CN116018104A - 使用单个参考系的多个机器人臂的配准 - Google Patents

Abstract

一种配准方法涉及：接收与患者的解剖元件对应的图像信息；接收关于患者参考系、第一机器人和第二机器人中的每一者的同时姿势的传感器信息；基于图像信息和传感器信息，确定患者坐标系、第一机器人的第一坐标系和第二机器人的第二坐标系之间的相关性；以及基于相关性来控制第一机器人和第二机器人在共同工作体积内的移动。

Description

使用单个参考系的多个机器人臂的配准

技术领域

本技术总体上涉及机器人手术，并且更具体地涉及用于机器人手术的多个机器人或机器人臂的配准。

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。在一些情况下，与仅使用一个机器人臂相比，在手术期间使用多个机器人臂可使得能够在更短的时间内完成更多操作。

发明内容

本公开的示例性方面包括：

一种配准方法，包括：接收与患者的解剖元件对应的图像信息；接收关于患者参考系、第一机器人和第二机器人中的每一者的姿势的传感器信息；基于图像信息和传感器信息，确定患者坐标系、第一机器人的第一坐标系和第二机器人的第二坐标系之间的相关性；以及基于相关性来控制第一机器人和第二机器人在共同工作体积内的移动。

本文的方面中的任一方面，其中患者参考系被牢固地固定到患者的解剖元件。

本文的方面中的任一方面，其中传感器信息包括关于定位在第一机器人上的至少一个跟踪标记的信息。

本文的方面中的任一方面，其中至少一个跟踪标记是发光二极管。

本文的方面中的任一方面，其中第一机器人的姿势和第二机器人的姿势使得第一机器人和第二机器人与患者参考系接触。

本文的方面中的任一方面，其中从导航相机接收传感器信息。

本文的方面中的任一方面，其中患者坐标系、第一坐标系和第二坐标系中的每一者相对于其他坐标系是唯一的。

本文的方面中的任一方面，其中基于相关性来控制第一机器人和第二机器人在共同工作体积内的移动包括使得第一机器人和第二机器人进行协调移动以完成手术任务。

本文的方面中的任一方面，其中基于图像信息和传感器信息确定患者坐标系、第一机器人的第一坐标系和第二机器人的第二坐标系之间的相关性包括：确定患者坐标系和导航空间之间的第一相关性；确定第一坐标系与导航空间之间的第二相关性；以及确定第二坐标系与导航空间之间的第三相关性。

本文的方面中的任一方面，其中传感器信息包括来自至少两个传感器的信息。

本文的方面中的任一方面，其中传感器信息包括关于第一机器人的相对于第二机器人的姿势的信息。

一种以协调方式控制多个机器人的方法，包括：接收与患者的解剖元件对应的图像信息；接收关于患者参考系和第一机器人的姿势的第一传感器信息；以及基于图像信息和传感器信息确定第一相关性，该第一相关性在患者坐标系和第一机器人的坐标系之间；从第一机器人接收关于第二机器人的姿势的第二传感器信息；基于第二传感器信息和第一相关性确定第二相关性，该第二相关性在患者坐标系和第二机器人的坐标系之间，并且基于第一相关性和第二相关性控制第一机器人和第二机器人，其中患者坐标系、第一坐标系和第二坐标系中的每一者相对于其他坐标系是唯一的。

本文的方面中的任一方面，其中第二传感器信息包括关于第一机器人和第二机器人之间的物理连接的信息。

本文的方面中的任一方面，其中从第一机器人的成像传感器接收第二传感器信息。

本文的方面中的任一方面，其中控制包括使第一机器人和第二机器人进行协调移动以完成手术任务。

一种机器人控制系统，包括：通信接口，该通信接口用于与多个机器人通信；至少一个传感器；至少一个处理器；以及至少一个存储器，该至少一个存储器存储用于由至少一个处理器执行的指令。这些指令在被执行时被配置为使至少一个处理器：接收关于患者参考系、第一机器人及第二机器人的传感器信息，该第一机器人具有独立于第二机器人的坐标系的坐标系；基于与患者的解剖元件对应的图像信息和传感器信息，确定患者坐标系、第一机器人的坐标系和第二机器人的坐标系之间的相关性；以及基于相关性控制第一机器人和第二机器人的移动。

本文的方面中的任一方面，其中传感器信息包括关于第一机器人和患者参考系的第一传感器信息，以及关于第二机器人和患者参考系的第二传感器信息。

本文的方面中的任一方面，其中至少一个存储器存储用于由至少一个处理器执行的附加指令，这些附加指令在被执行时进一步使至少一个处理器：基于图像信息和第一传感器信息确定患者坐标系与第一坐标系之间的第一相关性；以及基于图像信息和第二传感器信息确定患者坐标系与第二坐标系之间的第二相关性。

本文的方面中的任一方面，其中控制包括使第一机器人和第二机器人进行协调移动以完成手术任务。

本文的方面中的任一方面，其中至少一个传感器包括导航相机。

本文的方面中的任一方面，其中至少一个存储器存储用于由至少一个处理器执行的附加指令，这些附加指令在被执行时进一步使至少一个处理器：基于相关性，控制第一机器人和第二机器人在共同工作体积内的移动。

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-X_n、Y₁-Y_m和Z₁-Z_o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Z_o)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为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具有多个机器人的手术室；

图2B描绘了根据本公开的至少一个实施方案的具有多个机器人的手术室；

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4为根据本公开的至少一个实施方案的方法的另一个流程图；

图5为根据本公开的至少一个实施方案的方法的另一个流程图；

图6为根据本公开的至少一个实施方案的方法的另一个流程图；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.)”、“如”或类似语言指示)不旨在且并不限制本公开的范围。

在机器人手术期间使用多个机器人臂可以实现越来越复杂的自主机器人手术以及越来越复杂的机器人辅助手术。一些手术和一些手术任务需要与患者进行多次同时接触，并且此类手术和手术任务通常不能使用单个机器人臂自主完成。此外，尽管例行任务往往是自动化的优选候选，但在不同时使用多个机器人臂的情况下，需要多次同时接触的例行任务通常不容易自动化。

结合多个机器人臂的同时使用而出现的两个问题是利用不同参考系和/或利用患者上安装的参考系来跟踪多个机器人臂的可行性和复杂性。在每个臂需要单独的参考系以将机器人坐标系与患者解剖结构(有时被称为患者空间或患者坐标系)关联的情况下，手术区域变得越来越拥挤，并且由于需要将每个机器人配准到其相应的参考系，机器人设置所需的时间增加。在此类参考系是患者上安装的参考系的情况下，附加参考系需要附加切口，因此造成对患者的创伤增加并且增加未来感染和/或并发症的风险。

在本公开的一些实施方案中，为了减少手术区域拥挤并且以其他方式解决这些问题和其他问题，一个机器人臂可以用作一个或多个附加机器人臂的参考系(例如，结合导航技术)。参考系的创建可以是在臂中的一个或多个臂上单独地检测任何类型的导航标记(例如，在一个机器人臂的一个或多个区段上的导航标记)，或者可以通过在相同系统中的几个臂之间创建更大比例、实时变化的参考系(例如，在多个机器人臂的一个或多个区段上的导航标记)来完成。

如本文所讨论的，一些机器人系统可包括支撑多个机器人臂的单个公共集线器。此类系统的使用可能不一定需要多个参考系(例如，每个臂一个参考系)，因为一旦多个机器人臂中的一个机器人臂已经配准到参考系(以便将机器人系统的坐标系与患者空间关联)，公共集线器可被配置为基于该配准来控制多个机器人臂中的每个机器人臂。例如，如果公共集线器能够跟踪或以其他方式确定多个机器人臂中的每个机器人臂在机器人系统坐标系内的位置，则可能仅需要机器人系统坐标系到患者坐标系的单次配准。换句话说，具有多个机器人臂的单个公共集线器可使用单个机器人坐标系，其中机器人系统控制和引导两个臂的移动。

在其他情况下，可以使用多个单独的机器人系统(每个机器人系统具有例如单独的基座和一个或多个机器人臂)。例如，这些机器人系统可以能够各自相对于其他机器人系统独立地移动。在这些示例中，每个机器人系统可利用独立的坐标系，使得第一机器人系统的坐标系与患者坐标系的配准单独对于将第二机器人系统的坐标系关联到患者坐标系而言可能不是有效的。

根据本公开的一些实施方案，第一机器人坐标系可关联到导航坐标系和/或患者坐标系，并且第二机器人空间可关联到第一机器人坐标系。第二机器人坐标系可基于对应于第一机器人坐标系和第二机器人坐标系的机器人之间的物理连接而关联到第一机器人坐标系，或者该相关性可基于第一器人坐标系和第二机器人坐标系之间的感测到的或以其他方式检测到的关系。

在又其他实施方案中，第一机器人坐标系可使用第一参考系而关联到导航坐标系和/或患者坐标系，并且第二机器人坐标系也可使用第一参考系而关联到导航坐标系和/或关联到患者坐标系。

本公开的实施方案提供解决问题的技术方案：(1)将多个机器人和/或机器人臂配准到导航坐标系和/或患者坐标系；(2)对于此类配准仅使用单个参考系，以避免用多个参考系使手术区域拥挤；(3)在手术环境中安全地操作多个机器人；(4)通过将每个机器人的坐标系配准到共同患者和/或导航空间来避免在共同手术空间中工作的多个机器人之间的碰撞或其他干扰；和/或(5)尽可能有效地完成用于外科手术的机器人系统的设置。

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；使用多个机器人执行完全自主的和/或机器人辅助的手术；或用于任何其他有用的目的。系统100包括计算装置102、至少两个机器人136、导航系统156、数据库160和云164。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、至少两个机器人136中的一个或多个机器人、导航系统156、数据库160和/或云164中的任何一者或多者。另外地，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，机器人136和/或导航系统156中的一者或多者可包括图1示出的作为计算装置102的一部分的部件的一个或多个部件)。

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。根据本公开的其它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利用或基于例如从机器人136、导航系统156、数据库160和/或云164接收到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(诸如机器人136、导航系统156、数据库160、云164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、机器人136、导航系统156、数据库160、云164和/或便携式存储介质(例如，USB驱动器、DVD、CD))。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，被配置成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、ZigBee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。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、机器人136中的一个或多个机器人和/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，在没有经由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可存储用于完成例如本文中所描述的方法300、400、500、600和/或700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坐标系120的信息(例如，关于对应于每个机器人136的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)；用于由至少一个处理器104执行，例如以使至少一个处理器104执行方法300、400、500、600和/或700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、400、500、600和/或700的步骤中的一个或多个步骤所需的任何计算(例如，将一个坐标系映射到另一坐标系)的一种或多种算法128或用于任何其他计算的一种或多种算法。在一些实施方案中，此类预定坐标系信息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的另一部件或经由该另一部件接收的数据。

机器人136中每个机器人可以是任何外科机器人或外科机器人系统。每个机器人136可以是或包括例如Mazor X^TM隐形版机器人引导系统。每个机器人136可包括支撑机器人臂148的基座140。每个机器人136可包括一个或多个机器人臂148(例如，一些机器人136可包括两个机器人臂148、三个机器人臂148、四个机器人臂148或另一数量的机器人臂148)。在一些实施方案中，每个机器人臂148可协助外科手术(例如，通过在另一机器人136、外科医生或另一医疗专业人员操作工具时将工具固持在期望轨迹或姿势和/或支撑工具的重量；或者通过在另一机器人136、外科医生或其他医疗专业人员在患者的皮肤中切割切口的同时保持患者的皮肤绷紧；或者通过其他方式)和/或自动地进行外科手术。

每个机器人臂148可具有三个、四个、五个、六个或更多个自由度。

机器人136还包括一个或多个传感器144。传感器144可以是成像传感器，诸如可见光相机、红外相机或超声波探头。传感器144可以是位置传感器、接近度传感器、磁力计或加速计。在一些实施方案中，传感器144可以是线性编码器、旋转编码器或增量编码器。其他类型的传感器也可用作传感器144。

来自一个或多个传感器144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156。数据可用于计算机器人臂148相对于一个或多个坐标系在空间中的位置(例如，基于存储在存储器116中的坐标系信息120)。计算不仅可基于从一个或多个传感器144接收的数据，还可以基于关于例如机器人136或其一部分或任何其他相关对象的数据或信息(诸如，例如，物理尺寸)，该数据或信息可被存储在例如计算装置102的存储器116或任何其他存储器中。

一个或多个跟踪标记152可牢固地固定或定位在机器人136上，无论是在基座140、机器人臂148上和/或其他地方。如本文所使用，“牢固地固定”并不意指“永久地固定”，并且实际上跟踪标记152能够从机器人臂136拆卸。跟踪标记152可以是发光二极管(LED)。跟踪标记152可全部相同，或者跟踪标记152中的一个或多个跟踪标记可不同于跟踪标记152中的另外一个或多个跟踪标记。在一些实施方案中，跟踪标记152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152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152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152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)。

在一些实施方案中，跟踪标记152中的一个或多个跟踪标记可以是或包括以第一频率产生脉冲的LED，并且跟踪标记152中的另外一个或多个跟踪标记可以是或包括以不同于第一频率的第二频率产生脉冲的LED。在一些实施方案中，跟踪标记152可以是或包括反射球、几何图案(诸如，例如，QR码)或可容易地由传感器(诸如传感器144)和/或导航系统(诸如导航系统156)区分的其他物品或特征。

在本公开的一些实施方案中，多个跟踪标记152中的一个或多个跟踪标记可以能够移动地固定到机器人臂148，并且可以能够进一步相对于机器人臂148选择性地移动。在此类实施方案中，多个跟踪标记152中的一个或多个跟踪标记可被配置为当机器人臂148移入或移出某一位置或位置组时从机器人臂148上的第一位置移动(或自动移动)到机器人臂148上的第二位置。多个跟踪标记152中的一个或多个跟踪标记的此类移动的目的可为便于多个跟踪标记152中的每个跟踪标记(或至少该多个跟踪标记的子集)与传感器144/或导航系统156之间的视线的维护。在此类实施方案中，机器人136(和/或系统100的另一部件)可被配置为跟踪多个跟踪标记152中的每个跟踪标记是否处于其相应的第一位置或第二位置，并且将此类信息提供给导航系统156(或提供给系统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152相对于机器人臂148的位置并且进一步基于如由传感器144和/或导航系统156检测到的跟踪标记152的位置来实现机器人坐标系与导航坐标系(或任何其他坐标系)的相关性。

在2020年6月8日提交的题为“Robotic Reference Frames for Navigation”的美国专利申请63/036,130中更全面地描述了使用跟踪标记152来确定机器人臂148在空间中的位置，该美国专利申请的全部公开内容以引用方式并入本文以用于其教导和公开的所有内容。

系统100的导航系统156可在手术期间为外科医生和/或两个或更多个机器人136提供导航。导航系统156可以是任何现在已知的或将来开发的导航系统，包括例如Medtronic StealthStation^TMS8外科导航系统。导航系统156可包括相机或一个或多个其他传感器，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外科手术的其他房间内的其他物体。在各个实施方案中，导航系统156可用于跟踪每个机器人136的机器人臂148(或更具体地，附接到机器人臂148的一个或多个跟踪标记152)的位置。导航系统156可用于跟踪一个或多个参考系、标记或阵列或其他结构的位置，该参考系、标记或阵列或其他结构用于由导航系统156的相机或其他传感器检测。导航系统156可用于例如检测安装在患者上的参考系的位置和/或一个或多个机器人手臂148的位置，并且至少基于检测到的位置将患者坐标系配准或以其他方式关联到机器人坐标系。导航系统156可包括用于显示来自外部源(例如，计算装置102、数据库160、云164或另一源)的一个或多个图像，或来自导航系统156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156的情况下操作。

数据库160可存储将一个坐标系关联到另一坐标系的信息(例如，将一个或多个机器人坐标系关联到患者坐标系和/或导航坐标系的信息)。数据库160可另外地或替可代地存储：例如，关于或对应于跟踪标记152的一个或多个特性的信息；一个或多个手术计划(包括例如关于在手术部位处和/或接近手术部位的患者的解剖结构的图像信息，以供机器人136、导航系统156和/或计算装置102或系统100的用户使用)；结合由系统100的一个或多个其他部件完成的或在这些部件的协助下完成的手术的一个或多个有用的图像；和/或任何其他有用的信息。数据库160可被配置为将任何此类信息提供到计算装置102或提供到系统100的任何其他装置或系统100外部的任何其他装置，无论直接地或经由云164。在一些实施方案中，数据库160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164可以是或表示互联网或任何其他广域网。计算装置102可使用有线连接、无线连接或两者经由通信接口108连接到云164。在一些实施方案中，计算装置102可经由云164与数据库160和/或外部装置(例如，计算装置)通信。

现在转到图2A，本公开的实施方案可例如结合涉及两个机器人136a、136b的机器人辅助手术或完全自主手术来使用。尽管两个机器人136a、136b可定位在手术室200中的任何地方，但是图2A示出了定位在患者208躺在其上的手术台204的相对侧上的两个机器人136a、136b。参考系212牢固地固定至患者208，并且更具体地固定至患者的解剖元件，诸如骨(例如，骨盆、椎骨、颅骨)。参考系212包括多个反射球216，但在一些实施方案中，参考系212可包括可由导航系统相机或其他传感器(诸如红外线发射二极管)容易地检测到的一个或多个其他高可见度标记。参考系212可分别由导航系统相机、电磁传感器或用于除光学导航系统和电磁导航系统之外的导航系统的其他合适传感器检测。因此，参考系212使得导航系统(例如，导航系统156)能够确定参考系212在导航系统的坐标系中的精确姿势(例如，精确位置和取向)。使用关于参考系212的姿势的检测到的信息以及关于参考系所附接到的解剖元件的图像信息和/或参考系到解剖元件的附接的精确位置，计算装置(诸如计算装置102)和/或导航系统156能够将以患者为中心的坐标系配准或以其他方式关联到导航系统的坐标系，或反之亦然。

如图2A中所示，机器人136a、136b中的每一者包括移动基座140和机器人臂148，并且每个机器人臂148包括末端执行器218。移动基座140是能够选择性地移动的，并且一旦定位在期望位置中，就可被锁定就位(无论使用轮锁还是以其他方式)，以防止其在手术期间移动。在手术期间的任何时刻(如果必要的话)和/或在手术结束时，移动基座140可被解锁以便于机器人136a、136b的移除和/或重新定位。尽管在图2A中示出为独立的轮式机器人，但是机器人136a、136b可以可替代地(直接地或间接地)安装到手术台或另一固定的(例如，不动的)结构，包括例如手术室地板、天花板、墙壁和/或固定地安装到前述任一者的任何结构。

多个跟踪标记220定位在机器人136上，包括基座140上的一些跟踪标记和机器人臂148上的其他标记(包括每个末端执行器218上的一个跟踪标记220)。跟踪标记220可与跟踪标记152相同或类似。图2A中的机器人136a、136b上的跟踪标记220的位置仅是示例性位置；在不同的实施方案中，一个或多个跟踪标记220可位于机器人136a、136b中的任一者或两者上的不同位置。另外地，在不同的实施方案中，可在机器人136a、136b上提供更多或更少的跟踪标记220。例如，在一些实施方案中，每个机器人136a、136b可仅包括单个跟踪标记220，该单个跟踪标记可例如在机器人臂148的末端执行器218上。在其他实施方案中，每个机器人136a、136b可包括仅定位在机器人臂148上或仅定位在基座140上的跟踪标记220。而且在一些实施方案中，跟踪标记220可仅定位在机器人臂148的接头上，或仅定位在机器人臂148的在其接头之间(或在末端执行器218与机器人臂148的接头之间)延伸的区段上。跟踪标记220可允许计算装置(例如，计算装置102)和/或导航系统(例如，导航系统156)在导航空间中(例如，在导航坐标系中)和/或在患者空间中(例如，在患者坐标系中)定位机器人136(或机器人臂148或末端执行器218)。

此外，在一些实施方案中，跟踪标记220可使得计算装置和/或导航系统能够将对应于每个机器人136a、136b的机器人空间的坐标系配准或以其他方式关联到患者坐标系(对应于患者空间)和/或导航坐标系(对应于导航空间)中的一者或两者。对于机器人136a、136b两者，配准或其他相关性可同时发生，或者按顺序发生。在一些实施方案中，每个机器人136a、136b的坐标系以及对应于患者208的患者空间的患者坐标系可同时彼此配准或彼此关联，和/或同时配准或关联到导航坐标系。

在一些实施方案中，机器人136a、136b的坐标系与患者208的患者空间的配准或其他相关性可使得例如机器人控制系统(该机器人控制系统可为例如计算装置(诸如计算装置102)或导航系统(诸如导航系统156)，或可包括计算装置及导航系统两者)能够同时控制机器人136a、136b两者，以便将一个机器人136a(包括其机器人臂148)维持在第一工作体积中，并且将另一机器人136b(包括其机器人臂148)维持在与第一工作体积分离(但可能与其邻近)的第二工作体积中。例如，在第一工作体积和第二工作体积彼此相邻和/或具有比简单平面更复杂的共享边界的情况下，如上文所讨论的坐标系的配准可有益地促进第一工作体积和第二工作体积的精确限定，并且因此可以帮助确保机器人136a、136b的机器人臂148的成功分离，并且防止它们之间的任何干扰。

作为一个示例，如上文所描述的机器人控制系统可控制一对机器人136a、136b以在单独的非相邻工作体积中操作。一个机器人136a可维持在涵盖上椎骨(例如，胸椎的椎骨)的工作体积内，而另一机器人136b可维持在涵盖下椎骨(例如，腰椎的椎骨)的工作体积内，其中上椎骨和下椎骨不彼此相邻。作为另一示例，机器人控制系统可控制该对机器人136a、136b以在单独的但相邻的工作体积中操作。因此，一个机器人136a可维持在涵盖第一椎骨的工作体积内，而另一机器人136b可维持在涵盖与第一椎骨相邻的第二椎骨的工作体积内。而且在一些实施方案中，每个机器人136的工作体积之间的边界可以不由解剖边界限定。例如，一个机器人136a可在涵盖一半椎骨的工作体积内被控制，而另一机器人136b可在涵盖同一椎骨的另一半椎骨的工作体积内被控制。

在其他实施方案中，机器人136a、136b的坐标系与患者208的患者空间的配准或其他相关性可使得例如机器人控制系统(该机器人控制系统可为例如计算装置(诸如计算装置102)或导航系统(诸如导航系统156)，或可包括计算装置及导航系统两者)能够在共同工作体积内同时控制机器人136a、136b两者，以完成一个或多个单独手术任务及/或完成外科手术而不彼此干扰，尽管机器人臂148及/或末端执行器218交替地占据共同工作体积内的相同空间。换句话说，并非将一个机器人136a、136b限制为在患者208的一侧上操作且将第二机器人136a、136b限制为在患者208的另一侧上操作，而是将机器人136a、136b的坐标系配准到对应于患者208的坐标系可使得能够比在没有配准的情况下更有效地使用机器人136(例如，在没有人为地限制机器人臂148的潜在移动路径的情况下)(尽管情况并非总是如此，且如上文所论述，本发明的实施方案可将每个机器人136a、136b限制到单独的工作体积)。配准还确保每个机器人136a、136b可精确地与患者208的指定部分交互，从而保护患者安全并且确保任何手术任务或手术被正确地完成。在配准包括与导航空间的配准或其他相关性的情况下，配准还使得导航系统能够跟踪每个机器人136a、136b相对于患者208的精确位置，和/或提供用于控制机器人136a、136b以完成给定的手术任务或手术的信息和/或命令，而不会彼此干扰和/或不会伤害患者208。

机器人136a包括传感器144，该传感器在一些实施方案中可用于检测机器人136b的位置和/或机器人136b的机器人臂148的位置(例如，通过检测机器人136上的跟踪标记220和/或机器人136b的机器人臂148的位置)。传感器144可用于例如促进机器人136b的机器人坐标系与机器人136a的机器人坐标系的配准或其他相关性，或反之亦然。因此，一旦机器人136a、136b中的一个机器人的第一坐标系已经配准到对应于患者208的患者坐标系和/或对应于导航系统(诸如导航系统156)的导航坐标系，机器人136a、136b中的另一机器人的第二坐标系可基于由传感器144收集的信息配准到第一坐标系或以其他方式关联到第一坐标系。

虽然本发明涵盖其中在第一机器人136a的第一坐标系之间完成第一配准且接着在第一机器人136a的第一坐标系与第二机器人136a的第二坐标系之间完成第二配准的实施方案，如上文所论述，但在本发明的其他实施方案中，每个机器人136a、136b直接配准到对应于患者208的患者坐标系，和/或直接配准到对应于导航系统(诸如导航系统156)的导航坐标系。在此类实施方案中，机器人136a上的传感器144可能不需要用于配准目的，或者至少不需要用于将第一机器人136a的第一坐标系配准到第二机器人136b的第二坐标系的目的。

图2B与图2A基本相同，除了在图2B中，两个机器人136通过刚性细长构件224彼此物理地连接，该刚性细长构件在接头228处固定到每个机器人136a、136b。细长构件224可以是例如金属条，或由任何刚性材料制成的条或其他构件。细长构件224可在其每个端部处包括球，并且每个机器人136a、136b上的接头228可包括适于接收球的承窝以及锁定机构，该锁定机构被配置为在给定取向处将球锁定到承窝中，以便一旦构件224被锁定在适当位置中就防止构件224的相对移动，并且因此防止机器人136a、136b的相对移动。通过这样连接机器人136a、136b，一个机器人136a、136b的坐标系可基于例如关于构件224的尺寸信息(例如，构件224的长度)以及关于构件224被固定到接头228/机器人136的角度的感测到的信息或以其他方式获得的信息而配准或关联到另一机器人136a、136b的坐标系。此类信息可例如通过接头228中的传感器来感测，或者可使用接头228上的标记或使用单独的量规或工具来测量。在一些实施方案中，可能需要沿六个自由度的测量以准确地配准或关联两个连接的机器人136a、136b的坐标系，但在其他实施方案中(例如，取决于机器人136a、136b是否相同、接头228在每个机器人136a、136b上的位置等)，沿少于六个自由度的测量可能是必要的。例如，在一些实施方案中，沿五个、四个、三个或两个自由度的测量可能是足够的。

图3描绘了配准方法300。配准方法300(和/或其一个或多个步骤)可例如由至少一个处理器执行或以其他方式进行。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。至少一个处理器可以是机器人(诸如机器人136)的部分或导航系统(诸如导航系统156)的部分。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。例如，一旦已定位每个坐标系，就可使用一个或多个此类算法128将一个坐标系映射到另一坐标系。

方法300包括接收对应于患者的解剖元件的信息的图像信息(步骤304)。图像信息可例如作为术前计划的一部分被接收。另外地或可替代地，图像信息可直接地或间接地从成像装置(诸如CT扫描器、磁共振成像(MRI)扫描器、光学相干断层扫描(OCT)扫描器、O型臂(包括例如O型臂2D长胶片扫描器)、C型臂、G型臂、利用基于X射线的成像的另一装置(例如，荧光镜或其他X射线机)或任何其他成像设备)接收。图像信息可以是或包括多个二维(2D)图像，和/或一个或多个三维(3D)图像。在一些实施方案中，图像信息可以是或包括解剖元件的3D模型，该3D模型又可以是使用一个或多个2D图像或3D图像生成的。

方法300还包括接收关于参考系、第一机器人和第二机器人的姿势的传感器信息(步骤308)。参考系可与参考系212相同或类似，并且第一机器人和第二机器人可与例如图1的机器人136和/或图2A-图2B的机器人136a、136b相同或类似。在一些实施方案中，参考系、第一机器人和第二机器人的姿势可以是同时姿势(例如，参考系、第一机器人和第二机器人在同一时刻的姿势)。在其他实施方案中，参考系、第一机器人及第二机器人的姿势可以是每个单独装置在不同时刻的姿势。传感器信息可以是用于确定参考系、第一机器人和第二机器人在单个时间点的姿势的任何信息。因此，例如，传感器信息可包括直接地或间接地从成像装置(诸如超声波探头、CT扫描器、磁共振成像(MRI)扫描器、光学相干断层扫描(OCT)扫描器、O型臂(包括例如O型臂2D长胶片扫描器)、C型臂、G型臂、利用基于X射线的成像的另一装置(例如，荧光镜或其他X射线机)或任何其他成像设备)接收的图像信息。传感器信息可以可替代地是或包括直接地或间接地从电磁定位或导航系统接收的信息，该信息可包括关于一个或多个磁体或其他电磁场源的检测到的位置的信息，从该信息可以确定参考系、第一机器人和第二机器人的姿势。

在传感器信息包括图像信息的实施方案中，图像信息可对应于例如示出参考系、第一机器人的多个跟踪标记(例如，跟踪标记220)和第二机器人的多个跟踪标记(例如，跟踪标记220)的X射线图像。X射线图像还可示出患者的解剖元件，参考系被牢固地固定到该解剖元件。

传感器信息还可以是或包括来自第一机器人和第二机器人的一个或多个传感器的信息。例如，第一机器人和第二机器人的一个或多个传感器可用于确定(独立于其上的任何跟踪标记)其机器人臂148的姿势，该信息可用于方法300中。作为另一示例，导航系统可用于检测附着到机器人的机器人臂和/或机器人上的其他地方的任何跟踪标记，从该信息可确定机器人的姿势和/或其机器人臂的姿势。因此，可从导航相机或其他导航系统传感器接收传感器信息。

而且在一些实施方案中，传感器信息可包括关于第二机器人相对于第一机器人的位置(或者，可替代地，姿势)的信息，或者反之亦然(该信息可以是或者包括例如可以从其确定第二机器人相对于第一机器人的位置或姿势的信息)。例如，在第一机器人和第二机器人通过刚性构件(诸如，例如，构件224)物理地连接的实施方案中，传感器信息可包括来自将刚性构件连接到机器人中的一个机器人的每个接头(例如，每个接头228)中的传感器的信息，该信息可使得能够基于关于机器人上的接头的位置已知信息以及关于刚性构件的长度的已知信息来确定两个机器人的相对位置/姿势。

在一些实施方案中，第一机器人和第二机器人中的每一者的姿势可以是其中每个机器人与参考系或一些其他预定点接触的姿势。此类姿势可以用于例如允许基于其他预定点的参考系的一个或多个点的确定的位置来确定每个机器人的一个或多个点的精确位置。在一些实施方案中，机器人可在此类预定点处彼此接触。预定点可相对于另一机器人的基座是不动的(例如，一个机器人的机器人臂可接触另一机器人的基座)，或者相对于另一机器人的基座是能够移动的(例如，一个机器人的机器人臂可以接触另一机器人的机器人臂或末端执行器)。一个机器人可例如(使用一个或多个传感器，诸如传感器144)“看到”预定点，并且自动地将其机器人臂和/或末端执行器移动到预定点。一旦在预定点处进行接触，就知道一个机器人相对于另一机器人的位置。而且在一些实施方案中，预定点可包括机器人臂可同时接触的多个点。特别地，在机器人臂可仅在一个取向上接触多个点中的每个点的情况下，使用多个点促进机器人的位置的确定。可利用机器人与参考系之间的接触来代替例如机器人上的一个或多个跟踪标记。

本公开涵盖利用步骤308的变型(以及方法300的剩余步骤)的方法300的实施方案。例如，在一些实施方案中，步骤308可包括接收关于参考系的姿势和多于两个机器人的姿势的传感器信息，和/或接收关于参考系、第一机器人、第二机器人和解剖元件的姿势的传感器信息。在每种情况下，所识别元件的姿势可为同时姿势(例如，每个元件在同一时刻的姿势)或循序姿势(例如，每个元素在不同时刻的姿态)。

方法300还包括确定对应于患者的患者坐标系、对应于第一机器人的第一坐标系和对应于第二机器人的第二坐标系之间的相关性(步骤312)。确定基于图像信息和传感器信息，但在一些实施方案中，该确定可仅基于传感器信息。确定相关性可包括将(分别为第一机器人和第二机器人的)第一坐标系和第二坐标系配准到患者坐标系，或将患者坐标系以及第一坐标系和第二坐标系配准到导航坐标系或其他坐标系。确定可包括使用一个或多个算法(诸如算法128)来确定患者坐标系、第一坐标系和第二坐标系中的任何一者或多者到前述的任何其他坐标系和/或到导航坐标系或其他坐标系的映射。相关性可使得能够使用参考患者坐标系的指令来控制例如第一机器人和第二机器人，或者可使得能够将基于患者坐标系的指令转换为基于第一坐标系和/或第二坐标系的指令，以便使得第一机器人和第二机器人在它们各自的坐标系内移动，以在患者坐标系中完成任务或手术。确定的相关性可被保存在例如存储器(诸如存储器116)中、数据库(诸如数据库160)中或其他地方。确定的相关性可经由网络(诸如云164)传输。

方法300还包括基于相关性控制第一机器人和第二机器人在限定的工作体积内的移动(步骤316)。限定的工作体积可包括用于每个机器人的单独的工作体积，或者单个共同工作体积，如本文中别处所述。在限定的工作体积是共同工作体积的情况下，共同工作体积可以是包括空间中能够到达的点并且可由第一机器人和第二机器人两者(尽管不是同时地)占据的体积。因此，共同工作体积包括单个工作体积，该工作体积的整体能够被第一机器人和第二机器人两者访问，并且其中第一机器人和第二机器人可基于相关性被安全地控制，而不会彼此碰撞或以其他方式彼此干扰。在限定的工作体积包括单独的工作体积的情况下，单独的工作体积可包括用于第一机器人的第一工作体积和用于第二机器人的第二工作体积，其中第一工作体积和第二工作体积是相互排斥的，因此也促进第一机器人和第二机器人的同时操作，同时降低碰撞或干涉的风险。

控制可包括使第一机器人和第二机器人(并且更具体地，第一机器人和第二机器人的机器人臂，或者甚至更具体地，第一机器人和第二机器人的末端执行器)以协调的方式工作，以完成给定的手术任务(例如，对患者皮肤进行切口)或给定的外科手术(例如，脊柱减压)。控制可例如基于术前计划，并且可利用一个或多个指令(诸如存储在存储器(诸如存储器116)中的指令124)。

本公开涵盖方法300的实施方案，该实施方案包括比上文所描述的那些步骤更多或更少的步骤，和/或与上文所描述的步骤不同的一个或多个步骤。例如，在一些实施方案中，方法300还可包括分别从例如第一机器人和第二机器人接收关于第一坐标系和第二坐标系的信息。在此类实施方案中，除了接收到的传感器信息和/或接收到的图像信息之外，确定步骤312还可基于接收到的坐标系信息。

在方法300的上述讨论中讨论的坐标系中的每个坐标系相对于其他坐标系是唯一的。换句话说，第一机器人具有第一坐标系，该第一坐标系具有与第二机器人的第二坐标系不同的原点，并且第一机器人和第二机器人的第一坐标系和第二坐标系分别各自具有与患者坐标系不同的原点。除了具有不同的原点之外，在一些实施方案中，每个坐标系可不同地取向，使得第一坐标系的轴)中没有一者(例如，X、Y或Z轴中没有一者)平行于第二坐标系的轴中的任一者和/或患者坐标系的轴中的任一者(或者，如果任何两个轴平行，则那些轴是不同的(例如，一个坐标系的X轴平行于另一坐标系的Z轴))。

现在转到图4，确定(例如对应于患者的)患者坐标系、(例如第一机器人的)第一坐标系和(例如第二机器人的)第二坐标系之间的相关性的方法400可例如由至少一个处理器执行或以其他方式进行。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。至少一个处理器可以是机器人(诸如机器人136)的部分或导航系统(诸如导航系统156)的部分。除了本文所描述的任何处理器之外的处理器还可用于执行方法400。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400。这些指令可对应于下文描述的方法400的一个或多个步骤。这些指令可使处理器执行一种或多种算法，诸如算法128。例如，一旦已定位每个坐标系，就可使用一个或多个此类算法128将一个坐标系映射到另一坐标系。

方法400对应于上文所描述的方法300的步骤312。换句话说，方法400构成可确定患者坐标系、第一机器人的第一坐标系和第二机器人的第二坐标系之间的相关性的一种方式。

方法400包括确定患者坐标系与导航空间之间的第一相关性(步骤404)。患者坐标系可相对于例如由外科医生选择或自主选择的患者解剖结构的点和/或由在其上将参考系牢固地固定到患者的解剖元件的点来限定。患者坐标系可或可不关于待在患者上执行的外科手术来限定。在一些实施方案中，可在术前计划中限定患者坐标系，而在其他实施方案中，可独立于任何术前计划来限定患者坐标系。

导航空间可以是例如对导航系统(诸如导航系统156)的传感器可见的空间。在一些实施方案中，导航空间可由导航坐标系表示或对应于导航坐标系，并且步骤404可包括确定患者坐标系与导航坐标系之间的第一相关性。

确定第一相关性可包括使用一个或多个算法(诸如算法128)来确定患者坐标系到导航空间的映射。第一相关性可使得能够将患者坐标系中的任何坐标转换为导航空间中的任何坐标，或者反之亦然。第一相关性可被保存在例如存储器(诸如存储器116)中、数据库(诸如数据库160)中或其他地方。第一相关性可经由网络(诸如云164)传输。

方法400还包括确定第一坐标系与导航空间之间的第二相关性(步骤408)。第一坐标系是由第一机器人使用的坐标系，该第一机器人可以是例如机器人136。例如，第一机器人可指示其机器人臂将其末端执行器移动到第一坐标系的一组给定坐标。第一坐标系可相对于机器人上的固定点(例如，机器人基座上的点)和/或相对于当机器人臂处于预定位置时机器人的末端执行器的点来限定。

确定第二相关性可包括使用一个或多个算法(诸如算法128)来确定第一坐标系到导航空间的映射。第二相关性可使得能够将第一坐标系中的任何坐标转换为导航空间中的任何坐标，或者反之亦然。例如，第二相关性可使得能够使用参考导航空间(例如，导航坐标系)的指令来控制第一机器人，或者可使得能够将基于导航坐标系的指令转换为基于第一坐标系的指令，以便使得第一机器人在第一坐标系内移动，以完成相对于患者坐标系限定的任务或手术。第二相关性可被保存在例如存储器(诸如存储器116)中、数据库(诸如数据库160)中或其他地方。第二相关性可经由网络(诸如云164)传输。

方法400还包括确定第二坐标系与导航空间之间的第三相关性(步骤412)。第二坐标系是由第二机器人使用的坐标系，该第二机器人可以是例如机器人136。例如，第二机器人可指示其机器人臂将其末端执行器移动到第二坐标系的一组给定坐标。第二坐标系可相对于机器人上的固定点(例如，机器人基座上的点)和/或相对于当机器人臂处于预定位置时机器人的末端执行器的点来限定。

确定第三相关性可包括使用一个或多个算法(诸如算法128)来确定第二坐标系到导航空间的映射。第三相关性可使得能够将第二坐标系中的任何坐标转换为导航空间中的任何坐标，或者反之亦然。例如，第三相关性可使得能够使用参考导航空间(例如，导航坐标系)的指令来控制第二机器人，或者可使得能够将基于导航坐标系的指令转换为基于第二坐标系的指令，以便使得第二机器人在第二坐标系内移，以完成相对于患者坐标系限定的任务或手术。第三相关性可被保存在例如存储器(诸如存储器116)中、数据库(诸如数据库160)中或其他地方。第三相关性可经由网络(诸如云164)传输。

方法400还包括基于第一相关性、第二相关性和第三相关性来确定组合的相关性(步骤416)。确定组合的相关性可包括利用患者坐标系与导航空间之间的第一相关性以及第一坐标系与导航空间之间的第二相关性一起来确定患者坐标系到第一坐标系的映射，和/或反之亦然。确定还可包括利用第一坐标系与导航空间之间的第二相关性以及第二坐标系与导航空间之间的第三相关性来确定第一坐标系到第二坐标系的映射，和/或反之亦然。确定还可包括利用患者坐标系与导航空间之间的第一相关性以及第二坐标系与导航空间之间的第三相关性一起来确定患者坐标系到第二坐标系的映射，和/或反之亦然。

组合的相关性可使得能够将患者坐标系、第一坐标系、第二坐标系和/或对应于导航空间的坐标系中的任一者中的任何坐标转换为前述坐标系中的任何其他坐标系。组合的相关性还可使得能够使用相对于导航空间(例如，导航坐标系)准备的共同指令组来控制第一机器人和第二机器人，和/或可使得能够将基于导航坐标系或任何其他坐标系的指令转换成基于第一坐标系和第二坐标系的指令，以便使得第一机器人和第二机器人分别适当地移动，以完成相对于患者坐标系或导航坐标系限定的任务或手术。组合的相关性可被保存在例如存储器(诸如存储器116)中、数据库(诸如数据库160)中或其他地方。组合的相关性可经由网络(诸如云164)传输。

本公开涵盖方法400的实施方案，该实施方案包括比上文所描述的那些步骤更多或更少的步骤，和/或与上文所描述的步骤不同的一个或多个步骤。

现在转向图5，例如可由至少一个处理器执行或以其他方式进行以协调方式控制多个机器人的方法500。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。至少一个处理器可以是机器人(诸如机器人136)的部分或导航系统(诸如导航系统156)的部分。除了本文所描述的任何处理器之外的处理器还可用于执行方法500。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)来进行方法500。这些指令可对应于下文描述的方法500的一个或多个步骤。这些指令可使处理器执行一种或多种算法，诸如算法128。例如，一旦已定位每个坐标系，就可使用一个或多个此类算法128将一个坐标系映射到另一坐标系。

方法500包括接收对应于患者的解剖元件的信息的图像信息(步骤504)。步骤504可与上文所描述的方法300的步骤304相同或类似。

方法500还包括接收关于患者参考系和第一机器人的姿势的第一传感器信息(步骤508)。患者参考系可与参考系212相同或类似，并且第一机器人可与例如图1的机器人136和/或图2A-图2B的机器人136a或机器人136b相同或类似。第一传感器信息可以是用于确定参考系和第二机器人在单个时间点的姿势的任何信息。因此，例如，第一传感器信息可包括直接地或间接地从成像装置(诸如CT扫描器、磁共振成像(MRI)扫描器、光学相干断层扫描(OCT)扫描器、O型臂(包括例如O型臂2D长胶片扫描器)、C型臂、G型臂、利用基于X射线的成像的另一装置(例如，荧光镜或其他X射线机)或任何其他成像设备)接收的图像信息。第一传感器信息可以可替代地是或包括直接地或间接地从电磁定位或导航系统接收的信息，该信息可包括关于一个或多个磁体或其他电磁场源的检测到的位置的信息，从该信息可以确定患者参考系和第一机器人的姿势。

在第一传感器信息包括图像信息的实施方案中，图像信息可对应于例如示出患者参考系和第一机器人的多个跟踪标记(例如，跟踪标记220)的X射线图像。X射线图像还可示出患者的解剖元件，患者参考系被牢固地固定到该解剖元件。

第一传感器信息还可以是或包括来自第一机器人的一个或多个传感器的信息。例如，第一机器人的一个或多个传感器可用于确定(独立于其上的任何跟踪标记)其机器人臂的姿势。作为另一示例，导航系统可用于检测附着到第一机器人的机器人臂和/或第一机器人上的其他地方的任何跟踪标记，从该信息可确定机器人的姿势和/或其机器人臂的姿势。因此，可从导航相机或其他导航系统传感器接收第一传感器信息。

方法500还包括确定患者坐标系与第一机器人的第一坐标系之间的第一相关性(步骤512)。患者坐标系可与本文所描述的任何患者坐标系相同或类似，包括例如关于方法400的步骤404。第一坐标系可与本文所描述的任何第一坐标系相同或类似，包括例如关于方法400的步骤408。

确定第一相关性可包括使用一个或多个算法(诸如算法128)来确定患者坐标系到第一坐标系的映射。第一相关性可使得能够将患者坐标系中的任何坐标转换为第一坐标系中的任何坐标，或者反之亦然。例如，第一相关性可使得能够使用参考患者坐标系的指令来控制第一机器人，或者可使得能够将基于患者坐标系的指令转换为基于第一坐标系的指令，以便使得第一机器人在第一坐标系内移动，以完成相对于患者坐标系限定的任务或手术。第一相关性可被保存在例如存储器(诸如存储器116)中、数据库(诸如数据库160)中或其他地方。第一相关性可经由网络(诸如云164)传输。

方法500还包括从第一机器人接收关于第二机器人的姿势的第二传感器信息(步骤516)。第二机器人可与例如图1的机器人136和/或图2A-图2B的机器人136a或机器人136b相同或类似。第二传感器信息可以是用于确定第二机器人的相对于第一机器人姿势的姿势的任何信息。因此，例如，第二传感器信息可包括从第一机器人的传感器(例如，传感器144)直接地或间接地接收的图像信息。此类传感器可检测例如第二机器人上的一个或多个跟踪标记(例如，跟踪标记220)。在第一机器人已经由构件224或以其他方式物理地连接到第二机器人的实施方案中，传感器可以是或包括被配置为检测关于所述物理连接的信息的一个或多个传感器，从该信息可确定第二机器人的相对于第一机器人的姿势的姿势。第二传感器信息可以可替代地是或包括直接地或间接地从电磁定位或导航系统接收的信息，该信息可包括关于一个或多个磁体或其他电磁场源的检测到的位置的信息，从该信息可以确定第二机器人的相对于第一机器人的姿势的姿势。

方法500还包括基于第一相关性和第二传感器信息来确定患者坐标系与第二机器人的第二坐标系之间的第二相关性(步骤520)。第二坐标系可与本文所描述的任何第二坐标系相同或类似，包括例如关于方法400的步骤412。

确定第二相关性可包括使用一个或多个算法(诸如算法128)来确定(再次基于第一相关性和第二传感器信息)患者坐标系到第二坐标系的映射。第一相关性可使得能够将患者坐标系中的任何坐标转换为第一坐标系中的任何坐标，并且第二传感器信息可用于确定第二机器人的相对于第一机器人的姿势，以便使得能够确定第一坐标系与第二坐标系之间的中间相关性。然后可以利用第一相关性和中间相关性来确定第二相关性。例如，一旦被确定，第二相关性可使得能够使用参考患者坐标系的指令来控制第二机器人，或者可使得能够将基于患者坐标系的指令转换为基于第二坐标系的指令，以便使得第二机器人在第二坐标系内移动，以完成相对于患者坐标系限定的任务或手术。第二相关性可被保存在例如存储器(诸如存储器116)中、数据库(诸如数据库160)中或其他地方。第二相关性可经由网络(诸如云164)传输。

方法500还包括基于第一相关性和第二相关性来控制第一机器人和第二机器人的移动(步骤524)。控制可包括使第一机器人和第二机器人(并且更具体地，第一机器人和第二机器人的机器人臂，或者甚至更具体地，第一机器人和第二机器人的末端执行器)以协调的方式工作，以完成关于患者坐标系限定的给定的手术任务(例如，对患者皮肤进行切口)或给定的外科手术(例如，脊柱减压)。控制可例如基于术前计划，并且可利用一个或多个指令(诸如存储在存储器(诸如存储器116)中的指令124)。

本公开涵盖方法500的实施方案，该实施方案包括比上文所描述的那些步骤更多或更少的步骤，和/或包括与上文所描述的步骤不同的一个或多个步骤。例如，在一些实施方案中，方法500还可包括确定一方面的患者坐标系、第一坐标系和/或第二坐标系与另一方面的导航坐标系之间的一个或多个相关性。而且在一些实施方案中，方法500可包括确定每个可能的坐标系对之间的相关性，而不仅仅是患者坐标系与第一机器人的第一坐标系之间的第一相关性以及患者坐标系与第二机器人的第二坐标系之间的第二相关性。

图6描绘了可例如由根据本公开的实施方案的机器人控制系统实施的方法600的步骤。方法600与方法300相同或基本上类似(例如，步骤604与步骤304相同或基本上类似，步骤608与步骤308相同或基本上类似，步骤612与步骤312相同或基本上类似，并且步骤616与步骤316相同或基本上类似)。特别地，接收到的传感器信息可以是足以(无论是单独的还是与图像信息组合)实现患者坐标系、第一机器人的第一坐标系和第二机器人的第二坐标系之间的相关性的任何传感器信息，如步骤612中所述。在一些实施方案中，在步骤608中接收到的传感器信息可以是或包括关于第一机器人和患者参考系的第一传感器信息(例如，无论是单独的还是与图像信息组合都足以实现第一坐标系和患者坐标系之间的相关性的传感器信息)以及关于第二机器人和患者参考系的第二传感器信息(例如，无论是单独的还是与图像信息组合都足以实现第二坐标系和患者坐标系之间的相关性的传感器信息)。

图7描绘了方法700的步骤，该方法表示在方法600的步骤612期间确定患者坐标系、第一机器人的第一坐标系和第二机器人的第二坐标系之间的相关性的一种方式。

方法700包括确定患者坐标系与第一机器人的第一坐标系之间的第一相关性(步骤704)。步骤704可与方法500的步骤512相同或类似。步骤704可基于例如图像信息(诸如在方法600的步骤604中接收到的图像信息)和传感器信息(诸如在方法600的步骤608中接收到的传感器信息)。在传感器信息包括关于第一机器人和患者参考系的第一传感器信息以及关于第二机器人和患者参考系的第二传感器信息的情况下，步骤704可基于第一传感器信息。

方法700还包括确定患者坐标系与第二坐标系之间的第二相关性(步骤708)。步骤708可与方法500的步骤512相同或类似，其中用第二坐标系代替第一坐标系。步骤708可基于例如图像信息(诸如在方法600的步骤604中接收到的图像信息)和传感器信息(诸如在方法600的步骤608中接收到的传感器信息)。在传感器信息包括关于第一机器人和患者参考系的第一传感器信息以及关于第二机器人和患者参考系的第二传感器信息的情况下，步骤704可基于第二传感器信息。

可替代地，步骤708可与方法500的步骤520相同或类似，其中基于图像信息(诸如在方法600的步骤604中接收到的图像信息)和/或基于从第一机器人接收到的关于第二机器人的姿势的传感器信息以及关于在步骤704中确定的第一相关性的信息一起来确定第二相关性。

方法700还包括基于第一相关性和第二相关性来确定组合的相关性(步骤712)。确定组合的相关性可包括利用患者坐标系与第一坐标系之间的第一相关性以及患者坐标系与第二坐标系之间的第二相关性一起来确定第一坐标系到第二坐标系的映射，和/或反之亦然。确定还可包括利用第一坐标系与导航空间之间的第二相关性以及第二坐标系与导航空间之间的第三相关性来确定第一坐标系到第二坐标系的映射，和/或反之亦然。

组合的相关性可使得能够将患者坐标系、第一坐标系、第二坐标系中的任一者中的任何坐标转换为前述坐标系中的任何其他坐标系。组合的相关性还可使得能够使用相对于患者空间(例如，患者坐标系)准备的共同指令组来控制第一机器人和第二机器人，和/或可使得能够将基于患者坐标系的指令转换成基于第一坐标系和第二坐标系的指令，以便使得第一机器人和第二机器人分别适当地移动，以完成相对于患者坐标系限定的任务或手术。组合的相关性可被保存在例如存储器(诸如存储器116)中、数据库(诸如数据库160)中或其他地方。组合的相关性可经由网络(诸如云164)传输。

本公开涵盖方法700的实施方案，该实施方案包括比上文所描述的那些步骤更多或更少的步骤，和/或与上文所描述的步骤不同的一个或多个步骤。

步骤612可使用方法400、方法700、前述方法的任一者的任何变型或另一方法来完成。类似地，步骤312可使用方法400、方法700、前述方法的任一者的任何变型或另一方法来完成。

尽管已经关于使用两个单独的机器人描述了本公开的实施方案，但是本公开还涵盖使用三个、四个、五个、六个、七个或更多个单独的机器人的实施方案。在此类实施方案中，可容易地修改本文所描述的方法以允许将每个机器人的坐标系统关联到患者坐标系统、导航坐标系统及/或其他机器人坐标系统。

如基于前述公开可理解的，本公开涵盖具有比图3、图4、图5、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400、方法500、方法600和方法700的对应描述)，以及包括除了图3、图4、图5、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400、方法500、方法600和方法700的对应描述)。本公开还涵盖包括来自本文所描述的一种方法的一个或多个步骤和来自本文所描述的另一种方法的一个或多个步骤的方法。本文所描述的任何相关性可以是或包括配准或任何其它相关性。本文描述为包括确定患者坐标系、第一机器人的第一坐标系和第二机器人的第二坐标系之间或之中的一个或多个相关性的任何方法也可包括确定前述坐标系中的任一者和导航坐标系之间的一个或多个相关性。类似地，本文描述为包括确定患者坐标系、导航坐标系、第一机器人的第一坐标系和第二机器人的第二坐标系之间或之中的一个或多个相关性的任何方法可以替代地包括仅确定患者坐标系、第一坐标系和第二坐标系之间或之中的一个或多个相关性。

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 (21)

1.一种配准方法，所述配准方法包括：

接收与患者的解剖元件对应的图像信息；

接收关于患者参考系、第一机器人和第二机器人中的每一者的姿势的传感器信息；

基于所述图像信息和所述传感器信息，确定患者坐标系、所述第一机器人的第一坐标系和所述第二机器人的第二坐标系之间的相关性；以及

基于所述相关性来控制所述第一机器人和所述第二机器人在共同工作体积内的移动。

2.根据权利要求1所述的配准方法，其中所述患者参考系被牢固地固定到所述患者的所述解剖元件。

3.根据权利要求1所述的配准方法，其中所述传感器信息包括关于定位在所述第一机器人上的至少一个跟踪标记的信息。

4.根据权利要求3所述的配准方法，其中所述至少一个跟踪标记是发光二极管。

5.根据权利要求1所述的配准方法，其中所述第一机器人的所述姿势和所述第二机器人的所述姿势使得所述第一机器人和所述第二机器人与所述患者参考系接触。

6.根据权利要求1所述的配准方法，其中从导航相机接收所述传感器信息。

7.根据权利要求1所述的配准方法，其中所述患者坐标系、所述第一坐标系和所述第二坐标系中的每一者相对于所述其他坐标系是唯一的。

8.根据权利要求1所述的配准方法，其中基于所述相关性来控制所述第一机器人和所述第二机器人在所述共同工作体积内的移动包括使得所述第一机器人和所述第二机器人进行协调移动以完成手术任务。

9.根据权利要求1所述的配准方法，其中基于所述图像信息和所述传感器信息，确定所述患者坐标系、所述第一机器人的所述第一坐标系和所述第二机器人的所述第二坐标系之间的所述相关性包括：

确定所述患者坐标系与导航空间之间的第一相关性；

确定所述第一坐标系与所述导航空间之间的第二相关性；以及

确定所述第二坐标系与所述导航空间之间的第三相关性。

10.根据权利要求1所述的配准方法，其中所述传感信息包括来自至少两个传感器的信息。

11.根据权利要求1所述的配准方法，其中所述传感器信息包括关于所述第一机器人的相对于所述第二机器人的姿势的信息。

12.一种以协调方式控制多个机器人的方法，所述方法包括：

接收与患者的解剖元件对应的图像信息；

接收关于患者参考系和第一机器人的姿势的第一传感器信息；

基于所述图像信息和所述传感器信息确定第一相关性，所述第一相关性在患者坐标系和所述第一机器人的坐标系之间；

从所述第一机器人接收关于第二机器人的姿势的第二传感器信息；

基于所述第二传感器信息和所述第一相关性确定第二相关性，所述第二相关性在所述患者坐标系和所述第二机器人的坐标系之间，以及

基于所述第一相关性和所述第二相关性控制所述第一机器人和所述第二机器人，

其中所述患者坐标系、所述第一坐标系和所述第二坐标系中的每一者相对于所述其他坐标系是唯一的。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二传感器信息包括关于所述第一机器人和所述第二机器人之间的物理连接的信息。

14.根据权利要求12所述的方法，其中从所述第一机器人的成像传感器接收所述第二传感器信息。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制包括使所述第一机器人和所述第二机器人进行协调移动以完成手术任务。

16.一种机器人控制系统，所述机器人控制系统包括：

通信接口，所述通信接口用于与多个机器人进行通信；

至少一个传感器；

至少一个处理器；以及

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被配置为使所述至少一个处理器：

接收关于患者参考系、第一机器人及第二机器人的传感器信息，所述第一机器人具有独立于所述第二机器人的坐标系的坐标系；

基于与患者的解剖元件对应的图像信息和所述传感器信息，确定患者坐标系、所述第一机器人的所述坐标系和所述第二机器人的所述坐标系之间的相关性；以及

基于所述相关性控制所述第一机器人和所述第二机器人的移动。

17.根据权利要求16所述的机器人控制系统，其中所述传感器信息包括关于所述于第一机器人和所述患者参考系的第一传感器信息，以及关于所述第二机器人和所述患者参考系的第二传感器信息。

18.根据权利要求17所述的机器人控制系统，其中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：

基于所述图像信息和所述第一传感器信息确定所述患者坐标系与所述第一坐标系之间的第一相关性；以及

基于所述图像信息和所述第二传感器信息确定所述患者坐标系与所述第二坐标系之间的第二相关性。

19.根据权利要求16所述的机器人控制系统，其中所述控制包括使所述第一机器人和所述第二机器人进行协调移动以完成手术任务。

20.根据权利要求16所述的机器人控制系统，其中所述至少一个传感器包括导航相机。

21.根据权利要求16所述的机器人控制系统，其中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附加指令，所述附加指令在被执行时进一步使所述至少一个处理器：基于所述相关性，控制所述第一机器人和所述第二机器人在共同工作体积内的移动。

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