[发明专利]控制手术机器人的方法

说明书

一种控制手术内窥镜的尖端从第一方位(E)到中间方位(E’)的移动的方法，来自内窥镜的尖端的视场相对于内窥镜的纵轴成一定角度(α)，该方法包括：接收在第一方向上从第一方位移动的命令；在第一方位从内窥镜的尖端标识标称视点(N)；基于所接收的命令、所标识的标称视点和角度(α)从第一方位计算尖端移动路径；确定中间方位；以及将尖端移动到中间方位，中间方位使得标称视点保持在来自尖端的视场内。

本公开涉及控制机器人的运动，特别是手术机器人，并且更具体地涉及控制手术内窥镜在两个方位之间(通常在手术区域内)的移动。

典型的机器人操纵器(或机器人)包括通过关节联接在一起的一系列刚性元件。这些元件可以串联连接以形成臂。可驱动关节以便引起刚性元件的相对运动。刚性元件可从基座伸出并终止于末端执行器。因此，可采用关节处的运动将末端执行器定位在期望的位置。每个关节可以提供旋转运动或线性运动。关节可以由任何合适的装置(例如电机或液压致动器)驱动。

当机器人操作时，需要机器人使末端执行器移动到某个期望的方位。例如，可能需要机器人使用末端执行器来拾取物体。这需要将末端执行器移动到物体所在的位置。为了实现这一点，需要关节运动的某些组合。机器人控制系统的作用是计算这些运动。

图1示出了在公共工作空间中操作的多个机器人101、102、103。在此实例中，机器人是用于对人104执行手术的手术机器人。每个机器人包括经由柔性臂连接到手术器械的基座。在这种情况下，机器人由外科医生远程控制。外科医生位于外科医生控制台200处，如图2所示。外科医生操纵手动控制器201、202。控制系统将手动控制器的移动转换成控制信号，以移动手术机器人的臂关节和/或器械末端执行器。一个以上的机器人可以同时移动。

内窥镜可以具有直的或成角度的光学器件。一些内窥镜可以具有允许直的和成角度的配置的铰接尖端。成角度的内窥镜可以不同的取向附接到摄像头上，并且通常有三种可能的视角：直的，即沿着内窥镜的纵轴(零度)，相对于内窥镜的纵轴30°向上或30°向下。这些示例配置可以在图7a至7c中看到。图7a示出了零度视角，即来自尖端E的视场702，使得该视场的中点701相对于器械404的纵向轴线为零度。图7b示出了30°向上的配置，并且图7c示出了30°向下的配置。虽然提及了30°，因为这是优选的角度，但是其他角度也是可能的，例如45°或60°向上或向下。

在图7a至图7c中，刚性臂构件706通过关节700连接到附接件403，该关节是机器人的第八个关节的示例，因此使用下标“8”。关节700允许附接件403围绕轴线z₈相对于臂构件706旋转。附接件403在与关节700相对的端部处具有手术器械404，在这种情况下是内窥镜。内窥镜在其远侧端部具有观察尖端E。内窥镜尖端包括一些光学器件，一旦内窥镜插入患者体内，外科医生可以通过这些光学器件看到手术区域。光学器件通常穿过手术器械并且在这种情况下经由光导管710退出。如图7a所示，光学器件可以被配置成直的，即主观察轴线(Y_E)沿着或至少平行于器械404的纵向轴线。或者，如图7b和7c所示，光学器件可以相对于器械404的纵向轴线成一定角度。图7b示出了30°向上的布置，并且图7c示出了30°向下的配置。

外科医生通常需要改变内窥镜的尖端的方位，以便放大或缩小手术区域，从而获得手术区域的适当比例的图像。这需要改变内窥镜尖端在手术区域内的深度。

附接到手术机器人的内窥镜通过开口进入正在进行手术的患者体内，该开口通常是小开口，允许内窥镜进行有限的或不允许内窥镜进行左右移动。因此，该开口限定了内窥镜必须穿过的虚拟枢轴点(VPP)。在替代方案中，可以例如通过内窥镜穿过的结构元件来产生物理枢转点，或者可以通过锁定机器人臂上的一个或多个关节来限定枢转点。以这种方式产生机械枢轴点。除非另有明确说明，否则对“虚拟枢轴点”、“机械枢轴点”或“枢轴点”的任何引用都旨在涵盖产生枢轴点的所有选项。内窥镜将具有标称视点(N)，该视点位于距内窥镜尖端的距离n处。n可以被估计为从内窥镜尖端到外科医生希望观察的手术区域的期望距离。