CN107110631A

CN107110631A - 通过弯曲力的导航

Info

Publication number: CN107110631A
Application number: CN201680003753.5A
Authority: CN
Inventors: 路易斯·费雷拉; 马修·斯托克斯
Original assignee: University of Western Ontario
Current assignee: University of Western Ontario
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-08-29
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: CA2974996A1; CN107110631B; US10499995B2; US20180014887A1; CA2974996C; WO2016123697A1

Abstract

本披露提供了一种导航方法和系统，该方法和系统不需要远程放置的追踪系统、或额外的目标或其它装置安装在被追踪的病人或物体上。该系统使用一个与病人/物体物理接触的柔性部件，并测量作为力的函数的相对位置，该力由柔性部件在其弯曲时生成。该系统为了机器人、其他操作器、或为了人类手工导航而将力转化成导航命令。也描述了一种为了该导航模式而将预计划的运动路径转变为一系列力的方法。该系统也可应用在可能并不精确知晓物体或组件的位置或位置不恒定的机器人制造领域。如在机械加工情况下，在此披露的方法和系统可以用于维持物体/组件的已知位置，或相对于物体/组件为机器人的运动导航。

Description

通过弯曲力的导航

技术领域

现在的披露涉及一种导航方法和系统(也被称为通过弯曲力的导航)，应用于外科手术应用和制造，以及需要经过相对短的距离的位置导航的其它领域。

背景技术

追踪系统在外科手术中是需要的，来为了给病人身体相关的术前计划导航。追踪系统一般用于在外科手术过程中追踪病人身体，并用于给手动操作的外科手术工具或机器人辅助的外科手术工具导航。

现在使用的外科手术追踪系统依靠于确定目标，诸如附接于仪器或者固定在骨头里的红外线发射二极管或回射球，的姿势(位置和朝向)。生产这种系统的业界领袖为NDI，其具有的医疗产品线包含两个追踪系统家族，称为Polaris和Aurora。Polaris系统的详细信息可由此找到：

http://www.ndigital.com/medical/products/polaris-family/。Polaris追踪系统通过光学测量技术，追踪附接于外科手术工具的主动或被动标记的三维位置和朝向。Aurora系统的详细信息可由此找到：

http：//www.ndigital.com/medical/products/aurora/。

但是，现在的用于追踪病人身体的系统有一些显著缺陷。现在的光学追踪系统需要清楚的视线以为了“看见”它们的目标。光学追踪系统可能是扎眼的，并且干扰外科手术工作流程，因为外科手术人员不能堵隔摄像头的视线。这些摄像头一般安装在离病人一段距离处。由于外科手术工作区域已经有点狭小和紧凑，这使得外科手术人员在工作时不阻隔摄像头很困难。外科医生表达了为什么在大多数原本光学追踪系统是有价值的手术中而不采用导航和机器人辅助系统，而这可能就是最被外科医生所注意到的原因。

而且，许多现在的手术内部的追踪系统需要追踪刚性地安装到病人的有利害关系的骨头上的装置。这意味着为了进入骨头而形成刺入切口，以便追踪目标可以被钻入骨头中。这些安装位置往往经常不是外科手术的切口和暴露处的一部分。因此，它们被认为是额外的必须治愈的病态以及增加感染风险的源头。

在外科手术系统采用中，成本也起了重要作用。成本有三个元素，包括初始资本费用(现在的追踪系统可以轻易花费100,000美金或以上)、替换费用和维护费用，包括消毒和手术室时间的费用。因此，成本对于较小或较偏远的医疗机构是重要因素。

现在的追踪系统的追踪目标由于损坏和位于外科手术场地内的磨损，需要间或的替换。许多流行的光学追踪器使用了在每次外科手术后必须丢弃和替换的被动的回射目标，这样导致了相当多的浪费和费用。此外，可再用的电子目标和它们的骨头安装硬件必须使用对电子设备安全的手段来消毒。每个目标具有至少两个用于骨头安装的部件，并且需要每次外科手术必须替换的电池。大多数外科手术在切口和暴露后可以立即开始。但是，如上所述，最常见的外科手术追踪系统是光学的，为了光线而需要对摄像头进行一些设置，为了将追踪目标安装进骨头中而需要对追踪目标进行相当多的设置。这增加了相当多的手术室时间，从而显著增加了医院和医疗系统的成本。非光学的追踪系统，诸如电磁的或超声波的，如上所述，仍然需要在身体中安装目标、接收器或发射器。

大多数现在的追踪技术具有固定的分辨率。例如，最常用的追踪技术，光学系统，具有有固定数量的像素和像素尺寸的摄像头芯片。进一步地，所有的现在的追踪系统通过位置/朝向导航，这需要数学上简化为位置坐标和朝向角度，或诸如最小二乘算法的几何拟合。这些方法需要复杂的校准，并引出测量误差。

所有的现在的追踪系统，电磁的、光学的、或超声波的，易于受一个或多个电磁源、无线波源、声波源、或光源的干扰。尤其是电磁系统也可以受金属外科手术工具、手术台、和其它金属物体的影响。

提供一种外科手术导航系统是非常有利的，这避免了上述的限制和缺陷，并为现在的外科手术导航系统提供了经济上更便宜的选择。

发明内容

在本披露中所描述的导航方法和系统不需要位于远程的追踪系统、或额外的目标、或其它装置被安装到被追踪的病人或物体上。该系统使用一个与病人/物体物理接触的柔性部件，并测量作为力的函数的相对位置,该力由挠性部件在其弯曲时生成。该系统为机器人、其它操作器、或人类手工导航而将力转化成导航指令。也描述了一种将预计划的运动路径转变为这种导航模式的一系列力的方法。

该系统也可应用在可能并不精确知晓物体或组件的位置或位置不恒定的机器人制造领域。在此披露的本方法和系统可以被用于维持物体/组件的已知位置，或者用于在机械加工的情况下相对于物体/组件来为机器人的运动导航。

因此，在一个具体实施方式中，提供了一种用于追踪物体的系统，包括：

a)动力源，仪器在其近端可附接至所述动力源，所述仪器可由所述动力源移动；

b)测压元件，当所述仪器附接至所述动力源时，所述测压元件固定在相对于所述仪器近端的已知位置；

c)柔性部件，所述柔性部件具有附接至所述测压元件的近端，所述柔性部件具有被构造为与被追踪的物体进行物理接触的远端；和

d)计算机控制器，所述计算机控制器连接到所述测压元件，用于接收来自所述测压元件的输出，来自所述测压元件的输出包括当所述物体移动时由所述柔性部件弯曲而生成的力，所述计算机控制器被编程有指令，所述指令将所述柔性部件生成的所述力转化成导航命令，以使所述动力将所述仪器相对于所述物体维持在预选择的姿势。

在另一个具体实施方式中，提供了一种物体的导航的系统，包括：

b)测压元件，当所述仪器附接至所述动力源时，所述测压元件固定在相对于所述仪器的所述近端的已知位置；

d)计算机控制器，所述计算机控制器连接到所述测压元件，所述计算机控制器预编程有包含预选择的导航路径的导航算法，其中所述计算机控制器编程有指令，所述指令将所述导航路径转化成所述柔性部件所经受的一系列被预测的力，所述一系列被预测的力是根据所述预选择的导航路径，沿着所述柔性部件的被预测的变形构造，以离散的间隔来计算出的，其中所述计算机控制器编程有算法，所述算法将一系列计算出的力输入到所述导航算法的输入中。

对本披露的功能和有利方面的进一步理解可以通过参考下面详细的描述和图形来实现。

附图说明

现在将只通过例子，参照图形来描述具体实施方式。其中：

图1示出了通过柔性部件来使用导航的外科手术追踪系统。

图2示出了工具夹持器、测压元件和用于将测压元件和工具安装到工具夹持器的安装支架的透视图。

图3示出了本系统的一个具体实施方式的框图，该具体实施方式的系统包括连接到测压元件和机器人控制处理器的实时监测处理器，机器人控制处理器连接到机器人臂。

图4示出了本系统的另一个具体实施方式的框图，该具体实施方式的系统包括连接到测压元件的实时监测处理器，其中没有使用机器人，而是人通过手来移动工具。

图5示出了在此披露的方法的非限制实施例的流程图。

图6示出了导航路线计算阶段的非限制实施例的流程图。

具体实施方式

本披露的各种不同的具体实施方式和方面将参照下面讨论的细节来描述。下面的描述和图形是说明本披露的，而不解释为对本披露的限制。很多对具体细节的描述提供了对本披露的各种不同的具体实施方式的彻底理解。但是，在特定情况下，熟知的或常规的细节并没有描述，以为了提供对本披露的具体实施方式的简明讨论。图形不是按比例的。

在此使用的术语“包括”被解释为包括的和开放式的，而非排他性的。具体而言，在说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和其变体表示特定的特征、步骤或部件是包括的。这些术语不解释为排除其它特征、步骤或部件的出现。

在此使用的术语“示例性的”表示“作为一个例子、实例或例证”，不应该解释为比其它在此披露的构造优选或有利。

在此使用的术语“大约”和“大概”意味着包括可能存在于范围值的上限和下限的变化，诸如性质、参数、和尺寸的变化。在一个非限制例子中，术语“大约”和“大概”表示加上或减去百分之十或少于百分之十。

在此使用的短语“测压元件”指的是用于产生电信号的传感器，该传感器的数量级与所测的力和转矩是直接成比例的。这些力和转矩是通过柔性部件作为反应力而生成的。测压元件附接于该柔性部件的一端，待追踪的物体接触于该柔性部件的另一端。

在此使用的短语“柔性部件”表示任何物体，其弹性模量允许其所经受的力在物体的弹性范围内，以致于不会损坏或塑性变形该物体。例子包括轻金属条、橡胶或柔性复合物、加载弹簧的组件等。任何定制设计的固定设备或组件，只要其具有柔性部分，该柔性部分要有足够的弹性范围以满足本申请所要求的弯曲工作范围，就足够了。

在此使用的单词“姿势”表示位置值和旋转值的组合，这些值一起代表了物体的离散的位置和朝向。

在此披露的导航系统，在此称其为通过弯曲力导航系统，设计为在不依靠二级追踪系统的情况下提供移动追踪和机器人末端执行器定位指引。除了机器人导航反馈之外，它可以用于较简单的定位装置，甚至手动操作工具。为了简单起见，通过弯曲力导航系统从现在开始将描述为机器人使用，但是，这将理解为它可以用于非机器人应用，相同的工作原理一般是相同的。

参考图1，总体标示为10的机器人臂包括安装于臂10远端的末端执行器12。末端执行器12包括基板14，外科手术工具/仪器或者操作器18附接于基板14。相对于工具/仪器/操作器18，测压元件22刚性安装到末端执行器12，以使在测压元件22和工具/仪器/操作器18之间无相对运动。

参考图2，测压元件22位于偏离于正在使用的工具18的工具轮廓中心的，距该工具轮廓远离之处。这是通过使用基板14来实现的。基板14被构造为包括两个分隔开的安装座16和24。该两个安装座由刚性的中间部分分隔开。末端执行器12安装到安装座16，而测压元件22安装到安装座24。柔性部件26在其近端处被安装到测压元件22的自由端。柔性部件26的远端或安装表面与物体40(可以为任何物体，或就外科手术而言，可以为被追踪的病人身体)物理接触。测压元件22测量系统将与柔性部件26所经受的力和转矩成比例的电压输出到外置计算机30。柔性部件26允许在被追踪的物体/病人和工具/仪器/操作器18之间，以及测压元件22之间的相对运动。该相对运动对应于柔性部件26中的挠曲度，包含力和转矩。该力和转矩由测压元件22测量并以成比例的电压实时传送到控制系统。

图3示出了总体标示为20的本系统的框图。系统20包括连接到测压元件22和机器人控制器32的实时监控计算机处理器30，机器人控制器连接到机器人臂10。在一些机器人应用中，取决于机器人制造商的控制器实施方式，可以有一个具体实施方式，其不包括一个单独的机器人控制器，或者机器人控制器32可能和通过弯曲力导航控制器30存在于相同的处理器中。

图4示出了另一不使用机器人，而是人通过手来移动工具的具体实施方式。在该具体实施方式中，通过弯曲力导航控制器的导航命令输出到显示屏，或诸如声学装置或触觉装置的其它类型的人机界面。在任何情况下，可以通过将控制器30的导航命令转化成特定应用的反馈信号而为人提供导航。

通过弯曲力导航控制器/处理器30以反馈控制算法来编程。测压元件22和控制算法可用于命令机器人臂10或其它运动装置，或用于为手持工具/仪器导航。如上所述，控制器/处理器30所获得的电压读数经过校准变换矩阵并转换成力值。力值代表了柔性部件所当前经受的载荷。通过偏置位于初始位置的测压元件22，力值的改变可以被解释为被追踪的物体40和机器人的末端执行器之间的相对运动。可以给机器人10增量位置/朝向调整指令，来为物体40的移动提供补偿。此外，计划的运动路径可以转变成计划的一系列弯曲力和转矩。这可以用于以计划的路径，相对于被偏置的参考位置和相对于物体来移动机器人。运动或导航由任一运动度或同时所有六个运动度的小校正运动矢量来命令控制(即沿三个笛卡尔轴方向的线性运动和绕这些相同的轴的旋转)。在由手来移动工具18的人类导航的情况下，命令可以可视地显示，或使用一些诸如可听见的信号或触觉的其它的反馈形式。

就着图5的流程图来更详细描述的算法，包括一套空间变换，其将来自柔性物体的力/转矩(由测压元件测量)转化成空间校正，其数量级与所测的力/转矩是成比例的，以使输入至控制器的相对位置上的较大误差导致了对该相对位置所作的空间校正的较大数量级。空间校正也进行缩放以放大或减小位置校正并调整响应性能。六个缩放比例因数中的每一个，对应于六个运动度的空间校正。每个缩放比例因数被实时地调整，以为了改变状况(即物体/病人移动或其它未知情况)而进行补偿并使相对位置误差最小化。缩放比例因数的实时调整目前是为对应于每个运动度的每个缩放比例因数使用一个比例-积分-微分(PID)算法而实现的。先前的机器人控制具体实施方式的典型使用基于启发式决策的算法，通过为每个缩放比例因数选择不同的数量级而作为输入误差数量级的函数，来调整缩放比例因数。这是用于调整缩放比例因数的方法的两个例子。但是，任何可以调整值、或矢量或数组值，而作为增长或减少误差输入的函数的方法都可以使用。例如，模糊逻辑可能也可以用于此目的。因为最终的导航命令可以输出为慢跑活动而输出至机器人或其它装置或人，那么也可以使用调制方法来代替连续调整方法。调整缩放比例因数的目的是通过减小滞后或延迟来改善性能。如果这是不需要的，或者如果机器人、运动装置或人类任务是充分响应的，那么可以使用只有固定缩放比例因数的具体实施方式，或甚至完全没有(即等于1)的具体实施方式。通过弯曲力导航算法可以在软件中或硬件中编码。本方法的示例性且非限制实施例参见图5的流程图所示出的算法。

具体参照图5的流程图，将会详细讨论上述算法。算法涉及要么通过使用测压元件的软件，要么通过下面的变换，将测压元件(LC)的力-转矩(FT)输出转变成工具坐标系统(CS)，

对于力矢量：其中F是力矢量F＝(F_x,F_y,F_z)；

对于转矩矢量：其中Torq是力矢量Torq＝(Torq_x，Torq_y，Torq_z)；

现在，FT输出是相对于工具CS。

我们需要相对于减小FT的基础帧，将目前的工具姿势(ti)转变为新工具姿势(ti+1)。这是：

因此，我们需要变换该变换代表相对于目前的工具姿势(ti)的新工具姿势(ti+1)。这将通过上述的FT变换来构成。比如说，对于力将校正率设置为1mm/N，对于转矩将校正率设置为1°/Nm，那么对于力：对于y和z方向也是类似的。注意标志(+)，是在力方向上移动以缓解力。也需注意每个方向的率值可以是不同的。可以给定较低的阈值以除去接近零值的抖动，给定上限以避免大的校正。

对于转矩：相同的注意点也类似地适用于校正转化。

现在根据固定轴方法，使用Craig文本的公式，由Rot_x,Rot_y和Rot_z建立旋转R矩阵。

现在使用R和转化值Trans_x,Trans_y和Trans_z来建立T矩阵。

最终的T矩阵代表了小转换值和旋转值，这些值需要去抵消地校正在工具坐标系统的力和转矩。这适合于上述的工具CS变换所需要的矩阵

测压元件应该归零，以忽略预载荷。这样，上面的将为下面的提供参考。对于预计划的导航路径，用匹配本申请的边界条件为FEA分析建立柔性部件的CAD模型。将预计划的路径分成离散的帧，那么对于每个帧，迭代地配置柔性部件的远端，以匹配那个帧的路径。对应于每个帧配置，计算柔性部件的测压元件边界条件处的反应力和转矩。将这些反应力和转矩值填入F_x,y,z和Torq_x,y,z矢量。这将生成对应于一系列路径帧的一系列目标力和转矩。现在该系列将被输入到上述的算法，它将设法使实时测压元件的输出和F_x,y,z以及Torq_x,y,z矢量之间的误差最小化。

因此，该系统为了机器人、其它操作器(例如，拾取和放置制造，CNC数控铣床)、或人类手工导航而将力转化为导航命令。就人类导航而言，人类操作者握住工具，该通过弯曲力导航系统的柔性部件与和人类操作者正在相互作用的物体相接触。相互作用的类型可以为探测、机械加工、测量、涂漆、变形，但是并不限于物理接触。它可以是激光或摄像头的扫描，或者任何其它的非接触相互作用。

因此，当系统配置为在仪器18和物体40之间以接触模式使用时，仪器可以是用于处理材料的工具，包括但不限于钻头或任何其它类型的机床，或与组织相互作用的医疗仪器，包括但不限于通管丝、针状物、注射器、同位素导引器、压纹机、冲压机、抛光器、磨床、碾磨器、钻孔器、锉刀、钻头、抓紧器。

当系统配置为在仪器18和物体40之间以非接触模式使用，仪器可以为任一种，但不限于，成像装置、扫描仪、激光器、喷漆器、喷墨头、辐射监视器、磁场传感器或电磁场传感器、电容传感器或电感传感器。

在此披露的该通过弯曲力导航系统甚至可以直接附接到人类操作者身体上，而不是工具上。在本实施方式中，假定适宜地保护了测压元件的电子部件，则该通过弯曲力导航系统可以在几乎任何环境中为特定身体部位的直接人类导航来提供导航，包括在水下和真空区。该通过弯曲力导航系统所要求的唯一的与物体的接触是柔性部件26和物体40之间的接触。那么可以相对于物体来实现导航。

该通过弯曲力导航系统可以用于物体追踪，在追踪中，随着物体可能四处移动，该通过弯曲力导航系统的输出相对于物体将设法维持为一个位置和朝向。此外，该通过弯曲力导航系统可以提供导航，在导航中，该通过弯曲力导航系统的输出代表了相对于物体改变的相对位置和朝向。这两个应用由这里所描述的通过弯曲力导航的整体算法所支持。

在简单物体追踪的第一个应用中，该通过弯曲力导航系统输出设法相对于可能移动的物体而维持为一个位置和朝向。测压元件22的输出可以相对于被追踪的物体/病人偏置为参考位置(例如，设为零值)。这样，柔性物体中的力和转矩被偏置为零。随着物体/病人的移动，相对于物体/病人，该系统将随后维持该位置。

在第二个应用中，该通过弯曲力导航系统输出提供相对于物体的导航。相对于物体/病人的预计划路径可以通过对应于相对位置的，沿着预计划的路径，而输入预计算的一系列力/转矩来实现。这样，该系统将相对于物体/病人而被导航，允许工具/仪器/操作器访问物体/病人表面的不同位置。

更具体地，参照图6，2毫秒步长的一系列的离散的姿势代表了预计划的想要的工具路径(尽管本领域的技术人员将意识到该方法不限于2毫秒步长)。在每个时间步长，使用有限元素分析(FEA)方法或其它合适的数学模型或计算，计算出测压元件处的可预测的力和转矩。对于所有的时间步长进行这样的迭代，将最终的序列进行保存，以用于随后输入到实时导航算法。

重要的是要注意物体追踪和导航方法可以一起使用，因为即使在对预计划的路径进行导航时，任何与被偏置的参考力/转矩的偏离将会自动触发该系统去校正其相对位置。当物体/病人因任何原因移动时这将会发生。不需要改动或转变算法。也重要的是要注意到在相对于物体的运动不是所计划的或想要的简单物体追踪应用中，算法的路径预计划方面可以略过或不实施。

换句话说，导航方法的实时软件与物体跟踪方法相同。区别之处是物体跟踪方法使用固定力值来用于算法的输入。相比之下，导航方法改变进入输入的力值，导致算法去寻找不同的力，从而导致它围绕物体而移动。

相较于目前的追踪导航系统，在此披露的该通过弯曲力导航方法和系统展示了一些重要的优点和独特的特征。首先，追踪病人身体的该通过弯曲力导航系统不需要像光学追踪系统那样需要清楚的视线而为了“看见”它们的目标。

如上所述，目前的追踪系统需要一个或多个刚性地安装到病人的有利害关系的骨头上的部件，需要形成刺入切口以进入骨头，以便追踪目标可以被钻入骨头中。该通过弯曲力导航系统不需要任何额外的刺入切口。柔性部件固定到在外科手术暴露范围内已露出的骨头区域。

就成本而言，该通过弯曲力导航系统使用硬件，其包括一个或多个小六自由度测压元件和一个或多个用于附接到骨头的柔性部件。典型的测压元件花费3000美金。如果只是简单的金属条，柔性部件的成本可以忽略不计。如果柔性部件是包括有柔性部分的病人特定的安装件，那么基于现在可用的三维打印方法，其成本可能在100美金到500美金的范围内。这与先前提到的花费100,000美金或以上的现在的追踪系统形成对比。

进一步地，如上所述，现在的追踪系统的追踪目标由于损坏和在外科手术场地内部的磨损，需要间或的替换。被动回射目标通常在每次外科手术后必须丢弃和替换。相比之下，该通过弯曲力导航系统只需要消毒或替换柔性部件，因为包括测压元件的系统的其他部分，在大多数机器人外科手术系统做完后可以以塑料覆盖。根据安装或应用要求，如果想要保留柔性部件，那么使用现在的技术它们也可以以塑料覆盖。柔性部件也可与标准手术工具放一起高压灭菌消毒，或用任何其它普通和不昂贵的消毒方法。

需注意的是，大部分外科手术可以在切口和暴露后立即开始。但是，如上所述，最常见的外科手术追踪系统是光学的，为了光线需要对摄像头进行一些设置和对安装入骨头中的追踪目标进行大量设置。相比之下，该通过弯曲力导航系统只需要将一个或多个柔性部件附接到已经露出的骨头区域。在已经使用机器人的手术中，该设置可以非常迅速。

在此披露的导航系统的固有精确性可以超越现在的导航技术，因为诸如箔式应变计的基本测压元件技术的分辨率具有无限的分辨率。相对而言，大多数现在的追踪技术具有如上所述的固定分辨率。

最后，在此披露的导航系统不遭受电磁源、无线电源、声源、或光源的干扰，而基于电磁信号、光信号、或超声波信号的现在的追踪系统容易受一个或多个这些源的干扰。尤其是电磁系统也可能受金属外科手术工具、手术台、和其它金属物体影响。

Claims

1.一种用于追踪物体的系统，包括：

d)计算机控制器，所述计算机控制器连接到所述测压元件，用于接收来自所述测压元件的输出，来自所述测压元件的所述输出包括当所述物体移动时由所述柔性部件弯曲而生成的力，所述计算机控制器被编程有指令，所述指令将所述柔性部件生成的所述力转化成导航命令，以使所述动力将所述仪器相对于所述物体维持在预选择的姿势。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述仪器是被构造为接触所述物体的接触装置，和被构造为与所述物体间隔离开的非接触装置中的任何一个。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述仪器是接触装置，所述接触装置是用于处理材料的工具，或用于与组织相互作用的医疗仪器的任何一个，通管丝、针状物、注射器、同位素导引器、压纹机、冲压机、抛光器、研磨机、碾磨器、钻孔器、锉刀、钻头、抓紧器。

4.如权利要求2所述的系统，其中所述仪器是非接触装置，所述非接触装置是成像装置、扫描仪、激光器、喷漆器、喷墨头、辐射监视器、磁场传感器、电磁场传感器、电容传感器、电感传感器中的任何一个。

5.如权利要求1、2、3或4 所述的系统，其中所述动力源由机器人提供，所述机器人具有末端执行器，所述仪器附接到所述末端执行器。

6.如权利要求1、2、3或4 所述的系统，其中所述仪器被构造为连接到人类操作者。

7.一种物体的导航的系统，包括：

d)计算机控制器，所述计算机控制器连接到所述测压元件，所述计算机控制器预编程有包含预选择的导航路径的导航算法，其中所述计算机控制器被编程有指令，所述指令将所述导航路径转化成所述柔性部件所经受的一系列被预测的力，所述一系列被预测的力是根据所述预选择的导航路径，沿着所述柔性部件的被预测的变形构造，以离散的间隔来计算出的，其中所述计算机控制器被编程有算法，所述算法将一系列计算出的力输入到所述导航算法的输入中。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述仪器是被构造为接触所述物体的接触装置和被构造为与所述物体间隔离开的非接触装置中的任何一个。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述仪器是接触装置，所述接触装置是用于处理材料的工具，或用于与组织相互作用的医疗仪器的任何一个，通管丝、针状物、注射器、同位素导引器、压纹机、冲压机、抛光器、研磨机、碾磨器、钻孔器、锉刀、钻头、抓紧器。

10.如权利要求8所述的系统，其中所述仪器是非接触装置，所述非接触装置是成像装置、扫描仪、激光器、喷漆器、喷墨头、辐射监视器、磁场传感器、电磁场传感器、电容传感器、电感传感器中的任何一个。

11.如权利要求8、9或10 所述的系统，其中所述动力源由机器人提供，所述机器人具有末端执行器，所述仪器附接到所述末端执行器。

12.如权利要求8、9或10所述的系统，其中所述仪器被构造为连接到人类操作者。