用于使用零空间的外科手术操纵器的命令的重新配置的系统和方法

用于使用零空间的外科手术操纵器的命令的重新配置的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及用于通过在操纵器臂的运动雅可比行列式的零空间内移动操纵器来重新配置外科手术操纵器的装置、系统和方法。在一个方面，响应接收重新配置命令，该系统驱动第一组接头并计算将位于零空间内的多个接头的速度。接头根据该重新配置命令和所计算的移动而被驱动，以便保持末端执行器或器械轴枢转所绕的远程中心的期望的状态。在另一个方面，接头还根据在雅可比行列式的零垂直空间内的所计算的末端执行器或远程中心位移速度而被驱动，从而与末端执行器或远程中心的所期望的移动同时地实现所期望的重新配置。
【专利说明】用于使用零空间的外科手术操纵器的命令的重新配置的系统和方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请是2012 年6 月 1 日提交的题为 “Commanded Reconfigurat1n of aSurgical Manipulator Using the Null-Space (使用零空间的外科手术操纵器的命令的重新配置)”的美国临时专利申请号61/654，764(代理人案卷号ISRG03770PR0V/US)的非临时性申请并且要求其优先权权益，其全部公开内容并入在此以供参考。
[0003]本申请大体涉及以下共同拥有的申请:2009年6月30日提交的题为“Controlof Medical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities (关于运动学奇异性的医疗机器人系统操纵器的控制)”的美国申请号12/494，695 ；2009年3月17日提交的题为 “Master Controller Having Redundant Degrees of Freedom and AddedForces to Create Internal Mot1n(具有冗余自由度和产生内部运动的额外力的主控制器)”的美国申请号为12/406，004 ；2005年5月19日提交的题为“Software Center andHighly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses (针对外科手术和其他用途的软件中心以及高度可配置的机器人系统)”的美国申请号11/133，423(美国专利号 8，004，229) ;2004 年 9 月 30 日提交的题为 “Offset Remote Center ManipulatorFor Robotic Surgery (针对机器人外科手术的偏置的远程中心操纵器)”的美国申请号10/957,077(美国专利号7，594，912) ;1999年9月17日提交的题为“Master HavingRedundant Degrees of Freedom(具有冗余自由度的主机)”的美国申请号09/398，507 (美国专利号6，714，839);以及与本申请同时提交的题为“Manipulator Arm-to-PatientCollis1n Avoidance Using a Null-Space (使用零空间的避免操纵器臂到患者的碰撞)”的美国申请号_[代理人案卷号ISRG03760/US]和题为“Systems and Methods forAvoiding Collis1ns Between Manipulator Arms Using a Null-Space (使用零空间用于避免操纵器臂之间碰撞的系统和方法)”的美国申请号_[代理人案卷号ISRG03810/US]；其全部公开内容并入在此以供参考。

【技术领域】
[0004]本发明大体上提供了改进的外科手术和/或机器人装置、系统和方法。

【背景技术】
[0005]微创医疗技术意在减少在诊断或外科手术过程期间受损的组织的量，从而减少患者的恢复时间、不适感和有害的副作用。在美国每年执行数以百万计的“开放式”或传统外科手术；许多这种外科手术能潜在地以微创方式执行。然而，由于在外科手术器械和技术以及掌握其所需的附加的外科手术培训方面的限制，目前只有相对较少的外科手术使用微创技术。
[0006]用于外科手术的微创远程外科手术系统正在被开发，以增加外科医生的灵活度，以及允许医生从远程位置对患者做手术。远程外科手术是对外科手术系统的通用表述，其中外科医生使用某种形式的远程控制(例如，伺服机构等)操纵外科手术器械的移动，而不是直接用手抓持并移动器械。在这种远程外科手术系统中，外科医生被提供有在远程位置处的外科手术部位的图像。当通常在合适的指示器或显示器上观察外科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对患者执行外科手术过程，这进而控制机器人器械的运动。机器人外科手术器械能够通过小的、微创外科手术孔被插入以便治疗在患者体内的外科手术部位处的组织，该创伤通常与访问开放外科手术有关联。经常通过在微创孔处枢转器械的轴、通过该孔轴向地滑动该轴、在孔内旋转该轴等，这些机器人系统能够移动具有足够灵活度的外科手术器械的工作末端以执行相当复杂的外科手术任务。
[0007]用于远程外科手术的伺服机构往往会接受来自两个主控制器的输入(每一个对应于外科医生的一只手)并且可以包括两个或更多个机器人臂或操纵器。手移动至由图像捕获装置所显示的机器人器械的图像的映射可以帮助向外科医生提供对与每只手相关联的器械的精确控制。在许多外科手术机器人系统中，包括一个或更多个附加的机器人操纵器臂以用于移动内窥镜或其他图像捕获装置、附加外科手术器械等。
[0008]在机器人外科手术期间多种结构的布置能够被用于支撑在外科手术部位处的外科手术器械。从动联动装置或“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的示例性联动装置布置在美国专利号6，758，843,6, 246，200和5，800, 423中被描述，其全部公开内容并入在此以供参考。这些联动装置往往利用平行四边形布置来夹持具有轴的器械。这种操纵器结构能够约束器械的移动，使得器械轴绕沿刚性轴的长度被定位在空间中的球形旋转的远程中心枢转。通过将该旋转中心与到内部外科手术部位的切口点对准(例如，用在腹腔镜外科手术期间在腹壁处的套管针或插管)，外科手术器械的末端执行器能够通过使用操纵器联动装置移动轴的近侧端而不对腹壁强加潜在危险的力而被安全地定位。例如，在美国专利号6，702，805、6，676，669,5, 855，583,5, 808，665,5, 445，166 和 5，184，601 中，对替代性操纵器结构进行了描述，其全部公开内容并入在此以供参考。
[0009]虽然新颖的机器人外科手术系统和装置已被证明是高效的且有利的，不过进一步的改进仍是可取的。例如，当在微创外科手术部位内移动外科手术器械时，机器人外科手术操纵器可以在患者体外呈现显著量的移动，特别当通过大角度范围绕微创孔枢转器械时，这能够导致移动操纵器意外地接触彼此、接触在手术室中的器械推车或其他结构、接触外科手术人员和/或接触患者的外表面。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接头组的软件控制以将枢轴运动约束到插入部位，同时禁止患者体外的意外的操纵器/操纵器接触(等)。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优点，但也带来了挑战。特别地，机械约束的远程中心联动装置在一些条件下可以具有安全优势。此外，通常被包括在这些操纵器中的众多接头的广泛配置可以导致操纵器难以手动设置成针对特定程序所需的配置。然而，随着使用远程外科手术系统而执行的外科手术范围不断扩大，对于扩大在患者体内的器械的可用配置和移动范围的需求日益增力口。不幸的是，这两种改变都会增加与身体外部的操纵器的运动相关联的挑战，并也会增加避免被不良调节的操纵器配置的重要性(使得它们不必要地限制外科手术工作空间内的工具的运动灵活度和/或范围)。
[0010]由于这些和其他原因，提供用于外科手术、机器人外科手术和其他的机器人应用的改进的装置、系统和方法将是有利的。如果这些改进技术提供根据所期望的重新配置来重新配置操纵器臂的能力且同时维持所期望的末端执行器的状态或器械轴枢转所绕的远程中心的所期望的位置，这将是特别有利的。理想情况下，这些改进将允许第一用户在外科手术过程期间实现操纵器臂的末端执行器的移动，同时允许第二用户在末端执行器的移动准备中和/或末端执行器的移动期间重新配置操纵器臂。此外，对于至少一些手术过程提供这种改进同时增加器械的运动范围，并且无需显著增加尺寸、机械复杂性或这些系统的成本，并且同时保持或改进其灵活度将是可取的。


【发明内容】

[0011]本发明总体上提供了改进的机器人和/或外科手术装置、系统和方法。在许多实施例中，本发明将采用高度可配置的外科手术机器人操纵器。例如，这些操纵器可以具有比外科手术工作区内的相关联的外科手术末端执行器更大移动的自由度。根据本发明的机器人外科手术系统一般包括支撑机器人外科手术器械的操纵器臂和计算用于操纵器械的末端执行器所协调的接头移动的处理器。对于给定的末端执行器方位和/或给定的枢轴点位置，支撑末端执行器的机器人操纵器的接头允许操纵器在一系列不同的配置上移动。该系统通过根据由处理器计算的接头的协调移动来驱动操纵器的一个或更多个接头，从而导致操纵器的一个或更多个接头在运动学雅可比行列式的零空间内的运动，以便保持所期望的末端执行器状态和/或枢轴点位置，从而响应用户命令，允许高度可配置的机器人操纵器的重新配置。在各种实施例中，系统操作员使用用户输入装置输入重新配置命令并且在零空间内驱动操纵器的一个或更多个接头，直到操纵器按照所期望的被重新配置。
[0012]在本发明的一个方面，提供具有操纵输入端的冗余自由度(RDOF)外科手术机器人系统。该RDOF外科手术机器人系统包括操纵器组件、一个或更多个用户输入装置以及具有控制器的处理器。组件的操纵器臂具有提供足够自由度以允许针对给定末端执行器状态具有一系列的接头状态的多个接头。响应由用户输入的所接收到的重新配置命令，该系统计算零空间内的所述多个接头的速度。接头根据重新配置命令和所计算的移动被驱动，以便保持末端执行器的所期望的状态。响应接收操纵命令以所期望的移动来移动末端执行器，该系统通过计算正交于零空间的雅可比行列式的零垂直空间内的接头速度来计算接头的末端执行器位移移动，并根据所计算的移动驱动接头，以实现所期望的末端执行器移动。
[0013]在本发明的另一方面，操纵器经配置移动，使得器械轴的中间部分绕远程中心枢转。在操纵器和器械之间，存在多个从动接头，从而提供足够的自由度，以便当器械轴的中间部分延伸通过进入部位时允许针对末端执行器方位具有一系列的接头状态。具有控制器的处理器将输入装置联接到操纵器。响应重新配置命令，处理器确定一个或更多个接头的移动以实现所期望的重新配置，使得在末端执行器的所期望的移动期间器械的中间部分在进入部位内并且保持该轴枢转所绕的所期望的远程中心位置。在各种实施例中，响应接收操纵命令以实现所期望的末端执行器的移动，该系统计算接头的末端执行器位移移动，其包括计算正交于零空间的雅可比行列式的零垂直空间内的接头速度，并且根据所计算的移动驱动接头以实现所期望的末端执行器移动，其中器械轴绕远程中心枢转。
[0014]在某些实施例中，接头的末端执行器位移移动被计算，以便避免驱动所述多个接头中的第一组接头，使得所述第一组接头被有效地锁定，或者使得第一组接头不被驱动成实现末端执行器位移移动。第一组接头可以包括操纵器臂的一个或更多个接头。然而，接头的重新配置移动可以被计算成驱动所述多个接头中的所述第一组接头，以实现所期望的末端执行器移动。所述第一组接头的重新配置移动也可以被计算成使得来自所述第一组接头中的一个接头的移动在重新配置的时段上提供接头的基本恒定的速度。在一些实施例中，来自操纵器的所述第一组接头中的一个接头是将操纵器臂联接到基底的回转接头。末端执行器的所期望的状态可以包括末端执行器的所期望的方位、速度或加速度。通常，操纵命令和重新配置命令是不同的输入，通常在不同的输入装置上从不同的用户接收，或这些不同的输入可以接收自同一用户。在一些实施例中，末端执行器操纵命令由第一用户从输入装置接收，该第一用户诸如在外科医生控制台主输入端上输入命令的医生，而重新配置命令在单独的输入装置上由第二用户从输入装置接收，该第二用户诸如在患者侧推车输入装置上输入重新配置命令的医生助手。在另一些实施例中，末端执行器操纵命令和重新配置命令二者是由同一用户从外科医生控制台处的输入装置接收。在另一些实施例中，末端执行器操纵命令和重新配置命令二者是由同一用户从患者侧推车处的输入装置接收。
[0015]在一个方面，操纵器臂的近侧部分被附接到基底，使得近侧部分相对于基底的移动被禁止并且接头被驱动。该近侧部分可以通过接头被联接到基底，使得在接头被驱动的同时操纵器臂的近侧部分相对于基底可移动。在一种示例性实施例中，该接头通过支撑操纵器臂的回转接头将操纵器的近侧部分联接到基底，使得回转接头的接头移动绕回转接头的枢转轴线枢转操纵器臂的一个或更多个接头。在某些实施例中，回转接头的枢转轴线从接头延伸通过末端执行器的器械轴枢转所绕的远程中心。在一个方面，回转接头的移动绕圆锥枢转操纵器臂的一个或更多个接头，该圆锥朝远侧逐渐变细且朝向远侧末端执行器定向，通常为远程中心。在这方面操纵器臂枢转所绕的圆锥对应于工具尖端的运动范围内的圆锥形空隙，在其中工具的移动是不可能的或受损的，这在下文中将被进一步详细讨论。
[0016]在另一方面，将操纵器的近侧部分联接到基底的接头相对于基底沿通常是弧形或基本圆形路径的路径是可移动的，使得接头沿路径的移动绕延伸通过器械附近的操纵器臂的远侧部分的轴线枢转操纵器臂的一个或更多个接头，该轴线优选地延伸通过器械轴枢转所绕的远程中心。在一些实施例中，该操纵器包括将操纵器的近侧部分联接到基底的回转接头，该回转接头相对于基底沿可以是线性的、弧形的或基本圆形的路径是可移动的。
[0017]在本发明的另一方面，提供具有近侧回转接头和远侧平行四边形联动装置的外科手术机器人操纵器，回转接头的枢转轴线基本上与末端执行器的器械轴的轴线相交，如果可以优选地在远程中心处相交。该系统进一步包括处理器，其具有将输入端联接到操纵器臂的控制器并且经配置响应重新配置命令计算多个接头的移动使得所计算出的接头的速度在雅克比行列式的零空间内。该系统包括用于接收重新配置命令以所期望的重新配置移动来移动所述多个接头中的第一组接头并且末端执行器处于所期望状态的输入装置。
[0018]本发明的性质和优点的进一步理解将通过参考本说明书和附图的其余部分变得显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1A是根据本发明的实施例的机器人外科手术系统的俯视图，机器人外科手术系统具有带有多个机器人操纵器的外科手术站，机器人操纵器用于以机器人方式移动具有在患者体内的内部外科手术部位处的外科手术末端执行器的外科手术器械。
[0020]图1B图解地示出图1A的机器人外科手术系统。
[0021]图2是示出用于将外科手术过程命令输入图1A的外科手术系统内的主外科医生控制台或工作站的透视图，控制台包括用于响应输入命令生成操纵器命令信号的处理器。
[0022]图3是图1A的电子推车的透视图。
[0023]图4是具有四个操纵器臂的患者侧推车的透视图。
[0024]图5A-?示出了示例性操纵器臂。
[0025]图6A-6B分别示出向前俯仰配置和向后俯仰配置的示例性操纵器臂。
[0026]图6C示出示例性操纵器臂的外科手术器械工具尖端的运动范围的图形表示，包括处于向前俯仰和向后俯仰配置中每个的静锥区(cone of silence)或圆锥形工具进入限制区。
[0027]图7A示出具有绕近侧回转接头的轴线回转操纵器臂的近侧回转接头的示例性操纵器臂。
[0028]图7B示出示例性操纵器臂以及相关运动范围和静锥区，示例性操纵器臂具有绕近侧回转接头的轴线回转操纵器臂的近侧回转接头，其移动能够被用于减轻所描绘的静锥区。
[0029]图8示出具有在远侧器械夹持器附近的回转接头的示例性操纵器臂。
[0030]图9示出具有绕接头轴线回转或扭转器械夹持器的远侧器械夹持器附近的回转接头的示例性操纵器臂。
[0031]图10A-10C示出随着接头在其整个接头移动范围上移动，具有在远侧器械夹持器附近的回转接头的示例性操纵器臂的连续视图。
[0032]图11A-11B示出当接头的角位移分别为0°和90°时具有远侧回转接头的示例性操纵器臂的回转轮廓。
[0033]图12A-12D和图13A-13C示出具有近侧接头的示例性操纵器臂，其关于接头的路径平移支撑操纵器臂的近侧接头。
[0034]图14A-14B图解地表示示例性操纵器组件的雅可比行列式的零空间和零垂直空间之间的关系。
[0035]图15A-15B示出对于给定的末端执行器方位的示例性操纵器组件的重新配置。
[0036]图16A-16B示出对于相关联的器械轴枢转所处的给定的远程中心位置的示例性操纵器。
[0037]图17A-17C示出根据许多实施例的操纵命令输入的三个示例。
[0038]图18A-18B是表示根据许多实施例的方法的简化方框图。

【具体实施方式】
[0039]本发明大体提供改善的外科手术和机器人装置、系统和方法。本发明对于外科手术机器人系统的使用是特别有利的，其中在外科手术过程期间，将多个外科手术工具或器械安装在相关联的多个机器人操纵器上并且通过该操纵器移动。机器人系统将通常包括远程机器人系统、远程外科手术系统和/或远程呈现系统，这些系统包括被配置为主-从控制器的处理器。通过提供采用被适当地配置成具有铰接式联动装置来移动操纵器组件的处理器的机器人系统，其中所述联动装置具有相对大量的自由度，联动装置的运动能够经调整通过微创进入部位工作。大量的自由度允许系统操作员或助手重新配置操纵器组件的联动装置，同时维持所期望的末端执行器状态，可选地在外科手术准备中和/或在外科手术过程期间另一个用户操纵末端执行器。
[0040]本文所述的机器人操纵器组件将通常包括机器人操纵器和安装在其上的工具(该工具通常包括外科手术版本的外科手术器械)，不过术语“机器人组件”还将包括不带有安装在其上的工具的操纵器。术语“工具”既包括通用或工业机器人工具也包括专用机器人外科手术器械，通过这些后者结构通常包括适合组织操纵、组织处理、组织成像等的末端执行器。工具/操纵器接口将通常是快速断开工具夹持器或耦接器，从而允许快速移除和使用替代性工具快速替换该工具。操纵器组件将通常具有基底，该基底在机器人过程的至少一部分期间被固定在空间中，并且该操纵器组件可以包括在基底和工具的末端执行器之间的大量自由度。末端执行器的致动(诸如打开或闭合抓紧装置的夹爪、给电外科手术桨(electrosurgical paddle)充能等)将通常与这些操纵器组件自由度分离，并且补充这些操纵器组件的自由度。
[0041]末端执行器将通常在工作空间中以二至六之间的自由度移动。如本文所用，术语“方位”既包括位置也包括取向。因此，末端执行器(例如)的方位的变化可以涉及末端执行器从第一位置至第二位置的平移，末端执行器从第一取向到第二取向的旋转，或两者的组合。当用于微创机器人外科手术时，操纵器组件的移动可以由系统的处理器来控制，使得工具或器械的轴或中间部分被约束为通过微创外科手术进入部位或其它切孔的安全运动。此种运动可以包括例如轴通过切口部位轴向插入至外科手术工作空间中、轴绕其轴线的旋转以及轴绕邻近进入部位的枢转点的枢转运动。
[0042]本文所述的许多示例性操纵器组件具有比在外科手术部位内定位和移动末端执行器所需的自由度更多的自由度。例如，在一些实施例中，能够以六个自由度通过微创切孔在内部手术部位处被定位的外科手术末端执行器可以具有九个自由度(末端执行器的六个自由度——三个用于定位，三个用于定向——加上符合进入部位约束的三个自由度)，不过可以具有十个或更多个自由度。针对给定的末端执行器方位，具有比所需的自由度更多自由度的高度可配置操纵器组件能够被描述为具有或提供足够的自由度来允许在工作空间内针对末端执行器方位具有一系列的接头状态。例如，对于给定的末端执行器方位，操纵器组件可以占据一系列的替代性操纵器联动装置方位中的任意方位(并且在其间被驱动)。类似地，对于给定的末端执行器的速度向量，该操纵器组件可以具有在雅克比行列式的零空间内针对操纵器组件的各种接头的不同接头移动速度范围。
[0043]本发明提供机器人联动装置结构，该结构尤为适合如下外科手术(以及其它)应用，即其期望有宽的运动范围并且由于其它机器人联动装置、外科手术人员和设备等的存在可获得受限的专用体积。每个机器人联动装置所需的大的运动范围和减小的体积还可以在机器人支撑结构的位置和外科手术或其它工作空间之间提供较大的灵活度，从而促进和加速装配。
[0044]接头等的术语“状态”通常在本文中指与接头相关联的控制变量。例如，角接头(angular joint)的状态能够指由在其运动范围内的接头定义的角度和/或接头的角速度。类似地，轴向或棱柱接头的状态可以指接头的轴向方位和/或它的轴向速度。虽然本文所述的许多控制器包括速度控制器，不过它们通常也具有一些方位控制方面。可替代实施例可以主要或完全依赖于方位控制器、加速控制器等。在美国专利号6，699，177中更充分地描述能够用于此种装置的控制系统的许多方面，其全部公开内容以引用的方式并入本文中。因此，只要所述移动基于相关联的计算，便可以使用方位控制算法、速度控制算法和/或两者的组合等执行本文所述的接头的移动和末端执行器的移动的计算。
[0045]在某些实施例中，示例性操纵器臂的工具绕邻近微创切孔的枢转点枢转。该系统可以利用硬件远程中心，诸如在美国专利6，786，896中描述的远程中心运动，其内容以引用的方式并入本文中。此种系统可以利用双平行四边形联动装置，其约束了联动装置的移动，使得操纵器所支撑的器械的轴绕远程中心点枢转。可替代的机械约束的远程中心联动装置系统是已知的和/或在将来可以被研发出的。令人惊讶地，与本发明结合的工作指示出远程中心联动装置系统可以受益于高度可配置运动架构。具体地，当外科手术机器人系统具有允许绕在微创外科手术进入部位处或附近相交的两个轴线的枢转运动的联动装置时，球形枢转运动可以包括在患者体内的全部程度的期望运动范围，不过仍会遇到可回避的缺陷(诸如未被充分地调节、在患者体外易于存在臂与臂或臂与患者的接触和/或其他情况)。首先，添加一个或更多个也被机械地约束为在进入部位处或附近的枢转运动的额外自由度可以提供运动范围内的少量或任何改进。无论如何，此种接头能够通过允许整个系统被配置成碰撞抑制姿势或朝向该姿势驱动、通过进一步扩大其它外科手术过程的运动范围等提供显著优点。在一些实施例中，该系统可以利用软件来实现远程中心，诸如在美国专利申请8，004，229中所描述的，其全部内容以引用的方式并入本文中。在具有软件远程中心的系统中，处理器计算接头的移动，以便绕确定的枢转点(这与由机械约束不同)枢转器械轴的中间部分。通过具有计算软件枢转点的能力，能够选择性地实现表征为系统的柔性或刚度的不同模式。更具体地，能够根据需要在一系列的枢转点/中心(例如，可移动的枢转点、被动枢转点、固定/刚性枢转点、软枢转点)上实现不同系统模式。
[0046]尽管具有多个高度可配置操纵器的机器人外科手术系统的许多优点，不过由于操纵器在基底和器械之间包括相对大量的接头和连杆，所以连杆的手动定位会是具有挑战性的并且复杂的。即使当操纵器结构被平衡成避免重力的影响时，试图以适当的布置对准每个接头或根据需要重新配置操纵器也会是困难的、耗时的并且会涉及相当多的训练和/或技能。当操纵器的连杆绕接头不平衡时该挑战甚至会更大，使得由于在许多外科手术系统中操纵器臂长度以及被动和跛行的设计，在外科手术之前或期间以适当配置定位这种高度可配置的结构是一件难事。本发明允许用户，诸如医生的助手，能够快速且容易地重新配置操纵器臂，并且保持所期望的末端执行器的状态，可选地，即使在外科手术过程过程中末端执行器的移动期间。在一些实施例中，操纵和重新配置输入能够来自同一人(例如，在外科医生控制台或患者侧推车处的用户)。
[0047]本发明的实施例可以包括经配置利用操纵器结构的自由度的用户输入端。胜于手动重新配置操纵器，该输入端有助于使用的运动学联动装置的从动接头以便响应由用户输入的重新配置命令来重新配置操纵器结构。在某些实施例中，用于接收所述重新配置命令的用户输入端被并入和/或设置在操纵器臂附近。该输入端可以包括集中式输入装置，以促进一个或更多个接头的重新配置，诸如在患者侧推车或操纵杆上的按钮群。通常，用于接收重新配置命令的输入装置与用于接收操纵命令以实现末端执行器的移动的输入端是分开的。外科手术系统的控制器可以包括具有可读存储器的处理器，该可读存储器具有记录在其上的接头控制器编程指令或代码，其允许处理器获得在其上记录的用于驱动接头的合适的接头命令，以便允许控制器响应重新配置命令的输入而实现所期望的重新配置。
[0048]在下列描述中，将描述本发明的各种实施例。为了说明的目的，提出了具体配置和细节，以便提供对本实施例的透彻地理解。然而，本领域技术人员应明白在没有具体细节的情况下可以实行本发明。此外，为了不混淆已描述的实施例，可以省略或简化已知特征。
[0049]现在参考附图，其中贯穿多个附图，相同附图标记指代相同部分，图1A是微创机器人外科手术(MIRS)系统10的俯视图，根据许多实施例，该系统用于对平躺在手术台14上的患者12执行微创诊断或外科手术过程。该系统能够包括供外科手术医生18在手术过程中使用的外科手术医生控制台16。一个或更多个助手20也可以参与该手术过程。MIRS系统10还能够包括患者侧推车22 (外科手术机器人)以及电子推车24。患者侧推车22能够操纵至少一个可移除的耦接的工具组件26 (下文简称为“工具”)通过患者12身体内的微创切口，且同时外科手术医生18通过控制台16观看外科手术部位。通过内窥镜28 (诸如立体内窥镜)能够获得外科手术部位的图像，其中所述内窥镜能够被患者侧推车22操纵以便给内窥镜28定向。电子推车24能够被用于处理通过外科手术医生控制台16随后向外科手术医生18显示的外科手术部位的图像。一次使用的手术工具26的数量将大体取决于诊断或外科手术过程和手术室内的空间约束以及其它因素。如果在手术过程中必须改变正在使用的一个或更多个工具26，则助手20可以从患者侧推车22移除工具26，并且使用手术室内来自托盘30的另一个工具26将其替换。
[0050]图1B图解地示出机器人外科手术系统50 (诸如图1所示MIRS系统10)。如上所述，外科手术医生能够在微创手术过程期间使用外科手术医生控制台52(诸如图1中的外科手术医生控制台16)来控制患者侧推车(外科手术机器人)54 (诸如图1A中的患者侧推车22)。患者侧推车54能够使用成像装置(诸如立体内窥镜)来捕捉手术部位的图像，并且将被捕捉的图像输出至电子推车56(诸如图1中的电子推车24)。如上所述，电子推车56能够在任何后续显示之前以各种方式处理被捕捉的图像。例如，在将组合的图像经外科手术医生控制台52显示给外科手术医生之前，电子推车56能够使用虚拟控制界面覆盖被捕捉的图像。患者侧推车54能够输出被捕捉图像，用于在电子推车56外部进行处理。例如，患者侧推车54能够将被捕捉图像输出至处理器58，该处理器能够被用于处理被捕捉的图像。还能够通过电子推车56和处理器58的组合来处理图像，该电子推车和处理器能够被耦接在一起以便共同、相继和/或组合地处理被捕捉的图像。一个或更多个单独的显示器60还能够与处理器58和/或电子推车56耦接在一起，以用于图像(诸如手术部位的图像或其它有关的图像)的本地和/或远程显示。
[0051]图2是外科手术医生控制台16的透视图。外科手术医生控制台16包括左眼显示器32和右眼显示器34，以用于为外科手术医生18呈现能够具有深度感知的外科手术部位的协调立体图。控制台16还包括一个或更多个输入控制装置36，所述装置进而导致患者侧推车22 (图1A所示)操纵一个或更多个工具。输入控制装置36能够提供与其关联的工具26 (图1A所示)相同的自由度，以便为外科手术医生提供输入控制装置36与工具26 —体化的远程呈现或感知，使得外科手术医生具有直接控制工具26的强烈感觉。为了该目的，可以采用方位、力以及触觉反馈传感器(未示出)以便通过输入控制装置36将方位、力以及触觉感觉从工具26传输回外科手术医生手部。
[0052]外科手术医生控制台16通常和患者位于相同的房间，使得外科手术医生可以直接监控手术、如果需要可以实际存在并且直接对助手说话而不是通过电话或其它通信介质说话。然而，外科手术医生能够位于不同的房间、完全不同的建筑物或距离患者较远的其它位置，以允许远程外科手术过程。
[0053]图3是电子推车24的透视图。电子推车24能够与内窥镜28耦接并且能够包括处理器，该处理器用于处理被捕捉的图像用于随后的显示诸如在手术控制台或另一个位于本地和/或远程的合适的显示器上向外科手术医生显示。例如，当使用立体内窥镜时，电子推车24能够处理被捕捉的图像，以便为外科手术医生呈现外科手术部位的协调立体图像。这种协调能够包括相反图像之间的对准并且能够包括调节立体内窥镜的立体工作距离。作为另一个例子，图像处理能够包括使用先前确定的照相机校准参数，以便补偿图像捕捉装置的成像误差，诸如光学像差。
[0054]图4示出具有多个操纵器臂的患者侧推车22，其中每个操纵器臂在操纵器臂的远端处支撑外科手术器械或工具26。示出的患者侧推车22包括四个操纵器臂100，所述操纵器臂能够被用于支撑外科手术工具26或成像装置28，诸如用于捕捉手术部位的图像的立体内窥镜。通过具有若干个机器人接头的机器人操纵器臂100来提供操纵。成像装置28和外科手术工具26能够被定位且操纵通过患者体内切口，使得运动远程中心维持在切口处，以便使切口的尺寸最小化。当外科手术器械或工具26被定位在成像装置28的视野内时，手术部位的图像能够包括外科手术器械或工具26的远端的图像。
[0055]关于外科手术工具26，可以使用各种不同类型和不同的末端执行器的替代性机器人外科手术工具或器械，其中在外科手术过程期间移除并且替换至少一些操纵器的器械。这些末端执行器中的一些(包括狄见贝基钳镊(DeBakey Fore印s)、微型手术镊、波茨剪刀和施夹器)包括相对于彼此枢转以便限定一对末端执行器夹爪的第一末端执行器元件和第二末端执行器元件。包括手术刀和电探针的其他末端执行器具有单个末端执行器元件。对于具有末端执行器夹爪的器械，通常通过挤压柄部的抓紧构件来致动夹爪。例如，单个末端执行器型器械还可以通过抓紧抓紧构件被致动以便给电烙术探针充能。
[0056]器械26的细长轴允许末端执行器和轴的远端通过微创切孔、往往通过腹壁等向远侧插入至外科手术部位。可以将外科手术部位充气，并且通常至少部分通过绕轴穿过微创切孔所处的位置而枢转器械26来实现末端执行器在患者体内的移动。换句话说，操纵器100将在患者体外移动器械的近侧外壳，使得轴延伸通过微创切孔位置，以便帮助提供末端执行器的期望移动。因此，在外科手术过程期间，操纵器100将通常经历在患者P体外的显著移动。
[0057]能够参考图5A-13C理解根据本发明的许多实施例的示例性操纵器臂。如上所述，操纵器臂大体支撑远侧器械或外科手术工具并且实现器械相对于基底的移动。由于在外科手术过程期间(通常在有外科手术助手的帮助下)，具有不同末端执行器的大量不同的器械会被相继安装在每个操纵器上，所以远侧器械夹持器将优选地允许所安装的器械或工具的快速移除和替换。如参考图4能够理解的，操纵器被近侧安装在患者侧推车的基底。通常，操纵器臂包括在基底和远侧器械夹持器之间延伸的多个联动装置和相关联的接头。在一个方面，示例性操纵器包括具有冗余自由度的多个接头，使得针对给定的末端执行器方位，操纵器臂的接头能够被驱动成一系列的不同配置。这可以是本文公开的任何操纵器臂的实施例的情况。
[0058]在某些实施例中，诸如图5A所示的示例,示例性操纵器臂包括近侧回转接头Jl,其绕第一接头轴线旋转以便绕接头轴线回转接头远侧的操纵器臂。在一些实施例中，回转接头Jl被直接安装到基底，而在另一些实施例中，接头Jl可以被安装到一个或更多个可移动联动装置或接头。操纵器的接头组合地具有冗余的自由度，使得针对给定的末端执行器的方位，操纵器臂的接头能够被驱动成一系列的不同配置。例如，图5A-?的操纵器臂可以被操纵成不同的配置，而被支撑在器械夹持器510内的远侧构件511 (诸如工具512或器械轴延伸所通过的插管)维持具体状态并且可以包括末端执行器的给定方位或速度。远侧构件511通常是工具轴512延伸所通过的插管，并且器械夹持器510通常是器械在通过插管511延伸通过微创切孔至患者体内之前所附接的托架(示出为在梁上平移的块状结构)。
[0059]描述图5A-?的操纵器臂500的各个连杆以及如图5A-?所示连接连杆的接头的旋转轴线，第一连杆504从绕其接头轴线枢转且被耦接至绕其接头轴线旋转的回转接头Jl的枢转接头J2向远侧延伸。能够通过与接头相关联的旋转轴线来识别接头的许多剩余部分，如图5A所示。例如，如图所示，在绕接头枢转轴线枢转的枢转接头J3处，第一连杆504的远端耦接至第二连杆506的近端，并且在绕其轴线枢转的枢转接头J4处，第三连杆508的近端耦接至第二连杆506的远端。在枢转接头J5处，第三连杆508的远端耦接至器械夹持器510。通常，当靠近彼此定位时每个接头J2、J3、J4和J5的枢转轴线基本平行并且联动装置呈现“堆叠”，如图所示，以便在操纵器组件的操纵期间提供操纵器臂的减小的宽度w并改善患者间隙。在某些实施例中，器械夹持器还包括额外的接头，诸如棱柱接头J6，该接头有助于器械306通过微创切孔的轴向移动，并且有助于器械夹持器附接至插管，其中器械可滑动地插入至该插管。
[0060]工具512延伸所通过的远侧构件或插管511可以包括器械夹持器510的远侧的额外的自由度。该器械的自由度的致动将通常通过操纵器的马达来驱动，并且替代性实施例可以在快速可拆卸器械夹持器/器械接口处将器械与支撑操纵器结构分开，使得在器械上的所示的一个或更多个接头实际上在接口上，或者反之亦可。在一些实施例中，插管511包括在工具尖端的插入点或枢转点PP附近或近侧的旋转接头J7 (未示出)，其中该枢转点PP通常被置于微创切孔的部位处。器械的远侧腕部允许外科手术工具512的末端执行器在器械腕部处绕一个或更多个接头的器械接头轴线进行枢转运动。末端执行器夹爪元件之间的角度可以独立于末端执行器的位置和取向而被控制。
[0061]示例性操纵器组件的运动范围能够通过参考图6A-6C理解。在外科手术过程期间，示例性操纵器臂能够根据需要被操纵成向前俯仰配置(如图6A所示)或者向后俯仰配置(如图6B所示)，以便通达外科手术工作空间内的特定患者组织。典型的操纵器组件包括末端执行器，其能够绕轴线向前和向后俯仰至少±60度、优选地约±75度，并且还能够绕轴线偏转±80度。虽然这方面允许具有组件的末端执行器的增加的可操作性，但是会存在末端执行器的移动会被限制的配置，特别是如图6A和图6B所示的当操纵器臂处于完全向前俯仰或完全向后俯仰的配置时。在一种实施例中，操纵器臂具有分别用于外部俯仰接头的运动范围(ROM) (+/-75deg(度))和用于外部偏转接头的运动范围(+/-300deg)。在一些实施例中，可以针对外部俯仰增加R0M，以提供大于(+/-90deg)的ROM，在这种情况下“静锥区”可以完全消失，不过通常与插入限制相关联的内部球体将保留。可以理解，各种实施例可以经配置具有增加或减少的ROM，上面提到的ROM被提供用于说明的目的，并且进一步地，本发明不限于本文中所描述的ROM。
[0062]图6C图解地示出图5A-5B的示例性操纵器的工具尖端的整个运动范围和工作空间。尽管工作空间被示为半球形，不过其也可以被表示为球体，这取决于操纵器的一个或更多个回转接头(诸如接头J1)的运动范围和配置。如图所示，在图6C中的半球包括中心小球形空隙以及两个锥形空隙。所述空隙表示工具尖端的移动由于机械约束而是不可能的或由于使末端执行器的移动困难或慢的极高接头速度而是不可行的区域。由于这些的理由，圆锥形空隙被称为“静锥区”。在一些实施例中，操纵器臂可以在锥形范围内的一点处达到奇点。由于静锥区内或附近的操纵器移动会受到损害，所以难以将操纵器臂移离静锥区而不手动移动操纵器的一个或更多个连杆以重新配置操纵器的联动装置和接头，而这往往需要替代性操作模式并延迟外科手术过程。
[0063]器械轴进入这些圆锥部分的移动或在其附近的移动通常会发生于操纵器中的远侧联动装置之间的角度相对小时。这种配置能够通过重新配置操纵器以增加联动装置之间的角度(使得联动装置相对于彼此被移动到更正交的方位)而被避免。例如，在图6A和图6B所示的配置中，当在最远侧连杆和器械夹持器之间的角度(角度a)变得相对小时，操纵器的移动会变得更加困难。根据在各个实施例中的剩余接头的接头移动范围，当某些联动装置之间的角度减小时，操纵器的移动会被禁止，并且在某些情况下，操纵器臂会不再是冗余的。器械轴接近这些圆锥部分或者联动装置之间的角度相对小的操纵器配置被称为是被“不良调节的”，使得操纵器臂的可操纵性和灵活度是有限的。所期望的是，该操纵器是被“良好调节的”，以便维持移动的灵活性和范围。在一个方面，本发明允许用户通过简单地输入命令来根据需要重新配置操纵器从而避免器械轴在上述圆锥部分附近的移动，即使在外科手术过程中末端执行器的移动期间也如是。如果操纵器无论出于何种原因变得被“不良调节”，则这方面是特别有用的。
[0064]虽然上述的操纵器的实施例可以被用在本发明中，不过一些实施例可以包括附加的接头，其也可以被用来改善操纵器臂的灵活性和调节状况。例如，示例性操纵器可以包括接头J1近侧的回转接头和/或联动装置，其能够被用于绕回转接头的轴线回转图5A的操纵器臂以及其相关联的静锥区以便减少或消除静锥区。在另一实施例中，示例性操纵器还可以包括远侧枢转接头，其绕基本垂直于接头J5的轴线枢转器械夹持器，从而偏置工具尖端，以便进一步减少静锥区并增加外科手术工具的移动范围。在又一实施例中，操纵器臂的近侧接头(诸如J1)可以被可移动地安装在基底上，以便根据需要移动或移位静锥区，并改善操纵器工具尖端的运动范围。这种附加接头的使用与优点能够通过参考图7A-13C来理解，其示出这些接头的示例，在本文所述的任何示例性操纵器臂中其各自可以彼此独立使用或组合使用。
[0065]图7A-7B示出与示例性操纵器臂一起使用的附加的冗余接头——将操纵器臂的近侧部分联接到基底的第一接头。第一接头是近侧回转接头TJ，其绕接头TJ的接头轴线回转操纵器臂。近侧回转TJ包括连杆501，其使得接头J1从近侧回转TJ偏置预先确定的距离或角度。连杆501能够是弯曲的联动装置，如图7A所示，或者是线性的或有角度的联动装置，如图7B所示。通常，接头TJ的接头轴线与远程中心RC或工具尖端的插入点对准，均如图7A中所示。在一种示例性实施例中，接头TJ的接头轴线穿过远程中心(在操纵器臂中的每个其他回转接头轴线也是如此)以防止在体壁处运动，并且因此能够在外科手术期间移动。接头TJ的轴线被联接到臂的近侧部分，因此其能够被用于改变臂的背面的方位和取向。在一般情况下，冗余的轴线(诸如这个)允许器械尖端遵循外科医生的命令，且同时避免与其他臂或患者的解剖结构碰撞。在一个方面，近侧回转TJ仅用于改变操纵器相对于地板的安装角度。这个角度是重要的，原因如下:1)避免与外部患者解剖结构碰撞，并且2)到达体内的解剖结构。通常，被附接到近侧回转接头TJ的操纵器的近侧连杆和近侧回转的轴线之间的角度a大约为15度。
[0066]图7B示出示例性操纵器臂中的近侧回转接头TJ和其相关联的接头轴线和静锥区的关系。近侧回转接头TJ的接头轴线可以穿过静锥区，或者可以完全在静锥区之外。通过绕近侧回转TJ的轴线回转操纵器臂，静锥区能够被减小(在其中接头TJ轴线穿过静锥区的实施例中)，或者能够有效地被消除(在其中近侧回转接头轴线完全延伸在静锥区之外的实施例中)。连杆501的距离和角度确定接头TJ轴线相对于静锥区的方位。
[0067]图8示出用于示例性操纵器臂的另一种类型的冗余接头，将器械夹持器510联接到操纵器臂508的远侧连杆的远侧回转接头TWJ。远侧回转接头TWJ允许系统绕接头轴线扭转器械夹持器510，该轴线通常穿过远程中心或插入点。理想的是，回转接头位于该臂上远侧，并且因此特别适合移动插入轴线的取向。这种冗余的轴线的添加允许操纵器对于任何单个器械尖端方位呈现多个方位。在一般情况下，冗余的轴线(诸如这个)允许器械尖端遵循外科医生的命令，且同时避免与其他臂或患者的解剖结构碰撞。因为远侧回转接头TWJ具有移动插入轴线更接近偏转轴线的能力，所以其能够增加图8的臂来回俯仰的运动范围。远侧回转接头TWJ的轴线、Jl的偏转轴线和工具尖端的插入轴线之间的关系被示于图9。图10A-10C示出TWJ的相继移动，以及其如何将工具尖端的插入轴线从一侧移位到另一侧。
[0068]远侧回转接头TWJ的另一个优点是，它可以减少患者的间隙圆锥，该圆锥是插入点近侧的操纵器臂的远侧部分的扫掠体积，其必须清理患者，以避免在患者和器械夹持器或操纵器臂的远侧联动装置之间的碰撞。图1lA示出操纵器臂的近侧部分的患者间隙圆锥，同时远侧回转接头的角位移保持在0°。图1lB示出操纵器臂的近侧部分的减少的患者间隙圆锥，同时远侧回转接头被示出为具有绕其轴线90°的角位移。因此，在插入点附近具有最小患者间隙的手术过程中，根据本发明的接头TWJ的使用可以提供附加的间隙且同时根据需要维持远程中心位置或末端执行器的方位。
[0069]图12A-13C示出与示例性操纵器臂一起使用的另一种类型的冗余接头，绕轴线平移或回转操纵器臂的近侧接头。在某些实施例中，该近侧可平移接头沿路径平移操纵器的近侧接头，诸如接头JI或TJ，以便通过移位或旋转操纵器臂的运动范围而减少或消除静锥区，以提供对操纵器臂的更好的调节和改善的可操纵性。可平移接头可以包括圆形路径，诸如在图12A-12D中的接头HJl中所示，或者可以包括半圆形或弧形路径，诸如在图13A-13C中所示。一般来说，接头绕可平移接头的轴线回转操纵器臂，其中该轴线与远程中心RC相交，通过插管511延伸的工具512的轴绕远程中心RC枢转。在图12A-12D所示的实施例中，HJl的这个轴线是竖直轴线，而在图13A-13C中所示的实施例中，HJ2的轴线是水平的。
[0070]在一种示例性实施例中，操纵器臂500可以包括近侧回转接头或远侧回转接头、近侧可平移接头和远侧联动装置的平行四边形配置中的任何或全部。这些特征的任何或全部的使用提供附加的冗余自由度并且有助于根据本发明重新配置，以便通过增加联动装置之间的角度提供更好的被“调节的”操纵器组装，从而增加操纵器的灵活度和运动。该示例性操纵器的增加的灵活度还能够被用于优化操纵器联动装置的运动学，以便避免接头限制、奇点等。
[0071]在一种示例性实施例中，通过由控制器使用该系统的马达驱动一个或更多个接头来控制操纵器的接头移动，其中根据由控制器的处理器计算出的协调和接头移动驱动所述接头。数学上，控制器可以使用向量和/或矩阵执行接头命令的至少一些计算，其中向量和/或矩阵中的一些可以具有对应于接头配置或速度的元素。处理器可以获得的替代性接头配置范围可以被概念化为接头空间。例如，该接头空间可以具有与操纵器所具有的自由度一样多的维度，并且操纵器的特定配置可以表示在接头空间中的特定点，其中每个坐标对应于操纵器的相关联接头的接头状态。
[0072]在一种示例性实施例中，该系统包括控制器，其中工作空间(这里指示为笛卡尔坐标空间(这里也被称为笛卡尔空间))中的特征的命令方位和速度是输入。该特征可以是操纵器上的或脱离操纵器的任何特征，该操纵器能够被用作使用控制输入进行铰接的控制框架。用于本文所述的许多实施例中的操纵器上的特征示例将是工具尖端。操纵器上的特征的另一个示例将是物理特征，该特征不在工具尖端上，而是操纵器的一部分诸如销或着色图案。脱离操纵器的特征示例将是在空的空间中的基准点，该点恰好远离工具尖端一定距离和角度。脱离操纵器的特征的另一个示例将是目标组织，该组织相对于操纵器的方位能够被建立。在所有这些情况中，末端执行器与使用控制输入被铰接的假想控制框架相关联。然而，在下文中，使用的“末端执行器”和“工具尖端”为同义词。虽然大体上，不存在将期望的笛卡尔空间末端执行器方位映射到等价的接头空间方位的封闭形式关系，但是在笛卡尔空间末端执行器和接头空间速度之间大体存在封闭形式的关系。运动雅可比行列式是末端执行器的笛卡尔空间方位元素相对于接头空间方位元素的偏导矩阵。以这种方式，运动雅可比行列式捕捉末端执行器和接头之间的运动学关系。换句话说，运动雅可比行列式捕捉接头运动对末端执行器的影响。运动雅可比行列式(J)能够用于使用下面的关系式将接头空间速度(dq/dt)映射到笛卡尔空间末端执行器速度(dx/dt):
[0073]dx/dt = J dq/dt
[0074]因此，即使在输入方位和输出方位之间不存在封闭形式的映射时，也能够在诸如基于雅可比行列式的控制器中迭代地使用速度的映射，从而根据命令的用户输入实现操纵器的移动，不过还能够使用各种实施方式。尽管许多实施例包括基于雅可比行列式的控制器，但是一些实施方式可以使用可以被配置成访问操纵器臂的雅可比行列式以提供本文所述的任何特征的各种控制器。
[0075]下面以简化的术语描述一个此种实施方式。命令的接头方位被用于计算雅可比行列式(J)。在每个时间步长(At)期间，计算笛卡尔空间速度(dx/dt)以执行期望的移动(dxdes/dt)并且校正期望的笛卡尔空间方位的累积偏差(Λχ)。然后，使用伪逆的雅可比行列式(J#)将该笛卡尔空间速度转换成接头空间速度(dq/dt)。然后，将所得的接头空间的命令速度进行积分，以产生接头空间的命令方位(q)。这些关系列出如下:
[0076]dx/dt = dxdes/dt+k Δ χ(1)
[0077]dq/dt = J#dx/dt(2)
[0078]qj = q^j+dq/dt Δ t(3)
[0079]雅可比行列式(J)的伪逆直接将期望的工具尖端运动(以及在某些情况下，枢转工具运动的远程中心)映射到接头速度空间内。如果正在使用的操纵器具有比工具尖端自由度(至多六个)更多的有用的接头轴线，(并且当工具运动的远程中心在使用时，操纵器应该具有额外的3个接头轴线，以用于与远程中心的位置相关联的3个自由度)，则该操作器被称为是冗余的。冗余的操纵器的雅可比行列式包括具有至少一个维度的“零空间(nulΙ-space)”。在该背景下，雅可比行列式的“零空间”(N(J))是瞬间实现无工具尖端运动(并且当使用远程中心时，无枢转点位置的移动)的接头速度空间；并且“零运动”是接头方位的组合、轨迹或路径，该“零运动”也产生了工具尖端和/或远程中心的位置的非瞬间移动。将计算的零空间速度并入或注入操纵器的控制系统以实现操纵器的期望的重新配置(包括本文所述的任何重新配置)，将上述等式(2)改变如下:
[0080]dq/dt = dqperp/dt+dqnull/dt(4)
[0081]dqperp/dt = J#dx/dt(5)
[0082]dqnull/dt = (l_J#J)z = VnVn1Z = Vn a (6)
[0083]根据等式(4)的接头速度具有两个分量:第一个是零垂直空间分量，“最单一的”接头速度(最短向量长度)，其产生期望的工具尖端运动(并且当使用远程中心时，期望的远程中心运动)；并且第二个是零空间分量。等式(2)和(5)显示在没有零空间分量的情况下，实现相同的等式。等式(6)在左侧上针对零空间分量以传统形式开始，并且在远右侧上显示在示例性系统中使用的形式，其中(Vn)是零空间的正交基向量集，并且(a)是混合那些基向量的系数。在一些实施例中，a是由控制参数、变量或设置确定的，诸如通过使用旋钮或其它控制器件，以便根据需要在零空间内调整或控制运动。
[0084]图14A图形化地示出在示例性操纵器臂的雅可比行列式的零空间和雅可比行列式的零垂直空间之间的关系。图14A示出二维示意图，该图示出沿水平轴线的零空间以及沿竖直轴线的零垂直空间，这两个轴线彼此正交。该对角线向量表示零空间中的速度向量和零垂直空间中的速度向量之和，其表示上述等式(4)。
[0085]图14B图形化地示出在四维接头空间内的零空间和零运动流形(null-mot1nmanifold)之间的关系,示出为“零运动流形”。每个箭头(ql、q2、q3和q4)表示主要接头轴线。封闭曲线表示零运动流形，该零运动流形是瞬间实现同一末端执行器方位的一组接头-空间方位。对于曲线上的给定点A，由于零空间是瞬间产生末端执行器的无移动的接头速度的空间，所以零空间在点A处平行于零运动流形的切线。
[0086]图15A-15B图解地示出在通过在零空间内驱动操纵器的接头重新配置操纵器臂之前和之后的示例性操纵器500。在图15A中，响应由用户输入的重新配置命令,该系统针对器械的末端执行器的给定方位且根据剩余接头的所计算的移动在零空间内逆时针地驱动接头TJ，其中零空间内的剩余接头的协调移动已经由该系统被计算出。零空间接头速度被注入到系统中，以便维持末端执行器的给定状态，从而使用户能根据需要重新配置操纵器，即使在外科手术过程期间末端执行器移动期间也如是。在另一方面，该系统可以计算在雅可比行列式的零空间内的接头速度，以便实现所期望的配置，且同时操纵器臂的结构设计维持远程中心位置，诸如在图16A-16B中所示的实施例中。
[0087]在一些实施例中，操纵器臂的一个或更多个接头可以被约束成使得所述一个或更多个接头在零空间内不被驱动以实现重新配置，然而，这些接头仍可以在零垂直空间内被驱动以实现末端执行器的期望的移动。替代性地，一个或更多个接头(诸如近侧回转接头)可以被约束成，使得所述一个或更多个接头不被驱动以实现末端执行器的所期望的移动，而被驱动以实现操纵器的重新配置移动。在另一些实施例中，控制器可以经配置使得在重新配置命令的时段期间在零空间内被驱动的接头的速度被限制或保持在基本恒定速度。在另一些实施例中，该系统可以经配置使得零空间内的接头速度根据接头位置和/或配置或者任何数量的条件按比例缩放。例如，在重新配置移动期间用户可以期望最近侧接头以比操纵器臂中的较远侧接头更高的速度被驱动。此外，该系统可以经配置成根据需要维持操纵器臂的接头的任何一个的方位或状态。
[0088]在另一方面，该系统可以从系统用户以任何方式接收重新配置命令。在某些实施例中，操纵器包括从用户接收重新配置命令的输入装置。该输入装置可以包括用于根据需要驱动一个或更多个接头(或替代性地，用于移动一个或更多个连杆)的一个或更多个按钮或机构，并且可以被设置在操纵器臂上，优选地在对应于响应装置的激活而被驱动的接头的位置中，诸如在图17A中所示。替代性地，该系统可以包括具有按钮群或机构群的输入装置，每个对应于操纵器臂的一个接头或联动装置，诸如在图17B的实施例中所示。该实施例允许用户从中央位置重新配置所述臂。该输入装置还可以包括控制杆，诸如在图17C中所示，其可以被操作成驱动一个或更多个接头并且根据需要实现重新配置。可以理解，该输入装置可包括任何数量的变型。
[0089]图18A-18B示出根据本发明的许多实施例的重新配置机器人外科手术系统的操纵器组件的方法。图18A示出需要实现与以上讨论的等式有关的一般算法以控制患者侧推车接头状态所需的方框的简图。根据图18A的方法，该系统:计算操纵器臂的正向运动；然后，使用等式(1)计算dx/dt，使用等式(5)计算dqp?p/dt ;再然后使用等式(6)根据可以基于dqpeip/dt和雅可比行列式的z计算dqnull/dt。根据计算的dqpOTp/dt和dqnull/dt,然后该系统分别使用等式(4)和(3)计算dq/dt和q，从而提供移动，其中通过该移动，控制器能够实现操纵器的期望的重新配置，且同时维持末端执行器的期望的状态和/或远程中心的位置。
[0090]图18B示出系统的示例性实施例的方框图。响应命令所期望的工具尖端状态的操纵命令，该系统确定工具尖端的速度和接头的状态，由此计算出dqp?p/dt。响应从用户接收的重新配置命令，处理器能够使用所确定的工具尖端与接头速度(或所计算的dqp?p/dt)来计算dqnull/dt，在这之后该系统将速度添加到所计算出的dq/dt中，以便驱动系统的(一个或多个)接头并且实现末端执行器的所期望的移动(或状态)和操纵器臂的重新配置。
[0091]虽然为了清楚地理解，已详细地并且通过示例的方式描述了示例性实施例，但各种修改、改进和变化对本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围由随附的权利要求唯一地限制。
【权利要求】
1.一种机器人方法,其包括: 提供操纵器臂，所述操纵器臂包括可移动远侧部分、被联接到基底的近侧部分以及在所述远侧部分和所述基底之间的多个接头，所述多个接头具有足够自由度以允许针对所述远侧部分的给定状态所述多个接头具有一系列的不同接头状态； 在所述远侧部分处于期望状态的同时接收由用户输入到用户输入端中的重新配置命令； 响应所述重新配置命令，以期望的重新配置移动来驱动所述多个接头中的第一组接头; 响应所述重新配置命令，计算所述多个接头中的一个或更多个所述接头的重新配置移动，使得与所计算的接头速度结合的所述第一组接头的所述重新配置移动在所述操纵器臂的雅可比行列式的零空间内；以及 根据在驱动所述第一组接头期间所计算的移动来驱动所述一个或更多个接头，以便维持所述远侧部分的所述期望状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组接头包括所述操纵器臂的一个或更多个接头。
3.根据权利要求1所述的机器人方法，其中所述远侧部分包括或者经配置可释放地支撑具有向远侧延伸到外科手术末端执行器的细长轴的外科手术器械，其中在外科手术期间所述器械轴绕远程中心枢转，并且其中所述一个或更多个接头的所述计算的移动被计算成在驱动所述第一组接头期间维持所述远程中心的方位。
4.根据权利要求3所述的机器人方法，其进一步包括: 接收操纵命令以便以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器； 计算所述接头的末端执行器位移移动，以便实现所述期望的末端执行器移动；以及根据所述末端执行器操纵命令来驱动所述接头，其中计算所述接头的所述末端执行器位移移动进一步包括计算所述雅可比行列式的零垂直空间内的接头速度，所述零垂直空间与所述零空间正交。
5.根据权利要求4所述的机器人方法，其中操纵命令利用末端执行器输入装置接收自第一系统操作员，并且所述重新配置命令由第二系统操作员输入到所述用户输入端。
6.根据权利要求4所述的机器人方法，其中所述重新配置命令由外科助手输入并且所述用户输入端的界面由支撑所述基底的结构支持，并且其中所述操纵命令被输入到所述用户界面的外科医生控制台中，所述外科医生控制台独立于所述支撑结构是可移动的。
7.根据权利要求3所述的机器人方法，其中所述接头的所述末端执行器位移移动被计算成使得所述第一组接头不被驱动。
8.根据权利要求3所述的机器人方法，其中所述接头的所述末端执行器位移移动被计算成使得所述第一组接头不被驱动成实现所述期望的末端执行器移动。
9.根据权利要求1所述的机器人方法，其中从所述用户接收的所述输入包括一个时段的所述期望的重新配置移动，其中所述第一组接头的驱动包括提供来自所述第一组接头的第一接头的基本恒定的接头铰接速度，并且其中所述重新配置移动被计算成在所述重新配置命令的所述时段期间提供所述第一接头的基本恒定的速度。
10.根据权利要求1所述的机器人方法，所述远侧部分的所述期望状态包括相对于所述基底的远侧部分方位、取向和/或速度。
11.根据权利要求1所述的机器人方法，其中所述操纵器臂经配置支撑具有中间部分的工具，所述中间部分沿插入轴线在所述近侧部分远侧延伸，以及所述工具具有在所述中间部分的远端处的末端执行器，其中至少一些所述接头机械地约束所述远侧部分相对于所述基底的移动，使得所述操纵器臂的所述远侧部分绕沿所述插入轴线设置的远程中心枢转，以有助于所述末端执行器在工作部位处的移动，并且其中所述工作部位通过插入切口被访问。
12.根据权利要求11所述的机器人方法，其中多个所述接头包括在所述近侧部分远侧和所述远侧部分近侧设置的远程球形中心接头，其中所述远程球形中心接头被机械地约束成使得所述远程球形中心接头的铰接绕第一、第二和第三远程中心轴线枢转所述操纵器臂的所述远侧部分，所述第一、第二和第三远程中心轴线与所述远程中心相交。
13.根据权利要求11所述的机器人方法，其中所述近侧部分相对于所述基底被机械地约束成使得当所述近侧部分移动时所述操纵器臂的所述远侧部分绕所述远程中心枢转。
14.根据权利要求11所述的机器人方法，其中来自所述第一组接头的第一接头将所述近侧部分联接到所述基底，来自所述第一组接头的所述第一接头包括回转接头，该回转接头支撑所述操纵器臂的所述远侧部分，使得所述回转接头的接头移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述操纵器臂的所述远侧部分，其中所述枢转轴线从所述回转接头延伸并通过所述远程中心，使得所述操纵器臂的所述插入轴线沿朝向所述远程中心定向的向远侧渐缩的圆锥移动。
15.根据权利要求11所述的机器人方法，其中来自所述第一组接头的第一接头将所述近侧部分联接到所述基底，使得所述远侧部分相对于所述基底沿路径是可移动的，所述路径是弧形的或基本圆形的，使得所述近侧部分沿所述路径的移动在所述远程中心处枢转所述操纵器臂的所述远侧部分的所述插入轴线。
16.根据权利要求11所述的机器人方法，其中中间连杆使用第一接头被设置在所述远侧部分的近侧并且与所述远侧部分邻近，其中该第一接头来自所述第一组接头且在所述中间连杆和所述远侧部分之间，所述第一接头包括相对于所述中间连杆将所述远侧部分的移动机械地约束成绕第一接头轴线旋转的回转接头，所述第一接头轴线从所述第一接头朝向所述中间部分向远侧延伸，以便相交于通过所述远程中心的所述插入轴线。
17.根据权利要求1所述的机器人方法，其中提供操纵器臂包括由所述远侧部分支撑的远侧末端执行器以及在所述近侧部分和所述远侧末端执行器之间延伸的一系列以运动学方式连接的连杆，其中所述近侧部分由来自所述第一组接头的第一接头联接到所述基底，使得在所述连杆的重新配置移动期间所述操纵器臂的所述近侧部分相对于所述基底移动，并且其中所述第一接头包括回转接头，该回转接头支撑所述操纵器臂的所述连杆，使得所述回转接头的接头移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述操纵器臂的所述连杆，所述枢转轴线从所述回转接头延伸并通过所述远程中心。
18.—种机器人方法,其包括: 提供操纵器臂，其经配置支撑远侧工具，该远侧工具具有远侧末端执行器和沿插入轴线设置且支撑所述末端执行器的细长中间部分，以用于操纵所述末端执行器通过微创切孔，其中所述操纵器臂具有联接到基底的近侧部分以及多个接头，所述多个接头具有足够的自由度以允许针对给定的末端执行器方位具有一系列的接头状态，其中至少一些所述接头包括远程中心接头，其被机械地约束成绕沿所述插入轴线并且邻近所述微创切孔的远程中心枢转移动； 在所述末端执行器处于期望状态的同时，响应重新配置命令，驱动所述多个接头中的弟一组接头； 响应所述重新配置命令，计算所述接头的移动，使得所述第一组接头的移动与所述接头的计算速度一起在所述雅可比行列式的零空间内；以及 在响应命令的移动来驱动所述第一组接头的同时根据所计算的移动来驱动所述远程中心接头中的一个或更多个，以便维持期望的末端执行器状态。
19.根据权利要求18所述的机器人方法，其进一步包括使用平行四边形联动装置系统约束所述远程中心接头的移动，该系统包括: 平行四边形联动装置基底，其被联接到所述基底以用于绕与所述远程中心相交的第一远程中心轴线旋转； 第一连杆，其具有第一连杆近端和第一连杆远端，所述第一连杆近端在基底接头处被联接到所述平行四边形联动装置基底，所述第一连杆远端经配置支撑所述工具； 第二连杆，其具有第二连杆近端和第二连杆远端，所述第二连杆近端被联接到所述第一连杆远端，所述第二连杆远端经配置支撑所述工具，使得所述工具的插入轴线被约束成绕与所述远程中心相交的第二远程中心轴线旋转。
20.根据权利要求18所述的机器人方法，其中所述远程中心接头将所述插入轴线的运动约束成绕通过所述远程中心延伸的所述第一远程中心轴线和第二远程中心轴线枢转运动，并且其中所述第一组接头中的第一接头经配置将所述插入轴线的运动约束成绕通过所述远程中心延伸的第一远程中心轴线旋转。
21.根据权利要求18所述的机器人方法，其进一步包括: 从用户输入端接收操纵命令以便以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器； 计算所述接头的末端执行器移位移动；以及 根据所述末端执行器操纵命令来驱动所述接头，其中计算所述接头的所述末端执行移位移动进一步包括计算所述雅可比行列式的零垂直空间内的接头速度，所述零垂直空间与所述零空间正交。
22.根据权利要求21所述的机器人方法，其中所述接头的计算的末端执行器位移移动被计算成使得所述第一组接头不被驱动成实现所述期望的末端执行器移动。
23.根据权利要求18所述的机器人方法，其中所述接头的计算的重新配置移动被计算成使得来自所述第一组接头的第一接头的移动在所述重新配置命令的时段上提供所述第一接头的基本恒定的速度。
24.根据权利要求21所述的机器人方法，其中用末端执行器输入装置从第一系统操作员接收所述操纵命令，并且其中从第二系统操作员通过用户输入界面接收所述重新配置命令。
25.根据权利要求18所述的机器人方法，其中所述近侧部分由所述多个接头中的一个接头联接到所述基底，使得在所述接头被驱动的同时所述操纵器臂的所述近侧部分相对于所述基底是可移动的。
26.根据权利要求18所述的机器人方法，其中来自所述第一组接头的第一接头将所述近侧部分联接到所述基底，来自所述第一组接头的所述第一接头包括回转接头，其支撑所述操纵器臂的所述远程中心接头，使得所述回转接头的接头移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述操纵器臂的所述远程中心接头，其中所述枢转轴线从所述回转接头朝向所述远程中心延伸。
27.根据权利要求18所述的机器人方法，其中来自所述第一组接头的第一接头被配置成将所述远程中心接头联接到所述工具，来自所述第一组接头的所述第一接头包括回转接头，其经配置支撑所述工具，使得所述回转接头的接头移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述插入轴线，其中所述枢转轴线从所述回转接头朝向所述远程中心延伸。
28.根据权利要求26所述的机器人方法，其中所述回转接头的接头移动绕远程中心枢转所述操纵器臂的一个或更多个接头。
29.—种机器人方法,其包括: 提供操纵器臂，其经配置支撑远侧工具，其具有通过微创切孔沿插入轴线延伸的远侧末端执行器、联接到基底的近侧连杆的近侧部分以及在其间延伸的多个以运动学方式连接的连杆，一些所述连杆包括由远程中心接头联接在一起的远程中心连杆，所述远程中心接头经配置将所述插入轴线的移动机械地约束成绕横于通过远程中心延伸的所述插入轴线的第一远程中心轴线和第二远程中心轴线旋转； 通过响应由用户输入到用户输入装置内的重新配置命令来驱动被连接到所述第一连杆的一个或更多个接头，移动所述多个连杆中的第一连杆以实现期望的重新配置，其中驱动所述一个或更多个接头绕第一接头轴线枢转地移动所述插入轴线，所述第一接头轴线横于通过所述远程中心延伸的所述插入轴线。
30.根据权利要求29所述的机器人方法，其进一步包括: 从用户输入端接收操纵命令以便以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器； 计算所述连杆的末端执行器位移移动；以及 根据所述末端执行器操纵命令来驱动连接所述多个连杆的所述接头，其中计算所述接头的所述末端执行器位移移动进一步包括计算所述操纵器臂的雅可比行列式的零垂直空间内的接头速度，所述零垂直空间与所述零空间正交。
31.根据权利要求30所述的机器人方法，其中所述连杆的计算的末端执行器位移移动被计算成禁止所述第一连杆相对于所述基底移动。
32.根据权利要求29所述的机器人方法，其中所述接头的计算的重新配置移动被计算成使得该第一连杆的移动在所述重新配置命令的时段上提供基本恒定的速度。
33.根据权利要求30所述的机器人方法，其中所述重新配置命令被输入到所述用户输入界面的患者侧推车中，并且所述操纵命令被输入到所述用户界面的外科医生控制台中。
34.根据权利要求30所述的机器人方法，其中所述重新配置命令被输入到所述用户输入界面的外科医生控制台中，并且所述操纵命令被输入到所述外科医生控制台中。
35.根据权利要求30所述的机器人方法，其中所述重新配置命令被输入到所述用户输入界面的患者侧推车中并且所述操纵命令被输入到所述患者侧推车中。
36.根据权利要求29所述的机器人方法，其中所述近侧部分被附接到所述基底，使得在所述连杆的移动期间禁止所述近侧部分相对于所述基底移动。
37.根据权利要求29所述的机器人方法，其中将所述近侧部分联接到所述基底的接头是回转接头，其支撑所述操纵器臂的所述连杆，使得所述回转接头的移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述操纵器臂的一个或更多个连杆，其中所述枢转轴线从所述回转接头朝向所述远程中心延伸。
38.根据权利要求37所述的机器人方法，所述回转接头的接头移动绕所述远程中心枢转所述操纵器臂的一个或更多个连杆。
39.根据权利要求29所述的机器人方法，其中将所述近侧部分联接到所述基底的所述接头相对于所述基底沿是弧形或基本圆形的路径是可移动的，使得所述接头沿所述路径的移动绕朝向所述远程中心延伸的轴线枢转所述操纵器臂的一个或更多个连杆。
40.—种机器人系统,其包括: 操纵器臂，其经配置用于相对于近侧基底以机器人方式移动远侧部分，所述操纵器臂具有在所述远侧部分和被联接到所述基底的近侧部分之间的多个接头，所述接头提供足够的自由度以允许针对所述远侧部分的给定状态具有一系列的接头状态； 输入装置，其用于接收重新配置命令以便以期望的重新配置移动来移动所述多个接头中的第一组接头；以及 处理器，其将所述输入装置联接到所述操纵器臂，所述处理器经配置响应所述重新配置命令计算所述多个接头的移动，使得所述第一组接头的命令的移动连同所述接头的计算的速度落入所述操纵器臂的雅可比行列式的零空间内，所述处理器经配置在所述第一组接头的所述命令的移动期间根据所计算的移动来驱动所述接头，从而在所述重新配置移动期间维持所述远侧部分的期望状态。
41.根据权利要求40所述的系统，其中所述第一组接头包括所述操纵器臂的一个或更多个接头。
42.根据权利要求40所述的机器人系统，其进一步包括: 输入装置，其用于接收操纵命令以便以期望的远侧部分移动来移动所述远侧部分， 其中所述处理器进一步经配置响应所述操纵命令计算所述接头的远侧部分位移移动，其中计算所述接头的所述远侧部分位移移动包括计算所述雅可比行列式的零垂直空间内的接头速度，所述零垂直空间与所述零空间正交，以及 其中所述处理器进一步经配置为根据所述接头的计算的远侧部分位移移动来驱动所述接头，以实现所述期望的远侧部分移动。
43.根据权利要求42所述的机器人系统，其中所述处理器经配置计算接头移动，使得在计算所述接头的所述远侧部分位移移动中所述第一组接头不被驱动。
44.根据权利要求42所述的机器人系统，其中所述处理器经配置计算接头移动，使得在计算所述接头的所述远侧部分位移移动中所述第一组接头不被驱动成实现所述接头的所述远侧部分位移移动。
45.根据权利要求40所述的机器人系统，其中所述处理器经配置计算接头移动，使得所述第一组接头中的第一接头的移动在所述重新配置命令的时段上提供所述第一接头的基本恒定的速度。
46.根据权利要求40所述的机器人系统，其中用于接收所述重新配置命令的所述输入装置被设置在所述操纵器臂的一部分上，使得使用所述输入装置输入命令驱动邻近的接头以便移动所述输入装置位于其上的所述操纵器臂的所述部分。
47.根据权利要求40所述的机器人系统，其中用于接收所述重新配置操纵命令的所述输入装置包括按钮群，其中所述按钮群包括多个按钮，每个按钮对应于所述多个接头中的不同接头。
48.根据权利要求40所述的机器人系统，其中用于接收所述重新配置操纵命令的所述输入装置包括控制杆，使得所述多个接头通过所述控制杆的移动是选择性地可驱动的。
49.根据权利要求42所述的机器人系统，其中所述用户界面包括外科医生控制台和患者侧推车，其中所述操纵输入端和所述重新配置输入端经配置使得两者都被设置在所述患者侧推车上、两者都被设置在所述外科医生控制台上或者所述操纵输入端被设置在所述外科医生控制台上而所述重新配置输入端被设置在所述患者侧推车上。
50.根据权利要求40所述的机器人系统，其中所述操纵器臂的近侧部分由来自所述第一组接头的第一接头联接到所述基底。
51.根据权利要求40所述的机器人系统，其中所述操纵器臂的近侧部分由所述多个接头中的一个接头联接到所述基底，使得在接头根据所计算的重新配置移动而被驱动的同时所述操纵器臂的所述近侧部分相对于所述基底可移动。
52.根据权利要求50所述的机器人系统，其中将所述近侧部分联接到所述基底的接头是回转接头，其支撑所述操纵器臂的所述接头，使得所述回转接头的接头移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述操纵器臂的一个或更多个接头，所述枢转轴线从所述回转接头延伸通过所述远侧部分。
53.根据权利要求52所述的机器人系统，其中所述回转接头的接头移动绕朝向所述远程中心定向的轴线枢转所述操纵器臂的一个或更多个接头。
54.根据权利要求51所述的机器人系统，其中将所述近侧部分联接到所述基底的接头相对于所述基底沿弧形或基本圆形可移动，使得该接头沿所述路径的移动绕通过所述远程中心延伸的轴线枢转所述操纵器臂的一个或更多个接头。
55.—种机器人系统,其包括: 操纵器臂，其用于相对于近侧基底以机器人方式移动远侧末端执行器，所述操纵器臂包括多个以运动学方式连接的连杆，所述连杆具有足够的自由度以允许针对所述末端执行器的给定状态在所述操纵器臂的雅可比行列式的零空间内移动； 输入装置，其用于接收重新配置命令以便以期望的重新配置移动来移动所述多个连杆中的至少一个连杆； 处理器，其将所述重新配置输入端联接到所述操纵器臂，所述处理器经配置响应所述重新配置命令计算所述多个连杆的移动，使得所述至少一个连杆的所述重新配置移动和所述连杆的计算的移动落入所述雅可比行列式的零空间内；以及 其中所述处理器经配置根据所述重新配置命令和所述计算的移动来驱动以运动学方式连接所述多个连杆以移动所述连杆的一个或更多个接头，以便维持所述末端执行器的期望状态。
56.根据权利要求55所述的机器人系统，其进一步包括: 输入端，其用于接收操纵命令以便以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器，所述输入端被设置在用户界面上， 其中所述处理器进一步经配置响应所述操纵命令来计算所述连杆的末端执行器位移移动，其中计算所述连杆的末端执行器位移移动包括计算在所述雅可比行列式的零垂直空间内的接头速度，所述零垂直空间与所述零空间正交，以及 其中所述处理器进一步经配置根据所述连杆的计算的末端执行器位移移动来驱动以运动学方式联接所述连杆的所述接头，以实现所述期望的末端执行器移动。
57.根据权利要求55所述的机器人系统，其中所述操纵器臂的第一连杆由接头连接到所述近侧基底，使得在所述连杆根据所述重新配置移动而移动的同时所述第一连杆相对于所述近侧基底可移动。
58.根据权利要求57所述的机器人系统，其中将所述第一连杆联接到所述基底的所述接头是回转接头，其支撑所述操纵器臂的所述接头，使得所述回转接头的接头移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述操纵器臂的一个或更多个连杆，所述枢转轴线从所述回转接头朝向所述末端执行器延伸。
59.—种外科手术机器人系统,其包括: 外科手术器械，其具有近侧末端、适于插入患者体内的远侧末端执行器以及在其间的具有插入轴线的中间部分； 操纵器臂，其经配置支撑所述器械的所述近侧末端，以便从所述患者体外枢转所述器械，其中所述操纵器臂和器械包括多个从动接头，所述接头提供足够的自由度以允许针对所述末端执行器的给定状态具有一系列的接头状态，其中所述操纵器的所述接头包括远程中心接头，其经配置将所述远侧部分的移动机械地约束成绕沿所述插入轴线且邻近微创切孔的远程中心枢转点枢转； 输入驱动器，其用于接收重新配置命令以便以期望的重新配置移动来移动所述多个接头中的第一组接头； 处理器，其将所述输入端联接到所述操纵器臂和器械，所述处理器经配置响应所述重新配置命令来计算所述接头的移动，使得所述接头的计算的速度在所述雅可比行列式的零空间内， 其中所述处理器进一步经配置根据所述重新配置命令和所计算的移动来驱动所述接头，以便维持所述中间部分处于所述枢转点。
60.根据权利要求59所述的机器人系统，其进一步包括: 输入端，其用于接收操纵命令以便以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器，所述输入端被设置在用户界面上并且与用于接收所述重新配置命令的所述输入装置分开， 其中所述处理器进一步经配置响应所述操纵命令来计算所述接头的末端执行器位移移动，其中计算所述接头的末端执行器位移移动包括计算所述雅可比行列式的零垂直空间内的接头速度，所述零垂直空间与所述零空间正交，以及 其中所述处理器进一步经配置根据所述接头所计算的末端执行器位移移动来驱动所述接头，以便实现所述期望的末端执行器移动并且维持所述中间部分处于所述枢转点。
61.根据权利要求60所述的机器人系统，其中所述处理器经配置计算接头移动，使得当计算所述接头的所述末端执行器位移移动时，所述第一组接头不被驱动。
62.根据权利要求59所述的机器人系统，其中所述处理器经配置计算接头移动，使得来自所述第一组接头的第一接头在所述重新配置命令的时段上提供所述第一接头的基本恒定的速度。
63.根据权利要求59所述的机器人系统，其中用于接收所述重新配置命令的所述输入装置被设置在所述操纵器臂的一部分上，使得通过使用所述输入装置输入命令驱动邻近的接头以便移动所述输入装置所处于的所述操纵器臂的所述部分。
64.根据权利要求59所述的机器人系统，用于接收所述重新配置操纵命令的所述输入装置包括按钮群，其中所述按钮群包括多个按钮，每个按钮对应于所述多个接头中的不同接头。
65.根据权利要求59所述的机器人系统，其中用于接收所述重新配置操纵命令的所述输入装置包括控制杆，使得所述多个接头通过所述控制杆的移动是选择性地可驱动的。
66.根据权利要求59所述的机器人系统，其中所述操纵器臂的近侧部分通过第一接头联接到所述基底。
67.根据权利要求66所述的机器人系统，其中所述第一接头是回转接头，其支撑所述操纵器臂的所述接头，使得所述回转接头的接头移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述操纵器臂的一个或更多个接头，所述枢转轴线从所述回转接头通过所述远程中心延伸。
68.—种外科手术机器人系统,其包括: 外科手术器械，其具有近侧末端、适于插入患者体内的远侧末端执行器以及在其间的沿着插入轴线延伸的中间部分； 操纵器臂，其经配置支撑所述器械的所述近侧末端，以便从所述患者体外移动所述器械使得所述中间部分绕远程中心枢转，其中所述操纵器臂包括多个以运动学方式连接的连杆，一些所述连杆包括通过远程中心接头联接在一起的远程中心连杆，其经配置将所述插入轴线的移动机械地约束成绕横于通过所述远程中心延伸的所述插入轴线的第一远程中心轴线和第二远程中心轴线旋转； 输入端，其用于接收重新配置命令以便以期望的重新配置移动来移动所述多个连杆中的至少一个连杆，所述输入端与所述操纵器臂联接，使得响应所述命令根据所述期望的移动来驱动所述操纵器的第一组接头，并且所述第一组接头的驱动绕第一组接头的轴线枢转地移动所述插入轴线，所述第一组接头的轴线横于通过所述远程中心的所述插入轴线，所述第一组接头的轴线从所述第一远程中心轴线和所述第二远程中心轴线成角度地偏移。
69.根据权利要求68所述的机器人系统，其进一步包括: 处理器，其将所述输入端联接到所述操纵器臂，其中所述处理器经配置响应重新配置命令来计算所述操纵器臂的雅可比行列式的零空间内的所述连杆的重新配置移动。
70.根据权利要求69所述的机器人系统，其进一步包括: 输入端，其用于接收操纵命令以便以期望的末端执行器移动来移动所述末端执行器，所述输入端被设置在所述用户界面上并且与用于接收所述重新配置命令的所述输入端分开， 其中所述处理器进一步经配置响应所述操纵命令来计算所述连杆的末端执行器位移移动，其中计算所述连杆的末端执行器位移移动包括计算所述雅可比行列式的零垂直空间内的所述接头的速度，所述零垂直空间与所述零空间正交，并且其中所述控制器进一步经配置通过驱动以运动学方式联接所述连杆的一个或更多个接头来根据所计算的末端执行器位移移动而移动所述连杆，以实现所述期望的末端执行器移动。
71.根据权利要求69所述的机器人系统，其中所述用户界面包括外科医生控制台和患者侧推车，所述操纵输入端被设置在所述外科医生控制台上，而所述重新配置输入端被设置在所述患者侧推车上。
72.根据权利要求69所述的机器人系统，其中所述用户界面包括外科医生控制台和患者侧推车，所述操纵输入端被设置在所述外科医生控制台上，而所述重新配置输入端被设置在所述外科医生控制台上。
73.根据权利要求69所述的机器人系统，其中所述用户界面包括外科医生控制台和患者侧推车，所述操纵输入端被设置在所述患者侧推车上，而所述重新配置输入端被设置在所述患者侧推车上。
74.根据权利要求68所述的机器人系统，其中所述操纵器臂的近侧部分通过接头联接到所述基底，使得当所述连杆根据所述重新配置移动而移动时所述操纵器臂的所述近侧部分相对于所述基底可移动。
75.根据权利要求74所述的机器人系统，其中将所述近侧部分联接到所述基底的所述接头是回转接头，其支撑所述操纵器臂的所述连杆，使得所述回转接头的接头移动绕所述回转接头的枢转轴线枢转所述操纵器臂的一个或更多个连杆，所述枢转轴线从所述回转接头朝向所述远程中心延伸。
【文档编号】B25J17/00GK104334109SQ201380027604
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2012年6月1日
【发明者】A·M·乌尔塔斯, P·W·莫尔, P·海英维, P·米尔曼, B·M·斯凯纳, R·L·迪万根佐, S·卢克 申请人:直观外科手术操作公司