使用协同控制的机器人的外科手术系统用户界面技术方案

根据本发明专利技术的一些实施方式，协同控制的机器人包括包含工具架和力传感器的机器人致动器组件、适于与机器人致动器组件和力传感器通信的控制系统以及与控制系统通信的输出系统。工具架被配置为接收要由用户操纵的工具。控制系统被配置为接收来自用户的从机器人控制模式切换到用户界面控制模式的指令。力传感器被配置为测量施加到工具的力和扭矩中的至少一个，且控制系统被配置为接收对施加到工具的力和扭矩中的至少一个的指示，并基于该指示来操纵输出系统。

A user interface for a surgical surgical system using a cooperative control robot

According to some embodiments of the present invention, collaborative robot control includes robot actuator assembly, and control system for robot actuator assembly and force sensor communication and control system and communication system output tool holder and force sensor. The tool holder is configured to receive a tool to be manipulated by the user. The control system is configured to receive instructions from the user to switch from the robot control mode to the user interface control mode. The force sensor is configured to measure the force and torque applied to the tool in the at least one, and the control system is configured to receive an indication of at least one of the force and the torque applied to the tool of, and based on the instructions to manipulate the output system.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用协同控制的机器人的外科手术系统用户界面本申请要求于2014年9月25日提交的美国非临时专利申请第14/497,178号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。本专利技术是在美国国立卫生研究院(NIH)的健康和人类服务部授予的资助号为第1R01EB007969-01号的政府支持和国家科学基金会授予的资助号为第EEC-9731478号的政府支持下完成的。美国政府对本专利技术具有某些权利。背景1.
本专利技术当前要求保护的实施方式的领域涉及机器人系统，更具体地涉及使用协同控制机器人系统的外科手术系统用户界面和包括所述用户界面的机器人系统。2.相关技术的讨论外科医生和手术室工作人员通过踏板、物理旋钮、触摸面板和偶尔通过语音命令与计算机集成外科设备直接交互。在大多数手术情况下，外科医生手动处理外科手术器械，并且由于无菌要求或因为他们的手被占用，外科医生可能不能直接改变位于远程接口(例如，触摸面板)上的系统参数。相反，他们将必要的设置传递给根据请求调整参数的助理。这种交换增加了操作时间，并且如果发生错误通信，可能会不经意地对患者造成伤害。另外，为了在操作期间有效地检查手术前外科手术计划或诊断图像，可能需要复杂的控制接口，例如三自由度(DOF)或六DOF操纵杆。将复杂的手术装置添加到手术室中引入了竞争有限空间的更多物理接口。最小化这些接口的数量是合乎需要的。概述根据本专利技术的一些实施方式，协同控制的机器人包括机器人致动器组件、适于与该机器人致动器组件和力传感器通信的控制系统、以及与该控制系统通信的输出系统，该机器人致动器组件包括工具架和力传感器。该工具架被配置为接收要由用户操纵的工具。该控制系统被配置为接收来自用户的从机器人控制模式切换到用户界面控制模式的指令。该力传感器被配置为测量施加到该工具的力和扭矩中的至少一个，并且该控制系统被配置为接收对施加到该工具的力和扭矩中的至少一个的指示，并且基于该指示来操纵该输出系统。根据本专利技术的一些实施方式，用于协同控制的机器人的外科手术系统用户界面包括适于与机器人致动器组件和力传感器通信的控制系统以及与该控制系统通信的输出系统。该控制系统被配置为接收来自用户的从机器人控制模式切换到用户界面控制模式的指令，并且该控制系统被配置为从力传感器接收对施加到工具的力和扭矩中的至少一个的指示并基于该指示操纵该输出系统。附图简述通过考虑说明书、附图和示例，进一步的目标和优势将变得明显。图1A是根据本专利技术的实施方式的协同控制的机器人的示意图；图1B示出了包括力传感器和工具架的机器人致动器组件；图1C示出了根据本专利技术的实施方式的工具的示意图；图2示出了用户与协同控制的机器人交互；图3示出了根据本专利技术的实施方式的用于外科医生控制协同控制的机器人的流程图；图4示出了商业3D空间导航器(3Dconnexion公司)；图5示出了机器人框架(FR)和外科医生的身体框架(FS)之间的关系；图6示出了如何通过选项列表围绕工具的z轴施加扭矩以循环；以及图7示出了根据本专利技术的实施方式如何将单轴选择器推广用于图形菜单导航。详细描述下面详细讨论本专利技术的一些实施方式。在描述实施方式中，为了清楚起见采用特定术语。然而，本专利技术不旨在限于所选择的特定术语。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本专利技术的宽泛概念的情况下，可以采用其他等效组分和开发其他方法。在本说明书中任何地方(包括背景和详细描述部分)引用的所有参考文献，，通过引用并入本文，如同各自已被单独并入一样。图1A是根据本专利技术的实施方式的协同控制的机器人的示意图。协同控制的机器人100包括机器人致动器组件102，其包括工具架106和力传感器104，如图1B所示。协同控制的机器人100还包括适于与机器人致动器组件102和力传感器104通信的控制系统108，以及与控制系统108通信的输出系统110。工具架106被配置为接收待由外科医生持有的工具112。图1C示出了工具112的示意图。控制系统108被配置为接收来自用户的从机器人控制模式切换到用户界面控制模式的指令。力传感器104被配置为测量施加到工具112的力和扭矩中的至少一个，并且控制系统108被配置为接收对施加到工具112的力和扭矩中的至少一个的指示并基于该指示来操纵输出系统110。根据本专利技术的一些实施方式，输出系统是视觉显示系统、音频显示系统、显微镜、光源或第二机器人致动器组件。术语“协同控制”旨在针对机器人系统，在该机器人系统中用户与机器人致动器组件的至少一部分直接交互，使得机器人有效地辅助用户执行某些操作。在这种情况下，用户位于机器人致动器组件的附近。图2示出了一个可能的例子，其中用户200抓取附加到机器人致动器组件204的工具202。例如，然后工具202的运动是用户200和机器人两者的协同动作的结果。本文所述的协同控制的机器人和外科手术系统用户界面允许机器人的双重使用。通过停止机器人的运动，外科医生施加在工具手柄上的力可以被解释为工具是基于速度或位置的多轴操纵杆。一般概念类似于集成在IBMThinkPad中的手指操纵杆控制器。然而，本系统中的输入端也是外科器械，并且包括附加的自由度。另外，机器人可以向用户提供触觉反馈，并且系统可以与各种设备和软件应用组合。在用户界面模式中协同控制的机器人可以包括速度控制模式，其中用于外科外科手术系统用户界面的数字输出(例如x，y速度)与施加到工具的力/扭矩成比例地变化。例如，通过用施加在工具上的2-D力控制光标的x和y速度，可以在2-D平面上操纵2-D鼠标光标。这可以扩展到任何数量的自由度。力/扭矩和数字输出之间的关系可以是线性，非线性(例如，指数)，基于时间的，或基于背景的(例如，当光标位于部件上方时具有低转换因子，以及当它离开部件时具有高转换因子。)在用户界面模式中协同控制的机器人可以允许位置控制，其中用于外科手术系统用户界面的数字输出(例如x，y位置)与施加到工具的力/扭矩成比例。例如，施加到工具的力/扭矩被转换成输出位置，例如相对于原点的位移。一旦用户释放仪器(力/扭矩＝0)，则位置返回原点。力/扭矩和数字输出之间的关系可以是线性、非线性(例如，指数)、基于时间的、或基于背景的(例如，当光标位于部件上方时具有低转换因子，以及当它离开部件时具有高转换因子。)在用户界面模式中协同控制的机器人可以用作单轴选择器。在该模式中，可以应用上述位置或速度控制方法以使得工具能够像旋钮那样工作。例如，通过系统选项的列表用户可以将扭矩施加到工具以循环。根据本专利技术的一些实施方式，用户可以通过向工具施加力/扭矩来选择一个选项来确认系统通知或回答问题。例如，为了回答“我们会继续吗？”的问题，用户可以顺时针转动工具以选择“是”，并且逆时针以选择“否”。在用户界面模式中的协同控制的机器人可以用于产生按钮按压功能。当用户沿着预定轴以给定的持续时间和/或以给定的力大小在工具上施加力时，产生事件。例如，如果系统处于2-D用户界面模式，则沿着垂直于2-D运动平面的方向在工具上施加力产生按钮按压事件。另一个按钮按压应用是在单轴选择器模式中的项选择确认，其中沿选择轴施加力。在用户界面模式中协同控制的机器人可以允许用户进行放大和缩小。如果系统处于2-D模式，沿着垂直于2D运动平面的方向按压或拉动将使视图/屏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种协同控制的机器人，所述协同控制的机器人包括：机器人致动器组件，其包括工具架和力传感器；控制系统，其适于与所述机器人致动器组件和所述力传感器通信；以及输出系统，其与所述控制系统通信，其中所述工具架被配置为接收要由用户操纵的工具，其中所述控制系统被配置为接收来自用户的从机器人控制模式切换到用户界面控制模式的指令，其中所述力传感器被配置为测量施加到所述工具的力和扭矩中的至少一个，以及其中所述控制系统被配置为接收对施加到所述工具的力和扭矩中的所述至少一个的指示，并且基于所述指示来操纵所述输出系统。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.25 US 14/497,1781.一种协同控制的机器人，所述协同控制的机器人包括：机器人致动器组件，其包括工具架和力传感器；控制系统，其适于与所述机器人致动器组件和所述力传感器通信；以及输出系统，其与所述控制系统通信，其中所述工具架被配置为接收要由用户操纵的工具，其中所述控制系统被配置为接收来自用户的从机器人控制模式切换到用户界面控制模式的指令，其中所述力传感器被配置为测量施加到所述工具的力和扭矩中的至少一个，以及其中所述控制系统被配置为接收对施加到所述工具的力和扭矩中的所述至少一个的指示，并且基于所述指示来操纵所述输出系统。2.根据权利要求1所述的协同控制的机器人，还包括：与所述控制系统通信的麦克风，其中来自用户的从机器人控制模式切换到用户界面控制模式的所述指令包括由所述麦克风检测到的语言信号。3.根据权利要求1所述的协同控制的机器人，还包括：与所述控制系统通信的踏板，其中来自用户的从机器人控制模式切换到用户界面控制模式的所述指令包括对所述踏板的推动或释放。4.根据权利要求1所述的协同控制的机器人，还包括：与所述控制系统通信的物理按钮，其中来自用户的从机器人控制模式切换到用户界面控制模式的所述指令包括通过所述物理按钮接收的命令。5.根据权利要求1所述的协同控制的机器人，还包括：与所述控制系统通信的第二输出系统，其中来自用户的从机器人控制模式切换到用户界面控制模式的所述指令包括通过所述第二输出系统的用户界面接收的命令。6.根据权利要求1所述的协同控制的机器人，其中所述输出系统是音频系统。7.根据权利要求1所述的协同控制的机器人，其中所述输出系统是视觉显示系统。8.根据权利要求7所述的协同控制的机器人，其中所述控制系统被配置为通过基于所述指示改变光标的位置来操纵所述视觉显示...

【专利技术属性】
技术研发人员：马尔钦·A·巴利茨基，彼得·卡赞兹德斯，安东·德盖特，拉塞尔·H·泰勒，
申请(专利权)人：约翰霍普金斯大学，
类型：发明
国别省市：美国,US