CN105050775A - 软件可配置的操纵器自由度 - Google Patents

Abstract

公开了用于控制机器人系统的许多操纵器组件的方法、装置和系统。根据方法，在许多关节空间界面元件处从许多连接器输入元件经由关节空间界面元件和第一操纵器组件的关节之间的第一映射接收第一许多传感器信号。连接器输入元件是可操作的以一次仅联接至一个操纵器组件。然后利用关节控制器处理接收的第一传感器信号从而控制第一操纵器组件。然后从连接器输入元件在关节空间界面元件处经由不同于第一映射的第二映射接收第二许多传感器信号。然后利用关节控制器处理接收的第二传感器信号从而控制不同于第一操纵器组件的第二操纵器组件。

Description

软件可配置的操纵器自由度

相关申请的交叉引用

本申请根据35USC119(e)要求2013年3月15日提交的美国临时申请号61/793,093的权益。其全部公开内容用于所有目的通过引用以其全部并入本文。

本申请一般而言涉及以下共同拥有的申请：2012年8月15日提交的、题目为“PhantomDegreesofFreedomforManipulatingtheMovementofRoboticSystems”的美国临时申请号61/683,495；2012年6月1日提交的、题目为“CommandedReconfigurationofaSurgicalManipulatorUsingtheNullSpace”的美国临时申请号61/654,764；2009年6月30日提交的、题目为“ControlofMedicalRoboticSystemManipulatorAboutKinematicSingularities”的美国申请号12/494,695(已授权)；2009年3月17日提交的、标题为“MasterControllerHavingRedundantDegreesofFreedomandAddedForcestoCreateInternalMotion”的美国申请号12/406,004(现在为美国专利号8,271,130)；2005年5月19日提交的、题目为“SoftwareCenterandHighlyConfigurableRoboticSystemsforSurgeryandOtherUses”的美国申请号11/133,423(现在为美国专利号8,004,229)；2004年9月30日提交的、题目为“OffsetRemoteCenterManipulatorForRoboticSurgery”的美国申请号10/957,077(现在为美国专利7,594,912)和1999年9月17日提交的、题目为“MasterHavingRedundantDegreesofFreedom”的美国申请号09/398,507(现在为美国专利号6,714,839)，其公开内容通过引用以其全部并入本文。

背景

本发明一般而言提供改进的外科手术和/或机器人设备、系统和方法。

微创医疗技术旨在减少在诊断或外科手术过程期间损伤的外部组织的量，从而减少患者恢复时间、不适和有害的副作用。在美国，每年进行数百万的外科手术。许多这些外科手术可以潜在地以微创方式进行。然而，由于微创外科手术器械和技术的限制以及掌握它们所需要的额外外科手术训练，所以仅相对少数外科手术目前使用这些技术。

用于外科手术的微创远距外科手术系统正被研发，以增加外科医生的灵活性以及允许外科医生从远程位置对患者进行手术。远距外科手术是外科医生利用一些形式的远程控制例如伺服机构或类似形式操纵外科手术器械移动，而非直接用手握住和移动器械的外科手术系统的统称。在这种远距外科手术系统中，给远程位置处的外科医生提供外科手术部位的图像。外科医生一般在适当的查看器或显示器上观看外科手术部位的三维图像的同时对患者进行外科手术过程——通过操纵主控制输入设备，其进而控制机器人器械的动作。机器人外科手术器械可穿过小型的微创外科手术孔被插入，以处理患者体内的外科手术部位处的组织，这样的孔造成一般与开放性外科手术相关的创伤。这些机器人系统可以以充分的灵活性移动外科手术器械的工作端，以进行相当复杂的外科手术任务——通常通过在微创孔处枢转器械的杆，使杆轴向滑动通过孔，旋转孔内的杆，和/或类似方式。

用于远距外科手术的伺服机构通常接受来自两个主控制器(外科医生一手一个)的输入，并且可包括两个或更多个机器人臂或操纵器。手移动对通过图像拍摄设备显示的机器人器械的图像的映射可有助于为外科医生提供对与每只手相关联的器械的精确控制。在多种外科手术机器人系统中，包括一个或多个额外的机器人操纵器臂，用于移动内窥镜或其它图像拍摄设备、额外的外科手术器械或类似物。

多种结构布置可用于在机器人外科手术期间支撑外科手术部位处的外科手术器械。驱动的联动装置或“从动装置”通常被称为机器人外科手术操纵器，并且在微创机器人外科手术期间用作机器人外科手术操纵器的示例性联动装置布置被描述于2012年6月1日提交的，题目为“CommandedReconfigurationofaSurgicalManipulatorUsingtheNullSpace”的美国临时申请号61/654,764，和美国专利号6,758,843；6,246,200；和5,800,423，其全部公开内容通过引用以其全部并入本文。这些联动装置通常利用平行四边形布置，以固定具有杆的器械。这种操纵器结构可限制器械移动，使得器械杆围绕沿着刚性杆长度的空间定位的球形旋转的远程中心枢转。通过将此旋转中心与内部外科手术部位的切口点对齐(例如，在腹腔镜外科手术期间利用腹壁处的套针或套管)，可通过利用操纵器联动装置的移动杆的近端，而不对腹壁强加危险性力，将外科手术器械的末端执行器安全地定位。可选的操纵器结构被描述于，例如，美国专利号7,594,912；6,702,805；6,676,669；5,855,583；5,808,665；5,445,166；和5,184,601，其全部公开内容通过引用以其全部并入本文。

虽然新型机器人外科手术系统和设备已被证明是高效和有利的，但仍期望进一步的改进。在一些情况下，期望改变操纵器组件的部分或全部，其中操纵器组件可包括连接至操纵器(例如，机器人臂)的工具(例如，外科手术工具)。例如，可以期望将机器人臂从在结构上限制围绕远程中心移动的平行四边形布置改变到使用例如软件控制来限制围绕远程中心移动的可选的操纵器结构。对于另一实例，可以期望将连接至操纵器的工具从例如具有夹爪的工具改变到具有内窥镜的工具。

无论如何，不同的操纵器组件将常常具有不同的特性，比如不同数量的自由度、不同类型的自由度等。因此，不能使用相同控制器用于控制不同操纵器组件，而是必须使用在关节空间中执行例如计算的不同控制器，所述控制器被针对每个具体的工具和/或操纵器定制。不同控制器的使用导致增加层次的复杂性，其使得系统更容易出错，并可以有效地限制新操纵器和/或工具与先前存在的系统一起使用。虽然提供与新工具系统兼容性的一些技术已经公开，比如在2008年5月2日提交的、题目为“ToolMemory-BasedSoftwareUpgradesforRoboticSurgery”的美国申请号12/114,082(美国专利号7,983,793)中讨论的那些——其公开内容通过引用以其全部并入本文，但是进一步改进仍然是期望的。

由于这些和其它原因，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设备、系统和方法将是有利的。如果这些改进的技术在不同类型的操纵器和/或工具之间以无错的方式提供便利转换的能力同时保持较低的系统复杂性和成本，则这将是特别有益的。

发明内容

本发明一般而言提供了改进的机器人和/或外科手术设备、系统和方法。在一个实施方式中，公开了用于控制机器人系统的许多操纵器组件的方法。该方法包括各种操作，包括在许多关节空间界面元件处接收第一许多传感器信号，其中第一传感器信号表明第一操纵器组件的关节状态，并且第一传感器信号经由关节空间界面元件和第一操纵器组件的关节之间的第一映射从许多连接器输入元件接收，该连接器输入元件是可操作的以一次仅联接至一个操纵器组件。该方法还包括利用关节控制器处理接收的第一传感器信号从而控制第一操纵器组件，和接收表明第二操纵器组件的关节状态的第二许多传感器信号，其中该第二传感器信号经由关节空间界面元件和第二操纵器组件的关节之间的不同于第一映射的第二映射从连接器输入元件接收。该方法进一步包括利用关节控制器处理接收的第二传感器信号从而控制第二操纵器组件。

根据另一个实施方式，公开了用于控制机器人系统的许多操纵器组件的另一个方法。该方法包括各种操作，包括在许多工作空间界面元件处接收第一关节空间输出信号，其中第一关节空间输出信号从许多关节空间界面元件接收，第一关节空间输出信号相应于第一操纵器组件的至少一个自由度，并且第一关节空间输出信号经由工作空间界面元件和关节空间界面元件之间的第一映射接收。该方法还包括利用工作空间控制器处理接收的第一关节空间输出信号从而控制第一操纵器组件。该方法进一步包括在工作空间界面元件处接收第二关节空间输出信号，其中第二关节空间输出信号从关节空间界面元件接收，第二关节空间输出信号相应于不同于第一操纵器组件的第二操纵器组件的至少一个自由度，并且第二关节空间输出信号经由工作空间界面元件和关节空间界面元件之间的不同于第一映射的第二映射接收。该方法进一步包括利用工作空间控制器处理接收的第二关节空间输出信号从而控制第二操纵器组件。

根据另一实施方式，公开了用于通过患者的孔执行外科手术的远距外科手术系统。该系统包括各种元件，比如支撑结构，用于在支撑结构的连接器处接收每个具有许多自由度的许多不同的操纵器。该系统还包括联接至支撑结构的控制器，其中该控制器包括许多映射，每个映射被配置为将来自操纵器之一的信号映射至关节空间层和工作空间层的至少一个，并且其中映射彼此是不同的。

根据另一实施方式，公开了用于通过患者的孔执行外科手术的另一远距外科手术系统。该系统包括各种元件，比如用于控制许多外科手术工具状态的控制器。该系统还包括联接至控制器的许多操纵器，其中每个操纵器包括机械界面和电界面，该机械界面是可操作的以将操纵器机械地联接至外科手术工具，并且该电界面是可操作的以在控制器和连接至操纵器的外科手术工具之间通信信息。每个操纵器可以是可操作的以经由机械界面联接至许多不同的外科手术工具，并且对于每个外科手术工具而言，电界面可以是不同的。

为了更充分的理解本发明的特征和优势，应该对接下来的详细描述和附图进行参考。本发明的其它方面、目标和优势从附图和下面的详细描述将是显而易见的。

附图简述

图1A是根据本发明的实施方式的机器人外科手术系统的俯视图。

图1B概略地图解了图1A的机器人外科手术系统。

图2是图1A的外科医生控制台的透视图。

图3是图1A的电子推车的透视图。

图4是具有多个操纵器臂的患者侧推车的透视图，所述操纵器臂每个支撑外科手术器械。

图5是根据实施方式的操纵器臂的透视图。

图6A是根据实施方式的机器人外科手术工具的透视图，所述工具包括具有相对夹爪的末端执行器。

图6B图解根据实施方式的带腕的内窥镜。

图6C是根据实施方式的具有吸入口的外套管(overtube)的远端的透视图。

图6D图解根据实施方式的无腕的内窥镜。

图7A是根据实施方式的主控制输入设备的透视图。

图7B是图7A的输入设备的万向支架或腕的透视图。

图7C是图7A的输入设备的铰接臂的透视图。

图8A是根据第一实施方式的、包括操纵器组件和支撑结构的机器人系统的一部分。

图8B是根据第二实施方式的、包括操纵器组件和支撑结构的机器人系统的一部分。

图8C是根据第三实施方式的、包括操纵器组件和支撑结构的机器人系统的一部分。

图9A图解根据第一实施方式在连接器输入/输出元件和关节空间界面元件之间的映射。

图9B图解根据第二实施方式在连接器输入/输出元件和关节空间界面元件之间的映射。

图9C图解根据实施方式在关节空间界面元件和工作空间界面元件之间的映射。

图10图解根据实施方式在连接器输入/输出元件、关节空间界面元件和工作空间界面元件之间的映射。

图11A显示正由关节空间界面元件控制的第一操纵器组件的第一组自由度分组。

图11B显示正由关节空间界面元件控制的第二操纵器组件的第二组自由度分组。

图12A显示根据实施方式的连接器/关节空间映射。

图12B显示根据实施方式的关节空间/工作空间映射。

图13A显示患者侧推车，所述侧推车包括联接(couple)至第一操纵器臂的成像设备和联接至第二操纵器臂的外科手术工具。

图13B显示患者侧推车，所述侧推车包括联接至第二操纵器臂的成像设备和联接至第一操纵器臂的外科手术工具。

图14显示一系列的操作，所述操作可用于控制连接至相同操纵器臂的许多可能的工具的一个。

图14A显示一系列操作，当成像设备从第一操纵器臂移走并联接至第二操纵器臂时可以使用所述操作，以便维持如向系统使用者显示的、通过图像拍摄设备成像的外科手术工具的移动和正由系统使用者操纵的输入设备之间的对应。

图14B和14C分别显示工具交换之前和之后的工具尖端，并且示意性地指示用于控制外科手术器械的照相机参考坐标系伴随的改变。

图15显示根据实施方式的用于获得工具映射的一系列操作。

图16A显示根据一个实施方式的一系列操作，这些操作可用于使用获得的映射控制工具。

图16B显示根据另一个实施方式的一系列操作，这些操作可用于使用获得的映射控制工具。

详述

本发明的实施方式一般而言提供了用于控制许多不同操纵器组件的改进的技术。一些实施方式与外科手术机器人系统一起使用是特别有优势的，在所述机器人系统中许多外科手术工具或器械在外科手术过程期间安装在关联的许多机器人操纵器上并通过关联的机器人操纵器移动。机器人系统将常常包括远距机器人、远距外科手术和/或远距呈现系统，其包括配置为主从式控制器的处理器。通过提供采用适合地配置为控制许多不同操纵器组件比如不同机器人臂和/或外科手术工具的处理器的机器人系统，机器人系统在执行外科手术过程中的灵活性可以显著地增加。

本文描述的机器人操纵器组件通常包括机器人操纵器和安装在其上的工具(该工具通常包括外科手术形式的外科手术器械)，但是术语“机器人组件”还包括其上未安装工具的操纵器。术语“工具”包括一般或工业机器人工具和专用机器人外科手术器械二者，其中后面这些结构通常包括适于组织操纵、组织处理、组织成像、或类似工作的末端执行器。工具/操纵器界面通常是快速断开工具固定器或联接，其允许快速移走工具和用替代性工具替换工具。操纵器组件通常具有基座，该基座在至少部分的机器人过程期间被固定在空间中，并且操纵器组件可包括在基座和工具的末端执行器之间的许多自由度。例如，操纵器组件可包括操纵器的运动学自由度以及连接至操纵器的工具的运动学自由度。这些的组合在本文中可被称为“操纵器自由度”，并且一般被限定在关节空间中。末端执行器的致动(如打开或闭合夹持设备的钳、供能电外科搅拌器、激活真空装置的气压等)通常独立于和加之于这些操纵器组件自由度。这些在本文中可被称为“致动自由度”。

末端执行器(或者，更一般地，控制框架(controlframe)，如下面描述的)一般以二和六之间的自由度在工作空间中移动，但是可以以少于二或大于六的自由度在空间中移动。末端执行器的自由度(或者，更一般地，控制框架的自由度)在本文中可被称为“末端执行器自由度”，并且一般在笛卡儿空间中限定(下面描述的)。如本文所用，“位置”包括位点(例如，x、y、z坐标)和方向(例如，俯仰、偏转、转动)。因此，末端执行器的位置的变化(例如)可包括末端执行器从第一位点平移至第二位点，末端执行器从第一方向旋转至第二方向，或二者的组合。当用于微创机器人外科手术时，操纵器组件的移动可被系统的一个或多个处理器控制，使得工具或器械的杆或中间部分被限制通过微创外科手术进入部位或其它孔的安全动作。这种动作可包括，例如，杆通过孔部位轴向插入外科手术工作空间，杆绕其轴线旋转，和杆绕孔部位处的枢转点的枢转动作。

在一个具体的实施方式中，操纵器组件的运动学自由度可以经由使用系统的马达的控制器通过驱动一个或多个关节进行控制，根据由控制器的处理器计算的协调关节移动，所述关节被驱动。数学上，控制器可以使用矢量和/或矩阵执行关节命令的至少一些计算，一些矢量和/或矩阵可具有对应于关节的配置或速度的元素(元件，element)。处理器可利用的可选关节配置的范围可以概念化为关节空间。例如，关节空间可具有与操纵器组件具有的自由度一样多的维度，并且在一些示例性实施方式中，关节空间可具有比操纵器组件具有的自由度更多的维度，这是因为操纵器组件可缺少至少一个完全限定与操纵器组件相关联的末端执行器的位置所需的自由度。进一步，操纵器组件的具体配置可代表关节空间中的具体点，其中每个坐标对应于在操纵器的相关关节存在之处操纵器组件的相关关节的关节状态。

在示例性实施方式中，系统包括控制器，在所述控制器中工作空间——在此称为其笛卡儿空间——中的零件的命令位置和速度为输入。零件可以是操纵器组件上或操纵器组件之外的可用作利用控制输入铰接的控制框架的任何零件。在本文描述的多个实例中使用的操纵器组件上的零件的实例是工具尖端。操纵器组件上的零件的另一实例是不在工具尖端上而为操纵器组件的一部分的物理零件，如销或绘制的图案。操纵器组件的零件的实例是空白空间中精确地距工具尖端一定距离和角度的参考点。操纵器组件之外的零件的另一实例是可建立其相对于操纵器组件的位置的目标组织。在所有这些情况下，末端执行器与将要利用控制输入铰接的假想控制框架相关。然而，在下文中，“末端执行器”和“工具尖端”被同义地使用。虽然通常没有使期望的笛卡儿空间末端执行器位置映射至等同的关节空间位置的闭合式关系(closedformrelationship)，但通常笛卡儿空间末端执行器和关节空间速度之间存在闭合式关系。运动学雅可比是末端执行器的笛卡儿空间位置元素关于关节空间位置元素的偏导数矩阵。以这种方式，运动学雅可比获取末端执行器和操纵器组件的关节之间的运动学关系。换句话说，运动学雅可比获取关节动作对末端执行器的影响。

本文描述的操纵器组件中多个(但不是全部)的可用自由度少于与对末端执行器定位在工作空间中完全控制通常相关的那些(其中末端执行器的完全控制需要末端执行器自由度包括三个独立的平移和三个独立的方向)。即，操纵器组件可具有不足数量或类型的自由度，用于独立地控制六个末端执行器自由度。例如，不具有铰接腕的刚性内窥镜尖端可失去在腕处的两个自由度。因此，内窥镜可仅具有四个自由度来对末端执行器定位，而非六个，因此有可能限制内窥镜的动作。

然而，本文描述的操纵器组件中一些的自由度的数量大于完全控制末端执行器定位所需的自由度的数量(其中末端执行器的完全控制需要末端执行器自由度包括三个独立的平移和三个独立的方向)，但由于操纵器组件的关节的类型或布置，操纵器组件仍无法完全控制末端执行器的定位。例如，操纵器组件可具有七个操纵器自由度，但其中三个是冗余的。结果，末端执行器有效地具有五个自由度。在一些实施方式中，操纵器组件可具有足够的自由度以完全控制末端执行器的定位。

不管控制末端执行器的位置可用的自由度的数目如何，本文描述的操纵器组件也可以促进用于致动工具的额外自由度(例如，致动自由度)。例如，操纵器组件可配置为安装具有电灸探针的工具，所述电灸探针可操作以例如在激活之后加热选择的组织，其中加热的激活/撤销(deactivation)是自由度。对于另一实例，操纵器组件可配置为安装具有真空装置的工具，所述真空装置可操作以例如在激活之后在选择的组织周围施加吸力，其中致动吸力是自由度。对于又另一实例，操纵器组件可配置为安装具有夹具(grip)的工具，其中夹具的致动是自由度。对于甚至又另一实例，操纵器组件可配置为安装具有夹具和刀具的工具，其中夹具的致动是自由度并且刀具的致动是自由度。在这种情况下，这些额外的自由度不是运动学的，因为它们不影响末端执行器的位置(例如，位点和方向)。因此，这些额外的自由度可以被称为‘非运动学的’或‘致动’自由度。这与运动学自由度(例如，本文描述的操纵器自由度)形成对照，因为运动学自由度影响末端执行器的位置。

术语关节“状态”或类似术语在本文中通常指与关节相关的控制变量。例如，转角关节(angularjoint)的状态可指该关节在其动作范围内限定的角度，和/或指关节的角速度。类似地，轴向或棱柱关节的状态可指关节的轴向位置，和/或其轴向速度。虽然本文描述的控制器中多个包括速度控制器，但它们通常还具有一些位置控制方面。可选的实施方式可主要或完全依靠位置控制器、加速控制器等。可用于这种设备中的控制系统的多个方面被更充分地描述于美国专利号6,699,177中，其全部公开内容通过引入并入本文。因此，只要描述的移动基于相关计算，则本文描述的关节移动和末端执行器移动的计算可利用位置控制算法、速度控制算法、二者组合、和/或类似算法进行。

在多个实施方式中，示例性操纵器臂的工具围绕邻近微创孔的枢转点枢转。在一些实施方式中，系统可利用硬件远程中心，比如远程中心运动学，其被描述于美国专利6,786,896中，其全部内容以其整体并入本文。这种系统可利用双平行四边形联动装置，其限制联动装置的移动，使得由操纵器支撑的器械的杆围绕远程中心点枢转。可选的机械限制的远程中心联动装置系统是已知的，和/或可在未来发展。在其它实施方式中，系统可利用软件以获得远程中心，比如美国专利号8,004,229中所述的，其全部内容通过引入并入本文。在具有软件远程中心的系统中，处理器计算关节的移动，从而围绕期望的枢转点枢转器械杆的中间部分，这与机械限制相反。通过具有计算软件枢转点的能力，可选择性地实施特征在于系统依从性或刚性的不同模式。更具体地，对一定范围内的枢转点/中心(例如，可移动的枢转点，借此软件限定的枢转点可以从一个位点移动到另一个；被动枢转点，借此依靠患者的体壁以强迫限制通过‘中心’；固定的/刚性枢转点；柔性枢转点等)可按需实施的不同系统模式。

在多种配置中，机器人外科手术系统可包括主控制器(一个或多个)，其具有的自由度的数目少于、多于或等于远程控制的机器人操纵器臂和/或工具具有的自由度的数目。在这种情况下，用于控制机器人操纵器臂和/或工具的基于雅可比的或其它的控制器一般提供完整数学方案和令人满意的控制。例如，完全控制刚性体的位置(即，位点和方向)可利用刚性体的六个可独立控制的自由度，其包括三个平移自由度和三个旋转自由度。这使其本身适于其中使用6×N雅可比矩阵的基于雅可比的控制算法。

虽然本文公开了具有许多自由度的操纵器组件——其包括具有少于、等于或多于完全控制末端执行器位置的六个自由度的数目的组件，但这些组件的多个实施方式缺少至少一个用于完全控制末端执行器位置的自由度。尽管操纵器组件可缺少这些自由度中的一个，但控制操纵器组件的输入设备(例如，主控制输入设备)可包括该缺少的自由度。根据本发明的实施方式，响应于控制操纵器组件处失去的自由度(一个或多个)的输入，操纵器组件处可用的其它自由度可提供动作，从而模拟对失去的自由度(一个或多个)的控制。这可通过利用包括和进行失去的操纵器自由度(一个或多个)的计算的操纵器组件的运动学模型来实现。通过进行这种计算，可更有效地控制操纵器组件的剩余自由度，以致使末端执行器呈现沿要求的自由度(一个或多个)移动。进一步，这种运动学模型的应用可有利地减少促进具有不同数目的自由度的工具的定位和/或致动的复杂性。

在至少一个实施方式中，不同的操纵器组件可以配置为连接至机器人外科手术系统的相同基座或支撑结构。例如，不同的机器人臂可配置为连接至相同的支撑结构，和/或不同的外科手术工具可配置为连接至相同的机器人臂。在一些情况下，不同机器人臂上的相同连接器元件可控制机器人臂的不同方面。例如，一个机器人臂上的最上面的连接器元件可控制机器人臂的偏转，而另一个机器人臂上最上面的连接器元件可控制机器人臂的转动(roll)。

为了促进由来自机器人臂的支撑结构中的控制器正在接收的信号的适当解释，可以提供映射单元以将从机器人臂接收的信号映射至控制器比如关节空间控制器的具体输入。例如，可用于许多不同操纵器组件的共同关节空间控制器可具有固定组的输入元件。具体机器人臂的映射单元然后可以将从机器人臂接收的信号映射至关节空间控制器的适当输入元件。例如，映射单元可将从机器人臂的‘转动’连接器元件接收的信号映射至关节空间控制器的通用(generic)输入元件。对于不同的机器人臂，映射单元可将从机器人臂的‘转动’连接器元件(对于第一机器人臂，其可以是不同的连接器元件)接收的信号映射至关节空间控制器的相同的通用输入元件。以这种方式，相同的关节空间控制器可用于对许多不同的操纵器组件执行关节空间计算。

同样地，操纵器组件具体映射可用于在不同类型的空间中执行计算的控制器之间映射信号。例如，除了关节空间控制器之外，支撑结构还可以包括工作空间控制器比如推车空间控制器——其是可操作的以在例如三维工作空间中执行计算。可因此提供映射单元以将从关节空间控制器输出的信号映射至工作空间控制器的输入元件。

在下面描述中，将描述本发明的不同实施方式。以说明为目的，提出具体配置和细节以提供对实施方式的充分理解。然而，对于本领域技术人员也是显而易见的是，本发明可在没有该具体细节的情况下实践。此外，为了不遮挡所描述的实施方式，公知的特征可被省略或简化。

现参考附图，其中贯穿若干视图的相同参考编号代表相同部分，图1A是用于对躺在手术台14上的患者12进行微创诊断或外科手术过程的根据多个实施方式的微创机器人外科手术(MIRS)系统10的俯视图图解。该系统可包括供外科医生18在过程期间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。MIRS系统10可进一步包括患者侧推车22(外科手术机器人)和电子推车24。患者侧推车22可包括许多机器人臂，其每一个可通过患者12身体中的微创切口操纵至少一个可拆卸地联接的工具组件26(在下文中被简称为“工具”)，同时外科医生18通过控制台16观看外科手术部位。外科手术部位的图像可通过成像设备28比如立体内窥镜获得，成像设备28可被患者侧推车22操纵，从而定向成像设备28。电子推车24可用于处理外科手术部位的图像，用于随后通过外科医生控制台16显示给外科医生18。一次使用的外科手术工具26的数目一般地取决于诊断或外科手术过程和手术室内的空间限制等等。如果需要改变过程期间正在使用的工具26中的一个或多个，助手20可从患者侧推车22移走工具26，并用来自手术室中的托盘30的另一工具26将其替换。进一步，附接至患者侧推车22的具体机器人臂也可以取决于诊断或外科手术过程，并与工具26相同也可以在过程之前、期间或之后改变。

在某些实施方式中，MIRS系统10是用于对患者执行微创诊断或外科手术过程的系统，其包括不同的部件比如外科医生控制台16、电子推车24和患者侧推车22。然而，本领域普通技术人员将可以理解，通过具有少于或多于图1A中所图解的部件的数目，该系统可以同样很好地操作。进一步，本文描述的如由MIRS系统10的一个具体元件执行的计算操作和功能可以由MIRS系统10的其它元件执行，或在一些实施方式中被分配给MIRS系统10的两个或更多个元件。例如，在一些实施方式中，本文所描述的如由电子推车24执行的功能可以由控制台16和/或患者侧推车22执行。进一步，应该认识到，提供相同或相似功能的多种元件也可以实施在MIRS系统10内。例如，MIRS系统10可包括与一个、两个或更多个患者侧推车22独立或组合控制/相互作用的两个或更多个控制台16。同样地，可以设置多于一个电子推车24(例如，每个控制台16一个)，或者在一些实施方式中，不设置推车24，借此本文描述的与推车24相关联的功能可以分配给一个或多个控制台16、推车22和/或MIRS系统10的其它元件。因此，图1A中的系统10的描绘应当被认为本质上是说明性的，并且不限制本公开的范围。

图1B概略地图解了机器人外科手术系统50(如图1A的MIRS系统10)。如上所述，外科医生控制台52(如图1A中的外科医生控制台16)可在微创过程期间由外科医生用来控制患者侧推车(外科手术机器人)54(如图1A中的患者侧推车22)。患者侧推车54可利用成像设备，比如立体内窥镜，来拍摄过程部位的图像并输出拍摄的图像至电子推车56(如图1A中的电子推车24)。如上所述，电子推车56可在任何随后的显示前以多种方式处理拍摄的图像。例如，电子推车56可用虚拟控制界面覆盖拍摄的图像，然后经由外科医生控制台52向外科医生显示组合图像。患者侧推车54可输出拍摄的图像，以在电子推车56之外处理。例如，患者侧推车54可输出拍摄的图像至处理器58，该处理器58可用于处理拍摄的图像。图像还可由电子推车56和处理器58的组合处理，电子推车56和处理器58可联接在一起，以便共同地、相继地和/或其组合处理拍摄的图像。一个或多个单独的显示器60也可与处理器58和/或电子推车56联接，用于图像比如过程部位的图像或其它相关图像的本地和/或远程显示。

在某些实施方式中，MIRS系统50是对患者进行微创诊断或外科手术过程的系统，其包括不同的部件，比如外科医生控制台52、电子推车56和患者侧推车54。然而，本领域普通技术人员将可以理解，通过具有少于或多于图1B中所图解的部件的数目，该系统可以同样很好地操作。因此，图1B中的系统50的描绘应当被认为本质上是说明性的，并且不限制本公开的范围。

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展示能够实现深度感知的外科手术部位的协调立体视图。控制台16进一步包括一个或多个输入控制设备36，其进而使得患者侧推车22(图1A显示的)操纵一个或多个工具。输入控制设备36可提供与其相关联的工具26(图1A显示)相同的自由度或更多自由度，从而向外科医生提供远距呈现，或输入控制设备36与工具26一体化的感知，使得外科医生具有直接控制工具26的强烈感觉。为此，可利用位置、力和触觉反馈传感器(未显示)将位置、力和触觉感受从工具26通过输入控制设备36传送回到外科医生的手。

外科医生控制台16通常与患者位于相同房间中，使得外科医生可直接监控过程——如需要物理地展示——并且与助手直接交谈，而非通过电话或其它通信介质。然而，外科医生可与患者位于不同的房间、完全不同的建筑物、或其它远程场所，允许远程外科手术过程。

在某些实施方式中，外科医生控制台16是向外科医生展示关于外科手术部位的信息和从外科医生接收输入信息的设备，并且包括不同的部件，比如眼视显示器和输入控制设备。然而，本领域普通技术人员将理解，通过具有少于或多于图2中所图解的部件的数目，外科医生控制台可以同样很好地操作。因此，图2中外科医生控制台16的描绘应当被认为本质上是说明性的，并且不限制本公开的范围。

图3是电子推车24的透视图。电子推车24可与成像设备28联接，并且可包括处理器来处理拍摄的图像用于随后显示，比如在外科医生控制台上显示给外科医生，或在本地和/或远程所在的另一适当的显示器上显示。例如，在使用立体内窥镜的情况下，电子推车24可处理拍摄的图像，以向外科医生展示外科手术部位的协调立体图像。这种协调可包括相对图像之间的对齐，并且可包括调节立体内窥镜的立体工作距离。作为另一实例，图像处理可包括使用先前确定的照相机校正参数，从而补偿图像拍摄设备的成像误差，如光学像差。

在某些实施方式中，电子推车24是向外科手术团队展示关于外科手术信息的设备，并且包括不同的部件，显示器、处理器、存储元件等。然而，本领域普通技术人员将理解，通过具有少于或多于图3中所图解的部件的数目，电子推车可以同样很好地操作。因此，图3中电子推车24的描绘应当被认为本质上是说明性的，并且不限制本公开的范围。

图4显示具有安装至支撑结构110的许多操纵器臂100的患者侧推车22，每个臂在操纵器臂的远端处支撑外科手术器械或工具26。显示的患者侧推车22包括四个操纵器臂100，其可以用于支撑外科手术工具26或成像设备28，比如用于过程部位的图像拍摄的立体内窥镜。支撑结构110可包括适合于支撑操纵器臂100的一个或多个元件，比如轮、基座、腿、脊柱等。在一些实施方式中，支撑结构110可包括电子部件比如处理器、存储元件等，和在至少一个实施方式中包括连接器，用于将操纵器臂100机械地联接至支撑结构110和用于将操纵器臂100和/或工具26的部件(例如，马达或其它致动器)电学地联接至支撑结构110的部件(例如，处理器、存储元件等)。

工具26的操纵通过具有许多机器人关节的机器人操纵器臂100提供，在该机器人关节处每个关节提供操纵器自由度。每个关节的角度可以由致动器比如马达或马达组件控制，和在一些实施方式中，每个关节的角度可以使用布置在每个关节上或靠近每个关节的一个或多个传感器(例如，编码器或电位计等等)测量。成像设备28和外科手术工具26可以通过患者中的切口被定位和操纵以便在切口处维持运动学远程中心从而使切口的大小最小化。外科手术部位的图像可包括外科手术器械或工具26的远端的图像——当它们定位在成像设备28的视野内时。

关于外科手术工具26，可使用多种不同类型和不同末端执行器的可选的机器人外科手术工具或器械，至少一些操纵器的器械在外科手术过程期间被移走和替换。这些末端执行器的一些——包括DeBakey钳、微型钳、Potts剪和施夹器——包括第一和第二末端执行器元件，所述末端执行器元件相对于彼此枢转从而限定末端执行器钳对。其它末端执行器——包括手术刀和电灸探针——具有单一的末端执行器元件。对于具有末端执行器钳的器械，钳将常常通过挤压把手的夹具构件致动。单一末端执行器器械也可以通过夹持夹具构件致动，例如，从而给电灸探针供能。

器械26的细长杆允许末端执行器和杆的远端通过微创孔常常通过腹壁等等远侧地插入外科手术工作部位(worksite)。外科手术工作部位可以被吹张(insufflate)，并且患者内的末端执行器的移动将常常至少部分地受到器械26围绕杆穿过微创孔的位点枢转的影响。换句话说，操纵器100将移动患者之外的器械的近端外壳，以便杆延伸通过微创孔位点从而帮助提供末端执行器的期望移动。因此，操纵器100在外科手术过程期间在患者52之外将常常进行显著移动。

在某些实施方式中，患者侧推车22是用于提供帮助对患者进行外科手术过程的外科手术工具的设备，并且可包括不同的部件比如支撑结构110、操纵器臂100和工具26。本领域普通技术人员将理解，通过具有少于或多于图4中所图解的部件的数目，患者侧推车可以同样很好地操作。因此，图4中患者侧推车22的描绘应当被认为本质上是说明性的，并且不限制本公开的范围。

参照图5可以理解根据本发明的一些实施方式的示例性操纵器臂。如上面所描述的，操纵器臂通常支撑远端器械或外科手术工具并且实现器械相对于基座的移动。当许多具有不同末端执行器的不同器械可以在外科手术过程期间顺序地安装在每个操纵器上(通常在外科手术助手的帮助下)时，远端器械固定器将优选地允许安装的器械或工具快速移走和替换。如参照图4可以理解的，操纵器近侧地安装至患者侧推车的基座。通常，操纵器臂包括许多联动装置和在基座与远端器械固定器之间延伸的相关关节。在一方面，示例性操纵器包括许多具有冗余的或非冗余的自由度的关节，但是缺少一个完全规定末端执行器的位置(即，位点和方向)所需的自由度。

在许多实施方式中，比如图5中所显示的，示例性操纵器臂包括近端回转关节J1，其围绕第一关节轴线旋转从而围绕关节轴线回转关节远端的操纵器臂。在一些实施方式中，回转关节J1直接安装至基座，而在其它实施方式中，关节J1可以安装至一个或多个可移动的联动装置或关节。操纵器臂的关节可以被操纵从而控制联接至其的工具的位置和/或方向。在一些实施方式中，组合的操纵器关节可具有冗余的自由度，使得操纵器臂的关节可以被驱动成给定的末端执行器位置的一系列的不同配置。例如，如果将一个或多个额外的、冗余的自由度加入到图5的操纵器臂，则所得操纵器臂可以被调度(maneuver)成不同的配置，而器械固定器510内支撑的远端器械或工具511保持特定状态，其可包括末端执行器的给定位置或速度。在一些实施方式中，不管操纵器臂是否包括冗余的自由度，操纵器的关节不可操作来独立地控制完全限定工具511的位置的六个末端执行器自由度的至少一个。例如，操纵器不可操纵来使工具511以一个或多个方向独立地转动、俯仰、偏转和/或平移。

连同图5中所图解的连接连杆(link)的关节的旋转轴线一起描述图5的操纵器臂500的独立连杆，第一连杆504从枢转关节J2远侧地延伸，所述枢转关节J2围绕其关节轴线枢转并被联接至回转关节J1，该回转关节J1围绕其关节轴线旋转。如图5中所显示，许多剩余关节可以通过其相关联的旋转轴线被识别。例如，第一连杆504的远端在枢转关节J3——围绕其枢转轴线枢转——处联接至第二连杆506的近端，并且第三连杆508的近端在枢转关节J4——围绕其轴线枢转——处联接至第二连杆506的远端，如所示。第三连杆508的远端在枢转关节J5处联接至器械固定器510。一般地，关节J2、J3、J4和J5中每一个的枢转轴线基本上平行，并且联动装置在彼此相邻定定位时呈现“堆叠”，从而在调度操纵器组件期间提供减少宽度的操纵器臂和提高患者间隙(clearance)。在多个实施方式中，器械固定器510还包括额外的关节，比如棱柱关节J6，其促进器械511通过微创孔的轴向移动并促进器械固定器510附接至器械511滑动插入的套管。在一些实施方式中，即使在组合器械固定器510的自由度与操纵器臂500其余那些自由度时，所得自由度也仍不足以提供完全限定工具511的位置所需的六个自由度中的至少一个。

器械511可包括器械固定器510远端的额外自由度。器械自由度的致动通常由操纵器的马达驱动，并且可选的实施方式可在可快速拆卸的器械固定器/器械界面处将器械与支撑操纵器结构分开，使得在此显示处于器械上的一个或多个关节代替地处于界面上，或反之亦然。在一些实施方式中，器械511包括在通常被布置在微创孔部位的工具尖端的插入点或枢转点PP附近或近侧的旋转关节J7(未显示)。器械的远侧腕允许外科手术工具511的末端执行器围绕器械腕处的一个或多个关节的器械关节轴线进行枢转动作。末端执行器钳元件之间的角可独立于末端执行器位点和方向控制。虽然外科手术工具511提供的这些额外的运动学自由度可被认为是操纵器自由度的一部分，但在一些实施方式中，即使组合外科手术工具511的运动学自由度与操纵器臂500的那些自由度(包括，例如，器械固定器510的那些自由度)，所得的运动学自由度也仍不足以完全控制工具511的尖端的位置。

在许多实施方式中，操纵器臂500可包括用于机械地和在一些实施方式中电学地连接至支撑结构和工具的连接器。在一个实施方式中，操纵器臂500可包括支撑结构连接器512，所述支撑结构连接器512被成形为与相应的连接器在支撑结构上接合。支撑结构连接器512可包括用于在支撑结构的元件(例如，一个或多个处理器)和操纵器臂500的元件(例如，马达和/或传感器)之间通信信息的一个或多个元件。例如，支撑结构连接器512可包括联接至马达、传感器和/或操纵器臂500的其它元件的电学和/或光学部件。

在另一实施方式中，操纵器臂500可包括被成形为与相应的连接器在工具上接合的工具连接器514。工具连接器512可包括用于在工具的元件(例如，马达或其它致动器、传感器等)和操纵器臂500的元件(例如，连杆中的电学和/或光学导体、支撑结构连接器512的电学和/或光学部件等)之间通信信息的一个或多个元件。例如，操纵器臂500可包括导体(例如，电线或光纤)，所述导体布置在支撑结构连接器512和工具连接器512的一个或多个部件之间并与其联接。工具连接器512然后还可包括用于向附接工具通信信息从而促进信息在支撑结构和连接的工具之间通信的电学和/或光学部件。在一些实施方式中，工具连接器514可以包括可以与工具的相应的输入耦合器机械地接合的一个或多个输出耦合器(没有显示)，其中输出耦合器的移动(例如，旋转、平移等)经由机械接合使得输入耦合器相应的移动。

在某些实施方式中，操纵器臂500是用于固定和控制工具的机械体，并且可包括许多连杆和关节。然而，本领域普通技术人员将理解，通过具有少于或多于图5中所图解的部件的数目，操纵器臂可以同样很好地操作。因此，图5中操纵器臂500的描绘应当被认为本质上是说明性的，并且不限制本公开的范围。

图6A显示了包括近端底架602、器械杆604和具有钳608的远端执行器606的外科手术工具600，所述钳608可以被铰接以夹持患者组织。近端底架602包括框架612，和在一些实施方式中包括弹簧组件610，其被成形为与操纵器臂的远端接合(例如，被成形为连接至参照图5中所描述的工具连接器514)。近端底架602也可以包括配置为与操纵器臂的输出耦合器交接并由其驱动的输入耦合器。输入耦合器与弹簧组件610的输入连杆驱动地联接。弹簧组件610安装至近端底架602的框架612并包括与布置在器械杆604内的驱动杆驱动地联接的输出连杆。驱动杆与钳608驱动地联接。在一些实施方式中，近端底架602也可包括用于电学地和/或光学地联接至操纵器臂的相应元件(例如，工具连接器514的相应元件)的电学和/或光学元件。以这种方式，信息可以在工具600的元件(例如，马达、致动器、传感器等)和操纵器臂的元件之间通信。

根据一些实施方式和如图6A中所显示的，外科手术工具600可以不包括任何用于改变末端执行器606位置的自由度。在其它实施方式中，外科手术工具600可包括用于增加用于改变末端执行器606位置的自由度的一个或多个关节。例如，器械杆604可包括用于改变末端执行器606的俯仰和/或偏转的关节。进一步，在一些实施方式中和如图6A中所显示的，外科手术工具600可包括用于致动末端执行器606的一个或多个自由度。例如，弹簧组件610可操作以致动钳608。外科手术工具600以及其它外科手术工具的额外特性在共同拥有的、2011年11月15日提交的、题目为“MethodforPassivelyDecouplingTorqueAppliedByaRemoteActuatorIntoanIndependentlyRotatingMember”的美国申请号13/297,158中描述，其公开内容以其全部通过引用并入本文。

图6B图解带腕的内窥镜620，其在一些实施方式中可用于机器人微创外科手术。内窥镜620包括细长杆622和位于杆622的工作端处的柔性腕624。外壳626允许外科手术器械620可释放地联接至位于杆624的相对端的操纵器。内窥镜照相机镜头实施在柔性腕624的远端处。腔(未显示)沿连接柔性腕624的远端至外壳626的杆622的长度延伸。在“纤维镜”实施方式中，内窥镜620的成像传感器(一个或多个)，比如电荷耦合装置(CCD)，可被安装在外壳626内部，其中连接的光纤沿杆622长度在腔的内部延伸并且基本上终止于柔性腕624的远端。在可选的“棒上芯片”实施方式中，内窥镜620的成像传感器(一个或多个)可被安装在柔性腕624的远端处。成像传感器(一个或多个)可以是二维或三维的。

在一些实施方式中，柔性腕624可具有至少一个自由度以使内窥镜620在内部身体组织、器官等周围被容易地铰接和调度以到达期望的目的地(例如，心外膜组织或心肌组织)。外壳626可容纳用于铰接柔性腕624的远端的驱动机构。该驱动机构可以是电缆驱动、齿轮驱动、传送带驱动或适合于沿其自由度(一个或多个)驱动柔性腕624的另一类型的驱动机构。例如，在一个实施方式中，柔性腕624可具有两个平移自由度和杆622可以是可操作的以在轴线周围沿着杆622的长度旋转。在一些医疗过程中，铰接内窥镜620在内部器官、组织等周围调度和铰接以获得难以看到的(hard-to-see)和/或难以到达的(hard-to-reach)地方的视觉图像。内窥镜620以及其它外科手术工具的额外特性在共同拥有的、2005年12月27日提交的、题目为“ArticulateandSwapabieEndoscopeforaSurgicalRobot”的美国申请号11/319,011中描述，其公开内容以其全部通过引用并入本文。

在至少一个实施方式中，外壳626可被成形为与操纵器臂的远端接合(例如，被成形为连接至参照图5的工具连接器514)。进一步，外壳626可包括用于电学地和/或光学地联接至操纵器臂的相应元件的电学和/或光学元件。以这种方式，信息可以在工具620的元件(例如，马达、致动器、传感器等)和操纵器臂的元件之间通信。图6C是具有吸入口的外套管的远端的透视图。外套管630限定延伸通过外套管630以允许器械通过的器械腔632。外套管630进一步包括联接至真空源的一个或多个吸入通道634。在不同的实施方式中，外套管630可以由适合外科手术用途的任意许多材料形成，并且可以提供有任意各种的刚度。例如，外套管630可以包括基本上刚性材料，可包括柔性材料，或可包括一个或多个基本上刚性部分和一个或多个柔性部分的组合以提供可弯曲的结构。外套管630的横截面形状也可以改变。在所图解的实施方式中，外套管630具有基本上圆形的横截面形状，并且由聚氨酯制成。在其它实施方式中，可以取决于应用使用其它横截面形状，诸如，比如椭圆形、矩形、三角形等。

在所图解的实施方式中，吸入通道634包括外套管630的壁内的许多真空腔，每个真空腔联接至真空源(未显示)。真空源可以被操作以在每个吸入通道634中形成真空压力，从而对与吸入通道634接触的组织表面形成吸力。由于该吸力，外套管630将附接至组织表面。如果中断真空压力，则组织表面将被释放并且外套管630将不再附接至组织。因此，通过经由吸入通道634可控制地提供吸力，外套管630可以可释放地附接至患者的组织表面。外科手术器械比如冲洗工具、切割工具等然后可以被插入通过器械腔200来处理布置在器械腔632内的组织。

根据一些实施方式，外套管630可以由基本上刚性的材料制成并且不包括用于改变外套管630位置的任何自由度。在其它实施方式中，外套管630可包括用于增加用于改变外套管630的远端位置的自由度的一个或多个关节。例如，外套管630可包括用于改变外套管630的远端的俯仰和/或偏转的关节。进一步，在一些实施方式中，外套管630可以包括用于致动外套管630的功能的一个或多个自由度。例如，真空源(未显示)可以是可操作的以形成或去除一个或多个吸入通道634中的真空压力。外套管630以及其它外科手术工具的额外特性在共同拥有的、2006年12月29日提交的、题目为“VacuumStabilizedOvertubeforEndoscopicSurgery”的美国申请号11/618,374中描述，其公开内容以其全部通过引用并入本文。

进一步，在至少一个实施方式中，外套管630可以设置在外壳(未显示)中或联接至外壳(未显示)，所述外壳被成形为与操纵器臂的远端接合(例如，被成形为连接至参照图5的工具连接器514)。进一步，外壳可包括用于电学地和/或光学地联接至操纵器臂的相应元件的电学和/或光学元件。以这种方式，信息可以在外套管630的元件(例如，马达、致动器、传感器等)和操纵器臂的元件之间通信。

图6D图解无腕的内窥镜640，其可以在一些实施方式中用于机器人微创外科手术。该无腕的内窥镜640与图6B中描绘的和参照图6B所讨论的带腕的内窥镜620相似，并且因此相似地包括外壳646和杆622。区别在于该无腕的内窥镜640不包括柔性腕。该无腕的内窥镜与带腕的内窥镜相比具有减小数目的自由度，并且在该具体实例中，无腕的内窥镜640不具有腕俯仰或腕偏转。

外科手术工具600、内窥镜620和外套管630是包括许多部件的不同工具。然而，本领域普通技术人员将理解，通过具有少于或多于图6A和6C中所图解的部件的数目，这些工具可以同样很好地操作。进一步，还将理解，也可以或者可选地使用其它工具，比如夹持设备、电外科搅拌器、真空装置、灌注器、装订器、剪刀、刀等。因此，图6A至6C中外科手术工具的描绘应当被认为本质上是说明性的，并且不限制本公开的范围

图7A是根据实施方式的可以是外科医生控制台16(图1A)的一部分的主控制输入设备700。主控件700包括可操作地联接至铰接臂740的万向支架或腕720。

主控制输入设备700具有许多自由度并且是可操作的以控制操纵器组件(例如，图5的操纵器臂500)。输入设备700的自由度包括运动学自由度，其由输入设备700的关节限定，用于控制操纵器臂500的运动学，并且也可包括用于致动连接至操纵器臂500的工具(例如，器械511)的致动自由度。输入设备700，像操纵器500的工具，也可以被认为具有与其相关联的末端执行器(或者更一般而言，控制框架)，其本身具有许多运动学自由度。

在一些实施方式中，输入设备700可具有足够数目的自由度以完全控制末端执行器的位置。例如，输入设备700可具有六个自由度，其可以独立地控制器械511的末端执行器的三个平移和三个方向自由度。在一些情况下，即使输入设备700具有这样的足够数目的自由度，但是操纵器组件(例如，操纵器臂500)具有不足以独立地控制末端执行器的三个平移和三个方向自由度的自由度数目。例如，操纵器臂500可仅具有五个自由度。

在一些实施方式中，输入设备700可具有额外的自由度，其可以是可操作以控制末端执行器的位置的自由度(例如，冗余的自由度)，和/或可以是可操作以致动器械26的自由度(例如，打开或关闭吸入或灌注、致动钳具、接合U形钉与组织等)。具有额外自由度的输入设备在共同拥有的、2002年4月11日提交的、题目为“MasterHavingRedundantDegreesofFreedom”的美国申请号10/121,283中描述，其公开内容以其全部通过引用并入本文。进一步，在至少一个实施方式中，单独的或与操纵器臂500组合的器械511可以具有加入到操纵器臂500的自由度的额外的运动学自由度。例如，器械511可具有用于控制末端执行器位置的关节。在一些情况下，即使将操纵器臂500的运动学自由度与器械的运动学自由度结合，末端执行器的位置不可被完全控制。例如，这可能由于由于器械511的关节仅增加对于操纵器臂500已提供的运动学自由度而言的冗余的运动学自由度。在一些实施方式中，器械511可具有用于致动器械511的额外的致动自由度(例如，打开或关闭吸入或灌注、致动钳具、接合U形钉与组织等)。

为了促进器械511的控制，主控制输入设备700可包括一个或多个致动器或马达，并且在一些实施方式中包括用于主控制输入设备700的许多关节中每个的传感器。输入设备700的马达和传感器可以经由布置在例如外科医生控制台16、电子推车24、和/或患者推车22、和/或MIRS系统10的任何其它元件(图1)中的控制系统可操作地链接至与操纵器臂(例如图5的臂500)和安装在其上的外科手术器械(例如，图5的器械511)相关联的马达和传感器。控制系统可包括一个或多个处理器，其用于在主控制设备输入和响应的机器人臂和外科手术器械输出之间实现控制，并且用于在例如力反馈的情况下在机器人臂和外科手术器械输入和响应的主控制输出之间实现控制。

图7B是根据实施方式的万向支架或腕720的透视图。根据该实施方式，万向支架或腕720允许可致动的把手722围绕三个轴线——轴线1、轴线2和轴线3——旋转。更具体而言，把手722通过第一枢转关节726联接至第一肘状连杆724。第一连杆724通过第二枢转关节730联接至第二肘状连杆728。第二连杆728通过第三枢转关节734枢转地联接至第三肘状连杆732。万向支架或腕720可以在轴线4处安装在铰接臂740(如图7A中所显示的)上，使得万向支架或腕720可以围绕轴线4有角度地位移。通过这种连杆或关节，万向支架或腕720可以为控制输入设备700提供许多动力学自由度并且是可操作的以控制一个或多个末端执行器自由度。

在一些实施方式中，把手722可包括用于致动工具或末端执行器的一对夹具构件723。例如，通过打开或关闭夹具构件723，末端执行器606的钳608(图6)可以类似地打开或关闭。在其它实施方式中，把手722的一个或多个输入元件和/或外科医生控制台16的一个或多个其它元件可以是可操作的以致动除了用于控制器械26的位置的自由度之外的器械511的一个或多个自由度。例如，外科医生控制台16可包括联接至控制系统的脚踏板，用于激活和撤销真空压力。

在一些实施方式中，万向支架或腕720的关节可以被可操作地连接至致动器比如电动马达等等，例如从而提供力反馈、重力补偿等等。而且，传感器比如编码器、电位计等等可以位于万向支架或腕720的每个关节上或与其邻近，从而能够通过控制系统确定万向支架或腕720的关节位置。

图7C是根据实施方式的铰接臂740的透视图。根据该实施方式，铰接臂740允许万向支架或腕720(图7B)围绕三个轴线——轴线A、轴线B和轴线C——旋转。更具体而言，万向支架或腕720可以在轴线4处被安装在臂740上，如前面参照图7B所描述的。万向支架或腕720联接至第一连杆742，该第一连杆742通过第一枢转关节746枢转地联接至第二连杆744。该第二连杆744通过第二枢转关节750枢转地联接至第三连杆748。第三连杆748可以通过第三枢转关节752枢转地联接至外科医生控制台16(图1)。通过这种连杆或关节，铰接臂740可以为控制输入设备700提供许多自由度并且是可操作的以控制操纵器组件的一个或多个运动学自由度，从而控制器械(图5的器械511)的位置。

在许多实施方式中，铰接臂740的关节可以被可操作地连接至致动器比如电动马达等等，例如从而提供力反馈、重力补偿等等。而且，传感器比如编码器、电位计等等可以位于铰接臂740的每个关节上或与其邻近，从而能够通过控制系统确定铰接臂740的关节位置。

在某些实施方式中，输入设备700是用于接收来自外科医生或其它操作员的输入的设备，并且包括各种部件比如万向支架或腕720和铰接臂740。然而，本领域普通技术人员将理解，通过具有少于或多于7A到7C中所图解的部件的数目，输入设备可以同样很好地操作。因此，图7A到图7C中的输入设备700的描绘应当被认为本质上是说明性的，并且不限制本公开的范围。

图8A是根据第一实施方式的包括操纵器组件810和支撑结构850的机器人系统的一部分。操纵器组件810包括操纵器820和工具840，其中操纵器组件820被布置在支撑结构850和工具840之间并且可以连接至其每个。

操纵器820包括由关节824联接在一起的许多连杆822。操纵器820也可包括许多致动器826比如马达和许多传感器828比如电位计，其中每个关节与致动器和/或传感器相关联。致动器可以是可操作的以控制操纵器的自由度——比如通过控制一个或多个关节旋转、平移等。进一步，传感器可以是可操作的以测量每个相应关节的位置或状态。

操纵器820还包括近端处的连接器830，其被成形为接合支撑结构850的相应连接器，连接器830形成可操作以将操纵器臂820机械地联接至支撑结构的机械界面。连接器830还可以包括电学和/或光学接触点832，其被放置、被设置尺寸(size)并被成形为接合支撑结构850的相应接触点，由此该电学和/或光学接触点832可形成可操作以在操纵器组件810的元件和支撑结构850的元件之间通信信息的电界面。接触点832可直接地或间接地联接(例如，电学地、光学地等)至操纵器820的元件比如致动器826和/或传感器828。在一个实施方式中，每个接触点832联接至一个致动器826或传感器828。因此，信息可以在操纵器820的元件(比如，致动器和传感器828)和支撑结构850的元件之间通信。例如，指令可以从支撑结构通信至马达826以使得马达控制操纵器臂820的相应的自由度，并且位置/状态信息可以从传感器828通信至支撑结构850的元件。

在一些实施方式中，操纵器820也可以包括远端处的连接器834，其被成形为接合工具840的相应连接器，连接器834形成可操作以将操纵器臂820机械地联接至工具840的机械界面。连接器834还可包括一个或多个机械元件836，其被设置尺寸并成形为接合包含在工具840中的相应的机械元件842。机械元件836可以被致动器826致动或以其它方式被致动器826控制，使得在工具840与操纵器820接合之后，机械元件836的致动可使得工具840中相应机械元件842致动。工具840中相应机械元件842可以是可操作的以操纵工具840的自由度(例如，致动工具840的末端执行器)。在一些实施方式中，包含在操纵器820中或布置在操纵器820上的一个或多个传感器828可以是可操作的以感测工具840的位置和/或状态。

支撑结构850包括被成形为接合操作器820的相应连接器(例如，连接器830)的连接器852。连接器852还可包括电学和/或光学接触点854，其被放置、被设置尺寸并被成形为接合操纵器820的相应接触点(例如，接触点832)，由此该电学和/或光学接触点854可形成可操作以在操纵器臂820的元件和工具840的元件之间通信信息的电界面。接触点854可以直接地或间接地联接(例如，电学地、光学地等)至支撑结构850的元件，比如硬件映射单元856、关节空间控制器858、关节空间工作空间映射单元860和/或工作空间控制器862。

在一个实施方式中，硬件映射单元856可操作以在操纵器组件810(例如，经由例如电学/光学接触点854映射信号到操纵器组件的致动器、传感器等/自操纵器组件的致动器、传感器等映射信号)和关节空间控制器858之间映射信号。硬件映射单元856可包括(和/或获得)用于许多不同的操纵器组件——比如不同的操纵器臂820和/或不同的工具840——的每个的具体映射。在一些实施方式中，硬件映射单元856可包括输入映射和输出映射。在一个实施方式中，输入映射和输出映射可以彼此不同。例如，致动器826和传感器828可各自经由单一接触点854与支撑结构850通信。因此，输入映射可将信号从相应于传感器828的接触点854映射至关节空间控制器858，并且输出映射可以将信号从关节空间控制器858映射到相应于致动器826的接触点854。在另一实施方式中，输入映射和输出映射可以彼此相同。例如，致动器826和传感器826可以都经由单一接触点854与支撑结构850通信。因此，输入映射和输出映射可以相同，因为它们可以将关节空间控制器858的输入和输出界面元件映射至相同的接触点854。

关节空间控制器858可以是可操作以在关节空间中执行计算并实施许多算法的处理器。例如，关节空间控制器858可以是可操作的以实施关节运动算法、每个关节上冗余传感器的比较、马达健康算法等。

关节空间控制器858可以接收来自许多不同来源的输入信息。例如，关节空间控制器858可以经由关节空间工作空间映射单元860接收来自工作空间控制器862的输出。对于另一实例，关节空间控制器858可经由硬件映射单元856接收来自操纵器820的输入(例如，来自传感器826的传感器信号)。对于又另一实例，关节空间控制器858可以接收来自输入设备比如主控制输入设备(图7A到7C)的输入。进一步，关节空间控制器858可将输出信息提供至许多不同的目的地。例如，关节空间控制器858可以经由硬件映射单元856将信息(例如，控制信息)输出至操纵器820(例如，至致动器826)。对于另一实例，关节空间控制器858可经由关节空间工作空间映射单元860将输出提供至工作空间控制器865，用于进一步处理。对于又另一实例，关节空间控制器858可提供输出至输入设备比如主控制输入设备(图7A到7C)。

关节空间工作空间映射单元860可操作以在关节空间控制器858(例如，映射呈现操纵器组件810的自由度的期望的或实际的位置或状态的信号)和工作空间控制器862之间映射信号。关节空间工作空间映射单元860可包括用于许多不同的操纵器组件——比如不同的操纵器臂820和/或不同的工具840——的每个的具体映射。因此，关节空间工作空间映射单元860可以是可操作的以基于连接至支撑结构850的具体操纵器组件810将关节空间控制器858的输入/输出界面元件映射至工作空间控制器862的输入/输出界面元件。

工作空间控制器862可以是可操作以在多维(例如，3维)工作空间中执行计算并实施许多算法的处理器。例如，这可以是基于极坐标、笛卡儿坐标或其它类型的坐标系的工作空间。工作空间862可以是可操作的以实施许多算法。例如，工作空间控制器865可以是可操作的以执行正向动力学、反向动力学，确定期望的和实际的位置/方向之间的工作空间误差等。

工作空间控制器862可接收来自许多不同来源的输入信息。例如，工作空间控制器862可以经由关节空间工作空间映射单元860接收来自关节空间控制器858的输出。对于另一实例，工作空间控制器862可接收来自输入设备比如主控制输入设备(图7A到7C)的输入。进一步，工作空间控制器862可提供输出信息至许多不同的目的地。例如，工作空间控制器862可经由关节空间工作空间映射单元860输出信息(例如，控制信息)至关节空间控制器858。对于又另一实例，工作空间控制器862可提供输出至输入设备比如主控制输入设备(图7A到7C)。

在至少一个实施方式中，可以提供具有相同或不同数目自由度的许多不同的工具。工具可具有相同的机械界面使得它们都可以附接至相同的操纵器臂，并且在一些情况下在外科手术过程期间转换。进一步，可以提供具有相同或不同自由度的许多不同的操纵器臂。操纵器臂也可具有相同的机械界面使得它们都可以附接至相同的支撑结构和附接至相同的工具，并且在一些情况下可以在外科手术过程期间或外科手术过程之间转换。

在一个实施方式中，本文描述的控制器和/或映射单元可以是联接至单独或共同信息存储元件的单独处理器。在其它实施方式中，本文描述的控制器和/或映射单元可以被实施为有形的非临时计算机可读存储介质上的软件代码。虽然这些元件被描述为支撑结构850的一部分，但是在一些实施方式中，这些元件的一些或所有可以包含在机器人系统的其它部分中，比如在布置在例如操纵器820、外科医生控制台16、电子推车24、和/或患者推车22、和/或MIRS系统10的任何其它元件(图1)中的控制系统中。

图8B是根据第二实施方式的包括操纵器组件810和支撑结构850的机器人系统的一部分。在该实施方式中，操纵器组件810和支撑结构850类似于参照图8A所讨论的操纵器组件和支撑结构，并且因此参照图8A所讨论的结构和功能同样适用于该实施方式。

然而，根据该实施方式，工具840包括电学/光学接触点846，其联接至工具840的内部元件848并且可操作以与工具840的内部元件848通信信息。例如，元件848可以是致动器比如致动器826和/或传感器比如传感器828。致动器可以是可操作的以控制工具840的自由度，并且传感器828可以是可操作的以感测自由度的位置和/或状态。例如，致动器可以是可操作的以控制工具840的关节，并且传感器可以是可操作的以感测关节的位置。在一些实施方式中，工具可包括用于控制工具840的许多自由度的许多致动器和/或传感器。在至少一个实施方式中，每个工具840中的相同电学和/或光学接触点846，即联接至接触点837的接触点，可以是可操作的以控制不同工具中的不同自由度。例如，在一个实施方式中，接触点837和846可以是可操作的以控制第一工具的转动，而接触点837和846可以是可操作的以控制第二工具的俯仰。

进一步，操纵器臂820的连接器834还可包括用于电学地/光学地接合工具840的接触点846的电学/光学接触点837，从而促进工具840和操纵器臂820之间的通信。类似于操纵器臂820的致动器826和传感器828，接触点837可以在操纵器臂820的近端处联接至连接器830的一个或多个接触点832，使得信息可以在工具840和支撑结构850之间通信。

图8C是根据第三实施方式的包括操纵器组件810和支撑结构850的机器人系统的一部分。在该实施方式中，操纵器组件810和支撑结构850类似于参照图8A中所讨论的操纵器组件和支撑结构，并且因此参照图8A所讨论的结构和功能同样适用于该实施方式。

在该实施方式中，工具840包括工具识别单元845。工具识别单元845可存储识别工具的一个或多个特性的工具识别器。例如，工具识别器可识别工具的类型(例如，内窥镜、钳、真空装置、电外科搅拌器等)、工具的自由度的数目(例如，3个自由度、4个自由度、5个自由度等)、自由度的类型(例如，运动自由度比如转动、平移等，致动自由度比如激活真空装置或电极等)等等。工具识别单元845可以是可操作的以使工具识别器与机器人系统的其它元件比如支撑结构的元件通信。工具识别器然后可用于许多用途，比如用于配置硬件映射单元845和/或关节空间工作空间映射单元860。

工具识别单元845可使用许多技术的中一种或多种实施。例如，工具识别单元845可联接至工具840的接触点(例如，接触点846)并且因此可以是可操作的以经由一根或多根电线通信工具识别器。对于另一实例，工具识别单元845可以是可操作的以无线地通信工具识别器。例如，工具识别单元845可以是具有与工具840的一种或多种特性相关联的识别器的射频识别(RFID)芯片。因此，操纵器臂820可包括RFID读取器839，其用于当工具840在操纵器臂820的范围内时读取工具识别器。RFID读取器839可以联接至连接器830的一个或多个接触点832，使得RFID读取器839可以是可操作的以使工具识别器与机器人系统的其它元件比如支撑结构850的元件通信。

在其它实施方式中，其它无线技术可用于使来自工具840的工具识别器与机器人系统的其它元件通信。例如，工具840和机器人系统的其它元件(例如，操纵器820、支撑结构850或其它元件)可包括根据IEEE802.11标准、IrDA标准或其它无线通信标准用于通信的Bluetooth^TM电路、无线通信电路。

进一步，在一些实施方式中，操纵器臂820还可以或者可选地包括操纵器识别单元(未显示)，该操纵器识别单元可存储识别操纵器和/或连接的工具的一种或多种特性的操纵器识别器。例如，操纵器识别器可识别操纵器的类型(例如，平行四边形)、操纵器和/或连接的工具的自由度数目(例如，3个自由度、4个自由度、5个自由度等)、操纵器和/或连接的工具的自由度类型(例如，运动自由度比如转动、平移等，致动自由度比如致动真空装置或电极等)等等。操纵器识别单元可以是可操作的以使操纵器识别器与机器人系统的其它元件比如支撑结构的元件通信。操纵器识别器然后可用于许多用途，比如用于配置硬件映射单元845和/或关节空间工作空间映射单元860。与工具识别单元845一样，操纵器识别单元可以是可操作的以使操纵器控制器与机器人系统的其它元件经由有线装置(例如通过接触点832)或无线装置(例如，经由联接至操纵器臂820的RFID标签和联接至支撑结构850的RFID读取器)通信。

在某些实施方式中，操纵器组件810和支撑结构850包括各种部件比如致动器、传感器、关节、工具、连接器、映射单元和控制器。然而，本领域普通技术人员将理解，通过具有少于或多于图8A至8C中所图解的部件的数目，输入设备可以同样很好地操作。本领域普通技术人员将进一步理解，参照图8A至图8C的每个描述的元件可以同时地或彼此分开地使用。例如，参照图8C描述的识别系统可以与参照图8B所描述的系统一起使用。因此，图8A到图8C中操纵器组件810和支撑结构850的描绘应当被认为本质上是说明性的，并且不限制本公开的范围。

图9A图解根据第一实施方式的在连接器输入/输出元件和关节空间界面元件之间的映射。如显示的映射被图解为连接器输入元件910、连接器输出单元920和关节空间界面元件930之间的第一映射。

在一些实施方式中，连接器输入元件910是硬件设备层比如用于接收操纵器组件的传感器信号的元件的一部分。例如，连接器输入元件910可相应于被指定为接收来自设备比如位于操纵器组件中的传感设备(例如，传感器828)的电学和/或光学接触点(例如，接触点854)。因此，每个接触点可以是可操作的以接收来自操纵器组件的元件的信息。

在一个实施方式中，一个或多个连接器输入元件910接收传感器信号912。传感器信号912可指示连接的操纵器组件的关节状态。例如，传感器信号912可以是从传感器828接收的信息，所述传感器828测量操纵器组件810的自由度的位置或状态。自由度可相应于操纵器臂820的自由度，或在一些实施方式中，相应于连接的工具840的自由度。

在图9A中所图解的实例中，传感器信号912指示操纵器臂的外偏转(Al)的状态或位置。其它传感器信号比如传感器信号914可指示连接的操纵器组件的不同关节的状态或位置。例如，在该实例中，传感器信号914指示操纵器臂的外俯仰(A2)的状态或位置。又其它传感器信号可指示连接的操纵器组件的甚至更多个关节——如外转动(A3)、插入关节(A4)和器械转动(A5)——的状态或位置。应当认识到，在许多实施方式中，由在连接器输入元件910处接收的传感器信号指示的特定关节由操纵器组件810确定。即，在连接器输入元件910处接收的传感器信号可相应于在附接的操纵器组件上的相应接触点(例如，电学和/或光学接触点832)处提供的传感器信号，其中在操纵器组件的接触点处提供的传感器信号可指示不同操纵器臂和/或工具的不同关节或自由度。在一些实施方式中，操纵器组件的不同关节或自由度可以起因于改变操纵器组件的工具。

在连接器输入元件910处提供的传感器信号然后经由第一映射940与关节空间界面元件930通信。第一映射940可以由例如硬件映射单元856生成，并且可以操作以将接收的传感器信号映射至特定的关节空间界面元件930。

关节空间界面元件930可包括具有固定的或以其它方式预先确定的特性的一个或多个元件。例如，关节空间界面元件930可以被限定为每个相应于一个或多个操纵器组件(即，操纵器臂和/或工具)的特定自由度。在图9A中图解的实例中，关节空间界面元件930被预先确定以相应于例如次级外偏转(J1)、外偏转(J2)、外俯仰(J3)、外转动(J4)、插入关节(J5)、器械转动(J6)和额外的关节(J7)到(J10)。

在一些实施方式中，关节空间界面元件930可以作为由处理器实施的算法的输入/输出元件操作，或在一些实施方式中进入控制器例如关节空间控制器858中。因此，关节空间控制器858可以是可操作的以通过例如实施遍历(loopover)单独关节的一种或多种算法来处理关节空间中的传感器信号。

关节空间控制器858然后可以是可操作的以经由相同的或不同的关节空间界面元件930输出结果。在图9A中所图解的实例中，关节空间控制器858使用相同的关节空间界面元件930输出结果。例如，输出信号可以是用于控制操纵器组件的一个或多个元件比如致动器826的控制信号。关节空间界面元件930可以经由第二映射950被映射至一个或多个连接器输出元件920。第二映射950可以由例如硬件映射单元856生成，并且可操作以将关节空间界面元件930的输出映射至连接器输出元件920。

在一些实施方式中，连接器输出元件920是硬件设备层比如用于发送控制信号至操纵器组件的元件的一部分。例如，连接器输出元件920可相应于被指定为发送信息至设备比如位于操纵器组件中的致动器(比如，致动器826)的电学和/或光学接触点(比如，接触点854)。因此，每个接触点可以是可操作的以通信信息至操纵器组件的元件。在图9A中所显示的实例中，控制信号922被输出至操纵器组件810的致动器用于控制操纵器组件810的外偏转，而控制信号924被输出至操纵器组件810的致动器用于控制操纵器组件810的外俯仰。

在一些实施方式中，连接器输入元件910和连接器输出元件920彼此分开，而在其它实施方式中，连接器输入元件910和连接器输出元件920可以彼此相同。在图9A中所显示的实例中，连接器输出元件920不同于连接器输入元件910，这表明一些接触点832可用于接收来自传感器828的传感器信号，而其它接触点832可用于发送控制信号至致动器826。然而，在其它实施方式中，连接器输出元件920可以与连接器输入元件910相同，这表明一些接触点832可用于接收来自传感器828的传感器信号和发送控制信号至致动器826二者。

返回至第一映射940和第二映射950，应当显而易见的是，这些映射操作以将接收的连接器输入元件的信号/通信至连接器输出元件的信号映射至适合的关节空间界面元件和自适合的关节空间界面元件映射。在许多实施方式中，这些映射对于不同的操纵器组件是不同的。例如，在图9A中所阐明的实施方式中，第一连接器输入元件910a不接收任何来自操纵器组件的信号，而第二连接器输入元件910b可接收表示操纵器组件的外偏转的位置或状态的传感器信号。第一映射940然后被定制(customize)到那个特定的操纵器组件，并操作以将第二连接器输入元件910b映射至第二关节空间(关节空间界面元件930)界面元件930b，关节空间控制器858采取和处理其为外偏转自由度。第一映射940不映射任何信号至第一关节空间界面元件930a，这是由于操纵器组件不具有相应于次级外偏转关节的任何自由度。

简要地转向图9B，图9B图解根据第二实施方式的在连接器输入/输出元件和关节空间界面元件之间的映射。该实施方式类似于参照图9A中所讨论的那个实施方式，除了在该情况中支撑结构850联接至不同的操纵器组件820(由于改变组件的工具操纵器组件可以不同)使得传感器信号912不在第二连接器输入元件910b处接收而是在第三连接器输入元件910c处接收。由于关节空间界面元件930不随不同的操纵器组件而改变，所以第一映射940必须改变以便在连接器输入元件910处接收的传感器信号被映射至适当的关节空间界面元件930。在图9B的实例中，相应于新操纵器组件的第一映射941将第三连接器输入元件910c映射至第二关节空间界面元件930b，而不是如图9A的实例中所进行的映射至第三关节空间界面元件930c。相似地，图9B中的实例可使用与图9A中的实例中所使用的不同的第二映射951。通过对于不同的操纵器组件使用不同的映射，有利地，相同的关节空间控制器858可用于不同的操纵器组件。

图9C图解根据实施方式的在关节空间界面元件和工作空间界面元件之间的映射。在该实施方式中，关节空间界面元件960经由关节空间工作空间映射980被映射至工作空间界面元件970。关节空间界面元件960可以类似于参照图9A和9B中讨论的那些关节空间界面元件，但是在该实施方式中，关节空间界面元件960可以是可操作的以在关节空间控制器858和工作空间控制器862之间通信信息。

在一些实施方式中，工作空间界面元件970可作为由处理器实施的算法的输入/输出元件操作，或在一些实施方式中进入控制器比如工作空间控制器862中。因此，工作空间控制器862可以是可操作的以处理在工作空间中由关节空间控制器858输出的信号，这通过经由工作空间界面元件970接收那些信号进行。在至少一个实施方式中，工作空间控制器862相应于工作空间自由度的层或机械联动装置。例如，每个工作空间界面元件970可相应于操纵器组件的特定联动装置。工作空间控制器862可以是可操作的以在一个或多个坐标系——比如笛卡儿坐标系、极坐标系等——中以任何适合的维数(例如，一维、二维、三维、大于三维等)对来自关节空间控制器858的输出执行计算。由工作空间控制器执行的计算可包括例如正向动力学、反向动力学以及其它笛卡儿空间(cart-space)和零空间算法。

关节空间工作空间映射980对于不同的操纵器组件可以是不同的，与参照图9A和9B所讨论的映射类似。关节空间工作空间映射980操作以将关节空间界面元件960映射至工作空间界面元件970。例如，关节空间工作空间映射980可将输出信号从关节空间控制器858映射至适合的工作空间界面元件970，并类似地将输出信号从工作空间界面元件970映射到适合的关节空间界面元件960。在一些实施方式中，关节空间工作空间映射980可以通过例如关节空间工作空间映射单元860生成。

在一些实施方式中，关节空间界面元件可以根本不被映射至工作空间界面元件，这导致固定的框架变换。例如，第一关节空间界面元件960a不被映射至任何工作空间界面元件970，和第一工作空间界面元件970a不被映射至任何关节空间界面元件960。这可以是其中附接的操纵器组件不具有相应于第一关节空间界面元件960a的自由度(例如，次级外偏转关节)的自由度的情况。

在至少一个实施方式中，单一关节空间界面元件可以被映射至单一工作空间界面元件。例如，第二关节空间界面元件960b可以被映射至第二工作空间界面元件970b。这可以是其中附接的操纵器组件具有相应于第二关节空间界面元件960b的自由度(例如，外偏转自由度)的自由度的情况，并且该自由度相应于单一连杆的移动。

在至少一个实施方式中，单一关节空间界面元件可以被映射至许多工作空间界面元件。例如，第三关节空间界面元件960c可以被映射至第三工作空间界面元件970c、第四工作空间界面元件970d和第五工作空间界面元件970e。这可以是其中操纵器的一部分是并行机构的情况。并行机构是其中多个物理关节基于单一独立自由度同时移动的情况。物理关节中的一个可以被独立地控制，而其它物理关节的动作依赖于独立地控制的关节的移动。并行机构的实例包括蛇形工具(其围绕曲线移动工具尖端而不是沿着单一轴线枢转)、平行四边形轴线等。

图10图解根据实施方式的在连接器输入/输出元件、关节空间界面元件和工作空间界面元件之间的映射。各种设备、界面元件、信号和映射类似于参照图9A和9C所讨论的那些，但是在这种情况下显示为单一互联系统，其用于将通信至操纵器组件的信号和来自操纵器组件的信号映射至最终由工作空间控制器处理的信号。

在至少一个实施方式中，除了处理接收和通信的用于控制操纵器组件的自由度的实际信号之外，系统还可以是可操作的以对模拟或假想自由度执行处理。例如，在一些实施方式中，操纵器组件可以失去一个或多个自由度，例如，其不是可操作以转动的。然而，由控制器比如关节空间控制器585和/或工作空间控制器862实施的计算可以根据假定这种自由度(一个或多个)实际存在于操纵器组件上来实施。

例如，虽然关节空间控制器858不在关节空间界面元件930g和930h处接收输入信号——其可相应于自由度比如操纵器组件的特定转动和俯仰，关节空间控制器858也不在关节空间界面元件930g和930h处提供输出，但是关节空间控制器858可以根据假定相应于关节空间界面元件930g和930h的自由度正被控制来实施算法。

因此，在一些实施方式中，关节空间工作空间映射980可包括用于处理与这些假想自由度相关联的信号的映射。例如，关节空间工作空间映射980可将相应于例如假想俯仰的关节空间界面元件930g映射至工作空间界面元件970i，并且可以将相应于例如假想偏转的关节空间界面元件930h映射至工作空间界面元件970j。类似于关节空间控制器858，工作空间控制器862然后也可以根据假定相应于工作空间界面元件970i和970j的连杆存在并正被控制来执行计算，虽然事实上它们没有正被控制并可能甚至在连接的操纵器组件上不存在。

连接器输入元件910、连接器输出元件920、关节空间界面元件930和工作空间界面元件970的数目可以是用于控制许多操纵器组件的任何适合的数目。在一个实施方式中，关节空间界面元件的数目多于连接器(输入和/或输出)元件的数目。这样的布置可有利地考虑到具有可以被控制的许多不同自由度的许多不同操纵器组件都将被相同的关节空间控制器所控制。在其中关节空间界面元件的数目多于连接器元件的数目的情况下，连接器元件可以被映射至关节空间界面元件的子组。进一步，在其中不同操纵器组件具有相同数目自由度但是具有至少一个不同自由度(例如，一个操纵器包括外俯仰自由度，而另一操纵器不包括外俯仰自由度但是包括额外的工具自由度)的情况下，每个操纵器的连接器元件可以被映射至关节空间界面元件的不同子组。在其它实施方式中，由不同操纵器组件使用的连接器元件的数目也可以是不同的。

在一些实施方式中，工作空间界面元件的数目多于关节空间界面元件的数目。这样的布置可有利地考虑到一个关节空间界面元件将被映射至多于一个笛卡儿空间界面元件，从而促进给定操纵器组件自由度的许多机械联动装置的控制。

简要地转到图11A和11B，图11A显示正由关节空间界面元件930控制的第一操纵器组件的第一组自由度分组1100，并且图11B显示正由关节空间界面元件930控制的第二操纵器组件的第二组自由度分组1150。在此，第二操纵器组件不同于第一操纵器组件，并且因此分组也可以是不同的。

在一些实施方式中，由例如关节空间控制器实施的算法可以仅对可利用的输入的子组操作。例如，由关节空间控制器858实施的算法可仅对在界面元件930的子组操作(例如，自该子组获得输入、处理、并发送输出至该子组)。当不同的算法接收不同组的输入并对其操作时，它们可以彼此同时实施。在其中不同的操纵器(以及，在一些实施方式中，不同的工具)顺序地连接至支撑结构的相同连接器的情况下(即，一个操纵器用另一操纵器交换)，正由界面元件930控制的操纵器的关节可以改变。因此，算法对其操作的具体界面元件930可以相似地改变。

为了解释这些改变，可以使用不同关节分组，其中关节分组限定限定了特定的关节分组。例如，参照图11A和11B，其每个图解了特定的界面分组，界面元件930b到930e可相应于第一操纵器的外关节(图11A)，而界面元件930a到930e可相应于第二操纵器的外关节(图11B)。当一种或多种算法被构建以仅对操纵器的外关节操作时，当第一操纵器(图11A)被连接时，算法(一种或多种)可读取所述操纵器的关节分组限定并确定使用界面930b到930c完全限定的外关节。因此，算法(一种或多种)可以仅对那些界面元件操作。例如，第一算法可使用界面元件930b到930e的“外”组操作，和第二算法可(同时地或顺序地)使用界面元件930f到930i的“工具”组操作。相反，当第二操纵器(图11B)被连接时，算法可以读取该操纵器的关节分组限定并确定使用界面元件930a到930e完全限定的外关节。因此，算法(一种或多种)可以对那些界面元件(即，包含界面元件930a)上操作。例如，第三算法可使用界面元件930a到930e的“外”组操作。和第四算法可使用界面元件930f到930i的“工具”组操作。第一、第二、第三和第四算法的每个可以彼此不同并且可以被优化以对界面元件的特定组实施。例如，一种算法可以被优化以对一组与操纵器组件的外关节相关联的输入元件实施，而另一算法可以被优化以对一组与工具的自由度相关联的输入元件实施。

关节分组限定可限定由特定操纵器的控制器中的算法使用的所有关节分组。例如，参照图11A，关节分组限定可限定如图11A中所描绘的第一操纵器的“关节”、“工具”、“钳”等的分组。参照图11B，不同的关节分组限定可以限定如图11B中所描绘的第二操纵器的“关节”、“工具”、“钳”等的(在一些情况下，不同的)分组。当操纵器被连接以便使用时或之前，不同操纵器的关节分组限定可以存储在控制器中(例如，在支撑结构850中)，或者可以从适合的来源(例如，从操纵器、从远程存储设备等)获得。

在图11A和11B中描绘的特定实施方式中，图11A中所图解的至少一些分组与图11B中所图解的那些相同，这是因为正由图11A的界面元件控制的操纵器组件与正由图11B的界面元件控制的那些操纵器组件具有至少一些相同的自由度。例如，两组分组将第八关节空间界面元件930h和第九关节空间界面元件930i分组成表明操作以控制工具的钳的关节空间界面元件的“钳”分组。进一步，两组分组将第六关节空间界面元件930f、第七关节空间界面元件930g和第八关节空间界面元件930h分组成表明操作以控制工具的腕的关节空间界面元件的“腕”分组。

进一步，图11A中所图解的至少一些分组不同于图11B中所图解的那些，这是因为正由图11A的界面元件控制的操纵器组件不包括次级外偏转关节，而正由图11B的界面元件控制的操纵器组件包括次级外偏转关节。因此，被限定为“外”的分组——其识别操作以控制操纵器臂的关节空间界面元件——被限定用于第一组分组1100以包括第二、第三、第四、第五关节空间界面元件930b到930e。相反，被限定为“外”的分组被限定用于第二组分组1100以包括第一、第二、第三、第四和第五关节空间界面元件930a到930e，因为次级外偏转关节相应于操纵器臂的自由度而不是连接的工具的自由度。

如所提及的，由关节空间控制器实施的算法可以基于接收用于算法(一种或多种)的输入数据从关节空间界面元件930选择信号使用。例如，来自传感器、致动器和/或工作空间控制器的输入数据可为算法(一种或多种)指示哪个关节空间界面元件相应于例如工具自由度，并且因此关节空间控制器可使用接收自(和通信处理的信号至)适当的关节空间界面元件的信号。在其它实施方式中，信号可以基于在关节空间界面元件和操纵器组件的自由度之间预先确定的对应(correspondence)来选择。例如，在连接特定的操纵器组件之后，表明不同关节空间界面元件的分组的分组信息可以被载入，其相应于特定的操纵器组件。因此，关节空间控制器可使用接收自(和通信处理的信号至)由特定的分组限定的适当的关节空间界面元件的信号。

现转到图12A和12B，图12A显示根据实施方式的连接器/关节空间映射1200，而图12B显示根据实施方式的关节空间/工作空间映射1250。映射可以存储在机器人系统的任何适合的元件中，比如支撑结构850中的存储元件。连接器/关节空间映射1200是用于将连接器元件1200(例如，接触点854)映射(例如，第一映射940和/或第二映射950)至关节空间界面元件1200(例如，关节空间界面元件930)的映射。连接器/关节空间映射1200可包括任何适当数目的连接器元件，比如A1到Ai(其中i是任何整数)，和任何适当数目的关节空间界面元件，比如J1到Jk(此处k是任何整数)。映射指示器1230可指示特定连接器元件和特定关节空间界面元件之间的特定映射。例如，参照图9A，连接器元件“A2”可相应于第二连接器输入元件950b，和关节空间界面元件“J2”可相应于第二关节空间界面元件960b。因此，映射指示器1230可以是可操作的以在第二连接器输入元件910b和第二关节空间界面元件960b之间映射信号。

关节空间/工作空间映射1250是用于将关节空间界面元件1260(例如，关节空间界面元件930)映射(例如，关节空间工作空间映射980)至工作空间界面元件1220(例如，工作空间界面元件970)的映射。关节空间/工作空间映射1250可包括任何适合数目的关节空间元件，比如J1到Jk(其中k是任何整数)，和任何适合数目的工作空间界面元件，比如W1到Wm(其中m是任何整数)。映射指示器1280可指示特定关节空间元件和特定工作空间界面元件之间的特定映射。例如，参照图9C，关节空间界面元件“J2”可相应于第二关节空间界面元件960b，和工作空间界面元件“W1”可相应于第二工作空间界面元件970b。因此，映射指示器1280可以是可操作的以在第二关节空间界面元件960b和第二工作空间界面元件970b之间映射信号。

进一步，映射可以是可操作的以将一个元件映射至多于一个元件。例如，再次参照图9C，关节空间界面元件“J3”可相应于第三关节空间界面元件960c，和工作空间界面元件“W2”、“W3”和“W4”可分别相应于第二、第三和第四工作空间界面元件970c至970e。第一、第二和第三映射指示器1282、1284和1286可因此是可操作的以在第三关节空间界面元件960c和第二、第三和第四工作空间界面元件970c到970e的每个之间映射信号。

在某些实施方式中，支撑结构包括各种界面元件和控制器——比如连接器元件、界面元件、映射、关节空间控制器、工作空间控制器等。然而，本领域普通技术人员将理解，通过具有少于或多于图9A至12B中所图解的部件的数目，输入设备可以同样很好地操作。本领域普通技术人员将进一步理解，参照图9A至12B的每个描述的元件既不需要特定的映射也不需要关于这些实施方式所图解和讨论的特定自由度。例如，一些自由度可相应于连接的操纵器臂的移动，而其它自由度可相应于连接的工具的移动，而又其它自由度可相应于工具或操纵器臂的致动。因此，图9A至12B中的各个元件的描绘应当被认为本质上是说明性的，并且不限制本公开的范围。

图13A显示类似于图4中所描绘的和参照图4所讨论的患者侧推车22的患者侧推车1300。然而，在该实施方式中，操纵器臂被独立地识别并包括第一操纵器臂100A、第二操纵器臂100B、第三操纵器臂100C和第四操纵器臂100D。第一操纵器臂100A联接至成像设备28，而第二、第三和第四操纵器臂(100B、100C、100D)每个联接至各自的外科手术工具26。

图13B显示类似于患者侧推车1300的患者侧推车1350。然而，在该实施方式中，第一操纵器臂100A联接至外科手术工具26，而第二操纵器臂100B联接至成像设备28。即，成像设备已经与外科手术工具的一个交换。

在许多实施方式中，成像设备28可以在任何适当的时间——包括对患者执行医疗过程期间——与外科手术工具26交换，而无需关闭或以其它方式重启在患者侧推车1350或MIRS系统10的其它元件(图1)上实施的软件。将成像设备28与外科手术工具26交换可促进成像设备28的视野的改变，并且可促进交换出的外科手术工具可利用的可进入工作空间的改变。

在至少一个实施方式中，由于将成像设备28(例如，照相机)从一个操纵器移动到另一操纵器，外科手术工具尖端的参考框架(参考系，referenceframe)改变。例如，当执行外科手术时，通常期望在空间中重新布置事物，使得外科手术工具尖端相对于照相机尖端的参考框架匹配由外科医生使用的输入设备的参考框架以相对于外科医生看到的图像显示控制外科手术工具。当外科手术工具联接至第一操纵器臂，和成像设备联接至第二操纵器臂时，外科医生(经由例如输入设备)经由第一操纵器正在驱动外科手术工具。相对于成像设备框架的外科手术工具尖端框架因此被用于远程外科手术。然而，外科手术工具和成像设备彼此交换，外科医生结束驱动成像设备。因此，系统(例如，由关节空间控制器和/或工作空间控制器实施的一种或多种算法)限定任意的参考框架(即，世界框架)使得相对于世界坐标系的成像设备坐标系用于远程外科手术。

本领域技术人员将认识到，本文公开的各种技术可用于帮助促进成像设备和外科手术工具的交换。例如，第一操纵器臂100A和第二操纵器臂100B可以每个类似于操纵器820(图8A到8C)，和成像设备28和外科手术工具26的每个可以类似于工具840。因此，第一操纵器臂100A和第二操纵器臂100B的每个可包括连接器(例如，连接器834)，所述连接器被成形为接合成像设备28和外科手术工具26的相应连接器。

参照图14至16B进一步描述可以由例如支撑结构850执行以促进成像设备和外科手术工具的热交换的各种过程。本领域技术人员将认识到，实施方式不限于将成像设备与外科手术工具交换，而是还包括将外科手术工具与其它外科手术工具交换、将成像设备与其它类型的成像设备交换等。

图14显示一系列操纵，所述操作可用于控制连接至相同操纵器臂的许多可能的工具的一个。或者更一般而言，控制许多不同的操纵器组件，其中操纵器组件包括操纵器臂和工具二者。该操作可以通过任何适合的控制器——比如在本文中关于支撑结构850描述的任何那些(图8A到8C)——执行。

在操作1410中，确定工具是否连接至操纵器。例如，关节空间控制器858(或不同的连接器)可以确定工具840是否连接至操纵器臂820。当确定了工具没有连接至操纵器臂时，系统可以继续监测操纵器臂以确定工具是否被连接。否则，过程可继续至操作1420。

在操作1420中，获得用于连接的工具的映射。映射可以包括一个或多个映射，比如参照图8A到12B所描述的那些映射。例如，映射可包括连接器/关节空间映射1200(图12A)、关节空间/工作空间映射1250(图12B)或与连接的工具相关联的任何其它适合的映射。可以使用许多技术的任何一种或多种获得映射，所述技术的一些参照图15描述。

一旦获得用于工具的映射，过程继续至操作1430。在操作1430中，连接的工具使用获得的映射控制。例如，工具可以使用关节空间控制器858和工作空间控制器862利用连接器/关节空间映射和关节空间/工作空间映射控制。使用一个或多个映射来控制工具的各种技术参照8A到12B描述。那些技术的任何一种或多种适用于控制连接的工具。用于控制连接的工具的进一步技术参照图16A和16B描述。

在操作1440中，确定工具是否从操纵器移走。例如，控制器确定工具840是否从操纵器臂820移走。如果确定工具没有从操纵器臂移走，则工具可继续使用获得的映射控制。否则，过程继续至操作1450。

在操作1450中，确定新工具是否被连接至操纵器。该操作类似于操作1410。如果确定新工具被连接，则用于新工具的映射可以在操作1420中获得，并且新工具然后可以在操作1430中使用新映射控制。否则，系统可以继续监测新工具的连接。

由于映射，相同软件内核可以由控制连接至相同操纵器臂的不同工具的处理器(例如，关节空间控制器858和/或工作空间控制器862)使用。软件内核可包括可以连接至操纵器臂的所有不同类型的工具的功能，比如自成像设备获得图像、致动镊子等。然后软件内核具有致动所有工具的任何功能的能力，同时工具映射提供适合的信号通路(signalrouting)，使得具有不同自由度的不同工具当连接至相同的操纵器臂时可有效地被控制。

现参照图14A，例如，当安装至患者侧推车的操纵器的工具可以是图像拍摄设备或外科手术器械时，可以使用用于获得一个工具或工具的映射的一系列操作1421的实例，从而促进合适时改变参考框架。当获得映射时，该示例性系列的操作可以包含在图14的操作1420内，并且可帮助维持在由系统使用者输入的移动命令(比如，通过移动输入设备的把手)和如由图像拍摄设备(包括新安装至操纵器的图像拍摄设备)成像的并且如显示给系统使用者的外科手术器械的尖端的相应移动之间的相关性。关于移动器械的输入和显示之间的相关性的额外细节可以例如参照题目为“CameraReferencedControlinaMinimallyInvasiveSurgicalApparatus”的美国专利号6,424,885来理解，其全部公开内容通过引用并入本文。

在操作1423中，确定照相机或其它图像拍摄设备是否已经连接至操纵器。安装照相机至操纵器可以由在照相机和操纵器之间通信的信号确定，或由来自系统使用者的输入确定。在操纵1425中，确定已经安装至操纵器的照相机或其它图像拍摄设备是参考照相机。在仅一个照相机将被安装至操纵器系统的情况下和/或已经被安装的照相机是待被安装至操纵器系统的第一照相机的情况下，系统可响应性地指定已经被安装的照相机作为参考照相机。任选地，参考照相机的指定可响应于系统使用者的输入、照相机类型等等。如果没有照相机已被安装或者安装的照相机不是参考照相机，则系统可继续监测安装参考照相机。

在操作1427中，当参考照相机已经被安装至操纵器系统时，系统获得照相机映射的映射。例如，在照相机交换操作之前参照图14B，照相机28可具有照相机参考坐标的参考框架R_cam，其可以使用来自与机器人臂的关节(包括如图13中所显示的第一操纵器100A)和安装(set-up)关节或支撑照相机的其它结构的每个相关联的电位计或其它关节状态传感器的信号通过系统控制器连同机器人臂的已知属性(比如，与关节状态传感器相关联的系统的运动学)识别(任选地相对于世界坐标参考框架)。外科手术器械26a、26b、26c和它们相关联的操纵器100B、100C、100D的照相机视野中的工具尖端的每个到R_cam的类似映射可以由控制器使用以帮助维持移动命令矢量和所得工具尖端运动之间的相关性。参照图14C，在工具交换操作之后，照相机28可以被安装至操纵器100B或另一个操纵器。操作1427使用操纵器100B的关节状态信号获得新安装的照相机28的新映射以得到新的照相机参考框架R_cam‘。新的照相机参考框架然后可以用于确定照相机的移动和/或安装至其它操纵器的所有外科手术器械——包括安装至操纵器100A的外科手术器械26d(其先前支撑照相机28)——的移动的关节命令。注意，器械26d可任选地是在工具交换之前从操纵器100B移走的相同的器械26b，或者可以是不同的器械。同样地，照相机28可以是在工具交换之前由操纵器100A支撑的相同照相机或者可以是不同照相机。

在操作1429中，可以设定输入设备和外科手术器械之间的默认主从关联。例如，响应于输入设备相对于使用者显示器和外科手术器械的工具尖端相对于照相机参考框架的相对位置，该关联可以被确定。因此，右输入设备和左输入设备与分别出现在显示器中工作空间的右侧和左侧的外科手术器械相关联。注意，需要时，使用者可以手动地设定关联，和当工具的布置不服从自动的或默认的关联(比如，在图13B的布置中，其中左边和右边工具是有些随意的)时，系统可以提示和/或等待使用者在适合的主从关联上输入。在具有多个同时使用者的更复杂的系统中的主从关联可允许使用者对那些关联进行控制，如题目为“CooperativeMinimallyInvasiveTelesurgicalSystem”的美国专利号8,666,544中更详细描述的，其公开内容也通过引用并入本文。

在操作1431中，主输入设备可以被移动(在方向和/或位置中)以匹配相关联的从属工具尖端。主设备的移动可以通过致动主设备的马达来执行，例如，如题目为“AlignmentofMasterandSlaveinaMinimallyInvasiveSurgicalApparatus”的美国专利号6,364,888中所描述的，其全部公开内容通过引用并入本文。一旦主设备已经被移动，系统可以准备好开始下面的远距呈现，或者为下面的另一期望的操作做准备。

现转到图15，图15显示根据实施方式用于获得工具映射的一系列操作。在操作1422中，确定工具是否具有存储在其中的映射。例如，映射可以存储在工具的存储介质上。

当确定工具不具有存储在其中的映射时，然后过程可继续至操作1428。在操作1428中，映射从非工具的来源接收。例如，硬件映射单元856和/或关节空间/工作空间映射单元860可接收来自非工具的来源的映射。来源可以是具有映射存储在其上的非工具的任何电子设备。例如，来源可以是远程服务器、本地硬盘等。然后，自这样的来源接收的映射可以随后用于控制工具。

当确定工具具有存储在其中的映射时，然后过程可以继续至操作1424。在操作1424中，映射从工具接收。例如，硬件映射单元856和/或关节空间/工作空间映射单元860可接收来自工具的存储元件的映射。这可以是使用任何适当的通信协议的有线或无线通信。一旦映射从工具接收，然后过程可继续至操作1426。

在操作1426中，确定从工具接收的映射是否有效。例如，控制器比如硬件映射单元856、工作空间控制器862或任何其它适当的控制器可以确定接收的映射是否有效。这可以包括确定映射是否过期、是否是毁损的、是否是用于错误工具等。如果确定映射无效，则过程可继续到如前面所描述的操作1428。否则，自工具接收的映射可随后用于控制工具。

应当认识到，用于获得工具映射的技术不限于参照图15中描述的那些。而是，实施方式还包括用于获得映射的其它技术。例如，控制器可简单地下载和使用由工具或非工具的其它来源提供的映射。对于另一实例，控制器可以具有本地存储的每个工具的映射。本领域技术人员将认识，其它变化和这样的变化意欲覆盖在本申请的范围内。

现转到图16A和图16B，图16A显示根据一个实施方式的可用于使用获得的映射控制工具的一系列操作1430。在操作1602中，许多传感器信号在许多关节空间界面元件处接收。例如，参照图9A，传感器信号912、914等可以在关节空间界面元件930处从连接器输入元件950经由第一映射940接收。

在操作1604中，接收的传感器信号可以利用关节空间控制器处理。例如，传感器信号可以通过关节空间控制器858处理。在一个实施方式中，关节空间控制器可以对在关节空间中接收的信号实施算法，然后提供输出信号以控制连接的操纵器组件。在另一实施方式中，比如参照图16B所讨论的，关节空间控制器可以对在关节空间中接收的信号实施算法，然后提供输出信号至另一控制器，比如工作空间控制器862，用于进一步处理。

在一些实施方式中，除了接收的传感器信号之外，还可以处理至少一个额外的信号。例如，如参照图10所讨论的，系统可以是可操作的以执行处理模拟或假想自由度。因此，关节空间控制器858可以是可操作的以处理额外的信号，比如在关节空间界面元件930g和/或关节空间界面元件930h处的假想输入。

在操作1606中，处理的信号经由关节空间界面元件输出至致动器。例如，处理的信号可以经由第二映射950从关节空间界面元件930输出并发送至连接器输出元件920，其中处理的信号操作以控制连接的操纵器组件的一个或多个自由度。

在其中操纵器组件被改变(例如，操纵器臂的交换和/或工具的交换)的实施方式中，对于新的操纵器组件，可以随后执行相同的操作。例如，如果成像设备首先被连接至操纵器臂，则许多传感器信号可以经由获得的对于该成像设备独特的映射接收。如果成像设备然后与外科手术工具交换，则新的许多传感器信号在相同关节空间界面元件处经由获得的对外科手术工具独特的映射接收。以这种方式，不同的操纵器组件可以使用单一软件内核控制。

现转向图16B，图16B显示根据另一个实施方式的可用于使用获得的映射控制工具的一系列操作1430。在一个实施方式中，这些操作可以如图14中步骤1430中的操作执行。在另一实施方式中，这些操作可以作为操作1604(图16A)的一部分执行。

在操作1652中，关节层输出信号在许多工作空间界面元件处经由获得的映射接收。例如，参照图9C，自关节空间控制器858输出的信号可以在工作空间界面元件970处自关节空间界面元件960经由关节空间工作空间映射980接收。这样的关节层输出信号可以相应于从第一操纵器组件接收的那些处理的信号，并且因此可相应于第一操纵器组件的自由度。

在一个实施方式中，单一工作空间界面元件(例如，970b)可以接收来自单一相应的关节层界面元件(例如，960b)的输出信号，其中在其它实施方式中，许多工作空间界面元件(例如，970c、970d和970e)可以接收来自单一关节层界面元件(例如，960b)的相同输出信号。进一步，在至少一个实施方式中，工作空间界面元件(例如，970i)可以接收来自相应于操纵器组件(例如，930g)的模拟自由度的关节空间界面元件的输出信号。

在操作1654中，利用工作空间控制器处理关节层输出信号。例如，输出信号可以通过工作空间控制器865处理。在一个实施方式中，工作空间控制器可以对在工作空间中接收的信号实施算法，然后提供输出信号回到关节空间控制器以控制连接的操纵器组件。在另一实施方式中，工作空间控制器可通信处理的信号至控制系统的其它元件，比如主输入设备。

在操作1656中，将处理的信号输出至许多关节空间界面元件。例如，可以将处理的信号经由关节空间工作空间映射980从工作空间界面元件970输出至关节空间界面元件960，其中信号可以通过关节空间控制器858进一步处理，并且在一些实施方式中，随后用于控制第一操纵器组件。

应当理解的是，图14到16B中图解的具体操作提供了根据本发明的某些实施方式控制操纵器组件的特定方法。其它顺序的操作也可以根据可选的实施方式执行。例如，本发明的可选实施方式可以以不同的顺序执行上面概述的操作。而且，图14到16B中图解的单个操作可包括多个子操作，该子操作可以适于单个操作的不同顺序进行。此外，根据具体应用，可增加额外的操作或去除现有的操作。本领域技术人员将知道和理解多种改变、改动和替代方案。

进一步，应当理解的是，虽然术语工具、器械、外科手术工具、外科手术器械等等常常可交换地使用，但是在一些实施方式中，它们可以不具有相同的含义。例如，外科手术器械和外科手术工具可以指的是用于主动地操纵患者的器械或工具，比如镊子、钳、刀具、吸管、针状物、钻头等。相反，非外科手术器械或工具可指的是不用于主动地操纵患者的那些，比如成像设备。工具或器械的一般术语可广泛地覆盖外科手术和非外科手术器械或工具二者。

本申请描述的操作可作为软件代码实施，该软件代码将由一个或多个处理器执行——利用任何适当的计算机语言如，例如，Java、C++或Perl，利用例如常规或面向对象的技术。软件代码可被存储在计算机可读介质如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、磁介质如硬盘或软盘、或光学介质如CD-ROM上作为一连串指令或命令。任何这种计算机可读介质也可存在于单一计算设备之上或之中，并且可存在于一个系统或网络中的不同计算设备之上或之中。

本发明可以以软件或硬件或二者组合中的控制逻辑的形式实施。控制逻辑可被存储在信息存储介质中，作为适于引导信息处理设备进行本发明的实施方式公开的步骤组的多个指令。基于本文提供的公开和教导，本领域普通技术人员将理解实施本发明的其它方式和/或方法。

在描述实施方式的背景下(特别是在所附权利要求的背景下)，术“一(a)”和“一(an)”和“所述(the)”以及类似指代的使用被解释为包括单数和复数，除非本文另外指明或上下文明确否认。术语“包括”、“具有”、“含有”和“包含”被解释为开放式术语(即，意为“包括但不限于”)，除非另外注明。术语“连接”被解释为被部分地或完全地包含、附接、或接合在一起，即使其间有物。本文对数值范围的描述仅意图充当逐个指代落入范围的每个单独数值的速记法，除非本文另外指明，并且每个单独数值被包含在说明书中，如同其在本文中被分别记载。本文描述的所有方法可以以任何适当的顺序进行，除非本文另外指明或以上下文以其它方式明确否认。本文提供的任何和所有实例或示例性语言(例如，“如”)的使用仅意图更好地示例实施方式，而不造成范围限制，除非另外主张。说明书中的语言不应被解释为表示至少一个实施方式的实践所必需的任何未主张的要素。

本文描述了优选实施方式，包括发明人所知的最佳实施方式。那些优选实施方式的改动可在阅读前文描述后对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。发明人预期本领域技术人员适当地运用这种改动，并且发明人意图实施方式在本文具体描述之外被解释。因此，适当的实施方式包括所附权利要求所述的主题的所有被适用法律允许的改造和等同形式。此外，上述要素以其所有可能变型的任何组合被认为包含在一些适当的实施方式中，除非本文另外指明或上下文以其它方式明确否认。因此，本发明的范围不应参考上文描述来确定，而是应参考在审权利要求及其全部范围或等同形式来确定。

Claims (38)

1.用于控制机器人系统的许多操纵器组件的方法，所述方法包括：

在许多关节空间界面元件处接收第一许多传感器信号，所述第一传感器信号表明第一操纵器组件的关节状态，所述第一传感器信号经由所述关节空间界面元件和所述第一操纵器组件的关节之间的第一映射从许多连接器输入元件接收，所述连接器输入元件是可操作的以一次仅联接至一个操纵器组件；

利用关节控制器处理所接收的第一传感器信号从而控制所述第一操纵器组件；

接收表明第二操纵器组件的关节状态的第二许多传感器信号，所述第二传感器信号经由所述关节空间界面元件和所述第二操纵器组件的关节之间的不同于所述第一映射的第二映射从所述连接器输入元件接收；和

利用所述关节控制器处理所接收的第二传感器信号从而控制所述第二操纵器组件。

2.权利要求1所述的方法，其中所述第一操纵器组件和所述第二操纵器组件包括相同的操纵器但是不同的工具。

3.权利要求1所述的方法，其中所述第一操纵器的关节的至少一个不同于所述第二操纵器组件的关节之一。

4.权利要求1所述的方法，其中所述关节空间界面元件具有与操纵器组件的自由度预先确定的对应。

5.权利要求1所述的方法，进一步包括：

将所处理的第一传感器信号输出至所述第一操纵器组件的一个或多个致动器；和

将所处理的第二传感器信号输出至所述第二操纵器组件的一个或多个致动器。

6.权利要求1所述的方法，进一步包括：

处理除了所述接收的第一传感器信号之外的至少一个额外的信号以控制所述第一操纵器组件，所述至少一个额外的信号相应于所述第一操纵器组件的至少一个模拟关节。

7.权利要求1所述的方法，其中处理所述接收的第一传感器信号包括实施使用在所述关节空间界面元件处接收的一个或多个信号的算法，使用的所述信号基于接收用于所述算法的输入数据进行选择。

8.权利要求1所述的方法，其中处理所述接收的第一传感器信号包括实施使用在所述关节空间界面元件处接收的一个或多个信号的算法，使用的所述信号基于在所述关节空间界面元件和操纵器组件的自由度之间的预先确定的对应进行选择。

9.权利要求8所述的方法，其中第一关节分组限定与所述第一操纵器组件相关联并限定对所述第一操纵器组件独特的所述关节空间界面元件的许多分组，和第二关节分组限定与所述第二操纵器组件相关联并限定对所述第二操纵器组件独特的所述关节空间界面元件的许多分组。

10.权利要求9所述的方法，进一步包括所述关节控制器实施第一算法同时实施第二算法，其中所述第一算法使用来自对所述第一操纵器组件独特的分组中的第一个分组的信号作为对所述第一算法的输入，和所述第二算法使用来自对所述第一操纵器组件独特的分组中的第二个分组的信号作为对所述第二算法的输入。

11.权利要求10所述的方法，进一步包括所述关节控制器实施第三算法同时实施第四算法，其中所述第三算法使用来自对所述第二操纵器组件独特的分组中的第一个分组的信号作为对所述第三算法的输入，和所述第四算法使用来自对所述第二操纵器组件独特的分组中的第二个分组的信号作为对所述第四算法的输入。

12.权利要求1所述的方法，进一步包括：

在许多工作空间界面元件处接收关节空间输出信号，所述关节空间输出信号从所述关节空间界面元件接收，所述关节空间输出信号相应于操纵器组件的至少一个自由度，所述关节空间输出信号经由所述工作空间界面元件和所述关节空间界面元件之间的映射接收；

利用工作空间控制器处理所接收的关节空间输出信号从而生成可操作以控制所述操纵器组件的工作空间输出信号；和

将所述工作空间输出信号通信至所述关节空间界面元件。

13.用于控制机器人系统的许多操纵器组件的方法，所述方法包括：

在许多工作空间界面元件处接收第一关节空间输出信号，所述第一关节空间输出信号从许多关节空间界面元件接收，所述第一关节空间输出信号相应于第一操纵器组件的至少一个自由度，所述第一关节空间信号经由所述工作空间界面元件和所述关节空间界面元件之间的第一映射接收；

利用工作空间控制器处理所接收的第一关节空间输出信号从而控制所述第一操纵器组件；

在所述工作空间界面元件处接收第二关节空间输出信号，所述第二关节空间输出信号从所述关节空间界面元件接收，所述第二关节空间输出信号相应于不同于所述第一操纵器组件的第二操纵器组件的至少一个自由度，所述第二关节空间输出信号经由所述工作空间界面元件和所述关节空间界面元件之间的不同于所述第一映射的第二映射接收；和

利用所述工作空间处理器处理所接收的第二关节空间输出信号从而控制所述第二操纵器组件。

14.权利要求13所述的方法，其中所述工作空间界面元件的至少一个不被映射至任何所述关节空间界面元件。

15.权利要求13所述的方法，其中接收第一关节空间输出信号包括在许多工作空间界面元件处接收由单一关节空间界面元件提供的关节空间输出信号。

16.权利要求15所述的方法，其中所述许多工作空间界面元件是可操作的以控制操纵器组件的许多连杆，其中一个所述连杆的移动由所述关节空间输出信号独立地控制并且其它连杆的移动取决于该独立控制的连杆。

17.权利要求13所述的方法，其中接收第一关节空间输出信号包括接收由相应于所述第一操纵器组件的模拟自由度的关节空间界面元件提供的关节空间输出信号。

18.权利要求17所述的方法，其中相应于所述模拟自由度的所述关节空间界面元件不将任何控制信号通信至所述第一操纵器组件，使得所述第一操纵器组件基于自非相应于所述模拟自由度的关节空间界面元件的关节空间界面元件通信的控制信号进行控制。

19.权利要求13所述的方法，进一步包括：

将所处理的第一关节空间输出信号输出至所述关节空间界面元件；和

将所处理的第二关节空间输出信号输出至所述关节空间界面元件。

20.用于对患者执行外科手术的远距外科手术系统，所述系统包括：

支撑结构，其用于在所述支撑结构的连接器处接收每个具有许多自由度的许多不同的操纵器；和

控制器，其联接至所述支撑结构，所述控制器包括许多映射，每个映射配置为将来自所述操纵器之一的信号映射至关节空间层和工作空间层的至少一个，其中所述映射彼此不同。

21.权利要求20所述的系统，其中每个操纵器组件包括操纵器臂和机械地联接至所述操纵器臂的器械。

22.权利要求21所述的系统，其中所述操纵器臂和所述器械的每个包括所述操纵器组件的至少一个自由度。

23.权利要求20所述的系统，其中每个操纵器包括用于控制所述操纵器的自由度的许多传感器和许多马达，并且所述映射相应于所述传感器和所述关节空间层之间以及所述马达和所述关节空间层之间的所述操纵器映射信号。

24.权利要求20所述的系统，其中将来自每个操纵器的信号映射至关节空间层和工作空间层的至少一个包括在所述关节空间层和所述工作空间层之间映射信号。

25.权利要求20所述的系统，其中每个映射包括所述连接器的输入元件和关节空间界面元件之间的映射。

26.权利要求25所述的系统，其中每个映射包括所述连接器的输入元件和所述关节空间界面元件的子组之间的映射。

27.权利要求26所述的系统，其中所述连接器的输入元件和所述关节空间界面元件的子组之间的所述映射对于不同的操纵器组件是不同的。

28.权利要求26所述的系统，其中所述子组的尺寸对于不同的操纵器组件是不同的。

29.权利要求20所述的系统，其中每个映射包括关节空间界面元件和工作空间界面元件之间的映射。

30.权利要求29所述的系统，其中一个关节空间界面元件被映射至许多工作空间界面元件。

31.权利要求29所述的系统，其中所述工作空间界面元件相应于所述操纵器之一的许多部件，所述部件形成并行机构。

32.权利要求29所述的系统，其中所述关节空间界面元件的至少一个相应于操纵器中的模拟关节并且被映射至工作空间界面元件。

33.用于对患者执行外科手术的远距外科手术系统，所述系统包括：

用于控制许多外科手术工具的状态的控制器；

联接至所述控制器的许多操纵器，每个操纵器包括机械界面和电界面，所述机械界面可操作以将所述操纵器机械地联接至外科手术工具，所述电界面可操作以在所述控制器和连接至所述操纵器的所述外科手术工具之间通信信息，其中每个操纵器是可操作的以经由所述机械界面联接至许多不同的外科手术工具，并且所述电界面对于每个外科手术工具是不同的。

34.权利要求33所述的远距外科手术系统，其中每个外科手术工具的所述电界面包括许多电接触点，每个接触点可操作以通信信息至所述外科手术工具的自由度。

35.权利要求34所述的远距外科手术系统，其中不同的外科手术工具中的相同接触点是可操作的以通信信息至每个外科手术工具中的不同自由度。

36.权利要求33所述的远距外科手术系统，其中每个操纵器的所述电界面包括许多电接触点，每个接触点与所述操纵器的自由度相关联。

37.权利要求36所述的远距外科手术系统，其中每个接触点与所有许多外科手术工具的相同自由度相关联。

38.权利要求33所述的远距外科手术系统，其中所述机械界面对于许多外科手术工具是相同的。