CN116018106A - 利用硬件约束进行远程操作的外科机器人的逆向运动学 - Google Patents

Abstract

用于求解逆向运动学的各种方法可用于外科机器人系统的远程操作。在一种方法中，迭代求解器求解运动的角分量，独立于求解运动的线性分量。可以使用一个求解器来一起求解两者。在另一种方法中，在一个解中处理所有极限(例如，位置、速度和加速度)。在达到极限的情况下，将该极限用作中间解中的边界，即使在达到边界的情况下也接受解。在另一种方法中，使用位置极限比在边界附近创建减速区域以更自然地控制运动。在又一种方法中，基于医疗的远程操作使用有界高斯‑塞德尔求解器，诸如具有逐次超松驰。

Description

利用硬件约束进行远程操作的外科机器人的逆向运动学

背景技术

本实施方案涉及用于微创外科手术(MIS)的机器人系统。可利用机器人系统执行MIS，该机器人系统包括一个或多个机器人臂，该一个或多个机器人臂用于基于来自远程操作者的命令来操纵外科工具。例如，机器人臂可在其远侧端部支撑各种外科端部执行器，包括解剖刀、成像设备(例如，内窥镜)、夹钳和剪刀。使用机器人系统，外科医生在MIS期间控制机器人臂进行远程操作。

远程操作将用户命令转换为作为逆向运动学问题的机器人臂和外科工具接合部命令。逆向运动学问题可能需要处理不同数量的自由度(DOF)，这取决于所使用的端部执行器。例如，夹钳在远程操作中具有六个自由度。在制动一个或多个接合部之后，一旦其被定位用于操作，通过外科工具上的三个接合部(例如，旋转、俯仰和偏转)和机器人臂上的三个接合部(例如，球形旋转、球形俯仰和工具平移)来提供六个活动接合部和对应的六个DOF。又如，缝合器在远程操作中具有五个DOF。五个活动接合部和对应的DOF包括器械上的两个接合部(例如，旋转和关节运动)和机器人臂上的三个接合部(例如，球形旋转、球形俯仰和工具平移)。再又如，内窥镜或超声手术刀在远程操作中具有四个DOF。四个活动接合部和对应的DOF包括器械上的一个接合部(例如，旋转)和机器人臂上的三个接合部(例如，球形旋转、球形俯仰和工具平移)。

在远程操作期间，用户以六个DOF进行输入，这些命令被转换成接合部运动，使得仪器以受控的精度按照用户命令执行。为了将用户命令转换成接合部命令，求解逆向运动学函数。一个示例如下：

Δ_命令i＝J_iΔθ_i，

其中Δ_命令i是当前时间i任务空间中的用户命令矩阵(6×1)，J_i是当前时间i的雅可比(Jacobian)矩阵(6×n)，并且Δθ_i是当前时间i的接合部运动矩阵(n×1)。归因于机器人臂和外科工具上的物理约束(例如，接合部位置极限、接合部速度极限和接合部加速度极限)，当解违反这些约束中的一个或多个约束时，可能无法实现精确解。

发明内容

通过介绍，下文描述的优选实施方案包括用于外科机器人系统的远程操作的方法、系统、指令和计算机可读介质。可以使用用于求解逆向运动学的各种方法。在一种方法中，迭代求解器求解运动的角分量，独立于求解运动的线性分量。可以使用一个求解器来一起求解两者。在另一种方法中，在一个解中处理所有极限(例如，位置、速度和加速度)。在达到极限的情况下，将该极限用作中间解中的边界，即使在达到边界的情况下也接受解。在另一种方法中，使用位置极限比在边界附近创建减速区域以更自然地控制运动。在又一种方法中，基于医疗的远程操作使用有界高斯-塞德尔(Gauss-Seidel)求解器，诸如具有逐次超松驰。这些方法中的任何方法可以一起使用或分开使用。

在第一方面，提供了一种用于外科机器人系统的远程操作的方法。在远程操作期间接收移动机器人臂或机器人臂的外科工具的用户命令。在第一阶段中求解移动的线性运动。在与第一阶段分开的第二阶段中求解移动的角运动。机器人臂或机器人臂的外科工具基于线性运动和角运动的解来移动。

在第二方面，提供了一种用于外科机器人系统的远程操作的方法。在远程操作期间接收移动机器人臂或机器人臂的外科工具的用户命令。机器人臂或机器人臂的外科工具的运动利用迭代解来求解，其中迭代解包括考虑了关于运动的所有极限的解。机器人臂或机器人臂的外科工具基于迭代解来移动。

在第三方面，提供了一种用于医疗远程操作的外科机器人系统。外科器械连接到机器人臂。控制器被配置为在对患者进行医疗远程操作期间并且响应于用户输入的移动命令来求解机器人臂和/或外科器械的运动。该解使用具有逐次超松驰的有界高斯-塞德尔求解器。

本发明由以下权利要求书限定，并且本章节中的内容不应视为对那些权利要求的限制。针对一类权利要求(例如，方法)的任何教导可适用于另一类权利要求(例如，计算机可读存储介质或系统)。下文结合优选的实施方案论述本发明的其他方面和优点，并且可以随后独立地或组合地要求保护。

附图说明

部件和图示未必按比例绘制，而是重点举例说明本发明的原理。此外，在附图中，贯穿不同附图，相似参考标号指示对应的部分。

图1为根据一个实施方案的配置有外科机器人系统的手术室环境的一个实施方案的图示；

图2示出了示例性外科机器人臂和外科工具；

图3为用于外科机器人系统的远程操作的方法的一个实施方案的流程图；

图4示出了六个DOF的示例性机器人臂和外科工具；

图5示出了四个DOF的示例性机器人臂和外科工具；

图6是用于远程操作中的逆向运动学迭代解的嵌套控制回路的一个实施方案的流程图；并且

图7为外科机器人系统的一个实施方案的框图。

具体实施方式

迭代逆向运动学提供了用于求解六个、五个和四个DOF问题的统一框架。在单一解中处理接合部位置极限、接合部速度极限和接合部加速度极限。合并基于硬件的接合部极限、速度极限和加速度极限。六个、五个和四个DOF逆向运动学可以以解耦的方式使用迭代解，其中独立地求解线性运动命令和角运动命令。在不存在极限违反的情况下，提供精确解(在容差内)。在存在极限违反的情况下，仍然可以提供解，尽管是次优解。在解中使用违反极限的值，从而至少在迭代逆向运动学中的中间解中将位置、速度和/或加速度夹紧到极限。

图1和图2示出了示例性外科机器人系统。下面参考该示例性系统讨论用于远程操作中的迭代逆向运动学解的方法。其他外科机器人系统和外科机器人或非外科机器人系统和机器人也可使用该方法。

图3至图6涉及远程操作中的迭代逆向运动学解。图7涉及将迭代逆向运动学求解器与用于远程操作的医疗机器人系统一起使用的系统。

图1为配置有外科机器人系统100的示例性操作室环境的示意图，该系统将来自用户的命令转换成根据迭代逆向运动学的外科机器人臂122的运动。外科机器人系统100包括用户控制台110、控制塔130和外科机器人120，该外科机器人具有安装在外科平台124(例如，台或床等)上的一个或多个外科机器人臂122，其中具有端部执行器的外科工具附接到机器人臂122的远侧端部用于执行外科规程。还可提供额外的、不同的或更少的组件，诸如将控制塔130与控制台110或外科机器人120组合起来。机器人臂122示出为台式安装，但在其他构型中，机器人臂122可安装在推车、天花板、侧壁或其他合适的支承表面中。

一般来讲，用户(诸如外科医生或其他操作员)可坐在用户控制台110处以远程操纵机器人臂122和/或外科器械(例如，远程操作)。用户控制台110可位于与机器人系统100相同的手术室中，如图1所示。在其他环境中，用户控制台110可位于相邻或附近的房间中，或者从不同建筑物、城市或国家的远程位置进行远程操作。用户控制台110可包括座椅112、踏板114、一个或多个手持用户界面设备(UID)116和开放式显示器118，该开放式显示器被配置为显示例如患者体内手术部位的视图和图形用户界面。如示例性用户控制台110所示，坐在座椅112上并查看开放式显示器118的外科医生可操纵踏板114和/或手持式用户界面设备116，以远程并直接控制机器人臂122和/或安装到臂122远侧端部的外科器械。用户输入使外科臂122和/或端部执行器移动的命令。这一用户控制会确定机器人臂122的位置、速率和移动速率的变化。速率和速率变化会带来预期中的由机器人臂122提供的动态扭矩力。坐在座椅112上的外科医生可查看显示器118并与显示器互动，以便在外科手术中输入使机器人臂122和/或外科器械在远程操作下进行移动的命令。

在一些略为不同的情况中，用户还可以在“床上”(OTB)模式下操作外科机器人系统100，其中用户位于患者一侧并同时操纵附接到患者身上的机器人驱动的工具/端部执行器(例如，用一只手握持手持式用户界面设备116)和手动的腹腔镜工具。例如，用户的左手可操纵手持式用户界面设备116，以控制机器人外科部件，而用户的右手可操纵手动的腹腔镜工具。因此，在这些不同情况中，用户既可对患者执行机器人辅助的MIS，也可手动进行腹腔镜外科手术。

在示例性规程或外科手术期间，以无菌方式对患者进行准备并覆盖以实现麻醉。可利用处于收起构型或缩回构型的机器人系统100手动地执行对手术部位的初始接近，以有助于接近手术部位。一旦完成接近，就可进行机器人系统的初始定位和/或准备。在规程期间，用户控制台110处的外科医生可利用踏板114和/或用户界面设备116来操纵各种端部执行器和/或成像系统，以通过远程操作进行外科手术。上述移动由于与特定的外科医生、患者和/或情形有关，因此存在变化。还可以由身着无菌工作服的人员在手术台处提供手动辅助，该人员可执行的任务包括但不限于牵开组织，或执行涉及一个或多个机器人臂122的手动重新定位或工具更换。诸如缩回、缝合或其他对组织所作操纵的一些手术任务可替代地由一个或多个机器人臂122(例如，第三臂或第四臂)来执行。非无菌人员也可以在场，以在用户控制台110处辅助外科医生。当完成该规程或外科手术时，机器人系统100和/或用户控制台110可被配置或设置为处于便于进行一个或多个术后流程的状态，包括但不限于机器人系统100的清洁和/或消毒，和/或诸如经由用户控制台110进行的医疗记录输入或打印输出，无论是电子副本还是纸质副本。

在一些方面，外科机器人120和用户控制台110之间的通信可通过控制塔130进行，该控制塔可将来自用户控制台110的用户输入转换成机器人控制命令，并将该控制命令传输到外科机器人120。控制塔130执行迭代逆向运动学。控制塔130还可将状态和反馈从机器人120传输回用户控制台110。外科机器人120、用户控制台110和控制塔130之间的连接可为有线连接和/或无线连接，并且可以是专有的和/或使用多种数据通信协议中的任一种数据通信协议来执行。任何有线连接可任选地内置于手术室的地板和/或墙壁或天花板中。外科机器人系统100可向一个或多个显示器提供视频输出，该一个或多个显示器包括手术室内的显示器和经由互联网或其他网络访问的远程显示器。还可加密视频输出或馈送以确保隐私，并且视频输出的全部或部分可保存到服务器或电子保健记录系统。

在利用外科机器人系统开始外科手术之前，外科手术团队可进行术前设置。在术前设置期间，将外科机器人系统的主要部件(例如，台124和机器人臂122、控制塔130和用户控制台110)定位在手术室中，已经连接并通电。台124和机器人臂122的构型可为完全收起，其中臂122处于台124下方，以便储存和/或运输。外科手术团队可将臂122从其收起位置延伸以便进行无菌盖布。在盖布之后，臂122可部分地回缩，直到需要再用。可能需要执行多个常规腹腔镜步骤，包括套管针放置和注气。例如，每个套筒可借助于填塞器插入到小切口中并穿过体壁。套筒和插塞允许光线进入，以在插入期间使组织层可视，从而使放置时的损伤风险最小化。通常，首先放置内窥镜以提供手持式相机可视化，用于放置其他套管针。在注气之后，如果需要，可将手动器械插入穿过套筒，以用手执行任何腹腔镜步骤。

接下来，外科手术团队可以将机器人臂122定位在患者上方并且将每个臂122附接到对应的套管。外科机器人系统100能够在附接时唯一地识别每个工具(内窥镜和外科器械)并在用户控制台110处的开放式或沉浸式显示器118上以及在控制塔130上的触摸屏显示器上显示工具类型和臂的位置。启用对应的工具功能并且可使用主UID116和脚踏开关114使其激活。患者侧助手可在整个规程中根据需要附接和拆卸工具。坐在用户控制台110处的外科医生可使用由两个主UID116和脚踏开关114控制的工具开始进行外科手术，从而进行远程操作。该系统通过主UID116将外科医生的手部运动、腕部运动和指部运动精确转换为外科工具的实时运动。因此，在直接的远程操作中，该系统会持续监控外科医生的每次外科手术动作，并且如果系统无法精确反映外科医生的手部运动，则会暂停器械移动。在外科手术期间，内窥镜从一个臂移动到另一个臂的情况下，该系统可调节主UID116，以进行器械校准并继续控制器械，使其运动。脚踏开关114可以用于激活各种系统模式，诸如内窥镜控制和各种器械功能，包括单极烧灼和双极烧灼，而外科医生的手无需移开主UID116。

图2为根据本主题技术各方面而示出的机器人臂、工具驱动器和装载有机器人外科工具的插管的一个示例性设计的示意图。如图2所示，示例性外科机器人臂122可包括多个连接件(例如，连接件202)和用于相对于彼此致动多个连接件的多个致动的接合部模块(例如，接合部204，也可参见接合部J1至接合部J8)。接合部模块可包括各种接合部类型，诸如俯仰接合部或滚动接合部，其可基本上约束相邻连接件围绕某些轴线相对于其他轴线的移动。图2的示例性设计中还示出了附接到机器人臂122远侧端部的工具驱动器210。工具驱动器210可包括耦合到其端部以接收和引导外科器械或端部执行器220(例如，内窥镜、缝合器、解剖刀、剪刀、夹钳、牵引器等)的插管214。外科器械(或“工具”)220包括位于该工具远侧端部的端部执行器222。可致动机器人臂122的多个接合部模块，以定位和定向工具驱动器210，该工具驱动器致动端部执行器222以进行机器人外科手术。端部执行器222位于工具轴端部。在其他实施方案中，该工具轴端部为针或其他物体的尖端。

在图2的示例中，接合部J0为台式枢轴接合部并且位于外科手术台顶部下方。在外科手术期间，接合部J0通常保持固定不动。接合部J1至接合部J5形成结构或笛卡尔型机器人臂，并且在手术期间通常保持固定不动，因此，其在外科手术远程操作期间对运动没有帮助。接合部J6和接合部J7形成可在外科手术或远程操作期间主动进行移动的球形臂。接合部J8将工具220(诸如端部执行器222)转换为工具驱动器的一部分。接合部J8可在外科手术期间主动进行移动。在外科手术期间，接合部J6至接合部J8主动地定位工具轴端部(即，端部执行器222)，同时将患者手术的入口点维持在固定或稳定不变的位置(即，远程运动中心)处以避免使患者皮肤承受应力。在设置期间，接合部J0至接合部J8的任一个接合部都可以移动。在外科手术期间，接合部J6至接合部J8可根据硬件或位置、速度、加速度和/或扭矩力方面的安全限制进行移动。外科工具220可包括零个、一个或多个(例如，三个)接合部，诸如用于工具旋转的接合部加上任意数量的额外接合部(例如，手腕部，进行绕纵向轴线的旋转或其他类型的运动)。可提供任意自由度，诸如距接合部J6至接合部J8为三度，而距外科工具220为零度或、一度或更多的自由度。

图3为用于外科机器人系统的远程操作的方法的一个实施方案的流程图。使用迭代逆向运动学将用户命令转换成针对机器人臂和外科工具的移动的解。可以使用分开且独立的线性解和角度解、在一个解中包括所有极限、当达到极限时将中间解的边界设置成一个或多个极限、使用位置边界与接近极限的让位移动的比、和/或在医疗远程操作中使用有界高斯-塞德尔求解器。

图3所示方法由控制处理器诸如控制塔130、计算机、工作站、服务器或另一处理器来实现。外科机器人系统100中的任何计算机均可使用。用户界面提供来自于用户的在动作300中接收的移动命令。在动作320中，通过来自控制处理器的指令或控制对机器人臂122和/或外科工具220进行移动。其他设备可执行和/或用于上述任意动作。

以所示的顺序或其他顺序执行上述动作。作为动作310的求解的一部分的各种动作311-316可以以任何次序执行和/或同时执行(例如，作为将用户命令转换成机器人臂和外科工具移动的相同解的一部分)。

还可采用额外的、不同的或更少的动作。例如，动作311-316中的任何动作可以在动作310的求解中单独执行。动作311-316中的任何动作中的两个或更多个动作的任何组合可以在没有其他动作的情况下执行。再例如，可提供最初将外科工具220定位在患者上的动作、外科手术规划动作和/或从患者上移除外科工具220的动作。

在动作300中，控制处理器接收用户命令，以在远程操作期间移动机器人臂122或机器人臂122的外科工具220。该控制处理器经由无线或有线接口从用户控制台110诸如脚踏开关114或用户界面设备116接收该用户输入。在其他实施方案中，通过从存储器加载或在计算机网络上的发射来接收该用户命令。

在为远程操作做准备时，用户落座于外科医生控制台110处。在为远程操作定位好机器人臂122后，将一个或多个接合部在患者皮肤或切口入口点处与固定远程运动中心(RCM)进行锁定就位。例如，接合部J0至接合部J5(参见图2)被锁定。该锁定是通过制动器和/或避免发动接合部的马达来进行。这些接合部在远程操作期间保持锁定。

在远程操作期间，用户输入命令以移动机器人臂122和/或外科工具220。该命令用于实现运动。可为不同的移动提供不同的命令。该命令可用于端部执行器222的移动。这些命令可能不适用于特定接合部的移动。该控制处理器将移动命令转换为对机器人臂122和/或外科工具220的特定接合部的控制。

在一个实施方案中，使用传感器来跟踪用户运动。例如，用户手持设备，诸如钢笔或UID116。可以使用磁性位置传感器和/或惯性测量单元来确定钢笔或UID116的位置和/或位置变化。又如，用户手持标记物，该标记物具有允许进行视觉跟踪的结构，诸如标记物的一个或多个部分上的光学图案或结构。立体相机和/或深度相机跟踪标记物的运动。

用户命令可针对任何数量的DOF下的移动。图4示出了机器人臂122的一部分和提供六个DOF的外科工具220。六个DOF对应于远程操作期间六个活动接合部的移动。活动接合部包括外科工具220上的三个接合部——旋转接合部J9、腕部俯仰接合部J10和腕部偏转接合部J11。活动接合部包括机器人臂122上的三个接合部——球形旋转接合部J6、球形俯仰接合部J7和工具平移接合部J8。可使用提供六个自由度的其他接合部。

用户命令可以针对少于六个自由度的移动。可提供五个、四个或更少的活动接合部。图5示出机器人臂122和提供四个DOF的外科工具220，诸如其中外科工具220是内窥镜或超声手术刀。活动接合部包括机器人臂122上的三个接合部——球形旋转接合部J6、球形俯仰接合部J7和工具平移接合部J8。活动接合部包括外科工具220上的一个接合部——旋转接合部J9。在五个DOF的示例中，活动接合部包括机器人臂122上的三个接合部——球形旋转接合部J6、球形俯仰接合部J7和工具平移接合部J8，以及外科工具上的两个活动接合部——旋转接合部J9和关节运动作为另一个接合部)。可以使用其他主动接合部布置，诸如在远程操作期间在机器人臂上提供两个或更少DOF。

在动作310中，控制处理器将来自用户的移动命令转换成接合部的移动。控制处理器利用迭代解来求解机器人臂或机器人臂的外科工具的运动。找到迭代逆向运动学解。

可以使用任何控制过程。控制过程可以是用户命令的输入、使用逆向运动学具有针对迭代的给定终止校验的迭代解、以及接合部命令的最终结果的输出。迭代逆向运动学使用以下项中的一者或多者：分开且独立的线性解和角度解、在一个解中包括所有极限、当达到极限时将中间解的边界设置成一个或多个极限、使用位置边界与接近极限的让位移动的比、和/或在医疗远程操作中使用有界高斯-塞德尔求解器。

图6示出了嵌套回路控制过程的一个实施方案。外控制回路600是主迭代逆向运动学回路，内控制回路602是迭代求解器回路。外控制回路600包括内控制回路602。外控制回路600还包括对外科工具220的位置的正向运动学确定604、根据用户命令和外科工具的位置的移动的扭转命令生成606、终止校验608和收敛校验610。将用户位姿命令或移动605输入到外控制回路。将扭转命令606输入到求解器614，并且将最终解输出到终止校验608。正向运动学604计算端部执行器222位姿(即，位置和取向)。将该位姿输入到扭转命令发生器606。扭转命令发生器606计算从当前端部执行器222位姿到位姿命令605的扭转运动。扭转是六DOF命令(例如，三个线性或平移DOF以及三个角DOF)。为了更好地收敛，利用步长比对线性扭转进行线性插值，并且利用球面线性插值(SLERP)对角扭转进行插值。可以使用其他插值。

外控制回路600的终止校验608校验待输出到机器人臂122和外科工具220的接合部命令611的完成。如果不满足，则外控制回路600迭代通过正向运动学确定604、扭转命令生成606和内控制回路602。外控制回路600的终止校验608使用一个或多个标准。例如，执行三个终止校验，其中任何一个终止外回路600。校验可包括：(1)将命令位姿与当前位姿进行比较以进行收敛校验610，(2)达到最大步数或迭代次数，以及(3)计时器期满。收敛校验610确定所计算的位姿命令与输入位姿命令605之间的任何误差。误差将低于阈值水平(即，由来自求解器614的解输出的所计算的位姿在容差内匹配输入位姿命令605)。

下文在内控制回路602的上下文中或在本文中图6的嵌套控制过程中讨论了用于求解的各种方法，包括：分开且独立的线性解和角度解、在一个解中包括所有极限、当达到极限时将中间解的边界设置成一个或多个极限、使用位置边界与接近极限的让位移动的比、和/或在医疗远程操作中使用有界高斯-塞德尔求解器。这些方法中的任何一种可用于其他控制过程，诸如与迭代通过解的单个控制回路一起。

迭代逆向运动学求解器614是内控制回路602的一部分。内控制回路602还包括边界发生器612和终止校验616。内控制回路602迭代通过求解器614的解，直到满足终止校验616。求解器614优化解。在控制过程中可设置附加的、不同的或更少的处理单元或软件模块。

在内控制回路602中，边界发生器612设置边界极限。这些极限与硬件、安全和/或其他远程操作要求相关，以限制机器人臂122和/或外科工具220的位置、速度、加速度、扭矩和/或其他运动特性。

在一个实施方案中，在一个解中包括以下所有极限或限制：关于移动的线性分量的极限或限制、关于移动的角分量的极限或限制和/或关于移动的线性分量和角分量两者的极限或限制，如动作311(参见图3)所表示。该单一解针对机器人臂122和外科工具220的所有运动、针对所有线性运动或针对所有角运动。例如，在针对线性运动的一个单一解中提供针对线性运动的所有限制或边界，并且在针对角运动的一个单一解中提供针对角运动的所有限制或边界。在迭代地求解端部执行器222的用户移动命令到接合部运动的转换中，在解中考虑或处理了所有限制。所有限制都是所使用的限制，诸如所有的位置、速度和加速度，但没有扭矩，其中扭矩不用于限制运动。在另选的实施方案中，针对所考虑的限制的不同子集提供不同的求解和解。

在一个实施方案中，极限包括针对位置、速度和加速度边界中的每一者的正极限和负极限。可以针对扭矩边界提供正极限和负极限。正极限和负极限的大小可以相等或不等。针对每个活动接合部提供极限，并且针对不同接合部的极限可以是相同的或不同的。

针对每个活动接合部存在两个接合部位置极限(θ_min,θ_max)。在动作312(参见图3)中，可以使用位置极限比来限定接近任何活动接合部的任何位置极限的减速区域。为了在接近极限时使运动减速，限定两个附加边界(θ_{min_},θ_{max_})，它们按位置极限形成缓冲区，使得：

θ_{min_}＝θ_{max_}-θ_偏移 (式1)

θ_{min_}＝θ_min+θ_偏移

θ_偏移>0

偏移可以是任何值，诸如5mm。

可以使用这些附加极限来确定接合部位置边界比。针对每个接合部计算两个接合部位置边界比r，每个极限一个边界比：

当θ_{min_}＜θ<θ_{max_}时，r_{θ_max}＝1.0,and r_{θ_min}＝-1.0

当θ_{max_}≤θ≤θ_max时，r_{θ_max}＝(θ-θ_{max_})/θ_偏移，或者

当θ_min≤θ≤θ_{min_}，r_{θ_min}＝(θ-θ_{min_})θ_偏移 (式2)

根据这两个比，计算两个接合部运动边界：

当θ_{max_}≤θ≤θ_max时，Δθ_maxθ＝r_{θ_max}*(θ_max-θ)，或者，

当θ_min≤θ≤θ_min时，Δθ_minθ＝r_{θ_min}*(θ_min-θ) (式3)

基于位置极限比，[Δθ_minθ,Δθ_maxθ]用作归因于接合部极限约束的运动位置边界。位置边界限定使速度和加速度降低的减速区域。可以使用针对减速和/或位置极限或边界的其他比。

对于每个接合部，存在可配置的最大速度极限ω_max使得接合部速度ω在[-ω_max,ω_max]范围内。使用来自式2的接合部比，归因于接合部速度约束，运动边界被确定为：

Δθ_minω＝r_{θ_min}*ω_max*dt

Δθ_maxω＝r_{θ_max}*ω_max*dt (式4)

[Δθ_minω,Δθ_maxω]用作归因于接合部速度约束的运动边界。

对于每个接合部，存在可配置的最大加速度极限α_max，使得当接合部位置在[θ_{min_},θ_{max_}]内时，接合部加速度在[-α_max,α_max]范围内。使用来自式2的接合部比，归因于接合部加速度约束，运动边界被确定为：

[Δθ_minα,Δθ_maxα]用作归因于加速度极限的运动边界。

接合部扭矩极限可以被集成到该框架中。存在两个力(扭矩)极限——当超过该极限时运动减速的减速力/转矩极限(F_减速)和当达到该极限时运动停止的停止力/转矩极限(F_停止)。力比计算为：

当F<F_减速时，力_比率＝1.0，

当F≥F_减速时，力_比率＝(F-F_减速)/(F_停止-F_减速)。

可以使用其他极限、极限的计算和/或比。用于在位置、速度和/或加速度方面使运动减速的比也可以应用于扭矩或者可以不用于一个或多个(例如，全部)极限。

为了在一个解中考虑所有限制，将这些极限进行组合。组合边界由力或扭矩不受限制的接合部位置边界、接合部速度边界和接合部加速度边界形成。一个示例性组合由以下给出：

Δθ_min＝max(Δθ_{min_θ}，Δθ_{min_ω}，Δθ_{min_α})

Δθ_max＝min(Δθ_{max_θ}，Δθ_{max_ω}，Δθ_{max_α}) (式6)

[Δθ_min，Δθ_max]用作由边界发生器612生成的最终组合边界，用于输入到求解器614。可以在存储器中存储并且根据需要来查找或生成这些组合边界。

在包括扭矩或力极限的情况下，组合极限按力比缩放，由以下给出：

[Δθ_min，Δθ_max]_fr＝力_比率*[Δθ_min，Δθ_max]，

其中[Δθ_min，Δθ_max]从式6计算，并且[Δθ_min，Δθ_max]_fr是求解器614的最终边界。可以使用包括力或扭矩极限的其他方法。可以使用极限的其他组合。

求解器614从发生器606接收边界(诸如要在一个解中使用的所有边界)和运动命令。求解器614将接合部运动确定为优化或迭代拟合。

可以使用任何优化，诸如线性规划或二次规划。在如图3的动作313所示的一个实施方案中，使用有界高斯-塞德尔求解器。有界高斯-塞德尔求解器可以包括逐次超松驰(具有逐次超松驰的有界高斯-塞德尔求解器(BGSR))，但是可以不设置逐次超松驰。BGSR是迭代求解器，其具有将中间解夹紧到边界的附加特征。通用BGSR求解器的主迭代步骤可以被示出为：

如果

并且 (式7)

如果

则

其中r是逐次超松驰(SOR)比，并且1.0<r<2.0。k是迭代索引，x_i是要求解的变量，并且[a_ij]和[b_i]是线性系数。如果[a_ij]是正定矩阵，则保证BGSR收敛。在该具体实施中，对雅可比矩阵进行变换以便满足该条件。

J^TJv_接合部＝J^T*v_命令 (式8)

其中，J是针对6个DOF的雅可比矩阵(6×n)，v_接合部是要在式7中求解为x_i的接合部速度(n×1)，并且v_命令是命令速度(6×1)。“接合部”表示远程操作中的活动接合部，诸如J6-11。

BGSR通过迭代提供中间解和最终解。在解中的一个解要求位置、速度、加速度或其他参数超过极限的情况下，在动作314(参见图3)中在解中使用针对该极限或边界的值。这将中间解或最终解夹紧到位置、速度和/或加速度的边界。此类夹紧可以在使用除BGSR之外的其他求解器的优化中提供。通过在一次或多次迭代中夹紧，解可继续以找到作为最终解的接合部运动。极限可用于最终解中或基于优化由极限内的值替换。最终解是可能的，甚至在极限夹紧到边界的情况下也是可能的。

内回路终止校验616校验一个或多个标准，以在满足标准中的一个标准时终止，或者在不满足任一标准的情况下迭代。在一个示例中，使用三个标准来终止内控制回路602的迭代：(1)|J^TJv_接合部-J^T*v_命令|≤容差，(2)迭代次数大于最大迭代次数，以及(3)BGSR中相邻步骤或迭代之间的误差减少太小(例如，1.0^e-3*容差)。

求解器614可被实施为一阶段求解器，其对线性运动和角运动一起求解。在示出为动作315(参见图3)的另选实施方案中，对线性运动和角运动分别求解。提供了两个求解阶段。例如，图6的控制过程针对线性运动阶段和角运动阶段中的每一者分开执行。又如，内控制回路602在线性运动阶段和角运动阶段时分开执行，两个阶段的输出随后一起用于外控制回路600中。线性运动阶段和角运动阶段具有彼此独立的迭代解。在角运动之前求解线性运动，但是可以使用相反的顺序。

运动分量的解耦使用BGSR或另一个求解器来独立地求解运动分量。所求解的两个函数可以表示为：

(J_{上_左3x3})^T*Δ_线性＝(J_{上_左3x3})^T*J_{上_左3x3}*Δθ_{6_7_8}

(J_{下_右3x3})^T*Δ_角＝(J_{下_右3x3})^T*J_{下_右3x3}*Δθ_{9_10_11}

Δθ_{i_min}≤Δθ_i≤Δθ_{i_max} (式12）

其中6、7和8是机器人臂122的活动接合部，而9、10和11是外科工具220的活动接合部。下、上、左和右是就雅可比矩阵中针对对应接合部的部分而言的。

通过解耦线性阶段和角阶段，对线性运动和角运动独立地求解。归因于解耦，任何极限违反独立地影响线性运动和角运动。在角运动分量中可能不会发生线性运动中的极限违反。当不存在极限违反时，提供满足容差要求的准确解。即使当存在归因于夹紧到边界的极限违反时，也提供仍然满足容差要求的次优解。

解针对六个DOF求解。在接合部命令611是针对六个接合部中的每个接合部的命令的情况下，直接应用求解器。在机器人臂122和外科工具220具有更少DOF的情况下，在图3的动作316中可以使用零填充以仍然提供解。在六个DOF中缺失的线性和/或角运动方面使用零。针对五个DOF的外科器械，可以直接应用线性或角运动求解器(例如，3个DOF用于线性运动)，并且针对角运动或线性运动的雅可比矩阵仅具有两个DOF(例如，2个DOF用于角运动)。雅可比矩阵(在下面的示例中用于角度)被扩展到三个DOF，如由下式表示的：

[Δ_角-，0.0]＝[A_2x2，0.0_2x1]*[Δθ_{9_10}，1.0]

[0.0_1x2，1.0]

针对四个DOF的仪器，可以直接应用线性或角运动求解器，并且针对角运动或线性运动的雅可比矩阵仅具有一个DOF。雅可比矩阵(在下面的示例中用于角度)被扩展到三个DOF，如由下式表示的：

[Δ_{角_}，0.0，0.0]＝[A_1x1，0.0，0.0]*[Δθ₉，10，1.0]

[0.0，1.0，0.0]

[0.0，0.0，1.0]

在图3的动作320中，该控制处理器促使机器人臂122和/或外科工具220发生移动。在远程操作期间针对活动接合部的输出移动命令611使得接合部以速度和/或加速度改变位置。来自迭代逆向运动学的结果控制接合部(例如，接合部J6-11)的移动。在解耦的线性解和角度解中，线性运动和角运动控制对应接合部的移动。

即使在提供次优解的情况下，也提供对机器人臂122和外科工具220的实时控制。迭代解将用户命令转换成机器人移动。

图7为用于医疗远程操作的外科机器人系统的一个实施方案的框图。该系统执行图3的方法、图6的控制过程或另一种方法。可以使用图3动作311-316的解方法中的任何一个或多个(例如，全部)。针对机器人臂122的控制提供迭代逆向运动学解。

外科机器人系统包括具有对应的外科器械220或与机器人臂122连接的其他类型的器械的一个或多个机器人臂122、控制器702和存储器704。用户控制台110被表示或被包括为外科机器人系统的一部分。可以提供额外的、不同的或更少的分量。例如，不提供机器人臂122、外科器械220和/或用户控制台110。

机器人臂122各自包括一个或多个连接件和接合部。该接合部可以为俯仰接合部或滚动接合部。用于接收和引导外科工具的工具驱动器和插管可设置在机器人臂122中的每个机器人臂上。连接件和接合部的不同组合可限定或形成机器人臂122的不同部分，诸如具有不同程度或类型的移动(例如，平移和/或旋转)的不同部分。可使用任意目前已知的或稍后开发的具有马达、传感器、连接件、接合部、控制器、外科器械和/或其他结构的机器人臂122。

提供一个或多个机器人臂。例如，提供三个或四个机器人臂122。机器人臂122安装到台诸如手术台的基部。或者，可使用推车、地板、天花板或其他基架。机器人臂122包括用于与处理器206或中间件(例如，控制塔130)进行通信的电缆或无线收发器。

机器人外科器械220为一个或多个抓钳、牵引器、解剖刀、内窥镜、缝合器、剪刀或用于对患者组织进行操作的其他外科设备。对组织进行操作可以是直接的，诸如进行切割或抓握。对组织进行操作也可以是间接的，诸如将内窥镜压在或接触组织，以引导成像或查看患者的体内部分。不同或相同类型的器械220可安装到不同的机器人臂122。例如，两个机器人臂122可持抓钳，第三个机器人臂122可持解剖刀，而第四个机器人臂122可持内窥镜。

机器人外科器械220连接到机器人臂122的远侧端部，但也可在其他位置处连接。该连接提供驱动力，以操作工具，诸如闭合抓钳或剪刀。

用户控制台110为用于外科医生与外科机器人系统进行交互的图形用户界面，诸如该控制台包括用于控制机器人臂122的处理器。该用户界面包括用户输入708和显示器118。用户输入708和/或显示器118设置在用户控制台110和/或控制塔130处，但也可处于其他位置处。

用户输入708为按钮、键盘、摇臂、摇杆、轨迹球、语音识别电路、鼠标、触摸板、触摸屏、滑块、开关、UID116、脚踏开关114或它们的组合，或用于对外科机器人进行输入的任意其他输入设备。显示器118为监视器、液晶显示器(LCD)、投影仪、等离子体显示器、CRT、打印机或其他目前已知的或稍后开发的用于输出视觉信息的设备。在替代性的实施方案中，显示器118为头戴式显示器。用户输入708可以为用于检测眼睛移动和/或眨眼的一个传感器或多个传感器。在另外的其他实施方案中，用户输入708为用于基于语音进行输入的麦克风。可提供用于音频信息输出的扬声器，以代替显示器118或搭配显示器118使用。

可选的相机706为用于对用户运动进行光学追踪的数字相机，诸如可在使用UID116期间进行追踪，以控制机器人臂122。在一些实施方案中，相机706可以为立体相机和/或深度相机。相机706相对于用户和目标图案或用户控制台110进行定位，用于通过跟踪目标图案或利用用户输入708控制机器人臂122追踪人类运动。

控制器702为驱动和/或为机器人臂122和/或外科器械220建立模型的控制器。控制器702为通用处理器、中央处理器、控制处理器、图形处理器、图形处理器、数字信号处理器、应用专用集成电路、现场可编程门阵列、数字电路、模拟电路、人工智能处理器或它们的组合，或其他目前已知的或稍后开发的用于将用户命令转换成针对机器人臂122和/或外科器械220的接合部命令的设备。控制器702为单个设备或串联、并联或单独操作的多个设备。控制器702可以为计算机的主处理器，诸如该计算机可以为膝上型计算机、服务器、工作站或台式计算机，或者可以为用于处理较大系统中一些任务的处理器。基于硬件、软件、固件或它们的组合，控制器702被配置为实现指令或执行动作。

控制器702被配置为在对患者进行医疗远程操作期间并且响应于用户通过用户控制台110输入的移动命令来求解机器人臂122和/或外科器械220的运动。控制器702被配置为实施求解器，诸如BGSR。提供了使用具有逐次超松驰的有界高斯-塞德尔求解器的迭代解。该解在一个解中包括关于机器人臂和外科器械的位置、速度和加速度的所有极限。在求解器中处理在转换中使用的所有极限，以确定针对逆向运动学的一个解。控制器702可被配置为求解线性分量和角分量，其中针对线性分量的求解和解独立于针对角分量的解。求解处理极限违反而不失败。例如，有界高斯-塞德尔求解器的中间解将机器人臂122和/或外科器械220的位置、速度或加速度设置到边界。求解器确定接合部运动不违反边界。

控制器702被配置为控制机器人臂122和外科工具220。基于该解，响应于用户命令来移动一个或多个接合部。迭代逆向运动学解控制接合部。

存储器704或另一存储器为非暂态计算机可读存储介质，其存储表示可由编程的控制器702执行的指令的数据。用于实现本文讨论的过程、方法和/或技术的指令可在计算机可读存储介质或存储器诸如高速缓存、缓冲器、RAM、可移动介质、硬盘驱动器或其他计算机可读存储介质上予以提供。计算机可读存储介质包括各种类型的易失和非易失存储介质。附图中所示或本文所描述的功能、动作或任务响应于存储在计算机可读存储介质中或上的一组或多组指令而予以执行。功能、动作或任务独立于特定类型的指令集、存储介质、处理器或处理策略，并且可以通过单独或组合操作的软件、硬件、集成电路、固件、微代码等执行。同样，处理策略可以包括多进程、多任务、并行处理等。

在一个实施方案中，该指令存储在可移动介质设备上以用于由本地或远程系统进行读取。在其他实施方案中，该指令存储在远程位置中以用于通过计算机网络或通过电话线进行传输。在另外的其他实施方案中，该指令存储在给定计算机、CPU、GPU或系统内。

提供了针对本文所讨论的任何动作的指令。指令用于确定外科机器人的尺寸，诸如用于设计和/或测试外科机器人。指令用于生成速度与加速度之间的关系、生成合成轨迹和/或生成虚拟轨迹。

虽然本发明已参考各种实施方案进行了描述，应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可作出多种变化和修改。因此，应将上文中的详细描述视为说明性的而非限制性的，并应当理解，旨在限定本发明的精神和范围的是以下的权利要求，其包括所有等效物。

Claims (20)

1.一种用于外科机器人系统的远程操作的方法，所述方法包括：

在所述远程操作期间接收移动安装在机器人臂上的外科工具的用户命令；

在第一阶段中求解所述移动的线性运动；

在与所述第一阶段分开的第二阶段中求解所述移动的角运动；以及

基于所述线性运动和所述角运动的解来移动所述机器人臂和/或所述外科工具。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述远程操作期间接收包括在所述机器人臂将一个或多个接合部在患者入口点处与固定远程运动中心进行锁定就位的情况下接收。

3.根据权利要求1所述的方法，其中接收包括在所述远程操作针对少于六个自由度的情况下接收所述用户命令，并且其中求解所述线性运动和/或求解所述角运动包括利用针对六个自由度的雅可比矩阵来求解，其中不在少于六个自由度下的所述线性运动和/或所述角运动具有零项。

4.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动包括在第一单一解中利用关于所述机器人臂的所述移动的线性分量的所有限制来求解，并且其中求解所述角运动包括在第二单一解中利用关于所述机器人臂的所述移动的角分量的所有限制来求解。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一单一解包括第一项，所述第一项包括正和负位置边界、速度边界和加速度边界作为所有所述限制，并且其中所述第二单一解包括第二项，所述第二项包括正和负位置边界、速度边界和加速度边界作为所有所述限制。

6.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动和/或求解所述角运动包括利用归因于分开的所述第一阶段和所述第二阶段而独立地影响所述线性运动和所述角运动的极限违反来求解。

7.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动和/或求解所述角运动包括利用在解中用作结果的位置、速度或加速度极限来求解。

8.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动和求解所述角运动各自包括利用嵌套在第二控制回路中的第一控制回路来求解，所述第一控制回路包括与求解器一起操作的边界发生器和用于由所述求解器迭代求解的终止校验，所述第二控制回路包括对所述外科工具的位置的正向运动学确定、根据所述用户命令和所述外科工具的所述位置的所述移动的命令生成、提供给所述第二控制回路的所述移动、以及从所述第一控制回路接收终止的第二终止校验。

9.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动和/或求解所述角运动包括利用限定接近所述机器人臂的接合部的位置限制的减速区域的位置极限比来求解。

10.根据权利要求1所述的方法，其中求解所述线性运动和/或求解所述角运动包括利用有界高斯-塞德尔求解器来求解。

11.根据权利要求10所述的方法，其中利用所述有界高斯-塞德尔求解器来求解包括利用逐次超松驰来求解。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述有界高斯-塞德尔求解器将中间解夹紧到所述机器人臂的位置、速度或加速度的边界。

13.一种用于外科机器人系统的远程操作的方法，所述方法包括：

在所述远程操作期间接收移动安装在机器人臂的远侧端部上的外科工具的输入命令；

利用迭代解来求解所述机器人臂或所述外科工具的运动，其中所述迭代解包括考虑了关于所述运动的所有极限的解；以及

基于所述迭代解来移动所述外科工具和/或所述机器人臂。

14.根据权利要求13所述的方法，其中求解包括利用具有逐次超松驰的有界高斯-塞德尔求解器来求解。

15.根据权利要求13所述的方法，其中求解包括将所述迭代解的中间解夹紧到所述极限中的一个极限。

16.根据权利要求13所述的方法，其中求解包括在一个阶段中求解线性运动并且在另一个阶段中求解角运动，所述阶段中的每个阶段具有独立于其他阶段的所述迭代解。

17.一种用于远程操作的外科机器人系统，所述外科机器人系统包括：

机器人臂；

外科器械，所述外科器械联接到所述机器人臂的远侧端部；和

控制器，所述控制器被配置为在所述远程操作期间并且响应于移动命令来求解所述机器人臂和/或所述外科器械的运动，所述解使用具有逐次超松驰的有界高斯-塞德尔求解器。

18.根据权利要求17所述的外科机器人系统，其中所述控制器被配置为将所述有界高斯-塞德尔求解器的中间解夹紧到所述机器人臂和/或所述外科器械的边界，所述夹紧允许所述有界高斯-塞德尔求解器确定所述运动不违反所述边界。

19.根据权利要求17所述的外科机器人系统，其中所述控制器被配置为利用所述有界高斯-塞德尔求解器来求解，其中所述解在所述解中包括关于所述机器人臂和所述外科器械的位置、速度和加速度的所有极限。

20.根据权利要求17所述的外科机器人系统，其中所述控制器被配置为求解所述运动的线性分量和角分量，所述线性分量的解独立于所述角分量的解。

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