圖像采集裝置和可操縱裝置活動臂受控運動過程中的碰撞避免的制作方法【專利說明】圖像采集裝置和可操縱裝置活動臂受控運動過程中的碰撞避免[0001]相關(guān)申請的交叉引用[0002]本申請要求享有2012年12月10日提交的美國臨時申請?zhí)?1/735,170和2013年12月10提交的美國非臨時申請?zhí)?4/101，769的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容被引入本文作為參考。發(fā)明領(lǐng)域[0003]本發(fā)明總體上設(shè)及機器人系統(tǒng)，并且具體地設(shè)及圖像采集裝置和可操縱裝置機器人臂受控運動過程中的碰撞避免。[0004]發(fā)明背景[0005]機器人系統(tǒng)和計算機輔助裝置通常包括操縱器械W在工作位點執(zhí)行任務(wù)的機器人或活動臂、和支撐采集工作位點圖像的圖像采集裝置的至少一個機器人或活動臂。當(dāng)機器人臂相互緊緊靠近操作時，存在運樣的可能性：臂可能相互碰撞，并且由此導(dǎo)致臂損壞。當(dāng)機器人臂一同操作時，可直接防止運種碰撞。然而，當(dāng)機器人臂獨立操作時，碰撞避免可遠更具挑戰(zhàn)性。[0006]機器人臂包括通過一個或多個主動控制接頭偶聯(lián)在一起的多個連桿。在多種實施方式中，可提供多個主動控制接頭。機器人臂還可包括一個或多個被動接頭，其不被主動控審IJ，但依從主動控制接頭的運動。運種主動和被動接頭可W是旋轉(zhuǎn)或棱柱接頭。可通過接頭位置和連桿結(jié)構(gòu)和偶聯(lián)知識確定機器人臂的構(gòu)型。[0007]為避免機器人臂之間的碰撞，擁有臂構(gòu)型信息和其各自在共同坐標系統(tǒng)中的位置信息是非常有用的。通過運種信息，控制其中一個機器人臂的運動的控制器可采取行動W避免與另一機器人臂碰撞。[0008]控制器可采取W避免碰撞的一個行動是向指揮機器人臂的操作人員警示即將與另一機器人臂碰撞。作為運種警示系統(tǒng)的一個實例，U.S.2009/0192524A1，名為SyntheticRepresen化tionofa如rgicalRobot"--其被引入本文作為參考，描述了安置了多個機器人臂的患者側(cè)推車。作為運種警示系統(tǒng)的另一實例，U.S.2009/0326553,名為"MedicalRoboticSystemProvidinganAuxiliaryViewofArticulatableInstrumentsExtendingoutofaDistalE；ndofanElntryGuide"--其被引入本文作為參考，描述了具有延伸到進入引導(dǎo)件（entryguide)外的多種較接器械的醫(yī)療機器人系統(tǒng)。作為運種警示系統(tǒng)的再一實例，U.S.2009/0234444A1，名為"MethodandApparatusforConductinganInterventionalProcedureInvolvingHeartValvesusingaRobot-basedX-rayDevice"-其被引入本文作為參考，描述了運樣的醫(yī)療機器人系統(tǒng)：其中X射線源和檢測器安置在C-臂的相對端，從而可在利用導(dǎo)管控制機器人執(zhí)行醫(yī)療程序期間采集患者解剖結(jié)構(gòu)的X射線圖像。[0009]碰撞避免還可通過控制一個或多個機器人臂的運動的控制器自動進行。作為運種自動碰撞避免系統(tǒng)的實例，U.S.8,004,229,名為Softwarecenterandhi曲Iyconfigurableroboticsystemsforsurgeryandotheruses"--其被弓I入本文作為參考，描述了一種醫(yī)療機器人系統(tǒng)，其被配置W避免其機器人臂之間的碰撞。該機器人臂具有多余度，使得每個臂可有多種構(gòu)型W實現(xiàn)其支持器械的預(yù)期位置和定向。每個控制器命令其相關(guān)機器人臂運動服從于二次約束，導(dǎo)致排除會導(dǎo)致與另一機器人臂碰撞的可能臂構(gòu)型。[0010]然而，當(dāng)多個機器人臂被多個控制器控制時，如果多個控制器中多于一個試圖避免碰撞，則可能造成混亂和無意的后果。運個問題在控制器之間沒有或僅有有限的信息交流時加劇，如可W是機器人系統(tǒng)采用獨立地操作的機器人臂時的情況。為避免機器人臂碰撞問題，可相繼使用獨立地操作的機器人臂，而非在工作位點同時使用。然而，在工作位點執(zhí)行程序或任務(wù)期間同時使用機器人臂可W是有利的。[0011]發(fā)明目的和概述[0012]因此，本發(fā)明的一個或多個方面的一個目的是其中實施的自動進行機器人臂碰撞避免的機器人系統(tǒng)和方法。[0013]本發(fā)明的一個或多個方面的另一目的是其中實施的自動進行獨立操作型機器人臂的碰撞避免的機器人系統(tǒng)和方法。[0014]本發(fā)明的一個或多個方面的另一目的是其中實施的在不阻止任何機器人臂執(zhí)行其目的任務(wù)的情況下自動進行機器人臂碰撞避免的機器人系統(tǒng)和方法。[0015]運些和另外的目的通過本發(fā)明多種方面來實現(xiàn)，其中簡而言之，一方面是機器人系統(tǒng)，包括：第一機器人臂，其支持可操縱裝置，該可操縱裝置具有工作端；和控制器，其被配置W控制第一機器人臂和第二機器人臂中至少一個的運動，同時避免第一和第二機器人臂之間的碰撞，其中第二機器人臂支持圖像采集裝置，該圖像采集裝置用于采集可操縱裝置的工作端的多個圖像，由此可生成可操縱裝置的工作端的=維計算機模型；其中控制器被配置W避免第一和第二機器人臂之間的碰撞：通過利用可操縱裝置的工作端的多個圖像中的至少一個圖像來確定可操縱裝置的工作端相對于圖像采集裝置坐標系統(tǒng)的位置和定向，其中圖像采集裝置的坐標系統(tǒng)相應(yīng)于采集圖像的透視圖；通過利用可操縱裝置的工作端相對于圖像采集裝置坐標系統(tǒng)的確定的位置和定向來確定第一和第二機器人臂其中一個相對于共同坐標系統(tǒng)的構(gòu)型和位置；和通過利用接收到的第一和第二機器人臂其中另一個的接頭位置信息來確定第一和第二機器人臂其中另一個相對于共同坐標系統(tǒng)的構(gòu)型和位置；通過利用第一和第二機器人臂相對于共同坐標系統(tǒng)的確定構(gòu)型和位置來確定第一和第二機器人臂之間的即將的碰撞；和通過命令第一和第二機器人臂其中一個采取行動W避免即將的碰撞。[0016]另一方面是機器人系統(tǒng)中實施的避免第一和第二機器人臂之間碰撞的方法，其中第一機器人臂支持可操縱裝置，該可操縱裝置具有工作端，其中第二機器人臂支持圖像采集裝置，W采集可操縱裝置的工作端的多個圖像，由此可生成可操縱裝置的工作端的=維計算機模型，并且其中方法包括：利用可操縱裝置的工作端的多個圖像中的至少一個圖像來確定可操縱裝置的工作端相對于圖像采集裝置坐標系統(tǒng)的位置和定向，其中圖像采集裝置的坐標系統(tǒng)相應(yīng)于采集圖像的透視圖；通過利用可操縱裝置的工作端相對于圖像采集裝置坐標系統(tǒng)的確定位置和定向來確定第一和第二機器人臂其中一個相對于共同坐標系統(tǒng)的構(gòu)型和位置；通過利用接收到的第一和第二機器人臂其中另一個的接頭位置信息來確定第一和第二機器人臂其中另一個相對于共同坐標系統(tǒng)的構(gòu)型和位置；利用第一和第二機器人臂相對于共同坐標系統(tǒng)的確定構(gòu)型和位置來確定第一和第二機器人臂之間即將的碰撞；和命令第一和第二機器人臂其中一個采取行動W避免即將的碰撞。[0017]另一方面是機器人系統(tǒng)，包括：第一機器人臂，其支持可操縱裝置，該可操縱裝置具有工作端；和處理器，其被編程W將第一機器人臂定位至第二機器人臂，該第二機器人臂支持圖像采集裝置，其中處理器通過如下進行定位：利用第一和第二機器人臂中至少一個的外部跟蹤數(shù)據(jù)和運動學(xué)數(shù)據(jù)，在第一和第二機器人臂的初始位置處進行第一和第二機器人臂的低精度定位；利用由至少部分第一機器人臂的圖像采集裝置采集的至少一個圖像和第一和第二機器人臂中至少一個的運動學(xué)數(shù)據(jù)，進行第一和第二機器人臂相對于第一設(shè)置位置的中精度定位，其中第一設(shè)置位置包括指示低精度定位的第一安全界限；和利用由可操縱裝置的工作端的圖像采集裝置采集的至少一個圖像和第一和第二機器人臂中至少一個的運動學(xué)數(shù)據(jù)，進行第一和第二機器人臂相對于第二設(shè)置位置的高精度定位，其中第二設(shè)置位置包括指示中精度定位的第二安全界限。[0018]另一方面是通過定位第一和第二機器人臂的處理器實施的方法。第一機器人臂支持可操縱裝置，該可操縱裝置具有工作端。第二機器人臂支持圖像采集裝置。方法包括利用第一和第二機器人臂中至少一個的外部跟蹤數(shù)據(jù)和運動學(xué)數(shù)據(jù)，在第一和第二機器人臂的初始位置處進行第一和第二機器人臂的低精度定位；利用由至少部分第一機器人臂的圖像采集裝置采集的至少一個圖像和第一和第二機器人臂中至少一個的運動學(xué)數(shù)據(jù)，進行第一和第二機器人臂相對于第一設(shè)置位置的中精度定位，其中第一設(shè)置位置包括指示低精度定位的第一安全界限；和利用由可操縱裝置的工作端的圖像采集裝置采集的至少一個圖像和第一和第二機器人臂中至少一個的運動學(xué)數(shù)據(jù)，進行第一和第二機器人臂相對于第二設(shè)置位置的高精度定位，其中第二設(shè)置位置包括指示中精度定位的第二安全界限。[0019]根據(jù)一些實施方式，運動控制系統(tǒng)包括控制器?？刂破靼ㄒ粋€或多個處理器和偶聯(lián)至一個或多個處理器的存儲器?？刂破髋悸?lián)至計算機輔助外科裝置，該計算機輔助外科裝置具有第一活動臂，該第一活動臂偶聯(lián)至可操縱裝置，該可操縱裝置具有工作端。控制器進一步偶聯(lián)至第二活動臂，該第二活動臂偶聯(lián)至圖像采集裝置，該圖像采集裝置獨立于計算機輔助外科裝置?？刂破鞅慌渲肳接收第一活動臂的一個或多個第一構(gòu)型；接收第二活動臂的一個或多個第二構(gòu)型；從圖像采集裝置接收工作端的第一多個圖像；基于第一多個圖像中的至少一個，確定工作端在共同坐標系統(tǒng)中的位置和定向；基于第一構(gòu)型，確定第一活動臂在共同坐標系統(tǒng)中的第一活動臂位置和第一活動臂軌跡；基于第二構(gòu)型，確定第二活動臂在共同坐標系統(tǒng)中的第二活動臂位置和第二活動臂軌跡；基于第一活動臂位置、第一活動臂軌跡、第二活動臂位置、和第二活動臂軌跡，確定第一活動臂動作、第二活動臂動作、或第一和第二活動臂一起動作是否會導(dǎo)致第一和第二活動臂之間不期望的關(guān)系；和發(fā)送第一運動命令至第一活動臂或第二活動臂W避免不期望的關(guān)系。[0020]在一些實例中，共同坐標系統(tǒng)是圖像采集裝置的坐標系統(tǒng)，并且控制器進一步被配置W進一步基于工作端在共同坐標系統(tǒng)中的位置和定向來確定共同坐標系統(tǒng)中的第一活動臂位置。在一些實例中，共同坐標系統(tǒng)是計算機輔助外科裝置的坐標系統(tǒng)，并且控制器進一步被配置W確定圖像采集裝置坐標系統(tǒng)中的第二活動臂位置，確定工作端在圖像采集裝置坐標系統(tǒng)中的位置和定向，和將第二活動臂位置和工作端的位置和定向從圖像采集裝置坐標系統(tǒng)變換至共同坐標系統(tǒng)。[0021]在一些實例中，第一多個圖像是來自圖像采集裝置的多個二維圖像，并且控制器進一步被配置W根據(jù)二維圖像確定工作端的位置和定向一-甚至在可操縱裝置的工作端被布置在圖像采集裝置和可操縱裝置工作端之間的一個或多個對象阻擋時。在一些實例中，系統(tǒng)進一步包括查看器，其適于顯示可操縱裝置的工作端的工作空間的第二多個圖像；和輸入單元，其被配置W接收查看器上正在顯示的圖像內(nèi)的用戶指定目標區(qū)域的信息。控制器進一步被配置W發(fā)送第二運動命令至第二活動臂，使得圖像采集裝置采集用戶指定目標區(qū)域的圖像。[0022]在一些實例中，輸入單元包括視點跟蹤單元，其被配置W跟蹤用戶在查看器顯示屏上的視點，并且視點跟蹤單元包括指示器，其可被用戶操作W通過利用用戶在顯示屏上的當(dāng)前凝視點來指示目標區(qū)域。在一些實例中，輸入單元包括telestrator單元，其被配置W接收第二多個圖像其中一個和在telestrator的顯示屏上顯示第二多個圖像中的接收到的第二圖像，并且telestrator單元包括標記單元，其可被用戶操作W在第二多個圖像中的顯示圖像上指示目標區(qū)域。[0023]在一些實例中，系統(tǒng)進一步包括照相機，并且通過照相機采集第二多個圖像。在一些實例中，系統(tǒng)進一步包括超聲探頭，并且通過超聲探頭采集第二多個圖像。在一些實例中，第一活動臂具有多余自由度，使得針對可操縱裝置工作端的每個可控位置和定向，第一活動臂具有第一多種可能的位置和定向；第二活動臂具有多余自由度，使得針對圖像采集裝置的每個可控位置和定向，第二活動臂具有第二多種可能的位置和定向；并且，發(fā)送至第一活動臂或第二活動臂的第一運動命令指揮第一活動臂移動至第一多種可能的位置和定向中的一種，或指揮第二活動臂移動至第二多種可能的位置和定向中的一種，避免不期望關(guān)系。[0024]在一些實例中，控制器進一步被配置W基于第一活動臂位置和第一多種可能的位置和定向之間的差異和第二活動臂位置和第二多種可能的位置和定向之間的差異，確定發(fā)送第一運動命令至第一活動臂和第二活動臂中的哪一個，并且進行運種確定W最小化成本函數(shù)。[00巧]在一些實例中，第一運動命令指揮第一活動臂從第一活動臂位置移動至第一多種可能的位置和定向中的第一選定的一種位置和定向，或指揮第二活動臂從第二活動臂位置移動至第二多種可能的位置和定向中的第二選定的一種位置和定向一一基于第一多種可能的位置和定向中的第一選定的一種位置和定向和第二多種可能的位置和定向中的第二選定的一種位置和定向之中哪個最小化成本函數(shù)。在一些實例中，不期望的關(guān)系選自第一活動臂和第二活動臂之間碰撞、第一活動臂和第二活動臂之間過于接近、和圖像采集裝置的目標區(qū)域被第一活動臂阻擋。[00%]根據(jù)一些實施方式，控制醫(yī)療系統(tǒng)的運動的方法包括接收計算機輔助外科裝置的第一活動臂的一個或多個第一構(gòu)型，第一活動臂偶聯(lián)至可操縱裝置，該可操縱裝置具有工作端；接收第二活動臂的一個或多個第二構(gòu)型，第二活動臂偶聯(lián)至圖像采集裝置，該圖像采集裝置獨立于計算機輔助外科裝置；從圖像采集裝置接收工作端的第一多個圖像；基于第一多個圖像中的至少一個，確定工作端在共同坐標系統(tǒng)中的位置和定向；基于第一構(gòu)型，確定第一活動臂在共同坐標系統(tǒng)中的第一活動臂位置和第一活動臂軌跡；基于第二構(gòu)型，確定第二活動臂在共同坐標系統(tǒng)中的第二活動臂位置和第二活動臂軌跡；基于第一活動臂位置、第一活動臂軌跡、第二活動臂位置、和第二活動臂軌跡，確定第一活動臂動作、第二活動臂動作、或第一和第二活動臂一起動作是否會導(dǎo)致第一和第二活動臂之間不期望的關(guān)系；和發(fā)送第一運動命令至第一活動臂或第二活動臂W避免不期望的關(guān)系。[0027]在一些實例中，共同坐標系統(tǒng)是圖像采集裝置的坐標系統(tǒng)，并且方法進一步包括進一步基于工作端在共同坐標系統(tǒng)中的位置和定向來確定共同坐標系統(tǒng)中的第一活動臂位置。在一些實例中，共同坐標系統(tǒng)是計算機輔助外科裝置的坐標系統(tǒng)，并且方法進一步包括確定圖像采集裝置坐標系統(tǒng)中的第二活動臂位置，確定工作端在圖像采集裝置坐標系統(tǒng)中的位置和定向，和將第二活動臂位置和工作端的位置和定向從圖像采集裝置坐標系統(tǒng)變換至共同坐標系統(tǒng)。[0028]在一些實例中，第一多個圖像是來自圖像采集裝置的多個二維圖像，并且方法進一步包括根據(jù)二維圖像確定工作端的位置和定向一一甚至在可操縱裝置的工作端被布置在圖像采集裝置和可操縱裝置工作端之間的一個或多個對象阻擋時。在一些實例中，方法進一步包括確定第一運動命令從而最小化成本函數(shù)。[0029]根據(jù)一些實施方式，運動控制系統(tǒng)包括跟蹤系統(tǒng)和偶聯(lián)至跟蹤系統(tǒng)的控制器?？刂破靼ㄒ粋€或多個處理器和偶聯(lián)至一個或多個處理器的存儲器?？刂破髋悸?lián)至計算機輔助外科裝置，該計算機輔助外科裝置具有第一活動臂，該第一活動臂偶聯(lián)至可操縱裝置，該可操縱裝置具有工作端。控制器進一步偶聯(lián)至第二活動臂，該第二活動臂偶聯(lián)至圖像采集裝置，該圖像采集裝置獨立于計算機輔助外科裝置?？刂破鞅慌渲肳接收第一活動臂的第一運動學(xué)數(shù)據(jù)；接收第二活動臂的第二運動學(xué)數(shù)據(jù)；從跟蹤系統(tǒng)接收第一活動臂的第一跟蹤數(shù)據(jù)；從跟蹤系統(tǒng)接收第二活動臂的第二跟蹤數(shù)據(jù)；基于第一運動學(xué)數(shù)據(jù)和第一跟蹤數(shù)據(jù)，確定第一活動臂的第一方位；基于第二運動學(xué)數(shù)據(jù)和第二跟蹤數(shù)據(jù)，確定第二活動臂的第二方位；發(fā)送第一運動命令至第二活動臂，指揮第二活動臂移動到第一設(shè)置位置，采集至少部分可操縱裝置的圖像，同時在第一活動臂和第二活動臂之間保持第一安全界限，第一運動命令基于第一方位和第二方位；接收第一活動臂的第=運動學(xué)數(shù)據(jù)；接收第二活動臂的第四運動學(xué)數(shù)據(jù)；從圖像采集裝置接收一個或多個第一圖像，該一個或多個第一圖像采集至少部分可操縱裝置；基于第=運動學(xué)數(shù)據(jù)和一個或多個第一圖像，確定第一活動臂的第=方位；基于第四運動學(xué)數(shù)據(jù)和一個或多個第一圖像，確定第二活動臂的第四方位；和發(fā)送第二運動命令至第二活動臂，指揮第二活動臂移動到不同于第一設(shè)置位置的第二設(shè)置位置，采集目標區(qū)域的當(dāng)前第1頁1 2 3 4 5 6