CN113164216A - 远程控制手术从臂的方法和系统 - Google Patents

Abstract

根据一实施例的远程控制手术从臂的方法，其包括如下步骤：通过主臂从操作员那里接收输入命令；基于所述输入命令，计算所述从臂的目标位置数据；基于所述被计算出的目标位置数据，计算各关节角度；在所述被计算出的各关节角度中，修改至少一个，以使其包括在从臂的运动范围内；基于所述修改的各关节角度和相对应于所述从臂的当前位置和姿势的当前各关节角度，确定相对应于所述从臂的下一个位置和姿势的下一个各关节角度；以及控制所述从臂根据所述确定的下一个各关节角移动。

Description

远程控制手术从臂的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种远程控制手术从臂在移动范围内移动的方法和系统。

背景技术

医学上的手术是指通过使用医疗器械对皮肤或黏膜，其他组织进行切开、切割或施加操作来治疗疾病的手段。特别是,由于切开手术部位的皮肤，对其内部器官进行治疗、整形或切除的开腹手术等会出现出血、副作用、患者疼痛、疤痕等问题，最近作为替代方案，使用机器人(robot)的手术备受欢迎。

这种手术机器人可区分为根据医生的操作生成必要的信号并进行传送的主臂(master arm)，以及从操作单元接收信号并直接对患者进行必要手术操作的从臂(slavearm)，而主臂和从臂可作为一个手术机器人的不同部分区分，或者各以单独的装置分别配置在手术室。

当使用手术机器人时，不是操作员直接操作手术所需的器械，而是通过操作主臂使安装于从臂的各种器械执行手术所需的动作。

操作员操作主臂，并且从臂的动作被远程控制的过程中，会利用到反向动力学(inverse kinematics)。根据反向动力学，线性空间(linear space)的位置数据(positiondata)可被转换为关节空间(joint space)的各关节角度。在这里，位置数据包括相对于基准点在X轴、Y轴和Z轴方向上的距离和旋转角度。

当利用反向动力学，根据位置数据计算出各关节角度时，可能会出现特异点(singularity)。当发生特异点时，从臂会被控制为以物理上可移动的移动范围之外的角度和角速度移动。

对此，需要一种控制从臂在物理上可移动的移动范围之内移动的方法。

发明内容

技术问题

本发明提供一种远程控制手术从臂在物理上可移动的移动范围之内移动的方法和系统。

本发明的课题不限于以上所述的课题，关于未提及的其他课题，本领域的技术人员可根据下面的记载明确理解。

技术方案

根据一实施例，远程控制手术从臂的方法包括如下步骤：通过主臂从操作员那里接收输入命令；基于所述输入命令，计算所述从臂的目标位置数据；基于所述被计算出的目标位置数据，计算各关节角度；在所述被计算出的各关节角度中，修改至少一个，以使其包括在从臂的移动范围之内；基于所述修改的各关节角度和相对应于所述从臂的当前位置的当前各关节角度，确定相对应于所述从臂的下一个位置的下一个各关节角度；以及控制所述从臂根据所述确定的下一个各关节角度移动。

有益效果

可控制从臂移动到物理上可移动的位置和姿势，或者可控制从臂不以过度的角度和角速度移动。另外，可控制从臂移动到根据操作员的命令被输入的位置和姿势。

根据本发明的效果不限于上述示例，更加多样的效果包括在本说明书内。

附图说明

图1为示出手术机器人系统的一实施例的平面图。

图2为示出远程控制从臂的方法的一例的流程图。

图3为示出确定下一个各关节角度的方法的一例的流程图。

最佳实施方式

根据一实施例，远程控制手术从臂的方法包括如下步骤：通过主臂从操作员那里接收输入命令；基于所述输入命令，计算所述从臂的目标位置数据；基于所述被计算出的目标位置数据，计算各关节角度；在所述被计算出的各关节角度中，修改至少一个，以使其包括在从臂的移动范围之内；基于所述修改的各关节角度和相对应于所述从臂的当前位置的当前各关节角度，确定相对应于所述从臂的下一个位置的下一个各关节角度；以及控制所述从臂根据所述确定的下一个各关节角度移动。

在上述方法中，在所述被计算出的各关节角度中，修改至少一个的步骤中还包括如下步骤：将所述被计算出的各关节角度中，属于所述从臂的移动范围之外的关节角度替换成包括在所述移动范围之内的值。

在上述方法中，所述被计算出的各关节角度中，属于所述从臂的移动范围之外的关节角度会被所述移动范围的边界值替换。

在上述方法中，确定所述从臂的下一个各关节角度的步骤中还包括如下步骤：判断基于所述被修改的各关节角度计算出的位置数据与所述目标位置数据之间的差，是否超过了第一基准值。

在上述方法中，确定所述从臂的下一个各关节角度的步骤中还包括如下步骤：判断所述被修改的各关节角度与所述从臂的当前各关节角度之间的差，是否超过了第二基准值。

在上述方法中，确定所述从臂的下一个各关节角度的步骤中还包括如下步骤：当判断为超过所述第一基准值或者所述第二基准值时，将所述从臂的下一个各关节角度确定为所述从臂的当前各关节角度；以及否则，将所述从臂的下一个各关节角度确定为所述被修改的各关节角度。

在上述方法中，还包括如下步骤：当确定所述从臂的下一个各关节角度为所述从臂的当前各关节角度时，向所述操作员提供警报。

在上述方法中，所述警报以显像方式或者声音方式被输出，或者在所述主臂或所述从臂上发生振动的形式提供给所述操作员。

根据另一个实施例的手术机器人系统，其包括：主臂；从臂；以及至少一个基于操作员操作所述主臂，控制所述从臂移动的处理器，其中所述至少一个处理器包括如下步骤：通过主臂从所述操作员那里接收输入命令；基于所述接收命令，计算所述从臂的目标位置数据；基于所述被计算出的目标位置数据，计算各关节角度；在所述被计算出的各关节角度中，修改至少一个，以使其包括在从臂的移动范围之内；基于所述修改的各关节角度和相对应于所述从臂的当前位置的当前各关节角度，确定相对应于所述从臂的下一个位置的下一个各关节角度；以及控制所述从臂根据所述确定的下一个各关节角度移动。

上述手术机器人系统中，所述至少一个处理器为，将所述被计算出的各关节角度中，属于所述从臂移动范围之外的关节角度替换成包括在所述移动范围之内的值。

具体实施方式

参照附图，在下面详细说明仅用于示例的实施例。以下说明只是对实施例的具体说明，而不限制发明的权利范围。本发明所属技术领域的专家可轻易从本发明的详细说明及实施例中推导出的内容均属于本发明的权利范围。

在本说明书中，“由…组成/构成”或“包括”等术语并不解释为必须全部包括说明书中记载的多个技术特征或多个步骤，可不包括其中的部分技术特征或步骤，或者可以更多的包括增加的技术特征或步骤。

本说明书中使用的术语考虑到本公开中的功能，尽可能选择了当前广泛使用的一般性术语，但是，这些术语可以根据从事本领域的技术人员的意图、先例、新技术的出现等发生变化。另外，在特定的情况下，也存在申请人任意选定的术语，而此情况下，将在相应的发明的说明部分详细记载其含义。因此，本说明书中使用的术语应以其术语所具有的含义和本发明的整个内容为基础进行定义，而不是通过简单的术语名称定义。

图1为示出手术机器人系统的一实施例的平面图。

参照图1，根据一实施例的手术机器人系统1包括，对躺在手术台2的患者P执行手术的从机器人10，和可使操作员0远程控制从机器人10的主控制台20。另外，手术机器人系统1可包括视频系统30。通过视频系统30的显示单元35，助手A可确认手术的进行状况。

从机器人10可包括一个或多个从臂11。通常，机器人手臂具有与人的手臂和/或手腕类似的功能，并且表示一种可将所定的工具附接到手腕的装置。在本说明书中，从臂11可以被定义为囊括诸如上臂、下臂、手腕、手肘等的技术特征以及被结合到所述手腕部位的手术器械等的概念。像这样，从机器人10的从臂11可具有多自由度地进行驱动。从臂11可由用于插入患者P手术部位的手术器械、将手术器械按照长度方向移动的移送驱动单元、使手术器械旋转的旋转驱动单元以及设置于手术器械的末端，用于切开或切割手术病变部位的手术器械驱动单元构成。然而，从臂11的构成不仅限于此，应当理解为这种示例并不限制本发明的权利范围。

为了给患者P执行手术可使用一个或多个从机器人10，并且为了使手术部位通过显示部件(未图示)以视频图像的形式被显示出来的手术工具12，可通过独立的从机器人10来实现。

另外，如上所述，本发明的各种实施例可广泛应用于除腹腔镜之外的使用各种手术内窥镜(诸如，胸腔镜、关节镜、鼻镜等)的手术。

主控制台20和从机器人10不必必须被分离为物理上独立的单独装置，可以集成为一体式。

主控制台20包括主臂(未图示)和显示部件(未图示)。另外，主控制台20还可以包括能够显示外部的操作员0状态的外部显示装置25。

详细地，主控制台20包括可使操作员0操作的主臂。当操作员0操作主臂时，操作信号会通过有线或无线通信网传送到从机器人10，这时从臂11会被控制。即，根据操作员0对主臂的操作，从臂11可执行位置移动、旋转、切割作业之类的手术操作。

通过手术工具12拍摄的视频会以视频图像的形式显示在主控制台20的显示部件另外，显示部件上可共同显示所定的虚拟操作板和通过所述手术工具12拍摄的视频，或者可独立显示所特定的虚拟操作板。

显示部件可以由操作员0能够确认视频的多种形式构成。例如，显示装置可以被设置为与操作员0的双眼对应。作为另一个示例，显示部件以由一个或多个显示器构成，各个显示器上可单独显示手术时必要的信息。根据需要显示的信息的类型或者种类，对显示部件的数量可进行不同地确定。

视频系统30被设置为与从机器人10或主控制台20间隔开，在外部可通过显示单元35确认手术进行状况。

显示单元35上显示的视频可以与操作员0的显示部件上显示的视频相同。助手A可一边确认显示单元35的视频，一边辅助操作员0的手术操作。例如，助手A可根据手术进行状况在器械推车3上更换手术工具12。

中央控制单元40可与从机器人10、主控制台20以及视频系统30相连接，收发各自的信号。

中央控制单元40包括至少一个处理器，所述处理器基于操作员0操作主臂来控制从臂11移动。至少一个处理器可以被实现为多个逻辑门阵列，也可以被实现为通用的微处理器和存储器组合，而所述存储器组合储存了可在微处理器上执行的程序。

至少一个处理器可控制从臂11在物理上可移动的移动范围内移动。在下文中，将参照图2和图3描述远程控制从臂11在物理上可移动的移动范围内移动的方法。

图2为示出远程控制从臂方法的一例的流程图。

在步骤S210中，至少一个处理器可通过主臂从操作员那里接收到为了控制从臂所需的命令。主臂可包括操作杆，并且可通过所述操作杆输入命令。

操作杆可具有多种机械结构。例如，操作杆可以是手柄的形式。操作杆的形式不受限制，可以是各种形式，例如，摇杆、键盘、轨迹球、触摸屏等。

在步骤S220中，至少一个处理器可基于输入命令计算出从臂的目标位置数据T_target。

位置数据表示在线性空间物体位置(位置及姿势)的数据，可包括相对于基准点在X轴、Y轴和Z轴方向上的距离和旋转角度。

至少一个处理器可基于输入命令计算出表示从臂目标的位置的目标位置数据T_target。

例如，目标位置数据T_target可表达为如下式1。

式1

T_target＝{X_target,Y_target,Z_target,RX_target,RY_target,RZ_target}

在这里，X_target,Y_target,Z_target分别表示相对于基准点，从臂在X轴、Y轴和Z轴方向上的目标位置，而RX_target,RY_target,RZ_target分别表示相对于基准点，从臂在X轴、Y轴和Z轴方向上的目标旋转角度。根据RX_target,RY_target,RZ_target可确定从臂的目标姿势。

即，在步骤S220中，至少一个处理器可基于操作员控制主臂来计算出从臂的目标位置和姿势。

在步骤S230中，至少一个处理器可基于被计算出的目标位置数据T_target计算出各关节角度(q_calculated_1,q_calculated_2,...,q_calculated_n)。

从臂包括链节和关节。当安装在关节上的电机旋转时，链节也会跟着旋转，这时从臂的位置和姿势可发生变化。因此，为了控制从臂的位置和姿势根据被计算出的目标位置数据T_target发生变化，要计算出电机需要旋转的关节角度。

可根据从线性空间转换为关节空间的反向动力学(inverse kinematics)来计算各关节角度(q_calculated_1,q_calculated_2,...,q_calculated_n)。

当各关节角度的集合被称为Q_calculated，从关节空间映射到线性空间的导函数被称为J时，可根据下面的式2计算出各关节角度Q_calculated。

式2

Q_calculated＝J^-1x T_target

即，在步骤S230中，至少一个处理器可将线性空间的目标位置数据T_target转换为关节空间的各关节角度Q_calculated。

在步骤S240中，至少一个处理器可修改被计算出的各关节角度Q_calculated中的至少一个，以使其包括在从臂的移动范围之内。

当根据反向动力学计算各关节角度Q_calculated的过程中发生特异点时，被计算出的各关节角度Q_calculated可以是从臂的移动范围之外的值。另外，当目标位置数据T_target是在从臂的移动范围之外的位置和姿势时，被计算出的各关节角度Q_calculated可以是从臂的移动范围之外的值。

从臂的移动范围是指从臂的关节在物理上可移动的旋转角度的范围。当控制从臂超出其移动范围时，则可使其发生破损或故障。

至少一个处理器会判断被计算出的各关节角度Q_calculated是否在从臂的移动范围之外，如果存在移动范围之外的关节角度，则将其修改为包括在移动范围之内。

为了使移动范围之外的关节角度被包括在移动范围之内，至少一个处理器可将其替换为包括在移动范围之内的值。

例如，被计算出的各关节角度中，当q_calculated_1在从臂的移动范围之外时，可将q_calculated_1替换为包括在移动范围之内的值。作为另一个示例，被计算出的各关节角度中，当q_calculated_2和q_calculated_n在从臂的移动范围之外时，可将q_calculated_2和q_calculated_n修改为包括在移动范围之内的值。

为了使移动范围之外的关节角度被包括在移动范围之内，至少一个处理器可将其替换为移动范围的边界值。

例如，被计算出的各关节角度中，当q_calculated_1在从臂的移动范围之外，相对应于q_calculated_1的关节的移动范围的边界值是1.5rad时，可将q_calculated_1替换为1.5rad。

像这样，被计算出的各关节角度中，属于从臂移动范围之外的关节角度可被修改，以使其包括在移动范围之内，从而防止从臂脱离移动范围。

另外，可通过不修改导函数J，直接更换关节角度，从而以直观的方式控制从臂不脱离移动范围。当使用直观的控制方式时，如果从臂发生故障或者运行不正常，则可以更快地发现控制错误。

在步骤S250中，至少一个处理器可基于被修改的各关节角度Q_modified和当前各关节角度Q_current确定从臂的下一个各关节角度Q_next。

在这里，当前各关节角度Q_current表示相对应于从臂的当前位置(位置和姿势)的各关节角度。下一个各关节角度Q_next表示相对应于从臂即将移动到的下一个位置(位置和姿势)的各关节角度。

在步骤S260中，至少一个处理器可控制从臂按照确定的下一个各关节角度Q_next移动。

当下一个各关节角度Q_next被确定为被修改的各关节角度Q_modified时，至少一个处理器可控制从臂按照被修改的各关节角度Q_modified移动。

当下一个各关节角度Q_next被确定为当前各关节角度Q_current时，至少一个处理器可控制从臂维持当前位置和姿势。

为了更详细地描述步骤S250，参照图3。

图3为示出确定下一个各关节角度方法的一例的流程图。

在步骤S251中，至少一个处理器会判断基于被修改的各关节角度Q_mod ified计算出的从臂的位置数据T_calculated与从臂的目标位置数据T_tar get之间的差是否超过了第一基准值。

可利用正向动力学(forward kinematics)，基于被修改的各关节角度Q_modified，计算出从臂的位置数据T_calculated。例如，当从关节空间映射到线性空间的导函数被称为J时，可根据下面的式3计算出从臂的位置数据T_calculated。

式3

T_calculated＝J x Q_modified

例如，从臂的目标位置数据T_target可根据式1来表达，被计算出的从臂的位置数据T_calculated可根据下面的式4来表达。

式4

T_calculated＝{X_calculated,Y_calculated,Z_calculated,RX_calculated,RY_calculated,RZ_calculated}

例如，至少一个处理器可根据下面的式5，判断目标位置数据T_target与被计算出的位置数据T_calculated之间的差的范数(norm)是否超过了第一基准值。在这种情况下，第一基准值可以是常数。

式5

∥T_calculated-T_target∥

作为另一个示例，至少一个处理器可根据下面的式6，对目标位置数据T_target与被计算出的位置数据T_calculated之间的各个元素之差是否超过了第一基准值一一做出判断。在这种情况下，第一基准值可以是将各个常数作为元素的向量。由于会判断各个元素之间的差是否超过了第一基准值，因此可以精确地判断出从臂是否可以移动至目标位置和姿势。

式6

|X_calculated-X_target|

|Y_calculated-Y_target|

|Z_calculated-Z_target|

|RX_calculated-RX_target|

|RY_calculated-RY_target|

|RZ_calculated-RZ_target|

作为另一个示例，至少一个处理器可将目标位置数据T_target与被计算出的位置数据T_calculated的位置的差和姿势的差分别与第一基准值作比较。

至少一个处理器还可使用上述之外的各种方法比较目标位置数据T_targ et与被计算出的位置数据T_calculated，并且不限于所描述的实施例。

目标位置数据T_target表示根据操作员的命令被输入的位置和姿势，而被计算出的位置数据T_calculated表示被计算出的位置和姿势，以使从臂在移动范围内移动。因此，通过比较目标位置数据T_target和被计算出的位置数据T_calculated，可判断是否能够通过根据操作员的命令被输入的位置和姿势控制从臂移动，以及是否能够控制从臂以过度的角度和角速度移动等。

在步骤S252中，至少一个处理器判断被修改的各关节角度Q_modified与当前各关节角度Q_current的差是否超过了第二基准值。

按照与步骤S251中同样的方式，至少一个处理器可判断被修改的各关节角度Q_modified与当前各关节角度Q_current之间的差的范数(norm)是否超过了第二基准值。另外，至少一个处理器可对被修改的各关节角度Q_modified与当前各关节角度Q_current之间的各元素之差是否超过了第二基准值一一做出判断。

被修改的各关节角度Q_modified表示被计算出的各关节角度，以使从臂在移动范围之内移动，而当前各关节角度Q_current表示相对于当前从臂的位置和姿势的各关节角度。因此，可通过比较被修改的各关节角度Q_modified和当前各关节角度Q_current，判断是否能够控制从臂以过度的角度和角速度移动。

在步骤S253中，至少一个处理器将下一个各关节角度Q_next确定为从臂的当前各关节角度Q_current。

步骤S253是在满足步骤S251的条件和步骤S252的条件中的任何一项时执行的步骤。即，步骤S253被执行的情况如下：基于被修改的各关节角度Q_modified计算出的从臂的位置数据T_calculated与从臂的目标位置数据T_target之间的差超过第一基准值，或者被修改的各关节角度Q_modified与当前各关节角度Q_current之间的差超过第二基准值。

满足步骤S251的条件和步骤S252的条件中的任何一项是指，控制从臂移动到无法移动的位置和姿势，或者控制从臂以过度的角度和角速度移动的情况。在这种情况下，从臂可发生破损或故障。因此，为了防止这种情况的发生，至少一个处理器可将下一个各关节角度Q_next确定为当前各关节角度Q_current，从而锁定从臂的移动。

至少一个处理器可通过警报将从臂的移动被锁定的事实告知操作员。警报可通过主控制台(图1中的20)的显示部件、外部显示装置(图1中的25)、视频系统的显示单元(图1中的35)等被显示出来的形式，或者以声音的形式，又或者以在主臂或从臂上发生振动的形式告知给操作员。

在步骤S254中，至少一个处理器将下一个各关节角度Q_next确定为被修改的各关节角度Q_modified。

步骤S254是在步骤S251的条件和步骤S252的条件都不满足的情况下执行的步骤。即，步骤S254被执行的情况如下:基于被修改的各关节角度Q_modified计算出的从臂的位置数据T_calculated与从臂的目标位置数据T_target之间的差不超过第一基准值，并且被修改的各关节角度Q_modified与当前各关节角度Q_current之间的差不超过第二基准值。

步骤S251的条件和步骤S252的条件都不满足的情况是指，控制从臂移动到物理上可移动的位置和姿势。因此，至少一个处理器可将下一个各关节角度Q_next确定为被修改的各关节角度Q_modified，从而控制从臂按照被修改的关节角度Q_modified移动。

尽管上面已经详细描述了本发明的实施例，但是本发明的实施例的权利范围并不限于此，并且本领域技术人员利用以下权利要求中限定的本发明的基本概念进行的各种修改和改进均属于本发明的权利要求范围。

工业实用性

根据本发明的一实施例，远程控制手术从臂的方法可适用于在各种产业上所使用的机器人设备。本发明可应用于各种类型的机器人设备、机器人系统，例如，工业机器人、医疗机器人、移动机器人等。

Claims (10)

1.一种远程控制手术从臂的方法，其包括如下步骤：通过主臂从操作员那里接收输入命令；基于所述输入命令，计算所述从臂的目标位置数据；基于所述被计算出的目标位置数据，计算各关节角度；在所述被计算出的各关节角度中，修改至少一个，以使其包括在从臂的运动范围之内；基于所述修改的各关节角度和相对应于所述从臂当前位置的当前各关节角度，确定相对应于所述从臂的下一个位置的下一个各关节角度；以及控制所述从臂根据所述确定的下一个各关节角度移动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述被计算出的各关节角度中，修改至少一个的步骤中还包括如下步骤：将所述被计算出的各关节角度中，属于所述从臂的移动范围之外的各关节角度替换成包括在所述移动范围之内的值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述被计算出的各关节角度中，属于所述从臂移动范围之外的各关节角度被所述移动范围之内的边界值替

4.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述从臂下一个关节角度的步骤中还包括如下步骤：判断基于所述被修改的各关节角度计算出的位置数据与所述目标位置数据之间的差是否超过了第一基准值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述从臂下一个各关节角度的步骤中还包括如下步骤：判断所述被修改的各关节角度与所述从臂的当前的各关节角度之间的差是否超过了第二基准值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，确定所述从臂的下一个各关节角度的步骤中还包括如下步骤：当判断为超过所述第一基准值或者所述第二基准值时，将所述从臂的下一个各关节角度确定为所述从臂的当前各关节角度；以及否则，将所述从臂的下一个各关节角度确定为所述被修改的各关节角度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，其还包括如下步骤：当将所述从臂的下一个各关节角度确定为所述从臂的当前各关节角度时，向所述操作员提供警报。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述警报以显像形式或声音形式，或者在所述主臂或所述从臂上出现振动的形式提供给所述操作员。

9.一种手术机器人系统，其包括：主臂；从臂；以及至少一个基于操作员操作所述主臂，控制所述从臂移动的处理器，其中所述至少一个处理器包括如下步骤：通过主臂从所述操作员那里接收输入命令；基于所述接收命令，计算所述从臂的目标位置数据；基于所述被计算出的目标位置数据，计算各关节角度；在所述被计算出的各关节角度中，修改至少一个，以使其包括在从臂的移动范围之内；基于所述修改的各关节角度和相对应于所述从臂的当前位置的当前各关节角度，确定相对应于所述从臂的下一个位置的下一个各关节角度；以及控制所述从臂根据所述确定的下一个各关节角度移动。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个处理器为，将所述被计算出的各关节角度中，属于所述从臂的移动范围之外的关节角度替换成包括在所述移动范围之内的值。

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