CN108472029B - 用于机器人外科系统的无菌适配器控制系统和通信接口 - Google Patents

Abstract

一般来讲，本发明提供了可用于确定系统的工具驱动器、无菌适配器以及外科工具之间的附接状态的用于机器人外科系统的系统。所述系统可包括用于产生对应于所述附接状态的附接数据的传感器。所述附接状态可用于控制所述工具驱动器和所述外科工具的操作。在一些变型中，操作者可使用所述工具驱动器、所述无菌适配器和所述外科工具中的一者或多者视觉输出所述附接状态中的一者或多者。在一些变型中，所述工具驱动器和所述外科工具可包括电子通信设备，当所述外科工具附接到所述无菌适配器和所述工具驱动器时，所述电子通信设备能被紧密配置在一起。

Description

用于机器人外科系统的无菌适配器控制系统和通信接口

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年12月20日提交的美国专利申请序列号62/436,957，以及2016年12月20日提交的美国专利申请序列号62/436,965，以及2016年12月20日提交的美国专利申请序列号62/436,974，以及2016年12月20日提交的美国专利申请序列号62/436,981的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及机器人外科系统，包括但不限于用于在机器人外科系统的部分周围形成无菌屏障的无菌适配器。

发明背景

微创手术(MIS)诸如腹腔镜手术涉及旨在减少外科手术期间组织损伤的技术。例如，腹腔镜式手术通常涉及在患者体内（例如，在腹部）形成许多小切口，并且通过切口将一个或多个工具和至少一个相机引入至患者体内。然后通过使用引入的工具和由相机提供的可视化辅助来执行外科手术。一般来讲，微创手术提供多种益处，诸如减少患者瘢痕、减轻患者疼痛、缩短患者恢复期并且减少与患者恢复相关的医疗费用。

微创手术可以使用非机器人或机器人系统来执行。传统的机器人系统可以包括基于来自操作者的命令操纵工具的机器人臂，可以在减少对外科医生的需求的同时提供微创手术的许多益处。这种机器人系统的控制可能需要用户（例如，外科医生或其他操作者）经由一个或多个用户接口设备进行控制输入，所述一个或多个用户接口设备将用户的操纵或命令转化为对机器人系统的控制。例如，响应于用户命令，当外科工具定位在患者的手术区域时，具有一个或多个电机的工具驱动器可以致动外科工具的一个或多个自由度。

与传统的外科手术类似，在机器人微创手术期间，在手术部位保持无菌环境非常重要。然而，通常使用传统的消毒方法诸如加热，事实上无法对工具驱动器的各种部件（例如，马达、编码器、传感器等）和机器人外科系统的其他方面进行消毒。保持无菌性的一种解决方案是在工具驱动器（以及可能出现在手术区域中的其他系统部件诸如机器人臂等）和外科工具之间提供无菌屏障，由此为工具驱动器提供“非灭菌”侧，并且为外科工具提供“无菌”侧。但是，无菌屏障通常不应该干扰工具驱动器如何驱动外科工具。此外，由于在整个外科手术中，工具驱动器可能需要致动不同的外科工具，因此无菌屏障可促进外科工具在工具驱动器上的简易且有效的交换或调换，而不使无菌屏障的作用减弱。将外科工具适当接合和附接到工具驱动器可以有助于形成无菌屏障。因此，可能需要提供与用于机器人手术的无菌适配器相关的附加系统、设备和方法。

发明内容

本文描述了用于确定工具驱动器、无菌适配器和外科工具之间的一个或多个附接状态的系统、设备和方法，用于控制机器人外科系统以帮助无菌适配器适当地接合到系统并形成无菌屏障。这些系统和方法还可以用于传达无菌屏障的状态和机器人外科系统的操作，以帮助操作者和/或其他用户有效地理解系统的附接和接合状态。这里描述的系统和方法可以用于指导操作者执行无菌适配器和外科工具的接合，而不是例如依赖于操作者手动确认无菌适配器、外科工具和工具驱动器之间的适当附接。

一般来讲，本文描述的用于机器人外科系统的系统和方法可以使用配置为联接至无菌适配器和外科工具的工具驱动器。该工具驱动器可包括至少一个无菌适配器传感器和外科工具传感器，至少一个无菌适配器传感器和外科工具传感器被配置为产生对应于工具驱动器、无菌适配器和外科工具的一个或多个之间的附接状态（例如，存在、接合、附接、脱离接合、分离、不存在等）的至少一个传感器信号。控制器可联接到工具驱动器，并且控制器可包括处理器和存储器。在一些变型中，控制器可以被配置为接收至少一个传感器信号并使用该传感器信号产生附接数据。附接数据可以包括工具驱动器、无菌适配器和外科工具之间的至少一个附接状态。可以使用附接数据控制工具驱动程序。基于从传感器信号产生的附接数据，系统可以自动执行形成无菌屏障的一个或多个步骤。例如，通过确保遵循将无菌适配器和外科工具接合到工具驱动器上的适当附接顺序，这些特征可以在形成无菌屏障时改进外科工具的切换过程并减少操作者的错误。在一些变型中，当已确定工具驱动器、无菌适配器和外科工具之间完全附接时，可以由工具驱动器致动外科工具；或者当未感测到并且/或者未适当附接一个或多个系统部件时，可禁止工具驱动器致动外科工具。

在一些变型中，机器人外科系统可包括工具驱动器，该工具驱动器包括配置为经由无菌适配器附接到外科工具的第一壳体。第一壳体可包括从第一壳体的表面延伸并且被配置为偏离表面的至少一个突出部。该突出部可以包括至少一个第一外科工具传感器，该第一外科工具传感器被配置为产生包括工具驱动器和外科工具之间的至少一个附接状态的传感器信号。至少一个可旋转输出驱动可以由第一壳体支撑，并且被配置为通过无菌适配器将扭矩传递至外科工具的输入驱动。

在一些变型中，第一外科工具传感器可以包括接近传感器，该接近传感器包括联接到突出部的第一端的磁体，以及联接到突出部的第二端的磁场换能器。突出部可以设置在一对可旋转输出驱动之间。第一壳体可以包括以两侧对称的方式排列的多个突出部。该突出部可以包括柔顺材料。该突出部可以包括螺旋弹簧和片簧中的至少一个。第二外科工具传感器可以设置在第一壳体的远端。在这些变型中的一些中，第二外科工具传感器可以包括包含磁场换能器的接近传感器。

在一些变型中，外科工具可以包括被配置为附接至无菌适配器的第二壳体。第二壳体可以包括包含磁性突出部的无菌适配器接合特征部。至少一个输入驱动可以由第二壳体支撑并且配置为接收从工具驱动器的输出驱动通过无菌适配器传递的扭矩。端部执行器可以从第二壳体延伸并且可操作地联接到输入驱动。在这些变型中的一些中，磁性突出部可以包括第一锥形表面和与第一锥形表面相对的第二锥形表面。在这些变型中的一些中，外科工具的远侧端部可以包括无菌适配器接合特征部。

在一些变型中，用于机器人外科系统中的工具驱动器可以包括被配置为联接至无菌适配器的壳体。壳体可以包括无菌适配器接合特征部和无菌适配器传感器，该无菌适配器接合特征部可与无菌适配器上的相应工具驱动器接合特征部配合，该无菌适配器传感器被配置为当工具驱动器接合特征部与其相应的无菌适配器接合特征部配合时产生传感器信号。至少一个可旋转输出驱动可以由壳体支撑，并且被配置为通过无菌适配器将扭矩传递至外科工具的输入驱动。

在一些变型中，壳体的远侧端部可以包括无菌适配器接合特征部和无菌适配器传感器。无菌适配器接合特征部可以包括凹陷部和突出部中的一个或多个。无菌适配器传感器可以被配置为当工具驱动器接合特征部接触无菌适配器传感器时产生传感器信号。

在一些变型中，工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的一个或多个可以包括各自的壳体，每个壳体包括光学波导，所述光学波导被配置为在视觉上将工具驱动器、无菌适配器和外科工具之间的附接状态传递给操作者。此外，工具驱动器可以包括联接到光学波导的照明源，该光学波导被配置为将光传播到无菌适配器和外科工具。工具驱动器、无菌适配器和外科工具相互之间的附接可以将它们对应的光学波导机械地联接在一起，使得由工具驱动器产生的光可以经由工具驱动器和无菌适配器传播，由外科工具的光学波导输出。这些特征部可以为操作者提供关于外科系统的附接状态的直观指示，以帮助进行高效的工具切换和形成无菌屏障。

在一些变型中，工具驱动器可以包括一个或多个外科工具传感器，所述传感器被配置为产生与工具驱动器和外科工具之间的附接状态对应的至少一个传感器信号。例如，外科外科工具传感器可以设置在工具驱动器中的一个或多个偏置销钉或其他突出部中，其中所述一个或多个偏置销钉可以被配置为接触无菌适配器，并且迫使销钉的至少一部分远离工具驱动器并且朝向外科工具。外科工具传感器可以设置在偏置销钉的预定部分中并且被配置为产生传感器信号。传感器信号可以被传递到控制器用于处理和分析（例如，以确定工具驱动器和外科工具之间的附接状态）。除此之外或另选地，外科工具可以包括至少一个无菌适配器接合特征部，该无菌适配器接合特征部包括配置用于帮助将外科工具附接到无菌适配器的磁性突出部。磁性突出部可以被另一个外科工具传感器感测以产生传感器信号。在一些变型中，工具驱动器可以包括至少一个无菌适配器传感器，所述至少一个无菌适配器传感器被配置为当无菌适配器和工具驱动器的每一个上的一个或多个接合特征部配合时产生传感器信号。

在一些变型中，机器人外科系统可以包括工具驱动器，该工具驱动器包括配置为经由无菌适配器附接到外科工具的第一壳体。第一壳体可以包括从第一壳体的表面延伸并且被配置为偏离表面的至少一个突出部。该突出部可以包括至少一个第一外科工具传感器，该第一外科工具传感器被配置为产生包括工具驱动器和外科工具之间的至少一个附接状态的传感器信号。至少一个可旋转输出驱动可以由第一壳体支撑，并且被配置为通过无菌适配器将扭矩传递至外科工具的输入驱动。

在一些变型中，第一外科工具传感器可以包括接近传感器，该接近传感器包括联接到突出部的第一端的磁体，以及联接到突出部的第二端的磁场换能器。突出部可以设置在一对可旋转输出驱动之间。第一壳体可以包括以两侧对称的方式排列的多个突出部。该突出部可以包括柔顺材料。该突出部可以包括螺旋弹簧和片簧中的至少一个。第二外科工具传感器可以设置在第一壳体的远端。在这些变型中的一些中，第二外科工具传感器可以包括包含磁场换能器的接近传感器。

在一些变型中，外科工具可以包括被配置为附接至无菌适配器的第二壳体。第二壳体可以包括包含磁性突出部的无菌适配器接合特征部。至少一个输入驱动可以由第二壳体支撑并且被配置为接收从工具驱动器的输出驱动通过无菌适配器传递的扭矩。端部执行器可以从第二壳体延伸并且可操作地联接到输入驱动。

在一些变型中，磁性突出部可以包括第一锥形表面和与第一锥形表面相对的第二锥形表面。在这些变型中的一些中，外科工具的远侧端部包括无菌适配器接合特征部。

在一些变型中，用于机器人外科系统中的工具驱动器可以包括被配置为联接至无菌适配器的壳体。壳体可以包括无菌适配器接合特征部和无菌适配器传感器，该无菌适配器接合特征部可与无菌适配器上的相应工具驱动器接合特征部配合，该无菌适配器传感器被配置为当工具驱动器接合特征部与其相应的无菌适配器接合特征部配合时产生传感器信号。至少一个可旋转输出驱动可以由壳体支撑，并且被配置为通过无菌适配器将扭矩传递至外科工具的输入驱动。在这些变型的一些中，壳体的远侧端部可以包括无菌适配器接合特征部和无菌适配器传感器。无菌适配器接合特征部可以包括凹陷部和突出部中的一个或多个。无菌适配器传感器可以被配置为当工具驱动器接合特征部接触无菌适配器传感器时产生传感器信号。

在一些变型中，工具驱动器和外科工具的相应壳体可以限定部分以支撑当外科工具附接到无菌适配器和工具驱动器时可能彼此靠近的相应电子通信设备。电子通信设备之间的紧密接近可以减少信号干扰、提高功率效率并且能够在设置在工具驱动器和外科工具内的电子设备之间实现无线功率传输。例如，工具驱动器的电子通信设备可以与工具驱动器的可旋转输出驱动盘处于同一平面。外科工具的相应电子通信设备可以设置在外科工具壳体的面向工具驱动器的一侧上的突出部中。当工具驱动器、无菌适配器和外科工具彼此附接时，电子通信设备之间的距离可以减小（如果不是最小化），以便改善一个或多个信噪比(SNR)和功率传输效率。

在一些变型中，机器人外科系统可以包括工具驱动器，该工具驱动器包括被配置为经由无菌适配器附接到外科工具的第一壳体。至少一个输出驱动可以联接到分别由第一壳体支撑的相应可旋转输出驱动盘。输出驱动可以被配置为通过无菌适配器将扭矩传递到外科工具的输入驱动。第一电子通信设备可以被配置为与外科工具无线通信并且基本设置在输出驱动盘的平面中。

在一些变型中，外科工具可以包括被配置为联接至无菌适配器的第二壳体。第二壳体可以包括突出部和第二电子通信设备，该第二电子通信设备被配置为与工具驱动器无线通信。第二电子通信设备可以设置在突出部中。端部执行器可以从第二壳体延伸并且可操作地联接到输入驱动。输入驱动可以由第二壳体支撑并且配置为接收从工具驱动器的输出驱动通过无菌适配器传递的扭矩。

在一些变型中，无菌适配器可以包括配置为插入在工具驱动器和外科工具之间的框架。板组件可以联接到框架。框架可以包括通信部分，该通信部分被配置为当外科工具附接到无菌适配器并且板组件偏向工具驱动器时，支撑外科工具的突出部使其大体在板组件的平面中。至少一个可旋转联接器可以由板组件支撑并且被配置为将扭矩从工具驱动器的输出驱动传递到外科工具的输入驱动。

第一壳体的近侧端部可以被配置为支撑第一电子通信设备。在这些变型中的一些中，外科工具的近侧端部可以包括突出部。在这些变型中的一些中，框架的近侧端部可以包括通信部分。

附图说明

图1是机器人外科系统的一部分的说明性示意图，描绘了工具驱动器、无菌适配器、无菌屏障和外科工具。

图2是机器人外科控制系统的说明性状态图。

图3A至图3C是机器人外科系统的变型的透视图，描绘了一个或多个工具驱动器、无菌适配器和外科工具。图3A是工具驱动器的透视图，图3B是联接到工具驱动器的无菌适配器的透视图，并且图3C是联接至无菌适配器和工具驱动器的外科工具的透视图。

图4A至图4E是采用不同构型的工具驱动器的变型的说明性视图。图4A是工具驱动器的平面图。图4B至图4C是图4A中描绘的工具驱动器的横截面侧视图。图4D至图4E是相应图4B至图4C的详细横截面侧视图。

图5A至图5C是工具驱动器和外科工具的变型的说明性视图。图5A是工具驱动器的平面图。图5B是图5A所示的工具驱动器的横截面侧视图。图5C是图5B中描绘的外科工具的一部分和工具驱动器的详细横截面侧视图。

图6A至图6B是无菌适配器和外科工具的一些变型的说明性视图。图6A是无菌适配器和外科工具的一个变型的横截面侧视图。图6B是无菌适配器和外科工具的另一变型的详细横截面侧视图。

图7A至图7C是工具驱动器和无菌适配器的变型的说明性视图。图7A是联接到无菌适配器的工具驱动器的平面图，图7B是图7A中描绘的工具驱动器和无菌适配器的横截面侧视图，并且图7C是图7B中描绘的工具驱动器和无菌适配器的详细横截面侧视图。

图8是包括相应电子通信设备的工具驱动器和外科工具的变型的详细横截面侧视图。

图9A至图9B是机器人外科系统的变体的示意性框图。

具体实施方式

这里描述的是使用工具驱动器、无菌适配器和外科工具来控制机器人外科系统的系统、设备和方法。如在图1的示意图中大体示出的，机器人外科系统（10）可以包括被配置为致动外科工具（120）的工具驱动器（100）。例如，工具驱动器（100）的一个或多个驱动输出（102）可以致动外科工具（120）的近侧部分（122）上的一个或多个驱动输入（未示出），由此引起位于工具轴（124）远侧端部的端部执行器（未示出）的移动（例如，抓取、切割）。另外，可以在工具驱动器（100）和外科工具（120）之间放置无菌屏障（150），从而在包括工具驱动器（100）的内部非灭菌侧和包括例如可位于无菌手术部位处的外科工具（120）的外部无菌侧之间形成屏障。例如，无菌屏障（150）可包括被配置为至少覆盖工具驱动器（100）的无菌帷帘（130），以及联接到无菌帷帘（130）并位于工具驱动器（100）和外科工具（120）之间的无菌适配器（110）。无菌适配器（110）可以被配置为将来自工具驱动器（100）的至少一个驱动输出（102）的致动力（例如，旋转扭矩、线性运动）传递或以其他方式传递到外科工具（120）的至少一个驱动输入。在此更详细地描述了工具驱动器（100）、无菌适配器（110）和外科工具（120）的示例。

一般来讲，本文描述的系统和方法可以包括将无菌适配器和外科工具附接到工具驱动器。设置在工具驱动器、无菌适配器和外科工具的一个或多个中的一个或多个传感器可以被配置为产生用于监视和推进附接过程的传感器信号。例如，可以感测无菌适配器到工具驱动器的附接，并且通过从工具驱动器和无菌适配器的一个或多个的光学波导（例如，光导管）的颜色编码的光输出将其视觉传递给操作者。此外，在确定无菌适配器附接时，可以在没有操作者输入的情况下致动工具驱动器以将无菌适配器完全接合（例如，附接）到工具驱动器，以便准备外科系统用于外科工具附接。另一方面，当传感器检测到与工具驱动器的不适当附接时，可以通过从工具驱动器的光学波导输出颜色编码光来向操作员通知错误。在这种情况下，工具驱动器可能被禁止运行（例如，以防止对系统和/或操作者造成伤害）。还可检测外科系统的脱离接合和/或分离并在随后传递给操作者（例如，使用光学波导视觉地传递）。使用传感器来确定工具驱动器、无菌适配器和外科工具之间的连接状态，并且将连接状态传递给操作者，这可以例如帮助有效地执行工具切换和形成适当的无菌屏障。

在一些变型中，工具驱动器、无菌适配器和外科工具之间的附接状态可以由机器人外科系统使用一个或多个输出模态输出给操作者。在一些变型中，工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的一个或多个可以包括用于快速且直观地向操作者传递附接状态的视觉输出设备。例如，在将无菌适配器和/或外科工具附接到工具驱动器上时，附接部件的相应光学波导可以指示附接状态。除此之外或另选地，外科系统可以包括其他视觉输出设备，诸如用户控制台（例如，外科医生桥台）和/或显示设备。除此之外或另选地，操作者可以从相应的音频和触觉设备接收音频和触觉输出。

可以使用一个或多个传感器信号产生附接状态数据。在一些变型中，工具驱动器可以包括至少一个外科工具传感器，所述外科工具传感器被配置为产生与工具驱动器和外科工具之间的附接状态对应的传感器信号。传感器信号可用于产生附接数据。附接数据可用于控制工具驱动器和/或向操作者输出附接状态。在一些变型中，一个或多个偏置突出部（例如，偏置销钉）可以从工具驱动器壳体的表面延伸。突出部可以被偏置以接触并迫使无菌适配器的一部分远离工具驱动器壳体并朝向外科工具。第一外科工具传感器（例如，接近传感器）可以布置在突出部内，并且被配置为确定突出部相对于工具驱动器壳体的移动量。可以从外科工具传感器数据获得工具驱动器和外科工具之间的附接状态。

在一些变型中，工具驱动器可以包括第二外科工具传感器，所述第二外科工具传感器被配置为产生与外科工具和无菌适配器之间的附接对应的另一传感器信号。在一些变型中，第二外科工具传感器可以是被配置为检测外科工具的磁性突出部的接近传感器（例如，磁场换能器）。作为其他示例，第二外科工具传感器可以包括开关（例如，检测外科工具和/或无菌适配器与工具之间的物理接触）、光学传感器、电感传感器和/或其他合适的传感器。工具驱动器和外科工具之间的附接状态可以从第二外科工具传感器产生的传感器信号中获得。在一些变型中，磁性突出部可以被配置为与无菌适配器中的对应凹陷部配合。突出部的表面可以被配置为引导外科工具附接至无菌适配器。因此，突出部可有助于外科工具适当对准和附接（例如，坐放）到无菌适配器。

在一些变型中，工具驱动器可包括被配置为当无菌适配器完全附接到工具驱动器时产生传感器信号的至少一个无菌适配器传感器。例如，当工具驱动器和无菌适配器上的相应接合特征部接触和配合时，无菌适配器传感器可以产生传感器信号。在其他示例中，无菌适配器传感器可以除此之外或另选地包括另一合适的传感器（例如，接近传感器），用于检测无菌适配器何时完全附接到工具驱动器。传感器信号可以用于产生附接数据以用于控制工具驱动器。无菌适配器传感器可以设置在工具驱动器的壳体的一部分（例如，远侧端部）上，使得无菌适配器与工具驱动器的不适当接触和/或部分附接产生相应的传感器信号。

在一些变型中，工具驱动器和外科工具可以包括设置在工具驱动器和外科工具中的电子通信设备，以相互传递工具和系统数据。当外科工具附接到无菌适配器和工具驱动器时，通信设备可以被配置为紧密接近（例如，在几毫米内）。电子通信设备之间的紧密接近允许减少信号干扰，并且可以实现工具驱动器和外科工具之间的无线功率传输。工具驱动器的第一电子通信设备可以靠近面向外科工具的工具驱动器壳体的一侧设置，从而使第一电子通信设备和外科工具之间的距离最小。同样，外科工具的第二电子通信设备可以靠近面向工具驱动器的外科工具壳体的一侧布置，从而使第二电子通信设备和工具驱动器之间的距离最小。无菌适配器可以包括配置为支撑第二电子通信设备的通信部分，使得当无菌适配器插入它们之间时外科工具和工具驱动器之间的距离最小。

I. 方法

本文描述了使用本文所述系统和设备控制机器人外科系统的方法。一般来讲，这里描述的方法包括使用一个或多个传感器产生外科工具、无菌适配器和工具驱动器之间的附接状态。响应于该附接状态，控制器可以控制工具驱动器的操作并且向操作者输出（例如，通知）附接状态。例如，这里描述的方法可以包括确定无菌适配器到工具驱动器的部分附接，并且在随后致动工具驱动器的输出驱动器以将无菌适配器完全附接到工具驱动器。系统可以使用音频、视觉和触觉输出中的一个或多个向操作者通知附接状态（例如，部分附接、完全附接、部分分离、完全分离、不适当附接）。如本文所述的任何设备和系统可以用于执行本文讨论的方法。例如，系统可以包括配置为经由无菌适配器附接到外科工具的工具驱动器。该工具驱动器可以包括至少一个无菌适配器传感器和/或至少一个外科工具传感器。这些传感器可以被配置为产生用于产生系统的附接状态的至少一个传感器信号（例如，无菌适配器传感器可以被配置为产生与工具驱动器和无菌适配器之间的附接状态对应的传感器信号，并且/或者外科工具传感器可被配置为产生与外科工具/无菌适配器和工具驱动器之间的附接状态对应的传感器信号）。包括处理器和存储器的控制器可以联接到工具驱动器并且用于控制工具驱动器的致动。

一般来讲，这里描述的方法可以包括接收由工具驱动器的一个或多个传感器产生的传感器信号并且使用该传感器信号产生附接数据。例如，控制器可以接收并处理传感器信号以产生附接数据。附接数据可以包括工具驱动器、无菌适配器和外科工具之间的至少一个附接状态。工具驱动器操作和/或操作者通知可基于附接数据。例如，本文所述的方法可以帮助外科工具和无菌适配器适当接合到工具驱动器以形成无菌屏障。由于系统不需要依赖于操作者确认附接状态，这可能具有一个或多个好处，诸如高效的工具切换和无菌屏障形成，以及增加的安全性。图2是描述如本文所述控制系统的说明性方法的状态图。当然，图2中描述的示例性变型旨在用于说明性描述，并且是非限制性的。

在一些变型中，可以使用一个或多个输出方法将系统的附接状态传递给操作者（例如，关于图3A至图3C详细描述）。例如，可以使用从工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的一个或多个的相应光学波导（例如，光导管）发射的一组光图案将系统的状态传递给操作者。例如，本文所述的光图案可以包括闪光、隐显光、等相光等中的一种或多种，以及/或者任何合适的明/暗图案的光。例如，闪光可对应于节奏断续光，其中每个周期中光的总持续时间短于总的黑暗持续时间，并且其中光的闪光持续时间相等。隐显光可以对应于节奏断续光，其中每个周期的光持续时间长于总的黑暗持续时间。等相光可以对应于具有相同长度的黑暗和明亮周期的光。光脉冲图案可以包括一种或多种颜色（例如，每个脉冲输出不同颜色）、光强度和频率。本文进一步详细描述系统的光学波导的变型。在一些变型中，可以向操作者提供视觉、听觉和触觉输出中的一个或多个以传递系统的附接状态。

作为另一个例子，除此之外或另选地，可以使用显示设备视觉地向操作者传递系统的附接状态。系统显示设备的变型在本文中进一步详细描述，并且可以包括例如LED显示器、触摸屏显示器、用户控制台、虚拟现实耳机以及其他合适的显示器中的一种或多种。

作为另一个示例，除此之外或另选地，还可以使用音频设备以音频方式传递系统的附接状态。系统音频设备的变型在本文中进一步详细描述，并且可以包括例如扬声器、用户控制台、虚拟现实耳机以及其他合适的音频设备中的一种或多种。

作为又一个示例，除此之外或另选地，还可以使用触觉设备以触觉方式传递系统的附接状态。系统触觉设备的变型在本文中进一步详细描述，并且可以包括例如工具驱动器、臂的远侧部分、输入设备（例如，手持式控制器）和其他合适的触觉设备中的至少一个中的振动马达。

无菌适配器准备就绪状态

在一些变型中，控制过程（200）可以包括无菌适配器准备就绪状态（202），其中无菌适配器和外科工具两者均与工具驱动器完全分离。一个或多个外科工具传感器（例如，关于图4D至图4E和图6B详细描述的）可以输出与工具驱动器和外科工具之间的分离状态对应的传感器信号。无菌适配器附接传感器（例如，关于图7C详细描述的）可以输出对应于工具驱动器和无菌适配器之间的分离状态的传感器信号。因此，基于这些传感器信号，在无菌适配器准备就绪状态（202），可以禁止工具驱动器驱动输出驱动。

重新参见图2，工具驱动器可输出对应于无菌适配器准备就绪状态（202）的第一光图案（220）。在一些变型中，工具驱动器可以使用工具驱动器的第一光学波导，以预定光强度输出有色光（例如，蓝光）的慢脉冲（例如，参见图3A）。例如，第一光图案可以包括具有约半秒或更长持续时间的光脉冲。除此之外或另选地，显示设备可以输出指示系统已准备好将无菌适配器附接到工具驱动器的文本或图像。例如，联接到系统的用户控制台（例如，外科医生桥台）可以向操作者显示诸如“请将无菌适配器附接到工具驱动器”和/或“无菌适配器附接准备就绪”的消息。在一些变型中，无菌适配器准备就绪状态（202）可以对应于禁止音频和触觉输出的第一音频模式和第一触觉模式。在其他变型中，音频设备可以以预定的时间间隔输出声音效果（例如，鸣响声、砰声、嘟嘟声等）和/或口头消息，以提醒操作者将无菌适配器附接到工具驱动器。

无菌适配器接合状态

操作者可以至少部分地将无菌适配器附接到工具驱动器。作为响应，控制器可以确定系统从无菌适配器准备就绪状态（202）转变到与无菌适配器部分到工具驱动器的附接相对应的无菌适配器接合状态（204）。在一些变型中，无菌适配器与工具驱动器的部分附接可意味着无菌适配器的至少一部分可附接到工具驱动器，但无菌适配器的至少另一部分可与工具驱动器分离或脱离接合。

例如，在其中工具驱动器包括至少一个可旋转输出驱动（例如旋转轴驱动）的变型中，无菌适配器可包括框架和至少一个可旋转联接器，所述至少一个可旋转联接器被配置为将扭矩从可旋转输出驱动传递到外科工具。无菌适配器与工具驱动器的部分附接可意味着框架可以附接到工具驱动器，但是无菌适配器的至少一个可旋转联接器可能不与工具驱动器的相应输出驱动可操作地联接（并且因此不能传递扭矩）。例如，图7A至7B示出了示例性无菌适配器到工具驱动器的附接。在一些变型中，操作者可以在附接无菌适配器的远侧端部之前将无菌适配器的近侧端部附接到工具驱动器。当无菌适配器传感器产生与无菌适配器部分到工具驱动器的附接（222）相对应的传感器信号时，系统可以确定从准备就绪状态（202）到接合状态（204）的转变。一个或多个外科工具传感器（例如参见图4D、4E和5C）可以产生对应于外科工具和工具驱动器之间的分离的传感器信号。传感器信号的这种组合可以对应于无菌适配器部分附接到工具驱动器但未准备好外科工具加载（206）。

响应于无菌适配器到工具驱动器的部分附接（222），系统的控制器可以致动工具驱动器的一个或多个可旋转输出驱动，以将工具驱动器的可旋转输出驱动物理接合到无菌适配器的对应可旋转联接器（224）。例如，无菌适配器可以包括框架和联接到框架的板组件。板组件可以被配置为具有垂直于框架平面的运动范围。板组件可以包括由板组件支撑的至少一个可旋转联接器。可旋转联接器可以被配置为传送来自工具驱动器的输出驱动的扭矩输出。在包括工具驱动器和无菌适配器的其他变型的系统中，系统的控制器可以采用任何合适的方式致动工具驱动器的至少一部分，以便将输出驱动接合到无菌适配器的对应部分。例如，在包括具有至少一个线性输出驱动的工具驱动器和具有至少一个可线性移动的联接器或配置诶接合线性输出驱动的其他接口的无菌适配器的系统中，控制器可以致动线性输出驱动（例如，在轴向方向上朝远侧和/或近侧）以便将线性输出驱动与可线性移动的联接器接合。

在一些变型中，工具驱动器可以响应于确定无菌适配器的部分附接状态而输出第二光图案。在一些变型中，工具驱动器可以使用工具驱动器的光学波导以预定光强度输出彩色光（例如，蓝光）的快速脉冲。例如，第二光图案可以包括持续时间小于约半秒（例如，为约1/4秒）的光脉冲。在一些变型中，如本文进一步描述的，将无菌适配器附接到工具驱动器可以将无菌适配器的光学波导（例如，光导管）机械联接到一起，使得由工具驱动器的照明源发出的光可传播通过无菌适配器的光学波导并由该光学波导分布。无菌适配器输出的光线向操作者确认无菌适配器已附接到工具驱动器。这可以允许操作者通过查看工具驱动器和无菌适配器的多个视觉指示器（例如，颜色、脉冲频率、光分布等）输出来快速识别无菌适配器接合状态（204）。

除此之外或另选地，显示设备可输出表示无菌适配器在无菌适配器接合状态（204）下部分地附接到工具驱动器的文本或图像。例如，联接到系统的用户控制台可向操作者显示消息，诸如“检测到无菌适配器”、“无菌适配器已附接到工具驱动器”和/或“接合无菌适配器盘”。在一些变型中，音频设备可以输出对应于无菌适配器接合状态的第二音频模式。例如，音频设备可以输出一组快速短鸣响声，或以预定频率和音量持续预定时间长度的其他合适的声音效果。第二触觉模式可对应于无菌适配器接合状态并禁止触觉输出。在其他变型中，响应于无菌适配器的附接，音频设备可以输出由用户控制台显示的消息和/或以语音方式输出工具驱动器的操作步骤（例如，“接合无菌适配器盘”）。

相反，操作者可通过例如将无菌适配器从工具驱动器的远侧端部旋转地提离来将无菌适配器与工具驱动器分离。当产生与无菌适配器和工具驱动器之间的分离（226）相对应的来自无菌适配器传感器的传感器信号时，系统可以从无菌适配器接合状态（204）转变到无菌适配器准备就绪状态（202）。类似地，一个或多个外科工具传感器可以产生对应于外科工具和工具驱动器之间的分离的传感器信号。可以禁止工具驱动器在无菌适配器分离状态（226）下致动输出驱动。在一些变型中，还可以在感测到无菌适配器分离（226）时禁止视觉、音频和触觉输出中的一个或多个。

外科工具加载准备就绪状态

控制器可以确定系统从无菌适配器接合状态（204）转变成外科工具加载准备就绪状态（206）。例如，控制器可以将工具驱动器的可旋转输出驱动在一个或多个方向（例如，顺时针、逆时针）旋转预定的转数，以将无菌适配器完全附接到工具驱动器。当无菌适配器的可旋转联接器与它对应的工具驱动器可旋转输出驱动完全物理接合时，工具驱动器和无菌适配器可处于工具加载准备就绪状态（206）。在完全附接时，由输出驱动产生的扭矩可以被传送到无菌适配器的联接器。在一些变型中，可旋转输出驱动可以旋转，直到使用一个或多个扭矩传感器和旋转编码器在输出驱动中检测到扭矩的变化。扭矩的变化可对应于来自可旋转联接器的附加阻力，其表示可旋转联接器已与其对应的工具驱动器输出驱动物理接合。

在一些变型中，工具驱动器和无菌适配器中的一个或多个可以从系统输出第三光图案以通知操作者工具加载准备就绪状态（206）。在一些变型中，工具驱动器和无菌适配器中的一个或多个可以使用工具驱动器和/或无菌适配器的光学波导以预定光强度输出纯色光（例如，蓝光）。除此之外或另选地，显示设备可以输出表示系统已准备好将外科工具附接到无菌适配器和工具驱动器的文本或图像。例如，联接到系统的用户控制台可以向操作者显示消息，诸如“请将外科工具附接到工具驱动器”和/或“准备好工具加载”。在一些变型中，音频设备可以输出对应于工具加载准备就绪状态（206）的第三音频模式。例如，音频设备可以输出以预定频率和音量持续预定时间长度的一个或多个延长的鸣响声（具有比短鸣响声长的持续时间）。第三触觉模式可对应于外科工具加载准备就绪状态并禁止触觉输出。在其他变型中，响应于工具加载准备就绪状态（206），音频设备可以输出由用户控制台显示和/或以语音方式描述工具驱动器的致动的消息。

在某些情况下，在无菌适配器附接到工具驱动器后，操作者可以将无菌适配器与工具驱动器分离。当无菌适配器传感器产生与无菌适配器与工具驱动器分离（226）相对应的传感器信号时，系统可以从工具加载准备就绪状态（206）转变到无菌适配器准备就绪状态（202）。类似地，一个或多个外科工具传感器可以产生对应于外科工具与工具驱动器分离的传感器信号。

外科工具接合状态

一旦无菌适配器完全附接到工具驱动器，操作者可以将外科工具部分地附接到无菌适配器。作为响应，控制器可以确定系统从外科工具加载准备就绪状态（206）转变到对应于外科工具部分附接到无菌适配器（228）的外科工具接合状态（208）。在一些变型中，外科工具与无菌适配器的部分附接可意味着外科工具的至少一部分可附接到无菌适配器，而外科工具的另一部分可与无菌适配器分离或脱离接合。例如，外科工具的壳体可以附接到无菌适配器的框架并且附接到工具驱动器，但外科工具的输入驱动可以不可操作地与无菌适配器的对应可旋转联接器联接。然后，当一个或多个无菌适配器传感器产生与外科工具和无菌适配器之间的部分附接（228）相对应的传感器信号时，系统可以从准备就绪状态（206）转变到工具接合状态（208）。工具驱动器的一个或多个突出部（例如，偏置销钉）（参见例如，图4B至4E和本文附随的描述）可以产生对应于突出部被暂时向下推向工具驱动器的表面（随着操作者在无菌适配器的表面上方纵向地推动外科工具时）的传感器信号。然后，突出部可偏离工具驱动器的表面（随着外科工具安置在无菌适配器的板组件内时）。例如，无菌适配器的表面可以包括产生不平坦表面并且被配置为与无菌适配器上的相应配合特征部（例如凹陷部）配合的配合特征部（例如突出部）。当操作者将外科工具在无菌适配器上方滑动时，突出部可以不均匀地在板组件的表面上滑动，以便暂时将板组件向下推动。当突出部配合到对应的凹陷部中时，板组件可以向上偏置回去。

在一些变型中，外科工具的配合特征部可以用于确定外科工具的附接状态。例如，设置在工具驱动器的远侧端部上并面向无菌适配器的第二外科工具传感器（例如，接近传感器）可以产生对应于当外科工具的磁性突出部滑入无菌适配器的对应凹陷部中时存在外科工具的传感器信号（参见例如图6A至6B和本文随附的描述）。例如，第二外科工具传感器的输出可以表示外科工具附接到并完全安置在无菌适配器中，以便准备好进行输入驱动联接。

在一些变型中，工具驱动器可以还包括无菌适配器传感器，该无菌适配器传感器被配置为产生与工具驱动器和无菌适配器之间的附接状态对应的传感器信号。例如，如本文参照图7A至7C进一步描述的，在一些变型中，无菌适配器的远侧端部可以机械地闩锁到工具驱动器以与无菌适配器传感器接合。这些外科工具和无菌适配器传感器信号的组合可由控制器用来将系统从工具加载准备就绪状态（206）转变到工具接合状态（208）。

在一些变型中，工具驱动器和外科工具可各自包括各自的电子通信装置，诸如被配置为彼此通信和/或当它们非常接近（例如，在几厘米内）时无线传输电力的无线通信设备。外科工具到无菌适配器和工具驱动器的附接可以对应于电子通信设备变成在彼此的预定范围内。下面参考图8描述具有这样的各自电子通信设备的示例性布置。

响应于工具接合状态（208），系统的控制器可致动工具驱动器的一个或多个可旋转输出驱动，以将工具驱动器的可旋转输出驱动与外科工具的对应可旋转输入驱动物理接合。在一些变型中，工具驱动器可响应于外科工具的部分附接状态而输出第四光图案。在一些变型中，工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的一个或多个可以使用工具驱动器、无菌适配器和外科工具的一个或多个光学波导以预定光强度输出纯色光（例如，绿光）的快速脉冲。例如，第四光图案可以包括持续时间小于约半秒（例如，为约¼秒）的光脉冲。在一些变型中，将外科工具附接到无菌适配器可以将外科工具、无菌适配器和工具驱动器的波导机械地联接在一起，使得由工具驱动器产生的光可以传播到无菌适配器和/或外科工具的光学波导并由这些光学波导分配。这可以允许操作者通过简单地查看哪个系统部件正在发光来快速确认工具驱动器和外科工具之间的工具接合状态（208）。

除此之外或另选地，显示设备可输出表示外科工具在工具接合状态（208）下部分地附接到工具驱动器的文本或图像。例如，联接到系统的用户控制台可以向操作者显示消息，诸如“检测到外科工具”、“外科工具已附接到工具驱动器”和/或“正在接合外科工具输入驱动”。在一些变型中，音频设备可以输出对应于工具接合状态（208）的第四音频模式。例如，音频设备可以输出以预定频率（例如，不同于第二音频模式的频率）和预定音量持续预定时间长度的一组快速短鸣响声。触觉设备可以输出对应于工具接合状态（208）的第四触觉模式。例如，一个或多个工具驱动器和外科工具的触觉设备可以输出小的振动。在其他变型中，响应于外科工具附接（例如，一个或多个输出驱动的致动），音频设备可以输出由用户控制台显示和/或以语音方式描述工具驱动器的致动的消息。在一些变型中，工具接合状态下的外科工具的电子通信设备（例如，无线通信设备）可以将工具功能和其他数据（例如安全数据、使用数据、诊断数据、制造数据等）发送到工具驱动器的电子通信设备。反过来，外科工具的电子通信设备可以接收可存储在外科工具的存储器中的认证数据和/或其他数据（校准数据、使用数据、日志数据、外科系统数据、患者数据、过程数据、调节数据等）。

外科工具准备就绪状态

控制器可以控制处于工具接合状态（208）的系统转变（230）成与外科工具、无菌适配器和工具驱动器之间的完全附接状态对应的外科工具准备就绪状态（210）。例如，工具驱动器可以使可旋转输出驱动在一个或多个方向（例如，顺时针、逆时针）旋转预定的转数，以将外科工具完全安置在无菌适配器中。处于工具准备就绪状态（210）的外科工具然后可以经由工具驱动器被致动以在操作者指导下操作外科工具。当外科工具的可旋转输入驱动与它对应的工具驱动器可旋转输出驱动完全物理接合（完全附接）时，工具驱动器和外科工具可处于工具准备就绪状态（210）。当外科工具完全附接（例如，完全就位）时，由输出驱动产生的扭矩可以被传送到工具驱动器的输入驱动。在一些变型中，可旋转输出驱动可以旋转，直到使用一个或多个扭矩传感器和旋转编码器在输出驱动中检测到扭矩的预定变化。扭矩的减小可以表示外科工具的输入驱动遇到阻力并且与工具驱动器的相应输出驱动物理接合。

在一些变型中，工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的一个或多个可以输出第五光图案以表示工具准备就绪状态（210）。在一些变型中，工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的一个或多个可以使用工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的一个或多个的光学波导以预定光强度输出纯色光（例如，绿光）。除此之外或另选地，显示设备可以向操作者显示消息，例如“工具准备好使用”和/或“工具完全附接”。在一些变型中，音频设备可以输出以预定频率（不同于第三音频模式的频率）和音量持续预定时间长度的一个或多个延长的鸣响声（比短鸣响声更长）。第五触觉模式可以禁止触觉输出。在其他变型中，响应于工具准备就绪状态（210），音频设备可以输出由用户控制台显示和/或以语音方式描述工具驱动器的致动的消息。在一些变型中，外科工具的电子通信设备（例如，无线通信设备）可以将工具功能和其他数据（例如安全数据、使用数据、日志数据、诊断数据、制造数据等）发送到工具驱动器的电子通信设备。反过来，外科工具的电子通信设备可以接收可存储在外科工具的存储器中的认证数据和/或其他数据（校准数据、使用数据、外科系统数据、患者数据、过程数据、调节数据等）。在一些变型中，工具驱动器可以被配置为使用近场无线电力传输系统将电力从工具驱动器无线地传输到外科工具准备就绪状态下的外科工具。

外科工具释放状态

本文描述的方法还可以响应于操作者从工具驱动器释放外科工具和/或无菌适配器来控制工具驱动器。通常，操作者可以通过外科工具和/或无菌适配器与工具驱动器的部分分离（例如，通过致动外科工具释放机构）或完全分离（例如通过提升和/或拉动来进行物理移除），来将外科工具和无菌适配器中的一个或多个与工具驱动器分离。部分分离可类似于部分附接。例如，操作者可以将无菌适配器（部分附接或完全附接有外科工具）与工具驱动器分离（232），以从工具接合状态（208）或工具准备就绪状态（210）转变到外科工具释放状态（212）。处于外科工具释放状态（212）的无菌适配器可以部分地分离，以便位于工具驱动器上但不输出由工具驱动器传送的扭矩。然后操作者能够从工具驱动器中完全移除外科工具和无菌适配器，以从外科工具释放状态（212）转变到外科工具移除状态（214）。

如图2所示，部分附接的外科工具（例如，处于工具接合状态（208））可以通过无菌适配器与工具驱动器的部分分离（232）或外科工具与无菌适配器的部分分离（234）来转变到外科工具释放状态（212）。例如，当操作者将外科工具与外科系统分离（例如，以便切换工具）时，操作者可以致动外科工具上的工具释放机构（未示出）来将外科工具的一部分偏置离开无菌适配器。也就是说，外科工具的致动机构（例如，杠杆、按钮）可以使外科工具从无菌适配器释放和/或部分分离。这对应于从工具接合状态（208）或工具准备就绪状态（210）转变到外科工具释放状态（212）。在一些变型中，从工具接合状态（208）或工具准备就绪状态（210）转变到工具释放状态（212）可以对应于从一个或多个外科工具传感器产生对应于外科工具和无菌适配器之间的分离（234）的传感器信号。例如，工具驱动器的一个或多个突出部（例如，偏置销钉）可以产生对应于当分离时至少一个突出部偏向工具驱动器的表面的传感器信号（例如，无菌适配器部分地施加抵靠工具驱动器的向下的力）。

在一些变型中，设置在工具驱动器的远侧端部上的第二外科工具传感器（例如接近传感器、磁场换能器、霍尔效应传感器）可以产生对应于外科工具的存在的传感器信号。该信号可以表示外科工具至少部分地与无菌适配器接触。无菌适配器传感器可以产生与工具驱动器和无菌适配器之间的附接对应的传感器信号。这些外科工具和无菌适配器传感器信号的组合可以被控制器用来将系统转变到外科工具释放状态（212）。在一些变型中，工具驱动器和外科工具的电子通信设备可以在它们仍然互相靠近时彼此通信和/或传递电力。

在一些变型中，通过从工具驱动器提起并分离（例如，解锁）无菌适配器的远侧端部，无菌适配器可以与工具驱动器部分地分离。例如，从工具接合状态（208）或工具准备就绪状态（210）转变到工具释放状态（212）可以对应于从无菌适配器传感器产生对应于无菌适配器和工具驱动器之间的分离（232）的传感器信号。在这种状态下，外科工具仍然可以完全或部分地附接到无菌适配器。类似地，一个或多个外科工具传感器可以输出对应于外科工具和工具驱动器之间的分离的传感器信号。作为响应，可以禁止工具驱动器驱动输出驱动。传感器信号的这种组合可以包括部分分离。例如，无菌适配器可以位于工具驱动器上，但在功能上与工具驱动器分离。响应于工具释放状态（212），控制器可以禁止工具驱动器的可旋转输出驱动的致动。

在一些变型中，工具驱动器可响应于部分分离状态而输出第六光图案。在一些变型中，工具驱动器和无菌适配器中的一个或多个可以使用工具驱动器和无菌适配器的一个或多个光学波导以预定光强度输出纯色光（例如，红光）的快速脉冲。例如，第六光图案可以包括持续时间小于约半秒（例如，为约¼秒）的光脉冲。在一些变型中，外科工具与无菌适配器的分离可以将外科工具的第三光学波导与无菌适配器的第二光学波导机械地分离，使得由工具驱动器产生的光可以仅分配给工具驱动器的第一光学波导和/或无菌适配器的第二光学波导并仅由这些波导输出。这可以允许操作者基于哪个系统部件正在发光来快速确认工具释放状态（212）。

除此之外或另选地，显示设备可输出表示外科工具在工具释放状态（212）下与无菌适配器或工具驱动器部分地分离的文本或图像。例如，联接到系统的用户控制台可向操作者显示消息，诸如“外科工具已分离，请移除外科工具”、“无菌适配器已分离，请移除无菌适配器”和/或“您是否希望移除外科工具”在一些变型中，音频设备可以输出对应于工具释放状态（212）的第六音频模式。例如，音频设备可以输出以预定频率（不同于第二和第四音频模式的频率）和音量持续预定时间长度的一组快速短鸣响声。触觉设备可以输出对应于工具接合状态（208）的第六触觉模式。例如，工具驱动器的触觉设备可以输出小的振动。在其他变型中，音频设备可以输出由用户控制台显示和/或以语音方式描述工具驱动器对操作者分离的响应的消息。

外科工具移除状态

操作者可以将外科工具和/或无菌适配器与工具驱动器完全分离。作为响应，控制器可以确定系统从外科工具释放状态（212）转变到对应于外科工具与工具驱动器完全分离（236）的外科工具移除状态（214）。从工具释放状态（212）转变到工具移除状态（214）可基于从一个或多个外科工具传感器产生对应于外科工具与工具驱动器分离（236）的传感器信号。例如，工具驱动器的一个或多个偏置突出部可以产生对应于外科工具从与工具驱动器的突出部接触退回的传感器信号。此外，当未检测到外科工具的磁性突出部时，设置在工具驱动器的远侧端部上的第二外科工具传感器可以输出与不存在外科工具相对应的传感器信号。这些外科工具和传感器信号的组合可以被控制器用来将系统转变到工具移除状态（214）。在一些变型中，工具驱动器和外科工具的电子通信设备可以在移除状态（214）下移出彼此的范围。

响应于外科工具移除状态（214），控制器可以禁止工具驱动器的可旋转输出驱动的致动。在一些变型中，工具驱动器可响应于工具移除而输出第七光图案。在一些变型中，工具驱动器和无菌适配器中的一个或多个可以使用工具驱动器和/或无菌适配器的相应光学波导以预定光强度输出纯色光（例如，蓝光）。

除此之外或另选地，显示设备可输出表示外科工具在工具移除状态（214）下从工具驱动器移除的文本或图像。例如，联接到系统的用户控制台可向操作者显示消息，诸如“外科工具已移除”和/或“请附接外科工具”。在一些变型中，可以在工具移除状态（214）下禁止音频和触觉输出。在其他变型中，音频设备可以输出由用户控制台显示和/或以语音方式描述工具驱动器对操作者分离的响应的消息。

一旦移除外科工具，操作者可以将另一个外科工具和/或无菌适配器附接到工具驱动器。例如，当由无菌适配器传感器产生的传感器信号对应于无菌适配器和工具驱动器之间的分离（238）时，控制器可以将系统从工具移除状态（214）转变到无菌适配器准备就绪状态（202）。可以禁止工具驱动器在无菌适配器分离状态（238）下驱动输出驱动。在一些变型中，还可以在无菌适配器分离（238）时禁止视觉、音频和触觉输出中的一个或多个。

在一些变型中，控制器可以从工具移除状态（214）转变到工具加载准备就绪状态（206）。可以由无菌适配器传感器产生的对应于无菌适配器与工具驱动器之间的完全附接（240）的传感器信号来触发从工具移除状态（214）到工具加载准备就绪状态（206）的转变。响应于无菌适配器附接（240），控制器可以禁止工具驱动器的可旋转输出驱动的致动。在一些变型中，工具驱动器可响应于无菌适配器附接状态（240）而输出第三光图案。例如，工具驱动器可以使用工具驱动器和/或无菌适配器的光学波导以预定光强度输出纯色光（例如，蓝光）。

除此之外或另选地，显示设备可以输出表示系统已准备好将外科工具附接到无菌适配器和工具驱动器的文本或图像。例如，联接到系统的用户控制台可以向操作者显示消息，诸如“请将外科工具附接到工具驱动器”和/或“准备好工具加载”。在一些变型中，音频设备可以输出对应于如本文所述的工具加载准备就绪状态（206）的第三音频模式。触觉输出可以像在第三触觉模式中那样被禁止。

在一些变型中，工具驱动器的控制可以基于附接状态和时间。例如，如果无菌适配器和外科工具中的一者或多者与工具驱动器的部分附接未在预定时间段和/或预定尝试次数内转变到完全附接，则控制器可以禁止工具驱动器输出并通知操作者附接错误。作为回应，操作员可以重复附接过程。

II. 设备

机器人外科系统可包括使用本文所述的设备执行机器人手术所必需的一个或多个部件。通常，本文所述的用于机器人外科系统的设备可包括工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的一者或多者。工具驱动器可包括至少一个可旋转输出驱动，所述可旋转输出驱动被配置为通过无菌适配器将扭矩传递到外科工具。无菌适配器可包括被配置为插置在工具驱动器与外科工具之间的框架。板组件可联接到框架，并且至少一个可旋转联接器可以由板组件支撑并被配置为将来自工具驱动器的输出驱动的扭矩传递到外科工具。外科工具可包括至少一个输入驱动，所述输入驱动被配置为接收从工具驱动器传递的扭矩。外科工具还可包括可操作地联接到输入驱动的端部执行器。

在一些变型中，工具驱动器可包括被配置为发射光的照明源以及被配置为将所发射的光传播到无菌适配器的光学波导。无菌适配器和外科工具可包括被配置为接收、传播和分配所接收的光的相应光学波导。在一些变型中，工具驱动器可包括至少一个无菌适配器传感器和外科工具传感器，所述传感器被配置为产生传感器信号，进而产生附接数据。工具驱动器和外科工具各自还可包括被配置用于无线通信和/或无线功率传输的电子设备。电子设备可设置在相应的壳体中，使得当工具驱动器、无菌适配器和外科工具彼此附接时电子设备彼此靠近。

光学波导

如本文所述的工具驱动器、无菌适配器和外科工具可包括一个或多个输出设备，所述输出设备被配置为向操作者传递信息，诸如附接状态、系统或设备状态以及其他信息（例如，患者数据、手术数据等）。信息可通过工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的一者或多者可视地传递，并提供外科系统的附接状态的直观指示，以帮助实现有效工具切换和无菌屏障形成。例如，工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的一者或多者可包括用于允许操作者查看由系统产生的附接状态信息的光学波导（例如，光管、光分布导管等）。一个或多个光学波导可使用光输出参数（例如，波长、频率、强度、图案、持续时间）的预定组合来接收来自光源（例如，工具驱动器的照明源）的光，以确认无菌屏障和/或机器人外科系统的形成状态。

在一些变型中，光学波导可被配置为在机械附接到机器人外科系统的另一光学波导时接收并传播来自照明源的光，使得它们处于光学连通状态。例如，工具驱动器光学波导可被配置为在附接到工具驱动器时将光输出到无菌适配器光学波导的输入端。也就是说，只有在无菌适配器适当附接到工具驱动器之后，由工具驱动器发射并传播的光才能被无菌适配器接收。这允许操作者基于从该组光学波导输出的光容易地确认附接状态。光学波导可以与系统的壳体一体成型，以简化制造并实现紧凑的设计和最小限度的功率使用。除此之外或另选地，该系统可包括具有附加视觉输出设备（例如，显示设备）的用户控制台。在一些变型中，操作者可以接收对应于系统的附接状态的音频和触觉反馈，如本文所述。

A. 工具驱动器

图3A是包括第一光学波导（320）的工具驱动器（310）的透视图，该第一光学波导用于使用输出光向用户（例如，操作者）传递系统的附接状态。如图3A描绘的变型所示，工具驱动器（310）可包括第一壳体（312）、一组外科工具传感器（314）和一组可旋转输出驱动（316）。该组输出驱动器（316）可以由第一壳体（312）支撑，并且可被配置为通过无菌适配器将扭矩传递到外科工具（如图3B和图3C所示）。工具驱动器（310）可以联接到例如机器人臂（未示出）的远侧端部。第一壳体（312）可包括第一光学波导（320）。光学波导可以指引导诸如可见光谱波之类的电磁波以被动地传播和分配所接收的电磁波的物理结构。光学波导的非限制性示例包括光纤、矩形波导、光导管、光管、它们的组合等。例如，光管可包括具有反射衬里的中空结构或被配置为通过全内反射传播光的透明固体。本文所述的光学波导可以由任何合适的材料或材料组合制成。例如，在一些变型中，光学波导可以由光学级聚碳酸酯制成。在一些变型中，可将本文所述的壳体和框架共同注塑成型以形成光学波导。在其他变型中，光学波导可以单独形成并联接到相应的壳体或框架。

如图3A所示，第一光学波导（320）可以沿着第一壳体（312）的外表面设置。例如，第一光学波导（320）可以与第一壳体（312）的外表面齐平。又如，第一光学波导（320）可以至少部分地凹入或至少部分地从第一壳体（312）的外表面突出。在一些变型中，第一光学波导（320）可包括多个部分（例如，设置在工具驱动器（310）的相对侧上）。例如，如图3A所示，第一光学波导（320）可包括至少部分地位于第一壳体（312）的近侧端部上的条带。条带可包括至少部分地延伸到第一壳体（312）的第一侧（例如，左侧）上的第一端部以及至少部分延伸到第一壳体（312）的第二侧（例如，右侧）上的第二端部。又如，第一光学波导（320）可以覆盖第一壳体（312）的外部的相当大部分（例如，近侧部分、侧面部分）。

在一些变型中，本文所述的光学波导可包括被配置为发射光的一个或多个部分。例如，所述部分中的至少一个可包括一个或多个形状，包括例如圆形、三角形、矩形、菱形、多边形、符号（例如，正号/负号、箭头、锁等）、它们的组合等。例如，第一光学波导（320）可包括在第一壳体（312）的第一侧和第二侧中的每一侧上的三个圆形。这些圆形可联接到对应的照明源，如本文详述，并且被配置为输出对应于工具驱动器、无菌适配器和外科工具的相应状态的光。例如，当工具驱动器可操作并处于无菌适配器准备就绪状态（202）时，第一圆形可脉冲蓝光，而第二圆形和第三圆形可发射纯红光。这些光图案可对应于处于准备就绪状态的工具驱动器，并且无菌适配器和外科工具未附接到工具驱动器。在一些变型中，第一光学波导（320）可以位于第一壳体（312）上，以便从多个有利点同时容易地查看。

在一些变型中，本文所述的光学波导可包括表面纹理，该表面纹理例如包括被配置为增加从预定有利点的可见度的多面表面。例如，第一光学波导（320）可包括凸形形状。

壳体（312）还可包括联接到第一光学波导（320）的一个或多个照明源（未示出）。例如，照明源可以设置在壳体的左侧、右侧、近侧端部和远侧端部中的一个或多个处。照明源可通过机器人臂联接到电源，并且被配置为使用光输出参数（例如，波长、频率、强度、图案、持续时间等）的预定组合来发射光。例如，照明源可以由控制器控制以发射具有对应于不同附接状态的不同颜色的多个光图案，如本文所述。在一些变型中，光的特征（例如，颜色、图案等）可以对应于工具驱动器、无菌适配器和外科工具中的至少两者之间的附接状态，如例如关于图2所述。照明源的非限制性示例包括白炽灯、放电装置（例如，准分子灯、荧光灯、电气放电灯、等离子灯等）、电致发光装置（例如，发光二极管、有机发光二极管、激光等）、感应照明装置和光纤。在图3A中，照明源可以设置在第一壳体（312）内，但在一些变型中，可以设置在第一壳体（312）的外部。在一些变型中，照明源可以设置在第一壳体（312）的近侧端部内。

第一光学波导（320）可被配置为接收由照明源（例如，作为位于照明源上的挡板或其他合适的结构）发射的光。在一些变型中，第一光学波导（320）可被配置为发射从照明源接收的预定百分比的光，并且将剩余百分比的光传播到无菌适配器（330）的第二光学波导（340）（如图3B所示）。例如，第一光学波导（320）可被配置为发射从照明源接收的约10%和约100%之间的光。在一些变型中，第一光学波导（320）可被配置为发射约33%的接收光，并且第二光学波导（340）可被配置为接收从照明源发射的约66%的光。在一些其他变型中，第一光学波导（320）可被配置为发射约50%的接收光，并且第二光学波导（340）可被配置为接收从照明源发射的约50%的光。

在一些变型中，第一光学波导（320）可包括一个或多个输出端，所述输出端被配置为与第二光学波导（340）的对应输入端物理配合，以实现第一光学波导和第二光学波导（320, 340）之间的光传输。例如，第一光学波导（320）的输出端与第二光学波导（340）的对应输入端之间的配合可利用互补且对应的特征部（例如，闩锁、联锁突片、突片和槽对准特征部、可配合的脊和凹槽界面和/或其他合适的配合特征部等）来促成。在一些变型中，仅当工具驱动器和无菌适配器适当地（例如，完全且可操作地）彼此接合或附接时，第一光学波导（320）的一个或多个输出端才可与第二光学波导（340）的对应输入端物理配合。例如，如果无菌适配器仅部分地接合或附接到工具驱动器，则第一光学波导和第二光学波导（320,340）可能不能对准，以减少和/或防止光从第一光学波导（320）传播到第二光学波导（340），从而向操作者提供无菌适配器（330）未适当地附接到工具驱动器（310）的视觉指示。

当无菌适配器（330）附接到工具驱动器（310）时，从工具驱动器（310）的照明源发射的光可通过第一光学波导和第二光学波导（320, 340）传播，如下文进一步详述。在一些变型中，第一光学波导（320）可以发射从照明源接收的基本上所有光。

B. 无菌适配器

图3B是联接到工具驱动器（310）的无菌适配器（330）的透视图。在一些变型中，无菌适配器（330）可包括第二光学波导（340），该第二光学波导用于使用输出的光将系统（例如，无菌适配器）的附接状态传递到用户如操作者。如图3B所示，无菌适配器（330）可包括框架（332）、联接到框架（332）的板组件（334）以及由板组件（334）支撑的至少一个可旋转联接器（336）。板组件（334）可被配置为在预定的运动范围内相对于框架（332）上下移动，并且可旋转联接器（336）可相似地被配置为相对于板组件（334）旋转和上下移动。无菌适配器（330）可放置于外科工具传感器（314）和输出驱动（316）之上。例如，当无菌适配器（330）附接到工具驱动器（310）和外科工具（350）时（如图3C所示），框架（332）可被配置为插置在工具驱动器（310）与外科工具（350）之间。可旋转联接器（336）可被配置为将由工具驱动器（310）的输出驱动（316）产生的扭矩传递到外科工具（350）。

框架（332）可包括第二光学波导（340）。如图3B所示，第二光学波导（340）可以沿着框架（332）的外表面（例如，沿着无菌适配器（330）的纵向侧面部分、围绕框架（332）的周边的至少一部分等）设置。例如，第二光学波导（340）可包括至少部分地延伸到框架（332）的第一侧（例如，左侧）上并且至少部分地延伸到框架（332）的第二侧（例如，右侧）上的条带。条带还可以至少部分地延伸到框架（332）的远侧上，以便联接第二光学波导（340）的第一侧和第二侧。如所描绘的，第二光学波导（340）可以与框架（332）齐平。在一些变型中，第二光学波导（340）可以位于框架（332）上，以便从多个有利点同时容易地查看。

第二光学波导（340）可被配置为接收从第一光学波导（320）的输出端发射的光。例如，第二光学波导（340）可被配置为在将无菌适配器（330）附接到工具驱动器（310）时接收从工具驱动器（310）发射的光，使得第二光学波导（340）经由从工具驱动器（310）发射并由第一光学波导（320）传播到第二光学波导（340）的光来分布光（例如，变得被照亮）。在一些变型中，第二光学波导（340）可被配置为发射从第一光学波导（320）接收的预定百分比的光，并且将剩余百分比的光传播到外科工具（350）的第三光学波导（360）（如图3C所示）。在一些变型中，第二光学波导（340）可被配置为发射从照明源发射的约33%的光，并且第三光学波导（360）可被配置为发射从照明源发射的约33%的光。在一些其他变型中，第二光学波导（340）可被配置为发射从照明源发射的约50%的光。

在一些变型中，第二光学波导（340）可包括一个或多个输出端，所述输出端被配置为与第三光学波导（360）的对应输入端物理配合（例如，以类似于第一光学波导与第二光学波导之间的配合的方式，如本文所述）。例如，第二光学波导（340）的输出端与第三光学波导（360）的对应输入端之间的配合可利用互补且对应的特征部（例如，联锁突片、突片和槽对准特征部、可配合的脊和凹槽界面和/或其他合适的配合特征部等）来促成。在一些变型中，仅当无菌适配器和外科工具适当地（例如，完全且可操作地）彼此接合或附接时，第二光学波导（340）的一个或多个输出端才可与第三光学波导（360）的对应输入端物理配合。例如，如果外科工具（350）仅部分地接合或附接到无菌适配器（330），则第二光学波导和第三光学波导（340, 360）可能不能对准，以防止光从第二光学波导（340）传播到第三光学波导（360），从而提供外科工具（350）未适当地附接到无菌适配器（330）的视觉指示。

当外科工具（350）附接到无菌适配器（330）并且无菌适配器（330）附接到工具驱动器（310）时，从工具驱动器（310）的照明源发射的光可通过第一光学波导、第二光学波导和第三光学波导（320, 340, 360）传播。在一些变型中，第二光学波导（340）可以发射从第一光学波导（320）接收的基本上所有光。

在一些变型中，无菌适配器（330）可包括第二照明源（未示出），使得第二光学波导（340）可被配置为接收由第二照明源发射的光。在这些变型的一些中，第二光学波导（340）可以仅从工具驱动器（310）的第二照明源而不是第一照明源接收光。在一些变型中，第二照明源可以是电池供电的。在一些变型中，第二光学波导（340）可被配置为发射从第二照明源接收的预定百分比的光，并且将剩余百分比的光传播到第三光学波导（360）。例如，第二光学波导（340）可被配置为发射从第二照明源接收的约10%和约100%之间的光。在一些其他变型中，第二光学波导（340）可被配置为发射约50%的接收光，并且第三光学波导（360）可被配置为接收从第二照明源发射的约50%的光。在一些变型中，第二光学波导（340）和第二照明源可被配置为将光传播到第一光学波导和第三光学波导（320, 360）。在这些变型的一些中，第二光学波导（320）可被配置为发射约33%的接收光，并且第一光学波导和第三光学波导（320, 360）可被配置为各自发射从第二照明源发射的约33%的光。

在一些变型中，无菌适配器（330）可包括开关，该开关被配置为在第二光学波导（340）物理附接到工具驱动器的至少一部分（例如，工具驱动器的远侧端部、第一光学波导等）时激活第二照明源。该开关可以是例如导电接触开关、机械接触开关（例如，滑动开关）等。因此，仅当工具驱动器（310）和无菌适配器（330）适当地（例如，完全且可操作地）彼此接合或附接，并且开关被激活时，第二光学波导（340）才可以发射从第二照明源接收的光。

C. 外科工具

图3C是联接到无菌适配器（330）和工具驱动器（310）的外科工具（350）的透视图。在一些变型中，外科工具（350）可包括用于将附接状态传递到操作者的第三光学波导（360）。如图3C所示，外科工具（350）可包括被配置为联接到无菌适配器（330）的第二壳体（352）。外科工具（350）可包括至少一个输入驱动（未示出），该至少一个输入驱动由第二壳体（352）支撑并且被配置为接收从工具驱动器（310）的输出驱动置传递的扭矩。外科工具（350）还可包括端部执行器（未示出），该端部执行器可以从第二壳体（352）延伸并且可操作地联接到至少一个输入驱动。

第二壳体（352）可包括被配置为接收来自第二光学波导（340）的光的第三光学波导（360）。如图3C所示，第三光学波导（360）可以沿着第二壳体（352）的外表面设置（例如，沿着无菌适配器（330）的第二光学波导（340）的宽度方向和垂直方向延伸）。例如，第三光学波导（360）可包括至少部分地延伸到第二壳体（352）的第一侧（例如，左侧）上并且至少部分地延伸到第二壳体（352）的第二侧（例如，右侧）上的条带。条带还可以至少部分地延伸到第二壳体（352）的第三侧（例如，顶侧）上，以便联接第三光学波导（360）的第一侧和第二侧。

第三光学波导（360）可被配置为接收从无菌适配器（330）的第二光学波导（340）的输出端发射的光。例如，当无菌适配器（330）附接到工具驱动器（310）时，第三光学波导（360）可被配置为在外科工具（350）附接到无菌适配器（330）时接收从工具驱动器（310）发射的光，使得第三光学波导（360）经由从工具驱动器（310）发射并由第一光学波导和第二光学波导（320, 340）传播到第三光学波导（360）的光来分布光（例如，变得被照亮）。换句话讲，当外科工具（350）附接到无菌适配器（330）并且无菌适配器（330）附接到工具驱动器（310）时，从工具驱动器（310）的照明源发射的光可通过第一光学波导、第二光学波导和第三光学波导（320, 340, 360）传播。在一些变型中，第三光学波导（360）可以发射从第二光学波导（340）接收的基本上所有光。

在一些变型中，外科工具（350）可包括第三照明源（未示出），使得第三光学波导（360）可被配置为接收由第三照明源发射的光。在这些变型的一些中，第三光学波导（360）可以仅从第三照明源而不是第一和/或第二照明源接收光。在一些变型中，第三照明源可以是电池供电的或者使用如关于图8详细描述的电子设备无线供电。在一些变型中，第三光学波导（360）可以发射从第三照明源发射的基本上所有光。在一些变型中，第三光学波导（360）可被配置为发射从第三照明源接收的预定百分比的光，并且将剩余百分比的光传播到第一和/或第二光学波导（320, 340）。例如，第三光学波导（360）可被配置为发射从第三照明源接收的约10%和约100%之间的光。在一些其他变型中，第三光学波导（360）可被配置为发射约50%的发射光，并且第二光学波导（340）可被配置为发射从第三照明源发射的约50%的光。在一些变型中，第三光学波导（360）和第三照明源可被配置为将光传播到第二和/或第一光学波导（340, 320）。在这些变型的一些中，第三光学波导（360）可被配置为发射约33%的发射光，并且第一光学波导和第二光学波导（320, 340）可被配置为各自发射从第三照明源发射的约33%的光。

在一些变型中，外科工具（350）可包括开关，该开关被配置为在第三光学波导（360）物理附接到无菌适配器的至少一部分（例如，无菌适配器的远侧端部、第二光学波导等）时激活第三照明源。该开关可以是例如导电接触开关、机械接触开关（例如，滑动开关）等。因此，仅当外科工具（350）和无菌适配器（330）适当地（例如，完全且可操作地）彼此接合或附接，并且开关被激活时，第三光学波导（360）才可以发射从第三照明源接收的光。

在一些变型中，工具驱动器（310）、无菌适配器（330）和外科工具（350）的光学波导可以沿着系统的不同部分设置，以帮助识别附接的设备部件。例如，第一光学波导（320）可以设置在工具驱动器（310）的一端处，第二光学波导（340）可以沿着无菌适配器（330）的长度设置，并且第三光学波导（360）可以垂直于第二光学波导（340）并跨外科工具（350）的顶部设置。在其他变型中，三个光学波导可以分别设置在远侧端部、中间部分和近侧端部处。

除此之外或另选地，一个或多个光学波导可以沿着机器人臂、显示器、外科平台等中的一个或多个设置。例如，设置在机器人臂的一个或多个部分上的光学波导可被配置为将机器人臂的附接状态传递到工具驱动器。又如，外科平台可包括沿着平台的顶表面的周边设置的一个或多个光学波导，并且可被配置为传递机器人外科系统的操作状态、附接状态、手术状态等中的一个或多个。如本文所述的任一光学波导可以传递系统的任一部件的状态。

外科工具传感器

如本文所述的工具驱动器可包括一个或多个外科工具传感器，所述外科工具传感器被配置为产生对应于工具驱动器与外科工具之间的附接状态（例如，部分附接、完全附接、部分分离、完全分离、不适当附接）的传感器信号。本文所述的外科工具传感器可用于直接或间接地确定外科工具与工具驱动器的接近度。附接状态可用于控制工具驱动程序和/或被通知给操作者。外科工具传感器可以是例如可用于确定外科工具相对于工具驱动器的位置的接近传感器。例如，外科工具传感器可以设置在一个或多个突出部（例如，圆柱形销钉）中，所述突出部被配置为远离工具驱动器壳体的表面并朝向外科工具偏置。当无菌适配器联接到工具驱动器以进行附接时，突出部可被配置为接触无菌适配器以向上推动板组件并远离工具驱动器。当外科工具附接到无菌适配器时，外科工具将朝向工具驱动器推动板组件并减小突出部高度。通过将外科工具传感器放置在一个或多个突出部内，可产生对应于突出部的高度变化以及工具驱动器与外科工具之间的附接状态的传感器信号。

图4A至图4E是被配置为经由无菌适配器附接到外科工具的工具驱动器（400）的示例性变型的说明性视图。图4A是工具驱动器（400）的平面图。工具驱动器（400）可包括第一壳体（402），该第一壳体被配置为经由无菌适配器附接到外科工具。工具驱动器（400）可包括由第一壳体（402）支撑的一个或多个可旋转输出驱动（410），其中输出驱动（410）可被配置为通过无菌适配器将扭矩传递到外科工具的输入驱动。输出驱动（410）中的一个或多个可包括扭矩传感器（440）和旋转输出编码器（460）中的一者或多者，所述扭矩传感器和旋转输出编码器被配置为产生用于确定输出驱动（410）的扭矩变化的一个或多个传感器信号。在一些变型中，无菌适配器传感器可包括扭矩传感器（440）和旋转输出编码器（460）中的至少一者（图4B和图4C）。扭矩变化可对应于无菌适配器的可旋转联接器与工具驱动器（400）的可旋转输出驱动（410）之间的接合变化（例如，附接、脱离）。图4A描绘了以两侧对称布置方式布置在第一壳体（402）的表面上的六个输出驱动（410）。类似地，四个突出部（420）可以两侧对称布置方式布置，并且也可以设置在成对的输出驱动（410）之间。该布置方式可以帮助检测无菌适配器和工具驱动器中的一者或多者到工具驱动器（400）的横向和/或纵向不对准。来自每个突出部（420）的传感器信号可以一起用于产生附接数据。虽然图4A描绘了具有六个旋转输出驱动（410）和四个突出部（420）的工具驱动器，但应当理解，在其他变型中，工具驱动器可包括更少或更多的输出驱动（410）和/或突出部（420）。除此之外或另选地，工具驱动器（400）可包括至少一个线性输出驱动（例如，提供轴向移动输出端的驱动器），例如2017年11月3日提交的标题为“用于机器人手术的具有线性驱动的工具驱动器”（TOOLDRIVER WITH LINEAR DRIVES FOR USE IN ROBOTIC SURGERY）的美国专利申请序列号15/803,659中所述，该专利申请全文以引用方式并入本文。

虽然工具驱动器（400）的一些变型可包括具有外科工具传感器（424）的单个突出部（420），但多个间隔开的第一外科工具传感器（424）可允许系统确定板组件相对于无菌适配器框架的取向。也就是说，无菌适配器与工具驱动器（400）之间的附接状态信息可通过使用多个第一外科工具传感器来改进。例如，当少于四个突出部（420）被压下至预定高度时，外科工具可能会不适当地附接到无菌适配器和工具驱动器（400）。如果只有三个突出部被向下推动并且第四突出部处于较高位置，则由第一外科工具传感器（424）输出的传感器信号可以对应于外科工具相对于无菌适配器歪斜的不适当附接状态。在该位置中，可旋转联接器（410）中的一个或多个可能不能将扭矩传递到外科工具的输入驱动。

图4B至图4C是沿着图4A所描绘的H-H线的工具驱动器（400）的横截面侧视图。工具驱动器（400）可包括由第一壳体（402）支撑的至少一个可旋转输出驱动（410）和从第一壳体（402）的表面延伸并且被配置为偏离该表面的至少一个突出部（420），如图4B所示。在一些变型中，突出部（420）可包括第一外科工具传感器（424），该第一外科工具传感器被配置为产生包括工具驱动器（400）与外科工具之间的至少一种附接状态的传感器信号。在一些变型中，第一外科工具传感器（424）可以是接近传感器，该接近传感器被配置为确定突出部（420）的第一端部相对于突出部（420）的第二端部的接近度。如图4D和图4E所示，接近传感器可包括联接到设置在第一壳体（402）的外侧上的突出部（420）的第一端部的磁体（422）和联接到设置在第一壳体（402）的内侧上的突出部（420）的第二端部的磁场换能器（425）。在一些变型中，磁场换能器可以是模拟传感器。在一些变型中，突出部（420）可包括被配置为偏置突出部（420）的第一端部使其远离第一壳体（402）的柔顺材料。例如，柔顺材料可以是联接在突出部（420）的第一端部与第一壳体（402）的表面之间的卷簧（414）（图4D和图4E）。在其他变型中，突出部（420）可包括片簧。

图4A、图4B和图4D示出了处于第一构型的突出部（420），其中突出部（420）完全偏离壳体（402）的表面。例如，在第一构型中，突出部（420）不与无菌适配器或外科工具中的任一者接触。突出部（420）的第一构型对应于例如工具驱动器、无菌适配器和外科工具之间的分离状态。图4A、图4C和图4E示出了处于第二构型的突出部（420），其中由于诸如来自外科工具和无菌适配器（未示出）的附接的压缩力，突出部（420）完全回缩到第一壳体（402）的表面。突出部（420）的第二构型对应于例如无菌适配器和/或外科工具的附接状态。

在一些变型中，附接状态可对应于突出部（420）随时间推移的位置。例如，当第一外科工具传感器（420）处于第一构型或第二构型预定的时间量之后，传感器信号可对应于分离状态或附接状态。当突出部（420）从第一构型迅速转变到第二构型并返回第一构型时，无菌适配器可处于部分附接状态。例如，操作者可通过在突出部（420）上方旋转无菌适配器以将突出部推向第二构型来将无菌适配器附接到工具驱动器。一旦无菌适配器的框架被锁定到工具驱动器中，突出部（420）可偏向第一构型。

在一些变型中，突出部的接近传感器可包括霍尔效应传感器。磁体可由任何合适的材料或材料的组合制成。例如，在一些变型中，磁体可以是永磁体、铁磁体和顺磁性磁体，并且可由铝、铂、铁、镍、钴、铜、钛、合金或它们的组合等制成。

在一些变型中，工具驱动器可包括被配置为直接感测外科工具的位置的至少一个第二外科工具传感器，该第二外科工具传感器用于产生对应于工具驱动器与外科工具之间的附接状态的传感器信号。图5A是工具驱动器（510）的俯视图，该工具驱动器包括第一壳体（512）、一组输出驱动（514）以及设置在第一壳体（512）的表面上的一组突出部（516）、设置在第一壳体（512）的远侧端部上的无菌适配器传感器（518）以及第一壳体（512）的近侧端部（522）。在一些变型中，电子设备（未示出）可被描绘在近侧端部（522）内。图5B是沿着图5A所描绘的M-M线的工具驱动器（500）的横截面侧视图。图5B描绘了设置在第一壳体（512）的远侧端部内的第二外科工具传感器（520）。

在一些变型中，无菌适配器可被配置为通过在将无菌适配器的远侧端部附接到工具驱动器（510）的远侧端部上之前，将无菌适配器的近侧端部附接到工具驱动器的近侧端部（522）上来附接到工具驱动器（510）。同样，在将外科工具的远侧端部附接到无菌适配器的远侧端部之前，外科工具的近侧端部可附接到无菌适配器的近侧端部。因此，当工具驱动器（510）的第二外科工具传感器（520）感测到外科工具的远侧端部的存在时，传感器信号可对应于外科工具、无菌适配器和工具驱动器（510）之间的附接。

图5C是图5B所描绘的工具驱动器（510）的详细横截面侧视图并且示出了在第二外科工具传感器（520）的传感器范围内的外科工具（530）的远侧端部。在图5C中，第二外科工具传感器（520）可设置在工具驱动器（510）的第一壳体（512）的远侧端部内。在一些变型中，第二外科工具传感器（520）可包括接近传感器。例如，接近传感器可以是诸如霍尔效应传感器的磁场换能器。与第二外科工具传感器（520）相对，外科工具（530）的远侧端部可包括被配置为附接到无菌适配器（为了清楚起见未示出）的第二壳体（532）。外科工具（530）的第二壳体（532）可包括被配置为与无菌适配器中对应的凹陷部配合的磁性突出部（542）。磁性突出部（542）可包括如本文所述的磁体。磁性突出部（542）可包括第一锥形表面（544）和与第一锥形表面（544）相对的第二锥形表面（546）。

无菌适配器接合特征部（540）可包括具有磁性突出部（542）的外科工具（530）的远侧端部。磁性突出部（542）可从外科工具（530）的表面延伸并且被配置为在无菌适配器的部分上滑动并且被放置在无菌适配器的凹陷部内，如关于图6A和图6B更详细地描述的那样。如本文所讨论的，外科工具（530）可包括由外科工具（530）的壳体支撑的至少一个输入驱动，并且可被配置为接收从工具驱动器（510）的输出驱动（514）通过无菌适配器传递的扭矩。端部执行器（未示出）可从外科工具壳体延伸并操作地联接到输入驱动。

图6A至图6B是无菌适配器（610）和外科工具（620）的横截面侧视图，该外科工具包括用于以期望的取向将外科工具（620）配合到无菌适配器（610）的对应的接合特征部。例如，一个或多个接合特征部可被配置为防止操作者将外科工具的远侧端部附接到无菌适配器的近侧端部。在一些变型中，外科工具（620）的无菌适配器接合特征部（640）可包括磁性突出部（642）（见图6B），该磁性突出部包括如本文所述的磁体并且被配置为由工具驱动器的第二外科工具传感器（690）直接感测。例如，第二外科工具传感器（690）可包括感应传感器、光学传感器、磁性传感器、导电接触开关和/或机械接触开关中的至少一个。如图6A所描绘的，外科工具（620）可包括无菌适配器接合特征部（640），其可从外科工具（620）的表面突出并且被配置为与无菌适配器（610）的表面接合。无菌适配器接合特征部（640）和外科工具接合特征部（650）可设置在外科工具（620）和无菌适配器（610）的相应的远侧端部处。无菌适配器（610）可包括联接到框架（670）的板组件（680），以及设置在板组件（680）中并且被配置为与无菌适配器接合特征部（640）配合的外科工具接合特征部（650）。在一些变型中，外科工具（620）的近侧端部可包括被配置为支撑外科工具（620）的电子通信设备的突出部，如关于图8更详细地讨论的那样。

图6B是外科工具（620）的远侧端部和无菌适配器（610）的详细横截面图。如本文所讨论的，无菌适配器接合特征部（640）可从无菌适配器（620）的表面突出。在这些变型中的一些变型中，无菌适配器接合特征部（640）可包括具有第一锥形表面（644）以及与第一锥形表面（644）相对的第二锥形表面（646）的磁性突出部（642）。锥形表面（644, 646）可成角度以允许外科工具（620）在无菌适配器（610）的一个或多个部分上滑动，直到磁性突出部（642）与外科工具接合特征部（650）配合（例如，滑入）。例如，无菌适配器接合特征部（640）可包括梯形形状。外科工具接合特征部（650）可包括被配置为保持无菌适配器接合特征部（640）并限制外科工具（620）相对于无菌适配器（610）移动的凹陷部。凹陷部可位于输出驱动盘（682）的远侧。如本文所描述的，工具驱动器的第二外科工具传感器（690）可与外科工具接合特征部（650）重叠（例如，设置在其下方）。在一些变型中，外科工具（620）和无菌适配器（610）可包括多个隔开的接合特征部。在一些变型中，外科工具接合特征部（640）可包括凹陷部，而无菌适配器（650）可包括突出部。

无菌适配器传感器

在一些变型中，工具驱动器可包括被配置为当无菌适配器完全附接到工具驱动器时产生传感器信号的至少一个无菌适配器传感器。例如，当无菌适配器物理锁定到工具驱动器的远侧部分上时，无菌适配器传感器可产生传感器信号。传感器信号可对应于工具驱动器与无菌适配器之间的附接状态（例如，完全附接，完全分离）。工具驱动器和无菌适配器可各自被配置为仅允许无菌适配器与工具驱动器之间的单向接合。也就是说，除非无菌适配器和工具驱动器的近侧端部彼此配合，否则无菌适配器的远侧端部将不会与工具驱动器接合（例如，锁入）。附接状态可用于控制工具驱动器并且/或者向操作者通知系统的附接状态。无菌适配器传感器可以是例如被配置为在与无菌适配器物理接触时产生传感器信号的开关传感器。

在一些变型中，如图4A所示，第一壳体（402）可包括设置在第一壳体（402）的远侧端部处的无菌适配器传感器（430）。无菌适配器传感器（430）可被配置为产生对应于工具驱动器（400）与无菌适配器（为了清楚起见未示出）之间的附接状态的传感器信号。本文关于图7A至图7C更详细地描述了无菌适配器传感器的变型。在一些变型中，第一壳体（402）的近侧端部（470）可被配置为支撑工具驱动器（400）的电子通信设备，如本文关于图8更详细地描述的那样。

图7A是联接到无菌适配器（720）的工具驱动器（710）的俯视图。无菌适配器（720）可包括联接到框架（722）的板组件（724）。框架（722）可被配置为插置在工具驱动器（710）与外科工具（为了清楚起见未示出）之间。一组可旋转联接器（726）可由板组件（724）支撑并且被配置为将扭矩从工具驱动器（710）的输出驱动（714）传递到外科工具。

图7B至图7C是沿着图7A中的K-K线的无菌适配器（720）和工具驱动器（710）的横截面侧视图。工具驱动器（710）可包括被配置为联接到无菌适配器（720）的壳体（712）。壳体（712）可包括可与无菌适配器（720）上对应的工具驱动器接合特征部（750）配合的无菌适配器接合特征部（740）。无菌适配器传感器（730）可联接到无菌适配器接合特征部（740）并且被配置为当工具驱动器接合特征部（750）与其对应的无菌适配器接合特征部（740）配合时产生传感器信号。也就是说，无菌适配器传感器（730）设置在在无菌适配器牢固地附接到工具驱动器之前不产生传感器信号的位置处。在一些变型中，无菌适配器接合特征部（740）和无菌适配器传感器（730）可各自设置在垂直于可旋转输出驱动（714）的工具驱动器壳体的一侧上的工具驱动器（710）的远侧端部上。如图7C所示，无菌适配器接合特征部（740）可包括突出部，并且工具驱动器接合特征部（750）可包括凹陷部。突出部可被配置（例如，锥化）为允许无菌适配器（720）在突出部上滑动。然后，突出部可与工具驱动器接合特征部（750）的凹陷部配合。例如，无菌适配器接合特征部（740）的突出部在一侧上可包括锥形表面以及与该锥形表面相对的平坦表面。工具驱动器接合特征部（750）的凹陷部可被配置为限制无菌适配器（720）相对于工具驱动器（710）的移动。

在一些变型中，从板组件（724）的平面垂直突出并且包括工具驱动器接合特征部（750）的框架（722）的远侧部分可包括柔顺材料，这可帮助操作者使用相应的接合特征部将无菌适配器配合到工具驱动器。在一些变型中，工具驱动器（710）和无菌适配器（720）可包括多个隔开的接合特征部。在一些变型中，无菌适配器接合特征部（740）可包括凹陷部，而工具驱动器接合特征部（740）可包括突出部。将无菌适配器接合特征部（740）和工具驱动器接合特征部（750）进一步远离可旋转板组件（724）放置可帮助确保接合特征部（740, 750）的配合对应于无菌适配器（720）到工具驱动器（710）的适当附接。因此，当无菌适配器（720）附接到工具驱动器（720）时，接合特征部（740, 750）优选地为彼此联接的无菌适配器（720）和工具驱动器（710）的最终部分。

在一些变型中，无菌适配器传感器（730）可包括被配置为检测无菌适配器接合特征部（740）与工具驱动器接合特征部（750）之间的附接的接近传感器。例如，接近传感器可包括导电接触开关、机械接触开关（例如，滑动开关）、霍尔效应传感器、力传感器、光学传感器或它们的组合等中的至少一个。在图7C中，无菌适配器传感器（730）可包括开关（732），该开关包括被配置为将开关（732）偏置到初始复位位置的扭转弹簧。在一些变型中，开关（732）可邻近无菌适配器接合特征部（740）设置，使得当接合特征部（740, 750）配合时开关（732）被压下。

电子设备

在一些变型中，工具驱动器和外科工具中的至少一者可包括被配置为相互传输数据的一个或多个电子通信设备。在一些变型中，工具驱动器和外科工具可包括相应的通信设备，当外科工具附接到无菌适配器和工具驱动器时，这些通信设备彼此靠近。通信性能可至少部分取决于通信设备在工具驱动器和外科工具内的放置。例如，最小化电子通信设备之间的距离可改善信噪比(SNR)和功率效率中的一个或多个。在一些变型中，电子设备可包括无线功率传输系统。

A. 工具驱动器

在一些变型中，工具驱动器可包括被配置为与外科工具对应的电子通信设备无线通信的电子通信设备。这可允许系统利用外科工具执行许多功能。例如，工具驱动器可与外科工具通信以识别并验证外科工具，确定兼容性，下载工具使用信息（例如，日志数据），配置外科工具的设置，传输校准数据等。图8是通过无菌适配器（840）联接到外科工具（850）的工具驱动器（810）的变型的横截面侧视图。如图8所示，工具驱动器（810）可包括被配置为经由无菌适配器（840）附接到外科工具（850）的第一壳体（812）。工具驱动器（810）还可包括联接到对应的可旋转输出驱动盘（820）的至少一个输出驱动（822），其中每个输出驱动由第一壳体（812）支撑。输出驱动（822）可被配置为通过无菌适配器（840）将扭矩传递到外科工具（850）的输入驱动（未示出）。第一壳体（812）可包括大致设置在输出驱动盘（820）的平面中的第一电子通信设备（830）。第一电子通信设备（830）可被配置为与外科工具（850）无线通信。

在一些变型中，第一壳体（812）的近侧端部可被配置为在第一通信部分（814）中支撑第一通信设备（814）。例如，第一壳体（812）的近侧端部可包括突出部（例如，第一通信部分（814））。输出驱动盘（830）和第一通信部分（814）可具有基本上相同的高度。

在一些变型中，电子通信设备可包括无线通信板，该无线通信板包括射频(RF)电路（例如，RF收发器），该射频电路包括接收器、发射器和/或光学（例如，红外）接收器和发射器中的一个或多个。RF电路可从外科工具和其他设备接收和发射RF信号（例如，电磁信号）。RF电路在电信号和电磁信号之间转换并使用电磁信号与其他通信设备通信。RF电路可包括天线系统、RF收发器、一个或多个放大器、调谐器、一个或多个振荡器、数字信号处理器、CODEC芯片组、用户身份识别(SIM)卡、存储器等中的一个或多个。

使用电子通信设备的短距离无线通信可使用一种或多种通信标准、协议和技术，包括但不限于蓝牙、近程通信(NFC)和射频识别(RFID)。在一些变型中，电子通信设备可由电池供电。

B. 无菌适配器

在一些变型中，无菌适配器可被配置为插置在工具驱动器与外科工具之间并且以使它们各自的电子通信设备之间的距离最小化的方式形成。如图8所示，无菌适配器（840）可包括被配置为插置在工具驱动器（810）与外科工具（850）之间的框架（842）。框架（842）可联接到板组件（在图8中未示出）。无菌适配器（840）的框架（842）可包括被配置为支撑外科工具（850）的突出部（854）的通信部分（846）。当外科工具（850）附接到无菌适配器（840）并且板组件偏向工具驱动器（810）时，突出部（854）可大致位于板组件的平面中。因此，当第二电子通信设备（832）设置在突出部（854）中时，第二电子通信设备（832）可大致位于板组件的平面中。至少一个可旋转联接器（844）可由板组件支撑并且被配置为将扭矩从工具驱动器（810）的输出驱动（822）传递到外科工具（850）的输入驱动。

如图8所示，框架（842）的近侧端部可包括通信部分（846）。在一些变型中，通信部分（846）可附接到第一通信部分（814）的近侧端部。通信部分（846）可进一步支撑外科工具壳体（852）的突出部（854）。在一些变型中，框架（842）的通信部分（846）可比框架（842）的其他部分薄以便减小通信设备（830, 832）之间的距离。在一些变型中，无菌适配器（840）的框架（842）可形成为不具有通信部分（846）以允许工具驱动器（810）和外科工具（850）的近侧端部紧密靠近。

C. 外科工具

在一些变型中，外科工具可包括被配置为与工具驱动器对应的电子通信设备无线通信的电子通信设备。这可允许外科工具执行许多功能。例如，外科工具可与工具驱动器通信以识别并验证工具驱动器和/或外科系统，确定兼容性，传输校准数据等。如图8所示，外科工具（850）可包括被配置为联接到无菌适配器（840）的第二壳体（852）。第二壳体（852）可包括突出部。在一些变型中，端部执行器（未示出）可从第二壳体（852）延伸并且可操作地联接到外科工具（850）的输入驱动。输入驱动可由第二壳体（852）支撑并且被配置为接收从工具驱动器（810）的输出驱动（822）通过无菌适配器（840）传递的扭矩。第二壳体（852）可包括被配置为与工具驱动器（810）无线通信的第二通信设备（832）。第二通信设备（832）可设置在突出部（854）中。第二通信设备（832）可具有与本文所述的第一通信设备（830）相同或不同的配置。

在一些变型中，外科工具（850）的近侧端部可包括突出部（854）。例如，外科工具（850）的突出部（854）可被配置为支撑第二通信设备（832）。输出驱动盘（830）和第一壳体（812）的近侧端部可具有大致相同的高度。突出部（854）和第二通信设备（832）中的一个或多个可设置在与可旋转联接器（844）大致相同的平面中。通过在远离外科工具（850）延伸的突出部（854）内提供第二电子通信设备（832），外科工具的内部构型不需要被修改以容纳电子通信设备。在一些变型中，具有第二通信设备（832）的突出部（854）可从外科工具（850）可移除地附接。例如，面向外科工具（850）的突出部（854）的表面可包括被配置为联接到外科工具（850）的下侧和无菌适配器（840）的框架（842）的一个或多个紧固件（例如，钩）。

在一些变型中，当外科工具（850）和无菌适配器（840）附接到工具驱动器（810）时，第一通信设备和第二通信设备（830, 832）之间的距离可小于约10mm。在一些变型中，第一通信设备和第二通信设备（830, 832）之间的距离可以小于约6mm。在一些变型中，第一通信设备和第二通信设备（830, 832）之间的距离可在约3mm和约6mm之间。一般来讲，无菌适配器（840）的板组件可相对于框架（842）移动超过约5mm。电子通信设备之间的这种短距离可实现到外科工具的一个或多个设备（诸如通信设备和/或传感器）的无线功率传输。在一些变型中，电子设备可使用电感耦合和电容耦合中的一个或多个来传输功率。

III. 系统

一般来讲，本文所述的机器人外科系统可包括机器人臂和联接到工具驱动器、无菌适配器和外科工具的对应的控制系统。在一些变型中，工具驱动器可包括被配置为产生传感器信号的一个或多个传感器。这些信号可由控制器接收并用于产生对应于工具驱动器、无菌适配器和外科工具之间的附接状态的附接数据。因此，控制系统可使用附接数据来控制机器人臂和工具驱动器中的一个或多个。如本文更详细地描述的那样，控制器可使用网络接口联接到一个或多个网络。控制器可包括联接到包括用户界面的通信接口的处理器和存储器。控制器可自动执行无菌屏障形成过程的一个或多个步骤，并且因此通过遵循将无菌适配器和外科工具接合到工具驱动器的适当附接顺序来改进外科工具切换过程并减少操作者错误。

图9A至图9B是机器人外科系统（900）的变型的框图。系统（900）可包括被配置为控制机器人臂（910）、工具驱动器（912）、无菌适配器（914）以及外科工具（916）中的一个或多个的控制系统（920）。机器人臂（910）可定位于在远侧端部处附接有工具驱动器（912）、无菌适配器（914）和外科工具（916）（例如，端部执行器）中的一个或多个的外科平台（例如，桌子、床等）处。机器人臂（910）可包括多个致动的连接件，以便定位和取向工具驱动器（912）。机器人臂（916）可安装在桌子、手推车、天花板、侧壁或其他合适的支撑表面上。

在一些变型中，系统（900）可包括一个或多个传感器，所述传感器被配置为产生对应于工具驱动器（912）、无菌适配器（914）和外科工具（916）中的两个或更多个之间的附接状态的传感器信号。例如，传感器可设置在工具驱动器中并且被配置为感测工具驱动器到无菌适配器和外科工具的存在、接合和/或附接中的一个或多个。工具驱动器（912）、无菌适配器（914）和外科工具（916）可通过一个或多个有线或无线通信信道联接到控制系统（920）。任何有线连接可任选地内置于地板和/或墙壁或天花板中。控制系统（920）可联接到一个或多个网络（970）、数据库（940）和/或服务器（950）。网络（970）可包括一个或多个数据库（940）和服务器（950）。在一些变型中，远程操作者（未示出）可通过用户控制台（960）（例如，外科医生桥台）与一个或多个网络（970）、数据库（940）和服务器（950）联接。在一些变型中，工具驱动器（912）和外科工具（916）中的一个或多个可直接联接到网络（970）、数据库（940）、服务器（950）或彼此中的任何一者。处理、数据产生和分析可在系统（900）的任何一个设备处执行或者分布在多个设备中。

用户（诸如外科医生或其他操作者）可使用用户控制台（960）远程操纵机器人臂（910）和/或外科工具（916）（例如，远距离操作）。用户控制台（960）可位于与机器人外科系统（900）相同的手术室中，位于相邻或附近的房间中或者从位于不同建筑物、城市、国家等的远程位置进行远距离操作。在一些变型中，可提供多个用户控制台（960）例如来控制附加的外科工具并且/或者在主用户控制台处控制一个或多个外科工具。这将允许例如外科医生在外科手术中接替或向医学生和在培训的医生讲解技术，或者在需要多名外科医生同时或以协调方式动作的复杂手术中协助。

控制系统

如本文所述的工具驱动器、无菌适配器和外科工具可联接到一个或多个控制系统（例如，计算机系统）和/或网络。图9B是控制系统（920）的框图。控制系统（920）可包括具有处理器（924）和存储器（926）的控制器（922）。在一些变型中，控制系统（920）还可包括一个或多个通信接口（930）。控制器（922）可联接到通信接口（930）以允许操作者远程控制控制系统（920）、机器人臂（910）、工具驱动器（912）、外科工具（916）、传感器和系统（900）的任何其他部件。通信接口（930）可包括被配置为通过有线和/或无线网络将控制系统（920）连接到另一个系统（例如，因特网、远程服务器、数据库）的网络接口（932）。通信接口（930）还可包括被配置为允许操作者直接控制控制系统（920）的用户界面（934）。

A. 控制器

如图9B所描绘的，控制系统（920）可包括与机器人外科系统（900）（例如，机器人手臂（910）、工具驱动器（912）、外科工具（916））通信的控制器（922）。控制器（920）可包括与一个或多个处理器（924）和与所述一个或多个处理器（924）通信的一个或多个机器可读存储器（926）。处理器（924）可结合从存储器（926）接收的数据和操作者输入以控制系统（900）的数据。存储器（926）可进一步存储指令以使得处理器（924）执行与系统（900）相关联的模块、过程和/或功能。控制器（922）可通过有线和/或无线通信信道连接到机器人臂（910）、工具驱动器（912）和外科工具（916）中的一个或多个。控制器（922）可被配置为控制系统（900）的一个或多个部件，诸如机器人臂（910）、工具驱动器（912）、外科工具（916）、通信接口（930）等。

控制器（922）可与许多通用或专用计算系统或构型一致地实现。适合与本文所公开的系统和设备一起使用的各种示例性计算系统、环境和/或构型可包括但不限于外科医生桥台内或体现在其上的软件或其他部件、诸如路由/连接部件的服务器或服务器计算设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、分布式计算网络、个人计算设备、网络设备、便携式（例如，手持式）或膝上型设备。便携式计算设备的示例包括智能电话、个人数字助理(PDA)、手机、平板电脑、采取智能手表等形式的可穿戴计算机以及通过传感器与操作者环境交互并且可使用用于可视化、视线跟踪和用户输入的头戴式显示器的便携式或可穿戴增强现实设备。

i. 处理器

处理器（924）可以是被配置为运行并且/或者执行一组指令或代码的任何合适的处理设备，并且可包括一个或多个数据处理器、图像处理器、图形处理单元、物理处理单元、数字信号处理器和/或中央处理单元。处理器（924）可以是例如通用处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等。处理器（924）可被配置为运行并且/或者执行应用过程和/或与系统和/或与之相关联的网络相关联的其他模块、过程和/或功能。可以以各种部件类型提供底层设备技术，包括诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术、诸如发射极耦合逻辑(ECL)的双极型技术、聚合物技术（例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物—金属结构）、混合模拟和数字或它们的组合等。

ii. 存储器

在一些变型中，存储器（926）可包括数据库（未示出）并且可以是例如随机存取存储器(RAM)、存储缓冲器、硬盘驱动器、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除只读存储器(EEPROM)、只读存储器(ROM)、闪存存储器或它们的组合等。如本文所用，数据库是指数据存储资源。存储器（926）可存储用于使得处理器（924）执行与控制系统（920）相关联的模块、过程和/或功能的指令，诸如无菌屏障形成、通知、机器人臂控制、工具驱动器控制、外科工具控制、传感器控制、传感器信号处理、通信、验证或用户设置等。在一些变型中，存储可以是基于网络的并且可由一个或多个授权用户访问。基于网络的存储可被称为远程数据存储或云数据存储。存储在云数据存储（例如，数据库）中的传感器信号和附接数据可经由诸如互联网的网络由相应的用户访问。在一些变型中，数据库（940）可以是基于云的FPGA。

本文所述的一些变型涉及具有非暂态计算机可读介质（也可称为非暂态处理器可读介质）的计算机存储产品，该非暂态计算机可读介质上具有用于执行各种计算机实现的操作的指令或计算机代码。从某种意义上说，计算机可读介质（或处理器可读介质）在其自身不包括暂态传播信号（例如，在诸如空间或线缆的传输介质上传播携带信息的电磁波）的情况下是非暂态的。媒体和计算机代码（也可称为代码或算法）可以是出于特定目的而设计和构建的那些代码或算法。

非暂态计算机可读介质的示例包括但不限于诸如硬盘、软盘和磁带的磁性存储介质；诸如光盘/数字视频光盘(CD/DVD)的光学存储介质；光盘只读存储器(CD-ROM)；全息设备；诸如光盘的磁光存储介质；诸如固态驱动器(SSD)和固态混合驱动器(SSHD)的固态存储设备；载波信号处理模块；以及专门配置为存储和执行程序代码的硬件设备，诸如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)设备。本文所述的其他变型涉及计算机程序产品，其可包括例如本文所公开的指令和/或计算机代码。

本文所述的系统、设备和方法可通过软件（在硬件上执行）、硬件或它们的组合来执行。硬件模块可包括例如通用处理器（或微处理器或微控制器）、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等。软件模块（在硬件上执行）可以各种软件语言（例如，计算机代码）表示，包括C、C++、Java^®、Python、Ruby、VisualBasic^®和/或其他面向对象的程序化的语言或其他编程语言和开发工具。计算机代码的示例包括但不限于微代码或微指令、诸如由编译器产生的机器指令、用于产生web服务的代码以及包含由使用解译器的计算机执行的更高级指令的文件。计算机代码的其他示例包括但不限于控制信号、加密的代码和压缩的代码。

B. 通信接口

通信接口（930）可允许操作者直接并且/或者远程地与系统（900）交互并且/或者控制系统（900）。例如，系统（900）的用户界面（934）可包括用于操作者输入命令的输入设备和用于操作者和/或其他用户（例如，技术人员）接收与系统（900）的操作相关的输出（例如，在显示器设备上查看患者数据）的输出设备。在一些变型中，网络接口（932）可允许控制系统（920）与网络（970）（例如，互联网）、远程服务器（950）和数据库（940）中的一个或多个通信，如本文更详细地描述的那样。

i. 用户界面

用户界面（934）可作为用户（例如，操作者）与控制系统（920）之间的通信接口。在一些变型中，用户界面（934）可包括输入设备和输出设备（例如，触摸屏和显示器）并且被配置为接收来自一个或多个传感器、输入设备、输出设备、网络（970）、数据库（940）和服务器（950）的输入数据和输出数据。例如，由无菌适配器传感器和外科工具传感器产生的传感器信号可由处理器（924）和存储器（926）处理，并且由一个或多个输出设备（例如，光学波导）视觉输出。传感器信号和/或附接数据可由用户界面（934）接收并且通过一个或多个输出设备在视觉上、可听地并且/或者通过触觉反馈输出。又如，输入设备（例如，操纵杆、键盘、触摸屏）的操作者控制可由用户界面（934）接收，然后由处理器（924）和存储器（926）处理以供用户界面（934）向机器人臂（910）、工具驱动器（912）和外科工具（916）中的一个或多个输出控制信号。在一些变型中，用户界面（934）可作为输入设备和输出设备（例如，被配置为产生控制信号同时向操作者提供触觉反馈的手持控制器）。

在一些变型中，包括一个或多个元件的设备、系统和方法在于2017年9月21日提交的标题为“USER CONSOLE SYSTEM FOR ROBOTIC SURGERY”的美国专利申请序列号15/712,052中有所描述，该文献全文以引用方式并入本文。

1. 输出设备

用户界面（934）的输出设备可输出对应于患者和/或系统（900）的传感器数据，并且可包括光学波导、显示器设备、音频设备和触觉设备中的一个或多个。显示器设备可被配置为显示图形用户界面(GUI)。用户控制台（960）可包括可被连接以输出到一个或多个通用显示器的集成显示器和/或视频输出，包括可通过互联网或网络访问的远程显示器。视频输出或馈送还可以被加密以确保隐私，并且全部或部分视频输出可以被保存到服务器或电子保健记录系统。显示器设备可允许操作者查看由控制器（922）处理的程序数据、附接数据、系统数据、工具数据、患者数据和/或其他数据。在一些变型中，输出设备可包括显示器设备，所述显示器设备包括发光二极管(LED)、液晶显示器(LCD)、电致发光显示器(ELD)、等离子显示板(PDP)、薄膜晶体管(TFT)、有机发光二极管(OLED)、电子纸/电子墨水显示器、激光显示器和/或全息显示器。

音频设备可以可听地输出患者数据、工具数据、附接数据、传感器数据、系统数据、警报和/或警告。例如，当工具驱动器、无菌适配器和外科工具之间发生不适当的附接时，音频设备可输出可听的警告。在一些变型中，音频设备可包括扬声器、压电音频设备、磁致伸缩扬声器和/或数字扬声器中的至少一个。在一些变型中，操作者可使用音频设备和通信信道与其他用户进行通信。

触觉设备可结合到输入和输出设备中的一个或多个中以向操作者提供附加的感官输出（例如，力反馈）。例如，触觉设备可产生触觉响应（例如，振动）以确认操作者对输入设备（例如，操纵杆、键盘、触摸表面）的输入。在一些变型中，触觉设备可包括被配置为向用户提供触觉反馈的振动马达。在一些变型中，触觉反馈可确认无菌适配器或外科工具与工具驱动器的附接和分离。除此之外或另选地，触觉反馈可通知由于不适当的附接和/或分离，工具驱动器的操作被禁止驱动输出驱动，以便防止对操作者和/或系统的潜在危害。

在一些变型中，包括一个或多个元件的设备、系统和方法在于2016年12月9日提交的标题为“USER INTERFACE DEVICES FOR USE IN ROBOTIC SURGERY”的美国专利申请序列号62/432,538中有所描述，该文献全文以引用方式并入本文。

2. 输入设备

输入设备的一些变型可包括至少一个被配置为产生控制信号的开关。在一些变型中，输入设备可包括被配置为向控制器的有线和/或无线接收器发送控制信号的有线和/或无线发射器（922）。例如，输入设备可包括用于操作者提供对应于控制信号的输入（例如，手指接触触摸表面）的触摸表面。包括触摸表面的输入设备可被配置为使用多种触敏技术中的任何一种来检测触摸表面上的接触和移动，所述多种触敏技术包括电容、电阻、红外、光学成像、色散信号、声脉冲识别和表面声波技术。在包括至少一个开关的输入设备的变型中，开关可包括例如按钮（例如，硬键、软键）、触摸表面、键盘、模拟摇杆（例如，操纵杆）、定向垫、指点设备（例如，鼠标）、轨迹球、慢速拨盘、步进开关、摇杆开关、指针设备（例如，触控笔）、运动传感器、图像传感器和麦克风中的至少一个。运动传感器可接收来自光学传感器的操作者移动数据并将操作者手势分类为控制信号。麦克风可接收音频并将操作者语音识别为控制信号。

ii. 网络接口

如图9A所描绘的，本文所述的控制系统（920）可通过网络接口（932）与一个或多个网络（970）和计算机系统（950）通信。在一些变型中，控制系统（920）可经由一个或多个有线和/或无线网络与其他设备进行通信。网络接口（932）可通过一个或多个外部端口（例如，通用串行总线(USB)、多引脚连接器）促进与其他设备的通信，所述外部端口被配置为直接联接或者通过网络（例如，互联网、无线LAN）间接联接到其他设备。

在一些变型中，网络接口（932）可包括被配置为与一个或多个设备和/或网络进行通信的射频接收器、发射器和/或光学（例如，红外）接收器和发射器。网络接口（932）可通过有线和/或无线方式与传感器、用户界面（934）、网络（970）、数据库（940）和服务器（950）中的一个或多个进行通信。

在一些变型中，网络接口（930）可包括射频(RF)电路（例如，RF收发器），该射频电路包括被配置为与一个或多个设备和/或网络进行通信的接收器、发射器和/或光学（例如，红外）接收器和发射器。RF电路可接收和发送RF信号（例如，电磁信号）。RF电路在电信号和电磁信号之间转换并经由电磁信号与通信网络和其他通信设备进行通信。RF电路可包括天线系统、RF收发器、一个或多个放大器、调谐器、一个或多个振荡器、数字信号处理器、CODEC芯片组、用户身份识别(SIM)卡、存储器等中的一个或多个。无线网络可指未通过任何类型的线缆连接的任何类型的数字网络。

无线网络中的无线通信的示例包括但不限于蜂窝、无线电、卫星和微波通信。无线通信可使用多种通信标准、协议和技术中的任何一种，所述多种通信标准、协议和技术包括但不限于全球移动通信系统(GSM)、增强型数据GSM环境(EDGE)、高速下行链路分组接入(HSDPA)、宽带码分多址(W-CDMA)、码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、蓝牙、近程通信(NFC)、射频识别(RFID)、无线保真(Wi-Fi)（例如，IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n）、互联网协议语音(VoIP)、Wi-MAX，电子邮件协议（例如，互联网消息访问协议(IMAP)、邮局协议(POP)）、即时消息（例如，可扩展通讯和表示协议(XMPP)、即时消息和表示扩展协议的会话发起协议(SIMPLE)、即时通信和状态信息服务(IMPS)），短消息服务(SMS)或任何其他合适的通信协议。一些无线网络部署结合了来自多个蜂窝网络的网络或混合使用蜂窝、Wi-Fi和卫星通信。

在一些变型中，无线网络可连接到有线网络以便与互联网、其他运营商语音和数据网络、商业网络和个人网络交互。有线网络通常通过铜质双绞线、同轴电缆和/或光纤电缆传输。存在许多不同类型的有线网络，包括广域网(WAN)、城域网(MAN)、局域网(LAN)、互联网区域网络(IAN)、校园区域网络(CAN)、全球区域网络(GAN)，诸如互联网和虚拟专用网络(VPN)。如本文所用，网络是指通常通过互联网互连以提供统一的联网和信息访问系统的无线、有线、公共和专用数据网络的任何组合。

为了便于解释，上文的描述使用了特定的命名法来提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，为了实施本发明，不需要具体细节。因此，对本发明的特定变型的以上描述是出于举例说明和描述的目的而提供。它们并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的确切形式；显然，根据上述教导内容，许多修改和变型是可能的。本文所选择和描述的变型是为了最好地说明本发明的原理及其实际应用，从而允许本领域的普通技术人员能够最好地利用本发明以及各种具体实施，并且在适合可设想的具体应用的情况下进行各种修改。预期的是，以下权利要求及其等同物限定本发明的范围。

Claims (30)

1.一种用于机器人外科系统的系统，所述系统包括：

工具驱动器，所述工具驱动器被配置为经由无菌适配器附接到外科工具，所述工具驱动器包括至少一个无菌适配器传感器和至少一个外科工具传感器，所述至少一个无菌适配器传感器被配置为产生对应于所述工具驱动器与所述无菌适配器之间的第一附接状态的第一传感器信号，所述至少一个外科工具传感器被配置为产生对应于所述工具驱动器与所述外科工具之间的第二附接状态的第二传感器信号，所述至少一个无菌适配器传感器被配置为在所述工具驱动器与所述无菌适配器之间没有完全附接的情况下产生所述第一传感器信号；以及

控制器，所述控制器联接到所述工具驱动器，所述控制器包括处理器和存储器，并且所述控制器被配置为：

接收来自所述传感器中的至少一者的所述第一传感器信号和所述第二传感器信号中的至少一者；

使用所述第一传感器信号和所述第二传感器信号中的至少一者产生附接数据，所述附接数据包括所述工具驱动器、所述无菌适配器和所述外科工具之间的至少一种附接状态；以及

使用所述附接数据控制所述工具驱动器。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置为当所述附接状态包括所述无菌适配器与所述工具驱动器或所述外科工具与所述无菌适配器之间的部分附接时致动所述工具驱动器的输出驱动。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置为当所述附接状态包括所述外科工具到所述无菌适配器和所述工具驱动器的完全附接时致动所述工具驱动器的输出驱动以致动所述外科工具。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置为当所述附接状态包括所述工具驱动器、所述无菌适配器和所述外科工具之间的分离和不适当附接中的一者时抑制所述工具驱动器的输出驱动。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述无菌适配器传感器包括接近传感器、扭矩传感器和旋转编码器中的至少一者，并且所述外科工具传感器包括接近传感器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置为将所述附接数据输出至操作者。

7.一种机器人外科系统，所述机器人外科系统包括：

工具驱动器，所述工具驱动器被配置为经由无菌适配器附接到外科工具，其中所述工具驱动器包括：

第一壳体，所述第一壳体包括第一光学波导；

照明源，所述照明源联接到所述第一光学波导并且被配置为发光，其中所述第一光学波导被配置为将所述光传播到所述无菌适配器；

至少一个可旋转输出驱动，所述至少一个可旋转输出驱动由所述第一壳体支撑并且被配置为通过所述无菌适配器将扭矩传递到所述外科工具；

至少一个无菌适配器传感器和至少一个外科工具传感器，所述至少一个无菌适配器传感器被配置为产生对应于所述工具驱动器与所述无菌适配器之间的第一附接状态的第一传感器信号，所述至少一个外科工具传感器被配置为产生对应于所述工具驱动器与所述外科工具之间的第二附接状态的第二传感器信号，所述至少一个无菌适配器传感器被配置为在所述工具驱动器与所述无菌适配器之间没有完全附接的情况下产生所述第一传感器信号；以及

控制器，所述控制器联接到所述工具驱动器，以基于附接状态控制所述工具驱动器。

8.根据权利要求7所述的系统，其中

所述无菌适配器包括：

框架，所述框架被配置为插置在所述工具驱动器与所述外科工具之间，所述框架包括被配置为接收来自所述第一光学波导的所述光并且传播所述接收的光的第二光学波导；

板组件，所述板组件联接到所述框架；以及

至少一个可旋转联接器，所述至少一个可旋转联接器由所述板组件支撑并且被配置为将所述扭矩从所述工具驱动器的所述至少一个可旋转输出驱动传递到所述外科工具。

9.根据权利要求8所述的系统，其中

所述外科工具包括：

第二壳体，所述第二壳体被配置为联接到所述无菌适配器，所述第二壳体包括被配置为接收来自所述第二光学波导的所述光的第三光学波导；

至少一个输入驱动，所述至少一个输入驱动由所述第二壳体支撑并且被配置为接收从所述工具驱动器的所述至少一个可旋转输出驱动通过所述无菌适配器传递的所述扭矩；以及

端部执行器，所述端部执行器从所述第二壳体延伸并操作地联接到所述至少一个输入驱动。

10.根据权利要求7所述的系统，其中所述光的特征对应于所述工具驱动器、所述无菌适配器和所述外科工具中的至少两者之间的附接状态。

11.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二光学波导被配置为在所述无菌适配器附接到所述工具驱动器时接收来自所述工具驱动器的所述光。

12.根据权利要求9所述的系统，其中所述第三光学波导被配置为在所述外科工具附接到所述无菌适配器和所述无菌适配器附接到所述工具驱动器时接收来自所述无菌适配器的所述光。

13.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一光学波导沿着所述第一壳体的外表面设置。

14.根据权利要求8所述的系统，其中所述第二光学波导沿着所述框架的外表面设置。

15.根据权利要求9所述的系统，其中所述第三光学波导沿着所述第二壳体的外表面设置。

16.一种机器人外科系统，所述机器人外科系统包括：

工具驱动器，所述工具驱动器包括：

第一壳体，所述第一壳体被配置为经由无菌适配器附接到外科工具；

至少一个可旋转输出驱动，所述至少一个可旋转输出驱动由所述第一壳体支撑并且被配置为通过所述无菌适配器将扭矩传递到所述外科工具的输入驱动；

至少一个无菌适配器传感器，所述至少一个无菌适配器传感器被配置为产生对应于所述工具驱动器与所述无菌适配器之间的第一附接状态的第一传感器信号，所述至少一个无菌适配器传感器被配置为在所述工具驱动器与所述无菌适配器之间没有完全附接的情况下产生所述第一传感器信号；

至少一个外科工具传感器，所述至少一个外科工具传感器被配置为产生对应于所述工具驱动器与所述外科工具之间的第二附接状态的第二传感器信号，所述至少一个第一外科工具传感器设置在从所述第一壳体的表面延伸的至少一个突出部内，所述至少一个突出部被配置为偏离所述表面；以及

控制器，所述控制器联接到所述工具驱动器，以基于附接状态控制所述工具驱动器。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述至少一个外科工具传感器包括接近传感器，所述接近传感器包括联接到所述突出部的第一端部的磁体以及联接到所述突出部的第二端部的磁场换能器。

18.根据权利要求16所述的系统，其中所述突出部设置在一对可旋转输出驱动之间。

19.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一壳体包括按双侧对称布置进行布置的多个所述突出部。

20.根据权利要求16所述的系统，其中所述突出部包括柔顺材料。

21.根据权利要求16所述的系统，其中所述突出部包括卷簧和片簧中的至少一者。

22.根据权利要求16所述的系统，所述系统还包括设置在所述第一壳体的远侧端部处的第二外科工具传感器。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述第二外科工具传感器包括具有磁场换能器的接近传感器。

24.根据权利要求16所述的系统，所述系统还包括：

外科工具，所述外科工具包括：

第二壳体，所述第二壳体被配置为附接到所述无菌适配器，所述第二壳体包括具有磁性突出部的无菌适配器接合特征部；

至少一个输入驱动，所述至少一个输入驱动由所述第二壳体支撑并且被配置为接收从所述工具驱动器的至少一个可旋转输出驱动通过所述无菌适配器传递的所述扭矩；以及

端部执行器，所述端部执行器从所述第二壳体延伸并操作地联接到所述输入驱动。

25.根据权利要求24所述的系统，其中所述磁性突出部包括第一锥形表面和与所述第一锥形表面相对的第二锥形表面。

26.根据权利要求25所述的系统，其中所述外科工具的远侧端部包括所述无菌适配器接合特征部。

27.一种用于机器人外科系统的工具驱动器，所述工具驱动器包括：

壳体，所述壳体被配置为联接到无菌适配器，所述壳体包括无菌适配器接合特征部和无菌适配器传感器，所述无菌适配器接合特征部可与所述无菌适配器上对应的工具驱动器接合特征部配合，所述无菌适配器传感器被配置为当所述工具驱动器接合特征部与其对应的无菌适配器接合特征部附接时产生第一传感器信号，所述无菌适配器传感器被配置为在所述工具驱动器与所述无菌适配器之间没有完全附接的情况下产生所述第一传感器信号；

外科工具传感器，所述外科工具传感器被配置为产生对应于所述工具驱动器与所述外科工具之间的附接状态的第二传感器信号；

控制器，所述控制器联接到所述工具驱动器，以基于附接状态控制所述工具驱动器；以及

至少一个可旋转输出驱动，所述至少一个可旋转输出驱动由所述壳体支撑并且被配置为通过所述无菌适配器将扭矩传递到外科工具的输入驱动。

28.根据权利要求27所述的工具驱动器，其中所述壳体的远侧端部包括所述无菌适配器接合特征部和所述无菌适配器传感器。

29.根据权利要求27所述的工具驱动器，其中所述无菌适配器接合特征部包括一个或多个凹陷部和突出部。

30.根据权利要求27所述的工具驱动器，其中所述无菌适配器传感器被配置为当所述工具驱动器接合特征部接触所述无菌适配器传感器时产生所述传感器信号。

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