CN113811259A - 将uid与机器人抓紧器去匹配/匹配以接合远程操作 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种外科机器人系统，该系统具有机器人抓紧器、用户界面装置(UID)、以及通信地联接到UID和机器人抓紧器的一个或多个处理器。该系统检测指令以接合或重新接合远程操作模式，确定系统处于非远程操作模式，通过UID接收用户动作序列，确定UID匹配机器人抓紧器的钳口角度或抓持力，并且转换到远程操作模式。本发明还描述并要求保护其他实施方案。

Description

将UID与机器人抓紧器去匹配/匹配以接合远程操作
本发明的一个实施方案涉及用户输入装置、机器人或机器人抓紧器以及机器人抓紧器的远程操作。还描述了其他实施方案。
背景技术
在外科机器人系统中，外科医生远程操作其远侧端部附接有外科工具的机器人臂，这也被称为远程操作。应用场景包括内窥镜式外科手术，其涉及查看患者身体并使用内窥镜和附接到若干机器人臂的端部的其他外科工具在例如腹腔内执行外科手术。该系统为外科医生提供外科手术部位的近距离视图，同时使外科医生能够通过全程实时操纵手持式用户界面装置(UID)来远程操作附接到臂的工具。工具可为带钳口的夹具、切割器、摄像机或能量发射器诸如用于凝血的激光器。因此，根据外科医生操纵手持式UID，系统以精确方式和高灵巧性控制该工具。
UID的核心功能是充当输入装置以控制外科工具的端部执行器的平移、旋转和其他动作，诸如抓紧。一种类型的工具是抓紧器，其具有两个钳口，这两个钳口由UID的抓持连杆或可被挤压或按压以闭合钳口的可变形表面的打开移动和闭合移动来控制。其他UID具有其他类型的连杆或机构。
发明内容
本文描述了一种外科机器人系统的各个方面，该系统执行用于将用户界面装置(UID)接合到外科机器人抓紧器以进行远程操作的方法。这些实施方案有助于解决在外科手术会话开始时何时和如何初始接合远程操作的问题，以及何时和如何从暂停模式或从脱离模式(其中在进行中的外科手术会话的远程操作期间，系统变为暂停或脱离)重新接合远程操作的问题，以便降低机器人抓紧器在外科手术期间损伤患者组织、损坏设备或意外松开组织的风险。UID具有抓紧器零件诸如连杆、可挤压或按压的可变形表面、或其位置或取向被感测为电子用户输入信号(用户输入)的其他手指致动机构。接合远程操作时，用户输入由控制系统处理，通常而言以成比例地控制外科机器人抓紧器在远程操作期间的角度和/或力。
在一个实施方案中，外科机器人系统具有：具有两个钳口的机器人抓紧器；具有抓紧器零件的用户界面装置(UID)，由感测电子器件为抓紧器零件生成感测信号(用户输入)；以及通信地联接到UID感测电子器件和机器人抓紧器的一个或多个处理器(为方便起见，本文一般称为“处理器”)。处理器被配置成执行决定何时允许接合或重新接合远程操作模式的进程，在远程操作模式下，由来自UID的用户输入控制机器人抓紧器。
在一个实施方案中，处理器可首先确定外科机器人系统处于非远程操作模式(例如，暂停或“夹紧”模式、脱离模式，或等待在外科手术会话开始时发起远程操作)。处理器通过UID(在本文中也称为用户输入)接收检测到的用户动作序列。基于接收到的用户输入，处理器确定何时UID(其抓紧器零件)匹配：i)机器人抓紧器的钳口角度(机器人抓紧器的两个钳口之间的角度)；或ii)受到机器人抓紧器的两个钳口影响的抓持力。响应于确定UID匹配机器人抓紧器的钳口角度或抓持力，处理器将外科机器人系统转换到远程操作模式。
在另一个实施方案中，外科机器人系统执行重新接合远程操作的方法，如下所述。首先，系统的处理器确定外科机器人系统在远程操作期间已转换到脱离模式，并且作为响应而开始执行具有多种状态的有限状态机。在执行状态机的同时，处理器接收检测到的用户动作(用户输入)序列，用户动作包括用户手指致动UID的抓紧器零件。此检测到的用户输入序列由系统解释，从而使得状态机在所谓的去匹配/匹配算法的若干状态之间转换。当状态机达到该算法的对应于UID用户输入匹配机器人抓紧器的钳口角度或抓持力的状态时，外科机器人系统在远程操作中重新接合机器人抓紧器。
上述发明内容不包括本发明的所有方面的穷举性列表。设想本发明包括可由上文概述的各个方面的所有合适组合以及下文在具体实施方式中公开的并且在随本专利申请提交的权利要求书中具体指出的各个方面的所有合适组合来实践的所有系统和方法。此类组合具有未在上述发明内容中具体叙述的特定优点。
附图说明
本发明的实施方案以举例方式而非限制性方式在附图的各图中示出，其中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出，在本公开中提到本发明的“一个”或“一种”实施方案不一定是同一个实施方案，并且它们是指至少一个。另外，为了简洁起见和减少附图的总数，可能使用给定附图来说明本发明的多于一个实施方案的特征，并且对于给定实施方案可能不需要附图中的所有元件。
图1是手术场所中的示例性外科机器人系统的绘画视图。
图2A示出了用户输入装置(UID)的示例。
图2B示出了附接到外科机器人臂的外科机器人抓紧器的示例。
图3是包括UID、外科机器人臂、外科机器人抓紧器和控制计算机系统的外科机器人系统的框图，该控制计算机系统用于通过与外科机器人抓紧器匹配的UID来实现远程操作。
图4A是针对两种不同工具的从UID值(用户输入)到外科机器人抓紧器角度和力的示例性映射的曲线图。
图4B是针对两种不同工具的从UID值到外科机器人抓紧器角度和力的另一个示例性映射的曲线图。
图5A是在一个实施方案中用于将UID与外科机器人抓紧器匹配的状态图。
图5B是在另一个实施方案中用于将UID与外科机器人抓紧器匹配的另一个状态图。
图6A是用于接合外科机器人系统的远程操作的方法的流程图。
图6B是用于接合外科机器人系统的远程操作的另一种方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图来解释本发明的若干实施方案。每当未明确限定实施方案中的所述零件的形状、相对位置和其他方面时，本发明的范围并不仅限于所示出的零件，所示出的零件只是出于说明目的。另外，虽然阐述了许多细节，但应当理解，可在没有这些细节的情况下实践本发明的一些实施方案。在其他情况下，未详细示出熟知的电路、结构和技术，以免模糊对本说明书的理解。
本文所述的外科机器人系统和算法确保不接合远程操作，除非界面装置(UID)根据外科机器人抓紧器的钳口角度和/或抓持力匹配外科机器人抓紧器。在一个实施方案中，如果从脱离(无效)模式重新接合远程操作，则在匹配之前，必须首先有意地在UID与机器人抓紧器之间形成失配(或“去匹配”)(经由用户对手指致动型UID抓紧器的动作)。相比之下，当试图从暂停模式(也被称为夹紧模式，其中响应于用户致动UID中的暂停或夹紧按钮或者用户发起另一形式的暂停或夹紧命令，控制系统冻结机器人抓紧器)重新接合远程操作时，该算法不需要寻找初始去匹配项，而是可在其检测到UID用户输入匹配所保持的外科机器人抓紧器的钳口角度和/或抓持力时允许重新接合远程操作。
参见图1，这是手术场所中的示例性外科机器人系统1的绘画视图。机器人系统1包括用户控制台2、控制塔3以及外科机器人平台5(例如台、床等)处的一个或多个外科机器人臂4。系统1可结合用于对患者6执行外科手术的任何数量的装置、工具或附件。例如，系统1可包括用于执行外科手术的一个或多个外科工具7。外科工具7可以是附接到外科臂4的远侧端部的端部执行器，用于执行外科手术。
每个外科工具7可在外科手术期间手动操纵、机器人操纵或两者。例如，外科工具7可以是用于进入、查看或操纵患者6的内部解剖结构的工具。在一个实施方案中，外科工具7为可抓紧患者的组织的抓紧器。外科工具7可由床边操作者8手动控制；或者其可经由其所附接的外科机器人臂4的致动移动而由机器人控制。机器人臂4被示出为台上安装系统，但在其他构型中，臂4可安装在手推车、天花板或侧壁上，或者安装在另一合适的结构支撑件中。
一般来讲，远程操作者9(诸如外科医生)可使用用户控制台2来远程操纵臂4和/或所附接的外科工具7，例如远程操作。用户控制台2可位于与系统1的其余部分相同的手术室中，如图1所示。然而，在其他环境中，用户控制台2可位于相邻或附近的房间中，或者其可位于远程位置，例如，在不同的建筑物、城市或国家中。用户控制台2可包括座椅10、脚动控件13、一个或多个手持式用户输入装置UID 14以及至少一个用户显示器15，该用户显示器被配置成显示例如患者6体内的手术部位的视图。在示例性用户控制台2中，远程操作者9坐在座椅10中并查看用户显示器15，同时操纵脚动控件13和手持式UID 14，以便远程控制臂4和外科工具7(其安装在臂4的远侧端部上)。
在一些实施方案中，UID 14可以是相对于外科机器人系统的另一个部件未接地的便携手持式用户输入装置或控制器。例如，在与用户控制台2拴系或未拴系的情况下，UID14可以未接地。术语“未接地”旨在指以下具体实施：例如，相对于用户控制台2，一个或多个UID既不受到机械性约束也不受到运动学约束。例如，用户可将UID 14握在手中，并且在仅由例如用户控制台的跟踪机构限制的空间内自由移动到任何可能的位置和取向。相比之下，接地的UID可保持其位置/取向/抓持。
在一些变型中，床边操作者8还可以“床上”模式操作系统1，其中床边操作者8(用户)现在位于患者6的一侧并且同时操纵机器人驱动的工具(附接到臂4的端部执行器)，例如，用一只手握持手持式UID 14和手动腹腔镜工具。例如，床边操作者的左手可操纵手持式UID以控制机器人部件，而床边操作者的右手可操纵手动腹腔镜工具。因此，在这些变型中，床边操作者8可对患者6执行机器人辅助微创手术和手动腹腔镜手术两者。
在示例性规程(外科手术)期间，以无菌方式对患者6行准备并覆盖消毒盖布以实现麻醉。在机器人系统1的臂处于收起构型或撤回构型时，可手动地执行对手术部位的初始触及(以便于触及手术部位)。一旦完成触及，就可执行机器人系统1包括其臂4的初始定位或准备。接下来，外科手术随着用户控制台2处的远程操作者9利用脚动控件13和UID 14来操纵各种端部执行器以及可能的成像系统而进行，以执行外科手术。也可由身着消毒手术衣的床边人员(例如床边操作者8)在手术床或手术台处提供人工辅助，该床边人员可对机器人臂4中的一个或多个臂执行任务，诸如回缩组织、手动执行重新定位以及工具更换。也可存在非消毒人员以在用户控制台2处辅助远程操作者9。当规程或外科手术完成时，系统1和用户控制台2可被配置或设定成某一状态，以便于完成术后规程，诸如清洁或消毒以及经由用户控制台2输入或打印医疗档案。
在一个实施方案中，远程操作者9手持并移动UID 14以提供输入命令，从而移动机器人系统1中的机器人臂致动器17。UID14可例如经由控制台计算机系统16通信地联接到机器人系统1的其余部分。UID 14可生成对应于UID 14的移动的空间状态信号，例如UID的手持式外壳的位置和取向，并且空间状态信号可以是控制机器人臂致动器17的运动的输入信号。机器人系统1可使用源自空间状态信号的控制信号来控制致动器17的成比例运动。在一个实施方案中，控制台计算机系统16的控制台处理器接收空间状态信号并生成对应的控制信号。基于这些控制致动器17如何通电以移动臂4的区段或连接件的控制信号，附接到臂的对应外科工具的移动可模拟UID 14的移动。类似地，远程操作者9与UID 14之间的交互可生成例如抓持控制信号，该抓持控制信号导致外科工具7的抓紧器的钳口闭合并抓持患者6的组织。
外科机器人系统1可包括若干UID 14，其中为控制相应臂4的致动器和外科工具(端部执行器)的每个UID生成相应的控制信号。例如，远程操作者9可移动第一UID 14以控制位于左机器人臂中的致动器17的运动，其中致动器通过移动臂4中的连杆、齿轮等来响应。类似地，远程操作者9对第二UID 14的移动控制另一个致动器17的运动，这继而移动机器人系统1的其他连杆、齿轮等。机器人系统1可包括固定到患者的右侧的床或台的右臂4，以及位于患者的左侧的左臂4。致动器17可包括一个或多个马达，控制该一个或多个马达，使得它们驱动臂4的接合部旋转，以例如相对于患者改变附接到该臂的外科工具7的内窥镜或抓紧器的取向。同一臂4中的若干致动器17的运动可由从特定UID 14生成的空间状态信号控制。UID 14还可控制相应外科工具抓紧器的运动。例如，每个UID 14可生成相应的抓持信号以控制致动器(例如，线性致动器)的运动，该致动器在外科工具7的远侧端部处打开或闭合抓紧器的钳口以抓持患者6体内的组织。
在一些方面，平台5和用户控制台2之间的通信可通过控制塔3，该控制塔可将从用户控制台2(并且更具体地从控制台计算机系统16)接收的用户命令转换成传输到机器人平台5上的臂4的机器人控制命令。控制塔3还可将状态和反馈从平台5传输回用户控制台2。可使用各种数据通信协议中的任何合适的数据通信协议经由有线和/或无线链路通信连接机器人平台5、用户控制台2和控制塔3。任何有线连接可任选地内置于手术室的地板和/或墙壁或天花板中。机器人系统1可向一个或多个显示器提供视频输出，包括手术室内的显示器以及经由互联网或其他网络访问的远程显示器。还可加密视频输出或馈送以确保隐私，并且视频输出的全部或部分可保存到服务器或电子保健记录系统。
外科机器人系统1中待解决的一个问题是如何或何时安全地接合或恢复(即，重新接合)远程操作，而不会使得外科工具发生可能导致组织损伤的意外移动。在没有本文所述的解决方案的情况下，存在重新接合远程操作的风险，特别是当远程操作由于一些原因(系统进入脱离模式)被中断时，可能导致外科机器人抓紧器突然打开、突然闭合、大力地夹紧组织或松开先前已抓紧的组织等。
本发明的系统确定来自用户界面装置(UID)的用户输入何时匹配外科机器人抓紧器的抓紧器角度或抓紧器力，此时可接合机器人抓紧器的远程操作。UID不受到机械性约束，以维持与外科工具相同的位置、取向和抓紧器角度或力。因此，描述了一种算法，当执行该算法时，在系统接合或恢复(即，重新接合)远程操作之前，该算法检测UID的抓紧器零件何时匹配外科工具抓紧器(就角度和力而言，即，UID和外科机器人抓紧器在彼此保持一致的可接受阈值内)。该算法对于在被用户松开后不保持其位置或取向的未接地UID可能尤其有用。在此上下文中，匹配的两个装置意味着两个装置的位置和取向或其他相关值在彼此一致的阈值内。匹配过程意指使两个装置的位置和取向或其他相关值在彼此一致的阈值内的过程。来自UID的抓紧器零件的用户输入被转换成针对外科机器人抓紧器的角度和抓紧力。在一个实施方案中，系统首先寻找UID和机器人抓紧器尚未匹配的情况(例如，系统等待，直到来自UID的用户输入已经改变到足以超出与机器人抓紧器的当前角度和/或力一致的阈值)。在之后的某个时刻，用户对UID的手指操纵导致用户输入匹配外科抓紧器的当前静止角度和/或力。检测到此匹配后，系统可作如下响应：对用户发出警示并且接合外科机器人抓紧器的远程操作。
在一个实施方案中，期望用户打开UID、超过UID打开阈值或从处于打开位置或取向的UID开始。例如，用户可将UID的抓持曲柄设定成大于UID打开阈值的角度。随后用户闭合UID。例如，用户可将UID闭合超过某个UID闭合阈值。在此期间，算法监测反映UID的抓紧器零件从打开到闭合的变化的用户输入。在闭合UID的抓紧器零件之后，用户将其打开，同时算法仍监测用户输入，直到算法确定用户输入匹配外科抓紧器，以响应接合远程操作。在接合远程操作之前将UID与工具抓紧器匹配有助于防止损坏外科工具和损伤组织。需要通过先打开并闭合UID而造成失配，然后将UID与外科机器人抓紧器匹配，这消除了猜测，从而有助于确保从脱离模式(此模式下禁用机器人抓紧器的远程操作)安全地转换到远程操作启用模式(参见图5A)。
图2A示出了UID抓紧器零件(UID抓紧器22)的示例，其可以是UID 14的一部分，参见图1。UID抓紧器22具有一个或多个活动抓持曲柄23以及可感测抓持曲柄23的位置的相关联的电子电路(未示出)。作为UID 14的一部分，UID抓紧器22以打开构型握持在用户手中，其抓持曲柄23处于如图所示的完全打开位置。UID抓紧器22被设计成使得用户的手指能够通过手指挤压动作而将抓持曲柄23操纵在其位置范围(抓持曲柄23与轴线25之间的角度26)之内，该位置由相关联的电子电路进行感测，然后由控制器39(参见图3)转换成对应的位置(角度)命令以致动外科工具7的抓紧器的钳口。用户的手可以各种方式操纵UID抓紧器22。此外，当用户的手向内朝向轴线25捏住或挤压抓持曲柄23以减小角度26(即，“闭合”UID14)时，抓持曲柄23可向用户或外科医生提供触觉反馈。因此，此类UID 14提供增强的移动灵巧性和精确性，以用于控制外科机器人工具。其他UID可用于外科机器人系统的另外实施方案中，包括例如其UID抓紧器22不同于图2A所示型式的UID。
图2B示出了附接到外科机器人臂4的外科机器人抓紧器30的示例。致动器35使标记为钳口2和钳口1的两个钳口31、32移动通过两个钳口31、32之间的角度33，该角度由传感器37进行感测。在外科机器人系统中，钳口31、32用于抓紧组织，并且通过基于传感器37进行的测量来驱动致动器35以控制角度33。传感器37也测量钳口31、32所施加的抓持力。其他外科机器人抓紧器或端部执行器和工具可用于外科机器人系统的另外实施方案中。
图3是包括UID 14(具有UID抓紧器22)、外科机器人臂4、外科机器人抓紧器30和计算机系统的外科机器人系统的框图，该计算机系统用于通过与外科机器人抓紧器匹配的UID来实现远程操作。该计算机系统具有一个或多个执行(存储在存储器中的)软件的处理器(处理器42)。这些包括匹配/去匹配控制器39，该控制器包括状态机45。此外，根据来自UID14的用户输入，远程操作控制器43控制外科机器人臂4和外科机器人抓紧器30的远程操作。远程操作控制器43具有输入命令生成器47，该输入命令生成器将UID 14的传感器测量结果(包括平移、旋转和抓紧)转换或转化成输入命令，以用于外科机器人臂4和外科机器人抓紧器30的远程操作。图3所示的计算机系统可实现为控制塔3的一部分，参见图1。
在一些具体实施中，UID抓紧器22包括抓持连杆或可变形表面以及一个或多个传感器，这些传感器作为用户控制台2的一部分并且生成抓紧信号作为控制机器人抓紧器30的钳口角度和抓持力的用户输入(根据用户动作，诸如挤压抓持连杆或可变形表面)。这些抓紧信号是检测到的用户动作的示例。例如，抓紧信号可包括由用户对抓持连杆或可变形表面的手指致动导致的角度26(或UID表面的变形程度)的传感器测量结果。抓紧信号被输入控制计算机系统以生成控制命令，该控制命令使得机器人抓紧器的两个钳口以某个钳口角度闭合/打开和/或影响某个力。匹配/去匹配过程的目的在于，当用户挤压抓持连杆或可变形表面时，传感器测量结果(以及因此抓紧信号)将在那时对应于(即匹配)机器人抓紧器的当前钳口角度和力。因此，当机器人系统在那时接合/重新接合到远程操作时，机器人抓紧器将保持与其在脱离或暂停时相同的钳口角度和抓持力，而没有任何突然的移动。
匹配/去匹配过程可由执行状态机45(为软件)的处理器42执行。下面参考图5A和图5B更详细地讨论状态机45的功能。更一般来讲，状态机45持续跟踪UID和外科机器人抓紧器30的远程操作模式和去匹配/匹配状态。当(或响应于)来自UID的用户输入匹配外科机器人抓紧器的角度和/或力时，状态机输出匹配完成状态的指示51。此指示51可以如下形式呈现给用户：音频消息，诸如铃声、声音或语音；视觉警示，诸如灯亮或灯闪；文本或图形消息，显示在用户控制台2的显示器15上；触觉警示，诸如振动，例如用户控制台2中的UID 14、扶手或座椅振动器的振动；或在用户控制台2处向用户发出的其他通知。或者，在各种实施方案中，在有或没有另外通知的情况下，指示51可触发远程操作的接合。
图4A是用于从UID用户输入值转换成外科机器人抓紧器控制命令的曲线图，该控制命令是指定外科机器人抓紧器角度和/或力的值。示出了两种不同工具的曲线图，即曲线图52、53。UID状态(例如，打开、闭合、与机器人抓紧器匹配、或与机器人抓紧器不匹配)可源自对UID值的分析以及对感测到的外科机器人抓紧器角度和力的分析。在远程操作期间，(由于控制系统的运行)假定UID持续匹配外科机器人抓紧器，这意味着任何给定时刻的测量对(UID值、机器人抓紧器值)限定了一个处于(针对该特定工具的)曲线图52周围的阈值带之上或之内的点。但当测量对限定了一个不处于曲线图52周围的阈值带之内的点时，则认为UID与机器人抓紧器去匹配。后一种情况应仅发生在非远程操作模式期间。
曲线图52描述了x轴上的UID值(角度)与y轴上的外科机器人抓紧器角度之间的线性关系。从抓紧器角度控制到抓紧器力控制，曲线图52延伸了UID最小角度至最大角度以及外科机器人抓紧器的最小角度至最大角度的范围。一般来讲，x轴(UID变量)的一部分转换成抓紧器角度，并且UID变量的另一部分转换成抓紧器力，如图所示。当UID值小于或等于gu,open并因此处于gu,min的保护带阈值之内时，认为UID是打开的。在该范围的相反端，当UID值大于或等于gu,closed并因此处于gu,max的保护带阈值之内时，认为UID是闭合的。另一个工具的另一个曲线图53(虚线)示出了UID角度与外科机器人抓紧器角度之间的类似线性关系，但偏移了与外科机器人抓紧器的最小角度到最大角度不同的范围。根据本文的教导内容，易于开发和理解其他曲线图，包括针对各种工具的在角度和力之间具有弯曲或分段关系的曲线图。
图4B是在另一个实施方案中针对两种不同工具的从UID值到外科机器人抓紧器角度和力的映射的曲线图。针对一种工具的一个曲线图55(实线)示出了UID的值(在本例中为角度的测量结果)与用于抓紧器角度控制的外科机器人抓紧器的角度之间的线性关系，其对于抓紧器力控制转换成不同斜率。针对另一个工具的另一个曲线图56(虚线)示出了UID的值(角度)与外科机器人抓紧器的角度之间的线性关系，其以从抓紧器角度控制到抓紧器力控制不变化的斜率延伸。在UID的相同角度(例如，零)处，曲线图55、56两者均从抓紧器角度控制转换成抓紧器力控制。易于开发和理解其他曲线图，包括示出针对各种工具的其他转换点、其他斜率以及其他角度与力关系的其他曲线图。
去匹配/匹配算法可由状态机组成，为了使UID与机器人抓紧器去匹配然后匹配，在从脱离(无效)模式接合远程操作之前，该状态机要求UID在一系列状态之间转换。在一个实施方案中，从暂停模式(而非脱离或无效模式)接合远程操作时，算法不需要检测特定的去匹配条件，而是直接寻找匹配条件；换句话讲，在那种情况下，不需要首选确定UID和机器人抓紧器是否去匹配。
机器人抓紧器用打开角度和抓紧力来表示，其将被标示为gr＝[θg，fg]。使用一个数值范围来表示被标示为gu的UID值。在远程操作期间，将UID输入转换成针对机器人抓紧器的打开角度和抓紧力(控制命令)，例如按照图4A和图4B所示的曲线图及其变型。将UID值转换成机器人抓紧器值的函数将被表示为：gr＝f(gu)。UID抓紧器值的下限数值和上限数值分别由gu,min和gu,max给出。下限值gu,min对应于UID完全打开的位置，并且上限值gu,max对应于UID完全闭合的位置。关于机器人抓紧器角度，其下限值和上限值分别由θg，min和θg，max给出。机器人抓紧器力由(0，fg，max)限定。函数f将UID完全打开转换成机器人抓紧器的最大打开角度和零力。UID完全闭合被转换成机器人抓紧器施加最大力，这可能在机器人抓紧器开口角的范围内发生，具体取决于被抓紧的组织的宽度。
要通过去匹配/匹配算法与当前UID值进行比较的机器人抓紧器值可通过逆映射来计算：
Figure BDA0003347218870000111
逆函数将当前机器人抓紧器角度和力转换成UID单位，因此可通过去匹配/匹配算法以一致的单位来比较UID和机器人抓紧器值。逆转换由以下公式表示：
Figure BDA0003347218870000121
Figure BDA0003347218870000122
Figure BDA0003347218870000123
Figure BDA0003347218870000124
参数kangle_to_force为负值参数，并且量1/kangle_to_force将力转换成负角度以将夹具角度和力均转换成UID单位。变量α是UID单位和机器人抓紧器角度之间的缩放比例。参数εf>0可基于估计所测夹具力的精度来设定。
需注意，上述转换允许最小夹具角度大于零。鉴于在大多数情况下，最小夹具角度为零，则公式可如下文针对此种情况所述进行简化。
Figure BDA0003347218870000125
Figure BDA0003347218870000126
Figure BDA0003347218870000127
Figure BDA0003347218870000128
去匹配/匹配算法可使用可根据给定UID和机器人抓紧器特性进行调谐的三个参数。我们将gu,open(≥gu,min)定义为夹具打开阈值，并且将gu,closed(≤gu,max)定义为夹具闭合阈值。匹配阈值标示为δgmatch。如果
Figure BDA0003347218870000131
则认为UID和机器人抓紧器是“匹配的”。
去匹配/匹配算法可由以下四种状态组成：
状态描述 状态名称
等待UID抓紧器打开 UNMATCHING_OPEN
等待UID抓紧器闭合 UNMATCHING_CLOSE
等待UID抓紧器匹配外科机器人抓紧器 MATCHING
UID抓紧器和外科机器人抓紧器匹配 MATCHED
算法状态机逻辑描绘于图5A和图5B的图示中。图5A是在一个实施方案中用于将UID与外科机器人抓紧器匹配的各种远程操作模式和算法的图示。而图4A和图4B示出了一个UID值(在本例中为角度)范围与外科机器人抓紧器角度和力的对应关系，其中UID在远程操作期间与外科机器人抓紧器匹配。在图5A中，左列指示远程操作模式{DISENGAGED 57,PAUSED 59,ENGAGED 60}。在图5A中，右列指示去匹配/匹配算法的状态{UNMATCHING_OPEN61,UNMATCHING_CLOSE 62,MATCHING 65,MATCHED 67}。箭头指示状态和模式之间允许的转换。需注意，图5A未示出为了在远程操作模式之间转换而可能需要的其他操作的细节，因为这些不是本文提出的去匹配/匹配算法的一部分。远程操作模式DISENGAGED 57将去匹配/匹配算法引导至状态UNMATCHING_OPEN 61(系统正在等待UID打开)。响应于用户打开UID抓紧器22，算法转换到状态UNMATCHING_CLOSE 62(系统正在等待UID闭合)。用户随后闭合UID抓紧器22，并且算法通过转换到状态MATCHING 65(系统正在等待UID与外科机器人抓紧器匹配)来进行检测并对其作出响应。用户随后打开UID抓紧器22，直到算法检测到UID值(用户输入)与机器人抓紧器角度和/或力在某一阈值内一致，并且通过进行从MATCHING 65到MATCHED 67(系统已确定UID和外科机器人抓紧器匹配)的转换来进行响应。当实现MATCHED67状态时，远程操作模式变成ENGAGED 60。即，响应于确定UID正与外科机器人抓紧器匹配，通过UID 14来接合外科机器人抓紧器30的远程操作，如MATCHED 67状态所示。
图5B是在另一个实施方案中用于将UID与外科机器人抓紧器匹配的另一个状态图。在接合远程操作时，用户例如外科医生可能需要暂停(或夹紧)外科机器人系统，例如以便休息、观察患者或外科手术的进展、获得另外的外科策略或指令、咨询其他外科人员等。暂停外科机器人系统可通过语音命令、与用户界面的交互、UID上的按钮或其他控件等来执行，在各种实施方案中，任一种方式都可将外科机器人系统置于PAUSED 59模式。当用户准备好恢复远程操作时，可能的情况是UID不再匹配外科机器人抓紧器的冻结位置，因为UID可能已被搁置、移动、打开或闭合等。图5B中的状态图示出了UID可如何再次与外科机器人抓紧器匹配，使得可从PAUSED 59模式恢复远程操作。在该状态图中，明确地考虑了两种可能性。一种可能性是在机器人抓紧器力>Fmin(值71)时，例如外科机器人抓紧器30夹持住组织，暂停系统。另一种可能性是在机器人抓紧器力<Fmin(值73)时，例如机器人抓紧器打开但并未夹持住任何东西，暂停系统。
根据机器人抓紧器力的值，远程操作模式PAUSED 59引导从去匹配/匹配算法状态MATCHING 65到状态MATCHED 67的转换。如果在机器人抓紧器力大于阈值Fmin时系统已暂停，则响应于UID抓紧器22(从打开状态)闭合，发生从MATCHING 65到MATCHED 67的转换。这使得随着UID接近并匹配外科机器人抓紧器的角度，更容易维持外科机器人抓紧器力，从而夹持住组织。在此条件下，期望用户打开UID抓紧器22，然后(例如，逐渐地)闭合UID抓紧器22，直到来自UID 14的用户输入与外科机器人抓紧器匹配，此时系统可指示“匹配完成”并因此恢复远程操作(此时来自UID的用户输入被映射到外科机器人抓紧器)。
然而，如果系统在机器人抓紧器力小于最小阈值Fmin(例如，基本上为零，并且其中抓紧器30打开但并未夹持住任何东西的情况)时暂停，则当UID抓紧器22(从闭合状态)打开或当UID抓紧器22(从打开状态)闭合一些时，发生从MATCHING 65到MATCHED 67的转换。这取决于匹配阈值有多大并且取决于机器人抓紧器变量和UID变量的值(例如，角度)。例如，如果机器人抓紧器打开一半并且UID抓紧器完全打开，则期望用户将UID抓紧器闭合一些以便匹配(除非匹配阈值是整个范围的一半)。如果机器人抓紧器打开一半并且UID抓紧器完全闭合，则期望用户将UID抓紧器打开一些以便匹配。进入MATCHED 67状态之后，算法将指示可恢复ENGAGED 60远程操作模式。这样，随着UID接近并匹配外科机器人抓紧器，外科机器人抓紧器力不太可能突然增大，突然增大可能损伤患者组织或损坏设备。
参见图5A，为了从DISENGAGED 57变成ENGAGED 60远程操作模式，去匹配/匹配算法状态被初始化为UNMATCHING_OPEN 61，然后经历以下序列{UMMATCHING_CLOSE 62,MATCHING 65,MATCHED 67}。UNMATCHING_OPEN 61状态和UNMATCHING_CLOSE 62状态要求UID抓紧器覆盖从打开到闭合的完整范围，从而确保最初总是发生UID抓紧器22与外科机器人抓紧器30之间的失配。这是因为当系统脱离时，无法控制外科机器人抓紧器30以遵循UID14，并且无法保证UID匹配外科机器人抓紧器。在系统暂停或脱离时，即使对UID抓紧器22的最轻微操纵也将导致UID与外科机器人抓紧器之间的失配(不匹配)。为了从DISENGAGED 57模式重新接合远程操作，期望用户打开UID抓紧器22(例如，松开并依赖于弹簧加载机构来自动打开)，然后闭合UID抓紧器22，然后打开UID抓紧器22，直到来自UID 14的用户输入匹配外科机器人抓紧器30的感测角度和/或力。这提供了一组一致的所需用户输入，而不论用户输入的初始值以及外科机器人抓紧器30的角度和力的初始值如何，从而形成需要最少训练并且无需猜测的简单用户界面。
一旦去匹配完成，状态转换到MATCHING 65，并且算法等待UID与外科机器人抓紧器30匹配，之后才最终转换到MATCHED 67状态。一旦处于MATCHED 67状态，即可接合远程操作，其中远程操作模式为ENGAGED 60。可将用以执行去匹配的UID动作选为打开然后闭合(反之亦然)，使得匹配通常发生在UID抓紧器22的打开方向上(例如，松开)，因此不太可能导致用户无意地向组织施加很高抓紧器力。对于机器人抓紧器在紧紧抓住组织的同时施加很大力的情况，允许匹配发生在闭合方向上(例如，挤压)。此行为是合乎期望的，因为在打开方向上将UID与外科机器人抓紧器30匹配将导致用户无意地掉落所抓紧的组织。
机器人抓紧器范围(以压力为单位表示，其匹配可发生在闭合方向上)可通过算法参数确定为
Figure BDA0003347218870000161
参数gu,noise是大于0的一些小值，其可由传感器的噪声特征确定，因为可能不会在UID值恰好为gu,closed时超过闭合阈值gu,closed。
与系统从远程操作脱离的情况相反，考虑系统暂停(并因此进入PAUSED 59模式)的情况。在那里，算法等待UID“重新匹配”最后保留的机器人抓紧器值(对应于当暂停时由控制系统抓握或冻结的机器人抓紧器)，因为处于PAUSED状态之后，机器人抓紧器自动保持其最后姿势。为了从PAUSED 59进入ENGAGED 60远程操作模式，算法状态被初始化为MATCHING 65并等待UID 22匹配外科机器人抓紧器30以便转换到MATCHED 67状态，从而允许接合远程操作(参见图5B)。假设在暂停远程操作模式下，用户很警觉并且不会发生意外接合。
1)用于从外科机器人抓紧器值转换成对应UID单位的另选实施方案：
在前一节中描述的从外科机器人抓紧器gr＝[θg，fg]到对应UID单位
Figure BDA0003347218870000162
的映射可导致不同范围的UID值被映射到外科机器人抓紧器角度33(参见图2B)以及针对不同器械的力(参见图4A和图4B)。可能期望转换成外科机器人抓紧器角度33的UID范围以及转换成外科机器人抓紧器力的UID范围在不同外科器械之间是一致的。在此情况下，将在下面给出逆转换
Figure BDA0003347218870000163
Figure BDA0003347218870000164
Figure BDA0003347218870000165
Figure BDA0003347218870000166
Figure BDA0003347218870000167
Figure BDA0003347218870000168
Figure BDA0003347218870000169
参数gu,zero是相当于外科机器人抓紧器处于最小夹具角度和零力的UID压力值。
2)用于按UID单位来估计外科机器人抓紧器值的另选实施方案：
提出了两种用于从外科机器人抓紧器gr＝[θg，fg]映射到对应UID单位
Figure BDA0003347218870000171
的不同方法。然而，考虑到难以准确估计抓紧器力，可使用另外的另选实施方案。在远程操作(ENGAGED 80模式)期间，根据转换函数gr＝f(gu)命令外科机器人抓紧器30遵循UID gu。假设跟踪性能合理，则外科机器人抓紧器将非常接近所命令的外科机器人抓紧器变量，该变量通过UID gu计算得出。因此，每当远程操作有效时(即，在ENGAGED 60模式下)，对应UID单位为
Figure BDA0003347218870000172
的外科机器人抓紧器将非常接近UID gu。当远程操作从ENGAGED 60转换到PAUSED59模式或DISENGAGED 57模式时，远程操作无效，并且外科机器人抓紧器30将保持在最后命令的姿势。鉴于外科机器人抓紧器30仅在远程操作有效时(在ENGAGED 60模式下)改变姿势并且前提条件是外科机器人抓紧器30准确地跟踪命令，每当远程操作有效时(ENGAGED60)，(对应UID单位的)外科机器人抓紧器
Figure BDA0003347218870000173
可被设定为UID gu。当远程操作无效时(变成DISENGAGED 57或PAUSED 59)，
Figure BDA0003347218870000174
将被锁存为ENGAGED 60的最后一个gu值。
图6A是用于接合外科机器人系统的远程操作的方法的流程图，该方法可在实施方案中实践或通过实施方案来实践。
在动作81中，外科机器人系统检测指令以接合远程操作模式。例如，系统可能检测到：i)UID被用户选出或以其他方式从系统的任务栏中删除；ii)用户目光聚焦在系统的用户控制台的显示器上；或者iii)在系统的脚踏板处发生踏板动作。检测到的这些或其他动作或事件由系统解释成用以接合远程操作的指令。在一个实施方案中，检测到的动作或事件是夹紧松开过程的一部分，该过程示出了用户取消暂停系统(恢复远程操作)的意图。
在动作83中，系统确定其处于非远程操作模式。例如，系统可能处于脱离模式。系统可另选地处于暂停模式。在这两种模式下，UID均无法控制机器人抓紧器。然而，在脱离模式下，系统需要执行复杂进程或一系列检查，以便允许去匹配/匹配算法在远程操作中重新接合。相比之下，在暂停模式下，系统执行简单进程以允许在远程操作中重新接合，例如，检测到用户已“松开”夹紧物。
在动作85中，系统已被引导至重新接合远程操作，并且通过用户界面装置(UID)接收检测到的用户动作序列。在一种型式中，用户动作序列包括打开UID，闭合UID，然后再次打开UID，直到系统检测到作为用户动作序列(动作87)的结果UID和机器人抓紧器匹配。接下来，在动作89中，响应于动作87中检测到的匹配，外科机器人系统转换到远程操作模式。
为了扩展上述方法，外科机器人系统的一个实施方案提供了关于用户动作序列的指导。例如，系统可在用户控制台的显示器上显示指令、图示或图像，给出音频指令，对UID上的一系列点亮箭头进行排序，或以其他方式向用户给出关于如何产生用户动作序列的视觉、音频或触觉指导。在上述方法的另一个扩展中，外科机器人系统的一个实施方案显示了转换到远程操作模式的指示。例如，系统可产生可见警报，在用户控制台的显示器上显示消息、图示或图像，激活灯，或以其他方式向用户显示远程操作正在接合的指示。
图6B是用于重新接合外科机器人系统的远程操作的方法的流程图，该方法可在实施方案中实践或通过实施方案来实践。在动作92中，外科机器人系统检测指令以接合远程操作。例如，系统可能检测到：UID被选出或以其他方式从系统的任务栏中删除；用户目光聚焦在系统的用户控制台的显示器上；或者在系统的脚踏板处发生踏板动作。检测到的这些或其他动作或事件由系统解释成用以重新接合远程操作的指令。
在动作94中，系统确定其处于非远程操作模式。
在动作96中，系统执行状态机。在一种型式中，状态机具有用于等待UID与机器人抓紧器匹配的正在匹配状态、以及用于UID匹配机器人抓紧器时的匹配完成状态。响应于UID匹配机器人抓紧器，系统从用于等待UID与机器人抓紧器匹配的正在匹配状态转换到用于UID匹配机器人抓紧器时的匹配完成状态。当处于匹配完成状态时，系统接合远程操作。
在另一种型式中，状态机具有正在去匹配打开状态，在此期间，状态机等待UID抓紧器充分打开；然后转换到正在去匹配闭合状态，在此期间，状态机等待UID抓紧器充分闭合，然后转换到正在匹配状态。
在动作98中，系统通过用户界面装置(UID)接收用户动作序列。此用户动作序列使得状态机在各状态之间转换。在一种型式中，用户动作序列包括打开UID，以及闭合UID直到UID和机器人抓紧器匹配。
在动作99中，响应于确定状态机已达到对应于UID匹配外科机器人系统的机器人抓紧器钳口角度或抓持力的状态，外科机器人系统在远程操作中接合UID和机器人抓紧器。
虽然已经在附图中描述并示出了某些实施方案，但应当理解，此类实施方案仅仅是对本发明的说明而非限制，并且本发明不限于所示和所述的特定构造和布置，因为本领域的普通技术人员可以想到各种其他修改。例如，虽然图2A和图2B描绘了UID抓紧器22和外科机器人抓紧器30的具体示例，但其他UID、抓紧器和工具也是可能的。UID抓紧器22可为UID14的一部分，如图1的示例所示，该UID为未接地装置，其不机械地连接到基座或支架；另选地，UID抓紧器22可为接地(即，机械地连接到基座或支架)的UID 14的一部分。因此，本说明书应被视为例示性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种外科机器人系统，包括：
机器人抓紧器，所述机器人抓紧器具有两个钳口；
用户界面装置(UID)；和
一个或多个处理器，所述处理器通信地联接到所述UID和所述机器人抓紧器并配置成：
检测指令以接合或重新接合远程操作模式，在所述远程操作模式下，由从所述UID接收的用户输入控制所述机器人抓紧器；
确定所述外科机器人系统处于非远程操作模式；
通过所述UID接收检测到的用户动作序列；
作为所述检测到的用户动作序列的结果，确定所述UID匹配所述两个钳口之间的钳口角度或受所述机器人抓紧器的所述两个钳口影响的抓持力；以及
响应于确定所述UID匹配所述钳口角度或所述抓持力，将所述外科机器人系统转换到远程操作模式。
2.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中用以接合或重新接合所述远程操作模式的所述指令通过以下至少一项来指示：用户从任务栏中删除所述UID、用户目光聚焦在用户控制台的显示器上或用户进行踏板动作。
3.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中：
所述非远程操作模式包括脱离模式或暂停模式中的一者；
其中所述脱离模式是在远程操作会话之前所述UID脱离对所述机器人抓紧器的控制之时；并且
所述暂停模式是所述UID脱离对所述机器人抓紧器的控制以暂停远程操作会话之时。
4.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述检测到的用户动作序列包括打开所述UID、闭合所述UID、以及打开所述UID直到所述UID和所述机器人抓紧器匹配。
5.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中为了确定所述UID匹配并将所述外科机器人系统转换到所述远程操作模式，所述一个或多个处理器进一步配置成操作状态机，所述状态机包括：
正在去匹配打开状态，用于等待所述UID打开，转换到所述UID打开并开始闭合的正在去匹配闭合状态；
所述正在去匹配闭合状态，用于等待所述UID闭合，转换到所述UID闭合并开始打开的正在匹配状态；
所述正在匹配状态，用于等待所述UID与所述机器人抓紧器匹配，转换到所述UID匹配所述机器人抓紧器的匹配完成状态；和
所述匹配完成状态，用于所述UID匹配所述机器人抓紧器时以及用于转换到所述远程操作模式之时。
6.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置成：
确定所述外科机器人系统处于暂停模式；
接收用户动作以匹配所述UID和所述机器人抓紧器；以及
将所述外科机器人系统转换到所述远程操作模式。
7.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置成：
提供关于所述检测到的用户动作序列的指导。
8.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置成：
响应于确定所述UID匹配所述钳口角度或所述抓持力，显示匹配状态的指示。
9.一种为外科机器人系统重新接合远程操作的方法，所述方法包括：
由通信地联接到用户界面装置(UID)和机器人抓紧器的一个或多个处理器检测指令以重新接合远程操作；
确定所述外科机器人系统处于非远程操作模式；
由所述一个或多个处理器执行具有多个状态的状态机；
通过所述UID接收使得所述状态机在所述多个状态之间转换的用户动作序列；以及
响应于确定所述状态机已达到对应于所述UID匹配所述机器人抓紧器的钳口角度或抓持力的状态，在远程操作中接合所述外科机器人系统。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述多个状态包括用于等待所述UID与所述机器人抓紧器匹配的正在匹配状态。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述多个状态包括所述UID匹配所述机器人抓紧器时的匹配完成状态。
12.根据权利要求9所述的方法，其中执行所述状态机包括响应于所述UID匹配所述机器人抓紧器，从用于等待所述UID与所述机器人抓紧器匹配的第一状态转换到用于所述UID匹配所述机器人抓紧器时的第二状态。
13.根据权利要求12所述的方法，其中导致从所述第一状态转换到所述第二状态的所述检测到的用户动作序列是所述用户正在挤压UID抓紧器连杆或可变形表面时。
14.一种用于接合外科机器人系统的远程操作的方法，所述方法由所述外科机器人系统执行，所述方法包括：
检测指令以接合远程操作模式，在所述远程操作模式下，由从用户输入装置(UID)接收的用户输入控制具有两个钳口的机器人抓紧器；
确定所述外科机器人系统处于非远程操作模式；
通过所述UID接收用户动作序列；
作为所述用户动作序列的结果，确定所述UID匹配所述两个钳口之间的钳口角度或受所述机器人抓紧器的所述两个钳口影响的抓持力；以及
作为确定所述UID匹配所述钳口角度或所述抓持力的结果，将所述外科机器人系统转换到远程操作模式。
15.根据权利要求14所述的方法，其中检测用以接合或重新接合所述远程操作模式的所述指令包括检测以下至少一项：用户松开夹紧物、从任务栏中删除所述UID、用户目光聚焦在用户控制台的显示器上或进行踏板动作。
16.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述非远程操作模式包括脱离模式或暂停模式中的一者；
所述脱离模式是在启用远程操作之前所述系统执行复杂进程时；以及
所述暂停模式是在启用远程操作之前所述系统执行简单进程时。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述用户动作序列包括打开所述UID、闭合所述UID、以及打开所述UID直到所述UID和所述机器人抓紧器匹配。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括：
确定所述外科机器人系统处于暂停模式；
接收用户动作以匹配所述UID和所述机器人抓紧器；以及
将所述外科机器人系统转换到所述远程操作模式。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：
提供关于所述用户动作序列的指导。
20.根据权利要求14所述的方法，还包括：
显示所述外科机器人系统到所述远程操作模式的所述转换的指示。
CN201980096301.XA 2019-05-10 2019-05-13 将uid与机器人抓紧器去匹配/匹配以接合远程操作 Pending CN113811259A (zh)

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