CN113271883A - 用于机器人手术系统的手眼协调系统 - Google Patents

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Abstract

一种利用处理单元控制手术机器人的工具使得所述工具跟随用户控制台的输入手柄的输入的方法包括：接收所述输入手柄在所述用户控制台的主坐标系中的移动；将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为所述工具在提供手术部位的实时图像的摄像头的摄像头坐标系中的移动；将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在手术室中限定的世界坐标系中的移动，将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具在由支撑所述工具的臂限定的工具坐标系中的移动，并且将控制命令传输到控制所述工具的马达，使得所述工具跟随所述输入手柄的移动。

Description

用于机器人手术系统的手眼协调系统
背景技术
机器人手术系统已被用于微创医疗手术。在医疗手术过程中，机器人手术系统由与用户接口介接的外科医生控制。用户接口允许外科医生操纵作用于患者的手术器械的末端执行器。用户接口包括输入控制器或手柄，所述输入控制器或手柄可由外科医生移动以控制机器人手术系统，还包括显示器，所述显示器允许外科医生观察手术部位内的末端执行器。手术部位的可视化由一个或多个摄像头(例如内窥镜)提供，它们提供手术部位的实时图像。
一直需要改进手术部位的可视化和对手术机器人的直观控制。
发明内容
本公开总体上涉及一些方法，用于将用户控制台的输入手柄的移动转换为手术机器人的工具的移动，这样使得工具如预期地并且如在用户控制台的显示器上所看到的那样移动。
在本公开的一个方面，一种利用处理单元控制手术机器人的工具使得该工具跟随用户控制台的输入手柄的输入的方法，包括：接收输入手柄在用户控制台的主坐标系中的移动；将所述输入手柄在所述主坐标系中的移动转换为所述工具在提供手术部位的实时图像的摄像头的摄像头坐标系中的移动，将所述工具在所述摄像头坐标系中的移动转换为所述工具在手术室中限定的世界坐标系中的移动，将所述工具在所述世界坐标系中的移动转换为所述工具在工具坐标系中的移动，所述工具坐标系由支撑所述工具的臂限定，并且将控制命令传输到控制所述工具的马达，使得所述工具跟随所述输入手柄的移动。
在各方面，将输入手柄在主坐标系中的移动转换为工具在摄像头坐标系中的移动包括将显示旋转矩阵应用于主坐标系中的输入手柄的移动，以将输入手柄的移动转换为用户控制台的显示器的显示坐标系。显示器可以提供手术部位的实时图像的可视化。显示旋转矩阵可以使移动绕主坐标系的轴旋转30度。
在一些方面，将主坐标系中的输入手柄的移动转换为摄像头坐标系中的工具的移动包括将翻转旋转矩阵应用于主坐标系中的输入手柄的移动，以将输入手柄的移动转换为摄像头坐标系。翻转旋转矩阵可以使移动绕显示坐标系的轴旋转180度。该方法可以包括接收翻转标志，并且当翻转标志指示来自摄像头的实时图像在显示器上被观看之前被翻转时应用翻转旋转矩阵。
在某些方面，将工具在摄像头坐标系中的移动转换为工具在世界坐标系中的移动包括：确定摄像头坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角；以及应用世界坐标系旋转矩阵，其包括摄像头坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角，以将工具在摄像头坐标系中的移动转换为工具在世界坐标系中的移动。
在特定方面，将所述工具在所述摄像头坐标系中的移动转换为所述工具在所述世界坐标系中的移动包括：接收所述摄像头的偏移；及通过将包括所述摄像头的所述偏移的调节旋转矩阵应用于所述工具在所述摄像头坐标系中的移动，由摄像头的偏移调节所述摄像头坐标系中的移动。
在一些方面，将工具在世界坐标系中的移动转换为工具在工具坐标系中的移动包括确定工具坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角，以及应用包括工具坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角的工具坐标系旋转矩阵的转置，以将工具在世界坐标系中的移动转换为工具坐标系的移动。该方法可以包括在向控制工具的马达传输控制命令之前，验证摄像头在输入手柄的移动期间是固定的。
在本公开的另一方面，机器人手术系统包括手术机器人、用户控制台和处理单元。手术机器人包括支撑摄像头的第一臂和支撑工具的第二臂。摄像头限定摄像头坐标系，并被配置为捕获手术部位的实时图像。第二臂限定工具坐标系，并被配置为在工具坐标系内操纵工具，手术机器人限定世界坐标系。用户控制台包括输入手柄和显示器。输入手柄可在由用户控制台限定的主坐标系内移动。显示器被配置为显示由摄像头提供的手术部位的实时图像。处理单元被配置为接收输入手柄在主坐标系中的移动，将输入手柄在主坐标系中的移动转换为工具在摄像头坐标系中的移动，将工具在摄像头坐标系中的移动转换为工具在世界坐标系中的移动，将工具在世界坐标系中的移动转换为工具在工具坐标系中的移动，以及将控制命令传输到第二臂，使得工具跟随输入手柄的移动。
在各方面，显示器限定相对于主坐标系的一个轴旋转的显示坐标系。显示器可以绕主坐标系的一个轴旋转30度。处理单元被配置为将显示旋转矩阵应用于输入手柄在主坐标系中的移动，以将输入手柄的移动转换为显示坐标系。
在一些方面，显示器被配置为在显示实时图像之前将由摄像头提供的实时图像翻转180度。处理单元被配置为接收指示实时图像在显示器上翻转的翻转标志，并将翻转旋转矩阵应用于工具的移动，以将工具的移动转换为摄像头坐标系。
在某些方面，处理单元被配置为接收摄像头坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角，且应用包括摄像头坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角的世界坐标系旋转矩阵，以将工具在摄像头坐标系中的移动转换为工具在世界坐标系中的移动。处理单元可以被配置为接收摄像头的偏移角并且应用包括摄像头的偏移角的调节旋转矩阵来调节工具在摄像头坐标系中的移动。
在特定方面，处理单元被配置为接收工具坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角，且应用包括工具坐标系相对于世界坐标系的偏航角和俯仰角的工具坐标系旋转矩阵的转置，以将工具在世界坐标系中的移动转换为工具在工具坐标系中的移动。处理单元可以被配置为在传输控制命令之前验证摄像头在输入手柄的移动期间是固定的。
在本公开的另一方面，一种计算机可读介质具有存储的指令序列，这些指令序列在由处理器执行时致使处理器接收输入手柄在用户控制台的主坐标系中的移动，将输入手柄在主坐标系中的移动转换为工具在提供手术部位的实时图像的摄像头的摄像头坐标系中的移动，将工具在摄像头坐标系中的移动转换为工具在手术室中限定的世界坐标系中的移动，将工具在世界坐标系中的移动转换为工具在由支撑工具的臂限定的工具坐标系中的移动，并且将控制命令传输到控制工具的马达，使得工具跟随输入手柄的移动。
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示意图；
图2是图1的机器人手术系统的示范性用户控制台的示意图；
图3A和3B是支撑图1的机器人手术系统的摄像头和工具的示范性机器人基座和臂的侧视图；
图4是将图2的用户控制台的输入手柄的移动转换为图3B的工具的移动的方法的流程图；以及
图5是可以在本系统的各种实施例中采用的计算装置(例如，作为图1的机器人手术系统的一部分)的说明性实施例的示意性框图。
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个视图中相同的或对应的元素。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。
参照图1，根据本公开的机器人手术系统1通常被示出为手术机器人10、处理单元30以及用户控制台40。手术机器人10通常包括连杆或臂12和一个或多个机器人基座18。连杆12可移动地支撑末端执行器或工具20，所述末端执行器或工具被配置成作用于组织。连杆12可以呈臂形式，所述臂各自具有末端14，所述末端支撑末端执行器或工具20，所述末端执行器或工具被配置成作用于组织。另外，连杆12的末端14可以包含用于对手术部位“S”进行成像的成像装置16。用户控制台40通过处理单元30与机器人基座18通信。
用户控制台40包含显示装置44，所述显示装置被配置成显示三维图像。显示装置44显示手术部位“S”的三维图像，所述三维图像可以包含由定位在连杆12的末端14上的成像装置16捕获的数据和/或包含由围绕手术室定位的成像装置(例如，定位在手术部位“S”内的成像装置、邻近患者“P”定位的成像装置、定位在成像臂52的远侧末端处的成像装置56)捕获的数据。成像装置(例如，成像装置16、56)可以捕获视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热图像和/或手术部位“S”的任何其它已知的实时图像。成像装置将捕获的成像数据传输到根据成像数据实时地创建手术部位“S”的三维图像的处理单元30并且将三维图像传输到显示装置44以供显示。
用户控制台40还包含在允许临床医生操控手术机器人10(例如，移动连杆12、连杆12的末端14和/或工具20)的控制臂43上支撑的输入手柄42。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。此外或替代地，输入手柄42中的每一个可以包含输入装置(未明确展示)，所述输入装置允许外科医生操控(例如，夹持、抓握、击发、打开、关闭、旋转、推进、切开等)支撑在连杆12的末端14处的工具20。
输入手柄42中的每一个可穿过预先限定的工作空间移动以在手术部位“S”内移动连杆12的末端14，例如工具20。显示装置44上的三维图像被定向成使得输入手柄42的移动使连杆12的末端14在显示装置44上所观察到的进行移动。三维图像保持静止，同时输入手柄42的移动被缩放成三维图像内的连杆12的末端14的移动。为了维持三维图像的定向，输入手柄42的运动学映射基于相对于连杆12的末端14的定向的摄像机朝向。显示装置44上的三维图像的定向可以相对于由成像装置16、56捕获的视图成镜像或旋转。另外，显示装置44上的三维图像的大小可以被缩放成比手术部位的实际结构大或小，从而准许临床医生更好地看到手术部位“S”内的结构。如以下详细描述的，在输入手柄42移动时，工具20在手术部位“S”内移动。工具20的移动还可以包含支撑工具20的连杆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1-3B，机器人手术系统1具有世界坐标系Fw，用户控制台40具有主坐标系Fm，显示器44具有显示坐标系Fd，每个工具或末端执行器20具有工具坐标系Ft，并且摄像头56具有摄像头坐标系Fc。世界坐标系Fw是在手术过程中由Xw-Yw-Zw轴限定的固定坐标系。具体参考图3A和3B，世界坐标系Fw是位于手术室的地板或地面上的坐标系，其可以由工具坐标系Ft和摄像头坐标系Fc中的每一个来参考。如图所示，世界坐标系Fw位于摄像头臂52和支撑工具20的基座18之间，其中Xw轴限定在平行于地板的水平方向上，Yw轴限定在平行于地板的水平方向上，且Zm轴限定在从地板到天花板的高度方向上。
具体参考图2，主坐标系Fm是用户控制台40的工作空间W的坐标系，并且由Xm-Ym-Zm轴限定。主坐标系Fm的轴与输入手柄42和显示器44相关，其中Xm轴朝向和远离显示器44，Ym轴相对于显示器44是水平的或横向的，例如相对于显示器44是左/右，而Zm轴相对于地板是垂直的。
返回参考图3A，摄像头坐标系Fc是摄像头56的坐标系，以限定摄像头56相对于手术部位S的视图，并且由Xc-Yc-Zc轴限定。可以为合成图像限定摄像头坐标系Fc，合成图像由相对于手术部位S从多于一个摄像头拍摄的图像形成。Yc轴和Zc轴彼此垂直并且均平行于由摄像头56的透镜限定的平面。Xc轴垂直于由摄像头56的透镜限定的平面，并且基本上指向手术部位S，使得摄像头56的物距沿着Xc轴限定。
参照图3B，工具坐标系Ft是支撑工具20的基座18的坐标系，以限定工具20在手术部位S内相对于支撑工具20的基座18的移动，并由Xt-Yt-Zt轴限定。Xt轴和Yt轴彼此垂直并且基本上平行于地板。Zt轴垂直于Xt和Yt轴中的每一个，并且基本上垂直于天花板，例如远离地板。
参考图1的机器人手术系统和图2-3B的坐标系，在医疗过程期间，处理单元30将用户控制台40的输入手柄42在主坐标系Fm中的移动映射到分配给输入手柄42的工具20，因为它跟随输入手柄42在相应工具坐标系Ft中的移动。例如，当输入手柄42在期望方向上移动时，例如在主坐标系Fm中向上移动，工具20在工具坐标系Ft中在对应于显示坐标系Fd中的期望方向的方向上移动，例如在显示器44上向上移动。为了确保输入手柄42在主坐标系Fm中的移动导致工具20在工具坐标系Ft中的期望移动，处理单元30通过使用摄像头坐标系Fc和工具坐标系Ft相对于世界坐标系Fw的位置来将移动从主坐标系Fm转换为工具坐标系Ft。为了简化处理，处理单元30可以是分布式处理单元，其中每个基座18都包括控制器，例如控制器32、34，其将世界坐标系Fw中来自中央处理单元30的指令或命令转换为相应坐标系中的移动。
如这里所详述的，相应坐标系r中的矢量v将表示为vr＝[vx vy vz]。另外，将坐标系Fa和坐标系Fb相关的旋转矩阵表示为
Figure BDA0003149923760000061
以便
Figure BDA0003149923760000062
由此，将理解，
Figure BDA0003149923760000063
和
Figure BDA0003149923760000064
如下所述，处理单元30确定主坐标系Fm中的移动并将该移动转换为显示坐标系Fd。然后可以将该移动转换为与世界坐标系Fw相关的摄像头坐标系Fc。摄像头坐标系Fc与世界坐标系Fw的关系允许处理单元30将移动转换为世界坐标系Fw。然后，工具坐标系Ft和世界坐标系Fw之间的关系允许处理单元30将移动从世界坐标系Fw转换为工具坐标系Ft。
为了将主坐标系Fm中的相应一个输入手柄42的移动映射到所指定的工具20在工具坐标系Ft中的所希望的移动，主坐标系Fm中的输入手柄42从时间k-1到时间k的移动可以表示为Δpm＝[vx vy vz]。
如图所示，显示器44倾斜以向与用户控制台40交互的临床医生提供舒适的视图，使得显示坐标系Fd相对于主坐标系Fm偏移或旋转。具体地，显示坐标系Fd以大约30°或π/6的显示角θd围绕Xd轴旋转。然而，在一些实施例中，显示器44可以被定位成向临床医生提供舒适的视图，使得显示坐标系Fd基本上与主坐标系Fm对齐或处于不同的显示角度θd。
当显示坐标系Fd偏离主坐标系Fm时，需要将主坐标系Fm中的移动转换为显示坐标系Fd。为了将主坐标系Fm中的移动转换为显示坐标系Fd，旋转矩阵是
Figure BDA0003149923760000071
以便可以使用旋转矩阵的转置来将显示坐标系Fd中的Δpm转换为
Figure BDA0003149923760000072
从而提供
Figure BDA0003149923760000073
在一些实施例中，显示器44能够显示手术部位S的图像，图像围绕Zd轴翻转或旋转，以允许基于所显示的图像的取向更舒适地操纵工具20。在实施例中，显示器44允许通过操纵单个控件(例如，按压按钮或翻转开关)将所显示的图像翻转180°。为了将移动从显示坐标系Fd转换为摄像头坐标系Fc，将用于显示的图像的取向的翻转旋转矩阵Rf应用于显示坐标系Fd中的移动，使得摄像头坐标系Fc中的移动表示为Δpc＝RfΔpd。将所显示的图像翻转180°可由标志表示，使得当图像翻转时，翻转标志为“真”或“1”，且当图像未翻转时，翻转标志为“假”或“0”。当翻转标志为假时，翻转旋转矩阵Rf为
Figure BDA0003149923760000074
使得显示器44上的沿正Zd或向上的移动被转换为工具20的负Yc的移动，显示器44上的正Yd或向左的移动被转换为工具20的正Zc的移动，并且沿正Xd或进入显示器44的移动被转换为工具20沿正Xc的移动。可替代地，当翻转标志为真时，翻转旋转矩阵Rf为
Figure BDA0003149923760000081
使得显示器44上沿正Zd或向上的移动被转换为工具20沿正Yc的移动，显示器44上沿正Yd或向左的移动被转换为工具20沿负Zc的移动，并且沿正Xd或进入显示器44的移动被转换为工具20沿正Xc的移动。注意，沿Xd的移动不受翻转标志的状态的影响。
为了手术机器人10移动工具20，工具在摄像头坐标系Δpc中的移动被转换为工具在摄像头坐标系中的移动Δpt。为了将工具在摄像头坐标系中的移动Δpc转换为工具在工具坐标系中的移动Δpt，首先将工具在摄像头坐标系中的移动Δpc转换为工具在世界坐标系中的移动Δpw。工具在世界坐标系中的移动Δpw然后被转换为工具在工具坐标系中的移动Δpt。
为了将世界坐标系Fw中的工具或摄像头(例如，工具20或摄像头56)的移动转换为另一对象的坐标系(例如，摄像头坐标系Fc或工具坐标系Ft)或进行相反的转换，可使用世界坐标系Fw与另一坐标系之间的关系。例如，摄像头坐标系Ft和世界坐标系Fw之间的关系可以用于将摄像头坐标系Fc中的移动转换为世界坐标系Fw中的移动。摄像头坐标系Ft和世界坐标系Fw之间的关系可以使用设置臂系统15来确定，该设置臂系统利用激光器19a、19b来确定摄像头坐标系Ft和世界坐标系Fw之间的关系。具体地，设置臂系统15包括每个机器人基座18上的激光器19a、19b，以确定相应机器人基座与地面之间的偏航角θyaw和俯仰角θpitch，地面是世界坐标系Fw的平面。有关用于确定机器人基座的坐标系与另一坐标系之间的关系的合适的设置臂系统和方法的详细描述，可参考2019年4月15日提交的美国临时专利申请第62/833,876号(现在为国际专利申请系列第PCT/US2019/036657号，于2019年6月12日提交，标题为《用于对准手术机器人臂的系统和方法(SYSTEM AND METHOD FOR ALIGNING ASURGICAL ROBOTIC ARM)》，其全部内容在此引入作为参考。
为了将摄像头坐标系Fc转换为世界坐标系Fw，将偏航和俯仰旋转施加到世界坐标系Fw以将摄像头坐标系Fc定位在世界坐标系Fw内。旋转的顺序是确定的，绕Zw轴旋转偏航角θyaw在前，绕中间Yi轴(未明确示出)旋转在后，所述中间Yi轴是绕Zw轴旋转偏航角θyaw与俯仰角θpitch的Yw轴。这提供了用于将摄像头坐标系Fc转换为世界坐标系Fw的以下旋转矩阵：
Figure BDA0003149923760000091
在实施例中，摄像头56是0°内窥镜，使得用于转换摄像头坐标系的旋转矩阵保持如上所示。然而，在一些实施例中，摄像头56可以是偏移内窥镜，使得需要偏移内窥镜的附加调节旋转矩阵Ra来将世界坐标系Fw转换为摄像头坐标系Fc。调节旋转矩阵
Figure BDA0003149923760000092
其中θa是针对摄像头56的偏移的调节角。例如，当摄像头56使用30°偏移内窥镜时，调节角θa为π/6，使得调节旋转矩阵为
Figure BDA0003149923760000093
这规定了用于将摄像头坐标系Fc转换为世界坐标系Fw的旋转矩阵，包括调节旋转矩阵Ra，可以表示为：
Figure BDA0003149923760000094
或者，当摄像头56使用30°偏移内窥镜时，表示为：
Figure BDA0003149923760000095
将摄像头坐标系Fc与世界坐标系Fw之间的关系应用于摄像头坐标系中的移动Δpc提供世界坐标系中的移动为：
Figure BDA0003149923760000101
既然世界坐标系中的移动Δpw被确定，世界坐标系Fw和工具坐标系Ft之间的关系被用于将世界坐标系中的移动Δpw转换为工具坐标系中的移动Δpt，从而可以确定旋转矩阵
Figure BDA0003149923760000102
由于必须从世界坐标系Fw确定工具坐标系Ft中的旋转，因此使用
Figure BDA0003149923760000103
旋转矩阵的转置，使得：
Figure BDA0003149923760000104
其中θ偏航和θ俯仰相对于世界坐标系Fw取自工具坐标系Ft。
这规定了将世界坐标系中的移动Δpw转换为工具坐标系中的移动Δpt表示为
Figure BDA0003149923760000105
将该转换与上述转换相结合允许将从主坐标系Fm到工具坐标系Ft的总转换表示为手眼转换Thandeye，使得：
Figure BDA0003149923760000106
如上所述，翻转旋转矩阵Rf取决于将显示坐标系Fd转换为摄像头坐标系Fc的真或假的翻转标志。因此，为了将输入手柄42的移动转换为指定工具20的移动，该变换提供：
Δpt＝ThandeyeΔpm
上述变换依赖于摄像头56在输入手柄42的移动期间是静止的。因此，当应用变换时，可以包括摄像头标志以在摄像头56移动、旋转和/或变焦时暂停工具20的移动。
参照图4，参照图1-3B的机器人手术系统1，根据本公开描述了使用上述变换将输入手柄的移动转换为使用机器人手术系统的工具的移动的方法100。机器人手术系统1可以容纳在单个位置，其中用户控制台40处于与手术机器人10相同的物理位置，或者机器人手术系统1可以是远程操作系统，其中用户控制台40处于远离手术机器人10的远程位置，例如在另一建筑物、城市或国家。
最初，由处理单元30确定用户控制台40的输入手柄42在主坐标系Fm中的移动(步骤110)。控制臂43可包括编码器和/或马达以确定输入手柄42的移动。有关合适的编码器和马达的详细描述，可参考国际专利申请第PCT/US2017/034433号(2017年5月25日提交)和第PCT/US2017/035580号(2017年6月2日提交)。这些申请中的每一个的全部内容以引用的方式并入本文中。
在将输入手柄42的移动转换为指定工具20的移动之前，处理单元30验证摄像头56(例如，摄像头坐标系Fc)在输入手柄42的移动期间是静止的或固定的(步骤120)。处理单元30可以包括摄像头标志形式的输入，当摄像头56固定时，该输入为“真”或“1”，当摄像头不固定时，该输入为“假”或“0”。当摄像头标志为“不固定”时，处理单元30不转换输入手柄42的移动并返回到用于检测输入手柄42的移动的就绪状态(步骤122)。
当摄像头56静止时，处理单元30使用旋转矩阵
Figure BDA0003149923760000111
将输入手柄42的移动从主坐标系Fm转换为显示器44的显示坐标系Fd(步骤124)。如上所述，旋转矩阵
Figure BDA0003149923760000112
考虑了显示坐标系Fd相对于主坐标系Fm的偏移。在将移动转换为显示坐标系Fd之后，处理单元30将移动转换为摄像头坐标系Fc(步骤130)。为了将该移动转换为摄像头坐标系Fc，处理单元30检查翻转标志以确定在显示器44上提供的视图是相对于摄像头56翻转还是相对于摄像头56未翻转。当显示器44上的视图被翻转时，处理单元在继续将移动转换为世界坐标系Fw之前将翻转旋转Rf应用于移动(步骤132)。当图像没有相对于摄像头56翻转时，处理单元30可以继续将移动转换为世界坐标系Fw，而不应用翻转旋转Rf，或者可以将翻转旋转Rf视为等于1。
为了将移动转换为世界坐标系Fw，处理单元30接收支撑摄像头56的臂12的偏航角和俯仰角(步骤140)。臂12的偏航角和俯仰角可由臂12的设置激光器19a、19b确定，并由将臂12支撑到处理单元30的基座18提供。基座18内的控制器32可以确定和计算臂12的偏航角和俯仰角。可以为设定臂19确定臂12的偏航角和俯仰角，然后通过确定支撑摄像头56的臂12的接头的位置将其传送到摄像头56。利用摄像头56的偏航角和俯仰角，处理单元30使用旋转矩阵
Figure BDA0003149923760000113
将移动转换为世界坐标系Fw(步骤142)。一旦处理单元30将移动转换为世界坐标系Fw，处理单元30检查摄像头56的偏移(步骤144)。当摄像头56是零偏移摄像头时，处理单元30继续将移动转换为工具坐标系Ft或给调节旋转Ra赋值“1”。当摄像头56的偏移为非零时，处理单元30在将移动转换为工具坐标系Ft之前对移动施加调节旋转Ra(步骤146)。
随着在世界坐标系Fw中的移动，处理单元30从支撑工具20的基座18接收工具坐标系Ft的偏航角和俯仰角。工具坐标系Ft的偏航角和俯仰角由臂12的设置激光器19a、19b确定，并由支撑臂12的基座18提供给处理单元30(步骤150)。利用支撑工具20的基座18的偏航角和俯仰角，处理单元30使用旋转矩阵
Figure BDA0003149923760000121
的转置将移动转换为工具坐标系Ft(步骤152)。
随着移动被转换为工具坐标系Ft，处理单元30向支撑工具20的基座18发送控制命令，使得基座18内的马达和/或工具驱动单元，致动臂12和/或工具20，使得工具20响应于输入手柄42在主坐标系Fm中的移动而以期望的方式移动(步骤160)，使得工具20跟随输入手柄42的移动。设置在基座18内的控制器34可接收控制命令并响应于控制命令致动臂12和/或工具20。
参考图5，根据本文的各种实施例可以采用计算装置。尽管未明确示出，但在一些实施例中，计算装置300或其一个或多个组件还可表示机器人手术系统1的一个或多个组件(例如，处理单元30、基座18、控制器32、34等)。在各种实施例中，计算装置300可以包括一个或多个存储器302、处理器304、显示装置306、网络接口308、输入装置310和/或输出模块312。存储器302包括非暂时性计算机可读存储介质，用于存储可由处理器304执行并控制计算装置300的操作的数据和/或软件。在实施例中，存储器302可以包括一个或多个固态存储装置，例如闪存芯片。可替换地，或者除了一个或多个固态存储装置之外，存储器302可以包括一个或多个大容量存储装置，其通过大容量存储控制器(图5中未示出)和通信总线(图5中未示出)连接到处理器304。尽管这里包含的计算机可读介质的描述是指固态存储器，但是本领域技术人员应当理解，计算机可读存储介质可以是可由处理器304访问的任何可用介质。也就是说，计算机可读存储介质包括在用于存储信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据)的任何方法或技术实施的非暂时性、易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机可读存储介质的实例包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其它固态存储器技术、CD-ROM、DVD、蓝光或其它光存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储装置，或可用于存储所需信息并可由计算装置300访问的任何其它介质。
在一些实施例中，存储器302存储数据314和/或应用程序316。在一些方面，应用程序316包括用户接口组件318，其在由处理器304执行时致使显示装置306呈现用户接口(图5中未图示)。在一些实施例中，网络接口308被配置为将计算装置300和/或其各个组件耦合到网络，诸如有线网络、无线网络、局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线移动网络、蓝牙网络、因特网和/或另一类型的网络。输入装置310可以是用户可通过其与计算装置300交互的任何装置。输入装置310的实例包括但不限于鼠标、键盘、触摸屏、语音接口等。在各种实施例中，输出模块312可以包括任何连接端口或总线，例如并行端口、串行端口、通用串行总线(USB)或本领域技术人员已知的任何其他类似连接端口。
尽管在附图中展示了本公开的几个实施例，但并不旨在将本公开限制于此，而是旨在使本公开的范围与所属领域所允许的一样宽，并且本说明书同样被阅读。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它修改。

Claims (20)

1.一种方法，其利用处理单元控制手术机器人的工具，使得所述工具跟随用户控制台的输入手柄的输入，所述方法包含：
接收所述输入手柄在所述用户控制台的主坐标系中的移动；
将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为所述工具在提供手术部位的实时图像的摄像头的摄像头坐标系中的移动；
将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在手术室中限定的世界坐标系中的移动；
将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具在工具坐标系中的移动，所述工具坐标系由支撑所述工具的臂限定；以及
将控制命令传输到控制所述工具的马达，使得所述工具跟随所述输入手柄的移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述摄像头坐标系中的移动包括将显示旋转矩阵应用于所述输入手柄在所述主坐标系中的移动，以将所述输入手柄的移动转换为所述用户控制台的显示器的显示坐标系，所述显示器提供所述手术部位的所述实时图像的可视化。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述显示旋转矩阵使所述移动绕所述主坐标系的轴旋转30度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述摄像头坐标系中的移动包括将翻转旋转矩阵应用于所述输入手柄在所述主坐标系中的移动，以将所述输入手柄的移动转换为所述摄像头坐标系，所述翻转旋转矩阵使移动绕所述显示坐标系的轴旋转180度。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包含：
接收翻转标志；以及
当所述翻转标志指示来自所述摄像头的所述实时图像在显示器上被观看之前被翻转时，应用所述翻转旋转矩阵。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述世界坐标系中的所述移动包括：
确定所述摄像头坐标系相对于所述世界坐标系的偏航角和俯仰角；以及
应用包括所述摄像头坐标系相对于所述世界坐标系的所述偏航角和俯仰角的世界坐标系旋转矩阵，以将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述世界坐标系中的移动。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述世界坐标系中的所述移动包括：
接收所述摄像头的偏移；以及
通过将包括所述摄像头的所述偏移的调节旋转矩阵应用于所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动，由所述摄像头的所述偏移调节所述摄像头坐标系中的所述移动。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述工具坐标系中的移动包括：
确定所述工具坐标系相对于所述世界坐标系的偏航角和俯仰角；以及
应用包括所述工具坐标系相对于所述世界坐标系的所述偏航角和俯仰角的工具坐标系旋转矩阵的转置，以将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具坐标系的移动。
9.根据权利要求1所述的方法，其还包含在向控制所述工具的所述马达传输所述控制命令之前，验证所述摄像头在所述输入手柄的所述移动期间是固定的。
10.一种机器人手术系统，其包含：
手术机器人，其包括支撑摄像头的第一臂和支撑工具的第二臂，所述摄像头限定摄像头坐标系并且被配置为捕获手术部位的实时图像，所述第二臂限定工具坐标系并且被配置为在所述工具坐标系内操纵所述工具，所述手术机器人限定世界坐标系；
包括输入手柄和显示器的用户控制台，所述输入手柄能够在由所述用户控制台限定的主坐标系内移动，所述显示器被配置为显示由所述摄像头提供的手术部位的实时图像；以及
处理单元，其被配置为：
接收所述输入手柄在所述主坐标系内的移动；
将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述摄像头坐标系中的移动；
将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述世界坐标系中的移动；
将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述工具坐标系中的移动；以及
将控制命令传输到所述第二臂，使得所述工具跟随所述输入手柄的移动。
11.根据权利要求10所述的机器人手术系统，其中，所述显示器限定相对于所述主坐标系的一个轴旋转的显示坐标系。
12.根据权利要求11所述的机器人手术系统，其中所述显示器绕所述主坐标系的所述一个轴旋转30度。
13.根据权利要求11所述的机器人手术系统，其中所述处理单元被配置为将显示旋转矩阵应用于所述输入手柄在所述主坐标系中的移动，以将所述输入手柄的移动转换为所述显示坐标系。
14.根据权利要求10所述的机器人手术系统，其中所述显示器被配置为在显示所述实时图像之前将由所述摄像头提供的所述实时图像翻转180度。
15.根据权利要求14所述的机器人手术系统，其中所述处理单元被配置为接收指示所述实时图像在所述显示器上翻转的翻转标志，并且将翻转旋转矩阵应用于所述工具的移动，以将所述工具的所述移动转换为所述摄像头坐标系。
16.根据权利要求10所述的机器人手术系统，其中所述处理单元被配置为接收所述摄像头坐标系相对于所述世界坐标系的偏航角和俯仰角，并且应用包括所述摄像头坐标系相对于所述世界坐标系的所述偏航角和俯仰角的世界坐标系旋转矩阵，以将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述世界坐标系中的移动。
17.根据权利要求10所述的机器人手术系统，其中所述处理单元被配置为接收所述摄像头的偏移角并且应用包括所述摄像头的所述偏移角的调节旋转矩阵以调节所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动。
18.根据权利要求10所述的机器人手术系统，其中所述处理单元被配置为接收所述工具坐标系相对于所述世界坐标系的偏航角和俯仰角，并且应用包括所述工具坐标系相对于所述世界坐标系的所述偏航角和俯仰角的工具坐标系旋转矩阵的转置，以将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具在所述工具坐标系中的移动。
19.根据权利要求10所述的机器人手术系统，其中所述处理单元被配置为在传输所述控制命令之前验证所述摄像头在所述输入手柄的所述移动期间是固定的。
20.一种其上存储有指令序列的计算机可读介质，所述指令序列在由处理器执行时使所述处理器：
接收输入手柄在用户控制台的主坐标系中的移动；
将所述输入手柄在所述主坐标系中的所述移动转换为工具在提供手术部位的实时图像的摄像头的摄像头坐标系中的移动；
将所述工具在所述摄像头坐标系中的所述移动转换为所述工具在手术室中限定的世界坐标系中的移动；
将所述工具在所述世界坐标系中的所述移动转换为所述工具在工具坐标系中的移动，所述工具坐标系由支撑所述工具的臂限定；以及
将控制命令传输到控制所述工具的马达，使得所述工具跟随所述输入手柄的移动。
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