使用惯性测量单元的器械驱动单元扭矩补偿的制作方法

1.本发明涉及因相对于手持式手术器械具有增加的准确度和便利性而在微创医疗程序中使用的机器人手术系统。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.连杆支撑器械驱动单元(idu)，所述器械驱动单元配置成操作工具以操纵组织。idu包括一个或多个协同操作工具的马达。当连杆围绕工作空间移动idu时，作用在idu上以及因此作用在idu内的马达上的力随连杆的姿态而变化。例如，作用在每个马达上的重力可以随着连杆的姿态而变化。


技术实现要素：

5.当连杆的姿态在工作空间内变化时，需要确定和补偿作用在idu的马达上的力。
6.本公开总体上涉及一种包括惯性测量单元(imu)的idu，所述惯性测量单元设置在idu内以确定作用在马达上的力，本公开还涉及一种用于补偿作用在马达上的力的方法。
7.在本公开的一个方面，提供了一种器械驱动单元，所述器械驱动单元配置成操纵工具。所述器械驱动单元包括：限定中心纵向轴线的壳体；惯性测量单元，所述惯性测量单元设置在所述壳体内并且配置成确定所述器械驱动单元的姿态；以及设置在所述壳体内的控制器，所述控制器被配置成从所述惯性测量单元接收所述器械驱动单元的姿态，并且生成补偿所述器械驱动单元的姿态的经校正的输出信号。
8.惯性测量单元可以围绕中心纵向轴线设置。
9.惯性测量单元可以包括陀螺仪和加速度计。
10.惯性测量单元可以被配置成基于作用在惯性测量单元上的重力来确定器械驱动单元的姿态。
11.惯性测量单元可以包括罗盘。
12.器械驱动单元还可包括设置在壳体内的第一马达。第一马达可配置成接收经校正的输出信号并响应于经校正的输出信号来操纵工具。
13.器械驱动单元还可以包括位于器械驱动单元第一端的安装板。第一马达可以通过
第一扭矩转换器固定到安装板。
14.器械驱动单元还可以包括位于器械驱动单元的第二相对端的后板。惯性测量单元可以固定到后板。
15.器械驱动单元还可以包括在后板和安装板之间延伸的控制板。控制器可以设置在控制板上。
16.器械驱动单元还可包括设置在壳体内的第一扭矩传感器。第一扭矩传感器可配置成测量第一马达的扭矩。
17.所述器械驱动单元可以进一步包括第二马达；第三马达；以及第四马达。第一、第二、第三和第四马达可设置在壳体内并绕中心纵向轴线布置。第二、第三和第四马达中的每一个可配置成接收经校正的输出信号并响应于经校正的输出信号来操纵工具。
18.所述器械驱动单元还可包括第二扭矩传感器，所述第二扭矩传感器设置在所述壳体内并配置成测量所述第二马达的扭矩；第三扭矩传感器，所述第三扭矩传感器设置在所述壳体内并且配置成测量所述第三马达的扭矩；以及第四扭矩传感器，所述第四扭矩传感器设置在所述壳体内并且配置成测量所述第四马达的扭矩。
19.根据本公开的另一方面，提供了一种手术机器人，所述手术机器人包括基座；由所述基座支撑的连杆；以及器械驱动单元，所述器械驱动单元由所述连杆支撑并且配置成支撑和操纵工具。所述器械驱动单元包括限定中心纵向轴线的壳体；惯性测量单元，所述惯性测量单元设置在所述壳体内并且配置成确定所述器械驱动单元的姿态；以及设置在所述壳体内的控制器，所述控制器被配置成从所述惯性测量单元接收所述器械驱动单元的姿态，并且生成补偿所述器械驱动单元的姿态的经校正的输出信号。
20.手术机器人还可以包括由器械驱动单元支撑的工具。工具可绕与中心纵向轴线同轴的工具轴线支撑。
21.惯性测量单元可以围绕中心纵向轴线设置。
22.根据本公开的另一方面，提供了一种利用设置在器械驱动单元内的控制器来控制器械驱动单元的方法。所述方法包括通过从惯性测量单元读取值来确定器械驱动单元的姿态；基于所述器械驱动单元的姿态计算经校正的扭矩；以及将经校正的扭矩传输至所述器械驱动单元的马达。
23.所述方法还可包括接收工具的期望姿态并计算输出扭矩以将工具从当前姿态操纵到期望姿态。
24.所述方法还可包括基于器械驱动单元的姿态确定idu的校正值。
25.经校正扭矩的计算可以包括将校正值应用于输出扭矩。
26.器械驱动单元的姿态的确定可以包括利用惯性测量单元的陀螺仪和加速度计测量作用在惯性测量单元上的重力。
27.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
28.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：
29.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；
30.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；
31.图3是示出图2的机器人基座的idu的内部部件的剖视图；
32.图4是图3所示细节区域的放大图；
33.图5是图3的idu的后板的平面图；
34.图6是图3的idu的前剖视图；以及
35.图7是示出在如图2所示的idu围绕接头6的完整旋转期间图3的idu的每个马达的扭矩读数中的百分比误差的曲线图；
36.图8是示出在如图2所示的idu围绕接头6的完整旋转期间图3的idu的imu的读数的曲线图；
37.图9是示出在如图2所示的idu围绕接头6的完整旋转期间图3的idu的每个马达的经校正扭矩读数中的百分比误差的曲线图；
38.图10是示出生成校准映射以校准imu的示范性方法的流程图；
39.图11是示出控制工具的示范性方法的流程图；以及
40.图12是控制器的说明性实施例的示意框图，所述控制器可用于本系统的各种实施例中，例如，作为图1的机器人手术系统的一部分。
具体实施方式
41.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。在整个说明书中，术语“近端”是指装置或其部件的更靠近操纵该装置或部件的临床医生或手术机器人的部分，而术语“远端”是指装置或其部件的更远离操纵该装置的临床医生或手术机器人的部分。
42.参照图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。
43.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。
44.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。
45.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。
46.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。
47.参照图2，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
，该世界坐标系f
w
是由x
w
‑
y
w
‑
z
w
轴限定的固定坐标系，x
w
‑
y
w
‑
z
w
轴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，其可由手术环境内的其它坐标系参考，从而允许手术环境内的每个坐标系具有共同的参考坐标系。如图所示，x
w
轴限定在平行于地板的水平方向上，y
w
轴限定在平行于地板并垂直于x
w
轴的水平方向上，并且z
w
轴限定在从地板到天花板的高度方向上并垂直于x
w
轴和y
w
轴。应当理解，x
w
和y
w
轴限定了平行于地板的x
‑
y平面。
48.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。第一连接件12a可以在第一接头j1处略微倾斜，使得纵向轴线a
‑
a与平行于x
‑
y平面的水平轴线不平行，以限定俯仰角。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，第一连接件12a可以直接固定到机器人基座18。
49.如下详述，连杆12包括可用于确定连杆12的姿态的多个传感器。连杆12的姿态用作控制算法的输入，该控制算法控制工具20的位置和运动。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讨论，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。
[0050]
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。
[0051]
连杆12包括沿第四连接件12d可滑动地支撑的器械驱动单元(idu)200，以限定线性第五接头j5，其允许idu 200沿平行于第四连接件12d的纵向轴线的工具轴线t
‑
t移动。第六接头j6是idu 200绕工具轴线t
‑
t的滚动接头，其允许idu 200(并且因此工具20)绕工具轴线t
‑
t旋转。
[0052]
参见图3
‑
6，idu 200包括具有马达220、230、240、250的壳体210；扭矩转换器222、232、242、252；安装板260；控制板270；以及后板280。每个马达220、230、240、250通过扭矩转换器222、232、242、252中的相应一个安装到安装板260。马达220、230、240、250围绕idu 200的中心纵向轴线布置，该中心纵向轴线与工具轴线t
‑
t同轴。每个扭矩转换器222、232、242、252包括扭矩传感器，例如扭矩传感器224、234，其被配置成实时测量相应马达的施加扭矩。马达220、230、240、250的施加扭矩可用于控制算法以操作工具20(图2)。关于示范性控制算法的详细讨论，可以参考2018年12月6日提交的美国临时专利申请序列号62/776,285，其全部内容在此引入作为参考。
[0053]
如上所述，连杆12(图2)移动，使得连杆12的姿态改变工具20上的力。特别地，工具20上的重力随着连杆12的姿态变化而变化。此外，马达220、230、240、250通过扭矩转换器222、232、242、252以悬臂方式安装到安装板260，使得马达220、230、240、250上的重力可影响由扭矩传感器(例如扭矩传感器224、234)测量的施加扭矩。例如，图7示出了当idu 200围绕工具轴线t
‑
t旋转(例如接头j6)时，每一马达，例如马达220、230、240、250中的任一个马达的扭矩t，而连杆12的其余接头固定。特别地，清楚的是，当idu 200围绕工具轴线t
‑
t旋转时，每个马达220、230、240、250的扭矩t沿着弯曲路径变化。这种变化可以归因于当idu 200旋转时作用在马达220、230、240、250和/或工具20上的重力的变化。当连杆12围绕其它接头，例如连杆的接头j1‑
j5移动时，可以看到变化。然而，取决于具体的接头，马达220、230、240、250的扭矩t可以彼此一致地变化，并且可以变化相似的量或不同的量。
[0054]
为了确定马达220、230、240、250上的力，由连杆12支撑的idu 200在世界坐标系f
w
内的姿态可以根据接头j1‑
j6中的每一个的位置和j1在世界坐标系f
w
内的位置来计算。然而，该计算可能需要大量的处理，并且将通过一系列测量值来估计连杆12的姿态，其中每个测量值的公差在idu 200的姿态的最终计算中引起潜在误差，并且由于重力，引起每个马达220、230、240、250的所得扭矩t的潜在误差。
[0055]
为了更准确地确定idu 200的姿态和每个马达220、230、240、250的扭矩t，idu包括
固定到idu 200的后板280的惯性测量单元(imu)290。imu 290可以是独立的单元，或者可以设置在固定到后板280的电路板282上。imu 290与控制板270通信。例如，imu 290可附接到或设置在电路板282上，电路板282经由连接器284连接到控制板260。在实施例中，imu 290与控制板270无线通信。控制板270可以包括控制器272。
[0056]
imu 290包括加速度计292和陀螺仪294以确定idu 200的取向。在实施例中，imu 290还包括罗盘296以帮助确定idu 200的取向。imu 290定位成使得工具轴线t
‑
t穿过imu 290。沿着作为idu 200的旋转轴线的工具轴线t
‑
t放置imu 290可以简化重力补偿的计算。
[0057]
为了校准imu 290，工具20(例如，校准夹具)被配置成确定imu 290的校准读数并且将这些校准读数转换成用于连杆12的多个姿态的扭矩传感器224、234、244、254的读数。例如，如图8所示，当j6的接头角度在每个方向上变化时，imu 290提供x、y和z校正值。这些x、y和z校正值可以基于idu 200的姿态，应用于由扭矩传感器224、234、244、254中的每一个测量的扭矩。继续前述实例并如图9所示，当校正值被应用到由扭矩传感器224、234、244、254中的每一个测量的扭矩时，经校正的扭矩值的误差在围绕接头j6的运动范围内显著减小。具体地，当与原始或测量扭矩值的约
‑
10％至约9％的范围相比时，经校正扭矩值的误差在约
‑
2％至约2％的范围内。经校正扭矩值的提高的精度可以允许马达220、230、240、250中的一个或多个的较低预张力。减小马达220、230、240、250中的一个或多个的预张力可以延长器械寿命和/或降低使用机器人手术系统1(图1)的手术过程的成本。
[0058]
可以通过用校准夹具(例如，工具20)操纵连杆12的姿态来创建映射以确定连杆12的多个姿态的校正值。该映射可以包括六个自由度中的idu的每个姿态的校正值。该映射可用于为imu 290的读数创建函数，或者可以是在手术过程中用作查找表以基于连杆12的姿态提供校正值。该映射可以在手术机器人10的制造期间创建，或者可以在手术过程之前通过校准程序创建。
[0059]
参考图10，根据本公开，参考图1
‑
6的机器人手术系统提供了用于生成校准映射的方法300。首先，将校准夹具作为工具20附接到连杆12的端部(步骤310)。校准夹具被配置成检测马达220、230、240、250中的每一个的扭矩。在附接校准夹具的情况下，记录来自imu 290的值的读数(步骤320)。还记录每个马达220、230、240、250的扭矩值(步骤330)。每个马达220、230、240、250的扭矩值可以由扭矩传感器224、234、244、254中的相应一个来测量，或者可以由校准夹具来测量。imu 290的值和每个马达220、230、240、250的扭矩值在校准映射中彼此关联(步骤340)。校准映射可以是存储在存储器中的矩阵。利用校准映射中彼此关联的imu 290的值和扭矩值，将idu 200移动到新姿态(步骤350)，并且对于新姿态重复步骤320
‑
340。该过程被记录，直到idu 200的每个姿态被包括在校准映射中或者足够的点被记录在校准映射中以生成一个或多个方程来确定用于idu 200的姿态的每个马达220、230、240、250的校正值。
[0060]
参考图11，根据本公开参考图1
‑
6的机器人手术系统1和idu 200描述了控制idu的方法400。idu 200的控制器272接收工具20的期望姿态(步骤405)。可以从处理单元30、控制器32、34或adu 35接收期望姿态。为了确定idu 200的当前姿态，控制器272读取imu 290的值(步骤410)。imu 290的值对于idu 200的每个姿态都是唯一的，并且如上所述存储在校准映射中。利用根据imu 290的值确定idu 200的姿态，控制器272计算每个马达220、230、240、250的输出扭矩，以将工具20的姿态操纵到期望姿态(步骤415)。控制器272还从在步骤410
中确定的idu 200的姿态中检索或确定每个马达220、230、240、250的校正值(步骤420)。控制器272将校正值应用于在步骤415中计算的每个马达220、230、240、250的输出扭矩，以生成每个马达220、230、240、250的经校正扭矩(步骤430)。控制器272将经校正扭矩传输到每个马达220、230、240、250，使得idu 200将工具20操纵到期望姿态(步骤440)。
[0061]
参考图12，根据本文的各种实施例可以采用计算装置。例如，上述输入整形器算法可以存储在计算装置中并在其中执行。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、adu 35、控制器272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12中未示出)和通信总线(图12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。
[0062]
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12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。
[0063]
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。还设想以上实施例的任何组合，并且所述组合在所附权利要求书的范围内。因此，以上描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为特定实施例的例证。本领域的技术人员将设想在本文所附的权利要求书的范围内的其它修改。