用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定位操纵器臂的系统和方法技术方案

本申请涉及用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定位操纵器臂的系统和方法，并且公开了用于通过在零垂直接头速度子空间内浮动第一组接头来定位操纵器臂的末端执行器或远程中心并且通过在正交于零垂直空间的零空间内驱动第二组接头伴同时进行末端执行器定位而提供操纵器臂的近侧部分的期望的状态或移动的装置、系统和方法。方法包括，在零垂直空间内浮动第一组接头，以允许远程中心或末端执行器方位中的一个或两个在工作空间内的手动定位，以及在接头的浮动期间根据计算的在零空间内的辅助移动、根据操纵器臂的期望的状态或移动来驱动第二组接头。在本文中为使用这种方法的装置和系统提供了各种配置。

System and method for positioning manipulator arm through zero space movement during biting contract in zero vertical space

The present application relates to a system and method for positioning the manipulator arm by zero space movement in a zero vertical space, and discloses an end actuator or a remote center for positioning the manipulator arm through a first set of joints in the zero vertical joint speed subspace and by perpendicular to the zero sag. A desired state or movement of the near side portion of the manipulator arm is driven by second groups of joints in the zero space of direct space with the end actuators positioning simultaneously, and the system and method. The method includes the floating of the first group in the zero vertical space to allow one or two manual positioning in the working space of the remote center or the terminal actuators, and the auxiliary movement in the zero space according to the calculation during the floating of the joint, and driven by the desired state or movement of the manipulator arm. Two sets of joints. Various configurations are provided for devices and systems using this method.

【技术实现步骤摘要】
用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定位操纵器臂的系统和方法本申请是于2014年3月18日提交的名称为“用于通过在零垂直空间内进行咬合同时发生零空间移动而定位操纵器臂的系统和方法”的中国专利申请201480015914.3的分案申请。相关申请的交叉引用本申请是于2013年3月15日提交的名称为“SystemsandMethodsforPositioningaManipulatorArmbyClutchingwithinaNull-PerpendicularSpaceConcurrentwithNull-SpaceMovement”(代理人案卷号ISRG03900PROV/US)的美国临时专利申请No.61/799,920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”的美国申请No.12/494,695；2009年3月17日提交的名称为“MasterControllerHavingRedundantDegreesofFreedomandAddedForcestoCreateInternalMotion”的美国申请No.12/406,004；2005年5月19日提交的名称为“SoftwareCenterandHighlyConfigurableRoboticSystemsforSurgeryandOtherUses”的美国申请No.11/133,423(美国专利No.8,004,229)；2004年9月30日提交的名称为“OffsetRemoteCenterManipulatorForRoboticSurgery”的美国申请No.10/957,077(美国专利No.7,594,912)；以及1999年9月17日提交的名称为“MasterHavingRedundantDegreesofFreedom)”的美国申请No.09/398,507(美国专利No.6,714,839)；2012年6月1日提交的名称为“ManipulatorArm-to-PatientCollisionAvoidanceUsingaNull-Space”的美国临时申请No.61/654,755；以及2012年6月1日提交的名称为“SystemandMethodsforAvoidingCollisionsBetweenManipulatorArmsUsingaNull-Space”的美国临时申请No.61/654,773，这些申请的全部公开以引用方式并入本文。
本专利技术大体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在于减少在诊断或外科手术程序期间的受损组织量，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；这些手术中的许多有可能能够以微创方式执行。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正得到发展，增大了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手术。远程外科手术是对如下外科手术系统的通称，即外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构等)来操纵外科手术器械移动而不是通过手直接握持和移动器械。在这种远程外科手术系统中，在远程位置处为外科医生提供手术部位的图像。当外科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，从而对患者执行外科手术程序。机器人外科手术器械能够通过小的微创外科手术孔口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法相关联。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，通常通过在微创孔口处枢转器械的轴、使轴轴向滑动通过孔口、在孔口中旋转轴和/或其他类似动作来执行。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(每个对应外科医生的一只手)的输入并且可以包括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采集装置所显示的机器人器械的图像上能够有助于向外科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他图像采集装置、额外的手术器械或类似器械。各种结构布置能够用于在机器人外科手术期间在手术部位处支撑外科手术器械。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被描述在美国专利US6,758,843、US6,246,200和US5,800,423中，这些专利的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。这种操纵器结构能够约束器械的移动，以便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套管对准)，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。例如替代性操纵器结构被描述在美国专利US6,702,805、US6,676,669、US5,855,583、US5,808,665、US5,445,166和US5,184,601中，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，操纵器臂可以包括额外的冗余接头以在某些情况下提供增加的移动或配置。然而，当在微创手术部位内移动外科手术器械时，这些接头可能会在患者体外表现出大幅度的移动(通常比所需的或预期的更多移动)，特别是当器械绕微创孔口在大的角度范围内枢转时。替代性操纵器结构已经被提出，其采用对高度可配置的运动学操纵器接头的软件控制，该软件控制被设定为限制到插入部位的枢转运动，同时阻止在患者体外的无意的操纵器/操纵器接触(或类似情况)。这些高度可配置的“软件中心”外科手术操纵器系统可以提供显著的优点，但是也会提出挑战。具体地，机械约束的远程中心联动装置可以在一些情况下具有安全优势。此外，通常包括在这些操纵器中的广泛的配置范围的许多接头可以导致操纵器很难以特定程序所期望的配置手动地设置。然而，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，这两种变化都会增加与操纵器在体外的运动相关联的挑战，并且也会增加针对某些任务避免操纵器臂过度移动的重要性。由于这些和其他原因，提供用于外科手术、机器人外科手术以及其他机器人应用的改善的装置、系统和方法是有利的，并且如果这些改进的技术提供了在操纵器的设置或定位期间为操纵器臂提供更一致且可预测的运动的能力将尤为有益。另外，进一步期望的是在提供此类改进的同时，增加对于至少本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在非外科手术程序中操作机器人系统的机器人方法，所述机器人系统包括具有可移动远侧末端执行器、耦接到基座的近侧部分以及在所述末端执行器和所述基座之间的多个接头的操纵器臂，其中所述多个接头具有足够的自由度以允许针对在非外科手术工作空间中的给定末端执行器状态的一系列不同的接头状态，所述方法包括：在雅可比矩阵的零垂直空间内浮动所述多个接头中的第一组接头，所述第一组接头与所述末端执行器在所述工作空间内的方位相关联，其中所述零垂直空间是所述第一组接头的移动导致所述末端执行器的移动的接头速度空间；感测所述末端执行器到在所述工作空间内的期望的方位的手动反向驱动移动；计算所述多个接头中的第二组接头的辅助移动以实现所述操纵器臂的近侧部分的期望的移动，其中计算所述辅助移动包括计算所述第二组接头在所述雅可比矩阵的零空间内的接头速度，所述零空间正交于所述零垂直空间；以及根据计算的辅助移动来驱动所述第二组接头，同时发生所述第一组接头的所述浮动。

【技术特征摘要】
2013.03.15 US 61/799,9201.一种用于在非外科手术程序中操作机器人系统的机器人方法，所述机器人系统包括具有可移动远侧末端执行器、耦接到基座的近侧部分以及在所述末端执行器和所述基座之间的多个接头的操纵器臂，其中所述多个接头具有足够的自由度以允许针对在非外科手术工作空间中的给定末端执行器状态的一系列不同的接头状态，所述方法包括：在雅可比矩阵的零垂直空间内浮动所述多个接头中的第一组接头，所述第一组接头与所述末端执行器在所述工作空间内的方位相关联，其中所述零垂直空间是所述第一组接头的移动导致所述末端执行器的移动的接头速度空间；感测所述末端执行器到在所述工作空间内的期望的方位的手动反向驱动移动；计算所述多个接头中的第二组接头的辅助移动以实现所述操纵器臂的近侧部分的期望的移动，其中计算所述辅助移动包括计算所述第二组接头在所述雅可比矩阵的零空间内的接头速度，所述零空间正交于所述零垂直空间；以及根据计算的辅助移动来驱动所述第二组接头，同时发生所述第一组接头的所述浮动。2.根据权利要求1所述的机器人方法，其中所述末端执行器的所述期望的方位包括所述末端执行器在所述工作空间内的方位和/或对准，以便允许邻近所述工作空间中的孔口定位所述末端执行器。3.根据权利要求1所述的机器人方法，其中所述操纵器臂的所述近侧部分的所述期望的移动是所述操纵器臂在所述工作空间内的期望的方位、速度、配置、姿势、重新配置移动或碰撞回避移动中的任何一个或所有。4.根据权利要求3所述的机器人方法，其中所述操纵器臂的所述近侧部分的所述期望的移动包括所述操纵器臂在所述远侧末端执行器近侧的部分的状态或移动。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·乌尔塔斯，N·斯瓦鲁普，
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