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
【專利說明】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
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請是于2013年3月15日提交的名稱為"Systems and Methods for Using the Null Space to Emphasize Manipulator Joint Motion Anisotropically'，（代理人 案卷號ISRG03870PR0V/US)的美國臨時(shí)專利申請No. 61/800, 924的非臨時(shí)性申請且要求其 優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，該申請的全部公開以引用方式并入本文。
[0003] 本申請大體涉及以下共同擁有的申請：2009年6月30日提交的名稱為"Control of Medical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities" 的美 國申請 No. 12/494, 695 ;2009 年 3 月 17 日提交的名稱為 "Master Controller Having Redundant Degrees of Freedom and Added Forces to Create Internal Motion'， 的美國申請No. 12/406, 004 ;2005年5月19日提交的名稱為"Software Center and Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses'，的美國申請 No. 11/133, 423 (美國專利 No. 8, 004, 229) ;2004 年 9 月 30 日提交的名稱為 "Offset Remote CenterManipulator For Robotic Surgery"的美國申請No. 10/957, 077(美國專利 No. 7, 594, 912);以及 1999 年 9 月 17 日提交的名稱為"Master Having Redundant Degrees of Freedom)"的美國申請 No. 09/398, 507(美國專利No. 6, 714, 839) ;2012年6 月 I 日提交 的名稱為"Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space'，的 美國臨時(shí)申請No.61/654,755;以及2012年6月I日提交的名稱為"System and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space'，的美國臨時(shí) 申請No. 61/654, 773,這些申請的全部公開以引用方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明大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。
【背景技術(shù)】
[0005] 微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)的目的在于減少在診斷或外科手術(shù)程序期間的受損組織量，從而減 少患者的恢復(fù)時(shí)間、不適以及有害副作用。每年在美國執(zhí)行數(shù)以百萬計(jì)的"開放"或傳統(tǒng)外 科手術(shù)；這些手術(shù)中的許多有可能能夠以微創(chuàng)方式執(zhí)行。然而，目前僅有相對少量的外科手 術(shù)使用微創(chuàng)技術(shù)，這是因?yàn)橥饪剖中g(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)正得到發(fā)展，增大了外科醫(yī)生的靈巧性 以及允許外科醫(yī)生從遠(yuǎn)程位置對患者進(jìn)行手術(shù)。遠(yuǎn)程外科手術(shù)是對如下外科手術(shù)系統(tǒng)的通 稱，即外科醫(yī)生使用某種形式的遠(yuǎn)程控制（例如伺服機(jī)構(gòu)等）來操縱外科手術(shù)器械移動(dòng)而 不是通過手直接握持和移動(dòng)器械。在這種遠(yuǎn)程外科手術(shù)系統(tǒng)中，在遠(yuǎn)程位置處為外科醫(yī)生 提供手術(shù)部位的圖像。當(dāng)外科醫(yī)生通常在合適的觀察器或顯示器上觀看到手術(shù)部位的三維 圖像時(shí)，外科醫(yī)生通過操縱主控制輸入裝置，繼而控制機(jī)器人器械的運(yùn)動(dòng)，從而對患者執(zhí)行 外科手術(shù)程序。機(jī)器人外科手術(shù)器械能夠通過小的微創(chuàng)外科手術(shù)孔口被插入以處理患者體 內(nèi)的手術(shù)部位的組織，一般避免與開放式外科手術(shù)進(jìn)入法相關(guān)聯(lián)的創(chuàng)傷。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)，諸如通過 在微創(chuàng)孔口處樞轉(zhuǎn)器械的軸、使軸軸向滑動(dòng)通過孔口、在孔口中旋轉(zhuǎn)軸和/或其他類似動(dòng) 作來執(zhí)行。
[0007] 用于遠(yuǎn)程外科手術(shù)的伺服機(jī)構(gòu)將通常接收來自兩個(gè)主控制器（每個(gè)對應(yīng)外科醫(yī) 生的一只手）的輸入并且可以包括兩個(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 圖像采集裝置所顯示的機(jī)器人器械的圖像上能夠有助于向外科醫(yī)生提供對與每只手相關(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)窺鏡或其他圖像采集裝置、額外的手術(shù)器械或類似器械。
[0008] 各種結(jié)構(gòu)布置能夠用于在機(jī)器人外科手術(shù)期間在手術(shù)部位處支撐外科手術(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)期間用作機(jī)器人外科手術(shù)操縱器的示例被描述在美國專利US6, 758, 843、US6, 246, 200 和US5, 800, 423中，這些專利的全部內(nèi)容以引用方式并入本文。這些聯(lián)動(dòng)裝置通常使用平 行四邊形布置來保持具有軸的器械。這種操縱器結(jié)構(gòu)能夠約束器械的移動(dòng)，以便器械軸繞 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度的空間內(nèi)。通 過使該旋轉(zhuǎn)的中心與內(nèi)部手術(shù)部位的切口點(diǎn)對準(zhǔn)（例如，與在腹腔鏡手術(shù)期間在腹壁處的 套管針或套管對準(zhǔn)），通過使用操縱器聯(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，而不對腹壁施加潛在危險(xiǎn)的力。例如替代性操縱器結(jié)構(gòu)被描述在美國專利 US6, 702, 805、US6, 676, 669、US5, 855, 583、US5, 808, 665、US5, 445, 166 和 US5, 184, 601 中， 其全部內(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，操縱器臂可以包括額外的冗余接頭以在某些情況下提供增加的移動(dòng)或配置。然 而，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)，這些接頭可能會(huì)在患者體外表現(xiàn)出大幅度 的移動(dòng)（通常比所需的或預(yù)期的更多移動(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)。替代性操縱器結(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出，其采用對高度可配置的運(yùn)動(dòng)學(xué)操縱器的接頭的軟 件控制，以限制在插入部位處的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)阻止在患者體外的無意的操縱器/操縱器 接觸（或類似情況）。這些高度可配置的"軟件中心"外科手術(shù)操縱器系統(tǒng)可以提供顯著的 優(yōu)點(diǎn)，但是也會(huì)提出挑戰(zhàn)。具體地，機(jī)械約束的遠(yuǎn)程中心聯(lián)動(dòng)裝置可以在一些情況下提供安 全優(yōu)勢。此外，通常包括在這些操縱器中的廣泛的配置范圍的許多接頭可以導(dǎo)致操縱器很 難以特定程序所期望的配置手動(dòng)地設(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)大，對擴(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， 這兩種變化都會(huì)增加與操縱器在體外的運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)，并且進(jìn)一步增加針對某些任務(wù) 避免操縱器臂不必要移動(dòng)的重要性。
[0010] 由于這些和其他原因，提供用于外科手術(shù)、機(jī)器人外科手術(shù)以及其他機(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)提供了在某些任務(wù)期間限制操 縱器臂的運(yùn)動(dòng)量的能力將尤為有益。另外，期望的是在提供此類改進(jìn)的同時(shí)，增加對于至少 一些任務(wù)的器械運(yùn)動(dòng)范圍，而不明顯地增加這些系統(tǒng)的尺寸、機(jī)械復(fù)雜性或成本，并且同時(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。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) 的接頭移動(dòng)以操縱器械的末端執(zhí)行器的處理器。針對給定的末端執(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內(nèi)移 動(dòng)。操縱器可以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 的重新配置移動(dòng)）或另一類型的移動(dòng)（諸如碰撞回避移動(dòng)）。
[0012] 在一個(gè)方面中，本發(fā)明允許各向異性地增強(qiáng)操縱器的一個(gè)或更多個(gè)接頭在零空間 內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，以便響應(yīng)于用戶輸入的末端執(zhí)行器操縱命令而提供操縱器的在體外的一個(gè)或更 多個(gè)接頭期望的移動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)期望的末端執(zhí)行器移動(dòng)。接頭運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)可以被認(rèn)為是" 各向異性的"，因?yàn)樗Q于接頭的方向，在接頭的零空間內(nèi)延伸的增強(qiáng)垂直于實(shí)現(xiàn)期望的 末端執(zhí)行器操縱移動(dòng)的接頭的移動(dòng)。一個(gè)或更多個(gè)接頭（在本文中被稱為第一組接頭）的 期望的移動(dòng)可以包括接頭狀態(tài)、接頭狀態(tài)的組合、相對接頭狀態(tài)、接頭狀態(tài)的范圍、接頭狀 態(tài)的輪廓或其任何組合。例如，期望的移動(dòng)可以包括，維持第一組接頭的接頭之間的相對一 致的接頭速度、將接頭速度限制在期望的范圍內(nèi)、和/或維持與操縱器的期望的姿態(tài)或碰 撞阻止配置對應(yīng)的接頭狀態(tài)的組合。
[0013] 一般來說，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)側(cè)末端執(zhí)行器的期望移動(dòng)的操縱器臂的被命令的移動(dòng)利用操縱 器臂的所有接頭的移動(dòng)。然而，在一些操縱器（特別是具有冗余自由度的高度可配置的操 縱器臂）中，某些接頭的速度或操縱器的總動(dòng)能可能超過期望的水平。通過增強(qiáng)第一組接 頭沿零空間方向的運(yùn)動(dòng)（如通過實(shí)現(xiàn)期望的末端執(zhí)行器移動(dòng)的多個(gè)接頭在零垂直空間內(nèi) 的計(jì)算的移動(dòng)來確定），本發(fā)明在期望的末端執(zhí)行器移動(dòng)期間提供第一組接頭的期望的移 動(dòng)（如在本文中所詳述的）。此外，有利的是包括額外的輔助移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)某些其他任務(wù)，諸 如操縱器臂的被命令的重新配置移動(dòng)或碰撞回避移動(dòng)。
[0014] 根據(jù)一些實(shí)施例，本發(fā)明包括：提供操縱器臂，操縱器臂包括可移動(dòng)遠(yuǎn)側(cè)外科手術(shù) 末端執(zhí)行器、耦連到底座的近側(cè)部分以及在遠(yuǎn)側(cè)部分和底座之間的多個(gè)接頭，多個(gè)接頭具 有足夠的自由度以允許針對給定末端執(zhí)行器狀態(tài)的一系列的不同接頭狀態(tài)；接收以期望的 末端執(zhí)行器移動(dòng)來移動(dòng)末端執(zhí)行器的操縱命令；通過計(jì)算在雅可比矩陣的零垂直空間內(nèi)的 接頭速度來確定加權(quán)的接頭速度，并且通過應(yīng)用在多個(gè)接頭的接頭空間內(nèi)的加權(quán)來調(diào)整在 雅可比矩陣的零空間內(nèi)的計(jì)算的接頭速度，加權(quán)對應(yīng)于多個(gè)接頭中的第一組接頭的期望的 移動(dòng)；以及根據(jù)加權(quán)的接頭速度來驅(qū)動(dòng)接頭，以便實(shí)現(xiàn)期望的末端執(zhí)行器移動(dòng)和第一組接 頭的期望的移動(dòng)。第一組接頭可以包括多個(gè)接頭中的一個(gè)或更多個(gè)接頭。第一組接頭的期 望的移動(dòng)可以包括但不限于：接頭狀態(tài)、接頭狀態(tài)的組合、相對接頭狀態(tài)、接頭狀態(tài)的范圍、 接頭狀態(tài)的輪廓或其任何組合。在一些實(shí)施例中，該方法可以進(jìn)一步包括：通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)期 望的末端執(zhí)行器移動(dòng)的多個(gè)接頭在雅可比矩陣的零垂直空間內(nèi)的接頭速度來確定多個(gè)接 頭的末端執(zhí)行器移位移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)期望的末端執(zhí)行器移動(dòng)，使得未加權(quán)的計(jì)算的接頭速度 保持可用于各種其他輔助任務(wù)（諸如被命令的重新配置或碰撞-回避移動(dòng)）中，其中加權(quán) 的接頭速度根據(jù)計(jì)算的接頭速度來計(jì)算。
[0015] 在一個(gè)方面，確定加權(quán)的接頭速度將雅可比矩陣的加權(quán)的偽逆應(yīng)用于計(jì)算的接頭 速度。加權(quán)可以是在接頭空間中的加權(quán)矩陣。加權(quán)可以包括在接頭空間內(nèi)的二次曲面，諸 如拋物面。在一些實(shí)施例中，確定末端執(zhí)行器移動(dòng)包括，計(jì)算雅可比矩陣的偽逆解，并且通 過計(jì)算偽逆解與偽逆解的勢函數(shù)梯度之間的差來確定加權(quán)的接頭速度，以及將該差投影到 雅可比矩陣的零空間上，以確定相應(yīng)的接頭速度的零空間向量。
[0016] 在另一方面中，本文