用于外科手术的机器人系统，其包括具有由一个或更多个致动筋束致动的铰接式端部执行器的器械

技术领域

本发明涉及一种用于控制借助于用于外科手术的机器人系统的外科器械的一个或更多个致动筋束致动的铰接式端部执行器的方法以及相关的用于外科手术的机器人系统。

特别地，本发明涉及一种控制方法，该方法为关节相对于命令位置的位置误差提供补偿。

因此，本说明书更一般地涉及用于远程操作的外科手术的机器人系统的操作控制的技术领域。

背景技术

已知的用于医学和/或外科手术的机器人系统通常包括至少一个铰接式终端(或“铰接式端部执行器”或“端部执行器”)，用于与患者的解剖结构相互作用，无论是执行外科手术或显微手术程序(比如缝合、吻合、切口)，还是获取图像或诊断信息。

铰接式端部执行器通常由致动缆线(筋束)致动，该致动缆线将牵引动作传递到铰接式端部执行器。

用于医学和/或外科手术的机器人系统可以根据主从控制架构进行操作，例如其中由外科医生手持主机，或者它们可以以自主模式进行操作，例如通过执行一系列编程操作。

拟人机器人系统也是已知的，其中铰接式端部执行器包括拟人关节，比如机械手的指骨的关节，其通过施加在致动筋束上的牵引动作来实现。

机器人系统马达可以放置在铰接式端部执行器的上游，并且致动筋束可操作地连接到马达和铰接式端部执行器。铰接式端部执行器的姿态由机器人系统的马达的动作决定，该马达的动作由致动筋束传递。

用于多个自由度的运动的致动筋束的数量可以变化，但是通常两个对抗性筋束连接到铰接式端部执行器的同一自由度上，以使其沿相反方向移动。

因此，强烈需要提供一种能够确保马达的动作和铰接式端部执行器所采取的姿态之间的一致性的解决方案。

事实上，筋束在处于操作条件下时可能相互滑动接触，并且它们可能卷起，即相互交织，或者它们可能在铰接式端部执行器的壁上或在刚性或柔性或铰接式定位轴的壁上滑动。这些情况可能影响马达的动作向铰接式端部执行器传递的准确性，导致马达的动作和铰接式端部执行器的姿态之间的不匹配。

换句话说，由于致动筋束的机械行为导致由马达施加的动作的变形，可能无法实现预期的姿态。

此外，在小型化铰接式端部执行器的情况下，致动筋束的尺寸对于将马达的动作传递到铰接式端部执行器变得至关重要。事实上，随着规模的减小，筋束的能够以精确量恢复的纵向变形变得越来越重要。

为了促进铰接式端部执行器的小型化，可以采用聚合物致动筋束，例如同一申请人名下的WO-2017-064303和US-2021-0106393所示。

这种类型的致动筋束允许减小筋束的摩擦和直径，允许行进非常小的连接半径。

此外，小型化的铰接式端部执行器通常布置在定位轴的远侧端部处，这迫使致动筋束相对于仅在轴的远侧端部处沿着铰接式端部执行器装置的筋束拉伸程度而言延伸相对较长的拉伸。这种长而细的筋束的设置增加了筋束在处于操作条件下时在纵向方向上的可变形性的发生。

例如，在绞盘传动系统中，筋束卷绕在旋转线卷轴上，并且可以彼此相交，即在卷绕期间交织在一起，从而局部地增加摩擦并可能导致马达的动作的撕裂传动。

类似地，在筋束交织的情况下，即在医疗和/或外科器械的轴的延伸部内交织的情况下，将在局部存在影响传动的摩擦增加。

换句话说，在上述情况下，由于不同筋束之间或同一筋束的不同部段之间的滑动摩擦现象，马达的动作和铰接式端部执行器的运动之间可能存在不匹配。

能够在马达的动作和铰接式端部执行器的运动之间产生不匹配的另一种情况可能源于单个致动筋束的固有弹性，该致动筋束在受力时可能伸长，吸收由相应的马达施加的动作的一部分，而不会将其有效地传递到铰接式端部执行器。典型地，当扰动停止时，变形的弹性恢复迅速发生，并且在特定情况下，当由马达施加的动作停止时，筋束可以立即恢复其弹性变形。

然而，这些动力特性可能将不需要的运动传递到铰接式端部执行器。例如，当马达停止工作时，铰接腕部的旋转关节可以被激活。

小型化铰接式端部执行器在医疗外科领域、以及拟人机器人领域、以及微电子、微机械、精密机械、制表业、珠宝和人造珠宝以及更普遍的自动化领域中是理想的。

特别是在医疗外科领域中，铰接式端部执行器是系统的无菌部件，并且在处于操作条件下时在无菌区域中工作，并且通常不可能或不希望为铰接式端部执行器配备主动传感器系统以允许机器人系统实时检测铰接式端部执行器自身呈现的姿态。

同时，在该领域中强烈感受到对铰接式端部执行器的极度小型化的推动，并且有必要对铰接式端部执行器的位置和铰接式端部执行器执行的动作进行智能控制，以确保安全性并同时确保可用性。

在根据主从控制架构远程操作的机器人系统的情况下，基于用户在主控制装置上施加的动作来控制马达的动作。主控制装置可以是操纵杆的形式，即从主操作控制台悬臂伸出的机械附件，并且可以包括根据铰接式端部执行器的传感器系统检测到的信息向用户返回触觉反馈的机动力反馈系统。

远程操作机器人系统也是已知的，其中主控制装置是“不接触地的”，即不受地面的限制，其中可以不包括触觉反馈系统。

因此，在不同领域都非常需要设计一种解决方案来确保由机器人系统的马达所施加的动作与铰接式端部执行器所执行的动作之间的一致性，避免在铰接式端部执行器本身上包括传感器系统。

同时，需要使机器人系统的铰接式端部执行器小型化，而不导致降低对铰接式端部执行器本身的控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于控制铰接式端部执行器的方法，该铰接式端部执行器由用于外科手术的机器人系统的外科器械的致动筋束致动，该方法允许至少部分地克服上文参考背景技术列举的缺点，并响应在所考虑的技术领域中特别感受到的上述需求。这个目的是通过根据权利要求1所述的方法实现的。

权利要求2-32中限定了这种方法的进一步实施例。

本发明的另一个目的是提供一种用于外科手术的机器人系统，该机器人系统适于由前述控制方法控制，和/或被配置成执行前述方法。这个目的是通过根据权利要求33所述的系统实现的。

权利要求34-51限定了这种系统的进一步实施例。

前述方法提供了上述技术问题的解决方案。

事实上，借助于所提出的解决方案，可以在致动筋束的操作条件下使用行为模型来创建旨在致动小型化铰接式端部执行器的机器人操纵器的马达的位置控制方法。

马达位置控制是基于由马达施加到传动单元的力的检测信息的反馈操作控制回路，该传动单元至少包括所述致动筋束。

关于所施加的力的信息可以通过放置在马达上的在与传动单元对接部处的负载元件来检测。例如，传动单元包括刚性元件(例如活塞)，该刚性元件与马达和致动筋束接合，该致动筋束连接到铰接式端部执行器并可刚性地连接到刚性元件(例如胶合到活塞)。因此，在马达和可刚性地连接到致动筋束的传动单元的刚性元件之间的对接部处检测到的力基本上等于施加在致动筋束上的牵引力。在马达和致动筋束之间的连接不是刚性的情况下，该方法可以考虑马达和筋束之间的连接的屈服性。

关于所施加的力的信息用于实时估计致动筋束的弹性伸长。例如，如检测到的那样，致动筋束的弹性伸长可以与马达施加到传动单元的力成比例。

借助于所提出的解决方案，可以确保马达的动作和铰接式端部执行器所呈现的姿态之间的一致性，避免向铰接式端部执行器添加传感器，尽可能地将用于检测控制方法的有用信息的传感器保持在“上游”。例如，在医疗外科领域，这允许将传感器保持在无菌区域之外。

在提供远程操作的主从机器人系统的情况下，所提出的解决方案有助于确保主装置的动作与从装置的铰接式端部执行器所采取的姿态之间的一致性，从而最大限度地减少主从跟踪延迟。

借助于所提出的解决方案，可以补偿马达的动作和铰接式端部执行器所呈现的姿态之间的所述不匹配的弹性分量。

借助于所提出的解决方案，可以基于马达施加的力以精确和受控的方式使用长而细并且经受高弹性变形的致动筋束。

借助于所提出的解决方案，借助于由传动单元执行的传动动作的模型，基于所检测到的施加到传动单元的力，可以精确地估计铰接式端部执行器的当前姿态。

根据本发明的方法特别适用于但并非唯一地旨在控制用于外科手术的机器人系统，其不一定是主从类型的。

根据本发明的方法适于控制拟人机器人系统，该系统不一定包括由致动筋束致动的机器人指骨。

附图说明

参考附图，根据以下以非限制性指示方式给出的优选示例性实施例的描述，根据本发明的方法的进一步特征和优点将变得清楚，其中：

图1示出了根据一个实施例的用于远程操作外科手术的机器人系统的轴测图；

图2示出了图1中的用于远程操作外科手术的机器人系统的一部分的轴测图；

图3示出了根据一个实施例的机器人操纵器的远侧部分的轴测图；

图4示出了根据一个实施例的外科器械的轴测图，其中筋束以虚线示意性示出；

图5示意性地示出了根据可行的操作模式的外科器械的铰接式端部执行器的自由度的致动；

图6、图7、图7(2)和图7(3)示出了根据本发明的控制方法的实施例的操作方面；

图8是示出根据可行的操作模式的调节方法的步骤的流程图；

图9示出了根据一个实施例的外科器械的机动化致动器、传动元件和筋束；

图10是根据可行的操作模式的外科器械的一部分和机器人操纵器的一部分的示意性剖视图，示出了外科器械的自由度的致动；

图11示出了根据一个实施例的为了清楚起见示出外科器械的铰接式端部执行器的局部剖面轴测图；

图12描绘了根据本发明的实施例的控制/补偿方法在时域中时的框图；

图12(2)和图12(3)描绘了根据本发明的实施例的控制/补偿方法在两种不同条件下在Z变换域中的两个框图；

图13和图14示出了根据各种可能的操作模式的可以应用或抑制执行根据本发明的控制/补偿方法的外科器械的一些操作条件和/或状态。

具体实施方式

参考图1-图14，描述了一种用于控制由用于外科手术的机器人系统的外科器械20的一个或更多个致动筋束致动的铰接式端部执行器40的方法。

铰接式端部执行器在下文中也被称为“铰接式端部装置”或“端部执行器”(常用英语术语)。

该方法有利地可在外科器械的操作阶段期间执行。

该方法应用于外科器械20，该外科器械包括铰接式端部执行器40和至少一个致动筋束31、32、33、34、35、36，该致动筋束被配置成致动铰接式端部执行器40。

该方法应用于外科手术的机器人系统，除了所述外科器械20之外，该机器人系统还包括控制器件9和至少一个机动化致动器11、12、13、14、15、16，该机动化致动器可操作地连接到相应的所述至少一个致动筋束31、32、33、34、35、36，以在控制器件9的控制下向相应的致动筋束施加动作，以便确定一个或更多个机动化致动器11、12、13、14、15、16的至少一个运动与铰接式端部执行器40的相应至少一个运动之间的单义相关性。

该方法首先包括在外科器械的前述操作阶段期间检测由前述一个或更多个机动化致动器11、12、13、14、15、16中的至少一个施加的力Fm的步骤。

该方法然后包括以下步骤：基于检测到的力Fm，借助于预定义的数学模型来估计一个或更多个致动筋束31、32、33、34、35、36中的至少一个由于致动筋束的弹性伸长而导致的长度变化；然后将估计的长度变化用于一个或更多个机动化致动器11、12、13、14、15、16的位置控制。

这种位置控制包括考虑所述至少一个致动筋束31、32、33、34、35、36的估计长度变化，在前述至少一个机动化致动器11、12、13、14、15、16上施加运动，以便减小或消除由铰接式端部执行器40到达的位置和铰接式端部执行器40的期望标称位置之间的由所述弹性伸长所引入的误差。

例如，这种期望的标称位置可以是在没有弹性伸长的情况下获得的位置。

应该注意的是，前述减小或消除由弹性伸长引入的误差的技术效果可以包括或对应于对这种误差的“补偿”和/或这种误差的“最小化”。

根据机器人系统是主从系统的实施例，其中外科器械是由机器人系统的主装置根据控制模式命令的从装置，该方法允许在主装置命令的姿态和从装置的铰接式端部执行器40达到的姿态之间实现预定的运动学一致性(即，在没有外力的情况下，它允许在限定时间内最小化由主装置命令的姿态和从装置的铰接式端部执行器40达到的姿态之间的误差)。

根据该方法的实施例，其中机器人系统是主从系统，其中外科器械是由机器人系统的主装置根据控制模式控制的从装置，施加的步骤考虑了由用户执行的命令动作。

根据替代实施方式，该方法适用于没有主装置或者主装置暂时或永久地停用的自主机器人系统。

根据一个实施方式选项，该方法适用于不受约束的主装置(即，“飞行”或“不触地”)。

根据一个实施方式选项，该方法应用于没有力反馈系统的主装置，由此用户不从主装置接收信息。

根据该方法的实施例，其中外科器械20包括多个致动筋束31、32、33、34、35、36，并且用于外科手术的机器人系统包括相应的多个机动化致动器11、12、13、14、15、16，在多个或所有机动化致动器11、12、13、14、15、16上执行前述检测力的步骤；针对多个或所有致动筋束31、32、33、34、35、36执行前述估计步骤；在多个或所有机动化致动器11、12、13、14、15、16上执行前述施加步骤。

根据一个实施例，该方法包括验证与机器人系统的状态相关的信息的额外步骤；然后，基于与机器人系统的状态相关的一个或更多个条件，由控制器件9决定是否执行在机动化致动器上施加运动的前述步骤，以减少和/或消除和/或补偿由弹性伸长引入的误差；以及只有在满足前述一个或更多个条件的情况下才执行施加步骤。

根据一个实施例，该方法应用于具有手持式不受限制的主装置的机器人系统，该主装置适于由操作者移动并由操作者根据与显微外科从属器械的闭合和/或夹持相关联的自由度进行操纵。

在这种实施例的一个实施方式选项中，规定当在远程操作期间外科器械处于夹持状态时，对于连接到夹持自由度的相应的至少一个致动筋束的至少一个机动化致动器，抑制在机动化致动器上施加运动的前述步骤，以减少和/或消除和/或补偿由弹性伸长引入的误差。

在这种实施例的另一实施方式选项中，当在远程操作期间外科器械处于夹持状态时，对于连接到夹持自由度的相应的至少一个致动筋束的至少一个机动化致动器，在机动化致动器上施加运动的前述步骤根据0和1之间的比例系数而减少。

在这种实施例的另一实施方式选项中，对于连接到夹持闭合自由度的相应两个对抗性致动筋束的两个机动化致动器，或者对于连接到夹持闭合和夹持打开自由度的对抗性致动筋束对的四个致动筋束的四个机动化致动器，抑制在机动化致动器上施加运动的前述步骤。

在这种实施例的另一个实施方式选项中，对于连接到夹持闭合自由度的相应两个对抗性致动筋束的两个机动化致动器，或者对于连接到夹持闭合和夹持打开自由度的对抗性致动筋束对的四个致动筋束的四个机动化致动器，在机动化致动器上施加运动的前述步骤根据0和1之间的比例系数而减少。

在这种实施例的另一实施方式选项中，提供了对所有机动化致动器抑制在机动化致动器上施加运动的前述步骤。

在这种实施例的另一个实施方式选项中，对于所有机动化致动器，在机动化致动器上施加运动的上述步骤根据0和1之间的比例系数而减少。

根据一个实施方式选项，该方法在操作阶段(此处定义为“不挤压”，如图13所示)执行，在该操作阶段中，远程操作处于激活状态，并且操作者在主运动的区间内(不是在夹持力的区间内)移动与显微外科从属器械的闭合和/或夹持相关联的主装置的自由度(闭合角度大于特定阈值)，该主运动传递成端部执行器的对应运动。

相反，补偿方法在远程操作处于激活状态且操作者保持主控器超过夹持阈值(闭合角小于某个阈值-“挤压”条件，如图13所示)的阶段(此处定义为“冻结”)中被抑制，同时将补偿值保持在与进入“冻结”步骤时相同的水平。

根据一个实施例，在该实施例中，主装置是手持式、不受限制的主装置，该主装置适于由操作者移动并适于由操作者根据与显微外科从属器械的闭合和/或夹持相关联的自由度进行操纵，在远程操作结束时，当外科器械处于夹持状态并且希望保持夹持状态时(这里定义为“保持挤压”的状态)，对于连接到相应的致动筋束的所有机动化致动器，在机动化致动器上施加运动的上述步骤被抑制。

根据一个实施例，该方法规定，当在非夹持状态下退出远程操作时，在重新进入新的远程操作之前，移除在先前远程操作期间一个或更多个致动筋束中的每一个的估计长度变化。

根据一个实施方式选项，在这种情况下，弹性补偿作用被移除，从而使外科器械返回到已知的初始零位。

根据一个实施例，前述一个或更多个致动筋束31、32、33、34、35、36中的每一个都操作性地连接到机器人手术系统的相应机动化致动器并连接到前述铰接式端部执行器40，以致动铰接式端部执行器40的一个或更多个自由度(P、Y、G)中的相应自由度。

根据实施方式选项，铰接式端部执行器40的自由度包括俯仰自由度和/或偏转自由度和/或夹持自由度。

根据实施方式选项，所述一个或更多个致动筋束31、32、33、34、35、36中的至少一个致动铰接式端部执行器40的旋转自由度。

根据一个实施例，检测由机动化致动器11、12、13、14、15、16施加的力的前述步骤由可操作地连接到相应的机动化致动器的相应力传感器或扭矩传感器来执行。

根据实施方式选项，这种传感器是位于相应马达的接触对接部上的力传感器(例如，在无菌侧)。

根据实施方式选项，这种传感器是扭矩传感器。

根据一个实施例，以检测频率Fr连续地执行检测力Fm的步骤，并且以位置控制频率Fcp连续地执行一个或更多个机动化致动器的前述位置控制。

设置前述检测频率Fr和位置控制频率Fcp，以确保相对于远程操作的致动时间，基本上实时补偿弹性伸长，即以用户无法感知的动态实时补偿。

根据实施方式选项，前述检测频率Fr和位置控制频率Fcp一致，并且包含在100Hz和1000Hz之间的区间内。

因此，在这种情况下，在每个周期T基于在同一周期检测到的力Fm来执行补偿方法，该周期在包括在1至10ms之间的区间中。

根据一个实施例，估计步骤包括将致动筋束的长度变化估计为在致动筋束上检测到的力的模量Fm与有效弹性常数值K之间的比率，该有效弹性常数值可以通过实验确定、计算或预先确定，以便确保系统响应稳定性。

根据一个实施例，使用估计的长度变化进行位置控制的步骤和在相应的机动化致动器上施加运动的步骤基于以下方程式执行：

其中这种方程式对于每个机动化致动器是特定的，因此可以确定对每个机动化致动器的特定控制。

在上面的方程式中，u是机动化致动器的指令位置，Kel是致动筋束的弹性常数(在下文中，如果通过实验确定，这样的弹性常数也将表示为K_exp)，Ω是乘法参数。

根据一个实施方式选项，乘法参数Ω大于1，使得计算中使用的有效弹性常数值K＝ΩKel比筋束弹性常数值大一定系数，该系数等于前述乘法参数Ω，从而确保有效筋束弹性常数值K被高估，因此大于相同致动筋束的弹性常数Kel。

在前述实施例中，一个重要方面涉及实验确定的弹性常数(Kel或K_exp)与模型中使用的弹性常数K之间的比率，也定义为“有效弹性常数值K”。

特别地，在此类实施例中，如上所示，对于算法的收敛需求，算法中使用的值K必须大于实验确定的值K_exp。

前述参数Ω定义了K和K_exp之间的比率，该比率包含在100％和150％之间的区间中，并且优选地从+10％到+50％。

根据实施方式选项，这样的乘法参数在0.7和1.5之间。

根据前述实施例的实施方式选项，根据机器人系统的状态和/或根据主装置和/或从装置的空间条件和/或远程操作持续时间，以可变方式确定前述有效弹性常数值K，并因此确定乘法参数Ω。

换句话说，K可以根据远程操作的持续时间而变化，或者根据它所处的(主或从)工作空间的点而变化；或者改变系统一致性和稳定性之间的折衷度。在远程操作期间可以重新估计K的值：例如，随着力的突然大幅增大，K的值可以根据稳定性需求而变化/调整。

K值可以根据经验调整，与实际筋束的弹性刚度值无关。例如，K的值可以在实验的基础上进行选择，以说明筋束-器械系统的分散性(例如，由于筋束的伸展上的局部滑动摩擦)，因此当单独考虑时，K的值不一定与筋束的实际弹性常数相关。

根据一个实施方式选项，如果单独考虑，K的值是筋束弹性常数值的低估。

根据实施方式选项，K的值以任意方式通过实验选择，以便通过实验确保系统稳定性。

根据一个实施例，补偿方法在存在低于40N的检测力值的情况下执行。

应当注意，根据与连续检测的力区间Fm相关的几种可能的实施方式，该算法可以在整个谱范围上工作。

在一个实施方式选项中，其中该方法应用于用于显微外科手术的机器人系统，其在这种情况下存在较低力的情况下进行，即小于40N的力，例如大约10N的力。

这种实施方式选项的优点是确保操作期间的补偿。

根据一个实施例，该方法应用于外科器械20，该外科器械还包括至少一个传动元件21、22、23、24、25、26，该传动元件可操作地连接到相应的至少一个致动筋束31、32、33、34、35、36，并且可操作地连接到相应的机动化致动器11、12、13、14、15、16。

因此，在这种情况下，外科器械包括多个“传动单元”，每个传动单元包括致动筋束和活塞，其中优选地，筋束固定到活塞，并且相应的机动化致动器通过在传动单元的活塞上施加位移来起作用。

根据一个实施方式选项，外科器械包括6个传动单元，即6个筋束、6个机动化致动器和6个活塞。

根据一个实施方式选项，每个传动单元(即，每个马达-活塞-筋束链)被单独地管理。

根据另一个实施方式选项，对抗性传动单元(以及对抗性筋束)被成对地管理。

根据一个实施方式选项，施加运动和/或施加力的步骤包括控制每个机动化致动器的运动，使得传动元件的运动包括归因于相应致动筋束的伸长或松弛的基于每个致动筋束的估计长度变化并基于所述致动筋束的模量和刚度的补偿。

根据一个实施方式选项，通过关联虚拟零点，在机器人系统中定义参考运动学零点条件，由控制器件向机动化致动器施加的运动将相对于存储的参考位置对该虚拟零点进行参考。在这种情况下，在每个所述传动元件上施加运动和/或施加力的步骤包括计算校正的运动学零点，该校正的运动学零点考虑了所执行的补偿。

根据一种实施方式选项，在每个传动元件上施加运动和/或施加力的步骤包括借助于双反馈操作回路向传动元件施加力，其中插入弹性补偿校正，该弹性补偿校正并列于由于运动的运动学机构的机动化致动器的位移。

根据一个实施例，在机动化致动器是步进电机致动器的情况下，通过速度控制来执行位置控制，该速度控制在已知工作时间单位的情况下确定位置控制。

在这种实施例的实施方式选项中，速度和位置控制借助于反馈操作的控制回路来执行，其中增益参数(Kp)的尺寸被确定为确保补偿以低于最大收敛时间的时间常数收敛。

根据实施例，这种最大收敛时间小于一秒，并且优选地包括在100ms和200ms之间的区间中。

根据实施方式选项，速度控制包括运动学分量和动态补偿分量。

动态补偿分量接收检测到的力Fm作为输入，根据前面指出的方程式计算由于致动筋束的弹性而损失的估计位移，并且借助于被调谐成具有符合稳定性要求的动态特性的比例控制器，它产生添加到所述速度运动学分量的速度补偿贡献。

将前述运动学和动态速度贡献的总和作为输入提供到待控制的机动化致动器。

运动学分量和动态分量的控制器优选是并行的。

根据一个实施例，根据比如主装置或从装置的位置和/或机器人系统的老化或状态等条件，位置控制和/或速度控制对多个机动化致动器以共同的方式执行，例如通过基于共同的有效弹性常数值对每对对抗性筋束执行联合控制。

根据一个实施例，仅当检测到的力Fm低于最大操作力值Fmax时才执行位置和/或速度控制，并且当甚至只有一个机动化致动器检测到大于这种最大操作力Fmax的力时，该方法的执行被抑制。

事实上，在这种情况下，需要可以用于安全限制的最大力来防止算法发散，即为了确保收敛。

如上所述，替代地，控制器可以作用于许多筋束并考虑整个控制系统的状态。

在一个实施例中，当只有马达中的一个高于特定阈值时，算法被停用。

根据一个实施例，伸长补偿参数根据铰接式端部执行器40的姿态以受控和可变的方式确定，以考虑与不同姿态相关的不同摩擦。

例如，端部执行器连杆上的筋束的卷绕角度在一个筋束和另一个对抗性筋束之间可以不同，例如当接近偏转自由度的行程末端时。在此类实施例中，每个筋束连杆的在限定接触路径的凸形弯曲表面上滑动；某一时刻筋束在所有连杆(筋束固定的连杆除外)的凸形弯曲表面上的所有接触路径之和定义了一个卷绕角度。

因此，成对的两个对抗性筋束之间的连杆-筋束摩擦力并不总是相同的，而是根据腕部的姿态而变化。该算法识别腕部的姿态，从而以不同于另一筋束的方式补偿一条筋束的弹性。

在该实施例中，该算法能够基于腕部(端部执行器)的已知或计算的运动学位置来将变量值K的确定和/或补偿的抑制或操作和/或补偿方法的使用关联在一个筋束上而不是在另一根筋束上。

在一个实施方式选项中，存储实验数据，并且/或者根据由滑动摩擦导致的腕部的姿态对每个筋束上的预期力进行数学计算机建模。

如果物体被撞击或移动(导致作用在端部执行器上的外力增加)，则检测到的与成对的筋束中至少一个筋束相关的力会增加而不激活自由度。在这种情况下，根据实施示例，该方法可以改变K和/或抑制补偿操作和/或在一个筋束上而不是在另一筋束上使用补偿方法。

更一般地，在一个实施例示例中，确定由机动化致动器上的传感器读取的力的增加是由于腕部的运动还是由于外力，并相应地调整补偿。

根据一个实施例，该方法应用于优选地由交织的聚合物纤维形成的聚合物致动筋束。

根据一个实施例，机器人系统是用于显微外科手术远程操作的机器人系统，并且外科器械是显微外科器械。

再次参考图1-图14，下文将参考该方法的一些特定实施例，通过非限制性示例提供进一步的细节。

首先应该注意的是，在远程操作期间，用户能够借助于运动学关系来控制器械，该运动学关系将主装置的位移与机动化致动器的位移相关联(例如，容纳在马达箱中的六个线性机动化致动器)。

器械的可控性还通过前述机动化致动器和仪器本身的后端的相应活塞之间的机械联接来确保。

因此，可以预见一个称为器械“接合”的程序，该程序确保这种联接的正确成功。接合程序是器械本身每个控制操作的必要条件。

在该实施例中，存在于马达箱中的线性致动器能够通过由筋束系统组成的适当传动系统来控制存在于外科器械的腕部(即，端部执行器或铰接式端部装置)中的三个自由度(前述的“偏转”、“俯仰”和“夹持”)。

特别地，显微外科器械的可控部分由两个末端组成，具有共享的自由度(俯仰)和每个末端特有的自由度(偏转)。在该表示中，夹持自由度因此可以被定义为显微外科器械的两个末端的命令偏转值之间的差异。

在这种机构中，器械活塞和腕部之间的联接借助于用于前述每个自由度的两个对抗性筋束来实现：两个对抗性筋束用于控制“俯仰”自由度(由两个末端共享)，并且两个对抗性筋束用于控制两个末端中的每个末端的“偏转”自由度。

近似地，将器械的六个活塞结合到器械的末端的运动学定律认为马达箱的活塞通过不可拉伸的筋束连接到显微外科器械的两个末端。正如在前面的描述中已经观察到的，器械的鲁棒性和有效控制所需的模型精度要求考虑筋束在受力时会发生可逆和不可逆变形。

特别地，这里使用的致动模型提供了通过专用机械联接由六个马达致动的器械活塞，该专用机械联接将马达的位移直接转换成相关活塞的位移。由于器械的不可忽略的内部摩擦，马达的位移导致在相关活塞上施加力。该命令转化为相关筋束的周期性伸长。

尽管忽略了运动的动态分量和外力的存在，但从静态平衡时系统的单独分析来看，很明显，适于控制器械的自由度的控制系统必须考虑以下加在一起的分量：

活塞的位移，以允许腕部达到期望的构造；

存在前述活塞的适于补偿线缆的伸长的位移。

在该实施例中，作为示例，描述了一种算法，其目标是确保主装置和从装置之间的运动学一致性，补偿所述筋束的弹性伸长，同时考虑内部和外部稳定性条件。

在这种情况下，假设塑料部件可以忽略，或者在任何情况下都可以通过控制系统的其他适当设计的部件来补偿。

该算法基于由致动器施加的力的可观测性以及根据胡克定律计算的弹性损失的开环且实时的补偿。根据一个实施方式选项，该算法在机器人远程操作阶段期间起作用。

根据前面段落中的假设，每个马达-活塞-筋束系统都可以被视为一个独立的系统，并如图7(3)所示进行图形化建模。作为第一近似值，末端上的外力或由对抗性筋束引起的外力不予考虑。

特别地，马达被适当地定尺寸并且以比所讨论的模型快得多的动态特性被控制，使得马达的动态特性可以用位置上的纯位移进行建模。在这种情况下，马达的受控排量u对应于施加在活塞上的力Fp。然后，通过放置在马达和活塞之间的接触表面上的适当的力传感器来获取马达在运动期间经受的反作用力Fm＝-Fp。假设马达-活塞联接始终得到保证。

因此，活塞传递筋束上的力Fp，该筋束在牵引作用下传递显微外科器械的末端上的运动，其中力Fp(作用在与器械末端成一体的非零半径旋转关节的外表面上)被扭矩Ma平衡，该扭矩汇总了最终旋转关节上存在的摩擦力。

参考图5，由于滚珠轴承(图中用圆圈表示)引入的摩擦力相对于Fp可以忽略不计，因此轴承之间的缆线部段的力可以认为与朝向腕部的缆线部段的力相同。

由于缆线端部部段(包括在腕部俯仰关节和端部节点之间)通常比缆线的总长度小两个数量级，因此这种端部部段的伸长可以忽略不计。因此，可以考虑筋束弹性常数Kel和沿整个缆线的恒力Fm，并且伸长率计算为|Fm|/Kel：

r＝u–|Fm|/Kel (1)

其中，Kel是筋束弹性常数，在这种情况下计算为Kel＝EAL(其中E＝杨氏模量，A＝缆线截面，L＝缆线长度)，其中r是末端的实际运动。

在一个实施例中，尽管聚合物筋束对于特定的致动方法经受循环并且因此由可变的Kel控制，但是Kel可以被认为是恒定的。这是由于以下事实，同样对于特定类型的致动，每个自由度由两个对抗性筋束控制，其中可以说只有与推动马达相关联的筋束有助于在期望方向上的实际位移，而对抗性筋束以可忽略的力设置，以避免与运动相反的力分量。因此，可以将值Kel近似为反映所讨论的聚合物纤维的滞后循环特性的上升前沿的恒定值。

|Fm|是由活塞施加并由适当的力传感器测量的力的模量，u是由马达控制的位置，并且r是非零关节的外表面上的一点的位移，该点与来自比率y＝r/R的末端y的角旋转相关联，其中R是旋转关节的半径。

从等式(1)开始，我们得到：

y＝ (u-|Fm|/Kel) /R (2)

在这种情况下，控制算法的目的是为马达提供适当的控制位置u，以便：

1.最小化期望位置x和最终位置r之间的误差；此外，有必要确保最终位置r的渐近稳定性，以及其在限定时间内的可达性；

2.确保系统(有限u和Fm)在边界情况下对于任意长的时间间隔的内部稳定性，由于例如外力的存在或静摩擦的存在，端部执行器在期望的目标位置变化处没有运动。

不失一般性地，假设致动器由离散速度控制进行控制。致动器的控制动态可以被认为比所讨论的系统的动态快得多，因此在任何时刻t(算法的离散执行时间的倍数)，位置u可以被认为等于直到该时刻发送到马达的速度v的时间积分。

图12显示了Delta_r≠0(系统处于运动状态)时的控制算法。类似地，在Delta_r＝0的情况下，物理系统模块中的等式类型为Fm＝Kel u。

因此，在Delta_r≠0的情况下，所提出的算法在z变换的空间中离散建模表现为如图12(2)所示；并且在Delta_r＝0的情况下表现为如图12(3)所示。

应当注意的是，在本文描述的实施例中，该算法不假设已知端部执行器是静止的还是运动的，而是根据下文所示的步骤进行。因此，图12、图12(2)和12(3)必须简单地理解为在z变换的空间中描述的示例性建模。

在该实施例中，所提出的算法旨在彼此独立地在每个马达-活塞-传动装置-筋束系统上执行。

因此，该算法由以下步骤组成。

a)实时获取由马达施加在活塞上的力模量|Fm|，例如借助于放置在马达和活塞之间的接触表面上的测压元件。

b)假设筋束经历的伸长仅为弹性类型，其计算如下：Δ_stretch＝(|Fm|)/K，其中筋束弹性常数k先前通过实验估计(优选形式为

c)所获得的值Δ_stretch用作比例控制器的参考值，该比例控制器在每个控制周期返回前馈中的速度Vstr(z)分量，该分量将被添加到所命令的运动学轨迹中，以便补偿筋束伸长。可以证明，适当校准的比例控制器是获得如此建模的系统稳定性的充分条件。

最后，在该实施例中，算法的激活和去激活的管理基于以下段落中描述的状态机。

涉及以下参数。

K-估计的筋束弹性常数(也定义为“有效弹性常数值”)

弹性常数是一个关键参数，因为根据所提出的模型，为了确保控制变量u(z)受到限制，该值要比真实值(通过实验获得)k_exp大得多。

特别地，考虑扭矩Me补偿或超过由力Fm产生的扭矩(端部执行器没有运动，例如由于强静摩擦的存在或对抗性筋束的主动存在，或作用在端部执行器上的外力)的情况。在这种情况下，力Fm取决于缆线的伸长，并且因此

Fm＝-Ku

其中K＝Ωk_exp。因此，由传感器测得的力为Fm＝Ωk_exp u，其中Ω>1，由此向马达发出的命令u＝Fm/(Ωk_exp)。

根据图12所示的模型，受控变量u(z)可以表示为输入xkine(z)的函数。由控制器、致动和物理系统形成的系统的z变换空间中的传递函数如下：

具有单个极点

根据离散系统分析研究，如果其极点完全包含在单位圆内，即当以下关系成立时，这种参考函数是稳定的：

其中对于K>k_exp的值，考虑其在K_p>0的情况。随着K的增加，系统的稳定裕度也增加。K大于实际k_exp的物理意义相当于补偿了比物理系统中存在的伸长更小的伸长。

如果Delta_r≠0(考虑图12(2))，可以通过分析误差的趋势来执行由差值K–K_exp引入的误差的评估：

e＝r-u

在这种情况下，可以将误差表示为

E(z)＝R(z)-Xkine(z)

位置Xkine(z)和力Fm(z)的MISO系统函数：

E(z)＝F

其中

F

即

对于F

这表明只有当K＝k_exp时才获得完全的误差补偿。在这种情况下，根据所提出的算法，K的选择取决于补偿的筋束伸长量和算法本身的鲁棒性之间的折衷。

因此，这种参数的精细调整取决于实际物理系统相对于所用模型的变化以及阻碍显微外科器械的末端的运动的桩处的力的发生率所给出的经验因素。

应该注意到，系统的动态作为第一近似反映了一阶系统的动态，即，控制参数的适当选择将确保位置在期望目标处的单调收敛。

最后，应该注意，由于受控系统的性质，无法知道算法先验地收敛到的最终力Fm。因此，这样的值Fm收敛到基于所施加的轨迹的动态、物理塑性-弹性伸长特征、系统的外部扰动和系统内部的摩擦的力值。

替代地，或附加地，如上所述，常数K可以根据经验选择，而不管实际的筋束弹性常数的值。因此，乘法参数Ω的值可以小于1，例如在0.7和1之间。在一个实施例中，乘法参数Ω的值属于区间0.7-1.5。

K_p：算法收敛速度。

参考上一段中的方程式，显而易见的是，如果超过静摩擦力，则传递函数sys 2(z)在位置1-K_p处具有单个极点。在这方面：

0

收敛速度增加了K_p→1。然而，随着收敛速度的增加，系统的相位裕度减小。

如果没有超过静摩擦力，则传递函数sys 1(z)在以下位置存在单个极点。

在这种情况下，对于K_p→1，动态由比率(K_exp)/K决定(其中K值的增加对应于以算法本身的精度为代价获得的较高收敛速度)。对于较小K_p，算法的动态主要由K_p决定。

根据前面段落中的考虑，因此清楚的是，考虑到算法的性质，如果要在限定时间内收敛给定的力，则不可能补偿100％的弹性伸长。增益K_p的选择和估计K的精度既满足稳定性标准，又保证反映主从远程操作的时间可用性要求的收敛时间。

过慢的算法可能损害显微外科器械对由操作者提供的命令的响应的直观性。应当注意，可控参数v(z)和u(z)(分别为瞬时致动器速度和位置)受到所考虑的致动系统的物理振幅和带宽限制。类似地，变量F_m(由致动器在时间t处提供的力)的可观测性受到所选测量器械的物理限制。最后，力F_m的大小必须足够小，以不影响致动系统的动态特性，这是因为基于纯位置命令的第一近似值。在这种情况下，参数K和K_p的选择还必须考虑上面列出的约束。

为了增加算法对非模型动态的鲁棒性，还引入了参数Max Force，该参数定义了算法能够工作的变量F_max的区间。

这种未建模的动态特性分为以下几类：

沿着器械整个传动装置的筋束摩擦，且未完全施加在端部点处；

由于施加到器械的末端的扭矩，在筋束上施加直接力；

不符合胡克定律的筋束可逆和不可逆地伸长；通过在开环中引入额外的补偿分量，可以减轻这些分量的影响，并且类似于已经完成的，研究整个控制系统的稳定性。

作为示例给出了一种可能的配置设置。这种设置除了依赖于前面段落中报告的参数之外，还与一种类型/种类的显微外科器械唯一地相关联。这种设置的识别是通过实验进行的，考虑了前面段落中列出的标准：

Kp＝0.02

K＝25N/mm

Max Force＝14N。

算法激活管理

所述器械的一个特点是能够抓取外科缝合线。借助于同时闭合属于显微外科器械的两个末端来实现夹持的概念。

在这种情况下，通过控制器械的夹持自由度来产生夹持力，抓取自由度不过是对显微外科系统的两个末端中的每一个的偏转自由度的朝向目标的镜像控制，这是器械本身的运动学不能达到的(因为它们需要末端本身的相互穿透，从而打破运动学约束)。因此，该系统表现为开环力控制，其中两个筋束的机械阻抗用于确定作为控制变量u(z)的函数的夹持力。

在这种情况下，补偿缆线伸长的需要失去了意义，因为这种伸长将是在端部执行器处存在力的原因。

根据上述考虑，重要的是确保算法不会以负面的方式干扰夹持的质量。为此目的，下文将分析可以使用该算法的器械的可操作性步骤。

器械的可操作性的步骤(或状态)可以总结如下。

保持：器械处于接合的状态，或者在马达箱中存在的致动系统和在器械中容纳的活塞之间存在运动学连续性。在这种状态下，用户无法直接控制器械。马达在活塞上施加并保持力F_0。因此，以作用在末端上的外力为代价来保持端部执行器的运动学位置。

操作：操作者通过使用特殊的主装置直接控制从装置的状态，即操作者能够随意移动显微外科器械的末端。特别地，如图13所示，用户能够通过将主装置的开口带入所述“操作挤压”区域的夹持区间内来调节夹持力。这种“操作挤压”状态可以分为两个子状态，称为：

操作不挤压：远程操作处于激活状态，并且操作者将主装置保持在夹持阈值以上；

操作挤压：远程操作处于激活状态，并且操作者将主装置保持在夹持阈值内。

弹性补偿算法在称为“操作不挤压”的状态下激活。在“操作挤压”状态下，由算法引入的前馈分量被冻结，即不可能改变由算法提供的位置偏移，直到返回到“操作不挤压”步骤。

在一个实施例中，参与相应末端的两个特定马达朝向器械内部关闭，由于如上所述算法收敛于任意力值，因此偏移的冻结是必要的，并且因此可能阻碍达到夹持所需的力。

可以通过想要中断对从装置的直接控制的操作者的直接命令来退出“操作”状态。放弃“操作”状态意味着转换到“保持”状态，穿过“释放”状态(如果处于“操作不挤压”子状态)或“冻结”状态(如果处于“操作挤压”子状态)。

释放：从操作不挤压到保持的中间状态。在这种状态下，通过从每个马达中移除弹性补偿分量来保留马达的运动学位置分量，从而可以在可重复的动态条件下恢复远程操作。

冻结：从操作挤压过渡到保持的中间状态。在这种状态下，马达被冻结在当前位置，以便在下一个保持步骤期间保持夹紧力。在另一个实施方式选项中，冻结步骤包括对运动学上参与夹持的筋束进行纯粹有力的控制。

图14示出了描述先前描述的状态以及从一个状态到另一个状态的转换的示意图。

从此类附图中可以看出，弹性补偿算法仅在远程操作步骤(操作)期间激活。当用户在“操作不挤压”范围内使用主装置控制器械时，算法在每个马达上激活，而如果用户在“操作挤压”范围内使用主装置进行远程操作，则有助于末端闭合的两个马达的弹性补偿的位置贡献在进入状态时被冻结，并且算法在这些马达上被停用。下一次进入“操作不挤压”时，所有马达上的算法将重新激活。

再次参考图1-图14，下文描述根据本发明的用于外科手术的机器人系统。

这种用于外科手术的机器人系统包括外科器械20、控制器件9、至少一个机动化致动器11、12、13、14、15、16和力检测器件。

外科器械20包括铰接式端部执行器40和至少一个致动筋束31、32、33、34、35、36，所述致动筋束被配置成致动铰接式端部执行器40。

至少一个机动化致动器11、12、13、14、15、16可操作地连接到相应的前述至少一个致动筋束31、32、33、34、35、36，以将由控制器件9控制的动作施加到相应的致动筋束，以便确定一个或更多个机动化致动器11、12、13、14、15、16的至少一个运动和铰接式端部执行器40的相应至少一个运动之间的单义相关性。

力检测器件被配置成检测在外科器械的操作步骤期间由前述一个或更多个机动化致动器11、12、13、14、15、16中的至少一个施加的力Fm。

控制器件9被配置成执行以下动作：

基于检测到的力Fm，借助于预定义的数学模型来估计由于致动筋束的弹性伸长引起的前述一个或更多个致动筋束31、32、33、34、35、36中的至少一个的长度变化；

将所估计的长度变化用于一个或更多个机动化致动器11、12、13、14、15、16的位置控制，其中所述位置控制包括考虑到前述一个或更多个致动筋束31、32、33、34、35、36中的至少一个的所估计的长度变化而在前述一个或更多个机动化致动器11、12、13、14、15、16中的所述至少一个上施加运动，以便减少或消除由铰接式端部执行器40到达的位置和铰接式端部执行器40的期望标称位置之间的所述弹性伸长引入的误差。

根据一个实施例，机器人系统是主从系统，其中外科器械是由机器人系统的主装置根据控制模式控制的从装置。机器人系统被配置成允许在没有外力的情况下，在限定时间内最小化由主装置所命令的姿态和由从装置的铰接式端部执行器40所达到的姿态之间的误差。

根据机器人系统的实施例，外科器械20包括多个致动筋束31、32、33、34、35、36，并且用于外科手术的机器人系统包括相应的多个机动化致动器11、12、13、14、15、16。

根据该实施例的实施方式选项，在多个或所有机动化致动器11、12、13、14、15、16上执行前述检测力的动作，参考多个或所有致动筋束31、32、33、34、35、36执行前述估计动作，并且在多个或所有机动化致动器11、12、13、14、15、16上执行前述施加动作。

根据机器人系统的实施例，控制器件9还被配置成验证与机器人系统的状态相关的信息；基于与机器人系统的状态相关的一个或更多个条件，决定是否执行在机动化致动器上施加运动的步骤，以减少和/或消除和/或补偿由弹性伸长引入的误差；并且仅在满足前述一个或更多个条件的情况下执行前述施加动作。

根据一种实施方式选项，主装置是手持式、不受限制的主装置，其适于由操作者移动，并由操作者根据与显微外科从属器械的闭合和/或夹持相关联的自由度进行操纵。

在这种情况下，在远程操作期间，当外科器械处于夹持状态时，对于连接到用于致动夹持自由度的相应的至少一个致动筋束的至少一个机动化致动器，在机动化致动器上施加运动的前述动作根据0和1之间的比例系数被抑制或减少，以减少和/或消除和/或补偿由弹性伸长引入的误差。

根据该系统的实施例，由机动化致动器11、12、13、14、15、16施加的力的所述检测器件包括可操作地连接到相应机动化致动器的相应力传感器或扭矩传感器。

根据一个实施例，机器人系统被配置成以检测频率Fr连续地执行检测力Fm的动作，并且以位置控制频率Fcp连续地执行一个或更多个机动化致动器的前述位置控制。

设置前述检测频率Fr和前述位置控制频率Fcp，以便确保以最终用户无法实时感知的动态、以用户无法感知的动态实时补偿弹性伸长。

根据实施方式选项，前述检测频率Fr和位置控制频率Fcp一致，并且包含在100Hz和1000Hz之间的区间中，并因此在每个周期T基于在同一周期检测到的力Fm来执行补偿方法，该周期包含在1和10ms之间的区间中。

根据一个实施例，估计动作包括将致动筋束的长度变化估计为在致动筋束上检测到的力的模量Fm与有效弹性常数值K之间的比率，该有效弹性常数值通过实验确定，或者通过计算或预先确定，以便确保系统响应稳定性。

前面已经在根据本发明的方法的描述中示出了用于上述计算的方程式和参数的更多示例性细节。

根据机器人系统的实施例，前述外科器械20还包括至少一个传动元件21、22、23、24、25、26，该至少一个传动元件可操作地连接到相应的至少一个致动筋束31、32、33、34、35、36，并且可操作地连接到相应的机动化致动器11、12、13、14、15、16。

在这种情况下，施加运动和/或施加力的动作包括控制每个机动化致动器的运动，使得基于每个致动筋束的估计长度变化以及基于致动筋束的模量和刚度，传动元件的运动包括由于相应致动筋束的伸长或松弛而引起的补偿。

根据一个实施方式选项，为机器人系统定义参考运动学零点条件，该运动学零点条件关联虚拟零点，由控制器件施加到机动化致动器的运动将参考存储的参考位置来对该虚拟零点进行参考。在这种情况下，在每个传动元件上施加运动和/或施加力的动作包括计算校正的运动学零点，该校正的运动学零点考虑了所执行的补偿。

根据一个实施方案，在每个传动元件上施加运动和/或施加力的步骤包括借助于双反馈操作回路向传动元件施加力，其中插入弹性补偿校正，该弹性补偿矫正并列于由于运动的运动学机构的机动化致动器的位移。

根据机器人系统的实施例，机动化致动器是步进机动化致动器，并且通过已知工作时间单位的速度控制来执行位置控制，以确定位置控制。特别地，速度和位置控制借助于反馈操作的控制回路来执行，其中增益参数Kp的大小被确定为确保补偿以低于最大收敛时间的时间常数收敛。

根据实施方式选项，速度控制包括运动学分量和动态补偿分量。

动态补偿分量接收检测到的力Fm作为输入，它根据权利要求16中报告的方程式计算由于致动筋束的弹性而损失的估计位移，并且借助于被调谐成具有符合稳定性要求的动态特性的比例控制器，它产生添加到所述速度运动学分量的速度补偿贡献。

运动学和动态速度贡献的总和作为输入提供到待控制的机动化致动器。运动学分量和动态分量的控制器优选是并行的。

根据一个实施例，仅当检测到的力Fm低于最大操作力值Fmax时，才执行位置和/或速度控制，并且当甚至只有一个机动化致动器检测到大于所述最大操作力Fmax的力时，补偿才被抑制。

根据各种可能的实施例，机器人系统被配置成执行(特别地，在机器人系统的控制器件的控制下)根据所述方法的前述实施例中的任一个的方法。

可以看出，借助于上文详细描述的特征，并且如在前面的“发明内容”部分中广泛解释的那样，通过上述方法和系统完全实现了前面指出的本发明的目的。

在不脱离所附权利要求的保护范围的情况下，本领域技术人员可以对上述方法和系统的实施例进行改变和修改，或者可以用功能上等效的其他元件来替换元件以满足可能的需要。被描述为属于可能的实施例的每个特征可以不考虑所描述的其他实施例而实现。

附图标记列表