[发明专利]用于控制机器人操纵器或相关工具的系统和方法

说明书

一种系统包括用于控制医疗工具的运动的机器人操纵器。机器人操纵器包括接头和被连接到接头的连杆。连杆被配置为连接到医疗工具。系统的处理单元被配置为从接头的编码器接收第一数据。使用第一数据生成联接在医疗工具的远端处的工具尖端的第一参数的第一工具尖端估计。工具尖端的第一参数是工具尖端的位置或速度。从位于连杆的传感器部分处或医疗工具处的传感器系统接收第二数据。接头基于使用第一数据和第二数据生成的第一工具尖端估计与第二工具尖端估计之间的第一差被控制。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年11月10日提交的美国临时申请62/584,377的优先权，该申请的全部内容通过引用被并入本文。

技术领域

本公开涉及用于执行机器人程序的系统和方法，且更具体地涉及用于控制的系统和方法，更具体地涉及用于控制机器人操纵器或与机器人操纵器相关联的工具的系统和方法。

背景技术

机器人操纵器组件能够被操作以控制工作空间中工具的运动。例如，这种机器人操纵器能够被用于执行非医疗程序和医疗程序。作为一个具体示例，远程操作的手术操纵器能够被用于执行微创医疗程序。

在医疗技术中希望减少医疗程序期间受损的组织数量，从而减少患者的恢复时间、不适性和有害的副作用。例如，可以通过患者解剖结构中的自然孔口或通过一个或多个切口来执行微创技术。通过这些自然孔口或切口，临床医生可以插入医疗工具以到达目标组织定位。微创医疗工具包括诸如治疗工具、诊断工具和手术工具之类的工具。微创医疗工具还可以包括诸如内窥镜工具的成像工具，其提供患者解剖结构内的用户可视化。

机器人操纵器可以被远程操作，也可以是计算机辅助的。例如，工具可以由机器人操纵器组件保持以用于执行程序。但是，这种机器人操纵器组件和工具的灵活性可能会导致欠阻尼(under-damped)振动以及不希望的长建立时间(稳定时间，settling time)。灵活性(顺应性)可以被用于测量物理顺应性、机械顺应性、结构顺应性以及在负载下偏转的能力。在机器人操纵器组件(包括其基座、接头和连杆)具有相对大的灵活性和/或具有相对大的连杆质量或惯性的示例中，机器人操纵器组件的命令运动或外部干扰可能会导致此类振动。这样，包括顺应性(例如，物理、机械和结构顺应性)、阻尼(例如，包括粘性阻尼的物理阻尼，其中粘性阻尼元件(例如，润滑剂摩擦)以与运动速度成比例的力抵抗运动)和质量/惯性的物理参数的组合导致较低的机械共振，而阻尼小于期望的阻尼。在程序期间，命令运动或外部干扰可能会激发这些低机械共振，从而引起不期望振动。在执行程序时，在机器人操纵器上的工具尖端或其他控制点经历的此类振动可能会导致系统性能下降。例如，这种振动可能使计算机辅助系统难以实现或遵循工具的命令轨迹。

这种振动会对所有类型的机器人系统(包括医疗机器人系统)的控制产生负面影响。在医疗机器人示例中，这种振动可能使医疗机器人系统难以执行组织的命令操纵、成像系统的运动、针的插入、缝线的施加等。对于另一个示例，在一些实施方式中，在部分或全部程序期间，工具绕着远程运动中心(也称为“远程中心”)移动。在某些情况下，振动可能导致远程运动中心在手术或其他医疗程序期间移动，并且在进入端口处在身体壁上施加不希望的力。振动可能会导致工具(或保持工具的操纵器)的实际姿势或运动偏离命令的姿势或运动，以至于工具(或操纵器)的行为就像远程中心已移动到从其定义位置的预定公差以外。即，与操纵器和/或工具的运动相关联的虚拟支点的定位范围是由振动引起的，以超过从限定的远程运动中心的公差量。

因此，需要系统和方法来提供对机器人系统的更好控制，诸如通过减轻不希望的振动更好地控制机器人系统的操纵器，更好地控制由机器人系统保持的工具的尖端，以及更好地控制操纵器或由操纵器支撑的工具围绕工具的远程运动中心的运动。

发明内容

通过随附的权利要求概括了本发明的实施例。