現(xiàn)在的披露涉及一種導(dǎo)航方法和系統(tǒng)(也被稱為通過彎曲力的導(dǎo)航)，應(yīng)用于外科手術(shù)應(yīng)用和制造，以及需要經(jīng)過相對(duì)短的距離的位置導(dǎo)航的其它領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

追蹤系統(tǒng)在外科手術(shù)中是需要的，來為了給病人身體相關(guān)的術(shù)前計(jì)劃導(dǎo)航。追蹤系統(tǒng)一般用于在外科手術(shù)過程中追蹤病人身體，并用于給手動(dòng)操作的外科手術(shù)工具或機(jī)器人輔助的外科手術(shù)工具導(dǎo)航。

現(xiàn)在使用的外科手術(shù)追蹤系統(tǒng)依靠于確定目標(biāo)，諸如附接于儀器或者固定在骨頭里的紅外線發(fā)射二極管或回射球，的姿勢(shì)(位置和朝向)。生產(chǎn)這種系統(tǒng)的業(yè)界領(lǐng)袖為ndi，其具有的醫(yī)療產(chǎn)品線包含兩個(gè)追蹤系統(tǒng)家族，稱為polaris和aurora。polaris系統(tǒng)的詳細(xì)信息可由此找到：

http://www.ndigital.com/medical/products/polaris-family/。polaris追蹤系統(tǒng)通過光學(xué)測(cè)量技術(shù)，追蹤附接于外科手術(shù)工具的主動(dòng)或被動(dòng)標(biāo)記的三維位置和朝向。aurora系統(tǒng)的詳細(xì)信息可由此找到：

http：//www.ndigital.com/medical/products/aurora/。

但是，現(xiàn)在的用于追蹤病人身體的系統(tǒng)有一些顯著缺陷?，F(xiàn)在的光學(xué)追蹤系統(tǒng)需要清楚的視線以為了“看見”它們的目標(biāo)。光學(xué)追蹤系統(tǒng)可能是扎眼的，并且干擾外科手術(shù)工作流程，因?yàn)橥饪剖中g(shù)人員不能堵隔攝像頭的視線。這些攝像頭一般安裝在離病人一段距離處。由于外科手術(shù)工作區(qū)域已經(jīng)有點(diǎn)狹小和緊湊，這使得外科手術(shù)人員在工作時(shí)不阻隔攝像頭很困難。外科醫(yī)生表達(dá)了為什么在大多數(shù)原本光學(xué)追蹤系統(tǒng)是有價(jià)值的手術(shù)中而不采用導(dǎo)航和機(jī)器人輔助系統(tǒng)，而這可能就是最被外科醫(yī)生所注意到的原因。

而且，許多現(xiàn)在的手術(shù)內(nèi)部的追蹤系統(tǒng)需要追蹤剛性地安裝到病人的有利害關(guān)系的骨頭上的裝置。這意味著為了進(jìn)入骨頭而形成刺入切口，以便追蹤目標(biāo)可以被鉆入骨頭中。這些安裝位置往往經(jīng)常不是外科手術(shù)的切口和暴露處的一部分。因此，它們被認(rèn)為是額外的必須治愈的病態(tài)以及增加感染風(fēng)險(xiǎn)的源頭。

在外科手術(shù)系統(tǒng)采用中，成本也起了重要作用。成本有三個(gè)元素，包括初始資本費(fèi)用(現(xiàn)在的追蹤系統(tǒng)可以輕易花費(fèi)100,000美金或以上)、替換費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，包括消毒和手術(shù)室時(shí)間的費(fèi)用。因此，成本對(duì)于較小或較偏遠(yuǎn)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)是重要因素。

現(xiàn)在的追蹤系統(tǒng)的追蹤目標(biāo)由于損壞和位于外科手術(shù)場(chǎng)地內(nèi)的磨損，需要間或的替換。許多流行的光學(xué)追蹤器使用了在每次外科手術(shù)后必須丟棄和替換的被動(dòng)的回射目標(biāo)，這樣導(dǎo)致了相當(dāng)多的浪費(fèi)和費(fèi)用。此外，可再用的電子目標(biāo)和它們的骨頭安裝硬件必須使用對(duì)電子設(shè)備安全的手段來消毒。每個(gè)目標(biāo)具有至少兩個(gè)用于骨頭安裝的部件，并且需要每次外科手術(shù)必須替換的電池。大多數(shù)外科手術(shù)在切口和暴露后可以立即開始。但是，如上所述，最常見的外科手術(shù)追蹤系統(tǒng)是光學(xué)的，為了光線而需要對(duì)攝像頭進(jìn)行一些設(shè)置，為了將追蹤目標(biāo)安裝進(jìn)骨頭中而需要對(duì)追蹤目標(biāo)進(jìn)行相當(dāng)多的設(shè)置。這增加了相當(dāng)多的手術(shù)室時(shí)間，從而顯著增加了醫(yī)院和醫(yī)療系統(tǒng)的成本。非光學(xué)的追蹤系統(tǒng)，諸如電磁的或超聲波的，如上所述，仍然需要在身體中安裝目標(biāo)、接收器或發(fā)射器。

大多數(shù)現(xiàn)在的追蹤技術(shù)具有固定的分辨率。例如，最常用的追蹤技術(shù)，光學(xué)系統(tǒng)，具有有固定數(shù)量的像素和像素尺寸的攝像頭芯片。進(jìn)一步地，所有的現(xiàn)在的追蹤系統(tǒng)通過位置/朝向?qū)Ш剑@需要數(shù)學(xué)上簡(jiǎn)化為位置坐標(biāo)和朝向角度，或諸如最小二乘算法的幾何擬合。這些方法需要復(fù)雜的校準(zhǔn)，并引出測(cè)量誤差。

所有的現(xiàn)在的追蹤系統(tǒng)，電磁的、光學(xué)的、或超聲波的，易于受一個(gè)或多個(gè)電磁源、無線波源、聲波源、或光源的干擾。尤其是電磁系統(tǒng)也可以受金屬外科手術(shù)工具、手術(shù)臺(tái)、和其它金屬物體的影響。

提供一種外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是非常有利的，這避免了上述的限制和缺陷，并為現(xiàn)在的外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)提供了經(jīng)濟(jì)上更便宜的選擇。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在本披露中所描述的導(dǎo)航方法和系統(tǒng)不需要位于遠(yuǎn)程的追蹤系統(tǒng)、或額外的目標(biāo)、或其它裝置被安裝到被追蹤的病人或物體上。該系統(tǒng)使用一個(gè)與病人/物體物理接觸的柔性部件，并測(cè)量作為力的函數(shù)的相對(duì)位置,該力由撓性部件在其彎曲時(shí)生成。該系統(tǒng)為機(jī)器人、其它操作器、或人類手工導(dǎo)航而將力轉(zhuǎn)化成導(dǎo)航指令。也描述了一種將預(yù)計(jì)劃的運(yùn)動(dòng)路徑轉(zhuǎn)變?yōu)檫@種導(dǎo)航模式的一系列力的方法。

該系統(tǒng)也可應(yīng)用在可能并不精確知曉物體或組件的位置或位置不恒定的機(jī)器人制造領(lǐng)域。在此披露的本方法和系統(tǒng)可以被用于維持物體/組件的已知位置，或者用于在機(jī)械加工的情況下相對(duì)于物體/組件來為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航。

因此，在一個(gè)具體實(shí)施方式中，提供了一種用于追蹤物體的系統(tǒng)，包括：

a)動(dòng)力源，儀器在其近端可附接至所述動(dòng)力源，所述儀器可由所述動(dòng)力源移動(dòng)；

b)測(cè)壓元件，當(dāng)所述儀器附接至所述動(dòng)力源時(shí)，所述測(cè)壓元件固定在相對(duì)于所述儀器近端的已知位置；

c)柔性部件，所述柔性部件具有附接至所述測(cè)壓元件的近端，所述柔性部件具有被構(gòu)造為與被追蹤的物體進(jìn)行物理接觸的遠(yuǎn)端；和

d)計(jì)算機(jī)控制器，所述計(jì)算機(jī)控制器連接到所述測(cè)壓元件，用于接收來自所述測(cè)壓元件的輸出，來自所述測(cè)壓元件的輸出包括當(dāng)所述物體移動(dòng)時(shí)由所述柔性部件彎曲而生成的力，所述計(jì)算機(jī)控制器被編程有指令，所述指令將所述柔性部件生成的所述力轉(zhuǎn)化成導(dǎo)航命令，以使所述動(dòng)力將所述儀器相對(duì)于所述物體維持在預(yù)選擇的姿勢(shì)。

在另一個(gè)具體實(shí)施方式中，提供了一種物體的導(dǎo)航的系統(tǒng)，包括：

a)動(dòng)力源，儀器在其近端可附接至所述動(dòng)力源，所述儀器可由所述動(dòng)力源移動(dòng)；

b)測(cè)壓元件，當(dāng)所述儀器附接至所述動(dòng)力源時(shí)，所述測(cè)壓元件固定在相對(duì)于所述儀器的所述近端的已知位置；

c)柔性部件，所述柔性部件具有附接至所述測(cè)壓元件的近端，所述柔性部件具有被構(gòu)造為與被追蹤的物體進(jìn)行物理接觸的遠(yuǎn)端；和

d)計(jì)算機(jī)控制器，所述計(jì)算機(jī)控制器連接到所述測(cè)壓元件，所述計(jì)算機(jī)控制器預(yù)編程有包含預(yù)選擇的導(dǎo)航路徑的導(dǎo)航算法，其中所述計(jì)算機(jī)控制器編程有指令，所述指令將所述導(dǎo)航路徑轉(zhuǎn)化成所述柔性部件所經(jīng)受的一系列被預(yù)測(cè)的力，所述一系列被預(yù)測(cè)的力是根據(jù)所述預(yù)選擇的導(dǎo)航路徑，沿著所述柔性部件的被預(yù)測(cè)的變形構(gòu)造，以離散的間隔來計(jì)算出的，其中所述計(jì)算機(jī)控制器編程有算法，所述算法將一系列計(jì)算出的力輸入到所述導(dǎo)航算法的輸入中。

對(duì)本披露的功能和有利方面的進(jìn)一步理解可以通過參考下面詳細(xì)的描述和圖形來實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

現(xiàn)在將只通過例子，參照?qǐng)D形來描述具體實(shí)施方式。其中：

圖1示出了通過柔性部件來使用導(dǎo)航的外科手術(shù)追蹤系統(tǒng)。

圖2示出了工具夾持器、測(cè)壓元件和用于將測(cè)壓元件和工具安裝到工具夾持器的安裝支架的透視圖。

圖3示出了本系統(tǒng)的一個(gè)具體實(shí)施方式的框圖，該具體實(shí)施方式的系統(tǒng)包括連接到測(cè)壓元件和機(jī)器人控制處理器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理器，機(jī)器人控制處理器連接到機(jī)器人臂。

圖4示出了本系統(tǒng)的另一個(gè)具體實(shí)施方式的框圖，該具體實(shí)施方式的系統(tǒng)包括連接到測(cè)壓元件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理器，其中沒有使用機(jī)器人，而是人通過手來移動(dòng)工具。

圖5示出了在此披露的方法的非限制實(shí)施例的流程圖。

圖6示出了導(dǎo)航路線計(jì)算階段的非限制實(shí)施例的流程圖。

具體實(shí)施方式

本披露的各種不同的具體實(shí)施方式和方面將參照下面討論的細(xì)節(jié)來描述。下面的描述和圖形是說明本披露的，而不解釋為對(duì)本披露的限制。很多對(duì)具體細(xì)節(jié)的描述提供了對(duì)本披露的各種不同的具體實(shí)施方式的徹底理解。但是，在特定情況下，熟知的或常規(guī)的細(xì)節(jié)并沒有描述，以為了提供對(duì)本披露的具體實(shí)施方式的簡(jiǎn)明討論。圖形不是按比例的。

在此使用的術(shù)語“包括”被解釋為包括的和開放式的，而非排他性的。具體而言，在說明書和權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“包括”和其變體表示特定的特征、步驟或部件是包括的。這些術(shù)語不解釋為排除其它特征、步驟或部件的出現(xiàn)。

在此使用的術(shù)語“示例性的”表示“作為一個(gè)例子、實(shí)例或例證”，不應(yīng)該解釋為比其它在此披露的構(gòu)造優(yōu)選或有利。

在此使用的術(shù)語“大約”和“大概”意味著包括可能存在于范圍值的上限和下限的變化，諸如性質(zhì)、參數(shù)、和尺寸的變化。在一個(gè)非限制例子中，術(shù)語“大約”和“大概”表示加上或減去百分之十或少于百分之十。

在此使用的短語“測(cè)壓元件”指的是用于產(chǎn)生電信號(hào)的傳感器，該傳感器的數(shù)量級(jí)與所測(cè)的力和轉(zhuǎn)矩是直接成比例的。這些力和轉(zhuǎn)矩是通過柔性部件作為反應(yīng)力而生成的。測(cè)壓元件附接于該柔性部件的一端，待追蹤的物體接觸于該柔性部件的另一端。

在此使用的短語“柔性部件”表示任何物體，其彈性模量允許其所經(jīng)受的力在物體的彈性范圍內(nèi)，以致于不會(huì)損壞或塑性變形該物體。例子包括輕金屬條、橡膠或柔性復(fù)合物、加載彈簧的組件等。任何定制設(shè)計(jì)的固定設(shè)備或組件，只要其具有柔性部分，該柔性部分要有足夠的彈性范圍以滿足本申請(qǐng)所要求的彎曲工作范圍，就足夠了。

在此使用的單詞“姿勢(shì)”表示位置值和旋轉(zhuǎn)值的組合，這些值一起代表了物體的離散的位置和朝向。

在此披露的導(dǎo)航系統(tǒng)，在此稱其為通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)，設(shè)計(jì)為在不依靠二級(jí)追蹤系統(tǒng)的情況下提供移動(dòng)追蹤和機(jī)器人末端執(zhí)行器定位指引。除了機(jī)器人導(dǎo)航反饋之外，它可以用于較簡(jiǎn)單的定位裝置，甚至手動(dòng)操作工具。為了簡(jiǎn)單起見，通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)從現(xiàn)在開始將描述為機(jī)器人使用，但是，這將理解為它可以用于非機(jī)器人應(yīng)用，相同的工作原理一般是相同的。

參考圖1，總體標(biāo)示為10的機(jī)器人臂包括安裝于臂10遠(yuǎn)端的末端執(zhí)行器12。末端執(zhí)行器12包括基板14，外科手術(shù)工具/儀器或者操作器18附接于基板14。相對(duì)于工具/儀器/操作器18，測(cè)壓元件22剛性安裝到末端執(zhí)行器12，以使在測(cè)壓元件22和工具/儀器/操作器18之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

參考圖2，測(cè)壓元件22位于偏離于正在使用的工具18的工具輪廓中心的，距該工具輪廓遠(yuǎn)離之處。這是通過使用基板14來實(shí)現(xiàn)的?；?4被構(gòu)造為包括兩個(gè)分隔開的安裝座16和24。該兩個(gè)安裝座由剛性的中間部分分隔開。末端執(zhí)行器12安裝到安裝座16，而測(cè)壓元件22安裝到安裝座24。柔性部件26在其近端處被安裝到測(cè)壓元件22的自由端。柔性部件26的遠(yuǎn)端或安裝表面與物體40(可以為任何物體，或就外科手術(shù)而言，可以為被追蹤的病人身體)物理接觸。測(cè)壓元件22測(cè)量系統(tǒng)將與柔性部件26所經(jīng)受的力和轉(zhuǎn)矩成比例的電壓輸出到外置計(jì)算機(jī)30。柔性部件26允許在被追蹤的物體/病人和工具/儀器/操作器18之間，以及測(cè)壓元件22之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。該相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于柔性部件26中的撓曲度，包含力和轉(zhuǎn)矩。該力和轉(zhuǎn)矩由測(cè)壓元件22測(cè)量并以成比例的電壓實(shí)時(shí)傳送到控制系統(tǒng)。

圖3示出了總體標(biāo)示為20的本系統(tǒng)的框圖。系統(tǒng)20包括連接到測(cè)壓元件22和機(jī)器人控制器32的實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)處理器30，機(jī)器人控制器連接到機(jī)器人臂10。在一些機(jī)器人應(yīng)用中，取決于機(jī)器人制造商的控制器實(shí)施方式，可以有一個(gè)具體實(shí)施方式，其不包括一個(gè)單獨(dú)的機(jī)器人控制器，或者機(jī)器人控制器32可能和通過彎曲力導(dǎo)航控制器30存在于相同的處理器中。

圖4示出了另一不使用機(jī)器人，而是人通過手來移動(dòng)工具的具體實(shí)施方式。在該具體實(shí)施方式中，通過彎曲力導(dǎo)航控制器的導(dǎo)航命令輸出到顯示屏，或諸如聲學(xué)裝置或觸覺裝置的其它類型的人機(jī)界面。在任何情況下，可以通過將控制器30的導(dǎo)航命令轉(zhuǎn)化成特定應(yīng)用的反饋信號(hào)而為人提供導(dǎo)航。

通過彎曲力導(dǎo)航控制器/處理器30以反饋控制算法來編程。測(cè)壓元件22和控制算法可用于命令機(jī)器人臂10或其它運(yùn)動(dòng)裝置，或用于為手持工具/儀器導(dǎo)航。如上所述，控制器/處理器30所獲得的電壓讀數(shù)經(jīng)過校準(zhǔn)變換矩陣并轉(zhuǎn)換成力值。力值代表了柔性部件所當(dāng)前經(jīng)受的載荷。通過偏置位于初始位置的測(cè)壓元件22，力值的改變可以被解釋為被追蹤的物體40和機(jī)器人的末端執(zhí)行器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。可以給機(jī)器人10增量位置/朝向調(diào)整指令，來為物體40的移動(dòng)提供補(bǔ)償。此外，計(jì)劃的運(yùn)動(dòng)路徑可以轉(zhuǎn)變成計(jì)劃的一系列彎曲力和轉(zhuǎn)矩。這可以用于以計(jì)劃的路徑，相對(duì)于被偏置的參考位置和相對(duì)于物體來移動(dòng)機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)或?qū)Ш接扇我贿\(yùn)動(dòng)度或同時(shí)所有六個(gè)運(yùn)動(dòng)度的小校正運(yùn)動(dòng)矢量來命令控制(即沿三個(gè)笛卡爾軸方向的線性運(yùn)動(dòng)和繞這些相同的軸的旋轉(zhuǎn))。在由手來移動(dòng)工具18的人類導(dǎo)航的情況下，命令可以可視地顯示，或使用一些諸如可聽見的信號(hào)或觸覺的其它的反饋形式。

就著圖5的流程圖來更詳細(xì)描述的算法，包括一套空間變換，其將來自柔性物體的力/轉(zhuǎn)矩(由測(cè)壓元件測(cè)量)轉(zhuǎn)化成空間校正，其數(shù)量級(jí)與所測(cè)的力/轉(zhuǎn)矩是成比例的，以使輸入至控制器的相對(duì)位置上的較大誤差導(dǎo)致了對(duì)該相對(duì)位置所作的空間校正的較大數(shù)量級(jí)。空間校正也進(jìn)行縮放以放大或減小位置校正并調(diào)整響應(yīng)性能。六個(gè)縮放比例因數(shù)中的每一個(gè)，對(duì)應(yīng)于六個(gè)運(yùn)動(dòng)度的空間校正。每個(gè)縮放比例因數(shù)被實(shí)時(shí)地調(diào)整，以為了改變狀況(即物體/病人移動(dòng)或其它未知情況)而進(jìn)行補(bǔ)償并使相對(duì)位置誤差最小化?？s放比例因數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整目前是為對(duì)應(yīng)于每個(gè)運(yùn)動(dòng)度的每個(gè)縮放比例因數(shù)使用一個(gè)比例-積分-微分(pid)算法而實(shí)現(xiàn)的。先前的機(jī)器人控制具體實(shí)施方式的典型使用基于啟發(fā)式?jīng)Q策的算法，通過為每個(gè)縮放比例因數(shù)選擇不同的數(shù)量級(jí)而作為輸入誤差數(shù)量級(jí)的函數(shù)，來調(diào)整縮放比例因數(shù)。這是用于調(diào)整縮放比例因數(shù)的方法的兩個(gè)例子。但是，任何可以調(diào)整值、或矢量或數(shù)組值，而作為增長或減少誤差輸入的函數(shù)的方法都可以使用。例如，模糊邏輯可能也可以用于此目的。因?yàn)樽罱K的導(dǎo)航命令可以輸出為慢跑活動(dòng)而輸出至機(jī)器人或其它裝置或人，那么也可以使用調(diào)制方法來代替連續(xù)調(diào)整方法。調(diào)整縮放比例因數(shù)的目的是通過減小滯后或延遲來改善性能。如果這是不需要的，或者如果機(jī)器人、運(yùn)動(dòng)裝置或人類任務(wù)是充分響應(yīng)的，那么可以使用只有固定縮放比例因數(shù)的具體實(shí)施方式，或甚至完全沒有(即等于1)的具體實(shí)施方式。通過彎曲力導(dǎo)航算法可以在軟件中或硬件中編碼。本方法的示例性且非限制實(shí)施例參見圖5的流程圖所示出的算法。

具體參照?qǐng)D5的流程圖，將會(huì)詳細(xì)討論上述算法。算法涉及要么通過使用測(cè)壓元件的軟件，要么通過下面的變換，將測(cè)壓元件(lc)的力-轉(zhuǎn)矩(ft)輸出轉(zhuǎn)變成工具坐標(biāo)系統(tǒng)(cs)，

對(duì)于力矢量：其中f是力矢量f＝(fx,fy,fz)；

對(duì)于轉(zhuǎn)矩矢量：其中torq是力矢量torq＝(torqx，torqy，torqz)；

現(xiàn)在，ft輸出是相對(duì)于工具cs。

我們需要相對(duì)于減小ft的基礎(chǔ)幀，將目前的工具姿勢(shì)(ti)轉(zhuǎn)變?yōu)樾鹿ぞ咦藙?shì)(ti+1)。這是：

因此，我們需要變換該變換代表相對(duì)于目前的工具姿勢(shì)(ti)的新工具姿勢(shì)(ti+1)。這將通過上述的ft變換來構(gòu)成。比如說，對(duì)于力將校正率設(shè)置為1mm/n，對(duì)于轉(zhuǎn)矩將校正率設(shè)置為1°/nm，那么對(duì)于力：對(duì)于y和z方向也是類似的。注意標(biāo)志(+)，是在力方向上移動(dòng)以緩解力。也需注意每個(gè)方向的率值可以是不同的。可以給定較低的閾值以除去接近零值的抖動(dòng)，給定上限以避免大的校正。

對(duì)于轉(zhuǎn)矩：相同的注意點(diǎn)也類似地適用于校正轉(zhuǎn)化。

現(xiàn)在根據(jù)固定軸方法，使用craig文本的公式，由rotx,roty和rotz建立旋轉(zhuǎn)r矩陣。

現(xiàn)在使用r和轉(zhuǎn)化值transx,transy和transz來建立t矩陣。

最終的t矩陣代表了小轉(zhuǎn)換值和旋轉(zhuǎn)值，這些值需要去抵消地校正在工具坐標(biāo)系統(tǒng)的力和轉(zhuǎn)矩。這適合于上述的工具cs變換所需要的矩陣

測(cè)壓元件應(yīng)該歸零，以忽略預(yù)載荷。這樣，上面的將為下面的提供參考。對(duì)于預(yù)計(jì)劃的導(dǎo)航路徑，用匹配本申請(qǐng)的邊界條件為fea分析建立柔性部件的cad模型。將預(yù)計(jì)劃的路徑分成離散的幀，那么對(duì)于每個(gè)幀，迭代地配置柔性部件的遠(yuǎn)端，以匹配那個(gè)幀的路徑。對(duì)應(yīng)于每個(gè)幀配置，計(jì)算柔性部件的測(cè)壓元件邊界條件處的反應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩。將這些反應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩值填入fx,y,z和torqx,y,z矢量。這將生成對(duì)應(yīng)于一系列路徑幀的一系列目標(biāo)力和轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)在該系列將被輸入到上述的算法，它將設(shè)法使實(shí)時(shí)測(cè)壓元件的輸出和fx,y,z以及torqx,y,z矢量之間的誤差最小化。

因此，該系統(tǒng)為了機(jī)器人、其它操作器(例如，拾取和放置制造，cnc數(shù)控銑床)、或人類手工導(dǎo)航而將力轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航命令。就人類導(dǎo)航而言，人類操作者握住工具，該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)的柔性部件與和人類操作者正在相互作用的物體相接觸。相互作用的類型可以為探測(cè)、機(jī)械加工、測(cè)量、涂漆、變形，但是并不限于物理接觸。它可以是激光或攝像頭的掃描，或者任何其它的非接觸相互作用。

因此，當(dāng)系統(tǒng)配置為在儀器18和物體40之間以接觸模式使用時(shí)，儀器可以是用于處理材料的工具，包括但不限于鉆頭或任何其它類型的機(jī)床，或與組織相互作用的醫(yī)療儀器，包括但不限于通管絲、針狀物、注射器、同位素導(dǎo)引器、壓紋機(jī)、沖壓機(jī)、拋光器、磨床、碾磨器、鉆孔器、銼刀、鉆頭、抓緊器。

當(dāng)系統(tǒng)配置為在儀器18和物體40之間以非接觸模式使用，儀器可以為任一種，但不限于，成像裝置、掃描儀、激光器、噴漆器、噴墨頭、輻射監(jiān)視器、磁場(chǎng)傳感器或電磁場(chǎng)傳感器、電容傳感器或電感傳感器。

在此披露的該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)甚至可以直接附接到人類操作者身體上，而不是工具上。在本實(shí)施方式中，假定適宜地保護(hù)了測(cè)壓元件的電子部件，則該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)可以在幾乎任何環(huán)境中為特定身體部位的直接人類導(dǎo)航來提供導(dǎo)航，包括在水下和真空區(qū)。該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)所要求的唯一的與物體的接觸是柔性部件26和物體40之間的接觸。那么可以相對(duì)于物體來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。

該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)可以用于物體追蹤，在追蹤中，隨著物體可能四處移動(dòng)，該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出相對(duì)于物體將設(shè)法維持為一個(gè)位置和朝向。此外，該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供導(dǎo)航，在導(dǎo)航中，該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出代表了相對(duì)于物體改變的相對(duì)位置和朝向。這兩個(gè)應(yīng)用由這里所描述的通過彎曲力導(dǎo)航的整體算法所支持。

在簡(jiǎn)單物體追蹤的第一個(gè)應(yīng)用中，該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)輸出設(shè)法相對(duì)于可能移動(dòng)的物體而維持為一個(gè)位置和朝向。測(cè)壓元件22的輸出可以相對(duì)于被追蹤的物體/病人偏置為參考位置(例如，設(shè)為零值)。這樣，柔性物體中的力和轉(zhuǎn)矩被偏置為零。隨著物體/病人的移動(dòng)，相對(duì)于物體/病人，該系統(tǒng)將隨后維持該位置。

在第二個(gè)應(yīng)用中，該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)輸出提供相對(duì)于物體的導(dǎo)航。相對(duì)于物體/病人的預(yù)計(jì)劃路徑可以通過對(duì)應(yīng)于相對(duì)位置的，沿著預(yù)計(jì)劃的路徑，而輸入預(yù)計(jì)算的一系列力/轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)。這樣，該系統(tǒng)將相對(duì)于物體/病人而被導(dǎo)航，允許工具/儀器/操作器訪問物體/病人表面的不同位置。

更具體地，參照?qǐng)D6，2毫秒步長的一系列的離散的姿勢(shì)代表了預(yù)計(jì)劃的想要的工具路徑(盡管本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到該方法不限于2毫秒步長)。在每個(gè)時(shí)間步長，使用有限元素分析(fea)方法或其它合適的數(shù)學(xué)模型或計(jì)算，計(jì)算出測(cè)壓元件處的可預(yù)測(cè)的力和轉(zhuǎn)矩。對(duì)于所有的時(shí)間步長進(jìn)行這樣的迭代，將最終的序列進(jìn)行保存，以用于隨后輸入到實(shí)時(shí)導(dǎo)航算法。

重要的是要注意物體追蹤和導(dǎo)航方法可以一起使用，因?yàn)榧词乖趯?duì)預(yù)計(jì)劃的路徑進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)，任何與被偏置的參考力/轉(zhuǎn)矩的偏離將會(huì)自動(dòng)觸發(fā)該系統(tǒng)去校正其相對(duì)位置。當(dāng)物體/病人因任何原因移動(dòng)時(shí)這將會(huì)發(fā)生。不需要改動(dòng)或轉(zhuǎn)變算法。也重要的是要注意到在相對(duì)于物體的運(yùn)動(dòng)不是所計(jì)劃的或想要的簡(jiǎn)單物體追蹤應(yīng)用中，算法的路徑預(yù)計(jì)劃方面可以略過或不實(shí)施。

換句話說，導(dǎo)航方法的實(shí)時(shí)軟件與物體跟蹤方法相同。區(qū)別之處是物體跟蹤方法使用固定力值來用于算法的輸入。相比之下，導(dǎo)航方法改變進(jìn)入輸入的力值，導(dǎo)致算法去尋找不同的力，從而導(dǎo)致它圍繞物體而移動(dòng)。

相較于目前的追蹤導(dǎo)航系統(tǒng)，在此披露的該通過彎曲力導(dǎo)航方法和系統(tǒng)展示了一些重要的優(yōu)點(diǎn)和獨(dú)特的特征。首先，追蹤病人身體的該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)不需要像光學(xué)追蹤系統(tǒng)那樣需要清楚的視線而為了“看見”它們的目標(biāo)。

如上所述，目前的追蹤系統(tǒng)需要一個(gè)或多個(gè)剛性地安裝到病人的有利害關(guān)系的骨頭上的部件，需要形成刺入切口以進(jìn)入骨頭，以便追蹤目標(biāo)可以被鉆入骨頭中。該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)不需要任何額外的刺入切口。柔性部件固定到在外科手術(shù)暴露范圍內(nèi)已露出的骨頭區(qū)域。

就成本而言，該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)使用硬件，其包括一個(gè)或多個(gè)小六自由度測(cè)壓元件和一個(gè)或多個(gè)用于附接到骨頭的柔性部件。典型的測(cè)壓元件花費(fèi)3000美金。如果只是簡(jiǎn)單的金屬條，柔性部件的成本可以忽略不計(jì)。如果柔性部件是包括有柔性部分的病人特定的安裝件，那么基于現(xiàn)在可用的三維打印方法，其成本可能在100美金到500美金的范圍內(nèi)。這與先前提到的花費(fèi)100,000美金或以上的現(xiàn)在的追蹤系統(tǒng)形成對(duì)比。

進(jìn)一步地，如上所述，現(xiàn)在的追蹤系統(tǒng)的追蹤目標(biāo)由于損壞和在外科手術(shù)場(chǎng)地內(nèi)部的磨損，需要間或的替換。被動(dòng)回射目標(biāo)通常在每次外科手術(shù)后必須丟棄和替換。相比之下，該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)只需要消毒或替換柔性部件，因?yàn)榘y(cè)壓元件的系統(tǒng)的其他部分，在大多數(shù)機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)做完后可以以塑料覆蓋。根據(jù)安裝或應(yīng)用要求，如果想要保留柔性部件，那么使用現(xiàn)在的技術(shù)它們也可以以塑料覆蓋。柔性部件也可與標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)工具放一起高壓滅菌消毒，或用任何其它普通和不昂貴的消毒方法。

需注意的是，大部分外科手術(shù)可以在切口和暴露后立即開始。但是，如上所述，最常見的外科手術(shù)追蹤系統(tǒng)是光學(xué)的，為了光線需要對(duì)攝像頭進(jìn)行一些設(shè)置和對(duì)安裝入骨頭中的追蹤目標(biāo)進(jìn)行大量設(shè)置。相比之下，該通過彎曲力導(dǎo)航系統(tǒng)只需要將一個(gè)或多個(gè)柔性部件附接到已經(jīng)露出的骨頭區(qū)域。在已經(jīng)使用機(jī)器人的手術(shù)中，該設(shè)置可以非常迅速。

在此披露的導(dǎo)航系統(tǒng)的固有精確性可以超越現(xiàn)在的導(dǎo)航技術(shù)，因?yàn)橹T如箔式應(yīng)變計(jì)的基本測(cè)壓元件技術(shù)的分辨率具有無限的分辨率。相對(duì)而言，大多數(shù)現(xiàn)在的追蹤技術(shù)具有如上所述的固定分辨率。

最后，在此披露的導(dǎo)航系統(tǒng)不遭受電磁源、無線電源、聲源、或光源的干擾，而基于電磁信號(hào)、光信號(hào)、或超聲波信號(hào)的現(xiàn)在的追蹤系統(tǒng)容易受一個(gè)或多個(gè)這些源的干擾。尤其是電磁系統(tǒng)也可能受金屬外科手術(shù)工具、手術(shù)臺(tái)、和其它金屬物體影響。