多关节医疗器械的致动中的张力控制的制作方法

专利名称：多关节医疗器械的致动中的张力控制的制作方法
技术领域：
背景技术：
微创医疗程序通常采用借助于计算机或通过计算机接口控制的器械。例如，图1示出具有被简化以用于图示一些当前自动控制的医疗器械的基本工作原理的结构的自动控制器械100。(本文中使用的术语“机器人”或“自动”等包括遥控操作装置或遥控机器人方面。)器械100包括在细长轴或主管120远端处的工具或末端执行器110。在图示的示例中，末端执行器110是颚式工具，诸如具有分离的夹片112和114的钳子或剪刀，并且至少夹片112可移动从而相对于夹片114打开或闭合。在医疗程序期间的使用中，主管120远端上的末端执行器110可以通过病人身体中的小切口插入并且定位在病人身体内的工作部位。然后，例如，在执行手术任务期间，夹片112可以打开和闭合，因此必须进行精确控制夹片以便仅执行期望的移动。除了打开和闭合夹片112和114之外，实际医疗器械一般将需要许多运动自由度，以便执行医疗程序。主管120的近端附连至传动或驱动机构130，传动或驱动机构有时被称为后端机构130。腱122和124，可以是多股绞线、杆、管或这种结构的组合，其从后端机构130延伸通过主管120并附连至末端执行器110。典型的手术器械还将包括将后端机构130连接到末端执行器110的其他致动构件、腕机构(未示出)或主管120中的致动椎骨的额外的腱，以便后端机构130可以操纵腱以操作器械100的末端执行器110和/或其他致动元件。图1示出了具有提供夹片112的单运动自由度的枢接结构116的夹片112。两个键122和124附连至夹片112和后端机构130中的滑轮132，以便滑轮132的转动引起夹片112转动。滑轮132附连至驱动马达 140，驱动马达可以位于机械臂(未示出)的末端，控制系统150电控制驱动马达140。控制系统150 —般包括计算系统以及适当的软件、固件和外围硬件。除了其他功能，控制系统150 —般还为外科医生或其他系统操作人员提供工作部位和末端执行器110的图像(例如，立体视图)，并且提供控制装置或操纵器，外科医生可以操作控制装置或操纵器来控制末端执行器110的移动。用于解释控制装置的用户操纵和生成引起夹片112的对应移动的马达信号所需的软件或固件在实际机器人医疗器械中一般是复杂的。为了考虑控制任务的一部分，用于驱动马达140的控制信号的生成一般利用夹片112的角度或位置与驱动马达140或后端机构130中的滑轮132的角度或位置之间的关系。如果腱122和124是刚性的(例如，如果腱的拉伸可以忽略不计)，则控制系统150在确定按照外科医生的指示移动夹片112所需的控制信号时，可以利用驱动马达140的角位置与夹片112的角位置之间的直接关系，其由器械100的几何结构限定。腱122和124例如在工作负载下的微小拉伸可以通过马达位置和执行器位置相关的某些数学模型处理。然而，如果包括末端执行器110、腱122和124以及后端机构130的机械结构具有高度的柔度，那么马达140 (或滑轮132)的角位置与夹片112的角位置之间的关系很难或不可能以足够准确度对医疗器械建模。因此，这些系统需要不依赖于应用的致动器控制信号和致动元件的位置之间的固定关系的控制过程。
应当注意，在下面，医疗器械的关节可以是枢接结构或者是为器械尖端提供一个或多个运动自由度的结构。例如，关节可以是连续挠性部段或者是近似连续挠性部段的枢转关节或不完全旋转但也提供滚动接合的单个旋转关节的组合。例如参见Cooper等人的标题为“Flexible Wrist for Surgical Tool”的美国专利US7, 320，700和Cooper等人的标题为“Surgical Tool Having a Positively Positionable Tendon-Actuated Mult1-diskWrist Joint” 的美国专利 US6, 817，974。还应当注意，在医疗机器人器械控制的领域的状态中，致动器位置是伺服控制的，从而产生期望的器械尖端运动或定位。实际上只要致动器和器械关节之间的传动系统是刚性的，这种方法就是有效的。例如参见标题为“Camera Referenced Control in aMinimally Invasive Surgical Apparatus”的美国专利 US6, 424，885。如果可以准确地建模传动系统的挠性，该方法也可以是有效的，模型包括在控制器中，这在Barbagli等人的标题为“Robotic Instrument Control System”的美国专利申请 N0.2009/0012533A1 中进行描述。

发明内容
根据本发明一方面，具有多个自由度的器械的控制系统和方法使用器械的当前构形/速度和器械的期望构形/速度之间的差来确定和控制近端致动器通过一组传动系统施加到器械的力。使用施加的力和指示医疗器械的结果构形的反馈允许对医疗器械的自动控制，即使器械的传动系统具有近端致动器和远处致动元件之间的不可忽略的柔度。反馈方法特别允许精确的器械操作，即使在器械的构形不能直接从近端致动器的位置推断出时。在本发明的一个实施例中，测量或另外确定末端执行器或尖端的构形，并且在确定实现期望的尖端构形所需的关节力矩和施加的力的过程中，采用尖端的当前构形和期望构形之间的差。该控制方法的实施例可以允许选择尖端的动态行为，从而例如利于器械与组织的相互作用，同时允许器械其他部分中的灵活性。
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在本发明的另一个实施例中，测量器械中每个关节的构形，当前关节构形和期望关节构形之间的差被用于确定将所有关节移动到期望构形所需的致动器力。本发明的一个具体实施例是包括多个关节、致动器和传动系统的医疗系统。该传动系统具有分别耦连到致动器的近端，并且每个传动系统具有附连到多个关节中的相关联的一个关节的远端，从而允许铰接相关联关节的力传动。医疗系统中的传感器测量关节或器械尖端的构形，操作致动器将力施加到传动系统的控制系统接收来自传感器的构形测量结果，并且使用该构形测量结果确定施加到传动系统的致动力。本发明的另一个具体实施例是用于控制医疗器械的方法。该方法包括:测量医疗器械的多个关节的构形；接收指示该医疗器械的期望构形的命令；确定将相应致动器连接到关节的传动系统中的各张力；和操作致动器以将力分别施加到传动系统。确定施加的力不依赖于致动器的位置。


图1示出已知自动控制的医疗器械的零件。图2示出可以利用根据本发明实施例的控制过程操作的医疗器械，其控制通过柔性传动系统施加的力以便控制器械的铰接椎骨。图3A示出医疗器械，其中可以用传动系统操作根据本发明实施例的控制过程，该传动系统具有用于操作机械关节的最小和最大力传递。图3B示出其中关节包括连续挠性结构的本发明实施例。图3C示出用于控制图3B中关节的单运动自由度的一对腱的位置。图4示意性示出机器人医疗系统并具体示出本发明实施例中使用的控制远处关节的量，该远处关节通过柔性传动系统连接到致动器。图5A是根据本发明实施例的控制过程的流程图。图5B是用于确定与致动器速度和关节速度之差相关联的张力校正的过程的流程图。图5C是用于确定与操纵相同关节的致动器速度之差相关联的张力校正的过程的流程图。图示出最大施加张力和最小施加张力的控制的函数。图6示意性示出机器人医疗系统并具体示出本发明实施例中使用的控制多关节器械的量。图7A是根据本发明实施例的基于所测量的关节构形和期望的关节构形之差选择施加的张力的过程的流程图。图7B是根据本发明实施例的基于所测量的尖端构形和期望的尖端构形之差选择施加的张力的过程的流程图。 图8A是部分多关节器械的侧视图，该多关节器械可以利用根据本发明实施例的驱动力控制而操作从而控制具有平行致动轴线的关节。图SB和SC分别示出部分多关节器械的侧视图和端视图，该多关节器械具有可以利用根据本发明实施例的驱动力控制而操作的带垂直致动轴线的关节。图9A示出其中关节包括提供两个运动自由度的连续挠性结构的本发明实施例。图9B和9C示出分别使用四个腱和三个腱控制图9A中关节的两个运动自由度的本发明实施例。图9D示出其中每个关节包括连续挠性结构和提供两个运动自由度的双关节医疗器械的实施例。图9E示出使用六个腱控制由图9D中器械的两个关节提供的四个运动自由度的本发明实施例。图10是示出根据本发明实施例通过顺序评价多关节器械中的关节来确定张力的过程的流程图。不同附图中使用的相同参考符号表不相似或相同的项。
具体实施例方式根据本发明一方面，可以经由不提供致动器位置和关节位置之间固定关系的传动系统来控制医疗器械。特别地，系统操作人员(例如，外科医生)的行为可以指示医疗器械当前期望的构形/速度，同时传感器测量器械的实际构形/速度。然后，根据期望的构形和测量的构形可以选择力、张力或扭矩，并且通过传动系统施加力、张力或扭矩从而使器械朝其期望构形移动。如果先前选择的施加的力、张力或扭矩导致关节超过或未能达到期望位置，那么可以改变施加的力、张力或扭矩的选择标准。图2示出具有传动系统的柔性医疗器械200的一部分，诸如标题为“CompliantSurgical Device”的美国专利申请N0.12/494，797所描述的，其整体内容并入本文作为参考。器械200包括通过控制腱222和224的各自张力而被操纵的关节元件210。一般地，器械200可以含有与关节元件210相似的许多机械关节，每个关节可以利用与腱222和224相似的腱控制。在示例性的实施例中，器械200是进入导引装置，其可以被操纵以沿着病人体内的自然腔而行。进入导引装置一般包括包围椎骨(包括元件210)的挠性外护套(未示出)，并且提供一个或多个中央腔，其他医疗器械可以通过中央腔插入从而进入工作部位。柔度在进入导引装置中是特别期望的，以便防止进入导引装置的行为或反作用损伤朝着进入导引装置移动或挤压的周围组织。然而，其他类型的医疗器械也可以受益于图2中所示类型的柔性驱动机构。器械200包括具有腱222和224的后端机构230，其提供将关节元件210连接到驱动马达242和244的柔性传动系统。特别地，后端机构230包括弹簧系统235，其附连至腱222和224以及驱动马达242和244。图2中的每个弹簧系统235包括机械驱动系统232和恒压弹簧234。每个驱动系统232耦连马达242或244，并且将驱动马达242或244的旋转运动转换成线性运动，其改变由关联的恒压弹簧234施加到腱222或224的恒定力。在所示的实施例中，每个恒压弹簧234包括常规的胡克定律弹簧236和凸轮238。每个弹簧236连接到关联的驱动系统232，以便驱动系统232的线性运动使弹簧236的近端移动。每个凸轮238具有第一引导表面和第二引导表面，其中附连至关联弹簧236远端的缆绳237附连在第一引导表面上并骑跨在其上，并且腱222或224的一部分附连至第二引导表面上并骑跨在其上。每个凸轮238的引导表面一般为附连的缆绳237以及附连的腱222或224的行为提供不同的力矩臂，并且被成型为使得在放出或拉进一定长度的腱222或224改变附连弹簧236施加的力时，腱222或224中的张力保持恒定。每个凸轮238的每个表面可以是延伸一圈或更多圈的螺旋面，从而提 供期望范围的腱222和224的移动，同时维持腱222或224中的恒定张力。每个驱动系统232控制对应弹簧236的近端位置，因而影响对应弹簧236中的基准拉伸量和附连的腱222或224中的张力。在操作中，如果弹簧系统235中的驱动系统232拉动附连的弹簧236，那么弹簧236开始拉伸，并且如果元件210和附连至弹簧系统235的腱222或224保持固定，那么弹簧236施加到凸轮238的力增加，因此附连的缆绳222或224中的张力增加。因此，腱222和224中的张力线性地(根据胡克定律，凸轮238的力矩臂和弹簧236的弹簧常数)取决于各弹簧236的近端的移动，但是每个弹簧系统235表现得不对称，即响应于移动腱222或224的外部力或远端力以恒定力起作用。恒压弹簧234和驱动系统232可以可替换地以多种方式实施，例如以上参考的美国专利申请N0.12/494，797进一步描述的那些方式。关节元件210具有单个运动自由度(例如，绕轴线的旋转)，并且关节元件210通常在驱动马达242或244旋转驱动系统232以改变由附连的恒压弹簧238施加的力时移动。然而，该驱动机构是柔性的，以便在没有驱动系统232的对应旋转的情况下外部力可以移动元件210。因此，关节元件210的位置或取向与驱动系统232或驱动马达242的位置之间没有固定关系。根据本发明一方面，控制系统250使用传感器260测量元件210的取向。传感器260可以是例如形状传感器，其可以沿着包括元件210的器械200的长度感测关节元件210的形状。形状传感器的一些示例被描述在(2006年7月20日提交的)Larkin等人的标题为“Robotic Surgery System Including Position Sensors Using Fiber BraggGratings”的美国专利申请公开US2007/0156019A1和Gius印pe M.Prisco的标题为“Fiberoptic shape sensor”的(2008年6月30日提出申请的)美国专利申请US12/164, 829，两个申请并入本文作为参考。然而，可以可替换地使用能够测量关节元件210的角位置的任何传感器。以下进一步描述的控制过程使用这种测量计算操纵关节元件210所需的施加力。当后端机构230与马达单元脱离时，器械200具有“逆驱动”能力，恒压弹簧235仍防止腱222和224松弛，并且允许器械远端部分被手动地布置(或摆姿势)，而不会损害后端机构230或不会使腱222或224中出现松弛。该“逆驱动”能力通常是医疗器械的期望性能，特别是具有挠性主管的器械，在器械插入期间可以弯曲或操纵主管，同时器械不在控制系统250的主动控制下。例如，器械200可以被手动地摆姿势，主轴内的腱不会经历不适当的张力或松弛。图3A中示出医疗器械中关节的柔性传动系统的另一个示例。图3A示出医疗器械300的示例性实施例，器械300使用允许在器械操作期间驱动马达空转/凭惯性转动或驱动腱相对于驱动马达滑动的致动过程，如在标题为“Passive Preload and Capstan Drivefor Surgical Instruments”的美国专利申请US12/286, 644中描述的,其整体内容被并入本文作为参考。医疗器械300具有在主管320末端处的末端执行器310，后端机构330操纵延伸通过主管320的腱322和324，以控制末端执行器310的运动自由度。在所示实施例中，腱322和324附连至末端执行器310中的机械构件，以便腱322和324中的张力倾向于引起末端执行器310关于枢轴关节结构以相反的方向转动。图3A的关节结构仅仅是示例，在本发明的可替换实施例中，可以使用响应于施加到一对腱的张力而提供单个运动自由度的其他关节机构。例如，图3B示出一个实施例，其中诸如一般在用于胃肠 道、结肠和支气管的导管、内窥镜中；引导线中；或用于组织采样的诸如抓紧器和针的其他内窥镜器械中看到关节310。其能够响应于通过腱322和324施加的力而伸缩或弯曲。导管关节可以只包括响应于腱322和324中的张力差而弯曲的塑料材料的压制品。在一个配置中，腱322和324延伸穿过导管内的腔并且附连至图3C中所示的导管末端。因此，腱322和324中的力可以用于朝着对应于具有更大张力的腱322或324的方向弯曲导管。导管的弯曲可以用于，例如在插入期间操控导管。在图3B的实施例中，远端传感器360可以测量导管远端部分的弯曲角度，从而测量或计算“关节”角度和速度。在一个特定实施例中，弯曲角度可以限定为导管关于导管的远端挠性部分底部的尖端取向。图3B的导管关节310的后端和控制结构可以与图3A的实施例的结构相同，除了测量的关节角度和速度可以通过与致动器缆绳内腔和远端挠性部分中心之间的距离相乘而被转换成腱位置和速度之外。附连至主管320近端的后端机构330作为将驱动马达342和344施加的扭矩转换成相应的腱322和324中的张力和施加到末端执行器310中的致动关节的力或扭矩的传动系。在所示的实施例中，驱动马达324和344可以是直接驱动电动马达，电动马达直接耦连至绞盘332和334，相应的腱322和324绕绞盘332和334缠绕。特别地，腱322绕对应的绞盘332缠绕一个设置接触角(wrapping angle)(可以小于一整圈或者等于一圈或多圈)，并且腱322具有不固定于绞盘332但从绞盘332延伸到被动预加载系统333的末端。相似地，腱324绕对应的绞盘334缠绕一个设置接触角，并且具有从绞盘334延伸到被动预加载系统335的末端。由于腱332和324不需要永久地附连于绞盘332和334，所以腱322和324能够相对于绞盘332和334滑动并且相对于分别耦连至绞盘332和334的驱动马达342和344的轴滑动。腱322和324的近端附连至相应的被动预加载系统333和335，每个被动预加载系统在图3A中实现为凸轮和胡克定律弹簧，凸轮和胡克定律弹簧共同作为恒压弹簧。被动预加载系统333和335被偏压，以便在器械300的整个运动范围系统332和334将非零力或张力施加到腱322和324。利用该配置，当绞盘332和334凭惯性转动时，被动预加载系统333和335控制腱322和324中的张力，并且通过拉进或放出所需长度的腱322和324避免腱322和324中出现松弛。当后端机构330脱离马达342和344时，被动预加载系统333和335仍防止腱322和324松弛，并且允许末端执行器310与主管320 (当挠性时)被手动布置(或摆姿势)，而不会损害后端机构330或不会在腱322或324中产生松弛。因此，器械300还具有与上述的图2的器械200相似的“逆驱动”能力。在控制系统350和人类输入的主动控制(例如，主从伺服控制系统中的主控制输入)下利用驱动马达342和344操作末端执行器310。例如，当马达342拉动腱322时，马达扭矩被转移作为腱322的远端部分中的施加的张力。(绞盘332可以施加到腱322近端部分的最大张力取决于腱322开始相对于绞盘332滑动时的张力，但是一般来说，实际使用的最大张力可以被选择，从而防止腱322和324滑到绞盘332和334上。)与此同时，当切断提供给马达344的功率时，允许马达344和绞盘334凭惯性转动/空转，腱324可以保持在其最小张力，该最小张力是被动预加载系统335通过绞盘334施加到腱324近端的恒定力。然后，腱322中的更大张力倾向于引起末端执行器310以图3A中的逆时针方向旋转。相似地，切断提供给马达342的功率并为马达344提供动力以将力通过腱324施加于末端执行器310倾向于引起末端执行器310以图3A中的顺时针方向旋转。马达342和344凭惯性转动的同时腱322和32 4处于张力下和接受腱322与324在绞盘332和334上滑动的能力，不允许控制系统350依赖于马达340的角位置和末端执行器310的角位置之间的固定关系。然而，控制系统350可以使用传感器360测量末端执行器310相对于通过腱322和324致动的关节的角位置。图2、图3A和图3B的器械可以具有在致动器与致动的关节之间的传动系统，其提供对具有挠性主管的器械来说特别期望的柔度。然而，具有柔度的传动系统还可以出现在更传统的器械中。例如，图1的已知器械可以在弯曲的器械部段中使用铠装电缆或鲍登缆绳，并在直部段中使用杆状元件。杆状元件可以减少干扰致动器和关节位置的直接关系的拉伸。然而，期望的是在某些应用中使用更柔韧的材料的腱(例如，期望电绝缘或最小摩擦力的聚合物腱)，但是这类腱可能引入不可接受的拉伸量，因为控制过程取决于致动器和关节位置之间的直接关系。实心钢牵引线还可以用在传动系统中或作为传动系统。根据本发明一方面，图2、图3A和图3B的医疗器械或另外具有柔性传动系统的器械的控制过程可以使用机械关节的位置的远程测量来确定施加的用以驱动机械关节的张力。控制过程还可以用于具有刚性传动系统的器械。图4示意性示出具有机械关节410的医疗器械400的概况，其中机械关节410具有对应于角度或位置0的运动自由度。本文中广泛使用术语位置，其包括机械系统自由度结构的笛卡尔坐标位置、角位置或其他表示。传感器(未示出)测量在远处关节410处位置e，并且提供测量的位置0给控制系统450，例如通过从器械400远端处的传感器延伸经过器械400的主管(未示出)的信号线(未示出)提
供到器械近端处的控制系统450。传感器可以额外地测量关节410运动的速度6，或者速度#1可以根据位置9的两个或多个测量结果以及测量结果之间的时间来确定。关节410通过传动系统420连接到致动器440，以便关节410远离致动器440，例如关节410可以在器械的远端处，而致动器440在器械的近端处。在所示的实施例中，传动系统420连接关节410，以便致动器440施加到传动系统420的张力T倾向于以顺时针方向转动关节410。一般地，传动系统420包括用于将来自致动器440的力传递到关节410的整个机构,致动器440可以将力或扭矩施加到传动系统420，这导致在缆绳或传动系统420的其他部件中出现张力。然而，这种张力一般与施加的力或扭矩成比例，因此使用术语张力是为了在此处不失一般性地表明力或扭矩。还应当注意，传动系统420可能是(但是不需要是)柔性的，以至于关节410的位置和致动器440的位置之间的直接关系对于控制关节410不够准确。例如，传动系统420可以拉伸，以便在施加于传动系统420的最小张力和最大张力T之间，传动系统420的有效长度的差可以对应于45°的关节铰接。相比之下，为了能够基于致动器位置准确地建模关节位置，典型的医疗器件允许对应于不超过几度的关节铰接的拉伸。应当理解，在一般情况中，柔度不限于弹簧结构的简单的胡克定律拉伸。例如，传动系统420可以包括图2的实施例中的腱222和至少一部分后端机构230，或图3A的实施例中的腱332和至少一部分后端机构330。一般地,传动系统420对于传动系统420近端处施加的张力T或施加于关节410的外部力或沿着传动系统420的长度施加的外部力的响应，很难建模。可以包括图2或图3A的驱动马达242或342的致动器440将张力T施加到传动系统420的近端，并且通过传动系统420将力或扭矩施加到关节410，但是其它力或扭矩也施加到关节410。特别地，一个或更多个其它传动系统420可以被连接到关节410，并且共同地施加倾向于引起关节410转动的净张力或净力。在图4所示的实施例中,传动系统420连接到关节410和驱动马达442，以便传动系统422中的张力倾向于对抗施加的张力T并使关节410以图4中的逆时针方向旋转。除了传动系统422连接到关节410的差别以外，额外的传动系统422或连接到关节410的传动系统可以与传动系统420相同。控制系统450可以是执行程序的通用计算机或被布线以生成控制致动器440施加到传动系统420的张力T的驱动信号的电路。当致动器440是电动马达时，驱动信号可以是控制来自致动器440的扭矩输出的驱动电压或电流，并且张力T等于马达扭矩除以张力T施加到传动系统420的有效力矩臂。如以下进一步描述的，控制系统450可以利用关节
410的期望位置eD、期望速度Sd以及关节410当前时刻和之前时刻的位置0的一个或多
个测量结果，计算张力T或马达扭矩的大小。用户(例如，控制系统400的外科医生)可以通
过操纵控制器460来提供期望位置0 D和速度。除了控制器460能够提供根据其可以确定期望位置e D和期望速投丨的值的信号之外，控制器460的确切配置对本发明来说不重
要。适合于复杂的医疗器械的手动控制器一般提供指示医疗器械的运动的许多同步指令的信号，这些运动可能涉及器械的多个关节。例如，用作控制器460的合适的操纵器被提供在直观外科手术公司(Intuitive Surgical, Inc)商售的da Vinci外科手术系统的主控制器中。在时间间隔At内将关节410从其当前测量位置0移动到期望位置eD所需的张力T 一般将取决于许多因素，包括:抵抗施加的张力T的关节410的有效惯性；施加张力T的致动器440的惯性、耦连至关节410并施加净有效力的任何其他传动系统422 ;施加到关节410的外部力；对抗关节410的致动或传动系统的移动的内部和外部摩擦力；关节410的
当前速度以及内部和外部阻尼力。这些因素中许多因素可能依据器械400的工作环境而
改变，并且难以测量或建模。然而，对于医疗器械的特定关节，可以基于系统力学或凭经验
进行建模。在一个具体实施例中，控制系统450根据远端关节的误差(0D-0)和(#0-
确定张力T，远端关节误差(0 D- 0 )和(#D -6):分别是关节410的测量位置与期望位置之差和关节410的测量速度与期望速度之差。图5A是用于控制具有图4的系统400的基本结构的医疗器械的过程500的流程图。过程500在步骤510通过读取关节410的位置0的当前值和确定关节速度&的当前
值开始。例如，在假设恒定速度(例如，0 = (9-0')lht )或假定在给定先前确定速度下的恒定加速度情况下，可以利用当前位置e、先前位置e’和测量之间的时间间隔At以已知的方式直接测量或确定或估计速度丨6。然后，步骤515获取关节410的期望位置eD和期
望速度^ 聚520计算测量位 置与期望位置之差或之间的误差(0 D- 0 )以及测量速度与期望速度之差或之间的误差(On-#)。在步骤520中计算的位置和速度误差可以用于确定关节410到达期望位置0 D所需的张力T。在图5A的实施例中，施加的张力T可以包括多个贡献，主要贡献是远端张力
Tdist，其被确定作为位置误差(Qd-Q)和速度误差(I —冷)|的函数4。远端张力Tdist独
立于致动器的位置，例如，马达轴的角度，其允许即使当关节410的位置和致动器440的位置之间没有直接关系时远端张力Tdist的确定。在一个特定实施例中，函数是形式方程式1，其中gl和g2是增益因子，C是常数或几何结构相关参数，1；_是符号，S卩±1。符号Tsign与传动系统420中的张力产生的关节410的移动相关联，并且例如如果传动系统420中的张力T倾向于增加位置坐标0，那么Tsign为正(例如，+1)，而如果传动系统420中的张力T倾向于减小位置坐标9，那么Tsign为负(例如，-1)。在另一个实施例中，函数4影响力的下界，例如，为了使力总是正的，并且足以避免传动系统中出现松弛。参数C可以是根据系统的其他部分施加到关节410的已知或建模的力而选择的常数。例如，参数C可以是选择用于平衡其他传动系统将力施加到关节410引起的扭矩的常数，或者可以考虑预期的摩擦力或外部力。然而，参数C不需要严格是常数，而是可以包括补偿可以有效建模的诸如重力或机构刚度的属性的非常数项，因此，参数C可以取决于测量的关节位置或速度。增益因子gl和g2可以根据关节410的期望刚度和阻尼选择。特别地，当关节410用作静态夹时，施加到组织的净夹紧力或扭矩取决于方程式I的gl (e D- e)项。一般地，增益因子gl和g2以及常数C可以根据关节410的期望刚度和阻尼或响应度或者根据误差累积选择。例如，当插入器械400以沿病人体内自然腔而行时，增益因子gl可以设置为较低值，以使得关节410缓缓地运转并且防止关节410损伤周围组织。在插入器械之后，增益因子gl可以设置为较高值，从而允许外科医生利用器械执行精确的手术任务。方程式I=F1= Tsipi (gIWd -0、+ g-0D -0) + C)方程式I的gi(0D -0) + g2(0D -#) + ￡:项可以用于近似确定在关节410处用
于转动关节410以利用传动系统420在给定时间At内到达期望位置0D当前所需的扭矩、张力或力。扭矩和力或张力相关，因为扭矩是力和有效力矩臂R的乘积，有效力矩臂R由关节410与传动系统420的连接和关节410的旋转轴线之间的垂直距离限定。有效力矩臂R可以并入增益因子gl和g2以及常数C或是用于将计算的远端张力Tdist转换成计算的扭矩。远端张力Tdist 和适当选择的函数，例如适当选择的方程式I中的参数gl、g2和C，可以估计需要致动器440施加的从而以响应于手动控制器460的操作人员的操纵的方式移动关节410的力。然而，在某些条件下，步骤530、535、540和545提供可选的校正。特别地，可选的步骤530和535分别计算位置误差(0 D-0)的饱和总和或整数I，并且计算积分张力Tint。积分张力Tint可以是正的、零或负的，并且其可以作为远端张力Tdist的校正被加入，其中远端张力Tdist在步骤525计算。积分张力Tint被计算作为饱和积分I的函数f2，并且可以仅为积分I和增益因子的乘积。在步骤530中计算的饱和积分I可以仅是在间隔结束时的测量位置和要到达的期望位置之间的位置误差(e D- e)或差(e !U- e ^1)在过去N个时间间隔的总和。可以限制或不限制总和所包含的时间间隔数N，并且积分I可能饱和，因为积分I的大小不允许超过最大饱和值。饱和值一般可以被选择为覆盖(cap)积分张力Tint的最大值或最小值。然而，当计算函数f2的值时，可以可替换地覆盖(cap)积分张力Tint的最小值和最大值。可选的步骤540计算本文中称为近端张力Tpkqx的另一个校正，其可以为正、零或负。近端张力Tpkqx可以被加到远端张力Tdist中，其中远端张力Tdist在步骤525中计算。图5B是用于计算近端张力Tpkqx的过程540的流程图。过程540在步骤542中通过读取致动
器440的速度4的当前值开始。速度4可以通过附连在致动器440底部的标准测速仪测
量。为了提高计算效率，还可以安排步骤542以在图5A的步骤510和步骤515之间执行。
然后，步骤544计算近端速度差或误差其限定为基于关节410的期望速度#D计算
的期望速度和基于当前致动器速度急计算的当前速度之间的差或误差。在一个特定实施例
中，期望速度可以是有效力矩臂R、符号Tsign和关节410的期望速度的乘积，而当前速度
可以是致动器440的有效力矩臂和致动器速度^的乘积。在图5B的实施例中，近端张力Tpeox被确定作为近端速度误差匕7 的函数f4。在一个特定实施例中，函数f4可以仅是近
端速度误差和增益因子的乘积。增益因子可以被选择以便为传动系统420提供额外的阻尼效应。图5A的可选步骤550计算成对张力Tpaik,其可以是远端张力Tdist的正的、零或负的校正值，其中远端张力Tdist是在步骤525中计算的。图5C是用于计算成对张力Tpaik的
过程550的流程图。过程550在步骤552中通过读取致动器440的当前速度值和与关
节410关联的所有其他致动器的速度值开始。在图4的系统中，存在耦连至关节410的两
个致动器440和442以及两个致动器速度^和么，。可以安排步骤552在图5A的步骤510
和步骤515之间执行，从而提高计算效率。然后，步骤556计算成对速度差或误差当致动器440和442基本相同，例如对于相应的传动系统420和422的操作具有相同的有效力矩臂时，速度差或误差6, a可以限定为与关节410关联的致动器440和442的当前速度
<和^4.之间的差或误差。在一个具体实施例中，当前速度误差^可以是致动器440和442速度差((K - )和有效力矩臂的乘积。在图6的实施例中,成对张力Tpaik被确定作为
成对速度误差的函数f5。在一个特定实施例中，函数&可以仅是成对速度误差Spaw
和增益因子的乘积。增益因子可以被选择以便为传动系统420提供额外的阻尼效应。在图5A的步骤560中，张力T被确定作为远端张力Tdist、近端张力Tpkqx、成对张力Tpaie和积分张力Tint之和的函数f3。在图5C的实施例中，函数f3限制张力T的最大值和最小值。最大张力Tmax和最小张力Tmin可以在对控制系统450 (例如,在软件中)进行编程的过程中设置。然而，柔性的传动系统本身可以具有在后端机构中合适设计的最小张力或最大张力。例如，图3A中所示的传动系统具有当马达/致动器342或344凭惯性转动时通过预加载系统333或335的设置控制的最小张力Tmin,和当耦合马达342或344的扭矩超过腱322或324在绞盘332或334上滑动的点时由滑动引起的最大张力T祖。一般地，期望的是具有同时由硬件和软件设置的最大张力Tmax和最小张力Tmin。特别地，最大张力Tmax应被设置为避免由于较大力对器械的损伤，而最小张力Tmin应被设置为确保传动系统中的腱不会松弛和脱轨或缠绕在一起。图5A的步骤565生成引起致动器440施加在步骤560中计算的张力T的控制信号。例如，当致动器440是直接驱动电动马达时，控制信号可以是控制为与计算的张力T成比例的驱动电流。步骤570中的控制系统450引起致动器440施加和保持计算的张力T 一段时间间隔At，在该时间间隔期间，关节410朝着当前期望的位置eD移动。当改变张力T时，整个张力T的施加将延迟一段时间，其取决于致动器440的惯性。优选地，为了快速响应，致动器440的惯性 相对较小。例如,充当致动器440的驱动马达的惯性将优选地小于关节410惯性的五倍。在时间间隔At之后，过程500转向步骤510重复执行关节位置的测量、目标位置和速度的获取以及将要在下一个时间间隔期间施加的张力T的计算。一般地，时间间隔At应当足够小，以便提供对器械的操作人员来说似乎平滑而不会引起器械出现不期望振动的运动。例如，每秒钟或每几秒钟计算和设置张力T两百五十次，将提供对人眼来说看似平滑的运动并且将提供响应于人类命令(例如，控制器460的人类操纵)的器械操作。在利用或不利用积分张力Tint的计算和不利用器械或外部环境的详细建模或测量结果的情况下，在计算张力T中使用误差一般将引起关节410集中在期望位置。然而，如上所述，在计算施加的张力T时使用的诸如增益gl和g2的参数可以针对特定器械被调整，并且在使用中被进一步调整从而补偿器械的外部环境的改变。致动器442施加到传动系统422的张力还可以通过利用图5A的控制过程500而控制，并且当与致动器440和传动系统420相比时，基于致动器442和传动系统422的相似性和差异性，对于致动器442和传动系统422在过程500中使用的参数可以与致动器440和传动系统420中使用的参数相同或不同。特别地，图4的配置中的致动器442的符号值Tsign将与致动器440的符号值Tsign相反，因为传动系统422和420连接为以相反方向转动关节410。因此，对于一个致动器440或442来说，在步骤525中计算的主要张力贡献Tdist通常为负。计算施加的张力T的步骤560可以将负的张力和TDisT+TPKM+TPAIK+TINT设置为最小张力Tmin，如图中所示。因此，用于在步骤525中计算远端张力Tdist的参数(例如常数C) 一般可以基于其他致动器将施加最小张力Tmin的假设被选择。上述用于控制医疗器械中的单个关节的原理也可以用于同时控制器械中的多个关节。图6示意性示出多关节器械600和在器械600的控制过程中使用的某些量。器械600包括L个关节610-1到610-L，在本文中一般被称为关节610。每个关节610提供邻近机械构件的相对位置或取向的范围，并且通常具有以下进一步描述的一个或两个运动自由度。器械600的关节610提供总共N个自由度，其中自由度的数量N大于或等于关节610的数量L，并且关节610的自由度的构形可以利用N-分量或矢量0描述。N-分量速度矢量#与矢量9相关联。移动关节610-1到610-L的扭矩T1到T ,分别对应于矢量0的N分量,因为扭矩T1到T “顷向于引起矢量0的各个分量改变。关节610利用M个传动系统620-1到620-M (本文中一般称为传动系统620)和M个致动器640-1到640-M (本文中一般称为致动器640)驱动。传动系统620和致动器640可以与上面关于图4进行描述的传动系统420和致动器440相似或相同。一般地，传动系统620和致动器640的数量M大于自由度的数量N，但是M和N之间的关系取决于具体的医疗器械和器械中关节的力学。例如，提供单运动自由度的关节610可以利用两个传动系统620致动，提供两个自由度的关节610可以利用三个或四个传动系统620致动。自由度和致动传动系统之间的其他关系也是可能的。控制系统650操作致动器640-1到640-M，从而选择致动器640-1到640-M分别施加到传动系统620-1到620-M的相应的张力T1到TM。器械600的控制系统650可以使用远端传感器(未示出)确定与关节610关联的
位置矢量e和速度矢量(此处使用的位置和速度包括线性坐标或角坐标的值和移动。)
控制系统650还确定关节610的期望位置矢量e D和期望速度矢量如以下进一步描述
的，期望位置矢量0 D和期望速度矢量取决于来自可由外科医生利用器械600操纵的手
动控制器660的输入。 一般地，期望位置矢量e D和期望速度矢量I将进一步取决于在利用控制系统650执行的控制过程中限定的惯性或约束。
图7示出根据本发明实施例的用于控制诸如图6的器械600的多关节器械的控制过程700。过程700在步骤710中通过读取来自器械中一个或多个位置传感器的关节位置
矢量e开始。速度矢量6可以利用关节运动的直接测量结果或通过计算两个时刻之间的
位置测量结果的变化来确定。在步骤715中控制系统650接收外科医生的指令。外科医生的指令可以指示器械的具体工作部分的期望位置和速度。例如，外科医生通过操纵手动控制器660可以指示器械的远端或末端执行器的期望位置、期望速度、期望取向和期望转动，诸如在标题为 “Aspects of a Control System of a Minimally Invasive SurgicalApparatus”的美国专利US6，493，608中描述的，其被并入本文作为参考。然后，步骤720将
来自手动控制器660的指令转换成关节610的期望位置矢量e D和期望速度矢量# 例如，
给定图6的器械600的远端的期望位置、期望取向、期望速度和期望角速度，控制系统650
可以计算将实现期望的尖端构形的期望关节位置矢量9 D和期望关节速度矢量I。转换步
骤 720 可以利用已知技术实现，例如 “Modeling and Control of Robot Manipulators”，L.Sciavicco 和 B.Sicilian。，Springer, 2000, pp.104-106 以及 “Springer Handbook ofRobotics，，，Bruno Siciliano 和 Oussama Khatib, Editors, Springer, 2008, pp.27-29 中描述的微分运动学反演(differential kinematics inversion),其内容以参考方式并入本文。以上参考的标题为 “Aspects of a Control System of a Minimally InvasiveSurgical Apparatus”的美国专利US6, 493，608还描述了用于确定将实现期望尖端构形
的期望关节位置矢量e D和期望关节速度矢量的技术。应当注意，对于具有运动学冗余
的器械，也就是，如果由关节610提供的运动自由度数量大于通过手动控制器660指定的运动命令的自由度数量，那么可以利用标准技术解决冗余，例如在Yoshihiko Nakamura的“Advanced Robotics:Redundancy and Optimization”,Addison-Wesley (1991)中描述的技术。 还应当理解，当解决有关器械的期望命令的逆向运动学问题时，还可以执行器械的关节之间的软件强制约束。例如，可以强迫两个关节的关节位置命令和速度命令相同或相反，或以给定的比率有效地实现关节之间的虚拟凸轮机构。步骤725计算位置误差矢量(0 D- 0 )和速度误差矢量- #)，而步骤730使用
误差矢量(e D- e)和_#)的分量计算相应的扭矩分量T i到T N。在一个具体实施例
中，利用方程式2确定每个扭矩分量T i，其中指数i从I到N。在方程式2中，811和821是增益因子，并且Ci是常数或者是可以根据系统其他部分施加到关节的已知力或建模力选择的几何结构相关参数。然而，参数Ci不需要严格是常数，而是可以包括补偿可以有效建模的诸如重力或机构刚度的属性的非常数项，因此，参数Ci可以取决于扭矩T i作用的关节610-1的测量位置或速度。一般地，增益因子811和821与常数Ci可以根据关节的期望刚度和阻尼或响应度或根据误差累积选择。例如，当插入器械600以沿病人体内的自然腔而行时，增益因子gli可以设置为较低值，以使得关节缓缓地运转并且防止关节动作损伤周围组织。在插入器械之后，增益因子gli可以设置为较高值，从而允许外科医生利用器械执行精确的手术任务。在确定扭矩时可以采用其他方程式或对方程式2的校正。例如，计算的扭矩可以包括与关节位置的当前测量结果和意图实现先前施加的扭矩的期望关节位置之差的饱和积分成比例的校正。对于图5A以及图5A的步骤530和535中特别示出的单个关节控制过程，可以如上所述地确定利用饱和积分的这种校正。方程式2:
权利要求
1.一种医疗器械系统，其包括: 多个关节； 多个致动器； 多个传动系统，其具有分别耦连至所述致动器的近端，每个所述传动系统具有附连至所述多个关节中相关联的一个关节的远端，以允许所述医疗器械系统的联接的力传动；传感器，其被耦连以测量所述医疗器械的构形；和 控制系统，其被耦连以接收构形测量结果，其中所述控制系统使用所述构形测量结果确定所述传动系统的张力并且操作所述致动器以在所述传动系统中产生张力。
2.根据权利要求1所 述的系统，其中每个所述传动系统是柔性的，并且每个所述传动系统在所述致动器力的调节值下的伸缩量相当于大于关节联接中的允许误差。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统独立于所述致动器位置调节施加到所述传动系统的张力。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统独立于所述传动系统或所述关节的柔度调节施加到所述传动系统的张力。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统独立于从所述传动系统近端到其远端的所述传动系统的长度而调节施加到所述传动系统的张力。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统独立于从所述传动系统近端到其远端的所述传动系统的形状而调节施加到所述传动系统的张力。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统利用包含以下步骤的过程确定所述张力: 确定所述关节的期望构形和所述关节的当前构形之间的差； 根据所述差来确定致动所述关节以减少所述差的关节扭矩；和 确定产生所述关节扭矩的张力。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统在包含以下步骤的过程中使用所述构形测量结果: 确定所述关节中的一个选择关节的当前构形和所述选择关节的期望构形之间的第一差;和 利用所述第一差和第一增益因子的第一乘积确定致动所述选择关节的关节扭矩。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述控制系统使用所述构形测量结果的过程进一步包含: 确定所述选择关节处的当前速度和所述关节处的期望速度之间的第二差；和确定所述第二差和第二增益因子的第二乘积，其中致动所述选择关节的所述关节扭矩进一步取决于所述第二乘积。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统利用包含以下步骤的过程确定所述张力: 确定所述器械的尖端的期望构形和所述尖端的当前构形之间的差； 根据所述差，确定当施加到所述尖端时减少所述差的尖端力和尖端扭矩； 确定在所述器械的尖端处产生所述尖端力和所述尖端扭矩的关节扭矩；和 确定产生所述关节扭矩的所述张力。
11.根据权利要求10所述的系统，其中确定所述尖端力包含: 确定所述尖端的第一位置坐标的当前值和所述尖端的所述第一位置坐标的期望值之间的第一差； 确定所述第一差和第一增益因子的第一乘积；以及 利用所述第一乘积确定所述尖端力的第一分量。
12.根据权利要求11所述的系统,其中确定尖端力进一步包含: 确定所述尖端的第二位置坐标的当前值和所述尖端的所述第二位置坐标的期望值之间的第二差； 确定所述第二差和第二增益因子的第二乘积，其中所述第二增益因子不同于所述第一增益因子；和 利用所述第二乘积确定所述尖端力的第二分量。
13.根据权利要求10所述的系统，其中确定所述尖端扭矩包含: 确定所述尖端的第一角坐标的当前值和所述尖端的所述第一角坐标的期望值之间的第一差; 确定所述第一差和第一增益因子的第一乘积；和 利用所述第一乘积确定所述尖端扭矩的第一分量。
14.根据权利要求13所述的系统，其中确定所述尖端扭矩进一步包含: 确定所述尖端的第二角坐标的当前值和所述尖端的所述第二角坐标的期望值之间的第二差; 确定所述第二差和第二增益因子的第二乘积，其中所述第二增益因子被设置为不同于所述第一增益因子。
15.根据权利要求10所述的系统，其中确定所述尖端力包含: 确定所述尖端的当前速度分量和所述尖端的期望速度分量之间的差； 确定所述差和增益因子的乘积；以及 利用所述乘积确定所述尖端力的分量。
16.根据权利要求10所述的系统，其中确定所述尖端力包含: 确定所述尖端的角速度和所述尖端的期望角速度之间的差； 确定所述差和增益因子的乘积；以及 利用所述乘积确定所述尖端力的分量。
17.根据权利要求10所述的系统，其中所述关节提供多于六个运动自由度，包括对于所述尖端的移动冗余的运动自由度，并且所述关节扭矩被计算以保持所述关节远离所述关节的运动范围限制或远离关节扭矩限制。
18.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统利用包含以下步骤的过程确定所述张力: 利用所述构形测量结果分别确定关节的关节扭矩；和 利用所述关节扭矩确定所述传动系统的张力。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制系统利用包含以下步骤的过程确定所述张力: 按照从所述器械的远端到所述器械的近端的次序顺序地评价所述关节，其中评价每个关节包含利用所述关节的关节扭矩和对于更接近所述器械的远端的关节确定的张力来确定直接施加到正在评价的所述关节的张力。
20.根据权利要求19所述的系统，其中当评价每个关节时，直接施加到正在评价的关节的传动系统的张力被选定为等于额定值，并且直接施加到所述关节的其余传动系统的一个张力或多个张力被计算以产生该关节的关节扭矩，并且被检验是否大于或等于所述额定值。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述额定值被选定为有效地释放所述传动系统中的所有张力。
22.根据权利要求20所述的系统，其中所述额定值被选定为有效地保持所述传动系统中的张力。
23.根据权利 要求18所述的系统，其中利用所述关节扭矩确定所述张力包含: 根据所述关节扭矩确定远端张力；和 确定取决于所述关节的速度和耦连到所述关节的所述致动器的对应速度之间的相应差的校正，其中所述传动系统的张力取决于所述远端张力和所述校正。
24.根据权利要求18所述的系统，其中利用所述关节扭矩确定所述张力包含: 根据所述关节扭矩确定远端张力；和 为每个关节确定取决于耦连到附连于所述关节的传动系统的所述致动器的速度之间的差的校正，其中所述传动系统的张力取决于所述远端张力和所述校正。
25.一种用于控制医疗器械的方法，所述方法包含: 测量所述医疗器械的多个关节的构形； 接收指示所述医疗器械的期望构形的命令； 分别确定分别将多个致动器连接到所述关节的多个传动系统中的张力，其中张力的确定不依赖于所述致动器的位置；和 运转所述致动器，以将所述张力分别施加到所述传动系统。
26.根据权利要求25所述的方法，其中一个或更多个所述传动系统具有柔度，从而使得每个所述传动系统不能提供所述关节的位置和耦连到所述传动系统的所述致动器的位置之间的关系，其中利用所述关系足够准确地控制所述关节。
27.根据权利要求25所述的系统，其中确定所述张力包含: 确定所述关节的期望构形和所述关节的当前构形之间的差； 根据所述差来确定致动所述关节以减少所述差的关节扭矩；和 确定产生所述关节扭矩的所述张力。
28.根据权利要求25所述的系统，其中确定所述张力包含: 确定所述器械的尖端的期望构形和所述尖端的当前构形之间的差； 根据所述差来确定当施加到所述尖端时减少所述差的尖端力和尖端扭矩； 确定在所述器械的所述尖端上产生所述力和扭矩的关节扭矩；和 确定产生所述关节扭矩的所述张力。
29.根据权利要求28所述的方法，其中确定所述尖端力包含: 确定所述尖端的第一位置坐标的当前值和所述尖端的所述第一位置坐标的期望值之间的第一差；确定所述第一差和第一增益因子的第一乘积；以及 利用所述第一乘积确定所述尖端力的第一分量。
30.根据权利要求29所述的方法，其中确定尖端力进一步包含: 确定所述尖端的第二位置坐标的当前值和所述尖端的所述第二位置坐标的期望值之间的第二差； 确定所述第二差和第二增益因子的第二乘积，其中所述第二增益因子不同于所述第一增益因子；和 利用所述第二乘积确定所述尖端力的第二分量。
31.根据权利要求28所述的方法，其中确定所述尖端扭矩包含: 确定所述尖端的第一角坐标的当前值和所述尖端的所述第一角坐标的期望值之间的第一差; 确定所述第一差和第一增益因子的第一乘积；和 利用所述第一乘积确定所述尖端扭矩的第一分量。
32.根据权利要求31所述的方法，其中确定所述尖端扭矩进一步包含: 确定所述尖端的第二角坐标的当前值和所述尖端的所述第二角坐标的期望值之间的第二差；和 确定所述第二差和第二增益因子的第二乘积，其中所述第二增益因子被设置为不同于所述第一增益因子。
33.根据权利要求28所述的方法，其中确定所述尖端力包含: 确定所述尖端的当前速度分量和所述尖端的期望速度分量之间的差； 确定所述差和增益因子的乘积；以及 利用所述乘积确定所述尖端力的分量。
34.根据权利要求28所述的方法，其中确定所述尖端力包含: 确定所述尖端的角速度和所述尖端的期望角速度之间的差； 确定所述差和增益因子的乘积；以及 利用所述乘积确定所述尖端力的分量。
35.根据权利要求28所述的方法，其中所述关节提供多于六个运动自由度，包括对于所述尖端的移动冗余的运动自由度，并且确定所述关节扭矩使用冗余的自由度来保持所述关节远离所述关节的运动范围限制或远离关节扭矩限制。
36.根据权利要求25所述的方法，其中确定所述张力包含: 利用所述构形测量结果分别确定所述关节的关节扭矩；和 利用所述关节扭矩确定所述传动系统的张力。
37.根据权利要求36所述的方法，其中确定所述张力进一步包含: 按照从所述器械的远端朝着所述器械的近端的次序顺序地评价所述关节，其中评价每个关节包含利用所述关节的所述关节扭矩和对于更接近所述器械的所述远端的关节确定的张力来确定直接施加到正在评价的关节的张力。
38.根据权利要求37所述的方法，其中当评价每个关节时，直接施加到正在评价的关节的传动系统的张力被选定为等于额定值，并且直接施加到所述关节的其余传动系统的一个张力或多个张力被计算以产生该关节的关节扭矩，并且被检验是否大于或等于所述额定值。
39.根据权利要求38所述的方法，其中所述额定值被选定为有效地释放所述传动系统中的所有张力。
40.根据权利要求38所述的方法，其中所述额定值被选定为有效地保持所述传动系统中的所有张力。
41.根据权利要求36所述的方法，其中确定所述张力包含: 根据所述关节扭矩确定远端张力；和 确定取决于所述关节的速度和耦连到所述关节的所述致动器的对应速度之间的相应差的校正，其中所述传动系统的张力取决于所述远端张力和所述校正。
42.根据权利要求36所述的方法，其中利用所述关节扭矩确定所述张力包含: 根据所述关节扭矩确定远端张力；和 为每个关节确定取决于耦连到附连于所述关节的传动系统的所述致动器的速度之间的差的校正，其中所述传动系统的张力取决于所述远端张力和所述校正。
全文摘要
本发明公开医疗器械的控制系统和方法，其使用测量结果确定和控制致动器通过器械传动系统施加的张力。使用张力和反馈允许即使当关节位置不能与致动器位置直接相关时也可以控制具有传动系统的医疗器械，其中传动系统提供在关节和致动器之间的不可忽略的柔度。一个实施例根据期望关节位置和测量关节位置之间的差确定关节扭矩和张力。另一个实施例根据器械尖端的期望位置和测量位置之间的差确定关节扭矩和张力。根据关节扭矩确定张力可以利用按照从器械远端朝着器械近端的次序顺序评价关节执行。
文档编号A61B19/00GK103200896SQ201180054014
公开日2013年7月10日 申请日期2011年10月28日 优先权日2010年11月12日
发明者S·K·W·奥, G·M·普里斯科 申请人:直观外科手术操作公司