[发明专利]用于在机器人外科手术中使用的用户输入装置

说明书

本发明描述了用于控制外科机器人系统的用户输入装置（UID）。UID可包括一个或多个追踪传感器以根据该UID的姿态而生成相应的空间状态信号。该追踪传感器中的至少一个追踪传感器可以是摄像机。在多个追踪传感器的情况下，通过传感器融合算法处理该空间状态信号以生成更稳健的单个追踪信号和质量量度。数字控制系统随后使用该追踪信号和该质量量度来控制与该UID相关联的外科机器人系统致动器的运动。本文还描述并要求保护其他实施方案。

相关申请

本申请要求在2019年6月12日提交的美国专利申请号16/439,591的权益，该美国专利申请要求在2018年6月15日提交的美国临时专利申请号62/685,821的优先权，该申请的全部内容在此以引用的方式并入本文。

背景技术

技术领域

公开了与机器人系统相关的实施方案。更具体地，公开了与外科机器人系统和对应的用户输入装置相关的实施方案。

发明背景

内窥镜外科手术涉及检查患者身体并且使用内窥镜和其他外科手术工具在身体内执行外科手术。例如，腹腔镜外科手术可使用腹腔镜进入并且查看腹腔。可使用手动工具和/或具有机器人辅助工具的外科机器人系统执行内窥镜外科手术。

可由外科医生远程地操作外科机器人系统以控制位于手术台处的机器人辅助工具。外科医生可使用位于手术室中的计算机控制台来命令机器人操纵安装在手术台上的手术工具，或者该计算机控制台可位于不同的城市。机器人控制的外科手术工具可为安装在机器人臂上的抓钳。因此，可由远程外科医生控制外科机器人系统以在机器人外科手术期间抓取组织。

外科机器人系统的控制可能需要来自外科医生的控制输入。例如，外科医生可在她的手里持有用户输入装置（UID），诸如操纵杆或计算机鼠标，她操纵该用户输入装置来生成控制外科机器人系统部件的运动的控制命令的信号，该外科机器人系统部件例如为机器人系统的致动器、机器人臂和/或手术工具。

发明内容

依靠单个追踪模态的现有的UID在空间上受限并且容易发生错误。此类错误可生成机器人操纵器的非期望和潜在危险的移动。在医疗应用的情况下，可需要亚毫米级（用于平移）和亚度数（用于取向）范围内的移动来实现在临床上可行的操作。应注意，可通过对来自UID的控制信号进行滤波来减少可导致控制误差的系统噪声。然而，信号滤波可引入时延，该时延对机器人操纵器的稳定操作具有相关联的不合意的影响。因此，需要无噪声、准确且实时的感测方法来检测用于控制外科机器人系统的UID的状态、位置和取向。

本公开的一方面是一种基于若干追踪模态的组合的用于控制外科机器人系统的UID（与可能在空间上受限并且容易发生错误的依靠单个追踪模态的UID形成对比）。该追踪模态可包括视觉模态和惯性模态以实现对UID的姿态的估计。视觉/惯性测距方法融合了i）基于视觉模态的对姿态的估计与ii）基于惯性模态的对姿态的估计。更具体地，将使用成像光学器件所计算的姿态的估计与诸如惯性测量单元（IMU）和/或电磁体（EM）传感器的追踪传感器的测量值进行组合以生成准确的姿态确定。该UID可实现在较广（无限制）的运动范围上的稳健和快速（例如，实时）的追踪；不会有EM噪声或失真的追踪；以及可检测和补偿周围环境中的对象或人的追踪。

以上发明内容不包括本发明的所有方面的详尽列表。可以设想，本发明包括可利用以上总结的各个方面的所有合适组合来实施的所有系统和方法，以及以下具体实施方式中所公开及随本申请一同提交的权利要求书中特别指出的那些系统和方法。此类组合具有未在以上发明内容中明确叙述的特定优点。

附图说明

本发明的实施方案在附图中是以示例的方式而不是以限制的方式来示出的，在附图中，类似的附图标记指示类似的元件。应当注意，本公开中对本发明的“一个”实施方案的提及并不一定指同一实施方案，并且它们表示至少一个实施方案。另外，为了简明及减少附图总数的目的，可使用给定附图来示出本发明的不止一个实施方案的特征，并且对于给定实施方案而言可能不需要附图中的所有元件。