用于外科手术及其它应用的软件中心和高度可配置的机器人系统的制作方法
【专利说明】用于外科手术及其它应用的软件中心和高度可配置的机器 人系统
[0001] 本申请是申请日为2006年5月8的名称为："用于外科手术及其它应用的软件中 心和高度可配置的机器人系统"的中国专利申请201210211381. 9的分案申请，其中该专利 申请201210211381. 9是申请日为2006年5月8的名称为："用于外科手术及其它应用的软 件中心和高度可配置的机器人系统"的中国专利申请200680026441. 2的分案申请。
【背景技术】
[0002] 本发明一般地涉及到医疗、远程外科手术、远程呈现、远程机器人，和/或机器人 装置、系统和方法。在示例性实施方式中，本发明提供了具有充足自由度的外科手术机器人 系统，其不但提供在内部手术部位中期望的移动，而且提供绕微创外科手术切口的枢轴运 动。在相关实施例中，本发明还提供了可以被用于装配和/或控制机器人系统的系统、方法 和装置。
[0003] 微创医疗技术是为了减少在诊断或外科手术过程中被损坏的组织数量。微创外 科手术可以减少病人的恢复时间、不舒适感和很多有害的外科手术副作用。尽管在美国每 年执行的很多外科手术潜在地能够以微创的方式进行，但是当前外科手术中仅有很少一部 分利用这些优越的技术，至少部分是因为现有微创手术器械的局限性和控制其应用的挑战 性。
[0004] 微创机器人系统已得到发展以提高外科医生的灵巧性并避免传统微创外科手术 的局限性。在机器人外科手术中，外科医生使用某种形式的机器人控制（如主从自动控制 装置或类似结构）来操纵手术器械，而不是直接手持或用手移动这些器械。外科医生可以 观察内部手术部位的图像以协助其引导对组织的处理。在观察显示器上的二维或三维图像 的同时，外科医生通过操纵主控制输入装置，其反过来控制机器人器械的运动，来执行对病 人的外科手术过程。机器人手术器械可以通过小的微创外科手术切口被插入以处理病人 体内的手术部位的组织，一般损伤与开放式外科手术的进刀相关。这些机器人系统可以以 充足的灵巧性来移动手术器械的工作端，以执行相当复杂的外科手术任务，一般通过在微 创切口处枢轴转动器械的轴件、所述轴件沿轴向滑动穿过切口、在切口中旋转所述轴件和/ 或其它类似动作来完成。
[0005] 用于远程外科手术的自动控制装置一般可以接收来自两个主控制器（每个对应 于外科医生的一只手）的输入并且可以包含两个或多个机器人旋臂或操纵器。将手的移动 映射到由图像获取装置显示的机器人器械的图像上有助于向外科医生提供对和每只手相 关联的器械的精确控制。在很多外科手术机器人系统中，包含有一个或多个额外的机器人 操纵器，其用于移动内窥镜或其它图像获取装置，额外的手术器械或类似器械。
[0006] 尽管新型机器人外科手术系统和装置已被证明高度有效且优点众多，但仍需要进 一步的改进。例如，当在微创手术部位移动手术器械时，机器人外科手术操纵器在病人体外 可能会表现出大幅度的移动，特别是当器械绕微创切口枢轴转动时。由于器械可能同时独 立地绕其相关切口枢轴转动，放置在病人体外的机器人操纵器有时会相互碰撞（或碰撞其 它结构或人员）。此外，在外科手术准备中装配外科手术机器人系统会具有挑战性，且在一 个外科手术过程的不同阶段重新配置系统以便接近病人不同的组织会不方便。
[0007] 由于这些及其它原因，提供用于外科手术、机器人外科手术和其它机器人应用的 改进的装置、系统和方法是有好处的。如果这些改进的技术在使用中提供更快且更简便的 装配和/或机器人装置的受抑止碰撞，那就会非常有益。理想情况下，所提供的这些改进不 会显著增大这些系统的尺寸、机械复杂性或费用，同时维持或改进其灵巧性。
【发明内容】
[0008] 本发明一般地提供了改进的机器人和/或外科手术装置、系统和方法。在很多实 施例中，本发明会使用高度可配置的外科手术机器人操纵器。例如，在手术工作区这些操纵 器可以具有比与其相关的手术末端执行器更多的移动自由度。本发明一般会包括处理器， 其通过软件指令配置为计算机器人联动装置的运动，该运动包括操纵器联动装置的轴件 绕切口部位枢轴转动，由此有软件中心的概念。对于给定的末端执行器方位，支撑末端执 行器的机器人操纵器关节可以允许操纵器在不同的构形范围内移动，在一些情况下即使当 约束轴件在切口部位的横向移动以避免对邻近组织的伤害时，前述移动仍可进行。处理器 可以利用这些操纵器的优点驱动操纵器至可抑止碰撞的构形，该碰撞涉及到一个或多个移 动的机器人结构。通过处理器可以使这种高度可配置机器人操纵器的装配变得容易，这些 处理器驱动操纵器的一个或多个关节，同时由系统操作员（或由其它外部相互作用）人工 定位操纵器，其中这些关节可以根据沿操纵器的运动链的其它关节的移动而被选择性地驱 动。实施例可以根据病人的呼吸和/或移动来调整操纵器的枢轴运动的中心，在一些情况 下通过感应施加于沿切口部位的组织和操纵器之间的作用力来实现。还提供了用于微创外 科手术应用和其它应用的精密的机器人结构及相关的机器人方法。
[0009] 在本发明的一个方面，提供了具有操纵输入的冗余自由度（RDOF)外科手术机器 人系统。所述RDOF外科手术机器人系统包含操纵器组件、输入装置和处理器。响应被输入 装置所接收且影响末端执行器的期望的移动的命令，操纵器组件操纵相对于近端基座的远 端执行器。操纵器具有多个关节，这些关节提供充足的自由度以允许用于末端执行器定位 的一系列关节状态。处理器将输入装置和操纵器组件连接在一起并且可以被配置为以不同 的模式进行操作。在末端执行器操纵模式中，处理器响应命令确定关节的移动以便使末端 执行器进行期望的移动。在离合模式中，处理器响应操纵器组件的另一个关节的外部关节 铰接来驱动至少一个关节。离合模式可以是姿态离合模式、器械离合模式或端口（port)离 合模式。
[0010] 在本发明的另一方面，提供了RDOF软件定心外科手术机器人系统。RDOF软件定心 外科手术机器人系统包括处理器、输入装置、操纵器和手术器械。所述手术器械具有近端、 适用于插入病人体内的远端执行器和二者之间的中间段。操纵器支撑器械的近端并因此能 够从病人体外对器械进行移动/控制。在操纵器器和器械之间，存在多个驱动关节，它们在 末端执行器的中间段穿过进刀部位时提供充足的自由度以允许用于末端执行器定位的一 系列关节状态。输入装置接收到命令以实现期望的末端执行器移动。处理器将输入装置和 操纵器连接在一起。根据所述预定/指令移动，处理器决定关节的运动以便在末端执行器 的期望的移动过程中保证器械的中间段处于进刀部位。
[0011] 在一个实施例中，由处理器决定的关节移动也可以被设计为抑止碰撞。在另一个 实施例中，由处理器确定的关节移动可以被设计为驱动操纵器至期望的关节状态组合，其 实现欠约束的主要解和次要控制任务。在另一个实施例中，由处理器确定的关节移动可以 被设计为根据端口（port)刚劲因数来抑止器械中间段的枢轴中心的移动。在另一个实施 例中，由处理器确定的关节移动从事选择于优先级列表的优先任务。在另一个实施例中， RDOF软件定心外科手术机器人系统还包括传感器系统，其向处理器指示进刀部位的位置和 /或器械中间段与进刀部位的切口之间的反作用力。
[0012] 在本发明的另一个方面，提供了具有避免碰撞能力的多操纵器RDOF外科手术机 器人。该多操纵器RDOF外科手术机器人包括第一操纵器组件、第二操纵器组件、输入装置 和处理器。第一操纵器组件具有第一末端执行器和用于一个第一末端执行器方位的多个关 节状态。第二操纵器组件具有第二末端执行器并且具有传送状态信号的能力，这些状态信 号指示第二操纵器组件的移动。输入装置接收第一末端执行器的第一个期望的移动的输 入。处理器与输入端、第一操纵器组件和第二操纵器组件连接在一起。处理器根据所述输 入决定第一操纵器组件的移动，但也考虑了第二操纵器组件的状态信号以便抑止操纵器组 件间的碰撞。利用所确定的移动，处理器控制第一末端执行器来影响第一个期望的移动。
[0013] 在本发明的另一个方面，提供了具有上部旋臂乳棍（upperarmroll)的外科手术 机器人操纵器。该外科手术机器人操纵器包含可移动的手术器械夹持器、可在工作区附近 进行定位的基座和旋臂组件，该旋臂组件枢轴地连接于基座和器械夹持器之间。该旋臂组 件包括具有第一轴线的第一连杆、具有第二轴线的第二连杆、连接于第一连杆和第二连杆 之间以变换二者的夹角的枢轴旋臂关节，以及基座和枢轴旋臂关节之间的第一轧辊关节。 第一轧辊关节具有沿第一轴线延展的旋臂轧辊轴线。
[0014] 通过参考说明书的余下部分和附图，可以更明显地进一步理解本发明的特性和优 点。
【附图说明】
[0015] 图IA是透视图，其图解说明了用于输入外科手术过程命令的主控外科医生控制 台或工作台，该控制台包括处理器，其响应输入命令而生成操纵器命令信号。
[0016] 图IB是侧视图，其示意性地图解说明了具有多个机器人操纵器的外科手术台，这 些机器人操纵器被用于在病人体内的手术部位自动地移动具有手术末端执行器的手术器 械，以及用于通过操纵器-器械组件来执行外科手术过程的方法。
[0017] 图IC是透视图，其示意性地图解说明了利用图IA和图IB中的操纵器组件和外科 医生控制台在病人的微创手术部位执行的外科手术方法。
[0018] 图2是侧视图，其图解说明了具有手柄的主控制器输入装置，该手柄用于向图1中 的工作台输入期望的移动。
[0019] 图3是示例性机器人手术器械或工具的透视图，该器械或工具可以组装在图IB中 的操纵器上。
[0020] 图3A-3F是用于不同类型手术器械的多个不同末端执行器的透视图。
[0021] 图4A-4C是示例性机器人操纵器组件的底视图、侧视图和后视图，针对给定末端 执行器的方位该组件具有一系列关节状态。
[0022] 图5A和图5B是图4A-4C中的操纵器的侧视图，其图解说明了操纵器的向下弯曲 的肘关节构形和向上弯曲的肘关节构形，其针对给定末端执行器的方位。
[0023] 图6示意性地图解说明了由图4A-4C中的操纵器和组装于其上的图3中的器械所 提供的自由度。
[0024] 图7A示意性地图解说明了被插入的穿过切口的操纵器组件。
[0025] 图7B示意性地图解说明了以手动方式将图7A中高度可配置的操纵器组件重新定 位到新的切口位置所面临的挑战。
[0026] 图7C示意性地图解说明了对图7A中的旋臂进行重新配置以便在手动重新定位操 纵器到新的切口位置时增强运动范围或类似效果。
[0027] 图8A-8E示意性地图解说明了高度可配置的操纵器组件，其具有离合器输入开关 以便使在邻近微创切口处手动定位手术器械变得简便，同时处理器响应该手动移动而对操 纵器关节进行配置。
[0028] 图8A-8E还示意性地图解说明了不同的离合模式，其用于手动重新定位至少一部 分的机器人操纵器组件，以便适应新的切口位置，或使器械夹持器绕切口枢轴转动，或在不 移动末端执行器或器械夹持器的情况下改变操纵器的姿态，或类似动作。
[0029] 图9A和图9B示意性地图解说明了在旋臂的手动移动过程中自动地重新配置一系 列可替代的关节构形内的操纵器组件的关节。
[0030] 图IOA是简化框图，其示意性地图解说