機(jī)器人和控制該機(jī)器人的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種機(jī)器人和控制該機(jī)器人的方法，所述機(jī)器人包括：多工具模塊，包括引導(dǎo)管和多個(gè)工具，所述多個(gè)工具在與引導(dǎo)管彼此互鎖時(shí)操作并從引導(dǎo)管叉開(kāi)，所述多工具模塊具有冗余度；控制器，基于關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息產(chǎn)生關(guān)于所述多工具模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)，利用冗余度產(chǎn)生所述控制信號(hào)。多個(gè)工具的工作空間可被擴(kuò)大，并且那些由傳統(tǒng)的工具控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)可被執(zhí)行，工具的關(guān)節(jié)所需的剛度可被最小化，工具和周?chē)系K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(wú)法執(zhí)行的復(fù)雜任務(wù)可被執(zhí)行。
【專(zhuān)利說(shuō)明】機(jī)器人和控制該機(jī)器人的方法
[0001] 本申請(qǐng)要求于2013年3月15日提交到韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的第10-2013-0028308號(hào) 韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的權(quán)益，所述韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用被包含于此。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種具有多個(gè)工具的機(jī)器人和控制該機(jī)器人的方法。

【背景技術(shù)】
[0003] 通常，利用電作用或磁作用做出和人體運(yùn)動(dòng)相似的運(yùn)動(dòng)的機(jī)械裝置被稱(chēng)為機(jī)器 人。近來(lái)，由于控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人（諸如手術(shù)機(jī)器人、管家機(jī)器人、用于公共場(chǎng)所的服 務(wù)機(jī)器人、航空遠(yuǎn)程機(jī)器人和危險(xiǎn)品處理機(jī)器人）已經(jīng)被使用在各種領(lǐng)域中。這些機(jī)器人 利用機(jī)械手執(zhí)行任務(wù)，機(jī)械手被構(gòu)造為基于機(jī)電原理做接近于臂或手的動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)。
[0004] 在上述各種類(lèi)型的機(jī)器人中的手術(shù)機(jī)器人包括主控裝置和從屬機(jī)器人，主控裝置 由操縱者（主要為醫(yī)生）的操縱而產(chǎn)生和傳送必要的信號(hào)，從屬機(jī)器人響應(yīng)于從主控裝置 接收的信號(hào)對(duì)病人執(zhí)行手術(shù)所需的操作。主控裝置和從屬機(jī)器人以有線/無(wú)線方式連接， 使得可以以遠(yuǎn)程方式執(zhí)行手術(shù)。
[0005] 利用現(xiàn)有的手術(shù)機(jī)器人的微創(chuàng)手術(shù)主要是基于多端口手術(shù)（multi-port surgery)的，通過(guò)多端口手術(shù)，每個(gè)均具有附著有末端效應(yīng)器的末端的多個(gè)手術(shù)器械通過(guò) 多個(gè)切口被放入病人的身體內(nèi)。然而，近來(lái)單端口手術(shù)（single-port surgery)的示例也 日益增加，通過(guò)單端口手術(shù)，多個(gè)手術(shù)器械通過(guò)一個(gè)切口被放入病人的身體內(nèi)。單端口手術(shù) 具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如，比多端口手術(shù)更短的治療周期以及在外觀方面比多端口手術(shù)更少的 手術(shù)痕跡。然而，在單端口手術(shù)中可能會(huì)發(fā)生手術(shù)器械之間的干涉，并且由于手術(shù)器械的工 作空間的限制，可適用的手術(shù)的范圍受到限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 因此，本發(fā)明的一方面提供一種機(jī)器人和控制該機(jī)器人的方法，所述機(jī)器人包括 安裝臂、引導(dǎo)管和多個(gè)工具，引導(dǎo)管被安裝在安裝臂上，所述多個(gè)工具具有末端效應(yīng)器并從 引導(dǎo)管叉開(kāi)，所述機(jī)器人控制安裝臂、引導(dǎo)管和多個(gè)工具在彼此互鎖時(shí)操作，利用由于近端 (即，安裝臂和引導(dǎo)管）的自由度產(chǎn)生的冗余度，因此，所述多個(gè)工具的工作空間可被擴(kuò)大， 并且那些由傳統(tǒng)的工具控制方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)可被執(zhí)行。
[0007] 本發(fā)明的另一方面提供一種機(jī)器人和控制該機(jī)器人的方法，所述機(jī)器人包括安裝 臂、引導(dǎo)管和多個(gè)工具，引導(dǎo)管被安裝在安裝臂上，所述多個(gè)工具具有末端效應(yīng)器并從引 導(dǎo)管叉開(kāi)，所述機(jī)器人控制安裝臂、引導(dǎo)管和多個(gè)工具在彼此互鎖時(shí)操作，利用由于近端 (即，安裝臂和引導(dǎo)管）的自由度產(chǎn)生的冗余度，因此，工具的關(guān)節(jié)所需的剛度可被最小化， 并且工具和周?chē)系K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(jī)器人和控制該機(jī)器人的方法，所述機(jī)器人包括安裝 臂、引導(dǎo)管和多個(gè)工具，引導(dǎo)管被安裝在安裝臂上，所述多個(gè)工具具有末端效應(yīng)器并從引 導(dǎo)管叉開(kāi)，所述機(jī)器人控制安裝臂、引導(dǎo)管和多個(gè)工具在彼此互鎖時(shí)操作，利用由于近端 (即，安裝臂和引導(dǎo)管）的自由度產(chǎn)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(wú)法執(zhí)行的復(fù)雜任務(wù)可被執(zhí)行。
[0009] 本公開(kāi)的其他方面一部分將在下面的描述中進(jìn)行闡述，一部分將通過(guò)該描述而變 得明顯，或者可通過(guò)對(duì)該公開(kāi)的實(shí)施而了解。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種機(jī)器人，包括：多工具模塊，包括引導(dǎo)管和多個(gè)工具，所 述多個(gè)工具在與引導(dǎo)管彼此互鎖時(shí)操作并從引導(dǎo)管叉開(kāi)，所述多工具模塊具有冗余度；控 制器，基于關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息而產(chǎn)生關(guān)于所述多工具 在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)，其中，冗余度反應(yīng)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(hào)利用冗余度產(chǎn) 生。
[0011] 所述引導(dǎo)管和多個(gè)工具中的每一個(gè)均可包括多個(gè)連接件和多個(gè)關(guān)節(jié)，并且在所述 多個(gè)工具的末端上可安裝末端效應(yīng)器。
[0012] 控制器可計(jì)算與關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息相對(duì)應(yīng) 的雅可比矩陣，并且控制器可利用冗余度基于關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn) 動(dòng)指令信息和所計(jì)算的雅可比矩陣而產(chǎn)生關(guān)于所述多工具模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控 制信號(hào)。
[0013] 當(dāng)所述控制信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，控制器可計(jì)算所述機(jī)器人的目標(biāo)函數(shù)，并且所述目標(biāo)函 數(shù)可被表達(dá)為多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)總和。
[0014] 所述多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)中的每一個(gè)可包括每個(gè)工具與接合極限之間的距離的倒 數(shù)。
[0015] 所述多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)中的每一個(gè)可包括每個(gè)工具與單個(gè)姿勢(shì)之間的距離的倒 數(shù)。
[0016] 所述多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)中的每一個(gè)可包括接合扭矩平方和。
[0017] 所述多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)中的每一個(gè)可包括以及每個(gè)工具與周?chē)系K物之間的距 離的倒數(shù)。
[0018] 控制器可產(chǎn)生關(guān)于在所計(jì)算的機(jī)器人的目標(biāo)函數(shù)被最小化的接合空間中的運(yùn)動(dòng) 的控制信號(hào)。
[0019] 所述機(jī)器人還可包括存儲(chǔ)單元，所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)了：計(jì)算雅可比矩陣所需的 算法和關(guān)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)的信息、計(jì)算目標(biāo)函數(shù)所需的用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)個(gè)體的目標(biāo)的 多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)以及根據(jù)機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)的類(lèi)型與個(gè)體目標(biāo)函數(shù)相乘的權(quán)重。
[0020] 當(dāng)對(duì)關(guān)于多個(gè)工具的末端在接合空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息設(shè)置優(yōu)先級(jí)時(shí)，控制器可 計(jì)算在工作空間中與具有相對(duì)高的優(yōu)先級(jí)的運(yùn)動(dòng)指令信息相對(duì)應(yīng)的雅可比矩陣和在工作 空間中與具有相對(duì)低的優(yōu)先級(jí)的運(yùn)動(dòng)指令信息相對(duì)應(yīng)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(shè)置了優(yōu)先級(jí)的多條運(yùn)動(dòng)指令信息和所計(jì)算的雅可比矩陣而產(chǎn) 生關(guān)于所述多工具模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)。
[0021 ] 當(dāng)所述控制信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，控制器可計(jì)算所述機(jī)器人的目標(biāo)函數(shù)，并且所述目標(biāo)函 數(shù)可被表達(dá)為多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)總和。
[0022] 控制器可產(chǎn)生關(guān)于在所計(jì)算的機(jī)器人的目標(biāo)函數(shù)被優(yōu)化或局部?jī)?yōu)化的接合空間 中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)。
[0023] 所述機(jī)器人還可包括存儲(chǔ)單元，所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)了：對(duì)關(guān)于多個(gè)工具的末端 在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息設(shè)置的優(yōu)先級(jí)和計(jì)算雅可比矩陣所需的算法、關(guān)于機(jī)器人的 運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)的信息、計(jì)算目標(biāo)函數(shù)所需的用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)個(gè)體的目標(biāo)的多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)以 及根據(jù)機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)的類(lèi)型與個(gè)體目標(biāo)函數(shù)相乘的權(quán)重。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種控制機(jī)器人的方法，所述機(jī)器人包括具有引導(dǎo)管和 多個(gè)工具的多工具模塊，所述多個(gè)工具在與引導(dǎo)管彼此互鎖時(shí)操作并從引導(dǎo)管叉開(kāi)，所述 多工具模塊具有冗余度，所述方法包括：產(chǎn)生關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的的 運(yùn)動(dòng)指令信息；基于關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息而產(chǎn)生關(guān)于所 述多工具模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)，其中，冗余度反應(yīng)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(hào) 利用冗余度產(chǎn)生。
[0025] 所述引導(dǎo)管和多個(gè)工具中的每一個(gè)均可包括多個(gè)連接件和多個(gè)關(guān)節(jié)，并且在所述 多個(gè)工具的末端上可安裝末端效應(yīng)器。
[0026] 產(chǎn)生關(guān)于所述多工具模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)可包括：計(jì)算與關(guān)于所 述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息相對(duì)應(yīng)的雅可比矩陣，利用冗余度基于關(guān) 于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息和所計(jì)算的雅可比矩陣而產(chǎn)生關(guān)于 所述多工具模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)。
[0027] 產(chǎn)生關(guān)于所述多工具模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)可包括：計(jì)算機(jī)器人的 目標(biāo)函數(shù)；產(chǎn)生關(guān)于在所計(jì)算的機(jī)器人的目標(biāo)函數(shù)被優(yōu)化或局部?jī)?yōu)化的接合空間中的運(yùn)動(dòng) 的控制信號(hào)。
[0028] 所述目標(biāo)函數(shù)可被表達(dá)為多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)總和。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029] 通過(guò)下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例進(jìn)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(jù)本發(fā)明實(shí)施例的手術(shù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的透視圖；
[0031] 圖2示出了圖1中所示的A部分的內(nèi)部；
[0032] 圖3A是示出構(gòu)成圖1中的手術(shù)機(jī)器人的從屬機(jī)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(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)，圖3C是來(lái)自圖3B中所示的B部分的兩個(gè)工 具和一個(gè)內(nèi)窺鏡的透視圖；
[0033] 圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的手術(shù)機(jī)器人的控制框圖；
[0034] 圖5是示出本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的工具的工作空間的擴(kuò)展的概念圖；
[0035] 圖6是示出本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的將工具的關(guān)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(shí)現(xiàn)的將工具和周?chē)系K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(shí)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(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行的概念圖；
[0039] 圖10是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的控制手術(shù)機(jī)器人的方法的流程圖；
[0040] 圖11是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的手術(shù)機(jī)器人的控制框圖；
[0041] 圖12是示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的控制手術(shù)機(jī)器人的方法的流程圖；
[0042] 圖13是人形機(jī)器人的外部結(jié)構(gòu)視圖；
[0043] 圖14是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的人形機(jī)器人的控制框圖；
[0044] 圖15是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的控制人形機(jī)器人的方法的流程圖；
[0045] 圖16是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的人形機(jī)器人的控制框圖；
[0046] 圖17是示出根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的控制人形機(jī)器人的方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0047] 現(xiàn)在將對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)地描述，在附圖中示出了本發(fā)明的示例，其中， 相同的標(biāo)號(hào)始終指示相同的元件。
[0048] 圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的手術(shù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)的透視圖，圖2示出了圖1中 所示的A部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。具體地說(shuō)，圖1示出了每個(gè)均具有附著有末端效應(yīng)器的末端的 多個(gè)手術(shù)器械的單端口機(jī)器人通過(guò)一個(gè)切口被放入病人的身體內(nèi)，從而可在人體的各部位 中執(zhí)行手術(shù)。下面將描述在利用單端口機(jī)器人的手術(shù)中所必需的以下要求。第一，由于多 個(gè)手術(shù)器械通過(guò)一個(gè)切口被放入病人的身體，隨后要被移動(dòng)到用于手術(shù)任務(wù)的任意位置， 以執(zhí)行手術(shù)任務(wù)，因此要求手術(shù)器械的工作空間寬敞。第二，手術(shù)器械需要具有高的自由度 以便其可執(zhí)行各種任務(wù)并可最小化其與身體組織（諸如腹腔壁）的碰撞。第三，當(dāng)手術(shù)器 械被放入身體內(nèi)時(shí)，當(dāng)手術(shù)器械執(zhí)行手術(shù)任務(wù)時(shí)要求其有柔性并具有高的剛度。即，當(dāng)利用 單端口機(jī)器人執(zhí)行手術(shù)時(shí)，要求保證手術(shù)器械同時(shí)滿(mǎn)足手術(shù)器械能夠在其中自由移動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)中的自由度。運(yùn)動(dòng)學(xué)的D0F是機(jī)構(gòu) 的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)量，或者是用于確定連接件之間的相對(duì)位置處的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)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(gè)自 由度（3D0F)(位于每個(gè)軸上）和用于確定物體的空間方向的三個(gè)自由度（3D0F)(關(guān)于每個(gè) 軸的旋轉(zhuǎn)角度）中的至少一個(gè)。如果物體可沿著每個(gè)軸運(yùn)動(dòng)并可繞著每個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，則物體 可具有六個(gè)自由度（6D0F)。
[0050] 如圖1中所示，手術(shù)機(jī)器人可包括：從屬機(jī)器人200,用于對(duì)躺在手術(shù)臺(tái)上的病人 執(zhí)行手術(shù)；主控裝置1〇〇,通過(guò)操縱者（主要為外科醫(yī)生）的操縱來(lái)遠(yuǎn)程地控制從屬機(jī)器人 200。主控裝置100根據(jù)操縱者（主要為外科醫(yī)生）的操縱產(chǎn)生控制信號(hào)并將所產(chǎn)生的控 制信號(hào)傳送給從屬機(jī)器人200。同時(shí)，從屬機(jī)器人200從主控裝置100接收所述控制信號(hào)并 根據(jù)所接收的控制信號(hào)來(lái)對(duì)病人執(zhí)行手術(shù)所需的操縱。這里，主控裝置1〇〇和從屬機(jī)器人 200不一定作為物理上獨(dú)立的、分開(kāi)的裝置而彼此分開(kāi)，而是可以彼此結(jié)合并可被構(gòu)造為一 體形狀。
[0051] 如圖1中所示，從屬機(jī)器人200可包括安裝臂202和圓柱形殼208。
[0052] 從屬機(jī)器人200的安裝臂202可被實(shí)現(xiàn)為以多自由度被驅(qū)動(dòng)。安裝臂202包括多 個(gè)連接件（參見(jiàn)圖3A中的206a、206b和206c)和多個(gè)關(guān)節(jié)（參見(jiàn)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(gè)工具214a與214b和/ 或內(nèi)窺鏡216的引導(dǎo)管212以及用于驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)管212和多個(gè)工具214a與214b和/或內(nèi)窺 鏡216的驅(qū)動(dòng)單元（參見(jiàn)圖3B中的270)可被安裝在圓柱形殼208中。這里，引導(dǎo)管212 連接并安裝到安裝臂202中。當(dāng)從屬機(jī)器人200不執(zhí)行手術(shù)時(shí)，引導(dǎo)管212被嵌入圓柱形 殼208中，如圖1和圖2中所示，當(dāng)從屬機(jī)器人200執(zhí)行手術(shù)時(shí)，被嵌入圓柱形殼208中的 引導(dǎo)管212從圓柱形殼208中出來(lái)并插入病人的身體內(nèi)。下面將更詳細(xì)地描述引導(dǎo)管212 插入病人的身體內(nèi)并執(zhí)行手術(shù)任務(wù)的情形（即，圖1中所示的A部分的內(nèi)部形狀）。如圖2 中所示，如果引導(dǎo)管212通過(guò)在病人的皮膚中形成的切口 I被放入身體內(nèi)，然后靠近要執(zhí)行 操作的部位（操作部位），多個(gè)工具214a與214b和內(nèi)窺鏡216從引導(dǎo)管212叉開(kāi)，以便可 執(zhí)行手術(shù)任務(wù)。這里，與安裝臂202中相同，多個(gè)工具214a與214b和內(nèi)窺鏡216可包括多 個(gè)連接件和多個(gè)關(guān)節(jié)，并可被實(shí)現(xiàn)為以多自由度驅(qū)動(dòng)。用于執(zhí)行用于在腹腔內(nèi)接觸器官、剪 切和縫合的直接手術(shù)任務(wù)的手術(shù)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(yīng)器218a和218b)被安裝在多個(gè)工具214a與214b的各個(gè)末端。
[0054] 雖然內(nèi)窺鏡216從廣義上講可以是從引導(dǎo)管212叉開(kāi)的多個(gè)工具214a與214b中 的一個(gè)，但是考慮到手術(shù)機(jī)器人的特性，下面將分別描述多個(gè)工具214a與214b和內(nèi)窺鏡 216,多個(gè)工具214a與214b分別具有末端，在操作部位上執(zhí)行直接手術(shù)任務(wù)（諸如剪切和 縫合）的末端效應(yīng)器218a和218b設(shè)置在所述末端中，具有多個(gè)關(guān)節(jié)的內(nèi)窺鏡216用于協(xié) 助末端效應(yīng)器218a和218b的操作而不對(duì)操作部位執(zhí)行直接操作。
[0055] 這里，主要被用于機(jī)器人手術(shù)中的各種手術(shù)內(nèi)窺鏡（諸如，胸腔鏡、關(guān)節(jié)鏡、鼻鏡 以及腹腔鏡）可被用作內(nèi)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(guò)主操縱單元112L和112R來(lái)操縱安裝臂202、引導(dǎo)管212、多個(gè)工具214a與214b 和內(nèi)窺鏡216的位置和功能。主操縱單元112L和112R可被實(shí)現(xiàn)為具有六個(gè)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(yùn)動(dòng)以及沿著側(cè)傾方向（roll direction)、俯仰方向（pitch direction)、橫擺方向（yaw direction)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖 1中所示，主操縱單元112L和112R可以被實(shí)現(xiàn)為具有兩個(gè)手柄，由操縱者的手柄操縱產(chǎn)生 的控制信號(hào)被傳送給從屬機(jī)器人200,從而控制包括有安裝臂202的從屬機(jī)器人200的操 作。通過(guò)操縱者的手柄操縱，可執(zhí)行安裝臂202、引導(dǎo)管212、多個(gè)工具214a與214b和內(nèi)窺 鏡216的平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及大量的手術(shù)任務(wù)（例如，剪切、套管插入術(shù)等）。
[0058] 另外，主控裝置100包括兩個(gè)離合器踏板傳感器114L和114R，操縱者用他/她的 腳來(lái)踩踏或按壓離合器踏板傳感器114L和114R，以擴(kuò)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(gè)手柄的主操縱單元112L和112R和兩個(gè)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(dǎo)管212的位置和操作。此外，在設(shè) 置在主控裝置100上的模式開(kāi)關(guān)（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(kāi)關(guān)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(nèi)窺鏡216的位置和操作。另外，在模式開(kāi)關(guān)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(nèi)窺鏡216 的位置和操作。
[0060] 在圖1中，兩個(gè)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(shí)時(shí)操縱多個(gè)手術(shù)裝備（例如，引導(dǎo)管、多個(gè)工具）。這里，手柄112L和112R根 據(jù)其操縱方法可具有各種機(jī)械構(gòu)造。例如，可使用具有3D運(yùn)動(dòng)并操作安裝臂202、引導(dǎo)管 212、多個(gè)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(gè) 連接件和多個(gè)關(guān)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(cè) 連接到手柄112L和112R的每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)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(gè)關(guān)節(jié)中的每個(gè)關(guān)節(jié)上。
[0061] 由內(nèi)窺鏡（參見(jiàn)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(gè)或者更多個(gè)監(jiān)視器，并可產(chǎn)生手術(shù)所需的多條信息以分 別被顯示在每個(gè)監(jiān)視器上。在圖1中，顯示單元116包括三個(gè)監(jiān)視器。然而，監(jiān)視器的數(shù)量 可以根據(jù)要被顯示的信息的類(lèi)型或種類(lèi)以不同的方式來(lái)確定。
[0063] 主控裝置100和從屬機(jī)器人200可通過(guò)有線/無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)彼此連接，以便控制 信號(hào)、通過(guò)內(nèi)窺鏡216輸入的內(nèi)窺鏡圖像以及通過(guò)超聲探頭（未示出）輸入的超聲波圖像 能夠被傳送給對(duì)方（從屬機(jī)器人或主控裝置）。如果由設(shè)置在主控裝置100上的主操縱單 元（手柄）產(chǎn)生的兩個(gè)控制信號(hào)（例如，用于控制從引導(dǎo)管212叉開(kāi)的第一工具214a的位 置的控制信號(hào)和用于控制從引導(dǎo)管212叉開(kāi)的第二工具214b的位置的控制信號(hào)）需要被 同時(shí)或者近似同時(shí)傳送，則所述控制信號(hào)可以被分別傳送給從屬機(jī)器人200。
[0064] 這里，"分別"傳送控制信號(hào)是指一個(gè)控制信號(hào)不影響另一個(gè)控制信號(hào)，無(wú)干擾。這 樣，為了分別傳送多個(gè)控制信號(hào)，在產(chǎn)生控制信號(hào)的操作期間可通過(guò)增加關(guān)于每個(gè)控制信 號(hào)的頭信息來(lái)傳送多個(gè)控制信號(hào)、根據(jù)其產(chǎn)生的順序來(lái)傳送控制信號(hào)，或者根據(jù)關(guān)于控制 信號(hào)傳送順序而預(yù)先設(shè)置的控制信號(hào)的優(yōu)先順序來(lái)傳送控制信號(hào)可使用各種方法。在這種 情形下，分別設(shè)置傳送控制信號(hào)的傳送路徑，從而，可從根本上防止控制信號(hào)之間的干擾。 [0065] 圖3A是示出構(gòu)成圖1中的手術(shù)機(jī)器人的從屬機(jī)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(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)，圖3C是來(lái)自圖3B中所示的B部分（引導(dǎo)管 212的末端）的兩個(gè)工具和一個(gè)內(nèi)窺鏡的透視圖。
[0066] 如圖3A中所示，從屬機(jī)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(gè)連接件和多個(gè)關(guān)節(jié)。
[0067] 從屬機(jī)器人200的主體201是用于安裝和支撐執(zhí)行手術(shù)任務(wù)的安裝臂202的部 件，多個(gè)腳輪201a被安裝在主體201的底端，以移動(dòng)從屬機(jī)器人200的位置?？稍诿總€(gè)腳 輪201a上設(shè)置用于改變多個(gè)腳輪201a的操作狀態(tài)的杠桿（未示出）。操縱者可調(diào)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(dòng)、自由旋轉(zhuǎn)（free swivel)、方向鎖定或旋轉(zhuǎn)鎖定。
[0068] 從屬機(jī)器人200的安裝臂202可包括三個(gè)連接件（第一至第三連接件）206a至 206c以及三個(gè)關(guān)節(jié)（第一至第三關(guān)節(jié)）204a至204c。
[0069] 構(gòu)成安裝臂202的第一連接件206a具有直的柱狀并被設(shè)置為垂直于主體201。
[0070] 構(gòu)成安裝臂202的第一關(guān)節(jié)204a被設(shè)置在主體201和第一連接件206a之間的連 接部分上。第一關(guān)節(jié)204a可用沿著X軸、Y軸和Z軸之中指定的軸運(yùn)動(dòng)的棱柱形關(guān)節(jié)來(lái)實(shí) 現(xiàn)。第一關(guān)節(jié)204a可具有三個(gè)自由度，被用于調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)程中心（RCM)的X坐標(biāo)、Y坐 標(biāo)和Z坐標(biāo)，以有限度地控制被插入病人的身體內(nèi)的引導(dǎo)管212的操作。具體地，第一關(guān)節(jié) 204a具有包括X軸平移運(yùn)動(dòng)、Y軸平移運(yùn)動(dòng)和Z軸平移運(yùn)動(dòng)的三個(gè)自由度。為此，可在第一 關(guān)節(jié)204a上設(shè)置X軸驅(qū)動(dòng)單元（未示出）、Y軸驅(qū)動(dòng)單元（未示出）和Z軸驅(qū)動(dòng)單元（未 示出）。
[0071] 第二連接件206b機(jī)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(guān)節(jié)204b被設(shè)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(guān)節(jié)204b可用圍繞X軸、Y軸和Z軸中指定的軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)副關(guān)節(jié)（revolute joint)來(lái) 實(shí)現(xiàn)。第二關(guān)節(jié)204b可具有兩個(gè)自由度，作為用于使其中嵌入有引導(dǎo)管212的殼208旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)的部件。具體地，第二關(guān)節(jié)204b具有包括殼208的側(cè)傾方向旋轉(zhuǎn)和俯仰方向旋轉(zhuǎn)的兩 個(gè)自由度。為此，可在第二關(guān)節(jié)204b上設(shè)置側(cè)傾驅(qū)動(dòng)單元（未示出）、俯仰驅(qū)動(dòng)單元（未示 出）。
[0073] 第三連接件206c機(jī)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(shè)置在第三連接件206c的上部。
[0074] 多工具模塊210和驅(qū)動(dòng)單元270可以被嵌入圓柱形殼208中（參見(jiàn)圖3B)，多工具 模塊210包括連接到安裝臂202的引導(dǎo)管212、被設(shè)置在引導(dǎo)管212中的多個(gè)工具214a與 214b和內(nèi)窺鏡216,驅(qū)動(dòng)單元270用于驅(qū)動(dòng)多工具模塊210的部件（引導(dǎo)管、多個(gè)工具和內(nèi) 窺鏡）。如圖3A中所示，當(dāng)從屬機(jī)器人200不執(zhí)行手術(shù)時(shí)，多工具模塊210 (即，包括多個(gè) 工具214a與214b和內(nèi)窺鏡216的引導(dǎo)管212)被嵌入圓柱形殼208中，使得引導(dǎo)管212不 被暴露在外面。配備有引導(dǎo)管212的殼208可以被實(shí)現(xiàn)為與第三連接件206c機(jī)械地分開(kāi)。 以這種方式，當(dāng)配備有引導(dǎo)管212的殼208與第三連接件206c機(jī)械地分開(kāi)時(shí)，在手術(shù)中使 用的引導(dǎo)管212可被容易地替換或消毒。
[0075] 第三關(guān)節(jié)204c被設(shè)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(guān)節(jié)204c可用圍繞X軸、Y軸和Z軸中指定的軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)副關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。第三關(guān)節(jié) 204c可具有一個(gè)自由度，作為用于使其中配備有引導(dǎo)管212的殼208旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件。具 體地，第三關(guān)節(jié)204c包括殼208的橫擺方向旋轉(zhuǎn)的一個(gè)自由度。為此，可在第三關(guān)節(jié)204c 上設(shè)置橫擺驅(qū)動(dòng)單元（未示出）。
[0076] 如上所述，當(dāng)從屬機(jī)器人200不執(zhí)行手術(shù)時(shí)，多工具模塊210和驅(qū)動(dòng)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(dǎo)管212、被設(shè)置在引導(dǎo)管212中 的多個(gè)工具214a與214b和內(nèi)窺鏡216,驅(qū)動(dòng)單元270連接到多工具模塊210并包括致動(dòng)器 (諸如用于驅(qū)動(dòng)多工具模塊210的每個(gè)部件的電機(jī)）。
[0077] 同時(shí)，利用包括引導(dǎo)管212、被設(shè)置在引導(dǎo)管212中的多個(gè)工具214a與214b和內(nèi) 窺鏡216的多工具模塊210的機(jī)器人手術(shù)的過(guò)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(dāng)從屬機(jī)器人200執(zhí)行手術(shù)時(shí)，被嵌入圓柱形殼208中的多工具模塊210 (更嚴(yán)格 地說(shuō)，引導(dǎo)管212)從殼208中出來(lái)并通過(guò)形成在病人皮膚中的切口 I插入身體內(nèi)。在將引 導(dǎo)管212插入身體內(nèi)的操作期間，與圖3B的B部分相同，在多個(gè)工具214a、214b以及內(nèi)窺 鏡216從引導(dǎo)管212叉開(kāi)之前（S卩，在多個(gè)工具214a和214b以及內(nèi)窺鏡216被折疊在引 導(dǎo)管212的內(nèi)部空間中的狀態(tài)下）被放入病人的身體內(nèi)。
[0079] 如圖3C中所示，如果在將被插入病人的身體中的引導(dǎo)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(dǎo)管212靠近操作部位，每個(gè)均在其末端安裝 有末端效應(yīng)器218a和218b的多個(gè)工具214a和214b以及內(nèi)窺鏡216從引導(dǎo)管212叉開(kāi)， 從而可執(zhí)行手術(shù)任務(wù)。圖3C是來(lái)自引導(dǎo)管212的末端（圖3B的B部分）的兩個(gè)工具（第 一工具214a和第二工具214b)和內(nèi)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(gòu)成具有從屬機(jī)器人200的手術(shù)機(jī)器人中的 從屬機(jī)器人200的部件的操作的方法，如圖3A至圖3C所示，從屬機(jī)器人包括安裝臂202、 連接到安裝臂202的引導(dǎo)管212、被設(shè)置在引導(dǎo)管212中并在執(zhí)行手術(shù)時(shí)從引導(dǎo)管212叉 開(kāi)的多個(gè)工具214a與214b和內(nèi)窺鏡216。當(dāng)部件（S卩，安裝臂202、引導(dǎo)管212、多個(gè)工具 214a與214b、一個(gè)內(nèi)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(shí)（即，當(dāng)手術(shù)機(jī)器人（具體為從屬機(jī)器人）具有冗余度 時(shí)）利用冗余度。
[0081] 為了更加詳細(xì)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(dǎo)管212、被設(shè)置在引導(dǎo)管212中并在執(zhí)行手術(shù)時(shí)從引導(dǎo)管212叉開(kāi)的多個(gè) 工具214a與214b和內(nèi)窺鏡216的從屬機(jī)器人200中，如圖3A至圖3C所示，安裝臂202、引 導(dǎo)管212、兩個(gè)工具214a與214b和一個(gè)內(nèi)窺鏡216中的每一個(gè)均包括多個(gè)連接件和多個(gè) 關(guān)節(jié)。另外，前提是，安裝臂202和引導(dǎo)管212在彼此互鎖（interlocking)時(shí)操作，引導(dǎo)管 212和工具214a、214b中的每個(gè)工具在彼此互鎖時(shí)操作，引導(dǎo)管212和一個(gè)內(nèi)窺鏡216在 彼此互鎖時(shí)操作。這里，當(dāng)從屬機(jī)器人200被這樣制造時(shí)：通過(guò)將安裝臂202在接合空間中 的自由度a實(shí)現(xiàn)為6 (沿著X、Y、Z方向的三個(gè)平移自由度⑶和沿著側(cè)傾方向、俯仰方向、 橫擺方向方向的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的總和），引導(dǎo)管212在接合空間的自由度b為6 (引導(dǎo)管 212的一部分的兩個(gè)彎曲自由度、引導(dǎo)管212的另一部分的兩個(gè)彎曲自由度、沿著插入方向 的一個(gè)自由度和沿著側(cè)傾方向的一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的總和），第一工具214a和第二工具214b 中的每一個(gè)在接合空間中的自由度c和d為6,內(nèi)窺鏡216在接合空間中的自由度e為3(沿 著側(cè)傾方向、俯仰方向、橫擺方向的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度（3))，包括上述所有部件的從屬機(jī)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(shí)，為使用在包括X軸、Y軸、Z軸的3D空間中包括多個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)單元（例如： 工具或內(nèi)窺鏡）執(zhí)行任意任務(wù)在工作空間中所需的自由度是6 (沿著X、Y、Z方向的三個(gè)平 移自由度⑶和沿著側(cè)傾、俯仰、橫擺方向的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度⑶的總和）。
[0083] 圖3A至圖3C中示出的包括兩個(gè)工具214a、214b以及內(nèi)窺鏡216的從屬機(jī)器人 200中，當(dāng)?shù)谝还ぞ?14a和第二工具214b中的每個(gè)工具在接合空間中的自由度f(wàn)和g (即， 在工作空間中手術(shù)操作所需的自由度）為6,并且內(nèi)窺鏡216在工作空間中的自由度h (僅 需要沿著側(cè)傾、俯仰、橫擺方向的旋轉(zhuǎn)自由度）為3時(shí)，包括兩個(gè)工具214a和214b以及內(nèi) 窺鏡216的從屬機(jī)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(dāng)多關(guān)節(jié)機(jī)器人在接合空間中的自由度N大于多關(guān)節(jié)機(jī)器人在工作空間中的自 由度Μ時(shí)，出現(xiàn)冗余度。由于從屬機(jī)器人200在接合空間中的自由度（N=27)大于從屬機(jī)器 人200在工作空間中的自由度（M=15)，所以從屬機(jī)器人200可以是一個(gè)具有冗余度的系統(tǒng)。 本發(fā)明致力于提出一種獲取構(gòu)成從屬機(jī)器人200的每個(gè)部件（S卩，安裝臂202、引導(dǎo)管212、 從引導(dǎo)管212叉開(kāi)的多個(gè)工具214a與214b和內(nèi)窺鏡216)在接合空間中的解的過(guò)程，以利 用這一冗余度來(lái)達(dá)到多個(gè)目標(biāo)。這里，構(gòu)成從屬機(jī)器人200的安裝臂202、引導(dǎo)管212、多個(gè) 工具214a與214b和內(nèi)窺鏡216中的每一個(gè)在每個(gè)接合空間中的解是在每個(gè)控制時(shí)段計(jì)算 的構(gòu)成安裝臂202的多個(gè)關(guān)節(jié)中的每一個(gè)關(guān)節(jié)的期望的旋轉(zhuǎn)角度、構(gòu)成引導(dǎo)管212的多個(gè) 關(guān)節(jié)中的每一個(gè)關(guān)節(jié)的期望的旋轉(zhuǎn)角度、構(gòu)成多個(gè)工具214a與214b的多個(gè)關(guān)節(jié)中的每一 個(gè)關(guān)節(jié)的期望的旋轉(zhuǎn)角度以及構(gòu)成內(nèi)窺鏡216的多個(gè)關(guān)節(jié)中的每一個(gè)關(guān)節(jié)的期望的旋轉(zhuǎn) 角度，以便執(zhí)行手術(shù)任務(wù)。
[0085] 圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的手術(shù)機(jī)器人的控制框圖。
[0086] 如圖4中所示，手術(shù)機(jī)器人包括主控裝置100A和從屬機(jī)器人200A。
[0087] 在本實(shí)施例中，前提是，組成從屬機(jī)器人200A的安裝臂202、引導(dǎo)管212、多個(gè)工具 214a與214b和內(nèi)窺鏡216中的每一個(gè)均包括多個(gè)連接件和多個(gè)關(guān)節(jié)。另外，在本實(shí)施例 中，前提是安裝臂202和引導(dǎo)管212在彼此互鎖時(shí)操作，引導(dǎo)管212和多個(gè)工具214a、214b 中的每個(gè)工具在彼此互鎖時(shí)操作，引導(dǎo)管212和一個(gè)內(nèi)窺鏡216在彼此互鎖時(shí)操作。另外， 本實(shí)施例的前提是從屬機(jī)器人200A具有冗余度的情形，S卩，當(dāng)從屬機(jī)器人200A在接合空間 中的自由度N大于從屬機(jī)器人200A在工作空間中的自由度Μ(N > M)時(shí)的情形。
[0088] 主控裝置100Α可包括位置/方向檢測(cè)單元120Α、速度檢測(cè)單元125Α、存儲(chǔ)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(cè)單元120Α檢測(cè)由操縱者操縱的主操縱單元112L和112R的位置和 方向。當(dāng)主操縱單元112L和112R被實(shí)現(xiàn)為具有六個(gè)自由度時(shí)，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(cè)單元120Α包括：旋轉(zhuǎn)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(gè)關(guān)節(jié)中的每一個(gè)關(guān)節(jié)上，并且用于檢測(cè)每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角 度；算術(shù)運(yùn)算模塊，通過(guò)將由旋轉(zhuǎn)角度傳感器檢測(cè)的每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度代入主操縱單元 112L和112R的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的方程式來(lái)計(jì)算主操縱單元112L和112R的3D空間中的位置和 方向信息。旋轉(zhuǎn)角度傳感器可以是編碼器或電位計(jì)。這里，已經(jīng)對(duì)包括旋轉(zhuǎn)角度傳感器和 算術(shù)運(yùn)算模塊的位置/方向檢測(cè)單元120Α進(jìn)行了描述。然而，可檢測(cè)關(guān)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(cè)單元120Α。
[0090] 速度檢測(cè)單元125Α被安裝在連接到主操縱單元112L和112R的多個(gè)關(guān)節(jié)中的每 一個(gè)關(guān)節(jié)上并用于檢測(cè)主操縱單元112L和112R的速度（更具體地說(shuō)，是連接到主操縱單 元112L和112R的每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度）。轉(zhuǎn)速計(jì)可被用作速度檢測(cè)單元125Α。在本實(shí)施 例中，利用速度檢測(cè)單元125Α檢測(cè)主操縱單元112L和112R的速度。然而，在不使用附加 的速度檢測(cè)裝置（速度傳感器）的情況下，可通過(guò)對(duì)構(gòu)成位置/方向檢測(cè)單元120Α的旋轉(zhuǎn) 角度傳感器（例如，編碼器）的輸出值進(jìn)行微分來(lái)計(jì)算主操縱單元112L和112R的速度，并 且所計(jì)算的速度信息可以被使用。
[0091] 存儲(chǔ)單元130Α是其中存儲(chǔ)有利用從屬機(jī)器人200Α的冗余度來(lái)計(jì)算接合空間中的 解（即，構(gòu)成安裝臂202、引導(dǎo)管212、多個(gè)工具214a、214b和內(nèi)窺鏡216的每個(gè)關(guān)節(jié)的期望 的旋轉(zhuǎn)角度）所需的算法和信息的存儲(chǔ)器。在存儲(chǔ)單元130A中存儲(chǔ)有：當(dāng)執(zhí)行主控裝置 100A的主操縱單元112L和112R的操作和從屬機(jī)器人200A的末端（多個(gè)工具和內(nèi)窺鏡） 的操作之間的運(yùn)動(dòng)縮放時(shí)采用的縮放因子，計(jì)算雅可比矩陣（Jacobian matrix)所需的算 法、關(guān)于從屬機(jī)器人200A的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)的信息、計(jì)算目標(biāo)函數(shù)所需的用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)個(gè)體的 目標(biāo)的多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)、學(xué)習(xí)關(guān)于構(gòu)成手術(shù)機(jī)器人的多個(gè)操作的結(jié)果以及與根據(jù)手術(shù)任 務(wù)的類(lèi)型與個(gè)體目標(biāo)函數(shù)相乘的權(quán)重。
[0092] 另外，存儲(chǔ)單元130A可存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)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(shù)機(jī)器人的整體操作的處理器，包括轉(zhuǎn)換單元 141A、冗余度逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)判讀單元142A和圖像處理單元147A。
[0094] 轉(zhuǎn)換單元141A將由位置/方向檢測(cè)單元120A檢測(cè)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(zhuǎn)換成從屬機(jī)器人200A在工作空間中的運(yùn) 動(dòng)指令信息（即，操縱者期望的從屬機(jī)器人200Α的末端（多個(gè)工具每個(gè)的末端和內(nèi)窺鏡的 末端）的位置和方向信息X、y、ζ、α、β和 Υ)。轉(zhuǎn)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(jī)器人200Α的末端（多個(gè)工具和內(nèi)窺鏡）的操作 之間的運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)換成從屬機(jī)器人200Α在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息x、y、z、α、β和γ。即，轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)縮放時(shí)應(yīng)用的縮放因子來(lái)計(jì)算從屬機(jī)器人200Α在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息X、 y、ζ、α、β 和 γ。
[0095] 冗余度逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)判讀單元142Α，一種利用從屬機(jī)器人200Α的冗余度產(chǎn)生用于 整體地控制從屬機(jī)器人200Α的部件（安裝臂、引導(dǎo)管、多個(gè)工具和內(nèi)窺鏡）的操作的控制 信號(hào)（構(gòu)成每個(gè)部件的多個(gè)關(guān)節(jié)中的每個(gè)關(guān)節(jié)的期望的旋轉(zhuǎn)角度）的部件，包括雅可比矩 陣計(jì)算單元144Α、目標(biāo)函數(shù)計(jì)算單元145Α和冗余度利用單元146Α。
[0096] 首先，在對(duì)冗余度逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)判讀單元142Α的部件進(jìn)行詳細(xì)地描述之前，現(xiàn)在， 將描述具有冗余度的從屬機(jī)器人200Α的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解釋的 概念。
[0097] 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)給定一系列接合角度（接合變量q)時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)中的正向運(yùn)動(dòng)學(xué) 用于獲得在機(jī)器人末端的直角坐標(biāo)系上的位置或方向（工作變量P)。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)比逆向 運(yùn)動(dòng)學(xué)相對(duì)更簡(jiǎn)單，通過(guò)利用齊次變換可獲得正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解。同時(shí)，與正向運(yùn)動(dòng)學(xué)形成對(duì) t匕，逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)用于當(dāng)給定在機(jī)器人末端的直角坐標(biāo)系上的位置或方向（工作變量P)時(shí)獲 得接合角度（接合變量q)，即，將工作空間中的定義的任務(wù)表示為接合空間中的運(yùn)動(dòng)。由于 運(yùn)動(dòng)學(xué)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(yùn)動(dòng)學(xué)相對(duì)更難或不可能獲 得解。另外，可能無(wú)解或有多個(gè)解。
[0098] 如上面的前提所述，在從屬機(jī)器人200A具有冗余度的情況下，逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)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(duì)冗余度的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)解釋進(jìn)行更加 詳細(xì)地描述。
[0099] 逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)是這樣的過(guò)程：當(dāng)給定機(jī)械手的末端的位置及方向時(shí)，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角 度和機(jī)械手的末端的位置及方向（這里，方向被表示為歐拉角）相對(duì)應(yīng)。在位置層面，不存 在獲得逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)解的特殊的方法，需要利用幾何相互關(guān)系公式（geometric interaction formula)或者根據(jù)給定的機(jī)器人的接合結(jié)構(gòu)根據(jù)直覺(jué)來(lái)獲得逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)解。在具有大量關(guān) 節(jié)的手術(shù)機(jī)器人或者人形機(jī)器人的情形下，在位置水平將不能找到逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)解。在這種 情形下，在實(shí)時(shí)速度層面，利用雅可比相互關(guān)系公式來(lái)計(jì)算逆矩陣，獲得每個(gè)關(guān)節(jié)的速度， 對(duì)所述速度進(jìn)行數(shù)值積分，從而，確定逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)解。
[0100] 在具有冗余度的系統(tǒng)（例如，上述的從屬機(jī)器人200A)中，機(jī)器人末端（多個(gè)工具 的每個(gè)末端和內(nèi)窺鏡的末端）在直角坐標(biāo)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(guān)系可以利用下面的方程式1來(lái)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(jī)器人200A在接合空間中的 自由度，Μ是具有冗余度的從屬機(jī)器人200A在工作空間中的自由度。

【權(quán)利要求】
1. 一種機(jī)器人，包括： 多工具模塊，包括引導(dǎo)管和多個(gè)工具，所述多個(gè)工具在與引導(dǎo)管彼此互鎖時(shí)操作并從 引導(dǎo)管叉開(kāi)，所述多工具模塊具有冗余度； 控制器，基于關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息而產(chǎn)生關(guān)于所述 多工具模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)， 其中，冗余度反應(yīng)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(hào)利用冗余度產(chǎn)生。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人，其中，所述引導(dǎo)管和多個(gè)工具中的每一個(gè)均包括多 個(gè)連接件和多個(gè)關(guān)節(jié)，并且在所述多個(gè)工具的末端上安裝末端效應(yīng)器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人，其中，控制器計(jì)算和關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工 作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息相對(duì)應(yīng)的雅可比矩陣，并且控制器利用冗余度基于關(guān)于所述多個(gè) 工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息和所計(jì)算的雅可比矩陣而產(chǎn)生關(guān)于所述多工具 模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器人，其中，當(dāng)產(chǎn)生所述控制信號(hào)時(shí)，控制器計(jì)算所述機(jī)器 人的目標(biāo)函數(shù)，并且所述目標(biāo)函數(shù)被表達(dá)為多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)總和。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人，其中，所述多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)中的每一個(gè)包括每個(gè) 工具與接合極限之間的距離的倒數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人，其中，所述多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)中的每一個(gè)包括每個(gè) 工具與單個(gè)姿勢(shì)之間的距離的倒數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人，其中，所述多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)中的每一個(gè)包括接合 扭矩平方和。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人，其中，所述多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)中的每一個(gè)包括每個(gè) 工具與周?chē)系K物之間的距離的倒數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人，其中，控制器產(chǎn)生在關(guān)于所計(jì)算的機(jī)器人的目標(biāo)函 數(shù)被優(yōu)化或局部?jī)?yōu)化的接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人，其中，所述機(jī)器人還包括存儲(chǔ)單元，所述存儲(chǔ)單元 中存儲(chǔ)了：計(jì)算雅可比矩陣所需的算法和關(guān)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)的信息、計(jì)算目標(biāo)函數(shù) 所需的用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)單獨(dú)的目標(biāo)的多個(gè)單獨(dú)目標(biāo)函數(shù)以及根據(jù)機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)的類(lèi)型 與單獨(dú)目標(biāo)函數(shù)相乘的權(quán)重。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人，其中，當(dāng)對(duì)關(guān)于多個(gè)工具的末端在接合空間中的運(yùn) 動(dòng)指令信息設(shè)置優(yōu)先級(jí)時(shí)，控制器計(jì)算在工作空間中與具有相對(duì)高的優(yōu)先級(jí)的運(yùn)動(dòng)指令信 息相對(duì)應(yīng)的雅可比矩陣和在工作空間中與具有相對(duì)低的優(yōu)先級(jí)的運(yùn)動(dòng)指令信息相對(duì)應(yīng)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(shè)置了優(yōu)先級(jí)的運(yùn)動(dòng)指令信息和 所計(jì)算的雅可比矩陣而產(chǎn)生關(guān)于所述多工具模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的機(jī)器人，其中，當(dāng)所述控制信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，控制器計(jì)算所述機(jī) 器人的目標(biāo)函數(shù)，并且所述目標(biāo)函數(shù)被表達(dá)為多個(gè)單獨(dú)目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)總和。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的機(jī)器人，其中，控制器產(chǎn)生關(guān)于在所計(jì)算的機(jī)器人的目標(biāo) 函數(shù)被優(yōu)化或局部?jī)?yōu)化的接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的機(jī)器人，其中，所述機(jī)器人還包括存儲(chǔ)單元，所述存儲(chǔ)單元 中存儲(chǔ)了 ：對(duì)關(guān)于多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息設(shè)置的優(yōu)先級(jí)、計(jì)算雅可 比矩陣所需的算法和關(guān)于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)的信息、計(jì)算目標(biāo)函數(shù)所需的用于實(shí)現(xiàn)多個(gè) 個(gè)體的目標(biāo)的多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)以及根據(jù)機(jī)器人執(zhí)行的任務(wù)的類(lèi)型與個(gè)體目標(biāo)函數(shù)相乘 的權(quán)重。
15. -種控制機(jī)器人的方法，所述機(jī)器人包括具有引導(dǎo)管和多個(gè)工具的多工具模塊，所 述多個(gè)工具在與引導(dǎo)管彼此互鎖時(shí)操作并從引導(dǎo)管叉開(kāi)，所述多工具模塊具有冗余度，所 述方法包括： 產(chǎn)生關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息； 基于關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息而產(chǎn)生關(guān)于所述多工具 模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)， 其中，冗余度反應(yīng)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(hào)利用冗余度產(chǎn)生。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述引導(dǎo)管和多個(gè)工具中的每一個(gè)均包括多 個(gè)連接件和多個(gè)關(guān)節(jié)，并且在所述多個(gè)工具的末端上安裝末端效應(yīng)器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，產(chǎn)生關(guān)于所述多工具模塊在接合空間中的運(yùn) 動(dòng)的控制信號(hào)包括：計(jì)算與關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息相對(duì)應(yīng) 的雅可比矩陣，利用冗余度基于關(guān)于所述多個(gè)工具的末端在工作空間中的運(yùn)動(dòng)指令信息和 所計(jì)算的雅可比矩陣而產(chǎn)生關(guān)于所述多工具模塊在接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，產(chǎn)生關(guān)于所述多工具模塊在接合空間中的運(yùn) 動(dòng)的控制信號(hào)包括：計(jì)算機(jī)器人的目標(biāo)函數(shù)；產(chǎn)生關(guān)于在所計(jì)算的機(jī)器人的目標(biāo)函數(shù)被優(yōu) 化或局部?jī)?yōu)化的接合空間中的運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述目標(biāo)函數(shù)被表達(dá)為多個(gè)個(gè)體目標(biāo)函數(shù)的 加權(quán)總和。
【文檔編號(hào)】A61B19/00GK104042344SQ201410099195
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月15日
【發(fā)明者】權(quán)雄, 林福萬(wàn), 古瑞爾歐甘 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社