本發(fā)明涉及用于控制用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機(jī)器人系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明涉及在用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機(jī)器人系統(tǒng)中控制由主設(shè)備控制的從設(shè)備接近從設(shè)備的移動(dòng)極限的方法。

背景技術(shù)：

1、在用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的主-從機(jī)器人系統(tǒng)背景下，已知系統(tǒng)具有在機(jī)械上不受機(jī)器人系統(tǒng)的“主控制器”站的約束(即“機(jī)械未接地的”、“機(jī)械不受約束的”)主設(shè)備，或者為例如在同一申請(qǐng)人名義下的wo-2019-020407、wo-2019-020408、wo-2019-020409中所示的類型。

2、在沒(méi)有力反饋的“輪”主設(shè)備中，以及在單邊遙操作中，存在的一個(gè)問(wèn)題是，在主設(shè)備映射到的相應(yīng)標(biāo)稱目標(biāo)位姿從設(shè)備無(wú)法到達(dá)，例如因?yàn)樗趶脑O(shè)備允許的工作空間之外。

3、為了保持高度的遙操作可用性，并保持直觀的操作員行為，當(dāng)從設(shè)備接近于允許的工作空間的極限和/或當(dāng)標(biāo)稱目標(biāo)位姿在從設(shè)備的上述工作空間之外時(shí)，出現(xiàn)了對(duì)于提供經(jīng)修改的和改進(jìn)的控制方法和算法的需要。

4、在對(duì)稱的n折主設(shè)備和顯微外科器械之間給予單邊遙操作，其中有平移性質(zhì)的自由度(通常有3個(gè)相互正交的方向)、旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的自由度(其空間姿態(tài)通?？梢酝ㄟ^(guò)3個(gè)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)來(lái)描述)和描述顯微外科設(shè)備狀態(tài)的可能的另外的度，諸如“閉合”(或抓握)。

5、假設(shè)對(duì)稱n折主至少具有與受控設(shè)備相同數(shù)量的自由度。在這種情況下，單邊遙操作可被視為主設(shè)備和從設(shè)備之間的信息流(如例如圖8中所示的)。

6、由于主設(shè)備不受約束，因此主設(shè)備和從設(shè)備的位置之間沒(méi)有先驗(yàn)的固定映射。這種映射是在特定時(shí)刻產(chǎn)生的，諸如進(jìn)入遙操作，其中從設(shè)備的移動(dòng)與主設(shè)備的移動(dòng)“耦合”。

7、在顯微外科背景下，參考平移自由度，主設(shè)備的平移移動(dòng)導(dǎo)致從設(shè)備的成比例運(yùn)動(dòng)是有用的，這樣用戶就可以感知到主設(shè)備定位精準(zhǔn)度的改進(jìn)。引入比例因子使用戶感知到對(duì)從設(shè)備的更好的控制，因?yàn)樗?她容易發(fā)現(xiàn)主設(shè)備上執(zhí)行的平移軌跡的方向和幅度與從設(shè)備的移動(dòng)之間的認(rèn)知一致性。

8、這種一致性允許用戶通過(guò)觀察從設(shè)備而不是他/她自己的手來(lái)關(guān)閉通過(guò)手-眼協(xié)調(diào)給出的認(rèn)知控制回路。

9、物理極限的存在，參考例如平移自由度，需要對(duì)接近這些極限的遙操作進(jìn)行特殊管理。

10、因此，在具有受限和不受限的主設(shè)備的主-從機(jī)器人系統(tǒng)中，感覺(jué)到需要當(dāng)從設(shè)備位置接近這些極限時(shí)，定義適當(dāng)?shù)倪b操作行為，以及在遙操作范式改變期間優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

11、在所考慮的技術(shù)領(lǐng)域中，已知的解決方案不能夠令人滿意地解決上述問(wèn)題和缺點(diǎn)。

12、因此，在所考慮的技術(shù)領(lǐng)域中，迫切需要根據(jù)主設(shè)備、依據(jù)計(jì)劃和基于控制算法來(lái)控制從設(shè)備的從動(dòng)移動(dòng)，如此以便解決或至少減輕上述問(wèn)題和缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供用于控制由可由操作員移動(dòng)的主設(shè)備控制的從設(shè)備接近從設(shè)備的物理運(yùn)動(dòng)極限的方法，其允許參考現(xiàn)有技術(shù)至少部分地消除上述所抱怨的缺點(diǎn)，并響應(yīng)于所考慮技術(shù)領(lǐng)域中特別感受到的上述需求。這樣的目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2、此類方法的其他實(shí)施方式在權(quán)利要求2-14中限定。

3、本發(fā)明的目的還在于提供用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機(jī)器人系統(tǒng)，其配置成通過(guò)上述方法進(jìn)行控制。這樣的目的通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4、此類系統(tǒng)的其他實(shí)施方式由權(quán)利要求16限定。

技術(shù)特征：

1.一種用于控制用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機(jī)器人系統(tǒng)的從設(shè)備的方法，其中所述機(jī)器人系統(tǒng)包括：至少一個(gè)主設(shè)備(110)，適于由操作員(150)移動(dòng)；以及至少一個(gè)從設(shè)備，包括手術(shù)器械(170)，所述從設(shè)備適于由主設(shè)備控制，其中所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述凸體對(duì)應(yīng)于由具有有限行程的三個(gè)正交關(guān)節(jié)定義的所述從設(shè)備的工作空間。

3.如權(quán)利要求1或2中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述至少一個(gè)從設(shè)備包括至少一個(gè)關(guān)節(jié)，所述至少一個(gè)關(guān)節(jié)適于使所述從設(shè)備沿著至少一個(gè)相應(yīng)的方向(x、y、z)移動(dòng)，所述相應(yīng)的方向?qū)?yīng)于與所述從設(shè)備的從工作空間相關(guān)聯(lián)的空間參考系(x,y,z)的三個(gè)方向中的一個(gè)方向，其中所述從工作空間在所述空間參考系的每個(gè)方向(x、y、z)上都具有物理極限，所述物理極限由所述從設(shè)備在所述相應(yīng)的方向上的可能物理運(yùn)動(dòng)的極限確定，

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述從設(shè)備包括三個(gè)關(guān)節(jié)，其適于使所述從設(shè)備沿著所述空間參考系(x,y,z)的三個(gè)方向中的相應(yīng)的一個(gè)方向移動(dòng)，其中所述三個(gè)方向(x、y、z)彼此正交，并定義了所述關(guān)節(jié)的三個(gè)正交平移自由度，

5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，還包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述縮減函數(shù)(u)作為所述標(biāo)稱目標(biāo)位姿和所述內(nèi)部區(qū)域的最近點(diǎn)之間距離的函數(shù)是單調(diào)且非遞減的。

7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述縮減函數(shù)(u)獨(dú)立地作用于每個(gè)單獨(dú)的關(guān)節(jié)和/或其中，每個(gè)單獨(dú)的關(guān)節(jié)根據(jù)相應(yīng)的不同的縮減函數(shù)(u)進(jìn)行操作。

8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述縮減函數(shù)(u)是一個(gè)遞增的線性函數(shù)，其具有值1，對(duì)應(yīng)于在屬于所述內(nèi)部區(qū)域和所述邊緣區(qū)域之間的邊界的每個(gè)點(diǎn)處對(duì)所述內(nèi)部區(qū)域內(nèi)的標(biāo)稱目標(biāo)位姿有效的標(biāo)稱比例因子(fs)，以及大于1的值，并且對(duì)于所述邊緣區(qū)域的點(diǎn)在遠(yuǎn)離所述內(nèi)部區(qū)域和所述邊緣區(qū)域之間的邊界移動(dòng)時(shí)增加，使得應(yīng)用于所述邊緣區(qū)域的每個(gè)點(diǎn)處的所述經(jīng)修改的比例因子(fm)作為所述點(diǎn)與所述邊緣區(qū)域和所述內(nèi)部區(qū)域之間的邊界的距離的函數(shù)線性增加。

9.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述縮減函數(shù)(u)是具有等邊雙曲線趨勢(shì)的非線性函數(shù)。

10.根據(jù)權(quán)利要求5-9中任一項(xiàng)所述的方法，其中，當(dāng)所述縮減函數(shù)(u)的值達(dá)到或超過(guò)所述預(yù)定最大比例因子(fmax)時(shí)，即，對(duì)于所述縮減函數(shù)(u)的值達(dá)到或超出所述預(yù)定最大比例縮放因子(fmax)的點(diǎn)，所述方法提供保持所述從設(shè)備目標(biāo)位姿靜止，并因此平移停止所述從設(shè)備，使得所述目標(biāo)位姿偏離所述標(biāo)稱目標(biāo)位姿，并確定所述主設(shè)備位姿和所述從目標(biāo)設(shè)備位姿之間的平移偏移(δoff)。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述預(yù)定最大比例縮放因子(fmax)是相對(duì)于所述從工作空間的內(nèi)部區(qū)域和邊緣區(qū)域的定義來(lái)定義的，使得所述從設(shè)備的受控軌跡完全在所述從設(shè)備的從工作空間內(nèi)存在并延伸。

12.根據(jù)權(quán)利要求6-9中任一項(xiàng)以及權(quán)利要求10或11中的一項(xiàng)所述的方法，其中，當(dāng)由所述主設(shè)備控制的所述標(biāo)稱目標(biāo)位姿再次與低于所述最大比例縮放因子(fmax)的縮減函數(shù)值(u)相關(guān)聯(lián)時(shí)，所述方法提供對(duì)所述縮減函數(shù)(u)的參數(shù)的重新調(diào)制，以便在所述從設(shè)備位姿再次進(jìn)入所述從工作空間的內(nèi)部區(qū)域時(shí)恢復(fù)累積的平移偏移(off)。

13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，除了與所述方向(x、y、z)相對(duì)應(yīng)的平移自由度之外，所述從設(shè)備還提供至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(r)，所述至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度表示所述從設(shè)備在控制點(diǎn)處繞其軸線旋轉(zhuǎn)，

14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述主設(shè)備是不接地型主設(shè)備，優(yōu)選地沒(méi)有力返回；

15.一種用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機(jī)器人系統(tǒng)(100)，包括：

16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中，所述控制單元配置成執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的用于控制從設(shè)備的方法。

技術(shù)總結(jié)
描述了一種用于控制用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機(jī)器人系統(tǒng)的從設(shè)備接近從設(shè)備的物理運(yùn)動(dòng)極限的方法。該方法適用的機(jī)器人系統(tǒng)包括至少一個(gè)適于由操作員150移動(dòng)的主設(shè)備110e，并且還包括至少一個(gè)適于由主設(shè)備控制的包括手術(shù)器械(170)的從設(shè)備。該方法包括以下步驟：為主設(shè)備的每個(gè)主軌跡確定從設(shè)備的相應(yīng)的從目標(biāo)軌跡，以及控制從設(shè)備，使其遵循并沿著所述從軌跡移動(dòng)。上述確定的步驟包括在從設(shè)備的從參考坐標(biāo)系中為主設(shè)備的每個(gè)主軌跡確定從設(shè)備的相應(yīng)的從目標(biāo)軌跡，其中所從設(shè)備移動(dòng)相對(duì)于主設(shè)備移動(dòng)按比例因子Fs減小，并且其中所述從設(shè)備相對(duì)于所述主設(shè)備位姿具有平移偏移OFF，該平移偏移可以是零或非零。對(duì)于每個(gè)主設(shè)備移動(dòng)，所述從軌跡都包含在從參考坐標(biāo)系中的預(yù)定凸體中。上述確定從軌跡的步驟包括定義所述凸體的邊緣區(qū)域和凸體的內(nèi)部區(qū)域，所述邊緣區(qū)域接近凸體的邊界，而所述內(nèi)部區(qū)域相對(duì)于邊緣區(qū)域是位于內(nèi)部的，并因此遠(yuǎn)離凸體的邊界。當(dāng)與在從參考坐標(biāo)系中映射的主設(shè)備軌跡相對(duì)應(yīng)的從設(shè)備標(biāo)稱目標(biāo)軌跡在凸體的所述內(nèi)部區(qū)域之外時(shí)，該方法提供了動(dòng)態(tài)改變上述比例因子Fs，以獲得動(dòng)態(tài)可變經(jīng)修改的比例因子Fm(t)，從而相對(duì)于能夠用恒定比例因子獲得的標(biāo)稱從軌跡修改從軌跡，使得目標(biāo)從軌跡保持在上述預(yù)定凸體內(nèi)。當(dāng)經(jīng)修改的比例因子Fm(t)大于預(yù)定的最大比例縮放因子Fmax時(shí)，該方法進(jìn)一步還提供了動(dòng)態(tài)修改上述平移偏移OFF(t)，使得從設(shè)備仍然保持在上述預(yù)定的凸體內(nèi)。進(jìn)一步描述了用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機(jī)器人系統(tǒng)，其適于通過(guò)上述控制方法的方式進(jìn)行控制。

技術(shù)研發(fā)人員：安東尼奧·迪瓜爾多,馬泰奧·坦齊尼,埃馬努埃萊·魯法爾迪,馬西米利亞諾·西米
受保護(hù)的技術(shù)使用者：醫(yī)療顯微器具公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23