CN117597086A - 将用户接口位姿命令投影到用于外科机器人的减小的自由度空间 - Google Patents

Abstract

对于外科机器人系统的远程操作，用于端部执行器的位姿的用户命令被投影到该端部执行器能够到达的子空间中。例如，具有六个DOF的用户命令被投影到五个DOF子空间。六个DOF的用户接口设备可用于基于该投影更直观地控制相对于该用户接口设备具有有限DOF的该端部执行器。

Description

将用户接口位姿命令投影到用于外科机器人的减小的自由度 空间

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处支承各种外科端部执行器，包括缝合器、解剖刀、成像设备(例如，内窥镜)、夹钳和剪刀。在MIS期间，外科医生使用机器人系统控制远程操作中的机器人臂和端部执行器。

与机器人臂组合的不同端部执行器具有不同数目的自由度(DOF)。例如，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，旋转和铰接以控制偏航)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)。端部执行器仅以五个自由度定位和定向。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，用户使用具有更大数目的DOF(诸如六个DOF)的用户输入设备进行输入。这些用户在笛卡尔空间中的位姿命令被转换成接合部运动，使得器械以受控的精度沿循用户命令或输入。具有DOF比输入少的工具不追踪来自用户输入的更任意的空间命令(位置和取向)。这可能在接合部命令中导致不期望的或不直观的行为，其中所命令的运动在对于机器人不可行的方向上。在用户输入未接地(例如，6个DOF)的情况下，用户输入设备的运动不能被机械夹具或触觉反馈限制，以防止用户输入端部执行器不能够实现的运动。

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。用于端部执行器的位姿的用户输入被投影到该端部执行器能够到达的子空间中。例如，具有六个DOF的用户输入被投影到五个DOF子空间。六个DOF的用户接口设备可用于基于该投影更直观地控制相对于该用户接口设备具有有限DOF的该端部执行器。

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。接收用于移动耦合到机器人臂的外科工具的用户输入。该用户输入具有六个自由度，其中该外科工具具有较少数目的自由度。该用户输入被投影到该较少数目的自由度。该机器人臂和该外科工具的接合部运动是利用逆向运动学根据投影的用户输入而求解的。该机器人臂和/或该外科工具基于来自该求解的解而移动。

在第二方面，提供了一种用于说明在外科机器人系统中的工具的有限自由度的方法。第一位姿从具有六个自由度的未接地的用户接口被投影到由机器人臂握持的外科工具的端部执行器的第二位姿。该第二位姿具有仅四个自由度或五个自由度。基于该第二位姿来控制该端部执行器。

在第三方面，提供了一种外科机器人系统。外科器械能够安装到机器人臂。该外科器械具有端部执行器，其中围绕一个轴线的旋转被耦合到围绕另一轴线的旋转。用户接口设备具有旋转中的三个自由度。控制器被配置为将用户命令从用于围绕该一个轴线旋转的该用户接口设备投影到围绕该一个轴线和该另一轴线的旋转。

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示出了机器人臂和外科工具的一些示例性参照系；

图5为外科机器人系统的一个实施方案的框图。

具体实施方式

位姿命令从用户接口设备被投影到减小的DOF空间。例如，6D位姿命令在远程操作期间由程序从未接地的用户接口设备投影到能够到达的子空间中。为了实现6D中的任意端部执行器位置和取向，机器人操纵器必须具有六个致动的DOF或接合部。因此，对于具有更有限DOF的外科器械(例如，缝合器械)的远程操作，6D位姿命令被投影到机器人端部执行器能够到达的更有限DOF的子空间(例如，5D或4D子空间)中。

不同的子空间可以用于投影。子空间的DOF可以是具有有限DOF的平移和旋转(例如，关节运动和取向)的任何组合，诸如具有3个DOF的平移和具有2个DOF的旋转。对于将6D位姿命令投影到其上的子空间(例如，4D或5D子空间)，存在多于一个的可能选择。投影方法的选择可能影响用户控制外科器械的容易程度。用户能够在位置和取向(例如，6D)上更自由地移动用户接口设备，但是根据投影方法，端部执行器将仅在子空间中移动。因此，在一个或多个DOF方向上的运动被丢失或被限制，使得用户更难以将端部执行器位置和取向放置在期望的配置处。在一个实施方案中，子空间具有仅1个或2个旋转的DOF和3个平移的DOF，以使得用户界面尽可能直观。可以使用其他子空间。

图1和图2示出了示例性外科机器人系统。下文参考此示例性系统论述用于将用于端部执行器的用户输入或命令投影到较低维度子空间的方法。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可使用投影来减小用于端部执行器的位姿或位姿变化的用户命令的维度。

图3和图4涉及在远程操作中用户输入或命令在命令空间中的投影。图6涉及用于使用投影来形成投影命令的系统，该投影命令用于远程操作的医疗机器人系统的逆向运动学中。

图1为示出配置有外科机器人系统100的示例性手术室环境的图，该系统将来自用户的命令转换成具有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接口设备(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/或手持式用户接口设备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。此用户控制确定机器人臂122的位姿(位置和取向)。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接口设备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接口设备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/或用户接口设备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，该人员可执行包括但不限于牵引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交换的任务。诸如牵引、切开缝合、缝合或其他对组织所作操纵的一些外科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可处于完全收起构型，其中臂122处于台124下方，该台用于储存和/或运输的目的。外科团队可将臂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UID 116和脚踏板114将其激活。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UID 116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UID 116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。UID 116能够以六个DOF移动，诸如允许在三个维度中平移以及围绕三个维度旋转。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UID 116。

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204)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202，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位于工具轴端部和/或最后接合部(例如，关节运动接合部J10)处。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台顶部下方。接合部J0在外科手术期间名义上保持在适当位置，并且可以用作机器人臂122的操作的参考框架或基础框架。接合部J1至接合部J5形成设置或笛卡尔臂，并且在外科手术或远程操作期间名义上保持在适当位置，因此其在外科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。接合部J9使工具220的纵轴围绕纵向轴线旋转。接合部J10是工具220上的腕部，诸如围绕垂直于纵轴的一个轴线旋转的腕部。

在外科手术期间，接合部J6至接合部J10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保持在固定或稳定的位置(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J10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J10可能在位置、速度、加速度和/或扭矩方面受到硬件或安全限制而移动。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。

在图2的示例中，外科工具包括接合部J9和接合部J10，提供两个DOF。与远程操作中的接合部J6至接合部J8组合，提供了5个DOF。在其他实施方案中，提供了4个DOF，诸如具有没有关节运动接合部J10的内窥镜。与具有完全铰接的腕部的器械不同，图2的示例(例如，缝合器械)可仅具有单个腕部接合部J10。因此，在远程操作期间，仅五个活动接合部(例如，三个臂接合部J6至接合部J8加上器械轴滚动接合部J9和腕部关节运动接合部J10)可用于定位和定向腕部和端部执行器222。

在图1的示例中，UID 116未接地。UID 116不物理地和/或直接地连接到基座，而是在笛卡尔或其他用户命令传感器空间中以6个DOF自由地移动。UID 116未接地。术语“不接地”旨在指代例如两个UID既不在机械上也不在动力学上相对于用户控制台受到约束的具体实施。UID 116不包括限制移动的结构和/或用于定向触觉反馈的结构。导线可以灵活地连接到UID 116或可以不灵活地连接。假定，一般而言，具有用于远程操作的五个致动接合部J6至接合部J10的机器人操纵器不能实现6D、6D位姿中的任意位置或者来自UID 116的命令被投影到机器人端部执行器222能够到达的4D或5D子空间中。

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。该方法说明了工具或外科器械的任何有限DOF。将用户输入或命令投影到用于外科器械220的子空间提供了投影命令，用于解决机器人臂122和外科工具220的机器人控制或移动。为了解决工具220的有限DOF，执行投影以将命令转换为有限DOF中的控制。

图3的方法由控制处理器诸如控制塔130、计算机、工作站、服务器或执行动作310的另一处理器来实现。外科机器人系统100中的任何计算机均可使用。用户接口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312和动作314可以以任何顺序和/或同时执行。

还可采用额外的、不同的或更少的动作。例如，不提供动作322。又如，移动命令来自已编程的或处理器确定的序列(例如，操作模板)，因此不提供动作300。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输入命令，以在远程操作期间通过机器人臂122和/或机器人臂122的外科工具220的移动来移动外科工具220。控制处理器经由无线或有线接口接收来自用户控制台110(诸如UID 116)的用户输入。在其他实施方案中，通过从存储器加载或经计算机网络的传输来接收用户输入。

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外科器械220的端部执行器222。该命令可用于端部执行器222的运动。可为不同的移动提供不同的命令。该命令可以用于外科器械220的其他部分的移动。可通过感测位姿或位置和取向或通过感测变化来输入端部执行器222的位姿变化。这些命令可能不适用于特定接合部的移动。控制处理器是将末端执行器222或用户输入的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UID 116。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UID 116的位姿和/或位姿变化。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。可以使用其他用户输入设备。

用户输入是在6个DOF中。提供了沿着所有三个正交轴线的平移和围绕所有三个正交轴线的旋转。用户输入可用于具有少于六个DOF，诸如四个或五个DOF(例如，沿三个轴线平移但沿一个轴线或两个轴线旋转)的外科器械220或端部执行器的控制。另选地，用户输入的DOF少于6个但比由机器人臂122和外科器械220提供的DOF多。

具有六个DOF的用户输入可以用于控制少于六个DOF的移动。可提供五个、四个或更少的活动接合部。图2示出了机器人臂122和提供五个DOF的外科工具220，诸如其中外科工具220是缝合器。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上的三个接合部——旋转接合部J9和作为腕部的关节运动接合部J10。在四个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——以及外科工具上的一个活动接合部——旋转接合部J9。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。

用户输入或命令的DOF大于端部执行器222的移动的DOF。例如，工具220具有有限的自由度，诸如在远程操作期间工具220与机器人臂122组合的四个或五个DOF。用户输入和对应的UID 116具有六个DOF。这可导致随着工具围绕或沿着轴线的旋转和/或平移而接收用户输入，其中当所有其他接合部静止时，工具不能够围绕该轴线旋转或不能够沿着该轴线平移。在图2的示例中，工具可通过旋转接合部J9和腕部关节接合部J10能够仅围绕两个轴线旋转，然而用户输入可包括端部执行器222围绕三个轴线中的全部或任一个轴线的旋转。

端部执行器222可使用接合部的组合能够以六个DOF移动，但不能以至少一个DOF移动，其中命令仅以该DOF移动。在远程操作期间，远程运动中心(RCM)是矢量上沿着器械轴指向被约束为保持静止的端部执行器222的点。这通过操纵器机械设计(经由球形俯仰接合部设计)或通过接合部的控制来实现。独立于在远程操作期间用于球形臂接合部(J6至J10)移动端部执行器222的命令来满足RCM约束。

在一个实施方案中，端部执行器222被视为处于关节运动接合部J10处。端部执行器的参照系与关节运动接合部框架重合。图4示出了沿着工具220的这些参照系，包括RCM参照系，其中RCM在患者体内的接入点处沿着与患者的皮肤相切的平面保持静止。端部执行器222的旋转和平移被表示为工具旋转接合部框架和关节运动接合部框架。旋转接合部框架包括X旋转轴线、Y旋转轴线和Z旋转轴线，并且关节运动接合部框架包括X关节运动轴线、Y关节运动轴线和Z关节运动轴线。用于远程操作的端部执行器框架被指定为与关节运动框架重合，关节运动框架与旋转接合部框架对准(例如，Y旋转沿着但与Z关节运动相反，X旋转沿着但与Y关节运动相反，并且Z旋转沿着但不与X关节运动相反)。可使用其他布置或参照系。

在动作310中，控制处理器将用户输入投影到比UID 116的六个自由度较少数目的自由度。用户使用UID 116输入位姿或位姿变化。用于控制端部执行器222的该用户输入具有六个DOF，因此具有6个DOF的位姿或位姿变化被转换为外科工具能够实现的位姿或位姿变化，诸如具有5个DOF的位姿或位姿变化。

在一个实施方案中，在给定时间处提供用于端部执行器222的6D位姿命令。当前时间的位姿可根据来自或用于先前时间步长处的端部执行器位姿命令的位姿以及UID 116在先前时间步长和当前时间步长之间的运动来计算。另选地，用于当前时间的6D位姿命令是基于UID 116的当前位姿或改变的测量而不参考较早位姿。

假定UID 116未接地，那么对机器人致动的限制可使得机器人端部执行器222在给定时间步长内实现人手的运动或位姿是不可行的。例如，围绕一个轴线旋转而不围绕任何其他轴线旋转可能是不可能的。投影将用户位姿命令转换成能够实现的运动或位姿。用于端部执行器222的位姿命令是可用的，其在投影之后通常能够由机器人臂122和外科器械220实现。

在一个实施方案中，投影是从具有6个DOF的位姿到具有仅4个或5个DOF的位姿。可以限制旋转、平移或旋转和平移两者。在本文使用的示例中(参见图2)，投影是从6个DOF到5个DOF，其中仅围绕一个轴线的旋转是不可用的。投影是从旋转的3个DOF到旋转的2个DOF，而用于平移的3个DOF在投影中得以保持或不改变。在另选的实施方案中，其可以是仅沿着一个轴线的平移是不可用的。例如，将具有3个DOF的位置变化命令投影到2D子空间上，并且完全的取向命令(例如，3个DOF)得以保持或不改变。增量位置命令被投影到X旋转轴线和Z旋转轴线上。这将导致用户不能瞬时产生沿着Y旋转轴线的线性运动，然而，用户将具有完全的取向控制。可以使用其他轴线。在用于将6个DOF投影到5个DOF的实施方案中，其中缺失的DOF是围绕一个轴线的旋转，用于平移的3个DOF得以保持并且旋转的3个DOF被投影到2个DOF。围绕缺失的DOF的旋转被投影到围绕剩余轴线的旋转上。

在一种方法中，命令端部执行器取向被表示为旋转矩阵。可以使用其他表示。在给定时间t相对于基础框架定义位置和旋转。可以使用其他参照系。该位置表示为p_ee-基部(t)∈R^3×1，并且旋转被表示为其中ee表示端部执行器，并且基部表示基部参照系。在时间t处工具旋转结合部框架(见图4)相对于基础框架的取向表示为/>其中旋转表示工具旋转结合部框架。可以使用其他定义和/或参照系。

投影是从6个DOF到5个DOF或从用于旋转(或平移)的3个DOF到用于旋转(或平移)的2个DOF。平移或旋转以3个DOF在投影中得以保持或不改变。

在一个实施方案中，给定图2和图4的机器人臂122的球形臂的运动学，端部执行器222不可能围绕Y关节运动或X旋转轴线瞬时旋转，同时在剩余轴线中保持固定位置和固定取向。为了处理这一点，将从先前时间步长到当前时间步长的端部执行器命令的变化(增量端部执行器命令)投影到5D子空间上。端部执行器取向命令被投影到与工具旋转接合部轴线对准的Z旋转轴线上，以及与腕部关节运动接合部轴线对准的Z关节运动轴线或与Y旋转轴线相反的轴线上。外科器械220能够产生围绕这些Y旋转轴线和Z旋转轴线的瞬时旋转。以端部执行器坐标表示的在时间t+1和时间t处的端部执行器取向命令之间的旋转增量由下式给出：

其中T是转置。围绕端部执行器参照系中的三个轴线的旋转变化(例如，在关节运动接合部J10处)是由旋转矩阵在不同时间提供的。

用于端部执行器222的旋转的用户输入的旋转从围绕三个轴线的旋转被投影到围绕两个轴线的旋转。可以使用任何投影函数，诸如线性或非线性映射。在一个实施方案中，旋转被移除。在其他实施方案中，投影被转换而不仅仅是移除。例如，投影使用将围绕一个轴线的旋转与围绕一个或多个其他轴线的旋转相关联的函数。围绕待移除轴线的旋转与端部执行器的旋转变化的点积乘以围绕待移除轴线的旋转。从用于用户输入的旋转矩阵中减去结果。

在一个实施方案中，投影使用从旋转矩阵到轴-角表示的转化率。旋转矩阵表示被转换成轴-角表示。使用轴-角表示来执行投影。投影的结果被转换回旋转矩阵表示。对于该方法，增量端部执行器取向被转换成轴-角表示该轴-角表示被投影到工具旋转接合部框架的Y轴线和Z轴线上。例如，使用以下公式：

其中(·)是点乘积操作符。X_{旋转-在ee中}是以端部执行器框架坐标表示的工具旋转框架的X轴线，并且使用以下公式计算：

投影轴-角表示被转换回旋转矩阵表示/>可以使用旋转矩阵中的其他转换或表示或计算。

可以单独使用到缩减维数子空间的投影。在其他实施方案中，投影包括考虑机器人臂122和外科器械220的其他物理关系。在一个实施方案中，投影包括对端部执行器命令的缩减维数子空间(例如，6个DOF至5个DOF)的投影以及由于平移和旋转之间的耦合而导致的旋转变化的投影。在端部执行器222的移动中，由机器人臂122和外科器械220提供的平移和旋转被耦合。围绕一个轴线的旋转和平移(例如，通过投影移除旋转轴线)可以被耦合，使得沿着轴线的平移影响旋转。沿着其他轴线和/或在轴线之间的旋转和平移可以被耦合。该投影可以包括考虑这些关系中的一个或多个关系。

对端部执行器222的移动的远程运动中心限制影响或致使耦合。该投影可以包括相似度变换以说明机器人臂122的远程运动中心与平移和旋转的耦合。

在一个实施方案中，到缩减维数子空间的投影消除了沿着X_旋转轴线的取向或取向变化归零。位置变化不被投影改变。为了实现沿着Y_旋转方向的所命令的端部执行器位置的期望增量，当这些运动被耦合并且不能被独立地控制时，围绕X_旋转轴线出现取向增量。在给定RCM位置固定的约束的情况下计算此取向增量。

RCM框架相对于基础框架的取向和位置分别地表示为p_rcm-基部(t)和所命令的端部执行器在时间t和t+1处相对于RCM框架的位姿以及端部执行器框架在时间t处相对于RCM框架的取向被计算为：

时间t+1的旋转或旋转变化被确定为投影操作的一部分。归一化的单位向量对应于p_rcm-ee(t)和p_rcm-ee(t+1)分别地表示为和/>用于将向量/>变换为/>的旋转使用Rodrigues旋转公式计算。在矩阵表示中，来自平移的这种旋转被表示为ΔR_{ee-rcm-约束}使用相似度变换将此旋转转换为端部执行器框架，如由下式表示：

结果是在端部执行器框架中的受约束的旋转。表示为的该旋转的轴角表示被投影到X_旋转轴线上，如下所示：

该旋转被转换为旋转矩阵表示，表示为可以使用其他函数来确定由于机器人臂122和外科器械220的移动中的耦合或其他物理约束而引起的旋转或旋转变化。

由于耦合而引起的旋转的这种投影变化与投影组合以减小DOF。可使用任何组合，诸如加权、求和或乘法。最终投影的用户输入是由于耦合而引起的旋转变化和较少数目的DOF的投影两者的函数。在一个实施方案中，该函数是由于耦合而引起的旋转变化、较少数目的投影以及围绕用于端部执行器的运动的原始用户输入的三个轴线的旋转的乘积。为了产生最终投影的端部执行器取向命令(例如，取向变化)，用于DOF减少的增量旋转命令和由于线性运动和围绕X_旋转轴线的旋转之间的耦合而引起的增量旋转被组合，如下所示：

可以使用其他组合来确定来自投影的旋转变化。结果是用于端部执行器位姿或位姿变化的用户输入被投影到较低维度子空间以说明旋转的限制。结果是用于端部执行器位姿或位姿变化的投影的用户输入。投影可以是位姿的旋转，而使用平移则没有改变。

假设由于用户接口设备116的频繁采样或测量，给定实时远程操作场景，增量旋转是小的。如果增量旋转大，则将这些来自维度降低和耦合的增量旋转组合可以使用附加变换来将来自耦合的增量旋转变换为相对于通过应用用于维度降低的增量旋转而产生的框架。在没有附加变换的情况下，相对于在时间t处的端部执行器框架定义两个增量旋转。

所得到的投影的用户输入或命令用于控制端部执行器222，而不是投影前的用户输入。基于在投影之后提供的位姿来控制端部执行器222。

在动作320中，控制处理器根据投影的用户命令来求解机器人臂122和外科工具220的接合部运动。用于端部执行器的运动或位姿的命令(如投影的而不是没有投影的)被用于确定哪些接合部要移动，移动多少以及在哪个方向上移动。用户输入的接收和投影发生在用于控制端部执行器222的命令空间或用户输入的域中。在求解接合部运动之前执行投影。然后，该解根据投影的用户命令(例如，投影的端部执行器位姿或位姿变化)来求解接合部运动。控制处理器通过将用于端部执行器222的命令空间转换为用于外科工具220和机器人臂122的接合部的接合部空间来求解。控制处理器将来自用户的移动命令转换成接合部的移动。

控制器或另一处理器利用逆向运动学根据投影的用户命令来求解接合部运动。控制处理器利用迭代解来求解机器人臂122和/或机器人臂122的外科工具220的运动。找到迭代逆向运动学解。控制过程可以是输入用户输入、使用具有对迭代进行给定终止校验的逆向运动学的迭代解以及输出接合部命令的最终结果。逆向运动学可结合对端部执行器和/或接合部的运动的位置、速度、扭矩和/或加速度的限制。逆向运动学是优化函数，诸如最小化。例如，在动作312中将所投影的位姿变化和由外科机器人系统的接合部位置导致的位姿变化之间的差值最小化。在给定位姿变化的情况下，最小化提供接合部位置的变化。可以使用其他优化。

在一个实施方案中，逆向运动学被执行为最小二乘最小化。可以使用其他最小化。根据与端部执行器坐标系不同的控制框架来求解最小化。例如，控制框架是机器人臂122的参照系，诸如基于接合部J0或基于机器人臂122的坐标系。

在动作322中，控制处理器致使机器人臂122和/或外科工具220移动。在远程操作期间针对活动接合部的输出移动命令(例如，图2的接合部J6至接合部J10)致使接合部以速度和/或加速度改变位置。来自逆向运动学的结果控制接合部的移动。接合部运动避免了外科工具220以不可行的方式旋转。通过操作外科工具220的接合部和/或保持外科工具220的机器人臂122的接合部，使用来自逆向运动学的解来移动外科工具220。接合部位置变化的解控制外科机器人系统。

给定投影的机器人臂122和外科器械220的期望行为是机器人端部执行器222将跟踪来自用户输入设备116的位置命令，但取向命令被投影到平面上(即，从X、Y、Z(3D)到Y、Z(2D))。例如，如果在给定时间处，用户接口设备116和对应的用户输入的取向增量是围绕X旋转轴线的并且用户接口设备116位置是静止的，则当增量取向命令被投影到与X旋转正交的平面上时，端部执行器将保持静止。在仅沿X旋转的情况下，由于投影到没有X旋转分量的平面，旋转就不会发生。尽管未接地的用户接口设备116围绕X旋转轴线自由旋转，但是用户不能瞬时产生围绕该轴线的端部执行器旋转。投影导致用户接口设备116的物理轴线和端部执行器取向之间的映射的变化。如果在这种情况下旋转失败是用户不期望的，则可以训练用户学习主要在投影子空间中旋转用户接口设备116(例如，在Y和Z中旋转)。附加地或另选地，端部执行器取向命令可用于尝试保持用户接口设备轴线和端部执行器轴线对准。

图5示出了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。来自用户输入508的用户输入被投影到较低维度子空间。基于所投影的用户命令来控制机器人系统。该系统执行图3的方法或其他方法。

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502和存储器504。用户控制台110被表示为或被包括为手术机器人系统的一部分，但可远离或局部地定位到机器人臂122。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，使得该工具可以被操作，诸如闭合抓钳或剪刀并且用于操作外科器械220的接合部。

机器人外科器械220中的一个或多个机器人外科器械具有有限的运动。与机器人臂122组合的外科器械220可具有少于六个DOF，诸如具有四个或五个DOF。例如，机器人臂122提供三个接合部，而外科器械220被限制为围绕一个轴线或两个轴线旋转。作为外科工具220的内窥镜可提供仅围绕器械220的长轴线旋转，而不围绕两个其他正交轴线旋转。作为外科工具220的缝合器可为一个接合部提供围绕长轴线的旋转和围绕另一轴线的旋转，而不提供围绕第三轴线的旋转。机器人臂122可允许完全的6个DOF。在远程操作期间，机器人臂122可以具有一些被锁定的移动。因此，外科器械220或与机器人臂122组合的外科器械220可能不能仅围绕一个或多个轴线旋转和/或平移。例如，连接到机器人臂122的外科器械220的端部执行器222不能围绕一个轴线旋转，同时不能围绕两个其他轴线旋转。

用户控制台110是用于外科医生与外科机器人系统进行交互的图形用户接口，诸如与用于控制机器人臂122的处理器(例如，控制器502或另一控制器)进行交互。用户接口包括用户输入508和显示器118。用户输入508和/或显示器118设置在用户控制台110和/或控制塔130处，但也可在其他位置处。

用户输入508为按钮、键盘、摇臂、摇杆、轨迹球、语音识别电路、鼠标、触控板、触摸屏、滑块、开关、UID 116、脚踏开关114、它们的组合或用于输入到外科机器人的任何其他输入设备。用户输入508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508为用于基于语音输入的麦克风。用户输入508具有比端部执行器222大的运动自由度。例如，UID 116是无缆或未接地的，因此具有6个DOF。端部执行器222可被限制为不围绕一个或多个轴线旋转或平移，其中不为其他轴线提供运动。

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。可提供用于音频信息输出的扬声器，以代替显示器118或搭配该显示器使用。

控制器502为驱动以及/或者对机器人臂122和/或外科器械220进行建模的控制器。控制器502为通用处理器、中央处理单元、控制处理器、图形处理器、图形处理单元、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、它们的组合或其他目前已知的或稍后开发的用于将用户输入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502是单个设备，或者串行、并行或单独操作的多个设备。控制器502可以是诸如膝上型电脑、服务器、工作站或台式计算机的计算机的主处理器，或者可以是用于处理较大系统中的一些任务的处理器。基于硬件、软件、固件或它们的组合，控制器502被配置为实现指令或执行动作。

控制器502被配置为从用户输入508(例如，UID 116)投影用户输入以用于端部执行器222的运动。用户输入可以包括不可用的移动，诸如包括围绕轴线的不可用的旋转。不可用的移动被投影，诸如将围绕一个轴线的旋转投影到围绕仅两个其他轴线的旋转。投影可以包括其他约束，诸如由于DOF减少而将用户输入投影到一个旋转变化，以及由于线性运动和旋转之间的耦合而将用户输入投影到另一旋转变化。所得到的投影的用户命令是两种变化的函数。投影被提供用于与不可用的移动隔离并且/或者即使在移动未与不可用的移动隔离时也被提供(例如，用户输入用于沿两个轴线平移和围绕两个轴线旋转，其中当没有提供其他运动时，机器人臂122和外科器械220不能围绕两个轴线中的一个轴线旋转)。

控制器502被配置为利用根据投影的用户命令的逆向运动学来求解机器人臂和外科器械的接合部运动。该解提供给患者的部分医疗远程操作或在医疗远程操作期间提供。外科器械220的投影运动用于求解接合部命令以移动机器人臂122和/或外科器械220的接合部。响应于移动命令的用户输入的投影求解这些接合部命令或运动。用户输入移动外科器械220的端部执行器222的命令(例如，输入变化或输入位姿)。控制器502被配置为通过接合部的操作来投影并且然后求解外科器械220的运动，以提供如所投影的运动。

控制器502被配置为利用逆向运动学求解运动。例如，使用来自接合部运动的外科器械220的运动和投影的用户命令之间的差值的最小二乘最小化。可以使用将接合部命令与由用户输入的端部执行器移动命令的投影相关的其他优化。

控制器502被配置为控制机器人臂122和外科工具220。基于来自逆向运动学的解，一个或多个接合部响应于用户输入而移动。迭代逆向运动学解控制接合部。

存储器504或另一存储器是非暂态计算机可读存储介质，其存储表示能够由已编程的控制器502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。

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：

接收用户输入以移动耦合到机器人臂的外科工具，所述用户输入具有六个自由度，其中所述外科工具具有较少数目的自由度；

将所述用户输入投影到所述较少数目的自由度；

利用逆向运动学根据所投影的用户输入来求解所述机器人臂和所述外科工具的接合部运动；以及

基于来自所述求解的解而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，接收包括接收具有以三个自由度的旋转的所述用户输入，其中所述外科工具能够以两个自由度旋转；并且

其中投影包括将所述用户输入从以所述三个自由度的所述旋转投影到以所述两个自由度的旋转。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，接收包括从未接地的手持式用户接口设备接收所述用户输入，并且其中所述用户输入用于所述外科工具的端部执行器。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，投影包括保持以三个自由度的平移以及将所述旋转从三个自由度减小到小于三个自由度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，接收包括接收作为所述用户输入的第一位姿或第一位姿变化，并且其中投影包括将所述位姿或所述位姿变化转换为所述外科工具能够实现的第二位姿或第二位姿变化。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在求解之前，接收和投影发生在用于所述外科工具的端部执行器的命令空间中，并且其中求解包括从用于所述端部执行器的所述命令空间转换为用于所述外科工具和所述机器人臂的接合部的接合部空间。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，投影包括通过减去(1)围绕第三轴线的旋转与所述用户输入的所述端部执行器的旋转变化的点积乘以(2)围绕所述第三轴线的所述旋转的乘积，来将用于围绕作为三个轴线的第一轴线、第二轴线和所述第三轴线的旋转的所述用户输入投影到围绕仅作为所述较少数目的所述第一轴线和所述第二轴线的旋转。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述用户输入采用旋转矩阵表示，并且其中投影包括将所述旋转矩阵表示转换为轴-角表示，在所述轴-角表示中进行投影，以及将所述投影的结果转换回所述旋转矩阵表示。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，投影包括投影由于平移和旋转之间的耦合而引起的旋转变化。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，投影由于所述耦合而引起的所述旋转变化包括利用说明所述机器人臂的远程运动中心的相似度变换进行投影。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所投影的用户输入是由于所述耦合和所述较少数目的自由度的所述投影而引起的所述旋转变化的函数。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述函数是由于所述耦合而引起的所述旋转变化、所述较少数目的所述投影以及围绕所述三个轴线的所述旋转的乘积。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，求解包括作为最小二乘的最小化来求解。

14.一种用于说明在外科机器人系统中的工具的有限自由度的方法，所述方法包括：

将第一位姿从具有六个自由度的未接地的用户接口投影到由机器人臂握持的外科工具的端部执行器的第二位姿，其中所述第二位姿具有仅四个自由度或五个自由度；以及

基于所述第二位姿控制所述端部执行器。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，投影包括通过减去(1)围绕第一轴线的旋转或在所述第一轴线上的平移与所述端部执行器的旋转或平移变化的点积乘以(2)围绕所述第一轴线的所述旋转或在所述第一轴线上的平移的乘积来利用轴-角表示进行投影。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，投影包括由于围绕第一轴线的所述旋转和平移之间的耦合而利用旋转或平移变化进行投影。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括接收来自用户接口的用户输入命令，所述第一位姿是作为所述用户输入命令提供的所述端部执行器的位姿。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二位姿具有仅五个自由度，所述五个度与所述六个度相比缺失的自由度是围绕第一轴线的旋转，并且其中投影包括保持平移中的三个自由度以及将围绕所述轴线的所述旋转投影到围绕第二轴线和第三轴线的旋转。

19.一种外科机器人系统，包括：

机器人臂；

外科器械，所述外科器械能够安装到具有端部执行器的所述机器人臂，其中围绕一个轴线的旋转被耦合到围绕另一轴线的旋转；

用户接口设备，所述用户接口设备具有旋转中的三个自由度；和

控制器，所述控制器被配置为将用户命令从用于围绕所述一个轴线的旋转的所述用户接口设备投影到围绕所述一个轴线和所述另一轴线的旋转。

20.根据权利要求19所述的外科机器人系统，其中，所述控制器被配置为将所述用户命令投影到第一旋转变化并且将所述用户命令投影到由于所述耦合而引起的第二旋转变化，所述耦合在线性运动和旋转之间，投影的用户命令是所述第一变化和所述第二变化的函数，并且所述控制器被配置为利用逆向运动学根据所述投影的用户命令来求解所述机器人臂和所述外科器械的接合部运动。