CN107708595A - 超灵巧型手术系统用户接口装置 - Google Patents

Abstract

公开了用户接口装置。所述装置可包含可握持在用户的手中的主体。所述主体具有外表面，所述外表面可由所述用户的手的手指夹持，以促进所述用户的手对所述主体的平移和旋转。所述装置可包含设置在所述主体内的一个或多个传感器。在一些实施例中，所述一个或多个传感器可将所述主体的位置和取向信息中的一个或两个提供到控制系统。所述主体可经由所述主体的由所述用户的手指夹持的所述外表面向所述用户提供反馈，和/或可经由所述主体的平移、所述主体的旋转、所述用户的手指对所述外表面的按压以及所述主体的所述纵向轴线的角取向的变化中的一个或多个接收来自所述用户的控制输入。还提供了使用用户接口装置的方法。

Description

超灵巧型手术系统用户接口装置

通过引用而结合任何优先权申请

本申请案在美国法典第35篇第119条(e)款下主张2015年4月23日提交的美国临时申请号62/151596的优先权权益，所述美国临时申请以全文引用的方式并入本文中且应被视为本说明书的一部分。本申请以全文引用的方式并入有2014年3月13日提交的国际申请号PCT/US2014/026115，其在美国指定且于2014年9月25日用英文公布为WO 2014/151621，所述国际申请应被视为本说明书的一部分。本申请以全文引用的方式并入有2015年2月24日提交的美国临时号62/120,128，所述美国临时号以全文引用的方式并入本文中，其应被视为本说明书的一部分。

技术领域

手术机器人允许外科医生以微创方式对患者实施手术。本申请涉及手术系统和方法，且更具体地说涉及用于具有一个或多个超灵巧型手术臂和一个或多个末端执行器的超灵巧型手术系统的用户接口装置及其操作方法。

背景技术

机器人的使用在所有生活方面发展和扩散。一些机器人是自主的，在于除了刚刚启动机器人并指示机器人执行一组任务外无需人为干预。一些其它机器人由人类操作员控制。用于手术的市售机器人系统是后一种的实例，其中操作员控制机器人。

通常，此类系统具有操作员能够借以操纵机器人的控制台。因此，外科医生在使用市售机器人手术系统时远离患者，常常坐在远程控制台处。通常，市售系统使用机械接地用户接口装置。通常，这些接地用户接口装置在空间上固定到用户控制台。接地用户接口装置传达取向感和方向感。接地用户接口装置在自由空间中不进行操纵。

在市售系统中，接地用户接口装置可在各种情形下(例如当机器人系统达到接头极限时)提供反馈。反馈可由用户输入装置难以移动的用户简单感觉提供。在更高级的方法中，机器人系统可有意使接地用户接口装置运动以提供反馈。

接地用户接口装置的主要功能是提供操作员灵巧地操纵工具和末端执行器的能力。在市售机器人手术系统中，大型机器人臂控制机器人工具。工具被插入到小切口中。机器人工具的远端通常包含用于在患者体内进行过程的末端执行器(例如，抓紧器、钉合器等)。在机器人臂的能力限制内，末端执行器在空间中平移。外科医生通常根据远离患者的沉浸式控制台控制机器人臂。机器人工具也能够进行某些手术任务，但不是非常适于其它手术任务。

在市售手术机器人系统中，大体上经由机器人相机观察机器人工具的运动。机器人相机的运动由机器人臂控制，同样也像其它机器人工具一样在外科医生的控制下。控制接地用户接口装置的外科医生的手的移动可映射到机器人工具在相机的参考系中的移动。接地用户接口装置的运动映射到机器人相机的参考系内的机器人工具的远端执行器。提供给外科医生的参考信息因此受限于相机所提供的视野。显示器通常严格地从由机器人握持的相机的视角示出机器人工具的远端的运动。

外科医生因此必须借助相机所提供的有限的信息创建身体结构的构思模型，从而根据特定任务的需要控制机器人工具。由于外科医生在控制台处的远程位置，因此他无法获取患者的额外视野以便加强他对手术空间的理解。机器人相机的有限视角使得手术的各方面不太自然。举例来说，从腹部的一个四分之一圆周到另一四分之一圆周进行大的移动、尤其是包括相机掠过包含患者的中线的圆弧的运动极具挑战性。

通常，外科医生通过提供沉浸式体验的观察器来观察手术部位和工具。在一些情况下，外科医生与辅助工作人员之间的通信由于外科医生在控制台上的位置而受限或受阻。进行机器人手术的团队需要高度训练和熟练，这是因为外科医生远离患者且无法直接与工作人员通信。耗费数月(在一些情况下数年)的实践以在进行机器人手术的情形中实现高水平的效率。这使得团队成员难以被替换。另外，从此远程位置(控制台处)，外科医生无法在控制机器人臂的同时同步使用手动工具。

当前系统的缺点在于其向外科医生提供的信息有限。通常，此信息局限于机器人相机的视野。外科医生无法在使用接地用户接口装置的同时观察患者。外科医生无法接收关于患者的身体结构的反馈。外科医生无法在使用接地用户接口装置的同时使用手动工具或触碰患者。市售机器人手术系统的另一缺点在于其不允许外科医生能够在手术期间重新定位他或她的位置。外科医生必须留在沉浸式控制台处以操纵接地用户接口装置借助机器人工具的末端执行器进行手术任务。

发明内容

需要这样一种用户接口装置：其克服上文所论述的市售机器人手术系统的缺陷且当外科医生进行手术过程时提供灵活性。

用户接口装置与上述市售用户接口装置相比提供优点。不接地和主体接地用户接口装置的一个方面在于这些装置在自由空间中进行操纵。不接地和主体接地用户接口装置有利地不限于控制台。不接地和主体接地用户接口装置可以用户站立或坐下时的自然高度进行操纵，且可有利地在外科医生围绕手术室移动时进行操纵。

不接地和主体接地用户接口装置的一个方面在于这些装置可以是有线的或无线的。无线不接地和主体接地用户接口装置可有利地允许用户围绕操作场所自由移动而没有电线的限制。有线不接地和主体接地用户接口装置可提供更可靠的连接以传达来自不接地和主体接地用户接口装置的信号和信息。

不接地和主体接地用户接口装置的一个方面在于这些装置可具有提供取向感的形状。不接地和主体接地用户接口装置可包含接口或表面，用户可将他或她的手指放在所述接口或表面上。不接地和主体接地用户接口装置可具有细长形状。举例来说，细长形状的末端可提供取向感(例如，正面、反面)。举例来说，不接地和主体接地用户接口装置的表面可提供取向感(例如，顶部、底部)。

不接地和主体接地用户接口装置的一个方面在于这些装置提供可在何处操作不接地和主体接地用户接口装置的通用性。不接地和主体接地用户接口装置有利地是便携式的且可随外科医生一起移动。不接地和主体接地用户接口装置可根据相对于操作场所内的患者的任何位置和/或取向使用。不接地和主体接地用户接口装置可邻近患者操作。不接地和主体接地用户接口装置可在远离患者的位置处(例如，控制台处)操作。不接地和主体接地用户接口装置可在用户相对于患者使他或她自我重新取向时操作。

不接地和主体接地用户接口装置的一个方面在于这些装置可向用户提供反馈。不接地和主体接地用户接口装置可提供有关例如超灵巧型手术系统的移动限制的反馈。不接地和主体接地用户接口装置可提供接头极限的反馈。不接地和主体接地用户接口装置可提供关于手术空间的反馈。不接地和主体接地用户接口装置可当末端执行器与硬的物体碰撞或有可能与硬的物体碰撞时提供反馈。不接地和主体接地用户接口装置可提供有关末端执行器触碰的物体的硬度或柔软度的反馈。不接地和主体接地用户接口装置可提供压力形式的反馈。不接地和主体接地用户接口装置可提供声音形式的反馈。不接地和主体接地用户接口装置可提供例如光形式等视觉反馈。

不接地和主体接地用户接口装置的一个方面在于这些装置可防止患者受伤。不接地和主体接地用户接口装置可有利地防止末端执行器跟着不接地和主体接地用户接口装置，例如当使不接地和主体接地用户接口装置无意落下时。不接地和主体接地用户接口装置可提供阻抗信息。阻抗值将会在用户使不接地和主体接地用户接口装置落下时改变。超灵巧型手术系统可防止当阻抗值超过阈值时末端执行器跟着不接地和主体接地用户接口装置的运动。不接地和主体接地用户接口装置可提供加速度信息。加速度将在用户使不接地和主体接地用户接口装置落下时改变。超灵巧型手术系统可防止当加速度值超过阈值时末端执行器跟着不接地和主体接地用户接口装置的运动。

在一些实施例中，公开手持型便携式用户接口装置。装置可包含被配置成握持在用户手中的主体。在一些实施例中，主体包括近端部分和远端部分，并沿着由主体的近端与远端之间的纵向轴线限定的长度延伸。在一些实施例中，主体沿着沿横向于纵向轴线延伸的横向轴线限定的宽度延伸。在一些实施例中，主体的长度大于宽度。在一些实施例中，主体包括外表面，所述外表面被配置成由用户的手的手指夹持且促进用户的手对主体的平移和旋转。装置可包含设置在主体内的一个或多个传感器。在一些实施例中，一个或多个传感器被配置成将主体的位置和取向信息中的一个或两个提供到控制系统。在一些实施例中，主体被配置成经由主体的平移、主体的旋转、用户的手指对外表面的按压以及主体的纵向轴线的角取向的变化中的一个或多个接收来自用户的控制输入。

在一些实施例中，主体被配置成经由主体的由用户的手的手指夹持的外表面向用户提供触觉反馈。在一些实施例中，用户接口装置仅仅由用户的手支撑。在一些实施例中，用户接口装置被配置成将输入提供到控制系统以将用户接口装置的运动转变成机器人臂的末端执行器的运动。在一些实施例中，一个或多个传感器提供功能冗余。在一些实施例中，一个或多个传感器是不同类型的。在一些实施例中，一个或多个传感器包含接近度传感器。在一些实施例中，外表面被配置成由用户下压。在一些实施例中，主体包括被配置成以流体填充的腔室，其中用户对外表面的下压使腔室中所感测的压力改变，所感测的压力的所述变化被传达到控制系统以将所感测的压力转换成借助主体控制的机器人臂的末端执行器所施加的力。在一些实施例中，主体进一步包括泵，所述泵被配置成改变腔室的压力，从而向用户提供触觉反馈。

在一些实施例中，公开手持型用户接口装置。装置可包含主体，所述主体被配置成握持在用户的手中且仅仅由用户的手支撑。任选地，主体还可由用户的臂支撑。在一些实施例中，主体包括外表面，所述外表面被配置成由用户的手的手指夹持以促进用户的手对主体的平移和旋转。装置可包含设置在主体内的一个或多个传感器。在一些实施例中，一个或多个传感器被配置成将主体的位置和取向信息中的一个或两个提供到控制系统。在一些实施例中，主体被配置成经由主体的由用户的手指夹持的外表面向用户提供反馈。

在一些实施例中，主体被配置成经由主体的平移、主体的旋转、用户的手指对外表面的按压、以及主体的纵向轴线的角取向的变化中的一个或多个接收来自用户的控制输入。装置可任选地包含内部底盘，所述内部底盘被配置成在主体的外表层内移动以调整用户接口装置的纵向轴线的取向。在一些实施例中，内部底盘相对于外表层移动以达到所希望的俯仰和/或偏转取向并以触觉方式将此传达给用户。在一些实施例中，内部底盘用选自由以下组成的群组中的以下方式中的一种移动：扩张、缩回、脉动和旋转。在一些实施例中，内部底盘具有实现内部底盘的运动的一个或多个致动器。在一些实施例中，一个或多个致动器包括可驱动来达到所希望的滚动取向的环圈。在一些实施例中，内部底盘调整俯仰、偏转和/或滚动取向以维持用户接口装置轴线的纵向轴线与由用户接口装置控制的装置(例如，末端执行器)的轴线对齐。在一些实施例中，内部底盘响应于由用户接口装置控制的装置(例如，末端执行器)上的力调整俯仰、偏转和/或滚动取向。在一些实施例中，主体包括用于改变主体的形状的一个或多个致动器。在一些实施例中，主体包括用于改变主体的形状的一个或多个压力腔室。

在一些实施例中，公开使用手持型便携式用户接口装置的方法。所述方法可包含借助用户的手握持用户接口装置的主体的步骤。在一些实施例中，主体包括近端部分和远端部分，并沿着沿主体的近端与远端之间的纵向轴线限定的长度延伸。在一些实施例中，主体沿着沿横向于纵向轴线延伸的横向轴线限定的宽度延伸。在一些实施例中，主体的长度大于宽度。在一些实施例中，装置包含设置在主体内的一个或多个传感器，所述一个或多个传感器将主体的取向信息提供到控制系统。所述方法可包含以下步骤：根据主体的平移、主体的旋转、用户的手指对外表面的按压、以及主体的纵向轴线的角取向的变化中的一个或多个生成控制信号。

所述方法可包含以下步骤：将所述控制信号传达到控制系统以借助用户接口装置控制装置(例如机器人臂的末端执行器)的操作。所述方法可包含以下步骤：将用户接口装置的运动转变成借助用户接口装置控制的装置(例如，末端执行器)的运动。所述方法可包含以下步骤：接收控制信号以使底盘在用户接口装置的主体内移动。所述方法可包含以下步骤：使底盘在主体内移动，从而调整用户接口装置的纵向轴线的取向。所述方法可包含以下步骤：使底盘移动以达到由用户接口装置控制的末端执行器的轴线的所希望的俯仰和/或偏转取向。所述方法可包含以下步骤：用选自由以下组成的群组中的以下方式中的一种移动内部底盘：扩张、缩回、脉动和旋转。所述方法可包含以下步骤：致动环圈以达到由用户接口装置控制的末端执行器的轴线的所希望的滚动取向。所述方法可包含以下步骤：调整俯仰、偏转和/或滚动取向以维持用户接口装置轴线的纵向轴线与由用户接口装置控制的装置(例如，末端执行器)的轴线对齐。所述方法可包含以下步骤：响应于所述装置(例如，末端执行器)上的力调整底盘的俯仰、偏转和/或滚动取向。所述方法可包含以下步骤：以驱动模式操作用户接口装置，其中末端执行器由用户接口装置移动。所述方法可包含以下步骤：以非驱动模式操作用户接口装置，其中用户接口装置的底盘维持用户接口装置轴线的纵向轴线与末端执行器的轴线对齐而不管用户对用户接口装置的移动。在一些实施例中，底盘的移动提供有关接头极限的反馈。在一些实施例中，底盘的移动提供有关末端执行器所经历的力的反馈。在一些实施例中，握持主体包括仅仅借助用户的手支撑主体。在一些实施例中，借助用户的手指对外表面的按压生成压力信号，控制系统将所述压力信号转换成机器人臂的末端执行器所施加的力。在一些实施例中，用户的手指对外表面的按压进一步包括在主体的任何旋转位置处对外表面的按压。

根据本发明的方面，提供一种手持型便携式用户接口装置，其包括：被配置成握持在用户的手中的主体，所述主体包括近端部分和远端部分并沿着由主体的近端与远端之间的纵向轴线限定的长度延伸，所述主体沿着沿横向于纵向轴线延伸的横向轴线限定的宽度延伸，主体的长度大于宽度，所述主体包括外表面，所述外表面被配置成由用户的手的手指夹持且促进用户的手对主体的平移和旋转；以及设置在主体内的一个或多个传感器，其被配置成将主体的位置和取向信息中的一个或两个提供到控制系统，其中所述主体被配置成经由主体的平移、主体的旋转、用户的手指对外表面的按压、以及主体的纵向轴线的角取向的变化中的一个或多个接收来自用户的控制输入。

所述装置可被布置成使得主体被配置成经由主体的由用户的手的手指夹持的外表面向用户提供触觉反馈。

所述装置可被布置成使得用户接口装置仅仅由用户的手支撑。

所述装置可被布置成使得用户接口装置被配置成向控制系统提供输入从而将用户接口装置的运动转变成机器人臂的末端执行器的运动。

所述装置可被布置成使得一个或多个传感器提供功能冗余。

所述装置可被布置成使得一个或多个传感器是不同类型的。

所述装置可被布置成使得一个或多个传感器包含接近度传感器。

所述装置可被布置成使得外表面被配置成由用户下压。

所述装置可被布置成使得主体包括被配置成以流体填充的腔室，其中用户对外表面的下压使腔室中所感测的压力改变，所感测的压力的所述变化被传达到控制系统以将所感测的压力转换成借助主体控制的机器人臂的末端执行器所施加的力。

所述装置可被布置成使得主体进一步包括泵，所述泵被配置成改变腔室的压力从而向用户提供触觉反馈。

根据本发明的另一方面，提供一种手持型用户接口装置，其包括：被配置成握持在用户的手中且仅仅由用户的手支撑的主体，所述主体包括外表面，所述外表面被配置成由用户的手的手指夹持以促进用户的手对主体的平移和旋转；以及设置在主体内的一个或多个传感器，其被配置成将主体的位置和取向信息中的一个或两个提供到控制系统，其中所述主体被配置成经由主体的由用户的手指夹持的外表面向用户提供反馈。

所述装置可被布置成使得主体被配置成经由主体的平移、主体的旋转、用户的手指对外表面的按压、以及主体的纵向轴线的角取向的变化中的一个或多个接收来自用户的控制输入。

所述装置可被布置成使得装置进一步包括内部底盘，所述内部底盘被配置成在主体的外表层内移动以调整用户接口装置的纵向轴线的取向。

所述装置可被布置成使得内部底盘相对于外表层移动以达到所希望的俯仰和/或偏转取向并以触觉方式将此传达给用户。

所述装置可被布置成使得内部底盘用选自由以下组成的群组中的以下方式中的一种移动：扩张、缩回、脉动和旋转。

所述装置可被布置成使得内部底盘具有实现内部底盘的运动的一个或多个致动器。

所述装置可被布置成使得一个或多个致动器包括可致动来达到所希望的滚动取向的环圈。

所述装置可被布置成使得内部底盘调整俯仰、偏转和/或滚动取向以维持用户接口装置轴线的纵向轴线与由用户接口装置控制的末端执行器的轴线对齐。

所述装置可被布置成使得内部底盘响应于末端执行器上的力调整俯仰、偏转和/或滚动取向。

所述装置可被布置成使得主体包括用于改变主体的形状的一个或多个致动器。

所述装置可被布置成使得主体包括用于改变主体的形状的一个或多个压力腔室。

根据本发明的另一方面，提供一种使用手持型便携式用户接口装置的方法，其包括：借助用户的手握持用户接口装置的主体，所述主体包括近端部分和远端部分并沿着沿主体的近端与远端之间的纵向轴线限定的长度延伸，所述主体沿着沿横向于纵向轴线延伸的横向轴线限定的宽度延伸，主体的长度大于宽度，其中设置在主体内的一个或多个传感器将主体的取向信息提供到控制系统；以及根据主体的平移、主体的旋转、用户的手指对外表面的按压、以及主体的纵向轴线的角取向的变化中的一个或多个生成控制信号。

所述方法可包含将所述控制信号传达到控制系统以借助用户接口装置控制机器人臂的末端执行器的操作。

所述方法可包含将用户接口装置的运动转变成末端执行器的运动。

所述方法可包含接收控制信号以使底盘在用户接口装置的主体内移动。

所述方法可包含使底盘在主体内移动，从而调整用户接口装置的纵向轴线的取向。

所述方法可包含使底盘移动以达到由用户接口装置控制的末端执行器的轴线的所希望的俯仰和/或偏转取向。

所述方法可包含用选自由以下组成的群组中的以下方式中的一种移动内部底盘：扩张、缩回、脉动和旋转。

所述方法可包含致动环圈以达到由用户接口装置控制的末端执行器的轴线的所希望的滚动取向。

所述方法可包含调整底盘的俯仰、偏转和/或滚动取向以维持用户接口装置轴线的纵向轴线与由用户接口装置控制的末端执行器的轴线对齐。

所述方法可包含响应于末端执行器上的力调整底盘的俯仰、偏转和/或滚动取向。

所述方法可包含以驱动模式操作用户接口装置，其中末端执行器由用户接口装置移动。

所述方法可包含以非驱动模式操作用户接口装置，其中用户接口装置的底盘维持用户接口装置轴线的纵向轴线与末端执行器的轴线对齐而不管用户对用户接口装置的移动。

所述方法可被布置成使得底盘的移动提供有关接头极限的反馈。

所述方法可被布置成使得底盘的移动提供有关末端执行器所经历的力的反馈。

所述方法可被布置成使得握持主体包括仅仅借助用户的手支撑主体。

所述方法可被布置成使得用户的手指对外表面的按压生成压力信号，控制系统将所述压力信号转换成机器人臂的末端执行器所施加的力。

所述方法可被布置成使得用户的手指对外表面的按压进一步包括在主体的任何旋转位置处对外表面的按压。

除非另行陈述，或除非明确不相容，否则本发明的每个实施例可包括除了本文所描述的基本特征外的如根据本发明的彼此实施例所描述的一个或多个特征。

附图说明

图1A示意性地示出不接地用户接口装置的实施例。

图1B示意性地示出与图1A的不接地用户接口装置交互的用户。

图2是图1A的不接地用户接口装置沿平面B-B的横截面视图。

图3是不接地用户接口装置的实施例的横截面视图。

图4示意性地示出不接地用户接口装置的实施例。

图5示意性地示出主体接地用户接口装置的实施例。

图6A是不接地用户接口装置的实施例的横截面视图。

图6B示意性地示出图6A的底盘。

图7是图6A的不接地用户接口装置的环圈的横截面视图。

图8示出根据一些实施例的具有用于将操作员的手的耦合运动解耦的多个传感器的超灵巧型手术系统。

具体实施方式

2014年3月13日提交的在美国指定且2014年9月25日用英文公布为WO 2014/151621的国际申请号PCT/US2014/026115描述各种超灵巧型手术系统。本申请以引用的方式并入。本申请描述一种新的类型的机器人系统。超灵巧型手术系统克服典型市售机器人系统的缺陷。然而，用户接口装置的通用性需要匹配超灵巧型手术系统的工具或末端执行器的移动的通用性。本文如此公开的是能够以通用性控制超灵巧型手术系统的用户接口装置。用户接口装置可控制末端执行器或工具。末端执行器的实例包含抓紧器或夹钳。如本文所使用，末端执行器应被理解为包含以下中的任何一个：(1)机器人臂的最远端部分，通常是与操作性环境交互的部分；(2)(1)的模拟或虚拟版本；和/或(3)被设计成促进用户与虚拟环境或任何其它3D或2D数据集(例如，MRI或CT扫描数据)交互的2D或3D鼠标、触笔、指针等。本文所描述的用户接口装置是多用途3D输入装置。在一些实施例中，本文所描述的用户接口装置可控制实体机器人。

本文公开至少两种新的类型的用户接口装置。一种新的类别的用户接口装置是主体接地用户接口装置。主体接地用户接口装置有利地耦合到用户身体的一部分。此部分可随用户的身体(例如，外科医生的手)一起移动。另一种新的类别的用户接口装置是不接地用户接口装置。不接地用户接口装置可以是有线的或无线的。这两种新的类别可与典型市售系统中所发现的可归类为接地用户接口装置的用户接口装置形成对比。这两种新的类别提供一种以通用方式控制超灵巧型机器人系统的方式。

主体接地用户接口装置或不接地用户接口装置采用非常不同的范例以控制机器人系统，尤其是用于手术的机器人系统。接地用户接口装置与主体接地用户接口装置或不接地用户接口装置之间的一个差异在于，不同于接地用户接口装置，后两种用户接口装置有利地在自由空间中进行操纵。在传达取向感和方向感的同时，主体接地用户接口装置和不接地用户接口装置提供操作员灵巧地操纵工具和末端执行器的能力—用户接口装置的主要功能。存在这样一种需要：提供主体接地用户接口装置和不接地用户接口装置存在的各种情形的反馈。

存在由于主体接地用户接口装置和不接地用户接口装置的不接地性质而引发的其它需求。当涉及不接地用户接口装置时，一种需求尤其涉及安全。举例来说，如果不接地用户接口装置意外落下，那么需要落实保护以防止超灵巧型机器人臂跟着落下的用户接口装置，从而使患者受伤。对用户接口装置存在一些需求以便利用此类系统所提供的通用性。

如上文所指出，本文描述两种主要类型的用户接口装置：不接地用户接口装置和主体接地用户接口装置。用户接口装置的形状可被选择成提供取向感且提供通用操纵。可使用低成本材料，从而使得用户接口装置可以是一次性的。一次性用户接口装置还解决了无菌问题。如果用户接口装置的成本低且是一次性的，那么当操作员打开包装并使用用户接口装置时可确保无菌，正如任何其它一次性工具一样。因此，低成本设计解决了无菌需要。还描述向用户提供触觉反馈的机构。两种类型的用户接口装置可具有向用户和超灵巧型机器人系统提供实时信息的传感器。举例来说，倘若用户接口装置中的一个即将落下，那么传感器可将信息提供到超灵巧型机器人系统，使得对应工具不会跟着用户接口装置的移动，从而防止使患者受伤。

不接地用户接口装置和主体接地用户接口装置有诸多益处。这些用户接口装置有利地允许操作员靠近患者。操作员在手术过程期间相对于患者的身体结构可采取方便的位置。此外，操作员随手术过程进行相对于患者的身体结构可采取不同的位置。由于此类用户接口装置所提供的移动自由，因此例如外科医生等操作员可操作一个或多个用户接口装置来进行手动和机器人手术的组合，或只进行机器人手术。

图1A示出不接地用户接口装置(UID)10的实施例。不接地用户接口装置10可包括具有多个区段的主体。图1A中所示出的实施例具有三个区段：第一区段20、第二区段30和第三区段40。主体可具有任何数目的区段。区段可具有不同的配置。区段可具有相同的配置。第一区段20可锥形化。第一区段20可提供表面以便于用户的手指抓紧用户接口装置10。第一区段20可波形化。第一区段20可包含针对手指的凹槽。第一区段20可以是不接地用户接口装置10的底部区段。涵盖第一区段20的其它配置。第二区段30可锥形化。第二区段30可以是不接地用户接口装置10的顶部区段。第三区段40可容纳磁性位置传感器，如本文所描述。不接地用户接口装置10可以是有线的(未示出)或无线的。电线可用于对用户接口装置10供电。电线可用于承载信号(例如，与UID 10的磁性位置传感器相关联的信号)。举例来说，电线可用于将信号承载到控制系统，如本文所描述。在一些实施例中，用户接口装置10可以是无线的。

在一些实施例中，主体可以是卵形主体。主体可以是蛋形。主体可具有卵形形态。在一些实施例中，主体具有至少一个对称轴。在一些实施例中，主体的形状稍微偏离椭圆的形状，其中一端具有与另一端不同的曲率。第一区段20可近似于扁长球体的形状。第二区段30可近似于球形椭圆体的形状。第二区段30可近似于稍微扁球形球体。第一区段20和第二区段30可具有两个不同的半径。

不接地用户接口装置10的主体可以是便携式的。在其它实施例中，本文所描述的用户接口装置不是便携式的。用户接口装置可耦合到支撑件。用户接口装置可耦合到从支撑件延伸的绳索。用户接口装置可耦合到机器人控制台。

图1B示出人手50有利地握持这种不接地用户接口装置10的方式。用户接口装置10可以是有线的或无线的。为方便起见，图1B并未示出电线。除了能够借助用户的手腕移动用户接口装置10之外，用户接口装置10的形状使得用户接口装置10可仅借助用户的手指有效地进行移动。能够仅借助手指移动用户接口装置10的能力提供增强型灵巧性。

不接地用户接口装置10的细长形状还可提供方向感和取向感。不接地用户接口装置10具有图1A中所示出的中心轴线15。中心轴线15从第一区段20延伸到第三区段40。中心轴线沿细长的不接地用户接口装置的纵向轴线延伸。在一些实施例中，中心轴线15是对称轴。在一些实施例中，机器人工具的纵向轴线可通过沿用户接口装置10的中心轴线15控制用户接口装置10进行控制。另外在多数情况下，用户接口装置10的中心轴线15可用来控制工具的滚动运动。

不接地用户接口装置10可以是子弹形状。在一些实施例中，第一区段20可以是半球形的或大体上半球形的。在一些实施例中，第一区段20是圆锥形的或大体上圆锥形的。在一些实施例中，第一区段20是抛物线形的或大体上抛物线形的。第一区段20可分成一个或多个子区段。子区段可具有不同的形状和/或起到不同的功能。图1A示出第一区段20靠近不接地用户接口装置10的末端的子区段和第一区段20靠近唇缘25的子区段。靠近唇缘的子区段可安放在如本文所描述的腔室上方。子区段可具有不同的曲率半径。在一些实施例中，第二区段30是半球形的或大体上半球形的。在一些实施例中，第三区段40是圆柱形的或大体上圆柱形的。

不接地用户接口装置10包含可靠近用户的手的手掌握持的近端。不接地用户接口装置10包含远离用户的手掌指向的远端。用户接口装置10的中心轴线15从近端延伸到远端。中心轴线15还可被叫作细长轴线或对称轴。中心轴线15沿不接地用户接口装置10的长度。不接地用户接口装置10具有与细长轴线15横向(例如，以90度)延伸的横向轴线。横向轴线沿不接地用户接口装置10的宽度。不接地用户接口装置10具有沿细长轴线的细长维度和沿横向轴线的横向维度。在一些实施例中，细长维度大于横向维度。这形成长方形形状的不接地用户接口装置10。在一些实施例中，细长维度约是横向维度的两倍。涵盖其它维度(例如，细长维度约是横向维度的1.5倍，细长维度约是横向维度的3倍，细长维度约是横向维度的4倍等)。

当用户握持不接地用户接口装置10时，中心轴线15任选地大体上平行于用户的手指的轴线延伸。当用户握持不接地用户接口装置10时，中心轴线15大体上与用户的手的轴线对齐。当用户握持不接地用户接口装置10时，中心轴线15可任选地大体上与前臂的轴线对齐。

不接地用户接口装置10包含沿横向平面的大体上圆形横截面，从而形成圆化外表面。这可以是第一区段20的外表面、第二区段30的外表面或者第一区段20和第二区段30的外表面。第一区段20可具有与第二区段30不同的曲率半径。此不同的形状可允许用户靠近手的手掌安放第一区段20，而远离手掌安放第二区段30。外表面允许用户借助用户的手旋转(例如，围绕中心轴线15)不接地用户接口装置10。外表面允许用户将不接地用户接口装置10旋转360度。用户可顺时针或逆时针转动不接地用户接口装置10。

不接地用户接口装置10的外表面具有至少一个表面以促进用户抓紧接口装置10。至少一个表面可以是唇缘25。唇缘25可围绕整个不接地用户接口装置10或不接地用户接口装置10的一部分延伸。

在使用时，不接地用户接口装置10的外表面可由用户下压，如本文所描述。举例来说，不接地用户接口装置10的外表面的至少一部分可由用户的手指挤压。不接地用户接口装置10可任选地包含本文所描述的腔室。腔室可用流体(例如，液体)填充。用户可从外表面下压(例如，通过借助他或她的手指在接口装置10的表面上推动)腔室。不接地用户接口装置10可任选地包含泵。泵可改变腔室的压力以向用户提供触觉反馈，如本文所描述。由于用户在用户接口装置10的外表面上按压而感测到的腔室中的压力由控制系统转换成末端执行器所施加的力。

不接地用户接口装置10的大小允许用户借助用户的手平移不接地用户接口装置10。在一些实施例中，用户接口装置仅仅由用户的手支撑。

不接地用户接口装置10可任选地包含一个或多个传感器。传感器可将关于不接地用户接口装置10的取向信息提供到控制系统。不接地用户接口装置10可向控制系统提供输入，从而将用户接口装置的运动转变成机器人臂的末端执行器的运动。

使用装置的方法可在图1B中示出。用户可如图所示握持用户接口装置10的主体。用户可借助手旋转主体的外表面。用户可借助手旋转和平移主体。设置在主体内的传感器在握持、旋转或平移步骤中的一个或多个期间可将关于用户接口装置的取向信息提供到控制系统。所述方法可包含以下步骤：将用户接口装置的运动转变成机器人臂的末端执行器的运动。所述方法可包含以下步骤：夹持主体的唇缘25。所述方法可包含以下步骤：下压主体的外表面。所述方法可包含以下步骤：将用户的手施予在主体的外表面上的压力转换成机器人臂的末端执行器所施加的力。所述方法可包含以下步骤：用户在用户接口装置的(例如，围绕中心轴线15)任何旋转位置处下压外表面。所述方法可包含以下步骤：用流体(例如，液体)填充主体的腔室。所述方法可包含以下步骤：从外表面下压腔室(例如，用户通过在主体的外表面上按压而下压腔室)。所述方法可包含以下步骤：将腔室的压力转换成机器人臂的末端执行器所施加的力。所述方法可包含以下步骤：借助泵改变腔室的压力以向用户提供触觉反馈(例如，经由腔室中显现且传达给夹持主体的用户的手的压力变化)。

图2示出沿图1A中所示出的平面B-B的横截面。如本文所描述，不接地用户接口装置10可具有三个区段：第一区段20、第二区段30和第三区段40。在一些实施例中，促进抓紧的特征可设置在用户接口装置10的外表面上。图2示出唇缘25。用户可使用此唇缘25来抓紧用户接口装置10。例如唇缘25等特征可用来向用户提供位置或取向信息。

在图2中所示出的配置中，电线45从第三区段40延伸。电线45可耦合到磁性位置传感器130。磁性位置传感器130可类似于本领域中已知的磁性位置传感器。磁性位置传感器130可确定不接地用户接口装置10的位置。磁性位置传感器130可将位置数据传输到控制系统，如本文所描述。如本文所指出，可使用其它类型的传感器，包含但不限于无线传感器。另一组传感器可耦合到传感器和电子装置底座120。传感器和电子装置底座120可任选地容纳一个或多个传感器。传感器和电子装置底座120充当一个或多个传感器的底座。传感器和电子装置底座120使一个或多个传感器相对于彼此固持在固定位置中。在一些实施例中，传感器和电子装置底座120设置在不接地用户接口装置10的主体内。传感器和电子装置底座120可设置在第一区段20、第二区段30和/或第三区段40中。在一些实施例中，一个或多个传感器可任选地设置在不接地用户接口装置10的主体外。可耦合到传感器和电子装置底座120的传感器包含不限于陀螺仪和加速度计。陀螺仪和加速度计能够测量用户接口装置10的旋转和取向(例如，角取向)。传感器和电子装置底座120可包含至少一个陀螺仪。传感器和电子装置底座120可包含至少一个加速度计。传感器和电子装置底座120可包含至少一个磁力计。传感器和电子装置底座120可包含至少一个6DOF(自由度)传感器。传感器和电子装置底座120可包含至少一个惯性测量单元(IMU)。

本领域中已知的任何传感器可耦合到传感器和电子装置底座120。不接地用户接口装置10可包含一个或多个传感器。一个或多个传感器可确定不接地用户接口装置10的位置和/或取向。一个或多个传感器可检测不接地用户接口装置10的运动。一个或多个传感器可确定用户是否正握持不接地用户接口装置10(例如，通过测量不接地用户接口装置10的表面的阻抗，如本文所描述)。一个或多个传感器可确定用户是否正对不接地用户接口装置10施加压力(例如，通过测量不接地用户接口装置10的腔室的压力，如本文所描述)。

在一些实施例中，不接地用户接口装置10包含电机100。可通过控制电机100的操作向用户提供触觉反馈。举例来说，可向用户提供电机100的开关次数和速度的信息。电机100可任选地是径向电机，如图所示。代替径向电机或除径向电机外，触觉反馈还可通过使用旋转质量块或振动电机而提供。不接地用户接口装置10可包含提供触觉反馈的一个或多个机构。触觉反馈可由电机100提供。触觉反馈可通过改变腔室的压力而提供，如本文所描述。触觉反馈可通过不接地用户接口装置10的振动提供。涵盖其它类型的反馈。不接地用户接口装置10可产生声音。举例来说，当末端执行器接近接头极限时，不接地用户接口装置10可产生声音。不接地用户接口装置10可发光。举例来说，当与控制系统和/或末端执行器通信时，不接地用户接口装置10可发光。

在一些实施例中，电机100可向用户传达力或扭矩。电机100可向用户传达力，从而使得用户可借助由不接地用户接口装置10控制的末端执行器的纵向轴线对不接地用户接口装置10的中心轴线15重新取向。在用户移动不接地用户接口装置10时，中心轴线15可变得与末端执行器的纵向轴线不对齐。电机100可被启动以在不接地用户接口装置10内旋转。在一些实施例中，电机100控制旋转质量块。扭矩、力矩或力可由电机100产生。此触觉反馈可指示用户应对不接地用户接口装置10重新取向。此触觉反馈还可提供方向信息，用户应沿所述方向移动不接地用户接口装置10从而对不接地用户接口装置10重新取向。当不接地用户接口装置10与末端执行器不对齐或开始变得与末端执行器不对齐时，电机100可将信息传达给用户。

电机100在不接地用户接口装置10内自旋得越快，陀螺仪的效果就越大。电机将沿朝着使不接地用户接口装置10的中心轴线15与末端执行器的纵向轴线对齐的方向对用户的手指施加扭矩。当用户以使轴线不对齐的方式移动不接地用户接口装置10时，电机100将抵消或部分抵消用户的移动。电机100将促使用户不会沿使不接地用户接口装置10的轴线与末端执行器不对齐的方向移动。以此方式，不接地用户接口装置10将更加抵抗使中心轴线15与末端执行器的纵向轴线不对齐的干扰力。电机100可通过对用户提供力或扭矩而传达其它信息。在一些实施例中，电机100可通过施加施加力或扭矩传达接头极限。

用户接口装置所通常提供的一个功能是抓紧、固持或捏紧物体的能力。图1和2中所描述的不接地用户接口装置10可有利地提供以独特方式抓紧、固持或捏紧的能力。参考图2，示出腔室140的横截面。腔室140可预填充有一定压力的流体。在一些实施例中，流体是空气。腔室140还可具有压力传感器150。腔室140周向位于不接地用户接口装置10内。在其它实施例中，腔室140可围绕圆周的一部分(例如，45°圆周、90°圆周、135°圆周、180°圆周、225°圆周、270°圆周等)设置。

借助此配置可实施抓紧或握持运动。用户可对沿腔室140的外表面的任何位置施加外部压力。在一些实施例中，腔室140包含在第一区段20的一部分内。在一些实施例中，腔室140远离第二区段30和/或第三区段40隔开。在一些实施例中，腔室140远离第一区段20的锥形末端隔开。压力传感器150可根据用户在腔室140上推动而感测压力变化。压力传感器150可将压力变化传达到超灵巧型机器人系统的控制系统。随后，成比例大小的抓紧或夹捏力可由与用户接口装置10相关联的末端执行器施加。

在一些实施例中，腔室140可用于提供触觉反馈。图3示出用户接口装置10'。用户接口装置10'可具有本文关于用户接口装置10所描述的特征中的一些或全部。用户接口装置10'可包含微型泵160。微型泵160可耦合到传感器和电子装置底座120。微型泵160可经由如图所示的管腔连接到腔室140。腔室140内的压力可由微型泵160控制和调制。微型泵160可用流体填充腔室140以提高腔室140的压力。这可导致用户感觉到压力提高。用户接口装置10'可使腔室140通风以降低腔室140的压力。在一些实施例中，微型泵160可降低压力。这可导致用户感觉到压力降低。

在一些使用方法中，末端执行器(未示出)耦合到一个或多个力传感器。末端执行器经受的力可转化成腔室140中的成比例压力。因此，如果末端执行器将会接触硬的解剖特征，那么腔室140内的压力可能会提高。那么操作员可能更加难以挤压用户接口装置10'。类似地，如果末端执行器将会接触软的解剖特征，那么用户接口装置10'的空气腔室内的压力可能会降低，从而使得操作员易于挤压用户接口装置10'。因此，以此方式通过调制腔室140中的压力可将触觉反馈提供给操作员。另外，如果末端执行器将会接触超灵巧型机器人系统的另一末端执行器或另一部分，那么腔室140内的压力可能也会提高。

在相关概念上，调制压力的方法可用来传达与上文指定类型不同的其它类型的信息。在一些使用方法中，在操纵超灵巧型机器人系统的过程期间，操作员可操纵系统的一个或多个接头，使得这些接头在其操作极限下或靠近其操作极限进行操作。可控制和调制腔室140内的压力以指示此类操作极限。举例来说，用户接口装置10'的腔室140内的压力可变得振动。振动可警告操作员系统配置此时可能不是理想的。由此可见，腔室140可用于向用户传达不同类型的信息。

用户接口装置10、10'可由廉价材料(例如但不限于软橡胶和塑料)制成。传感器和电子装置也可以是廉价的，因此使得整个用户接口装置10、10'廉价。对用户接口装置10、10'使用廉价材料的另一优点在于本设计可在大小上缩放。因此，不同大小的用户接口装置10、10'可被制造成容纳用户的各种大小的手。在一些实施例中，用户接口装置10、10'可以是一次性组件(例如，供单次手术操作使用)。在手术之前，系统的准备和安装可包含以下步骤：打开包含无菌用户接口装置10、10'的包装。

所述方法可包含以下步骤：确保超灵巧型机器人系统的控制系统识别和接受来自用户接口装置10、10'的命令。所述方法可包含以下额外步骤：将用户接口装置10、10'耦合到超灵巧型机器人系统。就有线不接地用户接口装置而言，可存在连接电线的步骤。电线可源自超灵巧型机器人系统且其后耦合到用户接口装置10、10'。就无线不接地用户接口装置10、10'而言，可存在类似于使头戴式耳机与智能电话配对的步骤。举例来说，超灵巧型机器人系统可能需要将用户接口装置10、10'识别为控制器。用户可能必须键入输入或以其它方式将用户接口装置10、10'与超灵巧型机器人系统链接。此外，还可存在测定步骤，其中用户必须对用户接口装置10、10'进行某些操纵，从而使得超灵巧型机器人系统可适当地解译命令。

图1到3描述用户接口装置10、10'，其可被描述为独立的，原因在于所有电子装置和传感器可包含在用户接口装置10、10'的主体内。在一些实施例中，电源也包含在用户接口装置10、10'的主体内。多个电子组件(例如但不限于传感器(陀螺仪、加速度计等)、电机、泵、电源)可设置在用户接口装置10、10'的主体内。这可使用户接口装置10、10'变得沉重，从而可导致灵巧性损失。

图4示出用户接口装置10"的实施例。用户接口装置10"可具有本文关于用户接口装置10、10'所描述的特征中的一些或全部。用户接口装置10"有利地重新分布用户接口装置10"的重量，从而使得灵巧性可得以维持。

在图4中，操作员在他或她的身体上佩戴装置200。装置200可包含用于用户接口装置10"的各种组件的壳体。举例来说，装置200可容纳各种组件，包含但不限于电源(例如电池组)、处理器、传感器和其它电子装置。装置200还可包含微型泵，其类似于图3中所示出的微型泵160。装置200可以多种方式耦合到用户。图4示出将装置200耦合到用户身体的绑带210。装置200可耦合到用户的手腕。

电缆220可在装置200与用户接口装置10”的第一区段20之间延伸。电缆220可由一个或多个电线(未示出)构成。电线可用于将电力承载到用户接口装置10"。电线可用来在用户接口装置10"与装置200内的电子装置或传感器之间传递信号或信息。电缆220可包含供来自微型泵的流体(例如，空气)通过的柔性管腔。在此配置中，用户接口装置10"可以是重量轻的。由于可放置在装置200内的组件，因此用户接口装置10"可具有如本文关于用户接口装置10、10'所描述的功能。

在一些实施例中，由于本文所论述的用户接口装置10、10'、10"并未如典型市售系统中接地，因此它们可能易于意外落下。此情形可能在操作员错误地使用户接口装置10、10'、10"落下时产生。用户接口装置10、10'、10"将会经受快的加速度。如果末端执行器跟着用户接口装置10、10'、10"且迅速加速，那么释放用户接口装置10、10'、10"可能导致患者受伤。

为了防止患者受伤，可实施若干技术。用户接口装置10、10'、10”的加速度可被监测(例如，由UID 10、10'、10”中的一个或多个传感器，如加速度计)。如本文所指出，加速度可指示用户是否已使用户接口装置10、10'、10"落下。在一些技术中，如果加速度高于预设值，那么超灵巧型机器人系统的控制系统可防止或限制末端执行器的移动。在另一技术中，跨用户接口装置10、10'、10"的阻抗可被监测(例如，由UID 10、10'、10”中的一个或多个传感器)。阻抗可连续或每隔一定间隔进行测量。阻抗可指示用户是否接触用户接口装置10、10'、10"。如果阻抗超过阈值从而指示操作员与用户接口装置10、10'、10"的接触已丢失，那么超灵巧型机器人系统可防止或限制末端执行器的移动。举例来说，如果阻抗指示用户不再接触用户接口装置，那么超灵巧型机器人系统可限制来自用户接口装置10、10'、10"的任何输入运动。这些技术可结合使用，从而使得多个(例如，冗余的)技术可防止末端执行器由于用户接口装置10、10'、10"的运动而产生不想要的运动。

图5示出用户接口装置300的另一实施例。用户接口装置300可具有本文关于用户接口装置10、10'、10"所描述的特征中的一些或全部。用户接口装置300并不接地到平台或控制台。相反，用户接口装置300接地到操作员的身体。用户接口装置300是本文所描述的主体接地用户接口装置的实施例。图5示出人手50可有利地握持用户接口装置300的方式。在一些实施例中，操作员的手提供接地。用户接口装置300可包含接地装置310。接地装置310可以是便携式的。接地装置310可耦合到操作员的身体或以其它方式由操作员的身体携带。在一些实施例中，接地装置310耦合到操作员的手。在一些实施例中，接地装置310耦合到操作员的手掌。图5示出接地装置310可围绕手掌缠绕。接地装置310可以是绑带。接地装置310可以是局部手套。接地装置310可以是包围手的一部分的护套。

接地装置310可以是刚性的或柔性的。接地装置310可由材料(包含但不限于塑料)制成。在一些实施例中，塑料可定制模制到每个操作员的手。一个或多个链路可以串联或并联方式耦合到接地装置310。并联配置不在图5中示出。在图5中，第一链路耦合到接地装置310。第一链路320串联耦合到第二链路330。链路320、330可由轻量而刚性的杆构成。链路320、330可能够相对于彼此和/或相对于接地装置310移动。链路320、330可被认为是支撑用户接口装置300的支撑结构。

第二链路330可耦合到区段340。区段340在图5中以黑色示出。区段340如图所示可具有半球形形状。区段340可充当用于用户接口装置300的支撑件。在一些实施例中，用户接口装置300可呈球的形状。区段340可部分地包围用户接口装置300。用户接口装置300可在区段340内自由旋转。在一些实施例中，区段340包含内表面且用户接口装置300可相对于内表面旋转。借助此配置，操作员可滚动用户接口装置300。链路320、330相对于彼此的移动可提高自由度。更大体上由于链路320、330还有相对于彼此移动的能力，操作员可能够以全部六自由度移动用户接口装置300。另外，由于链路320、330可允许操作员朝向手掌拉动用户接口装置300，因此第七自由度也可供使用。这可用于各种目的，包含但不限于对末端执行器施加抓紧力。用户接口装置300可以是中空的和/或如本文所描述包含一个或多个腔室。在一些实施例中，装置200可包含用于用户接口装置300的各种组件的壳体，如本文所描述。装置200可耦合到接地装置310。用户接口装置300可以是重量轻的。用户接口装置300可以是廉价的，如本文所描述。用户接口装置300或用户接口装置300的部分可以是一次性的。举例来说，用户接口装置300和区段340可以是一次性的。接地装置310和/或链路320、330可重复使用和/或是非一次性的。在一些实施例中，可提供耦合第二链路330和区段310的便利方式，例如但不限于磁耦合。

图5中所示出的配置具有许多优点。一个优点在于，由于用户接口装置300是主体接地系统，因此最小化或消除了其意外落下的可能性。另一优点在于，接地装置310可被用作附接装置200的位置，所述装置200包含例如但不限于电子装置、传感器和电源等组件。又一优点在于，接地装置310可与光学追踪传感器耦合，如以引用的方式并入的2014年3月13日提交的伴随公开国际申请号PCT/US2014/026115中所描述。光学追踪传感器可提供接地装置310和/或用户接口装置300相对于参照点(未示出)的位置。光学追踪传感器可利用来追踪接地装置310和/或用户接口装置300的位置。本领域中的技术人员可利用追踪本文所描述的用户接口装置的组件的其它合适的传感器、机构或方法。

图6A、6B和7示出不接地用户接口装置的另一实施例。不接地用户接口装置400包含可靠近用户的手的手掌握持的近端，类似于图1B中所示出的装置。不接地用户接口装置400包含远离用户的手掌指向的远端。用户接口装置400的中心轴线475从近端延伸到远端。中心轴线475还可被叫作细长轴线或对称轴。中心轴线475沿不接地用户接口装置400的长度。不接地用户接口装置400具有与细长轴线475横向(例如，以90度)延伸的横向轴线。横向轴线沿不接地用户接口装置400的宽度。不接地用户接口装置400具有沿细长轴线的细长维度和沿横向轴线的横向维度。在一些实施例中，细长维度大于横向维度。这形成长方形形状的不接地用户接口装置400。

不接地用户接口装置400包含沿横向轴线大体上圆形横截面，从而形成圆化外表面，如图7中所示出。外表面允许用户借助用户的手旋转不接地用户接口装置400。外表面允许用户使不接地用户接口装置400旋转360度。用户可顺时针或逆时针转动不接地用户接口装置400。

不接地用户接口装置400响应于参数可达到具体俯仰、偏转和/或滚动取向。在一些实施例中，参数是机器人工具或末端执行器的俯仰、偏转和/或滚动取向。在一些实施例中，参数是机器人末端执行器上的力。在一些实施例中，参数是一个或多个系统输入。系统输入可包含装置是处于驱动模式还是非驱动模式，如本文所描述。在非驱动模式下，末端执行器并不响应于如本文所描述来自用户接口装置的命令。

不接地用户接口装置400可包含位于不接地用户接口装置400内部的一个或多个致动器。致动器可被布置而成，从而使得它们实现不接地用户接口装置400的外表面或表层425相对于内部底盘440的运动。表层425是可变形的，从而使得底盘440在表层425内的运动可改变表层425的形状。改变表层425的形状的能力容许不接地用户接口装置400的取向可由软件控制。不接地用户接口装置400具有软件可控制的取向。

位于不接地用户接口装置400内部的一个或多个致动器可被布置成使得其配合移动导致不接地用户接口装置400的整个形状的变化。所述移动可以是扩张或收缩。所述移动可以是相对于表层425的任何移动。所述移动是由于不接地用户接口装置400的软件可控制的取向的结果。

不接地用户接口装置400可维持中心轴线475与机器人系统的末端执行器或工具之间的对齐。在一些操作方法中，不接地用户接口装置400的取向被主动修改以保留不接地用户接口装置400和/或中心轴线475与用户接口装置400相关联的末端执行器的对齐。不接地用户接口装置400可包含外表面或表层425。不接地用户接口装置400可包含底盘440。底盘440可设置在表层425内。不接地用户接口装置400可具有卵形形状，如图6A中所示出。不接地用户接口装置400可具有独特的纵向轴线或中心轴线475。底盘440可在表层425内部移动。当底盘440在表层425内部移动时，用户可察觉到不接地用户接口装置400的中心轴线475的取向变化。以此方式，用户可获得来自不接地用户接口装置400的信息或反馈。

参考图6A，不接地用户接口装置400可具有一个或多个轮子。在所示出的实施例中，不接地用户接口装置400具有两个轮子430A、430B，但涵盖其它配置(例如，一个轮子、两个轮子、三个轮子、四个轮子等)。不接地用户接口装置400可具有一个或多个电机。在所示出的实施例中，不接地用户接口装置400具有两个电机435A、435B以用于驱动两个轮子430A、430B。涵盖其它配置。轮子430A、430B可任选地耦合到底盘440的一端。底盘440的另一端可任选地耦合到球形脚轮450。涵盖容许底盘440移动的其它装置或装置布置(例如，滚筒、轮子、脚轮等)。不接地用户接口装置400在图6B中示出为不含表层425。轮子430A、430B和脚轮450的配置是实施能够在包封表层425内部取向的双自由度系统的许多方式中的一种。

在一些使用方法中，电机435A、435B由控制电子装置独立驱动。不接地用户接口装置400可包含一个或多个传感器，例如但不限于加速度计、陀螺仪、压力传感器。控制电子装置和传感器被示出为单个单元460，但涵盖其它配置。不接地用户接口装置400可包含电源(未示出)。控制电子装置和传感器可设置在不接地用户接口装置400内，且在一些实施例中设置在底盘440内或其上。在一些实施例中，不接地用户接口装置400的移动可由不接地用户接口装置400内的单元460控制。底盘440可由不接地用户接口装置400内的控制电子装置自驱动。在一些实施例中，单元460接收来自外部控制系统的控制信号。控制信号可操作致动器来改变中心轴线475的取向或进行如本文所描述的其它移动。底盘440可由不接地用户接口装置400外部的系统驱动。底盘440可由不接地用户接口装置400内或外部的控制信号驱动。

底盘440可在表层425内移动。两个箭头465和470指示底盘440可围绕中心轴线475倾斜(箭头465)或自旋(箭头470)。轮子430A、430B可允许底盘440相对于不接地用户接口装置400的表层425以双自由度取向。当底盘440在表层425内移动时，中心轴线475可倾斜或旋转。在底盘440的移动期间，表层425被拉伸且变形。用户可察觉到不接地用户接口装置400的取向在底盘440移动时发生改变。在一些使用方法中，用户将会察觉到他或她正握持的结构指向不同的方向。

不接地用户接口装置400的表层425可以是可变形的。表层425可由柔性材料制成。一个实例是1/16"厚浇铸硅酮橡胶。变形性允许不接地用户接口装置400采用任何所希望的取向。变形性允许中心轴线475指向任何方向。变形性允许不接地用户接口装置400采用中心轴线475的任何俯仰、偏转和/或滚动。不接地用户接口装置400不接地但能够这些功能。

除了上文所描述的双自由度外，不接地用户接口装置400可任选地包含另一自由度。底盘440可耦合到环圈480。不接地用户接口装置400可具有一个或多个电机。在所示出的实施例中，不接地用户接口装置400具有电机495以用于旋转环圈480。环圈480可围绕底盘440旋转，从而导致环圈480在表层425内部移动。环圈480可具有接触表层425的内表面的外表面。环圈480的外表面可具有比轮子430A、430B的摩擦系数低的摩擦系数。当环圈480旋转时，底盘440不会相对于表层425旋转，而是相反，环圈480会相对于表层425旋转。

环圈480可具有位于环圈的外表面上的特征490。特征可包含脊或棘爪。用户在握持不接地用户接口装置400时可感受到特征490。特征490可以是滚筒或滚珠，从而在环圈480与表层425之间形成低摩擦系数。图7示出不接地用户接口装置400穿过环圈480的横截面。特征490被示出为接触表层425的滚珠。环圈480可包含内齿轮480。内齿轮485可由环圈电机495驱动。特征490可以是旋转不对称的或旋转对称的。额外的自由度可允许不接地用户接口装置400安放在任何所希望的取向上。额外的自由度可允许不接地用户接口装置400向用户提供关于位置(包含末端执行器的滚动位置)的反馈。在一些使用方法中，环圈480可在表层425内部旋转。用户可感觉到特征490的位置。用户可根据特征490的位置导出包含滚动信息的位置信息。不接地用户接口装置400可反映或模拟末端执行器的取向以向用户提供信息或反馈。

在替代实施例(未示出)中，表层425可固定到具有一个或多个致动器的内部结构。致动器可包含接触不接地用户接口装置400的表层425的致动器阵列。致动器可以是螺线管、导螺杆和电机、加压腔室等。致动器可以是小型的。致动器可响应于不接地用户接口装置400的所感测的取向而可控制地延伸或缩回。所感测的取向可由单元460中的传感器提供。所感测的取向可根据系统的状态(例如，驱动模式、非驱动模式等)提供。致动器可配合延伸和缩回从而与中心轴线475形成外部表层425的形状。致动器可配合延伸和缩回从而形成例如卵形形状等形状。致动器可被控制来形成形状取向在空间上是固定的错觉。形状可呈现为固定的，而不管用户旋转不接地用户接口装置400。

不接地用户接口装置400可以多种方式进行控制。作为一个实例，不接地用户接口装置400可以驱动模式操作。在驱动模式下，用户主动命令末端执行器进行一些动作。不接地用户接口装置400可由用户移动从而移动末端执行器，如本文关于其它装置所描述。

作为一个实例，不接地用户接口装置400可以非驱动模式操作。在非驱动模式下，末端执行器不会跟着与不接地用户接口装置400相关联的不接地用户接口装置400的取向。在非驱动模式下，末端执行器是静止的。末端执行器仅在不接地用户接口装置400处于驱动模式时移动。底盘440可被驱动以便维持不接地用户接口装置400与末端执行器之间的对齐。在一些使用方法中，底盘440可对中心轴线475进行取向以便维持不接地用户接口装置400与末端执行器之间的对齐。当不接地用户接口装置400处于非驱动模式时，用户可重新放置他或她的手以返回到更加舒适的操作位置和取向。在非驱动模式下，轮子430A、430B可由电机435A、435B驱动，使得不接地用户接口装置400的中心轴线475将维持末端执行器的对齐(例如，俯仰和偏转)。如果包含环圈480，那么轮子430A、430B可由电机驱动，使得不接地用户接口装置400的中心轴线475将维持末端执行器的对齐(例如，俯仰、偏转和滚动)。用户在3D空间(例如，x、y、z平移)中自由移动不接地用户接口装置400。当用户以非驱动模式移动不接地用户接口装置400时，底盘440将移动来对中心轴线475进行取向。此效果类似于指南针，因为中心轴线475将持续与末端执行器的轴线对齐。中心轴线475或卵形主体的轴线将保持指向正确的取向，从而维持不接地用户接口装置400与静止末端执行器之间的对齐。

在驱动模式期间，不接地用户接口装置400可提供关于接头极限的反馈。不接地用户接口装置400以俯仰、偏转和滚动重新定位中心轴线475的能力可指示末端执行器的接头极限。当机器人工具在接头极限内操作时，不接地用户接口装置400可处于驱动模式。当不接地用户接口装置400在接头极限内操作时，不接地用户接口装置400中的电机不活动。用户的六自由度运动将引起末端执行器的移动。

当达到接头极限中的一个时，不接地用户接口装置400的一个或多个电机将被主动驱动。不接地用户接口装置400的底盘440将被沿使中心轴线475与末端执行器的轴线对齐的方向驱动，而不管用户对进一步移动不接地用户接口装置400的尝试。不接地用户接口装置400可抵抗沿滚动、俯仰或偏转方向中的任一个的进一步移动。

举例来说，如果用户尝试使机器人工具滚动超过接头极限，那么可启动控制底盘440上的环圈480的电机。电机可使环圈480在空间中相对于操作员的参考系保持静止。用户将感觉到不接地用户接口装置400的表层425围绕静止环圈旋转。这将提供末端执行器已达到接头极限而不能旋转的反馈。当末端执行器碰到机器人工具的手腕的俯仰和偏转接头的接头极限时，可驱动不接地用户接口装置400的控制轮子430A、430B的其它电机435A、435B。当用户尝试使末端执行器的角度超过接头极限时，底盘440将停止在用户希望的方向上的旋转。当达到接头极限时，控制底盘440的电机将变得活动。底盘440可移动，使得底盘440的绝对取向恒定，而不管由用户握持的表层425的不断变化的取向。底盘440的绝对取向可由磁性追踪器、IMU等给定。这将提供末端执行器已达到接头极限而不能俯仰或偏转的反馈。在此操作模式下，不接地用户接口装置400提供机器人已达到特定角方向上的前进极限的直接触觉感觉。

类似方法可用来向用户提供关于末端执行器碰到的力的反馈。举例来说，机器人工具的颚部可用来通过以下方式触摸组织：旋转鄂部直到其按压在组织上为止。在颚部碰到阻抗后，不接地用户接口装置400可通过将力传达给用户的方式进行驱动。在一些实施例中，提供力的量值和/或取向作为反馈。可对不接地用户接口装置400内部的驱动电机施加脉冲以提供反馈。在一些实施例中，底盘440按压在用户的手指上，且接着后退到底盘440的初始取向。底盘440的运动可沿末端执行器上的力向量的方向。底盘440的运动可在用户的参考系中。力向量的运动可在机器人相机的参考系中。前向运动可在更短的时间段中以比底盘440返回到其原始位置高的加速度执行。当底盘440冲击表层425时，用户的手指可能对底盘440的动量而不是底盘440的位置或振动敏感。在一些使用方法中，不接地用户接口装置400提高底盘440沿末端执行器上所施加的力的方向的速度且当底盘440返回到末端执行器的实际位置时降低速度。不接地用户接口装置400可能够以易于由用户通过用户的手指解译的方式传达力向量。所施加脉冲的运动的量值和/或频率可随末端执行器上的力的提高而提高。

在一些实施例中，本文所描述的用户接口装置可具有用于改变主体的形状的装置。装置可以是本文所描述的底盘440。装置可以是一个或多个致动器(例如，一个致动器、两个致动器、三个致动器、四个致动器、多个致动器等)。一个或多个致动器可改变用户接口装置的主体的形状。在一些实施例中，装置可以是一个或多个压力腔室。压力腔室可选择性地以流体填充从而改变用户接口装置的形状。压力腔室的容积可基于进入一个或多个腔室的流体而提高或降低。在一些实施例中，形状变化包含对用户接口装置的主体的轴线进行重新取向。在一些实施例中，形状变化包含使用户接口装置的中心轴线与由用户接口装置控制的末端执行器的轴线对齐。

本文所描述的用户接口装置可控制末端执行器的运动。本文所描述的用户接口装置可映射到超灵巧型手术系统的任何区段。本文所描述的用户接口装置可控制机器人臂或机器人工具的不同区段。作为一个实例，用户接口装置可用来将把手重新定位在沿机器人臂的中间位置。本文所描述的用户接口装置可具有不同的操作模式以控制超灵巧型手术系统的各种组件。本文所描述的用户接口装置可映射到虚拟模拟工具运动。用户接口装置可控制超灵巧型手术系统的虚拟末端执行器或任何其它虚拟组件。本文所描述的用户接口装置可映射到非机器人物体。非机器人物体的实例包含器官或其它身体结构。外科医生可将用户接口装置映射到非机器人物体以接收关于非机器人物体的触觉反馈。

本文所描述的用户接口装置可具有非手术用途。用户接口装置可用于与3D虚拟世界交互。用户接口装置可映射到这些世界内的任何物体。用户接口装置可向用户提供关于用户虚拟上触摸的物体的触觉反馈。用户接口装置可用于计算机辅助绘图(CAD)程序输入。用户接口装置可提供虚拟触针或映射到另一工具。如本文所描述的用户接口装置改变形状的能力可提供额外的功能以便于用户接口装置的非手术用途。形状的改变可提供关于非手术用途的反馈。不断变化的形状可提供关于虚拟世界中碰到的物体的反馈。不断变化的形状可提供有关任务成功或失败的反馈。不断变化的形状可提供虚拟世界内的取向感或位置。其它模式的反馈(例如光和声)也可向用户提供反馈。

使用不接地用户接口装置400的方法可包含控制不接地用户接口装置400内的致动器。致动器可以是控制一个或多个可移动特征的电机。致动器可用来对不接地用户接口装置400的中心轴线进行取向。中心轴线475的取向可对应于末端执行器的中心轴线的取向。不接地用户接口装置400的中心轴线475的取向可在用户的参考系中。末端执行器的轴线的取向可在摄像机馈送的参考系中。

使用不接地用户接口装置400的方法可包含向用户提供反馈。中心轴线475的取向可提供末端执行器的接头极限的信息。不接地用户接口装置400可提供有关末端执行器碰到的力的反馈。

在一些实施例中，系统可利用光学传感器。光学传感器可用来感测物体的接近度，很像下文描述的接近度传感器。在一些实施例中，光学传感器可追踪用户接口装置。涵盖光学传感器的其它用途。举例来说，在一些实施例中，光学传感器可位于用户接口装置300上。用户的手可能妨碍安装在用户接口装置300上的光学传感器。区段340可部分地包围用户接口装置300。区段340可能妨碍安装在用户接口装置300上的光学传感器。在一些实施例中，光学传感器可安装到身体的另一部分。光学传感器可安装到用户的手上。在一些实施例中，光学传感器可安装到接地装置310。接地装置310的位置可充当用户接口装置300的位置的代理。接地装置可具有更少的障碍物。接地装置310的移动(例如，平移、旋转)可充当用户接口装置300的移动的代理。在一些实施例中，光学传感器可安装到链路320、330上。

如早先所描述，用户接口装置10、10'、10"、300具有多个传感器，包含但不限于接近度传感器和传感器阵列。传感器阵列是多个传感器。传感器阵列可具有相同或不同类型的传感器。可通过复制相同的传感器或不同的传感器而实现冗余。相同类型的传感器测量相同的参数且实现冗余。还可通过使用不同类型的传感器而实现冗余，其中测量了不同的参数。在进行测量之后，分析可允许检查导出的参数。

接近度传感器是感测接近度传感器但未必触碰传感器的物体的传感器。在一些实施例中，接近度传感器是光学传感器。接近度传感器不需要是光学的，且涵盖其它类型的传感器。接近度传感器可商购获得。接近度传感器在本质上是电容的。接近度传感器提供感测物体是否接近用户接口装置10、10'、10"、300的能力。这在许多情形下可能是有利的。在一些实施例中，接近度传感器可感测握持用户接口装置10、10'、10"、300的手指的存在。如果未感测到物体(例如手指)，那么控制系统可命令超灵巧型机器人系统进入安全状态。在安全状态下，超灵巧型机器人系统可限制来自用户接口装置10、10'、10"、300的任何运动输入。举例来说，末端执行器可保持静止在一定位置，而不是跟着用户接口装置10、10'、10"、300的运动。这可防止患者由于末端执行器的无意移动(例如，当用户无意地使用户接口装置10、10'、10”、200落下时)而受伤。在一些实施例中，接近度传感器可感测握持用户接口装置10、10'、10"、300的方式。举例来说，接近度传感器可感测用户正进行什么示意动作。示意动作接着可映射成用于控制系统的系统命令。举例来说，例如挤压用户接口装置10、10'、10"、300等示意动作可用来使相机聚焦。

用户接口装置10、10'、10"、300的多个传感器可用来提供冗余读数。在一些实施例中，冗余可确保超灵巧型机器人系统的安全操作。举例来说，接近度传感器和阻抗传感器的使用可提供冗余以便于检测用户是否正握持装置。

用户接口装置10、10'、10"、300的多个传感器可用来提供功能冗余。在一些实施例中，与用户接口装置10、10'、10"、300相关联的传感器是不同的类型。用户接口装置10、10'、10"、300可利用分离冗余的概念。作为实例，6DOF传感器可设置在用户接口装置10、10'、10"、300内部。用户接口装置10、10'、10"、300还可包含测量取向的惯性测量单元(IMU)和测量平移的光学追踪器。在一些实施例中，传感器中的一个或多个可设置在用户接口装置10、10'、10"、300的主体外。举例来说，光学追踪器可耦合到接地装置310。

6DOF传感器的故障可能导致末端执行器发生不当行为。为了提供功能冗余，另一6DOF传感器可放置在用户接口装置10、10'、10"、300内部。然而，惯性测量单元和光学追踪器可提供与发生故障的6DOF传感器相同的功能。惯性测量单元和光学追踪器中的每一个可提供分离冗余。惯性测量单元和光学追踪器一起可提供与发生故障的6DOF传感器一样完整的冗余功能。惯性测量单元和光学追踪器起作用，就好像第二6DOF传感器存在一样。惯性测量单元可提供6DOF传感器的取向读数的冗余。光学追踪器可提供6DOF传感器的平移组件的冗余。在一些实施例中，传感器可提供另一传感器的读数的冗余读数。在一些实施例中，传感器可提供另一传感器的读数的一部分的冗余读数。在一些实施例中，每个传感器可提供另一传感器的读数的冗余读数。在一些实施例中，每个传感器可提供另一传感器的读数的一部分的冗余读数。在一些实施例中，无需包含与传感器同一类型的第二传感器以实现冗余。

每个传感器具有不同的缺陷。举例来说，加速度计可经历漂移。光学传感器的视线可能被遮挡。在一些实施例中，用户接口装置10、10'、10"、300有利地通过合并一个或多个不同类型的传感器而缓和缺陷。在一些实施例中，控制系统将人手的几何结构考虑在内。控制系统可基于用户接口装置10、10'、10"、300相对于手的移动或位置而作出假设。

系统的额外特征在2015年2月24日提交的美国临时号62/120,128和2015年7月30日提交的国际申请号PCT/US2015/042991中有描述，其中的每一个以全文引用的方式并入本文中，其应被视为本说明书的一部分。这些应用描述解耦操作员的手的耦合运动的方法。在一些实施例中，可通过使用额外追踪装置实现解耦。举例来说，图8示出根据一些实施例的具有将操作员的手的耦合运动解耦的多个传感器的超灵巧型手术系统。

如图8中所示出，操作员20被发现借助用户接口装置50而操作系统。用户接口装置50可以是不接地的。用户接口装置50可具有本文所描述的用户接口装置(例如，用户接口装置10、10'、10"、300、400)的任何特征。操作员还可被发现耦合到装置1400'和1400"。在一些实施例中，这些装置位于操作员的手背上。在其它实施例中，这些装置可位于沿操作员手臂的某一其它位置处。在一些实施例中，装置1400'和1400"可包括一个或多个传感器(例如，用于磁性追踪的传感器、用于惯性感测的传感器等)。在其它实施例中，例如使用光学追踪的那些实施例中，装置1400'和1400"可不含有任何传感器，且可替代地包括一个或多个灯和/或反射表面。装置1400'和1400"可具有本文所描述的装置(包含装置200和接地装置300)的任何特征。

在图8中还看到两个相机1410'和1410"。在一些实施例中，可看到相机1410'直接瞄准装置1400'，且可看到相机1410"直接瞄准装置1400"。装置1400'和装置1400"可具有与相机1400'和1410"一起形成光学追踪系统的反射表面、灯、插销或滚珠。因此，相机1410'和装置1400'可追踪操作员20的左手位置，而相机1410"和装置1400"可追踪操作员的右手位置。尽管装置1400'和1400"被示出为位于操作员的手背处，但可选择其它位置(例如，位于用户接口装置50上或位于操作员的身体的其它位置上)。在一些实施例中，可颠倒装置1400'和1400"位置以及相机1410'和1410"的位置(例如，相机位于操作员的手背上，而装置被安装成直接瞄准相机)。在一些实施例中，可利用其它类型的传感器如磁性追踪系统或视觉追踪系统，其被配置成识别操作员的手而非附连于操作员的手或身体的特定装置或器械的形状。另外，可使用惯性感测(例如加速度计)，其将不需要外部追踪装置如1410'和1410"的存在。

就此实施例而言，当用户接口装置50的运动施加到末端执行器的运动时，可解耦和减少或消除用户接口装置50在操作员借助他或她的手指滚动用户接口装置50时可能经受的耦合平移运动。为了对此进一步解释，如果操作员滚动用户接口装置50(在一些实施例中，在使用一只手或一双手时是非物质的)例如以对组织施加缝合，根据上文论述，预期一些平移运动可耦合到用户接口装置50。然而，使用上文所描述的补充追踪系统或其它追踪系统也可测量平移运动。假设追踪系统测量用户接口装置50经历的相同平移运动，那么可从施加到末端执行器的运动中去除或消除耦合的平移运动。在数学术语中，如果用户接口装置50中的任一个的运动由描绘，那么如果用户接口装置50经历滚动和平移运动，那么在一些实施例中其可写为：

在通过操作员使用他或她的手指而使用户接口装置50经受滚动运动时(尽管其可经历相同的平移运动)，装置1400'和1400"可不经历任何滚动运动。用户接口装置50还可通过由人手的运动学特性确定的函数而经历在数学上与用户接口装置50的平移运动有关的运动。因此，假设用户接口装置50的平移运动与传感器在手掌背上的平移运动相同，以下等式可写为：

其中指示用户接口装置50的平移运动，而指示传感器1400'或1400"的平移运动。现在，机器人工具的最终施加的运动可写为两个参数的某种大体函数：用户接口装置50的运动(其具有耦合运动)和传感器1400'和1400"在手掌背上的运动。因此，

如在等式2中所指定，用户接口装置50的平移运动与装置在手掌背上的平移运动相同。在计算等式3中的最终输出时，可消除此分量。因此，具有仅经历平移运动的独立装置允许从用户接口装置运动中解耦此运动。

在一些实施例中，虽然两个相机1410'和1410"示出在图8中，但可仅需要一个相机。其它实施例可包含使用在本质上非光学的传感器。因此，传感器1400'和1400"可为各种类型，包含但不限于电磁传感器。此外，虽然用户接口装置50在图中的图形展示看起来像长管结构，但应理解在其它实施例中，其它形状是可能的。

因此，可看出，借助以上概念，可提供一种用于取向的方法。此外，提供了一种将操作员的自然运动映射到机器人工具的具体运动的方法。这些方法的实施例可有利地改进系统的易用性。

所述使用方法可包含以下步骤中的一或多个。用户可从无菌包装展开用户接口装置。用户可将电线插入用户接口装置中。用户可将电线插入超灵巧型机器人系统的控制系统中。用户可在用户接口装置与超灵巧型机器人系统之间连接电线。用户可无线连接用户接口装置和超灵巧型机器人系统的控制系统。用户可借助末端执行器校正用户接口装置。用户可实践在患者的身体外部移动末端执行器。用户可抓紧用户接口装置。用户接口装置可测量当用户接触用户接口装置时用户接口装置的表面上的阻抗。用户可将用户接口装置从一个位置移动到另一位置。用户接口装置从一个位置到另一位置的运动可使末端执行器从一个位置移动到另一位置。移动可以是相同距离或成比例距离。用户可围绕用户接口装置的中心轴线移动用户接口装置。用户接口装置的运动可围绕末端执行器的纵向轴线移动末端执行器。移动可以是围绕纵向轴线相同旋转度成比例度。用户可对用户接口装置施加力。力的施加可使末端执行器施加力。力可以是抓紧力。力的施加可以是相同大小的力或成比例大小的力。用户接口装置可借助压力传感器测量力。

用户接口装置可向用户提供反馈。用户接口装置可提高用户接口装置的腔室的压力。用户接口装置可降低用户接口装置的腔室的压力。用户接口装置可当末端执行器接触硬的材料(例如骨或超灵巧型机器人系统的组件)时提高压力。用户接口装置可当末端执行器接触软的材料(例如组织)时降低压力。用户接口装置可产生声音。用户接口装置可当末端执行器达到移动极限时产生警告声音。用户接口装置可当末端执行器与另一物体碰撞或有可能与另一物体碰撞时产生警告声音。用户接口装置可当用户接口装置移动过快时产生警告声音。用户接口可发光。用户接口装置可当与末端执行器连通时发光。用户接口装置可发光作为警告。

用户可将装置耦合到身体的一部分。装置可容纳用户接口装置的各种组件。装置可减轻用户接口装置的重量。用户可将装置耦合到他或她的手腕。用户可借助绑带将装置耦合到他或她的身体。

用户可将用户接口装置与用户的身体的一部分耦合。用户可在总成的区段内旋转用户接口装置。用户可将区段耦合到一个或多个链路。一个或多个链路在其间可具有相对运动。用户可将一个或多个链路耦合到接地装置。用户可将接地装置与用户的身体的一部分耦合。接地装置可围绕用户的手掌缠绕。接地装置可以是绑带。用户接口装置可具有至少三个自由度。用户接口装置可具有至少四个自由度。用户接口装置可具有至少五个自由度。用户接口装置可具有至少六个自由度。用户接口装置可具有至少七个自由度。用户接口装置可具有在其控制下与末端执行器一样多的自由度。

现在可明显的是，本公开中所描述的用户接口装置扩展超灵巧型机器人系统的效用。操作员未必在一个位置处静止。借助本文所公开的高级用户接口装置，操作员可采用相对于患者最理想的位置。此外，操作员可在外科医生期间相对于患者改变他或她的位置。由于这些用户接口装置(例如进行手动和机器人手术的能力)而增强了超灵巧型机器人系统的许多益处。

尽管本公开已在某些实施例和实例的背景下描述，但本领域的技术人员应理解，本公开延伸超过具体公开的实施例到其它替代实施例和/或本公开的用途和明显修改及等效物。另外，虽然已示出并详细描述了本公开的实施例的若干变化，但是本领域的技术人员将易于理解在本公开范围内的其它修改。此外，预期可进行实施例的具体特征和方面的各种组合或子组合并仍然落入本公开的范围内。举例来说，上文结合一个实施例描述的特征可与本文所描述的不同的实施例一起使用且所述组合仍落入本公开的范围内。应理解，所公开的实施例的各种特征和方面可彼此结合或替代以便形成本公开的实施例的不同模式。因此，预期本文中本公开的范围不应受上文所描述的特定实施例限制。因此，除非另行说明或除非明确不相容，否则本发明的每个实施例除了本文所描述的其基本特征外可包括如本文根据本文所公开的本发明的彼此实施例所描述的一个或多个特征。

结合特定方面、实施例或实例一起描述的特征、材料、特性或基团应被理解为可适用于在此区段或本说明书别处所描述的任何其它方面、实施例或实例，除非与之不相容。在本说明书中所披露的所有特征(包括任何所附权利要求书、摘要以及附图)和/或如此披露的任何方法或过程的所有步骤可以按任何组合的形式组合，这类特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合除外。保护并不限于任何前述实施例的细节。保护扩展到本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要以及附图)中所公开的特征的任何新颖特征或任何新颖组合，或扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖组合。

此外，在本公开中在单独实施方案的上下文中描述的某些特征还可在单一实施方案中组合地实施。相反地，在单一实施方案的上下文中描述的各种特征还可单独地在多个实施方案中实施或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管特征可在上文描述为以某些组合起作用，但在一些情况下，来自所要求的组合的一个或多个特征可从所述组合切离，且所述组合可被要求为子组合或子组合的变化。

此外，虽然操作可以特定次序在图式中描绘或在说明书中描述，但此类操作无需以所示出的特定次序或以顺序次序进行，且无需进行所有步骤，以实现令人希望的结果。未经描绘或描述的其它操作可并入在实例方法和过程中。举例来说，可在所描述的操作中的任一个之前、之后、同时地或之间进行一或多个额外操作。此外，所述操作可在其它实施方案中重新布置或重新排序。本领域的技术人员应理解，在一些实施例中，所示出和/或所公开的过程中实际采取的步骤可不同于图中所示出的那些步骤。取决于实施例，可去除上文所描述的某些步骤，可添加其它步骤。此外，上文所公开的具体实施例的特征和特质可以不同方式组合以形成额外的实施例，所有额外的实施例落入本公开的范围内。并且，上文所描述的实施方案中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施方案中要求此类分离，且应理解，所描述的组件和系统可大体上在一起整合在单一产品或封装到多个产品中。

出于本公开的目的，本文中描述了某些方面、优点和新颖特征。所有此类优点可不必根据任何具特定实施例来实现。因此，举例来说，本领域的技术人员将认识到，本公开可以实现如本文中所教示的一个优点或优点的群组的方式来实施或执行而无需必须实现如本文可教示或建议的其它优点。

除非确切地陈述是其它情况，或另外在如所使用的上下文内进行理解，否则条件性语言(例如，“可(can、could、might或may)”)一般旨在传达某些实施例包含而其它实施例并不包含某些特征、元件和/或步骤。因此，此条件性语言通常并非希望暗示特征、元件和/或步骤无论如何是一个或多个实施例所需要的，或者一个或多个实施例必需包含用于在具有或不具有用户输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或步骤是否包含于任一特定实施例中或有待于在任一特定实施例中进行的逻辑。

除非确切地陈述是其它情况，否则例如短语“X、Y和Z中的至少一个”等连接性语言在所使用的情形中一般另外理解为传达某一条目、项等可以是X、Y或Z中的任一个。因此，此类连接性语言并非大体上意图暗示某些实施例需要X中的至少一个、Y中的至少一个和Z中的至少一个的存在。

本文中所使用的程度语言，例如如本文中所使用的术语“大致”、“约”、“大体上”和“基本上”，表示仍进行所希望的功能或实现所希望的结果的接近所陈述的值、量或特性的值、量或特性。举例来说，术语“大致”、“约”、“大体上”和“基本上”可以是指所陈述的量的小于10％内、小于5％内、小于1％内、小于0.1％内和小于0.01％内的量。作为另一实例，在某些实施例中，术语“大体上平行”和“基本上平行”是指脱离精确平行小于或等于15度、10度、5度、3度、1度、0.1度或其它的值、量或特性。

本公开的范围并不意欲由在此区段或本说明书别处的优选实施例的具体公开内容限制，且可由如呈现在此区段或本说明书别处或如将来呈现的权利要求书限定。权利要求书的语言应广泛地给予权利要求书中采用的语言进行解释且不限于在本发明书中或在本申请的审批过程期间所描述的实例，所述实例应被理解为非排他性的。

Claims (38)

1.一种手持型便携式用户接口装置，其包括：

主体，其被配置成握持在用户的手中，所述主体包括近端部分和远端部分且沿由所述主体的近端与远端之间的纵向轴线限定的长度延伸，所述主体沿着沿横向于所述纵向轴线延伸的横向轴线限定的宽度延伸，所述主体的所述长度大于所述宽度，

所述主体包括外表面，所述外表面被配置成由所述用户的手的手指夹持且促进所述用户的手对所述主体的平移和旋转；以及

设置在所述主体内的一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置成将所述主体的位置和取向信息中的一个或两个提供到控制系统，

其中所述主体被配置成经由所述主体的平移、所述主体的旋转、所述用户的手指对所述外表面的按压以及所述主体的所述纵向轴线的角取向的变化中的一个或多个接收来自所述用户的控制输入。

2.根据权利要求1所述的手持型便携式用户接口装置，其中所述主体被配置成经由所述主体的由所述用户的手的所述手指夹持的所述外表面向所述用户提供触觉反馈。

3.根据权利要求1所述的手持型便携式用户接口装置，其中所述用户接口装置仅仅由所述用户的手支撑。

4.根据权利要求1所述的手持型便携式用户接口装置，其中所述用户接口装置被配置成向所述控制系统提供输入以将所述用户接口装置的运动转变成机器人臂的末端执行器的运动。

5.根据权利要求1所述的手持型便携式用户接口装置，其中所述一个或多个传感器提供功能冗余。

6.根据权利要求5所述的手持型便携式用户接口装置，其中所述一个或多个传感器是不同类型的。

7.根据权利要求1所述的手持型便携式用户接口装置，其中所述一个或多个传感器包含接近度传感器。

8.根据权利要求1所述的手持型便携式用户接口装置，其中所述外表面被配置成由所述用户下压。

9.根据权利要求8所述的手持型便携式用户接口装置，其中所述主体包括被配置成以流体填充的腔室，其中所述用户对所述外表面的下压使所述腔室中所感测的压力改变，所述所感测的压力变化被传达到所述控制系统以将所述所感测的压力转换成借助所述主体控制的机器人臂的末端执行器所施加的力。

10.根据权利要求9所述的手持型便携式用户接口装置，其中所述主体进一步包括泵，所述泵被配置成改变所述腔室的所述压力以向所述用户提供触觉反馈。

11.一种手持型用户接口装置，其包括：

主体，其被配置成握持在用户的手中且仅仅由所述用户的手支撑，所述主体包括外表面，所述外表面被配置成由所述用户的手的手指夹持以促进所述用户的手对所述主体的平移和旋转；以及

设置在所述主体内的一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被配置成将所述主体的位置和取向信息中的一个或两个提供到控制系统，

其中所述主体被配置成经由所述主体的由所述用户的手指夹持的所述外表面向所述用户提供反馈。

12.根据权利要求11所述的手持型用户接口装置，其中所述主体被配置成经由所述主体的平移、所述主体的旋转、所述用户的手指对所述外表面的按压以及所述主体的所述纵向轴线的角取向的变化接收来自所述用户的控制输入。

13.根据权利要求11所述的手持型用户接口装置，其进一步包括内部底盘，所述内部底盘被配置成在所述主体的外表层内移动以调整所述用户接口装置的所述纵向轴线的取向。

14.根据权利要求13所述的手持型用户接口装置，其中所述内部底盘相对于所述外表层移动以达到所希望的俯仰和/或偏转取向，且以触觉方式将此传达给所述用户。

15.根据权利要求13所述的手持型用户接口装置，其中所述内部底盘用选自由以下组成的群组中的以下方式中的一种进行移动：扩张、缩回、脉动和旋转。

16.根据权利要求13所述的手持型用户接口装置，其中所述内部底盘具有实现所述内部底盘的所述运动的一个或多个致动器。

17.根据权利要求16所述的手持型用户接口装置，其中所述一个或多个致动器包括可致动来达到所希望的滚动取向的环圈。

18.根据权利要求13所述的手持型用户接口装置，其中所述内部底盘调整俯仰、偏转和/或滚动取向以维持所述用户接口装置轴线的所述纵向轴线与由所述用户接口装置控制的末端执行器的轴线的对齐。

19.根据权利要求18所述的手持型用户接口装置，其中所述内部底盘响应于所述末端执行器上的力而调整俯仰、偏转和/或滚动取向。

20.根据权利要求11所述的手持型用户接口装置，其中所述主体包括用于改变所述主体的形状的一个或多个致动器。

21.根据权利要求11所述的手持型用户接口装置，其中所述主体包括用于改变所述主体的所述形状的一个或多个压力腔室。

22.一种使用手持型便携式用户接口装置的方法，其包括：

借助所述用户的手握持所述用户接口装置的主体，所述主体包括近端部分和远端部分且沿着沿所述主体的近端与远端之间的纵向轴线限定的长度延伸，所述主体沿着沿横向于所述纵向轴线延伸的横向轴线限定的宽度延伸，所述主体的所述长度大于所述宽度，其中设置在所述主体内的一个或多个传感器将所述主体的取向信息提供到控制系统，以及

根据所述主体的平移、所述主体的旋转、所述用户的手指对所述外表面的按压以及所述主体的所述纵向轴线的角取向的变化中的一个或多个生成控制信号。

23.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括将所述控制信号传达到控制系统以借助所述用户接口装置控制机器人臂的末端执行器的操作。

24.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括将所述用户接口装置的运动转变成所述末端执行器的运动。

25.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括接收控制信号以使底盘在所述用户接口装置的所述主体内移动。

26.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括使所述底盘在所述主体内移动以调整所述用户接口装置的所述纵向轴线的取向。

27.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括使所述底盘移动以达到由所述用户接口装置控制的末端执行器的轴线的所希望的俯仰和/或偏转取向。

28.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括用选自由以下组成的群组中的以下方式中的一种使所述内部底盘移动：扩张、缩回、脉动和旋转。

29.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括致动环圈以达到由所述用户接口装置控制的末端执行器的轴线的所希望的滚动取向。

30.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括调整所述底盘的俯仰、偏转和/或滚动取向以维持所述用户接口装置轴线的所述纵向轴线与由所述用户接口装置控制的末端执行器的轴线的对齐。

31.根据权利要求30所述的方法，其进一步包括响应于所述末端执行器上的力而调整所述底盘的俯仰、偏转和/或滚动取向。

32.根据权利要求30所述的方法，其进一步包括以驱动模式操作所述用户接口装置，其中所述末端执行器由所述用户接口装置移动。

33.根据权利要求30所述的方法，其进一步包括以非驱动模式操作所述用户接口装置，其中所述用户接口装置的所述底盘维持所述用户接口装置轴线的所述纵向轴线与所述末端执行器的轴线对齐而不管所述用户对所述用户接口装置的移动。

34.根据权利要求25所述的方法，其中所述底盘的移动提供有关接头极限的反馈。

35.根据权利要求25所述的方法，其中所述底盘的移动提供有关末端执行器所经历的所述力的反馈。

36.根据权利要求22所述的方法，其中握持所述主体包括仅仅借助所述用户的手支撑所述主体。

37.根据权利要求22所述的方法，其中所述用户的手指对所述外表面的按压生成压力信号，控制系统将所述压力信号转换成机器人臂的末端执行器所施加的力。

38.根据权利要求22所述的方法，其中所述用户的手指对所述外表面的按压进一步包括在所述主体的任何旋转位置处对所述外表面的按压。