CN107427330B - 在手术工具的自主移动期间控制手术工具的系统和方法 - Google Patents

在手术工具的自主移动期间控制手术工具的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供在机器人系统的手术工具的自主移动期间控制所述手术工具的系统和方法。确定所述手术工具的移动路径。生成所述手术工具相对于所述路径的至少一个可接受的取向。所述手术工具在所述至少一个可接受的取向中沿所述路径自主地移动。感测施加至所述手术工具的力。基于所感测到的力识别改变的取向。所述手术工具响应于将所述改变的取向与所述至少一个可接受的取向相比较沿所述路径自主地移动。

Description

在手术工具的自主移动期间控制手术工具的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年4月10日提交的美国临时专利申请No.62/145,584的优先权和权益，其公开内容通过引用全文并入本文中。
技术领域
本发明总体涉及在手术工具的自主移动期间控制手术工具的系统和方法。
背景技术
最近，执业医师已经发现使用机器人系统来执行外科手术的益处。这样的机器人系统通常包括可移动的臂。所述臂具有能够以较高的精确度定位的自由的远侧端部。手术工具能够附接至所述臂的远侧端部。手术工具包括能量施加装置，所述能量施加装置被应用至手术部位以用于处理所述手术部位。
在某些机器人系统中，执业医师手动地操纵手术工具以使能量施加装置相对于手术部位移动。该手动操纵包括在手术部位处自由地将手术工具重新定向。执业医师可能期望手动地重新定向手术工具以避开手术部位处的障碍物(例如牵开器或者其它组织)。然而，在其它机器人系统中，手术工具自主地移动并且执业医师不能够在手术部位处重新定向手术工具。
发明内容
本公开提供一种机器人系统，所述机器人系统包括构造成沿路径移动的手术工具。操纵器支撑所述手术工具并且构造成使所述手术工具沿所述路径移动。路径生成器确定所述路径。取向生成器确定相对于所述路径的至少一个可接受的取向。操纵器控制器与所述路径生成器和所述取向生成器通信。所述操纵器控制器指令所述操纵器使所述手术工具在所述至少一个可接受的取向中沿所述路径自主地移动。传感器感测施加至所述手术工具的力。所述操纵器控制器构造成基于所感测到的力识别改变的取向并且响应于将所述改变的取向与所述至少一个可接受的取向相比较指令所述手术工具沿所述路径移动。
本公开还提供一种在机器人系统的手术工具的自主移动期间控制所述手术工具的方法。确定所述手术工具的移动路径。生成所述手术工具相对于所述路径的至少一个可接受的取向。所述手术工具在所述至少一个可接受的取向中沿所述路径自主地移动。感测施加至所述手术工具的力。基于所感测到的力识别改变的取向。所述手术工具响应于将所述改变的取向与所述至少一个可接受的取向相比较沿所述路径自主地移动。
在一个实施例中，所述系统和方法的优势在于：控制所述手术工具，使得将所述手术工具的取向维持于所述至少一个可接受的取向中。通过这样做，所述系统和方法避免手术工具的不期望的取向，这可能导致切割效率低下、与手术部位处的另一个物体接触等。
附图说明
本发明的优点将被容易地理解，因为当结合附图考虑时，通过参考以下具体描述，本发明将被更好地理解，其中：
图1为机器人系统的立体图；
图2为机器人控制系统的示意图；
图3提供在一个实施例中所执行的步骤；
图4为沿路径在至少一个可接受的取向中移动的手术器械的图示；以及
图5A和图5B为将手术工具的改变的取向与手术工具的至少一个可接受的取向相比较的图示。
具体实施方式
参考图1，图1示出一种用于在患者12上执行外科手术的机器人系统10。在本文中所描述的外科手术为组织移除手术。组织可以为骨或者患者的任何其它组织。然而，应当理解的是，在本文中所公开的系统和方法可以用于执行其它手术(外科的或非外科的)，或者可以用在使用机器人系统的工业应用或其它应用中。
机器人系统10包括操纵器14以及手术工具16。手术工具16形成附接至操纵器14的端部执行器18的部分。手术工具16被设计成由操作者的手抓持。在题目为“SurgicalManipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes(能够以多种模式控制手术器械的外科手术操纵器)”的美国专利申请No.13/958,070中示出一种示例性布置，其公开内容通过引用并入本文中。操纵器14以及手术工具16可以以替代的构造布置。手术工具16包括能量施加装置20，所述能量施加装置20被设计成在手术部位处接触患者12的组织。能量施加装置20可以为钻、锯条、牙钻、超声工作尖等。操纵器14还容纳操纵器计算机22、或者其它类型的控制单元。
机器人系统10能够以半自主模式或者手动模式运行。在半自主模式中，操纵器14在手术部位处引导手术工具16的自主移动，并且继而引导能量施加装置20的自主移动。在一个实施例中，当机器人系统10处于半自主模式中时，操纵器14能够无需操作者的协助而移动手术工具16。无需操作者的协助可能意味着，操作者并不物理地接触手术工具16来移动手术工具16。相反，操作者可使用某种形式的远程控制来控制移动的开始和停止。例如，操作者可以按下远程控制的按钮来开始手术工具16的移动以及释放按钮来停止手术工具16的移动。
在手动模式中，操作者物理地接触手术工具16以使得手术工具16移动，如在题目为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利申请No.13/958,070中所描述的，其公开内容通过引用并入本文中。
参考图2，机器人系统10包括机器人控制系统24。机器人控制系统24包括用于引导操纵器14的运动的软件和/或硬件。在外科手术期间，机器人控制系统引导操纵器14的运动并且控制手术工具16的取向。在坐标系统内限定手术工具16的取向。在一个实施例中，所述坐标系统为操纵器坐标系统MNPL(参见图1)。操纵器坐标系统MNPL具有原点，并且所述原点位于操纵器14上的点处。在题目为“Surgical Manipulator Capable of Controlling aSurgical Instrument in Multiple Modes”的美国专利申请No.13/958,070中示出操纵器坐标系统MNPL的一个示例，其公开内容通过引用并入本文中。
机器人系统10包括引导站26。引导站26被设立以追踪各个物体的移动。这样的物体包括例如手术工具16、股骨F、以及胫骨T。引导站26追踪这些物体以收集每一个物体在定位器坐标系统LCLZ中的位置信息。可以使用传统的转换技术将定位器坐标系统LCLZ中的坐标转换到操纵器坐标系统MNPL中。引导站26还能够将所述各个物体的相对位置以及取向的虚拟表示显示给外科医生。
引导站26包括计算机匣组件28，所述计算机匣组件28容纳导航计算机30、和/或其它类型的控制单元。导航界面与导航计算机30操作地通信。导航界面包括一个或多个显示器32。第一输入装置34和第二输入装置36(例如键盘以及鼠标)可以用于将信息输入至导航计算机30中或者以其它方式选择/控制导航计算机30的某些方面。想到包括触摸屏(未示出)或者语音激活的其它输入装置。
引导站26还包括与导航计算机30通信的定位器38。在一个实施例中，定位器38为光学定位器并且包括照相机单元40。照相机单元40具有容纳一个或多个光学位置传感器44的外壳42。机器人系统10包括一个或多个追踪器。追踪器可以包括指示器追踪器PT、手术工具追踪器50、第一患者追踪器48、以及第二患者追踪器49。追踪器包括有源标记器46。有源标记器46可以为发光二极管或者LEDs。在其它实施例中，追踪器48、49、50可以具有例如反射器的无源标记器，所述反射器反射从照相机单元40发出的光。可以将另外的追踪器并入机器人系统10中，以追踪可以为机器人系统10的部分的另外的部件。例如，追踪器可以附接至牵开器(未示出)，所述牵开器用于在布置植入部件期间将膝关节周围的组织牵开。
在图1的所示出的实施例中，第一患者追踪器48牢固地固定至患者12的股骨F，并且第二患者追踪器49牢固地固定至患者12的胫骨T。患者追踪器48、49牢固地固定至骨的部分。另外，手术工具追踪器50牢固地附接至手术工具16。应当理解的是，追踪器48、49、50可以以任何合适的方式固定至其相应的部件。
追踪器48、49、50与照相机单元40通信，以将追踪器48、49、50的位置数据提供至照相机单元40。照相机单元40随后将追踪器48、49、50的位置数据提供至导航计算机30。在一个实施例中，导航计算机30接着确定股骨F和胫骨T的位置数据以及手术工具16的位置数据，并且将股骨F和胫骨T的位置数据以及手术工具16的位置数据传递至操纵器计算机22。可以使用传统的配准/导航技术通过追踪器位置数据确定股骨F、胫骨T、以及手术器械16的位置数据。位置数据包括对应于股骨F、胫骨T、手术器械16以及所追踪的任何其它物体的位置和/或取向的位置信息。在本文中所描述的位置数据可以为位置数据、取向数据、或者位置数据以及取向数据的组合。
操纵器计算机22可以通过使用手术工具16的基于导航的数据以及手术工具16的基于编码器的位置数据确定转换矩阵从而将来自定位器坐标系统LCLZ的位置数据转换到操纵器坐标系统MNPL中。使用位于操纵器14的接合点处的编码器(未示出)来确定基于编码器的位置数据。操纵器计算机22使用编码器来计算手术工具16在操纵器坐标系统MNPL中的基于编码器的位置和取向。由于手术工具16的位置和取向在定位器坐标系统LCLZ中也为已知的，可以生成转换矩阵。
机器人控制系统24还包括软件模块。软件模块可以为一个或多个计算机程序的部分，所述一个或多个计算机程序在操纵器计算机22、导航计算机30、或者其组合上进行操作以处理数据从而协助对机器人系统10的控制。软件模块包括指令集，所述指令集储存于操纵器计算机22、导航计算机30、或者其组合上的存储器中并且待由计算机22、30的一个或多个处理器执行。另外地，用于提示执业医师的和/或与执业医师沟通的软件模块可以形成一个或多个程序的部分，并且可以包括储存于操纵器计算机22、导航计算机30、或者其组合上的存储器中的指令。外科医生与第一输入装置34和第二输入装置36以及一个或多个显示器32交互以与软件模块相沟通。
在一个实施例中，操纵器计算机22包括操纵器控制器52，所述操纵器控制器52用于处理用于引导操纵器14的运动的数据。操纵器控制器52可以接收和处理来自单个来源或多个来源的数据。在一个实施例中，导航计算机30包括导航控制器54，所述导航控制器54用于将与股骨F、胫骨T、以及器械16相关的位置数据传递至操纵器控制器52。操纵器控制器52接收和处理由导航控制器54所提供的位置数据，以引导操纵器14的移动。
操纵器控制器52还可以通过将股骨F和/或胫骨T以及手术工具16的图像显示于一个或多个显示器32上以将患者12以及手术器械16的位置传递至外科医生。操纵器计算机22还可以将指令或请求信息显示于一个或多个显示器32上，以使得外科医生可以与操纵器计算机22交互，以用于引导操纵器14。
参考图2，机器人控制系统24还包括路径生成器56以及取向生成器58。在一个实施例中，路径生成器56以及取向生成器58都为软件模块。软件模块可以对操纵器控制器52或者机器人控制系统24中的任何其它合适的部件起作用。
如图3中所示，在步骤90中，路径生成器56确定手术工具16的移动路径。在图4中以附图标记60示出路径的一个示例。路径生成器56确定手术工具16在操纵器坐标系统MNPL中移动所沿着的路径60。另外，路径生成器56生成与路径60相关的路径数据并且将路径数据传递至操纵器控制器52。路径生成器56可以将术前、和/或术中路径数据提供至操纵器控制器52，以使得可以在外科手术期间随时更新路径60。在题目为“Surgical ManipulatorCapable of Controlling a Surgical Instrument in Multiple Modes”的美国专利申请No.13/958,070中描述了这种特征，其公开内容通过引用并入本文中。
在一个实施例中，路径60限定于骨中或者穿过骨。例如，路径60可以被限定成使手术工具16能够切割以及移除一定体积的骨，以使得骨可以接收植入件(未示出)。路径60可以对应于待切割以接收具体几何形状(例如，大小和形状)的植入件的特定体积的骨。
路径生成器56使用由机器人控制系统24所提供的并且与患者12、手术工具16、植入件、和/或位于手术部位处的任何其它物体相关的数据生成路径数据。输入至路径生成器56中的数据可以包括股骨和/或胫骨的姿态数据、手术工具16的姿态数据、其它物体的姿态数据、成像数据(例如，CT/MRI数据)、限定边界(手术工具16将不会延伸跨过所述边界)的形状的数据和/或限定待由手术工具16移除的组织的体积的数据、植入件数据、以及与外科医生对边界的位置的设定有关的数据。路径生成器56处理数据以生成切割路径。
在某些实施方式中，路径生成器56还接收待移除的材料的固体模型作为输入。在另一种实施方式中，路径生成器56基于组织的图像的输入、限定边界的形状的数据的输入、以及外科医生的设定的输入生成固体模型。对于整形外科手术，边界通常为植入件的形状，并且外科医生的设定通常为植入件的位置。基于这些数据，路径生成器56限定路径60。每一工具路径段均可被限定为在存在于骨坐标系统中的点之间延伸的矢量或曲线。在三维空间中限定路径段。这是因为手术工具16不仅仅在单个平面中被施加至组织。手术工具16还向上或向下移动，以便在其当前所处的平面上方或下方的平面中接触组织。
路径生成器56接着生成与切割路径相关的路径数据，并且将路径数据传递至操纵器控制器52。机器人控制系统24可以在外科手术期间随时将数据提供至路径生成器56以更新路径。
在另一个实施例中，路径60被分成一个或多个段。例如，如图4中所示，路径60被分成四个段60a-60d，其中，每一段60a-60d均具有第一端点61和第二端点63。对于路径60的每一段60a-60d，路径生成器56可以处理由机器人控制系统24所提供的数据以生成路径段数据。虽然仅描述了并且在图4中示出了四个段60a-60d，但是本发明所属领域的技术人员应当理解的是，路径60可以分成任何合适数量的段。例如，参考图5A以及图5B，所示路径60可以包括七个段，其中每一个笔直的部分为单独的段，并且每一个弯曲的部分为单独的段。所述段均可具有相似的长度、或者可具有不同的长度。
在一个实施例中并且如图4中所示，路径生成器56生成与骨上或者患者12的待处理的其它组织上的路径60相关的路径数据。路径生成器56确定手术工具16沿骨移动的路径60，并且继而确定能量施加装置20沿骨移动的所述路径60，以使得能量施加装置20在手术工具16沿路径60移动时将骨从患者12移除。从患者12移除的骨可以为一定体积的骨。
参考图2和图3，在步骤94中，取向生成器58确定手术工具16相对于路径60的至少一个可接受的取向65。在图4、图5A以及图5B中，由实线表示手术工具16的实际取向，并且至少一个可接受的取向65显示为虚线。
在一个实施例中，取向生成器58与操纵器控制器52通信，并且确定手术工具16相对于路径60的至少一个可接受的取向65。取向生成器58生成与至少一个可接受的取向65相关的取向数据。对于任何给定的时刻，所述至少一个可接受的取向65可以为单个可接受的取向65或者多个可接受的取向65。
取向生成器58可以通过评估沿路径60是否存在任何障碍物而确定相对于路径60的至少一个可接受的取向65。如果是这样的话，取向生成器58确定可接受的取向65以使手术工具16能够避开沿路径60的这样的障碍物。例如，如果外科手术为骨磨削手术，则可能存在某些取向：手术工具16通过这些取向避开切割手术部位处的物体。障碍物可以为手术部位处的任何障碍物，例如牵开器或者组织。在确定所述至少一个可接受的取向65的过程中，取向生成器58可以从导航系统计算机30、工具路径生成器56等检索与这样的障碍物有关的信息。
另外地或替代地，取向生成器58可以确定相对于路径60的至少一个可接受的取向65，以最优化手术工具16沿路径60的切割效率。取向生成器58确定可接受的取向65以使手术工具16能够沿路径60有效地切割。例如，如果外科手术为骨磨削手术，则手术工具16可以具有优选的取向或者优选的取向范围，以避免切割效率低下。与其它取向相比，手术工具16可以在某些取向处更有效地切割。与手术工具16在各种方案中的切割效率有关的参数可以储存于存储器中，并且由取向生成器58访问。可以根据任何合适的方法确定手术工具16的切割效率。
手术工具16的至少一个可接受的取向65可以为可接受的取向65的范围67。如图5A中所示，可接受的取向65的范围67可以由坐标系统MNPL中的体积限定。在图5A中，可接受的取向65的范围由锥体限定，其中能量施加装置20的末端为所述锥体的顶点。可接受的取向65的范围67可以限定为沿所述体积的周边的任何取向和/或所述体积内的任何取向。在其它示例中，可接受的取向65的范围可以由操纵器坐标系统MNPL中的二维区域或平面限定。可以在术前确定和/或在术中更新可接受的取向65的范围67。
如图5B中所示，所述至少一个可接受的取向65可以为一个或多个离散的可接受的取向。可以存在任何合适数量的离散的可接受的取向。
在一个实施例中，取向生成器58生成至少一个可接受的取向65的优选的子集，亦即至少一个优选的取向。例如，虚拟孔(virtual aperture)可以位于组织上方并且以至少一个可接受的取向65的优选的子集为如下取向：手术工具16沿该取向维持于虚拟孔内。因此，可以存在其它可接受的取向65：其中手术工具16沿所述其他可接受的取向落入虚拟孔之外(亦即优选的取向之外)，但是仍然位于至少一个可接受的取向65内。可以确定优选的子集以最优化手术工具16的手术效率。
如图4中所示，在某些实施例中，取向生成器58为路径60的每一段60a-60d提供至少一个可接受的取向65。至少一个可接受的取向65针对路径60的每一段60a-60d可以为不同的，针对类似的段60a-60d可以为相似的，或者沿多个段60a-60d可以为相同的。取向生成器58可以接收以下数据作为输入：股骨和/或胫骨的姿态数据、其它物体的姿态数据、成像数据(例如，CT/MRI数据)、限定边界(手术工具16不会延伸跨过所述边界)的形状的数据和/或限定待被手术工具16移除的组织的体积的数据、植入件数据、与外科医生对边界的位置的设定相关的数据、限定手术部位处的虚拟孔的数据、以及限定路径60(手术工具16要沿其移动)的数据。
在一个示例性实施方式中，当切割股骨F时，取向生成器58选择手术工具16的取向，所述选择使手术工具16的取向平行于股骨F的纵向轴线。在该实施方式中，取向生成器58接收限定路径60的数据以及股骨的姿态数据(包括纵向轴线的取向)。在这种情况下，取向生成器58在术中为每一路径段60a-60d更新至少一个可接受的取向65，以考虑到纵向轴线的移动。在其它实施方式中，取向生成器58可以为路径60的每一段60a-60d选择可接受的取向65的范围67，以使得手术工具16避开手术部位处的障碍物。
取向生成器58将与手术工具16的至少一个可接受的取向65相关的取向数据传递至操纵器控制器52。操纵器控制器52处理取向数据，并且引导操纵器14以当手术工具16沿路径自主地移动时定向手术工具16，如在题目为“Surgical Manipulator Capable ofControlling a Surgical Instrument in Multiple Modes”的美国专利申请No.13/958,070中所公开的，其公开内容通过引用并入本文中。
参考图3，在步骤96中，手术工具16在至少一个可接受的取向65中沿路径60自主地移动。操纵器控制器52与路径生成器56和取向生成器58通信以指令操纵器14使手术工具16沿路径60并且在至少一个可接受的取向65中自主地移动。在半自主模式中，操纵器14使手术工具16沿路径60自主地移动而无需操作者处理手术工具16或者无需操作者的协助。当手术工具16沿路径60自主地移动时，手术工具16布置于至少一个可接受的取向65中。如图4中所示，当手术工具16沿路径60的每一段60a-60d从第一端点61移动至第二端点63时，操纵器14将手术工具16布置于至少一个可接受的取向65中。
在某些实施例中，操纵器控制器52包括取向调节器(未示出)，所述取向调节器在半自主模式中的正常操作期间将手术工具16的实际取向维持在至少一个优选的取向内。在题目为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利申请No.13/958,070中描述了这一点，其公开内容通过引用并入本文中。在一个实施例中，取向调节器作用为当手术工具16沿路径60移动时将手术工具16的取向维持在至少一个可接受的取向65的优选的子集内。例如，取向调节器可以将手术工具16维持于位于组织上方的虚拟孔内。
在外科手术期间，当手术工具16沿路径60自主地移动时，可能试图改变手术工具16的取向。当试图将手术工具16布置于改变的取向69中时，力被施加至手术工具16。图5A和图5B示出手术工具16相对于手术工具16的实际取向的改变的取向69。实际取向与改变的取向69之间的箭头表示手术工具16的实际取向基于所施加的力的预期的移动。
在半自主模式期间，手术工具16的取向的改变通常是由于手动干扰(interruption)所导致的。例如，如果手术工具16接触、或者即将接触物体(例如将不会被处理的组织)，则可能需要操作者改变手术工具16的取向。如果手术工具16接触、或者即将接触这样的物体，则操作者可能需要将手术工具16的取向改变为改变的取向69。因此，改变的取向69由于手动介入而发生。改变的取向69可以为操作者所期望的取向。当然，本发明所属领域的技术人员意识到的是，即使当操作者并不特别地期望这样时，取向也可能改变。例如，在自主移动期间，力可能被错误地无意地施加至手术工具16，导致试图改变手术工具16的取向。
参考图3，在步骤98中，传感器64感测施加至手术工具16的力。在题目为“SensorAssembly and Method for Measuring Forces and Torques(用于测量力和扭矩的传感器组件和方法)”的美国专利申请No.14/199,299中示出一个这样的传感器，其公开内容通过引用并入本文中。返回参考图1，传感器64联接至手术工具16。传感器64可以与手术工具16、或者在替代实施例中与操纵器14集成为一体。施加至手术工具的力可以为任何合适的施加的力，所述力包括但不限于旋转力、轴向力等。另外地或替代地，可以从传感器64的测量(例如应力测量)推断施加至手术工具16的力。还可以从传感器64的测量推断施加至手术工具16的扭矩。操作者或者任何其它外力可以将力和/或扭矩施加至手术工具16。传感器64生成与如下力相关的传感器数据：所述力被施加至手术工具16以试图将手术工具16布置于改变的取向69中。
在某些实施例中，按钮位于手术工具16上，所述按钮当操作者想要改变取向时被按下。在题目为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a SurgicalInstrument in Multiple Modes”的美国专利申请No.13/958,070中示出并描述了这样的按钮，其公开内容通过引用并入本文中。按下按钮表示操作者期望将手术工具16布置到改变的取向69中。
在某些情况下，当处于半自主模式中时，如果按钮未被按下但是相对较大的力(与正常的重新定向的力相比)施加于手术工具16上(如传感器64所感测到的)，则操纵器控制器52可以暂停能量施加装置20沿路径的前进。较大的力可能是由于操作者在没有首先按下按钮的情况下试图重新定向手术工具16、或者较大的力可能是由于手术工具16抵接例如牵开器的另一个物体。可以相对于预定阈值监测手术工具16上的所感测到的力。如果力超出预定阈值，则力可被判定为是不正常的或者较大的。操纵器控制器52可以在显示器32上为操作者显示消息以请求确认操作者想要改变取向。如果操作者确认，则机器人控制系统24接下来判定操作者所期望的改变的取向69是否为可接受的。
在图3中的步骤100处，基于所感测到的力识别改变的取向69。操纵器控制器52接收并且评估来自传感器64的传感器数据。操纵器控制器52基于传感器数据确定改变的取向69。通过这样做，操纵器控制器52预测如果操纵器14将立即对施加至手术工具16的力作出反应，则手术工具16的取向将如何移动以及将移动到哪里，以便重新定向手术工具16。所识别的改变的取向69可以储存于存储器中并且随后被操纵器控制器52访问。可以以题目为“Surgical Manipulator Capable of Controlling a Surgical Instrument inMultiple Modes”的美国专利申请No.13/958,070中所描述的方式计算改变的取向69，其公开内容通过引用并入本文中。
操纵器控制器52构造成评估改变的取向69。操纵器控制器52控制操纵器14，以使得操纵器14延迟手术工具16到改变的取向69的移动直至改变的取向69被评估。
返回参考图3，在步骤102处，操纵器控制器52构造成将改变的取向69与至少一个可接受的取向65相比较。在步骤102处，操纵器控制器52响应于该比较使手术工具16沿路径60自主地移动。
评估器66为在操纵器控制器52上运行的软件模块。在一个实施例中，评估器66评估改变的取向69以将改变的取向69与至少一个可接受的取向65相比较。评估器66可以参考储存于操纵器计算机22中的查阅表，这识别手术工具16针对每一路径60或者路径的段60a-60d的至少一个可接受的取向65。评估器66可以依靠查阅表将改变的取向69与针对路径的或者路径的其上具有手术工具16的特定的段的至少一个可接受的取向65相比较。评估器66可以通过将改变的取向69与查阅表中的取向相比较而依靠查阅表。评估器66将与由评估器66所进行的评估相关的评估数据提供至操纵器控制器52。
改变的取向69可能对应于或者可能不对应于至少一个可接受的取向65。在判定改变的取向69是否对应于至少一个可接受的取向65的过程中，操纵器控制器52评估改变的取向69是否落入至少一个可接受的取向65内。换句话说，操纵器控制器52评估改变的取向69是否与离散的可接受的取向65中的一个或者范围67中的可接受的取向65中的一个对准。可以根据任何合适的算法或者方法评定改变的取向69与可接受的取向65之间的对准。
在某些情况下，改变的取向69与可接受的取向65之间的对准必须为准确的，以确定改变的取向69对应于至少一个可接受的取向65。在其它情况下，改变的取向69与可接受的取向65之间的对准不必为准确的，以确定改变的取向69对应于至少一个可接受的取向65。在这样的情况下，改变的取向69与至少一个可接受的取向65可以基本上对准。例如，在取向65、69的对准处于一定阈值内的情况下，操纵器控制器52可以判定改变的取向69对应于至少一个可接受的取向65。
在一个示例中，操纵器控制器52构造成响应于将改变的取向69与至少一个可接受的取向65相比较而将手术工具16维持于所述至少一个可接受的取向65中。例如，操纵器控制器52构造成响应于判定改变的取向69并不对应于至少一个可接受的取向65而将手术工具16维持于所述至少一个可接受的取向65中。当手术工具16相对于路径60移动时，操纵器控制器52响应于对改变的取向69的评估并且将手术工具16维持于至少一个可接受的取向65中。
在图5A中示出这种方案的一个示例，其中通过由锥形体积所限定的范围67示出相对于路径60的可接受的取向65。手术工具16的实际取向在范围67内开始并且为可接受的取向65中的一个。力(B)被施加至手术工具16并且操纵器控制器52基于所感测到的力识别改变的取向69b。改变的取向69b被识别为超出可接受的取向65的范围67。因此，改变的取向69b并不对应于至少一个可接受的取向65。换句话说，改变的取向69b为不可接受的。因此，操纵器控制器52将手术工具16维持于所述至少一个可接受的取向65中，以及更具体地，维持于实际取向中。
如果评估器66判定改变的取向69并未落入至少一个可接受的取向65内，则被提供至操纵器控制器52的评估数据指令操纵器14阻止手术工具16移动至改变的取向69中。当手术工具16相对于路径移动时，操纵器控制器52处理由评估器66所提供的评估数据并且引导操纵器14以将手术工具16维持于至少一个可接受的取向65中。操纵器控制器52可以通过完全地阻止手术工具16的移动来阻止手术工具16移动至改变的取向69中。替代地，操纵器控制器52可以允许手术工具16在预定的时间段内、在预定的移动距离内移动至最靠近的可接受的取向65中、或者允许手术工具16移动至最靠近的可接受的取向65中直至手术工具16到达路径60中的下一段。
在另一个示例中，操纵器控制器52构造成响应于将改变的取向69与至少一个可接受的取向65相比较而指令手术工具16移动至改变的取向69。更具体地，操纵器控制器52构造成响应于判定改变的取向69对应于至少一个可接受的取向65指令手术工具16移动至改变的取向69。如果存在可接受的取向65的范围67并且改变的取向69落入范围67内，则操纵器控制器52指令操纵器14将手术工具16移动至改变的取向69。
在图5A中示出这种方案的一个示例，其中手术工具16的实际取向在范围67内开始并且为可接受的取向65中的一个。力(A)被施加至手术工具16并且操纵器控制器52基于所感测到的力识别改变的取向69a。改变的取向69a被识别为处于可接受的取向65的范围67内。因此，改变的取向69a对应于至少一个可接受的取向65。换句话说，改变的取向69a为可接受的。操纵器控制器52允许手术工具16从其实际位置移动至范围67内的改变的取向69a。在图5B中示出另一个示例，其中可接受的取向65a、65b为离散的。响应于力(C)，判定改变的取向69与离散的可接受的取向65b对准。因此，操纵器控制器52允许手术工具16从实际位置移动至离散的可接受的取向65b。在移动之后，手术工具16的实际取向与离散的可接受的取向65b对准。
在存在可接受的取向65的优选的子集的情况下，如果改变的取向69对应于优选的取向中的一个，则操纵器控制器52指令操纵器14将手术工具16移动至优选的取向。如果改变的取向69并不对应于优选的取向中的一个但是尽管如此被判定为是可接受的，则操纵器控制器52可以指令操纵器14将手术工具16移动至非优选的改变的取向69。替代地，操纵器控制器52可以指令操纵器14将手术工具16移动至最靠近改变的取向69的优选的取向。
在某些情况下，操纵器控制器52构造成即使当判定改变的取向69并不对应于至少一个可接受的取向65时允许手术工具16暂时地移动至改变的取向69。例如，操纵器控制器52可以指令操纵器14将手术工具16仅仅在预定的时间段或者预定的距离内移动至改变的取向69、或者将手术工具16移动至改变的取向69直至手术工具16到达路径60中的下一段。
在这样的方案中，操纵器控制器52构造成在预定的事件发生之后自动地将手术工具16从不可接受的改变的取向69重新定向回至少一个可接受的取向65。预定的事件的示例包括但不限于识别经过预定的时间量、使手术工具16穿过预定的距离、到达路径的下一段、在手术工具16上探测到意外的力等。预定的时间量可以例如基于手术工具16已经处于不可接受的改变的取向69中多长时间。处于不可接受的改变的取向69中的手术工具16上的意外的力可能是由于例如与部位处的物体的不期望的碰撞而引起的。
一旦预定的事件被触发或者探测到，当手术工具16继续沿路径60移动时，取向调节器就指令操纵器14将手术工具16重新定向回可接受的取向65。这种迅速返回的特征基本上使操作者能够暂时地重新定向手术工具16。然而，操纵器控制器52将手术工具16立即地布置回由取向生成器58所确定的至少一个可接受的取向65中。在某些情况下，在预定的事件发生之后，操纵器控制器52自动地将手术工具16从不可接受的改变的取向69重新定向回最靠近的可接受的取向65。替代地，操纵器控制器52可以自动地将手术工具16从不可接受的改变的取向69重新定向回优选的取向中的一个。
手术工具16还可以包括与用于指示期望改变取向的按钮相分离的手动超控按钮(manual override button)。当按下手动超控按钮时，可以将手术工具16布置至任何改变的取向69中而不论改变的取向69是否落入至少一个可接受的取向65内。当存在待避开的物体并且机器人控制系统24不允许操作者将手术工具16布置至避开所述物体的任何改变的取向69中时，可以使用手动超控按钮。在某些情况下，当采用手动超控按钮时，操纵器控制器52并不使手术工具16的取向迅速返回至至少一个优选的取向或者其它可接受的取向65中。
如果评估器66判定改变的取向69处于至少一个可接受的取向65内，则操纵器控制器52可以储存所述改变的取向69。这样，如果手术工具16由于任何原因返回至相同的相对的路径段(same relative path segment)、或者处于相同的相对的路径段的预定的距离内，则操纵器控制器52根据改变的取向69引导操纵器14重新定向手术工具16。因此，操作者对手术工具16的重新定向可以用于在沿路径进行切割的同时教导操纵器控制器52所期望的取向。
除非另作说明，在本文中所引用的任何计算机或控制器包括存储器、储存器、具有一个或多个处理器或者微处理器的中央处理单元(CPU)、输入/输出装置等。术语“存储器”旨在包括与处理器或者CPU相关联的永久存储器，例如RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、固定的存储装置(例如，硬盘驱动器)、可移除的存储装置(例如，磁盘)、闪速存储器等。
如本发明所属领域的技术人员将理解的，本发明的方面可以采取体现于一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，所述一个或多个计算机可读介质具有体现于其上的计算机可读程序代码。如在本文中所描述的，包括有用于执行本发明的方法的指令或代码的计算机软件可以储存于相关联的存储装置(例如，ROM、固定的或者可移除的存储器)中的一个或多个中，并且当准备好被利用时被部分地或者全部地加载(例如，加载到RAM中)并且由CPU实现。这样的软件可以包括但不限于固件、常驻软件、微码等。
已经在上述描述中讨论了多个实施例。然而，在本文中所讨论的实施例并不旨在为穷尽性的或者将本发明限于任何具体的形式。已经使用的术语本质上旨在描述单词而非限制单词。根据以上教导，许多修改以及变型是可能的，并且本发明可以以不同于具体描述的方式实施。

Claims (11)

1.一种机器人系统，所述机器人系统包括：
手术工具，所述手术工具能够沿路径移动；
操纵器，所述操纵器支撑所述手术工具并且构造成使所述手术工具沿所述路径移动；
路径生成器，所述路径生成器构造成确定所述路径；
取向生成器，所述取向生成器构造成确定所述手术工具相对于所述路径的至少第一可接受的取向和第二可接受的取向；
操纵器控制器，所述操纵器控制器与所述路径生成器以及所述取向生成器通信；
传感器，所述传感器构造成感测施加至所述手术工具的力；以及
其中，所述操纵器控制器构造成：
指令所述操纵器使所述手术工具沿所述路径在所述第一可接受的取向中自主地移动；
基于由所述传感器所感测到的力相对于所述路径针对所述手术工具识别改变的取向；
将所述改变的取向与所述第二可接受的取向进行比较；
并且响应于判定所述改变的取向并不对应于所述第二可接受的取向而将所述手术工具沿所述路径维持在第一可接受的取向中。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述操纵器控制器构造成响应于判定所述改变的取向对应于所述第二可接受的取向指令所述手术工具移动至所述改变的取向。
3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述操纵器控制器构造成通过响应于判定所述改变的取向并不对应于所述第二可接受的取向允许所述手术工具暂时地移动至所述改变的取向，并且通过在预定的事件发生之后自动地将所述手术工具从所述改变的取向重新定向回所述第一可接受的取向而将所述手术工具维持在所述第一可接受的取向中。
4.根据权利要求3所述的机器人系统，其中，所述预定的事件包括以下中的一种：
经过预定的时间量；
所述手术工具穿过预定的距离；
所述手术工具到达随后的路径段；
在所述手术工具上检测到不期望的力。
5.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述第二可接受的取向包括多个第二可接受的取向。
6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中，所述多个第二可接受的取向限定于一定的范围内。
7.根据权利要求5所述的机器人系统，其中，在所述多个第二可接受的取向中限定至少一个优选的取向。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的机器人系统，其中，所述路径包括多个路径段，并且其中所述取向生成器构造成确定相对于所述多个路径段中的每一个路径段的所述至少第一可接受的取向和第二可接受的取向。
9.根据权利要求1-7中的任一项所述的机器人系统，其中，响应于试图将所述手术工具布置于所述改变的取向中，由所述传感器所感测到的力被施加至所述手术工具。
10.根据权利要求1-7中的任一项所述的机器人系统，其中，所述取向生成器构造成确定用于使所述手术工具能够沿所述路径避开障碍物的所述至少第一可接受的取向和第二可接受的取向。
11.根据权利要求1-7中的任一项所述的机器人系统，其中，所述取向生成器构造成确定用于最优化所述手术工具沿所述路径的切割效率的所述至少第一可接受的取向和第二可接受的取向。
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