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CN111132630B - 包括双编码器的机器人手术系统控制臂 - Google Patents

包括双编码器的机器人手术系统控制臂 Download PDF

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CN111132630B CN201880060635.7A CN201880060635A CN111132630B CN 111132630 B CN111132630 B CN 111132630B CN 201880060635 A CN201880060635 A CN 201880060635A CN 111132630 B CN111132630 B CN 111132630B
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Abstract

机器人手术系统的控制臂包括构件、驱动马达、第一关节编码器和控制器。该构件围绕第一关节被支撑。驱动马达可操作地联接至所述构件，并且配置成使所述构件绕第一关节旋转。第一关节编码器围绕第一关节布置，并且被配置为传送指示构件围绕第一关节的位置的位置信号。控制器配置成响应于从第一关节编码器接收位置信号而传输控制信号，该控制信号使驱动马达克服与构件围绕第一关节的运动相关的摩擦。

Description

包括双编码器的机器人手术系统控制臂
背景技术
机器人手术系统已用于微创医疗手术。在这种医疗手术期间，机器人手术系统由与机器人手术系统的用户界面介接的外科医生或临床医生控制。用户界面或控制台允许临床医生操作与作用于患者的手术系统相关联的末端执行器。
用户控制台包括一个或多个控制臂，该控制臂支撑可由临床医生移动以控制机器人手术系统的输入手柄或万向架。控制臂将信号传输到控制器，该信号对应于医疗过程中工作空间中控制臂的位置或姿势。控制器可以通过一个或多个马达将力反馈传递到输入手柄，该一个或多个马达通过传动件可操作地联接到输入手柄。传动件可能需要临床医生施加额外的力来克服传动件内的摩擦力。在需要附加力的情况下，临床医生可能会在外科手术过程中将输入手柄视为“沉重的”。
发明内容
本公开总体上涉及补偿与机器人手术系统的控制臂相关联的传动件内的摩擦力的系统和方法。
根据本公开的一个方面，机器人手术系统的控制臂包括构件、驱动马达、第一关节编码器和控制器。该构件围绕第一关节被支撑。驱动马达可操作地联接至所述构件，并且配置成使所述构件绕第一关节旋转。第一关节编码器围绕第一关节布置，并且被配置为传送指示构件围绕第一关节的姿势的位置信号。控制器被配置为响应于从第一关节编码器接收到位置信号来发送控制信号。
在各方面，控制臂还包括传动部件。传动部件可设置在驱动马达与第一关节之间，以将构件联接至驱动马达。控制器可以被配置成传送控制信号以克服与传动部件相关联的摩擦，以使构件绕第一关节运动。
根据各方面，控制臂包括马达编码器，该马达编码器配置成将马达位置信号传输到控制器。驱动马达可以在第二关节处联接至传动部件。马达编码器可以在第二关节处联接至驱动马达。
根据各方面，控制器配置成计算构件绕第一关节移动的方向。控制器可以被配置为响应于计算构件绕第一关节移动的方向而产生克服传动摩擦的控制信号。控制器还可被配置为计算构件绕第一关节移动的速度。控制器可以被配置为响应于计算构件围绕第一关节的方向和速度来生成控制信号以克服传动摩擦。
根据本公开的各方面，一种补偿传动部件中的摩擦的方法包括从围绕第一关节布置的关节编码器接收围绕第一关节运动的构件的第一位置信息；响应于接收到第一位置信息，计算所述构件的第一方向和第一速度；和将控制信号传输到驱动马达，以克服与所述构件的运动配合的传动部件相关的传动摩擦。该构件在第一关节处通过传动部件联接到驱动马达。
在各方面中，该方法包括响应于构件绕着第一关节运动而从关节编码器接收第二位置信息；计算构件绕着第一关节运动的第二方向和第二速度；以及将第一方向与第二方向进行比较。
在某些方面，该方法包括当第一方向不同于第二方向时，传输控制信号以使驱动马达在第二方向上移动预定距离。
根据本公开的方面，一种补偿构件与驱动马达之间的位置偏移的方法包括从布置在第一关节周围的第一关节编码器接收第一位置信息；计算构件围绕第一关节的第一运动方向；从第一关节编码器接收第二位置信息；计算构件围绕第一关节的第二运动方向；将第一运动方向与第二运动方向进行比较；和当第一运动方向不同于第二运动方向时，发送控制信号以使驱动马达在第一运动方向上移动预定距离。第一关节在第一关节处将构件可操作地联接至驱动马达。在各方面中，驱动马达在第二关节处联接至传动部件。预定距离可以等于偏移距离。
附图说明
图1是根据本公开的实施例提供的具有用户控制台和手术机器人的机器人手术系统的示意图；
图2是图1的手术机器人的塔架的透视图；
图3是用于控制图1的机器人手术系统的系统架构的功能框图；
图4是图1的用户控制台的控制臂的透视图，其盖被拆卸；
图5是图4的控制臂的控制臂基座的下部透视图；
图6是图4的控制臂的位置和图5的控制臂的马达之一的位置随时间的位置图；
图7是示出补偿传动部件中的摩擦的方法的流程图；和
图8是示出补偿位置偏移的方法的流程图。
具体实施方式
参照附图对本机器人手术控制系统的实施例进行详细的说明，在附图中，相似的附图标记指代若干视图中的每个视图中的完全相同或对应的元件。
如本文中所使用，术语“临床医生”是指医生、护士、健康管理提供者、支持人员或本文所述机器人手术系统的其他操作员。
如本文所使用的，术语“手术区”是指手术机器人在其中操作的空间。这样的空间可以包括但不限于手术室、手术机器人存储和/或维护设施或其他这样的空间。
如本文所用，术语“姿势”是指部件在空间或工作空间内的位置和方向。
本公开总体上涉及在机器人手术系统的控制臂中的位置传感器或编码器的定位及其用途。编码器位于与控制臂的驱动马达关联的传动部件和由控制臂支撑的输入手柄之间。编码器将位置信号或编码器信号传递给控制器，该信号指示控制臂关节的姿势。响应于编码器信号，控制器确定临床医生正在移动输入手柄的方向和速度。响应于输入手柄的运动方向和速度，控制器发送控制信号以移动与控制臂的关节相关联的马达，该马达施加力以克服与传动部件相关联的力。马达施加力可以减小或消除临床医生在移动输入手柄时否则会遇到的阻力。
首先参考图1，根据本公开的机器人手术系统总体上被示为机器人手术系统1，并且包括手术机器人100、控制器200以及用户界面或控制台300。
手术机器人100通常包括具有连杆机构112的机器人手推车或塔架116。连杆机构112可移动地支撑末端执行器或工具108，所述末端执行器或工具被配置成作用于组织。连杆机构112可以形成机器人臂102，其被配置为作用在组织上。每个机器人臂102可具有支撑工具108的端部104。另外，机器人臂102的端部104可以包括成像装置106以对手术部位“S”成像。此外，机器人臂102的端部104可以包括一个或多个马达122，其在机器人臂的关节“J”(图2)周围施加力以移动和/或致动工具108。
控制台300经由控制器200与塔架116通信。控制台300包括被配置为显示三维图像的显示器306，该三维图像可以包括由定位在手术区域周围的成像装置106、114捕获的数据，所述成像装置例如定位在手术部位“S”内的成像装置、定位与患者“P”相邻的成像装置和/或由机器人臂102的端部104支撑的成像装置114。成像装置例如成像装置106、114可以捕获视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热图像和/或手术部位“S”的任何其它已知的实时图像。成像装置106、114将捕获的成像数据传输到控制器200，所述控制器根据成像数据实时地产生手术部位“S”的三维图像并且将所述三维图像传输到显示器306以供显示。
控制台300包括控制臂304，该控制臂可移动地支撑工作空间“W”中的输入手柄302。控制臂304允许临床医生操纵手术机器人100，例如，移动机器人臂102、机器人臂102的端部104和/或工具108。每个输入手柄302与控制器200通信以向其发送输入信号并从其接收输出或反馈信号。附加地或替代地，每个输入手柄302可允许外科医生操纵例如夹持、抓握、击发、打开、闭合、旋转、推进、切开等支撑在机器人臂102的端部104上的工具108。
继续参考图1，每个输入手柄302通过工作空间“W”的运动使机器人臂102的端部104和/或工具108在手术部位“S”内移动。显示器306上的三维图像被定向为使得输入手柄302的移动使机器人臂102的端部104移动，如在显示器306上看到的。当缩放输入手柄302的移动以使机器人臂102的端部104在三维图像内移动时，三维图像可以保持静止。为了维持三维图像的朝向，输入手柄302的运动学映射基于相对于机器人臂102的端部104的朝向的摄像机朝向。显示器306上的三维图像的定向可相对于患者“P”的俯视图成镜像或旋转。此外，显示器306上的三维图像的大小可以被缩放成比手术部位“S”的实际结构大或小，从而准许临床医师更好地看到其中的结构。如以下详细描述的，当输入手柄302移动时，工具108在外科手术部位“S”内移动。工具108的运动还可包括支撑工具108的机器人臂102的端部104的运动。
对于机器人手术系统1的构造和操作的详细论述，可以参考第8,828,023号美国专利，其全部公开内容以引用的方式并入本文中。
相对于输入手柄108的移动缩放工具302的移动。当输入手柄302在工作空间“W”内移动时，控制臂304将编码器信号传输到控制器200，控制器分析编码器信号并响应于编码器信号生成控制信号以移动工具108。响应于输入手柄302的移动，控制器200将控制信号发送到塔架116以移动工具108。在传输控制信号之前，控制器200通过将输入距离(例如通过工作空间“W”内的输入手柄302中的一个移动的距离)除以缩放因子SF而将编码器信号缩放，从而达到缩放的输出距离(例如端部104的一个移动的距离)。缩放因子SF可以在大约1到大约10之间的范围内，在实施例中大约为3。此缩放由下式表示：
输出距离＝输入距离/SF
在缩放编码器信号之后，控制器200将与缩放的编码器信号相对应的控制信号发送到塔架116，以相应地移动工具108。应了解，缩放因子SF越大，工具108相对于输入手柄302的移动而进行的移动就越小。
对于输入手柄302沿X、Y和Z坐标轴的缩放运动到工具108的移动的详细描述，可以参考2015年9月21日提交的共同拥有的国际专利申请序列号PCT/US2015/051130(现在为国际专利申请公开WO 2016/053657)和2016年1月20日提交的国际专利申请PCT/US2016/14031，其全部公开内容通过引用合并在本文中。
参考图2，手术机器人100包括机器人推车或塔架116，其支撑连杆机构112，连杆机构支撑工具108。连杆机构112包括一个或多个马达122，每个马达与连杆机构112的相应关节“J”相关联，以操纵连杆机构112和/或由连杆机构112支撑的工具108。
在使用中，控制器200(图1)将控制信号发送到手术机器人100。手术机器人100响应于控制信号而启动马达122以将力施加在相应的关节“J”周围或其上。具体地，响应于控制信号，手术机器人100向马达122传递电流，该马达在手术过程中向关节“J”施加力以使连杆机构112和/或工具108移动。另外，传感器120联接至关节“J”，并响应于对关节“J”施加力来测量围绕关节“J”的扭矩。传感器120将测得的力传输至控制器200(图1)。
参考图3，根据本公开描述了手术机器人100、控制台300和控制器200之间的通信。控制器200与手术机器人100的塔架116通信，以响应于从控制台300接收到的编码器信号提供用于手术机器人100的操作的指令。
控制器200通常包含处理单元206、存储器208、塔架接口204和控制台接口202。处理单元206执行指令或计算机程序，该指令或计算机程序存储在存储器208中，用于使塔架116的组件(例如连杆机构112)根据由控制台300的输入手柄302限定的运动来执行期望的运动。在这方面，处理单元206包含任何合适的逻辑控制电路，所述逻辑控制电路适于根据一组指令执行计算和/或操作。处理单元206可以包含一个或多个处理装置(未显示)，例如微处理器或能够执行存储在存储器208中的指令和/或处理数据的其它物理装置。存储器208可以包含暂时类型存储器(例如，RAM)和/或非暂时类型存储器(例如，闪存介质或磁盘介质)。可经由一个或多个无线配置，例如射频、光学方式、Wi-Fi、(用于短距离交换数据、使用短长度无线电波、来自固定和移动装置、创建个人局域网(PAN)的开放式无线协议)、/>(基于用于无线个人局域网(WPAN)的IEEE802.15.4-2003标准的使用小型、低功率数字无线电的一套高级通信协议的规范)等，和/或有线配置，塔架接口204和控制台接口202分别与塔架116和控制台300通信。尽管被描绘为单独的模块，但是控制台接口202和塔架接口204可以是单个组件。
继续参考图2-3，塔架116包括从塔架接口204接收通信和/或数据的通信接口118。通信接口118传输信号，该信号操纵马达122以移动与塔架116相关联的连杆机构112。马达122可以位于机器人臂102和/或连杆机构112中。在实施例中，马达122响应于供应给马达122的电力而机械地操纵机器人臂102、连杆机构112和/或工具108(图1)。机器人臂102、连杆机构112和/或工具108的机械操作可包括响应于来自处理单元206的指令而从马达122施加力以移动机器人臂102和/或联接至机器人臂102的工具108。例如，马达122可以经由线缆(未示出)可操作地联接至关节“J”以操纵机器人臂102。
控制台300包括计算机308，以从位置传感器或编码器E1、E2、E3接收编码器信号，将编码器信号发送到控制器200，并从控制器200接收控制信号以围绕关节J1、J2、J3移动构件，例如控制臂304(图4-5)。每个输入手柄302联接到控制臂304。控制臂304包括与计算机308有线或无线通信的第一、第二和第三驱动马达324、326、328。编码器E1、E2、E3分别设置在驱动马达324、326、328中，并配置为生成表示与关节J1、J2、J3有关的控制臂304(图4-5)的构件的姿势的编码器信号。表示控制臂304的构件关于关节J1、J2、J3的姿势的编码器信号由编码器E1、E2、E3传输到计算机308，该计算机将编码器信号传输到控制器200。响应于编码器信号，控制器200将控制信号传输至塔架116，以如上所述影响机器人臂102和/或工具108的运动。
输入手柄302可以是手柄、踏板或计算机附件(例如键盘、操纵杆、鼠标、按钮、触摸屏、开关、轨迹球等)。显示器306显示从控制器200接收的图像或其他数据，以将数据传达给临床医生。计算机308包含处理单元和存储器(未显示)，所述存储器包含与塔架116的各种部件、算法和/或操作有关的数据、指令和/或信息，并且可以使用任何合适的电子服务、数据库、平台、云等来操作。计算机308可以包括处理单元(未示出)，该处理单元包括适合于根据位于存储器(未示出)中的一组指令来执行计算和/或操作的任何合适的逻辑控制电路，如参照控制器200类似地描述的。
对于手术机器人100的详细描述，可以参考2016年6月3日提交的标题为“多输入机器人手术系统控制方案”的美国临时专利申请62/345,032，其全部公开内容以引用的方式并入本文中。
参考图4-5，控制台300的控制臂304包括基座310、旋转构件312、垂直构件314、支撑臂316、水平构件318和支撑构件320(统称为“控制臂304的构件”)。基座310围绕限定第一旋转轴线A1的第一关节J1可旋转地支撑旋转构件312。旋转构件312绕限定第二旋转轴线A2的第二关节J2枢转地支撑垂直构件314和支撑臂316。支撑臂316支撑着支撑构件320的下端，该下端可以与垂直构件314基本平行。可以考虑，支撑构件320可以从垂直构件314上歪斜。垂直构件314绕限定第三旋转轴线A3的第三关节J3枢转地支撑水平构件318。水平构件318围绕限定第四旋转轴线G-G的关节J4可旋转地支撑输入手柄302(图1)。
基座310包括用于关于第一、第二和第三旋转轴线A1、A2、A3的每一个操纵控制臂304的驱动机构322。驱动机构322可以操纵控制臂304，以通过输入手柄302(图1)向操纵控制臂304的临床医生提供力反馈。驱动机构322还可在手术过程中操纵控制臂304以重新定位控制臂304的部件。
驱动机构322包括第一驱动马达324、第二驱动马达326和第三驱动马达328。第一驱动马达324绕第一旋转轴线A1操纵控制臂304，并且包括延伸穿过基座310的第一驱动轴330。第一驱动轴330使第一主轴332旋转，第一主轴联接到第一线缆334和第二线缆336，其使旋转凸缘338围绕第一旋转轴A1旋转。旋转凸缘338包括联接到旋转构件312的圆柱形构件340，使得旋转构件312与圆柱形构件340一致地旋转。
第二驱动马达326绕第二轴线A2操纵控制臂304的垂直构件314，并且包括延伸穿过基座310的第二驱动轴342。第二驱动轴342使联接至第三缆线346和第四缆线350的第二主轴344旋转，以使滑轮组件348的下部滑轮348A旋转。下部滑轮348A可操作地联接到垂直构件314，以响应于下部滑轮348A的旋转使垂直构件314绕第二旋转轴线A2枢转。
第三驱动马达328操纵支撑臂316以使水平构件318绕第三轴线A3枢转，并且包括延伸穿过基座310的第三驱动轴352。第三驱动轴352旋转联接至第五缆线356和第六缆线358的第三主轴354，以旋转滑轮组件348的上部滑轮348B。上部滑轮348B可操作地联接至水平构件318，以响应于上部滑轮348B的旋转使水平构件318绕第三轴线A3枢转。
对于控制臂304的详细描述，可以参考2016年6月3日提交的标题为“用于机器人手术系统的控制臂”的美国临时专利申请62/345,537，其全部内容通过引用合并于此。
继续参考图5，基座310包括马达编码器E1、E2、E3，每个马达编码器与各自的驱动马达324、326、328相关联。第一、第二和/或第三编码器E1、E2、E3可分别设置在第一驱动马达324、第二驱动马达326、或第三驱动马达328内部或外部。第一马达编码器E1将编码器信号传输到计算机308，该计算机测量第一驱动轴330的姿势和/或速度。第二马达编码器E2将编码器信号传输到计算机308，该计算机测量第二驱动轴342的姿势和/或速度。第三马达编码器E3将编码器信号传输到计算机308，该计算机测量第三驱动轴352的姿势和/或速度。附加地或替代地，第一、第二和第三马达编码器E1、E2、E3可以与控制器200直接通信，以将由各个编码器E1、E2、E3测量的编码器信号传输到控制器200(图1)。响应于接收到位置信号，控制器200可以确定各个驱动轴330、342、352的相应姿势、速度或旋转方向。
为了精确地确定控制臂304的部件或构件(例如，旋转构件312、垂直构件314和/或水平构件318)的姿势，控制臂304包括关节编码器E4、E5、E6(统称为关节编码器)，其每一个联接到控制臂304的第一、第二和第三关节J1、J2、J3中的相应一个。具体地，第一关节编码器E4配置为确定基座310和旋转构件312绕第一关节J1的姿势和/或速度，第二关节编码器E5配置为确定垂直构件314和支撑臂316绕第二关节J2的姿势和/或速度，并且第三关节编码器E6配置成确定垂直构件314和水平构件318绕第三关节J3旋转的姿势和/或速度。当临床医生操作输入手柄302时，旋转构件312、垂直构件314和/或水平构件318可分别围绕第一、第二和第三关节J1、J2、J3旋转。
为了简洁起见，在此仅详细描述旋转构件312和基座310绕第一轴线A1的运动。具体地，参考图4和图5，根据本公开描述了旋转构件312绕第一轴线A1的旋转。当旋转构件312绕第一关节J1旋转时，第一关节编码器E4将编码器信号发送到控制器200。响应于编码器信号，控制器200确定旋转构件312的姿势、方向和/或速度。
当临床医生操纵输入手柄302时，旋转构件312可绕第一轴线A1旋转，使得与旋转构件相关联的对应的传动部件，例如圆柱形构件340，旋转凸缘338，第二线缆336、第一缆线334、第一主轴332和第一驱动轴330可响应于旋转构件312的旋转而旋转，以反向驱动第一驱动马达324。当传动部件旋转时，响应于来自输入手柄302的输入，传动中的柔顺性，例如传动部件的弹性变形，诸如结合、绑扎和/或压缩，可以延迟第一驱动马达324的反向驱动。第一驱动马达324的反向驱动的延迟可导致第一驱动马达324和接头J1之间的位置误差。可以通过计算从第一马达编码器E1和关节编码器E4发送的编码器信号之间的差来测量位置误差。
参考图6，当临床医生操纵由控制臂304支持的输入手柄302的姿势时，旋转构件312相对于基座310绕第一轴线A1转动。旋转构件312和基座310围绕第一关节J1的姿势由第一关节编码器E4测量，该编码器将编码器信号传输到计算机308。如图所示，由于传动部件的顺应性，第一驱动马达324响应于输入手柄302的运动的旋转被延迟。延迟发生在时间T0和时间T1之间，从而产生偏移距离，该偏移距离定义为在第一驱动马达324响应于旋转构件312的运动而运动之前旋转构件312绕第一关节J1运动的距离。
偏移距离可以是在控制臂304的初始或周期性校准期间可测量的预定距离。例如，显示器306可提示临床医生移动控制臂304至一个或多个姿势，控制器200从第一关节编码器E4和第一马达编码器E1测量位置数据。响应于从第一关节编码器E4和第一马达编码器E1接收到编码器信号，控制器200计算与输入手柄302绕第一轴线A1到期望姿势的运动相关的偏移距离。附加地或替代地，控制器200可以将控制信号发送至第一驱动马达324以使输入手柄302绕第一轴线A1移动至姿势。响应于输入手柄302移动到期望的姿势，控制器200计算与旋转构件312和基座310相对于第一驱动马达324绕第一关节J1的运动相关的偏移距离。
具体地，响应于临床医生对输入手柄302的操纵，控制器200可以更准确地确定第一驱动马达324相对于旋转构件312和基座310的位置，并且随着临床医生移动在工作空间“W”附近移动输入手柄302而传送控制信号，以调节第一驱动马达324的位置。马达相对于旋转构件312和基座310的位置的这种调整校正了传动部件中的任何顺应性。
参考图7，根据本公开描述了补偿传动部件中的摩擦的方法400。传动摩擦被定义为与传动部件旋转相关的摩擦。首先，控制器200从关节编码器E4接收第一位置信息(步骤402)，并计算旋转构件312绕第一关节J1处的基座310的第一方向和第一速度(步骤404)。在计算出旋转构件312相对于关节J1处的基座310的第一方向和第一速度之后，控制器200传输控制信号以旋转第一驱动马达324以补偿传动部件的摩擦。具体地，响应于控制信号，第一驱动马达324在第一关节J1处沿旋转构件312相对于基座310移动的方向施加力，以克服传动部件的估计摩擦或传动摩擦(步骤406)。
具体地，方法400有助于在改变输入手柄302和控制臂304的运动方向时使外科医生感觉到的摩擦最小化。如果仅使用第一马达编码器E1，则当改变输入手柄302和/或控制臂304的运动方向时，外科医生将在输入手柄302和控制臂304中感觉到全部摩擦水平，因此关节和传动系统必须全部运动，以使其摩擦力从正到负变为负到正。然而，根据本公开，并且根据方法400，与第一马达编码器E1相比，通过测量和监视关节编码器E4的方向变化减少了观察和/或测量的时间和/或摩擦。
在控制器200发送控制信号以克服估计的摩擦之后，控制器200从关节编码器E4接收第二位置信息(步骤408)。响应于接收到第二位置信息，控制器200计算旋转构件312相对于第一关节J1处的基座310的第二方向和第二速度(步骤410)。当控制器200确定第二方向与第一方向相同时(步骤412)，控制器200将控制信号传输至第一驱动马达324以克服与可操作地联接第一驱动马达324至输入手柄302的传动部件的以第二速度旋转相关联的估计的摩擦(步骤416)。将理解的是，当第一速度和/或第二速度等于零时，由控制器200传输以克服估计的摩擦的控制信号将不会引起第一驱动马达324旋转。
继续参考图7，当控制器200确定第一方向和第二方向不同时(步骤412)，控制器200发送控制信号以使第一驱动马达324在第二方向上旋转预定距离(步骤414)。预定距离可以是等于在控制臂304(图6)的初始或周期性校准期间测量的偏移距离的距离。第一驱动马达324在第二方向上的旋转减小或消除了第一驱动马达324、旋转构件312和基座310之间的位置误差，该位置误差否则可能由于传动部件的柔顺性而存在。通过减少或消除由于顺应性引起的位置误差，控制器200发送的控制信号允许第一驱动马达324更精确地施加力以克服传动摩擦。结果，临床医生可感觉到输入手柄302似乎比由于传动摩擦引起的更敏感。
参考图8，根据本公开描述了补偿位置偏移的方法。首先，控制器200从关节编码器E4接收第一位置信息(步骤502)。作为响应，控制器200计算旋转构件312相对于基座310围绕第一关节J1的第一方向。控制器200随后从关节编码器E4接收第二位置信息(步骤506)，并计算与第一关节J1相关联的控制臂304的构件的第二方向。如果控制器200确定第一方向和第二方向不同(步骤510)，则控制器200发送控制信号以使第一驱动马达324沿第一方向旋转预定距离(步骤512)。预定距离可以是等于偏移距离的距离(图6)。当临床医生随后操纵输入手柄302并反向驱动第一驱动马达324时，通过将第一驱动马达324沿第一方向旋转预定距离，几乎瞬间地施加了第一驱动马达324的力反馈施加，从而更准确地施加力反馈。具体地，由于传动部件中的任何顺应性，力反馈到输入手柄302的施加没有延迟。
尽管已经相对于旋转构件312绕基座310沿第一旋转轴线A1的运动描述了补偿传动部件中的摩擦的方法400和补偿位置偏移的方法500，但是本公开不应当限于此指出的部件。将理解的是，方法400、500还可应用于垂直构件314和支撑臂316相对于旋转构件312绕第二旋转轴线A2的运动。另外，将理解的是，方法400、500可以应用于水平构件318相对于垂直构件314绕第三旋转轴线A3的运动。
尽管所公开的实施例考虑了控制器200在手术机器人100外部的位置，但是可以考虑，控制器200可以位于控制臂304内，或者替代地，机器人手术系统1的元件可以包括独立于控制器200的执行所描述的编码器测量和计算的电路。
如上所述，控制台300与手术机器人100可操作地通信，以对患者实施外科手术；然而，可以设想，控制台300可以与手术模拟器(未示出)可操作地通信，以虚拟地致动模拟环境中的手术机器人和/或工具。例如，机器人手术系统1可以具有第一模式和第二模式，在所述第一模式中，控制台300被联接以致动手术机器人100，在所述第二模式中，显示器306被联接到手术模拟器以虚拟地致动机器人手术系统。手术模拟器可以是独立单元或者可以被整合到控制器200中。手术模拟器通过控制台300将视觉反馈、声音反馈、力反馈和/或触觉反馈提供给临床医生来虚拟地响应与控制台300介接的临床医生。例如，当诊治者与输入手柄302介接时，手术模拟器使虚拟地作用于组织的表示性工具移动。可设想到，手术模拟器可以允许临床医生在对患者进行外科手术之前对所述外科手术进行实践。此外，手术模拟器可以用于在外科手术上对临床医生进行训练。进一步地，手术模拟器可以在提出的外科手术过程中模拟“并发症”以准许临床医生对外科手术进行规划。
另外，尽管本申请通常将控制臂的构件指为接收和传播输入手柄通过传动部件接收的力，但是所指的控制臂的构件仅是出于说明的目的，并不意在限制本公开。因此，控制臂的构件通常应被理解为控制臂304的部件，其可以接收临床医生在其上施加的力。同样地，所指出的传动组件仅出于示例性目的而标识，并且不旨在限制本公开。因此，传动部件通常应理解为将由输入部件的构件所接收的力传播到第一、第二和/或第三驱动马达324、326、328的部件。
可以考虑，本公开中描述的系统和方法可以在实现远程操纵技术的机器人手术系统中实现。“远程操纵”通常是指临床医生从远程控制台对手术系统的操作。举例来说，远程操纵可以是机器人手术器械相对于患者的位置的远程调节。或者，远程操纵可包括使机器人手术器械执行该器械能够执行的一个或多个功能的个人。
虽然已在图中示出本公开的若干实施例，但并非意在将本公开限于这些实施例，而是希望本公开具有如所属领域将允许的广泛的范围，且对说明书的理解也是如此。也可以设想上述实施例的任何组合，并且上述实施例的任何组合在所附权利要求的范围内。因此，以上描述不应被解释为限制性的，而仅仅是特定实施例的范例。本领域的技术人员将设想到在本文所附的权利要求书的范围内的其它修改。

Claims (15)

1.一种机器人手术系统的控制臂，包括：
构件，其围绕第一关节被支撑并包括从其延伸的输入手柄，所述输入手柄能够由用户操纵以使所述构件围绕所述第一关节运动以便控制机器人臂的运动；
驱动马达，其可操作地联接至所述构件，并且配置成使所述构件绕第一关节旋转；
马达编码器，其被配置成测量马达位置并传送马达位置信号；
第一关节编码器，其围绕第一关节布置，所述第一关节编码器被配置为测量关节位置并传送指示所述构件围绕所述第一关节的姿势的位置信号；和
控制器，其被配置为基于来自所述第一关节编码器的位置信号以及来自所述马达编码器的所述马达位置信号，向所述驱动马达发送控制信号以用于使所述构件和所述输入手柄围绕所述第一关节旋转以及用于控制所述机器人臂的运动。
2.根据权利要求1所述的控制臂，其进一步包括传动部件，所述传动部件设置在所述驱动马达与所述第一关节之间，以将所述构件联接至所述驱动马达。
3.根据权利要求2所述的控制臂，其中所述控制器被配置成传送控制信号以克服与所述传动部件相关联的摩擦，以使所述构件绕所述第一关节运动。
4.根据权利要求2所述的控制臂，其中所述驱动马达在第二关节处联接至所述传动部件。
5.根据权利要求4所述的控制臂，其中所述马达编码器在第二关节处联接至所述驱动马达。
6.根据权利要求1所述的控制臂，其中所述控制器配置成计算所述构件绕所述第一关节移动的方向。
7.根据权利要求6所述的控制臂，其中所述控制器被配置为响应于计算所述构件绕所述第一关节移动的方向而产生克服传动摩擦的控制信号。
8.根据权利要求6所述的控制臂，其中所述控制器配置成计算所述构件绕所述第一关节移动的速度。
9.根据权利要求8所述的控制臂，其中所述控制器被配置为响应于计算所述构件绕所述第一关节的方向和速度而产生克服传动摩擦的控制信号。
10.一种补偿机器人手术系统的传动部件中的摩擦的方法，所述方法包括：
从围绕第一关节布置的关节编码器接收围绕所述第一关节运动的构件的第一位置信息，所述构件包括输入手柄，所述输入手柄能够由用户操纵以使所述构件围绕所述第一关节运动以便控制机器人臂的运动，所述构件通过传动部件联接到在第一关节处的驱动马达；
从马达编码器接收所述驱动马达的马达位置信息；
基于所述第一位置信息和所述马达位置信息之间的差计算位置误差；
基于所述位置误差和所述第一位置信息，计算所述构件的第一方向和第一速度；
将控制信号传输到所述驱动马达，以使所述驱动马达基于所述控制信号克服与所述传动部件与所述构件的运动配合相关的传动摩擦；和
使所述构件和所述输入手柄基于所述控制信号围绕所述第一关节旋转以及使所述机器人臂运动。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
响应于所述构件绕第一关节运动而从所述关节编码器接收第二位置信息；
计算绕第一关节运动的所述构件的第二方向和第二速度；和
比较第一方向和第二方向。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括当第一方向不同于第二方向时，传输控制信号以使所述驱动马达在第二方向上移动预定距离。
13.一种补偿机器人手术系统的构件和驱动马达之间的位置偏移的方法，所述方法包括：
从围绕第一关节布置的第一关节编码器接收第一位置信息，所述第一关节可操作地将构件连接至驱动马达，所述构件包括输入手柄，所述输入手柄能够由用户操纵以使所述构件围绕所述第一关节运动以便控制机器人臂的运动；
从马达编码器接收所述驱动马达的马达位置信息；
基于所述第一位置信息和所述马达位置信息之间的差计算位置误差；
基于所述位置误差和所述第一位置信息，计算所述构件围绕第一关节的第一运动方向；
从所述第一关节编码器接收第二位置信息；
计算所述构件围绕第一关节的第二运动方向；
比较第一运动方向和第二运动方向；
当第一运动方向不同于第二运动方向时，传输控制信号以使所述驱动马达基于所述控制信号在第一运动方向上移动预定距离；和
使所述构件和所述输入手柄基于所述控制信号围绕所述第一关节旋转以及使所述机器人臂运动。
14.根据权利要求13所述的方法，其中传输控制信号包括在第一运动方向上旋转所述驱动马达预定距离，所述驱动马达在第二关节处联接到传动部件。
15.根据权利要求13所述的方法，其中传输控制信号包括旋转所述驱动马达预定距离，其中所述预定距离等于偏移距离。
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