本專利申請(qǐng)要求2014年9月17日提交的題為“SYSTEMS AND METHODS FOR UTILIZING AUGMENTED JACOBIAN TO CONTROL MANIPULATOR JOINT MOVEMENT(用于利用增廣的雅可比矩陣控制操縱器接頭移動(dòng)的系統(tǒng)和方法)”的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)62/051,696的優(yōu)先權(quán)和申請(qǐng)日的利益，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。

相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考

本申請(qǐng)總體涉及以下共同擁有申請(qǐng)：美國申請(qǐng)?zhí)?2/494,695，其提交于2009年6月30日，標(biāo)題為“Control of Medical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities(關(guān)于運(yùn)動(dòng)奇點(diǎn)的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)操縱器的控制)”；美國申請(qǐng)?zhí)?2/406,004，其提交于2009年3月17日，標(biāo)題為“Master Controller Having Redundant Degrees of Freedom and Added Forces to Create Internal Motion(具有冗余自由度和添加力以創(chuàng)建內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的主控制器)”；美國申請(qǐng)?zhí)?1/133,423，其提交于2005年5月19日(美國專利號(hào)8,004,229)，標(biāo)題為“Software Center and Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses(用于外科手術(shù)及其它應(yīng)用的軟件中心和高度可配置的機(jī)器人系統(tǒng))”；美國申請(qǐng)?zhí)?0/957,077，其提交于2004年9月30日(美國專利號(hào)7,594,912)，標(biāo)題為“Offset Remote Center Manipulator For Robotic Surgery(用于機(jī)器人外科手術(shù)的偏移遙控中心的操縱器)”；以及美國申請(qǐng)?zhí)?9/398,507，其提交于1999年9月17日(美國專利號(hào)6,714,839)，標(biāo)題為“Master Having Redundant Degrees of Freedom(具有冗余自由度的主設(shè)備)”；美國申請(qǐng)?zhí)?3/967,606，其標(biāo)題為“Systems and Methods for Cancellation of Joint Motion Using the Null-Space(利用零空間取消關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)和方法)”，提交于2013年8月15日(代理人案號(hào)ISRG03750)；美國申請(qǐng)?zhí)?3/906,713，其標(biāo)題為“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space(使用零空間回避操縱器臂與患者碰撞)”，提交于2013年5月31日(代理人案號(hào)ISRG030760)；美國申請(qǐng)?zhí)?3/906,767，其標(biāo)題為“Systems and Methods for Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null-Space(使用零空間的外科手術(shù)操縱器的命令的重配置的系統(tǒng)和方法)”，提交于2013年5月31日(代理人案號(hào)ISRG03770)；美國申請(qǐng)?zhí)?3/906,819，其標(biāo)題為“Systems and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space(用于使用零空間避免操縱器臂之間碰撞的系統(tǒng)和方法)”，提交于2013年5月31日(代理人案號(hào)ISRG03810)；以及美國申請(qǐng)?zhí)?4/218,788，其標(biāo)題為“System and Methods for Positioning a Manipulator Arm by Clutching Within a Null-Perpendicular Space Concurrent with Null-Space Movement(用于通過在零垂直空間內(nèi)進(jìn)行咬合同時(shí)發(fā)生零空間移動(dòng)而定位操縱器臂的系統(tǒng)和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案號(hào)ISRG03900)；美國申請(qǐng)?zhí)?4/218,871，其標(biāo)題為“Systems and Methods for Facilitating Access to Edges of Cartesian-Coordinate Space Using the Null Space(利用零空間以便利進(jìn)入笛卡爾坐標(biāo)空間的邊緣的系統(tǒng)和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案號(hào)ISRG03800)；美國申請(qǐng)?zhí)?4/218,862，其標(biāo)題為“Systems and Methods for Tracking a Path Using the Null-Space(用于利用零空間跟蹤路徑的系統(tǒng)和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案號(hào)ISRG03780)；以及美國申請(qǐng)?zhí)?4/218,842，其標(biāo)題為“Systems and Methods for Using the Null Space to Emphasize Manipulator Joint Motion Anisotropically(用于使用零空間來各向異性地增強(qiáng)操縱器接頭運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案號(hào)ISRG03870)；這些申請(qǐng)的公開以其全部內(nèi)容并入本文。

背景技術(shù)：

本發(fā)明總體提供改善的外科手術(shù)和/或機(jī)器人裝置、系統(tǒng)和方法。

微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)旨在減小在診斷或外科手術(shù)過程期間受損的組織的量，由此減小患者恢復(fù)時(shí)間、不適和有害副作用。在美國，每年執(zhí)行數(shù)百萬次“開放”或傳統(tǒng)外科手術(shù)；這些外科手術(shù)中的許多潛在地能以微創(chuàng)方式執(zhí)行。然而，由于在外科手術(shù)儀器和技術(shù)中的限制以及精通它們所需的額外外科手術(shù)訓(xùn)練，因此僅相對(duì)小數(shù)量的外科手術(shù)當(dāng)前使用微創(chuàng)技術(shù)。

用于外科手術(shù)的微創(chuàng)遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)經(jīng)發(fā)展以提高外科醫(yī)生的靈巧性并允許外科醫(yī)生從遠(yuǎn)距位置對(duì)病人操作。遠(yuǎn)程外科手術(shù)是用于外科手術(shù)系統(tǒng)的總括，其中外科醫(yī)生使用一些形式的遠(yuǎn)距控制，例如伺服機(jī)構(gòu)等，以操縱外科手術(shù)儀器移動(dòng)，而不是由手直接把持(hold)和移動(dòng)儀器。在此種遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)中，外科醫(yī)生在遠(yuǎn)距位置處提供有外科手術(shù)側(cè)的圖像。當(dāng)通常在合適觀察器或顯示器上觀察外科手術(shù)側(cè)的三維圖像時(shí)，外科醫(yī)生通過操縱主控制輸入裝置(其進(jìn)而控制機(jī)器人儀器的運(yùn)動(dòng))對(duì)患者執(zhí)行外科手術(shù)過程。機(jī)器人外科手術(shù)儀器能穿過小的、微創(chuàng)的外科手術(shù)孔口被插入，以治療在患者體內(nèi)外科手術(shù)部位處的組織，從而常常避免與用于開放外科手術(shù)的進(jìn)入相關(guān)聯(lián)的創(chuàng)傷。這些機(jī)器人系統(tǒng)能夠以足夠的靈巧性移動(dòng)外科手術(shù)儀器的工作端以執(zhí)行非常復(fù)雜的外科手術(shù)任務(wù)，諸如通過在微創(chuàng)孔口處樞轉(zhuǎn)儀器的軸、軸向滑動(dòng)軸穿過孔口、在孔口內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸，等等。

用于遠(yuǎn)程外科手術(shù)的伺服機(jī)構(gòu)將經(jīng)常接受來自兩個(gè)主控制器(每個(gè)外科醫(yī)生的手部各一個(gè))的輸入，并可包括兩個(gè)或更多個(gè)機(jī)器人臂或操縱器。將手部移動(dòng)映射到由圖像捕捉裝置顯示的機(jī)器人儀器的圖像能夠幫助向外科醫(yī)生提供對(duì)與每個(gè)手相關(guān)聯(lián)的儀器的準(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、額外的外科手術(shù)儀器等。

各種結(jié)構(gòu)布置能夠用來在機(jī)器人外科手術(shù)期間在外科手術(shù)部位處支撐外科手術(shù)儀器。從動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置或“從設(shè)備”經(jīng)常稱為機(jī)器人外科手術(shù)操縱器，并且在微創(chuàng)機(jī)器人外科手術(shù)期間作為機(jī)器人外科手術(shù)操縱器的示例在美國專利號(hào)6,758,843；6,246,200；和5,800,423中描述，這些專利的全部公開通過引用并入本文。這些聯(lián)動(dòng)裝置經(jīng)常利用平行四邊形布置以把持具有軸的儀器。此種操縱器結(jié)構(gòu)能夠約束儀器的移動(dòng)，使得儀器軸繞定位在沿剛性軸的長度的空間中的球形旋轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)距中心樞轉(zhuǎn)。通過將該旋轉(zhuǎn)中心與到內(nèi)部外科手術(shù)部位的切口點(diǎn)對(duì)齊(例如，借助于在腹腔鏡外科手術(shù)期間在腹壁處的套針或套管)，外科手術(shù)儀器的端部執(zhí)行器能夠通過在不對(duì)腹壁施加潛在危險(xiǎn)的力的情況下使用操縱器聯(lián)動(dòng)裝置移動(dòng)軸的近側(cè)端部來安全定位?？商鎿Q的操縱器結(jié)構(gòu)在例如美國專利號(hào)6,702,805；6,676,669；5,855,583；5,808,665；5,445,166；和5,184,601中描述，這些專利的全部公開通過引用并入本文。

盡管新的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)和裝置已證明高度有效和有利，但是仍希望進(jìn)一步的改善。例如，操縱器臂可包括額外冗余接頭以在某些條件下提供增加的移動(dòng)或配置。然而，當(dāng)在微創(chuàng)外科手術(shù)部位內(nèi)移動(dòng)外科手術(shù)儀器時(shí)，這些接頭可在患者外側(cè)展現(xiàn)顯著的移動(dòng)量，其經(jīng)常為比需要或預(yù)期更多的移動(dòng)，尤其是在將儀器繞微創(chuàng)孔口樞轉(zhuǎn)通過大的角范圍時(shí)。已提出可替換的操縱器結(jié)構(gòu)，其采用對(duì)高度可配置的運(yùn)動(dòng)學(xué)操縱器的接頭的軟件控制，以約束在插入部位的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)抑制在患者外側(cè)的不慎的(inadvertent)操縱器/操縱器接觸(等等)。這些高度可配置的“軟件中心”外科手術(shù)操縱器系統(tǒng)可提供顯著優(yōu)點(diǎn)，但也可提出挑戰(zhàn)。具體地，機(jī)械約束的遠(yuǎn)距中心聯(lián)動(dòng)裝置在一些條件下可提供安全優(yōu)點(diǎn)。另外，通常包括在這些操縱器中的眾多接頭的寬范圍的配置可引起操縱器難以在針對(duì)特定過程所希望的配置中手動(dòng)設(shè)置。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)展，存在對(duì)擴(kuò)展可用配置和儀器在患者內(nèi)的運(yùn)動(dòng)范圍的增加的需求。不幸的是，這些改變都能夠增加與體外操縱器運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)，并且進(jìn)一步增加針對(duì)某些任務(wù)避免操縱器臂的不必要的移動(dòng)的重要性，或提供改善的移動(dòng)以便避免操縱器之間或操縱器的外部部分和患者之間的不希望的接觸。

出于這些和其它原因，提供用于外科手術(shù)、機(jī)器人外科手術(shù)和其它機(jī)器人應(yīng)用的改善的裝置、系統(tǒng)和方法將是有利的。如果這些改善的技術(shù)提供在某些任務(wù)期間限制操縱器臂的移動(dòng)量的能力，則將是有益的。如果這些改善的技術(shù)提供避開操縱器臂和患者之間碰撞，同時(shí)維持希望的端部執(zhí)行器狀態(tài)或儀器軸繞其樞轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)距中心的希望的位置的能力，則將是特別有益的。理想地，這些改善將允許在外科手術(shù)過程期間一個(gè)或更多個(gè)操縱器臂的改善的移動(dòng)，同時(shí)在端部執(zhí)行器移動(dòng)期間避開操縱器臂和患者之間的碰撞。另外，希望提供此類改善，同時(shí)為至少一些過程增大儀器的運(yùn)動(dòng)范圍，并且不顯著增大這些系統(tǒng)的尺寸、機(jī)械復(fù)雜性或成本，并同時(shí)維持或改善它們的靈巧性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明總體提供改善的機(jī)器人和/或外科手術(shù)裝置、系統(tǒng)和方法。在許多實(shí)施例中，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。這些操縱器例如可具有比相關(guān)聯(lián)的外科手術(shù)端部執(zhí)行器在外科手術(shù)工作空間內(nèi)所具有的移動(dòng)自由度更多的移動(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)儀器的操縱器臂和用以計(jì)算協(xié)調(diào)的接頭移動(dòng)以用于操縱儀器的端部執(zhí)行器的處理器。支撐端部執(zhí)行器的機(jī)器人操縱器的接頭允許操縱器在所給定端部執(zhí)行器方位和/或所給定樞軸點(diǎn)位置的不同配置的整個(gè)范圍內(nèi)移動(dòng)。操縱器可包括額外的冗余接頭以允許各種類型的輔助移動(dòng)，諸如響應(yīng)于用戶命令的重配置移動(dòng)，或另一類型移動(dòng)，諸如碰撞避開移動(dòng)?？商峁┐祟愐苿?dòng)同時(shí)以數(shù)種方式維持端部執(zhí)行器的給定狀態(tài)。在某些實(shí)施例中，通過增廣操縱器的雅可比矩陣來提供此類移動(dòng)，使得除了通常同時(shí)提供所命令的端部執(zhí)行器移動(dòng)之外，通過計(jì)算增廣的雅可比矩陣的偽逆矩陣獲得的接頭速度還提供操縱器的所希望的輔助移動(dòng)或所希望的移動(dòng)。

在另一方面中，本文中描述的任何方法可包括：使用所計(jì)算的接頭速度確定多個(gè)接頭的一個(gè)或更多個(gè)輔助移動(dòng)，并根據(jù)所計(jì)算的輔助移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)接頭，同時(shí)維持端部執(zhí)行器的希望的狀態(tài)。一個(gè)或更多個(gè)輔助移動(dòng)可包括多個(gè)接頭中的第二組接頭的所希望的移動(dòng)。第二組接頭可包括一個(gè)或更多個(gè)接頭，其可包括第一組接頭內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè)接頭。一個(gè)或更多個(gè)輔助移動(dòng)可包括：所命令的重配置移動(dòng)、碰撞避開移動(dòng)、輔助任務(wù)或其任何組合。

在本發(fā)明的一個(gè)方面中，提供一種具有操縱輸入的冗余自由度(RDOF)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。RDOF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充足自由度的多個(gè)接頭，該充足自由度允許用于所給定端部執(zhí)行器狀態(tài)的接頭狀態(tài)范圍。通常，響應(yīng)于接收操縱命令從而以希望的移動(dòng)來移動(dòng)端部執(zhí)行器，系統(tǒng)通過計(jì)算操縱器的雅可比矩陣的偽逆矩陣來計(jì)算接頭速度，并根據(jù)所計(jì)算的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)接頭以實(shí)現(xiàn)所希望的端部執(zhí)行器移動(dòng)。通過增廣雅克比矩陣，各種所計(jì)算的接頭移動(dòng)能夠提供在零空間內(nèi)的各種其它的輔助任務(wù)或所希望的移動(dòng)。為了放大操縱器的工作空間或?yàn)榱嗽试S各種輔助任務(wù)，系統(tǒng)的一些實(shí)施例包括操縱器臂的轉(zhuǎn)動(dòng)的最近側(cè)接頭和/或遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭，其將儀器耦合到操縱器臂的近側(cè)部分。

在一個(gè)方面中，操縱器臂的近側(cè)部分附接到底座，使得當(dāng)驅(qū)動(dòng)接頭時(shí)近側(cè)部分相對(duì)于底座的移動(dòng)被抑制。在另一方面中，近側(cè)部分通過接頭耦合到底座，使得在驅(qū)動(dòng)接頭時(shí)操縱器臂的近側(cè)部分相對(duì)于底座可移動(dòng)。在示例實(shí)施例中，將操縱器的近側(cè)部分耦合到底座的接頭為轉(zhuǎn)動(dòng)接頭，所述轉(zhuǎn)動(dòng)接頭支撐操縱器臂，使得轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的接頭移動(dòng)將操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)接頭繞轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的樞轉(zhuǎn)軸樞轉(zhuǎn)。在許多實(shí)施例中，轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的樞轉(zhuǎn)軸從接頭延伸穿過遠(yuǎn)距中心，端部執(zhí)行器的儀器軸繞該遠(yuǎn)距中心樞轉(zhuǎn)。在一個(gè)方面中，轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的移動(dòng)將操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)接頭繞圓錐樞轉(zhuǎn)，該圓錐向遠(yuǎn)側(cè)漸縮并且朝向遠(yuǎn)側(cè)端部執(zhí)行器(通常朝向遠(yuǎn)距中心)取向。在該方面中，操縱器臂繞其樞轉(zhuǎn)的圓錐對(duì)應(yīng)于在工具尖端的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的圓錐形空間，其中工具的移動(dòng)是不可能的或減弱的，這在下文中進(jìn)一步論述。

在另一方面中，將操縱器的近側(cè)部分耦合到底座的接頭相對(duì)于底座沿一路徑可移動(dòng)，該路徑通常為弧形的或基本圓形的路徑，使得接頭沿所述路徑的移動(dòng)將操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)接頭繞軸線樞轉(zhuǎn)，該軸線延伸穿過操縱器臂接近儀器的遠(yuǎn)側(cè)部分，優(yōu)選地穿過儀器軸繞其樞轉(zhuǎn)的遠(yuǎn)距中心。在一些實(shí)施例中，操縱器包括將操縱器的近側(cè)部分耦合到底座的轉(zhuǎn)動(dòng)接頭，該轉(zhuǎn)動(dòng)接頭相對(duì)于底座沿一路徑可移動(dòng)，該路徑可為線性的、弧形的或基本圓形的。

在本發(fā)明的另一方面中，操縱器經(jīng)配置移動(dòng)，使得儀器軸的中間部分繞遠(yuǎn)距中心樞轉(zhuǎn)。在操縱器和儀器之間存在多個(gè)從動(dòng)接頭，所述多個(gè)從動(dòng)接頭提供充足自由度以在儀器軸的中間部分延伸穿過進(jìn)入部位時(shí)允許用于端部執(zhí)行器方位的一定范圍的接頭狀態(tài)。具有控制器的處理器將輸入裝置耦合到操縱器。響應(yīng)于重配置命令，處理器確定一個(gè)或更多個(gè)接頭的移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)所希望的配置，使得儀器的中間部分在端部執(zhí)行器的所希望的移動(dòng)期間在進(jìn)入部位內(nèi)，并且維持軸繞其樞轉(zhuǎn)的所希望的遠(yuǎn)距中心位置。在某些實(shí)施例中，響應(yīng)于接收實(shí)現(xiàn)所希望的端部執(zhí)行器的移動(dòng)的操縱命令，系統(tǒng)通過計(jì)算被增廣的雅可比矩陣的偽逆矩陣來確定實(shí)現(xiàn)所希望的端部執(zhí)行器的移動(dòng)的經(jīng)計(jì)算的移動(dòng)，使得儀器軸繞遠(yuǎn)距中心樞轉(zhuǎn)。

在某些實(shí)施例中，通過使用增廣的雅可比矩陣計(jì)算接頭的移動(dòng)，以便避開驅(qū)動(dòng)多個(gè)接頭中的第一組接頭，使得第一組接頭有效地鎖定，或使得第一組接頭不被驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)端部執(zhí)行器位移移動(dòng)。第一組接頭可包括操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)接頭。雅可比矩陣可被增廣，以便計(jì)算第一組接頭的重配置移動(dòng)，使得來自第一組接頭的接頭的移動(dòng)在重配置的持續(xù)時(shí)間內(nèi)提供接頭的基本恒定的速度。在一些實(shí)施例中，來自操縱器的第一組接頭的接頭是將操縱器臂耦合到底座的轉(zhuǎn)動(dòng)接頭。端部執(zhí)行器的所希望的狀態(tài)可包括端部執(zhí)行器的所希望的方位、速度或加速度。一般說來，操縱命令和重配置命令是單獨(dú)的輸入，通常接收自在單獨(dú)的輸入裝置上的單獨(dú)的用戶，或這些單獨(dú)的輸入可接收自同一用戶。在一些實(shí)施例中，端部執(zhí)行器操縱命令通過第一用戶接收自輸入裝置，第一用戶諸如在外科手術(shù)控制臺(tái)主輸入端上錄入命令的外科醫(yī)生，而重配置命令通過在單獨(dú)的輸入裝置上的第二用戶接收自輸入裝置，第二用戶諸如在患者側(cè)推車輸入裝置上錄入重配置命令的醫(yī)生助手。在其它實(shí)施例中，端部執(zhí)行器操縱命令和重配置命令都通過同一用戶接收自在外科手術(shù)控制臺(tái)處的輸入裝置。在其它實(shí)施例中，端部執(zhí)行器操縱命令和重配置命令都通過同一用戶接收自在患者側(cè)推車處的輸入裝置。

本發(fā)明的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步理解通過參考本說明書的剩余部分和附圖將變得明顯。

附圖說明

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，該機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)具有外科手術(shù)站，其帶有用于機(jī)器人地移動(dòng)在患者內(nèi)的內(nèi)部外科手術(shù)部位處具有外科手術(shù)端部執(zhí)行器的外科手術(shù)儀器的多個(gè)機(jī)器人操縱器。

圖1B概略地圖示圖1A的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)。

圖2是圖示用于在圖1A的外科手術(shù)系統(tǒng)中輸入外科手術(shù)過程命令的主外科手術(shù)控制臺(tái)或工作站的透視圖，該控制臺(tái)包括用于響應(yīng)輸入命令生成操縱器命令信號(hào)的處理器。

圖3是圖1A的電子推車的透視圖。

圖4是具有四個(gè)操縱器臂的患者側(cè)推車的透視圖。

圖5A至圖5D示出示例操縱器臂。

圖5E示出包括與圖5A至圖5D所示的示例操縱器臂的部件對(duì)應(yīng)的多個(gè)線段的參考幾何形狀。

圖6A至圖6B分別示出在前傾配置和后傾配置中的示例操縱器臂。

圖6C示出示例操縱器臂的外科手術(shù)儀器工具尖端的運(yùn)動(dòng)范圍的圖形表示，包括在前傾和后傾配置中的每個(gè)中的靜錐區(qū)或錐形工具進(jìn)入限制區(qū)。

圖7A示出具有將操縱器臂繞近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的示例操縱器臂。

圖7B示出示例操縱器臂和相關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)范圍以及靜錐區(qū)，示例性操縱器臂具有將操縱器臂圍繞近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭，所述近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的移動(dòng)能夠用來緩解(mitigate)所描繪的靜錐區(qū)。

圖8示出具有接近遠(yuǎn)側(cè)儀器托架的轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的示例操縱器臂。

圖9示出具有接近遠(yuǎn)側(cè)儀器托架的轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的示例操縱器臂，該轉(zhuǎn)動(dòng)接頭將儀器托架繞接頭軸線轉(zhuǎn)動(dòng)或扭轉(zhuǎn)。

圖10A至圖10C示出具有接近遠(yuǎn)側(cè)儀器托架的轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的示例性操縱器臂在該接頭在其整個(gè)接頭移動(dòng)范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)的順序圖。

圖11A至圖11B分別示出當(dāng)接頭的角位移為0°對(duì)90°的角位移時(shí)具有遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的示例性操縱器臂的轉(zhuǎn)動(dòng)輪廓。

圖12A至圖13C示出具有將支撐操縱器臂的近側(cè)接頭繞接頭的路徑平移的近側(cè)接頭的示例性操縱器臂。

圖14A至圖14B圖形地表示示例操縱器組件的雅可比矩陣的零空間和零垂直空間之間的關(guān)系。

圖15A至圖15B圖示根據(jù)與端部執(zhí)行器位移移動(dòng)同時(shí)的重配置移動(dòng)的示例操縱器的移動(dòng)，其中最近側(cè)接頭從端部執(zhí)行器位移移動(dòng)中(out of)被鎖定。

圖16A至圖16C圖示根據(jù)一些實(shí)施例的第一示例操縱器臂的第一參考幾何形狀和第二示例操縱器臂的第二參考幾何形狀之間的相互作用被用來計(jì)算避開移動(dòng)，以用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)接頭抑制操縱器臂之間的碰撞。

圖17A至圖17B示出操縱器臂在零空間內(nèi)的移動(dòng)，以及在避開幾何形狀和障礙物表面之間的相關(guān)聯(lián)距離。

圖18示出具有多個(gè)操縱器臂的示例系統(tǒng)和障礙物表面，該障礙物表面經(jīng)建模以便延伸穿過操縱器臂中的每個(gè)的遠(yuǎn)距中心。

圖19A至圖19B分別示出通過將遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭從0°的角位移驅(qū)動(dòng)到90°的角位移的避開移動(dòng)。

命令的重配置(3770)

圖20A至圖20B圖示用于給定的端部執(zhí)行器方位的示例操縱器組件的重配置。

圖21A至圖21B圖示用于給定的遠(yuǎn)距中心位置(相關(guān)聯(lián)的儀器軸在該位置樞轉(zhuǎn))的示例操縱器。

圖22A至圖22C圖示根據(jù)許多實(shí)施例的操縱命令輸入的三個(gè)示例。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明總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)明特別有利地與外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)一起使用，其中多個(gè)外科手術(shù)工具或儀器將在外科手術(shù)過程期間安裝在相關(guān)聯(lián)的多個(gè)機(jī)器人操縱器上并由其移動(dòng)。機(jī)器人系統(tǒng)將通常包括遠(yuǎn)程機(jī)器人、遠(yuǎn)程外科手術(shù)和/或遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)，這些系統(tǒng)包括配置為主-從控制器的處理器。通過提供采用這樣的處理器的機(jī)器人系統(tǒng)，所述處理器適當(dāng)配置以移動(dòng)帶有具有相對(duì)大量的自由度的鉸接式聯(lián)動(dòng)裝置的操縱器組件，聯(lián)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)能夠被調(diào)整適合于穿過微創(chuàng)進(jìn)入部位工作。盡管本發(fā)明的方面總體描述具有冗余自由度的操縱器，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到這些方面可應(yīng)用于非冗余操縱器，例如經(jīng)歷或接近奇點(diǎn)的操縱器。

本文描述的機(jī)器人操縱器組件將通常包括機(jī)器人操縱器和其上安裝的工具(該工具通常包括外科手術(shù)版本的外科手術(shù)儀器)，然而術(shù)語“機(jī)器人組件”也將涵蓋其上沒有安裝工具的操縱器。術(shù)語“工具”涵蓋通用或工業(yè)機(jī)器人工具和專用機(jī)器人外科手術(shù)儀器兩者，其中這些后面的結(jié)構(gòu)通常包括適用于操縱組織、治療組織、將組織成像等的端部執(zhí)行器。工具/操縱器接口將通常為迅速斷開的工具托架或耦合件，從而允許迅速移除工具或用可替換的工具更換工具。操縱器組件將通常具有在機(jī)器人手術(shù)的至少一部分期間在空間中固定的底座，并且操縱器組件可包括在底座和工具的端部執(zhí)行器之間的數(shù)個(gè)自由度。端部執(zhí)行器的致動(dòng)(諸如打開或關(guān)閉抓握裝置的鉗夾、激勵(lì)電外科手術(shù)槳等)將通常與這些操縱器組件自由度分離，并且在這些操縱器組件自由度之外。

端部執(zhí)行器將通常在具有兩個(gè)至六個(gè)自由度之間的工作空間中移動(dòng)。如本文所用，術(shù)語“方位”涵蓋位置和取向二者。因此，端部執(zhí)行器的方位的變化(例如)可涉及端部執(zhí)行器從第一位置到第二位置的平移、端部執(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)可由系統(tǒng)的處理器控制，使得工具或儀器的軸或中間部分受約束至穿過微創(chuàng)外科手術(shù)進(jìn)入部位或其它孔口的安全運(yùn)動(dòng)。此運(yùn)動(dòng)可包括例如穿過孔口部位進(jìn)入外科手術(shù)工作空間中的軸的軸向插入、軸繞其軸線的旋轉(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)。

本文描述的許多示例操縱器組件具有比在外科手術(shù)部位內(nèi)定位和移動(dòng)端部執(zhí)行器所需更多的自由度。例如，能夠用六個(gè)自由度在內(nèi)部外科手術(shù)部位處穿過微創(chuàng)孔口定位的外科手術(shù)端部執(zhí)行器在一些實(shí)施例中可具有九個(gè)自由度(六個(gè)端部執(zhí)行器自由度(三個(gè)用于位置，以及三個(gè)用于取向)加上遵守進(jìn)入部位約束的三個(gè)自由度)，但是通常將具有十個(gè)或更多個(gè)自由度。具有比給定的端部執(zhí)行器方位所需更多的自由度的高度可配置的操縱器組件能夠描述為具有或提供充足自由度，以允許工作空間中用于端部執(zhí)行器方位的一定范圍的接頭狀態(tài)。例如，對(duì)于給定的端部執(zhí)行器方位，操縱器組件可占用一定范圍的可替換的操縱器聯(lián)動(dòng)裝置方位中的任一個(gè)(并且在其之間被驅(qū)動(dòng))。類似地，對(duì)于給定的端部執(zhí)行器速度矢量，操縱器組件可具有用于操縱器組件的各種接頭在雅可比矩陣的零空間內(nèi)的一定范圍的不同接頭移動(dòng)速度。

本發(fā)明提供機(jī)器人聯(lián)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)，所述機(jī)器人聯(lián)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)特別適用于其中希望寬范圍移動(dòng)的，以及由于其它機(jī)器人聯(lián)動(dòng)裝置、外科手術(shù)人員和設(shè)備等的存在而引起受限的專用體積可用的外科手術(shù)(和其它)應(yīng)用。每個(gè)機(jī)器人聯(lián)動(dòng)裝置所需的大運(yùn)動(dòng)范圍和減小的體積也可提供在機(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的更大靈活性，由此促進(jìn)和加速安裝。

接頭等的術(shù)語“狀態(tài)”在本文中將通常指代與接頭相關(guān)聯(lián)的控制變量。例如，角接頭的狀態(tài)能夠指代由該接頭在其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)限定的角度，和/或接頭的角速度。類似地，軸向或棱柱接頭的狀態(tài)可指代接頭的軸向方位和/或其軸向速度。盡管本文中描述的許多控制器包括速度控制器，但它們通常也具有一些方位控制方面?？商鎿Q實(shí)施例可主要或完全依靠方位控制器、加速度控制器等。能夠在此類裝置中使用的控制系統(tǒng)的許多方面在美國專利號(hào)6,699,177中更充分地描述，其全部公開通過引用并入本文。因此，只要所描述的移動(dòng)基于相關(guān)聯(lián)的計(jì)算，則本文所描述的接頭的移動(dòng)和端部執(zhí)行器的移動(dòng)的計(jì)算可使用方位控制算法、速度控制算法、這兩者的組合等執(zhí)行。

在某些方面中，示例性操縱器臂的工具繞鄰近微創(chuàng)孔口的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)樞轉(zhuǎn)。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)可利用硬件遠(yuǎn)距中心，諸如在美國專利號(hào)6,786,896(其全部內(nèi)容通過引用并入本文)中描述的遠(yuǎn)距中心運(yùn)動(dòng)學(xué)。此類系統(tǒng)可利用雙平行四邊形聯(lián)動(dòng)裝置，雙平行四邊形聯(lián)動(dòng)裝置約束聯(lián)動(dòng)裝置的移動(dòng)，使得由操縱器支撐的儀器的軸繞遠(yuǎn)距中心點(diǎn)樞轉(zhuǎn)。可替換的機(jī)械約束的遠(yuǎn)距中心聯(lián)動(dòng)裝置系統(tǒng)是已知的和/或可在未來開發(fā)。驚奇的是，關(guān)于本發(fā)明的工作指示遠(yuǎn)距中心聯(lián)動(dòng)裝置系統(tǒng)可受益于高度可配置的動(dòng)力學(xué)架構(gòu)。具體地說，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)入部位或接近該部位交叉的兩個(gè)軸線的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)裝置時(shí)，球形樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可涵蓋在患者內(nèi)的所希望的運(yùn)動(dòng)范圍的完整范圍，但仍會(huì)遭受可避免的缺陷(諸如被低劣地調(diào)節(jié)、在患者外易受臂到臂或臂到患者接觸，等等)。首先，添加也被機(jī)械約束到在進(jìn)入部位處或接近進(jìn)入部位的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或更多個(gè)另外的自由度可似乎提供運(yùn)動(dòng)范圍的極少或任何改善。不過，驚奇的是，此類接頭能夠通過允許整體系統(tǒng)被配置為處于碰撞抑制姿態(tài)或朝向碰撞抑制姿態(tài)被驅(qū)動(dòng)，通過為其它外科手術(shù)過程進(jìn)一步延伸運(yùn)動(dòng)范圍等等來提供顯著優(yōu)點(diǎn)。在其它實(shí)施例中，系統(tǒng)可利用軟件取得遠(yuǎn)距中心，諸如在美國專利申請(qǐng)8,004,229中描述的，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。在具有軟件遠(yuǎn)距中心的系統(tǒng)中，處理器計(jì)算接頭的移動(dòng)以便將儀器軸的中間部分繞確定的樞軸點(diǎn)與機(jī)械約束相反地樞轉(zhuǎn)。通過具有計(jì)算軟件樞轉(zhuǎn)點(diǎn)的能力，由系統(tǒng)的順從性或剛性表征的不同模式能夠選擇性地實(shí)施。更具體地，在樞轉(zhuǎn)點(diǎn)/中心(例如，可移動(dòng)樞轉(zhuǎn)點(diǎn)、被動(dòng)樞轉(zhuǎn)點(diǎn)、固定/硬樞轉(zhuǎn)點(diǎn)、軟樞轉(zhuǎn)點(diǎn))的范圍內(nèi)的不同系統(tǒng)模式能夠按需實(shí)施。

盡管具有多個(gè)高度可配置的操縱器的機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)，由于操縱器包括在底座與儀器之間的相對(duì)大量的接頭和連桿，連桿的手動(dòng)定位能夠是挑戰(zhàn)性的和復(fù)雜的。即使當(dāng)操縱器結(jié)構(gòu)被平衡以便避免重力效應(yīng)時(shí)，嘗試將接頭中的每個(gè)在適當(dāng)布置中對(duì)齊或按需重配置操縱器能夠是困難的、耗時(shí)的，并可涉及重要的訓(xùn)練和/或技能。當(dāng)操縱器的連桿不繞接頭被平衡時(shí)挑戰(zhàn)甚至能夠更大，使得由于操縱器臂長度和在許多外科手術(shù)系統(tǒng)中的被動(dòng)設(shè)計(jì)和柔軟(limp)設(shè)計(jì)，因此在外科手術(shù)之前或期間在適當(dāng)配置中定位此類高度可配置的結(jié)構(gòu)會(huì)是一件難事。

這些問題能夠通過允許用戶(諸如醫(yī)師助理)迅速且容易地重配置操縱器臂，同時(shí)維持希望的端部執(zhí)行器狀態(tài)來解決(可選地即使在外科手術(shù)過程期間在端部執(zhí)行器移動(dòng)期間)。一個(gè)或更多個(gè)額外接頭可被包括在操縱器臂中以增大操縱器臂的運(yùn)動(dòng)范圍和配置從而增強(qiáng)該能力。盡管提供額外接頭可為某些任務(wù)提供增大的運(yùn)動(dòng)范圍，但在操縱器臂中的大量冗余接頭可導(dǎo)致臂的各種移動(dòng)對(duì)于其它任務(wù)過于復(fù)雜，使得移動(dòng)顯得不可預(yù)測(cè)，或整體移動(dòng)量導(dǎo)致各種其它臨床問題。可能進(jìn)一步有用的是撤銷第一任務(wù)所不希望的移動(dòng)的一個(gè)或更多個(gè)接頭(在本文中稱為“鎖定”接頭或“鎖定接頭組”)的移動(dòng)，而為可與第一任務(wù)同時(shí)執(zhí)行的各種其它任務(wù)允許鎖定接頭組的移動(dòng)。鎖定某些接頭而不實(shí)際地物理約束鎖定接頭的移動(dòng)是有利的，因?yàn)榭上Ｍi定接頭的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)其它任務(wù)或移動(dòng)。在各種實(shí)施例中，本發(fā)明進(jìn)一步允許在非移動(dòng)子組(或鎖定組)接頭中的一個(gè)或更多個(gè)接頭的所希望的移動(dòng)撤銷，同時(shí)仍允許鎖定組接頭的移動(dòng)用于各種其它移動(dòng)，諸如基于自主算法的移動(dòng)或所命令的重配置移動(dòng)。

在某些方面中，在外科手術(shù)空間內(nèi)的所命令的端部執(zhí)行器移動(dòng)通過根據(jù)接頭的協(xié)調(diào)的端部執(zhí)行器位移移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭來實(shí)現(xiàn)，該位移移動(dòng)由處理器使用被增廣以執(zhí)行各種其它任務(wù)(諸如重配置移動(dòng))或輔助任務(wù)(諸如碰撞避開移動(dòng))的動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣計(jì)算。根據(jù)使用此類增廣的雅克比矩陣計(jì)算的接頭的協(xié)調(diào)移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)此類任務(wù)，同時(shí)維持端部執(zhí)行器的所希望的狀態(tài)(通常與端部執(zhí)行器位移移動(dòng)同時(shí))。

在一些實(shí)施例中，相對(duì)于各種其它任務(wù)的所計(jì)算移動(dòng)(諸如基于自主算法的避開移動(dòng))可疊加撤銷移動(dòng)，使得“鎖定接頭”仍能夠移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)各種其它任務(wù)。此類避開移動(dòng)的示例描述在美國臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/654,755中，其提交于2012年6月1日，標(biāo)題為“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space(使用零空間回避操縱器臂與患者碰撞)”，以及美國臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/654,773，其提交于2012年6月1日，標(biāo)題為“System and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space(用于使用零空間避免操縱器臂之間碰撞的系統(tǒng)和方法)”，這些申請(qǐng)的公開以其全部內(nèi)容并入本文。然而，疊加“鎖定”接頭的撤銷移動(dòng)的所計(jì)算的移動(dòng)不限于自主移動(dòng)，并可包括各種其它移動(dòng)，諸如所命令的重配置移動(dòng)或各種輔助移動(dòng)。

本發(fā)明的實(shí)施例可包括經(jīng)配置利用操縱器結(jié)構(gòu)的自由度的用戶輸入端。輸入端促進(jìn)使用動(dòng)力學(xué)聯(lián)動(dòng)裝置的從動(dòng)接頭以響應(yīng)于用戶錄入重配置命令來重配置操縱器結(jié)構(gòu)，而不是手動(dòng)重配置操縱器。在各種實(shí)施例中，用于接收重配置命令的用戶輸入端被結(jié)合到操縱器臂中和/或設(shè)置在其附近。在其它實(shí)施例中，輸入端包括集中的輸入裝置以促進(jìn)一個(gè)或更多個(gè)接頭的重配置，諸如患者側(cè)推車或操縱桿上的按鈕集群。用于接收重配置命令的輸入裝置可從用于接收操縱器命令的輸入端分離以實(shí)現(xiàn)端部執(zhí)行器的移動(dòng)。外科手術(shù)系統(tǒng)的控制器可包括帶有可讀存儲(chǔ)器的處理器，該可讀存儲(chǔ)器具有在其上記錄的接頭控制器編程指令或代碼，其允許處理器推導(dǎo)出在存儲(chǔ)器上記錄的用于驅(qū)動(dòng)接頭的合適的接頭命令，以便允許控制器響應(yīng)于錄入的重配置命令而實(shí)現(xiàn)所希望的重配置。然而，應(yīng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明可用于帶有或沒有重配置特征的操縱器臂。

在另一方面，由于高度可配置的操縱器的冗余性質(zhì)，因此用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)側(cè)端部執(zhí)行器和/或遠(yuǎn)距中心的所希望的移動(dòng)的多個(gè)接頭的命令的運(yùn)動(dòng)可產(chǎn)生與一個(gè)或更多個(gè)接頭相關(guān)聯(lián)的不希望的、過多的動(dòng)能的接頭速度，或可產(chǎn)生不滿足所希望的運(yùn)動(dòng)優(yōu)選的運(yùn)動(dòng)。不希望的接頭速度的示例可包括不希望的接頭狀態(tài)的組合、對(duì)于一個(gè)或更多個(gè)接頭的過高接頭速度，或不相稱的接頭狀態(tài)。本發(fā)明提供在所命令的端部執(zhí)行器移動(dòng)期間用于一個(gè)或更多個(gè)接頭的所希望的移動(dòng)，諸如接頭狀態(tài)或本文所描述的其它此類移動(dòng)的組合。

本發(fā)明的實(shí)施例包括增廣動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣以便提供避開移動(dòng)的處理器，該避開移動(dòng)促進(jìn)使用動(dòng)力學(xué)聯(lián)動(dòng)裝置的從動(dòng)接頭以在零空間內(nèi)配置操縱器結(jié)構(gòu)從而避開臂到臂的碰撞。在一些實(shí)施例中，響應(yīng)于確定第一參考幾何形狀和第二參考幾何形狀之間的距離小于所希望的距離，其中第一參考幾何形狀對(duì)應(yīng)第一操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)零件且與第二參考幾何形狀對(duì)應(yīng)第二相鄰操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)零件，雅克比矩陣被增廣，使得使用雅克比矩陣計(jì)算的隨后移動(dòng)增大第一操縱器和第二操縱器之間的距離。在其它實(shí)施例中，系統(tǒng)包括另外的操縱器臂，每個(gè)均具有對(duì)應(yīng)的參考幾何形狀，諸如具有第三參考幾何形狀的第三操縱器臂，以及具有第四參考幾何形狀的進(jìn)一步的操縱器臂。在此類實(shí)施例中，系統(tǒng)可進(jìn)一步確定在參考幾何形狀中的每個(gè)之間的相對(duì)狀態(tài)，以及在其之間(諸如在一對(duì)或更多對(duì)參考幾何形狀或線段上的每個(gè)最接近點(diǎn)之間)延伸的避開向量，并計(jì)算用于雅可比矩陣的增廣的操縱器臂中的一個(gè)或更多個(gè)的避開移動(dòng)，使得能夠維持每個(gè)操縱器之間的充足距離。

在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)使用限定的參考幾何形狀，所述限定的參考幾何形狀對(duì)應(yīng)于操縱器的具有和相鄰操縱器重疊的運(yùn)動(dòng)范圍的一部分，使得該部分在每個(gè)操縱器均移動(dòng)到其相應(yīng)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的重疊區(qū)中時(shí)易受與相鄰操縱器的碰撞。第一參考幾何形狀可以是單個(gè)點(diǎn)，或更通常為對(duì)應(yīng)于操縱器臂的聯(lián)動(dòng)裝置和/或突出部分的多個(gè)線段。系統(tǒng)然后確定在相鄰臂的所限定的參考幾何形狀之間的相對(duì)狀態(tài)，該狀態(tài)可以是參考幾何形狀的方位、速度或加速度中的任一個(gè)。相對(duì)狀態(tài)可以是每個(gè)參考幾何形狀之間的距離或可包括每個(gè)參考幾何形狀的速度向量之間的差。

在一個(gè)方面中，通過根據(jù)由處理器使用動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣計(jì)算的接頭的協(xié)調(diào)的端部執(zhí)行器位移移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭，實(shí)現(xiàn)在外科手術(shù)空間內(nèi)的所命令的端部執(zhí)行器移動(dòng)。在通過根據(jù)由使用雅克比矩陣的增廣來計(jì)算的在零空間中延伸的接頭的協(xié)調(diào)移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭從而維持端部執(zhí)行器的所希望的狀態(tài)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)各種其它任務(wù)，諸如重配置移動(dòng)或碰撞避開移動(dòng)。在一些方面中，這些各種其它任務(wù)可利用未加權(quán)的接頭速度，使得系統(tǒng)能夠經(jīng)配置在同一迭代或內(nèi)核之內(nèi)計(jì)算加權(quán)和未加權(quán)接頭速度兩者。此類實(shí)施例可利用可替換方法以使用未加權(quán)的接頭速度將接頭速度加權(quán)，以便減少確定加權(quán)的接頭速度所需的計(jì)算。

在一些實(shí)施例中，涉及各種其它任務(wù)的所計(jì)算的移動(dòng)，諸如基于自主算法的避開移動(dòng)，可疊加所計(jì)算的接頭速度以實(shí)現(xiàn)各種其它任務(wù)。此類碰撞避開移動(dòng)的示例描述在美國臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/654,755中，其提交于2012年6月1日，標(biāo)題為“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space(使用零空間回避操縱器臂與患者碰撞)”，以及美國臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/654,773，其提交于2012年6月1日，標(biāo)題為“System and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space(用于使用零空間避免操縱器臂之間碰撞的系統(tǒng)和方法)”，這些申請(qǐng)的公開通過引用以其全部內(nèi)容并入本文。此類命令的重配置的示例在美國臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/654,764中描述，其提交于2012年6月1日，標(biāo)題為“Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null-Space(使用零空間的外科手術(shù)操縱器的命令的重配置)”，該申請(qǐng)的公開通過引用以其全部內(nèi)容并入本文。

在以下描述中，將描述本發(fā)明的各種實(shí)施例。為了解釋的目的，闡述具體配置和細(xì)節(jié)以便提供對(duì)實(shí)施例的透徹理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員也顯而易見的是，可在沒有各種具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明。此外，可省略或簡(jiǎn)化眾所周知的特征以便不模糊所描述的實(shí)施例。

現(xiàn)在參考附圖，其中相似的附圖標(biāo)號(hào)貫穿若干視圖表示相似零件，圖1A為根據(jù)許多實(shí)施例的用于對(duì)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)過程的微創(chuàng)機(jī)器人外科手術(shù)(MIRS)系統(tǒng)10的俯視圖圖示。系統(tǒng)能夠包括由外科醫(yī)生18在該過程期間使用的外科醫(yī)生控制臺(tái)16。一個(gè)或更多個(gè)助理20也可參與該過程。MIRS系統(tǒng)10能夠進(jìn)一步包括患者側(cè)推車22(外科手術(shù)機(jī)器人)和電子推車24。患者側(cè)推車22能夠操縱至少一個(gè)可移除地耦合的工具組件26(在下文中簡(jiǎn)稱為“工具”)穿過患者12體內(nèi)的微創(chuàng)切口，同時(shí)外科醫(yī)生18通過控制臺(tái)16查看外科手術(shù)部位。外科手術(shù)部位的圖像能夠通過內(nèi)窺鏡28諸如立體內(nèi)窺鏡獲得，其能夠通過患者側(cè)推車22來操縱以便將內(nèi)窺鏡28取向。電子推車24能夠用來處理外科手術(shù)部位的圖像用于隨后通過外科醫(yī)生控制臺(tái)16向外科醫(yī)生18顯示。除其它因素之外，同時(shí)使用的外科手術(shù)工具26的數(shù)量將大體取決于診斷或外科手術(shù)過程以及在手術(shù)室內(nèi)的空間約束。如果必需改變?cè)谑中g(shù)期間使用的工具26中的一個(gè)或更多個(gè)，則助手20可從患者側(cè)推車22移除工具26并用來自手術(shù)室中的托盤30的另一工具26將其替換。

圖1B概略地圖示機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)50(諸如圖1A的MIRS系統(tǒng)10)。如上所論述，外科醫(yī)生控制臺(tái)52(諸如圖1A中的外科醫(yī)生控制臺(tái)16)在微創(chuàng)手術(shù)期間能夠由外科醫(yī)生用來控制患者側(cè)推車(外科手術(shù)機(jī)器人)54(諸如圖1A中的患者側(cè)推車22)?；颊邆?cè)推車54能夠使用成像裝置(諸如立體內(nèi)窺鏡)以捕捉手術(shù)部位的圖像，并輸出所捕捉的圖像至電子推車56(諸如圖1A中的電子推車24)。如上所論述，電子推車56能夠在任意隨后的顯示之前以各種方式處理所捕捉的圖像。例如，電子推車56能夠在經(jīng)由外科醫(yī)生控制臺(tái)52顯示組合圖像給外科醫(yī)生之前將所捕捉的圖像與虛擬控制界面疊加?；颊邆?cè)推車54能夠輸出所捕捉圖像以用于在電子推車56之外處理。例如，患者側(cè)推車54能夠輸出所捕捉的圖像至處理器58，并能夠用來處理所捕捉圖像。圖像也能夠由電子推車56和處理器58的組合來處理，且電子推車56和處理器58能夠耦合在一起以聯(lián)合地、循序地(和/或其組合)處理所捕捉圖像。一個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)的顯示器60也能夠與處理器58和/或電子推車56耦合用于圖像的本地和/或遠(yuǎn)距顯示，諸如手術(shù)部位的圖像或其它相關(guān)圖像。

圖2是外科醫(yī)生控制臺(tái)16的透視圖。外科醫(yī)生控制臺(tái)16包括用于向外科醫(yī)生18呈現(xiàn)使得能夠?qū)崿F(xiàn)深度感知的外科手術(shù)部位的協(xié)調(diào)立體視圖的左眼顯示器32和右眼顯示器34。控制臺(tái)16進(jìn)一步包括一個(gè)或更多個(gè)輸入控制裝置36，其進(jìn)而使得患者側(cè)推車22(圖1A所示)操縱一個(gè)或更多個(gè)工具。輸入控制裝置36能夠提供與它們的相關(guān)聯(lián)工具26(圖1A所示)相同的自由度，以便向外科醫(yī)生提供遠(yuǎn)程存在，或輸入控制裝置36與工具26整合的感知，使得外科醫(yī)生具有直接控制工具26的強(qiáng)烈感覺。為此，方位、力和觸覺反饋傳感器(未示出)可用來通過輸入控制裝置36將方位、力和觸覺感測(cè)從工具26傳輸回到外科醫(yī)生的手。

外科醫(yī)生控制臺(tái)16通常位于與患者相同的房間，使得外科醫(yī)生可直接監(jiān)測(cè)手術(shù)，如果必要的話則實(shí)際(physically)在場(chǎng)，并且直接而不是經(jīng)由電話或其它通信媒體對(duì)助理說話。然而，外科醫(yī)生能夠位于不同房間、完全不同的建筑物或允許遠(yuǎn)距外科手術(shù)過程的距患者的其它遠(yuǎn)距位置。

圖3是電子推車24的透視圖。電子推車24能夠與內(nèi)窺鏡28耦合并能夠包括處理器以處理所捕捉圖像用于隨后顯示，諸如在外科醫(yī)生控制臺(tái)上向外科醫(yī)生顯示，或在位于本地或遠(yuǎn)距的另一合適顯示器上顯示。例如，在使用立體內(nèi)窺鏡的情況下，電子推車24能夠處理所捕捉的圖像以便向外科醫(yī)生呈現(xiàn)外科手術(shù)部位的協(xié)調(diào)的立體圖像。此協(xié)調(diào)能夠包括在相對(duì)圖像之間的對(duì)齊，并能夠包括調(diào)整立體內(nèi)窺鏡的立體工作距離。作為另一示例，圖像處理能夠包括使用先前確定的攝像機(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。

圖4示出具有多個(gè)操縱器臂的患者側(cè)推車22，每個(gè)操縱器臂支撐在操縱器臂的遠(yuǎn)側(cè)端部處的外科手術(shù)儀器或工具26。所示的患者側(cè)推車22包括能夠用來支撐外科手術(shù)工具26或成像裝置28(諸如用于捕捉手術(shù)的部位的圖像的立體內(nèi)窺鏡)的四個(gè)操縱器臂100。通過具有數(shù)個(gè)機(jī)器人接頭的機(jī)器人操縱器臂100提供操縱。成像裝置28和外科手術(shù)工具26能夠通過患者體內(nèi)的切口被定位和操縱，使得動(dòng)力學(xué)遠(yuǎn)距中心維持在切口處，以便最小化切口的尺寸。當(dāng)外科手術(shù)儀器或工具26的遠(yuǎn)側(cè)端部定位在成像裝置28的視場(chǎng)內(nèi)時(shí)，外科手術(shù)部位的圖像能夠包括該遠(yuǎn)側(cè)端部的圖像。

關(guān)于外科手術(shù)工具26，可使用不同類型的各種可替換的機(jī)器人外科手術(shù)工具或儀器和不同的端部執(zhí)行器，其中操縱器中的至少一些的儀器在外科手術(shù)過程期間被移除和更換。這些端部執(zhí)行器(包括Debakey鑷、微型手術(shù)鑷、Potts剪刀和施夾器)中的若干個(gè)包括第一端部執(zhí)行器元件和第二端部執(zhí)行器元件，第一端部執(zhí)行器元件和第二端部執(zhí)行器元件相對(duì)于彼此樞轉(zhuǎn)以便限定一對(duì)端部執(zhí)行器鉗。其它端部執(zhí)行器(包括手術(shù)刀和電烙器探頭)具有單個(gè)端部執(zhí)行器元件。對(duì)于具有端部執(zhí)行器鉗的儀器，該鉗將通常通過擠壓把手的抓握構(gòu)件來致動(dòng)。單個(gè)端部執(zhí)行器儀器也可通過抓握構(gòu)件的抓握來致動(dòng)，例如以便激勵(lì)電烙器探頭。

儀器26的細(xì)長軸允許端部執(zhí)行器和軸的遠(yuǎn)側(cè)端部穿過微創(chuàng)孔口(通常穿過腹壁等)遠(yuǎn)側(cè)地插入到外科手術(shù)工作部位中。外科手術(shù)工作部位可被吹入，并且端部執(zhí)行器在患者體內(nèi)的移動(dòng)將通常至少部分地通過將儀器26繞軸穿過微創(chuàng)孔口處的位置樞轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。即，操縱器100將移動(dòng)患者外側(cè)的儀器的近側(cè)外殼，使得軸延伸穿過微創(chuàng)孔口位置，以便幫助提供端部執(zhí)行器的希望的移動(dòng)。因此，操縱器100在外科手術(shù)過程期間將通常經(jīng)歷在患者P外側(cè)的顯著移動(dòng)。

根據(jù)本發(fā)明的許多實(shí)施例的示例性操縱器臂能夠參考圖5A至圖12C來理解。如上所述，操縱器臂通常支撐遠(yuǎn)側(cè)儀器或外科手術(shù)工具，并且實(shí)現(xiàn)儀器相對(duì)于底座的移動(dòng)。由于具有不同的端部執(zhí)行器的數(shù)個(gè)不同儀器可在外科手術(shù)過程期間循序安裝在每個(gè)操縱器上(通常借助于外科手術(shù)助理)，遠(yuǎn)側(cè)儀器托架將優(yōu)選地允許迅速移除和更換已安裝的儀器或工具。如能夠參考圖4所理解的，操縱器在近側(cè)安裝到患者側(cè)推車的底座。通常，操縱器臂包括在底座和遠(yuǎn)側(cè)儀器托架之間延伸的多個(gè)聯(lián)動(dòng)裝置和相關(guān)聯(lián)接頭。在一個(gè)方面中，示例性操縱器包括具有冗余自由度的多個(gè)接頭，使得操縱器臂的接頭能夠被驅(qū)動(dòng)到用于給定的端部執(zhí)行器方位的不同配置的范圍內(nèi)。這可以是用于本文所公開的操縱器臂的任何實(shí)施例的情況。

在許多實(shí)施例中，諸如例如圖5A所示，示例性操縱器臂包括近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1，該近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1繞第一接頭軸線旋轉(zhuǎn)以便將接頭遠(yuǎn)側(cè)的操縱器臂繞接頭軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。在一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1直接安裝到底座，而在其它實(shí)施例中，接頭J1可安裝到一個(gè)或更多個(gè)可移動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置或接頭。操縱器的接頭組合起來具有冗余自由度，使得操縱器臂的接頭能夠被驅(qū)動(dòng)到用于給定端部執(zhí)行器方位的不同配置的范圍內(nèi)。例如，圖5A至圖5D的操縱器臂可被調(diào)遣到不同配置中，同時(shí)在儀器托架510內(nèi)支撐的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件511維持特定狀態(tài)，并可包括端部執(zhí)行器的給定方位或速度。遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件511通常為工具軸512延伸穿過的套管，并且儀器托架510通常為支架(示為在柱上平移的類磚塊結(jié)構(gòu))，儀器在延伸穿過套管511穿過微創(chuàng)孔口進(jìn)入患者體內(nèi)之前附接到該支架。

連同如圖5A至圖5D所示的連接連桿的接頭的旋轉(zhuǎn)的軸線一起描述圖5A至圖5D的操縱器臂500的單獨(dú)連桿，第一連桿504從樞轉(zhuǎn)接頭J2(其繞其接頭軸線樞轉(zhuǎn)并耦合到轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1，轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1繞其接頭軸線旋轉(zhuǎn))向遠(yuǎn)側(cè)延伸。剩余接頭中的許多能夠通過它們相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)軸線來識(shí)別，如圖5A所示。例如，第一連桿504的遠(yuǎn)側(cè)端部在繞其樞轉(zhuǎn)軸線樞轉(zhuǎn)的樞轉(zhuǎn)接頭J3處耦合到第二連桿506的近側(cè)端部，并且第三連桿508的近側(cè)端部在繞其軸線樞轉(zhuǎn)的樞轉(zhuǎn)接頭J4處耦合到第二連桿506的遠(yuǎn)側(cè)端部，如圖所示。第三連桿508的遠(yuǎn)側(cè)端部在樞轉(zhuǎn)接頭J5處耦合到儀器托架510。通常，接頭J2、J3、J4和J5中的每個(gè)的樞轉(zhuǎn)軸線基本上平行，并且聯(lián)動(dòng)裝置在彼此靠近定位時(shí)顯得“堆疊”，如圖5D所示，以便提供操縱器臂的減小的寬度w并且在操縱器組件的調(diào)遣期間改善患者間隙。在許多實(shí)施例中，儀器托架還包括額外接頭，諸如棱柱接頭J6，其促進(jìn)儀器306穿過微創(chuàng)孔口的軸向移動(dòng)，并促進(jìn)儀器托架附接到儀器滑動(dòng)插入所穿過的套管。

工具512延伸穿過的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件或套管511可包括儀器托架510的遠(yuǎn)側(cè)的額外自由度。儀器的自由度的致動(dòng)將通常由操縱器的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并且可替換實(shí)施例可在迅速可拆卸的儀器托架/儀器接口處將儀器與支撐操縱器結(jié)構(gòu)分離，使得這里示出為在儀器上的一個(gè)或更多個(gè)接頭代替地在接口上，或反之亦然。在一些實(shí)施例中，套管511包括接近工具尖端的插入點(diǎn)或樞轉(zhuǎn)點(diǎn)PP(其通常設(shè)置在微創(chuàng)孔口的部位處)或在其近側(cè)的旋轉(zhuǎn)接頭J7(未示出)。儀器的遠(yuǎn)側(cè)腕部允許外科手術(shù)工具512的端部執(zhí)行器在儀器腕部處繞一個(gè)或更多個(gè)接頭的儀器接頭軸線的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在端部執(zhí)行器鉗元件之間的角度可獨(dú)立于端部執(zhí)行器位置和取向被控制。

示例性操縱器組件的運(yùn)動(dòng)范圍能夠通過參考圖6A至圖6C來認(rèn)識(shí)。在外科手術(shù)過程期間，示例性操縱器臂能夠被調(diào)遣到如圖6A所示的前傾配置中，或如圖6B所示的后傾配置中，按需要進(jìn)入外科手術(shù)工作空間內(nèi)的特定患者組織。典型的操縱器組件包括能夠繞軸線前傾和后傾至少±60度，優(yōu)選約±75度，并也能夠繞軸線偏轉(zhuǎn)±80度的端部執(zhí)行器。盡管該方面允許具有組件的端部執(zhí)行器的提高的調(diào)遣性，但可存在其中端部執(zhí)行器的移動(dòng)可能受限的配置，特別是當(dāng)操縱器臂在如圖6A和圖6B中的完全前傾或完全后傾配置時(shí)。在一個(gè)實(shí)施例中，操縱器臂分別具有對(duì)于外傾的(+/-75度)和對(duì)于外偏轉(zhuǎn)接頭(+/-300度)的運(yùn)動(dòng)范圍(ROM)。在一些實(shí)施例中，ROM對(duì)于外傾可增大以提供大于(+/-90度)的ROM，在此情況下可使得其中接頭移動(dòng)受限或不可能的空間錐完全消失，然而通常與插入限制相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部球體將保留。應(yīng)認(rèn)識(shí)到各種實(shí)施例可經(jīng)配置具有增大或減小的ROM，上面提到的ROM被提供用于說明目的，并且進(jìn)一步地，本發(fā)明不限于本文所描述的ROM。

圖6C圖形表示圖5A至圖5B的示例性操縱器的工具尖端的總體運(yùn)動(dòng)范圍和工作空間。盡管工作空間示出為半球體，但其也可根據(jù)操縱器的一個(gè)或更多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭(諸如接頭J1)的運(yùn)動(dòng)范圍和配置表示為球體。如圖所示，圖6C中的半球體包括中心小球體空隙以及兩個(gè)錐形空隙?？障侗硎酒渲泄ぞ呒舛说囊苿?dòng)由于機(jī)械約束而不可能或由于極高接頭速度(其使得端部執(zhí)行器的移動(dòng)困難或緩慢)而不能實(shí)行的區(qū)域。出于這些原因，錐形空隙稱為“靜錐區(qū)”。在一些實(shí)施例中，操縱器臂可在錐體內(nèi)的點(diǎn)處達(dá)到奇點(diǎn)。由于操縱器在靜錐區(qū)內(nèi)或接近靜錐區(qū)的移動(dòng)可受損害，因此會(huì)難以在沒有手動(dòng)移動(dòng)操縱器的一個(gè)或更多個(gè)連桿以重配置操縱器的聯(lián)動(dòng)裝置和接頭的情況下移動(dòng)操縱器臂離開靜錐區(qū)，這可能需要可替換的操作模式并延遲外科手術(shù)過程。

儀器軸到這些錐形部分中或附近的移動(dòng)通常在操縱器中遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)動(dòng)裝置之間的角度相對(duì)小時(shí)發(fā)生。因此，能夠通過各向異性地加強(qiáng)操縱器的移動(dòng)以便增大聯(lián)動(dòng)裝置之間的角度(使得聯(lián)動(dòng)裝置移動(dòng)到相對(duì)彼此更正交的方位中)，來避免此類配置。例如，在圖6A和圖6B所示的配置中，當(dāng)最遠(yuǎn)側(cè)連桿和儀器托架之間的角度(角度a)變?yōu)橄鄬?duì)小時(shí)，操縱器的移動(dòng)可能變得更困難。取決于在各種實(shí)施例中剩余接頭中的接頭移動(dòng)范圍，當(dāng)某些聯(lián)動(dòng)裝置之間的角度減小時(shí)，操縱器的移動(dòng)可能受抑制，并且在一些情況下，操縱器臂可能不再冗余。其中儀器軸接近這些錐形部分或其中在聯(lián)動(dòng)裝置之間的角度相對(duì)低的操縱器配置稱為“低劣調(diào)節(jié)的”，使得操縱器臂的調(diào)遣性和靈巧性受限制。希望操縱器為“良好調(diào)節(jié)的”以便維持靈巧性和移動(dòng)范圍。在一個(gè)方面中，本發(fā)明允許用戶通過簡(jiǎn)單錄入命令以按需重配置操縱器來避免儀器軸接近上述的錐形部分的移動(dòng)，即使在外科手術(shù)過程中端部執(zhí)行器移動(dòng)期間。對(duì)于操縱器將出于任何原因變?yōu)椤暗土诱{(diào)節(jié)的”，則該方面特別有用。

盡管上述操縱器的實(shí)施例可用于本發(fā)明，但一些實(shí)施例可包括也可用來改善操縱器臂的靈巧性和調(diào)節(jié)的額外接頭。例如，示例性操縱器可包括在接頭J1近側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)接頭和/或聯(lián)動(dòng)裝置，其能夠用來將圖5A的操縱器臂以及它的相關(guān)聯(lián)靜錐區(qū)繞轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的軸線旋轉(zhuǎn)以便減小或消除靜錐區(qū)。在另一實(shí)施例中，示例性操縱器也可包括遠(yuǎn)側(cè)樞轉(zhuǎn)接頭，其將儀器托架繞基本上垂直于接頭J5的軸線樞轉(zhuǎn)，由此將工具尖端偏移以便進(jìn)一步減小靜錐區(qū)并改善外科手術(shù)工具的移動(dòng)范圍。在又一實(shí)施例中，操縱器臂的近側(cè)接頭(諸如J1)可以可移動(dòng)地安裝在底座上，以便按需移動(dòng)或移位靜錐區(qū)并改善操縱器工具尖端的移動(dòng)范圍。此類額外接頭的使用和優(yōu)點(diǎn)能夠通過參考圖示此類接頭的示例的圖7A至圖12C理解，在本文所描述的任何示例性操縱器臂中，此類接頭可每個(gè)獨(dú)立于彼此使用或組合使用。

圖7A至圖7B圖示用于與示例性操縱器臂一起使用的額外冗余接頭——將操縱器臂的近側(cè)部分耦合到底座的第一接頭。第一接頭是將操縱器臂繞接頭J1的接頭軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1。近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)J1包括將接頭J1’從近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)J1偏移預(yù)定距離或角度的連桿501。連桿501能夠是如圖7A所示的彎曲聯(lián)動(dòng)裝置，或如圖7B所示的線性或成角度的聯(lián)動(dòng)裝置。通常，接頭J1的接頭軸線與工具尖端的遠(yuǎn)距中心RC或插入點(diǎn)對(duì)齊，如圖7A中的每個(gè)所示。在示例性實(shí)施例中，接頭J1的接頭軸線經(jīng)過遠(yuǎn)距中心，與操縱器臂中的每個(gè)其它轉(zhuǎn)動(dòng)接頭軸線一樣，以阻止在體壁處的運(yùn)動(dòng)并能夠因此在外科手術(shù)期間移動(dòng)。接頭J1的軸線耦合到臂的近側(cè)部分，因此其能夠用來改變臂的后部的方位和取向。通常，冗余軸線(諸如該軸線)允許儀器尖端遵循外科醫(yī)生的命令同時(shí)避開與其它臂或患者解剖結(jié)構(gòu)的碰撞。在一個(gè)方面中，近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)J1單獨(dú)用來改變操縱器相對(duì)于底板的安裝角。該角度是重要的以便：1)避開與外部患者解剖結(jié)構(gòu)的碰撞；以及2)到達(dá)體內(nèi)解剖結(jié)構(gòu)。通常，在附接到近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1的操縱器的近側(cè)連桿和近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線之間的角度a為約15度。

圖7B圖示示例性操縱器臂中的近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1及其相關(guān)聯(lián)的接頭軸線和靜錐區(qū)的關(guān)系。近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1的接頭軸線可經(jīng)過靜錐區(qū)或可完全在靜錐區(qū)外。通過繞近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)J1的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)操縱器臂，靜錐區(qū)能夠減小(在其中接頭J1軸線經(jīng)過靜錐區(qū)的實(shí)施例中)，或能夠有效消除(在其中近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭軸線完全在靜錐區(qū)外延伸的實(shí)施例中)。連桿501的距離和角度確定接頭J1軸線相對(duì)于靜錐區(qū)的方位。

圖8圖示用于與示例性操縱器臂一起使用的另一類型的冗余接頭，將儀器托架510耦合到操縱器臂508的遠(yuǎn)側(cè)連桿的遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J7。遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J7允許系統(tǒng)將儀器托架510繞通常經(jīng)過遠(yuǎn)距中心或插入點(diǎn)的接頭軸線扭轉(zhuǎn)。理想地，轉(zhuǎn)動(dòng)接頭遠(yuǎn)側(cè)地位于臂上并因此特別適合于移動(dòng)插入軸線的取向。該冗余軸的添加允許操縱器為任何單個(gè)儀器尖端方位采取(assume)多個(gè)方位。通常，冗余軸線(諸如該軸線)允許儀器尖端遵循外科醫(yī)生的命令同時(shí)避開與其它臂或患者解剖結(jié)構(gòu)的碰撞。因?yàn)檫h(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J7具有移動(dòng)插入軸線更靠近偏轉(zhuǎn)軸線的能力，因此能夠增大臂后傾的運(yùn)動(dòng)范圍。在遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J7的軸線、J1’的偏轉(zhuǎn)軸和工具尖端的插入軸線之間的關(guān)系在圖9中示出。圖10A至圖10C示出J7的循序移動(dòng)及其如何將工具尖端的插入軸線從一側(cè)移位到另一側(cè)。

遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J7的另一優(yōu)點(diǎn)是其可減小患者間隙錐(clearance cone)，其為在插入點(diǎn)近側(cè)的操縱器臂的遠(yuǎn)側(cè)部分的掃掠體積(swept volume)，該掃掠體積必須清除(clear)患者以避開患者和儀器托架或操縱器臂的遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)動(dòng)裝置之間的碰撞。圖11A圖示當(dāng)遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭的角位移保持在0°時(shí)操縱器臂的近側(cè)部分的患者間隙錐。圖11B圖示當(dāng)示出遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭具有繞其軸線的90°的角位移時(shí)操縱器臂的近側(cè)部分的減小的患者間隙錐。因此，在具有接近插入點(diǎn)的最小患者間隙的過程中，根據(jù)本發(fā)明使用接頭J7可提供額外間隙，同時(shí)按需維持端部執(zhí)行器的遠(yuǎn)距中心位置或方位。

圖12A至圖12C圖示用于與示例性操縱器臂一起使用的另一類型的冗余接頭，將操縱器臂平移或繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的近側(cè)接頭。在許多實(shí)施例中，該近側(cè)可平移接頭將操縱器的近側(cè)接頭(諸如接頭J1或J1’)沿一路徑平移，以便通過移位或旋轉(zhuǎn)操縱器臂的運(yùn)動(dòng)范圍來減小或消除靜錐區(qū)，以提供操縱器臂的更優(yōu)調(diào)節(jié)以及改善的調(diào)遣性?？善揭平宇^可包括圓形路徑，諸如圖12A至圖12D中的J1”所示，或可包括半圓形或弧形路徑。通常，接頭將操縱器臂繞與遠(yuǎn)距中心RC交叉的可平移接頭的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，延伸穿過套管511的工具512的軸繞遠(yuǎn)距中心RC樞轉(zhuǎn)。在所示實(shí)施例中，J1”的該軸線為豎直軸線，但是在各種其它實(shí)施例中該軸線可以處于一定角度或是水平的。

在一些實(shí)施例中，操縱器臂500可包括近側(cè)和遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭、近側(cè)可平移接頭和遠(yuǎn)側(cè)聯(lián)動(dòng)裝置的平行四邊形配置中的任一個(gè)或全部。根據(jù)本發(fā)明，這些特征中的任一個(gè)或全部的使用提供額外冗余自由度并促進(jìn)重配置，以便通過增大聯(lián)動(dòng)裝置之間的角度提供更優(yōu)“調(diào)節(jié)的”操縱器組件，由此改善操縱器的靈巧性和運(yùn)動(dòng)。該示例性操縱器的增大的靈活性也能夠用來優(yōu)化操縱器聯(lián)動(dòng)裝置的動(dòng)力學(xué)，以便避免接頭限制、奇點(diǎn)等。

在示例實(shí)施例中，通過由控制器使用系統(tǒng)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)接頭來控制操縱器的接頭移動(dòng)，該接頭根據(jù)由控制器的處理器計(jì)算的協(xié)調(diào)的接頭移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)。數(shù)學(xué)上，控制器可使用向量和/或矩陣(其中一些可具有對(duì)應(yīng)于接頭的配置或速度的元素)執(zhí)行接頭命令的計(jì)算中的至少一些?？捎糜谔幚砥鞯目商鎿Q的接頭配置的范圍可概念化為接頭空間。例如，接頭空間可具有與操縱器具有的自由度一樣多的維度，并且操縱器的特定配置可表示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)。

在示例實(shí)施例中，系統(tǒng)包括控制器，其中特征在工作空間(這里表示為其笛卡爾空間)中的所命令的方位和速度是輸入。特征可以是能夠被用作有待使用控制輸入來鉸接的控制框架的在操縱器上或不在操縱器上的任何特征。用于本文中描述的許多示例的在操縱器上的特征的示例將為工具尖端。在操縱器上的特征的另一示例將為不在工具尖端上但為操縱器的一部分(諸如針腳或著色圖案)的物理特征。不在操縱器上的特征的示例將為空白空間中的參考點(diǎn)，其精確地為距工具尖端的特定距離和角度。不在操縱器上的特征的另一示例將為目標(biāo)組織，能夠建立相對(duì)于操縱器的該目標(biāo)組織的方位。在所有這些情況下，端部執(zhí)行器與使用控制輸入來鉸接的虛控制框架相關(guān)聯(lián)。然而，在下文中，“端部執(zhí)行器”和“工具尖端”同義使用。盡管通常沒有將希望的笛卡爾空間端部執(zhí)行器方位映射到等效接頭空間方位的封閉式關(guān)系，但通常存在笛卡爾空間端部執(zhí)行器和接頭空間速度之間的封閉式關(guān)系。動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣是端部執(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)數(shù)的矩陣。這樣，動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣捕捉端部執(zhí)行器和接頭之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。即，動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣捕捉接頭運(yùn)動(dòng)在端部執(zhí)行器上的效果。動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣(J)能夠用來使用下面的關(guān)系將接頭空間速度(dq/dt)映射到笛卡爾空間端部執(zhí)行器速度(dx/dt)：

dx/dt＝J dq/dt

因此，即使當(dāng)輸入和輸出方位之間沒有封閉式映射時(shí)，速度的映射能夠迭代地使用，諸如在基于雅可比矩陣的控制器中，以實(shí)施來自所命令的用戶輸入的操縱器的移動(dòng)，然而能夠使用各種實(shí)施方案。盡管許多實(shí)施例包括基于雅可比矩陣的控制器，但一些實(shí)施方案可使用各種控制器，所述各種控制器可經(jīng)配置訪問操縱器臂的雅可比矩陣以提供本文所描述的特征中的任一種。

一個(gè)此類實(shí)施方案在下面以簡(jiǎn)化項(xiàng)描述。所命令的接頭方位用來計(jì)算雅可比矩陣(J)。在每個(gè)時(shí)間步(Δt)期間，計(jì)算笛卡爾空間速度(dx/dt)以執(zhí)行所希望的移動(dòng)(dx_des/dt)并根據(jù)所希望的笛卡爾空間方位校正組合(built up)偏差(Δx)。然后使用雅可比矩陣的偽逆矩陣(J^#)將該笛卡爾空間速度轉(zhuǎn)換成接頭空間速度(dq/dt)。所得的接頭空間命令的速度然后被積分以產(chǎn)生接頭空間命令的方位(q)。這些關(guān)系如下列出：

dx/dt＝dx_des/dt+kΔx (1)

dq/dt＝J^#dx/dt (2)

q_i＝q_i-1+dq/dtΔt (3)

雅可比矩陣(J)的偽逆矩陣將所希望的工具尖端運(yùn)動(dòng)(和在一些情況下的樞轉(zhuǎn)工具運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)距中心)直接映射到接頭速度空間中。如果所使用的操縱器具有比工具尖端自由度(多至六個(gè))更有用的接頭軸線，(并且當(dāng)工具運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)距中心正在使用時(shí)，操縱器應(yīng)具有用于與遠(yuǎn)距中心的位置相關(guān)聯(lián)的3個(gè)自由度的額外3個(gè)接頭軸線)，那么操縱器稱為冗余的。冗余操縱器的雅可比矩陣包括具有至少為一的維度的“零空間”。在此情境下，雅可比矩陣的“零空間”(N(J))為瞬時(shí)地實(shí)現(xiàn)無工具尖端移動(dòng)(并且當(dāng)使用遠(yuǎn)距中心時(shí)，瞬時(shí)地實(shí)現(xiàn)無樞轉(zhuǎn)點(diǎn)位置的移動(dòng))的接頭速度的空間；以及“零運(yùn)動(dòng)”為接頭方位的組合、軌跡或路徑，其也不產(chǎn)生工具尖端和/或遠(yuǎn)距中心的位置的瞬時(shí)移動(dòng)。

在一個(gè)方法中，接頭狀態(tài)分成“零垂直”移動(dòng)，其為實(shí)現(xiàn)所命令的工具尖端狀態(tài)的接頭狀態(tài)；以及“零空間”移動(dòng)，其為不引起工具尖端運(yùn)動(dòng)(或當(dāng)使用遠(yuǎn)距軟件中心時(shí)，不引起遠(yuǎn)距中心或樞轉(zhuǎn)點(diǎn)位置的移動(dòng))的接頭狀態(tài)。將所計(jì)算的零空間速度結(jié)合或注入到操縱器的控制系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)操縱器的所希望的重配置(包括本文所描述的任意重配置)將上面方程(2)改變成下式：

dq/dt＝dq_perp/dt+dq_null/dt (4)

dq_perp/dt＝J^#dx/dt (5)

dq_null/dt＝(1-J^#J)z＝V_nV_n^T z＝V_nα (6)

根據(jù)方程(4)的接頭速度具有兩個(gè)分量：第一個(gè)為零垂直空間分量，其為產(chǎn)生所希望的工具尖端運(yùn)動(dòng)(并且當(dāng)使用遠(yuǎn)距中心時(shí)，產(chǎn)生所希望的遠(yuǎn)距中心運(yùn)動(dòng))的“最純的”接頭速度(最短向量長度)，并且第二個(gè)為零空間分量。方程(2)和(5)示出在沒有零空間分量的情況下得到相同方程。方程(6)始于左側(cè)上零空間分量的傳統(tǒng)形式，并且在遠(yuǎn)右側(cè)上，示出用于示例性系統(tǒng)的形式，其中V_n為用于零空間的正交基底向量組，并且α為用于混合那些基底向量的系數(shù)。在一些實(shí)施例中，通過控制參數(shù)、變量或設(shè)定(諸如通過使用旋鈕或其它控制裝置)來確定α，以按需在零空間內(nèi)成形或控制運(yùn)動(dòng)。盡管該方法具有許多益處，但是在一些所計(jì)算的移動(dòng)中，為“零垂直”和“零空間”接頭狀態(tài)中的每個(gè)計(jì)算接頭移動(dòng)用于組合的移動(dòng)所需的復(fù)雜性和周期時(shí)間可大于所希望的。

在可替換方式中，可使用增廣的雅克比方法，其結(jié)合與用于增廣雅克比矩陣的函數(shù)、系數(shù)或接頭狀態(tài)內(nèi)的零空間移動(dòng)相關(guān)的一個(gè)或更多個(gè)輔助功能或所希望的移動(dòng)。在一個(gè)方面中，該方法結(jié)合與一個(gè)或更多個(gè)輔助功能相關(guān)聯(lián)的勢(shì)函數(shù)梯度，或可使用被應(yīng)用到笛卡爾空間端部執(zhí)行器速度的所希望的移動(dòng)。雅克比矩陣可被增廣，使得通過取雅克比矩陣的偽逆矩陣計(jì)算的所得接頭速度提供所希望的輔助任務(wù)或移動(dòng)。根據(jù)增廣的雅克比方法，可使用以下方程，然而認(rèn)識(shí)到可使用列向量：

dx/dt＝J*dq/dt

y＝h(q,…)

該方法可提供簡(jiǎn)化的計(jì)算，因此提供與上面前述方法比較而言減小的計(jì)算時(shí)間。在一些所命令的移動(dòng)中，該可替換方法可在提供所計(jì)算的接頭速度中減少用于接頭速度的計(jì)算時(shí)間，這實(shí)現(xiàn)與操縱器的一個(gè)或更多個(gè)其它接頭的一個(gè)或更多個(gè)輔助功能或所希望的移動(dòng)同時(shí)的所命令的端部執(zhí)行器或工具尖端移動(dòng)。在某些方面中，該方法可按需與上述方法組合(例如，在它們之間交替或間歇地)使用以便保持與每個(gè)方法相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)。例如，在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)可利用增廣的雅可比方法，其可在操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭不接近它們的相應(yīng)接頭限制或奇點(diǎn)時(shí)用于一個(gè)或更多個(gè)輔助功能(例如，碰撞避開、命令的重配置)，或可在一個(gè)或更多個(gè)接頭處于它們的相應(yīng)限制或處于奇點(diǎn)時(shí)利用上面第一方法。應(yīng)理解在涉及本文中所描述的使用雅可比矩陣計(jì)算接頭移動(dòng)中，此類計(jì)算可包括使用增廣的雅可比方法。

在一個(gè)方面中，如上所述，可增廣雅可比矩陣以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或更多個(gè)輔助功能或所希望的接頭移動(dòng)。在一些實(shí)施例中，為實(shí)現(xiàn)一個(gè)或更多個(gè)輔助功能或所希望的接頭移動(dòng)，其可包括執(zhí)行特定任務(wù)或接頭移動(dòng)的組合，或大體上在所希望的方向上或朝向特定接頭狀態(tài)或相對(duì)狀態(tài)移動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)接頭，以便實(shí)現(xiàn)輔助任務(wù)。對(duì)于增廣的雅可比矩陣而言的一個(gè)或更多個(gè)輔助功能或所希望的接頭移動(dòng)可包括以下中的任一個(gè)：所命令的端部執(zhí)行器移動(dòng)、樞轉(zhuǎn)移動(dòng)、根據(jù)所希望的移動(dòng)的樞轉(zhuǎn)中心的受控移動(dòng)(例如，端口抓握、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)；接頭運(yùn)動(dòng)撤銷、在相鄰操縱器臂之間或操縱器與患者之間的碰撞避開、操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭的所命令的重配置、零傾浮動(dòng)特征、到笛卡爾坐標(biāo)空間邊緣的促進(jìn)進(jìn)入、各向異性地加強(qiáng)接頭運(yùn)動(dòng)，或其任何組合。在一個(gè)方面中，這些特征中的任何能夠在函數(shù)內(nèi)組合以獲得雅可比矩陣能夠用其來增廣的系數(shù)。這些特征能夠在應(yīng)用到雅可比矩陣之前和/或之后被加權(quán)、縮放或選擇性地過濾以便提供所計(jì)算的接頭移動(dòng)，所計(jì)算的接頭移動(dòng)將輔助任務(wù)或所希望的接頭移動(dòng)按需組合。

在一個(gè)方面中，某些特征可作為主任務(wù)來執(zhí)行，使得某些其它特征可通過增廣的雅可比矩陣作為輔助任務(wù)執(zhí)行。例如，維持所希望的樞轉(zhuǎn)中心位置(或提供樞轉(zhuǎn)中心在遠(yuǎn)距軟件中心處的受控移動(dòng))可在雅可比矩陣的計(jì)算中作為主任務(wù)來執(zhí)行，而雅可比矩陣可被增廣以執(zhí)行所命令的端部執(zhí)行器移動(dòng)作為輔助任務(wù)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，該相同概念可應(yīng)用到執(zhí)行一個(gè)移動(dòng)作為主任務(wù)同時(shí)使用增廣以執(zhí)行另一移動(dòng)作為輔助任務(wù)的任務(wù)或移動(dòng)的各種其它組合。

圖14A至圖14B圖形地圖示示例性操縱器臂的雅可比矩陣的零空間和雅可比矩陣的零垂直空間之間的關(guān)系。圖14A示出二維示意圖，其示出沿橫軸線的零空間和沿縱軸線的零垂直空間，兩個(gè)軸線彼此正交。對(duì)角向量表示在零空間中的速度向量和在零垂直空間中的速度向量之和，其表示上面的方程(4)，或可替換地可通過使用增廣的雅可比矩陣來獲得，如本文中所描述并且如將由本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的。

圖14B圖形地圖示在四維接頭空間內(nèi)的零空間和零運(yùn)動(dòng)流形(motion manifold)(示為“零運(yùn)動(dòng)流形”)之間的關(guān)系。每個(gè)箭頭(q1、q2、q3和q4)表示主接頭軸線。閉合曲線表示零運(yùn)動(dòng)流形，其為瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)相同端部執(zhí)行器方位的一組接頭空間方位。對(duì)于曲線上給定點(diǎn)A，由于零空間為瞬時(shí)不產(chǎn)生端部執(zhí)行器移動(dòng)的接頭速度的空間，因此在點(diǎn)A處零空間平行于零運(yùn)動(dòng)流形的正切。

在一個(gè)方面中，雅可比矩陣(其偽逆矩陣用來確定接頭狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)所命令的工具尖端狀態(tài))能夠通過根據(jù)所希望的輔助任務(wù)或所希望的接頭移動(dòng)確定的系數(shù)來增廣。當(dāng)所希望的輔助任務(wù)包括“鎖定”操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭時(shí)，通過對(duì)雅可比矩陣的增廣，與希望鎖定的接頭的移動(dòng)相關(guān)聯(lián)的變量能夠被強(qiáng)制為“0”，例如，如在以下方程中所示(盡管項(xiàng)“J”在各圖中用于接頭，但在本文中提供的方程中，“J”表示雅可比矩陣并且q表示接頭值)：

圖15A至圖15B示意地圖示根據(jù)與端部執(zhí)行器位移移動(dòng)同時(shí)的所命令的重配置移動(dòng)的在操縱器臂移動(dòng)之前和之后的示例操縱器500，其中接頭J₁被鎖定。響應(yīng)于由用戶錄入的端部執(zhí)行器操縱命令，處理器通過使用動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣(其已被增廣以抑制零空間內(nèi)一個(gè)或更多個(gè)接頭的移動(dòng))計(jì)算接頭(包括接頭J_t)的移動(dòng)，從而有效地撤銷鎖定的接頭J_t的移動(dòng)。該接頭移動(dòng)撤銷能夠與所計(jì)算的接頭移動(dòng)(其提供所希望的執(zhí)行器移動(dòng))同時(shí)提供，并且進(jìn)一步與響應(yīng)于用以重配置操縱器臂的用戶命令的一個(gè)或更多個(gè)其它接頭的重配置移動(dòng)同時(shí)提供。如圖15A至圖15B的示例中所示，臂的重配置移動(dòng)包括接頭J_t的移動(dòng)，使得即使當(dāng)接頭J_t從端部執(zhí)行器位移移動(dòng)中被鎖定時(shí)，鎖定的接頭能夠在實(shí)現(xiàn)涉及另一任務(wù)的移動(dòng)(諸如操縱器臂的所命令的重配置)時(shí)移動(dòng)。在另一方面中，可使用該方法以將多個(gè)接頭中的所希望接頭有效地從任何移動(dòng)中鎖定，即，在操縱器移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)所命令的端部執(zhí)行器移動(dòng)期間，雅可比矩陣被增廣以便抑制所希望的接頭的狀態(tài)的任何變化。

在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)可經(jīng)配置使得零空間內(nèi)接頭的速度根據(jù)接頭位置和/或配置或任何數(shù)量的條件被縮放。例如，用戶可希望在重配置移動(dòng)期間在操縱器臂中用比最遠(yuǎn)側(cè)接頭更高的速度驅(qū)動(dòng)最近側(cè)接頭。另外，系統(tǒng)可經(jīng)配置以便按需維持操縱器臂的接頭中的任一個(gè)的方位或狀態(tài)。

在某些方面中，系統(tǒng)可以以任何數(shù)量的方式從系統(tǒng)用戶接收重配置命令。在一些實(shí)施例中，操縱器包括用于從用戶接收重配置命令的輸入裝置。輸入裝置可包括用于按需驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)接頭(或可替換地用于移動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)連桿)的一個(gè)或更多個(gè)按鈕或機(jī)構(gòu)。輸入裝置可設(shè)置在操縱器臂上，通常在與響應(yīng)于裝置的激活而被驅(qū)動(dòng)的接頭對(duì)應(yīng)的位置處，諸如在美國申請(qǐng)?zhí)?3/906,767中所描述的，其標(biāo)題為“Systems and Methods for Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null-Space(使用零空間的外科手術(shù)操縱器的所命令的重配置的系統(tǒng)和方法)”，提交于2013年5月31日(代理人案號(hào)ISRG03770)，其全部內(nèi)容并入本文用于所有目的?？商鎿Q地，系統(tǒng)可包括具有按鈕或機(jī)構(gòu)(其每個(gè)對(duì)應(yīng)于操縱器臂的接頭或聯(lián)動(dòng)裝置)的群集的輸入裝置。該實(shí)施例允許用戶從集中位置重配置臂?？商鎿Q地，輸入裝置可包括可操作以按需驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)接頭并實(shí)現(xiàn)重配置的操縱桿。應(yīng)認(rèn)識(shí)到輸入裝置可包括任何數(shù)量的變體。

在另一方面中，能夠通過由避開在相鄰操縱器臂之間的碰撞和/或在操縱器臂和患者表面之間的碰撞的函數(shù)確定的系數(shù)(H)來增廣雅可比矩陣。此函數(shù)可以以任何數(shù)量的方式實(shí)現(xiàn)該所希望的移動(dòng)，包括確定相鄰操縱器的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間或操縱器特征和患者表面之間的距離，或基于相鄰操縱器或操縱器與患者表面的相對(duì)方位來確定梯度場(chǎng)。在一個(gè)示例中，以下方程可用來通過使用增廣的雅可比矩陣實(shí)現(xiàn)碰撞避開。

y＝H(q,…)

在上面方程中，包括提供操縱器在工作空間內(nèi)的特定狀態(tài)的工作空間計(jì)算，使得與H(例如，在相鄰操縱器上對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間或在操縱器和患者之間的所希望的相對(duì)關(guān)系)組合，能夠避開碰撞。以下示例在概念上說明此類增廣可如何應(yīng)用以抑制操縱器碰撞。

關(guān)于抑制操縱器之間的碰撞，在某些實(shí)施例中，諸如例如圖5A所示的示例，示例操縱器臂包括近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1，其繞第一接頭軸線旋轉(zhuǎn)以便將接頭遠(yuǎn)側(cè)的操縱器臂繞接頭軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。在一些實(shí)施例中，轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1直接安裝到底座，而在其它實(shí)施例中，接頭J1可安裝到一個(gè)或更多個(gè)可移動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置或接頭。操縱器的接頭組合起來具有冗余自由度，使得操縱器臂的接頭能夠被驅(qū)動(dòng)通過用于給定端部執(zhí)行器的不同配置的范圍。例如，圖5A至圖5D的操縱器臂可被調(diào)遣到不同配置中，同時(shí)在儀器托架510內(nèi)支撐的遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件511(諸如工具512或儀器軸延伸穿過的套管)維持特定狀態(tài)，并可包括端部執(zhí)行器的給定方位或速度。遠(yuǎn)側(cè)構(gòu)件511通常為工具軸512延伸穿過的套管，并且儀器托架510通常為支架(示為在柱上平移的類磚塊結(jié)構(gòu))，儀器在延伸穿過套管511穿過微創(chuàng)孔口進(jìn)入患者體內(nèi)之前附接到該支架。

連同如圖5A至圖5D所示的連接連桿的接頭的旋轉(zhuǎn)的軸線一起描述圖5A至圖5D的操縱器臂500的單獨(dú)的連桿，第一連桿504從樞轉(zhuǎn)接頭J2(其繞其接頭軸線樞轉(zhuǎn)并耦合到轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1，轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1繞其接頭軸線旋轉(zhuǎn))向遠(yuǎn)側(cè)延伸。剩余接頭中的許多能夠通過它們相關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)軸線識(shí)別，如圖5A所示。例如，第一連桿504的遠(yuǎn)側(cè)端部在繞其樞轉(zhuǎn)軸線樞轉(zhuǎn)的樞轉(zhuǎn)接頭J3處耦合到第二連桿506的近側(cè)端部，并且第三連桿508的近側(cè)端部在繞其軸線樞轉(zhuǎn)的樞轉(zhuǎn)接頭J4處耦合到第二連桿506的遠(yuǎn)側(cè)端部，如圖所示。第三連桿508的遠(yuǎn)側(cè)端部在樞轉(zhuǎn)接頭J5處耦合到儀器托架510。接頭J2、J3、J4和J5中的每個(gè)的樞轉(zhuǎn)軸線可經(jīng)配置基本上平行，使得聯(lián)動(dòng)裝置在彼此靠近定位時(shí)顯得“堆疊”，如圖5D所示，以便提供操縱器臂的減小的寬度w并且在操縱器組件的調(diào)遣期間改善操縱器的一部分周圍的間隙。在一些實(shí)施例中，儀器托架還包括額外接頭，諸如棱柱接頭J6，其促進(jìn)儀器穿過微創(chuàng)孔口的軸向移動(dòng)，并促進(jìn)儀器托架附接到儀器滑動(dòng)插入穿過的套管。

套管511可包括儀器托架510遠(yuǎn)側(cè)的額外自由度。儀器的自由度的致動(dòng)可由操縱器的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并且可替換實(shí)施例可在迅速可拆卸的儀器托架/儀器接口處將儀器與支撐操縱器結(jié)構(gòu)分離，使得這里示出為在儀器上的一個(gè)或更多個(gè)接頭代替地在接口上，或反之亦然。在一些實(shí)施例中，套管511包括接近工具尖端的插入點(diǎn)或遠(yuǎn)距中心RC(工具的軸鄰近微創(chuàng)孔口繞其樞轉(zhuǎn))或在其近側(cè)的旋轉(zhuǎn)接頭J7(未示出)。儀器的遠(yuǎn)側(cè)腕部允許端部執(zhí)行器在儀器腕部處繞一個(gè)或更多個(gè)接頭的儀器接頭軸線穿過套管511的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在端部執(zhí)行器鉗元件之間的角度可獨(dú)立于端部執(zhí)行器位置和取向受控制。

在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)使用與每個(gè)操縱器臂的方位或狀態(tài)對(duì)應(yīng)的限定的參考幾何形狀，使得系統(tǒng)的處理器能夠通過確定相鄰操縱器臂的參考幾何形狀之間的相對(duì)狀態(tài)，確定在臂之間的碰撞何時(shí)可能即將發(fā)生。如圖5A所示，有時(shí)稱為“避開參考幾何形狀”的參考幾何形狀700能夠包括多個(gè)線段704、706、708、701、711，每個(gè)均對(duì)應(yīng)于物理操縱器臂500的聯(lián)動(dòng)裝置。“參考幾何形狀”自身由處理器限定(或先前限定和/或由用戶輸入)，并且其狀態(tài)在操縱器的部件遍及外科手術(shù)空間移動(dòng)時(shí)由處理器通常使用接頭傳感器來確定并跟蹤。圖5A所示的線段用于說明目的以指示參考幾何形狀如何對(duì)應(yīng)于涉及操縱器臂的部件或特征，并且說明如何能夠由處理器根據(jù)本發(fā)明限定和利用參考幾何形狀的變化以避開臂到臂碰撞。參考幾何形狀可進(jìn)一步包括與涉及操縱器臂的突起或特征對(duì)應(yīng)的點(diǎn)或線段，例如，線段711對(duì)應(yīng)于可移動(dòng)地安裝在柱聯(lián)動(dòng)裝置710上的支架的突起邊緣，并且線段712對(duì)應(yīng)于延伸穿過套管511的儀器的底座的突起邊緣。如本文中所述，與第一操縱器的部件對(duì)應(yīng)的所限定的參考幾何形狀線段共同稱為“第一參考幾何形狀”，諸如圖5E所示，其圖形地描繪參考幾何形狀700為涵蓋對(duì)應(yīng)于操縱器臂500的各部件的線段706、708、710、711和712。

圖16A至圖16C圖示根據(jù)本發(fā)明的如上所描述的第一操縱器和第二操縱器的相互作用，以及第一避開參考幾何形狀和第二避開參考幾何形狀的示例使用。圖16A中的系統(tǒng)包括第一操縱器500和第二操縱器500’，每個(gè)均具有接頭聯(lián)動(dòng)裝置的相同組件，所述接頭聯(lián)動(dòng)裝置的相同組件具有用于所給定的端部執(zhí)行器方位的一定范圍的配置，但是應(yīng)認(rèn)識(shí)到可使用各種其它操縱器，以及在相同系統(tǒng)內(nèi)組合不同類型的操縱器。在一個(gè)方面中，系統(tǒng)通過在參考幾何形狀700的線段和參考幾何形狀700′的線段之間施加虛擬力來計(jì)算一個(gè)或兩個(gè)操縱器的避開移動(dòng)。處理器使用虛擬力計(jì)算接頭力，所述接頭力提供移動(dòng)一對(duì)相互作用的元件彼此遠(yuǎn)離所需的移動(dòng)。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)可使用上面描述的參考幾何形狀計(jì)算在相鄰操縱器的相互作用的元件之間沿在相互作用的元件之間延伸的避開向量的“斥力”。相對(duì)狀態(tài)、避開向量和斥力可在操縱器臂的三維工作空間中計(jì)算并然后轉(zhuǎn)換到接頭空間中。使用動(dòng)力學(xué)雅可比增廣計(jì)算操縱器臂在接頭空間內(nèi)的移動(dòng)，使得所得的接頭速度增大對(duì)應(yīng)于操縱器結(jié)構(gòu)自身的參考幾何形狀之間的分離，同時(shí)維持操縱器的遠(yuǎn)側(cè)部分的所希望的方位。通常，力可以是相對(duì)狀態(tài)或每個(gè)操縱器的參考幾何形狀之間的距離、最小或最大距離或所希望的距離的函數(shù)(例如，f(d>d_max)＝0，f′(d)<0(注意：f′是f的導(dǎo)數(shù)))。使用參考幾何形狀的相互作用的元件之間的所計(jì)算的斥力用于確定向量或系數(shù)(能夠通過其增廣雅可比矩陣)，以便在零空間內(nèi)通過避開移動(dòng)提供操縱器之間的所希望的分離。函數(shù)/系數(shù)的確定或避開向量的計(jì)算用于增廣雅可比矩陣。

在示例實(shí)施例中，系統(tǒng)從可能潛在地相互作用或碰撞的相鄰操縱器中確定至少一對(duì)最靠近元件(通常稱為“相互作用的元件”)。該對(duì)相互作用的元件(每個(gè)操縱器一個(gè))能夠包括具有重疊的運(yùn)動(dòng)范圍的任何對(duì)的元件。例如，在圖16A中，一個(gè)相互作用的元件對(duì)為711和711’，而另一相互作用的元件對(duì)為710和706’。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)僅考慮在特定分離距離內(nèi)的相互作用的元件對(duì)。響應(yīng)于確定在相互作用的元件對(duì)之間的距離(d)小于所希望的距離，諸如在參考幾何形狀711和711’對(duì)應(yīng)的相互作用的元件之間的距離(d)，處理器計(jì)算一個(gè)或兩個(gè)操縱器的避開移動(dòng)以增大相互作用的元件之間的距離。在其它實(shí)施例中，避開移動(dòng)的計(jì)算也可包括使用其它相互作用的元件對(duì)之間的距離(諸如在710與706’之間的距離d’)獲得的力，以便提供更有效的移動(dòng)或在移動(dòng)期間維持其它相互作用的元件對(duì)之間的合適距離。在某些實(shí)施例中，通過確定沿在所識(shí)別的相互作用的元件之間延伸的向量的斥力或在操縱器的工作空間中施加虛擬力，并使用該形式計(jì)算接頭空間內(nèi)的避開移動(dòng)，來計(jì)算避開移動(dòng)。

在一些實(shí)施例中，計(jì)算避開移動(dòng)，以便根據(jù)所計(jì)算的避開移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)在上面計(jì)算中使用的一對(duì)中的一個(gè)操縱器的接頭。在其它實(shí)施例中，可計(jì)算避開移動(dòng)以便驅(qū)動(dòng)操縱器的一個(gè)或更多個(gè)特定接頭，與那些接頭是否被驅(qū)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)其它所計(jì)算移動(dòng)無關(guān)。另外，也可計(jì)算避開移動(dòng)以驅(qū)動(dòng)操縱器臂的一個(gè)或更多個(gè)特定接頭，諸如不在實(shí)現(xiàn)由用戶命令的操縱器臂的位移移動(dòng)時(shí)被驅(qū)動(dòng)的接頭。

在圖16A的實(shí)施例中，響應(yīng)于確定距離(d)小于所希望的距離，處理器根據(jù)被增廣的動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣確定第二操縱器500’的所計(jì)算的接頭移動(dòng)，使得所得的接頭移動(dòng)增大參考幾何形狀711和711’之間的距離(d)。如圖6A所示，操縱器臂每個(gè)均由將相應(yīng)臂繞接頭的軸線樞轉(zhuǎn)的近側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)接頭J1支撐。如圖16B至圖16C所示，在一個(gè)或兩個(gè)臂中分別使用接頭組合的一個(gè)或兩個(gè)操縱器臂的移動(dòng)能夠移動(dòng)臂的上部部分，而不改變端部執(zhí)行器及其遠(yuǎn)距中心RC的狀態(tài)。在圖16B中，由系統(tǒng)確定最接近點(diǎn)為相隔距離(d1)。響應(yīng)于該確定(或根據(jù)本文中所描述的方法中的任一種)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)臂的一個(gè)或更多個(gè)接頭以增大最接近點(diǎn)之間的距離(圖16C中示為d2)而不改變?cè)诿總€(gè)臂的端部處的端部執(zhí)行器的狀態(tài)；因此，系統(tǒng)通過增廣動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣，使得第一操縱器和/或第二操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭維持和/或增大其之間的分離，來避開碰撞。在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)至少第一近側(cè)接頭可提供避開移動(dòng)，同時(shí)最小化操縱器的遠(yuǎn)側(cè)部分(例如端部執(zhí)行器)的重配置，但是可計(jì)算類似的避開移動(dòng)以驅(qū)動(dòng)操縱器臂的更遠(yuǎn)側(cè)部分的一個(gè)或更多個(gè)接頭。在另一方面中，系統(tǒng)可經(jīng)配置計(jì)算避開移動(dòng)以移動(dòng)本文中描述的接頭中的任一個(gè)，無論此類接頭是否在實(shí)現(xiàn)位移移動(dòng)時(shí)被驅(qū)動(dòng)，或經(jīng)配置包括基于特定配置或操縱器狀態(tài)的根據(jù)層級(jí)(hierarchy)來驅(qū)動(dòng)接頭。

根據(jù)某些實(shí)施例，可根據(jù)數(shù)個(gè)不同方法(其通常包括確定操縱器臂之間的“最接近點(diǎn)”)計(jì)算避開移動(dòng)。最接近點(diǎn)能夠使用基于經(jīng)由接頭傳感器的已知操縱器方位或狀態(tài)的計(jì)算來確定，或能夠使用其它合適裝置來近似，諸如外部傳感器、視頻、聲吶、電容或觸摸傳感器等。實(shí)施例也可使用安裝在從動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置或從設(shè)備上的接近傳感器，其能夠感測(cè)局部臂到臂接近性和/或碰撞。

在某些實(shí)施例中，處理器確定每個(gè)參考幾何形狀的線段上的最接近點(diǎn)。在施加虛擬斥力之后，處理器然后計(jì)算第一操縱器和第二操縱器之間的斥力。在一個(gè)方面中，每個(gè)操縱器臂的參考幾何形狀可限定為“局部線段”，使得相鄰操縱器臂上相互作用的線段彼此排斥。在另一方面中，一個(gè)操縱器的參考幾何形狀可限定為“局部線段”且其他的限定為“障礙物線段”，使得僅局部線段由虛擬力排斥。該方面允許系統(tǒng)通過為操縱器臂中的僅一個(gè)或僅一些計(jì)算避開移動(dòng)來避開碰撞，由此防止不必要的移動(dòng)或過度復(fù)雜的避開移動(dòng)。例如，在一些實(shí)施例中，盡管虛擬力可在每個(gè)參考幾何形狀的線段之間施加，但是僅計(jì)算“局部線段”的移動(dòng)。在一些實(shí)施例中，處理器將從施加虛擬力獲得的所計(jì)算的力根據(jù)避開移動(dòng)轉(zhuǎn)換成將要移動(dòng)的操縱器臂的接頭速度，該避開移動(dòng)然后投影到零空間上。通過獲得在零空間內(nèi)延伸操縱器的接頭和/或連桿的虛擬力以維持操縱器之間的分離，能夠確定能夠通過其增廣雅可比矩陣的系數(shù)或函數(shù)，使得用此計(jì)算的接頭移動(dòng)引起抑制碰撞的接頭移動(dòng)同時(shí)維持所希望的端部執(zhí)行器狀態(tài)。

在示例實(shí)施例中，處理器通常使用操縱器臂的工作空間內(nèi)的計(jì)算來確定來自每個(gè)操縱器臂的至少一對(duì)參考幾何形狀線段(通常為最接近的線段對(duì))之間的距離。對(duì)于比某個(gè)最大排除距離更靠近的線段對(duì)，識(shí)別最靠近點(diǎn)。處理器然后施加虛擬排斥向量(其強(qiáng)度與距離成反比)，虛擬排斥向量然后轉(zhuǎn)換成接頭空間并能夠用來增廣雅可比矩陣，使得所計(jì)算的接頭移動(dòng)在零空間內(nèi)延伸一個(gè)或更多個(gè)接頭，以維持該對(duì)線段之間的充足間隙。處理器可對(duì)多于一個(gè)線段對(duì)執(zhí)行上面的處理。在此類實(shí)施例中，來自所有線段對(duì)的排斥向量的組合結(jié)果能夠合并成結(jié)果或(H)的函數(shù)(例如，dH/dt)以便用于雅可比矩陣的增廣，增廣的雅可比矩陣可然后由接頭控制器用來實(shí)現(xiàn)所計(jì)算的移動(dòng)(包括在零空間內(nèi)的避開移動(dòng))。這些方面在下面進(jìn)一步詳述。

在另一示例實(shí)施例中，對(duì)于每對(duì)操縱器臂，處理器首先使用對(duì)應(yīng)于每個(gè)元件的參考幾何形狀來確定可能潛在地彼此接觸或碰撞的一對(duì)元件或部件，如上所述。使用對(duì)應(yīng)的參考幾何形狀，系統(tǒng)然后確定通常在最大排除距離內(nèi)的每對(duì)的最靠近元件、多個(gè)相互作用對(duì)，或所有元件對(duì)的效果的加權(quán)和。為計(jì)算避開移動(dòng)，處理器通常首先確定每對(duì)相互作用的元件上的最接近點(diǎn)，并計(jì)算可用來將元件彼此“推開”的避開向量?？赏ㄟ^生成如上所述的虛擬力并在將元件彼此排斥的方向上命令速度，或通過各種其它方法來計(jì)算避開向量。處理器然后將在參考幾何形狀的最接近點(diǎn)處排斥元件彼此離開所需的力映射成適當(dāng)?shù)谋荛_，其然后能夠用于增廣雅可比矩陣并提供操縱器的零空間內(nèi)的避開移動(dòng)。

在一個(gè)方法中，處理器計(jì)算操縱器臂的工作空間中的避開向量；將避開向量變換到接頭速度空間中；并然后使用結(jié)果將向量投影到零空間上以獲得避開移動(dòng)。處理器可經(jīng)配置計(jì)算最接近點(diǎn)之間的排斥或避開向量；在工作空間中將避開向量映射到操縱器臂的“最接近”點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)中，并然后確定(H)的函數(shù)(通過該函數(shù)增廣雅可比矩陣)[Ken，請(qǐng)參見段0100中的評(píng)論]，該函數(shù)提供移動(dòng)最接近點(diǎn)彼此離開的所希望的方向和量值。如果多個(gè)相互作用的點(diǎn)在相鄰操縱器臂上的各點(diǎn)或特征之間使用，則與來自每個(gè)相互作用的特征的避開向量相關(guān)聯(lián)的所得的零空間系數(shù)能夠通過求和來組合。

在另一方法中，處理器可使用向量或向量通項(xiàng)以依靠雅可比矩陣的增廣來按需完成輔助任務(wù)。在一個(gè)方面中，處理器可經(jīng)配置計(jì)算操縱器臂的最接近點(diǎn)之間的排斥或回避向量(例如，回避幾何形狀)以便用于增廣雅可比矩陣。如果使用操縱器臂上的多個(gè)特征，則能夠使用各種方法組合所得的接頭向量。

在第一方法中，通過在接頭空間中生成勢(shì)場(chǎng)，使得高勢(shì)表示操縱器臂之間的較短距離并且低勢(shì)表示較大距離，來確定避開移動(dòng)。然后通過沿勢(shì)場(chǎng)的負(fù)梯度下降的函數(shù)(優(yōu)選地下降到最大可能范圍)確定H函數(shù)。在第二方法中，系統(tǒng)基于工作空間中的避開幾何形狀確定避開碰撞所需的向量，并然后確定通過其增廣雅可比矩陣的H，該雅可比矩陣增大操縱器臂的避開幾何形狀之間的距離，由此增大操縱器臂上最接近點(diǎn)之間的距離。

在另一方面中，由增廣雅可比矩陣提供的接頭在零空間內(nèi)的移動(dòng)可包括抑制操縱器和患者表面之間碰撞的輔助任務(wù)。這可通過根據(jù)涉及操縱器的一個(gè)或更多個(gè)特征(諸如在套管托架之間的特征)和患者表面之間的距離的函數(shù)來增廣雅可比矩陣而完成。該方法可利用相對(duì)于與近似患者表面的障礙物表面的近似操縱器的避開幾何形狀。

在圖17A和圖17B所示的實(shí)施例中，操縱器臂的“避開幾何形狀”和對(duì)應(yīng)于外部患者表面的“障礙物表面”兩者被限定。在該實(shí)施例中，通過限定障礙物表面800為延伸穿過遠(yuǎn)距中心的平面(通常為水平面)，來粗略近似外部患者表面的位置。由于工具的儀器軸繞與微創(chuàng)孔口相鄰的遠(yuǎn)距中心樞轉(zhuǎn)，假設(shè)外部患者表面從微創(chuàng)孔口水平地延伸；因此，障礙物表面800最準(zhǔn)確表示在遠(yuǎn)距中心位置處外部患者表面的位置。通過共同地稱為避開幾何形狀700的兩個(gè)參考點(diǎn)702、704來近似操縱器臂的特征的位置。通常使用接頭狀態(tài)傳感器(系統(tǒng)能夠根據(jù)其確定避開幾何形狀和障礙物表面之間的最短距離d)確定在操縱器臂的所命令的移動(dòng)期間避開幾何形狀的位置和/或速度。響應(yīng)于確定距離d小于期望的距離(其可指示可能的或潛在的臂到臂碰撞)，系統(tǒng)在計(jì)算操縱器臂接頭狀態(tài)中增廣雅可比矩陣，使得使用增廣的雅可比矩陣計(jì)算的所得的接頭移動(dòng)在根據(jù)所計(jì)算的移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)接頭時(shí)增大避開幾何形狀700和障礙物表面800之間的距離d。

在圖18的示例實(shí)施例中，障礙物表面800限定為更接近地近似典型患者外部表面的建模表面。障礙物表面800可以以對(duì)應(yīng)于外部患者表面的各種輪廓或形狀建模，或可經(jīng)建模以結(jié)合來自各種源(包括接頭傳感器、光學(xué)傳感器或超聲傳感器)的方位數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，通過延伸建模的表面穿過兩個(gè)或更多個(gè)遠(yuǎn)距中心位置來近似障礙物表面800，諸如圖18的障礙物表面800中所示，其延伸穿過三個(gè)遠(yuǎn)距中心RC1、RC2和RC3，并且近似更加接近地類似在外科手術(shù)部位處典型患者外部表面的圓錐形、球形或凸出形狀，諸如例如患者軀干。通過更準(zhǔn)確地近似外部患者表面的位置，系統(tǒng)允許三個(gè)操縱器臂中的每個(gè)的增大的運(yùn)動(dòng)范圍，同時(shí)仍在操縱器中的每個(gè)之間的最短距離d1、d2和d3小于所希望的距離時(shí)通過根據(jù)所計(jì)算的避開移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)操縱器臂的接頭而避開臂到患者的碰撞。

根據(jù)許多實(shí)施例，可根據(jù)數(shù)個(gè)不同方法(其能夠包括確定操縱器臂和患者表面之間的“最接近點(diǎn)”)計(jì)算避開移動(dòng)。最接近點(diǎn)能夠使用基于經(jīng)由接頭傳感器獲知操縱器方位或狀態(tài)的計(jì)算來確定，或能夠使用其它合適裝置來近似，諸如外部傳感器、視頻、聲吶、電容傳感器、觸摸傳感器等。

在一個(gè)方法中，處理器計(jì)算操縱器臂的工作空間中的避開向量；并然后通過用于增廣雅可比矩陣的適當(dāng)系數(shù)或函數(shù)來增廣雅可比矩陣以便提供避開碰撞的避開移動(dòng)。處理器可經(jīng)配置計(jì)算最接近點(diǎn)之間的排斥或避開向量；在工作空間中將避開向量映射到操縱器臂和患者表面的“最接近”點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)中，并然后確定(H)的函數(shù)，該函數(shù)提供移動(dòng)最接近點(diǎn)彼此離開的所希望的方向和量值。在一些方面中，如果多個(gè)相互作用的點(diǎn)在操縱器臂和患者表面上的各點(diǎn)或特征之間使用，則來自每個(gè)相互作用的特征的所得的避開向量能夠諸如通過加權(quán)或縮放來組合以用于雅可比矩陣的增廣。

在另一方法中，處理器可經(jīng)配置計(jì)算操縱器臂和患者表面的最接近點(diǎn)之間(例如，避開幾何形狀和障礙物表面)的排斥或避開向量，并且將這些與避開向量組合，以便確定通過其增廣雅可比矩陣的適當(dāng)系數(shù)。如果使用操縱器臂上的多個(gè)特征，則所得的接頭速度向量能夠組合，諸如通過加權(quán)、縮放或其它合適方法。

在一個(gè)方面中，可計(jì)算避開移動(dòng)以便包括任何數(shù)量接頭的驅(qū)動(dòng)，或可替換地，避開驅(qū)動(dòng)操縱器臂的特定接頭。例如，在圖5A所示的操縱器臂中，可計(jì)算避開移動(dòng)以包括驅(qū)動(dòng)接頭J1、J2、J3、J4和J5的各組合(盡管在所描繪實(shí)施例中，接頭J3、J4和J5包括在平行四邊形布置中并共享相同狀態(tài))，或可替換地計(jì)算避開移動(dòng)以驅(qū)動(dòng)接頭J6以及所需的任何其它接頭，以便在零空間內(nèi)移動(dòng)操縱器臂。圖8中圖示的操縱器臂的接頭J6可選地用作將儀器托架510耦合到操縱器臂508的遠(yuǎn)側(cè)連桿的接頭。接頭J6允許儀器托架510繞接頭J6的軸線扭轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)，該軸線通常經(jīng)過遠(yuǎn)距中心或插入點(diǎn)。理想地，接頭軸線遠(yuǎn)側(cè)地位于臂上并因此特別良好適于移動(dòng)插入軸線的取向。該冗余軸線的添加允許操縱器為任何單個(gè)儀器尖端方位采取多個(gè)方位，由此允許儀器尖端遵循外科醫(yī)生的命令同時(shí)避開與患者解剖結(jié)構(gòu)的碰撞。在接頭J6的軸線、J1的軸線和延伸穿過套管511的工具尖端的插入軸線之間的關(guān)系在圖9中示出。圖10A至圖10C示出當(dāng)接頭J6將工具尖端的插入軸線從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)時(shí)套管511繞接頭軸線的循序扭轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)移動(dòng)。

圖19A至圖19B圖示根據(jù)本發(fā)明的使用接頭J6的一個(gè)示例。圖19A圖示當(dāng)接頭J6的角位移保持在0°時(shí)的操縱器臂，在該角度時(shí)，避開幾何形狀700的參考點(diǎn)702和障礙物表面800之間的最短距離為距離d。響應(yīng)于確定距離d小于所希望的距離，系統(tǒng)計(jì)算增廣的雅可比矩陣以用于計(jì)算隨后的接頭移動(dòng)，并且根據(jù)隨后計(jì)算的移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)接頭J6，以便將套管511和連桿510繞經(jīng)過遠(yuǎn)距中心RC(套管511繞遠(yuǎn)距中心RC樞轉(zhuǎn))的接頭軸線扭轉(zhuǎn)或樞轉(zhuǎn)，以便增大距離d同時(shí)將儀器的遠(yuǎn)距中心維持在所計(jì)算的樞轉(zhuǎn)中心位置。圖19B圖示操縱器臂，其中接頭J6繞其軸線被驅(qū)動(dòng)至90°的角位移。如圖所示，套管511的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)增大避開幾何形狀的最接近點(diǎn)702和障礙物表面800之間的距離d。因此，所描述的增廣的雅可比矩陣方法能夠通過包括遠(yuǎn)側(cè)接頭(諸如接頭J6)的驅(qū)動(dòng)來抑制臂到患者的碰撞。

圖20A至圖20B示意地圖示在通過在零空間內(nèi)驅(qū)動(dòng)操縱器的接頭來重配置操縱器臂之前和之后的示例操縱器500。在圖20A中，響應(yīng)于由用戶錄入的重配置命令，系統(tǒng)針對(duì)儀器的端部執(zhí)行器的給定方位并且根據(jù)剩余接頭的所計(jì)算的移動(dòng)在零空間內(nèi)逆時(shí)針地驅(qū)動(dòng)接頭TJ，剩余接頭在零空間內(nèi)的協(xié)調(diào)的移動(dòng)已經(jīng)由系統(tǒng)計(jì)算。在另一方面中，系統(tǒng)可利用被增廣的動(dòng)力學(xué)雅可比矩陣來計(jì)算接頭的速度，以便實(shí)現(xiàn)所希望的配置，同時(shí)操縱器臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)維持遠(yuǎn)距中心位置，諸如在圖21A至圖21B所示的實(shí)施例中。

在一些實(shí)施例中，雅可比矩陣經(jīng)增廣以便針對(duì)某些移動(dòng)約束一個(gè)或更多個(gè)接頭的移動(dòng)。例如，雅可比矩陣能夠經(jīng)增廣使得在所命令的重配置移動(dòng)期間一個(gè)或更多個(gè)接頭可以受約束(例如，位移保持在“0”)，但被允許在各種其它類型的移動(dòng)期間按需移動(dòng)。在其它實(shí)施例中，系統(tǒng)可增廣雅可比矩陣，使得在零空間內(nèi)被驅(qū)動(dòng)的接頭的速度在重配置命令的持續(xù)時(shí)間被限制或保持在大體恒定的速度。在其它實(shí)施例中，系統(tǒng)可增廣雅可比矩陣，使得根據(jù)接頭位置和/或配置或任何數(shù)量的條件來縮放接頭在零空間內(nèi)的速度。例如，用戶可希望在重配置移動(dòng)期間用比操縱器臂中的較遠(yuǎn)側(cè)接頭更高的速度驅(qū)動(dòng)最近側(cè)接頭。另外，系統(tǒng)可增廣雅可比矩陣以按需維持操縱器臂的接頭中的任一個(gè)的方位或狀態(tài)。

在另一方面中，系統(tǒng)可從系統(tǒng)用戶以任何數(shù)量的方式接收重配置命令。在某些實(shí)施例中，操縱器包括用于從用戶接收重配置命令的輸入裝置。輸入裝置可包括用于按需驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)接頭(或可替換地用于移動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)連桿)的一個(gè)或更多個(gè)按鈕或機(jī)構(gòu)，并可設(shè)置在操縱器臂上，優(yōu)選地設(shè)置在與響應(yīng)于裝置的激活而被驅(qū)動(dòng)的接頭對(duì)應(yīng)的位置中，諸如圖22A中?？商鎿Q地，系統(tǒng)可包括具有按鈕或機(jī)構(gòu)(其每個(gè)對(duì)應(yīng)于操縱器臂的接頭或聯(lián)動(dòng)裝置)的群集的輸入裝置，諸如圖22B的實(shí)施例中所示。該實(shí)施例允許用戶從集中位置來重配置臂。輸入裝置還可包括操縱桿，諸如圖22C中，其可經(jīng)操作以按需驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)接頭并實(shí)現(xiàn)重配置。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，輸入裝置可包括任何數(shù)量的變體。

在另一方面中，可增廣雅可比矩陣以便根據(jù)特定方向或相對(duì)速度來提供一個(gè)或更多個(gè)接頭的所希望的加強(qiáng)(emphasis)。例如，在一個(gè)示例中，可使用以下方程以便加強(qiáng)第一接頭(J5)相對(duì)于另一接頭(J4)的移動(dòng)，使得在操縱器的所計(jì)算的移動(dòng)期間J5的接頭速度維持在J4的接頭速度的約兩倍。

在某些方面中，系統(tǒng)利用結(jié)合勢(shì)函數(shù)梯度的增廣的雅可比矩陣并被應(yīng)用到笛卡爾空間端部執(zhí)行器速度。雅可比矩陣的增廣按需計(jì)算接頭速度。根據(jù)增廣的雅可比方法，可使用以下方程，但是應(yīng)認(rèn)識(shí)到可使用列向量：

dx/dt＝J*dq/dt

y＝h(q)

該方法可以在兩個(gè)示例中說明，如下：

在第一示例中：設(shè)定dy/dt＝0，其試圖強(qiáng)制接頭3的速度等于2x接頭4的速度。

在第二示例中：設(shè)定dy/dt＝0，其試圖強(qiáng)制接頭3的速度等于0。

盡管已為了理解清晰并且作為示例相當(dāng)詳細(xì)地描述了示例實(shí)施例，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員，各種適應(yīng)性調(diào)整、修改和改變將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限制。