[发明专利]机器人系统以及反向驱动该系统的方法

说明书

提供了一种机器人手术系统以及操作该系统的方法。该系统包括手术工具、具有多个关节且支撑所述手术工具的操纵器、以及控制器。虚拟仿真将所述手术工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体，该虚拟质量包括关于至少一个关节的惯量。所述控制器确定关节的期望关节扭矩。将关节的该期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较以确定关节扭矩差。确定虚拟质量关于关节的惯量。使用关节扭矩差和惯量计算关于关节的角加速度。将角加速度投射到虚拟质量以确定外力。所述控制器响应于所述外力以虚拟仿真模拟所述手术工具的动态。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年11月11日提交的美国临时专利申请No.62/253,994和2015年11月16日提交的美国临时专利申请No.62/255,610的优先权，它们的全部内容在这里通过引用并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及一种机器人系统以及由该机器人系统使用的反向驱动方法。

背景技术

机器人中的力控制传统上是使用阻抗控制或导纳控制实施的。图1中示出了阻抗控制反馈环的一个示例。在利用阻抗控制的情况下，将机器人的关节的位置输入到控制器中，并且输出和施加用于控制机器人运动的关节扭矩。换言之，阻抗控制器确定位置并施加(或指令)力/扭矩。在图1中，阻抗控制器向关节施加特定的关节扭矩。例如，如果机器人经受了作用在其中一个关节上的外力，则阻抗控制系统不会计算或测量该力。相反，阻抗控制器仅重新确定机器人位置并重新计算要施加的必需力。

传统的阻抗控制可以在接触刚性环境时提供稳定的控制且可以在接合柔性环境时提供轻柔的感觉。然而，阻抗控制会让机器人产生不稳定的松弛感并且在与诸如触觉边界之类的刚性虚拟约束相互作用时可能产生错误，这会限制机器人的运动。

另一方面，导纳控制是阻抗控制的反演。图2中示出了导纳控制反馈环的一个示例。在利用导纳控制的情况下，控制器确定施加的力/扭矩以及指令位置，而不是确定位置以及指令力。使用力-扭矩传感器或关节扭矩测量结果来检测输入到系统的输入力。基于检测到的输入力，并基于测量到的关节角度而知晓关节的当前位置，导纳控制器通过施加确定的关节扭矩来指令关节的新位置，以使关节相应地移动。

传统的导纳控制可以使机器人产生稳定的刚性感觉且在与诸如触觉边界之类的虚拟约束相互作用时可能产生错误。然而，遭受导纳控制的机器人对于用户来说会感觉笨重且在接触刚性环境时可能反应过度。显然，使用单个利用力/扭矩传感器或关节扭矩来测量作用在一个或多个关节上的外力的导纳控制器带来了明显的挑战。主要地，当机器人经受这种外力时，外力施加的位置(例如关节)是未知的，从而可能导致机器人不期望的动态行为。

发明内容

提供了一种机器人手术系统的一个实施方式。该机器人手术系统包括手术工具和支撑手术工具的操纵器。操纵器包括多个关节和多个关节致动器。控制器与操纵器通讯并配置成通过将手术工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体来以虚拟仿真来模拟手术工具的动态。该虚拟质量具有关于至少一个关节的惯量。控制器配置成确定所述至少一个关节的期望关节扭矩。控制器将所述至少一个关节的该期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较来确定关节扭矩差。确定所述虚拟质量关于所述至少一个关节的惯量。控制器使用所述关节扭矩差和惯量来计算关于所述至少一个关节的角加速度。该角加速度被投射到虚拟质量上来确定外力。控制器响应于外力以虚拟仿真来模拟手术工具的动态。根据该虚拟仿真来指令关节致动器的动作。