CN111839741A - 操作机器人的控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种操作机器人的控制系统和方法。机器人在一个称为机器人空间内移动，并且附接到终端操纵装置来操纵一个细长的工具，以便可以使细长工具与被闭塞的靶体对准。控制系统还包含与机器人和三维成像设备通信的耦合处理器。三维成像设备被配置为读取三维图像的成像空间内，成像空间包含以三维成像设备上的固定参考点为三维空间的坐标中心。三维成像设备读取终端操纵装置的初步三维图像后由处理器处理，处理器将机器人空间与成像空间集成一体来校准机器人，也处理含三维成像设备读取患者内的靶体三维图像，并计算出靶体在综合空间中的位置数据。通过靶体在综合空间中的位置数据，处理器自动控制操纵器将细长工具的纵轴与靶体对准。

Description

操作机器人的控制系统和方法

技术领域

本发明广泛地涉及控制系统和操作机器人的方法。

背景技术

许多外科手术涉及将针头经皮插入患者体内。在这些程序中，将针尖放置在体内的病变，器官或血管中，以进行医疗过程，例如活检和药物注射过程。需要插入针头的外科手术的例子包含疫苗接种、血液/流体采样、区域麻醉、组织活检、导管插入、低温消融、电解消融、近距离放射治疗、神经外科、深部脑刺激和各种微创手术(MIS)等。

外科手术中有几种将针头插入患者体内的方法。例如，外科医生可以通过手动执行该的过程将针的一端放置在患者的皮肤上，并根据实时成像数据反复倾斜针的另一端，以建立针与靶体之间的对齐。使用这方法执行的手术程序容易出现人为错误。而且，患者和手术人员可能会接触到过量的X光辐射，构成潜在的人体危害。

虽然现阶段已经引入了诸如机械臂和柔性针之类的医疗器械来达到自动化的手术，但是这些大多数医疗器械只允许临床医生进行远程仪器控制来模仿手动手术过程。而且外科手术过程通常很复杂，并且需要加入多款医疗器械系统。大多数医疗器械通常都是单独设计的，不能很好地集成在一起工作，使用这些器械执行的手术可能会造成不良效果。

由于手术过程可能失误，也可能需要拔出针头和重复整个穿刺过程，这造成患者身体面临多次穿刺而增加患者状况恶化的风险。严重的情况下，患者可能会出现内出血和气胸等并发症。

因此，有必要提供有效的系统和方法或替代方案来解决以上至少一项或多项潜在的问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种控制系统包含：

机器人，包含固定端和相对于所述固定端可移动的操纵器，其中，所述机器人被配置为在机器人空间内移动并附接到所述操纵器的终端操纵装置的细长工具，以便所述的细长工具与被闭塞的靶体对准，其中，机器人空间包含一个以固定端为中心的三维空间，以及

处理器，其与机器人和三维成像设备进行通信耦合，其中三维成像设备被配置为读取成像空间内的三维图像，其中成像空间包含以三维成像设备上的固定参考点为中心的三维空间，其中处理器被配置为：

通过将机器人空间与成像空间合成，处理由三维成像设备读取的终端操纵装置的初步三维图像，以校准机器人；

通过机器人的标定，处理包含三维成像设备读取的靶体的物体的三维图像，得到靶体在综合空间中的位置数据；以及

根据靶体在综合空间中的位置数据，自动控制操纵器以使细长工具的纵轴与靶体对齐。

处理器可配置为：

处理终端操纵装置的初步三维图像以计算固定参考点与机器人固定端之间的合成向量；以及

通过计算出的合成向量，确定一个共同原点以综合机器人空间和成像空间。

处理器可以配置为：

处理终端操纵装置的初步三维图像，以获得终端操纵装置在成像空间中的位置数据；

根据终端操纵装置的位置数据，计算固定参考点之间的第一方向向量和终端操纵装置；以及

组合终端操纵装置和机器人固定端之间的第一方向向量和第二方向向量以计算所得向量在三维成像设备的固定参考点和机器人的固定端之间。

处理器可以配置为：

处理身体的三维图像以提取靶体在成像空间中的位置数据；以及

通过机器人的标定，将成像空间中靶体的位置数据转换为集成空间中靶体的位置数据。

操纵器可被配置为执行细长工具的粗调，包含沿x，y或z轴的细长工具的位移，并且其中，终端操纵装置可包含被配置为对细长工具进行微调的调节机构，包含调整细长工具相对于枢轴点的角度方向。

调整机制可以包含：

底座；

被配置为与底座平行的平台；以及

多个臂将基座与平台连接，多个臂构造成使平台沿着平行于基座的平面移动，以调节细长工具的角度定向。

调整机构可以包含由具有不同射线透射率的材料制成的部件，并且其中处理器可以被配置为处理初步三维图像以获得调整机构的不透射线部件的位置数据以用于机器人的校准。

处理器可以进一步被配置为：

处理身体的三维图像以识别与靶体对齐的选定线；以及

产生假想的圆锥形空间，该圆锥形空间沿着直线渐缩，圆锥形空间的顶点位于靶体处，圆锥形空间的轴线与直线对齐，其中圆锥形空间为调节机构的精细调节过程提供了边界。

处理器可以进一步被配置为：

根据公式：d≤r(x)-w，自动控制机械手将细长工具移入圆锥形空间来进行机器人的粗调，其中

d＝调节机构的工作半径中心与圆锥形空间的轴之间的最近距离；

r(x)＝与d的测量值对应的圆锥空间的半径

w＝调节机构的最大工作半径。

根据本发明的第二方面，提供了一种使用细长工具击中被闭塞靶体的系统，该系统包含：

在第一方面中定义的一个控制系统；以及

为了操作机器人的致动器，

其中，所述处理器被配置以计算对准靶体与细长工具的尖端之间的击中距离；以及

其中，致动器被配置成朝向对准和击中距离处角度的靶体推进细长工具的用意。

根据本发明的第三方面，提供了一种操作机器人的方法，该机器人包含固定端和相对于该固定端可移动的操纵器。该方法包含：

接收由三维成像设备读取的操纵器的终端操纵装置的初步三维(3D)图像；

通过机器人操作的机器人空间与三维成像设备操作的成像空间集成来处理初步三维图像来校准机器人。

通过机器人的校准，处理三维成像设备读取闭塞靶体的三维图像，以获得靶体在综合空间中的位置数据；以及

通过靶体在综合空间中的位置数据，自动控制操纵器使连接到操纵器终端装置的细长工具的纵轴与靶体对齐。

处理终端操纵装置的初步三维图像可以包含：

计算机器人的固定端与三维成像设备上的固定参考点之间的合成向量，其中，机器人的固定端为机器人空间的中心，固定参考点为成像空间的中心；以及

通过计算出的合成向量，确定一个公共原点以综合机器人空间和成像空间。

计算所得向量可以包含：

读取成像空间中终端操纵装置的位置数据；

通过所述终端操纵装置的位置数据，计算所述固定参考点与所述终端操纵装置之间的第一方向向量；以及

将终端操纵装置和机器人的固定端之间的第一方向向量和第二方向向量进行组合，以计算三维成像设备的固定参考点与机器人的固定端之间的合成向量。

处理包含患者内的靶体的三维图像可以包含：

提取成像空间中靶体的位置数据；以及

通过机器人的标定，将成像空间中靶体的位置数据转换为集成空间中靶体的位置数据。

对准细长工具与靶体可以包含：细长工具的粗调沿着x，y或z轴的细长工具的位移；以及细长工具的精细调节，包含调节细长工具的角度相对于铰接点。

调整细长工具的角度方向可包含：

调动多个臂，所述的多个臂将基座和调节机构的平台连接起来，从而使平台沿着基座的平面移动。

调整机构可以包含由具有不同射线透射率的材料制成的部件，并且其中处理初始三维图像的步骤包含获得调整机构的不透射线部件的位置数据以用于机器人的校准。

该方法可以进一步包含：

在身体的三维图像上识别与靶体对齐的选定线；以及

产生一个假想的圆锥形空间，该圆锥形空间沿着直线逐渐变细，圆锥形空间的顶点位于靶体处，圆锥形空间的轴线与该直线对齐，其中圆锥形空间为细长工具的精细调整提供了边界。

自动控制操纵器可以包含：

在机器人粗调期间，根据d≤r-w公式自动控制机械手将细长工具移入圆锥形空间，其中

d＝调节机构的工作半径中心与圆锥形空间的轴之间的最近距离；

r(x)＝与d的测量值对应的圆锥空间的半径

w＝调节机构的最大工作半径。

根据本发明的第四方面，提供了一种使用细长工具击中闭塞靶体的方法，该方法包含以下步骤：

使用第三方面中限定的方法对准细长工具的纵轴与靶体；

计算对准靶体与细长工具的尖端之间的击中距离；以及

根据计算出细长工具向靶体前进的击中距离。

附图说明

本发明的实施案例仅以示例的方式呈现。为使本领域的普通技术人员更好地理解本发明的实施案例，以下是书面描述和附图：

图1A为实施案例控制系统的示意图。

图1B为图1A系统的放大图。

图2A为适用于图1A和1B系统的调节机制透视图。

图2B为适用于图1A和1B系统的调节机制正视图。

图2C为两个透视图，为图2A调节机制工具保持器的使用。

图3为由图1A和图1B系统进行的调节过程透视图和俯视图的示意图。

图4为说明操作机器人的方法流程图。

图5为说明适合于实现示例实施案例的系统和方法的计算机示意图。

具体实施方式

图1A为实施案例的控制系统100的示意图。图1B为图1A的系统100的放大图。在下面的描述中，系统100以治疗患者身体内病变而进行对准的外科手术工具。同时，系统100还可用于病变治疗以外的应用，例如去除肾结石和椎骨成形手术。专业领域内技术人员也可用其设计其他非手术应用场景。

如图1A所示，系统100包含机器人104，三维(3D)成像设备106，以及由通信设备衔接的处理器102。作为系统100的一部分，机器人104被配置为在以x，y和z轴交汇处为固定中心的三维空间(以下称为“机器人空间108”)内移动。机器人104的运动在图1A中用坐标轴A1表示。通过由三维成像设备106读取的三维图像，机器人104由处理器102控制以将细长工具对准病变。机器人104的运动由致动器(未示出)操作，该致动器从处理器102接收信号。

在一个实施案例中，机器人104包含作为机器人空间108的中心的固定端109，以及可相对于固定端109移动的操纵器110。操纵器110用于对细长工具的粗调，包含工具此沿x、y、z轴或三者的任意组合而进行的位移。该操纵器包含位于其末端的调节机制112以作为致动器。调节机制112用于对细长工具进行微调，包含调整细长工具相对于给定基点的角度。如图1A和1B所示，操纵器110沿着坐标轴A1移动，而调节机制沿着坐标轴A2移动。

调节机制112包含基座和配置为平行于基座的平台。基座和平台通过多个臂链接，该多个臂被配置为沿着平行于基座的平面移动以调节细长工具的角度方向。在一个实施案例中，调节机制包含由具有不同射线透射率的材料制成的部件。例如，调节机制112的平台包含三个由钛制成的球，钛是不透射线的材料以阻挡X射线，而调节机制112的其余部件由射线可透材料制成。下面参照图2A至2C更详细地解释调节机制112的构造。

三维成像设备106是医学成像设备，其可以执行患者身体的扫描以产生计算机处理的三维图像。三维成像设备106的一些示例包含磁共振成像机器(MRI)，计算机X射线断层扫描仪(CT)和荧光透视系统。如图1A所示，三维成像设备106包含具有x射线管的机架114，以及可移入机架114的床116，使得病人躺在床116上时，x射线管可围绕病人身体旋转。三维成像装置106被配置为读取三维空间(以下称为“成像空间118”)内的三维图像。成像空间118在图1A和1B中用坐标系A3表示，其中x，y和z轴的交点是固定的，此交点在下文中称为“固定参考点120”。

在使用中，三维成像设备106扫描机器人104的终端操纵装置以产生终端操纵装置的初步三维图像。处理器102通过将机器人空间108与成像空间118集成来处理初步三维图像以校准机器人104。处理终端操纵装置的初步三维图像以获得成像空间118中的终端操纵装置的位置数据。例如，处理器102处理原始三维图像以获得调节机制112的不透射线的部分的位置数据。

根据终端操纵装置的位置数据，处理器102计算固定参考点120与终端操纵装置之间的第一方向向量

此外，处理器102计算在终端操纵装置和机器人104的固定端109之间的第二方向向量

将第一方向向量和第二方向向量组合以计算在固定参考点120和固定端109之间的合成向量

通过计算的合成向量R，处理器102确定用于机器人空间108和成像空间118的积分的公共原点。在一个实施案例中，公共原点与固定参考点120在同一点。但是，应当理解的是，公共原点可以位于全局坐标系中的任何其他点。

随后，将机器人104安置在三维成像设备106的侧面，以使三维成像设备104扫描患者的身体和体内的病变。通过机器人104的校准，处理器102处理病人身体的三维图像以获得病变在综合空间中的位置数据。在一个实施案例中，处理器102处理三维图像以提取成像空间118中的病变的位置数据，并且通过机器人104的校准，将成像空间118中的位置数据转换为病变在综合空间中的位置数据。在一个实施案例中，处理器102还被配置用于生成微调空间，该微调空间为调节机制112的微调处理提供边界。

处理器102包含人工智能(AI)软件，用于处理来自三维成像设备106的三维图像以获得包含病人身体表面，病人身体内部的闭塞(例如，其他器官，骨骼，动脉)和病变的身体部位的位置数据。例如，在肿瘤成像中，病变通常具有比正常体细胞更丰富的血液供应，这导致在三维图像上生成可识别的阴影。这允许AI软件根据三维图像上的阴影来识别病变的图像。应当理解的是，临床医生也可以在显示设备上手动识别三维图像上的病变以代替AI的使用。

在获得病变的位置数据之后，机器人104返回到其先前的位置并部署于患者身体上方。通过病变的位置数据，处理器102自动控制操纵器110以使细长工具的纵轴与病变对准。在一个实施案例中，三维成像设备106读取包含手术工具的机器人104的身体和终端操纵装置的实时三维图像。在粗调过程中，处理器102控制操纵器110以将手术工具移动到由处理器102生成的微调空间内的位置。接下来，在微调过程中，处理器102控制调节机制112以在精细调节空间内调节手术工具的角度取向，以使手术工具的纵轴与病变对准。下面参照图3进一步详细解释粗调和精调过程。

在对准手术工具之后，处理器102从实时三维图像提取手术工具的尖端的位置数据。通过尖端和病变的位置数据，处理器102计算尖端和病变之间的击中距离。在一个实施案例中，处理器102通过所计算的距离来模拟手术工具朝向病变的轨迹。如果模拟结果令人满意和通过临床医生的确认，通过处理器102控制来进行自动插入或临床医生控制的手术工具朝着病变手动插入。在接收到确认进行的确认后，处理器102通过计算出的击中距离将信号发送至致动器以使手术工具朝着病变前进。

图2A和2B分别为适合在图1A和1B的系统100中使用的调节机制112的透视图和正视图。调节机制112包含呈环形圈形式的基座202和表示为第一臂204a，第二臂204b和第三臂204c的多个臂。臂204a、204b、204c以彼此基本均匀的角度距离连接到基座202。

调节机制112还包含升高的平台206。升高的平台206分别连接到臂204a、204b、204c的终端操纵装置208a、208b、208c。平台206是环形圈的形式，并且包含在平台206的中心处的万向球接头210。万向球接头210包含孔，该孔保持手术工具212并且允许手术工具212滑动。球形关节顺应性210还包含呈柱塞(未示出)形式的驱动机构，用于将手术工具212保持并插入患者体内。

在操作过程中，基座202附接到操纵器110的端部。臂204a、204b、204c由至少一个致动器(未示出)启动以彼此协调以调节平台206的位置，从而调节平台206的位置。如图2A中箭头216a、216b、216c所示，平台206相对于基部202移动。当通过臂204a、204b、204c调节平台206的位置时，球形接头柔度210松散地保持在平台206的中心，从而允许手术工具212围绕枢轴点214自由地枢转或旋转。如图2A中的箭头218所示，该构造允许手术工具212倾斜。

在示例性实施案例中，手术工具212包含可调节的制止器220，该可调节的制止器220安装在邻近于手术工具212的端部222，与枢转点214相对。当手术工具212的角度和插入深度确定之后，万向球接头210被锁定，制止器220将制止外科手术工具的插入，从而使得制止器220和万向球接头210之间的距离大约等于插入深度。接下来，由致动器启动柱塞，以将外科手术工具212保持并插入患者体内。手术工具212的插入深度受球形关节顺应性210和制止器220之间的距离限制，以避免手术工具212过度插入患者体内。

调节机制112的结构通常由轻质且刚性的材料制成。在一个实施案例中，调节机制112的不同部分可以由具有不同射线透射率的材料制成。作为示例，调节机制112的平台206包含三个由不透射线的材料制成的球，例如不锈钢和钛，而调节机制112的其他部分由射线可透材料制成。这三个球在平台的环形圈处以彼此均匀的角距离放置，从而当由三维成像设备106扫描调节机制112时，可以准确地确定调节机制112的位置，从而可以确定调整机构112和机器人104或三维成像设备106之间的几何关系。

因调整机制112具有简单的结构并且尺寸相对较小，它可以移动并快速响应来自处理器102的信号。调节机制112的配置还限制了过度的移动，从而减少手术中皮肤的撕裂。另外，调节机制112的大部分构成由生物相容性材料制成，使得在手术中使用调节机制112不会对患者造成任何不良影响,例如钛和聚醚醚酮(PEEK)是合适的材料。然而，值得理解的是，调节机制112的结构也可以由其他材料制成。

在一个实施案例中，手术工具212可以包含触觉传感器(未示出)，其以通信的方式耦合到处理器102，以检测手术工具212上的压力变化。这可以提高处理器102检测手术工具212在患者体内深度以及检测病变的准确性。

图2C为两个透视图，展示了图2A中调节机制112的工具保持器224的使用。在此，工具支架224可从平台206拆卸。工具支架224的结构包含万向球接头210和从万向球接头210径向向外延伸的多个支撑结构226，从而将万向球接头210与接合机构，表示为卡扣228，用于将工具架224可拆卸地固定到平台206上。

如第一布置中所示(图2C的左图)，当平台206移动以倾斜手术工具212时，工具支架224附接到平台206。箭头218显示了手术工具212的倾斜。如第二布置(图2C的右图)所示，如果需要进一步插入至超出止挡件220所允许的插入深度，则可将工具架224与平台206分离，例如如箭头230所示，通过将工具架224沿顺时针或逆时针方向转动，并降低到患者的身体上。工具架224可以安装在患者的身体上，使用例如胶带或凝胶等工具。在将工具保持器224安装在患者身体上之后，由致动器启动柱塞以稳定外科手术工具212并进一步将其插入患者体内，如箭头232所示。此时，外科手术工具的角度定向已确定与病变一致。工具保持器224因此允许外科手术工具212被插入患者体内更大的深度，从而为根据需要执行的工作类型提供了灵活性。

图3为由图1A和图1B的系统100进行的调节过程的透视图(左侧)和俯视图(右侧)的示意图。

在三维成像设备106扫描患者身体之后，包含病变302的患者身体三维图像显示在显示设备上。通过病变302相对于患者身体表面的位置以及患者身体内部的闭塞，临床医生选择与病变302对准并且适合插入手术工具以击中病变302的轨迹线304。需要理解的是，处理器102中的AI软件可以代替手动选择病变302的位置，自动确定一条或多条轨迹线以用于插入手术工具击中病变。具体地，通过病变302的位置，该软件可建议避开重要器官的合适的轨迹线，保护其他器官不受伤，以及避开骨骼等坚硬结构，使手术工具不弯折。

处理器102产生假想的圆锥形空间306，该圆锥形空间沿着线304逐渐变细，圆锥形空间306的顶点设置在病变302处，并且圆锥形空间306的轴线310与所选线304对准。圆锥形空间306提供精细调整过程的边界，该过程涉及通过调整机构112相对于枢轴点倾斜手术工具，也就是在圆锥形空间306内调整手术工具的角度方向。这由处理器102在机械手110的粗调期间内实现。具体地，处理器102通过公式d≤r(x)-w自动控制已校准的机械手104将细长的工具移动到圆锥形空间306中。其中

d＝调节机制的工作半径中心与圆锥形空间的轴之间的最近距离；

r(x)＝与d的测量值对应的圆锥空间的半径

w＝调节机制的最大工作半径。

随后，通过调节机制112执行精细调节过程。使手术工具相对于枢轴点在圆锥形空间306内倾斜，以使手术工具与病变302对准(如图3所示，具有312a、312b两个较小的圆锥形空间)。

图4为说明操作机器人的方法的流程图。机器人包含固定端和可相对于固定端移动的操纵器。在步骤402，接收由三维成像设备读取的操纵器的终端操纵装置的初步三维(3D)图像。在步骤404，通过将可由机器人操作的机器人空间与可由三维成像设备操作的成像空间集成来处理初步三维图像以校准机器人。在步骤406，通过机器人的校准，处理包含由三维成像设备读取患者身体内的靶体被闭塞的三维图像，以获得靶体在综合空间中的位置数据。在步骤408，通过靶体在综合空间中的位置数据，操纵器被自动控制到将细长工具与靶体沿纵轴对准。

本发明的实施案例提供了一种控制系统和一种操作机器人的方法。如以上参考附图所描述的，处理器102通过计算在固定参考点120和固定端109之间的合成向量以找到共同原点来校准机器人104。这使得通过集成机器人空间106和成像空间118来校准机器人104。随后处理患者身体的三维图像以获得靶体在综合空间中的位置数据，并且操纵器由处理器102控制以使手术工具的纵轴与靶体对准。

机器人空间108和成像空间118的集成允许对机器人104进行现场校准。由于该校准，机器人104和三维成像设备106可以以协同方式工作，并且可以通过以下方式控制机器人104：处理器102通过三维成像设备读取的三维图像准确地到达集成空间中的位置。这可以有利地提高机器人104对准手术工具和击中靶体的精度，从而减少手术操作中错误的机会。此外，患者身体的实时三维图像提供了靶体在体内的位置数据。这允许机器人104精确地调整角度定向并确定手术工具的尖端与靶体之间的击中距离。

图5描绘了示例性计算设备500，在下文中可互换地称为计算机系统500。示例性计算设备500可用于实现图1A和1B所示的系统100以及图3和4所示的过程。以下对计算机系统500的描述仅作为示例，不旨在限制其功能。

如图5所示，示例计算设备500包含用于执行软件例程的处理器507。尽管为了清楚起见，实例仅使用了单个处理器，计算设备500也可以包含多处理器系统。处理器507连接到通信基础设施506，用于与计算设备500的其他组件进行通信。通信基础设施506可以包含例如通信总线，交叉开关或网络等。

计算设备500还包含诸如随机存取存储器(RAM)一类的主存储器508和辅助存储器510。辅助存储器510可以包含例如存储驱动器512，其可以是硬盘驱动器、固态驱动器或混合驱动器和/或可移动存储驱动器517，可包含磁带驱动器、光盘驱动器、固态存储驱动器(例如USB闪存驱动器、闪存设备、固态硬盘或存储卡等)。可移动存储驱动器517以众所周知的方式从可移动存储介质577读取和/或写入可移动存储介质577。可移动存储介质577可以包含由可移动存储驱动器517读取和写入的磁带、光盘、非易失性存储介质等。

在替代实施方式中，辅助存储器510可以作为附加或替代用于允许将计算机程序或其他指令加载到计算设备500中的其他类似装置。这种装置可以包含例如可移动存储单元522和接口550。可移动存储单元522和接口550的示例包含程序盒和盒接口(例如在视频游戏控制台设备中找到的接口)、可移动存储芯片(例如EPROM或PROM)和相关联的插槽、可移动固态存储驱动器(例如USB闪存驱动器、闪存设备、固态驱动器或存储卡)以及其他可移动存储单元522和接口550，这些接口和接口可将软件和数据从可移动存储单元522传输到计算机系统500。

计算设备500还包含至少一个通信接口527。通信接口527允许经由通信路径526在计算设备500和外部设备之间传送软件和数据。在本发明的各种实施案例中，通信接口527允许数据在计算设备500和诸如公共数据或专用数据通信网络之类的数据通信网络之间传递。通信接口527可以用于在不同的计算设备500之间交换数据，这些计算设备500形成互连的计算机网络的一部分。通信接口527的示例可以包含调制解调器、网络接口(例如以太网卡)、通信端口(例如串行、并行、打印机、GPIB、IEEE 1394、RJ45、USB)、具有相关电路的天线等。通信接口527可以有线或无线。经由通信接口527传送的软件和数据具有信号的形式，该信号可以是能够被通信接口527接收的电子、电磁、光学或其他信号。这些信号经由通信路径526被提供给通信接口。

如图5所示，计算设备500进一步包含显示接口502和音频接口552。显示接口502用于操作图像渲染到关联的显示器550，音频接口552用于播放操作经由关联的扬声器557的音频内容。

如本文所使用的，术语“计算机程序产品”可以部分地指代可移动存储介质577、可移动存储单元522、安装在存储驱动器512中的硬盘，或通过通信路径526(无线链路)承载软件的载波。“计算机可读存储介质”是指将记录的指令和/或数据提供给计算设备500以便执行和/或处理的任何非暂时性、非易失性有形存储介质。此类存储介质的示例包含磁带、CD-ROM、DVD、Blu-ray光盘、硬盘驱动器、ROM或集成电路、固态存储驱动器(例如USB闪存驱动器、闪存设备、固态驱动器或存储卡)、混合驱动器、磁光盘，或计算机可读卡(例如PCMCIA卡)。这些设备皆可为计算设备500以内或以外的组合部分。

计算机程序(也称为计算机程序代码)存储在主存储器508和/或辅助存储器510中。计算机程序也可以通过通信接口527接收。此类计算机程序在执行时使计算设备500能够执行一个或更多本文讨论的实施案例特征。在各种实施案例中，计算机程序在执行时使处理器507能够执行上述实施案例的特征。因此，这样的计算机程序代表计算机系统500的控制器。

可以使用可移动存储驱动器517，存储驱动器512或接口550将软件存储在计算机程序产品中并加载到计算设备500中。计算机程序产品可以是非临时性计算机可读介质。另外也可以通过通信路径526将计算机程序产品下载到计算机系统500。软件在由处理器507执行时，使计算设备500执行本文所述实施案例的功能。

应该理解的是，图5的实施案例仅以示例的方式给出。因此，在一些实施案例中，可以省略计算设备500的一个或多个特征。而且，在一些实施案例中，计算设备500的一个或多个特征可以被组合在一起。另外，在一些实施案例中，计算设备500的一个或多个特征可以被分成一个或多个组成部分。

当计算设备500被配置为校准包含固定端和相对于固定端可移动的操纵器的机器人时，计算系统500将具有其上存储应用的非暂时性计算机可读介质，该应用在被执行时导致计算系统500执行以下步骤：接收由三维成像设备读取的机械手的终端操纵装置的初步三维(3D)图像；通过将可由机器人操作的机器人空间与可由三维成像设备操作的成像空间集成来处理初步三维图像以校准机器人。通过所述机器人的校准，处理包含所述三维成像设备读取患者身体内的靶体被闭塞的三维图像，以获得所述靶体在所述综合空间中的位置数据；

本领域技术人员需要理解的是，在不脱离本发明如上广泛描述的功能或场景的范围里，可以对具体实施方式中所示的本发明进行多种变化和/或修改。因此，本实施案例在所有方面都应被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种控制系统，其特征在于，包括：

机器人，包含固定端和相对于所述固定端可移动的操纵器，其中，所述机器人被配置为在机器人空间内移动并附接到所述操纵器的终端操纵装置的细长工具，以便所述的细长工具与被闭塞的靶体对准，其中，机器人空间包含一个以固定端为中心的三维空间，以及

处理器，其与机器人和三维成像设备进行通信耦合，其中三维成像设备被配置为读取成像空间内的三维图像，其中成像空间包含以三维成像设备上的固定参考点为中心的三维空间，其中处理器被配置为：

通过将机器人空间与成像空间合成，处理由三维成像设备读取的终端操纵装置的初步三维图像，以校准机器人；

通过机器人的标定，处理包含三维成像设备读取的靶体的物体的三维图像，得到靶体在综合空间中的位置数据；以及

根据靶体在综合空间中的位置数据，自动控制操纵器以使细长工具的纵轴与靶体对齐。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器被配置为：

处理终端操纵装置的初步三维图像以计算固定参考点与机器人固定端之间的合成向量；以及

通过计算出的合成向量，确定一个公共原点以综合机器人空间和成像空间。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理器被配置为：

处理终端操纵装置的初步三维图像，以获得终端操纵装置在成像空间中的位置数据；

根据终端操纵装置的位置数据，计算出固定参考点与终端操纵装置之间的第一方向向量；

在终端操纵装置和机器人的固定端之间组合第一方向向量和第二方向向量，以计算三维成像设备的固定参考点与机器人的固定端之间的合成向量。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器被配置为：

处理患者身体的三维图像以提取靶体在成像空间中的位置数据；以及

通过机器人的标定，将成像空间中靶体的位置数据转换为集成空间中靶体的位置数据。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述操纵器被配置为执行所述细长工具的粗调，包含所述细长工具沿x，y或z轴的位移，并且其中，所述终端操纵装置包含一调节机制，以执行细长工具的精细调节，包含调节细长工具相对于枢轴点的角度取向。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，调整机构包含：

底座；

平台，被配置为与所述底座平行；以及

将基座与平台连接的多个臂，多个臂被配置为使平台沿着平行于基座的平面移动，以调节细长工具的角度定向。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调节机制包含由具有不同射线透射率的材料制成的部件，并且所述处理器被配置为处理所述初始三维图像以获得所述调节机制的不透射线部件的位置数据，以用于对所述标尺进行机器人校准。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述处理器还被配置为：

处理患者身体的三维图像以识别与靶体对齐的选定线；以及

产生假想的圆锥形空间，该圆锥形空间沿着直线渐缩，圆锥形空间的顶点位于靶体处，圆锥形空间的轴线与直线对齐，其中圆锥形空间为调节机制的精细调节过程提供了边界。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述处理器被配置为：

根据公式d自动控制机械手将细长工具移入圆锥形空间≤r(x)-w用于机器人的粗调，

d＝调节机制的工作半径中心与圆锥形空间的轴之间的最近距离；

r(x)＝与d的测量值对应的圆锥空间的半径；

w＝调节机制的最大工作半径。

10.一种使用细长工具击中被闭塞靶体的系统，其特征在于，所述系统包含：

如权利要求1所述的控制系统；以及

操作机器人的致动器，

其中，所述处理器还被配置为计算对准时所述靶体与所述细长工具的尖端之间的击中距离；以及

其中，通过细长工具对准和击中距离处的角度取向，所述致动器被配置成将细长工具朝向靶体推进的用途。

11.一种操作机器人的方法，其特征在于，包含固定端和可相对于固定端移动的机械手的机器人，该方法包含：

接收由三维成像设备读取的操纵器终端操纵装置的初步三维图像；

将通过可由机器人操作的机器人空间与可由三维成像设备操作的成像空间集成来处理初步三维图像以校准机器人；

通过机器人的校准，处理包含三维成像设备读取被闭塞靶体的三维图像，以获得靶体在综合空间中的位置数据；以及

通过靶体在综合空间中的位置数据，自动控制操纵器以使连接到操纵器终端操纵装置的细长工具的纵轴与靶体对齐。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，处理终端操纵装置的初步三维图像包含：

计算机器人的固定端与三维成像设备上的固定参考点之间的合成向量，其中机器人的固定端为机器人空间的中心，固定参考点为成像空间的中心；以及

通过计算出的合成向量，确定以综合机器人空间和成像空间的一个共同原点。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，计算合成向量包含：

读取成像空间中终端操纵装置的位置数据；

通过所述终端操纵装置的位置数据，计算所述固定参考点与所述终端操纵装置之间的第一方向向量；以及

将终端操纵装置和机器人的固定端之间的第一方向向量和第二方向向量进行组合，以计算三维成像设备的固定参考点与机器人的固定端之间的合成向量。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，处理包含所述靶体的患者身体的三维图像包含：

提取成像空间中靶体的位置数据；以及

通过机器人的标定，将成像空间中靶体的位置数据转换为集成空间中靶体的位置数据。

15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使所述细长工具与所述靶体对准包含：对所述细长工具的粗调，包含所述细长工具沿x，y或z轴的位移；对所述细长工具的细调，包含调节细长工具相对于枢轴点的角度。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，调整细长工具的角度方向包含：

启动将基座和调节机制的平台连接起来的所述多个臂，从而使平台沿着平行于基座的平面移动。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述调节机制包含由具有不同射线透射率的材料制成的部件，且处理所述初始三维图像的步骤包含：获得所述调节机制的不透射线的部件的位置数据，以对所述机器人进行校准。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法还包含：

在患者身体的三维图像上识别与靶体对齐的选定线；以及

产生一个假想的圆锥形空间，该圆锥形空间沿着直线逐渐变细，圆锥形空间的顶点位于靶体处，圆锥形空间的轴线与该直线对齐，其中圆锥形空间为细长工具的精细调整提供了边界。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，自动控制所述机械手包含：

在机器人粗调期间，根据公式d≤r-w自动控制机械手将细长工具移入圆锥形空间，其中

d＝调节机制的工作半径中心与圆锥形空间的轴之间的最近距离；

r(x)＝与d的测量值对应的圆锥空间的半径；

w＝调节机制的最大工作半径。

20.一种使用细长工具击中闭塞靶体的方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

用如权利要求11所述的方法使细长工具的纵轴与靶对准；

计算对准的靶体与细长工具尖端之间的击中距离；以及

根据计算出的距离将细长工具击向靶体。

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