用于利用零空间跟踪路径的系统和方法技术方案

本申请涉及用于利用零空间跟踪路径的系统和方法。本申请公开了用于提供具有多个带有冗余自由度的接头的操纵器臂的一个或更多个接头的期望移动同时实现操纵器的远侧末端执行器的被命令的移动的装置、系统和方法。方法包括，限定在由一个或更多个接头所限定的接头空间内的约束(诸如路径网络)，以及确定多个接头在零空间内的移动，以利用一个或更多个接头来跟踪约束。方法可以进一步包括，计算接头的重新配置移动，以及将约束更改为与一个或更多个接头的被重新配置的方位一致。在本文中提供了使用这种方法的装置和系统的各种配置。

System and method for tracking paths in null space

The application relates to a system and method for tracking paths in null space. The present application discloses a device, system, and method for providing the desired movement of one or more joints of a manipulator arm with a plurality of redundant degrees of freedom of the joint and a command movement of the remote end effector of the manipulator. The method includes constraints (such as the path network) within the joint space defined by one or more joints, and the determination of the movement of multiple joints within the zero space to use one or more joints to track the constraints. The method can be further included, calculating the reconfiguration of the joint, and changing the constraints to the reconfigured orientation of one or more joints. Various configurations of devices and systems using this method are provided in this article.

【技术实现步骤摘要】
用于利用零空间跟踪路径的系统和方法本申请是于2014年3月18日提交的名称为“用于利用零空间跟踪路径的系统和方法”的中国专利申请201480014854.4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“SystemsandMethodsforTrackingaPathUsingtheNull-Space”(代理人案卷号ISRG03780PROV/US)的美国临时专利申请No.61/799,444的非临时性申请且要求其优先权的权益，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某些任务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，增加对于至少一些任务的器械运动范围，而不明显地增加这些系统的尺寸、机械复杂性或成本，并且同时维持或改善它们的灵巧性。
技术实现思路
本专利技术大体提供改善的机器人和/或外科手术装置、系统和方法。在许多实施例中，本专利技术将采用高度可配置的外科手术机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，其包括：操纵器臂，其包括包含末端执行器的可移动的远侧部分、耦连到基座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述基座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述末端执行器的给定状态的一系列不同接头状态；输入装置，其用于接收以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器的操纵命令；一个或更多个处理器，其可操作地连接到所述输入装置和所述操纵器臂，所述一个或更多个处理器被配置为执行操作，所述操作包括：限定所述多个接头中的一个或更多个接头在所述多个接头的接头空间内的基于方位的约束，所述基于方位的约束包括一个或更多个路径，所述一个或更多个路径对应于所述一个或更多个接头在所述多个接头的所述接头空间内的期望的移动；计算所述多个接头的末端执行器移位移动以实现所述期望的末端执行器移动，其中计算所述多个接头的所述末端执行器移位移动包括计算来自对应于所述末端执行器移动的方向的所述多个接头的接头速度；计算所述多个接头的跟踪移动，以便朝向所述基于方位的约束移动所述多个接头中的所述一个或更多个接头的方位，其中计算所述多个接头的所述跟踪移动包括计算来自对应于所述末端执行器不移动的方向的所述多个接头的接头速度；以及发送命令给所述操纵器臂以根据计算的末端执行器移位移动和所述跟踪移动来驱动所述多个接头，从而伴随着所述跟踪移动实现所述末端执行器移位移动。...

【技术特征摘要】
2013.03.15 US 61/799,4441.一种系统，其包括：操纵器臂，其包括包含末端执行器的可移动的远侧部分、耦连到基座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述基座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述末端执行器的给定状态的一系列不同接头状态；输入装置，其用于接收以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器的操纵命令；一个或更多个处理器，其可操作地连接到所述输入装置和所述操纵器臂，所述一个或更多个处理器被配置为执行操作，所述操作包括：限定所述多个接头中的一个或更多个接头在所述多个接头的接头空间内的基于方位的约束，所述基于方位的约束包括一个或更多个路径，所述一个或更多个路径对应于所述一个或更多个接头在所述多个接头的所述接头空间内的期望的移动；计算所述多个接头的末端执行器移位移动以实现所述期望的末端执行器移动，其中计算所述多个接头的所述末端执行器移位移动包括计算来自对应于所述末端执行器移动的方向的所述多个接头的接头速度；计算所述多个接头的跟踪移动，以便朝向所述基于方位的约束移动所述多个接头中的所述一个或更多个接头的方位，其中计算所述多个接头的所述跟踪移动包括计算来自对应于所述末端执行器不移动的方向的所述多个接头的接头速度；以及发送命令给所述操纵器臂以根据计算的末端执行器移位移动和所述跟踪移动来驱动所述多个接头，从而伴随着所述跟踪移动实现所述末端执行器移位移动。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述操作还包括：计算所述操纵器臂的雅可比矩阵的值，其中来自对应于所述末端执行器不移动的方向的所述接头速度与所述雅可比矩阵的零空间相关联，并且来自对应于所述末端执行器移动的方向的所述接头速度与所述雅可比矩阵的零垂直空间相关联。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述基于方位的约束的所述一个或更多个路径包括在所述多个接头的所述接头空间内的分段连续路径网络。4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中计算所述跟踪移动包括：限定在所述多个接头中的所述一个或更多个接头的计算的方位与所述基于方位的约束的所述一个或更多个路径之间的势场，其中所述势场的增加的势能对应于所述计算的方位与所述一个或更多个路径之间的增加的距离；从所述势场确定所述计算的方位与所述一个或更多个路径之间的势能；以及通过利用所述势能确定从所述计算的方位朝向所述一个或更多个路径的方向来计算所述跟踪移动。5.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中计算所述跟踪移动包括：通过评估所述基于方位的约束的所述一个或更多个接头的势函数来确定所述多个接头在所述多个接头的所述接头空间内的第一移动；以及通过将所述多个接头的所述第一移动投射到所述操纵器臂的雅可比矩阵的零空间上来为所述跟踪移动确定所述多个接头的所述接头速度。6.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述操纵器臂的所述远侧部分包括器械保持器，所述器械保持器可释放地支撑具有向远侧延伸到所述末端执行器的轴的外科手术器械，其中所述轴在外科手术期间绕远程运动中心枢转。7.一种存储用于移动操纵器臂的一个或更多个处理器执行程序的可读存储器，所述操纵器臂包括包含末端执行器的可移动的远侧部分、耦连到基座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述基座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述末端执行器的给定状态的一系列不同接头状态，并且所述一个或更多个处理器执行程序包括指令，当由一个或更多个处理器执行时，所述指令使得所述一个或更多个处理器执行操作，所述操作包括：访问限定所述多个接头中的一个或更多个接头在所述多个接头的接头空间内的基于方位的约束的值，所述基于方位的约束包括一个或更多个路径，所述一个或更多个路径对应于所述一个或更多个接头在所述多个接头的所述接头空间内的期望的移动；访问以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器的操纵命令的值；计算所述多个接头的末端执行器移位移动以实现所述期望的末端执行器移动，其中计算所述多个接头的所述末端执行器移位移动包括计算来自对应于所述末端执行器移动的方向的所述多个接头的接头速度；计算所述多个接头的跟踪移动，以便朝向所述基于方位的约束移动所述多个接头中的所述一个或更多个接头的方位，其中计算所述多个接头的所述跟踪移动包括计算来自对应于所述末端执行器不移动的方向的所述多个接头的接头速度；以及发送命令给所述操纵器臂以根据计算的移动来驱动所述多个接头，从而伴随着所述跟踪移动实现所述末端执行器移位移动。8.一种系统，其包括：操纵器组件，其适用于支撑包括工具尖端的工具，所述操纵器组件包括耦连到基座的近侧部分以及在所述工具尖端和所述基座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述工具尖端的给定状态的一系列不同接头状态；一个或更多个处理器，其可操作地连接到所述操纵器组件，所述一个或更多个处理器被配置为执行操作，所述操作包括：限定所述多个接头中的一个或更多个接头在所述多个接头的接头空间内的基于方位的约束，所述基于方位的约束包括一个或更多个路径，所述一个或更多个路径对应于所述一个或更多个接头在...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·斯瓦鲁普，A·乌尔塔斯，P·莫尔，
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