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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。