[发明专利]外科机器人工具多电机致动器和控制器

说明书

本发明题为“外科机器人工具多电机致动器和控制器”。本发明公开了第一输入联接件和第二输入联接件，该第一输入联接件和第二输入联接件被联接以同时能够旋转地驱动输出联接件。在一个实施方案中，输出联接件使机器人外科内窥镜围绕输出联接件的纵向轴线旋转。第一电机驱动第一输入联接件，同时由驱动第二输入联接件的第二电机进行辅助。第一补偿器基于位置误差并根据位置控制定律产生第一电机输入，并且第二补偿器基于位置误差并根据阻抗控制定律产生第二电机输入。在另一个实施方案中，第二补偿器接收第一电机的测量扭矩。本文还描述并要求保护其他实施方案。

技术领域

本发明的实施方案涉及用于机器人外科内窥镜的运动控制的机电控制系统。本文还描述了其他实施方案。

背景技术

机器人外科系统为手术外科医生提供更大的灵巧性，并且它们还可使得外科医生能够从远程位置执行操作。在机器人外科系统中，外科工具或器械机械地联接到机器人关节，使得机器人关节的移动或致动直接引起工具的一部分的旋转、枢转或线性移动（例如，内窥镜相机的旋转、抓钳钳口的枢转或针的平移）。此类移动通过机电反馈控制系统来实现和控制。控制系统接收关节命令或关节设定点，例如关节的期望“位置”，即其位置或取向。关节命令可由机器人外科计算机程序基于并表示从计算机化用户界面（诸如正由外科医生操纵的操纵杆）接收的高层级命令而生成。控制系统随后根据关节命令致动机器人关节。

控制系统包括工具驱动器，其中存在一个或多个致动器。每个致动器具有相应的电动电机（例如，无刷永磁直流电机），其驱动轴可通过传输装置（例如，实现给定齿轮减速比的齿轮系）联接到相应的致动器输出轴或驱动盘。驱动盘被设计成机械地接合位于工具或器械中的配合盘（当器械已联接到工具驱动器时）。电机驱动电路根据电机驱动电路输入操纵电机消耗的电力，以便调节电机的速度或其扭矩。数字控制系统补偿控制器使用来自关节的位置反馈将关节命令转换成电机驱动器电路输入，以便跟踪变化的关节命令。

发明内容

机器人外科工具诸如能够旋转的内窥镜式数字摄像机对所联接的工具驱动关节呈现特定形式的机械阻力或负载，即，电子相机缆线的扭转。缆线向相机提供电力并且充当相机的视频通信链路。此类工具驱动器中的致动器需要具有足够的扭矩来克服此类阻力。此外，致动器应具有紧凑的轮廓，以允许工具与用于对患者进行操作的其他工具同时使用。致动器为其一部分的机电反馈控制系统具有数字控制器，该数字控制器用于闭合反馈控制回路，并且需要以确保命令跟踪（工具驱动关节的位置）和干扰抑制同时降低参数灵敏度的方式这样做。该解决方案整体上也应是可靠且耐久的，尤其是当其为机器人外科系统的一部分时。

本发明的一个实施方案是用于机器人外科工具的多电机致动器和控制器，其用作跟踪已接收到的用于外科工具的关节命令的控制系统的一部分。致动器具有通过传输装置联接的至少两个输入轴，以同时且能够旋转地驱动输出轴（输出轴被构造成联接到外科工具，诸如内窥镜）。每个输入轴由相应的电机子系统致动。控制器基于位置输入和位置反馈之间的差值来确定位置误差，并且基于此产生适当的电机子系统输入。位置反馈可在输入轴中的任一个上（涉及或给出关于输入轴的位置的反馈）或在输出轴上，并且被理解为是指由控制系统正在跟踪的位置输入。控制器基于位置误差并根据位置控制定律产生第一电机子系统输入。第一电机子系统可被描述为主电机子系统。同时，控制器也基于位置误差但根据阻抗控制定律（阻抗控制定律使用从位置输入获得或者作为第一输入轴、第二输入轴或输出轴上的反馈而获得的速度变量）产生第二电机子系统输入。这样，可被描述为辅助电机子系统的第二电机子系统向主电机子系统提供扭矩辅助，以克服输出轴上负载的阻力（例如，扭转内窥镜相机缆线、内窥镜相机的摩擦和惯性），从而改善跟踪性能。可存在多于一个辅助电机子系统，其扭矩与主电机子系统的扭矩在输出轴处被求和。

可将扭矩前馈路径添加到用于计算电机子系统中的任何一个或多个的输入的补偿方案中，以补偿摩擦和反冲，尤其是当位置输入改变方向时，从而帮助保持准确性。