用于利用增广雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及用于利用增广雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法。用于提供操纵器的端部执行器的命令的移动同时提供操纵器的一个或更多个接头的希望的移动的装置、系统和方法。方法包括增广雅可比矩阵，使得根据雅可比矩阵计算的接头移动执行与命令的端部执行器移动同时的一个或更多个辅助任务和/或希望的接头移动，该一个或更多个辅助任务和/或希望的接头移动延伸到零空间中。辅助任务和希望的接头移动包括抑制一个或更多个接头的移动、抑制相邻操纵器之间或操纵器和患者表面之间的碰撞、一个或更多个接头的命令的重配置，或各种其它任务，或其组合。可使用根据增广的雅可比矩阵的伪逆矩阵解计算的接头速度提供此类接头移动。本文中提供用于利用此类方法的系统的各种配置。

System and method for controlling manipulator joint movement by augmented Jacobian matrix

【技术实现步骤摘要】
用于利用增广雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法本申请是2015年9月17日提交的名称为：“用于利用增广雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法”的中国专利申请201580048666.7(PCT/US2015/050655)的分案申请。相关申请本专利申请要求2014年9月17日提交的题为“SYSTEMSANDMETHODSFORUTILIZINGAUGMENTEDJACOBIANTOCONTROLMANIPULATORJOINTMOVEMENT(用于利用增广的雅可比矩阵控制操纵器接头移动的系统和方法)”的美国临时专利申请62/051,696的优先权和申请日的利益，其全部内容通过引用并入本文。相关申请的交叉参考本申请总体涉及以下共同拥有申请：美国申请号12/494,695，其提交于2009年6月30日，标题为“ControlofMedicalRoboticSystemManipulatorAboutKinematicSingularities(关于运动奇点的医疗机器人系统操纵器的控制)”；美国申请号12/406,004，其提交于2009年3月17日，标题为“MasterControllerHavingRedundantDegreesofFreedomandAddedForcestoCreateInternalMotion(具有冗余自由度和添加力以创建内部运动的主控制器)”；美国申请号11/133,423，其提交于2005年5月19日(美国专利号8,004,229)，标题为“SoftwareCenterandHighlyConfigurableRoboticSystemsforSurgeryandOtherUses(用于外科手术及其它应用的软件中心和高度可配置的机器人系统)”；美国申请号10/957,077，其提交于2004年9月30日(美国专利号7,594,912)，标题为“OffsetRemoteCenterManipulatorForRoboticSurgery(用于机器人外科手术的偏移遥控中心的操纵器)”；以及美国申请号09/398,507，其提交于1999年9月17日(美国专利号6,714,839)，标题为“MasterHavingRedundantDegreesofFreedom(具有冗余自由度的主设备)”；美国申请号13/967,606，其标题为“SystemsandMethodsforCancellationofJointMotionUsingtheNull-Space(利用零空间取消关节运动的系统和方法)”，提交于2013年8月15日(代理人案号ISRG03750)；美国申请号13/906,713，其标题为“ManipulatorArm-to-PatientCollisionAvoidanceUsingaNull-Space(使用零空间回避操纵器臂与患者碰撞)”，提交于2013年5月31日(代理人案号ISRG030760)；美国申请号13/906,767，其标题为“SystemsandMethodsforCommandedReconfigurationofaSurgicalManipulatorUsingtheNull-Space(使用零空间的外科手术操纵器的命令的重配置的系统和方法)”，提交于2013年5月31日(代理人案号ISRG03770)；美国申请号13/906,819，其标题为“SystemsandMethodsforAvoidingCollisionsBetweenManipulatorArmsUsingaNull-Space(用于使用零空间避免操纵器臂之间碰撞的系统和方法)”，提交于2013年5月31日(代理人案号ISRG03810)；以及美国申请号14/218,788，其标题为“SystemandMethodsforPositioningaManipulatorArmbyClutchingWithinaNull-PerpendicularSpaceConcurrentwithNull-SpaceMovement(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)”，提交于2014年3月18日(代理人案号ISRG03900)；美国申请号14/218,871，其标题为“SystemsandMethodsforFacilitatingAccesstoEdgesofCartesian-CoordinateSpaceUsingtheNullSpace(利用零空间以便利进入笛卡尔坐标空间的边缘的系统和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案号ISRG03800)；美国申请号14/218,862，其标题为“SystemsandMethodsforTrackingaPathUsingtheNull-Space(用于利用零空间跟踪路径的系统和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案号ISRG03780)；以及美国申请号14/218,842，其标题为“SystemsandMethodsforUsingtheNullSpacetoEmphasizeManipulatorJointMotionAnisotropically(用于使用零空间来各向异性地增强操纵器接头运动的系统和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案号ISRG03870)；这些申请的公开以其全部内容并入本文。
技术介绍
本专利技术总体提供改善的外科手术和/或机器人装置、系统和方法。微创医疗技术旨在减小在诊断或外科手术过程期间受损的组织的量，由此减小患者恢复时间、不适和有害副作用。在美国，每年执行数百万次“开放”或传统外科手术；这些外科手术中的许多潜在地能以微创方式执行。然而，由于在外科手术仪器和技术中的限制以及精通它们所需的额外外科手术训练，因此仅相对小数量的外科手术当前使用微创技术。用于外科手术的微创远程外科手术系统经发展以提高外科医生的灵巧性并允许外科医生从远距位置对病人操作。远程外科手术是用于外科手术系统的总括，其中外科医生使用一些形式的远距控制，例如伺服机构等，以操纵外科手术仪器移动，而不是由手直接把持(hold)和移动仪器。在此种远程外科手术系统中，外科医生在远距位置处提供有外科手术侧的图像。当通常在合适观察器或显示器上观察外科手术侧的三维图像时，外科医生通过操纵主控制输入装置(其进而控制机器人仪器的运动)对患者执行外科手术过程。机器人外科手术仪器能穿过小的、微创的外科手术孔口被插入，以治疗在患者体内外科手术部位处的组织，从而常常避免与用于开放外科手术的进入相关联的创伤。这些机器人系统能够以足够的灵巧性移动外科手术仪器的工作端以执行非常复杂的外科手术任务，诸如通过在微创孔口处枢转仪器的轴、轴向滑动轴穿过孔口、在孔口内旋转轴，等等。用于远程外科手术的伺服机构将经常接受来自两个主控制器(每个外科医生的手部各一个)的输入，并可包括两个或更多个机器人臂或操纵器。将手部移动映射到由图像捕捉装置显示的机器人仪器的图像能够帮助向外科医生提供对与每个手相关联的仪器的准确控制。在许多外科手术机器人系统中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人系统，其包括：/n操纵器，其经配置用于相对于近侧底座远程可操作地移动远侧部分，所述操纵器具有在所述远侧部分和近侧部分之间的多个接头，所述近侧部分被耦合到所述近侧底座，所述多个接头提供充足自由度以允许用于所述远侧部分的给定状态的一定范围的接头状态；/n用于接收操纵命令从而以希望的端部执行器移动来移动由所述操纵器支撑的端部执行器的输入装置；以及/n被耦合到所述输入装置和所述操纵器的处理器，所述处理器经配置以：/n确定在所述操纵器的特征和障碍物表面之间的相对方位；/n基于确定的相对方位来确定所述多个接头中的一个或更多个接头的避开向量；/n增广雅可比矩阵以提供所述操纵器的一个或更多个辅助功能或希望的移动，其中所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括在所述操纵器的所述特征和所述障碍物表面之间的碰撞避开，其中增广所述雅可比矩阵以提供所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括：基于所述避开向量来增广所述雅可比矩阵以致通过使用被增广的雅可比矩阵计算的接头移动使得所述操纵器朝向实现或维持所述操纵器的所述特征和所述障碍物表面之间的预定的间隙移动；/n响应于所述操纵命令，通过基于所述增广的雅可比矩阵计算接头速度来计算所述多个接头的所述接头移动；以及/n传输命令至所述操纵器以根据所述计算的接头移动来驱动所述多个接头，以便实现与所述一个或更多个辅助功能或希望的移动同时的所述希望的端部执行器移动。/n...

【技术特征摘要】
20140917 US 62/051,6961.一种机器人系统，其包括：
操纵器，其经配置用于相对于近侧底座远程可操作地移动远侧部分，所述操纵器具有在所述远侧部分和近侧部分之间的多个接头，所述近侧部分被耦合到所述近侧底座，所述多个接头提供充足自由度以允许用于所述远侧部分的给定状态的一定范围的接头状态；
用于接收操纵命令从而以希望的端部执行器移动来移动由所述操纵器支撑的端部执行器的输入装置；以及
被耦合到所述输入装置和所述操纵器的处理器，所述处理器经配置以：
确定在所述操纵器的特征和障碍物表面之间的相对方位；
基于确定的相对方位来确定所述多个接头中的一个或更多个接头的避开向量；
增广雅可比矩阵以提供所述操纵器的一个或更多个辅助功能或希望的移动，其中所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括在所述操纵器的所述特征和所述障碍物表面之间的碰撞避开，其中增广所述雅可比矩阵以提供所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括：基于所述避开向量来增广所述雅可比矩阵以致通过使用被增广的雅可比矩阵计算的接头移动使得所述操纵器朝向实现或维持所述操纵器的所述特征和所述障碍物表面之间的预定的间隙移动；
响应于所述操纵命令，通过基于所述增广的雅可比矩阵计算接头速度来计算所述多个接头的所述接头移动；以及
传输命令至所述操纵器以根据所述计算的接头移动来驱动所述多个接头，以便实现与所述一个或更多个辅助功能或希望的移动同时的所述希望的端部执行器移动。


2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述处理器经配置使得根据所述多个接头中的至少一个接头的功能或状态来增广所述雅可比矩阵。


3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述操纵器的所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括将所述端部执行器的仪器绕远距中心枢转。


4.根据权利要求3所述的机器人系统，其中所述计算的接头移动被计算成将所述远距中心维持成在移动微创孔口时保持邻近所述微创孔口。


5.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述操纵器的所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括多个不同的辅助任务或希望的移动，并且其中所述处理器经进一步配置以：
组合或过滤所述多个不同的辅助任务或希望的移动，使得增广所述雅可比矩阵提供包括数个不同的辅助任务或希望的移动的移动计算。


6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中所述处理器经进一步配置以通过如下手段来组合或过滤所述多个不同的辅助任务或希望的移动：
加权或缩放所述多个不同的辅助任务或希望的移动，或
根据优先级选择所述多个不同的辅助任务或希望的移动中的一个或更多个，或
基于所述多个接头中的一个接头的状态选择所述多个不同的辅助任务或希望的移动中的一个或更多个。


7.根据权利要求1所述的机器人系统，所述一个或更多个辅助功能或希望的移动包括抑制所述操纵器的被希望为不移动接头的至少一个接头的移动，其中所述处理器经进一步配置以：
增广所述雅可比矩阵以便在根据所述计算的接头移动来驱动所述多个接头时抑制所述至少一个接头的移动。


8.根据权利要求1至7中任意一项权利要求所述的机器人系统，其中使用所述增广的雅可比矩阵计算的所述接头移动对应于与使用没有增广的所述雅可比矩阵计算的接头移动相比在所述特征和所述障碍物表面之间的间隙的增大。


9.根据权利要求1至7中任意一项权利要求所述的机器人系统，其中所述处理器经进一步配置以：
确定与所述操纵器的可移动方位对应的避开几何形状，其中所述避开向量被计算成维持在所述避开几何形状和所述障碍物表面之间的希望的关系。


10.根据权利要求9所述的机器人系统，其中响应于确定所述避开几何形状距所述障碍物表面小于希望的最小距离，根据所述计算的接头移动来驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·M·乌尔塔斯，N·斯瓦鲁普，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