利用零空间取消关节运动的系统和方法
【专利说明】利用零空间取消关节运动的系统和方法
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请为2012年8月15日提交的、名称为"Systems and Methods for Cancellation of Joint Motion Using the Null-Space"（代理人案号 ISRG03750PR0V US) 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。
[0003] 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"Control of Medical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities" 的美 国申请号 12/494, 695 ;2009 年 3 月 17 日提交的、名称为 "Master Controller Having Redundant Degrees of Freedom and Added Forces to Create Internal Motion" 的美国申请号12/406, 004 ;2005年5月19日提交的、名称为"Software Center and Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses，'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 "Offset Remote Center Manipulator For Robotic Surgery" 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"Master Having Redundant Degrees of Freedom"的美国申请号09/398,507 (美国专利号6,714,839) ;2012年6月I日提交的、名 称为"Manipulator Arm-t〇-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space，'的美国 临时申请号61/654, 755;以及2012年6月I日提交的、名称为"System and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-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。
[0004] 发明背景
[0005] 本发明总体提供改进的手术和/或机器人装置、系统和方法。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 发明概述
[0013] 本发明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， 本发明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。根据本发明的机器人手术 系统通常包括支撑机器人手术器械的操纵器手臂和计算用于操纵器械末端执行器的协调 关节移动的处理器。支撑末端执行器的机器人操纵器关节允许操纵器在用于给定的末端执 行器方位和/或给定的枢轴点位置的不同配置的范围内移动。操纵器可包括额外的冗余关 节，以允许各种类型的移动，如响应使用者命令的重新配置移动或辅助移动，尤其是防撞移 动。本发明允许取消操纵器手臂关节非移动亚组（也称为"锁定（locked)"关节组）的一 个或多个关节的移动以实施第一任务，如期望的末端执行器移动，同时允许非移动亚组的 一个或多个关节的移动用于另一个任务，如重新配置移动或辅助移动。需要注意的是，关节 的非移动亚组（或锁定组）无需机械地"锁定"以约束移动，而是可通过利用本文所述的方 法有效地锁定，以提供关节的"非移动"或"锁定"特性。术语"锁定"和"非移动"（例如关 节的"非移动亚组"或"锁定组"）通篇可互换地使用。
[0014] 通常，实施远端执行器移动的操纵器手臂的受命令移动利用操纵器手臂所有关节 的移动。虽然重新配置移动可利用与末端执行器的操纵中使用的关节相同的关节，但可期 望操纵器手臂关节的一个或多个在实施某些类型的移动时保持锁定，如末端执行器的受命 令操纵移动。此外，允许移动一个或多个"锁定"或"非移动"关节以实施某些其它任务，如 重新配置或各种基于自主算法的辅助任务，如操纵器手臂的防撞移动，可以是有利的。在一 些实施方式中，系统计算多个关节的取消移动，以取消关节"锁定组"或"非移动亚组"的一 个或多个关节的移动，为实施某些任务所述一个或多个关节的移动是不期望的。在某些方 面，系统允许期望关节的运动取消，至少用于某些受命令移动，并可通过使其它移动覆盖于 关节取消移动上而允许锁定关节在某些其它移动中移动。
[0015] 在某些实施方式中，系统操作者利用使用者输入装置输入重新配置命令并在零空 间内驱动操纵器的一个或多个关节，直至操纵器被重新配置为所期望的。在一些实施方式 中，系统实现防撞移动，以避开患者表面或障碍物如邻近的操纵器手臂。系统可利用上述用 于多个关节的运动取消方案来取消操纵器手臂锁定关节组的一个或多个关节相对于特定 类型的移动如受命令末端执行器操纵移动而移动，同时允许一个或多个关节相对于本文所 述的各种其它类型的移动的一种或多种而移动。
[0016] 在本发明某些方面，提供具有操纵输入的冗余自由度（RDOF)手术机器人系统。 RDOF手术机器人系统包含操纵器组装件、一个或多个使用者输入装置和具有控制器的处理 器。组装件的操纵器手臂具有多个关节，这些关节提供充足的自由度，所述自由度允许给定 的末端执行器状态的一系列关节状态。系统响应由使用者输入的接收重新配置命令，计算 多个关节在零空间内的速度。根据重新配置命令和计算的移动来驱动关节，以便维持期望 的末端执行器状态。系统响应接收以期望的移动来移动末端执行器的操纵命令，通过计算 在与零空间垂直的雅克比行列式零垂直空间（null-perpendicular-space)内的关节速度 来计算关节的末端执行器移位移动，并根据计算的移动驱动关节以实现期望的末端执行器 移动。为了向上述各种其它类型的移动提供增加的运动范围，系统可包括将器械连接至操 纵器手臂近侧部分的最近侧旋转关节和/或远侧旋转关节。如果使用者期望这些关节的一 个或两个不被驱动、移动或有效地"锁定"以实施末端执行器操纵，系统可检测被计算用于 那些关节实施受命令末端执行器操纵的移动，并计算对抗计算的移动的取消移动，使得当 根据组合的末端执行器移位移动和取消移动而被驱动时，操纵器手臂提供期望的末端执行 器操纵而不驱动锁定关节（一个或多个），以实施操纵移动。
[0017] 在本发明的另一个方面，操纵器被配置以移动使得器械轴的中间部分围绕远程中 心枢轴转动。在操纵器和器械之间，存在多个驱动关节，所述驱动关节在器械轴的中间部分 穿过进入部位时提供充足的自由度以允许用于末端执行器方位的一系列关节状态。具有控 制器的处理器将输入装置连接至操纵器。处理器响应重新配置命令，确定一个或多个关节 的移动以实施期望的重新配置，使得器械的中间部分在末端执行器的期望移动过程中处于 进入部位内并保持期望的远程中心位置，轴围绕着该远程中心位置枢轴转动。在各种实施 方式中，系统响应接收实施期望的末端执行器移动的操纵命令，计算关节的末端执行器移 位移动，包括计算关节在与零空间垂直的雅可比行列式零垂直空间内的速度，并根据计算 的移动来驱动关节，以实施期望的末端执行器移动，其中器械轴围绕远程中心枢轴转动。
[0018] 在某些方面，来自操纵器的第一组关节的关节为将操纵器手臂连接至基座的旋转 关节。所期望的末端执行器状态可包括期望的末端执行器方位、速度或加速度。通常，操纵 命令和重新配置命令是单独的输入，其可从不同的使用者在不同的输入装置上接收。然而， 在一些实施方式中，这些不同的输入接收自相同的使用者。在某些实施方式中，末端执行器 操纵命令接收自第一使用者的输入装置，如外科医生在手术控制台主输入上输入命令，而 重新配置命令接收自第二使用者在不同的输入装置上的输入装置，如医师助手在患者旁推 车输入装置上输入重新配置命令。在一些实施方式中，末端执行器操纵命令和重新配置命 令由相同的使用者接收自手术控制台处的输入装置。在其它实施方式中，末端执行器操纵 命令和重新配置命令由相同的使用者接收自患者旁推车处的输入装置。
[0019] 在某些方面，操