CN113423360B - 安装臂俯仰接头估计器 - Google Patents

Abstract

一种用于确定机器人连杆的支撑臂的俯仰角的方法，所述方法包括：从仪器驱动单元(IDU)的惯性测量单元接收所述IDU的坐标系内的加速度计读数，并且计算所述支撑臂相对于所述机器人的基座的水平面的俯仰角。

Description

安装臂俯仰接头估计器

背景技术

机器人手术系统已用于微创医疗手术。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控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以及显示器，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，并且所述显示器允许外科医生观察手术部位内的手术器械。

手术器械由手术机器人的臂支撑。手术机器人的臂包括安装臂和连杆，所述安装臂和连杆可在手术环境内移动以操控手术器械。连杆由安装臂支撑，并且支撑手术环境内的手术器械。安装臂可在手术过程中移动，以重新定位连杆和/或避免与手术机器人的其它臂碰撞。

需要确定安装臂在手术环境内的位置和/或姿势，以确定手术器械的位置，并且因此在手术过程中控制手术器械。因此，持续需要在手术过程中确定安装臂在手术环境内的姿势。

发明内容

本公开总体上涉及用于使用由安装臂支撑的连杆的一个或多个传感器来确定手术环境内的手术机器人的安装臂的姿势、特别是俯仰姿势的系统和方法。

在本公开的方面中，一种用于确定机器人连杆的支撑臂的俯仰角的方法包括：从仪器驱动单元(IDU)的惯性测量单元接收所述IDU的坐标系内的加速度计读数；将加速度计读数从IDU的坐标系旋转到支撑连杆的支撑臂的坐标系，所述连杆支撑所述IDU；以及计算支撑臂相对于机器人基座的水平面的俯仰角。

在各方面中，所述方法包括定义机器人连杆的归属配置。使加速度计读数旋转可以包括：根据连杆的接头的归属配置使加速度计读数围绕所述接头旋转。

在一些方面中，将加速度计读数旋转到支撑臂的坐标系包括：通过使连杆的第一连接件围绕第一连接件与支撑臂之间的第一接头旋转来使加速度计读数旋转。将加速度计读数旋转到支撑臂的坐标系可以包括：通过使连杆的第二连接件围绕第二连接件与第一连接件之间的第二接头旋转来使加速度计读数旋转。将加速度计读数旋转到支撑臂的坐标系可以包括：通过使IDU围绕穿过IDU的轴线旋转来使加速度计读数旋转。

在具体的方面中，接收加速度计读数包括：加速度计读数指示作用于IDU的重力。所述方法可以包括：重复接收加速度计读数、将加速度计读数旋转到支撑臂的坐标系以及计算支撑臂的俯仰角，并将低通滤波器应用于所计算的俯仰角。将低通滤波器应用于所计算的俯仰角可以包括：低通滤波器具有约1Hz的截止。

在本公开的另一方面中，一种用于控制手术机器人的方法包括：接收指示手术机器人的工具的期望移动的控制信号；从手术机器人的IDU接收加速度计读数；基于加速度计读数确定手术机器人相对于水平面的俯仰角；以及将并入有俯仰角的控制信号传输到IDU以启动IDU的电动机。

在各方面中，确定手术机器人的俯仰角包括：将加速度计读数从IDU的坐标系旋转到支撑手术机器人连杆的支撑臂的坐标系，所述连杆支撑所述IDU。所述方法可以包括在确定手术机器人的俯仰角之前确定手术机器人的制动器处于接合状态。

在一些方面中，所述方法包括确定手术机器人的制动器处于松开状态以及进入重力补偿的手动模式，所述手动模式包括连续地计算俯仰角。所述方法可以包括将低通滤波器应用于所连续计算的俯仰角。

在具体的方面中，所述方法包括在传输控制信号之前允许手术机器人的俯仰角稳定阈值时间。

在本公开的另一方面中，一种机器人手术系统包括基座、从基座延伸的支撑臂、由支撑臂支撑的连杆、由连杆支撑的仪器驱动单元(IDU)以及处理单元。IDU包括惯性测量单元和电动机，所述惯性测量单元被配置成生成加速度计读数。处理单元被配置成接收加速度计读数并基于加速度计读数确定支撑臂相对于水平面的俯仰角。处理单元进一步被配置成将并入有俯仰角的控制信号传输到IDU以启动IDU的电动机。

在各个方面中，基座包括制动器，所述制动器具有接合配置和松开配置，在所述接合配置中，支撑臂无法移动，并且在所述松开配置中，支撑臂是可移动的。

在一些方面中，连杆包括第一连接件、第二连接件、第三连接件和导轨。第一连接件可以具有第一部分和第二部分，所述第一部分在第一接头周围由支撑臂支撑。第二连接件可以具有第一部分和第二部分，所述第一部分在第二接头周围由第一连接件的第二部分支撑。第三连接件可以具有第一部分和第二部分，所述第一部分在第三接头周围由第二连接件的第二部分支撑。导轨可以由第三连接件的第二部分支撑。IDU可以由导轨可滑动地支撑。

在某些方面中，处理单元可以包括安置在基座内的控制器。

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是根据本公开提供的示范性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手术机器人的机器人基座或推车的侧视图；

图3是图2所描绘的细节区域的放大视图；

图4是根据本公开的用于计算图3的手术机器人的俯仰角的方法的流程图；以及

图5是根据本公开的用于控制图1的机器人手术系统的方法的流程图。

具体实施方式

现将参考附图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、护士或任何其它护理提供者，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以及一个或多个机器人基座18，所述一个或多个机器人基座各自支撑连杆12中的一个。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各自具有支撑末端执行器或工具20的末端14，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可以包括用于对手术部位“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。另外，机器人基座各自可以包括与处理单元30通信的控制器32、34。

用户控制台40包括显示装置44，所述显示装置被配置成显示手术部位“S”的三维图像，所述三维图像可以包括由定位在连杆12的末端14上的成像装置16捕获的数据和/或包括由定位在手术室周围的成像装置(例如，定位在手术部位“S”内的成像装置、定位在患者“P”附近的成像装置、定位在成像臂52的远端处的成像装置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还包括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通信以将控制信号传输到所述处理单元且从所述处理单元接收反馈信号。另外或替代地，输入手柄42中的每一个可以包括输入装置(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如在显示装置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的定向的摄像机定向。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。

参照图2，被示出为机器人基座或推车18的手术机器人10具有世界坐标系F_w，所述世界坐标系是由X_w-Y_w-Z_w轴线限定的固定坐标系，其在手术过程中保持固定。世界坐标系F_w是定位在手术环境的地板或地面上的坐标系，其可以作为手术环境内的其它坐标系的参考，从而允许手术环境内的每个坐标系成为共同的参考坐标系。如图所示，X_w轴线被限定在平行于地板的水平方向上，Y_w轴线被限定在平行于地板的水平方向上，并且Z_m轴线被限定在从地板至天花板的高度方向上。将认识到，X_w和Y_w轴线限定平行于地板的X-Y平面。另外，机器人基座18限定基座坐标系F_b，所述基座坐标系由基座18限定的X_b-Y_b-Z_b轴线限定。如图所示，X_b轴线被限定在平行于地板和平行于X_w轴线的水平方向上，Y_b轴线被限定在平行于地板和平行于Y_w轴线的水平方向上，并且Z_b轴线被限定在从地板至天花板和平行于Z_w轴线的高度方向上。将认识到，X_b和Y_b轴线在X-Y平面内，其中X_b和Y_b轴线的交点偏离X_w和Y_w轴线的交点。

机器人基座18包括安装臂15，所述安装臂支撑第一接头J₁处的连杆12的第一连接件12a的第一部分，使得第一连接件12a的纵向轴线A-A基本上平行于所定义的X-Y平面。第一接头J₁是单一自由度接头，其允许第一连接件12a围绕第一接头且围绕基本上与X-Y平面正交的轴线旋转。另外参考图3，将认识到，第一连接件12a可以在第一接头J₁处稍微地俯仰，使得纵向轴线A-A与平行于X-Y平面的水平轴线H-H不平行，以限定俯仰角α。俯仰角α指示第一连接件12a以及安装臂15相对于水平轴线H-H俯仰的量。俯仰角α可能是由于机器人基座18的制造公差、从安装臂15悬臂式伸出的连杆12和/或工具20的重量和/或以非水平方式支撑在地板或地面上的机器人基座18导致的结果。机器人基座18还包括制动器19，所述制动器具有接合配置和脱离接合或松开配置，在所述接合配置中制动器19防止安装臂15的移动，并且在所述脱离接合或松开配置中准许安装臂15的移动。在一些实施例中，可以将第一连接件12a直接固定到机器人基座18，使得俯仰角α被限定在第一连接件12a的纵向轴线与水平轴线H-H之间。

如以下详述，连杆12包括可以用于确定俯仰角α的多个传感器。俯仰角α可以用作控制算法的输入，所述控制算法控制工具20的位置和移动。例如，正向或反向运动学可以用于控制工具20在世界坐标系F_w内的位置。另外，手眼协调计算可以用于控制工具20在世界坐标系F_w内的位置。关于示范性运动控制算法的详细论述，可以参考2018年8月31日提交的美国专利申请序列号16/081,773，并且关于示范性手眼协调计算的详细讨论，可以参考2019年2月6日提交的美国临时专利申请序列号62/801,734[代理人案卷号#A0000245US01PRO(203-12277)]。以上每个申请的全部内容特此以引用的方式并入本文中。

继续参考图2，连杆12包括第一连接件12a、第二连接件12b、第三连接件12c和第四连接件或导轨12d。如以下详述，每个连接件围绕单一自由度接头枢转地联接到至少一个其它连接件。第二连接件12b包括第一部分，其通过第二接头J₂枢转地联接到第一连接件12a的第二部分，并且第三连接件12c的第一部分通过第三接头J₃枢转地联接到第二连接件的第二部分。第二连接件12b和第三连接件12c围绕第二接头J₂的轴线和第三接头J₃的轴线枢转，第二接头的轴线和第三接头的轴线彼此平行并且垂直于第一接头J₁的轴线。在实施例中，将第二连接件12b和第三连接件12c围绕第二接头J₂和第三接头J₃的移动相连接，使得第二连接件12b围绕第二接头J₂的移动与第三连接件12c围绕第三接头J₃的移动相等且相反，从而使得第三连接件12c保持平行于第一连接件12b。第四连接件12d围绕第四接头J₄联接到第三连接件12c的第二部分。第四连接件12d围绕第四接头J₄的移动是围绕平行于第二接头J₂的轴线和第三接头J₃的轴线的轴线。

连杆12包括仪器驱动单元(IDU)，所述仪器驱动单元沿着第四连接件12d可滑动地被支撑成限定线性第五接头J₅，所述线性第五接头允许IDU沿着平行于第四连接件12d的纵向轴线的工具轴线T-T移动。第六接头J₆是围绕工具轴线T-T的IDU的滚动接头，其准许IDU以及工具20围绕工具轴线T-T旋转。

接头J₁-J₆中的一个或多个可以包括传感器以确定相应接头的位置或接头角度。例如，第一接头J₁包括第一传感器112，所述第一传感器被配置成确定第一连接件12a相对于围绕第一接头J₁的安装臂15的位置。第二接头J₂包括第二传感器114，所述第二传感器被配置成确定第二连接件12b相对于围绕第二接头J₂的第一连接件12a的位置。第五接头J₅包括第三传感器116，所述第三传感器被配置成确定IDU沿着导轨12d的位置。第六接头J₆包括第四传感器118，所述第四传感器被配置成确定IDU围绕工具轴线T-T的滚动。在实施例中，第一传感器112、第二传感器114、第三传感器116和第四传感器118可以是确定相应接头J₁、J₂、J₅、J₆的接头角度的编码器或电位计。另外，IDU包括惯性测量单元(IMU)120，所述惯性测量单元可以是被配置成确定IDU的惯性(例如，确定IDU上的重力)的加速度计。

现在参照图4，根据本公开参考图1至3的机器人手术系统提供了确定第一接头J₁处的安装臂15的俯仰角α的过程或方法200。方法200可以由处理单元30控制或由基座或推车18的控制器34控制。如以下详述，方法200使用由IMU 120测得的惯性以及连杆12的接头(例如，接头J₁、J₂、J₅、J₆)的接头角度来确定俯仰角α。最初，定义如图2所示的连杆12的归属配置(步骤210)。在归属配置中，第一连接件12a在远离基座18的方向上从安装臂15延伸，第一连接件12a和第三连接件12c彼此平行并且在竖直方向上彼此间隔开，并且导轨12d围绕第四接头J₄垂直于第三连接件12c定位。归属配置中的接头J₁、J₂、J₅、J₆的接头角度被认为是相应接头J₁、J₂、J₅、J₆中的每一个的零值。

利用所定义的连杆12的归属配置，将来自IDU坐标系的IMU 120中的加速度计读数ACC_IMU接收在处理单元30或控制器34中(步骤220)。将加速度计读数ACC_IMU接收在如下IDU坐标系的x、y、z坐标中：

其中x、y、z是来自收进IDU坐标系的IMU 120中的读数。

然后使用第一接头J₁、第二接头J₂和第六接头J₆的接头角度将加速度计读数ACC_IMU从IDU坐标系变换到基座坐标系F_b（步骤230）。为了将加速度计读数ACC_IMU变换到基座坐标系F_b，将每个接头J₁、J₂、J₆的旋转应用于加速度计读数ACC_IMU，以将加速度矢量提供在如下基座坐标系ACC_b中：

ACC_b＝R_J1R_J2R_J6ACC_IMU

关于每个接头的旋转被表示如下：

其中“c”和“s”分别是余弦和正弦。然后将加速度矢量ACC_b用于如下计算相对于平行于X-Y平面的水平轴线H-H的俯仰角α（步骤240）：

α=atan2(||ACC_N×g_N||，ACC_N·g_N)

其中和/>

并且其中

并且其中ACC_N,x是指ACC_N矢量的x分量，并且“符号”函数取该值的+或-符号。换言之，取决于加速度矢量的x分量的“符号”，SA俯仰角乘以+1或-1。

当确定俯仰角α时，可以通过使用更新的来自IMU 120的加速度计读数重复计算来验证俯仰角α（步骤250）。这可以重复，直到俯仰角α的计算趋于稳定，例如在阈值时间段或计算次数内保持不变。阈值时间段可能是约三秒。另外或替代地，可以将具有约1Hz截止的低通滤波器应用于俯仰角α的计算，直到俯仰角α趋于稳定。

然后针对机器人基座18的安装臂15的位置保存俯仰角α(步骤250)。如以下详述，俯仰角α可以用于控制算法以控制工具20，例如，手术过程中工具20的移动或功能(步骤260)。

参照图5，根据本公开，参考图1至3的具有处理单元30和/或控制器34的机器人手术系统1，提供了控制手术机器人10的过程或方法300。最初，从用户控制台40接收控制信号(步骤310)。当接收到控制信号时，使用如上所述的方法200确定俯仰角α(步骤320)。然后，处理单元30确定安装臂15的制动器19的状态(步骤330)。当制动器19接合或为TRUE时，俯仰角α是有效的，使得俯仰角α可以用于控制算法，以响应于控制信号移动工具20(步骤340)。

当制动器19松开或为FALSE时，俯仰角α可以随安装臂15移动而波动。例如，制动器19可以被松开成允许安装臂15和/或连杆12移动，以重新定位安装臂15和/或连杆12和/或避免与手术环境内的另一物体(例如，另一安装臂15或连杆12)碰撞。当制动器19松开时，处理单元30可以采用重力补偿的手动模式，使得连续地计算俯仰角α以补偿俯仰角α中的电位变化(步骤350)。方法200可以用于连续地计算俯仰角α。另外，处理单元30可以将低通滤波器应用于俯仰角α，以避免工具20的意外移动和/或直到所计算的俯仰角α趋于稳定(步骤355)。低通滤波器可以是截止频率在约1Hz范围内的一阶滤波器(步骤360)。当俯仰角α趋于稳定或穿过低通滤波器时，俯仰角α可以用于控制算法以响应于控制信号移动工具20(步骤340)。

虽然已经在附图中展示了本公开的若干实施例，但并不希望将本公开限于此，因为希望使本公开与所属领域所允许的范围一样广泛并且应以同样的方式阅读本说明书。还可以预见上述实施例的任何组合，并且上述实施例的任何组合在所附权利要求的范围内。因此，上文的描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为特定实施例的范例。所属领域的技术人员将想到在本文所附的权利要求书的范围和精神内的其它修改。

Claims (19)

1.一种用于确定机器人连杆的支撑臂的俯仰角的方法，所述方法包含：

从仪器驱动单元(IDU)的惯性测量单元接收所述仪器驱动单元的坐标系内的加速度计读数；

将所述加速度计读数从所述仪器驱动单元的所述坐标系旋转到支撑所述连杆的所述支撑臂的坐标系，所述连杆支撑所述仪器驱动单元；以及

计算所述支撑臂相对于所述机器人的基座的水平面的所述俯仰角。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：定义所述机器人的所述连杆的归属配置。

3.根据权利要求2所述的方法，其中使所述加速度计读数旋转包括：根据所述连杆的接头的归属配置使所述加速度计读数围绕所述接头旋转。

4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述加速度计读数旋转到所述支撑臂的所述坐标系包括：通过使所述连杆的第一连接件围绕所述第一连接件与所述支撑臂之间的第一接头旋转来使所述加速度计读数旋转。

5.根据权利要求4所述的方法，其中将所述加速度计读数旋转到所述支撑臂的所述坐标系包括：通过使所述连杆的第二连接件围绕所述第二连接件与所述第一连接件之间的第二接头旋转来使所述加速度计读数旋转。

6.根据权利要求5所述的方法，其中将所述加速度计读数旋转到所述支撑臂的所述坐标系包括：通过使所述仪器驱动单元围绕穿过所述仪器驱动单元的工具轴线旋转来使所述加速度计读数旋转。

7.根据权利要求1所述的方法，其中接收所述加速度计读数包括：所述加速度计读数指示作用于所述仪器驱动单元的重力。

8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：

重复接收加速度计读数、将所述加速度计读数旋转到所述支撑臂的所述坐标系以及计算所述支撑臂的所述俯仰角；以及

将低通滤波器应用于所计算的俯仰角。

9.根据权利要求8所述的方法，其中将所述低通滤波器应用于所述所计算的俯仰角包括：所述低通滤波器具有1Hz的截止。

10.一种用于控制手术机器人的方法，所述方法包含：

接收指示所述手术机器人的工具的期望移动的控制信号；

从所述手术机器人的仪器驱动单元接收加速度计读数；

基于所述加速度计读数确定所述手术机器人相对于水平面的俯仰角；以及

将并入有所述俯仰角的控制信号传输到所述仪器驱动单元以启动所述仪器驱动单元的电动机，

其中确定所述手术机器人的所述俯仰角包括：将所述加速度计读数从所述仪器驱动单元的坐标系旋转到支撑所述手术机器人的连杆的支撑臂的坐标系，所述连杆支撑所述仪器驱动单元。

11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含：在确定所述手术机器人的所述俯仰角之前，确定所述手术机器人的制动器处于接合状态。

12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含：

确定所述手术机器人的制动器处于松开状态；以及

进入重力补偿的手动模式，所述手动模式包括连续计算所述俯仰角。

13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包含：将低通滤波器应用于所连续计算的俯仰角。

14.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含：在传输所述控制信号之前，允许所述手术机器人的所述俯仰角稳定阈值时间。

15.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含：在传输控制信号之前，将低通滤波器应用于所述俯仰角。

16.一种机器人手术系统，包含：

基座；

支撑臂，其从所述基座延伸；

连杆，其由所述支撑臂支撑；

仪器驱动单元(IDU)，其由所述连杆支撑，所述仪器驱动单元包括惯性测量单元和电动机，所述惯性测量单元被配置成生成加速度计读数；以及

处理单元，其被配置成接收所述加速度计读数并且基于所述加速度计读数确定所述支撑臂相对于水平面的俯仰角，所述处理单元进一步被配置成将并入有所述俯仰角的控制信号传输到所述仪器驱动单元以启动所述仪器驱动单元的所述电动机，

其中确定所述支撑臂相对于水平面的所述俯仰角包括将所述加速度计读数从所述仪器驱动单元的坐标系旋转到所述支撑臂的坐标系。

17.根据权利要求16所述的机器人手术系统，其中所述基座包括制动器，所述制动器具有接合配置和松开配置，在所述接合配置中，所述支撑臂无法移动，并且在所述松开配置中，所述支撑臂是可移动的。

18.根据权利要求16所述的机器人手术系统，其中所述连杆包括第一连接件、第二连接件、第三连接件和导轨，所述第一连接件具有第一部分和第二部分，所述第一部分在第一接头周围由所述支撑臂支撑；所述第二连接件具有第一部分和第二部分，所述第一部分在第二接头周围由所述第一连接件的所述第二部分支撑；所述第三连接件具有第一部分和第二部分，所述第一部分在第三接头周围由所述第二连接件的所述第二部分支撑；所述导轨由所述第三连接件的所述第二部分支撑，所述仪器驱动单元由所述导轨可滑动地支撑。

19.根据权利要求16所述的机器人手术系统，其中所述处理单元包括安置在所述基座内的控制器。