確定機(jī)器人工作區(qū)域的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的、用于確定工作區(qū)域（機(jī)器人能在其中 引導(dǎo)工具）的方法以及根據(jù)權(quán)利要求11的前序部分的機(jī)器人系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 以下將參照的已知機(jī)器人系統(tǒng)包括輸入裝置如操縱桿或圖像采集系統(tǒng)，其由使用 者手動(dòng)操作以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)或執(zhí)行某些動(dòng)作。使用者所輸入的控制設(shè)定值此時(shí)被輸入裝置 轉(zhuǎn)換為由一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人執(zhí)行的相應(yīng)控制指令。已知的輸入裝置一般具有多個(gè)傳感器， 它們檢測(cè)使用者的控制設(shè)定值并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號(hào)。控制信號(hào)接著在控制或調(diào)節(jié)回路 中被進(jìn)一步處理，其最終產(chǎn)生調(diào)節(jié)信號(hào)，借此控制機(jī)器人或安裝在機(jī)器人上的工具的執(zhí)行 器，從而機(jī)器人或工具執(zhí)行使用者所期望的動(dòng)作。
[0003] 在外科手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用中通常限定一個(gè)規(guī)定的工作區(qū)域，在該工作區(qū)域中該外科 醫(yī)生能移動(dòng)并操作該外科器械。如果外科醫(yī)生嘗試使外科器械移動(dòng)離開預(yù)定的工作區(qū)域， 則這由外科手術(shù)機(jī)器人自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和阻止。因此，外科醫(yī)生只能處理在該工作區(qū)域內(nèi)的器官 或組織。由此能夠阻止在外科手術(shù)中無意損傷在真正的手術(shù)區(qū)域外的器官或組織。
[0004] EP2 384 714A1例如描述了一種限定用于外科手術(shù)-機(jī)器人系統(tǒng)的工作區(qū)域的 方法。據(jù)此，外科醫(yī)生可以定下虛擬切割平面，其穿過待手術(shù)的組織（以三維方式顯示）。 在此，虛擬切割平面與該組織的相交面限定了該工作區(qū)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 現(xiàn)在，本發(fā)明的任務(wù)是提出用于限定工作區(qū)域的替代方法以及替代裝置。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明，通過如權(quán)利要求1以及如權(quán)利要求11所給出的特征來完成該任務(wù)。 由從屬權(quán)利要求得到本發(fā)明的其它實(shí)施方式。
[0007] 本發(fā)明提出一種借助圖像采集裝置確定工作區(qū)域的方法，機(jī)器人能在所述工作區(qū) 域中引導(dǎo)安裝于機(jī)器人上的工具。在此，首先通過調(diào)整圖像采集裝置的位置和/或調(diào)節(jié)圖 像采集裝置的焦距來確定圖像采集裝置的可視空間。該可視空間此時(shí)限定了以下空間：該 圖像采集裝置在該空間內(nèi)可以拍攝圖像。即，該可視空間通過可被圖像采集裝置采集的所 有（反射）光線的光束來確定。隨后，求出與可視空間側(cè)邊界相關(guān)的幾何數(shù)據(jù)并且最終將 該工作區(qū)域確定到取決于可視空間側(cè)邊界的空間區(qū)域。為了確定某個(gè)工作區(qū)域，使用者如 外科醫(yī)生只須以期望的方式定位該圖像采集裝置和/或調(diào)節(jié)出期望的焦距并且最好確認(rèn) 所述調(diào)節(jié)。隨后，機(jī)器人系統(tǒng)的控制單元根據(jù)該圖像處理裝置的位置和/或焦距自動(dòng)求出 工作區(qū)域。如果圖像采集裝置所拍攝的圖像完整地顯示在監(jiān)視器上，則可以在監(jiān)視器上監(jiān) 測(cè)整個(gè)允許的工作區(qū)域。
[0008]當(dāng)使用者如此控制機(jī)器人系統(tǒng)即工具或其末端執(zhí)行器到達(dá)工作區(qū)域邊界時(shí)，最好 自動(dòng)停止所述運(yùn)動(dòng)。這種停止原則上可以在邊界處或距邊界預(yù)定距離處進(jìn)行。工具或末端 執(zhí)行器的位置例如可以通過圖像采集裝置或其它合適的傳感器裝置來識(shí)別。
[0009] 前述圖像采集裝置最好包括照相機(jī)并且能例如以內(nèi)窺鏡形式構(gòu)成。
[0010] 該可視空間如所述那樣通過可由圖像采集裝置采集的所有光線來確定。位于幾何 可視空間外的物體因此可能無法由該圖像采集裝置采集到。原則上，幾何可視空間可具有 截然不同的形狀（取決于圖像采集裝置當(dāng)前所用的光學(xué)系統(tǒng)）。因?yàn)橐话悴捎脠A形的光學(xué) 系統(tǒng)，故可視空間一般呈圓錐形狀。
[0011] 在本文范圍內(nèi)，"機(jī)器人"尤其是指具有一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)臂的任何機(jī)械，所述關(guān)節(jié) 臂可借助一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行器如電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，該工作區(qū)域最好被限定到這樣的空間區(qū)域，其至少部分且最好完全 位于可視空間的側(cè)邊界內(nèi)。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式，該工作區(qū)域例如可被如此確定：其側(cè)邊界對(duì)應(yīng)于可 視空間的側(cè)邊界。即，在此情況下，該工作區(qū)域與該可視空間的體積重合。如果可視空間例 如呈圓錐形，則該工作區(qū)域由圓錐形面限定。此時(shí)，機(jī)器人或工具的側(cè)向自由運(yùn)動(dòng)度取決于 機(jī)器人或工具被引導(dǎo)的深度（即距光學(xué)系統(tǒng)的距離）。深度越大，圓錐形橫截面、進(jìn)而側(cè)向 自由運(yùn)動(dòng)度越大。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式，該工作區(qū)域被限定到這樣的空間區(qū)域，其位于可視 空間內(nèi)并且小于該可視空間的體積。在圓錐形可視空間的情況下，該工作區(qū)域例如可以是 安置在可視空間內(nèi)的"金字塔"。
[0015] 該工作區(qū)域最好具有矩形的橫截面。由此可以使該工作區(qū)域匹配于該圖像采集裝 置所拍攝的圖像顯示于其上的矩形屏幕的規(guī)格。該工作區(qū)域最好被如此確定，即屏幕的側(cè) 邊界同時(shí)也體現(xiàn)為工作區(qū)域的邊界。因此，外科醫(yī)生可以在屏幕上監(jiān)視整個(gè)工作區(qū)域。
[0016] 為了使工作區(qū)域匹配于矩形屏幕，例如可以如此調(diào)節(jié)在工作區(qū)域的一定深度處的 矩形橫截面的對(duì)角線，即它對(duì)應(yīng)于在該位置上的圓錐形可視空間的直徑。在監(jiān)視器上所顯 示的圖像的邊界于是對(duì)應(yīng)于該工作區(qū)域的邊界。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，該工作區(qū)域也可以依據(jù)該可視空間與虛擬平面的 相交線或相交面來限定。因此，可以通過任何錐形截面來限定不同的工作體積?？梢栽谄?幕上向使用者顯示切割平面。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單例子：圓錐形可視空間（確切說是其周面） 與虛擬平面（其面法線例如指向可視圓錐體縱向）相交得到圓形剖切線。機(jī)器人工作區(qū)域 現(xiàn)在可以被限制到一個(gè)圓柱體，其周長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于圓形相交線。為了確定該工作區(qū)域，使用者可 以如上所述調(diào)節(jié)該圖像采集裝置，該虛擬切割平面此時(shí)保持位置不變，或者他也可以調(diào)節(jié) 虛擬切割平面?；蛘?，例如也可以產(chǎn)生具有矩形橫截面的長(zhǎng)方體形工作區(qū)域，其角部例如正 好位于圓形相交線上。橫截面大小又取決于可視圓錐體與虛擬平面的相交。
[0018] 該工作區(qū)域例如可以是圓錐形的、金字塔形、柱形或長(zhǎng)方體形的，或者具有其它幾 何形狀。工作區(qū)域的形狀最好可以由使用者選擇。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，該可視空間和/或所選的工作區(qū)域最好顯現(xiàn)到 由圖像采集裝置所拍攝并顯示在監(jiān)視器上的圖像中。于是，使用者看到所拍攝的圖像以及 表示該可視空間或工作區(qū)域的例如（彩色）線條。
[0020] 該工作區(qū)域原則上在深度上可以是無限的，但是它在深度上也可以通過設(shè)定至少 一個(gè)分界面而被限制。這例如可以自動(dòng)進(jìn)行而無需為此需要使用者輸入。但可選地，工作 區(qū)域的深度也可以通過例如輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)而由使用者預(yù)設(shè)。數(shù)據(jù)的輸入例如可以借助控制 裝置（也用以控制機(jī)器人）來進(jìn)行。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特殊實(shí)施方式，該工作區(qū)域被限定到在兩個(gè)面之間的空間區(qū) 域，所述兩個(gè)面是以距光學(xué)系統(tǒng)的不同距離布置的。所述面原則上可以是任何的自由形狀 面。但這些邊界面最好是平面。為了設(shè)定深度邊界，使用者例如可以在顯示于屏幕上的圖 像上標(biāo)記出一個(gè)或多個(gè)分界面應(yīng)經(jīng)過的點(diǎn)。該系統(tǒng)識(shí)別到這種輸入（作為一個(gè)或多個(gè)分界 面的設(shè)定）并相應(yīng)限制該工作區(qū)域。
[0022] 該圖像采集裝置的新的取向或設(shè)定最好首先不改變有效的工作區(qū)域。為了改變?cè)?工作區(qū)域，外科醫(yī)生最好須完成相應(yīng)輸入例如操作按鍵。但或者也可以規(guī)定：在該圖像采集 裝置的位置和/或焦距被調(diào)節(jié)時(shí)，該工作區(qū)域自動(dòng)自適應(yīng)。
[0023] 可選地，例如也可存儲(chǔ)早先曾經(jīng)確定的各種工作區(qū)域。在此情況下可如此設(shè)計(jì)機(jī) 器人系統(tǒng)，即外科醫(yī)生可以根據(jù)要求（如根據(jù)按鍵壓力）在所存儲(chǔ)的各個(gè)工作區(qū)域之間變 換，無需為此改變圖像采集裝置的位置和/或焦距。
[0024] 本發(fā)明也涉及一種機(jī)器人系統(tǒng)，其具有至少一個(gè)第一機(jī)器人和第二機(jī)器人，在所 述第一機(jī)器人上安裝有能在可視空間邊界內(nèi)采集圖像的圖像采集裝置，在所述第二機(jī)器人 上固定有工具尤其是外科手術(shù)器械。
[0025] 該機(jī)器人系統(tǒng)還包括輸入裝置，借以控制一個(gè)或兩個(gè)機(jī)器人。另外，根據(jù)本發(fā)明設(shè) 有控制單元，其求出與可視空間邊界相關(guān)的幾何數(shù)據(jù)并且根據(jù)可視空間邊界確定一個(gè)工作 區(qū)域，在該工作區(qū)域中機(jī)器人移動(dòng)或機(jī)器人可以引導(dǎo)安裝于其上的工具。
[0026] 在本文范圍內(nèi)，"機(jī)器人系統(tǒng)"尤其是指具有一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人的工程設(shè)備，它還 可以包括一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人操作工具和/或一個(gè)或多個(gè)其它機(jī)械。設(shè)計(jì)應(yīng)用在微創(chuàng)手術(shù)中 的機(jī)器人系統(tǒng)例如可以包括一個(gè)或多個(gè)分別配備有外科手術(shù)器械或其它工具的機(jī)器人以 及可電動(dòng)調(diào)節(jié)的手術(shù)臺(tái)。
[0027] 適用于控制機(jī)器人系統(tǒng)的輸入裝置例如可以是：操縱桿、鼠標(biāo)、鍵盤、控制板、觸 板、觸屏、操控臺(tái)和/或基于照相機(jī)的圖像處理系統(tǒng)以及能夠獲得使用者控制設(shè)定值并產(chǎn) 生相應(yīng)控制信號(hào)的所有其它已知輸入裝置。
[0028] 本發(fā)明的機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)選也如上所述包括用于規(guī)定工作區(qū)域深度邊界的機(jī)構(gòu)。所 述機(jī)構(gòu)最好是用于控制一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人的輸入裝置的一部分