CN108143497A - 用于利用零空间跟踪路径的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于利用零空间跟踪路径的系统和方法。本申请公开了用于提供具有多个带有冗余自由度的接头的操纵器臂的一个或更多个接头的期望移动同时实现操纵器的远侧末端执行器的被命令的移动的装置、系统和方法。方法包括，限定在由一个或更多个接头所限定的接头空间内的约束(诸如路径网络)，以及确定多个接头在零空间内的移动，以利用一个或更多个接头来跟踪约束。方法可以进一步包括，计算接头的重新配置移动，以及将约束更改为与一个或更多个接头的被重新配置的方位一致。在本文中提供了使用这种方法的装置和系统的各种配置。

Description

用于利用零空间跟踪路径的系统和方法
本申请是于2014年3月18日提交的名称为“用于利用零空间跟踪路径的系统和方法”的中国专利申请201480014854.4的分案申请。
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 Trackinga Path Using the Null-Space”(代理人案卷号ISRG03780PROV/US)的美国临时专利申请No.61/799,444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 Remote CenterManipulator 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，一般创伤与开放式外科手术进入法相关联。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，通常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性联动装置布置被描述在美国专利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接头的软件控制，该软件控制被设定为限制到插入部位的枢转运动，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具有安全优势。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。然而，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，并且也会增加针对某些任务避免操纵器臂过度移动的重要性。
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，并且如果这些改进的技术提供了在某些任务期间为操纵器臂提供更一致且可预测的运动的能力将尤为有益。另外，进一步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。在一个方面，本发明通过限定期望操纵器臂的一个或更多个接头沿着其移动的一组约束或路径区段，来提供操纵器臂的改善的移动一致性和移动可预测性。
在一个方面，机器人外科手术系统可以使用完全或基于方位的约束，所述约束被限定在操纵器臂的接头空间或笛卡尔坐标空间内，并且对应于具有远侧末端执行器的操纵器臂的一个或更多个接头的期望的移动。虚拟势场可以被计算并且被用于确定一个或更多个接头在零空间(null-space)内的移动，使得一个或更多个接头的方位朝向约束移动，由此提供一个或更多个接头的期望的移动，同时维持末端执行器的期望的方位。该方法允许对一个或更多个接头在零空间内的移动的改善控制，特别是在使用基于雅可比矩阵的控制器的操纵器臂中，其中一个或更多个接头的主要计算基于速度而非方位。
在一些实施例中，操纵器臂可以包括额外的冗余接头，以允许各种类型的移动，诸如响应于用户命令或接头的外部手动铰接的重新配置移动。在某些方面，不同于依赖于被机械地约束成绕空间中的固定点枢转工具的机器人装置或具有绕微创孔口的组织被动地枢转的被动式接头的机器人装置，本发明可以计算包括绕孔口部位枢转操纵器联动装置的连杆的运动。支撑末端执行器的机器人联动装置的自由度能够允许联动装置在针对给定末端执行器方位的配置范围内移动，并且该系统可以将联动装置驱动成阻止涉及一个或更多个移动机器人结构的碰撞的配置。当联动装置正被手动地定位时，能够通过驱动联动装置的一个或更多个接头的处理器便于高度灵活的机器人联动装置的设置。
在一些实施例中，本发明允许当操纵器臂移动时朝向预定的一组约束引导操纵器臂的移动，以实现一个或更多个任务，诸如期望的末端执行器移动、重新配置移动或各种其他移动。应当注意，操纵器臂不必被机械地"锁定"到该组约束，而是当根据一个或更多个被命令的移动而移动时，约束能够用于朝向该约束引导操纵器臂的一个或更多个接头的移动。在一些实施例中，操纵器臂可以包括各种移动或操纵器臂的接头移动不受所限定的约束限制的操作模式。
一般来说，用于实现远侧末端执行器的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。各种其他类型的移动(诸如被命令的重新配置移动或碰撞回避)可以利用与在末端执行器的操纵中所使用的相同的接头，或可以包括各种其他所选择的接头或几组接头。当利用具有冗余自由度的操纵器臂来实现末端执行器的移动时，由于未使用的零空间指示出未指定的运动，根据这些移动类型中的一个或更多个的接头运动会导致操纵器臂的不必要的、不可预测的或不完全的移动。此外，操纵器臂的上部的移动可能不必要地限制邻近的操纵器臂的可用的运动范围。为了提供操纵器臂的改善的移动，冗余自由度可以用于遵守一组约束，以将操纵器臂的运动限制在可重复的移动方式内或朝向可重复的移动方式引导移动。在一些实施例中，可重复的移动方式基于操纵器臂的预定的方位或方位范围。在某些方面，约束可以被限定在使用接头速度的接头空间内或在使用方位的笛卡尔坐标空间内。
在一个方面，具有冗余自由度的操纵器臂的移动利用基于接头速度的主要计算，诸如通过使用基于雅可比矩阵的控制器。该系统可以限定在接头空间或笛卡尔坐标空间内的一组完全或基于方位的约束(诸如路径或路径网络)。约束可以用于产生人工势场，以利用接头在雅可比矩阵的零空间内的移动来朝向约束“牵引”或引导操纵器臂的移动。这允许操纵器臂的一个或更多个接头根据对应于约束的期望的移动方式来移动，同时在被命令的末端执行器移动期间维持期望的末端执行器状态。
在一些实施例中，本发明提供了一种机器人系统，其包括用于相对于近侧基座自动移动远侧末端执行器的操纵器组件。操纵器组件具有多个接头，接头提供足够的自由度，以允许针对末端执行器状态的一系列的接头状态。输入端接收实现末端执行器的期望的移动的命令。处理器将输入端耦连到操纵器组件。处理器具有第一模块和第二模块。第一模块被配置为响应于命令而帮助计算接头的移动，以便以期望的移动来移动末端执行器。第二模块被配置为响应于操纵器组件的一个接头的外部铰接而帮助驱动接头中的至少另一个。
在某些方面，处理器的第一和第二模块将会在不同的控制模式下被不同地使用。例如，处理器可以具有第一和第二模式。第一模式通常会包括用于跟踪末端执行器在其笛卡尔空间中的路径网络的模式，而第二模式可以包括咬合模式。在第一模式中，工具尖端响应外科医生的方位和取向命令。当在咬合模式中时，响应于接头的手动铰接，至少一个其他接头被处理器驱动以便使得在第二模式中接头的组合移动在雅可比矩阵的零空间内。这能够为操纵器组件提供有效的咬合自由度，该咬合自由度不同于从动咬合接头的自由度，并且不同于其他接头的自由度。例如，为末端执行器提供六个机械自由度的操纵器组件将会被约束，以便允许末端执行器在空间中仅绕在不存在接头的情况下设置的枢转的旋转中心被移动。替代地，这种末端执行器能沿着相对于操纵器联动装置组件的每一个联动装置和接头轴线成斜交角的任意平面可平移。为了提供这些和/或其他能力，从动咬合模式通常会包括多个从动咬合接头，并且处理器会被配置为响应于操纵器组件的多个接头的手动操纵而驱动每个从动咬合接头，从而使得当处理器在咬合模式下时，操纵器组件具有多个有效的咬合自由度。
操纵器组件通常会包括具有在安装接口与末端执行器之间延伸的轴的外科手术工具或器械。处理器在第一模式中可以被配置为驱动末端执行器在内部外科手术空间内的期望的移动，以便轴穿过微创孔口部位。这种主/从控制器例如可以包括使用逆雅可比矩阵的速度控制器，该速度控制器通常会包括第一模块的一部分。第二模块可以在第二或咬合模式下使用，提供沿着雅可比矩阵的零空间的接头速度，以提供在咬合模式中被允许的接头速度的组合。处理器在咬合模式中被配置为允许其他接头(并且通常操纵器系统的多个接头)的手动铰接，同时约束末端执行器的运动或在远侧设置的手动铰接的操纵器组件的一些其他结构的运动和/或咬合从动接头的运动。例如，具有多于六个自由度的操纵器组件可以允许用户将操纵器组件的中间联动装置从第一位置推到第二位置，同时维持在工作空间中的末端执行器位置。这会导致操纵器组件具有可手动重新配置的姿态，同时基座和末端执行器保持在空间中被固定。在一些实施例中，末端执行器(或操纵器的一些其他结构)的取向可以通过从动咬合接头的驱动被定向地约束，同时该结构被手动地平移到新的位置。
在另一方面，臂的移动可以根据约束来计算，以在第一模式(诸如被命令的末端执行器操纵模式)中实现沿着期望的路径移动，而当在咬合模式中时或在被命令的重新配置移动期间臂的移动不被类似地约束。操纵器臂的方位在咬合模式中或通过实现在零空间内的被命令的重新配置而被重新配置之后，该系统可以更改约束，以便将约束的方位或取向平移或改变为与操纵器臂的被重新配置的位置一致，或替代地可以自最靠近被重新配置的位置的一组约束中选择约束。
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。响应于所接收的由用户输入的重新配置命令，该系统计算所述多个接头在零空间内的速度。接头根据重新配置命令和计算的移动而被驱动，以便维持期望的末端执行器状态。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 (null-perpendicular-space)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。为了给各种其他类型的上述移动提供增加的运动范围，该系统可以包括实现操纵器的远侧器械轴的俯仰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并且实现器械轴的枢转运动的远侧回转接头。这些接头可以用于本文中所描述的任何实施例中。
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，以便当器械轴的中间部分穿过进入部位时，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。响应于重新配置命令，处理器确定一个或更多个接头的移动，以实现期望的重新配置，从而使得器械的中间部分在末端执行器的期望的移动期间在进入部位内，并且维持轴绕其枢转的期望的远程中心位置。通常，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，包括计算正交于雅可比矩阵的零空间的零垂直空间内的接头速度，并且根据计算的移动来驱动接头以实现期望的末端执行器移动，其中器械轴绕远程中心枢转。
在另一方面中，来自操纵器的第一组接头的接头是将操纵器臂耦连到基座的回转接头。期望的末端执行器状态可以包括末端执行器的期望的方位、速度或加速度。操纵命令和重新配置命令可以是通常在分开的输入装置上从分开的用户接收的分开的输入，或可以是从相同的用户接收的分开的输入。在一些实施例中，末端执行器操纵命令通过第一用户从输入装置接收，诸如外科医生在外科手术控制台主输入端上输入命令，而重新配置命令在分开的输入装置上通过第二用户从输入装置接收，诸如医生的助手在患者侧推车输入装置上输入重新配置命令。在其他实施例中，末端执行器操纵命令和重新配置命令都通过相同的用户从外科手术控制台处的输入装置接收。
在本发明的又一方面，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，优选在远程中心处相交。该系统进一步包括处理器，其具有将输入端耦连到操纵器臂且被配置为响应于用户输入命令而计算多个接头的移动的控制器。该系统可以包括输入装置，该输入装置用于接收以在零空间内的期望的重新配置移动来移动多个接头中的第一组接头的重新配置命令，或系统可以包括咬合模式，该咬合模式允许用户在零空间内手动地重新配置操纵器臂的一个或更多个接头，以便将末端执行器维持在期望的状态。该系统可以被配置为响应于操纵器臂的用户驱动的重新配置或手动的重新配置(诸如在咬合模式下)，调整或平移方位约束，以允许一个或更多个接头在零空间内的改善的一致性和可预测性，同时维持期望的末端执行器状态，同时提供用户输入或手动重新配置的额外能力。
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。然而，应理解，每个特征仅被提供用于说明的目的，并不意图作为对本发明的范围的限制的限定。此外，应意识到，任何所描述的实施例中的任何特征可以被更改以及与本文中所描述的各种其他特征中的任何一个进行组合或为本领域技术人员所知，并且仍在本发明的精神和范围内。
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，根据本发明的各方面，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示出示例性操纵器臂。
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性操纵器臂。
图6C示出示例性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性操纵器臂，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示出示例性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8A-8B示出在远侧器械保持器附近具有回转接头的示例性操纵器臂。
图9A示意地示出高度灵活的操纵器组件，该操纵器组件具有咬合输入开关(clutch input switch)，以利于邻近微创孔口的外科手术工具的手动定位，同时处理器响应于手动移动而配置操纵器接头。
图9B和9C示意地示出在臂的手动移动期间操纵器组件的接头在替代性接头配置范围内的重新配置。
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示出根据本发明的各方面的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示出根据本发明的各方面的具有近侧接头的示例性操纵器臂，该近侧接头绕弧形路径平移支撑该操纵器臂的近侧接头。
图13A-13B图形地表示根据本发明的各方面的示例性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13C图形地示出根据本发明的各方面的关于推车空间命令的零咬合或零空间咬合特征的方面。
图14A-14B图形地示出根据本发明的各方面的用于控制操纵器组件在零空间内的移动的网络路径区段的示例。
图15-16示意地示出根据本发明的各方面的方法。
图17-18示出根据本发明的各方面的示例方法。
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可以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。大量的自由度允许系统操作者或助手重新配置操纵器组件的联动装置，同时维持期望的末端执行器状态，可选地为外科手术作准备，和/或同时另一用户在外科手术程序中操控末端执行器。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性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。
在许多实施例中，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，与本发明的各种方面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，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US8,004,229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，但由于操纵器包括位于基座和器械之间的相对大量的接头和连杆，因此连杆的手动定位会是富有挑战性且复杂的。即使当操纵器结构被平衡以便避免重力效应时，试图以适当的布置对准每个接头或根据需要重新配置操纵器会是困难和耗时的，并且会涉及大量的训练和/或技能。当操纵器的连杆未绕接头被平衡时，挑战甚至会更大，由于操纵器臂长度和许多外科手术系统中的被动且易弯的设计，因此在外科手术之前或期间以适当的配置定位这种高度可配置的结构会是一件费劲的事。
这些问题能够通过允许用户(诸如医生的助手)快速地且容易地重新配置操纵器臂同时可选地甚至在外科手术程序中的末端执行器移动期间维持期望的末端执行器状态而得到解决。一个或更多个额外的接头可以被包括在操纵器臂中，以增加操纵器臂的运动范围和配置，从而提高这种能力。虽然提供额外的接头可以为某些任务提供增加的运动范围，但操纵器臂中的大量的冗余接头会引起对于其他任务来说过度复杂的臂的各种移动，使得移动显得不可预测或总体移动量引起各种其他临床顾虑。
在一些实施例中，基于自主算法计算的与各种其他任务有关的移动(诸如回避移动)可以覆盖跟踪移动，从而使得一个或更多个接头可以被移动以根据需要实现各种其他任务。这种回避移动的示例被描述在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和2012年6月1日提交的名称为“System and Methods for Avoiding Collisions BetweenManipulator Arms Using a Null-Space”的美国临时申请No.61/654,773中进行了描述，这些申请的全部公开以引用方式并入本文。然而，覆盖一个或更多个接头的跟踪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或各种其他移动。
本发明的实施例可以包括被配置为利用操纵器结构的自由度的用户输入端。与手动地重新配置操纵器相比，该输入端利于响应于用户输入重新配置命令而使用运动学联动装置的从动接头重新配置操纵器结构。在许多实施例中，用于接收重新配置命令的用户输入端被并入操纵器臂和/或被设置在操纵器臂附近。在其他实施例中，输入端包括集中的输入装置以利于一个或更多个接头的重新配置，诸如患者侧推车上的一组按钮或操纵杆。通常，用于接收重新配置命令的输入装置与用于接收实现末端执行器移动的操纵命令的输入端分开。外科手术系统的控制器可以包括具有可读存储器的处理器，其中该可读存储器具有记录在其上的接头控制器编程指令或代码，并且允许处理器获取记录在其上的用于驱动接头的合适的接头命令，以便允许控制器响应于重新配置命令的输入而实现期望的重新配置。然而，应意识到，本发明可以在具有或没有重新配置特征的情况下用于操纵器臂中。
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，该处理器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，该电子推车56和处理器 58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-13C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(诸如工具512或器械轴延伸通过的套管)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J8(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“静锥区(cone ofsilence)”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，这通常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。这种配置能够通过重新配置操纵器以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-13C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侧向地枢转或扭转器械保持器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，所以当操纵器臂处于俯仰向后方位时，能够增加运动范围。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示出接头J7的顺序移动和接头 J7的移动如何从一侧向另一侧转移工具尖端的插入轴线。
现在参考图9A，另一替代性操纵器组件520包括用于可移除地支撑外科手术工具524的操纵器联动装置臂522。咬合输入端516包括输入按钮，该输入按钮能够通过接合在外科手术期间要邻近进入部位514设置的操纵器连杆518的手来致动。这允许手既致动输入端，又帮助将操纵器操控成针对外科手术的适当方位。在一些实施例中，额外的咬合输入端可以被安装在各种其他连杆上，以便允许其上设置有咬合输入端的连杆的手动铰接。在许多实施例中，其上有咬合输入端516的连杆518通过轴向插入接头被耦连到可移除的工具的轴。在一些实施例中，致动咬合输入端516的手可以能够以咬合模式重新定位操纵器，而无需另一只手的帮助。在其他实施例中，可以通过第一只手邻近咬合输入端 516在操纵器连杆518上而第二只手在相距咬合输入端的某一距离处的用户方位来便于操纵器的重新定位，特别是当将连杆重新取向为期望的轴向插入角时。虽然咬合输入端516通过手来致动，但是该系统处理器将会响应于连杆518的手动移动而驱动操纵器520的接头。
如果从动操纵器联动装置的咬合自由度与一个或更多个接头自由度一致 (即，如果一些接头被锁定，而一些接头以咬合模式自由移动)，那么咬合是直接的：人员简单地关闭自由移动的那些接头的控制器。然而，以从属的方式咬合接头通常会是有利的，其中一个接头的运动被控制器联接到至少一个其他接头的运动，使得它们能够以单个自由度的方式被手动地铰接在一起。这可以通过响应于至少一个其他接头的外部铰接而驱动机器人操纵器组件的至少一个接头来实现。控制器能够通过以下步骤实现该运动，这通常会不同于机械系统的任何一个自由度，该步骤为限定能够被当作操作者可以操纵的单个自由度的速率的任何期望的任意线性组合，可选地同时其他机械自由度中的一些或所有保持被锁定。该总体构思包括端口咬合、器械咬合、肘部咬合(其中中间肘部被允许例如从向上取向的顶点配置在周围移动成侧向取向的顶点配置，同时末端执行器处的移动保持被阻止)和其他咬合模式。
现在参考图9A和9B，操纵器组件502可以由于各种不同原因中的任何一个而通过处理器来进行重新配置。例如，接头526可以从向下取向的顶点配置被驱动成向上取向的顶点配置，以便：阻止与邻近的臂、设备或人员的碰撞；提高末端执行器508的运动范围；响应患者的生理运动(诸如患者呼吸等)；响应患者的重新定位(诸如通过重新取向外科手术台，等等。操纵器组件配置的这些改变中的一些但非所有可以响应施加于操纵器组件的外部力，其中处理器通常驱动与外部力正作用于其上的操纵器接头不同的操纵器接头。在其他情况下，处理器将会响应于由处理器执行的计算而重新配置操纵器组件。在任一情况下，处理器都会不同于简单的主-从控制器，以便响应于信号而驱动操纵器组件，以便提供优选的操纵器组件配置。这种操纵器组件配置可以发生在主-从末端执行器移动期间、在操纵器组件的手动或其他重新定位期间、和/或至少部分地不同的时刻(诸如在释放咬合输入端之后)。
在一些实施例中，臂的移动可以根据约束来进行计算，以实现在第一模式 (诸如被命令的末端执行器操纵模式)中沿着期望路径的移动，而当在咬合模式中时臂的移动不被类似地约束。在操纵器臂的方位在咬合模式中被重新配置之后，该系统可以更改约束，以便将与约束相关联的期望路径平移或改变到操纵器臂的被重新配置的位置。例如，约束可以被更改为将期望路径移动到被重新配置的操纵器臂上的最近点，以便操纵器臂在其被重新配置的位置处的随后移动朝向或沿着改变的移动路径移动。
在另一方面，本文中所描述的任何一个该系统都可以利用用户输入装置来驱动一个或更多个接头，并在零空间内重新配置操纵器臂的一个或更多个接头以实现由于各种原因的期望的重新配置。在上述的具有用于被命令的重新配置或咬合模式的一个或两个用户输入的实施例中，该系统可以在移动期间利用上述约束来实现被命令的操纵移动，并在重新配置移动期间或在咬合模式中时中止约束的应用。当重新配置移动完成或操纵器臂从咬合模式切换出来时，该系统可以根据操纵器臂的被重新配置的位置更改基于方位的约束。在其他实施例中，约束可以限定移动的多个方位路径，使得与在笛卡尔坐标空间内的最近路径相关联的约束能够被选择。这些方面允许该系统在操纵器臂在咬合模式中通过被驱动的重新配置或手动的重新配置进行重新配置之后，提供操纵器臂的一个或更多个接头的期望的移动。
远侧回转接头J7的一个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在插入点近侧的远侧部分的扫略体积，其中操纵器臂的远侧部分必须让开患者以避免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示出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控性。可平移接头可以包括圆形路径，诸如图12A-12C中的接头Jl"所示，或可以包括半圆形或弓形路径，诸如图13A-13C所示。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的轴绕该远程中心RC枢转。尽管在图12A-12C所示的实施例中，Jl"的轴线是竖直轴线，但应意识到，Jl"的轴线可以是水平的或各种倾斜角度。
在示例性实施例中，操纵器臂500可以包括近侧或远侧回转接头、近侧可平移接头和平行四边形配置的远侧联动装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全部的使用提供额外的冗余自由度并且利于重新配置，以便通过增加联动装置之间的角度来提供更好“调节”的操纵器组件，由此改善操纵器的灵巧性和运动。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移动和接头移动来驱动所述接头。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。
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
在一个示例中，设定势场函数的复杂网络y＝h(q)， dy/dt和和dy/dt能够根据需要基于势场函数来指定，并且增广公式将会产生既驱动末端执行器也跟踪接头空间中的路径的组合的期望的结果。在一个方面，增广雅可比矩阵包括势函数梯度，并且应用于笛卡尔空间末端执行器速度，其中雅可比矩阵的增广根据需要来计算接头速度，以提供本文中所描述的有利特征。
图13A图形地示出在雅可比矩阵的零空间和雅可比矩阵的零垂直空间之间的关系。图14A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。为了进一步突出并示出本文中所描述的零空间构思，图13C图形地示出根据本发明的各方面的关于推车空间命令的零空间咬合特征的方面。关于零咬合 (null-clutch)或零空间咬合(null-spaceclutch)特征，该构思是感测的接头运动通过接头命令来尽可能接近地匹配，但只是沿着零空间。
图14A图形地示出根据本发明的一个方面的示例性操纵器臂的接头空间的二维子空间。水平和垂直轴线表示具有独立的接头移动的两个接头的移动，即，影响操纵器臂的器械保持器的俯仰的接头的移动(水平轴线)与远侧回转接头的移动(垂直轴线)，该远侧回转接头的移动自操纵器臂的近侧部分延伸通过的平面侧向地枢转器械保持器。接头路径的最右点表示工具尖端的最大向前俯仰，而路径的最左点表示工具尖端的最大向后俯仰。在某些实施例中，操纵器臂使用平行四边形联动装置，其中接头J3、J4和J5被配置为具有相互关联的移动，以维持由接头J3、J4、J5和枢转点PP形成的平行四边形(例如参见图5A)。由于该相互关联的移动，器械轴的俯仰可以通过俯仰接头(例如J3)的状态来确定。俯仰接头(诸如通过图5A的接头J3)的移动将插入轴线的俯仰从俯仰向前方位(参见图6A)改变为俯仰向后方位(参见图6B)。在各种其他实施例中，俯仰接头可以包括操纵器臂的一个或更多个接头，其移动决定器械轴的俯仰。支撑器械保持器510和相关联的套管511的远侧回转接头(诸如远侧回转接头 J7(参见图8A))的移动相对于操纵器在接头J7近侧的部分延伸通过的平面侧向地枢转或扭转延伸通过器械保持器510的器械轴。操纵器接头空间的子空间示出针对俯仰接头J3和回转接头J7的接头状态的可能的组合的范围。尽管在该实施例中，方位约束被限定在接头空间的由上述俯仰接头和远侧回转接头所限定的子空间内，但应意识到，子空间可以由各种其他接头或由三个或更多个接头来限定。
在一些实施例中，方位约束由子空间内的路径网络来限定；限定用户期望操纵器臂沿着其移动的方位路径的每个网络对应于延伸通过操纵器接头空间的子空间的路径区段，该子空间示出俯仰接头与回转接头之间的状态的组合。在图14A的示例中，操纵器臂的期望的方位路径由三个一维路径区段来限定，该三个一维路径区段被限定为在共同交点处被连接的分段连续的区段A、B和C。在该示例中，由于远侧回转接头J7的运动范围能够自操纵器臂近侧接头J7的部分的平面沿任一方向侧向地枢转器械保持器，因此期望的路径被限定为包括接头沿任一方向的移动(如通过区段A和B所示)。在这样的实施例中，该系统可以被配置为控制操纵器臂的跟踪移动，使得一个或更多个接头的方位朝向期望的路径上的最近点移动。例如，如果当路径跟踪移动被实现时接头J7更靠近区段B，那么将会使回转接头J7沿着区段B而非区段A移动。
在该实施例中，期望的路径包括远侧回转接头与俯仰接头的相对运动，使得俯仰接头到增加的俯仰向后方位的移动对应于回转接头的增加的旋转位移，而俯仰接头到俯仰向前方位的移动对应于远侧回转接头的最小或零位移。当外俯仰接头向后俯仰时，器械轴上的工具尖端向前移动。如果外俯仰接头达到其俯仰向后方位的极限，那么工具尖端在器械轴512的末端上的向前移动仍然能够通过远侧回转接头J7的移动来实现。然而，当外俯仰接头J3接近其俯仰向后方位的极限时，对远侧回转接头J7的初始移动是有用的。类似地，当远侧回转接头的移动最小时，该移动处于远侧回转接头的零角度位移处，能够在沿向后方向引起工具尖端运动的俯仰向前方向上获得最向后的工具尖端定位。此外，当远侧回转接头的角度位移大于或小于零时，操纵器臂的横截面显得更大，使得臂会更易于与邻近的臂碰撞；因此，有利的是，使用本文中所描述的方位约束来对远侧回转接头进行约束，从而使得远侧回转接头的角度位移处于零处，除非由于上面提及的原因而期望移动；因此，为了在外俯仰接头与远侧回转接头之间提供该期望的移动，约束被限定为图14A所示的三个网络路径。
在任一时间点处，在任何路径区段网络上与满足需要一维零空间的一维约束一致。操纵器接头空间的该二维子空间能够用于通过产生引力势场而将操纵器臂的移动引导到期望的方位路径，该引力势场趋向于朝向或沿着所限定的路径区段(通常为最近的一个或多个路径区段)“牵引”或引导接头状态的方位P。该系统可以被配置为使得接头的跟踪移动引起指定的接头沿着所限定路径区段的移动，或可以使用势场内的各种量级的引力来引起接头朝向区段路径移动，从而使得总体移动更靠近期望的路径。在一种方法中，这通过在接头空间内生成势场实现，以便高势能表示X(例如，当前或计算的操纵器接头方位)与方位约束(例如，路径网络)之间的较长的距离，而低势能表示短的距离。然后，零空间系数(α)被计算，以使势场的负梯度下降到最大可能程度地。在一些实施例中，与每个路径(例如b'和c')相关联的势能根据一个或更多个操纵器接头的计算的方位与所限定的路径之间的距离来确定。响应于计算的人工势场在当前接头方位上的引力，该系统计算操纵器臂的一个或更多个接头在零空间内的移动。
虽然约束可以被限定为在如图14A-14B所示的由远侧回转接头和外俯仰接头所限定的子空间内的三个区段A、B和C，但应意识到，上面提及的优点与给定操纵器臂的特定运动学相关联。因此，当运动学可以在操纵器臂之间不同时，期望的接头移动也可以如此，并且路径区段的网络配置在操纵器臂之间也不同。例如，取决于操纵器臂的设计，对限定方位约束被操纵器臂的两个或更多个其他接头限定在其中的子空间是有用的。例如，假设N维的零空间，全P维接头空间的任何M维子空间中的N维流形网络可以被限定，其中N≤M≤P。在第一示例中，在一维或更多维零空间中，一维曲线或直线段的网络可以被限定在整个接头空间中或在其中的任何子空间中。引力势能或速度然后可以被计算并被投射到零空间上以确定跟踪移动，从而使得一个或更多个接头的方位跟踪所限定的路径。在第二示例中，假设两维或更多维的零空间，二维表面网络仍可以被限定在整个接头空间中或在其中的任何子空间中。此外，如上所述，引力势能或速度然后可以被计算并被投射到零空间上。在两个示例中，该方法使操纵器遵从路径网络以产生期望的移动。在第三示例中，假设一维的零空间，二维表面网络仍会被限定在整个接头空间中或在其子空间中，然而，将速度或引力势能映射到零空间上会在随后的网络表面中提供有限的能力，例如仅表面的一维子集可以被遵从。
图14B示出确定操纵器臂沿着期望路径的跟踪移动的方法，该期望路径类似于图14A中所描述的路径，不同的是该路径区段可以诸如通过响应于操纵器臂的各种计算的接头状态或操作模式平移或转移路径区段的方位或取向而被更改。例如，如上所述，操纵器臂可以包括咬合模式，在该咬合模式下用户能够通过将外部力施加于操纵器臂的一个或更多个接头或重新配置输入端而手动地重新配置操纵器臂，从而允许用户驱动一个或更多个接头以根据需要重新配置操纵器臂的方位或配置。在操纵器臂的重新配置完成之后，一旦退出咬合模式，对应于期望的方位路径的路径区段就可以被更改为与已经被用户重新配置或替代地被自主算法(例如碰撞回避算法)重新配置的一个或更多个接头的方位一致。该方面允许操纵器臂保留重新配置能力的优点，同时提供一个或更多个接头的期望的移动和与这种期望的移动相关联的任何优点(例如增加的运动范围、增加的移动可预测性和移动一致性、降低的碰撞可能性等)。
在其他实施例中，所限定的路径可以包括多个不同的路径区段网络，每一个路径区段网络对应于一个或更多个接头的不同方位或方位范围。因此，不同于当操纵器臂被重新配置成不同的方位时更改特定的路径网络，该系统可以选择最靠近操纵器臂的方位的特定路径网络。
在一个方面，该方法包括限定诸如在接头空间中或在工具尖端(或操纵器一些其他部分，并且可以包括诸如存在于硬件或软件中心系统中的远程中心) 的笛卡尔坐标空间中的方位约束。对于具有n个冗余DOF的操纵器(例如，多达n个约束的n维零空间能够同时被满足)。对于具有一维约束的情况，这可以包括一组分段连续的约束。例如，直线段或曲线的网络可以用于限定接头空间或笛卡尔坐标空间中的路径网络。路径网络可以是静态的，或可以在外科手术的过程中被动态地重新限定。静态网络路径可以在启动时被限定，或可以由用户或系统从多个静态网络路径中选择，而动态网络路径可以在外科手术的过程中被系统或被用户动态地重新限定。
一旦路径网络被确定，操纵器臂的接头的移动就被计算，从而使得一个或更多个接头的方位跟踪路径，以便提供一个或更多个接头的期望的移动。在一个方面，操纵器臂的接头基于用于将操纵器吸引到路径为该路径的每个区段产生的虚拟或人工势场来跟踪路径区段网络。由计算的势能引起的移动然后可以被投射到零空间上用于零空间系数的计算，以提供这样的接头速度，该接头速度提供期望的跟踪移动。在存在路径网络的情况下，由整组路径区段(或其一部分)引起的势场可以被加在一起，并且可以包括一些类型的加权。替代地，该系统可以被配置为仅使用与最靠近的路径区段相关联的势场。因而产生的运动提供，即使在被外科医生命令的末端执行器移动期间，零空间控制器也移动接头使得操纵器臂穿过指定的路径网络，以在零空间内产生接头的期望的移动。
图15-16示出根据本发明的许多实施例的重新配置机器人外科手术系统的操纵器组件的方法。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示出该系统的示例性实施例的方框图。响应于命令期望的工具尖端状态的操纵命令，该系统的处理器确定工具尖端的速度和接头的状态，其中根据工具尖端的速度和接头的状态来计算dqperp/dt。为了给操纵器臂提供接头移动的期望的路径，该系统确定在接头的子空间内的基于方位的约束(诸如路径网络)，该约束是受控移动所期望的。可选地，所限定的约束可以通过用户输入(诸如由用户驱动或在咬合模式下被手动地重新配置的一个或更多个接头的重新配置)来改变。dqnull/dt然后被计算以便沿着所限定的网络路径移动接头，诸如通过将引力势场用于网络路径的一个或更多个区段，该dqnull/dt可以被加到dqperp/dt 以计算dq/dt，以便驱动该系统的(一个或多个)接头，并实现末端执行器的期望的移动(或状态)，同时根据期望的移动来提供一个或更多个接头在零空间内的期望的移动。
图17-18示出提供操纵器的一个或更多个接头的期望的移动的方法。图17 的方法包括：确定在接头空间内的一组基于方位的约束，该组基于方位的约束对应于一个或更多个接头的期望的接头移动；确定一个或更多个接头的方位与人工势场内的约束之间的势能；利用经确定的势能来计算操纵器臂在零空间内的移动，从而使得一个或更多个接头跟踪该约束；以及根据计算的移动来驱动接头，以便即使在伴随有接头的各种其他移动的情况下，也能实现一个或更多个接头的期望的移动。图18的方法包括：提供具有延伸至远侧末端执行器的多个接头的操纵器臂，该臂具有针对给定末端执行器状态的一系列的不同配置；限定一组基于方位的约束，该组基于方位的约束对应于多个接头中的一个或更多个接头的期望的移动；可选地，基于一个或更多个接头的被重新配置的方位来更改约束；利用约束与一个或更多个接头的计算的方位之间的势能来确定多个接头在零空间内的跟踪移动；以及根据计算的移动来驱动接头，以便即使在伴随有接头的各种其他移动的情况下，也能实现一个或更多个接头的期望的移动。
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 (18)

1.一种系统，其包括：
操纵器臂，其包括包含末端执行器的可移动的远侧部分、耦连到基座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述基座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述末端执行器的给定状态的一系列不同接头状态；
输入装置，其用于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；
一个或更多个处理器，其可操作地连接到所述输入装置和所述操纵器臂，所述一个或更多个处理器被配置为执行操作，所述操作包括：
限定所述多个接头中的一个或更多个接头在所述多个接头的接头空间内的基于方位的约束，所述基于方位的约束包括一个或更多个路径，所述一个或更多个路径对应于所述一个或更多个接头在所述多个接头的所述接头空间内的期望的移动；
计算所述多个接头的末端执行器移位移动以实现所述期望的末端执行器移动，其中计算所述多个接头的所述末端执行器移位移动包括计算来自对应于所述末端执行器移动的方向的所述多个接头的接头速度；
计算所述多个接头的跟踪移动，以便朝向所述基于方位的约束移动所述多个接头中的所述一个或更多个接头的方位，其中计算所述多个接头的所述跟踪移动包括计算来自对应于所述末端执行器不移动的方向的所述多个接头的接头速度；以及
发送命令给所述操纵器臂以根据计算的末端执行器移位移动和所述跟踪移动来驱动所述多个接头，从而伴随着所述跟踪移动实现所述末端执行器移位移动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述操作还包括：
计算所述操纵器臂的雅可比矩阵的值，其中来自对应于所述末端执行器不移动的方向的所述接头速度与所述雅可比矩阵的零空间相关联，并且来自对应于所述末端执行器移动的方向的所述接头速度与所述雅可比矩阵的零垂直空间相关联。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述基于方位的约束的所述一个或更多个路径包括在所述多个接头的所述接头空间内的分段连续路径网络。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中计算所述跟踪移动包括：
限定在所述多个接头中的所述一个或更多个接头的计算的方位与所述基于方位的约束的所述一个或更多个路径之间的势场，其中所述势场的增加的势能对应于所述计算的方位与所述一个或更多个路径之间的增加的距离；
从所述势场确定所述计算的方位与所述一个或更多个路径之间的势能；以及
通过利用所述势能确定从所述计算的方位朝向所述一个或更多个路径的方向来计算所述跟踪移动。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中计算所述跟踪移动包括：
通过评估所述基于方位的约束的所述一个或更多个接头的势函数来确定所述多个接头在所述多个接头的所述接头空间内的第一移动；以及
通过将所述多个接头的所述第一移动投射到所述操纵器臂的雅可比矩阵的零空间上来为所述跟踪移动确定所述多个接头的所述接头速度。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，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，其中所述轴在外科手术期间绕远程运动中心枢转。
7.一种存储用于移动操纵器臂的一个或更多个处理器执行程序的可读存储器，所述操纵器臂包括包含末端执行器的可移动的远侧部分、耦连到基座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述基座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述末端执行器的给定状态的一系列不同接头状态，并且所述一个或更多个处理器执行程序包括指令，当由一个或更多个处理器执行时，所述指令使得所述一个或更多个处理器执行操作，所述操作包括：
访问限定所述多个接头中的一个或更多个接头在所述多个接头的接头空间内的基于方位的约束的值，所述基于方位的约束包括一个或更多个路径，所述一个或更多个路径对应于所述一个或更多个接头在所述多个接头的所述接头空间内的期望的移动；
访问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的值；
计算所述多个接头的末端执行器移位移动以实现所述期望的末端执行器移动，其中计算所述多个接头的所述末端执行器移位移动包括计算来自对应于所述末端执行器移动的方向的所述多个接头的接头速度；
计算所述多个接头的跟踪移动，以便朝向所述基于方位的约束移动所述多个接头中的所述一个或更多个接头的方位，其中计算所述多个接头的所述跟踪移动包括计算来自对应于所述末端执行器不移动的方向的所述多个接头的接头速度；以及
发送命令给所述操纵器臂以根据计算的移动来驱动所述多个接头，从而伴随着所述跟踪移动实现所述末端执行器移位移动。
8.一种系统，其包括：
操纵器组件，其适用于支撑包括工具尖端的工具，所述操纵器组件包括耦连到基座的近侧部分以及在所述工具尖端和所述基座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述工具尖端的给定状态的一系列不同接头状态；
一个或更多个处理器，其可操作地连接到所述操纵器组件，所述一个或更多个处理器被配置为执行操作，所述操作包括：
限定所述多个接头中的一个或更多个接头在所述多个接头的接头空间内的基于方位的约束，所述基于方位的约束包括一个或更多个路径，所述一个或更多个路径对应于所述一个或更多个接头在所述多个接头的所述接头空间内的期望的移动；
计算所述多个接头的跟踪移动，以便朝向所述基于方位的约束移动所述多个接头中的所述一个或更多个接头的一个或更多个方位，其中计算所述多个接头的所述跟踪移动包括计算来自对应于所述工具尖端不移动的接头速度方向的所述多个接头的接头速度；以及
促使所述操纵器组件根据计算的跟踪移动来驱动所述多个接头。
9.根据权利要求8所述的系统，其还包括：
输入装置，其用于接收操纵命令以便以期望的工具尖端移动来移动所述工具尖端，所述输入装置可操作地连接到所述一个或更多个处理器，其中所述一个或更多个处理器的所述操作还包括：
计算所述多个接头的工具尖端移位移动以实现所述期望的工具尖端移动，其中计算所述多个接头的所述工具尖端移位移动包括计算来自对应于所述工具尖端移动的方向的所述多个接头的接头速度；以及
促使所述操纵器组件根据计算的工具尖端移位移动来驱动所述多个接头，从而伴随着所述跟踪移动实现所述工具尖端移位移动。
10.根据权利要求9所述的系统，其中对应于所述工具尖端不移动的所述接头速度方向在所述操纵器组件的雅可比矩阵的零空间内，并且对应于所述工具尖端移动的所述接头速度方向在所述雅可比矩阵的零垂直空间内。
11.根据权利要求8所述的系统，其中所述基于方位的约束的所述一个或更多个路径中的第一路径具有至少一个维度并且被所述多个接头中的至少两个接头限定在所述多个接头的所述接头空间的子空间内。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述基于方位的约束的所述一个或更多个路径包括在所述多个接头的所述接头空间内的分段连续路径网络。
13.根据权利要求8-12中任一项所述的系统，其中计算所述跟踪移动包括：
限定在所述多个接头中的所述一个或更多个接头的一个或更多个计算的方位与所述基于方位的约束的所述一个或更多个路径之间的势场，其中所述势场的增加的势能对应于所述一个或更多个计算的方位与所述一个或更多个路径之间的增加的距离；
从所述势场确定所述一个或更多个计算的方位与所述一个或更多个路径之间的势能；以及
通过利用所述势能确定从所述一个或的更多个计算的方位朝向所述一个或更多个路径的方向来计算所述跟踪移动。
14.根据权利要求8-12中任一项所述的系统，其中计算所述跟踪移动包括：
通过评估所述基于方位的约束的所述一个或更多个接头的势函数来确定所述多个接头在所述多个接头的所述接头空间内的第一移动；以及
通过将所述多个接头的所述第一移动投射到所述操纵器组件的雅可比矩阵的零空间上来为所述跟踪移动确定所述多个接头的所述接头速度。
15.根据权利要求8-12中任一项所述的系统，其中所述操纵器组件的远侧部分包括器械保持器，所述器械保持器可释放地支撑所述工具，所述工具包括向远侧延伸到所述工具尖端的轴，并且所述轴在与所述工具相关联的外科手术程序期间绕远程运动中心枢转。
16.一种存储用于移动操纵器组件的一个或更多个处理器执行程序的可读存储器，所述操纵器组件适用于支撑包括工具尖端的工具，所述操纵器组件包括耦连到基座的近侧部分以及在所述工具尖端和所述基座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述工具尖端的给定状态的一系列不同接头状态，并且所述一个或更多个处理器执行程序包括指令，当由一个或更多个处理器执行时，所述指令使得所述一个或更多个处理器执行操作，所述操作包括：
限定所述多个接头中的一个或更多个接头在所述多个接头的接头空间内的基于方位的约束，所述基于方位的约束包括一个或更多个路径，所述一个或更多个路径对应于所述一个或更多个接头在所述多个接头的所述接头空间内的期望的移动；
计算所述多个接头的跟踪移动，以便朝向所述基于方位的约束移动所述多个接头中的所述一个或更多个接头的一个或更多个方位，其中计算所述多个接头的所述跟踪移动包括计算来自对应于所述工具尖端不移动的接头速度方向的所述多个接头的接头速度；以及
根据计算的跟踪移动来驱动所述多个接头。
17.根据权利要求16所述的可读存储器，其中所述操作还包括：
接收操纵命令以便以期望的工具尖端移动来移动所述工具尖端；
计算所述多个接头的工具尖端移位移动以实现所述期望的工具尖端移动，其中计算所述多个接头的所述工具尖端移位移动包括计算来自对应于所述工具尖端移动的接头速度方向的所述多个接头的接头速度，对应于所述工具尖端不移动的所述接头速度方向在所述操纵器组件的雅可比矩阵的零空间内，并且对应于所述工具尖端移动的所述接头速度方向在所述雅可比矩阵的零垂直空间内；以及
根据计算的工具尖端移位移动来驱动所述多个接头，从而伴随着所述跟踪移动实现所述工具尖端移位移动。
18.根据权利要求16或17所述的可读存储器，其中所述操作还包括：
限定在所述多个接头中的所述一个或更多个接头的一个或更多个计算的方位与所述基于方位的约束的所述一个或更多个路径之间的势场，其中所述势场的增加的势能对应于所述一个或更多个计算的方位与所述一个或更多个路径之间的增加的距离；
从所述势场确定所述一个或更多个计算的方位与所述一个或更多个路径之间的势能；以及
通过利用所述势能确定从所述一个或的更多个计算的方位朝向所述一个或更多个路径的方向来计算所述跟踪移动。
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