CN110772323B - 用于利用增广雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法 - Google Patents

用于利用增广雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于利用增广雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法。用于提供操纵器的端部执行器的命令的移动同时提供操纵器的一个或更多个接头的希望的移动的装置、系统和方法。方法包括增广雅可比矩阵，使得根据雅可比矩阵计算的接头移动执行与命令的端部执行器移动同时的一个或更多个辅助任务和/或希望的接头移动，该一个或更多个辅助任务和/或希望的接头移动延伸到零空间中。辅助任务和希望的接头移动包括抑制一个或更多个接头的移动、抑制相邻操纵器之间或操纵器和患者表面之间的碰撞、一个或更多个接头的命令的重配置，或各种其它任务，或其组合。可使用根据增广的雅可比矩阵的伪逆矩阵解计算的接头速度提供此类接头移动。本文中提供用于利用此类方法的系统的各种配置。

Description

用于利用增广雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法
本申请是2015年9月17日提交的名称为：“用于利用增广雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法”的中国专利申请201580048666.7 (PCT/US2015/050655)的分案申请。
相关申请
本专利申请要求2014年9月17日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FORUTILIZING AUGMENTED JACOBIAN TO CONTROL MANIPULATOR JOINT MOVEMENT(用于利用增广的雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法)”的美国临时专利申请62/051,696的优先权和申请日的利益，其全部内容通过引用并入本文。
相关申请的交叉参考
本申请总体涉及以下共同拥有申请：美国申请号12/494,695，其提交于 2009年6月30日，标题为“Control of Medical Robotic System Manipulator About KinematicSingularities(关于运动奇点的医疗机器人系统操纵器的控制)”；美国申请号12/406,004，其提交于2009年3月17日，标题为“Master Controller Having Redundant Degreesof Freedom and Added Forces to Create Internal Motion(具有冗余自由度和添加力以创建内部运动的主控制器)”；美国申请号11/133,423，其提交于2005年5月19日(美国专利号8,004,229)，标题为“Software Center and Highly Configurable Robotic Systemsfor Surgery and Other Uses(用于外科手术及其它应用的软件中心和高度可配置的机器人系统)”；美国申请号10/957,077，其提交于2004年9月30日(美国专利号 7,594,912)，标题为“Offset Remote Center Manipulator For Robotic Surgery(用于机器人外科手术的偏移遥控中心的操纵器)”；以及美国申请号09/398,507，其提交于1999年9月17日(美国专利号6,714,839)，标题为“Master Having Redundant Degrees of Freedom(具有冗余自由度的主设备)”；美国申请号 13/967,606，其标题为“Systems and Methods forCancellation of Joint Motion Using the Null-Space(利用零空间取消关节运动的系统和方法)”，提交于2013 年8月15日(代理人案号ISRG03750)；美国申请号13/906,713，其标题为“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space(使用零空间回避操纵器臂与患者碰撞)”，提交于2013年5月31日(代理人案号 ISRG030760)；美国申请号13/906,767，其标题为“Systems and Methods for Commanded Reconfigurationof a Surgical Manipulator Using the Null-Space(使用零空间的外科手术操纵器的命令的重配置的系统和方法)”，提交于2013年 5月31日(代理人案号ISRG03770)；美国申请号13/906,819，其标题为“Systems and Methods for Avoiding Collisions BetweenManipulator Arms Using a Null-Space(用于使用零空间避免操纵器臂之间碰撞的系统和方法)”，提交于 2013年5月31日(代理人案号ISRG03810)；以及美国申请号14/218,788，其标题为“System and Methods for Positioning a Manipulator Arm by ClutchingWithin a Null-Perpendicular Space Concurrent with Null-Space Movement(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)”，提交于2014年3月18日(代理人案号ISRG03900)；美国申请号 14/218,871，其标题为“Systems andMethods for Facilitating Access to Edges of Cartesian-Coordinate Space Usingthe Null Space(利用零空间以便利进入笛卡尔坐标空间的边缘的系统和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案号 ISRG03800)；美国申请号14/218,862，其标题为“Systems andMethods for Tracking a Path Using the Null-Space(用于利用零空间跟踪路径的系统和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案号ISRG03780)；以及美国申请号 14/218,842，其标题为“Systems and Methods for Using the Null Space to EmphasizeManipulator Joint Motion Anisotropically(用于使用零空间来各向异性地增强操纵器接头运动的系统和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案号ISRG03870)；这些申请的公开以其全部内容并入本文。
背景技术
本发明总体提供改善的外科手术和/或机器人装置、系统和方法。
微创医疗技术旨在减小在诊断或外科手术过程期间受损的组织的量，由此减小患者恢复时间、不适和有害副作用。在美国，每年执行数百万次“开放”或传统外科手术；这些外科手术中的许多潜在地能以微创方式执行。然而，由于在外科手术仪器和技术中的限制以及精通它们所需的额外外科手术训练，因此仅相对小数量的外科手术当前使用微创技术。
用于外科手术的微创远程外科手术系统经发展以提高外科医生的灵巧性并允许外科医生从远距位置对病人操作。远程外科手术是用于外科手术系统的总括，其中外科医生使用一些形式的远距控制，例如伺服机构等，以操纵外科手术仪器移动，而不是由手直接把持(hold)和移动仪器。在此种远程外科手术系统中，外科医生在远距位置处提供有外科手术侧的图像。当通常在合适观察器或显示器上观察外科手术侧的三维图像时，外科医生通过操纵主控制输入装置(其进而控制机器人仪器的运动)对患者执行外科手术过程。机器人外科手术仪器能穿过小的、微创的外科手术孔口被插入，以治疗在患者体内外科手术部位处的组织，从而常常避免与用于开放外科手术的进入相关联的创伤。这些机器人系统能够以足够的灵巧性移动外科手术仪器的工作端以执行非常复杂的外科手术任务，诸如通过在微创孔口处枢转仪器的轴、轴向滑动轴穿过孔口、在孔口内旋转轴，等等。
用于远程外科手术的伺服机构将经常接受来自两个主控制器(每个外科医生的手部各一个)的输入，并可包括两个或更多个机器人臂或操纵器。将手部移动映射到由图像捕捉装置显示的机器人仪器的图像能够帮助向外科医生提供对与每个手相关联的仪器的准确控制。在许多外科手术机器人系统中，包括一个或更多个额外机器人操纵器臂以用于移动内窥镜或其它图像捕捉装置、额外的外科手术仪器等。
各种结构布置能够用来在机器人外科手术期间在外科手术部位处支撑外科手术仪器。从动联动装置或“从设备”经常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作为机器人外科手术操纵器的示例在美国专利号6,758,843；6,246,200；和5,800,423中描述，这些专利的全部公开通过引用并入本文。这些联动装置经常利用平行四边形布置以把持具有轴的仪器。此种操纵器结构能够约束仪器的移动，使得仪器轴绕定位在沿刚性轴的长度的空间中的球形旋转的远距中心枢转。通过将该旋转中心与到内部外科手术部位的切口点对齐(例如，借助于在腹腔镜外科手术期间在腹壁处的套针或套管)，外科手术仪器的端部执行器能够通过在不对腹壁施加潜在危险的力的情况下使用操纵器联动装置移动轴的近侧端部来安全定位。可替换的操纵器结构在例如美国专利号6,702,805；6,676,669；5,855,583；5,808,665；5,445,166；和5,184,601中描述，这些专利的全部公开通过引用并入本文。
尽管新的机器人外科手术系统和装置已证明高度有效和有利，但是仍希望进一步的改善。例如，操纵器臂可包括额外冗余接头以在某些条件下提供增加的移动或配置。然而，当在微创外科手术部位内移动外科手术仪器时，这些接头可在患者外侧展现显著的移动量，其经常为比需要或预期更多的移动，尤其是在将仪器绕微创孔口枢转通过大的角范围时。已提出可替换的操纵器结构，其采用对高度可配置的运动学操纵器的接头的软件控制，以约束在插入部位的枢转运动，同时抑制在患者外侧的不慎的(inadvertent)操纵器 /操纵器接触(等等)。这些高度可配置的“软件中心”外科手术操纵器系统可提供显著优点，但也可提出挑战。具体地，机械约束的远距中心联动装置在一些条件下可提供安全优点。另外，通常包括在这些操纵器中的众多接头的宽范围的配置可引起操纵器难以在针对特定过程所希望的配置中手动设置。随着使用远程外科手术系统执行的外科手术的范围继续扩展，存在对扩展可用配置和仪器在患者内的运动范围的增加的需求。不幸的是，这些改变都能够增加与体外操纵器运动相关联的挑战，并且进一步增加针对某些任务避免操纵器臂的不必要的移动的重要性，或提供改善的移动以便避免操纵器之间或操纵器的外部部分和患者之间的不希望的接触。
出于这些和其它原因，提供用于外科手术、机器人外科手术和其它机器人应用的改善的装置、系统和方法将是有利的。如果这些改善的技术提供在某些任务期间限制操纵器臂的移动量的能力，则将是有益的。如果这些改善的技术提供避开操纵器臂和患者之间碰撞，同时维持希望的端部执行器状态或仪器轴绕其枢转的远距中心的希望的位置的能力，则将是特别有益的。理想地，这些改善将允许在外科手术过程期间一个或更多个操纵器臂的改善的移动，同时在端部执行器移动期间避开操纵器臂和患者之间的碰撞。另外，希望提供此类改善，同时为至少一些过程增大仪器的运动范围，并且不显著增大这些系统的尺寸、机械复杂性或成本，并同时维持或改善它们的灵巧性。
发明内容
本发明总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。这些操纵器例如可具有比相关联的外科手术端部执行器在外科手术工作空间内所具有的移动自由度更多的移动自由度。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仪器的操纵器臂和用以计算协调的接头移动以用于操纵仪器的端部执行器的处理器。支撑端部执行器的机器人操纵器的接头允许操纵器在所给定端部执行器方位和/或所给定枢轴点位置的不同配置的整个范围内移动。操纵器可包括额外的冗余接头以允许各种类型的辅助移动，诸如响应于用户命令的重配置移动，或另一类型移动，诸如碰撞避开移动。可提供此类移动同时以数种方式维持端部执行器的给定状态。在某些实施例中，通过增广操纵器的雅可比矩阵来提供此类移动，使得除了通常同时提供所命令的端部执行器移动之外，通过计算增广的雅可比矩阵的伪逆矩阵获得的接头速度还提供操纵器的所希望的辅助移动或所希望的移动。
在另一方面中，本文中描述的任何方法可包括：使用所计算的接头速度确定多个接头的一个或更多个辅助移动，并根据所计算的辅助移动来驱动接头，同时维持端部执行器的希望的状态。一个或更多个辅助移动可包括多个接头中的第二组接头的所希望的移动。第二组接头可包括一个或更多个接头，其可包括第一组接头内的一个或更多个接头。一个或更多个辅助移动可包括：所命令的重配置移动、碰撞避开移动、辅助任务或其任何组合。
在本发明的一个方面中，提供一种具有操纵输入的冗余自由度(RDOF) 外科手术机器人系统。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，以及具有控制器的处理器。组件的操纵器臂具有提供充足自由度的多个接头，该充足自由度允许用于所给定端部执行器状态的接头状态范围。通常，响应于接收操纵命令从而以希望的移动来移动端部执行器，系统通过计算操纵器的雅可比矩阵的伪逆矩阵来计算接头速度，并根据所计算的移动驱动接头以实现所希望的端部执行器移动。通过增广雅克比矩阵，各种所计算的接头移动能够提供在零空间内的各种其它的辅助任务或所希望的移动。为了放大操纵器的工作空间或为了允许各种辅助任务，系统的一些实施例包括操纵器臂的转动的最近侧接头和/或远侧转动接头，其将仪器耦合到操纵器臂的近侧部分。
在一个方面中，操纵器臂的近侧部分附接到底座，使得当驱动接头时近侧部分相对于底座的移动被抑制。在另一方面中，近侧部分通过接头耦合到底座，使得在驱动接头时操纵器臂的近侧部分相对于底座可移动。在示例实施例中，将操纵器的近侧部分耦合到底座的接头为转动接头，所述转动接头支撑操纵器臂，使得转动接头的接头移动将操纵器臂的一个或更多个接头绕转动接头的枢转轴枢转。在许多实施例中，转动接头的枢转轴从接头延伸穿过远距中心，端部执行器的仪器轴绕该远距中心枢转。在一个方面中，转动接头的移动将操纵器臂的一个或更多个接头绕圆锥枢转，该圆锥向远侧渐缩并且朝向远侧端部执行器(通常朝向远距中心)取向。在该方面中，操纵器臂绕其枢转的圆锥对应于在工具尖端的运动范围内的圆锥形空间，其中工具的移动是不可能的或减弱的，这在下文中进一步论述。
在另一方面中，将操纵器的近侧部分耦合到底座的接头相对于底座沿一路径可移动，该路径通常为弧形的或基本圆形的路径，使得接头沿所述路径的移动将操纵器臂的一个或更多个接头绕轴线枢转，该轴线延伸穿过操纵器臂接近仪器的远侧部分，优选地穿过仪器轴绕其枢转的远距中心。在一些实施例中，操纵器包括将操纵器的近侧部分耦合到底座的转动接头，该转动接头相对于底座沿一路径可移动，该路径可为线性的、弧形的或基本圆形的。
在本发明的另一方面中，操纵器经配置移动，使得仪器轴的中间部分绕远距中心枢转。在操纵器和仪器之间存在多个从动接头，所述多个从动接头提供充足自由度以在仪器轴的中间部分延伸穿过进入部位时允许用于端部执行器方位的一定范围的接头状态。具有控制器的处理器将输入装置耦合到操纵器。响应于重配置命令，处理器确定一个或更多个接头的移动以实现所希望的配置，使得仪器的中间部分在端部执行器的所希望的移动期间在进入部位内，并且维持轴绕其枢转的所希望的远距中心位置。在某些实施例中，响应于接收实现所希望的端部执行器的移动的操纵命令，系统通过计算被增广的雅可比矩阵的伪逆矩阵来确定实现所希望的端部执行器的移动的经计算的移动，使得仪器轴绕远距中心枢转。
在某些实施例中，通过使用增广的雅可比矩阵计算接头的移动，以便避开驱动多个接头中的第一组接头，使得第一组接头有效地锁定，或使得第一组接头不被驱动以实现端部执行器位移移动。第一组接头可包括操纵器臂的一个或更多个接头。雅可比矩阵可被增广，以便计算第一组接头的重配置移动，使得来自第一组接头的接头的移动在重配置的持续时间内提供接头的基本恒定的速度。在一些实施例中，来自操纵器的第一组接头的接头是将操纵器臂耦合到底座的转动接头。端部执行器的所希望的状态可包括端部执行器的所希望的方位、速度或加速度。一般说来，操纵命令和重配置命令是单独的输入，通常接收自在单独的输入装置上的单独的用户，或这些单独的输入可接收自同一用户。在一些实施例中，端部执行器操纵命令通过第一用户接收自输入装置，第一用户诸如在外科手术控制台主输入端上录入命令的外科医生，而重配置命令通过在单独的输入装置上的第二用户接收自输入装置，第二用户诸如在患者侧推车输入装置上录入重配置命令的医生助手。在其它实施例中，端部执行器操纵命令和重配置命令都通过同一用户接收自在外科手术控制台处的输入装置。在其它实施例中，端部执行器操纵命令和重配置命令都通过同一用户接收自在患者侧推车处的输入装置。
本发明的性质和优点的进一步理解通过参考本说明书的剩余部分和附图将变得明显。
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外科手术站，其带有用于机器人地移动在患者内的内部外科手术部位处具有外科手术端部执行器的外科手术仪器的多个机器人操纵器。
图1B概略地图示图1A的机器人外科手术系统。
图2是图示用于在图1A的外科手术系统中输入外科手术过程命令的主外科手术控制台或工作站的透视图，该控制台包括用于响应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是具有四个操纵器臂的患者侧推车的透视图。
图5A至图5D示出示例操纵器臂。
图5E示出包括与图5A至图5D所示的示例操纵器臂的部件对应的多个线段的参考几何形状。
图6A至图6B分别示出在前倾配置和后倾配置中的示例操纵器臂。
图6C示出示例操纵器臂的外科手术仪器工具尖端的运动范围的图形表示，包括在前倾和后倾配置中的每个中的静锥区或锥形工具进入限制区。
图7A示出具有将操纵器臂绕近侧转动接头的轴线转动的近侧转动接头的示例操纵器臂。
图7B示出示例操纵器臂和相关联运动范围以及静锥区，示例性操纵器臂具有将操纵器臂围绕近侧转动接头的轴线转动的近侧转动接头，所述近侧转动接头的移动能够用来缓解(mitigate)所描绘的静锥区。
图8示出具有接近远侧仪器托架的转动接头的示例操纵器臂。
图9示出具有接近远侧仪器托架的转动接头的示例操纵器臂，该转动接头将仪器托架绕接头轴线转动或扭转。
图10A至图10C示出具有接近远侧仪器托架的转动接头的示例性操纵器臂在该接头在其整个接头移动范围内移动时的顺序图。
图11A至图11B分别示出当接头的角位移为0°对90°的角位移时具有远侧转动接头的示例性操纵器臂的转动轮廓。
图12A至图13C示出具有将支撑操纵器臂的近侧接头绕接头的路径平移的近侧接头的示例性操纵器臂。
图14A至图14B图形地表示示例操纵器组件的雅可比矩阵的零空间和零垂直空间之间的关系。
图15A至图15B图示根据与端部执行器位移移动同时的重配置移动的示例操纵器的移动，其中最近侧接头从端部执行器位移移动中(out of)被锁定。
图16A至图16C图示根据一些实施例的第一示例操纵器臂的第一参考几何形状和第二示例操纵器臂的第二参考几何形状之间的相互作用被用来计算避开移动，以用于驱动一个或更多个接头抑制操纵器臂之间的碰撞。
图17A至图17B示出操纵器臂在零空间内的移动，以及在避开几何形状和障碍物表面之间的相关联距离。
图18示出具有多个操纵器臂的示例系统和障碍物表面，该障碍物表面经建模以便延伸穿过操纵器臂中的每个的远距中心。
图19A至图19B分别示出通过将远侧转动接头从0°的角位移驱动到 90°的角位移的避开移动。
命令的重配置(3770)
图20A至图20B图示用于给定的端部执行器方位的示例操纵器组件的重配置。
图21A至图21B图示用于给定的远距中心位置(相关联的仪器轴在该位置枢转)的示例操纵器。
图22A至图22C图示根据许多实施例的操纵命令输入的三个示例。
具体实施方式
本发明总体提供改善的外科手术和机器人装置、系统和方法。本发明特别有利地与外科手术机器人系统一起使用，其中多个外科手术工具或仪器将在外科手术过程期间安装在相关联的多个机器人操纵器上并由其移动。机器人系统将通常包括远程机器人、远程外科手术和/或远程存在系统，这些系统包括配置为主-从控制器的处理器。通过提供采用这样的处理器的机器人系统，所述处理器适当配置以移动带有具有相对大量的自由度的铰接式联动装置的操纵器组件，联动装置的运动能够被调整适合于穿过微创进入部位工作。尽管本发明的方面总体描述具有冗余自由度的操纵器，但应认识到这些方面可应用于非冗余操纵器，例如经历或接近奇点的操纵器。
本文描述的机器人操纵器组件将通常包括机器人操纵器和其上安装的工具(该工具通常包括外科手术版本的外科手术仪器)，然而术语“机器人组件”也将涵盖其上没有安装工具的操纵器。术语“工具”涵盖通用或工业机器人工具和专用机器人外科手术仪器两者，其中这些后面的结构通常包括适用于操纵组织、治疗组织、将组织成像等的端部执行器。工具/操纵器接口将通常为迅速断开的工具托架或耦合件，从而允许迅速移除工具或用可替换的工具更换工具。操纵器组件将通常具有在机器人手术的至少一部分期间在空间中固定的底座，并且操纵器组件可包括在底座和工具的端部执行器之间的数个自由度。端部执行器的致动(诸如打开或关闭抓握装置的钳夹、激励电外科手术桨等)将通常与这些操纵器组件自由度分离，并且在这些操纵器组件自由度之外。
端部执行器将通常在具有两个至六个自由度之间的工作空间中移动。如本文所用，术语“方位”涵盖位置和取向二者。因此，端部执行器的方位的变化(例如)可涉及端部执行器从第一位置到第二位置的平移、端部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由系统的处理器控制，使得工具或仪器的轴或中间部分受约束至穿过微创外科手术进入部位或其它孔口的安全运动。此运动可包括例如穿过孔口部位进入外科手术工作空间中的轴的轴向插入、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。
本文描述的许多示例操纵器组件具有比在外科手术部位内定位和移动端部执行器所需更多的自由度。例如，能够用六个自由度在内部外科手术部位处穿过微创孔口定位的外科手术端部执行器在一些实施例中可具有九个自由度(六个端部执行器自由度(三个用于位置，以及三个用于取向)加上遵守进入部位约束的三个自由度)，但是通常将具有十个或更多个自由度。具有比给定的端部执行器方位所需更多的自由度的高度可配置的操纵器组件能够描述为具有或提供充足自由度，以允许工作空间中用于端部执行器方位的一定范围的接头状态。例如，对于给定的端部执行器方位，操纵器组件可占用一定范围的可替换的操纵器联动装置方位中的任一个(并且在其之间被驱动)。类似地，对于给定的端部执行器速度矢量，操纵器组件可具有用于操纵器组件的各种接头在雅可比矩阵的零空间内的一定范围的不同接头移动速度。
本发明提供机器人联动装置结构，所述机器人联动装置结构特别适用于其中希望宽范围移动的，以及由于其它机器人联动装置、外科手术人员和设备等的存在而引起受限的专用体积可用的外科手术(和其它)应用。每个机器人联动装置所需的大运动范围和减小的体积也可提供在机器人支撑结构的位置和外科手术或其它工作空间之间的更大灵活性，由此促进和加速安装。
接头等的术语“状态”在本文中将通常指代与接头相关联的控制变量。例如，角接头的状态能够指代由该接头在其运动范围内限定的角度，和/或接头的角速度。类似地，轴向或棱柱接头的状态可指代接头的轴向方位和/或其轴向速度。尽管本文中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。可替换实施例可主要或完全依靠方位控制器、加速度控制器等。能够在此类装置中使用的控制系统的许多方面在美国专利号 6,699,177中更充分地描述，其全部公开通过引用并入本文。因此，只要所描述的移动基于相关联的计算，则本文所描述的接头的移动和端部执行器的移动的计算可使用方位控制算法、速度控制算法、这两者的组合等执行。
在某些方面中，示例性操纵器臂的工具绕邻近微创孔口的枢转点枢转。在一些实施例中，系统可利用硬件远距中心，诸如在美国专利号6,786,896(其全部内容通过引用并入本文)中描述的远距中心运动学。此类系统可利用双平行四边形联动装置，双平行四边形联动装置约束联动装置的移动，使得由操纵器支撑的仪器的轴绕远距中心点枢转。可替换的机械约束的远距中心联动装置系统是已知的和/或可在未来开发。惊奇的是，关于本发明的工作指示远距中心联动装置系统可受益于高度可配置的动力学架构。具体地说，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或接近该部位交叉的两个轴线的枢转运动的联动装置时，球形枢转运动可涵盖在患者内的所希望的运动范围的完整范围，但仍会遭受可避免的缺陷(诸如被低劣地调节、在患者外易受臂到臂或臂到患者接触，等等)。首先，添加也被机械约束到在进入部位处或接近进入部位的枢转运动的一个或更多个另外的自由度可似乎提供运动范围的极少或任何改善。不过，惊奇的是，此类接头能够通过允许整体系统被配置为处于碰撞抑制姿态或朝向碰撞抑制姿态被驱动，通过为其它外科手术过程进一步延伸运动范围等等来提供显著优点。在其它实施例中，系统可利用软件取得远距中心，诸如在美国专利申请8,004,229中描述的，其全部内容通过引用并入本文。在具有软件远距中心的系统中，处理器计算接头的移动以便将仪器轴的中间部分绕确定的枢轴点与机械约束相反地枢转。通过具有计算软件枢转点的能力，由系统的顺从性或刚性表征的不同模式能够选择性地实施。更具体地，在枢转点/中心(例如，可移动枢转点、被动枢转点、固定/硬枢转点、软枢转点)的范围内的不同系统模式能够按需实施。
尽管具有多个高度可配置的操纵器的机器人外科手术系统的许多优点，由于操纵器包括在底座与仪器之间的相对大量的接头和连杆，连杆的手动定位能够是挑战性的和复杂的。即使当操纵器结构被平衡以便避免重力效应时，尝试将接头中的每个在适当布置中对齐或按需重配置操纵器能够是困难的、耗时的，并可涉及重要的训练和/或技能。当操纵器的连杆不绕接头被平衡时挑战甚至能够更大，使得由于操纵器臂长度和在许多外科手术系统中的被动设计和柔软(limp)设计，因此在外科手术之前或期间在适当配置中定位此类高度可配置的结构会是一件难事。
这些问题能够通过允许用户(诸如医师助理)迅速且容易地重配置操纵器臂，同时维持希望的端部执行器状态来解决(可选地即使在外科手术过程期间在端部执行器移动期间)。一个或更多个额外接头可被包括在操纵器臂中以增大操纵器臂的运动范围和配置从而增强该能力。尽管提供额外接头可为某些任务提供增大的运动范围，但在操纵器臂中的大量冗余接头可导致臂的各种移动对于其它任务过于复杂，使得移动显得不可预测，或整体移动量导致各种其它临床问题。可能进一步有用的是撤销第一任务所不希望的移动的一个或更多个接头(在本文中称为“锁定”接头或“锁定接头组”)的移动，而为可与第一任务同时执行的各种其它任务允许锁定接头组的移动。锁定某些接头而不实际地物理约束锁定接头的移动是有利的，因为可希望锁定接头的移动来实现其它任务或移动。在各种实施例中，本发明进一步允许在非移动子组(或锁定组)接头中的一个或更多个接头的所希望的移动撤销，同时仍允许锁定组接头的移动用于各种其它移动，诸如基于自主算法的移动或所命令的重配置移动。
在某些方面中，在外科手术空间内的所命令的端部执行器移动通过根据接头的协调的端部执行器位移移动来驱动操纵器的一个或更多个接头来实现，该位移移动由处理器使用被增广以执行各种其它任务(诸如重配置移动) 或辅助任务(诸如碰撞避开移动)的动力学雅可比矩阵计算。根据使用此类增广的雅克比矩阵计算的接头的协调移动，可实现此类任务，同时维持端部执行器的所希望的状态(通常与端部执行器位移移动同时)。
在一些实施例中，相对于各种其它任务的所计算移动(诸如基于自主算法的避开移动)可叠加撤销移动，使得“锁定接头”仍能够移动以实现各种其它任务。此类避开移动的示例描述在美国临时申请号61/654,755中，其提交于2012年6月1日，标题为“ManipulatorArm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space(使用零空间回避操纵器臂与患者碰撞)”，以及美国临时申请号61/654,773，其提交于2012年6月1日，标题为“Systemand Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space(用于使用零空间避免操纵器臂之间碰撞的系统和方法)”，这些申请的公开以其全部内容并入本文。然而，叠加“锁定”接头的撤销移动的所计算的移动不限于自主移动，并可包括各种其它移动，诸如所命令的重配置移动或各种辅助移动。
本发明的实施例可包括经配置利用操纵器结构的自由度的用户输入端。输入端促进使用动力学联动装置的从动接头以响应于用户录入重配置命令来重配置操纵器结构，而不是手动重配置操纵器。在各种实施例中，用于接收重配置命令的用户输入端被结合到操纵器臂中和/或设置在其附近。在其它实施例中，输入端包括集中的输入装置以促进一个或更多个接头的重配置，诸如患者侧推车或操纵杆上的按钮集群。用于接收重配置命令的输入装置可从用于接收操纵器命令的输入端分离以实现端部执行器的移动。外科手术系统的控制器可包括带有可读存储器的处理器，该可读存储器具有在其上记录的接头控制器编程指令或代码，其允许处理器推导出在存储器上记录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录入的重配置命令而实现所希望的重配置。然而，应认识到本发明可用于带有或没有重配置特征的操纵器臂。
在另一方面，由于高度可配置的操纵器的冗余性质，因此用以实现远侧端部执行器和/或远距中心的所希望的移动的多个接头的命令的运动可产生与一个或更多个接头相关联的不希望的、过多的动能的接头速度，或可产生不满足所希望的运动优选的运动。不希望的接头速度的示例可包括不希望的接头状态的组合、对于一个或更多个接头的过高接头速度，或不相称的接头状态。本发明提供在所命令的端部执行器移动期间用于一个或更多个接头的所希望的移动，诸如接头状态或本文所描述的其它此类移动的组合。
本发明的实施例包括增广动力学雅可比矩阵以便提供避开移动的处理器，该避开移动促进使用动力学联动装置的从动接头以在零空间内配置操纵器结构从而避开臂到臂的碰撞。在一些实施例中，响应于确定第一参考几何形状和第二参考几何形状之间的距离小于所希望的距离，其中第一参考几何形状对应第一操纵器臂的一个或更多个零件且与第二参考几何形状对应第二相邻操纵器臂的一个或更多个零件，雅克比矩阵被增广，使得使用雅克比矩阵计算的随后移动增大第一操纵器和第二操纵器之间的距离。在其它实施例中，系统包括另外的操纵器臂，每个均具有对应的参考几何形状，诸如具有第三参考几何形状的第三操纵器臂，以及具有第四参考几何形状的进一步的操纵器臂。在此类实施例中，系统可进一步确定在参考几何形状中的每个之间的相对状态，以及在其之间(诸如在一对或更多对参考几何形状或线段上的每个最接近点之间)延伸的避开向量，并计算用于雅可比矩阵的增广的操纵器臂中的一个或更多个的避开移动，使得能够维持每个操纵器之间的充足距离。
在某些实施例中，系统使用限定的参考几何形状，所述限定的参考几何形状对应于操纵器的具有和相邻操纵器重叠的运动范围的一部分，使得该部分在每个操纵器均移动到其相应运动范围内的重叠区中时易受与相邻操纵器的碰撞。第一参考几何形状可以是单个点，或更通常为对应于操纵器臂的联动装置和/或突出部分的多个线段。系统然后确定在相邻臂的所限定的参考几何形状之间的相对状态，该状态可以是参考几何形状的方位、速度或加速度中的任一个。相对状态可以是每个参考几何形状之间的距离或可包括每个参考几何形状的速度向量之间的差。
在一个方面中，通过根据由处理器使用动力学雅可比矩阵计算的接头的协调的端部执行器位移移动来驱动操纵器的一个或更多个接头，实现在外科手术空间内的所命令的端部执行器移动。在通过根据由使用雅克比矩阵的增广来计算的在零空间中延伸的接头的协调移动来驱动操纵器的一个或更多个接头从而维持端部执行器的所希望的状态的同时，可实现各种其它任务，诸如重配置移动或碰撞避开移动。在一些方面中，这些各种其它任务可利用未加权的接头速度，使得系统能够经配置在同一迭代或内核之内计算加权和未加权接头速度两者。此类实施例可利用可替换方法以使用未加权的接头速度将接头速度加权，以便减少确定加权的接头速度所需的计算。
在一些实施例中，涉及各种其它任务的所计算的移动，诸如基于自主算法的避开移动，可叠加所计算的接头速度以实现各种其它任务。此类碰撞避开移动的示例描述在美国临时申请号61/654,755中，其提交于2012年6月1 日，标题为“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space (使用零空间回避操纵器臂与患者碰撞)”，以及美国临时申请号61/654,773，其提交于2012年6月1日，标题为“System andMethods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space(用于使用零空间避免操纵器臂之间碰撞的系统和方法)”，这些申请的公开通过引用以其全部内容并入本文。此类命令的重配置的示例在美国临时申请号61/654,764中描述，其提交于2012 年6月1日，标题为“Commanded Reconfiguration of a Surgical ManipulatorUsing the Null-Space(使用零空间的外科手术操纵器的命令的重配置)”，该申请的公开通过引用以其全部内容并入本文。
在以下描述中，将描述本发明的各种实施例。为了解释的目的，阐述具体配置和细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员也显而易见的是，可在没有各种具体细节的情况下实践本发明。此外，可省略或简化众所周知的特征以便不模糊所描述的实施例。
现在参考附图，其中相似的附图标号贯穿若干视图表示相似零件，图1A 为根据许多实施例的用于对躺在手术台14上的患者12执行微创诊断或外科手术过程的微创机器人外科手术(MIRS)系统10的俯视图图示。系统能够包括由外科医生18在该过程期间使用的外科医生控制台16。一个或更多个助理20也可参与该过程。MIRS系统10能够进一步包括患者侧推车22(外科手术机器人)和电子推车24。患者侧推车22能够操纵至少一个可移除地耦合的工具组件26(在下文中简称为“工具”)穿过患者12体内的微创切口，同时外科医生18通过控制台16查看外科手术部位。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，其能够通过患者侧推车22来操纵以便将内窥镜28取向。电子推车24能够用来处理外科手术部位的图像用于随后通过外科医生控制台16向外科医生18显示。除其它因素之外，同时使用的外科手术工具26的数量将大体取决于诊断或外科手术过程以及在手术室内的空间约束。如果必需改变在手术期间使用的工具26中的一个或更多个，则助手20可从患者侧推车22移除工具26并用来自手术室中的托盘30的另一工具26将其替换。
图1B概略地图示机器人外科手术系统50(诸如图1A的MIRS系统10)。如上所论述，外科医生控制台52(诸如图1A中的外科医生控制台16)在微创手术期间能够由外科医生用来控制患者侧推车(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)以捕捉手术部位的图像，并输出所捕捉的图像至电子推车56(诸如图1A中的电子推车24)。如上所论述，电子推车56能够在任意随后的显示之前以各种方式处理所捕捉的图像。例如，电子推车56能够在经由外科医生控制台52显示组合图像给外科医生之前将所捕捉的图像与虚拟控制界面叠加。患者侧推车54能够输出所捕捉图像以用于在电子推车56之外处理。例如，患者侧推车54能够输出所捕捉的图像至处理器58，并能够用来处理所捕捉图像。图像也能够由电子推车56和处理器58的组合来处理，且电子推车 56和处理器58能够耦合在一起以联合地、循序地(和/或其组合)处理所捕捉图像。一个或更多个单独的显示器60也能够与处理器58和/或电子推车56 耦合用于图像的本地和/或远距显示，诸如手术部位的图像或其它相关图像。
图2是外科医生控制台16的透视图。外科医生控制台16包括用于向外科医生18呈现使得能够实现深度感知的外科手术部位的协调立体视图的左眼显示器32和右眼显示器34。控制台16进一步包括一个或更多个输入控制装置36，其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能够提供与它们的相关联工具26(图1A所示)相同的自由度，以便向外科医生提供远程存在，或输入控制装置36与工具26整合的感知，使得外科医生具有直接控制工具26的强烈感觉。为此，方位、力和触觉反馈传感器(未示出)可用来通过输入控制装置36将方位、力和触觉感测从工具 26传输回到外科医生的手。
外科医生控制台16通常位于与患者相同的房间，使得外科医生可直接监测手术，如果必要的话则实际(physically)在场，并且直接而不是经由电话或其它通信媒体对助理说话。然而，外科医生能够位于不同房间、完全不同的建筑物或允许远距外科手术过程的距患者的其它远距位置。
图3是电子推车24的透视图。电子推车24能够与内窥镜28耦合并能够包括处理器以处理所捕捉图像用于随后显示，诸如在外科医生控制台上向外科医生显示，或在位于本地或远距的另一合适显示器上显示。例如，在使用立体内窥镜的情况下，电子推车24能够处理所捕捉的图像以便向外科医生呈现外科手术部位的协调的立体图像。此协调能够包括在相对图像之间的对齐，并能够包括调整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摄像机校准参数以便补偿图像捕捉装置的成像误差，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，每个操纵器臂支撑在操纵器臂的远侧端部处的外科手术仪器或工具26。所示的患者侧推车22包括能够用来支撑外科手术工具26或成像装置28(诸如用于捕捉手术的部位的图像的立体内窥镜)的四个操纵器臂100。通过具有数个机器人接头的机器人操纵器臂100提供操纵。成像装置28和外科手术工具26能够通过患者体内的切口被定位和操纵，使得动力学远距中心维持在切口处，以便最小化切口的尺寸。当外科手术仪器或工具26的远侧端部定位在成像装置28的视场内时，外科手术部位的图像能够包括该远侧端部的图像。
关于外科手术工具26，可使用不同类型的各种可替换的机器人外科手术工具或仪器和不同的端部执行器，其中操纵器中的至少一些的仪器在外科手术过程期间被移除和更换。这些端部执行器(包括Debakey镊、微型手术镊、 Potts剪刀和施夹器)中的若干个包括第一端部执行器元件和第二端部执行器元件，第一端部执行器元件和第二端部执行器元件相对于彼此枢转以便限定一对端部执行器钳。其它端部执行器(包括手术刀和电烙器探头)具有单个端部执行器元件。对于具有端部执行器钳的仪器，该钳将通常通过挤压把手的抓握构件来致动。单个端部执行器仪器也可通过抓握构件的抓握来致动，例如以便激励电烙器探头。
仪器26的细长轴允许端部执行器和轴的远侧端部穿过微创孔口(通常穿过腹壁等)远侧地插入到外科手术工作部位中。外科手术工作部位可被吹入，并且端部执行器在患者体内的移动将通常至少部分地通过将仪器26绕轴穿过微创孔口处的位置枢转来实现。即，操纵器100将移动患者外侧的仪器的近侧外壳，使得轴延伸穿过微创孔口位置，以便帮助提供端部执行器的希望的移动。因此，操纵器100在外科手术过程期间将通常经历在患者P外侧的显著移动。
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至图12C来理解。如上所述，操纵器臂通常支撑远侧仪器或外科手术工具，并且实现仪器相对于底座的移动。由于具有不同的端部执行器的数个不同仪器可在外科手术过程期间循序安装在每个操纵器上(通常借助于外科手术助理)，远侧仪器托架将优选地允许迅速移除和更换已安装的仪器或工具。如能够参考图4所理解的，操纵器在近侧安装到患者侧推车的底座。通常，操纵器臂包括在底座和远侧仪器托架之间延伸的多个联动装置和相关联接头。在一个方面中，示例性操纵器包括具有冗余自由度的多个接头，使得操纵器臂的接头能够被驱动到用于给定的端部执行器方位的不同配置的范围内。这可以是用于本文所公开的操纵器臂的任何实施例的情况。
在许多实施例中，诸如例如图5A所示，示例性操纵器臂包括近侧转动接头J1，该近侧转动接头J1绕第一接头轴线旋转以便将接头远侧的操纵器臂绕接头轴线转动。在一些实施例中，转动接头J1直接安装到底座，而在其它实施例中，接头J1可安装到一个或更多个可移动联动装置或接头。操纵器的接头组合起来具有冗余自由度，使得操纵器臂的接头能够被驱动到用于给定端部执行器方位的不同配置的范围内。例如，图5A至图5D的操纵器臂可被调遣到不同配置中，同时在仪器托架510内支撑的远侧构件511维持特定状态，并可包括端部执行器的给定方位或速度。远侧构件511通常为工具轴512延伸穿过的套管，并且仪器托架510通常为支架(示为在柱上平移的类砖块结构)，仪器在延伸穿过套管511穿过微创孔口进入患者体内之前附接到该支架。
连同如图5A至图5D所示的连接连杆的接头的旋转的轴线一起描述图5A 至图5D的操纵器臂500的单独连杆，第一连杆504从枢转接头J2(其绕其接头轴线枢转并耦合到转动接头J1，转动接头J1绕其接头轴线旋转)向远侧延伸。剩余接头中的许多能够通过它们相关联的旋转轴线来识别，如图5A所示。例如，第一连杆504的远侧端部在绕其枢转轴线枢转的枢转接头J3处耦合到第二连杆506的近侧端部，并且第三连杆508的近侧端部在绕其轴线枢转的枢转接头J4处耦合到第二连杆506的远侧端部，如图所示。第三连杆508的远侧端部在枢转接头J5处耦合到仪器托架510。通常，接头J2、J3、J4和J5 中的每个的枢转轴线基本上平行，并且联动装置在彼此靠近定位时显得“堆叠”，如图5D所示，以便提供操纵器臂的减小的宽度w并且在操纵器组件的调遣期间改善患者间隙。在许多实施例中，仪器托架还包括额外接头，诸如棱柱接头J6，其促进仪器306穿过微创孔口的轴向移动，并促进仪器托架附接到仪器滑动插入所穿过的套管。
工具512延伸穿过的远侧构件或套管511可包括仪器托架510的远侧的额外自由度。仪器的自由度的致动将通常由操纵器的马达驱动，并且可替换实施例可在迅速可拆卸的仪器托架/仪器接口处将仪器与支撑操纵器结构分离，使得这里示出为在仪器上的一个或更多个接头代替地在接口上，或反之亦然。在一些实施例中，套管511包括接近工具尖端的插入点或枢转点PP(其通常设置在微创孔口的部位处)或在其近侧的旋转接头J7(未示出)。仪器的远侧腕部允许外科手术工具512的端部执行器在仪器腕部处绕一个或更多个接头的仪器接头轴线的枢转运动。在端部执行器钳元件之间的角度可独立于端部执行器位置和取向被控制。
示例性操纵器组件的运动范围能够通过参考图6A至图6C来认识。在外科手术过程期间，示例性操纵器臂能够被调遣到如图6A所示的前倾配置中，或如图6B所示的后倾配置中，按需要进入外科手术工作空间内的特定患者组织。典型的操纵器组件包括能够绕轴线前倾和后倾至少±60度，优选约±75 度，并也能够绕轴线偏转±80度的端部执行器。尽管该方面允许具有组件的端部执行器的提高的调遣性，但可存在其中端部执行器的移动可能受限的配置，特别是当操纵器臂在如图6A和图6B中的完全前倾或完全后倾配置时。在一个实施例中，操纵器臂分别具有对于外倾的(+/-75度)和对于外偏转接头(+/-300度)的运动范围(ROM)。在一些实施例中，ROM对于外倾可增大以提供大于(+/-90度)的ROM，在此情况下可使得其中接头移动受限或不可能的空间锥完全消失，然而通常与插入限制相关联的内部球体将保留。应认识到各种实施例可经配置具有增大或减小的ROM，上面提到的ROM被提供用于说明目的，并且进一步地，本发明不限于本文所描述的ROM。
图6C图形表示图5A至图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。尽管工作空间示出为半球体，但其也可根据操纵器的一个或更多个转动接头(诸如接头J1)的运动范围和配置表示为球体。如图所示，图6C中的半球体包括中心小球体空隙以及两个锥形空隙。空隙表示其中工具尖端的移动由于机械约束而不可能或由于极高接头速度(其使得端部执行器的移动困难或缓慢)而不能实行的区域。出于这些原因，锥形空隙称为“静锥区”。在一些实施例中，操纵器臂可在锥体内的点处达到奇点。由于操纵器在静锥区内或接近静锥区的移动可受损害，因此会难以在没有手动移动操纵器的一个或更多个连杆以重配置操纵器的联动装置和接头的情况下移动操纵器臂离开静锥区，这可能需要可替换的操作模式并延迟外科手术过程。
仪器轴到这些锥形部分中或附近的移动通常在操纵器中远侧联动装置之间的角度相对小时发生。因此，能够通过各向异性地加强操纵器的移动以便增大联动装置之间的角度(使得联动装置移动到相对彼此更正交的方位中)，来避免此类配置。例如，在图6A和图6B所示的配置中，当最远侧连杆和仪器托架之间的角度(角度a)变为相对小时，操纵器的移动可能变得更困难。取决于在各种实施例中剩余接头中的接头移动范围，当某些联动装置之间的角度减小时，操纵器的移动可能受抑制，并且在一些情况下，操纵器臂可能不再冗余。其中仪器轴接近这些锥形部分或其中在联动装置之间的角度相对低的操纵器配置称为“低劣调节的”，使得操纵器臂的调遣性和灵巧性受限制。希望操纵器为“良好调节的”以便维持灵巧性和移动范围。在一个方面中，本发明允许用户通过简单录入命令以按需重配置操纵器来避免仪器轴接近上述的锥形部分的移动，即使在外科手术过程中端部执行器移动期间。对于操纵器将出于任何原因变为“低劣调节的”，则该方面特别有用。
尽管上述操纵器的实施例可用于本发明，但一些实施例可包括也可用来改善操纵器臂的灵巧性和调节的额外接头。例如，示例性操纵器可包括在接头J1近侧的转动接头和/或联动装置，其能够用来将图5A的操纵器臂以及它的相关联静锥区绕转动接头的轴线旋转以便减小或消除静锥区。在另一实施例中，示例性操纵器也可包括远侧枢转接头，其将仪器托架绕基本上垂直于接头J5的轴线枢转，由此将工具尖端偏移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J1)可以可移动地安装在底座上，以便按需移动或移位静锥区并改善操纵器工具尖端的移动范围。此类额外接头的使用和优点能够通过参考图示此类接头的示例的图7A至图12C理解，在本文所描述的任何示例性操纵器臂中，此类接头可每个独立于彼此使用或组合使用。
图7A至图7B图示用于与示例性操纵器臂一起使用的额外冗余接头——将操纵器臂的近侧部分耦合到底座的第一接头。第一接头是将操纵器臂绕接头J1的接头轴线转动的近侧转动接头J1。近侧转动J1包括将接头J1’从近侧转动J1偏移预定距离或角度的连杆501。连杆501能够是如图7A所示的弯曲联动装置，或如图7B所示的线性或成角度的联动装置。通常，接头J1的接头轴线与工具尖端的远距中心RC或插入点对齐，如图7A中的每个所示。在示例性实施例中，接头J1的接头轴线经过远距中心，与操纵器臂中的每个其它转动接头轴线一样，以阻止在体壁处的运动并能够因此在外科手术期间移动。接头J1的轴线耦合到臂的近侧部分，因此其能够用来改变臂的后部的方位和取向。通常，冗余轴线(诸如该轴线)允许仪器尖端遵循外科医生的命令同时避开与其它臂或患者解剖结构的碰撞。在一个方面中，近侧转动J1单独用来改变操纵器相对于底板的安装角。该角度是重要的以便：1)避开与外部患者解剖结构的碰撞；以及2)到达体内解剖结构。通常，在附接到近侧转动接头J1的操纵器的近侧连杆和近侧转动的轴线之间的角度a为约15度。
图7B图示示例性操纵器臂中的近侧转动接头J1及其相关联的接头轴线和静锥区的关系。近侧转动接头J1的接头轴线可经过静锥区或可完全在静锥区外。通过绕近侧转动J1的轴线转动操纵器臂，静锥区能够减小(在其中接头J1轴线经过静锥区的实施例中)，或能够有效消除(在其中近侧转动接头轴线完全在静锥区外延伸的实施例中)。连杆501的距离和角度确定接头J1轴线相对于静锥区的方位。
图8图示用于与示例性操纵器臂一起使用的另一类型的冗余接头，将仪器托架510耦合到操纵器臂508的远侧连杆的远侧转动接头J7。远侧转动接头J7允许系统将仪器托架510绕通常经过远距中心或插入点的接头轴线扭转。理想地，转动接头远侧地位于臂上并因此特别适合于移动插入轴线的取向。该冗余轴的添加允许操纵器为任何单个仪器尖端方位采取(assume)多个方位。通常，冗余轴线(诸如该轴线)允许仪器尖端遵循外科医生的命令同时避开与其它臂或患者解剖结构的碰撞。因为远侧转动接头J7具有移动插入轴线更靠近偏转轴线的能力，因此能够增大臂后倾的运动范围。在远程转动接头J7的轴线、J1’的偏转轴和工具尖端的插入轴线之间的关系在图9中示出。图10A至图10C示出J7的循序移动及其如何将工具尖端的插入轴线从一侧移位到另一侧。
远侧转动接头J7的另一优点是其可减小患者间隙锥(clearance cone)，其为在插入点近侧的操纵器臂的远侧部分的扫掠体积(swept volume)，该扫掠体积必须清除(clear)患者以避开患者和仪器托架或操纵器臂的远侧联动装置之间的碰撞。图11A图示当远侧转动接头的角位移保持在0°时操纵器臂的近侧部分的患者间隙锥。图11B图示当示出远侧转动接头具有绕其轴线的 90°的角位移时操纵器臂的近侧部分的减小的患者间隙锥。因此，在具有接近插入点的最小患者间隙的过程中，根据本发明使用接头J7可提供额外间隙，同时按需维持端部执行器的远距中心位置或方位。
图12A至图12C图示用于与示例性操纵器臂一起使用的另一类型的冗余接头，将操纵器臂平移或绕轴线转动的近侧接头。在许多实施例中，该近侧可平移接头将操纵器的近侧接头(诸如接头J1或J1’)沿一路径平移，以便通过移位或旋转操纵器臂的运动范围来减小或消除静锥区，以提供操纵器臂的更优调节以及改善的调遣性。可平移接头可包括圆形路径，诸如图12A至图12C 中的J1”所示，或可包括半圆形或弧形路径。通常，接头将操纵器臂绕与远距中心RC交叉的可平移接头的轴线转动，延伸穿过套管511的工具512 的轴绕远距中心RC枢转。在所示实施例中，J1”的该轴线为竖直轴线，但是在各种其它实施例中该轴线可以处于一定角度或是水平的。
在一些实施例中，操纵器臂500可包括近侧和远侧转动接头、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一个或全部。根据本发明，这些特征中的任一个或全部的使用提供额外冗余自由度并促进重配置，以便通过增大联动装置之间的角度提供更优“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大的灵活性也能够用来优化操纵器联动装置的动力学，以便避免接头限制、奇点等。
在示例实施例中，通过由控制器使用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，该接头根据由控制器的处理器计算的协调的接头移动来驱动。数学上，控制器可使用向量和/或矩阵(其中一些可具有对应于接头的配置或速度的元素)执行接头命令的计算中的至少一些。可用于处理器的可替换的接头配置的范围可概念化为接头空间。例如，接头空间可具有与操纵器具有的自由度一样多的维度，并且操纵器的特定配置可表示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。
在示例实施例中，系统包括控制器，其中特征在工作空间(这里表示为其笛卡尔空间)中的所命令的方位和速度是输入。特征可以是能够被用作有待使用控制输入来铰接的控制框架的在操纵器上或不在操纵器上的任何特征。用于本文中描述的许多示例的在操纵器上的特征的示例将为工具尖端。在操纵器上的特征的另一示例将为不在工具尖端上但为操纵器的一部分(诸如针脚或着色图案)的物理特征。不在操纵器上的特征的示例将为空白空间中的参考点，其精确地为距工具尖端的特定距离和角度。不在操纵器上的特征的另一示例将为目标组织，能够建立相对于操纵器的该目标组织的方位。在所有这些情况下，端部执行器与使用控制输入来铰接的虚控制框架相关联。然而，在下文中，“端部执行器”和“工具尖端”同义使用。尽管通常没有将希望的笛卡尔空间端部执行器方位映射到等效接头空间方位的封闭式关系，但通常存在笛卡尔空间端部执行器和接头空间速度之间的封闭式关系。动力学雅可比矩阵是端部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数的矩阵。这样，动力学雅可比矩阵捕捉端部执行器和接头之间的动力学关系。即，动力学雅可比矩阵捕捉接头运动在端部执行器上的效果。动力学雅可比矩阵(J)能够用来使用下面的关系将接头空间速度(dq/dt)映射到笛卡尔空间端部执行器速度(dx/dt)：
dx/dt＝J dq/dt
因此，即使当输入和输出方位之间没有封闭式映射时，速度的映射能够迭代地使用，诸如在基于雅可比矩阵的控制器中，以实施来自所命令的用户输入的操纵器的移动，然而能够使用各种实施方案。尽管许多实施例包括基于雅可比矩阵的控制器，但一些实施方案可使用各种控制器，所述各种控制器可经配置访问操纵器臂的雅可比矩阵以提供本文所描述的特征中的任一种。
一个此类实施方案在下面以简化项描述。所命令的接头方位用来计算雅可比矩阵(J)。在每个时间步(Δt)期间，计算笛卡尔空间速度(dx/dt)以执行所希望的移动(dxdes/dt)并根据所希望的笛卡尔空间方位校正组合(built up)偏差 (Δx)。然后使用雅可比矩阵的伪逆矩阵(J#)将该笛卡尔空间速度转换成接头空间速度(dq/dt)。所得的接头空间命令的速度然后被积分以产生接头空间命令的方位(q)。这些关系如下列出：
dx/dt＝dxdes/dt+kΔx (1)
dq/dt＝J#dx/dt (2)
qi＝qi-1+dq/dtΔt (3)
雅可比矩阵(J)的伪逆矩阵将所希望的工具尖端运动(和在一些情况下的枢转工具运动的远距中心)直接映射到接头速度空间中。如果所使用的操纵器具有比工具尖端自由度(多至六个)更有用的接头轴线，(并且当工具运动的远距中心正在使用时，操纵器应具有用于与远距中心的位置相关联的3个自由度的额外3个接头轴线)，那么操纵器称为冗余的。冗余操纵器的雅可比矩阵包括具有至少为一的维度的“零空间”。在此情境下，雅可比矩阵的“零空间”(N(J))为瞬时地实现无工具尖端移动(并且当使用远距中心时，瞬时地实现无枢转点位置的移动)的接头速度的空间；以及“零运动”为接头方位的组合、轨迹或路径，其也不产生工具尖端和/或远距中心的位置的瞬时移动。
在一个方法中，接头状态分成“零垂直”移动，其为实现所命令的工具尖端状态的接头状态；以及“零空间”移动，其为不引起工具尖端运动(或当使用远距软件中心时，不引起远距中心或枢转点位置的移动)的接头状态。将所计算的零空间速度结合或注入到操纵器的控制系统中以实现操纵器的所希望的重配置(包括本文所描述的任意重配置)将上面方程(2)改变成下式：
dq/dt＝dqperp/dt+dqnull/dt (4)
dqperp/dt＝J#dx/dt (5)
dqnull/dt＝(1-J#J)z＝VnVn T z＝Vnα (6)
根据方程(4)的接头速度具有两个分量：第一个为零垂直空间分量，其为产生所希望的工具尖端运动(并且当使用远距中心时，产生所希望的远距中心运动)的“最纯的”接头速度(最短向量长度)，并且第二个为零空间分量。方程(2)和(5)示出在没有零空间分量的情况下得到相同方程。方程 (6)始于左侧上零空间分量的传统形式，并且在远右侧上，示出用于示例性系统的形式，其中Vn为用于零空间的正交基底向量组，并且α为用于混合那些基底向量的系数。在一些实施例中，通过控制参数、变量或设定(诸如通过使用旋钮或其它控制装置)来确定α，以按需在零空间内成形或控制运动。尽管该方法具有许多益处，但是在一些所计算的移动中，为“零垂直”和“零空间”接头状态中的每个计算接头移动用于组合的移动所需的复杂性和周期时间可大于所希望的。
在可替换方式中，可使用增广的雅克比方法，其结合与用于增广雅克比矩阵的函数、系数或接头状态内的零空间移动相关的一个或更多个辅助功能或所希望的移动。在一个方面中，该方法结合与一个或更多个辅助功能相关联的势函数梯度，或可使用被应用到笛卡尔空间端部执行器速度的所希望的移动。雅克比矩阵可被增广，使得通过取雅克比矩阵的伪逆矩阵计算的所得接头速度提供所希望的辅助任务或移动。根据增广的雅克比方法，可使用以下方程，然而认识到可使用列向量：
dx/dt＝J*dq/dt
y＝h(q,…)
Figure BDA0002257264580000241
Figure BDA0002257264580000242
Figure BDA0002257264580000243
Figure BDA0002257264580000244
该方法可提供简化的计算，因此提供与上面前述方法比较而言减小的计算时间。在一些所命令的移动中，该可替换方法可在提供所计算的接头速度中减少用于接头速度的计算时间，这实现与操纵器的一个或更多个其它接头的一个或更多个辅助功能或所希望的移动同时的所命令的端部执行器或工具尖端移动。在某些方面中，该方法可按需与上述方法组合(例如，在它们之间交替或间歇地)使用以便保持与每个方法相关联的优点。例如，在一些实施例中，系统可利用增广的雅可比方法，其可在操纵器的一个或更多个接头不接近它们的相应接头限制或奇点时用于一个或更多个辅助功能(例如，碰撞避开、命令的重配置)，或可在一个或更多个接头处于它们的相应限制或处于奇点时利用上面第一方法。应理解在涉及本文中所描述的使用雅可比矩阵计算接头移动中，此类计算可包括使用增广的雅可比方法。
在一个方面中，如上所述，可增广雅可比矩阵以实现一个或更多个辅助功能或所希望的接头移动。在一些实施例中，为实现一个或更多个辅助功能或所希望的接头移动，其可包括执行特定任务或接头移动的组合，或大体上在所希望的方向上或朝向特定接头状态或相对状态移动一个或更多个接头，以便实现辅助任务。对于增广的雅可比矩阵而言的一个或更多个辅助功能或所希望的接头移动可包括以下中的任一个：所命令的端部执行器移动、枢转移动、根据所希望的移动的枢转中心的受控移动(例如，端口抓握、运动补偿)；接头运动撤销、在相邻操纵器臂之间或操纵器与患者之间的碰撞避开、操纵器的一个或更多个接头的所命令的重配置、零倾浮动特征、到笛卡尔坐标空间边缘的促进进入、各向异性地加强接头运动，或其任何组合。在一个方面中，这些特征中的任何能够在函数内组合以获得雅可比矩阵能够用其来增广的系数。这些特征能够在应用到雅可比矩阵之前和/或之后被加权、缩放或选择性地过滤以便提供所计算的接头移动，所计算的接头移动将辅助任务或所希望的接头移动按需组合。
在一个方面中，某些特征可作为主任务来执行，使得某些其它特征可通过增广的雅可比矩阵作为辅助任务执行。例如，维持所希望的枢转中心位置 (或提供枢转中心在远距软件中心处的受控移动)可在雅可比矩阵的计算中作为主任务来执行，而雅可比矩阵可被增广以执行所命令的端部执行器移动作为辅助任务。应认识到，该相同概念可应用到执行一个移动作为主任务同时使用增广以执行另一移动作为辅助任务的任务或移动的各种其它组合。
图14A至图14B图形地图示示例性操纵器臂的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，其示出沿横轴线的零空间和沿纵轴线的零垂直空间，两个轴线彼此正交。对角向量表示在零空间中的速度向量和在零垂直空间中的速度向量之和，其表示上面的方程 (4)，或可替换地可通过使用增广的雅可比矩阵来获得，如本文中所描述并且如将由本领域技术人员所理解的。
图14B图形地图示在四维接头空间内的零空间和零运动流形(motion manifold)(示为“零运动流形”)之间的关系。每个箭头(q1、q2、q3和q4) 表示主接头轴线。闭合曲线表示零运动流形，其为瞬时实现相同端部执行器方位的一组接头空间方位。对于曲线上给定点A，由于零空间为瞬时不产生端部执行器移动的接头速度的空间，因此在点A处零空间平行于零运动流形的正切。
在一个方面中，雅可比矩阵(其伪逆矩阵用来确定接头状态以实现所命令的工具尖端状态)能够通过根据所希望的辅助任务或所希望的接头移动确定的系数来增广。当所希望的辅助任务包括“锁定”操纵器的一个或更多个接头时，通过对雅可比矩阵的增广，与希望锁定的接头的移动相关联的变量能够被强制为“0”，例如，如在以下方程中所示(尽管项“J”在各图中用于接头，但在本文中提供的方程中，“J”表示雅可比矩阵并且q表示接头值)：
Figure BDA0002257264580000251
Figure BDA0002257264580000261
Figure BDA0002257264580000262
Figure BDA0002257264580000263
Figure BDA0002257264580000264
图15A至图15B示意地图示根据与端部执行器位移移动同时的所命令的重配置移动的在操纵器臂移动之前和之后的示例操纵器500，其中接头J1被锁定。响应于由用户录入的端部执行器操纵命令，处理器通过使用动力学雅可比矩阵(其已被增广以抑制零空间内一个或更多个接头的移动)计算接头(包括接头Jt)的移动，从而有效地撤销锁定的接头Jt的移动。该接头移动撤销能够与所计算的接头移动(其提供所希望的执行器移动)同时提供，并且进一步与响应于用以重配置操纵器臂的用户命令的一个或更多个其它接头的重配置移动同时提供。如图15A至图15B的示例中所示，臂的重配置移动包括接头Jt的移动，使得即使当接头Jt从端部执行器位移移动中被锁定时，锁定的接头能够在实现涉及另一任务的移动(诸如操纵器臂的所命令的重配置)时移动。在另一方面中，可使用该方法以将多个接头中的所希望接头有效地从任何移动中锁定，即，在操纵器移动以实现所命令的端部执行器移动期间，雅可比矩阵被增广以便抑制所希望的接头的状态的任何变化。
在一些实施例中，系统可经配置使得零空间内接头的速度根据接头位置和/或配置或任何数量的条件被缩放。例如，用户可希望在重配置移动期间在操纵器臂中用比最远侧接头更高的速度驱动最近侧接头。另外，系统可经配置以便按需维持操纵器臂的接头中的任一个的方位或状态。
在某些方面中，系统可以以任何数量的方式从系统用户接收重配置命令。在一些实施例中，操纵器包括用于从用户接收重配置命令的输入装置。输入装置可包括用于按需驱动一个或更多个接头(或可替换地用于移动一个或更多个连杆)的一个或更多个按钮或机构。输入装置可设置在操纵器臂上，通常在与响应于装置的激活而被驱动的接头对应的位置处，诸如在美国申请号 13/906,767中所描述的，其标题为“Systems and Methods forCommanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null-Space(使用零空间的外科手术操纵器的所命令的重配置的系统和方法)”，提交于2013年5月31日 (代理人案号ISRG03770)，其全部内容并入本文用于所有目的。可替换地，系统可包括具有按钮或机构(其每个对应于操纵器臂的接头或联动装置)的群集的输入装置。该实施例允许用户从集中位置重配置臂。可替换地，输入装置可包括可操作以按需驱动一个或更多个接头并实现重配置的操纵杆。应认识到输入装置可包括任何数量的变体。
在另一方面中，能够通过由避开在相邻操纵器臂之间的碰撞和/或在操纵器臂和患者表面之间的碰撞的函数确定的系数(H)来增广雅可比矩阵。此函数可以以任何数量的方式实现该所希望的移动，包括确定相邻操纵器的对应点之间或操纵器特征和患者表面之间的距离，或基于相邻操纵器或操纵器与患者表面的相对方位来确定梯度场。在一个示例中，以下方程可用来通过使用增广的雅可比矩阵实现碰撞避开。
y＝H(q,…)
Figure BDA0002257264580000271
Figure BDA0002257264580000272
Figure BDA0002257264580000273
在上面方程中，包括提供操纵器在工作空间内的特定状态的工作空间计算，使得与H(例如，在相邻操纵器上对应点之间或在操纵器和患者之间的所希望的相对关系)组合，能够避开碰撞。以下示例在概念上说明此类增广可如何应用以抑制操纵器碰撞。
关于抑制操纵器之间的碰撞，在某些实施例中，诸如例如图5A所示的示例，示例操纵器臂包括近侧转动接头J1，其绕第一接头轴线旋转以便将接头远侧的操纵器臂绕接头轴线转动。在一些实施例中，转动接头J1直接安装到底座，而在其它实施例中，接头J1可安装到一个或更多个可移动联动装置或接头。操纵器的接头组合起来具有冗余自由度，使得操纵器臂的接头能够被驱动通过用于给定端部执行器的不同配置的范围。例如，图5A至图5D的操纵器臂可被调遣到不同配置中，同时在仪器托架510内支撑的远侧构件511 (诸如工具512或仪器轴延伸穿过的套管)维持特定状态，并可包括端部执行器的给定方位或速度。远侧构件511通常为工具轴512延伸穿过的套管，并且仪器托架510通常为支架(示为在柱上平移的类砖块结构)，仪器在延伸穿过套管511穿过微创孔口进入患者体内之前附接到该支架。
连同如图5A至图5D所示的连接连杆的接头的旋转的轴线一起描述图5A 至图5D的操纵器臂500的单独的连杆，第一连杆504从枢转接头J2(其绕其接头轴线枢转并耦合到转动接头J1，转动接头J1绕其接头轴线旋转)向远侧延伸。剩余接头中的许多能够通过它们相关联的旋转轴线识别，如图5A所示。例如，第一连杆504的远侧端部在绕其枢转轴线枢转的枢转接头J3处耦合到第二连杆506的近侧端部，并且第三连杆508的近侧端部在绕其轴线枢转的枢转接头J4处耦合到第二连杆506的远侧端部，如图所示。第三连杆508的远侧端部在枢转接头J5处耦合到仪器托架510。接头J2、J3、J4和J5中的每个的枢转轴线可经配置基本上平行，使得联动装置在彼此靠近定位时显得“堆叠”，如图5D所示，以便提供操纵器臂的减小的宽度w并且在操纵器组件的调遣期间改善操纵器的一部分周围的间隙。在一些实施例中，仪器托架还包括额外接头，诸如棱柱接头J6，其促进仪器穿过微创孔口的轴向移动，并促进仪器托架附接到仪器滑动插入穿过的套管。
套管511可包括仪器托架510远侧的额外自由度。仪器的自由度的致动可由操纵器的马达驱动，并且可替换实施例可在迅速可拆卸的仪器托架/仪器接口处将仪器与支撑操纵器结构分离，使得这里示出为在仪器上的一个或更多个接头代替地在接口上，或反之亦然。在一些实施例中，套管511包括接近工具尖端的插入点或远距中心RC(工具的轴邻近微创孔口绕其枢转)或在其近侧的旋转接头J7(未示出)。仪器的远侧腕部允许端部执行器在仪器腕部处绕一个或更多个接头的仪器接头轴线穿过套管511的枢转运动。在端部执行器钳元件之间的角度可独立于端部执行器位置和取向受控制。
在某些实施例中，系统使用与每个操纵器臂的方位或状态对应的限定的参考几何形状，使得系统的处理器能够通过确定相邻操纵器臂的参考几何形状之间的相对状态，确定在臂之间的碰撞何时可能即将发生。如图5A所示，有时称为“避开参考几何形状”的参考几何形状700能够包括多个线段704、 706、708、701、711，每个均对应于物理操纵器臂500的联动装置。“参考几何形状”自身由处理器限定(或先前限定和/或由用户输入)，并且其状态在操纵器的部件遍及外科手术空间移动时由处理器通常使用接头传感器来确定并跟踪。图5A所示的线段用于说明目的以指示参考几何形状如何对应于涉及操纵器臂的部件或特征，并且说明如何能够由处理器根据本发明限定和利用参考几何形状的变化以避开臂到臂碰撞。参考几何形状可进一步包括与涉及操纵器臂的突起或特征对应的点或线段，例如，线段711对应于可移动地安装在柱联动装置710上的支架的突起边缘，并且线段712对应于延伸穿过套管 511的仪器的底座的突起边缘。如本文中所述，与第一操纵器的部件对应的所限定的参考几何形状线段共同称为“第一参考几何形状”，诸如图5E所示，其图形地描绘参考几何形状700为涵盖对应于操纵器臂500的各部件的线段 706、708、710、711和712。
图16A至图16C图示根据本发明的如上所描述的第一操纵器和第二操纵器的相互作用，以及第一避开参考几何形状和第二避开参考几何形状的示例使用。图16A中的系统包括第一操纵器500和第二操纵器500’，每个均具有接头联动装置的相同组件，所述接头联动装置的相同组件具有用于所给定的端部执行器方位的一定范围的配置，但是应认识到可使用各种其它操纵器，以及在相同系统内组合不同类型的操纵器。在一个方面中，系统通过在参考几何形状700的线段和参考几何形状700′的线段之间施加虚拟力来计算一个或两个操纵器的避开移动。处理器使用虚拟力计算接头力，所述接头力提供移动一对相互作用的元件彼此远离所需的移动。在一些实施例中，系统可使用上面描述的参考几何形状计算在相邻操纵器的相互作用的元件之间沿在相互作用的元件之间延伸的避开向量的“斥力”。相对状态、避开向量和斥力可在操纵器臂的三维工作空间中计算并然后转换到接头空间中。使用动力学雅可比增广计算操纵器臂在接头空间内的移动，使得所得的接头速度增大对应于操纵器结构自身的参考几何形状之间的分离，同时维持操纵器的远侧部分的所希望的方位。通常，力可以是相对状态或每个操纵器的参考几何形状之间的距离、最小或最大距离或所希望的距离的函数(例如，f(d>d_max)＝0， f′(d)<0(注意：f′是f的导数))。使用参考几何形状的相互作用的元件之间的所计算的斥力用于确定向量或系数(能够通过其增广雅可比矩阵)，以便在零空间内通过避开移动提供操纵器之间的所希望的分离。函数/系数的确定或避开向量的计算用于增广雅可比矩阵。
在示例实施例中，系统从可能潜在地相互作用或碰撞的相邻操纵器中确定至少一对最靠近元件(通常称为“相互作用的元件”)。该对相互作用的元件(每个操纵器一个)能够包括具有重叠的运动范围的任何对的元件。例如，在图16A中，一个相互作用的元件对为711和711’，而另一相互作用的元件对为710和706’。在一些实施例中，系统仅考虑在特定分离距离内的相互作用的元件对。响应于确定在相互作用的元件对之间的距离(d)小于所希望的距离，诸如在参考几何形状711和711’对应的相互作用的元件之间的距离(d)，处理器计算一个或两个操纵器的避开移动以增大相互作用的元件之间的距离。在其它实施例中，避开移动的计算也可包括使用其它相互作用的元件对之间的距离(诸如在710与706’之间的距离d’)获得的力，以便提供更有效的移动或在移动期间维持其它相互作用的元件对之间的合适距离。在某些实施例中，通过确定沿在所识别的相互作用的元件之间延伸的向量的斥力或在操纵器的工作空间中施加虚拟力，并使用该形式计算接头空间内的避开移动，来计算避开移动。
在一些实施例中，计算避开移动，以便根据所计算的避开移动来驱动在上面计算中使用的一对中的一个操纵器的接头。在其它实施例中，可计算避开移动以便驱动操纵器的一个或更多个特定接头，与那些接头是否被驱动以实现其它所计算移动无关。另外，也可计算避开移动以驱动操纵器臂的一个或更多个特定接头，诸如不在实现由用户命令的操纵器臂的位移移动时被驱动的接头。
在图16A的实施例中，响应于确定距离(d)小于所希望的距离，处理器根据被增广的动力学雅可比矩阵确定第二操纵器500’的所计算的接头移动，使得所得的接头移动增大参考几何形状711和711’之间的距离(d)。如图6A所示，操纵器臂每个均由将相应臂绕接头的轴线枢转的近侧转动接头J1支撑。如图 16B至图16C所示，在一个或两个臂中分别使用接头组合的一个或两个操纵器臂的移动能够移动臂的上部部分，而不改变端部执行器及其远距中心RC的状态。在图16B中，由系统确定最接近点为相隔距离(d1)。响应于该确定(或根据本文中所描述的方法中的任一种)，系统驱动一个或两个臂的一个或更多个接头以增大最接近点之间的距离(图16C中示为d2)而不改变在每个臂的端部处的端部执行器的状态；因此，系统通过增广动力学雅可比矩阵，使得第一操纵器和/或第二操纵器的一个或更多个接头维持和/或增大其之间的分离，来避开碰撞。在一些实施例中，驱动至少第一近侧接头可提供避开移动，同时最小化操纵器的远侧部分(例如端部执行器)的重配置，但是可计算类似的避开移动以驱动操纵器臂的更远侧部分的一个或更多个接头。在另一方面中，系统可经配置计算避开移动以移动本文中描述的接头中的任一个，无论此类接头是否在实现位移移动时被驱动，或经配置包括基于特定配置或操纵器状态的根据层级(hierarchy)来驱动接头。
根据某些实施例，可根据数个不同方法(其通常包括确定操纵器臂之间的“最接近点”)计算避开移动。最接近点能够使用基于经由接头传感器的已知操纵器方位或状态的计算来确定，或能够使用其它合适装置来近似，诸如外部传感器、视频、声呐、电容或触摸传感器等。实施例也可使用安装在从动联动装置或从设备上的接近传感器，其能够感测局部臂到臂接近性和/或碰撞。
在某些实施例中，处理器确定每个参考几何形状的线段上的最接近点。在施加虚拟斥力之后，处理器然后计算第一操纵器和第二操纵器之间的斥力。在一个方面中，每个操纵器臂的参考几何形状可限定为“局部线段”，使得相邻操纵器臂上相互作用的线段彼此排斥。在另一方面中，一个操纵器的参考几何形状可限定为“局部线段”且其他的限定为“障碍物线段”，使得仅局部线段由虚拟力排斥。该方面允许系统通过为操纵器臂中的仅一个或仅一些计算避开移动来避开碰撞，由此防止不必要的移动或过度复杂的避开移动。例如，在一些实施例中，尽管虚拟力可在每个参考几何形状的线段之间施加，但是仅计算“局部线段”的移动。在一些实施例中，处理器将从施加虚拟力获得的所计算的力根据避开移动转换成将要移动的操纵器臂的接头速度，该避开移动然后投影到零空间上。通过获得在零空间内延伸操纵器的接头和/或连杆的虚拟力以维持操纵器之间的分离，能够确定能够通过其增广雅可比矩阵的系数或函数，使得用此计算的接头移动引起抑制碰撞的接头移动同时维持所希望的端部执行器状态。
在示例实施例中，处理器通常使用操纵器臂的工作空间内的计算来确定来自每个操纵器臂的至少一对参考几何形状线段(通常为最接近的线段对) 之间的距离。对于比某个最大排除距离更靠近的线段对，识别最靠近点。处理器然后施加虚拟排斥向量(其强度与距离成反比)，虚拟排斥向量然后转换成接头空间并能够用来增广雅可比矩阵，使得所计算的接头移动在零空间内延伸一个或更多个接头，以维持该对线段之间的充足间隙。处理器可对多于一个线段对执行上面的处理。在此类实施例中，来自所有线段对的排斥向量的组合结果能够合并成结果或(H)的函数(例如，dH/dt)以便用于雅可比矩阵的增广，增广的雅可比矩阵可然后由接头控制器用来实现所计算的移动(包括在零空间内的避开移动)。这些方面在下面进一步详述。
在另一示例实施例中，对于每对操纵器臂，处理器首先使用对应于每个元件的参考几何形状来确定可能潜在地彼此接触或碰撞的一对元件或部件，如上所述。使用对应的参考几何形状，系统然后确定通常在最大排除距离内的每对的最靠近元件、多个相互作用对，或所有元件对的效果的加权和。为计算避开移动，处理器通常首先确定每对相互作用的元件上的最接近点，并计算可用来将元件彼此“推开”的避开向量。可通过生成如上所述的虚拟力并在将元件彼此排斥的方向上命令速度，或通过各种其它方法来计算避开向量。处理器然后将在参考几何形状的最接近点处排斥元件彼此离开所需的力映射成适当的避开，其然后能够用于增广雅可比矩阵并提供操纵器的零空间内的避开移动。
在一个方法中，处理器计算操纵器臂的工作空间中的避开向量；将避开向量变换到接头速度空间中；并然后使用结果将向量投影到零空间上以获得避开移动。处理器可经配置计算最接近点之间的排斥或避开向量；在工作空间中将避开向量映射到操纵器臂的“最接近”点的运动中，并然后确定(H)的函数(通过该函数增广雅可比矩阵)[Ken，请参见段0100中的评论]，该函数提供移动最接近点彼此离开的所希望的方向和量值。如果多个相互作用的点在相邻操纵器臂上的各点或特征之间使用，则与来自每个相互作用的特征的避开向量相关联的所得的零空间系数能够通过求和来组合。
在另一方法中，处理器可使用向量或向量通项以依靠雅可比矩阵的增广来按需完成辅助任务。在一个方面中，处理器可经配置计算操纵器臂的最接近点之间的排斥或回避向量(例如，回避几何形状)以便用于增广雅可比矩阵。如果使用操纵器臂上的多个特征，则能够使用各种方法组合所得的接头向量。
在第一方法中，通过在接头空间中生成势场，使得高势表示操纵器臂之间的较短距离并且低势表示较大距离，来确定避开移动。然后通过沿势场的负梯度下降的函数(优选地下降到最大可能范围)确定H函数。在第二方法中，系统基于工作空间中的避开几何形状确定避开碰撞所需的向量，并然后确定通过其增广雅可比矩阵的H，该雅可比矩阵增大操纵器臂的避开几何形状之间的距离，由此增大操纵器臂上最接近点之间的距离。
在另一方面中，由增广雅可比矩阵提供的接头在零空间内的移动可包括抑制操纵器和患者表面之间碰撞的辅助任务。这可通过根据涉及操纵器的一个或更多个特征(诸如在套管托架之间的特征)和患者表面之间的距离的函数来增广雅可比矩阵而完成。该方法可利用相对于与近似患者表面的障碍物表面的近似操纵器的避开几何形状。
在图17A和图17B所示的实施例中，操纵器臂的“避开几何形状”和对应于外部患者表面的“障碍物表面”两者被限定。在该实施例中，通过限定障碍物表面800为延伸穿过远距中心的平面(通常为水平面)，来粗略近似外部患者表面的位置。由于工具的仪器轴绕与微创孔口相邻的远距中心枢转，假设外部患者表面从微创孔口水平地延伸；因此，障碍物表面800最准确表示在远距中心位置处外部患者表面的位置。通过共同地称为避开几何形状700的两个参考点702、704来近似操纵器臂的特征的位置。通常使用接头状态传感器(系统能够根据其确定避开几何形状和障碍物表面之间的最短距离d)确定在操纵器臂的所命令的移动期间避开几何形状的位置和/或速度。响应于确定距离d小于期望的距离(其可指示可能的或潜在的臂到臂碰撞)，系统在计算操纵器臂接头状态中增广雅可比矩阵，使得使用增广的雅可比矩阵计算的所得的接头移动在根据所计算的移动来驱动接头时增大避开几何形状700和障碍物表面800之间的距离d。
在图18的示例实施例中，障碍物表面800限定为更接近地近似典型患者外部表面的建模表面。障碍物表面800可以以对应于外部患者表面的各种轮廓或形状建模，或可经建模以结合来自各种源(包括接头传感器、光学传感器或超声传感器)的方位数据。在一些实施例中，通过延伸建模的表面穿过两个或更多个远距中心位置来近似障碍物表面800，诸如图18的障碍物表面 800中所示，其延伸穿过三个远距中心RC1、RC2和RC3，并且近似更加接近地类似在外科手术部位处典型患者外部表面的圆锥形、球形或凸出形状，诸如例如患者躯干。通过更准确地近似外部患者表面的位置，系统允许三个操纵器臂中的每个的增大的运动范围，同时仍在操纵器中的每个之间的最短距离d1、d2和d3小于所希望的距离时通过根据所计算的避开移动来驱动操纵器臂的接头而避开臂到患者的碰撞。
根据许多实施例，可根据数个不同方法(其能够包括确定操纵器臂和患者表面之间的“最接近点”)计算避开移动。最接近点能够使用基于经由接头传感器获知操纵器方位或状态的计算来确定，或能够使用其它合适装置来近似，诸如外部传感器、视频、声呐、电容传感器、触摸传感器等。
在一个方法中，处理器计算操纵器臂的工作空间中的避开向量；并然后通过用于增广雅可比矩阵的适当系数或函数来增广雅可比矩阵以便提供避开碰撞的避开移动。处理器可经配置计算最接近点之间的排斥或避开向量；在工作空间中将避开向量映射到操纵器臂和患者表面的“最接近”点的运动中，并然后确定(H)的函数，该函数提供移动最接近点彼此离开的所希望的方向和量值。在一些方面中，如果多个相互作用的点在操纵器臂和患者表面上的各点或特征之间使用，则来自每个相互作用的特征的所得的避开向量能够诸如通过加权或缩放来组合以用于雅可比矩阵的增广。
在另一方法中，处理器可经配置计算操纵器臂和患者表面的最接近点之间(例如，避开几何形状和障碍物表面)的排斥或避开向量，并且将这些与避开向量组合，以便确定通过其增广雅可比矩阵的适当系数。如果使用操纵器臂上的多个特征，则所得的接头速度向量能够组合，诸如通过加权、缩放或其它合适方法。
在一个方面中，可计算避开移动以便包括任何数量接头的驱动，或可替换地，避开驱动操纵器臂的特定接头。例如，在图5A所示的操纵器臂中，可计算避开移动以包括驱动接头J1、J2、J3、J4和J5的各组合(尽管在所描绘实施例中，接头J3、J4和J5包括在平行四边形布置中并共享相同状态)，或可替换地计算避开移动以驱动接头J6以及所需的任何其它接头，以便在零空间内移动操纵器臂。图8中图示的操纵器臂的接头J6可选地用作将仪器托架510耦合到操纵器臂508的远侧连杆的接头。接头J6允许仪器托架510绕接头J6的轴线扭转或转动，该轴线通常经过远距中心或插入点。理想地，接头轴线远侧地位于臂上并因此特别良好适于移动插入轴线的取向。该冗余轴线的添加允许操纵器为任何单个仪器尖端方位采取多个方位，由此允许仪器尖端遵循外科医生的命令同时避开与患者解剖结构的碰撞。在接头J6的轴线、 J1的轴线和延伸穿过套管511的工具尖端的插入轴线之间的关系在图9中示出。图10A至图10C示出当接头J6将工具尖端的插入轴线从一侧移动到另一侧时套管511绕接头轴线的循序扭转或枢转移动。
图19A至图19B图示根据本发明的使用接头J6的一个示例。图19A图示当接头J6的角位移保持在0°时的操纵器臂，在该角度时，避开几何形状 700的参考点702和障碍物表面800之间的最短距离为距离d。响应于确定距离d小于所希望的距离，系统计算增广的雅可比矩阵以用于计算随后的接头移动，并且根据随后计算的移动来驱动接头J6，以便将套管511和连杆510 绕经过远距中心RC(套管511绕远距中心RC枢转)的接头轴线扭转或枢转，以便增大距离d同时将仪器的远距中心维持在所计算的枢转中心位置。图19B 图示操纵器臂，其中接头J6绕其轴线被驱动至90°的角位移。如图所示，套管511的运动已经增大避开几何形状的最接近点702和障碍物表面800之间的距离d。因此，所描述的增广的雅可比矩阵方法能够通过包括远侧接头(诸如接头J6)的驱动来抑制臂到患者的碰撞。
图20A至图20B示意地图示在通过在零空间内驱动操纵器的接头来重配置操纵器臂之前和之后的示例操纵器500。在图20A中，响应于由用户录入的重配置命令，系统针对仪器的端部执行器的给定方位并且根据剩余接头的所计算的移动在零空间内逆时针地驱动接头TJ，剩余接头在零空间内的协调的移动已经由系统计算。在另一方面中，系统可利用被增广的动力学雅可比矩阵来计算接头的速度，以便实现所希望的配置，同时操纵器臂的结构设计维持远距中心位置，诸如在图21A至图21B所示的实施例中。
在一些实施例中，雅可比矩阵经增广以便针对某些移动约束一个或更多个接头的移动。例如，雅可比矩阵能够经增广使得在所命令的重配置移动期间一个或更多个接头可以受约束(例如，位移保持在“0”)，但被允许在各种其它类型的移动期间按需移动。在其它实施例中，系统可增广雅可比矩阵，使得在零空间内被驱动的接头的速度在重配置命令的持续时间被限制或保持在大体恒定的速度。在其它实施例中，系统可增广雅可比矩阵，使得根据接头位置和/或配置或任何数量的条件来缩放接头在零空间内的速度。例如，用户可希望在重配置移动期间用比操纵器臂中的较远侧接头更高的速度驱动最近侧接头。另外，系统可增广雅可比矩阵以按需维持操纵器臂的接头中的任一个的方位或状态。
在另一方面中，系统可从系统用户以任何数量的方式接收重配置命令。在某些实施例中，操纵器包括用于从用户接收重配置命令的输入装置。输入装置可包括用于按需驱动一个或更多个接头(或可替换地用于移动一个或更多个连杆)的一个或更多个按钮或机构，并可设置在操纵器臂上，优选地设置在与响应于装置的激活而被驱动的接头对应的位置中，诸如图22A中。可替换地，系统可包括具有按钮或机构(其每个对应于操纵器臂的接头或联动装置)的群集的输入装置，诸如图22B的实施例中所示。该实施例允许用户从集中位置来重配置臂。输入装置还可包括操纵杆，诸如图22C中，其可经操作以按需驱动一个或更多个接头并实现重配置。应认识到，输入装置可包括任何数量的变体。
在另一方面中，可增广雅可比矩阵以便根据特定方向或相对速度来提供一个或更多个接头的所希望的加强(emphasis)。例如，在一个示例中，可使用以下方程以便加强第一接头(J5)相对于另一接头(J4)的移动，使得在操纵器的所计算的移动期间J5的接头速度维持在J4的接头速度的约两倍。
Figure BDA0002257264580000361
Figure BDA0002257264580000362
Figure BDA0002257264580000363
Figure BDA0002257264580000364
Figure BDA0002257264580000365
在某些方面中，系统利用结合势函数梯度的增广的雅可比矩阵并被应用到笛卡尔空间端部执行器速度。雅可比矩阵的增广按需计算接头速度。根据增广的雅可比方法，可使用以下方程，但是应认识到可使用列向量：
dx/dt＝J*dq/dt
y＝h(q)
Figure BDA0002257264580000366
Figure BDA0002257264580000367
Figure BDA0002257264580000368
Figure BDA0002257264580000369
该方法可以在两个示例中说明，如下：
在第一示例中：设定dy/dt＝0，
Figure BDA00022572645800003610
其试图强制接头 3的速度等于2x接头4的速度。
在第二示例中：设定dy/dt＝0，
Figure BDA00022572645800003611
其试图强制接头3 的速度等于0。
尽管已为了理解清晰并且作为示例相当详细地描述了示例实施例，但对于本领域技术人员，各种适应性调整、修改和改变将是显而易见的。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限制。

Claims (18)

1.一种机器人系统，其包括：
操纵器，其经配置用于相对于近侧底座远程可操作地移动远侧部分，所述操纵器具有在所述远侧部分和近侧部分之间的多个接头，所述近侧部分被耦合到所述近侧底座，所述多个接头提供充足自由度以允许用于所述远侧部分的给定状态的一定范围的接头状态；
用于接收操纵命令从而以希望的端部执行器移动来移动由所述操纵器支撑的端部执行器的输入装置；以及
被耦合到所述输入装置和所述操纵器的处理器，所述处理器经配置以：
确定在所述操纵器的特征和障碍物表面之间的相对方位；
基于确定的相对方位来确定所述多个接头中的一个或更多个接头的避开向量；
增广雅可比矩阵以提供所述操纵器的一个或更多个辅助功能或希望的移动，其中所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括在所述操纵器的所述特征和所述障碍物表面之间的碰撞避开，其中增广所述雅可比矩阵以提供所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括：基于所述避开向量来增广所述雅可比矩阵以致通过使用被增广的雅可比矩阵计算的接头移动使得所述操纵器朝向实现或维持所述操纵器的所述特征和所述障碍物表面之间的预定的间隙移动；
响应于所述操纵命令，通过基于所述增广的雅可比矩阵计算接头速度来计算所述多个接头的所述接头移动；以及
传输命令至所述操纵器以根据所述计算的接头移动来驱动所述多个接头，以便实现与所述一个或更多个辅助功能或希望的移动同时的所述希望的端部执行器移动。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述处理器经配置使得根据所述多个接头中的至少一个接头的功能或状态来增广所述雅可比矩阵。
3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述操纵器的所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括将所述端部执行器的仪器绕远距中心枢转。
4.根据权利要求3所述的机器人系统，其中所述计算的接头移动被计算成将所述远距中心维持成在移动微创孔口时保持邻近所述微创孔口。
5.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述操纵器的所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括多个不同的辅助任务或希望的移动，并且其中所述处理器经进一步配置以：
组合或过滤所述多个不同的辅助任务或希望的移动，使得增广所述雅可比矩阵提供包括数个不同的辅助任务或希望的移动的移动计算。
6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中所述处理器经进一步配置以通过如下手段来组合或过滤所述多个不同的辅助任务或希望的移动：
加权或缩放所述多个不同的辅助任务或希望的移动，或
根据优先级选择所述多个不同的辅助任务或希望的移动中的一个或更多个，或
基于所述多个接头中的一个接头的状态选择所述多个不同的辅助任务或希望的移动中的一个或更多个。
7.根据权利要求1所述的机器人系统，所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括抑制所述操纵器的被希望为不移动接头的至少一个接头的移动，其中所述处理器经进一步配置以：
增广所述雅可比矩阵以便在根据所述计算的接头移动来驱动所述多个接头时抑制所述至少一个接头的移动。
8.根据权利要求1至7中任意一项权利要求所述的机器人系统，其中使用所述增广的雅可比矩阵计算的所述接头移动对应于与使用没有增广的所述雅可比矩阵计算的接头移动相比在所述特征和所述障碍物表面之间的间隙的增大。
9.根据权利要求1至7中任意一项权利要求所述的机器人系统，其中所述处理器经进一步配置以：
确定与所述操纵器的可移动方位对应的避开几何形状，其中所述避开向量被计算成维持在所述避开几何形状和所述障碍物表面之间的希望的关系。
10.根据权利要求9所述的机器人系统，其中响应于确定所述避开几何形状距所述障碍物表面小于希望的最小距离，根据所述计算的接头移动来驱动所述多个接头。
11.根据权利要求1至7中任意一项权利要求所述的机器人系统，其中所述多个接头包括将所述近侧部分耦合到所述近侧底座的第一接头，所述第一接头包括转动接头，其中所述转动接头的移动将所述操纵器的所述远侧部分绕所述转动接头的枢转轴线枢转，并且其中所述枢转轴线从所述转动接头延伸穿过远距中心。
12.根据权利要求1至7中任意一项权利要求所述的机器人系统，其中所述多个接头包括远距球形中心接头，所述远距球形中心接头被置于所述近侧部分的远侧且被置于所述远侧部分的近侧，其中所述远距球形中心接头机械地受约束，使得所述远距球形中心接头的铰接将所述操纵器的所述远侧部分绕第一远距中心轴线、第二远距中心轴线和第三远距中心轴线枢转，并且其中所述第一远距中心轴线、第二远距中心轴线和第三远距中心轴线与远距中心交叉。
13.根据权利要求1至7中任意一项权利要求所述的机器人系统，其中所述处理器经进一步配置以：
通过使用所述操纵器的远距中心来限定所述障碍物表面。
14.一种机器人系统，其包括：
操纵器，其经配置用于相对于近侧底座远程可操作地移动远侧部分，所述操纵器具有在所述远侧部分和近侧部分之间的多个接头，所述近侧部分被耦合到所述近侧底座，所述多个接头提供充足自由度以允许用于所述远侧部分的给定状态的一定范围的接头状态；
用于接收操纵命令从而以希望的端部执行器移动来移动由所述操纵器支撑的端部执行器的输入装置；以及
被耦合到所述输入装置和所述操纵器的处理器，所述处理器经配置以：
接收重配置命令以便以希望的重配置移动来移动所述多个接头中的第一组接头，其中来自所述第一组接头的第一接头将所述近侧部分耦合到所述近侧底座，所述第一接头包括转动接头，其中所述转动接头的移动将所述远侧部分绕所述转动接头的枢转轴线枢转，其中所述枢转轴线从所述转动接头延伸穿过远距中心，并且其中所述操纵器的插入轴线沿朝向所述远距中心取向的远侧渐缩的锥体移动；
增广雅可比矩阵以提供所述操纵器的一个或更多个辅助功能或希望的移动，其中所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括基于所述第一组接头的所述希望的重配置移动对所述操纵器的重配置，其中增广所述雅可比矩阵包括所述第一组接头的命令的状态，使得根据利用所述增广的雅可比矩阵计算的接头移动来驱动所述多个接头实现与所述希望的端部执行器移动和重配置同时的所述操纵器的所述一个或更多个辅助功能或希望的移动；
通过基于所述增广的雅可比矩阵计算接头速度，响应于所述操纵命令来计算所述多个接头的所述接头移动；以及
传输命令至所述操纵器以根据所述计算的接头移动来驱动所述多个接头，以便实现与所述一个或更多个辅助功能或希望的移动同时的所述希望的端部执行器移动。
15.根据权利要求14所述的机器人系统，其中所述处理器经配置使得根据与所述操纵器的所述一个或更多个辅助功能或希望的移动相关联的至少一个接头的功能或状态来增广所述雅可比矩阵。
16.根据权利要求14或15所述的机器人系统，其中所述操纵器的所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括多个不同的辅助任务或希望的运动，并且其中所述处理器经进一步配置以：
组合或过滤所述多个不同的辅助任务或希望的移动，使得增广所述雅可比矩阵提供包括数个不同的辅助任务或希望的移动的移动计算。
17.根据权利要求14至16中任意一项权利要求所述的机器人系统，其中所述系统进一步包括：
用于接收所述重配置命令的重配置输入装置。
18.根据权利要求17所述的机器人系统，其中用于接收所述重配置命令的所述重配置输入装置包括进一步包括：
按钮群集，其中所述按钮群集包括多个按钮，所述多个按钮中的每个按钮对应于所述多个接头中的不同接头；或者
操纵杆，其经配置使得所述多个接头可通过所述操纵杆的移动来选择性地驱动。
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