確定機器人工作區(qū)域的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)權利要求1的前序部分的、用于確定工作區(qū)域（機器人能在其中 引導工具）的方法以及根據(jù)權利要求11的前序部分的機器人系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 以下將參照的已知機器人系統(tǒng)包括輸入裝置如操縱桿或圖像采集系統(tǒng)，其由使用 者手動操作以使機器人運動或執(zhí)行某些動作。使用者所輸入的控制設定值此時被輸入裝置 轉換為由一個或多個機器人執(zhí)行的相應控制指令。已知的輸入裝置一般具有多個傳感器， 它們檢測使用者的控制設定值并轉換成相應的控制信號。控制信號接著在控制或調節(jié)回路 中被進一步處理，其最終產(chǎn)生調節(jié)信號，借此控制機器人或安裝在機器人上的工具的執(zhí)行 器，從而機器人或工具執(zhí)行使用者所期望的動作。
[0003] 在外科手術機器人應用中通常限定一個規(guī)定的工作區(qū)域，在該工作區(qū)域中該外科 醫(yī)生能移動并操作該外科器械。如果外科醫(yī)生嘗試使外科器械移動離開預定的工作區(qū)域， 則這由外科手術機器人自動發(fā)現(xiàn)和阻止。因此，外科醫(yī)生只能處理在該工作區(qū)域內的器官 或組織。由此能夠阻止在外科手術中無意損傷在真正的手術區(qū)域外的器官或組織。
[0004] EP2 384 714A1例如描述了一種限定用于外科手術-機器人系統(tǒng)的工作區(qū)域的 方法。據(jù)此，外科醫(yī)生可以定下虛擬切割平面，其穿過待手術的組織（以三維方式顯示）。 在此，虛擬切割平面與該組織的相交面限定了該工作區(qū)域。

【發(fā)明內容】

[0005] 現(xiàn)在，本發(fā)明的任務是提出用于限定工作區(qū)域的替代方法以及替代裝置。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明，通過如權利要求1以及如權利要求11所給出的特征來完成該任務。 由從屬權利要求得到本發(fā)明的其它實施方式。
[0007] 本發(fā)明提出一種借助圖像采集裝置確定工作區(qū)域的方法，機器人能在所述工作區(qū) 域中引導安裝于機器人上的工具。在此，首先通過調整圖像采集裝置的位置和/或調節(jié)圖 像采集裝置的焦距來確定圖像采集裝置的可視空間。該可視空間此時限定了以下空間：該 圖像采集裝置在該空間內可以拍攝圖像。即，該可視空間通過可被圖像采集裝置采集的所 有（反射）光線的光束來確定。隨后，求出與可視空間側邊界相關的幾何數(shù)據(jù)并且最終將 該工作區(qū)域確定到取決于可視空間側邊界的空間區(qū)域。為了確定某個工作區(qū)域，使用者如 外科醫(yī)生只須以期望的方式定位該圖像采集裝置和/或調節(jié)出期望的焦距并且最好確認 所述調節(jié)。隨后，機器人系統(tǒng)的控制單元根據(jù)該圖像處理裝置的位置和/或焦距自動求出 工作區(qū)域。如果圖像采集裝置所拍攝的圖像完整地顯示在監(jiān)視器上，則可以在監(jiān)視器上監(jiān) 測整個允許的工作區(qū)域。
[0008]當使用者如此控制機器人系統(tǒng)即工具或其末端執(zhí)行器到達工作區(qū)域邊界時，最好 自動停止所述運動。這種停止原則上可以在邊界處或距邊界預定距離處進行。工具或末端 執(zhí)行器的位置例如可以通過圖像采集裝置或其它合適的傳感器裝置來識別。
[0009] 前述圖像采集裝置最好包括照相機并且能例如以內窺鏡形式構成。
[0010] 該可視空間如所述那樣通過可由圖像采集裝置采集的所有光線來確定。位于幾何 可視空間外的物體因此可能無法由該圖像采集裝置采集到。原則上，幾何可視空間可具有 截然不同的形狀（取決于圖像采集裝置當前所用的光學系統(tǒng)）。因為一般采用圓形的光學 系統(tǒng)，故可視空間一般呈圓錐形狀。
[0011] 在本文范圍內，"機器人"尤其是指具有一個或多個關節(jié)臂的任何機械，所述關節(jié) 臂可借助一個或多個執(zhí)行器如電動機運動。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，該工作區(qū)域最好被限定到這樣的空間區(qū)域，其至少部分且最好完全 位于可視空間的側邊界內。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式，該工作區(qū)域例如可被如此確定：其側邊界對應于可 視空間的側邊界。即，在此情況下，該工作區(qū)域與該可視空間的體積重合。如果可視空間例 如呈圓錐形，則該工作區(qū)域由圓錐形面限定。此時，機器人或工具的側向自由運動度取決于 機器人或工具被引導的深度（即距光學系統(tǒng)的距離）。深度越大，圓錐形橫截面、進而側向 自由運動度越大。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式，該工作區(qū)域被限定到這樣的空間區(qū)域，其位于可視 空間內并且小于該可視空間的體積。在圓錐形可視空間的情況下，該工作區(qū)域例如可以是 安置在可視空間內的"金字塔"。
[0015] 該工作區(qū)域最好具有矩形的橫截面。由此可以使該工作區(qū)域匹配于該圖像采集裝 置所拍攝的圖像顯示于其上的矩形屏幕的規(guī)格。該工作區(qū)域最好被如此確定，即屏幕的側 邊界同時也體現(xiàn)為工作區(qū)域的邊界。因此，外科醫(yī)生可以在屏幕上監(jiān)視整個工作區(qū)域。
[0016] 為了使工作區(qū)域匹配于矩形屏幕，例如可以如此調節(jié)在工作區(qū)域的一定深度處的 矩形橫截面的對角線，即它對應于在該位置上的圓錐形可視空間的直徑。在監(jiān)視器上所顯 示的圖像的邊界于是對應于該工作區(qū)域的邊界。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，該工作區(qū)域也可以依據(jù)該可視空間與虛擬平面的 相交線或相交面來限定。因此，可以通過任何錐形截面來限定不同的工作體積?？梢栽谄?幕上向使用者顯示切割平面。以下是一個簡單例子：圓錐形可視空間（確切說是其周面） 與虛擬平面（其面法線例如指向可視圓錐體縱向）相交得到圓形剖切線。機器人工作區(qū)域 現(xiàn)在可以被限制到一個圓柱體，其周長對應于圓形相交線。為了確定該工作區(qū)域，使用者可 以如上所述調節(jié)該圖像采集裝置，該虛擬切割平面此時保持位置不變，或者他也可以調節(jié) 虛擬切割平面?；蛘?，例如也可以產(chǎn)生具有矩形橫截面的長方體形工作區(qū)域，其角部例如正 好位于圓形相交線上。橫截面大小又取決于可視圓錐體與虛擬平面的相交。
[0018] 該工作區(qū)域例如可以是圓錐形的、金字塔形、柱形或長方體形的，或者具有其它幾 何形狀。工作區(qū)域的形狀最好可以由使用者選擇。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式，該可視空間和/或所選的工作區(qū)域最好顯現(xiàn)到 由圖像采集裝置所拍攝并顯示在監(jiān)視器上的圖像中。于是，使用者看到所拍攝的圖像以及 表示該可視空間或工作區(qū)域的例如（彩色）線條。
[0020] 該工作區(qū)域原則上在深度上可以是無限的，但是它在深度上也可以通過設定至少 一個分界面而被限制。這例如可以自動進行而無需為此需要使用者輸入。但可選地，工作 區(qū)域的深度也可以通過例如輸入相應數(shù)據(jù)而由使用者預設。數(shù)據(jù)的輸入例如可以借助控制 裝置（也用以控制機器人）來進行。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的一個特殊實施方式，該工作區(qū)域被限定到在兩個面之間的空間區(qū) 域，所述兩個面是以距光學系統(tǒng)的不同距離布置的。所述面原則上可以是任何的自由形狀 面。但這些邊界面最好是平面。為了設定深度邊界，使用者例如可以在顯示于屏幕上的圖 像上標記出一個或多個分界面應經(jīng)過的點。該系統(tǒng)識別到這種輸入（作為一個或多個分界 面的設定）并相應限制該工作區(qū)域。
[0022] 該圖像采集裝置的新的取向或設定最好首先不改變有效的工作區(qū)域。為了改變該 工作區(qū)域，外科醫(yī)生最好須完成相應輸入例如操作按鍵。但或者也可以規(guī)定：在該圖像采集 裝置的位置和/或焦距被調節(jié)時，該工作區(qū)域自動自適應。
[0023] 可選地，例如也可存儲早先曾經(jīng)確定的各種工作區(qū)域。在此情況下可如此設計機 器人系統(tǒng)，即外科醫(yī)生可以根據(jù)要求（如根據(jù)按鍵壓力）在所存儲的各個工作區(qū)域之間變 換，無需為此改變圖像采集裝置的位置和/或焦距。
[0024] 本發(fā)明也涉及一種機器人系統(tǒng)，其具有至少一個第一機器人和第二機器人，在所 述第一機器人上安裝有能在可視空間邊界內采集圖像的圖像采集裝置，在所述第二機器人 上固定有工具尤其是外科手術器械。
[0025] 該機器人系統(tǒng)還包括輸入裝置，借以控制一個或兩個機器人。另外，根據(jù)本發(fā)明設 有控制單元，其求出與可視空間邊界相關的幾何數(shù)據(jù)并且根據(jù)可視空間邊界確定一個工作 區(qū)域，在該工作區(qū)域中機器人移動或機器人可以引導安裝于其上的工具。
[0026] 在本文范圍內，"機器人系統(tǒng)"尤其是指具有一個或多個機器人的工程設備，它還 可以包括一個或多個機器人操作工具和/或一個或多個其它機械。設計應用在微創(chuàng)手術中 的機器人系統(tǒng)例如可以包括一個或多個分別配備有外科手術器械或其它工具的機器人以 及可電動調節(jié)的手術臺。
[0027] 適用于控制機器人系統(tǒng)的輸入裝置例如可以是：操縱桿、鼠標、鍵盤、控制板、觸 板、觸屏、操控臺和/或基于照相機的圖像處理系統(tǒng)以及能夠獲得使用者控制設定值并產(chǎn) 生相應控制信號的所有其它已知輸入裝置。
[0028] 本發(fā)明的機器人系統(tǒng)優(yōu)選也如上所述包括用于規(guī)定工作區(qū)域深度邊界的機構。所 述機構最好是用于控制一個或多個機器人的輸入裝置的一部分