[發明專利]用于產生反作用力以實現虛擬邊界的機器人系統和方法

有效

• 申請號: 201880049269.5
• 申請日: 2018-06-05
• 公開（公告）號: CN110997247B
• 公開（公告）日: 2023-05-09
• 發明（設計）人: D·G·鮑林
• 申請（專利權）人: 馬科外科公司
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;G06F3/01;A61B34/00;A61B34/30;A61B34/10;A61B34/20;A61B18/00
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 高文靜

提供了機器人系統和方法。機器人系統包括工具和具有用于移動工具的連桿的操縱器。控制器實現虛擬模擬，其中工具被表示為與由多邊形元素的網格定義的虛擬邊界交互的虛擬體積。控制器響應于虛擬體積穿透多邊形元素而計算反作用力。反作用力是基于穿透因子計算的，該穿透因子是相對于多邊形元素的幾何形狀界定的虛擬體積的幾何形狀的函數。控制器將反作用力施加到虛擬體積，以減少虛擬體積對多邊形元素的穿透。控制器命令操縱器根據反作用力對虛擬體積的施加來移動工具，以約束工具相對于虛擬邊界的移動。

相關申請的交叉引用

本主題申請要求于2017年6月9日提交的美國臨時專利申請序列No.62/517,453的權益，其公開內容通過引用整體并入本文。

技術領域

本公開涉及用于產生反作用力以實現機器人系統的虛擬邊界的技術。

背景技術

機器人系統通常用于執行外科手術規程并且包括機器人，該機器人包括機器人臂和耦接到機器人臂的端部以接合手術部位的工具。

為了防止工具到達不期望的區域，常常實現虛擬表面以約束工具的移動。例如，虛擬表面可以被配準到手術部位，以勾勒出工具應當和不應當操縱解剖結構的區域。

虛擬表面常常被定義為多邊形元素(諸如三角形)的網格。如果將力施加到工具上試圖穿透虛擬表面，那么為遇到這種嘗試穿透的網格的每個三角形計算反力。換句話說，當工具推動虛擬表面時，虛擬表面由于虛擬表面或工具的壓縮而向后推。按照慣例，這種反力被建模為彈簧，并且這種反力的量值與三角形的穿透的線性深度(即，工具伸入虛擬表面的距離)成比例。進而，機械臂根據計算出的反力來移動工具，以相對于虛擬表面約束工具。

對這些反力進行建模和計算并非易事。虛擬表面的形狀常常是復雜的并定義幾何特征，對于這些幾何特征，難以通過工具進行表面交互的建模。由于工具的建模的形狀和/或工具在穿透期間的姿勢，使問題更加嚴重。

進而，當工具試圖穿透虛擬表面時，特別是當工具同時穿透多個三角形時，已經觀察到機械臂可以響應于計算出的反力而提供工具的不一致或非預期移動。例如，隨著工具圍繞平坦的虛擬表面移動，當同時接合多于一個三角形時，按照慣例工具經歷反沖，這被解釋為兩個反力。虛擬表面越平坦，反沖將越差。當工具接合多個三角形之間共享的頂點時將更加糟糕。例如，如果頂點在五個三角形之間共享，那么頂點處反力的瞬時增加將是一個三角形的反力的五倍。

此外，當工具在由虛擬表面定義的外角上滾動時，沿著外角邊緣的網格的許多三角形同時經歷了嘗試的穿透。這些三角形的反力在組合時提供累積的力尖峰，從而在滾動到外角時造成工具非預期的反沖。

在常規機器人系統中，簡單地基于穿透的線性深度，基于對表面交互進行建模，而不管穿透了一個還是多個三角形，產生進一步的復雜性。例如，可以存在穿透的線性深度相同但虛擬表面的橫截面積或位移量不同的情況(例如，基于工具的建模分形狀或工具在穿透期間的姿勢等)。在這種情況下，常規表面建模僅基于穿透的線性深度即可施加相同的反力，而無需考慮虛擬表面的橫截面積或位移體積。

在僅工具的一部分穿透虛擬表面(諸如在虛擬表面的外邊緣處)的情況下出現類似情況。例如，假設工具的建模的形狀和姿勢在穿透期間相同，那么在一種情況下，整個工具可以位于虛擬表面上方，而在另一種情況下，工具可以懸在虛擬表面的外邊緣上。在此類情況下，常規表面建模再次簡單地基于穿透的線性深度來施加相同的反力，而不考慮工具與虛擬表面的接合量。

照此，在本領域中需要用于解決至少上面提到的問題的系統和方法。

發明內容