CN105050529B - 用于使用零空间来各向异性地增强操纵器接头运动的系统和方法 - Google Patents

用于使用零空间来各向异性地增强操纵器接头运动的系统和方法 Download PDF

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Abstract

用于提供操纵器的末端执行器的被命令的移动同时提供操纵器的一个或更多个接头的期望的移动的装置、系统和方法。方法包括，利用在接头空间内的加权矩阵来计算加权的接头速度，以各向异性地增强在零空间内的接头移动，从而提供第一组接头的期望的移动。方法可以包括，利用伪逆解来计算实现期望的末端执行器移动的接头速度，以及利用在接头空间内的对应于第一组接头的期望的移动的势函数梯度来调整计算的接头速度。方法可以包括加权的伪逆解以及增广雅可比矩阵解的使用。一个或更多个辅助移动还可以利用根据伪逆解计算的接头速度来提供。在本文中提供了用于使用这种方法的系统的各种配置。

Description

用于使用零空间来各向异性地增强操纵器接头运动的系统和 方法
相关申请的交叉引用
本申请是于2013年3月15日提交的名称为“Systems and Methods for Using theNull Space to Emphasize Manipulator Joint Motion Anisotropically”(代理人案卷号ISRG03870PROV/US)的美国临时专利申请No.61/800,924的非临时性申请且要求其优先权的权益，该申请的全部公开以引用方式并入本文。
本申请大体涉及以下共同拥有的申请：2009年6月30日提交的名称为“Control ofMedical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities”的美国申请No.12/494,695；2009年3月17日提交的名称为“Master Controller Having RedundantDegrees of Freedom and Added Forces to Create Internal Motion”的美国申请No.12/406,004；2005年5月19日提交的名称为“Software Center and HighlyConfigurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses”的美国申请No.11/133,423(美国专利No.8,004,229)；2004年9月30日提交的名称为“Offset RemoteCenterManipulator For Robotic Surgery”的美国申请No.10/957,077(美国专利No.7,594,912)；以及1999年9月17日提交的名称为“Master Having Redundant Degrees ofFreedom)”的美国申请No.09/398,507(美国专利No.6,714,839)；2012年6月1日提交的名称为“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space”的美国临时申请No.61/654,755；以及2012年6月1日提交的名称为“System and Methods forAvoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space”的美国临时申请No.61/654,773，这些申请的全部公开以引用方式并入本文。
技术领域
本发明大体提供改善的外科手术和/或机器人装置、系统和方法。
背景技术
微创医疗技术的目的在于减少在诊断或外科手术程序期间的受损组织量，从而减少患者的恢复时间、不适以及有害副作用。每年在美国执行数以百万计的“开放”或传统外科手术；这些手术中的许多有可能能够以微创方式执行。然而，目前仅有相对少量的外科手术使用微创技术，这是因为外科手术器械和技术的限制性以及掌握这些技术所需的额外的外科手术培训。
外科手术中使用的微创远程外科手术系统正得到发展，增大了外科医生的灵巧性以及允许外科医生从远程位置对患者进行手术。远程外科手术是对如下外科手术系统的通称，即外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构等)来操纵外科手术器械移动而不是通过手直接握持和移动器械。在这种远程外科手术系统中，在远程位置处为外科医生提供手术部位的图像。当外科医生通常在合适的观察器或显示器上观看到手术部位的三维图像时，外科医生通过操纵主控制输入装置，继而控制机器人器械的运动，从而对患者执行外科手术程序。机器人外科手术器械能够通过小的微创外科手术孔口被插入以处理患者体内的手术部位的组织，一般避免与开放式外科手术进入法相关联的创伤。这些机器人系统能够足够灵巧地移动外科手术器械的工作端，以执行相当复杂的外科手术任务，诸如通过在微创孔口处枢转器械的轴、使轴轴向滑动通过孔口、在孔口中旋转轴和/或其他类似动作来执行。
用于远程外科手术的伺服机构将通常接收来自两个主控制器(每个对应外科医生的一只手)的输入并且可以包括两个或更多个机器人臂或操纵器。将手的移动映射到由图像采集装置所显示的机器人器械的图像上能够有助于向外科医生提供对与每只手相关联的器械的准确控制。在许多外科手术机器人系统中，包括一个或更多个额外的机器人操纵器臂，以用于移动内窥镜或其他图像采集装置、额外的手术器械或类似器械。
各种结构布置能够用于在机器人外科手术期间在手术部位处支撑外科手术器械。从动联动装置或者“从”装置通常被称为机器人外科手术操纵器，并且在微创机器人外科手术期间用作机器人外科手术操纵器的示例被描述在美国专利US6,758,843、US6,246,200和US5,800,423中，这些专利的全部内容以引用方式并入本文。这些联动装置通常使用平行四边形布置来保持具有轴的器械。这种操纵器结构能够约束器械的移动，以便器械轴绕球形旋转的远程中心枢转，该球形旋转的远程中心被定位在沿刚性轴的长度的空间内。通过使该旋转的中心与内部手术部位的切口点对准(例如，与在腹腔镜手术期间在腹壁处的套管针或套管对准)，通过使用操纵器联动装置移动轴的近端能够安全地定位手术器械的末端执行器，而不对腹壁施加潜在危险的力。例如替代性操纵器结构被描述在美国专利US6,702,805、US6,676,669、US5,855,583、US5,808,665、US5,445,166和US5,184,601中，其全部内容以引用方式并入本文。
尽管新型的机器人外科手术系统和装置已被证明是高效且有利的，但仍需进一步改进。例如，操纵器臂可以包括额外的冗余接头以在某些情况下提供增加的移动或配置。然而，当在微创手术部位内移动外科手术器械时，这些接头可能会在患者体外表现出大幅度的移动(通常比所需的或预期的更多移动)，特别是当器械绕微创孔口在大的角度范围内枢转时。替代性操纵器结构已经被提出，其采用对高度可配置的运动学操纵器的接头的软件控制，以限制在插入部位处的枢转运动，同时阻止在患者体外的无意的操纵器/操纵器接触(或类似情况)。这些高度可配置的“软件中心”外科手术操纵器系统可以提供显著的优点，但是也会提出挑战。具体地，机械约束的远程中心联动装置可以在一些情况下提供安全优势。此外，通常包括在这些操纵器中的广泛的配置范围的许多接头可以导致操纵器很难以特定程序所期望的配置手动地设置。随着使用远程外科手术系统执行的外科手术的范围继续扩大，对扩展可用配置以及扩大器械在患者体内的运动范围的要求增加。遗憾的是，这两种变化都会增加与操纵器在体外的运动相关联的挑战，并且进一步增加针对某些任务避免操纵器臂不必要移动的重要性。
由于这些和其他原因，提供用于外科手术、机器人外科手术以及其他机器人应用的改善的装置、系统和方法是有利的，如果这些改进的技术提供了在某些任务期间限制操纵器臂的运动量的能力将尤为有益。另外，期望的是在提供此类改进的同时，增加对于至少一些任务的器械运动范围，而不明显地增加这些系统的尺寸、机械复杂性或成本，并且同时维持或改善它们的灵巧性。
发明内容
本发明大体提供改善的机器人和/或外科手术装置、系统和方法。在许多实施例中，本发明将采用高度可配置的外科手术机器人操纵器。例如，这些操纵器可以具有比在患者的外科手术工作空间内的相关外科手术末端执行器所具有的更多的运动自由度。根据本发明的机器人外科手术系统通常包括支撑机器人外科手术器械的操纵器臂以及计算协调的接头移动以操纵器械的末端执行器的处理器。针对给定的末端执行器方位和/或给定的枢转点位置，支撑末端执行器的机器人操纵器的接头允许操纵器在不同的配置范围内移动。操纵器可以包括额外的冗余接头，以允许各种类型的辅助移动(诸如响应于用户命令的重新配置移动)或另一类型的移动(诸如碰撞回避移动)。
在一个方面中，本发明允许各向异性地增强操纵器的一个或更多个接头在零空间内的运动，以便响应于用户输入的末端执行器操纵命令而提供操纵器的在体外的一个或更多个接头期望的移动，同时实现期望的末端执行器移动。接头运动的增强可以被认为是"各向异性的"，因为它取决于接头的方向，在接头的零空间内延伸的增强垂直于实现期望的末端执行器操纵移动的接头的移动。一个或更多个接头(在本文中被称为第一组接头)的期望的移动可以包括接头状态、接头状态的组合、相对接头状态、接头状态的范围、接头状态的轮廓或其任何组合。例如，期望的移动可以包括，维持第一组接头的接头之间的相对一致的接头速度、将接头速度限制在期望的范围内、和/或维持与操纵器的期望的姿态或碰撞阻止配置对应的接头状态的组合。
一般来说，实现远侧末端执行器的期望移动的操纵器臂的被命令的移动利用操纵器臂的所有接头的移动。然而，在一些操纵器(特别是具有冗余自由度的高度可配置的操纵器臂)中，某些接头的速度或操纵器的总动能可能超过期望的水平。通过增强第一组接头沿零空间方向的运动(如通过实现期望的末端执行器移动的多个接头在零垂直空间内的计算的移动来确定)，本发明在期望的末端执行器移动期间提供第一组接头的期望的移动(如在本文中所详述的)。此外，有利的是包括额外的辅助移动以实现某些其他任务，诸如操纵器臂的被命令的重新配置移动或碰撞回避移动。
根据一些实施例，本发明包括：提供操纵器臂，操纵器臂包括可移动远侧外科手术末端执行器、耦连到底座的近侧部分以及在远侧部分和底座之间的多个接头，多个接头具有足够的自由度以允许针对给定末端执行器状态的一系列的不同接头状态；接收以期望的末端执行器移动来移动末端执行器的操纵命令；通过计算在雅可比矩阵的零垂直空间内的接头速度来确定加权的接头速度，并且通过应用在多个接头的接头空间内的加权来调整在雅可比矩阵的零空间内的计算的接头速度，加权对应于多个接头中的第一组接头的期望的移动；以及根据加权的接头速度来驱动接头，以便实现期望的末端执行器移动和第一组接头的期望的移动。第一组接头可以包括多个接头中的一个或更多个接头。第一组接头的期望的移动可以包括但不限于：接头状态、接头状态的组合、相对接头状态、接头状态的范围、接头状态的轮廓或其任何组合。在一些实施例中，该方法可以进一步包括：通过计算实现期望的末端执行器移动的多个接头在雅可比矩阵的零垂直空间内的接头速度来确定多个接头的末端执行器移位移动，以实现期望的末端执行器移动，使得未加权的计算的接头速度保持可用于各种其他辅助任务(诸如被命令的重新配置或碰撞-回避移动)中，其中加权的接头速度根据计算的接头速度来计算。
在一个方面，确定加权的接头速度将雅可比矩阵的加权的伪逆应用于计算的接头速度。加权可以是在接头空间中的加权矩阵。加权可以包括在接头空间内的二次曲面，诸如抛物面。在一些实施例中，确定末端执行器移动包括，计算雅可比矩阵的伪逆解，并且通过计算伪逆解与伪逆解的势函数梯度之间的差来确定加权的接头速度，以及将该差投影到雅可比矩阵的零空间上，以确定相应的接头速度的零空间向量。
在另一方面中，本文中所描述的任何一种方法都可以包括：利用计算的接头速度来确定多个接头的一个或更多个辅助移动，以及根据计算的辅助移动来驱动接头，同时维持末端执行器的期望的状态。一个或更多个辅助移动可以包括多个接头中的第二组接头的期望的移动。第二组接头可以包括一个或更多个接头，该一个或更多个接头可以包括在第一组接头内的一个或更多个接头。一个或更多个辅助移动可以包括：被命令的重新配置移动、碰撞回避移动、辅助任务或其任何组合。
在本发明的一个方面，提供具有操纵输入端的冗余自由度(RDOF)外科手术机器人系统。该RDOF外科手术机器人系统包括操纵器组件、一个或更多个用户输入装置和具有控制器的处理器。组件的操纵器臂具有提供足够自由度的多个接头，所述自由度允许针对给定末端执行器状态的一系列的接头状态。通常，响应于接收以期望的移动来移动末端执行器的操纵命令，该系统通过计算雅可比矩阵的正交于零空间的零垂直空间内的接头速度来计算接头的末端执行器移位移动，并且根据计算的移动来驱动接头，从而实现期望的末端执行器移动。为了增大操纵器的工作空间或允许各种辅助任务，该系统可以包括操纵器臂的最近侧回转接头和/或将器械耦连到操纵器臂的近侧部分的远侧回转接头。
在另一方面中，操纵器被配置为移动，从而使得器械轴的中间部分绕远程中心枢转。在操纵器和器械之间存在提供足够自由度的多个从动接头，从而当器械轴的中间部分经过进入部位时，允许针对末端执行器方位的一系列的接头状态。具有控制器的处理器将输入装置耦连到操纵器。响应于接收用于实现期望的末端执行器移动的操纵命令，该系统计算接头的末端执行器移位移动，包括计算正交于零空间的雅可比矩阵的零垂直空间内的接头速度。处理器被进一步配置为，通过应用在多个接头的接头空间内的加权调整计算的接头速度来计算加权的接头速度，以实现多个接头中的第一组接头的期望的移动，以及响应于末端执行器移位移动而向操纵器臂传输命令，以用计算的加权的接头速度来驱动操纵器臂，从而实现期望的末端执行器移动和第一组接头的期望的移动。处理器可以被配置为使得，计算加权的接头速度使用在接头空间内应用的加权矩阵或更具体地根据二次曲面(诸如抛物面)，加权对应于第一组接头的期望的移动，使得接头的移动沿着零垂直空间被增强，以提供第一组接头的期望的移动。在一个方面中，期望的移动是接近或近似与在接头空间中的加权矩阵或表面对应的移动的第一组接头的移动。
在一个方面中，操纵器臂的近侧部分被附接到底座，使得当接头被驱动时，近侧部分相对于底座的移动被阻止。在另一方面中，近侧部分通过接头被耦连到底座，从而使得当接头被驱动时，操纵器臂的近侧部分可相对于底座移动。在示例性实施例中，将操纵器的近侧部分耦连到底座的接头是支撑操纵器臂的回转接头，从而使得回转接头的接头移动绕回转接头的枢转轴线枢转操纵器臂的一个或更多个接头。在许多实施例中，回转接头的枢转轴线从接头延伸通过远程中心，末端执行器的器械轴绕远程中心枢转。在一个方面中，回转接头的移动绕朝向远侧末端执行器(通常为远程中心)远侧地渐缩和取向的锥体枢转操纵器臂的一个或更多个接头。在这方面中，操纵器臂绕其枢转的锥体对应于在工具尖端的运动范围内的锥形空隙，在该运动范围内工具的移动是不可能的或被削弱，这会在下面进一步详细地讨论。
在另一方面中，将操纵器的近侧部分耦连到底座的接头可沿着通常弓形的或大体上圆形的路径相对于底座移动，从而使得接头沿着路径的移动使操纵器臂的一个或更多个接头绕轴线枢转，该轴线延伸通过操纵器臂在器械附近的远侧部分(优选通过器械轴绕其枢转的远程中心)。在一些实施例中，操纵器包括将操纵器的近侧部分耦连到底座的回转接头，该回转接头可沿着路径相对于底座移动，所述路径可以是线性的、弓形的或大体上圆形的。
在本发明的又一方面中，提供了具有近侧回转接头和远侧平行四边形联动装置的外科手术机器人操纵器，回转接头的枢转轴线基本上与末端执行器的器械轴的轴线相交，如果合适，则优选在远程中心处相交。该系统进一步包括处理器，处理器具有控制器，控制器将输入耦连到操纵器臂，并且被配置为响应于用户输入命令通过计算实现期望的末端执行器移动的加权的接头速度来计算多个接头的移动，接头速度的加权对应于在近侧底座与末端执行器之间一个或更多个的接头的期望的移动。在一些实施例中，处理器被进一步配置为，根据未加权的接头速度来计算在零空间内的接头速度，以实现一个或更多个辅助任务。
本发明的性质和优点的进一步地理解将通过参考本说明书和附图的其余部分变得显而易见。
附图说明
图1A是根据本发明的实施例的机器人外科手术系统的俯视图，该机器人外科手术系统具有带有多个机器人操纵器的外科手术台，该多个机器人操纵器用于自动地移动具有外科手术末端执行器的外科手术器械，该手术末端执行器位于患者体内的内部手术部位处。
图1B概略地示出图1A的机器人外科手术系统。
图2是示出用于将外科手术程序命令输入至图1A的外科手术系统内的主外科医生控制台或工作站的透视图，该控制台包括响应于输入命令生成操纵器命令信号的处理器。
图3是图1A的电子推车的透视图。
图4具有四个操纵器臂的患者侧推车的透视图。
图5A-5D示出示例操纵器臂。
图6A-6B分别示出处于俯仰向前配置和俯仰向后配置的示例操纵器臂。
图6C示出示例操纵器臂的外科手术器械工具尖端的运动范围的图形表示，包括处于俯仰向前和俯仰向后配置中的每个配置的静锥区或锥形工具进入限制区域。
图7A示出具有近侧回转接头的示例操纵器臂，该近侧回转接头绕近侧回转接头的轴线回转操纵器臂。
图7B示出示例操纵器臂以及相关联的运动范围和静锥区，该示例性操纵器臂具有近侧回转接头，近侧回转接头使操纵器臂绕近侧回转接头的轴线回转，操纵器臂绕近侧回转接头的轴线的移动能够用于减小所描述的静锥区。
图8示出在远侧器械保持器附近具有回转接头的示例操纵器臂。
图9示出在远侧器械保持器附近具有回转接头的示例操纵器臂，该回转接头绕接头轴线回转或扭转器械保持器。
图10A-10C示出随着回转接头在其接头运动范围内移动的示例性操纵器臂的顺序图，该操纵器臂在远侧器械保持器附近具有回转接头。
图11A-11B示出当远侧回转接头的角度位移分别为0°与90°的角度位移时具有远侧回转接头的示例性操纵器臂的回转轮廓。
图12A-12C示出具有近侧接头的示例性操纵器臂，该近侧接头绕接头的路径平移支撑操纵器臂的近侧接头。
图13A-13B图形地表示示例操纵器组件的雅可比矩阵的零空间和零垂直空间之间的关系。
图14图形地描绘利用雅可比矩阵的伪逆和势函数梯度来计算在接头空间内的加权的接头速度的方法。
图15示出用于在示例性操纵器组件中执行通用算法的方框图。
图16-17示出根据本发明的方面的示例方法的方框图。
具体实施方式
本发明大体提供改善的外科手术和机器人装置、系统和方法。本发明对于外科手术机器人系统的使用是特别有利的，其中在外科手术程序期间，多个外科手术工具或器械将被安装在相关联的多个机器人操纵器上并且通过该操纵器移动。机器人系统将通常包括远程机器人系统、远程外科手术系统和/或远程呈现系统，这些系统包括被配置为主-从控制器的处理器。通过提供采用被适当地配置成移动具有铰接式联动装置的操纵器组件的处理器的机器人系统，其中所述联动装置具有相对大量的自由度，联动装置的运动能够被调整以通过微创进入部位工作。虽然通常关于具有冗余自由度的操纵器描述本发明的各方面，但应意识到，这些方面可以应用于非冗余操纵器，例如经历或接近奇点的操纵器。
本文中所描述的机器人操纵器组件将通常包括机器人操纵器和安装在其上的工具(该工具通常包括外科手术版本中的外科手术器械)，不过术语“机器人组件”还将包括不带有安装在其上的工具的操纵器。术语“工具”既包括通用或工业机器人工具，也包括专用机器人外科手术器械，其中这些专用机器人外科手术器械结构通常包括适合组织操纵、组织处理、组织成像等的末端执行器。工具/操纵器接口将通常是快速断开工具保持器或联接器，从而允许快速移除工具和将该工具替换为替代性工具。操纵器组件将通常具有基座，该基座在机器人程序的至少一部分期间被固定在空间中，并且该操纵器组件可以包括在基座和工具的末端执行器之间的大量自由度。末端执行器的致动(诸如打开或闭合抓握装置的夹爪、给电外科去颤电极通电等)将通常与这些操纵器组件自由度分离，并且补充这些操纵器组件的自由度。
末端执行器将通常在工作空间中以二至六之间的自由度移动。如本文所用，术语“方位”既包括位置也包括取向。因此，末端执行器(例如)的方位的变化可以涉及末端执行器从第一位置至第二位置的平移，末端执行器从第一取向到第二取向的旋转，或两者的组合。当用于微创机器人外科手术时，操纵器组件的移动可以由系统的处理器来控制，从而使得工具或器械的轴或中间部分被约束为通过微创外科手术进入部位或其他孔口的安全运动。这种运动可以包括例如轴通过孔口部位轴向插入至外科手术工作空间中、轴绕其轴线的旋转以及轴绕邻近进入部位的枢转点的枢转运动。
本文中所描述的许多示例操纵器组件具有比在外科手术部位内定位和移动末端执行器所需的自由度更多的自由度。例如，在一些实施例中，能够通过微创孔口在内部手术部位处以六个自由度被定位的外科手术末端执行器可以具有九个自由度(末端执行器的六个自由度——三个用于定位，三个用于取向——加上三个自由度来遵守进入部位约束)，不过通常会具有十个或更多个自由度。具有比对于给定的末端执行器方位所需的自由度更多自由度的高度可配置的操纵器组件能够被描述为具有或提供足够的自由度以允许在工作空间内的针对末端执行器方位的一系列的接头状态。例如，对于给定的末端执行器方位，操纵器组件可以占据一系列的替代性操纵器联动装置方位中的任意方位(并且在其间被驱动)。类似地，对于给定的末端执行器的速度向量，该操纵器组件可以具有在雅可比矩阵的零空间内针对操纵器组件的各种接头的不同接头移动速度范围。
本发明提供机器人联动装置结构，该结构尤其适合如下外科手术应用(以及其他应用)，即其中期望有广泛的运动范围并且由于其他机器人联动装置、外科手术人员和设备等的存在可获得受限的专用体积。每个机器人联动装置所需的大运动范围和减小的体积还可以在机器人支撑结构的位置和外科手术或其他工作空间之间提供更大的灵活度，由此利于并加速设置。
接头等的术语“状态”通常在本文中将指的是与接头相关联的控制变量。例如，角接头的状态可以指的是由在其运动范围内的接头定义的角度和/或接头的角速度。类似地，轴向或棱柱接头的状态可以指接头的轴向方位和/或它的轴向速度。虽然本文中所描述的许多控制器包括速度控制器，但它们通常也具有一些方位控制方面。可替代实施例可以主要或完全依赖于方位控制器、加速度控制器等。在美国专利US6,699,177中更充分地描述能够用于这种装置的控制系统的许多方面，其全部公开内容以引用的方式并入本文。因此，只要所述的移动是基于相关联的计算，便可以使用方位控制算法、速度控制算法、两者的组合等执行本文中所描述的接头的移动和末端执行器的移动的计算。
在某些方面中，示例性操纵器臂的工具绕邻近微创孔口的枢转点枢转。在一些实施例中，该系统可以利用硬件远程中心，诸如在美国专利US6,786,896中描述的远程中心运动学，该专利的整体内容以引用的方式并入本文。这种系统可以利用双平行四边形联动装置，其约束了联动装置的移动，从而使得操纵器所支撑的器械的轴绕远程中心点枢转。可替代的机械约束的远程中心联动系统是已知的并且/或者可以在将来被开发出来。令人惊讶的是，与本发明结合的工作指示出远程中心联动系统可以受益于高度可配置的运动学架构。具体地，当外科手术机器人系统具有允许绕在微创外科手术进入部位处或其附近相交的两个轴线的枢转运动的联动装置时，球形枢转运动可以包括在患者体内的全部程度的期望的运动范围，不过仍会遇到可避免的缺陷(诸如未被充分地调节、在患者体外易于存在臂与臂或臂与患者的接触和/或其他情况)。首先，添加也被机械地约束为在进入部位处或其附近的枢转运动的一个或更多个额外自由度可能看似提供运动范围内的少量或任何改进。然而，令人惊讶的是，这种接头能够通过允许整个系统被配置成处于碰撞-抑制姿势或朝向该姿势驱动、通过进一步扩大其他外科手术程序的运动范围等提供显著的优点。在另一些实施例中，该系统可以利用软件来实现远程中心，诸如在美国专利申请No.8,004,229中所描述的，该专利的整体内容以引用的方式并入本文。在具有软件远程中心的系统中，处理器计算接头的移动，以便绕经确定的枢转点(这与机械约束不同)枢转器械轴的中间部分。通过具有计算软件枢转点的能力，能够选择性地实现以系统的柔度或刚度为特点的不同模式。更具体地，能够根据需要在一系列的枢转点/中心(例如，可移动的枢转点、被动枢转点、固定/刚性枢转点、软枢转点)上实现不同系统模式。
尽管具有多个高度可配置操纵器的机器人外科手术系统具有许多优点，但由于操纵器包括底座与具有冗余自由度的器械之间的相对大量的接头和连杆，为实现远侧末端执行器和/或远程中心的期望的移动的多个接头的被命令的运动可能产生不期望的接头速度、与一个或更多个接头相关联的过多动能或可能产生不满足期望的运动偏好的运动。不期望的接头速度的示例可以包括接头状态的不期望的组合、针对一个或更多个接头的过大接头速度或不相称的接头状态。本发明在被命令的末端执行器移动期间为一个或更多个接头提供期望的移动，诸如本文中所描述的接头状态或其他这种移动的组合。
在一个方面，该系统被配置为计算实现工具尖端和/或远程中心的被命令的移动的加权的接头速度。接头速度在接头空间中被加权，以沿零空间方向各向异性地增强接头的运动，加权对应于第一组接头的期望的状态或移动，使得根据加权的接头速度驱动接头实现被命令的移动，同时提供第一组接头的期望的移动。在第一方法中，加权的接头速度通过应用在接头空间内的加权矩阵来计算。在第二方法中，加权的接头速度和实现工具尖端和/或远程中心的被命令的移动的未加权的接头速度通过利用未加权的接头速度来计算。当未加权的接头速度能够用于实现一个或更多个各种其他任务(诸如被命令的重新配置和碰撞回避任务)，该方法是特别有用的。在某些方面，未加权的和加权的接头速度在相同的核函数(kernel)内利用包括在接头空间内的二次曲面(诸如抛物面或椭圆面)的加权来计算。加权的接头速度可以根据未加权的接头速度利用伪逆解与解的势函数梯度之间的差来计算，例如在下面进一步详细地描述的。
在一个方面中，通过根据由处理器计算的接头在运动学雅可比矩阵的零垂直空间内的协调的末端执行器移位移动来驱动操纵器的一个或更多个接头，来实现在外科手术空间内的被命令的末端执行器移动。通过根据计算的接头在雅可比矩阵的零空间内的协调的移动(通常伴随着末端执行器移位移动)来驱动操纵器的一个或更多个接头，各种其他任务(诸如重新配置移动或碰撞回避移动)可以被实现，同时维持末端执行器的期望的状态。在一些实施例中，这些各种其他任务可以使用未加权的接头速度，使得该系统能够被配置为在相同的迭代或核函数内计算加权的和未加权的接头速度。这样的实施例可以使用替代性方法利用未加权的接头速度来加权接头速度，以便减少确定加权的接头速度所需的计算。
在一些实施例中，与各种其他任务(诸如回避移动)有关的基于自主算法的计算的移动可以覆盖实现各种其他任务的计算的接头速度。这种碰撞回避移动的示例于2012年6月1日提交的名称为“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using aNull-Space”的美国临时专利申请No.61/654,755和于2012年6月1日提交的名称为“Systemand Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space”的美国临时专利申请No.61/654,773中进行了描述，其全部公开以引用方式并入本文。然而，覆盖各向异性地增强的接头移动的计算的移动不限于自主移动，并且可以包括各种其他移动(诸如被命令的重新配置移动、改善运动范围、灵巧性或调节的移动)。这种被命令的重新配置的示例于2012年6月1日提交的名称为“Commanded Reconfiguration of aSurgical Manipulator Using the Null-Space”的美国临时专利申请No.61/654,764中进行了描述，其全部公开以引用方式并入本文。
在以下描述中，将描述本发明的各种实施例。为了说明的目的，阐述了具体配置和细节，以便提供对实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员应明白在没有各种具体细节的情况下可以实行本发明。此外，为了不混淆正在描述的实施例，公知的特征可以被省略或简化。
现在参考附图，其中贯穿多个附图，相同附图标记指代相同部分，图1A是根据许多实施例的微创机器人外科手术(MIRS)系统10的俯视图，该系统用于对平躺在手术台14上的患者12执行微创诊断或外科手术程序。该系统能够包括供外科医生18在程序中使用的外科医生控制台16。一个或更多个助手20也可以参与该程序。MIRS系统10能够进一步包括患者侧推车22(外科手术机器人)以及电子推车24。患者侧推车22能够操纵至少一个可移除地耦连的工具组件26(下文简称为“工具”)通过患者12身体内的微创切口，同时外科医生18通过控制台16观看外科手术部位。外科手术部位的图像能够通过内窥镜28(诸如立体内窥镜)获得，该所述内窥镜能够被患者侧推车22操纵以便对内窥镜28定向。电子推车24能够被用于处理外科手术部位的图像，以便随后通过外科医生控制台16显示给外科医生18。被同时使用的手术工具26的数量将大体取决于诊断或外科手术程序和手术室内的空间约束以及其他因素。如果在程序中必须更换正在使用的一个或更多个工具26，则助手20可以从患者侧推车22移除工具26，并且使用来自手术室内托盘30的另一工具26将其替换。
图1B概略地示出机器人外科手术系统50(诸如图1A的MIRS系统10)。如上所述，外科医生控制台52(诸如图1A中的外科医生控制台16)能够由外科医生使用，以在微创手术程序期间控制患者侧推车(外科手术机器人)54(诸如图1A中的患者侧推车22)。患者侧推车54能够使用成像装置(诸如立体内窥镜)来采集程序部位的图像，并且将采集的图像输出至电子推车56(诸如图1A中的电子车24)。如上所述，电子推车56能够在任何后续显示之前以各种方式处理采集的图像。例如，在将组合的图像经由外科医生控制台52显示给外科医生之前，电子推车56能够用虚拟控制界面覆盖采集的图像上。患者侧推车54能够输出采集的图像，用于在电子推车56外部进行处理。例如，患者侧推车54能够将采集的图像输出至处理器58，并且能够被用于处理采集的图像。图像还能够通过电子推车56和处理器58的组合来处理，并且能够被耦连在一起以便共同、相继和/或组合地处理采集的图像。一个或更多个单独的显示器60还能够与处理器58和/或电子推车56耦连在一起，以用于图像(诸如程序部位的图像或其他有关的图像)的本地和/或远程显示。
图2是外科医生控制台16的透视图。外科医生控制台16包括左眼显示器32和右眼显示器34，以用于为外科医生18呈现能够具有深度感知的外科手术部位的协调立体图。控制台16进一步包括一个或更多个输入控制装置36，该输入控制装置36进而使得患者侧推车22(图1A所示)操纵一个或更多个工具。输入控制装置36能够提供与其相关联的工具26(图1A所示)相同的自由度，以便为外科医生提供远程呈现或输入控制装置36与工具26一体化的感知，从而使得外科医生具有直接控制工具26的强烈感觉。为了该目的，可以采用方位、力和触觉反馈传感器(未示出)以便将方位、力和触觉感觉通过输入控制装置36从工具26传输回外科医生的手。
外科医生控制台16通常和患者位于相同的房间，以便外科医生可以直接监控手术程序、如果需要可以实际存在并且直接对助手说话而不是通过电话或其他通信介质说话。然而，外科医生能够位于不同的房间、完全不同的建筑物或远离患者的其他远程位置，以允许远程外科手术程序。
图3是电子推车24的透视图。电子推车24能够与内窥镜28耦连并且能够包括处理器，该处理器用于处理采集的图像以便随后的显示，诸如在手术控制台或位于本地和/或远程的另一合适的显示器上向外科医生显示。例如，当使用立体内窥镜时，电子推车24能够处理采集的图像，以便为外科医生呈现外科手术部位的协调立体图像。这种协调能够包括相反图像之间的对准并且能够包括调节立体内窥镜的立体工作距离。作为另一示例，图像处理能够包括使用先前确定的照相机校准参数，以便补偿图像采集装置的成像误差，诸如光学像差。
图4示出具有多个操纵器臂的患者侧推车22，其中每个操纵器臂支撑操纵器臂的远端处的外科手术器械或工具26。示出的患者侧推车22包括四个操纵器臂100，这些操纵器臂能够被用于支撑外科手术工具26或成像装置28，诸如用于采集程序部位的图像的立体内窥镜。通过具有数个机器人接头的机器人操纵器臂100来提供操纵。成像装置28和外科手术工具26能够被定位并且被操纵通过患者体内的切口，使得运动学远程中心维持在切口处，以便使切口的尺寸最小化。当外科手术器械或工具26的远端被定位在成像装置28的视野内时，手术部位的图像能够包括外科手术器械或工具26的远端的图像。
关于外科手术工具26，可以使用各种不同类型和不同的末端执行器的替代性机器人外科手术工具或器械，其中在外科手术程序期间移除并且替换至少一些操纵器的器械。这些末端执行器中的一些(包括DeBakey镊子、微型手术镊、Potts剪刀和施夹器)包括相对于彼此枢转以便限定一对末端执行器夹爪的第一末端执行器元件和第二末端执行器元件。其他末端执行器(包括手术刀和电灼探头)具有单个末端执行器元件。对于具有末端执行器夹爪的器械，通常会通过挤压柄部的抓握构件来致动夹爪。单个末端执行器型器械还可以通过抓握构件的抓握被致动，例如以便给电灼探头通电。
器械26的细长轴允许末端执行器和轴远端通过微创孔口、通常通过腹壁等向远侧插入至外科手术工作部位。外科手术工作部位可以被喷注，并且通常至少部分通过绕轴穿过微创孔口所处的位置来枢转器械26，而实现末端执行器在患者体内的移动。换句话说，操纵器100将在患者体外移动器械的近侧外壳，从而使得轴延伸通过微创孔口位置，以便帮助提供末端执行器的期望移动。因此，在外科手术程序期间，操纵器100将通常经历在患者P体外的显著移动。
根据本发明的许多实施例的示例性操纵器臂能够参考图5A-12C理解。如上所述，操纵器臂大体支撑远侧器械或外科手术工具并且实现器械相对于基座的移动。由于具有不同末端执行器的大量不同的器械可能在外科手术程序期间被相继安装在每个操纵器上(通常在外科手术助手的帮助下)，所以远侧器械保持器将优选地允许所安装的器械或工具的快速移除和替换。如参考图4能够理解的，操纵器在近侧安装在患者侧推车的基座。通常，操纵器臂包括在基座和远侧器械保持器之间延伸的多个联动装置和相关联的接头。在一个方面，示例性操纵器包括具有冗余自由度的多个接头，使得针对给定的末端执行器方位，操纵器臂的接头能够被驱动成一系列的不同配置。这可以是本文公开的任何操纵器臂的实施例的情况。
在许多实施例中，诸如图5A所示的示例，示例性操纵器臂包括近侧回转接头J1，其绕第一接头轴线旋转以便使接头远侧的操纵器臂绕接头轴线回转。在一些实施例中，回转接头J1被直接安装到基座，而在另一些实施例中，接头J1可以被安装到一个或更多个可移动联动装置或接头。操纵器的接头以其结合形式具有冗余的自由度，从而使得针对给定的末端执行器的方位，操纵器臂的接头能够被驱动成一系列的不同配置。例如，图5A-5D的操纵器臂可以被操控成不同的配置，而被支撑在器械保持器510中的远侧构件511维持特定状态并且可以包括末端执行器的给定方位或速度。远侧构件511通常是工具轴512延伸所通过的套管，并且器械保持器510通常是器械在通过套管511延伸通过微创孔口进入患者体内之前所附连的托架(示出为在梁上平移的块状结构)。
现在描述图5A-5D的操纵器臂500的各个连杆以及如图5A-5D所示连接连杆的接头的旋转轴线，其中第一连杆504从枢转接头J2向远侧延伸，该枢转接头J2绕其接头轴线枢转并且被耦连到绕回转接头J1的接头轴线旋转的回转接头J1。能够通过与接头相关联的旋转轴线来识别接头的许多剩余部分，如图5A所示。例如，如图所示，第一连杆504的远端在枢转接头J3处耦连到第二连杆506的近端，其中枢转接头J3绕其枢转轴线枢转，第三连杆508的近端在枢转接头J4处耦连到第二连杆506的远端其中枢转接头J4绕其轴线枢转。第三连杆508的远端在枢转接头J5处耦连到器械保持器510。通常，当靠近彼此定位时每个接头J2、J3、J4和J5的枢转轴线基本平行并且联动装置呈现“堆叠”，如图5D所示，以便在操纵器组件的操控期间提供操纵器臂的减小的宽度w并改善患者间隙。在许多实施例中，器械保持器还包括额外的接头，诸如棱柱接头J6，该额外的接头便于器械306通过微创孔口的轴向移动，并且便于器械保持器附连到套管，其中器械可滑动地通过该套管插入。
远侧构件或工具512延伸通过其中的套管511可以包括器械保持器510的远侧的额外的自由度。该器械的自由度的致动将通常通过操纵器的马达来驱动，并且替代性实施例可以在快速可拆卸器械保持器/器械接口处将器械与支撑操纵器结构分开，从而使得在此处所示正在器械上的一个或更多个接头实际上在接口上，或者反之亦可。在一些实施例中，套管511包括在工具尖端的插入点或枢转点PP附近或近侧的旋转接头J7(未示出)，其中工具尖端的插入点或枢转点PP通常被设置在微创孔口的部位处。器械的远侧腕部允许外科手术工具512的末端执行器在器械腕部处绕一个或更多个接头的器械接头轴线进行枢转运动。末端执行器夹爪元件之间的角度可以独立于末端执行器的位置和取向被控制。
通过参考图6A-6C能够意识到示例性操纵器组件的运动范围。在外科手术程序中，示例性操纵器臂能够根据需要被操控成俯仰向前配置(如图6A所示)或俯仰向后配置(如图6B所示)，以进入外科手术工作空间内的患者特定组织。典型的操纵器组件包括末端执行器，该末端执行器能够绕轴线向前和向后俯仰至少±60度，优选大约±75度，并且还能够绕轴线偏转±80度。尽管该方面允许末端执行器以及组件的增加的可操控性，但可能仍存在末端执行器的移动可能被限制的配置，特别是当操纵器臂处于图6A和6B的完全俯仰向前或完全俯仰向后配置时。在一个实施例中，操纵器臂分别具有针对外俯仰的(+/-75度)运动范围(ROM)和针对外偏转接头的(+/-300度)运动范围(ROM)。在一些实施例中，可以针对外俯仰增加ROM以提供比(+/-90度)更大的ROM，在此情况下，能够使接头移动受限制或不可能的空间锥体完全消失，但是通常与插入限制相关联的内球体将会继续存在。应意识到，各种实施例可以被配置为具有增加的或减小的ROM，上面提及的ROM被提供用于说明性目的，并且应进一步意识到，本发明不限于本文中所描述的ROM。
图6C图形表示图5A-5B的示例性操纵器的工具尖端的总体运动范围和工作空间。尽管工作空间被显示为半球体，但是取决于操纵器的一个或更多个回转接头(诸如接头Jl)的运动范围和配置，它也可以被表示为球体。如图所示，图6C中的半球体包括中心的、小的球形空隙以及两个锥形空隙。空隙表示工具尖端的移动由于机械约束而不可能或由于使末端执行器的移动困难或迟钝的极高的接头速度而不能实行的区域。由于这些原因，锥形空隙被称为“静锥区(cone of silence)”。在一些实施例中，操纵器臂可以到达该锥体内的一点处的奇点。由于操纵器在静锥区内或其附近的移动可能被削弱，因此在不手动地移动操纵器的一个或更多个连杆以重新配置操纵器的联动装置和接头的情况下很难使操纵器臂移动离开静锥区，这可能需要替代性操作模式并且推迟外科手术程序。
当操纵器中的远侧联动装置之间的角度相对较小时，器械轴在这些锥形部分内或其附近的移动通常会发生。因此，这种配置能够通过各向异性地增强操纵器的移动以便增加联动装置之间的角度(使得联动装置被移动成相对于彼此更正交的方位)来避免。例如，在6A和6B所示的配置中，当最远侧连杆与器械保持器之间的角度(角度a)变得相对较小时，操纵器的移动会变得更困难。在各种实施例中，取决于其余接头的接头移动范围，当某些联动装置之间的角度减小时，操纵器的移动可能被阻止，并且在一些情况下，操纵器臂可能不再是冗余的。器械轴靠近这些锥形部分或联动装置之间的角度相对较小的操纵器配置被认为是“欠佳地调节”，因此操纵器臂的可操控性和灵巧性受限制。期望的是，操纵器被“较佳地调节”，以便维持移动的灵巧性和范围。在一个方面，即使在外科手术程序中的末端执行器移动期间，本发明也允许用户根据需要通过简单地输入重新配置操纵器的命令来避免器械轴在上述锥形部分附近的移动。如果操纵器无论由于什么原因而变得"欠佳地调节"，该方面是特别有用的。
虽然上述的操纵器的实施例可以用于本发明中，但是一些实施例可以包括额外的接头，这也可以用于改善操纵器臂的灵巧性和调节。例如，示例性操纵器可以包括接头J1近侧的回转接头和/或联动装置，其能够用于绕回转接头的轴线回转图5A的操纵器臂和其相关联的静锥区，以便减小或消除静锥区。在另一实施例中，示例性操纵器还可以包括远侧枢转接头，该远侧枢转接头绕基本上垂直于接头J5的轴线枢转器械保持器，由此偏移工具尖端，以便进一步减小静锥区，并改善外科手术工具的移动范围。在又一实施例中，操纵器臂的近侧接头(诸如Jl)可以被可移动地安装在基座上，以便根据需要移动或转移静锥区，并改善操纵器工具尖端的运动范围。通过参考图7A-12C能够理解这种额外的接头的使用和优点，图7A-13C示出这种接头的示例，这种接头均可以在本文中所描述的任何示例性操纵器臂中彼此独立地使用或组合使用。
图7A-7B示出用于与示例性操纵器臂一起使用的额外的冗余接头，即，将操纵器臂的近侧部分耦连到基座的第一接头。第一接头是使操纵器臂绕接头Jl的接头轴线回转的近侧回转接头Jl。近侧回转接头Jl包括使接头Jl'从近侧回转接头Jl偏移预定的距离或角度的连杆501。连杆501可以是弧形的联动装置(如图7A所示)或线性或成角度的联动装置(如图7B所示)。通常，接头Jl的接头轴线与远程中心RC或工具尖端的插入点对准，均在图7A示出。在示例性实施例中，接头Jl的接头轴线穿过远程中心，操纵器臂中的每个其他回转接头轴线也是如此，以防止在体壁处的运动，并且能够在外科手术期间被移动。接头Jl的轴线被耦连到臂的近侧部分，因此它能够用于改变臂的后部的方位和取向。一般来说，冗余轴线(诸如该轴线)允许器械尖端遵从外科医生的命令同时避免与其他臂或患者解剖结构碰撞。在一个方面，近侧回转接头Jl仅用于改变操纵器相对于地面的安装角度。为了1)避免与外部患者解剖结构的碰撞并且2)到达体内的解剖结构，该角度是重要的。通常，被附连到近侧回转接头Jl的操纵器近侧连杆与近侧回转接头的轴线之间的角度a为大约15度。
图7B示出示例性操纵器臂中的近侧回转接头Jl和其相关联的接头轴线与静锥区的关系。近侧回转接头Jl的接头轴线可以穿过静锥区，或可以完全在静锥区外面。通过绕近侧回转接头Jl的轴线回转操纵器臂，静锥区能够被减小(在接头Jl'轴线穿过静锥区的实施例中)，或能够被有效地消除(在近侧回转接头轴线完全在静锥区外面延伸的实施例中)。连杆501的距离和角度决定接头Jl轴线相对于静锥区的方位。
图8A-8B示出用于与示例性操纵器臂一起使用的另一类型的冗余接头，即，将器械保持器510耦连到操纵器臂508的远侧连杆的远侧回转接头J7。远侧回转接头J7允许该系统绕接头轴线扭转器械保持器510，该接头轴线通常穿过远程中心或插入点。理想地，回转接头位于臂上远侧并因此尤为适于移动插入轴线的取向。该冗余轴线的添加允许操纵器针对任意单个器械尖端方位呈现多个方位。一般来说，冗余轴线(诸如该轴线)允许器械尖端遵从外科医生的命令同时避免与其他臂或患者解剖结构碰撞。因为远侧回转接头J7具有使插入轴线更靠近偏转轴线移动的能力，所以能够增加臂俯仰向后运动范围。在图9中示出远侧回转接头J7的轴线、Jl'的偏转轴线与工具尖端的插入轴线之间的关系。图10A-10C示出J7的顺序移动和其如何从一侧向另一侧转移工具尖端的插入轴线。
远侧回转接头J7的另一优点是它可以减小患者间隙锥体，该患者间隙锥体是操纵器臂的在插入点近侧的远侧部分的扫略体积，操纵器臂必须让开患者以回避患者与操纵器臂的器械保持器或远侧联动装置之间的碰撞。图11A示出远侧回转接头的角度位移保持在0°时操纵器臂的近侧部分的患者间隙锥体。图11B示出当远侧回转接头被显示具有绕其轴线的90°的角度位移时操纵器臂的近侧部分的减小的患者间隙锥体。因此，在具有靠近插入点的最小患者间隙的程序中，根据本发明的接头J7的使用可以提供额外的间隙，同时根据需要保持远程中心位置或末端执行器的方位。
图12A-12C用于与示例性操纵器臂一起使用的另一类型的冗余接头，即绕轴线平移或回转操纵器臂的近侧接头。在许多实施例中，该近侧可平移接头沿着路径平移操纵器的近侧接头(诸如接头Jl或Jl')，以便通过转移或旋转操纵器臂的运动范围来减小或消除静锥区，从而提供操纵器臂的更好的调节和改善的可操纵性。可平移接头可以包括圆形路径(诸如图12A-12D中的接头Jl"所示)，或可以包括半圆形或弓形路径。一般来说，该接头绕可平移接头的轴线回转操纵器臂，可平移接头的轴线与远程中心RC相交，延伸通过套管511的工具512的轴绕远程中心RC枢转。在所示的实施例中，Jl"的该轴线是垂直轴线，但在各种其他实施例中，该轴线可以成某一角度或是水平的。
在一些实施例中，操纵器臂500可以包括近侧和远侧回转接头、近侧可平移接头和远侧联动装置的平行四边形配置中的任何一个或所有。根据本发明，这些特征中的任何一个或所有的使用提供额外的冗余自由度并且便于重新配置，以便通过增加联动装置之间的角度由此改善操纵器的灵巧性和运动来提供更好“调节”的操纵器组件。该示例性操纵器的增加的灵活度还能够用于优化操纵器联动装置的运动学，以便回避接头限制、奇点等。
在一示例性实施例中，通过由控制器使用该系统的马达驱动一个或更多个接头来控制操纵器的接头移动，其中根据由控制器的处理器计算出的协调和接头移动驱动所述接头。数学上，控制器可以使用向量和/或矩阵执行接头命令的至少一些计算，其中向量和/或矩阵中的一些可以具有对应于接头配置或速度的元素。处理器可以获得的替代性接头配置范围可以被概念化为接头空间。例如，该接头空间可以具有与操纵器所具有的自由度一样多的维度，并且操纵器的特定配置可以表示在接头空间中的特定点，其中每个坐标对应于操纵器的相关联接头的接头状态。
在示例性实施例中，该系统包括控制器，其中工作空间(这里表示为笛卡尔空间)中的特征的命令方位和速度是输入。该特征可以是操纵器上的任何特征或脱离操纵器的任何特征，该操纵器能够被用作使用控制输入而被铰接的控制框架。用于本文中所描述的许多示例中的操纵器上的特征示例可以是工具尖端。操纵器上的特征的另一示例可以是物理特征，该特征不在工具尖端上，而是操纵器的一部分诸如销或着色图案。脱离操纵器的特征示例可以是在空的空间中的基准点，该点恰好远离工具尖端一定距离和角度。脱离操纵器的特征的另一示例可以是目标组织，该组织相对于操纵器的方位能够被建立。在所有这些情况中，末端执行器与使用控制输入被铰接的假想控制框架相关联。然而，在下文中，使用的“末端执行器”和“工具尖端”作为同义词使用。虽然大体上，不存在将期望的笛卡尔空间末端执行器方位映射到等价的接头空间方位的封闭形式关系，但是在笛卡尔空间末端执行器速度和接头空间速度之间大体存在封闭形式的关系。运动学雅可比矩阵是末端执行器的笛卡尔空间方位元素相对于接头空间方位元素的偏导矩阵。以这种方式，运动学雅可比矩阵采集末端执行器和接头之间的运动学关系。换句话说，运动学雅可比矩阵采集接头运动对末端执行器的影响。运动学雅可比矩阵(J)能够用于使用下面的关系式将接头空间速度(dq/dt)映射到笛卡尔空间末端执行器速度(dx/dt)：
dx/dt＝J dq/dt
因此，即使在输入方位和输出方位之间不存在封闭形式的映射时，也能够在诸如基于雅可比矩阵的控制器中迭代地使用速度的映射，从而根据命令的用户输入实现操纵器的移动，不过还能够使用各种实施方式。尽管许多实施例包括基于雅可比矩阵的控制器，但是一些实施方式可以使用可以被配置成访问操纵器臂的雅可比矩阵以提供本文中所描述的任何特征的各种控制器。
下面以简化的术语描述一个这种实施方式。命令的接头方位被用于计算雅可比矩阵(J)。在每个时间步长(△t)期间，计算笛卡尔空间速度(dx/dt)以执行期望的移动(dxdes/dt)并且校正与期望的笛卡尔空间方位的累积偏差(△x)。然后，使用雅可比矩阵的伪逆(J#)将该笛卡尔空间速度转换成接头空间速度(dq/dt)。然后，将所得的接头空间的命令速度进行积分，以产生接头空间的命令方位(q)。这些关系列出如下：
dx/dt＝dxdes/dt+k△x (1)
dq/dt＝J#dx/dt (2)
qi＝qi-1+dq/dt△t (3)
雅可比矩阵(J)的伪逆直接将期望的工具尖端运动(以及在某些情况下，枢转工具运动的远程中心)映射到接头速度空间内。如果正在使用的操纵器具有比工具尖端自由度(多达六个)更有用的接头轴线，(并且当工具运动的远程中心在使用时，操纵器应该具有额外的3个接头轴线，以用于与远程中心的位置相关联的3个自由度)，则该操纵器被称为是冗余的。冗余的操纵器的雅可比矩阵包括具有至少一个维度的“零空间(null-space)”。在该背景下，雅可比矩阵的“零空间”(N(J))是瞬间实现无工具尖端运动(并且当使用远程中心时，无枢转点位置的移动)的接头速度的空间；并且“零运动”是接头方位的组合、轨迹或路径，该“零运动”也产生了工具尖端和/或远程中心的位置的非瞬间移动。将计算的零空间速度并入或注入操纵器的控制系统以实现操纵器的期望的重新配置(包括本文中所描述的任何重新配置)，将上述等式(2)改变如下：
dq/dt＝dqperp/dt+dqnull/dt (4)
dqperp/dt＝J#dx/dt (5)
dqnull/dt＝(1-J#J)z＝Vn Vn T z＝Vnα (6)
根据等式(4)的接头速度具有两个分量：第一个分量是零垂直空间分量dqperp/dt，“最单一的”接头速度(最短向量长度)，其产生期望的工具尖端运动(并且当使用远程中心时，产生期望的远程中心运动)；并且第二个分量是零空间分量dqnull/dt。等式(2)和(5)显示，在没有零空间分量的情况下，实现相同的等式。等式(6)在左侧以零空间分量的传统形式开始，并且在远右侧显示在示例性系统中使用的形式，其中Vn是零空间的正交基向量集，并且α是混合那些基向量的系数。在一些实施例中，α是由控制参数、变量或设置确定的，诸如通过使用旋钮或其他控制器件确定，以便根据需要在零空间内调整或控制运动。
图13A-13B图形地示出在雅可比矩阵的零空间和示例性操纵器臂的雅可比矩阵的零垂直空间之间的关系。图13A示出二维示意图，该图示出沿水平轴线的零空间以及沿竖直轴线的零垂直空间，这两个轴线彼此正交。该对角线向量表示零空间中的速度向量和零垂直空间中的速度向量之和，其表示上述等式(4)。
图13B图形地示出在四维接头空间内的零空间和零运动流形(null-motion-manifold)之间的关系，示出为“零运动流形”。每个箭头(q1、q2、q3和q4)表示主要接头轴线。封闭曲线表示零运动流形，该零运动流形是瞬间实现相同末端执行器方位的一组接头空间方位。对于曲线上的给定点A，由于零空间是瞬间产生末端执行器的无移动的接头速度的空间，所以零空间在点A处平行于零运动流形的切线。
在第一方法即上面引用的接头空间加权的伪逆方法中，该系统计算雅可比矩阵的加权的伪逆。例如，使用链式法则以及雅可比矩阵的定义，该结果能够根据以下等式来获得，其中W是用于加权接头速度的加权矩阵，而()#是伪逆解：
dx/dt＝J*dq/dt (7)
dx/dt＝J*W*W(-1)*dq/dt (8)
W(-1)*dq/dt＝(J*W)#*dx/dt (9)
dq/dt＝W*(J*W)#*dx/dt (10)
在另一方法(推车空间加权的伪逆方法)中，可以使用以下等式：
dx/dt＝J*dq/dt
W*dx/dt＝W*J*dq/dt
dq/dt＝(W*J)#(W*dx/dt)
示例：
设定W＝对角线矩阵([1 1 0 1 1 1])。这引起第三推车空间速度要素(即沿着Z的平移)对dq/dt没有影响，并且因此所产生的接头速度将不会产生沿着末端执行器Z的平移。
尽管加权的接头速度能够通过以上等式的使用来获得，但是会存在与该方法相关联的某些缺点。例如，如果与操纵器移动相关联的各种其他任务使用奇异值分解计算(诸如用于各种其他算法的零空间基本向量)的未加权的接头速度，对于这些各种其他任务，该方法则会需要额外的奇异值分解计算。
在上面引用的第二方法中，为了最小化所需的计算次数，该系统可以被配置为基于未加权的接头速度而将加权应用于接头速度，由此对于每个核函数循环，仅需要一次奇异值分解。因此，各种其他任务或移动能够使用未加权的接头速度，同时加权应用于接头速度，以在被命令的移动期间提供第一组接头的期望的接头状态或移动。在该方法中，来自雅可比矩阵的伪逆的dq/dt(诸如可以从上面的等式(2)或(5)中获得)应用于表示接头速度空间中的加权的各向异性表面，以确定梯度。然后，伪逆解与在伪逆解处的表面梯度之间的差成为加权修正，该差被投影到零空间上以确定加权的接头速度。
图14图形地示出第二方法的示例。加权W被描述为在接头空间内的各向异性抛物面。标记dq/dt的向量为响应于工具尖端和/或远程中心的被命令的移动而计算的最初伪逆解。各向异性抛物面的表示接头速度权数的梯度g向原点(示为g')移动，以便确定dw/dt向量与梯度之间的差Δ，该差Δ随后被投影到接头的零空间上以确定dqnull/dt，dqnull/dt用于确定加权的接头速度。理想化的接头速度向量不总是可实现的，使得因而产生的向量dqnull/dt+dqperp/dt接近由加权所限定的接头移动。
该方法可以通过以下等式的使用来实行，其中C是由抛物面所限定的成本函数，g是梯度，而Vn表示零空间基本向量。
C＝1/2‖W*dqperp/dt‖2＝1/2(dqperp/dt)T*WT*W*dqperp/dt (11)
g(dqperp/dt)C＝WT*W*dqperp/dt (12)
通常，在上面的梯度符号中，圆括号中的表达式必须被降低为指示梯度相对于表达式而获得。因此g(x)y＝(dy/dx)T。
修正(其为(12)与最初的dqperp/dt之间的差)为：
Δ＝WT*W*dqperp/dt-dqperp/dt＝(WT*W-1)*dqperp/dt (13)
将Δ投影到零空间上，其中基本向量Vn服从：
dqnull/dt＝Vn*Vn T*Δ＝Vn*Vn T*(WT*W-1)*dqperp/dt (14)
由于dqperp/dt是伪逆解，其到零空间上的投影为零，因此：
Vn*Vn T*dqperp/dt＝0 (15)
dqnull/dt＝Vn*Vn T*WT*W*dqperp/dt (16)
通过以上等式的使用，期望的加权的接头速度可以是沿着对角线具有零的对角化后的矩阵，并且对于各种任务，未加权的奇异值分解能够被多个用户共享，包括用于以上算法中的任何一个中。通过为接头设定权数，等式(16)能够用于在相当少的计算的情况下根据加权的接头速度产生用于调整接头的速度轮廓的零空间向量。
替代地，在某些方面，可以使用包括势函数梯度并且应用于笛卡尔空间末端执行器速度的增广雅可比矩阵。雅可比矩阵的增广根据需要来计算接头速度。应理解，参考利用雅可比矩阵来计算接头移动，这种计算可以包括增广雅可比矩阵方法。根据增广雅可比矩阵方法，可以使用以下公式，但是应意识到，可以使用列向量：
dx/dt＝J*dq/dt
Y＝h(q)
d(x；y)/dt＝[J；h’]*dq/dt
dq/dt＝[J；h’]#d(x；y)/dt
在第一示例中：设定dy/dt＝0，这试图迫使接头3的速度等于接头4的速度的两倍。
在第二示例中：设定dy/dt＝0，这试图迫使接头3的速度等于0。
图15示出需要实现与以上讨论的等式有关的用于控制患者侧推车接头状态的通用算法所需的方框的简化示意图。根据图15的方法，该系统：计算操纵器臂的前向运动学；然后，使用等式(1)计算dx/dt，使用等式(5)计算dqperp/dt；再然后使用等式(6)基于取决于dqperp/dt和雅克比矩阵的z计算dqnull/dt。根据计算的dqperp/dt和dqnull/dt，该系统分别使用等式(4)和(3)计算dq/dt和q，从而提供移动，其中通过该移动，控制器能够实现操纵器的期望的重新配置，并且同时维持末端执行器的期望状态和/或远程中心的位置。
图16-17示出根据本发明的示例性方法的流程图。在示例性方法中，如图16所示，该系统包括，响应于为了根据期望的末端执行器移动来移动末端执行器而由用户输入的操纵命令，利用对应于第一组接头的期望的移动的加权矩阵来确定加权的接头速度。该系统然后根据加权的接头速度来驱动接头，以便实现期望的末端执行器移动，并提供第一组接头的期望的移动。如图17所示，该方法可以进一步包括，利用伪逆解来确定实现被命令的末端执行器移动的接头速度。加权的接头速度通过利用伪逆解的梯度(例如，势函数梯度)和利用在诸如上述的接头空间内的加权矩阵调整接头速度来计算。该系统根据加权的接头速度来驱动接头，以实现期望的末端执行器移动，并提供第一组接头的期望的移动。可选地，该系统可以利用在加权表面处的伪逆解来计算与一个或更多个辅助任务(诸如被命令的重新配置或碰撞回避)相关联的接头速度，使得接头能够被驱动，以便在被命令的末端执行器移动期间实现辅助任务，同时仍提供第一组接头的期望的移动。
虽然为了清楚地理解，已详细地并且通过示例的方式描述了示例性实施例，但各种修改、更改和变化对本领域技术人员将是显然的。因此，本发明的范围由随附的权利要求唯一地限制。

Claims (34)

1.一种存储用于操作操纵器臂的机器可读指令的机器可读介质，所述操纵器臂包括包含末端执行器的可移动的远侧部分、耦连到底座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述底座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对给定的末端执行器状态的一系列不同的接头状态，所述机器可读指令包括当由与所述操纵器臂耦连的处理器执行时使得所述处理器执行操作的指令，所述操作包括：
接收以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器的操纵命令；
通过计算实现期望的末端执行器移动的多个接头的接头速度而确定所述多个接头的末端执行器移位移动，从而实现所述期望的末端执行器移动；
通过将加权应用到所述多个接头的计算的接头速度以确定所述多个接头的加权的接头速度从而确定所述多个接头的第一组接头的期望的移动，所述加权在所述多个接头的接头空间内，所述加权对应于所述多个接头中的所述第一组接头的所述期望的移动，并且所述第一组接头的所述期望的移动对应于不移动的末端执行器；以及
根据计算的所述接头速度和所述加权的接头速度来驱动所述多个接头，以便实现所述期望的末端执行器移动和所述第一组接头的所述期望的移动。
2.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中所述第一组接头包括所述多个接头中的一个或更多个接头。
3.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中所述第一组接头的所述期望的移动包括：接头状态、接头状态的组合、相对接头状态、接头状态的范围、接头状态的轮廓、动能或其任何组合。
4.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中确定所述加权的接头速度包括将所述操纵器臂的雅可比矩阵的加权的伪逆应用于末端执行器速度。
5.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中所述加权包括在所述接头空间中的加权矩阵。
6.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中确定所述末端执行器移位移动包括计算所述操纵器臂的雅可比矩阵的伪逆解，并且
确定所述加权的接头速度包括计算所述伪逆解与所述伪逆解的势函数梯度之间的差。
7.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中所述加权包括在所述接头空间内的二次曲面。
8.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中所述加权包括在所述接头空间内的抛物面。
9.根据权利要求6所述的机器可读介质，其中所述差被投影到所述雅可比矩阵的零空间上，以确定计算的所述接头速度的零空间向量。
10.根据权利要求6所述的机器可读介质，所述操作进一步包括：
利用所述计算的接头速度来确定所述多个接头的一个或更多个辅助移动，以及
根据确定的一个或多个辅助移动来驱动所述多个接头，同时维持所述末端执行器的期望的状态。
11.根据权利要求10所述的机器可读介质，其中所述一个或更多个辅助移动包括被命令的重新配置移动、碰撞回避移动、辅助任务或其任何组合。
12.根据权利要求10所述的机器可读介质，其中所述一个或更多个辅助移动包括与所述第一组接头不同的所述多个接头中的第二组接头的期望的移动。
13.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中所述操纵器臂的所述远侧部分包括器械保持器，所述器械保持器可释放地支撑具有向远侧延伸到所述末端执行器的轴的外科手术器械，所述轴在外科手术期间绕远程运动中心枢转。
14.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中来自所述第一组接头的第一接头将所述近侧部分耦连到所述底座，其中所述第一接头包括支撑所述操纵器臂的所述远侧部分的回转接头，使得所述回转接头的接头移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述操纵器臂的所述远侧部分，并且其中所述枢转轴线从所述回转接头延伸并延伸通过远程运动中心，使得所述操纵器臂的插入轴线沿着朝向所述远程运动中心取向的向远侧渐缩的锥体移动。
15.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中确定所述加权的接头速度包括将增广雅可比矩阵应用于笛卡尔空间末端执行器速度，其中增广雅可比矩阵根据所述第一组接头的所述期望的移动来加权计算的所述接头速度。
16.根据权利要求1所述的机器可读介质，其中所述加权包括在所述末端执行器的笛卡尔空间中的加权矩阵。
17.一种机器人系统，其包括：
操纵器臂，其包括包含末端执行器的远侧部分，所述操纵器臂具有在所述远侧部分与被耦连到底座的近侧部分之间的多个接头，并且所述多个接头提供足够的自由度，以允许针对所述末端执行器的给定状态的一系列接头状态；
输入装置，其配置为接收以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器的操纵命令；以及
处理器，其将所述输入装置耦连到所述操纵器臂，所述处理器被配置为执行操作，所述操作包括：
通过计算实现期望的末端执行器移动的多个接头的接头速度而确定所述多个接头的末端执行器移位移动，从而实现所述期望的末端执行器移动；
通过将加权应用到所述多个接头的计算的接头速度以确定所述多个接头的加权的接头速度从而确定所述多个接头的第一组接头的期望的移动，所述加权在所述多个接头的接头空间内，所述加权对应于所述多个接头中的所述第一组接头的所述期望的移动，并且所述第一组接头的所述期望的移动对应于不移动的末端执行器；以及
响应于所述末端执行器移位移动而向所述操纵器臂传输命令，以便根据计算的接头速度和加权的接头速度来驱动所述操纵器臂，从而实现所述期望的末端执行器移动和所述第一组接头的所述期望的移动。
18.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述第一组接头包括所述多个接头中的一个或更多个接头。
19.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述第一组接头的所述期望的移动包括：接头状态、接头状态的组合、相对接头状态、接头状态的范围、接头状态的轮廓或其任何组合。
20.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述处理器被配置为使得确定所述加权的接头速度包括将所述操纵器臂的雅可比矩阵的加权的伪逆应用于末端执行器速度。
21.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述加权包括在所述接头空间中的加权矩阵。
22.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述处理被配置为：
响应于所述操纵命令，通过计算在雅可比矩阵的零垂直空间内实现所述期望的末端执行器移动的接头速度，来计算所述接头的末端执行器移位移动。
23.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述处理器被配置为使得：
确定所述末端执行器移位移动包括计算所述操纵器臂的雅可比矩阵的伪逆解，并且
确定所述加权的接头速度包括计算所述伪逆解与所述伪逆解的势函数梯度之间的差。
24.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述加权包括在所述接头空间内的二次曲面。
25.根据权利要求23所述的机器人系统，其中所述差被投影到所述雅可比矩阵的零空间上，以确定计算的接头速度的零空间向量。
26.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述处理器进一步配置为执行操作，所述操作包括：
通过利用所述计算的接头速度来确定所述多个接头的一个或更多个辅助移动，以及
根据确定的一个或多个辅助移动来驱动所述多个接头，同时维持所述末端执行器的期望的状态。
27.根据权利要求26所述的机器人系统，其中所述一个或更多个辅助移动包括被命令的重新配置移动、碰撞回避移动、辅助任务或其任何组合。
28.根据权利要求26所述的机器人系统，其中所述一个或更多个辅助移动包括所述多个接头中的第二组接头的期望的移动，所述第二组接头不同于所述第一组接头。
29.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述操纵器臂的远侧部分包括器械保持器，所述器械保持器被配置为可释放地支撑具有向远侧延伸到所述末端执行器的轴的外科手术器械，使得所述轴在外科手术期间绕远程运动中心枢转。
30.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述多个接头包括设置在所述近侧部分的远侧和所述远侧部分的近侧的远程球面中心接头，其中所述远程球面中心接头被机械地约束为使得所述远程球面中心接头的铰接绕第一、第二和第三远程运动中心轴线枢转所述操纵器臂的所述远侧部分，并且其中所述第一、第二和第三远程运动中心轴线与远程运动中心相交。
31.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述近侧部分相对于所述底座被机械地约束，从而使得当所述近侧部分移动时，所述操纵器臂的所述远侧部分绕远程运动中心枢转。
32.根据权利要求17所述的机器人系统，其中来自所述第一组接头的第一接头将所述近侧部分耦连到所述底座，其中所述第一接头包括支撑所述操纵器臂的所述远侧部分的回转接头，从而使得所述回转接头的接头移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述操纵器臂的所述远侧部分，并且其中所述枢转轴线从所述回转接头延伸并延伸通过远程中心，以便所述操纵器臂的插入轴线沿着朝向所述远程中心取向的向远侧渐缩的锥体移动。
33.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述处理器被配置为使得确定所述加权的接头速度包括将增广雅可比矩阵应用于笛卡尔空间末端执行器速度，其中所述增广雅可比矩阵根据所述第一组接头的所述期望的移动来加权所述计算的接头速度。
34.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述加权包括在所述末端执行器的笛卡尔空间中的加权矩阵。
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