CN108366835B - 具有独立的侧倾、俯仰和偏摆缩放的机器人外科手术系统 - Google Patents

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Abstract

一种机器人外科手术系统包括联动装置、输入装置、以及处理单元。所述联动装置相对于底座可移动地支撑外科手术工具。所述输入装置可绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转。所述处理单元与所述输入装置通信并且与所述联动装置可操作地相关联，以便基于所述输入装置按照第一缩放因子绕所述第一旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第一移动轴线旋转，并且基于所述输入装置按照第二缩放因子绕所述第二旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第二移动轴线旋转，所述第二缩放因子与所述第一缩放因子不同。

Description

具有独立的侧倾、俯仰和偏摆缩放的机器人外科手术系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年12月10日提交的美国临时专利申请序列号62/265,457的权益和优先权，所述申请的全部内容通过引用结合在此。
背景技术
已经在微创医疗手术中使用机器人外科手术系统。在医疗手术过程中，机器人外科手术系统由与用户界面交互的外科医生控制。用户界面允许外科医生操纵作用于患者的末端执行器。用户界面包括用于控制机器人外科手术系统的可由外科医生移动的输入控制器或手柄。
机器人外科手术系统通常使用缩放因子来减少外科医生手部的运动以确定患者体内的末端执行器的期望位置，从而使得外科医生能够更精确地移动患者体内的末端执行器。然而，缩放因子越大，外科医生必须将输入装置手柄移动得越远以将末端执行器移动相同的距离。由于输入装置手柄具有固定的运动范围，这意味着对于较大的缩放因子而言，外科医生可能更频繁地到达输入手柄的运动范围的末端。
此外，在医疗手术过程中，外科医生需要使末端执行器绕侧倾轴线、俯仰轴线、以及偏摆轴线旋转以恰当地定位末端执行器，从而作用于组织。典型地，绕输入装置手柄的侧倾、俯仰、和偏摆(RPY)轴线的旋转并没有被缩放成绕RPY轴线的末端执行器的旋转。
需要一种能够在机器人外科手术过程中对外科医生的输入手柄旋转进行缩放的机器人外科手术系统。
发明内容
本公开总体上涉及在外科手术过程中用户界面的输入装置的移动对机器人系统的工具的移动进行的缩放。在本公开的一方面中，机器人外科手术系统包括联动装置、输入装置、以及处理单元。所述联动装置相对于底座可移动地支撑外科手术工具。所述输入装置可绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转。所述处理单元与所述输入装置通信。所述处理单元还与所述联动装置可操作地相关联，以便基于所述输入装置按照第一缩放因子绕所述第一旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第一移动轴线旋转，并且基于所述输入装置按照第二缩放因子绕所述第二旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第二移动轴线旋转，所述第二缩放因子与所述第一缩放因子不同。
在多个方面中，所述第二缩放因子小于所述第一缩放因子。所述第一缩放因子可以为约1.0。
在一些方面，所述输入装置可绕第三旋转轴线旋转。所述处理单元可以与所述联动装置可操作地相关联以便基于所述输入装置按照第三缩放因子绕所述第三旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第三移动轴线旋转。所述第一缩放因子、所述第二缩放因子以及所述第三缩放因子可以彼此相等、各自可以彼此不同，或者所述缩放因子中的两个缩放因子可以彼此相等并且与另一个缩放因子不同。例如，所述第二缩放因子可以小于所述第一缩放因子，并且所述第三缩放因子可以大于所述第一缩放因子。
在本公开的另一方面，机器人外科手术系统包括联动装置、输入装置、以及处理单元。所述联动装置相对于底座可移动地支撑外科手术工具。所述输入装置可绕第一旋转轴线旋转。所述输入装置可沿着第一输入方向绕所述第一旋转轴线从空转位置朝着第一旋转的位置旋转。所述处理单元与所述输入装置通信并且与所述联动装置可操作地相关联，以便当所述输入装置从所述空转位置朝着所述第一旋转的位置旋转时，使所述外科手术工具沿着第一输出方向绕第一移动轴线旋转，并且当所述输入装置处于所述空转位置时，维持所述外科手术工具绕所述第一移动轴线的径向位置。
在多个方面中，所述处理单元基于所述输入装置从所述空转位置朝着所述第一旋转的位置旋转的量来改变所述外科手术工具绕所述第一移动轴线的径向速度。所述处理单元可以以平滑方式或阶梯方式中的至少一种方式绕所述第一移动轴线改变所述外科手术工具的径向速度。
在一些方面，所述输入装置可沿着与所述第一方向相反的第二方向绕所述第一旋转轴线朝着第二旋转的位置旋转。所述处理单元与所述联动装置可操作地相关联，以便当所述输入装置从所述空转位置朝着所述第二旋转的位置旋转时，使所述外科手术工具沿着与所述第一输出方向相反的第二输出方向绕所述第一移动轴线旋转。
在具体方面中，所述输入装置可绕第二旋转轴线旋转。所述处理单元与所述联动装置可操作地相关联，以便基于所述输入装置按照第一缩放因子绕所述第二旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第二移动轴线旋转。所述输入装置可以能够绕第三旋转轴线旋转。所述处理单元可以与所述联动装置可操作地相关联，以便基于所述输入装置按照第二缩放因子绕所述第三旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第三移动轴线旋转。所述第一缩放因子可以与所述第一缩放因子不同。
在本公开的另一方面，一种操作外科手术机器人的方法包括：使机器人外科手术系统的输入装置绕第一旋转轴线旋转，并且使所述输入装置绕第二旋转轴线旋转。使所述输入装置绕所述第一旋转轴线旋转包括：使所述输入装置旋转第一输入距离以使机器人外科手术系统的工具绕第一移动轴线旋转第一输出距离。所述第一输入距离通过第一缩放因子缩放到所述第一输出距离。使所述输入装置绕所述第二旋转轴线旋转包括：使所述输入装置旋转第二输入距离以使所述工具绕第二移动轴线旋转第二输出距离。所述第二输入距离通过第二缩放因子缩放到所述第二输出距离，所述第二缩放因子与所述第一缩放因子不同。
在多个方面中，所述方法包括：使所述输入装置绕第三旋转轴线旋转第三输入距离以使所述工具绕第三移动轴线旋转第三输出距离。所述第三输入距离可以通过第三缩放因子缩放到所述第三输出距离，所述第三缩放因子与所述第一缩放因子不同。所述第三缩放因子还可以与所述第二缩放因子不同。
在本公开的另一方面，一种用于操作外科手术机器人的方法包括：使机器人外科手术系统的输入装置沿着第一输入方向绕第一旋转轴线从空转位置旋转到第一旋转的位置以使机器人外科手术系统的工具沿着第一输出方向绕第一移动轴线以第一输出速度旋转，以及将所述输入装置返回到所述空转位置以停止所述工具绕所述第一移动轴线旋转。
在多个方面中，所述方法包括：使所述输入装置沿着所述第一输入方向绕所述第一旋转轴线旋转到超出所述第一旋转的位置的第二旋转的位置以使所述工具沿着所述第一输出方向绕所述第一移动轴线以第二输出速度旋转，所述第二输出速度大于所述第一输出速度。
在一些方面，所述方法包括：使所述输入装置沿着与所述第一输入方向相反的所述第二输入方向绕所述第一旋转轴线从所述空转位置旋转到第三旋转的位置以使所述工具沿着与所述第一输出方向相反的第二输出方向绕所述第一移动轴线以所述第一输出速度旋转。
在本公开的一方面，机器人外科手术模拟器包括虚拟联动装置、输入装置、以及处理单元。所述虚拟联动装置相对于虚拟底座虚拟地支撑虚拟外科手术工具。所述输入装置可绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转。所述处理单元与所述输入装置通信。所述处理单元还与所述虚拟联动装置可操作地相关联，以便基于所述输入装置按照第一缩放因子绕所述第一旋转轴线进行的缩放旋转来使所述虚拟外科手术工具绕第一移动轴线在所述用户界面的显示器上旋转，并且基于所述输入装置按照第二缩放因子绕所述第二旋转轴线进行的缩放旋转来使所述虚拟外科手术工具绕第二移动轴线在所述显示器上虚拟地旋转，所述第二缩放因子与所述第一缩放因子不同。
在本公开的另一方面，机器人外科手术模拟器包括虚拟联动装置、输入装置、以及处理单元。所述虚拟联动装置相对于虚拟底座虚拟地支撑虚拟外科手术工具。所述输入装置可绕第一旋转轴线旋转。所述输入装置可沿着第一输入方向绕所述第一旋转轴线从空转位置朝着第一旋转的位置旋转。所述处理单元与所述输入装置通信并且与所述虚拟联动装置可操作地相关联，以便当所述输入装置从所述空转位置朝着所述第一旋转的位置旋转时，使所述虚拟外科手术工具沿着第一输出方向绕第一移动轴线在显示器旋转，并且当所述输入装置处于所述空转位置时，维持所述显示器上所述虚拟外科手术工具绕所述第一移动轴线的径向位置。
在本公开的另一方面，一种模拟外科手术的方法包括：使机器人外科手术系统的输入装置绕第一旋转轴线旋转，并且使所述输入装置绕第二旋转轴线旋转。使所述输入装置绕所述第一旋转轴线旋转包括：使所述输入装置旋转第一输入距离以使机器人外科手术系统的虚拟工具绕第一移动轴线旋转第一输出距离。所述第一输入距离通过第一缩放因子缩放到所述第一输出距离。使所述输入装置绕所述第二旋转轴线旋转包括：使所述输入装置旋转第二输入距离以使所述虚拟工具绕第二移动轴线旋转第二输出距离。所述第二输入距离通过第二缩放因子缩放到所述第二输出距离，所述第二缩放因子与所述第一缩放因子不同。
在多个方面中，所述方法包括：使所述输入装置绕第三旋转轴线旋转第三输入距离以使所述虚拟工具绕第三移动轴线旋转第三输出距离。所述第三输入距离可以通过第三缩放因子缩放到所述第三输出距离，所述第三缩放因子与所述第一缩放因子不同。所述第三缩放因子还可以与所述第二缩放因子不同。
下文参照附图更详细地说明本公开的示例性实施例的另外的细节和方面。
附图说明
下文参照结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图对本公开的各个方面进行说明，其中：
图1是根据本公开的用户界面和机器人系统的示意图示；
图2是在图1的用户界面的控制臂的端部上支撑的输入装置的透视图；并且
图3是患者的体腔的剖面图，所述剖面图示出了插入体腔中的图1的机器人外科手术系统的工具。
具体实施方式
现在参照附图对本公开的实施例进行详细的说明，在这些附图中，相同的附图标记指代若干视图中的每个视图中的完全相同或对应的元件。如本文中所使用的，术语“临床医生”指医生、护士、或任何其他护理提供者，并且可以包括支援人员。贯穿本说明书，术语“近端”指最靠近临床医生的装置或其部件的部分，并且术语“远端”指离临床医生最远的装置或其部件的部分。此外，如本文中所使用的，术语“中性的”被理解为是指未缩放的。
本公开总体上涉及在外科手术过程中用户界面的输入装置的移动对机器人系统的工具的移动进行的缩放。具体地讲，本公开涉及对绕侧倾轴线、俯仰轴线、以及偏摆轴线的移动进行的缩放。绕这些轴线中每个轴线的缩放可以是正的(即，增大工具相对于输入装置的移动的移动)、负的(即，减小工具相对于输入装置的移动的移动)、或中性的(即，等于工具相对于输入装置的移动的移动)。相比于人类解剖结构所允许的灵活度，以正的方式进行的移动缩放可以允许医生具有增大的灵活度。例如，当以正的方式缩放(例如，绕侧倾轴线的)手腕动作时，在使临床医生的手腕旋转四分之一的情况下，临床医生可能能够朝着每个方向使工具完全旋转。
参照图1，根据本公开的机器人外科手术系统1总体上被示出为机器人系统10、处理单元30、以及用户界面40。机器人系统10总体上包括联动装置12和机器人底座18。联动装置12可移动地支撑被配置成作用于组织的末端执行器或工具20。联动装置12可以呈臂的形式，这些臂各自具有端部14，所述端部支撑被配置成作用于组织的末端执行器或工具20。此外，臂12的端部14可以包括用于对外科手术部位“S”进行成像的成像装置16。用户界面40通过处理单元30与机器人底座18通信。
用户界面40包括显示装置44，所述显示装置被配置用于显示三维图像。显示装置44显示外科手术部位“S”的三维图像，所述三维图像可以包括由定位在臂12的端部14上的成像装置16捕获的数据和/或包括由围绕外科手术室定位的成像装置(例如，定位在外科手术部位“S”内的成像装置、邻近患者“P”定位的成像装置、定位在成像臂52的远端处的成像装置56)捕获的数据。成像装置(例如，成像装置16、56)可以捕获视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热图像和/或外科手术部位“S”的任何其他已知的实时图像。成像装置将捕获的成像数据传送至从成像数据实时地创建外科手术部位“S”的三维图像的处理单元30并且将三维图像传送至显示装置44以供显示。
用户界面40还包括在允许临床医生操纵机器人系统10(例如，移动臂12、臂12的端部14和/或工具20)的控制臂43上支撑的输入手柄42。这些输入手柄42中的每个输入手柄与处理单元30通信以将控制信号传送至所述处理单元并且从所述处理单元接收反馈信号。另外地或可替代地，这些输入手柄42中的每个输入手柄可以包括输入装置46(图2)，所述输入装置允许外科医生操纵(例如，夹紧、握紧、启动、打开、关闭、旋转、推进、移除等)在臂12的端部14处支撑的工具20。
另外参照图2，这些输入手柄42中的每个输入手柄可穿过预先限定的工作空间移动以在外科手术部位“S”内移动臂12的端部14(例如，工具20)。如在显示装置44上观察到的，显示装置44上的三维图像被定向成使得输入手柄42的移动使臂12的端部14移动。三维图像保持静止，而输入手柄42的移动被缩放成三维图像内的臂12的端部14的移动。为了维持三维图像的取向，输入手柄42的运动学映射基于相对于臂12的端部14的取向的相机取向。将了解的是，显示装置上的三维图像的取向可以相对于从患者“P”上方观看的视图成镜像或旋转。此外，将了解的是，显示装置44上的三维图像的大小可以被缩放成比外科手术部位的实际结构大或小，从而准许临床医生更好地看到外科手术部位“S”内的结构。如以下详细描述的，当输入手柄42移动时，工具20在外科手术部位“S”内移动。如本文中所详述的，工具20的移动还可以包括支撑工具20的臂12的端部14的移动。
为了详细地讨论机器人外科手术系统1的构造和操作，可以参考美国专利号8,828,023，所述专利的全部内容通过引用结合在此。
如上文所详述，用户界面40与机器人系统10可操作地通信以对患者进行外科手术；然而，设想用户界面40可以与外科手术模拟器(未示出)可操作地通信以在模拟环境中虚拟地致动机器人系统和/或工具。例如，外科手术机器人系统1可以具有第一模式和第二模式，在所述第一模式下，用户界面40被联接以致动机器人系统10，并且在所述第二模式下，用户界面40被联接至外科手术模拟器以虚拟地致动机器人系统。外科手术模拟器可以是独立单元或者可以被整合到处理单元30中。外科手术模拟器通过用户界面40将视觉反馈、可听反馈、力反馈和/或触觉反馈提供给临床医生来虚拟地响应与用户界面40交互的临床医生。例如，当临床医生与输入手柄42介接时，外科手术模拟器移动虚拟地作用于组织的代表性工具。设想外科手术模拟器可以允许临床医生在对患者进行外科手术之前对所述外科手术进行实践。此外，外科手术模拟器可以用于在外科手术上对临床医生进行训练。进一步地，外科手术模拟器可以在提出的外科手术过程中模拟“并发症”以准许临床医生对外科手术进行规划。
工具20的移动相对于输入手柄42的移动被缩放。当输入手柄42在预先限定的工作空间内移动时，输入手柄42将控制信号发送给处理单元30。处理单元30对控制信号进行分析以响应于控制信号而移动工具20。处理单元30将缩放的控制信号传送给机器人底座18以响应于输入手柄42的移动而移动工具20。处理单元30通过将输入距离(例如，由输入手柄42之一移动的距离)除以缩放因子SF来缩放控制信号，以得出缩放的输出距离(例如，端部14之一移动的距离)。缩放因子SF处于约1与约10之间的范围内(例如，3)。这个缩放由以下等式来表示：
输出距离＝输入距离/SF
将了解的是，缩放因子SF越大，相对于输入手柄42的移动的工具20的移动越小。
为了详细地说明沿着X、Y、和Z坐标轴线的输入手柄42的缩放移动以移动工具20，可以参考于2015年9月21日提交并且题为“Dynamic Input Scaling for Controls ofRobotic Surgical System(用于机器人外科手术系统的控制的动态输入缩放)”的共同拥有的国际专利申请序列号PCT/US2015/051130以及于2016年1月20日提交的国际专利申请号PCT/US2016/14031，这些公开中的每个公开的全部内容通过引用结合在此。
还参照图2和图3，输入装置46相对于X、Y和Z坐标轴线中的每个坐标轴线的旋转可以被缩放成工具20绕侧倾轴线“R”、俯仰轴线“P”、以及偏摆轴线“Y”(RPY)的旋转。将了解的是，如在显示装置44上所显示的，RPY轴线被定向成相机帧，从而使得手柄42和/或输入装置46相对于临床医生对显示装置44的观察而运动。具体地，侧倾轴线“R”约为Z坐标轴线，俯仰轴线“P”约为X坐标轴线，并且偏摆轴线“Y”约为Y坐标轴线。输入装置46绕RPY轴线中的每个轴线的旋转缩放可以以正的、负的或中性的方式被缩放。通过以正的方式进行的缩放旋转，临床医生能够减少输入装置46绕RPY轴线中的特定一个轴线的旋转以实现绕相应的RPY轴线的工具20的期望旋转。这个正的缩放可以允许临床医生具有超出人体的自然移动的灵活性。例如，临床医生可以在不释放输入装置46的情况下使工具20侧倾超过临床医生的手腕移动的可能程度。相比而言，通过以负的方式进行的缩放旋转，临床医生能够响应于输入装置46的旋转而更精确地控制工具20绕工具20的RPY轴线中的特定一个轴线的旋转。
输入装置46绕RPY轴线中的每个轴线的旋转可以以与工具20的旋转不同的方式被缩放。例如，输入装置46绕控制轴43的旋转(即，绕侧倾轴线“R”的旋转)可以以正的方式被缩放，输入装置46绕俯仰轴线“P”的旋转可以以中性的方式被缩放，并且输入装置46绕偏摆轴线“Y”的旋转可以以负的方式被缩放。缩放的任何其他组合在本文中被设想并且形成本公开的一部分。
响应于输入装置46绕RPY轴线中的相应一个轴线的旋转来缩放工具20的旋转。绕相应的RPY轴线的移动以度为单位进行度量，所述度量通过类似于如上详述的沿着XYZ坐标轴线的移动的缩放因子SF进行缩放。继续以上实例，在绕侧倾轴线“R”以正的方式进行缩放的旋转的情况下，侧倾缩放因子RSF小于1.0(例如，在约0.10到约0.95的范围内)，从而使得输出角大于绕侧倾轴线“R”的输入角。此外，在绕俯仰轴线“P”以中性的方式进行缩放的旋转的情况下，俯仰缩放因子PSF等于约1.0，从而使得输出角等于绕俯仰轴线“P”的输入角。进一步地，在绕偏摆轴线“Y”以负的方式进行缩放的旋转的情况下，偏摆缩放因子YSF大于1.0(例如，在约1.10到约10.0的范围内)，从而使得输出角小于绕偏摆轴线“Y”的输入角。所设想的是，RPY缩放因子RSF、PSF以及YSF中的每个缩放因子可以等于另一个RPY缩放因子，或者RPY缩放因子中的每个缩放因子可以彼此不同。
另外地或可替代地，当输入装置46绕RPY轴线中的相应一个轴线从空转位置旋转到绕相应的RPY轴线移动的极限时，RPY缩放因子之一可能发生变化。例如，当输入装置46绕侧倾轴线“R”从空转位置(图2)旋转时，侧倾缩放因子RSF最初为约1.0，并且当输入装置46接近绕侧倾轴线“R”旋转的极限时减小到约0.5的侧倾缩放因子RSF。侧倾缩放因子RSF的这种变化可以以线性方式、指数方式、或功能性方式进行。进一步地，侧倾缩放因子RSF的变化可以以临近空转位置的第一方式(例如，固定的、线性的、指数的、或功能性的方式)以及以临近旋转极限的第二方式(例如，固定的、线性的、指数的、或功能性的方式)进行。RPY缩放因子的变化对于与用户界面40(图1)或附接到相应的联动装置12的工具20(图1)交互的临床医生是可定制的。另外地或可替代地，RPY缩放因子的变化在外科手术过程中可以是动态的，从而使得临床医生或处理单元30(图1)可以改变RPY缩放因子中的一个或多个缩放因子的方式(例如，正的、负的、或中性的)或改变RPY缩放因子中的一个或多个缩放因子的值(例如，固定的、线性的、指数的、或功能性的)的方式。为了详细地讨论随着移动或旋转接近极限而改变缩放因子的方法，可以参考于2015年2月19日提交并且题为“RepositioningMethod of Input Device for Robotic Surgical System(机器人外科手术系统的输入装置的重新定位方法)”的美国临时专利申请号62/118,123。
所设想的是，在对附接到臂12的端部的工具(例如，工具20)进行交换或切换之后，可以改变RPY缩放因子中的一个或多个缩放因子以便当工具与输入装置46不对齐地附接时将输入装置46与工具对齐。具体地，当临床医生背离中央的或对齐的位置移动输入手柄46时，每个方向上的RPY缩放因子可以是较负的，并且当临床医生朝着中央的或对齐的位置移动输入手柄46直至工具与输入装置46对齐时，每个方向上的RPY缩放因子可以是较正的。当工具与输入装置46对齐时，RPY缩放因子返回到以对称的、正的、中性的、或负的方式进行操作。
在本公开的另一个实施例中，工具20绕RPY轴线的旋转可以响应于输入装置46从初始或空转位置到移位的或旋转的位置的移位而被抑制。在这种实施例中，当输入装置46处于如图2中所示出的空转位置时，工具20维持其相对于RPY轴线的位置。当输入装置46绕特定的RPY轴线旋转时，工具20绕特定的RPY轴线朝着与输入装置46的旋转方向相关的方向以恒定的速度旋转。例如，当输入装置46绕侧倾轴线“R”从空转位置(图2)旋转时，工具20最初以约1°每秒的角速度旋转。输入装置46绕侧倾轴线“R”的额外旋转不影响工具20的旋转。为了停止工具20的旋转，输入装置46被返回到空转位置。所设想的是，空转位置可以是单数或零度位置或者可以在旋转约-5°到约5°的范围内，从而使得当输入装置46旋转超过空转位置时，工具20被旋转。
可替代地，工具20绕特定的RPY轴线的旋转速度可以响应于输入装置46绕特定的RPY轴线的角位移而变化。例如，当输入装置46绕侧倾轴线“R”从空转位置(图2)旋转时，工具20最初以约1°每秒的角速度旋转，并且当输入装置46绕侧倾轴线“R”接近旋转极限时，工具绕侧倾轴线“R”旋转的角速度增大到约10°每秒。响应于输入装置46绕侧倾轴线“R”的旋转，工具20的旋转角速度的变化可以是线性的、指数的、或功能性的。进一步地，工具20的旋转角速度的变化可以是平滑的或者可以是阶梯式的。
如以下详细描述的，根据本公开，用于对工具20绕侧倾轴线“R”的旋转进行缩放的方法在下文中进行详述。所述方法基于输入装置或手柄46在用户界面40的世界坐标系中进行的旋转来对工具20的取向或旋转进行缩放。输入手柄46在世界坐标系中的取向被表示为
Figure BDA0001688436800000131
处理单元30(图1)将输入手柄46在世界坐标系中的旋转缩放为
Figure BDA0001688436800000132
以响应于输入手柄46的旋转而增大工具20的旋转。在用于缩放的中性取向中，输入手柄46被定位成使得其物理取向与中性取向相匹配，使得
Figure BDA0001688436800000133
中性取向在世界坐标系中可以被限定为矩阵
Figure BDA0001688436800000134
从而使得手柄的任何取向R取向相对于中性取向如下：
Figure BDA0001688436800000135
缩放S然后可以被应用于
Figure BDA0001688436800000136
使得：
Figure BDA0001688436800000137
结合上述两个表达式得出：
Figure BDA0001688436800000138
对输入手柄46通过固定缩放因子进行的旋转的缩放可以被表示为欧拉旋转矢量，从而使得可以通过使旋转矢量乘以标量“s”来将旋转矢量“R”缩放为：
S1(s)[r]＝sr
当输入和输出是旋转矩阵时，换算是必需的，使得：
S1(s)[R]＝r2R[s·R2r[R]]
其中r2R[r]是欧拉旋转矢量到旋转矩阵的换算，并且R2r[R]是旋转矩阵“R”到欧拉旋转矢量的换算。
以上表达式可能遭受基于具有一个矩阵表示但具有以2π的倍数不同的无限数量的旋转矢量表示的刚体旋转的混叠。如果允许工具20的大的旋转，则旋转矢量的换算可以以不同的方式进行混叠，使得相同的姿态被映射成可能导致缩放输出中的不连续性的多个旋转矢量值。为了避免不连续性，通过改变2π的倍数的量值来从旋转矢量“R”中去除混叠，所以旋转矢量“R”与先前的取向相匹配。这个防混叠函数可以被表示为AA[r]，使得最终表达式如下：
S1(s)[R]＝r2R[s·AA[R2r[R]]]
输入手柄46的缩放还可以特定给定轴线，使得绕每个轴线的旋转以不同的方式被缩放。例如，绕俯仰轴线或偏摆轴线的缩放可以以不同的方式被缩放或者与绕侧倾轴线的缩放分开地进行。为了分离单独轴线的缩放，相对取向
Figure BDA0001688436800000141
被分解为俯仰和偏摆分量，使得
Figure BDA0001688436800000142
通过将每个旋转换算为欧拉旋转矢量并且然后对角度进行缩放，均匀缩放然后可以被应用于Rpy和R侧倾中的每一个。俯仰/偏摆分量Rpy可以由俯仰/偏摆缩放因子Spy缩放，并且侧倾分量R侧倾可以由侧倾缩放因子S侧倾缩放。将了解的是，应当避免大于2π的旋转以避免如上文所详述的混叠。
分离的缩放可以被表示为：
Figure BDA0001688436800000143
其中S1(s)[R]表示对通过因子“s”的旋转“R”进行的均匀缩放。
从
Figure BDA0001688436800000144
中提取R侧倾考虑输入手柄46的轴线的取向并且相对于输入手柄46的轴线对侧倾进行缩放。相对于中性取向对Rpy进行缩放，考虑到通过去除提取的R侧倾来计算Rpy取决于输入手柄46的方向或手柄的侧倾轴线“R”(图2)，从而使得缩放取向既取决于中性取向也取决于手柄的侧倾轴线“R”。
可以有益的是，将轴线特定的取向作为单个操作执行。根据本公开在本文中描述了使用单个操作的这种方法，所述方法对将对应于缩放取向的物理取向进行计算。根据这种单一操作，反馈可以被提供给临床医生以表示缩放取向中或当由于工具20的自由度减小而达到约束(即，接近或达到奇点)或达到工作空间的边缘时的误差。单一操作在所有取向中将是不准确的。具体地，应当在这些缩放旋转中的每个缩放旋转中考虑混叠。
单一操作将避免如上所述的分解，并且将对按照缩放因子S侧倾绕侧倾轴线进行的旋转进行缩放、对按照不同缩放因子Spy进行的不具有侧倾分量的旋转进行缩放、以及以两者之间的方式处理中间旋转的缩放相结合。这种缩放旋转可以被表示为：
Figure BDA0001688436800000151
其中，
Figure BDA0001688436800000152
是背离中性取向的总体旋转，并且
Figure BDA0001688436800000153
是如下文所述得出的结合的缩放算子。应当注意的是，S2取决于s侧倾以及spy缩放因子并且取决于相对于中性帧的侧倾轴线的方向中性u侧倾。
描述了根据本公开的使用各向异性缩放来计算工具20的缩放取向的另一种方法。除了输入旋转之外，各向异性缩放通过三个参数对输入手柄46的行为进行缩放。第一参数是固定轴线“w”，其中，(|w|＝1)(即，上文所详述的侧倾轴线“R”)，第二参数是缩放因子s0，并且第三参数是缩放因子sw。缩放因子s0和缩放因子sw可以彼此相等或彼此不同。绕轴线“w”的旋转由缩放因子sw缩放，并且绕垂直于轴线“w”的任何轴线(即，轴线v⊥w,|v|＝1)的旋转由缩放因子s0缩放。为了各向异性缩放的准确性，它应该满足以下条件：第一，绕轴线“w”的旋转或绕垂直于轴线“w”的任何轴线的旋转可以分别由缩放因子s0或缩放因子sw准确地缩放；第二，绕任何中间轴线的旋转由s0与sw之间的因子进行缩放；并且第三，当s0＝sw时，缩放对应于各向异性旋转缩放。
为了各向异性地缩放输入手柄46的行为，由豪斯霍尔德反射变换法产生的算子S2被应用于上文所详述的欧拉旋转矢量“R”，使得旋转矢量“r”表示如下：
S2(w,sw,s0)[r]＝(s0I+(sw-s0)wwT)AA[R2r[R]]
其中，r2R[r]是欧拉旋转矢量“R”到旋转矩阵的换算，R2r[R]是旋转矩阵“R”到欧拉旋转矢量的换算，并且AA[r]通过使旋转矢量“R”的量级改变2π的一些倍数来从旋转矢量“R”中去除混叠。
在以上所详述的条件下，在下文中对各向异性缩放的检验进行说明。在第一条件下，由于wTw＝1和wTv＝0，因此S2λw＝swλw和S2μv。在用于既不绕轴线“w”也不独立于轴线“w”旋转的第二条件下，旋转轴线可以改变方向(即，如果sw＞s0，则轴线背离“v”平面朝着±w移动；或朝着相反方向移动)，并且旋转角通过因子在s0与sw之间缩放。最后，当缩放因子s0＝sw时，那么S2(w,sw,s0)＝s0I，以满足第三条件。
用于各向异性缩放的最终变换的反演可以如下计算：
Figure BDA0001688436800000161
Figure BDA0001688436800000171
其中轴线“w”是变量，矢量运算可以用于计算S2x＝s0x+(sw-s0)(wTx)w。例如，矢量运算可以是[10*,5+」，然后对[27*,9+」进行重新计算，并且将[9*,6+」用作算子矩阵。通过使用矢量运算代替三角学可以减少执行上述各向异性缩放方法的成本和/或时间。
虽然已经在附图中示出本公开的若干实施例，但是本公开并不旨在受其限制，因为本公开的范围旨在如领域将允许的一样广泛并且同样以此方式阅读说明书。以上实施例的任何组合还被设想并且处于所附权利要求的范围内。因此，以上说明不应该被解释为限制性的，但是仅作为具体实施例的例证。本领域技术人员将在所附权利要求的范围内设想其他修改。

Claims (21)

1.一种机器人外科手术系统，包括：
联动装置，所述联动装置相对于底座可移动地支撑外科手术工具；
输入装置，所述输入装置能够绕第一旋转轴线和第二旋转轴线旋转；以及
处理单元，所述处理单元与所述输入装置通信并且与所述联动装置可操作地相关联，以便基于所述输入装置按照第一缩放因子绕所述第一旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第一移动轴线旋转并且基于所述输入装置按照第二缩放因子绕所述第二旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第二移动轴线旋转，所述第二缩放因子与所述第一缩放因子不同；
其中，在对所述外科手术工具进行交换或切换之后，所述第一缩放因子和所述第二缩放因子中的至少一个改变以便当所述外科手术工具与所述输入装置不对齐地附接时将所述输入装置与所述外科手术工具对齐。
2.根据权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中，所述第二缩放因子小于所述第一缩放因子，并且，当背离中央的或对齐的位置移动所述输入装置时，所述第一缩放因子和所述第二缩放因子中的每一个是较负的，当朝着所述中央的或对齐的位置移动所述输入装置直至所述外科手术工具与所述输入装置对齐时，所述第一缩放因子和所述第二缩放因子中的每一个是较正的。
3.根据权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中，所述第一缩放因子为1.0。
4.根据权利要求1所述的机器人外科手术系统，其中，所述输入装置能够绕第三旋转轴线旋转，并且所述处理单元与所述联动装置可操作地相关联，以便基于所述输入装置按照第三缩放因子绕所述第三旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第三移动轴线旋转。
5.根据权利要求4所述的机器人外科手术系统，其中，所述第三缩放因子等于所述第二缩放因子。
6.根据权利要求4所述的机器人外科手术系统，其中，所述第三缩放因子大于所述第一缩放因子。
7.根据权利要求6所述的机器人外科手术系统，其中，所述第二缩放因子小于所述第一缩放因子。
8.根据权利要求7所述的机器人外科手术系统，其中，所述第一缩放因子为1.0。
9.根据权利要求4所述的机器人外科手术系统，其中，所述第三缩放因子与所述第一缩放因子和所述第二缩放因子不同。
10.根据权利要求4所述的机器人外科手术系统，其中，所述第二缩放因子小于所述第一缩放因子，并且所述第三缩放因子大于所述第一缩放因子。
11.一种机器人外科手术系统，包括：
联动装置，所述联动装置相对于底座可移动地支撑外科手术工具；
输入装置，所述输入装置能够绕第一旋转轴线旋转，所述输入装置可沿着第一输入方向绕所述第一旋转轴线从空转位置朝着第一旋转的位置旋转；以及
处理单元，所述处理单元与所述输入装置通信并且与所述联动装置可操作地相关联，以便当所述输入装置从所述空转位置朝着所述第一旋转的位置旋转时，使所述外科手术工具沿着第一输出方向绕第一移动轴线旋转，并且当所述输入装置处于所述空转位置时，维持所述外科手术工具绕所述第一移动轴线的径向位置；
其中，所述输入装置能够绕第二旋转轴线旋转，并且其中，所述处理单元与所述联动装置可操作地相关联，以便基于所述输入装置按照第一缩放因子绕所述第二旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第二移动轴线旋转；
所述输入装置能够绕第三旋转轴线旋转，并且其中，所述处理单元与所述联动装置可操作地相关联，以便基于所述输入装置按照第二缩放因子绕所述第三旋转轴线进行的缩放旋转来使所述外科手术工具绕第三移动轴线旋转；并且
在对所述外科手术工具进行交换或切换之后，所述第一缩放因子和所述第二缩放因子中的至少一个改变以便当所述外科手术工具与所述输入装置不对齐地附接时将所述输入装置与所述外科手术工具对齐。
12.根据权利要求11所述的机器人外科手术系统，其中，所述处理单元基于所述输入装置从所述空转位置朝着所述第一旋转的位置旋转的量来改变所述外科手术工具绕所述第一移动轴线的径向速度。
13.根据权利要求12所述的机器人外科手术系统，其中，所述处理单元以平滑方式或阶梯方式中的至少一种方式绕所述第一移动轴线改变所述外科手术工具的所述径向速度。
14.根据权利要求11所述的机器人外科手术系统，其中，所述输入装置可沿着与所述第一输入方向相反的第二输入方向绕所述第一旋转轴线朝着第二旋转的位置旋转，并且其中，所述处理单元与所述联动装置可操作地相关联，以便当所述输入装置从所述空转位置朝着所述第二旋转的位置旋转时，使所述外科手术工具沿着与所述第一输出方向相反的第二输出方向绕所述第一移动轴线旋转。
15.根据权利要求11所述的机器人外科手术系统，其中，所述第一缩放因子与所述第二缩放因子不同。
16.一种操作外科手术机器人的方法，所述方法包括：
使机器人外科手术系统的输入装置绕第一旋转轴线旋转第一输入距离以使机器人外科手术系统的工具绕第一移动轴线旋转第一输出距离，所述第一输入距离通过第一缩放因子缩放到所述第一输出距离；以及
使所述输入装置绕第二旋转轴线旋转第二输入距离以使所述工具绕第二移动轴线旋转第二输出距离，所述第二输入距离通过第二缩放因子缩放到所述第二输出距离，所述第二缩放因子与所述第一缩放因子不同；
其中，在对所述工具进行交换或切换之后，使所述第一缩放因子和所述第二缩放因子中的至少一个改变以便当所述工具与所述输入装置不对齐地附接时将所述输入装置与所述工具对齐。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括使所述输入装置绕第三旋转轴线旋转第三输入距离以使所述工具绕第三移动轴线旋转第三输出距离，所述第三输入距离通过第三缩放因子缩放到所述第三输出距离，所述第三缩放因子与所述第一缩放因子不同。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包括使所述输入装置绕第三旋转轴线旋转第三输入距离以使所述工具绕第三移动轴线旋转第三输出距离，所述第三输入距离通过第三缩放因子缩放到所述第三输出距离，所述第三缩放因子与所述第一缩放因子和所述第二缩放因子不同。
19.一种操作外科手术机器人的方法，所述方法包括：
使机器人外科手术系统的输入装置沿着第一输入方向绕第一旋转轴线从空转位置旋转到第一旋转的位置以使机器人外科手术系统的工具沿着第一输出方向绕第一移动轴线以第一输出速度旋转；
将所述输入装置返回到所述空转位置以停止所述工具绕所述第一移动轴线旋转；
使所述机器人外科手术系统的所述输入装置绕第二旋转轴线旋转第二输入距离以使所述机器人外科手术系统的所述工具绕第二移动轴线旋转第二输出距离，所述第二输入距离通过第一缩放因子缩放到所述第二输出距离；以及
使所述输入装置绕第三旋转轴线旋转第三输入距离以使所述工具绕第三移动轴线旋转第三输出距离，所述第三输入距离通过第二缩放因子缩放到所述第三输出距离，
其中，在对所述工具进行交换或切换之后，使所述第一缩放因子和所述第二缩放因子中的至少一个改变以便当所述工具与所述输入装置不对齐地附接时将所述输入装置与所述工具对齐。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括使所述输入装置沿着所述第一输入方向绕所述第一旋转轴线旋转到超出所述第一旋转的位置的第二旋转的位置以使所述工具沿着所述第一输出方向绕所述第一移动轴线以第二输出速度旋转，所述第二输出速度大于所述第一输出速度。
21.根据权利要求19所述的方法，进一步包括使所述输入装置沿着与所述第一输入方向相反的第二输入方向绕所述第一旋转轴线从所述空转位置旋转到第三旋转的位置以使所述工具沿着与所述第一输出方向相反的第二输出方向绕所述第一移动轴线以所述第一输出速度旋转。
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Assignee: Kehui medical equipment international trade (Shanghai) Co.,Ltd.

Assignor: COVIDIEN L.P.

Contract record no.: X2021990000660

Denomination of invention: Robotic surgical system with independent roll, pitch and yaw scaling

Granted publication date: 20210727

License type: Common License

Record date: 20211027