使用逆运动学在关节极限下的遥控操作手术系统和控制方法技术方案

提供用于控制在关节运动范围极限处的操纵器移动的装置、系统和方法。在一方面，方法包含，在操纵器的一个或更多个关节达到相应关节极限时，锁定所述一个或更多个关节，其方式为通过在使用逆运动学计算主控装置的关节移动时修改到所述操纵器的雅可比行列式中的输入，以通过主控装置提供改进的更直观的力反馈。在一些实施例中，在所述逆运动学内应用不同关节移动之间的缩放和加权。在另一方面，方法包含在所述逆运动学内应用约束，以使得所述关节的所计算的移动近似于在隔离物理系统内施加有负荷的相同运动链的关节移动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请案的交叉参考本申请主张2014年3月17日提交的美国临时申请No.61/954,568的优先权，该临时申请的全部内容通过引用并入本文中。本申请大体上涉及以下共有的申请：2009年6月30日提交的标题为“ControlofMedicalRoboticSystemManipulatorAboutKinematicSingularities”的美国申请No.12/494,695；2009年3月17日提交的标题为“MasterControllerHavingRedundantDegreesofFreedomandAddedForcestoCreateInternalMotion”的美国申请No.12/406,004；2005年5月19日提交的标题为“SoftwareCenterandHighlyConfigurableRoboticSystemsforSurgeryandOtherUses”的美国申请No.11/133,423(美国专利No.8,004,229)；2004年9月30日提交的标题为“OffsetRemoteCenterManipulatorForRoboticSurgery”的美国申请No.10/957,077(美国专利No.7,594,912)；1999年9月17日提交的标题为“MasterHavingRedundantDegreesofFreedom”的美国申请No.09/398,507(美国专利No.6,714,839)；2012年6月1日提交的标题为“SystemandMethodsforAvoidingCollisionsBetweenManipulatorArmsUsingaNull-Space”的美国临时申请No.61/654,773，这些公开的全部公开内容通过引用并入本文中。
技术介绍
本专利技术通常提供改进的手术和/或机器人装置、系统和方法。微创医疗技术旨在减小在诊断或外科手术期间损坏的组织的量，由此缩短患者的恢复时间、不适和有害的副作用。在美国，每年进行数百万“切开”或传统手术；许多这些手术能够潜在地以微创方式进行。然而，有限数目的手术当前使用微创技术，这是归因于手术仪器和技术方面的限制以及掌握所述微创技术所需要的额外手术训练。开发供手术使用的微创遥控手术系统以增加外科医生的灵巧性，以及允许外科医生从远程位置对患者进行操作。遥控手术是手术系统的通用术语，其中外科医生使用某一形式的遥控器(例如伺服机构或其类似者)来操纵手术仪器移动，而非直接手动握持和移动仪器。在此遥控手术系统中，在远程位置向外科医生提供手术部位的图像。通常在合适的检视器或显示器上观察手术部位的三维图像时，外科医生通过操纵主控输入装置对患者进行外科手术过程，主控输入装置转而控制机器人仪器的运动。机器人手术仪器能够经由小微创手术孔隙插入以处理患者体内的手术部位处的组织，从而避免与进行切开手术相关联的损伤。通常通过在微创孔隙处枢转仪器的轴，使轴轴向地滑动穿过孔隙，旋转孔隙内的轴和/或其类似者，这些机器人系统能够足够灵巧地移动手术仪器的工作端，以便执行相当错综复杂的手术任务。用于遥控手术的伺服机构通常将从两个主控制器接受输入(外科医生每个手一个主控制器)且可包含两个或两个以上机器人臂或操纵器。将手移动映射到由图像俘获装置显示的机器人仪器的图像能够帮助向外科医生提供与每只手相关联的仪器的准确控制。在许多手术机器人系统中，包含一个或更多个额外机器人操纵器臂以用于移动内窥镜或其它图像俘获装置、额外手术仪器或其类似者。多种结构布置能够用以在机器人手术期间在手术部位处支撑手术仪器。驱动连杆机构或“从动装置”通常被称作机器人手术操纵器，且在美国专利No.6,758,843、No.6,246,200和No.5,800,423中描述在微创机器人手术期间被用作机器人手术操纵器的示例连杆机构布置，这些专利的全部公开内容通过引用并入本文中。这些连杆机构通常利用平行四边形布置来固持具有轴的仪器。此操纵器结构能够约束仪器的移动，以使得仪器轴围绕沿着刚性轴的长度定位于空间中的远程球面旋转中心枢转。通过将此旋转中心与内部手术部位的切割点对准(例如，利用在腹腔镜手术期间在腹壁处的套管针或插管)，手术仪器的末端执行器能够通过以下操作安全地定位：使用操纵器连杆机构移动轴的近侧端而不对腹壁施加可能的危险力。例如在美国专利No.6,702,805、No.6,676,669、No.5,855,583、No.5,808,665、No.5,445,166和No.5,184,601中描述替代操纵器结构，所述美国专利的全部公开内容通过引用并入本文中。虽然已证明新的机器人手术系统和装置是高效且有利的，但进一步的改进是需要的。举例来说，操纵器臂可包含额外冗余关节以在某些条件下提供增加的移动或配置。然而，在微创手术部位内移动手术仪器时，这些关节可展现在患者外部的大量移动(通常比所需或所预期的移动还要多)，尤其是在大角度范围内围绕微创孔隙枢转仪器时。已经提出替代操纵器结构，其对高度可配置运动学操纵器关节装置使用软件控制，以将枢转运动限于插入部位，同时禁止患者外部的无意的操纵器/操纵器接触(或其类似情况)。这些高度可配置“软件中心”手术操纵器系统可提供显著的优点，但也可存在挑战。确切地说，机械约束的远程中心连杆机构可在一些条件下具有安全优点。另外，通常包含于这些操纵器中的众多关节的宽范围的配置可导致操纵器难以用特定手术所需要的配置来手动地设置。然而，因为使用遥控手术系统进行的手术的范围持续扩大，所以对于扩展患者体内的仪器的可用配置和运动范围的需求增加。不幸的是，这些改变皆能够增加与体外的操纵器的运动相关联的挑战，且能够偶尔导致操纵器的不可预测或出乎意料的移动，这是归因于此些操纵器配置的增加的复杂性。出于这些和其它原因，提供用于手术、机器人手术和其它机器人应用的改进的装置、系统和方法将是有利的。在这些改进的技术能够在特定任务期间限制操纵器臂的移动量或提供操纵器的经改进的更可预测的移动的情况下将尤其有益。另外，期望的是提供这些改进，同时对于至少一些任务增加仪器的运动范围，且不会显著增加这些系统的大小、机械复杂度或成本，并且同时维持或改进其灵巧性。
技术实现思路
本专利技术通常提供改进的机器人和/或手术装置、系统和方法。在各种实施例中，本专利技术将使用高度可配置手术机器人操纵器。举例来说，这些操纵器可具有比相关联的手术末端执行器在手术工作空间内所具有的移动自由度多的移动自由度。根据本专利技术的机器人手术系统通常包含支撑机器人手术仪器的操纵器臂和用以计算经协调的关节移动以用于操纵仪器的末端执行器的处理器。支撑末端执行器的机器人操纵器的关节允许操纵器在给定的末端执行器位置和/或给定枢转点/枢轴点(pivotpoint)位置的不同配置范围内移动。操纵器可包含额外冗余关节以允许一系列替代配置和移动，同时影响刀尖或末端执行器的所需移动。虽然本文中描述了具有额外冗余关节的各种操纵器，但应了解，本专利技术的各方面也可用于非冗余操纵器中。然而，因为操纵器的一个或更多个关节的移动接近和达到相关联的关节运动范围(ROM)极限，所以操纵器能够丧失跟随主控制器上由用户所要求的位置的能力。为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种遥控操作控制方法，其包括：接收第一操纵命令以将操纵器臂的远侧末端执行器移动到工作空间内的所需第一位置，所述操纵器臂在近侧基部与所述远侧末端执行器之间延伸；使用所述操纵器臂的逆运动学计算对应于操纵器的多个关节的所计算移动的主控装置的一个或更多个关节的关节移动；以及在所述多个关节中的至少一个关节处于所述至少一个关节的关节运动范围(ROM)极限时锁定所述至少一个关节，其中锁定所述至少一个关节包括修改所述逆运动学内的输入变量，所述输入变量对应于所述工作空间内的所述至少一个关节的移动，以使得所述主控装置的所述一个或更多个关节的所计算的关节移动提供改进的力反馈。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.17 US 61/954,5681.一种遥控操作控制方法，其包括：接收第一操纵命令以将操纵器臂的远侧末端执行器移动到工作空间内的所需第一位置，所述操纵器臂在近侧基部与所述远侧末端执行器之间延伸；使用所述操纵器臂的逆运动学计算对应于操纵器的多个关节的所计算移动的主控装置的一个或更多个关节的关节移动；以及在所述多个关节中的至少一个关节处于所述至少一个关节的关节运动范围(ROM)极限时锁定所述至少一个关节，其中锁定所述至少一个关节包括修改所述逆运动学内的输入变量，所述输入变量对应于所述工作空间内的所述至少一个关节的移动，以使得所述主控装置的所述一个或更多个关节的所计算的关节移动提供改进的力反馈。2.根据权利要求1所述的遥控操作控制方法，其中使用逆运动学计算关节移动包括利用所述操纵器的雅可比矩阵，且所述输入变量包括所述雅可比矩阵的列。3.根据权利要求2所述的遥控操作控制方法，其中锁定至少一个关节包括将所述雅可比矩阵的所述列归零，所述列对应于所述逆运动学内的所述至少一个关节的移动。4.根据权利要求2所述的遥控操作控制方法，其中锁定所述至少一个关节包括移除所述雅可比矩阵的所述列，所述列对应于所述逆运动学内的所述至少一个关节的移动。5.根据权利要求2所述的遥控操作控制方法，其中，基于确定所述至少一个关节处于所述至少一个关节的关节ROM极限，锁定所述至少一个关节。6.根据权利要求5所述的遥控操作控制方法，其中，基于所述至少一个关节的饱和，确定所述至少一个关节处于相应关节ROM极限。7.根据权利要求1所述的遥控操作控制方法，其进一步包括：对与所述逆运动学内的多个中的一个或更多个非锁定关节相关联的关节移动加权，以在所述至少一个关节锁定时提供所述一个或更多个非锁定关节的所需关节移动。8.根据权利要求7所述的遥控操作控制方法，在所述所计算的关节移动包含耦接不同类型的关节移动时，且其中对关节移动加权包括在由所述一个或更多个非锁定关节提供的不同类型的关节移动之间加权，以便避免在所述至少一个锁定时在不同类型的关节移动之间的突然移位。9.根据权利要求8所述的遥控操作控制方法，其中所述不同类型的关节移动包括平移和旋转。10.根据权利要求7所述的遥控操作控制方法，其中对关节移动加权包括在逆运动学计算内将对角线加权矩阵应用于雅可比行列式。11.根据权利要求10所述的遥控操作控制方法，其中计算关节移动进一步包括计算所述雅可比行列式的伪逆以获得所述对角线加权矩阵的最小平方和误差。12.根据权利要求1所述的遥控操作控制方法，其进一步包括：接收第二操纵命令以将所述操纵器的所述远侧末端执行器移动到所述工作空间内的所需第二位置；使用所述操纵器臂的逆运动学计算所述多个关节的第二关节移动，所述第二关节移动提供所述远侧末端执行器的所述所需第二位置；以及如果所计算的第二关节移动包含至少一个锁定关节的移动，那么在由所述至少一个关节提供的所述移动移动远离相应关节ROM极限时，解锁所述至少一个关节。13.根据权利要求2所述的遥控操作控制方法，在所述至少一个关节提供远离相应关节ROM极限和朝向所述末端执行器的所需第二位置的移动时解锁所述至少一个关节。14.根据权利要求1所述的遥控操作控制方法，其进一步包括：在所计算的第二关节移动包含所述至少一个关节的移动时，计算所述至少一个关节的移动何时移动远离所述关节ROM极限。15.根据权利要求12所述的遥控操作控制方法，其进一步包括：作为确定由所述至少一个关节的移动单独提供的位置改变是朝向所述所需第二位置的响应，解锁所述至少一个关节。16.根据权利要求15所述的遥控操作控制方法，其中确定由所述至少一个关节的移动单独提供的位置改变是朝向所述所需第二位置包括：计算雅可比行列式的左零空间；将由所述至少一个关节提供的位置改变和与所需第二相关联的位置改变中的每一者投影到所述左零空间上；以及确定所述投影是否在所述雅可比行列式的所述左零空间上重叠。17.根据权利要求12所述的遥控操作控制方法，其进一步包括：在所述多个关节中的至少一个其它关节在计算所述第二关节移动时处于其关节运动范围(ROM)时锁定所述至少一个其它关节，其中锁定所述至少一个关节包括修改所述逆运动学内的输入变量，所述输入变量对应于所述工作空间内的所述至少一个其它关节的移动。18.一种遥控操作手术系统，其包括：操纵器臂，其耦接到近侧基部且具有远侧末端执行器，且经配置以用于使远侧部分相对于所述近侧基部机械移动，所述操纵器臂具有在所述远侧末端执行器与所述近侧基部之间的多个关节，所述多个关节具有足够的自由度以允许给定末端执行器位置的一系列关节状态；以及处理器，其经配置以：使用所述操纵器臂的逆运动学计算所述多个关节的第一关节移动，所述第一关节移动提供所述远侧末端执行器的所需第一位置；以及在所述至少一个关节处于所述至少一个关节的关节运动范围(ROM)极限时锁定所述多个关节中的至少一个关节，其中锁定所述至少一个关节包括修改所述逆运动学内的输入变量，所述输入变量对应于所述工作空间内的所述至少一个关节的移动。19.根据权利要求18所述的遥控操作手术系统，其中所述处理器经进一步配置以确定所述多个关节中的所述至少一个关节何时为所述关节ROM极限。20.根据权利要求19所述的遥控操作手术系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·F·布里森，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国;US