CN105592818A - 用于与对象的相互作用的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于对机器人系统内的工具定位的系统和方法包括以第一频率确定工具的主要位置信息以及以第二频率确定工具的次要位置信息。基于主要位置信息和次要位置信息以第一定位控制模式和第二定位控制模式移动工具。对第一和第二定位控制模式的每个的第一和第二频率的至少一个进行调整。第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的差不同于第二定位控制模式下的第一和第二频率之间的差。

Description

用于与对象的相互作用的系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2013年10月4日提交的美国临时专利申请No.61/886838的优先权和所有权益，通过引用将其并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及一种用于与对象相互作用的系统和方法，更具体而言，涉及一种用于控制与对象的相互作用的工具的系统和方法。

背景技术

在手术过程中采用诸如机器人系统的系统辅助医务人员是一个新兴领域。这些系统被配置为使得工具相对于手术部位的研究对象被操纵。所述系统通常包括基座和多个从基座延伸出去的联动装置。所述系统还包括耦合至所述多个联动装置的工具。医务人员可以对所述系统提供指令，从而使所述多个联动装置和所述工具相对于对象移动，由此采用所述系统执行手术过程。

经常采用导航系统提供辅助，从而使所述工具相对于对象准确地移动到预期位置。导航系统为工具和其他受到跟踪的对象提供精确的位置和取向信息，尤其是在这些对象在相对较大的工作体积内移动时。经常提供基于导航的位置和取向信息，从而至少部分地影响系统的联动装置相对于所研究的患者解剖学结构的移动和定位。

此外，可以采用从与所述多个联动装置相关的多个编码器导出的位置和取向信息以开放环路的方式对工具的移动加以控制。在用于相对较小的移动时，这样的编码器能够在所定位的研究区域内提供比导航系统更高的精确度。因而，当希望在导航系统的闭环控制之外以更高的速率进行操作时，基于编码器的位置和取向信息可以是有用的。因而，采用导航系统和/或编码器生成移动命令的好处各有不同。

常规系统面临着管理基于导航的以及基于编码器的信息的挑战。主要是联动装置所呈现的响应频率低于基于导航的位置和取向信息的提供频率。更具体而言，大多数系统的联动装置、电动机、接头等具有一定的柔性或游隙。这一柔性限制了移动命令与工具的最终移动和入位之间的反应时间。如果将来自导航系统的位置和取向信息用于生产移动命令的频率高于工具响应于这样的移动命令发生移动并入位的能力，那么系统的闭环控制将变得不稳定。此外，联动装置的缓慢响应频率抑制了能够采用这种基于导航的位置和取向信息影响工具的定位的频率。此外，常规系统不允许对上述频率进行动态调整。因而，对于各种应用和情况而言限制了常规系统的通用性和稳定性。

相应地，本领域需要解决上述问题的系统和方法。

发明内容

提供了一种用于与对象相互作用的系统。所述系统包括具有基座和多个联动装置的机器人操纵器。将工具耦合至机器人操纵器，所述工具可相对于基座移动，从而与对象相互作用。使多个定位传感器与多个联动装置相关，从而以第一频率提供主要位置信息。定位器以第二频率提供次要位置信息。将定位控制器配置为基于主要位置信息和次要位置信息以第一定位控制模式和第二定位控制模式相对于对象移动工具。将频率控制器配置为调整第一和第二定位控制模式的每个内的第一和第二频率的至少一个。第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的差不同于第二定位控制模式下的第一和第二频率之间的差。

提供了一种用于对机器人系统中的工具定位的方法。所述方法包括以第一频率确定工具的主要位置信息。以第二频率确定工具的次要位置信息。基于主要位置信息和次要位置信息以第一定位控制模式和第二定位控制模式移动工具。对第一和第二定位控制模式的每个的第一和第二频率的至少一个进行调整。第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的差不同于第二定位控制模式下的第一和第二频率之间的差。

所述系统和方法有效地提供了对工具的自定义控制。第一和第二频率之间的差影响工具的定位准确度和定位速度。因而，调整第一和第二频率之间的差允许对工具的定位速度和定位准确度加以控制。

此外，第一和第二频率之间的差在第一和第二定位控制模式之间是不同的。因而，第一和第二定位控制模式具有不同的针对工具的定位准确度和定位速度的参数。所述系统和方法能够依据与应用和状况相适应的预期定位准确度和速度根据第一位置或第二定位控制模式工作。

所述系统和方法还额外地提供了稳定性，因为能够对第一和第二频率进行动态调整。如果第一和第二频率之间的差导致了不稳定性，那么能够对所述差进行动态调整。

附图说明

本发明的优点将被更加容易地认识到，因为通过参考下述联系附图考虑的详细说明将使它们得到更好的理解，其中：

图1是与机器人操纵器结合使用的本发明的引导站的透视图；

图2是引导站、跟踪装置、指示器(pointer)和机器人操纵器的示意图。

图3是机器人操纵器的编码器和接头电动机控制器的示意图。

图4是定位器和操纵器以及其他对象的坐标系的示意图。

图5是一种方法中采取的步骤的流程图。

图6是根据一个实施例的允许进行人工频率调整和人工定位控制模式选择的接口的透视图。

图7是根据另一实施例的用于显示自主频率调整和自主定位控制模式选择的接口的透视图。

具体实施方式

公开了用于对机器人系统的工具22定位的系统和方法。将工具22耦合至机器人操纵器56，工具22相对于预定义路径或解剖学边界发生移动。相对于一个或多个对象23对工具22定位。对象23的例子包括但不限于患者的解剖学特征。在图1中，所示的患者的解剖学结构包括股骨F和胫骨T。工具22与对象23进行相互作用，在一些情况下，操纵对象23。

参考图1和2，在一个实施例中，系统包括耦合到机器人操纵器56的指导站20。在图1中，引导站20被示为处于医疗机构的手术室内。设立引导站20是为了跟踪手术室内的各种物项的移动。这样的物项可以包括患者的解剖学结构和工具22。引导站20跟踪这些物项的目的在于将它们的相对位置和取向呈现给医务人员。在一些情况下，引导站20跟踪这些物项是为了控制和约束工具22相对于预定路径或解剖学边界的移动。

引导站20包括容纳导航计算机26或其他类型的控制单元的计算机手推车组件24。导航接口与导航计算机26操作通信。在一个实施例中，导航接口包括适于处于无菌场外的第一显示器28和适于处于无菌场内的第二显示器29。将显示器28、29以可调整方式安装至计算机手推车组件24。可以采用诸如鼠标和键盘的第一和第二输入装置30、32向导航计算机26内输入信息或者以其他方式选择/控制导航计算机26的某些方面。可以设想其他输入装置，包括触摸屏(未示出)或语音激活。

定位器34与导航计算机26通信。在图示的实施例中，定位器34是光学定位器，其包括相机单元(又称为感测装置)。相机单元36具有容纳一个或多个定位光学传感器40的外壳38。在一些实施例中，采用至少两个光传感器40，优选采用三个或更多。光传感器40可以是三个单独的电荷耦合器件(CCD)。在一个实施例中，采用三个一维CCD。在其他实施例中，还可以将各个单独的相机单元布置到手术室各处，每一相机单元具有单独的CCD或者具有两个或更多CCD。所述CCD检测红外(IR)信号。定位器34可以具有用于与导航计算机26通信的任何适当配置。

将相机单元36安装到可调整臂上，从而借助于下文讨论的跟踪器的在理想情况下免受阻挡的视场对光传感器40定位。所述可调整臂允许以至少一个自由度，在一些实施例中以两个或更多自由度对相机单元36进行调整。

相机单元36包括与光传感器40通信以接收来自光传感器40的信号的相机控制器42。相机控制器42通过有线或无线连接(未示出)与导航计算机26通信。将位置和取向信号和/或数据从相机单元36发送至导航计算机26，以达到对物项跟踪的目的。

显示器28、29和相机单元36可以与2010年5月25日颁发给Malackowski等的发明名称为“SurgerySystem”的美国专利No.7725162中描述的类似，通过引用将该文献引入本文。

所述导航计算机26可以是个人计算机或膝上型计算机。导航计算机26具有显示器28、29、中央处理单元(CPU)和/或其他处理器、内存(未示出)和存储器(未示出)。如下文所述，向导航计算机26加载软件。所述软件将接收自相机单元36的信号/数据转换成表示正在跟踪的物项的位置和取向的数据。

引导站20与多个跟踪装置44、46、48通信，文中又将它们称为跟踪器。在例示的实施例中，将一个跟踪器44牢固地固定至患者的股骨F，将另一个跟踪器46牢固地固定至患者的胫节T。将跟踪器44、46牢固地固定至骨骼部分。在一个实施例中，可以通过美国专利No.7725162中所示的方式将跟踪器44、46附着至股骨F和胫节T，通过引用将该文献引入本文。还可以按照与2013年1月16日提交的发明名称为“TrackingDevicesandNavigationSystemsandMethodsforUseThereof”的美国临时专利申请No.61/753219中所示的类似的方式安装跟踪器44、46，通过引用将该文献并入本文。在另外的实施例中，使跟踪器附着至膝盖骨(未示出)，以跟踪膝盖骨的位置和取向。在又一些实施例中，可以将跟踪器44、46安装至其他组织类型或解剖学部位。

将工具跟踪器48固定地附接到工具22上。可以在制造过程中将工具跟踪器48集成到工具22内，或者可以在手术过程的准备过程中将工具跟踪器48单独地安装到工具22上。通过工具跟踪器48予以跟踪的工具22的工作端可以是旋转切具(bur)、电烧蚀装置等。工具22的工作端可以呈现为单独的能量施加器，例如，旋转切具、电烧伤装置等，其形成了工具22的部分。

可以采用内部电池对跟踪器44、46、48电池供电，或者所述跟踪器可以具有引线，从而通过导航计算机26接收电力，导航计算机26与相机单元36一样优选接收外部电源。

在图示的实施例中，工具22形成了机器人操纵器56上的末端执行器的部分。机器人操纵器56具有基座57、从基座57延伸出来的多个联动装置以及多个用于使工具22相对于基座57移动的有源接头。机器人操纵器56具有以人工模式、自主模式或半自主模式操作的能力。在发明名称为“SurgicalManipulatorCapableofControllingaSurgicalInstrumentinMultipleModes”的美国非临时专利申请No.13/958070中示出了这样的布置，通过引用将其公开内容并入本文。可以将单独的跟踪器(未示出)附接到机器人操纵器56的基座57上，以跟踪基座57的移动。

定位器34的光传感器40从跟踪器44、46、48接收光信号。在例示的实施例中，跟踪器44、46、48是有源跟踪器。在这一实施例中，每一跟踪器44、46、48具有至少三个用于向光传感器40发送光信号的有源跟踪元件或标记。有源标志50可以是(例如)发射光(例如，红外光)的发光二极管(LED)50。光传感器40优选具有至少100Hz的抽样频率，所述频率更优选为至少300Hz，最优选为至少500Hz。在一些实施例中，光传感器40具有8000Hz的抽样速率。所述抽样速率是光传感器从顺次点亮的LED50接收光信号的速率。在一些实施例中，对于每一跟踪器44、46、48而言以不同的速率点亮(fire)来自LED50的光信号。

参考图2，将LED50中的每个连接至位于相关跟踪器44、46、48的外壳(未示出)内的与导航计算机26之间发送/接收数据的跟踪器控制器62。在一个实施例中，跟踪器控制器62通过与导航计算机26的有线连接大约以几兆字节/秒的速率传输数据。在其他实施例中，可以采用无线连接。在这些无线实施例中，导航计算机26具有收发器(未示出)从而从跟踪器控制器62接收数据。

在其他实施例中，跟踪器44、46、48可以具有无源标志(未示出)，例如，反射相机单元36发射的光的反射器。之后，由光传感器40接收反射光。有源和无源跟踪元件是本领域熟知的。

导航计算机26包括导航处理器52。相机单元36接收来自跟踪器44、46、48的LED50的光信号，并向处理器52输出与跟踪器44、46、48的LED50相对于定位器34的位置相关的信号和。基于所接收到的光信号，导航处理器52生成指示跟踪器44、46、48相对于定位器34的相对位置和取向的数据。在一些实施例中，跟踪器44、46、48还包括陀螺仪传感器60和加速度计70，例如，2013年1月16日提交的发明名称为“TrackingDevicesandNavigationSystemsandMethodsforUseThereof”的美国临时专利申请No.61/753219中所示跟踪器，通过引用将该文献并入本文。

应当理解，导航处理器52可以包括一个或多个处理器，以控制导航计算机26的操作。所述处理器可以是任何类型的微处理器或多处理器系统。并非意在使处理器一词局限于单个处理器的任何范围。

基于LED50的位置以及先前加载的与患者的解剖学结构相关的数据和与工具22相关的几何信息，导航处理器52确定工具22相对于组织(例如，股骨F和胫骨T)的位置和取向，其中，所述组织是将工作端施加于其上的组织。先前加载的数据包括与手术过程之前拍摄的手术前图像相关的数据，例如，所述图像包括MRI图像和CT图像。先前加载的数据还包括工具22的工作端和工具跟踪器48上的LED50之间的几何关系。

利用公知的导航技术进行配准和坐标系转换，能够将患者的解剖学结构和工具22的工作端配准到定位器34的坐标参照系当中，因而能够采用LED50对所述工作端和所述解剖学结构一起跟踪。通过提供转换矩阵将工具22和患者解剖学结构的坐标从定位器坐标系LCLZ转换为如下文所述的操纵器坐标系MNPL。

操纵器控制器54可以采用工具22和患者解剖学结构的位置和取向数据控制机器人操纵器56，如发明名称为“SurgicalmanipulatorCapableofControllingaToolineitheraSemi-AutonomousModeoraManual,BoundaryConstrainedMode”的美国临时专利申请No.61/679258中所述的，通过引用将该文献的公开内容并入本文。导航计算机26可以跨有线或无线连接将位置和取向数据以及其他数据发送至操纵器控制器54。

导航处理器52或操纵器控制器54还生成指示工具工作端相对于手术部位的相对位置的图像信号。将这些图像信号施加至显示器28、29。显示器28、29基于这些信号生成允许外科医生和手术人员查看工具工作端相对于手术部位的相对位置的图像。上文讨论的显示器28、29可以包括触摸屏或者其他允许输入命令的输入/输出装置。

参照图2，定位引擎100是可以被看作是引导站20的部分(或者在一些实施例中被看作是操作器控制器54的部分)的软件模块。定位引擎100从相机控制器42接收信号，并且在一些实施例中从跟踪器控制器62接收不基于光的信号。基于这些信号，定位引擎100确定跟踪器44、46、48在定位器坐标系LCLZ中的姿态。定位引擎100将表示跟踪器44、46、48的姿态的信号转发至坐标转换器102。坐标转换器102是可以被看作是引导站20的部分(或者在一些实施例中被看作是操作器控制器54的部分)的另一软件模块。坐标转换器102参考定义患者的手术前图像和患者跟踪器44、46之间的关系的数据。坐标转换器102还存储指示工具22的工作端相对于工具跟踪器48的姿态的数据。图4示出了工具22、跟踪器44、46、48和对象23的各个坐标系。

于是，坐标转换器102生成指示工具22的工作端相对于工作端的组织(例如，骨骼)的位置和取向的数据，对所述组织施加该工作端。坐标转换器102还通过操作将指示工具22的工作端相对于组织的姿态的数据转换到下文进一步描述的操纵器坐标系MNPL当中。将标示这些数据的图像信号转发至显示器28、29，从而使外科医生和手术人员能够看到这一信息。为了避免这一数据的中断，应当保持跟踪器44、46、48和传感器40之间的视线。如果阻断了所述视线，那么可能发生错误。

参考图3，多个定位传感器与机器人操纵器56的多个联动装置相关。在一个实施例中，定位传感器是编码器112、114、116。编码器112、114、116可以是任何适当类型的编码器，例如，旋转编码器。如图3所示，可以使每一编码器112、114、116与诸如电动机M的致动器相关。每一编码器112、114、116是监测机器人操纵器56的三个电机驱动部件当中与所述编码器相关的那个部件的角位置的传感器。机器人操纵器56包括两个额外的编码器，即编码器117和118。编码器117和118与额外的驱动联动装置相关。在一些实施例中，机器人操纵器56包括两个臂结构，所述臂结构具有处于六个有源接头处的六个编码器。

操纵器控制器54确定工具22应当移动到的预期位置，如发明名称为“SurgicalmanipulatorCapableofControllingaToolineitheraSemi-AutonomousModeoraManual，BoundaryConstrainedMode”的美国临时专利申请No.61/679258中所述的，通过引用将该文献的公开内容并入本文。基于这一确定以及与工具22的当前位置(姿态)相关的信息，操纵器控制器54确定必须将每一联锁装置移动到什么程度才能将工具22从当前位置重新定位到预期位置。将有关将联动装置定位到何处的数据转发至接头电动机控制器JMC，所述控制器控制机器人操纵器56的有源接头，以移动所述联动装置并由此将工具22从当前位置移动到预期位置。

为了确定工具22的当前位置，采用来自编码器112、114、116、117、118的数据确定测得的接头角度。将活动接头的测得的接头角度转发至向前运动学模块(forwardkinematicsmodule)(未示出)。将来自编码器117和118的信号也施加至所述向前运动学模块。这些信号是与这些编码器作为整体的无源接头的测得接头角度。基于测得的接头角度和预加载的数据，向前运动学模块在操纵器坐标系MNPL中确定工具22的姿态。所述的预加载数据是定义联动装置和接头的几何形态的数据。

在一个实施例中，操纵器控制器54和接头电动机控制器JMC一起形成了定位控制器，该定位控制器操作以将工具22移动到所命令的位置和/或取向。所述定位控制器在定位控制回路中工作。所述定位控制回路可以包括针对每一有源接头的多个并联或串联的定位控制回路。所述定位控制回路处理位置和取向信息，以指示并指引工具22的姿态。

如下文详细描述的，所述定位传感器提供主要位置信息。在一个范例中，所述主要位置信息包括基于来自编码器112、114、116、117、118的信息和预加载数据计算的工具22的姿态。可以在步骤204中采用来自编码器112、114、116、117、118的数据和预加载数据计算所述主要位置信息。或者或此外，所述主要位置信息包括工具22在操纵器坐标系MNPL内的位置和取向。或者，主要位置信息包括用于控制工具22在操纵器坐标系MNPL内的运动的定位命令。

所述导航系统提供次要位置信息。更具体而言，定位器34提供次要位置信息。在一个范例中，所述次要位置信息包括在步骤200中在定位器坐标系LCLZ中计算出的工具22的基于导航的姿态。在另一个范例中，次要位置信息包括从定位器坐标系LCLZ转换至操纵器坐标系MNPL的位置和取向数据。可以通过导航计算机对次要位置信息进行处理。

参考图4，确定定位器坐标系LCLZ和操纵器坐标系MNPL的相对位置，从而能够通过导航计算机26生成转换矩阵。转换矩阵将物项的位置和取向数据从定位器坐标系LCLZ转换至操纵器坐标系MNPL。这一步骤可以发生在手术过程开始之前，并且在手术过程中周期性地发生，如下文进一步所述。此外，主要位置信息可以是在最初生成转换矩阵之后生成的。

参考图5，确定工具跟踪器48在定位器坐标系LCLZ中的位置和取向，从而能够在定位器坐标系LCLZ中计算次要位置信息。工具22在定位器坐标系LCLZ中的基于导航的姿态被设为能够由其从运动学角度确定操纵器坐标系MNPL的相对姿态的姿态。

操纵器坐标系MNPL的相对于定位器坐标系LCLZ的姿态是基于来自编码器112、114、116、117和118的数据和预加载数据的。所述预加载数据与操纵器坐标系MNPL相对于编码器112、114、116、117和118以及联动装置等的关系相关。因此，能够在步骤202中生成两个坐标系之间的转换矩阵。在步骤206中，通过定位控制器使工具22发生移动，从而将工具22，继而将工具22的工作端移动到下一命令位置。

采用工具22的新采集的基于导航的姿态数据做出周期性调整，从而对转换矩阵进行更新。对转换矩阵进行更新将相对于定位器坐标系LCLZ重置操纵器坐标系MNPL。这些周期性调整的一个原因在于基于编码器的数据不能说明(accountfor)机器人操纵器56的联动装置的任何弯曲。相反，这样的弯曲却能够通过估算施加到所述臂上的力得以说明。因此，基于导航的数据对基于编码器的数据做出了补充，因为在采用(例如)定位器34和工具跟踪器48测量姿态时将自动考虑与联动装置的弯曲相关的任何误差。

导航计算机26周期性地更新转换矩阵，以重置操纵器坐标系MNPL。这样做是为了针对位置不准确性进行调整，这样的位置不准确性可能是由唯独基于以编码器导出的姿态数据以开环方式对工具22进行定位导致的。通过这样做，利用由导航计算机26提供的基于导航的位置和取向信息(即通过使控制环路闭合)对工具22的基于编码器的位置和取向进行了校正/重新校准。

主要位置信息是以第一频率确定的。在一个实施例中，定位传感器以第一频率确定主要位置信息。此外或备选地，定位控制器可以以第一频率确定主要位置信息。更具体而言，利用来自定位传感器的信号，定位控制器可以以第一频率生成定位命令。因而，在一些情况下可以将第一频率定义为定位命令频率。在这样的情况下，例如，在文中描述的那些情况之下，可以采用“定位命令频率”一词代替“第一频率”。

此外，以第二频率确定次要位置信息。具体地，通过以第二频率更新转换矩阵而确定次要位置信息。换言之，以第二频率更新位置和取向数据从定位器坐标系LCLZ到操纵器坐标系MNPL的转换。照此，在一些情况下，可以将第二频率定义为转换更新频率。在这样的情况下，例如，在文中描述的那些情况之下，可以采用“转换更新频率”一词代替“第二频率”。所述转换更新频率可以是由操纵器控制器54确立的。此外或备选地，所述转换更新频率可以是由导航计算机26和/或定位器34确立的。

在步骤208中，判断是否将基于转换更新频率对转换矩阵进行更新。如果转换矩阵并未有待于更新，如转换更新频率所规定的，那么所述方法继续至步骤204。如果转换矩阵有待于更新，那么方法回到步骤200。

定位控制器配置为以第一定位控制模式和第二定位控制模式相对于对象23对工具22进行定位。定位控制器基于主要位置信息和次要位置信息以第一定位模式和第二定位控制模式对工具22定位。

如图1和2中所示，所述系统包括频率控制器120。频率控制器被配置为对第一和第二频率的至少一个进行调整。对第一频率和第二频率的调整是以第一定位控制模式和第二定位控制模式做出的。

在一个实施例中，将频率控制器120耦合至操纵器控制器54和导航计算机26两者。可以将频率控制器120设置到任何适当的位置上。例如，如图1所示，频率控制器120被设置到机器人操纵器56内。或者，可以将频率控制器120设置到引导站20内。频率控制器120可以是独立部件或者被集成为诸如操纵器控制器54或导航计算机26的较大装置的子部件。

频率控制器120调整第一频率和第二频率，从而使得第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的差不同于第二定位控制模式下第一和第二频率之间的差。在一个实施例中，第一和第二频率之间的差是从第一频率减去第二频率的数学减法。例如，如果第一频率是1KHz，第二频率是900Hz，那么所述差为100Hz。或者，第一和第二频率之间的差是从第二频率减去第一频率的数学减法。所述差可以是由其确定第一和第二频率之间的差的绝对值的绝对差。本领域技术人员应当认识到可以根据各种其他数学运算导出所述第一和第二频率之间的差，包括但不限于加法、除法、微分、积分等。

在任何既定的定位控制模式下，对于运算过程中的任何既定矩阵而言，可以离散地测量所述差。例如，在既定时间上即时测量第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的差。在既定时间上即刻地测得的第一定位控制模式下的差可以离散地不同于相同既定时间上即时测得的第二定位控制模式下的差。或者，可以在任何既定定位控制模式下的运算过程中连续地测量所述差。在这样的情况下，第一定位控制模式下的差可以连续地不同于第二定位控制模式下的差。在一个范例中，对一定时间段内的所述差求平均。这里，第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的平均差不同于第二定位控制模式下的第一和第二频率之间的平均差。

第一和第二频率之间的差影响工具22定位速度以及工具22的定位精确度或准确度。定位速度又称为工具22移动的进给速率。

在某种意义上，第一和第二频率之间的差表示在工具22的移动过程中采用主要和次要位置信息的程度。如所描述的，当正在将工具22置于一个相对较大的研究区域内时，如果由基于导航的次要位置信息导出，那么工具22的定位准确度要比由基于编码器的主要位置信息导出时高。

作为要与高度的定位准确度进行权衡的考虑事项，在由次要位置信息导出时，工具22的定位速度要比由主要位置信息导出时慢。换言之，在由主要位置信息导出时，工具22的定位速度比由次要位置信息导出时快。

一般而言，定位速度随着第一和第二频率之间的差的增大而提高。相反，定位速度随着第一和第二频率之间的差的降低而降低。

此外，定位准确度随着第一和第二频率之间的差的降低而提高。例如，在一些情况下，例如，当正在将工具22置于一个相对较大的研究区域内时，转换更新频率越接近定位命令频率，工具22的定位就越准确。另一方面，定位准确度随着第一和第二频率之间的差的增大而降低。

在一个实施例中，第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的差大于第二定位控制模式下第一和第二频率之间的差。在一些情况下，在第一定位控制模式下和第二定位控制模式下，第一和第二频率之间的差都是非零的。这里，第一定位控制模式下第一和第二频率之间的非零差大于第二定位控制模式下第一和第二频率之间的非零差。

在另一实施例中，第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的差是非零的。在第一定位控制模式下第一频率大于第二频率。转换矩阵是以低于定位控制器生成位置命令的频率的转换更新频率周期性地更新的。同时，第二定位控制模式下第一和第二频率之间的差大约为零。这一差低于第一定位控制模式下的非零差。在第二定位控制模式下第一频率基本上等于第二频率。换言之，转换矩阵是以基本上等于定位控制器生成位置命令的频率的转换更新频率周期性地更新的。

因此，在这一实施例中，第一定位控制模式下的工具22的定位速度大于第二定位控制模式下的工具22的定位速度。在第二定位控制模式下，工具22的定位准确度高于第一定位控制模式下工具22的定位准确度。因而，如果希望在较大研究区域内进行大块切割，那么优选采取第一定位控制模式，其将优于第二定位控制模式。但是，如果希望精确切割，那么将优选采取第二定位控制模式，其将优于第一定位控制模式。

对于这一实施例而言，在第一定位控制模式下，主要由定位控制器采用操纵器坐标系MNPL内的基于编码器的姿态信息以开环方式控制工具22的定位。在这一第一定位控制模式下，将定位命令以相对较高的命令频率，即高于与多个联动装置及工具22相关的响应频率的频率发送至接头电动机控制器JMC。所述多个联动装置和工具22的响应频率是工具22响应于定位命令发生完整移动和入位的频率。由于机器人操纵器56的联动装置、电动机、接头等具有一定的柔性或游隙，因而对定位命令和工具22的完整移动和入位之间的反应时间存在限制。

这样一来，在这一实施例中，将第一定位控制模式下的转换更新频率调整为低于定位命令频率并且低于联动装置和工具22的响应频率。如果相反将转换更新频率设为比响应频率快，那么所述系统可能变得不稳定。因此，由于定位命令是以比转换更新频率高的频率生成的，因而有可能降低将工具22定位到手术部位上的准确度。

第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的差有可能具有变化的度。在一些情况下，第一定位控制模式下的转换更新频率是将定位命令发送至接头电动机控制器JMC的命令频率的1/10或更低。

在第二定位控制模式下，转换更新频率可以大致与将定位命令发送至接头电动机控制器JMC的命令频率相同。因而，在一些情况下，就像那些正在将工具22置于相对较大的研究区域内的情况一样，所述系统在第一定位控制模式下能够更加准确地将工具22置于手术部位上。在切换至第二定位控制模式时，系统将“慢下来”。换言之，导航计算机26和定位控制回路将一起合作对工具22进行跟踪和定位，但是其工作频率低于与所述多个联动装置以及工具22的移动和入位相关的响应频率。这样做还是为了避免不稳定性。因而，在一些实施例中，可以在联动装置的响应频率的基础上固定所述转换更新频率，并相对于转换更新频率对所述命令频率进行调整，以调整准确度。

第二定位控制模式下的第一和第二频率之间的差可以具有变化的度。在一些实施例中，第二定位控制模式下的转换更新频率高于将定位命令发送至接头电动机控制器JMC的命令频率的1/10。

此外，所述系统可以包括除了第一和第二定位控制模式之外的多种定位控制模式。例如，所述系统可以包括频率和/或定位准确度以及速度参数不同于第一和第二控制模式的混合模式。

在一个实施例中，如图6所示，对第一和第二频率的至少一个的调整是自主发生的。在一种情况下，自主地提高或降低第一或第二频率。在另一种情况下，自主地调整第一和第二频率之间的差。

如图6所示，所述系统可以包括与频率控制器120通信的用户接口130。在一个实施例中，用户接口130是导航接口，包括第一显示器28和/或第二显示器29。用户接口130将涉及第一和第二频率的自主调整的信息传达至医务人员。在一个实施例中，用户接口130显示第一和第二频率的实时自主调整。用户接口130可以显示数值实时频率以及所述频率之间的实时差。在一些情况下，用户接口130还可以显示通过将第一频率除以第二频率而计算出的第一和第二频率之间的差的幅度。例如，如图6所示，第一频率是第二频率的1.25倍。此外，用户接口130可以显示图形信息，例如，曲线图，从而说明第一和第二频率的自主调整。用户接口130可以提供用于辅助医务人员的任何其他适当信息。例如，用户接口130可以将第一和第二频率之间的实时差与工具22的估算或实时定位准确度及定位速度并置。

自主调整可以是响应于任何适当事件发生的。在一个实施例中，基于反馈自主变化地改变转换更新频率。例如，自主调整可以发生在系统以自主或半自主运行模式工作时，如上文所述。此外，自主调整可以是响应于所确定的系统的稳定性或不稳定性发生的。在又一个范例中，自主调整是响应于目标研究区的确定而发生的。可以基于目标研究区的尺寸对第一和第二频率进行自主调整。例如，如果目标区域的尺寸设定为使得工具22朝任何方向的移动不能超过10mm，那么可以自主地降低转换更新频率，因为当在小的区域内对工具22进行操作时基于编码器的数据可以是非常精确的。另一方面，如果将目标区域的尺寸设定为使得工具朝任何方向的移动可以超过100mm，那么可以自主地设置更高的转换更新频率。

此外，第一和第二频率的自主调整可以是响应于第一和第二定位控制模式之间的切换而发生的。例如，在机器人操纵器56从需要较低定位准确度的粗略或大块切割操作切换至需要更高定位准确度的最终或精细切割操作时，可能关联到对第一或第二频率的改变。其可能发生在采用精细切割切具代替工具22的粗放切割切具时。切具在被插入时将被操纵器控制器54自动识别，并因而使定位控制模块在定位控制模式之间进行切换。

类似地，第一和第二定位控制模式的选择可以是自主地发生的。对第一或第二定位控制模式的自主选择可以是响应于任何适当事件而发生的，所述事件包括但不限于上文联系第一和第二频率的自主调整所描述的那些事件。其他情况可能需要出于不同的原因在定位控制模式之间自动切换。此外，用户接口130可以显示与第一或第二定位控制模式的自主选择有关的任何适当信息。

在另一实施例中，如图7所示，对第一和第二频率的至少一个的调整是人工发生的。用户接口130使医务人员能够对第一和第二频率的至少一个进行有选择地调整。例如，用户接口130可以允许医务人员针对任何既定的定位控制模式有选择地提高或降低第一或第二频率。用户接口130还可以允许对第一和第二频率之间的差进行有选择的调整。对于任何既定定位控制模式而言，用户接口130都可以允许进行人工调整。在一个实施例中，对第一和第二频率的人工调整可以是响应于用户输入参数发生的。所述系统可以包括定位控制模块109，该定位控制模块是由导航计算机26进行操作，从而基于输入到引导站20内的预期参数改变第一或第二频率的软件模块。这些参数可以包括预期准确度、精确度、手术时间及其组合等等。当然，对第一或第二频率的人工调整可以是响应于任何适当事件而发生的，所述事件包括但不限于上文联系第一和第二频率的自主调整所描述的那些事件。

可以针对每一既定定位控制模式对第一和第二频率以及/或者第一和第二频率之间的差进行设置，并将其存储到存储器内。例如，在图7中，将样本第一定位控制模式(粗放)选择为具有被设为1KHz的第一频率和被设为100Hz的第二频率。可以将设定参数存储到存储器内，并在以后选择这一定位控制模式时加载所述参数。

此外，对第一和第二定位控制模式的选择可以是人工发生的。用户接口130可以使医务人员能够在第一和第二定位控制模式当中或者在多种其他定位控制模式或模式混合当中进行人工选择。对第一或第二定位控制模式的人工选择可以是响应于任何适当事件而发生的，所述事件包括但不限于上文联系第一和第二定位控制模式的自主调整所描述的那些事件。

通过对第一和第二频率的人工调整和/或对第一和第二定位控制模式的人工选择，用户接口130允许对工具22的定位准确度和速度进行自定义控制。

在一些实施例中，对第一和第二频率的调整是人工发生的，而对第一和第二定位控制模式的选择则是自主发生的。或者，对第一和第二频率的调整可以是自主发生的，而对第一和第二定位控制模式的选择则是人工发生的。

通过所述详细说明，本发明的很多特征和优点变得明显，因而所附权利要求旨在涵盖落在本发明的实际精神和范围内的所有此类特征和优点。此外，由于本领域技术人员将容易地想到很多修改和变化，因而本发明不应局限于图示和描述的确切构造和操作，相应地可以采取所有适当的修改和等价方案，它们均落在本发明的范围内。

Claims (25)

1.一种用于与对象相互作用的系统，所述系统包括：

机器人操纵器，具有基座和多个联动装置；

工具，耦合至所述机器人操纵器并且可相对于所述基座移动从而与对象相互作用；

与所述多个联动装置相关的多个定位传感器，用于以第一频率提供主要位置信息；

定位器，用于以第二频率提供次要位置信息；

定位控制器，被配置为基于所述主要位置信息和所述次要位置信息以第一定位控制模式和第二定位控制模式相对于对象对所述工具定位；以及

频率控制器，被配置为对所述第一定位控制模式和所述第二定位控制模式中的每个下的所述第一频率和所述第二频率中的至少一个进行调整从而使所述第一定位控制模式下的所述第一频率和所述第二频率之间的差不同于所述第二定位控制模式下的所述第一频率和第二频率之间的差。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述主要位置信息包括基于编码器的定位命令，所述基于编码器的定位命令用于命令所述工具在操纵器坐标系内的移动。

3.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述次要位置信息包括从定位器坐标系转换至所述操纵器坐标系的基于导航的位置和取向数据。

4.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述第一定位控制模式下的所述第一频率和所述第二频率之间的所述差大于所述第二定位控制模式下的所述第一频率和所述第二频率之间的所述差。

5.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述第一定位控制模式下的所述第一频率和所述第二频率之间的所述差是非零的。

6.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，在所述第一定位控制模式下所述第一频率高于所述第二频率。

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的系统，其中，在所述第二定位控制模式下所述第一频率和所述第二频率之间的所述差为零。

8.根据权利要求1-4和7中的任一项所述的系统，其中，在所述第二定位控制模式下所述第一频率基本上等于所述第二频率。

9.根据权利要求1-6中的任一项所述的系统，其中，在所述第一定位控制模式下所述第二频率约为所述第一频率的1/10或更低，且在所述第二定位控制模式下所述第二频率等于或者高于所述第一频率的1/10。

10.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述第一频率和所述第二频率之间的所述差影响所述工具的定位速度。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一定位控制模式下的所述工具的所述定位速度高于所述第二定位控制模式下的所述工具的所述定位速度。

12.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述第一频率和所述第二频率之间的所述差影响所述工具的定位准确度。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第二定位控制模式下的所述工具的所述定位准确度高于所述第一定位控制模式下的所述工具的所述定位准确度。

14.根据任一前述权利要求所述的系统，还包括耦合至所述频率控制器的用于实现对所述第一频率和所述第二频率的至少一个的选择性调整的接口。

15.根据任一前述权利要求所述的系统，还包括耦合至所述频率控制器的用于实现对所述第一定位控制模式和所述第二定位控制模式的选择的接口。

16.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述多个定位传感器包括多个定位编码器。

17.一种用于对机器人系统中的工具定位的方法，所述方法包括：

以第一频率确定工具的主要位置信息；

以第二频率确定工具的次要位置信息；

基于主要位置信息和次要位置信息以第一定位控制模式和第二定位控制模式移动工具；以及

调整第一定位控制模式和第二定位控制模式中的每个下的第一频率和第二频率中的至少一个，从而使第一定位控制模式下的第一频率和第二频率之间的差不同于第二定位控制模式下的第一频率和第二频率之间的差。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，确定主要位置信息包括生成位置命令，所述位置命令用于以第一频率命令工具在操纵器坐标系内的移动。

19.根据权利要求17和18中的任一项所述的方法，其中，确定次要位置信息包括以第二频率更新基于导航的位置和取向数据从定位器坐标系到操纵器坐标系的转换。

20.根据权利要求17-19中的任一项所述的方法，还包括基于第一频率和第二频率之间的差影响工具的定位速度，从而使第一定位控制模式下的定位速度高于第二定位控制模式下的定位速度。

21.根据权利要求17-20中的任一项所述的方法，还包括基于第一频率和第二频率之间的差影响工具的定位准确度，从而使第二定位控制模式下的定位准确度高于第一定位控制模式下的定位准确度。

22.根据权利要求17-21中的任一项所述的方法，其中，对第一频率和第二频率中的至少一个的调整是自主发生的。

23.根据权利要求17-22中的任一项所述的方法，其中，对第一频率和第二频率中的至少一个的调整是人工发生的。

24.根据权利要求17-23中的任一项所述的方法，还包括人工选择第一定位控制模式和第二定位控制模式中的至少一个。

25.根据权利要求17-24中的任一项所述的方法，还包括自主选择第一定位控制模式和第二定位控制模式。