利用零空间取消关节运动的系统技术方案

本发明专利技术涉及利用零空间取消关节运动的系统。用于取消远程手术操纵器一个或多个关节的移动以实施末端执行器的操纵移动的装置、系统和方法。方法包含在计算一个或多个锁定关节在零空间内的移动以取消锁定关节在零垂直空间内移动的同时，计算关节在零垂直空间内的移动以实施末端执行器期望的移动。方法进一步包含计算一个或多个关节的移动，以实施可包含一个或多个锁定关节的移动的辅助移动或重新配置移动。辅助和重新配置移动可由关节的操纵移动覆盖，以允许移动锁定的关节从而实现辅助移动或重新配置移动，而实施操纵的锁定的关节的移动则被取消。本文提供了利用这些方法的装置和系统的各种配置。

System for cancelling joint motion in null space

The invention relates to a system for cancelling joint movement in null space. A device, a system, and a method for canceling the movement of one or more joints of a remote surgical manipulator to implement the manipulative movement of an end effector. The method includes calculating the movement of one or more locking joints in zero space to cancel the movement of the locking joints in zero vertical space, and calculating the movement of the joints in zero vertical space to implement the desired movement of the end effector. The method further includes calculating the movement of one or more joints to implement auxiliary or reconfigurable movements that may include movement of one or more locked joints. Auxiliary and reconfigurable movements may be covered by the manipulative movement of the joints to allow for auxiliary movement or reconfigurable movement of the locked joints while the movement of the locked joints to be manipulated is cancelled. Various configurations of devices and systems using these methods are provided in this paper.

【技术实现步骤摘要】
利用零空间取消关节运动的系统本申请为申请日为2013年08月15日、专利技术创造名称为“利用零空间取消关节运动的系统”的中国专利申请201380053744.3(PCT/US2013/055082)的分案申请。相关申请的交叉参考本申请为2012年8月15日提交的、名称为“SystemsandMethodsforCancellationofJointMotionUsingtheNull-Space”(代理人案号ISRG03750PROVUS)的美国临时专利申请号61/683,638的正式申请案，并要求其优先权权益，该临时专利申请的全部公开内容通过引用并入本文中。本申请总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”的美国申请号12/494,695；2009年3月17日提交的、名称为“MasterControllerHavingRedundantDegreesofFreedomandAddedForcestoCreateInternalMotion”的美国申请号12/406,004；2005年5月19日提交的、名称为“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、名称为“OffsetRemoteCenterManipulatorForRoboticSurgery”的美国申请号10/957,077(美国专利号7,594,912)；和1999年9月17日提交的、名称为“MasterHavingRedundantDegreesofFreedom”的美国申请号09/398,507(美国专利号6,714,839)；2012年6月1日提交的、名称为“ManipulatorArm-to-PatientCollisionAvoidanceUsingaNull-Space”的美国临时申请号61/654,755；以及2012年6月1日提交的、名称为“SystemandMethodsforAvoidingCollisionsBetweenManipulatorArmsUsingaNull-Space”的美国临时申请号61/654,773，它们的公开内容通过应用全部并入本文中。
本申请涉及利用零空间取消关节运动的系统和方法。
技术介绍
本专利技术总体提供改进的手术和/或机器人装置、系统和方法。微创医疗技术旨在减少诊断或手术过程中组织损伤的量，从而减少患者恢复时间、不适和有害的副作用。在美国每年进行数百万的“开放(open)”或传统手术；这些手术中的许多可潜在地以微创的方式进行。然而，由于手术器械和技术以及掌握它们所需的另外的手术训练的限制，目前只有相对较少数量的手术利用微创技术。手术中使用的微创远程手术(telesurgical)系统正被研发以提高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。远程手术是这样的手术系统的统称：在该手术系统中外科医生利用一些形式的远程控制例如自动控制装置等，以操纵手术器械移动，而不是直接用手握住并移动器械。在这种远程手术系统中，在远程位置向外科医生提供手术部位的图像。在观察合适的观察器或显示器上的通常为手术部位的三维图像的同时，外科医生通过操纵主控输入装置对患者进行手术过程，主控输入装置进而控制机器人器械的运动。机器人手术器械可通过小的微创手术孔口插入以处理患者体内手术部位的组织，通常为伴随开放手术进入的创伤。通常通过在微创孔口处枢轴转动器械的轴、使轴轴向滑动通过孔口、在孔口中转动轴和/或类似，这些机器人系统可以足以进行相当复杂的手术任务的灵巧性移动手术器械的工作端。用于远程手术的自动控制装置通常接收来自两个主控制器(对应于外科医生的每一只手)的输入信息，并可包括两个或更多个机器人手臂或操纵器。将手的移动绘制成由图像捕获装置显示的机器人器械图像可有助于向外科医生提供对与每只手相关联的器械的精确控制。在许多手术机器人系统中，包括一个或多个额外的机器人操纵器手臂，用于移动内窥镜或其它图像捕获装置、额外的手术器械等。可利用多种结构布置来支撑在机器人手术的过程中在手术部位的手术器械。受驱动联动装置或“从动装置”通常称为机器人手术操纵器，和在微创机器人手术的过程中用作机器人手术操纵器的实例联动装置布置描述于美国专利号6,758,843、6,246,200和5,800,423中，其全部公开内容通过引用并入本文中。这些联动装置通常利用平行四边形布置来保持具有轴的器械。这种操纵器结构可约束器械的移动，使得器械轴围绕位于沿刚性轴长度空间内的球面转动的远程中心枢轴转动。通过将该转动中心与内部手术部位的切口点对准(例如，与在腹腔镜手术过程中腹壁处的套管针或插管对准)，手术器械的末端执行器通过使用操纵器联动装置移动轴的近端而被安全定位，不对腹壁强加潜在危险的力量。可选的操纵器结构描述于例如美国专利号6,702,805、6,676,669、5,855,583、5,808,665、5,445,166和5,184,601中，其全部公开内容通过引用并入本文中。虽然新的机器人手术系统和装置已被证明是高效和有优势的，但仍然期望进一步的改进。例如，操纵器手臂可包括额外的冗余关节，以在某些条件下提供增加的移动或配置。然而，当在微创手术部位内移动手术器械时，这些关节在患者体外可表现出大量的移动，通常是多于所需或所期望的移动，尤其是当围绕微创孔口通过大角度范围枢轴转动器械时。已经提出可选的操纵器结构，其利用对高度可配置的运动操纵器关节组的软件控制来约束向插入部位的枢轴运动，同时阻止在患者体外(或类似)无意的操纵器/操纵器接触。这些高度可配置的“软件中心”手术操纵器系统可提供显著的优势，但也可能面临挑战。具体来说，机械约束的远程中心联动装置在一些条件下可具有安全性优势。此外，这些操纵器中通常包含的众多关节的广范围配置可导致操纵器难以手动装配为特定手术过程所期望的配置。尽管如此，随着利用远程手术系统进行的手术范围继续扩展，对扩展可获得的配置和患者体内器械的运动范围的需求日益增加。遗憾的是，这两项挑战可增加与操纵器体外运动相关联的挑战，并也可增加避免操纵器手臂对于某些任务所不必要的移动的重要性。由于这些和其它原因，提供改进的用于手术、机器人手术和其它机器人应用的装置、系统和方法是有利的。如果这些改进的技术提供限制操纵器手臂在某些任务过程中的移动量的能力，则将是尤其有益的。此外，可期望提供这些改进的同时增加用于至少一些任务的器械运动范围，且不显著增加这些系统的大小、机械复杂性或成本，并同时保持或提高它们的灵巧性。
技术实现思路
本专利技术总体提供改进的机器人和/或手术装置、系统和方法。在各种实施方式中，本专利技术将利用高度可配置的手术机器人操纵器。例如，这些操纵器在手术工作空间内可具有与相关联的手术末端执行器所具有的相比更多的移动自由度。根据本专利技术的机器人手术系统通常包括支撑机器人手术器械的操纵器手臂和计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，其包括：操纵器手臂，所述操纵器手臂包括：连接至基座的近侧部分，包括末端执行器的远侧部分，以及在所述远侧部分和所述基座之间的多个关节，所述多个关节可操作以允许针对所述远侧部分的给定状态的所述多个关节的一系列不同的状态；以及包括一个或多个处理器的运动单元，所述一个或多个处理器被配置为执行以下操作，包括：接收命令，以在末端执行器移位中移动所述操纵器手臂的所述末端执行器；指定所述多个关节的一个或多个非移动关节；确定所述多个关节的末端执行器移位移动以实现所述末端执行器移位；确定所述多个关节的取消移动，所述取消移动对应于非移动末端执行器，并且当所述取消移动与所述末端执行器移位移动组合时，所述取消移动提供所述一个或多个非移动关节中的每一个的关节移动取消；并且通过组合所述末端执行器移位移动和所述取消移动来驱动所述多个关节以实现所述末端执行器移位。

【技术特征摘要】
2012.08.15 US 61/683,6381.一种系统，其包括：操纵器手臂，所述操纵器手臂包括：连接至基座的近侧部分，包括末端执行器的远侧部分，以及在所述远侧部分和所述基座之间的多个关节，所述多个关节可操作以允许针对所述远侧部分的给定状态的所述多个关节的一系列不同的状态；以及包括一个或多个处理器的运动单元，所述一个或多个处理器被配置为执行以下操作，包括：接收命令，以在末端执行器移位中移动所述操纵器手臂的所述末端执行器；指定所述多个关节的一个或多个非移动关节；确定所述多个关节的末端执行器移位移动以实现所述末端执行器移位；确定所述多个关节的取消移动，所述取消移动对应于非移动末端执行器，并且当所述取消移动与所述末端执行器移位移动组合时，所述取消移动提供所述一个或多个非移动关节中的每一个的关节移动取消；并且通过组合所述末端执行器移位移动和所述取消移动来驱动所述多个关节以实现所述末端执行器移位。2.根据权利要求1所述的系统，其中，对于所述一个或多个非移动关节中的每个关节，所述末端执行器移位移动的对应关节速度和所述取消移动的对应关节速度组合以实现该关节的所述关节移动取消。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个处理器被进一步配置成执行以下操作，包括：计算所述取消移动的值，使得对于所述一个或多个非移动关节中的每个，所述取消移动的对应关节速度取消所述末端执行器移位移动的对应关节速度。4.根据权利要求1所述的系统，其中：确定所述多个关节的所述末端执行器移位移动包括从对应于移动末端执行器的方向计算所述多个关节的关节速度；并且确定所述多个关节的所述取消移动包括从对应于非移动末端执行器的方向计算所述多个关节的关节速度。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个处理器被进一步配置成执行以下操作，包括：计算关联所述多个关节的关节速度与所述末端执行器的运动的矩阵，所述矩阵包括对应于移动末端执行器的多个关节速度方向和对应于非移动末端执行器的一个或多个关节速度方向；基于对应于移动末端执行器的所述多个关节速度方向根据计算确定所述多个关节的所述末端执行器移位移动；并且基于对应于非移动末端执行器的所述一个或多个关节速度方向根据计算确定所述多个关节的所述取消移动。6.根据权利要求1所述的系统，其中确定所述多个关节的所述末端执行器移位移动包括计算所述多个关节在针对所述多个关节的雅克比行列式的零垂直空间内的关节速度；并且确定所述多个关节的所述取消移动包括计算所述多个关节在所述雅克比行列式的零空间内的关节速度，所述零空间正交于所述零垂直空间。7.根据权利要求1到6中的任一项所述的系统，其中所述一个或多个处理器被进一步配置成执行以下操作，包括：确定所述多个关节的第一关节组的辅助移动，所述第一关节组选自所述多个关节的所述一个或多个非移动关节，并且所述辅助移动从对应于非移动末端执行器的方向确定；并且通过组合所述辅助移动与所述末端执行器移位移动和所述取消移动来驱动所述多个关节以实现所述辅助移动的目标，所述辅助移动的所述目标包括所述操纵器手臂的期望姿势、期望配置或碰撞回避。8.一种存储器设备，其包括指令，该指令当被一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·乌尔塔斯，P·海英维，
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