[发明专利]外科机器人的控制系统

说明书

一种外科机器人臂的控制系统，所述外科机器人臂包括一系列关节和一个或多个力或扭矩传感器，通过所述一系列关节能够改变所述外科机器人臂的构型，每个力或扭矩传感器被配置成感测所述一系列关节中的关节处的力或扭矩，所述控制系统被配置成通过以下操作来控制所述外科机器人臂的所述构型响应于外部施加的力或扭矩而被改变：从所述一个或多个力或扭矩传感器接收传感数据，所述传感数据指示由所述外部施加的力或扭矩在所述外科机器人臂的一部分处产生的所感测的力或扭矩；使用参考位置确定所述外科机器人臂的所述部分的位置，由此将通过将所述外科机器人臂的所述部分移动到所确定的位置来补偿所感测的力或扭矩；将命令信号发送到所述外科机器人臂，以将所述外科机器人臂的所述部分驱动到所确定的位置；以及如果所述参考位置与所确定的位置之间的差大于阈值位移，则更新所述参考位置。

背景技术

本发明涉及一种外科机器人臂的控制系统。

可使用外科机器人系统执行侵入性医疗手术。图1展示典型外科机器人系统。展示外科机器人系统100，所述外科机器人系统对定位在手术台103上的患者102执行侵入性医疗手术。外科机器人系统100包括臂101。臂101携载外科工具106，诸如用于执行切割或抓取的工具或成像装置，诸如内窥镜。臂101可操纵其携载的外科工具，以便执行侵入性手术的各方面。

在侵入性外科手术之前，手术室工作人员的成员(例如床边护士)通常帮助设置外科机器人系统100。在侵入性手术期间，外科机器人系统通常由外科医生从远程控制台(未展示)进行控制。在侵入性医疗手术期间，通常还需要手术室工作人员的成员在手术台103附近——使得其可以照料患者(例如清洁外科手术部位)。在侵入性外科手术之后，手术室工作人员的成员通常帮助停止使用外科机器人系统100。

因此，提高手术室工作人员的成员可在侵入性医疗手术之前、期间和之后与外科机器人系统交互的安全性和容易性至关重要。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种外科机器人臂的控制系统，所述外科机器人臂包括一系列关节和一个或多个力或扭矩传感器，通过所述一系列关节能够改变所述外科机器人臂的构型，每个力或扭矩传感器被配置成感测所述一系列关节中的关节处的力或扭矩，所述控制系统被配置成通过以下操作来控制所述外科机器人臂的所述构型响应于外部施加的力或扭矩而被改变：从所述一个或多个力或扭矩传感器接收传感数据，所述传感数据指示由所述外部施加的力或扭矩在所述外科机器人臂的一部分处产生的所感测的力或扭矩；使用参考位置确定所述外科机器人臂的所述部分的位置，由此将通过将所述外科机器人臂的所述部分移动到所确定的位置来补偿所感测的力或扭矩；将命令信号发送到所述外科机器人臂，以将所述外科机器人臂的所述部分驱动到所确定的位置；以及如果所述参考位置与所确定的位置之间的差大于阈值位移，则更新所述参考位置。

所述控制系统还可被配置成迭代地执行控制回路，所述控制回路包括所述接收步骤、所述确定步骤、所述发送步骤和所述更新步骤。

所述控制系统还可被配置成如果所述参考位置与所确定的位置之间的所述差小于所述阈值位移，则针对后续迭代维持在当前迭代的所述确定步骤中使用的所述参考位置。

所述参考位置可以是所述控制系统被配置成当从所述一个或多个力或扭矩传感器接收到传感数据时促使所述外科机器人臂的所述部分被驱动到达的位置，所述传感数据指示没有外部力或扭矩作用于所述部分处。

使用所述参考位置确定所述外科机器人臂的所述部分的所述位置可包括确定满足质量-弹簧-阻尼器模型的位置，所述质量-弹簧-阻尼器模型具有取决于所述参考位置和所确定的位置的位置项。

所述质量-弹簧-阻尼器模型可采用形式其中P是所确定的位置，P_ref是所述参考位置，X是在所述外科机器人臂的所述部分处的所感测的力或扭矩，并且M、D和K是常数。