CN109310478A

CN109310478A - 用于在手术期间保持医疗器械的3d打印的机器人以及其控制

Info

Publication number: CN109310478A
Application number: CN201780032460.4A
Authority: CN
Inventors: A.卡普尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG; Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2016-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2019-02-05
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: EP3463156A2; WO2017203026A3; US20220015842A1; US20200222126A1; WO2017203026A2; US11166768B2; US11931121B2; EP3463156B1; CN109310478B

Abstract

用于在手术期间保持和控制医疗器械的系统包括：末端执行器，其被构造成保持医疗器械；以及旋转和平移（RT）机构，其被构造成沿插入轴线使医疗器械旋转和平移。该系统进一步包括：平台，其耦合到RT机构；以及成对的平行的五杆平面联动装置，其被构造成相对于平行于插入轴线的主轴线使平台平移、俯仰和摇动。

Description

用于在手术期间保持医疗器械的3D打印的机器人以及其控制

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年5月26日提交的美国临时申请序列号62/341,841的权益，所述临时申请通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及与用于在手术期间保持医疗器械的3D打印的机器人以及对该机器人的控制相关联的方法、系统和设备。

背景技术

在传统上，工业和医疗机器人已经由单独加工的金属零件构造而成。虽然这产生了非常精确的机构，但其增加了成本，因为其不使用规模化制造（manufacturing forscale）。

利用当前现有技术水平的3D打印（增材制造），有可能生产出具有亚毫米精度的生产质量零件。在这样的过程中，通过这样来制造这些零件：通过光刻抑或激光烧结来逐层熔化塑料材料。这些过程对于制造小体积塑料零件是理想的。然而，由于零件是逐层生产的，所以随着零件的深度/竖直尺寸的增加，精度减小。因此，复杂机构是有挑战性的工程和技术任务，所述复杂机构诸如是旨在以足够的精度保持医疗器械的机器人。

发明内容

本发明的实施例通过提供与用于在手术期间保持医疗器械的3D打印的机器人有关的方法、系统和设备来解决和克服上文的缺点和缺陷中的一者或多者。简言之，本文中所描述的3D打印的机器人包括：一次性联动装置部件，其可在固定次数的使用之后被丢弃；以及可重复使用的组件。在一些实施例中，3D打印的机器人包括控制机构，其具有嵌入式传感器和图像，牢记（bearing in mind）打印的零件的精度。

根据一些实施例，用于在手术期间保持和控制医疗器械的系统包括：末端执行器，其被构造成保持医疗器械；以及旋转和平移（RT）机构，其被构造成沿插入轴线使医疗器械旋转和平移。该系统进一步包括：平台，其耦合到RT机构；以及成对的平行的五杆平面联动装置，其被构造成相对于平行于插入轴线的主轴线使平台平移、俯仰和摇动（yaw）。这些联动装置可以是例如平面联动装置、球面联动装置或其一些组合。

附加地，在一个实施例中，该系统进一步包括：惯性传感器，其被嵌入在平台或末端执行器中；以及一组应变仪，其被安装在末端执行器与RT机构之间的耦合部上。于是可基于经由应变仪接收的用户输入和/或经由惯性传感器接收的测量结果来控制该系统。在另一实施例中，该系统包括外部成像器，所述外部成像器被构造成在手术期间获取一个或多个图像，并且至少部分地使用所获取的图像来控制该系统。

可使用增材制造技术来制造上述系统的部件（例如，平台、联动装置等）中的一者或多者。在一些实施例中，可将所制造的零件分组为子组件，所述子组件经由磁力快速连接-断开型耦合或其他耦合机构而联结。例如，在一个实施例中，存在两个这样的子组件：可重复使用的零件的第一子组件，其包括末端执行器、RT机构和平台；以及一次性零件的第二子组件，其包括成对的平行的五杆平面联动装置。以这种方式，在于系统内使用之后，可以根据需要容易地移除和替换第二子组件。

上述系统的一些实施例包括马达箱，所述马达箱包括被构造成向成对的平行的五杆平面联动装置提供运动输入的多个马达。此马达箱可耦合到系统的其他部件，例如，通过使用磁力快速连接-断开型机构来耦合。该系统可使用附加马达和其他机构来有利于不同系统部件的运动。例如，在一个实施例中，附加马达被安装在平台上并且被构造成向RT机构提供运动输入。可使用线缆或带将运动输入提供到RT机构，所述线缆或带与成对的平行的五杆平面联动装置平行地延伸。

根据本发明的其他实施例，铰链接头包括内铰链构件和外铰链构件，所述铰链接头能够在打印构型中被打印并且在部署（deployed）构型中被使用。内铰链构件包括：从动部件，其包括顶部部分和底部部分；以及花键，其围绕从动部件的顶部部分和底部部分被不均匀地间隔开。外铰链构件包括：顶部基部部件，其包括围绕所述顶部基部部件的内部部分分布的第一组沟槽；以及底部基部部件，其包括围绕所述底部基部部件的内部部分分布的第二组沟槽。当处于打印构型或部署构型时，从动部件在顶部基部部件与底部基部部件之间与外铰链构件互连。第一组沟槽和第二组沟槽被间隔开，使得(a)当铰链接头处于打印构型时，花键与沟槽对准，并且(b)当铰链接头处于部署构型时，花键不与沟槽对准。

本发明的附加特征和优点将从参考附图进行的对说明性实施例的以下详细描述变得显而易见。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下详细描述来最好地理解本发明的前述方面和其他方面。出于说明本发明的目的，在附图中示出了当前优选的实施例，然而应理解的是，本发明并不限于所公开的特定手段。在附图中包括以下图：

图1提供了根据一些实施例的3D打印的机器人的概观；

图2A是3D打印的机器人的运动学（kinematics）的示意性表示，如其可在一些实施例中实施的那样；

图2B是用于内窥镜应用的机器人保持器的运动学的示意性表示，如其可在一些实施例中使用的那样；

图3A示出了根据一些实施例的处于打印构型的用于联动装置组件的铰链接头的图示；

图3B示出了根据一些实施例的处于部署构型的用于联动装置组件的铰链接头的图示；

图4A图示了根据一些实施例的在操作期间与插入轴线对准的旋转和平移（RT）机构的第一视图；

图4B图示了根据一些实施例的在操作期间与插入轴线对准的RT机构的第二视图；

图4C图示了根据一些实施例的在操作期间与插入轴线对准的RT机构的第三视图；

图5A示出了根据一些实施例的说明性示例，其中应变仪和惯性传感器被并入到末端执行器的远侧部分中；

图5B示出了当插入轴线不相对于主轴线偏移时建置到末端执行器保持器中的手柄力传感器的说明性示例，如其可在一些实施例中使用的那样；以及

图6提供了根据一些实施例的用于估计致动角度的工作流程，于是使用估计器-校正器回路来估计所述致动角度。

具体实施方式

以下公开内容根据若干实施例描述了本发明，所述实施例涉及与用于在手术期间保持医疗器械的3D打印的机器人有关的方法、系统和设备。在一些实施例中，使用成对的五杆平行联动装置来定位和取向平台，所述平台上安装有旋转和平移机构。在其他实施例中，使用五杆球面联动装置来关于遥远的运动中心定位和取向平台。可优化在上文所描述的实施例中使用的两种设计，使得它们可以用当前的3D打印技术和塑料来制造。这意味着设计必须遵守3D打印的零件的有限负载承受能力、精度和分层制造过程。这些零件的控制架构也是独特的，因为其还必须考虑到通过并入观察到的场景的测量结果以及对附接到五杆机构的平台的取向的部分观察产生的零件精度的局限性。

机器人的传统控制架构假设机构自身是相当准确的并且无游隙（backlash）。因此，接头角度的测量足够获得末端执行器位置和取向的准确估计。另一方面，3D打印的机构具有可能在所生产的不同批次的零件之间变化的不准确性以及在铰链或接头的游隙。本文中所描述的技术通过使用测量末端执行器的观察的部分的嵌入式传感器来克服这一点。附加地，可应用采用来自图像的观察的混合控制，以增强机构链的总体位置精度。

图1提供了根据一些实施例的3D打印的机器人的概观。医疗装置105（例如，超声换能器或手术工具）被保持在末端执行器135中，所述末端执行器继而连接到旋转和平移（RT）机构110。RT机构110连接到两个联动装置组件或“联动装置”120A、120B，所述联动装置有利于通过RT机构110来移动医疗装置105。马达箱115收容一个或多个马达，所述马达调节联动装置120A、120B的定位。被动臂130用于在医疗装置105于医疗应用中的使用期间提供对所述医疗装置的放置的进一步调节。在一些实施例中，机器人可以包括多个子组件。例如，在一个实施例中，子组件可包括：可重复使用的零件的第一子组件，其包括末端执行器135、RT机构110和平台（描述于下文）；以及一次性零件的第二子组件，其包括联动装置120A、120B。在使用多个子组件的情况下，所述多个子组件可经由磁力快速连接-断开型耦合或本领域中众所周知的用于耦合3D零件的任何类似技术而联结。

图2A是3D打印的机器人的运动学的示意性表示，如其可在一些实施例中实施的那样。图2A示出了连结件与枢轴连接件以及两个旋转接头的关系，其被耦合以产生末端执行器沿其轴线的平移和旋转。存在两组连结件和枢轴，从而形成两个平面五杆联动装置机构。第一平面五杆联动装置机构包括连结件215A、215B、215C、215D、215E和枢轴215F（统称为“联动装置A”）。第二平面五杆联动装置机构包括连结件220A、220B、220C、220D、220E和枢轴220F（统称为“联动装置B”）。

联动装置A和联动装置B经由平台205耦合，所述平台能够摇动（即，沿竖直摇动轴线移动）和俯仰（即，沿侧向俯仰轴线移动）。每个五杆联动装置机构的四个接头的成角（标记为θ₁至θ₄）控制该平台205的侧向位置、摇动和俯仰。角度θ₁和θ₂控制枢轴215F在联动装置A中的位置，而角度θ₃和θ₄控制枢轴220F在联动装置B中的位置。从枢轴215F至枢轴220F的向量确定了平台205的摇动和俯仰。联结枢轴215F和枢轴220F的线是主轴线210。

双自由度机构240A、240B附接到该平台205。这些双自由度机构240A、240B耦合在一起，以产生末端执行器沿主轴线210的旋转和平移运动。在这个实施例中，由这些双自由度的轴线给出的插入轴线230平行于插入轴线230并且具有偏移。然而，必须注意到的是，如果不存在偏移或者插入轴线230不平行于主轴线210，机构的运动学不变化。在图2A中，偏移连结件225A和225B分别附接到连结件215A和220A，以使平台205相对于主轴线210偏移。可以产生具有相同运动学的另一机构，其中从枢轴215F和220F的偏移是不同的或甚至为零。从主轴线210向外（outbound）的插入轴线230的放置可有益于允许在不干扰机构的运动的情况下支撑和操纵超声换能器或手术工具。其还可简化换能器或手术工具保持器的安装、移除和消毒结构。

双自由度机构240A、240B产生末端执行器的旋转和平移运动。在一个实施例中，可以将带有齿轮头的两个马达致动器安装在RT机构自身上。这使得机构对于应用于其他设计模块化。在另一实施例中，将带有齿轮头的所有六个马达致动器安装在基部连结件215C和220C上。由于在枢轴215F与棱柱接头（Prismatic Joint）235A和235B之间的间隔可基于平台205的成角而变化，所以沿联动装置B传输动力。这例如通过使用线缆和滑轮系统或者带和链轮系统来实现。后者具有提供无滑移和无游隙自由运动的优点。带系统必须能够适应驱动链轮和从动链轮的非平行轴线。带包括单个芯部，所述芯部具有以一定节距附接到该芯部的齿（cog）。在任一种情况下，均沿连结件并入沟槽以引导线缆或滑轮。在这个实施例中，马达可被安装成平行于另一马达，并且其动力传输是经由联动装置A的连结件215D和215E（或联动装置B的连结件220D和220E）的。第三马达可被安装成平行于第四马达，并且其动力沿联动装置A的连结件215A和215B（或联动装置B的连结件220A和220B）传输。

图2B是用于内窥镜应用的机器人保持器的运动学的示意性表示，如其可在一些实施例中使用的那样。图2B示出了连结件与枢轴连接件（使用图2A中的附图标记）以及双自由度机构240A、240B的关系，其被耦合以产生末端执行器沿插入轴线230的平移和旋转。连结件自身可具有不规则的形状以适应枢轴连接件的放置，并且枢轴可以经过彼此而不会碰撞。只要枢轴连接件的轴线都穿过共同的中心，则联动装置就将起到球面联动装置的功能。换句话说，连结件的末端是一定半径的球体上的最短线（geodesic），并且枢轴是在连结件的端点处的切线。对应于每个连结件的每个球体是同心的，其中心作为球面旋转的遥远的中心。在一些实施例中，这些球体中的每个被设计成具有不同的半径以允许连结件自由地经过而不会彼此碰撞。

机构的运动学中的最后的连结件是双旋转自由度，它们被耦合在一起以产生末端执行器沿由枢轴4和旋转中心给出的轴线的旋转和平移运动。该轴线是机构的主轴线210。由θ₃和θ₄表示的双自由度与主轴线210平行对准。在这个实施例中，在被称为插入轴线230的双自由度的轴线与主轴线210之间不存在偏移。然而，必须注意到的是，如果存在附接到连结件215A抑或215D的另一连结件从而使插入轴线相对于主轴线210偏移，机构的运动学不变化。插入轴线可与主轴线210具有角度偏移，使得附接到连结件215A抑或215D的连结件的中心与对应于该附接的连结件的球体相切。

优选地，插入轴线230相对于主轴线210不具有偏移，以产生能够直接被3D打印而不需要显著组装的紧凑机构。例如，五个球面连结件可以连同枢轴一起作为一件而被直接打印。剩余的双自由度机构被单独地打印并被组装到五杆联动装置机构。不具有偏移的附加益处在于向这些双自由度供应致动动力的手段。在一个实施例中，可以将带有齿轮头的两个马达致动器安装在旋转和平移机构自身上。这使得机构对于应用于其他设计模块化。

图3A和图3B示出了根据一些实施例的用于联动装置组件的铰链接头的图示。更具体地，图3A示出了铰链接头如其可被打印（例如，使用本领域中众所周知的3D打印机）的那样的外部视图、内部侧视图和内部顶视图，而图3B示出了铰链接头如其将被部署的那样的外部视图、内部侧视图和内部顶视图。这个示例示出了任意尺寸的接头，应理解的是，接头的实际尺寸可以被比例缩放（scale）以适应单独的应用和负载能力。关键的设计特征是铰链在一种构型中被打印并且在另一构型中被使用。

铰链接头包括内铰链构件和外铰链构件。内铰链构件包括从动部件305和筒形联结部件310。外铰链构件包括顶部基部部件315、底部基部部件320和筒形联结部件323。从动部件305在顶部基部部件315与底部基部部件320之间与外铰链构件互连。一旦互连，则内铰链构件就能够相对于外铰链构件围绕中心轴线旋转。每个筒形联结部件310、323包括用于在打印期间排出过量3D打印材料的通道（例如，通道340）。这也有助于保持零件的合适的最大厚度以防止热量累积，因此允许零件之间尽可能小的间隙。

如在图3A中所呈现的内部顶视图中所示出，从动部件305具有多个花键（例如，花键325）。如本文中所使用的术语“花键”是指内部零件上的配合到接头的外部零件中的沟槽中的形状（例如，矩形）。这些花键安置于基部部件315和底部基部部件320上的沟槽（例如，沟槽330）中。在沟槽与花键之间存在空隙335，从而围绕铰链的两个零件两者提供间隙（例如，0.5 mm）。

在图3B中所示出的部署构型中，铰链绕其轴线旋转，并且从动部件305上的至少三个或更多个花键与由顶部基部部件315和底部基部部件320提供的接头的外壁接触。在图3B中所示出的示例中，存在五个花键，每个花键形成18°弧。这些花键围绕从动部件305被不均匀地间隔开。同样地，顶部基部部件315和底部基部部件320各自具有五个匹配的沟槽，这些沟槽在打印构型中与内部零件花键对齐。从动部件305可以完成一定数量度数的旋转（例如，110度）同时保持三个花键的接触。这在本文中被称为“接头运动的可部署范围”。可注意到的是，对于五杆机构的每个接头，可以变化内部花键弧的尺寸、花键的数量和位置，使得在所有接头处于打印构型中的情况下打印整个机构。当机构被组装并处于其默认位置中时，花键位于其可部署范围的中心。

图4A、图4B和图4C图示了根据一些实施例的在操作期间与插入轴线对准的RT机构的视图。该机构包括一小组部件（在图中详细示出），这些部件本身主要是平面状的，除了花键螺杆之外。也就是说，与它们的侧向尺寸相比，它们的厚度是小的。这是需要的，使得能够利用现有技术来3D打印这些部件，而不损害机构的精度或功能。两个支撑板由垫片分离。对于在RT机构中并入致动器的实施例，驱动齿轮与驱动衬套和驱动螺母耦合。沿相反方向转动驱动衬套和驱动螺母引起花键螺杆绕其轴线旋转。沿同一方向转动驱动螺母和驱动衬套引起花键螺杆沿其轴线平移。对于经由线缆或带系统向RT机构提供动力的实施例，驱动螺母和驱动衬套直接连接到线缆或带。驱动螺母和驱动衬套上的齿轮齿替换为线缆沟槽或链轮齿，以与相应的动力传动机构配合。可使用由合适的聚合物（诸如，聚四氟乙烯或乙烯四氟乙烯）制成的抗摩擦衬套来在低速度和扭矩下提供低摩擦系数，其使驱动螺母和驱动衬套与顶板和底板分离。替代性地，可在3D打印之后用抗摩擦聚合物涂布顶板和底板的与驱动衬套和驱动螺母接触的区段。

当前现有技术水平的3D打印技术产生精度有限的零件，所述精度通常为大约0.3mm，所述3D打印技术诸如光固化成型（SLA）或选择性激光烧结（SLS）。因此，在马达侧处的致动角度的测量将导致确定末端执行器位置的低精度。为了补救这一点，可将应变仪515和惯性传感器520并入到末端执行器505的远侧部分中，如图5A中所示出。然后，使用如图6中所图示的估计器-校正器回路（描述于下文）来估计致动角度。

图5B示出了当插入轴线不相对于主轴线偏移时被建置到末端执行器保持器中的手柄力传感器的说明性示例。许多窗口525或“应变集中器”被建造在这个保持器中，以将应力集中在桥接部上并使用相同的应变仪530进行测量。使用耦合部535将保持器耦合到RT机构。在一些实施例中，使用冗余数量（> 6）的应变仪。这样的冗余改进了精度以及随温度的稳定性。如果是来自数量为S的单独的应变仪的电压读数，则末端执行器力旋量（wrench）由下式给出：

其中是在第一次使用机构之前被预定的标定矩阵。

在一些实施例中，应变仪连同惯性传感器一起连接到被收容在RT机构中的电路板。电压读数被数字化到该电路板中的微型计算机中，并被转换成末端执行器力旋量。这些值连同惯性传感器读数一起经由无线接口被通信到控制器。相比于传统机器人机构中使用的布线（cabling）来说，低功率无线接口是优选的，因为这引起零件的更简单的设计，该更简单的设计能够在不需要个体化组装的情况下制造。与传统机器人机构不同，本文中所公开的机构不需要包括用于布线的通道以减小设计的尺寸和复杂性。例如，在安装用于RT机构的致动器的实施例中，用于这两个马达的驱动电子设备也被收容在机构自身中。这些驱动电子设备能够经由无线接口与主控制器通信。

经由协同控制来手动地驱动保持手术器械的机器人的是期望的。本领域技术人员通常理解在笛卡尔空间中使用用户力来控制机器人，并且这些技术能够被修改和用新的特征进行补充以进一步支持本文所讨论的机构。

例如，一些常规技术将换算（scaling）应用于经由附接到末端执行器的力传感器所获得的力输入，以确定机器人在笛卡尔空间中的速度。在本发明的一些实施例中，这样的简化的控制也许是不可能的，因为在不同的致动轴线和末端执行器的所得到的运动之间存在耦合。此外，图2A中的枢轴215F和220F的位置与马达的成角m _i（i = 1, 2 ... 4）之间的这种耦合是非线性的。为了桥接该间隙（弥补该差距），可利用中间接头空间，所述中间接头空间将致动空间中的马达成角与平台的位置和取向以及RT机构的旋转和平移联系起来。接头空间具有六个自由度，并且由下式给出：

其中d₁和d₂是枢轴220F的位置。

在等式2中，角度α₁和α₂是平台相对于地平面的取向。角度α₃和距离d₃是RT机构绕其轴线的滚动和平移。因此，作为此接头空间向量q的函数，末端执行器的变换可以写为：

其中是4 x 4齐次变换矩阵，其中旋转为，且平移为。单位矩阵是I，并且是绕轴线旋转角度的旋转矩阵。枢轴220F的位置是马达角度3和4以及连结件长度向量（即，图2A中所示出的联动装置B中的连结件的长度）的函数。枢轴215F的位置p_4b是马达角度1和2以及连结件长度向量L_a（即，图2A中所示出的联动装置B中的连结件的长度）的函数。在不失一般性的情况下，我们应假设L_a= L_b=L。因此：

并且

因此，d₁、d₂、α₁、α₂与致动角度之间的关系由下式给出：

其中是点的x坐标和y坐标。α₃、d₃与致动角度m₅、m₆之间的关系取决于螺杆的节距由耦合矩阵A给出为：

等式3至8一起提供了非线性向量值函数F_mq，其将致动空间与接头空间联系起来。取该向量值函数的导数产生了雅可比矩阵J_mq，其将接头速度与致动器速度联系起来。这可以写为：

其中。

接头速度和笛卡尔速度之间的关系可以从等式（3）的导数导出。已经确立这种关系桥接所述间隙，以使得能够基于控制致动速度来实现对机器人的协同控制，控制致动速度是基于所测量的传感器读数来实现的。即：

其中τ是手柄处的所测量的力旋量（力/扭矩），是比例项（scaling term），并且是矩阵的摩尔彭若斯广义逆。在一些实施例中，可使用广义逆以确保即使在矩阵J_qxJ_mq的奇点附近致动速度也保持稳定。为了锁定笛卡尔空间中的特定自由度，可将τ指派为零或将k中的元素设定为零。当用户已经指定锁定系统时，可触发这两者。

本发明的一些实施例采用机器人的基于图像的约束控制作为用于实现机器人保持器的期望行为的技术。机器人的约束控制可写成如下：

其中g_i和c_j是将笛卡尔运动与接头运动联系起来的函数。相同的记号可适于将控制扩展到图像导出的（image derived）控制。具体地，可将图像雅可比矩阵的概念应用于约束控制。应注意到的是，图像雅可比矩阵是在本领域中众所周知的；然而，在常规方法中，用于控制器的设定点也在图像空间中被设定。利用本文中所描述的技术，图像空间与笛卡尔空间约束两者都应用于基于导出的约束来限制特定方向上的运动。剩余的不受限制的图像或笛卡尔空间由期望的输入控制，其通常使得超声探头能够在不受限制的空间中柔顺（compliance）。

如果f是图像空间中的一组观察到的特征，其包括整个图像的向量化，则是图像特征的变化率的对应向量。于是，图像雅可比矩阵是从x_k（附接到机器人的任何任意坐标系的笛卡尔姿态（pose））的切空间到特征的切空间的线性映射，即。如果我们将机械手（manipulator）雅可比矩阵应用于这个等式，则：

提供第k个坐标系的笛卡尔姿态与致动空间的变化率之间的线性化关系。使用这个图像雅可比矩阵，针对等式13的公式可以写为：

其中J_k,、J_t、J_i和J_j分别是坐标系k、t、i和j的机械手雅可比矩阵。J_I是图像雅可比矩阵。坐标系k、t、i和j的笛卡尔速度分别由、、、给出。上标d和o分别指向手柄坐标系i的期望速度和针对坐标系j需要满足的目标。在上文的公式中，除了换能器手柄的期望运动之外，还存在P个基于任务的约束、M个基于图像的约束和N个要满足的目标。显然，可以分别添加松弛变量s_I和s_t来放松约束和通过参数α和β来控制松弛程度。范数算子可以是L1、L2或L2范数平方或其组合中的任一者。

在常规系统中，约束被公式化为线性约束抑或非线性约束。例如，在一些常规技术中，非线性约束由可行的序列二次规划来求解，其将使非线性约束局部地转换成一系列迭代二次规划，同时确保解始终保持在可行集中。然而，作为这种技术的替代，本发明的各种实施例直接求解二阶锥规划（SOCP）。目标可以是L1、L2或L2范数平方的任何凸形式（convexshape）。由于每者的最小值相同，因此一者可以充当另一者的替代物。有可能利用类似于嵌入式圆锥求解器（ECOS）的算法以机器人控制所需要的速率（例如，近似10 ms）来求解这个问题，该算法将内点法用于SOCP。这种差异导致在速度与精度之间不进行折衷，因为没有对约束进行线性化。在较早的常规方法中，必须在速度（线性约束方法）和精度（非线性约束）之间进行折衷。

图6提供了根据一些实施例的用于估计致动角度的工作流程，所述致动角度于是使用估计器-校正器回路被估计。平台645直接地或间接地耦合到外部成像装置650。使用所测量的编码器角度605来确定预测的平台取向615。将此预测的平台取向615与所测量的角度635（使用平台645上的惯性传感器所测量）组合以产生投影620，投影620表示角度到致动空间中的投影。从外部成像器650获取场景的观察640，并将该观察投影到致动空间中以产生投影625。使用所测量的编码器角度605和两个投影620、625，确定校正的致动角度610，所述校正的致动角度继而用于确定正向运动学630。

虽然本文中已经公开了各种方面和实施例，但是其他方面和实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。本文中所公开的各种方面和实施例是出于说明的目的并且不旨在为限制性的，其中真正的范围和精神由以下权利要求来指示。

图中的系统和过程非为排他性的。可根据本发明的原理导出其他系统、过程和选单以实现相同的目的。尽管已经参考特定实施例描述了本发明，但是应理解的是，本文中所示出和描述的实施例和变化仅用于说明目的。在不脱离本发明的范围的情况下，可由本领域技术人员实施对当前设计的修改。如本文中所描述，可以使用硬件部件、软件部件和/或其组合来实施各种系统、子系统、代理、管理器和过程。除非使用短语“用于……的手段”来明确地叙述本文中的权利要求要素，否则不应根据35 U.S.C. 112第6段的规定来解释本文的权利要求要素。

Claims

1.一种用于在手术期间保持和控制医疗器械的系统，所述系统包括：

末端执行器，所述末端执行器被构造成保持医疗器械；

旋转和平移（RT）机构，所述旋转和平移机构被构造成沿插入轴线使所述医疗器械平移和旋转；

平台，所述平台耦合到所述RT机构；以及

成对的平行的五杆平面联动装置，所述五杆平面联动装置被构造成相对于平行于所述插入轴线的主轴线使所述平台平移、俯仰和摇动。

2.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：

惯性传感器，所述惯性传感器嵌入在所述平台或所述末端执行器中；以及

一组应变仪，所述应变仪安装在所述末端执行器与所述RT机构之间的耦合部上，

其中，基于经由所述应变仪接收的用户输入和经由所述惯性传感器接收的测量结果中的一者或多者来控制所述系统。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，使用增材制造技术来制造所述末端执行器、所述RT机构、所述平台和所述成对的平行的五杆平面联动装置。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，使用增材制造技术制造的所述末端执行器、所述RT机构、所述平台和所述成对的平行的五杆平面联动装置被分组为两个子组件，所述子组件包括：

可重复使用的零件的第一子组件，所述第一子组件包括所述末端执行器、所述RT机构和所述平台；以及

一次性零件的第二子组件，所述第二子组件包括所述成对的平行的五杆平面联动装置；

其中，所述第一子组件和所述第二子组件经由磁力快速连接-断开型耦合而联结。

5.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：

马达箱，所述马达箱包括多个马达，所述多个马达被构造成向所述成对的平行的五杆平面联动装置提供运动输入；以及

一个或多个附加马达，所述附加马达被安装在所述平台上并且被构造成向所述RT机构提供运动输入。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，使用磁力快速连接-断开型机构将所述马达箱耦合到所述系统的一个或多个其他部件。

7.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：

马达箱，所述马达箱包括多个马达，所述多个马达被构造成向所述成对的平行的五杆平面联动装置提供运动输入，

其中，使用线缆或带将运动输入提供到所述RT机构，所述线缆或带与所述成对的平行的五杆平面联动装置平行地延伸。

8.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：

外部成像器，所述外部成像器被构造成在所述手术期间获取一个或多个图像，

其中，至少部分地使用所述一个或多个图像来控制所述系统。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述平面五杆联动装置中的每者包括多个铰链接头，并且其中，每个铰链接头包括：

内铰链构件，所述内铰链构件包括：

从动部件，所述从动部件包括顶部部分和底部部分；以及

多个花键，所述多个花键围绕所述从动部件的所述顶部部分和所述底部部分被不均匀地间隔开；

外铰链构件，所述外铰链构件包括：

顶部基部部件，所述顶部基部部件包括围绕所述顶部基部部件的内部部分分布的第一组沟槽；以及

底部基部部件，所述底部基部部件包括围绕所述底部基部部件的内部部分分布的第二组沟槽；并且

其中，当处于打印构型或部署构型时，所述从动部件在所述顶部基部部件与所述底部基部部件之间与所述外铰链构件互连，并且

其中，所述第一组沟槽和所述第二组沟槽被间隔开，使得(a)当所述铰链接头处于所述打印构型时，所述花键与所述沟槽对准，并且(b)当所述铰链接头处于所述部署构型时，所述花键不与所述沟槽对准。

10.一种用于在手术期间保持和控制医疗器械的系统，所述系统包括：

3D打印的部件的第一组件，所述第一组件包括：

末端执行器，所述末端执行器被构造成保持医疗器械；

旋转和平移（RT）机构，所述旋转和平移机构被构造成沿插入轴线使所述医疗器械旋转和平移；

平台，所述平台耦合到所述RT机构；以及

3D打印的部件的第二组件，所述第二组件包括成对的平行的五杆联动装置，所述五杆联动装置被构造成相对于平行于所述插入轴线的主轴线使所述平台平移、俯仰和摇动，

其中，使用磁力快速连接-断开型机构将所述第一组件耦合到所述第二组件。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，每个五杆联动装置是平面联动装置。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，每个五杆联动装置是球面联动装置。

13.根据权利要求10所述的系统，其中，每个五杆联动装置包括多个连结件和多个铰链接头，所述铰链接头能够在打印构型中被打印为单个单元并且在部署构型中被用作所述单个单元。

14.一种能够在打印构型中被3D打印并且在部署构型中被使用的铰链接头，所述铰链接头包括：

内铰链构件，所述内铰链构件包括：

从动部件，所述从动部件包括顶部部分和底部部分；以及

外铰链构件，所述外铰链构件包括：

其中，当处于所述打印构型或所述部署构型时，所述从动部件在所述顶部基部部件与所述底部基部部件之间与所述外铰链构件互连，并且

15.根据权利要求14所述的铰链接头，其中，所述内铰链构件包括用于在所述铰链接头的打印期间排出过量材料的通道。

16.根据权利要求15所述的铰链接头，其中，所述内铰链构件进一步包括连接到所述从动部件的筒形联结部件。

17.根据权利要求16所述的铰链接头，其中，所述筒形联结部件包括用于在打印期间排出过量材料的所述通道。

18.根据权利要求14所述的铰链接头，其中，所述外铰链构件包括用于在所述铰链接头的打印期间排出过量材料的通道。

19.根据权利要求18所述的铰链接头，其中，所述外铰链构件进一步包括连接所述顶部基部部件与所述底部基部部件的筒形联结部件。

20.根据权利要求19所述的铰链接头，其中，所述筒形联结部件包括用于在打印期间排出过量材料的所述通道。