本專利申請要求2014年9月17日提交的題為“SYSTEMS AND METHODS FOR UTILIZING AUGMENTED JACOBIAN TO CONTROL MANIPULATOR JOINT MOVEMENT(用于利用增廣的雅可比矩陣控制操縱器接頭移動的系統和方法)”的美國臨時專利申請62/051,696的優先權和申請日的利益，其全部內容通過引用并入本文。

相關申請的交叉參考

本申請總體涉及以下共同擁有申請：美國申請號12/494,695，其提交于2009年6月30日，標題為“Control of Medical Robotic System Manipulator About Kinematic Singularities(關于運動奇點的醫療機器人系統操縱器的控制)”；美國申請號12/406,004，其提交于2009年3月17日，標題為“Master Controller Having Redundant Degrees of Freedom and Added Forces to Create Internal Motion(具有冗余自由度和添加力以創建內部運動的主控制器)”；美國申請號11/133,423，其提交于2005年5月19日(美國專利號8,004,229)，標題為“Software Center and Highly Configurable Robotic Systems for Surgery and Other Uses(用于外科手術及其它應用的軟件中心和高度可配置的機器人系統)”；美國申請號10/957,077，其提交于2004年9月30日(美國專利號7,594,912)，標題為“Offset Remote Center Manipulator For Robotic Surgery(用于機器人外科手術的偏移遙控中心的操縱器)”；以及美國申請號09/398,507，其提交于1999年9月17日(美國專利號6,714,839)，標題為“Master Having Redundant Degrees of Freedom(具有冗余自由度的主設備)”；美國申請號13/967,606，其標題為“Systems and Methods for Cancellation of Joint Motion Using the Null-Space(利用零空間取消關節運動的系統和方法)”，提交于2013年8月15日(代理人案號ISRG03750)；美國申請號13/906,713，其標題為“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space(使用零空間回避操縱器臂與患者碰撞)”，提交于2013年5月31日(代理人案號ISRG030760)；美國申請號13/906,767，其標題為“Systems and Methods for Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null-Space(使用零空間的外科手術操縱器的命令的重配置的系統和方法)”，提交于2013年5月31日(代理人案號ISRG03770)；美國申請號13/906,819，其標題為“Systems and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space(用于使用零空間避免操縱器臂之間碰撞的系統和方法)”，提交于2013年5月31日(代理人案號ISRG03810)；以及美國申請號14/218,788，其標題為“System and Methods for Positioning a Manipulator Arm by Clutching Within a Null-Perpendicular Space Concurrent with Null-Space Movement(用于通過在零垂直空間內進行咬合同時發生零空間移動而定位操縱器臂的系統和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案號ISRG03900)；美國申請號14/218,871，其標題為“Systems and Methods for Facilitating Access to Edges of Cartesian-Coordinate Space Using the Null Space(利用零空間以便利進入笛卡爾坐標空間的邊緣的系統和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案號ISRG03800)；美國申請號14/218,862，其標題為“Systems and Methods for Tracking a Path Using the Null-Space(用于利用零空間跟蹤路徑的系統和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案號ISRG03780)；以及美國申請號14/218,842，其標題為“Systems and Methods for Using the Null Space to Emphasize Manipulator Joint Motion Anisotropically(用于使用零空間來各向異性地增強操縱器接頭運動的系統和方法)”，提交于2014年3月18日(代理人案號ISRG03870)；這些申請的公開以其全部內容并入本文。

背景技術：

本發明總體提供改善的外科手術和/或機器人裝置、系統和方法。

微創醫療技術旨在減小在診斷或外科手術過程期間受損的組織的量，由此減小患者恢復時間、不適和有害副作用。在美國，每年執行數百萬次“開放”或傳統外科手術；這些外科手術中的許多潛在地能以微創方式執行。然而，由于在外科手術儀器和技術中的限制以及精通它們所需的額外外科手術訓練，因此僅相對小數量的外科手術當前使用微創技術。

用于外科手術的微創遠程外科手術系統經發展以提高外科醫生的靈巧性并允許外科醫生從遠距位置對病人操作。遠程外科手術是用于外科手術系統的總括，其中外科醫生使用一些形式的遠距控制，例如伺服機構等，以操縱外科手術儀器移動，而不是由手直接把持(hold)和移動儀器。在此種遠程外科手術系統中，外科醫生在遠距位置處提供有外科手術側的圖像。當通常在合適觀察器或顯示器上觀察外科手術側的三維圖像時，外科醫生通過操縱主控制輸入裝置(其進而控制機器人儀器的運動)對患者執行外科手術過程。機器人外科手術儀器能穿過小的、微創的外科手術孔口被插入，以治療在患者體內外科手術部位處的組織，從而常常避免與用于開放外科手術的進入相關聯的創傷。這些機器人系統能夠以足夠的靈巧性移動外科手術儀器的工作端以執行非常復雜的外科手術任務，諸如通過在微創孔口處樞轉儀器的軸、軸向滑動軸穿過孔口、在孔口內旋轉軸，等等。

用于遠程外科手術的伺服機構將經常接受來自兩個主控制器(每個外科醫生的手部各一個)的輸入，并可包括兩個或更多個機器人臂或操縱器。將手部移動映射到由圖像捕捉裝置顯示的機器人儀器的圖像能夠幫助向外科醫生提供對與每個手相關聯的儀器的準確控制。在許多外科手術機器人系統中，包括一個或更多個額外機器人操縱器臂以用于移動內窺鏡或其它圖像捕捉裝置、額外的外科手術儀器等。

各種結構布置能夠用來在機器人外科手術期間在外科手術部位處支撐外科手術儀器。從動聯動裝置或“從設備”經常稱為機器人外科手術操縱器，并且在微創機器人外科手術期間作為機器人外科手術操縱器的示例在美國專利號6,758,843；6,246,200；和5,800,423中描述，這些專利的全部公開通過引用并入本文。這些聯動裝置經常利用平行四邊形布置以把持具有軸的儀器。此種操縱器結構能夠約束儀器的移動，使得儀器軸繞定位在沿剛性軸的長度的空間中的球形旋轉的遠距中心樞轉。通過將該旋轉中心與到內部外科手術部位的切口點對齊(例如，借助于在腹腔鏡外科手術期間在腹壁處的套針或套管)，外科手術儀器的端部執行器能夠通過在不對腹壁施加潛在危險的力的情況下使用操縱器聯動裝置移動軸的近側端部來安全定位。可替換的操縱器結構在例如美國專利號6,702,805；6,676,669；5,855,583；5,808,665；5,445,166；和5,184,601中描述，這些專利的全部公開通過引用并入本文。

盡管新的機器人外科手術系統和裝置已證明高度有效和有利，但是仍希望進一步的改善。例如，操縱器臂可包括額外冗余接頭以在某些條件下提供增加的移動或配置。然而，當在微創外科手術部位內移動外科手術儀器時，這些接頭可在患者外側展現顯著的移動量，其經常為比需要或預期更多的移動，尤其是在將儀器繞微創孔口樞轉通過大的角范圍時。已提出可替換的操縱器結構，其采用對高度可配置的運動學操縱器的接頭的軟件控制，以約束在插入部位的樞轉運動，同時抑制在患者外側的不慎的(inadvertent)操縱器/操縱器接觸(等等)。這些高度可配置的“軟件中心”外科手術操縱器系統可提供顯著優點，但也可提出挑戰。具體地，機械約束的遠距中心聯動裝置在一些條件下可提供安全優點。另外，通常包括在這些操縱器中的眾多接頭的寬范圍的配置可引起操縱器難以在針對特定過程所希望的配置中手動設置。隨著使用遠程外科手術系統執行的外科手術的范圍繼續擴展，存在對擴展可用配置和儀器在患者內的運動范圍的增加的需求。不幸的是，這些改變都能夠增加與體外操縱器運動相關聯的挑戰，并且進一步增加針對某些任務避免操縱器臂的不必要的移動的重要性，或提供改善的移動以便避免操縱器之間或操縱器的外部部分和患者之間的不希望的接觸。

出于這些和其它原因，提供用于外科手術、機器人外科手術和其它機器人應用的改善的裝置、系統和方法將是有利的。如果這些改善的技術提供在某些任務期間限制操縱器臂的移動量的能力，則將是有益的。如果這些改善的技術提供避開操縱器臂和患者之間碰撞，同時維持希望的端部執行器狀態或儀器軸繞其樞轉的遠距中心的希望的位置的能力，則將是特別有益的。理想地，這些改善將允許在外科手術過程期間一個或更多個操縱器臂的改善的移動，同時在端部執行器移動期間避開操縱器臂和患者之間的碰撞。另外，希望提供此類改善，同時為至少一些過程增大儀器的運動范圍，并且不顯著增大這些系統的尺寸、機械復雜性或成本，并同時維持或改善它們的靈巧性。

技術實現要素：

本發明總體提供改善的機器人和/或外科手術裝置、系統和方法。在許多實施例中，本發明將采用高度可配置的外科手術機器人操縱器。這些操縱器例如可具有比相關聯的外科手術端部執行器在外科手術工作空間內所具有的移動自由度更多的移動自由度。根據本發明的機器人外科手術系統通常包括支撐機器人外科手術儀器的操縱器臂和用以計算協調的接頭移動以用于操縱儀器的端部執行器的處理器。支撐端部執行器的機器人操縱器的接頭允許操縱器在所給定端部執行器方位和/或所給定樞軸點位置的不同配置的整個范圍內移動。操縱器可包括額外的冗余接頭以允許各種類型的輔助移動，諸如響應于用戶命令的重配置移動，或另一類型移動，諸如碰撞避開移動。可提供此類移動同時以數種方式維持端部執行器的給定狀態。在某些實施例中，通過增廣操縱器的雅可比矩陣來提供此類移動，使得除了通常同時提供所命令的端部執行器移動之外，通過計算增廣的雅可比矩陣的偽逆矩陣獲得的接頭速度還提供操縱器的所希望的輔助移動或所希望的移動。

在另一方面中，本文中描述的任何方法可包括：使用所計算的接頭速度確定多個接頭的一個或更多個輔助移動，并根據所計算的輔助移動來驅動接頭，同時維持端部執行器的希望的狀態。一個或更多個輔助移動可包括多個接頭中的第二組接頭的所希望的移動。第二組接頭可包括一個或更多個接頭，其可包括第一組接頭內的一個或更多個接頭。一個或更多個輔助移動可包括：所命令的重配置移動、碰撞避開移動、輔助任務或其任何組合。

在本發明的一個方面中，提供一種具有操縱輸入的冗余自由度(RDOF)外科手術機器人系統。RDOF外科手術機器人系統包括操縱器組件、一個或更多個用戶輸入裝置，以及具有控制器的處理器。組件的操縱器臂具有提供充足自由度的多個接頭，該充足自由度允許用于所給定端部執行器狀態的接頭狀態范圍。通常，響應于接收操縱命令從而以希望的移動來移動端部執行器，系統通過計算操縱器的雅可比矩陣的偽逆矩陣來計算接頭速度，并根據所計算的移動驅動接頭以實現所希望的端部執行器移動。通過增廣雅克比矩陣，各種所計算的接頭移動能夠提供在零空間內的各種其它的輔助任務或所希望的移動。為了放大操縱器的工作空間或為了允許各種輔助任務，系統的一些實施例包括操縱器臂的轉動的最近側接頭和/或遠側轉動接頭，其將儀器耦合到操縱器臂的近側部分。

在一個方面中，操縱器臂的近側部分附接到底座，使得當驅動接頭時近側部分相對于底座的移動被抑制。在另一方面中，近側部分通過接頭耦合到底座，使得在驅動接頭時操縱器臂的近側部分相對于底座可移動。在示例實施例中，將操縱器的近側部分耦合到底座的接頭為轉動接頭，所述轉動接頭支撐操縱器臂，使得轉動接頭的接頭移動將操縱器臂的一個或更多個接頭繞轉動接頭的樞轉軸樞轉。在許多實施例中，轉動接頭的樞轉軸從接頭延伸穿過遠距中心，端部執行器的儀器軸繞該遠距中心樞轉。在一個方面中，轉動接頭的移動將操縱器臂的一個或更多個接頭繞圓錐樞轉，該圓錐向遠側漸縮并且朝向遠側端部執行器(通常朝向遠距中心)取向。在該方面中，操縱器臂繞其樞轉的圓錐對應于在工具尖端的運動范圍內的圓錐形空間，其中工具的移動是不可能的或減弱的，這在下文中進一步論述。

在另一方面中，將操縱器的近側部分耦合到底座的接頭相對于底座沿一路徑可移動，該路徑通常為弧形的或基本圓形的路徑，使得接頭沿所述路徑的移動將操縱器臂的一個或更多個接頭繞軸線樞轉，該軸線延伸穿過操縱器臂接近儀器的遠側部分，優選地穿過儀器軸繞其樞轉的遠距中心。在一些實施例中，操縱器包括將操縱器的近側部分耦合到底座的轉動接頭，該轉動接頭相對于底座沿一路徑可移動，該路徑可為線性的、弧形的或基本圓形的。

在本發明的另一方面中，操縱器經配置移動，使得儀器軸的中間部分繞遠距中心樞轉。在操縱器和儀器之間存在多個從動接頭，所述多個從動接頭提供充足自由度以在儀器軸的中間部分延伸穿過進入部位時允許用于端部執行器方位的一定范圍的接頭狀態。具有控制器的處理器將輸入裝置耦合到操縱器。響應于重配置命令，處理器確定一個或更多個接頭的移動以實現所希望的配置，使得儀器的中間部分在端部執行器的所希望的移動期間在進入部位內，并且維持軸繞其樞轉的所希望的遠距中心位置。在某些實施例中，響應于接收實現所希望的端部執行器的移動的操縱命令，系統通過計算被增廣的雅可比矩陣的偽逆矩陣來確定實現所希望的端部執行器的移動的經計算的移動，使得儀器軸繞遠距中心樞轉。

在某些實施例中，通過使用增廣的雅可比矩陣計算接頭的移動，以便避開驅動多個接頭中的第一組接頭，使得第一組接頭有效地鎖定，或使得第一組接頭不被驅動以實現端部執行器位移移動。第一組接頭可包括操縱器臂的一個或更多個接頭。雅可比矩陣可被增廣，以便計算第一組接頭的重配置移動，使得來自第一組接頭的接頭的移動在重配置的持續時間內提供接頭的基本恒定的速度。在一些實施例中，來自操縱器的第一組接頭的接頭是將操縱器臂耦合到底座的轉動接頭。端部執行器的所希望的狀態可包括端部執行器的所希望的方位、速度或加速度。一般說來，操縱命令和重配置命令是單獨的輸入，通常接收自在單獨的輸入裝置上的單獨的用戶，或這些單獨的輸入可接收自同一用戶。在一些實施例中，端部執行器操縱命令通過第一用戶接收自輸入裝置，第一用戶諸如在外科手術控制臺主輸入端上錄入命令的外科醫生，而重配置命令通過在單獨的輸入裝置上的第二用戶接收自輸入裝置，第二用戶諸如在患者側推車輸入裝置上錄入重配置命令的醫生助手。在其它實施例中，端部執行器操縱命令和重配置命令都通過同一用戶接收自在外科手術控制臺處的輸入裝置。在其它實施例中，端部執行器操縱命令和重配置命令都通過同一用戶接收自在患者側推車處的輸入裝置。

本發明的性質和優點的進一步理解通過參考本說明書的剩余部分和附圖將變得明顯。

附圖說明

圖1A是根據本發明的實施例的機器人外科手術系統的俯視圖，該機器人外科手術系統具有外科手術站，其帶有用于機器人地移動在患者內的內部外科手術部位處具有外科手術端部執行器的外科手術儀器的多個機器人操縱器。

圖1B概略地圖示圖1A的機器人外科手術系統。

圖2是圖示用于在圖1A的外科手術系統中輸入外科手術過程命令的主外科手術控制臺或工作站的透視圖，該控制臺包括用于響應輸入命令生成操縱器命令信號的處理器。

圖3是圖1A的電子推車的透視圖。

圖4是具有四個操縱器臂的患者側推車的透視圖。

圖5A至圖5D示出示例操縱器臂。

圖5E示出包括與圖5A至圖5D所示的示例操縱器臂的部件對應的多個線段的參考幾何形狀。

圖6A至圖6B分別示出在前傾配置和后傾配置中的示例操縱器臂。

圖6C示出示例操縱器臂的外科手術儀器工具尖端的運動范圍的圖形表示，包括在前傾和后傾配置中的每個中的靜錐區或錐形工具進入限制區。

圖7A示出具有將操縱器臂繞近側轉動接頭的軸線轉動的近側轉動接頭的示例操縱器臂。

圖7B示出示例操縱器臂和相關聯運動范圍以及靜錐區，示例性操縱器臂具有將操縱器臂圍繞近側轉動接頭的軸線轉動的近側轉動接頭，所述近側轉動接頭的移動能夠用來緩解(mitigate)所描繪的靜錐區。

圖8示出具有接近遠側儀器托架的轉動接頭的示例操縱器臂。

圖9示出具有接近遠側儀器托架的轉動接頭的示例操縱器臂，該轉動接頭將儀器托架繞接頭軸線轉動或扭轉。

圖10A至圖10C示出具有接近遠側儀器托架的轉動接頭的示例性操縱器臂在該接頭在其整個接頭移動范圍內移動時的順序圖。

圖11A至圖11B分別示出當接頭的角位移為0°對90°的角位移時具有遠側轉動接頭的示例性操縱器臂的轉動輪廓。

圖12A至圖13C示出具有將支撐操縱器臂的近側接頭繞接頭的路徑平移的近側接頭的示例性操縱器臂。

圖14A至圖14B圖形地表示示例操縱器組件的雅可比矩陣的零空間和零垂直空間之間的關系。

圖15A至圖15B圖示根據與端部執行器位移移動同時的重配置移動的示例操縱器的移動，其中最近側接頭從端部執行器位移移動中(out of)被鎖定。

圖16A至圖16C圖示根據一些實施例的第一示例操縱器臂的第一參考幾何形狀和第二示例操縱器臂的第二參考幾何形狀之間的相互作用被用來計算避開移動，以用于驅動一個或更多個接頭抑制操縱器臂之間的碰撞。

圖17A至圖17B示出操縱器臂在零空間內的移動，以及在避開幾何形狀和障礙物表面之間的相關聯距離。

圖18示出具有多個操縱器臂的示例系統和障礙物表面，該障礙物表面經建模以便延伸穿過操縱器臂中的每個的遠距中心。

圖19A至圖19B分別示出通過將遠側轉動接頭從0°的角位移驅動到90°的角位移的避開移動。

命令的重配置(3770)

圖20A至圖20B圖示用于給定的端部執行器方位的示例操縱器組件的重配置。

圖21A至圖21B圖示用于給定的遠距中心位置(相關聯的儀器軸在該位置樞轉)的示例操縱器。

圖22A至圖22C圖示根據許多實施例的操縱命令輸入的三個示例。

具體實施方式

本發明總體提供改善的外科手術和機器人裝置、系統和方法。本發明特別有利地與外科手術機器人系統一起使用，其中多個外科手術工具或儀器將在外科手術過程期間安裝在相關聯的多個機器人操縱器上并由其移動。機器人系統將通常包括遠程機器人、遠程外科手術和/或遠程存在系統，這些系統包括配置為主-從控制器的處理器。通過提供采用這樣的處理器的機器人系統，所述處理器適當配置以移動帶有具有相對大量的自由度的鉸接式聯動裝置的操縱器組件，聯動裝置的運動能夠被調整適合于穿過微創進入部位工作。盡管本發明的方面總體描述具有冗余自由度的操縱器，但應認識到這些方面可應用于非冗余操縱器，例如經歷或接近奇點的操縱器。

本文描述的機器人操縱器組件將通常包括機器人操縱器和其上安裝的工具(該工具通常包括外科手術版本的外科手術儀器)，然而術語“機器人組件”也將涵蓋其上沒有安裝工具的操縱器。術語“工具”涵蓋通用或工業機器人工具和專用機器人外科手術儀器兩者，其中這些后面的結構通常包括適用于操縱組織、治療組織、將組織成像等的端部執行器。工具/操縱器接口將通常為迅速斷開的工具托架或耦合件，從而允許迅速移除工具或用可替換的工具更換工具。操縱器組件將通常具有在機器人手術的至少一部分期間在空間中固定的底座，并且操縱器組件可包括在底座和工具的端部執行器之間的數個自由度。端部執行器的致動(諸如打開或關閉抓握裝置的鉗夾、激勵電外科手術槳等)將通常與這些操縱器組件自由度分離，并且在這些操縱器組件自由度之外。

端部執行器將通常在具有兩個至六個自由度之間的工作空間中移動。如本文所用，術語“方位”涵蓋位置和取向二者。因此，端部執行器的方位的變化(例如)可涉及端部執行器從第一位置到第二位置的平移、端部執行器從第一取向到第二取向的旋轉，或兩者的組合。當用于微創機器人外科手術時，操縱器組件的移動可由系統的處理器控制，使得工具或儀器的軸或中間部分受約束至穿過微創外科手術進入部位或其它孔口的安全運動。此運動可包括例如穿過孔口部位進入外科手術工作空間中的軸的軸向插入、軸繞其軸線的旋轉，以及軸繞鄰近進入部位的樞轉點的樞轉運動。

本文描述的許多示例操縱器組件具有比在外科手術部位內定位和移動端部執行器所需更多的自由度。例如，能夠用六個自由度在內部外科手術部位處穿過微創孔口定位的外科手術端部執行器在一些實施例中可具有九個自由度(六個端部執行器自由度(三個用于位置，以及三個用于取向)加上遵守進入部位約束的三個自由度)，但是通常將具有十個或更多個自由度。具有比給定的端部執行器方位所需更多的自由度的高度可配置的操縱器組件能夠描述為具有或提供充足自由度，以允許工作空間中用于端部執行器方位的一定范圍的接頭狀態。例如，對于給定的端部執行器方位，操縱器組件可占用一定范圍的可替換的操縱器聯動裝置方位中的任一個(并且在其之間被驅動)。類似地，對于給定的端部執行器速度矢量，操縱器組件可具有用于操縱器組件的各種接頭在雅可比矩陣的零空間內的一定范圍的不同接頭移動速度。

本發明提供機器人聯動裝置結構，所述機器人聯動裝置結構特別適用于其中希望寬范圍移動的，以及由于其它機器人聯動裝置、外科手術人員和設備等的存在而引起受限的專用體積可用的外科手術(和其它)應用。每個機器人聯動裝置所需的大運動范圍和減小的體積也可提供在機器人支撐結構的位置和外科手術或其它工作空間之間的更大靈活性，由此促進和加速安裝。

接頭等的術語“狀態”在本文中將通常指代與接頭相關聯的控制變量。例如，角接頭的狀態能夠指代由該接頭在其運動范圍內限定的角度，和/或接頭的角速度。類似地，軸向或棱柱接頭的狀態可指代接頭的軸向方位和/或其軸向速度。盡管本文中描述的許多控制器包括速度控制器，但它們通常也具有一些方位控制方面。可替換實施例可主要或完全依靠方位控制器、加速度控制器等。能夠在此類裝置中使用的控制系統的許多方面在美國專利號6,699,177中更充分地描述，其全部公開通過引用并入本文。因此，只要所描述的移動基于相關聯的計算，則本文所描述的接頭的移動和端部執行器的移動的計算可使用方位控制算法、速度控制算法、這兩者的組合等執行。

在某些方面中，示例性操縱器臂的工具繞鄰近微創孔口的樞轉點樞轉。在一些實施例中，系統可利用硬件遠距中心，諸如在美國專利號6,786,896(其全部內容通過引用并入本文)中描述的遠距中心運動學。此類系統可利用雙平行四邊形聯動裝置，雙平行四邊形聯動裝置約束聯動裝置的移動，使得由操縱器支撐的儀器的軸繞遠距中心點樞轉。可替換的機械約束的遠距中心聯動裝置系統是已知的和/或可在未來開發。驚奇的是，關于本發明的工作指示遠距中心聯動裝置系統可受益于高度可配置的動力學架構。具體地說，當外科手術機器人系統具有允許繞在微創外科手術進入部位或接近該部位交叉的兩個軸線的樞轉運動的聯動裝置時，球形樞轉運動可涵蓋在患者內的所希望的運動范圍的完整范圍，但仍會遭受可避免的缺陷(諸如被低劣地調節、在患者外易受臂到臂或臂到患者接觸，等等)。首先，添加也被機械約束到在進入部位處或接近進入部位的樞轉運動的一個或更多個另外的自由度可似乎提供運動范圍的極少或任何改善。不過，驚奇的是，此類接頭能夠通過允許整體系統被配置為處于碰撞抑制姿態或朝向碰撞抑制姿態被驅動，通過為其它外科手術過程進一步延伸運動范圍等等來提供顯著優點。在其它實施例中，系統可利用軟件取得遠距中心，諸如在美國專利申請8,004,229中描述的，其全部內容通過引用并入本文。在具有軟件遠距中心的系統中，處理器計算接頭的移動以便將儀器軸的中間部分繞確定的樞軸點與機械約束相反地樞轉。通過具有計算軟件樞轉點的能力，由系統的順從性或剛性表征的不同模式能夠選擇性地實施。更具體地，在樞轉點/中心(例如，可移動樞轉點、被動樞轉點、固定/硬樞轉點、軟樞轉點)的范圍內的不同系統模式能夠按需實施。

盡管具有多個高度可配置的操縱器的機器人外科手術系統的許多優點，由于操縱器包括在底座與儀器之間的相對大量的接頭和連桿，連桿的手動定位能夠是挑戰性的和復雜的。即使當操縱器結構被平衡以便避免重力效應時，嘗試將接頭中的每個在適當布置中對齊或按需重配置操縱器能夠是困難的、耗時的，并可涉及重要的訓練和/或技能。當操縱器的連桿不繞接頭被平衡時挑戰甚至能夠更大，使得由于操縱器臂長度和在許多外科手術系統中的被動設計和柔軟(limp)設計，因此在外科手術之前或期間在適當配置中定位此類高度可配置的結構會是一件難事。

這些問題能夠通過允許用戶(諸如醫師助理)迅速且容易地重配置操縱器臂，同時維持希望的端部執行器狀態來解決(可選地即使在外科手術過程期間在端部執行器移動期間)。一個或更多個額外接頭可被包括在操縱器臂中以增大操縱器臂的運動范圍和配置從而增強該能力。盡管提供額外接頭可為某些任務提供增大的運動范圍，但在操縱器臂中的大量冗余接頭可導致臂的各種移動對于其它任務過于復雜，使得移動顯得不可預測，或整體移動量導致各種其它臨床問題。可能進一步有用的是撤銷第一任務所不希望的移動的一個或更多個接頭(在本文中稱為“鎖定”接頭或“鎖定接頭組”)的移動，而為可與第一任務同時執行的各種其它任務允許鎖定接頭組的移動。鎖定某些接頭而不實際地物理約束鎖定接頭的移動是有利的，因為可希望鎖定接頭的移動來實現其它任務或移動。在各種實施例中，本發明進一步允許在非移動子組(或鎖定組)接頭中的一個或更多個接頭的所希望的移動撤銷，同時仍允許鎖定組接頭的移動用于各種其它移動，諸如基于自主算法的移動或所命令的重配置移動。

在某些方面中，在外科手術空間內的所命令的端部執行器移動通過根據接頭的協調的端部執行器位移移動來驅動操縱器的一個或更多個接頭來實現，該位移移動由處理器使用被增廣以執行各種其它任務(諸如重配置移動)或輔助任務(諸如碰撞避開移動)的動力學雅可比矩陣計算。根據使用此類增廣的雅克比矩陣計算的接頭的協調移動，可實現此類任務，同時維持端部執行器的所希望的狀態(通常與端部執行器位移移動同時)。

在一些實施例中，相對于各種其它任務的所計算移動(諸如基于自主算法的避開移動)可疊加撤銷移動，使得“鎖定接頭”仍能夠移動以實現各種其它任務。此類避開移動的示例描述在美國臨時申請號61/654,755中，其提交于2012年6月1日，標題為“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space(使用零空間回避操縱器臂與患者碰撞)”，以及美國臨時申請號61/654,773，其提交于2012年6月1日，標題為“System and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space(用于使用零空間避免操縱器臂之間碰撞的系統和方法)”，這些申請的公開以其全部內容并入本文。然而，疊加“鎖定”接頭的撤銷移動的所計算的移動不限于自主移動，并可包括各種其它移動，諸如所命令的重配置移動或各種輔助移動。

本發明的實施例可包括經配置利用操縱器結構的自由度的用戶輸入端。輸入端促進使用動力學聯動裝置的從動接頭以響應于用戶錄入重配置命令來重配置操縱器結構，而不是手動重配置操縱器。在各種實施例中，用于接收重配置命令的用戶輸入端被結合到操縱器臂中和/或設置在其附近。在其它實施例中，輸入端包括集中的輸入裝置以促進一個或更多個接頭的重配置，諸如患者側推車或操縱桿上的按鈕集群。用于接收重配置命令的輸入裝置可從用于接收操縱器命令的輸入端分離以實現端部執行器的移動。外科手術系統的控制器可包括帶有可讀存儲器的處理器，該可讀存儲器具有在其上記錄的接頭控制器編程指令或代碼，其允許處理器推導出在存儲器上記錄的用于驅動接頭的合適的接頭命令，以便允許控制器響應于錄入的重配置命令而實現所希望的重配置。然而，應認識到本發明可用于帶有或沒有重配置特征的操縱器臂。

在另一方面，由于高度可配置的操縱器的冗余性質，因此用以實現遠側端部執行器和/或遠距中心的所希望的移動的多個接頭的命令的運動可產生與一個或更多個接頭相關聯的不希望的、過多的動能的接頭速度，或可產生不滿足所希望的運動優選的運動。不希望的接頭速度的示例可包括不希望的接頭狀態的組合、對于一個或更多個接頭的過高接頭速度，或不相稱的接頭狀態。本發明提供在所命令的端部執行器移動期間用于一個或更多個接頭的所希望的移動，諸如接頭狀態或本文所描述的其它此類移動的組合。

本發明的實施例包括增廣動力學雅可比矩陣以便提供避開移動的處理器，該避開移動促進使用動力學聯動裝置的從動接頭以在零空間內配置操縱器結構從而避開臂到臂的碰撞。在一些實施例中，響應于確定第一參考幾何形狀和第二參考幾何形狀之間的距離小于所希望的距離，其中第一參考幾何形狀對應第一操縱器臂的一個或更多個零件且與第二參考幾何形狀對應第二相鄰操縱器臂的一個或更多個零件，雅克比矩陣被增廣，使得使用雅克比矩陣計算的隨后移動增大第一操縱器和第二操縱器之間的距離。在其它實施例中，系統包括另外的操縱器臂，每個均具有對應的參考幾何形狀，諸如具有第三參考幾何形狀的第三操縱器臂，以及具有第四參考幾何形狀的進一步的操縱器臂。在此類實施例中，系統可進一步確定在參考幾何形狀中的每個之間的相對狀態，以及在其之間(諸如在一對或更多對參考幾何形狀或線段上的每個最接近點之間)延伸的避開向量，并計算用于雅可比矩陣的增廣的操縱器臂中的一個或更多個的避開移動，使得能夠維持每個操縱器之間的充足距離。

在某些實施例中，系統使用限定的參考幾何形狀，所述限定的參考幾何形狀對應于操縱器的具有和相鄰操縱器重疊的運動范圍的一部分，使得該部分在每個操縱器均移動到其相應運動范圍內的重疊區中時易受與相鄰操縱器的碰撞。第一參考幾何形狀可以是單個點，或更通常為對應于操縱器臂的聯動裝置和/或突出部分的多個線段。系統然后確定在相鄰臂的所限定的參考幾何形狀之間的相對狀態，該狀態可以是參考幾何形狀的方位、速度或加速度中的任一個。相對狀態可以是每個參考幾何形狀之間的距離或可包括每個參考幾何形狀的速度向量之間的差。

在一個方面中，通過根據由處理器使用動力學雅可比矩陣計算的接頭的協調的端部執行器位移移動來驅動操縱器的一個或更多個接頭，實現在外科手術空間內的所命令的端部執行器移動。在通過根據由使用雅克比矩陣的增廣來計算的在零空間中延伸的接頭的協調移動來驅動操縱器的一個或更多個接頭從而維持端部執行器的所希望的狀態的同時，可實現各種其它任務，諸如重配置移動或碰撞避開移動。在一些方面中，這些各種其它任務可利用未加權的接頭速度，使得系統能夠經配置在同一迭代或內核之內計算加權和未加權接頭速度兩者。此類實施例可利用可替換方法以使用未加權的接頭速度將接頭速度加權，以便減少確定加權的接頭速度所需的計算。

在一些實施例中，涉及各種其它任務的所計算的移動，諸如基于自主算法的避開移動，可疊加所計算的接頭速度以實現各種其它任務。此類碰撞避開移動的示例描述在美國臨時申請號61/654,755中，其提交于2012年6月1日，標題為“Manipulator Arm-to-Patient Collision Avoidance Using a Null-Space(使用零空間回避操縱器臂與患者碰撞)”，以及美國臨時申請號61/654,773，其提交于2012年6月1日，標題為“System and Methods for Avoiding Collisions Between Manipulator Arms Using a Null-Space(用于使用零空間避免操縱器臂之間碰撞的系統和方法)”，這些申請的公開通過引用以其全部內容并入本文。此類命令的重配置的示例在美國臨時申請號61/654,764中描述，其提交于2012年6月1日，標題為“Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null-Space(使用零空間的外科手術操縱器的命令的重配置)”，該申請的公開通過引用以其全部內容并入本文。

在以下描述中，將描述本發明的各種實施例。為了解釋的目的，闡述具體配置和細節以便提供對實施例的透徹理解。然而，對于本領域技術人員也顯而易見的是，可在沒有各種具體細節的情況下實踐本發明。此外，可省略或簡化眾所周知的特征以便不模糊所描述的實施例。

現在參考附圖，其中相似的附圖標號貫穿若干視圖表示相似零件，圖1A為根據許多實施例的用于對躺在手術臺14上的患者12執行微創診斷或外科手術過程的微創機器人外科手術(MIRS)系統10的俯視圖圖示。系統能夠包括由外科醫生18在該過程期間使用的外科醫生控制臺16。一個或更多個助理20也可參與該過程。MIRS系統10能夠進一步包括患者側推車22(外科手術機器人)和電子推車24。患者側推車22能夠操縱至少一個可移除地耦合的工具組件26(在下文中簡稱為“工具”)穿過患者12體內的微創切口，同時外科醫生18通過控制臺16查看外科手術部位。外科手術部位的圖像能夠通過內窺鏡28諸如立體內窺鏡獲得，其能夠通過患者側推車22來操縱以便將內窺鏡28取向。電子推車24能夠用來處理外科手術部位的圖像用于隨后通過外科醫生控制臺16向外科醫生18顯示。除其它因素之外，同時使用的外科手術工具26的數量將大體取決于診斷或外科手術過程以及在手術室內的空間約束。如果必需改變在手術期間使用的工具26中的一個或更多個，則助手20可從患者側推車22移除工具26并用來自手術室中的托盤30的另一工具26將其替換。

圖1B概略地圖示機器人外科手術系統50(諸如圖1A的MIRS系統10)。如上所論述，外科醫生控制臺52(諸如圖1A中的外科醫生控制臺16)在微創手術期間能夠由外科醫生用來控制患者側推車(外科手術機器人)54(諸如圖1A中的患者側推車22)。患者側推車54能夠使用成像裝置(諸如立體內窺鏡)以捕捉手術部位的圖像，并輸出所捕捉的圖像至電子推車56(諸如圖1A中的電子推車24)。如上所論述，電子推車56能夠在任意隨后的顯示之前以各種方式處理所捕捉的圖像。例如，電子推車56能夠在經由外科醫生控制臺52顯示組合圖像給外科醫生之前將所捕捉的圖像與虛擬控制界面疊加。患者側推車54能夠輸出所捕捉圖像以用于在電子推車56之外處理。例如，患者側推車54能夠輸出所捕捉的圖像至處理器58，并能夠用來處理所捕捉圖像。圖像也能夠由電子推車56和處理器58的組合來處理，且電子推車56和處理器58能夠耦合在一起以聯合地、循序地(和/或其組合)處理所捕捉圖像。一個或更多個單獨的顯示器60也能夠與處理器58和/或電子推車56耦合用于圖像的本地和/或遠距顯示，諸如手術部位的圖像或其它相關圖像。

圖2是外科醫生控制臺16的透視圖。外科醫生控制臺16包括用于向外科醫生18呈現使得能夠實現深度感知的外科手術部位的協調立體視圖的左眼顯示器32和右眼顯示器34。控制臺16進一步包括一個或更多個輸入控制裝置36，其進而使得患者側推車22(圖1A所示)操縱一個或更多個工具。輸入控制裝置36能夠提供與它們的相關聯工具26(圖1A所示)相同的自由度，以便向外科醫生提供遠程存在，或輸入控制裝置36與工具26整合的感知，使得外科醫生具有直接控制工具26的強烈感覺。為此，方位、力和觸覺反饋傳感器(未示出)可用來通過輸入控制裝置36將方位、力和觸覺感測從工具26傳輸回到外科醫生的手。

外科醫生控制臺16通常位于與患者相同的房間，使得外科醫生可直接監測手術，如果必要的話則實際(physically)在場，并且直接而不是經由電話或其它通信媒體對助理說話。然而，外科醫生能夠位于不同房間、完全不同的建筑物或允許遠距外科手術過程的距患者的其它遠距位置。

圖3是電子推車24的透視圖。電子推車24能夠與內窺鏡28耦合并能夠包括處理器以處理所捕捉圖像用于隨后顯示，諸如在外科醫生控制臺上向外科醫生顯示，或在位于本地或遠距的另一合適顯示器上顯示。例如，在使用立體內窺鏡的情況下，電子推車24能夠處理所捕捉的圖像以便向外科醫生呈現外科手術部位的協調的立體圖像。此協調能夠包括在相對圖像之間的對齊，并能夠包括調整立體內窺鏡的立體工作距離。作為另一示例，圖像處理能夠包括使用先前確定的攝像機校準參數以便補償圖像捕捉裝置的成像誤差，諸如光學像差。

圖4示出具有多個操縱器臂的患者側推車22，每個操縱器臂支撐在操縱器臂的遠側端部處的外科手術儀器或工具26。所示的患者側推車22包括能夠用來支撐外科手術工具26或成像裝置28(諸如用于捕捉手術的部位的圖像的立體內窺鏡)的四個操縱器臂100。通過具有數個機器人接頭的機器人操縱器臂100提供操縱。成像裝置28和外科手術工具26能夠通過患者體內的切口被定位和操縱，使得動力學遠距中心維持在切口處，以便最小化切口的尺寸。當外科手術儀器或工具26的遠側端部定位在成像裝置28的視場內時，外科手術部位的圖像能夠包括該遠側端部的圖像。

關于外科手術工具26，可使用不同類型的各種可替換的機器人外科手術工具或儀器和不同的端部執行器，其中操縱器中的至少一些的儀器在外科手術過程期間被移除和更換。這些端部執行器(包括Debakey鑷、微型手術鑷、Potts剪刀和施夾器)中的若干個包括第一端部執行器元件和第二端部執行器元件，第一端部執行器元件和第二端部執行器元件相對于彼此樞轉以便限定一對端部執行器鉗。其它端部執行器(包括手術刀和電烙器探頭)具有單個端部執行器元件。對于具有端部執行器鉗的儀器，該鉗將通常通過擠壓把手的抓握構件來致動。單個端部執行器儀器也可通過抓握構件的抓握來致動，例如以便激勵電烙器探頭。

儀器26的細長軸允許端部執行器和軸的遠側端部穿過微創孔口(通常穿過腹壁等)遠側地插入到外科手術工作部位中。外科手術工作部位可被吹入，并且端部執行器在患者體內的移動將通常至少部分地通過將儀器26繞軸穿過微創孔口處的位置樞轉來實現。即，操縱器100將移動患者外側的儀器的近側外殼，使得軸延伸穿過微創孔口位置，以便幫助提供端部執行器的希望的移動。因此，操縱器100在外科手術過程期間將通常經歷在患者P外側的顯著移動。

根據本發明的許多實施例的示例性操縱器臂能夠參考圖5A至圖12C來理解。如上所述，操縱器臂通常支撐遠側儀器或外科手術工具，并且實現儀器相對于底座的移動。由于具有不同的端部執行器的數個不同儀器可在外科手術過程期間循序安裝在每個操縱器上(通常借助于外科手術助理)，遠側儀器托架將優選地允許迅速移除和更換已安裝的儀器或工具。如能夠參考圖4所理解的，操縱器在近側安裝到患者側推車的底座。通常，操縱器臂包括在底座和遠側儀器托架之間延伸的多個聯動裝置和相關聯接頭。在一個方面中，示例性操縱器包括具有冗余自由度的多個接頭，使得操縱器臂的接頭能夠被驅動到用于給定的端部執行器方位的不同配置的范圍內。這可以是用于本文所公開的操縱器臂的任何實施例的情況。

在許多實施例中，諸如例如圖5A所示，示例性操縱器臂包括近側轉動接頭J1，該近側轉動接頭J1繞第一接頭軸線旋轉以便將接頭遠側的操縱器臂繞接頭軸線轉動。在一些實施例中，轉動接頭J1直接安裝到底座，而在其它實施例中，接頭J1可安裝到一個或更多個可移動聯動裝置或接頭。操縱器的接頭組合起來具有冗余自由度，使得操縱器臂的接頭能夠被驅動到用于給定端部執行器方位的不同配置的范圍內。例如，圖5A至圖5D的操縱器臂可被調遣到不同配置中，同時在儀器托架510內支撐的遠側構件511維持特定狀態，并可包括端部執行器的給定方位或速度。遠側構件511通常為工具軸512延伸穿過的套管，并且儀器托架510通常為支架(示為在柱上平移的類磚塊結構)，儀器在延伸穿過套管511穿過微創孔口進入患者體內之前附接到該支架。

連同如圖5A至圖5D所示的連接連桿的接頭的旋轉的軸線一起描述圖5A至圖5D的操縱器臂500的單獨連桿，第一連桿504從樞轉接頭J2(其繞其接頭軸線樞轉并耦合到轉動接頭J1，轉動接頭J1繞其接頭軸線旋轉)向遠側延伸。剩余接頭中的許多能夠通過它們相關聯的旋轉軸線來識別，如圖5A所示。例如，第一連桿504的遠側端部在繞其樞轉軸線樞轉的樞轉接頭J3處耦合到第二連桿506的近側端部，并且第三連桿508的近側端部在繞其軸線樞轉的樞轉接頭J4處耦合到第二連桿506的遠側端部，如圖所示。第三連桿508的遠側端部在樞轉接頭J5處耦合到儀器托架510。通常，接頭J2、J3、J4和J5中的每個的樞轉軸線基本上平行，并且聯動裝置在彼此靠近定位時顯得“堆疊”，如圖5D所示，以便提供操縱器臂的減小的寬度w并且在操縱器組件的調遣期間改善患者間隙。在許多實施例中，儀器托架還包括額外接頭，諸如棱柱接頭J6，其促進儀器306穿過微創孔口的軸向移動，并促進儀器托架附接到儀器滑動插入所穿過的套管。

工具512延伸穿過的遠側構件或套管511可包括儀器托架510的遠側的額外自由度。儀器的自由度的致動將通常由操縱器的馬達驅動，并且可替換實施例可在迅速可拆卸的儀器托架/儀器接口處將儀器與支撐操縱器結構分離，使得這里示出為在儀器上的一個或更多個接頭代替地在接口上，或反之亦然。在一些實施例中，套管511包括接近工具尖端的插入點或樞轉點PP(其通常設置在微創孔口的部位處)或在其近側的旋轉接頭J7(未示出)。儀器的遠側腕部允許外科手術工具512的端部執行器在儀器腕部處繞一個或更多個接頭的儀器接頭軸線的樞轉運動。在端部執行器鉗元件之間的角度可獨立于端部執行器位置和取向被控制。

示例性操縱器組件的運動范圍能夠通過參考圖6A至圖6C來認識。在外科手術過程期間，示例性操縱器臂能夠被調遣到如圖6A所示的前傾配置中，或如圖6B所示的后傾配置中，按需要進入外科手術工作空間內的特定患者組織。典型的操縱器組件包括能夠繞軸線前傾和后傾至少±60度，優選約±75度，并也能夠繞軸線偏轉±80度的端部執行器。盡管該方面允許具有組件的端部執行器的提高的調遣性，但可存在其中端部執行器的移動可能受限的配置，特別是當操縱器臂在如圖6A和圖6B中的完全前傾或完全后傾配置時。在一個實施例中，操縱器臂分別具有對于外傾的(+/-75度)和對于外偏轉接頭(+/-300度)的運動范圍(ROM)。在一些實施例中，ROM對于外傾可增大以提供大于(+/-90度)的ROM，在此情況下可使得其中接頭移動受限或不可能的空間錐完全消失，然而通常與插入限制相關聯的內部球體將保留。應認識到各種實施例可經配置具有增大或減小的ROM，上面提到的ROM被提供用于說明目的，并且進一步地，本發明不限于本文所描述的ROM。

圖6C圖形表示圖5A至圖5B的示例性操縱器的工具尖端的總體運動范圍和工作空間。盡管工作空間示出為半球體，但其也可根據操縱器的一個或更多個轉動接頭(諸如接頭J1)的運動范圍和配置表示為球體。如圖所示，圖6C中的半球體包括中心小球體空隙以及兩個錐形空隙。空隙表示其中工具尖端的移動由于機械約束而不可能或由于極高接頭速度(其使得端部執行器的移動困難或緩慢)而不能實行的區域。出于這些原因，錐形空隙稱為“靜錐區”。在一些實施例中，操縱器臂可在錐體內的點處達到奇點。由于操縱器在靜錐區內或接近靜錐區的移動可受損害，因此會難以在沒有手動移動操縱器的一個或更多個連桿以重配置操縱器的聯動裝置和接頭的情況下移動操縱器臂離開靜錐區，這可能需要可替換的操作模式并延遲外科手術過程。

儀器軸到這些錐形部分中或附近的移動通常在操縱器中遠側聯動裝置之間的角度相對小時發生。因此，能夠通過各向異性地加強操縱器的移動以便增大聯動裝置之間的角度(使得聯動裝置移動到相對彼此更正交的方位中)，來避免此類配置。例如，在圖6A和圖6B所示的配置中，當最遠側連桿和儀器托架之間的角度(角度a)變為相對小時，操縱器的移動可能變得更困難。取決于在各種實施例中剩余接頭中的接頭移動范圍，當某些聯動裝置之間的角度減小時，操縱器的移動可能受抑制，并且在一些情況下，操縱器臂可能不再冗余。其中儀器軸接近這些錐形部分或其中在聯動裝置之間的角度相對低的操縱器配置稱為“低劣調節的”，使得操縱器臂的調遣性和靈巧性受限制。希望操縱器為“良好調節的”以便維持靈巧性和移動范圍。在一個方面中，本發明允許用戶通過簡單錄入命令以按需重配置操縱器來避免儀器軸接近上述的錐形部分的移動，即使在外科手術過程中端部執行器移動期間。對于操縱器將出于任何原因變為“低劣調節的”，則該方面特別有用。

盡管上述操縱器的實施例可用于本發明，但一些實施例可包括也可用來改善操縱器臂的靈巧性和調節的額外接頭。例如，示例性操縱器可包括在接頭J1近側的轉動接頭和/或聯動裝置，其能夠用來將圖5A的操縱器臂以及它的相關聯靜錐區繞轉動接頭的軸線旋轉以便減小或消除靜錐區。在另一實施例中，示例性操縱器也可包括遠側樞轉接頭，其將儀器托架繞基本上垂直于接頭J5的軸線樞轉，由此將工具尖端偏移以便進一步減小靜錐區并改善外科手術工具的移動范圍。在又一實施例中，操縱器臂的近側接頭(諸如J1)可以可移動地安裝在底座上，以便按需移動或移位靜錐區并改善操縱器工具尖端的移動范圍。此類額外接頭的使用和優點能夠通過參考圖示此類接頭的示例的圖7A至圖12C理解，在本文所描述的任何示例性操縱器臂中，此類接頭可每個獨立于彼此使用或組合使用。

圖7A至圖7B圖示用于與示例性操縱器臂一起使用的額外冗余接頭——將操縱器臂的近側部分耦合到底座的第一接頭。第一接頭是將操縱器臂繞接頭J1的接頭軸線轉動的近側轉動接頭J1。近側轉動J1包括將接頭J1’從近側轉動J1偏移預定距離或角度的連桿501。連桿501能夠是如圖7A所示的彎曲聯動裝置，或如圖7B所示的線性或成角度的聯動裝置。通常，接頭J1的接頭軸線與工具尖端的遠距中心RC或插入點對齊，如圖7A中的每個所示。在示例性實施例中，接頭J1的接頭軸線經過遠距中心，與操縱器臂中的每個其它轉動接頭軸線一樣，以阻止在體壁處的運動并能夠因此在外科手術期間移動。接頭J1的軸線耦合到臂的近側部分，因此其能夠用來改變臂的后部的方位和取向。通常，冗余軸線(諸如該軸線)允許儀器尖端遵循外科醫生的命令同時避開與其它臂或患者解剖結構的碰撞。在一個方面中，近側轉動J1單獨用來改變操縱器相對于底板的安裝角。該角度是重要的以便：1)避開與外部患者解剖結構的碰撞；以及2)到達體內解剖結構。通常，在附接到近側轉動接頭J1的操縱器的近側連桿和近側轉動的軸線之間的角度a為約15度。

圖7B圖示示例性操縱器臂中的近側轉動接頭J1及其相關聯的接頭軸線和靜錐區的關系。近側轉動接頭J1的接頭軸線可經過靜錐區或可完全在靜錐區外。通過繞近側轉動J1的軸線轉動操縱器臂，靜錐區能夠減小(在其中接頭J1軸線經過靜錐區的實施例中)，或能夠有效消除(在其中近側轉動接頭軸線完全在靜錐區外延伸的實施例中)。連桿501的距離和角度確定接頭J1軸線相對于靜錐區的方位。

圖8圖示用于與示例性操縱器臂一起使用的另一類型的冗余接頭，將儀器托架510耦合到操縱器臂508的遠側連桿的遠側轉動接頭J7。遠側轉動接頭J7允許系統將儀器托架510繞通常經過遠距中心或插入點的接頭軸線扭轉。理想地，轉動接頭遠側地位于臂上并因此特別適合于移動插入軸線的取向。該冗余軸的添加允許操縱器為任何單個儀器尖端方位采取(assume)多個方位。通常，冗余軸線(諸如該軸線)允許儀器尖端遵循外科醫生的命令同時避開與其它臂或患者解剖結構的碰撞。因為遠側轉動接頭J7具有移動插入軸線更靠近偏轉軸線的能力，因此能夠增大臂后傾的運動范圍。在遠程轉動接頭J7的軸線、J1’的偏轉軸和工具尖端的插入軸線之間的關系在圖9中示出。圖10A至圖10C示出J7的循序移動及其如何將工具尖端的插入軸線從一側移位到另一側。

遠側轉動接頭J7的另一優點是其可減小患者間隙錐(clearance cone)，其為在插入點近側的操縱器臂的遠側部分的掃掠體積(swept volume)，該掃掠體積必須清除(clear)患者以避開患者和儀器托架或操縱器臂的遠側聯動裝置之間的碰撞。圖11A圖示當遠側轉動接頭的角位移保持在0°時操縱器臂的近側部分的患者間隙錐。圖11B圖示當示出遠側轉動接頭具有繞其軸線的90°的角位移時操縱器臂的近側部分的減小的患者間隙錐。因此，在具有接近插入點的最小患者間隙的過程中，根據本發明使用接頭J7可提供額外間隙，同時按需維持端部執行器的遠距中心位置或方位。

圖12A至圖12C圖示用于與示例性操縱器臂一起使用的另一類型的冗余接頭，將操縱器臂平移或繞軸線轉動的近側接頭。在許多實施例中，該近側可平移接頭將操縱器的近側接頭(諸如接頭J1或J1’)沿一路徑平移，以便通過移位或旋轉操縱器臂的運動范圍來減小或消除靜錐區，以提供操縱器臂的更優調節以及改善的調遣性。可平移接頭可包括圓形路徑，諸如圖12A至圖12D中的J1”所示，或可包括半圓形或弧形路徑。通常，接頭將操縱器臂繞與遠距中心RC交叉的可平移接頭的軸線轉動，延伸穿過套管511的工具512的軸繞遠距中心RC樞轉。在所示實施例中，J1”的該軸線為豎直軸線，但是在各種其它實施例中該軸線可以處于一定角度或是水平的。

在一些實施例中，操縱器臂500可包括近側和遠側轉動接頭、近側可平移接頭和遠側聯動裝置的平行四邊形配置中的任一個或全部。根據本發明，這些特征中的任一個或全部的使用提供額外冗余自由度并促進重配置，以便通過增大聯動裝置之間的角度提供更優“調節的”操縱器組件，由此改善操縱器的靈巧性和運動。該示例性操縱器的增大的靈活性也能夠用來優化操縱器聯動裝置的動力學，以便避免接頭限制、奇點等。

在示例實施例中，通過由控制器使用系統的馬達驅動一個或更多個接頭來控制操縱器的接頭移動，該接頭根據由控制器的處理器計算的協調的接頭移動來驅動。數學上，控制器可使用向量和/或矩陣(其中一些可具有對應于接頭的配置或速度的元素)執行接頭命令的計算中的至少一些。可用于處理器的可替換的接頭配置的范圍可概念化為接頭空間。例如，接頭空間可具有與操縱器具有的自由度一樣多的維度，并且操縱器的特定配置可表示接頭空間中的特定點，其中每個坐標對應于操縱器的相關聯接頭的接頭狀態。

在示例實施例中，系統包括控制器，其中特征在工作空間(這里表示為其笛卡爾空間)中的所命令的方位和速度是輸入。特征可以是能夠被用作有待使用控制輸入來鉸接的控制框架的在操縱器上或不在操縱器上的任何特征。用于本文中描述的許多示例的在操縱器上的特征的示例將為工具尖端。在操縱器上的特征的另一示例將為不在工具尖端上但為操縱器的一部分(諸如針腳或著色圖案)的物理特征。不在操縱器上的特征的示例將為空白空間中的參考點，其精確地為距工具尖端的特定距離和角度。不在操縱器上的特征的另一示例將為目標組織，能夠建立相對于操縱器的該目標組織的方位。在所有這些情況下，端部執行器與使用控制輸入來鉸接的虛控制框架相關聯。然而，在下文中，“端部執行器”和“工具尖端”同義使用。盡管通常沒有將希望的笛卡爾空間端部執行器方位映射到等效接頭空間方位的封閉式關系，但通常存在笛卡爾空間端部執行器和接頭空間速度之間的封閉式關系。動力學雅可比矩陣是端部執行器的笛卡爾空間方位元素相對于接頭空間方位元素的偏導數的矩陣。這樣，動力學雅可比矩陣捕捉端部執行器和接頭之間的動力學關系。即，動力學雅可比矩陣捕捉接頭運動在端部執行器上的效果。動力學雅可比矩陣(J)能夠用來使用下面的關系將接頭空間速度(dq/dt)映射到笛卡爾空間端部執行器速度(dx/dt)：

dx/dt＝J dq/dt

因此，即使當輸入和輸出方位之間沒有封閉式映射時，速度的映射能夠迭代地使用，諸如在基于雅可比矩陣的控制器中，以實施來自所命令的用戶輸入的操縱器的移動，然而能夠使用各種實施方案。盡管許多實施例包括基于雅可比矩陣的控制器，但一些實施方案可使用各種控制器，所述各種控制器可經配置訪問操縱器臂的雅可比矩陣以提供本文所描述的特征中的任一種。

一個此類實施方案在下面以簡化項描述。所命令的接頭方位用來計算雅可比矩陣(J)。在每個時間步(Δt)期間，計算笛卡爾空間速度(dx/dt)以執行所希望的移動(dx_des/dt)并根據所希望的笛卡爾空間方位校正組合(built up)偏差(Δx)。然后使用雅可比矩陣的偽逆矩陣(J^#)將該笛卡爾空間速度轉換成接頭空間速度(dq/dt)。所得的接頭空間命令的速度然后被積分以產生接頭空間命令的方位(q)。這些關系如下列出：

dx/dt＝dx_des/dt+kΔx (1)

dq/dt＝J^#dx/dt (2)

q_i＝q_i-1+dq/dtΔt (3)

雅可比矩陣(J)的偽逆矩陣將所希望的工具尖端運動(和在一些情況下的樞轉工具運動的遠距中心)直接映射到接頭速度空間中。如果所使用的操縱器具有比工具尖端自由度(多至六個)更有用的接頭軸線，(并且當工具運動的遠距中心正在使用時，操縱器應具有用于與遠距中心的位置相關聯的3個自由度的額外3個接頭軸線)，那么操縱器稱為冗余的。冗余操縱器的雅可比矩陣包括具有至少為一的維度的“零空間”。在此情境下，雅可比矩陣的“零空間”(N(J))為瞬時地實現無工具尖端移動(并且當使用遠距中心時，瞬時地實現無樞轉點位置的移動)的接頭速度的空間；以及“零運動”為接頭方位的組合、軌跡或路徑，其也不產生工具尖端和/或遠距中心的位置的瞬時移動。

在一個方法中，接頭狀態分成“零垂直”移動，其為實現所命令的工具尖端狀態的接頭狀態；以及“零空間”移動，其為不引起工具尖端運動(或當使用遠距軟件中心時，不引起遠距中心或樞轉點位置的移動)的接頭狀態。將所計算的零空間速度結合或注入到操縱器的控制系統中以實現操縱器的所希望的重配置(包括本文所描述的任意重配置)將上面方程(2)改變成下式：

dq/dt＝dq_perp/dt+dq_null/dt (4)

dq_perp/dt＝J^#dx/dt (5)

dq_null/dt＝(1-J^#J)z＝V_nV_n^T z＝V_nα (6)

根據方程(4)的接頭速度具有兩個分量：第一個為零垂直空間分量，其為產生所希望的工具尖端運動(并且當使用遠距中心時，產生所希望的遠距中心運動)的“最純的”接頭速度(最短向量長度)，并且第二個為零空間分量。方程(2)和(5)示出在沒有零空間分量的情況下得到相同方程。方程(6)始于左側上零空間分量的傳統形式，并且在遠右側上，示出用于示例性系統的形式，其中V_n為用于零空間的正交基底向量組，并且α為用于混合那些基底向量的系數。在一些實施例中，通過控制參數、變量或設定(諸如通過使用旋鈕或其它控制裝置)來確定α，以按需在零空間內成形或控制運動。盡管該方法具有許多益處，但是在一些所計算的移動中，為“零垂直”和“零空間”接頭狀態中的每個計算接頭移動用于組合的移動所需的復雜性和周期時間可大于所希望的。

在可替換方式中，可使用增廣的雅克比方法，其結合與用于增廣雅克比矩陣的函數、系數或接頭狀態內的零空間移動相關的一個或更多個輔助功能或所希望的移動。在一個方面中，該方法結合與一個或更多個輔助功能相關聯的勢函數梯度，或可使用被應用到笛卡爾空間端部執行器速度的所希望的移動。雅克比矩陣可被增廣，使得通過取雅克比矩陣的偽逆矩陣計算的所得接頭速度提供所希望的輔助任務或移動。根據增廣的雅克比方法，可使用以下方程，然而認識到可使用列向量：

dx/dt＝J*dq/dt

y＝h(q,…)

該方法可提供簡化的計算，因此提供與上面前述方法比較而言減小的計算時間。在一些所命令的移動中，該可替換方法可在提供所計算的接頭速度中減少用于接頭速度的計算時間，這實現與操縱器的一個或更多個其它接頭的一個或更多個輔助功能或所希望的移動同時的所命令的端部執行器或工具尖端移動。在某些方面中，該方法可按需與上述方法組合(例如，在它們之間交替或間歇地)使用以便保持與每個方法相關聯的優點。例如，在一些實施例中，系統可利用增廣的雅可比方法，其可在操縱器的一個或更多個接頭不接近它們的相應接頭限制或奇點時用于一個或更多個輔助功能(例如，碰撞避開、命令的重配置)，或可在一個或更多個接頭處于它們的相應限制或處于奇點時利用上面第一方法。應理解在涉及本文中所描述的使用雅可比矩陣計算接頭移動中，此類計算可包括使用增廣的雅可比方法。

在一個方面中，如上所述，可增廣雅可比矩陣以實現一個或更多個輔助功能或所希望的接頭移動。在一些實施例中，為實現一個或更多個輔助功能或所希望的接頭移動，其可包括執行特定任務或接頭移動的組合，或大體上在所希望的方向上或朝向特定接頭狀態或相對狀態移動一個或更多個接頭，以便實現輔助任務。對于增廣的雅可比矩陣而言的一個或更多個輔助功能或所希望的接頭移動可包括以下中的任一個：所命令的端部執行器移動、樞轉移動、根據所希望的移動的樞轉中心的受控移動(例如，端口抓握、運動補償)；接頭運動撤銷、在相鄰操縱器臂之間或操縱器與患者之間的碰撞避開、操縱器的一個或更多個接頭的所命令的重配置、零傾浮動特征、到笛卡爾坐標空間邊緣的促進進入、各向異性地加強接頭運動，或其任何組合。在一個方面中，這些特征中的任何能夠在函數內組合以獲得雅可比矩陣能夠用其來增廣的系數。這些特征能夠在應用到雅可比矩陣之前和/或之后被加權、縮放或選擇性地過濾以便提供所計算的接頭移動，所計算的接頭移動將輔助任務或所希望的接頭移動按需組合。

在一個方面中，某些特征可作為主任務來執行，使得某些其它特征可通過增廣的雅可比矩陣作為輔助任務執行。例如，維持所希望的樞轉中心位置(或提供樞轉中心在遠距軟件中心處的受控移動)可在雅可比矩陣的計算中作為主任務來執行，而雅可比矩陣可被增廣以執行所命令的端部執行器移動作為輔助任務。應認識到，該相同概念可應用到執行一個移動作為主任務同時使用增廣以執行另一移動作為輔助任務的任務或移動的各種其它組合。

圖14A至圖14B圖形地圖示示例性操縱器臂的雅可比矩陣的零空間和雅可比矩陣的零垂直空間之間的關系。圖14A示出二維示意圖，其示出沿橫軸線的零空間和沿縱軸線的零垂直空間，兩個軸線彼此正交。對角向量表示在零空間中的速度向量和在零垂直空間中的速度向量之和，其表示上面的方程(4)，或可替換地可通過使用增廣的雅可比矩陣來獲得，如本文中所描述并且如將由本領域技術人員所理解的。

圖14B圖形地圖示在四維接頭空間內的零空間和零運動流形(motion manifold)(示為“零運動流形”)之間的關系。每個箭頭(q1、q2、q3和q4)表示主接頭軸線。閉合曲線表示零運動流形，其為瞬時實現相同端部執行器方位的一組接頭空間方位。對于曲線上給定點A，由于零空間為瞬時不產生端部執行器移動的接頭速度的空間，因此在點A處零空間平行于零運動流形的正切。

在一個方面中，雅可比矩陣(其偽逆矩陣用來確定接頭狀態以實現所命令的工具尖端狀態)能夠通過根據所希望的輔助任務或所希望的接頭移動確定的系數來增廣。當所希望的輔助任務包括“鎖定”操縱器的一個或更多個接頭時，通過對雅可比矩陣的增廣，與希望鎖定的接頭的移動相關聯的變量能夠被強制為“0”，例如，如在以下方程中所示(盡管項“J”在各圖中用于接頭，但在本文中提供的方程中，“J”表示雅可比矩陣并且q表示接頭值)：

圖15A至圖15B示意地圖示根據與端部執行器位移移動同時的所命令的重配置移動的在操縱器臂移動之前和之后的示例操縱器500，其中接頭J₁被鎖定。響應于由用戶錄入的端部執行器操縱命令，處理器通過使用動力學雅可比矩陣(其已被增廣以抑制零空間內一個或更多個接頭的移動)計算接頭(包括接頭J_t)的移動，從而有效地撤銷鎖定的接頭J_t的移動。該接頭移動撤銷能夠與所計算的接頭移動(其提供所希望的執行器移動)同時提供，并且進一步與響應于用以重配置操縱器臂的用戶命令的一個或更多個其它接頭的重配置移動同時提供。如圖15A至圖15B的示例中所示，臂的重配置移動包括接頭J_t的移動，使得即使當接頭J_t從端部執行器位移移動中被鎖定時，鎖定的接頭能夠在實現涉及另一任務的移動(諸如操縱器臂的所命令的重配置)時移動。在另一方面中，可使用該方法以將多個接頭中的所希望接頭有效地從任何移動中鎖定，即，在操縱器移動以實現所命令的端部執行器移動期間，雅可比矩陣被增廣以便抑制所希望的接頭的狀態的任何變化。

在一些實施例中，系統可經配置使得零空間內接頭的速度根據接頭位置和/或配置或任何數量的條件被縮放。例如，用戶可希望在重配置移動期間在操縱器臂中用比最遠側接頭更高的速度驅動最近側接頭。另外，系統可經配置以便按需維持操縱器臂的接頭中的任一個的方位或狀態。

在某些方面中，系統可以以任何數量的方式從系統用戶接收重配置命令。在一些實施例中，操縱器包括用于從用戶接收重配置命令的輸入裝置。輸入裝置可包括用于按需驅動一個或更多個接頭(或可替換地用于移動一個或更多個連桿)的一個或更多個按鈕或機構。輸入裝置可設置在操縱器臂上，通常在與響應于裝置的激活而被驅動的接頭對應的位置處，諸如在美國申請號13/906,767中所描述的，其標題為“Systems and Methods for Commanded Reconfiguration of a Surgical Manipulator Using the Null-Space(使用零空間的外科手術操縱器的所命令的重配置的系統和方法)”，提交于2013年5月31日(代理人案號ISRG03770)，其全部內容并入本文用于所有目的。可替換地，系統可包括具有按鈕或機構(其每個對應于操縱器臂的接頭或聯動裝置)的群集的輸入裝置。該實施例允許用戶從集中位置重配置臂。可替換地，輸入裝置可包括可操作以按需驅動一個或更多個接頭并實現重配置的操縱桿。應認識到輸入裝置可包括任何數量的變體。

在另一方面中，能夠通過由避開在相鄰操縱器臂之間的碰撞和/或在操縱器臂和患者表面之間的碰撞的函數確定的系數(H)來增廣雅可比矩陣。此函數可以以任何數量的方式實現該所希望的移動，包括確定相鄰操縱器的對應點之間或操縱器特征和患者表面之間的距離，或基于相鄰操縱器或操縱器與患者表面的相對方位來確定梯度場。在一個示例中，以下方程可用來通過使用增廣的雅可比矩陣實現碰撞避開。

y＝H(q,…)

在上面方程中，包括提供操縱器在工作空間內的特定狀態的工作空間計算，使得與H(例如，在相鄰操縱器上對應點之間或在操縱器和患者之間的所希望的相對關系)組合，能夠避開碰撞。以下示例在概念上說明此類增廣可如何應用以抑制操縱器碰撞。

關于抑制操縱器之間的碰撞，在某些實施例中，諸如例如圖5A所示的示例，示例操縱器臂包括近側轉動接頭J1，其繞第一接頭軸線旋轉以便將接頭遠側的操縱器臂繞接頭軸線轉動。在一些實施例中，轉動接頭J1直接安裝到底座，而在其它實施例中，接頭J1可安裝到一個或更多個可移動聯動裝置或接頭。操縱器的接頭組合起來具有冗余自由度，使得操縱器臂的接頭能夠被驅動通過用于給定端部執行器的不同配置的范圍。例如，圖5A至圖5D的操縱器臂可被調遣到不同配置中，同時在儀器托架510內支撐的遠側構件511(諸如工具512或儀器軸延伸穿過的套管)維持特定狀態，并可包括端部執行器的給定方位或速度。遠側構件511通常為工具軸512延伸穿過的套管，并且儀器托架510通常為支架(示為在柱上平移的類磚塊結構)，儀器在延伸穿過套管511穿過微創孔口進入患者體內之前附接到該支架。

連同如圖5A至圖5D所示的連接連桿的接頭的旋轉的軸線一起描述圖5A至圖5D的操縱器臂500的單獨的連桿，第一連桿504從樞轉接頭J2(其繞其接頭軸線樞轉并耦合到轉動接頭J1，轉動接頭J1繞其接頭軸線旋轉)向遠側延伸。剩余接頭中的許多能夠通過它們相關聯的旋轉軸線識別，如圖5A所示。例如，第一連桿504的遠側端部在繞其樞轉軸線樞轉的樞轉接頭J3處耦合到第二連桿506的近側端部，并且第三連桿508的近側端部在繞其軸線樞轉的樞轉接頭J4處耦合到第二連桿506的遠側端部，如圖所示。第三連桿508的遠側端部在樞轉接頭J5處耦合到儀器托架510。接頭J2、J3、J4和J5中的每個的樞轉軸線可經配置基本上平行，使得聯動裝置在彼此靠近定位時顯得“堆疊”，如圖5D所示，以便提供操縱器臂的減小的寬度w并且在操縱器組件的調遣期間改善操縱器的一部分周圍的間隙。在一些實施例中，儀器托架還包括額外接頭，諸如棱柱接頭J6，其促進儀器穿過微創孔口的軸向移動，并促進儀器托架附接到儀器滑動插入穿過的套管。

套管511可包括儀器托架510遠側的額外自由度。儀器的自由度的致動可由操縱器的馬達驅動，并且可替換實施例可在迅速可拆卸的儀器托架/儀器接口處將儀器與支撐操縱器結構分離，使得這里示出為在儀器上的一個或更多個接頭代替地在接口上，或反之亦然。在一些實施例中，套管511包括接近工具尖端的插入點或遠距中心RC(工具的軸鄰近微創孔口繞其樞轉)或在其近側的旋轉接頭J7(未示出)。儀器的遠側腕部允許端部執行器在儀器腕部處繞一個或更多個接頭的儀器接頭軸線穿過套管511的樞轉運動。在端部執行器鉗元件之間的角度可獨立于端部執行器位置和取向受控制。

在某些實施例中，系統使用與每個操縱器臂的方位或狀態對應的限定的參考幾何形狀，使得系統的處理器能夠通過確定相鄰操縱器臂的參考幾何形狀之間的相對狀態，確定在臂之間的碰撞何時可能即將發生。如圖5A所示，有時稱為“避開參考幾何形狀”的參考幾何形狀700能夠包括多個線段704、706、708、701、711，每個均對應于物理操縱器臂500的聯動裝置。“參考幾何形狀”自身由處理器限定(或先前限定和/或由用戶輸入)，并且其狀態在操縱器的部件遍及外科手術空間移動時由處理器通常使用接頭傳感器來確定并跟蹤。圖5A所示的線段用于說明目的以指示參考幾何形狀如何對應于涉及操縱器臂的部件或特征，并且說明如何能夠由處理器根據本發明限定和利用參考幾何形狀的變化以避開臂到臂碰撞。參考幾何形狀可進一步包括與涉及操縱器臂的突起或特征對應的點或線段，例如，線段711對應于可移動地安裝在柱聯動裝置710上的支架的突起邊緣，并且線段712對應于延伸穿過套管511的儀器的底座的突起邊緣。如本文中所述，與第一操縱器的部件對應的所限定的參考幾何形狀線段共同稱為“第一參考幾何形狀”，諸如圖5E所示，其圖形地描繪參考幾何形狀700為涵蓋對應于操縱器臂500的各部件的線段706、708、710、711和712。

圖16A至圖16C圖示根據本發明的如上所描述的第一操縱器和第二操縱器的相互作用，以及第一避開參考幾何形狀和第二避開參考幾何形狀的示例使用。圖16A中的系統包括第一操縱器500和第二操縱器500’，每個均具有接頭聯動裝置的相同組件，所述接頭聯動裝置的相同組件具有用于所給定的端部執行器方位的一定范圍的配置，但是應認識到可使用各種其它操縱器，以及在相同系統內組合不同類型的操縱器。在一個方面中，系統通過在參考幾何形狀700的線段和參考幾何形狀700′的線段之間施加虛擬力來計算一個或兩個操縱器的避開移動。處理器使用虛擬力計算接頭力，所述接頭力提供移動一對相互作用的元件彼此遠離所需的移動。在一些實施例中，系統可使用上面描述的參考幾何形狀計算在相鄰操縱器的相互作用的元件之間沿在相互作用的元件之間延伸的避開向量的“斥力”。相對狀態、避開向量和斥力可在操縱器臂的三維工作空間中計算并然后轉換到接頭空間中。使用動力學雅可比增廣計算操縱器臂在接頭空間內的移動，使得所得的接頭速度增大對應于操縱器結構自身的參考幾何形狀之間的分離，同時維持操縱器的遠側部分的所希望的方位。通常，力可以是相對狀態或每個操縱器的參考幾何形狀之間的距離、最小或最大距離或所希望的距離的函數(例如，f(d>d_max)＝0，f′(d)<0(注意：f′是f的導數))。使用參考幾何形狀的相互作用的元件之間的所計算的斥力用于確定向量或系數(能夠通過其增廣雅可比矩陣)，以便在零空間內通過避開移動提供操縱器之間的所希望的分離。函數/系數的確定或避開向量的計算用于增廣雅可比矩陣。

在示例實施例中，系統從可能潛在地相互作用或碰撞的相鄰操縱器中確定至少一對最靠近元件(通常稱為“相互作用的元件”)。該對相互作用的元件(每個操縱器一個)能夠包括具有重疊的運動范圍的任何對的元件。例如，在圖16A中，一個相互作用的元件對為711和711’，而另一相互作用的元件對為710和706’。在一些實施例中，系統僅考慮在特定分離距離內的相互作用的元件對。響應于確定在相互作用的元件對之間的距離(d)小于所希望的距離，諸如在參考幾何形狀711和711’對應的相互作用的元件之間的距離(d)，處理器計算一個或兩個操縱器的避開移動以增大相互作用的元件之間的距離。在其它實施例中，避開移動的計算也可包括使用其它相互作用的元件對之間的距離(諸如在710與706’之間的距離d’)獲得的力，以便提供更有效的移動或在移動期間維持其它相互作用的元件對之間的合適距離。在某些實施例中，通過確定沿在所識別的相互作用的元件之間延伸的向量的斥力或在操縱器的工作空間中施加虛擬力，并使用該形式計算接頭空間內的避開移動，來計算避開移動。

在一些實施例中，計算避開移動，以便根據所計算的避開移動來驅動在上面計算中使用的一對中的一個操縱器的接頭。在其它實施例中，可計算避開移動以便驅動操縱器的一個或更多個特定接頭，與那些接頭是否被驅動以實現其它所計算移動無關。另外，也可計算避開移動以驅動操縱器臂的一個或更多個特定接頭，諸如不在實現由用戶命令的操縱器臂的位移移動時被驅動的接頭。

在圖16A的實施例中，響應于確定距離(d)小于所希望的距離，處理器根據被增廣的動力學雅可比矩陣確定第二操縱器500’的所計算的接頭移動，使得所得的接頭移動增大參考幾何形狀711和711’之間的距離(d)。如圖6A所示，操縱器臂每個均由將相應臂繞接頭的軸線樞轉的近側轉動接頭J1支撐。如圖16B至圖16C所示，在一個或兩個臂中分別使用接頭組合的一個或兩個操縱器臂的移動能夠移動臂的上部部分，而不改變端部執行器及其遠距中心RC的狀態。在圖16B中，由系統確定最接近點為相隔距離(d1)。響應于該確定(或根據本文中所描述的方法中的任一種)，系統驅動一個或兩個臂的一個或更多個接頭以增大最接近點之間的距離(圖16C中示為d2)而不改變在每個臂的端部處的端部執行器的狀態；因此，系統通過增廣動力學雅可比矩陣，使得第一操縱器和/或第二操縱器的一個或更多個接頭維持和/或增大其之間的分離，來避開碰撞。在一些實施例中，驅動至少第一近側接頭可提供避開移動，同時最小化操縱器的遠側部分(例如端部執行器)的重配置，但是可計算類似的避開移動以驅動操縱器臂的更遠側部分的一個或更多個接頭。在另一方面中，系統可經配置計算避開移動以移動本文中描述的接頭中的任一個，無論此類接頭是否在實現位移移動時被驅動，或經配置包括基于特定配置或操縱器狀態的根據層級(hierarchy)來驅動接頭。

根據某些實施例，可根據數個不同方法(其通常包括確定操縱器臂之間的“最接近點”)計算避開移動。最接近點能夠使用基于經由接頭傳感器的已知操縱器方位或狀態的計算來確定，或能夠使用其它合適裝置來近似，諸如外部傳感器、視頻、聲吶、電容或觸摸傳感器等。實施例也可使用安裝在從動聯動裝置或從設備上的接近傳感器，其能夠感測局部臂到臂接近性和/或碰撞。

在某些實施例中，處理器確定每個參考幾何形狀的線段上的最接近點。在施加虛擬斥力之后，處理器然后計算第一操縱器和第二操縱器之間的斥力。在一個方面中，每個操縱器臂的參考幾何形狀可限定為“局部線段”，使得相鄰操縱器臂上相互作用的線段彼此排斥。在另一方面中，一個操縱器的參考幾何形狀可限定為“局部線段”且其他的限定為“障礙物線段”，使得僅局部線段由虛擬力排斥。該方面允許系統通過為操縱器臂中的僅一個或僅一些計算避開移動來避開碰撞，由此防止不必要的移動或過度復雜的避開移動。例如，在一些實施例中，盡管虛擬力可在每個參考幾何形狀的線段之間施加，但是僅計算“局部線段”的移動。在一些實施例中，處理器將從施加虛擬力獲得的所計算的力根據避開移動轉換成將要移動的操縱器臂的接頭速度，該避開移動然后投影到零空間上。通過獲得在零空間內延伸操縱器的接頭和/或連桿的虛擬力以維持操縱器之間的分離，能夠確定能夠通過其增廣雅可比矩陣的系數或函數，使得用此計算的接頭移動引起抑制碰撞的接頭移動同時維持所希望的端部執行器狀態。

在示例實施例中，處理器通常使用操縱器臂的工作空間內的計算來確定來自每個操縱器臂的至少一對參考幾何形狀線段(通常為最接近的線段對)之間的距離。對于比某個最大排除距離更靠近的線段對，識別最靠近點。處理器然后施加虛擬排斥向量(其強度與距離成反比)，虛擬排斥向量然后轉換成接頭空間并能夠用來增廣雅可比矩陣，使得所計算的接頭移動在零空間內延伸一個或更多個接頭，以維持該對線段之間的充足間隙。處理器可對多于一個線段對執行上面的處理。在此類實施例中，來自所有線段對的排斥向量的組合結果能夠合并成結果或(H)的函數(例如，dH/dt)以便用于雅可比矩陣的增廣，增廣的雅可比矩陣可然后由接頭控制器用來實現所計算的移動(包括在零空間內的避開移動)。這些方面在下面進一步詳述。

在另一示例實施例中，對于每對操縱器臂，處理器首先使用對應于每個元件的參考幾何形狀來確定可能潛在地彼此接觸或碰撞的一對元件或部件，如上所述。使用對應的參考幾何形狀，系統然后確定通常在最大排除距離內的每對的最靠近元件、多個相互作用對，或所有元件對的效果的加權和。為計算避開移動，處理器通常首先確定每對相互作用的元件上的最接近點，并計算可用來將元件彼此“推開”的避開向量。可通過生成如上所述的虛擬力并在將元件彼此排斥的方向上命令速度，或通過各種其它方法來計算避開向量。處理器然后將在參考幾何形狀的最接近點處排斥元件彼此離開所需的力映射成適當的避開，其然后能夠用于增廣雅可比矩陣并提供操縱器的零空間內的避開移動。

在一個方法中，處理器計算操縱器臂的工作空間中的避開向量；將避開向量變換到接頭速度空間中；并然后使用結果將向量投影到零空間上以獲得避開移動。處理器可經配置計算最接近點之間的排斥或避開向量；在工作空間中將避開向量映射到操縱器臂的“最接近”點的運動中，并然后確定(H)的函數(通過該函數增廣雅可比矩陣)[Ken，請參見段0100中的評論]，該函數提供移動最接近點彼此離開的所希望的方向和量值。如果多個相互作用的點在相鄰操縱器臂上的各點或特征之間使用，則與來自每個相互作用的特征的避開向量相關聯的所得的零空間系數能夠通過求和來組合。

在另一方法中，處理器可使用向量或向量通項以依靠雅可比矩陣的增廣來按需完成輔助任務。在一個方面中，處理器可經配置計算操縱器臂的最接近點之間的排斥或回避向量(例如，回避幾何形狀)以便用于增廣雅可比矩陣。如果使用操縱器臂上的多個特征，則能夠使用各種方法組合所得的接頭向量。

在第一方法中，通過在接頭空間中生成勢場，使得高勢表示操縱器臂之間的較短距離并且低勢表示較大距離，來確定避開移動。然后通過沿勢場的負梯度下降的函數(優選地下降到最大可能范圍)確定H函數。在第二方法中，系統基于工作空間中的避開幾何形狀確定避開碰撞所需的向量，并然后確定通過其增廣雅可比矩陣的H，該雅可比矩陣增大操縱器臂的避開幾何形狀之間的距離，由此增大操縱器臂上最接近點之間的距離。

在另一方面中，由增廣雅可比矩陣提供的接頭在零空間內的移動可包括抑制操縱器和患者表面之間碰撞的輔助任務。這可通過根據涉及操縱器的一個或更多個特征(諸如在套管托架之間的特征)和患者表面之間的距離的函數來增廣雅可比矩陣而完成。該方法可利用相對于與近似患者表面的障礙物表面的近似操縱器的避開幾何形狀。

在圖17A和圖17B所示的實施例中，操縱器臂的“避開幾何形狀”和對應于外部患者表面的“障礙物表面”兩者被限定。在該實施例中，通過限定障礙物表面800為延伸穿過遠距中心的平面(通常為水平面)，來粗略近似外部患者表面的位置。由于工具的儀器軸繞與微創孔口相鄰的遠距中心樞轉，假設外部患者表面從微創孔口水平地延伸；因此，障礙物表面800最準確表示在遠距中心位置處外部患者表面的位置。通過共同地稱為避開幾何形狀700的兩個參考點702、704來近似操縱器臂的特征的位置。通常使用接頭狀態傳感器(系統能夠根據其確定避開幾何形狀和障礙物表面之間的最短距離d)確定在操縱器臂的所命令的移動期間避開幾何形狀的位置和/或速度。響應于確定距離d小于期望的距離(其可指示可能的或潛在的臂到臂碰撞)，系統在計算操縱器臂接頭狀態中增廣雅可比矩陣，使得使用增廣的雅可比矩陣計算的所得的接頭移動在根據所計算的移動來驅動接頭時增大避開幾何形狀700和障礙物表面800之間的距離d。

在圖18的示例實施例中，障礙物表面800限定為更接近地近似典型患者外部表面的建模表面。障礙物表面800可以以對應于外部患者表面的各種輪廓或形狀建模，或可經建模以結合來自各種源(包括接頭傳感器、光學傳感器或超聲傳感器)的方位數據。在一些實施例中，通過延伸建模的表面穿過兩個或更多個遠距中心位置來近似障礙物表面800，諸如圖18的障礙物表面800中所示，其延伸穿過三個遠距中心RC1、RC2和RC3，并且近似更加接近地類似在外科手術部位處典型患者外部表面的圓錐形、球形或凸出形狀，諸如例如患者軀干。通過更準確地近似外部患者表面的位置，系統允許三個操縱器臂中的每個的增大的運動范圍，同時仍在操縱器中的每個之間的最短距離d1、d2和d3小于所希望的距離時通過根據所計算的避開移動來驅動操縱器臂的接頭而避開臂到患者的碰撞。

根據許多實施例，可根據數個不同方法(其能夠包括確定操縱器臂和患者表面之間的“最接近點”)計算避開移動。最接近點能夠使用基于經由接頭傳感器獲知操縱器方位或狀態的計算來確定，或能夠使用其它合適裝置來近似，諸如外部傳感器、視頻、聲吶、電容傳感器、觸摸傳感器等。

在一個方法中，處理器計算操縱器臂的工作空間中的避開向量；并然后通過用于增廣雅可比矩陣的適當系數或函數來增廣雅可比矩陣以便提供避開碰撞的避開移動。處理器可經配置計算最接近點之間的排斥或避開向量；在工作空間中將避開向量映射到操縱器臂和患者表面的“最接近”點的運動中，并然后確定(H)的函數，該函數提供移動最接近點彼此離開的所希望的方向和量值。在一些方面中，如果多個相互作用的點在操縱器臂和患者表面上的各點或特征之間使用，則來自每個相互作用的特征的所得的避開向量能夠諸如通過加權或縮放來組合以用于雅可比矩陣的增廣。

在另一方法中，處理器可經配置計算操縱器臂和患者表面的最接近點之間(例如，避開幾何形狀和障礙物表面)的排斥或避開向量，并且將這些與避開向量組合，以便確定通過其增廣雅可比矩陣的適當系數。如果使用操縱器臂上的多個特征，則所得的接頭速度向量能夠組合，諸如通過加權、縮放或其它合適方法。

在一個方面中，可計算避開移動以便包括任何數量接頭的驅動，或可替換地，避開驅動操縱器臂的特定接頭。例如，在圖5A所示的操縱器臂中，可計算避開移動以包括驅動接頭J1、J2、J3、J4和J5的各組合(盡管在所描繪實施例中，接頭J3、J4和J5包括在平行四邊形布置中并共享相同狀態)，或可替換地計算避開移動以驅動接頭J6以及所需的任何其它接頭，以便在零空間內移動操縱器臂。圖8中圖示的操縱器臂的接頭J6可選地用作將儀器托架510耦合到操縱器臂508的遠側連桿的接頭。接頭J6允許儀器托架510繞接頭J6的軸線扭轉或轉動，該軸線通常經過遠距中心或插入點。理想地，接頭軸線遠側地位于臂上并因此特別良好適于移動插入軸線的取向。該冗余軸線的添加允許操縱器為任何單個儀器尖端方位采取多個方位，由此允許儀器尖端遵循外科醫生的命令同時避開與患者解剖結構的碰撞。在接頭J6的軸線、J1的軸線和延伸穿過套管511的工具尖端的插入軸線之間的關系在圖9中示出。圖10A至圖10C示出當接頭J6將工具尖端的插入軸線從一側移動到另一側時套管511繞接頭軸線的循序扭轉或樞轉移動。

圖19A至圖19B圖示根據本發明的使用接頭J6的一個示例。圖19A圖示當接頭J6的角位移保持在0°時的操縱器臂，在該角度時，避開幾何形狀700的參考點702和障礙物表面800之間的最短距離為距離d。響應于確定距離d小于所希望的距離，系統計算增廣的雅可比矩陣以用于計算隨后的接頭移動，并且根據隨后計算的移動來驅動接頭J6，以便將套管511和連桿510繞經過遠距中心RC(套管511繞遠距中心RC樞轉)的接頭軸線扭轉或樞轉，以便增大距離d同時將儀器的遠距中心維持在所計算的樞轉中心位置。圖19B圖示操縱器臂，其中接頭J6繞其軸線被驅動至90°的角位移。如圖所示，套管511的運動已經增大避開幾何形狀的最接近點702和障礙物表面800之間的距離d。因此，所描述的增廣的雅可比矩陣方法能夠通過包括遠側接頭(諸如接頭J6)的驅動來抑制臂到患者的碰撞。

圖20A至圖20B示意地圖示在通過在零空間內驅動操縱器的接頭來重配置操縱器臂之前和之后的示例操縱器500。在圖20A中，響應于由用戶錄入的重配置命令，系統針對儀器的端部執行器的給定方位并且根據剩余接頭的所計算的移動在零空間內逆時針地驅動接頭TJ，剩余接頭在零空間內的協調的移動已經由系統計算。在另一方面中，系統可利用被增廣的動力學雅可比矩陣來計算接頭的速度，以便實現所希望的配置，同時操縱器臂的結構設計維持遠距中心位置，諸如在圖21A至圖21B所示的實施例中。

在一些實施例中，雅可比矩陣經增廣以便針對某些移動約束一個或更多個接頭的移動。例如，雅可比矩陣能夠經增廣使得在所命令的重配置移動期間一個或更多個接頭可以受約束(例如，位移保持在“0”)，但被允許在各種其它類型的移動期間按需移動。在其它實施例中，系統可增廣雅可比矩陣，使得在零空間內被驅動的接頭的速度在重配置命令的持續時間被限制或保持在大體恒定的速度。在其它實施例中，系統可增廣雅可比矩陣，使得根據接頭位置和/或配置或任何數量的條件來縮放接頭在零空間內的速度。例如，用戶可希望在重配置移動期間用比操縱器臂中的較遠側接頭更高的速度驅動最近側接頭。另外，系統可增廣雅可比矩陣以按需維持操縱器臂的接頭中的任一個的方位或狀態。

在另一方面中，系統可從系統用戶以任何數量的方式接收重配置命令。在某些實施例中，操縱器包括用于從用戶接收重配置命令的輸入裝置。輸入裝置可包括用于按需驅動一個或更多個接頭(或可替換地用于移動一個或更多個連桿)的一個或更多個按鈕或機構，并可設置在操縱器臂上，優選地設置在與響應于裝置的激活而被驅動的接頭對應的位置中，諸如圖22A中。可替換地，系統可包括具有按鈕或機構(其每個對應于操縱器臂的接頭或聯動裝置)的群集的輸入裝置，諸如圖22B的實施例中所示。該實施例允許用戶從集中位置來重配置臂。輸入裝置還可包括操縱桿，諸如圖22C中，其可經操作以按需驅動一個或更多個接頭并實現重配置。應認識到，輸入裝置可包括任何數量的變體。

在另一方面中，可增廣雅可比矩陣以便根據特定方向或相對速度來提供一個或更多個接頭的所希望的加強(emphasis)。例如，在一個示例中，可使用以下方程以便加強第一接頭(J5)相對于另一接頭(J4)的移動，使得在操縱器的所計算的移動期間J5的接頭速度維持在J4的接頭速度的約兩倍。

在某些方面中，系統利用結合勢函數梯度的增廣的雅可比矩陣并被應用到笛卡爾空間端部執行器速度。雅可比矩陣的增廣按需計算接頭速度。根據增廣的雅可比方法，可使用以下方程，但是應認識到可使用列向量：

dx/dt＝J*dq/dt

y＝h(q)

該方法可以在兩個示例中說明，如下：

在第一示例中：設定dy/dt＝0，其試圖強制接頭3的速度等于2x接頭4的速度。

在第二示例中：設定dy/dt＝0，其試圖強制接頭3的速度等于0。

盡管已為了理解清晰并且作為示例相當詳細地描述了示例實施例，但對于本領域技術人員，各種適應性調整、修改和改變將是顯而易見的。因此，本發明的范圍僅由所附權利要求限制。