РОБОТИЗИРОВАННАЯ ХИРУРГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МИНИМАЛЬНОГО ИНВАЗИВНОГО ВМЕШАТЕЛЬСТВА И СПОСОБ ЕЕ УПРАВЛЕНИЯ

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,
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>F</mi><mi>u</mi><mi>l</mi><mi>c</mi><mi>r</mi><mi>u</mi><mi>m</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
при этом способ включает определение положения инструмента относительно внешнего центра (23) вращения, включая определение вектора первоначального исходного расстояния
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 обоих 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
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>F</mi><mi>u</mi><mi>l</mi><mi>c</mi><mi>r</mi><mi>u</mi><mi>m</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
установление упомянутого вектора первоначального исходного расстояния
, используя среднее значение вычисленных первого и второго положений внешнего центра (23) вращения.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>F</mi><mi>u</mi><mi>l</mi><mi>c</mi><mi>r</mi><mi>u</mi><mi>m</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
3. Способ по п.1, в котором после определения упомянутого вектора первоначального исходного расстояния
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.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>f</mi><mi>u</mi><mi>l</mi><mi>c</mi><mi>r</mi><mi>u</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
5. Способ по п.3, в котором определение положения инструмента относительно внешнего центра (23) вращения основано на упомянутом векторе расстояния
и на непрерывном обновлении, используя информацию о перемещении манипулятора.
6. Способ по п.1, в котором упомянутое заданное пороговое значение составляет около 0,3 Н и/или упомянутое достаточное контактное усилие составляет около 3 Н.
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:
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>F</mi><mi>u</mi><mi>l</mi><mi>c</mi><mi>r</mi><mi>u</mi><mi>m</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
определения положения инструмента относительно внешнего центра вращения, включая определение вектора первоначального исходного расстояния
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 обоих 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
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>F</mi><mi>u</mi><mi>l</mi><mi>c</mi><mi>r</mi><mi>u</mi><mi>m</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
установление упомянутого вектора первоначального исходного расстояния
, используя среднее значение вычисленных первого и второго положений внешнего центра (23) вращения.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>F</mi><mi>u</mi><mi>l</mi><mi>c</mi><mi>r</mi><mi>u</mi><mi>m</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
11. Система по п.9 или 10, в которой программируемое вычислительное устройство запрограммировано так, что после определения упомянутого вектора первоначального исходного расстояния
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.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>f</mi><mi>u</mi><mi>l</mi><mi>c</mi><mi>r</mi><mi>u</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
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
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.