用于管理多个零空间目标和饱和SLI行为的系统和方法技术方案

本申请涉及用于管理多个零空间目标和饱和SLI行为的系统和方法。装置、系统和方法用于根据一个或更多个合并的零空间目标来在伴随有操纵器的一个或更多个接头的期望的移动的同时提供操纵器的末端执行器的被命令的移动。零空间目标可以包括接头状态组合、相对接头状态、接头状态的范围、接头状态轮廓、动能、咬合移动、碰撞回避移动、奇点回避移动、姿态或俯仰偏好、期望的操纵器配置、操纵器的被命令的重新配置和接头的各向异性增强。方法包括根据不同的零空间目标计算多个零空间移动，确定每个零空间目标的属性，以及通过零空间管理器使用各种途径来合并零空间移动。这些途径可以包括，应用加权、缩放、饱和水平、优先级、主速度限制、饱和限制积分和其各种组合。

System and Method for Managing Multiple Zero Space Objects and Saturated SLI Behavior

This application relates to a system and method for managing multiple zero space targets and saturated SLI behavior. Devices, systems and methods are used to provide the mandated movement of the end effector of the manipulator while accompanying the desired movement of one or more joints of the manipulator according to one or more combined zero-space targets. Zero-space targets can include joint state combination, relative joint state, range of joint state, joint state contour, kinetic energy, occlusion movement, collision avoidance movement, singularity avoidance movement, attitude or pitch preference, desired manipulator configuration, commanded reconfiguration of manipulator and enhanced anisotropy of joint. The method includes calculating multiple zero-space movements according to different zero-space targets, determining the attributes of each zero-space target, and combining zero-space movements by various ways through the zero-space manager. These approaches may include weighting, scaling, saturation level, priority, main speed limit, saturation limit integral and their combinations.

【技术实现步骤摘要】
用于管理多个零空间目标和饱和SLI行为的系统和方法本申请是于2014年03月18日提交的名称为“用于管理多个零空间目标和饱和SLI行为的系统和方法”的中国专利申请201480014809.8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“SystemsandMethodsforManagingMultipleNull-SpaceObjectivesandSLIBehaviors”(代理人案卷号ISRG03790PROV/US)的美国临时专利申请No.61/800,810的非临时性申请并且要求其优先权，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30日提交的名称为“ControlofMedicalRoboticSystemManipulatorsAboutKinematicSingularities”的美国申请号No.12/494,695；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；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；以及2013年3月15日提交的以下美国临时申请No.61/800,381(代理人案卷号ISRG03800)、61/800,924(代理人案卷号ISRG03870)和61/799,920(代理人案卷号ISRG03900)，其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，一般避免与开放式外科手术进入法相关联的创伤。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，诸如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的接头的软件控制，以限制在插入部位处的枢转运动，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。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，并且进一步增加避免操纵器臂不必要移动以及不期望配置和移动的重要性。由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人系统，其包括：操纵器臂，所述操纵器臂包括可移动远侧部分、耦连到底座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述底座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述远侧部分的给定状态的一系列的不同接头状态；以及处理器，其被耦连到所述操纵器臂，所述处理器被配置为执行包含以下步骤的操作：根据第一目标计算所述多个接头在雅可比矩阵的零空间内的第一移动，所述第一目标与第一属性相关联，根据第二目标计算所述多个接头在所述雅可比矩阵的所述零空间内的第二移动，所述第二目标不同于所述第一目标，并且所述第二目标与第二属性相关联，基于所述第一属性和所述第二属性将所述第一移动和所述第二移动组合为所述多个接头的组合的移动同时进行与主速度有关的限制，其中所述主速度与被命令的移动相关联以移动所述操纵器臂，以及驱动所述多个接头以实现所述多个接头的所述组合的移动。

【技术特征摘要】
2013.03.15 US 61/800,8101.一种机器人系统，其包括：操纵器臂，所述操纵器臂包括可移动远侧部分、耦连到底座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述底座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述远侧部分的给定状态的一系列的不同接头状态；以及处理器，其被耦连到所述操纵器臂，所述处理器被配置为执行包含以下步骤的操作：根据第一目标计算所述多个接头在雅可比矩阵的零空间内的第一移动，所述第一目标与第一属性相关联，根据第二目标计算所述多个接头在所述雅可比矩阵的所述零空间内的第二移动，所述第二目标不同于所述第一目标，并且所述第二目标与第二属性相关联，基于所述第一属性和所述第二属性将所述第一移动和所述第二移动组合为所述多个接头的组合的移动同时进行与主速度有关的限制，其中所述主速度与被命令的移动相关联以移动所述操纵器臂，以及驱动所述多个接头以实现所述多个接头的所述组合的移动。2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中进行与所述主速度有关的限制导致当提供所述主速度的主控制输入装置不移动时，所述多个接头无运动。3.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其中将所述第一移动和所述第二移动组合为所述组合的移动同时进行与所述主速度有关的限制包括：限制至少一个移动与所述主速度成比例，所述至少一个移动选自由以下构成的组：所述第一移动、所述第二移动、以及所述组合的移动。4.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其中将所述第一移动和所述第二移动组合为所述组合的移动同时进行与所述主速度有关的限制包括：指明所述第一移动和所述第二移动中的至少一个关于所述主速度被限制；以及基于所述指明限制与所述主速度有关的所述第一移动和所述第二移动中的所述至少一个。5.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其中：所述第一属性包括用于所述第一目标的第一优先级，并且所述第二属性包括用于所述第二目标的第二优先级；并且将所述第一移动和所述第二移动组合为所述组合的移动同时进行与所述主速度有关的限制包括：仅应用所述第二移动的不与所述第一移动发生冲突的部分。6.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其中：所述第一属性包括用于所述第一目标的第一优先级，并且所述第二属性包括用于所述第二目标的第二优先级；并且将所述第一移动和所述第二移动组合为所述组合的移动同时进行与所述主速度有关的限制包括：响应于所述第一优先级高于所述第二优先级，向所述第一移动提供比所述第二移动更高优先级的到所述零空间的进入。7.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其中：所述第一属性包括用于所述第一目标的第一饱和水平；所述第二属性包括用于所述第二目标的第二饱和水平；并且将所述第一移动和所述第二移动组合为所述组合的移动同时进行与所述主速度有关的限制包括：当所述第一移动和所述第二移动冲突时应用所述第一饱和水平和所述第二饱和水平。8.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其中将所述第一移动和所述第二移动组合为所述组合的移动同时进行与所述主速度有关的限制包括：基于所述第一属性和所述第二属性限制所述组合的移动的总体值而不改变所述组合的移动的方向。9.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其中将所述第一移动和所述第二移动组合为所述组合的移动同时进行与所述主速度有关的限制包括：基于所述第一属性和所述第二属性，逐个自由度地限制所述组合的移动的值。10.一种机器人系统，其包括：操纵器臂，所述操纵器臂包括可移动远侧部分、耦连到底座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述底座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述远侧部分的给定状态的一系列的不同接头状态；以及处理器，其被耦连到所述操纵器臂，所述处理器被配置为执行包含以下步骤的操作：计算所述多个接头在雅可比矩阵的零空间内的多个移动，所述零空间具有多个维度，其中根据多个目标的对应目标计算所述多个移动中的每个移动，并且其中所述多个目标的每个对应目标具有对应的饱和水平，通过应用所述多个移动中的第一移动和第二移动的对应的饱和水平，将所述多个移动中的至少所述第一移动和所述第二移动组合为所述多个接头的组合的移动，其中：所述第一移动和所述第二移动彼此相反，或所述多个目标中的目标的数量大于所述零空间的维度的数量，以及驱动所述多个接头以实现所述多个接头的所述组合的移动。11.根据权利要求10所述的机器人系统，其中所述对应的饱和水平被设定，使得应用所述对应的饱和水平允许所述多个目标中的具有最高对应饱和水平的第一目标压倒所述多个目标中的具有较低对应饱和水平的第二目标。12.根据权利要求10所述的机器人系统，其中所述多个目标中的第一目标将避免臂与患者碰撞，并且其中所述多个目标中的第二目标将避免臂与臂碰撞，并且其中用于所述第一目标的对应饱和水平高于用于所述第二目标的对应饱和水平。13.一种机器人系统，其包括：操纵器臂，所述操纵器臂包括可移动远侧部分、耦连到底座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述底座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述远侧部分的给定状态的一系列的不同接头状态；以及处理器，其被耦连到所述操纵器臂，所述处理器被配置为执行包含以下步骤的操作：计算所述多个接头在雅可比矩阵的零空间内的多个移动，根据多个目标中的对应目标计算所述多个移动中的每个移动，所述多个目标中的每个对应目标与对应的优先级相关联，通过提供与较高优先级相关联的一个或多个移动比与较低优先级相关联的一个或多个移动到所述零空间的更多进入，将所述多个移动中的至少第一移动和第二移动组合为所述多个接头的组合的移动，其中与所述较高优先级相关联的一个或多个移动属于所述多个移动，并且其中与所述较低优先级相关联的一个或多个移动属于所述多个移动，以及驱动所述多个接头以实现所述多个接头的所述组合的移动。14.根据权利要求13所述的机器人系统，其中提供与所述较高优先级相关联的一个或多个移动比与所述较低优先级相关联的一个或多个移动到所述零空间的更多进入包括：确定由与所述较高优先级相关联的一个或多个移动所进入的所述零空间的第一部分；和提供与所述较低优先级相关联的一个或多个移动到与所述零空间的所述第一部分正交的所述零空间的第二部分的进入。15.根据权利要求14所述的机器人系统，其中提供与所述较低优先级相关联的一个或多个移动到所述零空间的所述第二部分的进入包括：将与所述较低优先级相关联的一个或多个移动投影到所述第二部分上。16.根据权利要求13至15中的任一项所述的机器人系统，其中与所述较高优先级相关联的一个或多个移动包括多个移动，并且其中提供与所述较高优先级相关联的一个或多个移动到所述零空间的更多进入包括：组合所述多个移动以产生组合的输出；和向所述组合的输出提供到所述零空间的更多进入。17.根据权利要求16所述的机器人系统，其中组合所述多个移动以产生组合的输出包括：应用与所述多个移动相关联的权数或饱和水平。18.根据权利要求13至15中的任一项所述的机器人系统，其中通过提供与所述较高优先级相关联的一个或多个移动比与所述较低优先级相关联的一个或多个移动到所述零空间的更多进入，将所述多个移动中的至少第一移动和第二移动组合为所述多个接头的组合的移动包括：仅应用所述第二移动的一部分。19.一种机器人系统，其包括：操纵器臂，所述操纵器臂包括可移动远侧部分、耦连到底座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述底座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述远侧部分的给定状态的一系列的不同接头状态；以及处理器，其被耦连到所述操纵器臂，所述处理器被配置为执行包含以下步骤的操作：计算所述多个接头在雅可比矩阵的零空间内的多个移动，根据多个目标中的对应目标计算所述多个移动中的每个移动，所述多个目标中的每个对应目标与对应的饱和限制积分标志相关联，通过响应于接头方位限制或接头速度限制而基于所述多个移动中的至少第一移动和第二移动的对应目标来选择性地改变接头速度命令的值，将所述多个移动中的至少所述第一移动和所述第二移动组合为所述多个接头的组合的移动，以及驱动所述多个接头以实现所述多个接头的所述组合的移动。20.一种机器人系统，其包括：操纵器臂，所述操纵器臂包括可移动远侧部分、耦连到底座的近侧部分以及在所述远侧部分和所述底座之间的多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对所述远侧部分的给定状态的一系列的不同接头状态；以及处理器，其被耦连到所述操纵器臂，所述处理器被配置为执行包含以下步骤的操作：计算所述多个接头在雅可比矩阵的零空间内的多个移动，根据多个目标中的对应目标计算所述多个移动中的每个移动，所述多个目标中的每个对应目标与对应的饱和限制积分标志相关联，通过在逐个自由度的基础上限制所述第一移...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·乌尔塔斯，
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