CN111315312A - 包括扭矩传感器的机器人外科系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于处理机器人外科系统的碰撞的方法。碰撞处理可以包括在控制器处接收第一手柄输入和第二输入。在接收到所述第一手柄输入和所述第二手柄输入时，计算机器人臂的期望位置。响应于计算出所述期望位置而传输用于使所述机器人臂朝向所述期望位置移动的第一输出信号。当所述机器人臂朝向所述期望位置移动时，接收力测量值。如果所述力测量值大于预定阈值，则重新计算所述期望位置。

Description

包括扭矩传感器的机器人外科系统
背景技术
机器人外科系统已经用于微创医疗手术。一些机器人外科系统包括支撑机器人臂的控制台和安装到机器人臂的至少一个末端执行器(例如钳子或抓取工具)。机器人臂向外科器械提供机械动力以操作外科器械。此外，机器人臂可以提供与外科器械的电通信以用于操作。每一个机器人臂可以包括器械驱动单元，所述器械驱动单元可操作地连接到外科器械并且含有至少一个驱动机构。
机器人外科系统通常包括外科医生控制台，所述外科医生控制台具有用于致动外科器械的功能的手柄组合件。这些手柄组合件通过由用户施加的力的直接机械转化或替代地将用户的机械力或致动转化成控制信号来实施致动，所述控制信号又由手柄组合件内的一个或多个机电组件致动。
根据从外科医生控制台传输到外科器械的功能数据，外科器械可以进行几毫米的微小调整，或替代地可以在外科区域中移动相当大的距离。器械的重新定位功能和平移有时可以导致外科机器人与另一外科器械、外科腔开口或与位于外科腔中的解剖部分碰撞。
因此，希望公开改进检测和处理外科机器人与外科机器人外部的物体之间的碰撞的方法的方法和系统。
发明内容
根据本公开的方面，一种在机器人外科系统的控制器中对机器人外科系统的碰撞处理的方法包括：从机器人外科系统的控制台接收第一手柄输入和第二手柄输入；响应于接收到第一和第二手柄输入，计算外科机器人的机器人臂的期望位置；将第一输出信号传输到外科机器人以使机器人臂朝向期望位置移动；当机器人臂朝向期望位置移动时从外科机器人接收力测量值；以及当力测量值大于预定阈值时重新计算外科机器人的机器人臂的期望位置。
在方面中，方法包括在机器人臂的关节处获取力测量值。
在一些方面中，在机器人臂的关节处获取的力测量值是扭矩测量值。
在方面中，方法进一步包括当力测量值小于预定阈值时，传输第二输出信号以继续使机器人臂朝向期望位置移动。
在具体方面中，方法进一步包括接收随后的力测量值并且响应于接收随后的力测量值而重新计算机器人臂的期望位置。
在某些方面中，重新计算期望位置进一步包括当随后的力测量值大于预定阈值时，将期望位置设定为外科机器人的当前位置。
根据方面，方法可以进一步包括当力测量值大于预定阈值时，传输控制信号以向输入手柄传输力反馈。
在方面中，传输控制信号包括当力测量值大于预定阈值时，传输控制信号以向输入手柄传输触觉反馈、触感反馈或感觉反馈中的至少一个。
根据本公开的另一方面，一种在机器人外科系统的控制器中对机器人外科系统的碰撞处理的方法包括：确定机器人臂的期望位置；传输输出信号以使机器人臂朝向期望位置移动；当机器人臂朝向期望位置移动时从机器人臂接收力测量值；并且当力测量值大于预定阈值时，按比例缩小输出信号以移动期望位置的定位。
在方面中，方法可以进一步包括接收第一输入信号和第二输入信号，并且响应于接收到第一和第二输入信号而确定机器人臂的期望位置。
在一些方面中，方法可以进一步包括当扭矩测量值小于预定阈值时，传输额外的输出信号以使机器人臂朝向期望位置移动。
在具体方面中，方法可以包括当扭矩测量值大于预定阈值时，传输控制信号以向输入手柄施加力反馈。
根据本公开的又一方面，一种用于具有机器人外科系统的控制器的机器人外科系统的碰撞处理的方法可以包括：确定机器人臂的期望位置；传输第一输出信号以使机器人臂朝向期望位置移动；当机器人臂朝向期望位置移动时从机器人臂接收力测量值；并且当力测量值大于预定阈值时传输改变的输出信号。
在方面中，方法可以进一步包括接收第一手柄输入和第二手柄输入。
在一些方面中，机器人臂的期望位置的确定可以进一步包括响应于接收到第一和第二手柄输入而确定机器人臂的期望位置。
在具体方面中，方法可以包括传输改变的输出信号以使机器人臂响应于接收到改变的输出信号而移动到改变的期望位置。
根据方面，方法可以包括当扭矩测量值小于预定阈值时，传输控制信号以使机器人臂朝向期望位置移动。
在某些方面中，方法可以进一步包括当扭矩测量值大于预定阈值时，传输控制信号以向输入手柄施加力反馈。
尽管出于说明和描述的目的参考附图详细描述了本公开的实施例，但是应理解，所公开的实施例不应被解释为受其限制。对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对前述实施例进行各种修改和/或组合。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的外科系统的绘示；
图2是图1的外科系统的机器人推车或塔的绘示；
图3是用于控制图1的外科系统的系统架构的功能框图；
图4是现有技术的扭矩控制过程的流程图；
图5是根据本公开的基于控制器的扭矩控制过程的流程图；
图6是根据本公开的基于控制器的重新定位过程的流程图；
图7A是在没有检测到碰撞的情况下向第二位置前进的机器人臂的位置图；
图7B是在检测到碰撞之后根据图5的基于控制器的重新定位过程向期望位置前进并且重新定位期望位置的机器人臂的位置图；
图7C是在检测到碰撞之后根据图6的基于控制器的重新定位过程向期望位置前进并且调整缩放因子的机器人臂的位置图；
图8是根据本公开的用于在碰撞期间跟踪输入手柄的基于控制器的过程的流程图；以及
图9是根据图8的基于控制器的过程在一段时间之后平移的输入手柄和机器人臂的位置图。
具体实施方式
参考附图详细描述了本公开的实施例，其中相同的附图标记在若干视图中的每一个中表示相同或对应的元件。
如本文中所使用，术语“远端”是指所描述组件更远离临床医生的部分，而术语“近端”是指所描述组件更靠近临床医生的部分。
在本文中所使用的术语“临床医生”是指医生、护士、可以包括支持人员的医疗保健提供者、或在本文中描述的外科系统的其他操作者。
本文中所使用的术语“外科区域”是指外科机器人在其中操作的空间。此类空间可以包括但不限于手术室、外科机器人存储和维护设施、以及在其中设置外科机器人用于机械操作的其它空间。
本文中所使用的术语“碰撞”是指机器人外科系统的元件与外科区域中的物体的接触。出于说明的目的，此类碰撞可以包括与机器人外科器械和患者在外科腔内、与位于患者身上的机器人外科器械开口、或与外部组织的碰撞。碰撞可以进一步包括与其它机器人外科系统、其它物理装置和位于外科区域中的物体的元件的碰撞。
本公开涉及在机器人外科手术期间，在检测到扭矩增大超过预定阈值之后从控制器发送的关节位置命令的改变。另外，本公开涉及当控制器接收到指示机器人外科系统与外部物体之间的碰撞的扭矩测量值时运动的缩放。
参考图1，根据本公开的机器人外科系统1通常被展示为外科机器人100、控制器200和包括显示器306的用户接口或控制台300。外科机器人100通常包括机器人推车或塔116，其进一步包括连杆112。连杆112可移动地支撑被配置成作用于组织的末端执行器或工具108。机器人臂102可以是连杆112的形式，每一个机器人臂102具有支撑末端执行器或工具108的末端104。此外，机器人臂102的末端104可以包括用以对外科部位“S”进行成像的成像装置106，以及用以向机器人臂的关节“J”施加力和/或致动工具108的电动机机构122。
控制台300通过控制器200与塔116进行通信。控制台300包括显示器306，其被配置成显示三维图像，所述三维图像可以包括由定位于外科手术室周围的成像装置106、114(例如，定位在外科部位“S”内的成像装置、邻近患者“P”定位的成像装置和/或由机器人臂102的远端部分支撑的成像装置114)捕获的数据。成像装置(例如成像装置106、114)可以捕获外科部位“S”的视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热图像和/或任何其它已知的实时图像。成像装置106、115将所捕获的成像数据传输到处理单元206，其根据成像数据实时创建外科部位“S”的三维图像，并且将三维图像传输到显示器306以进行显示。
控制台300还包括支撑在控制臂304上的输入手柄302，所述控制臂304允许临床医生操纵外科机器人100(例如移动机器人臂102、机器人臂102的末端104和/或工具108)。输入手柄302中的每一个与处理单元206通信以向其传输控制信号并且从其接收反馈信号。附加地或替代地，输入手柄302中的每一个可以允许外科医生对支撑在机器人臂102的末端104处的工具108进行操纵(例如夹紧、抓取、击发、打开、关闭、旋转、推进、切片等)。
继续参考图1，输入手柄302中的每一个可移动通过预定义的工作空间“W”，以在外科部位“S”内移动机器人臂102的末端104，例如工具108。显示器306上的三维图像被定向成使得输入手柄302的移动使机器人臂102的末端104如在显示器306上所观察的那样移动。当输入手柄302的移动被缩放为机器人臂102的末端104在三维图像内的移动时，三维图像保持静止。为了维持三维图像的定向，输入手柄302的运动学映射基于相对于机器人臂102的末端104的定向的照相机定向。显示器306上的三维图像的定向可以相对于来自患者“P”上方的视图成镜像或旋转。此外，显示器306上的三维图像的尺寸可以被缩放为大于或小于外科部位“S”的实际结构，从而允许临床医生对其中的结构具有更好的观察。当输入手柄302移动时，工具108在外科部位“S”内移动，如下所述。工具108的移动还可以包括支撑工具108的机器人臂102的末端104的移动。
对于机器人外科系统1的构造和操作的详细论述，可以参考美国专利第8,828,023号，其全部内容通过引用并入本文。
工具108的移动相对于输入手柄302的移动被缩放。当输入手柄302在预定义的工作空间“W”内移动时，输入手柄302向处理单元206发送控制信号。处理单元206分析控制信号以响应于控制信号而移动工具108。处理单元206将缩放的控制信号传输到塔116以响应于输入手柄302的移动而移动工具108。处理单元206通过将输入距离(例如由输入手柄302之一移动的距离)除以缩放因子SF以得出缩放的输出距离(例如末端104之一被移动的距离)来缩放控制信号。缩放因子SF在大约1与大约10之间的范围内(例如3)。此缩放由以下等式表示：
输出距离＝输入距离/SF
可以理解，缩放因子SF越大，工具108相对于输入手柄302的移动的移动越小。
对于将输入手柄302沿X、Y和Z坐标轴的移动缩放到工具108的移动的详细描述，可以参考共同拥有的于2015年9月21日提交的国际专利申请序列号PCT/US2015/051130和于2016年1月20日提交的国际专利申请第PCT/US2016/14031号，这些公开中的每一者的全部内容通过引用并入本文。
参考图2，外科机器人100包括支撑连杆112的机器人推车或塔116，所述连杆112支撑工具108。连杆112包括一个或多个电动机机构122，其各自与连杆112的相应关节“J”相关联，以操纵连杆112和/或工具108。
在使用中，控制器200(图1)将控制信号传输到外科机器人100以使电动机机构122在相应关节“J”周围或向相应关节“J”施加力。具体地，响应于控制信号，外科机器人100将功率电流输送到电动机机构122。响应于功率电流，电动机机构122向关节“J”施加力。如所展示的，电动机机构122向关节“J”施加旋转力或扭矩；然而，电动机机构122可以向关节“J”施加其它力，例如线性和/或压缩力。附加地或替代地，电动机机构122可以与外科机器人100的连杆112的任何关节“J”相关联，以在外科手术期间致动连杆112和/或工具108。传感器120联接到关节“J”，并且响应于接收到由电动机机构122施加到关节“J”的力，传感器120测量关节“J”周围的扭矩并且将所测量的扭矩测量值传输到控制器200。
参考图3，根据本公开描述了外科机器人100、控制器200和控制台300之间的通信。响应于从控制台300接收的输入，控制器200与外科机器人100的塔116通信以提供用于操作的指令。
控制器200通常包括处理单元206、存储器208、塔接口204和控制台接口202。处理单元206包括存储在存储器208中的计算机程序，其用于使塔116的组件例如连杆112根据控制台300的输入手柄302所限定的移动来执行期望的移动。在这点上，处理单元206包括适于执行计算和/或根据一组指令操作的任何合适的逻辑控制电路。处理单元206可以包括一个或多个处理装置，例如微处理器或能够执行存储在存储器208中的指令和/或处理数据的其它物理装置。存储器208可以包括暂态类型存储器，例如RAM，和/或非暂态类型存储器，例如闪存介质或盘介质。塔接口204和控制台接口202通过无线配置例如Wi-Fi、蓝牙、LTE和/或有线配置分别与塔116和控制台300进行通信。虽然被描绘为单独的模块，但是在其它实施例中，控制台接口202和塔接口204可以是单个组件。
继续参见图3，塔116包括通信接口118，其从控制器200的塔接口204接收通信和/或数据以操纵电动机机构122，从而移动与塔116相关联的机器人臂102。电动机机构122可以位于机器人臂102中的一个或多个中和/或连杆112中。在实施例中，电动机机构122接收功率电流的施加，以用于对机器人臂102、连杆112和/或工具108的机械操纵(图1)。对机器人臂102、连杆112和/或工具108的机械操纵可以包括响应于来自处理单元206的指令，施加来自电动机机构122的力以移动机器人臂102中的选定的一个和/或联接到机器人臂102的工具108。例如，电动机机构122可以联接到缆线(未展示)以操纵机器人臂102。此外，电动机机构122可以操纵多种机构来移动机器人臂102和/或工具108。塔116还包括成像装置106、114，其捕获实时图像并且通过通信接口118将表示图像的数据传输到控制器200。
为了影响外科机器人100的移动，特别是塔116的装置的移动，控制台300进一步包括计算机308。每一个输入手柄302都联接到相对应的计算机308，并且由临床医生使用以提供输入。响应于从输入手柄302接收临床医生输入，控制器200向塔116和塔的装置传输控制信号以实现运动。输入手柄302可以是手柄、踏板或计算机附件，例如键盘、操纵杆、鼠标、按钮、触摸屏、开关、轨迹球。显示器306显示从控制器200接收的图像或其它数据，以将数据传送给临床医生。计算机308包括处理单元和存储器，其包括与塔116的各种组件、算法和/或操作相关的数据、指令和/或信息，并且可以使用任何合适的电子服务、数据库、平台、云等来操作。计算机308可以包括处理单元206，其包括适于执行计算和/或根据位于存储器(未展示)中的一组指令进行操作的任何合适的逻辑控制电路，如参考控制器200所类似描述的。
对于外科机器人100的详细描述，可以参考于2016年6月3日提交的标题为“多输入机器人外科系统控制方案(Multi-Input Robotic Surgical System Control Scheme)”的美国临时专利申请序列号62/345,032，其全部公开内容通过引用并入本文。
参考图4，参考图1和图2的外科机器人100描述了用于限制由电动机机构122施加到关节“J”的碰撞扭矩的现有技术扭矩控制过程400(以下称为“现有技术过程400”)的流程图。现有技术过程400包括临床医生在输入手柄302上施加足以将输入手柄302从第一位置移动到第二位置的力。响应于输入手柄302的运动，控制器200缩放输入手柄302的运动并且将控制信号传输到塔116以使机器人臂102从第一缩放位置朝向对应于输入手柄302的缩放运动的第二缩放位置移动(步骤402)。
当机器人臂102朝向第二缩放位置移动时，传感器120测量关节“J”周围的扭矩并且将扭矩测量值传输到塔116(步骤404)。塔116在关节“J”处接收来自传感器120的第一扭矩，并且确定第一扭矩测量值是否大于预定阈值(步骤406)。如果第一扭矩大于预定阈值，则塔116以预定因子减小由电动机机构122施加到关节“J”的力(步骤408)。预定因子可以是当第一扭矩大于预定阈值时第一扭矩减小的任何百分比值。替代地，如果第一扭矩小于预定阈值，则控制器200使塔116维持由电动机机构122施加到关节“J”的力，由此继续使机器人臂102朝向第二缩放位置移动(步骤410)。反复地重复现有技术过程400直到机器人臂102到达第二缩放位置(步骤402)。
继续参考图4，通过位于塔116中的本地控制电路来执行现有技术过程400。替代地，现有技术过程400作为指令存储在控制器200的存储器208中，并且在处理单元206上执行。因而，控制器200可以响应于接收随后的扭矩测量值而重复现有技术过程400。在随后的扭矩测量值大于预定阈值的情况下，控制器200可以减小由电动机机构122施加到关节“J”的力(步骤408)。替代地，在随后的扭矩测量值低于预定阈值的情况下，控制器200可以继续向机器人臂传输控制信号以维持力(步骤410)。
总体上参考现有技术过程400，响应于用传感器120感测扭矩(S 404)的力的减小(S 408)可以用于反向驱动低摩擦外科机器人100。更具体地说，当感测到的扭矩超过预定阈值时，控制器200传输控制信号以减小由外科机器人100施加的力。然而，当外科机器人在其操作期间必须克服不可忽略的摩擦时，现有技术过程400并不考虑补偿由控制器200实现为增大的扭矩测量值的此类不可忽略的摩擦。另外，现有技术过程400并不考虑补偿不可忽略的惯性力，例如使外科机器人在特定方向上前进所必需的初始力。这些问题通过在本文中描述的本公开的原理来解决。
参考图5，参考图1和图2的机器人外科系统，根据本公开公开了在机器人外科系统的控制器中对机器人外科系统的碰撞处理的方法500(以下称为“过程500”)，用于调整外科机器人100的第二位置(或末端位置)。首先，塔116将包括第一机器人臂位置(或初始位置)的第一输入信号传输到控制器200(步骤502)，所述第一机器人臂位置表示机器人臂102相对于塔116的位置和定向。控制器200还从计算机308接收包括第一手柄位置的第一手柄输入，所述第一手柄输入包括表示输入手柄302在控制台300的工作空间“W”内的定向和位置的信息(步骤504)。
当临床医生将输入手柄302从第一手柄位置移动到第二手柄位置时(步骤506)，临床医生可以向输入手柄302施加纵向和/或旋转力，以在控制台300的工作空间“W”内重新定位输入手柄302。一旦输入手柄302被移动到第二手柄位置，第二手柄输入则被传输到控制器200。控制器200从与控制台300相关联的计算机308接收第二手柄输入，第二手柄输入包括表示输入手柄302在控制台300的工作空间“W”内的定向和位置的信息(步骤508)。响应于接收第二手柄输入，控制器200确定第二机器人臂位置(或期望位置)(步骤510)。
为了确定第二机器人臂位置，控制器200测量第一手柄位置与第二手柄位置之间的位置变化(或路径)。路径被限定为输入手柄302从第一输入手柄位置到第二输入手柄位置的运动方向和距离。然后，控制器200将缩放因子(SF)施加到路径，并且基于缩放的路径确定第二机器人臂位置(步骤510)。
在确定第二机器人臂位置之后，控制器200向塔116发送控制信号，所述控制信号包括第一输出信号，所述第一输出信号包括使机器人臂102相对于塔116朝向第二机器人臂位置移动的命令。第一输出信号由塔116接收，并且使塔116向电动机机构122传输功率电流。作为接收功率电流的结果，电动机机构122将力施加到关节“J”以使机器人臂102从第一机器人臂位置朝向第二机器人臂位置移动(步骤512)。当机器人臂朝向第二机器人臂位置移动时，机器人臂102可能与阻碍物碰撞，例如外科手术台、限定外科腔“S”的开口的壁、另一机器人臂、和/或位于第一机器人臂位置与第二机器人臂位置之间的其它物体。为了继续使机器人臂102朝向第二机器人臂位置移动，电动机机构122增大施加到关节“J”的力，以克服阻碍机器人臂102的反作用力。具体地说，塔116可以增大传输到电动机机构122的功率电流，以增大由电动机机构122施加到关节“J”的力。这种力的增大可以移动、向前推进和/或压缩机器人臂102的阻碍物。
当机器人臂102朝向第二机器人臂位置移动时，控制器200从传感器120接收指示关节“J”周围的扭矩的扭矩测量值，并且控制器200将扭矩测量值与预定阈值进行比较(步骤516)。如果相应的扭矩测量值小于预定阈值，则控制器200继续发送控制信号以使机器人臂102朝向第二位置移动(步骤518)。另外，当机器人臂102朝向第二机器人臂位置移动时，控制器200可以从感测到的扭矩测量值减去或以其它方式补偿与移动机器人臂102相关联的已知阻力，而没有碰撞或阻碍物来抵消此类运动。具体地说，当机器人臂102朝向第一位置前进时，由控制器200确定的由电动机机构122施加以移动机器人臂102的力可以增大或减小以克服已知的惯性或操作性力，例如但不限于惯性力、与机器人系统100的组件相关联的预定摩擦力、必须克服以维持机器人臂102相对于患者“P”的位置或姿态的重力等。力可以通过多种补偿技术增大。例如，由于扭矩测量值由控制器200从传感器120接收，与在无阻碍区域中移动机器人臂102相关联的已知力可以从感测到的测量值中减去。随后，在控制器200确定扭矩测量值是否超过预定阈值之前，控制器200可以分析所得到的力测量值。
如果控制器200确定相应的扭矩测量值大于预定阈值，则控制器200响应于相应的扭矩测量值而改变第二机器人臂位置(步骤520)，并且生成改变的输出信号。改变的输出信号包括将机器人臂102移动到改变的第二机器人臂位置(或改变的期望位置)的命令。改变的第二机器人臂位置可以表示在检测到碰撞时(或当前位置)机器人臂102相对于塔116的位置和/或定向。应理解，预定阈值可以指示与阻碍物的碰撞。具体地说，当扭矩测量值超过预定阈值时，控制器200将机器人臂102的第二机器人臂位置设定为改变的第二机器人臂位置，其被限定为机器人臂102的当前位置和定向。在将改变的第二机器人臂位置设定为机器人臂102的当前位置和定向之后，控制器200将改变的输出信号发送到塔116，由此使塔116停止将功率传输到电动机机构122(步骤520)。如图7B所展示，过程500有效地限制了随后的输入使机器人臂102进一步显着地压缩或向前推进阻碍物。
除了响应于确定扭矩测量值超过预定阈值而传输改变的输出信号之外，控制器200还增大施加于输入手柄302的运动的缩放因子(或按比例缩小运动)(步骤522)。如接合外科系统100的临床医生所感知的，缩放因子的此增大可以“脱开”或以其它方式减少机器人臂102的移动，以便看起来已经显著减少或停止了机器人臂102在臂移动的方向上的前进。另外，传感器120沿机器人臂102的一个或多个关节“J”的放置使得控制器200能够接收指示机器人臂102的组件与物体碰撞的运动的传感器信号。然而，这些传感器信号不受与摩擦力相关联的力的测量影响并且不反映与摩擦力相关联的力的测量，所述摩擦力与传动系相关联，例如，电动机机构122和组件转化由电动机机构122传输到机器人臂102的关节“J”的力。在共同拥有的于2017年9月5日提交的美国临时专利申请序列号62,554,208中论述了测量由外科系统100的部分施加在关节“J”周围的力的优点，所述关节“J”相对于电动机机构122位于远端，并且更通常地机器人臂102的驱动组件，该美国临时专利申请的内容整体并入本文。
在增大缩放因子之后(步骤522)，控制器200向输入手柄302发送控制信号，以输出抵抗在朝向第二手柄位置的方向上的额外运动的力反馈(步骤524)。力反馈可以是触觉反馈或其它此类触感和/或感觉反馈的形式，以向临床医生指示已经超过预定阈值。在将力反馈传输到用户之后，响应于临床医生对输入手柄302的继续移动，过程500重复(步骤502)。当临床医生继续推进输入手柄302以使机器人臂102在第一方向上移动时，可能发生过程500的重复。当这发生时，在已经确定通过在第一方向上推进机器人臂102已经发生碰撞后，控制器200识别出与平移机器人臂102相关联的缩放因子已经增大。控制器200可以随后增大缩放因子，从而进一步使机器人臂102在朝向第一方向平移时看起来已经“脱开”。控制器200被进一步配置成识别输入手柄302在不同于第一方向的第二方向上的运动不需要修改用于确定机器人臂102的随后期望位置的缩放因子，并且因而可以重置或减小缩放因子。结果，当识别出碰撞时，机器人臂102被平移或使得被平移成远离碰撞，机器人臂102响应于临床医生接合输入手柄302而在第二方向上以比在碰撞期间前进时更快的速率前进。在实施例中，在控制器200识别出输入手柄302在第二方向上被平移或远离碰撞时，缩放因子被重置为初始缩放因子(Sf)的值。结果，机器人臂102远离碰撞的平移速率立即增大，以允许机器人臂102立即被反向驱动。
参考图6，展示并描述了机器人外科系统的控制器中对机器人外科系统的碰撞处理的另一方法(以下称为“过程600”)，其响应于扭矩超过预定阈值而相对于输入手柄302在工作空间“W”中的运动来调整机器人臂的期望位置。首先，控制器200从塔116接收第一机器人臂位置(或初始位置)。具体地说，塔116将第一输入信号传输到控制器200，所述第一输入信号包括表示机器人臂102相对于塔116的定向的第一机器人臂位置(步骤602)。此外，控制器200从计算机308接收包括第一手柄位置的第一手柄输入。第一手柄位置包括表示输入手柄302在控制台300的工作空间“W”内的定向和位置的信息。具体地说，计算机308确定输入手柄302在控制台300的工作空间“W”内的位置，并且将第一手柄输入传输到控制器200(步骤604)。
然后，临床医生可以相对于工作空间“W”将输入手柄302从第一手柄位置移动到第二手柄位置(步骤606)。第二手柄位置包括表示输入手柄302在控制台300的工作空间“W”内的定向和位置的信息。(步骤606)。在计算机308确定输入手柄302在控制台300的工作空间“W”内的位置之后，计算机308将包括第二手柄位置的第二手柄输入传输到控制器200(步骤608)。
响应于接收第二手柄输入，控制器200确定第二机器人臂位置(或期望位置)。在接收到第一和第二手柄输入时，控制器200测量第一手柄位置与第二手柄位置之间的位置变化(或路径)。路径被限定为输入手柄302相对于工作站“W”从第一手柄位置到第二手柄位置的运动的方向和距离。然后，控制器200将缩放因子(SF)施加到路径以确定第二机器人臂位置(步骤610)。
在确定第二机器人臂位置(步骤610)之后，控制器200向塔116发送包括第二机器人臂位置的第一输出信号，以使电动机机构122将力施加到关节“J”(步骤612)。响应于接收到第一输出信号，塔116使电动机机构122朝向第二机器人臂位置移动机器人臂102(步骤612)。在运动期间，机器人臂102可能与阻碍物碰撞，例如限定外科腔“S”的外科台或壁。当机器人臂102没有到达第二机器人臂位置时，塔116可以增大传输到电动机机构122的功率电流，从而使电动机机构122增大施加到关节“J”的力。当机器人臂102朝向第二机器人臂位置移动时，施加到关节“J”的力的增大可以导致机器人臂102压缩、向前推进或移动阻碍物。
当机器人臂102朝向第二机器人臂位置移动时，传感器120测量关节“J”周围的扭矩并且将扭矩测量值传输到控制器200。控制器200从传感器120接收扭矩测量值(步骤614)并且将扭矩测量值与预定阈值进行比较(步骤616)。预定阈值可以是大于被执行的外科手术所期望的或可实行的值的任何扭矩值和/或可以指示机器人臂102与阻碍物的碰撞。如果扭矩测量值小于预定阈值，则控制器200可以向机器人臂102发送控制信号以维持或增大由电动机机构122向关节“J”施加的力(步骤618)。
如果相应的扭矩测量值大于预定阈值，则控制器200增大施加到输入手柄302的运动(或路径)的缩放因子(SF)以确定第二位置(步骤620)。通过控制器200增大施加到输入手柄302运动的缩放因子(SF)模拟输入手柄302的“滑动”或减小的效力，以通过要求输入手柄302行进比先前使机器人臂102到达第二位置所需的距离更大的距离来使外科机器人100朝向第二位置移动。随着过程600的重复，缩放因子(SF)持续增大，从而使控制器200传输控制信号，在达到预定阈值时或之后不久所述控制信号将机器人臂102的运动有效地限制到机器人臂102的位置。如图7C所展示，力的这种反复减小创建了机器人臂102不会移动超过的位置极限。
在增大缩放因子(步骤620)之后，控制器200向与控制台300相关联的计算机308发送控制信号，以向输入手柄302发送力反馈(步骤622)。传输到输入手柄302的力反馈可以是振动或其它此类触感和/或感觉信息的形式。向握持输入手柄302的临床医生传输力反馈向临床医生指示由机器人臂102施加以继续在特定方向上移动的力大于预定阈值，并且与外科区域中的阻碍物发生了碰撞。
过程500的重复类似于过程400的重复，可以在临床医生继续推进输入手柄302以使机器人臂102在第一方向上移动时发生。当这发生时，已经确定通过在第一方向上推进机器人臂102已经发生碰撞，控制器200识别出与平移机器人臂102相关联的缩放因子已经增大。控制器200可以增大缩放因子(SF)，使机器人臂102在朝向第一方向平移时看起来已经“脱开”。控制器200被进一步配置成识别输入手柄302在不同于第一方向的第二方向上的运动不需要修改用于确定机器人臂102的随后期望位置的缩放因子，并且因而可以将缩放因子(SF)重置为较小的缩放因子(SF)。结果，当临床医生识别出碰撞已经发生并且试图改变机器人臂102或以其它方式使机器人臂102反向平移时，响应于临床医生接合输入手柄302，机器人臂102以比碰撞期间前进时更快的速率在第二方向上前进。与过程400相似，在实施例中，当在控制器200识别输入手柄302在第二方向上或远离碰撞的运动之后缩放因子(Sf)被重置为初始缩放因子(Sf)值时，机器人臂102以与检测到碰撞之前相同的速率移动。
参考图7A-图7C，根据过程500和600展示了机器人臂102的第一位置(或初始位置)与第二位置(或期望位置)之间的运动。在图7A中，机器人臂102在一段时间内从初始位置(位于图形的原点“0”)朝向第二位置移动。当机器人臂102移动时，由控制器200接收的扭矩测量值不超过预定阈值(步骤516、步骤616)，并且机器人臂102继续朝向第二位置移动(步骤620)。
参考图7B，如所指示的，机器人臂102朝向第二位置移动并且扭矩测量值超过预定阈值。具体地说，当机器人臂102朝向第二位置移动时，扭矩测量值在标记为“检测到碰撞”的线处超过预定阈值。一旦扭矩超过预定阈值，控制器200传输改变的输出信号(步骤520)，所述改变的输出信号使塔116将机器人臂102移动到改变的第二位置(或当前位置)(步骤520)。随着过程500被重复，响应于输入手柄302在第二位置的相对应方向上的运动，机器人臂102不移动超过改变的第二位置。
具体参考图7C，机器人臂102朝向第二位置移动并且扭矩测量值超过预定阈值。具体地说，当机器人臂102朝向第二位置移动时，扭矩测量值在标记为“检测到碰撞”的线处超过预定阈值。一旦扭矩超过预定阈值，则控制器200增大施加到路径的缩放因子(SF)(步骤620)。当输入手柄302在扭矩测量值处于或超过预定阈值的情况下继续朝向第二位置移动时，缩放因子进一步增大，直到机器人臂102的第二位置被有效地设定为机器人臂102的实际位置。
参考图8，参考图1和图2的外科机器人100描述了在碰撞期间跟踪输入手柄的移动的过程700。过程700包括控制器200接收指示施加在输入手柄302上的力的输入，所述力足以在第一方向上将输入手柄302从第一位置移动到第二位置。控制器200另外从工作站“W”接收传感器信号，所述传感器信号包括当输入手柄302从工作空间“W”中的第一位置移动到第二位置时指示输入手柄302的位置的位置信息。基于指示输入手柄302相对于工作空间“W”的第一位置和第二位置的传感器信号，控制器200确定第一方向(步骤704)。控制器200基于缩放因子(Sf)来缩放输入手柄302的移动(步骤706)，并且将控制信号传输到塔116以在第一方向上使机器人臂102从第一缩放位置朝向第二缩放位置移动。机器人臂102的平移对应于输入手柄302的缩放的运动(步骤708)。
当机器人臂102朝向第二缩放位置移动时，传感器120测量关节“J”周围的扭矩并且将扭矩测量值传输到塔116(步骤710)。塔116接收扭矩测量值并且确定扭矩测量值是否大于预定阈值(步骤712)。如果测量值小于预定阈值，则机器人臂102的运动以相同速率继续进行，其中缩放因子(Sf)的值保持恒定。
如果扭矩测量值大于预定阈值，指示臂102与外科区域“SF”(图1)中的物体碰撞，则响应于输入手柄302朝向第三位置的继续移动，塔116接收第三手柄位置(步骤714)。塔116基于输入手柄302从第二位置到第三位置的运动确定第二方向。然后塔116比较第二方向与第一方向，以确定第一方向与第二方向相同(步骤716)。在实施例中，第二方向可以与第一方向相反或基本上相反，然而在一些实施例中，第二方向可以是远离物体的任何方向。
当塔116确定输入手柄302继续在第一方向上移动时，在确定扭矩值大于预定阈值之后，塔116增大缩放因子(Sf)(步骤718)，使塔116计算不同的第二臂位置(步骤720)。通过增大缩放因子(Sf)，机器人臂102朝向第二位置的随后运动要求输入手柄302的平移超过通常所要求的平移(例如，输入手柄302必须比先前所要求的进一步移动百分之二十以实现机器人臂102的相同运动)。此额外的平移使输入手柄302在工作空间“W”中的位置相对于机器人臂102的缩放位置偏移，偏移在本文中被称为位置错误。另外，通过增大输入手柄302必须行进的距离以实现相同的运动，临床医生可以感知到机器人臂102表现不佳，指示碰撞已经发生。一旦检测到碰撞，则当输入手柄302在第一方向上移动时，控制器200还可以传输控制信号以使输入手柄302传输力反馈，例如振动。一旦检测到碰撞，则当输入手柄302在第一方向上进一步前进时，力反馈的强度可以增大，并且相似地，当临床医生在第二方向上移动输入手柄302时，力反馈可以减少。
响应于塔116确定输入手柄302正在第二方向上移动，远离碰撞，塔116确定输入手柄302在工作空间“W”内的位置与机器人臂102在外科部位“S”(图1)中的位置之间是否存在位置错误。如果确定不存在位置错误(步骤722)，则过程700重复步骤706，其中塔116计算第二臂位置和缩放因子(Sf)。更具体地说，在无位置错误存在且机器人臂102正移动远离先前与其碰撞的物体时塔116将缩放因子(Sf)设定为初始缩放因子(步骤724)并且继续进行到步骤704以重复过程700。
当确定存在位置错误时(步骤722)，塔116增大缩放因子(Sf)并且基于增大的缩放因子计算第二位置。过程700重复，并且随着输入手柄302继续在第二方向上移动，缩放因子(Sf)继续增大，直到缩放因子(Sf)与未检测到机器人臂102与外科区域“SF”中的物体之间的碰撞时用于计算位置的缩放因子(Sf)相同为止。
参考图9，输入手柄302的位置和机器人臂102随时间平移的位置的位置示意图绘示了在碰撞期间检测到的基于缩放因子(Sf)的位置错误的修改。具体地说，图9绘示了在碰撞期间机器人臂102的操作，当输入手柄302在第一方向上移动时，使输入手柄302移动成与外部物体碰撞，以及在第二方向上移动时，使机器人臂102移动远离碰撞。参考缩放因子(Sf)的计算以及机器人臂102和输入手柄302两者的运动，而不考虑任何特定的缩放因子。
当输入手柄302通过工作站“W”在第一方向上平移时，缩放因子(Sf)被设定为初始值。一旦机器人臂102与外科区域“S”中的物体碰撞，则检测到所测量的扭矩的增大。响应于所测量的扭矩的增大，塔116将缩放因子(Sf)增大到大于1的值。缩放因子(Sf)持续增大，直到输入手柄302在第二方向上移动远离与机器人臂102碰撞的物体。随着缩放因子(Sf)增大，由塔116计算机器人臂102与输入手柄302之间的位置错误。随着输入手柄302继续在第一方向上运动，塔116更新所计算的位置错误，其增大直到输入手柄302在第二方向上移动。
在检测到输入手柄302在第二方向上移动时，塔116重新计算位置错误以减小缩放因子(Sf)。随着输入手柄302在第二方向上移动远离与臂102碰撞的物体，位置错误减小，直到输入手柄302的位置和机器人臂102的位置在可接受的阈值内基本对齐。当位置错误被消除或在可接受的阈值内时，缩放因子(Sf)被设定为初始值，从而恢复机器人臂102的正常操作移动。通过逐渐将缩放因子(Sf)恢复到初始值，允许输入手柄302返回到工作空间“W”内的默认或中心位置。更具体地说，随着机器人臂102在第二方向上移动，塔116减小用于计算机器人臂102的缩放运动的缩放因子(Sf)。缩放因子(Sf)的减小又使塔116传输控制信号来以更大的速率移动臂102，直到臂102以初始运动速率移动。对于机器人臂102的运动的详细描述，可以参考于2015年9月21日提交的标题为“用于机器人外科系统的控制的动态输入缩放(Dynamic Input Scaling for Controls of Robotic Surgical System)”的美国专利申请公开第2017/0224428号，其全部内容通过引用并入本文。
本公开的技术提供了新颖的系统、方法和布置，以在检测到外科机器人100的元件和/或外科机器人100的外部组件之间的碰撞之后，检测和改变从控制器200发送的控制信号。尽管已出于说明性目的提供了对所公开的技术的一个或多个实施例的详细描述，但在不改变或脱离本发明的精神的情况下，各种替代、修改和等效物对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。例如，虽然上述实施例参考特定的特征、组件或其组合，但是此类特征、组件和组合可以用功能上等同的替代物来替代，这些替代物可以含有或不含有如最初所描述的元件。
此外，尽管所公开的实施例考虑了控制器200在外科机器人100外部的位置，但是考虑了控制器200可以位于外科机器人100内，或替代地，机器人外科系统1的元件可以包括独立于控制器200执行所描述的力测量和计算的电路。
如上所述，控制台300与外科机器人100可操作地通信以对患者执行外科手术；然而，设想控制台300可以与外科模拟器(未展示)可操作地通信以在模拟环境中虚拟地致动外科机器人和/或工具。例如，机器人外科系统1可以具有第一模式和第二模式，在所述第一模式中，控制台300被联接以致动外科机器人100，在所述第二模式中，显示器306被联接到外科模拟器以虚拟地致动机器人外科系统。外科模拟器可以是独立单元或被集成到控制器200中。通过控制台300向临床医生提供视觉、听觉、力和/或触觉反馈，外科模拟器虚拟地响应临床医生与控制台300的接口连接。例如，当临床医生与输入手柄302进行接口连接时，外科模拟器移动虚拟地作用于组织的代表性工具。可以设想，外科模拟器可以允许临床医生在对患者执行外科手术之前实践外科手术。此外，外科模拟器可以用于训练临床医生进行外科手术。此外，外科模拟器可以在建议的外科手术期间模拟“并发症”以允许临床医生计划外科手术。
虽然已经在附图中展示了本公开的若干实施例，但是并不意图将本公开限制于此，而是意图使本公开的范围如本领域所允许的那样广泛，并且同样地阅读本说明书。上述实施例的任何组合也被设想并且在所附权利要求书的范围内。因此，以上描述不应被解释为限制性的，而仅仅是特定实施例的示范。本领域的技术人员将在所附权利要求书的范围内设想其它修改。
可以考虑，本公开中所描述的系统和方法可以在实施遥控操纵技术的机器人外科系统中实施。“遥控操纵”通常是指临床医生从远程控制台对外科系统的操作。例如，遥控操纵可以是对机器人外科器械相对于患者的位置的远程调节。替代地，遥控操纵可以包括个体使机器人外科器械执行器械能够执行的一个或多个功能。

Claims (18)

1.一种在机器人外科系统的控制器中对所述机器人外科系统的碰撞处理的方法，所述方法包含：
从所述机器人外科系统的控制台接收第一手柄输入和第二手柄输入；
响应于接收到所述第一手柄输入和所述第二手柄输入，计算外科机器人的机器人臂的期望位置；
向所述外科机器人传输第一输出信号以使所述机器人臂朝向所述期望位置移动；
当所述机器人臂朝向所述期望位置移动时，从所述外科机器人接收力测量值；以及
当所述力测量值大于预定阈值时，重新计算所述外科机器人的所述机器人臂的所述期望位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述力测量值是在所述机器人臂的关节处获取。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述力测量值是扭矩测量值。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含当所述力测量值小于所述预定阈值时，传输第二输出信号以继续使所述机器人臂朝向所述期望位置移动。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包含接收随后的力测量值并且响应于接收到所述随后的力测量值而重新计算所述机器人臂的所述期望位置。
6.根据权利要求5所述的方法，其中重新计算所述期望位置进一步包括当所述随后的力测量值大于所述预定阈值时，将所述期望位置设定为所述外科机器人的当前位置。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含当所述力测量值大于所述预定阈值时，传输控制信号以向输入手柄传输力反馈。
8.根据权利要求7所述的方法，其中传输控制信号包括当所述力测量值大于预定阈值时，传输控制信号以向所述输入手柄传输触觉反馈、触感反馈或感觉反馈中的至少一个。
9.一种在机器人外科系统的控制器中对所述机器人外科系统的碰撞处理的方法，所述方法包含：
确定机器人臂的期望位置；
传输输出信号以使所述机器人臂朝向所述期望位置移动；
当所述机器人臂朝向所述期望位置移动时，从所述机器人臂接收力测量值；并且
当所述力测量值大于预定阈值时，按比例缩小所述输出信号以移动所述期望位置的定位。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含接收第一输入信号和第二输入信号，并且其中确定所述机器人臂的所述期望位置是响应于接收到所述第一输入信号和所述第二输入信号而发生。
11.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含当所述力测量值小于所述预定阈值时，传输额外的输出信号以使所述机器人臂朝向所述期望位置移动。
12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含当所述力测量值大于所述预定阈值时，传输控制信号以向输入手柄施加力反馈。
13.一种用于具有机器人外科系统的控制器的所述机器人外科系统的碰撞处理的方法，所述方法包含：
确定机器人臂的期望位置；
传输第一输出信号以使所述机器人臂朝向所述期望位置移动；
当所述机器人臂朝向所述期望位置移动时，从所述机器人臂接收力测量值；并且
当所述力测量值大于预定阈值时，传输改变的输出信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包含接收第一手柄输入和第二手柄输入。
15.根据权利要求14所述的方法，其中确定所述机器人臂的所述期望位置进一步包括：响应于接收到所述第一手柄输入和所述第二手柄输入而确定所述机器人臂的所述期望位置。
16.根据权利要求13所述的方法，其中传输改变的输出信号使所述机器人臂响应于接收到所述改变的输出信号而移动到改变的期望位置。
17.根据权利要求13所述的方法，其进一步包含当所述力测量值小于所述预定阈值时，传输控制信号以使所述机器人臂朝向所述期望位置移动。
18.根据权利要求13所述的方法，其进一步包含当所述力测量值大于所述预定阈值时，传输控制信号以向输入手柄施加力反馈。
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