用于与对象的相互作用的系统和方法
【专利说明】用于与对象的相互作用的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求2013年10月4日提交的美国临时专利申请N0.61/886838的优先权和所有权益，通过引用将其并入本文。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及一种用于与对象相互作用的系统和方法，更具体而言，涉及一种用于控制与对象的相互作用的工具的系统和方法。
【背景技术】
[0004]在手术过程中采用诸如机器人系统的系统辅助医务人员是一个新兴领域。这些系统被配置为使得工具相对于手术部位的研究对象被操纵。所述系统通常包括基座和多个从基座延伸出去的联动装置。所述系统还包括耦合至所述多个联动装置的工具。医务人员可以对所述系统提供指令，从而使所述多个联动装置和所述工具相对于对象移动，由此采用所述系统执行手术过程。
[0005]经常采用导航系统提供辅助，从而使所述工具相对于对象准确地移动到预期位置。导航系统为工具和其他受到跟踪的对象提供精确的位置和取向信息，尤其是在这些对象在相对较大的工作体积内移动时。经常提供基于导航的位置和取向信息，从而至少部分地影响系统的联动装置相对于所研究的患者解剖学结构的移动和定位。
[0006]此外，可以采用从与所述多个联动装置相关的多个编码器导出的位置和取向信息以开放环路的方式对工具的移动加以控制。在用于相对较小的移动时，这样的编码器能够在所定位的研究区域内提供比导航系统更高的精确度。因而，当希望在导航系统的闭环控制之外以更高的速率进行操作时，基于编码器的位置和取向信息可以是有用的。因而，采用导航系统和/或编码器生成移动命令的好处各有不同。
[0007]常规系统面临着管理基于导航的以及基于编码器的信息的挑战。主要是联动装置所呈现的响应频率低于基于导航的位置和取向信息的提供频率。更具体而言，大多数系统的联动装置、电动机、接头等具有一定的柔性或游隙。这一柔性限制了移动命令与工具的最终移动和入位之间的反应时间。如果将来自导航系统的位置和取向信息用于生产移动命令的频率高于工具响应于这样的移动命令发生移动并入位的能力，那么系统的闭环控制将变得不稳定。此外，联动装置的缓慢响应频率抑制了能够采用这种基于导航的位置和取向信息影响工具的定位的频率。此外，常规系统不允许对上述频率进行动态调整。因而，对于各种应用和情况而言限制了常规系统的通用性和稳定性。
[0008]相应地，本领域需要解决上述问题的系统和方法。
【发明内容】
[0009]提供了一种用于与对象相互作用的系统。所述系统包括具有基座和多个联动装置的机器人操纵器。将工具耦合至机器人操纵器，所述工具可相对于基座移动，从而与对象相互作用。使多个定位传感器与多个联动装置相关，从而以第一频率提供主要位置信息。定位器以第二频率提供次要位置信息。将定位控制器配置为基于主要位置信息和次要位置信息以第一定位控制模式和第二定位控制模式相对于对象移动工具。将频率控制器配置为调整第一和第二定位控制模式的每个内的第一和第二频率的至少一个。第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的差不同于第二定位控制模式下的第一和第二频率之间的差。
[0010]提供了一种用于对机器人系统中的工具定位的方法。所述方法包括以第一频率确定工具的主要位置信息。以第二频率确定工具的次要位置信息。基于主要位置信息和次要位置信息以第一定位控制模式和第二定位控制模式移动工具。对第一和第二定位控制模式的每个的第一和第二频率的至少一个进行调整。第一定位控制模式下的第一和第二频率之间的差不同于第二定位控制模式下的第一和第二频率之间的差。
[0011 ]所述系统和方法有效地提供了对工具的自定义控制。第一和第二频率之间的差影响工具的定位准确度和定位速度。因而，调整第一和第二频率之间的差允许对工具的定位速度和定位准确度加以控制。
[0012]此外，第一和第二频率之间的差在第一和第二定位控制模式之间是不同的。因而，第一和第二定位控制模式具有不同的针对工具的定位准确度和定位速度的参数。所述系统和方法能够依据与应用和状况相适应的预期定位准确度和速度根据第一位置或第二定位控制模式工作。
[0013]所述系统和方法还额外地提供了稳定性，因为能够对第一和第二频率进行动态调整。如果第一和第二频率之间的差导致了不稳定性，那么能够对所述差进行动态调整。
【附图说明】
[0014]本发明的优点将被更加容易地认识到，因为通过参考下述联系附图考虑的详细说明将使它们得到更好的理解，其中:
[0015]图1是与机器人操纵器结合使用的本发明的引导站的透视图；
[0016]图2是引导站、跟踪装置、指示器(pointer)和机器人操纵器的示意图。
[0017]图3是机器人操纵器的编码器和接头电动机控制器的示意图。
[0018]图4是定位器和操纵器以及其他对象的坐标系的示意图。
[0019]图5是一种方法中采取的步骤的流程图。
[0020]图6是根据一个实施例的允许进行人工频率调整和人工定位控制模式选择的接口的透视图。
[0021 ]图7是根据另一实施例的用于显示自主频率调整和自主定位控制模式选择的接口的透视图。
【具体实施方式】
[0022]公开了用于对机器人系统的工具22定位的系统和方法。将工具22耦合至机器人操纵器56，工具22相对于预定义路径或解剖学边界发生移动。相对于一个或多个对象23对工具22定位。对象23的例子包括但不限于患者的解剖学特征。在图1中，所示的患者的解剖学结构包括股骨F和胫骨T ο工具22与对象23进行相互作用，在一些情况下，操纵对象23。
[0023]参考图1和2，在一个实施例中，系统包括耦合到机器人操纵器56的指导站20。在图I中，引导站20被示为处于医疗机构的手术室内。设立引导站20是为了跟踪手术室内的各种物项的移动。这样的物项可以包括患者的解剖学结构和工具22。引导站20跟踪这些物项的目的在于将它们的相对位置和取向呈现给医务人员。在一些情况下，引导站20跟踪这些物项是为了控制和约束工具22相对于预定路径或解剖学边界的移动。
[0024]引导站20包括容纳导航计算机26或其他类型的控制单元的计算机手推车组件24。导航接口与导航计算机26操作通信。在一个实施例中，导航接口包括适于处于无菌场外的第一显示器28和适于处于无菌场内的第二显示器29。将显示器28、29以可调整方式安装至计算机手推车组件24。可以采用诸如鼠标和键盘的第一和第二输入装置30、32向导航计算机26内输入信息或者以其他方式选择/控制导航计算机26的某些方面。可以设想其他输入装置，包括触摸屏(未示出)或语音激活。
[0025]定位器34与导航计算机26通信。在图示的实施例中，定位器34是光学定位器，其包括相机单元(又称为感测装置)。相机单元36具有容纳一个或多个定位光学传感器40的外壳38。在一些实施例中，采用至少两个光传感器40，优选采用三个或更多。光传感器40可以是三个单独的电荷耦合器件(CCD)。在一个实施例中，采用三个一维CCD。在其他实施例中，还可以将各个单独的相机单元布置到手术室各处，每一相机单元具有单独的CCD或者具有两个或更多CCD。所述CCD检测红外(IR)信号。定位器34可以具有用于与导航计算机26通信的任何适当配置。
[0026]将相机单元36安装到可调整臂上，从而借助于下文讨论的跟踪器的在理想情况下免受阻挡的视场对光传感器40定位。所述可调整臂允许以至少一个自由度，在一些实施例中以两个或更多自由度对相机单元36进行调整。
[0027]相机单元36包括与光传感器40通信以接收来自光传感器40的信号的相机控制器42。相机控制器42通过有线或无线连接(未示出)与导航计算机26通信。将位置和取向信号和/或数据从相机单元36发送至导航计算机26，以达到对物项跟踪的目的。
[0028]显示器28、29和相机单元36可以与2010年5月25日颁发给Malackowski等的发明名称为“Surgery System”的美国专利N0.7725162中描述的类似，通过引用将该文献引入本文。
[0029]所述导航计算机26可以是个人计算机或膝上型计算机。导航计算机26具有显示器28、29、中央处理单元(C