[发明专利]用于机器人外科手术系统的逆运动学控制系统

说明书

一种使用逆运动学来控制机器人系统的方法包含：从用户界面接收输入位姿以移动所述机器人系统的臂；根据工具中心点坐标系中的所述输入位姿来计算期望位姿的远程运动中心；检查何时所述期望位姿需要矫正；矫正所述臂的所述期望位姿；并且响应于所述输入位姿将所述臂移动到所述期望位姿。所述机器人系统的所述臂包含工具，所述工具具有安置在所述臂的端部处的钳口。检查何时所述期望位姿需要矫正包含验证所述远程运动中心处于所述期望位姿中的边界距离内还是超出所述边界距离。当所述远程运动中心处于所述边界距离内时矫正所述臂的所述期望位姿发生。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年3月4日提交的美国临时专利申请号62/303,437的权益和优先权，所述申请的全部公开通过引用结合在此。

背景技术

如远程操作系统等机器人外科手术系统用于进行微创外科手术，与传统开腹手术技术相比，所述微创外科手术提供许多益处，包含较少痛苦、较短住院时间、较快恢复正常活动、极少瘢痕形成、减少的恢复时间和对组织损伤较小。

机器人外科手术系统可以具有许多机器人臂，所述机器人臂响应于外科医生查看由外科手术部位的图像捕获装置捕获的图像移动输入装置来移动附接器械和工具，如图像捕获装置、吻合器、电外科手术器械等。在外科手术期间，所述工具中的每一个通过自然开口或切口开口插入患者体内并且被定位成操纵外科手术部位处的组织。开口围绕患者的身体放置，从而使得外科手术器械可以用于协作地进行外科手术并且图像捕获装置可以查看外科手术部位。

在外科手术期间，以多个自由度操纵工具。当所述自由度中的一个或多个彼此对准时，奇点产生。当工具接近奇点时，工具的操作可以变得不可预测，并且工具的自由度可能减少。为了防止工具到达奇点，一些系统采用硬停机。其它系统允许工具到达奇点并且使用输入控制器的速度与工具的移动速度的比较来预测工具的移动。

存在对当工具接近和/或穿过奇点时控制机器人外科手术系统的工具的持续需求。另外地或可替代地，需要控制机器人外科手术系统的工具以避免到达奇点并且维持工具的每个自由度。

发明内容

本公开总体上涉及矫正机器人系统的臂和工具的位姿以避免关节间的奇点并且维持臂和工具的移动自由度。具体地讲，当臂的远程运动中心处于距工具中心点坐标系的原点一定距离的边界内时，远程运动中心被移动到边界距离，同时维持工具的钳口轴线的方位并且根据刚体运动学旋转远程运动中心。旋转之后，工具中心点坐标系被表达在旋转的远程运动中心坐标系中并且被处理为矫正的期望位姿以进行逆运动学计算。

在本公开的一个方面，一种使用逆运动学来控制机器人系统的方法包含：从用户界面接收输入位姿以移动所述机器人系统的臂；根据工具中心点坐标系中的所述输入位姿来计算期望位姿的远程运动中心；检查何时所述期望位姿需要矫正；矫正所述臂的所述期望位姿；并且响应于所述输入位姿将所述臂移动到所述期望位姿。所述机器人系统的所述臂包含工具，所述工具具有安置在所述臂的端部处的钳口。检查何时所述期望位姿需要矫正包含验证所述远程运动中心处于所述期望位姿中的边界距离内还是超出所述边界距离。当所述远程运动中心处于所述边界距离内时矫正所述臂的所述期望位姿发生。

在多个方面，在矫正所述臂的所述期望位姿期间，所述钳口轴线被固持在位。矫正所述臂的所述期望位姿可以包含将所述远程运动中心移动到所述边界距离。

在一些方面，根据在所述工具与所述工具中心点的原点与所述俯仰关节之间的距离之间限定的俯仰关节的最大关节角，确定所述边界距离发生。所述俯仰关节的所述最大关节角可以为约75°。确定所述边界距离可以包含求取所述工具中心点的所述原点与所述俯仰关节之间的所述距离之和以及所述俯仰点的所述最大关节角的余弦。所述边界距离可以沿着所述钳口轴线选取。