明了全约束逆雅可比主/从速度控制器。
[0031] 图IOB是经修改的主/从控制器的简化框图，其中逆雅可比控制器模块与具有构 形相关子空间滤波器的第二模块相结合，以便允许对过约束或欠约束的操纵器进行控制。
[0032] 图IOC说明了对图IOB中的简化主-从控制示意图的细化，并展示了在不同的处 理器模式中如何使用不同的模块。
[0033] 图11示意性地图解说明了用于全约束主/从机器人外科手术系统的示例性逆雅 可比控制器。
[0034] 图12示意性地图解说明了图11中控制器的修改部分，其中逆雅可比控制器已通 过构形相关滤波器进行修改，以便控制器考虑到不同级别的系统约束和/或目标的优先 级。
[0035] 图13示意性地图解说明了具有套管力传感器的从动操纵器组件。
[0036] 图13A示意性地图解说明了和图13中的操纵器组件或本文描述的其它操纵器组 件共同使用的混合型力/方位控制器。
[0037] 图13B和图13C示意性地图解说明了图13A中的控制器的不同方面。
[0038] 图14A和图14B分别示意性地图解说明了器械坐标系和绕微创进刀部位的枢轴移 动的器械轴件。
[0039] 图15是在其中可以执行本发明实施例的可替代控制系统的工作台处理器的示 意图。
[0040] 图16示意性地图解说明了具有模块的经修改的控制系统，这些模块用于求解具 有过量自由度的操纵器的关节运动，这适用于修改图15中的系统以便执行本发明的实施 例。
[0041] 图17示意性地图解说明了在图16的一个或多个控制模块中执行的逆向运动学解 法的计算。
[0042] 图18A图解说明了示例性联动组件的图形和用于该联动组件的优选关节构形。
[0043] 图18B是图18A中的操纵器组件的俯视图，并图解说明了该操纵器组件的平面构 形。
[0044] 图18C和图18D是图解说明针对多操纵器从动系统中相邻操纵器组件的平面姿态 的俯视图；
[0045] 图18E和图18F图解说明了操纵器组件并示出了针对该组件的一个关节的期望的 运动范围。
[0046] 图18G是透视图，其示出了沿操纵器组件的表面的示例性碰撞传感器系统。
【具体实施方式】
[0047] 本发明一般地提供了改进的外科手术和机器人装置、系统及方法。本发明用于外 科手术机器人系统时特别具有优势，其中多个外科手术工具或器械被组装于所述外科手术 机器人系统上并在外科手术过程中通过相连的多个机器人操纵器进行移动。所述机器人系 统一般会包含远程机器人、远程外科手术和/或远程呈现系统，其包括被构成为主_从控制 器的处理器。通过提供使用合适地被配置为移动操纵器组件的处理器的机器人系统，该操 纵器组件包含具有相对较大自由度的铰接联动装置，联动装置的运动可以被裁剪以适应于 穿过微创进刀部位进行工作。较大的自由度也使得处理器能够对操纵器进行定位，以便抑 止这些移动结构之间的干扰或碰撞或类似的问题。
[0048] 本文描述的机器人操纵器组件一般会包括机器人操纵器和组装于其上的工具 (在外科手术应用中所述工具一般包含手术器械），尽管术语"机器人组件"也可以指没有 在其上组装工具的操纵器。术语"工具"不仅包含通常的或工业的机器工具，还包括专用的 机器人手术器械，其中后面的结构一般包括末端执行器，其适用于对组织进行操纵、处理、 成像或类似动作。工具/操纵器接口一般会是可快速拆分的工具夹持器或联结器，以便能 够快速去除并用可替代工具更换该工具。操纵器组件一般会具有基座，其在至少机器人进 程的一部分时间内被固定于工作区内，同时操纵器组件可以在基座和工具的末端执行器之 间具有很多自由度。末端执行器的启动（如打开或闭合夹紧装置的夹片，对电外科电极板 (paddle)进行通电，或类似动作）一般会独立于操纵器组件之外并增大这些操纵器组件的 自由度。
[0049] 在工作区内末端执行器典型地以2 - 6个自由度进行移动。如此处所用，术语"方 位"包括位置和方向。因此末端执行器（例如）的方位变化可能涉及到该末端执行器从第 一位置到第二位置的平移、该末端执行器从第一方向到第二方向的旋转，或二者的组合。当 被用于微创机器人外科手术中时，操纵器组件的移动可以受系统处理器的控制，以便使工 具或器械的轴件或中间段在穿过微创外科手术进刀部位或其它切口时被约束于安全的运 动。这种运动可以包括，例如，轴件穿过切口部位的轴向插入，轴件绕其轴线旋转以及轴件 绕进刀部位附近的枢轴点的枢轴运动，但一般会阻止轴件的过度横向运动，否则其可能不 经意地撕破切口附近的组织或扩大进刀部位。这些约束的一些或全部通过使用抑止不适当 的运动的机械操纵器关节联动装置被施加于进刀部位处的操纵器的运动，或者通过利用机 器人数据处理和控制技术来部分地或全部被施加于进刀部位处的操纵器的运动。因此，操 纵器组件的这种微创切口受约束运动可以在操纵器组件的O到3个自由度之间使用。
[0050] 本文描述的很多示例性操纵器组件会具有大于在手术部位定位和移动末端执行 器期望的自由度。例如，在内部手术部位穿过微创切口的外科手术中的末端执行器，其可以 通过6个自由度来进行定位，而在一些实施例中可以具有9个自由度（6个末端执行器自由 度一 3个用于定位，3个用于定向一加上适应进刀部位约束的3个自由度），但其一般具有 10个或更多自由度。具有对于给定的末端执行器方位期望的要的更多的自由度的高度可配 置的操纵器组件可被描述为具有或提供充足的自由度，以使得能够在工作区通过一系列 关节状态来对末端执行器进行定位。例如，对于给定的末端执行器的方位，操纵器组件可以 占有（并被在其间驱动）一系列可替代的操纵器联动装置方位中的任何方位。类似地，对 于给定的末端执行器的速度矢量，操纵器组件可以具有针对操纵器组件的各种关节的一系 列不同的关节移动速度。
[0051] 本发明提供了机器人联动结构，其特别好地适用于需要大范围运动的外科手术 (及其它）应用，而且由于具有其它机器人联动装置、外科手术人员和设备及类似条件，对 于这种联动结构可以获得有限的专用体积。每个机器人联动装置期望的要的大运动范围和 精简体积也可以在机器人支撑结构的位置和外科手术或其它工作区之间提供更大的机动 性，由此更易于且加速装配。因此，尽管本发明最直接的应用可以包括远程外科手术系统， 但本文描述的结构、装置和系统也可以应用于更广泛的其它远程机器人和机器人应用中。
[0052] 与关节或类似部件相关的术语"状态"在本文一般指与关节相关的控制变量。例 如，角关节状态可以指由该关节在其运动范围内定义的角度，和/或指该关节的角速度。类 似地，轴向或棱形关节状态可以指该关节的轴向方位，和/或指其轴向速度。尽管本文描述 的很多控制器包含速度控制器，但它们一般也具有一些方位控制方面。可替代实施例可以 主要地或完全依赖方位控制器、加速度控制器或类似部件。因此，只要所描述的移动基于相 关计算，则本文描述的关于关节移动和末端执行器移动的计算可以利用方位控制算法、速 度控制算法、二者的组合或类似算法来实现。
[0053] 本发明的实施例可以包括处理器，其被配置为利用操纵器结构的自由度来实现多 个任务、目标或意图。当使用高度可配置操纵器时，这些处理器可以具有允许它们导出大致 合适的关节命令的关节控制器编程指令或代码，这些关节命令可以被用于一个控制任务， 如移动末端执行器到期望的位置。但是，由于操纵器具有比完成该任务期望的更多的自由 度，由关节控制器所产生的解一般是欠约束的。换句话说，处理器的一个关节控制器一般会 计算出一系列关节方位和/或关系，其中任何一个都可以得到工作区中期望的末端执行器 方位。
[0054] 在算术上，控制器可以利用矢量和/或矩阵来执行至少部分的关节命令计算，部 分的矢量和/或矩阵可以含有对应于关节的构形或速度的元素。处理器可用的可替代关节 构形的范围可以概念化为关节空间。该关节空间可以，例如，具有与操纵器的自由度一样多 的维数，而特定的操纵器构形可以表示为关节空间中的特定点，其中每个坐标对应于操纵 器的相关关节的关节状态。
[0055] 当由处理器的关节控制器计算得到的解欠约束的时候，该关节控制器所提供的解 可以表示为关节空间的子集。在主要解欠约束时为了识别要向操纵器的关节传送什么样的 特定命令，处理器额外的编程指令或代码可以有效地用作子空间滤波器，其从关节控制器 所产生的可替代范围中选择期望的操纵器状态和关节命令的特定集。有利的是，所选择的 命令可以被用作第二目标、任务或函数。例如，当主关节控制器被实现为速度控制器时，这 一滤波器可以识别关节速度的线性组合，这些关节速度与主关节控制器的函数正交，其中 这些额外的速度驱动操纵器以便使其穿过切口，实现期望的高度灵巧性的姿态和/或抑止 碰撞。所述滤波器一般是与构形相关的，以便使滤波器所选择的关节命令依赖于关节的构 形或状态、操纵器和/或工作区。事实上，主关节控制器也可以有效地包括滤波器，其基于 输入命令和/或类似命令从整个关节空间中选择主要解。
[0056] 如本文所用，术语"过约束"包含机器人系统，其中一个或多个控制器的一项或多 项任务将，至少有时且如果维持为刚性约束，能够超过相关操纵器组件的可用自由度。
[0057] 如本文所用，机器人系统的"外部"作用力或铰接包括操纵器组件移动的作用力， 其由系统使用者或其他人员、工作区或环境、与其它结构不经意的碰撞及类似因素所施加； 但一般不包括通过驱动系统的操纵器所施加的自动计算的和有意的作用力和移动。
[0058] 如这里所用，术语"零空间"被定义为线性算子（矩阵）M的矢量输入空间的子空 间S，其中对S中的任一矢量x，M.X= 0。
[0059] 尽管处理器一般在本文描述为含有主关节控制器和/或与构形相关的滤波器，和 /或具有执行与这一控制器和滤波器相关功能的第一模块和第二模块，但本文描述的处理 器也可以含有多个滤波器（可任选地为三个或更多滤波器）、用于三个或更多不同控制任 务的三个或更多模块，以及类似部件。处理器一般会在与这些滤波器和模块相关的任务之 间定义出一个或多个优先级，由此对较高优先级任务赋予比较低优先级任务更大的权重或 重要性。在很多实施例中，即使当主要解欠约束时，如果缺少此类优先级，与关节控制器和 滤波器相关的任务也可以结合起来使系统过约束，以便于较低优先级任务或目标可以对至 少一部分操纵器的移动有很小影响或没有影响。
[0060] 参考附图的图1A，用参考数字200大致标示微创远程外科手术系统的操作员工 作台或外科医生控制台。工作台200包括观察器202,在使用中手术部位的图像被显示在 此处。提供了支架204,操作员（一般是外科医生）可以在用双手分别抓握两个主控制器 220(见图2)的同时使他/她的前臂依托在支架上。所述主控制器或输入装置位于空间206 中且向内超过支架204。当使用工作台200时，外科医生一般坐在工作台前面的椅子上，使 他/她的眼睛位于观察器202前面并用双手分别抓握着主控制器，同时使他/她的前臂依 托在支架204上。工作台的处理器210响应输入装置的运动而产生信号。
[0061] 在附图的图IB中，用参考数字300大致标示外科手术台。在使用中，由平台T来支 撑病人P，该平台T与一个或多个操纵器支撑基座302相邻。一般从上方对基座302进行支 撑，且基座302可组装在天花板上，或由放置外科手术台300的房间的墙来支撑，