CN117651535A - 用于低自由度工具的外科机器人的逆向运动学的投影算子 - Google Patents

Abstract

用于外科机器人系统的遥操作，外科机器人系统的控制计及了外科机器人系统中工具的有限自由度。从用户输入命令的较大DOF到工具的较小DOF的投影被包含在逆向运动学内或作为逆向运动学的一部分。该投影识别端部执行器结构域中的可行运动。此投影允许用于具有不同自由度的工具的一般解，并且将收敛于解。

Description

用于低自由度工具的外科机器人的逆向运动学的投影算子

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遥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遥操作。

遥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，夹钳在遥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，剪刀在遥操作中具有五个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遥操作中具有四个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)。

在遥操作期间，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。具有少于六个DOF的工具不能利用来自具有六个DOF的用户输入的任意空间命令(位置和取向)进行跟踪。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。

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遥操作的方法、系统、指令和计算机可读介质。外科机器人系统的控制计及了外科机器人系统中工具的有限自由度。从用户输入命令的较大DOF到工具的较小DOF的投影被包含在逆向运动学内或作为逆向运动学的一部分。该投影识别端部执行器结构域中的可行运动。此投影允许用于具有不同自由度的工具的一般解，并且将收敛于解。

在第一方面，提供了一种用于外科机器人系统的遥操作的方法。在遥操作期间接收移动安装到机器人臂的外科工具的用户命令。用户命令包括外科工具的旋转，其中外科工具能够仅以少于三个自由度旋转。利用逆向运动学根据用户命令求解运动。求解具有从用户命令到基于少于三个自由度的可行运动的投影。基于来自求解的解而移动机器人臂或外科工具。

在第二方面，提供了一种用于计及在外科机器人系统中的工具的有限自由度的方法。将外科机器人系统的接合部位置的变化与工具的端部执行器的位姿变化之间的差异最小化。在给定位姿变化的情况下，最小化提供接合部位置的变化。基于有限自由度，利用区分工具的端部执行器的可行位姿与不可行位姿的矩阵对最小化的差异进行加权。基于接合部位置的变化来控制外科机器人系统。

在第三方面，提供了一种用于医疗遥操作的外科机器人系统。第一外科器械连接到机器人臂。连接到机器人臂的第一外科器械的端部执行器不能围绕至少一个轴线旋转。控制器被配置为在对患者进行医疗遥操作期间并且响应于移动命令的用户输入来求解第一外科器械的运动。该解利用逆向运动学，其中逆向运动学包括用户输入到低维空间的投影，该低维空间计及围绕该至少一个轴的旋转的缺乏。

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遥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是外科机器人系统的一个实施方案的框图。

具体实施方式

从用户输入命令的更大自由度到外科器械的更小自由度的投影矩阵结合到逆向运动学中。在一个机器人外科系统中，由于具有三个DOF的球形臂的构造，位置命令总是可用的。由于与球形臂连接的外科工具的有限旋转，投影修改了所命令的取向。此种有限旋转需要计算将减化的运动中心(RCM)和端部执行器框架(EEF)接合的单位向量。当工具被拉入套管中并且EEF到RCM的距离趋向于零时，此计算变成未定义的或病态的。为了避免此种奇异性，EEF坐标轴定义了运动的瞬时可行方向，并且将这些方向映射到逆向运动学求解器控制框架，诸如球形臂基础框架。这将雅可比和命令投影与逆向运动学求解步骤相结合，从而消除了显式地处理奇异性的需要并减少了计算。

通过将投影结合到逆向运动学中，提供了用于计算n-DOF工具的投影的通用框架，其中n是3或更小的整数。通过提供通用框架，减少了遥操作管道中对工具特定算法的需要。消除了开发者基于端部执行器位姿设计投影的需要。开发了从工具模型生成投影的编程方式。取向投影计算中的RCM奇异性被去除，并且可以减少投影和逆向运动学所需要的计算。

图1和图2示出了示例性外科机器人系统。下面参考此示例性系统讨论将投影结合到逆向运动学中的方法。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5涉及遥操作中具有集成投影的逆向运动学解。图6涉及用于在用于遥操作的医疗机器人系统的逆向运动学中使用集成投影的系统。

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，遥操作)。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遥操作。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接口。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/或外科器械在遥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，以通过遥操作进行外科手术。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，从而进行遥操作。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，在直接的遥操作中，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。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，其在外科手术遥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遥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遥操作的方法的一个实施方案的流程图。该方法计及了工具或外科器械的任何有限DOF。使用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。为了解决工具的有限DOF，将投影整合或包含在逆向运动学中。逆向运动学的最小化或其他优化是通过工具的可行运动和不可行运动来加权。

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314可以以任何次序执行和/或同时执行(例如，作为使用逆向运动学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，不提供动作320。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命令，以在遥操作期间通过机器人臂122或机器人臂122的外科工具220的移动来移动外科工具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或用户接口设备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。

在为遥操作做准备时，用户落座于外科医生控制台110处。在为遥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。这些接合部在遥操作期间保持锁定。

在遥操作期间，用户录入命令以移动外科工具220。该命令用于外科工具220的运动。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。录入端部执行器位姿的变化。这些命令可能不适用于特定接合部的移动。控制处理器是将端部执行器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。可以使用其他用户输入设备。

用户命令是在六个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。用户命令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。

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对应于遥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，诸如在遥操作期间在机器人臂上提供两个或更少DOF。

用户命令的DOF相同于或大于端部执行器的移动的DOF。例如，工具220具有有限的自由度，诸如在遥操作期间工具220与机器人臂122组合的四个或五个DOF。用户命令和对应的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/或平移而接收用户命令，其中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5的示例中，工具可围绕单一轴线旋转，然而用户命令可包括端部执行器围绕三个轴线中的全部或任一个轴线的旋转。

在动作310中，控制器或另一处理器利用逆向运动学根据用户命令来求解接合部运动。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。

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。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，将外科机器人系统的接合部位置的变化与工具的端部执行器的位姿变化之间的差异(即，从用户命令转换的变化)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。

在图2的机器人臂122的示例中，逆向运动学可以求解接合部运动，其中外科工具220具有少于三个接合部或三个DOF。包括来自机器人臂122的三个DOF，逆向运动学利用具有更少DOF(例如，<6)的接合部满足六个约束或目标。这导致可能没有解的过度约束的问题。在此种情况下，最小二乘逆试图使命令(x_命令)与可行空间位置和旋转之间的差异最小化，表示为：

(x_可行＝J^Tq_可行)，即argmin|x_命令-x_可行(q)|＝q*

x_命令的任何变化都会产生接合部命令矩阵q*的变化。即使从当前位置x_当前到x_命令的瞬时扭转，τ＝x_命令-x_当前要求在由于工具设计的限制(即，工具的有限DOF)而无法实现的方向上运动时，也是如此。由于这是无意的和不直观的行为，因此x_命令被投影以确保命令位于雅可比矩阵的列空间中。

在给定外科工具220的有限DOF的情况下，投影是从用户命令或端部执行器到可行运动。解在控制框架中，因此投影是从用户命令或端部执行器空间到机器人臂122和外科工具220的控制框架。投影被包含作为逆向运动学的一部分或在逆向运动学内。投影算子是被优化的函数的一部分。例如，投影是逆向运动学中的权重。在动作314中，基于工具220的有限DOF，利用区分工具220的端部执行器的可行位姿与不可行位姿的矩阵对最小化的差异进行加权。

在一个实施方案中，投影算子的计算使用瞬时轴的确定，围绕该瞬时轴的平移和旋转在硬件约束下是可行的。然后将它们编译成旋转(SR)和平移(ST)选择矩阵的列中。使用图2的机器人臂122，接合部J0至接合部J5在遥操作期间被锁定，球形接合部(例如，球形滚动接合部J6、球形俯仰接合部J7和工具平移接合部J8)形成以RCM为中心的球形坐标系(例如，接合部J6对应于极角θ，接合部J7对应于方位角φ，并且接合部J8对应于径向距离r)。所有任务空间位置都是可用的。任何组的垂直轴都将满足ST的要求。这些轴被选择为端部执行器的基向量。

对于SR，取决于DOF，可以准确地跟踪围绕一个或多个轴线的旋转。对于四个DOF工具220(例如，图5)，旋转围绕工具接合部轴线。例如，超声刀或内诊镜具有一个旋转轴(例如，X轴)。在端部执行器空间或坐标系中，矩阵被表示为：

由于不存在工具腕部，因此在任何时候仅围绕端部执行器的x轴的旋转是可行的。权重1表示可行旋转，而权重0表示不可行或不可能的旋转。此选择矩阵指示所选择工具220的可用旋转。可以使用非二进制加权。其他矩阵位置(诸如围绕另一轴的可行旋转)可具有非零权重。

对于具有五个DOF的外科工具220，可以选择两个轴线用于旋转。在端部执行器空间或坐标系中，选择矩阵被表示为：

两个“1”值提供工具的两个旋转轴。矩阵中的其他位置可具有可行的旋转权重，诸如用于其他类型的工具。

对于具有六个或更高DOF的外科工具，所有旋转都是可行的。可以选择任何任意垂直基，导致：

三个“1”值提供围绕所有三个空间轴线的旋转是可行的。在遥操作期间，由于工具220具有三个DOF并且机器人臂具有三个DOF(即，6个DOF)，因此围绕任何任意轴线的瞬时旋转是可行的。例如，外科器械具有两个腕部和工具基部旋转件作为接合部。

这些选择矩阵在端部执行器空间中表示以对应于可操作用于端部执行器的轴线。用于给定工具的选择矩阵被映射到逆向运动学求解器在其中操作的框架，诸如控制框架CF。用于可行旋转和/或平移的选择矩阵与映射或转换相乘。示例性表示由以下给出：

其中P是投影算子，EEF表示端部执行器空间，并且R是旋转变换。例如，P是6×6投影算子，S_T是端部执行器空间EEF中的可行平移运动的单位向量的平移选择矩阵，S_R是单位长度可行旋转轴的旋转选择矩阵，并且^CFR_EEF是从EEF到CF的旋转矩阵。

旋转选择矩阵防止不可行位姿的位置变化。通过投影到控制框架，接合部位置的解避免了由于加权而不可行的旋转。投影算子在逆向运动学中被优化的函数中用作权重。例如，利用投影到有限自由度的投影算子对被最小化的差异进行加权。工具的有限自由度是对工具220的旋转的限制。投影算子包括旋转选择矩阵，其指示工具220的可行旋转和不可行旋转。旋转选择矩阵与逆向运动学的雅可比矩阵相乘以进行加权。在最小二乘示例中，将逆向运动学重新公式化为：

其中投影算子对差异的雅可比矩阵进行加权。使用加权的最小化框架。这具有用权重1对可行运动进行加权以及用权重0对不可行运动进行加权的效果，从而去除不期望的耦合效应。此无约束最小化的解是Δq*，其中J^TPJΔq*＝J^TPΔx。此种问题可以被进一步扩增到处理接合部或其他限制并且作为受约束的优化来求解。通过优化，输出满足用户移动命令的接合部命令。

可以利用选择矩阵的块对角结构和球形臂的机械构造来加速选择算子的计算如下：

取决于所使用的求解器，可对矩阵乘积J^TPJ和J^TPΔx执行类似的加速。

投影算子还可用于针对虚拟固定、重新定位或其他目的制定各向异性任务空间约束。并入虚拟边界，诸如以向用户给出反馈。例如，对于点周围的虚拟固定物x_固定物，逆向运动学使用边界，诸如由下式表示：

J^TPJΔq＝J^TPk(x_固定物-x_估计)

另外，可以在任意框架F中表示选择矩阵ST和SR，其中投影算子的计算被修改为更一般地表示为：

在动作320中，控制处理器致使机器人臂122和/或外科工具220移动。在遥操作期间针对活动接合部的输出移动命令使得接合部以速度和/或加速度改变位置。来自逆向运动学的结果控制接合部(例如，图4的接合部J6至接合部9)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。

图6为用于医疗遥操作的外科机器人系统的一个实施方案的框图。用于操作外科机器人系统的逆向运动学包括用户输入到低维空间的投影，该低维空间计及了围绕外科工具220的至少一个轴线的旋转的缺乏。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602和存储器604。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。该连接提供驱动力，以操作工具，诸如闭合抓钳或剪刀。

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。虽然机器人臂122可允许全6DOF，但外科器械受到更多限制。在遥操作期间，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组合的外科器械可能不能围绕一个或多个轴线旋转和/或平移。

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接口，诸如该控制台包括用于控制机器人臂122的处理器。该用户接口包括用户输入608和显示器118。用户输入608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608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、UID 116、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608可以为用于检测眼睛移动和/或眨眼的传感器或多个传感器。在另外的其他实施方案中，用户输入608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。

控制器602为驱动并且/或者为机器人臂122和/或外科器械220建立模型的控制器。控制器602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602是单个设备，或者串联、并联或单独操作的多个设备。控制器602可以是计算机的主处理器，该计算机诸如膝上型计算机、服务器、工作站或台式计算机，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602被配置为实现指令或执行动作。

控制器602被配置为在对患者进行医疗遥操作期间求解外科器械220的运动。外科器械220的运动被提供作为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而求解这些接合部命令或运动。用户输入移动外科器械220的端部执行器的命令。控制器602被配置为通过接合部的操作来求解外科器械220的运动。

控制器602被配置为利用逆向运动学求解运动。例如，使用外科器械220的运动与用户输入之间的差异的最小二乘最小化。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相关的其他优化。

逆向运动学包括用户输入到低维空间的投影，该低维空间计及了围绕至少一个轴线的旋转和/或平移的缺乏。输入用户命令可以与比由机器人臂122和/或外科器械220提供的DOF更大的DOF相关联。作为逆向运动学的一部分，投影减小了DOF。在一个实施方案中，投影是用于旋转端部执行器的选择矩阵。选择矩阵区分端部执行器在端部执行器空间中的允许的旋转和不允许的旋转。在机器人臂参考框架(诸如基于机器人臂122的基部或接合部J0的控制框架)中求解逆向运动学。投影包括从端部执行器限定的可行运动和不可行运动到控制框架的映射。例如，投影限定映射到控制框架的端部执行器的瞬时可行运动。逆向运动学是雅可比矩阵和投影的组合。

不同的外科器械220具有不同数量的DOF。并非使用单独的控制算法，而是改变定义可行运动和不可行运动的矩阵以在单一控制算法中针对特定器械220进行定义。不管仪器220如何，使用相同的优化，即具有来自矩阵的所结合投影的逆向运动学。求解方法对于不同的外科器械是可操作的，其中矩阵或投影因对移动的不同限制而改变。不同的平移和/或旋转矩阵用于DOF的不同组合。矩阵被改变，而不是使用针对每个工具实现的专用投影。专用实现通常遭受较高的计算成本、缺乏通用性和在RCM处的奇异性。通过将广义投影结合到逆向运动学中，而不是投影来限制用户命令或限制输出解，可以提供避免奇异性的具有较低计算成本的广义解。

控制器602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命令而移动。迭代逆向运动学解控制接合部。

存储器604或另一个存储器是非暂态计算机可读存储介质，其存储表示能够由编程的控制器602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遥操作的方法，所述方法包括：

接收移动安装到机器人臂的外科工具的用户命令，所述用户命令包括所述外科工具的旋转，其中，所述外科工具能够仅以小于三个自由度旋转；

利用逆向运动学根据所述用户命令求解运动，所述求解具有从所述用户命令到基于所述小于三个自由度的可行运动的投影；以及

基于来自所述求解的解而移动所述机器人臂或所述外科工具。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述遥操作期间接收包括接收具有以三个自由度的旋转的所述用户命令，其中，所述外科工具仅能够以一个或两个自由度旋转。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，接收包括接收其中所述外科工具能够以仅一个自由度旋转的所述用户命令。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，求解包括利用限制于可行旋转的所述投影来求解。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，求解包括利用包括所述投影的最小化来求解，所述求解利用用于所述最小化的最小二乘。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，求解包括利用所述投影中的旋转选择矩阵来求解，所述旋转选择矩阵在所述外科工具的端部执行器坐标系中并且指示可行旋转和不可行旋转。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述外科工具具有用于所述旋转的单个自由度，并且其中，求解包括利用所述投影中的所述旋转选择矩阵来求解，所述旋转选择矩阵包括对于除了一个条目之外的所有条目为零的3×3矩阵，所述一个条目对应于所述外科工具的所述旋转的所述单个自由度。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述外科工具具有用于旋转的仅两个自由度，并且其中，求解包括利用所述投影中的所述旋转选择矩阵来求解，所述旋转选择矩阵包括对于除了两个条目之外的所有条目为零的3×3矩阵，所述两个条目对应于所述外科工具的所述旋转的所述两个自由度。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，求解包括通过将所述旋转选择矩阵与所述逆运动学的雅可比矩阵相乘而在与所述端部执行器坐标系不同的控制框架中求解。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，求解包括利用权重1对所述可行运动进行加权，以及利用权重0对不可行运动进行加权。

11.一种用于计及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：

将所述外科机器人系统的接合部位置的变化与所述工具的端部执行器的位姿变化之间的差异最小化，在给定所述位姿变化情况下，所述最小化提供所述接合部位置的所述变化；

基于所述有限自由度，利用区分所述工具的所述端部执行器的可行位姿与不可行位姿的矩阵对所述最小化的所述差异进行加权；以及

基于所述接合部位置的所述变化来控制所述外科机器人系统。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，最小化包括执行逆向运动学作为最小二乘最小化。

13.根据权利要求11的方法，还包括接收来自用户接口的用户输入命令，所述端部执行器的所述位姿变化被提供为所述用户输入命令，其中，所述用户输入命令不受所述工具的所述有限自由度的限制，并且所述利用所述矩阵进行加权防止不可行位姿的所述位置变化。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，加权包括利用投影到所述有限自由度的投影算子对所述差异进行加权，所述矩阵是所述投影算子的一部分。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述有限自由度是对所述工具的旋转的限制，并且其中，加权包括利用所述矩阵进行加权，所述矩阵具有用于旋转的二进制权重，所述二进制权重对于可行旋转为1且对于不可行旋转为0。

16.一种用于医疗遥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；

第一外科器械，所述第一外科器械连接到所述机器人臂，其中，连接到所述机器人臂的所述第一外科器械的端部执行器不能围绕至少一个轴线旋转；和

控制器，所述控制器被配置为在对患者进行所述医疗遥操作期间并且响应于移动命令的用户输入来求解所述第一外科器械的运动，所述解利用逆向运动学，所述逆向运动学包括所述用户输入到低维空间的投影，所述低维空间计及围绕所述至少一个轴线的旋转的缺乏。

17.根据权利要求16所述的外科机器人系统，其中，所述投影包括用于旋转所述端部执行器的选择矩阵，所述选择矩阵区分端部执行器空间中允许的端部执行器旋转和不允许的端部执行器旋转。

18.根据权利要求16所述的外科机器人系统，其中，所述逆向运动学是所述第一外科器械的所述运动与所述用户输入之间的差异的最小二乘最小化，所述用户输入用于所述端部执行器的运动，并且其中，所述投影包括具有较大自由度的所述用户输入到具有较小自由度的所述第一外科器械的所述运动的投影。

19.根据权利要求16所述的外科机器人系统，其中，所述解对于包括所述第一外科器械在内的不同的外科器械是能够操作的，其中，所述不同的外科器械具有不同的移动的限制，所述投影对于所述不同的所述移动的限制是不同的。

20.根据权利要求16所述的外科机器人系统，其中，所述投影定义映射到控制框架的所述端部执行器的瞬时可行运动，所述逆向运动学是雅可比和所述投影的组合。