1.本公开整体涉及外科机器人领域，并且更具体地涉及检测用于与外科机器人系统一起使用的缆线驱动工具上的缆线断路。
背景技术：2.微创外科手术(mis)诸如腹腔镜手术涉及旨在在外科规程期间减少组织损伤的技术。例如，腹腔镜规程通常涉及在患者体内(例如，在腹部)形成多个小切口，以及通过切口将一个或多个工具和至少一个内窥镜相机引入患者体内。然后通过使用引入的工具执行外科规程，其中可视化辅助由相机提供。
3.一般来讲，mis提供多重有益效果，诸如减少患者疤痕、减轻患者疼痛、缩短患者恢复期以及降低与患者恢复相关联的医疗费用。在一些实施方案中，可利用外科机器人系统执行mis，该外科机器人系统包括用于基于来自操作者的命令操纵外科器械的一个或多个机器人臂。
4.在外科机器人系统中，外科工具可附接到外科机器人臂。此类工具可用于进入、查看或操纵患者的内部解剖结构。外科工具可用缆线驱动以实现移动。
技术实现要素：5.通常，可通过检查多个条件来检测用于移动外科机器人工具的缆线的故障。系统或方法可检查张力、张力的变化率和缆线延伸误差的变化率以用于监测任何缆线。当所有条件指示故障(例如，超过相应阈值)时，则该系统可采取补救措施。例如，可禁用耦接到缆线的致动器，从而当缆线已经损坏时降低进一步移动的风险。描述了其他方面。
附图说明
6.图1是手术场所中的示例性外科机器人系统的绘画视图。
7.图2示出了根据一些实施方案的外科机器人臂和工具的示例。
8.图3示出了根据一些实施方案的工具的示例。
9.图4示出了根据一些实施方案的用于检测缆线故障的方法。
10.图5示出了根据一些实施方案的用于检测缆线故障的方法。
11.图6a至图6d示出了缆线故障时的缆线的力。
12.图7a至图7d示出了缆线故障时的缆线延伸误差。
13.图8a至图8d示出了缆线故障时的缆线张力的变化率。
具体实施方式
14.本发明的各个方面和变型的非限制性示例在本文中描述并在附图中示出。
15.参见图1，这是手术场所中的示例性外科机器人系统1的绘画视图。机器人系统1包括用户控制台2、控制塔3以及外科机器人平台5(例如，台、床等)处的一个或多个外科机器
人臂4。系统1可结合用于对患者6执行外科手术的任何数量的装置、工具或附件。例如，系统1可包括用于执行外科手术的一个或多个外科工具7。外科工具7可以是附接到外科臂4的远侧端部的端部执行器，以用于执行外科规程。
16.每个外科工具7可在外科手术期间手动操纵、通过机器人操纵或两者。例如，外科工具7可以是用于进入、查看或操纵患者6的内部解剖结构的工具。在一个实施方案中，外科工具7为可抓紧患者的组织的抓持器。外科工具7可由床边操作者8手动控制；或者其可经由其所附接的外科机器人臂4的致动移动而由机器人控制。机器人臂4被示出为台上安装系统，但在其他配置中，臂4可安装在手推车、天花板或侧壁上，或者安装在另一个合适的结构支撑件中。
17.一般来讲，远程操作者9(诸如外科医生或其他操作者)可使用用户控制台2来远程操纵臂4或所附接的外科工具7，例如远程操作。用户控制台2可位于与系统1的其余部分相同的手术室中，如图1所示。然而，在其他环境中，用户控制台2可位于相邻或附近的房间中，或者其可位于远程位置，例如，在不同的建筑物、城市或国家中。用户控制台2可包括座椅10、脚动控件13、一个或多个手持式用户输入装置(uid)14以及至少一个用户显示器15，该用户显示器被配置成显示例如患者6体内的外科手术部位的视图。在示例性用户控制台2中，远程操作者9坐在座椅10中并查看用户显示器15，同时操纵脚动控件13和手持式uid 14，以便远程控制臂4和外科工具7(其安装在臂4的远侧端部上)。
18.在一些变型中，床边操作者8还可以“床上”模式操作系统1，其中床边操作者8(用户)现在位于患者6的一侧并且同时操纵机器人驱动的工具(附接到臂4的端部执行器)，例如，用一只手握持手持式uid 14和手动腹腔镜工具。例如，床边操作者的左手可操纵手持式uid以控制机器人部件，而床边操作者的右手可操纵手动腹腔镜工具。因此，在这些变型中，床边操作者8可对患者6执行机器人辅助微创外科手术和手动腹腔镜外科手术两者。
19.在示例性规程(外科手术)期间，为患者6做手术准备并以无菌方式为该患者覆盖消毒盖布以实现麻醉。在机器人系统1的臂处于收起配置或撤回配置时，可手动地执行对外科手术部位的初始触及(以便于触及外科手术部位)。一旦完成触及，就可执行机器人系统1包括其臂4的初始定位或准备。接着，外科手术继续，其中用户控制台2处的远程操作者9利用脚动控制件13和uid 14来操纵各种端部执行器以及可能的成像系统，以执行外科手术。也可由身着消毒手术衣的床边人员(例如，床边操作者8)在手术床或手术台处提供人工辅助，该床边人员可对机器人臂4中的一个或多个臂执行任务，诸如回缩组织、执行手动重新定位以及工具更换。也可存在非消毒人员以在用户控制台2处辅助远程操作者9。当规程或外科手术完成时，系统1和用户控制台2可被配置或设定成一定状态以便于完成术后规程，诸如清洁或消毒以及经由用户控制台2输入或打印保健记录。
20.在一个实施方案中，远程操作者9保持并且移动uid 14以提供输入命令，从而移动机器人系统1中的机器人臂致动器17。uid 14可例如经由控制台计算机系统16通信地耦接到机器人系统1的其余部分。uid 14可生成对应于uid 14的移动的空间状态信号，例如uid的手持式外壳的位置和取向，并且空间状态信号可以是控制机器人臂致动器17的运动的输入信号。机器人系统1可使用源自空间状态信号的控制信号来控制致动器17的成比例运动。在一个实施方案中，控制台计算机系统16的控制台处理器接收空间状态信号并生成对应的控制信号。基于控制致动器17如何通电以移动臂4的区段或连接件的这些控制信号，附接到
臂的对应外科工具的移动可模拟uid 14的移动。类似地，远程操作者9与uid 14之间的交互可生成例如夹持控制信号，该夹持控制信号使外科工具7的抓持器的钳口闭合并夹持患者6的组织。
21.外科机器人系统1可包括若干uid 14，其中为控制相应臂4的致动器和外科工具(端部执行器)的每个uid生成相应的控制信号。例如，远程操作者9可移动第一uid 14以控制位于左机器人臂中的致动器17的运动，其中致动器通过移动臂4中的连杆、齿轮等来响应。类似地，远程操作者9对第二uid 14的移动控制另一个致动器17的运动，这继而移动机器人系统1的其他连杆、齿轮等。机器人系统1可包括固定到患者的右侧的床或台的右臂4，以及位于患者的左侧的左臂4。致动器17可包括一个或多个马达，控制该一个或多个马达，使得它们驱动臂4的接合部旋转，以例如相对于患者改变附接到该臂的外科工具7的内窥镜或抓持器的取向。同一臂4中的若干致动器17的运动可由从特定uid 14生成的空间状态信号控制。uid 14还可控制相应外科工具抓持器的运动。例如，每个uid 14可生成相应的夹持信号以控制致动器(例如，线性致动器)的运动，该致动器在外科工具7的远侧端部处打开或闭合抓持器的钳口以夹持患者6体内的组织。
22.在一些方面，平台5与用户控制台2之间的通信可通过控制塔3，该控制塔可将从用户控制台2(并且更具体地从控制台计算机系统16)接收的用户命令转化为传输到机器人平台5上的臂4的机器人控制命令。控制塔3还可将状态和反馈从平台5传输回用户控制台2。可使用各种数据通信协议中的任何合适的数据通信协议经由有线或无线链路来实现机器人平台5、用户控制台2和控制塔3之间的通信连接。任何有线连接可任选地内置于手术室的地板或墙壁或天花板中。机器人系统1可向一个或多个显示器(包括手术室内的显示器，以可经由互联网或其他网络访问的远程显示器)提供视频输出(例如，机器人系统1可包括向显示器提供视频输出或其他合适的图像数据的一个或多个内窥镜相机)。还可加密视频输出或馈送以确保隐私，并且视频输出的全部或部分可保存到服务器或电子保健记录系统。
23.参考图2，示出了根据一些实施方案的具有附接的外科工具的外科机器人臂。外科机器人臂4可在远侧端部处连接到外科工具7。致动器17可包括外科机器人臂的致动器，所述致动器实现外科机器人臂的接合部的移动。致动器17还包括外科工具致动器，其在图2中示出。
24.外科工具的致动器可容纳在工具驱动器34中。致动器由控制器42控制。在一些实施方案中，控制器42可集成为外科机器人系统控制塔或控制台计算系统的一部分。在其他实施方案中，该控制器可以为具有一个或多个处理器的独立控制器。控制器可生成由致动器接收的命令以实现致动器的移动。每个命令可指定移动的量和方向以协调外科机器人工具的期望移动。
25.外科工具可包括多根缆线42。缆线可容纳在工具轴36中，该工具轴可以是具有一个或多个通道以容纳缆线的细长构件。每根缆线耦接到i)工具的近侧端部处的相应工具致动器，以及ii)工具的远侧端部处的工具的端部执行器40，使得相应致动器实现端部执行器通过缆线的移动。
26.例如，致动器可以以协调方式传递缆线中的力，以在工具腕部38处产生俯仰或偏航移动，从而在外科手术期间提供工具的角度操纵。致动器还可导致端部执行器的钳口移动(例如，打开和闭合)，该端执行器可包括抓持器或切割器。因此，缆线致动工具可以以各
种角度在外科手术部位内抓持或切割。缆线的数量可以基于应用而变化。在一些实施方案中，存在四根或更多根缆线。在一些实施方案中，三根缆线可专用于工具腕部移动。在一些实施方案中，一根缆线可专用于钳口移动，使得当与弹簧组合使用时，可产生打开和闭合的钳口移动。
27.控制器可具有接收和处理来自工具的缆线信息以检测缆线断路的条件检查器43。将缆线信息与不同的条件进行比较，并且如果条件都满足，则条件检查器可以确定缆线已故障。控制器可感测正好在缆线断路之前和/或当缆线断路时的时刻，并且采取立即补救措施以降低伤害患者的风险。
28.图3示出了一个实施方案中的致动器。图示示出了致动器和部件的一般表示。该致动器可表示图1和图2中所示的致动器中的一个或多个致动器。仍然参考图3，致动器可包括马达48，该马达以控制器命令中指定的方向和/或量旋转角度θ。
29.每根缆线的张力可由传感器50中的任何传感器感测，该传感器可包括耦接到相应缆线的张力传感器，或测量耦接到缆线的相应马达的扭矩的扭矩传感器。测量的扭矩(旋转力)可转换为张力(线性力)。每根缆线可在工具的起始“松弛”位置处具有初始张力(预张力)。在一些实施方案中，预张力tp为10n。张力误差可被确定为预张力与当前感测的张力之间的差值，其可表示为δt＝tp
–
ts。该张力误差可表示缆线中的张力降。
30.在一些实施方案中，在工具不需要缆线预张力的情况下，预张力可以为零。因此，在这种情况下，δ张力可以是感测的张力。
31.控制器可基于测量的缆线位置x、感测的缆线张力t和已知的缆线刚度常数ke来确定测量的缆线延伸q。在一些实施方案中，可通过以下方程式确定测量的缆线延伸q：q＝x
–
t/ke。
32.测量的缆线位置x可基于致动器位置pa和主动轮半径rc来确定。主动轮半径是主动轮51的半径，当主动轮旋转时，相应缆线固定到该主动轮上并且围绕该主动轮卷绕。主动轮的旋转可通过一个或多个齿轮54来实现，该一个或多个齿轮将马达48的旋转运动转化为主动轮的旋转运动。当主动轮旋转时，缆线位置和缆线张力相应地改变，这取决于旋转的量和方向。在一些实施方案中，测量的缆线位置x通过以下方程式确定：x＝p
a*
rc。
33.致动器位置pa可基于由位置编码器52编码的位置p、致动器的已知齿轮齿数比(gr)和偏移(例如，通过校准确定的)来确定。位置编码器可以是旋转位置编码器，该旋转位置编码器监测马达轴位置并且例如将当前马达轴位置编码为表示角位置的值。在一些实施方案中，致动器位置pa可通过以下方程式确定：pa＝p/gr+偏移。
34.控制器可以生成接合部命令(jcmd)，诸如“闭合钳口x度、“滚动腕部x度”等。接合部命令是“接合部空间”中可使用运动学模型转化为物理空间的命令(逆运动学矩阵b’)。建模的缆线延伸q
cmd
可通过以下方程式确定：q
cmd
＝(b’*jcmd)*rc。该建模的缆线延伸表示期望的缆线延伸。应当理解，缆线延伸描述了缆线拉伸的程度，然而测量的缆线位置描述了致动器在缆线上设置了多少位移。
35.机器人运动学将运动链的尺寸和连通性与机器人系统中每个链路的位置、速度和加速度联系起来。这允许机器人的计划和受控的移动。运动学方程可以是将接合部参数映射到机器人系统的配置的非线性方程。正向运动学使用机器人的运动学方程由接合部参数的指定值来计算端部执行器的位置。计算实现端部执行器的指定位置的接合部参数的反向
过程被称为逆运动学。机器人的尺寸及其运动学方程定义了可由机器人实现的空间体积，被称为其工作空间。
36.可确定缆线延伸误差δq，其表示测量的缆线延伸q与建模的缆线延伸q
cmd
之间的差值。在一些实施方案中，δq可表示为δq＝abs(q-q
cmd
)。
37.可由控制器监测张力误差δt、缆线延伸误差δq、及其导数以确定缆线断路是否发生。可在能够通过连续样本形成的时间段内监测这些条件。如果在预定义数量的样本内，这些条件(张力误差δt、缆线延伸误差δq、及其导数)超过相应阈值，则控制器可标记缆线故障，并禁用相应致动器。该方法在图4和图5中进一步描述。
38.在图4中，示出了通过执行一系列操作来检测缆线驱动的外科机器人工具中的缆线制动的方法。对于每根缆线，可执行缆线条件检查。操作71、72和73相对于彼此执行的顺序可以变化。例如，操作71不需要首先执行，并且操作73不需要最后执行。
39.操作71包括将张力误差δt相对于第一阈值进行比较，其中张力误差是缆线的预张力与感测的张力之间的差值。如所讨论的，感测的张力可通过扭矩或张力传感器来感测。假设缆线当例如在工具的默认位置处停留时的初始张力。
40.操作72包括将缆线的感测的张力的变化率相对于第二阈值进行比较。这种变化率可以是感测的缆线张力的时间导数，并且可表示为dts/dt，其中ts是相应缆线的感测的张力，如前所述。第二阈值可表示为dt/dt，其中t是力的量度，通常以牛顿为单位。当感测的张力的变化率超过第二阈值时，如果用于故障检测的其他条件也指示相同的结果，则这可指示相应缆线的故障。
41.操作73包括将缆线延伸误差δq的变化率相对于第三阈值进行比较。缆线延伸误差δq可以是建模的缆线延伸q
cmd
与测量的缆线延伸q之间的差值。在一些实施方案中，缆线延伸误差基于该差值的绝对值来确定。该误差可根据长度(例如，mm)表达。
42.如其他部分所讨论的，测量的缆线延伸q可基于测量的缆线位置(源自致动器位置)、缆线的感测的张力和缆线刚度来确定。致动器位置可由致动器的位置编码器确定。缆线刚度可以是已知的常数，并且张力可用传感器感测。
43.建模的缆线延伸基于接合部命令和将接合部命令转换为物理可测量参数(例如，旋转或距离)的运动学转化来确定。在一些实施方案中，接合部命令是马达的角位置。如所述的，物理参数可应用于主动轮半径以产生建模的缆线延伸。
44.缆线延伸误差的变化率可以是δq的时间导数，其可表示为dδq/dt。因此，第三阈值可表示为长度的时间导数，或ds/dt，其中s为长度(例如，以mm为单位)。给定外科工具的命令和已知运动学，这指示相对于缆线应拉伸的速度，感测到的缆线拉伸的速度。
45.框75示出了可在时间窗口内重复执行(所有条件和相应阈值的)条件检查，该时间窗口也可被定义为连续样本的数量n。例如，可在30、35或40个连续样本内执行所有阈值的这种检查。连续样本的数量可根据应用而变化，例如基于工具、或者每个样本的采集频率。如果n个数量的连续样本均超过所有阈值，则系统可进行到操作76。
46.操作76包括标记在相应缆线处检测的缆线故障，在相应缆线处在连续样本内均超过所有阈值。采取补救措施，包括禁用至少相应致动器。这可立即执行，以便减少外科手术期间不希望的移动的风险，并减少对外科工具的附加损坏。通过在连续帧中要求所有这些条件均故障，该方法减少了可能由外科工具正常使用引起的假阳性。应当理解，对于每根缆
线，该方法在连续样本内执行。因此，一根缆线可被标记为在n个样本内故障，同时在相同的时间段内，另一缆线不故障。可禁用连接到故障缆线的相应致动器。在一些实施方案中，可禁用其他致动器(除连接到故障缆线的致动器之外)，以防止由于断路的缆线而在端部执行器处可能产生的工具的较不可预测的移动。
47.图5示出了用于检测缆线断路的方法80，类似于图4中所示的方法。该方法包括在操作82处检查附加条件。在操作82处，该方法包括将缆线延伸误差相对于第四阈值进行比较，该第四阈值可被确定为建模的缆线延伸与测量的缆线延伸之间的差值。因此，除了其变化率之外，该方法还考虑建模的缆线延伸与测量的缆线延伸之间的差值，这可进一步减少假阳性。当所有条件被示为故障时，则系统可采取补救措施，如参考图4所述的。
48.图6a至图6d示出了缆线断路时的缆线的力。红色虚线示出阈值，并且y轴表示缆线的张力误差。这些示例示出了为什么需要张力误差和其时间导数两者能够避免假阳性。在一些情况下，可超过阈值但不断路。在其他情况下，变化率可较高但不具有缆线断路。
49.图7a至图7d示出了缆线延伸误差，该缆线延伸误差是在缆线故障时建模的缆线延伸与测量的缆线延伸之间的差值。应注意当缆线接近断路时(如图7a和图7c所示)缆线延伸误差的急剧增加，其可由缆线延伸误差的时间导数限定。
50.图8a至图8d示出了在故障期间不同缆线的缆线张力的变化率。在此，缆线张力是缆线的感测的张力。如图所示，缆线张力相对于时间的变化率正好在缆线断路之前急剧增加。
51.出于解释的目的，前述描述使用特定命名来提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，实践本发明不需要具体细节。出于举例说明和描述的目的，已经提供了本发明的特定实施方案的前述说明。它们并非旨在为详尽的或将本发明限制为所公开的具体形式；根据上述教导内容可对本公开进行多种修改和改变。选择和描述实施方案是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明和具有适合于所设想的特定用途的各种修改的各种实施方案。
技术特征：1. 一种外科机器人系统，包括：外科机器人工具，所述外科机器人工具包括多根缆线，每根缆线耦接到i)近侧端部处的相应致动器，以及ii)所述工具的远侧端部处的端部执行器，使得所述相应致动器实现所述端部执行器的移动；以及一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置成：对于所述多根缆线中的每根缆线，a) 将张力误差相对于第一阈值进行比较，其中所述张力误差是所述缆线的预张力与感测的张力之间的差值，b) 将所述缆线的所述感测的张力的变化率相对于第二阈值进行比较，并且c) 将缆线延伸误差的变化率相对于第三阈值进行比较，其中所述缆线延伸误差是建模的缆线延伸与测量的缆线延伸之间的差值，以及对于所述缆线，当所述第一阈值、所述第二阈值和所述第三阈值中的所有阈值被超过时，禁用至少所述相应致动器。2.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中，所述测量的缆线延伸基于感测的缆线位置、所述缆线的所述感测的张力和缆线刚度来确定。3.根据权利要求2所述的外科机器人系统，其中，所述建模的缆线延伸至少基于对所述相应致动器的命令和将所述命令转换为所述建模的缆线延伸的运动学转化来确定。4.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中，所述一个或多个处理器被进一步配置成对于每根缆线将所述缆线延伸误差相对于第四阈值进行比较，以及仅当超过所述第一阈值、所述第二阈值、所述第三阈值和所述第四阈值中的所有阈值时才禁用所述至少相应致动器。5.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中，所述多根缆线中的每根缆线负载有10n的所述预张力。6.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中，所述外科机器人工具包括下列中的至少一者：抓持器、钩、剪刀或切割器。7.根据权利要求6所述的外科机器人系统，其中，所述外科机器人工具的移动是所述外科机器人工具的所述抓持器、所述钩、所述剪刀或所述切割器的钳口移动。8.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中，所述外科机器人工具的移动是所述外科机器人工具的腕部处的俯仰或偏航移动。9.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中，所述多根缆线包括四根或更多根缆线。10.一种用于用外科机器人工具检测故障执行的方法，所述外科机器人工具具有多根缆线，每根缆线耦接到i)近侧端部处的相应致动器，以及ii)所述外科机器人工具的远侧端部处的端部执行器，使得所述相应致动器实现所述端部执行器的移动，所述方法包括：对于所述多根缆线中的每根缆线，a) 将张力误差相对于第一阈值进行比较，其中所述张力误差是所述缆线的预张力与感测的张力之间的差值，b) 将所述缆线的所述感测的张力的变化率相对于第二阈值进行比较，并且c 将缆线延伸误差的变化率相对于第三阈值进行比较，其中所述缆线延伸误差是建模
的缆线延伸与测量的缆线延伸之间的差值；以及对于所述缆线，当在连续数量的样本内包括所述第一阈值、所述第二阈值和所述第三阈值的所有阈值被超过时，禁用至少所述相应致动器。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述测量的缆线延伸基于感测的缆线位置、所述缆线的所述感测的张力和缆线刚度来确定。12.根据权利要求11所述的外科机器人系统，其中，所述建模的缆线延伸至少基于所述相应致动器的马达的角位置和将所述角位置转换为所述建模的缆线延伸的运动学转化来确定。13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述一个或多个处理器被进一步配置成对于每根缆线将所述缆线延伸误差相对于第四阈值进行比较，以及当超过所述第一阈值、所述第二阈值、所述第三阈值和所述第四阈值中的所有阈值时，禁用至少所述相应致动器。14.根据权利要求10所述的方法，其中，每根缆线的所述预张力为10n，并且所述第一阈值为8n。15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述外科机器人工具包括下列中的至少一者：抓持器、钩、剪刀或切割器。16.根据权利要求15所述的外科机器人系统，其中，所述外科机器人工具的所述移动是所述外科机器人工具的所述抓持器、所述钩、所述剪刀或所述切割器的钳口移动。17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述外科机器人工具的所述移动是所述外科机器人工具的腕部处的俯仰或偏航移动。18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多根缆线包括四根或更多根缆线。19.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法在外科手术之前执行。20.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法在外科手术期间连续执行。
技术总结本发明提供一种与外科机器人系统一起使用的外科机器人工具，该外科机器人工具可包括实现外科机器人工具的移动的缆线。可通过检查多个条件来检测这些缆线中的任何缆线的制动。提供一种方法，该方法可：a)将张力误差相对于第一阈值进行比较，b)将缆线的感测的张力的变化率相对于第二阈值进行比较，并且c)将缆线延伸误差的变化率相对于第三阈值进行比较。如果超过所有阈值，则该方法可禁用相应致动器。则该方法可禁用相应致动器。则该方法可禁用相应致动器。
技术研发人员：E
受保护的技术使用者：威博外科公司
技术研发日：2020.03.19
技术公布日：2022/11/1
