CN111263686A - 用于控制机器人手腕的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于控制手术机器人工具的系统，该手术机器人工具具有由致动器通过拮抗缆线驱动的末端执行器。控制系统可以包括位置控制器和抓握力控制器。位置控制器可以配置为接收输入信号以控制末端执行器的位置并生成第一命令以驱动致动器来移动末端执行器。抓握力控制器可以配置为接收另一输入，以控制由末端执行器的钳夹施加的力并生成第二命令。可以组合第一命令和第二命令以生成复合命令，其被提供给致动器以驱动末端执行器的运动。松弛控制器可以生成第三电流或位置命令，以防止缆线松弛。

Description

用于控制机器人手腕的系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及机器人和控制系统，更具体地涉及用于控制机器人手术工具的末端执行器的位置和抓握力的系统和方法。

背景技术

微创手术(MIS)比如腹腔镜手术涉及旨在减少手术过程中组织损伤的技术。例如，腹腔镜手术通常涉及在患者(例如腹部)中创建多个小切口，并且通过这些切口将一个或多个手术工具(例如末端执行器和内窥镜)引入患者中。然后可以使用引入的手术工具通过内窥镜提供的可视化辅助来执行手术过程。

通常，MIS提供多种好处，比如减少患者疤痕，减轻患者痛苦，缩短患者康复期以及降低与患者康复相关的医疗费用。最近的技术发展允许用机器人系统执行更多的MIS，该机器人系统包括一个或多个机器人臂，用于根据来自远程操作者的命令来操纵手术工具。例如，机器人臂可以在其远端支撑各种设备，比如手术末端执行器、成像设备、用于提供进入患者体腔和器官的套管等。在机器人MIS系统中，可能需要建立并保持由机器人臂支撑的手术器械的高位置精度。

支持机器人臂的新型手术器械可能具有相似的设计，例如一种工具可能具有末端执行器，该末端执行器包括机器人手腕和一个或多个钳夹，以及皮带轮和缆线系统，用于将末端执行器联接至工具驱动器中的执行器，工具驱动器可以驱动末端执行器的多轴运动(例如俯仰和偏航)。末端执行器可包括一个以上钳夹，它们通过拮抗缆线致动以执行抓紧、切割、缝合以及其他手术任务。在将机器人手腕精确地移动到任何角度位置的同时，控制钳夹之间的抓握力的能力是机器人手术器械可用性的基本要求。当前，尚无已知的方法可以用四电线拮抗机器人手腕来实现此。

发明内容

通常，在一些变型中，一种用于在机器人手术期间控制机器人手术工具的系统和方法，所述机器人手术工具在远端具有末端执行器。末端执行器可以具有机器人手腕和相对彼此枢转的联接至机器人手腕的两个构件，每个构件通过在张紧时施加力的一对拮抗缆线而被机器人操纵。该系统接收用于末端执行器的期望状态的输入并且基于期望状态为末端执行器的每个构件计算一对拮抗缆线的位移。系统接下来基于所计算的位移生成用于驱动机器人手腕和末端执行器构件的第一命令。系统然后确定期望状态是否包括两个末端执行器构件之间的期望抓握力。响应于期望抓握力的确定，系统基于期望抓握力和两个末端执行器构件之间的当前抓握力来生成用于张紧用于末端执行器的构件的一对拮抗缆线中的至少一个的第二命令。系统还基于第一命令和/或第二命令驱动末端执行器以实现期望状态。

在一些变型中，期望状态包括机器人手腕的期望俯仰角、末端执行器的期望偏航角以及末端执行器的两个相对构件之间的期望钳夹角中的至少一个，其中确定期望状态是否包括期望抓握力包括将期望钳夹角与阈值进行比较。阈值是当抓紧物体时或当不抓紧任何物体而彼此接触时末端执行器的两个相对构件之间的接触钳夹角，其中接触钳夹角是基于两个相对构件之间的当前抓握力的估计和当前钳夹角的估计来确定的。基于在一对拮抗缆线上的当前张紧力的测量来估计两个末端执行器构件之间的当前抓握力。

在一些变型中，一对拮抗缆线中的每个被至少一个致动器张紧并且计算位移包括：测量至少一个致动器的当前位置和/或速度以及一对拮抗缆线上的当前张紧力；以及基于所述测量，估计机器人手腕的俯仰角、末端执行器的偏航角、末端执行器的两个相对构件之间的钳夹角以及当前抓握力中的至少一个的当前状态。系统还可以基于第一命令和第二命令生成复合命令以驱动至少一个致动器。系统还可以监测一对拮抗缆线上的张紧力；以及在一对拮抗缆线中的每个上保持预定的最小张紧力，以防止缆线松弛。

通常，在一些变型中，手术机器人系统包括机器人手术工具，其在远端包括末端执行器。末端执行器包括两个相对钳夹，每个由至少一个致动器通过在被致动器张紧时施加力的一对拮抗缆线操纵。该系统还包括控制器，其具有联接至机器人手术工具的一个或多个处理器。该系统从输入模块接收用于实现末端执行器的期望状态的命令。工具的期望状态可以包括末端执行器的俯仰角和偏航角以及两个钳夹之间的钳夹角中的至少一个。系统然后基于俯仰角和偏航角确定末端执行器的期望位置，并基于钳夹角确定两个钳夹之间的期望抓握力。基于期望位置和期望抓握力，控制器驱动至少一个致动器以实现末端执行器的期望状态。

通常，在一些变型中，一种用于示例机器人手术工具控制系统的系统包括具有末端执行器的手术工具，该末端执行器具有两个抓握构件，每个抓握构件通过当单独张紧时实现每个抓握构件的相对枢转的一对拮抗缆线而被机器人操纵。工具控制系统还包括一个或多个处理器以及联接到处理器的输入。系统接收末端执行器的两个抓握构件之间的输入钳夹角。系统然后确定所接收的输入钳夹角是否指示两个抓握构件之间的期望力。响应于确定输入钳夹角指示期望抓握力，系统基于期望抓握力与估计的当前抓握力之间的差来生成用于张紧用于每个抓握构件的一对拮抗缆线中的至少一个的命令。然后可以张紧一对拮抗缆线中的至少一个来实现期望抓握力。否则，如果确定所接收的输入指示期望钳夹角，则系统确定用于末端执行器的每个抓握构件的一对拮抗缆线的位移，并且经由一对拮抗缆线驱动末端执行器，以基于所确定的位移实现期望钳夹角。

本文描述了用于控制机器人手术工具的位置和抓握力的系统和方法的其他变型。

附图说明

图1是示出根据本主题技术各方面的具有手术机器人系统的示例手术室环境的图。

图2是示出根据本主题技术各方面的机器人臂、工具驱动器和装载有机器人手术工具的套管的一种示例性设计的示意图。

图3A和3B是示出根据本主题技术各方面的分别具有和不具有相邻的装载工具的示例性工具驱动器的示意图。

图4A和4B是示出根据本主题技术各方面的示例性抓紧器的末端执行器的示意图，该抓紧器具有机器人手腕、一对相对钳夹以及用于将机器人手腕和该对钳夹联接至工具驱动器的致动器的皮带轮和缆线系统。

图5A和5B是示出根据本主题技术各方面的用于控制机器人手术工具的末端执行器的位置和抓握力的示例性控制系统的框图。

图6是示出根据本主题技术各方面的机器人手术工具控制系统的示例性输入处理模块的框图。

图7是示出根据本主题技术各方面的机器人手术工具控制系统的示例性抓握控制器模块的框图。

图8A和8B是示出根据本主题技术各方面的用于控制机器人手术工具的末端执行器的位置和抓握力的示例性控制系统的详细框图。

图9是示出根据本主题技术各方面的用于控制具有带有两个相对构件的末端执行器的机器人手术工具的示例过程的流程图。

图10是示出根据本主题技术各方面的用于控制具有带有两个相对构件的末端执行器的机器人手术工具的另一示例过程的流程图。

图11是示出根据本主题技术各方面的用于控制具有带有两个抓握构件的末端执行器的机器人手术工具的另一示例过程的流程图。

具体实施方式

在此描述并在附图中示出了本发明的各个方面和变型的示例。以下描述并非旨在将本发明限制为这些实施例，而是使本领域技术人员能够制造和使用本发明。

概述

公开了一种用于控制手术机器人臂的末端执行器的角度位置和抓握力的系统和方法。包括机器人手腕和一个或多个钳夹的末端执行器可以通过金属缆线或电线联接到致动器。电线可以例如以电线对工作，其中拉动一根电线在电线对的另一根电线上施加相反力，因此机器人手腕可以是拮抗机器人手腕。控制算法可以使用来自致动器的位置和速度反馈以及来自四根电线上测力传感器的力反馈。致动器控制器可以在位置加电流前馈模式下运行。前馈电流可以由抓握力控制器提供。抓握力控制器可以使用四根电线的力来确定抓握力，并且抓握力控制器可以调制向电动机的附加电流以实现期望抓握力。应用的手术机器人器械包括抓紧器、镊子、剪刀、针驱动器、牵开器、钳子和烧灼器械等。

图1是示出根据本主题技术各方面的具有手术机器人系统100的示例手术室环境的图。如图1所示，手术机器人系统100包括外科医生控制台120、控制塔130以及位于手术机器人平台110(例如桌子或床等)上的一个或多个手术机器人臂112，其中具有末端执行器的手术工具附接到机器人臂112的远端以执行手术程序。机器人臂112被示为台式系统，但在其他构造中，机器人臂可以安装在推车、天花板或侧壁或者其他合适的支撑表面中。

通常，用户比如外科医生或其他操作者可以使用用户控制台120来远程操纵机器人臂112和/或手术器械(例如遥控操作)。如图1所示，用户控制台120可以位于与机器人系统100相同的手术室中。在其他环境中，用户控制台120可以位于相邻或附近的房间中，或者可以从不同建筑物、城市或国家中的远程位置遥控操作。用户控制台120可以包括座椅122、脚操作控件124、一个或多个手持式用户界面设备126以及至少一个用户显示器128，其配置为显示例如患者体内的手术部位的视图。如示例性用户控制台120中所示，位于座椅122中并查看用户显示器128的外科医生可以操纵脚操作控件124和/或手持式用户界面设备126以远程控制机器人臂112和/或安装在臂远端的手术器械。

在一些变型中，用户还可以在“床上方”(OTB)模式下操作手术机器人系统100，在该模式下，用户在患者侧并且同时操纵附接至其的机器人驱动的工具/末端执行器(例如用一只手握住手持式用户界面设备126)和手动腹腔镜工具。例如，用户的左手可能正在操纵手持式用户界面设备126以控制机器人手术部件，而用户的右手可能正在操纵手动腹腔镜工具。因此，在这些变型中，用户可以对患者执行机器人辅助的MIS和手动腹腔镜手术。

在示例性程序或手术期间，以无菌方式对患者进行准备和披巾以实现麻醉。可以机器人系统100处于收起配置或缩回配置来手动执行对手术部位的初始访问，以便于访问手术部位。一旦访问完成，就可以执行机器人系统的初始定位和/或准备。在该程序期间，用户控制台120中的外科医生可以利用脚操作控件124和/或用户界面设备122来操纵各种末端执行器和/或成像系统以执行手术。无菌操作人员也可以在手术台上提供手动协助，该人员可以执行包括但不限于撤回组织或执行涉及一个或多个机器人臂112的手动重新定位或工具更换的任务。非无菌人员也可以在用户控制台120处协助医生。当该程序或手术完成时，机器人系统100和/或用户控制台120可以配置或设定为便于一个或多个术后程序的状态，包括但不限于机器人系统100清洁和/或消毒和/或医疗记录输入或打印输出，无论是电子版还是硬拷贝，比如通过用户控制台120。

在一些方面，机器人平台110与用户控制台120之间的通信可以通过控制塔130，其可以将来自用户控制台120的用户命令转换为机器人控制命令并传输到机器人平台110。控制塔130还可以将状态和反馈从机器人平台110发送回用户控制台120。机器人平台110、用户控制台120和控制塔130之间的连接可以经由有线和/或无线连接，并且可以是专有的和/或使用各种数据通信协议中的任何一种来执行。任何有线连接都可以任选地内置在手术室的地板和/或墙壁或天花板中。手术机器人系统100可以将视频输出提供给一个或多个显示器，包括手术室内的显示器以及可通过互联网或其他网络访问的远程显示器。视频输出或供给也可被加密以确保隐私，并且视频输出的全部或部分可以保存到服务器或电子医疗记录系统。

图2是示出根据本主题技术各方面的机器人臂、工具驱动器和装载有机器人手术工具的套管的一种示例性设计的示意图。如图2所示，示例手术机器人臂112可以包括多个连杆(例如连杆202)和用于相对于彼此致动多个连杆的多个致动的关节模块(例如关节204)。关节模块可以包括各种类型，比如俯仰关节或侧倾关节，其可以实质上限制相邻连杆绕某些轴线相对于其他轴线的运动。在图2的示例性设计中还示出了附接至机器人臂112的远端的工具驱动器210。工具驱动器210可包括联接到其端部以接收并引导手术器械220(例如内窥镜、吻合器等)的套管214。手术器械(或“工具”)220可在工具的远端处包括末端执行器222。机器人臂112的多个关节模块可被致动成定位和定向工具驱动器210，从而致动末端执行器222以进行机器人手术。

工具驱动器和工具

图3A和3B是示出根据本主题技术各方面的分别具有和不具有相邻的装载工具的示例性工具驱动器的示意图。如图3A和3B所示，在一变型中，工具驱动器210可以包括具有纵向轨道312的细长基座(或“平台”)310和与纵向轨道312滑动地接合的工具托架320。平台310可以配置成联接到机器人臂的远端，从而机器人臂的关节在空间中定位和/或定向工具驱动器210。另外，工具托架320可以配置成接收工具220的工具基座352，其还可以包括从工具基座352延伸并且穿过套管214延伸的工具轴354，其中在远端设置有末端执行器222(未示出)。

另外，工具托架320可以致动末端执行器的一组关节运动，比如通过由致动的驱动器操纵和控制的缆线系统或电线(在整个本申请中术语“缆线”和“电线”可互换使用)。工具托架320可包括致动的驱动器的不同配置。例如，旋转轴驱动器可包括具有空心转子和至少部分地设置在空心转子内的行星齿轮传动装置的电动机。多个旋转轴驱动器可以任何合适的方式布置。例如，工具托架320可以包括布置成两排的沿基座纵向延伸的六个旋转驱动器322A-322F，其稍微错开以减小托架的宽度并增加工具驱动器的紧凑性。如图3B清楚地所示，旋转驱动器322A、322B和322C可以大致布置在第一排，而旋转驱动器322D、322E和322F可以大致布置在第二排中，第二排相对于第一排稍微纵向偏移。

图4A和4B是示出根据本主题技术各方面的示例性抓紧器220的末端执行器的示意图，该抓紧器具有机器人手腕、一对相对钳夹以及用于将机器人手腕和该对钳夹联接至工具驱动器的致动器的皮带轮和缆线系统。注意，尽管参考示例性手术机器人抓紧器描述了以下工具模型和控制器设计，但所提出的用于位置和抓握力控制的控制系统可以适用于包括通过机器人手腕联接至工具轴的末端执行器的任何工具，从而允许末端执行器的多轴运动(例如俯仰和偏航)。类似的工具包括但不限于抓紧器、抓具、钳子、针驱动器、牵开器和烧灼器械。

如图4A所示，一对相对钳夹401A和401B沿着第一轴线410经由延伸轴412可移动地联接至机器人手腕的第一轭402。第一轭402可以沿着第二轴线420经由第二延伸轴412可移动地联接至机器人腕的第二轭403。一对钳夹401A和401B可分别经由延伸轴412与皮带轮415A和415B联接或一体地形成，从而两个钳夹可绕轴线410旋转。皮带轮425A、425B、425C和425D联接到延伸轴422并绕轴线420旋转。皮带轮425A、425B、425C和425D在轭402和一侧布置成第一组皮带轮425B和425C，在轭402的另一侧布置成第二组皮带轮425A和425D。皮带轮425A和425C是外皮带轮，而皮带轮425B和425D是内皮带轮。类似地，第三组皮带轮435A、435B、435C和435D联接到第三延伸轴432，并绕平行于轴线420的轴线430旋转。

可以致动抓紧器220以使钳夹401A和401B中的一个或两个以多种方式绕轴线410移动。例如，钳夹401A和401B可以相对于彼此打开和闭合。钳夹401A和401B也可被致动以成对一起旋转来提供抓紧器220的偏航运动。另外，第一轭402、皮带轮415A和415B以及钳夹401A和401B可以绕轴线420旋转以提供抓紧器220的俯仰运动。机器人手腕和/或工具的钳夹的这些运动可通过控制四个独立的缆线405A-405D来实现。如图4A所示，缆线405A可以从皮带轮415A的一侧开始(或终止)并且沿着皮带轮425A和435A行进，并且缆线405B配置成终止在皮带轮415A的另一侧并且通过皮带轮425B和435B行进。类似地，另一对缆线405C和405D可以联接到钳夹401B。例如，缆线405C从皮带轮415B的一侧延伸到皮带轮425C和435C；缆线405D通过皮带轮425D和435D行进并终止于皮带轮415B的另一侧。第三组皮带轮435A、435B、435C和435D布置成保持缆线405A-405D附接到第二组皮带轮425A-425D并且防止缆线相对于皮带轮425A-425D滑移或滑动。

通过四个独立的缆线控制抓紧器220的运动具有多个优点。一个优点可以是与使用六个缆线(或具有六个缆线末端的三个缆线环)的典型市售设计相比，减少了从工具基座352延伸到机器人手腕的缆线数量。较少数量的缆线可以减少工具尺寸以及手腕组件的复杂性，这可能有利于微创手术程序或非手术应用。此外，布置四个独立的缆线而不是两个或三个缆线环不仅可以独立控制每个缆线上的张力而无需预张紧缆线，而且还能够实现手腕关节的顺应性变化并提高对外部负载的敏感性。另外，可以独立地重新调整每个缆线上的张力，这可以进一步提高工具性能。

如图4A和4B所示，抓紧器220可被致动成通过将运动施加到皮带轮415A、415B、425A、425B、425C和425D中的一个或多个来以各种方式移动钳夹401A和401B，比如抓紧(例如钳夹绕轴线410独立地旋转)、偏航(例如钳夹绕轴线410一起旋转)以及俯仰(例如钳夹绕轴线420旋转)，从而在第一轭402和/或一个或两个钳夹401A和401B上施加运动。缆线405A-405D可被分组成两个拮抗对，即，当拮抗对中的一个缆线被致动或张紧时，同时另一个缆线松开，钳夹将沿一个方向旋转。而当仅另一个缆线张紧时，钳夹将沿相反方向旋转。

例如，缆线405A和405B是用于移动钳夹401A的第一拮抗对，而缆线405C和405D是用于控制钳夹401B的第二拮抗对。当缆线405A张紧时(例如通过旋转驱动器322a-322f中的至少一个)，同时缆线405B松开，钳夹401A闭合(朝向相对钳夹401B移动)。另一方面，当缆线405B张紧且缆线405A松开时，钳夹401A打开(远离相对钳爪401B移动)。类似地，当张紧时，缆线405C闭合钳夹401B(朝向相对钳夹401A移动)，而缆线405D打开钳夹401B(远离相对钳夹401A移动)，而另一缆线松开。作为另一示例，可以通过在钳夹闭合(彼此接触)之后继续张紧缆线405A和缆线405C(同时缆线405B和缆线405D松开)来实现钳夹401A和钳夹401B之间的抓握力。

在拮抗对的两个缆线张紧的同时另一对的两个缆线松开的情况下，皮带轮415A或皮带轮415B不旋转。相反，第一轭402与钳夹401A和401B一起由皮带轮415A和415B施加以绕轴线420俯仰。例如，当一对缆线405A和405B同时张紧时，同时一对缆线405C和405D松开，钳夹(与轭402一起)从纸平面俯仰出来。而当两个缆线405C和405D同时张紧且对405A和405B保持松开时，钳夹俯仰到纸平面中。

图4B是示出根据本主题技术各方面的用于抓紧器220的各种运动的示例角度定义的示意图。角度是参照轴线410和420以及第一轭402的轴线452和第二轭403的轴线453定义的。例如，如图4B所示，轴线452与轴线453之间的角度(θ₁)可以表示轭402绕轴线420的旋转角度，其也可被定义为抓紧器220的俯仰角(θ_pitch)(而在图4A中，轭402的轴线452叠置在轭403的轴线453上，因为钳夹保持在基准位置，即没有俯仰运动)。另外，角度(θ₂)和(θ₃)可分别表示每个钳夹401A和401B与轭402(作为原点)的轴线452之间的角度。为了区分轴线452的侧面，角度(θ₂)和(θ₃)可以取不同的符号。例如，如图4B所示，角度(θ₂)为负，而角度(θ₃)为正。

为了执行控制任务，为关节角度定义一致的坐标系通常是有益的。例如，可以进一步将钳夹角(θ_jaw)定义为两个钳夹401A和401B之间的角度，并且将偏航角(θ_yaw)定义为轴线452与将钳夹角等分的直线之间的角度。因此，具有以下等式：

图4B中的角度之间的变换和新定义的角度如下：

此外，可以为皮带轮几何建立以下命名法：

a)r₁₁分别是缆线405A和405C所在的外皮带轮425A和425C的半径；

b)r₁₂分别是缆线405B和405D所在的内皮带轮425B和425D的半径(r₁₁可以等于或可以不等于r₁₂)；

c)r₂₁是缆线405A所在的侧上的皮带轮415A的半径(参考如图4A所示的皮带轮415A和轴412的中心)；

d)r₂₂是缆线405B所在的侧上的皮带轮415A的半径(参考如图4A所示的皮带轮415A和轴412的中心)；

e)r₃₁是缆线405C所在的侧上的皮带轮415B的半径；以及

f)r₃₂是缆线405D所在的侧上的皮带轮415B的半径。

尽管在以上示例中是对称设计r₃₁＝r₂₁，r₃₂＝r₂₂和r₂₁≠r₂₂(如图4A所示)，但在其他一些设计中，也可能具有r₃₁＝r₂₁＝r₃₂＝r₂₂，以及r₁₁＝r₁₂。

将缆线张力(ξ_[4×1])与关节扭矩(τ_[3×1])相关的基本等式表示为：

τ_[3×1]＝B_[3×4]·ξ_[4×1]# (3)

其中矩阵(B)具有以下形式：

并且(ξ₁，ξ₂，ξ₃，ξ₄)分别对应于缆线405A、405B、405C和405D上的缆线张力。

ξ_[4×1]＝[ξ₁ ξ₂ ξ₃ ξ₄]^T# (5)

在等式(1)中，(τ_[3×1])是缆线施加的虚拟关节扭矩的向量，其可导致关节克服摩擦并抵抗外力而运动。向量(τ_[3×1])具有三个分量：

τ_[3×1]＝[τ₁ τ₂ τ₃]^T# (6)

其中，(τ₁)是俯仰关节扭矩，(τ₂)和(τ₃)分别是钳夹401A和钳夹401B的关节扭矩。

与理想缆线位移(假设没有缆线弹性)和钳夹角相关的运动学关系如下：

q_[4×1]＝[q₁ q₂ q₃ q₄]^T＝B^T·θ_[3×1]# (7)

其中(q_[4×1])是包含缆线405A-405D的理想位移的四元素向量，而(θ_[3×1])是图4B所示的角度向量：

θ_[3×1]＝[θ₁ θ₂ θ₃]^T# (8)

在实际情况下，缆线是弹性的，实际和理想的缆线位移之间的关系如下：

ξ_[4×1]＝k_e(x_[4×1]-B^T·θ_[3×1])# (9)

其中k_e是缆线的弹性常数(N/m)(假设所有缆线相似)。

控制系统设计

以下描述了一种用于控制机器人手术器械的远侧末端执行器的角度位置和抓握力的方法和系统。末端执行器可以包括机器人手腕和一对相对构件(例如钳夹或夹爪)，每个可在由两个拮抗电线致动的打开位置和闭合位置之间移动。总共四根电线可以每个由独立的致动器或电动机驱动，如图3和4所示并在相应部分中所述。控制系统可以包括反馈回路，其涉及来自致动器的位置和速度反馈以及在四根电线上测量的力反馈，以实现期望位置和抓握力。在一些实施方式中，致动器控制器可以运行位置加前馈电流模式。例如，位置控制器可以基于位置反馈将远侧末端执行器驱动到空间中的期望角度位置，而抓握力控制器则基于四根电线上测力传感器测量的抓握力提供额外的前馈电流，以实现在相对构件之间的期望抓握力。

图5A是示出根据本主题技术各方面的用于控制手术工具的高级控制系统的框图。控制系统包括输入560、控制器562、设备564、输出568以及在输出568和控制器562之间的反馈路径上的传感器和估计器566。设备564可包括工具致动器和末端执行器(例如图5B中的致动器单元510以及线缆和手腕连杆512)。控制器562可以包括一个或多个处理器，其由存储在存储器中的软件指令配置，以响应于输入560来计算设备564的运动，从而可以指示手术工具的末端执行器的期望运动。控制器562由此生成的命令可以驱动工具致动器，以促进末端执行器的期望运动。可以通过传感器和估计器566直接测量或估计输出568，比如位置、速度、缆线张力和末端执行器的抓握力，并将其反馈到控制器562以进行闭环控制。

图5B是示出根据本主题技术各方面的用于控制机器人手术工具的末端执行器的位置和抓握力的示例性控制系统500的框图。机器人控制系统500包括输入处理单元502、致动器命令生成器504、位置控制器506、抓握力控制器508、包括一个或多个致动器单元510和/或缆线和手腕连杆512的设备、松弛控制器514、位置估计器522和抓握力估计器524。注意，可以使用与图中所示的附加的、不同的或更少的部件。在不脱离本文所阐述的权利要求的精神或范围的情况下，也可以对部件的布置和类型进行改变。

输入处理单元502和致动器命令生成器504接收末端执行器的期望角度位置，并将期望角度位置转换为相应的致动器位置命令(通过逆运动学算法)和/或抓握力命令，它们输出到位置控制器506和/或抓握力控制器508。例如，输入的期望角度位置可以包括俯仰角(θ_pitch)、偏航角(θ_yaw)和钳夹角(θ_jaw)。当角度不小于阈值时，期望钳夹角输入可被视为位置控制命令。阈值对应于两个钳夹刚好同时与之间的一个或多个物体接触的角度。如果没有要抓紧的物体，则钳夹开始相互接触时的阈值为零度。对于小于阈值的任何期望钳夹角，输入可被转换成期望抓握力命令并被转发到抓握力控制器508，其除了位置命令之外还可以生成电流命令以实现期望抓握力。

图6是示出根据本主题技术各方面的机器人手术工具控制系统的输入处理单元502和致动器命令生成器504的示例性设计的框图。在一些实施方式中，期望俯仰角(θ_{pitch_d})610和期望偏航角(θ_{yaw_d})612始终被视为末端执行器的期望位置，并且直接作为输入传递给致动器命令生成器504。而期望钳夹角(θ_{jaw_d})614首先由输入处理单元502与阈值(θ_th)616进行比较，以确定输入是末端执行器的期望位置还是期望力命令。提供给输入处理单元502的阈值(θ_th)616可以是预定值或被动态确定(例如通过抓握力估计器524)。下面将进一步解释关于如何确定阈值的细节。

例如，如果期望钳夹角(θ_{jaw_d})614低于由输入处理单元502确定的阈值(θ_th)616，则期望钳夹角(θ_{jaw_d})614被解释为抓握力命令且角度值被转换为期望抓握力(F_{grip_d})622并输出到抓握力控制器508。期望抓握力可以基于期望钳夹角(θ_{jaw_d})614和/或阈值(θ_th)616的函数来确定。该函数可以是线性函数、指数函数、二次函数或任何其他适当的函数。另一方面，如果期望钳夹角(θ_{jaw_d})614高于阈值(θ_th)616，则将其解释为位置命令，并与期望俯仰角(θ_{pitch_d})610和期望钳夹角(θ_{jaw_d})612一起作为位置输入传递给致动器命令生成器504。

随后，致动器命令生成器504使用逆运动学生成位置命令(x_cmd1)620，以使位置控制器506致动末端执行器。致动器命令生成器504还可(例如从位置估计器522)接收反馈角度位置(θ_fb)618，以基于该反馈来调整生成的位置命令(x_cmd1)620(例如以补偿缆线弹性)。

现在回到图5B。位置控制器506可以从致动器单元510上的位置和/或速度传感器接收位置反馈。由于致动器和机器人手腕之间的运动学关系，实现期望致动器位置又可以导致机器人手腕的期望位置。因此，优选地，在位置控制器506中采用非零稳态误差类型的控制器，因为零稳态类型的控制器可以通过强制精确位置(从而使过程中的电流命令饱和)来“对抗”抓握力控制器，同时很难达到期望抓握力。优选的非零稳态误差控制器的示例包括比例加微分(PD)控制器。PD控制器允许抓紧钳夹的使抓握力控制器生成期望抓握力所必须的顺应性。然后，抓握力控制器508可以是在抓握力控制期间(与位置控制器506相对)支配钳夹闭合的自由度的顺应性的主要因素。

由于致动器单元510通过可在力作用下改变长度的弹性缆线(或电线)联接到机器人手腕，因此仅基于致动器位置和手腕运动之间的纯运动学关系的估计可能是不准确的。位置估计器522可以通过在估计算法中(例如使用卡尔曼滤波器)考虑缆线弹性来向致动器命令生成器504和抓握力估计器524提供手腕关节位置和速度的更准确估计。估计的位置和速度信息随后可用于手腕的精确定位以及摩擦的估计。

在一些实施方式中，抓握力控制器508获取由缆线电线上的测力传感器或扭矩传感器测量的缆线张力的反馈。然后，抓握力估计器524可以使用算法来基于在缆线上测量的张力值来估计钳夹之间的抓握力。抓握力控制器508可以将估计值与期望抓握力进行比较，并生成附加电流命令以实现期望抓握力。可替代地，代替来自力/扭矩感测测力传感器的测量，抓握力控制器508可以使用电动机电流作为反馈，结合一些估计技术，以生成用于抓握力生成的附加电流命令。

如上所述，末端执行器可以通过四个独立的缆线联接到工具驱动器，每个缆线由独立的电动机致动。特别地，末端执行器可包括机器人手腕和一对相对钳夹构件，每个钳夹可在打开位置和闭合位置之间移动。在一些实施方式中，电动机可以由电流驱动。电流命令可以包括两部分：驱动电流的第一部分可以来自关节角度控制器506，第二部分可以来自抓握力控制器508。这两个电流命令可以相加并发送到致动器单元510。

图7是示出根据本主题技术各方面的机器人手术工具控制系统的示例性致动器单元510及其输入/输出的框图。致动器单元可以包括一个或多个低级致动器或电动机驱动器702，每个驱动相应的致动器或电动机704。注意，在致动器单元中可以使用附加的、不同的或更少的部件。在一些实施方式中，致动器或电动机704是电流驱动的DC电动机。低级致动器或电动机驱动器702接收输入电流命令(i_d)714，其是来自位置控制器506的期望电流命令(i_{position_d})710和来自抓握力控制器508的期望电流命令(i_{grip_d})712的总和。致动器或电动机驱动器702然后可以驱动致动器或电动机704，其继而用输出电流(i_motor)718驱动末端执行器。电动机704的状态例如电流(i_motor)718可被馈送回电动机驱动器702。通过将期望电流命令(i_{position_d})710和(i_{grip_d})712相加，致动器单元510可以驱动一个或多个电动机以实现末端执行器的期望运动和/或抓握力。

由于机器人手腕的拮抗特性，用于不同电动机的期望抓握力命令(i_{grip_d})712可以是拮抗的，例如对于闭合致动器为正，而对于打开致动器为负。可能有利的是，将附加电流命令添加到用于在两个闭合致动器处闭合钳夹的现有电流命令中，并从用于向两个打开致动器打开钳夹的电流命令中减去该附加电流命令。在其他实施方式中，附加电流命令可以仅被发送到两个闭合致动器以控制闭合缆线，这可能导致性能降低。在后一种情况下，阈值(θ_th)616可能成为临界值，在该阈值下，输入钳夹角例如期望钳夹角(θ_{jaw_d})614用于控制抓握力，即阈值需要设定为精确接触角。否则，随着钳夹越来越近，同时增加抓握力，打开的缆线可能会阻力更大。由于执行器和缆线力的饱和，可能会达到无法闭合抓握的地步。因此，可能需要单独的估计器来估计摩擦并估计接触角，从而可以确定阈值并将其提供给输入处理单元502。

可替代地，抓握力控制器508可以使用模型来计算生成期望抓握力所需的附加电流。此外，代替生成要从由位置控制器506生成的电流命令中增加和/或减去的附加电流设定点，抓握力控制器508可以提供要添加到两个闭合缆线位置设定点并从两个打开缆线位置设定点中减去的附加位置设定点(设定点只是系统基本变量的期望或目标值，比如期望角度位置)。

返回参考图5B，松弛控制器514可以执行确保缆线上的张力从不降到零以下(或预定的正值以补偿松弛)的任务。缆线是末端执行器的仅张紧构件，不能对其施加负力。此外，当缆线松弛时，缆线的两端之间的运动学关系不再成立。因此，在任何情况下都希望防止缆线上的张力下降到零。为了实现该目标，松弛控制器514可以监测来自缆线上的测力传感器的力值，并将力值的最小值与预定阈值进行比较。如果所有缆线上的最小力值下降到阈值以下，则松弛控制器514可以向所有致动器生成附加位置命令，以确保维持期望最小张力。这些附加位置命令需要装在手腕缆线系统的零空间中，以免改变抓握力或对手腕造成任何不必要的运动。可替代地，代替附加位置命令，松弛控制器可以手腕缆线系统(假设相同致动器)的零空间内的大小向致动器提供附加电流。在任一种情况下，零稳态类型控制器比如比例加积分(PI)控制器可以部署为松弛控制器514，以维持缆线上的期望最小力。

以下段落更详细地描述了示例控制算法，该算法与示例控制系统中每个部件的输入、输出和功能有关。所提出的方法可以依赖于在驱动末端执行器的致动器上使用位置加前馈电流控制。位置控制器可以通过缆线将末端执行器驱动到空间中的期望位置设定点，同时可以添加附加前馈电流以在两个末端执行器构件之间实现期望抓握力。

现在参考图8A，示出了根据本主题技术各方面的用于控制机器人手术工具的末端执行器的位置和抓握力的示例性控制系统800A的详细框图。注意，该描述并非旨在将控制系统限制为特定实施方式，而是使本领域技术人员能够制造和使用本发明。此外，控制系统和方法可以包括更多或更少的部件。这些部件中的每个可以相互使用，或者可以出于各种目的单独使用。例如，类似于示例控制系统500，控制系统800A包括输入处理单元502、致动器命令生成器504、位置控制器506、抓握力控制器508、松弛控制器514、位置估计器522、抓握力估计器524和四个致动器单元(电动机和驱动器)510。在控制系统800A中，缆线512A和手腕连杆512B是分开的，并且接触预测单元526被添加到控制系统500(如图5B所示)。

控制系统800A可以接受期望角度801、802和803的输入。在三个输入角度中，期望俯仰角(θ_{pitch_d})801和期望钳夹角(θ_{yaw_d})802直接传递到致动器命令生成器504。期望钳夹角(θ_{jaw_d})803提供给输入处理单元502，以与阈值

844进行比较，该阈值可以由接触预测单元526估计。

如上所述，末端执行器的输入俯仰角801(绕图4B中的轴线420旋转)和偏航角802(如图4B所示，在轴线452和钳夹的中点之间的角度)可以通过位置控制器506在位置模式下控制。输入钳夹角(两个钳夹构件之间的角度)可以根据期望钳夹角803是小于还是大于阈值844而被不同到解释。当期望钳夹角803低于如由输入处理单元502确定的阈值844时，为抓握力控制器508生成期望抓握力(F_{grip_d})804。期望抓握力可根据期望抓握角803和/或阈值844的函数来确定。该函数可以是线性函数、指数函数、二次函数或其他函数。不管比较结果如何，期望钳夹角803都可以作为位置命令的一部分传递到致动器命令生成器504，然而，仅当其大于阈值844时，才将其视为位置命令。

阈值844对应于钳夹的两个构件彼此或与抓紧在其间的任何物体刚好接触的角度值。换句话说，以阈值将输入钳夹角从角度位置命令切换为抓握力命令。阈值844可以是预定值(例如零度)。优选地，通过估计首先发生与被抓紧的物体接触的实际钳夹角来实时确定阈值。例如，接触预测单元526可以基于钳夹角和抓握力值的估计来检测和/或预测发生接触的情况，以便确定阈值。所确定的阈值然后被传递到输入处理单元502，以解释输入钳夹角。致动器命令生成器504的输出可以包括位移命令(x_cmd)806，以使位置控制器506产生四个缆线位移，然后又可以将其应用于四个致动器单元(或电动机)510。

通过用[θ_{pitch_d} θ_{yaw_d} θ_{jaw_d}]^T表示期望角度，可以使用等式(2)将向量转换为关节空间中的期望角度θ_d[3×1]：

其中下标“-d”表示相应输入以及转换后的参数的期望值。如果期望抓握力，则钳夹角输入可转换为期望抓握力(F_{grip_d})804，并被发送到抓握力控制器508。

致动器命令生成器504可以从位置估计器522接收关于关节角度

841的估计的反馈。关节角度的一阶估计可以使用等式(7)从致动器(电动机)位置(x_[4×1])831和缆线张力(ξ_[4×1])833的测量中进行测定：

其中，k_e是缆线的弹性常数(以N/m为单位)，缆线张力(ξ_[4×1])833在等式(3)中定义且(x_[4×1])831是致动器单元510上位置传感器测量的向量：

x_[4×1]＝[x₁ x₂ x₃ x₄]^T# (12)

在一些实施方式中，控制系统800A可以采用闭环控制来实现期望关节位置(俯仰和偏航)。在闭环控制方案中，致动器命令生成器504可以保持监测来自位置估计器522的角度位置，并调制其位置命令(x_cmd1)805，直到实现期望关节角度。可替代地，致动器命令生成器504可以执行开环控制并且使用基于等式(5)的逆运动学技术以获得四个电动机的期望位移：

x_cmd1[4×1]＝q_d[4×1]＝B^T·θ_d[3×1]## (13a)

其中，B和θ_d[3×1]分别在等式(4)和等式(10)中定义。考虑到缆线弹性的影响，可以使用等式(4)进一步改善四个电动机的期望位移：

此外，如图8所示，位置设定点或命令(x_cmd)806可以是两个分量的总和：

x_cmd[4×1]＝x_cmd1[4×1]+x_cmd2[4×1]# (14)

其中，第一分量(x_cmd1)805可以由上面概述的致动器命令生成器504生成，而第二分量(x_cmd2)可以由松弛控制器514提供。

第二位移命令(x_cmd2)854可以由松弛控制器514基于缆线张力(ξ_[4×1])833反馈(例如来自四个缆线512A上的测力传感器)而生成。缆线张力反馈(ξ_[4×1])833中的最小张力值(ξ_min)851首先由“最小”单元514A确定：

ξ_min＝min(ξ₁，ξ₂，ξ₃，ξ₄)# (15)

接下来，松弛控制器可以将最小值(ξ_min)851与期望最小张力值(ξ_{min_d})进行比较，以生成附加位移命令(u_s)852。可以采用零稳态误差类型控制器用于维持所有四个缆线上的最小期望张力。这种控制器在离散域中可以采用以下形式(其他形式比如状态空间或非线性形式也是可能的)：

其中，C(z)是从输入(ξ_min)851到输出(u_s)852的控制器传递函数，并且z是z变换参数。此外，参数a_i和b_i是实数，使得C(z)的分子和分母中的对应多项式严格地在单位圆内具有根，而在z＝+1处没有根。参数m，n，和p是整数，从而使p＞0和m≤n+p以确保控制器传递函数C(z)正确。

比例加积分(PI)控制器是C(z)的特殊情况，并且如上所述，可用于调节四个缆线中的最小张力，并且在时域中可采用以下形式：

u_s＝-k_ps(ξ_min-ξ_{min_d})-k_is∫(ξ_min-ξ_{min_d})dt# (16b)

其中，k_ps和k_is分别是比例和积分增益。

为了调节缆线上的张力以保持最小张力并且不干扰关节角度位置或抓握力，位置命令(x_cmd2)854需位于手腕缆线系统的零空间中。为了实现此，标量位移(u_s)852可以进一步乘以矩阵(B)的零空间。因此，第二位移命令(x_cmd2)854可以采用以下形式：

x_cmd2[4×1]＝c·u_s·null(B)# (17)

其中，(c)853是缩放零空间矢量的常数，以使其对应于具有最小张力的缆线的元素等于一(即1)。

可替代地，松弛控制器514可以生成包括直接用于驱动致动器510的附加电流的命令(具有在手腕缆线系统的零空间中的大小)，而不是提供给位置控制器506的附加位置命令(x_cmd2)854。在这样的实施方式中，可以将附加电流命令添加到(i_cmd)分量821-824中的每一个。

位置控制器506可以用于实现期望致动器位置，其又可以通过运动学关系而导致手腕的期望位置。为了调节发送到每个电动机的电流命令，位置控制器506可以依赖于来自致动器的位置和/或速度传感器或速度估计的反馈。此外，每个电动机510可以从位置控制器506接收其电流设定点或命令，其与附加或更少电流相结合，这取决于来自抓握力控制器508的缩放矢量(c_i[4×1]＝[c₁ c₂ c₃ c₄]^T)中的每个值(c_i)816-819。

位置控制器506可以基于位置设定点或命令(x_cmd)806以及位置(x_[4×1])和速度

832反馈来生成电流命令(i_cmd1[4×1])。优选地，位置控制器506可以用非零稳态误差控制器来实现，如上所述。这样的控制器在离散域中可以采用以下形式(其他形式比如状态空间或非线性形式也是可能的)：

其中，C(z)是输入(x_cmd)806和输出(i_cmd1)811-814之间的控制器传递函数，并且z是z变换参数。此外，参数a_i和b_i是实数，使得C(z)的分子和分母中的对应多项式严格地在单位圆内具有根，而在z＝+1处没有根。参数m和n是整数，使得(m≤n)以确保控制器传递函数C(z)正确。

比例加微分(PD)控制器是等式(19a)中的C(z)的特殊情况，并且可用于生成电流命令(i_cmd1)811-814。因此，如等式(19b)所示，可以如下(在时域中表示)生成用于四个致动器的电流命令的第一分量：

其中，(k_p)和(k_d)是控制器增益，(x_[4×1])831是等式(12)中定义的致动器位置的四元向量，并且(

)是致动器速度的4元向量，其可以是直接速度传感器测量或来自位置导数的估计。

抓握力控制器508可生成第二电流(i_cmd2[4×1])815，其可与来自位置控制器506的电流命令(i_cmd1[4×1])组合用于每个致动器510以实现抓握力。第二电流命令(i_cmd2[4×1])815可以由抓握力控制器508基于期望抓握力输入(F_{grip_d})804以及由抓握力估计器524提供的抓握力反馈

843来生成。

假设L定义从钳夹旋转轴线到抓握力施加点的钳夹长度，则可以使用以下等式估计两个钳夹构件之间的抓握力：

其中，(τ₂)和(τ₃)是来自等式(1)的两个钳夹元件的关节扭矩。用来自等式(3)的关节扭矩代替并使用等式(4)，可以获得：

注意，等式(21)假定使用缆线512A上的测力传感器或扭矩传感器直接测量缆线力。缆线力也可以使用电动机电流和电动机状态比如

832结合高级估计算法(例如使用卡尔曼滤波器)间接估计。

一旦获得抓握力估计

843，抓握力控制器508然后可以将该值与期望抓握力值(F_{grip_d})804进行比较，并生成第二电流命令(i_cmd2)815以实现期望抓握力。类似于等式(16a)中所示的零稳态误差类型控制器可以适用于控制抓握力。在这种情况下，C(z)将是输入(F_{grip_d})804和输出(i_cmd2)815之间的控制器传递函数。C(z)的特殊情况包括比例加积分(PI)控制器，其可用于调节抓握力并采取在时域中的以下形式：

其中，k_pg和k_ig分别是比例和积分增益。

这样，标量第二电流命令(i_cmd2)815可以穿过单独增益放大器816-819以产生缩放电流命令，可以将其分别添加到电流命令(i_cmd1[4×1])811-814。然后可以将组合的电流命令(i_cmd)的每个分量

821-824施加到致动器或电动机510。例如，可以将第二电流命令(i_cmd2)815添加到闭合钳夹的两个致动器的电流命令，并且可以将其从打开钳夹的两个致动器的电流命令中减去。取决于实施方式，可以为缩放矢量(c_i[4×1])中的每个分量(c_i)816-819选择不同的值。以下等式演示了四个电动机的各种示例电流命令设定，这可能导致性能变化：

在一些实施方式中，抓握力控制算法可以使用模型来计算生成期望抓握力所需的附加电流，而不是基于缆线张力测量的估计。该模型可以基于诸如电动机位置和电流的已知参数来投影抓握力。图8B是示出根据本主题技术各方面的用于控制机器人手术工具的末端执行器的位置和抓握力的替代控制系统800B的详细框图。在控制系统800B中，不是生成要被添加到如图8A所示的电流命令和从其中减去的附加电流设定点(i_cmd2)，抓握力控制器508可以生成附加位置设定点，比如图8B所示的(x_cmd3)807，以添加到两个闭合缆线位置设定点并从两个打开缆线位置设定点中减去(反之亦然)。因此，到位置控制器506的位置输入命令(x_cmd)806可以包括三个分量：由上面概述的致动器命令生成器504生成的第一分量(x_cmd1)805、由松弛控制器514提供的第二分量(x_cmd2)以及由抓握力控制器508计算的第三分量(x_cmd3)807。合成位置命令(x_cmd)806被提供给位置控制器506，以生成用于驱动致动器单元510的电流命令(i_cmd)。

图9是示出根据本主题技术各方面的用于控制具有带有两个相对构件的末端执行器的机器人手术工具的示例过程900的流程图。然而，应当理解，由手术工具控制系统执行的过程900仅提供了控制器的操作的说明性描述，并且该过程中可以包括更多或更少的步骤，和/或这些步骤可以与图9所示的框的顺序不同的一个或多个顺序发生。

首先，手术工具控制系统接收902用于机器人手术工具的末端执行器的期望状态的输入，该末端执行器在远端具有机器人手腕和相对彼此枢转的联接至机器人手腕的两个构件。期望状态可以包括期望角度，比如机器人手腕的期望俯仰角、末端执行器的期望偏航角以及末端执行器的两个相对构件之间的期望钳夹角。例如，在图5中所示的工具控制系统500中，输入处理单元502可以接收机器人手腕和末端执行器构件的期望角度位置。两个相对构件中的每一个可以通过在张紧时施加力的一对拮抗缆线而被机器人操纵。例如，图4A中所示的抓紧器220的末端执行器包括一对钳夹401A和401B，并且缆线405A和405B是用于操纵钳夹401A的第一拮抗对。当单独张紧时，缆线405A闭合钳夹401A，而缆线405B打开钳夹401A。

工具控制系统随后可以基于期望状态为末端执行器的每个构件计算904一对拮抗缆线的位移。如果期望钳夹角表示期望抓握力，则响应于期望俯仰角和偏航角来计算位移。否则，位移计算对应于期望俯仰角、偏航角和钳夹角。在两种情况下，如图8A和8B所示，工具控制系统中的位置控制器506还可以使计算基于至少一个致动器的当前位置和/或速度的测量。接下来，控制系统可以基于所计算的位移来生成906用于驱动机器人手腕和末端执行器构件的第一命令。例如，图8A和8B中的致动器命令生成器504可以基于期望俯仰角和偏航角(以及钳夹角，如果其代表期望角度而不是期望抓握力)生成位移或位置命令(x_cmd1)。控制系统还可以任选地采用另一反馈控制回路来防止缆线松弛，比如图8A和8B中的松弛控制器514，以监测在一对拮抗缆线上的张紧力并维持在缆线上的预定最小张紧力。来自松弛控制器514的输出(x_cmd2)可以与位置命令(x_cmd1)相加，以提供给位置控制器506作为位置设定点。

手术工具控制系统然后可以确定908期望状态是否包括在末端执行器的两个相对构件之间的期望抓握力。在一些实施方式中，确定期望状态是否包括期望抓握力可以涉及将期望钳夹角与阈值进行比较。该阈值可以是当抓紧物体时或当不抓紧任何物体(即零度)而彼此接触时在末端执行器的两个相对构件之间的接触钳夹角。例如，当抓紧器220没有抓紧任何物体时，接触角为零度。接触角可以例如基于要抓紧的物体的尺寸预先确定。可替代地或另外，可以例如通过在图8A和8B中所示的接触预测单元526基于当前钳夹角的估计和/或两个相对构件之间的当前抓握力的估计来动态地确定或预测接触角。当期望钳夹角小于阈值时，期望钳夹角可以解释为末端执行器的两个相对构件之间的期望抓握力的指示和程度。

响应于确定期望状态包括期望抓握力(例如当期望钳夹角小于阈值时)，工具控制系统可以基于由期望钳夹角指示的期望抓握力和两个末端执行器构件之间的当前抓握力生成910用于张紧用于末端执行器的构件的一对拮抗缆线中的至少一个的第二命令。如上所述，用于末端执行器(例如图4A中的钳夹401A)的构件的一对拮抗缆线(例如图4A中的缆线405A和405B)中的每个可被至少一个致动器拉动或张紧，比如图3B中所示的旋转驱动器322A-322F。第二命令例如可以基于期望抓握力804与来自抓握力估计器524的当前抓握力843的估计之间的差由图8A和8B所示的抓握力控制器508来计算，该估计可以考虑到一对拮抗缆线上的当前张紧力833的测量，以及来自位置估计器522的角速度842。

在框912中，工具控制系统基于第一命令和/或第二命令驱动末端执行器以实现期望状态。在如图8A所示的一些实施方式中，工具控制系统可以基于所计算的位移来生成用于至少一个致动器的第一电流命令(i_cmd1)以驱动末端执行器。在确定期望钳夹角度指示期望抓握力的情况下，基于期望抓握力和估计的当前抓握力为至少一个致动器生成第二驱动命令(i_cmd2)。到致动器单元510的实际输入例如可以是基于第一驱动命令和第二驱动命令的复合命令，以驱动至少一个致动器。合成命令可以是第一和第二命令的任何线性组合，如等式(23)-(26)中所示。在如图8B所示的一些其他实施方式中，抓握力控制器508输出附加位移或位置命令(x_cmd3)，其与来自致动器命令生成器504和松弛控制器514的位置设定点相结合以生成复合位置命令(x_cmd)。然后可以将合成位置命令输入到位置控制器506，以生成电流命令来驱动致动器单元510。

图10是示出根据本主题技术各方面的用于控制具有带有两个相对构件的末端执行器的机器人手术工具的另一示例过程1000的流程图。在该示例中，手术机器人系统包括在远端具有末端执行器的机器人手术工具。末端执行器具有两个相对钳夹，每个通过在被致动器张紧时施加力的一对拮抗缆线由至少一个致动器操纵。该系统还可以包括控制器，其包括联接到机器人手术工具的一个或多个处理器。

控制器可以从输入模块接收1002实现机器人手术工具的末端执行器的期望状态的输入。该输入可以包括末端执行器的俯仰角和偏航角以及末端执行器的两个钳夹之间的钳夹角中的至少一个。然后，控制器基于俯仰角和偏航角确定1004末端执行器的期望位置，并基于钳夹角确定末端执行器的两个钳夹之间的期望抓握力。基于期望位置和期望抓握力，控制器可以驱动1006至少一个致动器以实现工具的期望状态，包括末端执行器的期望位置和钳夹之间的期望抓握力。

在一些实施方式中，为了实现工具的期望状态，控制器可以测量至少一个致动器的当前位置以及一对拮抗缆线上的当前张紧力，以生成用于至少一个致动器的第一驱动命令。控制器还可基于在一对拮抗缆线上的测量的张紧力来估计末端执行器的两个相对构件之间的当前抓握力，以生成用于至少一个致动器的第二驱动命令。第一和第二驱动命令可以组合以将工具驱动到期望状态。

图11是示出根据本主题技术各方面的用于控制具有带有两个抓握构件的末端执行器的机器人手术工具的另一示例过程1100的流程图。如图11所示，示例性机器人手术工具控制系统包括具有带有两个抓握构件的末端执行器的手术工具，其中的每个通过当单独张紧时实现每个抓握构件的相对枢转的一对拮抗缆线而被机器人操纵。工具控制系统还包括一个或多个处理器以及联接到处理器的输入。

工具控制系统可以接收1102在末端执行器的两个抓握构件之间的输入钳夹角。接下来，工具控制系统可以确定1104所接收的输入钳夹角是否指示两个抓握构件之间的期望抓握力。例如，该命令指示当期望钳夹角小于阈值时的期望抓握力，该阈值可以是当末端执行器抓紧物体时两个抓握构件之间的接触角。在一些实施方式中，可以基于两个抓握构件之间的当前抓握力的估计和当前钳夹角的估计来确定接触角。

响应于确定期望钳夹角指示期望力，工具控制系统可以基于期望抓握力与当前抓握力的估计之间的差来生成1106用于张紧用于每个抓握构件的一对拮抗缆线中的至少一个的命令。例如，当输入钳夹角小于阈值时，输入钳夹角指示期望抓握力，阈值是当末端执行器抓紧物体时两个抓握构件之间的接触钳夹角或者当没张紧时为零度。可以基于两个抓握构件之间的当前抓握力的估计和当前钳夹角的估计来确定接触角。在一些实施方式中，可以基于一对拮抗缆线上的当前张紧力的测量来估计两个抓握构件之间的当前抓握力。一对拮抗缆线中的至少一个然后可被张紧1108以实现期望抓握力。

否则，如果确定所接收的输入确实是期望钳夹角(例如输入钳夹角超过阈值)，则工具控制系统可以确定1110用于末端执行器的每个抓握构件的一对拮抗缆线的位移，并通过一对拮抗缆线驱动1112末端执行器，以基于确定的位移实现期望钳夹角。

出于解释的目的，前面的描述使用特定的术语来提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，不需要特定细节即可实践本发明。因此，出于说明和描述的目的给出了本发明的特定实施例的前述描述。它们并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式；显然，鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，因此它们使本领域其他技术人员能够最好地利用本发明以及具有适于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。旨在由以下权利要求及其等同物限定本发明的范围。

上述方法、设备、处理和逻辑可以许多不同的方式以及以硬件和软件的许多不同组合来实现。控制器和估计器可以包括电子电路。例如，全部或部分实施方式可以是包括指令处理器的电路，比如中央处理器(CPU)、微控制器或微处理器；专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)或现场可编程门阵列(FPGA)；或者包括离散逻辑或其他电路部件(包括模拟电路部件、数字电路部件或两者)的电路；或其任何组合。作为示例，该电路可以包括离散的互连硬件部件和/或可以在单个集成电路芯片上组合，分布在多个集成电路芯片之间，或者在公共封装中以多个集成电路芯片的多芯片模块(MCM)实现。

电路可进一步包括或访问用于由电路执行的指令。指令可以存储在除了瞬时信号之外的有形存储介质中，比如闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)；或者在磁盘或光盘上，比如光盘只读存储器(CDROM)、硬盘驱动器(HDD)或其他磁盘或光盘；或者在其他机器可读介质中或之上。产品比如计算机程序产品可以包括存储介质以及存储在介质中或之上的指令，并且当由设备中的电路执行时，指令可以使该设备实现上述或在附图中示出的任何处理。

实施方式可以作为电路分布在多个系统部件之间，比如在多个处理器和存储器之间，可选地包括多个分布式处理系统。参数、数据库和其他数据结构可以分别存储和管理，可以合并到单个内存或数据库中，可以许多不同的方式在逻辑上和物理上进行组织，并且可以许多不同的方式实现，包括作为数据结构，比如链表、哈希表、数组、记录、对象或隐式存储机制。程序可以是单个程序的一部分(例如子例程)、单独的程序，分布在多个内存和处理器上或者以许多不同的方式实现，比如在诸如共享库(例如动态链接库(DLL))之类的库中。当由电路执行时，例如，DLL可以存储执行上述或图中所示的任何处理的指令。

此外，本文讨论的各种控制器可以采取处理电路、微处理器或处理器以及计算机可读介质的形式，其存储例如可由(微)处理器、逻辑门、开关、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入式微控制器执行的计算机可读程序代码(例如固件)。控制器可以配置有硬件和/或固件，以执行以下所述和流程图中所示的各种功能。而且，示出为控制器内部的某些部件也可以存储在控制器外部，并且可以使用其他部件。

Claims (20)

1.一种用于在机器人手术期间控制机器人手术工具的方法，包括：

接收用于机器人手术工具的末端执行器的期望状态的输入，该末端执行器具有机器人手腕和相对彼此枢转的联接至机器人手腕的两个构件，每个构件通过在张紧时施加力的一对拮抗缆线而被机器人操纵；

由一个或多个处理器基于期望状态为每个末端执行器构件计算一对拮抗缆线的位移；

基于所计算的位移生成用于驱动机器人手腕和末端执行器构件的第一命令；

确定期望状态是否包括两个末端执行器构件之间的期望抓握力；

响应于期望抓握力的确定，基于期望抓握力和两个末端执行器构件之间的当前抓握力来生成用于张紧用于末端执行器构件的一对拮抗缆线中的至少一个的第二命令；以及

基于第一命令和/或第二命令驱动末端执行器以实现期望状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望状态包括机器人手腕的期望俯仰角、末端执行器的期望偏航角以及末端执行器的两个相对构件之间的期望钳夹角中的至少一个。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定所述期望状态是否包括期望抓握力包括将所述期望钳夹角与阈值进行比较。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述阈值是当抓紧物体时或当不抓紧任何物体而彼此接触时末端执行器的两个相对构件之间的接触钳夹角。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述接触钳夹角是基于两个相对构件之间的当前抓握力的估计和当前钳夹角的估计来确定的。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，基于在所述一对拮抗缆线上的当前张紧力的测量来估计两个末端执行器构件之间的当前抓握力。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一对拮抗缆线中的每个被至少一个致动器张紧。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，计算所述位移还包括：

测量至少一个致动器的当前位置和/或速度以及一对拮抗缆线上的当前张紧力；和

基于所述测量，估计机器人手腕的俯仰角、末端执行器的偏航角、末端执行器的两个相对构件之间的钳夹角以及当前抓握力中的至少一个的当前状态。

9.根据权利要求7所述的方法，还包括：

基于所述第一命令和第二命令生成复合命令以驱动至少一个致动器。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

监测一对拮抗缆线上的张紧力；以及

在一对拮抗缆线中的每个上保持预定的最小张紧力，以防止缆线松弛。

11.一种手术机器人系统，包括：

机器人手术工具，其在远端具有末端执行器，该末端执行器包括两个相对钳夹，每个由至少一个致动器操纵；和

控制器，其包括与机器人手术工具联接的一个或多个处理器，这些处理器配置为：

从输入模块接收用于实现末端执行器的期望状态的输入，该输入包括末端执行器的俯仰角和偏航角以及两个钳夹之间的钳夹角中的至少一个；

基于俯仰角和偏航角确定末端执行器的期望位置，并且根据钳夹角确定两个钳夹之间的期望抓握力；以及

驱动至少一个致动器以实现期望位置和期望抓握力。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述两个钳夹中的每个经由在被至少一个致动器张紧时施加力的一对拮抗缆线而被机器人操纵。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述处理器还配置为：

测量至少一个致动器的位置和在一对拮抗缆线上的张紧力；以及

基于期望位置以及所测量的位置和张紧力生成用于至少一个致动器的第一驱动命令。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述处理器还配置为：

基于在一对拮抗缆线上的所测量的张紧力，估计末端执行器的两个相对构件之间的当前抓握力；以及

基于期望抓握力和估计的当前抓握力之间的差，生成用于至少一个致动器的第二驱动命令。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述处理器配置为通过基于所述第一驱动命令和第二驱动命令向致动器输出复合驱动命令来驱动至少一个致动器。

16.一种机器人手术工具控制系统，包括：

具有两个抓握构件的手术工具的末端执行器，每个抓握构件通过当单独张紧时实现每个抓握构件的相对枢转的一对拮抗缆线而被机器人操纵；

用于接收末端执行器的两个抓握构件之间的输入钳夹角的输入；以及

一个或多个处理器，其配置为：

确定所接收的输入钳夹角是否指示两个抓握构件之间的期望抓握力；

响应于期望抓握力的确定，基于期望抓握力与估计的当前抓握力之间的差，生成用于张紧用于每个抓握构件的一对拮抗缆线中的至少一个的命令；以及

基于所生成的命令来张紧一对拮抗缆线中的至少一个，以实现期望抓握力。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，当所述输入钳夹角小于阈值时，所述输入指示期望抓握力，其中，所述阈值是当末端执行器抓紧物体时两个抓握构件之间的接触钳夹角或者当没抓紧时为零度。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述接触角是基于两个抓握构件之间的当前抓握力的估计和当前钳夹角的估计来确定的。

19.根据权利要求16所述的系统，其中，生成命令还包括基于在一对拮抗缆线上的当前张紧力的测量来估计两个抓握构件之间的当前抓握力。

20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述处理器还配置为：

响应于确定所接收的输入指示期望钳夹角，确定用于末端执行器的每个抓握构件的一对拮抗缆线的位移；以及

经由一对拮抗缆线驱动末端执行器，以基于所确定的位移实现期望钳夹角。

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