[发明专利]机器人和配置为控制机器人的方法

说明书

一种机器人，包括：基座；柔性臂，其从基座延伸并且具有多个关节，由此能够更改臂的配置，多个驱动器布置成驱动关节移动，多个传感器用于感测每个关节的位置，以及附接结构用于附接工具至臂，关节允许附接结构相对于基座的角度姿态变化；以及控制单元，其配置为控制驱动器以及从传感器接收输入，并且能够以校准模式操作，在校准模式中当工具附接至附接结构并且捕获在端口中时，控制单元：(i)控制驱动器以便通过施加至臂的外力的作用允许重新配置臂；(ii)在存在施加至臂以及通过工具传递至端口的外力的情况下监控臂的配置以便引起更改附接结构对基座的姿态；由此能够估计端口的位置。

技术领域

本发明涉及在机器的运动上的表征机械约束，该机器诸如是机器人，尤其是手术机器人。

背景技术

图1图示了手术机器人1，其处于在患者9上执行侵入性医疗程序的过程。机器人包括臂2，臂2借助多个柔性关节3沿着其长度被铰接。在臂的远端4是手术工具。手术工具具有薄的细长轴5，细长轴5在其远端具有用于在医疗程序中接合的装置6。该装置能够是例如切割、抓取或者成像装置。手术工具经由臂的腕关节关节3a附接至臂。腕关节关节可配置为调节方向，轴5沿该方向延伸而臂2的大部分保持静止。手术工具通过手术端口7插入患者的身体。端口具有中空管8，当工具插入及移除以及当机器人操纵在患者的身体内的工具时，中空管8穿过患者的外部组织以助于限制对其他组织的干扰。

为了降低对患者的外部组织的干扰，对机器人来说优选的是，操纵工具以使工具不因对端口施加的显著横向力而加压于这些组织。对于机器人的操作员来说实现这一目的的一种方式是人工地控制机器人的腕关节7的配置，使得无论腕关节定位在哪里，工具都从腕关节被定向为穿过端口的中心。但是，为了与腕关节的移动协调以该方式人工地控制工具的姿态，给操作员施加高工作负荷并且要求高度的技术。机器人的控制系统优选自动干预以帮助操作员保持将工具定位通过端口的自然位置。为了实现该功能，控制系统必须知道端口相对于机器人的位置。由于端口的位置在不同患者之间会变化，因此要求控制系统在每个程序开始时获悉端口的位置。

获悉端口的位置的一种方式是技术人员测量在程序开始时端口自机器人上的基准点的偏移和方向，并且向机器人的控制系统提供该信息。该方案是不方便的并且在数据输入过程中有误差风险。对技术人员来说另一方案是将具有已知长度的测量工具附接至机器人，并且人工地控制机器人直到工具的末端触及端口。如果机器人装备有能够感测其每个关节的状态的传感器，那么该信息与关节之间的距离以及测量工具的长度一起能够自动地几何结合，以便确定端口相对于机器人上基准点的位置。该过程能够具有的优势是允许自动进行测量。但是，这会需要技术人员的某种程度的人工操作。

此外，这些方案都涉及测量端口的外部的位置。实践中，端口的管将延伸一段距离，例如50至100mm，穿过患者的外部组织。为了降低这些组织上的总体横向应力，优选的是机器人辅助操作员以保持工具不对准端口的最外部而是对置端口的自然旋转中心，端口的自然旋转中心可能在身体内的一定深度处。

发明内容

根据本发明提供了一种机器人，其包括：基座；柔性臂，其从基座延伸并且具有多个关节，由此能够更改臂的配置；多个驱动器，其布置成驱动关节移动；多个传感器；其用于感测每个关节的位置；以及附接结构，其用于附接工具至臂；关节，其允许附接结构相对于基座的呈角度姿态变化；以及控制单元，其配置为控制驱动器以及从传感器接收输入，并且在校准模式中可操作，在校准模式中，当工具附接至附接结构以及捕获在端口中时，控制单元：(i)控制驱动器以便通过施加至臂的外力的作用允许重新配置臂；(ii)在存在施加至臂以及通过工具传递至端口的外力的情况下监控臂的配置以便引起更改附接结构对基座的姿态；由此能够估计端口的位置。

在所述步骤(ii)之后，控制单元可以操作以根据所监控的配置来估计端口的位置。控制单元能够配置为将端口的位置估计为在存在外力的情况下维持相对于附接点以恒定角度姿态延伸的直线所通过的点。控制单元能够配置为存储估计的位置。