CN104736095B - 由机器人手臂的手动运动控制的可移动手术安装平台 - Google Patents

由机器人手臂的手动运动控制的可移动手术安装平台 Download PDF

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Abstract

机器人和/或手术装置、系统和方法，包括运动学联动装置结构和被配置为促进准备供使用的系统的相关联的控制系统。一个或多个运动学联动装置子系统可包括主动地驱动的、被动的或二者的混合的关节，并可利用这样的装配模式：其中响应运动链的一个或多个其它关节的手动铰接而主动驱动关节的一个或多个。在示例性实施方式中，主动驱动的关节响应所述操纵器之一的移动而移动支撑多个操纵器的平台结构，通过使这些多个操纵器作为单元移动成与工作空间对准而促进和加速整个系统的布置。通过相对于平台支撑所述操纵器的被动装配关节系统，可提供操纵器的手动独立定位。

Description

由机器人手臂的手动运动控制的可移动手术安装平台
发明背景
微创医疗技术旨在减少诊断或手术过程中损伤的无关联组织的量，从而减少患者恢复时间、不适和有害的副作用。例如，微创手术的一个作用是减少医院术后恢复时间。由于标准手术的平均住院时间通常显著长于相似的微创手术的平均住院时间，微创技术使用的增加每年可节省数百万美元的医院费用。虽然在美国每年进行的许多手术可潜在地以微创的方式进行，但由于微创手术器械和掌握它们所涉及的额外的手术训练的限制，只有一部分目前手术利用这些具有优势的技术。
已经开发了微创机器人手术或远程手术系统来提高外科医生的灵巧性和避免传统微创技术的一些限制。在远程手术中，外科医生利用一些形式的远程控制(例如，自动控制装置等)来操纵手术器械移动，而不是直接用手握住和移动器械。在远程手术系统中，可在手术工作台向外科医生提供手术部位的图像。在观察显示器上的手术部位二维或三维图像的同时，外科医生通过操纵主控装置对患者进行手术过程，主控装置进而控制自动控制装置操作的器械的运动。
用于远程手术的自动控制装置通常接受来自两个主控器(对应于外科医生的每一只手)的输入信息，并可包括两只或更多只机器人手臂，手术器械安装于机器人手臂的每一只上。主控器与相关联的机器人手臂以及器械组件之间的操作连通通常通过控制系统实现。该控制系统通常包括至少一个处理器，处理器将输入命令从主控器输送至相关机器人手臂和器械组件，并在例如力反馈等情况下从器械和手臂组件返回至相关联的主控器。机器人手术系统的一个实例是可从Calif,Sunnyvale的Intuitive Surgical,Inc.获得的DA系统。
多种结构布置可用于在机器人手术过程中在手术部位支撑手术器械。受驱动联动装置(driven linkage)或“从动装置(slave)”通常被称作机器人手术操纵器，在微创机器人手术过程中用作机器人手术操纵器的示例性联动装置的布置描述于美国专利号7,594,912、6,758,843、6,246,200、和5,800,423中，其全部公开内容通过引用并入本文中。这些联动装置通常利用平行四边形布置来保持具有轴的器械。这种操纵器结构可约束器械的移动，使得器械围绕位于沿着刚性轴长度的空间内的操纵的远程中心枢轴转动。通过将操纵的远程中心与内部手术部位的切口点对准(例如，与在腹腔镜手术过程中腹壁处的套管针或插管对准)，手术器械的末端执行器通过使用操纵器联动装置移动轴的近端而被安全定位，不对腹壁强加潜在危险的力量。可选的操纵器结构描述于例如美国专利号7,763,015、6,702,805、6,676,669、5,855,583、5,808,665、5,445,166和5,184,601中，其全部公开内容通过引用并入本文中。
多种结构布置也可用于在机器人手术过程中在手术部位支撑和定位机器人手术操纵器和手术器械。支撑联动装置机构有时称为装配(set-up)关节或装配关节手臂，其通常用于将每个操纵器定位并对准患者体内各自的切口点。支撑联动装置机构促进手术操纵器对准期望的手术切口点和目标解剖机构。示例性支撑联动装置机构描述于美国专利号6,246,200和6,788,018中，其全部公开内容通过引用并入本文中。
虽然新的远程手术系统和装置已被证明是高效和有优势的，但仍然期望进一步的改进。一般而言，可期望改进的微创机器人手术系统。如果这些改进的技术增加机器人手术系统的效率和易用性，则将是尤其有益的。例如，提高可操纵性、增加手术室内的空间利用率、提供更快和更容易的装配、在使用过程中阻止机器人装置间的碰撞和/或降低这些新的手术系统的机械复杂性和尺寸是尤其有益的。
发明概述
下文呈现本发明一些实施方式的简要概述，从而提供本发明的基本理解。此概述并非本发明的全面概览。其不旨在确定本发明关键/极其重要的要素或圈定本发明的范围。其唯一目的是以简要的形式呈现本发明的一些实施方式，作为接下来呈现的更加详细说明的开端。
本发明总体提供改进的机器人和/或手术装置、系统和方法。本文所述的运动学联动装置结构和相关联的控制系统尤其有利于帮助系统使用者在准备使用包括准备对特定的患者的手术过程时布置机器人结构。本文所述的示例性机器人手术系统可具有一个或多个运动学联动装置的子系统，其被配置为帮助对准操纵器结构与手术工作部位。这些装配系统的关节可以是主动驱动式、被动式(使得在治疗上使用操纵器时这些关节被手动地铰接并随后锁定成期望的配置)或二者的混合。本文所述的机器人系统实施方式可利用装配模式，其中一个或多个关节响应运动链的一个或多个其它关节的手动铰接而被主动地驱动。在许多实施方式中，主动驱动的关节响应这些操纵器之一的手动移动而移动支撑多个操纵器的平台结构，通过将这些多个操纵器作为单元移动成与工作空间的初始方向和/或位置对准而促进和加速整个系统的布置。通过支撑相对于平台的一个、一些或所有操纵器的被动装配关节系统，可任选地提供由平台支撑的一个、一些或所有操纵器的操纵器移动和独立定位的输入。任选地，设置在操纵器和平台之间的装配关节联动装置的手动移动可导致平台的移动，平台(和其它由其支撑的操纵器)以类似于牵马鼻子的移动而跟随操纵器的手动移动。
因此，在第一方面，提供准备机器人手术的方法。该方法包括感应第一机器人操纵器的第一连杆自初始位置至相对于定向平台的移位位置的输入移位，响应输入移位而计算装配结构联动装置的移动，使得第一操纵器的第一连杆朝初始位置返回，并依据计算的移动驱动装配结构联动装置。输入移位可由支撑第一操纵器的装配关节联动装置的手动铰接引起，使得第一连杆朝与手术部位期望的对准而移动。装配结构联动装置可支撑定向平台，且定向平台可经由装配关节联动装置和第二操纵器来支撑第一操纵器。
在准备机器人手术的方法的许多实施方式中，该方法可包括在输入移位的过程中保持第一操纵器的固定姿势，使得第一操纵器作为基本上坚固的主体而移动。在这种实施方式中，当使用者朝与手术部位期望的对准而手动地移动第一连杆时，装配结构可被驱动。
在准备机器人手术的方法的额外实施方式中，在手动移动之前，第一连杆可具有相对于定向平台的优选位置关系。然后，计算的装配结构联动装置的移动可移动定向平台，以便在手动移动过程中朝优选的位置关系返回。优选的位置关系可用于帮助保持第一操纵器相对于定向平台的期望运动范围。
在准备机器人手术的方法的进一步实施方式中，利用第一连杆在输入移位的过程中相对于定向平台的速度，可计算装配结构联动装置的移动。装配结构联动装置的驱动可降低该速度。该方法可进一步包括当速度超过饱和阈值时，使第一连杆相对于定向平台的速度减小至饱和阈值。在其它示例性实施方式中，当第一连杆相对于定向平台的速度朝不期望的运动限制配置移动装配结构时，计算的移动可弹性地促使装配结构脱离配置。在其它实施方式中，装配结构的驱动可以以平台移动模式发生。当装配联动装置结构接近或达到不期望的运动限制配置时，可进入该模式。
在许多实施方式中，准备机器人手术的方法可包括连接至每个操纵器的器械夹持器。操纵器可被配置为支撑相对于操纵器基座安装至器械夹持器的相关联的手术器械。操纵器可进一步被配置为通过相关联的远程操纵中心将相关联的手术器械沿插入轴线插入患者体内。此外，操纵器可被配置为围绕一条或多条交叉相关联的RC的轴线旋转器械夹持器。轴线还可横向于插入轴线。例如，第一和第二操纵器轴线可交叉相关联的RC，且每个可横向于插入轴线。此外，第二操纵器轴线可横向于第一操纵器轴线。
在许多实施方式中，装配结构联动装置可包括安装基座、柱、构件和可延伸吊杆。柱可与安装基座可滑动地连接。此外，柱可相对于安装基座沿垂直定向的第一支撑轴线被选择性地定位。构件可为通过肩关节旋转地连接至柱的吊杆基座构件。构件可相对于柱围绕垂直定向的第二支撑轴线被选择性地定向。可延伸吊杆可与构件可滑动地连接，以相对于构件沿水平定向的第三支撑轴线选择性地定位可延伸吊杆。定向平台可被旋转地连接至可延伸吊杆构件。在一些实施方式中，第一连杆是器械夹持器或与其邻近。计算的移动可包括装配结构联动装置的多个关节的移动，且可依据计算的移动驱动该多个关节，使得第一操纵器状态良好。在其它示例性实施方式中，手动移动可将第一操纵器的相关联的第一RC与手术部位的期望的第一RC对准。所驱动的装配结构联动装置的移动可使第二操纵器的相关联的RC朝手术部位的第二期望的RC移动。
在额外的实施方式中，准备机器人手术的方法可包括操纵器，其具有邻近第一连杆安装的定向平台移动输入。移动输入可通常处于第一状态并可手动地致动至第二状态。当移动输入处于第一状态时，定向平台可不响应第一连杆的移动而移动。进一步，准备机器人手术的方法可包括在手动移动之后将插管安装至第一操纵器。插管可为由第一操纵器支撑的手术器械提供通向内部手术部位的入口。该示例性实施方式可进一步包括响应插管的安装而阻止定向平台的移动。该示例性方法可响应处于第一状态的移动输入或响应插管安装至第一操纵器，利用关节制动器来阻止沿装配结构联动装置的关节的移动。
在第二方面，提供另一种准备机器人手术的方法。该方法包括手动地移动第一操纵器，使得操纵器的第一连杆朝向与手术部位期望的对准而移动，感应第一连杆相对于平台自初始位置至移位位置的输入移位，响应输入移位而计算联动装置的移动，依据计算的移动驱动联动装置，使得平台跟随第一连杆，和通过驱动第一和第二操纵器在手术部位处理组织。计算的移动可以是使得第一操纵器的第一连杆相对于平台朝向初始位置关系返回。联动装置可支撑平台，且平台可支撑第一和第二操纵器。
在另一方面，提供用于机器人手术的系统。该机器人手术系统包括支撑操纵器基座的平台、支撑平台的支撑结构和将操纵器连接至支撑结构的处理器。由平台支撑的第一和第二机器人操纵器可具有包含第一连杆的操纵器联动装置和连接至操纵器联动装置的驱动系统，以便在手术过程中驱动第一连杆。支撑结构可包括包含基座的支撑联动装置和连接至支撑联动装置的驱动系统，以便相对于支撑结构基座驱动平台。处理器可具有平台移动模式，其响应第一操纵器的第一连杆相对于平台的手动移动来计算装配命令。然后，处理器可将平台命令传送至支撑结构以便移动平台和操纵器。
在用于机器人手术的系统的许多示例性实施方式中，处理器包含非瞬时性机器可读代码，其体现用于确定第一操纵器的第一连杆相对于平台自第一位置至第二位置的输入移位的指令。输入移位可由于第一连杆的手动移动。非瞬时性机器可读代码也可体现用于计算移动命令的指令，以便利用输入移位实施支撑结构的期望的移动，使得在手动地移动第一连杆时定向平台移动。
在其它示例性实施方式中，该系统进一步包括设置在平台和第一操纵器之间的可手动铰接联动装置。当处于平台移动模式时，处理器可允许可手动铰接联动装置的手动铰接，并可阻止第一操纵器的铰接。处理器可驱动支撑结构，使得操纵器作为基本上刚性的主体而移动，且在第一连杆的手动移动过程中平台跟随第一连杆。
在额外的实施方式中，处理器可被配置为利用第一连杆相对于定向平台的速度计算联动装置的移动，使得装配结构联动装置的驱动降低相对速度。处理器可进一步被配置为计算移动命令，使得当第一连杆相对于定向平台的速度超过饱和阈值时，使第一连杆相对于定向平台的速度减小至饱和速度。在进一步实施方式中，处理器可被配置为计算移动命令，使得当第一连杆相对于定向平台的速度使装配结构朝向操纵器和定向平台之间装配关节联动装置的不期望运动限制配置移动时，弹性地促使装配结构的移动脱离配置。响应装配联动装置结构接近或到达不期望的配置，可进入该平台移动模式。
在许多实施方式中，系统可包括连接至每个操纵器的器械夹持器。操纵器可被配置为相对于操纵器基座支撑安装至器械夹持器的相关联的手术器械。操纵器可进一步被配置为通过相关联的远程操纵中心(RC)将相关联的手术器械沿插入轴线插入患者体内。此外，操纵器可被配置为围绕一条或多条交叉相关联的RC的轴线旋转器械夹持器。该轴线也可横向于插入轴线。例如，第一和第二操纵器轴线可交叉相关联的RC，且每个可横向于插入轴线。另外，第二操纵器轴线可横向于第一操纵器轴线。
在系统的许多实施方式中，装配结构联动装置可包括安装基座、柱、构件、和可延伸吊杆。柱可与安装基座可滑动地连接。此外，柱可相对于安装基座沿垂直定向的第一支撑轴线被选择性地定位。构件可为通过肩关节旋转地连接至柱的吊杆基座构件。构件可相对于柱围绕垂直定向的第二支撑轴线被选择性地定向。可延伸吊杆可与构件可滑动地连接，以相对于构件沿水平定向的第三支撑轴线选择性地定位可延伸吊杆。定向平台可被旋转地连接至可延伸吊杆构件。在一些实施方式中，第一连杆是器械夹持器或与其邻近。计算的移动可包括装配结构联动装置的多个关节的移动，并且可依据计算的移动驱动该多个关节，使得第一操纵器的第一连杆具有相对于操纵器基座的优选的位置关系。
在额外的示例性实施方式中，系统的第一操纵器可包括在其上或附近安装的定向平台移动输入。移动输入可通常处于第一状态，并可以可手动致动至第二状态。当移动输入处于第一状态时，处理器被配置为响应第一连杆的移动而阻止定向平台的移动。该系统可进一步包括安装至第一操纵器的插管，并且处理器可被配置为在安装插管的过程中阻止定向平台的移动。在许多示例性实施方式中，支撑结构联动装置可包括多个关节。处理器可被配置为响应处于第一状态的移动输入或响应插管安装至第一操纵器而利用相关联的关节制动器阻止沿装配结构联动装置的每个关节的移动。
为了更加充分地理解本发明的性质和优势，应当参考接下来的详细说明和附图。从随后的附图和详细说明看本发明的其它方面、目标和优势将是明显的。
附图说明
图1为根据许多实施方式的用于进行手术的微创机器人手术系统的平面图。
图2为根据许多实施方式的用于机器人手术系统的外科医生控制台的透视图。
图3为根据许多实施方式的机器人手术系统电子设备推车的透视图。
图4图示地示例根据许多实施方式的机器人手术系统。
图5A为根据许多实施方式的机器人手术系统的患者旁推车(手术机器人)的局部视图。
图5B为根据许多实施方式的机器人手术工具的正视图。
图6为根据许多实施方式的机器人手术系统的透视示意图。
图7为根据许多实施方式的其它机器人手术系统的透视示意图。
图8显示根据许多实施方式的机器人手术系统，与图7的示意图一致。
图9示例装配联动装置相对于图8机器人手术系统的定向平台的旋转定向限制。
图10显示根据许多实施方式的与机器人手术系统吊杆组装件旋转限制有关的重力中心图。
图11为流程图，其示意性地示例通过响应由定向平台支撑的多个机器人操纵器手臂之一的连杆的移动来驱动定向平台从而准备用于手术的机器人手术系统的方法。
图12为由安装于推车的装配支撑结构支撑以便提供多个操纵器手臂与相关联的手术进入部位的期望对准的定向平台的移动的透视示意性图示。
图12A和12B为框图，示例用作定向平台驱动系统构件的控制器，并具体显示处理器的示例性软件系统布置。
图12C和12D为显示相关联的协调系统和自由度的定向平台的示意性图示；和定向平台的透视图示，该定向平台由天花板构架(ceiling gantry)装配支撑结构支撑以便提供单个操纵器手臂与相关联的手术进入部位的期望对准。
图13示意地显示简化的四个关节平面被动/主动机器人运动系统，其中响应被动关节的偏转而驱动主动关节。
图14示意地显示简化的三连杆平面关节系统，其用于描述期望的关节控制的运动分析。
图15图形地显示简化的平面运动系统通过其零空间的移动，以便说明响应这些关节的一个或多个的手动铰接，支撑可手动铰接的关节系统的装配结构的受驱动运动。
发明详述
在以下说明中，将描述本发明的各种实施方式。为了说明的目的，阐述了具体配置和细节，从而提供实施方式的全面理解。然而，本发明可被实施而无需所述具体细节，这对本领域技术人员而言也是明显的。此外，可省略或简化公知的特征，从而不会使所描述的实施方式看不清楚。
本文所述的运动学联动装置结构和控制系统尤其有益于帮助系统使用者布置对具体患者手术的机器人结构。除用于在治疗过程中与组织等相互作用的主动驱动的操纵器外，机器人手术系统还可具有一个或多个运动学联动装置系统，其被配置为支撑和帮助将操纵器结构与手术工作部位对准。这些装配系统可以是主动驱动式或可以是被动式，使得当操纵器在治疗上使用时该装配系统被手动地铰接和随后锁定成期望的配置。被动式装配运动学系统可在尺寸、重量、复杂性和成本上具有优势。遗憾的是，多个操纵器可用于处理每位患者的组织，操纵器可各自独立地受益于精确定位，以便使得由该器械支撑的器械具有贯穿工作空间的期望的运动，且临近的操纵器相对位置的轻微变化可对操纵器间的相互作用产生显著的影响(定位不佳的操纵器潜在地碰撞或其运动范围和/或容易性显著减小)。因此，准备手术时快速布置机器人系统的挑战可能是显著的。
一个选择是将多个操纵器安装至单个平台，操纵器支撑平台有时称为定向平台。可由主动驱动式支撑联动装置(本文中有时称为装配结构，且通常具有装配结构联动装置等)来支撑定向平台。系统也可提供和用某种操纵杆或一组按钮控制支撑定向平台的机器人装配结构的电动轴，该操纵杆或按钮允许使用者以独立的方式如所期望的那样主动地驱动那些轴。这种方法虽然在一些情况下有用，但可能面临一些缺点。首先，不足够熟悉机器人、运动学、运动限制范围以及操纵器与操纵器碰撞的使用者可发现难以知道在何处定位定向平台从而获得良好的装配。其次，系统内任何被动关节的存在意味着装置的定位涉及手动调整(用手移动被动自由度)和控制主动自由度的组合，这可能是困难和耗时的反复活动。
为了保持机器人操纵器手动和主动驱动定位的优势，本文所述的机器人系统的实施方式可利用这样的装配模式，其中一个或多个关节响应运动链的一个或多个其它关节的手动铰接而被主动驱动。在许多实施方式中，主动驱动的关节将移动支撑多个操纵器的平台支撑联动装置结构，通过使这些操纵器作为单元移动成与工作空间的初始方向和/或位置对准而大大促进整个系统的布置。通过相对于平台支撑一个、一些或所有操纵器的被动装配关节系统可任选地提供一个、一些或所有由平台支撑的操纵器的独立定位。
微创机器人手术
现参考附图，其中贯穿若干视图相同的参考编号表示相同部件，图1是微创机器人手术(MIRS)系统10的平面图示例，该系统通常用于对患者12进行微创诊断或手术过程，患者12躺在手术台14上。系统可包括在手术过程中外科医生18使用的外科医生控制台16。一个或多个助手20也可参与该过程。该MIRS系统10可进一步包括患者旁推车22(手术机器人)和电子设备推车24。当外科医生18通过控制台16观察手术部位时，患者旁推车22可操纵至少一个通过患者12体内微创切口的可去除地连接的工具组装件26(在下文中简称为“工具”)。通过内窥镜28如立体内窥镜可获得手术部位的图像，内窥镜28可被患者旁推车22操纵以将内窥镜28定向。电子设备推车24可用于处理手术部位的图像，用于随后通过外科医生控制台16向外科医生18显示。一次所使用的手术工具26的数量将一般取决于诊断或手术过程和手术室内的空间约束等因素。如果有必要改变在手术过程中使用的工具26中的一个或多个，助手20可从患者旁推车22去除工具26，并用来自手术室中的托盘30的其它工具26将其取代。
图2是外科医生控制台16的透视图。外科医生控制台16包括左眼显示器32和右眼显示器34，用于向外科医生18呈现实现深度感的手术部位的协调(coordinated)立体视图。控制台16进一步包括一个或多个输入控制装置36，其进而引起患者旁推车22(图1中所示)操纵一个或多个工具。输入控制装置36可提供与其相关工具26(图1中所示)相同的自由度，以向外科医生提供输入控制装置36与工具26成整体的远程呈现或感受，使得外科医生具有直接控制工具26的强烈感觉。为了这个目标，可利用位置、力和触觉反馈传感器(未显示)将位置、力和触感从工具26通过输入控制装置36传送回至外科医生的手。
外科医生控制台16通常与患者位于同一房间，使得外科医生可直接监测手术过程，如果有必要则亲身参与，并直接对助手说话，而不是通过电话或其它通讯媒介。然而，外科医生可处于允许远程手术过程的与患者不同的房间、完全不同的建筑或其它远程位置。
图3为电子设备推车24的透视图。电子设备推车24可与内窥镜28连接并可包括处理器以处理捕获的图像，用于随后如在外科医生控制台或位于本地和/或远程的其它合适的显示器上向外科医生显示。例如，在使用立体内窥镜的情况下，电子设备推车24可处理捕获的图像以向外科医生呈现手术部位的协调立体图像。这种协调可包括相反图像之间的校正，并可包括调整立体内窥镜的立体工作距离。作为另一个实施例，图像处理可包括使用之前确定的摄像机校准参数来弥补图像捕获装置的成像误差，如光学像差。
图4图示地示例了机器人手术系统50(如图1的MIRS系统10)。如以上所讨论的，外科医生控制台52(如图1中的外科医生控制台16)可被外科医生用来在微创过程期间控制患者旁推车(手术机器人)54(如图1中的患者旁推车22)。患者旁推车54可利用成像装置如立体内窥镜来捕获手术过程部位的图像，并将捕获的图像输出至电子设备推车56(如图1中的电子设备推车24)。如以上所讨论的，电子设备推车56可在任何随后的显示之前以多种方式处理捕获的图像。例如，电子设备推车56可在经外科医生控制台52向外科医生显示组合的图像之前利用虚拟控制界面覆盖捕获的图像。患者旁推车54可输出捕获图像用于在电子设备推车56之外进行处理。例如，患者旁推车54可输出捕获的图像至处理器58，处理器58可用于处理捕获的图像。图像也可由电子设备推车56和处理器58的组合进行处理，电子设备推车56和处理器58可被连接在一起以共同、相继和/或其组合处理捕获的图像。一个或多个单独的显示器60也可与处理器58和/或电子设备推车56相连接，用于本地和/或远程显示图像，如手术过程部位的图像或其它相关图像。
处理器58通常包括硬件和软件的组合，软件包括可触摸媒介，其体现计算机可读代码指令用于进行本文功能性描述的控制方法步骤。硬件通常包括一个或多个数据处理板，其可被共同定位但通常具有分布于本文所述的机器人结构中的组件。软件通常包含非易失性媒介，且还可包含单片(monolithic)代码，但更通常包含许多子例程，其任选地在多种分布数据处理结构中的任何一种中运行。
图5A和5B分别显示患者旁推车22和手术工具62。手术工具62为手术工具26的实例。所示的患者旁推车22提供三个手术工具26和成像装置28如用于捕获手术过程部位的图像的立体内窥镜的操纵。操纵由具有许多机器人关节的机器人机构提供。成像装置28和手术工具26可通过患者体内的切口而被定位和操纵，使得运动学远程中心保持在切口处以最小化切口的尺寸。当手术部位的图像定位于成像装置28的视野内时，它们可包括手术工具26远端的图像。
手术工具26通过将管状插管64插入穿过微创进入开口如切口、自然腔道、经皮穿透或类似而被插入患者。插管64被安装至机器人操纵器手臂，且手术工具26的轴穿过插管内腔。操纵器手臂可传送表明插管已经被安装至其上的信号。
机器人手术系统和模块化操纵器支撑体
图6为根据许多实施方式的机器人手术系统70的透视示意图示。手术系统70包括安装基座72、支撑联动装置74、定向平台76、多个外部装配联动装置78(显示两个)、多个内部装配联动装置80(显示两个)和多个手术器械操纵器82。操纵器82的每一个可操作以选择性地铰接安装至操纵器82并可沿着插入轴线插入患者的手术器械。操纵器82的每一个被连接至装配联动装置78、80之一并被其支撑。外部装配联动装置78的每一个通过第一装配联动装置关节84被旋转地连接至定向平台76并被其支撑。内部装配联动装置80的每一个被固定地连接至定向平台76并被其支撑。定向平台76被旋转地连接至支撑联动装置74并被其支撑。支撑联动装置74被固定地连接至安装基座72并被其支撑。
在许多实施方式中，安装基座72是可移动的并由地板支撑，从而实现整个手术系统70的选择性重新定位，例如在手术室内。安装基座72可包括导向轮组装件和/或任何其它合适的支撑构件，所述支撑构件提供选择性重新定位和选择性阻止安装基座72从选择的位置移动。安装基座72也可具有其它合适的配置，例如天花板安装、固定地板/底座安装、墙壁安装或配置为由任何其它合适的安装表面支撑的界面。
支撑联动装置74可操作以相对于安装基座72选择性地对定向平台76定位和/或定向。支撑联动装置74包括柱座86、可平移柱构件88、肩关节90、吊杆基座构件92、吊杆第一级构件94、吊杆第二级构件96和腕关节98。柱座86被固定地连接至安装基座72。可平移柱构件88被可滑动地连接至柱座86，用于相对于柱座86进行平移。在许多实施方式中，可平移柱构件88相对于柱座86沿垂直定向的轴线平移。吊杆基座构件92通过肩关节90被旋转地连接至可平移柱构件88。肩关节90可操作以在水平面内相对于可平移柱构件88选择性地定向吊杆基座构件92，可平移柱构件88相对于柱座86和安装基座72具有固定的角度取向。吊杆第一级构件94可相对于吊杆基座构件92在水平方向选择性地平移，所述水平方向在许多实施方式中与吊杆基座构件92和吊杆第一级构件94对齐。吊杆第二级构件96同样可相对于吊杆第一级构件94在水平方向选择性地平移，所述水平方向在许多实施方式中与吊杆第一级构件94和吊杆第二级构件96对齐。因此，支撑联动装置74可操作以选择性地设置肩关节90和吊杆第二级构件96的远端之间的距离。腕关节98将吊杆第二级构件96的远端旋转地连接至定向平台76。腕关节98可操作以选择性地设置定向平台76相对于安装基座72的角度取向。
装配联动装置78、80的每一个可操作以相对于定向平台76选择性地定位和/或定向相关联的操纵器82。装配联动装置78、80的每一个包括装配联动装置基座连杆100、装配联动装置延伸连杆102、装配联动装置平行四边形联动装置部分104、装配联动装置垂直连杆106、第二装配联动装置关节108和操纵器支撑连杆110。外部装配联动装置78的装配联动装置基座连杆100的每一个可通过第一装配联动装置关节84的操作而相对于定向平台76被选择性地定向。在所示的实施方式中，内部装配联动装置80的装配联动装置基座连杆100的每一个被固定地连接至定向平台76。内部装配联动装置80的每一个也可类似于外部装配联动装置，通过额外的第一装配联动装置关节84被旋转地连接至定向平台76。装配联动装置延伸连杆102的每一个可相对于相关联的装配联动装置基座连杆100在水平方向平移，所述水平方向在许多实施方式中与相关联的装配联动装置基座连杆和装配联动装置延伸连杆102对齐。装配联动装置平行四边形联动装置部分104的每一个被配置并可操作以在垂直方向选择性地平移装配联动装置垂直连杆106，同时保持装配联动装置垂直连杆106垂直地定向。在实例实施方式中，装配联动装置平行四边形联动装置部分104的每一个包括第一平行四边形关节112、连接连杆114和第二平行四边形116。第一平行四边形关节112将连接连杆114旋转地连接至装配联动装置延伸连杆102。第二平行四边形关节116将装配联动装置垂直连杆106旋转地连接至连接连杆114。第一平行四边形关节112被旋转地连结至第二平行四边形关节116，使得连接连杆114相对于装配联动装置延伸连杆102的旋转与装配联动装置垂直连杆106相对于连接连杆114的相反旋转匹配，以便当装配联动装置垂直连杆106被选择性地垂直平移时保持装配联动装置垂直连杆106垂直地定向。第二装配联动装置关节108可操作以相对于装配联动装置垂直连杆106选择性地定向操纵器支撑连杆110，从而相对于装配联动装置垂直连杆106选择性地定向相关联的连接操纵器82。
图7为根据许多实施方式的机器人手术系统120的透视示意图示。由于手术系统120包括的构件类似于图6手术系统70的构件，相同的参考编号用于相似的组件，并且以上所述的类似组件的相应描述适用于手术系统120并在此省略以避免重复。手术系统120包括安装基座72、支撑联动装置122、定向平台124、多个装配联动装置126(显示四个)以及多个手术器械操纵器82。操纵器82的每一个可操作以选择性地铰接安装至操纵器82并可沿插入轴线插入患者体内的手术器械。操纵器82的每一个被连接至装配联动装置126之一并被其支撑。装配联动装置126的每一个通过第一装配联动装置关节84被旋转地连接至定向平台124并被其支撑。定向平台124被旋转地连接至支撑联动装置122并被其支撑。支撑联动装置122被固定地连接至安装基座72并被其支撑。
支撑联动装置122可操作以相对于安装基座72选择性地对定向平台124定位和/或定向。支撑联动装置122包含柱座86、可平移柱构件88、肩关节90、吊杆基座构件92、吊杆第一级构件94和腕关节98。支撑联动装置122可操作以选择性地设置肩关节90和吊杆第一级构件94的远端之间的距离。腕关节98将吊杆第一级构件94的远端旋转地连接至定向平台124。腕关节98可操作以选择性地设置定向平台124相对于安装基座72的角度取向。
装配联动装置126的每一个可操作以相对于定向平台124选择性地定位和/或定向相关联的操纵器82。装配联动装置126的每一个包括装配联动装置基座连杆100、装配联动装置延伸连杆102、装配联动装置垂直连杆106、第二装配联动装置关节108、旋风(tornado)机构支撑连杆128和旋风机构130。装配联动装置126的装配联动装置基座连杆100的每一个可通过操作相关联的第一装配联动装置关节84而相对于定向平台124被选择性地定向。装配联动装置垂直连杆106的每一个可相对于相关联的装配联动装置延伸连杆102在垂直方向选择性地平移。第二装配联动装置关节108可操作以相对于装配联动装置垂直连杆106选择性地定向旋风机构支撑连杆128。
旋风机构130的每一个包括旋风关节132、连接连杆134和操纵器支撑体136。连接连杆134将操纵器支撑体136固定地连接至旋风关节132。旋风关节130可操作以使操纵器支撑体136相对于旋风机构支撑连杆128围绕旋风轴线136旋转。旋风机构128被配置为定位和定向操纵器支撑体134，使得操纵器82的远程操纵中心(RC)通过旋风轴线136相互交叉。因此，旋风关节132的操作可用于相对于患者重新定向相关联的操纵器82而不相对于患者移动相关联的远程操纵中心(RC)。
图8为根据许多实施方式的机器人手术系统140的简化图示，其与图7的机器人手术系统120的示意图示一致。由于手术系统140与图7的机器人手术系统120一致，相同的参考编号用于类似的组件，并且上述类似组件的相应描述适用于手术系统140并在此省略以避免重复。
支撑联动装置122被配置以通过支撑联动装置122的连杆之间沿多个装配结构轴线的相对移动而相对于安装基座72选择性地对定向平台124定位和定向。可平移柱构件88可相对于柱座86沿第一装配结构(SUS)轴线142选择性地重新定位，第一装配结构(SUS)轴线142在许多实施方式中垂直地定向。肩关节90可操作以相对于可平移柱构件88围绕第二SUS轴线144选择性地定向吊杆基座构件92，第二SUS轴线144在许多实施方式中垂直地定向。吊杆第一级构件94可相对于吊杆基座构件92沿着第三SUS轴线146选择性地重新定位，第三SUS轴线146在许多实施方式中水平地定向。并且，腕关节98可操作以相对于吊杆第一级构件94围绕第四SUS轴线148选择性地对定向平台124定向，第四SUS轴线148在许多实施方式中垂直地定向。
装配联动装置126的每一个被配置，以通过在装配联动装置126连杆之间沿多个装配关节(SUJ)轴线的相对移动，相对于定向平台124选择性地定位和定向相关联的操纵器82。第一装配联动装置关节84的每一个可操作以相对于定向平台124围绕第一SUJ轴线150选择性地定向相关联的装配联动装置基座连杆100，第一SUJ轴线150在许多实施方式中垂直地定向。装配联动装置延伸连杆102的每一个可相对于相关联的装配联动装置基座连杆10沿第二SUJ轴线152而选择性地重新定位，第二SUJ轴线152在许多实施方式中水平地定向。装配联动装置垂直连杆106的每一个可相对于相关联的装配联动装置延伸连杆102沿第三SUJ轴线154选择性地重新定位，第三SUJ轴线154在许多实施方式中垂直地定向。第二装配联动装置关节108的每一个可操作以相对于装配联动装置垂直连杆106围绕第三SUJ轴线154选择性地定向旋风机构支撑连杆128。旋风关节132的每一个可操作以围绕相关联的旋风轴线138旋转相关联的操纵器82。
图9示例了根据许多实施方式的装配联动装置126相对于定向平台124的旋转取向限制。装配联动装置126的每一个相对于定向平台124以顺时针限制取向显示。相应的逆时针限制取向由图9相对于垂直定向的镜面的镜像表示。如所示例的，两个内部装配联动装置126的每一个可从在一个方向与垂直参照156成5度至在相对方向与垂直参照156成75度而被定向。如示例的，两个外部装配联动装置的每一个可在相应方向与垂直参照156成15度至95度而被定向。
图10显示根据许多实施方式的与机器人手术系统160支撑联动装置的旋转限制有关的重心图。随着定位和定向机器人手术系统160的组件以将机器人手术系统160的重心162相对于手术系统160的支撑联动装置164最大程度地转移至一侧，支撑联动装置164的肩关节可被配置以限制支撑结构164围绕装配结构(SUS)肩关节轴线166旋转，以阻止超过安装基座预先确定的稳定性限制。
响应由定向平台支撑的运动链的一个或多个关节的手动铰接而定位定向平台
图11和12示意地示例在装配供使用的机器人系统的过程中响应操纵器82连杆170的移动而驱动定向平台的方法。在示例性实施方式中，移动的参照位置可不位于连杆170上，而是可相对于连杆170偏移。例如，移动的参照位置可被设置于偏离操纵器联动装置基座(或其它结构)的远程中心位置，特别是在该操纵器机械地约束操纵器的运动为在相对于该基座的固定远程中心位置的球面运动情况下。因此，虽然操纵器的基座(或其它联动装置结构)可用作输入连杆170，参照位置可在空间上与连杆本身分离，通常处于连杆参照坐标系内的固定位置。
在驱动定向平台之前，平台具有相对于安装基座72的初始位置和方向(取决于支撑联动装置70的关节状态)，且操纵器均具有相对于定向平台的相关联位置和方向(取决于装配联动装置78、80的关节状态)。类似地，操纵器82的每一个的连杆170(和/或与该连杆相关联的参照位置)具有相对于平台76的位置和方向，其取决于操纵器基座(在此由盒M示意地示例)和平台76之间的操纵器关节的状态。连杆170通常包括操纵器的基座，但可以可选地包括运动学上接近或邻近手术器械如器械夹持器或滑架的连杆。操纵器的关节状态可通常由姿势向量θ描述。
在装配过程中，通常可期望将一个、一些或所有的连杆170自它们的初始位置和方向移动成与手术部位对准的期望位置和方向。此外，通常可期望利用处于状态良好的状态的操纵器开始手术过程，以便向外科医生提供宽范围的运动、帮助避免异常等。换言之，对于给定的操纵器，提供连杆170和手术工作部位之间期望的对准(包括具有位于或接近期望的进入部位位置RCD的操纵器远程中心RC)和具有处于或接近期望的操纵器状态或姿势θD的操纵器是有益的。注意，在移动连杆170之前操纵器可以已经处于或接近期望的操纵器姿势，或其可以处于与期望的、状态良好的姿势显著不同的初始姿势θI(θI≠θD)。操纵器相对于彼此合适的定位和配置也可帮助避免操纵器碰撞。在与手术部位对准之前操纵器不处于状态良好的姿势的情况下，在移动定向平台之前、移动定向平台之后或移动定向平台的同时操纵器的姿势可任选地被改变成状态良好的姿势。通过手动地铰接操纵器的关节，可进行将姿势自初始姿势改变至状态良好的姿势。可选地，将操纵器自初始姿势朝和/或至状态良好的姿势驱动可具有优势。为简单起见，以下描述假定在开始移动平台之前操纵器处于期望的和/或状态良好的姿势。无论如何，将多个操纵器82安装至通用平台76以及该平台响应相对于平台支撑操纵器之一的关节之一的连杆移动而受驱动移动可促进操纵器移动成与手术空间的期望对准。
在定向平台的移动和/或装配联动装置的手动铰接过程中，操纵器的关节通常保持为固定的配置，任选地通过驱动操纵器关节每一个的马达以便对抗任何手动铰接、通过利用关节制动器固定操纵器的关节状态、通过两者的组合或类似进行。因此，虽然在定向平台的移动和装配联动装置的手动铰接过程中可能存在连杆的一些轻微弯曲和关节的少许偏移，但操纵器通常作为基本上刚性的主体而移动。此外，由使用者操纵和/或将用作移动参照的连杆170可为操纵器(或甚至运动学上邻近操纵器)的任何一个或多个连杆。
现参考图11和12，为了进入机器人系统处理器的定向平台移动模式180，可激活相关联的连杆170上或附近的输入172。虽然输入172可任选地包括简单的专用输入按钮或类似，但一些实施方式可受益于可选的使用者界面途径。例如，通过响应装配关节操作而进入平台移动模式，示例性输入可避免专用按钮。更具体地，通过首先释放支撑相关联操纵器的装配关节以便允许该操纵器的远程中心(或“端口(port)”)位置手动地重新定位可进入平台移动模式，其为手动移动模式，有时称为端口离合。当操纵器被手动地移动至在释放的装配关节联动装置运动限制范围的阈值内(或在一些实施方式中实际上达到该运动限制范围)时，作为响应，系统可进入平台跟随模式。因此达到(或接近)装配关节的运动限制范围成为请求和/或输入激活进入平台移动模式的方法。输入172可以可选地为简单的常关型输入。
如果插管被安装至操纵器(或至任何其它由定向平台支撑的操纵器)，即使致动输入，处理器也可不进入定向平台移动模式。当给定的操纵器82的输入172被致动，和/或响应输入172的致动时，设置在该操纵器和定向平台之间的装配联动装置78、80通常被解锁以便允许手动铰接。该装配联动装置78、80的铰接可被感应并用作用于驱动装配结构关节的输入，从而移动定向平台76。系统通常围绕装配联动装置的轴线被平衡，使得使用者可轻易地在平台内相对于操作平台重新定向和/或重新定位操纵器，当相对于系统的平台和基座72移动连杆172时，操纵器通常作为相对刚性的主体而移动。注意，操纵器的驱动系统可由处理器供能和控制，以便抵抗操纵器移位的关节的铰接，或操纵器的关节制动器可阻止铰接，但操纵器联动装置的一些弯曲和/或关节状态的少许偏移仍可由施加于连杆172上的力引起。还注意，在允许在连杆172和定向平台之间进行铰接的关节被提供动力(如在软件中心系统中)的可选实施方式中，这些关节可被供能以提供移动阻力，该阻力足够轻，以便允许连杆被手动地充分移动，使操纵器的关节状态感应系统轻易识别期望的移位向量，该移位向量用作来自系统使用者的期望的移动输入或命令。
仍然参考图11和12以及如上概括性地所述，一旦已经利用用作输入装置的特定操纵器82进入定向平台移动模式(如通过按下输入172的开关)，该操纵器的连杆170可相对于平台被手动地移动。通常，一个或多个(任选地为所有)装配关节可被释放，以便允许通过手动铰接释放的装配关节而发生连杆170的输入移动，任选地为当阻止操纵器联动装置的铰接时(如通过驱动操纵器以避免移动、利用操纵器的制动器系统，或类似)。因此，输入可至少部分地作为装配关节系统一个或多个关节的铰接而被感应。可利用更进一步的选项，如通过操纵器的一个或多个关节和装配关节系统的一个或多个关节的铰接的选择性组合来允许手动输入。无论如何，为了促进运动学分析、为有用转换提供输入以及类似，装配结构(包括支撑定向平台的关节)的关节状态、装配关节系统和操纵器通常将被感应182。
基于使用者的手动输入命令(如通过手动移动连杆170所进入的和通过手动铰接支撑该连杆的关节所感应的)，命令被计算以移动装配结构183。当使用者继续移动连杆170时，定向平台通常依据计算的命令而被驱动，使得由定向平台支撑的操纵器的基座跟随手动移动的连杆。在将第一操纵器移动成与手术部位期望的对准时，其它操纵器可各自保持于固定的姿势。类似地，在移动平台的过程中，定向平台和这些其它操纵器之间的任何装配联动装置也可保持锁定(和/或另外它们的铰接受到阻止)。当其它操纵器的连杆170和定向平台间所有关节的铰接可受到阻止时，所有这些其它的输入连杆(和其它的操纵器结构)跟随操纵器的连杆170，该操纵器的输入172被致动。
定向平台可被驱动，使得当使用者握住并将相关联连杆170移动成与工作空间期望的对准时，促使支撑输入操纵器(其输入172被致动)的输入装配联动装置保持在它们的初始配置(如同当系统进入定向平台模式时)。在移动定向平台的过程中连杆170的位置可继续由使用者手动地控制。换言之，可移动定向平台使得在装配联动装置78、80的当前姿势θ和输入连杆170的当前位置(均在移动定向平台的过程中)的情况下，定向平台的驱动系统移动定向平台185使得输入装配联动装置78、80自当前姿势朝它们的初始姿势铰接(θ->θi)。
定向平台这种移动的作用是很大程度上保持输入连杆170和定向平台之间的初始特定关系，使得定向平台(和所有由其支撑的操纵器)在输入连杆由使用者的手移动时跟随输入连杆。通过释放输入172，通过将插管安装至输入操纵器，或类似，可终止定向平台移动模式，184。注意，插管可直到插管延伸进入患者体内之后再安装至操纵器，使得可期望处理器系统响应操纵器的输入172的致动而阻止进入定向平台移动模式，所述插管安装至所述操纵器。
定向平台76可为许多手术过程在有益的相对位置支撑操纵器80、82。因此，一旦第一操纵器80的连杆170已经被移动成与手术工作部位期望的对准，其它操纵器的器械夹持器等通常将位于或接近它们相关联的手术工具的相关联的期望初始对准，且可能仅仅有必要进行有限的额外操纵器重新定位。通过释放相对于定向平台支撑该操纵器的装配关节手臂的制动器系统和根据期望相对于所有其它操纵器移动该操纵器，可允许特定操纵器对准的少许调整。例如，一旦使用摄像机操纵器来定位定向平台并初始对准所有器械操纵器，可释放每个器械操纵器和定向平台之间的装配联动装置，且如果有需要，可独立地调整释放的操纵器位置。在定向平台移动模式的示例性实施方式中，第一输入连杆170手动移动的感应有效地感应操纵器自初始远程中心RC至期望的远程中心RCd的移动。定向平台的移动使其它操纵器的远程中心RC朝它们相关联的期望远程中心RCd移动。然后，通过相继地释放相关联操纵器的装配联动装置的每一个并移动释放的操纵器，可进行这些其它远程中心位置的额外调整，以便提供释放的操纵器RC和期望的远程中心RCd之间期望的对准。
定向平台移动命令的计算
现参考图12A和12B，可理解用于计算定向平台的移动命令的示例性软件结构和/或处理器布置。由于定向平台和其它操纵器通常跟随定向移动输入172已经被致动的输入连杆170移动，整体移动有些类似于(且在本文中有时称作)“牵马鼻子)”(LHBN)控制模式。LHBN控制模式允许使用者通过手动地移动非固定的操纵器82的远程中心来移动操作平台76和驱动装配结构。在基本形式上，控制目标是移动操作平台76，使得操纵器82远程中心保持处于操作平台76坐标系内的期望位置。因此，当使用者在世界坐标系(world frame)内手动地移位操纵器82时，控制器可通过相同的移位移动操作平台76和其坐标系，以将实际远程中心和期望的远程中心间的误差驱使至零。
实际远程中心RC和期望的远程中心RCd位置间的原始误差形成至LHBN控制器的输入命令220，如图12A所示。在将误差定标成原始速度命令之前，将小的盲区222(小于10cm，通常约3cm或更小)施加至误差信号。低通滤波器(约.1Hz和10Hz之间，通常大约为1Hz)生成带限速度命令。然后，命令饱和224，以在操作平台坐标系内产生速度命令。当进入LHBN模式时，在短窗内将半余弦状定标施加至命令，从而以平稳的方式增强命令。类似地，当退出该模式以使减速平稳时，命令由相反方向的半余弦状定标而定标。在开启/关闭定标之后，将速度命令提供给装配结构的逆向运动装置。当关节处于或接近一些其限制内，可在逆向运动计算中发生速度命令的进一步削减。
当进入LHBN控制模式时，建立期望的远程中心位置RCd，其在本文中有时称为锚点(anchor)。当LHBN控制模式开始时，期望的远程中心RCd和实际的远程中心RC被共同定位，因此以零误差启动模式(使得平台将不移动，除非和直到输入连杆170相对于定向平台移动)。在处于LHBN控制模式时手动移动连杆170引起平台被驱动，使得实际远程中心RC通常保持处于操作平台坐标系内的期望的远程中心RCd。对基础LHBN操作的一些改进可任选地滑动或改变锚点或期望的远程中心RCd相对于实际远程中心的位置以微调性能。例如，如图12A所示，可通过控制锚点拖拽速度和整合来移动锚点。一个锚点速度输入可为饱和与非饱和速度命令226间的差。该特征的目的可以是避免大的饱和速度命令。一旦速度命令达到饱和，远程中心的任何额外输入运动拖拽锚点(或相对于定向平台移动RCd)以保持命令恰好处于饱和限制。直观地，锚点和远程中心之间的误差可被可视化为球，并且拖拽锚点意思是每当误差向量达到球的半径时在周围拖拽球的中心。
离开运动限制范围的运动或装配联动装置78、80的硬挡块也通过锚点拖拽而实现，这可参考图12B所示的框图模型而理解。可期望装配结构74离开硬挡块的一些自动运动，因为使用者可能无法另外轻易手动地命令期望的装配结构运动。在一种实施方式中，子例程可计算作用于平台76的虚拟力230，其模仿在装配联动装置78、80的运动极限下安装的弹簧。该力可称为端口拖拽力。虚拟力可从每个配置的操纵器82传递，使装配结构控制器能够撤出装配关节运动限制范围。LHBN控制模式软件可自输入操纵器82定标端口拖拽虚拟力并将这个量增加至锚点拖拽速度。效果为产生命令232以驱动装配结构76，从而离开装配联动装置78、80的硬挡块。
LHBN控制模式中利用的一些或所有增益、饱和、和/或盲区任选地为可调式。图12A和12B中的每个参数被列于以下表格中：
可如图12B所示计算用于使装配结构联动装置移动离开装配关节联动装置硬挡块的虚拟弹簧力，并且盲区摩擦力可确定多少的运动范围不产生虚拟力。注意，盲区摩擦力应当小于1(unity)，且活动部分可在每个关节上的两个硬挡块之间均匀地分开。如果使用者移动远程中心使得装配关节紧靠硬挡块，可利用锚点拖拽整合虚拟力并增加速度命令以离开硬挡块。将生成平稳增加的速度命令，使装配结构移动离开装配关节运动限制范围。速度命令将增加直到达到饱和，在该饱和点将保持装配结构的稳态速度。
因此，对虚拟力大的增益将驱动误差显著达到饱和。对于虚拟力计算中涉及的核心关键的更多描述，参见以上表格。
现参考图12C，装配结构和定向平台124的可选驱动系统优选地允许沿x、y和z轴的移动，以将操纵器RC驱动至相对于定向平台期望的位置。通过在空间内手动地移动操纵器82的一个或多个连杆(和任选地通过移动整个操纵器)，使用者可仅通过计算期望的操纵器RC位置(在定向平台参照坐标系内)至实际操纵器RC位置之间的误差向量和利用该向量生成期望的x、y、z速度来引起操作平台跟随。
现参考图12C和12D，移动定向平台x、y、z和θ轴线的方法通常寻求获得定向平台124和安装至其上的一个或多个操纵器82期望的定位，以便在启动手术过程时提供状态良好的操纵器姿势(在工具处于期望的手术工作空间位置的同时操纵器的各种自由度可期望地接近它们的运动范围中心，操纵器的运动良好地摆脱运动-阻止异常，等等)。伴随由安装于推车的装配结构支撑的定向平台诸如以上所述的那些，可利用安装于天花板的装配结构190和其它具有一个、两个、三个、四个或更多个自由度的受驱动的机器人联动装置。类似地，运动的输入可任选地为通过手动地铰接被动关节(如沿上述装配关节结构的关节之一)和/或一个或多个主动驱动的关节(如操纵器80、82的关节)而进行的输入。因此，虽然可参考少许示例性机器人运动结构而描述系统，但控制技术可良好地应用到一系列其它具有冗余自由度和/或大量关节的机器人系统中，且当考虑那些具有主动和被动关节的混合的系统、具有一组在装配过程中驱动的关节和另一不同组的(具有或不具有一些重叠构件)在手术过程中驱动的关节的系统、在其中各个操纵器控制器仅交换有限的状态信息的系统、和类似的系统时，该控制技术是尤其令人关注的。
为了在装配过程中利用系统的机器人性能，机器人系统的处理器可包括实现这样的模式的软件：在该模式中，在手动移动操纵器连杆的过程中机器人结构朝向定向平台和操纵器远程中心之间期望的关系或姿势而被驱动和/或保持该关系或姿势。当启用时，该算法将定向平台和操纵器远程中心之间实际和期望的关系视为其输入，并将实际姿势驱动至期望的姿势，任选地不干扰操纵器远程中心的位置和方向。换言之，当使用者在周围移动被动轴线时，主动轴线可任选地以这种方式跟随，以便获得或保持特定的机器人姿势。
图13所示的简化的4连杆操纵器有助于说明本文所述的控制结构和方法的一种实施方式。在该示意性操纵器中，连杆191和192是主动的，意味着q1和q2由控制器控制，而连杆193和194是被动的并且可用手移动。点Q为使用者直接感兴趣的机器人上的点，并被手动地定位至使用者指定的相对于机器人基座的目标位置。因此，点Q可对应于操纵器的远程中心，并且使用者通常定位点Q使得操纵器可以例如连接至摄像机插管，该插管可已经被安装于患者体内或可在机器人结构被移入位置之后插入患者体内。由于各种原因(包括最大化可用运动范围、最小化碰撞等)，通常可期望获得P和Q之间特定的关系。只要关节q3和q4是自由的，并存在足够的运动范围且操纵器不接近异常，则P可独立于Q而平移，因此如果Q相对于基座简单保持固定，则控制器自由建立期望的关系。这个原理可得到利用以在使用者使Q在空间内保持固定时自动地建立P与Q的关系。也可以连续地运行该自动定位算法，使得随着使用者手动地调整Q的位置，主动轴线q1和q2以这种方式移动以便保持期望的P-Q关系。
在图13的简化实例中，显示两个主动和两个被动自由度，唯一感兴趣的量是P和Q在平面内的相对位置。安装于天花板和/或推车的机器人手术系统通常更为复杂：在图12D的实施方式中存在七个主动自由度(四个位于构架上，三个相关轴线位于ECM上)，以及三个被动轴线(通过定向平台124和操纵器82之间的装配关节198示意地显示)，总共为十个自由度。保持操纵器远程中心端点位置和方向通常为六个DOF问题，其在这种实施方式中留给我们四个额外的自由度(DOFs)，利用该额外的自由度进行我们的内部优化。注意，为了这个讨论，被视为期望的确切性质可包括任何数量的标准，且不论用于确定最优目标位置的方法如何，可应用此处所述的许多概念。进行这种优化的一种策略是将整个系统视为单个10DOF冗余操纵器。然后，可利用实行主要的、不可更改的目标配以期望的最小化成本函数的辅助目标的技术。在我们案子中，主要目标可以是保持操纵器远程中心相对于手术室的位置和方向，并且辅助目标可以是获得定向平台和操纵器之间最佳的关系。
第二策略是将问题划分为两个部分：
1)寻求最小化成本函数的装配结构优化问题。当定向平台相对于操纵器RC的位置和方向达到最佳或期望的位置时，该成本函数被配置为获得最小量。
2)寻求保持相对于手术室恒定的操纵器方向的操纵器调节问题。这个第二策略受益于这样的事实，即在ECM和构架操纵器之间需要被分享的的信息仅仅是每个的基座和顶端的位置——不需要知道每个关节的位置。这向这个特定策略提供良好的优势，因为其需要操纵器间更小的通信带宽。
我们现提供移动装配结构而不移动远程中心所必需的数学体系。现参考图14和15，在移动操纵器通过其零空间时可模拟将简化的平面装配结构联动装置重新配置成期望的姿势(依据图13的以上描述，使得Q保持不变而P被驱动至空间内期望的x和y位置)。在数学上，图14中连杆1-3的长度为l1-3，雅可比行列式矩阵和关节位置向量q可被确定为：
x＝l1c1+l2c12+l3c123
y＝l1c1+l2s12+l3s123
以下是关节速度的分解，为末端执行器运动和不引起末端执行器运动的内部关节运动的总和。
期望的 期望的通过操纵器
笛卡儿 零空间的内部运动
运动
意思是，我们不希望末端执行器移动
因此，我们可移动Q而不必规定θ2和θ3以移动操纵器通过零空间而不改变末端执行器位置。类似地，从Matlab模拟，我们看到可移动轴线通过零空间而不必规定其它关节。当该进程显示出平面装配关节的优化时，该体系延伸至方向。
其它变化形式也在本发明的精神内。因此，虽然本发明容易受到各种变化和可选结构的影响，但其某些示例的实施方式显示于附图中并已经在上文中进行可详述。然而，应当理解的是，本发明不旨在将本发明限制于被公开的特定的一种形式或多种形式，而相反，本发明意在涵盖所有落入本发明的精神和范围内的变化、可选构造和等同物，如所附的权利要求中所限定。
术语“一个(a)”和“一个(an)”和“该(the)”和类似指称在说明本发明的上下文中(尤其在以下权利要求的上下文中)的使用应被视为同时涵盖单数和复数，除非本文中另有指出或明显与上下文相矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被视为开放式术语(即，意思是“包括，但不限于”)，除非另有说明。术语“连接(connected)”应被视为部分或全部地包含在内、连接至或连接在一起，即使存在某物介于其间。本文中数值范围的描述仅仅是旨在作为分别提及落入该范围的每个独立的值的便捷方法，除非本文中另有指出，并且每个单独的值被并入说明书中，如同其单独地描述于本文中。本文中所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行，除非本文中另有指出或明显与上下文相矛盾。本文中任何和所有实例或示例性语言(例如，“如”)的应用仅仅是为了更好地阐明本发明的实施方式，且不对本发明的范围产生限制，除非另有声明。本说明书中的语言均不应被视为表明本发明的实施所必要的未请求保护的要素。
本文中描述了本发明优选的实施方式，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。在阅读上述描述后，那些优选的实施方式的变化形式对本领域技术人员而言可变得明显。发明人期望技术人员酌情利用这些变化形式，且发明人意图本发明以本发明中具体的描述之外的方式实施。因此，本发明包括本文所附权利要求中适用法律所允许的所述主题的所有变化和等同物。此外，上述要素在其所有可能变化形式中的任何组合被本发明所包含，除非本文中另有指出或明显与上下文相矛盾。
本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，以与每篇参考文献被单独和具体地被指出通过引用并入且以全部的方式在本文中被提出相同的程度在此通过引用并入。

Claims (15)

1.机器人手术系统，所述系统包括：
具有第一连杆的操纵器；
支撑所述操纵器的装配关节联动装置；
支撑所述操纵器的基座的平台；和
支撑所述平台的第一联动装置；
其中所述机器人手术系统根据以下操作被装配：
感应支撑所述操纵器的所述装配关节联动装置移动到所述装配关节联动装置的运动限制范围的阈值内或移动到所述装配关节联动装置的所述运动限制范围，所述装配关节联动装置的所述运动限制范围的所述阈值小于所述装配关节联动装置的总体运动范围；
在感应所述装配关节联动装置移动到所述装配关节联动装置的所述运动限制范围的所述阈值内或移动到所述装配关节联动装置的所述运动限制范围之后，进入平台移动模式；
在进入所述平台移动模式之后，感应所述操纵器的手动移动，使得所述操纵器的所述第一连杆朝向期望的位置移动；
感应所述第一连杆自相对于所述平台的初始位置关系至相对于所述平台的移位位置关系的输入移位，所述输入移位由所述操纵器的所述手动移动所引起；
响应于所述输入移位而计算所述第一联动装置的移动，使得所述操纵器的所述第一连杆朝向相对于所述平台的所述初始位置关系返回；
依据所述计算的移动驱动所述第一联动装置，使得所述平台跟随所述第一连杆以装配所述机器人手术系统。
2.权利要求1所述的系统，其中所述操作进一步包括：
在进入所述平台移动模式之后，检测到所述装配关节联动装置已经移动到所述装配关节联动装置的所述运动限制范围；并且
响应于检测到所述装配关节联动装置移动到所述装配关节联动装置的所述运动限制范围，而驱动支撑所述平台的所述装配关节联动装置以使所述平台相对于所述装配关节联动装置移动从而使所述装配关节联动装置远离所述装配关节联动装置的所述运动限制范围移动。
3.用于机器人手术的机器人系统，所述机器人系统包括：
平台；
第一和第二操纵器，其由所述平台支撑，每个操纵器具有操纵器联动装置，所述操纵器联动装置包括第一连杆和可操作地连接至所述操纵器联动装置的驱动系统，以便在手术过程中驱动所述第一连杆；
支撑结构，其支撑所述平台，所述支撑结构包含支撑联动装置，所述支撑联动装置包括支撑结构基座和驱动系统，所述驱动系统可操作地连接至所述支撑联动装置，以便相对于所述支撑结构基座驱动所述平台；
处理器，其被连接到所述第一和第二操纵器并且被连接至所述支撑结构，所述处理器具有平台移动模式用于在机器人手术的准备期间装配所述机器人系统，并且所述处理器被配置成响应于与所述机器人系统的所述平台移动模式关联的输入而进入所述平台移动模式，其中在进入所述平台移动模式之后，所述处理器被配置成感应所述第一操纵器的所述第一连杆自相对于所述平台的初始位置关系至相对于所述平台的移位位置关系的输入移位，所述输入移位由所述第一操纵器的所述第一连杆相对于所述平台的手动移动所引起，并且其中所述处理器被配置成响应于所述第一操纵器的所述第一连杆相对于所述平台的所述手动移动而针对支撑所述平台的所述支撑结构计算装配命令，并将所述装配命令传送至所述支撑结构，以便移动所述平台以使所述第一操纵器的所述第一连杆朝向相对于所述平台的所述初始位置关系返回。
4.权利要求3所述的机器人系统，进一步包括设置于所述平台和所述第一操纵器之间的可手动铰接的联动装置，其中处于所述平台移动模式的处理器允许所述可手动铰接联动装置的手动铰接和阻止所述第一操纵器的铰接，并驱动所述支撑结构，使得所述操纵器作为基本上刚性的主体而移动，且所述平台在手动移动所述第一操纵器的所述第一连杆的过程中跟随所述第一操纵器的所述第一连杆。
5.权利要求3所述的机器人系统，其中所述处理器被配置以利用所述第一操纵器的所述第一连杆相对于所述平台的相对速度计算所述装配命令，使得所述支撑结构的所述支撑联动装置的驱动降低所述相对速度。
6.权利要求5所述的机器人系统，其中所述处理器被配置以计算所述装配命令，使得当所述第一操纵器的所述第一连杆相对于所述平台的所述相对速度超过饱和阈值时，使所述第一操纵器的所述第一连杆相对于所述平台的所述相对速度减小至饱和速度。
7.权利要求5所述的机器人系统，其中所述处理器被配置以计算所述装配命令，使得当所述第一操纵器的所述第一连杆相对于所述平台的所述相对速度使所述支撑结构朝向所述第一操纵器和所述平台之间的装配关节联动装置的不期望的运动限制配置移动时，弹性地促使所述支撑结构离开所述不期望的运动限制配置。
8.权利要求3所述的机器人系统，其中所述处理器具有端口离合模式，在所述端口离合模式中，设置在所述平台和所述第一操纵器之间的手动铰接的联动装置的一个或多个关节被释放用以手动定位，并且其中所述处理器被配置成响应于所述手动铰接的联动装置的所述一个或多个关节移动到所述一个或多个关节的运动限制范围的阈值内或移动到所述一个或多个关节的所述运动限制范围，而从所述端口离合模式进入所述平台移动模式。
9.权利要求3所述的机器人系统，其中所述第一和第二操纵器的每一个包括器械夹持器，并被配置以相对于操纵器基座支撑与安装至所述器械夹持器的相关联的手术器械、将所述相关联的手术器械通过相关联的远程操纵中心沿插入轴线插入患者体内、围绕交叉所述相关联的远程操纵中心的第一操纵器轴线旋转所述器械夹持器，以及围绕交叉所述相关联的远程操纵中心的第二操纵器轴线旋转所述器械夹持器，所述第一和第二操纵器轴线的每一个横向于所述插入轴线，所述第二操纵器轴线横向于所述第一操纵器轴线；
其中所述支撑联动装置包括：
安装基座；
柱，其与所述安装基座可滑动地连接并可相对于所述安装基座沿垂直定向的第一支撑轴线选择性地定位；
吊杆基座构件，其通过肩关节旋转地连接至所述柱，所述肩关节可操作以相对于所述柱围绕垂直定向的第二支撑轴线选择性定向所述吊杆基座构件；
可延伸吊杆构件，其通过吊杆关节与所述吊杆基座构件可滑动地连接，所述吊杆关节可操作以相对于所述吊杆基座构件沿水平定向的第三支撑轴线选择性定位所述可延伸吊杆构件，所述平台被旋转地连接至所述可延伸吊杆构件；和
其中所述第一操纵器的所述第一连杆包括或邻近所述器械夹持器，其中计算的装配命令包括所述支撑联动装置的多个关节的移动，且其中依据所述计算的装配命令而驱动所述多个关节，使得所述第一操纵器的第一连杆具有相对于所述操纵器基座的所述初始的位置关系。
10.权利要求9所述的机器人系统，其中所述初始的位置关系有助于保持所述第一操纵器相对于所述平台的期望的运动范围。
11.权利要求9所述的机器人系统，其中所述手动移动将所述第一操纵器的相关联的远程操纵中心与期望的第一远程操纵中心对准，且其中所述支撑联动装置的驱动移动使所述第二操纵器的所述相关联的远程操纵中心朝向第二期望的远程操纵中心移动。
12.权利要求3所述的机器人系统，其中所述第一操纵器具有在其上或邻近其安装的定向平台移动输入，所述定向平台移动输入通常处于第一状态，且可手动地致动至第二状态，并且其中所述处理器被配置以当所述定向平台移动输入处于所述第一状态时，响应所述第一操纵器的所述第一连杆的移动而阻止所述平台的移动。
13.权利要求12所述的机器人系统，进一步包括插管，所述插管被配置为安装至所述第一操纵器，其中所述处理器被配置以响应于所述插管的安装而阻止所述平台的移动。
14.权利要求13所述的机器人系统，其中所述支撑联动装置具有多个关节，且其中所述处理器被配置以响应于所述定向平台移动输入处于所述第一状态或响应于所述插管安装至所述第一操纵器而利用相关联的关节制动器阻止沿所述支撑联动装置的多个关节中的每个关节的移动。
15.权利要求3所述的机器人系统，其中当使用者手动地移动所述第一操纵器的所述第一连杆时，所述支撑结构被驱动。
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