接头估测和控制中的假想自由度的制作方法
【专利说明】接头估测和控制中的假想自由度
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求2012年8月15日提交的美国临时申请号61/683，607的权益，其全部内容被引入本文作为参考，用于所有目的。
[0003]本申请总体上与下列共同拥有的申请相关:美国临时申请号61/654，764，2012年6 月 I 臼提交，标题为 “Commanded Reconfigurat1n of a Surgical Manipulator Usingthe Null Space”；美国申请号 12/494，695，2009 年6月 30 日提交，标题为 “Control ofMedical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities” ；美国申请号 12/406，004，2009 年 3 月 17 日提交，标题为 “Master Controller Having RedundantDegrees of Freedom and Added Forces to Create Internal Mot1n，，；美国申请号11/133，423，2005 年 5 月 19 日提交(美国专利号 8，004，229)，标题为 “Software Centerand Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses，，；美国申请号 10/957,077，2004 年 9 月 30 日提交(美国专利号 7，594，912)，标题为 “Offset RemoteCenter Manipulator For Robotic Surgery”;和美国申请号 09/398，507，1999 年 9 月 17 日提交(美国专利号6，714，839)，标题为“Master Having Redundant Degrees of Freedom”，其全部公开内容被引入本文作为参考。
[0004]发明背景
[0005]本发明的实施方式总体上提供改良的外科和/或机器人装置、系统和方法。
[0006]最小侵入性医疗技术的目的在于减少在诊断或外科程序期间损伤的外部组织量，从而减少患者恢复时间、不适、和有害副作用。在美国每年进行数百万的手术。这些手术中很多有可能可以最小侵入性方式进行。然而，由于最小侵入性外科器械和技术的限制和将其掌握所需的额外外科训练，当前仅相对少数量的手术应用这些技术。
[0007]用于手术的最小侵入性远距外科系统正被研发，以增加外科医生的灵活性以及允许外科医生在远程位置对患者进行操作。远距外科是外科医生利用一定形式的远程控制一一例如，伺服机构或类似形式一一操纵外科器械活动，而非直接手持和手动器械的外科系统的统称。在这种远距外科系统中，给远程位置的外科医生提供以外科位点的图像。外科医生一般在适当的查看器或显示器上观看外科位点的三维图像的同时对患者进行外科程序一一通过操纵主控制输入装置，其进而控制机器人器械的动作。机器人外科器械可穿过小型的最小侵入性外科孔被插入，以处理患者体内外科位点的组织，这样的孔造成一般与开放性手术相关的创伤。这些机器人系统可以以充分的灵活性活动外科器械的工作端，以进行相当复杂的外科任务一一通常通过在最小侵入性孔处枢转器械的轴，使轴轴向滑动通过孔，旋转孔内的轴，和/或类似方式。
[0008]用于远距外科的伺服机构通常接受来自两个主控制器(外科医生一手一个)的输入，并且可包括两个或更多个机器人臂或操纵器。手活动至图像采集装置显示的机器人器械的图像的映射可有助于为外科医生提供对各手关联的器械的精确控制。在多种外科机器人系统中，包括一个或多个额外的用于活动内窥镜或其他图像采集装置、额外的外科器械、或类似物的机器人操纵臂。
[0009]多种结构安排可用于在机器人手术期间支撑外科位点的外科器械。被驱动连接机构或“从动装置”通常被称为机器人外科操纵器，并且在最小侵入性机器人手术期间用作机器人外科操纵器的示例性连接机构安排被描述于美国临时申请号61/654，764，2012年6月I 日提交，标题为 “Commanded Reconfigurat1n of a Surgical Manipulator Using theNull Space”，和美国专利号6，758，843 ；6, 246，200 ;和5，800，423，其充分公开的全部内容被引入本文作为参考。这些连接机构通常利用平行四边形安排，以固定具有轴的器械。这种操纵器结构可限制器械活动，使得器械轴围绕沿着刚性轴长度的空间定方位的球形旋转的远程中心枢转。通过将此旋转中心与内部外科位点的切口点对齐(例如，在腹腔镜手术期间利用腹壁处的套针或套管)，可通过利用操纵器连接机构活动轴的近端，而不对腹壁强加危险性力，将外科器械的末端执行器安全地定方位。可选的操纵器结构被描述于，例如，美国专利号 7, 594，912 ;6，702，805 ;6，676，669 ;5，855，583 ;5，808，665 ;5，445，166 ;和5，184，601，其充分公开的全部内容被引入本文作为参考。
[0010]虽然新型机器人外科系统和装置已被证明是高效和有利的，但仍期望进一步的改良。在一些情况下，外科医生使用的主控制器(一个或多个)具有的自由度(DOF)的数量多于或等于远程控制的机器人操纵臂和/或工具的末端执行器具有的自由度数量。在这种情况下，用于控制机器人操纵臂和/或工具的控制器可被过度限制。例如，在远程工具是延伸通过最小侵入性孔的刚性内窥镜的情况下，两个方向自由度在工作区内不可用(与接近末端执行器的工具腕相关的那些，例如，腕俯仰和偏转)。因此，具有内窥镜的机器人操纵器在其末端仅具有四个自由度。实际上，这些数学问题可以是有形的，导致对于外科医生而言滞后、反应迟钝的感觉，这是不期望的。进一步的问题可在具有不同自由度的工具与相同机器人外科操纵器一起使用时产生。例如，外科医生可希望利用具有三个自由度的夹爪，然后用具有两个自由度的抽吸装置取代夹爪。再进一步的问题可在输入和输出自由度不同的情况下利用估测的接头方位来控制工具活动时产生。这种情况可导致数值误差被施加于接头方位估测，从而造成不期望的工具活动。
[0011]基于这些和其他原因，提供改良的装置、系统和方法用于手术、机器人手术、和其他机器人应用将是有益的。如果这些改良的技术提供通过具有的自由度数量少于外科医生操纵的主控制器的自由度数量的末端执行器而有效控制机器人操纵臂和/或工具的能力，则将是尤其有益的。如果这些改良的技术允许相同的计算引擎用于机器人系统的所有器械，从而减少控制器复杂性和成本，同时增加灵活性，则将是更加有益的。
[0012]发明概述
[0013]本发明的实施方式总体上提供改良的机器人和/或外科装置、系统和方法。在一个实施方式中，公开了操作外科系统的方法。该方法包括不同的操作，包括测量外科器械的方位。外科器械被包含在具有多个接头的机械组件中，并且关于外科器械的第一数量的自由度中的每一个来测量外科器械的方位。方法进一步包括估测每个接头的方位，其中估测每个接头的方位包括将测量方位(方位测量结果)应用于机械组件的至少一个运动模型。运动模型具有第二数量的自由度，其大于第一数量的自由度。方法进一步包括基于接头的估测方位来控制机械组件。
[0014]根据另一实施方式，公开了用于通过患者的孔实施最小侵入性手术的外科系统。系统包括机器人操纵器组件，其包括外科工具。机器人操纵器组件具有多个接头，并且可操作以将外科工具定位在患者的孔处。系统进一步包括工具方位测量装置，其可操作以关于外科工具的第一数量的自由度的每一个来测量外科工具的方位。系统还包括控制器。该控制器可操作以执行多种功能。例如，控制器可操作以估测每个接头的方位，其中估测每个接头的方位包括将测量方位应用于机器人操纵器组件的运动模型。该运动模型具有第二数量的自由度，其大于第一数量的自由度。控制器进一步可操作以基于接头的估测方位来控制机器人操纵器组件。
[0015]根据再一实施方式，公开了控制机械体的活动的方法。方法包括接收用于控制机械体的方位的控制信息。该机械体具有第一数量的自由度。方法还包括通过将接收到的控制信息应用于运动模型来生成多个个体控制输出。该运动模型具有第二数量的自由度，其大于第一数量的自由度。每个个体控制输出被配置以影响对第二数量的自由度中的相应一个自由度的控制。方法进一步包括传送多个个体控制输出的子集，用于控制机械体的第一数量的自由度。
[0016]为更加充分地理解本发明的实质和优势，应参考下文详细描述和附图。本发明的其他方面、目的和优势将通过附图和下文详细描述显而易见。
[0017]附图简述
[0018]图1A是根据本发明的实施方式的机器人外科系统的俯视图。
[0019]图1B图解图1A的机器人外科系统。
[0020]图2是图1A的外科医生控制台的透视图。
[0021]图3是图1A的电子推车的透视图。
[0022]图4是患者侧推车的透视图，其具有多个操纵臂，每个操纵臂均支撑外科器械。
[0023]图5是根据实施方式的操纵臂的透视图。
[0024]图6A是根据实施方式的机器人手术工具的透视图，其包括末端执行器，该末端执行器具有相对钳夹夹爪。
[0025]图6B示例根据实施方式的有腕内窥镜。
[0026]图6C是根据实施方式具有抽吸端口的外套管的远端的透视图。
[0027]图6D示例根据实施方式的无腕内窥镜。
[0028]图7A是根据实施方式的主控制输入装置的透视图。
[0029]图7B是图7A的输入装置的万向接头或腕的透视图。
[0030]图7C是图7A的输入装置的铰接臂的透视图。
[0031]图8是显示用于控制机械体的简化的系统的框图，其具有的自由度少于数学建模的那些。
[0032]图9是根据实施方式的致动器的框图。
[0033]图1OA是显示根据第一实施方式的利用输入装置控制操纵器组件的简化的系统的框图。
[0034]图1OB是显示根据第二实施方式的利用输入装置控制操纵器组件的简化的系统的框图。
[0035]图1OC是显示根据第三实施方式的利用输入装置控制操纵器组件的简化的系统的框图。
[0036]图1OD是显示根据第四实施方式的利用输入装置控制操纵器组件的简化的系统的框图。
[0037]图1lA是显示根据第一实施方式的利用工具方位测量装置控制操纵器组件的简化的系统的框图。
[0038]图1lB是显示根据第二实施方式的利用工具方位测量装置控制操纵器组件的简化的系统的框图。
[0039]图12A是根据实施方式具有多于五个自由度的操纵器组件。
[0040]图12B显示示例根据实施方式的多个操纵器组件部件的接头方位的计算的框图。
[0041]图13是显示根据第一实施方式的利用输入装置控制操纵臂、工具和/或末端执行器的方法的流程图。
[0042]图14是显示根据第二实施方式的利用输入装置控制操纵臂、工具和/或末端执行器的方法的流程图。
[0043]发明详述
[0044]本发明的实施方式总体上提供改良的用于控制机械体的活动的技术。一些实施方式尤其有利于用于外科机器人系统，其中多个外科工具或器械被安装在相关的多个机器人操纵器上并且在外科程序中通过相关的多个机器人操纵器活动。机器人系统通常包括遥控机器人、远距手术、和/或遥现(tel印resence)系统，其包括被配置为主从式控制器的处理器。通过提供利用被适当配置以通过具有相对较大数量的自由度的铰接式连接机构活动操纵器组件的处理器的机器人系统，可调整连接机构的动作，用于通过最小侵入性通入位点工作。
[0045]本文描述的机器人操纵器组件通常包括机器人操纵器和安装在其上的工具(工具通常包括外科形式的外科器械)，虽然术语“机器人组件”还包括其上未安装工具的操纵器。术语“工具”包括一般或工业机器人工具和专用机器人外科器械，其中后面这些结构通常包括适于组织操纵、组织处理、组织成像、或类似工作的末端执行器。工具/操纵器界面通常是快速断开工具固定器或偶联，允许快速移除工具和用替代性工具替换工具。操纵器组件通常具有基体，该基体在机器人程序的至少部分的过程中被固定在空间中，并且操纵器组件可包括在基体和工具末端执行器之间的多个自由度。例如，操纵器组件可包括操纵器的运动自由度以及连接于操纵器的工具的运动自由度。这些的组合在本文中可被称为“操纵器自由度”，并且一般被限定在接头空间中(下文描述)。末端执行器的致动(如打开或闭合夹持装置的夹爪、供能电外科桨、激活真空气压、或类似方式)通常独立于和加之于这些操纵器组件自由度。这些在本文中可被称为“致动自由度”。
[0046]末端执行器(或者，更一般地，控制框，如下文描述)一般在工作区中在两个和六个自由度之间活动。末端执行器的自由度(或者，更一般地，控制框的自由度)在本文中可被称为“末端执行器自由度”，并且一般被限定在笛卡尔空间中(下文描述)。如本文所用，术语“方位”包括位置(定位)和方向(定向)。因此，末端执行器的方位的变化(例如)可包括末端执行器从第一位置平移至第二位置，末端执行器从第一方向旋转至第二方向，或两者的组合。当用于最小侵入性机器人手术时，操纵器组件的活动可被系统的处理器控制，使得工具或器械的轴或中间部分通过最小侵入性外科通入位点或其他孔被限制至安全动作。这种动作可包括，例如，轴通过孔位点轴向插入外科工作区，轴绕其轴线旋转，和轴绕孔位点处的枢转点的枢转动作。
[0047]本文描述的操纵器组件中多个的可用自由度少于与在末端执行器在工作区中的方位上完全控制一般相关的那些(其中末端执行器的完全控制需要末端执行器自由度包括三个独立的平移和三个独立的方向)。即，操纵器组件可具有不足数量或类型的自由度，用于独立地控制六个末端执行器自由度。例如，不具有铰接腕的刚性内窥镜末端可失去在腕处的一个或两个自由度，如腕俯仰和/或偏转。因此，内窥镜可仅具有四个或五个自由度来对末端执行器定方位，而非六个，因此有可能限制内窥镜的动作。
[0048]然而，本文描述的操纵器组件中一些的自由度数量大于完全控制末端执行器的定方位所需的自由度数量(其中末端执行器的完全控制需要末端执行器自由度包括三个独立的平移和三个独立的方向)，但由于操纵器组件的接头的类型或安排，操纵器组件仍无法完全控制末端执行器的定方位。例如，操纵器组件可具有七个操纵器自由度，但其中三个是多余的。因此，末端执行器有效地具有五个自由度。
[0049]与可用于控制末端执行器的方位的自由度数量无关，本文描述的操纵器组件还可促进额外的用于致动工具的自由度(即，致动自由度)。例如，操纵器组件可被配置以安装具有电炙探头的工具，其可操作以例如在激活后热选择组织。再例如，操纵器组件可被配置以安装具有真空装置的工具，其可操作以例如在激活后在选定组织周围施加抽吸力。在这种情况下，这些额外的自由度不是运动的，因此不影响末端执行器的方位(即，位置和方向
[0050]术语接头“状态”或类似术语在本文中通常指代与接头相关的控制变量。例如，角接头的状态可指代该接头在其动作范围内限定的角度，和/或指代接头的角速度。类似地，轴向或棱形接头的状态可指代接头的轴向方位，和/或其轴向速度。虽然本文描述的控制器中多个包括速度控制器，但其通常还具有一些方位控制方面。可选的实施方式可主要或完全依靠方位控制器、加速控制器、或类似物。可用于这种装置的控制系统的多个方面被更充分地描述于美国专利号6，699，177，其全部公开内容被引入本文作为参考。因此，只要描述的活动基于相关计算，则本文描述的接头活动和末端执行器活动的计算可利用方位控制算法、速度控制算法、两者组合、和/或类似算法进行。
[0051]在多个实施方式中，示例性操纵臂的工具绕最小侵入性孔邻近的枢转点枢转。在一些实施方式中，系统可利用硬件远程中心，如远程中心运动学，其被描述于美国专利6，786，896，其全部内容被引入本文。这种系统可利用双平行四边形连接机构，其限制连接机构的活动，使得由操纵器支撑的器械的轴绕远程中心点枢转。可选的机械限制的远程中心连接机构系统是已知的，和/或可在未来被研发。在其他实施方式中，系统可利用软件获得远程中心，如美国专利号8，004, 229所述，其全部内容被引入本文作为参考。在具有软件远程中心的系统中，处理器计算接头的活动，从而绕期望的枢转点枢转器械轴的中间部分，这与机械限制相反。通过具有计算软件枢转点的能力，可选择性地实施特征在于系统依从性或刚性的不同模式。更具体地，可按需实施一定范围内的枢转点/中心(例如，可活动枢转点、被动枢转点、固定/刚性枢转点、软枢转