CN104840253B - 用于手术机器人的主控装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于手术机器人的主控装置及其控制方法。所述主控装置可包括：手柄单元，手柄单元中的每个手柄单元包括至少一个多关节机器人手指，所述至少一个多关节机器人手指被配置为控制从属装置的机器人臂上的机器人手术器械；和/或微动产生单元，被配置为产生控制信号，以控制所述至少一个多关节机器人手指的端部沿着虚拟轨迹运动。一种用于手术机器人的主控装置可包括：第一单元，包括从属装置的机器人臂上的至少一个多关节机器人手指；和/或第二单元，被配置为产生第一控制信号，以控制所述至少一个多关节机器人手指沿着虚拟轨迹运动。

Description

用于手术机器人的主控装置及其控制方法
本申请要求于2014年2月18日提交到韩国知识产权局(KIPO)的第10-2014-0018505号韩国专利申请的优先权，所述韩国专利申请的全部内容通过引用被包含于此。
技术领域
本公开的一些示例实施例总体上可涉及可通过引导操作员的手部运动而使机器人手术器械产生平稳的运动的用于手术机器人的主控装置。本公开的一些示例性实施例总体上可涉及用于手术机器人的主控装置的控制方法。
背景技术
通常，微创手术是指使患部的尺寸最小化的手术。与通过在人体的部位(腹部)执行大的切口窗的剖腹手术不同，在微创手术中，在腹部可形成具有尺寸为0.5cm至1.5cm的至少一个切口(创口)，摄像机和各种器械可通过切口放入到腹部中，然后可在观看图像的同时进行手术。
与剖腹手术不同，这种微创手术可在手术之后引起小的疼痛，可允许肠道流动早日恢复，可允许早日进食，可最小化住院治疗时间并加速恢复至正常状态，和/或可减小切口范围以提高美容效果。由于这些优势，微创手术已经用于胆囊切除术、前列腺切除术和疝修补，并且微创手术的应用领域已经增加。
在微创手术中使用的手术机器人可包括主控控制台和从属机器人(也称为从属装置)。主控控制台可根据操作员(例如，医生)的操作产生控制信号，和/或可将控制信号发送至从属机器人。从属机器人可根据从主控控制台接收的控制信号进行操作。利用主控控制台，即使从属机器人可位于远离主控控制台的位置，操作员也可操作从属机器人。操作员可位于相同的房间中、不同的房间中或不同的设施(facility)中(可能位于另一国家)。
从属机器人可设置有至少一个机器人臂(robot arm)，机器人手术器械可安装在每个机器人臂的前端处。机器人手术器械可通过切口点插入到病人的身体中。另一方面，至少一个机器人臂可位于切口点的外部，并且可在手术期间用于保持该位置和/或机器人手术器械的姿势。
手术机器人和相关的系统提供许多其他的优点，诸如，潜在地提高的精度，更好地监测病人的能力，记录手术过程用于培训、资格认定和/或证据的目的的能力。
虽然一些示例性实施例将被描述为与手术机器人系统有关，但本领域的技术人员将理解，这些示例性实施例可应用于其他类型的系统，诸如，未在医学领域中使用的远程操作系统(例如，航空航天远程操作系统、用于处理危险物品的机器人、巡逻机器人、军用机器人)或者更通用的控制系统。
发明内容
一些示例性实施例可提供用于手术机器人的主控装置，所述用于手术机器人的主控装置可通过引导操作员的手部运动而产生机器人手术器械的稳定运动。一些示例性实施例可提供用于手术机器人的主控装置的控制方法，所述方法可通过引导操作员的手部运动而产生机器人手术器械的稳定运动。
在一些示例性实施例中，一种用于手术机器人的主控装置可包括：手柄单元，手柄单元中的每个手柄单元包括至少一个多关节机器人手指，所述至少一个多关节机器人手指被配置为控制从属装置的机器人臂上的机器人手术器械；和/或微动产生单元，被配置为产生控制信号，以控制所述至少一个多关节机器人手指的端部沿着虚拟轨迹运动。
在一些示例性实施例中，所述主控装置还可包括：虚拟轨迹产生单元。当接收到关于机器人手术器械的类型的信息时，虚拟轨迹产生单元被配置为从预先存储的虚拟轨迹中搜索与接收的机器人手术器械的类型相对应的虚拟轨迹。
在一些示例性实施例中，当接收到关于操作员的信息和关于手术过程的信息中的至少一个信息时，虚拟轨迹产生单元可被配置为基于所述至少一个接收的信息根据搜索的虚拟轨迹产生新的虚拟轨迹。
在一些示例性实施例中，所述微动产生单元还可被配置为产生控制信号，以控制所述至少一个多关节机器人手指的端部沿着所述新的虚拟轨迹运动。
在一些示例性实施例中，所述主控装置还可包括：手腕支撑单元，位于与操作员的手腕相对应的位置，所述手腕支撑单元被配置为使手柄单元围绕x轴、y轴和z轴中的至少一个轴旋转；和/或连杆单元，可操作地连接到手腕支撑单元，并被配置为执行手腕支撑单元的平移运动。
在一些示例性实施例中，所述主控装置还可包括：宏动产生单元，被配置为基于手腕支撑单元的旋转信息产生控制信号，以控制机器人手术器械的姿势，和/或被配置为基于手腕支撑单元的位置信息产生控制信号，以控制机器人手术器械的位置。
在一些示例性实施例中，所述主控装置还可包括：运动融合单元，被配置为通过由微动产生单元产生的控制信号和由宏动产生单元产生的控制信号之间的融合而产生最终的运动控制信号，以控制机器人手术器械的运动。
在一些示例性实施例中，所述运动融合单元还可被配置为向由微动产生单元产生的控制信号和由宏动产生单元产生的控制信号应用权重。
在一些示例性实施例中，所述连杆单元中的每个连杆单元可包括：第一连杆，手腕支撑单元中的每个手腕支撑单元设置在第一连杆上；第二连杆，可操作地连接到第一连杆的第一端部；第三连杆，可操作地连接到第二连杆的第一端部；和/或第四连杆，可操作地连接到第三连杆的第一端部和第一连杆的第二端部。第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆被构造为形成平行四边形结构。
在一些示例性实施例中，所述连杆单元中的每个连杆单元还可包括：第一滑轮，设置在第一连杆的一侧处；第二滑轮，设置在第一连杆与第四连杆结合的第一旋转轴上；第三滑轮，设置在第三连杆与第四连杆结合的第二旋转轴上；第一线缆，缠绕在第一滑轮的第一槽、第二滑轮的第一槽和第三滑轮的第一槽上；和/或第二线缆，缠绕在第一滑轮的第二槽、第二滑轮的第二槽和第三滑轮的第二槽上。
在一些示例性实施例中，第一线缆的第一端可固定到第一滑轮的第一槽中的线缆固定部。第一线缆可沿着第一方向缠绕在第二滑轮的第一槽上。第一线缆的第二端可固定到第三滑轮的第一槽中的线缆固定部。第二线缆的第一端可固定到第一滑轮的第二槽中的线缆固定部。第二线缆可沿着第二方向缠绕在第二滑轮的第二槽上。第二线缆的第二端可固定到第三滑轮的第二槽中的线缆固定部。
在一些示例性实施例中，连杆单元还可被配置为对第一线缆的长度和第二线缆的长度根据第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆的旋转而发生的变化进行补偿，以保持手腕支撑单元的姿势。
在一些示例性实施例中，当所述至少一个多关节机器人手指的端部的当前位置偏离虚拟轨迹时，微动产生单元可被配置为：检测虚拟轨迹上的与当前位置具有最短距离的点；调节沿着连接检测的点与当前位置的垂直方向施加的力的强度；和/或调节沿着检测的点的切线方向施加的力的强度。
在一些示例性实施例中，提供一种用于手术机器人的主控装置的控制方法，所述用于手术机器人的主控装置具有手柄单元，手柄单元中的每个手柄单元包括至少一个多关节机器人手指，所述至少一个多关节机器人手指被配置为控制从属装置的机器人臂上的机器人手术器械，所述控制方法可包括：产生所述至少一个多关节机器人手指的端部的虚拟轨迹；产生控制信号，以控制所述至少一个多关节机器人手指的端部沿着虚拟轨迹运动；和/或根据产生的控制信号控制所述至少一个多关节机器人手指的运动。
在一些示例性实施例中，产生虚拟轨迹的步骤可包括：当接收到关于机器人手术器械的类型的信息时，从预先存储的虚拟轨迹中搜索与接收的机器人手术器械的类型相对应的虚拟轨迹；和/或当接收关于操作员的信息和关于手术过程的信息中的至少一个信息时，基于所述至少一个接收的信息根据搜索的虚拟轨迹产生新的虚拟轨迹。
在一些示例性实施例中，所述控制方法还可包括：基于设置在与操作员的手腕相对应的位置处的手腕支撑单元的旋转信息产生控制信号，以控制机器人手术器械的姿势，并使手柄单元沿着指定的轴的方向旋转；和/或基于手腕支撑单元的位置信息产生控制信号，以控制机器人手术器械的位置。
在一些示例性实施例中，产生控制信号的步骤可包括：当所述至少一个多关节机器人手指的端部的当前位置偏离虚拟轨迹时：检测虚拟轨迹上的与当前位置具有最短距离的点；和/或调节沿着连接检测的点与当前位置的垂直方向施加的力的强度，并且调节沿着检测的点的切线方向施加的力的强度。
在一些示例性实施例中，一种用于手术机器人的主控装置可包括：第一单元，包括从属装置的机器人臂上的至少一个多关节机器人手指；和/或第二单元，被配置为产生第一控制信号，以控制所述至少一个多关节机器人手指沿着虚拟轨迹运动。
在一些示例性实施例中，所述主控装置还可包括：与操作员的手腕相对应的第三单元。第三单元可被配置为使第一单元围绕x轴、y轴和z轴中的至少一个轴旋转。
在一些示例性实施例中，所述主控装置还可包括：第四单元，被配置为基于第三单元的旋转信息产生第二控制信号，以控制机器人臂。
在一些示例性实施例中，所述主控装置还可包括：第五单元，被配置为基于第一控制信号和第二控制信号产生第三控制信号，以控制机器人臂。
在一些示例性实施例中，所述主控装置还可包括：第四单元，被配置为基于第三单元的位置信息产生第二控制信号，以控制机器人臂。
在一些示例性实施例中，所述主控装置还可包括：第五单元，被配置为基于第一控制信号和第二控制信号产生第三控制信号，以控制机器人臂。
在一些示例性实施例中，所述主控装置还可包括：第四单元，被配置为基于第三单元的旋转信息和位置信息产生第二控制信号，以控制机器人臂。
附图说明
通过下面结合附图对示例实施例进行的详细描述，上述和/或其它方面以及优点将变得更加清楚并且更容易理解，在附图中：
图1是示例性地示出手术机器人的主控控制台的外观的透视图；
图2是示例性地示出手术机器人的从属机器人的外观的透视图；
图3是示例性地示出机器人手术器械延伸通过引导管的视图；
图4是示例性地示出设置在主控控制台上的两个主控装置中的与操作员的右手相对应的主控装置的外观的视图；
图5是主控装置的侧视图；
图6A、图6B和图6C是主控装置的连杆单元的侧视图，示出了连杆单元的运动；
图7A至图7C是示出保持具有多轴结构的连杆单元中的末端执行器的姿势的原理的视图；
图8是示意性地示出手指单元的多关节机器人手指的构造的视图；
图9A是示出多关节机器人手指的虚拟轨迹以及多关节机器人手指的引导方法的视图，假设设置在机器人手术器械的端部处的手术工具为触诊工具；
图9B是示出多关节机器人手指的虚拟轨迹以及多关节机器人手指的引导方法的视图，假设设置在机器人手术器械的端部处的手术工具为抓手(gripper)；
图10是示出手柄单元的运动控制方法的视图；
图11是示例性地示出主控装置的控制构造的视图。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例实施例。然而，实施例可按照许多不同的形式实施例并且不应被解释为限制于在此所阐述的实施例。更确切地，提供这些示例实施例以使本公开将是全面的和完整的，并将向本领域的技术人员充分地传达其范围。在附图中，为清楚起见，可夸大层和区域的厚度。
将理解的是，当元件被称为“在另一部件上”、“连接到另一部件”、“电连接到另一部件”或“结合到另一部件”时，该元件可直接在其他部件上、直接连接到其他部件、直接电连接到其他部件或直接结合到其他部件或者可存在中间部件。相反，当部件被称为“直接在另一部件上”、“直接连接到另一部件”、“直接电连接到另一部件”或“直接结合到另一部件”时，不存在中间部件。如在此所使用的，术语“和/或”包括相关的列出的项中的一个或更多个的任意结合或全部组合。
将理解的是，虽然术语“第一”、“第二”、“第三”等在此可用于描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分等，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应限制于这些术语。这些术语仅用于区分一个元件、部件、区域、层和/或部分与另一元件、另一部件、另一区域、另一层和/或另一部分。例如，在不脱离示例实施例的教导的情况下，第一元件、第一部件、第一区域、第一层和/或第一部分可被命名为第二元件、第二部件、第二区域、第二层和/或第二部分。
为便于描述，在此可使用与空间相关的术语(诸如，“在……之下”、“在……下方”、“下部”、“在……上方”、“上部”等)来描述如在附图中所示出的一个部件和/或特征与另一部件和/或特征或者与其他部件和/或特征的关系。将理解的是，与空间相关的术语意图包括装置的在除了附图中描绘的方向之外在使用或操作中的不同方向。
在此所使用的术语仅用于描述特定示例性实施例并且不是意图限制示例性实施例。如在此所使用的，除非上下位另外清楚地指出，否则单数形式也意图包括复数形式。还将理解的是，术语“包含”和/或“包括”(当在说明书中使用时)表明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件和/或他们的组。
除非另外限定，否则在此所使用的全部术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例实施例所属领域的技术人员通常所理解的相同的含义。还将理解的是，诸如那些在常用字典中限定的术语应解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非在此清楚地限定，否则不应被解释为理想化的或过于正式的含义。
现在将描述在附图中示出的示例实施例，其中，相同的标号可始终指示相同的元件。
本公开的一些示例性实施例可应用于单端口手术机器人和/或多端口手术机器人。多端口手术机器人可以指的是被构造为通过各个创口点(invasion site)将多个机器人手术器械插入到病人的腹腔中的机器人。另一方面，单端口手术机器人可以指的是被构造为通过一个创口点将多个机器人手术器械插入到病人的腹腔中的机器人。
手术机器人包括主控控制台100(图1中)和从属机器人200(图2中)。主控控制台100是具有对于从属机器人200的远程控制功能的装置。主控控制台100根据操作员的操作将控制信号发送至从属机器人200。从属机器人200接收来自主控控制台100的控制信号。然后，从属机器人200根据接收的控制信号而运动，并应用对病人进行手术所需的操作。在一些示例性实施例中，操作员可以是一个或更多个医务人员(诸如，医学专家或医生)。另外，操作员可包括具有与医务人员同等的资格认定的人员或被许可的人员。概括地讲，操作员可包括控制手术机器人的操作的人员。
在一些示例性实施例中，主控控制台100可以不是单个装置，而是可以包括多于一个装置，每个装置执行主控控制台100的一个或更多个功能。因此，在一些示例性实施例中，主控控制台100的功能可以被分散。
类似地，在一些示例性实施例中，从属机器人200可以是单个机器人，而是可包括多于一个机器人，每个机器人执行从属机器人200的一个或更多个功能。因此，在一些示例性实施例中，从属机器人200的功能可被分散。
因此，在一些示例性实施例中，主控控制台100、从属机器人200或者主控控制台100和从属机器人200的功能可被分散。
在一些示例性实施例中，可要求主控控制台100执行特定功能，但是在保持其作为主控控制台100的角色的同时可执行或者可不执行其他功能。一个或更多个这些其他功能可与从属机器人200一起执行或者由从属机器人200执行，其中，从属机器人200保持其作为从属机器人200的角色。类似地，在一些示例性实施例中，可要求从属机器人200执行特定功能，但是在保持其作为从属机器人200的角色的同时可执行或者可不执行其他功能。一个或更多个这些其他功能可与主控控制台100一起执行或者可由主控控制台100执行，其中，主控控制台100保持其作为主控控制台100的角色。
因此，在一些示例性实施例中，可保持主控控制台100和从属机器人200的所需的功能，同时可与其他装置/机器人一起执行或者由其他装置/机器人执行的功能可由此在主控控制台100保持其作为主控控制台100的角色以及从属机器人200保持其作为从属机器人200的角色的同时与其他装置/机器人一起执行或者由其他装置/机器人执行。
图1是示出手术机器人的主控控制台100的外观的视图。
如图1中示例性地示出的，主控控制台100可包括输入单元和显示器180。
输入单元接收来自操作员的指令以远程操作从属机器人200(图2中)。例如，输入单元可包括主控装置M和离合器踏板110中的至少一种。图1示例性地示出了包括两个离合器踏板100和两个主控装置M的输入单元。主控装置M可由不止一个医生同时操作而便于手术过程。
离合器踏板110可用于在手术机器人的操作模式之间进行切换。例如，如果操作左离合器踏板110，则可执行引导管操作模式，如果操作右离合器踏板110，则可执行机器人手术器械操作模式。当执行引导管操作模式时，操作员可通过操作主控装置M来改变引导管210(图2中)的位置和姿势。此外，当执行机器人手术器械操作模式时，引导管210停止运动，并且操作员可通过操作主控装置M来改变机器人手术器械212和214(图3中)的位置和姿势。
主控装置M远程控制设置在从属机器人200(图2中)上的机器人臂203～208(图2中)或者机器人手术器械212、214和216的运动。主控装置M可包括：手柄单元120；手腕支撑单元140，机械地连接到手柄单元120；连杆单元130，机械地连接到手腕支撑单元140；支撑单元150，机械地连接到连杆单元130，并使得连杆单元130由地面支撑。
手柄单元120可被实施为触觉装置。例如，触觉装置可包括例如至少一个多关节机器人手指。所述至少一个多关节机器人手指可按照与人手的形状相似的形状设置。图1示出了三个多关节机器人手指121、122和123设置在与人手的拇指、食指和中指相对应的位置。
虽然图1示出了手柄单元120包括三个多关节机器人手指121、122和123，但设置在手柄单元120上的多关节机器人手指的数量和位置不限于此。例如，手柄单元120可设置有数量少于或多于三个的多关节机器人手指，这些多关节机器人手指可设置在与人手的拇指、食指、中指、无名指和小指中的至少一个相对应的位置。
此外，设置在一个手柄单元120上的多关节机器人手指可具有相同的形状或不同的形状。参照图1，可以理解的是，设置在与人手的食指和中指相对应的位置处的多关节机器人手指122和123具有相同的形状。另一方面，可以理解的是，设置在与人手的拇指相对应的位置处的多关节机器人手指121具有与多关节机器人手指122和123的形状不同的形状。下面，将描述与人手的食指相对应的多关节机器人手指122。
多关节机器人手指122可包括多个连杆和多个关节。在一些示例实施例中，关节指的是一个连杆与另一连杆之间的连接区域。关节可具有至少1个自由度(DOF)。DOF表示正向运动学和逆向运动学中的DOF。
机构的DOF指的是机构的独立运动的数量或者是确定各个连杆的相对位置处的独立运动的变量的数量。例如，由X轴、Y轴和Z轴形成的三维(3D)空间中的物体具有用于确定物体的空间位置的3个DOF(位于每个轴上的物体的位置)和用于确定物体的空间方向的3个DOF(物体关于每个轴的旋转角度)中的至少1个DOF。更详细地讲，可以理解的是，如果物体可沿着每个轴运动并可绕着每个轴旋转，则物体具有6个DOF。
用于检测关于每个关节的状态的信息的检测单元可设置在多关节机器人手指122的每个关节处。在一些示例性实施例中，检测单元可包括用于检测每个关节的位置(例如，关节角度)的位置检测单元、以及用于检测每个关节的速度的速度检测单元。根据情况，可省略速度检测单元。如果省略了速度检测单元，则可通过区分由位置检测单元检测的位置而获得关节的速度。
多关节机器人手指122的前端可以被理解为主控控制台100的末端执行器(endeffector)。例如，套管型环可设置在多关节机器人手指122的前端。操作员可将他的/她的手指插入到套管型环中。如果操作员在手指插入到套管型环中的情况下使手指运动，则多关节机器人手指122运动，以与操作员的手指的运动相对应，并且设置在多关节机器人手指122的每个关节处的检测单元可检测关于每个关节的状态的信息。
此外，触觉反馈致动器125(图8中)可设置在套管型环处。如果插入到病人的腹腔内的机器人手术器械接触内部环境(例如，器官)，则由机器人手术器械从内部环境接收的力被发送到触觉反馈致动器125。结果，操作员可间接感受到由机器人手术器械从内部环境接收的力。
通过各个检测单元检测的每个关节的位置和速度可被转换为机器人手术器械的各个关节将要遵循的目标位置和目标速度。转换的目标位置和目标速度可通过网络被发送到从属机器人200(图2中)。在一些示例性实施例中，所述网络可以是有线网络、无线网络或者有线/无线混合网络。
虽然图1示出了手柄单元120设置有包括多个多关节机器人手指121、122和123的触觉装置，但设置在手柄单元120上的触觉装置的形状不限于此。作为一个示例，手柄单元120可被实现为具有铅笔形状或棍棒形状的触觉装置，以使操作员可用手抓住触觉装置。作为另一示例，手柄单元120可被实现为具有剪刀形状的触觉装置，以使操作员可将至少两个手指插入到手柄单元120中。作为又一示例，手柄单元120可被实现为具有手套形状的触觉装置，以使操作员可将全部手指插入到手柄单元120中。
虽然图1中示出了多个手柄单元120被实现为包括至少一个多关节手指的触觉装置，但本公开的示例性实施例不限于此。根据本公开的一些示例实施例，多个手柄单元120可被实现为具有不同形状的触觉单元。例如，一个手柄单元120可被实现为具有剪刀形状的触觉装置，另一个手柄单元120可被实现为包括至少一个多关节机器人手指的触觉装置。
手腕支撑单元140布置在与操作员的手腕相对应的位置。手腕支撑单元140可具有各种形状。作为一个示例，手腕支撑单元140可具有圆形形状。在这种情况下，操作员可将手放入到手腕支撑单元140中，然后，将每个手的至少一个手指的尖端插入到设置在多关节机器人手指的前端处的套管型环中。
作为另一示例，如图1中示例性地示出的，手腕支撑单元140可具有半圆形形状。在这种情况下，半圆形手腕支撑单元140的敞开区域可被设置为面对主控控制台100的内部(例如，操作员的身体)，手腕支撑单元140的闭合区域可被设置为面对主控控制台100的外部。此外，半圆形手腕支撑部140的弯曲区域可设置为面对地面。力/扭矩(F/T)检测单元可设置在手腕支撑单元140处。F/T检测单元检测操作员施加到手柄单元120上的力。例如，F/T检测单元可以是多轴力/扭矩(F/T)传感器。
连杆单元130的一端机械地连接到手腕支撑单元140。连杆单元130的另一端与支撑框架137的上部结合。支撑框架137机械地连接到支撑单元150的上部。支撑单元150固定到地面。支撑框架137可绕支撑单元150的结合轴旋转。
连杆单元130可包括多个连杆。关节设置在一个连杆与另一连杆之间。这样的关节可具有至少1个DOF。稍后将参照图4至图7C给出连杆单元130的结构和操作原理的更详细的描述。
图1示出了连杆单元130的另一端连接到支撑框架137的上部。然而，连杆单元130的结构不限于此。例如，与图1不同，连杆单元130的另一端可连接到椅子。
手柄单元120、连杆单元130和踏板110中的至少一个可另外设置有通信单元(未示出)，以通过与从属机器人200的有线通信行或无线通信发送和接收控制信号和/或数据。
显示器180显示图像数据和手术信息中的至少一种。通过显示器180显示的图像数据可以是由从属机器人200的内窥镜216a(图3中)捕获的图像，或者是通过对捕获的图像进行图像处理而获得的图像。图像处理可包括图像放大、缩小、移动、旋转、与另一图像组合以及滤波中的至少一种。这种图像处理可通过从属机器人200和主控控制器100中的至少一个执行。通过显示器180显示的手术信息可包括病人的生物测定信息。例如，生物测定信息可以是温度、脉搏、呼吸和血压。
可设置一个或更多个显示器180。例如，监视器可支持立体观看或同时从多角度观看。虽然图1示出了显示器180沿着水平方向与主控控制台100平行设置，但监视器的数量可根据将要显示的信息的类型或种类而改变。
作为一个示例，多个显示器180可显示不同的图像。更详细地讲，位于操作员的前方的主显示器可显示由内窥镜捕获的图像。位于主显示器的左侧和右侧的副显示器可分别显示关于从属机器人的操作状态的信息和病人信息。
作为另一示例，多个显示器180可显示相同的图像。在这种情况下，可通过各个显示器180显示相同的图像，或者可通过全部多个显示器180显示一个图像。此外，当前图像可与先前图像进行比较或与先前图像组合，以便于分析和/或对病人采取措施。
例如，上述显示器180可被实现为液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)、有机电致发光二极管(OLED)、等离子显示面板(PDP)或者它们的组合。
图2是示例性地示出手术机器人的从属机器人200的外观的透视图。
如图2中示例性地示出的，从属机器人200包括脚轮201、主体202、机器人臂203～208以及手术器械组件209。
脚轮201用于使从属机器人200运动并可安装在主体202的下端。至少一个脚轮201可安装在主体202的下端。用于改变每个脚轮的操作状态的杠杆(未示出)可设置在每个脚轮上。操作员可通过调节杠杆的位置而改变脚轮201的操作状态。脚轮201的操作状态可包括制动状态、自由旋转状态和方向锁定(或者旋转锁定)状态。
机器人臂203～208设置在主体202的上部。机器人臂203～208使手术器械组件209沿着x轴、y轴和z轴中的至少一个轴运动，或者使手术器械组件209绕x轴、y轴和z轴中的至少一个轴旋转。此外，机器人臂203～208支撑手术器械组件209，以在手术期间可保持手术器械组件209的位置和姿势。
机器人臂203～208可包括多个连杆单元204、206和208以及多个关节单元203、205和207。更详细地讲，机器人臂203～208包括第一关节单元203、第一连杆单元204、第二关节单元205、第二连杆单元206、第三关节单元207和第三连杆单元208。
第一连杆单元204可包括第一连杆以及包围第一连杆的壳体。第一连杆可具有直柱形并且可沿着垂直于主体202的方向设置。在一些示例性实施例中，第一连杆可沿着垂直于地面的方向设置。
第一关节单元203设置在主体202和第一连杆单元204之间的连接区域。第一关节单元203可被实现为沿着指定的轴运动或沿着x轴、y轴和z轴中的轴运动的移动关节(prismatic joint)。第一关节单元203用于执行手术器械组件209的平移运动并具有3个DOF。更详细地讲，第一关节单元203具有包括x轴平移、y轴平移和z轴平移的3个DOF。为此，第一关节单元203包括x轴平移驱动单元、y轴平移驱动单元和z轴平移驱动单元。虽然图2中未示出，但每个平移驱动单元可包括沿着特定轴引导直线运动的直线运动引导件以及向直线运动引导件提供驱动力的电机。
第二连杆单元206设置在第一连杆单元204的前端。第二连杆单元206包括第二连杆和包围第二连杆的壳体。第二连杆具有弯曲的形状。更详细地讲，第二连杆具有部分呈弧形的形状。
第二关节单元205设置在第一连杆单元204和第二连杆单元206之间的连接区域。第二关节单元205可被实现为围绕指定的轴旋转或围绕x轴、y轴和z轴中的轴旋转的转动关节。第二关节单元205用于执行手术器械组件209的旋转运动并具有2个DOF。更详细地讲，第二关节单元205具有包括手术器械组件209沿侧倾方向旋转以及手术器械组件209沿俯仰方向旋转的2个DOF。为此，第二关节单元205可包括侧倾驱动单元和俯仰驱动单元。
当驱动力施加到侧倾驱动单元时，第二连杆单元206沿着侧倾方向旋转。当第二连杆单元206沿着侧倾方向旋转时，设置在第二连杆的前端的第三连杆单元208和手术器械组件209沿着侧倾方向旋转。例如，侧倾驱动单元可以是电机、真空泵和液压泵中的一种。
俯仰驱动单元可包括引导第二连杆的弧形运动的R引导件以及向R引导件提供驱动力的电机。当驱动俯仰驱动单元的电机时，第二连杆沿着R引导件运动。结果，设置在第二连杆的前端处的第三连杆单元208和手术器械组件209沿着俯仰方向旋转。
第三连杆单元208设置在第二连杆单元206的前端处。第三连杆单元208可包括具有环形形状的第三连杆。手术器械组件209设置在第三连杆上。用于指示远程运动中心(RCM,remote center of motion)的多个发光单元设置在第三连杆的下端。图2示出了设置了三个发光单元。
多个发光单元可沿着第三连杆的圆周按照相同的间隔布置。多个发光单元用于指示RCM点，因此可被实现为沿着特定方向发光(例如，激光束)的发光装置。
从多个发光单元发出的激光束在RCM点处相交。当机器人臂203～208沿着x轴方向、y轴方向和z轴方向中的至少一个方向运动，并且RCM点与病人的切口点重合时，引导管210插入到病人的切口点中。接下来，设置在手术器械组件209中的机器人手术器械沿着引导管210(例如，从引导管210的内部)插入到病人的切口点中。此后，机器人手术器械可被控制为利用RCM点作为顶点在圆锥形的工作空间内运动。当按照这种方式控制机器人手术器械时，即使位于切口点的外部的机器人臂203～208发生意想不到的运动时，也能防止损害切口点。
第三关节单元207设置在第二连杆单元206和第三连杆单元208之间的连接区域。第三关节单元207可被实现为围绕指定的轴旋转或围绕x轴、y轴和z轴中的轴旋转的转动关节。第三关节单元207用于执行手术器械组件209的旋转运动并具有1个DOF。更详细地讲，第三关节单元207具有包括手术器械组件209沿横摆方向旋转的1个DOF。为此，第三关节单元207可包括横摆驱动单元。
当向横摆驱动单元提供驱动力时，手术器械组件209沿着横摆方向旋转。横摆驱动单元可以是电机、真空泵和液压泵中的一种。
手术器械组件209可包括圆筒形壳体、沿着壳体的内表面设置的多个机器人手术器械以及引导管210。此外，机器人手术器械可包括：内窥镜216a(图3中)，用于捕获腹腔内部的图像；手术器械212和214(图3中)，用于切除、烧灼和凝结人体组织。在沿着壳体的内表面设置的多个机器人手术器械中，由操作员选择的至少一个机器人手术器械可通过引导管210插入到病人的腹腔中。稍后将参照图3给出机器人手术器械的详细的描述。
手术器械组件209可与第三连杆单元208机械地分开。如果手术器械组件209与第三连杆单元208分开，则可在手术中容易地更换手术器械或对手术器械消毒。
图3是示例性地示出延伸通过引导管210的机器人手术器械212、214和216的视图。
如上所述，至少一个机器人手术器械212、214或216沿着引导管210(例如，从引导管210的内部)插入到病人的腹腔中。可通过各种方法执行使至少一个机器人手术器械212、214或216进入到病人的腹腔中。作为一个示例，引导管210可插入到病人的腹腔中，然后固定引导管210的位置。接下来，至少一个机器人手术器械212、214或216可插入到引导管210中，然后沿着引导管210的内壁运动。作为另一示例，至少一个机器人手术器械212、214或216可插入到引导管210中，引导管210在这种状态下进入到病人的腹腔中。
如图3中示例性地示出的，当引导管210到达目标位置时，至少一个机器人手术器械212、214或216延伸到引导管210的外部。图3示出了三个机器人手术器械212、214和216延伸到引导管210的外部。
每个机器人手术器械212、214和216可包括多个连杆212b、214b和216b以及多个关节212c、214c和216c。
内窥镜216a以及手术工具212a和214a分别设置在每个连杆212b、214b和216b的顶端。内窥镜216a以及手术工具212a和214a可被理解为从属机器人200的末端执行器。
关节212c、214c和216c设置在一个连杆和另一连杆之间。上述关节212c、214c和216c中每个可以是固定关节、围绕特定轴或围绕x轴、y轴和z轴中的轴旋转的转动关节以及沿着特定轴或沿着x轴、y轴和z轴中的一个轴直线运动的移动关节中的一种。这些关节212c、214c和216c可具有一个或更多个DOF。
驱动单元可设置在机器人手术器械212、214和216的关节212c、214c和216c的每个处。驱动单元根据从主控控制台100接收的控制信号而被驱动并且使得相应的关节运动。驱动单元可被实现为电机、真空泵和液压泵中的一种。下面，将示例性地描述电机用作驱动单元的情况。
检测单元设置在机器人手术器械212、214和216的关节212c、214c和216c的每个处。检测单元可包括用于检测每个关节的位置(例如，关节角度)的位置的位置检测单元和用于检测每个关节的速度的速度检测单元。
如上，已经描述了根据一些示例性实施例的手术机器人的主控控制台100和从属机器人200的外观。下面，将参照图4至图11更详细地描述设置在主控控制台100中的主控装置M。
图4是示例性地示出设置在主控控制台上的两个主控装置之中的与操作员的右手相对应的主控装置M的外观，图5是图4中示出的主控装置M的侧视图。
参照图4和图5，主控装置M可包括手柄单元120、手腕支撑单元140、连杆单元130和支撑单元150。
手柄单元120可包括三个多关节机器人手指121、122和123以及手柄124。例如，关节机器人手指121、122和123可设置在与人手的拇指、食指和中指相对应的位置。例如，手柄124可设置在与人手的无名指和小指相对应的位置。操作员可使用他的/她的无名指和小指抓住手柄124。
多个多关节机器人手指121、122和123和手柄124可机械地连接到手腕支撑单元140。手腕支撑单元140可设置在与操作员的手腕相对应的位置。手腕支撑单元140用于使手柄单元120旋转并可具有3个DOF。例如，手腕支撑单元140可使手柄单元120围绕x轴、y轴或z轴旋转。3轴力/扭矩传感器可设置在手腕支撑单元140处。
手腕支撑单元140可机械地连接到连杆单元130。连杆单元130用于执行手腕支撑单元140的平移运动并且可具有3个DOF。例如，连杆单元130可使手腕支撑单元140沿着x轴、y轴或z轴运动。
连杆单元130可包括多个连杆131、132、133和134。更详细地讲，连杆单元130可包括第一连杆131、第二连杆132、第三连杆133和一对第四连杆134。当从侧面观察主控装置M时，第一至第四连杆131、132、133和134可被布置为形成平行四边形。
更详细地讲，参照图5，例如，第一连杆131可平行于地面设置。末端执行器136可设置在第一连杆131的一端。手腕支撑单元140和手柄单元120可设置在末端执行器136的上方。第一滑轮131p可设置在第一连杆131的与操作员的手腕的内部相对应的端部的一部分。
第二连杆132的一端可通过旋转轴132a与第一连杆131的另一端结合。在一些示例性实施例中，第二连杆132可被布置为与第一连杆131垂直。连接到第一连杆131的另一端的第二连杆132可围绕旋转轴132a旋转。
第三连杆133的一端通过旋转轴133a与第二连杆132的另一端结合。第三连杆133可与第一连杆131平行地布置。第三连杆133的长度可小于第一连杆131的长度。连接到第二连杆132的另一端的第三连杆133可围绕旋转轴133a旋转。
一对第四连杆134可布置在第一连杆131和第三连杆133之间。所述一对第四连杆134的长度可等于第二连杆132的长度。所述一对第四连杆134彼此相对地布置。
第一连杆131布置在第四连杆134的一端和另一第四连杆134的一端之间。所述一对第四连杆134的所述端部以及布置在所述一对第四连杆134的所述端部之间的第一连杆131可通过旋转轴135a结合。第一连杆131可围绕旋转轴135a旋转。第二滑轮135p设置在旋转轴135a上。更详细地讲，第二滑轮135p布置在旋转轴135a上与第一滑轮131p相对。
第三连杆133布置在一个第四连杆134的另一端和另一第四连杆134的另一端之间。所述一对第四连杆134的所述另一端以及布置在所述一对第四连杆134的所述另一端之间的第三连杆133通过旋转轴134a结合。第三连杆133可围绕旋转轴134a旋转。第三滑轮134p布置在旋转轴134a上。更详细地讲，第三滑轮134p布置在旋转轴134a上与第二滑轮135p相对。
第一滑轮131p、第二滑轮135p和第三滑轮134p可具有双槽结构。在每个滑轮中，两个槽可连接或者可按照预定间隔分离。
在第一滑轮131p、第二滑轮135p和第三滑轮134p中的每个的两个槽中，位于手腕的外部的槽称为第一槽，位于手腕的内部的槽称为第二槽。第一线缆可缠绕第一滑轮131p、第二滑轮135p和第三滑轮134p中的每个的第一槽，第二线缆可缠绕第一滑轮131p、第二滑轮135p和第三滑轮134p中的每个的第二槽。
更详细地讲，第一线缆的一端固定到设置在第一滑轮131p的第一槽内的线缆固定部。此外，第一线缆的另一端缠绕第二滑轮135p的第一槽，然后固定到设置在第三滑轮134p的第一槽内的线缆固定部。如本领域的普通技术人员(PHOSITA，person having ordinaryskill in the art)将理解的，第一线缆也可按照不同的顺序缠绕和固定。
按照类似的方式，第二线缆的一端固定到设置在第一滑轮131p的第二槽内的线缆固定部。此外，第二线缆的另一端缠绕第二滑轮135p的第二槽，然后固定到设置在第三滑轮134p的第二槽内的线缆固定部。如PHOSITA将理解的，第二线缆也可按照不同的顺序缠绕和固定。
在一些示例性实施例中，滑轮131p、滑轮134p和滑轮135p中的每个的第二槽上的第二线缆的缠绕方向可与滑轮131p、滑轮134p和滑轮135p中的每个的第一槽上的第一线缆的缠绕方向相反。
如果按照这种方式使用多个滑轮131p、滑轮134p和滑轮135p以及多个线缆，那么如图6A至图6C示例性地示出的，虽然末端执行器136的位置改变，但末端执行器136可总是保持在与地面平行的姿势。由于末端执行器136总是保持水平姿势，因此设置在末端执行器136上方的手腕支撑单元140和手柄单元120可总是保持水平姿势。
如上所述，已经参照图4、图5和图6A至图6C描述了主控装置M的结构。已经描述了连杆单元130具有单轴结构的情况。然而，连杆单元130的结构不限于此。例如，连杆单元130可具有多轴结构。虽然连杆单元130具有多轴结构，但末端执行器136可总是保持在与地面平行的姿势。下面，将参照图7A至图7C给出在具有多轴结构的连杆单元130中保持末端执行器136的姿势的原理的更详细的描述。
图7A至图7C是示出保持连杆单元中的末端执行器的姿势的原理的视图。图7A是示出基座框架、至少一个滑轮和末端执行器的布置的侧视图。图7B是示出至少一个连杆的旋转的侧视图。图7C是图7B的平面图。
参照图7A，基座框架和末端执行器沿着相同的方向布置并按照指定的间隔彼此分开。在一些示例性实施例中，基座框架和末端执行器被布置为使得基座框架的旋转轴与末端执行器的旋转轴彼此平行。至少一个滑轮布置在基座框架和末端执行器之间。至少一个滑轮沿着相同的方向布置，并且每个滑轮的旋转轴与基座框架的旋转轴和末端执行器的旋转轴呈90度的角度。连杆L设置在基座框架和滑轮之间、一个滑轮与另一滑轮之间以及滑轮和末端执行器之间。在一些示例性实施例中，设置在一个连杆和另一连杆之间的滑轮可被理解为将一个连杆连接到另一连杆的关节。
基座框架、末端执行器和至少一个滑轮中的每个具有两个槽。以下，两个槽将被称为“第一槽”和“第二槽”。在基座框架中，第一槽HB1的直径R×2和第二槽HB2的直径R×2相同。在末端执行器中，第一槽HE1的直径R×2和第二槽HE2的直径R×2相同。在至少一个滑轮个中，第一槽HP1的直径r×2和第二槽HP2的直径r×2相同。
在基座框架、末端执行器和至少一个滑轮中，第一槽和第二槽按照指定的间隔分开。以下，将更详细地描述第一槽和第二槽之间的间隔。
参照图7A，可以理解的是，基座框架的第一槽HB1和第二槽HB2之间的间隔与滑轮的第一槽HP1的直径r×2和滑轮的第二槽HP2的直径r×2相同。此外，可以理解的是，滑轮的第一槽HP1的直径r×2和滑轮的第二槽HP2的直径r×2与末端执行器的第一槽HE1和第二槽HE2之间的间隔相同。
参照图7C，可以理解的是，基座框架的第一槽HB1的直径R×2和第二槽HB2的直径R×2与滑轮的第一槽HP1和第二槽HP2之间的间隔相同。此外，可以理解的是，滑轮的第一槽HP和第二槽HP2之间的间隔与末端执行器的第一槽HE1的直径R×2和第二槽HE2的直径R×2相同。
如图7A中示例性的示出的，在至少一个滑轮布置在基座框架和末端执行器之间的状态下，第一线缆C1的一端固定到设置在基座框架的第一槽HB1中的线缆固定部FB1。然后，第一线缆C1顺序地缠绕在至少一个滑轮的第一槽HP1上。在一些示例性实施例中，第一线缆C1沿着第一方向缠绕。然后，第一线缆C1的另一端固定到设置在末端执行器的第一槽HE1中的线缆固定部FE1。
与第一线缆C1类似，第二线缆C2的一端固定到设置在基座框架的第二槽HB2中的线缆固定部FB2。然后，第二线缆C2顺序地缠绕在至少一个滑轮的第二槽HP2上。在一些示例性实施例中，第二线缆C2沿着第二方向缠绕。然后，第二线缆C2的另一端固定到设置在末端执行器的第二槽HE2中的线缆固定部FE2。
当连杆在这种状态下旋转时，如图7B中示例性地示出的，滑轮也旋转。结果，缠绕在每个滑轮的第一槽HP1上的第一线缆C1的长度和缠绕在每个滑轮的第二槽HP2上的第二线缆C2的长度改变。根据一些示例性实施例，缠绕在每个滑轮上的线缆的改变的长度可通过旋转末端执行器来补偿。例如，缠绕在每个滑轮的第一槽HP1上的第一线缆C1的长度可通过旋转末端执行器来补偿。末端执行器的旋转角度可通过下面的等式1来计算。
[等式1]
如图7B中示例性地示出的，假设n个滑轮设置在基座框架和末端执行器之间，对滑轮进行编号，使得位于接近基座框架的滑轮被定义为滑轮i，连接到滑轮i的连杆被定义为连杆i(i＝1,2,……,n-1)。此外，如果假设连杆i的旋转角度为θi，则缠绕在滑轮i的第一槽HP1上的第一线缆C1的长度变化rθi。缠绕在滑轮n的第一槽HP1上的第一线缆C1的长度变化Rθn。等式1意味着末端执行器被旋转而使得每个滑轮上的第一线缆C1的变化的长度的总和变为0。
如图7C中示例性地示出的，如果包括主连杆的连杆沿着横摆方向旋转，则末端执行器沿着与连杆的旋转方向相反的方向旋转。结果，保持末端执行器的姿势(Ψe＝-Ψb)。
图8是示意性地示出包含在手柄单元120中的多关节机器人手指的构造的视图。更详细地讲，图8是示意性地示出多关节机器人手指122的与人手的食指相对应的构造的视图。
如图8中示例性地示出的，多关节机器人手指122可包括三个连杆。多关节机器人手指122可包括与形成人的手指的三个指骨相对应的三个连杆。更详细地讲，多关节机器人手指可包括近端指骨连杆(PPL)，中间指骨连杆(MPL)和远端指骨连杆(DPL)。
关节可设置在一个连杆和另一连杆之间。以下，设置在PPL的端部处的关节被称为“MCP关节”。此外，设置在PPL和MPL之间的连接区域的关节被称为“PIP关节”。此外，设置在MPL和DPL之间的连接区域的关节被称为“DIP关节”。
根据一些示例性实施例，MCP关节、PIP关节和DIP关节可由三个驱动单元驱动。根据一些示例性实施例，MCP关节、PIP关节和DIP关节可由例如两个驱动单元驱动(欠驱动)。在一些示例性实施例中，关节可由比关节的数量少的驱动单元来驱动。更详细地讲，连接DIP关节和PIP关节的线缆可连接到一个驱动单元，连接PIP关节和MCP关节的线缆可连接到另一驱动单元。这些驱动单元可设置在例如手柄单元120的手背部。
触觉反馈致动器125可设置在多关节机器人手指122的DPL的端部处。操作员可在他的/她的食指的端部插入到触觉反馈致动器125中的条件下使得他的/她的手指运动。随着操作员的手指运动，多关节机器人手指122的各个关节运动。
触觉反馈致动器125可设置在其他多关节机器人手指上。例如，触觉反馈致动器125可设置在多关节机器人手指123的与人手的中指相对应的DPL的端部处。然而，触觉反馈致动器125的数量和安装位置不限于此。例如，触觉反馈致动器125可设置在多关节机器人手指121的与人手的拇指相对应的DPL的端部处。
根据一些示例性实施例，可引导多关节机器人手指的端部的运动以跟随虚拟轨迹。在一些示例性实施例中，虚拟轨迹可根据设置在从属机器人200的机器人手术器械212或214的顶端的手术工具212a或214a的类型而改变。下面，将参照图9A和图9B给出其更详细的描述。
图9A是示出多关节机器人手指的虚拟轨迹和多关节机器人手指的引导方法的视图，假设设置在机器人手术器械212或214的端部的手术工具212a或214a为触诊工具。在图9A中，中性点表示弹簧41和弹簧42中的每个具有最低势能的位置。
如果手术工具212a或214a为触诊工具，那么操作员可在他的/她的拇指和中指的位置固定的条件下使得他的/她的食指前后运动，因此触诊工具前后运动。因此，如果手术工具212a或214a为触诊工具，则可仅产生多关节机器人手指122的与人手的食指相对应的虚拟轨迹。
此外，由于为了进行触诊，操作员需要使得触诊工具前后运动，因此触诊工具的虚拟轨迹可沿着前后方向形成。如果假设存在沿着水平方向连接到多关节机器人手指122的端部的弹簧42以及沿着竖直方向连接到多关节机器人手指122的端部的弹簧41并调节弹簧41和弹簧42的刚度，则多关节机器人手指122的端部可被控制为沿着虚拟轨迹运动。
图9A的控制算法可用于更广泛目的的控制系统。例如，该控制算法可用于宇航飞行器(运输机)，以控制起飞、精确飞行和/或降落。
图9B是示出多关节机器人手指的虚拟轨迹和多关节机器人手指的引导方法的视图，假设设置在机器人手术器械212或214的端部处的手术工具212a或214a为抓手。在图9B中，中性点表示弹簧41和弹簧42中的每个具有最低势能的位置。
如果手术工具212a或214a为抓手，那么操作员可在他的/她的中指的位置固定的条件下使得他的/她的拇指和食指前后运动，因此抓手的两个刀片展开或将抓手的刀片放到一起。此外，操作员可在拇指和食指彼此接触或伸展的条件下使得他的/她的拇指和食指前后一起运动，从而使抓手前后运动。因此，如果手术工具212a或214a为抓手，则可仅产生多关节机器人手指122的与人手的拇指相对应的虚拟轨迹以及多关节机器人手指122的与人手的食指相对应的虚拟轨迹。此外，使抓手的两个刀片展开或将刀片放到一起的食指的虚拟轨迹和拇指的虚拟轨迹可具有对称的关系。
可假设存在沿着水平方向连接到与食指相对应的多关节机器人手指122的端部的弹簧42以及沿着竖直方向连接到与食指相对应的多关节机器人手指122的端部的弹簧41。此外，可假设存在沿着水平方向连接到与拇指相对应的多关节机器人手指121的端部的弹簧52以及沿着竖直方向连接到与拇指相对应的多关节机器人手指121的端部的弹簧51。在这种状态下，如果调节沿着竖直方向连接到食指相对应的多关节机器人手指122的与端部的弹簧41和沿着竖直方向连接到与拇指相对应的多关节机器人手指121的端部的弹簧51的刚度，则可控制抓手的两个刀片沿着指定的虚拟轨迹展开或放到一起。如果调节沿着水平方向连接到与食指相对应的多关节机器人手指122的端部的弹簧42和沿着竖直方向连接到与食指相对应的端部的多关节机器人手指122的弹簧41的刚度，并调节沿着水平方向连接与拇指相对应的到多关节机器人手指121的端部的弹簧52和沿着竖直方向连接到与拇指相对应的多关节机器人手指121的端部的弹簧51的刚度，则可控制抓手沿着指定的虚拟轨迹运动。
图9B的控制算法可用于更广泛目的的控制系统。例如，该控制算法可用在用于处理有害物品的系统中，以使系统分类、装载和/或卸载有害物品。
图10是示出手柄单元120的运动控制方法的视图。在图10中，中性点表示弹簧41和弹簧42中的每个具有最低势能的位置。
图10示出了多关节机器人手指122及其虚拟轨迹80。虚拟轨迹80用于引导多关节机器人手指122的端部的运动。可根据机器人手术器械212和214的类型产生虚拟轨迹80。更详细地讲，可根据设置在机器人手术器械212和214的端部处的手术工具212a和214a的类型产生虚拟轨迹80。
如图10中示例性地示出的，假设多关节机器人手指122的端部的当前位置82偏离虚拟轨迹。在这种情况下，检测虚拟轨迹80上的与多关节机器人手指122的当前位置82具有最短距离d的点81。然后，可通过调节从多关节机器人手指122的端部的当前位置沿着垂直方向施加到检测点81的力以及调节沿着检测点81的切线方向的力，而引导多关节机器人手指122的端部跟随虚拟轨迹80。
如果多关节机器人手指122位于图10的虚拟轨迹80上，则在多关节机器人手指122的端部的当前位置处沿着虚拟轨迹80的垂直方向上的阻力增加，并且沿着虚拟轨迹80的切线方向的阻力降低。从而，可防止多关节机器人手指122的端部沿着垂直方向偏离虚拟轨迹80，并且多关节机器人手指122的端部可沿着虚拟轨迹80的切线方向运动。因此，当多关节机器人手指122的端部偏离虚拟轨迹80时，产生用于使多关节机器人手指122的端部恢复至虚拟轨迹80的控制信号。当产生这种控制信号时，多关节机器人手指122的端部可被引导为跟随虚拟轨迹80。
图11是示例性地示出主控装置M的控制构造的视图。
如图11中示例性地示出的，主控装置M可包括存储单元12、虚拟轨迹产生单元11、微动(micro motion)产生单元13、宏动(macro motion)产生单元14以及运动融合单元15。
存储单元12可存储多关节机器人手指121、122和123的虚拟轨迹80。可根据机器人手术器械212和214的类型产生虚拟轨迹80。更详细地讲，可根据设置在机器人手术器械212和214的端部处的手术工具212a和214a的类型而产生不同的虚拟轨迹80。例如，如果手术工具212a或214a为触诊工具，则可仅产生与人手的食指(除了人手的拇指和中指)相对应的多关节机器人手指122的运动轨迹80。在一些示例性实施例中，可考虑触诊工具的运动而产生虚拟轨迹80。
如果手术工具212a或214a为抓手，则可仅产生与人手的拇指和食指(除了人手的中指)相对应的多关节机器人手指121和122的运动轨迹80。可考虑操作员的拇指的运动而产生与拇指相对应的多关节机器人手指121虚拟轨迹80。可考虑操作员的食指的运动而产生与食指相对应的多关节机器人手指122的虚拟轨迹80。
虚拟轨迹产生单元11可接收关于机器人手术器械212和214的类型的信息、关于操作员的信息以及关于来自操作员或外部装置的手术过程的信息中的至少一种。更详细地讲，虚拟轨迹产生单元11可接收关于机器人手术器械212和214的类型的信息，并在存储单元12中搜索与接收的机器人手术器械212和214的类型相对应的虚拟轨迹。此外，虚拟轨迹产生单元11可基于关于操作员的信息和关于手术过程的信息中的至少一种而修改搜索出的虚拟轨迹。
关于机器人手术器械212和214的类型信息可意味着设置在机器人手术器械212和214的端部的手术工具212a和214a的类型的信息。关于操作员的信息可示例性地包括操作员的性别以及操作员的手指长度。关于手术过程的信息可示例性地包括手术的类型。
虽然使用相同的机器人手术器械，但手指的长度可根据操作员而改变。因此，如果基于操作员的手指长度修改虚拟轨迹并将多关节机器人手指引导为沿着修改的虚拟轨迹运动，那么与不修改虚拟轨迹的情况相比，多关节机器人手指的运动可被更精细地控制。
如果不输入操作员的手指长度信息而仅接收操作员的性别，则可基于根据该性别的平均手指长度信息产生虚拟轨迹。
此外，虽然使用相同的机器人手术器械，但应用到机器人手术器械的虚拟轨迹可根据手术过程而改变。因此，如果接收手术过程的信息，则可基于接收的手术过程的信息修改虚拟轨迹，并且多关节机器人手指被引导为沿着修改的虚拟轨迹运动，从而可防止机器人手术器械的不必要的运动。
从存储单元12接收的虚拟轨迹和基于接收的信息修改的虚拟轨迹可提供给微动产生单元13。
微动产生单元13可接收关于多关节机器人手指的各关节的位置和速度的信息，并修改虚拟轨迹。微动产生单元13可产生控制信号，以控制多关节机器人手指的端部沿着修改的虚拟轨迹运动。
宏动产生单元14可接收手腕支撑单元140的旋转信息和/或手腕支撑单元140的位置信息。宏动产生单元14可基于手腕支撑单元140的旋转信息产生控制信号，以控制机器人手术器械212、214和216的姿势。此外，微动产生单元14可基于手腕支撑单元140的位置信息产生控制信号，以控制机器人手术器械212、214和216的位置。
运动融合单元15可通过由微动产生单元13产生的控制信号和由宏动产生单元14产生的控制信号之间的融合而产生最终的运动控制信号。在一些示例性实施例中，融合单元15可通过向由微动产生单元13产生的控制信号和由宏动产生单元14产生的控制信号应用权重，而产生最终的运动控制信号。应用到每个控制信号的权重可被理解为缩放各个控制信号的缩放因子。缩放因子可由操作员预先设置。按照这种方式产生的最终的运动控制信号是用于控制机器人手术器械212、214和216的运动的信号，并且可通过通信单元(未示出)被发送至从属机器人200。
在本申请中讨论的算法(例如，控制手术机器人和方法所需的算法)可用于更广泛目的的设备和/或控制设备的方法中。例如，该算法可用于搬运设备和材料的智能机器人和/或用于控制这种智能机器人，以允许设备和材料的安全运输、包装和/或装载。
上述方法可被编写为计算机程序并且可在使用计算机可读记录介质执行程序的通用数字计算机中执行。此外，在该方法中使用的数据的结构可按照不同的方法记录在计算机可读记录介质中。计算机可读记录介质的示例包括存储介质(诸如，磁存储介质(例如，ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、USB(通用串行总线)、软盘、硬盘等)和光学记录介质(例如，CD-ROM(致密盘只读存储器)或者DVD(数字视频光盘)))。
此外，一些实施例也可通过介质(例如，计算机可读介质)上/中的计算机可读代码/指令来执行，以控制至少一个处理元件来执行一些实施例。该介质可对应于允许计算机代码的存储和/或传输的任何介质/媒介。
计算机可读代码可按照各种方式记录在介质上/在介质上传输，介质的示例包括记录介质(诸如，磁存储介质(例如，ROM、软盘、硬盘等)和光学记录介质(例如，CD-ROM或DVD)以及传输介质(例如，互联网传输介质))。因此，介质可以是这种限定的并且可测量的包含或携带信号或信息的结构，诸如，根据一些示例性实施例携带比特流的装置。介质也可以是分布式网络，以使计算机可读代码按照分布的方式存储/传输并执行。此外，处理元件可包括处理器或计算机处理器，并且处理元件可以是分布式的和/或包含在单个装置中。
在一些示例实施例中，一些元件可被执行为“模块”。根据一些示例实施例，“模块”可被理解为基于软件的组件或硬件组件(诸如，现场可编程门阵列(FPGA)或者专用集成电路(ASIC))，并且模块可执行特定功能。然而，模块不限于软件或硬件。该模块可被配置为设置在可执行寻址的存储介质中，或被配置为使得一个或更多个处理器运行。
例如，模块可包括组件，诸如，软件组件、面向对象的软件组件、类组件、任务组件、进程、函数、属性、过程、子程序、程序代码段、驱动器、固件、微码、电路、数据、数据库、数据结构、表格、数组和变量。从组件和模块提供的功能可结合到更少量的组件和模块，或者可与另外的组件和模块分开。此外，组件和模块可使得装置中的一个或更多个中央处理单元运行。
一些示例实施例可通过包含计算机可读代码/指令的介质被实现，以控制上述实施例的至少一个处理元件，例如，计算机可读介质。这种介质可与可存储和/或传输计算机可读代码的介质/媒介相对应。
计算机可读代码可记录在介质上或者可在网络上传输。例如，该介质可包括ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘、光学记录介质或载波(诸如，通过互联网的数据传输)。此外，介质可以是非暂态计算机可读介质。由于该介质可以是分布式网络，因此可按照分布式方法存储、传输和执行计算机可读代码。此外，例如，处理元件可包括处理器或计算器处理器，并分布和/或包含在一个装置中。
虽然已经示出和描述了一些示例性实施例，但本领域的技术人员将理解，在不脱离由权利要求及其等同物中限定其范围的示例性实施例的原理和精神的情况下可对这些示例性实施例做出改变。例如，虽然已经描述了特定操作由给定元件执行，但本领域的技术人员将理解，该操作可按照不同方式在元件之间分配。
虽然上面关于手术机器人和方法描述了一些示例性实施例，但本领域技术人员将理解，一些示例性实施例可应用于其他类型的系统和方法，例如，不在医学领域中使用的系统(例如，航空航天远程操作系统和方法、用于处理危险物品的设备和方法、巡逻设备和方法、军用设备和方法)、人形设备和方法、或者更广泛目的的控制系统和方法。本领域的技术人员将理解的是，在该申请中描述的手术机器人和方法具有大量的实际用途。
虽然已经示出和描述了本公开的一些示例性实施例，但是本领域普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行改变。
应理解的是，在此描述的示例性实施例应被理解为仅为描述性的，而不用于限制的目的。每个实施例中的特征和多个方面的描述通常应被理解为可用于其他实施例中的其他类似特征或多个方面。

Claims (24)

1.一种用于手术机器人的主控装置，所述主控装置包括：
手柄单元，手柄单元中的每个手柄单元包括至少一个多关节机器人手指，所述至少一个多关节机器人手指被配置为控制从属装置的机器人臂上的机器人手术器械；
微动产生单元，被配置为产生控制信号，以控制所述至少一个多关节机器人手指的端部沿着虚拟轨迹运动，
其中，微动产生单元产生控制信号，以通过调节从所述至少一个多关节机器人手指的端部的当前位置沿着垂直方向施加到虚拟轨迹的点的力，来控制所述至少一个多关节机器人手指的端部沿着虚拟轨迹运动。
2.根据权利要求1所述的用于手术机器人的主控装置，所述主控装置还包括：
虚拟轨迹产生单元，
其中，当接收到关于机器人手术器械的类型的信息时，虚拟轨迹产生单元被配置为从预先存储的虚拟轨迹中搜索与接收的机器人手术器械的类型相对应的虚拟轨迹。
3.根据权利要求2所述的用于手术机器人的主控装置，其中，当接收到关于操作员的信息和关于手术过程的信息中的至少一个信息时，虚拟轨迹产生单元被配置为基于所述至少一个接收的信息根据搜索的虚拟轨迹产生新的虚拟轨迹。
4.根据权利要求3所述的用于手术机器人的主控装置，其中，所述微动产生单元还被配置为产生控制信号，以控制所述至少一个多关节机器人手指的端部沿着所述新的虚拟轨迹运动。
5.根据权利要求1所述的用于手术机器人的主控装置，所述主控装置还包括：
手腕支撑单元，位于与操作员的手腕相对应的位置，所述手腕支撑单元被配置为使手柄单元围绕x轴、y轴和z轴中的至少一个轴旋转；
连杆单元，可操作地连接到手腕支撑单元，并被配置为执行手腕支撑单元的平移运动。
6.根据权利要求5所述的用于手术机器人的主控装置，所述主控装置还包括：
宏动产生单元，被配置为基于手腕支撑单元的旋转信息产生控制信号，以控制机器人手术器械的姿势，并被配置为基于手腕支撑单元的位置信息产生控制信号，以控制机器人手术器械的位置。
7.根据权利要求6所述的用于手术机器人的主控装置，所述主控装置还包括：
运动融合单元，被配置为通过由微动产生单元产生的控制信号和由宏动产生单元产生的控制信号之间的融合而产生最终的运动控制信号，以控制机器人手术器械的运动。
8.根据权利要求7所述的用于手术机器人的主控装置，其中，所述运动融合单元还被配置为向由微动产生单元产生的控制信号和由宏动产生单元产生的控制信号应用加权。
9.根据权利要求5所述的用于手术机器人的主控装置，其中，所述连杆单元中的每个连杆单元包括：
第一连杆，手腕支撑单元中的每个手腕支撑单元设置在第一连杆上；
第二连杆，可操作地连接到第一连杆的第一端部；
第三连杆，可操作地连接到第二连杆的第一端部；
第四连杆，可操作地连接到第三连杆的第一端部和第一连杆的第二端部；
其中，第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆被构造为形成平行四边形结构。
10.根据权利要求9所述的用于手术机器人的主控装置，其中，所述连杆单元中的每个连杆单元还包括：
第一滑轮，设置在第一连杆的一侧处；
第二滑轮，设置在第一连杆与第四连杆结合的第一旋转轴上；
第三滑轮，设置在第三连杆与第四连杆结合的第二旋转轴上；
第一线缆，缠绕在第一滑轮的第一槽、第二滑轮的第一槽和第三滑轮的第一槽上；
第二线缆，缠绕在第一滑轮的第二槽、第二滑轮的第二槽和第三滑轮的第二槽上。
11.根据权利要求10所述的用于手术机器人的主控装置，其中，第一线缆的第一端固定到第一滑轮的第一槽中的线缆固定部，
其中，第一线缆沿着第一方向缠绕在第二滑轮的第一槽上，
其中，第一线缆的第二端固定到第三滑轮的第一槽中的线缆固定部，
其中，第二线缆的第一端固定到第一滑轮的第二槽中的线缆固定部，
其中，第二线缆沿着第二方向缠绕在第二滑轮的第二槽上，
其中，第二线缆的第二端固定到第三滑轮的第二槽中的线缆固定部。
12.根据权利要求11所述的用于手术机器人的主控装置，其中，连杆单元还被配置为对第一线缆的长度和第二线缆的长度根据第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆的旋转而发生的变化进行补偿，以保持手腕支撑单元的姿势。
13.根据权利要求1所述的用于手术机器人的主控装置，其中，当所述至少一个多关节机器人手指的端部的当前位置偏离虚拟轨迹时，微动产生单元被配置为：
检测虚拟轨迹上的与当前位置具有最短距离的点；
调节沿着连接检测的点与当前位置的垂直方向施加的力的强度；
调节沿着检测的点的切线方向施加的力的强度。
14.一种存储有计算机程序的计算机可读记录介质，其中，当所述计算机程序被运行时执行用于手术机器人的主控装置的控制方法，其中，所述用于手术机器人的主控装置具有手柄单元，手柄单元中的每个手柄单元包括至少一个多关节机器人手指，所述至少一个多关节机器人手指被配置为控制从属装置的机器人臂上的机器人手术器械，其中，所述控制方法包括：
产生所述至少一个多关节机器人手指的端部的虚拟轨迹；
产生控制信号，以控制所述至少一个多关节机器人手指的端部沿着虚拟轨迹运动；
根据产生的控制信号控制所述至少一个多关节机器人手指的运动，
其中，根据产生的控制信号控制所述至少一个多关节机器人手指的运动的步骤包括：根据产生的控制信号，通过调节从所述至少一个多关节机器人手指的端部的当前位置沿着垂直方向施加到虚拟轨迹的点的力，来控制所述至少一个多关节机器人手指的端部沿着虚拟轨迹运动。
15.根据权利要求14所述的计算机可读记录介质，其中，产生虚拟轨迹的步骤包括：
当接收到关于机器人手术器械的类型的信息时，从预先存储的虚拟轨迹中搜索与接收的机器人手术器械的类型相对应的虚拟轨迹；
当接收关于操作员的信息和关于手术过程的信息中的至少一个信息时，基于所述至少一个接收的信息根据搜索的虚拟轨迹产生新的虚拟轨迹。
16.根据权利要求14所述的计算机可读记录介质，所述控制方法还包括：
基于设置在与操作员的手腕相对应的位置处的手腕支撑单元的旋转信息产生控制信号，以控制机器人手术器械的姿势，并使手柄单元沿着指定的轴的方向旋转；
基于手腕支撑单元的位置信息产生控制信号，以控制机器人手术器械的位置。
17.根据权利要求14所述的计算机可读记录介质，其中，产生控制信号的步骤包括：
当所述至少一个多关节机器人手指的端部的当前位置偏离虚拟轨迹时：
检测虚拟轨迹上的与当前位置具有最短距离的点；
调节沿着连接检测的点与当前位置的垂直方向施加的力的强度，并且调节沿着检测的点的切线方向施加的力的强度。
18.一种用于手术机器人的主控装置，所述主控装置包括：
第一单元，包括从属装置的机器人臂上的至少一个多关节机器人手指；
第二单元，被配置为产生第一控制信号，以控制所述至少一个多关节机器人手指沿着虚拟轨迹运动，
其中，第二单元产生第一控制信号，以通过调节从所述至少一个多关节机器人手指的端部的当前位置沿着垂直方向施加到虚拟轨迹的点的力，来控制所述至少一个多关节机器人手指的端部沿着虚拟轨迹运动。
19.根据权利要求18所述的用于手术机器人的主控装置，所述主控装置还包括：
第三单元，与操作员的手腕相对应；
其中，第三单元被配置为使第一单元围绕x轴、y轴和z轴中的至少一个轴旋转。
20.根据权利要求19所述的用于手术机器人的主控装置，所述主控装置还包括：
第四单元，被配置为基于第三单元的旋转信息产生第二控制信号，以控制机器人臂。
21.根据权利要求20所述的用于手术机器人的主控装置，所述主控装置还包括：
第五单元，被配置为基于第一控制信号和第二控制信号产生第三控制信号，以控制机器人臂。
22.根据权利要求19所述的用于手术机器人的主控装置，所述主控装置还包括：
第四单元，被配置为基于第三单元的位置信息产生第二控制信号，以控制机器人臂。
23.根据权利要求22所述的用于手术机器人的主控装置，所述主控装置还包括：
第五单元，被配置为基于第一控制信号和第二控制信号产生第三控制信号，以控制机器人臂。
24.根据权利要求19所述的用于手术机器人的主控装置，所述主控装置还包括：
第四单元，被配置为基于第三单元的旋转信息和位置信息产生第二控制信号，以控制机器人臂。
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