RU2518806C2 - Роботизированная хирургическая система минимального инвазивного вмешательства и способ ее управления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области оказывающих минимальное инвазивное вмешательство медицинских процедур, включая хирургическое вмешательство и диагностические процедуры. Более точно, изобретение затрагивает способ и систему для оценки усилия и позволяет определять прилагаемые к пациенту усилия, прежде всего, кончиком инструмента минимального инвазивного вмешательства, но также на уровне отверстия доступа для инструмента в тело пациента. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

Description

Область техники

В общем, данное изобретение относится к области оказывающих минимальное инвазивное вмешательство медицинских процедур, включая хирургическое вмешательство и диагностические процедуры. Более точно, изобретение затрагивает способ и систему для оценки усилия, которые способны определять прилагаемые к пациенту усилия, прежде всего, кончиком инструмента минимального инвазивного вмешательства, но также на уровне отверстия доступа для инструмента в тело пациента.

Введение

Хорошо известно, что минимальное инвазивное медицинское вмешательство имеет преимущество уменьшения количества окружающей ткани, которая поражается во время диагностического или хирургического вмешательства. Это приводит к сокращению времени выздоровления пациента, уменьшению дискомфортных и вредоносных побочных эффектов и снижению затрат на пребывание в больнице. В настоящее время, в направлениях общей хирургии, урологии, гинекологии и кардиологии наблюдается увеличение количества хирургических операций выполненных минимальным инвазивным методом, таким как лапароскопическим методом.

Минимальные инвазивные методы в целом и лапароскопии в частности устанавливают более жесткие требования для выполняющих операцию хирургов. Хирург проводит операцию в неудобных условиях и изнурительных позах, имея ограниченное поле зрения, стесненную свободу передвижения и плохое тактильное ощущение. К данным проблемам добавляется тот факт, что хирургам часто приходится выполнять несколько последовательных вмешательств в день, каждое из которых продолжается, например, от 30 минут до нескольких часов. Несмотря на данные трудности, тенденция минимальных инвазивных вмешательств, вероятно, резко возрастет в ближайшие годы ввиду старения населения и давления цен в медицинской отрасли.

Например, в лапароскопии от хирургов потребуется быть таким же точным в своих движениях, как в лапаротомии. Манипулирование инструментами с длинными ручками с ловкостью движений, ограниченных до степени подвижности равной 4 вокруг центра вращения (точка вращения) в месте ввода инструмента (также называемого троакар), то есть в месте вмешательства в тело пациента, не облегчает их задания. Осложнения возникают, среди прочего, в тех случаях, когда необходимая поза является довольно утомительной и снижает уже ограниченное восприятие взаимодействующих сил между инструментом и тканью. В результате моторные способности хирурга, как правило, через 20-30 минут ослабевают так, что среди прочего возникает дрожь, потеря точности и потеря тактильной чувствительности, представляющие риск для пациента. Поэтому, появляются новые компьютерные и/или роботизированные технологии, такие как роботизированная хирургия с минимальным инвазивным вмешательством (Minimally Invasive Robotic Surgery - MIRS). Эти технологии нацелены на повышение эффективности, качества и безопасности операционных вмешательств.

Уровень техники

Принимая во внимание вышесказанное, в течение прошлого десятилетия MIRS познала значительное развитие. Две типичные, серийно выпускаемые роботизированные хирургические системы это - хирургическая система, известная под торговой маркой "DA VINCI" разработанная компанией Intuitive Surgical Inc., Саннивейл, Калифорния и хирургическая система, известная под торговой маркой "ZEUS", первоначально разработанная компанией Computer Motion Inc., Голета, Калифорния. Известная под именем "DA VINCI" система описана, помимо других, Молом и др. (Moll et al.) в патентах US 6,659,939, US 6,837,883 и других патентных документах того же самого патентообладателя. Хирургическая система, известная под именем "ZEUS", описана помимо других Вонгом и др. (Wang et al.) в патентах US 6,102,850, US 5,855,583, US 5,762,458, US 5,515,478 и другой патентной литературе, переуступленной компании Computer Motion Inc., Голета, Калифорния.

Данные телеуправляемые роботизированные системы позволяют управлять хирургическим вмешательством либо напрямую из операционного зала, либо из удаленного местоположения, используя только двухмерный или трехмерный обратный визуальный контроль. В любом случае, утомительная поза хирурга устранена. Кроме того, эти системы имеют тенденцию давать хирургу ощущение работы в открытых условиях, например, как в лапаротомии, и устраняет вышеупомянутую утомительную позу хирурга.

Доступные на данный момент телеуправляемые MIS системы обычно не предлагают настоящей тактильной силовой обратной связи (именуемая ниже «силовая обратная связь») на пульте управления, с помощью которого хирург управляет роботом(ами). Поэтому хирургу не хватает настоящего осязательного ощущения усилий, прилагаемых к органам и тканям. При работе с такими системами хирургу приходится полагаться на визуальную обратную связь и на свой опыт, чтобы ограничить взаимодействие инструментов со средой внутри пациента. В этом отношении проведена исследовательская работа, касающаяся компьютеризованной бездатчиковой системы силовой обратной связи, основанной на концепции, что компьютер мог бы воспроизводить то, что способен выполнять обладающий опытом в ручных MIS процедурах хирург. Другими словами, компьютер мог бы оценивать усилия от наблюдаемых визуально деформаций. Пример таких попыток найден в «Force feedback using vision», Kennedy, С and Desai, J.P,, International Conference on Advanced Robotics, Coimba, Portugal, 2003. Однако, такие системы еще не достигли приемлемого коммерческого уровня.

Как легко понять, точная силовая обратная связь рассматривается в качестве важнейшего признака, который обеспечивает безопасность операции и улучшает качество процедур, выполняемых системами с минимальным инвазивным вмешательством при машинной поддержке. Поэтому, силовая обратная связь считается наиважнейшим фактором для проведения телеуправляемых вмешательств.

На уровне кончика инструмента измерение силы позволяет, например, выполнять пальпацию органов и тканей, что является в наивысшей степени желательно в диагностических процедурах и для идентификации критических областей, например, артерий. Другие возможные расширения функциональных возможностей состоит в ограничении растяжений на хирургических швах и ограничении усилий, прилагаемых к тканям согласно типу и специфической фазе вмешательства. На практике, контактные усилия могут удерживаться ниже заданной пороговой величины путем увеличения шкал движения, остановки перемещения манипулятора или увеличения обратной связи на управляющем устройстве. Кроме того, измерение силы позволило бы осуществлять интуитивную работу с инструментом, который не находится в поле зрения камеры эндоскопа, например, когда ассистент хирурга держит орган вдали от области операции.

На уровне отверстия доступа измерение силы являлось бы полезным для того, чтобы наблюдать и последовательно уменьшать усилия, прилагаемые инструментом в месте разреза для отверстия доступа. Эти усилия являются главной причиной разрыва разреза, что может привести к потере внутрибрюшинного давления, разъединению троакара и увеличению времени вмешательства вследствие необходимости исправления ситуации. Эти вредные усилия в основном вызываются неточным местоположением центра вращения (точки вращения) инструмента, как определено системой и модифицировано вследствие изменений внутрибрюшного давления относительно места вмешательства на пациенте, но также за счет отклонений перемещения (робота) манипулятора вследствие неточности его позиционирования. При ручном вмешательстве эти утомительные усилия менее выражены вследствие человеческой способности интуитивно регулировать перемещение руки относительно оптимального центра вращения на месте разреза.

Для преодоления проблемы разъединения троакара, вышеупомянутая система "DA VINCI" использует, например, троакар, прикрепленный к манжете манипулятора на конце ползуна ввода/извлечения. Это решение не уменьшает риска разрыва места вмешательства и не устраняет потерю внутрибрюшного давления.

Чтобы преодолеть последнюю проблему на уровне троакара, адаптивный контроллер силовой обратной связи, который способен автоматически регулировать точку вращения манипулятора на касательной к брюшной полости пациента плоскости был разработан и описан в работе «Achieving High Precision Laparascopic Manipulation Through Adaptive Force Control», Krupa, A. Morel, G. De Mathellin., Proceedings of the 2002 IEEE Intern. Conference on Robotics and Automation, Washington D.C., May 2002. В этом решении датчик на исполнительном органе робота в сочетании с контроллером усилия используются для четкой регулировки прилагаемых боковых усилий к троакару, который вместе с брюшной стенкой определяет центр вращения, вокруг нуля. Этот способ и система не способны определять усилия на кончике вставленного через троакар инструмента. Вместо этого, взаимодействующая сила на кончике инструмента предполагается незначительной. Поэтому этот способ может использоваться с удовлетворительным результатом только с манипулятором эндоскопа, который не имеет другой точки контакта с пациентом.

Другой подход описан в работе «Development of actuated and sensor integrated forceps for minimally invasive robotic surgery», B. Kübler, U. Seibold and G. Hirzinger, Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft füur Computer - und Roboterassierte Chirurgie (CUPAC), October 2004. Эта работа описывает мини-датчик усилия/крутящего момента с 6 степенями подвижности, установленный на кончике инструмента минимального инвазивного вмешательства. Этот датчик позволяет точное измерение усилий, прилагаемых кончиком инструмента и соответствующей силовой обратной связью. Однако эта концепция имеет несколько недостатков, среди которых производственные и монтажные затраты, нехватка стойкости при стерилизации в автоклавах и проблема защиты от электромагнитных помех при использовании с инструментами под напряжением. Считается, что при использовании этого подхода специализированный датчик должен быть предусмотрен на каждом инструменте. Похожий подход был описан в работе «A miniature microsurgical instrument tip force sensor for enhanced force feedback during robot-assisted manipulation», Berkelman, P.J. Whitcomb, L.L Taylor, R.H., and Jensen, P., IEEE Transactions on Robotics and Automation, Ocnjber 2003.

Другой подход, который не требует датчика, устанвливаемого на кончике каждого инструмента, описан в работе «A New Robot for Force Control in Minimally Invasive Surgery», Zemiti N., Ortmayer T. Et Morel G., IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Japan, 2004. Эта работа описывает робота и схему расположения датчика усилия, который может измерять удаленное взаимодействие орган-инструмент с датчиком, расположенным на троакаре. Даже если в этом решении датчик не установлен на самом инструменте и поэтому подвергается более низким ограничениям по миниатюризации и стерилизации, это решение все еще требует модифицированные троакары с оборудованием датчика, способным выдерживать стерилизацию. Другое спроектированное для MIS решение, как раскрыто в патентной заявке WO 2005/039835 использует архитектуру «главный-подчиненный» (master/slave) с двумя сенсорными устройствами PHANTOM®, разработанные компанией SensAble Technologies, Вобурн, Массачусетс. Эта система содержит первое устройство PHANTOM, интегрированное в подчиненную подсистему и служащую в качестве манипулятора для инструмента в комбинации с подсистемой исполнительного органа, которая сконфигурирована для удержания и закрепления имеющегося в наличии кончика инструмента минимального инвазивного вмешательства, такого как захваты, диссекторы, ножницы, и т.д. к первому устройству PHANTOM. При операции инструмент минимального инвазивного вмешательства имеет первый конец, установленный к подсистеме исполнительного органа, и второй конец, расположенный за внешним центром вращения, который ограничивает инструмент в перемещении. Чтобы обеспечить измерение вектора силы (f_x, f_y, f_z) и вектора момента (т_z) на конце кончика инструмента, предусмотрено выполняемое по запросу расположение различных тензодатчиков. Кроме того, система содержит один или более персональных компьютеров с прикладными программами для управления и обслуживания первого устройства PHANTOM подчиненной подсистемы и второго устройства PHANTOM главной системы.

Техническая проблема

Задачей данного изобретения заключается в разработке метода и системы, которые позволяют оценивать усилие, прилагаемого к кончику инструмента, или же посредством кончика инструмента, с помощью экономичного и эффективного способа, позволяющего избежать необходимости в троакаре и/или датчиках, смонтированных на кончике инструмента

Общее описание изобретения

Для решения этой задачи изобретение предлагает способ оценки усилия и медицинскую систему минимального инвазивного вмешательства, прежде всего, лапароскопическую систему, адаптированную для осуществления этого метода. Система содержит манипулятор, например, робот-манипулятор, который имеет исполнительный орган с имеющим 6 степеней подвижности (6-DOF или 6-осей) датчиком усилия/крутящего момента. Исполнительный орган сконфигурирован для удержания закрепленного на нем инструмента минимального инвазивного вмешательства. При нормальном использовании первый конец инструмента закреплен на исполнительном органе, а противоположный второй конец инструмента расположен за внешним центром вращения (точка вращения кинематического ограничения), который ограничивает инструмент в перемещении. В общем, центр вращения расположен внутри отверстия доступа (например, троакара), выполненного на месте вмешательства в теле пациента, например, на брюшной стенке. Согласно изобретению способ содержит следующие этапы:

- определение позиции инструмента относительно центра вращения (которое в данном контексте главным образом означает непрерывное обновление глубины ввода инструмента или расстояние между (системой отсчета) датчика и центром вращения),

- измерение посредством 6-DOF датчика усилия/крутящего момента и крутящего момента, прилагаемого к исполнительному органу первым концом инструмента, и

- вычисление посредством принципа наложения оценки прилагаемого ко второму концу инструмента усилия, основанного на определенной позиции, измеренного усилия и измеренного крутящего момента.

Система содержит программируемое вычислительное устройство, такое как стандартный компьютер, цифровой сигнальный процессор (DSP) или программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA), запрограммированное для определения положения инструмента, обработки выполненных 6-DOF датчиком усилия/крутящего момента измерений и для вычисления оценки усилия, как указано выше.

Способ и система делают возможным оценку (что в данном контексте обозначает, прежде всего, определение значения(ий), которые могут быть затронуты небольшой неточностью) усилия, прилагаемого к ткани или органу пациента вторым концом инструмента, например, кончиком инструмента, который инвазивно вводится в пациента через отверстие доступа, такое как троакар. На самом деле, последнее усилие эквивалентно действию противодействующей силы, оцененной методом (противодействие). Как легко понять, этот метод также делает возможным проектирование системы, которая требует только единственного блока датчиков, который включает в себя датчик усилия/крутящего момента со степенью подвижности 6 (6-DOF) и установленный на манипуляторе, то есть вне пациента. Блок датчиков удобно устанавливается в системе передачи усилия между соединительным интерфейсом для инструмента на исполнительном органе и внешней связью/звеном манипулятора, который поддерживает исполнительный орган. Другими словами, 6-DOF датчик усилия/крутящего момента установлен для распознавания усилий и крутящих моментов, прилагаемых к исполнительному органу первым концом (= закрепленным концом) инструмента.

Поэтому, данное изобретение преодолевает укоренившееся общее мнение, что сенсорное оборудование должно предоставляться на уровне кончика инструмента и/или троакара для достижения точного измерения усилия или усилий, прилагаемых к кончику инструмента. Таким образом, это устраняет дорогостоящее специализированное оборудование, предназначенное для размещения на кончике каждого инструмента, а также и на троакаре, которое подвергалось бы жестким ограничениям по миниатюризации и стерилизации. С помощью данного способа и системы преодолены последние ограничения, наряду с тем, что может быть достигнута удивительно точная оценка контактного усилия на кончике инструмента.

Как легко понять, данный способ/система могут быть использованы в сочетании с манипулятором с ручным управлением (штатив позиционирования инструмента) или, более широко, с роботом-манипулятором. Среди прочего, способ/система позволяют проводить упрощенное осуществление силовой обратной связи и автоматизированных функций безопасности в телеуправляемых медицинских системах, таких как роботизированные хирургические и диагностические системы минимального инвазивного вмешательства. Например, тактильное восприятие на ведущей руке пульта управления для хирурга, а также автоматизированная процедура для ограничения максимального усилия, прилагаемого кончиком инструмента к органу(ам) пациента и ткани(ям) может осуществляться с помощью информации, полученной данным способом/системой.

В предпочтительном варианте осуществления способ содержит определение первоначального исходного положения инструмента относительно центра вращения. В этом варианте осуществления определение положения инструмента относительно центра вращения основано на определенном первоначальном исходном положении и на непрерывном обновлении с помощью информации о перемещении манипулятора. Эта эффективная процедура использует преимущество известной информации, такой как информация о координатах, посредством прямой кинетически робота-манипулятора.

Предпочтительно, способ далее содержит этап вычисления посредством принципа наложения оценки усилия, прилагаемого инструментом к центру вращения, например, к троакару, основанный на определенном положении, измеренном усилии и измеренном крутящем моменте. Знание усилия, прилагаемого к ткани пациента на уровне места вмешательства, сила которого, приложенная к центру вращения является противодействием (с противоположным знаком), позволяет, среди прочего, автоматизированную (повторную) регулировку координат центра вращения, которые используются, например, контроллером робота для уменьшения напряжений и нагрузок, прилагаемых к ткани пациента на уровне места вмешательства. Кроме того, может быть осуществлена автоматизированная процедура для ограничения максимального усилия, оказываемого на уровне места ввода.

Предпочтительно, исполнительный орган также оснащен имеющим 6 степеней подвижности (6-DOF) датчиком усилия/крутящего момента. В этом случае, способ, предпочтительно, также содержит этапы:

- измерение посредством 6-DOF акселерометром силы тяжести и динамических нагрузок, прилагаемых к 6-DOF датчику усилия/крутящего момента, и

- компенсация гравитационных и/или динамических нагрузок в измеренном усилии и измеренном крутящем моменте.

Такая компенсация позволяет улучшить точность желаемой оценки(ок) усилия на кончике инструмента и/или на уровне центра вращения.

Предпочтительно, метод также содержит процедуру калибровки, включающую в себя дополнительные этапы:

- прохождение исполнительного органа через совокупность положений манипулятора, распределенных по рабочей области, прежде всего, в ориентации рабочей области,

- запись для каждого фиксированного положения измеренного усилия и измеренного крутящего момента, и

- определение отклонений измерений усилия и крутящего момента, основанное на записанных измерениях усилия и крутящего момента.

В следующем предпочтительном варианте осуществления, в случае предусмотренного 6-DOF акселерометра, процедура калибровки также содержит следующие этапы:

- запись измеренного линейного ускорения и измеренного углового ускорения для каждого положения, и

- определение отклонений измерений линейного и углового ускорения, основанное на записанных измерениях линейного и углового ускорений.

Процедура калибровки позволят определять (электрические) отклонения в предоставляемых датчиками измерительных сигналах, а также полезные параметры системы, знание которых дает возможность дальнейшего улучшения точности желаемой оценки(ок) усилия.

Для уменьшения шума измеренного сигнала способ, предпочтительно, использует линейный фильтр Кальмана (согласно основной, в отличие от, например, нелинейной расширенной формулировки Кальмана) для измеренных 6-DOF датчиком усилия/крутящего момента данным усилия и крутящего момента до вычисления оцениваемого усилия или использование линейного фильтра Кальмана для вычисленной оценки усилия, например, после того, как оцененная сила(ы) вычислены. Среди многих доступных типов фильтров, основной линейный фильтр Кальмана признан простым и быстрым фильтром для удаления шума сигнала в измеренных компонентах.

В случае наличия акселерометра, метод может предпочтительно содержать этапы:

- использование линейного фильтра Кальмана для измеренных 6-DOF датчиком усилия/крутящего момента данных усилия и крутящего момента и для измеренных 6-DOF акселерометром данных линейного и углового ускорения,

- компенсация помех вследствие гравитационных и динамических нагрузок после использования линейного фильтра Кальмана,

- использование вторичного линейного фильтра Кальмана для компенсированных данных усилия и крутящего момента,

Каждый фильтр Кальмана для каждого компонента усиления/крутящего момента должен вызывать собственную задержку реакции того же фильтра. В случае наличия чрезмерного шума в оценках составляющей силы после компенсации (вследствие того, что сигналы ускорения являются более шумными, чем измерения усилия/крутящего момента, вторичный фильтр после компенсации помех является предпочтительным. Первичный фильтр во время компенсации уменьшает наведенное шумом искажение, тогда как вторичный фильтр позволяет выравнивание (сглаживание) результатов компенсации.

Предпочтительно, фильтр Кальмана, соответственно, первичный и/или вторичный фильтр Кальмана включен каскадно и имеет первую ступень линейного фильтра Кальмана с параметром ковариации помех в процессе, установленным на более высокое значение, предпочтительно в диапазоне между 0,1 и 1, и вторую ступень линейного фильтра Кальмана с параметром ковариации помех в процессе, установленным на более низкое значение, предпочтительно в диапазоне между 0,001 и 0,1. У заданного измерения ковариации помех каскадная конфигурация фильтра делает возможным более низкую суммарную задержку реакции по сравнению с одноступенчатым фильтром для данного объема снижения шума.

Как легко понять, система адаптирована для использования с бездатчиковым инструментом минимального инвазивного вмешательства. Также, она, предпочтительно, содержит бездатчиковый троакар, предпочтительно, с воздушным клапаном на магнитной основе и, прежде всего, без пластмассового колпачка. Кроме того, система, предпочтительно, содержит троакар без газового крана, который, предпочтительно, изготовлен на основной протяженности из пластмассы для уменьшения веса.

Система также может содержать компьютерную программу, заложенную в программируемое вычислительное устройство, которая включает в себя программный код для осуществления всех этапов любого из вышеуказанных вариантов осуществления способа при запуске компьютерной программы на программируемом вычислительном устройстве. Изобретение также затрагивает реализуемый программно программный продукт, содержащий сохраняемый в машинно-считываемом носителе программный код, который при запуске на программируемом вычислительном устройстве или загруженный на программируемое вычислительное устройство заставляет программируемое вычислительное устройство выполнять все этапы любого из вышеперечисленных вариантов осуществления способа.

В то время как данная патентная заявка, в принципе, относится к изобретению, как определено в прилагаемых пунктах формулы изобретения, специалист легко поймет, что данная патентная заявка содержит основу для определений других изобретений, которые могли бы быть заявлены в качестве предмета изобретения уточненных пунктов формулы изобретения в рамках данной патентной заявки или в качестве предмета изобретения пунктов формулы изобретения в выделенных заявках и/или продолжающих заявках. Такой предмет изобретения мог бы быть определен любым признаком или комбинацией признаков, раскрытых в этом документе.

Краткое описание чертежей

Следующие подробности и преимущества данного изобретения будут очевидны из последующего подробного описания, которое не предназначено быть ограничивающим, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

Фиг.1 вид в перспективе робота-манипулятора для медицинской системы минимального инвазивного вмешательства согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения,

Фиг.2 частичный вид в перспективе инструмента минимального инвазивного вмешательства, кончик которого вводится в пациента, а противоположный конец которого закреплен на исполнительном органе представленного на фиг.1 робота-манипулятора для иллюстрации усилия, оказываемого к центру вращения и к кончику,

Фиг.3 увеличенный вид в перспективе показанного на фиг.2 исполнительного органа, иллюстрирующий исходную систему координат усилия/крутящего момента и предусмотренный на исполнительном органе датчик ускорения,

Фиг.4 структурная схема включенного каскадно линейного фильтра Кальмана,

Фиг.5 структурная схема архитектуры программного обеспечения для осуществления метода согласно изобретению,

Фиг.6 диаграмма переходов основной задачи (FSS-задача) представленной на фиг.5 архитектуры,

Фиг.7 блок-схема последовательности подлежащих цикличному выполнению шагов программы во время состояния APPLICATION_LOADS_EVALUATION на фиг.6,

Фиг.8 блок-схема альтернативной последовательности подлежащих цикличному выполнению шагов программы во время состояния APPLICATION_LOADS_EVALUATION на фиг.6.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Компоненты системы и механическая конфигурация

На фиг.1 показаны механические компоненты медицинской системы минимального инвазивного вмешательства согласно изобретению. Система содержит робот-манипулятор, в целом обозначенный ссылочной позицией 10. Исполнительный орган 12 соединен с фланцем манипулятора 10. Инструмент 14 минимального инвазивного вмешательства закреплен первым концом 16 на исполнительном органе, как показано на фиг.1. Инструмент 14 содержит удлиненный стержень 18 с кончиком 20, образующим второй конец инструмента 14. На кончике 20 инструмент 14 обычно содержит специальный инструмент, например, захват, крючок, ножницы и т.д. Сам робот-манипулятор 10 обеспечивает 6 степень подвижности (DOF) с помощью PRP-RRR компоновки сочленения для позиционирования и ориентации исполнительного органа 12, исполнительный орган 12 установлен на переднее вращательное (R) сочленение для вращения инструмента 14 минимального инвазивного вмешательства вокруг шестой степени подвижности манипулятора 10, которая совпадаете продольной осью стержня инструмента 14. Как легко понять, робот-манипулятор 10 представляет собой устройство позиционирования и ориентации по 6-ти осям, способное воспроизводить перемещение руки хирурга посредством перемещения исполнительного органа 12.

На фиг.2 показан инструмент 14, установленный на исполнительном органе 12 робота-манипулятора 10 в рабочем положении для осуществления медицинской процедуры минимального инвазивного вмешательства. Как обозначено пунктирной линией на фиг.2, стержень 18 инструмента 12 частично введен в тело пациента, например, в брюшную полость пациента. Инструмент скользяще проникает через отверстие доступа, в дальнейшем именуемое троакаром 22. Первый конец инструмента 14, то есть кончик 20, расположен за центром вращения, обозначенным крестообразной прерывистой линией 23 (также называемый точкой вращения), определяемым троакаром 22, который вставлен в место вмешательства в брюшной стенке пациента и зафиксирован там.

При нормальном использовании центр вращения является кинематическим ограничением, которое делает возможным вращение вокруг трех осей (например, двух ортогональных направлений вращения и одного вращения вокруг оси инструмента, например, оси Z в SRF, определенной ниже), однако отклонение инструмента 14 - только вдоль оси проникновения (например, троакара 22 - Z в SRF, обозначенной ниже). Центр вращения определен отверстием доступа, например, троакаром 22 и/или тканью пациента, в которой обеспечивается вмешательство, например, в брюшную стенку пациента.

На фиг.2 схематично показаны два усилия $$\overline{F_{fulcrum}}$$

и $$\overline{F_{Tip}}$$

. $$\overline{F_{Tip}}$$

- это усилие, прилагаемое к кончику 20 инструмента и поэтому представляет собой противодействие, соответствующее (противодействующему) усилию (действию), которое кончик 20 инструмента оказывает на внутренний орган или ткань пациента. $$\overline{F_{fulcrum}}$$

- это усилие, прилагаемое к троакару 22 и поэтому представляет собой противодействие, соответствующее (противодействующему) усилию (действию), которое троакар 22, при условии прилагаемых к нему стержнем 18 инструмента нагрузок, оказывает на брюшную стенку пациента. Предлагаемый способ для определения обоих $$\overline{F_{fulcrum}}$$

и $$\overline{F_{Tip}}$$

будет описан далее.

Хотя это и не показано на фигурах, система содержит также контроллер манипулятора, то есть аппаратное обеспечение, например, в форме центрального компьютера, оснащенного программным обеспечением для функционирования одного или нескольких роботов-манипуляторов 10. Кроме того, пульт управления для телеуправления с воспринимающей усилия ведущей рукой, то есть с осязательным интерфейсом для силовой обратной связи, используемой оператором, например хирургом, для управления роботом-манипулятором 10 посредством контроллера манипулятора. Как легко понять, оценка $$\overline{F_{Tip}}$$

будет подаваться на осязательный интерфейс для обеспечения обратной силовой связи и на контроллер перемещения для функций безопасности. Контроллер перемещения также использует оценку $$\overline{F_{fulcrum}}$$

для функций безопасности и для повторной регулировки координат центра 23 вращения.

На фиг.3 показан увеличенный вид исполнительного органа 12, который установлен для поддержки первого конца 16 инструмента 14 механически жестким образом и оснащенный также устройством приведения в действие для приведения в действие некоторых типов инструментов, а также сигнальных и силовых средств соединения для электрического соединения инструмента 14 с системой. Исполнительный орган 12 содержит жесткий основной корпус 24, включающий в себя средство приведения в действие и соединительное средство, а также гнездо 26, к которому может быть жестко подключен адаптер на первом конце 16 инструмента 14 (не показано). На его заднем конце основной корпус 24 содержит соединительный фланец 28, с помощью которого он жестко соединяется с чувствительной пластиной 12-DOF (то есть 12 осей) датчика 30 усилия/крутящего момента и датчика ускорения, именуемого далее F/TAS 30. F/TAS 30 может быть сконфигурирован в виде единого блока датчиков, содержащий 6-DOF датчик усилия/крутящего момента со степенью подвижности, именуемый далее F/TAS 30 для измерения усилий и крутящих моментов на трех ортогональных осях. Альтернативно, может также быть использован 6-DOF датчик усилия/крутящего момента с надлежащим образом соединенным отдельным 6-DOF акселерометром. В свою очередь, F/TAS 30 жестко закреплен к манипулятору 10 робота, как видно на фиг.1. Вместо описанного F/TAS 30 может быть использован блок датчиков, содержащий только 6-DOF F/T датчик (то есть, не акселерометр). В последнем случае, компоненты ускорения могут быть определены с помощью второй производной координат положения исполнительного органа (то есть, исполнительного органа 12), полученной прямым кинематическим вычислением, используя положения сочленения. Таким образом, компенсация динамических нагрузок, как описано далее, может быть достигнута без акселерометра. Можно заметить, что действие силы тяжести может также быть компенсировано без акселерометра, так как вектор силы тяжести известен, и могут быть определены ориентация и центр тяжести номинальной нагрузки, приложенный к F/T датчику.

На фиг.3 показана базовая прямоугольная система координат F/TAS 30 с тремя ортогональными осями X, Y и Z, далее именуемая, как SRF (sensor reference frame - система координат датчика). Как легко понять, 6-DOF F/T датчика в F/TAS 30 соответствует 3 DOF для X, Y и Z составляющих силы, соответственно, и 3 DOF для моментов (значений крутящих моментов) вокруг осей X, Y и Z, соответственно, в SRF. В случае если отдельный 6-DOF акселерометр прикреплен к 6-DOF F/T датчику для обеспечения F/TAS 30, базовая система координат акселерометра, предпочтительно, совпадает с базовой системой координат F/T датчика. В противном случае, в описанных далее вычислениях должно быть добавлено дополнительное преобразование между двумя декартовыми координатами. В показанном на фиг.1-3 варианте осуществления 12 ось F/TAS 30 содержит встроенный 6-DOF акселерометр. 6-DOF акселерометра соответствуют компонентам линейного ускорения вдоль и компонентам углового ускорения вокруг осей X, Y и Z, соответственно, в показанной на фиг.3 SRF.

Как легко понять, исполнительный орган 12 жестко закреплен на чувствительной пластине F/TAS 30 и, предпочтительно, сконфигурирован таким образом, что продольная ось (стержень) установленного инструмента 14 (сравни фиг.2) является коллинеарным с одной осью SRF F/TAS 30, предпочтительно, с осью Z, как видно на фиг.3. В противном случае, в описанные далее вычисления должно быть добавлено дополнительное преобразование.

Основные источники возмущений и анализ этого

Данный раздел дает обзор основных источников возмущения, которые оказывают воздействие на желаемую оценку усилия к кончику 20 инструмента с представленной на фиг.1-3 системой.

Кроме присущих F/T датчику возмущений, таких как отклонения датчика, электрические помехи и температурные дрейфы, у данной системы существует, в отличие от других известных силоизмерительных систем (например, систем, использующих F/T датчик, закрепленный на кончике инструмента), определенное количество дополнительных факторов возмущения и маскировки, которые должны быть приняты во внимание. В отношении измеренного усилия и информации о моменте, они, в основном, являются следующими:

- прилагаемые к F/T датчику статические и динамические нагрузки: статические нагрузки вследствие силы тяжести (вес приложенной массы к F/TAS 30, установленному на манипуляторе), динамические нагрузки вследствие скорости и ускорения номинальной нагрузки, прилагаемых к F/T датчику,

- источники возмущения, относящиеся к процедуре минимального инвазивного вмешательства: силы трения троакара в направлении проникновения и извлечения вследствие газового крана троакара и воздушного клапана, сопротивление точке поворота вследствие газового крана, модификация центра 23 вращения вследствие изменений инсуффляционного давления в брюшной полости, неточное определение центра 23 вращения, модификация центра 23 вращения вследствие неточности манипулятора 10 во время перемещения.

Возмущающие силы, создаваемые трением троакара: троакар 22 создает трение вдоль оси проникновения/извлечения. Величина трения зависит от типа воздушного клапана, используемого в троакаре 22 (например, магнитный, пружинный или с пластиковой мембранной), от износа пластикового колпачка, от материала стержня 18 инструмента, и от его внутренней смазки оросительной водой и вязкими внутрибрюшными текучими средами. Согласно лабораторным опытам, вызванное магнитными и пружинными воздушными клапанами трение может приближенно быть выражено сухим трением в диапазоне 0,5 H - 0.9 H и не зависит от условий смазки. На практике, трение воздушного клапана на пружинной основе незначительно зависит от его износа и является большим, чем трение магнитного воздушного клапана примерно на 0,3 Н. Воздушный клапан с пластиковой мембраной и пластиковый колпачок вырабатывают сухое трение, но также и реактивную силу, схожею с импульсной при изменении направлении инструмента. Этот реактивный компонент противоположен направлению перемещения и главным образом вызван обратным перемещением пластикового воротника. Трение мембраны и колпачка зависит от геометрии разреза мембраны и от типа материала, но ослабляется смазкой троакара 22, которая увеличивается в течение времени вмешательства за счет перемещений инструмента. В лабораторных опытах с помощью стандартных троакаров пластиковые колпачки вырабатывали сухое трение в диапазоне 1 H - 1,5 H и воздушные клапаны с пластиковой мембраной имели сухое трение в диапазоне 6 H - 10 H. Также было обнаружено, что величина трения асимметрична относительно направлений проникновения и извлечения. Для клапанов с пластиковой мембраной наблюдалась меньшая амплитуда трения в направлении проникновения. Поэтому, для возможно большего уменьшения трения при проникновении и извлечении троакара 22, предпочтительными являются воздушные клапаны на магнитной основе, возможно без пластикового колпачка.

Возмущающие силы, вырабатываемые газовым краном троакара: некоторые типы троакаров имеют кран для инсуффляционного газа. Кран и подсоединенная газовая труба могут действовать при вращении троакара 22 в качестве препятствий, что приводит к возмущающей силе сопротивления, противоположной направлению вращения. Величина этой силы зависит от жесткости брюшной стенки и согласно лабораторным опытам, как правило, имеет значение между 2 H и 5 H. Поэтому, с рассматриваемой системой следует избегать использования троакаров с газовым краном.

Возмущающая сила, вырабатываемая весом троакара: троакары многократного использования обычно имеют легкий вес от 30 г до 80 г и изготовлены из нержавеющей стали, с возможностью изготовления некоторых частей из пластика. Троакары с газовым краном имеют цилиндрический резервуар и являются более тяжелыми, весом от 100 г до 180 г. Вес троакара может восприниматься как возмущающая сила вдоль поперечных осей X и Y в SRF в зависимости от ориентации троакара 22 относительно вектора силы. Поэтому, с предложенной системой предпочтительными являются легковесные троакары с пластиковыми частями.

Возмущающие силы, вырабатываемые низким внутрибрюшным давлением: в условиях номинальной лапароскопии, брюшная стенка является относительно тугой поверхностью, к которой прикреплен троакар 22. В случае низкого внутрибрюшного давления, величина трения троакара может становиться выше, чем имеющееся у внутрибрюшной стенки сопротивление. В этом случае проникновение или извлечение инструмента может передвигать троакар 22 вовнутрь или наружу до точки, в которой напряжение брюшной стенки превосходит трение троакара. Отрицательные побочные эффекты, во-первых, заключаются в том, что расположение центра 23 вращения изменяется относительно брюшной стенки, посредством чего возмущающие нагрузки во время вращения увеличиваются из-за взаимодействия инструмента с брюшной стенкой и, во-вторых, схожая с пружинной нагрузка приложена в направлении, противоположном перемещению инструмента. Чтобы избежать этих возмущающих сил, внутрибрюшное давление, предпочтительно, непрерывно отслеживается и поддерживается. В случае падения давления выдается предупреждение для предприятия соответствующих действий, таких, как регулировка положения центра вращения в контроллере манипулятора.

Возмущающие силы в силу неточностей в определении местоположения центра вращения: при ручной лапароскопной хирургии хирург вручную перемещает инструмент относительно точки, имеющей небольшое сопротивление наклону, которая является идеальным центром 23 вращения, расположенным примерно на высоте самого жесткого слоя брюшной стенки внутри троакара 22. При использовании робота-манипулятора 10 для управления инструментом 14 без какой-либо специально спроектированной механической пластичности относительно центра 23 вращения, положение центра вращения должно быть определяемо подходящей процедурой и обучаемо для контроллера манипулятора. В случае если положение центра вращения определено неточно, вращение инструмента 14 формирует силы взаимодействия с брюшной стенкой, которые могут замаскировать желаемые значения усилия/крутящего момента на кончике 20 инструмента и/или центра 23 вращения. Эти маскирующие силы увеличиваются с величиной неточности положения центра вращения. Кроме того, такая неточность вырабатывает износ на месте вмешательства, что может привести к разъединению троакара 22, что в свою очередь спровоцирует потерю внутрибрюшного давления и, таким образом, излишне увеличит время вмешательства вследствие необходимости исправления ситуации.

Точность определения положения центра 23 вращения зависит не только от процедуры, используемой для идентификации его положения, но также от статической и динамической точности робота-манипулятора 10. В данной заявке оценка +/-2,5 мм общей точности центра вращения и манипулятора может являться приемлемой, принимая во внимание размер места вмешательства и эластичность брюшной стенки. Согласно экспериментальной установке, неточности определения относительно центра 23 вращения могут привести к возмущениям 2 H - 10 H на уровне троакара 22.

В результате, подходящий выбор типа троакара 22 позволяет избежать нарушения работы газового крана и уменьшить возмущения, вносимые трением и весом вдоль оси стержня 18 инструмента, до уровня типичной чувствительности человеческой руки, которая составляет около 0,6 H. Отслеживание в реальном времени изменений внутрибрюшного давления относительно давления на построении исходного центра вращения может определять изменение истинного расположения центра вращения вследствие изменяющихся условий инсуффляции. Однако возмущающая сила на уровне отверстия доступа (то есть центра 23 вращения) вследствие неточного определения центра 23 вращения и вследствие неточности перемещения манипулятора 10 может быть определена в реальном времени посредством предложенного способа, описанного ниже.

Предложенный способ и система способны преодолевать связанные с возмущением известные проблемы, тем самым, делая возможным телеуправление с точной обратной силовой связью и определенным набором других полезных функций, связанных с обеспечением безопасности, основанных на информации об усилии, полученной исключительно из расположения датчика, смонтированного на манипуляторе 10, то есть, вне пациента. Необходимость в других датчиках на инструменте 14, или на троакаре 22 отсутствует.

Вычисления усилий на кончике инструмента и на уровне центра вращения

Предложенный метод позволяет обеспечить точную оценку усилий $$\overline{F_{Tip}}$$

на кончике 20 инструмента и $$\overline{F_{fulcrum}}$$

на центре 23 вращения.

Сущностью метода является вычисление усилий $$\overline{F_{Tip}}$$

и $$\overline{F_{fulcrum}}$$

, используя компоненты усилия и крутящего момента, измеренные F/TAS 30, который, как легко понять, расположен в удаленной точки по отношению в точке приложения $$\overline{F_{Tip}}$$

и $$\overline{F_{fulcrum}}$$

. Помимо этого, вычисление использует определенное положение инструмента 14 относительно троакара 22, например, расстояние между центром 23 вращения и исходной точкой SRF, как показано на фиг.3. Это вычисление основано на нескольких предположениях и предпосылках:

A. 6-DOF F/T датчик в F/TAS 30 измеряет три компонента усилий (F_x, F_y, F_z) и 3 компонента моментов (M_x, M_y, M_z), формируемых нагрузкой, приложенной к F/TAS 30 на правой декартовой системе координат, как показано на фиг.3 (SRF).

В. Инструмент 14 прикреплен к F/T датчику посредством опоры, которая может содержать один или несколько приводов для механизма инструмента, а также другие подсистемы (то есть исполнительный орган 12).

C. С целью облегчения описания предполагается, что действующая система координат 6-DOF F/T датчика и 6-DOF акселерометра F/TAS 30 совпадает с показанной на фиг.3 SRF, в которой ось Z коллинеарна с продольной осью установленного инструмента 14 и направлена по направлению к кончику 20 инструмента, ось Y параллельна верхней поверхности основного корпуса 24 и исходная точка расположена на чувствительной пластине F/TAS 30. В том случае если измеренные F/T датчиком усилия и крутящие моменты выражены относительно другой системы координат, может быть применено преобразование для того, чтобы выразить измеренные усилия и значения момента относительно SRF.

D. Значения усилия и компоненты крутящего момента, используемые в приводимых ниже уравнениях, получены из первоначально нефильтрованных измерений 6-DOF F/T датчика после подтверждения последнего компенсации электрических отклонений, силы тяжести и нагрузок ускорения и специального процесса фильтрования для уменьшения помех при измерении, как описывается ниже.

E. К инструменту 14 приложены только два внешних контактных усилия, как показано на фиг.2, то есть сила реакции на центре 23 вращения $$(\overline{F_{fulcrum}})$$

, которая, как предполагается, является касательной брюшной стенке, и контактное усилие $$(\overline{F_{Tip})}$$

на кончике 20 инструмента, которое может иметь любое направление и измерение.

F. Обозначенное как $$\overline{F_{fulcrum}}$$

выраженное в SRF противодействие центра вращения имеет нулевой компонент Z, а внешние моменты, приложенные к центру 23 вращения, отсутствуют.

G. Приложенное к кончику 20 инструмента внешнее усилие, выраженное в SRF и обозначенное как $$\overline{F_{Tip}}$$

. $$\overline{F_{Tip}}$$

, уравнивает противоположность усилия, прилагаемого к ткани/органу, контактирующие с кончиком инструмента (действие + противодействие = 0). Внешние моменты, приложенные к кончику 20 инструмента, отсутствуют.

H. Вектор расстояния $$\overline{D_{fulcrum}}$$

от исходной точки SRF к центру 23 вращения известен и имеет компонент только вдоль оси Z. На практике могут существовать компоненты X и Y в нескольких миллиметров, если стержень 18 инструмента 14 согнут и поэтому расстояние вдоль оси Z может быть немного неточным. Этот вектор расстояния $$\overline{D_{fulcrum}}$$

может определяться, то есть непрерывно обновляться от первоначальной исходной точки, используя процедуры, описанные ниже.

I. Вектор расстояния $$\overline{D_{Tip}}$$

от исходной точки SRF к кончику 20 инструмента известен и выровнен вдоль оси Z.

Принимая во внимание вышеприведенные предположения, итоговые крутящий момент и момент в SRF, обозначенные, соответственно, как $$\overline{T_S}$$

и $$\overline{F_S}$$

, могут быть рассчитаны с использованием принципа наложения, применимого к усилиям и моментам с помощью следующих уравнений:

$$\overline{T_S}=\overline{F_{Tip}}\times \overline{D_{Tool}}+\overline{F_{fulcrum}}\times \overline{D_{Fulcrum}}\text{ (10)}$$

$$\overline{F_S}=\overline{F_{Tip}}+\overline{F_{Fulcrum}}\text{ (11)}$$

где $$\overline{D_{Tool}}$$

представляет собой вектор от исходной точки SRF к кончику 20 инструмента, который коллинеарен с осью Z SRF.

Компоненты контактного усилия на кончике 20 инструмента определяются заменой $$\overline{F_{Fulcrum}}$$

в (10), что приводит к:

$$F_{Tip}(x)=\frac{T_S(y)-F_S(x)*D_{Fulcrum}(z)}{D_{Tip}(z)-D_{Fulcrum}(z)}\text{ (12)}$$

$$F_{Tip}(y)=\frac{T_S(x)+F_S(y)*D_{Fulcrum}(z)}{D_{Fulcrum}(z)-D_{Tip}(z)}\text{ (13)}$$

$$F_{Tip}(z)=F_S(z)\text{ (14)}$$

Схожим образом, компоненты усилия на центре 23 вращения:

$$F_{Fulcrum}(x)=\frac{T_S(y)-F_S(x)*D_{Tip}(z)}{D_{Fulcrum}(z)-D_{Tip}(z)}\text{ (15)}$$

$$F_{Fulcrum}(y)=\frac{T_S(x)+F_S(y)*D_{Tip}(z)}{D_{Tip}(z)-D_{Fulcrum}(z)}\text{ (16)}$$

Как легко понять, точная оценка контактных усилий $$\overline{F_{Tip}}$$

и $$\overline{F_{Fulcrum}}$$

, прилагаемых к кончику 20 инструмента и к центру центра 23 вращения, соответственно, позволяет, среди прочего, улучшить безопасность и качество роботизированных медицинских процедур с минимальным инвазивным вмешательством. Например, предполагаемое местоположение центра 23 вращения, относительно которого перемещается робот-манипулятор 10, может непрерывно уточняться посредством управляющего программного обеспечения в режиме реального времени во время процедуры по направлению к точке минимального сопротивления, используя $$\overline{F_{Fulcrum}}$$

. Кроме того, контактные усилия на кончике 20 инструмента могут отражаться (ведущей) рукой, с помощью которой хирург управляет (подчиненным) роботом-манипулятором 10, так чтобы сделать возможным тактильное восприятие.

Определение положения инструмента относительно центра вращения

Первоначальное исходное положение инструмента относительно центра вращения, то есть расстояние $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

, может быть определено посредством нижеизложенной процедуры, когда данный инструмент 14 впервые вставлен в троакар 22. С помощью первоначальной исходной точки расстояние $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

, $$\overline{D_{Fulcrum}}$$

затем непрерывно обновляется (то есть определяется в режиме реального времени), используя заданное проникновение/извлечение, которое является функцией перемещения манипулятора, которая, в свою очередь, известна из контроллера манипулятора.

Пример процедуры для определения первоначального положения центра вращения (исходное расстояние $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

) основано на предположении, что центр 23 вращения является точкой наименьшего сопротивления усилию и может быть найден с помощью F/T датчика на исполнительном органе 12. Для этой процедуры предполагается, что оси X и Y SFR лежат на передней плоскости чувствительной пластины F/T датчика, в то время как компонент Z коллинеарен со стержнем 18 инструмента. Процедура имеет следующую структуру:

Шаг 1 - введение прикрепленного манипулятору 10 инструмента 14 в троакар 22 до тех пор, пока кончик 20 инструмента не будет виден на мониторе эндоскопа (то есть на выходе рукава троакара).

Шаг 2 - определение положения инструмента 14, которое дает наименьшую реактивную силу вдоль осей X и Y SRF, посредством скольжения инструмента 14 вдоль этих осей до тех пор, пока реактивные силы не упадут ниже данного порогового значения, например, 0,3 Н. Как только найдена подходящая точка, можно предположить, что центр 23 вращения расположен в определенной точке вдоль оси инструмента, то есть на оси Z.

Шаг 3 - определение положения центра 23 вращения (координата оси Z) на оси инструмента (которая соответствует оси Z), используя закон рычага, где расстояние, на котором приложено усилие, равно модулю вектора момента деленного на модуль вектора силы.

Так как на этапе 2 положение инструмента соответствует контактному усилию, близкому к нулю, инструмент 14 поворачивается относительно кончика 20 до тех пор, пока не будет достигнуто достаточное (существенное) контактное усилие (около 3 H). В этой точке расстояние вычисляется согласно закону рычага. Затем инструмент поворачивается в противоположном направлении до тех пор, пока не будет измерено то же самое значение контактного усилия и снова рассчитано расстояние. После этого инструмент 14 поворачивается до своего первоначального положения, определенного на шаге 2. Исходное расстояние $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

между центром 23 вращения и исходной точкой SFR на датчике (вдоль оси Z) устанавливается на среднее значение двух последних измерений.

Так как положение и ориентация SRF в мировой системе координат и первоначальное исходное расстояние $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

, дают положение центра 23 вращения относительно SRF (то есть датчика), находящегося в найденном на шаге 2 положении, расположение центра вращения относительно мировой системы координат может быть вычислено посредством простого изменения системы координат (преобразование координат).

Впоследствии, все перемещения (вращение и проникновение) могут быть заданы относительно центра 23 вращения, то есть расстояние между исходной точкой SRF и центром 23 вращения может соответственно обновляться, например, с помощью информации о положении от контроллера манипулятора.

Компенсация отклонений и силы тяжести и динамических нагрузок

Как легко понять, датчик усилия/крутящего момента, например, в F/TAS 30, прикрепленный к роботу-манипулятору 10, измеряет не только контактные усилия $$\overline{F_{Tip}}$$

, $$\overline{F_{Fulcrum}}$$

, но также силу тяжести и динамические (то есть относящиеся к перемещению) нагрузки, прилагаемые к прикрепленным к чувствительной пластине датчика компонентам.

Поэтому, метод оценки силы предусматривает для компенсаций этих нагрузок использование дополнительных измерений, полученных от 6-DOF акселерометра, соединенного с 6-DOF F/T датчиком.

Компенсированный вектор силы $$\overline{F_{Comp}}$$

относительно системы координат датчика задается уравнением:

$$\begin{array}{l}\overline{F_{comp}}=\overline{F_{sensor}}-\overline{F_{offsets}}\\ \text{ -LoadMass}\cdot \text{((}\overline{{\text{LinAcc}}_{\text{sensor}}}-\overline{LinAc{c}_{offsets}})\text{ (17)}\\ +\text{((}\overline{{\text{AngAcc}}_{\text{sensor}}}-\overline{AngAc{c}_{offsets}})\times \overline{Loa{d}_{COG}}))\end{array}$$

где

- $$\overline{F_{sensor}}$$

- измеренный F/T датчиком вектор силы в SRF,

- $$\overline{LinAc{c}_{sensor}}$$

- это линейное ускорение, включающее в себя гравитационное ускорение, измеренное 6-DOF акселерометром в SRF,

- $$\overline{Loa{d}_{COG}}$$

- вектор центра тяжести нагрузки, приложенной к 6-DOF F/T датчику в SRF, который оценивается, как описано ниже,

- $$\overline{F_{offsets}}$$

, $$\overline{LinAc{c}_{offsets}}$$

и $$\overline{AngAc{c}_{offsets}}$$

- векторы отклонений датчика, которые оцениваются во время калибровочной процедуры, описанной ниже,

Компенсированный вектор силы $$\overline{T_{Comp}}$$

относительно системы координат датчика (SRF) задан с помощью уравнения:

$$\begin{array}{l}\overline{T_{comp}}=\overline{T_{sensor}}-\overline{T_{Offset}}-((\overline{Loa{d}_{COG}}\times \overline{F_T})\\ +\overline{LoadInertia}\cdot (\overline{AngAc{c}_{sensor}}-\overline{AngAc{c}_{offsets}}))\text{ (18)}\end{array}$$

где:

- $$\overline{T_{sensor}}$$

- измеренный F/T датчиком вектор момента в SRF,

- $$\overline{T_{Offsets}}$$

- вектор момента отклонения, оцененный, как описано ниже,

- $$\overline{F_T}$$

равен третьему члену на правой стороне (17), который представляет усилие, произведенное силой тяжести и обусловленными ускорением нагрузками, которые оказывают крутящий момент на чувствительную пластину F/TAS 30,

- $$\overline{LoadInertia}$$

- вектор момента инерции вокруг SRF осей X, Y и Z, который может, например, быть оценен визуальной настройкой в off-line (т.е., выполняемом вне процесса) анализе, то есть наблюдением улучшения точности компенсации на диаграмме измерений для разных значений вектора инерции.

В отношении эффекта ускорения Кориолиса, которое зависит от углового ускорения и линейной скорости движущейся системы координат относительно фиксированной системы, следует отметить, что отсутствует необходимость принятия во внимание этого эффекта с данной системой, так как усилия и крутящие моменты измеряются относительно перемещающейся системы координат F/T датчика (SRF).

Эффект центробежного ускорения вдоль оси хвостовика инструмента, то есть оси Z SRF, в данной системе установлен опытным путем менее, чем 0,2 Н для обычных перемещений инструмента и менее, чем 0,4 H для быстрых перемещений в процедурах минимального инвазивного вмешательства. Хотя и упоминается ради полноты, экспериментально установлено, что этим эффектом можно пренебречь и не принимать, поэтому, во внимание в уравнениях (17) и (18).

Для типичной установки системы экспериментальные результаты в бесконтактных, но быстрых перемещениях, то есть около 60 град/сек для продольного и углового поворота DOF и 150 мм/сек для направления проникновения, показывают, что усилия компенсируются приблизительно внутри интервала +/-0,25 H, и что моменты компенсируются внутри интервала +/-0,03 H.

Как легко понять, компенсированный вектор усилия и крутящего момента будет использоваться для вычисления, описанного в разделе «Вычисление усилий на кончике инструмента и на уровне центра вращения», то есть $$\overline{F_{comp}}=\overline{F_S}$$

и $$\overline{T_{comp}}=\overline{T_s}$$

.

Процедура калибровки

Чтобы определить относящиеся к системе параметры, которые оказывают влияние на точность измерения и вычисления для оценки усилия, применяется подходящий метод аппроксимации, например, аппроксимация методом наименьших квадратов на серии измеренных данных. Чтобы получить ряд данных для использования аппроксимации методом наименьших квадратов, робот-манипулятор 10 последовательно располагается на надлежащим образом предварительно определенной совокупности измерительных положений, распределенных по рабочей области робота-манипулятора 10. В каждом положении, соответствующем различной позиции и ориентации F/TAS 30 за счет различных конфигураций 6-DOF манипулятора 10, робот-манипулятор 10 находится в состоянии покоя, при считывании данных измерений с датчиков F/TAS 30. Предпочтительно, совокупность положений выбрана таким образом, чтобы перекрывать существенный диапазон («рабочая область ориентации») следующих углов ориентации: вращение вокруг Z-оси SRF («вращение») и либо вращение вокруг горизонтальной, либо вертикальной оси вращения (например, используя сочленения запястья /запястный шарнир, который изменяет ориентацию датчика относительно силы тяжести).

Если выбор произведен надлежащим образом, то можно с уверенность предположить, что F/TAS 30 откалиброван на заводе, и что точность и разрешение датчика выходят далеко за рамки требований эксплуатации. В этом случае, применяемый к серии данных измерений метод аппроксимации, среди прочего, делает возможным точную идентификацию (электрических) отклонений измерений компонентов усилия и крутящего момента на каждой оси, а также (электрических) отклонений измерения компонентов линейного ускорения на каждой оси. Кроме того, масса LoadMass и центр тяжести нагрузки, приложенной к чувствительной пластине F/TAS 30, могут быть точно определены, используя процедуру калибровки, как описано ниже.

Для определения отклонений измерения усилия $$\overline{F_{offsets}}$$

, массы полезной нагрузки (LoadMass) и отклонений линейного ускорения ( $$\overline{LinAc{c}_{offswts}}$$

) используется следующее уравнение:

$$\overline{F_{sensor}}=\overline{F_{offsets}}+LoadMass*(\overline{LinAc{c}_{sensor}}-\overline{LinAc{c}_{offsets}})\text{ (21)}$$

где:

- $$\overline{F_{sensor}}$$

- измеренный F/T датчиком в SRF вектор силы,

- $$(\overline{LinAc{c}_{sensor}}-\overline{LinAc{c}_{offsets})}$$

задает ориентацию силы тяжести относительно SRF, так как измерение линейного ускорения $$(\overline{LinAc{c}_{sensor}})$$

содержит член ускорения силы тяжести в дополнении к ускорению, связанному с перемещением (=ноль в состоянии покоя) и электрическому отклонению $$(\overline{LinAc{c}_{offsets}})$$

,

- $$LoadMass*(\overline{LinAc{c}_{sensor}}-\overline{LinAc{c}_{offsets})}$$

- весовой вектор силы, заданный массой приложенной к F/TAS 30 полезной нагрузки и ее ориентации относительно SRF,

Для определения отклонений измерений момента $$\overline{(T_{offsets})}$$

и координат центра тяжести полезной нагрузки относительно SRF $$(\overline{Loa{d}_{COG}})$$

используется следующее уравнение:

$$\overline{T_{sensor}}=\overline{Loa{d}_{COG}}\times LoadMass*(\overline{LinAc{c}_{sensor}}-\overline{LinAc{c}_{offset}})+\overline{T_{offsets}}\text{ (22)}$$

где (LoadMass, $$(\overline{LinAc{c}_{offsets}})$$

являются значениями, как обозначено выше, смотри (21). Для определения отклонений измерения линейного ускорения уравнение выглядит следующим образом:

$$MODULUS\overline{{\text{LinAcc}}_{\text{sensor}}}-\overline{LinAc{c}_{offsets}})=1G\text{ (23)}$$

где:G - гравитационная постоянная.

Как легко понять, векторные уравнения (21), (22) и (23) предоставляют 7 скалярных уравнений с 13 неизвестными для каждого измерения F/TAS датчика в заданном положении калибровки манипулятора 10.

Так как робот-манипулятор 10 и, следовательно, F/TAS 30 находятся в состоянии покоя в каждом положение, то есть перемещение при совершении измерений отсутствует, отклонения компонентов углового ускорения могут быть оценены на основе средней величины измерений углового ускорения для всех положений:

$$MEAN\text{ (}\overline{{\text{AngAcc}}_{\text{sensor}}}\text{)}=\overline{{\text{AngAcc}}_{\text{offset}}}\text{ (24)}\text{,}$$

где:

- $$(\overline{AngAc{c}_{sensor}})$$

- измеренный акселерометром вектор углового ускорения,

- $$\overline{AngAc{c}_{offset}}$$

- вектор электрического отклонения для компонента углового ускорения.

Положение должно выбираться для покрытия рабочей области ориентации манипулятора 10 при хирургическом использовании. Например, такая рабочая область ориентации должна представлять собой образец угла поворота вокруг Z-оси SRF и угол ориентации, заданный Z-осью SRF относительно оси центра тяжести. Экспериментально, 30 положений, соответствующих 210 уравнениям, было найдено достаточным для удовлетворительной аппроксимации необходимых параметров системы

Так как электрические отклонения могут отличаться при каждом запуске, процедура калибровки должна выполняться при запуске перед использованием любых измерений из F/TAS 30. Как описано в разделе „Проверка дрейфов отклонений" может являться предпочтительным повторение процедуры калибровки также во время вмешательства для того, чтобы принять во внимание дрейфы отклонений. В этом случае, системе необходимо провести манипулятор через несколько положений, которые должны быть выполнены в безопасном режиме.

Интересный аспект этого метода калибровки заключается в том, что отсутствует необходимость в знании положения и ориентации исполнительного органа (то есть исполнительного органа 12), что также означает, что этот метод независим от точности робота-манипулятора. Поэтому, для приложений, где необходимо измерять компенсированные усилия, например, на ручных портативных устройствах, в данной процедуре калибровке может использоваться простое, приводимое в действие вручную, то есть пассивное, устройство позиционирования.

Как легко понять, вышеупомянутая процедура калибровки с последующим приближением (метод аппроксимации данных) позволяет, среди прочего, определять $$\overline{F_{offsets}}$$

, $$\overline{T_{offsets}}$$

, $$\overline{LinAc{c}_{offsets}}$$

и $$\overline{AngAc{c}_{offsets}}$$

, используемые в уравнениях (17) и (18) для компенсации отклонений в полученных от F/TAS 30 данных датчика.

Фильтрация данных датчика

Метод фильтрации должен применяться к необработанным данным измерений, полученным посредством F/TAS 30. Несмотря на то, что в принципе существует много подходящих методов, предлагается использование основной классической формы и двух вариантов дискретного фильтра Кальмана для линейных стохастических процессов для того, чтобы эффективно оценить ускорение и технологические параметры усилия/крутящего момента и, в частности, уменьшить присущие F/T датчику и акселерометру помехи при измерении.

В минимальном инвазивном медицинском приложении, использующем роботизированное телеуправление с силовой обратной связью, не считая удаления шумов сигнала до приемлемого уровня, является чрезвычайно желательным, чтобы используемый процесс фильтрования соответствовал двум дополнительным требованиям: во-первых, усиление по амплитуде фильтрованных сигналов должно быть близким к 1 (в ширине полосы пропускания системы) для обеспечения точности силовой обратной связи и, во-вторых, вводимая фильтром дополнительная временная задержка должна быть как можно короче. Предпочтительно, общая задержка цикла телеуправления, включая задержку фильтрования сигнала, должна быть менее 100 миллисекунд для того, чтобы хирург визуально не заметил задержку, например, в случае контакта инструмента с тканью. Кроме того, чтобы избежать нестабильности, например, при прикосновении кончиком 20 инструмента к жестким поверхностям, таким как кости, общий цикл задержки телеуправления предпочтительно должен быть менее 20 миллисекунд.

Экспериментально обнаружено, что основной (цифровой) линейный фильтр Кальмана является простым и эффективным решением. Среди прочего, он обеспечивает лучшее подавление шума и динамические характеристики, чем некоторые другие типы фильтров, прежде всего, по сравнению с классическими цифровыми фильтрами Чебышева, обычно используемыми в программно-аппаратных средствах коммерческих датчиков усилия/крутящего момента. В отличие от фильтра Кальмана расширенного типа для обработки данных усилия и крутящего момента, данный подход используется в режиме реального времени, более легко настраивается и устраняет необходимость в знании нелинейной динамической модели робота-манипулятора 10, которую трудно точно идентифицировать.

Так как цель фильтра заключается в оценке имеющих помехи цифровых сигналов, которые измеряются отдельно и которые не являются взаимно коррелированными, пример фильтра используется индивидуально для каждого из следующих компонентов сигнала:

- Fx, Fy и Fz для измерений усилия,

- Mx, My и Mz для измерений момента,

- Ax, Ay и Az для измерений линейных ускорений,

- Rx, Ry и Rz для измерений угловых ускорений.

Согласно основному фильтру Кальмана, можно предположить, что каждый сигнал является процессом, управляемым уравнением линейного ускорения:

$$X_k=A{x}_{k-1}+B{u}_{k-1}+W_{k-1}$$

с измерением z^∈ R¹, которое равно:

$$Z_k=H{x}_k+v_k$$

В данной системе для всех сигналов можно предположить, что H=1, так как измерение взято непосредственно из состояния и u=0, так как отсутствует управляющий выход. Кроме того, для всех сигналов предполагается A=1, так как состояние приближено к инвариантному от шага до шага. Однако, в случае с усилиями и моментами, состояние изменяется согласно силе тяжести и нагрузкам ускорения, и для всех сигналов, состояние является функцией задаваемых оператором команд перемещения, то есть поведения манипулятора 10. Поэтому, последнее приближение ассимилирует источники измерения состояния к помехам процесса.

Как легко понять, предложенная формулировка фильтра является осуществлением основного дискретного фильтра Кальмана, который используется для линейных стохастических процессов. Уравнения актуализации в реальном времени и актуализации измерения осуществления этого фильтра можно найти, например, в «Introduction to the Kalman Filter», Greg Welch, Gary Bishop, UNC-Chapel Hill, 2002:

	$$K_k=P_k^{-}{H}^T{(H{P}_k^{-}{H}^T+R)}^{-1}$$
$${\widehat{x}}_k^{-}=A{\widehat{x}}_{k-1}+B{u}_{k-1}$$	$${\widehat{x}}_k={\widehat{x}}_k^{-}+K_k(z_k-H{\widehat{x}}_k^{-})$$
$$P_k^{-}=A{P}_{k-1}{A}^T+Q$$	$$P_k=(I-K_{k}H)P_k^{-}$$
Управление актуализации в реальном времени	Уравнения актуализации измерения

Что касается актуализации, для всех сигналов могут быть использованы следующие параметры инициализации:

- ковариация помех при измерении R=1.0: несмотря на то, что наилучшим значением является ковариация помех при реальном измерении, которая могла бы быть получена в фазе калибровки датчика, может использоваться любое строго положительное значение (R>0), означающее, что измерение не проверено. На самом деле, параметр Q ковариации помех в системе или в процессе, определяемый во время фазы настройки фильтра, компенсирует ошибки в первоначальном значении R ковариации помех при измерении,

- первоначальное значение состояния x_k-1 = первое наблюдение,

- первоначальное значение усиления Кальмана K_k=1.0,

- первоначальная системная ковариация помех в процессе/системе Q₀, определяемая настройкой фильтра.

Было показано, что усиление Кальмана K_k стремится к тому же постоянному значению, независимо от данных параметров ковариации Q помех в процессе/системе и ковариации R помех при измерении, обычно после 50 циклов рекурсивной итерации. С помощью рассматриваемой системы экспериментально обнаружено, что после 150 мс (50 циклов) усиление Кальмана K_k стремится к постоянному значению, оно остается постоянным после 4,5 сек (1500 циклов) и достигает 99% окна его постоянного значения после 2,1 сек (700 циклов). Далее было обнаружено, что усиление Кальмана K_k остается постоянным независимо от (амплитуды) динамических и контактных нагрузок, оказывающих влияние на измерения усилия и крутящего момента, что подтверждает основную формулировку линейного фильтра.

В отношении настройки (параметра) фильтра может использоваться подход, основанный на сравнении нефильтрованного сигнала с фильтрованным сигналом на той же самой диаграмме в реальном времени для различных значений ковариации Q помех в системе/процессе и при реальных условиях телеуправления (например, при масштабе перемещения 1:1, с ускоренными перемещениями манипулятора 10, но без контактных усилий, прилагаемых к инструменту 14).

Общая цель настройки заключается в получении фильтрованного сигнала без пиков или высокочастотной пульсации, которые усредняют нефильтрованный сигнал, но с небольшой задержкой ответа на сигнальных переходах (временная задержка). В данном контексте, задержка ответа означает присущую фильтру временную задержку между фильтрованным сигналом и «настоящим» нефильтрованным сигналом, наблюдаемым во время изменений сигнала. Для сигналов усилия, крутящего момента и усиления, которые используются в процессе компенсации (смотри главу «Компенсация отклонений и силы тяжести и динамических нагрузок в данных датчика») все сигналы должны фильтроваться одними и теми же параметрами R, Q ковариации для достижения идентичного поведения временной задержки для каждого сигнала, особенно, в отношении сигнальных переходов. Экспериментально этот подход доказывает свою последовательность и может быть подтвержден тем фактом, что тот же самый физический феномен, то есть усиление перемещения манипулятора 10 практически полностью определяет динамические характеристики измеренных сигналов.

В отношении качественного анализа было продемонстрировано, что для статических сигналов, на которые оказывают влияние помехи, фильтр Кальмана является оптимальным оценочным модулем с усилением 1:1. Для динамических сигналов, как в рассматриваемой системе, фильтрованный сигнал Кальмана не имеет пиков вследствие того, что помехи почти полностью устранены и фильтрованный сигнал имеет схожесть с усредненным сигналом с гладкостью переходов в зависимости от выбранного параметра Q ковариации помех в процессе.

Легко понять, что с меньшей ковариацией Q помех в процессе фильтрованный сигнал более сглаживается, так как измерение менее достоверное, и наоборот. Кроме того, с меньшими значениями ковариации Q помех в процессе/системе, установленными в фильтре Кальмана, для заданной ковариации R помех при измерении увеличивается не только гладкость фильтрованного сигнала, но также и задержка ответа, вызванная процессом фильтрации. Однако, желательно иметь обе оценки усилия: непосредственную и плавно изменяющуюся, например, для обратной связи к ведущей руке пульта управления с телеуправлением. Таблица 1 показывает типичные задержки ответа для различных параметров Q ковариации помех процесса сигнала усилия (например, на X-оси SRF).

Таблица 1
Сигнал усилия на оси X, отфильтрованный с помощью фильтра Кальмана во время телеуправления
Параметр Q ковариации процесса	Задержка ответа в интервалах	Задержка ответа в мс
1	0,4	1,172
0,1	3	8,79
0,01	11	32,23
0,001	25	73,25
0,0001	40	117,2

Приведенные в таблице 1 задержки ответа, оценивались в режиме off-line с ковариацией помех при измерении R=1,0 путем измерения временной задержки между фильтрованным сигналом, полученным с помощью основного линейного фильтра Кальмана, и сигналом, полученным с помощью параллельной формы обратной рекурсии (RTS) алгоритма Кальмана, как описано в „Maximum likelihood estimates of linear dynamic systems", H. Rauch, F. Tung and C. Striebel, American Institute of Aeronautics and Austronautics Journal, 3(8), 1965, который оптимально следует за оригинальным «настоящим» сигналом без введения задержки ответа.

Для уменьшения присущей фильтру задержки ответа предлагается осуществление 40 каскадного фильтра, как показано на фиг.4. Этот каскадный фильтр 40 содержит первую ступень 42 фильтра и вторую ступень 44 фильтра, при этом каждая ступень 42, 44 фильтра является отдельным осуществлением основного линейного фильтра Кальмана, как описано выше. Первая ступень 42 фильтра сконфигурирована с целью понижения ковариации, то есть уменьшения пиков (шумовых выбросов) помех, оказывающих влияние на нефильтрованный сигнал, но вызывающая только короткую задержку ответа (например, 2-3 мс). Вторая ступень 44 фильтра сконфигурирована для обеспечения по существу плавного выходного сигнала и поэтому вводит более длинную задержку ответа (например, 15 мс), чем первая ступень 42 фильтра.

Обнаружено, что для заданной общей задержки ответа два каскадных фильтра улучшают гладкость отфильтрованного сигнала относительно единичного фильтра, вызывающего ту же самую задержку ответа. Чтобы достичь этого, например, в двухкаскадном фильтре, как показано на фиг.4, первая ступень 42 фильтра сконфигурирована с ковариацией (Q₁) ошибки системы/процесса, которая значительно больше, чем ковариация (Q₂) ошибки системы/процесса второй ступени 44 фильтра с данной идентичной погрешностью измерения R. Таким образом, может быть достигнута такая же производительность фильтра при более меньшей общей задержке ответа по сравнению с фильтром Кальмана с одной ступенью. Экспериментально было обнаружено, что, например, два каскадных фильтра Кальмана, первая и вторая ступени 42, 44 фильтра сконфигурированные с идентичной ковариацией R=1 помех при измерении и различными параметрами ковариации ошибки системы/процесса Q₁=0.7 и Q₂=0.012, соответственно, улучшают гладкость окончательного отфильтрованного сигнала относительно фильтра с одной ступенью, сконфигурированного с Q=0.01 и формирующего ту же самую задержку ответа (≈32 мс). Предпочтительные диапазоны параметров для ковариации Q1 и Q2 помех первой и второй ступени 42, 44 фильтра, соответственно: 0.1≤Q₁≤1 и 0.001≤Q₂≤0.1. Предпочтительно, общая задержка ответа не должна превышать 40 мс для уменьшения риска нестабильности при контактах на твердых поверхностях.

Поэтому каскад по меньшей мере двух линейных фильтров Кальмана является предпочтительным, так как он вводит меньшую задержку ответа относительно одиночного фильтра (с одной стадией), выдающего ту же самую производительность фильтра (гладкость сигнала). Следует отметить, что соответствующее осуществление фильтра для каждого нефильтрованного сигнала ((F_x, F_y, F_z), (M_x, M_y, M_z), (A_x, A_y, A_z), (R_x, R_y, R_z)) будет обычно сконфигурировано с теми же параметрами фильтра (Q_i, R_i и т.д.) для обеспечения идентичной задержки ответа на всех сигналах и, тем самым, синхронизированных сигналах.

Проверка дрейфов отклонений

Как легко понять, на каждый компонент измерения (сигнал), получаемый от F/T датчика и акселерометра в F/TAS 30, оказывает влияние электрическое отклонение, которое обычно является изменяемым во времени и зависит от температуры. В лабораторных опытах было обнаружено, что сигналы измерения от 6-DOF F/T датчика на основе фольги (со встроенной температурной компенсацией) стабилизируются после периода нагрева, длительностью примерно в 3 часа, и после этого остаются в рамках диапазона примерно 1,5% полной шкалы измерений. Однако, значение отклонения для каждого сигнала подвергается изменению в течение времени и в случае медицинского, прежде всего, хирургического, использования это изменение может быть неприемлемым, так как оно изменяет результаты вычисления для оценки усилий, как описано выше.

Поэтому, предлагается включить процедуру для проверки того, что эти отклонения остаются в рамках допустимого диапазона. Это может достигаться простым способом посредством проверки того, являются ли компоненты компенсированного усилия и вектора силы $$\overline{F_{comp}}$$

, $$\overline{T_{comp}}$$

близкими к нулю, если к прикрепленной к F/TAS 30 полезной нагрузке не приложены внешние нагрузки.

Предложенная функция может содержаться в процедуре, осуществляемой программным обеспечением, выполняющим проверку по командному запросу. В случае чрезмерных дрейфов отклонений, процедура посылает предупреждение на контроллер манипулятора, который должен, например, побудить хирурга инициировать процесс повторной калибровки. Кроме того, эта функция может быть осуществлена во время замены хирургических инструментов или по команде, заданной HMI или автоматически, например, на основе сигнала датчика присутствия хирургического инструмента на исполнительном органе 12.

Архитектура модуля программного обеспечения

Для начала необходимо отметить, что нижеописанная архитектура программного обеспечения относится к модулю программного обеспечения, задача которого ограничена обработкой данных вычислениями для оценки контактных усилий на уровне кончика 20 инструмента и на уровне центра 23 вращения. Не принимаются во внимание функции и механизм управления манипулятором 10, исполнительный орган 12 или другие компоненты системы. Однако, этот модуль может быть интегрирован опытным лицом в компьютерную программу контроллера манипулятора.

Общая архитектура модуля программного обеспечения схематично показана на фиг.5. Она содержит основной процесс, задачу FFS (силоизмерительная система), которая управляется нижеописанной диаграммой переходов, которая может быть осуществлена в основной функции, запущенной либо в контексте задачи, либо на уровне программы обработки прерываний. Для простоты предполагается, что модуль программного обеспечения запускается в периодической задаче, синхронизированной часами реального времени посредством семафора, как показано на фиг.5. Задача силоизмерительной системы запущена на заданном приоритете в операционной системе реального времени и с заданным размером стека. Модуль программного обеспечения имеет очередь сообщений, которая опрашивается на каждом периоде тактовых импульсов на наличие новых сообщений. В целом существует два типа сообщений: командные сообщения для выполнения функции или сообщения о событии для генерации перехода в диаграмме переходов (смотри ниже). Командные сообщения вырабатываются внешними модулями относительно, например, контроллера манипулятора, в то время как сообщения о событиях выдаются внутренне самим модулем программного обеспечения. Модуль способен генерировать сообщения о событиях и командные сообщения, направляемые на другие модули, например, модули контроллера манипулятора, например, для формирования событий неисправности, командных ответов или команд механизма остановки.

В модуле программного обеспечения, основными интерфейсами задачи силоизмерительной системы являются показанные на фиг.5:

- очередь сообщений, считываемая на каждом периоде тактовых импульсов,

- интерфейс для плат аппаратного обеспечения, с которых считываются нефильтрованные данные усилия, крутящего момента и ускорения,

- интерфейс для базы данных реального времени для считывания информации, требуемой функциями модулей, и для записи результатов,

- интерфейс для командных сообщений и сообщений о событиях для внешних модулей.

Диаграмма переходов состояния (задача силоизмерительной системы)

На фиг.6 показаны основные пять состояний задачи силоизмерительной системы (FSS) (сравни фиг.5), осуществленные в качестве конечных машинных состояний. Далее, показанные на фиг.5 состояния будут кратко описаны:

Состояние 1: инициализация программного и аппаратного обеспечения. Это состояние относится к процедурам инициализации для частей программного и аппаратного обеспечения медицинской системы минимального инвазивного вмешательства. Эти процедуры инициализации выполняются во время включения питания и/или во время загрузки контроллера манипулятора 10. Среди прочего, задача инициализации аппаратного обеспечения относится к настойке F/T датчика и акселерометра, например, F/TAS 30, и соответствующей интерфейсной платы (интерфейсных плат). Задача инициализации программного обеспечения включает в себя шаги по назначению ресурсов, таких как память, для структуры данных приложения и другим элементам операционной системы (например, задачам, семафорам, очередям сообщений, часам и т.д.). Если инициализация аппаратного и программного обеспечения прошла успешно, система вступает в состояние IDLE, ожидая команды на калибровку. В противном случае, система вступает в состояние FAILED, как показано на фиг.6. Результат операции инициализации может быть передан на контроллер манипулятора 10, либо посредством программного события, либо посредством вызова функции обратного параметра.

Состояние 2: состояние IDLE. Система ожидает команды на запуск процесса калибровки, который описан в разделе «Процедура калибровки».

Состояние 3: состояние FAULT. Это состояние вводится в случае неисправности системы/программного обеспечения или в случае обнаруженной угрозы безопасности, система ожидает команды на перезапуск. После вхождения в состояние FAULT асинхронное сообщение или событие отсылается на контроллер манипулятора для его предупреждения об этом состоянии.

Состояние 4: F/T_&_ACCELEROMETER_CALIBRATION. В этом состоянии манипулятор 1 управляется посредством предварительно определенной совокупности положений с различными позициями и ориентациями (см. раздел «Процедура калибровки»). В каждом положении данные F/T датчика и акселерометра записываются после получения команды на «запись». После завершения совокупности положений, при получении команды на «вычисление» используется вышеупомянутый метод наименьших квадратов или любой другой подходящий метод аппроксимации для вычисления отклонений F/T датчика и акселерометра $$\overline{F_{offsets}}$$

, $$\overline{T_{offsets}}$$

, $$\overline{LinAc{c}_{offsets}}$$

и $$\overline{AngAc{c}_{offsets}}$$

вместе с координатами центра тяжести приложенной нагрузки. В нечастом случае вычисление не удается, например, из-за нестабильных результатов или из-за команды пользователя на прекращение прохождения совокупности положений, система возвращается в состояние IDLE, предупреждая контроллер манипулятора об этом событии. В противном случае, в конце фазы калибровки система входит в состояние APPLICATION_LOADS_EVALUATION. В случае обнаружении отказа программного или аппаратного обеспечения система входит в состояние FAULT.

Состояние 5: состояние APPLICATION_LOADS_EVALUATION. В этом состоянии периодический процесс выполняет последовательно, однако не обязательно в заданном порядке, следующие операции:

- фильтрация данных, например, посредством каскада дискретных фильтров Кальмана для линейных стохастических процессов (см. раздел «Фильтрация данных датчика»),

- компенсация эффекта силы тяжести и динамических нагрузок в данных F/T датчика (смотри раздел «Компенсация отклонений, силы тяжести и динамических нагрузок»),

- определение, то есть основанное на перемещении манипулятора 10 непрерывное обновление, положения инструмента 14 относительно центра 23 вращения (см. раздел «Определение положения инструмента относительно центра вращения)

- вычисление усилий на кончике 20 инструмента и на центре вращения, соответственно (смотри раздел «Вычисление усилий на кончике инструмента и на уровне центра вращения»).

Опционально, периодическим процессом также выполняются следующие операции:

- наблюдение за компенсированными нагрузками по отношению к предварительно установленным максимальным пороговым величинам, хранящимся, например, в базе данных реального времени. В случае чрезмерных величин функция выдает предупредительное сообщение или команду на остановку перемещения и записывает этот состояние в базу данных реального времени. Этот процесс может также быть применен к оцениваемым усилиям на кончике 20 инструмента и на уровне центра вращения (троакар 22) для определения опасных состояний или отказа F/TAS 30,

- проверка дрейфа отклонений датчика (см. раздел «Проверка дрейфов отклонений»),

- наблюдение за внутрибрюшным давлением инсуффляции. В случае падения давления функция выдает предупредительное сообщение, так что может быть предпринято надлежащее действие, среди которого, например, повторное определение положения центра 23 вращения.

На фиг.7 показана возможная последовательность вышеприведенных операций на блок-схеме. Как видно на фиг.7, первичный линейный фильтр Кальмана каскадной конфигурации, как описано в связи с фиг.4, фильтрует данные датчика перед компенсацией «паразитных нагрузок». После компенсации вторичный линейный фильтр Кальмана используется к значениям усилия и крутящего момента для дальнейшего улучшения гладкого качества сигнала на входе операции, которая вычисляет оценку(и) усилия (вычисление $$\overline{F_{Tip}}$$

и $$\overline{F_{fulcrum}}$$

. Хотя на фиг.7 процесс показан в виде выполняемого до этапа вычисления оценки усилия, операция по определению положения инструмента может выполняться периодически в любой точке в технологическом процессе. Схожим образом одна или более вышеуказанных опциональных операций (обозначенные блоком «…» на фиг.7 и 8) не обязательно должны выполняться после вычисления оценок усилия.

На Фиг.8 показана альтернативная последовательность вышеприведенных операций на блок-схеме. Как видно на фиг.8, операция с одиночным фильтром применяется после вычисления оценки(ок) усилия (вычисление $$\overline{F_{Tip}}$$

и $$\overline{F_{fulcrum}}$$

). Операции фильтрования могут быть основаны на каскадной конфигурации фильтра Кальмана, как это описано в связи с фиг.4.

Представленная на фиг.8 альтернатива снижает потерю информации (недооцененные/переоцененные нагрузки) благодаря фильтрации до вычисления оценки(ок) усилия, так что может достигаться дальнейшее увеличение точности. Представленный на фиг.7 вариант осуществления является предпочтительным в случае, если система сконфигурирована для использования исполнительного органа 12 в качестве устройства управления («джойстика») для вспомогательного позиционирования манипулятора 10, например, во время ввода инструмента 14.

В случае получения запроса на повторную калибровку, состояние системы изменяется на F/T_&_ACCELEROMETER_CALIBRATION, и периодический процесс останавливается. В случае обнаружении отказа программного или аппаратного обеспечения система изменяется в состояние FAULT, и выдается предупреждение.

Скорость выполнения циклического процесса сконфигурирована согласно требованиям приложения. Например, при использовании компенсированных данных для роботизированного телеуправления, этот процесс должен предпочтительно проходить на той же самой скорости, что и при генерации установочного значения для манипулятора 10, например, между 300 Гц и 1000 Гц.

Заключение

Данный способ/система обеспечивают вклад в роботизированную и/или компьютерную хирургию минимального инвазивного вмешательства, предлагая точный и экономичный способ оценки контактных усилий на кончике инструмента и, опционально, на уровне троакара.

В лабораторных испытаниях прототипной системы была определена средняя погрешность оценки в 0,25 H и максимальная погрешность оценки в 0,65 H. Легко понять, что даже если эти значения были достигнуты, используя находящийся в процессе разработки прототип, уровень погрешности оценки является удовлетворительным даже для большинства задач в хирургической лапароскопии, так как значение 0,25 H находится ниже порога чувствительности человеческой руки. Кроме того, легко понять, что достигнутая с помощью прототипа общая задержка сигнала 50 мс делает систему широко пригодной для телеуправления.

Claims (14)

1. Способ управления медицинской системой минимального инвазивного вмешательства, содержащей манипулятор (10), имеющий
исполнительный орган (12), оснащенный имеющим 6 степеней подвижности (6-DOF) датчиком (30) усилия/крутящего момента, который имеет систему координат (X, Y, Z) датчика с тремя взаимно перпендикулярными осями, и инструмент (14) минимального инвазивного вмешательства, имеющий первый конец (16), закрепленный на исполнительном органе, второй конец (20), расположенный за внешним центром (23) вращения, который ограничивает инструмент в перемещении, и стержень (18) инструмента, продольная ось которого коллинеарна с осью (Z) инструмента системы координат (X, Y, Z) датчика,
при этом способ включает определение положения инструмента относительно внешнего центра (23) вращения, включая определение вектора первоначального исходного расстояния $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

от исходной системы координат (X, Y, Z) датчика к внешнему центру (23) вращения, которое, в свою очередь, включает перемещение инструмента (14) минимального инвазивного вмешательства вдоль двух осей (X, Y) системы координат (X, Y, Z) датчика, перпендикулярным оси (Z) инструмента, соответственно, пока сила реакции вдоль обеих осей (X, Y) ниже заданного порогового значения, и определение положения внешнего центра (23) вращения вдоль оси (Z) инструмента, используя закон рычага, в частности посредством поворота инструмента (14) до достижения достаточного контактного усилия, измерения модуля вектора момента и модуля вектора силы, соответствующего этому контактному усилию, и вычисления положения внешнего центра (23) вращения вдоль оси (Z) инструмента посредством деления модуля вектора момента на модуль вектора силы.

2. Способ по п.1, в котором определение положения внешнего центра (23) вращения вдоль оси (Z) инструмента, используя закон рычага, включает:
поворот инструмента (14) в первом направлении до достижения достаточного первого контактного усилия,
измерение модуля первого вектора момента и модуля первого вектора силы, соответствующего первому контактному усилию,
вычисление первого положения внешнего центра (23) вращения вдоль оси (Z) инструмента посредством деления первого модуля вектора момента на первый модуль вектора силы,
поворот инструмента (14) во втором направлении, противоположном первому направлению, до достижения достаточного второго контактного усилия,
измерение модуля второго вектора момента и модуля второго вектора силы, соответствующего второму контактному усилию,
вычисление второго положения внешнего центра (23) вращения вдоль оси (Z) инструмента посредством деления второго модуля вектора момента на второй модуль вектора силы, и
установление упомянутого вектора первоначального исходного расстояния $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

, используя среднее значение вычисленных первого и второго положений внешнего центра (23) вращения.

3. Способ по п.1, в котором после определения упомянутого вектора первоначального исходного расстояния $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

все перемещения инструмента производятся по отношению к внешнему центру (23) вращения.

4. Способ по п.1, в котором исполнительный орган оснащен имеющим 6 степеней подвижности (6-DOF) акселерометром, а способ также включает этапы:
измерение посредством 6-DOF акселерометра гравитационной нагрузки и/или динамических нагрузок, прилагаемых к 6-DOF датчику усилия/крутящего момента, и
компенсация гравитационных и/или динамических нагрузок в измеренном усилии и измеренном крутящем моменте.

5. Способ по п.3, в котором определение положения инструмента относительно внешнего центра (23) вращения основано на упомянутом векторе расстояния $$\overline{D_{Fulcrum}}$$

и на непрерывном обновлении, используя информацию о перемещении манипулятора.

6. Способ по п.1, в котором упомянутое заданное пороговое значение составляет около 0,3 H и/или упомянутое достаточное контактное усилие составляет около 3 H.

7. Способ по п.1, включающий использование линейного фильтра Кальмана для данных усилия и крутящего момента, измеренных 6-DOF датчиком усилия/крутящего момента.

8. Способ по п.1, включающий вычисление положения внешнего центра (23) вращения по отношению к фиксированной системе координат посредством преобразования координат из исходной системы координат (X, Y, Z) датчика в фиксированную систему координат.

9. Медицинская система минимального инвазивного вмешательства, содержащая манипулятор (10), имеющий исполнительный орган (12), оснащенный имеющим 6 степеней подвижности (6-DOF) датчиком (30) усилия/крутящего момента, который имеет систему координат (X, Y, Z) датчика с тремя взаимно перпендикулярными осями, и сконфигурированный для удержания инструмента (14) минимального инвазивного вмешательства, имеющего при удерживании исполнительным органом (12) первый конец (16), установленный на исполнительном органе, второй конец (20), расположенный за внешним центром (23) вращения, который ограничивает инструмент в перемещении, и стержень (18) инструмента, продольная ось которого коллинеарна с осью (Z) инструмента системы координат (X, Y, Z) датчика,
при этом система содержит программируемое вычислительное устройство, запрограммированное для:
определения положения инструмента относительно внешнего центра вращения, включая определение вектора первоначального исходного расстояния $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

от исходной системы координат (X, Y, Z) датчика к внешнему центру (23) вращения, которое, в свою очередь, включает перемещение инструмента (14) минимального инвазивного вмешательства вдоль двух осей (X, Y) системы координат (X, Y, Z) датчика, перпендикулярным оси (Z) инструмента, соответственно, пока сила реакции вдоль обеих осей (X, Y) ниже заданного порогового значения, и определение положения внешнего центра (23) вращения вдоль оси (Z) инструмента, используя закон рычага, в частности посредством поворота инструмента (14) до достижения достаточного контактного усилия, измерения модуля вектора момента и модуля вектора силы, соответствующего этому контактному усилию, и вычисления положения внешнего центра (23) вращения вдоль оси (Z) инструмента посредством деления модуля вектора момента на модуль вектора силы.

10. Система по п.9, в которой определение положения внешнего центра (23) вращения вдоль оси (Z) инструмента, используя закон рычага, включает:
поворот инструмента (14) в первом направлении до достижения достаточного первого контактного усилия,
измерение модуля первого вектора момента и модуля первого вектора силы, соответствующего первому контактному усилию,
вычисление первого положения внешнего центра (23) вращения вдоль оси (Z) инструмента посредством деления первого модуля вектора момента на первый модуль вектора силы,
поворот инструмента (14) во втором направлении, противоположном первому направлению, до достижения достаточного второго контактного усилия,
измерение модуля второго вектора момента и модуля второго вектора силы, соответствующего второму контактному усилию,
вычисление второго положения внешнего центра (23) вращения вдоль оси (Z) инструмента посредством деления второго модуля вектора момента на второй модуль вектора силы, и
установление упомянутого вектора первоначального исходного расстояния $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

, используя среднее значение вычисленных первого и второго положений внешнего центра (23) вращения.

11. Система по п.9 или 10, в которой программируемое вычислительное устройство запрограммировано так, что после определения упомянутого вектора первоначального исходного расстояния $$\overline{D_{Fulcrum0}}$$

все перемещения инструмента производятся по отношению к внешнему центру (23) вращения.

12. Система по п.9, в которой исполнительный орган оснащен 6-DOF акселерометром, а программируемое вычислительное устройство также запрограммировано для:
обработки сделанных посредством 6-DOF акселерометра измерений гравитационных и/или динамических нагрузок, прилагаемых к 6-DOF датчику усилия/крутящего момента, и
компенсации гравитационной нагрузки и/или динамических нагрузок в измеренном усилии и измеренном крутящем моменте.

13. Система по п.10, в которой программируемое вычислительное устройство запрограммировано для определения положения инструмента относительно внешнего центра (23) вращения на основе упомянутого вектора расстояния $$\overline{D_{Fulcrum}}$$

и непрерывного обновления с использованием информации о перемещении манипулятора.

14. Система по п.9, в которой программируемое вычислительное устройство также запрограммировано для вычисления положения инструмента относительно внешнего центра (23) вращения по отношению к фиксированной системе координат посредством преобразования координат из исходной системы координат (X, Y, Z) датчика в фиксированную систему координат.

Images