机器人和控制该机器人的方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN201410099195.X

申请日:

2014.03.17

公开号:

CN104042344A

公开日:

2014.09.17

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情:

实质审查的生效IPC(主分类):A61B 19/00申请日:20140317|||公开

IPC分类号:

A61B19/00

主分类号:

A61B19/00

申请人:

三星电子株式会社

发明人:

权雄; 林福万; 古瑞尔欧甘

地址:

韩国京畿道水原市

优先权:

2013.03.15 KR 10-2013-0028308

专利代理机构:

北京铭硕知识产权代理有限公司 11286

代理人:

王秀君;李柱天

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内容摘要

本发明提供一种机器人和控制该机器人的方法,所述机器人包括:多工具模块,包括引导管和多个工具,所述多个工具在与引导管彼此互锁时操作并从引导管叉开,所述多工具模块具有冗余度;控制器,基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号,利用冗余度产生所述控制信号。多个工具的工作空间可被扩大,并且那些由传统的工具控制方法无法实现的任务可被执行,工具的关节所需的刚度可被最小化,工具和周围障碍物之间碰撞的可能性可被最小化,工具所需的自由度可被最小化,并且那些由传统的工具控制方法无法执行的复杂任务可被执行。

权利要求书

1.  一种机器人,包括:
多工具模块,包括引导管和多个工具,所述多个工具在与引导管彼此互锁时操作并从引导管叉开,所述多工具模块具有冗余度;
控制器,基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号,
其中,冗余度反应所述多工具模块在接合空间中的自由度的数量大于所述多工具模块在工作空间中的自由度的数量,所述控制信号利用冗余度产生。

2.
  根据权利要求1所述的机器人,其中,所述引导管和多个工具中的每一个均包括多个连接件和多个关节,并且在所述多个工具的末端上安装末端效应器。

3.
  根据权利要求1所述的机器人,其中,控制器计算和关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,并且控制器利用冗余度基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。

4.
  根据权利要求3所述的机器人,其中,当产生所述控制信号时,控制器计算所述机器人的目标函数,并且所述目标函数被表达为多个个体目标函数的加权总和。

5.
  根据权利要求4所述的机器人,其中,所述多个个体目标函数中的每一个包括每个工具与接合极限之间的距离的倒数。

6.
  根据权利要求4所述的机器人,其中,所述多个个体目标函数中的每一个包括每个工具与单个姿势之间的距离的倒数。

7.
  根据权利要求4所述的机器人,其中,所述多个个体目标函数中的每一个包括接合扭矩平方和。

8.
  根据权利要求4所述的机器人,其中,所述多个个体目标函数中的每一个包括每个工具与周围障碍物之间的距离的倒数。

9.
  根据权利要求4所述的机器人,其中,控制器产生在关于所计算的机器人的目标函数被优化或局部优化的接合空间中的运动的控制信号。

10.
  根据权利要求4所述的机器人,其中,所述机器人还包括存储单元, 所述存储单元中存储了:计算雅可比矩阵所需的算法和关于机器人的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个单独的目标的多个单独目标函数以及根据机器人执行的任务的类型与单独目标函数相乘的权重。

11.
  根据权利要求1所述的机器人,其中,当对关于多个工具的末端在接合空间中的运动指令信息设置优先级时,控制器计算在工作空间中与具有相对高的优先级的运动指令信息相对应的雅可比矩阵和在工作空间中与具有相对低的优先级的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,并且控制器利用冗余度基于在工作空间中被设置了优先级的运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。

12.
  根据权利要求11所述的机器人,其中,当所述控制信号产生时,控制器计算所述机器人的目标函数,并且所述目标函数被表达为多个单独目标函数的加权总和。

13.
  根据权利要求12所述的机器人,其中,控制器产生关于在所计算的机器人的目标函数被优化或局部优化的接合空间中的运动的控制信号。

14.
  根据权利要求12所述的机器人,其中,所述机器人还包括存储单元,所述存储单元中存储了:对关于多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息设置的优先级、计算雅可比矩阵所需的算法和关于机器人的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个个体的目标的多个个体目标函数以及根据机器人执行的任务的类型与个体目标函数相乘的权重。

15.
  一种控制机器人的方法,所述机器人包括具有引导管和多个工具的多工具模块,所述多个工具在与引导管彼此互锁时操作并从引导管叉开,所述多工具模块具有冗余度,所述方法包括:
产生关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息;
基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号,
其中,冗余度反应所述多工具模块在接合空间中的自由度的数量大于所述多工具模块在工作空间中的自由度的数量,所述控制信号利用冗余度产生。

16.
  根据权利要求15所述的方法,其中,所述引导管和多个工具中的每一个均包括多个连接件和多个关节,并且在所述多个工具的末端上安装末端效应器。

17.
  根据权利要求15所述的方法,其中,产生关于所述多工具模块在接 合空间中的运动的控制信号包括:计算与关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,利用冗余度基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。

18.
  根据权利要求17所述的方法,其中,产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号包括:计算机器人的目标函数;产生关于在所计算的机器人的目标函数被优化或局部优化的接合空间中的运动的控制信号。

19.
  根据权利要求18所述的方法,其中,所述目标函数被表达为多个个体目标函数的加权总和。

说明书

机器人和控制该机器人的方法
本申请要求于2013年3月15日提交到韩国知识产权局的第10-2013-0028308号韩国专利申请的权益,所述韩国专利申请的公开内容通过引用被包含于此。
技术领域
本发明的实施例涉及一种具有多个工具的机器人和控制该机器人的方法。
背景技术
通常,利用电作用或磁作用做出和人体运动相似的运动的机械装置被称为机器人。近来,由于控制技术的发展,机器人(诸如手术机器人、管家机器人、用于公共场所的服务机器人、航空远程机器人和危险品处理机器人)已经被使用在各种领域中。这些机器人利用机械手执行任务,机械手被构造为基于机电原理做接近于臂或手的动作的运动。
在上述各种类型的机器人中的手术机器人包括主控装置和从属机器人,主控装置由操纵者(主要为医生)的操纵而产生和传送必要的信号,从属机器人响应于从主控装置接收的信号对病人执行手术所需的操作。主控装置和从属机器人以有线/无线方式连接,使得可以以远程方式执行手术。
利用现有的手术机器人的微创手术主要是基于多端口手术(multi-port surgery)的,通过多端口手术,每个均具有附着有末端效应器的末端的多个手术器械通过多个切口被放入病人的身体内。然而,近来单端口手术(single-port surgery)的示例也日益增加,通过单端口手术,多个手术器械通过一个切口被放入病人的身体内。单端口手术具有几个优点,例如,比多端口手术更短的治疗周期以及在外观方面比多端口手术更少的手术痕迹。然而,在单端口手术中可能会发生手术器械之间的干涉,并且由于手术器械的工作空间的限制,可适用的手术的范围受到限制。
发明内容
因此,本发明的一方面提供一种机器人和控制该机器人的方法,所述机器人包括安装臂、引导管和多个工具,引导管被安装在安装臂上,所述多个工具具有末端效应器并从引导管叉开,所述机器人控制安装臂、引导管和多个工具在彼此互锁时操作,利用由于近端(即,安装臂和引导管)的自由度产生的冗余度,因此,所述多个工具的工作空间可被扩大,并且那些由传统的工具控制方法无法实现的任务可被执行。
本发明的另一方面提供一种机器人和控制该机器人的方法,所述机器人包括安装臂、引导管和多个工具,引导管被安装在安装臂上,所述多个工具具有末端效应器并从引导管叉开,所述机器人控制安装臂、引导管和多个工具在彼此互锁时操作,利用由于近端(即,安装臂和引导管)的自由度产生的冗余度,因此,工具的关节所需的刚度可被最小化,并且工具和周围障碍物之间碰撞的可能性可被最小化。
本发明的又一方面提供一种机器人和控制该机器人的方法,所述机器人包括安装臂、引导管和多个工具,引导管被安装在安装臂上,所述多个工具具有末端效应器并从引导管叉开,所述机器人控制安装臂、引导管和多个工具在彼此互锁时操作,利用由于近端(即,安装臂和引导管)的自由度产生的冗余度,因此,工具所需的自由度可被最小化,并且那些由传统的工具控制方法无法执行的复杂任务可被执行。
本公开的其他方面一部分将在下面的描述中进行阐述,一部分将通过该描述而变得明显,或者可通过对该公开的实施而了解。
根据本发明的一方面,一种机器人,包括:多工具模块,包括引导管和多个工具,所述多个工具在与引导管彼此互锁时操作并从引导管叉开,所述多工具模块具有冗余度;控制器,基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息而产生关于所述多工具在接合空间中的运动的控制信号,其中,冗余度反应所述多工具模块在接合空间中的自由度的数量大于所述多工具模块在工作空间中的自由度的数量,所述控制信号利用冗余度产生。
所述引导管和多个工具中的每一个均可包括多个连接件和多个关节,并且在所述多个工具的末端上可安装末端效应器。
控制器可计算与关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,并且控制器可利用冗余度基于关于所述多个工具的末 端在工作空间中的运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。
当所述控制信号产生时,控制器可计算所述机器人的目标函数,并且所述目标函数可被表达为多个个体目标函数的加权总和。
所述多个个体目标函数中的每一个可包括每个工具与接合极限之间的距离的倒数。
所述多个个体目标函数中的每一个可包括每个工具与单个姿势之间的距离的倒数。
所述多个个体目标函数中的每一个可包括接合扭矩平方和。
所述多个个体目标函数中的每一个可包括以及每个工具与周围障碍物之间的距离的倒数。
控制器可产生关于在所计算的机器人的目标函数被最小化的接合空间中的运动的控制信号。
所述机器人还可包括存储单元,所述存储单元中存储了:计算雅可比矩阵所需的算法和关于机器人的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个个体的目标的多个个体目标函数以及根据机器人执行的任务的类型与个体目标函数相乘的权重。
当对关于多个工具的末端在接合空间中的运动指令信息设置优先级时,控制器可计算在工作空间中与具有相对高的优先级的运动指令信息相对应的雅可比矩阵和在工作空间中与具有相对低的优先级的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,并且控制器可利用冗余度基于在工作空间中被设置了优先级的多条运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。
当所述控制信号产生时,控制器可计算所述机器人的目标函数,并且所述目标函数可被表达为多个个体目标函数的加权总和。
控制器可产生关于在所计算的机器人的目标函数被优化或局部优化的接合空间中的运动的控制信号。
所述机器人还可包括存储单元,所述存储单元中存储了:对关于多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息设置的优先级和计算雅可比矩阵所需的算法、关于机器人的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个个体的目标的多个个体目标函数以及根据机器人执行的任务的类型与个体 目标函数相乘的权重。
根据本发明的另一方面,一种控制机器人的方法,所述机器人包括具有引导管和多个工具的多工具模块,所述多个工具在与引导管彼此互锁时操作并从引导管叉开,所述多工具模块具有冗余度,所述方法包括:产生关于所述多个工具的末端在工作空间中的的运动指令信息;基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号,其中,冗余度反应所述多工具模块在接合空间中的自由度的数量大于所述多工具模块在工作空间中的自由度的数量,所述控制信号利用冗余度产生。
所述引导管和多个工具中的每一个均可包括多个连接件和多个关节,并且在所述多个工具的末端上可安装末端效应器。
产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号可包括:计算与关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,利用冗余度基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。
产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号可包括:计算机器人的目标函数;产生关于在所计算的机器人的目标函数被优化或局部优化的接合空间中的运动的控制信号。
所述目标函数可被表达为多个个体目标函数的加权总和。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述,本发明的这些和/或其它方面将变得更加清楚并且更容易理解,附图中:
图1是示出根据本发明实施例的手术机器人的整体结构的透视图;
图2示出了图1中所示的A部分的内部;
图3A是示出构成图1中的手术机器人的从属机器人的外部的透视图,图3B示出了嵌入壳中的多工具模块和驱动单元的结构,图3C是来自图3B中所示的B部分的两个工具和一个内窥镜的透视图;
图4是根据本发明实施例的手术机器人的控制框图;
图5是示出本发明所实现的工具的工作空间的扩展的概念图;
图6是示出本发明所实现的将工具的关节所需刚度的最小化的概念图;
图7是示出本发明所实现的将工具和周围障碍物之间碰撞的可能性最小化的概念图;
图8是示出本发明所实现的工具所需的自由度的最小化的概念图;
图9是示出本发明所实现的复杂任务的执行的概念图;
图10是示出根据本发明实施例的控制手术机器人的方法的流程图;
图11是根据本发明另一实施例的手术机器人的控制框图;
图12是示出根据本发明另一实施例的控制手术机器人的方法的流程图;
图13是人形机器人的外部结构视图;
图14是根据本发明实施例的人形机器人的控制框图;
图15是示出根据本发明实施例的控制人形机器人的方法的流程图;
图16是根据本发明另一实施例的人形机器人的控制框图;
图17是示出根据本发明另一实施例的控制人形机器人的方法的流程图。
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细地描述,在附图中示出了本发明的示例,其中,相同的标号始终指示相同的元件。
图1是根据本发明实施例的手术机器人的整体结构的透视图,图2示出了图1中所示的A部分的内部结构。具体地说,图1示出了每个均具有附着有末端效应器的末端的多个手术器械的单端口机器人通过一个切口被放入病人的身体内,从而可在人体的各部位中执行手术。下面将描述在利用单端口机器人的手术中所必需的以下要求。第一,由于多个手术器械通过一个切口被放入病人的身体,随后要被移动到用于手术任务的任意位置,以执行手术任务,因此要求手术器械的工作空间宽敞。第二,手术器械需要具有高的自由度以便其可执行各种任务并可最小化其与身体组织(诸如腹腔壁)的碰撞。第三,当手术器械被放入身体内时,当手术器械执行手术任务时要求其有柔性并具有高的刚度。即,当利用单端口机器人执行手术时,要求保证手术器械同时满足手术器械能够在其中自由移动的宽敞的工作空间、高的自由度、高的刚度和柔性。
这里,自由度(DOF)是正向运动学和逆向运动学中的自由度。运动学的DOF是机构的独立运动的数量,或者是用于确定连接件之间的相对位置处的 独立运动的变量的数量。例如,在包括X轴、Y轴和Z轴的三维空间中的物体具有用于确定物体的空间位置的三个自由度(3DOF)(位于每个轴上)和用于确定物体的空间方向的三个自由度(3DOF)(关于每个轴的旋转角度)中的至少一个。如果物体可沿着每个轴运动并可绕着每个轴旋转,则物体可具有六个自由度(6DOF)。
如图1中所示,手术机器人可包括:从属机器人200,用于对躺在手术台上的病人执行手术;主控装置100,通过操纵者(主要为外科医生)的操纵来远程地控制从属机器人200。主控装置100根据操纵者(主要为外科医生)的操纵产生控制信号并将所产生的控制信号传送给从属机器人200。同时,从属机器人200从主控装置100接收所述控制信号并根据所接收的控制信号来对病人执行手术所需的操纵。这里,主控装置100和从属机器人200不一定作为物理上独立的、分开的装置而彼此分开,而是可以彼此结合并可被构造为一体形状。
如图1中所示,从属机器人200可包括安装臂202和圆柱形壳208。
从属机器人200的安装臂202可被实现为以多自由度被驱动。安装臂202包括多个连接件(参见图3A中的206a、206b和206c)和多个关节(参见图3A中的204a、204b和204c)。
此外,圆柱形壳208连接到安装臂202的上部。含有多个工具214a与214b和/或内窥镜216的引导管212以及用于驱动引导管212和多个工具214a与214b和/或内窥镜216的驱动单元(参见图3B中的270)可被安装在圆柱形壳208中。这里,引导管212连接并安装到安装臂202中。当从属机器人200不执行手术时,引导管212被嵌入圆柱形壳208中,如图1和图2中所示,当从属机器人200执行手术时,被嵌入圆柱形壳208中的引导管212从圆柱形壳208中出来并插入病人的身体内。下面将更详细地描述引导管212插入病人的身体内并执行手术任务的情形(即,图1中所示的A部分的内部形状)。如图2中所示,如果引导管212通过在病人的皮肤中形成的切口I被放入身体内,然后靠近要执行操作的部位(操作部位),多个工具214a与214b和内窥镜216从引导管212叉开,以便可执行手术任务。这里,与安装臂202中相同,多个工具214a与214b和内窥镜216可包括多个连接件和多个关节,并可被实现为以多自由度驱动。用于执行用于在腹腔内接触器官、剪切和缝合的直接手术任务的手术工具(诸如镊子、钳子(jaw)、抓紧器、剪刀、吻合器、 烧灼器和针,即,末端效应器218a和218b)被安装在多个工具214a与214b的各个末端。
虽然内窥镜216从广义上讲可以是从引导管212叉开的多个工具214a与214b中的一个,但是考虑到手术机器人的特性,下面将分别描述多个工具214a与214b和内窥镜216,多个工具214a与214b分别具有末端,在操作部位上执行直接手术任务(诸如剪切和缝合)的末端效应器218a和218b设置在所述末端中,具有多个关节的内窥镜216用于协助末端效应器218a和218b的操作而不对操作部位执行直接操作。
这里,主要被用于机器人手术中的各种手术内窥镜(诸如,胸腔镜、关节镜、鼻镜以及腹腔镜)可被用作内窥镜216。
主控装置100可包括主操纵单元112L和112R、离合器踏板传感器114L和114R以及显示单元116。
主控装置100包括操纵者用他/她的手握住并操纵的主操纵单元112L和112R。操纵者通过主操纵单元112L和112R来操纵安装臂202、引导管212、多个工具214a与214b和内窥镜216的位置和功能。主操纵单元112L和112R可被实现为具有六个自由度,从而控制安装臂202在三维(3D)空间中沿着X轴、Y轴和Z轴的平移运动以及沿着侧倾方向(roll direction)、俯仰方向(pitch direction)、横摆方向(yaw direction)的旋转运动。如图1中所示,主操纵单元112L和112R可以被实现为具有两个手柄,由操纵者的手柄操纵产生的控制信号被传送给从属机器人200,从而控制包括有安装臂202的从属机器人200的操作。通过操纵者的手柄操纵,可执行安装臂202、引导管212、多个工具214a与214b和内窥镜216的平移运动和旋转运动以及大量的手术任务(例如,剪切、套管插入术等)。
另外,主控装置100包括两个离合器踏板传感器114L和114R,操纵者用他/她的脚来踩踏或按压离合器踏板传感器114L和114R,以扩展主操纵单元112L和112R的操纵功能。
图1示出了利用包括两个手柄的主操纵单元112L和112R和两个离合器踏板传感器114L和114R控制安装臂202的操作的方法的具体示例,首先,可使用左手柄112L控制安装臂202的位置和操作,可使用右手柄112R控制引导管212的位置和操作。此外,在设置在主控装置100上的模式开关(未示出)或按钮(未示出)被操纵的状态下,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(纵模式开关和按钮被操纵之后),在左离合器踏板传感器114L被操纵的状态下,可使用左手柄112L控制内窥镜216的位置和操作。另外,在模式开关和按钮被操纵之后,在右离合器踏板传感器114R被操纵的状态下,可使用右手柄112R控制内窥镜216的位置和操作。
在图1中,两个主操纵单元(手柄)被安装在主控装置100上。然而,可添加手柄以便可以实时操纵多个手术装备(例如,引导管、多个工具)。这里,手柄112L和112R根据其操纵方法可具有各种机械构造。例如,可使用具有3D运动并操作安装臂202、引导管212、多个工具214a与214b的各种输入单元(诸如操纵杆)作为手柄112L和112R。多个连接件和多个关节(连接件之间的连接部分)连接到主操纵单元112L和112R。用于检测连接到手柄112L和112R的每个关节的旋转角度的旋转角度传感器(例如,编码器)可被安装在连接到主操纵单元112L和112R的多个关节中的每个关节上。
由内窥镜(参见图2的216)和/或超声探头(未示出)输入的图像在显示单元116上被显示为图像(pictorial image)。
显示单元116可包括一个或者更多个监视器,并可产生手术所需的多条信息以分别被显示在每个监视器上。在图1中,显示单元116包括三个监视器。然而,监视器的数量可以根据要被显示的信息的类型或种类以不同的方式来确定。
主控装置100和从属机器人200可通过有线/无线通信网络彼此连接,以便控制信号、通过内窥镜216输入的内窥镜图像以及通过超声探头(未示出)输入的超声波图像能够被传送给对方(从属机器人或主控装置)。如果由设置在主控装置100上的主操纵单元(手柄)产生的两个控制信号(例如,用于控制从引导管212叉开的第一工具214a的位置的控制信号和用于控制从引导管212叉开的第二工具214b的位置的控制信号)需要被同时或者近似同时传送,则所述控制信号可以被分别传送给从属机器人200。
这里,“分别”传送控制信号是指一个控制信号不影响另一个控制信号,无干扰。这样,为了分别传送多个控制信号,在产生控制信号的操作期间可通过增加关于每个控制信号的头信息来传送多个控制信号、根据其产生的顺序来传送控制信号,或者根据关于控制信号传送顺序而预先设置的控制信号的优先顺序来传送控制信号可使用各种方法。在这种情形下,分别设置传送 控制信号的传送路径,从而,可从根本上防止控制信号之间的干扰。
图3A是示出构成图1中的手术机器人的从属机器人的外部的透视图,图3B示出了嵌入壳中的多工具模块和驱动单元的结构,图3C是来自图3B中所示的B部分(引导管212的末端)的两个工具和一个内窥镜的透视图。
如图3A中所示,从属机器人200可包括主体201、安装臂202和圆柱形壳208,安装臂202包括多个连接件和多个关节。
从属机器人200的主体201是用于安装和支撑执行手术任务的安装臂202的部件,多个脚轮201a被安装在主体201的底端,以移动从属机器人200的位置。可在每个脚轮201a上设置用于改变多个脚轮201a的操作状态的杠杆(未示出)。操纵者可调节杠杆的位置以改变脚轮201a的操作状态。脚轮201a的操作状态可包括制动、自由旋转(free swivel)、方向锁定或旋转锁定。
从属机器人200的安装臂202可包括三个连接件(第一至第三连接件)206a至206c以及三个关节(第一至第三关节)204a至204c。
构成安装臂202的第一连接件206a具有直的柱状并被设置为垂直于主体201。
构成安装臂202的第一关节204a被设置在主体201和第一连接件206a之间的连接部分上。第一关节204a可用沿着X轴、Y轴和Z轴之中指定的轴运动的棱柱形关节来实现。第一关节204a可具有三个自由度,被用于调节运动的远程中心(RCM)的X坐标、Y坐标和Z坐标,以有限度地控制被插入病人的身体内的引导管212的操作。具体地,第一关节204a具有包括X轴平移运动、Y轴平移运动和Z轴平移运动的三个自由度。为此,可在第一关节204a上设置X轴驱动单元(未示出)、Y轴驱动单元(未示出)和Z轴驱动单元(未示出)。
第二连接件206b机械地连接到第一连接件206a的前端。如图3A中所示,第二连接件206b具有曲线形状。具体地,第二连接件206b具有与圆弧的一部分相同的形状。
第二关节204b被设置在第一连接件206a和第二连接件206b之间的连接部分。第二关节204b可用围绕X轴、Y轴和Z轴中指定的轴旋转的旋转副关节(revolute joint)来实现。第二关节204b可具有两个自由度,作为用于使其中嵌入有引导管212的壳208旋转运动的部件。具体地,第二关节204b具有包括壳208的侧倾方向旋转和俯仰方向旋转的两个自由度。为此,可在 第二关节204b上设置侧倾驱动单元(未示出)、俯仰驱动单元(未示出)。
第三连接件206c机械地连接到第二连接件206b的前端。如图3A中所示,第三连接件206c被形成为环形。圆柱形壳208被设置在第三连接件206c的上部。
多工具模块210和驱动单元270可以被嵌入圆柱形壳208中(参见图3B),多工具模块210包括连接到安装臂202的引导管212、被设置在引导管212中的多个工具214a与214b和内窥镜216,驱动单元270用于驱动多工具模块210的部件(引导管、多个工具和内窥镜)。如图3A中所示,当从属机器人200不执行手术时,多工具模块210(即,包括多个工具214a与214b和内窥镜216的引导管212)被嵌入圆柱形壳208中,使得引导管212不被暴露在外面。配备有引导管212的壳208可以被实现为与第三连接件206c机械地分开。以这种方式,当配备有引导管212的壳208与第三连接件206c机械地分开时,在手术中使用的引导管212可被容易地替换或消毒。
第三关节204c被设置在第二连接件206b与第三连接件206c之间的连接部分。第三关节204c可用围绕X轴、Y轴和Z轴中指定的轴旋转的旋转副关节来实现。第三关节204c可具有一个自由度,作为用于使其中配备有引导管212的壳208旋转运动的部件。具体地,第三关节204c包括壳208的横摆方向旋转的一个自由度。为此,可在第三关节204c上设置横摆驱动单元(未示出)。
如上所述,当从属机器人200不执行手术时,多工具模块210和驱动单元270被嵌入圆柱形壳208中,多工具模块210包括图3B中所示的引导管212、被设置在引导管212中的多个工具214a与214b和内窥镜216,驱动单元270连接到多工具模块210并包括致动器(诸如用于驱动多工具模块210的每个部件的电机)。
同时,利用包括引导管212、被设置在引导管212中的多个工具214a与214b和内窥镜216的多工具模块210的机器人手术的过程主要包括:插入多工具模块210、定位多工具模块210并利用多工具模块210执行操作。
当从属机器人200执行手术时,被嵌入圆柱形壳208中的多工具模块210(更严格地说,引导管212)从壳208中出来并通过形成在病人皮肤中的切口I插入身体内。在将引导管212插入身体内的操作期间,与图3B的B部分相同,在多个工具214a、214b以及内窥镜216从引导管212叉开之前(即, 在多个工具214a和214b以及内窥镜216被折叠在引导管212的内部空间中的状态下)被放入病人的身体内。
如图3C中所示,如果在将被插入病人的身体中的引导管212定位在要被执行操作的部位(操作部位)的操作被执行之后,则引导管212靠近操作部位,每个均在其末端安装有末端效应器218a和218b的多个工具214a和214b以及内窥镜216从引导管212叉开,从而可执行手术任务。图3C是来自引导管212的末端(图3B的B部分)的两个工具(第一工具214a和第二工具214b)和内窥镜216的透视图。
本发明致力于提出一种一体地控制构成具有从属机器人200的手术机器人中的从属机器人200的部件的操作的方法,如图3A至图3C所示,从属机器人包括安装臂202、连接到安装臂202的引导管212、被设置在引导管212中并在执行手术时从引导管212叉开的多个工具214a与214b和内窥镜216。当部件(即,安装臂202、引导管212、多个工具214a与214b、一个内窥镜216)在接合空间中的自由度的总数大于部件在工作空间中自由度(工作所需的自由度)的总数时(即,当手术机器人(具体为从属机器人)具有冗余度时)利用冗余度。
为了更加详细地描述上述冗余度的概念,首先,前提是,在包括安装臂202、连接到安装臂202的引导管212、被设置在引导管212中并在执行手术时从引导管212叉开的多个工具214a与214b和内窥镜216的从属机器人200中,如图3A至图3C所示,安装臂202、引导管212、两个工具214a与214b和一个内窥镜216中的每一个均包括多个连接件和多个关节。另外,前提是,安装臂202和引导管212在彼此互锁(interlocking)时操作,引导管212和工具214a、214b中的每个工具在彼此互锁时操作,引导管212和一个内窥镜216在彼此互锁时操作。这里,当从属机器人200被这样制造时:通过将安装臂202在接合空间中的自由度a实现为6(沿着X、Y、Z方向的三个平移自由度(3)和沿着侧倾方向、俯仰方向、横摆方向方向的三个旋转自由度的总和),引导管212在接合空间的自由度b为6(引导管212的一部分的两个弯曲自由度、引导管212的另一部分的两个弯曲自由度、沿着插入方向的一个自由度和沿着侧倾方向的一个旋转自由度的总和),第一工具214a和第二工具214b中的每一个在接合空间中的自由度c和d为6,内窥镜216在接合空间中的自由度e为3(沿着侧倾方向、俯仰方向、横摆方向的三个旋转自由度(3)),包括上 述所有部件的从属机器人200在接合空间中的自由度N是27(N=a+b+c+d+e=6+6+6+6+3=27)。
同时,为使用在包括X轴、Y轴、Z轴的3D空间中包括多个关节的机构单元(例如:工具或内窥镜)执行任意任务在工作空间中所需的自由度是6(沿着X、Y、Z方向的三个平移自由度(3)和沿着侧倾、俯仰、横摆方向的三个旋转自由度(3)的总和)。
图3A至图3C中示出的包括两个工具214a、214b以及内窥镜216的从属机器人200中,当第一工具214a和第二工具214b中的每个工具在接合空间中的自由度f和g(即,在工作空间中手术操作所需的自由度)为6,并且内窥镜216在工作空间中的自由度h(仅需要沿着侧倾、俯仰、横摆方向的旋转自由度)为3时,包括两个工具214a和214b以及内窥镜216的从属机器人200在工作空间中的自由度M为15(M=f+g+h=6+6+3=15)。
当多关节机器人在接合空间中的自由度N大于多关节机器人在工作空间中的自由度M时,出现冗余度。由于从属机器人200在接合空间中的自由度(N=27)大于从属机器人200在工作空间中的自由度(M=15),所以从属机器人200可以是一个具有冗余度的系统。本发明致力于提出一种获取构成从属机器人200的每个部件(即,安装臂202、引导管212、从引导管212叉开的多个工具214a与214b和内窥镜216)在接合空间中的解的过程,以利用这一冗余度来达到多个目标。这里,构成从属机器人200的安装臂202、引导管212、多个工具214a与214b和内窥镜216中的每一个在每个接合空间中的解是在每个控制时段计算的构成安装臂202的多个关节中的每一个关节的期望的旋转角度、构成引导管212的多个关节中的每一个关节的期望的旋转角度、构成多个工具214a与214b的多个关节中的每一个关节的期望的旋转角度以及构成内窥镜216的多个关节中的每一个关节的期望的旋转角度,以便执行手术任务。
图4是根据本发明实施例的手术机器人的控制框图。
如图4中所示,手术机器人包括主控装置100A和从属机器人200A。
在本实施例中,前提是,组成从属机器人200A的安装臂202、引导管212、多个工具214a与214b和内窥镜216中的每一个均包括多个连接件和多个关节。另外,在本实施例中,前提是安装臂202和引导管212在彼此互锁时操作,引导管212和多个工具214a、214b中的每个工具在彼此互锁时操作, 引导管212和一个内窥镜216在彼此互锁时操作。另外,本实施例的前提是从属机器人200A具有冗余度的情形,即,当从属机器人200A在接合空间中的自由度N大于从属机器人200A在工作空间中的自由度M(N>M)时的情形。
主控装置100A可包括位置/方向检测单元120A、速度检测单元125A、存储单元130A、主控制器140A、通信单元150A和显示单元116A。
位置/方向检测单元120A检测由操纵者操纵的主操纵单元112L和112R的位置和方向。当主操纵单元112L和112R被实现为具有六个自由度时,主操纵单元112L和112R的位置信息可被表示为(x’,y’,z’),主操纵单元112L和112R的方向信息可被表示为(α’,β’,γ’)。位置/方向检测单元120A包括:旋转角度传感器(未示出),被安装在连接到主操纵单元112L和112R的多个关节中的每一个关节上,并且用于检测每个关节的旋转角度;算术运算模块,通过将由旋转角度传感器检测的每个关节的旋转角度代入主操纵单元112L和112R的正向运动学的方程式来计算主操纵单元112L和112R的3D空间中的位置和方向信息。旋转角度传感器可以是编码器或电位计。这里,已经对包括旋转角度传感器和算术运算模块的位置/方向检测单元120A进行了描述。然而,可检测关于主操纵单元112L和112R的位置和方向的信息的任意装置可被用作位置/方向检测单元120A。
速度检测单元125A被安装在连接到主操纵单元112L和112R的多个关节中的每一个关节上并用于检测主操纵单元112L和112R的速度(更具体地说,是连接到主操纵单元112L和112R的每个关节的旋转速度)。转速计可被用作速度检测单元125A。在本实施例中,利用速度检测单元125A检测主操纵单元112L和112R的速度。然而,在不使用附加的速度检测装置(速度传感器)的情况下,可通过对构成位置/方向检测单元120A的旋转角度传感器(例如,编码器)的输出值进行微分来计算主操纵单元112L和112R的速度,并且所计算的速度信息可以被使用。
存储单元130A是其中存储有利用从属机器人200A的冗余度来计算接合空间中的解(即,构成安装臂202、引导管212、多个工具214a、214b和内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度)所需的算法和信息的存储器。在存储单元130A中存储有:当执行主控装置100A的主操纵单元112L和112R的操作和从属机器人200A的末端(多个工具和内窥镜)的操作之间的运动缩放时采用 的缩放因子,计算雅可比矩阵(Jacobian matrix)所需的算法、关于从属机器人200A的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个个体的目标的多个个体目标函数、学习关于构成手术机器人的多个操作的结果以及与根据手术任务的类型与个体目标函数相乘的权重。
另外,存储单元130A可存储各种参考图像(例如,在执行操作之前捕获的X射线图像、计算机断层扫描(CT)图像和磁共振成像(MRI)图像)。
主控制器140A,一种用于控制手术机器人的整体操作的处理器,包括转换单元141A、冗余度逆向运动学判读单元142A和图像处理单元147A。
转换单元141A将由位置/方向检测单元120A检测到的主操纵单元112L和112R的位置和方向信息x’、y’、z’、α’、β’和γ’转换成从属机器人200A在工作空间中的运动指令信息(即,操纵者期望的从属机器人200A的末端(多个工具每个的末端和内窥镜的末端)的位置和方向信息x、y、z、α、β和γ)。转换单元141A可利用主控装置100A的主操纵单元112L和112R的操作和从属机器人200A的末端(多个工具和内窥镜)的操作之间的运动缩放将主操纵单元112L和112R的位置和方向信息x’、y’、z’、α’、β’和γ’转换成从属机器人200A在工作空间中的运动指令信息x、y、z、α、β和γ。即,转换单元141A可将主操纵单元112L和112R的位置和方向信息x’、y’、z’、α’、β’和γ’乘以利用执行运动缩放时应用的缩放因子来计算从属机器人200A在工作空间中的运动指令信息x、y、z、α、β和γ。
冗余度逆向运动学判读单元142A,一种利用从属机器人200A的冗余度产生用于整体地控制从属机器人200A的部件(安装臂、引导管、多个工具和内窥镜)的操作的控制信号(构成每个部件的多个关节中的每个关节的期望的旋转角度)的部件,包括雅可比矩阵计算单元144A、目标函数计算单元145A和冗余度利用单元146A。
首先,在对冗余度逆向运动学判读单元142A的部件进行详细地描述之前,现在,将描述具有冗余度的从属机器人200A的正向运动学、逆向运动学和逆向运动学的解释的概念。
一般来说,当给定一系列接合角度(接合变量q)时,机器人系统中的正向运动学用于获得在机器人末端的直角坐标系上的位置或方向(工作变量p)。正向运动学比逆向运动学相对更简单,通过利用齐次变换可获得正向运动学的解。同时,与正向运动学形成对比,逆向运动学用于当给定在机器人末端的 直角坐标系上的位置或方向(工作变量p)时获得接合角度(接合变量q),即,将工作空间中的定义的任务表示为接合空间中的运动。由于运动学方程式是包括超越函数的非线性方程,所以可能比正向运动学相对更难或不可能获得解。另外,可能无解或有多个解。
如上面的前提所述,在从属机器人200A具有冗余度的情况下,逆向运动学解释可利用雅可比矩阵的伪逆矩阵被数值地执行。以下,将对冗余度的逆向运动学解释进行更加详细地描述。
逆向运动学是这样的过程:当给定机械手的末端的位置及方向时,关节的旋转角度和机械手的末端的位置及方向(这里,方向被表示为欧拉角)相对应。在位置层面,不存在获得逆向运动学解的特殊的方法,需要利用几何相互关系公式(geometric interaction formula)或者根据给定的机器人的接合结构根据直觉来获得逆向运动学解。在具有大量关节的手术机器人或者人形机器人的情形下,在位置水平将不能找到逆向运动学解。在这种情形下,在实时速度层面,利用雅可比相互关系公式来计算逆矩阵,获得每个关节的速度,对所述速度进行数值积分,从而,确定逆向运动学解。
在具有冗余度的系统(例如,上述的从属机器人200A)中,机器人末端(多个工具的每个末端和内窥镜的末端)在直角坐标系上的位置与方向(即,工作变量p和接合空间中的一系列接合角度(即,接合变量q))之间的关系可以利用下面的方程式1来表示。
[方程式1]
p=f(q)
这里,p∈RM,q∈RN,M<N,N是具有冗余度的从属机器人200A在接合空间中的自由度,M是具有冗余度的从属机器人200A在工作空间中的自由度。
在这种情况下,p∈RM是指工作变量p可以被表示为M×1矩阵。例如,当在工作空间中具有六个自由度的第一工具214a的末端的位置信息x1、y1和z1和方向信息α1、β1和γ1、在工作空间中具有六个自由度的第二工具214b的末端的位置信息x2、y2和z2和方向信息α2、β2和γ2、在工作空间中具有六个自由度的内窥镜216的方向信息α3、β3和γ3是工作变量p(工作空间中的自由度M=6+6+3=15)时,工作变量p可被表示为如下的15×1矩阵。
p=x1y1z1α1β1γ1···α3β3γ3]]>
另外,q∈RN是指接合变量q可以被表示为M×1矩阵。例如,当组成在接合空间具有六个自由度的安装臂202的六个关节的旋转角度信息q1、q2、q3、q4、q5和q6、组成在接合空间具有六个自由度的引导管212的六个关节的旋转角度信息q7、q8、q9、q10、q11和q12、组成在接合空间具有六个自由度的第一工具214a的六个关节的旋转角度信息q13、q14、q15、q16、q17和q18、组成在接合空间具有六个自由度的第二工具214b的六个关节的旋转角度信息q19、q20、q21、q22、q23和q24、在接合空间具有三个自由度的内窥镜216的旋转角度信息q25、q26和q27是接合变量q(接合空间中的自由度N=6+6+6+6+3=27)时,接合变量q可被表示为如下的27×1矩阵。
q=q1q2q3q4q5q6···q25q26q27]]>
通过将上述的方程式1关于时间微分,可以计算下面的微分动力学方程方程式2。
[方程式2]
p·=J(q)q·]]>
这里,J(q)是f(q)的雅可比矩阵。
由于通过逆向运动学获得接合变量q,所以如方程式3中所示,上述的方程式2可以被总结为关节的速度矢量的方程式。
[方程式3]
q·=J-1(q)p·]]>
当接合空间中的自由度N与工作空间中的自由度M相同(N=M)时(即,当系统没有冗余度时),可以计算雅可比矩阵J(q)的逆矩阵J-1(q),并且可以通过将逆矩阵J-1(q)代入方程式3计算每个关节的速度(关节的速度矢量的元素,即,),然后,可以对速度进行积分,从而计算每个关节的旋转角度(接合变量q的元素,即,q1、q2…)。
同时,当接合空间中的自由度N大于工作空间中的自由度M时(即,当系统具有冗余度时),如同在上面描述的从属机器人200A中,雅可比矩阵J(q)的列数大于雅可比矩阵J(q)的行数,因此,不能计算逆矩阵J-1(q),并且存在无穷大的逆向运动学解。
这样,当系统具有冗余度时,利用雅可比矩阵J(q)的伪逆矩阵J#(q)来计算逆向运动学解。利用雅可比矩阵J(q)的伪逆矩阵J#(q)来计算每个关节在接合空间中的速度(关节的速度矢量)的方程可以被表示为如下的方程式4,雅可比矩阵J(q)的伪逆矩阵J#(q)可以被表示为如下的方程式5。
[方程式4]
q·=J#p·+(In-J#J)r]]>
[方程式5]
J#=JT(JJT)-1]]>
这里,In是n×n是单位矩阵(或恒等矩阵),r是任意矢量,(In-J#J)是矢量r的零空间。
例如,以利用冗余度定义任意矢量r(q)的多个方法,可被定义为如下的方程式6。
[方程式6]
r=-k∂w∂q]]>
这里,k是常量,w是目标函数或者性能指标评估函数。
目标函数w是量化地评估系统的最佳化或目标实现的重要基础,目标函 数w考虑所有的条件来量化地设置系统的目标(在本实施例中,目标是扩大工具的工作空间,并且使工具和周围障碍物之间的碰撞的可能性最小化)。即,目标函数w是被设置为量化地评估在控制系统和产业系统的设计、操纵和操作中系统的适用性的指标(用于评估系统的指标),需要在满足系统模型的解(在本实施例中,组成安装臂202、引导管212、多个工具214a和214b、内窥镜216的多个关节中的每个关节在接合空间中的解和期望的旋转角度矢量q)之间找到设定目标函数值被最大化或者最小化的解(多个关节中的每一个关节的期望的旋转角度),从而量化地执行系统的最佳设计或控制。
在本实施例中,如果找到了在目标函数w被最小化的接合空间中的解,则可以执行利用从属机器人200A的冗余度的系统(手术机器人)的最佳控制。目标函数w(以下,w被称为整个系统的目标函数)可被表达为多个目标函数w1至wn(以下,w1至wn被称为个体目标函数)的加权总和。个体目标函数w1至wn的示例可包括工具214a和214b中的每个工具和接合极限之间的距离的倒数、工具214a和214b中的每个工具和单个姿势之间的距离的倒数、接合扭矩平方和、工具214a和214b中的每个工具和周围障碍物之间的距离的倒数。
以下,将参照图5至图9对本发明所实现的多个目标(或由本发明所实现的多个效果)进行更加详细地描述。
图5是示出本发明所实现的工具(包括内窥镜)的工作空间的扩展的概念图。
图5的左图示出了利用现有的工具控制方法执行手术任务的情形,图5的右图示出了利用根据本发明的工具控制方法执行手术任务的情形。
如图5的左侧所示,当利用根据现有技术的刚性(非柔性的)固定式引导管或杆状引导管22执行手术任务或者甚至当利用柔性的并具有多个自由度的引导管22执行手术任务时,引导管22和从引导管22叉开并在其末端安装有末端效应器28a和28b的每个工具(第一工具24a和第二工具24b)单独地操作,引导管22和从引导管22叉开的内窥镜26单独地操作。因此,当执行手术任务或者出现多个工具24a和24b是单个姿势并且不能被移动到期望的位置或方向时状态(锁定状态)时,工具24a和24b中的每个工具和/或内窥镜26可到达接合极限。即,如果多个工具24a和24b中的每个工具和/或内窥镜26到达接合极限或者相应的单个姿势,则由于工具24a和24b的工作空间的限 制,多个工具24a和24b中的每一个和/或内窥镜26不能被实施。当图5的左侧上箭头所指示的点是第一工具24a和第二工具24b的期望的姿势,由虚线指示的部分表示第二工具24b移动到期望的姿势的情形,如果第二工具24b到达接合极限或者相应的单个姿势,则第二工具24b不能被移动到期望的姿势(第二工具24b不能被移动到虚线所指示的区域)。
同时,如图5的右侧所示,在本实施例中,由于利用柔性的并具有多个自由度的引导管212执行手术任务,引导管212和从引导管212叉开并在其末端安装有末端效应器218a和218b的每个工具(第一工具214a和第二工具214b)在彼此互锁时操作,引导管212和从引导管212叉开的内窥镜216在彼此互锁时操作,利用从属机器人200A的冗余度可以整体地控制从属机器人200A的部件的操作,设置可执行这样的操作:当采用现有的引导管和工具控制方法(单独的操作控制)时,由于工具24a和24b(包括内窥镜26)的工作空间的限制,多个工具24a和24b中的每一个和/或内窥镜26不能被实施。在本实施例中,当图5的右侧上箭头所指示的点是第一工具214a和第二工具214b的期望的姿势时,引导管212和第二工具214b在彼此互锁时操作。因此,为了将第二工具214b移动到期望的姿势,控制第二工具214b沿着和期望的姿势相对应的方向(向右的方向)移动到期望的姿势,同时也控制引导管212沿着第二工具214b可容易地到达期望的姿势的方向移动(引导管212沿着和第二工具214b的期望的姿势相对应的向右的方向弯曲)。
当参照图5所描述的用于实现个体的目标而扩大工具的工作空间的个体目标函数是w1时,个体目标函数w1可以被定义为多个工具214a和214b中的每个工具与接合极限之间的距离或者内窥镜216与接合极限之间的距离d1的倒数1/d1(w1=1/d1)或者多个工具214a和214b中的每个工具与单个姿势之间的距离或者内窥镜216与单个姿势之间的距离d2的倒数1/d2(w1=1/d2)。另外,个体目标函数w1可以被定义为多个工具214a和214b中的每个工具与接合极限之间的距离的倒数1/d1和多个工具214a和214b中的每个工具与单个姿势之间的距离的倒数1/d2的简单求和或加权求和。在这种情形下,多个工具214a和214b中的每个工具与接合极限之间的距离d1以及多个工具214a和214b中的每个工具与单个姿势之间的距离d2被最小化时,工具214a和214b的工作空间可以被扩大到最大。关于个体目标函数w1,当个体目标函数w1被最小化时,工具214a和214b的工作空间可以被扩大到最大。
图6是示出本发明所实现的工具(包括内窥镜)的连接件所需刚度的最小化的概念图。
图6的上图示出了利用现有的工具控制方法执行手术任务的情形,图6的下图示出了利用根据本发明的工具控制方法执行手术任务的情形。
如图6的上侧所示,当利用根据现有技术的刚性(非柔性的)固定式引导管或杆状引导管执行手术任务或者甚至当利用柔性的并具有多个自由度的引导管22执行手术任务时,引导管22和从引导管22叉开并在其末端安装有末端效应器28a和28b的每个工具(第一工具24a和第二工具24b)单独地操作,引导管22和从引导管22叉开的内窥镜26单独地操作。因此,在执行手术任务时,过多的有效载荷被施加在组成工具24a和24b以及内窥镜26的多个关节的部分上,组成工具24a和24b以及内窥镜26的每个关节所需的刚度增加。当图6的上侧所示出的柱状体是施加到多个工具24a和24b以及内窥镜26上的有效载荷时,在图6的上侧中,有效载荷被施加在第二工具24b的末端,因此,组成多个工具24a和24b以及内窥镜26的每个关节所需的刚度增加。
同时,如图6的下侧所示,在本实施例中,由于利用柔性的并具有多个自由度的引导管212执行手术任务,引导管212和从引导管212叉开并在其末端安装有末端效应器218a和218b的每个工具(第一工具214a和第二工具214b)在彼此互锁时操作,引导管212和从引导管212叉开的内窥镜216在彼此互锁时操作,利用从属机器人200A的冗余度可以整体地控制从属机器人200A的部件的操作,组成多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节所需的刚度可通过有效载荷的分配被减小。
当参照图6所描述的用于实现个体的目标而使工具的每个关节所需的刚度最小化的个体目标函数是w2时,个体目标函数w2可以被定义为组成多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的扭矩平方(τ12,τ22,τ32…)的接合扭矩的平方和(w2122232+…)。在这种情形下,当组成多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的扭矩平方(τ12,τ22,τ32…)的接合扭矩的平方和(即,个体目标函数w2)被最小化时,组成多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节所需的刚度可被减小。
图7是示出本发明所实现将工具(包括内窥镜)和周围障碍物物之间碰撞的可能性最小化的概念图。
图7的左图示出了利用现有的工具控制方法执行手术任务的情形,图7 的右图示出了利用根据本发明的工具控制方法执行手术任务的情形。
如图7的左侧所示,当利用根据现有技术的刚性(非柔性的)固定式引导管或杆状引导管22执行手术任务或者甚至当利用柔性的并具有多个自由度的引导管22执行手术任务时,引导管22和从引导管22叉开并在其末端安装有末端效应器28a和28b的每个工具(第一工具24a和第二工具24b)单独地操作,引导管22和从引导管22叉开的内窥镜26单独地操作。因此,在执行手术任务时,会不可避免地与周围障碍物(人体组织或者其它工具)发生碰撞,以使工具24a和24b中的每个工具和/或内窥镜26可被移动到期望的姿势。在图7的左侧,当被安装在第二工具24b上的末端效应器28b的设置方向是期望的姿势时,伴随着与周围障碍物的碰撞,以使第二工具24b可被移动到期望的姿势。
同时,如图7的右侧所示,在本实施例中,由于利用柔性的并具有多个自由度的引导管212执行手术任务,引导管212和从引导管212叉开并在其末端安装有末端效应器218a和218b的每个工具(第一工具214a和第二工具214b)在彼此互锁时操作,引导管212和从引导管212叉开的内窥镜216在彼此互锁时操作,利用从属机器人200A的冗余度可以整体地控制从属机器人200A的部件的操作,可避免多个工具214a和214b中的每个工具与周围障碍物之间的碰撞和/或内窥镜216与周围障碍物之间的碰撞,或者可降低与周围障碍物之间碰撞的可能性。在图7的右侧,在本实施例中,当被安装在第二工具214b上的末端效应器218b的设置方向是期望的姿势时,引导管212与第二工具214b在彼此互锁时操作。因此,为了避免第二工具214b与周围障碍物之间的碰撞,控制第二工具214b以沿着第二工具214b远离周围障碍物的方向(向左的方向)移动,并且同时也控制引导管212沿着第二工具214b可容易地远离周围障碍物的方向移动(引导管212被弯曲为S状,以防止第二工具214b与周围障碍物之间的碰撞)。
当参照图7所描述的用于实现个体的目标而扩大工具的工作空间的个体目标函数是w3时,个体目标函数w3可以被定义为多个工具214a和214b中的每个工具与周围障碍物之间的距离或内窥镜216与周围障碍物之间的距离d3的倒数1/d3(w3=1/d3)。在这种情形下,当多个工具214a和214b中的每个工具与周围障碍物之间的距离或者内窥镜216与周围障碍物之间的距离d3时,可使工具与周围障碍物之间的碰撞最小化。关于个体目标函数w3,当个体目 标函数w3最小化时,可使工具与周围障碍物之间的碰撞最小化。
图8是示出本发明所实现的工具所需的自由度的最小化的概念图。
图8的上图示出了利用现有的工具控制方法执行手术任务的情形,图8的下图示出了利用根据本发明的工具控制方法执行手术任务的情形。
如图8的上侧所示,当利用根据现有技术的刚性(非柔性的)固定式引导管或杆状引导管执行手术任务或者甚至当利用柔性的并具有多个自由度的引导管22执行手术任务时,引导管22和从引导管22叉开并在其末端安装有末端效应器28a和28b的每个工具(第一工具24a和第二工具24b)单独地操作,引导管22和从引导管22叉开的内窥镜26单独地操作。因此,为了执行手术任务,多个工具24a和24b以及内窥镜26都需要被实现为具有六个自由度。
同时,如图8的下侧所示,在本实施例中,由于利用柔性的并具有多个自由度的引导管212执行手术任务,引导管212和从引导管212叉开并在其末端安装有末端效应器218a和218b的每个工具(第一工具214a和第二工具214b)在彼此互锁时操作,引导管212和从引导管212叉开的内窥镜216在彼此互锁时操作,利用由从属机器人200A的近部(即,引导管212以及引导管212连接到的安装臂202)的自由度引起的冗余度可以整体地控制从属机器人200A的部件的操作。因此,利用被实现为具有小于六个自由度(例如,四个自由度)的工具214a和214b以及内窥镜216中的每一个可执行具有六个自由度的操作。
图9是示出本发明所实现的复杂任务的性能的概念图。
图9的左图示出了利用现有的工具控制方法执行手术任务的情形,图9的右图示出了利用根据本发明的工具控制方法执行手术任务的情形。
如图9的左侧所示,当利用根据现有技术的刚性(非柔性的)固定式引导管或杆状引导管22执行手术任务或者甚至当利用柔性的并具有多个自由度的引导管22执行手术任务时,引导管22和从引导管22叉开并在其末端安装有末端效应器28a和28b的每个工具(第一工具24a和第二工具24b)单独地操作,引导管22和从引导管22叉开的内窥镜26单独地操作。因此,由工具24a和24b中的每一个执行的手术任务被限制为简单的任务(例如,穿过或磨合)。
同时,如图9的右侧所示,在本实施例中,由于利用柔性的并具有多个自由度的引导管212执行手术任务,引导管212和从引导管212叉开并在其 末端安装有末端效应器218a和218b的每个工具(第一工具214a和第二工具214b)在彼此互锁时操作,引导管212和从引导管212叉开的内窥镜216在彼此互锁时操作,利用从属机器人200A的冗余度可以整体地控制从属机器人200A的部件的操作。因此,可实现工具的工作空间的扩大(参见图5)、工具的每个关节所需的刚度的最小化(参见图6)以及每个工具和周围障碍物之间的碰撞的可能性的最小化(参见图7),并且每个个体目标函数彼此结合,从而可执行那些由现有的工具控制方法无法执行的复杂的任务(例如,自动缝合)。
当参照图9所描述的用于实现系统的目标以执行复杂任务的系统的目标函数是w时,系统的目标函数w可被定义为参照图5至图7描述的多个个体目标函数w1、w2和w3的加权总和(w=aw1+bw2+cw3)。即,整个系统的目标函数w可以被表示为被定义为工具214a和214b中的每个工具与接合极限之间的距离或内窥镜216与接合极限之间的距离d1的倒数1/d1的个体目标函数w1、被定义为组成多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的扭矩平方(τ12,τ22,τ32…)的接合扭矩的平方和(τ122232+…)的个体目标函数w2、被定义为工具214a和214b中的每个工具与周围障碍物之间的距离或内窥镜216与周围障碍物之间的距离d3的倒数1/d3的个体目标函数w3的加权总和。在这种情况下,系统的目标函数w(w=aw1+bw2+cw3)根据时间流而变化。即,乘与个体目标函数相乘的权重根据从属机器人200A执行的手术任务的类型而变化。例如,当从属机器人200A执行的手术任务是套管插入术时,使工具与周围障碍物之间的碰撞的可能性最小化的单独目标比扩大工具的工作空间的单独目标和使工具的每个关节所需的刚度最小化的单独目标更重要。因此,与用于实现使工具与周围障碍物之间的碰撞的可能性最小化的单独目标的个体目标函数w3相乘的权重c被确定为大于与其它个体目标函数w1和w2相乘的权重a和b。
返回参照图4,现在,将对冗余度逆向运动学判读单元142A的部件进行详细地描述。
雅可比矩阵计算单元144A计算与自方程2(即,微分运动学公式通过对方程1(即,p=f(q),用于表示工作变量p和接合变量q的关系)关于时间进行微分得到的)的关节的速度矢量相乘的雅可比矩阵J(q)。在这种情形下,雅可比矩阵计算单元144A通过将关于从属机器人200A的运动学结构的多条信息(例如,关于连接关节与关节之间的连接件的 长度的信息)代入用于计算雅可比矩阵J(q)的算法来计算f(q)的雅可比矩阵J(q)。
目标函数计算单元145A用于计算方程式6(即,表示方程式4(即,在具有冗余度的从属机器人200A中,利用雅可比矩阵J(q)的伪逆矩阵J#(q)计算在接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)的q·=J#p·+(In-J#J)r]]>)中所示的任意矢量r(q)的r=-k∂w∂q]]>)中所示出的目标函数w。目标函数w(整个系统的目标函数)可被表达为多个个体目标函数w1至wn的加权总和(w=aw1+bw2+cw3+…)。个体目标函数w1至wn的示例可包括:工具214a和214b中的每个工具与接合极限之间的距离的倒数、组成多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的接合扭矩平方和、以及工具214a和214b中的每个工具与周围障碍物之间的距离的倒数。在这种情况下,系统的目标函数w(w=aw1+bw2+cw3)根据时间流而变化。即,与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…根据由从属机器人200A执行的手术任务的类型而变化。目标函数计算单元145A根据从属机器人200A执行的手术任务的类型确定与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…。目标函数计算单元145A可利用由位置/方向检测单元120A和速度检测单元125A检测到的关于主操纵单元112L和112R的操作的信息(主操纵单元112L和112R的位置信息和速度信息)以及对已经被存储在存储单元130A中的手术任务的多个操作的学习的结果来预测将由操纵者执行的手术任务的类型。这里,手术任务是缝合、穿过、连续缝合和套管插入术中的一种,并且手术任务的多个操作包括定向、推和拉中的至少一种。因此,目标函数计算单元145A确定从属机器人200A执行的手术任务的类型、基于确定的结果来确定与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…,然后通过将每个被确定的权重乘以每个个体目标函数来计算整个系统的目标函数w。
冗余度利用单元146A计算整个系统的目标函数w被最小化在接合空间中的解(即,组成安装臂202、引导管212、多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度q)。冗余度利用单元146A通过将由目标函数计算单元145A计算的目标函数w代入上面的方程式6中,然后将代入了目标函数w的方程式6代入上面的方程式4中来计算目标函数w被最小 化的在接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)。冗余度利用单元146A计算用于组成安装臂202、引导管212、多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度q,期望的旋转角度q是通过对所计算在接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)进行积分的最终在接合空间中的解。
图像处理单元147A执行对输入图像的处理,通过从属机器人200A的图像信息获取单元220A输入的图像(例如,内窥镜216和/或超声探头(未示出))被输出为图像。这里,图像处理的示例可包括被捕获图像的放大、缩小、移动、编辑或滤波。
通信单元150A是通过有线/无线通信网络连接到主控制器140A和从属机器人200A的通信单元250A并且将数据发送到主控制器140A和从属机器人200A的通信单元250A/接收来自主控制器140A和从属机器人200A的通信单元250A的数据的通信电路,通信单元150A可将由冗余度利用单元146A产生的控制信号(关节的期望的旋转角度q)发送到从属机器人200A,或者可接收通过从属机器人200A的图像信息获取单元220A获取的图像信息(内窥镜图像信息和/或超声图像信息)。
显示单元116A输出各种参考图像(例如,和从属机器人200的内窥镜216传送的内窥镜图像相对应的立体图像、和从属机器人200的超声探头(未示出)传送的超声图像相对应的立体图像、在操作被执行之前获取的X射线图像、CT图像和MRI图像)作为视觉信息。
从属机器人200A根据从主控装置100A接收的控制信号操作安装臂202、引导管212和多个工具214a、214b和216,以直接对病人执行手术所需的操纵。如图4中所示,从属机器人200A可包括图像信息获取单元220A、存储单元230A、从属控制器240A、通信单元250A、伺服控制器260A和驱动单元270A。
图像信息获取单元220A被插入病人的身体内,在内部器官或体腔的内部运动、捕获,并获得操作部位的图像信息。图像信息获取单元220A可被实现为具有内窥镜216和/或超声探头(未示出)。由图像信息获取单元220A获得的图像信息可以被传送给从属控制器240A中的图像处理单元247A,并可经历图像处理过程或者可在未经历图像处理过程的情况下通过通信单元250A传送给主控装置100A。
存储单元230A可存储控制从属机器人200A所需的信息和算法以及通过从属机器人200A获取的信息。例如,由图像信息获取单元220A获取的关于操作部位的图像信息被存储在存储单元230A中。
从属控制器240A是用于连接从属机器人200的元件并用于控制从属机器人200A的操作的处理器,可将通过从属机器人200A获取的操作部位的图像信息通过通信单元250A传送给主控装置100A,或者可接收来自通信单元250A的由主控制器140A内的冗余度利用单元146A产生的控制信号(关节的期望的旋转角度q),并将所接收的控制信号传送给伺服控制器260A。另外,从属控制器240A可包括图像处理单元247A,图像处理单元247A对由从属机器人200A获取的操作部位的图像执行处理。这里,图像处理的示例可包括被捕获图像的放大、缩小、旋转、移动、编辑和过滤。根据需要,可省略在从属控制器240A内执行的图像处理过程。
通信单元250A是通过有线/无线通信网络连接到控制器240A和主控装置100A的通信单元150A并且将数据发送到从属控制器240A和主控装置100A的通信单元150A/接收来自从属控制器240A和主控装置100A的通信单元150A的数据的通信电路,通信单元250A可接收通过利用冗余度产生的来自主控装置100A的控制信号(关节的期望的旋转角度q)或者可将由图像信息获取单元220A获取的图像信息(内窥镜图像信息和/或超声图像信息)发送给主控装置100A。
伺服控制器260A计算跟随由主控制器140A内的冗余度利用单元146A传送的关节的期望的旋转角度q的接合扭矩τ,产生与所计算的接合扭矩τ相对应的扭矩控制信号,并将所产生的扭矩控制信号输出给用于旋转地驱动组成安装臂202、引导管212、工具214a与214b中的每个工具和内窥镜216的每个关节的驱动单元270A。
驱动单元270A是根据从伺服控制器260A传送的扭矩控制信号可旋转地驱动组成安装臂202、引导管212、工具214a与214b中的每一个和内窥镜216的每个关节的致动器(诸如用于将通过电力或液压产生的动力传送给组成安装臂202、引导管212、工具214a与214b中的每一个和内窥镜216的每个关节的电机)。在上述的包括如图3A至图3C所示的安装臂202、连接到安装臂202的引导管212、当执行手术任务时从引导管212叉开的两个工具214a与214b和内窥镜216的从属机器人200中,安装臂202、引导管212、工具214a 与214b中的每一个在接合空间中的自由度均是6,内窥镜216在接合空间中的自由度是3,从而,27个旋转关节被设置在从属机器人200上。因此,需要27个致动器来驱动这些旋转关节。
图10是示出根据本发明实施例的控制手术机器人的方法的流程图。
作为用于描述本实施例的操作的初始条件,前提是,从属机器人200A具有冗余度,并且安装臂202、引导管212、两个工具214a与214b和一个内窥镜216中的每一个包括多个连接件和多个关节。另外,前提是安装臂202和引导管212在彼此互锁时操作,引导管212和工具214a、214b中的每个工具在彼此互锁时操作,引导管212和一个内窥镜216在彼此互锁时操作。另外,前提是,在存储单元130A中预先存储了:当执行主控装置100A的主操纵单元112L和112R的操作和从属机器人200A的末端(多个工具和内窥镜)的操作之间的运动缩放时采用的缩放因子,计算雅可比矩阵所需的算法、关于从属机器人200A的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个个体的目标的多个个体目标函数、学习关于构成手术任务的多个操作的结果以及根据手术任务的类型与个体目标函数相乘的权重。
首先,如果手术开始,主操纵单元112L和112R的操纵者(使用手术机器人的外科医生)使用主操纵单元112L和112R执行预定的操作以执行手术任务,则主控装置100A的位置/方向检测单元120A检测主操纵单元112L和112R的位置信息x’、y’、z’和方向信息α’、β’、γ’,并将检测到的主操纵单元112L和112R的位置信息x’、y’、z’和方向信息α’、β’、γ’传送给主控制器140A(操作310)。
然后,主控制器140A内的转换单元141A将由位置/方向检测单元120A获得的主操纵单元112L和112R的位置与方向信息x’、y’、z’、α’、β’和γ’转换成从属机器人200A在工作空间中的运动指令信息(即,操纵者的期望的从属机器人200A的末端(多个工具的末端和内窥镜的末端)的位置与方向信息x、y、z、α、β和γ)(操作320)。在这一情形下,转换单元141A可通过将缩放因子(当执行在主控装置100A的主操纵单元112L和112R的操作和从属机器人200A的末端(多个工具和内窥镜)的操作之间的运动缩放时被应用)乘以主操纵单元112L和112R的位置与方向信息x’、y’、z’、α’、β’和γ’来计算从属机器人200A在工作空间中的运动指令信息x、y、z、α、β和γ。
随后,主控制器140A的冗余度逆向运动学判读单元142A中的雅可比矩 阵计算单元144A利用已经被存储在存储单元130A中的计算雅可比矩阵所需的算法和关于从属机器人200A的运动学结构的多条信息(例如,关于用于连接关节与关节的连接件的长度的信息)来计算方程式2(即,微分运动学公式)中的与关节的速度矢量相乘的雅可比矩阵J(q)(操作330)。
接下来,主控制器140A的冗余度逆向运动学判读单元142A中的目标函数计算单元145A确定由从属机器人200A执行的手术任务的类型、基于确定的结果来确定与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…,然后通过将每个被确定的权重乘以每个个体目标函数来计算整个系统的目标函数w(操作340)。在这一情况下,目标函数计算单元145A可利用由位置/方向检测单元120A和速度检测单元125A检测到的关于主操纵单元112L和112R的操作的信息(主操纵单元112L和112R的位置信息和速度信息)以及学习已经被存储在存储单元130A中的手术任务的多个操作的结果来预测将由操纵者执行的手术任务的类型,可根据所预测的任务(例如,套管插入术)在存储单元130A中搜索与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…,然后,通过将每个搜索到的权重a、b、c…乘以每个个体目标函数来计算整个系统的目标函数w。
随后,主控制器140A的冗余度逆向运动学判读单元142A中的冗余度利用单元146A利用从属机器人200A的冗余度计算用于组成安装臂202、引导管212、多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度q(操作350)。在这一情况下,冗余度利用单元146A计算由目标函数计算单元145A计算的整个系统的目标函数w被最小化的接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量),并计算用于组成安装臂202、引导管212、多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度q,期望的旋转角度q是通过对所计算的接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)进行积分得到的在最终的接合空间中的解。
接着,主控制器140A通过通信单元150A将由冗余度利用单元146A计算的每个关节的期望的旋转角度q传送给从属机器人200A的从属控制器240A,从属控制器240A将来自主控制器140A的每个关节的期望的旋转角度q传送给伺服控制器260A(操作360)。
随后,从属机器人200A的伺服控制器260A计算跟随由主控制器140A中的冗余度利用单元146A传送的每个关节的期望的旋转角度q的接合扭矩τ,并产生与所计算的接合扭矩τ相对应的扭矩控制信号(操作370)。
接着,伺服控制器260A将所产生的扭矩控制信号传送给用于旋转地驱动组成安装臂202、引导管212、工具214a与214b中的每个工具和内窥镜216的每个关节的驱动单元270A(操作380)。
通过这一过程,利用从属机器人200A的冗余度实现各种单独目标(扩大工具的工作空间、使工具的每个关节所需的刚度最小化、使工具和周围障碍物之间的碰撞的可能性最小化、使工具所需的自由度最小化以及执行复杂的任务),并且,同时也可一体地控制从属机器人200A的部件(安装臂、引导管、多个工具和内窥镜)的操作。
图11是根据本发明另一实施例的手术机器人的控制框图。
与图4中的手术机器人相比较,图11中所示的手术机器人和图4中所示的手术机器人的不同之处在于:优先级确定单元143B被添加到主控装置100B的主控制器140B的冗余度逆向运动学判读单元142B中。
在此,将省略对使用与图4中的名称以及标号相同的名称和相同的标号的部件的描述。(然而,在标号后面标记的A和B被用于将实施例彼此区分开来。)现在,将对添加到图11中的优先级确定单元143B的结构、存储单元130B和主控制器140B中的冗余度逆向运动学判读单元142B的结构,及其由于优先级确定单元143B而变化的函数进行描述。
图11中的存储单元130B是存储用于利用从属机器人200B的冗余度计算接合空间中的解(即,组成安装臂202、引导管212、多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度)所需的信息和算法的存储器。在存储单元130B中存储了:当执行主控装置100B的主操纵单元112L和112R的操作和从属机器人200B的末端(多个工具和内窥镜)的操作之间的运动缩放时采用的缩放因子、对工作变量p(即,多个工具214a和214b的位置/方向信息和内窥镜216的位置/方向信息)设置的优先级(例如,在多个工具214a和214b的位置/方向信息和内窥镜216的方向信息之间对多个工具214a和214b的位置/方向信息设置较高优先级,或者在第一工具214a的末端的位置信息x1、y1、z1和第一工具214a的末端的方向信息α1、β1和γ1之间对第一工具214a的末端的位置信息x1、y1、z1设置较高优先级)、计算雅可比矩阵所需的算法、关于从属机器人200B的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个单独目标的多个个体目标函数、学习关于组成手术任务的多个操作的结果以及根据手术任务的类型与个体目标函数相乘的权重。
此外,存储单元130B还可存储各种参考图像(诸如手术被执行之前所捕获的X射线图像、CT图像和MRI图像)。
如图11中所示,主控制器140B中的冗余度逆向运动学判读单元142B是这样的部件:利用从属机器人200B的冗余度产生用于一体地控制从属机器人200B的部件(安装臂、引导管、多个工具和内窥镜)的控制信号(组成每个部件的多个关节中的每一个关节的期望的旋转角度),冗余度逆向运动学判读单元142B包括优先级确定单元143B、雅可比矩阵计算单元144B、目标函数计算单元145B和冗余度利用单元146B。
首先,在对冗余度逆向运动学判读单元142B的部件进行详细描述之前,现在,将描述当对具有冗余度的从属机器人200B中的工作变量p设置优先级时的逆向运动学。
如上所述,当系统具有冗余度时,利用雅可比矩阵J(q)的伪逆矩阵J#(q)来计算逆向运动学解。
在这种情况下,当对工作变量p设置优先级时(例如,当工作变量p根据优先级被分为p1和p2并对p1设置较高优先级时),利用雅可比矩阵的伪逆矩阵来计算每个关节在接合空间中的速度(关节的速度矢量)的方程式可以被表示为如下的方程式7,并且方程式7中所示的可被定义为如下的方程式8。
[方程式7]
q·=J1#p·1+J^2#(p·2-J2J1#p·1)+(In-J1#J1)(In-J^2#J^2)r]]>
[方程式8]
J^2=J2(In-J1#J1)]]>
这里,p1和p2是根据优先级对工作变量p进行分类所获得的子矢量,J1和J2是与p1和p2相对应的雅可比矩阵,In是n×n单位矩阵(或恒等矩阵),r是任意矢量。
对工作变量p指定优先级的方法的描述中,例如,在多个工具214a和214b的位置与方向信息和内窥镜216的方向信息(当内窥镜216具有沿着侧倾、俯仰、横摆方向三个旋转自由度时)之间对多个工具214a和214b的位置与方向信息设置较高优先级(当不同工具的位置/方向信息的优先级彼此不同时),或者在第一工具214a的末端的位置信息x1、y1、z1和方向信息α1、β1和γ1之间对第一工具214a的末端的位置信息x1、y1、z1设置较高优先级(当一个工具的位置信息和方向信息的优先级彼此不同时)。
如方程式6中所示以及如上面参照图5至图9的描述,即使当根据优先级对工作变量p进行分类时,也定义任意矢量r(q)、个体目标函数w1至wn和整个系统的目标函数w,以便利用冗余度,因此,将省略对其的详细描述。
返回图11,将对冗余度逆向运动学判读单元142B的部件进行详细地描述。
优先级确定单元143B根据预定的优先级对由转换单元141B转换的从属机器人200B的末端(多个工具的末端和内窥镜的末端)的位置和方向信息x、y、z、α、β和γ进行分类。在此,前提是,从属机器人200B的末端的位置和方向信息(即,工作变量p)根据优先级被分为p1和p2,其中,对p1设置的优先级高于对p2设置的优先级。例如,当在多个工具214a和214b的位置与方向信息和内窥镜216的方向信息(当内窥镜216具有沿着侧倾、俯仰、横摆方向三个旋转自由度时)之间对多个工具214a和214b的位置与方向信息设置较高优先级(当不同工具的位置/方向信息的优先级彼此不同时)时,优先级确定单元143B将多个工具214a和214b的位置与方向信息确定为p1,将内窥镜216的方向信息确定为p2。另外,例如,当在第一工具214a的末端的位置信息x1、y1、z1和方向信息α1、β1和γ1之间对第一工具214a的末端的位置信息x1、y1、z1设置较高优先级(当一个工具的位置信息和方向信息的优先级彼此不同时)时,优先级确定单元143B将第一工具214a的末端的位置信息x1、y1、z1确定为p1,将第一工具214a的末端的方向信息α1、β1和γ1确定为p2
雅可比矩阵计算单元144B通过将关于从属机器人200B的运动学结构的多条信息(例如,关于连接关节和关节之间的连接件的长度的信息)输入用于计算雅可比矩阵的算法来计算对应于工作变量p的具有相对高的优先级的p1的雅可比矩阵J1(q)和对应于工作变量p的具有相对低的优先级的p2的雅可比矩阵J2(q)。
目标函数计算单元145B计算方程式6(即,)中所示的目标函数w,方程式6表示方程式7(即,q·=J1#p·1+J^2#(p·2-J2J1#p·1)+(In-J1#J1)(In-J^2#J^2)r]]>中所示的任意矢量r(q),方程式7利用具有冗余度的从属机器人200B中的对应于工作变量p的具有相对高的优先级的p1的雅可比矩阵J1(q)的伪逆矩阵J1#(q)和对 应于工作变量p的具有相对低的优先级的p2的雅可比矩阵J2(q)的伪逆矩阵J2#(q)来计算接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)。目标函数(整个系统的目标函数)w可以被表达为多个个体目标函数w1至wn的加权总和(w=aw1+bw2+cw3+…)。个体目标函数的示例可包括工具214a和214b中的每个工具与接合极限之间的距离的倒数、组成多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的接合扭矩平方和、以及工具214a和214b中的每个工具与周围障碍物之间的距离的倒数。在这种情况下,整个系统的目标函数w根据时间流而变化。即,与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…根据从属机器人200B执行的手术任务的类型而变化。目标函数计算单元145B确定与个体目标函数w1至wn相乘的根据从属机器人200B执行的手术任务的类型变化的权重a、b、c…。目标函数计算单元145B可利用由位置/方向检测单元120B和速度检测单元125B检测到的关于主操纵单元112L和112R的操作的信息(主操纵单元112L和112R的位置信息和速度信息)以及对先前已经被存储在存储单元130B中的手术任务的多个操作的学习的结果来预测将由操纵者执行的手术任务的类型。这里,手术任务是缝合、穿过、连续缝合和套管插入术中的一种,并且手术任务的多个操作包括定向、推和拉中的至少一种。因此,目标函数计算单元145B确定从属机器人200B执行的手术任务的类型、基于确定的结果来确定与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…,然后通过将每个被确定的权重乘以每个个体目标函数来计算整个系统的目标函数w。
冗余度利用单元146B计算在整个系统的目标函数w被最小化的接合空间中的解(即,组成安装臂202、引导管212、多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度q)。冗余度利用单元146B通过将由目标函数计算单元145B计算的目标函数w代入上面的方程式6中,然后将代入了目标函数w的方程式6代入上面的方程式7中来计算在目标函数w被最小化的接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)。冗余度利用单元146B计算用于组成安装臂202、引导管212、多个工具214a、214b和内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度q,期望的旋转角度q是通过对所计算的在接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)进行积分得到的在最终的接合空间中的解。
图12是示出根据本发明另一实施例的控制手术机器人的方法的流程图。
作为用于描述本实施例的操作的初始条件,前提是,从属机器人200B具有冗余度,并且安装臂202、引导管212、两个工具214a与214b和一个内窥镜216中的每一个包括多个连接件和多个关节。另外,前提是安装臂202和引导管212在彼此互锁时操作,引导管212和工具214a、214b中的每个工具在彼此互锁时操作,引导管212和一个内窥镜216在彼此互锁时操作。另外,前提是,在存储单元130B中已经预先存储了:当执行主控装置100B的主操纵单元112L和112R的操作和从属机器人200B的末端(多个工具和内窥镜)的操作之间的运动缩放时应用的缩放因子、对工作变量p(即,多个工具214a和214b的位置/方向信息和内窥镜216的方向信息)设置的优先级、计算雅可比矩阵所需的算法、关于从属机器人200B的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个个体的目标的多个个体目标函数、学习关于构成手术任务的多个操作的结果以及根据手术任务的类型与个体目标函数相乘的权重。
首先,如果手术开始,主操纵单元112L和112R的操纵者(使用手术机器人的外科医生)使用主操纵单元112L和112R执行预定的操作以执行手术任务,则主控装置100B的位置/方向检测单元120B检测主操纵单元112L和112R的位置信息x’、y’、z’和方向信息α’、β’、γ’,并将检测到的主操纵单元112L和112R的位置信息x’、y’、z’和方向信息α’、β’、γ’传送给主控制器140B(操作410)。
接着,主控制器140B内的转换单元141B将由位置/方向检测单元120B获得的主操纵单元112L和112R的位置与方向信息x’、y’、z’、α’、β’和γ’转换成从属机器人200B在工作空间中的运动指令信息(即,操纵者期望的从属机器人200A的末端(多个工具的末端和内窥镜的末端)的位置与方向信息x、y、z、α、β和γ)(操作420)。在这一情形下,转换单元141A可通过将主操纵单元112L和112R的位置与方向信息x’、y’、z’、α’、β’和γ’乘以缩放因子(当执行在主控装置100B的主操纵单元112L和112R的操作和从属机器人200B的末端(多个工具和内窥镜)的操作之间进行运动缩放时应用)来计算从属机器人200B在工作空间中的运动指令信息x、y、z、α、β和γ。
随后,主控制器140B的冗余度逆向运动学判读单元142B中的优先级确定单元143B根据预定的优先级对由转换单元141B转换的从属机器人200B 的末端(多个工具的末端和内窥镜的末端)的位置和方向信息x、y、z、α、β和γ(即,工作变量p)进行分类(操作430)。当前提是从属机器人200B的末端的位置和方向信息(即,工作变量p)根据优先级被分为p1和p2时,其中,对p1设置的优先级高于对p2设置的优先级,例如,当在多个工具214a和214b的位置与方向信息和内窥镜216的方向信息之间对多个工具214a和214b的位置与方向信息设置较高优先级时,优先级确定单元143B将多个工具214a和214b的位置与方向信息确定为p1,将内窥镜216的方向信息确定为p2
接着,主控制器140B的冗余度逆向运动学判读单元142B中的雅可比矩阵计算单元144B利用已经被存储在存储单元130B中的用于计算雅可比矩阵的算法和关于从属机器人200B的运动学结构的多条信息(例如,关于连接关节和关节之间的连接件的长度的信息)来计算工作变量p的对应于具有相对高的优先级的p1的雅可比矩阵J1(q)和工作变量p的对应于具有相对低的优先级的p2的雅可比矩阵J2(q)(操作440)。
接着,主控制器140B的冗余度逆向运动学判读单元142B中的目标函数计算单元145B确定从属机器人200B执行的手术任务的类型、基于确定的结果来确定与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…,然后通过将每个被确定的权重乘以每个个体目标函数来计算整个系统的目标函数w(操作450)。在这一情况下,目标函数计算单元145B可利用由位置/方向检测单元120B和速度检测单元125B检测到的关于主操纵单元112L和112R的操作的信息(主操纵单元112L和112R的位置信息和速度信息)以及学习已经被存储在存储单元130B中的手术任务的多个操作的结果来预测将由操纵者执行的手术任务的类型(即,从属机器人200B执行的手术任务的类型),目标函数计算单元145B可根据所预测的任务(例如,套管插入术)在存储单元130A中搜索与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…,然后,通过将每个搜索到的权重a、b、c…乘以每个个体目标函数来计算整个系统的目标函数w。
随后,主控制器140B的冗余度逆向运动学判读单元142B中的冗余度利用单元146B利用从属机器人200B的冗余度来计算用于组成安装臂202、引导管212、多个工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度q(操作460)。在这一情况下,冗余度利用单元146B计算在由目标函数计算单元145B计算的整个系统的目标函数w被最小化的接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)并计算用于组成安装臂202、引导管212、多个 工具214a和214b以及内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度q,期望的旋转角度q是通过对所计算的在接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)进行积分得到的在最终的接合空间中的解。
接下来,主控制器140B通过通信单元150B将冗余度利用单元146B计算的每个关节的期望的旋转角度q传送给从属机器人200B的从属控制器240B,从属控制器240B将来自主控制器140B的每个关节的期望的旋转角度q传送给伺服控制器260B(操作470)。
随后,从属机器人200B的伺服控制器260B计算跟随由主控制器140B中的冗余度利用单元146B传送的每个关节的期望的旋转角度q的接合扭矩τ,并产生与所计算的接合扭矩τ相对应的扭矩控制信号(操作480)。
接着,伺服控制器260B将所产生的扭矩控制信号传送给用于旋转地驱动组成安装臂202、引导管212、工具214a与214b中的每个工具和内窥镜216的每个关节的驱动单元270B(操作490)。
通过这一过程,可利用从属机器人200B的冗余度实现各个单独的目标(扩大工具的工作空间、使工具的每个关节所需的刚度最小化、使工具和周围障碍物之间的碰撞的可能性最小化、使工具所需的自由度最小化以及执行复杂的任务),并且,同时也可一体地控制从属机器人200B的部件(安装臂、引导管、多个工具和内窥镜)的操作。
图13是人形机器人的外部结构视图。
如图13中所示,人形机器人500是像人一样使用两个腿518L和518R直立移动的二足步行机器人,人形机器人500包括上部主体501和下部主体517,上部主体501包括头502、躯体503、臂504L和504R,下部主体517包括两个腿518L和518R。
人形机器人500的上部主体501包括躯体503、通过颈505连接到躯体503的上部的头502、通过肩506L和506R连接到主体503的上部的两侧的两个臂504L和504R和连接到两个臂504L和504R的末端的手507L和507R。相机511被安装在头502上具有人眼形状的每个机械单元中,以捕获运动空间周围的图像。
两个臂504L和504R被实现为以多个自由度驱动。两个臂504L和504R包括多个连接件和关节。具体地,如图13中所示,多工具模块510连接到左臂504L的末端(即,左手507L),多工具模块510包括引导管512和具有末端 效应器516a、516b和516c并从引导管512叉开的多个工具514a、514b和514c。当人形机器人500不执行任务时,多个工具514a、514b和514c嵌入引导管512中,如图13中所示,当人形机器人500执行任务时,嵌入引导管512中的多个工具514a、514b和514c从引导管512中出来并根据用户的指令执行任务(例如,清洁任务)。以下,具体地,包括引导管512和多个工具514a、514b和514c的多工具模块510所连接到的左臂504L被称为安装臂504L。
这里,与安装臂504L一样,引导管512和多个工具514a、514b和514c还可包括多个连接件和关节,并可被实现为以多个自由度驱动。在图13中,用于执行清洁任务的清洁设备(诸如用于拾取垃圾的夹子、用于收集空气中的灰尘的吸尘器和用于清洁脏处的清洁布)(即,末端效应器516a、516b和516c)被安装在多个工具514a、514b和514c的末端。
人形机器人500的下部主体517包括:两个腿518L和518R,连接到上部主体501的躯体503的下部的两侧;脚519L和519R,连接到两个腿518L和518R的末端。
在标号中的“R”和“L”表示人形机器人500的右边和左边。
图14是根据本发明实施例的人形机器人的控制框图。
首先,在本实施例中,前提是,组成人形机器人500的左臂的安装臂504L、引导管512和多个工具514a、514b和514c中的每一个均包括多个连接件和多个关节。另外,在本实施例中,前提是安装臂504L和引导管512在彼此互锁时操作,引导管512和工具514a、514b和514c中的每个工具在彼此互锁时操作。另外,在本实施例中,人形机器人500具有冗余度(即,人形机器人500在接合空间中的自由度N大于人形机器人500在工作空间中的自由度M(N>M))。
如图14中所示,人形机器人500A可包括输入单元520A、图像信息获取单元525A、存储单元530A、控制器540A、伺服控制器550A、驱动单元560A和位置/方向检测单元570A。
输入单元520A被用于由用户输入人形机器人500A的操作指令(例如,行走指令或任务指令),并可包括用户界面(UI)或远程控制器。
图像信息获取单元525A检测从物体反射的光、将所述光转换成数字信号,从而获得运动空间周围的图像。为此,图像信息获取单元525A包括相机511和图像处理模块,相机511用于捕获运动空间周围的图像,图像处理 模块通过接收的相机511输出而产生二维图像(2D)和3D距离信息。电荷耦合器件(CCD)相机、互补金属氧化物(CMOS)相机或飞行时间(TOF)相机可被用作相机511。另外,可获取关于被放置在人形机器人500A的行走路径上的物体的图像信息的任意器件可被用作相机511。
存储单元530A是这样的存储器:利用人形机器人500A的冗余度计算在接合空间中的解(即,组成安装臂504L、引导管512和多个工具514a、514b和514c的每个关节的期望的旋转角度)所需的信息和算法被存储在其中。计算雅可比矩阵所需的算法、关于人形机器人500A的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个单独目标的多个个体目标函数以及根据任务的类型与个体目标函数相乘的权重被存储在存储单元530A中。
另外,存储单元530A可存储人形机器人500A的位置的识别结果和利用同步定位和地图构建(SLAM)算法绘制的运动空间的地图。
控制器540A是用于控制人形机器人500A的整体操作的处理器,控制器540A包括运动指令生成单元541A、冗余度逆向运动学判读单元542A和位置估计单元547A。
运动指令生成单元541A基于从输入单元520A传送的用户指令信号、从图像信息获取单元525A传送的运动空间周围的图像信号以及从位置/方向检测单元570A传送的多个工具514a、514b和514c的末端在3D空间中的位置和方向信息而产生多个工具514a、514b和514c在工作空间中的运动指令x、y、z、α、β和γ。这里,由运动指令生成单元541A产生在工作空间中的运动指令x、y、z、α、β和γ是上面所描述的工作变量p。
在本实施例中,为了执行位置/方向反馈控制,当产生工作空间中的运动指令x、y、z、α、β和γ时,从位置/方向检测单元570A传送的多个工具514a、514b和514c的末端在3D空间中的位置和方向信息被反射。然而,当执行开环控制时,多个工具514a、514b和514c的末端在3D空间中的位置和方向信息不会被反射,但是基于从输入单元520A传送的用户指令信号和从图像信息获取单元525A传送的运动空间周围的图像信息产生运动指令x、y、z、α、β和γ。
冗余度逆向运动学判读单元542A,一种利用人形机器人500A的冗余度产生用于一体地控制人形机器人500A的部件(安装臂、引导管和多个工具)的控制信号(组成每个部件的多个关节的期望的旋转角度)的部件,包括雅可比 矩阵计算单元544A、目标函数计算单元545A和冗余度利用单元546A。
雅可比矩阵计算单元544A计算与方程式2(即,微分运动学公式)中的关节的速度矢量相乘的雅可比矩阵J(q),方程式2是通过对用于表示工作变量p和接合变量q之间的关系的方程式1(即,p=f(q))关于时间微分而获得的。在这一情况下,雅可比矩阵计算单元544A通过将关于人形机器人500A的运动学结构的多条信息(例如,关于连接关节与关节的连接件的长度的信息)代入到用于计算雅可比矩阵J(q)的算法中来计算f(q)的雅可比矩阵J(q)。
目标函数计算单元545A用于计算方程式6(即,表示方程式4(即,在具有冗余度的人形机器人500A中,该方程式利用雅可比矩阵J(q)的伪逆矩阵J#(q)计算在接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量))中所示的任意矢量r(q))中所示出的目标函数w。目标函数w(整个系统的目标函数)可被表达为多个个体目标函数w1至wn的加权总和(w=aw1+bw2+cw3+…)。个体目标函数w1至wn的示例可包括:多个工具514a、514b和514c中的每个工具与接合极限之间的距离的倒数、组成多个工具514a、514b和514c的每个关节的接合扭矩平方和、以及多个工具514a、514b和514c的每个工具与周围障碍物之间的距离的倒数。在这一情况下,系统的目标函数w根据时间流而变化。即,与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…根据人形机器人500A执行的任务的类型而变化。目标函数计算单元545A确定由人形机器人500A执行的任务的类型、根据确定结果来确定与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…,然后通过将每个被确定的权重乘以每个个体目标函数来计算整个系统的目标函数w。
冗余度利用单元546A计算整个系统的目标函数w被最小化的接合空间中的解(即,组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个关节的期望的旋转角度q)。冗余度利用单元546A通过将由目标函数计算单元545A计算的目标函数w代入上面的方程式6中,然后将代入了目标函数w的方程式6代入上面的方程式4中来计算在目标函数w被最小化的接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)。冗余度利用单元546A计算用于组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个关节的期望的旋转角度q,期望的旋转角度q是通过对所计算的接合空间中的 每个关节的速度(关节的速度矢量)进行积分得到的在最终的接合空间中的解。
位置估计单元547A通过对应用到基于由图像信息获取单元525A获取的图像信息计算的量程信息、组成人形机器人500A的连接件的信息(长度信息)和每个旋转关节的旋转角度信息应用SLAM算法来估计人形机器人500A的位置,并且,同时绘制与运动空间相对应的地图。在SLAM算法中,特征的位置与人形机器人500A的位置信息和方向信息被设置为一个状态变量并且同时利用随机滤波(stochastic filter)技术进行估计。其过程包括重复复执行的预测、数据关联和更新操作。在这种情况下,扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman filter)或粒子滤波器(particle filter)可被用作随机滤波器。
伺服控制器550A计算跟随控制器540A中的冗余度利用单元546A传送的关节的期望的旋转角度的接合扭矩τ,并产生与所计算的接合扭矩τ相对应的扭矩控制信号,并将所产生的扭矩控制信号传送给用于旋转地驱动组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个工具的每个关节的驱动单元560A。
驱动单元560A是根据从伺服控制器550A传送的扭矩控制信号可旋转地驱动组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个工具的每个关节的致动器(诸如用于将由电力或液压产生的动力传送给组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个工具的多个关节中的每个关节的电机)。当安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个工具在接合空间中的自由度均是6时,30个旋转关节被设置在人形机器人500A的左臂上。因此,需要30个致动器来驱动这些旋转关节。
位置/方向检测单元570A检测人形机器人500A的每个末端(多个工具的每个末端)的位置和方向。位置/方向检测单元570A包括旋转角度传感器(未示出)和算术运算模块,旋转角度传感器被安装在组成多个工具514a、514b和514c的多个关节中的每个关节上,算术运算模块通过将由旋转角度传感器检测的每个关节的旋转角度代入多个工具514a、514b和514c的正向运动学的方程式来计算多个工具514a、514b和514c的每个末端在3D空间中的位置和方向信息。旋转角度传感器可以是编码器或电位计。已经对包括旋转角度传感器和算术运算模块的位置/方向检测单元570A进行了描述。然而,可检测关于多个工具514a、514b和514c的每个末端的位置和方向的信息的任意装 置可被用作位置/方向检测单元570A。
图15是示出根据本发明实施例的控制人形机器人的方法的流程图。
作为用于描述本实施例的操作的初始条件,前提是,人形机器人500A(具体地,图13中所示的人形机器人500A的左臂)具有冗余度,并且安装臂504L、引导管512、三个工具514a、514b和514c中的每一个均包括多个连接件和多个关节。另外,前提是安装臂504L和引导管512在彼此互锁时操作,引导管512和工具514a、514b和514c中的每个工具在彼此互锁时操作。另外,前提是,在存储单元530A中已经存储了:计算雅可比矩阵所需的算法、关于人形机器人500A的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个单独目标的多个个体目标函数以及根据任务的类型与个体目标函数相乘的权重。
如果人形机器人500A的任务指令(例如,清洁指令)由用户通过输入单元520A输入,则人形机器人500A的任务开始。
首先,如果人形机器人500A的任务开始,则控制器540A周期地从位置/方向检测单元570A接收多个工具514a、514b和514c的末端在3D空间中的位置和方向信息,并执行任务(操作610)。
接着,控制器540A中的运动指令生成单元541A基于从输入单元520A传送的用户指令信号、从图像信息获取单元525A传送的运动空间周围的图像信号以及从位置/方向检测单元570A传送的多个工具514a、514b和514c的末端在3D空间中的位置和方向信息而产生多个工具514a、514b和514c在工作空间中的运动指令x、y、z、α、β和γ(操作620)。这里,由运动指令生成单元541A产生的在工作空间中的运动指令x、y、z、α、β和γ是上面所描述的工作变量p。
随后,控制器540A的冗余度逆向运动学判读单元542A中的雅可比矩阵计算单元544A利用已经被存储在存储单元530A中的用于计算雅可比矩阵J(q)的算法和关于人形机器人500A的运动学结构的多条信息(例如,关于连接关节与关节的连接件的长度的信息)来计算与上面的方程式2(即,微分运动学公式)中的关节的速度矢量相乘的雅可比矩阵J(q)(操作630)。
接下来,控制器540A的冗余度逆向运动学判读单元542A中的目标函数计算单元545A确定人形机器人500A执行的任务的类型、根据确定结果来确定与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…,然后通过将每个被确定的 权重乘以每个个体目标函数来计算整个系统的目标函数w(操作640)。
随后,控制器540A的冗余度逆向运动学判读单元542A中的冗余度利用单元546A利用人形机器人500A的冗余度来计算用于组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个关节的期望的旋转角度q(操作650)。在这种情况下,冗余度利用单元546A计算在由目标函数计算单元545A计算的整个系统的目标函数w被最小化的接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量),并且计算用于组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个关节的期望的旋转角度q,期望的旋转角度q是通过对所计算的在接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)进行积分得到的在最终的接合空间中的解。
接着,控制器540A将由冗余度利用单元546A计算的每个关节的期望的旋转角度q传送给伺服控制器550A(操作660)。
随后,伺服控制器550A计算跟随控制器540A中的冗余度利用单元546A传送的关节的期望的旋转角度的接合扭矩τ,并产生与所计算的接合扭矩τ相对应的扭矩控制信号(操作670)。
接着,伺服控制器550A将所产生的扭矩控制信号传送给用于旋转地驱动组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个工具的每个关节的驱动单元560A(操作680)。
通过这一过程,可利用人形机器人500A的冗余度实现各种单独目标(扩大工具的工作空间、使工具的每个关节所需的刚度最小化、使工具和周围障碍物之间的碰撞的可能性最小化、使工具所需的自由度最小化以及执行复杂的任务),并且,同时也可一体地控制人形机器人500A的部件(安装臂、引导管和多个工具)的操作。
图16是根据本发明另一实施例的人形机器人的控制框图。
与图14中的人形机器人相比较,如图16所示的人形机器人500B与图14中的人形机器人的不同之处在于:优先级确定单元543B被添加到主控制器540B的冗余度逆向运动学判读单元542B中。
在此,将省略对使用与图14中的名称以及标号相同的名称和相同的标号的部件的描述。(然而,在标号后面标记的A和B被用于将实施例彼此区分开来。)现在,将对添加到图16中的优先级确定单元543B的结构、存储单元530B和控制器540B中的冗余度逆向运动学判读单元542B的结构,及其由 于优先级确定单元143B而变化的功能进行描述。
图16中的存储单元530B是存储利用人形机器人500B的冗余度计算接合空间中的解(即,组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个工具的每个关节的期望的旋转角度)所需的信息和算法的存储器。在存储单元530B中存储了:对工作变量p(即,多个工具514a、514b和514c的位置/方向信息)设置的优先级(例如,在多个工具514a、514b和514c的位置/方向信息之间对第一工具514a的位置/方向信息设置较高优先级,或者在第一工具514a的末端的位置信息x1、y1、z1和方向信息α1、β1和γ1之间对第一工具514a的末端的位置信息x1、y1、z1设置较高优先级)、计算雅可比矩阵所需的算法、关于人形机器人500B的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个单独目标的多个个体目标函数以及根据任务的类型与个体目标函数相乘的权重。
此外,存储单元530B可存储人形机器人500B的位置的识别结果和利用SLAM算法绘制的运动空间的地图。
如图16中所示,控制器540B中的冗余度逆向运动学判读单元542B是一种利用人形机器人500B的冗余度产生用于一体地控制人形机器人500B的部件(安装臂、引导管和多个工具)的控制信号(组成每个部件的多个关节中的每个关节的期望的旋转角度),冗余度逆向运动学判读单元542B包括优先级确定单元543B、雅可比矩阵计算单元544B、目标函数计算单元545B和冗余度利用单元546B。
首先,在对冗余度逆向运动学判读单元542B的部件进行详细描述之前,现在,将描述当对具有冗余度的人形机器人500B中的工作变量p设置优先级时的逆向运动学。
如上所述,当系统具有冗余度时,利用雅可比矩阵J(q)的伪逆矩阵J#(q)来计算逆向运动学解。
在这种情况下,当对工作变量p设置优先级时(例如,当工作变量p根据优先级被分为p1和p2并对p1设置较高优先级时),利用雅可比矩阵的伪逆矩阵来计算每个关节在接合空间中的速度(关节的速度矢量)的方程式可以被表示为如下的方程式7,并且方程式7中所示的可被定义为如下的方程式8。
[方程式7]
q·=J1#p·1+J^2#(p·2-J2J1#p·1)+(In-J1#J1)(In-J^2#J^2)r]]>
[方程式8]
J^2=J2(In-J1#J1)]]>
这里,p1和p2是根据优先级对工作变量p进行分类所获得的子矢量,J1和J2是与p1和p2相对应的雅可比矩阵,In是n×n单位矩阵(或恒等矩阵),r是任意矢量。
对工作变量p指定优先级的方法的描述中,例如,在多个工具514a、514b和514c的位置/方向信息和内窥镜216的方向信息之间可对第一工具514a的位置/方向信息设置较高优先级(当不同工具的位置/方向信息的优先级彼此不同时),或者在第一工具514a的末端的位置信息x1、y1、z1和方向信息α1、β1和γ1之间对第一工具514a的末端的位置信息x1、y1、z1设置较高优先级(当一个工具的位置信息和方向信息的优先级彼此不同时)。
如方程式6中所示以及如上面参照图5至图9的描述,即使当根据优先级对工作变量p进行分类时,也定义任意矢量r(q)、个体目标函数w1至wn和整个系统的目标函数w,以便利用冗余度,因此,将省略对其的详细描述。
返回参照图16,将对冗余度逆向运动学判读单元542B的部件进行详细地描述。
优先级确定单元543B根据预定的优先级对由运动指令生成单元541B产生的人形机器人500B的末端(多个工具的每个末端)的位置和方向信息x、y、z、α、β和γ进行分类。在此,前提是,人形机器人500B的末端的位置和方向信息(即,工作变量p)根据优先级被分为p1和p2,其中,对p1设置的优先级高于对p2设置的优先级。例如,当在多个工具514a、514b和514c的位置和方向信息之间可对第一工具514a的位置和方向信息设置较高优先级(当不同工具的位置/方向信息的优先级彼此不同时)时,优先级确定单元543B将第一工具514a的位置和方向信息确定为p1,将第二工具514b和第三工具514c的位置和方向信息确定为p2。另外,例如,当在第一工具514a的末端的位置信息x1、y1、z1和方向信息α1、β1和γ1之间对第一工具514a的末端的位置信息x1、y1、z1设置较高优先级(当一个工具的位置信息和方向信息的优先级彼此不同时)时,优先级确定单元543B将第一工具514a的末端的位置信息x1、y1、z1确定为p1,将第一工具514a的末端的方向信息α1、β1和γ1确定为p2
雅可比矩阵计算单元544B通过将关于人形机器人500B的运动学结构的多条信息(例如,关于连接关节和关节之间的连接件的长度的信息)输入用于 计算雅可比矩阵的算法来计算工作变量p的对应于具有相对高的优先级的p1的雅可比矩阵J1(q)和对应于具有相对低的优先级的p2的雅可比矩阵J2(q)。
目标函数计算单元545B计算方程式6(即,)中所示的目标函数w,方程式6表示方程式7(即,q·=J1#p·1+J^2#(p·2-J2J1#p·1)+(In-J1#J1)(In-J^2#J^2)r]]>)中所示的任意矢量r(q),方程式7利用具有冗余度的人形机器人500B的工作变量p的对应于具有相对高的优先级的p1的雅可比矩阵J1(q)的伪逆矩阵J1#(q)和工作变量p的对应于具有相对低的优先级的p2的雅可比矩阵J2(q)的伪逆矩阵J2#(q)来计算接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)。目标函数(整个系统的目标函数)w可以被表达为多个个体目标函数w1至wn的加权总和(w=aw1+bw2+cw3+…)。个体目标函数的示例可包括工具514a、514b和514c中的每个工具与接合极限之间的距离的倒数、组成多个工具514a、514b和514c的每个关节的接合扭矩平方和、以及工具514a、514b和514c中的每个工具与周围障碍物之间的距离的倒数。在这种情况下,整个系统的目标函数w根据时间流而变化。即,与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…根据人形机器人500B执行的任务的类型而变化。目标函数计算单元545B确定人形机器人500B执行的任务的类型、基于确定的结果来确定与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…,然后通过将每个被确定的权重乘以每个个体目标函数来计算整个系统的目标函数w。
冗余度利用单元546B计算在整个系统的目标函数w被最小化的接合空间中的解(即,组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个关节的期望的旋转角度q)。冗余度利用单元546B通过将由目标函数计算单元545B计算的目标函数w代入上面的方程式6中,然后将代入了目标函数w的方程式6代入上面的方程式7中来计算在目标函数w被最小化的接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)。冗余度利用单元546B计算用于组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个关节的期望的旋转角度q,期望的旋转角度q是通过对所计算的在接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量)进行积分得到的在最终的接合空间 中的解。
图17是示出根据本发明另一实施例的控制人形机器人的方法的流程图。
作为用于描述本实施例的操作的初始条件,前提是,人形机器人500B(具体地,图13中所示的人形机器人500B的左臂)具有冗余度,并且安装臂504L、引导管512、三个工具514a、514b和514c中的每一个均包括多个连接件和多个关节。另外,前提是,安装臂504L和引导管512在彼此互锁时操作,引导管512和工具514a、514b和514c中的每个工具在彼此互锁时操作。另外,前提是,在存储单元530B中已经存储了:对工作变量p(即,多个工具514a、514b和514c的位置/方向信息)设置的优先级、计算雅可比矩阵所需的算法、关于人形机器人500B的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个单独目标的多个个体目标函数以及根据机器人执行的任务的类型与个体目标函数相乘的权重。
如果人形机器人500B的任务指令(例如,清洁指令)由用户通过输入单元520B输入,则人形机器人500B的任务开始。
首先,如果人形机器人500B的任务开始,则控制器540B周期地从位置/方向检测单元570B接收多个工具514a、514b和514c的末端在3D空间中的位置和方向信息,并执行任务(操作710)。
接着,控制器540B中的运动指令生成单元541B基于从输入单元520B传送的用户指令信号、从图像信息获取单元525B传送的运动空间周围的图像信号以及从位置/方向检测单元570B传送的多个工具514a、514b和514c的末端在3D空间中的位置和方向信息而产生多个工具514a、514b和514c在工作空间中的运动指令x、y、z、α、β和γ(操作720)。这里,由运动指令生成单元541B产生在工作空间中的运动指令x、y、z、α、β和γ是上面所描述的工作变量p。
随后,控制器540B的冗余度逆向运动学判读单元542B中的优先级确定单元543B根据预定的优先级对由运动指令生成单元541B产生的人形机器人500B的末端(多个工具的每个末端)的位置和方向信息x、y、z、α、β和γ进行分类(操作730)。当工作变量p根据优先级被分为p1和p2时,其中,对p1设置的优先级高于对p2设置的优先级,例如,当在多个工具514a、514b和514c的位置和方向信息之间对第一工具514a的位置和方向信息设置较高优先级时,优先级确定单元543B将第一工具514a的位置和方向信息确定为p1, 将第二工具514b和第三工具514c的位置和方向信息确定为p2
随后,控制器540B的冗余度逆向运动学判读单元542B中的雅可比矩阵计算单元544B利用用于计算雅可比矩阵的算法和关于人形机器人500B的运动学结构的多条信息(例如,关于连接关节和关节之间的连接件的长度的信息)来计算工作变量p的对应于具有相对高的优先级的p1的雅可比矩阵J1(q)和对应于具有相对低的优先级的p2的雅可比矩阵J2(q)(操作740)。
接下来,控制器540B的冗余度逆向运动学判读单元542B中的目标函数计算单元545B确定人形机器人500B执行的任务的类型、基于确定的结果来确定与个体目标函数w1至wn相乘的权重a、b、c…,然后通过将每个被确定的权重乘以每个个体目标函数来计算整个系统的目标函数w(操作750)。
随后,控制器540B的冗余度逆向运动学判读单元542B中的冗余度利用单元546B利用人形机器人500B的冗余度计算用于组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个关节的期望的旋转角度q(操作760)。在这种情况下,冗余度利用单元546B计算在整个系统的目标函数w被最小化的接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量),并且计算组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个关节的期望的旋转角度q,期望的旋转角度q是通过对所计算的在接合空间中的每个关节的速度(关节的速度矢量进行积分得到的在最终的接合空间中的解。
随后,控制器540B将由冗余度利用单元546B计算的每个关节的期望的旋转角度q传送给伺服控制器550B(操作770)。
接着,伺服控制器550B计算跟随控制器540B中的冗余度利用单元546B传送的关节的期望的旋转角度的接合扭矩τ,并产生与所计算的接合扭矩τ相对应的扭矩控制信号(操作780)。
随后,伺服控制器550B将所产生的扭矩控制信号传送给用于旋转地驱动组成安装臂504L、引导管512、多个工具514a、514b和514c的每个工具的每个关节的驱动单元560B(操作790)。
通过这一过程,可利用人形机器人500B的冗余度实现各种单独目标(扩大工具的工作空间、使工具的每个关节所需的刚度最小化、使工具和周围障碍物之间的碰撞的可能性最小化、使工具所需的自由度最小化以及执行复杂的任务),并且,同时也可一体地控制人形机器人500A的部件(安装臂、引导管和多个工具)的操作。
在上述的实施例中,已经对作为具有多个工具的机器人的手术机器人或人形机器人进行了描述。然而,本发明还可被应用到多个工具从引导管叉开的各种机器人系统中。
如上所述,在根据本发明的一个或者更多个实施例的机器人和控制该机器人的方法中,一种机器人包括安装臂、引导管和多个工具,引导管被安装在安装臂上,所述多个工具具有末端效应器并从引导管叉开,所述机器人控制安装臂、引导管和多个工具在彼此互锁时操作,利用由于近端(即,安装臂和引导管)的自由度产生的冗余度,因此,所述多个工具的工作空间可被扩大,并且那些由传统的工具控制方法无法实现的任务可被执行。
在根据本发明的一个或者更多个实施例的机器人和控制该机器人的方法中,一种机器人包括安装臂、引导管和多个工具,所述引导管被安装在安装臂上,所述多个工具具有末端效应器并从引导管叉开,所述机器人控制安装臂、引导管和多个工具在彼此互锁时操作,利用由于近端(即,安装臂和引导管)的自由度产生的冗余度,因此,工具的关节所需的刚度可被最小化,并且工具和周围障碍物之间碰撞的可能性可被最小化。
在根据本发明的一个或者更多个实施例的机器人和控制该机器人的方法中,一种机器人包括安装臂、引导管和多个工具,引导管被安装在安装臂上,多个工具具有末端效应器并从引导管叉开,所述机器人控制安装臂、引导管和多个工具在彼此互锁时操作,利用由于近端(即,安装臂和引导管)的自由度产生的冗余度,因此,工具所需的自由度可被最小化,并且那些由传统的工具控制方法无法执行的复杂任务可被执行。
虽然已经示出和描述了本发明的一些实施例,但是本领域普通技术人员应该理解,在不脱离由权利要求限定的本发明的原理和精神的范围的情况下,可以对这些实施例进行改变。

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1、10申请公布号CN104042344A43申请公布日20140917CN104042344A21申请号201410099195X22申请日20140317102013002830820130315KRA61B19/0020060171申请人三星电子株式会社地址韩国京畿道水原市72发明人权雄林福万古瑞尔欧甘74专利代理机构北京铭硕知识产权代理有限公司11286代理人王秀君李柱天54发明名称机器人和控制该机器人的方法57摘要本发明提供一种机器人和控制该机器人的方法,所述机器人包括多工具模块,包括引导管和多个工具,所述多个工具在与引导管彼此互锁时操作并从引导管叉开,所述多工具模块具有冗余度;控制器,。

2、基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号,利用冗余度产生所述控制信号。多个工具的工作空间可被扩大,并且那些由传统的工具控制方法无法实现的任务可被执行,工具的关节所需的刚度可被最小化,工具和周围障碍物之间碰撞的可能性可被最小化,工具所需的自由度可被最小化,并且那些由传统的工具控制方法无法执行的复杂任务可被执行。30优先权数据51INTCL权利要求书2页说明书34页附图18页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书34页附图18页10申请公布号CN104042344ACN104042344A1/2页21一种机。

3、器人,包括多工具模块,包括引导管和多个工具,所述多个工具在与引导管彼此互锁时操作并从引导管叉开,所述多工具模块具有冗余度;控制器,基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号,其中,冗余度反应所述多工具模块在接合空间中的自由度的数量大于所述多工具模块在工作空间中的自由度的数量,所述控制信号利用冗余度产生。2根据权利要求1所述的机器人,其中,所述引导管和多个工具中的每一个均包括多个连接件和多个关节,并且在所述多个工具的末端上安装末端效应器。3根据权利要求1所述的机器人,其中,控制器计算和关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息相。

4、对应的雅可比矩阵,并且控制器利用冗余度基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。4根据权利要求3所述的机器人,其中,当产生所述控制信号时,控制器计算所述机器人的目标函数,并且所述目标函数被表达为多个个体目标函数的加权总和。5根据权利要求4所述的机器人,其中,所述多个个体目标函数中的每一个包括每个工具与接合极限之间的距离的倒数。6根据权利要求4所述的机器人,其中,所述多个个体目标函数中的每一个包括每个工具与单个姿势之间的距离的倒数。7根据权利要求4所述的机器人,其中,所述多个个体目标函数中的每一个包括接合扭矩平方。

5、和。8根据权利要求4所述的机器人,其中,所述多个个体目标函数中的每一个包括每个工具与周围障碍物之间的距离的倒数。9根据权利要求4所述的机器人,其中,控制器产生在关于所计算的机器人的目标函数被优化或局部优化的接合空间中的运动的控制信号。10根据权利要求4所述的机器人,其中,所述机器人还包括存储单元,所述存储单元中存储了计算雅可比矩阵所需的算法和关于机器人的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个单独的目标的多个单独目标函数以及根据机器人执行的任务的类型与单独目标函数相乘的权重。11根据权利要求1所述的机器人,其中,当对关于多个工具的末端在接合空间中的运动指令信息设置优先级时,控制器计算在。

6、工作空间中与具有相对高的优先级的运动指令信息相对应的雅可比矩阵和在工作空间中与具有相对低的优先级的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,并且控制器利用冗余度基于在工作空间中被设置了优先级的运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。12根据权利要求11所述的机器人,其中,当所述控制信号产生时,控制器计算所述机器人的目标函数,并且所述目标函数被表达为多个单独目标函数的加权总和。13根据权利要求12所述的机器人,其中,控制器产生关于在所计算的机器人的目标函数被优化或局部优化的接合空间中的运动的控制信号。14根据权利要求12所述的机器人,其中,所述机器人还包括存储。

7、单元,所述存储单元权利要求书CN104042344A2/2页3中存储了对关于多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息设置的优先级、计算雅可比矩阵所需的算法和关于机器人的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个个体的目标的多个个体目标函数以及根据机器人执行的任务的类型与个体目标函数相乘的权重。15一种控制机器人的方法,所述机器人包括具有引导管和多个工具的多工具模块,所述多个工具在与引导管彼此互锁时操作并从引导管叉开,所述多工具模块具有冗余度,所述方法包括产生关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息;基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息而产生关于所述多工具模块在接合。

8、空间中的运动的控制信号,其中,冗余度反应所述多工具模块在接合空间中的自由度的数量大于所述多工具模块在工作空间中的自由度的数量,所述控制信号利用冗余度产生。16根据权利要求15所述的方法,其中,所述引导管和多个工具中的每一个均包括多个连接件和多个关节,并且在所述多个工具的末端上安装末端效应器。17根据权利要求15所述的方法,其中,产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号包括计算与关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,利用冗余度基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。18根。

9、据权利要求17所述的方法,其中,产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号包括计算机器人的目标函数;产生关于在所计算的机器人的目标函数被优化或局部优化的接合空间中的运动的控制信号。19根据权利要求18所述的方法,其中,所述目标函数被表达为多个个体目标函数的加权总和。权利要求书CN104042344A1/34页4机器人和控制该机器人的方法0001本申请要求于2013年3月15日提交到韩国知识产权局的第1020130028308号韩国专利申请的权益,所述韩国专利申请的公开内容通过引用被包含于此。技术领域0002本发明的实施例涉及一种具有多个工具的机器人和控制该机器人的方法。背景技术0003。

10、通常,利用电作用或磁作用做出和人体运动相似的运动的机械装置被称为机器人。近来,由于控制技术的发展,机器人诸如手术机器人、管家机器人、用于公共场所的服务机器人、航空远程机器人和危险品处理机器人已经被使用在各种领域中。这些机器人利用机械手执行任务,机械手被构造为基于机电原理做接近于臂或手的动作的运动。0004在上述各种类型的机器人中的手术机器人包括主控装置和从属机器人,主控装置由操纵者主要为医生的操纵而产生和传送必要的信号,从属机器人响应于从主控装置接收的信号对病人执行手术所需的操作。主控装置和从属机器人以有线/无线方式连接,使得可以以远程方式执行手术。0005利用现有的手术机器人的微创手术主要是。

11、基于多端口手术MULTIPORTSURGERY的,通过多端口手术,每个均具有附着有末端效应器的末端的多个手术器械通过多个切口被放入病人的身体内。然而,近来单端口手术SINGLEPORTSURGERY的示例也日益增加,通过单端口手术,多个手术器械通过一个切口被放入病人的身体内。单端口手术具有几个优点,例如,比多端口手术更短的治疗周期以及在外观方面比多端口手术更少的手术痕迹。然而,在单端口手术中可能会发生手术器械之间的干涉,并且由于手术器械的工作空间的限制,可适用的手术的范围受到限制。发明内容0006因此,本发明的一方面提供一种机器人和控制该机器人的方法,所述机器人包括安装臂、引导管和多个工具,引。

12、导管被安装在安装臂上,所述多个工具具有末端效应器并从引导管叉开,所述机器人控制安装臂、引导管和多个工具在彼此互锁时操作,利用由于近端即,安装臂和引导管的自由度产生的冗余度,因此,所述多个工具的工作空间可被扩大,并且那些由传统的工具控制方法无法实现的任务可被执行。0007本发明的另一方面提供一种机器人和控制该机器人的方法,所述机器人包括安装臂、引导管和多个工具,引导管被安装在安装臂上,所述多个工具具有末端效应器并从引导管叉开,所述机器人控制安装臂、引导管和多个工具在彼此互锁时操作,利用由于近端即,安装臂和引导管的自由度产生的冗余度,因此,工具的关节所需的刚度可被最小化,并且工具和周围障碍物之间碰。

13、撞的可能性可被最小化。0008本发明的又一方面提供一种机器人和控制该机器人的方法,所述机器人包括安装臂、引导管和多个工具,引导管被安装在安装臂上,所述多个工具具有末端效应器并从引说明书CN104042344A2/34页5导管叉开,所述机器人控制安装臂、引导管和多个工具在彼此互锁时操作,利用由于近端即,安装臂和引导管的自由度产生的冗余度,因此,工具所需的自由度可被最小化,并且那些由传统的工具控制方法无法执行的复杂任务可被执行。0009本公开的其他方面一部分将在下面的描述中进行阐述,一部分将通过该描述而变得明显,或者可通过对该公开的实施而了解。0010根据本发明的一方面,一种机器人,包括多工具模块。

14、,包括引导管和多个工具,所述多个工具在与引导管彼此互锁时操作并从引导管叉开,所述多工具模块具有冗余度;控制器,基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息而产生关于所述多工具在接合空间中的运动的控制信号,其中,冗余度反应所述多工具模块在接合空间中的自由度的数量大于所述多工具模块在工作空间中的自由度的数量,所述控制信号利用冗余度产生。0011所述引导管和多个工具中的每一个均可包括多个连接件和多个关节,并且在所述多个工具的末端上可安装末端效应器。0012控制器可计算与关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,并且控制器可利用冗余度基于关于所述多个工具的末端在工作空。

15、间中的运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。0013当所述控制信号产生时,控制器可计算所述机器人的目标函数,并且所述目标函数可被表达为多个个体目标函数的加权总和。0014所述多个个体目标函数中的每一个可包括每个工具与接合极限之间的距离的倒数。0015所述多个个体目标函数中的每一个可包括每个工具与单个姿势之间的距离的倒数。0016所述多个个体目标函数中的每一个可包括接合扭矩平方和。0017所述多个个体目标函数中的每一个可包括以及每个工具与周围障碍物之间的距离的倒数。0018控制器可产生关于在所计算的机器人的目标函数被最小化的接合空间中的运动的控制信。

16、号。0019所述机器人还可包括存储单元,所述存储单元中存储了计算雅可比矩阵所需的算法和关于机器人的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个个体的目标的多个个体目标函数以及根据机器人执行的任务的类型与个体目标函数相乘的权重。0020当对关于多个工具的末端在接合空间中的运动指令信息设置优先级时,控制器可计算在工作空间中与具有相对高的优先级的运动指令信息相对应的雅可比矩阵和在工作空间中与具有相对低的优先级的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,并且控制器可利用冗余度基于在工作空间中被设置了优先级的多条运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。0021当所。

17、述控制信号产生时,控制器可计算所述机器人的目标函数,并且所述目标函数可被表达为多个个体目标函数的加权总和。0022控制器可产生关于在所计算的机器人的目标函数被优化或局部优化的接合空间说明书CN104042344A3/34页6中的运动的控制信号。0023所述机器人还可包括存储单元,所述存储单元中存储了对关于多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息设置的优先级和计算雅可比矩阵所需的算法、关于机器人的运动学结构的信息、计算目标函数所需的用于实现多个个体的目标的多个个体目标函数以及根据机器人执行的任务的类型与个体目标函数相乘的权重。0024根据本发明的另一方面,一种控制机器人的方法,所述机器人包括具有。

18、引导管和多个工具的多工具模块,所述多个工具在与引导管彼此互锁时操作并从引导管叉开,所述多工具模块具有冗余度,所述方法包括产生关于所述多个工具的末端在工作空间中的的运动指令信息;基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号,其中,冗余度反应所述多工具模块在接合空间中的自由度的数量大于所述多工具模块在工作空间中的自由度的数量,所述控制信号利用冗余度产生。0025所述引导管和多个工具中的每一个均可包括多个连接件和多个关节,并且在所述多个工具的末端上可安装末端效应器。0026产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号可包括计算与关于所。

19、述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息相对应的雅可比矩阵,利用冗余度基于关于所述多个工具的末端在工作空间中的运动指令信息和所计算的雅可比矩阵而产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号。0027产生关于所述多工具模块在接合空间中的运动的控制信号可包括计算机器人的目标函数;产生关于在所计算的机器人的目标函数被优化或局部优化的接合空间中的运动的控制信号。0028所述目标函数可被表达为多个个体目标函数的加权总和。附图说明0029通过下面结合附图对实施例进行的描述,本发明的这些和/或其它方面将变得更加清楚并且更容易理解,附图中0030图1是示出根据本发明实施例的手术机器人的整体结构的透视图。

20、;0031图2示出了图1中所示的A部分的内部;0032图3A是示出构成图1中的手术机器人的从属机器人的外部的透视图,图3B示出了嵌入壳中的多工具模块和驱动单元的结构,图3C是来自图3B中所示的B部分的两个工具和一个内窥镜的透视图;0033图4是根据本发明实施例的手术机器人的控制框图;0034图5是示出本发明所实现的工具的工作空间的扩展的概念图;0035图6是示出本发明所实现的将工具的关节所需刚度的最小化的概念图;0036图7是示出本发明所实现的将工具和周围障碍物之间碰撞的可能性最小化的概念图;0037图8是示出本发明所实现的工具所需的自由度的最小化的概念图;0038图9是示出本发明所实现的复杂。

21、任务的执行的概念图;0039图10是示出根据本发明实施例的控制手术机器人的方法的流程图;说明书CN104042344A4/34页70040图11是根据本发明另一实施例的手术机器人的控制框图;0041图12是示出根据本发明另一实施例的控制手术机器人的方法的流程图;0042图13是人形机器人的外部结构视图;0043图14是根据本发明实施例的人形机器人的控制框图;0044图15是示出根据本发明实施例的控制人形机器人的方法的流程图;0045图16是根据本发明另一实施例的人形机器人的控制框图;0046图17是示出根据本发明另一实施例的控制人形机器人的方法的流程图。具体实施方式0047现在将对本发明的实施。

22、例进行详细地描述,在附图中示出了本发明的示例,其中,相同的标号始终指示相同的元件。0048图1是根据本发明实施例的手术机器人的整体结构的透视图,图2示出了图1中所示的A部分的内部结构。具体地说,图1示出了每个均具有附着有末端效应器的末端的多个手术器械的单端口机器人通过一个切口被放入病人的身体内,从而可在人体的各部位中执行手术。下面将描述在利用单端口机器人的手术中所必需的以下要求。第一,由于多个手术器械通过一个切口被放入病人的身体,随后要被移动到用于手术任务的任意位置,以执行手术任务,因此要求手术器械的工作空间宽敞。第二,手术器械需要具有高的自由度以便其可执行各种任务并可最小化其与身体组织诸如腹。

23、腔壁的碰撞。第三,当手术器械被放入身体内时,当手术器械执行手术任务时要求其有柔性并具有高的刚度。即,当利用单端口机器人执行手术时,要求保证手术器械同时满足手术器械能够在其中自由移动的宽敞的工作空间、高的自由度、高的刚度和柔性。0049这里,自由度DOF是正向运动学和逆向运动学中的自由度。运动学的DOF是机构的独立运动的数量,或者是用于确定连接件之间的相对位置处的独立运动的变量的数量。例如,在包括X轴、Y轴和Z轴的三维空间中的物体具有用于确定物体的空间位置的三个自由度3DOF位于每个轴上和用于确定物体的空间方向的三个自由度3DOF关于每个轴的旋转角度中的至少一个。如果物体可沿着每个轴运动并可绕着。

24、每个轴旋转,则物体可具有六个自由度6DOF。0050如图1中所示,手术机器人可包括从属机器人200,用于对躺在手术台上的病人执行手术;主控装置100,通过操纵者主要为外科医生的操纵来远程地控制从属机器人200。主控装置100根据操纵者主要为外科医生的操纵产生控制信号并将所产生的控制信号传送给从属机器人200。同时,从属机器人200从主控装置100接收所述控制信号并根据所接收的控制信号来对病人执行手术所需的操纵。这里,主控装置100和从属机器人200不一定作为物理上独立的、分开的装置而彼此分开,而是可以彼此结合并可被构造为一体形状。0051如图1中所示,从属机器人200可包括安装臂202和圆柱形。

25、壳208。0052从属机器人200的安装臂202可被实现为以多自由度被驱动。安装臂202包括多个连接件参见图3A中的206A、206B和206C和多个关节参见图3A中的204A、204B和204C。0053此外,圆柱形壳208连接到安装臂202的上部。含有多个工具214A与214B和/说明书CN104042344A5/34页8或内窥镜216的引导管212以及用于驱动引导管212和多个工具214A与214B和/或内窥镜216的驱动单元参见图3B中的270可被安装在圆柱形壳208中。这里,引导管212连接并安装到安装臂202中。当从属机器人200不执行手术时,引导管212被嵌入圆柱形壳208中,如。

26、图1和图2中所示,当从属机器人200执行手术时,被嵌入圆柱形壳208中的引导管212从圆柱形壳208中出来并插入病人的身体内。下面将更详细地描述引导管212插入病人的身体内并执行手术任务的情形即,图1中所示的A部分的内部形状。如图2中所示,如果引导管212通过在病人的皮肤中形成的切口I被放入身体内,然后靠近要执行操作的部位操作部位,多个工具214A与214B和内窥镜216从引导管212叉开,以便可执行手术任务。这里,与安装臂202中相同,多个工具214A与214B和内窥镜216可包括多个连接件和多个关节,并可被实现为以多自由度驱动。用于执行用于在腹腔内接触器官、剪切和缝合的直接手术任务的手术工。

27、具诸如镊子、钳子JAW、抓紧器、剪刀、吻合器、烧灼器和针,即,末端效应器218A和218B被安装在多个工具214A与214B的各个末端。0054虽然内窥镜216从广义上讲可以是从引导管212叉开的多个工具214A与214B中的一个,但是考虑到手术机器人的特性,下面将分别描述多个工具214A与214B和内窥镜216,多个工具214A与214B分别具有末端,在操作部位上执行直接手术任务诸如剪切和缝合的末端效应器218A和218B设置在所述末端中,具有多个关节的内窥镜216用于协助末端效应器218A和218B的操作而不对操作部位执行直接操作。0055这里,主要被用于机器人手术中的各种手术内窥镜诸如,。

28、胸腔镜、关节镜、鼻镜以及腹腔镜可被用作内窥镜216。0056主控装置100可包括主操纵单元112L和112R、离合器踏板传感器114L和114R以及显示单元116。0057主控装置100包括操纵者用他/她的手握住并操纵的主操纵单元112L和112R。操纵者通过主操纵单元112L和112R来操纵安装臂202、引导管212、多个工具214A与214B和内窥镜216的位置和功能。主操纵单元112L和112R可被实现为具有六个自由度,从而控制安装臂202在三维3D空间中沿着X轴、Y轴和Z轴的平移运动以及沿着侧倾方向ROLLDIRECTION、俯仰方向PITCHDIRECTION、横摆方向YAWDIRE。

29、CTION的旋转运动。如图1中所示,主操纵单元112L和112R可以被实现为具有两个手柄,由操纵者的手柄操纵产生的控制信号被传送给从属机器人200,从而控制包括有安装臂202的从属机器人200的操作。通过操纵者的手柄操纵,可执行安装臂202、引导管212、多个工具214A与214B和内窥镜216的平移运动和旋转运动以及大量的手术任务例如,剪切、套管插入术等。0058另外,主控装置100包括两个离合器踏板传感器114L和114R,操纵者用他/她的脚来踩踏或按压离合器踏板传感器114L和114R,以扩展主操纵单元112L和112R的操纵功能。0059图1示出了利用包括两个手柄的主操纵单元112L和。

30、112R和两个离合器踏板传感器114L和114R控制安装臂202的操作的方法的具体示例,首先,可使用左手柄112L控制安装臂202的位置和操作,可使用右手柄112R控制引导管212的位置和操作。此外,在设置在主控装置100上的模式开关未示出或按钮未示出被操纵的状态下,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。此外纵模式开关和按钮被操纵之后,在左离合器踏板传感器114L被操纵的说明书CN104042344A6/34页9状态下,可使用左手柄112L控制内窥镜216的位置和操作。另外,在模式开关和按钮被操纵之后,在右离合器踏板传感器1。

31、14R被操纵的状态下,可使用右手柄112R控制内窥镜216的位置和操作。0060在图1中,两个主操纵单元手柄被安装在主控装置100上。然而,可添加手柄以便可以实时操纵多个手术装备例如,引导管、多个工具。这里,手柄112L和112R根据其操纵方法可具有各种机械构造。例如,可使用具有3D运动并操作安装臂202、引导管212、多个工具214A与214B的各种输入单元诸如操纵杆作为手柄112L和112R。多个连接件和多个关节连接件之间的连接部分连接到主操纵单元112L和112R。用于检测连接到手柄112L和112R的每个关节的旋转角度的旋转角度传感器例如,编码器可被安装在连接到主操纵单元112L和11。

32、2R的多个关节中的每个关节上。0061由内窥镜参见图2的216和/或超声探头未示出输入的图像在显示单元116上被显示为图像(PICTORIALIMAGE)。0062显示单元116可包括一个或者更多个监视器,并可产生手术所需的多条信息以分别被显示在每个监视器上。在图1中,显示单元116包括三个监视器。然而,监视器的数量可以根据要被显示的信息的类型或种类以不同的方式来确定。0063主控装置100和从属机器人200可通过有线/无线通信网络彼此连接,以便控制信号、通过内窥镜216输入的内窥镜图像以及通过超声探头未示出输入的超声波图像能够被传送给对方从属机器人或主控装置。如果由设置在主控装置100上的主。

33、操纵单元手柄产生的两个控制信号例如,用于控制从引导管212叉开的第一工具214A的位置的控制信号和用于控制从引导管212叉开的第二工具214B的位置的控制信号需要被同时或者近似同时传送,则所述控制信号可以被分别传送给从属机器人200。0064这里,“分别”传送控制信号是指一个控制信号不影响另一个控制信号,无干扰。这样,为了分别传送多个控制信号,在产生控制信号的操作期间可通过增加关于每个控制信号的头信息来传送多个控制信号、根据其产生的顺序来传送控制信号,或者根据关于控制信号传送顺序而预先设置的控制信号的优先顺序来传送控制信号可使用各种方法。在这种情形下,分别设置传送控制信号的传送路径,从而,可从。

34、根本上防止控制信号之间的干扰。0065图3A是示出构成图1中的手术机器人的从属机器人的外部的透视图,图3B示出了嵌入壳中的多工具模块和驱动单元的结构,图3C是来自图3B中所示的B部分引导管212的末端的两个工具和一个内窥镜的透视图。0066如图3A中所示,从属机器人200可包括主体201、安装臂202和圆柱形壳208,安装臂202包括多个连接件和多个关节。0067从属机器人200的主体201是用于安装和支撑执行手术任务的安装臂202的部件,多个脚轮201A被安装在主体201的底端,以移动从属机器人200的位置。可在每个脚轮201A上设置用于改变多个脚轮201A的操作状态的杠杆未示出。操纵者可调。

35、节杠杆的位置以改变脚轮201A的操作状态。脚轮201A的操作状态可包括制动、自由旋转FREESWIVEL、方向锁定或旋转锁定。0068从属机器人200的安装臂202可包括三个连接件第一至第三连接件206A至206C以及三个关节第一至第三关节204A至204C。0069构成安装臂202的第一连接件206A具有直的柱状并被设置为垂直于主体201。说明书CN104042344A7/34页100070构成安装臂202的第一关节204A被设置在主体201和第一连接件206A之间的连接部分上。第一关节204A可用沿着X轴、Y轴和Z轴之中指定的轴运动的棱柱形关节来实现。第一关节204A可具有三个自由度,被用。

36、于调节运动的远程中心RCM的X坐标、Y坐标和Z坐标,以有限度地控制被插入病人的身体内的引导管212的操作。具体地,第一关节204A具有包括X轴平移运动、Y轴平移运动和Z轴平移运动的三个自由度。为此,可在第一关节204A上设置X轴驱动单元未示出、Y轴驱动单元未示出和Z轴驱动单元未示出。0071第二连接件206B机械地连接到第一连接件206A的前端。如图3A中所示,第二连接件206B具有曲线形状。具体地,第二连接件206B具有与圆弧的一部分相同的形状。0072第二关节204B被设置在第一连接件206A和第二连接件206B之间的连接部分。第二关节204B可用围绕X轴、Y轴和Z轴中指定的轴旋转的旋转副。

37、关节(REVOLUTEJOINT)来实现。第二关节204B可具有两个自由度,作为用于使其中嵌入有引导管212的壳208旋转运动的部件。具体地,第二关节204B具有包括壳208的侧倾方向旋转和俯仰方向旋转的两个自由度。为此,可在第二关节204B上设置侧倾驱动单元未示出、俯仰驱动单元未示出。0073第三连接件206C机械地连接到第二连接件206B的前端。如图3A中所示,第三连接件206C被形成为环形。圆柱形壳208被设置在第三连接件206C的上部。0074多工具模块210和驱动单元270可以被嵌入圆柱形壳208中参见图3B,多工具模块210包括连接到安装臂202的引导管212、被设置在引导管212。

38、中的多个工具214A与214B和内窥镜216,驱动单元270用于驱动多工具模块210的部件引导管、多个工具和内窥镜。如图3A中所示,当从属机器人200不执行手术时,多工具模块210即,包括多个工具214A与214B和内窥镜216的引导管212被嵌入圆柱形壳208中,使得引导管212不被暴露在外面。配备有引导管212的壳208可以被实现为与第三连接件206C机械地分开。以这种方式,当配备有引导管212的壳208与第三连接件206C机械地分开时,在手术中使用的引导管212可被容易地替换或消毒。0075第三关节204C被设置在第二连接件206B与第三连接件206C之间的连接部分。第三关节204C可用。

39、围绕X轴、Y轴和Z轴中指定的轴旋转的旋转副关节来实现。第三关节204C可具有一个自由度,作为用于使其中配备有引导管212的壳208旋转运动的部件。具体地,第三关节204C包括壳208的横摆方向旋转的一个自由度。为此,可在第三关节204C上设置横摆驱动单元未示出。0076如上所述,当从属机器人200不执行手术时,多工具模块210和驱动单元270被嵌入圆柱形壳208中,多工具模块210包括图3B中所示的引导管212、被设置在引导管212中的多个工具214A与214B和内窥镜216,驱动单元270连接到多工具模块210并包括致动器诸如用于驱动多工具模块210的每个部件的电机。0077同时,利用包括引。

40、导管212、被设置在引导管212中的多个工具214A与214B和内窥镜216的多工具模块210的机器人手术的过程主要包括插入多工具模块210、定位多工具模块210并利用多工具模块210执行操作。0078当从属机器人200执行手术时,被嵌入圆柱形壳208中的多工具模块210更严格地说,引导管212从壳208中出来并通过形成在病人皮肤中的切口I插入身体内。在将引说明书CN104042344A108/34页11导管212插入身体内的操作期间,与图3B的B部分相同,在多个工具214A、214B以及内窥镜216从引导管212叉开之前即,在多个工具214A和214B以及内窥镜216被折叠在引导管212的内。

41、部空间中的状态下被放入病人的身体内。0079如图3C中所示,如果在将被插入病人的身体中的引导管212定位在要被执行操作的部位操作部位的操作被执行之后,则引导管212靠近操作部位,每个均在其末端安装有末端效应器218A和218B的多个工具214A和214B以及内窥镜216从引导管212叉开,从而可执行手术任务。图3C是来自引导管212的末端图3B的B部分的两个工具第一工具214A和第二工具214B和内窥镜216的透视图。0080本发明致力于提出一种一体地控制构成具有从属机器人200的手术机器人中的从属机器人200的部件的操作的方法,如图3A至图3C所示,从属机器人包括安装臂202、连接到安装臂2。

42、02的引导管212、被设置在引导管212中并在执行手术时从引导管212叉开的多个工具214A与214B和内窥镜216。当部件即,安装臂202、引导管212、多个工具214A与214B、一个内窥镜216在接合空间中的自由度的总数大于部件在工作空间中自由度工作所需的自由度的总数时即,当手术机器人具体为从属机器人具有冗余度时利用冗余度。0081为了更加详细地描述上述冗余度的概念,首先,前提是,在包括安装臂202、连接到安装臂202的引导管212、被设置在引导管212中并在执行手术时从引导管212叉开的多个工具214A与214B和内窥镜216的从属机器人200中,如图3A至图3C所示,安装臂202、引。

43、导管212、两个工具214A与214B和一个内窥镜216中的每一个均包括多个连接件和多个关节。另外,前提是,安装臂202和引导管212在彼此互锁INTERLOCKING时操作,引导管212和工具214A、214B中的每个工具在彼此互锁时操作,引导管212和一个内窥镜216在彼此互锁时操作。这里,当从属机器人200被这样制造时通过将安装臂202在接合空间中的自由度A实现为6沿着X、Y、Z方向的三个平移自由度3和沿着侧倾方向、俯仰方向、横摆方向方向的三个旋转自由度的总和,引导管212在接合空间的自由度B为6引导管212的一部分的两个弯曲自由度、引导管212的另一部分的两个弯曲自由度、沿着插入方向的。

44、一个自由度和沿着侧倾方向的一个旋转自由度的总和,第一工具214A和第二工具214B中的每一个在接合空间中的自由度C和D为6,内窥镜216在接合空间中的自由度E为3沿着侧倾方向、俯仰方向、横摆方向的三个旋转自由度3,包括上述所有部件的从属机器人200在接合空间中的自由度N是27NABCDE6666327。0082同时,为使用在包括X轴、Y轴、Z轴的3D空间中包括多个关节的机构单元例如工具或内窥镜执行任意任务在工作空间中所需的自由度是6沿着X、Y、Z方向的三个平移自由度3和沿着侧倾、俯仰、横摆方向的三个旋转自由度3的总和。0083图3A至图3C中示出的包括两个工具214A、214B以及内窥镜216。

45、的从属机器人200中,当第一工具214A和第二工具214B中的每个工具在接合空间中的自由度F和G即,在工作空间中手术操作所需的自由度为6,并且内窥镜216在工作空间中的自由度H仅需要沿着侧倾、俯仰、横摆方向的旋转自由度为3时,包括两个工具214A和214B以及内窥镜216的从属机器人200在工作空间中的自由度M为15MFGH66315。0084当多关节机器人在接合空间中的自由度N大于多关节机器人在工作空间中的自由度M时,出现冗余度。由于从属机器人200在接合空间中的自由度N27大于从属机器说明书CN104042344A119/34页12人200在工作空间中的自由度M15,所以从属机器人200可。

46、以是一个具有冗余度的系统。本发明致力于提出一种获取构成从属机器人200的每个部件即,安装臂202、引导管212、从引导管212叉开的多个工具214A与214B和内窥镜216在接合空间中的解的过程,以利用这一冗余度来达到多个目标。这里,构成从属机器人200的安装臂202、引导管212、多个工具214A与214B和内窥镜216中的每一个在每个接合空间中的解是在每个控制时段计算的构成安装臂202的多个关节中的每一个关节的期望的旋转角度、构成引导管212的多个关节中的每一个关节的期望的旋转角度、构成多个工具214A与214B的多个关节中的每一个关节的期望的旋转角度以及构成内窥镜216的多个关节中的每一。

47、个关节的期望的旋转角度,以便执行手术任务。0085图4是根据本发明实施例的手术机器人的控制框图。0086如图4中所示,手术机器人包括主控装置100A和从属机器人200A。0087在本实施例中,前提是,组成从属机器人200A的安装臂202、引导管212、多个工具214A与214B和内窥镜216中的每一个均包括多个连接件和多个关节。另外,在本实施例中,前提是安装臂202和引导管212在彼此互锁时操作,引导管212和多个工具214A、214B中的每个工具在彼此互锁时操作,引导管212和一个内窥镜216在彼此互锁时操作。另外,本实施例的前提是从属机器人200A具有冗余度的情形,即,当从属机器人200A。

48、在接合空间中的自由度N大于从属机器人200A在工作空间中的自由度MNM时的情形。0088主控装置100A可包括位置/方向检测单元120A、速度检测单元125A、存储单元130A、主控制器140A、通信单元150A和显示单元116A。0089位置/方向检测单元120A检测由操纵者操纵的主操纵单元112L和112R的位置和方向。当主操纵单元112L和112R被实现为具有六个自由度时,主操纵单元112L和112R的位置信息可被表示为X,Y,Z,主操纵单元112L和112R的方向信息可被表示为,。位置/方向检测单元120A包括旋转角度传感器未示出,被安装在连接到主操纵单元112L和112R的多个关节中。

49、的每一个关节上,并且用于检测每个关节的旋转角度;算术运算模块,通过将由旋转角度传感器检测的每个关节的旋转角度代入主操纵单元112L和112R的正向运动学的方程式来计算主操纵单元112L和112R的3D空间中的位置和方向信息。旋转角度传感器可以是编码器或电位计。这里,已经对包括旋转角度传感器和算术运算模块的位置/方向检测单元120A进行了描述。然而,可检测关于主操纵单元112L和112R的位置和方向的信息的任意装置可被用作位置/方向检测单元120A。0090速度检测单元125A被安装在连接到主操纵单元112L和112R的多个关节中的每一个关节上并用于检测主操纵单元112L和112R的速度更具体地说,是连接到主操纵单元112L和112R的每个关节的旋转速度。转速计可被用作速度检测单元125A。在本实施例中,利用速度检测单元125A检测主操纵单元112L和112R的速度。然而,在不使用附加的速度检测装置速度传感器的情况下,可通过对构成位置/方向检测单元120A的旋转角度传感器例如,编码器的输出值进行微分来计算主操纵单元112L和112R的速度,并且所计算的速度信息可以被使用。0091存储单元130A是其中存储有利用从属机器人200A的冗余度来计算接合空间中的解即,构成安装臂202、引导管212、多个工具214A、214B和内窥镜216的每个关节的期望的旋转角度所需的。

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