機器人和控制該機器人的方法

文檔序號：1300680閱讀：325來源：國知局

機器人和控制該機器人的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種機器人和控制該機器人的方法，所述機器人包括：多工具模塊，包括引導管和多個工具，所述多個工具在與引導管彼此互鎖時操作并從引導管叉開，所述多工具模塊具有冗余度；控制器，基于關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號，利用冗余度產生所述控制信號。多個工具的工作空間可被擴大，并且那些由傳統(tǒng)的工具控制方法無法實現(xiàn)的任務可被執(zhí)行，工具的關節(jié)所需的剛度可被最小化，工具和周圍障礙物之間碰撞的可能性可被最小化，工具所需的自由度可被最小化，并且那些由傳統(tǒng)的工具控制方法無法執(zhí)行的復雜任務可被執(zhí)行。
【專利說明】機器人和控制該機器人的方法
[0001] 本申請要求于2013年3月15日提交到韓國知識產權局的第10-2013-0028308號韓國專利申請的權益，所述韓國專利申請的公開內容通過引用被包含于此。

【技術領域】
[0002] 本發(fā)明的實施例涉及一種具有多個工具的機器人和控制該機器人的方法。

【背景技術】
[0003] 通常，利用電作用或磁作用做出和人體運動相似的運動的機械裝置被稱為機器人。近來，由于控制技術的發(fā)展，機器人（諸如手術機器人、管家機器人、用于公共場所的服務機器人、航空遠程機器人和危險品處理機器人）已經被使用在各種領域中。這些機器人利用機械手執(zhí)行任務，機械手被構造為基于機電原理做接近于臂或手的動作的運動。
[0004] 在上述各種類型的機器人中的手術機器人包括主控裝置和從屬機器人，主控裝置由操縱者（主要為醫(yī)生）的操縱而產生和傳送必要的信號，從屬機器人響應于從主控裝置接收的信號對病人執(zhí)行手術所需的操作。主控裝置和從屬機器人以有線/無線方式連接，使得可以以遠程方式執(zhí)行手術。
[0005] 利用現(xiàn)有的手術機器人的微創(chuàng)手術主要是基于多端口手術（multi-port surgery)的，通過多端口手術，每個均具有附著有末端效應器的末端的多個手術器械通過多個切口被放入病人的身體內。然而，近來單端口手術（single-port surgery)的示例也日益增加，通過單端口手術，多個手術器械通過一個切口被放入病人的身體內。單端口手術具有幾個優(yōu)點，例如，比多端口手術更短的治療周期以及在外觀方面比多端口手術更少的手術痕跡。然而，在單端口手術中可能會發(fā)生手術器械之間的干涉，并且由于手術器械的工作空間的限制，可適用的手術的范圍受到限制。

【發(fā)明內容】

[0006] 因此，本發(fā)明的一方面提供一種機器人和控制該機器人的方法，所述機器人包括安裝臂、引導管和多個工具，引導管被安裝在安裝臂上，所述多個工具具有末端效應器并從引導管叉開，所述機器人控制安裝臂、引導管和多個工具在彼此互鎖時操作，利用由于近端 (即，安裝臂和引導管）的自由度產生的冗余度，因此，所述多個工具的工作空間可被擴大，并且那些由傳統(tǒng)的工具控制方法無法實現(xiàn)的任務可被執(zhí)行。
[0007] 本發(fā)明的另一方面提供一種機器人和控制該機器人的方法，所述機器人包括安裝臂、引導管和多個工具，引導管被安裝在安裝臂上，所述多個工具具有末端效應器并從引導管叉開，所述機器人控制安裝臂、引導管和多個工具在彼此互鎖時操作，利用由于近端 (即，安裝臂和引導管）的自由度產生的冗余度，因此，工具的關節(jié)所需的剛度可被最小化，并且工具和周圍障礙物之間碰撞的可能性可被最小化。
[0008] 本發(fā)明的又一方面提供一種機器人和控制該機器人的方法，所述機器人包括安裝臂、引導管和多個工具，引導管被安裝在安裝臂上，所述多個工具具有末端效應器并從引導管叉開，所述機器人控制安裝臂、引導管和多個工具在彼此互鎖時操作，利用由于近端 (即，安裝臂和引導管）的自由度產生的冗余度，因此，工具所需的自由度可被最小化，并且那些由傳統(tǒng)的工具控制方法無法執(zhí)行的復雜任務可被執(zhí)行。
[0009] 本公開的其他方面一部分將在下面的描述中進行闡述，一部分將通過該描述而變得明顯，或者可通過對該公開的實施而了解。
[0010] 根據本發(fā)明的一方面，一種機器人，包括：多工具模塊，包括引導管和多個工具，所述多個工具在與引導管彼此互鎖時操作并從引導管叉開，所述多工具模塊具有冗余度；控制器，基于關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息而產生關于所述多工具在接合空間中的運動的控制信號，其中，冗余度反應所述多工具模塊在接合空間中的自由度的數(shù)量大于所述多工具模塊在工作空間中的自由度的數(shù)量，所述控制信號利用冗余度產生。
[0011] 所述引導管和多個工具中的每一個均可包括多個連接件和多個關節(jié)，并且在所述多個工具的末端上可安裝末端效應器。
[0012] 控制器可計算與關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息相對應的雅可比矩陣，并且控制器可利用冗余度基于關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息和所計算的雅可比矩陣而產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號。
[0013] 當所述控制信號產生時，控制器可計算所述機器人的目標函數(shù)，并且所述目標函數(shù)可被表達為多個個體目標函數(shù)的加權總和。
[0014] 所述多個個體目標函數(shù)中的每一個可包括每個工具與接合極限之間的距離的倒數(shù)。
[0015] 所述多個個體目標函數(shù)中的每一個可包括每個工具與單個姿勢之間的距離的倒數(shù)。
[0016] 所述多個個體目標函數(shù)中的每一個可包括接合扭矩平方和。
[0017] 所述多個個體目標函數(shù)中的每一個可包括以及每個工具與周圍障礙物之間的距離的倒數(shù)。
[0018] 控制器可產生關于在所計算的機器人的目標函數(shù)被最小化的接合空間中的運動的控制信號。
[0019] 所述機器人還可包括存儲單元，所述存儲單元中存儲了：計算雅可比矩陣所需的算法和關于機器人的運動學結構的信息、計算目標函數(shù)所需的用于實現(xiàn)多個個體的目標的多個個體目標函數(shù)以及根據機器人執(zhí)行的任務的類型與個體目標函數(shù)相乘的權重。
[0020] 當對關于多個工具的末端在接合空間中的運動指令信息設置優(yōu)先級時，控制器可計算在工作空間中與具有相對高的優(yōu)先級的運動指令信息相對應的雅可比矩陣和在工作空間中與具有相對低的優(yōu)先級的運動指令信息相對應的雅可比矩陣，并且控制器可利用冗余度基于在工作空間中被設置了優(yōu)先級的多條運動指令信息和所計算的雅可比矩陣而產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號。
[0021 ] 當所述控制信號產生時，控制器可計算所述機器人的目標函數(shù)，并且所述目標函數(shù)可被表達為多個個體目標函數(shù)的加權總和。
[0022] 控制器可產生關于在所計算的機器人的目標函數(shù)被優(yōu)化或局部優(yōu)化的接合空間中的運動的控制信號。
[0023] 所述機器人還可包括存儲單元，所述存儲單元中存儲了：對關于多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息設置的優(yōu)先級和計算雅可比矩陣所需的算法、關于機器人的運動學結構的信息、計算目標函數(shù)所需的用于實現(xiàn)多個個體的目標的多個個體目標函數(shù)以及根據機器人執(zhí)行的任務的類型與個體目標函數(shù)相乘的權重。
[0024] 根據本發(fā)明的另一方面，一種控制機器人的方法，所述機器人包括具有引導管和多個工具的多工具模塊，所述多個工具在與引導管彼此互鎖時操作并從引導管叉開，所述多工具模塊具有冗余度，所述方法包括：產生關于所述多個工具的末端在工作空間中的的運動指令信息；基于關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息而產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號，其中，冗余度反應所述多工具模塊在接合空間中的自由度的數(shù)量大于所述多工具模塊在工作空間中的自由度的數(shù)量，所述控制信號利用冗余度產生。
[0025] 所述引導管和多個工具中的每一個均可包括多個連接件和多個關節(jié)，并且在所述多個工具的末端上可安裝末端效應器。
[0026] 產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號可包括：計算與關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息相對應的雅可比矩陣，利用冗余度基于關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息和所計算的雅可比矩陣而產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號。
[0027] 產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號可包括：計算機器人的目標函數(shù)；產生關于在所計算的機器人的目標函數(shù)被優(yōu)化或局部優(yōu)化的接合空間中的運動的控制信號。
[0028] 所述目標函數(shù)可被表達為多個個體目標函數(shù)的加權總和。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 通過下面結合附圖對實施例進行的描述，本發(fā)明的這些和/或其它方面將變得更加清楚并且更容易理解，附圖中：
[0030] 圖1是示出根據本發(fā)明實施例的手術機器人的整體結構的透視圖；
[0031] 圖2示出了圖1中所示的A部分的內部；
[0032] 圖3A是示出構成圖1中的手術機器人的從屬機器人的外部的透視圖，圖3B示出了嵌入殼中的多工具模塊和驅動單元的結構，圖3C是來自圖3B中所示的B部分的兩個工具和一個內窺鏡的透視圖；
[0033] 圖4是根據本發(fā)明實施例的手術機器人的控制框圖；
[0034] 圖5是示出本發(fā)明所實現(xiàn)的工具的工作空間的擴展的概念圖；
[0035] 圖6是示出本發(fā)明所實現(xiàn)的將工具的關節(jié)所需剛度的最小化的概念圖；
[0036] 圖7是示出本發(fā)明所實現(xiàn)的將工具和周圍障礙物之間碰撞的可能性最小化的概念圖；
[0037] 圖8是示出本發(fā)明所實現(xiàn)的工具所需的自由度的最小化的概念圖；
[0038] 圖9是示出本發(fā)明所實現(xiàn)的復雜任務的執(zhí)行的概念圖；
[0039] 圖10是示出根據本發(fā)明實施例的控制手術機器人的方法的流程圖；
[0040] 圖11是根據本發(fā)明另一實施例的手術機器人的控制框圖；
[0041] 圖12是示出根據本發(fā)明另一實施例的控制手術機器人的方法的流程圖；
[0042] 圖13是人形機器人的外部結構視圖；
[0043] 圖14是根據本發(fā)明實施例的人形機器人的控制框圖；
[0044] 圖15是示出根據本發(fā)明實施例的控制人形機器人的方法的流程圖；
[0045] 圖16是根據本發(fā)明另一實施例的人形機器人的控制框圖；
[0046] 圖17是示出根據本發(fā)明另一實施例的控制人形機器人的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0047] 現(xiàn)在將對本發(fā)明的實施例進行詳細地描述，在附圖中示出了本發(fā)明的示例，其中，相同的標號始終指示相同的元件。
[0048] 圖1是根據本發(fā)明實施例的手術機器人的整體結構的透視圖，圖2示出了圖1中所示的A部分的內部結構。具體地說，圖1示出了每個均具有附著有末端效應器的末端的多個手術器械的單端口機器人通過一個切口被放入病人的身體內，從而可在人體的各部位中執(zhí)行手術。下面將描述在利用單端口機器人的手術中所必需的以下要求。第一，由于多個手術器械通過一個切口被放入病人的身體，隨后要被移動到用于手術任務的任意位置，以執(zhí)行手術任務，因此要求手術器械的工作空間寬敞。第二，手術器械需要具有高的自由度以便其可執(zhí)行各種任務并可最小化其與身體組織（諸如腹腔壁）的碰撞。第三，當手術器械被放入身體內時，當手術器械執(zhí)行手術任務時要求其有柔性并具有高的剛度。即，當利用單端口機器人執(zhí)行手術時，要求保證手術器械同時滿足手術器械能夠在其中自由移動的寬敞的工作空間、高的自由度、高的剛度和柔性。
[0049] 這里，自由度（D0F)是正向運動學和逆向運動學中的自由度。運動學的D0F是機構的獨立運動的數(shù)量，或者是用于確定連接件之間的相對位置處的獨立運動的變量的數(shù)量。例如，在包括X軸、Y軸和Z軸的三維空間中的物體具有用于確定物體的空間位置的三個自由度（3D0F)(位于每個軸上）和用于確定物體的空間方向的三個自由度（3D0F)(關于每個軸的旋轉角度）中的至少一個。如果物體可沿著每個軸運動并可繞著每個軸旋轉，則物體可具有六個自由度（6D0F)。
[0050] 如圖1中所示，手術機器人可包括：從屬機器人200,用于對躺在手術臺上的病人執(zhí)行手術；主控裝置1〇〇,通過操縱者（主要為外科醫(yī)生）的操縱來遠程地控制從屬機器人 200。主控裝置100根據操縱者（主要為外科醫(yī)生）的操縱產生控制信號并將所產生的控制信號傳送給從屬機器人200。同時，從屬機器人200從主控裝置100接收所述控制信號并根據所接收的控制信號來對病人執(zhí)行手術所需的操縱。這里，主控裝置1〇〇和從屬機器人 200不一定作為物理上獨立的、分開的裝置而彼此分開，而是可以彼此結合并可被構造為一體形狀。
[0051] 如圖1中所示，從屬機器人200可包括安裝臂202和圓柱形殼208。
[0052] 從屬機器人200的安裝臂202可被實現(xiàn)為以多自由度被驅動。安裝臂202包括多個連接件（參見圖3A中的206a、206b和206c)和多個關節(jié)（參見圖3A中的204a、204b和 204c)。
[0053] 此外，圓柱形殼208連接到安裝臂202的上部。含有多個工具214a與214b和/ 或內窺鏡216的引導管212以及用于驅動引導管212和多個工具214a與214b和/或內窺鏡216的驅動單元（參見圖3B中的270)可被安裝在圓柱形殼208中。這里，引導管212 連接并安裝到安裝臂202中。當從屬機器人200不執(zhí)行手術時，引導管212被嵌入圓柱形殼208中，如圖1和圖2中所示，當從屬機器人200執(zhí)行手術時，被嵌入圓柱形殼208中的引導管212從圓柱形殼208中出來并插入病人的身體內。下面將更詳細地描述引導管212 插入病人的身體內并執(zhí)行手術任務的情形（即，圖1中所示的A部分的內部形狀）。如圖2 中所示，如果引導管212通過在病人的皮膚中形成的切口 I被放入身體內，然后靠近要執(zhí)行操作的部位（操作部位），多個工具214a與214b和內窺鏡216從引導管212叉開，以便可執(zhí)行手術任務。這里，與安裝臂202中相同，多個工具214a與214b和內窺鏡216可包括多個連接件和多個關節(jié)，并可被實現(xiàn)為以多自由度驅動。用于執(zhí)行用于在腹腔內接觸器官、剪切和縫合的直接手術任務的手術工具（諸如鑷子、鉗子（jaw)、抓緊器、剪刀、吻合器、燒灼器和針，即，末端效應器218a和218b)被安裝在多個工具214a與214b的各個末端。
[0054] 雖然內窺鏡216從廣義上講可以是從引導管212叉開的多個工具214a與214b中的一個，但是考慮到手術機器人的特性，下面將分別描述多個工具214a與214b和內窺鏡 216,多個工具214a與214b分別具有末端，在操作部位上執(zhí)行直接手術任務（諸如剪切和縫合）的末端效應器218a和218b設置在所述末端中，具有多個關節(jié)的內窺鏡216用于協(xié) 助末端效應器218a和218b的操作而不對操作部位執(zhí)行直接操作。
[0055] 這里，主要被用于機器人手術中的各種手術內窺鏡（諸如，胸腔鏡、關節(jié)鏡、鼻鏡以及腹腔鏡）可被用作內窺鏡216。
[0056] 主控裝置100可包括主操縱單元112L和112R、離合器踏板傳感器114L和114R以及顯示單元116。
[0057] 主控裝置100包括操縱者用他/她的手握住并操縱的主操縱單元112L和112R。操縱者通過主操縱單元112L和112R來操縱安裝臂202、引導管212、多個工具214a與214b 和內窺鏡216的位置和功能。主操縱單元112L和112R可被實現(xiàn)為具有六個自由度，從而控制安裝臂202在三維（3D)空間中沿著X軸、Y軸和Z軸的平移運動以及沿著側傾方向（roll direction)、俯仰方向（pitch direction)、橫擺方向（yaw direction)的旋轉運動。如圖 1中所示，主操縱單元112L和112R可以被實現(xiàn)為具有兩個手柄，由操縱者的手柄操縱產生的控制信號被傳送給從屬機器人200,從而控制包括有安裝臂202的從屬機器人200的操作。通過操縱者的手柄操縱，可執(zhí)行安裝臂202、引導管212、多個工具214a與214b和內窺鏡216的平移運動和旋轉運動以及大量的手術任務（例如，剪切、套管插入術等）。
[0058] 另外，主控裝置100包括兩個離合器踏板傳感器114L和114R，操縱者用他/她的腳來踩踏或按壓離合器踏板傳感器114L和114R，以擴展主操縱單元112L和112R的操縱功能。
[0059] 圖1示出了利用包括兩個手柄的主操縱單元112L和112R和兩個離合器踏板傳感器114L和114R控制安裝臂202的操作的方法的具體示例，首先，可使用左手柄112L控制安裝臂202的位置和操作，可使用右手柄112R控制引導管212的位置和操作。此外，在設置在主控裝置100上的模式開關（未示出）或按鈕（未示出）被操縱的狀態(tài)下，可使用左手柄112L控制第一工具214a的位置和操作，可使用右手柄112R控制第一工具214b的位置和操作。此外（縱模式開關和按鈕被操縱之后），在左離合器踏板傳感器114L被操縱的狀態(tài)下，可使用左手柄112L控制內窺鏡216的位置和操作。另外，在模式開關和按鈕被操縱之后，在右離合器踏板傳感器114R被操縱的狀態(tài)下，可使用右手柄112R控制內窺鏡216 的位置和操作。
[0060] 在圖1中，兩個主操縱單元（手柄）被安裝在主控裝置100上。然而，可添加手柄以便可以實時操縱多個手術裝備（例如，引導管、多個工具）。這里，手柄112L和112R根據其操縱方法可具有各種機械構造。例如，可使用具有3D運動并操作安裝臂202、引導管 212、多個工具214a與214b的各種輸入單元（諸如操縱桿）作為手柄112L和112R。多個連接件和多個關節(jié)（連接件之間的連接部分）連接到主操縱單元112L和112R。用于檢測連接到手柄112L和112R的每個關節(jié)的旋轉角度的旋轉角度傳感器（例如，編碼器）可被安裝在連接到主操縱單元112L和112R的多個關節(jié)中的每個關節(jié)上。
[0061] 由內窺鏡（參見圖2的216)和/或超聲探頭（未示出）輸入的圖像在顯示單元 116上被顯示為圖像（pictorial image)。
[0062] 顯示單元116可包括一個或者更多個監(jiān)視器，并可產生手術所需的多條信息以分別被顯示在每個監(jiān)視器上。在圖1中，顯示單元116包括三個監(jiān)視器。然而，監(jiān)視器的數(shù)量可以根據要被顯示的信息的類型或種類以不同的方式來確定。
[0063] 主控裝置100和從屬機器人200可通過有線/無線通信網絡彼此連接，以便控制信號、通過內窺鏡216輸入的內窺鏡圖像以及通過超聲探頭（未示出）輸入的超聲波圖像能夠被傳送給對方（從屬機器人或主控裝置）。如果由設置在主控裝置100上的主操縱單元（手柄）產生的兩個控制信號（例如，用于控制從引導管212叉開的第一工具214a的位置的控制信號和用于控制從引導管212叉開的第二工具214b的位置的控制信號）需要被同時或者近似同時傳送，則所述控制信號可以被分別傳送給從屬機器人200。
[0064] 這里，"分別"傳送控制信號是指一個控制信號不影響另一個控制信號，無干擾。這樣，為了分別傳送多個控制信號，在產生控制信號的操作期間可通過增加關于每個控制信號的頭信息來傳送多個控制信號、根據其產生的順序來傳送控制信號，或者根據關于控制信號傳送順序而預先設置的控制信號的優(yōu)先順序來傳送控制信號可使用各種方法。在這種情形下，分別設置傳送控制信號的傳送路徑，從而，可從根本上防止控制信號之間的干擾。 [0065] 圖3A是示出構成圖1中的手術機器人的從屬機器人的外部的透視圖，圖3B示出了嵌入殼中的多工具模塊和驅動單元的結構，圖3C是來自圖3B中所示的B部分（引導管 212的末端）的兩個工具和一個內窺鏡的透視圖。
[0066] 如圖3A中所示，從屬機器人200可包括主體201、安裝臂202和圓柱形殼208,安裝臂202包括多個連接件和多個關節(jié)。
[0067] 從屬機器人200的主體201是用于安裝和支撐執(zhí)行手術任務的安裝臂202的部件，多個腳輪201a被安裝在主體201的底端，以移動從屬機器人200的位置?？稍诿總€腳輪201a上設置用于改變多個腳輪201a的操作狀態(tài)的杠桿（未示出）。操縱者可調節(jié)杠桿的位置以改變腳輪201a的操作狀態(tài)。腳輪201a的操作狀態(tài)可包括制動、自由旋轉（free swivel)、方向鎖定或旋轉鎖定。
[0068] 從屬機器人200的安裝臂202可包括三個連接件（第一至第三連接件）206a至 206c以及三個關節(jié)（第一至第三關節(jié)）204a至204c。
[0069] 構成安裝臂202的第一連接件206a具有直的柱狀并被設置為垂直于主體201。
[0070] 構成安裝臂202的第一關節(jié)204a被設置在主體201和第一連接件206a之間的連接部分上。第一關節(jié)204a可用沿著X軸、Y軸和Z軸之中指定的軸運動的棱柱形關節(jié)來實現(xiàn)。第一關節(jié)204a可具有三個自由度，被用于調節(jié)運動的遠程中心（RCM)的X坐標、Y坐標和Z坐標，以有限度地控制被插入病人的身體內的引導管212的操作。具體地，第一關節(jié) 204a具有包括X軸平移運動、Y軸平移運動和Z軸平移運動的三個自由度。為此，可在第一關節(jié)204a上設置X軸驅動單元（未示出）、Y軸驅動單元（未示出）和Z軸驅動單元（未示出）。
[0071] 第二連接件206b機械地連接到第一連接件206a的前端。如圖3A中所示，第二連接件206b具有曲線形狀。具體地，第二連接件206b具有與圓弧的一部分相同的形狀。
[0072] 第二關節(jié)204b被設置在第一連接件206a和第二連接件206b之間的連接部分。第二關節(jié)204b可用圍繞X軸、Y軸和Z軸中指定的軸旋轉的旋轉副關節(jié)（revolute joint)來實現(xiàn)。第二關節(jié)204b可具有兩個自由度，作為用于使其中嵌入有引導管212的殼208旋轉運動的部件。具體地，第二關節(jié)204b具有包括殼208的側傾方向旋轉和俯仰方向旋轉的兩個自由度。為此，可在第二關節(jié)204b上設置側傾驅動單元（未示出）、俯仰驅動單元（未示出）。
[0073] 第三連接件206c機械地連接到第二連接件206b的前端。如圖3A中所示，第三連接件206c被形成為環(huán)形。圓柱形殼208被設置在第三連接件206c的上部。
[0074] 多工具模塊210和驅動單元270可以被嵌入圓柱形殼208中（參見圖3B)，多工具模塊210包括連接到安裝臂202的引導管212、被設置在引導管212中的多個工具214a與 214b和內窺鏡216,驅動單元270用于驅動多工具模塊210的部件（引導管、多個工具和內窺鏡）。如圖3A中所示，當從屬機器人200不執(zhí)行手術時，多工具模塊210 (即，包括多個工具214a與214b和內窺鏡216的引導管212)被嵌入圓柱形殼208中，使得引導管212不被暴露在外面。配備有引導管212的殼208可以被實現(xiàn)為與第三連接件206c機械地分開。以這種方式，當配備有引導管212的殼208與第三連接件206c機械地分開時，在手術中使用的引導管212可被容易地替換或消毒。
[0075] 第三關節(jié)204c被設置在第二連接件206b與第三連接件206c之間的連接部分。第三關節(jié)204c可用圍繞X軸、Y軸和Z軸中指定的軸旋轉的旋轉副關節(jié)來實現(xiàn)。第三關節(jié) 204c可具有一個自由度，作為用于使其中配備有引導管212的殼208旋轉運動的部件。具體地，第三關節(jié)204c包括殼208的橫擺方向旋轉的一個自由度。為此，可在第三關節(jié)204c 上設置橫擺驅動單元（未示出）。
[0076] 如上所述，當從屬機器人200不執(zhí)行手術時，多工具模塊210和驅動單元270被嵌入圓柱形殼208中，多工具模塊210包括圖3B中所示的引導管212、被設置在引導管212中的多個工具214a與214b和內窺鏡216,驅動單元270連接到多工具模塊210并包括致動器 (諸如用于驅動多工具模塊210的每個部件的電機）。
[0077] 同時，利用包括引導管212、被設置在引導管212中的多個工具214a與214b和內窺鏡216的多工具模塊210的機器人手術的過程主要包括：插入多工具模塊210、定位多工具模塊210并利用多工具模塊210執(zhí)行操作。
[0078] 當從屬機器人200執(zhí)行手術時，被嵌入圓柱形殼208中的多工具模塊210 (更嚴格地說，引導管212)從殼208中出來并通過形成在病人皮膚中的切口 I插入身體內。在將引導管212插入身體內的操作期間，與圖3B的B部分相同，在多個工具214a、214b以及內窺鏡216從引導管212叉開之前（S卩，在多個工具214a和214b以及內窺鏡216被折疊在引導管212的內部空間中的狀態(tài)下）被放入病人的身體內。
[0079] 如圖3C中所示，如果在將被插入病人的身體中的引導管212定位在要被執(zhí)行操作的部位（操作部位）的操作被執(zhí)行之后，則引導管212靠近操作部位，每個均在其末端安裝有末端效應器218a和218b的多個工具214a和214b以及內窺鏡216從引導管212叉開，從而可執(zhí)行手術任務。圖3C是來自引導管212的末端（圖3B的B部分）的兩個工具（第一工具214a和第二工具214b)和內窺鏡216的透視圖。
[0080] 本發(fā)明致力于提出一種一體地控制構成具有從屬機器人200的手術機器人中的從屬機器人200的部件的操作的方法，如圖3A至圖3C所示，從屬機器人包括安裝臂202、連接到安裝臂202的引導管212、被設置在引導管212中并在執(zhí)行手術時從引導管212叉開的多個工具214a與214b和內窺鏡216。當部件（S卩，安裝臂202、引導管212、多個工具 214a與214b、一個內窺鏡216)在接合空間中的自由度的總數(shù)大于部件在工作空間中自由度（工作所需的自由度）的總數(shù)時（即，當手術機器人（具體為從屬機器人）具有冗余度時）利用冗余度。
[0081] 為了更加詳細地描述上述冗余度的概念，首先，前提是，在包括安裝臂202、連接到安裝臂202的引導管212、被設置在引導管212中并在執(zhí)行手術時從引導管212叉開的多個工具214a與214b和內窺鏡216的從屬機器人200中，如圖3A至圖3C所示，安裝臂202、引導管212、兩個工具214a與214b和一個內窺鏡216中的每一個均包括多個連接件和多個關節(jié)。另外，前提是，安裝臂202和引導管212在彼此互鎖（interlocking)時操作，引導管 212和工具214a、214b中的每個工具在彼此互鎖時操作，引導管212和一個內窺鏡216在彼此互鎖時操作。這里，當從屬機器人200被這樣制造時：通過將安裝臂202在接合空間中的自由度a實現(xiàn)為6 (沿著X、Y、Z方向的三個平移自由度⑶和沿著側傾方向、俯仰方向、橫擺方向方向的三個旋轉自由度的總和），引導管212在接合空間的自由度b為6 (引導管 212的一部分的兩個彎曲自由度、引導管212的另一部分的兩個彎曲自由度、沿著插入方向的一個自由度和沿著側傾方向的一個旋轉自由度的總和），第一工具214a和第二工具214b 中的每一個在接合空間中的自由度c和d為6,內窺鏡216在接合空間中的自由度e為3(沿著側傾方向、俯仰方向、橫擺方向的三個旋轉自由度（3))，包括上述所有部件的從屬機器人 200在接合空間中的自由度N是27 (N=a+b+c+d+e=6+6+6+6+3=27)。
[0082] 同時，為使用在包括X軸、Y軸、Z軸的3D空間中包括多個關節(jié)的機構單元（例如：工具或內窺鏡）執(zhí)行任意任務在工作空間中所需的自由度是6 (沿著X、Y、Z方向的三個平移自由度⑶和沿著側傾、俯仰、橫擺方向的三個旋轉自由度⑶的總和）。
[0083] 圖3A至圖3C中示出的包括兩個工具214a、214b以及內窺鏡216的從屬機器人 200中，當?shù)谝还ぞ?14a和第二工具214b中的每個工具在接合空間中的自由度f和g (即，在工作空間中手術操作所需的自由度）為6,并且內窺鏡216在工作空間中的自由度h (僅需要沿著側傾、俯仰、橫擺方向的旋轉自由度）為3時，包括兩個工具214a和214b以及內窺鏡216的從屬機器人200在工作空間中的自由度Μ為15 (M=f+g+h=6+6+3=15)。
[0084] 當多關節(jié)機器人在接合空間中的自由度N大于多關節(jié)機器人在工作空間中的自由度Μ時，出現(xiàn)冗余度。由于從屬機器人200在接合空間中的自由度（N=27)大于從屬機器人200在工作空間中的自由度（M=15)，所以從屬機器人200可以是一個具有冗余度的系統(tǒng)。本發(fā)明致力于提出一種獲取構成從屬機器人200的每個部件（S卩，安裝臂202、引導管212、從引導管212叉開的多個工具214a與214b和內窺鏡216)在接合空間中的解的過程，以利用這一冗余度來達到多個目標。這里，構成從屬機器人200的安裝臂202、引導管212、多個工具214a與214b和內窺鏡216中的每一個在每個接合空間中的解是在每個控制時段計算的構成安裝臂202的多個關節(jié)中的每一個關節(jié)的期望的旋轉角度、構成引導管212的多個關節(jié)中的每一個關節(jié)的期望的旋轉角度、構成多個工具214a與214b的多個關節(jié)中的每一個關節(jié)的期望的旋轉角度以及構成內窺鏡216的多個關節(jié)中的每一個關節(jié)的期望的旋轉角度，以便執(zhí)行手術任務。
[0085] 圖4是根據本發(fā)明實施例的手術機器人的控制框圖。
[0086] 如圖4中所示，手術機器人包括主控裝置100A和從屬機器人200A。
[0087] 在本實施例中，前提是，組成從屬機器人200A的安裝臂202、引導管212、多個工具 214a與214b和內窺鏡216中的每一個均包括多個連接件和多個關節(jié)。另外，在本實施例中，前提是安裝臂202和引導管212在彼此互鎖時操作，引導管212和多個工具214a、214b 中的每個工具在彼此互鎖時操作，引導管212和一個內窺鏡216在彼此互鎖時操作。另外，本實施例的前提是從屬機器人200A具有冗余度的情形，S卩，當從屬機器人200A在接合空間中的自由度N大于從屬機器人200A在工作空間中的自由度Μ(N > M)時的情形。
[0088] 主控裝置100Α可包括位置/方向檢測單元120Α、速度檢測單元125Α、存儲單元 130Α、主控制器140Α、通信單元150Α和顯示單元116Α。
[0089] 位置/方向檢測單元120Α檢測由操縱者操縱的主操縱單元112L和112R的位置和方向。當主操縱單元112L和112R被實現(xiàn)為具有六個自由度時，主操縱單元112L和112R的位置信息可被表示為（x'，y'，z'），主操縱單元112L和112R的方向信息可被表示為（α'， β '，Υ '）。位置/方向檢測單元120Α包括：旋轉角度傳感器（未示出），被安裝在連接到主操縱單元112L和112R的多個關節(jié)中的每一個關節(jié)上，并且用于檢測每個關節(jié)的旋轉角度；算術運算模塊，通過將由旋轉角度傳感器檢測的每個關節(jié)的旋轉角度代入主操縱單元 112L和112R的正向運動學的方程式來計算主操縱單元112L和112R的3D空間中的位置和方向信息。旋轉角度傳感器可以是編碼器或電位計。這里，已經對包括旋轉角度傳感器和算術運算模塊的位置/方向檢測單元120Α進行了描述。然而，可檢測關于主操縱單元112L 和112R的位置和方向的信息的任意裝置可被用作位置/方向檢測單元120Α。
[0090] 速度檢測單元125Α被安裝在連接到主操縱單元112L和112R的多個關節(jié)中的每一個關節(jié)上并用于檢測主操縱單元112L和112R的速度（更具體地說，是連接到主操縱單元112L和112R的每個關節(jié)的旋轉速度）。轉速計可被用作速度檢測單元125Α。在本實施例中，利用速度檢測單元125Α檢測主操縱單元112L和112R的速度。然而，在不使用附加的速度檢測裝置（速度傳感器）的情況下，可通過對構成位置/方向檢測單元120Α的旋轉角度傳感器（例如，編碼器）的輸出值進行微分來計算主操縱單元112L和112R的速度，并且所計算的速度信息可以被使用。
[0091] 存儲單元130Α是其中存儲有利用從屬機器人200Α的冗余度來計算接合空間中的解（即，構成安裝臂202、引導管212、多個工具214a、214b和內窺鏡216的每個關節(jié)的期望的旋轉角度）所需的算法和信息的存儲器。在存儲單元130A中存儲有：當執(zhí)行主控裝置 100A的主操縱單元112L和112R的操作和從屬機器人200A的末端（多個工具和內窺鏡）的操作之間的運動縮放時采用的縮放因子，計算雅可比矩陣（Jacobian matrix)所需的算法、關于從屬機器人200A的運動學結構的信息、計算目標函數(shù)所需的用于實現(xiàn)多個個體的目標的多個個體目標函數(shù)、學習關于構成手術機器人的多個操作的結果以及與根據手術任務的類型與個體目標函數(shù)相乘的權重。
[0092] 另外，存儲單元130A可存儲各種參考圖像（例如，在執(zhí)行操作之前捕獲的X射線圖像、計算機斷層掃描（CT)圖像和磁共振成像（MRI)圖像）。
[0093] 主控制器140A，一種用于控制手術機器人的整體操作的處理器，包括轉換單元 141A、冗余度逆向運動學判讀單元142A和圖像處理單元147A。
[0094] 轉換單元141A將由位置/方向檢測單元120A檢測到的主操縱單元112L和112R 的位置和方向信息X'、y'、z'、α'、β'和轉換成從屬機器人200A在工作空間中的運動指令信息（即，操縱者期望的從屬機器人200Α的末端（多個工具每個的末端和內窺鏡的末端）的位置和方向信息X、y、ζ、α、β和 Υ)。轉換單元141Α可利用主控裝置100Α的主操縱單元112L和112R的操作和從屬機器人200Α的末端（多個工具和內窺鏡）的操作之間的運動縮放將主操縱單元112L和112R的位置和方向信息x'、y'、z'、α '、β '和轉換成從屬機器人200Α在工作空間中的運動指令信息x、y、z、α、β和γ。即，轉換單元 141Α可將主操縱單元112L和112R的位置和方向信息X'、y'、ζ'、α '、β '和γ '乘以利用執(zhí)行運動縮放時應用的縮放因子來計算從屬機器人200Α在工作空間中的運動指令信息X、 y、ζ、α、β 和 γ。
[0095] 冗余度逆向運動學判讀單元142Α，一種利用從屬機器人200Α的冗余度產生用于整體地控制從屬機器人200Α的部件（安裝臂、引導管、多個工具和內窺鏡）的操作的控制信號（構成每個部件的多個關節(jié)中的每個關節(jié)的期望的旋轉角度）的部件，包括雅可比矩陣計算單元144Α、目標函數(shù)計算單元145Α和冗余度利用單元146Α。
[0096] 首先，在對冗余度逆向運動學判讀單元142Α的部件進行詳細地描述之前，現(xiàn)在，將描述具有冗余度的從屬機器人200Α的正向運動學、逆向運動學和逆向運動學的解釋的概念。
[0097] 一般來說，當給定一系列接合角度（接合變量q)時，機器人系統(tǒng)中的正向運動學用于獲得在機器人末端的直角坐標系上的位置或方向（工作變量P)。正向運動學比逆向運動學相對更簡單，通過利用齊次變換可獲得正向運動學的解。同時，與正向運動學形成對 t匕，逆向運動學用于當給定在機器人末端的直角坐標系上的位置或方向（工作變量P)時獲得接合角度（接合變量q)，即，將工作空間中的定義的任務表示為接合空間中的運動。由于運動學方程式是包括超越函數(shù)的非線性方程，所以可能比正向運動學相對更難或不可能獲得解。另外，可能無解或有多個解。
[0098] 如上面的前提所述，在從屬機器人200A具有冗余度的情況下，逆向運動學解釋可利用雅可比矩陣的偽逆矩陣被數(shù)值地執(zhí)行。以下，將對冗余度的逆向運動學解釋進行更加詳細地描述。
[0099] 逆向運動學是這樣的過程：當給定機械手的末端的位置及方向時，關節(jié)的旋轉角度和機械手的末端的位置及方向（這里，方向被表示為歐拉角）相對應。在位置層面，不存在獲得逆向運動學解的特殊的方法，需要利用幾何相互關系公式（geometric interaction formula)或者根據給定的機器人的接合結構根據直覺來獲得逆向運動學解。在具有大量關節(jié)的手術機器人或者人形機器人的情形下，在位置水平將不能找到逆向運動學解。在這種情形下，在實時速度層面，利用雅可比相互關系公式來計算逆矩陣，獲得每個關節(jié)的速度，對所述速度進行數(shù)值積分，從而，確定逆向運動學解。
[0100] 在具有冗余度的系統(tǒng)（例如，上述的從屬機器人200A)中，機器人末端（多個工具的每個末端和內窺鏡的末端）在直角坐標系上的位置與方向（即，工作變量P和接合空間中的一系列接合角度（即，接合變量q))之間的關系可以利用下面的方程式1來表示。
[0101] [方程式1]
[0102] p=f (q)
[0103] 這里，p e RM，q e RN，Μ < N，N是具有冗余度的從屬機器人200A在接合空間中的自由度，Μ是具有冗余度的從屬機器人200A在工作空間中的自由度。

【權利要求】
1. 一種機器人，包括：多工具模塊，包括引導管和多個工具，所述多個工具在與引導管彼此互鎖時操作并從引導管叉開，所述多工具模塊具有冗余度；控制器，基于關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息而產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號，其中，冗余度反應所述多工具模塊在接合空間中的自由度的數(shù)量大于所述多工具模塊在工作空間中的自由度的數(shù)量，所述控制信號利用冗余度產生。
2. 根據權利要求1所述的機器人，其中，所述引導管和多個工具中的每一個均包括多個連接件和多個關節(jié)，并且在所述多個工具的末端上安裝末端效應器。
3. 根據權利要求1所述的機器人，其中，控制器計算和關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息相對應的雅可比矩陣，并且控制器利用冗余度基于關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息和所計算的雅可比矩陣而產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號。
4. 根據權利要求3所述的機器人，其中，當產生所述控制信號時，控制器計算所述機器人的目標函數(shù)，并且所述目標函數(shù)被表達為多個個體目標函數(shù)的加權總和。
5. 根據權利要求4所述的機器人，其中，所述多個個體目標函數(shù)中的每一個包括每個工具與接合極限之間的距離的倒數(shù)。
6. 根據權利要求4所述的機器人，其中，所述多個個體目標函數(shù)中的每一個包括每個工具與單個姿勢之間的距離的倒數(shù)。
7. 根據權利要求4所述的機器人，其中，所述多個個體目標函數(shù)中的每一個包括接合扭矩平方和。
8. 根據權利要求4所述的機器人，其中，所述多個個體目標函數(shù)中的每一個包括每個工具與周圍障礙物之間的距離的倒數(shù)。
9. 根據權利要求4所述的機器人，其中，控制器產生在關于所計算的機器人的目標函數(shù)被優(yōu)化或局部優(yōu)化的接合空間中的運動的控制信號。
10. 根據權利要求4所述的機器人，其中，所述機器人還包括存儲單元，所述存儲單元中存儲了：計算雅可比矩陣所需的算法和關于機器人的運動學結構的信息、計算目標函數(shù) 所需的用于實現(xiàn)多個單獨的目標的多個單獨目標函數(shù)以及根據機器人執(zhí)行的任務的類型與單獨目標函數(shù)相乘的權重。
11. 根據權利要求1所述的機器人，其中，當對關于多個工具的末端在接合空間中的運動指令信息設置優(yōu)先級時，控制器計算在工作空間中與具有相對高的優(yōu)先級的運動指令信息相對應的雅可比矩陣和在工作空間中與具有相對低的優(yōu)先級的運動指令信息相對應的雅可比矩陣，并且控制器利用冗余度基于在工作空間中被設置了優(yōu)先級的運動指令信息和所計算的雅可比矩陣而產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號。
12. 根據權利要求11所述的機器人，其中，當所述控制信號產生時，控制器計算所述機器人的目標函數(shù)，并且所述目標函數(shù)被表達為多個單獨目標函數(shù)的加權總和。
13. 根據權利要求12所述的機器人，其中，控制器產生關于在所計算的機器人的目標函數(shù)被優(yōu)化或局部優(yōu)化的接合空間中的運動的控制信號。
14. 根據權利要求12所述的機器人，其中，所述機器人還包括存儲單元，所述存儲單元中存儲了：對關于多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息設置的優(yōu)先級、計算雅可比矩陣所需的算法和關于機器人的運動學結構的信息、計算目標函數(shù)所需的用于實現(xiàn)多個個體的目標的多個個體目標函數(shù)以及根據機器人執(zhí)行的任務的類型與個體目標函數(shù)相乘的權重。
15. -種控制機器人的方法，所述機器人包括具有引導管和多個工具的多工具模塊，所述多個工具在與引導管彼此互鎖時操作并從引導管叉開，所述多工具模塊具有冗余度，所述方法包括：產生關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息；基于關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息而產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號，其中，冗余度反應所述多工具模塊在接合空間中的自由度的數(shù)量大于所述多工具模塊在工作空間中的自由度的數(shù)量，所述控制信號利用冗余度產生。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中，所述引導管和多個工具中的每一個均包括多個連接件和多個關節(jié)，并且在所述多個工具的末端上安裝末端效應器。
17. 根據權利要求15所述的方法，其中，產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號包括：計算與關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息相對應的雅可比矩陣，利用冗余度基于關于所述多個工具的末端在工作空間中的運動指令信息和所計算的雅可比矩陣而產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中，產生關于所述多工具模塊在接合空間中的運動的控制信號包括：計算機器人的目標函數(shù)；產生關于在所計算的機器人的目標函數(shù)被優(yōu) 化或局部優(yōu)化的接合空間中的運動的控制信號。
19. 根據權利要求18所述的方法，其中，所述目標函數(shù)被表達為多個個體目標函數(shù)的加權總和。
【文檔編號】A61B19/00GK104042344SQ201410099195
【公開日】2014年9月17日申請日期:2014年3月17日優(yōu)先權日:2013年3月15日
【發(fā)明者】權雄, 林福萬, 古瑞爾歐甘申請人:三星電子株式會社

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