专利名称：遥控微创手术器械的主导件对齐性的渐进的制作方法
技术领域：
本发明的方面涉及遥控微创手术系统，并且尤其涉及控制遥控微创手术系统中的主导和从属手术器械尖端的取向。
背景技术：
由位于加利福尼亚州 Sunnyvale Whtuitive surgical. Inc.制造的 da Vinci 手术系统，是微仓ij、遥控的机器人系统，其为病患提供很多益处，例如减小身体外伤、更快恢复及更短的住院时间。da Vinci 手术系统的一个部件是外科医生用于操纵手术器械(称为从属手术器械)的主导工具操纵器。主导工具操纵器的主导把手经特别设计用于人机(ergonomic)和直观双重控制从属手术器械。外科医生使用他/她的食指和大拇指以特殊方式握住主导把手，以便瞄准和抓取动作包含直观指向和捏取动作。为了能够直观控制从属手术器械，在立体观察仪的视见参考系(view reference frame)中主导把手必须在取向上与从属手术器械尖端对齐。从属手术器械尖端的动作通过遥控操作来跟随主导件的动作并且两者在动作方向和绝对取向上均是一致的。若未实现取向对齐，则从属手术器械尖端会仍然沿理想方向旋转，但是从属手术器械尖端既不指向外科医生指出的相同的绝对方向，也不沿着外科医生指出的相同轴线滚动。主导工具操纵器使用在万向节组件(gimbal assembly)中的马达，来在观察坐标系中主动对齐主导把手的取向轴线和相关从属手术器械尖端。在外科医生进行遥控手术之前自动进行该对齐。此外，在摄像机或器械外部轴线(instrument outer axes)的操纵期间系统自动保留该对齐。具体地，当开始da Vinci 手术系统的跟随操作时，在da Vinci 手术系统恰当地进行跟随操作之前，主导把手必须与从属手术器械尖端的取向对齐。只要系统从已危及了取向对齐的模式转变(在工具改变、摄像机啮合(clutch)、从属件啮合、在第四臂系统中的臂交换等之后)，则本系统就执行主导件对齐。主导件对齐计算在不改变主导把手位置的情况下导致主导把手的取向匹配从属手术器械尖端取向的一组主导腕部接头角。然后使用马达来命令主导腕部接头匹配计算的角。da Vinci 手术系统在允许用户进行跟随操作之前检查主导件取向和从属件取向的匹配。若取向不匹配(可能因为用户过驱了主导件且不允许主导件实现对齐)，则显示警告消息且再次尝试主导件对齐。这经常减缓外科医生进入跟随操作并且需要在万向节组件中带有马达的机动主导工具操作器来将主导腕部接头移动至适当取向。
发明内容
微创手术系统包括具有从属手术器械尖端的从属手术器械和主导把手。主导把手通过遥控伺服控制系统耦合至从属手术器械尖端。在一方面，随着移动主导把手，遥控伺服控制系统内的渐进系统无缝地且连续地改进主导把手在公共参考坐标系中相对于从属手术器械尖端的对齐性/定位(alignment)。渐进系统导致在主导把手和从属手术器械尖端之间的直观对齐。同样地，渐进系统提供了在外科医生正在进行的事情即操作主导把手和外科医生在外科医生的控制台上所看到的事物即显示器中从属手术器械尖端的移动之间的直接关联。这可以在不存在与进入跟随操作之前的常规机动对齐有关的延迟的情况下被实现。同样地，在一方面，渐进系统消除了对机动主导把手的需求且允许使用低花费并容易获得的部件作为主导把手。在一方面，在公共坐标参考系中从属手术器械尖端和主导把手具有Cartesian位置分量和取向分量。渐进系统能够针对所有分量、分量子集(例如取向分量或Cartesian 分量)或对于特定分量集合以分量形式实现对齐。在遥控伺服控制系统内的渐进系统(i)耦合到主导把手从而接收在公共坐标系内主导把手的对齐性，以及(ii)耦合到从属手术器械。随着主导把手运动，渐进系统通过连续减小在公共坐标系中的对齐误差来控制从属件的动作。这可以在不存在从属手术器械尖端的自主动作且不存在主导把手的自主动作的情况下被完成。在一方面，在公共坐标系中的对齐误差是取向误差。取向误差包含角。在一方面， 这个角是角θ e，被定义为θ e = C0s-1EO. 5*(Rm1+Ra22+Ra33-1)]，其中，Rm1、R,22、Rm3是相对旋转矩阵1^的对角元素。在另一方面，该角度是在一组Euler角中的一个Euler角。在另一方面，渐进系统包括引入控制循环误差控制器，其在公共参考系中从属手术器械尖端和主导把手的对齐性中引入控制系统误差。例如，基于从属手术器械尖端和主导把手之间在公共参考系中的失调(misalignment)量，调整从属手术器械的角速度。在另一方面，渐进系统包括滚动接头限制控制器，其用于判断从属手术器械的动作是否达到接头限制(joint limit)且在达到接头限制时约束从属手术器械尖端的动作。在另一个方面， 渐进系统包括多个取向解，最佳取向控制器从多个取向解中选择最接近主导把手取向的一个解。使用以上微创手术系统的方法包括，使用微创手术系统中主导把手的动作来控制在微创手术系统中从属手术器械尖端的动作。该方法中，微创手术系统中的渐进系统接收公共参考系中的从属手术器械尖端的对齐性和主导把手的对齐性。随着主导把手移动，渐进系统通过连续减小对齐性之间的对齐误差来将从属手术器械尖端的对齐性渐进到主导把手的对齐性，而不存在从属手术器械尖端的自主动作且不存在主导把手的自主动作。在一方面，渐进包括在不考虑公共参考系中的对齐性的情况下在微创手术系统的开始跟随时，以同样的相关方式来移动从属手术器械尖端和主导把手。渐进也包括当主导把手的动作减小了在公共参考系中的对齐误差时，通过使用新对齐误差来排出在公共参考系中的所述对齐误差，且当主导把手的动作不减小对齐误差时通过使用在公共参考系中的当前对齐误差来排出在公共参考系中的所述对齐误差，因此连续地减小在公共参考系中的对齐性之间的对齐误差。渐进系统也使用新对齐误差来生成从属手术器械的新对齐性，且基于该新对齐性向从属手术器械发送命令。
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在另一方面，渐进系统在从属手术器械的对齐性和主导把手的对齐性之间引入了控制误差。控制误差的引入进一步包括基于所述当前对齐误差来调整从属手术器械尖端的被命令角速度。
图1是包括带有渐进系统的遥控伺服控制系统的微创手术机器人的图解视图。图2A是用于图1中微创手术机器人的图1中外科医生控制台的部分图解视图。图2B示出主导把手和从属把手的取向以及两个取向间的旋转角误差θ eD图2C示出主导把手和从属把手之间的取向并且取向误差已被分解为一组Euler角。图3A是用于渐进系统的流程图。图;3B是包括用于实现渐进系统的模块的控制系统的方块图。图4A是用于图3A中渐进对齐过程的一方面的流程图。图4B是包括用于实现渐进对齐过程的模块的控制系统的方块图。图5A是图3A渐进对齐过程的另一方面的流程图。图5B示出角速度调整分布。图6A是渐进系统的另一方面的流程图。图6B是包括用于实现图6A中渐进系统的模块的控制系统的方块图。图7示出了用于从属手术器械尖端的滚动接头限制的极端情况处理。在附图中，附图编号中的第一个数字表明带有该附图编号的元件第一次出现的图。
具体实施例方式本发明的各方面使用包含至少一个主导把手的非机动主导工具操纵器来代替了机动的主导工具操纵器，例如加利福尼亚州Sunnyvale的htuitive Surgical, Inc.的da Vinci 手术机器人系统所用的主导工具操纵器。在微创手术系统100中，在控制台114处外科医生在大拇指和食指之间抓握主导把手(未示出)以便瞄准和抓取动作包含直观指向和捏动作。通过控制系统150来使用主导把手的动作，如以下更完整所示，从而移动从属手术器械112的端部执行器。当外科医生开始移动主导把手时致动控制系统150的遥控伺服控制系统160内的渐进系统130，这不同于常规系统，所述常规系统需要外科医生等待，直到在公共参考系中的主导把手和从属手术器械端部执行器被对齐定位，从而可进入跟随操作。不考虑在公共参考系中主导把手和从属手术器械112的端部执行器之间的对齐性，遥控伺服控制系统 160进入主导把手和有时称为从属手术器械尖端的手术器械端部执行器之间的跟随操作， 且致动渐进系统130。随着移动主导把手，渐进系统130无缝地且连续地改进主导把手在公共参考系中相对于从属手术器械尖端的对齐性。渐进系统130使得从属手术器械尖端的运动渐进/渐进(ratchet)从而连续地且无缝地减小在从属手术器械尖端和主导把手之间在公共参考系中的任何对齐误差。渐进系统130实现对齐，而不存在主导把手或从属手术器械尖端的自主动作。渐进系统130导致主导把手和从属手术器械尖端之间的直观对齐，如同外科医生所看到的。同样地，渐进系统130提供了在外科医生正在进行的事情、操作主导把手以及外科医生在外科医生控制台上所看到的事情、在显示器中从属手术器械尖端的运动之间的直接关联。这可以在不存在与进入跟随操作之前的常规机动对齐有关的延迟的情况下被实现。同样地，渐进系统130消除了对机动主导把手的需求且允许使用低花费且容易获得的部件作为主导把手。控制台114(图1和图2A)包括主显示器，其至少显示病患111的手术部位103的立体图像210(图2A)。立体图像210通常包括手术部位103的图像203、手术器械112的一部分的图像212以及从属手术器械112的尖端的图像212T。控制台114也包括一个或更多个脚踏开关(未示出)。控制台114(图1)连接到控制系统150，该控制系统150进而连接到推车110，该推车110支撑包括机器臂113的多个机器臂。机器臂113握住且定位从属手术器械112。 虽然在图1中未示出，不过由另一个机器臂握住的内窥镜通常用于提供图像210。在整个手术过程中外科医生舒适地就坐并且观察控制台114上的主显示器。外科医生通过至少操纵主导把手230(图2A)来执行医疗过程(medical procedure)。响应来自主导把手230的主导件对齐性信息132，控制系统150(图1)中的遥控伺服控制系统160 导致相应的机器臂113使用从属件命令135来定位从属手术器械112。通常，控制台114包含至少两个主导把手且每个主导把手控制不同的机器臂和附属手术器械。在此考虑单个主导把手230。鉴于本说明，可以针对任意所需数量的主导把手来实现渐进系统130。主显示器置于靠近外科医生手的控制台114(图1)上，以便在主显示器中可看到的图像210(图2A)被定向成使得外科医生感觉她或他实际上直接俯视手术部位103。由于外科医生会期望工具112是基于他/她的手的位置，所以工具112的图像212看起来像是大体置于外科医生的手被大体放置且取向的地方。然而，当查看图像210时外科医生不能看见主导把手230的位置或取向。将来自内窥镜的实时图像投影到透视图像210中，以便外科医生能通过关联的主导把手230来操纵工具112的手术器械端部执行器，就好像是以大体真实的现场感来观看工作空间。通过真实的现场感，意味着图像的显示是模拟物理操纵手术器械的操作者的视角的真实透视图像。因此，控制系统150将手术器械112的坐标变换为感知位置(perceived position)，以便透视图像为，就像是内窥镜在开放性手术过程(an open cavity procedure)期间从外科医生的眼睛高度直接观察手术工具112时外科医生可看见的图像。控制系统150在系统100中执行各种功能。控制系统150接收来自内窥镜的图像且生成外科医生观看的立体图像。以常规方式，控制系统150将相对于内窥镜尖端的从属件对齐性和相对于外科医生的主导件对齐性映射到公共参考系中，公共参考系有时称为公共参照系，其被渐进系统130使用。例如参见，于2002年7月23授权于Niemeyer等人的 ^H^^ljNO. 6, 424, 885,1 "Camera Referenced Control in a Minimally-invasive Surgical Apparatus”，在此通过参考完整地合并在内。控制系统150使用遥控伺服控制系统160来通过控制命令135将主导把手230的机械动作转变且转换到相关联的机器臂113，以便外科医生能有效操纵从属手术器械112。 当与同样包含于控制系统150中的渐进系统130结合考虑时，由遥控伺服控制系统160执行的功能等同于常规功能。除其它因素之外，单次使用的手术工具的数目和因而系统100中使用的机器臂的数目通常取决于要执行的医疗手术过程和手术室内的空间约束。若必须改变手术过程中正使用的一个或更多个工具，则助手会从其机器臂上移除不再使用的工具，且用来自于手术室中托盘的另一个工具来替换该工具。虽然描述了控制系统150，但是应当理解，可通过硬件、在处理器中执行的软件以及固件的任意组合在实践中实现控制系统150。同样地，可由一个单元执行在此描述的它的功能，或将它的功能分割到不同部件中，且其中任一部件进而可以通过硬件、在处理器中执行的软件以及固件的任意组合而被实现。当被分割到不同部件中时，所述部件可以集中在一个位置或被分布成遍布系统100以用于分布式处理。当系统100中只有两个主导把手时，且当外科医生想控制与被耦合到这两个主导把手的两个从属手术器械不同的从属手术器械的运动时，外科医生可以在适当位置锁定这两个主导把手或其中之一。然后外科医生将这两个主导把手或其中之一关联到由其它机器臂握住的其它从属手术器械，并且渐进系统130相对于那些器械是有效的。主导把手230提供被映射到公共参考系中的对齐性，但其是不机动的或至少不包括机动腕部。然而，以下更完整说明的主导把手230的特征能够用于包括机动腕部的主导把手。如在此所用，机动腕部意味着包括至少一个马达来控制腕部定位的腕部。能够使用马达来补偿重力和摩擦并且提供动作力反馈的范围，但同时关闭任意机动对齐能力。主导把手230包括通常由外科医生抓持在大拇指和食指之间的两个杆231、232。 随着外科医生移动主导把手230，一方面，在公共参考系中主导把手对齐性132被提供给渐进系统130(例如，图2B所示)。在该方面，从属手术器械尖端212T具有从属件对齐性，且渐进系统130也接收被映射到公共参考系中的该从属件对齐性。由渐进系统130使用的这两个对齐性处于公共参考系中。因此，由渐进系统130来执行方法300的一个方面(图3A)。在该方面，渐进系统 130包括渐进系统模块370 (图:3B)，该模块370进而包括接收对齐性模块371和渐进对齐模块372。与接收取向模块371相关联的接收主导件和从属件新对齐性的操作310，接收公共参考系中的主导把手对齐性和从属手术器械尖端对齐性。渐进系统130在跟随检查操作 320中等待直到启动跟随。跟随检查操作320不应该被解释为需要连续查询(continuous polling)，而是应该被简单地解释为相对于公共参考系中的对齐性什么都不做直到启动跟随。检查操作320仅用于说明且不应被视为限制。用于确定是否启动跟随的具体技术可以基于中断、事件、具体标识或位改变状态等等。当实现了主导把手230和从属手术器械尖端212T之间的跟随时，与渐进对齐模块 372相关联的渐进对齐过程330生成命令，其导致以移动主导把手230相同的相对方式来移动从属手术器械尖端212T，而不考虑主导把手230和从属手术器械尖端212T之间在公共参考系中的任何对齐误差。
为方便起见，应当注意，从属手术器械尖端212T用于该说明中，因为外科医生正看到它运动。该图像的运动直接与从属手术器械尖端本身的运动对应。本领域技术人员理解，如此处描述的，图像的运动是通过机器臂响应来自控制系统150的命令而导致的从属手术器械尖端自身运动的直接结果。随着主导把手230和从属手术器械尖端212T均运动，渐进对齐过程330排出/放掉(bleed off)在主导把手230和从属手术器械尖端212T之间在公共参考系中的任何对齐误差。例如，当外科医生以减小对齐误差的方式移动主导把手230时，渐进对齐过程330 在跟随操作期间使用在主导把手230和从属手术器械尖端212T之间的减小的对齐误差。相反地，当外科医生以增加对齐误差的方式移动主导把手230时，渐进对齐过程330在跟随操作期间使用当前对齐误差而不使用在主导把手230和从属手术器械尖端212T之间的增加的对齐误差。因此，渐进对齐过程330无缝地且连续地改进主导把手230相对于从属手术器械尖端212T的绝对对齐性。渐进对齐过程330实现绝对对齐性的连续改进，而不导致主导把手230或从属手术器械尖端212T的自主动作。渐进系统130能够渐进公共参考系中的对齐误差，其可以为位置误差或取向误差。在以下的示例中，考虑的是对于公共参考系中取向误差的渐进。然而，取向误差示例仅为说明性的且不意在限制于描述的特定方面内。鉴于本公开，本领域技术人员可应用同样原则来渐进位置误差。在以下示例中，随着外科医生移动主导把手230，在一方面，公共参考系中的主导把手取向235被提供到渐进系统130。在该方面，从属手术器械尖端212T具有在公共参考系中的从属件取向225，其等同于从属手术器械尖端自身的取向。渐进系统130也接收这个在公共参考系中的从属件取向。在该方面，主导把手230的ζ轴线在滚动轴线上且背离于手的方向指向。在从属件上的相应ζ轴线是，例如，沿着钳手的中心线且示出钳手指向何处。在一方面，通过主导把手旋转矩阵Rm在遥控伺服控制系统160中定义主导把手 230在公共参考系中的取向235，在该示例中Rm为三乘三矩阵。类似地，通过从属手术器械尖端旋转矩阵Rs在遥控伺服控制系统160中定义从属手术器械尖端212T在公共参考系中的取向225，Rs在该示例中也为三乘三矩阵。主导把手旋转矩阵Rm和从属手术器械尖端旋转矩阵Rs为正交旋转矩阵。借助取向235和225的这些矩阵表示，在公共参考系中的取向误差为相对旋转矩阵R,。相对旋转矩阵定义为R. = R>Rm(1)其中矩阵RST是从属手术器械尖端旋转矩阵艮的转置。它从矩阵RST和矩阵Rm的定义得出，借助定义(1)中相对旋转矩阵是三乘三矩阵
^AllRii =Ra22 RA23
、卩厶31 ^·Δ32 卩厶33)当在公共参考系中对齐主导把手230的取向235和从属手术器械尖端212T的取向225时，相对旋转矩阵R,是单位矩阵，即，对角元素RM1、R,22、R,33值为一且其它元素值为零。借助主导把手旋转矩阵Rm、从属手术器械尖端旋转矩阵民和相对旋转矩阵的这些定义，在公共参考系中随后的主导把手取向通过下述定义被映射到对应的从属件取向命令Rs = Rm*R.T(2)其中，矩阵Rat是相对旋转矩阵的转置。如上所述，借助当前相对旋转矩阵Rfent和新相对旋转矩阵R,_new，需要做出在映射到对应的从属件取向命令时使用这两个相对旋转矩阵中的哪一个的判定。当
< Recurrent时使用新相对矩阵L-Mw。然而，已经了解，能够使用纯量(scalar quantity)来判断使用哪一个相对旋转矩阵。因此，不需要用于比较多维矩阵的技术来判断何时新相对旋转矩阵小于当前相对
旋转矩阵L -current°如图2B所示，公共参考系中，主导把手230的取向235和从属手术器械尖端212T 的取向225之间的取向误差，由纯量旋转角误差θε表示。旋转角误差θ。是从属手术器械尖端取向225为了与主导把手取向235 —致而必须旋转通过的角度，且因而代表失调性。旋转角误差θ e定义为θ e = cos—1
(3)回到如上所述，当对齐主导把手取向235和从属手术器械尖端取向225时，对角元素Rm1、R,22、Rm3值为一。因此，当对齐这两个取向时，旋转角误差为零。在该方面，渐进系统130的渐进对齐过程330被实现为与渐进系统模块470相关联的渐进取向过程330Α(图4Α)。渐进系统模块470包括接收取向性模块471和渐进取向模块472(图4Β)。当开始跟随操作时，与取向误差生成模块481相关联的生成新取向误差过程410， 获取主导把手旋转矩阵Rm和从属手术器械尖端旋转矩阵Rs。接着，过程410使用主导把手旋转矩阵Rm和从属手术器械尖端旋转矩阵民，从而基于以上定义(1)来生成新相对旋转矩阵R,_Not。在此，从属手术器械尖端旋转矩阵Rs是从属手术器械尖端212T的当前取向且被存储，例如，被存储在存储器404中的从属件取向性单元131中(图4B)，而主导把手旋转矩阵Rm是主导把手230的新取向。新相对旋转矩阵的对角元素用于以上定义(3)中从而生成新旋转角误差θε_Νεψ。在新旋转角误差 θ e_New生成后，过程410转换到与取向误差比较器模块482(图4B)相关联的取向误差减小检查操作420。取向误差减小检查操作420确定新旋转角误差θ Δ_Ν 是否小于当前旋转角误差 θ ，例如，检查操作420被实现为比较器。若新旋转角误差θ ^w等于或大于当前旋转角误差θ e_eurrent，则检查操作420行进到设定取向操作440。相反地，若新旋转角误差ee_New 小于当前旋转角误差θ e_toMt，则检查行进到设定取向操作430。两套取向操作430、440的使用仅为了便于说明且不意为限制。例如在旋转角误差 θ e减小的情况下可以仅使用一套取向操作。同样地，应当注意，在第一次进行渐进取向过程330A时，检查操作420可以简单地行进到设定取向误差操作430。可替换地，在初始化期间，当前旋转角误差θ e_current能够被设定为较大值，以便在第一次进行时新旋转角误差θε_Νεψ总是小于当前旋转角误差9e_toMt。只要不进入自主动作，则用于处理第一次进行过程330A时的具体方面就不是关键性的。设定取向误差操作440有效地作为无操作(no-op)，因为当前旋转角误差θ e_Current 和当前相对旋转矩阵R^torait分别被保持作为当前旋转角误差和当前相对旋转矩阵。因此， 操作440能够被移除且处理过程简单地从检查操作420直接转换到生成新从属件取向450。与比较器模块482相关联的设定取向误差操作430，将当前旋转角误差θ e_Current 设定为新旋转角误差Θ『Ν 。操作430也将当前相对旋转矩阵R^torent设定为新相对旋转矩阵且之后转移至生成新从属件取向操作450。与从属件生成取向模块483相关联的生成新从属件取向450，首先生成当前相对旋转矩阵R^currait的转置矩阵R/。接着，根据以上定义( 通过结合转置矩阵R/和主导把手旋转矩阵Rm来获得新从属件取向矩阵民。因此，操作450将主导件取向转换为从属件取向。生成新从属件取向450将处理过程转换到与从属件命令生成模块484相关联的发送从属件取向命令操作460。使用新从属件取向Rs，操作460通过从属件输入/输出(I/O) 模块403发送命令，其导致从属手术器械尖端212T运动。该运动取决于过程300A的当前迭代中所使用的相对旋转矩阵L。在过程330A中，当外科医生以减小主导把手230和从属手术器械尖端212T之间在公共参考系中的对齐误差的方式(例如，减小旋转角误差θ e)来移动主导把手230时，渐进对齐过程330A(图4A)在跟随操作中使用在主导把手230和从属手术器械尖端212T之间的减小的对齐误差。相反地，当外科医生以增大主导把手230和从属手术器械尖端212T 之间在公共参考系中的对齐误差的方式来移动主导把手230时，渐进对齐过程330A在跟随操作中使用当前对齐误差，而不使用在主导把手230和从属手术器械尖端212T之间的增大的对齐误差。因此，渐进对齐过程330A无缝地且连续地改进主导把手230相对于从属手术器械尖端212T的绝对误差。渐进对齐过程330A实现了绝对对齐的连续改进，而不存在主导把手230或从属手术器械尖端212T的自主动作。若主导把手230和从属手术器械尖端被刚性连接，则相对旋转矩阵为恒量。实际上，主导把手230和从属手术器械尖端并不是刚性连接，而是通过遥控伺服控制系统160 耦合。不论何时主导把手230和从属手术器械尖端在运动，总是存在少量的控制误差。使用过程330A以及主导把手230和从手术器尖端212T之间获得的对齐性，能吸收该控制误差。然而，该方法高度依赖于伺服控制循环的刚性。在带有刚性伺服控制循环的遥控微创手术系统的正常情况下，增量的改进可能过小且因此花费长时间来达到令人满意的对齐。即使在这样的系统中，仍使用渐进系统130，不过引入控制系统误差控制器560(图5A) 在公共参考系中在主导把手取向235和从属手术器械尖端取向225之间引入微妙控制误差，而不导致从属手术器械尖端的自主动作。通过引入控制系统误差控制器560来引入这种微妙控制误差的技术，包括但不被限制于1.基于旋转角误差θ ε的量来调整从属件角速度。通过基于旋转角误差θε来人为减慢从属件的动作来引入控制误差。2.当旋转角误差θ e大于容许阈值时，将人为接头限制强加于从属手术器械尖端旋转矩阵Rs的动作上。这导致不论何时从属件达到人为接头限制时在主导件和从属件之间的控制误差。随着对齐的改进，从属件的动作的容许范围能够被逐渐加宽到从属件动作的整个范围(full range) 03.低通过滤感测的主导把手旋转矩阵Rm。这允许控制误差被引起且吸收主导把手 230的快速且/或不连续动作。低通过滤器截止(cutoff)可以是旋转角误差9。的函数， 以便随着旋转角误差θe减小而改进响应性。4.低通过滤被命令的从属手术器械尖端旋转矩阵民。这引入在主导把手230和从属手术器械尖端212T之间的控制误差，其能够吸收从属手术器械尖端212T的快速且/或不连续的取向命令。低通过滤器截止可以是旋转角误差θ 6的函数，以便随着旋转角误差 θ e减小而改进响应性。图5A示出渐进系统130中渐进取向过程330B的另一个实施方式。渐进取向过程 330B使用以上技术之一或另一个等同技术，从而经由引入控制系统误差过程510，在公共参考系中引入在从属手术器械尖端的取向和主导把手的取向之间的控制系统误差。其它过程410、420、430、440、450A和460A与以上参考图4A描述的对应过程相似，并且因此不在此
重复描述。在该示例中，在过程410中生成新旋转角误差θ e_New后，在控制器560中的引入控制系统误差操作510引入控制系统误差。过程330B的该位置仅为说明性的且不意为被限制到过程330B的该具体位置。当选择具体技术来引入控制系统误差时，引入控制系统误差操作510能够被置于过程330B内的适当位置。同样地，在该示例中引入控制系统误差模块被包括在渐进取向模块472内(图4B)。在一方面，通过基于当前旋转角误差θ e_current人为调节从属手术器械尖端的被命令角速度，操作510引入控制误差。许多不同的技术能够被用于调整(penalize)被命令角速度。在操作510的一方面，结合角速度调整分布(penalty profile)使用当前旋转角误差0 du mt，从而生成用于调整从属手术器械尖端的被命令角速度的角速度比例系数。 在该方面，角速度比例系数在代表不可接受的旋转角误差的零和代表零旋转角误差的一之间变化。可以使用随着旋转角误差θ e变化而在零和一之间平缓变化的角速度调整分布来调整角速度。更普遍地，只要分布不引入自主动作且不产生从属件尖端的意外运动，就可使用任何连续且单调的角速度调整分布。如在此所用，连续的意味着在分布中的任意点处存在分布的一阶导数(the first derivative)。在一方面，基于外科医生的经验来选择角速度调整分布。在另一方面，单个角速度调整分布供所有外科医生使用。在又一方面，角速度调整分布是外科医生专用的。适于使用的一个角速度调整分布是S型曲线。图5B描述了一种角速度调整分布 500，其为具有两个明确拐点(分别为和θ )的S型曲线。在该示例中，第一个拐点θ el位于30度且第二个拐点θ e2位于90度。角eeQ为权重为一时的角，该权重更具体地被称为角速度比例系数，而角θ 是权重变为零时的角且对于任何更大的失调均保持为零。选择与拐点θ 相关联的失调角来代表用户失调公差，而选择与拐点相关联的失调角来代表最大可用失调角，以便大于拐点θ &的角被认为是不可用的对齐。只要旋转角误差06大于拐点θ ，则从属手术器械尖端的被命令角速度被换算成趋向于零，其导致从属手术器械尖端的微小动作或无动作。随着操作者朝着从属手术器械尖端212Τ旋转主导把手230，这允许容易地更新相对旋转矩阵R,。随着旋转角误差θ e向拐点θ 61减小，被命令角速度逐渐增加，从而允许从属手术器械尖端更易做出响应动作且同时仍能引起足够的控制误差来进一步改进相对旋转矩阵 R.o 一旦旋转角误差96小于拐点θ el，外科医生观察到从属手术器械尖端212Τ很好地与主导把手230对齐。因此，允许从属手术器械尖端212T的角运动更易响应主导把手230的动作。继续作出额外的小对齐矫正，直至相对旋转矩阵变为单位矩阵且旋转角误差
变为零。相对于人为接头限制，从属件运动的人为接头限制被定义为在公共参考系中的对齐误差的函数，例如，作为旋转角误差9^的函数。当对齐误差较大时，例如，大于九十度， 则将人为接头限制强加于从属手术器械尖端212T的动作，以至于允许器械尖端212T关于器械尖端212T的当前位置仅做出小的动作。随着主导把手230朝着从属手术器械尖端212T运动，从属手术器械尖端212T沿相同的相对方向运动直至遇到人为接头限制。当遇到人为接头限制时，从属手术器械尖端 212T保持固定在人为接头限制处的位置上。这允许渐进系统130随着主导把手230继续沿从属手术器械尖端212T的方向运动而急剧地减小对齐误差。在一方面，随着对齐误差减小，人为接头限制逐渐变宽。这使对齐过程更加无缝且连续。例如，若感测的主导把手旋转矩阵Rm的低通过滤被用于引入控制系统误差，则主导把手旋转矩阵Rm在较低的频率上改变。例如，人们能够在高达大约20Hz的频率上做出受控动作。主导件取向能够被急剧地过滤，例如，向下过滤到一至五赫兹，从而当对齐粗劣时使取向改变更加迟钝。同样，单调调整分布可以用于作为当前取向误差的函数在零赫兹和二十赫兹之间运动。相反地，例如，若被命令从属手术器械尖端旋转矩阵Ιζ的低通过滤被用于引入控制系统误差，则从属手术器械尖端旋转矩阵民在较低的频率上改变。鉴于这些示例，本领域技术人员能够选择合适的低通过滤器以便渐进无缝地且连续地改进主导把手230相对于从属手术器械尖端212Τ的绝对对齐。渐进对齐过程330Β实现了绝对对齐的连续改进， 且同时不存在主导把手230或从属手术器械尖端212Τ的自主动作。在另一方面，由渐进系统130执行方法600(图6Α)。在该方面，渐进系统130包括渐进系统模块470A(图6B)。渐进系统模块470A包括接收取向性模块471A和渐进取向模块672。如以下更完整解释，与渐进取向模块672相关联的渐进取向过程330C(图6A)，基于旋转角误差θ e的幅度来调整从属件角速度；包括滚动接头限制控制器；并且确定外科医生如何握住主导把手230，例如，正面朝上还是面向下的。与接收取向模块471A相关联的接收主导件和从属件新取向操作310A，接收主导把手取向235和从属手术器械尖端取向225。操作310A转移到检查操作320A。
13
系统跟随检查操作320A确定是否启动系统跟随。若系统跟随还未被启动，则保存主导件取向操作610将接收到的主导件取向保存在存储器404A的原主导件取向存储位置 632中且处理过程从渐进系统返回。因此，渐进系统保持主导把手230在公共参考系中的最近取向(the most recent orientation),直至启动足艮随。当启动系统跟随时，检查操作320A转移到生成新取向误差矩阵操作615，其与渐进取向模块672中的取向误差生成模块481A(图6B)相关联。操作610使用主导把手旋转矩阵Rm和从属手术器械尖端旋转矩阵民来基于上述定义(1)生成新相对旋转矩阵LiW。 在此，从属手术器械尖端旋转矩阵民是从属手术器械尖端212T在公共参考系中的当前取向并且被存储于例如存储器404A的从属件取向单元131(图6B)中，而主导把手旋转矩阵 Rm为主导把手230的新取向。当完成时，操作615转移到最佳解检查操作620，其与渐进取向模块672中的多取向解模块681相关联。最佳解检查操作620确定取向的多个解构成的组中哪一个解最佳匹配于公共参考系中主导把手230的当前取向。例如，相对于外科医生如何握住主导把手230的取向，考虑两个可能的解，正面朝上或面向下(USD)。因此，在一方面，在包括面向下(USD)控制器的多取向解控制器621中执行检查操作620。假设外科医生用他/她的右手握住主导把手230，当大拇指在杆231 (图2A)上且食指在杆232上以便外科医生腕部的顶部对外科医生是可见的，则这称为正面朝上。相反的，当大拇指在杆232上且食指在杆231上以便外科医生腕部的底部对外科医生是可见的， 则这被称为面向下。因此，握持取向的两种解是沿着滚动轴线180度分开的。为了确定在过程330C中使用这两种取向解中的哪一种，针对每个取向确定旋转角误差9。的余弦。若面向下取向的余弦大于正面朝上取向的余弦，则面向下取向被设定为真，否则则被设定为假。因此，使用上述定义(3)，在一方面，检查操作620执行下列操作cos ( θ e s) =
cos ( θ e f) =
当cos(eef)大于cos(eeS)时，二维上的取向是面向下的且面向下取向标识USD 被设为真。相反的，当cos(eef)小于或等于cos(eeS)时，面向下取向标识USD被设为假。生成新旋转角误差θε操作625和生成当前旋转角操作θε操作630与取向误差生成模块481A相关联。操作625和630使用面向下取向标识USD的状态、新相对旋转矩阵和当前相对旋转矩阵R^ommt,来生成新旋转角误差θ e-New和当前旋转角误差
g
e—Current °具体地，若面向下取向标识USD被设为真，则操作625首先在二维上旋转当前相对旋转矩阵R^eurrent，然后确定当前旋转角误差θ ^eurrent,如上所解释。若面向下取向标识USD 被设为假，则操作625在没有任何旋转的情况下确定当前旋转角误差ee_torart。检查当前旋转角误差Qyumnt，且⑴若值大于pi，则当前旋转角误差0^_-被设定为？1，或O) 若值小于零，则当前旋转角误差被设为零。因此，当前旋转角误差θ 被界定在零和Pi之间。类似地，若面向下取向标识USD被设为真，则操作630首先在二维上旋转新相对旋转矩阵，且然后确定新旋转角误差Qrfew，如上所解译。若面向下取向标识USD被设为假，则操作630在没有任何旋转的情况下确定新旋转角误差Θ『ΝΜ。检查新旋转角误差，且⑴若值大于pi，则新旋转角误差被设为pi，或⑵若值小于零，则新旋转角误差θε_Νεψ被设为零。因此，新旋转角误差θε_Νεψ也被界定在零和pi之间。在基于最佳解在操作625和630中确定了旋转角误差之后，在生成被调整角速度操作510Α中引入控制系统误差，该操作510Α与渐进取向模块672中的控制系统误差引入模块682(图6Β)相关联。在一方面，在引入控制系统误差控制器560A中执行操作510A，其进而与控制系统误差引入模块682相关联。调整角速度是能够被引入控制系统误差控制器560A引入的控制系统误差的一种类型的示例。通常，引入控制系统误差控制器560A引入控制误差，例如以上所描述的。在生成被调整角速度操作510A的这个方面，如上所述，通过使得从主导把手230 感测的角速度与基于当前旋转角误差θ 来自调整曲线500的角速度比例系数相乘， 来调整角速度。操作510A完成后，处理过程转移到接头限制控制过程，这在滚动接头限制控制器635中被执行。滚动接头限制控制器635与渐进取向模块672中的接头限制控制模块683相关联。滚动接头限制控制器635确定在给定方向上从属手术器械接头是否达到限制以及在该给定方向上来自主导把手230的被感测动作是否试图移动从属手术器械尖端。在该方面，在滚动接头限制控制器635中从属件滚动限制检查操作640确定在从属手术器械中的滚动接头是否已达到滚动限制，且在该滚动方向上来自主导把手230的被感测动作是否正在试图旋转从属手术器械尖端212T。在检查操作640中，预定义上下滚动限制。转置被存储在原主导件取向位置632 中的原主导把手旋转矩阵艮-。…相对主导把手旋转矩阵R^被定义为Rffl. = Rm_。ldT*Rm因此，相对主导把手旋转矩阵Rm,为三乘三矩阵
^1 1\ esBiAll λΒΙΔ12 仇Rm4 = 跃 κιΔ21 RbiA22
、R 431^BUVM J主导把手滚动方向被定义为Master_roll_dir = [Ra21-Rai2]接着，检查操作640首先判断从属手术器械尖端212T的位置是否小于下滚动接头限制加上公差，并且主滚动方向MaSter_r0ll_dir是否小于零。若该第一判定的结果为真， 则已经达到下滚动接头限制且主导把手旋转的方向为沿该下滚动限制的方向。因此，约束了从属手术器械尖端的动作。若第一判定的结果为假，则检查操作640其次判断从属手术器械尖端的位置是否大于上滚动接头限制减去公差并且主滚动方向MaSter_r0ll_dir是否大于零。若该其次判定的结果为真，则已达到上滚动接头限制且主导把手旋转的方向为沿上滚动限制的方向。 因此，约束了从属手术器械的动作。当从属手术器械动作被约束时，从属件滚动接头限制检查操作640转移到设定当前旋转角误差和角速度操作645，否则转移到旋转角误差减小检查操作420A。设定当前旋转角误差和角速度操作645将当前旋转角误差θ e_current设定成大于任意可能物理值的值， 并且将被命令角速度设定成零。设定当前旋转角误差和角速度操作645将处理过程转移到取向误差减小检查操作420A。取向误差减小检查操作420A判断新旋转角误差θ e_New是否小于当前旋转角误差 、-eumnt，例如，检查操作420被实施为比较器。若新旋转角误差Θ『Νμ等于或大于当前旋转角误差9e_eurrent，则检查操作420Α转移到保存主导件取向操作650。相反地，若新旋转角误差9e_New小于当前旋转角误差θ ^ament，则检查操作420A将处理过程转移到设定取向误差操作430Α。与比较器模块482Α相关联的设定取向误差操作430Α，将当前旋转角误差θ e_Current 设定为新旋转角误差9e_New。操作430A还将当前相对旋转矩阵R^ament设定为新相对旋转矩阵且然后转移到保存主取向操作650，其在单元632(图6B)中保存主导把手旋转矩阵Rm。操作650将处理过程转移到生成新从属件取向操作450B(图6A)。与从属件生成取向模块483A(图6B)相关联的生成新从属件取向450B，首先生成当前相对旋转矩阵R^torait的转置矩阵R/。接着，根据以上定义( 通过结合转置矩阵 R/和主导把手旋转矩阵Rm来获得新从属件取向矩阵Rs。生成新从属件取向450B将处理过程转移到发送从属件取向命令操作460B(图 6A)，其与从属件命令生成模块484A相关联。使用新从属件取向民，操作460经从属件输入 /输出(I/O)模块403发送一命令，该命令包括在公共参考系中的从属件取向和被命令角速度，这导致从属手术器械尖端212T按该命令所引导的那样进行运动。运动取决于在过程 330C的当前迭代中所使用的是哪一个相对旋转矩阵以及取决于被命令角速度。当外科医生以减小主导把手230和从属手术器械尖端212T之间的对齐误差的方式(例如，减小旋转角误差θ J来移动主导把手230时，在考虑到外科医生如何握住主导把手230且是否遇到滚动接头限制的同时，渐进对齐过程330C(图6A)跟随操作中使用主导把手230和从属手术器械尖端212T之间的减小的对齐误差。相反的，当外科医生以增加主导把手230和从属手术器械尖端212T之间的对齐误差的方式来移动主导把手230时，渐进对齐过程330C跟随操作中使用主导把手230和从属手术器械尖端212T之间的当前对齐误差，而不是增加的对齐误差。因此，渐进对齐过程330C无缝地且连续地改进了主导把手230相对于从属手术器械尖端212T的绝对对齐。渐进对齐过程330C实现了绝对对齐的连续改进，且不存在主导把手230或从属手术器械尖端212T的自主动作。在方法600中，滚动接头限制控制器635用于处理从属件动作范围的极端情况 (corner-case)。进一步相对于图7考虑该极端情况。图7示出用于引入极端情况接头限制的技术。例如，在零度处存在滚动接头限制且在一百八十度存在另一个滚动接头限制。 因此，当主导把手230在零度时，如所示通过从属手术器械尖端790来定位从属手术器械尖端；在九十度，如所示通过从属手术器械尖端791来定位从属手术器械尖端；且在一百八十度，如所示通过从属手术器械尖端792来定位从属手术器械尖端。当外科医生继续沿逆时针方向将主导把手230旋转返回至零度，从属件尖端792 会意外地运动到从属件尖端790的取向，例如，这会是自主动作。然而，当在从属手术器械尖端动作上存在极端情况接头限制时，这样的动作是被禁止的。例如，当主导把手230的取向进入接头限制的预定公差内时，从属手术器械尖端的被命令角速度被设为零且当前旋转角误差θ设定人为的大数值，以便使用新相对旋转矩阵R,_n 。这实质上允许当从属手术器械尖端处于滚动极限时，主导件取向相对于从属手术器械尖端的取向滑动。用常规的机动主导件，用户可接收力反馈从而指明从属件何时到达动作限制范围。用非机动主导件，当主导件驱使从属件进入或离开接头限制时，在渐进系统中，滚动接头限制控制器能够被用于维持从属件动作的连续性。在以上方法中，说明了各种模块和与这些模块相关联的操作和/或过程。模块可以被实现为硬件、在处理器上执行的软件、固件或者硬件、软件或固件的任意组合。当模块包括存储在存储介质上的一条或更多条指令时，所描述的操作和/或过程是由于检索和执行在处理器模块401中的至少一个处理器上的一条或更多条指令从而获得所描述的变换。所述具体模块仅为说明性的且不意为限制。鉴于本公开，本领域技术人员可根据需要将多个模块结合在一起或将一个模块分为一个或更多个额外的模块。此外， 虽然模块被示为聚集在一公共位置，但这也仅是说明性的。表1为用C编程语言编写的软件指令示例，其在处理器上被执行时实现单元320A、 610、615、620、621、625、630、510A、560A、635、640、645、420A、430A 和 650。表 1#define CLAMP(val,lo,hi) (MIN(MAX((val),(lo)),(hi))) typedef FLOAT (*Matrix3x3Ptr)[3];
y* A* A ****************************** A*** ****** A·****
static FLOAT psm_io_rotation_angle(const Matrix3x3Ptr R,
BOOLEAN USD)
{
float traceR; float costheta;
/* Account for USD configuration by applying rotation of 180 degrees Z */
if (USD) {
FLOAT Rtmp[3][3];
static const FLOAT Rroll[3][3]=
{
{ -1，0, 0}, { 0, -1, 0}, { 0, 0, 1}
}；
Matrix_multiplyMatrixf(Rtmp, /* = */R, 3, 3,
/* χ */ Rroll, 3，3)； traceR = Rtmp
+ Rtmp[l][l] + Rtmp[2][2];
}
else {
traceR = R
+R[l][l] +Rp] [2]；
}
costheta = 0.5f * (traceR - 1 .Of); if (costheta > 1.0){
return 0.0;
}
else if (costheta < -1.0) {
return MPI;
}
else {
return (FLOAT) acos(costheta);
}
}
INT psm_io_constrain_master_roll
(const Matrix3x3Ptr Rm—old，const Matrix3x3Ptr Rm)
{
static const FLOAT tolerance = l.Of * M_PI / 180.0;
FLOAT*const pos == Ptr(SYS_HW_JNTPOS，0，
PSM二JNT POS DOFS); float_par* lower = Ptr(PC_JI_IK_POSL0WERLIMIT, 0,
PSM_JNT_POS—DOFS); float_par* upper = Ptr(PC_JI_IK_POSUPPERLIMIT, 0,
~PSM_JNT_POS_DOFS); FLOAT Rm_old_trans[3][3]; FLOAT Rm一 delta[3][3]; FLOAT mtm_roll—dir; INT constrainroll = 0;
//Compute the error rotation as R2 w.r.t. Rl. Matrix_transposef(Rm_old_trans, Rm old, 3, 3);
/* Rm_delta = Rm_old_trans' * Rm */ Matrix—multiplyMatrixf(Rm_delta,
/* = */ Rm_old_trans,3,3 ,/* χ */Rm,3,3)；//Define the local error vector w.r.t. Rl. mtm—roll_dir = Scalar—fsignf(Rm_delta[l]
-~—Rm_delta
[1]);
//Check if the PSM roll joint has reached a limit and //if the MTM is trying to rotate in that roll //direction if (pos[PSM_RO]<(lower[PSM_RO]^tolerance)
&& mtm_roll_dir < 0) { ~ "
constrain_roll = 1 ；
}
else if (pos[PSM_RO]>(upper[PSM_RO] -tolerance)
&& mtm_roll—dir > 0) { ~ ~
constrain—roll = 1 ； } —
return constrain—roll;
}
//Parameters used by sigmoid-shaped velocity weight //function
#defme SIGMOID ALPHA 5 .Of #defme SIGMOID_BETA (0.3ΡΜ_ΡΙ)
^iiicieiiisii^^^^icic^^^^^^^rkii-k'k'k-kit-k-k'ieii-k-ii-ie'k'kit-k-kii'k'k'icit-k'k* psm_io_ratchet_offset()*
*Conditionally updates the orientation offset*
*to improve the alignment between MTM and PSM * *************************************** *******/
void psm—io—ratchet—offset(const Matrix3x3Ptr Rm,
—— ~Matrix3x3Ptr Roff, FLOAT *rotvel)
{
static FLOAT Rm_old[3][3]; FLOAT Rs_trans[3][3]; FLOAT Roff_new[3][3]; FLOAT cur—offset; FLOAT new_offset;FLOAT cosangle_s, cosangle_f; FLOAT vel_weight; BOOLEAN—USD 二 FALSE;
Matrix3x3Ptr Rs= (Matrix3x3Ptr) Ptr(SYS_IO_OUT_CART,
3,9);
if (KernelRobustBooleanIsFALSE
(PSM_IO_F0LLOW_DATA_VALID))
{
Matrix一copyf(Rm—old, Rm, 3,3); return;
}
/* Update the relative rotation offset Roff between master and slave, if the current offset is smaller */ Matrix_transposef( Rs trans, Rs, 3，3); // Compute the offset between the new MTM and new PSM /* Roff—new = Rs' * Rm */
Matrix_multiplyMatrixf(Roff_new, /* - */ Rs_trans,
3, 3, /* x*/Rm, 3,]);
// Determine whether to use the straight or Il upside-down solution
cosangle_s = (FLOAT)(0.5 * (Roff_new
+
Roff_new[l][l] + Roff_new[2][2] -1)); cosangle—f = (FLOAT)(0.5 * (-1 * Rof[new
-
Roff_new[l][l] +Roffjiew[2][2] -1)); USD = (cosangle_f> cosangle—s) ？ TRUE : FALSE; new—offset = psm_io_rotation_angle(Roff_new, USD); cur_offset = psm_io_rotation_angle(Roff, USD);
/ * Reduce the angular velocity based on the current
*amount of misalignment. We are using a sigmoid
*function as the weight, since it provides a smooth
*transition between full velocity and no velocity.
*The curve has been tuned to falloff near 30
*degrees and bottom out around 90 degrees */ vel—weight = 1.0f/(1.0f+ exp(SIGMOID_ALPHA*
(cur_offset-SIGMOID_BETA))); vel—weight = CLAMP(vel_weight, O.Of, 1.0-0； vector_scalef(rotvel, rotvel, vel_weight,
21CART—ORI_DOFS); /* Constrain the MTM command if the PSM has hit a roll limit*/
if (psm一io_constrain—master一roll(Rm一old，Rm))
{ " ~
curoffset = BIG—NUM;
vector—setf(rotve[ 0，CART—ORI_DOFS); } ~
/* Conditionally update the Roff offset if we've found a smaller relative rotation*/
if (new—offset < cur_offset)
{ — _ ·
Matrix—copyf(Roff, Roff—new, 3, 3); } — ~
// Save the most recent Rm Matrix_copyf(Rm_old, Rm,3,3);
}在图2B、图4A、图4B、图5A、图5B、图6A和图6B的示例中，使用纯量来判断公共参考系中在三维中的取向渐进。然而，在另一方面，纯量能够与公共系统中的单个维度相关联。例如，代替使用纯量角误差θ e来指明三维的取向误差，相对旋转矩阵能够被分解为一组Euler角α、β和Y (图2C)。线N表示两个Χ_Υ平面的交线。在该示例中，可相对于一个Euler角(例如，Euler角β )来实现过程330、330Α、330Β或330C的渐进，或者可通过相继地或并发地渐进每个Euler角或该组Euler角的某子组来优化对齐误差。例如， 一些微创手术器械可以被约束或被实现成使得感兴趣于相对于一个Euler角的取向，且因而可以相对于该Euler角来完成取向的渐进。以上说明和图示了本发明的各方面和实施例的附图不应理解为限制性的，权利要求限定了要受保护的发明。可作出各种机械性的、合成的、结构的、电气的和操作的改变，而不偏离本说明和权利要求的精神和范围。在一些情况中，未在细节上示出或说明公知的电路、结构和技术以避免混淆本发明。此外，本说明的术语不意为限制本发明。例如，空间相对术语，例如，“在之下”、“在下面”、“向下地”、“在之上”、“上面的”、“近端”、“远端”等等可用于描述图中的一个单元或特征与另一个单元或特征的关系。这些空间上相对的术语旨在除了包含图中示出的位置和取向之外还包含在使用或操作中装置的不同位置或取向。例如，若图中装置被翻过来，则描述为在其它元件或特征“下面”、“之下”的元件或特征则成为在其它元件或特征“之上”、“上面”的元件或特征。因此，示范术语“在之下”可包含之上和之下两种位置和取向。装置可以以别的方式取向(旋转90度或在其它取向上)且在此使用的空间相对说明词可以别的方式相应解释。单数形式“一”、“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非另有明确说明。术语“包含”、“包含了”、“包括”等等指阐述特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除额外一个或更多个特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在。所有示例和说明性参考是非限制性的且不用于将权利要求限制成在在此描述的具体实施方式
和实施例及其等价物。标题只用于符合格式且在任何方面都不用于限制主题，因为一个标题下的文本可交叉参考或应用于一个或多个标题下的文本。最终，鉴于本发明，关于一个方面或实施例的描述的具体特征可应用于本发明其它公开的方面或实施例， 即使未在附图中具体示出或本文本中进行说明。虽然存储器被示作一体结构，但不应解释为要求所有的存储器均在同一物理位置上。存储器的全部或部分可处于与处理器不同的物理位置。存储器指的是易失性存储器、 非易失性存储器或两者的任意组合。处理器被耦合到包含由处理器执行的指令的存储器。这将在计算机系统内被完成，或可替换地通过调制解调器和模拟线路或者通过数字接口和数字载波线路被连接到另一台计算机而被完成。在此，计算机程序产品包含介质，其经配置用于存储方法300、330、330A、330B、 600、330C其中之一或任意组合所需的计算机可读代码、或用于方法300、330、330A、330B、 600、330C其中之一或任意组合的计算机可读代码存储在其中。计算机程序产品的一些示例是⑶-ROM磁盘、DVD磁盘、闪存、ROM卡、软盘、磁带、计算机硬盘驱动器、网络上的服务器和呈现计算机可读程序代码的在网络上传输的信号。有形计算机程序产品包含介质，其经配置用于存储方法300、330、330A、330B、600、330C其中之一或任意组合的计算机可读指令、 或用于方法300、330、330A、330B、600、330C其中之一或任意组合的计算机可读指令在存储在其中。有形计算机程序产品为CD-ROM磁盘、DVD磁盘、闪存、ROM卡、软盘、磁带、计算机硬盘驱动器和其它物理存储介质。鉴于本发明，使用用户感兴趣的操作系统和计算机编程语言，在各种计算机系统配置中可执行用于方法300、330、330A、330B、600、330C其中之一或任意组合的指令。此外，鉴于本公开，可执行各种不同的微创系统和方法。在一方面，微创手术系统包含具有从属手术器械尖端的从属手术器械，其中所述从属手术器械尖端具有在公共坐标系中的对齐性；耦合到所述从属手术器械的主导把手，所述主导把手具有在所述公共坐标系中的对齐性，其中在所述公共坐标系中的对齐误差是所述从属手术器械尖端的对齐性和所述主导把手的对齐性之间的在所述公共参考系中的对齐性的差；以及渐进系统，(i)耦合到所述主导把手从而接收所述主导把手的对齐性，以及(ii) 耦合到所述从属手术器械从而在所述主导把手运动时通过连续减小所述对齐误差来控制所述从属手术器械的动作，而不存在所述从属手术器械尖端的自主动作且不存在所述主导把手的自主动作。渐进系统进一步包括弓I入控制系统误差控制器，该引入控制系统误差控制器用于相对于所述从属手术器械尖端的对齐性和所述主导把手的对齐性引入控制系统误差。所述引入控制系统误差控制器包括，但不限于以下各项其中之一或任意组合1.基于旋转角误差的量来调整从属件角速度；2.基于旋转角误差将人为接头限制强加于所述从属手术器械尖端的动作；3.低通过滤被感测的主导把手旋转；以及
4.低通过滤被命令的从属手术器械尖端的旋转。在另一方面，渐进系统包括用于判断最接近所述主导把手的取向的取向解的多取向解控制器。所述多取向控制器能够被包括在任意控制器组合中，包括但不限于所述引入控制系统误差控制器。在一方面，所述多取向解控制器包括面向下控制器。在另一方面，用于控制微创手术系统中从属手术器械尖端的对齐性与所述微创手术系统中主导把手的对齐性的方法包括通过所述微创手术系统中的渐进系统，接收所述从属手术器械尖端在公共参考系中的对齐性和所述主导把手在所述公共参考系中的对齐性；以及当所述主导把手运动时，通过连续减小在所述公共参考系中所述对齐性之间的对齐误差，由所述渐进系统来将所述从属手术器械尖端的对齐性渐进到所述主导把手的对齐性，且不存在所述从属手术器械尖端的自主动作且不存在所述主导把手的自主动作。在一方面，所述渐进进一步包含在所述从属手术器械尖端的对齐性和所述主导把手的对齐性之间引入控制系统误差。所述引入控制系统误差包括，但不限于以下各项其中之一或任意组合1.基于旋转角误差的量来调整从属件角速度；2.基于旋转角误差将人为接头限制强加于所述从属手术器械尖端的动作；3.低通过滤被感测的主导把手旋转；以及4.低通过滤被命令的从属手术器械尖端的旋转。在又一方面，所述渐进进一步包含基于所述主导把手在所述公共参考系中的一个取向，在一组取向解中选择一个取向解。在一方面，选择取向解与所述引入控制系统误差相结合。在另一方面，选择取向解包括选择面向下解。
权利要求
1.一种微创手术系统包括具有从属手术器械尖端的从属手术器械，其中所述从属手术器械尖端具有在公共参考坐标系中的对齐性；耦合到所述从属手术器械的主导把手，所述主导把手具有在所述公共参考坐标系中的对齐性，其中在所述公共参考坐标系中的对齐误差是在所述公共参考坐标系中所述从属手术器械尖端和所述主导把手的所述对齐性之间的差；以及渐进系统，(i)其耦合到所述主导把手从而接收所述主导把手的对齐性；以及(ii)其耦合到所述从属手术器械，以便随着所述主导把手运动，通过连续地减小所述对齐误差来控制所述从属手术器械的动作，且同时不存在所述从属手术器械尖端的自主动作并且不存在所述主导把手的自主动作。
2.根据权利要求1所述的微创手术系统，其中所述对齐误差是取向误差。
3.根据权利要求2所述的微创手术系统，其中所述取向误差包含角。
4.根据权利要求3所述的微创手术系统，其中所述角被表述为 θ e = cos—1 [0. 5*(R.n+R.22+R.33-1) 1，其中Lu、βΔ22、Ra33为相对旋转矩阵RA的对角元素。
5.根据权利要求3所述的微创手术系统，其中所述角是一组Euler角中的一个Euler角。
6.根据权利要求1所述的微创手术系统，其中所述渐进系统包括滚动接头限制控制器，其用于判断所述从属手术器械尖端的动作是否已达到接头限制，其中当达到所述接头限制时约束所述从属手术器械尖端的动作。
7.根据权利要求1所述的微创手术系统，其中所述渐进系统包括引入控制系统误差控制器，其用于相对于所述从属手术器械尖端和所述主导把手的所述对齐性引入控制系统误差。
8.根据权利要求1所述的微创手术系统，其中所述渐进系统包括多取向解控制器，其用于判断最接近所述主导把手的取向的取向解。
9.根据权利要求1所述的微创手术系统，其中所述主导把手包含非机动主导把手。
10.一种用于控制微创手术系统中从属手术器械尖端的对齐性与所述微创手术系统中主导把手的对齐性的方法包含通过所述微创手术系统中的渐进系统，接收所述从属手术器械尖端在公共参考坐标系中的对齐性以及所述主导把手在所述公共参考坐标系中的对齐性；以及随着所述主导把手的运动，在不存在所述从属手术器械尖端的自主动作并且不存在所述主导把手的自主动作的情况下，通过连续地减小在所述公共参考坐标系中所述对齐性之间的对齐误差，从而通过所述渐进系统使得所述从属手术器械尖端的所述对齐性渐进到所述主导把手的所述对齐性。
11.根据权利要求10所述的方法，所述渐进进一步包含在不考虑所述对齐性的情况下，在所述微创手术系统开始跟随时，以相同的相对方式来移动所述从属手术器械尖端和所述主导把手；以及当所述主导把手的动作减小所述公共参考坐标系中的所述对齐误差时，通过使用所述公共参考坐标系中的新对齐误差来排出所述对齐误差，且当所述主导把手的动作不减小所述对齐误差时，通过使用所述公共参考坐标系中的当前对齐误差来排出所述对齐误差，因此连续地减小所述公共参考坐标系中的所述对齐性之间的所述对齐误差。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包含使用所述新对齐误差来生成所述从属手术器械在所述公共参考坐标系中的新对齐性；基于所述新对齐性向所述从属手术器械发送命令；
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述渐进进一步包含生成在所述从属手术器械尖端的对齐性和所述主导把手的对齐性之间在所述公共参考坐标系中的新对齐误差；比较所述新对齐误差和当前对齐误差；当所述比较表明所述新对齐误差小于所述当前对齐误差时，将所述当前对齐误差设定为所述新对齐误差；使用所述当前对齐误差生成所述从属手术器械尖端在所述公共参考坐标系中的新对齐性；基于所述新对齐性向所述从属手术器械发送命令；以及重复所述生成新对齐误差、所述比较、所述设定和所述生成新位置以及在接收到所述主导把手在所述公共参考坐标系中的另一个对齐性时的所述发送。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述渐进进一步包含在所述从属手术器械尖端对齐性和所述主导把手对齐性之间引入控制系统误差。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述引入控制系统误差进一步包含 基于所述当前对齐误差来调整所述从属手术器械尖端的被命令角速度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述调整进一步包含基于所述当前对齐误差，从连续且单调的角速度调整分布中选择一个角速度比例系数，其中所述角速度比例系数随所述当前对齐误差减小而增加，以便所述角速度随所述当前对齐误差减小而增加。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述连续且单调的角速度调整分布包含S型函数分布。
18.根据权利要求16所述的方法，进一步包含基于使用所述微创手术系统的外科医生来选择所述连续且单调的角速度调整分布。
19.根据权利要求10所述的方法，其中所述渐进进一步包含基于所述主导把手在所述公共参考坐标系的取向从一组取向解中选择一个取向解。
20.根据权利要求10所述的方法，其中所述渐进进一步包含 判断是否达到在给定方向上的接头限制；以及在达到所述接头限制时，约束所述从属手术器械的动作。
全文摘要
本发明涉及一个包括具有从属手术器械(112)尖端的从属手术器械和主导把手的微创手术系统(100)。从属手术器械尖端具有在公共参考系中的对齐性，且耦合到从属手术器械的主导把手具有在公共参考系中的对齐性。公共参考系中的对齐误差是从属手术器械尖端的对齐性和主导把手的对齐性之间的差。渐进系统(130)(i)耦合到主导把手从而接收主导把手的对齐性，且(ii)耦合到从属手术器械，从而随着主导把手移动，通过连续减小对齐误差从而控制从属手术器械的动作，而不存在从属手术器械尖端的自主动作且不存在主导把手的自主动作。
文档编号B25J9/16GK102470015SQ201080029859
公开日2012年5月23日 申请日期2010年6月11日 优先权日2009年6月30日
发明者B·D·伊科威兹, D·S·敏兹, G·D·捏梅耶尔, S·迪迈尔, W·C·诺林 申请人:直观外科手术操作公司