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CN103037799B - 用于协作手术机器人的工具更换接口和控制算法 - Google Patents

用于协作手术机器人的工具更换接口和控制算法 Download PDF

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CN103037799B CN201180037144.9A CN201180037144A CN103037799B CN 103037799 B CN103037799 B CN 103037799B CN 201180037144 A CN201180037144 A CN 201180037144A CN 103037799 B CN103037799 B CN 103037799B
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Abstract

用于对协作地控制的机器人在手术期间的工具更换的系统和方法包括：工具保持器，其用于接纳适合于被机器人和外科医生把持的手术工具；工具保持元件，其用于约束所述工具的向下运动同时允许所述手术工具从所述保持器的低力移除；第一传感器，其用于探测所述手术工具是否停靠在所述工具保持器内；以及选择器，其用于基于被所述第一传感器探测到的信息而自动地选择所述工具保持器的不同运动或动作来进行。本发明的系统和方法通过提高工具保持器可以以其在远离患者的方向上运动的速度而提供了使协作机器人经常缓慢运动的优点。

Description

用于协作手术机器人的工具更换接口和控制算法
相关申请的引用
本申请要求于2010年8月2日提交的美国临时专利申请第61/370,027号的权益，该美国临时专利申请据此为了所有目的而通过引用并入，如同在本文中充分地阐述。
政府利益的声明
本发明是通过美国政府的支持在由国立卫生研究院授予的第EB007969号拨款和由国家科学基金会授予的第EEC9731478号拨款下做出的。美国政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本发明涉及用于手术机器人的工具更换接口。更具体地，本发明涉及用于协作性手术机器人的工具更换接口和控制算法。
背景技术
在“动手”协作机器人控制范例中，操作者和机器人二者都把持工具，同时操作者施加在工具上的力被力/转矩传感器感测并且机器人运动以使这些力达到最小，有效地引起操作者的期望运动。对于手术应用来说，迅速的工具改变是期望的并且经常由于时间安排和安全性的原因而被需要。特别地，非故意的患者运动需要仪器的立即补偿性重新定位以避免组织损伤。
快速工具更换机构是对于其中需要频繁地插入和移除手术器械的基于协作地控制的机器人的手术系统例如玻璃体视网膜手术来说期望的。由于安全性原因，该工具接口还应当提供从不依赖于运作机器人的手术部位非常快速且稳健的仪器移除。在接合时，机构不应当妨碍机器人的功能或外科医生执行期望任务的能力。
该问题的一个途径是使用简单的d形隆起机构(d-tentingmechanism)，其中工具保持器中的小的弹簧承载的球或销接合工具轴上的插座或凹槽，以把工具保持在合适的位置中，除非施加足够大的力来脱离接合工具。另一个途径是使用磁体。这些途径的一个挑战是，足够坚固地保持工具以允许操作者引导工具，而没有非故意的断开，同时还确保所需要的释放力没有大到使工具不能在需要时被非常快速且安全地移除。该挑战在诸如视网膜显微手术的应用中是特别地关键的，其中力是极端地精细的并且对于非常快速的不破坏性工具辙回的需要是大的。
因此，在本领域中具有用于在手术期间辅助工具更换的系统和方法的需要。
发明内容
根据本发明的第一方面，用于对协作地控制的机器人在手术期间的工具更换的系统包括：工具保持器，其用于接纳适合于被机器人和外科医生把持的手术工具；工具保持元件，其用于约束所述工具的向下运动同时允许所述手术工具从所述保持器的低力移除；第一传感器，其用于探测所述手术工具是否停靠(dock)在所述工具保持器内；以及选择器，其用于基于被所述第一传感器探测到的信息而自动地选择要执行的所述工具保持器的不同运动或动作。
根据本发明的第二方面，用于对协作地控制的机器人的工具更换的方法包括：提供工具保持器，以用于接纳适合于被机器人和外科医生把持的手术工具；约束所述手术工具的向下运动，同时允许所述工具从所述保持器的低力移除；探测所述手术工具是否停靠在所述工具保持器内；以及基于探测到的信息而自动地选择要执行的所述工具保持器的不同运动或动作。
附图说明
附图提供了视觉表示，该视觉表示将被用于更充分地描述本文公开的代表性实施方案并且可以被本领域的技术人员使用以更好地理解该代表性实施方案及其内在优势。在这些附图中，相似的参考数字指代相应的要素，并且：
图1A图示了根据本发明的特征的示例性产品的侧部正视图。
图1B图示了根据本发明的特征的示例性产品的侧部正视图。
图2A图示了根据本发明的特征的示例性产品的透视图。
图2B图示了根据本发明的特征的示例性产品的透视图。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更充分地描述现在公开的主题内容，在附图中，示出了本发明的某些而非全部的实施方案。相同的数字在全文中指代相同的元件。现在公开的主题内容可以被以许多不同的形式来体现并且不应当被理解为限于本文提出的实施方案；而是，提供这些实施方案，使得本公开内容将满足可适用的法定要求。实际上，本文提出的现在公开的主题内容的许多修改和其他实施方案将被现在公开的主题内容所属于的领域的技术人员想到，具有在前述描述和相关附图中提出的教导的益处。因此，将理解，现在公开的主题内容不限于所公开的特定实施方案，并且修改和其他实施方案意在被包含在所附权利要求的范围内。
本发明涉及用于在协作地控制的机器人期间手术工具的工具更换的系统和方法。本发明的示例性实施方案提供该系统和方法在协作地控制的交叉手系统(cooperativelycontrolledhand-over-handsystem)中的用途，该系统在Mitchell等人的“DevelopmentandApplicationofaNewSteady-HandManipulatorforRetinalSurgery”，IEEEICRA，第623-629页(2007)中以及在A.Uneri、M.Balicki、JamesHanda、PeterGehlbach、R.Taylor和I.Iordachita的“NewSteady-HandEyeRobotwithMicroforceSensingforVitreoretinalSurgeryResearch”，InternationalConferenceonBiomedicalRoboticsandBiomechatronics(BIOROB)，东京，2010年9月26-29，第814-819页中描述，其全部内容通过引用并入本文。在稳定手控制中，外科医生和机器人二者都把持手术工具。机器人感测外科医生施加在工具把手上的力，并且运动成依从，过滤掉任何震颤。虽然具体的协作控制系统被关于以上公布来描述，但是应当理解，本发明的系统和方法还可以适用于其他协作控制系统。
参照图1A和1B以及图2A和2B，示出了待结合本发明使用的协作地控制的手术系统的示例性实施方案。系统10可以在器官例如，诸如人眼的中空器官的显微手术中使用。然而，其他应用是可能的并且在本发明的范围内。如图1A、1B、2A和2B中所示，机器人12包括用于接纳待被机器人12和外科医生17(图2A和2B)二者都保持的手术工具16的工具保持器14。优选地，外科医生17在工具把手18处把持手术工具16，并且使用机器人12协作地导向手术工具16以使用工具末端20进行感兴趣区域的手术。
参照图1A，提供了工具保持元件24以约束手术工具16的向下运动同时允许手术工具16从工具保持器14的低力移除。在图1A中的示例性实施方案中，工具保持元件24是d形隆起机构，其中工具保持器14中的小的弹簧承载的球或销接合工具轴上的插座或凹槽，以把手术工具保持在合适的位置中，除非施加足够大的力以脱离接合手术工具16。手术工具16上的凸缘22也可以被用来约束工具的向下运动。
参照图1B，系统10的可选择的实施方案包括不同类型的工具保持元件26。特别地，工具保持元件26可以是沿着任一个工具轴本身的一个或多个锥形表面，或工具保持器的内部通道。例如，工具保持器通道可以是约束工具相对于工具保持器的轴向旋转的圆形横截面或某些其他横截面。工具保持元件的其他实例包括磁体、真空夹盘、或任何其他的机械或电机设备，以把手术工具保持在合适的位置中，同时允许低的分离力。工具保持元件应当是充分牢固的，使得工具被足够坚固地把持，以允许操作者引导工具，而没有非故意的分离，同时还确保所需的释放力不会大到使工具不能被安全且快速地移除。
根据本发明的特征，本发明的第一方面是提供关于工具是否被接合在工具保持器内的反馈信息。就是说，可以提供第一传感器以探测手术工具是否停靠在工具保持器14内。例如，参照图1B，传感器42可以定位在工具保持器14中，以探测手术工具16在工具保持器14内的位置。传感器42可以包括但不限于内嵌在工具保持器中的接近传感器(IR，霍尔效应)。如图1B中所示，传感器42优选地布置在工具的远端处。因为传感器42在工具保持器14的远端处的定位，传感器42在工具被接合在保持器中时被操作。
此外，其他的传感器可以被用来探测手术工具16是否停靠或接合在工具保持器14中，包括但不限于接触传感器、拨动开关或压力传感器、束断类型(beambreaktype)的光学传感器、直接接触力传感器和位移电位计。此外，许多传感器可以被以冗余的方式使用以探测工具是否与工具保持器完全地接合。
根据本发明的特征，提供了选择器，该选择器基于被传感器探测到的信息，例如工具是否被接合在工具保持器中，而自动地选择工具保持器的不同运动或动作来进行，这将在下文更详细地描述。例如，当传感器探测到工具未被完全地接合在工具保持器内时，机器人可以主动地沿着工具轴线运动以基于一个或多个接触感测方法来恢复该连接。如果工具被完全地接合在工具保持器中，那么机器人运动以响应于被外科医生用户所命令的运动，例如通过把力施加在工具的把手上。
根据本发明的另一个方面，外科医生和工具之间的力也可以被探测到。例如，多种本领域中已知的传感器可以被用来探测工具16是否被外科医生把持。例如，并且参照图1B，传感器40可以被布置在工具把手上。传感器40可以包括但不限于在工具把手18上的微控开关、电容传感器、光学传感器、力传感器或压力传感器。机器人可以被编程，使得如果操作者释放工具把手，那么机器人将自动地把工具缩回预定量或预定距离或者来进行某些其他的“脱离接合”行为。相似地，当工具被坚固地把持在工具保持器中时，分离力是高的。轴向力在工具收缩的方向上升高至某一已知分离力，随后急剧下降至零力，这是工具断开的特性。当把手力下降至低于期望阈值或没有把手接触或直到系统以其他方式探测到工具不再被接合在工具保持器中时，机器人可以在指定方向上沿着工具轴线运动，例如从有风险区域后退(或进行任何其他的预定义脱离接合行为)。该后退运动可以继续某一预定阈值距离或直到探测到工具与工具保持器的重新接合。机器人可以被阻止在特定方向上运动，例如沿着工具轴线方向朝向患者，直到工具被完全地重新接合在工具保持器中。在其中把手力传感器被用来探测工具与工具保持器的重新接合的情况下，可以具有用来探测重新接合的力值的特征时间序列。例如，如果D形隆起机构被用来把工具把持在工具保持器中，那么沿着工具的轴向力通常将上升至特征值并且然后降低。随后，外科医生可以得到指示以把工具沿着工具轴线在缩回方向上平缓地拉动，但是不是难以脱离接合工具的。如果工具被合适地接合，那么这些力将被力传感器探测到。
参照图1A，系统还可以包括提供用于力控制法则的力的力传感器30。力传感器30也可以探测在手术工具16被接合在工具保持器14内时被外科医生施加在手术工具上的力。如图1A中所示，力传感器30可以定位在工具保持器14和机器人12之间。被外科医生施加在工具把手上的力通过工具保持器14传输至力传感器30。如果工具未被完全地接合在工具保持器14中，那么将在沿着工具轴的向下z方向上测量不到力，但是测量在其他方向上的横向力也许是可能的。在其它实施方案中，力传感器30可以安装在手术工具的把手18或其他位置中。
力传感器30也可以被用来探测手术工具16是否在工具保持器14内或手术工具16是否被外科医生把持。就是说，单一传感器30可以感测(1)手术工具是否在工具保持器内；以及(2)手术工具是否被外科医生把持。然而，也可以使用两个分别的传感器。可选择地，现有的力/转矩传感器30可以用来感测工具何时在向下的z方向上接合在工具保持器14中。如果传感器30没有探测到向下力，那么手术工具16可以被认为与工具保持器脱离接合。如果被传感器30探测到的唯一力是等于工具的重量的向下力，那么工具可以被认为与工具保持器14接合，但是与外科医生脱离接合。
应当理解，可以使用任何数量的传感器(包括只是单一传感器)来探测工具是否接合在工具保持器中。探测到的信息然后可以被用来确定机器人的合适运动。传感器的选择和传感器的定位取决于应用和设计偏好。
参照图1A和1B，从所应用的传感器探测到的值被发送至用于根据本发明的特征的必需处理的数据处理器32。数据处理器32包括存储设备34，存储设备34具有带有机器可读指令的程序，该机器可读指令用于执行辅助根据本发明的特征的工具更换所需的算法。数据处理器32可以是独立计算机系统，或者可以被合并到现有软件中。例如，在机器人手术的情况下，数据处理器32可以被合并到用于协作手术系统的现有软件中。
数据处理器32包括基于被传感器探测到的信息而自动地选择工具保持器的不同运动或动作来进行的程序。例如，参照图1A，如果传感器感测到手术工具16停靠在工具保持器14中并且感测到与手术工具的移除一致的力，那么工具保持器14在沿着工具轴线施加的力的方向上运动以重新接合手术工具16。优选地，工具保持器以速度上的不对称增益运动(asymmetricgain)。相似地，参照图1B，如果切换器40被脱离接合，指示外科医生未使用，那么当未使用的情况被感测到一预定时间段时，工具可以从工具保持器14释放。
参照图1B，手术工具16也可以包括被布置在其末端处以用于感测工具至组织距离的接近传感器44。然而，应当理解，接近传感器44可以在其他的不同位置处，并且不必在工具末端处。
优选地，工具至组织距离被反馈至数据处理器32，并且合适的动作或运动可以响应于探测到的值来进行。例如，如果工具至组织距离是指示未使用的预定水平，那么工具保持器14可以被运动至期望的相隔距离。见例如，M.Balicki、J.-Ft.Han、1.Iordachita、P.Gehlbach、J.Handa、R.H.Taylor和J.Kang的“SingleFiberOpticalCoherenceTomographyMicrosurgicalInstrumentsforComputerandRobot-AssistedRetinalSurgery”，MedicalImageComputingandComputerAssistedSurgery(M1CCAI2009)，伦敦，2009年9月20-24，第108-115页.PMID：20425977，其全部内容通过引用并入本文。
重要地，本发明的系统和方法通过提高工具保持器可以以其在远离患者的方向上运动的速度而提供了使协作机器人经常缓慢运动的优点。
实施例
已经包括以下的实施例，以向本领域的普通技术人员提供引导来实践现在公开的主题内容的代表性实施方案。按照本公开内容和本领域的技术的一般水平，本领域的技术人员可以领会到，以下的实施例意在是仅仅是示例性的，并且多种改变、修改和变更可以被采用，而不偏离现在公开的主题内容的范围。以下的实施例以例证的方式且不以限制的方式来提供。
可以使用多种算法来基于从特定传感器探测到的信息而自动地选择工具保持器的不同运动或动作来进行。例如，如果传感器探测到工具被脱离接合，那么
但是具有
否则
Fh-在把手接触位置处分解的力/转矩
Fhz-在沿着Z轴的把手坐标中的力
把手坐标中的期望把手速度
α-将把手输入力转换为把手速度的常数
f(s,t)-基于传感器输入和时间产生期望的把手响应的函数
在下文提供了f(s,t)的某些实例。例如，当工具被脱离接合时，设定恒定速度：f(s,t)＝β，用于短的时期t(在运动停止之后)，使得工具已经向上运动一固定量bt。此外，当使用接近传感器感测工具距患者的解剖的距离s时，设定f(s,t)＝g(s相隔-s)或f(s,t)＝g来获得相隔距离s相隔。如果具有位移或接近传感器感测到工具距工具保持器中的接合位置的距离d工具，那么设定f(s,t)＝gd工具来引起工具保持器向上运动以使工具完全地就座。
如果Fhz＝F阈值，那么工具可以被认为脱离接合，其中F阈值是某一阈值力(对于向下按压来说是负的)，并且以上方法中的任何可以被用来实施所需“脱离接合”行为。可选择地，机器人可以被编程以运动成保持最小的所需工具与保持器接触力。例如，如果工具把手被释放，那么 将引起工具保持器缓慢地向上蠕变。
虽然已经结合其优选的实施方案来描述本发明，但是本领域的技术人员将领会到，可以做出未具体地描述的增加、删除、修改和替换，而不偏离如在所附权利要求中所限定的本发明的精神和范围。

Claims (19)

1.一种用于对协作地控制的机器人在手术期间的工具更换或快速释放的系统，包括：
工具保持器，其用于接纳适合于被机器人和外科医生同时把持的手术工具；
工具保持元件，其用于约束所述手术工具相对于所述工具保持器的向下运动同时允许所述手术工具从所述工具保持器的低力移除；
第一传感器，其用于探测所述手术工具是否停靠在所述工具保持器内；以及
选择器，其用于基于被所述第一传感器探测到的信息而自动地选择要执行的所述工具保持器的不同运动或动作。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括第二传感器，所述第二传感器用于探测外科医生施加在所述手术工具或机器人上的力。
3.根据权利要求2所述的系统，其中当所述第二传感器探测到外科医生施加在所述手术工具或机器人上的力指示所述手术工具未被完全地接合在所述工具保持器中时，所述机器人自动地缩回。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器是内嵌在所述工具保持器内以用于感测所述手术工具相对于所述工具保持器的位置的接近传感器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述接近传感器被布置在所述工具保持器的远端处。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器是接触传感器。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述接触传感器是拨动开关或压力传感器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一传感器是位移电位计。
9.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一传感器是光学传感器，所述光学传感器是用于确定所述手术工具在所述工具保持器内部的位置的束断类型的传感器。
10.根据权利要求1所述的系统，当感测到与所述手术工具的移除一致的预定水平的力时，工具保持器在沿着工具轴线施加的力的方向上运动以重新接合所述手术工具。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述工具保持器以速度上的不对称增益运动。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述机器人的运动或动作基于所述手术工具是否被接合来确定。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述工具保持元件包括在所述手术工具上的凸缘。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述工具保持元件包括在所述手术工具和所述工具保持器上的协作性锥形表面。
15.根据权利要求1所述的系统，还包括用于探测工具至组织距离的传感器，其中当所探测到的工具至组织距离达到预定水平时，所述工具保持器被运动至期望的相隔距离。
16.一种用于对协作地控制的机器人的工具更换或快速释放的方法，包括：
提供工具保持器，以用于接纳适合于被机器人和外科医生同时把持的手术工具；
约束所述手术工具的向下运动，同时允许所述手术工具从所述工具保持器的低力移除；
探测所述手术工具是否停靠在所述工具保持器内；以及
基于探测到的信息而自动地选择要执行的所述工具保持器的不同运动或动作。
17.根据权利要求16所述的方法，当感测到与所述手术工具的移除一致的预定水平的力时，工具保持器在沿着工具轴线施加的力的方向上运动以重新接合所述手术工具。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述工具保持器以速度上的不对称增益运动。
19.根据权利要求16所述的方法，其中当外科医生不正在握持所述手术工具时，所述手术工具被从所述工具保持器释放。
CN201180037144.9A 2010-08-02 2011-08-02 用于协作手术机器人的工具更换接口和控制算法 Active CN103037799B (zh)

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US37002710P 2010-08-02 2010-08-02
US61/370,027 2010-08-02
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