CN108309454B - 用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定位操纵器臂的系统和方法 - Google Patents

用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定位操纵器臂的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定位操纵器臂的系统和方法，并且公开了用于通过在零垂直接头速度子空间内浮动第一组接头来定位操纵器臂的末端执行器或远程中心并且通过在正交于零垂直空间的零空间内驱动第二组接头伴同时进行末端执行器定位而提供操纵器臂的近侧部分的期望的状态或移动的装置、系统和方法。方法包括，在零垂直空间内浮动第一组接头，以允许远程中心或末端执行器方位中的一个或两个在工作空间内的手动定位，以及在接头的浮动期间根据计算的在零空间内的辅助移动、根据操纵器臂的期望的状态或移动来驱动第二组接头。在本文中为使用这种方法的装置和系统提供了各种配置。

Description

用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定 位操纵器臂的系统和方法
本申请是于2014年3月18日提交的名称为“用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定位操纵器臂的系统和方法”的中国专利申请201480015914.3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 forPositioning a Manipulator Arm by Clutching within a Null-Perpendicular SpaceConcurrent with Null-Space Movement”(代理人案卷号ISRG03900PROV/US)的美国临时专利申请No.61/799,920的非临时性申请且要求其优先权，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操纵器的设置或定位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上移动。在一个方面，通过在零垂直空间内浮动一个或更多个接头以允许操纵器臂的远侧部分(诸如，远侧末端执行器和/或远程中心)被重新定位，同时一个或更多个接头在零空间内被驱动以实现各种其他任务或期望的移动(诸如，碰撞回避或朝向期望的姿势驱动臂)，本发明提供了操纵器臂的改善的移动。
在一个方面，机器人外科手术系统可以使用一种或更多种咬合模式，其中一个或更多个接头被允许沿着一个或更多个轴线在接头速度子空间内浮动(例如，一个或更多个自由度)，接头速度子空间导致操纵器的远侧部分(诸如，末端执行器或远侧末端执行器或末端执行器的器械轴在外科手术期间邻近微创孔口绕其枢转的远程中心)的移动。该接头速度子空间被称为零垂直空间，该零垂直空间正交于零空间，接头在零空间中的移动不引起末端执行器的状态和/或远程中心的改变。由于操纵器臂是高度可配置的，通常包括冗余接头，使得一系列的配置和接头状态可用于末端执行器的给定状态或远程中心，因此远侧部分(诸如，末端执行器)在设置期间的移动会导致操纵器臂的近侧部分的不期望的移动，这导致欠佳调节的配置或操纵器臂与邻近的臂或人员之间的碰撞。例如，当在外科手术之前在微创孔口处将操纵器的工具尖端或远侧末端执行器插入或定位在套管内(本文中称为"对接")时，工具尖端或末端执行器的移动会导致操纵器臂的更多近侧部分的不期望的移动。因此，在一个方面，本发明通过以下方式提供了操纵器的改善的移动，即通过在零垂直空间内浮动一个或更多个接头，使得用户或患者侧助手能够在外科手术期间手动地反向驱动或重新定位末端执行器和/或远程中心，同时操纵器的一个或更多个其他接头的移动在零空间内被驱动，以便通过实现各种其他任务(诸如碰撞回避、朝向期望的姿势的移动、或根据使用零空间(随着末端执行器或远程中心移动的零空间)的各种算法的移动)来提供操纵器臂的近侧部分的改善的移动。该方面通过允许患者侧助手将末端执行器"对接"在套管内以为外科手术作准备而无需驱动或操纵操纵器臂的每个其他接头来简化操纵器臂的设置。该方面在高度可配置的操纵器臂中特别有用，尤其是具有冗余接头的操纵器臂和使用基于速度而非方位的一个或更多个接头的主要计算的基于雅可比矩阵的控制器的操纵器臂。这些特征可以作为咬合特征或咬合模式(例如，零垂直浮动咬合)被单独使用或与本文中所描述的各种其他咬合模式或任何一种移动相组合来使用。此外，上述特征的各个方面可以并入本文中所描述的一种或更多种移动或模式中。
在一些实施例中，操纵器臂可以包括额外的冗余接头，额外的冗余接头允许在零空间内的各种类型的移动，诸如回避碰撞的辅助移动、朝向期望的姿势或改善接头的调节的移动。在一些实施例中，与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围绕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不同，本发明还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来便于高度灵活的机器人联动装置的设置。接头状态传感器可以用于感测在随后的计算的接头移动中使用的浮动接头的手动反向驱动的移动。
在一些实施例中，本发明允许浮动第一组接头，以允许患者侧助手手动地反向驱动末端执行器或末端执行器绕其枢转到期望的方位(例如，位置或对准)的远程中心，同时第二组接头被驱动，以根据期望的状态或移动来移动操纵器臂。该方面通过驱动第一组接头以在零垂直空间内浮动来实现，同时第二组接头在零空间内驱动以实现一个或更多个辅助任务(诸如碰撞回避、姿势偏好或其他期望的移动)。该系统感测浮动接头在接头的手动移动期间的移动，以便确定零空间，在该零空间中计算第二组接头的辅助移动。应当注意，操纵器臂不必被机械地"锁定"到一组约束(如果使用的话)，而是一组约束能够用于当操纵器臂在零空间内移动时引导操纵器臂的一个或更多个接头的移动。
一般来说，作为响应，手动地反向驱动“浮动接头”导致各种其他接头的移动，并且会导致一个或更多个接头的不期望的移动，诸如操纵器臂与邻近的臂或人员之间的碰撞、过度移动、或朝向不期望的或欠佳调节的姿势的移动。手动地反向驱动操纵器臂的一部分可以使用与在末端执行器的操纵中使用的相同的接头，或可以包括各种其他选择的接头或接头组。为了提供操纵器臂的改善的移动，冗余自由度可以在同时发生末端执行器或远程中心的浮动的情况下用于确定操纵器臂在零空间内的移动。这可以通过计算在零垂直空间(即，导致末端执行器和/或远程中心的移动的接头速度子空间)内“浮动”第一组接头并在零空间(即，维持末端执行器的方位和/或远程中心的接头速度子空间，零空间正交于零垂直空间)内驱动第二组接头的多个接头的接头移动来实现。在零空间内驱动第二组接头允许操纵器臂在根据各种算法的定位期间的移动的可重复的和/或期望的模式，以便在末端执行器的手动反向驱动移动期间提供操纵器臂在远侧末端执行器近侧的部分的期望的移动。通常，在咬合模式下包括这些特征，以允许在外科手术期间在外科手术或重新定位之前设置或对接末端执行器。
在一个方面，具有冗余自由度的操纵器臂的移动使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。如本文中所描述的，接头的“浮动”一般可以被描述为驱动接头以便使与接头的移动相关联的马达的扭矩归零(例如，控制器存储器可以被连续地重置为等于输入值，使得测量的方位和速度与被命令的方位和速度之间的差为零)。然而，应当理解，尽管将会导致接头移动的扭矩归零，但是各种控制器功能仍然可以将扭矩应用于浮动的接头，诸如可以用于摩擦补偿、重力补偿等，并且这种功能可以在接头的浮动期间保持不变。如本文中所描述的，“伺服”接头一般可以被描述为以维持期望的状态(例如，方位、对准等)所需的扭矩驱动接头，以便保持操纵器的一部分(诸如远侧末端执行器)“被锁定”在期望的状态，而无需任何特定接头的任何机械锁定。
在许多实施例中，处理器的第一和第二模块将会在不同的控制模式(诸如如上所述的咬合模式和外科手术医生根据期望的组织操纵器移动命令末端执行器的移动的组织操纵器模式)下被不同地使用。组织操纵器模式通常会包括主/从模式。相比于组织操纵模式，特定接头的有效自由度可以不同于咬合模式。例如，为末端执行器提供六个或更多个机械自由度的操纵器组件能够被约束，以便在不存在接头的情况下允许末端执行器在空间中绕所设置的枢转旋转中心被单独移动。替代地，这种末端执行器可以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平移。
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。处理器在第一模式下可以被配置为获取末端执行器在内部外科手术空间内的期望的移动，使得轴经过微创孔口部位。这种主/从控制器例如可以包括使用雅可比矩阵伪逆矩阵的速度控制器，该速度控制器通常会包括第一模块的一部分或替代地包括增广雅可比矩阵。第二模块可以在第二或咬合模式下使用，并且可以采用具有逆雅可比矩阵的咬合矩阵的投影，以便提供在咬合模式下被允许的接头速度的组合。处理器在咬合模式下可以在接头速度子空间内浮动第一组接头，以允许操纵器的第一部分(例如，末端执行器或相关联的远程中心)到期望的方位的手动铰接或移动，同时根据一种或更多种零空间算法来驱动第二组接头以根据各种零空间算法来提供操纵器的另一部分(例如，在近侧基座与远侧末端执行器之间的近侧部分)的期望的移动。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在取向上约束，同时该结构通过反向驱动被手动地平移到新的位置。
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。响应于接收以期望的移动来移动末端执行器的组织操纵命令，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/或将器械耦接到操纵器臂的近侧部分以实现器械轴的枢转运动的远侧回转接头。在一些实施例中，这些接头中的一个或更多个还可以在本文中所描述的任何一种咬合模式下使用。
在本发明的另一方面，操纵器被配置为移动，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接到操纵器。通常，在组织操纵模式下，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，并且根据计算的移动而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。在咬合模式下，处理器确定一个或更多个接头的移动来浮动第一组接头，以允许患者侧助手在进入部位内移动器械的中间部分，并维持轴绕其枢转的期望的远程中心位置。应意识到，这是根据本发明的原理的咬合模式的许多变化中的一种，并且咬合模式可以被配置为浮动工具尖端或远侧末端执行器和末端执行器绕其枢转的远程中心中的一个或两个，同时各种其他接头被维持在期望的状态。此外，应意识到，各种咬合模式可以被同时使用，以便根据需要来实现各种其他任务。
在一些实施例中，来自操纵器的第一组接头的第一接头是将操纵器臂耦接到基座的回转接头。末端执行器的期望状态可以包括末端执行器的期望的方位、速度或加速度。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(如果可用的话)处相交。该系统进一步包括处理器，其具有将输入端耦接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。该系统可以包括咬合模式，其中多个接头中的第一组接头在零垂直空间内浮动，以允许患者侧助手针对外科手术移动末端执行器或末端执行器绕其移动到期望的方位的远程中心，同时根据一个或更多个算法在零空间内驱动第二组接头中的一个或更多个接头，以实现各种任务(诸如碰撞回避、姿势偏好)，或改善操纵器臂的调节。在本文中所描述的任何一个实施例中，第一和第二组接头中的每一组可以包括一个或更多个接头，并且第一和第二接头可以包括共同的一个或更多个接头，或可以是完全不同的数组接头。
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，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末端执行器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反向驱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反向驱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-l1B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，该近侧接头绕弯曲路径平移支撑该操纵器臂的近侧接头。
图13A-13B图形地表示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14图形地示出具有软件远程中心的操纵器臂中的接头速度空间的子空间。
图15示意地示出根据许多实施例的方法。
图16示出根据许多实施例的示例性方法。
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或接近奇点的冗余臂。
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，诸如在美国专利申请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)借助于在咬合模式下浮动一个或更多个接头而快速且容易地重新配置操纵器臂来解决。然而，重新定位具有浮动接头的操纵器臂会存在某些挑战。虽然大量的冗余接头可以为某些任务提供增加的运动范围，但操纵器臂中的额外的接头会引起臂的各种移动在定位或重新配置期间过度复杂，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。为了改善操纵器臂的移动，在许多实施例中，该系统根据一个或更多个零空间算法在零空间内驱动第二组接头同时发生浮动第一组接头，以便由用户在咬合模式下在末端执行器的手动定位期间提供改善的操纵器臂移动。可以在本文中所描述的任何一种咬合模式下使用的零空间移动的示例于2012年6月1日提交的名称为"Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-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"System andMethods 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。
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包括在末端执行器的插入点或枢转点PP附近或近侧的旋转接头J8(未示出)，其中末端执行器的插入点或枢转点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。空隙表示末端执行器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，因此在不手动地反向驱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。
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，由此偏移末端执行器，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，并改善操纵器末端执行器在咬合模式下在末端执行器的手动定位期间的运动范围。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或末端执行器的插入点对准，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，并且还能够在各种咬合模式下用于在手动定位期间提供这种移动或在设置期间提供末端执行器的对接。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8B中示出远侧回转接头J7的轴线、Jl的偏转轴线与末端执行器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末端执行器的插入轴线。
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。在一个方面，该系统被配置为使得致动咬合输入端516的手还可以在咬合模式中重新定位操纵器，而无需另一只手的帮助。在另一方面，可以通过具有第一只手在操纵器连杆518上邻近咬合输入端516而第二只手在相距咬合输入端的某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度时。在某些实施例中，虽然咬合输入端516通过手来致动，但是该系统处理器将会浮动操纵器520的第一组接头，以允许连杆518被手动反向驱动移动到期望的方位，同时第二组接头在零空间中被驱动，以提供操纵器的近侧部分的期望的移动，而不干扰连杆518的手动定位。
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接头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在周围从向上取向的顶点配置移动成侧向取向的顶点配置，同时末端执行器处的状态被维持)和其他咬合模式。
各种咬合模式和咬合行为可以被包括在本文中所描述的任何一个操纵器中，包括例如在非冗余的硬件中心臂、具有冗余自由度的硬件中心臂和软件中心臂中。在一个方面，各种咬合模式和咬合行为可以被单独使用，而在其他方面，各种咬合模式或咬合特征中的任何一个可以相互组合来使用。例如，操纵器系统可以包括臂咬合模式和端口咬合模式。这些咬合模式允许用户执行各种任务，同时实现各种其他任务或期望的移动。例如，臂咬合模式可以允许用户(诸如患者侧助手)将臂反向驱动成期望的状态，并且端口咬合模式可以允许用户移动器械延伸通过的端口。这些模式可以被组合，以便允许患者侧助手将臂反向驱动成期望的状态，同时移动器械延伸通过的端口。在一些实施例中，在退出各种咬合模式或特征后，“跟随”状态从通过(一个或多个)咬合模式或(一个或多个)咬合特征提供的新的臂状态开始。因此，咬合模式可以是各种咬合模式或者咬合特征或行为的组合，各种模式、特征或行为在下面详细地进行阐述。
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被重新配置。在一个方面，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，或以便增强末端执行器508的运动范围。操纵器组件配置的这些改变中的一些但非所有可以响应于施加于操纵器组件的外力，其中处理器通常驱动与外力正作用于其上的操纵器接头不同的操纵器接头。例如，操纵器臂移动可以响应于患者的生理运动(诸如患者呼吸等)或响应于患者的重新定位(诸如通过重新取向外科手术台等)而被实现。在另一方面，处理器可以响应于由处理器执行的计算而重新配置操纵器组件。在任一方面，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，从而提供优选的操纵器组件配置。操纵器组件的这种配置可以在主-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/或至少部分在不同的时刻(诸如在释放咬合输入端之后)发生。在许多咬合模式下，这种移动与一个或更多个接头(或替代地，末端执行器和远程中心中的一个或两个)在零垂直空间内的浮动被同时或同步地实现。
在一个方面，臂的零空间移动可以根据一组约束来进行计算,以实现在第一模式下沿着期望的路径的移动，同时如上所述，在零垂直空间内浮动一个或更多个接头(这可以包括末端执行器和远程中心中的一个或两个的浮动)。这允许操纵器臂的至少一部分根据期望的移动来移动，诸如以改善臂的调节，而操纵器臂的另一部分(诸如设置接头、末端执行器或远程中心位置)被用户移动到期望的方位。
远侧回转接头J7的一个优点是它可以用来减小患者间隙锥体，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，但在一些实施例中，Jl"的轴线可以是水平的或各种倾斜角度。
在某些实施例中，操纵器臂500可以包括近侧或远侧回转接头、近侧可平移接头和远侧联动装置的平行四边形配置中的任何一个或所有。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，并且提供操纵器臂的期望的移动，同时发生手动地反向驱动远侧末端执行器或远程中心，以便通过增加联动装置之间的角度由此改善操纵器在重新定位期间和在退出咬合模式后的灵巧性和运动，从而提供更好的“经调节”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，以便回避接头限制、奇点等。
在一些实施例中，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速度子空间。例如，该接头速度子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速度子空间中的特定点，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末端执行器运动(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末端执行器自由度(例如，多达六个)更有用的接头轴线，那么该操作器被称为是冗余的。例如，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。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”。在该背景下，雅可比矩阵的“零空间”(N(J))是瞬间实现无末端执行器运动(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”也产生末端执行器和/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)，其产生期望的末端执行器运动(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的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，由于零空间是瞬间不产生末端执行器的移动的接头速度的空间，所以零空间方向(ρ+A)在点A处平行于零运动流形的切线。
在具有绕由硬件配置所确定的远程中心枢转的远侧器械的操纵器臂中，操纵器臂通常包括操纵器接头和设置接头，操纵器接头允许操纵器臂在配置和设置接头的范围内的被命令的移动。设置接头的示例包括将操纵器臂附接到近侧基座的一个或更多个回转或枢转接头，该回转或枢转接头的移动可以在设置接头的移动范围内枢转或回转远程中心。在一个方面，设置接头用于在外科手术之前将操纵器臂定位成期望的配置(或用于在外科手术期间允许各种期望的移动)，同时操纵器接头允许外科手术医生操纵臂和相关联的末端执行器以执行外科手术。设置接头不需要被完全机动化或可驱动，并且可以包括在设置期间被手动地调整的接头，但是设置接头可以包括根据各种算法被驱动的完全可驱动接头。各种咬合特征可以包括操纵器接头、设置接头或两者。
在某些实施例中，当操纵器处于臂咬合模式时，基本上所有操纵器接头都被允许浮动。然而，应意识到，当接头被允许“浮动”时，扭矩仍然可以施加以对重力进行补偿，从而允许操纵器臂被驱动或被手动地反向驱动到期望的状态。当操纵器处于端口咬合模式时，操纵器设置接头被允许浮动，使得远程中心被释放，同时扭矩保持被施加到操纵器接头(例如，保持“被伺服”)，以便将末端执行器维持在受控的方位(例如，固定的方位和/或取向)，同时允许端口的位置根据需要被调整。在具有硬件远程中心和非冗余接头的操纵器臂中，当臂咬合与端口咬合特征两者同时被激活时，所有操纵器接头和操纵器设置接头都被释放(例如，被允许“浮动”)。
在具有带有冗余自由度和硬件远程中心的操纵器接头的操纵器中，操纵器臂具有一个或更多个维度(DIM＝n，其中n≥1)的零空间。在一些这种操纵器臂中，设置接头可包括未被完全机动化的接头，因此本文中所讨论的接头速度不包括设置接头。除了上述的咬合特征外，这种操纵器臂可以包括使用操纵器接头的冗余自由度的各种其他咬合模式或特征。例如，一些操纵器可以包括零咬合或零浮动模式，其中操纵器接头被允许沿着接头的零空间浮动，同时维持工具尖端和/或远侧末端执行器的期望的状态。这允许用户或患者侧助手诸如通过驱动一个或更多个接头来重新配置在远侧末端执行器近侧的操纵器臂，或允许一个或更多个接头中的一个用于各种其他任务(诸如碰撞回避)。
在一个方面，根据本发明的操纵器系统可以包括允许末端执行器浮动的零垂直咬合或零垂直浮动，同时接头在零空间内的移动通过任意多种零空间算法被控制。当与零空间移动有关的各种其他特征或算法被实施时(例如，碰撞回避、被命令的重新配置、沿着在零空间内的期望的路径跟踪、增强控制或增加一个或更多个接头的移动范围的移动、或涉及零空间的任何其他移动)，该方面允许用户或患者侧助手反向驱动(例如，手动地铰接)末端执行器。这种移动的示例在以下申请中进一步详细地描述：2012年6月1日提交的名称为“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space”的美国临时专利申请No.61/654,755；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；2012年6月1日提交的名称为“Systems and Methods for Avoiding Collisions BetweenManipulator Arms Using a Null-Space”的美国临时申请No.61/654,773，其全部公开以引用方式并入本文。
在具有带有冗余自由度的接头的操纵器中，其中远程中心的位置由软件确定，操纵器的接头不必被分类为设置接头与操纵器接头。例如，在具有硬件远程中心的操纵器臂中，为了在三维空间内定位远程中心需要最少三个运动设置接头自由度，而为了在三维空间中定位和取向末端执行器需要六个运动操纵器自由度。额外的接头自由度在设置或操纵器运动中提供冗余。在具有由软件确定的远程中心的操纵器臂中，相比于硬件远程中心，远程中心的位置与末端执行器的定位和取向可以被操纵器接头共同执行，使得接头的移动可以促进设置和操纵器运动两者，而无需使用不同的设置接头和操纵器接头。因此，为了在三维空间内定位远程中心和末端执行器中的每一个，在总体上非冗余的软件中心操纵器臂中需要至少九个运动自由度。超过这些的额外的接头导致末端执行器、远程中心中任一个或两个的冗余。通过参考下面讨论的图14能够获得这种操纵器的接头空间的进一步理解。
图14图形地示出示例性操纵器臂的n维接头速度空间的各种子空间和所示出的维数(DIM＝n)，该示例性操纵器臂具有在零空间(N)和零垂直空间(N⊥)内的软件远程中心，零垂直空间(N⊥)正交于零空间，零空间与远程中心(RC)和末端执行器(EE)的移动相关联。各种子空间被示出如下：
子空间A(N⊥(RC))是远程中心的零垂直空间，子空间A是导致远程中心运动的接头速度的子空间。由于远程中心的位置需要在三维空间内、需要三个自由度，因此该子空间是三维的。
子空间B(N(RC))是远程中心的零空间，子空间B是不导致远程中心的瞬时运动的接头速度的子空间。该子空间正交于子空间A，使得子空间B为(n-3)个维度，其中n为全部接头速度空间(例如，接头的总数量)的维度。
子空间C(N⊥(EE))是末端执行器的零垂直空间，子空间C是导致末端执行器运动的接头速度的子空间。由于末端执行器的定位和取向需要针对方位的三个自由度和针对取向的三个自由度，因此该子空间为六个维度。
子空间D(N(EE))是末端执行器的零空间，子空间D是不导致末端执行器的瞬时运动的接头速度的子空间。该子空间正交于子空间C，使得其为(n-6)个维度。
子空间E是子空间A和子空间C的并集或直接求和：N⊥(RC+EE)：导致远程中心、末端执行器中任一者或两者运动的接头速度的子空间。根据子空间(A)和子空间(C)的限定，该子空间为九个维度。
子空间F(N(RC+EE))是子空间B和子空间D的交集，子空间F是不导致远程中心或末端执行器的瞬时运动的接头速度的子空间。该子空间正交于子空间E，使得其为(n-9)个维度。
具有软件远程中心的操纵器臂的子空间能够被各种其他咬合模式使用，包括但不限于臂咬合模式、端口咬合模式、臂零咬合模式、端口零咬合模式、臂零垂直咬合模式、端口零垂直咬合模式、臂-端口零垂直咬合模式以及臂-端口零咬合模式、本文中所描述的任何模式、或其各种组合。某些咬合模式特征在下面参考图14所示的示例性子空间进一步详细地进行讨论。
在一个方面，为了使端口咬合行为中的任何一个在临床上可接受，运动可能被设置为具有相对于远程中心而非操纵器基座限定的远侧末端执行器方位和取向。在这种情况下，当端口咬合被激活并且远程中心大概跟随主体壁被浮动和被反向驱动时，末端执行器也跟随反向驱动的端口。这与末端执行器的运动相对于基座被限定的情况相反，在此情况下，咬合端口将会不期望地保持末端执行器静止。利用前一相对运动限定，末端执行器相对于在主体壁处的入口的运动被最小化，这是期望的，因为末端执行器可以与解剖结构相互作用。
在一个方面，本发明提供一种臂咬合模式或特征。臂咬合特征维持远程中心的状态(例如，远程中心被伺服)，以允许用户(例如，患者侧助手)通过反向驱动一个或更多个接头(诸如，通过手动地铰接末端执行器)来重新定位末端执行器。臂咬合特征可以被单独使用或与各种其他咬合特征(诸如，下述的端口咬合特征)同时使用。通常，当臂咬合特征被单独使用时，基于雅可比矩阵的控制器在子空间A内进行“伺服”，并沿着子空间B浮动。
在另一方面，本发明提供一种端口咬合模式或特征。端口咬合特征允许用户通过反向驱动一个或更多个接头(诸如，患者侧助手通过手动反向驱动移动)来重新定位远程中心。当远程中心正被重新方位时，通过在子空间C内进行伺服，保持末端执行器在空间中被固定是可能的。然而，临床医生将直观地期望末端执行器未相对于远程中心移动。因此，当端口咬合特征被单独使用时，基于雅可比矩阵的控制器正在操纵器的基座到远程中心之间浮动接头，并将接头从远程中心伺服到末端执行器。
本文中所描述的各种咬合模式或特征可以被同时或被同步地使用，包括臂咬合和端口咬合特征。在某些实施例中，同时实现臂咬合和端口咬合特征浮动操纵器臂的所有接头。实施该特征的替代手段是下述的臂-端口零垂直咬合。
在另一方面，本发明提供一种零咬合模式或特征。零咬合特征保持远程中心和末端执行器两者都被伺服，同时允许用户通过反向驱动一个或更多个接头来重新定位操纵器接头。在许多实施例中，当该特征被使用时，基于雅可比矩阵的控制器正在子空间E内伺服接头，并沿着子空间F浮动接头。
在又一方面，本发明提供一种臂零垂直咬合模式或特征。臂零垂直咬合特征通过(a)浮动末端执行器、(b)伺服远程中心、以及(c)允许零空间算法驱动接头来提供期望的行为。这通过沿着子空间A伺服；沿着在子空间E内的正交于子空间A的子空间浮动；以及允许零空间算法沿着子空间F驱动来实现。
在另一方面，本发明提供一种端口零垂直咬合模式或特征。端口零垂直咬合特征通过(a)伺服末端执行器、(b)浮动远程中心、以及(c)允许零空间算法驱动接头来提供期望的行为。该行为通过沿着子空间C伺服接头；沿着在子空间E内的正交于子空间C的子空间浮动接头；以及允许零空间算法沿着子空间F驱动来实现。
在又一方面，本发明提供一种臂端口零垂直咬合模式或特征。臂端口零垂直咬合特征通过(a)浮动末端执行器、(b)浮动远程中心、以及(c)允许零空间算法驱动接头来提供期望的行为。该行为通过沿着子空间E浮动接头；以及允许零空间算法沿着子空间F驱动来实现。
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以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：计算操纵器臂的正向移动；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，控制器能够在第一组接头的浮动和由用户的手动反向驱动移动期间实现操纵器的期望的移动，并且同时维持末端执行器的期望的状态和/或远程中心的位置。
图16示出用于机器人系统中的示例性方法的方框图。在所描述的咬合模式下，机器人系统浮动操纵器臂的与末端执行器的方位或取向或远程中心相关联的第一组接头，感测末端执行器或远程中心在第一组接头的浮动期间的手动反向驱动移动，根据期望的状态或移动来计算与操纵器臂的近侧部分的移动相关联的第二组接头在零空间内的移动，以及根据计算的在接头的浮动期间的移动来驱动接头，以提供操纵器臂的期望的状态或移动，同时发生末端执行器或远程中心的手动反向驱动移动。应意识到，该方法可以包括本文中所描述的任何一个实施例的各种方面或特征。
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 (43)

1.一种机器人系统，其包含：
操纵器臂，其包括可移动远侧部分、耦接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工作空间中的给定远侧部分状态的所述多个接头中的接头的一系列不同状态；以及
处理器，其连接到所述操纵器臂，并且被配置为执行以下操作，所述操作包括：
在雅可比矩阵的零垂直空间内浮动所述多个接头中的第一组接头，所述多个接头中的所述第一组接头响应于所述远侧部分到所述工作空间内的期望的位置的手动移动；
计算所述多个接头中的第二组接头的辅助移动以实现所述操纵器臂的在所述远侧部分和所述基座之间的指定部分的期望的移动，其中计算所述辅助移动包括计算所述第二组接头在所述雅可比矩阵的零空间内的接头速度，所述零空间正交于所述零垂直空间；以及
根据计算的辅助移动来驱动所述第二组接头，同时发生所述第一组接头的浮动。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述远侧部分包括外科手术工具的末端执行器或绕远程中心枢转的第一部分。
3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述雅可比矩阵将所述多个接头的移动关联到所述远侧部分的移动。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述操纵器臂的在所述远侧部分和所述基座之间的所述指定部分的所述期望的移动包括选自由以下项组成的组的至少一个移动：到期望的位置的移动、具有期望的速度的移动、到期望的配置的移动、针对期望的重新配置的移动以及针对所述工作空间内的期望的碰撞回避的移动。
5.一种计算机可读存储介质，其含有用于实施用于移动操纵器臂的机器人方法的可执行指令，所述操纵器臂包括可移动远侧部分、耦接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工作空间中的给定远侧部分状态的所述多个接头中的接头的一系列不同状态，所述方法包括：
在雅可比矩阵的零垂直空间内浮动所述多个接头中的第一组接头，所述多个接头中的所述第一组接头响应于所述远侧部分到所述工作空间内的期望的位置的手动移动；
计算所述多个接头中的第二组接头的辅助移动以实现所述操纵器臂的在所述远侧部分和所述基座之间的指定部分的期望的移动，其中计算所述辅助移动包括计算所述第二组接头在所述雅可比矩阵的零空间内的接头速度，所述零空间正交于所述零垂直空间；以及
根据计算的辅助移动来驱动所述第二组接头，同时发生所述第一组接头的浮动。
6.根据权利要求5所述的计算机可读存储介质，其中所述雅可比矩阵将所述多个接头的移动关联到所述远侧部分的移动。
7.一种机器人系统，其包含：
操纵器臂，其包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态；以及
处理器，其耦接到所述操纵器臂，所述处理器被配置有操纵模式、臂咬合模式和端口咬合模式，其中
所述处理器被配置为在所述操纵模式下响应从输入接收的操纵命令而驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，
所述处理器被配置为在所述臂咬合模式下同时进行：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述远程中心的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动所述远程中心，以及
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间是所述远程中心的零空间，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动不移动所述远程中心，以及
所述处理器被配置为在所述端口咬合模式下同时进行：
在第三接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第三接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第三接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器，以及
在第四接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第四接头速度子空间是所述末端执行器的零空间，并且所述多个接头在所述第四接头速度子空间内的移动不移动所述末端执行器。
8.根据权利要求7所述的机器人系统，其中
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述臂咬合模式下在所述第一接头速度子空间内伺服所述多个接头：在所述第一接头速度子空间内伺服所述多个接头以维持所述远程中心的状态；
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述臂咬合模式下在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头：在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头以便手动反向驱动所述远程中心；
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述端口咬合模式下在所述第三接头速度子空间内伺服所述多个接头：在所述第三接头速度子空间内伺服所述多个接头以维持所述末端执行器的状态；以及
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述端口咬合模式下在所述第四接头速度子空间内伺服所述多个接头：在所述第四接头速度子空间内浮动所述多个接头以便手动反向驱动所述末端执行器。
9.根据权利要求8所述的机器人系统，其中：
所述远程中心的所述状态包括所述远程中心的位置；
手动反向驱动所述远程中心包括改变所述远程中心的所述状态；
所述末端执行器的所述状态包括所述末端执行器的位置或取向；以及
手动反向驱动所述末端执行器包括改变所述末端执行器的所述状态。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的机器人系统，其中所述处理器进一步配置有臂和端口同时咬合模式，其中所述处理器被配置为在所述臂和端口同时咬合模式下浮动所述多个接头中的所有接头。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的机器人系统，其中所述处理器进一步配置有零咬合模式，并且其中所述处理器被配置为在所述零咬合模式下同时进行：
在所述第一接头速度子空间内伺服所述多个接头；
在所述第三接头速度子空间内伺服所述多个接头；以及
在所述第二接头速度子空间与所述第四接头速度子空间的交集中浮动所述多个接头。
12.一种计算机可读存储介质，其含有用于实施用于移动操纵器臂的方法的可执行指令，所述操纵器臂包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态，所述方法包括：
通过响应从输入接收的操纵命令而驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以在操纵模式下操作所述操纵器臂；
通过同时进行以下操作以在臂咬合模式下操作所述操纵器臂：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述远程中心的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动所述远程中心，以及
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间是所述远程中心的零空间，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动不移动所述远程中心，以及
通过同时进行以下操作以在端口咬合模式下操作所述操纵器臂：
在第三接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第三接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第三接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器，以及
在第四接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第四接头速度子空间是所述末端执行器的零空间，并且所述多个接头在所述第四接头速度子空间内的移动不移动所述末端执行器。
13.根据权利要求12所述的计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
通过浮动所述多个接头中的所有接头以在臂和端口同时咬合模式下操作所述操纵器臂；或
通过同时进行以下操作以在零咬合模式下操作所述操纵器臂：
在所述第一接头速度子空间内伺服所述多个接头；
在所述第三接头速度子空间内伺服所述多个接头；以及
在所述第二接头速度子空间与所述第四接头速度子空间的交集中浮动所述多个接头。
14.一种机器人系统，其包括：
操纵器臂，其包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态；以及
处理器，其耦接到所述操纵器臂，所述处理器被配置有操纵模式和零咬合模式，其中
所述处理器被配置为在所述操纵模式下响应从输入接收的操纵命令而驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，
所述处理器被配置为在所述零咬合模式下同时进行：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述远程中心的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动所述远程中心；
在第二接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器；以及
在第三接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第三接头速度子空间是所述远程中心的零空间与所述末端执行器的零空间的交集，并且所述多个接头在所述第三接头速度子空间内的移动不移动所述远程中心并且不移动所述末端执行器。
15.根据权利要求14所述的机器人系统，其中
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述零咬合模式下在所述第一接头速度子空间内伺服所述多个接头：在所述第一接头速度子空间内伺服所述多个接头以维持所述远程中心的状态；
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述零咬合模式下在所述第二接头速度子空间内伺服所述多个接头：在所述第二接头速度子空间内伺服所述多个接头以维持所述末端执行器的状态；
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述零咬合模式下在所述第三接头速度子空间内浮动所述多个接头：在所述第三接头速度子空间内浮动所述多个接头以便手动反向驱动所述远程中心和手动反向驱动所述末端执行器。
16.根据权利要求15所述的机器人系统，其中：
所述远程中心的所述状态包括所述远程中心的位置；
手动反向驱动所述远程中心包括改变所述远程中心的所述状态；
所述末端执行器的所述状态包括所述末端执行器的位置或取向；以及
手动反向驱动所述末端执行器包括改变所述末端执行器的所述状态。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的机器人系统，其中所述处理器进一步配置有臂和端口同时咬合模式，其中所述处理器被配置为在所述臂和端口同时咬合模式下浮动所述多个接头中的所有接头。
18.一种计算机可读存储介质，其含有用于实施用于移动操纵器臂的方法的可执行指令，所述操纵器臂包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态，所述方法包括：
通过驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以在操纵模式下操作所述操纵器臂；以及
通过同时进行以下操作以在零咬合模式下操作所述操纵器臂：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述远程中心的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动所述远程中心；
在第二接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器；以及
在第三接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第三接头速度子空间是所述远程中心的零空间与所述末端执行器的零空间的交集，并且所述多个接头在所述第三接头速度子空间内的移动不移动所述远程中心并且不移动所述末端执行器。
19.根据权利要求18所述的计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
通过浮动所述多个接头中的所有接头以在臂和端口同时咬合模式下操作所述操纵器臂。
20.一种机器人系统，其包含：
操纵器臂，其包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态；以及
处理器，其耦接到所述操纵器臂，所述处理器被配置有操纵模式和臂咬合模式，其中
所述处理器被配置为在所述操纵模式下响应从输入接收的操纵命令而驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以及
所述处理器被配置为在所述臂咬合模式下同时进行：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述远程中心的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动所述远程中心，以及
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间是所述远程中心的零空间，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动不移动所述远程中心。
21.一种计算机可读存储介质，其含有用于实施用于移动操纵器臂的方法的可执行指令，所述操纵器臂包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态，所述方法包括：
通过驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以在操纵模式下操作所述操纵器臂；以及
通过同时进行以下操作以在臂咬合模式下操作所述操纵器臂：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述远程中心的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动所述远程中心，以及
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间是所述远程中心的零空间，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动不移动所述远程中心。
22.一种机器人系统，其包含：
操纵器臂，其包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态；以及
处理器，其耦接到所述操纵器臂，所述处理器被配置有操纵模式和端口咬合模式，其中
所述处理器被配置为在所述操纵模式下响应从输入接收的操纵命令而驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以及
所述处理器被配置为在所述端口咬合模式下同时进行：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器，以及
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间是所述末端执行器的零空间，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动不移动所述末端执行器。
23.一种计算机可读存储介质，其含有用于实施用于移动操纵器臂的方法的可执行指令，所述操纵器臂包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态，所述方法包括：
通过驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以在操纵模式下操作所述操纵器臂；以及
通过同时进行以下操作以在端口咬合模式下操作所述操纵器臂：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器，以及
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间是所述末端执行器的零空间，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动不移动所述末端执行器。
24.一种机器人系统，其包含：
操纵器臂，其包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态；以及
处理器，其耦接到所述操纵器臂，所述处理器被配置有操纵模式和臂零垂直咬合模式，其中
所述处理器被配置为在所述操纵模式下响应从输入接收的操纵命令而驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以及
所述处理器被配置为在所述臂零垂直咬合模式下同时进行：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述远程中心的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动远程中心，
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间正交于所述第一接头速度子空间并且在所述末端执行器的零垂直空间内，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器，以及
在第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动，其中所述第三接头速度子空间是所述远程中心的零空间与所述末端执行器的零空间的交集，所述远程中心的所述零空间正交于所述远程中心的所述零垂直空间，所述末端执行器的所述零空间正交于所述末端执行器的所述零垂直空间，并且所述多个接头在所述第三接头速度子空间内的移动不移动所述末端执行器并且不移动所述远程中心。
25.根据权利要求24所述的机器人系统，进一步包括：
输入装置，其用于接收实现所述末端执行器的期望的移动的操纵命令；其中
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述操纵模式下驱动所述多个接头以移动所述末端执行器：驱动所述多个接头以便以所述期望的移动移动所述末端执行器。
26.根据权利要求24所述的机器人系统，其中：
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述臂零垂直咬合模式下在所述第一接头速度子空间内伺服所述多个接头：在所述第一接头速度子空间内伺服所述多个接头以维持所述远程中心的状态；
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述臂零垂直咬合模式下在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头：在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头以便手动反向驱动所述末端执行器；以及
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述臂零垂直咬合模式下在所述第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动：根据辅助任务在所述第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动。
27.根据权利要求26所述的机器人系统，其中：
所述远程中心的所述状态包括所述远程中心的位置；以及
在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头以便手动反向驱动所述末端执行器包括：在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头以便在所述末端执行器的位置或取向方面手动反向驱动所述末端执行器。
28.根据权利要求26所述的机器人系统，其中所述辅助任务包括从包含以下项的组中选择的任务：碰撞回避、姿势偏好以及改善所述多个接头的调节。
29.根据权利要求24至26中任一项所述的机器人系统，其中所述处理器进一步配置有端口零垂直咬合模式，其中所述处理器被配置为在所述端口零垂直咬合模式下同时进行：
在第四接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第四接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第四接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器；
在第五接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第五接头速度子空间正交于所述第四接头速度子空间并且在所述远程中心的零垂直空间内，并且所述多个接头在所述第五接头速度子空间内的移动移动所述远程中心并且不移动所述末端执行器；以及
在所述第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动。
30.根据权利要求29所述的机器人系统，其中
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述端口零垂直咬合模式下在所述第四接头速度子空间内伺服所述多个接头：伺服所述多个接头以维持所述末端执行器的位置或取向；以及
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述端口零垂直咬合模式下在所述第五接头速度子空间内浮动所述多个接头：在所述第五接头速度子空间内浮动所述多个接头以便手动反向驱动所述远程中心。
31.根据权利要求29所述的机器人系统，其中：
所述第二接头速度子空间是所述第四接头速度子空间的子空间。
32.根据权利要求29所述的机器人系统，其中：
所述第五接头速度子空间是所述第一接头速度子空间的子空间。
33.根据权利要求24至26中任一项所述的机器人系统，其中所述处理器进一步配置有臂端口零垂直咬合模式，在所述臂端口零垂直咬合模式下的所述处理器被配置为同时进行：
在所述第一接头速度子空间内浮动所述多个接头；
在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头；以及
在所述第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动。
34.一种计算机可读存储介质，其含有用于实施用于移动操纵器臂的方法的可执行指令，所述操纵器臂包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态，所述方法包括：
通过驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以在操纵模式下操作所述操纵器臂；以及
通过同时进行以下操作以在臂零垂直咬合模式下操作所述操纵器臂：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述远程中心的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动远程中心，
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间正交于所述第一接头速度子空间并且在所述末端执行器的零垂直空间内，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器，以及
在第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动，其中所述第三接头速度子空间是所述远程中心的零空间与所述末端执行器的零空间的交集，所述远程中心的所述零空间正交于所述远程中心的所述零垂直空间，所述末端执行器的所述零空间正交于所述末端执行器的所述零垂直空间，并且所述多个接头在所述第三接头速度子空间内的移动不移动所述末端执行器并且不移动所述远程中心。
35.根据权利要求34所述的计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
通过同时进行以下操作以在端口零垂直咬合模式下操作所述操纵器臂：
在第四接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第四接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第四接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器；
在第五接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第五接头速度子空间正交于所述第四接头速度子空间并且在所述远程中心的零垂直空间内，并且所述多个接头在所述第五接头速度子空间内的移动移动所述远程中心并且不移动所述末端执行器；以及
在所述第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动。
36.根据权利要求34所述的计算机可读存储介质，其中所述方法进一步包括：
通过同时进行以下操作以在臂端口零垂直咬合模式下操作所述操纵器臂：
在所述第一接头速度子空间和所述第二接头速度子空间的并集内浮动所述多个接头；以及
在所述第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动。
37.一种机器人系统，其包含：
操纵器臂，其包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态；以及
处理器，其耦接到所述操纵器臂，所述处理器被配置有操纵模式和臂端口零垂直咬合模式，其中
所述处理器被配置为在所述操纵模式下响应从输入接收的操纵命令而驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以及
所述处理器被配置为在所述臂端口零垂直咬合模式下同时进行：
在第一接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述远程中心的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动远程中心，
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器，以及
在第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动，其中所述第三接头速度子空间是所述远程中心的零空间与所述末端执行器的零空间的交集，所述远程中心的所述零空间正交于所述远程中心的所述零垂直空间，所述末端执行器的所述零空间正交于所述末端执行器的所述零垂直空间，并且所述多个接头在所述第三接头速度子空间内的移动不移动所述末端执行器并且不移动所述远程中心。
38.根据权利要求37所述的机器人系统，进一步包括：
输入装置，其用于接收实现所述末端执行器的期望的移动的操纵命令；其中
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述操纵模式下驱动所述多个接头以移动所述末端执行器：驱动所述多个接头以便以所述期望的移动移动所述末端执行器。
39.根据权利要求37所述的机器人系统，其中：
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述臂端口零垂直咬合模式下在所述第一接头速度子空间内浮动所述多个接头：在所述第一接头速度子空间内浮动所述多个接头以便手动反向驱动所述远程中心；
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述臂端口零垂直咬合模式下在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头：在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头以便手动反向驱动所述末端执行器；以及
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述臂端口零垂直咬合模式下在所述第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动：根据辅助任务在所述第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动。
40.一种计算机可读存储介质，其含有用于实施用于移动操纵器臂的方法的可执行指令，所述操纵器臂包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态，所述方法包括：
通过驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以在操纵模式下操作所述操纵器臂；以及
通过同时进行以下操作以在臂端口零垂直咬合模式下操作所述操纵器臂：
在第一接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述远程中心的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动远程中心，
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器，以及
在第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动，其中所述第三接头速度子空间是所述远程中心的零空间与所述末端执行器的零空间的交集，所述远程中心的所述零空间正交于所述远程中心的所述零垂直空间，所述末端执行器的所述零空间正交于所述末端执行器的所述零垂直空间，并且所述多个接头在所述第三接头速度子空间内的移动不移动所述末端执行器并且不移动所述远程中心。
41.一种机器人系统，其包含：
操纵器臂，其包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态；以及
处理器，其耦接到所述操纵器臂，所述处理器被配置有操纵模式和端口零垂直咬合模式，其中
所述处理器被配置为在所述操纵模式下响应从输入接收的操纵命令而驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以及
所述处理器被配置为在所述端口零垂直咬合模式下同时进行：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器，
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间正交于所述第一接头速度子空间并且在所述远程中心的零垂直空间内，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动移动所述远程中心并且不移动所述末端执行器，以及
在第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动，其中所述第三接头速度子空间是所述远程中心的零空间与所述末端执行器的零空间的交集，所述远程中心的所述零空间正交于所述远程中心的所述零垂直空间，所述末端执行器的所述零空间正交于所述末端执行器的所述零垂直空间，并且所述多个接头在所述第三接头速度子空间内的移动不移动所述末端执行器并且不移动所述远程中心。
42.根据权利要求41所述的机器人系统，其中
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述端口零垂直咬合模式下在所述第一接头速度子空间内伺服所述多个接头：在所述第一接头速度子空间内伺服所述多个接头以维持所述末端执行器的状态；
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述端口零垂直咬合模式下在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头：在所述第二接头速度子空间内浮动所述多个接头以便手动反向驱动所述远程中心；以及
所述处理器被配置为通过以下操作进行在所述端口零垂直咬合模式下在所述第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动：根据辅助任务在所述第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动。
43.一种计算机可读存储介质，其含有用于实施用于移动操纵器臂的方法的可执行指令，所述操纵器臂包括被配置为支撑器械的远侧部分、耦合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，所述多个接头提供足够的自由度以允许针对在工作空间中的所述远侧部分的给定状态的所述多个接头的一系列不同接头状态，所述方法包括：
通过驱动所述多个接头以移动所述器械的末端执行器同时绕远程中心枢转所述器械，以在操纵模式下操作所述操纵器臂；以及
通过同时进行以下操作以在端口零垂直咬合模式下操作所述操纵器臂：
在第一接头速度子空间内伺服所述多个接头，其中所述第一接头速度子空间是所述末端执行器的零垂直空间，并且所述多个接头在所述第一接头速度子空间内的移动移动所述末端执行器，
在第二接头速度子空间内浮动所述多个接头，其中所述第二接头速度子空间正交于所述第一接头速度子空间并且在所述远程中心的零垂直空间内，并且所述多个接头在所述第二接头速度子空间内的移动移动所述远程中心并且不移动所述末端执行器，以及
在第三接头速度子空间内控制所述多个接头的运动，其中所述第三接头速度子空间是所述远程中心的零空间与所述末端执行器的零空间的交集，所述远程中心的所述零空间正交于所述远程中心的所述零垂直空间，所述末端执行器的所述零空间正交于所述末端执行器的所述零垂直空间，并且所述多个接头在所述第三接头速度子空间内的移动不移动所述末端执行器并且不移动所述远程中心。
CN201810131314.3A 2013-03-15 2014-03-18 用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定位操纵器臂的系统和方法 Active CN108309454B (zh)

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