[發明專利]機器人和配置為控制機器人的方法

有效

• 申請號: 201580059578.7
• 申請日: 2015-10-30
• 公開（公告）號: CN107072730B
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發明（設計）人: A·舒蘭
• 申請（專利權）人: CMR外科有限公司
• 主分類號: A61B34/30
• 分類號: A61B34/30
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 王小東

一種機器人，包括：基座；柔性臂，其從基座延伸并且具有多個關節，由此能夠更改臂的配置，多個驅動器布置成驅動關節移動，多個傳感器用于感測每個關節的位置，以及附接結構用于附接工具至臂，關節允許附接結構相對于基座的角度姿態變化；以及控制單元，其配置為控制驅動器以及從傳感器接收輸入，并且能夠以校準模式操作，在校準模式中當工具附接至附接結構并且捕獲在端口中時，控制單元：(i)控制驅動器以便通過施加至臂的外力的作用允許重新配置臂；(ii)在存在施加至臂以及通過工具傳遞至端口的外力的情況下監控臂的配置以便引起更改附接結構對基座的姿態；由此能夠估計端口的位置。

技術領域

本發明涉及在機器的運動上的表征機械約束，該機器諸如是機器人，尤其是手術機器人。

背景技術

圖1圖示了手術機器人1，其處于在患者9上執行侵入性醫療程序的過程。機器人包括臂2，臂2借助多個柔性關節3沿著其長度被鉸接。在臂的遠端4是手術工具。手術工具具有薄的細長軸5，細長軸5在其遠端具有用于在醫療程序中接合的裝置6。該裝置能夠是例如切割、抓取或者成像裝置。手術工具經由臂的腕關節關節3a附接至臂。腕關節關節可配置為調節方向，軸5沿該方向延伸而臂2的大部分保持靜止。手術工具通過手術端口7插入患者的身體。端口具有中空管8，當工具插入及移除以及當機器人操縱在患者的身體內的工具時，中空管8穿過患者的外部組織以助于限制對其他組織的干擾。

為了降低對患者的外部組織的干擾，對機器人來說優選的是，操縱工具以使工具不因對端口施加的顯著橫向力而加壓于這些組織。對于機器人的操作員來說實現這一目的的一種方式是人工地控制機器人的腕關節7的配置，使得無論腕關節定位在哪里，工具都從腕關節被定向為穿過端口的中心。但是，為了與腕關節的移動協調以該方式人工地控制工具的姿態，給操作員施加高工作負荷并且要求高度的技術。機器人的控制系統優選自動干預以幫助操作員保持將工具定位通過端口的自然位置。為了實現該功能，控制系統必須知道端口相對于機器人的位置。由于端口的位置在不同患者之間會變化，因此要求控制系統在每個程序開始時獲悉端口的位置。

獲悉端口的位置的一種方式是技術人員測量在程序開始時端口自機器人上的基準點的偏移和方向，并且向機器人的控制系統提供該信息。該方案是不方便的并且在數據輸入過程中有誤差風險。對技術人員來說另一方案是將具有已知長度的測量工具附接至機器人，并且人工地控制機器人直到工具的末端觸及端口。如果機器人裝備有能夠感測其每個關節的狀態的傳感器，那么該信息與關節之間的距離以及測量工具的長度一起能夠自動地幾何結合，以便確定端口相對于機器人上基準點的位置。該過程能夠具有的優勢是允許自動進行測量。但是，這會需要技術人員的某種程度的人工操作。

此外，這些方案都涉及測量端口的外部的位置。實踐中，端口的管將延伸一段距離，例如50至100mm，穿過患者的外部組織。為了降低這些組織上的總體橫向應力，優選的是機器人輔助操作員以保持工具不對準端口的最外部而是對置端口的自然旋轉中心，端口的自然旋轉中心可能在身體內的一定深度處。

發明內容

根據本發明提供了一種機器人，其包括：基座；柔性臂，其從基座延伸并且具有多個關節，由此能夠更改臂的配置；多個驅動器，其布置成驅動關節移動；多個傳感器；其用于感測每個關節的位置；以及附接結構，其用于附接工具至臂；關節，其允許附接結構相對于基座的呈角度姿態變化；以及控制單元，其配置為控制驅動器以及從傳感器接收輸入，并且在校準模式中可操作，在校準模式中，當工具附接至附接結構以及捕獲在端口中時，控制單元：(i)控制驅動器以便通過施加至臂的外力的作用允許重新配置臂；(ii)在存在施加至臂以及通過工具傳遞至端口的外力的情況下監控臂的配置以便引起更改附接結構對基座的姿態；由此能夠估計端口的位置。

在所述步驟(ii)之后，控制單元可以操作以根據所監控的配置來估計端口的位置。控制單元能夠配置為將端口的位置估計為在存在外力的情況下維持相對于附接點以恒定角度姿態延伸的直線所通過的點。控制單元能夠配置為存儲估計的位置。