CN115803153A - 时间间隔的机器人参考系 - Google Patents

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D·朱尼奥
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Abstract

本发明提供了一种机器人导航系统，该机器人导航系统包括：机器人基座(140)；机器人臂(144)，该机器人臂包括稳固到该机器人基座的近侧部分、能够相对于该近侧部分移动的远侧部分和接近该远侧部分稳固到该机器人臂的跟踪标记(156)；至少一个处理器；导航系统，该导航系统包括跟踪标记传感器，该跟踪标记传感器被配置为识别该跟踪标记在第一坐标空间中的位置；和存储器。该存储器存储指令，该指令使该至少一个处理器：使该机器人臂(144)移动到多个不同位姿；接收与当该机器人臂处于该多个不同位姿中的每个位姿时该跟踪标记(156)在第二坐标空间中的位置相关的信息；以及将该跟踪标记在该第一坐标空间中的该位置与该跟踪标记在该第二坐标空间中的该位置进行比较。

Description

时间间隔的机器人参考系
技术领域
本技术整体涉及机器人手术，并且更具体地涉及机器人手术期间的导航。
背景技术
手术导航系统用于跟踪手术期间的一个或多个物体的位置。手术机器人适用于在手术期间固持一个或多个工具或装置，并且可自主地(例如，在操作期间没有任何人工输入)、半自主地(例如，在操作期间具有一些人工输入)或非自主地(例如，仅如由人工输入所指导的)操作。
发明内容
根据本公开的实施方案的一种机器人导航系统包括：机器人基座；机器人臂，该机器人臂包括稳固到该机器人基座的近侧部分、能够相对于该近侧部分移动的远侧部分和接近该远侧部分稳固到该机器人臂的跟踪标记；至少一个处理器；导航系统，该导航系统包括跟踪标记传感器，该跟踪标记传感器被配置为识别该跟踪标记在第一坐标空间中的位置；和存储器。该存储器存储要由该至少一个处理器执行的指令，该指令当被执行时使该至少一个处理器：使该机器人臂移动到多个不同位姿；接收与当该机器人臂处于该多个不同位姿中的每个位姿时该跟踪标记在第二坐标空间中的位置相关的信息；以及将该跟踪标记在该第一坐标空间中的该位置与该跟踪标记在该第二坐标空间中的该位置进行比较。
该多个不同位姿可创建时间间隔的机器人参考系。该多个不同位姿中的至少一个位姿可对应于该机器人臂的最大延伸。每个跟踪标记可被配置为穿过覆盖物发射或反射光。该跟踪标记可以是第一跟踪标记，该第一跟踪标记被配置为发射或反射具有第一波长的光，并且该机器人臂可包括第二跟踪标记，该第二跟踪标记被配置为发射或反射具有不同于该第一波长的第二波长的光。该跟踪标记可以是第一跟踪标记，该第一跟踪标记被配置为以第一频率以脉冲发射光，并且该机器人臂可包括第二跟踪构件，该第二跟踪构件被配置为以不同于该第一频率的第二频率以脉冲发射光。该机器人臂可以是第一机器人臂，该跟踪标记可以是第一跟踪标记，该机器人导航系统还可包括第二机器人臂，该第二机器人臂包括第二跟踪标记，该导航系统可被配置为识别该第二跟踪标记在该第一坐标空间中的位置，并且该存储器可包括要由该至少一个处理器执行的指令，该指令在被执行时使该至少一个处理器将该第二跟踪标记在该第一坐标空间中的该位置与该第二跟踪标记在该第二坐标空间中的位置进行比较。
该机器人臂可以是第一机器人臂，该跟踪标记可以是第一跟踪标记，该机器人导航系统还可包括第二机器人臂，该第二机器人臂包括第二跟踪标记；该导航系统可被配置为识别该第二跟踪标记在不同于该第一坐标空间和该第二坐标空间的第三坐标空间中的位置；并且该存储器可包括要由该至少一个处理器执行的指令，该指令在被执行时使该至少一个处理器将该第二跟踪标记在该第一坐标空间中的该位置与该第二跟踪标记在该第二坐标空间中的位置进行比较。
该导航系统可被配置为检测当该机器人臂处于该多个不同位姿中的第一位姿时的第一时间上该跟踪标记的第一位置，以及检测当该机器人臂处于该多个不同位姿中的第二位姿时的第二时间上该跟踪标记的第二位置，该第二时间在该第一时间之后，并且该第二位置与该第一位置不同。该存储器可存储要由该处理器执行的附加指令，该附加指令在被执行时使该至少一个处理器至少基于所检测到的第一位置、所检测到的第二位置和该信息来将该第一坐标空间配准到该第二坐标空间。所接收的信息可独立于该跟踪标记传感器获得。
根据本公开的另一个实施方案的一种利用时间间隔的机器人参考系的方法包括：从跟踪标记传感器接收关于跟踪标记随多个不同时间而变的位置的第一信息，该跟踪标记稳固到机器人的机器人臂，并且该第一信息共同地限定在导航坐标系中的唯一形状；从机器人系统接收对应于在该多个不同时间上该跟踪标记在机器人坐标系中的位置的第二信息；以及基于该第一信息和该第二信息来将该机器人坐标系与导航坐标系进行比较。
该机器人系统可被配置为在该多个不同时间中的第一时间上将该机器人臂移动到第一位姿。该第一位姿可对应于该机器人臂在第一方向上的延伸，该机器人系统可被配置为在该多个不同时间中的第二时间上将该机器人臂移动到第二位姿，并且该第二位姿可对应于该机器人臂在不同于该第一方向的第二方向上的延伸。该第一方向可与该第二方向正交。该多个不同时间中的每个时间可发生在该机器人臂的连续移动期间。基于该第一信息和该第二信息来将该机器人坐标系与该导航坐标系进行比较可包括将该机器人坐标系配准到该导航坐标系。该配准可不基于关于未固定到该机器人臂的任何跟踪标记的任何信息。该第二信息可包括关于每个跟踪标记固定地稳固到该机器人臂的位置的信息。该方法还可包括基于该比较来操作该机器人。
根据本公开的另一个实施方案的一种用于利用时间间隔的机器人参考系的手术导航的装置包括：至少一个通信接口，该至少一个通信接口用于从机器人接收信息；至少一个跟踪标记传感器，该至少一个跟踪标记传感器被配置为检测在该机器人的机器人臂上的跟踪标记；至少一个处理器；和至少一个存储器。该至少一个存储器存储要由该至少一个处理器执行的指令，该指令当被执行时使该至少一个处理器：从该机器人接收对应于在多个不同时间中的每个时间上机器人臂的位姿的信息；从该至少一个跟踪标记传感器接收对应于在该多个不同时间中的每个时间上该跟踪标记的检测到的位置的数据；以及组合该信息和该数据以生成定制的时间间隔的参考系。
该至少一个存储器可存储要由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令当被执行时进一步使该至少一个处理器：基于该定制的时间间隔的参考系的创建来确认物体在预定坐标空间中的位置。该至少一个存储器可存储要由该至少一个处理器执行的附加指令，该附加指令当被执行时进一步使该至少一个处理器确定在该多个不同时间中的每个时间上该机器人臂的该位姿，其中每个位姿被配置为避免与在该机器人臂附近的外部物体碰撞。该至少一个跟踪标记传感器可被配置为检测在多个机器人臂中的每个机器人臂上的跟踪标记，该信息可对应于在该多个不同时间中的每个时间上该多个机器人臂中的每个机器人臂的位姿，并且该数据可对应于在该多个不同时间中的每个时间上该跟踪标记的检测到的位置。该信息可对应于该多个不同时间中的每个时间上的该机器人臂的预测位姿。
本公开的一个或多个方面的细节在以下附图和描述中阐述。根据说明书和附图以及权利要求书，本公开中描述的技术的其他特征、目标和优点将是显而易见的。
短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”是在操作中具有连接性和分离性两者的开放式表述。举例来说，表述“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”意指仅A、仅B、仅C、A和B一起、A和C一起、B和C一起，或A、B和C一起。当上述表述中的A、B和C中的每一个都指代如X、Y和Z的一个元素或如X1-Xn、Y1-Ym和Z1-Zo的一类元素时，短语意指选自X、Y和Z的单个元素、选自同一类的元素(例如，X1和X2)的组合以及选自两个或更多类的元素(例如，Y1和Zo)的组合。
术语“一(a/an)”实体指所述实体中的一个或多个。如此，术语“一(a/an)”、“一个或多个”和“至少一个”在本文中可以可互换地使用。还应当注意，术语“包括(comprising/including)”、和“具有”可以可互换地使用。
前述内容是本公开的简化概述以提供对本公开的一些方面的理解。本发明内容既不是对本公开和其各个方面、实施方案和配置的广泛性概述也不是详尽性概述。其既不旨在识别本公开的关键或重要要素，也不旨在描绘本公开的范围，而是以简化形式呈现本公开的所选概念，作为对下文呈现的更详细描述的介绍。如应了解，本公开的其他方面、实施方案和配置可能单独或以组合方式利用上文所阐述或下文所详细描述的特征中的一个或多个。
在考虑下文提供的实施方案描述之后，本发明的许多额外特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。
附图说明
附图并入并形成本说明书的一部分以示出本公开的几个示例。这些附图连同描述一起解释本公开的原理。附图仅示出如何进行和使用本公开的优选和替代性示例，且不应解释为仅将本公开限制于所示出和所描述的示例。另外的特征和优点将根据以下对本公开的各个方面、实施方案和配置的更详细描述变得显而易见，如通过以下所参考的图式所示出。
图1是根据本公开的至少一个实施方案的系统的框图；
图2A描绘了根据本公开的至少一个实施方案的机器人；
图2B描绘了根据本公开的至少一个实施方案的另一个机器人；
图3是根据本公开的至少一个实施方案的方法的流程图；
图4A描绘了根据本公开的一个实施方案的跟踪标记传感器的视野，其中机器人以第一位姿在视野内；
图4B描绘了根据本公开的一个实施方案的跟踪标记传感器的视野，其中机器人以第二位姿在视野内；
图4C描绘了根据本公开的一个实施方案的跟踪标记传感器的视野，其中机器人以第三位姿在视野内；
图4D描绘了根据本公开的一个实施方案的跟踪标记传感器的视野，其中机器人以第四位姿在视野内；
图5描绘了在四个单独时间上跟踪标记的所检测到的位置，其对应于图4A至图4D示出的机器人的四个位姿；并且
图6是根据本公开的至少一个实施方案的方法的流程图；并且
图7是根据本公开的至少一个实施方案的方法的另一个流程图。
具体实施方式
应当理解，可将本文所公开的各个方面以与说明书和附图中具体给出的组合不同的组合进行组合。还应理解，取决于示例或实施方案，本文中所描述的过程或方法中的任一个的某些动作或事件可以不同的序列执行，和/或可添加、合并或完全省略(例如，根据本公开的不同实施方案，执行所公开技术可能不需要所有描述的动作或事件)。另外，出于清晰的目的，虽然本公开的某些方面被描述为由单个模块或单元执行，但应理解，本公开的技术可由与例如计算装置和/或医疗装置相关联的单元或模块的组合执行。
在一个或多个示例中，所描述方法、过程和技术可以硬件、软件、固件或其任何组合实施。如果在软件中实现，则功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上并由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括非暂态计算机可读介质，其对应于有形介质，诸如数据存储介质(例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器，或可用于存储指令或数据结构形式的期望程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质)。
指令可以由一个或多个处理器执行，诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器(例如，Intel Core i3、i5、i7或i9处理器；Intel Celeron处理器；Intel Xeon处理器；Intel Pentium处理器；AMD Ryzen处理器；AMD Athlon处理器；AMD Phenom处理器；Apple A10或10X Fusion处理器；Apple A11、A12、A12X、A12Z或A13 Bionic处理器；或任何其他通用微处理器)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等效的集成或离散逻辑电路系统。因此，如本文所用的术语“处理器”可指前述结构或适于实现所描述的技术的任何其他物理结构中的任一种。另外，本技术可在一个或多个电路或逻辑元件中完全实现。
在详细地解释本公开的任何实施方案之前，应当理解，本公开在其应用方面不限于以下描述中阐述或附图中示出的构造细节和部件布置。本公开能够具有其他实施方案并且能够以各种方式实践或进行。同样，应理解，本文中所使用的措词和术语是出于描述的目的且不应视为是限制性的。本文中使用“包括(including/comprising)”、或“具有”以及其变化形式意在涵盖其后列出的项目和其等效物以及额外项目。此外，本公开可使用示例来示出其一个或多个方面。除非另有明确说明，否则使用或列出一个或多个示例(其可由“例如(for example)”、“借助于示例”、“例如(e.g.)”、“诸如”或类似语言指示)不旨在且并不限制本公开的范围。
导航的机器人程序通常涉及参考系和跟踪器，这些跟踪器的位置由跟踪标记传感器检测。例如，导航系统可使用相机作为跟踪标记传感器，该相机可检测附接到机器人臂的参考系上的光学跟踪标记。利用此信息，机器人系统的坐标系可与导航系统的坐标系相关联。在其他情况下，可准确地确定机器人臂的位置和取向的来自跟踪标记传感器的信息可用于校准机器人系统。
更大的参考系为导航系统提供了更好的准确度。然而，大参考系阻碍操作场、缺乏效率并且不太稳定。如本文所公开，机器人臂可通过移动到若干不同位姿、在每个位姿处暂停以供导航相机或其他跟踪标记传感器捕获机器人臂的位姿(例如，稳固到机器人臂的跟踪标记的位置)来创建时间间隔的参考系。然后，存储和组合各点，并且在若干移动(例如，四次)之后，所存储的点创建“时间间隔的”系，如同导航系统出现在那些所存储的点处具有反射球体或LED的巨大参考系一样。
在本公开的实施方案中，机器人臂可快速地且准确地移动到机器人空间内的指定位姿。为了将在机器人空间中的这些位姿变换为在导航空间中的点，可将小参考系附加到机器人臂。然而，为了更大的准确度，机器人臂可通过移动到多个(例如，四个)具体位置(参考点)、在每个位置处暂停以供导航相机“捕获”在导航空间中的参考点来跟踪“巨大”参考系。例如，机器人臂的端部可具有LED(包括例如红外发射装置)、反射球体、光学图案(例如，QR码、条形码)、形状(例如，三角形、圆形、正方形)(其可被印刷或涂刷在臂上、作为贴纸施加或以任何其他方式提供)、颜色、特定波长的发射器、特定波长的反射器、以特定频率产生脉冲的发射器或用于相机或其他跟踪标记传感器的任何其他跟踪标记。在机器人使机器人臂在机器人空间中移动通过四个位姿时，导航系统检测跟踪标记并因此识别在导航空间中的四个对应参考点，使得那四个参考点有效地用作链接机器人和导航空间的巨大参考系。
其他实施方案可使用在机器人臂上的多个LED、反射球体或其他跟踪标记(使得相机或其他跟踪标记传感器可从多个角度跟踪机器人臂)。另外，机器人臂可连续地移动到指定参考点中的每个指定参考点和从中心点移动到指定参考点中的每个指定参考点，其中导航相机连续地跟踪跟踪标记并因此跟踪机器人臂，并且检测方向变化(例如，从臂移动到参考点对臂移动远离参考点的180度变化)以减小形成时间间隔的机器人参考系所需的所需时间。
2019年1月10日提交的并全文以引用方式并入本文的名称为“用于在坐标系与导航之间的配准的系统和方法(System and Method for Registration BetweenCoordinate Systems and Navigation)”的美国专利申请号16/244,369描述了动态快照跟踪装置，该动态快照跟踪装置可移动到导航体积内的多个位置并在该多个位置中的每个位置处被跟踪。多个位置可协同地使用以定义大于单个物理快照跟踪装置的虚拟快照跟踪装置，并且因此实现与单个物理快照跟踪装置的可能情况相比可能更大的准确度和更少的偏差。
当机器人的位置相对于跟踪标记传感器的位置固定或反之亦然时，如本文所述(并使用机器人和跟踪标记传感器创建)的时间间隔的机器人参考系可能特别地有用。在跟踪标记传感器相对于机器人的位置不固定的情况下，物理参考系可与如本文所描述的时间间隔的机器人参考系结合使用。另选地，可以使得在跟踪标记传感器与机器人之间的相对移动(或相对移动机会)最小化的方式(诸如通过在短时间段内捕获时间间隔的机器人参考系的各个点)生成时间间隔的机器人参考系。
首先转向图1，示出了根据本公开的至少一个实施方案的系统100的框图。系统100可以：用于例如执行本文所公开的方法中的一种或多种方法的一个或多个方面；用于导航目的；用于配准目的；用于校准操作；用于验证导航系统(诸如导航系统160)或机器人(如机器人136)的操作完整性；或用于任何其他有用的目的。系统100包括计算装置102、跟踪标记传感器132、机器人136、导航系统160、数据库164和云168。尽管描述了前述内容，根据本公开的其他实施方案的系统可省略计算装置102、跟踪标记传感器132、机器人136、导航系统160、数据库164和/或云168中的任何一者或多者。另外，根据本公开的其他实施方案的系统可不同地布置系统100的一个或多个部件(例如，跟踪标记传感器132、机器人136和导航系统160中的一者或多者可包括图1示出的作为计算装置102的一部分的部件)。
计算装置102包括至少一个处理器104、至少一个通信接口108、至少一个用户接口112和至少一个存储器116。根据本公开的其他实施方案的计算装置可省略通信接口108和用户接口112中的一者或两者。
计算装置102的至少一个处理器104可为本文中所标识或描述的任何处理器或任何类似处理器。至少一个处理器104可被配置为执行存储在至少一个存储器116中的指令，这些指令可使至少一个处理器104利用或基于例如从跟踪标记传感器132、机器人136、导航系统160、数据库164和/或云168接收的数据来执行一个或多个计算步骤。
计算装置102还可包括至少一个通信接口108。至少一个通信接口108可用于从外部源(诸如跟踪标记传感器132、机器人136、导航系统160、数据库164、云168和/或便携式存储介质(例如，USB驱动器、DVD、CD))接收图像数据或其他信息，和/或用于将指令、图像或其他信息从至少一个处理器104和/或计算装置102更一般地传输到外部系统或装置(例如，另一计算装置102、跟踪标记传感器132、机器人136、导航系统160、数据库164、云168和/或便携式存储介质(例如，USB驱动器、DVD、CD))。该至少一个通信接口108可包括一个或多个有线接口(例如，USB端口、以太网端口、火线端口)和/或一个或多个无线接口(例如，被配置为经由一个或多个无线通信协议，诸如802.11a/b/g/n、蓝牙、低功耗蓝牙、NFC、紫蜂等等来传输信息)。在一些实施方案中，该至少一个通信接口108可用于使得装置102能够与一个或多个其他处理器104或计算装置102通信，无论是减少完成计算密集型任务所需的时间还是出于任何其他原因。
至少一个用户接口112可以是或包括键盘、鼠标、轨迹球、监测器、电视、触摸屏、按钮、操纵杆、开关、杠杆和/或用于从用户接收信息和/或用于将信息提供到计算装置102的用户的任何其他装置。该至少一个用户接口112可用于例如接收结合本文所述的任何方法的任何步骤的用户选择或其他用户输入；接收关于计算装置102和/或系统100的另一部件的一个或多个可配置设置的用户选择或其他用户输入；接收关于如何存储和/或传送由计算装置102接收、修改和/或生成的数据和/或将该数据存储和/或传送到何处的用户选择或其他用户输入；和/或基于由计算装置102接收、修改和/或生成的数据而向用户显示信息(例如，文本、图像)和/或播放声音。尽管在系统100中包括该至少一个用户接口112，但是系统100可自动地(例如，在没有通过该至少一个用户接口112的任何输入的情况下或以其他方式)执行本文中所描述的任何方法的步骤中的一个或多个或全部。
虽然该至少一个用户接口112示出为计算装置102的一部分，但在一些实施方案中，计算装置102可利用与计算装置102的一个或多个其余部件分开容纳的用户接口112。在一些实施方案中，用户接口112可接近计算装置102的一个或多个其他部件定位，而在其他实施方案中，用户接口112可远离计算机装置102的一个或多个其他部件定位。
至少一个存储器116可以是或包括RAM、DRAM、SDRAM、其他固态存储器、本文中所描述的任何存储器或用于存储计算机可读数据和/或指令的任何其他有形的非暂时性存储器。至少一个存储器116可存储适用于完成例如本文中所描述的方法200或300的任何步骤的信息或数据。至少一个存储器116可存储例如关于一个或多个预定坐标系120的信息(例如，关于机器人坐标系或空间的信息、关于导航坐标系或空间的信息、关于患者坐标系或空间的信息)；要由至少一个处理器104执行例如以使至少一个处理器104执行方法200和/或方法300的步骤中的一个或多个步骤的指令124；和/或用于由处理器使用以执行完成方法300、方法600和/或方法700的步骤中的一个或多个步骤所需的任何计算或用于任何其他计算的一种或多种算法128。在一些实施方案中，此类预定坐标系120、指令124和/或算法128可被组织成一个或多个应用程序、模块、包、层或引擎，并且可使至少一个处理器104操纵存储在至少一个存储器116中和/或从系统100的另一部件或通过该另一部分接收的数据。
跟踪标记传感器132可操作以检测一个或多个跟踪标记156(下文所描述)。跟踪标记传感器132可为例如光学相机；红外相机；3D相机系统；立体视觉系统；另一成像装置；电磁系统；或可检测一个或多个跟踪标记156的任何其他传感器。跟踪标记传感器132可包括用于执行存储在跟踪标记传感器132的专用存储器中的指令的专用处理器，或者跟踪标记传感器132可简单地被配置为将其收集的数据传输到计算装置102或系统100的另一部件。在一些实施方案中，尽管在图1中示出为仅与计算装置102通信，但是跟踪标记传感器132可与计算装置102、机器人136、导航系统160、数据库164和/或云168中的任一者或多者进行通信。而且，在一些实施方案中，计算装置102可包括跟踪标记传感器132，而在其他实施方案中，导航系统160可包括跟踪标记传感器132。在仍其他实施方案中，机器人136可包括跟踪标记传感器132。
跟踪标记传感器132可直接定位于手术台或其一部分的上方，或者定位于手术台或其一部分的上方和一侧，或者定位于手术室或容纳机器人136的其他房间内的另一方便位置。跟踪标记传感器132可定位于经选择以为跟踪标记传感器132提供在操作期间机器人136的机器人臂144的清晰和/或无障碍的视野(并且因此提供固定地稳固到机器人臂144的一个或多个跟踪标记156的清晰和/或无障碍的视野)的位置处。在一些实施方案中，跟踪标记传感器132是固定的，而在其他实施方案中，跟踪标记传感器132可在一个或多个方向上精确地移动(无论手动还是自动)。
在再其他实施方案中，跟踪标记传感器132的位置和/或视野可用于确定机器人臂144可移动到哪个位置以生成如本文所公开的时间间隔的机器人参考系。例如，外科医生或其他医务人员可将跟踪标记传感器132放置在手术室或其中使用跟踪标记传感器132的其他空间的似乎良好地工作的位置。然后，可确定跟踪标记传感器132的取向和/或视野(例如，通过用跟踪标记传感器132进行一些拍照并辨识/跟踪在视野中的物体或以其他方式确定取向和/或视野)，并且将其用于限定其中下文描述的机器人136可移动机器人臂144以创建如本文其他地方所描述的时间间隔的机器人参考系的区域。基于在定义区域中的约束，也可定义时间间隔的机器人参考系的形状和大小。
跟踪标记传感器132可被配置为在多个时刻上捕获关于所感测的跟踪标记156的数据。例如，在跟踪标记传感器132是相机的情况下，跟踪标记传感器132可被配置为捕获包括一个或多个跟踪标记156的静态图像序列。跟踪标记传感器132可被配置为以周期性间隔捕获此类数据，或者当由用户命令(例如，经由用户接口112)时或根据来自计算装置102、机器人136和/或导航系统160(自主地生成或响应于用户输入)的信号捕获此类数据。
跟踪标记传感器132可另外或可替代地可操作以实时捕获对应于一个或多个跟踪标记156的数据。在此类实施方案中，跟踪标记传感器132可向计算装置102提供实时传感器数据流，该计算装置可连续地处理传感器数据以检测其中的一个或多个跟踪标记156的变化位置。在一些实施方案中，跟踪标记传感器132可以是被配置为捕获一系列视频帧的摄像机。然后，计算装置102的处理器104(或任何其他处理器)可用于辨识或以其他方式检测在每个视频帧中的跟踪标记156，以及/或者比较不同视频帧中的移动以识别或外推跟踪标记156的移动轨迹。在一些实施方案中，跟踪标记传感器132可包括多于一个跟踪标记传感器132。
连续地或周期性地跟踪机器人臂(诸如机器人臂144)的并更具体地是定位在这样的机器人臂上的跟踪标记传感器156的位置(无论是否通过捕获机器人臂144的和/或定位在其上的跟踪标记传感器156的静态图像或视频)的一个益处是可连续地或周期性地确认机器人空间配准到导航空间。这有利地通过降低任何手术步骤将在机器人空间与导航空间之间未正确地对准的情况下执行的可能性来增强患者安全性，该机器人空间和导航空间中的一者或两者也可与患者空间对准。在机器人能够向处理器104提供关于机器人臂的独立位置信息的情况下，处理器104可将来自机器人的独立位置信息与使用跟踪标记传感器132获得的位置信息进行比较以提供冗余安全层。此外，如本文所公开的时间间隔的机器人参考系的生成可在机器人136(包括机器人臂144)执行其计划手术移动时完成，使得在手术期间不需要附加移动或时间来确认配准。相反，在机器人136将机器人臂144移动到适当位姿来进行手术规程的每个步骤时，跟踪标记传感器132可用于在手术期间捕获静态图像或视频(或以其他方式监测机器人臂144和/或在其上的跟踪标记传感器156)。总之，在多个位姿中的每个位姿处跟踪标记156的相应位置形成时间间隔的机器人参考系，如本文其他地方进一步描述的。此外，在一些实施方案中，可分析详述机器人136(包括其机器人臂144)的计划移动的手术计划以识别机器人136何时将处于最有效位姿来捕获跟踪标记156的位置以用于生成如本文所公开的时间间隔的机器人参考系。
仍参考图1，并且还参考图2A至图2B，机器人136可以是任何手术机器人或手术机器人系统。机器人136可为或包括例如Mazor XTM隐形版机器人引导系统。机器人136可包括支撑机器人臂144的基座140。机器人136可包括一个或多个机器人臂144。在一些实施方案诸如图2B示出的实施方案中，机器人臂144可包括第一机器人臂144A和第二机器人臂144B。在其他实施方案中，机器人136可包括多于两个机器人臂144。在一些实施方案中，机器人臂144可协助手术规程(例如，通过在外科医生或其他用户操作工具时将工具保持在期望轨迹或位姿和/或支撑工具的重量，或以其他方式)和/或自动地进行手术规程。
在本公开的包括具有多个机器人臂144(或多个机器人136，每个机器人具有一个或多个机器人臂144)的机器人136的实施方案中，机器人臂144可组合使用以产生时间间隔的机器人参考系。例如，每个机器人臂144可呈现和/或移动到独特位姿，并且可检测和/或记录在每个机器人臂144上的跟踪标记156的位置。然后，可使用所得位置来生成时间间隔的机器人参考系，如本文其他地方所描述。另选地，在一些实施方案中，如果跟踪标记传感器132无法看到多个机器人臂(或稳固到其的跟踪标记156)中的一个机器人臂或在发生这一情况时，则多个机器人臂中的另一个机器人臂可用于生成时间间隔的机器人参考。
在一些实施方案中，多个机器人臂144可共享公共坐标系或空间，而在其他实施方案中，一个或多个机器人臂144可具有与由另一个或多个机器人臂144使用的坐标系或空间不同的坐标系或空间。在多个机器人臂144使用多个坐标系的实施方案中，多个机器人臂144中的对应于多个坐标系中的每个坐标系的至少一个机器人臂可用于生成时间间隔的机器人参考系，该时间间隔的机器人参考系然后可用于将每个坐标系映射到导航坐标系。而且，在一些实施方案中，一个机器人臂144的远侧端部或端部执行器可用于接触指定位置(例如，患者身上的特定位置)，并且另一个机器人臂144可用于形成时间间隔的机器人参考系，由此允许参考系用于使患者空间、机器人空间和导航空间相关。
仍然参考图1和图2A至图2B，机器人臂144可具有三个、四个、五个、六个或更多个自由度。机器人臂144可包括一个或多个段152。每个段152可包括构件176和接头172，构件176附接到该接头和/或构件176从该接头延伸。接头172可固定到例如基座140或另一段152的构件176。接头172可为使构件176能够相对于接头172所附接到的结构选择性移动的任何类型的接头。例如，接头172可为枢转接头、铰链接头、鞍形接头或球窝接头。接头172可允许构件176在一个维度或多个维度中和/或沿一个轴线或沿多个轴线移动。
在包括仅具有一个段152的机器人臂144的机器人136的实施方案中，段152的接头172可固定到基座140，并且段152的构件176可包括稳固到接头172的近侧端部和支撑端部执行器的远侧端部。端部执行器可以是例如工具(例如，钻、锯、螺丝刀、成像装置)或工具引导件(例如，用于沿着期望的轨迹引导活检针、消融探针或其他工具)。
在包括具有多个段152的机器人臂144的机器人136的实施方案中，如图2A所示，第一段152可包括稳固到基座140的接头172，并且第一段152的构件176可包括稳固到接头172的近侧端部和支撑第二段152的接头的远侧端部。第二段152的构件176可包括稳固到第二段152的接头172的近侧端部和支撑第三段152的接头172的远侧端部，依此类推。最后一个段152的构件176可包括支撑端部执行器180的远侧端部，该端部执行器可与上文所描述的端部执行器相同或类似。在此类实施方案中，各个段152的接头172可为或可不为相同的类型，并且各个段152的构件176可为或可不为相同的。在一些实施方案中，构件176中的一个或多个构件可被配置为伸缩或以其他方式延伸和缩回来选择性地调整其长度。
机器人臂144的段152的所有或一些接头172可被供电(以便可选择性地控制而无需由人进行物理操纵)。电动、气动、液压和/或其他手段中的任何一种或多种手段可用于选择性地控制构件176关于接头172的移动。例如，每个段152可包括用于相对于该段152的接头172选择性地移动该段152的构件176的伺服系统。
机器人臂144还包括一个或多个传感器148。每个传感器148可被定位为检测给定段152的构件176相对于段152的接头172的位置。例如，在给定段152的接头172是或包括铰链接头的情况下，传感器148可检测构件176相对于铰链接头的轴线的角位置。在给定段152的接头172是或包括旋转接头(例如，被配置为允许构件176围绕延伸穿过构件176和接头172的轴线旋转)的情况下，传感器148可检测构件176相对于延伸穿过构件176和接头172的轴线的角位置。每个传感器148可为例如旋转编码器、线性编码器或增量编码器。
来自传感器148的数据可被提供给机器人136的处理器、计算装置102的处理器104和/或导航系统160。该数据可用于计算机器人臂144相对于预定坐标系的空间位置。例如，机器人136可计算机器人臂144相对于坐标系的空间位置，该坐标系的原点位于机器人臂144的第一段152的接头172固定到基座140的位置处。该计算可不仅基于从传感器148接收的数据，而且还可基于与每个段152相对应和/或与稳固到最后一个段152的端部执行器相对应的数据或信息(例如，物理尺寸)。仅借助于示例，机器人臂144的近侧端部的已知位置(例如，在其处，第一段152的接头172稳固到基座140)、每个段152的已知尺寸以及来自传感器148的关于每个段152的构件176相对于每个段152的接头172的取向的数据可用于计算机器人臂通过空间的路径。
仍然参考图1A至图1B，至少一个跟踪标记156固定地稳固到或定位在机器人臂144上。跟踪标记156可例如靠近机器人臂144的远侧端部定位，无论是否在其端部执行器180上都是如此。如本文所使用，“固定地稳固”并不意指“永久地稳固”，并且实际上跟踪标记156可从机器人臂144拆卸。跟踪标记156可以是红外发射二极管(IRED)或任何其他种类的发光二极管(LED)。在一些实施方案中，跟踪标记156可以是反射球体、几何或光学图案(例如，QR码或条形码)。跟踪标记156还可以是形状(例如，三角形、圆形、正方形)或颜色，任一形状或颜色可被印刷或涂刷在臂上、作为贴纸施加或以任何其他方式提供。跟踪标记156还可以是特定波长的发射器、特定波长的反射器、以特定频率产生脉冲的发射器或可容易地由跟踪标记传感器132区分的另一个物品或特征。跟踪标记156可被配置为即使当被可布置在机器人臂144上或上方以维持无菌手术室环境的盖布或其他覆盖物覆盖时也可由跟踪标记传感器132检测到。
在使用多于一个跟踪标记156的情况下(例如，当多个跟踪标记156稳固到单个机器人臂144时，和/或当一个或多个跟踪标记156稳固到多个机器人臂144中的每个机器人臂时)，跟踪标记156可全部相同，或者跟踪标记156中的一个或多个跟踪标记可不同于跟踪标记156中的另一个或多个跟踪标记。在一些实施方案中，跟踪标记156中的一个或多个跟踪标记可被配置为发射第一波长的光，并且跟踪标记156中的另外一个或多个跟踪标记可被配置为发射不同于第一波长的第二波长的光。而且在一些实施方案中，跟踪标记156中的一个或多个跟踪标记可被配置为反射第一波长的光，而这些跟踪标记中的另外一个或多个跟踪标记可被配置为反射不同于第一波长的第二波长的光。上文所描述的实施方案的光的发射波长和/或反射波长可为特定光谱内的波长(例如，可见光谱中对应于红光的波长与对应于蓝光的波长，或红外光谱中的不同波长)以及来自不同光谱的波长(例如，可见光谱中的波长与红外光谱中的波长)。附加地或另选地，跟踪标记156中的一个或多个跟踪标记可以是或可包括以第一频率产生脉冲的发射器，并且跟踪标记156中的另一个或多个跟踪标记可以是或可包括以不同于第一频率的第二频率产生脉冲的发射器。
在一些实施方案中，多个跟踪标记156可固定地稳固到机器人臂144的段152或定位在该段上，该段包括机器人臂144的远侧端部(但不包括例如可附接到其的端部执行器180)。多个跟踪标记156可被布置成使得至少一个跟踪标记156从段152和/或臂144的多个可能取向中的任一个可能取向可见(例如，对跟踪传感器132可见)。例如，在一些实施方案中，跟踪标记156可靠近机器人臂144的远侧端部围绕该机器人臂周向地间隔开。
在本公开的一些实施方案中，跟踪标记156可以可移动地稳固到机器人臂144，并且可进一步相对于机器人臂144选择性地移动。在此类实施方案中，跟踪标记156可被配置为当机器人臂144移入或移出某一位置或某组位置时从机器人臂144上的第一位置(例如，接近该机器人臂的远侧端部)移动(或自动地移动)到机器人臂144上的第二位置(例如，接近该机器人臂的近侧端部)。跟踪标记156的此类移动的目的可以是促进维护在跟踪标记156与跟踪标记传感器132之间的视线，或者使跟踪标记156的多个位置能够在不移动机器人臂144本身的情况下由跟踪标记传感器132记录。例如，这可有利于增加时间间隔的机器人参考系的有效大小，如本文其他地方所描述。在此类实施方案中，机器人136(和/或系统100的另一部件)可被配置为跟踪跟踪标记156是否处于其相应的第一位置或第二位置(或其他位置)，并且将此类信息提供给导航系统160(或系统100的任何其他部件)，以基于如机器人136(和/或系统100的另一部件)已知的跟踪标记156相对于机器人臂144的位置并且进一步基于如由导航系统160(例如，使用跟踪传感器132)所检测的跟踪标记156的位置来实现机器人坐标系与导航坐标系的相关性。系统100的机器人136和/或另一个部件可由于校准过程或简单地通过在其存储器中存储对应于跟踪标记156相对于机器人臂144的位置的信息而“知道”跟踪标记156相对于机器人臂144的位置。
再次参考图1，在手术期间，导航系统160可为外科医生和/或机器人136提供导航。导航系统160可为任何现在已知的或将来开发的导航系统，包括例如MedtronicStealthStationTMS8手术导航系统。导航系统160可包括相机或其他传感器，用于检测和/或跟踪一个或多个参考标记、导航跟踪器或在手术室或进行手术规程的其他房间内的其他物体。在一些实施方案中，导航系统160可包括跟踪标记传感器132。在各个实施方案中，导航系统160可用于跟踪机器人臂144(或更具体地，附接到机器人臂144的跟踪标记156)的位置。导航系统160可用于跟踪一个或多个参考标记或阵列或其他结构的位置，该参考标记或阵列或其他结构可用于由导航系统160的相机或其他传感器检测。导航系统160可包括用于显示来自外部源(例如，计算装置102、跟踪标记传感器132或其他源)的一个或多个图像，或来自导航系统160的相机或其他传感器的视频流的显示器。在一些实施方案中，系统100可在不使用导航系统160的情况下操作。
数据库164可存储使机器人臂144的位置和取向或位姿与跟踪标记156的位置相关的信息。数据库164还可存储关于跟踪标记156的多个所检测的位置中的每个检测到的位置的信息。数据库164可附加地或另选地存储例如关于或对应于跟踪标记156的一个或多个特性；用于由机器人136、导航系统160和/或计算装置102或系统100的用户使用的一个或多个手术计划；可与待由系统100的一个或多个其他部件完成或待在该一个或多个其他部件的辅助下完成的手术结合使用的一个或多个图像的信息；和/或其他任何有用的信息。数据库164可被配置为将任何此类信息提供到计算装置102或系统100的任何其他装置或系统100外部的任何其他装置，无论直接地或通过云168。在一些实施方案中，数据库164可以是或包括医院图像存储系统的一部分，诸如图片存档与通信系统(PACS)、健康信息系统(HIS)和/或用于收集、存储、管理和/或传输包括图像数据的电子医疗记录的另一系统。
云168可以是或表示因特网或任何其他广域网。计算装置102可使用有线连接、无线连接或两者通过通信接口108连接到云168。在一些实施方案中，计算装置102可经由云168与数据库164和/或外部装置(例如，计算装置)通信。
现在转向图3，可例如由至少一个处理器执行用于利用时间间隔的机器人参考系的方法300。至少一个处理器可以与上文所描述的计算装置102的处理器104相同或类似。至少一个处理器可为机器人(诸如机器人136)的部分，或导航系统(诸如导航系统160)的一部分。除了本文描述的任何处理器之外的处理器还可用于执行方法300。至少一个处理器可通过执行存储在存储器中的指令(诸如存储器116的指令124)来执行方法300。这些指令可与下文描述的方法300的一个或多个步骤相对应。这些指令可使处理器执行一种或多种算法，诸如算法128。
方法300包括使机器人的机器人臂移动到多个不同位姿(步骤304)。机器人的机器人臂可与上文描述的机器人136的机器人臂144相同或类似。多个不同位姿可以是两个位姿、三个位姿、四个位姿或更多位姿。在一些实施方案中，多个不同位姿可包括数十或数百个位姿。使机器人的机器人臂按序列移动到多个不同位姿，使得在机器人臂处于多个不同位姿中的一个位姿的第一时间与机器人臂处于多个不同位姿中的后续位姿的第二时间之间存在空间或时间段(无论是以毫秒、秒、分钟还是以其他方式测量)。在多个不同位姿中的任何两个位姿(只要两个位姿在时间上相邻即可)之间的空间或时间段可以是相同的，或者可从一对在时间上相邻的位姿变化到另一对在时间上相邻的位姿。
可选择或确定多个不同位姿，以最大化在每个位姿的机器人臂上的跟踪标记与在每个其他位姿的机器人臂上的跟踪标记之间的距离。可另选地选择或确定多个不同位姿，以最大化在每个位姿的机器人臂上的跟踪标记与在每个其他位姿的机器人臂上的跟踪标记之间的距离，同时仍确保跟踪标记保持在跟踪标记传感器诸如跟踪标记传感器132的视野内。在再其他实施方案中，可至少部分地基于就导航体积内的一个或多个障碍物(例如，医务人员的臂和手；工具、器械和定位在导航体积内的其他装置)而言导航体积内的可用位姿来选择不同位姿。在再另外实施方案中，可至少部分地基于前述考虑中的一个或多个考虑和/或基于任何其他考虑来选择多个不同位姿。
在一些实施方案中，多个不同位姿中的至少一个位姿可以是机器人臂与指定位置接触(例如，患者身上的特定位置)的位姿。在此类实施方案中，所得时间间隔的机器人参考系可用于使患者空间、机器人空间和导航空间相关。
图4A至图4D以举例的方式示出了机器人臂诸如机器人臂144的可移动通过的四个不同位姿的一个序列。图4A至图4D中的机器人136和其机器人臂144被示出为在跟踪标记传感器诸如跟踪标记传感器132的视野中。在图4A至图4D的示例中，机器人臂144在图4A至图4D示出的四个不同位姿中的每个位姿延伸到或几乎延伸到其最大延伸。在图4A至图4D中跟踪标记156接近机器人臂144的远侧端部定位的情况下，机器人臂144延伸到或几乎延伸到最大可能延伸有益地使作为方法300的一部分创建的时间间隔的机器人参考系尽可能大，由此促成相对于更小的参考系提高的准确度。然而，在其他实施方案中，无论是在多个不同位姿中的一些位姿还是所有位姿，机器人臂都可能不延伸到或几乎延伸到其最大延伸。尽管图4A至图4D示出了具有附连到其的单个跟踪标记156的机器人臂144，但是在本公开的一些实施方案中，多个跟踪标记156可附连到机器人臂144。
在一些实施方案中，多个不同位姿中的一个位姿可以是机器人臂的当前位姿，并且多个不同位姿中的另一个位姿可以是结合手术规程的手术步骤所需的机器人臂的位姿。这可包括使处理器(例如，处理器104)执行存储在存储器中的指令(例如，存储在存储器116中的指令124)，该指令可使处理器生成一个或多个信号并将其传输到机器人诸如机器人136。可例如经由通信接口诸如通信接口108发送信号。
再次参考图3，方法300还包括当机器人臂处于多个不同位姿中的第一位姿时，使跟踪标记传感器检测在机器人臂上的跟踪标记在第一坐标空间中的第一位置(步骤308)。跟踪标记传感器可与跟踪标记传感器132相同或类似。跟踪标记传感器可为光学相机、红外相机或被配置为检测跟踪标记的任何其他传感器。在一些实施方案中，跟踪标记传感器可为机器人(诸如机器人136)的一部分，或导航系统(如导航系统160)的一部分，或计算装置(诸如计算装置102)的一部分。在一些实施方案中，跟踪标记传感器可独立于前述部件中的任一部件，但可与前述部件中的一个或多个部件进行电子通信。
可基于坐标系诸如导航坐标系来定义跟踪标记的所检测到的位置。跟踪标记的所检测到的位置可存储在存储器诸如存储器116中，或者存储在数据库诸如数据库164中。使跟踪标记传感器检测第一位置可包括处理器(例如，处理器104)执行存储在存储器中的指令(例如，存储在存储器116中的指令124)，该指令可使处理器生成一个或多个信号并将信号传输到跟踪标记传感器诸如跟踪标记传感器132。信号可被配置为使跟踪标记传感器激活(例如，拍摄图片、打开光圈)，以便检测跟踪标记的第一位置。一旦机器人臂已经到达多个不同位姿中的一个位姿，就可对信号进行定时以使跟踪标记激活。在一些实施方案中，一个或多个信号可使跟踪标记传感器在给定时间段(例如，1秒、4秒、30秒、一分钟)内周期性地激活达设定次数的迭代(例如，4次、10次、100次)，在该给定时间段期间，机器人臂可连续地移动通过多个不同位姿(例如，无需在每个位姿处暂停)。可例如经由通信接口诸如通信接口108发送信号。
方法300还包括当机器人臂处于多个不同位姿中的第二位姿时，使跟踪标记传感器检测在机器人臂上的跟踪标记在第一坐标空间中的第二位置(步骤312)。步骤312可与步骤308相同或基本上相同，但是机器人臂处于多个不同位姿中的第二位姿。
尽管在图3中未反映，但是在一些实施方案中，方法300可包括使跟踪标记传感器检测当一个或多个机器人臂分别处于多个不同位姿中的第三位姿、第四位姿、第五位姿等时在一个或多个机器人臂中的每个机器人臂上的跟踪标记的第三位置、第四位置、第五位置等。一个或多个机器人臂的每个跟踪标记的每个检测到的位置可例如存储在存储器诸如存储器116中和/或存储在数据库诸如数据库164中。当在一起考虑时，各种跟踪标记位置定义时间间隔的参考系，该时间间隔的参考系能够具有比本来使用例如具有稳固到其各种固定臂的多个反射球体或其他跟踪标记的单个物理参考系可能的维度大得多的维度。在一些实施方案中，检测到的位置的数量可以是数百个或更多。
图5示出了根据本公开的实施方案的时间间隔的机器人参考系500的示例。时间间隔的机器人参考系500包括四个检测到的跟踪标记位置。更具体地，跟踪标记156a被示出为处于第一位置(对应于图4A中的机器人臂144的位姿)，该位置在第一时间上被检测到。跟踪标记156b被示出为处于第二位置(对应于图4B中的机器人臂144的位姿)，该位置在第一时间之后的第二时间上被检测到。跟踪标记156c被示出为处于第三位置(对应于图4C中的机器人臂144的位姿)，该位置在第二时间之后的第三时间上被检测到。跟踪标记156d被示出为处于第四位置(对应于图4D中的机器人臂144的位姿)，该位置在第三时间之后的第四时间上被检测到。
在本公开的其中机器人臂诸如机器人臂144包括附连到其的多个跟踪标记的实施方案中，所生成的时间间隔的机器人参考系可基于在多个不同时间中的每个时间上多个跟踪标记中的每个跟踪标记的所检测到的位置。因此，例如，如果图4A至图4D的机器人臂144具有附连到其的两个跟踪标记156，并且跟踪标记传感器被配置为检测在机器人臂144的四个不同位姿中的每个位姿时跟踪标记156中的两个跟踪标记，则所得时间间隔的机器人参考系将反映八个跟踪标记位置，而不是如在参考系500中的四个跟踪标记位置。因此，在机器人臂上包括多个跟踪标记可减少机器人臂必须呈现以获得时间间隔的机器人参考系的足够的点的不同位姿的数量。例如，如果给定时间间隔的机器人参考系需要四个点，并且机器人臂具有附连到其的两个跟踪标记，则可通过将机器人臂移动到仅两个不同位姿来创建时间间隔的机器人参考系。类似地，如果给定时间间隔的机器人参考系需要100个点，并且机器人臂具有附连到其的四个跟踪标记，则可通过将机器人臂移动到二十五个不同位姿(而不是在机器人臂具有稳固到其的两个跟踪标记的情况下将需要的五十个不同位姿，或者在机器人臂仅具有稳固到其的仅一个跟踪标记的情况下将需要的100个不同位姿)来创建时间间隔的机器人参考系。
时间间隔的机器人参考系500在一定程度上对应于具有安装到其的四个反射球体或其他跟踪标记的物理参考系，不同在于，时间间隔的机器人参考系500不受物理参考系的固定维度限制。实际上，使用可与任何先前多个不同位姿相同或不同的多个不同位姿，具有机器人臂诸如机器人臂144的机器人诸如机器人136可根据需要定义时间间隔的机器人参考系诸如参考系500。实际上，根据本公开的实施方案的时间间隔的机器人参考系可通过使机器人臂移动到基于例如在手术环境中其他物体的位置选择的多个不同位姿来形成。因此，尽管在拥挤的手术环境中使用具有固定维度的物理参考系可能需要移开一个或多个工具、器械、监测器或其他物体，但是可通过使机器人臂呈现避开在手术环境中的物体的位姿来生成时间间隔的机器人参考系，使得不需要移动那些物体。在一些实施方案中，基于在手术计划中或在其他地方的关于在导航空间中一个或多个物体的位置的信息，可选择或以其他方式确定机器人臂移动到以生成时间间隔的机器人参考系的位姿，以及/或者可选择或以其他方式确定在每个此类位姿之间的路径。例如，基于要求与脊柱手术结合使用MIS塔的手术计划，处理器104或另一个处理器可基于在手术计划中的信息和/或关于MIS塔的尺寸的所存储的信息来预测MIS塔的位置，并且可根据MIS塔的预测位置确定一个或多个位姿和/或通向一个或多个位姿、来自一个或多个位姿和/或在一个或多个位姿之间的路径。在其他实施方案中，当出于本文描述的目的确定一个或多个位姿和/或通向一个或多个位姿、来自一个或多个位姿和/或在一个或多个位姿之间的路径时，处理器104或另一个处理器可使用关于在导航空间中一个或多个被跟踪物体的位置的导航信息。
另外，如本文所描述的时间间隔的机器人参考系不必总是具有相同的模式或维度。例如，一个时间间隔的机器人参考系可具有对应于使机器人臂延伸到或几乎延伸到其每个位姿的最大延伸的多个不同位姿的维度，而另一个时间间隔的机器人参考系可具有对应于多个不同位姿的维度，其中那些位姿都不需要机器人臂的最大或近最大延伸。
尽管参考系500以两个维度示出(例如，所有跟踪标记156a至156d定位在同一平面中)，但是根据本公开的实施方案的时间间隔的机器人参考系可包括定位在三个维度中的跟踪标记。换句话说，机器人臂的多个不同位姿可包括使跟踪标记相对于机器人坐标系的原点位于不同X、Y和Z位置处的位姿，其中X、Y和Z表示穿过机器人坐标系的原点的正交轴线。此外，跟踪标记传感器可能够检测跟踪标记在三个维度上(例如，在导航坐标系中)的位置。
第四维度、即时间用于创建时间间隔的机器人参考系500。然而，一旦通过汇编或编译在对应于多个不同时间中的每个时间的多个不同位姿中的每个位姿时跟踪标记156的所检测到的位置生成，参考系500本身不反映时间。
如从前述内容清楚，本公开的实施方案有利地消除对有时庞大的参考系的需要。例如，一些导航系统需要在跟踪标记之间的某些最小距离(或用于将跟踪标记保持为最小大小的物理参考系)以在适用于给定应用的体积内提供准确导航。具体地，较大体积可需要与较小体积相比更大的参考系。在一些情况下，保持用于手术或其他医疗规程的跟踪标记的参考系可在多个维度上从三英寸延伸至十英寸，以便实现最小的必要大小。因此，这些参考系往往是庞大的，易于碰撞(这可例如引起这些参考系所附连到的物体的不期望的移动)，会妨碍外科医生或手术室环境中的任何可移动物体的移动，并且可能难以使用。如本文所描述的时间间隔的机器人参考系的使用使得在需要时已经在手术室中的有点庞大的物体(机器人)能够用于创建时间间隔的参考系，从而消除对专用参考系的需要和与其相关联的问题。
返回图3，方法300还包括当机器人臂处于多个不同位姿中的每个位姿时，从机器人接收对应于跟踪标记在第二坐标空间中的位置的信息(步骤316)。可基于机器人臂的所感测的位置来确定此类信息，如由一个或多个传感器诸如传感器148所指示。还可基于机器人臂的位置与跟踪标记的位置的已知关系来确定此类信息。使用系统100作为示例，跟踪标记156可稳固到接近机器人臂144的远侧端部的精确位置(例如，在机器人臂144上的精确已知的位置，如由相对于机器人臂144或相对于机器人坐标系的坐标和/或测量所反映)。精确位置可在机器人臂144的制造期间(例如，精密工具可用于确保跟踪标记156精确地安装在机器人臂144上的预定位置)或在后续校准过程期间(例如，跟踪标记156相对于机器人臂144和/或机器人坐标系的位置可在跟踪标记156已经附连到机器人臂144之后精确地测量)确立。
在一些实施方案中，信息可不包括对应于机器人臂的每个位姿的每个跟踪标记的位置，但是可替代地包括足以确定或计算对应于机器人臂的每个位姿的每个跟踪标记的位置(在机器人坐标系中)的信息。因此，例如，信息可包括从一个或多个传感器诸如一个或多个传感器148收集的关于处于多个不同位姿中的每个位姿的机器人臂的位置和取向的信息和/或关于每个跟踪标记相对于机器人臂的精确位置的信息。基于此类信息，处理器(诸如处理器104)可利用一个或多个算法诸如算法128来针对机器人臂的多个不同位姿中的每个位姿计算每个跟踪标记在机器人坐标系中的位置。例如，如果信息包括足以计算机器人臂(诸如机器人臂144)的一个或多个臂段(例如，段152)的位姿的传感器数据，则一个或多个臂段的所计算的位姿然后可组合成整个机器人臂的所计算的位姿。一旦已经确定机器人臂的位置(在机器人坐标空间中)，则可基于跟踪标记相对于机器人臂的已知位置来确定跟踪标记的位置。
在一些实施方案中，在步骤316中接收的信息可包括存储在存储器诸如存储器116中的信息。此类信息可包括例如关于一个或多个机器人臂的段和/或一个或多个机器人臂的整体的尺寸、布置、运动范围和/或其他特性的信息。
方法300还包括将跟踪标记在第一坐标空间中的位置与跟踪标记在第二坐标空间中的位置进行比较(步骤320)。比较可包括将第一坐标空间配准到第二坐标空间。配准可包括将所检测到的第一位置和所检测到的第二位置(两者都可例如在导航坐标空间中)与每个跟踪标记在机器人坐标空间中的所接收或计算的位置(如被包含在所接收的信息内或从该所接收的信息计算的)进行比较，并且基于所述比较，使机器人坐标空间与导航坐标空间相关或反之亦然。
在一些实施方案中，配准可进一步基于可被稳固到例如机器人臂从其中延伸的机器人基座的物理参考系(例如，不是时间间隔的机器人参考系)的检测到的位置。物理参考系可用于确保在跟踪标记传感器与机器人基座之间没有相对移动，无论在使机器人臂移动到多个不同位姿的时间段期间、在整个手术规程期间还是在另一个时间段期间。当机器人基座安装在车轮上或以其他方式可移动时，使用在机器人基座上的物理参考系可能是有利的。然而，在其他实施方案中，可在没有关于或对应于除时间间隔的机器人参考系之外的任何参考系的信息的情况下完成配准。此类实施方案可包括其中机器人基座和跟踪标记传感器相对于彼此固定地安装(例如，通过固定地安装到墙壁、天花板、手术台或其他固定结构)的实施方案。此类实施方案还可包括其中在相对短的时间段(诸如等于或小于五秒、或等于或小于三秒、或等于或小于两秒、或等于或小于一秒的时间段)期间到达多个不同位置的实施方案。
在一些实施方案中，当在预定时间段内(例如，在一秒或更短、或在两秒或更短、或在三秒或更小、或在五秒或更短的时间内)捕获构成时间间隔的机器人参考系的点时，可在没有关于或对应于除时间间隔的机器人参考系之外的任何参考系的信息的情况下完成配准，并且当在超过预定时间段内(例如，在超过一秒、或超过两秒、或超过三秒、或多于五秒的时间内)捕获构成时间间隔的机器人参考系的点时，可在具有关于或对应于附接到机器人基座的物理参考系(或另一个物理参考系)的信息的情况下完成配准。
在其他实施方案中，可在不使用或依赖于对应于物理参考系(或除时间间隔的机器人参考系之外的任何参考系)的任何信息的情况下但仅在已经完成至少部分地基于关于物理参考系的信息的初始配准之后完成配准。例如，如果物理参考系在手术规程期间将被遮挡，则可使用物理参考系来完成初始配准，并且可仅使用时间间隔的机器人参考系来完成在规程期间的重新配准或配准验证。
此外，当比较产生所检测到的跟踪标记位置与如由信息所反映或使用信息所确定的跟踪标记位置匹配的结论时，可确认机器人和导航系统的操作完整性。这在手术规程期间可能是有用的并且可用于机器人系统的初始校准操作。另一方面，如果比较产生所检测到的跟踪标记位置与如由信息所反映或使用信息所确定的跟踪标记位置不匹配的结论时，可达成机器人和导航系统中的一者或两者缺乏操作完整性的另外的结论。因此，当发生这种情况时，可将警告显示给机器人和/或导航系统的操作员，和/或可通过用户接口(例如，计算装置102的用户接口112或特定于机器人或导航系统的用户接口)来播放可听声音。向机器人和/或导航系统的操作员提供这种警告有助于确保机器人和/或导航系统的可疑操作完整性会被调查并且任何错误会被校正，然后再进一步使用机器人和/或导航系统。
在一些实施方案中，在所检测到的跟踪标记位置仅略微不同于如由信息所反映或使用信息所确定的跟踪标记位置的情况下，步骤304至316可重复(例如，基于机器人臂的不同多个不同位姿)，并且可再次将所检测到的跟踪标记位置与如由信息所反映或使用信息所确定的跟踪标记位置进行比较。如果第二跟踪标记位置再次略微不同于如由信息反映或确定的跟踪标记位置，则可进行错误计算和/或校准过程以确定要应用于将来的调整以确保所检测到的跟踪标记位置与如由信息所反映或使用信息所确定的跟踪标记位置匹配，反之亦然。换句话说，如果在多个跟踪标记的检测到的布置与如由信息所反映或使用信息所确定的一组对应跟踪标记位置之间的偏移可由常数或导出方程表征，使得可将偏移结合到另外的比较中，然后，可确认机器人和/或导航系统的操作完整性。
本公开涵盖方法300的包括比上述实施方案更多或更少的步骤的实施方案。尽管关于包括单个机器人臂的单个机器人描述了方法300的方面，但是方法300可利用具有多个机器人臂的单个机器人(该多个机器人臂中的一个或多个机器人臂具有固定地稳固到其的一个或多个跟踪标记)、各自具有带有固定地稳固到其的一个或多个跟踪标记的单个机器人臂的多个机器人和/或各自具有多个机器人臂的多个机器人(该多个机器人臂中的一个或多个机器人臂具有固定地稳固到其的一个或多个跟踪标记)。
现在转向图6，利用时间间隔的机器人参考系以用于配准的方法600包括接收关于在多个不同时间中的每个时间上跟踪标记的位置的第一信息(步骤304)。可例如从传感器诸如跟踪标记传感器132或适合于检测跟踪标记的任何其他传感器接收第一信息。第一信息可直接从传感器接收或经由一个或多个通信接口(诸如通信接口108)和/或经由云(诸如云168)或经由任何其他网络、装置或部件接收。
多个不同时间可包括两个时间、三个时间、四个时间或更多个时间。在一些实施方案中，多个不同时间可包括十个时间或100个时间。多个不同时间中的每个时间可落入一秒或更短、或五秒或更短、或十秒或更短、或一分钟或更短、或多于一分钟的时间段内。跟踪标记可以是例如跟踪标记156或任何其他跟踪标记。跟踪标记可固定地稳固到机器人臂，该机器人臂可以是本文描述的任何机器人臂，包括例如机器人136的机器人臂144或任何其他机器人臂。
第一信息可以是或可包括关于在多个时间中的每个时间上跟踪标记在导航坐标系中的位置的信息。在一些实施方案中，第一信息可包括关于在多个时间中的至少一个时间上跟踪标记在导航坐标系中的第一位置的信息，并且还可包括关于至少一个跟踪标记相对于第一位置的第二位置的信息。换句话说，第一信息可包括足以确定在多个时间中的每个时间上跟踪标记相对于导航坐标系的位置的信息。
方法600还包括接收对应于在多个不同时间中的每个时间上跟踪标记在机器人坐标系中的位置的第二信息(步骤608)。第二信息可描述在多个不同时间中的每个时间上跟踪标记相对于机器人坐标空间的位置(或实现足以确定该位置的计算)。第二信息可例如从机器人臂获得，该机器人臂可以是如本文所描述的机器人臂144或任何其他机器人臂。第二信息可附加地或替代地从或经由包括机器人臂的机器人诸如机器人136获得，和/或从存储器(诸如存储器116)、计算装置(更一般地，诸如计算装置102)、数据库(诸如数据库164)、云(诸如云168)或另一个源获得。
第二信息可基于例如从机器人臂中的一个或多个传感器，诸如传感器148获得的数据。例如，第二信息可包括关于机器人臂的一个或多个段和/或整个机器人臂的检测到的位姿的传感器数据。第二信息可附加或另选地基于机器人臂的一个或多个部件的一个或多个设置。例如，第二信息可包括描述一个或多个马达、伺服系统、齿轮或用于控制机器人臂和/或其一个或多个段的位姿的其他装置或部件的位置(无论是实际位置或命令位置)的数据。可独立于第一信息获得第二信息，反之亦然。第二信息可包括描述在多个时间中的每个时间上机器人臂的位姿的信息或来自可从中计算在多个时间中的每个时间上机器人臂的位姿的信息。在后一情况下，一个或多个算法诸如算法128可用于计算在多个时间中的每个时间上机器人臂的位姿。
第二信息还可包括关于跟踪标记相对于机器人臂的位置的信息和关于机器人臂相对于机器人坐标系的信息。
方法600还包括基于第一信息和第二信息来将机器人坐标系与导航坐标系进行比较(步骤612)。比较可包括将机器人坐标系配准到导航坐标系。可基于第一信息和第二信息来实现该配准。在一些实施方案中，配准包括使在多个不同时间中的每个时间上机器人臂在机器人坐标系中的位姿与在多个不同时间中的每个时间上跟踪标记在机器人坐标系中的检测到的位置相关。这种相关可包括从存储器(诸如存储器116)、数据库(诸如数据库164)、机器人(诸如机器人136)或另一存储位置访问信息。所访问的信息可包括例如关于在机器人臂上的跟踪标记的精确位置的信息，和/或关于机器人臂的段和/或整个机器人臂的尺寸、布置、运动范围和/或其他特性的信息。基于此类信息以及关于机器人臂在机器人坐标系中的位姿的信息(例如，在步骤608中接收的第二信息)，可计算多个跟踪标记在机器人坐标系中的位置。此类计算可利用例如一种或多种算法(诸如算法128)。该相关的结果可以是在多个不同时间中的每个时间上跟踪标记在机器人坐标系中的所计算的或以其他方式确定的位置。
配准可包括基于在多个不同时间中的每个时间上跟踪标记在导航坐标系中的已知位置(如被包括在第一信息中的或从第一信息确定的)和在多个不同时间中的每个时间上跟踪标记在机器人坐标系中的已知位置(如被包括在例如第二信息中的或从第二信息确定的)来确定机器人坐标系与导航坐标系之间的关系。配准可利用一种或多种算法，诸如存储在存储器116中的算法128。
在一些实施方案中，方法600还可包括将患者坐标系配准到导航坐标系。在机器人连接到患者的情况下(有时在机器人手术或机器人辅助手术期间，就是这种情况)或在机器人坐标系已经与患者坐标系配准的情况下，机器人坐标系与导航坐标系的配准(如上文关于步骤612所描述)还使得患者坐标系能够与导航坐标系配准。在一些实施方案中，配准包括将机器人坐标系与患者坐标系相关(反之亦然)，并且基于该配准，将患者坐标系与导航坐标系相关。换句话说，该配准可包括基于患者坐标系与机器人坐标系之间的关系和机器人坐标系与导航坐标系之间的关系来确定患者坐标系与导航坐标系之间的关系。这种配准可利用一种或多种算法，诸如存储在存储器116中的算法128。
方法600还包括基于比较来操作机器人(步骤616)。操作可包括处理器，诸如处理器104，该处理器执行存储在存储器诸如存储器116中的指令(例如，指令124)，该指令使处理器104将一个或多个信号传输到机器人136，以使机器人臂144以一种或多种方式移动以进行手术规程的一个或多个步骤。比较可有益地使机器人臂能够使用关于患者的信息诸如一个或多个术前图像和/或术前手术计划移动到相对于患者的精确位置。
本公开涵盖关于方法600的许多变化。例如，在一些实施方案中，第二信息可包括在多个时间中的每个时间上跟踪标记的位置信息(在机器人坐标系中)，使得上文关于步骤612描述的相关是不必要的(如基于第二信息来确定机器人臂的位姿的任何计算，如上文关于步骤608所描述)。另外，尽管在上文描述的方法600中，基于关于机器人臂在机器人坐标系中的位姿的第二信息来确定在多个不同时间中的每个时间上跟踪标记在机器人坐标系中的位置，但是在其他实施方案中，可基于第一信息确定机器人臂的位姿，并且配准步骤612可包括基于如根据第一信息所确定的机器人臂的位置和如由第二信息所指示或如根据第二信息所确定的机器人臂的位置将机器人坐标系与导航坐标系配准(反之亦然)。
方法600有利地使得能够将导航坐标系与机器人坐标系配准，反之亦然，而不使用除由机器人臂(包括固定地稳固到机器人臂的跟踪标记)本身形成(随时间推移)的时间间隔的参考系之外的参考系。因此，方法600避免了单独的参考系的成本、将单独的参考系固定到机器人臂所需的时间的支出，以及在参考系将直接稳固到患者(例如，稳固到患者的椎骨或骨盆)的情况下原本将单独的参考系稳固到患者所需要的切口。此外，方法600消除了对原本在导航坐标系与机器人坐标系的配准(反之亦然)期间所需要的快照框架的需要。
本公开涵盖方法600的具有比上文描述的实施方案更多或更少的步骤的实施方案。
现在参考图7，利用机器人参考系的方法700包括接收对应于在多个不同时间中的每个时间上机器人臂的位姿的信息(步骤404)。多个不同时间可包括第一时间和在第一时间之后的第二时间。在一些实施方案中，多个不同时间还可包括在第二时间之后的第三时间、在第三时间之后的第四时间、在第四时间之后的第五时间和/或附加时间。多个不同时间可均匀地间隔(例如，多个不同时间中的每个时间可与多个不同时间中的每个相邻时间间隔开相同时间量)，或者可不同地间隔。多个不同时间可全部落入包括两秒或更短、十秒或更短、一百秒或更短、一千秒或更短或任何其他时间段的总时间内。多个不同时间可简单地通过机器人臂何时到达多个不同位姿中的每个位姿来确定。
机器人臂可以是如本文所描述的机器人臂144或任何其他机器人臂。跟踪标记靠近机器人臂的远侧端部固定地稳固到该机器人臂。在一些实施方案中，多于一个跟踪标记可固定地稳固到机器人臂。而且，在一些实施方案中，可与方法700结合使用多于一个机器人臂。机器人臂的位姿在多个不同时间中的每个时间上不同。在多个不同时间中的第一时间上机器人臂的位姿可使得机器人臂基本上在第一方向上延伸，并且在多个不同时间中的第二时间上机器人臂的位姿可使得机器人臂基本上在与第一方向正交的第二方向上延伸。在一些实施方案中，在多个不同时间中的第三时间上机器人臂的位姿可使得机器人臂基本上在与第一方向和第二方向正交的第三方向上延伸。在其他实施方案中，在对应于多个不同时间的位姿中的任何位姿时，机器人臂都可不在与机器人臂以对应于多个不同时间中的一个时间的任何其他位姿延伸的任何方向正交或基本上正交的任何方向上延伸。
在一些实施方案中，对应于在多个不同时间中的每个时间上机器人臂的位姿的信息可以是对应于在多个不同时间中的每个时间上机器人臂的预测位姿的信息。例如，信息可对应于机器人臂将移动到的多个计划位姿(例如，按顺序，使得机器人臂在不同时间上呈现计划位姿中的每个计划位姿)，并且多个不同时间可由预测机器人臂到达计划位姿中的每个计划位姿的时间确定。该信息可对应于或包括(例如，由机器人(诸如机器人136)或由处理器(诸如如处理器104))进行以基于跟踪标记固定地稳固到的机器人臂的预期位姿或当前位姿来确定跟踪标记的预测位置的一个或多个计算的结果。在多个不同时间中的一个时间上机器人臂的至少一个位姿可以是使机器人臂的端部(无论是端部执行器还是其他特征)能够与物体接触的位姿，该物体的位置需要确定或确认(是在导航坐标空间中还是在其他坐标空间中)。该信息可包括关于固定地稳固到机器人臂的跟踪标记相对于机器人坐标系或另一个坐标系的位置的信息。在使用多个机器人臂的情况下，每个机器人臂具有固定地稳固到其的跟踪标记，信息可包括关于每个跟踪标记的特性的信息，诸如每个单独跟踪标记的波长、产生脉冲的频率或几何图案的信息。
每个跟踪标记可以是本文描述的任何跟踪标记，包括例如跟踪标记156。每个跟踪标记稳固到机器人臂。
方法700还包括接收对应于在多个不同时间中的每个时间上在机器人臂上的跟踪标记的检测到的位置的数据(步骤708)。可例如从跟踪标记传感器(诸如跟踪标记传感器132)接收该数据。该数据可包括跟踪标记在导航坐标空间或另一个坐标空间中的位置信息。另选地，该数据可使得能够计算跟踪标记在导航坐标空间或另一坐标空间中的位置。在使用多个跟踪标记的情况下，该数据可包括关于每个单独跟踪标记的特性，诸如每个单独跟踪标记的波长、产生脉冲的频率或几何图案的信息。
值得注意的是，对应于跟踪标记的所检测到的位置的数据独立于对应于机器人臂的位姿的信息，即使此类信息包括关于跟踪标记的位置信息。换句话说，在不参考该信息的情况下生成该数据，并且在不参考该数据的情况下生成该信息。
方法700还包括组合信息和数据以生成定制的时间间隔的参考系(步骤712)。组合可产生例如定制的时间间隔的参考系，诸如图5示出的定制的时间间隔的参考系。当在多个不同时间中的每个时间上跟踪标记的所检测到的位置(例如，如在数据中所反映)匹配跟踪标记的预测位置或预期位置(例如，如在信息中所反映或从信息所确定)时，定制的时间间隔的参考系的确切坐标在导航坐标系和机器人坐标系两者中是已知的。因此，代替必须稳固到机器人臂或另一个物体或人或由机器人臂或另一个物体或人保持的单独参考系，可使用定制的一次性参考系。
该比较可包括使用一种或多种算法(诸如算法128)以将跟踪标记在一个坐标系中(例如，在机器人坐标系中)的位置转换为跟踪标记在另一坐标系中(例如，在导航坐标系中)的位置。该比较还可包括将对应于在多个不同时间上跟踪标记的所检测到的位置的数据中包含的或使用该数据生成的图像叠加在基于对应于在多个不同时间中的每个时间上跟踪标记的位姿的信息生成的虚拟图像上以确定两个图像中的跟踪标记是否彼此对齐。还可使用其他比较方法来确定如在数据中所反映的跟踪标记的位置是否与如在信息中所反映或从信息所确定的跟踪标记的位置匹配。
方法700还包括基于定制的一次性参考系的创建来确认物体在预定坐标空间中的位置(步骤716)。如上所述，当如在信息中所反映或从信息所确定的跟踪标记的位置与如在数据中所反映的跟踪标记的位置匹配时，时间间隔的机器人参考系的精确坐标是已知的。如果可在多个不同时间中的一个或多个时间上检测跟踪标记的同时检测物体的位置(并且在一些实施方案中，物体的取向)和/或如果机器人臂在多个不同时间中的一个或多个时间上与物体的已知表面或特征接触，则物体的位置(并且在一些实施方案中，物体的取向)可使用定制的时间间隔的参考系来确定，就如物体的位置(并且在一些实施方案中，物体的取向)可使用与机器人臂分离的参考系来确定一样。
本公开涵盖方法700的具有比上文描述的实施方案更多或更少的步骤的实施方案。
本文描述的实施方案中的每个实施方案可利用：具有稳固到其的单个跟踪标记的单个机器人臂；具有稳固到其的多个跟踪标记的单个机器人臂；具有稳固到每个机器人臂的单个跟踪标记的多个机器人臂；和具有稳固到每个机器人臂的多个跟踪标记的多个机器人臂。如上文所解释，在包括或利用多个跟踪标记的实施方案中，可能需要一个或多个机器人臂的更少的不同位姿就能实现可用于预期目的的时间间隔的机器人参考系。类似地，在包括或利用多个机器人臂的实施方案中，每个机器人臂具有稳固到其的至少一个跟踪标记，可能需要多个机器人臂的更少的不同位姿才能实现可用于预期目的的时间间隔的机器人参考系。
在多个机器人臂与本文描述的系统、方法或装置中的任一者或多者结合使用的情况下，上文描述为对应于机器人臂的一个或多个位姿的任何信息可包括对应于多个机器人臂中的每个机器人臂的一个或多个位姿的信息。在一些实施方案中，此类信息也可以是或可包括关于附连到多个机器人臂中的每个机器人臂的一个或多个跟踪标记在机器人坐标空间中的位置的信息。
本公开的实施方案可有益地提高造手术规程期间的患者安全性。更具体地，如本文所公开的时间间隔的机器人参考系可用于确认例如在机器人坐标空间与患者坐标空间之间和/或在导航坐标空间与机器人坐标空间之间和/或在导航坐标空间与患者坐标空间之间的配准(使用机器人坐标空间作为中介)。例如，可使用相对小的物理参考系将机器人坐标空间配准到患者坐标空间，由此产生第一准确度的配准。还可使用相对更大的时间间隔的机器人参考系将机器人坐标空间配准到患者坐标空间，由此产生具有大于第一准确度的第二准确度的配准。作为另一个示例，在将机器人坐标空间初始配准到患者坐标空间之后，如本文所公开的时间间隔的机器人参考系可在整个手术规程中的一个或多个时间上(或在一些实施方案中，在整个手术规程中连续地)使用来确认(使用包括跟踪标记传感器的导航系统)机器人臂实际上处于机器人了解机器人臂要处于(例如，通过使用机器人臂中的一个或多个编码器或其他传感器)的位置。
本公开的实施方案使得能够在使用空间和时间之间进行权衡，以维持或改善配准、重新配准或配准验证(其中任何一个都可被理解为配准)的准确度。例如，在可用空间不足以利用足够大小的物理参考系来获得期望准确度水平的情况下，如本文所描述，具有稳固到其上的至少一个跟踪标记的机器人臂可用于随时间推移而生成时间间隔的机器人参考系。另一方面，在可用空间足以利用足够大小的物理参考系来获得期望准确度水平的情况下，这种参考系的单个快照可提供用于配准的所需信息。在单个机器人臂上包括多个跟踪标记(或在多个机器人臂上包括单个跟踪标记，或在多个机器人臂上包括多个跟踪标记)可用于减少生成时间间隔的机器人参考系所需的时间量，同时增加所需的空间的量。在空间和/或时间约束在手术规程的过程期间改变时，可选择和使用适合于当前约束的参考系。
如基于前述公开可理解的，本公开涵盖具有比图3、图6和图7中标识的所有步骤少的步骤的方法(以及方法300、方法600和方法700的对应描述)，以及包括除了图3、图6和图7中标识的那些步骤之外的另外的步骤的方法(以及方法300、方法600和方法700的对应描述)。本公开的一个或多个方面可与2020年6月8日提交的名称为“用于导航的机器人参考系(Robotic Reference Frames for Navigation)”的美国专利申请序列号63/036,130中公开的装置、系统和方法的一个或多个对应方面相同或类似，该专利申请的全文以引用方式并入本文。
前述内容并非旨在将本公开限于本文中所公开的一种或多种形式。在前述的具体实施方式中，出于简化本公开的目的，将本公开的例如各种特征在一个或多个方面、实施方案和/或配置中聚集在一起。本公开的方面、实施方案和/或配置的特征可在除上文所论述的那些之外的替代性方面、实施方案和/或配置中组合。不应将本公开内容的方法解释为反映以下意图：权利要求需要比每个权利要求中明确叙述的更多的特征。相反，如以下权利要求书所反映，本发明方面在于少于单个前述公开的方面、实施方案和/或配置的全部特征。因此，将以下权利要求特此并入这个具体实施方式中，其中每个权利要求作为本公开的单独的优选实施方案而独立存在。
此外，尽管描述已经包括对一个或多个方面、实施方案和/或配置以及某些变化和修改的描述，但在理解本公开后，其他变化、组合和修改也在本公开的范围内，例如，如可在本领域的技术人员的技能和知识内。期望获得在准许的范围内包括替代方面、实施方案和/或配置的权利，包括所要求保护的替代、可更换和/或等效的结构、功能、范围或步骤，而无论这些替代、可更换和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，且不期望公开用于任何可获专利的主题。

Claims (24)

1.一种机器人导航系统，所述机器人导航系统包括：
机器人基座；
机器人臂，所述机器人臂包括：
近侧部分，所述近侧部分稳固到所述机器人基座；
远侧部分，所述远侧部分能够相对于所述近侧部分移动；和
跟踪标记，所述跟踪标记接近所述远侧部分稳固到所述机器人臂；
至少一个处理器；
导航系统，所述导航系统包括跟踪标记传感器，所述跟踪标记传感器被配置为识别所述跟踪标记在第一坐标空间中的位置；和
存储器，所述存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的指令，所述指令当被执行时使所述至少一个处理器：
使所述机器人臂移动到多个不同位姿；
接收与当所述机器人臂处于所述多个不同位姿中的每个位姿时所述跟踪标记在第二坐标空间中的位置相关的信息；以及
将所述跟踪标记在所述第一坐标空间中的所述位置与所述跟踪标记在所述第二坐标空间中的所述位置进行比较。
2.根据权利要求1所述的机器人导航系统，其中所述多个不同位姿创建时间间隔的机器人参考系。
3.根据权利要求1所述的机器人导航系统，其中所述多个不同位姿中的至少一个位姿对应于所述机器人臂的最大延伸。
4.根据权利要求1所述的机器人导航系统，其中每个跟踪标记被配置为穿过覆盖物发射或反射光。
5.根据权利要求1所述的机器人导航系统，其中所述跟踪标记是第一跟踪标记，所述第一跟踪标记被配置为发射或反射具有第一波长的光，并且其中所述机器人臂包括第二跟踪标记，所述第二跟踪标记被配置为发射或反射具有不同于所述第一波长的第二波长的光。
6.根据权利要求1所述的机器人导航系统，其中所述跟踪标记是第一跟踪标记，所述第一跟踪标记被配置为以第一频率以脉冲发射光，并且其中所述机器人臂包括第二跟踪构件，所述第二跟踪构件被配置为以不同于所述第一频率的第二频率以脉冲发射光。
7.根据权利要求1所述的机器人导航系统，其中所述机器人臂是第一机器人臂，其中所述跟踪标记是第一跟踪标记，并且其中：
所述机器人导航系统还包括第二机器人臂，所述第二机器人臂包括第二跟踪标记；
所述导航系统被配置为识别所述第二跟踪标记在所述第一坐标空间中的位置；并且
所述存储器包括要由所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器将所述第二跟踪标记在所述第一坐标空间中的所述位置与所述第二跟踪标记在所述第二坐标空间中的位置进行比较。
8.根据权利要求1所述的机器人导航系统，其中所述机器人臂是第一机器人臂，其中所述跟踪标记是第一跟踪标记，并且其中：
所述机器人导航系统还包括第二机器人臂，所述第二机器人臂包括第二跟踪标记；
所述导航系统被配置为识别所述第二跟踪标记在不同于所述第一坐标空间和所述第二坐标空间的第三坐标空间中的位置；并且
所述存储器包括要由所述至少一个处理器执行的指令，所述指令在被执行时使所述至少一个处理器将所述第二跟踪标记在所述第一坐标空间中的所述位置与所述第二跟踪标记在所述第三坐标空间中的位置进行比较。
9.根据权利要求1所述的机器人导航系统，其中所述导航系统被配置为检测当所述机器人臂处于所述多个不同位姿中的第一位姿时的第一时间上所述跟踪标记的第一位置，以及检测当所述机器人臂处于所述多个不同位姿中的第二位姿时的第二时间上所述跟踪标记的第二位置，所述第二时间在所述第一时间之后，并且所述第二位置与所述第一位置不同。
10.根据权利要求9所述的机器人导航系统，其中所述存储器存储要由所述处理器执行的附加指令，所述附加指令当被执行时使所述至少一个处理器：
至少基于所检测到的第一位置、所检测到的第二位置和所述信息来将所述第一坐标空间配准到所述第二坐标空间。
11.根据权利要求1所述的机器人导航系统，其中所接收的信息是独立于所述跟踪标记传感器获得的。
12.一种利用时间间隔的机器人参考系的方法，所述方法包括：
从跟踪标记传感器接收关于跟踪标记随多个不同时间而变的位置的第一信息，所述跟踪标记稳固到机器人的机器人臂，并且所述第一信息共同地限定在导航坐标系中的唯一形状；
从机器人系统接收对应于在所述多个不同时间上所述跟踪标记在机器人坐标系中的位置的第二信息；以及
基于所述第一信息和所述第二信息来将所述机器人坐标系与导航坐标系进行比较。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述机器人系统被配置为在所述多个不同时间中的第一时间上将所述机器人臂移动到第一位姿，其中所述第一位姿对应于所述机器人臂在第一方向上的延伸，其中所述机器人系统被配置为在所述多个不同时间中的第二时间上将所述机器人臂移动到第二位姿，并且其中所述第二位姿对应于所述机器人臂在不同于所述第一方向的第二方向上的延伸。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一方向与所述第二方向正交。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述多个不同时间中的每个时间发生在所述机器人臂的连续移动期间。
16.根据权利要求12所述的方法，其中基于所述第一信息和所述第二信息来将所述机器人坐标系与所述导航坐标系进行比较包括将所述机器人坐标系配准到所述导航坐标系。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述配准不基于关于未固定到所述机器人臂的任何跟踪标记的任何信息。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二信息包括关于所述每个跟踪标记固定地稳固到所述机器人臂的位置的信息。
19.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：
基于所述比较来操作所述机器人。
20.一种用于利用机器人参考系进行手术导航的装置，所述装置包括：
至少一个通信接口，所述至少一个通信接口用于从机器人接收信息；
至少一个跟踪标记传感器，所述至少一个跟踪标记传感器被配置为检测在所述机器人的机器人臂上的跟踪标记；
至少一个处理器；和
至少一个存储器，所述至少一个存储器存储用于由所述至少一个处理器执行的指令，所述指令当被执行时使所述至少一个处理器：
从所述机器人接收对应于在多个不同时间中的每个时间上机器人臂的位姿的信息；
从所述至少一个跟踪标记传感器接收对应于在所述多个不同时间中的每个时间上所述跟踪标记的所检测到的位置的数据；以及
组合所述信息和所述数据以生成定制的时间间隔的参考系。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述至少一个存储器存储要由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令当被执行时进一步使所述至少一个处理器：
基于所述定制的时间间隔的参考系的创建来确认物体在预定坐标空间中的位置。
22.根据权利要求20所述的装置，其中所述至少一个存储器存储要由所述至少一个处理器执行的附加指令，所述附加指令当被执行时进一步使所述至少一个处理器确定在所述多个不同时间中的每个时间上所述机器人臂的所述位姿，其中每个位姿被配置为避免与在所述机器人臂附近的外部物体碰撞。
23.根据权利要求20所述的装置，其中所述至少一个跟踪标记传感器被配置为检测在多个机器人臂中的每个机器人臂上的跟踪标记，所述信息对应于在所述多个不同时间中的每个时间上所述多个机器人臂中的每个机器人臂的位姿，并且所述数据对应于在所述多个不同时间中的每个时间上所述跟踪标记的所检测到的位置。
24.根据权利要求20所述的装置，其中所述信息对应于在所述多个不同时间中的每个时间上所述机器人臂的预测位姿。
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