CN106536134A - 用于微创流程的可重新配置的机器人架构 - Google Patents
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Abstract
一种可重新配置的机器人系统，其采用底部致动器(11)、仪器致动器(12)、端部效应器(13)和臂设置(14、15)。每个臂设置(14、15)能用于将所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)相继邻接到弧配置中，以用于响应于生成沿着主轴的旋转运动的所述底部致动器(11)和/或生成沿着次轴的旋转运动的所述仪器致动器(12)中的至少一个而相对于远程运动中心移动由所述端部效应器(13)所固持的仪器。每个弧配置定义所述远程运动中心作为所述主轴、所述次轴和纵轴的交叉。所述臂设置(14、15)是部分地或完全地能互换的，以用于重新配置所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)的所述弧配置。
Description
技术领域
本公开内容总体上涉及在微创流程(例如，心脏手术、腹腔镜手术、自然腔道经腔手术、肺/支气管镜手术和诊断介入)期间利用的机器人。本公开内容具体涉及能针对在特定微创流程期间的正确的运动范围而调整的可重新配置机器人架构。
背景技术
使用通过小端口插入到患者身体中的细长仪器来执行微创手术。在这些流程期间最主要的可视化方法是内窥镜。在标准工作流中，医生固持两(2)个手术仪器，同时手术室技术人员或护士固持内窥镜。这种设置是不舒服的，这是因为医生和技术人员/护士的手在流程是持续过程中可能重叠，并且医生需要连续向技术人员/护士传达内窥镜运动。为此，可以通过由医生控制的机器人来固持一(1)个或多个仪器(包括内窥镜)。
更具体地，置于患者身体上的小端口是唯一的切口点，仪器可以经过该切口点进入到患者内部。这样，仪器可以被操作为围绕这些支点旋转，但是仪器不应以对端口强加平移力的方式来操作，以防止对患者的任何潜在的伤害和损害。这对于机器引导的手术尤其重要。
为此，一些已知的机器人在支点处实施远程运动中心(RCM)，由此机器人强行实施这样的操作原理：即，在端口处仅能够执行仪器的旋转而消除在该端口处仪器的所有平移力。这能够通过以下来实现：实施在空间中的特定位置处具有RCM的机械设计，然后将空间中的该点与端口对准。备选地，假设存在足够的自由度以确保能够满足RCM的约束，则能够在机器人系统的软件内虚拟地实施RCM。
如所实践的，机器人系统具有预先定义的工作空间。在微创手术中，这意味着仅对仪器的要求运动范围在工作空间内的这些类型的流程使用特定的机器人运动学。这不仅限制了特定机器人能够执行的流程类型，而且还限制了患者的大小。一般而言，为了克服该问题，传统的机器人系统被设计为使得它们的工作空间覆盖机器人的所有预期用途。然而，大的工作空间导致较大的机器人部件，其进一步影响总体大小、重量，并可能影响工作流，这是因为较大的机器人可能与环境相冲突。该问题在已经受限的环境中是突出的，例如，混合手术室、插管实验室或者计算机断层摄影/磁共振成像系统。
发明内容
本公开内容提供了一种可重新配置的机器人系统，其能针对在特定的微创流程期间的仪器(例如，内窥镜)的期望的运动范围而调整，同时维持机器人最小的覆盖范围和远程运动中心。本公开内容还提供了一种选择机器人的适当工作空间和适当取向的方法。
本公开内容的发明的一种形式是一种可重新配置的机器人系统，其采用底部致动器、仪器致动器、端部效应器和多个臂设置。所述底部致动器能用于生成沿着主轴的旋转运动。所述仪器致动器能用于生成沿着次轴的旋转运动。所述端部效应器能用于沿着纵轴固持仪器。
每个臂设置能用于将所述底部致动器、所述仪器致动器和所述端部效应器相继邻接到弧配置中，以用于响应于生成沿着所述主轴的所述旋转运动的所述底部致动器和/或生成沿着所述次轴的所述旋转运动的所述仪器致动器而相对于远程运动中心移动由所述端部效应器所固持的所述仪器。
每个弧配置将所述远程运动中心定义为所述主轴、所述次轴和所述纵轴的交叉，并且
所述臂设置是至少部分地能互换的，以用于重新配置所述底部致动器、所述仪器致动器和所述端部效应器的所述弧配置。
为了本公开内容的目的，
(1)包括但不限于“致动器”、“旋转运动”、“轴”、“端部效应器”、“仪器”、“臂”、“远程运动中心”和“弧长度”的本领域的术语应当被解读为在本公开内容的领域中进行理解并且应当被解读为是在本文中示范性描述的；
(2)针对术语“致动器”的标签“底部”和“仪器”区分在本文中所描述和所要求保护的不同致动器，而不指定或暗示对术语“致动器”的任何额外限制；
(3)针对术语“轴”的标签“主”、“次”和“纵”区分在本文中所描述和所要求保护的不同的轴，而不指定或暗示对术语“轴”的任何额外限制；
(4)针对术语“臂设置”广义地涵盖被邻接或在结构上被配置为邻接到两个致动器的固定长度或可变长度的支撑臂，以及被邻接或在结构上被配置为邻接到仪器致动器和端部效应器的固定长度或可变长度的仪器臂；
(5)针对术语“臂”的标签“支撑”和“仪器”区分在本文中所描述和所要求保护的不同臂，而不指定或暗示对术语“臂”的任何额外限制；
(6)任何时态的术语“邻接”广义地涵盖部件的任何类型的附接或能拆卸的耦合，其涉及在部件之间的直接物理接触或部件的邻近放置；并且
(7)术语“弧配置”广义地涵盖底部致动器、仪器致动器和端部效应器的轴的非平行有角取向，其涉及底部致动器与仪器致动器之间的底部弧长度以及仪器致动器与端部效应器之间的延伸弧长度；
(8)针对术语“弧长度”的标签“底部”和“延伸”区分在本文中所描述和所要求保护的不同臂，而不指定或暗示对术语“弧长度”的任何额外限制；并且
(9)短语“至少部分地能互换”广义地涵盖每个臂设置，在两个臂对臂设置是唯一的这方面来说每个臂设置是不同的，但是可能使得每个臂个体地与一个或多个其它臂设置一样，由此一个臂设置对另一臂设置的互换涉及交换臂设置中的一个或多个臂。
本公开内容的发明的第二形式是可重新配置的机器人系统，其还采用：机器人平台，其耦合到所述底部致动器以将邻接到所述底部致动器的所述端部效应器安置(即，定位和/或定向)在参考坐标系(例如，操作台、机器人坐标系或患者坐标系)内。
本公开内容的发明的第三形式是可重新配置的机器人系统，其采用：机器人配置工作站，其能用于在所述底部致动器、所述仪器致动器和所述端部效应器的所述弧配置中的每个内模拟针对由所述端部效应器所固持的所述仪器的相对于所述远程运动中心的工作空间，和/或能用于根据针对由所述端部效应器所固持的所述仪器的相对于所述远程运动中心的工作空间的指定的俯仰和指定的偏转中的至少一个来推荐要邻接到所述底部致动器、所述仪器致动器和所述端部效应器的所述臂设置中的一个或多个。
为了本公开内容的目的，
(1)包括但不限于“机器人平台”、“工作站”、“俯仰范围”、“偏转范围”和“工作空间”的本领域的术语应当被解读为在本公开内容的领域中进行理解并且应当被解读为是在本文中示范性描述的；
(2)术语“工作站”的范例包括但不限于，一个或多个计算设备(例如，客户端计算机、台式计算机和平板计算机)的组件、显示器/监视器、以及一个或多个输入设备(例如，键盘、操纵杆和鼠标)；
(3)“计算设备”的结构配置可以包括但不限于，(一个或多个)处理器、(一个或多个)计算机可用存储介质/计算机可读存储介质、操作系统、(一个或多个)应用模块、(一个或多个)外围设备控制器、(一个或多个)槽和(一个或多个)端口；并且
(4)术语“应用模块”广义地涵盖工作站的部件，包括电子电路和/或可执行程序(例如，可执行软件和/或固件)，以用于执行特定应用。
本公开内容的发明的第四形式是每个臂设置，其采用识别标记，具体用于机器人配置工作站的识别目的。识别标记的范例包括但不限于，射频识别、近场通信、电阻或磁性测量以及光学编码和测量中涉及的标记。
根据结合附图后续阅读的本公开内容的各种实施例的以下详细描述，本公开内容的发明的上述形式和其它形式以及本公开内容的各种特征和优点将变得更明显。这些详细描述和附图仅用于说明而非限制本公开内容，本公开内容的范围由权利要求及其等价物来定义。
附图说明
图1A-图1C图示了根据本公开内容的发明原理的可重新配置的机器人的示范性实施例。
图2A-图2D示范性地图示了根据本发明的发明原理的弧形手臂。
图3图示了根据本公开内容的发明原理的用于微创流程的可重新配置的机器人系统的示范性实施例。
图4A图示了根据本公开内容的发明原理的用于微创流程的级联机器人的第一示范性实施例。
图4B图示了根据本公开内容的发明原理的用于微创流程的级联机器人的第二示范性实施例。
图5A和图5B图示了根据本公开内容的发明原理的近端同心弧和远端同心弧与致动器的示范性邻接。
图6图示了根据本公开内容的发明原理的可重新配置的机器人和可重新配置的机器人平台的示范性耦合。
图7图示了根据本公开内容的发明原理的机器人配置模拟/推荐方法的示范性实施例。
具体实施方式
为了便于理解本公开内容，图1和图2的以下描述基于具有通过与致动器和端部效应器相关联的轴交叉建立的远程运动中心的可重新配置的机器人而教导了可重新配置的机器人系统的基本发明原理。根据该描述，本领域普通技术人员将意识到如何将本公开内容的发明原理应用于任何类型的这种可重新配置的机器人，以用于在工作空间内相对于远程运动中心移动仪器(例如，内窥镜或其它医学仪器或非医学仪器)。
参考图1A和图1B，本公开内容的可重新配置的机器人采用底部致动器11、仪器致动器12和端部效应器13。
本领域中已知的底部致动器11被选择性地操作以生成沿着主轴PA1的旋转运动。
本领域中已知的仪器致动器12被选择性地操作以生成沿着次轴SA1的旋转运动。
本领域中已知的端部效应器13固持要在微创流程期间使用的仪器。沿着纵轴LA1固持仪器以用于便于仪器的操作。例如，内窥镜可以由端部效应器13固持，由此由X轴标示的内窥镜的插入管的轴与纵轴LA1对准。
主轴PA1、次轴SA1和纵轴LA1的交叉定义了远程运动中心16。仪器的远端部分从远程运动中心16延伸，建立了具有圆锥形状的工作空间17的高度。工作空间17具有取决于主轴PA1与次轴SA1之间的底部弧长度θB以及还取决于次轴SA1与纵轴LA1之间的延伸弧长度θE的相对于Y轴的俯仰范围以及相对于Z轴(未图示)的偏转范围。
本公开内容的可重新配置的机器人还采用多个可互换臂设置以用于建立不同的弧配置，每个弧配置具有主轴PA1与次轴SA1之间的底部弧长度θB以及次轴SA1与纵轴LA1之间的延伸弧长度θE。
例如，图1A图示了包括支撑臂14a和仪器臂15a的臂设置。支撑臂14a邻接到底部致动器11和仪器致动器12，并且仪器臂15a邻接到仪器致动器12和端部效应器13，以建立这样的弧配置：其具有主轴PA1与次轴SA1之间的底部弧长度θB1以及次轴SA1与纵轴LA1之间的延伸弧长度θE1。从远程运动中心16延伸的工作空间17a具有取决于底部弧长度θB1以及延伸弧长度θE1的相对于Y轴的俯仰范围以及相对于Z轴(未图示)的偏转范围。
通过另外的范例，图1B图示了包括支撑臂14a和仪器臂15b的臂设置。支撑臂14a邻接到底部致动器11和仪器致动器12，并且仪器臂15b邻接到仪器致动器12和端部效应器13，以建立这样的弧配置：其具有主轴PA1与次轴SA1之间的底部弧长度θB1以及次轴SA1与纵轴LA1之间的延伸弧长度θE2。从远程运动中心16延伸的工作空间17b具有取决于底部弧长度θB1以及延伸弧长度θE2的相对于Y轴的俯仰范围以及相对于Z轴(未图示)的偏转范围。
通过另外的范例，图1C图示了包括支撑臂14b和仪器臂15a的臂设置。支撑臂14b邻接到底部致动器11和仪器致动器12，并且仪器臂15a邻接到仪器致动器12和端部效应器13，以建立这样的弧配置：其具有主轴PA1与次轴SA1之间的底部弧长度θB2以及次轴SA1与纵轴LA1之间的延伸弧长度θE1。从远程运动中心16延伸的工作空间17c具有取决于底部弧长度θB2以及延伸弧长度θE1的相对于Y轴的俯仰范围以及相对于Z轴(未图示)的偏转范围。
重要的是，需要注意，鉴于底部弧长度θB1与延伸弧长度θE1之和大于底部弧长度θB1与延伸弧长度θE1之和，工作空间17a大于工作空间17b；并且由于底部弧长度θB1与延伸弧长度θE1之和大于底部弧长度θB2与延伸弧长度θE1之和，工作空间17a大于工作空间17c。另外，鉴于底部弧长度θB1与延伸弧长度θE2之和等于底部弧长度θB2与延伸弧长度θE1之和，工作空间17b和工作空间17c大小相同。
本公开内容以以下为前提：即，臂设置是能互换的，从而便于选择性地增加或减少可重新配置的机器人的工作空间的俯仰范围和/或偏转范围。在实际中，为了能够互换，臂设置的支撑臂和/或仪器臂必须是能交换的。为此，每个臂如何邻接导致动器和端部效应器确定臂设置的能互换性的程度。
例如，图1A的臂设置和图1B的臂设置两者都采用相同的支撑臂14a，但是采用不同的仪器臂15a和15b。为了鞥能够互换，支撑臂14a附接到或能拆卸地耦合到致动器11和12，并且每个仪器臂15a和15b可以能拆卸地耦合到致动器12并附接到或能拆卸地耦合到端部效应器13。如图1A所示的仪器臂15a与如图>1B所示的仪器臂15b的交换涉及将仪器臂15a从致动器12拆卸以及将仪器臂15b能拆卸地耦合到致动器12。为了交换，将额外的端部效应器13与仪器臂15b附接在一起，或者将端部效应器13从仪器臂15a拆卸并能拆卸地耦合到仪器臂15b。
类似地，例如，图1A的臂设置和图1C的臂设置两者都采用相同的仪器臂15a，但是采用不同的支撑臂14a和14b。为了能够互换，每个支撑臂14a和14b可以能拆卸地耦合到致动器11和12中的一个或两者上，并且仪器臂15a附接到或能拆卸地耦合到致动器12和端部效应器13。如图1A所示的支撑臂14a与如图1B所示的支撑臂14b的交换涉及将支撑臂14a从致动器11拆卸以及将支撑臂14b能拆卸地耦合到致动器11。为了交换，支撑臂14b能拆卸地耦合到仍邻接到端部效应器13和仪器臂15的致动器12，或者额外的致动器12、端部效应器13和仪器臂15a附接到或能拆卸地耦合到支撑臂14b。
在实际中，支撑臂14和仪器臂15可以具有任何形状，可以具有固定长度或可变长度，并可以以任何有角取向邻接到致动器11和12。
例如，图2A图示了具有固定弧长度的弧形臂20a，并且图2B图示了具有由双向箭头标示的可变弧长度的伸缩弧臂20b。对于每个弧臂20和任何其它类型的臂，本领域中已知的识别标记21当在被采用在本公开内容的可重新配置的机器人内时，可以采用该识别标记21来识别臂的类型和/或臂的长度。识别标记21的范例包括但不限于在射频识别、近场通信、电阻或磁测量、以及光学编码和测量中涉及的标记。
通过另外的范例，图2C图示了支撑弧形臂20c到底部致动器11的斜的能拆卸的耦合22以及支撑弧形臂20c到仪器致动器12的斜的附接23，并且图2D图示了仪器弧形臂20d到仪器致动器12的斜的能拆卸的耦合24和仪器弧形臂20d到端部效应器13的斜的附接25。
为了进一步便于理解本公开内容，以下关于图3-7的描述教导了如图1和图2所示的可恢复的机器人系统的基本发明原理，所述基本发明原理针对具有通过将支撑弧同心耦合到X(X≥2)数量的仪器弧中的一个而建立的远程运动中心的级联机器人。根据该描述，本领域普通技术人员将意识到如何将本发明的发明原理应用到任何类型的这种级联机器人以及其它类型的机器人，以用于在工作空间内相对于远程运动中心移动仪器(例如，内窥镜或其它医学仪器，或者非医学仪器)。
参考图3，可重新配置的机器人50采用支撑弧31和三(3)个仪器弧32以通过经由致动器33b将支撑弧31同心耦合到仪器弧32中的一个来配置级联机器人。如将结合图4在本文中进一步示范性描述的，在操作中，致动器控制器37按照命令选择性地激活致动器33a，以围绕由如在致动器33a内的双向箭头标示的主旋转轴共同旋转支撑弧31并同心地耦合的仪器弧32。同时地或按顺序地，致动器控制器37按照命令选择性激活致动器33b，以围绕如由在致动器33b内的双向箭头标示的次旋转轴旋转经同心耦合的仪器弧32。
对于弧更具体地，支撑弧31具有如由其中的弧长度所标示的底部弧长度，并且每个仪器弧32具有如由其中的不同弧长度标示的不同的延伸弧长度。如结合图4在本文中进一步示范性描述的，支撑弧31的底部弧长度和经同心耦合的仪器弧32的延伸弧长度共同建立由致动器33的旋转轴的交叉定义的远程运动中心35。基于远程运动中心35，级联机器人定义经由端部效应器(未图示)到仪器弧32的附接或能拆卸的耦合而邻接的仪器36(例如，内窥镜)的工作空间34a。
具体地，工作空间34a涵盖仪器36的从通过远程运动中心35附接到经同心耦合的仪器弧32的端部效应器(未图示)延伸的部分的运动范围。在实际中，对于微创流程、手术或诊断，如本领域所已知的，远程运动中心35的位置与患者端口一致，由此工作空间34a便于仪器36相对于远程运动中心35的枢转/旋转运动，以阻止(要不然消除)对患者的任何损害和损伤。这样，工作空间34将通常具有如图3所示的圆锥形状。
对本公开内容重要的是，圆锥形工作空间34的表面和底部的尺寸取决于支撑弧31的底部弧长度、对应的仪器弧32的延伸弧长度以及端部效应器39的长度。对于级联机器人，支撑弧31的底部弧长度是固定的，由此对应的仪器弧32的延伸弧长度成为圆锥形工作空间34的表面和底部的标注尺寸的主要因素。如图3所示，圆锥形工作空间34的表面和底部的尺寸随着延伸弧长度从仪器弧32a到仪器弧32c增加而增加。对于微创流程，仪器弧32的不同延伸弧长度便于推荐或选择仪器弧32中适合于特定的微创流程(例如，开胸手术、心脏手术等)和/或特定的患者类型(例如，成人与小儿、一定程度的任何厌食或任何肥胖等)的一个或多个
为此，机器人配置工作站40采用机器人模拟器41和监视器44。为了本公开内容的目的，术语“工作站”和“监视器”被解读为在本公开内容的领域中进行理解且如在本文中所示范性描述的，并且术语“机器人模拟器”广义地涵盖工作站的部件，包括电子电路和/或用于执行特定应用的可执行程序(例如，可执行软件和/或固件)。
对于工作站40，机器人模拟器41实施用于推荐或选择适合于特定微创流程和/或特定患者类型的一个或多个仪器弧32的方法。为了实施该方法，机器人模拟器41处理工作站40接收到的和/或存储在工作站40上的级联机器人数据41、微创流程数据42和患者数据43。如结合图6在本文中示范性描述的，级联机器人数据41包括查找表，所述查找表根据针对取决于如由数据42和43所指示的特定微创流程和/或特定患者类型的仪器运动的设计范围的“足够的工作空间”或“不足的工作空间”来组织众多仪器弧32的可变延伸弧长度到支撑弧31的特定底部弧长度的关系。
在实际中，级联机器人可以耦合到静态机器人平台(未图示)或可配置的机器人平台38，以用于相对于参考坐标系39(例如，操作台、机器人坐标系或患者坐标系)选择性地定向工作空间34。机器人级联数据41a包括经由任何平台的排除任何取向信息的弧长度的信息，并且机器人级联数据41b包括的经由平台38的包括取向信息的弧长度的信息。
根据机器人级联数据41b，机器人模拟器41在监视器44上生成模拟的解剖区域45的显示，所述解剖区域45具有端口46和模拟的仪器47，所述模拟的仪器47延伸通过端口46进入模拟的解剖区域45。在实际中，模拟的解剖区域45可以是如图所示的对应于特定的微创流程和/或特定的患者类型的图形目标或者解剖区域的重建图像，并且模拟的仪器47可以是如图所示的对应于特定微创流程和/或特定患者类型的图形目标或者仪器47的标准图像。
机器人模拟器41使得用户能够操纵模拟的仪器47，以根据最小俯仰、最大俯仰、最小偏转和最大偏转来选择模拟的仪器47的期望的运动范围。注意，模拟的仪器47的滚动不可应用于模拟的仪器47的工作空间。
在实际中，基于特定的微创流程和/或特定的患者信息，机器人模拟器41可以根据可以根据用户期望进行操纵的最小俯仰、最大俯仰、最小偏转和最大偏转来提供模拟的仪器47的默认的运动范围。
当选择期望的/默认的运动范围时或期间，机器人模拟器41访问与期望的运动范围相关联的查找表，由此查找表将利用支撑弧31的底部弧长度来识别具有用于建立“足够的工作空间”的(一个或多个)延伸弧长度的一个或多个仪器弧32，如将结合图6在本文中示范性描述的。推荐或选择识别出的(一个或多个)仪器弧32以用于同心耦合到支撑弧31来实现期望的工作空间。
在实际中，对于并入可配置的机器人平台38的实施例，机器人模拟器41根据(最小俯仰+最大俯仰)/2和(最小偏转+最大偏转)/2识别期望的工作空间中的中间点，以获得期望工作空间的取向。
为了便于进一步理解本公开内容的发明原理，现在将结合图4-7在本文中描述用于在工作空间内相对于远程运动中心移动内窥镜的示范性可重新配置的机器人系统。对于该范例，可重新配置的机器人系统具有两(2)个仪器弧，所述两(2)个仪器弧用于配置具有不同工作空间的两(2)个级联机器人。根据描述，本领域普通技术人员将意识到如何并入额外的仪器弧。
参考图4A，级联机器人50a采用具有主轴PA2的致动器51、具有次轴SA2的致动器52、支撑弧53以及仪器弧54，其包括用于固持具有纵轴LA2的内窥镜60的端部效应器55。支撑弧53同心地连接到致动器51和致动器52，并且仪器弧54a同心地连接到致动器52。重要地，
(1)旋转轴PA2、RAD和LA2在远程运动中心56处交叉，
(2)支撑弧53的底部弧长度θB在旋转轴PA2与SA2之间延伸，
(3)仪器弧54a的延伸弧长度θE3在旋转轴PA2与LA2之间延伸，
(4)相对于远程运动中心56的工作空间57a具有从支撑弧53的底部弧长度θB3和仪器弧54a的延伸弧长度θE3导出的表面和底部尺寸，
(5)可以命令致动器51围绕主轴PA2共同旋转弧53和54a达期望的角度，以控制内窥镜60的远端60d在工作空间57a内的广阔移动，
(6)可以命令致动器52围绕次轴SA2旋转仪器弧54a达期望的角度，以控制内窥镜60的远端60d在工作空间57a内的目标移动，并且
(7)端部效应器55a具有以手动或受控方式使内窥镜60围绕其纵轴LA2进行旋转的能力。
参考图4B，级联机器人50b采用致动器51和52、支撑弧53以及仪器弧54b，其包括固持内窥镜60的端部效应器55。支撑弧53同心地连接到致动器51和致动器52，并且仪器弧54b同心地连接到致动器52。重要的是，
(1)旋转轴PA2、RAD和LA2在远程运动中心56处交叉，
(2)支撑弧53的底部弧长度θB在旋转轴PA2与SA2之间延伸，
(3)仪器弧54b的延伸弧长度θE4在旋转轴PA2与LA2之间延伸，
(4)相对于远程运动中心56的工作空间57b具有从支撑弧53的底部弧长度θB3和仪器弧54b的延伸弧长度θE4导出的表面和底部尺寸，
(5)可以命令致动器51围绕主轴PA2共同旋转弧53和54b达期望的角度，以控制内窥镜60的远端60d在工作空间57b内的广阔移动，
(6)可以命令致动器52围绕次轴SA2旋转仪器弧54b达期望的角度，以控制内窥镜60的远端60d在工作空间57b内的目标移动，并且
(7)端部效应器55b具有以手动或受控方式使内窥镜60围绕其纵轴LA2进行旋转的能力。
参考图4A和图4B，由于仪器弧54a的延伸弧长度θE3大于仪器弧34b的延伸弧长度θE4，所以工作空间57a的表面和底部尺寸大于工作空间57b的表面和底部尺寸。因此，当级联机器人50a的工作空间57a包围级联机器人50b的工作空间57b时，每个工作空间57提供不同的优点。例如，工作空间57a具有较宽的运动范围，其更适合于解剖学上开放类型的微创流程；而工作空间57b具有较窄的运动范围，其更适合于解剖学上约束类型的微创流程。
在实际中，仪器弧54可以与支撑弧53经由致动器52以本领域已知的任何方式进行耦合和去耦和。参考图5A和图5B，示范性致动器70采用垂直对准的编码器71、电动机72、变速箱73、上端轴74和下端轴75，建立由垂直双向箭头标示的次轴。
通过来自致动器控制器37的命令，电动机71向变速箱52提供旋转能量，由此上端轴72和下端轴75围绕旋转轴旋转。支撑弧53包围致动器70，同时下端轴75从支撑弧53向下延伸。仪器弧34滑动到下端轴75上并通过如图所示的搭扣配合、螺丝、磁体、扣钩或本领域已知的任何其它可释放机械耦合而被紧固到其上。
在实际中，可以将一(1)个或多个额外的自由度添加到级联机器人50a(图4A)或级联机器人50b(图4B)，以将级联机器人50a和50b的底部相对于参考坐标系定向到预定义的俯仰角和预定义的偏转角。
例如，参考图6，可配置的机器人平台80采用连接到平台83的俯仰臂81和偏转臂82，以相对于参考坐标系70(例如，平台83的坐标系、级联机器人50a和操作台的坐标系)相对于预定义的俯仰角和预定义的偏转角对级联机器人50a进行定向。
图7图示了表示机器人配置模拟方法的流程图100，其由代表级联机器人50a(图4A)或级联机器人50b(图4B)的机器人模拟器41(图3)来实施。
参考图7，流程图100的阶段S102涵盖机器人模拟器41(图3)基于特定的微创流程和/或特定的患者类型生成在解剖区域内的内窥镜60(图4)上的模拟显示。例如，如在阶段S102中所示，机器人模拟器41可以生成模拟的解剖区域110，其具有端口111和延伸通过端口111到模拟的解剖区域110中的模拟的内窥镜112，如结合图3在本文中先前描述的。
阶段S102使得用户能够操纵模拟的内窥镜112，以根据最小俯仰、最大俯仰、最小偏转和最大偏转来选择模拟的内窥镜112的期望/默认运动范围。
流程图100的阶段S104涵盖机器人模拟器41推荐仪器弧56a(图4A)和/或仪器弧56b(图4B)或者两者都不推荐，如对应于所选择的期望/默认的运动范围的查找表所指示的。
例如，如在阶段S104中所示，查找表113组织底部弧长度θB与延伸弧长度θE的各种配对，两个长度针对期望的运动范围([-20°,+20°]的偏转和[-50°,+50°]的俯仰)都具有范围[0°<,≤90°]。每个配对被分类为“足够的工作空间”区域114或“不足的工作空间”区域115。针对该范例，支撑弧33的底部弧长度θB(图2)是45°，针对仪器弧56a的延伸弧长度θE1是85°，并且针对仪器弧56a的延伸弧长度θE2是40°。这样，支撑弧53与仪器弧56a的配对位于“足够的工作空间”区域114内，如区域114内的菱形所标示的；支撑弧53与仪器弧56b的配对也位于“足够的工作空间”区域114内，如区域114内的圆圈所标示的。因此，机器人模拟器41将推荐仪器弧46a和仪器弧46b两者以用于同心耦合到支撑弧43。
通过另外的范例，如在阶段S104中所示，查找表116组织底部弧长度θB与延伸弧长度θE的各种配对，两个长度针对期望的运动范围([-50°,+50°]的偏转和[-50°,+50°]的俯仰)都具有范围[0°<,≤90°]。每个配对被分类为“足够的工作空间”区域117或“不足的工作空间”区域118。再次针对该范例，支撑弧33的底部弧长度θB(图2)是45°，针对仪器弧56a的延伸弧长度θE1是85°，并且针对仪器弧56a的延伸弧长度θE2是40°。这样，支撑弧53与仪器弧56a的配对位于“足够的工作空间”区域117内，如区域117内的菱形所标示的；支撑弧53与仪器弧56b的配对也位于“不足的工作空间”区域118内，如区域118内的圆圈所标示的。因此，机器人模拟器41将仅推荐仪器弧56a同心耦合到支撑弧53。
在实际中，机器人模拟器41包括与各种运动范围相关联的众多查找表，其中，查找表的实际数量取决于期望的准确度。
还如表113和116所示，“足够的工作空间”区域随着运动范围跨查找表增加而减少。因此，“足够的工作空间”区域内的支撑弧/仪器弧配对的数量也随着就偏转度和俯仰度而言的运动范围跨查找表增加而减少。对于任何给定的由此没有可能的支撑弧/仪器弧配对在“足够的工作空间”区域内，机器人模拟器41将在模拟的显示器上推荐最佳的可达到的工作空间。
当流程图100结束时，推荐的或最佳的仪器弧可以同心地耦合到支撑弧，以用于执行微创流程。
参考图1-7，本领域普通技术人员将意识到本公开内容的众多益处，包括，但不限于，可重新配置的机器人系统，其能针对在特定的微创流程期间的仪器的期望运动范围而调整，同时维持机器人的最小的覆盖范围和远程运动中心。
此外，如本领域普通技术人员鉴于本文中提供的教导将意识到的，本公开内容/说明书中描述的和/或在附图1-7中描绘的特征、元件、部件等均可以被实施在电子部件/电路、硬件、可运行软件和可运行固件各种组合中，并提供可以被组合在单个元件或多个元件中的功能。例如，能够通过使用专用硬件以及能够运行与适当的软件相关联的软件的硬件来提供在附图1-7中示出/图示/描绘的各个特征、元件、部件等的功能。当由处理器提供时，所述功能能够由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个个体处理器(它们中的一些能够被共享和/或多路复用)来提供。此外，对术语“处理器”的明确使用不应被解释为专指能够运行软件的硬件，并且能够隐含地包括而不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、存储器(例如，用于储存软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性储存器等)，以及实质上能够(和/或可配置为)执行和/或控制过程的任意单元和/或机器(包括硬件、软件、固件、它们的组合等)。
此外，本文中记载本发明的原理、各方面和实施例以及其特定范例的所有陈述，旨在涵盖其结构和功能上的等价物。额外地，这样的等价物旨在包括当前已知的等价物以及未来发展的等价物(即，能够执行相同或基本上相似的功能的所发展的任何元件而无论其结构如何)。因此，例如，鉴于本文中提供的教导，本领域普通技术人员应意识到，本文中呈现的任何方框图能够表示实施本发明的原理的图示性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，鉴于本文中提供的教导，本领域普通技术人员应意识到，任意流程图表、流程图等均能够表示各种过程，所述各种过程基本上能被表示在计算机可读储存媒介中，并由具有处理能力的计算机、处理器或其他设备如此运行，而无论是否明确示出这样的计算机或处理器。
此外，本发明的示范性实施例能够采取计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品可从计算机可用存储介质或计算机可读存储介质存取，所述计算机可用存储介质或计算机可读存储介质提供用于由例如计算机或任何指令运行系统使用或者与例如计算机或任何指令运行系统结合使用的程序代码和/或指令。根据本公开内容，计算机可用存储介质或计算机可读存储介质能够是能够例如包括、存储、通信、传播或输送用于由指令运行系统、装置或设备使用或与指令运行系统、装置或设备结合使用的程序的任何装置。这样的示范性介质能够是例如电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的范例包括例如半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪盘(驱动器)、硬磁盘以及光盘。光盘的当前范例包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读/写(CD-R/W)以及DVD。另外，应当理解，以后可能发展出的任何新的计算机可读介质也均应被视为根据本发明和公开内容的示范性实施例可以使用或涉及到的计算机可读介质。
已经描述了用于微创流程的新颖的且创新的可重新配置的机器人架构的优选和示范性实施例(这些实施例旨在是图示性的而非限制性的)，应当注意，按照本文中提供的教导，包括图1-7，本领域普通技术人员能够做出修改和变型。因此，应当理解，能够在/对本公开内容的优选和示范性实施例中做出在本文中公开的实施例的范围之内的改变。
此外，应预期到，包括和/或实施根据本公开内容的设备或诸如能够在所述设备中使用/实施的对应的和/或有关的系统也被预期并且被认为在本发明的范围之内。而且，用于制造和/或使用根据本公开内容的设备和/或系统的对应的和/或有关的方法也被预期并且被认为在本发明的范围之内。
Claims (20)
1.一种可重新配置的机器人系统，包括：
底部致动器(11)，其能用于生成沿着主轴的旋转运动；
仪器致动器(12)，其能用于生成沿着次轴的旋转运动；
端部效应器(13)，其能用于沿着纵轴固持仪器；以及
多个臂设置(14、15)，
其中，每个臂设置(14、15)能用于将所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)相继邻接到弧配置中，以用于响应于生成沿着所述主轴的所述旋转运动的所述底部致动器(11)和生成沿着所述次轴的所述旋转运动的所述仪器致动器(12)中的至少一个而相对于远程运动中心移动由所述端部效应器(13)所固持的所述仪器；
其中，每个弧配置定义所述远程运动中心作为所述主轴、所述次轴和所述纵轴的交叉，并且
其中，所述臂设置(14、15)是至少部分地能互换的，以用于重新配置所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)的所述弧配置。
2.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，还包括：
机器人平台，其能用于耦合到所述底部致动器(11)，以将邻接到所述底部致动器(11)的所述端部效应器(13)安置在参考坐标系内。
3.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其中，每个臂设置(14、15)包括相同的支撑臂，所述相同的支撑臂能用于邻接到所述底部致动器(11)和所述仪器致动器(12)，其中，所述底部致动器(11)与所述仪器致动器(12)之间具有固定长度或可变长度。
4.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其中，每个臂设置(14、15)包括不同的支撑臂，所述不同的支撑臂能用于邻接到所述底部致动器(11)和所述仪器致动器(12)，其中，所述底部致动器(11)与所述仪器致动器(12)之间具有固定长度或可变长度。
5.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其中，每个臂设置(14、15)包括相同的仪器臂，所述相同的仪器臂能用于邻接到所述仪器致动器(12)和所述端部效应器，其中，所述仪器致动器(12)与所述端部效应器之间具有固定长度或可变长度。
6.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其中，每个臂设置(14、15)包括不同的仪器臂，所述不同的仪器臂能用于邻接到所述仪器致动器(12)和所述端部效应器，其中，所述仪器致动器(12)与所述端部效应器之间具有固定长度或可变长度。
7.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，
其中，每个臂设置(14、15)包括相同的支撑臂，所述相同的支撑臂与所述底部致动器(11)和所述仪器致动器(12)进行附接。
8.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，
其中，每个臂设置(14、15)包括相同的支撑臂，所述相同的支撑臂与所述仪器致动器(12)进行附接；并且
其中，每个臂设置(14、15)还包括不同的仪器臂，所述不同的仪器臂能用于能拆卸地耦合到所述仪器致动器(12)。
9.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，
其中，每个臂设置(14、15)包括仪器臂；并且
其中，所述端部效应器(13)能用于能拆卸地耦合到每个仪器臂。
10.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其中，每个臂设置(14、15)包括具有弧形形状的臂。
11.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，还包括：
机器人配置工作站，其能用于在所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)的所述弧配置中的每个内模拟针对由所述端部效应器(13)所固持的所述仪器的相对于所述远程运动中心的工作空间。
12.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，还包括：
机器人配置工作站，其能用于根据针对由所述端部效应器(13)所固持的所述仪器的相对于所述远程运动中心的工作空间的指定的俯仰范围和指定的偏转范围中的至少一个来推荐要邻接到所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)的所述臂设置(14、15)中的至少一个。
13.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其中，每个臂设置(14、15)包括这样的臂：所述臂在结构上被配置为提供针对所述仪器的相对于所述远程运动中心的工作空间的不同的俯仰范围和不同的偏转范围。
14.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其中，每个臂设置(14、15)包括识别标记。
15.一种可重新配置的机器人，包括：
底部致动器(11)，其能用于生成沿着主轴的旋转运动；
仪器致动器(12)，其能用于生成沿着次轴的旋转运动；
端部效应器(13)，其能用于沿着纵轴固持仪器；
第一臂设置(14、15)，其将所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)相继邻接到第一弧配置中，以由于响应于生成沿着所述主轴的所述旋转运动的所述底部致动器(11)和生成沿着所述次轴的所述旋转运动的所述仪器致动器(12)中的至少一个而相对于远程运动中心移动由所述端部效应器(13)所固持的所述仪器；
第二臂设置(14、15)，其能用于将所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)相继邻接到第二弧配置中，以用于响应于生成沿着所述主轴的所述旋转运动的所述底部致动器(11)和生成沿着所述次轴的所述旋转运动的所述仪器致动器(12)中的至少一个而相对于所述远程运动中心移动由所述端部效应器(13)所固持的所述仪器；
其中，所述第一弧配置和所述第二弧配置定义所述远程运动中心作为所述主轴、所述次轴和所述纵轴的交叉，并且
其中，所述第一臂设置(14、15)和所述第二臂设置(14、15)是至少部分地能互换的，以用于将所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)的所述第一弧配置重新配置为所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)的所述第二弧配置。
16.一种用于重新配置机器人系统的方法，所述方法包括：
提供可重新配置的机器人，所述可重新配置的机器人包括：
底部致动器(11)，其能用于生成沿着主轴的旋转运动；
仪器致动器(12)，其能用于生成沿着次轴的旋转运动；
端部效应器(13)，其能用于沿着纵轴固持仪器；以及
第一臂设置(14、15)，其将所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)相继邻接到第一弧配置中，以用于响应于生成沿着所述主轴的所述旋转运动的所述底部致动器(11)和生成沿着所述次轴的所述旋转运动的所述仪器致动器(12)中的至少一个而相对于远程运动中心移动由所述端部效应器(13)所固持的所述仪器；
其中，所述第一弧配置定义所述远程运动中心作为所述主轴、所述次轴和所述纵轴的交叉，并且
机器人配置工作站在所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)的所述第一弧配置内模拟针对由所述端部效应器(13)所固持的所述仪器的相对于所述远程运动中心的工作空间。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
机器人配置工作站根据所述工作站的指定的俯仰范围和指定的偏转范围中的至少一个来推荐所述第一臂设置(14、15)到所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)的所述邻接。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
机器人配置工作站根据所述工作站的指定的俯仰范围和指定的偏转范围中的至少一个来推荐第二臂设置(14、15)到所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)的所述邻接；并且
至少部分地互换所述第一臂设置(14、15)与所述第二臂设置(14、15)；
其中，所述底部致动器(11)、所述仪器致动器(12)和所述端部效应器(13)邻接到第二弧配置中，以用于响应于生成沿着所述主轴的所述旋转运动的所述底部致动器(11)和生成沿着所述次轴的所述旋转运动的所述仪器致动器(12)中的至少一个而相对于所述远程运动中心移动由所述端部效应器(13)所固持的所述仪器；并且
其中，所述第二弧配置定义所述远程运动中心作为所述主轴、所述次轴和所述纵轴的交叉。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，至少部分地互换所述第一臂设置(14、15)与所述第二臂设置包括：
维持支撑臂到所述底部致动器(11)和所述仪器致动器(12)的所述邻接。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，至少部分地互换所述第一臂设置(14、15)与所述第二臂设置包括：
将所述第一臂设置(14、15)的第一仪器臂从所述仪器致动器(12)去耦和；并且
将所述第二臂设置(14、15)的第二仪器臂能拆卸地耦合到所述仪器致动器(12)。
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Application publication date: 20170322 |
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