用于使用零空间避免操纵器臂之间碰撞的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了用于使用零空间避免操纵器臂之间的碰撞的装置、系统和方法。一方面，该系统使用多个操纵器的参考几何结构之间的关系计算回避移动，以维持参考几何结构之间的分离。在某些实施例中，该系统确定邻近参考几何结构之间的相对状态，确定参考几何结构之间的回避矢量，并且基于相对状态和回避矢量计算雅可比行列式的零空间内的一个或更多个操纵器的回避移动。在维持末端受动器的所希望的状态或远程中心位置的同时，可根据所计算的回避移动驱动接头，其中器械轴围绕该远程中心位置枢转且可根据雅可比行列式的零垂直空间内的末端受动器位移移动同时被驱动，以便实现该末端受动器或远程中心的所希望的移动。

Systems and methods used in the use of zero space to avoid collisions between manipulator arms

The present invention provides devices, systems and methods for using zero space to avoid collisions between manipulator arms. On the one hand, the system uses the relationship between the reference geometric structures of multiple manipulators to calculate the avoidance of movement to maintain the separation between the reference geometric structures. In some embodiments, the system determines the relative state between the adjacent reference geometry structure, determine the geometric structure between the reference vector and avoidance, based on zero space vector calculation and avoidance of relative state Jacobi determinant within one or more avoidance manipulators move. In the end to maintain the desired state by the actuator or the remote center position at the same time, according to the calculation of avoidance movement of the drive joint, wherein the instrument axis around the remote center pivot and according to the end of zero vertical space Jacobi determinant in effector displacement is driven at the same time, in order to achieve this by the end the actuator or the remote center want to move.

【技术实现步骤摘要】
用于使用零空间避免操纵器臂之间碰撞的系统和方法本专利技术为申请日为2013年5月31日、专利技术名称为“用于使用零空间避免操纵器臂之间碰撞的系统和方法”的中国专利申请201380027794.4(PCT/US2013/043578)的分案申请。相关申请的交叉引用本申请是2012年6月1日提交的且题为“用于使用零空间避免操纵器臂之间碰撞的系统和方法(SystemsandMethodsforAvoidingCollisionsBetweenManipulatorArmsUsingaNull-Space)”的美国临时专利申请号61/654,773(律师事务所案卷号ISRG03810PROV/US)的非临时申请且要求其优先权的利益，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。本申请一般涉及与本申请同时提交的下列共同拥有的申请：2009年6月30日提交的题为“关于运动学奇异性的医疗机器人系统操纵器的控制(ControlofMedicalRoboticSystemManipulatorAboutKinematicSigularities)”的美国申请号12/494,695；2009年3月17日提交的题为“具有冗余自由度和产生内部运动的增加的力的主控制器(MasterControllerHavingRedundantDegreesofFreedomandAddedForcestoCreateInternalMotion)”的美国申请号12/406,004；2005年5月19日提交的题为“用于外科手术和其他用途的软件中心和高度可配置机器人系统(SoftwareCenterandHighlyConfigurableRoboticSystemsforSurgeryandOtherUses)”的美国申请号11/133,423(美国专利号8,004,229)；2004年9月30日提交的题为“用于机器人外科手术的偏移远程中心操纵器(OffsetRemoteCenterManipulatorForRoboticSurgery)”的美国申请号10/957,077(美国专利号7,594,912)；2001年8月13日提交的题为“外科手术机器人工具、数据架构和用途(SurgicalRoboticTools,DataArchitecture,andUse)”的美国专利申请号09/929,453(美国专利号7,048,745)；1999年9月17日提交的题为“具有冗余自由度的主导装置(MasterHavingRedundantDegreesofFreedom)”的美国申请号09/398,507(美国专利号6,714,839)；以及题为“使用零空间避免操纵器臂与患者碰撞(ManipulatorArm-to-PatientCollisionAvoidanceUsingaNull-Space)”的美国申请号_【律师事务所案卷号ISRG03760/US】和题为“使用零空间用于外科手术操纵器的所命令的重新配置的系统和方法(SystemandMethodsforCommandedReconfigurationofaSurgicalManipulatorUsingtheNull-Space)”的美国申请编号_【律师事务所案卷号ISRG03770/US】；这些申请的公开内容整体通过引用并入本文。
技术介绍
本专利技术一般提供改进的外科手术和/或机器人装置、系统和方法。微创医疗技术意在减少在诊断或外科手术操作(procedure)期间损伤的组织的量，从而减少患者的恢复时间、不适和有害的副作用。在美国，每年进行上百万的“开放式”或传统外科手术；许多这些外科手术可以以微创方式潜在地进行。然而，由于外科手术器械、技术和要求掌握它们的额外外科手术培训的限制，目前仅相对少量的外科手术使用微创技术。正在开发在外科手术中使用的微创远程外科手术系统来增加外科医生的灵活性以及允许外科医生从远程位置对患者进行手术。远程外科手术是对外科手术系统的通用术语，其中外科医生使用某种形式的远程控制，例如，伺服机构或类似机构，以操纵外科手术器械移动，而不是直接用手夹持并移动器械。在此类远程外科手术系统中，外科医生提供有在远程位置处的外科手术部位的图像。虽然通常在合适的观察器或显示器上观察外科手术部位的三维图像，但是外科医生通过操纵主控制输入装置对患者进行外科手术操作，这进而控制机器人器械的运动。机器人外科手术器械可以通过小的微创外科手术孔插入来治疗在患者体内外科手术部位处的组织，该创伤通常与访问开放式外科手术相关联。经常通过在微创孔处枢转器械的轴、轴向通过该孔滑动该轴、在该孔内旋转该轴等，这些机器人系统可以移动具有充分灵活性的外科手术器械的工作端来进行相当复杂的外科手术任务。用于远程外科手术的伺服机构一般将接收来自两个主控制器(每一个对应于外科医生的一只手)的输入，并且可包括两个或更多个机器人臂或操纵器。手部移动至由图像捕获装置显示的机器人器械的图像的映射可以帮助向外科医生提供对与每只手关联的器械的精确控制。在许多外科手术机器人系统中，一个或更多个额外机器人操纵器臂被包括用于移动内窥镜或其他图像捕获装置、额外的外科手术器械或类似装置。在机器人外科手术期间各种结构布置可以用于支撑在外科手术部位处的外科手术器械。从动联动装置或“从部件”经常被称为机器人外科手术操纵器，并且在美国专利号6,758,843、6,246,200和5,800,423中描述了用于在微创机器人外科手术期间用作机器人外科手术操纵器的示例性联动装置布置，其全部公开内容通过引用并入本文。这些联动装置经常利用平行四边形布置来夹持具有轴的器械。此类操纵器结构可以约束该器械的移动，使得该器械轴围绕沿该刚性轴的长度定位在空间中的球形旋转的远程中心枢转。通过将此旋转中心与到内部外科手术部位的切口点对准(例如，利用在腹腔镜外科手术期间在腹壁处的套针或插管)，该外科手术器械的末端受动器可以通过使用操纵器联动装置移动该轴的近端而不对腹壁强加潜在危险的力而被安全定位。例如在美国专利号6,702,805、6,676,669、5,855,583、5,808,665、5,445,166和5,184,601中描述了替代操纵器结构，其全部公开内容通过引用并入本文。虽然新的机器人外科手术系统和装置已被证明是高效且有利的，但是进一步的改进仍将是所希望的。例如，当在微创外科手术部位内移动外科手术器械时，机器人外科手术操纵器可在患者外部呈现显著的移动量，特别是当通过大角度范围围绕微创孔枢转器械时，这可以导致移动的操纵器不经意地接触彼此、接触外科手术室中的器械推车或其他结构、接触外科手术人员且/或接触患者的外表面。特别地，操纵器臂的体积可与邻近操纵器臂接触或碰撞，这可导致在操纵器臂上的不希望的移动和/或应力。已经提出了替代操纵器结构，其采用对高度可配置的运动学操纵器接头组的软件控制，以将枢转运动约束在插入部位，同时禁止患者体外(或类似部位)的意外的操纵器/操纵器接触。这些高度可配置的“软件中心”外科手术操纵器系统可提供显著的优点，但也会带来了挑战。特别地，在一些条件下，机械约束的远程中心联动装置可具有安全优点。此外，经常包括在这些操纵器中的众多接头的宽范围配置可导致操纵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在机器人系统执行回避移动的机器人方法，所述方法包括：确定对应于所述机器人系统的第一操纵器臂的结构的第一参考几何结构，所述第一操纵器臂包括第一远侧部分、联接到第一底座的第一近侧部分，以及在所述第一远侧部分与所述第一底座之间的多个第一接头，其中所述多个第一接头具有带有足够的自由度以针对所述第一远侧部分的给定状态允许所述多个第一接头的一系列不同接头状态的接头空间；确定对应于所述机器人系统的第二操纵器臂的结构的第二参考几何结构，所述第二操纵器臂包括第二远侧部分、联接到第二底座的第二近侧部分，以及在所述第二远侧部分与所述第二底座之间的多个第二接头，其中所述多个第二接头具有带有足够的自由度以针对所述第二远侧部分的给定状态允许所述多个第二接头的一系列不同接头状态的接头空间；确定所述第一多个接头和所述第二多个接头中的一个或更多个接头的回避移动，以维持在所述机器人系统的工作空间中所述第一参考几何结构和所述第二参考几何结构之间的分离，通过计算在接头‑速度方向上的维持所述第一远侧部分的期望状态和所述第二远侧部分的期望状态的接头速度来确定所述回避移动；并且根据确定的回避移动驱动所述多个第一接头和所述多个第二接头中的所述一个或更多个接头。...

【技术特征摘要】
2012.06.01 US 61/654,7731.一种用于在机器人系统执行回避移动的机器人方法，所述方法包括：确定对应于所述机器人系统的第一操纵器臂的结构的第一参考几何结构，所述第一操纵器臂包括第一远侧部分、联接到第一底座的第一近侧部分，以及在所述第一远侧部分与所述第一底座之间的多个第一接头，其中所述多个第一接头具有带有足够的自由度以针对所述第一远侧部分的给定状态允许所述多个第一接头的一系列不同接头状态的接头空间；确定对应于所述机器人系统的第二操纵器臂的结构的第二参考几何结构，所述第二操纵器臂包括第二远侧部分、联接到第二底座的第二近侧部分，以及在所述第二远侧部分与所述第二底座之间的多个第二接头，其中所述多个第二接头具有带有足够的自由度以针对所述第二远侧部分的给定状态允许所述多个第二接头的一系列不同接头状态的接头空间；确定所述第一多个接头和所述第二多个接头中的一个或更多个接头的回避移动，以维持在所述机器人系统的工作空间中所述第一参考几何结构和所述第二参考几何结构之间的分离，通过计算在接头-速度方向上的维持所述第一远侧部分的期望状态和所述第二远侧部分的期望状态的接头速度来确定所述回避移动；并且根据确定的回避移动驱动所述多个第一接头和所述多个第二接头中的所述一个或更多个接头。2.根据权利要求1所述的机器人方法，其中通过从与所述第一操纵器臂关联的第一雅可比行列式的第一零空间或与所述第二操纵器臂关联的第二雅可比行列式的第二零空间计算所述多个第一接头和所述多个第二接头中的所述一个或更多个接头的接头速度来确定所述回避移动。3.根据权利要求1所述的机器人方法，其中所述第一底座被包括在第一支撑结构中，并且所述第二底座被包括在第二支撑结构中，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构在所述机器人系统的所述工作空间中是分别可移动的。4.根据权利要求1所述的机器人方法，其中所述第一底座和所述第二底座被包括在连接所述第一底座和所述第二底座的支撑结构中。5.根据权利要求1所述的机器人方法，其中所述回避移动结合所述第一远侧部分的所述期望状态和所述第二远侧部分的所述期望状态维持所述第一参考几何结构和所述第二参考几何结构之间的所述分离。6.根据权利要求1到5中的任一项所述的机器人方法，其还包括：基于在所述机器人系统的所述工作空间中所述第一参考几何机构和所述第二参考几何结构的相对状态，确定回避矢量，所述回避矢量表征所述第一参考几何结构和所述第二参考几何结构之间的所述分离，并且所述回避移动根据所述回避矢量来确定。7.根据权利要求1到5中的任一项所述的机器人方法，其中所述一个或更多个接头是第一一个或更多个接头，并且所述方法还包括：接收操纵命令以改变所述第一远侧部分或所述第二远侧部分的所述期望状态；确定所述第一多个接头和所述第二多个接头的第二一个或更多个接头的移位移动以实现所述操纵命令，通过计算在接头-速度方向上的对应于所述第一远侧部分移动或所述第二远侧部分移动的接头速度来确定所述移位移动；并且根据确定的移位移动驱动所述多个第一接头和所述多个第二接头中的所述第二一个或更多个接头。8.根据权利要求7所述的机器人方法，其中：通过从与所述第一操纵器臂关联的第一雅可比行列式的第一零空间或与所述第二操纵器臂关联的第二雅可比行列式的第二零空间计算所述多个第一接头和所述多个第二接头中的所述第一一个或更多个接头的接头速度来确定所述回避移动；并且通过从与所述第一零空间正交的第一零垂直空间或与所述第二零空间正交的第二零垂直空间计算所述多个第一接头和所述多个第二接头中的所述第二一个或更多个接头的接头速度来确定所述移位移动。9.一种机器人系统，其包括：第一操纵器臂，其包括第一远侧部分、联接到第一底座的第一近侧部分以及在所述第一远侧部分与所述第一底座之间的多个第一接头，所述多个第一接头具有带有足够的自由度以针对所述第一远侧部分的给定状态允许所述多个第一接头的一系列不同接头状态的接头空间；第二操纵器臂，其包括第二远侧部分、联接到第二底座的第二近侧部分，以及在所述第二远侧部分与所述第二底座之间的多个第二接头，所述多个第二接头具有带有足够的自由度以针对所述第二远侧部分的给定状态允许所述多个第二接头的一系列不同接头状态的接头空间；和一个或更多个处理器，其经配置以执行以下操作，包括：确定对应于所述第一操纵器臂的结构的第一参考几何结构和对应于所述第二操纵器臂的结构的第二参考几何结构；确定所述第一多个接头和所述第二多个接头中的一个或更多个接头的回避...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·M·乌尔塔斯，P·海英维，B·M·斯赫纳，R·L·迪万根佐，
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