用於使用零空間避免操縱器臂之間碰撞的系統和方法
2023-06-02 01:59:26 2
用於使用零空間避免操縱器臂之間碰撞的系統和方法
【專利摘要】本發明提供了用於使用零空間避免操縱器臂之間的碰撞的裝置、系統和方法。一方面，該系統使用多個操縱器的參考幾何結構之間的關係計算迴避移動，以維持參考幾何結構之間的分離。在某些實施例中，該系統確定鄰近參考幾何結構之間的相對狀態，確定參考幾何結構之間的迴避矢量，並且基於相對狀態和迴避矢量計算雅可比行列式的零空間內的一個或更多個操縱器的迴避移動。在維持末端受動器的所希望的狀態或遠程中心位置的同時，可根據所計算的迴避移動驅動接頭，其中器械軸圍繞該遠程中心位置樞轉且可根據雅可比行列式的零垂直空間內的末端受動器位移移動同時被驅動，以便實現該末端受動器或遠程中心的所希望的移動。
【專利說明】用於使用零空間避免操縱器臂之間碰撞的系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是2012年6月I日提交的且題為「用於使用零空間避免操縱器臂之間碰撞的系統和方法(Systems and Methods for Avoiding Collis1ns Between ManipulatorArms Using a Null-Space) 」的美國臨時專利申請號61/654，773 (律師事務所案卷號ISRG03810PR0V/US)的非臨時申請且要求其優先權的利益，該申請的全部公開內容通過弓I用併入本文。
[0003]本申請一般涉及與本申請同時提交的下列共同擁有的申請:2009年6月30日提交的題為「關於運動學奇異性的醫療機器人系統操縱器的控制(Control of MedicalRobotic System Manipulator About Kinematic Sigularities)」 的美國申請號12/494,695 ;2009年3月17日提交的題為「具有冗餘自由度和產生內部運動的增加的力的主控制器(Master Controller Having Redundant Degrees of Freedom and AddedForces to Create Internal Mot1n) 」的美國申請號 12/406，004 ;2005 年 5 月 19 日提交的題為「用於外科手術和其他用途的軟體中心和高度可配置機器人系統(Software Centerand Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses)，，的美國申請號11/133，423(美國專利號8，004，229) ;2004年9月30日提交的題為「用於機器人外科手術的偏移遠程中心操縱器(Offset Remote Center Manipulator For Robotic Surgery) 」的美國申請號10/957，077(美國專利號7，594，912) ;2001年8月13日提交的題為「外科手術機器人工具、數據架構和用途(Surgical Robotic Tools, Data Architecture, and Use)」的美國專利申請號09/929，453(美國專利號7，048，745) ;1999年9月17日提交的題為「具有冗餘自由度的主導裝置(Master Having Redundant Degrees of Freedom) 」的美國申請號09/398，507(美國專利號6，714，839);以及題為「使用零空間避免操縱器臂與患者碰撞(Manipulator Arm-to-Patient Collis1n Avoidance Using a Null-Space)，，的美國申請號_【律師事務所案卷號ISRG03760/US】和題為「使用零空間用於外科手術操縱器的所命令的重新配置的系統和方法(System and Methods for Commanded Reconfigurat1n of aSurgical Manipulator Using the Null-Space) 」的美國申請編號_【律師事務所案卷號ISRG03770/US】；這些申請的公開內容整體通過引用併入本文。
【背景技術】
[0004]本發明一般提供改進的外科手術和/或機器人裝置、系統和方法。
[0005]微創醫療技術意在減少在診斷或外科手術操作(procedure)期間損傷的組織的量，從而減少患者的恢復時間、不適和有害的副作用。在美國，每年進行上百萬的「開放式」或傳統外科手術；許多這些外科手術可以以微創方式潛在地進行。然而，由於外科手術器械、技術和要求掌握它們的額外外科手術培訓的限制，目前僅相對少量的外科手術使用微創技術。
[0006]正在開發在外科手術中使用的微創遠程外科手術系統來增加外科醫生的靈活性以及允許外科醫生從遠程位置對患者進行手術。遠程外科手術是對外科手術系統的通用術語，其中外科醫生使用某種形式的遠程控制，例如，伺服機構或類似機構，以操縱外科手術器械移動，而不是直接用手夾持並移動器械。在此類遠程外科手術系統中，外科醫生提供有在遠程位置處的外科手術部位的圖像。雖然通常在合適的觀察器或顯示器上觀察外科手術部位的三維圖像，但是外科醫生通過操縱主控制輸入裝置對患者進行外科手術操作，這進而控制機器人器械的運動。機器人外科手術器械可以通過小的微創外科手術孔插入來治療在患者體內外科手術部位處的組織，該創傷通常與訪問開放式外科手術相關聯。經常通過在微創孔處樞轉器械的軸、軸向通過該孔滑動該軸、在該孔內旋轉該軸等，這些機器人系統可以移動具有充分靈活性的外科手術器械的工作端來進行相當複雜的外科手術任務。
[0007]用於遠程外科手術的伺服機構一般將接收來自兩個主控制器(每一個對應於外科醫生的一隻手)的輸入，並且可包括兩個或更多個機器人臂或操縱器。手部移動至由圖像捕獲裝置顯示的機器人器械的圖像的映射可以幫助向外科醫生提供對與每隻手關聯的器械的精確控制。在許多外科手術機器人系統中，一個或更多個額外機器人操縱器臂被包括用於移動內窺鏡或其他圖像捕獲裝置、額外的外科手術器械或類似裝置。
[0008]在機器人外科手術期間各種結構布置可以用於支撐在外科手術部位處的外科手術器械。從動聯動裝置或「從部件」經常被稱為機器人外科手術操縱器，並且在美國專利號6，758，843,6, 246，200和5，800, 423中描述了用於在微創機器人外科手術期間用作機器人外科手術操縱器的示例性聯動裝置布置，其全部公開內容通過引用併入本文。這些聯動裝置經常利用平行四邊形布置來夾持具有軸的器械。此類操縱器結構可以約束該器械的移動，使得該器械軸圍繞沿該剛性軸的長度定位在空間中的球形旋轉的遠程中心樞轉。通過將此旋轉中心與到內部外科手術部位的切口點對準(例如，利用在腹腔鏡外科手術期間在腹壁處的套針或插管)，該外科手術器械的末端受動器可以通過使用操縱器聯動裝置移動該軸的近端而不對腹壁強加潛在危險的力而被安全定位。例如在美國專利號6，702，805、6，676，669,5, 855，583,5, 808，665,5, 445，166 和 5，184，601 中描述了替代操縱器結構，其全部公開內容通過引用併入本文。
[0009]雖然新的機器人外科手術系統和裝置已被證明是高效且有利的，但是進一步的改進仍將是所希望的。例如，當在微創外科手術部位內移動外科手術器械時，機器人外科手術操縱器可在患者外部呈現顯著的移動量，特別是當通過大角度範圍圍繞微創孔樞轉器械時，這可以導致移動的操縱器不經意地接觸彼此、接觸外科手術室中的器械推車或其他結構、接觸外科手術人員且/或接觸患者的外表面。特別地，操縱器臂的體積可與鄰近操縱器臂接觸或碰撞，這可導致在操縱器臂上的不希望的移動和/或應力。已經提出了替代操縱器結構，其採用對高度可配置的運動學操縱器接頭組的軟體控制，以將樞轉運動約束在插入部位，同時禁止患者體外(或類似部位)的意外的操縱器/操縱器接觸。這些高度可配置的「軟體中心」外科手術操縱器系統可提供顯著的優點，但也會帶來了挑戰。特別地，在一些條件下，機械約束的遠程中心聯動裝置可具有安全優點。此外，經常包括在這些操縱器中的眾多接頭的寬範圍配置可導致操縱器難以手動地安設在對於特定操作是可取的配置中。雖然如此，但隨著使用遠程外科手術系統進行的外科手術範圍繼續擴大，用於擴大可用配置和器械在患者體內的運動範圍的需求也增加。不幸地，這些變化都可能增加與控制和預測操縱器在體外的運動關聯的挑戰，並且增加避免操縱器臂和鄰近操縱器臂的部件之間所不希望的接觸或碰撞的重要性。
[0010]對於這些及其他原因，提供用於外科手術、機器人外科手術和其他機器人應用的改進的裝置、系統和方法將是有利的。如果這些改進的技術提供避免鄰近操縱器臂之間碰撞的能力的同時維持所希望的末端受動器狀態或器械軸樞轉圍繞的遠程中心的所希望的的位置，這將是特別有益的。理想地，這些改進將允許一個或更多個操縱器臂在外科手術操作期間的改進移動，同時避免在末端受動器移動期間操縱器臂之間的碰撞。此外，對於至少一些操作在增加器械的運動範圍的同時提供此類改進，而不顯著地增加這些系統的大小、機械複雜性或成本，並且同時維持或改進其靈活性將是可取的。
【發明內容】
[0011]本發明一般提供改進的機器人和/或外科手術裝置、系統和方法。在許多實施例中，本發明將採用高度可配置的外科手術機器人操縱器。這些操縱器例如可具有比在患者的外科手術工作空間內的關聯外科手術末端受動器具有的移動自由度更多的移動自由度。根據本發明的機器人外科手術系統通常包括:支撐機器人外科手術器械的操縱器臂；和處理器，以計算用於操縱該器械的末端受動器的協調的接頭移動。對於給定的末端受動器方位和/或給定的樞轉點位置，支撐末端受動器的機器人操縱器的接頭允許該操縱器在一系列不同配置的範圍上移動。該系統通過根據由處理器計算的接頭的協調移動來驅動該操縱器的一個或更多個接頭，從而允許高度可配置的機器人操縱器的移動，以避免操縱器臂之間的碰撞，其在運動學雅可比行列式的零空間內延伸該操縱器的一個或更多個接頭，以便維持所希望的末端受動器狀態和/或樞轉點位置。在許多實施例中，響應相互作用元件之間的距離這一確定，計算迴避移動，或者潛在地碰撞鄰近操縱器臂的結構是不太希望的。
[0012]一方面，提供了具有操縱輸入端的冗餘自由度(RDOF)外科手術機器人系統。該RDOF外科手術機器人系統包括操縱器組件、一個或更多個用戶輸入裝置以及具有控制器的處理器。該組件的操縱器臂具有提供足夠自由度的多個接頭，這些足夠的自由度允許對於給定的末端受動器狀態具有一系列的接頭狀態。響應在遠端受動器近側的操縱器臂的一部分太接近鄰近操縱器的一部分這一確定，該系統計算一個或兩個操縱器的多個接頭在其相應雅可比行列式的零空間內的迴避移動。該處理器經配置隨後根據所計算的迴避移動使用控制器驅動接頭，以便維持該末端受動器的所希望狀態。此外，響應接收操縱命令來用所希望的移動來移動末端受動器，該系統通過計算沿與零空間正交的雅可比行列式的零垂直空間的接頭移動計算接頭的末端受動器位移移動，並根據所計算的位移移動驅動接頭來實現所希望的末端受動器移動，經常與根據所計算的迴避移動驅動接頭同時發生。
[0013]在本發明的另一方面，該操縱器經配置移動使得該器械軸的中間部分圍繞遠程中心樞轉。在該操縱器和該器械之間有多個從動接頭，其提供足夠的自由度以當該器械軸的中間部分延伸通過進入部位時允許針對末端受動器方位具有一系列的接頭狀態。具有控制器的處理器將輸入裝置聯接到操縱器。響應操縱器臂的一部分太接近鄰近操縱器的一部分這一確定，該處理器確定一個或更多個接頭的移動來增加操縱器臂的最接近部分之間的距離，而每個操縱器臂的器械的中間部分保持在相應進入部位內並且維持每個器械軸樞轉所圍繞的所希望的遠程中心位置。在接收操縱命令來實現一個或更多個操縱器的末端受動器的所希望的移動時，該系統計算對應的操縱器的接頭的末端受動器位移移動，其包括計算沿與零空間正交的零垂直空間的接頭移動，並且然後根據所計算的移動驅動相應操縱器的接頭來實現所希望的末端受動器移動，其中該器械軸圍繞遠程中心樞轉，經常與根據所計算的迴避移動驅動接頭同時發生。
[0014]另一方面，該系統確定第一操縱器的參考幾何結構和第二操縱器的參考幾何結構，這些參考幾何結構通常包括對應於每個操縱器臂的結構的多條線段，並且確定參考幾何結構之間的相對狀態。然後，該系統確定在重疊(例如，能夠碰撞)的第一和第二參考幾何結構的部分之間延伸的迴避矢量。第一操縱器的迴避矢量指向趨向於移動第一操縱器遠離第二操縱器的重疊幾何結構的方向。第二操縱器的迴避矢量指向趨向於移動第二操縱器遠離第一操縱器的重疊幾何結構的方向。第二操縱器的迴避矢量也指向與第一操縱器的迴避矢量相反的方向。響應參考幾何結構之間的分離不太是所希望的這一確定，該系統隨後確定與在參考幾何結構之間的迴避矢量關聯的參數，如虛擬力或命令速度，其中當沿迴避矢量施加時該參數足夠來增加分離。參數通常在操縱器臂的三維工作空間中計算，在該三維工作空間中對應的參考幾何結構移動且然後轉化為接頭的接頭空間。可替代地，可以使用計算迴避移動的其他方法，包括在第67段至70段中描述的那些方法。使用該接頭空間，該系統計算迴避移動以便在與操縱器臂關聯的雅可比行列式的零空間內延伸接頭和連杆的同時增加分離。通過根據所計算的迴避移動驅動接頭，該系統實現迴避移動以便在維持操縱器臂的遠側部分(例如，末端受動器)的所希望的狀態的同時抑制鄰近操縱器臂之間的碰撞。
[0015]一方面，每個參考幾何結構包括多條線段，並且確定相對狀態包括從鄰近參考幾何結構確定最接近的一對線段。雖然整體描述使用線段來表示操縱器臂，但是應當理解，可以使用任何合適幾何結構(例如，點、線段、球體、一串球體、圓柱體、卷或各種幾何形狀)。另一方面，確定最接近的一對包括確定該線段對上各點之間的最近距離。根據第一參考幾何結構和第二參考幾何結構，該系統可在操縱器臂的三維工作空間中確定一對或更多對相互作用元件(例如，具有重疊的在工作空間中的運動範圍的線段)，且然後確定參考幾何結構之間的相對狀態和在參考幾何結構之間延伸的迴避矢量。然後，該系統經常通過模擬沿該矢量施加的力或沿該迴避矢量的方向施加到該線段上的一點的命令速度來確定參考幾何結構沿該矢量的移動，其然後被轉化為接頭空間。然後，沿該接頭空間的移動投射到該雅可比行列式的零空間上以便計算迴避移動從而在維持第一和第二操縱器臂中每一個的遠側部分(例如，末端受動器)的所希望的狀態的同時維持參考幾何結構之間的分離。
[0016]在某些實施例中，第一和第二參考幾何結構中的每一個都可包括一個或更多個點、線段、卷或對應於操縱器臂的部件或體積的更複雜實體建模。在一些實施例中，第一和第二參考幾何結構中的每一個都包括多條線段，每條線段對應於特定操縱器臂的連杆或突出部分，並且第一參考幾何結構和第二參考幾何結構之間的相對狀態對應於操縱器臂之間的接近，如第一和第二參考幾何結構的方位或速度之間的距離。該接近可由安裝到從動聯動裝置或「從部件」的接近傳感器局部地感測。響應該相對狀態是不希望的，如比所希望的分離更小這一確定，該系統計算操縱器臂中一個或更多個操縱器臂的一個或更多個接頭在零空間內的迴避移動，以在維持每個操縱器臂的遠側部分(例如，末端受動器)的所希望的狀態或者與每個操縱器臂關聯的遠程中心的方位的同時增加分離距離。
[0017]在某些實施例中，響應第一參考幾何結構和第二參考幾何結構之間的最短距離比所希望的更小這一確定，其中該最短距離可以是預先確定的距離或接頭狀態的函數，該系統的處理器通過驅動相應操縱器臂的接頭計算一個或兩個操縱器臂的接頭或連杆在其關聯的零空間內的迴避移動，以增加操縱器臂之間的分離。末端受動器所希望的狀態可包括末端受動器所希望的方位、速度或加速度或者圍繞遠程中心的樞轉運動。該末端受動器操縱命令由用戶，如在外科手術控制臺主輸入端上輸入該命令的外科醫生，從輸入裝置接收，而當參考幾何結構之間的距離比所希望的更小時，計算並使用該迴避移動來驅動接頭以在操縱器臂之間提供足夠間隙。在一些實施例中，每個臂的遠側部分或末端受動器包括或者經配置可釋放地支撐具有細長軸的外科手術器械，該細長軸向遠側延伸到外科手術末端受動器，其中每個器械軸在外科手術期間圍繞遠程中心樞轉，並且其中計算一個或更多個接頭的迴避移動以便在驅動接頭期間維持該遠程中心的方位。在一些實施例中，一個或更多個操縱器臂的接頭包括接近操縱器臂的遠側部分(例如，末端受動器)的旋轉接頭，該旋轉接頭圍繞遠側旋轉接頭的軸線樞轉插入軸線，該軸線通過遠程中心延伸。可計算末端受動器位移移動，使得第一組接頭(經常是遠側旋轉接頭)未被驅動，使得第一組接頭被有效地鎖定，或者計算接頭的末端受動器位移移動，使得第一組接頭未被驅動來實現所希望的遠側部分位移移動(例如，末端受動器位移移動)，而接頭的迴避移動可被計算以便至少驅動一個或更多個操縱器臂的遠側旋轉接頭。第一組接頭包括操縱器臂的一個或更多個接頭。
[0018]在一個示例性實施例中，每個操縱器臂經配置以支撐具有中間部分和末端受動器的工具，該中間部分沿近側部分的插入軸線向遠側延伸，該末端受動器在每個中間部分的遠端處，其中至少一些接頭機械地約束遠側部分(例如，末端受動器)相對於底座的移動，使得相應操縱器臂的遠側部分圍繞設置在該插入軸線處的遠程中心樞轉，以促進該末端受動器在工作部位的移動，其中該工作部位通過插入開口進行訪問。每個操縱器臂的多個接頭可包括遠程球形中心接頭，其設置在相應操縱器臂的近側部分的遠側及其遠側部分的近側，其中遠程球形中心接頭被機械地約束使得遠程球形中心接頭的鉸接圍繞第一遠程中心軸線、第二遠程中心軸線和第三遠程中心軸線樞轉相應操縱器臂的遠側部分，第一、第二和第三遠程中心軸線相交其遠程中心。在一些實施例中，當每個臂設置在基本平面的配置中時，該迴避移動與獨立於操縱器臂之間的平面關係，從而在抑制第一操縱器和第二操縱器之間碰撞的同時允許針對每個臂的具有一系列增加的配置範圍，其中它們相應的運動範圍重疊。
[0019]在某些實施例中，將操縱器臂的近側部分聯接到近側底座的第一接頭是一種旋轉接頭，其支撐相應操縱器臂使得第一接頭的接頭移動圍繞該旋轉接頭的樞轉軸線樞轉操縱器臂的一個或更多個接頭。在一些實施例中，該旋轉接頭的樞轉軸線從接頭通過末端受動器延伸，優選通過遠程中心，其中該末端受動器的器械軸圍繞該遠程中心樞轉。一方面，該旋轉接頭的移動圍繞一個圓錐體樞轉該操縱器臂的一個或更多個接頭，該圓錐體向遠側逐漸變細並朝向該遠端受動器或遠程中心取向。該操縱器臂在此方面圍繞其樞轉的圓錐體對應於在該工具尖端的運動範圍內的圓錐狀空隙，其中該工具的移動會是不可能的或是受損的。另一方面，聯接操縱器的近側部分到底座的接頭沿路徑相對於該底座是可移動的，該路徑通常是弧形的或基本圓形的路徑，使得該接頭沿該路徑的移動圍繞通過遠程中心延伸的軸線樞轉該操縱器臂的一個或更多個接頭，其中該器械軸圍繞該遠程中心樞轉。第一接頭可被驅動以便響應來自用戶的輸入圍繞其旋轉軸線樞轉且/或沿其路徑移動，以驅動該接頭並根據需要重新配置雅可比行列式的零空間內相應操縱器臂。
[0020]在本發明的另一方面，提供了帶有近側旋轉接頭和遠側平行四邊形聯動裝置的外科手術機器人操縱器，其中旋轉接頭的樞轉軸線基本與末端受動器的器械軸的軸線相交，如果適用，優選在遠程中心處相交。該系統還包括處理器，其具有將輸入端聯接到操縱器臂的控制器且經配置以計算如在本文描述的實施例中的任何一個中所述的多個接頭的迴避移動。上面描述的計算迴避移動來驅動在所計算的位移移動中未被驅動的特定接頭(或反之亦然)這一方面可應用於在此描述的操縱器臂的任何接頭。
[0021 ] 通過參照說明書和附圖的剩餘部分，對本發明的本質和優點的進一步理解將變得明顯。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1A是根據本發明的實施例的機器人外科手術系統的俯視圖，該機器人外科手術系統具有外科手術臺，該外科手術臺帶有多個機器人操縱器用於以機器人的方式在患者體內的內部外科手術部位處移動具有外科手術末端受動器的外科手術器械。
[0023]圖1B圖解說明圖1A的機器人外科手術系統。
[0024]圖2是透視圖，其示出用於在圖1A的外科手術系統中輸入外科手術程序命令的主外科醫生控制臺或工作檯，該控制臺包括用於響應輸入命令生成操縱器命令信號的處理器。
[0025]圖3是圖1A的電子推車的透視圖。
[0026]圖4是具有四個操縱器臂的患者側推車的透視圖。
[0027]圖5A-?示出示例性操縱器臂。
[0028]圖5E示出包括多條線段的參考幾何結構，其中多條線段對應於圖5A-?中所示的示例性操縱器臂的部件。
[0029]圖6A-6C示出根據一些實施例的如用來計算用於驅動一個或更多個接頭以抑制操縱器臂之間碰撞的迴避移動的在第一示例性操縱器臂的第一參考幾何結構和第二示例性操縱器臂的第二參考幾何結構之間的相互作用。
[0030]圖7示出示例性操縱器臂，其具有圍繞接頭的軸線旋轉操縱器臂的近側旋轉接頭。
[0031]圖8示出具有靠近遠側器械夾持器的扭轉接頭的示例性操縱器臂，該扭轉接頭圍繞接頭軸線旋轉或扭轉器械夾持器。
[0032]圖9-10示出示例性操縱器臂，其具有支撐圍繞彎曲路徑平移的操縱器臂的近側旋轉接頭。
[0033]圖1lA圖形化地表示在示例性操縱器組件中的雅可比行列式的零空間和零垂直空間之間的關係，並且圖1lB圖形化地表示零空間和零運動流形之間的關係。
[0034]圖12-13是簡化的方框圖，其表示根據一些實施例的方法。
【具體實施方式】
[0035]本發明一般提供改進的外科手術和機器人裝置、系統和方法。本發明特別有利於與外科手術機器人系統一起使用，在外科手術機器人系統中多個外科手術工具或器械將在外科手術操作期間安裝在關聯的多個機器人操縱器上且由其移動。機器人系統一般會包括遠程機器人、遠程外科手術和/或遠程呈現系統，這些系統包括被配置為主從控制器的處理器。通過提供採用被適當配置成具有鉸接式聯動裝置來移動操縱器組件的處理器的機器人系統，其中所述聯動裝置具有相對大量的自由度，聯動裝置的運動可以被調整用於通過微創進入部位工作。大量的自由度允許操縱器組件的聯動裝置在雅可比行列式的零空間內移動或重新配置，以便移動第一操縱器的聯動裝置遠離一個或更多個鄰近操縱器，同時維持所希望的末端受動器狀態。在某些實施例中，該系統確定當該操縱器臂的一部分和一個或更多個鄰近操縱器臂之間的距離比所希望的更小時，則根據在其相應零空間內延伸或移動一個或更多個操縱器臂的接頭而計算的迴避移動驅動接頭，以便增加該操縱器臂的一部分和一個或更多個鄰近操縱器臂之間的距離。通常，根據與在外科手術操作期間遠端受動器的命令位移移動同時計算的迴避移動來驅動該操縱器臂的接頭。
[0036]本文所描述的機器人操縱器組件一般會包括機器人操縱器和安裝在其上的工具(該工具經常包括外科手術版本中的外科手術器械)，儘管術語「機器人組件」也將包含不帶有安裝在其上的工具的操縱器。術語「工具」包含通用或工業機器人工具以及專用機器人外科手術器械，其中這些後面的結構經常包括適合於組織的操縱、組織的治療、組織的成像或類似動作的末端受動器。該工具/操縱器界面將通常是快速斷開的工具夾持器或者聯接器，從而允許快速移除和使用替代性工具快速替換該工具。該操縱器組件將通常具有在機器人操作的至少一部分期間固定在空間中的底座，並且該操縱器組件可包括在底座和該工具的末端受動器之間的大量自由度。該末端受動器的致動(如夾緊裝置的夾爪的打開或關閉、給電外科電極板(paddle)通電或類似動作)將通常與這些操縱器組件的自由度分開，並且補充這些操縱器組件的自由度。
[0037]該末端受動器將通常以二自由度和六自由度之間的自由度在工作空間中移動。如本文所用，術語「方位」包含位置和取向。因此，(例如)末端受動器的方位變化可涉及末端受動器從第一位置到第二位置的平移、末端受動器從第一取向到第二取向的旋轉或者兩者的組合。當用於微創機器人外科手術時，該操縱器組件的移動可由系統的處理器控制，使得該工具或器械的軸或中間部分通過微創手術進入部位或其他孔約束到安全運動。此類運動可包括例如該軸通過孔部位到外科手術工作空間裡的軸向插入、該軸圍繞其軸線的旋轉以及該軸圍繞鄰近進入部位的樞轉點的樞轉運動。
[0038]本文描述的許多示例性操縱器組件具有比在外科手術部位內定位和移動末端受動器所需的更多的自由度。例如，在一些實施例中可以通過微創孔以六自由度定位在內部外科手術部位處的外科手術末端受動器可具有九個自由度(六個末端受動器自由度——三個用於位置，三個用於取向-加上符合進入部位約束的三個自由度)，但可具有十個或更多個自由度。針對給定的末端執行器方位，具有比所需的更多的自由度的高度可配置的操縱器組件可以描述為具有或提供足夠的自由度來允許在工作空間內針對末端受動器方位具有一系列的接頭狀態。例如，對於給定的末端受動器方位，該操縱器組件可佔有一系列可替代操縱器聯動裝置方位中的任何一個(並且在其之間被驅動)。類似地，對於給定的末端受動器速度矢量，該操縱器組件針對操縱器組件的各種接頭在零空間內可具有一系列的不同接頭移動速度。
[0039]本發明提供特別好地適用於外科手術(和其他)應用的機器人聯動裝置結構，其中寬的運動範圍是希望的，並且由於其他機器人聯動裝置、外科手術人員和設備以及類似條件的存在，對於這種聯動裝置結構，獲得限制的專用體積。每個機器人聯動裝置所需的大的運動範圍和減少的體積也可在機器人支撐結構和外科手術或其他工作空間之間提供更大的靈活性(flexibility),由此促進並加速裝配。
[0040]接頭或類似部件的術語「狀態」將在本文一般指與接頭相聯的控制變量。例如，角接頭的狀態可以是指在其運動範圍內的由接頭限定的角度，且/或指該接頭的角速度。類似地，軸向或稜柱形接頭的狀態可以指接頭的軸向方位，且/或指其軸向速度。雖然本文描述的許多控制器包括速度控制器，但是它們也經常具有一些方位控制方面。替代實施例可主要或全部依賴於方位控制器、加速度控制器或類似部件。可以在此類裝置中使用的控制系統的許多方面在美國專利號6，669，177中更全面描述，該美國專利的全部公開通過引用併入本文。因此，只要所描述的移動基於所關聯的計算，接頭的移動和本文描述的末端受動器的移動的計算就可使用方位控制算法、速度控制算法、兩者的組合且/或類似算法進行執行。
[0041]在某些實施例中，示例性操縱器臂的工具圍繞鄰近微創孔的樞轉點樞轉。該系統可利用硬體遠程中心，如美國專利6，786, 896中描述的遠程中心運動，該美國專利的內容全部併入本文。此類系統可利用雙平行四邊形聯動裝置，其約束聯動裝置的移動使得由該操縱器支撐的器械的軸圍繞遠程中心點樞轉。替代的機械約束遠程中心聯動裝置系統是已知的並且/或者可在未來進行開發。令人驚訝的是，與本發明有關的工作指示遠程中心聯動裝置系統可從高度可配置的運動學架構受益。特別地，當外科手術機器人系統具有允許圍繞在微創手術進入部位處或其附近相交的兩個軸線的樞轉運動的聯動裝置時，球形樞轉運動可包含在患者體內的充分程度的所需的運動範圍，但仍然會遭受可避免的缺陷(如未被充分地調節、易受在患者外部的臂與臂或臂與患者接觸和/或類似情況)。首先，添加也被機械地約束到在進入部位處或其附近的樞轉運動的一個或更多個額外自由度可提供該運動範圍內的很少或任何改進。儘管如此，此類接頭可以通過允許整個系統以碰撞-抑制姿態配置或者朝向碰撞-抑制姿態驅動、通過進一步擴大用於其他外科手術操作的該運動範圍和類似動作提供顯著優點。
[0042]在其他實施例中，該系統可利用軟體來實現遠程中心，如在美國專利申請8，004，229中描述，該專利申請的全部內容通過引用併入本文。在具有軟體遠程中心的系統中，處理器計算接頭的移動，以便將器械軸的中間部分圍繞所計算的樞轉點位置樞轉，其中該計算的樞轉點位置與通過機械約束確定的樞轉點相反。通過具有計算軟體樞轉點的能力，可以選擇性地實施表徵為系統的柔性或剛度的不同模式。更具體地，可以根據需要在一系列樞轉點/中心(例如，可移動樞轉點、被動樞轉點、固定/剛性樞轉點、軟樞轉點)上實現不同的系統模式；因此，本發明的實施例適合於在各種類型的操縱器臂中使用，包括軟體中心臂和硬體中心臂二者。
[0043]儘管具有多個高度可配置操縱器的機器人外科手術系統的許多優點，由於操縱器包括在底座和器械之間的相對大量的接頭和連杆，操縱器臂的移動會是特別複雜的。隨著操縱器臂的配置範圍和運動範圍增加，在遠端受動器近側的操縱器臂的一部分和鄰近操縱器之間的臂與臂的碰撞的可能性也增加。例如，如本文所描述的，具有圍繞鄰近微創孔的遠程中心樞轉的遠側工具的操縱器臂的相當大的運動範圍可以允許該操縱器臂的突出部分或該操縱器臂本身的遠側連杆與鄰近操縱器的連杆或突出部分接觸和/或碰撞。由於操縱器臂的多個接頭的精確移動是特別複雜的，臂與臂的碰撞會是一個反覆出現的問題，並且會難以避免。本發明通過計算操縱器臂在雅可比行列式的零空間內的迴避移動並驅動接頭在維持該操縱器臂的遠側部分或工具的所希望狀態的同時實現迴避移動來避免此類臂與臂的碰撞，由此在實現所希望的末端受動器移動的同時避免多個操縱器臂之間的碰撞。
[0044]本發明的實施例包括處理器，其響應第一參考幾何結構和第二參考幾何結構之間的距離比所希望的更小的這一確定，計算迴避移動，其中迴避移動促進使用運動學聯動裝置的從動接頭以在零空間內重新配置操縱器結構，以避免臂與臂的碰撞，第一參考幾何結構對應於第一操縱器臂的一個或更多個部件，而第二參考幾何結構對應於第二鄰近操縱器臂的一個或更多個部件。在其他實施例中，該系統包括額外操縱器臂，每個操縱器臂具有對應的參考幾何結構，如第三操縱器臂具有第三參考幾何結構，且另一個操縱器具有第四個參考幾何結構。在此類實施例中，該系統可進一步確定每個參考幾何結構和在其間延伸的迴避矢量之間的相對狀態，如在一對或更多對參考幾何結構或線段上的各個最接近點之間，並且計算一個或更多個操縱器臂的迴避移動以便維持在各個鄰近參考幾何結構之間的足夠距離。
[0045]在某些實施例中，該系統使用與操縱器的一部分對應的限定的參考幾何結構，該操縱器的一部分具有與鄰近操縱器重疊的運動範圍，使得當每個在其相應運動範圍內移動到重疊區域時該部分容易與鄰近操縱器碰撞。第一參考幾何結構可以是單個點，或者更通常的是對應於操縱器臂的聯動裝置和/或突出部分的多條線段。然後，該系統確定鄰近臂的限定的參考幾何結構之間的相對狀態，其中該狀態可以是該參考幾何結構的方位、速度或加速度中的任何一個。相對狀態可以是每個參考幾何結構的速度矢量之間的距離，或者可包括其間的差。在一些實施例中，使用相對狀態計算迴避移動，並結合所計算的移動來實現由用戶命令的所希望的位移移動。在此類實施例中，如果相對狀態指示碰撞是不可能的，該迴避移動可以是最小的或可忽略的，並且當相對狀態指示即將發生碰撞時該迴避移動會基本上較大。
[0046]在某些實施例中，每個參考幾何結構的狀態使用相應操縱器臂中的接頭傳感器確定以允許參考幾何結構狀態之間的比較，以便允許處理器確定用於計算迴避移動的相對接頭狀態。該外科手術系統的控制器可包括帶有可讀存儲器的處理器，其具有記錄在其上的編程指令或代碼的接頭控制器，其中該接頭控制器允許處理器導出用於驅動接頭的合適接頭命令，以允許該控制器實現操縱器的接頭的移動來避免與鄰近操縱器的碰撞，且/或實現所希望的末端受動器移動。
[0047]在下列描述中，將描述本發明的各種實施例。出於解釋的目的，闡述具體配置和細節，以便提供對實施例的全面理解。然而，對於本領域的技術人員，本發明可在無具體細節的情況下實踐也將是明顯的。此外，可以省略或簡化眾所周知的特徵，以便不模糊被描述的實施例。
[0048]現在參照附圖，其中貫穿多個附圖，相同參考標號表示相同部件，圖1A是根據一些實施例的在對正躺在手術臺14上的患者12用於執行微創診斷或外科手術操作的微創機器人外科手術(MIRS)系統10的俯視圖圖示。該系統可以包括在手術操作期間由外科醫生18使用的外科醫生的控制臺16。一個或更多個助手20也可參與手術操作。該MIRS系統10可以進一步包括患者側推車22 (外科手術機器人)和電子推車24。患者側推車22可以通過患者12身體中的微創切口操縱至少一個可拆卸聯接的工具組件26(以下簡單稱為「工具」)，而外科醫生18通過控制臺16觀察外科手術部位。該外科手術部位的圖像可以由內窺鏡28 (如立體內窺鏡)獲得,這可以由患者側推車22操縱以便定向內窺鏡28。電子推車24可以用來處理外科手術部位的圖像，用於隨後通過外科醫生的控制臺16顯示給外科醫生18。一次使用的外科手術工具26的數量一般將取決於診斷或外科手術操作、在手術室內的空間約束等其他因素。如果有必要改變正在手術操作期間使用的一個或更多個工具26，助手20可從患者側推車22移除工具26，並用來自手術室中的託盤30的另一工具26替換。
[0049]圖1B圖解說明了機器人外科手術系統50(如圖1A的MIRS系統10)。如上面討論，外科醫生的控制臺52(如圖1A的外科醫生的控制臺16)可以由外科醫生使用，以在微創手術操作期間控制患者側推車(外科手術機器人)54(如圖1A的患者側推車22)。患者側推車54可以使用成像裝置，如立體內窺鏡，以捕獲手術操作部位的圖像並輸出所捕獲的圖像至電子推車56(如圖1A的電子推車24)。如上面討論，電子推車56可以在任何隨後顯示之前以各種方式處理所捕獲的圖像。例如，電子推車56可以在經由外科醫生的控制臺52顯示組合圖像給外科醫生之前用虛擬控制界面覆蓋所捕獲的圖像。患者側推車54可以輸出所捕獲的圖像用於在電子推車56外部進行處理。例如，患者側推車54可以輸出所捕獲的圖像至處理器58，該處理器可以用來處理所捕獲的圖像。圖像也可以通過電子推車56和處理器58的組合處理，該電子推車和處理器可以聯接在一起，以便共同地、順序地和/或它們的組合來處理所捕獲的圖像。一個或更多個單獨的顯示器60也可以與處理器58和/或電子推車56聯接用於諸如手術操作部位的圖像或其他相關圖像的本地顯示和/或遠程顯不O
[0050]圖2是外科醫生的控制臺16的透視圖。外科醫生的控制臺16包括用於將能夠深度感知的外科手術部位的協調的立體圖呈現給外科醫生18的左眼顯示器32和右眼顯示器34。控制臺16還包括一個或更多個輸入控制裝置36，其進而導致(圖1A中所示的)患者側推車22操縱一個或更多個工具。輸入控制裝置36可以提供與其關聯的(圖1A中所示的)工具26相同的自由度，以便將輸入控制裝置36與工具26為一體化的感知或遠程呈現提供給外科醫生，使得外科醫生具有直接控制工具26的強烈意識。為此，可採用方位、力和觸覺反饋傳感器(未示出)，以通過輸入控制裝置36傳送方位、力和觸覺感覺從工具26回到外科醫生的雙手。
[0051]外科醫生的控制臺16通常位於與患者相同的房間，使得外科醫生可直接監視手術操作，如果必要可以在實際存在，並且直接與助手通話，而不是通過電話或其他通信介質。然而，外科醫生可以位於允許遠程外科手術操作的與患者不同的房間、完全不同的建築物或其他遠程位置。
[0052]圖3是電子推車24的透視圖。電子推車24可以與內窺鏡28聯接，並且可以包括處理器來處理所捕獲的圖像用於隨後顯示，如在外科醫生控制臺上或位於本地和/或遠程的另一合適顯示器上顯示給外科醫生。例如，在使用立體內窺鏡的地方，電子推車24可以處理所捕獲的圖像，以便把外科手術部位的協調立體圖像呈現給外科醫生。此類協調可以包括對置圖像之間的對準，並且可以包括調整該立體內窺鏡的立體工作距離。作為另一示例，圖像處理可以包括使用先前確定的攝像頭校準參數，以便補償圖像捕獲裝置的成像誤差，如光學像差。外科醫生一般將通過在外科醫生的控制臺的控制器的三維控制器工作空間內移動控制器使用該機器人系統操縱組織，這進而通過三維操縱器臂工作空間移動一個或更多個操縱器臂。處理器可以經由接頭傳感器和/或根據移動命令計算操縱器臂在工作空間中的方位，並且可以通過執行坐標系統轉換到一個或更多個操縱器臂的接頭空間來實現由外科醫生命令的所希望移動，該接頭空間是一系列的可用於處理器的替代接頭配置。用於實現這些處理的程序指令可任選地包含在存儲於有形介質上的機器可讀代碼中，有形介質可包括光碟、磁碟、磁帶、條形碼、EEPROM或類似介質。可替代地，編程指令可使用諸如1電纜、內聯網、網際網路或類似系統的數據通信系統傳送至處理器或從該處理器傳送出。在1999年8月13日提交的美國專利申請號09/373，678中更詳細地描述了示例性控制系統，該專利申請的全部公開通過引用併入本文。
[0053]圖4示出具有多個操縱器臂的患者側推車22，其中每個操縱器臂在其遠端處支撐外科手術器械或工具26。所示的患者側推車22包括四個操縱器臂100，這四個操縱器臂可以用來支撐外科手術工具26或成像裝置28，該成像裝置如用於捕獲手術操作部位的圖像的立體內窺鏡。操縱是由具有大量機器人接頭的機器人操縱器臂100提供的。成像裝置28和外科手術工具26可以通過患者體內的切口被定位和操縱，使得運動遠程中心維持在該切口處，以便最小化該切口的尺寸。外科手術部位的圖像可以包括當定位在成像裝置28的視場內時外科手術器械或工具26的遠端圖像。
[0054]關於外科手術工具26，可使用各種不同類型以及不同末端受動器的替代機器人外科手術工具或器械，其中至少一些操縱器的器械在外科手術操作期間移除並替換。若干這些末端受動器(包括DeBakey鑷子、微型鑷子、Potts剪刀和夾子施加器)包括相對於彼此樞轉的第一末端受動器元件和第二末端受動器元件，以便限定一對末端受動器夾爪(或刀片)。對於具有末端受動器夾爪的器械，夾爪一般將通過擠壓手柄的夾緊構件來致動。其他末端受動器(包括解剖刀和電灼探頭)具有單個末端受動器元件(例如，單根「手指」)。例如，單個末端受動器器械也可通過夾緊構件的夾緊來致動，以便觸發電灼能量至器械尖端的輸送。
[0055]有時，該器械的尖端可用來捕獲組織圖像。器械26的細長軸允許末端受動器和該軸的遠端通過微創孔、往往通過腹壁等向遠側插入外科手術工作部位。可噴注外科手術工作部位，並且通常至少部分通過將器械26圍繞其中該軸通過微創孔穿過的位置樞轉來實現末端受動器在患者體內的移動。換句話說，操縱器100將在患者外部移動該器械的近側殼體，使得該軸延伸通過微創孔位置，以便幫助提供末端受動器的所希望的移動。因此，操縱器100 —般會在外科手術操作期間經歷在患者P外部的顯著移動。
[0056]根據本發明的實施例的示例性操縱器臂可以參照圖5A-10理解。如上面描述，操縱器臂一般支撐遠側器械或外科手術工具，並且實現該器械相對於底座的移動。隨著大量的具有不同末端受動器的不同器械可在外科手術操作期間(通常在外科手術助手的幫助下)按順序安裝在每個操縱器上，遠側器械夾持器將優選允許快速移除並替換所安裝的器械或工具。如參照圖4可以理解，操縱器向近側安裝到患者側推車的底座。通常，該操縱器臂包括在底座和遠側器械夾持器之間延伸的多個聯動裝置和關聯接頭。一方面，示例性操縱器包括多個接頭，其具有冗餘自由度使得操縱器臂的接頭可以通過針對給定的末端受動器方位的一系列不同配置來驅動。此可以是用於本文所公開的操縱器臂的任何實施例的情況。
[0057]在某些實施例中，如圖5A中所示的示例,示例性操縱器臂包括近側旋轉接頭Jl,其圍繞第一接頭軸線旋轉以便將接頭的操縱器臂遠側圍繞該接頭軸線旋轉。在一些實施例中，旋轉接頭Jl直接安裝到底座，而在其他實施例中，接頭Jl可安裝到一個或更多個可移動聯動裝置或接頭。操縱器的接頭相組合具有冗餘自由度，使得針對給定的末端受動器方位，該操縱器臂的接頭可以被驅動成一系列不同的配置。例如，圖5A-5D的操縱器臂可以被操縱成不同配置，而支撐在器械夾持器510內的遠側構件511 (如工具512或器械軸通過其延伸的插管)維持特定狀態並且可包括末端受動器的給定方位或速度。遠側構件511通常是插管，其中工具軸512通過該插管延伸，並且器械夾持器510通常是滑架(如在梁上平移的磚狀結構所示)，其中該器械在通過微創孔延伸穿過插管511進入患者身體之前附接到該滑架。
[0058]描述圖5A-?的操縱器臂500的各個連杆連同連接如圖5A-?中所示的連杆的接頭的旋轉軸線，第一連杆504從圍繞其接頭軸線樞轉的樞轉接頭J2向遠側延伸並且聯接到圍繞其接頭軸線旋轉的旋轉接頭J1。接頭的許多其餘部分可以由其關聯旋轉軸線識別，如圖5A中所示。例如，第一連杆504的遠端在圍繞其樞轉軸線樞轉的樞轉接頭J3處聯接到第二連杆506的近端，並且第三連杆508的近端在圍繞其軸線樞轉的樞轉接頭J4處聯接到第二連杆506的遠端，如圖所示。第三連杆508的遠端在樞轉接頭J5處聯接到器械夾持器510。接頭J2、J3、J4和J5中的每一個的樞轉軸線可經配置基本平行，使得當靠近彼此定位時聯動裝置出現「堆疊」，如圖中所示，以便提供該操縱器臂的減小的寬度w並在操縱器組件的操縱期間改進在該操縱器的一部分周圍的間隙。在一些實施例中，該器械夾持器也包括額外接頭，如稜柱形接頭J6，其促進該器械通過微創孔的軸向移動並促進該器械夾持器至插管的附接，其中該器械可滑動地插入至該插管。
[0059]插管511可包括器械夾持器510遠側的額外自由度。該器械的自由度的致動可由操縱器的馬達驅動，並且替代實施例可在快速可拆卸器械夾持器/器械接口處將該器械與支撐操縱器結構分離，使得如在該器械上的所示的一個或更多個接頭實際上在該接口上，或者反之亦然。在一些實施例中，插管511包括在工具尖端或遠程中心RC的插入點附近或近側的旋轉接頭J7 (未示出)，該工具的軸圍繞該遠程中心RC樞轉鄰近微創孔。該器械的遠側腕部允許末端受動器通過插管511圍繞一個或更多個接頭的器械接頭軸線在該機械腕部處的樞轉運動。末端受動器夾爪元件之間的角度可以獨立於末端受動器位置和取向而被控制。
[0060]在某些實施例中，該系統使用與每個操縱器臂的方位或狀態對應的限定的參考幾何結構，使得該系統的處理器可以通過確定鄰近操縱器臂的參考幾何結構之間的相對狀態而確定臂之間的碰撞何時可以發生。如圖5A中所示，參考幾何結構700 (有時稱為「迴避參考幾何結構」)可以包括多條線段704、706、708、701、711，每條線段對應於物理操縱器臂500的聯動裝置。該「參考幾何結構」本身由處理器限定(或者之前由用戶限定和/或輸入)，並且隨著該操縱器的部件通常使用接頭傳感器移動穿過外科手術空間，其狀態由該處理器確定並追蹤。圖5A中所示的線段是為了說明的目的來指示該參考幾何結構如何對應於與該操縱器臂有關的部件或特徵，並且說明該參考幾何結構如何可以由該處理器根據本發明被限定和利用以避免臂與臂碰撞的變化。該參考幾何結構還可包括點或線段，其對應於與該操縱器臂有關的突出部或特徵，例如，線段711對應於可移動地安裝在梁聯動裝置710上的滑架的突出邊緣，而線段712對應於延伸通過插管511的該器械的底座的突出邊緣。如本文所述，對應於第一操縱器的部件所限定的參考幾何結構線段被統稱為「第一參考幾何結構」，如圖5E中所示，其圖形化地描述參考幾何結構700包含對應於操縱器臂500的各個部件的線段706、708、710、711和712。
[0061]圖6A-6C示出根據本發明的如上所述的第一和第二操縱器的相互作用以及第一和第二迴避參考幾何結構的示例性用途。圖6A中的系統包括第一操縱器500和第二操縱器500』，每個均具有運動學接頭聯動裝置的相同組件，這些運動學接頭聯動裝置具有針對給定的末端受動器方位的一系列配置，儘管應當理解的是可以使用各種其他操縱器，以及在同一系統內組合不同類型的操縱器。一方面，該系統通過在參考幾何結構700的線段和參考幾何結構700』的線段之間施加虛擬力計算一個或兩個操縱器的迴避移動。處理器使用該虛擬力來計算接頭力，這些接頭力提供移動一對相互作用元件遠離彼此所需的移動。在一些實施例中，該系統可使用如上所述的沿在相互作用元件之間延伸的迴避矢量的參考幾何結構計算鄰近操縱器的相互作用元件之間的「排斥力」。相對狀態、迴避矢量和排斥力可在操縱器臂的三維工作空間中進行計算且然後轉化在接頭空間內。然後，操縱器臂在接頭空間內的移動投射到雅可比行列式的零空間上，以便在維持操縱器的遠側部分的所希望的方位的同時確定在該零空間內的迴避移動來增加參考幾何結構之間的分離，其中參考幾何結構對應於操縱器結構本身。通常，力可以是每個操縱器的參考幾何結構之間的相對狀態或距離(最小或最大距離或者所希望的距離)的函數(例如，f(d > d_max) =0，f』 (d)< O)(注:f』是f的導數)。在計算零空間內的迴避移動中可以使用參考幾何結構的相互作用元件之間所計算的排斥力來獲得零空間係數。下面更詳細描述零空間係數和使用零空間係數計算迴避移動。
[0062]在示例性實施例中，該系統從能夠潛在地相互作用或碰撞的鄰近操縱器中確定至少一對最近的元件，通常稱為「相互作用元件」。該對相互作用元件，即來自每個操縱器的一個元件，可以包括具有重疊運動範圍的任何一對元件。例如，在圖6A中，一個相互作用元件對是711和711』，而另一個相互作用元件對是710和706』。在一些實施例中，該系統僅考慮在指定分離距離內的相互租用元件對。響應相互作用元件對之間的距離(d)(如其中參考幾何結構711和711』所對應的相互作用元件之間的距離(d))小於所希望的距離這一確定，處理器計算一個或兩個操縱器的迴避移動來增加相互作用元件之間的距離。在其他實施例中，迴避移動的計算也可包括使用其他對的相互作用元件之間的距離(如710和706』之間的距離d』 )獲得的力，以便在移動期間提供更有效的移動或維持其他相互作用元件對之間合適的距離。在某些實施例中，通過確定沿在所識別的相互作用元件之間延伸的矢量的排斥力或者在操縱器的工作空間中施加虛擬力以及使用計算接頭空間內的迴避移動的這種形式來計算迴避移動。
[0063]在一些實施例中，計算迴避移動，以便根據所計算的迴避移動驅動在上面計算中使用的一個操縱器的一對接頭。在其他實施例中，可計算迴避移動，以便驅動操縱器的一個或更多個特定接頭，不管這些接頭是否被驅動來實現其他計算的移動。此外，也可計算迴避移動來驅動操縱器臂的一個或更多個特定接頭，如當實現由用戶命令的操縱器臂的位移移動時未被驅動的接頭。
[0064]在圖6A的實施例中，響應距離(d)小於所希望的這一確定，處理器確定所計算的第二操縱器500』的迴避移動，以增加參考幾何結構711和711』之間的距離(d)。如圖6A中所示，操縱器臂每一個都由圍繞接頭的軸線樞轉相應臂的近側旋轉接頭Jl支撐。如圖6B-6C中所示，一個或兩個操縱器臂的移動分別使用一個或兩個臂中的接頭的組合可以移動臂的上部分，而不改變末端受動器的狀態及其遠程中心RC。在圖6B中，最近點被該系統確定以距離(dl)相距。響應此確定(或者根據本文描述的任何一種方法)，該系統驅動一個或兩個臂的一個或更多個接頭來增加最近點之間的距離(如圖6C中d2所示出的)，而不改變末端受動器在每個臂的末端處的狀態；因此，該系統通過根據所計算的在雅可比行列式的零空間內的移動至少驅動一對操縱器中的一個操縱器的第一接頭避免碰撞。在一些實施例中，至少驅動第一近側接頭可提供迴避移動，同時最小化操縱器的遠側部分(例如，末端受動器)的重新配置，儘管可以計算類似的迴避移動來驅動操縱器臂的更遠側部分的一個或更多個接頭。另一方面，該系統可經配置計算迴避移動，以移動本文描述的任何一個接頭，或者包括根據基於操縱器的特定配置或狀態的層次結構驅動接頭，無論當實現位移移動時此類接頭是否被驅動。
[0065]根據某些實施例，迴避移動可以根據大量不同的方法而被計算，這經常包括確定操縱器臂之間的「最近點」。最近點可以經由接頭傳感器使用基於已知操縱器方位或狀態確定或者可以使用其他合適的工具(諸如外部傳感器、視頻、聲納、電容或觸摸傳感器和類似物)來逼近。實施例也可使用安裝在從動聯動裝置或從部件上的接近傳感器，其可以感測局部的臂與臂接近和/或碰撞。
[0066]在某些實施例中，處理器確定每個參考幾何結構的線段上的最近點。在施加虛擬排斥力之後，該處理器隨後計算第一操縱器和第二操縱器之間的排斥力。一方面，每個操縱器臂的參考幾何結構可被限定為「局部線段」，使得鄰近操縱器臂上的相互作用線段彼此排斥。另一方面，一個操縱器的參考幾何結構可被限定為「局部線段」並且其他被限定為「障礙物線段」，使得僅局部線段被虛擬力排斥。此方面允許該系統通過為僅操縱器臂中的一個或一些計算迴避移動來避免碰撞，從而防止不必要的移動或過度複雜的迴避移動。例如，雖然虛擬力可施加在每個參考幾何結構的線段之間，但僅計算「局部線段」的移動。在一些實施例中，處理器將轉化從施加虛擬力到根據迴避移動有待移動操縱器臂的接頭速度中獲得的計算力，然後該力投射到零空間上。這允許通過使用虛擬力有待計算迴避移動，該虛擬力在雅可比行列式的零空間內延伸操縱器的接頭和/或連杆，以便維持所希望的末端受動器，同時避免臂與臂的碰撞。
[0067]在示例性實施例中，處理器通常使用操縱器臂工作空間內的計算確定來自每個操縱器臂的至少一對參考幾何結構線段(通常為最近一對線段)之間的距離。針對比某個最大排斥距離更近的線段對，最近點被識別。然後，處理器施加虛擬排斥矢量，其強度與該距離成反比，該虛擬排斥矢量然後轉化到接頭空間中並投射到零空間上，以便計算在該零空間內的移動來維持在該對線段之間的足夠間隙。該處理器可對不止一對線段執行上面的過程。在此類實施例中，來自所有線段對的排斥矢量的組合結果可以合併到最後的零空間係數(α)集中，這然後可由接頭控制器使用來實現所計算的迴避移動。下面進一步描述使用零空間係數來實現在零空間內的移動。
[0068]在另一示例性實施例中，對於每對操縱器臂，處理器首先使用對應於每個元件的參考幾何結構確定可以彼此潛在地接觸或碰撞的一對元件或部件，如上所述。使用對應的參考幾何結構，然後該系統通常在最大排斥距離內確定每對元件的最近元件、多個相互作用對或者所有元件對的影響的加權總和。為了計算迴避移動，處理器一般首先確定每對相互作用元件上的最近點並且計算可用來「推動」元件遠離彼此的迴避矢量。該迴避矢量可通過生成如上所述的虛擬力並命令在元件彼此排斥的方向上的速度，或者通過各種其他方法計算。然後，處理器在參考幾何結構的最近點處將排斥元件遠離彼此所需的力映射到零空間矢量中，以獲得零空間係數，然後零空間係數用來計算在操縱器的零空間內的迴避移動。
[0069]在一種方法中，處理器計算在操縱器臂的工作空間中的迴避矢量；將迴避矢量轉換為接頭速度空間；且然後使用此結果將這些矢量投射到零空間上來獲得迴避移動。該處理器可經配置計算最近點之間的排斥或迴避矢量；在工作空間中將該迴避矢量映射到操縱器臂的「最近」點的運動中，且然後確定提供所希望方向和大小的零空間係數(α )，以移動最近點遠離彼此。如果在鄰近操縱器臂上的各個點或特徵之間使用多個相互作用點，與來自每個相互作用特徵的迴避矢量關聯的所得零空間係數可以通過求和進行組合。
[0070]在另一種方法中，處理器可使用零空間基矢量；將矢量轉換為操縱器的迴避幾何結構在物理空間中的運動；且然後將物理空間中的這些和迴避矢量組合成用於原始零空間基矢量的係數。處理器可經配置計算操縱器臂(例如，迴避幾何結構)的最近點之間的排斥或迴避矢量，並且將這些與迴避矢量組合，如剛剛描述的。如果使用操縱器臂上的多個特徵，則可以使用最小二乘法或其他方法組合所得接頭速度矢量或零空間係數。
[0071]在第一方法中，通過在接頭空間中生成勢場確定迴避移動，使得高勢能表示操縱器臂之間的較短距離，而較低勢能表示較大距離。然後，選擇零空間係數(α)來降低勢場的負梯度，優選地降至儘可能最大的程度。在第二方法中，該系統確定零空間基矢量並映射零空間基矢量到迴避幾何結構在工作空間中的所得運動，並且隨後選擇用於每個基矢量的零空間係數增加操縱器臂的迴避幾何結構之間的距離，從而增加操縱器臂上最近點之間的距離。
[0072]如上所述，可以計算迴避移動，以便包括任何數量的不同類型的接頭的驅動，或者可替代地，以便避免驅動操縱器臂的特定接頭。可根據本發明可以使用變化度的額外接頭示於圖7-10中且在下面進一步描述。
[0073]在圖7中所示的操縱器臂中，可以計算迴避移動來包括驅動接頭Jl、J2、J3、J4和J5(在所述實施例中，接頭J3、J4和J5被配置在平行四邊形布置中，並且因此一起移動且在它們之間具有單個狀態)的各種組合，或者可替代地可以計算迴避移動來驅動接頭J6以及提供在零空間內操縱器臂所需的任何其他接頭。圖7中所示的操縱器臂的接頭J6可任選地用作將器械夾持器510聯接到操縱器臂508的遠側連杆的接頭。接頭J6允許器械夾持器510圍繞接頭J6的軸線扭轉或旋轉，該軸線通常穿過遠程中心或插入點。理想地，該接頭軸線在遠側位於臂上且因此特別好地適合於移動插入軸線的取向。此冗餘軸線的添加允許操縱器針對任何單個器械尖端方位採用多個方位，從而允許該器械尖端遵從外科醫生的命令，同時避免與鄰近操縱器臂或其他障礙物碰撞。操縱器臂可經配置圍繞第一軸線(例如，俯仰軸線)鉸接所安裝的外科手術器械的末端受動器且圍繞與第一軸線垂直的第二軸線(例如，橫擺軸線)鉸接該末端受動器。圖8中示出接頭J6的接頭軸線、接頭Jl的橫擺軸線和插管511的插入軸線之間的關係。
[0074]圖7也示出具有近側旋轉接頭Jl的操縱器，該近側旋轉接頭Jl將該操縱器臂圍繞其接頭軸線旋轉。接頭Jl包括連杆501，其以預先確定的距離或角度偏移下一個連續接頭。通常地，接頭Jl的接頭軸線與工具尖端的遠程中心RC或插入點對準，如圖7中每一幅所示。在示例性實施例中，接頭Jl的接頭軸線穿過該遠程中心，如操縱器臂中每個其他旋轉接頭軸線一樣，以防止在身體壁處的運動並且可以因此在外科手術期間移動。接頭軸線聯接到臂的近側部分，使得其可以用來改變該臂後部的方位和取向。一般地，冗餘軸線，如此軸線，允許器械尖端遵從外科醫生的命令，同時避免與其他臂或患者解剖體碰撞。
[0075]圖9-10示出另一類型的與示例性操縱器臂一起使用的冗餘接頭，一種將操縱器臂圍繞軸線平移或旋轉的近側接頭。在一些實施例中，支撐操縱器臂的第一接頭Jl沿彎曲路徑平移，以便增加該操縱器臂的運動範圍且遠離其中該操縱器臂已經降低可操縱性的區域。此接頭可包括圓形路徑(如圖9中所示)，或者可以是半圓形或弧形路徑(如圖10中所示)。一般地，在此類實施例中，接頭軸線與遠程中心RC相交，其中工具尖端的軸圍繞該遠程中心RC樞轉。在圖9中所示的實施例中，接頭軸線為豎直軸線，而在圖10中所示的實施例中該接頭軸線是水平的。
[0076]在示例性實施例中，操縱器的接頭移動通過由控制器使用該系統的馬達驅動一個或更多個接頭來控制，其中接頭根據由控制器的處理器計算出的協調和接頭移動進行驅動。從數學角度，該控制器可使用矢量和/或矩陣執行至少一些所述接頭命令的計算，矢量和/或矩陣中的一些可具有與接頭的配置或速度對應的元素。處理器可用的一系列的替代接頭配置可被概念化為接頭空間。該接頭空間可以例如具有與操縱器具有的自由度一樣多的維度，並且該操縱器的特定配置可表示該接頭空間中的特定點，其中每個坐標對應於該操縱器的關聯接頭的接頭狀態。
[0077]在某些實施例中，該系統包括控制器，其中笛卡爾坐標空間(在本文稱為笛卡爾空間)內的命令方位和速度是輸入。雖然一般地不存在將所希望的笛卡爾空間方位映射到等同的接頭空間方位的封閉形式關係，但是一般地在笛卡爾空間和接頭空間速度之間存在封閉形式關係，使得運動學雅可比行列式可以用來將接頭空間速度映射到笛卡爾空間速度。因此，即使當輸入方位和輸出方位之間無封閉形式映射時，如在基於雅可比行列式的控制器中可以反覆地使用接頭的速度的映射，以根據命令的用戶輸入實施該操縱器的移動，然而可以使用各種實施方式。
[0078]在示例性實施例中，該系統包括控制器，其中該工作空間(在這裡表示為其笛卡爾空間)中的特徵的命令方位和速度是輸入。該特徵可以是在操縱器上或脫離該操縱器的任何特徵，該操縱器可以用作使用控制輸入有待鉸接的控制框架。在本文描述的一些實施例中使用的操縱器上的特徵的示例將是工具尖端。該操縱器上的特徵的另一示例將是不在工具尖端上的物理特徵，而是該操縱器的一部分，如銷或著色圖案。脫離操縱器的特徵的示例將是在空白空間中的一個參考點，其恰好遠離工具尖端的一定距離和角度。脫離操縱器的特徵的另一示例將是目標組織，其相對於操縱器的方位可以被建立。在所有這些情況下，末端受動器與使用控制輸入有待鉸接的虛構控制框架相關聯。然而，在下文中，使用的「末端受動器」和「工具尖端」為同義詞。雖然一般地不存在將所希望的笛卡爾空間末端受動器方位映射到等同的接頭空間方位的封閉形式關係，但是一般地在笛卡爾空間末端受動器和接頭空間速度之間存在封閉形式關係。運動學雅可比行列式是該末端受動器的笛卡爾空間方位元素相對於接頭空間方位元素的偏導矩陣。以這種方式，運動學雅可比行列式捕獲末端受動器和接頭之間的運動學關係。換句話說，運動學雅可比行列式捕獲接頭運動對末端受動器的影響。該運動學雅可比行列式(J)可以用來使用下列關係將接頭空間速度(dq/dt)映射到笛卡爾空間末端受動器速度(dx/dt):
[0079]dx/dt = J dq/dt
[0080]因此，即使當輸入方位和輸出方位之間無封閉形式映射時，如在基於雅可比行列式的控制器中可以反覆地使用速度的映射，以根據命令的用戶輸入實施操縱器的移動，然而可以使用各種實施方式。雖然一些實施例包括基於雅可比行列式的控制器，但一些實施方式可使用各種控制器，其可經配置訪問雅可比行列式來提供本文描述的任何特徵。
[0081]一種這樣的實施方式在下面以簡化的術語進行描述。所命令的接頭方位用來計算雅可比行列式(J)。在每個時間步長(At)下，計算笛卡爾空間速度(dx/dt)來執行所希望的移動(dxdes/dt)且根據所希望的笛卡爾空間方位校正累積偏差(Λχ)。然後，此笛卡爾空間速度使用偽逆Cf)的雅可比行列式被轉化為接頭空間速度(dq/dt)。然後，所得接頭空間命令速度被積分以產生接頭空間命令方位(q)。這些關係如下所列:
[0082]dx/dt = dxdes/dt+k Δ χ(I)
[0083]dq/dt = J#dx/dt(2)
[0084]qj = q^j+dq/dt Δ t(3)
[0085]雅可比行列式(J)的偽逆直接映射所希望的工具尖端運動(且在一些情況下，樞轉工具運動的遠程中心)到接頭速度空間中。如果正在使用的操縱器具有比工具尖端的自由度(高達六自由度)更有用的接頭軸線，(且當工具運動的遠程中心正在使用時，該操縱器應該具有額外三個接頭軸線用於與該遠程中心的位置相關聯的三個自由度)，則該操縱器被稱為是冗餘的。冗餘操縱器的雅可比行列式包括具有至少一個維度的「零空間」。在此上下文中，雅可比行列式的「零空間」(N(J))是瞬時實現無工具尖端運動(且當使用遠程中心時樞轉點位置不移動)的接頭速度的空間；並且「零運動」是也產生工具尖端和/或遠程中心的位置的的非瞬時移動的接頭方位的組合、軌跡或路徑。將所計算的零空間速度合併或注入該操縱器的控制系統中來實現該操縱器所希望的重新配置(包括本文描述的任何重新配置)，將上述等式(2)變為以下等式:
[0086]dq/dt = dqperp/dt+dqnull/dt(4)
[0087]dqperp/dt = J#dx/dt(5)
[0088]dqnull/dt = (l_J#J)z = Vn Vn Tz = Vn a(6)
[0089]根據等式(4)的接頭速度具有兩個分量:第一個分量是零垂直空間分量，產生所希望的工具尖端運動(且當使用遠程中心時，所希望的遠程中心運動)的「最單一的」接頭速度(最短的矢量長度)；而第二分量是零空間分量。等式(2)和(5)示出在無零空間分量的情況下，實現同一等式。等式(6)在左側上以零空間分量的傳統形式開始，並且在最右側上示出示例性系統中使用的形式，其中(Vn)是一組用於零空間的正交基矢量，並且(a)是用於混合這些基矢量的係數。在一些實施例中，a通過控制參數、變量或設置而確定，如通過使用旋鈕或其他控制器件，以根據需要在零空間內調整或控制運動。
[0090]圖1lA圖形化地示出示例性操縱器臂中雅可比行列式的零空間和雅可比行列式的零垂直空間之間的關係。圖1lA示出二維示意圖，其示出沿水平軸線的零空間和沿豎直軸線的零垂直空間，其中這兩條軸線彼此正交。對角線矢量表示零空間中的速度矢量和零垂直空間中的速度矢量的總和，這代表上述等式(4)。
[0091]圖1lB圖形化地示出零空間和示為「零運動流形」(null-mot1n manifold)的四維接頭空間內的零運動流形之間的關係。每個箭頭(ql、q2> q3和q4)表示主要接頭軸線。封閉曲線表示零運動流形，其是瞬時實現相同末端受動器狀態(例如，方位)的一組接頭-空間方位。對於該曲線上的給定點A，由於零空間是瞬時產生該末端受動器的無移動的接頭速度的空間，該零空間在點A處平行於該零運動流形的切線。在示例性實施例中，計算迴避移動包括生成零空間係數(α )，其增加如使用第一參考幾何結構和第二參考幾何結構確定的相互作用元件對之間的距離，從而增加操縱器臂之間的距離。
[0092]圖12-13示出根據本發明的實施例的重新配置機器人外科手術系統的操縱器組件來避免臂與臂碰撞的方法。圖12示出與上面討論的等式有關的實施通用算法來控制患者側推車接頭狀態所需的方框的簡化示意圖。根據圖12的方法，該系統:計算該操縱器臂的正向運動；然後分別使用等式(I)計算dx/dt，使用等式(5)計算dqpOTp/dt，然後使用等式(6)計算等dqnull/dt。然後，根據計算的dqpeip/dt和dqnull/dt，系統分別使用等式(4)和
(3)計算dq/dt和q，從而提供移動，控制器通過該移動實現操縱器的迴避移動，同時維持末端受動器的所希望的命令狀態(和/或遠程中心的位置)。
[0093]圖13示出該系統的示例性實施例的方框圖。響應由用戶輸入的操縱命令來實現所希望的尖端狀態，該系統使用目前的接頭方位，如可使用接頭狀態傳感器確定，以計算合適的雅可比行列式和因此dqp?p/dt來實現所希望的尖端狀態。目前的接頭方位也可以用來確定每個操縱器臂的參考幾何結構之間的距離(d)。響應鄰近臂的相互作用元件上的一對參考的參考幾何結構之間的距離(d)小於臨界距離(Clniin)這一確定，該系統確定增加(d)的接頭速度dqnull/dt,然後該接頭速度可以與dqpOTp/dt組合來獲得dq/dt,( 一個或多個)接頭根據dq/dt被驅動來實現所希望的尖端狀態，同時避免臂與臂的碰撞。
[0094]雖然為了清楚的理解並通過示例的方式已詳細描述了示例性實施例，但是各種修改、改進和變化對本領域的技術人員將是顯而易見的。因此，本發明的範圍僅由所附權利要求書唯一地限制。
【權利要求】
1.一種機器人方法,其包括: 提供第一操縱器臂和第二操縱器臂，每個臂包括可移動遠側部分、聯接到關聯的底座的近側部分和在所述遠側部分和所述底座之間的多個接頭，所述多個接頭具有帶有足夠的自由度以針對相應的第一操縱器臂和第二操縱器臂中的每一個的所述遠側部分的給定狀態允許所述多個接頭的一系列不同接頭狀態的接頭空間； 確定所述第一操縱器臂的第一參考幾何結構和所述第二操縱器臂的第二參考幾何結構，所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構與所述關聯的操縱器臂在工作空間內是可移動的並且具有在所述工作空間內重疊的運動範圍； 確定在所述工作空間中所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的相對狀態以及所希望的迴避矢量； 基於所述希望的迴避矢量計算所述接頭中的一個或更多個的迴避移動，以便維持在所述工作空間中的所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的分離，使得所述迴避移動包含在與所述相應的操縱器臂關聯的雅可比行列式的零空間內；以及根據所計算的移動驅動所述一個或更多個接頭。
2.根據權利要求1所述的機器人方法，其中當所述相對狀態對應於比所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間所希望的間隙更小的間隙，並且沿所述希望的迴避矢量所計算的移動對應於間隙的增加時，響應所確定的相對狀態計算所述迴避移動。
3.根據權利要求1所述的機器人方法，其中所述相對狀態是使用與所述操縱器臂的所述工作空間對應的三維坐標確定的。
4.根據權利要求2所述的機器人方法，其中所述迴避移動計算包括轉換所述操縱器臂的所述工作空間和所述接頭空間之間的所述希望的迴避矢量。
5.根據權利要求1所述的機器人方法，其中計算迴避移動包括: 確定所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的最近點； 計算在所述操縱器臂的工作空間中的所述最近點之間的迴避矢量； 將所述計算的迴避矢量轉化到接頭速度空間中；以及 將轉化到所述接頭速度空間的所述計算的迴避矢量投射到所述零空間上來獲得所述迴避移動。
6.根據權利要求1所述的機器人方法，其中計算迴避移動包括: 計算所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的最近點，以確定所述操縱器臂上的一個或更多個迴避點； 確定在所述操縱器臂的工件空間中的所述最近點之間的迴避矢量； 將所述操縱器臂的原始零空間基矢量轉化成所述操縱器臂上的所述一個或更多個迴避點的運動；以及 將轉化的零空間基矢量與所述工作空間中的所述迴避矢量組合成用於所述原始零空間基矢量的係數來獲得所述迴避移動。
7.根據權利要求2所述的機器人方法，其中所述相對狀態是使用來自所述第一操縱器臂和所述第二操縱器臂中的每一個的接頭傳感器數據而確定的。
8.根據權利要求2所述的機器人方法，其中所述第一參考幾何結構包括對應於所述第一操縱器臂的結構的線段，而所述第二參考幾何結構包括對應於所述第二操縱器臂的結構的線段。
9.根據權利要求8所述的機器人方法，其中所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構中的每一個均包括多條線段，每條線段對應於相應操縱器臂上的結構，並且確定所述相對狀態還包括: 確定最接近所述第二參考幾何結構的所述多條線段中的一條線段的所述第一參考幾何結構的所述多條線段中的一條線段，所述最接近的線段對應於所述第一操縱器和所述第二操縱器的最接近的結構；以及 計算所述迴避矢量，以便延伸通過所述最接近的線段。
10.根據權利要求9所述的機器人方法，其中確定所述最接近的線段包括計算所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構的所述線段之間的所述最接近的距離。
11.根據權利要求1所述的機器人方法，其中計算所述迴避移動包括: 當施加在所述迴避矢量的方向上時，計算足夠維持所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間分離的所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的排斥力；以及 響應沿所述迴避矢量施加在所述操縱器臂上的所述排斥力，計算所述接頭的移動。
12.根據權利要求1所述的機器人方法，其中計算所述迴避移動包括: 當施加在所述迴避矢量的方向上時，計算足夠維持所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間分離的所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的排斥命令速度；以及 響應沿所述迴避矢量施加在所述操縱器臂的所述線段處的所述排斥命令速度，計算所述接頭的移動。
13.根據權利要求11所述的機器人方法，其中所述排斥力具有與所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的分離距離呈負相關的大小。
14.根據權利要求12所述的機器人方法，其中所述排斥命令速度具有與所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的分離距離呈負相關的大小。
15.根據權利要求1所述的機器人方法，其中所述操縱器臂之間的所述相對狀態是使用安裝在具有重疊的運動範圍的各個操縱器臂的從動聯動裝置上的接近傳感器而確定的。
16.根據權利要求1所述的機器人方法，其中操縱器臂之間的所述相對狀態是使用從機械、光學、超聲波、電容、電感、電阻和接頭傳感器中的任何一者或它們的任何組合接收的感測的位置信息而確定的。
17.根據權利要求1所述的機器人方法，其中當每個臂設置在基本平面的配置中時，所述迴避移動獨立於所述操縱器臂之間的平面關係，從而在抑制所述第一操縱器和所述第二操縱器之間的碰撞的同時允許對於每個臂增加配置範圍，其中第一操縱器和所述第二操縱器的相應的運動範圍重疊。
18.根據權利要求1所述的機器人方法，其中確定所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的所述相對狀態包括所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的相對方位、相對速度和相對加速度中的任何一個或全部。
19.根據權利要求1所述的機器人方法，其中每個臂的所述遠側部分包括或經配置可釋放地支撐具有細長軸的外科手術器械，所述細長軸向遠側延伸到外科手術末端受動器，其中每個器械軸在外科手術期間圍繞遠程中心樞轉，並且其中計算所述一個或更多個接頭的所述迴避移動，以便在所述接頭的驅動期間維持所述遠程中心的方位。
20.根據權利要求19所述的機器人方法，其還包括: 接收操縱命令，以用希望的末端受動器移動來移動一個或兩個臂的所述末端受動器； 計算相應臂的所述接頭的末端受動器位移移動，以實現所述希望的末端受動器移動；以及 根據所述計算的末端受動器位移移動驅動所述接頭，其中計算所述接頭的所述末端受動器位移移動還包括計算與所述相應的操縱器臂關聯的雅可比行列式的零垂直空間內的所述接頭的移動，所述零垂直空間與所述零空間正交。
21.根據權利要求1所述的機器人方法，其還包括: 提供一個或更多個額外的操縱器臂，每個臂包括可移動的遠側部分、聯接到所述底座的近側部分和在所述遠側部分和所述底座之間的多個接頭，所述多個接頭具有足夠的自由度以針對其末端受動器的給定狀態允許具有一系列不同的接頭狀態；以及 確定所述一個或更多個額外的操縱器臂中的每一個的參考幾何結構，所述參考幾何結構與關聯的操縱器臂在工作空間內是可移動的並且具有與所述第一操縱器臂或所述第二操縱器臂的運動範圍在所述工作空間內重疊的運動範圍；以及 確定具有重置的運動範圍的參考幾何結構之間的相對狀態， 其中計算所述迴避移動，以便維持具有重疊的運動範圍的參考幾何結構之間的所希望的距離。
22.根據權利要求21所述的機器人方法，進一步地其中計算所述迴避移動包括確定在具有重疊的運動範圍的所述參考幾何結構的任意或全部之間延伸的迴避矢量，並且組合所述迴避矢量來獲得所得的速度矢量，用於在維持每個操縱器臂的所述遠側部分的所希望的狀態的同時驅動所述一個或更多個接頭以便同時避免所述操縱器臂中的每一個之間的碰撞。
23.根據權利要求20所述的機器人方法，其中每個操縱器臂經配置以支撐具有中間部分和末端受動器的工具，所述中間部分沿所述近側部分的插入軸線向遠側延伸，所述末端受動器在每個中間部分的遠端處，其中至少一些所述接頭機械地約束所述遠側部分相對於所述底座的移動，使得所述相應的操縱器臂的所述遠側部分圍繞延伸通過所述插入軸線設置的遠程中心樞轉，以促進所述末端受動器在工作部位的移動，其中所述工作部位通過插入開口進行訪問。
24.根據權利要求23所述的機器人方法，其中每個操縱器臂的多個所述接頭包括遠程球形中心接頭，其設置在所述相應的操縱器臂的所述近側部分的遠側及其所述遠側部分的近側，其中所述遠程球形中心接頭被機械地約束，使得所述遠程球形中心接頭的鉸接圍繞第一、第二和第三遠程中心軸線樞轉所述相應的操縱器臂的所述遠側部分，所述第一、第二和第三遠程中心軸線相交其遠程中心。
25.根據權利要求23所述的機器人方法，其中每個操縱器臂的所述近側部分相對於所述底座被機械地約束，使得當所述近側部分移動時其遠側部分圍繞其遠程中心樞轉。
26.根據權利要求23所述的機器人方法，其中每個操縱器的所述一個或更多個接頭包括圍繞遠側旋轉接頭的軸線樞轉所述插入軸線的所述操縱器臂的遠側部分附近的旋轉接頭，所述軸線延伸通過所述遠程中心。
27.根據權利要求26所述的機器人方法，其中計算所述末端受動器位移移動，使得所述遠側旋轉接頭未被驅動。
28.根據權利要求26所述的機器人方法，其中計算所述末端受動器位移移動，使得所述遠側旋轉接頭未被驅動來實現所希望的遠側部分位移移動。
29.根據權利要求27所述的機器人方法，其中計算所述接頭的所述迴避移動，以便至少驅動一個或更多個操縱器臂的所述遠側旋轉接頭。
30.根據權利要求23所述的機器人方法，其中第一接頭聯接所述近側部分到所述底座，並且中間連杆使用第二接頭設置在所述遠側部分的近側且鄰近所述遠側部分，所述第二接頭處於所述中間連杆和所述遠側部分之間，所述第二接頭包括將機械地限制所述遠側部分相對於所述中間連杆的移動以圍繞第二接頭軸線旋轉的旋轉接頭，所述第二接頭軸線從所述第二接頭朝向所述中間部分軸線向遠側延伸，以便交叉通過所述遠程中心的所述插入軸線。
31.根據權利要求30所述的機器人方法，其中計算所述末端受動器位移移動，使得所述第二接頭未被驅動，並且其中計算所述接頭的所述迴避移動來包括一個或更多個操縱器臂的所述第二接頭的驅動。
32.根據權利要求30所述的機器人方法，其中計算所述末端受動器位移移動，使得所述第二接頭未被驅動來實現所希望的遠側部分位移移動，並且其中計算所述接頭的所述迴避移動來包括一個或更多個操縱器臂的所述第二接頭的驅動。
33.根據權利要求23所述的機器人方法，其中每個操縱器臂的所述第一接頭聯接所述近側部分到所述底座，所述第一接頭包括旋轉接頭，其支撐每個操縱器臂的所述遠側部分，使得所述旋轉接頭的接頭移動圍繞所述旋轉接頭的樞轉軸線樞轉所述相應的操縱器臂的所述遠側部分，其中所述樞轉軸線從所述旋轉接頭延伸且通過相應的遠程中心，使得所述操縱器臂的所述插入軸線沿朝向所述遠程中心取向的向遠側變細的圓錐體移動。
34.根據權利要求33所述的機器人方法，其還包括: 響應所述重新配置命令，用希望的重新配置移動驅動所述多個接頭的所述第一接頭； 響應所述重新配置命令計算一個或更多個所述接頭的重新配置移動，使得與所計算的移動組合的所述第一接頭的所述重新配置移動包含在雅可比行列式的零空間內；以及 根據與按照所計算的迴避移動驅動一個或更多個接頭同時發生的計算的移動來驅動所述一個或更多個接頭。
35.根據權利要求34所述的機器人方法，其中所述第一接頭聯接所述近側部分到所述底座，使得所述遠側部分沿路徑相對於所述底座是可移動的，所述路徑是弧形的或基本圓形的，使得所述近側部分沿所述路徑的移動將所述相應的操縱器臂軸線的所述遠側部分的插入軸線沿朝向其遠程中心取向的向遠側變細的圓錐體樞轉。
36.根據權利要求35所述的機器人方法，其中驅動所述第一接頭包括沿所述路徑移動所述第一接頭。
37.一種機器人系統,其包括: 第一操縱器臂和第二操縱器臂，每個臂具有遠側部分和聯接到近側底座的近側部分且經配置用於以機器人的方式相對於所述近側底座移動所述遠側部分，每個操縱器臂在所述遠側部分和所述近側底座之間具有多個接頭，所述多個接頭具有帶有足夠的自由度以針對所述第一臂和第二臂的遠側部分狀態允許具有一系列接頭狀態的接頭空間；和 處理器，其經配置以: 確定所述第一操縱器臂的第一參考幾何結構和所述第二操縱器臂的第二參考幾何結構，所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構在工作空間內與關聯操縱器臂是可移動的並且具有重疊的運動範圍； 確定在所述工作空間中所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的相對狀態； 確定希望的迴避矢量； 計算一個或更多個接頭的迴避移動來維持在所述工作空間中的所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的分離，其中基於所述希望的迴避矢量在所述接頭空間中計算所述迴避移動，使得所述迴避移動包含在與所述相應的操縱器臂關聯的雅可比行列式的零空間內；以及 根據所計算的移動驅動所述一個或更多個接頭。
38.根據權利要求37所述的機器人系統，其中所述處理器進一步經配置以當所述相對狀態對應於比在所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間所希望的間隙更小的間隙時，響應所述相對狀態的確定計算所述迴避移動，並且其中沿所述希望的迴避矢量而計算的移動對應於間隙的增加。
39.根據權利要求37所述的機器人系統，其中所述相對狀態由所述處理器通過使用與所述操縱器臂的所述工作空間對應的三維坐標確定。
40.根據權利要求37所述的機器人系統，其中由所述處理器進行的所述迴避移動計算包括在所述操縱器臂的所述工作空間和所述接頭空間之間轉化所述希望的迴避矢量。
41.根據權利要求37所述的機器人系統，其中所述第一操縱器臂和所述第二操縱器臂中的每一個均包括接頭傳感器，並且其中由所述處理器進行的所述相對狀態的確定使用來自所述第一操縱器臂和所述第二操縱器臂中的每一個的所述接頭傳感器的接頭傳感器數據。
42.根據權利要求37所述的機器人系統，其中所述第一參考幾何結構包括對應於所述第一操縱器臂的結構的線段，而所述第二參考幾何結構包括對應於所述第二操縱器臂的結構的線段。
43.根據權利要求42所述的機器人系統，其中所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構中的每一個均包括多條線段，每條線段對應於所述相應的操縱器臂上的結構，並且確定所述相對狀態還包括: 確定最接近所述第二參考幾何結構的所述多條線段中的一條線段的所述第一參考幾何結構的所述多條線段中的一條線段，所述最接近的線段對應於所述第一操縱器和所述第二操縱器的最接近的結構；以及 計算所述迴避矢量，以便延伸通過所述最接近的線段。
44.根據權利要求41所述的機器人系統，其中所述處理器進一步經配置使得計算所述迴避移動包括: 當施加在所述迴避矢量的方向上時，計算足夠維持所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間所希望的距離的所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的排斥力；以及 響應沿所述迴避矢量施加在所述操縱器臂上的所述排斥力，計算所述接頭的移動。
45.根據權利要求41所述的機器人系統，其中所述處理器進一步經配置使得計算所述迴避移動包括: 當施加在所述迴避矢量的方向上時，計算足夠維持所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間所希望的距離的所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的排斥命令速度；以及 響應沿所述迴避矢量施加在所述操縱器臂的所述線段上的所述排斥命令速度，計算所述接頭的移動。
46.根據權利要求44所述的機器人系統，其中所述排斥力具有與所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的距離呈負相關的大小。
47.根據權利要求43所述的機器人系統，其中所述排斥命令速度具有與所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的距離呈負相關的大小。
48.根據權利要求37所述的機器人系統，其中確定所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的所述相對狀態包括所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的相對方位、相對速度和相對加速度中的任何一者或全部。
49.根據權利要求37所述的機器人系統，其還包括: 用於接收操縱命令以用希望的遠側部分移動來移動所述遠側部分的輸入端， 其中所述處理器進一步經配置以: 響應所述操縱命令計算所述接頭的遠側部分位移移動，其中計算所述接頭的所述遠側部分位移移動，使得接頭移動包含在雅可比行列式的零垂直空間內，所述零垂直空間與所述零空間正交；以及 根據所述接頭的所計算的遠側部分位移移動驅動所述接頭，以便實現所述希望的遠側部分移動。
50.根據權利要求37所述的機器人系統，其還包括: 一個或更多個額外的操縱器臂，每個臂包括可移動的遠側部分、聯接到所述底座的近側部分和在所述遠側部分和所述底座之間的多個接頭，所述多個接頭具有帶有足夠的自由度以針對所述一個或更多個額外的操縱器臂中的每一個的遠側部分的狀態允許具有一系列不同接頭狀態的接頭空間， 其中所述處理器進一步經配置以: 確定具有與所述第一參考幾何結構或所述第二參考幾何結構重疊的運動範圍的在所述一個或更多個額外的操縱器臂上的參考幾何結構， 確定在具有在所述工作空間中重疊的運動範圍的參考幾何結構之間的相對狀態和在所述一個或更多個額外的操縱器臂的所述參考幾何結構和所述第一參考幾何結構或所述第二參考幾何結構之間的希望的迴避矢量， 計算一個或更多個接頭的所述迴避移動，以便維持每個操縱器臂的所述參考幾何結構之間的分離，其中在所述接頭空間中計算所述迴避移動，使得所述迴避移動包含在雅可比行列式的所述零空間內，以及 根據所計算的移動驅動所述一個或更多個接頭。
51.根據權利要求37所述的機器人系統，其中每個臂的所述遠側部分包括或經配置可釋放地支撐具有細長軸的外科手術器械，所述細長軸向遠側延伸到外科手術末端受動器，其中每個器械軸在外科手術期間圍繞遠程中心樞轉，並且其中計算所述一個或更多個接頭的所述迴避移動，以便在所述接頭的驅動期間維持所述遠程中心的位置。
52.根據權利要求49所述的機器人系統，其中每個操縱器臂經配置支撐具有中間部分和末端受動器的工具，所述中間部分沿所述近側部分的插入軸線向遠側延伸，所述末端受動器在每個中間部分的遠端處，其中至少一些所述接頭機械地約束所述遠側部分相對於所述底座的移動，使得所述相應的操縱器臂的所述遠側部分圍繞在所述插入軸線處設置的遠程中心樞轉，以促進所述末端受動器在工作部位的移動，其中所述工作部位通過插入開口進行訪問。
53.根據權利要求52所述的機器人系統，其中每個操縱器臂的多個所述接頭包括遠程球形中心接頭，其設置在所述相應的操縱器臂的所述近側部分的遠側及其所述遠側部分的近側，其中所述遠程球形中心接頭被機械地約束，使得所述遠程球形中心接頭的鉸接圍繞第一、第二和第三遠程中心軸線樞轉所述相應的操縱器臂的所述遠側部分，所述第一、第二和第三遠程中心軸線相交其遠程中心。
54.根據權利要求52所述的機器人系統，其中相對於所述底座機械地約束每個操縱器臂的所述近側部分，使得當所述近側部分移動時其遠側部分圍繞其遠程中心樞轉。
55.根據權利要求52所述的機器人系統，其中每個操縱器的所述一個或更多個接頭包括圍繞遠側旋轉接頭的軸線樞轉所述插入軸線的所述操縱器臂的遠側部分附近的旋轉接頭，所述軸線延伸通過所述遠程中心。
56.根據權利要求55所述的機器人系統，其中計算所述末端受動器位移移動，使得所述遠側旋轉接頭未被驅動來實現所希望的遠側部分位移移動。
57.根據權利要求56所述的機器人系統，其中計算所述接頭的所述迴避移動，以便至少驅動一個或更多個操縱器臂的所述遠側旋轉接頭。
58.根據權利要求52所述的機器人系統，其中第一接頭聯接所述近側部分到所述底座，並且中間連杆使用第二接頭設置在所述遠側部分的近側且鄰近所述遠側部分，所述第二接頭處於所述中間連杆和所述遠側部分之間，所述第二接頭包括機械地限制所述遠側部分相對於所述中間連杆的移動以圍繞第二接頭軸線旋轉的旋轉接頭，所述第二接頭軸線從所述第二接頭朝向所述中間部分軸線向遠側延伸，以便交叉延伸通過所述遠程中心的所述插入軸線。
59.根據權利要求58所述的機器人系統，其中計算所述末端受動器位移移動，使得所述第二接頭未被驅動來實現所希望的遠側部分位移移動，並且其中計算所述接頭的所述迴避移動來包括一個或更多個操縱器臂的所述第二接頭的驅動。
60.根據權利要求52所述的機器人系統，其中每個操縱器臂的第一接頭聯接所述近側部分到所述底座，所述第一接頭包括旋轉接頭，其支撐每個操縱器臂的所述遠側部分，使得所述旋轉接頭的接頭移動圍繞所述旋轉接頭的樞轉軸線樞轉所述相應的操縱器臂的所述遠側部分，其中所述樞轉軸線從所述旋轉接頭延伸且通過所述相應的遠程中心，使得所述操縱器臂的所述插入軸線沿朝向所述遠程中心取向的向遠側變細的圓錐體移動。
61.根據權利要求60所述的機器人系統，其還包括: 其中所述處理器進一步經配置以響應所述重新配置命令計算所述多個接頭的移動，使得所述至少一個接頭的命令移動連同所述接頭的計算移動是在與所述相應的操縱器臂關聯的雅可比行列式的零空間內，所述處理器經配置以在所述至少一個接頭的命令移動期間根據所計算的移動驅動所述接頭，以便在所述重新配置移動期間維持所述遠側部分的希望的狀態， 其中所述處理器經配置以在所述相對狀態對應於比所希望的更小的所述第一臂和第二臂的參考幾何結構之間的分離時根據與所計算的迴避移動同時發生的所計算的重新配置移動驅動所述接頭，以便在實現所希望的重新配置移動的同時抑制所述第一臂和第二臂之間的碰撞。
62.根據權利要求61所述的機器人系統，其中所述第一接頭聯接所述近側部分到所述底座，使得所述遠側部分沿路徑相對於所述底座是可移動的，所述路徑是弧形的或基本圓形的，使得所述近側部分沿所述路徑的移動將所述相應的操縱器臂軸線的所述遠側部分的所述插入軸線沿朝向其遠程中心取向的向遠側變細的圓錐體樞轉。
63.根據權利要求62所述的機器人系統，其中所述至少一個接頭是所述第一接頭，並且其中所述至少一個接頭的驅動包括沿所述路徑平移所述第一接頭。
64.—種機器人系統,其包括: 第一操縱器臂和第二操縱器臂，每個臂具有遠端受動器且經配置用於以機器人的方式相對於近側底座移動所述遠端受動器，其中每個操縱器臂包括多個運動學連接的連杆，所述連杆在工作空間內是可移動的且具有足夠的自由度以允許針對所述第一臂和第二臂的末端受動器的狀態通過與所述相應的操縱器臂關聯的雅可比行列式的零空間具有運動範圍； 聯接到所述操縱器臂的處理器，所述處理器經配置以: 確定所述第一操縱器臂的第一參考幾何結構和所述第二操縱器臂的第二參考幾何結構，所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構具有在所述工作空間內重疊的運動範圍， 確定所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的相對狀態， 通過驅動一個或更多個接頭沿所述第一參考幾何結構和所述第二參考幾何結構之間的迴避矢量計算所述第一操縱器和所述第二操縱器中的一個或兩個的一個或更多個連杆的迴避移動，所述一個或更多個接頭運動學地聯接所述相應的操縱器的連杆來維持所述第一參考幾何結構和第二參考幾何結構之間的分離，其中計算所述迴避移動，使得所述接頭的移動在雅可比行列式的零空間內，以及 根據所計算的移動來移動所述連杆。
65.根據權利要求64所述的機器人系統，其還包括: 用於接收操縱命令以用希望的末端受動器移動來移動每個末端受動器的輸入端，所述輸入端設置在用戶界面上， 其中所述處理器進一步經配置以: 響應所述操縱命令計算所述連杆的末端受動器位移移動，其中計算所述連杆的末端受動器位移移動包括計算所述接頭在雅可比行列式的零垂直空間內的移動，所述零垂直空間與所述零空間正交；以及 根據通過驅動所述接頭計算的所述連杆的末端受動器位移移動來移動所述連杆，以實現所述希望的末端受動器移動。
66.根據權利要求65所述的機器人系統，其中所述處理器進一步經配置以計算所述迴避移動，以便包括當計算所述末端受動器位移移動時未被驅動的一個或更多個接頭的驅動。
【文檔編號】B25J9/06GK104363850SQ201380027794
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年5月31日 優先權日:2012年6月1日
【發明者】A·M·烏爾塔斯, P·海英維, B·M·斯赫納, R·L·迪萬根佐 申請人:直觀外科手術操作公司