CN113164204B - 控制缆线驱动末端执行器的方法 - Google Patents

控制缆线驱动末端执行器的方法 Download PDF

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Abstract

一种控制手术机器人的末端执行器的方法，其包括：接收期望姿态；生成马达转矩；传递所述马达转矩；生成零位转矩；生成期望转矩；以及将所述期望转矩传递到IDU，使得所述IDU将所述末端执行器移动到所述期望姿态。主控制器以三个DOF接收所述末端执行器的所述期望姿态。所述主控制器响应于接收到所述期望姿态而生成所述马达转矩。所述主控制器传递在副控制器中接收的所述马达转矩。所述副控制器生成零位转矩以保持所述IDU的差动驱动机构的缆线中的张力。为所述IDU的每个马达生成所述期望转矩，以包括所述马达转矩和所述零位转矩的总和。

Description

控制缆线驱动末端执行器的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年12月6日提交的美国临时专利申请序列号62/776,285的权益和优先权，其全部内容在此引入作为参考。
背景技术
例如远程手术系统等机器人外科手术系统用于执行微创外科手术过程，其与传统的开放外科手术技术相比具有许多益处，包含疼痛较少、住院时间较短、能更快地恢复正常活动、疤痕极小、恢复时间减少以及对组织的损伤较小。
机器人外科手术系统可以具有多个机械臂，其响应于外科医生查看由外科手术部位的图像捕获装置捕获的图像时输入装置的移动而移动附接的器械或工具，例如图像捕获装置、缝合器、电外科器械等。在外科手术过程中，每个工具都通过开口(自然的或切口的)插入患者体内，并定位成在手术部位操纵组织。开口布置在患者的身体周围，使得手术器械可以用于协作地执行外科手术，并且图像捕获装置可以查看手术部位。
在外科手术过程中，工具可以包括由一个或多个开环缆线控制的末端执行器。可通过控制缆线中的张力来操纵末端执行器。
持续需要用于控制缆线中的张力以操纵末端执行器的改进方法。
发明内容
在本公开的一个方面，一种控制手术机器人的末端执行器的方法包括：接收期望姿态；为每个马达生成马达转矩；为每个马达传递马达转矩；为每个马达生成零位转矩；为每个马达生成期望转矩；以及将期望转矩传递到器械驱动单元(IDU)，使得IDU将末端执行器移动到期望姿态。主控制器以三个自由度(DOF)接收末端执行器的期望姿态。主控制器响应于接收到期望姿态而为IDU的每个马达生成马达转矩。主控制器传递在副控制器中接收的马达转矩。副控制器为IDU的每个马达生成零位转矩以保持IDU的差动驱动机构的缆线中的张力。为IDU的每个马达生成期望的转矩，转矩包括每个马达的马达转矩和零位转矩的总和。
在一些方面，为IDU的每个马达生成零位转矩还包括在末端执行器的钳夹之间生成夹紧力。生成夹紧力可包括修改期望的姿态，使得末端执行器的钳夹之间的钳夹角度为负。所述方法可包括在生成夹紧力之前验证末端执行器的钳夹的位置小于夹紧阈值。所述方法可以包括当钳夹具有大于释放阈值的位置时释放夹紧力。释放阈值可以大于夹紧阈值。
在一些方面，为每个马达生成零位转矩包括副控制器接收来自IDU的感测转矩。来自IDU的感测转矩可影响IDU的每个马达的零位转矩。为每个马达生成零位转矩可以包括响应于相应马达的感测转矩来调节每个马达的零位转矩。调节每个马达的零位转矩可以包括对每个马达的马达转矩施加增益。为每个马达生成零位转矩可以包括响应于所感测的转矩为IDU的每对马达调节牵引马达的零位转矩。
在某些方面，为每个马达生成期望转矩包括第三控制器接收马达转矩和零位转矩，并将马达转矩和零位转矩组合成包括马达转矩和零位转矩的总和的期望转矩。第三控制器可将所需转矩传递到IDU。组合马达转矩和零位转矩可以包括从IDU接收感测的转矩，并且将增益施加到马达转矩和零位转矩的总和，以确定期望的转矩，使得感测的转矩接近马达转矩和零位转矩的总和。
在特定方面，副控制器响应于接收到IDU的每个马达的马达位置而生成每个马达的零位转矩。由副控制器接收到的马达位置可以在接头空间。转换器，其位于所述IDU和所述副控制器之间，将马达位置从马达空间转换到所述接头空间。
在多个方面，为每个马达生成马达转矩包括计算接头空间中的马达转矩并补偿摩擦。所述方法可以包括在副控制器接收到每个马达的马达转矩之前将接头空间中的马达转矩分配给每个马达。
在本公开的另一方面，用于由开环差动驱动机构的四根缆线控制的末端执行器的控制器包括主控制器和副控制器。主控制器被配置成接收末端执行器在偏转、俯仰和钳夹自由度(DOF)方面的期望姿态，为器械驱动单元(IDU)的每个马达生成马达转矩，以将末端执行器定位在期望姿态，并传递马达转矩。副控制器被配置成接收来自主控制器的马达转矩，并为IDU的每个马达生成零位转矩以保持差动驱动机构的缆线中的张力，并且IDU被配置成接收包括马达转矩和零位转矩的总和的期望转矩，并响应于接收到期望转矩而将末端执行器操纵至期望姿态。
在各方面，控制器包括组合控制器，所述组合控制器被配置成从副控制器接收零位转矩和马达转矩，生成马达转矩和零位转矩的总和，并将所述总和传递到IDU。
在本公开的另一方面，用于控制由开环差动驱动机构的四根缆线控制的末端执行器的器械驱动单元(IDU)包括马达、联接器和转矩传感器。IDU由主控制器和副控制器控制。这些马达被配置成接收期望转矩并且响应于接收到期望转矩而将末端执行器操纵到所希望的姿态。主控制器被配置成接收末端执行器在偏转、俯仰和钳夹自由度(DOF)方面的期望姿态，为马达生成马达转矩以将末端执行器定位在期望姿态，并传递马达转矩。所述副控制器被配置成接收来自主控制器的马达转矩，以便为马达生成零位转矩来保持差动驱动机构的缆线中的张力，其中期望转矩包括马达转矩与零位转矩的总和。
在本公开的另一方面，一种用于外科手术工具的限定纵向轴线的适配器包括：第一驱动螺杆、第一驱动螺母、第一缆线、第一弹簧、第二驱动螺杆、第二驱动螺母、第二缆线和第二弹簧。第一驱动螺杆纵向固定并被配置成围绕平行于纵向轴线的第一螺杆轴线旋转，并具有螺纹部分。第一驱动螺母围绕第一驱动螺杆的螺纹部分安置，并且螺纹联接到第一驱动螺杆，使得第一驱动螺母响应于第一驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第一驱动螺杆响应于第一驱动螺母的纵向平移而旋转。第一缆线具有固定到第一驱动螺母的近端部分和远端部分。第一弹簧围绕第一驱动螺杆安置并被配置成沿第一纵向方向推动第一驱动螺母，并具有第一弹簧常数。
第二驱动螺杆纵向固定并被配置成围绕平行于第一螺杆轴线的第二螺杆轴线旋转，并具有螺纹部分。第二驱动螺母围绕第二驱动螺杆的螺纹部分安置，并且螺纹联接到第二驱动螺杆，使得第二驱动螺母响应于第二驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第二驱动螺杆响应于第二驱动螺母的纵向平移而旋转。第二缆线具有固定到第二驱动螺母的近端部分和远端部分。
第一和第二缆线的远端部分可操作地彼此联接，使得远端部分的平移彼此相对。第二弹簧围绕第二驱动螺杆安置并被配置成沿第一方向推动第二驱动螺母，并具有第二弹簧常数。第二弹簧被偏置，使得第二弹簧沿第一方向平移第二驱动螺母和第二缆线，使得第二缆线沿与第一方向相反的第二方向平移第一缆线和第一驱动螺母，并且克服第一弹簧的偏置，使得工具被朝向预定姿态偏置。
在多个方面，第一螺杆包括被配置成与第一马达对接的第一近端头部，并且第二螺杆包括被配置成与第二马达对接的第二近端头部。第一方向可以是近端，并且第二方向可以是远端。第一驱动螺母可以限定第一槽，第一缆线的近端部分固定在第一槽中。第二弹簧常数可以大于第一弹簧常数。
在本公开的另一方面，外科手术工具包括细长轴、末端执行器和适配器。细长轴限定纵向轴线并具有近端和远端。末端执行器被支撑在细长轴的远端附近，并包括可在俯仰、偏转和钳夹DOF方面移动的第一钳夹和第二钳夹。适配器支撑细长轴的近端并包括第一驱动螺杆、第一驱动螺母、第一缆线、第一弹簧、第二驱动螺杆、第二驱动螺母、第二缆线和第二弹簧。第一驱动螺杆纵向固定并被配置成围绕平行于纵向轴线的第一螺杆轴线旋转，并具有螺纹部分。第一驱动螺母围绕第一驱动螺杆的螺纹部分安置，并且螺纹联接到第一驱动螺杆，使得第一驱动螺母响应于第一驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第一驱动螺杆响应于第一驱动螺母的纵向平移而旋转。第一缆线延伸穿过细长轴，并具有固定到第一驱动螺母的近端部分和固定到末端执行器的远端部分。第一弹簧围绕第一驱动螺杆安置并被配置成沿第一纵向方向推动第一驱动螺母，并具有第一弹簧常数。
第二驱动螺杆纵向固定并被配置成围绕平行于第一螺杆轴线的第二螺杆轴线旋转，并具有螺纹部分。第二驱动螺母围绕第二驱动螺杆的螺纹部分安置，并且螺纹联接到第二驱动螺杆，使得第二驱动螺母响应于第二驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第二驱动螺杆响应于第二驱动螺母的纵向平移而旋转。第二缆线延伸穿过细长轴并且具有固定到第二驱动螺母的近端部分和固定到末端执行器的远端部分。
第一和第二缆线的远端部分可操作地彼此联接，使得远端部分的平移彼此相对。第二弹簧围绕第二驱动螺杆安置，并被配置成沿第一方向推动第二驱动螺母，并具有被偏置的第二弹簧，使得第二弹簧沿第一方向平移第二驱动螺母和第二缆线，使得第二缆线在与第一方向相反的第二方向平移第一缆线和第一驱动螺母，并且克服第一弹簧的偏置，使得工具被朝向预定姿态偏置。
在一些方面，第一和第二缆线的远端部分均联接到第一钳夹。
在一些方面，适配器包括第三驱动螺杆、第三驱动螺母、第三缆线、第三弹簧、第四驱动螺杆、第四驱动螺母、第四缆线和第四弹簧。第三驱动螺杆纵向固定在适配器内，并被配置成围绕平行于纵向轴线的第三螺杆轴线旋转，并具有螺纹部分。第三驱动螺母围绕第三驱动螺杆的螺纹部分安置，并且螺纹联接到第三驱动螺杆，使得第三驱动螺母响应于第三驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第三驱动螺杆响应于第三驱动螺母的纵向平移而旋转。第三缆线延伸穿过细长轴并且具有固定到第三驱动螺母的近端部分和固定到末端执行器的远端部分。第三弹簧围绕第三驱动螺杆安置，并被配置成沿第三纵向方向推动第三驱动螺母，并具有第三弹簧常数。
第四驱动螺杆纵向固定在适配器内，并被配置成围绕平行于第三螺杆轴线的第四螺杆轴线旋转，并具有螺纹部分。第四驱动螺母围绕第四驱动螺杆的螺纹部分安置，并且螺纹联接到第四驱动螺杆，使得第四驱动螺母响应于第四驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第四驱动螺杆响应于第四驱动螺母的纵向平移而旋转。第四缆线延伸穿过细长轴并且具有固定到第四驱动螺母的近端部分和固定到末端执行器的远端部分。第三和第四缆线的远端部分可操作地彼此联接，使得远端部分的平移彼此相对。第四弹簧围绕第四驱动螺杆安置，被配置成沿第一方向推动第四驱动螺母，并具有被偏置的第四弹簧，使得第四弹簧沿第一方向平移第四驱动螺母和第四缆线。第四缆线在第二方向并且克服第三弹簧的偏置平移第三缆线和第三驱动螺母，使得末端执行器被朝向预定姿态偏置。
在某些方面，第一缆线的远端部分固定到第一钳夹的第一侧，第二缆线的远端部分固定到第一钳夹的第二侧，第三缆线的远端部分固定到第二钳夹的第二侧，并且第四缆线的远端部分固定到第二钳夹的第一侧，使得第一和第四缆线分别安置在第一和第二钳夹的同一侧，并且第二和第三缆线分别安置在第一和第二钳夹的同一侧。末端执行器可以包括轭状物和U形夹。U形夹可以固定到细长轴的远端，并且轭状物可以绕垂直于纵向轴线并与纵向轴线相交的第一轴线枢转地联接到U形夹。钳夹可绕垂直于第一轴线的第二轴线枢转地联接到轭状物。第一钳夹可具有绕第二轴线枢转的第一心轴，第二钳夹可具有绕第二轴线枢转的第二心轴。第一和第二缆线的远端部分可以固定到第一心轴的相对侧，并且第三和第四缆线的远端部分可以固定到第二心轴的相对侧。
在特定方面，第二弹簧和第四弹簧被配置成将工具保持在第一钳夹和第二钳夹处于闭合位置的姿态，第一钳夹和第二钳夹与纵向轴线纵向对准，并且轭状物与纵向轴线对准。第一、第二、第三和第四缆线可被配置成在俯仰、偏转和钳夹DOF方面操纵末端执行器的姿态。
在本公开的另一方面，被配置成选择性地连接到驱动单元的外科手术工具包括细长轴、末端执行器、第一缆线、第二缆线、第三缆线、第四缆线和适配器。细长轴限定纵向轴线并具有近端和远端。末端执行器被支撑在细长轴的远端附近，并包括第一钳夹和第二钳夹。第一缆线延伸穿过细长轴并具有固定到第一钳夹的第一侧的远端部分。第二缆线延伸穿过细长轴并具有固定到第一钳夹的第二相对侧的远端部分。第三缆线延伸穿过细长轴并具有固定到第二钳夹的第二侧的远端部分。
第四缆线延伸穿过细长轴并具有固定到第二钳夹的第一侧的远端部分。适配器支撑细长轴的近端并且被配置成选择性地连接到驱动单元。适配器包括差动驱动机构，所述差动驱动机构被配置成操纵第一、第二、第三和第四缆线中的每一个的近端部分，以在俯仰、偏转和钳夹DOF方面操纵末端执行器。第一、第二、第三和第四缆线中的每一个都向近端偏置，并被配置成随着工具从驱动单元断开而将末端执行器保持在期望姿态。
在一些方面，适配器以第一力朝近端推动第一和第三缆线中的每一个，并以大于第一力的第二力朝近端推动第二和第四缆线中的每一个。在第一和第二钳夹处于闭合位置使得第一和第二钳夹闭合并与纵向轴线对准的情况下，期望的姿态在俯仰和偏转方面可以是直的。可替代地，在第一和第二钳夹处于打开位置使得第一和第二钳夹彼此间隔开并与纵向轴线对准的情况下，期望的姿态在俯仰和偏转方面可以是直的。
在一些方面，末端执行器包括轭状物和U形夹。U形夹可固定到细长轴的远端。轭状物围绕第一轴线枢转地联接到U形夹，所述第一轴线垂直于纵向轴线并与纵向轴线相交。钳夹可绕垂直于第一轴线的第二轴线枢转地联接到轭状物。第一钳夹具有绕第二轴线枢转的第一心轴，第二钳夹具有绕第二轴线枢转的第二心轴。
在某些方面，差动驱动机构包括驱动螺杆，螺纹联接到驱动螺杆的螺母，以及弹簧，所述弹簧对于第一、第二、第三和第四缆线中的每一个向近端偏置螺母，第一、第二、第三和第四缆线中的每一个的近端部分固定到相应的螺母。
此外，在一致的程度上，本文所描述的任何方面可与本文所描述的任何或所有其它方面结合使用。
附图说明
下面参考附图描述本公开的各个方面，这些附图被并入本说明书并构成本说明书的一部分，其中：
图1是根据本公开的机器人手术系统的用户界面和手术机器人的示意图；
图2是图1的机器人系统的臂的侧面透视图，包括IDU、适配器组件和具有末端执行器的工具；
图3是图2的工具的后部透视图；
图4是沿图3的剖面线3-3截取的剖视图；
图5是示出图3的工具的适配器的内部的透视图；
图6是图2的工具的末端执行器的放大透视图，其中钳夹处于直的闭合配置；
图7是图6的末端执行器的透视图，其中末端执行器以正偏转DOF旋转；
图8是图6的末端执行器的透视图，其中末端执行器以正俯仰DOF旋转；
图9是图6的末端执行器的透视图，其中末端执行器以正钳夹DOF旋转；
图10是图6的末端执行器的透视图，其中末端执行器以正俯仰DOF、正偏转DOF和正钳夹DOF旋转；
图11是根据本公开的实施例的位置控制器的示意图；
图12是根据本公开的实施例的整体控制器的示意图；
图13是根据本公开的实施例的另一整体控制器的示意图；以及
图14是根据本公开的实施例的另一整体控制器的示意图。
具体实施方式
现将参考图式详细地描述本公开的实施例，其中相同的附图标记表示若干视图中的每一张中完全相同的或对应的元件。如本文所用，术语“临床医师”是指医生、护士或任何其他护理提供者，并且可以包括辅助人员。在整个说明书中，术语“近端”是指装置或其部件的更靠近操纵该装置或部件的临床医生或手术机器人的部分，而术语“远端”是指装置或其部件的更远离操纵该装置的临床医生或手术机器人的部分。
参考图1，根据本公开的机器人外科手术系统1一般示作机器人系统10、处理单元30和用户界面40。机器人系统10通常包含连杆或臂12和机器人基座18。臂12可移动地支撑被配置成作用在组织上的工具20。每个臂12具有支撑工具20的端部14，所述工具被配置成作用在组织上。此外，臂12的端部14可包括用于对手术部位成像的成像装置16。用户界面40通过处理单元30与机器人底座18连通。
用户界面40包含被配置成显示三维图像的显示装置44。显示装置44显示手术部位的三维图像，其可包括由定位在臂12的端部14处的成像装置16捕获的数据和/或包括由定位在手术室周围的成像装置(例如，定位在手术部位内的成像装置，定位在患者附近的成像装置，定位在成像连杆或臂52的远端的成像装置56)捕获的数据。成像装置(例如，成像装置16、56)可以捕获手术部位的视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热图像和/或任何其他已知的实时图像。成像装置将捕获的成像数据传输到处理单元30，所述处理单元根据成像数据实时创建手术部位的三维图像，并将三维图像传输到显示装置44用于显示。
用户界面40还包含支撑在控制臂43上的输入手柄42，其允许临床医生操纵机器人系统10(例如，移动臂12、臂12的末端14和/或工具20)。输入手柄42中的每一个与处理单元30通信以向所述处理单元传输控制信号并且从所述处理单元接收反馈信号。另外地或可替代地，每个输入手柄42可以包括输入装置(未示出)，所述输入装置允许外科医生操纵(例如，夹紧、抓握、激发、打开、关闭、旋转、推动、切片等)支撑在臂12的端部14处的工具20。
每个输入手柄42可移动通过预定的工作空间以在手术部位内移动臂12的端部14。显示装置44上的三维图像被定向，使得输入手柄42的移动移动臂12的末端14，如在显示装置44看到的那样。应当理解，显示装置上的三维图像的取向可以相对于患者上方的视图成镜像或旋转。此外，应当理解，显示装置44上的三维图像的尺寸可以被缩放为大于或小于手术部位的实际结构，从而允许临床医生更好地观察手术部位内的结构。当输入手柄42移动时，工具20在手术部位内移动，如下所述。如本文详细描述的，工具20的移动还可包含支撑工具20的臂12的末端14的移动。
关于机器人手术系统1的构造和操作的详细论述，可参考第8,828,023号美国专利，所述专利的全部内容以引入的方式并入本文中。
参考图2，图1的手术机器人10的示范性臂12的一部分。臂12包括可沿轨道124平移的托架122。器械驱动单元(IDU)13固定到托架122。IDU13具有一个或多个马达(未示出)，这些马达被配置成用于控制工具20，如下详述的。对于包括一个或多个马达的示范性IDU的详细讨论，可参考美国专利公开号2018/0153634，其全部内容通过引用并入本文。
工具20包括适配器210，从适配器210向远端延伸的细长轴212，以及由细长轴212的远端部分支撑的末端执行器270。适配器210可释放地联接到IDU13，使得工具20从IDU13接收输入。
另外参考图3，适配器210包括IDU接口220，所述IDU接口包括第一马达接口222、第二马达接口224、第三马达接口226、第四马达接口228和控制接口229。马达接口222至228中每个都被配置成机械地联接到IDU13的相应马达。马达接口222、224、226、228围绕轴212的纵向轴线A-A布置。马达接口222、224、226、228可以是在与轴212的纵向轴线A-A正交的平面中的矩形或正方形。控制接口229被配置成联接到IDU13或托架122的控制接口，以从手术机器人10和/或处理单元30接收指令和/或将数据发送到手术机器人10和/或处理单元30。
参考图4和5，第一马达接口222包括第一驱动螺杆230、第一驱动螺母232、第一弹簧234和第一缆线236。第一驱动螺杆230包括第一头部231和远端小块239。第一头部231可具有径向齿、槽、阴连接器、阳连接器或用于联接同轴旋转轴的任何合适的接口，使得第一头部231被配置成将第一驱动螺杆230机械地联接到IDU13的马达。第一驱动螺杆230由位于第一头部231附近的第一轴承233支撑在适配器210内。远端小块239被接纳在由适配器210限定的第一开口238内，使得第一轴承233和远端小块239将第一驱动螺杆230支撑在适配器210内并且使得第一驱动螺杆230能够围绕其纵向轴线旋转，保持第一驱动螺杆230的纵向轴线平行于细长轴212的纵向轴线，并且防止第一驱动螺杆230沿其纵向轴线平移。
第一驱动螺母232安置在第一驱动螺杆230的螺纹部分上，使得第一驱动螺母232和第一驱动螺杆230彼此螺纹联接。具体地，当第一驱动螺杆230沿第一方向旋转时，例如绕驱动螺杆的纵向轴线顺时针旋转，如图3中箭头D1所示，第一驱动螺母232沿第一驱动螺杆230朝第一头部231向近端平移，并且当第一驱动螺杆230沿与第一方向相反的第二方向旋转时，例如逆时针旋转，第一驱动螺母232沿着第一驱动螺杆230远离第一头部231向远端平移。第一驱动螺母232限定接收第一缆线236的一部分的第一槽235，以便当第一驱动螺母232沿着第一驱动螺杆230平移时，第一缆线236与第一驱动螺母232的平移协作。具体地，当第一驱动螺母232向近端平移时，第一缆线236缩回，而当第一驱动螺母232向远端平移时，第一缆线236松弛。
第一弹簧234安置在第一驱动螺母232远端的第一驱动螺杆230周围，并接合第一驱动螺母232的远端表面。第一弹簧234支撑在适配器210内，使得第一弹簧234向近端推动第一驱动螺母232。第一弹簧234可具有足够大的弹簧常数以朝近端推动第一驱动螺母232，使得第一驱动螺杆230在没有施加到第一头部231的力的情况下沿第一方向旋转。第一弹簧234可以具有恒定或渐进的弹簧常数。
第二马达接口224包括第二驱动螺杆240、第二弹簧244和第二缆线246；第三马达接口226包括第三驱动螺杆250、第三弹簧254和第三缆线256；并且第四马达接口228包括第四驱动螺杆260、第四弹簧264和第四缆线266。驱动螺杆240、250、260、弹簧244、254、264和缆线246、256、266分别类似于上文详述的第一驱动螺杆230、第一弹簧234和第一缆线236，且为简洁起见将不在本文中详述，除非差异与工具20的功能相关。
参见图6至10，缆线236、246、256、266延伸穿过轴212并连接到末端执行器270以控制末端执行器270以三个自由度(DOF)(例如，偏转、俯仰和钳夹)的运动。末端执行器270包括U形夹272、轭状物274、第一钳夹276和第二钳夹278。U形夹272包括第一惰轮273，轭状物274包括远离第一惰轮273的第二惰轮275。第一和第二惰轮273、275各自限定惰轮轴线I1，I2，惰轮轴线垂直于轴212的纵向轴线A-A并且彼此平行。
第一钳夹276包括第一心轴277，而第二钳夹278包括第二心轴279。第一心轴277和第二心轴279各自限定心轴轴线S1，S2，当轴212处于如图5所示的直线配置时，心轴轴线垂直于轴212的纵向轴线A-A，并且垂直于第二惰轮轴线I2。第一和第二心轴轴线S1，S2可以彼此同轴。
U形夹272在偏转DOF中绕第二惰轮轴线I2枢转地支撑轭状物274。轭状物274围绕第一和第二心轴轴线S1，S2在俯仰和钳夹方面枢转地支撑第一和第二钳夹276、278。具体地，当第一钳夹276和第二钳夹278绕第一心轴轴线S1和第二心轴轴线S2在相同方向上彼此一致地枢转时，第一钳夹276和第二钳夹278以俯仰DOF移动。可替代地，当第一钳夹276和第二钳夹278围绕第一心轴轴线S1和第二心轴轴线S2沿相反方向或彼此独立地枢转时，第一钳夹276和第二钳夹278以钳夹DOF移动。第一钳夹276和第二钳夹278可沿相同方向但以不同速度移动，例如不一致，使得第一钳夹276和第二钳夹278以俯仰DOF和钳夹DOF移动。
继续参考图6，缆线236、246、256、266缠绕在第一惰轮273和第二惰轮275上，并固定到第一心轴277和第二心轴279中的相应心轴上。第一和第二缆线236、246固定到第一钳夹276的第一心轴277的相对侧。具体地，第一缆线236可固定到第一心轴277的顶侧，并且第二缆线246可固定到第一心轴277的底侧。第一和第二缆线236、246可以彼此形成围绕第一心轴277缠绕的连续整体的缆线。第三和第四缆线256、266固定到第二钳夹278的第二心轴279的相对侧。具体地，第三缆线256可固定到第二心轴279的顶侧，而第四缆线266可固定到第二心轴279的底侧。第三和第四缆线256、266可以彼此形成绕第二心轴279缠绕的连续整体的缆线。
第一惰轮273和第二惰轮275可以限定单独的凹槽以围绕相应的惰轮273、275引导缆线236、246、256、266中的每一根，使得缆线236、246、256、266被固定在相应的凹槽内而不与其它缆线236、246、256、266相互干扰。
继续参考图6至10，缆线236、246、256、266的位移用作差动驱动器，以在偏转DOF、俯仰DOF和钳夹DOF方面控制末端执行器270。首先参考图6，末端执行器270处于直线配置，其中缆线236、246、256、266相对于彼此处于中性位置。在中性位置，每根缆线236、246、256、266中的张力可以基本上彼此相等。为了在正偏转方向上移动末端执行器270，各自固定到第二心轴278的第三和第四缆线256、266各自缩回一定距离，并且各自固定到第一心轴276的第一和第二缆线236、246各自延伸或松弛相同的距离，如图7所示。如图所示，正偏转方向使轭状物274向右枢转，负偏转方向使轭状物274向左枢转。为了在负偏转方向上移动末端执行器270，第一和第二缆线236、246缩回，并且第三和第四缆线256、266延伸或松弛与第一和第二缆线236、246缩回的距离相同的距离。
现在参考图8，为了在正俯仰方向上向上移动末端执行器270，如图所示，各自固定到不同心轴276、278的顶侧的第一和第四缆线236、266缩回一定距离，而各自固定到不同心轴276、278的底侧的第二和第三缆线246、256松弛相同的距离。为了在负俯仰方向上向下移动末端执行器270，如图所示，第二和第三缆线246、256缩回一段距离，并且第一和第四缆线236、266松弛相同的距离。
参考图9，为了在正钳夹方向上移动末端执行器270，以使钳夹276、278枢转，彼此分开，各自固定到不同心轴276、278的不同侧的第一和第三缆线236、256缩回，而固定到不同心轴276、278的不同侧的第二和第四缆线246、266松弛。第一和第三缆线236、256可以缩回相同的距离或不同的距离。然而，第二缆线246松弛与第一缆线236缩回相同的距离，并且第四缆线266松弛与第三缆线256缩回相同的距离。为了在负钳夹方向上移动末端执行器270，例如，使钳夹276、278朝向彼此移动，第二和第四缆线246、266缩回并且第一和第三缆线236、256松弛。
可以设想，一个钳夹，例如第二钳夹278，可以是静止的，此时另一个钳夹，例如第一钳夹276，枢转使得末端执行器270沿钳夹方向移动。为了在使第二钳夹278静止的情况下在正钳夹方向上移动末端执行器270，可以缩回第一缆线236并且使第二缆线246松弛相等的量，同时第三缆线和第四缆线256、266保持静止。类似地，为了在使第一钳夹276静止的情况下在正钳夹方向上移动末端执行器270，第三缆线236缩回并且第四缆线266松弛相等的量，同时第一和第二缆线236、246保持静止。这些运动中的每一个都可以反向，以在钳夹276、278之一静止的情况下沿负钳夹方向移动末端执行器270。
现在参考图10，末端执行器270可以在多于一个DOF中顺序或同时移动。例如，通过缩回第四缆线266并松弛第二缆线246，同时基本上保持第一和第三缆线236、256的位置，末端执行器270可从笔直配置(图6)移动到图10中的位置，以同时沿正偏转、俯仰和钳夹方向移动末端执行器270。
虽然上文描述了末端执行器270在偏转DOF、俯仰DOF和钳夹DOF方面的几种运动，但这些运动是示范性运动，而不是末端执行器270在偏转、俯仰和钳夹DOF方面的所有可能运动或运动组合的详尽列表。
参考图2、5和6，当工具20从IDU13断开时，可能希望将末端执行器270保持在已知位置或中性位置。通过将工具20保持在已知位置，当工具20连接到IDU13时，机器人系统1可以知道末端执行器270的位置或姿态，而不需要运行校准序列。这可以缩短每次附接新工具20时校准手术机器人10所需的时间。另外，机器人系统10可以知道末端执行器270的位置，而不需要可以降低每个工具20的成本的绝对编码器。该已知姿态可以存储在工具20的存储器(未示出)中，并且当工具20附接到手术机器人10时通过控制接口29传送到机器人系统1。
为了将末端执行器270保持在已知姿态或中性姿态，弹簧234、244、254、264可用作预拉伸弹簧。对于一些工具，例如施夹器或钉合器，当工具20与IDU13断开时，具有保持在完全打开或完全正钳夹配置中的末端执行器可能是有益的。例如，施夹器和钉合器可能需要处于打开位置以将夹子或钉合器装载到末端执行器的钳夹中。对于这种器械，第一和第三弹簧234、254中的每个具有大的第一弹簧常数，而第二和第四弹簧244、264中的每个具有较小的第二弹簧常数，使得第一和第三弹簧234、254压制第二和第四弹簧244，264，以使钳夹276、278朝完全打开的配置移动。另外，由于第二和第四弹簧244、264保持第二和第三缆线246、266中的张力，因此，末端执行器270相对于偏转和俯仰方向保持笔直。另外地或可替代地，第一和第三弹簧234、254可以具有与第二和第四弹簧244，264相同或基本上相同的弹簧常数，并且被偏置成使得第一和第三弹簧234、254压制第二和第四弹簧244、264，以使钳夹朝向完全打开的配置移动。
可替代地，当工具20从IDU13断开时，将一些末端执行器保持在完全闭合或完全负钳夹配置可能是有益的。对于这样的器械，第二和第四弹簧244、264中的每个都具有大的第一弹簧常数，并且第一和第三弹簧234、254中的每个都具有较小的第二弹簧常数，使得第二和第四弹簧244、264压制第一和第三弹簧234、254，以使钳夹276、278朝完全闭合配置移动。此外，当第一和第三弹簧234、254保持第一和第三缆线236、256中的张力时，末端执行器270相对于偏转和俯仰方向保持笔直。另外地或可替代地，第二和第四弹簧244、264可以具有与第一和第三弹簧234、254相同或基本上相同的弹簧常数，并且被偏置成使得第二和第四弹簧244、264压制第一和第三弹簧234、254，以使钳夹朝向完全闭合配置移动。
弹簧234、244、254、256可被配置成将工具20保持在其它中性位置，这对于具有特定末端执行器270的工具20是有利的。可以通过改变弹簧234、244、254、256中的一个或多个的弹簧常数和/或偏置弹簧234、244、254、256中的一个或多个，来保持工具20的配置。当工具20连接到IDU13时，工具20的中性位置可以通过控制接口229传送到手术机器人10和/或处理单元30。
需要将测量的IDU13的马达的马达位置与计算的末端执行器270的偏转、俯仰和钳夹位置相关联的正向运动模型来确定末端执行器270的姿态。这不同于传统的机器人，在传统的机器人中，接合角度通常由诸如电位计或编码器之类的位置传感器直接测量。然而，由于末端执行器270内的空间非常有限，因此难以在末端执行器270内放置直接测量末端执行器270的姿态的编码器、电位计或其它装置。因此，根据IDU13的马达的测量的位置计算末端执行器的姿态是有利的。此外，通过与机器人手术系统1(图1)进行交互的临床医生观察手术部位内的末端执行器270，可以补偿计算出的姿态的不准确性。
下面参考图2至6中详细描述的工具20，描述用于控制末端执行器270在偏转DOF、俯仰DOF和钳夹DOF方面的运动控制方法。在下面的模型中，第一钳夹276将被称为钳夹a，第二钳夹278将被称为钳夹b，以避免与下面等式中使用的整数混淆。应当理解，手术机器人10的臂12被配置成在附加的四个DOF中移动末端执行器270，使得末端执行器270可在六个DOF和钳夹DOF中移动。
如上所述，钳夹“a、b”通过利用IDU13的马达(未示出)移动一根或多根缆线236、246、256、266而移动。第一转矩τa是施加到第一钳夹“a”的转矩，并且第二转矩τb是施加到第二钳夹“b”的转矩。如图所示，第一和第二钳夹“a、b”通常是彼此的镜像，仅具有较小的差异，并且第一和第二钳夹“a、b”两者均绕相同的销或轴线(例如心轴轴线S1，S2)枢转。照此，第一转矩τa和第二转矩τb可以由以下等式表示：
其中μ1是相应钳夹“a、b”与相应钳夹“a、b”绕其枢转的销(未明确示出)之间的摩擦系数，ca、cb是阻尼项，并且“m”是惯性项。阻尼项ca、cb和惯性项“m”是接合角度θ的函数。
此外，第一钳夹a由第一和第二缆线236、246直接铰接，第二钳夹b由第三和第四缆线256、266直接铰接，第一和第四缆线236、266固定到相应钳夹“a、b”的顶侧，第二和第三缆线246、256固定到相应钳夹“a、b”的底侧。因此，转矩τa,τb还可以由以下等式表示：
如果单独考虑每个钳夹“a、b”，则惯性项“m”和阻尼项“c”独立于接合角度θ。由于钳夹“a、b”基本上是彼此的镜像，可以假设惯性项“m”和阻尼项“c”的组合项是来自单个钳夹的相应项的两倍，使得mp≡2ma≈2mb并且cp≡2ca≈2cb。因此，将等式(2)组合到等式(1)中，并且重新排列该等式，得到以下等式：
接着，对于俯仰DOF，通过组合钳夹“a”和钳夹“b”，形成俯仰合成接头。如上所述，合成俯仰接头的惯性项“mp”和阻尼项“cp”是各个钳夹“a、b”的阻尼项和惯性项的两倍。俯仰角θp由将第一钳夹和第二钳夹“a、b”之间的角度二等分的线限定。因此，俯仰中的铰接转矩定义为：
对于钳夹DOF，钳夹的合成接头，通过将具有接头俯仰的第一和第二钳夹“a、b”组合而成，为：
将等式(3)和(4)代入等式(2)为俯仰合成接头和钳夹合成接头提供了基本动力学方程：
如上所述，等式(4)和(5)描述了缆线236、246、256、266中的力与用于俯仰和钳夹的合成接头的铰接转矩之间的关系。末端执行器270的最终DOF是由所有四个缆线铰接的偏转DOF。对于偏转接头，动力学方程取决于末端执行器270在俯仰和钳夹方面的配置。通常，在医疗应用中，在俯仰和钳夹方面的运动是快速的。照此，为了简单起见，可以忽略该依赖性以给出：
其中，惯性项“m”以及科里奥利和离心项“c”是将俯仰和钳夹接头考虑在内的集总参数，并且μ2是轭状物274围绕惰轮275的摩擦系数。重新排列等式(7)以将偏转铰接转矩τy定义为：
可以将等式(8)代入等式(7)，以将偏转接头的动力学方程简化为：
因此，偏转、俯仰和钳夹接头的动力学方程为：
此外，可以根据等式(4)、(5)和(8)来确定将铰接转矩与缆线236、246、256、266中的力相关联的一组等式，使得：
这可以通过定义以下变量来简化：
使得等式(11)可以矩阵形式表示为：
可形成逆运动学模型以确定末端执行器270相对于IDU13的每个马达的马达位置的期望偏转、俯仰和钳夹角度。如上所述，末端执行器270的偏转、俯仰和钳夹DOF的运动可通过适配器210的差动驱动机构来实现。此外，每个DOF的负向运动使用相同的缆线，例如缆线236、246、256、266，但是在每根缆线上具有相反的方向或符号。注意，缆线移动的负号不一定表示缆线的收回，而是相应的缆线保持在最小张力下以防止缆线松弛。下面的表1示出了每个DOF中正向运动的组合。应当注意，钳夹DOF的平移是一半，因为每个钳夹“a、b”移动并对总钳夹角度有贡献。
表1。
每根缆线在偏转、俯仰和钳夹方面的缆线运动的线性组合中的运动使得：
因此，对于每个运动，每根缆线236、246、256、266的运动可以由下式给出：
使得对于在每个DOF中的运动，每根缆线236、246、256、266的位移(例如平移)是：
如上所述，IDU13包括与每个马达接口222、224、226、228相关联的马达(未示出)，以旋转驱动螺杆230、240、250、260中相应的驱动螺杆，其又缩回或松弛相应的缆线236、246、256、266。马达作为末端执行器270的期望姿态的函数，根据以下公式旋转：
注意，s是相应缆线的总体平移，使得马达的期望旋转可以作为期望末端执行器姿态的函数示出为：
作为期望末端执行器姿态的函数的每个马达的期望旋转可以组合在单个矩阵中，如：
如果假设每个惰轮273、275和心轴277、279的半径对于每根缆线236、246、256、266都是相等的，则等式(19)可以简化为：
根据等式(20)的逆运动学模型，可获得将马达位置与末端执行器270的偏转、俯仰和钳夹角度相关联的正向运动学模型。注意，等式(20)具有三个未知数和四个等式。然而，如果在每根缆线236、246、256、266中保持适当的张力，则可以在相反方向上求解等式(20)。例如，为了求解θj，可以将第一和第三等式或第二和第四等式加在一起。由于两个总和中的任何一个都不太可能更准确，所以可以取两者的平均值。根据该推理，正向关系可以表示如下：
应当理解，等式(21)可以通过取等式(20)的伪逆，例如Moore-Penrose逆，来获得。
参考图11，IDU13的马达可以由比例-积分-微分(PID)控制器300控制，如以下根据本公开详述的。使用等式(19)，从期望的钳夹角度计算期望的马达位置然后，将马达位置感测为并从期望位置中减去该感测到的马达位置，以生成马达位置误差然后，PID控制器300计算输出到IDU13的马达转矩建议的、积分和导数增益Kp、Ki、Kd按控制律可以表示为：
其中根据等式(20)计算如下：
如图11所示的PID控制器300还可用于控制末端执行器270的一个或多个DOF中的刚度。另外，PID控制器300可以利用等式(21)的正向运动学模型来计算接头空间中的误差，而不是如图所示的马达空间中的误差。
如上所述，PID控制器300单独不直接或明确地考虑缆线236、246、256、266内的力。例如，保持张力，例如防止缆线松弛是上述运动学模型的要求。应当理解，如果IDU13的马达以高精度跟踪期望的马达位置，并且彼此同步，则张力将保持在缆线236、246、256、266中。相反，如果马达不能移动到与一个或多个其它马达同步的期望马达位置，则缆线236、246、256、266中的一根或多根可能会变得松弛。在多个实施例中，缆线236、246、256、266可以通过监测IDU13的马达的电流和/或监测PID控制器300之前的转矩传感器而被预加张力预定量。通过对缆线236、246、256、266预加张力，即使IDU13的马达使缆线236、246、256、266脱离同步，缆线中的张力也将保持为正。
另外，当钳夹“a、b”闭合时，PID控制器300单独不保持钳夹“a、b”中的夹紧力。例如，当IDU13的马达根据等式(20)闭合位置环时，净夹紧力近似为零。在多个实施例中，当末端执行器270不能到达零位置时，当钳夹“a、b”处于闭合位置时，可保持一些闭合力。在多个实施例中，钳夹角度可以被控制为负，使得当钳夹“a、b”处于闭合位置时闭合力可以保持。在这样的实施例中，一旦钳夹角度超过零，就可以缩放钳夹DOF中的期望角度，并且可以修改逆运动学等式，以便通过改变期望负角度的大小来调节夹紧力。然而，这种方法可能给临床医生造成混淆，因为当命令末端执行器270打开时它可能不会打开，直到命令的钳夹角度超过期望的负角度。此外，由于重新缩放，在钳夹DOF中可能存在跟踪误差。
根据机器人手术系统1(图1)的实施例，手术机器人10或处理单元30包括零空间(NS)控制器400，其被配置成提供缆线张力和/或钳夹夹紧力。在这样的实施例中，PID控制器300是主位置控制器，NS控制器400是副控制器。
PID控制器300继续使用上述等式(20)来控制末端执行器270的姿态。当PID控制器300控制末端执行器270的姿态时，根据等式(13)，在马达空间中产生另一DOF(缆线力)，其可与通过螺杆230、240、250、260的马达转矩相关。每根缆线236、246、256、266中的缆线力与相应马达的转矩相关，如下所示：
fi＝klsτi，i＝1，2，3，4 (24)
其中kls是考虑相应螺杆230、240、250、260的方向和效率的转换系数。
假设螺杆230、240、250、260具有相同的半径，等式(24)可以与等式(13)组合，使得：
这可以简化成：
如上所示，等式25受到约束，使得对于相同的铰接转矩，可以有不同的方式来生成马达转矩以平衡等式(25)。例如，马达转矩可以满足等式(25)并且请求铰接接头转矩使得：
其中马达转矩可以是从PID控制器300生成的转矩，如以上关于等式(22)所示。由于等式(25)以及因此等式(26)的矩阵S是无约束的，附加的马达转矩可以被添加到等式(27)的右侧，使得：
这可以通过限制矩阵S的零空间内的附加马达转矩来满足，如下所示：
使得在由PID控制器300确定的铰接接头转矩中没有净变化。
由上可知，可以开发副NS控制器400以调节由PID控制器300生成的马达转矩使得NS控制器400级联在PID控制器300之后以直接调节马达转矩马达转矩可以由检测IDU13的马达的输出转矩的附加转矩传感器直接测量。有关合适的转矩传感器的详细描述，可参考美国专利号9,987,094，其全部内容通过引用并入本文。
首先，将根据本公开，在缆线236、246、256、266中保持张力。在正常操作期间，末端执行器270具有三个DOF，其中铰接转矩在等式(13)中定义。只要附加的马达转矩满足等式(29)，可以在不影响末端执行器270的位置的情况下对这些转矩进行调节，使得零空间中的向量可以表示为：
其中矩阵I是4x4单位矩阵；ST是矩阵S的转置，而是具有4维的任意向量。任意向量可以通过助手矩阵投影或分解为：
N＝(I4×4-ST(SST)-1S) (31)
然后，将等式(26)代入等式(31)并将摩擦系数μ1和μ2设定为零产生：
接下来，通过假设任意向量具有与马达转矩相同的度量单位，从等式(29)中定义的零空间提取常数rKls的影响。通过将等式(32)代入等式(30)：
其重新排列为：
其中附加马达转矩向量由其元素明确表示为：
并且由于任意向量是一个任意向量，另一个任意标量Δτ可以被定义为：
Aτ＝0.25(z1+z2+z3+z4) (36)
这导致：
如通过将等式(37)插入到等式(28)中所示出的，清楚的是，相同的转矩可以被添加到IDU13的每个马达而不改变用于偏转、俯仰和钳夹DOF的铰接转矩。因此，如果每个马达的附加马达转矩相同，则不会影响由PID控制器300确定的位置。如以上关于等式(25)所详述的，这假设摩擦被忽略，这被允许，因为每个马达的附加转矩不铰接这些接头，而是在系统内生成内力并且有助于系统的刚度。
然而，当摩擦系数μ1和μ2显著时，矩阵S被象征性地求解，使得等式(29)的零空间表示为：
注意，如果摩擦系数μ1和μ2为零，则等式(38)降级为等式(37)，使得等式(37)是等式(38)的一阶近似。因此，等式(38)提供了附加马达转矩的关系，其可以在不影响钳口、俯仰和钳夹DOF中的铰接转矩情况下进行调节，以避免影响由PID控制器300确定的位置。
由于等式(38)在NS控制器400的实施方案中是灵活的，考虑到测量的转矩可以使用几种方法来调节IDU的每个马达的转矩。
在保持缆线张力的第一方法中，根据测量的转矩在每个马达处调节转矩，该转矩可以从测量的电流或从如以上详述的物理转矩传感器获得。实际上，当NS控制器400以第一方法操作时，如等式(22)所示的PID控制器300的位置增益必须高。此外，为了保持缆线236、246、256、266中的最小张力fmin，IDU13的四个马达中的两个保持相应缆线中的最小张力，而IDU13的另外两个马达除了预期工作负荷之外还从保持最小张力fmin的两个马达接管工作负荷。这反映在上表1中，其要求将位置变化以相同的量分配给具有不同符号的马达对，使得IDU13的每对马达通过一对缆线(例如，第一和第二缆线236、246以及第三和第四缆线256、266)物理连接。
上述差动驱动机构是具有两对马达的推拉机构。然而，在第一方法中，推进马达不是主动地推动，而是保持最小张力，并且牵引马达将推进马达拉动到期望的位置，使得每对马达的牵引马达闭合该对马达的两个马达的位置环，这需要高的比例增益并且牵引马达的最大电流显著增大。即使考虑到增加的增益，第一方法在保持每根缆线中的最小张力fmin方面是极其好的。
为了在IDU13的马达铰接末端执行器270时将每根缆线236、246、256、266的张力保持在最小张力fmin，将最小Δτ确定为：
如果调节转矩Δτ是满足等式(29)的最小转矩，则来自NS控制器400的调节转矩Δτ表示为：
在该第一方法中，在IDU13的每个单独马达处调节转矩。检查并调节所测量的转矩以确保每根缆线236、246、256、266中的张力大于最小张力fmin。
在保持缆线张力的第二方法中，考虑每对缆线(例如第一和第二缆线236、246以及第三和第四缆线256、266)之间的物理连接，使得等式(39)中定义的约束被放松。具体地，代替验证每个马达的转矩，IDU13的每对马达的转矩受到IDU13的每个马达组或马达对的平均值的约束。
如果测量的转矩的平均值满足如下详述的要求，则每对马达的牵引马达比推进马达更难工作，但是由于在该对马达的每个马达(例如推进马达和牵引马达)中仍然存在净转矩，这意味着推进马达的缆线也可能处于张力下。然而，由于没有单独检查每个马达，因此第二方法在保持每根缆线的张力大于最小张力方面可能不能提供一致的结果fmin。然而，因为不需要每对马达的牵引马达承担每对马达的推进马达的全部负载，所以可以减小IDU13的马达上的负载和接头的刚度。
在第二方法中，每个马达组的平均值表示为：
类似于第一方法，确定满足等式(41)的最小调节转矩Δτ，使得来自NS控制器400的输出采取等式(40)的形式。不必示出如果等式(39)成立，则等式(41)也成立。然而，还清楚的是，等式(41)提供了保持每根缆线的最小张力fmin的不太确定的约束。然而，如上所述，由于每对缆线联接在一起，只要每对马达的牵引马达具有大于平均值的测量转矩那么推进马达也可能在其相关缆线中保持最小张力fmin。此外，应注意，等式(41)说明了在计算调节转矩Δτ时摩擦的影响。
在保持缆线张力的第三方法中，基于对应于缆线236、246、256、266中的每一者中期望最小张力fmin的测量转矩来跟踪IDU13的每个马达的测量转矩并且将其保持在目标最小转矩τmin以上。第三方法具有以下形式的简单控制器：
Δτ＝τmin+K(τmin-τs，min) (42)
其中τmin是目标最小转矩；τs,min是感测到的最小转矩，并且K是增益因子。
等式(42)中的调节转矩Δτ可以提供保持缆线236、246、256、266中的张力的不同确定程度。例如，当增益因子K＝1时，调节转矩Δτ将以最小转矩τs,min调节每个马达转矩使得每个马达转矩将处于或高于目标最小转矩τmin，以保持缆线236、246、256、266中的最小张力fmin。这将具有与以上详述的第一方法类似的结果，其中每对马达的牵引马达将承担相应推进马达的全部工作负荷，同时提供保持最小张力fmin的确定性。当增益因子K<1时，保持最小张力fmin的确定性减小，同时每对马达的牵引马达上的附加工作负荷减小。在极端情况下，当增益因子K＝0时，将常数添加到每个马达转矩以保持最小张力fmin。
第三方法允许通过缩放等式(38)的四个元素来考虑来自等式(38)的摩擦并且使最高调节转矩Δτ等于等式(42)的输出。
第三方法考虑到其它控制器的性能要求，例如总功率，IDU13的马达能够提供的最大电流，和/或接头的刚度，允许对增益系数K的调节。这允许当保持缆线张力的确定性很关键并且IDU13的马达上的工作负荷可以增大时增大增益因子K，并且当保持缆线张力的确定性不太关键并且IDU13的马达上的工作负荷需要减小时减小增益因子K。
其次，将根据本公开，在钳夹“a、b”之间生成夹紧力。根据末端执行器270的器械类型，调节钳夹“a、b”之间的夹紧力可能是有益的。例如，当钳夹“a、b”形成针驱动器时，需要高的夹紧力，而当钳夹“a、b”是肠抓钳时，需要低得多的夹紧力。
在生成夹紧力的第一方法或技术中，夹紧力是通过过度夹紧钳夹生成的，例如，将期望的钳夹角度控制为负值。在第一种技术中，所生成的夹紧力的大小取决于PID控制器300的总刚度和所期望的负角度的大小。为了保持缆线张力，在实际钳夹角度通过零之后，按如下方式修改等式(20)：
通过修改公式(20)，每对马达的牵引马达继续拉动，同时防止推进马达松弛。
由于命令的钳夹角度θj不是负的，所以命令的钳夹角度θj必须在第一种技术中被重新映射。如上所述，如果命令的钳夹角度θj被线性地重新映射，则临床医生可以注意到命令的钳夹角度θj和实际钳夹角度之间的显著差异。为了改善临床医生的体验并且更接近地跟踪命令的钳夹角度θj与实际钳夹角度，命令的钳夹角度θj可以非线性地映射到实际钳夹角度。可以使用不同的斜率来映射命令的钳夹角度θj，其中对于命令的钳夹角度θj的大部分范围，斜率基本上是线性的，并且当命令的钳夹角度θj接近零时，使用更陡的斜率。例如，可以使用对数函数，使得当命令的钳夹角度θj∈[0,10]可以通过6log4(θj+0.1)，粗略地映射到[-10,10]。当命令的钳夹角度θj从0.9变化到10时，映射角度θm从0变化到10，使得映射基本上是线性的。相反，当命令的钳夹角度θj从0变化到0.9时，映射角度θm从-10变化到0，使得斜率显著非线性且陡峭。
在用于在钳夹“a、b”之间生成夹紧力的第二种方法或技术中，当钳夹“a、b”处于闭合位置时，NS控制器400可用于生成夹紧力。当钳夹“a、b”处于闭合位置时，末端执行器270具有两个DOF，使得等式(11)在钳夹DOF中的铰接转矩τj现在为零时降级为以下各项：
两个新变量可以定义如下：
将等式(44)简化为：
类似地，等式(26)也降级为：
其可以对于如等式(47)中定义的矩阵S1至S4的零空间表示为：
其中Δτ3和Δτ4是任意标量。
通过将摩擦系数μ1和μ2设置为零，可以表明马达2和4的附加马达转矩相等，并且马达1和3的附加马达转矩相等：
因此，为了平衡末端执行器270中的内力：
fclamp＝f4-f3＝f2-f1 (50)
其将附加马达转矩限制为：
fclamp＝klsΔτclamp＝f2-f1 (51)
fclamp＝klsΔτclamp＝kls(Δτmotor，4-Δτmotor，3)＝kls(Δτmotor，2-Δτmotor，l) (52)
等式(52)说明Δτ3和Δτ4之间的差值可用于调节钳夹“a、b”之间的夹紧力Δτclamp，定义为：
Δτclamp＝Δτ4-Δτ3 (53)
使得等式(49)可以重写为：
当将等式(54)与等式(37)进行比较时，清楚的是，一旦钳夹a、b处于闭合位置，就可以在调节钳夹“a、b”之间的夹紧力Δτclamp的同时在第一、第二和第三方法中保持缆线张力。
当包括摩擦系数μ1和μ2时，等式(50)的夹紧力Δτclamp取决于等式(45)中的符号。例如，当为正时，等式(44)的第二部分被重新排列为：
τp＝rp{(f4-f3)-μ1(f3+f4)-((f2-f1)+μ1(f1+f2))} (55)
在该示例中，用于俯仰τp的铰接转矩由第四缆线266提供。为了为俯仰τp提供铰接转矩，必须由第四缆线266克服的摩擦力与第三缆线256和第四缆线266的总力成比例并且由μ1(f3+f4)表示。此外，第四缆线266还必须克服由示为f2-f1的相对钳夹提供的反作用力。此外，第四缆线266还必须克服表示为μ1(f1+f2)的另一钳夹的摩擦。内部转矩或夹紧力Δτclamp可以表示为：
Δτclamp＝rp(f2-f1+μ1(f1+f2)) (56)
此外，马达转矩可将系数kls吸收为：
Δτclamp＝Δτmotor，2-Δτmotor，l+μl(Δτmotor，l+Δτmotor，2) (57)
为了保持钳夹“a、b”之间的夹紧力Δτclamp，等式(48)可以表示为：
将等式(57)代入等式(58)，其中Δτ4表示为Δτ3和夹紧力Δτclamp的函数，得出：
以类似的方式，当为负时，等式(44)的第二部分可以重新排列为：
τp＝-rp{(f2-f1)-μ1(f1+f2)-((f4-f3)+μ1(f3+f4))} (60)
在该示例中，用于俯仰的铰接转矩由第二缆线246提供，使得内部转矩或夹紧力Δτclamp可以表示为：
Δτclamp＝Δτmotor，4-Δτmotor，3+μl(Δτmotor，3+Δτmotor，4) (61)
为了保持钳夹“a、b”之间的夹紧力Δτclamp，等式(48)可以表示为：
将等式(61)代入等式(61)提供：
考虑到等式(59)和(63)之间的对称性，控制方程可以发展为：
其具有两个独立变量，夹紧力Δτclamp和Δτ3。夹紧力Δτclamp可用于控制钳夹“a、b”之间的力的大小，使得等式(64)提供用于管理钳夹DOF中的夹紧转矩和力的直接手段。此外，自由变量Δτ3可以用于保持缆线张力，如以上详述的。
等式(64)取决于以下假设：末端执行器270的钳夹“a、b”闭合，使得末端执行器270的DOF减小为2，使得等式(44)成立。在使用中，该条件可以通过等式(21)的正向运动模型来评估。为了验证等式(21)的正向运动模型，由于马达和末端执行器270的物理分离，使用由编码器为IDU13的马达提供的马达位置可能是有利的。由于马达编码器将引起一些不确定性，所以可以设定夹紧阈值，使得一旦所计算的钳夹角度小于夹紧阈值，就可以在短时间(例如，0.5秒)内逐渐应用如等式(64)中所指出的夹紧转矩调节。此外，由于这些调节与两个自由变量(夹紧力Δτclamp和Δτ3)成比例，如果这些调节成比例地增加，则可能影响由PID控制器300控制的位置。
由于夹紧力仅根据来自与机器人手术系统1(图1)交互的临床医生的指令提供，当临床医生发信号通知打开末端执行器270的钳夹“a、b”的意图时，夹紧力可以比夹紧力的增加更快地释放，例如0.1秒。由于一旦意图清晰，临床医生可目视观察到钳夹“a、b”打开，因此可使用期望钳夹角度来确定释放阈值，而非上文详述的计算出的钳夹角度。一旦期望钳夹角度越过夹紧阈值，就可以快速地施加形式为夹紧力Δτclamp的夹紧转矩。此外，可以在夹紧阈值和释放阈值之间建立滞后，以避免施加夹紧力和释放夹紧力之间的恒定交叉。
现在参考图12，整体控制器600组合了根据本公开提供的PID控制器300、NS控制器400和组合控制器500，以控制末端执行器270在偏转、俯仰和钳夹方面的位置，并在需要时保持缆线张力并生成夹紧力。PID控制器300接收期望的钳夹角度并将马达转矩输出到NS控制器400。此外，PID控制器300接收IDU13的马达的位置作为反馈回路的一部分。
NS控制器400接收来自PID控制器300的马达转矩和期望的钳夹角度NS控制器400可以利用如上所述的用于保持缆线张力的方法和/或用于生成夹紧力的技术中的任何一种。期望钳夹角度可以用于计算围绕每个接头的期望角速度，并且拾取例如与期望角速度的方向相反的摩擦系数μ1和μ2的对应符号。可替代地，可忽略摩擦以简化NS控制器400。NS控制器400还接收IDU13的马达的位置作为反馈回路的一部分，并且使用正向运动学模型来生成计算的接合角度以检测系统何时失去DOF，例如，计算出的接合角度何时小于夹紧阈值，从而确定何时施加夹紧转矩。此外，NS控制器400还可接收感测到的转矩以保持缆线张力。
NS控制器400将马达转矩和零位转矩输出到组合控制器500。组合控制器500将零位转矩与马达转矩相加，以从马达转矩和零位转矩的总和计算期望转矩用于输出到IDU13。在感测到的转矩可用的实施例中，组合控制器500接收感测到的转矩并关闭期望的组合控制器500，然后输出期望的转矩比例增益Ks用于减小期望转矩和感测到的转矩之间的误差。具体地，马达转矩和零位转矩的总和可以是期望转矩并且实现比例增益Ks，使得感测到的转矩接近马达转矩和零位转矩的总和。因此，当期望转矩与感测到的转矩之间的误差较小时，比例增益Ks也较小。如这里详细描述的，组合控制器500是第三控制器。
参考图13，根据本公开，公开了组合PID控制器300和NS控制器400的另一整体控制器610，以控制末端执行器270在偏转、俯仰和钳夹方面的位置并保持缆线张力。如图所示，NS控制器400将马达转矩和零位转矩相加，并将期望转矩直接输出到IDU13。当NS控制器400保持缆线张力但不生成夹紧力时，可以使用整体控制器610。
参考图14，根据本公开，公开了组合PID控制器300与NS控制器400的另一整体控制器620，其控制末端执行器270在偏转、俯仰和钳夹方面的位置，且在需要时保持缆线张力并生成夹紧力。整体控制器620还包括接头空间转换器622，其通过使用等式(21)的正向运动学模型，将IDU13的马达位置从马达空间转换为接头空间中的接合角接头空间转换器622将接合角度传递给PID控制器300和NS控制器400。整体控制器620还可以包括如下详述的分配控制器310，所述分配控制器还从接头空间控制器622接收接合角度分配控制器310可以是单独的控制器或者可以集成到PID控制器300中。
如果需要，通过直接在接头空间中操作PID控制器300，偏转、俯仰和钳夹接头可以具有不同的受控刚度。来自接头空间中的PID控制器300的输出是接头转矩其计算为：
分配控制器310从PID控制器300接收接头转矩并将接头转矩分配给马达转矩然而，不存在将接头转矩直接分配给马达转矩的等式。等式(25)将马达转矩与接头转矩相关联，但不可逆。类似于正向运动学，等式(26)的伪逆可用于将接头转矩分配给马达转矩当将接头转矩分配给马达转矩时，分配控制器310可以考虑摩擦。然后，分配控制器310将马达转矩输出到NS控制器400。如上所述，分配控制器310可以与PID控制器300分离或集成到其中。
然后，NS控制器400从分配控制器310接收马达转矩并计算零位转矩将马达转矩和零位转矩相加，并以类似于以上详述的方式将期望转矩直接输出到IDU13。
总体控制器600、610、620是预期的总体控制器的实例，并且不应被视为限制。也考虑其它整体控制器来容纳差动驱动机构，这些控制器使用零空间控制器来保持缆线张力并生成夹紧力。例如，另一整体控制器可以在期望转矩被传递到IDU13之前验证期望转矩以验证期望转矩在IDU13的可接受范围内。在这样的控制器中，如果期望转矩中的一个或多个在IDU13的范围之外，则在将期望转矩输出到IDU13之前，可以使用零空间技术来调节期望转矩例如，可以减小缆线张力和/或可以减小夹紧力。
尽管已经在附图中示出了本公开的几个实施例，但是不旨在将本公开限制于此，因为旨在使本公开的范围与本领域所允许的一样宽，并且同样地阅读说明书。也可以设想上述实施例的任何组合，并且所述任何作何在所附权利要求的范围内。因此，以上描述不应解释为限制性的，而仅作为特定实施例的范例。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 (20)

1.一种控制手术机器人的末端执行器的方法，所述方法包含：
在主控制器中以三个自由度(DOF)接收末端执行器的期望姿态；
响应于接收到所述期望姿态，在所述主控制器中为器械驱动单元(IDU)的每个马达生成马达转矩；
从所述主控制器传递用于所述器械驱动单元的每个马达的所述马达转矩；
在副控制器中接收所述器械驱动单元的每个马达的所述马达转矩；
在所述副控制器中为所述器械驱动单元的每个马达生成零位转矩以保持所述器械驱动单元的差动驱动机构的缆线中的缆线张力；
为所述器械驱动单元的每个马达生成包括所述马达转矩和所述零位转矩的总和的期望转矩；以及
将所述期望转矩传递到所述器械驱动单元，使得所述器械驱动单元将所述末端执行器移动到所述期望姿态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，为所述器械驱动单元的每个马达生成所述零位转矩还在所述末端执行器的钳夹之间生成夹紧力。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，生成所述夹紧力包括修改所述期望姿态，使得所述末端执行器的所述钳夹之间的钳夹角度为负。
4.根据权利要求2所述的方法，还包含在生成所述夹紧力之前验证所述末端执行器的所述钳夹的位置是否小于夹紧阈值。
5.根据权利要求4所述的方法，还包含当所述钳夹具有大于释放阈值的位置时释放所述夹紧力。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述释放阈值大于所述夹紧阈值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中为每个马达生成所述零位转矩包括在所述副控制器中接收来自所述器械驱动单元的感测转矩，来自所述器械驱动单元的所述感测转矩影响所述器械驱动单元的每个马达的所述零位转矩。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，为每个马达生成所述零位转矩包括响应于相应马达的感测到的转矩来调节每个马达的所述零位转矩。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，调节每个马达的所述零位转矩包括对每个马达的所述马达转矩施加增益。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，为每个马达生成所述零位转矩包括：响应于所述感测到的转矩，为所述器械驱动单元的每对马达调节牵引马达的所述零位转矩。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，为每个马达生成期望转矩包括：
在第三控制器中接收所述马达转矩和零位转矩；以及
将所述马达转矩和所述零位转矩组合成包括所述马达转矩和所述零位转矩的总和的期望转矩。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述期望转矩传递到所述器械驱动单元包括所述第三控制器将所述期望转矩传递到所述器械驱动单元。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，组合所述马达转矩和所述零位转矩包括从所述器械驱动单元接收感测到的转矩，并将增益施加到所述马达转矩和所述零位转矩的所述总和以确定所述期望转矩，使得所述感测到的转矩接近所述马达转矩和所述零位转矩的所述总和。
14.根据权利要求1所述的方法，其中为每个马达生成所述零位转矩包括在所述副控制器中接收所述器械驱动单元的每个马达的马达位置。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，由所述副控制器接收到的所述马达位置在接头空间中。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包含将马达位置从马达空间转换到位于所述器械驱动单元和所述副控制器之间的转换器中的所述接头空间。
17.根据权利要求1所述的方法，其中为每个马达生成所述马达转矩包括计算接头空间中的所述马达转矩和补偿摩擦。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包含在所述副控制器中接收每个马达的所述马达转矩之前，将所述接头空间中的所述马达转矩分配给每个马达。
19.一种用于末端执行器的控制器，所述末端执行器由开环差动驱动机构的四根缆线控制，所述控制器包含：
主控制器，其被配置成接收所述末端执行器在偏转、俯仰和钳夹自由度(DOF)方面的期望姿态，为器械驱动单元(IDU)的每个马达生成马达转矩以将所述末端执行器定位在所述期望姿态，并传递所述马达转矩；
副控制器，其被配置成接收来自所述主控制器的所述马达转矩，为所述器械驱动单元的所述马达中的每一个生成零位转矩，从而保持所述差动驱动机构的所述缆线中的张力；以及
器械驱动单元，其被配置成用于接收期望转矩，所述期望转矩包括所述马达转矩和所述零位转矩的总和，并且响应于接收到所述期望转矩而将所述末端执行器操纵到所述期望姿态。
20.一种用于控制由开环差动驱动机构的四根缆线控制的末端执行器的器械驱动单元(IDU)，所述器械驱动单元包含：
马达，其被配置成接收期望转矩并且响应于接收到所述期望转矩而将所述末端执行器操纵至期望姿态；
主控制器，其被配置成接收所述末端执行器在偏转、俯仰和钳夹自由度(DOF)方面的所述期望姿态，为所述马达生成马达转矩以将所述末端执行器定位在所述期望姿态，且传递所述马达转矩；以及
副控制器，其被配置成接收来自所述主控制器的所述马达转矩，以便为所述马达生成零位转矩来保持所述差动驱动机构的所述缆线中的张力，其中所述期望转矩包括所述马达转矩和所述零位转矩的总和。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4213756A1 (en) * 2020-09-15 2023-07-26 Covidien LP Surgical robotic system for controlling wristed instruments
US20230131999A1 (en) * 2021-01-29 2023-04-27 Covidien Lp Surgical instruments for use in robotic surgical systems and methods relating to the same
CN116940296A (zh) * 2021-03-11 2023-10-24 柯惠Lp公司 用于重新对准腕式器械的外科机器人系统
US12064290B2 (en) * 2021-10-12 2024-08-20 Verb Surgical Inc. Hardstop detection and handling for surgical tool
CN114504385A (zh) * 2022-01-18 2022-05-17 上海术航机器人有限公司 手术机器人末端姿态调整方法、系统、设备和介质

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104334109A (zh) * 2012-06-01 2015-02-04 直观外科手术操作公司 用于使用零空间的外科手术操纵器的命令的重新配置的系统和方法
CN104736092A (zh) * 2012-08-03 2015-06-24 史赛克公司 用于机器人外科手术的系统和方法
CN106163444A (zh) * 2014-04-01 2016-11-23 直观外科手术操作公司 遥控操作的外科手术器械的控制输入准确度
CN107666866A (zh) * 2015-06-03 2018-02-06 柯惠Lp公司 偏置器械驱动单元
WO2018053305A1 (en) * 2016-09-15 2018-03-22 Intuitive Surgical Operations, Inc. Computer-assisted tele-operated surgery systems and methods
CN108697481A (zh) * 2016-03-04 2018-10-23 柯惠Lp公司 用于机器人外科手术系统的逆运动学控制系统

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3952880A (en) * 1973-10-15 1976-04-27 Stanford Research Institute Force and torque sensing method and means for manipulators and the like
US9101379B2 (en) * 2010-11-12 2015-08-11 Intuitive Surgical Operations, Inc. Tension control in actuation of multi-joint medical instruments
JP6424003B2 (ja) * 2011-02-15 2018-11-14 インテュイティブ サージカル オペレーションズ， インコーポレイテッド 締付け予測を表示するためのシステム
KR20130080909A (ko) * 2012-01-06 2013-07-16 삼성전자주식회사 수술 로봇 및 그 제어 방법
CN107595392B (zh) * 2012-06-01 2020-11-27 直观外科手术操作公司 使用零空间回避操纵器臂与患者碰撞
KR102146708B1 (ko) * 2012-06-01 2020-08-21 인튜어티브 서지컬 오퍼레이션즈 인코포레이티드 영-공간을 이용하여 매니퓰레이터 암들 사이의 충돌을 회피하는 시스템 및 방법
US9226796B2 (en) * 2012-08-03 2016-01-05 Stryker Corporation Method for detecting a disturbance as an energy applicator of a surgical instrument traverses a cutting path
JP6255402B2 (ja) * 2012-08-15 2017-12-27 インテュイティブ サージカル オペレーションズ， インコーポレイテッド 手術システムの動きを操作するためのファントム自由度
CN104736093B (zh) * 2012-08-15 2018-06-05 直观外科手术操作公司 接头估测和控制中的假想自由度
JP6255401B2 (ja) * 2012-08-15 2017-12-27 インテュイティブ サージカル オペレーションズ， インコーポレイテッド 機械本体の動きを操作するためのファントム自由度
BR112015022187A2 (pt) * 2013-03-14 2017-07-18 Stanford Res Inst Int ferramentas cirúrgicas minimamente invasivas
JP2016516487A (ja) * 2013-03-15 2016-06-09 インテュイティブ サージカル オペレーションズ， インコーポレイテッド ゼロ空間運動と同時にゼロ直交空間内でのクラッチングによりマニピュレータアームを位置決めするためのシステム及び方法
US9982722B2 (en) * 2013-07-09 2018-05-29 Solarcity Corporation Torque transfer in laterally engaging drive couplers exhibiting axial misalignment with driven couplers
CN110074844B (zh) * 2013-12-11 2023-02-17 柯惠Lp公司 用于机器人手术系统的腕组件及钳夹组件
CN105979882B (zh) * 2014-02-07 2019-03-26 柯惠Lp公司 用于机器人手术系统的输入装置组件
US10213266B2 (en) * 2014-02-07 2019-02-26 Covidien Lp Robotic surgical assemblies and adapter assemblies thereof
US10201393B2 (en) * 2014-03-17 2019-02-12 Intuitive Surgical Operations, Inc. Constant force spring with active bias
AU2016279993B2 (en) * 2015-06-16 2021-09-09 Covidien Lp Robotic surgical system torque transduction sensing
US9968412B2 (en) * 2016-08-16 2018-05-15 Ethicon Endo-Surgery, Llc Methods, systems, and devices for controlling a motor of a robotic surgical system
EP3706657A4 (en) * 2017-11-10 2020-12-23 Intuitive Surgical Operations Inc. VOLTAGE REGULATION DURING THE OPERATION OF JOINT INSTRUMENTS
US10166082B1 (en) * 2018-05-18 2019-01-01 Verb Surgical Inc. System and method for controlling a robotic wrist
AU2018424184A1 (en) * 2018-05-18 2020-03-05 Verb Surgical Inc. System and method for controlling a robotic wrist

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104334109A (zh) * 2012-06-01 2015-02-04 直观外科手术操作公司 用于使用零空间的外科手术操纵器的命令的重新配置的系统和方法
CN104736092A (zh) * 2012-08-03 2015-06-24 史赛克公司 用于机器人外科手术的系统和方法
CN107198567A (zh) * 2012-08-03 2017-09-26 史赛克公司 用于机器人外科手术的系统和方法
CN106163444A (zh) * 2014-04-01 2016-11-23 直观外科手术操作公司 遥控操作的外科手术器械的控制输入准确度
CN107666866A (zh) * 2015-06-03 2018-02-06 柯惠Lp公司 偏置器械驱动单元
CN108697481A (zh) * 2016-03-04 2018-10-23 柯惠Lp公司 用于机器人外科手术系统的逆运动学控制系统
WO2018053305A1 (en) * 2016-09-15 2018-03-22 Intuitive Surgical Operations, Inc. Computer-assisted tele-operated surgery systems and methods

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