络或任何其他类型的网络)和/或连接到另一设备，诸如另一计算***(142)。
此外，计算***(142)可以包括一个或多个输出设备，诸如显示设备(例如，液晶显示器(LCD)、等离子体显示器、触摸屏、有机LED显示器(OLED)、投影仪或其他显示设备)、打印机、扬声器、外部储存器或任何其他输出设备。输出设备中的一个或多个可以与(一个或多个)输入设备相同或不同。存在许多不同类型的计算***，并且(一个或多个)上述输入设备和(一个或多个)输出设备可以采用其他形式。
执行本公开实施例的计算机可读程序代码形式的软件指令可以全部或部分、临时或永久地被存储在非暂时性计算机可读介质(诸如CD、DVD、存储设备、软盘、磁带、闪存、物理存储器或任何其他计算机可读存储介质)上。具体地，软件指令可以对应于计算机可读程序代码，当由(一个或多个)处理器执行时，该计算机可读程序代码被配置为执行本发明的一个或多个实施例。
计算***(142)可以被连接到网络或作为网络的一部分。网络可以包括多个节点。每个节点可以对应于计算***(142)或一组节点。作为示例，本公开的实施例可以在被连接到其他节点的分布式***的节点上实施。作为另一示例，本公开的实施例可以在具有多个节点的分布式计算***上实施，其中本公开的每个部分可以位于分布式计算***内的不同节点上。此外，上述计算***(142)的一个或多个元件可以位于远程位置，并且通过网络被连接到其他元件。
机器人操纵***(130)可以使用包括成像设备(例如，单镜或立体内窥镜，医疗示例中的超声探头)的工具(160)来捕获工作位点的图像，并且将所捕获图像输出到辅助***(140)。类似于其他工具(160)，具有成像设备的工具具有机械接口(未示出)，该机械接口允许成像设备被耦连到操纵器臂(150)。不同的工具(160)(诸如具有成像设备的工具)的机械接口可以彼此相同或不同。因此，在适用的情况下，可以使用机械适配器将工具(160)耦连到操纵器臂(150)。可替代地，特定的工具(160)(诸如专用成像工具)可以被安装在被专门设计成容纳这种工具(160)的操纵器臂(150)上。辅助***(140)可以在任何后续显示之前以各种方式处理所捕获图像。例如，在经由用户控制***(120)向用户显示组合图像之前，辅助***(140)可以用虚拟控制界面覆盖所捕获图像。机器人操纵***(130)可以输出所捕获图像以在辅助***(140)外部进行处理。一个或多个单独的显示器(144)也可以与计算***(142)和/或辅助***(140)耦连，用于本地和/或远程显示图像，诸如程序位点的图像或其他相关图像。
图2示出了能够用作计算机辅助***(100)的一部分的示例用户控制***(120)的透视图。用户控制***(120)包括左眼显示器(202)和右眼显示器(204)，用于向用户(192)(如图1A所示)呈现能够实现深度感知的工作位点的协调立体视图。用户控制***(120)还包括两个输入控制设备(210)，这又使得机器人操纵***(130)(如图1A所示)操纵一个或多个工具。尽管图2示出了控制台、集成显示器和被机械接地到控制台的输入控制设备(210)形式的用户控制***(120)，但是用户控制***(120)的其他实施方式可以包括其他格式的***。例如，用户控制***可以包括(一个或多个)物理分离的显示器、一个、两个、三个或多个输入控制设备(210)和/或未被机械接地到用户控制***的其余部分的输入控制设备(210)。
图3示出了辅助***(140)的透视图。辅助***(140)可以与包括一个或多个工具(160)的一个或多个成像设备通信地耦连，并且可以包括处理器(未示出)以处理所捕获或所接收的图像以用于显示，诸如显示到用户控制***(120)的显示器或位于本地和/或远程的另一合适的显示器。例如，在使用立体成像设备或具有深度能力的成像设备的情况下，辅助***(140)可以处理所捕获图像，以便呈现工作位点的协调立体图像或深度增强图像。
图4A示出了具有多个操纵器臂(150)的机器人操纵***(130)，每个操纵器臂(150)被配置为在操纵器臂(150)的远侧部分处支撑工具(160)。如图所示的机器人操纵***(130)包括四个操纵器臂(150)，该四个操纵器臂(150)中的每一个可以用于支撑一个或多个工具。下面参考图5提供对操纵器臂(150)的更详细描述，并且下面参考图6提供对工具(160)的更具体描述。在微创医疗示例中，工具(160)可以通过孔(诸如患者体内的自然孔口或切口)而被定位和操纵，使得运动学远程中心被维持在切口处；这可以有助于减小所需的孔的尺寸、被施加到孔周围组织的碰撞或力等。当工具(160)被定位在包括工具(160)的成像设备的视场内时，工作位点的图像可以包括工具(160)的远端的图像。
可以使用各种不同类型的工具(160)和不同的末端执行器(用于包括末端执行器的工具)。工具(160)中的一个或多个可以在程序期间被移除和/或被替换。
在微创外科手术场景中，工具(160)的细长轴允许末端执行器以及轴的远端通过微创孔(诸如自然孔口或切口)向远侧***外科手术位点。外科手术位点可以被喷注(insufflated)。末端执行器在患者内的移动通常至少部分地通过工具(160)围绕轴穿过微创孔的位置的枢转来实现。因此，操纵器臂(150)可以将工具(160)的近侧部分移动到患者外部，使得轴延伸穿过微创孔以提供末端执行器的期望移动。因此，操纵器臂(150)可以在患者外部经历移动。
图4B示出了根据一个或多个实施例的被配置为支撑工具(172)的机器人操纵***(170)。工具(172)中的每一个被安装到操纵器臂(176)，操纵器臂(176)被设置在支撑臂(178)上。在医疗场景中，包括盖布和器械适配器的无菌屏障(图4B中未示出)可以被设置在患者(未示出)和支撑臂(178)之间。支撑臂(178)和操纵器臂(176)因此可以被设置在患者的无菌环境外部，而工具(172)被设置在无菌环境内部。
与结合图4A讨论的工具(160)一样，工具(172)在结构和目的上可以不同，但可以是能够移除、能够替换和/或能够互换的。每个工具(172)通常包括末端执行器(180)和轴(182)。末端执行器(180)可以具有不同的设计以实施不同的功能，包括结合图6描述的那些功能。操纵器臂(176)可以包括致动器，诸如提供机械动力以致动工具(172)中的机械结构的驱动马达。
根据本公开实施例的操纵器组件(500)的示例如图5所示。操纵器组件(500)包括操纵器臂(502)，并且可以进一步包括被安装到操纵器臂(502)的工具(在图5中，仅示出了工具(例如，520)的轴线，而没有示出工具本身)。因此，术语“操纵器组件(500)”可以用于指示在一些情况下具有工具的操纵器臂(502)，以及在其他情况下不具有工具的操作器臂(502)。其他部件可以被包括在操纵器组件(500)中。如上所述，在操作期间，操纵器臂(502)通常支撑工具(520)并且实现工具(520)的移动。在图5所示的示例中，操纵器臂(502)包括工具保持器(514)，以利于一个或多个工具(520)的移除和更换。
参考图4A和图4B可以理解，在一些实施例中，操纵器臂(例如(502)、其他操纵器臂设计)在近侧被安装到操纵***(例如(130)、(170))的基座。可替代地，操纵器臂(502)可以被安装到可以是能够独立移动的分离的基座；例如，一个或多个操纵器臂(502)可以被安装到单个操纵器臂推车，被提供有用于直接或间接安装到手术台或在一个或多个位置处(例如，通过被夹紧到轨道或其他部件，通过被安装到墙壁或地板等)的安装结构。通常，操纵器臂(502)包括在操纵器臂(502)的近侧基座和远侧部分之间延伸的多个连杆和相关联的关节。
在诸如图5所示的实施例中，操纵器臂(502)包括一个或多个关节(诸如旋转关节J1、J2、J3、J4和J5，以及棱柱关节J6)，一个或多个关节耦连一个或多个连杆(504、506、508和510)。操纵器臂(502)的连杆(510)可以被配置为与套管(516)耦连，工具(520)的轴延伸穿过套管(516)，并且连杆(510)可以包括工具保持器(514)，工具附接到该工具保持器(514)。在图5所示的示例中，工具(520)的自由度的致动由操纵器臂(502)的致动器提供。这些致动器可以被集成在工具保持器(514)中，或者它们的原动力或扭矩可以通过工具保持器(514)传递到工具(520)。
操纵器臂的关节结合在一起，可以为操纵器臂提供冗余的自由度，也可以不提供。具有一个或多个冗余自由度的操纵器臂具有多个关节，使得对于操纵器臂的一部分或参考操纵器臂的一部分的抽象特征(例如，在相对于操纵器臂的远侧部分定义的位置处的远程运动中心(PP))的给定方位和/或取向，多个关节可以被驱动到一系列不同的配置中。例如，操纵器臂可以***控成不同的配置，同时被耦连到工具保持器的工具的末端执行器、远程运动中心和/或另一特征维持特定状态。示例的所维持状态包括末端执行器的给定方位、取向和/或速度。
图6示出了根据一个或多个实施例的工具(600)(也被称为器械(600))的示例。工具(600)包括轴(610)和位于轴(610)的第一端附近的末端执行器(640)。被可释放地布置以将工具(600)耦连到操纵器臂(例如，操纵器臂(150、176、502))的壳体(630)位于轴(610)的相反端。在所示的实施方式中，末端执行器(640)相对于壳体(630)具有六个移动自由度。具体地，六个自由度可以对应于：末端执行器(640)的一部分围绕与第一关节或腕部机构(651)相关联的两个相应的垂直轴线(641)和(642)的俯仰和偏转旋转；夹具(652)相对于与第二关节或腕部机构(620)相关联的两个相应的垂直轴线(643)和(644)的俯仰和偏转旋转或移动；用于“夹持”致动的夹具(652)的打开或闭合移动(653)；以及器械轴(610)围绕其***轴线(612)的“滚动”旋转(692)。在所示的示例中，***轴线与器械轴(610)的中心轴线平行。在不脱离本公开的情况下，其他工具可以具有比图6所示的工具更多、更少或不同的移动自由度。工具(600)被设计成被可释放地安装到操纵器臂。操纵器臂包括棱柱关节(J6)，该棱柱关节(J6)可以被驱动以沿着轴线平移被安装到工具保持器的工具，轴线可以是进入/离开(in/out)轴线或***轴线(612)。壳体(630)可以包括能够旋转或能够平移以驱动工具(600)的关节的物理输入元件。这样的示例被描述于题为“Surgical Tools for Usein Minimally Invasive Telesurgical Applications”的美国专利第6,394,998号。操纵器臂(例如，150、176、502)可以包括驱动元件(诸如盘或滑块或突起)，用于与物理输入元件耦连以驱动工具(600)。驱动元件可以由致动器(例如，电动马达)驱动，致动器响应来自相关联的输入控制设备(例如，图2中的输入控制设备(210))的输入，以根据输入控制设备(210)的移动或任何其他控制信号所命令的那样来驱动工具(600)，诸如将末端执行器(640)移动到期望的取向和/或方位。此外，可以提供被适当定位的传感器(例如编码器、电位计等)，以使得能够测量工具(600)或操纵器臂(例如(150)、(176)、(502))的关节方位。致动器和传感器可以被设置在工具(600)、工具保持器(例如，514)、操纵器臂(例如，(150)、(176)、(502))或其他地方。
不同的工具(600)可以不被配备有末端执行器，或者被配备有不同几何形状(例如，不同形状或尺寸)、不同自由度和/或不同功能的不同末端执行器(640)。末端执行器可以具有单个指状物或者两个或多个指状物。具有单个指状物的末端执行器的示例包括但不限于手术刀、烧灼电极、冲洗或抽吸设备、内窥镜(其可以具有或可以不具有腕部)等。具有两个指状物的末端执行器的示例包括但不限于镊子(forceps)、施夹器、剪刀、解剖工具、钳子、抓握器、钳状烧灼工具、针驱动器等或诸如此类。末端执行器(640)的指状物可以是能够单独地成角度地移位的，从而不仅允许末端执行器的打开和闭合，而且使得能够实现角位移以改变末端执行器(640)作为整体相对于工具的另一部分(例如，腕部机构(620、651)、轴(610)等)的取向。
虽然图1A、图1B、图2、图3、图4A、图4B、图5和图6示出了示例计算机辅助***的部件的各种物理配置，但在不脱离本发明范围的情况下，也可以使用其他配置。例如，尽管示出了具有操纵器臂的机器人操纵***的特定配置，但是本公开的实施例概括并适用于任何类型的机器人操纵***，例如，具有保持单个工具的单个操纵器臂、具有保持多个工具的单个操纵器臂等。作为另一示例，由单个部件执行的功能可以由两个或多个部件执行。此外，虽然部件是在外科手术场景的背景下描述的，但是本公开的实施例可以同样适用于涉及机器人操纵的其他领域。
图7A示出了根据一个或多个实施例的用于控制包括操纵器臂的操纵器组件的示例控制架构，该操纵器臂上可以安装有工具。本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的情况下，可以使用其他控制架构。此外，在所示的控制架构中，在控制架构的方框之间交换特定信号(例如方位)。在不脱离本公开的情况下，可以使用其他信号(例如，速度、加速度、力等)。此外，控制架构可以实施一个、两个、三个或多个不同的模式(未示出)。例如，在“跟随”模式期间，在如图2所示的由用户操作的输入控制设备(210)的远程操作控制下，由操纵器组件执行任务。机器人操纵器组件的(一个或多个)关节可以是定位控制的、速度控制的等，并且可以是或可以不是反向驱动的，这取决于操纵器组件和控制方案的物理设计。作为另一示例，在“工具交换”模式中，操纵器组件的一个或多个关节可以是“浮动的”，允许助手容易地使这些一个或多个关节在外部关节运动(articulate)，诸如通过使这些一个或多个关节反向驱动。浮动关节可以由外部施加的力反向驱动，而没有对抗反向驱动的控制算法或对抗这种反向驱动的制动力。作为另一示例，在“离合器(clutch)”模式中，操纵器组件的一个或多个主动关节可以通过被控制为服从外部操纵而成为浮动关节。作为具体示例，在“离合器模式”中，浮动关节的命令方位可以被定期更新到当前方位，以辅助外部操纵。
可以实施各种类型的“跟随”、“工具交换”、“离合器”或其他模式。例如，在本公开的一个实施例中，在离合器模式中，***使一个或多个关节操纵器臂浮动，使得外部施加到操纵器臂的力容易地使操纵器臂的远程中心相对于世界参考系移动，并且操纵器臂不被控制为同时维持末端执行器相对于世界参考系的方位。作为另一示例，在本公开的另一实施例中，在离合器模式中，***控制操纵器臂的一个或多个关节，使得外部施加到操纵器臂的力容易地使操纵器臂的远程中心相对于世界参考系移动，同时防止工具或末端执行器相对于世界参考系移动。在不脱离本公开的情况下，***可以实施反向驱动或非反向驱动模式的任何组合，包括上述模式中的一个或多个以及附加模式。
用户可以对浮动关节远侧的连杆施加力，从而导致浮动关节的反向驱动。浮动关节可以被控制以提供重力补偿、摩擦补偿和/或施加其他特性，诸如一定水平的阻尼。
组合控制模式也可以在操作器组件的操作期间被实施。例如，在控制模式中，一些关节可以被定位控制以抵抗这些关节的外部关节运动或从这些关节的外部关节运动反弹，而其他关节可以是浮动的并利于这些其他关节的外部关节运动。此外，操纵器组件的一个或多个关节可以是被动的，即完全不是定位或速度控制的(但可以部分或完全应用制动器)。被动关节可以被手动操作。关节还可以包括关节传感器，从而可以获得操纵器组件的完整运动学。在一些实施例中，被动关节可以包含用于提供重力补偿、摩擦补偿或不包括主动驱动被动关节的运动的其他功用的致动器。
在一个或多个实施例中，通过控制器命令操纵器组件的致动器(例如，马达、螺线管等)驱动一个或多个关节来控制操纵器组件的关节移动，关节移动由控制器的处理器计算。在数学上，控制器可以使用向量和/或矩阵来执行关节命令的至少一些计算，该向量和/或矩阵中一些可以具有与关节的方位、速度和/或力/扭矩等相对应的元素。处理器可用的替代关节配置的范围可以被概念化为关节空间。例如，关节空间可以具有与操纵器组件具有的自由度一样多的维度，并且操纵器组件的特定配置可以表示关节空间中的特定点，每个坐标对应于操纵器组件的相关联关节的关节状态。
如本文所用，术语关节或多个关节的“状态”分别指与该关节或多个关节相关的控制变量。例如，角关节的状态可以指该关节在其运动范围内定义的角度、关节的角速度和/或关节的角加速度。类似地，轴向或棱柱关节的状态可以指关节的轴向方位、其轴向速度和/或其轴向加速度。虽然本文所述的控制器中的一个或多个包括方位控制器，但它们通常也具有速度控制方面。在不脱离本公开的情况下，替代实施例可以主要或完全依赖于速度控制器、力控制器、加速度控制器等。可以在这样的设备中使用的控制***的许多方面在美国专利第6,699,177号中进行了更全面的描述，该专利的全部公开内容通过引用被并入本文。因此，只要所描述的移动基于相关联的计算，就可以使用方位控制算法、速度控制算法、两者的组合等来执行本文所描述的关节的移动和末端执行器的移动的计算。
图7A的控制架构(700A)包括控制器(710)，控制器(710)基于命令移动(720)驱动操纵器组件的致动器机构(790)。可以驱动任意数量的致动器机构(790)。致动器与其他元件(诸如传感器、或齿轮、滑轮和电缆或电线、和/或其他传动元件等)组合，可以形成关节的致动器机构，并且关节状态可以通过由致动器机构致动而被改变。
命令移动(720)可以是工作空间中一个或多个特征的命令方位和/或命令速度，其可以在笛卡尔坐标空间(本文中被称为笛卡尔空间)中被建模。例如，命令移动(720)可以是从用户控制***(120)接收的移动命令(例如，以方位和/或速度的形式)或者任何其他移动命令，用于操纵器臂或被耦连到操纵器臂的工具的一个或多个特征或者参照操纵器臂或被耦连到操纵者臂的工具的一个或多个特征。特征可以是物理上在操纵器组件上的任何特征，或者可以是物理上离开操纵器组件的抽象概念(例如，参考操纵器组件的点或平面)，其可以用于定义要使用控制输入来进行关节运动的控制框架。操纵器组件上的特征的示例包括工具的特征(例如，末端执行器尖端、末端执行器上的中心点或末端执行器的U形夹)、操纵器臂的特征(例如，被配置为与能够移除的工具物理耦连的工具保持器)等。操纵器组件的特征的另一示例是空的空间中的参考点，该参考点与工具的尖端正好相距一定距离和角度。
控制器(710)可以包括顶级控制器(730)、逆向运动学控制器(740)、关节控制器(750)和正向运动学模型(760)。随后对这些部件中的每一个进行描述。
根据一个或多个实施例，顶级控制器(730)包括计算机可读程序代码形式的指令，以接收命令移动(720)，并将命令移动(720)转换为笛卡尔参考系中的方位。执行以将命令移动(720)转换为笛卡尔方位的步骤取决于提供命令移动(720)的格式。
根据一个或多个实施例的逆向运动学控制器(740)，将命令的笛卡尔方位转换为命令关节方位(742)(例如，棱柱关节的平移方位、旋转关节的关节角度等)。通过逆向运动学控制器的操作可以在速度域中被执行，并计算命令关节速度。逆向运动学控制器(740)可以对计算出的关节速度进行积分以获得命令关节方位(742)。
笛卡尔误差(732)可以是由顶级控制器(730)提供的笛卡尔方位(如前所述)和由正向运动学模型(760)提供的笛卡尔方位(如后所述)的组合。更具体地，由正向运动学模型(760)提供的笛卡尔方位可以表示操纵器组件在笛卡尔空间中的实际或当前方位(例如，末端执行器的实际或当前方位)的估计。该估计可以从表示命令移动的笛卡尔方位中被减去，以获得要补偿的差，用作逆向运动学控制器(740)的控制输入。
虽然通常可能不存在将期望的笛卡尔空间方位映射到等效关节空间方位的闭合形式关系，但笛卡尔空间速度和关节空间速度之间通常存在闭合形式关系。运动学雅可比矩阵是笛卡尔空间方位元素相对于关节空间方位元素的偏导数矩阵。运动学雅可比矩阵(J)可以用于将关节空间速度(dq/dt)映射到笛卡尔空间速度(dx/dt)，例如末端执行器速度。
因此，即使在输入方位和输出方位之间没有闭合形式的映射时，逆向运动学控制器(740)也可以迭代地使用速度的映射来实施基于命令轨迹的操纵器组件的移动。
根据一个或多个实施例，关节控制器(750)中的每一个将接收到的命令关节方位(742)(诸如线性关节方位或角关节方位)转换为致动器命令(752)，以驱动致动器机构(790)中的一个并产生关节移动(792)。致动器命令(752)可以是适用于致动器机构(790)的任何形式。例如，致动器命令(752)可以包括电压、数字值或通信到马达型致动器机构的马达控制器的其他信号。一个关节控制器(750)可以用于控制每个致动器机构(790)。所有致动器机构通过操纵器组件的运动学的关节移动(792)可以产生反映命令移动(720)的操纵器臂移动。在图7B中提供了关节控制器(750)的示例。
根据一个或多个实施例，正向运动学模型(760)将感测到的关节状态(754)转换为其他形式，诸如将关节方位或速度转换为笛卡尔方位或速度，如前所述。
控制器(710)的任何部分或控制器(710)的全部可以以硬件、软件或硬件和软件的组合被实施。例如，控制器(710)的一部分或全部可以以计算机可读程序代码的形式被实施，该计算机可读程序码被配置为执行针对控制器(710)描述的操作。控制器(710)可以在一个或多个计算***上被实施。这些一个或多个计算***可以基于数字信号处理器(DSP)、中央处理单元(CPU)等。参考图1B描述了示例计算***。
在一个或多个实施例中，控制器(710)进一步被配置为执行图8中描述的步骤中的至少一个。
转到图7B，示出了根据一个或多个实施例的关节控制器的控制架构(700B)。在该示例中，闭环PD(比例导数)控制结构用于基于命令关节方位输入来控制关节方位。
在控制架构(700B)的情况下，关节控制器可以从相关联的致动器机构(790)接收感测到的关节状态(754)(具体地，在该示例中，为感测到的关节方位)形式的反馈信号，以使得能够实现闭环控制。关节状态(754)可以从以下信号中导出：从被附接到关节的传感器获得的信号。这样的传感器可以是例如，关节或致动器机构的增量编码器、形状传感器或霍尔传感器。可以使用状态观测器或估计器(未示出)。PD控制结构使用两个控制增益(KP，KD)，分别对命令关节方位(742)和感测到的关节方位之间的差(即误差信号)及它们的导数进行操作，以产生致动器命令(752)。在本公开的一个或多个实施例中，致动器命令(752)受到限制，并且相应地，所产生的关节扭矩或力也受到限制。该限制可以基于硬件限制，诸如最大可接受马达电流。该限制还可以是能够软件配置的。
因此，马达电流(以及由此产生的马达扭矩或力)可以按照比例控制增益(KP)所指示的随着命令关节方位(742)和感测到的关节方位(754)之间的方位误差而线性增加，直到达到饱和极限。超过极限，马达电流是恒定的。较高的KP可能导致相对较小的方位误差足以达到饱和极限，而较低的KP则可能导致达到饱和极限所需要的相对较大的方位误差。在本公开的一个实施例中，使用相对高的KP来获得具有有限稳态误差的关节的相应方位控制。因此，方位误差的增加可能迅速导致达到饱和极限。虽然控制架构(700B)使用比例导数(PD)控制器，但可以使用其他控制器，诸如比例积分导数(PID)、全状态反馈、滑动模式或各种其他控制方案，而不脱离本公开。此外，虽然图示了关节方位的控制，但可以控制其他变量，诸如速度、扭矩或力，而不脱离本公开。
先前描述的关节的反向驱动可以发生在用于如何控制与关节相关联的致动器机构的多种不同的控制模式中。一种实施方式可以被配置有允许关节的反向驱动的一个、两个、三个、四个或多个控制模式。为了说明的目的，下面的文本描述了允许关节的反向驱动的三种不同的示例控制模式。这些控制模式被描述为基于图7B中的控制架构(700B)，并且其他控制架构也是可能的。***可以被配置有这三种控制模式中的任何一种、这三种控制模式中的任意两种、所有三种控制模式、或者与下面描述的三种控制模式匹配或不同的控制模式的一些其它组合。
作为示例，***可以用包括滑锁控制模式的反向驱动控制模式来被实施。滑锁控制模式在美国临时专利申请第62/826,780号和PCT专利申请第PCT/US2020/025481号中进行了更全面的描述，上述专利申请的全部公开内容通过引用被并入本文。例如，假设如图7B中所介绍的PD控制器用于控制操纵器臂或包括操纵器臂和工具的操纵器组件的致动器机构。一个PD控制器可以用于控制操纵器臂节段的一个致动器机构。例如，控制可以涉及将关节保持在命令关节方位(例如，在图7B中，命令方位可以被提供为命令关节状态(742))。如参考图7B所讨论的，PD控制器的比例控制增益可以对实际关节方位(例如，感测到的或估计的关节方位)与命令方位的偏差进行操作。响应于偏差，可以生成或修改用于驱动致动器机构的致动器命令，并且由致动器命令所命令的致动器机构可以产生适当量的扭矩或力(例如，在致动器的输出处供应的马达扭矩或力或者关节扭矩或力))。例如，致动器命令可以包括或引起马达型致动器的命令电流，并且引起与命令电流成比例的扭矩输出。因此，命令关节方位和感测到的关节方位之间较大的差导致由致动器机构产生的较强的扭矩。因此，基于PD控制器的控制回路可以部分模拟线性弹簧的特性：命令关节方位和实际关节方位相距越远，弹簧中被存储的能量就越多，这是由于PD控制器加大了补偿该差的努力。弹簧的系数可以由比例控制增益(KP)支配。在一个或多个实施例中，定义的阈值用于区分关节的两种行为：(1)当偏差不超过定义的阈值时，PD控制器通过在对抗偏差的方向上驱动致动器机构来补偿偏差。换言之，基于命令状态来控制致动器。(2)当偏差超过定义的阈值时，命令状态可以被更新为更接近实际状态，从而将偏差降低到可接受的水平，低于定义的阈值。换言之，可以调整命令状态以生成经调整的命令状态，其中经调整的命令状态与实际状态之间的差小于偏差。然后经调整的命令状态用于控制致动器。经调整的命令状态可以被选定为例如维持饱和输出力/扭矩，同时最小化经调整的命令状态和实际状态之间的偏差，其中定义的阈值支配饱和输出力或扭矩。
定义的阈值可以根据命令方位或者更一般地根据命令状态而被设定。在该配置中，当与外部关节运动相关联的力或扭矩(例如，当用户向关节远侧的连杆施加力时)导致感测到的关节方位与命令关节方位的偏差超过定义的阈值时，关节可以被反向驱动。可替代地，当与外部关节运动相关联的力或扭矩导致感测到的关节方位与命令关节方位的偏差不超过偏差阈值时(例如，由于施加了较小的力)，关节可以以类似弹簧的方式对抗所述力，而不改变命令关节方位。引起命令方位变化所需的力的量可能取决于各种因素。例如，对于较高的定义的阈值，将需要施加比较低的定义的阈值更多的力。当定义的阈值被设定为非常低的值(接近零)时，在被施加到关节的力或扭矩非常小的情况下进行反向驱动可以是可能的。此外，与较低的误差阈值相比，对于较高的比例控制增益(KP)将需要施加更多的力，因为KP在低于误差阈值时负责关节的类似弹簧的特性，而较高的KP实施更硬的弹簧。因此，可以通过调整误差阈值和/或KP来调制关节的反向驱动行为的特性。
作为示例，***可以以包括方位保持模式的反向驱动控制模式被实施。例如，假设如图7B中所介绍的PD控制器用于控制操纵器臂或包括操纵器臂和工具的操纵器组件的致动器机构。PD控制器可以用于控制被配置为移动操纵器臂的第一关节的致动器机构。控制器可以例如控制致动器机构以将关节保持在命令关节方位(例如，在图7B中，命令方位可以被提供为命令关节状态(742))。如参考图7B所讨论的，并且如针对滑锁控制模式所讨论的，PD控制器的比例控制增益可以对实际关节方位(例如，感测到的或估计的关节方位)与命令方位的偏差进行操作。响应于偏差，可以生成或修改用于驱动致动器机构的致动器命令；由致动器命令所命令的致动器机构可以产生适当量的线性力或旋转扭矩(例如，在致动器或由致动器驱动的传动系的输出处供应的扭矩)。因此，命令关节方位和感测到的关节方位之间的较大差导致由致动器机构产生较强的力或扭矩，如先前针对滑锁控制模式所述。在一个或多个实施例中，一旦偏差超过定义的阈值，PD控制器还被配置为防止力或扭矩进一步增加，从而达到平稳期。超过定义的阈值的这个平稳期可能基本上与方位和速度无关。在一个或多个实施例中，PD控制器不被配置有这样定义的阈值，或者不被配置为如果偏差超过定义的阈值则防止力或扭矩增加。
作为示例，***可以以包括离合器控制模式的反向驱动控制模式被实施。例如，在实施例中，诸如图7B中引入的PD控制器用于控制操纵器组件的致动器机构。一个PD控制器可以用于控制操纵器臂节段的一个致动器机构。参考图7B，当致动器机构处于离合器控制模式时，命令关节方位(742)可以被设定为匹配感测到的关节方位(754)。由于PD控制器的比例控制增益对实际关节方位(例如，感测到的或估计的关节方位)与命令关节方位的偏差进行操作，因此PD控制器可以产生零命令(例如，零力、零扭矩、零电流等)。零命令可以被修改以提供重力和/或摩擦补偿，并且因此与致动器机构相关联的关节可以浮动，如前所述。
以下段落描述了基于所讨论的控制模式在反向驱动关节中提供受控阻力的方法。
图8示出了根据一个或多个实施例的流程图。图8的流程图描绘了根据一个或多个实施例的用于操作机器人***的方法。更具体地，该方法可以用于在反向驱动关节中实施受控阻力。图8中步骤中的一个或多个可以由先前参考图1A、图1B、图2、图3、图4A、图4B、图5和图6描述的***的各种部件来执行。这些图描述了特定的操纵器臂和特定的工具，操纵器臂和工具具有一定的自由度。然而，随后描述的方法不限于操纵器臂、工具和/或自由度的特定配置。相反，方法适用于任何类型的操纵器臂，与任何类型的工具配对，用于任何类型的场景。此外，图8中步骤中的一个或多个可以建立在图7A和图7B中描述的控制架构的控制模式之上。
在对该方法的描述之后，对各种应用和益处进行了讨论。
虽然流程图中的各个步骤是按顺序被呈现和描述的，但普通技术人员将理解，步骤中的一些或全部可以按不同顺序执行，可以被组合或省略，并且步骤中的一些或全部可以并行执行。可以进一步执行附加步骤。此外，步骤可以主动地或被动地执行。例如，根据本发明的一个或多个实施例，一些步骤可以使用轮询来执行或者被中断驱动。举例来说，根据本发明的一个或多个实施例，确定步骤可以不需要处理器处理指令，除非接收到意味着该条件存在的中断。作为另一示例，根据本发明的一个或多个实施例，可以通过执行测试来执行确定步骤，诸如检查数据值以测试该值是否与测试条件一致。因此，本公开的范围不应被认为限于图8中所示的步骤的具体布置。
转向图8的流程图，示出了一系列步骤，这些步骤实施了在反向驱动关节中提供受控阻力的方法。该方法可以被重复执行，例如，在回路中重复执行。尽管图8的流程图示出了针对单个关节执行的步骤，但是在不脱离本公开的情况下，步骤可以针对多个关节被执行。
在步骤800中，获得如何控制关节的致动器机构的控制模式的选择。在图8的流程图中示出了该方法的两种控制模式：第一控制模式和第二控制模式。在不脱离本公开的情况下，可以存在一个或多个附加控制模式。控制模式的选择可以由用户进行，例如由指定控制模式的用户进行。可替代地，控制模式可以由计算***选择，例如，由图7A的控制架构的顶级控制器选择。可以为单个关节的致动器机构或多个关节的致动器机构选择控制模式。例如，如前所述，在离合器控制模式中时，多个关节可以是“浮动的”。
在步骤810中，取决于所选择的控制模式，方法的执行以步骤820继续进行以在第一控制模式中操作关节，或以步骤830继续进行以在第二控制模式中操作关节。在一个或多个实施例中，第一控制模式和第二控制模式都允许外部关节运动(例如，作为被施加到关节远侧的连杆的力的结果)通过使关节反向驱动来重新配置操纵器臂。
在步骤820中，控制器命令致动器机构以在第一控制模式中操作关节。在第一控制模式中操作关节涵盖步骤822和824的执行，以及可选地，步骤826的执行。
在步骤822中，关节在伺服控制模式中***作。伺服控制模式可以是，例如，滑锁控制模式或方位保持模式(如先前参考图7B所讨论的)或者任何其他反馈控制的、反向驱动的控制模式。
在步骤824中，在第一速度阈值以上，提供与关节的反向驱动相反的第一速度相关阻力(例如，马达力或扭矩或者关节力或扭矩)。对于旋转关节，第一速度相关阻力可以包括旋转力(例如扭矩)。对于棱柱关节，第一速度相关阻力可以包括线性力(例如力)。在一个实施例中，第一速度相关阻力模拟速度相关阻尼响应。速度相关阻尼响应可以具有任何特性。例如，随着反向驱动的速度量超过第一速度阈值，第一速度相关阻力可以线性地或非线性地(例如，二次地或指数地)增加。此外，速度相关阻尼响应的斜率可以被参数化，以允许更强或更弱的速度相关性。下面参考图9提供关于速度相关阻尼响应的附加细节。
在步骤826中，在第一速度相关阈值处或以下，可以提供与关节的反向驱动相反的速度无关阻力(例如，马达力或扭矩或者关节力或扭矩)。步骤826是用于图8的示例的可选的附加步骤。速度无关阻力可以在滑锁控制模式中被提供，如前所述。速度无关阻力的水平可以被指定为参数。该参数可以用于设定阈值，达到该阈值，基于PD控制器的控制回路显示出类似弹簧的特性：基于该参数，命令关节方位和实际关节方位之间被允许相距越远，弹簧中可以被存储的能量就越多，从而产生更高的速度无关阻力。如果命令关节方位和实际关节方位之间的可接受的差被设定为零，则速度无关阻力可以为零或最小(例如，基于存在的摩擦效应，而与所选择的控制模式无关)。
在步骤830中，控制器命令致动器机构以在第二控制模式中操作关节。在第二控制模式中操作关节涵盖步骤832的执行以及可选地步骤834的执行。
在步骤832中，如先前参考图7B所述，关节在离合器控制模式中***作。
在步骤834中，在第二速度阈值以上，提供与关节的反向驱动相反的第二速度相关阻力。第二速度阈值可以与第一速度阈值不同，和/或第二速度相关阻力可以与第一速度相关阻力不同。在一个实施例中，第二速度相关阈值高于第一速度相关阈值。在一个实施例中，与第一速度相关阻力一样，第二速度相关阻力模拟速度相关阻尼响应，并且可以具有如前所述的任何特性。对于旋转关节，第二速度相关阻力可以包括扭矩。对于棱柱关节，第二速度相关阻力可以包括力。步骤834是用于图8的示例的可选的附加步骤。
在一个或多个实施例中，第一速度阈值和/或第二速度阈值低于反电动势(反EMF)速度极限。因此，用户将在达到反向驱动速度之前经历第一速度相关阻力和/或第二速度相关阻力，该反向驱动速度将导致由致动器提供的反EMF效应，如前所述。第一速度相关阻力和/或第二速度相关阻力可以向用户提供触觉反馈。在一些实施例中，用户可以使用第一阻力和/或第二阻力作为不希望反向驱动速度的进一步增加的指示，并且用户可以选定避免引起反向驱动速度的进一步增加。因此，第一速度相关阻力和/或第二速度相关阻力的可用性可以帮助用户避免达到超过反EMF速度极限的反向驱动速度。
参考图9，示出了根据一个或多个实施例的图表(900)，描绘了当已经定位饱和时针对不同控制模式的阻力与速度曲线。图表(900)包括第一曲线(920)，第一曲线(920)可以与先前描述的图8的第一控制模式相关联。在图9所示的示例中，第一曲线(920)包括具有第一速度无关阻力(924)的处于或低于第一速度阈值(926)的区段、具有第一速度相关阻力(922)的处于或高于第一速度阈值(926)的区段。参照参考图7B对滑锁控制模式的讨论，第一速度无关阻力(924)是实际关节方位与命令关节方位的偏差超过定义的阈值的结果，致使致动器机构产生对应于第一速度无关阻力(924)的饱和输出力/扭矩。图表(900)还包括第二曲线(940)，第二曲线(940)可以与先前描述的图8的第二控制模式相关联。在图9所示的示例中，第二曲线(940)包括具有第二速度相关阻力(942)的高于第二速度阈值(946)的区段。虽然未示出，但是第二曲线(940)可以包括处于或低于第二速度阈值(946)的第二速度无关阻力。第二速度无关阻力可以低于第一速度无关阻力(924)。图表(900)示出了在超过第一速度阈值(926)时立即转变(transition)到第一速度相关阻力(922)，以及在超过第二速度阈值(946)时立即转变到第二速度相关阻力(942)。在不脱离本公开的情况下，可以替代地实施平滑转变。在不脱离本公开的情况下，可以以不同的方式实施速度无关阻力和速度相关阻力之间的精确转变，包括其中由操纵器供应的阻力相对于速度连续的转变。对于低于反电动势速度极限(952)的所有非零反向驱动速度，第一曲线不同于第二曲线，并且不与第二曲线相交或重叠。在图9所示的示例中，第一速度相关阻力(922)的斜率等于或大于第二速度相关阻力(942)的斜率，并且第一曲线和第二曲线(920、940)在任何点处都不相交。应当理解，同样不相交的其他斜率和/或非线性区段也可以用于其他示例中。因此，第一控制模式中的反向驱动与第二控制模式中的反向驱动的触觉区别在任何反向驱动速度处被提供，直到所产生的阻力达到(例如，基于致动器的最大电流的)致动器不能超过的水平。
参考图1A、图1B、图2、图3、图4A、图4B、图5和图6中描述的操纵器组件，所描述的方法可以利于和/或改进机器人***的使用和与机器人***的交互。
在一个实施例中，方法可以用于在触觉上区分两种或多种控制模式。这种触觉区分对于提供不需要用户的视觉或听觉注意力的反馈可能是有用的。在这种场景下，用户可以能够检测控制模式的变化，在控制模式之间进行区分，或者仅基于控制模式的触觉区分来确定当前控制模式。
在一个具体示例中，并且现在参考图6，工具(600)具有***轴线(612)。工具(600)可以在至少两种不同的场景下沿着***轴线移动。在第一种场景下，工具(600)沿着***轴线(612)移动，作为在目标位点处执行工作的工具操作的一部分。例如，可以执行沿着***轴线(612)的***移动以用工具(600)的末端执行器(640)接近目标位点，或者可以执行沿着***轴线(612)的缩回移动以将末端执行器(640)从该位点撤回。在第二种场景下，工具沿着***轴线移动，作为工具替换程序的一部分(例如，当工具被移除并由另一个工具替换时)。尽管在第一种场景和第二种场景下，工具(600)的移动都是沿着***轴线(612)，但是发生移动的背景(context)是不同的。不同的控制模式可以用于这两种场景。
对于第一种场景，在工具的操作期间，可以使用如图8的流程图中所述的第一控制模式。在第一控制模式中，可以(例如，通过远程操作)命令工具沿着***轴线的移动，同时允许工具的反向驱动，例如，通过用户沿着***轴线推动或拉动工具。取决于反向驱动速度，用户可能经历与反向驱动相反的速度无关阻力，或与反向驱动相反的速度相关阻力。
对于第二种场景，在工具的替换期间，可以使用如图8的流程图中所述的第二控制模式。在第二控制模式中，不命令工具的移动，并且用户可以沿着***轴线自由地(没有阻力或阻力最小)使工具反向驱动以执行工具的移除和/或重新***。
不同的阻力与速度曲线(例如，如图9所示)的使用提供了触觉反馈，该触觉反馈帮助用户区分或识别工具沿***轴线被移动的当前控制模式。具体地，在较低的反向驱动速度下，当处于第一控制模式(在该示例中为工具操作模式)时，用户可以注意到第一速度无关阻力。相反，在类似的速度下，当处于第二控制模式(在该示例中为工具替换模式)时，没有或几乎没有阻力被提供给用户。在超过第一速度阈值的反向驱动速度下，当处于第一控制模式(在该示例中为工具操作模式)时，用户可以进一步注意到所经历的更高的第一速度相关阻力，其高于在第二控制模式(在该示例中为工具替换模式)下时用户在相同速度下将经历的阻力。在甚至更高的反向驱动速度下，当处于第二控制模式时，用户可能注意到反向EMF阻力。如果在没有速度相关阻力的情况下实施第一控制模式，则用户在第一控制模式中在更高的反向驱动速度下也将经历反向EMF阻力，因为反向EMF阻力高于第一速度无关阻力。然而，由于第一速度相关阻力的增加，如参考图9所讨论的，第一控制模式和第二控制模式在任何反向驱动速度下都是能够触觉区分的。
虽然已经针对有限数量的实施例描述了本发明，但受益于本公开的本领域技术人员将理解，可以设计出不脱离本文公开的本发明范围的其他实施例。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求来限制。

Claims (27)

1.一种计算机辅助***，其包括：
操纵器臂，其包括关节和被配置为驱动所述关节的致动器机构；和
控制器，其包括计算机处理器，所述控制器被通信地耦连到所述操纵器臂并且被配置有第一控制模式和第二控制模式，
其中，在所述第一控制模式和所述第二控制模式中的每一个中，所述控制器命令所述致动器机构允许外部关节运动，以通过使所述关节反向驱动来重新配置所述操纵器臂，以及
其中，所述第一控制模式与所述第二控制模式的区别至少在于，所述控制器被配置为在所述第一控制器模式中，响应于所述关节以高于第一速度阈值的第一反向驱动速度被反向驱动，命令所述致动器机构提供第一速度相关阻力，所述第一速度相关阻力与被反向驱动的所述关节相反。
2.根据权利要求1所述的计算机辅助***，其中所述第一速度相关阻力包括扭矩。
3.根据权利要求1所述的计算机辅助***，其中所述第一速度相关阻力模拟速度相关阻尼响应。
4.根据权利要求1所述的计算机辅助***，其中所述控制器被配置为在所述第二控制模式中，命令所述致动器机构使所述关节浮动。
5.根据权利要求4所述的计算机辅助***，其中所述控制器还被配置为在所述第二控制模式中，响应于所述关节以高于第二速度阈值的第二反向驱动速度被反向驱动，命令所述致动器机构提供第二速度相关阻力，其中所述第二速度阀值高于所述第一速度阀值。
6.根据权利要求1所述的计算机辅助***，
其中，在所述第一控制模式中，所述控制器命令所述致动器机构允许所述外部关节运动，以通过执行包括以下项的操作来重新配置所述操纵器臂：
获得所述关节的实际状态；
确定所述关节的命令状态与所述实际状态之间的偏差；
响应于所述偏差超过定义的阈值：
调整所述命令状态以生成经调整的命令状态，其中所述经调整的命令状态与所述实际状态之间的差小于所述偏差，以及
在命令所述致动器机构时应用所述经调整的命令状态；和
响应于所述偏差不超过所述定义的阈值：
在命令所述致动器机构时应用所述命令状态。
7.根据权利要求1所述的计算机辅助***，其中所述第一速度相关阻力随着所述第一反向驱动速度超过所述第一速度阈值的量增加。
8.根据权利要求7所述的计算机辅助***，其中所述第一速度相关阻力随着所述量线性增加。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助***，
其中所述致动器机构包括具有反电动势速度极限的致动器，以及
其中所述第一速度阈值低于所述反电动势速度极限。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助***，
其中所述致动器机构包括具有反电动势速度极限的致动器；
其中所述控制器被配置为：在所述第一控制模式中，命令所述致动器机构根据第一阻力与速度曲线来抵抗所述关节的反向驱动；
其中所述控制器进一步被配置为：在所述第二控制模式中，命令所述致动器机构根据第二阻力与速度曲线来抵抗所述关节的反向驱动；和
其中对于低于所述反电动势速度极限的所有非零反向驱动速度，所述第一阻力与速度曲线不同于所述第二阻力与速度曲线。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助***，其中：
所述操纵器臂被配置为支撑和移动工具；和
所述关节提供将所述工具沿着***轴线移动到工作空间中的自由度。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助***，其中所述控制器还被配置为在所述第一控制模式中，命令所述致动器机构提供与所述关节的反向驱动相反的速度无关阻力，使得所述速度无关阻力向引起所述反向驱动的用户提供触觉反馈，其中所述触觉反馈将所述第一控制模式中的所述关节的所述反向驱动与所述第二控制模式中的所述关节的所述反向驱动区分开。
13.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助***，其中所述第一速度相关阻力向引起所述第一控制模式中的所述关节的所述反向驱动的用户提供触觉反馈，其中所述触觉反馈将所述第一控制模式中的所述关节的所述反向驱动与所述第二控制模式中的所述关节的所述反向驱动区分开。
14.根据权利要求1至8中任一项所述的计算机辅助***，其中所述控制器还被配置为在所述第一控制模式中，响应于所述关节以不超过所述第一速度阈值的速度被反向驱动，命令所述致动器机构提供与所述反向驱动相反的速度无关阻力。
15.一种用于操作机器人***的方法，所述机器人***包括操纵器臂和控制器，所述操纵器臂包括关节和被配置为驱动所述关节的致动器机构，所述控制器被配置有第一控制模式和第二控制模式，所述方法包括：
当所述控制器处于所述第一控制模式和所述第二控制模式中的每一个时，所述控制器命令所述致动器机构允许外部关节运动，以通过使所述关节反向驱动来重新配置所述操纵器臂；和
当所述控制器处于所述第一控制模式时，所述控制器响应于所述关节以高于第一速度阈值的第一反向驱动速度被反向驱动，命令所述致动器机构提供第一速度相关阻力，所述第一速度相关阻力与被反向驱动的所述关节相反，
其中所述第一控制模式与所述第二控制模式的区别至少在于所述第一速度相关阻力。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一速度相关阻力模拟速度相关阻尼响应。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
当所述控制器处于所述第二控制模式时，所述控制器命令所述致动器机构使所述关节浮动。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
当所述控制器处于所述第二控制模式时，所述控制器响应于所述关节以高于第二速度阈值的第二反向驱动速度被反向驱动，命令所述致动器机构提供第二速度相关阻力，其中所述第二速度阀值高于所述第一速度阀值。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述控制器命令所述致动器机构允许外部关节运动以重新配置所述操纵器臂包括：
所述控制器获得所述关节的实际状态；
所述控制器确定所述关节的命令状态与所述实际状态之间的偏差；
所述控制器响应于所述偏差超过定义的阈值：
调整所述命令状态以生成经调整的命令状态，其中所述经调整的命令状态与所述实际状态之间的差小于所述偏差，以及
在命令所述致动器机构时应用所述经调整的命令状态；和
所述控制器响应于所述偏差不超过所述定义的阈值：
在命令所述致动器机构时应用所述命令状态。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一速度相关阻力随着所述第一反向驱动速度超过所述第一速度阈值的量增加。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一速度相关阻力随着所述量线性增加。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，
其中所述致动器机构包括具有反电动势速度极限的致动器，以及
其中所述第一速度阈值低于所述反电动势速度极限。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：
当所述控制器处于所述第一控制模式时，所述控制器命令所述致动器机构根据第一阻力与速度曲线来抵抗所述关节的反向驱动；
当所述控制器处于所述第二控制模式时，所述控制器命令所述致动器机构根据第二阻力与速度曲线来抵抗所述关节的反向驱动，
其中对于低于所述反电动势速度极限的所有非零反向驱动速度，所述第一阻力与速度曲线不同于所述第二阻力与速度曲线。
24.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，进一步包括：
当所述控制器处于所述第一控制模式时，所述控制器命令所述致动器机构提供与所述关节的反向驱动相反的速度无关阻力，使得所述速度无关阻力向引起所述反向驱动的用户提供触觉反馈，其中所述触觉反馈将所述第一控制模式中的所述关节的所述反向驱动与所述第二控制模式中的所述关节的所述反向驱动区分开。
25.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，
其中所述第一速度相关阻力向引起所述第一控制模式中的所述关节的所述反向驱动的用户提供触觉反馈，其中所述触觉反馈将所述第一控制模式中的所述关节的所述反向驱动与所述第二控制模式中的所述关节的所述反向驱动区分开。
26.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，进一步包括：
当所述控制器处于所述第一控制模式时，所述控制器响应于所述关节以不超过所述第一速度阈值的速度被反向驱动，命令所述致动器机构提供与所述反向驱动相反的速度无关阻力。
27.一种非暂时性机器可读介质，其包括由与计算机辅助***相关联的一个或多个处理器执行的多个机器可读指令，所述多个机器可读指令使得所述一个或多个处理器执行根据权利要求15至26中任一项的方法。
CN202280022657.0A 2021-04-12 2022-04-11 反向驱动关节中的受控阻力 Pending CN116997444A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163174028P 2021-04-12 2021-04-12
US63/174,028 2021-04-12
PCT/US2022/024284 WO2022221204A1 (en) 2021-04-12 2022-04-11 Controlled resistance in backdrivable joints

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116997444A true CN116997444A (zh) 2023-11-03

Family

ID=81580721

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280022657.0A Pending CN116997444A (zh) 2021-04-12 2022-04-11 反向驱动关节中的受控阻力

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20240189051A1 (zh)
CN (1) CN116997444A (zh)
DE (1) DE112022002158T5 (zh)
WO (1) WO2022221204A1 (zh)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6699177B1 (en) 1996-02-20 2004-03-02 Computer Motion, Inc. Method and apparatus for performing minimally invasive surgical procedures
US6394998B1 (en) 1999-01-22 2002-05-28 Intuitive Surgical, Inc. Surgical tools for use in minimally invasive telesurgical applications
CN105637317A (zh) 2013-10-03 2016-06-01 理查德·摩阔路 枪械弹匣自动装填器
EP3834765B1 (en) * 2016-01-12 2024-07-17 Intuitive Surgical Operations, Inc. Staged force feedback transitioning between control states
WO2020028356A1 (en) * 2018-07-30 2020-02-06 Intuitive Surgical Operations, Inc. Hard stop protection system and method
WO2020205634A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 Intuitive Surgical Operations, Inc. Reducing energy buildup in servo-controlled mechanisms

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022221204A1 (en) 2022-10-20
US20240189051A1 (en) 2024-06-13
DE112022002158T5 (de) 2024-02-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11998292B2 (en) Control of computer-assisted tele-operated systems
US11903664B2 (en) Computer-assisted medical systems and methods
KR102455778B1 (ko) 컴퓨터 지원 원격 조작 수술 시스템 및 방법
EP2038712B1 (en) Control system configured to compensate for non-ideal actuator-to-joint linkage characteristics in a medical robotic system
US20220250242A1 (en) Guided tool change
JP2015534469A (ja) 手術システムの動きを操作するためのファントム自由度
EP4272908A1 (en) Reducing energy buildup in servo-controlled mechanisms
Bihlmaier et al. Endoscope robots and automated camera guidance
US20240189051A1 (en) Controlled resistance in backdrivable joints
US20220313349A1 (en) System and method of dithering to maintain grasp force
EP4203838A1 (en) Method and system for coordinated multiple-tool movement using a drivable assembly
US20240208055A1 (en) Techniques for constraining motion of a drivable assembly
US20230414307A1 (en) Systems and methods for remote mentoring
US20210298751A1 (en) Techniques for controlling an end effector
CN114867429A (zh) 控制器械的***和方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination