使用零空間回避操縱器臂與患者碰撞的制作方法
【專(zhuān)利摘要】通過(guò)在零空間內(nèi)移動(dòng)操縱器而回避操縱器臂和患者外表面之間碰撞的裝置、系統(tǒng)和方法。響應(yīng)于回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙表面之間的距離的確定，對(duì)應(yīng)于操縱器與患者距離小于期望的距離，該系統(tǒng)計(jì)算操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭或連桿在雅可比行列式的零空間內(nèi)的移動(dòng)，以增加該距離。根據(jù)重新配置命令和計(jì)算的移動(dòng)而驅(qū)動(dòng)接頭，以便維持末端執(zhí)行器的期望的狀態(tài)。在一個(gè)方面，根據(jù)雅可比行列式的零垂直空間內(nèi)的計(jì)算的末端執(zhí)行器移位移動(dòng)，來(lái)驅(qū)動(dòng)接頭，從而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器或遠(yuǎn)程中心的期望的移動(dòng)，且同時(shí)通過(guò)在零空間內(nèi)移動(dòng)接頭而回避臂與患者碰撞。
【專(zhuān)利說(shuō)明】使用零空間回避操縱器臂與患者碰撞
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)是于2012年6月I日提交的名稱(chēng)為“Manipulator Arm-to-PatientCollis1n Avoidance Using a Null-Space (使用零空間回避操縱器臂與患者碰撞)”(代理人案卷號(hào)ISRG03760 PR0V/US)的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?1/654，755的非臨時(shí)性申請(qǐng)且要求其優(yōu)先權(quán),該申請(qǐng)的全部公開(kāi)以引用方式并入本文。
[0003]本申請(qǐng)大體涉及以下共同擁有的申請(qǐng):2009年6月30日提交的名稱(chēng)為“Controlof Medical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities (圍繞運(yùn)動(dòng)奇點(diǎn)的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)操縱器的控制)”的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?2/494,695 ；2009年3月17日提交的名稱(chēng)為 “Master Controller Having Redundant Degrees of Freedom and AddedForces to Create Internal Mot1n (具有冗余自由度和添加力以造成內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的主控制器)”的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?2/406,004 ;2005年5月19日提交的名稱(chēng)為“Software Center andHighly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses (用于外科手術(shù)和其它用途的軟件中心和高度可配置的機(jī)器人系統(tǒng))”的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?1/133，423(美國(guó)專(zhuān)利號(hào) 8，004，229) ;2004 年 9 月 30 日提交的名稱(chēng)為 “Offset Remote Center ManipulatorFor Robotic Surgery(用于機(jī)器人外科手術(shù)的偏置遙控中心操縱器)”的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?0/957,077(美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7,594,912) ；1999年9月17日提交的名稱(chēng)為“MasterHaving Redundant Degrees of Freedom(具有冗余自由度的主工具)”的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?9/398，507 (美國(guó)專(zhuān)利號(hào) 6，714，839);以及名稱(chēng)為 “System and Methods for CommandedReconfigurat1n of a Surgical Manipulator Using the Null-Space (使用零空間為命令的外科手術(shù)操縱器重新配置的系統(tǒng)和方法)”的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)枴敬砣司硖?hào)ISRG03770/US】;以及與本申請(qǐng)一同提交的名稱(chēng)為“Systems and Methods for Avoiding Collis1ns BetweenManipulator Arms Using a Null-Space (使用零空間回避操縱器臂之間的碰撞的系統(tǒng)和方法)”的美國(guó)申請(qǐng)?zhí)朹【代理人卷號(hào)ISRG03810/US】;其全部公開(kāi)以引用方式并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明一般提供改善的外科手術(shù)和/或機(jī)器人裝置、系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0005]微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)的目的是減少在診斷或外科手術(shù)過(guò)程期間的組織受損量，從而減少患者的恢復(fù)時(shí)間、不適以及有害副作用。每年在美國(guó)執(zhí)行數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的“開(kāi)放”或傳統(tǒng)外科手術(shù)；這些手術(shù)中的許多能夠以微創(chuàng)的方式潛在地被執(zhí)行。然而，目前僅有相對(duì)少量的外科手術(shù)使用微創(chuàng)技術(shù)，這是因?yàn)槲?chuàng)外科手術(shù)器械和技術(shù)的限制性以及掌握這些技術(shù)所需的額外的外科手術(shù)培訓(xùn)。
[0006]外科手術(shù)中使用的微創(chuàng)遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)經(jīng)發(fā)展增大了外科手術(shù)醫(yī)生的靈巧性以及允許外科手術(shù)醫(yī)生從遠(yuǎn)程位置在患者體上進(jìn)行手術(shù)。遠(yuǎn)程外科手術(shù)是對(duì)如下外科手術(shù)系統(tǒng)的泛稱(chēng)，即外科手術(shù)醫(yī)生使用遠(yuǎn)程控制的某種形式，例如伺服機(jī)構(gòu)等來(lái)操縱外科手術(shù)器械運(yùn)動(dòng)而不是通過(guò)手直接握持和移動(dòng)器械。在此種遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)中，在遠(yuǎn)程位置處為外科手術(shù)醫(yī)生提供手術(shù)部位的圖像。當(dāng)外科手術(shù)醫(yī)生通常在合適的觀(guān)察器或顯示器上觀(guān)看到手術(shù)部位的三維圖像時(shí)，外科手術(shù)醫(yī)生通過(guò)操縱主控制輸入裝置，繼而控制機(jī)器人器械的運(yùn)動(dòng)，從而在患者身上執(zhí)行外科手術(shù)。機(jī)器人外科手術(shù)器械能夠通過(guò)小的微創(chuàng)外科手術(shù)切孔被插入以處理患者體內(nèi)的手術(shù)部位的組織，一般創(chuàng)傷與開(kāi)放式外科手術(shù)進(jìn)入相關(guān)聯(lián)。這些機(jī)器人系統(tǒng)能夠足夠靈巧地移動(dòng)外科手術(shù)器械的工作端，以執(zhí)行相當(dāng)復(fù)雜的外科手術(shù)任務(wù)，通常通過(guò)在微創(chuàng)切孔處樞轉(zhuǎn)器械的軸、使軸軸向滑動(dòng)通過(guò)切孔、在切孔中旋轉(zhuǎn)軸和/或其它類(lèi)似動(dòng)作來(lái)完成。
[0007]用于遠(yuǎn)程外科手術(shù)的伺服機(jī)構(gòu)將通常接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)主控制器(每個(gè)對(duì)應(yīng)外科手術(shù)醫(yī)生的一只手)的輸入并且可以包含兩個(gè)或更多個(gè)機(jī)器人臂或操縱器。將手的移動(dòng)映射到由圖像捕捉裝置所顯示的機(jī)器人器械的圖像上能夠有助于向外科手術(shù)醫(yī)生提供對(duì)與每只手相關(guān)聯(lián)的器械的準(zhǔn)確控制。在許多外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，包括一個(gè)或更多個(gè)額外的機(jī)器人操縱器臂，以用于移動(dòng)內(nèi)窺鏡或其它圖像捕捉裝置、額外的手術(shù)器械或類(lèi)似器械。
[0008]各種結(jié)構(gòu)布置能夠在機(jī)器人外科手術(shù)期間用于支撐手術(shù)部位處的外科手術(shù)器械。從動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置或者“從”裝置通常被稱(chēng)為機(jī)器人外科手術(shù)操縱器，并且美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6，758，843,6, 246，200和5，800, 423中描述了在微創(chuàng)機(jī)器人外科手術(shù)期間用作機(jī)器人外科手術(shù)操縱器的示例性聯(lián)動(dòng)裝置布置，其全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。這些聯(lián)動(dòng)裝置通常使用平行四邊形布置來(lái)保持具有軸的器械。此種操縱器結(jié)構(gòu)能夠約束器械的運(yùn)動(dòng)，使得器械軸繞球形旋轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)程中心樞轉(zhuǎn)，該球形旋轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)程中心被定位在沿剛性軸的長(zhǎng)度的空間內(nèi)。通過(guò)使該旋轉(zhuǎn)的中心與內(nèi)部手術(shù)部位的切口點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)(例如，與在腹腔鏡手術(shù)期間在腹壁處的套管針或插管對(duì)準(zhǔn))，通過(guò)使用操縱器聯(lián)動(dòng)裝置移動(dòng)軸的近端能夠安全地定位手術(shù)器械的末端執(zhí)行器，而不對(duì)腹壁施加潛在危險(xiǎn)的力。例如在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6，702，805、6，676，669,5, 855，583,5, 808，665,5, 445，166 和 5，184，601 中描述了替代性操縱器結(jié)構(gòu)，其全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。
[0009]盡管新型的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)和裝置已被證明是高效且有利的，但仍需進(jìn)一步改進(jìn)。例如，當(dāng)在微創(chuàng)手術(shù)部位內(nèi)移動(dòng)外科手術(shù)器械時(shí)，機(jī)器人外科手術(shù)操縱器可以在患者體外表現(xiàn)出大幅度的移動(dòng)，特別是當(dāng)器械繞微創(chuàng)孔口在大的角度范圍內(nèi)樞轉(zhuǎn)時(shí)，這能夠?qū)е逻\(yùn)動(dòng)的操縱器意外地接觸彼此、接觸外科手術(shù)室內(nèi)的器械車(chē)或其它結(jié)構(gòu)、接觸外科手術(shù)人員和/或接觸患者的外表面。具體地，隨著操縱器繞微創(chuàng)孔口樞轉(zhuǎn)，靠近遠(yuǎn)側(cè)器械的操縱器臂可能意外地接觸患者外表面。已提出替代性地高度可配置的“軟件中心”外科手術(shù)操縱器系統(tǒng)并且該系統(tǒng)可以提供大量的優(yōu)點(diǎn)，但也呈現(xiàn)出不同的挑戰(zhàn)。具體地，提出的軟件中心系統(tǒng)在一些條件下會(huì)不具有機(jī)械約束遠(yuǎn)程中心聯(lián)動(dòng)裝置的所有安全優(yōu)勢(shì)。無(wú)論如何，隨著使用遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)執(zhí)行的外科手術(shù)的范圍繼續(xù)擴(kuò)大，對(duì)擴(kuò)展可用配置以及擴(kuò)大器械在患者體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)范圍的要求增加。遺憾的是，這兩種變化均會(huì)增加與控制和預(yù)測(cè)在體外的操縱器的運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)，并且增加回避操縱器臂的組件與患者的外表面之間的不希望的接觸或碰撞的重要性。
[0010]由于這些和其它原因，提供用于外科手術(shù)、機(jī)器人外科手術(shù)以及其它機(jī)器人應(yīng)用的改善的裝置、系統(tǒng)和方法是有利的。如果這些改進(jìn)的技術(shù)提供了回避操縱器臂和患者之間碰撞的能力，同時(shí)維持期望的末端執(zhí)行器狀態(tài)或器械軸樞轉(zhuǎn)所繞的遠(yuǎn)程中心的期望位置將尤為有益。理想地，這些改進(jìn)將允許在手術(shù)期間的一個(gè)或更多個(gè)操縱器臂的改善的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)回避在末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)期間在操縱器臂和患者之間的碰撞。另外，期望的是在提供此類(lèi)改進(jìn)的同時(shí)，在至少一些外科手術(shù)期間增加器械的運(yùn)動(dòng)范圍，而不明顯地增大這些系統(tǒng)的尺寸、機(jī)械復(fù)雜性或成本，且同時(shí)維持或改善它們的靈巧性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明大體提供改善的機(jī)器人和/或外科手術(shù)裝置、系統(tǒng)和方法。在一個(gè)方面，本發(fā)明將采用高度可配置的外科手術(shù)機(jī)器人操縱器。例如，這些操縱器可以具有比在患者的外科手術(shù)工作空間內(nèi)的相關(guān)外科手術(shù)末端執(zhí)行器所具有的更多的運(yùn)動(dòng)自由度。根據(jù)本發(fā)明的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)通常包括支撐機(jī)器人外科手術(shù)器械的操縱器臂以及計(jì)算協(xié)調(diào)的接頭運(yùn)動(dòng)以操縱器械的末端執(zhí)行器的處理器。針對(duì)給定的末端執(zhí)行器方位和/或給定的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)位置，支撐末端執(zhí)行器的機(jī)器人操縱器的接頭允許操縱器在不同的配置范圍上運(yùn)動(dòng)。根據(jù)由處理器計(jì)算的接頭的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭，這導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)雅可比行列式的零空間內(nèi)延伸操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭，以便維持期望的末端執(zhí)行器狀態(tài)和/或樞轉(zhuǎn)點(diǎn)位置，從而該系統(tǒng)允許高度可配置的機(jī)器人操縱器的運(yùn)動(dòng)以回避與患者的碰撞。通常，響應(yīng)于操縱器臂和患者外表面之間的距離小于期望距離的確定，計(jì)算回避運(yùn)動(dòng)。
[0012]在一個(gè)方面，提供具有操縱輸入端的冗余自由度￠005)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。該尺00？外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)包括操縱器組件、一個(gè)或更多個(gè)用戶(hù)輸入裝置以及具有控制器的處理器。組件的操縱器臂具有提供足夠自由度的多個(gè)接頭，所述自由度允許針對(duì)給定的末端執(zhí)行器狀態(tài)具有一系列的接頭狀態(tài)。響應(yīng)于遠(yuǎn)端執(zhí)行器或遠(yuǎn)程中心近側(cè)的操縱器臂的一部分過(guò)于接近患者的外表面的確定，該系統(tǒng)計(jì)算所述多個(gè)接頭在零空間內(nèi)的回避移動(dòng)。然后，處理器被配置成根據(jù)計(jì)算的回避移動(dòng)而使用控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)接頭，以便維持末端執(zhí)行器的期望狀態(tài)和/或遠(yuǎn)程中心位置。通常同時(shí)伴隨著回避移動(dòng)，響應(yīng)于接收以期望的移動(dòng)來(lái)移動(dòng)末端執(zhí)行器的操縱命令，該系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算正交于雅可比行列式的零空間的零垂直空間內(nèi)的接頭移動(dòng)來(lái)計(jì)算接頭的末端執(zhí)行器移位移動(dòng)，并且根據(jù)所計(jì)算的移位移動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)接頭，從而實(shí)現(xiàn)期望的末端執(zhí)行器移動(dòng)。
[0013]在本發(fā)明的另一個(gè)方面，操縱器臂經(jīng)配置移動(dòng)，使得器械軸的中間部分繞遠(yuǎn)程中心樞轉(zhuǎn)。在操縱器和器械之間，存在多個(gè)從動(dòng)接頭，以提供足夠的自由度，從而隨著器械軸的中間部分延伸通過(guò)進(jìn)入部位，允許針對(duì)末端執(zhí)行器方位具有一系列的接頭狀態(tài)。具有控制器的處理器將輸入裝置耦接到操縱器。響應(yīng)于操縱器臂的一部分過(guò)于接近患者的外表面的確定，處理器確定一個(gè)或更多個(gè)接頭的移動(dòng)，以增大操縱器臂的所述一部分和患者的外表面之間的距離，使得器械的中間部分在進(jìn)入部位內(nèi)并且維持軸所圍繞樞轉(zhuǎn)的期望的遠(yuǎn)程中心位置。通常，響應(yīng)于接收用于實(shí)現(xiàn)期望的末端執(zhí)行器移動(dòng)的操縱命令，該系統(tǒng)計(jì)算接頭的末端執(zhí)行器移位移動(dòng)，其包括計(jì)算正交于零空間的雅可比行列式的零垂直空間內(nèi)的接頭速度，且然后根據(jù)計(jì)算的移動(dòng)而驅(qū)動(dòng)接頭以影響期望的末端執(zhí)行器移動(dòng)，其中根據(jù)計(jì)算的回避移動(dòng)，通常同時(shí)伴隨著驅(qū)動(dòng)接頭，器械軸繞遠(yuǎn)程中心樞轉(zhuǎn)。
[0014]在一種實(shí)施例中，該系統(tǒng)定義了對(duì)應(yīng)于操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)特征的狀態(tài)的回避幾何結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)于患者外表面的位置的障礙物表面，并且通過(guò)確定回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的距離，來(lái)確定操縱器臂和患者外表面之間的最近距離。在某些實(shí)施例中，回避幾何結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或更多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)、片段或體積(例如，實(shí)心體、球體串、圓柱體等)或?qū)?yīng)于操縱器臂的各部分的任何合適的幾何結(jié)構(gòu)。例如，回避幾何結(jié)構(gòu)可以包括指示靠近操縱器遠(yuǎn)端的特征(例如，突起部分)的狀態(tài)的基準(zhǔn)點(diǎn)，所述狀態(tài)是可使用臂的接頭狀態(tài)傳感器來(lái)確定的特征的方位或速度。障礙物表面可以包括延伸通過(guò)臂的遠(yuǎn)側(cè)部分(優(yōu)選地臂的器械所圍繞樞轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)程中心位置)的平面，或者建模表面，諸如延伸通過(guò)對(duì)應(yīng)于一個(gè)或更多個(gè)操縱器臂器械軸的一個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)程中心位置的圓柱形表面、球形表面或凸表面。
[0015]在某些實(shí)施例中，響應(yīng)于回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的距離小于期望的距離的確定，其中所述期望的距離可以是預(yù)先確定的距離或接頭狀態(tài)的函數(shù)，則系統(tǒng)的處理器計(jì)算操縱器臂的接頭或連桿的回避移動(dòng)，以增加回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的距離，并且在雅可比行列式的零空間內(nèi)移動(dòng)接頭或連桿，以便維持末端執(zhí)行器的狀態(tài)和/或操縱器臂的遠(yuǎn)程中心的位置。末端執(zhí)行器的期望的狀態(tài)可以包括末端執(zhí)行器的期望的方位、速度或加速度。在一些實(shí)施例中，由用戶(hù)(諸如在外科手術(shù)控制臺(tái)主輸入端上輸入命令的外科手術(shù)醫(yī)生)從輸入裝置中接收末端執(zhí)行器操縱命令，同時(shí)計(jì)算回避移動(dòng)并且用該回避移動(dòng)驅(qū)動(dòng)接頭，從而當(dāng)操縱器臂的近側(cè)部分和患者外表面之間的距離小于期望的距離時(shí)，在患者外表面和操縱器臂的指定部分之間提供足夠的間隙。
[0016]在示例性實(shí)施例中，操縱器臂包括圍繞其軸線(xiàn)樞轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)器械工具的插入軸線(xiàn)的接頭，其中所述軸線(xiàn)延伸通過(guò)器械的軸樞轉(zhuǎn)所圍繞的遠(yuǎn)程中心。理想地，計(jì)算回避移動(dòng)，以便驅(qū)動(dòng)該接頭，從而扭轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)特征以遠(yuǎn)離患者外表面且同時(shí)維持末端執(zhí)行器的狀態(tài)。在一些實(shí)施例中，計(jì)算響應(yīng)于操縱命令而計(jì)算的操縱器臂的移位移動(dòng)，從而避免驅(qū)動(dòng)接頭或避免驅(qū)動(dòng)扭轉(zhuǎn)的接頭以實(shí)現(xiàn)移位移動(dòng)。計(jì)算回避移動(dòng)以驅(qū)動(dòng)在計(jì)算的移位移動(dòng)中并未被驅(qū)動(dòng)(或反之亦然)的具體接頭的這個(gè)方面可以被應(yīng)用至本文所述操縱器臂的任一接頭。
[0017]在某些實(shí)施例中，回轉(zhuǎn)接頭將操縱器的近側(cè)部分耦接至基底并且支撐操縱器臂，使得回轉(zhuǎn)接頭的接頭移動(dòng)圍繞回轉(zhuǎn)接頭的樞轉(zhuǎn)軸線(xiàn)來(lái)樞轉(zhuǎn)操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)接頭。在一些實(shí)施例中，回轉(zhuǎn)接頭的樞轉(zhuǎn)軸線(xiàn)從接頭朝向遠(yuǎn)程中心延伸，可選地通過(guò)末端執(zhí)行器的器械軸樞轉(zhuǎn)所圍繞的遠(yuǎn)程中心。在一個(gè)方面，回轉(zhuǎn)接頭的移動(dòng)繞向遠(yuǎn)側(cè)逐漸變細(xì)并且朝向遠(yuǎn)程中心取向的圓錐而樞轉(zhuǎn)操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)接頭。在該方面，操縱器臂樞轉(zhuǎn)所圍繞的圓錐對(duì)應(yīng)于工具尖端的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的圓錐形空隙，其中工具的移動(dòng)是不可能的或受損的。在另一個(gè)方面，將操縱器的近側(cè)部分耦接到基底的接頭相對(duì)于基底沿路徑(通常是弧形的或基本圓形的路徑)是可移動(dòng)的，使得沿該路徑的接頭的移動(dòng)繞一條軸線(xiàn)樞轉(zhuǎn)操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)接頭，其中該軸線(xiàn)朝向器械軸樞轉(zhuǎn)所圍繞的遠(yuǎn)程中心延伸。在一些實(shí)施例中，該操縱器包括將操縱器的近側(cè)部分耦接到基底的回轉(zhuǎn)接頭，該回轉(zhuǎn)接頭相對(duì)于基底沿可以是線(xiàn)性的、弧形的或基本圓形的路徑是可移動(dòng)的。
[0018]在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供具有近側(cè)回轉(zhuǎn)接頭和遠(yuǎn)側(cè)平行四邊形聯(lián)動(dòng)裝置的外科手術(shù)機(jī)器人操縱器，如果可以，回轉(zhuǎn)接頭的樞轉(zhuǎn)軸線(xiàn)基本上與末端執(zhí)行器的器械軸的軸線(xiàn)相交，可選地在遠(yuǎn)程中心處相交。該系統(tǒng)還包括處理器，其具有將輸入端耦接到操縱器臂且經(jīng)配置計(jì)算多個(gè)接頭的回避移動(dòng)的控制器，如本文所述的任何實(shí)施例。
[0019]本發(fā)明的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步地理解將通過(guò)參考本說(shuō)明書(shū)和附圖的其余部分變得顯而易見(jiàn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的俯視圖，機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)具有帶有多個(gè)機(jī)器人操縱器的外科手術(shù)臺(tái)，所述多個(gè)機(jī)器人操縱器用于機(jī)器人式地移動(dòng)具有在患者體內(nèi)的內(nèi)部手術(shù)部位處的外科手術(shù)末端執(zhí)行器的外科手術(shù)器械。
[0021]圖1B圖解地示出圖1A的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)。
[0022]圖2是示出用于將外科手術(shù)過(guò)程命令輸入至圖1A的外科手術(shù)系統(tǒng)內(nèi)的主外科手術(shù)醫(yī)生控制臺(tái)或工作站的透視圖，所述控制臺(tái)包括響應(yīng)于輸入命令生成操縱器命令信號(hào)的處理器。
[0023]圖3是圖1A的電子推車(chē)(electronics cart)的透視圖。
[0024]圖4是具有四個(gè)操縱器臂的患者側(cè)推車(chē)的透視圖。
[0025]圖5A-?示出示例性操縱器臂。
[0026]圖6A-6B示出在零空間以及在回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的關(guān)聯(lián)距離內(nèi)的操縱器臂的移動(dòng)。
[0027]圖7示出具有多個(gè)操縱器臂和被建模成延伸通過(guò)每個(gè)操縱器臂的遠(yuǎn)程中心的障礙物表面的示例性系統(tǒng)。
[0028]圖8示出具有在遠(yuǎn)側(cè)器械夾持器附近的回轉(zhuǎn)接頭的示例性操縱器臂。
[0029]圖9示出在遠(yuǎn)側(cè)器械夾持器附近具有回轉(zhuǎn)接頭的示例性操縱器臂，該回轉(zhuǎn)接頭使得器械夾持器回轉(zhuǎn)。
[0030]圖10A-10C示出隨著接頭在其接頭運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)移動(dòng)的示例性操縱器臂的順序圖，該操縱器臂在遠(yuǎn)側(cè)器械夾持器附近具有回轉(zhuǎn)接頭。
[0031]圖11A-11B示出通過(guò)將遠(yuǎn)側(cè)回轉(zhuǎn)接頭分別從0°角位移驅(qū)動(dòng)到90°角位移的回避移動(dòng)；
[0032]圖12A-12B圖形表示示例性操縱器組件的雅可比行列式的零空間和零垂直空間之間的關(guān)系。
[0033]圖13-14是表示根據(jù)許多實(shí)施例的方法的簡(jiǎn)化的方框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0034]本發(fā)明大體提供改善的外科手術(shù)和機(jī)器人裝置、系統(tǒng)和方法。本發(fā)明對(duì)于外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的使用是特別有利的，其中在外科手術(shù)過(guò)程期間，將多個(gè)外科手術(shù)工具或器械安裝在相關(guān)聯(lián)的多個(gè)機(jī)器人操縱器上并且通過(guò)該操縱器移動(dòng)。機(jī)器人系統(tǒng)將通常包括遠(yuǎn)程機(jī)器人系統(tǒng)、遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)和/或遠(yuǎn)程呈現(xiàn)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)包括被配置為主-從控制器的處理器。通過(guò)提供采用被適當(dāng)?shù)嘏渲贸删哂秀q接式聯(lián)動(dòng)裝置來(lái)移動(dòng)操縱器組件的處理器的機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述聯(lián)動(dòng)裝置具有相對(duì)大量的自由度，聯(lián)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)能夠經(jīng)調(diào)整通過(guò)微創(chuàng)進(jìn)入部位工作。大量的自由度允許在運(yùn)動(dòng)雅可比行列式的零空間內(nèi)重新配置操縱器組件的聯(lián)動(dòng)裝置，以便移動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置遠(yuǎn)離患者外表面，且同時(shí)維持期望的末端執(zhí)行器狀態(tài)。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)確定何時(shí)操縱器臂的一部分和患者外表面之間的距離小于期望的距離，且然后根據(jù)在相應(yīng)零空間內(nèi)延伸接頭的所計(jì)算的回避運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)接頭，以便移動(dòng)操縱器臂遠(yuǎn)離患者外表面。通常，在外科手術(shù)過(guò)程期間，根據(jù)與遠(yuǎn)端執(zhí)行器的命令的位移運(yùn)動(dòng)同時(shí)的計(jì)算的回避運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)操縱器臂的接頭。
[0035]本文所述的機(jī)器人操縱器組件將通常包括機(jī)器人操縱器和安裝在其上的工具(該工具通常包括外科手術(shù)版本中的外科手術(shù)器械)，不過(guò)術(shù)語(yǔ)“機(jī)器人組件”還將包括不帶有安裝在其上的工具的操縱器。術(shù)語(yǔ)“工具”既包括通用或工業(yè)機(jī)器人工具，也包括專(zhuān)用機(jī)器人外科手術(shù)器械，其中這些后者結(jié)構(gòu)通常包括適合組織操縱、組織處理、組織成像等的末端執(zhí)行器。工具/操縱器接口將通常是快速斷開(kāi)工具夾持器或耦接器，從而允許快速移除和使用替代性工具快速替換該工具。操縱器組件將通常具有基底，該基底在機(jī)器人過(guò)程的至少一部分期間被固定在空間中，并且該操縱器組件可以包括在基底和工具的末端執(zhí)行器之間的大量自由度。末端執(zhí)行器的致動(dòng)(諸如打開(kāi)或閉合抓緊裝置的夾爪、給電外科手術(shù)槳(electrosurgical paddle)充能等)將通常與這些操縱器組件自由度分離，并且補(bǔ)充這些操縱器組件的自由度。
[0036]末端執(zhí)行器將通常在工作空間中以二至六之間的自由度移動(dòng)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“方位”既包括位置也包括取向。因此，末端執(zhí)行器(例如)的方位的變化可以涉及末端執(zhí)行器從第一位置至第二位置的平移，末端執(zhí)行器從第一取向到第二取向的旋轉(zhuǎn)，或兩者的組合。當(dāng)用于微創(chuàng)機(jī)器人外科手術(shù)時(shí)，操縱器組件的移動(dòng)可以由系統(tǒng)的處理器來(lái)控制，使得工具或器械的軸或中間部分被約束為通過(guò)微創(chuàng)外科手術(shù)進(jìn)入部位或其它切孔的安全運(yùn)動(dòng)。此種運(yùn)動(dòng)可以包括例如軸通過(guò)切口部位軸向插入至外科手術(shù)工作空間中、軸繞其軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)以及軸繞鄰近進(jìn)入部位的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
[0037]本文所述的許多示例性操縱器組件具有比在外科手術(shù)部位內(nèi)定位和移動(dòng)末端執(zhí)行器所需的自由度更多的自由度。例如，在一些實(shí)施例中，能夠以六個(gè)自由度通過(guò)微創(chuàng)切孔在內(nèi)部手術(shù)部位處被定位的外科手術(shù)末端執(zhí)行器可以具有九個(gè)自由度(末端執(zhí)行器的六個(gè)自由度——三個(gè)用于定位，三個(gè)用于取向——加上三個(gè)自由度來(lái)符合進(jìn)入部位約束)，不過(guò)可以具有十個(gè)或更多個(gè)自由度。針對(duì)給定的末端執(zhí)行器方位，具有比所需的自由度更多自由度的高度可配置的操縱器組件能夠被描述為具有或提供足夠的自由度來(lái)允許在工作空間內(nèi)針對(duì)末端執(zhí)行器方位具有一系列的接頭狀態(tài)。例如，對(duì)于給定的末端執(zhí)行器方位，操縱器組件可以占據(jù)一系列的替代性操縱器聯(lián)動(dòng)裝置方位中的任意方位(并且在其間被驅(qū)動(dòng))。類(lèi)似地，對(duì)于給定的末端執(zhí)行器的速度向量，該操縱器組件可以具有在零空間內(nèi)針對(duì)操縱器組件的各種接頭的不同接頭移動(dòng)速度范圍。
[0038]本發(fā)明提供機(jī)器人聯(lián)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)尤為適合如下外科手術(shù)(以及其它)應(yīng)用，即其期望有廣泛的運(yùn)動(dòng)范圍并且由于其它機(jī)器人聯(lián)動(dòng)裝置、外科手術(shù)人員和設(shè)備等的存在可獲得受限的專(zhuān)用體積。每個(gè)機(jī)器人聯(lián)動(dòng)裝置所需的大的運(yùn)動(dòng)范圍和減小的體積還可以在機(jī)器人支撐結(jié)構(gòu)的位置和外科手術(shù)或其它工作空間之間提供較大的靈活度，從而促進(jìn)和加速裝配。
[0039]接頭等的術(shù)語(yǔ)“狀態(tài)”通常在本文中將指與接頭相關(guān)聯(lián)的控制變量。例如，角接頭(angular joint)的狀態(tài)能夠指由在其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的接頭定義的角度和/或接頭的角速度。類(lèi)似地，軸向或棱柱接頭的狀態(tài)可以指接頭的軸向方位和/或它的軸向速度。雖然本文所述的許多控制器包括速度控制器，不過(guò)它們通常也具有一些方位控制方面?？商娲鷮?shí)施例可以主要或完全依賴(lài)于方位控制器、加速度控制器等。在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6，699，177中更充分地描述能夠用于此種裝置的控制系統(tǒng)的許多方面，其全部公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文。因此，只要所述的移動(dòng)基于相關(guān)聯(lián)的計(jì)算，便可以使用方位控制算法、速度控制算法、兩者的組合等執(zhí)行本文所述的接頭的移動(dòng)和末端執(zhí)行器的移動(dòng)的計(jì)算。
[0040]在某些實(shí)施例中，示例性操縱器臂的工具繞鄰近微創(chuàng)切孔的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)樞轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可以利用硬件遠(yuǎn)程中心，諸如在美國(guó)專(zhuān)利6，786，896中描述的遠(yuǎn)程中心運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)容以引用的方式并入本文。此種系統(tǒng)可以利用雙平行四邊形聯(lián)動(dòng)裝置，其約束了聯(lián)動(dòng)裝置的移動(dòng)，使得操縱器所支撐的器械的軸繞遠(yuǎn)程中心點(diǎn)樞轉(zhuǎn)?？商娲臋C(jī)械約束的遠(yuǎn)程中心聯(lián)動(dòng)裝置系統(tǒng)是已知的且/或在將來(lái)可以被研發(fā)出。令人驚訝的是與本發(fā)明結(jié)合的工作指示出遠(yuǎn)程中心聯(lián)動(dòng)裝置系統(tǒng)可以受益于高度可配置的運(yùn)動(dòng)架構(gòu)。具體地，當(dāng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)具有允許繞在微創(chuàng)外科手術(shù)進(jìn)入部位處或附近相交的兩個(gè)軸線(xiàn)的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)裝置時(shí)，球形樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以包括在患者體內(nèi)的全部程度的期望的運(yùn)動(dòng)范圍，不過(guò)仍會(huì)遇到可回避的缺陷(諸如未被充分地調(diào)節(jié)、在患者體外易于存在臂與臂或臂與患者的接觸和/或其他情況)。首先，添加一個(gè)或更多個(gè)也被機(jī)械地約束為在進(jìn)入部位處或附近的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的額外自由度可以提供運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的少量或任何改進(jìn)。無(wú)論如何，此種接頭能夠通過(guò)允許整個(gè)系統(tǒng)被配置成碰撞-抑制姿勢(shì)或朝向該姿勢(shì)驅(qū)動(dòng)、通過(guò)進(jìn)一步擴(kuò)大其它外科手術(shù)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)范圍等提供顯著的優(yōu)點(diǎn)。在另一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)可以利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程中心，諸如在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)8，004，229中所描述的，其全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文。在具有軟件遠(yuǎn)程中心的系統(tǒng)中，處理器計(jì)算接頭的移動(dòng)，以便繞計(jì)算的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)位置(這是與由機(jī)械約束定義的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)不同)樞轉(zhuǎn)器械軸的中間部分。通過(guò)具有計(jì)算軟件樞轉(zhuǎn)點(diǎn)的能力，能夠選擇性地實(shí)現(xiàn)表征為系統(tǒng)的柔性或剛度的不同模式。更具體地，能夠根據(jù)需要在一系列的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)/中心(例如，可移動(dòng)的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)、被動(dòng)樞轉(zhuǎn)點(diǎn)、固定/剛性樞轉(zhuǎn)點(diǎn)、軟樞轉(zhuǎn)點(diǎn))上實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)模式；因此，本發(fā)明的實(shí)施例適合用于各種類(lèi)型的操縱器臂，包括軟件中心臂和硬件中心臂。
[0041]盡管具有多個(gè)高度可配置操縱器的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但由于操縱器包括位于基底和器械之間的相對(duì)大量的接頭和聯(lián)動(dòng)裝置，所以操縱器臂的運(yùn)動(dòng)可以尤為復(fù)雜。隨著操縱器臂的配置范圍和運(yùn)動(dòng)范圍增大，遠(yuǎn)端執(zhí)行器近側(cè)的操縱器臂的一部分與患者的外表面之間的臂與患者碰撞的可能性也增大。例如，相當(dāng)大的操縱器臂的運(yùn)動(dòng)范圍可允許操縱器臂的特征或操縱器臂本身的遠(yuǎn)側(cè)連桿接觸和/或碰撞患者的外表面，其中操縱器臂具有繞鄰近微創(chuàng)切孔的遠(yuǎn)程中心而樞轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)側(cè)工具，如本文所述。因?yàn)閷?duì)于用戶(hù)而言因操縱器臂的移動(dòng)的復(fù)雜性導(dǎo)致難以預(yù)測(cè)何時(shí)可能出現(xiàn)此接觸，所以本發(fā)明通過(guò)計(jì)算操縱器臂的回避運(yùn)動(dòng)并且驅(qū)動(dòng)接頭實(shí)現(xiàn)回避移動(dòng)且同時(shí)維持操縱器臂的遠(yuǎn)側(cè)部分或工具的期望的狀態(tài)而回避此類(lèi)臂與患者的碰撞。
[0042]本發(fā)明的實(shí)施例包括計(jì)算回避移動(dòng)的處理器，其中回避移動(dòng)有助于使用運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置的從動(dòng)接頭，從而通常響應(yīng)于操縱器臂的基準(zhǔn)或回避幾何結(jié)構(gòu)和患者表面之間的距離不足的確定，在雅可比行列式的零空間內(nèi)重新配置操縱器結(jié)構(gòu)，以便回避臂與患者碰撞。在一個(gè)方面，該系統(tǒng)通過(guò)分析定義的“回避幾何結(jié)構(gòu)”和“障礙物表面”之間的關(guān)系，來(lái)確定操縱器臂和患者外表面之間的距離，所述回避幾何結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于操縱器臂上的一個(gè)或更多個(gè)基準(zhǔn)并且障礙物表面對(duì)應(yīng)于患者外表面。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)確定在回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的距離，并且如果該距離小于期望的距離00，則系統(tǒng)計(jì)算運(yùn)動(dòng)鏈的回避移動(dòng)，以便至少維持在基準(zhǔn)幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的期望的距離。期望的距離(X)可以是預(yù)先確定的距離，或者可以是基于給定的一種接頭狀態(tài)或更多種接頭狀態(tài)的距離范圍。例如，期望的距離可以根據(jù)患者表面附近的接頭的速度或針對(duì)患者附近的操縱器臂的具體配置而發(fā)生改變。
[0043]在某些實(shí)施例中，基準(zhǔn)幾何結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或更多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，所述基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于與操縱器臂有關(guān)的一個(gè)或更多個(gè)突起或特征，并且障礙物表面是在外科手術(shù)過(guò)程期間對(duì)應(yīng)于患者外表面的近似或建模表面。通常，基準(zhǔn)幾何結(jié)構(gòu)包括對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)側(cè)工具(諸如遠(yuǎn)側(cè)接頭)附近的操縱器臂的遠(yuǎn)側(cè)部分的特征的一個(gè)或更多個(gè)點(diǎn)。雖然通?；乇芤苿?dòng)是獨(dú)立于計(jì)算的操縱移動(dòng)的計(jì)算的移動(dòng)，但是通過(guò)控制器組合該移動(dòng)，以便與命令的末端執(zhí)行器操縱移動(dòng)同時(shí)地實(shí)現(xiàn)回避移動(dòng)。外科手術(shù)系統(tǒng)的控制器可以包括具有可讀存儲(chǔ)器的處理器，其中可讀存儲(chǔ)器具有記錄在其上的編程有指令或代碼的接頭控制器，這允許處理器獲取合適的接頭命令，以用于驅(qū)動(dòng)接頭以便允許控制器實(shí)現(xiàn)期望的重新配置以回避與患者的外表面的碰撞和/或?qū)崿F(xiàn)期望的末端執(zhí)行器移動(dòng)。
[0044]在下列描述中，將描述本發(fā)明的各種實(shí)施例。為了說(shuō)明的目的，提出了具體配置和細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)本實(shí)施例的透徹地理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白在沒(méi)有具體細(xì)節(jié)的情況下可以實(shí)行本發(fā)明。此外，為了不混淆已描述的實(shí)施例，可以省略或簡(jiǎn)化已知特征。
[0045]現(xiàn)在參考附圖，其中貫穿多個(gè)附圖，相同附圖標(biāo)記指代相同部分，圖1A是微創(chuàng)機(jī)器人外科手術(shù)(MIRS)系統(tǒng)10的俯視圖，根據(jù)許多實(shí)施例，該系統(tǒng)用于對(duì)平躺在手術(shù)臺(tái)14上的患者12執(zhí)行微創(chuàng)診斷或外科手術(shù)過(guò)程。該系統(tǒng)能夠包括供外科手術(shù)醫(yī)生18在手術(shù)過(guò)程中使用的外科手術(shù)醫(yī)生控制臺(tái)16。一個(gè)或更多個(gè)助手20也可以參與該手術(shù)過(guò)程。MIRS系統(tǒng)10還能夠包括患者側(cè)推車(chē)22 (外科手術(shù)機(jī)器人)以及電子推車(chē)24。患者側(cè)推車(chē)22能夠操縱至少一個(gè)可移除的耦接的工具組件26 (下文簡(jiǎn)稱(chēng)為“工具”)通過(guò)患者12身體內(nèi)的微創(chuàng)切口，且同時(shí)外科手術(shù)醫(yī)生18通過(guò)控制臺(tái)16觀(guān)看外科手術(shù)部位。通過(guò)內(nèi)窺鏡28 (諸如立體內(nèi)窺鏡)能夠獲得外科手術(shù)部位的圖像，其中所述內(nèi)窺鏡能夠被患者側(cè)推車(chē)22操縱以便給內(nèi)窺鏡28定向。電子推車(chē)24能夠被用于處理通過(guò)外科手術(shù)醫(yī)生控制臺(tái)16隨后向外科手術(shù)醫(yī)生18顯示的外科手術(shù)部位的圖像。一次使用的手術(shù)工具26的數(shù)量將大體取決于診斷或外科手術(shù)過(guò)程和手術(shù)室內(nèi)的空間約束以及其它因素。如果在手術(shù)過(guò)程中必須改變正在使用的一個(gè)或更多個(gè)工具26，則助手20可以從患者側(cè)推車(chē)22移除工具26，并且使用手術(shù)室內(nèi)來(lái)自托盤(pán)30的另一個(gè)工具26將其替換。
[0046]圖1B圖解地示出機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)50 (諸如圖1所示MIRS系統(tǒng)10)。如上所述，外科手術(shù)醫(yī)生能夠在微創(chuàng)手術(shù)過(guò)程期間使用外科手術(shù)醫(yī)生控制臺(tái)52(諸如圖1中的外科手術(shù)醫(yī)生控制臺(tái)16)來(lái)控制患者側(cè)推車(chē)(外殼手術(shù)機(jī)器人)54 (諸如圖1A中的患者側(cè)推車(chē)22)?；颊邆?cè)推車(chē)54能夠使用成像裝置(諸如立體內(nèi)窺鏡)來(lái)捕捉手術(shù)部位的圖像，并且將被捕捉的圖像輸出至電子推車(chē)56(諸如圖1中的電子車(chē)24)。如上所述，電子推車(chē)56能夠在任何后續(xù)顯示之前以各種方式處理被捕捉的圖像。例如，在將組合的圖像經(jīng)外科手術(shù)醫(yī)生控制臺(tái)52顯示給外科手術(shù)醫(yī)生之前，電子推車(chē)56能夠使用虛擬控制界面覆蓋被捕捉圖像?；颊邆?cè)推車(chē)54能夠輸出被捕捉圖像，用于在電子推車(chē)56外部進(jìn)行處理。例如，患者側(cè)推車(chē)54能夠?qū)⒈徊蹲綀D像輸出至處理器58，該處理器能夠被用于處理被捕捉的圖像。還能夠通過(guò)電子推車(chē)56和處理器58的組合來(lái)處理圖像，該電子推車(chē)和處理器能夠被耦接在一起以便共同、相繼和/或組合地處理被捕捉的圖像。一個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)的顯示器60還能夠與處理器58和/或電子推車(chē)56耦接在一起，以用于圖像(諸如手術(shù)部位的圖像或其它有關(guān)的圖像)的本地和/或遠(yuǎn)程顯示。
[0047]圖2是外科手術(shù)醫(yī)生控制臺(tái)16的透視圖。外科手術(shù)醫(yī)生控制臺(tái)16包括左眼顯示器32和右眼顯示器34，以用于為外科手術(shù)醫(yī)生18呈現(xiàn)能夠具有深度感知的外科手術(shù)部位的協(xié)調(diào)立體圖?？刂婆_(tái)16還包括一個(gè)或更多個(gè)輸入控制裝置36，所述裝置進(jìn)而導(dǎo)致患者側(cè)推車(chē)22 (圖1A所示)操縱一個(gè)或更多個(gè)工具。輸入控制裝置36能夠提供與其關(guān)聯(lián)的工具26 (圖1A所示)相同的自由度，以便為外科手術(shù)醫(yī)生提供輸入控制裝置36與工具26 —體化的遠(yuǎn)程呈現(xiàn)或感知，使得外科手術(shù)醫(yī)生具有直接控制工具26的強(qiáng)烈感覺(jué)。為了該目的，可以采用方位、力以及觸覺(jué)反饋傳感器(未示出)以便通過(guò)輸入控制裝置36將方位、力以及觸覺(jué)感覺(jué)從工具26傳輸回外科手術(shù)醫(yī)生手部。
[0048]外科手術(shù)醫(yī)生控制臺(tái)16通常和患者位于相同的房間，使得外科手術(shù)醫(yī)生可以直接監(jiān)控手術(shù)、如果需要可以實(shí)際存在并且直接對(duì)助手說(shuō)話(huà)而不是通過(guò)電話(huà)或其它通信介質(zhì)說(shuō)話(huà)。然而，外科手術(shù)醫(yī)生能夠位于不同的房間、完全不同的建筑物或距離患者較遠(yuǎn)的其它位置，以允許遠(yuǎn)程外科手術(shù)過(guò)程。
[0049]圖3是電子推車(chē)24的透視圖。電子推車(chē)24能夠與內(nèi)窺鏡28耦接并且能夠包括處理器，該處理器用于處理被捕捉的圖像用于隨后的顯示諸如在手術(shù)控制臺(tái)或另一個(gè)位于本地和/或遠(yuǎn)程的合適的顯示器上向外科手術(shù)醫(yī)生顯示。例如，當(dāng)使用立體內(nèi)窺鏡時(shí)，電子推車(chē)24能夠處理被捕捉的圖像，以便為外科手術(shù)醫(yī)生呈現(xiàn)外科手術(shù)部位的協(xié)調(diào)立體圖像。這種協(xié)調(diào)能夠包括相反圖像之間的對(duì)準(zhǔn)并且能夠包括調(diào)節(jié)立體內(nèi)窺鏡的立體工作距離。作為另一個(gè)例子，圖像處理能夠包括使用先前確定的照相機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)，以便補(bǔ)償圖像捕捉裝置的成像誤差，諸如光學(xué)像差。
[0050]圖4示出具有多個(gè)操縱器臂的患者側(cè)推車(chē)22，其中每個(gè)操縱器臂在操縱器臂的遠(yuǎn)端處支撐外科手術(shù)器械或工具26。示出的患者側(cè)推車(chē)22包括四個(gè)操縱器臂100，所述操縱器臂能夠被用于支撐外科手術(shù)工具26或成像裝置28，諸如用于捕捉手術(shù)部位的圖像的立體內(nèi)窺鏡。通過(guò)具有若干個(gè)機(jī)器人接頭的機(jī)器人操縱器臂100來(lái)提供操縱。成像裝置28和外科手術(shù)工具26能夠被定位且操縱通過(guò)患者體內(nèi)切口，使得運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)程中心維持在切口處，以便使切口的尺寸最小化。當(dāng)外科手術(shù)器械或工具26被定位在成像裝置28的視野內(nèi)時(shí)，手術(shù)部位的圖像能夠包括外科手術(shù)器械或工具26的遠(yuǎn)端的圖像。
[0051]關(guān)于外科手術(shù)工具26，可以使用各種不同類(lèi)型和不同的末端執(zhí)行器的替代性機(jī)器人外科手術(shù)工具或器械，其中在外科手術(shù)過(guò)程期間移除并且替換至少一些操縱器的器械。這些末端執(zhí)行器中的一些(包括狄見(jiàn)貝基鉗鑷(DeBakey Forc印s)、微型手術(shù)鑷、波茨剪刀和施夾器)包括相對(duì)于彼此樞轉(zhuǎn)以便限定一對(duì)末端執(zhí)行器夾爪(或刀片)的第一末端執(zhí)行器元件和第二末端執(zhí)行器元件。對(duì)于具有末端執(zhí)行器夾爪的器械，通常通過(guò)擠壓柄部的抓緊構(gòu)件來(lái)致動(dòng)夾爪。包括解剖刀和電烙術(shù)探測(cè)器的其它末端執(zhí)行器具有單個(gè)末端執(zhí)行元件(例如，單個(gè)“指狀物”)。例如，單個(gè)末端執(zhí)行器型器械還可以通過(guò)抓緊抓緊構(gòu)件被致動(dòng)以便觸發(fā)至器械尖端的電烙術(shù)能量的輸送。
[0052]器械26的細(xì)長(zhǎng)軸允許末端執(zhí)行器和軸的遠(yuǎn)端通過(guò)微創(chuàng)切孔、往往通過(guò)腹壁等向遠(yuǎn)側(cè)插入至外科手術(shù)部位?？梢詫⑼饪剖中g(shù)部位充氣，并且通常至少部分通過(guò)繞軸穿過(guò)微創(chuàng)切孔所處的位置而樞轉(zhuǎn)器械26來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在患者體內(nèi)的移動(dòng)。換句話(huà)說(shuō)，操縱器100將在患者體外移動(dòng)器械的近側(cè)外殼，使得軸延伸通過(guò)微創(chuàng)切孔位置，以便幫助提供末端執(zhí)行器的期望移動(dòng)。因此，在外科手術(shù)過(guò)程期間，操縱器100將通常經(jīng)歷在患者？體外的顯著移動(dòng)。
[0053]能夠參考圖5八-13(:理解根據(jù)本發(fā)明的許多實(shí)施例的示例性操縱器臂。如上所述，操縱器臂大體支撐遠(yuǎn)側(cè)器械或外科手術(shù)工具并且實(shí)現(xiàn)器械相對(duì)于基底的移動(dòng)。由于在外科手術(shù)過(guò)程期間(通常在有外科手術(shù)助手的幫助下)，具有不同末端執(zhí)行器的大量不同的器械會(huì)被相繼安裝在每個(gè)操縱器上，所以遠(yuǎn)側(cè)器械夾持器將優(yōu)選地允許所安裝的器械或工具的快速移除和替換。如參考圖4能夠理解的，操縱器被近側(cè)安裝在患者側(cè)推車(chē)的基底。通常，操縱器臂包括在基底和遠(yuǎn)側(cè)器械夾持器之間延伸的多個(gè)聯(lián)動(dòng)裝置和相關(guān)聯(lián)的接頭。在一個(gè)方面，示例性操縱器包括具有冗余自由度的多個(gè)接頭，使得針對(duì)給定的末端執(zhí)行器方位，能夠通過(guò)一系列的不同配置來(lái)驅(qū)動(dòng)操縱器臂的接頭。這可以是本文公開(kāi)的任何操縱器臂的實(shí)施例的情況。
[0054]在某些實(shí)施例中，諸如圖5八所示的示例，示例性操縱器臂包括近側(cè)回轉(zhuǎn)接頭]1，其繞第一接頭軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)以便繞接頭軸線(xiàn)回轉(zhuǎn)接頭遠(yuǎn)側(cè)的操縱器臂。在一些實(shí)施例中，回轉(zhuǎn)接頭了 1被直接安裝到基底，而在另一些實(shí)施例中，接頭了1可以被安裝到一個(gè)或更多個(gè)可移動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置或接頭。操縱器的接頭組合地具有冗余的自由度，使得針對(duì)給定的末端執(zhí)行器的方位，操縱器臂的接頭能夠被驅(qū)動(dòng)成一系列的不同配置。例如，圖5八-50的操縱器臂可以被操縱成不同的配置，而被支撐在器械夾持器510內(nèi)的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件511(諸如工具512或器械軸延伸所通過(guò)的插管)維持具體狀態(tài)并且可以包括末端執(zhí)行器的給定方位或速度。遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件511通常是工具軸512延伸所通過(guò)的插管，并且器械夾持器510通常是器械在通過(guò)插管511延伸通過(guò)微創(chuàng)切孔至患者體內(nèi)之前所附接的托架(示出為在梁上平移的塊狀結(jié)構(gòu))。
[0055]描述圖5八-50的操縱器臂500的各個(gè)連桿以及如圖5八-50所示連接連桿的接頭的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)，第一連桿504從繞其接頭軸線(xiàn)樞轉(zhuǎn)且被耦接至繞其接頭軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)接頭了1的樞轉(zhuǎn)接頭了2向遠(yuǎn)側(cè)延伸。能夠通過(guò)與接頭相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)來(lái)識(shí)別接頭的許多剩余部分，如圖5八所示。例如，如圖所示，在繞接頭樞轉(zhuǎn)軸線(xiàn)樞轉(zhuǎn)的樞轉(zhuǎn)接頭了3處，第一連桿504的遠(yuǎn)端耦接至第二連桿506的近端，并且在繞其軸線(xiàn)樞轉(zhuǎn)的樞轉(zhuǎn)接頭了4處，第三連桿508的近端耦接至第二連桿506的遠(yuǎn)端。在樞轉(zhuǎn)接頭了5處，第三連桿508的遠(yuǎn)端耦接至器械夾持器510。通常，當(dāng)靠近彼此定位時(shí)每個(gè)接頭了2、了3、14和了5的樞轉(zhuǎn)軸線(xiàn)基本平行并且聯(lián)動(dòng)裝置呈現(xiàn)“堆疊”，如圖50所示，以便在操縱器組件的操縱期間提供操縱器臂的減小的寬度|并改善患者間隙。在一些實(shí)施例中，器械夾持器還包括額外的接頭，諸如棱柱接頭了6，該接頭有助于器械306通過(guò)微創(chuàng)切孔的軸向移動(dòng)，并且有助于器械夾持器附接至插管，其中器械可滑動(dòng)地插入至該插管。
[0056]插管511的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件可以包括器械夾持器510的遠(yuǎn)側(cè)的額外的自由度。該器械的自由度的致動(dòng)將通常通過(guò)操縱器的馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)，并且替代性實(shí)施例可以在快速可拆卸器械夾持器/器械接口處將器械與支撐操縱器結(jié)構(gòu)分開(kāi)，使得在器械上的所示的一個(gè)或更多個(gè)接頭實(shí)際上在接口上，或者反之亦可。在一些實(shí)施例中，插管511包括在工具尖端的插入點(diǎn)或在遠(yuǎn)程中心％附近或近側(cè)的旋轉(zhuǎn)接頭17(未示出)，其中工具的軸鄰近微創(chuàng)切孔圍繞所述遠(yuǎn)程中心％樞轉(zhuǎn)。器械的遠(yuǎn)側(cè)腕部允許延伸通過(guò)插管511的外科手術(shù)工具512的末端執(zhí)行器在器械腕部處繞一個(gè)或更多個(gè)接頭的器械接頭軸線(xiàn)進(jìn)行樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。末端執(zhí)行器夾爪元件之間的角度可以獨(dú)立于末端執(zhí)行器的位置和取向而被控制。
[0057]在某些實(shí)施例中，該系統(tǒng)限定“回避幾何結(jié)構(gòu)”700，其包括對(duì)應(yīng)于操縱器臂的部件或特征的一個(gè)或更多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)、片段或體積。例如，當(dāng)將工具被定位在外科手術(shù)工作空間內(nèi)時(shí)，與器械插管511接合的聯(lián)動(dòng)裝置510的遠(yuǎn)端大體朝患者突起，其中聯(lián)動(dòng)裝置510通常被稱(chēng)為“梁”聯(lián)動(dòng)裝置。有時(shí)被稱(chēng)為“梁轉(zhuǎn)向節(jié)”的該特征是重要的，因?yàn)樵撎卣髟谄餍挡骞?11圍繞其遠(yuǎn)程中心RC旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)潛在地接觸或碰撞患者的外表面。因此，為回避此種碰撞，系統(tǒng)限定“回避幾何結(jié)構(gòu)”并且通常通過(guò)使用接頭傳感器來(lái)確定其與患者表面的接近度，其中根據(jù)接頭傳感器能夠確定“回避幾何結(jié)構(gòu)”的方位或速度。實(shí)施例還可以使用安裝在從動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置或從裝置上的近程傳感器，所述近程傳感器能夠局部地感測(cè)患者表面的附近。在示例性實(shí)施例中，回避幾何結(jié)構(gòu)700包括對(duì)應(yīng)于“梁轉(zhuǎn)向節(jié)”702的基準(zhǔn)，不過(guò)還可以包括對(duì)應(yīng)于操縱器臂在外科手術(shù)過(guò)程期間可潛在地碰撞患者表面的其它特征(諸如器械腕部附近的部分704或聯(lián)動(dòng)裝置504的遠(yuǎn)側(cè)部分)的額外基準(zhǔn)。
[0058]在圖6A和圖6B所示實(shí)施例中，限定了操縱器臂的“回避幾何結(jié)構(gòu)”和對(duì)應(yīng)于患者外表面的“障礙物表面”兩者。在該實(shí)施例中，通過(guò)將障礙物表面800限定為延伸通過(guò)遠(yuǎn)程中心的平面(大體水平面)，大致近似患者外表面的位置。因?yàn)楣ぞ叩钠餍递S繞鄰近微創(chuàng)切孔的遠(yuǎn)程中心樞轉(zhuǎn)，所以假設(shè)患者外表面從微創(chuàng)切孔水平延伸；因此，障礙物表面800最準(zhǔn)確地表示遠(yuǎn)程中心位置處的患者外表面的位置。通過(guò)兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)702、704(統(tǒng)稱(chēng)為回避幾何結(jié)構(gòu)700)近似操縱器臂的特征的位置。使用接頭狀態(tài)傳感器大體確定在操縱器臂的被命令移動(dòng)期間的回避幾何結(jié)構(gòu)的位置和/或速度，其中根據(jù)所述接頭狀態(tài)傳感器，系統(tǒng)能夠確定回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的最短距離d。響應(yīng)于距離d小于期望距離的確定，其中該期望距離表示可能的或潛在的臂與患者碰撞，則該系統(tǒng)計(jì)算與操縱器臂相關(guān)聯(lián)地、接頭在雅可比行列式的零空間內(nèi)的協(xié)調(diào)的回避移動(dòng)，以便增加回避幾何結(jié)構(gòu)700和障礙物表面800之間的距離d，并且然后根據(jù)計(jì)算的移動(dòng)而驅(qū)動(dòng)接頭。因?yàn)榻宇^的回避移動(dòng)經(jīng)計(jì)算在零空間內(nèi)延伸，所以該移動(dòng)維持操縱器臂的遠(yuǎn)側(cè)部分或末端執(zhí)行器的期望狀態(tài)，使得回避移動(dòng)能夠與操縱器臂的被命令移動(dòng)結(jié)合以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的期望狀態(tài)。
[0059]在圖7的示例性實(shí)施例中，障礙物表面800被限定為更接近典型患者的外表面的建模表面。障礙物表面800可以被建模成對(duì)應(yīng)于患者外表面的各種輪廓或形狀，或者可以被建模成包括來(lái)自包括接頭傳感器、光學(xué)傳感器或超聲傳感器的各種源的方位數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，通過(guò)使得建模表面延伸通過(guò)兩個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)程中心位置而近似障礙物表面800，如圖7所示的障礙物表面800，其延伸通過(guò)三個(gè)遠(yuǎn)程中心RCl、RC2和RC3，并且近似成更加類(lèi)似于在手術(shù)部位處的典型患者的外表面(例如患者軀干)的圓柱形、球形或凸形。通過(guò)更準(zhǔn)確地近似患者外表面的位置，該系統(tǒng)允許針對(duì)三個(gè)操縱器臂中的每個(gè)增加運(yùn)動(dòng)范圍，同時(shí)仍通過(guò)在操縱器的dl、d2和d3中每個(gè)之間的最短距離小于期望距離時(shí)根據(jù)計(jì)算的回避移動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)操縱器臂的接頭，而回避臂與患者碰撞。
[0060]根據(jù)許多實(shí)施例，可以根據(jù)許多不同的方法來(lái)計(jì)算回避移動(dòng)，其能夠包括確定操縱器臂和患者表面之間的“最近點(diǎn)”?；蛘呤褂没诮?jīng)由接頭傳感器而已知的操縱器方位或狀態(tài)的計(jì)算能夠確定最近點(diǎn)，或者使用其它合適器件(諸如外部傳感器、視頻、聲納、電容傳感器、觸摸傳感器等)能夠近似/逼近最近點(diǎn)。
[0061]在一種方法中，處理器計(jì)算操縱器臂的工作空間內(nèi)的回避向量；將回避向量轉(zhuǎn)換至接頭速度空間；并且然后使用該結(jié)果將向量投影至零空間上，以獲得回避移動(dòng)。該處理器可以被配置成計(jì)算最近點(diǎn)之間的排斥或回避向量；將回避向量映射至在工作空間內(nèi)的操縱器臂和患者表面的“最近”點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，并且然后確定零空間系數(shù)(α )，該系數(shù)提供了期望的方向和幅值以移動(dòng)最近點(diǎn)遠(yuǎn)離彼此。如果在操縱器臂上的各點(diǎn)或特征和患者表面之間使用多個(gè)相互作用的點(diǎn)，則能夠通過(guò)求和來(lái)組合來(lái)自每個(gè)相互作用的特征的與回避向量相關(guān)聯(lián)的所得的零空間系數(shù)。
[0062]在另一種方法中，處理器可以使用零空間基向量；將向量轉(zhuǎn)換成在工作空間內(nèi)的操縱器的回避幾何結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；并且然后將這些和工作空間內(nèi)的回避向量組合成原始零空間基向量的系數(shù)。處理器可以被配置成計(jì)算操縱器臂和患者表面(例如回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面)的最近點(diǎn)之間的排斥或回避向量，并且將這些向量與回避向量組合，如上面剛剛被描述的。如果使用操縱器臂上的多個(gè)特征，則能夠使用最小二乘法或其它方法來(lái)組合所得的接頭速度向量或零空間系數(shù)。
[0063]在一個(gè)方面，回避移動(dòng)可以被計(jì)算成包括驅(qū)動(dòng)任何數(shù)量的接頭，或替代性地避免驅(qū)動(dòng)操縱器臂的特定接頭。例如，在如圖8所示的操縱器臂中，回避移動(dòng)可以被計(jì)算為包括驅(qū)動(dòng)接頭Jl、J2、J3、J4和J5的各種組合(盡管在所描繪的實(shí)施例中，接頭J3、J4和J5被包括在平行四邊形布置中并且共享相同的狀態(tài))，或者替代性地可以被計(jì)算為驅(qū)動(dòng)J6，以及任何其它所需的接頭，以便在零空間內(nèi)移動(dòng)操縱器臂。圖8所示的操縱器臂的接頭J6可以可選地被用作將器械夾持器510耦接至操縱器臂508的遠(yuǎn)側(cè)連桿的接頭。接頭J6允許器械夾持器510繞接頭J6的軸線(xiàn)扭轉(zhuǎn)或回轉(zhuǎn)，通常該軸線(xiàn)穿過(guò)遠(yuǎn)程中心或插入點(diǎn)。理想地，接頭軸線(xiàn)位于臂上遠(yuǎn)側(cè)并因此尤為適于移動(dòng)插入軸線(xiàn)的取向。該冗余軸線(xiàn)的添加允許操縱器針對(duì)任意單個(gè)器械尖端方位呈現(xiàn)多個(gè)方位，從而允許器械尖端遵從外科手術(shù)醫(yī)生命令且同時(shí)避免與患者解剖結(jié)構(gòu)碰撞。圖9示出接頭J6的軸線(xiàn)、Jl的軸線(xiàn)以及延伸通過(guò)插管511的工具尖端的插入軸線(xiàn)之間的關(guān)系。圖10A-10C示出當(dāng)接頭J6從一側(cè)向另一側(cè)轉(zhuǎn)移工具尖端的插入軸線(xiàn)時(shí)插管511繞接頭軸線(xiàn)的相繼扭轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)移動(dòng)。
[0064]圖11Α-11Β示出根據(jù)本發(fā)明的接頭J6的使用的一種示例。圖1lA示出操縱器臂，同時(shí)接頭J6的角移位保持在0°，在該處，回避幾何結(jié)構(gòu)700的基準(zhǔn)點(diǎn)702和障礙物表面800之間的最短距離是距離d。響應(yīng)于距離d小于期望距離的確定，系統(tǒng)計(jì)算零空間內(nèi)的回避移動(dòng)并且驅(qū)動(dòng)接頭J6，以便繞穿過(guò)插管511樞轉(zhuǎn)所圍繞的遠(yuǎn)程中心RC的接頭軸線(xiàn)扭轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)插管511和連桿510。圖1lB示出具有接頭J6的操縱器臂，其中接頭J6繞其軸線(xiàn)被驅(qū)動(dòng)至90°的角移位。如圖所示，插管511的運(yùn)動(dòng)增加了回避幾何結(jié)構(gòu)的最近點(diǎn)702和障礙物表面800之間的距離d。因此，本發(fā)明通過(guò)計(jì)算回避移動(dòng)，以包括遠(yuǎn)側(cè)接頭(諸如接頭J6)的驅(qū)動(dòng)，能夠禁止臂與患者碰撞。
[0065]在示例性實(shí)施例中，通過(guò)由控制器使用該系統(tǒng)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)接頭來(lái)控制操縱器的接頭移動(dòng)，其中根據(jù)由控制器的處理器計(jì)算出的協(xié)調(diào)和接頭移動(dòng)驅(qū)動(dòng)所述接頭。數(shù)學(xué)上，控制器可以使用向量和/或矩陣執(zhí)行接頭命令的至少一些計(jì)算，其中向量和/或矩陣中的一些可以具有對(duì)應(yīng)于接頭配置或速度的元素。處理器可以獲得的替代性接頭配置范圍可以被概念化為接頭空間。例如，該接頭空間可以具有與操縱器所具有的自由度一樣多的維度，并且操縱器的特定配置可以表示在接頭空間中的特定點(diǎn)，其中每個(gè)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于操縱器的相關(guān)聯(lián)接頭的接頭狀態(tài)。
[0066]在示例性實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括控制器，其中笛卡爾空間的被命令方位和速度是輸入。雖然大體上不存在將期望的笛卡爾空間方位映射到等價(jià)的接頭空間方位的封閉形式關(guān)系，但是在笛卡爾空間和接頭空間速度之間大體上存在封閉形式關(guān)系，使得運(yùn)動(dòng)雅可比行列式能夠被用于將接頭空間速度映射到笛卡爾空間速度。因此，即使當(dāng)輸入方位和輸出方位之間不存在封閉形式的映射時(shí)，也能夠在諸如基于雅可比行列式的控制器內(nèi)迭代地使用接頭的速度的映射，以根據(jù)被命令的用戶(hù)輸入實(shí)現(xiàn)操縱器的移動(dòng)，不過(guò)也能夠使用各種實(shí)施方式。
[0067]在示例性實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括控制器，其中工作空間(這里指示為笛卡爾空間)中的特征的命令方位和速度是輸入。該特征可以是操縱器上的或脫離操縱器的任何特征，該操縱器能夠被用作使用控制輸入進(jìn)行鉸接的控制框架。用于本文所述的許多實(shí)施例中的操縱器上的特征示例將是工具尖端。操縱器上的特征的另一個(gè)示例將是物理特征，該特征不在工具尖端上，而是操縱器的一部分諸如銷(xiāo)或著色圖案。脫離操縱器的特征示例將是在空的空間中的基準(zhǔn)點(diǎn)，該點(diǎn)恰好遠(yuǎn)離工具尖端一定距離和角度。脫離操縱器的特征的另一個(gè)示例將是目標(biāo)組織，該組織相對(duì)于操縱器的方位能夠被建立。在所有這些情況中，末端執(zhí)行器與使用控制輸入被鉸接的假想控制框架相關(guān)聯(lián)。然而，在下文中，使用的“末端執(zhí)行器”和“工具尖端”為同義詞。雖然大體上，不存在將期望的笛卡爾空間末端執(zhí)行器方位映射到等價(jià)的接頭空間方位的封閉形式關(guān)系，但是在笛卡爾空間末端執(zhí)行器和接頭空間速度之間大體存在封閉形式的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)雅可比行列式是末端執(zhí)行器的笛卡爾空間方位元素相對(duì)于接頭空間方位元素的偏導(dǎo)矩陣。以這種方式，運(yùn)動(dòng)雅可比行列式捕捉末端執(zhí)行器和接頭之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。換句話(huà)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)雅可比行列式捕捉接頭運(yùn)動(dòng)對(duì)末端執(zhí)行器的影響。運(yùn)動(dòng)雅可比行列式(了)能夠用于使用下面的關(guān)系式將接頭空間速度(如/也)映射到笛卡爾空間末端執(zhí)行器速度(辦/也):
[0068]辦/也=了 (1^/(11:
[0069]因此，即使在輸入方位和輸出方位之間不存在封閉形式的映射時(shí)，也能夠在諸如基于雅可比行列式的控制器中迭代地使用速度的映射，從而根據(jù)命令的用戶(hù)輸入實(shí)現(xiàn)操縱器的移動(dòng)，不過(guò)還能夠使用各種實(shí)施方式。盡管許多實(shí)施例包括基于雅可比行列式的控制器，但是一些實(shí)施方式可以使用可以被配置成訪(fǎng)問(wèn)雅可比行列式以提供本文所述的任何特征的各種控制器。
[0070]下面以簡(jiǎn)化的術(shù)語(yǔ)描述一個(gè)此種實(shí)施方式。命令的接頭方位被用于計(jì)算雅可比行列式(了)。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)(八0期間，計(jì)算笛卡爾空間速度(辦/也)以執(zhí)行期望的移動(dòng)(辦^/也)并且校正期望的笛卡爾空間方位的累積偏差(八3。然后，使用偽逆的雅可比行列式(了#)將該笛卡爾空間速度轉(zhuǎn)換成接頭空間速度(如/也)。然后，將所得的接頭空間的命令速度進(jìn)行積分，以產(chǎn)生接頭空間的命令方位((1)。這些關(guān)系列出如下:
[0071]辦/也=垃八 X(1)
[0072](1^/(11: = (11:(2)
[0073]屮=八1:(3)
[0074]雅可比行列式(了)的偽逆直接將期望的工具尖端運(yùn)動(dòng)(以及在某些情況下，樞轉(zhuǎn)工具運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)程中心)映射到接頭速度空間內(nèi)。如果正在使用的操縱器具有比工具尖端自由度(至多六個(gè))更多的有用的接頭軸線(xiàn)，(并且當(dāng)工具運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)程中心在使用時(shí)，操縱器應(yīng)該具有額外的3個(gè)接頭軸線(xiàn)，以用于與遠(yuǎn)程中心的位置相關(guān)聯(lián)的3個(gè)自由度)，則該操作器被稱(chēng)為是冗余的。冗余的操縱器的雅可比行列式包括具有至少一個(gè)維度的“零空間(nulΙ-space)”。在該背景下，雅可比行列式的“零空間”(N(J))是瞬間實(shí)現(xiàn)無(wú)工具尖端運(yùn)動(dòng)(并且當(dāng)使用遠(yuǎn)程中心時(shí)，無(wú)樞轉(zhuǎn)點(diǎn)位置的移動(dòng))的接頭速度空間；并且“零運(yùn)動(dòng)”是接頭方位的組合、軌跡或路徑，該“零運(yùn)動(dòng)”也產(chǎn)生了工具尖端和/或遠(yuǎn)程中心的位置的非瞬間移動(dòng)。將計(jì)算的零空間速度并入或注入操縱器的控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)操縱器的期望的重新配置(包括本文所述的任何重新配置)，將上述等式(2)改變?nèi)缦?
[0075]dq/dt = dqperp/dt+dqnull/dt(4)
[0076]dqperp/dt = J#dx/dt(5)
[0077]dqnull/dt = (l_J#J)z = VnVn1Z = Vn a(6)
[0078]根據(jù)等式(4)的接頭速度具有兩個(gè)分量:第一個(gè)是零垂直空間分量，“最單一的”接頭速度(最短向量長(zhǎng)度)，其產(chǎn)生期望的工具尖端運(yùn)動(dòng)(并且當(dāng)使用遠(yuǎn)程中心時(shí)，期望的遠(yuǎn)程中心運(yùn)動(dòng))；并且第二個(gè)是零空間分量。等式(2)和(5)顯示在沒(méi)有零空間分量的情況下，實(shí)現(xiàn)相同的等式。等式(6)在左側(cè)上針對(duì)零空間分量以傳統(tǒng)形式開(kāi)始，并且在遠(yuǎn)右側(cè)上顯示在示例性系統(tǒng)中使用的形式，其中(Vn)是零空間的正交基向量集，并且(a)是混合那些基向量的系數(shù)。在一些實(shí)施例中，a是由控制參數(shù)、變量或設(shè)置確定的，諸如通過(guò)使用旋鈕或其它控制器件，以便根據(jù)需要在零空間內(nèi)調(diào)整或控制運(yùn)動(dòng)。
[0079]圖12A圖形化地示出在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(guān)系。圖12A示出二維示意圖，該圖示出沿水平軸線(xiàn)的零空間以及沿豎直軸線(xiàn)的零垂直空間，這兩個(gè)軸線(xiàn)彼此正交。該對(duì)角線(xiàn)向量表示零空間中的速度向量和零垂直空間中的速度向量之和，其表示上述等式(4)。
[0080]圖12B圖形化地示出在四維接頭空間內(nèi)的零空間和零運(yùn)動(dòng)流形(null-mot1nmanifold)之間的關(guān)系,示出為“零運(yùn)動(dòng)流形”。每個(gè)箭頭(ql、q2、q3和q4)表示主要接頭軸線(xiàn)。封閉曲線(xiàn)表示零運(yùn)動(dòng)流形，該零運(yùn)動(dòng)流形是瞬間實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器方位的一組接頭-空間方位。對(duì)于曲線(xiàn)上的給定點(diǎn)A，由于零空間是瞬間產(chǎn)生末端執(zhí)行器的無(wú)移動(dòng)的接頭速度的空間，所以零空間在點(diǎn)A處平行于零運(yùn)動(dòng)流形的切線(xiàn)。在示例性實(shí)施例中，計(jì)算回避移動(dòng)包括生成零空間系數(shù)(α )，該系數(shù)增加了回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的距離，從而增加了操縱器臂到患者的距離。
[0081]在一種方法中，這通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)，即在接頭空間內(nèi)生成勢(shì)場(chǎng)，使得高勢(shì)能表示操縱器臂和患者外表面之間的較短的距離，低勢(shì)能表示較大的距離。然后，零空間系數(shù)U )被選擇成優(yōu)選地最大可能程度地使勢(shì)場(chǎng)的負(fù)梯度下降。在第二種方法中，該系統(tǒng)確定零空間基向量并且將零空間基向量映射到工作空間內(nèi)回避幾何結(jié)構(gòu)的所得運(yùn)動(dòng)，然后針對(duì)每個(gè)基向量選擇零空間系數(shù)，增加回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的距離，從而增加整個(gè)的操縱器臂與患者的距離。
[0082]圖13-14示出根據(jù)本發(fā)明的許多實(shí)施例的重新配置機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的操縱器組件以回避臂與患者碰撞的方法。圖13示出需要實(shí)現(xiàn)與以上討論的等式有關(guān)的以控制患者側(cè)推車(chē)接頭狀態(tài)的通用算法所需的方框的簡(jiǎn)圖。根據(jù)圖13的方法，該系統(tǒng):計(jì)算操縱器臂的正向運(yùn)動(dòng)；然后，使用等式(I)計(jì)算dx/dt，使用等式(5)計(jì)算dqpeip/dt ;再然后基于前段中的描述以及使用等式(6)計(jì)算dqnull/dt。根據(jù)計(jì)算的dqpeip/dt和dqnull/dt,該系統(tǒng)分別使用等式(4)和(3)計(jì)算dq/dt和q，從而提供移動(dòng)，其中通過(guò)該移動(dòng)，控制器能夠?qū)崿F(xiàn)操縱器的期望的重新配置，且同時(shí)維持末端執(zhí)行器的期望的狀態(tài)和/或遠(yuǎn)程中心的位置。
[0083]圖14示出系統(tǒng)的示例性實(shí)施例的方框圖。響應(yīng)于用戶(hù)輸入的操縱命令以實(shí)現(xiàn)期望的尖端狀態(tài)，該系統(tǒng)使用可以使用接頭狀態(tài)傳感器被確定的當(dāng)前接頭方位來(lái)計(jì)算合適的雅可比行列式，并因此計(jì)算dqp?p/dt以實(shí)現(xiàn)期望的尖端狀態(tài)。當(dāng)前接頭方位還能夠被用于確定操縱器臂的回避幾何結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)于患者外表面的障礙物表面之間的距離D。響應(yīng)于操縱器臂的回避幾何結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)于患者外表面的障礙物表面之間的距離D小于臨界距離(Dmin)的確定，系統(tǒng)確定增加D的接頭速度dqnull/dt,然后該接頭速度能夠與dqpOTp/dt結(jié)合以獲得dq/dt，據(jù)此，(一個(gè)或多個(gè))接頭被驅(qū)動(dòng)成實(shí)現(xiàn)期望的尖端狀態(tài)且同時(shí)回避臂與患者碰撞。
[0084]雖然為了清楚地理解，已詳細(xì)地并且通過(guò)示例的方式描述了示例性實(shí)施例，但各種修改、改進(jìn)和變化對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯然的。因此，本發(fā)明的范圍由隨附的權(quán)利要求唯一地限制。
【權(quán)利要求】
1.一種機(jī)器人方法,其包括: 提供包括可移動(dòng)遠(yuǎn)側(cè)部分、耦接至基底的近側(cè)部分以及在所述遠(yuǎn)側(cè)部分和所述基底之間的多個(gè)接頭的操縱器臂，所述多個(gè)接頭具有足夠的自由度以允許針對(duì)遠(yuǎn)側(cè)部分狀態(tài)具有一系列的不同接頭狀態(tài)； 響應(yīng)于從用戶(hù)輸入端接收的操縱命令，計(jì)算所述接頭的遠(yuǎn)側(cè)部分移位移動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)在外科手術(shù)工作部位內(nèi)的期望的遠(yuǎn)側(cè)部分移動(dòng)； 通過(guò)計(jì)算雅可比行列式的零垂直空間內(nèi)的接頭移動(dòng)來(lái)根據(jù)所述操縱命令驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)接頭，所述零垂直空間正交于所述雅可比行列式的零空間； 計(jì)算在所述零空間內(nèi)的所述多個(gè)接頭的回避移動(dòng)，以便在所述操縱器臂和患者組織表面之間提供期望的間隙；以及 根據(jù)所述計(jì)算的回避移動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)接頭，以便提供足夠的間隙并且維持所述遠(yuǎn)側(cè)部分的期望的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人方法，其中響應(yīng)于在所述操縱器臂和所述患者組織表面之間具有不足夠的間隙的確定，根據(jù)所述計(jì)算的回避移動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)接頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人方法，其中使用所述計(jì)算的回避移動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)接頭，且同時(shí)根據(jù)所述遠(yuǎn)側(cè)部分移位移動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)接頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人方法，其中所述遠(yuǎn)側(cè)部分包括或者經(jīng)配置可釋放地支撐外科手術(shù)器械，所述外科手術(shù)器械具有向遠(yuǎn)側(cè)延伸到外科手術(shù)末端執(zhí)行器的細(xì)長(zhǎng)軸，其中所述期望的遠(yuǎn)側(cè)部分移位移動(dòng)將實(shí)現(xiàn)期望的末端執(zhí)行器狀態(tài)，并且其中計(jì)算所述多個(gè)接頭的所述回避移動(dòng)，以便在驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)接頭期間維持所述期望的末端執(zhí)行器狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人方法，其中所述操縱器臂被配置成支撐具有軸的工具，其中所述軸具有沿所述工具的插入軸線(xiàn)延伸至遠(yuǎn)端執(zhí)行器的中間部分，其中所述多個(gè)接頭中的至少一些接頭機(jī)械地約束所述遠(yuǎn)側(cè)部分相對(duì)于所述基底的移動(dòng)，使得所述操縱器臂的所述遠(yuǎn)側(cè)部分繞遠(yuǎn)程樞軸中心樞轉(zhuǎn)，從而有助于所述末端執(zhí)行器在所述外科手術(shù)工作部位內(nèi)的移動(dòng)，其中通過(guò)將所述軸插入通過(guò)插入開(kāi)口而進(jìn)入所述工作部位，并且其中所述組織表面包括所述開(kāi)口外側(cè)的皮膚表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人方法，還包含: 確定對(duì)應(yīng)于所述操縱器臂的近側(cè)部分的可移動(dòng)方位的回避幾何結(jié)構(gòu)，以及確定對(duì)應(yīng)于所述患者組織表面的方位的障礙物表面，其中計(jì)算所述回避移動(dòng)，以便維持所述回避幾何結(jié)構(gòu)和所述障礙物表面之間的期望的關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中響應(yīng)于確定所述回避幾何結(jié)構(gòu)距離所述障礙物表面小于期望的最小距離，根據(jù)所述計(jì)算的回避移動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)接頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中使用所述操縱器的所述接頭的一個(gè)或更多個(gè)傳感器確定所述障礙物表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中使用一個(gè)或更多個(gè)操縱器臂的遠(yuǎn)程中心的測(cè)量方位來(lái)確定所述障礙物表面，所述遠(yuǎn)程中心是一個(gè)點(diǎn)，且相應(yīng)的操縱器臂的所述遠(yuǎn)側(cè)部分鄰近微創(chuàng)切孔圍繞該點(diǎn)樞轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的機(jī)器人方法，其中通過(guò)近似所述障礙物表面以便與所述一個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)程中心方位相交從而確定所述障礙物表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的機(jī)器人方法，其中通過(guò)使多個(gè)測(cè)量的遠(yuǎn)程中心方位擬合成預(yù)先確定的形狀而對(duì)所述障礙物表面建模，從而確定所述障礙物表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中通過(guò)使用從任何機(jī)械傳感器、光學(xué)傳感器、超聲傳感器、電容傳感器、感應(yīng)傳感器、電阻傳感器或接頭傳感器接收的感測(cè)的方位信息來(lái)確定所述障礙物表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中通過(guò)使用從被安裝在所述操縱器臂的從動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置上的近程傳感器接收的感測(cè)的方位信息來(lái)確定所述障礙物表面，其中所述從動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置具有與所述障礙物表面重疊的運(yùn)動(dòng)范圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中計(jì)算所述回避移動(dòng)包括確定所述回避幾何結(jié)構(gòu)和所述障礙物表面之間的距離。
15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中計(jì)算回避移動(dòng)包括: 確定所述回避幾何結(jié)構(gòu)和所述障礙物表面之間的最近點(diǎn)； 計(jì)算在所述操縱器臂的工作空間內(nèi)的所述最近點(diǎn)之間的回避向量； 將所計(jì)算的回避向量轉(zhuǎn)換至所述接頭速度空間；并且 將轉(zhuǎn)換至所述接頭速度空間的所述計(jì)算的回避向量投影到所述零空間上，以獲得所述回避移動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中計(jì)算回避移動(dòng)包括: 計(jì)算所述回避幾何結(jié)構(gòu)和所述障礙物表面之間的最近點(diǎn)，從而確定所述操縱器臂上的一個(gè)或更多個(gè)回避點(diǎn)； 確定在所述操縱器臂的工作空間內(nèi)的所述最近點(diǎn)之間的回避向量； 將所述操縱器臂的原始零空間基向量轉(zhuǎn)換成所述操縱器臂上的所述一個(gè)或更多個(gè)回避點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)；以及 將所轉(zhuǎn)換的零空間基向量與所述工作空間內(nèi)的所述回避向量組合成所述原始零空間基向量的系數(shù)，以獲得所述回避移動(dòng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中通過(guò)計(jì)算第一回避幾何結(jié)構(gòu)和第二障礙物表面之間的距離，確定所述距離。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的機(jī)器人方法，其中所述回避幾何結(jié)構(gòu)是所述操縱器上的點(diǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的機(jī)器人方法，其中所述回避幾何結(jié)構(gòu)包括平面、球形或其他幾何形狀。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的機(jī)器人方法，其中所述障礙物表面包括平面、球形或其他幾何形狀。
21.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中通過(guò)計(jì)算延伸通過(guò)所述回避幾何結(jié)構(gòu)的第一水平面和延伸通過(guò)所述障礙物的第二水平面之間的距離，確定所述距離。
22.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中所述回避幾何結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于所述末端執(zhí)行器近側(cè)的所述操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)特征，使得所述回避移動(dòng)有助于防止所述一個(gè)或更多個(gè)特征接觸所述患者組織表面。
23.根據(jù)權(quán)利要求6所述機(jī)器人方法，所述方法還包含: 計(jì)算所述多個(gè)接頭的接頭空間內(nèi)的勢(shì)場(chǎng)，其中較低勢(shì)能對(duì)應(yīng)于所述回避幾何結(jié)構(gòu)和所述障礙物表面之間的較大距離，而較高勢(shì)能對(duì)應(yīng)于所述回避幾何結(jié)構(gòu)和所述障礙物表面之間的較小距離，以及 其中所述回避移動(dòng)被計(jì)算成維持或減小所述計(jì)算的勢(shì)場(chǎng)的值。
24.根據(jù)權(quán)利要求14所述的機(jī)器人方法，其中向量沿所述遠(yuǎn)側(cè)部分從所述外科手術(shù)工作部位延伸至所述回避幾何結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)測(cè)量基本正交于最接近所述回避幾何結(jié)構(gòu)的所述障礙物表面的向量的分量，確定所述距離。
25.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中計(jì)算所述多個(gè)接頭的所述遠(yuǎn)側(cè)部分移位移動(dòng)，使得所述多個(gè)接頭中的第一接頭不被驅(qū)動(dòng)至實(shí)現(xiàn)期望的遠(yuǎn)側(cè)部分移位移動(dòng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中所述接頭的所述遠(yuǎn)側(cè)部分移位移動(dòng)被計(jì)算成使得所述多個(gè)接頭中的第一接頭不被驅(qū)動(dòng)。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的機(jī)器人方法，其中所述接頭的所述回避移動(dòng)被計(jì)算成至少驅(qū)動(dòng)所述第一接頭以實(shí)現(xiàn)所述操縱器臂的所述回避移動(dòng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的機(jī)器人方法，其中在所述回避移動(dòng)期間驅(qū)動(dòng)所述第一接頭包括提供所述第一接頭的基本恒定的接頭鉸接速度，并且其中所述回避移動(dòng)被計(jì)算成在所述回避命令的時(shí)段期間提供所述基本恒定的速度。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人方法，其中所述遠(yuǎn)側(cè)部分的所述期望的狀態(tài)包括相對(duì)于所述基底的遠(yuǎn)側(cè)部分方位、取向和/或速度。
30.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中所述多個(gè)接頭中的至少一些包括被布置在所述近側(cè)部分的遠(yuǎn)側(cè)和所述遠(yuǎn)側(cè)部分的近側(cè)的遠(yuǎn)程球形中心接頭，其中機(jī)械地約束所述遠(yuǎn)程球形中心接頭，使得所述遠(yuǎn)程球形中心接頭的鉸接繞第一、第二和第三遠(yuǎn)程中心軸線(xiàn)樞轉(zhuǎn)所述操縱器臂的所述遠(yuǎn)側(cè)部分，所述第一、第二和第三遠(yuǎn)程中心軸線(xiàn)在所述遠(yuǎn)程中心處相交。
31.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中所述第一接頭將所述近側(cè)部分耦接至所述基底，并且中間連桿使用第二接頭被布置在所述遠(yuǎn)側(cè)部分的近側(cè)并且與所述遠(yuǎn)側(cè)部分鄰近并且所述第二接頭處于所述中間連桿和所述遠(yuǎn)側(cè)部分之間，所述第二接頭包括回轉(zhuǎn)接頭，所述回轉(zhuǎn)接頭機(jī)械地約束所述遠(yuǎn)側(cè)部分相對(duì)于所述中間連桿的移動(dòng)以便繞第二接頭軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，所述第二接頭軸線(xiàn)從所述第二接頭朝向所述中間部分軸線(xiàn)向遠(yuǎn)側(cè)延伸，以便在所述遠(yuǎn)程中心處與所述插入軸線(xiàn)相交。
32.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人方法，其中所述操縱器臂包括由所述遠(yuǎn)側(cè)部分支撐的遠(yuǎn)端執(zhí)行器以及在所述近側(cè)部分和所述遠(yuǎn)端執(zhí)行器之間延伸的一系列以運(yùn)動(dòng)學(xué)方式接合的連桿，其中所述近側(cè)部分通過(guò)第一接頭耦接至所述基底，使得在所述連桿的所述回避移動(dòng)期間所述操縱器臂的所述近側(cè)部分相對(duì)于所述基底移動(dòng)，并且其中所述第一接頭包括回轉(zhuǎn)接頭，該回轉(zhuǎn)接頭支撐所述操縱器臂的所述連桿，使得所述回轉(zhuǎn)接頭的接頭移動(dòng)繞所述回轉(zhuǎn)接頭的樞轉(zhuǎn)軸線(xiàn)樞轉(zhuǎn)所述操縱器臂的所述連桿，其中所述樞轉(zhuǎn)軸線(xiàn)從所述回轉(zhuǎn)接頭延伸并且通過(guò)所述遠(yuǎn)程中心。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的機(jī)器人方法，還包括使用平行四邊形聯(lián)動(dòng)裝置系統(tǒng)來(lái)約束所述遠(yuǎn)程中心接頭的移動(dòng)，該平行四邊形聯(lián)動(dòng)裝置系統(tǒng)包括: 平行四邊形聯(lián)動(dòng)裝置基底，其耦接到所述基底以用于繞相交于所述遠(yuǎn)程中心的第一遠(yuǎn)程中心軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)； 第一連桿，其具有第一連桿近端和第一連桿遠(yuǎn)端，所述第一連桿近端在基底接頭處耦接到所述平行四邊形聯(lián)動(dòng)裝置基底，所述第一連桿遠(yuǎn)端經(jīng)配置支撐所述工具； 第二連桿，其具有第二連桿近端和第二連桿遠(yuǎn)端，所述第二連桿近端耦接到第一連桿遠(yuǎn)端，所述第二連桿遠(yuǎn)端經(jīng)配置支撐所述工具，使得所述工具的插入軸線(xiàn)被約束成繞相交于所述遠(yuǎn)程中心的第二遠(yuǎn)程中心軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的機(jī)器人方法，其中所述遠(yuǎn)程中心接頭將所述插入軸線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)約束為繞第一和第二遠(yuǎn)程中心軸線(xiàn)的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中所述第一和第二遠(yuǎn)程中心軸線(xiàn)延伸通過(guò)所述遠(yuǎn)程中心，并且其中所述第一接頭被配置成將所述插入軸線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)約束為繞第三遠(yuǎn)程中心軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，其中所述第三遠(yuǎn)程中心軸線(xiàn)延伸通過(guò)所述遠(yuǎn)程中心。
35.一種機(jī)器人系統(tǒng),其包括: 操縱器臂，其被配置成相對(duì)于近側(cè)基底以機(jī)器人式地移動(dòng)遠(yuǎn)側(cè)部分，所述操縱器臂具有在所述遠(yuǎn)側(cè)部分和耦接至所述基底的近側(cè)部分之間的多個(gè)接頭，所述多個(gè)接頭提供足夠的自由度以允許針對(duì)遠(yuǎn)側(cè)部分方位具有一系列的接頭狀態(tài)； 輸入裝置，其用于接收操縱命令，從而以所期望的遠(yuǎn)側(cè)部分移動(dòng)來(lái)移動(dòng)所述遠(yuǎn)側(cè)部分； 處理器，其被耦接至所述操縱器臂，所述處理器被配置成用于: 響應(yīng)所述操縱命令，計(jì)算所述多個(gè)接頭的遠(yuǎn)側(cè)部分移位移動(dòng)，其 中計(jì)算所述接頭的所述遠(yuǎn)側(cè)部分移位移動(dòng)包括，計(jì)算在雅可比行列式 的零垂直空間內(nèi)的接頭移動(dòng)，所述零垂直空間正交于所述雅可比行列 式的零空間，以及 計(jì)算在所述零空間內(nèi)的所述多個(gè)接頭的回避移動(dòng)，以便在外科手 術(shù)期間在所述操縱器臂的一部分和患者組織表面之間提供期望的間 隙； 所述操縱器臂被配置成響應(yīng)于所計(jì)算的移動(dòng)而被驅(qū)動(dòng)。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述處理器還被配置成計(jì)算所述操縱器臂的回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的距離，所述障礙物表面對(duì)應(yīng)于所述患者組織表面，并且所述回避幾何結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于所述操縱器的一部分，其中對(duì)于該部分，期望距離所述患者組織表面具有間隙。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述處理器還被配置成響應(yīng)于所述處理器確定在所述回避幾何結(jié)構(gòu)和障礙物表面之間的所述距離小于期望的距離，根據(jù)所述計(jì)算的回避移動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述多個(gè)接頭。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的機(jī)器人方法，其中所述遠(yuǎn)側(cè)部分包括或被配置成可釋放地支撐具有向遠(yuǎn)側(cè)延伸到外科手術(shù)末端執(zhí)行器的細(xì)長(zhǎng)軸的外科手術(shù)器械，其中所述期望的遠(yuǎn)側(cè)部分移位移動(dòng)將實(shí)現(xiàn)期望的末端執(zhí)行器狀態(tài)，并且其中計(jì)算所述多個(gè)接頭的所述回避移動(dòng)，以便在所述接頭的驅(qū)動(dòng)期間維持期望的末端執(zhí)行器狀態(tài)。
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的機(jī)器人方法，其中所述操縱器臂被配置成支撐具有軸的工具，其中所述軸具有沿所述工具的插入軸線(xiàn)延伸至遠(yuǎn)端執(zhí)行器的中間部分，其中所述多個(gè)接頭中的至少一些接頭機(jī)械地約束所述遠(yuǎn)側(cè)部分相對(duì)于所述基底的移動(dòng)，使得所述操縱器臂的所述遠(yuǎn)側(cè)部分繞鄰近所述插入軸線(xiàn)被布置的遠(yuǎn)程中心樞轉(zhuǎn)，從而促進(jìn)在所述外科手術(shù)工作部位內(nèi)的所述末端執(zhí)行器的移動(dòng)，其中通過(guò)插入開(kāi)口進(jìn)入所述工作部位。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述處理器還被配置成通過(guò)近似或建模與所述遠(yuǎn)程中心相交的表面來(lái)確定所述障礙物表面。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括一個(gè)或更多個(gè)額外的操縱器臂，每個(gè)操縱器臂均具有遠(yuǎn)程中心，并且其中所述處理器被配置成通過(guò)近似或建模所述表面以便與所述遠(yuǎn)程中心方位中的每個(gè)相交來(lái)確定所述障礙物表面。
42.根據(jù)權(quán)利要求35所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置成計(jì)算末端執(zhí)行器移位移動(dòng)以便不驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)接頭，并且計(jì)算所述回避移動(dòng)以便包括所述一個(gè)或更多個(gè)接頭的驅(qū)動(dòng)。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或更多個(gè)接頭包括第一接頭，該第一接頭繞所述第一接頭的軸線(xiàn)樞轉(zhuǎn)所述插入軸線(xiàn)，所述軸線(xiàn)延伸通過(guò)所述遠(yuǎn)程中心。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的機(jī)器人方法，其中中間連桿使用第一接頭被設(shè)置在所述遠(yuǎn)側(cè)部分的近側(cè)并且與所述遠(yuǎn)側(cè)部分鄰近且所述第一接頭處于所述中間連桿和所述遠(yuǎn)側(cè)部分之間，所述第一接頭包括回轉(zhuǎn)接頭，所述回轉(zhuǎn)接頭機(jī)械地約束所述遠(yuǎn)側(cè)部分相對(duì)于所述中間連桿的移動(dòng)以便繞第一接頭軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，所述第一接頭軸線(xiàn)從所述第二接頭朝向所述中間部分軸線(xiàn)向遠(yuǎn)側(cè)延伸，以便通過(guò)所述遠(yuǎn)程中心相交于所述插入軸線(xiàn)。
45.—種機(jī)器人系統(tǒng),其包括: 以機(jī)器人式地移動(dòng)末端執(zhí)行器的操縱器臂，所述操縱器臂包括多個(gè)運(yùn)動(dòng)地接合的連桿，所述連桿具有足夠的自由度以允許針對(duì)所述末端執(zhí)行器的給定狀態(tài)具有在雅可比行列式的零空間內(nèi)的一系列運(yùn)動(dòng)； 輸入端，其用于接收操縱命令，從而以期望的末端執(zhí)行器移動(dòng)來(lái)移動(dòng)所述末端執(zhí)行器，所述輸入端被設(shè)置在用戶(hù)界面上； 處理器，其將所述重新配置輸入端耦接至所述操縱器臂，所述處理器被配置成用于: 計(jì)算所述多個(gè)連桿的回避移動(dòng)，從而在所述操縱器臂和患者組織 表面之間提供足夠的間隙，使得所述至少一個(gè)連桿的回避移動(dòng)以及所 述連桿的所計(jì)算的移動(dòng)在所述零空間內(nèi)延伸， 響應(yīng)于所述操縱命令計(jì)算所述連桿的末端執(zhí)行器移位移動(dòng)，其中 計(jì)算所述連桿的末端執(zhí)行器移位移動(dòng)包括計(jì)算雅可比行列式的零垂 直空間內(nèi)的接頭移動(dòng)，所述零垂直空間正交于所述零空間， 根據(jù)所述連桿的所述計(jì)算的末端執(zhí)行器移位移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)地耦 接所述連桿的一個(gè)或更多個(gè)接頭，以便實(shí)現(xiàn)所述期望的末端執(zhí)行器移 動(dòng)，以及 根據(jù)所述計(jì)算的回避移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)地接合所述多個(gè)連桿的一個(gè) 或更多個(gè)接頭，以便維持所述末端執(zhí)行器的期望的狀態(tài)。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述處理器還被配置成響應(yīng)于所述處理器確定在所述操縱器臂和所述患者組織表面之間的間隙不足，根據(jù)所述回避移動(dòng)驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或更多個(gè)接頭，以及當(dāng)計(jì)算所述末端執(zhí)行器移位移動(dòng)時(shí)避免驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或更多個(gè)接頭。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置成通過(guò)計(jì)算對(duì)應(yīng)于所述操縱器臂的方位的回避幾何結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)于所述患者組織表面的障礙物表面之間的距離，來(lái)確定所述操縱器臂和所述患者組織表面之間的間隙。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其中所述處理器被配置成: 使用所述操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)接頭傳感器確定所述回避幾何結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)使用所述操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)接頭傳感器來(lái)計(jì)算末端執(zhí)行器或遠(yuǎn)程中心的方位并計(jì)算包括所述末端執(zhí)行器或遠(yuǎn)程中心的所述方位的表面，從而確定所述障礙物表面，其中支撐所述末端執(zhí)行器的工具繞所述遠(yuǎn)程中心樞轉(zhuǎn)。
【文檔編號(hào)】B25J9/06GK104334110SQ201380027983
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2013年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月1日
【發(fā)明者】A·M·烏爾塔斯, P·海英維, B·M·斯凱納, R·L·迪萬(wàn)根佐 申請(qǐng)人:直觀(guān)外科手術(shù)操作公司