CN110072483A - 对依赖性外科手术机器人臂的自动运动控制 - Google Patents

对依赖性外科手术机器人臂的自动运动控制 Download PDF

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Abstract

一种运动依赖性外科手术机器人系统(100)采用独立性机器人臂(20)、依赖性机器人臂(21)，以及运动依赖性机器人控制器(104)。在操作中，所述运动依赖性机器人控制器(104)响应于指示所述独立性机器人臂(20)在坐标空间内的运动的输入信号而控制所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的独立性运动，并且还根据所述坐标空间内的所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的空间几何关系来控制所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的运动。

Description

对依赖性外科手术机器人臂的自动运动控制
技术领域
本公开内容的发明总体上涉及采用两个或更多个外科手术机器人臂的外科手术机器人系统(例如，da外科手术系统、Raven机器人外科手术系统、SportTM外科手术系统、FlexTM机器人系统等)。本公开内容的发明更具体地涉及通过根据独立性操作者对一个外科手术机器人臂的控制提供对另一外科手术机器人臂的自动运动控制来改进这样的外科手术机器人系统。
背景技术
当前，外科手术机器人系统的外科手术机器人臂是由外科医生控制台控制的。通常，操作者在控制台上移动手柄，由此来自手柄的信号被解读并转换成外科手术机器人臂的运动。更具体地，每个外科手术机器人臂独立于(一个或多个)其他外科手术机器人臂而被操作，这需要操作者频繁地在外科手术机器人臂之间切换控制。外科手术机器人臂之间的这种频繁控制切换会导致工作流程问题。
另外，在许多多机器人臂外科手术任务中，为了执行外科手术任务的目的，一个外科手术机器人臂的运动可能取决于另一外科手术机器人臂的运动。例如，在腹腔镜外科手术中，打结的操作是两个外科手术机器人臂的同步努力的结果。在另一示例中，拾取和放置外科手术任务(例如，缝合海绵或成像设备)也需要外科手术机器人臂的同步运动。通过另外的示例，一些外科手术任务(例如，切割和烧灼)将一个外科手术机器人臂指定为主要的外科手术机器人臂，并且将另一外科手术机器人臂指定为跟随性外科手术机器人臂(例如，跟随性外科手术机器人臂沿着一条直线以固定距离跟随主要的外科手术机器人臂)。另外，例如，如果外科手术机器人臂持有内窥镜并且两个额外的外科手术机器人臂分别持有仪器，则机器人持有的内窥镜的运动取决于机器人持有的仪器的位置，目的是保持仪器在内窥镜的视场中。
显然，多机器人臂外科手术任务的成功或失败在很大程度上取决于外科医生控制台的操作者在外科手术机器人臂之间频繁切换控制的技能。
发明内容
为了改善涉及多机器人臂外科任务的外科手术机器人臂之间的依赖性运动，本公开内容提供了用于使用一个或多个输入设备(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)通过以下操作来控制两个或更多个外科手术机器人臂的发明：将来自(一个或多个)输入设备的信号解读并转换成独立性外科手术机器人臂的运动，由此一个或多个依赖性外科手术机器人臂的任何运动由与独立性外科手术机器人臂的运动的空间几何关系来限定。本公开内容的发明的改进之处是对多机器人臂外科手术任务的直观控制，这减少了对在外科手术机器人臂之间切换控制的需要。
出于描述和要求保护本公开内容的发明的目的：
(1)术语“空间几何关系”广义地包括由线性矢量和/或角度矢量形式的运动矢量限定的坐标空间内的多个外科手术机器人臂之间的运动依赖性，并且可以由相对于坐标空间内的轴或平面或者相对于坐标空间内的几何目标的运动矢量的幅值和/或方向来进一步定义；
(2)术语“独立性外科手术机器人臂”广义地包括如本公开内容的领域中已知的和在下文中设想到的外科手术机器人臂的所有结构配置，如在本公开内容的领域中已知的，该外科手术机器人臂具有由输入设备控制的在坐标空间内的一定范围的运动；并且
(3)术语“依赖性外科手术机器人臂”广义地包括如本公开内容的领域中已知的和在下文中设想到的外科手术机器人臂的所有结构配置，该外科手术机器人臂具有根据本公开内容的发明原理的自动控制的在坐标空间内的一系列运动。
根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间几何关系的一个示例是在坐标空间内的外科手术机器人臂之间限定的线性矢量。对依赖性外科手术机器人臂的自动运动控制使外科手术机器人臂之间的距离保持等于线性矢量的幅值，其中，当依赖性外科手术机器人臂跟随由(一个或多个)输入设备(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)的操作者控制的独立性外科手术机器人臂在坐标空间内的路径时，线性矢量的方向不断变化。
根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间几何关系的第二示例是在坐标空间内的外科手术机器人臂之间限定的线性矢量，其中，线性矢量具有平行于坐标空间的轴的方向，横穿坐标空间的平面的方向，或者径向于球体的表面的方向。当(一个或多个)输入设备的操作者进行对独立性外科手术机器人臂在坐标空间内的运动控制时，对依赖性外科手术机器人臂的自动运动控制使外科手术机器人臂之间的距离保持等于线性矢量的幅值。并且还使依赖性外科手术机器人臂的方向保持为对应于平行于轴的矢量方向，横穿平面的矢量方向或者径向于球体的矢量方向。
根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间几何关系的第三示例是在坐标空间内的外科手术机器人臂之间限定的角度矢量。对依赖性外科手术机器人臂的自动运动控制使外科手术机器人臂之间的角度取向保持等于角度矢量的幅值，其中，当依赖性外科手术机器人臂跟踪由(一个或多个)输入设备(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)的操作者控制的独立性外科手术机器人臂在坐标空间内的路径时，角度矢量的方向不断变化。
根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间几何关系的第四示例是在坐标空间内的外科手术机器人臂之间限定的角度矢量，其中，角度矢量具有横穿坐标空间的平面的方向。当(一个或多个)输入设备的操作者进行对独立性外科手术机器人臂在坐标空间内的运动控制时，对依赖性外科手术机器人臂的自动运动控制使外科手术机器人臂之间的角度取向保持等于角度矢量的幅值，并且还使依赖性外科手术机器人臂的方向保持为对应于横穿该平面的角度矢量的方向。
根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间几何关系的第五示例是在执行外科手术任务(例如，在腹腔镜外科手术中进行的打结)时外科手术机器人臂之间限定的流程同步。当(一个或多个)输入设备的操作者根据特定的外科手术流程执行对独立性外科手术机器人臂在坐标空间内的运动控制(例如，经由流程同步定义的显函数计算对依赖性外科手术机器人臂的自动运动控制或者经由定义流程同步的查找表检索对依赖性外科手术机器人臂的自动运动控制)时，对依赖性外科手术机器人臂在坐标空间内的自动运动控制是根据独立性外科手术机器人臂在坐标空间内的运动来进行的。
根据本公开内容的发明原理的一对独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间几何关系的第六示例是在坐标空间内的外科手术机器人臂之间限定的相对定位。当输入设备的操作者执行对独立性外科手术机器人臂在坐标空间内的运动控制时，对依赖性外科手术机器人臂的自动运动控制使外科手术机器人臂之间保持相对定位。
另外，可以在(一个或多个)指定时间段期间实施本公开内容的空间几何关系，或者可以针对机器人外科手术流程的(一个或多个)特定任务或所有任务来实施整个机器人外科手术流程，整个机器人外科手术流程可以具有条件定义或固定定义并且可以被定义为时间的函数。
还出于描述和要求保护本公开内容的发明的目的：
(1)术语“运动依赖性外科手术机器人系统”广义地包括如本公开内容的领域中已知的和在下文中设想到的所有外科手术机器人系统，包括本公开内容的用于通过以下操作来控制两个或更多个外科手术机器人臂的发明原理：将来自(一个或多个)输入设备的输入信号处理成独立性外科手术机器人臂的运动，由此一个或多个依赖性外科手术机器人臂的任何运动由依赖性外科手术机器人臂与独立性外科手术机器人臂的空间几何关系来限定。已知的外科手术机器人系统的示例包括但不限于da外科手术系统、Raven机器人外科手术系统、SportTM外科手术系统，以及FlexTM机器人系统；
(2)术语“运动依赖性机器人控制方法”广义地包括如本公开内容的领域中已知的和在下文中设想到的控制外科手术机器人系统的所有方法，包括本公开内容的用于通过以下操作来控制两个或更多个外科手术机器人臂的发明原理：将来自(一个或多个)输入设备的输入信号处理成独立性外科手术机器人臂的运动，由此一个或多个依赖性外科手术机器人臂的任何运动由依赖性外科手术机器人臂与独立性外科手术机器人臂的空间几何关系来限定；
(3)术语“运动依赖性机器人控制器”广义地包含在本公开内容的运动依赖性外科手术机器人系统内采用的用于控制本文随后描述的本公开内容的各种发明原理的应用的所容纳的专用主板或专用集成电路的所有结构配置。控制器的结构配置可以包括但不限于：(一个或多个)处理器、(一个或多个)计算机可用存储介质/计算机可读存储介质、操作系统、(一个或多个)应用模块、(一个或多个)外围设备控制器、(一个或多个)接口、(一条或多条)总线、(一个或多个)插槽，以及(一个或多个)端口；
(4)术语“应用模块”广义地包括运动依赖性机器人控制器的部件，这些部件包括用于执行特定应用的电子电路和/或可执行程序(例如，被存储在(一个或多个)非瞬态计算机可读介质上的可执行软件和/或固件)；并且
(5)术语“信号”、“数据”和“命令”广义地包括如本公开内容的领域的技术中所理解的和本文示例性描述的用于传达信息和/或指令以支持对如本文随后描述的本公开内容的各种发明原理的应用的所有形式的可检测物理量或脉冲(例如，电压、电流或磁场强度)。本公开内容的部件之间的信号/数据/命令通信可以涉及如本公开内容的领域中已知的和在下文中设想到的任何通信方法，包括但不限于通过任何类型的有线或无线介质/数据链路进行的数据/命令发送/接收以及对被上载到“计算机可用存储介质/计算机可读存储介质”的信号/数据/命令的读取。
本公开内容的发明的一个实施例是一种运动依赖性外科手术机器人系统，所述系统采用独立性外科手术机器人臂、依赖性外科手术机器人臂，以及与所述独立性外科手术机器人臂和所述依赖性外科手术机器人臂通信的运动依赖性机器人控制器。
在操作中，所述运动依赖性机器人控制器响应于指示所述独立性机器人臂在坐标空间内的运动的输入信号而控制所述独立性机器人臂在所述坐标空间内的所述运动。所述运动依赖性机器人还根据所述坐标空间内的所述独立性机器人臂与所述依赖性机器人臂之间的空间几何关系来控制所述依赖性机器人臂在所述坐标空间内的运动。
本公开内容的发明的第二实施例是运动依赖性机器人控制器应用模块，所述应用模块采用独立性运动矢量生成器、独立性外科手术机器人臂致动器、依赖性运动矢量生成器，以及依赖性外科手术机器人臂致动器。
在操作中，所述独立性运动矢量生成器响应于指示所述独立性外科手术机器人臂在坐标空间内的运动的输入信号而生成用于控制所述独立性机器人臂在所述坐标空间内的所述运动的独立性运动矢量信号(例如，线性矢量或角度矢量)。
所述独立性外科手术机器人臂致动器响应于所述独立性运动矢量生成器生成所述独立性运动矢量信号而生成对所述独立性机器人臂在所述坐标空间内的所述运动发出指令的独立性致动命令。
所述依赖性运动矢量生成器根据所述坐标空间内的所述独立性机器人臂与所述依赖性机器人臂之间的空间几何关系来生成用于控制所述依赖性机器人臂在所述坐标空间内的运动的依赖性运动矢量信号(例如，线性矢量或角度矢量)。
所述依赖性外科手术机器人臂致动器响应于所述依赖性运动矢量生成器生成所述依赖性运动矢量信号而生成对所述依赖性机器人臂在所述坐标空间内的所述运动发出指令的致动命令。
本公开内容的发明的第三形式的实施例是一种针对运动依赖性外科手术机器人系统的运动依赖性机器人控制方法。所述运动依赖性机器人控制方法涉及：运动依赖性机器人控制器响应于指示独立性外科手术机器人臂在坐标空间内的运动的输入信号而控制所述独立性外科手术机器人臂在所述坐标空间内的运动，以及运动依赖性机器人控制器根据所述坐标空间内的所述独立性机器人臂与所述依赖性机器人臂之间的空间几何关系来控制所述依赖性机器人臂在所述坐标空间内的运动。
通过结合附图来阅读本公开内容的发明的各种实施例的以下详细描述，本公开内容的发明的前述实施例和其他实施例以及本公开内容的发明的各种特征和优点将变得更加明显。详细描述和附图仅仅是对本公开内容的发明的说明而不是限制，本公开内容的发明的范围由权利要求及其等同物来限定。
附图说明
图1图示了根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间几何关系的示例性实施例。
图2A-2E图示了根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间距离的示例性实施例。
图3A-3D图示了根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间距离的额外的示例性实施例。
图4A-4C图示了根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂的角度取向的示例性实施例。
图5A-5C图示了根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的角度取向的额外的示例性实施例。
图6A-6G图示了根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的流程同步的示例性实施例。
图7图示了表示根据本公开内容的发明原理的用于独立性外科手术机器人臂和依赖性外科手术机器人臂的运动依赖性机器人控制方法的第一示例性实施例的流程图。
图8A-8B图示了根据本公开内容的发明原理的依赖性外科手术机器人臂避开障碍物的示例性实施例。
图9图示了表示根据本公开内容的发明原理的用于独立性外科手术机器人臂和依赖性外科手术机器人臂的运动依赖性机器人控制方法的第二示例性实施例的流程图。
图10图示了根据本公开内容的发明原理的一对独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间几何关系的示例性实施例。
图11A图示了根据本公开内容的发明原理的一对独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的相对定位的示例性实施例。
图12图示了表示根据本公开内容的发明原理的用于一对独立性外科手术机器人臂和依赖性外科手术机器人臂的运动依赖性机器人控制方法的第一示例性实施例的流程图。
图13图示了表示根据本公开内容的发明原理的用于一对独立性外科手术机器人臂和依赖性外科手术机器人臂的运动依赖性机器人控制方法的第二示例性实施例的流程图。
图14A和图14B图示了根据本公开内容的发明原理的运动依赖性外科手术机器人系统的示例性实施例。
图15A和图15B图示了根据本公开内容的发明原理的用于独立性外科手术机器人臂和依赖性外科手术机器人臂的运动依赖性机器人控制器的示例性实施例。
图16A和图16B图示了根据本公开内容的发明原理的用于一对独立性外科手术机器人臂和依赖性外科手术机器人臂的运动依赖性机器人控制器的示例性实施例。
具体实施方式
为了便于理解本公开内容的发明，图1-5的以下描述教导了根据本公开内容的发明原理的独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间几何关系的基本发明原理。根据图1-5的描述，本领域普通技术人员将理解如何应用本公开内容的发明原理来实践独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的各种各样的空间几何关系。
参考图1，为了清楚起见，由X-Y轴表示的三维(“3D”)坐标空间CS表示用于执行外科手术机器人流程(例如，一般外科手术流程、心脏外科手术流程、神经外科手术等)的操作空间。在实践中，可以通过操作空间内的患者的解剖区域的支撑物(例如，患者台)来建立坐标空间CS。
可以如本公开内容的领域中已知的那样通过外科手术机器人系统(未示出)的输入设备(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)来控制独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的运动矢量MVIRA。更具体地，独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的运动矢量MVIRA是根据指导独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的平移、旋转和/或枢转的输入设备生成的输入信号ISIRA来产生的。
依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的平移、旋转和/或枢转是通过本公开内容的独立性外科手术机器人臂20与依赖性外科手术机器人臂21之间空间几何关系SGR来自动控制的。更具体地，依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的运动矢量MVDRA是根据在空间几何关系SGR的背景下独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的运动矢量MVIRA来产生的，从而自动控制依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的平移、旋转和/或枢转。
在实践中，独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA和依赖性外科手术机器人臂21的运动矢量MVDRA可以被导出为外科手术机器人臂20和21在坐标系CS内的目标位置。
在一个实施例中，独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA和依赖性外科手术机器人臂21的运动矢量MVDRA可以被导出为外科手术机器人臂20和21在坐标系CS内的三(3)个目标位置[X Y Z]IRA和[X Y Z]DRA。
在第二实施例中，独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA和依赖性外科手术机器人臂21的运动矢量MVDRA可以被导出为外科手术机器人臂20和21在坐标系CS内的三(3)个目标位置和三个(取向)[X Y ZΦθΨ]IRA和[X Y ZΦθΨ]DRA。
同样，在实践中，独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA和依赖性外科手术机器人臂21的运动矢量MVDRA可以被导出为外科手术机器人臂20和21在坐标系CS内的当前取向的目标速度。
在一个实施例中，独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA和依赖性外科手术机器人臂21的运动矢量MVDRA可以根据[dX/dt dY/dt dZ/dt]IRA和[dX/dt dY/dt dZ/dt]DRA而被导出为外科手术机器人臂20和21在坐标空间CS内的三(3)个平移速度。
在第二实施例中，独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA和依赖性外科手术机器人臂21的运动矢量MVDRA可以根据[dX/dt dY/dt dZ/dt dΦ/dt dθ/dt dΨ/dt]IRA和[dX/dt dY/dt dZ/dt dΦ/dt dθ/dt dΨ/dt]DRA而被导出为外科手术机器人臂20和21在坐标空间CS内的三(3)个平移速度和三(3)个角度速度。
空间几何关系SGR是依赖性外科手术机器人臂21对独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的操作者控制运动的运动依赖性。更具体地，空间几何关系SGR以线性矢量和/或角度矢量的形式限定运动矢量，并且还可以由运动矢量相对于坐标空间内的轴或平面或相对于坐标空间内的几何目标的幅值和/或方向来限定。
图2-5的以下描述图示了外科手术机器人臂20与21之间的空间几何关系SGR的各种示例。
参考图2A，跟随外科手术机器人臂20与21之间的线性矢量PFLV的路径限定空间几何关系SGR，由此对依赖性外科手术机器人臂21的自动运动控制使外科手术机器人臂20与21之间的空间距离保持等于跟随线性矢量PFLV的路径的幅值，其中，当依赖性外科手术机器人臂21跟随由(一个或多个)输入设备(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)的操作者控制的独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS(图1)内的线性路径LP和/或曲线路径CLP时，跟随线性矢量PFLV路径的方向不断变化。
在实践中，虽然跟随线性矢量PFLV的路径的方向可以根据独立性外科手术机器人臂20在坐标系CS内的运动而变化，但是跟随线性矢量PFLV的路径的幅值在(一种或多种)特定条件下可以是固定的或可变的。例如，当外科手术机器人臂20和21接近坐标空间CS内的目标位置时，可以减小跟随线性矢量PFLV的路径的幅值，或者当外科手术机器人臂20和21在坐标空间CS内平移、旋转和/或枢转时，可以使跟随线性矢量PFLV的路径的幅值随时间衰减。
同样，在实践中，对于跟随线性矢量PFLV的路径的实施方式，依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的取向可以取决于或独立于独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的取向。
例如，图2B图示了对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制，该自动运动控制在依赖性外科手术机器人臂21a跟随独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的线性路径LP时使外科手术机器人臂20a与21a之间的固定的或可变的空间距离保持等于跟随线性矢量PFLV的路径的幅值。对于该示例，对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制涉及依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向，该取向取决于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向(例如，机器人臂20a和21a在坐标空间CS内保持相同的取向或者在坐标空间CS内保持固定的相对取向)。
通过另外的示例，图2C图示了对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制，该自动运动控制在依赖性外科手术机器人臂21a跟随独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的线性路径LP时使外科手术机器人臂20a与21a之间的固定的或可变的空间距离保持等于跟随线性矢量PFLV的路径的幅值。对于该示例，对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制涉及依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向，该取向独立于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向(例如，机器人臂20a和21a在坐标空间CS内具有可变的相对取向)。
通过另外的示例，图2D图示了对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制，该自动运动控制在依赖性外科手术机器人臂21a跟随独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的曲线路径CLP时使外科手术机器人臂20a与21a之间的固定的或可变的空间距离保持等于跟随线性矢量PFLV的路径的幅值。对于该示例，对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制涉及依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向，该取向取决于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向。
通过另外的示例，图2E图示了对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制，该自动运动控制在依赖性外科手术机器人臂21a跟随独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的曲线路径CLP时使外科手术机器人臂20a与21a之间的固定的或可变的空间距离保持等于跟随线性矢量PFLV的路径的幅值。对于该示例，对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制涉及依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向，该取向独立于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向。
参考图3A，外科手术机器人臂20与21之间的几何线性矢量GLF限定空间几何关系SGR，由此，当(一个或多个)输入设备的操作者进行对独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的运动控制时，对依赖性外科手术机器人臂21的自动运动控制使外科手术机器人臂20与21之间的空间距离保持等于几何线性矢量GLF的幅值，并且还使依赖性外科手术机器人臂21的方向保持为对应于平行于坐标空间CS的轴的几何线性矢量的方向，横穿坐标空间CS的平面的几何线性矢量的方向，或者径向于球体的表面的几何线性矢量的方向。
实际上，虽然几何线性矢量GLF的方向可以根据独立性外科手术机器人臂20在坐标系CS内的运动而变化，但是几何线性矢量GLF的幅值在(一种或多种)特定条件下可以是固定的或可变的。例如，当外科手术机器人臂20和21接近坐标空间CS内的目标位置时，可以减小几何线性矢量GLF的幅值，或者当外科手术机器人臂20和21在坐标内平移、旋转和/或枢转时，可以使几何线性矢量GLF的幅值随时间衰减。
同样，在实践中，对于几何线性矢量GLF的实施方式，依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的取向可以取决于或独立于独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的取向。
例如，图3B图示了对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制，该自动运动控制使外科手术机器人臂20a与21a之间的固定的或可变的空间距离保持等于几何线性矢量GLF的幅值，其中，几何线性矢量GLF的方向被平行地固定到坐标空间CS的X轴。对于该示例，对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制涉及依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向，该取向取决于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向。
通过另外的示例，图3C图示了对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制，该自动运动控制使外科手术机器人臂20a与21a之间的固定的或可变的空间距离保持等于几何线性矢量GLF的幅值，其中，几何线性矢量GLF的方向横穿坐标空间CS的XY平面。对于该示例，对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制涉及依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向，该取向独立于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向。
通过另外的示例，图3D图示了对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制，该自动运控控制使外科手术机器人臂20a与21a之间的固定的或可变的空间距离保持等于从球体的中心径向延伸的几何线性矢量GLF的幅值，其中，沿着球体的表面的几何线性矢量GLF的方向取决于独立性外科手术机器人臂20a的旋转运动。对于该示例，对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制涉及依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向，该取向独立于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向。
参考图4A，外科手术机器人臂20与21之间的路径跟踪角度矢量PTAV限定空间几何关系SGR，由此，当依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内跟踪由(一个或多个)输入设备(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)的操作者控制的独立性外科手术机器人臂20时，对依赖性外科手术机器人臂21的自动运动控制保持外科手术机器人臂20和21的路径的角度取向。
在实践中，虽然路径跟踪角度矢量PTAV的方向可以根据独立性外科手术机器人臂20在坐标系内的运动而变化，但是路径跟踪角度矢量PTAV的幅值在(一种或多种)特定条件下可以是固定的或变化的。例如，当外科手术机器人臂20和21接近坐标空间CS内的目标位置时，可以减小路径跟踪角度矢量PTAV的幅值，或者当外科手术机器人臂20和21在坐标空间CS内平移、旋转和/或枢转，可以使路径跟踪角度矢量PTAV的幅值随时间衰减。
同样，在实践中，对于路径跟踪角度矢量PTAV的实施方式，依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的取向可以取决于或独立于独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的取向。
例如，图4B和图4C图示了对依赖性外科手术机器人臂21的自动运动控制，当依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内跟踪由(一个或多个)输入设备(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)的操作者控制的独立性外科手术机器人臂20时，该自动运动控制使外科手术机器人臂20和21的路径的固定的或可变的角度取向。对于图4B，依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向取决于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向。相反，对于图4C，依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向独立于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向。
参考图5A，外科手术机器人臂20与21之间的几何角度矢量GAV限定空间几何关系SGR，由此，当(一个或多个)输入设备的操作者进行对独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的运动控制时，对依赖性外科手术机器人臂21的自动运动控制保持外科手术机器人臂20和21的路径相对于坐标空间CS的平面的角度取向。
在实践中，虽然几何角度矢量GAV的方向可以根据独立性外科手术机器人臂20在坐标系内的运动而变化，但是几何角度矢量GAV的幅值在(一种或多种)特定条件下可以是固定的或可变的。例如，当外科手术机器人臂20和21接近坐标空间CS内的目标位置时，可以减小几何角度矢量GAV的幅值，或者当外科手术机器人臂20和21在空间坐标CS内平移、旋转和/或枢转时，可以使几何角度矢量GAV的幅值随时间衰减。
同样，在实践中，对于几何角度矢量GAV的实施方式，依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的取向可以取决于或独立于独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的取向。
例如，图5B和图5C图示了对依赖性外科手术机器人臂21的自动运动控制，当依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内跟踪由(一个或多个)输入设备(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)的操作者控制的独立性外科手术机器人臂20时，该自动运动控制保持外科手术机器人臂20和21的路径相对于XY平面的固定的或可变的角度取向。对于图5B，依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向取决于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向。相反，对于图5C，依赖性外科手术机器人臂21a在坐标空间CS内的取向独立于独立性外科手术机器人臂20a在坐标空间CS内的取向。
参考图6A，外科手术机器人臂20与21之间的流程同步23限定本公开内容的空间几何关系，该空间几何关系是根据外科手术任务(例如，腹腔镜打结)的实施方式导出的，由此，当(一个或多个)输入设备的操作者根据外科手术任务进行对独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的运动控制时，对依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的自动运动控制是根据独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的运动的外科手术任务的背景下进行的。
在实践中，可以经由根据外科手术任务限定外科手术机器人臂20与21之间的流程关系的显函数24来计算对依赖性外科手术机器人臂21的自动运动控制。
同样，在实践中，可以经由存储根据外科手术任务的外科手术机器人臂20与21之间的流程关系的查找表25来检索对依赖性外科手术机器人臂21的自动运动控制。
例如，图6B-6G图示了由外科手术机器人臂20a和21a执行的腹腔镜打结的顺序步骤。
在一个实施例中，可以经由根据腹腔镜打结任务的步骤限定外科手术机器人臂20a与21a之间的流程关系的显函数来计算对依赖性外科手术机器人臂21a的自动运动控制。更具体地，对于该示例，显函数可以在独立性外科手术机器人臂20a完成如图6C所示将线缠绕在独立性外科手术机器人臂20a周围的旋转时限定依赖性外科手术机器人臂21a相对于独立性外科手术机器人臂20a的定位的运动，由此依赖性外科手术机器人臂21a被自动移动到相对于独立性外科手术机器人臂20a在位置中，从而如图6D所示抓住线。此外，额外的显函数可以在独立性外科手术机器人臂20a完成如图6D和图6E所示通过环形线的运动时限定依赖性外科手术机器人臂21a相对于独立性外科手术机器人臂20a的定位的运动，由此依赖性外科手术机器人臂21a被自动移动到相对于独立性外科手术机器人臂20a的位置中，从而如图6G所示拉紧线。
替代地，查找表可以在独立性外科手术机器人臂20a完成如图6C所示将线缠绕在独立性外科手术机器人臂20a周围的旋转时限定依赖性外科手术机器人臂21a相对于独立性外科手术机器人臂20a的定位的运动，由此依赖性外科手术机器人臂21a被自动移动到相对于独立性外科手术机器人臂20a的位置中，从而如图6D所示抓住线。此外，查找表可以在独立性外科手术机器人臂20a完成如图6D和图6E所示通过环形线的运动时限定依赖性外科手术机器人臂21a相对于独立性外科手术机器人臂20a的定位的运动，由此依赖性外科手术机器人臂21a被自动移动到相对于独立性外科手术机器人臂20a的位置中，从而如图6G所示拉紧线。
为了进一步促进对本公开内容的发明的理解，图7-9的以下描述教导了根据本公开内容的发明原理的用于独立性外科手术机器人臂和依赖性外科手术机器人臂的运动依赖性机器人控制方法的基本发明原理。根据图7-9的描述，本领域普通技术人员将理解如何应用本公开内容的发明原理来实践用于独立性外科手术机器人臂和一个或多个依赖性外科手术机器人臂的各种各样的运动依赖性机器人控制方法。
参考图7，流程图30表示用于独立性外科手术机器人臂20(图1)和依赖性外科手术机器人臂21(图1)的运动依赖性机器人控制方法。
流程图30的阶段S32包括坐标空间CS内的独立性外科手术机器人臂运动(图1)，该运动涉及：
A.如在本公开内容的领域中已知的那样解读输入信号IS，输入信号IS在独立性外科手术机器人臂20的平移运动、旋转运动和/或枢转运动方面对独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的机器人运动RMIRA进行指导。
B.如在本公开内容的领域中已知的那样将机器人运动RMIRA转变成运动矢量MVIRA，运动矢量MVIRA表示独立性外科手术机器人臂20的末端效应器在坐标空间CS内的目标定位或目标速度；以及
C.如在本公开内容的领域中已知的那样计算针对独立性外科手术机器人臂20的(一个或多个)致动器(例如，可致动关节)的致动命令ACIRA，从而在坐标空间CS内将独立性外科手术机器人臂20的末端效应器移动到目标位置或目标速度。
在实践中，可以使用反向运动学模型来计算独立性外科手术机器人臂20的每个致动器的致动命令ACIRA，从而在坐标空间CS内将独立性臂20从当前位置平移、旋转和/或枢转到目标位置。
同样，在实践中，可以使用雅可比函数来计算独立性外科手术机器人臂20的每个致动器的致动命令ACIRA，从而在坐标空间CS内以目标速度平移、旋转和/或枢转独立性外科手术机器人臂20。
如图7所示的阶段S32的示例性执行方式包括输入设备103(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)将输入信号ISIRA传送到本公开内容的运动依赖性机器人控制器104a，运动依赖性机器人控制器104a如先前针对阶段S32所描述的那样计算致动命令ACIRA，从而控制独立性外科手术机器人臂20的独立性运动。
在完成阶段S32的末端效应器运动转变时，流程图30的阶段S34包含坐标空间CS内的依赖性外科手术机器人臂运动(图1)，该运动涉及：
A.计算运动矢量MVDRA，运动矢量MVDRA表示依赖性外科手术机器人臂21的末端效应器在坐标空间CS内的目标定位或目标速度，由此运动矢量MVDRA是根据针对独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA和任何适用的空间几何关系(例如，图2-6的空间几何关系中的一种)产生的；以及
B.如在本公开内容的领域中已知的那样计算针对依赖性外科手术机器人臂21的(一个或多个)致动器(例如，可致动关节)的致动命令ACDRA，从而在坐标空间CS内将依赖性外科手术机器人臂21的末端效应器移动到目标位置或以目标速度移动依赖性外科手术机器人臂21的末端效应器。
在实践中，可以使用反向运动学模型来计算依赖性外科手术机器人臂21的每个致动器的致动命令ACDRA，从而在坐标空间CS内将依赖性外科手术机器人臂21从当前位置平移、旋转和/或枢转到目标位置。
同样，在实践中，可以使用雅可比函数来计算依赖性外科手术机器人臂21的每个致动器的致动命令ACDRA，从而在坐标空间CS内以目标速度平移、旋转和/或枢转独立性外科手术机器人臂21。
如图7所示的阶段S34的示例性执行方式包括运动依赖性机器人控制器104a如先前针对阶段S34所描述的那样计算致动命令ACDRA，从而根据独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的运动来控制依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的运动。
在实践中，在根据独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的运动来控制依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的运动时，本公开内容的运动依赖性机器人控制器可以实施避开环境危害的障碍物。
例如，图8A图示了表示手术室内的处于手术室中的工作人员、设备和/或传感器的碰撞区CA1和CA2。为了使外科手术机器人臂20a和21a避开碰撞区CA1和CA2，操作外科手术机器人系统的输入设备以控制独立性外科手术机器人臂21a的运动以避开碰撞区CA1和CA2，同时本公开内容的运动依赖性机器人控制器处理指示碰撞区CA1和CA2的位置的环境信息并根据需要修改依赖性外科手术机器人臂21a的依赖性运动以避开碰撞区CA1和CA2。在这种情况下，环境信息可以由与外科手术机器人系统配准的跟踪系统(例如，电磁跟踪系统或光学跟踪系统)来提供。
通过另外的示例，图8B图示了用于根据独立性外科手术机器人臂20a的运动来控制依赖性外科手术机器人臂21a的运动的相对于球体的解剖学禁止区FZ1-FZ3。本公开内容的运动依赖性机器人控制器处理指示解剖学禁止区FZ1-FZ3的位置的信息并根据需要修改依赖性外科手术机器人臂21a的依赖性运动以避开解剖学禁止区FZ1-FZ3。在这种情况下，环境信息可以从解剖区域的(一幅或多幅)图像导出，该解剖学区域的(一幅或多幅)图像图示了在(一幅或多幅)图像(例如，术中图像和术前图像或内窥镜图像的融合图像)内描绘的解剖学禁止区FZ1-FZ3。
更具体地，如果要如图8B所示在球体的表面上使外科手术机器人臂20a与21a之间保持恒定距离，则依赖性外科手术机器人臂21a的位置可以是球体上的任何位置。因此，如果环境信号是内窥镜视频，则操作者能够在图像上标记允许(或禁止)区域。因此，当独立性外科手术机器人臂20a正在移动时，本公开内容的运动依赖性机器人控制器跟踪图像中的(一个或多个)允许区域并计算球体的表面上允许依赖性外科手术机器人臂21a的部分。
参考图9，流程图40表示结合了避开障碍物方面的用于独立性外科手术机器人臂20(图1)和依赖性外科手术机器人臂21(图1)的运动依赖性机器人控制方法。具体地，流程图40是如本文先前所述的流程图30(图7)的修改版本，其中，流程图40的阶段S42对应于流程图30的阶段S32，并且流程图40的阶段S44对应于流程图30的阶段S34，其中，本公开内容的运动依赖性机器人控制器104b执行以下额外动作：
A.如本公开内容的领域中已知的那样解读环境信号ESDRA，以在坐标空间CS内生成允许区域AZDRA；以及
B.计算运动矢量MVDRA，运动矢量MVDRA表示依赖性外科手术机器人臂21的末端效应器在坐标空间CS内的目标定位或目标速度，由此运动矢量MVDRA是根据针对独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA和任何适用的空间几何关系(例如，图2-6的空间几何关系中的一种)和允许区域AZDRA产生的。
为了便于进一步理解本公开内容的发明，图10-13的以下描述教导了根据本公开内容的发明原理的一对独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的空间几何关系的基本发明原理。根据图10-13的描述，本领域普通技术人员将理解如何应用本公开内容的发明原理来实践一对独立性外科手术机器人臂与依赖性外科手术机器人臂之间的各种各样的空间几何关系。
参考图10，同样，为了清楚起见，由X-Y轴表示的三维(“3D”)坐标空间CS表示用于执行外科手术机器人流程(例如，一般外科手术流程、心脏外科手术流程、神经外科手术等)的操作空间。在实践中，可以通过操作空间内的患者的解剖区域的支撑物(例如，患者台)来建立坐标空间CS。
独立性外科手术机器人臂20和22在坐标空间CS内的运动矢量MVIRA可以通过外科手术机器人系统的输入设备(未示出)(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)如在本公开内容的领域中已知的那样进行控制。更具体地，独立性外科手术机器人臂20和22在坐标空间CS内的运动矢量MVIRA1和MVIRA2是根据由(一个或多个)输入设备生成的指导独立性外科手术机器人臂20和22在坐标空间CS内的平移、旋转和/或枢转的输入信号ISIRA1和ISIRA2来产生的。在实践中，输入设备可以在对外科手术机器人臂20和22在坐标空间CS内的运动控制之间切换，或者替代地，可以采用两个单独的输入设备来独立性地控制外科手术机器人臂20和22在坐标空间CS内的运动。
依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的平移、旋转和/或枢转由本公开内容的独立性外科手术机器人臂20和22与依赖性外科手术机器人臂21之间的空间几何关系SGR来自动控制。更具体地，依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的运动矢量MVDRA是在空间几何关系SGR的背景下根据独立性外科手术机器人臂20在坐标空间CS内的运动矢量MVIRA1和独立性外科手术机器人臂22在坐标空间CS内的运动矢量MVIRA2产生的，从而自动控制依赖性外科手术机器人臂21在坐标空间CS内的平移、旋转和/或枢转。
在实践中，独立性外科手术机器人臂21的运动矢量MVIRA、独立性外科手术机器人臂21的运动矢量MVIRA2，以及依赖性外科手术机器人臂21的运动矢量MVDRA可以如本文先前所述被导出为外科手术机器人臂20-22在坐标系CS内的目标位置。
同样，在实践中，独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA1、独立性外科手术机器人臂22的运动矢量MVIRA2，以及依赖性外科手术机器人臂21的运动矢量MVDRA可以被导出为外科手术机器人臂20-22在坐标系CS内的当前取向的目标速度。
空间几何关系SGR是依赖性外科手术机器人臂21对操作者控制的独立性外科手术机器人臂20和22在坐标空间CS内的运动的运动依赖性。更具体地，空间几何关系SGR以线性矢量和/或角度矢量的形式限定运动矢量，并且还可以由运动矢量相对于坐标空间内的轴或平面或者相对于坐标空间内的几何目标的幅值和/或方向来限定。
在实践中，外科手术机器人臂20与21之间的空间几何关系SGR以及外科手术机器人臂21和22之间的不同空间几何关系SGR(例如，图2-6的空间几何关系SGR)可以由本发明的运动依赖性机器人控制器同时实施。
替代地，在实践中，外科手术机器人臂20-22之间的单个空间几何关系SGR可以由本发明的运动依赖性机器人控制器来实施。
图11的以下描述图示了外科手术机器人臂20-22之间的空间几何关系SGR的示例。
参考图11，空间距离三角形SDT限定外科手术机器人臂20-22之间的空间几何关系，其用于在朝向或远离解剖目标AO移动独立性外科手术机器人臂20a和22a移动时保持内窥镜依赖性外科手术机器人臂21b与独立性外科手术机器人臂20a和22a之间的空间距离。
参考图12，流程图50表示用于独立性外科手术机器人臂20和22(图10)和依赖性外科手术机器人臂21(图10)的运动依赖性机器人控制方法。具体地，流程图50是如本文先前所述的流程图30(图7)的修改版本，其中，流程图50的阶段S52对应于流程图30的阶段S32，并且流程图50的阶段S54对应于流程图30的阶段S34，其中，本公开内容的运动依赖性机器人控制器104c计算运动矢量MVDRA，运动矢量MVDRA表示依赖性外科手术机器人臂21的末端效应器在坐标空间CS内的目标定位或目标速度，由此运动矢量MVDRA是根据针对独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA1、针对独立性外科手术机器人臂22的运动矢量MVIRA2，以及任何适用的空间几何关系(例如，图2-6和图11的空间几何关系中的一种)来产生的。
参考图13，流程图50表示结合了避开障碍物方面的用于独立性外科手术机器人臂20和22(图10)和依赖性外科手术机器人臂21(图10)的运动依赖性机器人控制方法。具体地，流程图60是如本文先前所述的流程图40(图9)的修改版本，其中，流程图60的阶段S62对应于流程图40的阶段S42，并且流程图60的阶段S64对应于流程图40的阶段S44，其中，本公开内容的运动依赖性机器人控制器104d计算运动矢量MVDRA，运动矢量MVDRA表示依赖性外科手术机器人臂21的末端效应器在坐标空间CS内的目标定位或目标速度，由此运动矢量MVDRA是根据针对独立性外科手术机器人臂20的运动矢量MVIRA1、针对独立性外科手术机器人臂22的运动矢量MVIRA2、任何适用的空间几何关系(例如，图2-6和图11的空间几何关系中的一种以及允许区域AZ来产生的。
为了便于进一步理解本公开内容的发明，图14-16的以下描述教导了根据本公开内容的发明原理的运动依赖性外科手术机器人系统和运动依赖性外科手术机器人控制器的基本发明原理。根据图14-16的描述，本领域普通技术人员将理解如何应用本公开内容的发明原理来实践根据本公开内容的发明原理的运动依赖性外科手术机器人系统和运动依赖性外科手术机器人控制器的各种各样的实施例。
参考图14A，本公开内容的运动依赖性外科手术机器人系统100a采用操作者控制台101和机器人推车105a。
操作者控制台101a包括显示器/图像控制器102以用于显示本公开内容的领域中已知的术前图像、术中图像和/或这些图像的融合图像。
操作者控制台101a还包括一个或多个输入设备103(例如，(一个或多个)手柄、(一个或多个)操纵杆、(一个或多个)滚动球等)和如本文将结合图15和图16进一步描述的运动依赖性机器人控制器104。
机器人推车105a包括独立性外科手术机器人臂20、依赖性外科手术机器人臂21，以及患者台106。
在实践中，机器人推车105a可以包括额外的外科手术机器人臂20和/或外科手术机器人臂21。
同样，在实践中，外科手术机器人臂可以基于将由系统100执行的特定外科手术任务而用作独立性外科手术机器人臂或依赖性外科手术机器人臂。
参考图14B，运动依赖性外科手术机器人系统100b是系统100a(图14A)的替代版本，其中，机器人推车105b包括运动依赖性机器人控制器104。
本公开内容的运动依赖性外科手术机器人系统(例如，系统100a和100b)可以用成像系统和/或跟踪系统来实践。
如果使用成像系统，则成像系统实施本公开内容的领域中已知的和在下文中设想到的任何成像模态，以用于对解剖区域(未示出)进行成像并且用于将表示这样的成像的信息的成像数据传送到运动依赖性外科手术机器人系统。成像模态的示例包括但不限于CT、MRI、X射线和超声。
替代地，可以省略成像系统，特别是当运动依赖性外科手术机器人系统采用由外科手术机器人臂保持的成像仪器对解剖结构成像时就是如此。这样的成像仪器的示例包括但不限于内窥镜和腹腔镜。
如果使用跟踪系统，则跟踪系统实施本公开内容的领域中已知的和在下文中设想到的任何跟踪技术，以用于在坐标空间内跟踪外科手术机器人臂并且用于将指示这样的跟踪的跟踪数据传送到运动依赖性外科手术机器人系统。跟踪技术的示例包括但不限于电磁跟踪、光学跟踪和光纤实时形状(“FORS”)传感器跟踪。
替代地，可以省略跟踪系统，特别是当运动依赖性外科手术机器人系统采用经编码的外科手术机器人臂来生成用于在坐标空间内跟踪(一个或多个)外科手术机器人臂的跟踪数据时尤为如此。
本文现在将描述运动依赖性机器人控制器104的示例性实施例。
例如，运动依赖性机器人控制器104可以包括经由一个或多个系统总线互连的处理器、存储器、用户接口、网络接口，以及存储设备。
处理器可以是能够执行被存储在存储器或存储设备中的指令或以其他方式处理数据的任何硬件设备。正因如此，处理器可以包括微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或其他类似设备。
存储器可以包括各种存储器，例如，L1、L2或L3高速缓冲存储器或系统存储器。正因如此，存储器可以包括静态随机存取存储器(SRAM)、动态RAM(DRAM)、闪速存储器、只读存储器(ROM)或其他类似的存储器设备。
用户接口可以包括用于实现与诸如管理员的用户的通信的一个或多个设备。例如，用户接口可以包括用于接收用户命令的显示器、鼠标和键盘。在一些实施例中，用户接口可以包括可以经由网络接口呈现给远程终端的命令行接口或图形用户接口。
网络接口可以包括用于实现与其他硬件设备的通信的一个或多个设备。例如，网络接口可以包括被配置为根据以太网协议进行通信的网络接口卡(NIC)。另外，网络接口可以根据TCP/IP协议来实施用于通信的TCP/IP栈。用于网络接口的各种替代或额外硬件或配置将是显而易见的。
存储设备可以包括一种或多种机器可读存储介质，例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪速存储器设备或类似的存储介质。在各种实施例中，存储设备可以存储用于由处理器执行的指令或者处理器可以操作的数据。例如，存储设备可以存储用于控制硬件的各种基本操作的基本操作系统。存储器还可以以可执行软件/固件和/或(一个或多个)应用模块的形式存储(一个或多个)应用模块。
参考图15A，运动依赖性机器人控制器104的实施例采用应用模块110-113来执行流程图30(图7)。
具体地，根据流程图30的阶段S32，独立性运动矢量生成器110处理输入信号ISIRA以生成运动矢量MVIRA，并且独立性外科手术机器人臂致动器111处理运动矢量MVIRA以生成致动命令ACIRA。
另外，根据流程图30的阶段S34，依赖性运动矢量生成器112a在空间几何关系SGR的背景下处理运动矢量MVIRA以生成运动矢量MVDRA，并且独立性外科手术机器人臂致动器111处理运动矢量MVDRA以生成致动命令ACDRA。
参考图15B，运动依赖性机器人控制器104的实施例采用应用模块110-113来执行流程图40(图9)。
具体地，根据流程图40的阶段S42，独立性运动矢量生成器110处理输入信号ISIRA以生成运动矢量MVIRA，并且独立性外科手术机器人臂致动器111处理运动矢量MVIRA以生成致动命令ACIRA。
另外，根据流程图40的阶段S44，依赖性运动矢量生成器112b在空间几何关系SGR的背景下处理运动矢量MVIRA和环境信号EIDRA以生成运动矢量MVDRA，并且独立性外科手术机器人臂致动器111处理运动矢量MVDRA以生成致动命令ACDRA。
参考图16A，运动依赖性机器人控制器104的实施例采用部件110-113来执行流程图50(图12)。
具体地，根据流程图50的阶段S52，独立性运动矢量生成器110a处理输入信号ISIRA1以生成运动矢量MVIRA1，独立性外科手术机器人臂致动器111a处理运动矢量MVIRA1以生成致动命令ACIRA1，独立性运动矢量生成器110b处理输入信号ISIRA2以生成运动矢量MVIRA2，并且独立性外科手术机器人臂致动器111b处理运动矢量MVIRA2以生成致动命令ACIRA2。
另外，根据流程图50的阶段S54，依赖性运动矢量生成器112c在空间几何关系SGR的背景下处理运动矢量MVIRA1和运动矢量MVIRA2以生成运动矢量MVDRA，并且独立性外科手术机器人臂致动器111处理运动矢量MVDRA以生成致动命令ACDRA。
参考图16B，运动依赖性机器人控制器104的实施例采用部件110-113来执行流程图60(图13)。
具体地，根据流程图60的阶段S62，独立性运动矢量生成器110a处理输入信号ISIRA1以生成运动矢量MVIRA1，独立性外科手术机器人臂致动器111a处理运动矢量MVIRA1以生成致动命令ACIRA1，独立性运动矢量生成器110b处理输入信号ISIRA2以生成运动矢量MVIRA2，并且独立性外科手术机器人臂致动器111b处理运动矢量MVIRA2以生成致动命令ACIRA2。
另外，根据流程图60的阶段S64，依赖性运动矢量生成器112d在空间几何关系SGR的背景下处理运动矢量MVIRA1、运动矢量MVIRA2，以及环境信号EIDRA以生成运动矢量MVDRA，并且独立性外科手术机器人臂致动器111处理运动矢量MVDRA以生成致动命令ACDRA。
参考图1-16，本领域普通技术人员将理解本公开内容的许多益处，包括但不限于，在减少对机器人臂之间的切换控制的需求的情况下提供对多机器人臂外科手术任务的直观控制中，通过本公开内容的发明对外科手术机器人系统的改进。
此外，如本领域普通技术人员鉴于本文中提供的教导将意识到的，本公开内容/说明书中描述的和/或在附图中描绘的特征、元件、部件等均可以被实施在电子部件/电路、硬件、可执行软件和可执行固件的各种组合中，并且提供可以被组合在单个元件或多个元件中的功能。例如，能够通过使用专用硬件以及能够运行与适当的软件相关联的软件的硬件来提供在附图中示出/图示/描绘的各个特征、元件、部件等的功能。当由处理器提供时，所述功能能够由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个个体处理器(它们中的一些能够被共享和/或多路复用)来提供。此外，对术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为专指能够运行软件的硬件，并且能够隐含地包括而不限于数字信号处理器(“DSP”)硬件、存储器(例如，用于储存软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性储存器等)，以及实质上能够(和/或可配置为)执行和/或控制过程的任意单元和/或机器(包括硬件、软件、固件、它们的组合等)。
此外，本文中记载本发明的原理、各方面和实施例以及其特定示例的所有陈述，旨在涵盖其结构和功能上的等价物。额外地，这样的等价物旨在包括当前已知的等价物以及未来发展的等价物(即，能够执行相同或基本上相似的功能的所发展的任何元件而无论其结构如何)。因此，例如，鉴于本文中提供的教导，本领域普通技术人员应意识到，本文中呈现的任何框图能够表示实施本发明的原理的图示性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，鉴于本文中提供的教导，本领域普通技术人员应意识到，任意流程图表、流程图等均能够表示各种过程，所述各种过程基本上能被表示在计算机可读储存媒介中，并由具有处理能力的计算机、处理器或其他设备如此运行，而无论是否明确示出这样的计算机或处理器。
此外，本发明的示例性实施例能够采取计算机程序产品的形式，所述计算机程序产品可从计算机可用存储介质或计算机可读存储介质存取，所述计算机可用存储介质或计算机可读存储介质提供用于由例如计算机或任何指令运行系统使用或者与例如计算机或任何指令运行系统结合使用的程序代码和/或指令。根据本公开内容，计算机可用存储介质或计算机可读存储介质能够是例如能够包括、存储、通信、传播或输送用于由指令运行系统、装置或设备使用或与指令运行系统、装置或设备结合使用的程序的任何装置。这样的示例性介质能够是例如电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的示例包括例如半导体或固态存储器、磁带、可移动计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速(驱动器)、硬磁盘,以及光盘。光盘的当前示例包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读/写(CD-R/W),以及DVD。另外，应当理解，以后可能发展出的任何新的计算机可读介质也均应被视为根据本发明和公开内容的示例性实施例可以使用或涉及到的计算机可读介质。
已经描述了具有新颖性和创造性的对运动依赖性外科手术机器人臂控制的优选和示例性实施例(这些实施例旨在是图示性的而非限制性的)，应当注意，按照本文中提供的教导(包括附图)，本领域普通技术人员能够做出修改和变型。因此，应当理解，能够在/对本公开内容的优选和示例性实施例中做出在本文中公开的实施例的范围内的改变。
此外，应预期到，包括和/或实施根据本公开内容的设备或诸如能够在所述设备中使用/实施的对应的和/或有关的系统也被预期并且被认为在本发明的范围内。而且，用于制造和/或使用根据本公开内容的设备和/或系统的对应的和/或有关的方法也被预期并且被认为在本公开内容的范围内。

Claims (20)

1.一种运动依赖性外科手术机器人系统(100)，包括：
独立性机器人臂(20)；
依赖性机器人臂(21)；以及
运动依赖性机器人控制器(104)，其与所述独立性机器人臂(20)和所述依赖性机器人臂(21)通信，
其中，所述运动依赖性机器人控制器(104)在结构上被配置为响应于指示所述独立性机器人臂(20)在坐标空间内的运动的输入信号而控制所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的所述运动；并且
其中，所述运动依赖性机器人控制器(104)在结构上还被配置为根据所述坐标空间内的所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的空间几何关系来控制所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的运动。
2.根据权利要求1所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，其中，所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的取向取决于所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的取向。
3.根据权利要求1所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，其中，所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的取向独立于所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的取向。
4.根据权利要求1所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，其中，线性矢量限定所述坐标空间内的所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的所述空间几何关系。
5.根据权利要求4所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，其中，存在以下项中的一项：
所述线性矢量的幅值是可变的；以及
所述线性矢量的方向是以下方向中的一个方向：平行于所述坐标空间的轴的方向，横穿所述坐标空间的平面的方向，或者径向于所述坐标空间内的球体的中心的方向。
6.根据权利要求1所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，其中，角速度限定所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的所述空间几何关系。
7.根据权利要求4所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，其中，存在以下项中的一项：
所述角度矢量的幅值是可变的；并且
所述线性矢量的方向横穿所述坐标空间的平面。
8.根据权利要求1所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，其中，流程同步限定所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的所述空间几何关系。
9.根据权利要求1所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，其中，所述运动依赖性机器人控制器(104)在结构上还被配置为根据依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内避开障碍物来控制所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的所述运动。
10.根据权利要求1所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，其中，所述运动依赖性机器人控制器(104)包括：
独立性运动矢量生成器，其在结构上被配置为响应于指示所述独立性机器人臂(20)在坐标空间内的所述运动的输入信号而生成用于控制所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的所述运动的独立性运动矢量信号；
独立性机器人臂(20)致动器，其在结构上被配置为响应于所述独立性运动矢量生成器生成所述独立性运动矢量信号而生成对所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的所述运动发出指令的独立性致动命令；
依赖性运动矢量生成器，其在结构上被配置为根据所述坐标空间内的所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的所述空间几何关系来生成用于控制所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的所述运动的依赖性运动矢量信号；以及
依赖性机器人臂(21)致动器，其在结构上被配置为响应于所述依赖性运动矢量生成器生成所述依赖性运动矢量信号而生成对所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的所述运动发出指令的致动命令。
11.根据权利要求10所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，
其中，所述独立性运动矢量包括指示所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的定位的幅值和方向中的至少一个；并且
其中，所述依赖性运动矢量包括指示所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的定位的幅值和方向中的至少一个。
12.根据权利要求10所述的运动依赖性外科手术机器人系统(100)，
其中，所述独立性运动矢量包括指示所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的速度的幅值和方向中的至少一个；并且
其中，所述依赖性运动矢量包括指示所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的速度的幅值和方向中的至少一个。
13.一种运动依赖性机器人控制器(104)，包括：
独立性运动矢量生成器，其在结构上被配置为响应于指示独立性机器人臂(20)在坐标空间内的运动的输入信号而生成用于控制所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的所述运动的独立性运动矢量信号；
独立性机器人臂(20)致动器，其在结构上被配置为响应于所述独立性运动矢量生成器生成所述独立性运动矢量信号而生成对所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的所述运动发出指令的独立性致动命令；
依赖性运动矢量生成器，其在结构上被配置为根据所述坐标空间内的所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的空间几何关系来生成用于控制所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的运动的依赖性运动矢量信号；以及
依赖性机器人臂(21)致动器，其在结构上被配置为响应于所述依赖性运动矢量生成器生成所述依赖性运动矢量信号而生成对所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的所述运动发出指令的致动命令。
14.根据权利要求13所述的运动依赖性机器人控制器(104)，
其中，所述独立性运动矢量包括指示所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的定位的幅值和方向中的至少一个；并且
其中，所述依赖性运动矢量包括指示所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的定位的幅值和方向中的至少一个。
15.根据权利要求13所述的运动依赖性机器人控制器(104)，
其中，所述独立性运动矢量包括指示所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的速度的幅值和方向中的至少一个；并且
其中，所述依赖性运动矢量包括指示所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的速度的幅值和方向中的至少一个。
16.一种用于运动依赖性外科手术机器人系统(100)的运动依赖性机器人控制方法，所述运动依赖性外科手术机器人系统包括独立性机器人臂(20)、依赖性机器人臂(21)，以及运动依赖性机器人控制器(104)，所述运动依赖性机器人控制方法包括：
所述运动依赖性机器人控制器(104)响应于指示所述独立性机器人臂(20)在坐标空间内的运动的输入信号而控制所述独立性机器人臂(20)在所述坐标空间内的所述运动；以及
所述运动依赖性机器人控制器(104)根据所述坐标空间内的所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的空间几何关系来控制所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的运动。
17.根据权利要求16所述的运动依赖性机器人控制方法，其中，线性矢量限定所述坐标空间内的所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的所述空间几何关系。
18.根据权利要求16所述的运动依赖性机器人控制方法，其中，角度矢量限定所述坐标空间内的所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的所述空间几何关系。
19.根据权利要求16所述的运动依赖性机器人控制方法，其中，流程同步限定所述独立性机器人臂(20)与所述依赖性机器人臂(21)之间的所述空间几何关系。
20.根据权利要求16所述的运动依赖性机器人控制方法，其中，所述运动依赖性机器人控制器(104)在结构上还被配置为根据所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内避开障碍物来控制所述依赖性机器人臂(21)在所述坐标空间内的所述运动。
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