使用零空间回避操纵器臂与患者碰撞制造技术

通过在零空间内移动操纵器而回避操纵器臂和患者外表面之间碰撞的装置、系统和方法。响应于回避几何结构和障碍表面之间的距离的确定，对应于操纵器与患者距离小于期望的距离，该系统计算操纵器的一个或更多个接头或连杆在雅可比行列式的零空间内的移动，以增加该距离。根据重新配置命令和计算的移动而驱动接头，以便维持末端执行器的期望的状态。在一个方面，根据雅可比行列式的零垂直空间内的计算的末端执行器移位移动，来驱动接头，从而实现末端执行器或远程中心的期望的移动，且同时通过在零空间内移动接头而回避臂与患者碰撞。

Use zero space to avoid collision between the manipulator arm and the patient

The device, system and method of avoiding the collision between the manipulator arm and the external surface of the patient by moving the manipulator in the zero space. To determine the distance between the response to avoid obstacle geometry and surface, corresponding to the manipulator with distance less than the desired distance, moving in the null space of Jacobi determinant in one or more joints or link to calculate the manipulator of the system, in order to increase the distance. The joint is driven based on the reconfiguration commands and the movement of the calculation to maintain the desired state of the end executor. In one aspect, according to the calculation of zero vertical space at the end of Jacobi determinant within the actuator displacement movement, to drive mobile joint, so as to achieve the end effector or remote center expectations, while avoiding collision with patients and at the same time by moving the arm joint in zero space.

【技术实现步骤摘要】
使用零空间回避操纵器臂与患者碰撞本申请是2013年5月31日提交的名称为：“使用零空间回避操纵器臂与患者碰撞”的中国专利申请201380027983.1(PCT/US2013/043557)的分案申请。相关申请的交叉引用本申请是于2012年6月1日提交的名称为“ManipulatorArm-to-PatientCollisionAvoidanceUsingaNull-Space(使用零空间回避操纵器臂与患者碰撞)”的美国临时专利申请号61/654,755的非临时性申请且要求其优先权，该申请的全部公开以引用方式并入本文。本申请大体涉及以下共同拥有的申请：2009年6月30日提交的名称为“ControlofMedicalRoboticSystemManipulatorAboutKinematicSingularities(围绕运动奇点的医疗机器人系统操纵器的控制)”的美国申请号12/494，695；2009年3月17日提交的名称为“MasterControllerHavingRedundantDegreesofFreedomandAddedForcestoCreateInternalMotion(具有冗余自由度和添加力以造成内部运动的主控制器)”的美国申请号12/406,004；2005年5月19日提交的名称为“SoftwareCenterandHighlyConfigurableRoboticSystemsforSurgeryandOtherUses(用于外科手术和其它用途的软件中心和高度可配置的机器人系统)”的美国申请号11/133,423(美国专利号8,004,229)；2004年9月30日提交的名称为“OffsetRemoteCenterManipulatorForRoboticSurgery(用于机器人外科手术的偏置遥控中心操纵器)”的美国申请号10/957,077(美国专利号7,594,912)；1999年9月17日提交的名称为“MasterHavingRedundantDegreesofFreedom(具有冗余自由度的主工具)”的美国申请号09/398,507(美国专利号6,714,839)；以及名称为“SystemandMethodsforCommandedReconfigurationofaSurgicalManipulatorUsingtheNull-Space(使用零空间为命令的外科手术操纵器重新配置的系统和方法)”的美国申请号13/906,767；以及与本申请一同提交的名称为“SystemsandMethodsforAvoidingCollisionsBetweenManipulatorArmsUsingaNull-Space(使用零空间回避操纵器臂之间的碰撞的系统和方法)”的美国申请号13/906,819；其全部公开以引用方式并入本文。
本专利技术一般提供改善的外科手术和/或机器人装置、系统和方法。
技术介绍
微创医疗技术的目的是减少在诊断或外科手术过程期间的组织受损量，从而减少患者的恢复时间、不适以及有害副作用。每年在美国执行数以百万计的“开放”或传统外科手术；这些手术中的许多能够以微创的方式潜在地被执行。然而，目前仅有相对少量的外科手术使用微创技术，这是因为微创外科手术器械和技术的限制性以及掌握这些技术所需的额外的外科手术培训。外科手术中使用的微创远程外科手术系统经发展增大了外科手术医生的灵巧性以及允许外科手术医生从远程位置在患者体上进行手术。远程外科手术是对如下外科手术系统的泛称，即外科手术医生使用远程控制的某种形式，例如伺服机构等来操纵外科手术器械运动而不是通过手直接握持和移动器械。在此种远程外科手术系统中，在远程位置处为外科手术医生提供手术部位的图像。当外科手术医生通常在合适的观察器或显示器上观看到手术部位的三维图像时，外科手术医生通过操纵主控制输入装置，继而控制机器人器械的运动，从而在患者身上执行外科手术。机器人外科手术器械能够通过小的微创外科手术切孔被插入以处理患者体内的手术部位的组织，一般创伤与开放式外科手术进入相关联。这些机器人系统能够足够灵巧地移动外科手术器械的工作端，以执行相当复杂的外科手术任务，通常通过在微创切孔处枢转器械的轴、使轴轴向滑动通过切孔、在切孔中旋转轴和/或其它类似动作来完成。用于远程外科手术的伺服机构将通常接收来自两个主控制器(每个对应外科手术医生的一只手)的输入并且可以包含两个或更多个机器人臂或操纵器。将手的移动映射到由图像捕捉装置所显示的机器人器械的图像上能够有助于向外科手术医生提供对与每只手相关联的器械的准确控制。在许多外科手术机器人系统中，包括一个或更多个额外的机器人操纵器臂，以用于移动内窥镜或其它图像捕捉装置、额外的手术器械或类似器械。各种结构布置能够在机器人外科手术期间用于支撑手术部位处的外科手术器械。从动联动装置或者“从”装置通常被称为机器人外科手术操纵器，并且美国专利号6,758,843、6,246,200和5,800,423中描述了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，其全部内容以引用方式并入本文。这些联动装置通常使用平行四边形布置来保持具有轴的器械。此种操纵器结构能够约束器械的运动，使得器械轴绕球形旋转的远程中心枢转，该球形旋转的远程中心被定位在沿刚性轴的长度的空间内。通过使该旋转的中心与内部手术部位的切口点对准(例如，与在腹腔镜手术期间在腹壁处的套管针或插管对准)，通过使用操纵器联动装置移动轴的近端能够安全地定位手术器械的末端执行器，而不对腹壁施加潜在危险的力。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中描述了替代性操纵器结构，其全部内容以引用方式并入本文。尽管新型的机器人外科手术系统和装置已被证明是高效且有利的，但仍需进一步改进。例如，当在微创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以在患者体外表现出大幅度的移动，特别是当器械绕微创孔口在大的角度范围内枢转时，这能够导致运动的操纵器意外地接触彼此、接触外科手术室内的器械车或其它结构、接触外科手术人员和/或接触患者的外表面。具体地，随着操纵器绕微创孔口枢转，靠近远侧器械的操纵器臂可能意外地接触患者外表面。已提出替代性地高度可配置的“软件中心”外科手术操纵器系统并且该系统可以提供大量的优点，但也呈现出不同的挑战。具体地，提出的软件中心系统在一些条件下会不具有机械约束远程中心联动装置的所有安全优势。无论如何，随着使用远程外科手术系统执行的外科手术的范围继续扩大，对扩展可用配置以及扩大器械在患者体内的运动范围的要求增加。遗憾的是，这两种变化均会增加与控制和预测在体外的操纵器的运动关联的挑战，并且增加回避操纵器臂的组件与患者的外表面之间的不希望的接触或碰撞的重要性。由于这些和其它原因，提供用于外科手术、机器人外科手术以及其它机器人应用的改善的装置、系统和方法是有利的。如果这些改进的技术提供了回避操纵器臂和患者之间碰撞的能力，同时维持期望的末端执行器状态或器械轴枢转所绕的远程中心的期望位置将尤为有益。理想地，这些改进将允许在手术期间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制操纵器臂的方法，所述操纵器臂包括远侧部分、耦接至基底的近侧部分以及在所述远侧部分和所述基底之间的多个接头，所述多个接头一起具有足够的自由度以允许用于所述远侧部分的状态的一系列的不同接头状态，所述方法包括：响应于从用户输入端接收的操纵命令，计算所述多个接头的远侧部分移位移动，以便实现在工作部位内的所述远侧部分的期望状态，其中计算所述远侧部分移位移动包括计算对应于运动中的所述远侧部分的所述多个接头的接头速度；计算所述多个接头的回避移动，以便在所述操纵器臂的一部分和障碍物表面之间提供期望的间隙，其中，计算所述回避移动包括计算对应于不在运动中的所述远侧部分的所述多个接头的接头速度；以及根据所述远侧部分移位移动和所述回避移动来驱动所述多个接头，以便实现所述远侧部分的所述期望状态并且提供在所述操纵器臂和所述障碍物表面之间的足够的间隙。

【技术特征摘要】
2012.06.01 US 61/654,7551.一种用于控制操纵器臂的方法，所述操纵器臂包括远侧部分、耦接至基底的近侧部分以及在所述远侧部分和所述基底之间的多个接头，所述多个接头一起具有足够的自由度以允许用于所述远侧部分的状态的一系列的不同接头状态，所述方法包括：响应于从用户输入端接收的操纵命令，计算所述多个接头的远侧部分移位移动，以便实现在工作部位内的所述远侧部分的期望状态，其中计算所述远侧部分移位移动包括计算对应于运动中的所述远侧部分的所述多个接头的接头速度；计算所述多个接头的回避移动，以便在所述操纵器臂的一部分和障碍物表面之间提供期望的间隙，其中，计算所述回避移动包括计算对应于不在运动中的所述远侧部分的所述多个接头的接头速度；以及根据所述远侧部分移位移动和所述回避移动来驱动所述多个接头，以便实现所述远侧部分的所述期望状态并且提供在所述操纵器臂和所述障碍物表面之间的足够的间隙。2.根据权利要求1所述的方法，其中响应于在所述操纵器臂的所述部分和所述障碍物表面之间的不足够间隙的确定，根据所述回避移动来驱动所述多个接头。3.根据权利要求1所述的方法，其中使用所述回避移动来驱动所述多个接头，且同时根据所述远侧部分移位移动来驱动所述多个接头。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述远侧部分包括器械或者经配置可释放地支撑所述器械，所述器械具有向远侧延伸到末端执行器的细长轴，并且其中所述远侧部分的所述期望状态与期望的末端执行器状态相关联。5.根据权利要求1所述的方法，还包含：确定对应于所述操纵器臂的所述近侧部分的可移动方位的回避几何结构；以及通过使用与所述操纵器臂相关联的一个或更多个传感器，确定所述障碍物表面，其中所述回避移动增加在所述回避几何结构和所述障碍物表面之间的距离。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述远侧部分的所述期望状态包括相对于所述基底的所述远侧部分的方位、取向或速度。7.根据权利要求1-6中任意一项权利要求所述的方法，其中对应于在运动中的所述远侧部分的所述多个接头的所述接头速度处于与所述操纵器臂相关联的雅可比行列式的零垂直空间内；并且其中对应于不在运动中的所述远侧部分的所述多个接头的所述接头速度处于与所述操纵器臂相关联的所述雅可比行列式的零空间内。8.一种系统，包括：操纵器臂，其包括远侧部分、近侧部分以及在所述远侧部分和所述近侧部...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·M·乌尔塔斯，P·海英维，B·M·斯凯纳，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