本發(fā)明涉及用于控制通過用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機器人系統(tǒng)方式執(zhí)行的遙操作的方法和系統(tǒng)。特別地，本發(fā)明涉及用于在用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機器人系統(tǒng)中，通過鈍化技術(shù)(即，受控地降低所賦予的速度或功率)的方式來控制可由操作員移動的主設(shè)備控制的從設(shè)備的方法。

背景技術(shù)：

1、在用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的主-從機器人系統(tǒng)的背景下，已知系統(tǒng)具有在機械上不受機器人系統(tǒng)的“主控制器”站的約束的主設(shè)備，即“輪”主(或“機械未接地的”、“機械不受約束的”)設(shè)備，或者為例如在同一申請人名義下的wo-2019-020407、wo-2019-020408、wo-2019-020409中所示的類型。

2、在所有用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的主-從機器人系統(tǒng)中，并且特別是在上文提及的具有不受約束的主設(shè)備的那些系統(tǒng)中，操作員在遙操作期間移動主設(shè)備，并且控制系統(tǒng)允許從設(shè)備移動以跟隨/追蹤主設(shè)備的位置和方向。

3、實際上，在上述跟隨/追蹤期間，會出現(xiàn)主設(shè)備的位置和瞬時方向與從設(shè)備的那些不相等的缺點。這個問題源于幾個原因，包括：

4、1)系統(tǒng)內(nèi)存在延遲，即，操作員的信號從追蹤設(shè)備傳播到控制系統(tǒng)，然后傳播到致動從設(shè)備運動的馬達(dá)所需的時間；

5、2)致動系統(tǒng)的固有限制，即，致動從設(shè)備運動的馬達(dá)具有最大工作速度和加速度的事實；

6、3)機器人機械部件的機械共振；在這種情況下，動力被“故意”減慢以避免撞擊機器人，引起任何不希望的振動。

7、如果從設(shè)備的實際位姿和由主設(shè)備命令的正確位姿(即在沒有上述現(xiàn)象/缺陷的情況下獲得的位姿)之間的瞬時誤差(距離)變得太大，則會出現(xiàn)包括以下的幾個問題。

8、問題1)當(dāng)操作員停止時，機器人仍然在移動。在這種背景下：

9、-操作員感知到他/她所執(zhí)行的動作與機器人執(zhí)行的動作之間的延遲；

10、-受上述延遲的影響，操作員傾向于用他/她的眼睛，并因此基于他/她的感知來關(guān)閉控制循環(huán)；換句話說，延遲的存在不允許操作員在快速運動后精細(xì)且精準(zhǔn)地定位從設(shè)備。

11、問題2)當(dāng)操作員快速改變方向(例如，用主設(shè)備在空間中做圓周運動)時，確定了以下其他的缺點：

12、-在方向改變時，由于累積的“移動延遲”，操作員會感知到主設(shè)備已經(jīng)在“后退”的同時，從設(shè)備仍在“前進”；

13、-在高瞬時速度(接近或高于致動系統(tǒng)的那些速度)和曲線軌跡下，由于從設(shè)備傾向于沿著最短可能的(瞬時)軌跡收斂到主設(shè)備，而不考慮操作員所做出的瞬時軌跡，因此會產(chǎn)生從設(shè)備運動的失真。在極端情況下，主設(shè)備的圓形軌跡會轉(zhuǎn)變?yōu)閺脑O(shè)備的方形軌跡。

14、在所考慮的技術(shù)領(lǐng)域中，已知的解決方案不能夠令人滿意地解決上述問題和缺點。

15、因此，在所考慮的用于主-從遙操作的機器人系統(tǒng)(無論它們是否具有受約束的主設(shè)備)和相關(guān)控制方法的技術(shù)領(lǐng)域中，迫切需要根據(jù)主設(shè)備、依據(jù)權(quán)宜之計并基于控制算法來控制從設(shè)備的從動運動，如此以便解決或至少減輕上述問題和缺點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供用于通過鈍化技術(shù)方式控制由主設(shè)備控制并可由操作員移動的從設(shè)備的方法，所述方法允許參考現(xiàn)有技術(shù)至少部分地克服上述所抱怨的缺點，并響應(yīng)于所考慮技術(shù)領(lǐng)域中特別感受到的上述需求。

2、這樣的目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法來實現(xiàn)。

3、此類方法的其他實施方式在權(quán)利要求2-17中限定。

4、本發(fā)明的目的還在于提供用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機器人系統(tǒng)，其配置成通過上述方法的方式進行控制。這樣的目的通過根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)來實現(xiàn)。

5、此類系統(tǒng)的其他實施方式在權(quán)利要求19中限定。

技術(shù)特征：

1.一種用于在通過用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機器人系統(tǒng)(100)方式執(zhí)行的遙操作期間控制從設(shè)備的方法，其中所述機器人系統(tǒng)包括：至少一個主設(shè)備(110)，適于由操作員(150)移動；以及至少一個從設(shè)備，包括手術(shù)器械(170)，所述從設(shè)備適于由所述主設(shè)備控制，其中，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述修改所述標(biāo)稱目標(biāo)位姿以獲得所述從設(shè)備的經(jīng)修改的目標(biāo)位姿的步驟造成所述主設(shè)備和所述從設(shè)備之間位置一致性的受控?fù)p失，并減少了所述操作員在所述遙操作期間感知到的所述從設(shè)備運動相對于所述主設(shè)備運動的延遲。

3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項所述的方法，其中，所述修改所述標(biāo)稱目標(biāo)位姿的步驟包括減小所述經(jīng)修改的目標(biāo)位姿的平移速度模塊，其中所述經(jīng)修改的目標(biāo)位姿的平移速度是參考從工作空間中的正交笛卡爾坐標(biāo)系來表示的。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項所述的方法，其中，所述修改所述標(biāo)稱目標(biāo)位姿的步驟包括減小所述經(jīng)修改的目標(biāo)位姿的平移速度模塊，其中所述經(jīng)修改的目標(biāo)位姿的平移速度是參考所述從設(shè)備的關(guān)節(jié)空間的坐標(biāo)來表示的。

5.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的方法，其中，修改所述經(jīng)修改的目標(biāo)位姿的平移速度的傳遞函數(shù)以相互獨立的方式管理所述速度所分解成的每個速度分量。

6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述遙操作是從所述主設(shè)備到從手術(shù)器械的單側(cè)或單邊遙操作。

7.根據(jù)權(quán)利要求3-6中任一項所述的方法，其中，修改所述經(jīng)修改的目標(biāo)位姿的平移速度的傳遞函數(shù)僅取決于所述主設(shè)備速度，并且是連續(xù)且單調(diào)的非遞減函數(shù)，所述傳遞函數(shù)：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述閾值速度值在0.015m/s至0.025m/s之間。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述速度傳遞函數(shù)的非線性部分具有趨向于定義所述從設(shè)備目標(biāo)的最大速度的水平漸近線的趨勢。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述從設(shè)備目標(biāo)的最大速度值對應(yīng)于所述從設(shè)備本身能夠達(dá)到的最大速度模塊。

11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述從設(shè)備目標(biāo)的最大速度是可調(diào)的。

12.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的方法，其中，修改所述經(jīng)修改的目標(biāo)位姿的平移速度的傳遞函數(shù)取決于所述標(biāo)稱目標(biāo)位姿速度以及所述標(biāo)稱目標(biāo)位姿的位置與所述從設(shè)備的當(dāng)前位置之間的虛擬距離。

13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述傳遞函數(shù)是虛擬距離傳遞函數(shù)，并且是連續(xù)且單調(diào)的非遞減函數(shù)，所述傳遞函數(shù)：

14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述閾值距離值在0.5mm至5mm之間。

15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述虛擬距離傳遞函數(shù)是連續(xù)的、單調(diào)的非遞減函數(shù)，具有值“虛擬距離+最大距離”作為漸近線，其中參數(shù)“最大距離”是一個可調(diào)參數(shù)，定義了所述經(jīng)修改的目標(biāo)位姿和所述從設(shè)備位置之間的最大允許虛擬距離。

16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述最大虛擬距離值在0.5mm至5mm之間。

17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述主設(shè)備是無根據(jù)型主設(shè)備，優(yōu)選地沒有力反饋；

18.一種用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機器人系統(tǒng)(100)，包括：

19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的機器人系統(tǒng)，其中，所述控制單元配置成執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1-17中任一項所述的用于控制從設(shè)備的方法。

技術(shù)總結(jié)
一種用于在通過用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機器人系統(tǒng)100的方式執(zhí)行的遙操作期間控制從設(shè)備的方法。上述機器人系統(tǒng)包括：至少一個主設(shè)備110，適于由操作員150移動；以及至少一個從設(shè)備，其包括手術(shù)器械170，所述從設(shè)備適于由所述主設(shè)備控制。方法包括以下步驟：定義從設(shè)備的工作空間中的標(biāo)稱目標(biāo)位姿(對應(yīng)于主設(shè)備在主設(shè)備工作空間中的相應(yīng)位姿)，修改標(biāo)稱目標(biāo)位姿以獲得從設(shè)備的經(jīng)修改的目標(biāo)位姿，以及控制從設(shè)備在從設(shè)備工作空間中的運動，使得從設(shè)備配置成在遙操作期間遵循上述修改的目標(biāo)位姿。上述修改標(biāo)稱目標(biāo)位姿以獲得經(jīng)修改的目標(biāo)位姿的步驟包括根據(jù)相應(yīng)的傳遞函數(shù)，相對于標(biāo)稱目標(biāo)位姿的速度，減小經(jīng)修改的目標(biāo)位姿的平移速度模塊，和/或者減小由主設(shè)備賦予給從設(shè)備的瞬時功率或能量。這種傳遞函數(shù)取決于主設(shè)備的瞬時速度和/或主設(shè)備的瞬時功率或能量和/或從設(shè)備的當(dāng)前位置與從設(shè)備的標(biāo)稱目標(biāo)位姿之間的距離。還描述了用于醫(yī)療或手術(shù)遙操作的機器人系統(tǒng)100，為其提供了上述控制方法。

技術(shù)研發(fā)人員：安東尼奧·迪瓜爾多,埃馬努埃萊·魯法爾迪,馬泰奧·坦齊尼,邁克爾約翰·普羅克特,馬西米利亞諾·西米
受保護的技術(shù)使用者：醫(yī)療顯微器具公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9