CN109195544B - 计算机辅助式远程操作系统中的次级器械控制 - Google Patents

计算机辅助式远程操作系统中的次级器械控制 Download PDF

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Abstract

提供了用于远程操作系统及其控制的系统和方法。示例性系统包括被配置以支持能在器械工作空间内移动的器械的第一操纵器，所述器械具有器械坐标系，并且包括被配置以接收来自操作员的移动命令的操作员输入装置。系统进一步包括控制系统以通过比较器械的定向与器械工作空间的视野的定向以产生定向比较来执行移动命令。当比较不满足某些标准时，控制系统引起响应于移动命令的相对于器械坐标系的第一方向上的器械运动。当比较满足标准时，控制系统引起响应于移动命令的相对于器械坐标系的第二方向上的器械运动。第二方向不同于第一方向。

Description

计算机辅助式远程操作系统中的次级器械控制
相关申请
该专利申请要求2016年7月14日提交的题为“计算机辅助式远程操作系统中的次级器械控制(Secondary Platform Instrument Control in a Computer-AssistedTeleoperated Surgical System)”的美国临时专利申请号62/362,355的优先权和申请日权益，其通过引用以其全部内容并入本文。
技术领域
本公开涉及用于控制两个或更多个远程操作操纵器的系统和方法。
背景技术
微创医疗技术意图减少医疗程序期间损伤的组织量，从而减少患者康复时间、不适、和有害的副作用。这种微创技术可通过患者解剖结构中的自然孔口或通过一个或多个外科切口来进行。通过这些自然孔口或切口，医师或其它人员可插入微创医疗器械(包括外科器械、诊断器械、治疗器械、或活组织检查器械)以到达目标组织位置。为了便于操作员控制，已使用技术使控制医疗器械直观。然而，随着更多器械参与到给定程序(手术，procedure)中和/或器械不以已知配置相互偶联，控制所有器械变得更加复杂。这在非医疗环境(如在工业应用中)中也是真切的，其中从特定视角控制多个操纵器。
因此，提供能够控制相对于彼此处于可变换配置的多个器械的控制系统和方法将是有利的。
发明概述
说明书所附的权利要求最佳地概括了本发明的实施方式。
符合一些实施方式，一个总体方面包括，一个总体方面包括远程操作系统包括：第一操纵器，其被配置以支持可在器械工作空间(workplace)内移动的器械，该器械具有器械坐标系(参照系，frame of reference，reference frame)，操作员输入装置，其被配置以从操作员接收移动命令，以及控制系统，其被配置以执行移动命令。远程操作系统的控制系统通过比较器械的定向与器械工作空间的视野的定向从而产生定向比较来执行移动命令。当定向比较不满足定向标准集(set)时，控制系统引起响应于移动命令的相对于器械坐标系的第一方向上的器械运动。当定向比较满足定向标准集时，控制系统引起响应于移动命令的相对于器械坐标系的第二方向上的器械运动，其中第二方向不同于第一方向。
符合其它实施方式，另一总体方面包括控制远程操作系统的方法。方法包括比较被配置以接收器械的操纵器臂的定向与工作空间的视野的定向，从而产生定向比较。当定向比较不满足定向标准集时，方法包括引起响应于移动命令的相对于器械坐标系的第一方向上的器械运动。当定向比较满足定向标准集时，方法包括引起响应于移动命令的相对于器械坐标系的第二方向上的器械运动，其中第二方向不同于第一方向。该方面的其它实施方式包括对应的计算机系统、设备、和记录在一个或多个计算机存储装置上的计算机程序——各自被配置以执行该方法的动作。
符合其它实施方式，另一总体方面包括机器人系统。机器人系统包括操作员输入系统，其具有第一输入装置，第一机器人平台，其具有被配置以接收第一器械的第一从属操纵器臂。第一从属操纵器臂和第一器械具有至少一个坐标系。机器人系统还包括第二机器人平台，所述第二机器人平台具有被配置以接收成像系统的第二从属操纵器臂，其中成像系统提供成像坐标系，以及通过第一输入装置接收移动命令的控制系统。接收的移动命令指示相对于成像坐标系的移动的第一方向。控制系统通过以下在第一和第二机器人平台的平台上执行接收的移动命令：比较器械坐标系中的第一器械的定向与成像坐标系中的成像系统的定向，确定映射施加到接收的移动命令从而产生针对第一器械的可执行的移动命令，以及引起响应于移动命令的相对于器械坐标系的第二方向上的器械运动，其中第二方向不同于第一方向。
理解前述总体描述和以下详细描述两者本质上都是示例性和解释性的，并且意图提供对本公开的理解而不限制本公开的范围。对此，本公开另外的方面、特征、和优势将通过以下详细描述而对本领域技术人员是明显的。
附图简述
图1是显示根据本公开的一些方面的计算机辅助式远程操作系统的总体系统构件的图解视图。
图2是根据本公开的一些其它方面的用于控制计算机辅助式远程操作系统(如图1的远程操作系统)的操作员控制台的正视图。
图3A示例了根据本公开的实施方式的示例性远程操作组件的方面的正视图。
图3B是根据本公开的一些方面的医疗装置的捆束单元(bundled unit)的远端简化图。
图3C是根据本公开的一些方面的图3A的远程操作组件的透视图。
图3D是根据本公开的一些方面的具有多个操纵器臂的示例性远程操作组件的透视图。
图3E是根据本公开的一些方面的包括两个平台的计算机辅助式远程操作医疗系统的透视图。
图3F是根据本公开的一些其它方面的包括两个平台的另一计算机辅助式远程操作医疗系统的透视图。
图4A是从根据本公开的一些实施方式的系统的操作员侧的一些系统构件和相关坐标系的图解视图。
图4B是从根据本公开的一些实施方式的系统的器械侧的一些系统构件和相关坐标系的图解视图。
图5描绘了根据本公开的一些其它方面的成像系统、两个主平台器械和次级平台器械的布置。
图6描绘了根据本公开的一些其它方面的成像系统器械的远侧部分、次级平台器械的远端、和两个主平台器械的远端的透视图，并且显示了次级平台器械的坐标系。
图7A是显示用于产生根据本公开的一些其它方面的次级平台器械的控制信号的方法的流程图的图表。
图7B是显示用于产生根据本公开的一些其它方面的次级平台器械的控制信号的另一方法的流程图的图表。
图8A是来自根据本公开的一些其它方面的针对操作员的显示图像的图解视图，其中显示了两个主平台器械，并且显示了次级平台器械的远侧末梢。
图8B是根据本公开的一些其它方面的两个主平台器械的远端和次级平台器械的远端的图解视图。
图9A和9B是显示根据本公开的一些其它方面的次级平台器械在摄像机坐标系和次级平台坐标系两者中的移动的对应视图。
图10A和10B是显示根据本公开的一些其它方面的次级平台器械在摄像机坐标系和次级平台坐标系两者中的移动的对应视图。
图11A和11B是显示根据本公开的一些其它方面的次级平台器械在摄像机坐标系和次级平台坐标系两者中的移动的对应视图。
图12是显示根据本公开的一些其它方面的处于调整模式的次级平台器械的总体操作方法的流程图。
图13是显示根据本公开的一些其它方面的处于重新定位模式的次级平台器械的总体操作方法的流程图。
图14是显示根据本公开的一些其它方面的处于混合(hybrid)摄像机控制和次级平台器械控制模式的总体操作的方法的流程图。
图15是显示根据本公开的一些其它方面的次级平台器械的运动的碰撞避免方面的总体操作的方法的流程图。
图16是显示由根据本公开的一些其它方面的多于一个操作员在多于一个控制台处控制次级平台器械的方法的流程图。
图17是显示用于根据本公开的一些其它方面的调整和重新定位操作模式的方法的流程图。
本公开的实施方式及其优势通过参考以下详细描述被最佳地理解。应当理解相同的参考编号用以识别一个或多个图中示例的相同元件，其中在其中的显示出于示例本公开的实施方式的目的而非出于对其限制的目的。
发明内容
在以下描述中，列出特定细节描述符合本公开的一些实施方式。列出多个特定细节以便提供对实施方式的透彻理解。然而，可实践一些实施方式而无这些特定细节中的一些或全部，这对本领域技术人员来说将是明显的。本文公开的特定实施方式意为示例性但非限制性的。本领域技术人员可认识到其它元件——虽然未特定在此描述，但却在本公开的范围和精神内。另外，为了避免不必要的重复，联合一个实施方式显示和描述的一个或多个特征可并入其它实施方式中，除非以其它方式特定地描述或如果一个或多个特征会使实施方式无功能(非功能，non-functional)。
在一些情况下，未详细描述公知方法、程序、构件、和回路使得不会非必要地遮蔽(模糊，obscure)实施方式的方面。
本公开就其在三维空间中的位置、定向、和/或姿态描述了各种器械和器械的部分。如本文使用的，术语“位置”指代三维空间中对象或对象的部分的定位(例如，沿笛卡尔(Cartesian)X、Y、和Z坐标的三个平移自由度)。如本文使用的，术语“定向”指代对象或对象的部分的旋转放置(三个旋转自由度——例如，转动、俯仰(pitch)、和偏转(yaw))。如本文使用的，术语“姿态”指代在至少一个平移自由度下对象或对象的部分的姿势(位置，position)，并且指代在至少一个旋转自由度下对象或对象的部分的定向(多至六个总自由度)。
尽管主要关于医疗程序讨论了本文提供的一些实施方式，但是医疗或外科器械以及医疗或外科方法的任何提及都是非限制性的。本文所述系统、器械、和方法可用于动物、人尸体、动物尸体、从人或动物解剖结构移除并且不返回至这样的人或动物解剖结构的人或动物组织、非外科的治疗、诊断、或美容改善。本文所述系统、器械、和方法还可用于工业系统和一般的机器人或远程操作系统，包括用于操纵或以其它方式与不包括人或动物组织的工件相互作用的那些系统。
图1是显示计算机辅助式远程操作系统100的总体系统构件的图解视图。如所示，系统包括移动和控制第一器械的主从属操纵器104，和移动和控制第二器械的外部从属操纵器106。这种操纵器也称作臂或操纵器臂。当作为医疗系统被执行时，系统100的器械可被称为医疗器械。系统100包括控制系统110和至少一个输入装置102(有时也称作“主控(主要，master)工具操纵器”、“MTM”、“主控输入装置”或“主控装置”)，其接收来自操作员的输入。控制系统110接收作为电信号的输入并产生对应移动命令，所述对应移动命令由控制系统110执行以移动和控制从属操纵器104和106以及任意相关器械。该系统包括图像捕捉系统108，其捕捉操作位点或工作位置如医疗实施方案中的外科手术位置的视频图像。图像捕捉系统108任选地包括图像系统从属操纵器和摄像机器械，包括成像传感器如CCD或CMOS或超声或荧光图像传感器，其由图像系统从属操纵器移动和操作，从而改变由摄像机器械提供的视野。
如所述，主从属操纵器和外部从属操纵器的运动以及图像捕捉系统操纵器和摄像机器械的运动在远程操作控制之下——对应于输入装置102的部分或全部的移动。一个或多个手持式或手抓式输入控制装置能够使输入装置102允许操作员(例如，外科医生、临床医生、或医师)控制远程操作从属操纵器104和106，并在一些实施方式中观察工作位置。
输入装置102可以是无线通讯的无系留(无绳，untethered)远程控制型装置。可选地，输入装置102可以是电学上系留一个或多个电缆的、通过一个或多个机械连接件或其它结构机械上系留的、或既在电学上系留又在机械上系留的控制装置。输入装置102还可以任选地系留，如作为能够无线并在其自身动力下操作以及附接到电缆或机械结构的输入装置。作为具体实例，输入装置102可布置在操作员的控制台处或作为操作员的控制台的部分。包括一个或多个相关输入机构、可提供输入装置102的操作员控制台200(如果操作员控制台主要由外科医生使用，则有时称为“外科医生控制台”)的实例包括在图2中。
图2是操作员控制台200——类似于由加利福尼亚Sunnyvale的IntuitiveSurgical Inc.商业化的da
Figure BDA0001884778060000051
Surgical System的“外科医生”控制台——的正视图。在主控控制台处，操作员观察由图像捕捉系统108捕捉的视频图像。视频可显示在显示系统202中，如所示，所述显示系统202包括与操作期间操作员的眼睛对齐的两个独立观看器(指示器，viewer)或显示器。显示系统202可提供来自图像捕捉系统108的立体视图，从而使操作员能够以三维形式察觉图像捕捉系统108的视野。来自图像捕捉系统108的三维视图可允许操作员更好地与显示系统202中所示环境互动——如通过操纵环境中的结构。在其它实施方式中，其它显示系统配置可用作显示系统202。
操作员控制台200包括一个或多个输入装置204(两个，被显示为输入装置204A和输入装置204B)。示例性输入装置204可各自包括轴——被配置以由操作员的手的至少两根手指定位。输入装置204可通过运动学联接偶联到控制台200。当操作员在操作员控制台200允许的运动范围内移动输入装置204时，控制系统110将该移动翻译成命令——可用以控制从属操纵器104和106，从而使它们作出对应移动。另外，输入装置204包括由旋转接头连接在一起的多个连接元件，每一个接头都具有至少一个编码器。类似地，轴206可旋转地偶联到输入装置204以提供另外的输入装置。例如，旋转轴206A或206B中的一个可引起布置在从属操纵器104或106中的一个上或整合至从属操纵器104或106中的一个中的器械末端执行器(试验器，effector)的对应旋转移动。在一些实施方式中，轴206的旋转可导致其它操作。在一些实施方式中，轴206可包括按钮或其它输入装置。
输入装置204的实施方式可包括或进一步包括任意数量的各种输入装置，如操纵杆、轨迹球、数据手套、触发抢(扳机枪，trigger-guns)、手动操作式控制器、声音识别装置、身体运动或存在传感器(presence sensor)、和/或类似物。为了提供给操作员直接控制操纵器104和106的强烈感觉，输入装置可提供有与相关操纵器104和106相同的自由度。以此方式，输入装置提供给操作员以输入装置(例如输入装置204)与从属操纵器104和106整合的远程呈现(telepresence)或感知。在一些实施方式中，输入装置204可比相关从属操纵器104或106具有更多或更少的自由度，并且还提供给操作员以远程呈现。在一些实施方式中，输入装置可任选地是手动输入装置，其以六个自由度移动，并且其还可包括用于致动器械(例如，用于闭合抓握爪(夹紧器，jaws)、向电极施加电势、递送医药治疗、和/或类似应用)的可致动手柄。
输入装置204的位置和输入装置204与轴206的定向的改变可被控制系统110翻译并用于产生移动命令。控制系统110可执行这种命令，引起从属操纵器104和106按操作员通过输入装置204所指引地移动。操作员控制台200可包括控制系统110的全部或部分，或控制系统110可位于他处。控制系统110包括一个或多个处理装置和用于存储程序指令和数据的存储器，程序指令和数据可被一个或多个处理装置执行和处理。操作员控制台200任选地包括一个或多个脚踏板(七个，被显示于图2中)以及其它用户输入机构，如轨道上或用手指抓握的单独的主控操纵器上的开关。
如本文论述的，在本公开的一些方面中，图像捕捉系统108的摄像机器械的视野被朝向工作位置定向，以及次级器械(其可由主平台控制或由次级平台控制)被定向使得插入方向朝向图像捕捉系统108。在一个实施方案中，次级器械朝向摄像机器械被插入意为次级器械具有具有反平行于沿摄像机器械的视野的中心轴线的观察方向(也称作“视线”)的分量的插入方向。在另一实施方案中，次级器械朝向摄像机器械被插入意为次级器械具有反平行于沿摄像机器械的视野的中心轴线的观察方向的特定量级(大于阈值量级)的分量；该量级可被标准化为(1)反平行于摄像机器械的视野的中心轴线的分量与(2)垂直于摄像机器械的视野的中心轴线的分量的比。
在一些实施方案中，次级器械朝向摄像机器械被插入意为次级器械具有具有相对于摄像机器械的观察方向的一定量的角度差的插入方向。例如，在一些实施方案中，当角度差等于或大于90度、120度、135度等时，次级器械被认定为具有朝向摄像机器械的插入方向。
在一些实施方式中，可将摄像机器械和次级器械的末梢进行定位使得可设想平面处于在这些器械的末梢之间，其中该平面垂直于摄像机器械的视野的中心轴线。就该平面而言，考虑相对插入方向的一种方法是摄像机器械位于平面的一侧，而由次级臂控制的次级器械进入平面的相对侧的操作位点。
图3A是被称为远程操作臂组件300A的从属操纵器104和/或106的一些实施方式的简化侧视图(不必按比例或完整)。远程操作臂组件300A被描绘为保持医疗装置的捆束单元301。捆束单元301然后可通过切口和通过工具引导器(guide)插入患者P。远程操作臂组件300A由基座B机械支持。连接件(links)302A和302B(总体上，连接件302)偶联在一起并通过水平设置接头304A和304B(总体上，设置接头304)偶联到基座B。所绘实例中的设置接头304是无源(passive)接头，其在其制动器(brakes)释放时允许手动定位组件300A；在其它实施方式中，它们可以是可通过操作员输入来控制的有源(active)接头。如所描绘的，设置接头304A允许连接件302A围绕轴线306A手动旋转，而设置接头304B允许连接件302B围绕轴线306B手动旋转。虽然只有两个连接件和两个设置接头显示在该实例中，但是更多或更少的都可适当应用于这个以及结合本发明的其它远程操作臂组件中。
远程操作臂组件300A还包括两个有源接头和由马达驱动的传输系统(其可包括多个齿轮或滑轮或电缆或带或其它传输构件)。偏转接头308允许臂区段310(其可包括多个臂部分的联接)围绕轴线206C旋转，而俯仰接头312允许臂区段310围绕垂直于轴线306C的轴线并正交于附图平面的轴线旋转。接口314包括滑架316和捆束单元301的近端上的适配零件诸如通过常规接头、电缆和滑轮系统致动器械320A和320B(也称作工具320A和320B，并且总体上称作器械320)移动的马达驱动齿轮以及图像捕捉系统322。另外，捆束单元301偶联到臂区段230上的滑架318，所述滑架318进而偶联到线性驱动机构以沿捆束单元301的插入轴线306D延伸或缩回捆束单元301。
虽然偏转接头308、俯仰接头312和滑架318中马达驱动齿轮中的每一个都可由单独接头或齿轮控制器进行控制，但是控制器可由共同的主控/从属控制系统来控制，使得捆束单元301的装置可通过操作员操纵其相关控制装置(如图2的输入装置204的一个或两个)来控制。
现参考图3B，其中显示了捆束单元301的远端的透视图。如示例的，捆束单元301包括器械320，所述器械320是用于执行医疗程序的可移除医疗工具，以及用于观察患者内外科手术位置处的程序的可移除图像捕捉系统322。器械320和图像捕捉系统322中的每一个都延伸通过捆束单元300的内核(inner core)中形成的单独腔。然后可通过从其腔内移除不再需要的工具以及通过用替代工具或器械将替代工具插入空出的腔内来代替它以在执行医疗程序期间或在执行医疗程序的准备中实现置换器械320中的一个或两个。可选地，如果未用的腔可用，那么可将另外的工具插入通过那些可用腔中的一个而不用移除已经就位的任何其它工具。
如图3B中所示，图像捕捉系统322包括用于对外科手术位置三维成像的摄像机324A和324B(和/或单个的单目或双目摄像机)的立体对(stereoscopic pair)，和照明装置326如发光二极管(LED)或携带来自外源的光的光纤束(fiber optics bundle)以增强捕捉图像中对象的可视性。辅助图像捕捉单元，如超声探头或另一光学摄像机，也可提供在捆束单元301的可用腔中，用于“观察(seeing)”结构，如用于外科手术或诊断目的的解剖结构。
在一些实施方式中，外套管(overtube)328还包括在捆束单元301中，用于保护其内核以及插入通过其的医疗装置(即，外科工具和图像捕捉单元)。外套管328可以是刚性的。可选地，其可由柔性材料形成或包括以有源方式和/或无源方式可弯曲的区段，使得捆束单元301可在其移动通过患者内的外科手术位置时符合体腔的形状。
器械320均具有可控地可延伸的、可旋转的、和可弯曲的轴，其中器械320的各自末端执行器330A和330B分别通过腕机构332A和332B偶联到所述轴。在所绘实施方式中，器械320B的轴包括被远侧接头偶联的三个连接件。三个连接件中的最近侧的连接件(“近侧第一连接件”)可沿插入轴线可控地延伸和缩回，所述插入轴线可平行于捆束单元301的插入轴线306D)，并是可控地围绕插入轴线可旋转的。另一方面，中间第二连接件可是通过相对于近侧第一连接件的远侧接头可控地可弯曲的，并且最远侧连接件(“远侧第三连接件”)偶联到第一和第二连接件并可被远侧接头弯曲，使得其弯曲角度处于与中间第二连接件相反的方向，并因此保持远侧第三连接件与近侧第一连接件平行对齐。
器械320A的轴与器械320B类似地进行构造。腕机构332A和332B的一个实例的另外细节提供在共同拥有的美国专利号6,817,974“Surgical Tool Having PositivelyPositionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint”中。
图像捕捉系统322也可具有可控地可延伸的、可旋转的、和可弯曲的轴，其有利于图像捕捉系统322沿其插入轴线(其可平行于捆束单元301的插入轴线306D)的至少插入/缩回，以及有利于俯仰运动以便获得图像捕捉系统322在器械320“上方”的充分提高(elevation)，从而在外科程序期间适当地观察它们。还可以提供另外的自由度，如图像捕捉系统322围绕其插入轴线的转动角度移动，以便促进对图像捕捉系统322的另外定位和定向能力。为了可操作性的增强，图像捕捉系统322的轴也可以是可弯曲的，如器械320的可控地可弯曲的、可旋转的、和可延伸的轴。
图3C是根据本发明的一些方面的远程操作系统300C的一个实施方式的透视图。图3C的所绘实施方式显示了系统300C的实例，所述系统300C包括可置换的医疗器械340，所述可置换的医疗器械340可包括诸如本文公开的释放机构。可例如包括由IntuitiveSurgical,Inc.商业化的da
Figure BDA0001884778060000081
Surgical System的系统300C利用多个外科器械340，其每一个都安装在机器人系统346的操纵器臂344上的器械安装件(mount)342中。包括帷帘(drape)和器械适配器的无菌屏障(图3C中未显示)可位于位于患者(未显示)与医疗应用中的机器人系统346之间。器械340可在结构和目的上变化，但仍可以是相互更换的，使得用户可根据具体医疗程序的需要来选择并安装机器人系统346的器械安装件342中的各个器械340，并且可在医疗程序期间交换器械340以提供期望的临床功能。每一个器械340总体上都包括末端执行器或远侧工具末梢、器械轴(shaft)、和后端。如本文所述，不同器械340可具有多种不同的形状或尺寸，举例而言可包括钳子、抓握器、手术刀、剪子、烧灼(cautery)或烧蚀(ablation)工具、或针驱动器。具有不同的远侧工具末梢的器械340可安装在机器人系统346的不同的操纵器臂344上，并且可在相同工作位置协作地工作。内窥镜摄像机，例如立体摄像机，还可安装在操纵器臂上从而提供视觉信息——尤其是器械340的远侧工具末梢可能正在操作的工作位置的图像。机器人系统346的器械安装件342可包括致动器如驱动马达——其提供机械动力以通过驱动偶联来致动器械340中的机械结构，所述驱动偶联通过接口机构将致动器连接到器械340的输入。
图3D描绘了远程操作组件300D的另一实施方式，其包括由从基座延伸的柱支持的多个操纵器臂。组件300D包括支持突出的操纵器臂的自动化和机动化设置结构，并且可包括居于地板上的基座350、安装在基座上的伸缩式支持柱352、从支持柱352延伸的伸缩式伸臂354、以及作为定向平台356的定向部分。组件300D还包括支持梁358，和若干操纵器臂360，所述若干操纵器臂360支持包括图1的图像捕捉系统108的部分的外科工具。如图3C中所示，操纵器臂360A、360B、360C、360D是支持并移动器械(如用于操纵组织的医疗器械)的器械臂。这些操纵器臂360中的一个可被设计为支持并移动摄像机器械的摄像机臂。摄像机系统可以是用于捕捉外科手术位置的立体图像并提供单独的立体图像至图2的显示系统202的立体内窥镜。本文讨论了成像系统的其它实施方案。
有识人士将理解，支持器械和摄像机的操纵器臂也可由基座350或另一基座支持，另一基座诸如安装到天花板或墙壁、或在一些情况下安装到手术室中另一件设备的(固定的或可移动的)平台(例如，手术台)。同样地，他们将理解可以使用两个或更多个物理上分离的基座(例如，一个基座支持一个臂)。
图3E和3F描绘了具有不同平台的操纵器组件的实施方式。图3E是包括与患者相互作用的两个主要构件(平台)的计算机辅助式远程操作医疗系统370的透视图。系统370包括主远程操作平台372(也称作主远程操作组件372)，主远程操作平台372像图3A的组件300A、图3C的系统300C、或图3D的组件300D一样包括若干医疗器械和摄像机器械。为了清楚，图3E包括将图3C的系统300C描绘为包括单一操纵器臂的平台372。然而，其它实施方式可包括另外的操纵器臂，如图3D的组件300D中的操纵器臂。这些操纵器臂可各自由相关操纵器如输入装置204中的一个(图2)来分开操作，以执行定位在台T上的患者P中的工作位置处的医疗任务。于2006年12月20日提交的且题为“Wireless Communication in a RoboticSurgical System”的美国专利号7,955,322描绘了主远程操作平台的一些实例，并且通过引用以其全部内容并入本文。
系统370还包括次级远程操作平台374，次级远程操作平台374可包括一个或多个器械，每一个都由相关操纵器诸如输入装置204(图2)中的一个来分开操作。在使用时，次级远程操作外科平台374在外科手术位置处控制一个或多个器械。次级远程操作平台374可任选地被称为在主远程操作平台372的外部。如所示，主平台和次级平台中的每一个都安装在独立基座(如基座B1和基座B2)上。在一些实施方式中，组件或平台可包括或被安装到可单独移动的手推车，使得其可独立定位在手术室或其它工作环境中。然而，在其它任选实施方案中，次级平台可通过各种其它方式定位，如永久固定到机械地面(如地板、天花板、或墙壁)、永久地或可移除地安装到手术台、或永久地或可移除地安装到主平台。
作为另一实例，图3F是计算机辅助式远程操作系统380的另一实施方式的透视图。具有台表面的轮式台T定位在台基座上。台表面可用于支持工件，如患者P或在其它应用中的非人工件。在图3F所示实例中，两个从属操纵器臂382A和382B被定位以在患者P上操作。臂382A和382B由臂平台384A和384B支持，臂平台384A和384B可以被可移除地且可重新定位地沿台轨道386附接到多个不同位置。操作期间，可控制臂382A和382B被驱动以定位工具和器械。例如，器械388A可以是成像系统，而器械388B可以是用于定位组织的一对钳子。在一些实施方案中，可控制臂382A和382B是可远程操作的并且包括可远程操作的动力接头(powered joint)，其在被驱动时将工具重新定位和重新定向。
图3E和3F都显示了这样的配置：其中一个平台上的操纵器臂和被支持的器械(主平台上的主器械)可从与另一平台上的臂和被支持的器械(次级平台上的次级器械)接近工作位置的侧或方向基本上不同的侧或方向接近工作位置。例如，尽管摄像机器械可限定视野，但是其它器械可从与该视野相关的平面的不同侧接近工作位置。这种配置可造成提供直观控制至操作员——能够使用单一控制台(如图2的控制台200)控制从不同侧接近位置的臂——的问题。
图4A-4B是一些系统构件和相关笛卡尔坐标系的图解视图。图4A从系统的操作员侧显示了部分。图4B从系统的器械侧显示了部分。坐标系通常也被称为“坐标系(referenceframe)”。并且，本申请中所论述的坐标系用于解释与本文论述的技术相关的不同的定向、位置、旋转差异或变化、以及平移差异和变化，以及用于确定相对位置和定向、输入、以及运动命令的相关映射(mapping)。执行所述技术的一些实施方式在计算上或在操作系统时不必使用完全相同的坐标系。例如，坐标系轴线可不同于本公开中所详细描述的坐标系轴线进行设置。并且，在仅使用定向的实施方案中，坐标系可只旋转而不平移。进一步地，其它系统可使用替代的坐标系，诸如球坐标系。
如图4B中所示，成像系统402具有视野427。工件430和器械404的远侧部分定位在视野427内。在该实例中，器械404包括接头405和末端执行器406。坐标系450用于标释(noted for)在接头405的近端的器械404的轴，并且其中器械404的插入被限定为坐标系450中的+Z方向。坐标系450随器械404的平移和旋转而平移和旋转。坐标系451用于标释末端执行器406，并随末端执行器406移动。如果器械404的末端执行器406相对于器械404的轴不移动，如刚性器械在轴与末端执行器之间不具有自由度，则坐标系450和451可组合成单一坐标系——描述器械404的相关部分的位置和定向以用于建模(造型，modeling)和/或控制。
视野427自身与坐标系452关联，坐标系452随视野427平移和旋转。在所示的该实例中，视野427可以通过成像系统402的轴与远端之间的接头或其它自由度441的移动而移动。因此，图4B还显示了基于轴的坐标系453，其随成像系统402的近侧主体平移和旋转。如果视野427相对于成像系统402的近侧主体不移动，如当成像系统在视野与近侧主体之间不具有依从性(compliance)或其它自由度时，则坐标系452和453可组合成单一坐标系——描述成像系统402的相关部分(如其视野427)的位置和定向以用于建模和/或控制。
在器械404和成像系统402的物理尺寸已知的情况下，并在其连接件和接头的配置(例如旋转接头的接头角度、棱柱形接头的线性位置等)可(例如使用位置或速度编码器、定向或位置或形状传感器、直接旋转传感器、马达位置传感器等)被假设或确定的情况下，坐标系450或451与器械404中任意其它连接件的坐标系之间的运动学关系可利用公知的运动学计算来确定。坐标系152或153与成像系统402中的任意其它连接件之间的运动学关系同样如此。末端执行器406在视野427内操作，因此末端执行器406的坐标系450与视野427的坐标系452之间的映射将允许在视野427中控制末端执行器406。
图4A进一步显示了操作员观察显示系统202并抓握主控输入装置204(如图2中所示)。显示系统202通过视野427的成像系统402呈现捕获的图像。在一些实施方案中，显示系统202在不进行旋转、移动镜头(panning)、变焦、或图像的其它操纵的情况下呈现所捕捉的图像；在此情况下，所显示的图像与视野427的坐标系452之间可作出直接的恒等(identity)映射。在一些实施方案中，显示系统202呈现操纵版本的图像(例如旋转180度、变焦和移动镜头到视野的特定部分、错切(skew)等)；在此情况下，所显示的图像与视野427的坐标系452之间的映射考虑与图像的操纵相关的转换。操作期间，操作员在显示系统202上观察器械404的位置和定向改变，并建立坐标系454与456之间的关系。因此，在一些实施方案中，操作员坐标系是连接坐标系456与454的单独坐标系(separate frame)。例如，操作员坐标系可以是基于操作员的眼睛、头、躯干、或其它身体部分等的坐标系。作为另一实例，操作员坐标系可以是基于附接到主控输入装置204的控制台的坐标系。在一些实施方案中，操作员坐标系是并置的并且与坐标系454相同，并且基本上是坐标系454。
如图4A中所示，末端执行器406的图像440被显示在显示系统202上。坐标系454与显示系统202关联，并且坐标系456与主控输入装置204关联。当主控输入装置204在3D空间内平移和旋转时，其关联坐标系456相对于操作员坐标系相应地平移和旋转。主控输入装置204的这些平移和旋转可被感测或以其它方式确定，并因此其坐标系456可适当地平移和旋转。
主控输入装置204(及其坐标系456)的平移和旋转被映射(也称“转换”)到器械404的坐标系，以通过利用公知的运动学计算提供主控输入装置204与器械404之间的控制关系。
例如，在主控输入装置204正在控制末端执行器406的情况下，主控输入装置204的平移和旋转利用坐标系456和450以及与坐标系456和450相关的运动学计算被映射到末端执行器406；当主控输入装置204的位置或定向被改变时，移动坐标系456的位置或定向，末端执行器406的位置或定向相应地改变(移动坐标系450的位置或定向)，使得末端执行器406的移动被主控输入装置204的移动控制。
如先前所述，任意数量的坐标系限定可用于控制，只要坐标系限定是内在一致的且足以用于设想的控制系统。在实施方案中，操作员的坐标系在笛卡尔坐标中限定并用下标“P”表示，-ZP被限定为朝向操作员运动，而+ZP被限定为远离操作员运动。在一些情况下，Z轴线可根据显示系统202中向操作员呈现的视野427的视线408进行限定，其中+ZP限定为进入显示系统202。该视线和相关视野由以下配置确定：如成像系统402(其可以是图1的图像捕捉系统108或如图3A-C中所示的安装在摄像机臂上的成像系统)的姿态、由系统执行的任意图像操纵或选择(例如仅呈现图像的子集)等。在该实例中，–XP限定为朝向操作员左侧的运动，而+XP限定为朝向操作员右侧的运动。并且，+YP限定为相对于操作员的向上运动，而–YP限定为向下运动。在其它实施方式中，这些笛卡尔轴线可被不同地限定。例如，可相对地限定以下对中的一个或多个：+XP/–XP、+YP/–YP、和+ZP/–ZP。作为另一实例，轴线可如本文论述的从图4A-B中显示的旋转。
图5显示了内窥镜摄像机的布置，所述内窥镜摄像机包括成像系统502、由主平台控制的两个主平台器械504A和504B(共同为“主平台器械504”)、以及由次级平台控制的次级平台器械506，都定位在工作位置(也称作“操作(手术，operational)位置”)周围。应当理解，虽然以下讨论中的多数是附接到物理上不同于主平台的次级平台的次级平台器械506，但是相同的技术和方法也可应用于附接到主平台的次级器械。进一步，主平台和次级平台可物理上相互整合，或相对于彼此物理上分离和可移动。
成像系统502可包括被配置以由操纵器支持的成像系统器械。本公开的图5仅显示了两个主平台器械504和单一的次级器械506。应当理解本公开的实施方式可包括更多或更少个主器械以及更多或更少个次级器械。在图5中，显示了主平台的坐标系550。在主平台的坐标系550中，+ZC限定为与摄像机视野(摄像机包括成像系统502)的插入方向相同(朝向图5的右下侧)。–ZC限定为与该摄像机视野的撤回方向相同(朝向图5的左上侧)。朝向摄像机视野的右侧的运动限定为+XC(朝向图5的左下侧)，而朝向摄像机视野的左侧的运动限定为–XC(朝向图5的右上侧)。摄像机视野中的“向上”运动限定为+YC(离开图5中的页面)，而摄像机视野中的“向下”运动限定为–YC(进入图5中的页面)。
在该实例中，由显示系统202提供给操作员的视图的视线(例如图4B的视线408)来自具有视线508的成像系统502。通过将主平台的坐标系中的器械504的移动映射到操作员的坐标系中的输入装置204的移动，器械504的移动通过操作员与图4A中所示坐标系更直观地关联。总体上，在由成像系统502捕捉的完整图像生成在显示系统202上而无失真或转换(例如旋转、拉伸、剪裁等)的情况下，有理由将成像系统502与通过显示系统202提供给操作员的视图之间的映射建模为具有同一性(identity)。在失真或转换确实发生的情况下，成像系统502的视野与通过显示系统202提供给操作员的视图之间的映射可不具有同一性，并且可通过适当(真，proper)映射来解决(account for)差异。例如，当将主平台的坐标系552中的器械504的移动映射到操作员的坐标系中的输入装置204的移动时，差异可被解决。因此，操作员可以平移地和旋转地移动输入装置204，从而以更直观的方式命令器械504的对应平移和旋转移动以及通过手眼协调更自然地将它们关联。
图5还显示了正交于视线508的平面510。平面510被布置在成像系统502和次级平台器械506之间。在系统的配置允许的情况下，设想该平面510能够有助于理解相对插入位置和方向，如通过检查操纵器臂及其相关器械如何接近平面510。如所示，将器械504的末梢、器械506的末梢、以及成像系统502的末梢定位使得器械504和成像系统502的末梢定位在平面510的同侧。同时，器械506的末梢处在平面510的相对侧。因此，在该实例中，器械504处在平面510的一侧，同时器械506处在平面510的相对侧。
参考图6，显示了包括成像系统502的远端、次级平台器械506的远端、和两个主平台器械504的远端的工作空间的简化视图。图6还显示了次级平台器械的坐标系552。并且，为了解释的便利，图6还显示了平面510。相对于次级平台器械的坐标系552，次级平台器械朝向外科手术位置(并朝向平面510)的插入限定为+ZI，而次级平台器械远离外科手术位置和平面510的撤回限定为–ZI。次级平台器械相对于成像系统502的视野向左侧运动(朝向图5中的右侧)限定为坐标系552的+XI(“右侧”)，而次级平台器械相对于成像系统502的视野向右侧运动(朝向图5中的左侧)限定为坐标系552的–XI(“左侧”)。并且，次级平台器械相对于成像系统502的视野向上(离开页面)的运动限定为坐标系552的+YI(“向上”)，而次级平台器械相对于成像系统502的视野向下(进入页面)的运动限定为坐标系552的–YI(“向下”)。控制系统110可利用任意这些坐标系(包括坐标系550、552、或另一坐标系)确定器械504和506(和/或其支持臂)相对于工作位置的定向。如所示，纵轴线602A、602B、602C、和602D分别与成像系统502、主平台器械504B、次级平台器械506、和主平台器械504A关联。如图6和其它附图中所示，纵轴线602可处在XI-ZI平面、XC-ZC平面、或与器械坐标系的这些序数平面(ordinal plane)平行的一些其它平面内。在其它实施方式中，纵轴线602可不位于XI-ZI平面或XC-ZC平面内、或与XI-ZI平面或XC-ZC平面平行。因此轴线602和与轴线602关联的器械可以共面或可以不共面、可以处在平行平面或可以不处在平行平面、以及可平行或可以不平行。
如本文所述，控制系统110可确定存在于工作位置中的器械之间的定向差异。例如，控制系统可以计算成像系统502的轴线506A与主支持器械504B的轴线602B之间的角度定向差θ1、轴线602A与轴线602C之间的角度定向差θ2、以及轴线602A与轴线602D之间的角度定向差θ3。如所示，定向差θ1为约45°，定向差θ2为约180°，以及θ3为约315°。在控制系统执行接收自图2的输入装置204中的一个的移动命令以移动器械中的一个之前，控制系统110可确定与器械关联的定向差。控制系统110然后可基于定向差确定适当的命令来执行。在一些实施方式中，两条轴线之间的定向差θX可确定为轴线的点积的反余弦(例如确定为两个向量的内积，每个向量代表沿两条轴线之一的方向)。也可使用其它方法。
再参考图5，可见主平台器械504中的一个的运动在主平台的坐标系中执行。图4A中所示的操作员的(医师的或其他用户的)坐标系中的主控输入装置204的运动被映射到平台的坐标系中的主平台器械504的运动(由成像系统502的视野以及视野的哪部分所限定)。因此，当主控输入装置204向右侧移动时，系统引起偶联的主平台器械——在该实例中是504A和504B之一——相对于主平台的坐标系550向右侧移动。为了将次级平台器械506的直观控制提供给用户，当其出现在主平台的坐标系550中时，主控输入装置204的运动可被以反转(倒置)方式映射到次级平台的坐标系552中的次级平台器械506的运动。这种反转(倒置)可以多种方式执行。例如，映射可包括坐标系552的至少一条轴线中的反转(倒置)运动。作为另一实例，可将旋转应用于确定器械506运动，使得器械506运动被反转。作为另一实例，当器械506与成像系统502相对地插入时，坐标系552的至少一条轴线可被反转。
由于次级器械506可总体上指向成像系统502及其视野，如果主控输入装置204B控制次级平台器械506，则根据本发明的方面，主控输入装置204B上在–Z方向上的相对于操作员坐标系的“撤回”运动对应于次级平台器械506在平台坐标系550中的“撤回”运动和次级平台器械506在器械坐标系552中的“插入”运动。换言之，在本发明的一些方面中，主控输入装置204B上的撤回运动——其朝向操作员移动输入装置204B——被系统映射到次级平台器械506朝向成像系统502、以及朝向操作员的眼睛的运动(如果观察图2的显示系统202)(假设显示系统202正显示由成像系统502获得的图像)。类似地，主控输入装置204B上向右侧运动(相对于操作员)对应于次级平台器械506的向左侧运动(相对于器械506)，使得次级平台器械506的远端看起来在成像系统502的视野中向右侧移动。同样地，根据本发明的方面，主控输入装置204B上向左侧运动(相对于操作员)对应于次级平台器械506的向右侧运动(相对于器械506)，使得次级平台器械506的远端看起来在成像系统502的视野中向左侧移动。在本发明的这些方面中，主控输入装置204B的向上和向下运动仍对应于次级平台器械506的向上和向下运动，如操作员在显示系统202中看到的。
对于用户来说，观察工作位置的图像时的感觉就好像次级平台器械506的远侧末梢被输入装置204B抓握和移动，并且次级器械506的轴也跟随一起。这种感觉与移动主平台器械504A或504B时用户的感觉相反，其中用户这样设想：用户抓握输入装置204的手是主平台器械504A或504B的末端执行器。
在一些实施方式中，次级器械506的轴可包括一个或多个依从(compliant)部分，或可具有一个或多个接头，使得轴的远端可与轴的近侧部分不同地移动。例如，在一些实施方案中，次级平台器械506的轴的远端以期望的方向移动，而次级平台器械506的轴的近端保持不动、平行于期望的方向移动不同的量、以与期望方向相对方向的方向移动等。在其它实施方式中，第二平台器械506的远端和近端可以以相同方向移动。
下表(表1)显示了各种坐标系中的示例性对应。该表假设坐标系被附接到它们的各自构件，并且在操作期间相对于它们各自的构件不被重新限定。
Figure BDA0001884778060000141
表1
可见次级坐标系中的正方向和负方向被限定以对应于摄像机器械坐标系中的运动的期望方向(并因此相对于如由各种实施方案中显示系统202所促成的操作员的视角)。任选地，次级平台器械坐标系中的插入-撤回方向和左-右方向可被限定与摄像机器械坐标系的方向相同，在这种情况下，针对次级平台坐标系中的插入-撤回方向和左-右方向，符号将在表1中反转。
在执行由输入装置204中的一个所接收的移动命令以控制次级平台器械506前，相对于成像系统502的定向由控制系统110确定。这可通过参考存储数据完成，如与次级平台器械506关联的表格中的条目。例如，当偶联到从属操纵器臂时，一些器械可被识别为一般以对立(oppositional)配置利用的一类器械。因此，由于器械的同一性或类型，控制系统110可确定包括一个或多个倒置(例如，如表1中所示的或另一种转换关系)或其它调整的转换(也被称为“映射”)将被实现从而适当地将该器械的坐标系与成像系统502的坐标系关联。
在一些实施方案中，转换可作为包括向量或标量的一个或多个矩阵被执行。当基于接收自输入装置204的输入装置运动信息确定器械运动时，这些转换由控制系统110施加。取决于实施方案，一系列矩阵和其它计算可被应用以倒置(或以其它方式旋转)、平移、或缩放并产生控制信号以控制器械运动。可使用任意适当的转换机制。例如，旋转转换可由表示两个坐标系的定向之间的差异的旋转矩阵(或旋转矩阵系列)执行。
器械之间的定向差异可通过任意适当的方式确定。例如，一些实施方案利用图像处理、定向传感器、运动学信息、形状感测信息、一些其它技术、或技术的组合以确定器械之间的定向或定向差异。在所有情况下，与定向差异阈值的比较可用于选择适当转换。例如，如图6中所示，成像系统502与次级平台器械506之间的定向差异为约180°；在该实例中，控制系统110施加转换以将次级平台器械506相对于输入装置204沿至少一条轴线的运动的映射倒置。在一些实施方案中，180°以下的定向差异也可指定相同的转换以将次级平台器械506相对于输入装置204沿至少一条轴线的运动的映射倒置。在一些实施方案中。例如，约135°至约225°范围内的定向差异可被指定相同的转换，如表1中所示。在另一实施方式中，约120°至约255°范围内的定向差异可被指定表1中所示的转换。在一些实施方案中，定向差异可被限定为绝对定向差异，使得240°的定向差异的处理与120°的定向差异相同，或90°的定向差异的处理与270°的定向差异相同。
另外，控制系统110的一些实施方式可施加不同转换——取决于定向差异。例如，尽管表1中所示转换可施加到具有约120°至约180°范围的相对于成像系统的定向差异的任何器械，但是第二转换可施加到具有约90°至约120°范围的相对于成像系统的定向差异的任何器械，以及第三转换可施加到具有约270°至约300°范围的相对于成像系统的定向差异的任何器械。
例如，第二转换可将由成像系统限定的坐标系的+Z方向与次级平台器械的坐标系的+X方向关联。第三转换可将成像系统坐标系的+Z方向与次级平台器械的坐标系的-X方向关联。在一些实施方式中，第二和第三转换可仅被施加到某些类型的器械，而不施加到其它类型的器械。
如本文所述，控制系统110可调整输入装置与器械之间的定向映射——当器械具有超出调整阈值的相对于工作位置的视野的定向差异时。在一些实施方案中，控制系统不进一步调整定向映射。在一些实施方案中，控制系统110也可调整映射以包括人体工程学偏移从而促进由操作员造成的移动。在图6中，示例性偏移被显示为次级平台器械506的轴线602C与轴线604之间的θE，轴线604表示控制次级平台器械506的输入装置204的轴的轴线。人体工程学偏移可提供指定以控制特定次级平台器械如次级平台器械506的输入装置204的定向与该次级平台器械的定向之间的一定程度的差异。这在无人体工程学偏移的映射是不便的的情况下可以是有帮助的。例如，一些实施方案利用仿效保持器械506的轴如铅笔的输入装置的人体工程学偏移，并能够实现与次级平台器械506如铅笔般的相互作用(interaction)。因此，输入装置204与次级平台器械506之间的相互作用类似于例如在书写时铅笔与纸张之间的离轴相互作用。
因此，利用这种人体工程学偏移，操作员可移动例如输入装置204B，从而引起第二平台器械506的移动而不使轴206B与次级平台器械506完美轴向对齐。控制系统110可基于因素如用户可选择性调整、用户偏好、包括次级平台器械506的器械的类型等，利用约0°至约50°范围内的成角度人体工程学偏移。在一些实施方案中，这种成角度人体工程学偏移可作为旋转矩阵进行执行，所述旋转矩阵添加到连接输入装置204B的坐标系与器械506的一系列矩阵。在一些实施方案中，这作为次级平台器械坐标系552的旋转进行执行。
本公开的实施方式可包括主器械平台和次级器械平台，所述主器械平台和次级器械平台被连接到居于手术期间的手术室或工作环境的地板上的分开且可移动的基座。实施方式可另外包括主器械平台和次级器械平台，所述主器械平台和次级器械平台相对于彼此是分开的且可移动的，但附接至共同的结构诸如沿台T延伸的轨道。另外的实施方式还可包括主器械和次级器械，所述主器械和次级器械固定到共同的基座或平台，但接近正交于由内窥镜器械提供的视线的平面的相对侧的工作位置，使得以自然感受方式控制次级器械需要调整或施加转换到接收的输入命令。
本公开的实施方式提供了多种不同的操作模式。这些操作模式中的一种描绘在图7A的流程图中，其示例了控制包括主平台和次级平台的机器人系统的方法700A。若干方法在附图中示例并在本文进行描述。示例方法的实施方式可包括在列举的操作前、后、之间，或作为列举的操作部分的另外操作。此外，示例方法的一些实施方式可省略所列举操作的一个或多个。而且，示例方法的一些实施方式可包括来自所述方法的操作的组合。方法的一些实施方式包括计算机可读的、非瞬时的有形介质，所述有形介质在其上具有指令，所述指令当被处理器如控制系统110的处理装置执行时使控制系统执行所述医疗系统的上下文中的对应操作。
方法700A的一些实施方式可在操作702处开始，其中机器人控制系统的处理装置比较器械的定向与器械工作空间的视野的定向。例如，控制系统110可相对于成像系统502的定向比较次级平台器械506的定向，所述成像系统502提供给操作员工作空间的视野。在一些实施方式中，定向可通过比较轴线602A与轴线602C来比较。在一些实施方式中，鉴于与成像系统502和次级平台器械506相关的平面来确定定向差异，使得仅比较轴线的某些构件。如所示，定向差异为大约180°。
在操作704处，当定向比较不满足定向标准集(准则集，criterion set)时，控制系统引起响应于移动命令的相对于器械坐标系的第一方向上的器械运动。例如，当定向差异小于定向阈值如125°、115°、或95°时，在插入方向上移动器械的移动命令可由控制系统110通过在相对于成像系统502限定的插入方向上移动该器械来执行。定向差异可以是3D空间内的总定向差异，或其可以是插入方向和观察方向投射到单一平面上时的定向差异。例如，定向差异可由成像系统坐标系或器械坐标系限定——当方向投射到X-Y平面、X-Z平面、或Y-Z平面上时。
在一些实施方式中，操作员可在操作系统100前选择期望的定向阈值。其它定向差异阈值可用于其它实施方式中。在一些实施方式中，定向差异阈值可由远离成像系统502延伸的锥体或棱锥体限定并位于其视线的中心。因此，在一些实施方式中，定向差异阈值可独立于成像系统502的作用。定向标准集还可包括与特定类型的器械相关的因素。因此，相比具有钳子作为其末端执行器的次级平台器械，具有烧蚀末端执行器的次级平台器械可具有不同阈值。另外，定向标准集可包括区分哪些器械与哪个平台关联的信息。例如，在一些实施方式中，定向标准集可包括指示——器械506是次级平台器械，其中器械506被偶联到由控制系统110所表征的作为第二平台的系统。这些标准的组合可用于比较器械与标准集。
在操作706处，当定向比较满足定向标准集时，控制系统引起响应于相同移动命令的相对于器械坐标系的第二方向上的器械运动。第二方向不同于第一方向。例如，第二方向可以与第一方向相对。不同方向的其它实例显示在表1中。
以此方式，控制系统110可调整或施加移动命令映射(也称作“转换”)——当定向差异指示次级平台器械相对中间平面(如图5和6中所示平面510)定位时，使得从操作员的视角更加自然地在不同于次级平台器械的坐标系将指示的方向上移动次级平台器械。
另一示例性实施方式显示为图7B中的方法700B的流程图。方法700B描述了系统100的多种不同操作模式中的一种，显示了操作的“跟随(following)模式”，其中从属器械跟随主控操纵器的运动。例如，次级平台器械506可“跟随”输入装置204B的运动。次级平台器械还可被称为外部器械(EI)，因为在至少一些实施方式中次级平台器械在主平台的外部。图7B是这样的图：显示了用于产生次级平台器械(EI)的控制信号的总体流程。
并且方法700B的示例实施方式可在操作710处开始，其中控制系统或控制系统的处理装置检测系统正以跟随模式操作。在操作712处，控制系统检测主控工作空间中主控输入装置的移动。例如，控制系统110可检测输入装置204B可移动的区域内的输入装置204B的移动。
在操作714处，控制系统产生响应于主控输入装置的移动的主控信号。例如，控制系统110可产生对应于输入装置204B的移动的主控信号。这些主控信号可以是、包括、或引起移动命令。在操作716处，控制系统将主控工作空间中的运动映射到外科工作空间或其它工作位置中的运动。例如，控制系统110可将接收自输入装置204B的移动命令映射或转变(translate)到与器械(如将基于移动命令移动的器械506)关联的器械坐标系。如本文所述，当被控制的器械的定向基本上不同于由成像系统502提供的视野时，转换或多个转换可施加到移动命令以便将它们映射到工作位置，使得它们可被器械506适当地执行。执行器械506的移动可与执行支持器械506的操纵器臂的移动相同。
为了将主控工作空间映射到工作位置，方法700B可包括对命令运动的单独分量的检查。如图7B中所示，在操作718处执行X-轴线分量检查，在操作720处执行Y-轴线分量检查，以及在722处执行Z-轴线分量检查。操作718、720、和722可通过控制系统110串联或平行执行。由于命令运动总体上包括沿X-轴线、Y-轴线、和X-轴线中多于一个的分量，因此操作718、720、和722可针对与可被任何标准如定向标准集识别的器械相关的任何和所有命令运动来执行。
在操作724、726、和728处，可通过控制系统产生被转换的控制信号。如所示，在操作724处，基于操作718处执行的检查，控制系统产生从属控制信号从而在次级平台器械506的坐标系中的倒置X-轴线方向上移动外部器械或次级平台器械506。类似地，在操作726和728处，控制系统110可产生从属控制信号从而分别在次级平台器械506的坐标系中的倒置Y-轴线或Z-轴线上移动次级平台器械。在操作724、和/或726、和/或728的一些实施方式中，产生的控制信号中的一个或多个可包括非倒置控制信号。如所示，操作720和726处的检查可导致产生Y-轴线的非倒置信号(操作726处)以及产生Z-轴线的倒置信号(操作728处)。操作718、720、和722处执行的检查可取决于包括定向标准的一组标准，以确定是否应该进行倒置修正。操作718、720、和722处执行的检查可指示控制信号分量中的一个或多个将不被倒置或以其它方式修正。在这种情况下，操作724、726、和728中的一个或多个可以不执行，使得X-轴线、和/或Y-轴线、和/或Z-轴线中的一个或多个将不被控制系统倒置。在一些实施方式中，施加的转换可以将移动修正小于180°的角度，即，仅部分地倒置移动命令。
图8A是通过显示系统202观自操作员的视角的图解视图800A，显示了来自成像系统502的影像。图8A显示了两个主平台器械504A和504B，以及次级平台器械506的远侧末梢。该视角表示主平台摄像机器械的视角，因为用户的眼睛坐标系被映射到主平台摄像机器械的坐标系。
图8B是主平台器械504的远端和次级平台器械506的远端的图解视图800B。出于解释的目的提供该视图，因为在一些实施方式中器械被定位在患者P的身体内的工作位置802处或附近。图8B还显示了在成像系统502的描绘附近的示例性摄像机坐标系，以及在器械506附近的示例性器械坐标系。该示例性器械坐标系与次级平台器械506关联。
图9A和9B是显示次级平台器械506的远端在摄像机坐标系(在一些实施方式中，其可被认为与操作员的坐标系相同)和次级平台坐标系两者中沿X-轴线在左-右方向上的移动M1的透视图。应当注意的是，在一些实施方案中，显示系统202可能不像图2中所示直接在操作员的前方。例如，操作员可能正在观察操作员右侧的显示系统，使得操作员的头转向相对于操作员躯干、手臂、和手的右侧。操作员本体感受能够使操作员移动输入装置204到操作员的右侧，从而使器械向显示系统上显示的图像中的右侧移动。然而，在其它实施方式中，可使用其它坐标系。例如，操作员的移动可与显示系统相关地进行检测和/或处理(因此使用基于显示系统的坐标系而非基于操作员身体的坐标系)。
如图9A和9B中所示，用户/摄像机坐标系中的向右运动M1(图9A)对应于次级平台坐标系中的向左移动M1(图9B)。控制系统110可通过接收来自操作员的命令实现移动M1——在操作员观看图2的显示系统202中的视图800A时。当操作员正控制次级平台器械506并且操作员期望移动器械506的远端到操作员的右侧时，操作员移动手持式操纵器(例如，输入装置204B，虽然也可以使用输入装置204A)。控制系统110修正移动命令，调整或施加转换使得适当的移动命令可在器械坐标系中执行。为了以产生操作员所期望的结果的方式执行移动命令，由控制系统110施加的转换(或“映射”)通过在次级器械506的坐标系中的–X方向上移动器械506使移动M1将被执行。
图10A和10B是显示次级平台器械506的远端在摄像机坐标系和次级平台器械坐标系两者中沿Y-轴线或在上-下方向上的移动M2的透视图。摄像机坐标系中的向上运动M2(图10A)对应于次级平台坐标系中的向上移动(图10B)。控制系统110可通过接收来自操作员的命令实现移动M2——在操作员观看图2的显示系统202中的视图800A时。当操作员正控制次级平台器械506并且操作员期望朝向操作员视野顶部移动器械506的远端时，操作员移动手持式操纵器(例如，输入装置204B，虽然也可以使用输入装置204A)。控制系统110可修正移动命令，调整或施加转换使得适当的移动命令可在器械坐标系中执行。为了以产生操作员所期望的结果的方式执行移动命令，由控制系统110施加的转换(或“映射”)通过在次级器械506的坐标系中的在+Y方向上移动器械506使移动M2被执行。在一些实施方式中，控制系统110可确定无需施加转换到移动M2的Y方向分量。然而，如果移动M2不是专门(排它地，exclusively)在Y-轴线的平面中，则控制系统110可施加或调整转换到移动M2不在Y-轴线平面中的分量。
图11A和11B是显示次级平台器械506在摄像机坐标系和次级平台坐标系两者中沿Z-轴线或在插入-撤回方向上的移动M3的透视图。摄像机坐标系中的插入运动(图11A)对应于次级平台坐标系中的撤回运动(图11B)。控制系统110可通过接收来自操作员的命令实现移动M3——在操作员观看图2的显示系统202中的视图800A时。当操作员正控制次级平台器械506并且操作员期望移动器械506的远端以远离操作员的视野时，操作员移动手持式操纵器(例如，输入装置204B，虽然也可以使用输入装置204A)远离操作员的躯干，或在操作员的坐标系(其对应于摄像机坐标系)中的+Z方向上移动手持式操纵器。控制系统110修正移动命令，调整或施加转换使得适当的移动命令可在器械坐标系中执行。为了以产生操作员所期望的结果的方式执行移动命令，由控制系统110施加的转换(或“映射”)通过在次级器械506的坐标系中的–Z方向上移动器械506使移动M3被执行。
图7A和7B以及其它附图中所示的各种形式的跟随模式任选地用于各种主平台。例如，在“调整模式”中，主控输入装置204A或204B的运动移动成像系统502使得包括成像系统502的摄像机器械的远端在摄像机坐标系中并且相对于工作位置802处的组织相应地移动。在调整(adjust)或调节(adjustment)模式中，主器械的运动被偶联(couple)到摄像机运动，使得主平台器械504A和504B的远端锚定在摄像机坐标系中并且相对于工作位置处的组织不移动。尽管远端锚定在摄像机坐标系中并且相对于工作位置处的组织不移动，但是主平台器械504A和504B的近端可以移动以便补偿或调整包括成像系统502的摄像机器械的近端的移动。在调整模式中，次级平台器械的运动还任选地偶联到摄像机运动，使得次级平台器械的远端锚定在摄像机坐标系中并且相对于工作位置处的组织不移动。将器械相对于组织锚定在适当空间中有助于安全性，因为器械远端相对于组织不移动，并且因此可抓握组织或将不会无意地移动成与组织接触。调整模式可用于摄像机位置或定向的微小改变。
图12是显示调整模式中次级平台器械的总体操作的流程图。图12中所示方法1200可在操作1202处开始，其中控制系统检测移动命令将根据调整模式被执行。当控制系统110检测输入装置204正在移动或已经移动时(操作1204)，控制系统可以产生响应于该移动的主控控制信号。这些主控控制信号可在与输入装置204关联的坐标系中表达。在操作1208处，控制系统可以将主控工作空间映射到外科或其它工作空间。例如，控制系统110可以产生或识别可施加到在操纵器的坐标系中表达的主控控制信号的转换，使得主控控制信号可以适当地施加到所选的从属操纵器，如器械506或支持和定位器械506的臂。
在操作1210处，控制系统可以产生从属控制信号以移动外科或其它工作空间中的主从属操纵器和/或次级从属操纵器或外部从属操纵器而不改变从属操纵器的末端执行器的位置定向。例如，控制系统110可以以最小化或消除这些器械远端处的运动的方式移动器械504A、504B、和/或506的近端，使得末端执行器512保持其在工作位置内的位置和定向。这可以被实现以允许成像系统502重新定位或促进存在于工作位置中的一个或多个器械的期望的运动范围。
现参考图13，其中显示了作为用于主控操纵器的“重新定位模式”运动的方法1300的另一示例性操作模式。在系统100的操作期间，操作员可以以如下模式移动主平台摄像机器械：在所述模式中，摄像机器械的远端在摄像机坐标系中并相对于工作位置处的组织相应地移动。在重新定位模式中，其它主器械的运动可偶联到主平台摄像机运动，使得主平台器械的远端与摄像机器械一起在摄像机坐标系中移动。因此，摄像机器械和主平台器械远端全都相对于外科或其它工作位置处的组织一起移动。在重新定位模式中，次级平台器械的运动可任选地偶联到摄像机运动，使得次级平台器械的远端在摄像机坐标系中移动并且相对于工作位置处的组织移动。类似地，控制系统110施加适当转换到次级平台器械，使得次级平台器械也以如下方式相对于外科或其它工作位置移动：以固定关系保持次级平台器械末端执行器与主平台摄像机运动。重新定位模式可用于摄像机位置或定向的大的改变。图13是以重新定位模式总体操作次级平台器械的方法1300的流程图。
方法1300的实施方式可在操作1302处开始，其中控制系统检测系统处于重新定位模式。在操作1304处，计算系统可检测主控输入装置在主控工作空间中的移动。例如，控制系统110可检测输入装置204在由输入装置204的约束运动范围限定的区域内的移动。在操作1306处，控制系统可以产生响应于且对应于主控输入装置的移动的主控信号。在操作1308处，控制系统可以映射主控工作空间到外科或其它工作空间。如本文所述，将主控工作空间中的输入装置运动映射到工作空间中的器械运动可包括施加或调整转换到主控控制信号，以将它们从主控工作空间如操作员的坐标系或摄像机坐标系转变到器械坐标系。这样做时，控制系统可在操作1310处产生对应的从属控制信号以在外科或其它工作空间中移动从属操纵器或操纵器，同时相对于成像系统和/或主器械约束次级平台器械或外部平台器械的运动。以此方式，当操作员移动成像系统502时，次级平台器械506可在工作空间内移动，使得其相对于成像系统502保持不动。次级平台器械506的施加到主控控制信号的转换(或“映射”)不同于主平台器械。
在次级平台器械506的运动偶联到主平台摄像机的运动的操作模式中，次级平台器械506的运动约束(例如，物理接头限制，相对于次级平台器械插入穿过的插管沿Z-轴线的定位(可约束器械运动)等)可任选地用于建立主平台摄像机的运动限制。这种摄像机器械运动限制可任选地是绝对的，或任选地，用户可无视(override)运动限制，如通过移动主控操纵器通过虚拟的触觉壁(由阻碍移动通过屏障的力反馈实现的虚拟屏障)。
图14是显示用于混合摄像机控制和次级平台器械控制模式的方法1400的流程图。在实例性混合模式中，第一主控操纵器控制主平台摄像机器械的运动，而第二主控控制次级平台器械的运动。摄像机器械或次级平台器械中的一个的运动就被阻止——如果另一个的运动发生的话。在这种操作模式中，控制系统110确保主控输入装置运动在操作员(用户)坐标系和成像系统(摄像机)坐标系中的正确映射针对摄像机器械或次级平台器械而发生。
在操作1402处，控制系统确定混合控制模式有效。控制模式的确定可通过查询控制系统110的状态信息而获得。在操作1404处，控制系统110可检测主控工作空间中第一主控输入装置如输入装置204A的移动。一经检测到输入装置204A的移动，在操作1406处，控制系统可锁定(lock out)第二主控输入装置如输入装置204B的被检测的移动。在操作1408处，控制系统可产生响应于第一主控输入装置的移动的主控信号，然后在操作1410处，将主控工作空间映射到外科或其它工作空间，以执行包括在主控信号中的移动命令。在操作1412处，控制系统可产生摄像机控制信号以在外科或其它工作空间中移动摄像机。例如，控制系统110可根据成像系统502的坐标系移动成像系统502。在操作1414处，控制系统可检测第二主控输入装置在主控工作空间中的移动。例如，控制系统110可检测输入装置204B的移动。在操作1416处，为了防止输入装置204B正在控制的器械与输入装置204A正在控制的器械之间任何不需要的相互作用，控制系统110可锁定第一主控输入装置例如输入装置204A的任何随后检测的移动。在操作1418处，控制系统可以产生响应于第二主控输入装置的移动的主控信号。控制系统可以在操作1420处将主控工作空间映射到外科或其它工作空间，以便在操作1422处适当地产生从属控制信号，从而在外科或其它工作空间中移动次级平台器械。
图15是用于次级平台器械运动的碰撞避免方面的方法1500的流程图。如果控制系统110确定次级平台器械506的移动将导致与主平台器械(504A或504B)的碰撞，则控制系统可以任选地修正次级平台器械和主平台器械中的一个或两个的控制，使得所预测的碰撞不会随次级器械移动而发生。例如，当控制次级平台器械时，用户可以感到主控操纵器中的触感以“绕过”与主平台器械的潜在碰撞。作为另一实例，用户可观察到主平台器械在次级平台器械的运动期间略微移动，从而就潜在碰撞与操作员直观地通信。碰撞避免方面可以以一些或全部的各种操作模式(如上述的跟随模式、调整模式，以及重新定位模式)来执行。
方法1500的一些实施方式可在操作1502处开始，其中控制系统检测主控输入装置在主控工作空间中的移动，该移动在第一方向上。在操作1504处，控制系统110可以产生响应于主控装置和输入装置(其可以是如图5中所示的输入装置204B)的移动的主控信号。在操作1506处，控制系统110可以将主控工作空间映射到外科或其它工作空间，识别操作员坐标系或摄像机坐标系与正由主控输入装置控制的器械的器械坐标系之间的关系。在操作1508处，计算系统产生控制信号以在工作位置中移动外部从属操纵器或次级平台器械。在操作1510处，控制系统110利用与从属操纵器及其相关器械中的每一个相关的运动学或非运动学传感器信息来确定移动是否会引起次级平台器械与主平台器械中的一个的碰撞。如此的话，在操作1512处，控制系统110修正次级平台器械和主平台器械中任一个或两个的从属控制信号以便避免碰撞。在一些实施方式中，控制系统110可以修正从属控制信号以使一个从属操纵器在另一个从属操纵器周围移动以便避免碰撞。这可使移动的从属操纵器移动至期望的位置，但是通过不同于接收自输入装置204B的命令运动所指示的路径的路径。另外地或可选地，操作1512的一些实施方式可包括移动不与输入装置204B关联的从属操纵器，以便避免碰撞或警告操作员以使操作员能够避免碰撞。在一些实施方案中，控制系统110可以验证从属操纵器的状态以避免任何另外的并发状况。例如，如果主从属操纵器具有钳子作为末端执行器，钳子被闭合以抓握组织，则控制系统110可以确定钳子或闭合和/或抓握的组织，并且防止主从属操纵器的响应移动——其可以以其它方式执行以避免碰撞。状态信息可选地能够限定(qualify)主从属操纵器的移动，将其移动限制成摆动或其它运动——其对于操作员是可见的但不会导致所抓握的组织损伤。
返回方法1500，在操作1510的确定下，如果确定外部从属操纵器不在导致与主操纵器碰撞的路径上，则在操作1514处，控制系统可在外科或其它工作空间中移动外部从属操纵器和/或主从属操纵器——如由与输入装置204相互作用的操作员产生的移动命令所指引的。
如图16中所示，本发明的方面可在包括两个或更多个操作员控制台如控制台200的外科或其它系统中执行，使得观察工作位置的第一操作员(用户)控制第一主控操纵器而观察工作位置的第二操作员(用户)控制第二主控操纵器。例如，第一操作员可以控制主平台器械，而第二操作员可以控制次级平台器械。第一操作员和第二操作员两者都观察来自主平台摄像机器械的相同视频图像。
图16包括用于控制机器人操纵器的方法1600。并且方法1600的示例实施方式可在操作1602处开始，其中控制系统或控制系统的处理装置检测系统正以跟随模式操作并且正与主主控控制器或控制台以及次级主控控制器或控制台通信。在一些实施方案中，控制系统可验证两个控制台都具有有效的相同状态或模式。在操作1604处，控制系统提供摄像机视角给除了第一控制台的次级控制台。在操作1606处，控制系统110可利用图像分析和/或运动信息来确定外部器械或次级平台器械在摄像机视角中是否可见。当次级平台器械在摄像机视角中不可见时，在操作1608处，控制系统可以中止跟随模式。当次级平台器械在摄像机视角中可见时，在操作1610处，控制系统可以检测次级主控输入装置在次级主控工作空间中的移动。例如，控制系统110可以检测第二控制台(如图2的控制台200)的输入装置204的移动。第二控制台可包括由输入装置204的运动的限制所限定的主控工作空间。
在操作1612处，控制系统产生响应于次级主控输入装置的移动的次级主控信号。例如，控制系统110可以产生对应于第二控制台的输入装置204B的移动的主控信号。这些主控信号可以是移动命令。在操作1614处，控制系统将次级主控工作空间映射到外科或其它工作空间。例如，控制系统110可以将接收自第二控制台的输入装置204B的移动命令映射或转变到与器械(如将基于所述移动命令移动的器械506)关联的器械坐标系。如本文所述，当被控制的器械的定向基本上不同于由成像系统502提供的视野时，转换或多个转换可施加到移动命令以将它们映射到工作位置，使得它们可被器械506适当地执行。执行器械506的移动可与执行支持器械506的操纵器臂的移动相同。
为了将主控工作空间映射到工作位置，方法1600可包括命令运动的单独分量的检查。如图16中所示，在操作1616处执行X-轴线分量检查，在操作1618处执行Y-轴线分量检查，以及在1620处执行Z-轴线分量检查。操作1616、1618、和1620可通过控制系统110串联或平行执行。由于命令运动总体上包括沿X-轴线、Y-轴线、和X-轴线中多于一个的分量，因此操作1616、1618、和1620可针对可被任何标准(如定向标准集)识别的与器械相关的任何和所有命令运动来进行。
在操作1622、1624、和1626处，转换的控制信号可由控制系统产生。转换的控制信号可基于1616、1618、和1620处执行的检查。如所示，在操作1622处，控制系统产生从属控制信号以在次级平台器械506的坐标系中在倒置的X-轴线方向上移动外部器械或次级平台器械506。还如所示，操作1618和1626处的检查可导致产生Y-轴线的非倒置信号(操作1624处)和导致产生Z-轴线的倒置信号(操作1626处)。类似地，在操作1624和1626处，控制系统110可以产生从属控制信号以在次级平台器械506的坐标系中分别在倒置的Y-轴线或Z-轴线上移动次级平台器械。在操作1616、1618、和1620处执行的检查可取决于一组标准(包括定向标准)以确定是否应该进行倒置修正。例如，操作1618处执行的检查可确定操作1624不应被执行，即在Y-轴线方向上移动器械的从属控制信号不应被倒置或以其它方式改变。在一些实施方式中，施加的转换可以将移动修正小于180°的角度，即，仅部分地倒置移动命令。
在另一实施方案中，次级平台可包括次级平台摄像机器械，使得两个摄像机器械存在于工作位置中。在此情况中，次级平台与主平台的关系与如上所述主平台与次级平台的关系相同。因此控制系统110映射(或主平台和次级平台中的每一个的控制系统一起工作以映射)正确的摄像机坐标系到正确的操作员控制台，并且第一操作员和第二操作员控制如上所述的主平台器械和次级平台器械——取决于主平台器械和次级平台器械如何偶联以跟随主平台主控操纵器和次级平台主控操纵器的运动。
在再另一个任选的实施方案中，以跟随模式或偶联运动模式的操作受到限制——在器械或整个器械群(cluster)存在于摄像机视野中的条件下。因此如果器械在第二操作员正观察的视频图像中不可见，则会防止第二操作员操作器械(例如，操作第二主控操纵器以控制次级平台器械)。在另一个任选的实施方案中，如果器械或整个器械群在第二操作员正观察的视频图像中不可见，则允许跟随或偶联运动模式下的操作，但对于第二操作员来说存在这样的警示：告知器械或整个器械群的部分是不可见的。
在包括第二操作员控制台的实施方案中，可以执行如上所述操作的调整模式和重新定位模式，如图17中总体操作流程中所示。在操作1702处，控制系统从状态信息检测主主控控制器或控制台处于本文所述的调整模式或重新定位模式。在操作1704处，控制系统检测次级主控控制器或控制台处于本文所述的跟随模式。在操作1706处，控制系统检测次级主控输入装置在次级主控工作空间中的移动。例如，控制系统110可以检测第二控制台的输入装置204的移动。在操作1708处，控制系统产生响应于次级主控输入装置的移动的次级主控信号。在操作1710处，控制系统将次级主控工作空间映射到外科工作空间、介入性位置、或本文所述的工作位置。在操作1712处，控制系统产生从属控制信号以在工作位置中移动外部从属操纵器/次级平台器械。从属控制信号可通过添加或倍增转换到主控信号来产生，使得它们能够在次级平台器械上被适当地执行。
本公开的实施方式可以促进对具有或可能具有不同定向的次级平台臂/器械的控制，使得从操作员接收的命令的直接实施可能导致与操作员所期望的移动相对的移动。本公开的实施方式适用于具有独立基座的系统、具有不同平台但有共同基座的系统、以及适用于具有从平面的基本上相对侧接近工作位置的器械的系统。
可修正本公开的实施方式并且这样的修正在本公开的范围内。例如，虽然以特定顺序描述了一些操作步骤如操作1702和1704，但也可以以其它顺序来执行，如在执行操作1702前执行操作1704。因此，这样的修正在本公开的范围和精神内。

Claims (37)

1.远程操作系统，其包括：
第一操纵器，所述第一操纵器被配置以支持能够在器械工作空间内移动的器械，所述器械具有器械坐标系；
操作员输入装置，所述操作员输入装置被配置以接收来自操作员的移动命令；和
控制系统，所述控制系统被配置以通过以下方式执行所述移动命令：
比较所述器械的定向与所述器械工作空间的视野的定向以产生定向比较，
当所述定向比较不满足定向标准集时，引起响应于移动命令的相对于所述器械坐标系的第一方向上的器械运动，以及
当所述定向比较满足所述定向标准集时，引起响应于所述移动命令的相对于所述器械坐标系的第二方向上的器械运动，其中所述第二方向不同于所述第一方向。
2.权利要求1所述的远程操作系统，其中所述定向比较包括定向差异，以及所述定向标准集包括超过定向差异阈值的所述定向差异。
3.权利要求2所述的远程操作系统，其中所述定向差异阈值相对于所述视野的中心线大于或等于135°并小于或等于225°。
4.权利要求1所述的远程操作系统，其中所述定向标准集包括存储在存储器中的指示——所述第一操纵器与次级平台关联。
5.权利要求1或权利要求2到4中任一项所述的远程操作系统，其中所述控制系统进一步被配置以通过以下方式执行所述移动命令：
响应于所述定向比较不满足所述定向标准集，引起响应于所述移动命令的相对于所述器械坐标系的在第三方向上的器械运动，以及
响应于所述定向比较满足所述定向标准集，引起响应于所述移动命令的相对于所述器械坐标系的在第四方向上的器械运动，其中所述第四方向不同于所述第三方向。
6.权利要求1或权利要求2到4中任一项所述的远程操作系统，其进一步包括第二操纵器，所述第二操纵器被配置以支持成像传感器，所述成像传感器被配置以提供所述视野，其中：
所述第一操纵器由第一基座支持，
所述第二操纵器由第二基座支持，以及
所述第一基座和第二基座在物理上是分开的并且能够相对于彼此移动。
7.权利要求6所述的远程操作系统，其中所述第一基座被配置用于安装到医疗台。
8.权利要求1到4中任一项所述的远程操作系统，其中所述视野的形状包括截锥体。
9.权利要求1到4中任一项所述的远程操作系统，其中所述控制系统进一步被配置以通过以下方式执行所述移动命令：
检测所述第一操纵器是次级平台操纵器。
10.权利要求1到4中任一项所述的远程操作系统，其中所述定向标准集被配置以能够由所述操作员限定。
11.权利要求1到4中任一项所述的远程操作系统，其中所述控制系统进一步被配置以通过以下方式执行所述移动命令：
改变所述移动命令的一个或多个方向分量。
12.权利要求11所述的远程操作系统，其中改变所述移动命令的所述一个或多个方向分量包括倒置所述移动命令的所述一个或多个方向分量。
13.权利要求1到4中任一项所述的远程操作系统，其中通过人体工程学偏移将所述操作员输入装置与所述器械的远端在所述器械坐标系中对齐。
14.权利要求13所述的远程操作系统，其中所述人体工程学偏移大于或等于20°并且小于或等于40°。
15.权利要求1或权利要求2到4中任一项所述的远程操作系统，其中能够在所述器械工作空间内移动的所述器械是能够在外科手术位置内移动的医疗器械。
16.权利要求1或权利要求2到4中任一项所述的远程操作系统，其中所述第一方向是所述第二方向的倒置。
17.权利要求1或权利要求2到4中任一项所述的远程操作系统，其中比较所述器械的定向与所述工作空间的视野的定向包括：
利用所述第一操纵器的定向作为所述器械的定向。
18.权利要求1或权利要求2到4中任一项所述的远程操作系统，其中比较所述器械的定向与所述工作空间的视野的定向包括：
利用所述第一操纵器的定向作为所述器械的定向；以及
比较所述第一操纵器的定向与支持提供所述工作空间的视野的成像系统的另一操纵器的定向。
19.权利要求1或权利要求2到4中任一项所述的远程操作系统，其中比较所述器械的定向与所述工作空间的视野的定向包括：
确定表征所述器械的定向的轴线与表征所述视野的定向的轴线之间的角度。
20.权利要求19所述的远程操作系统，其中确定所述角度包括：
确定表征所述器械的所述轴线与表征所述视野的所述轴线的点积。
21.控制远程操作系统的方法，所述方法包括：
比较操纵器臂的定向以产生定向比较，所述操纵器臂被配置以接收具有工作空间的视野的定向的器械；
当所述定向比较不满足定向标准集时，引起响应于移动命令的相对于器械坐标系的第一方向上的器械运动；以及
当所述定向比较满足所述定向标准集时，引起响应于所述移动命令的相对于所述器械坐标系的第二方向上的器械运动，其中所述第二方向不同于所述第一方向。
22.权利要求21所述的方法，其中比较所述操纵器臂的定向与所述工作空间的视野的定向包括：
确定提供所述工作空间的视野的成像系统的定向。
23.权利要求21所述的方法，其中比较所述操纵器臂的定向与所述工作空间的视野的定向包括：
利用所述器械的定向作为所述操纵器臂的定向。
24.权利要求21所述的方法，其中所述定向比较包括定向差异，以及所述定向标准集包括超过定向差异阈值的所述定向差异。
25.权利要求24所述的方法，其中所述定向差异阈值相对于所述视野的中心线大于或等于135°并且小于或等于225°。
26.权利要求21所述的方法，其中比较所述操纵器臂的定向与所述工作空间的视野的定向以产生所述定向比较包括：
比较所述操纵器臂的定向与支持提供所述工作空间的视野的成像系统的另一操纵器臂的定向。
27.权利要求21所述的方法，其中比较所述操纵器臂的定向与所述视野的定向包括：
确定表征所述操纵器臂的轴线与表征所述视野的轴线之间的角度。
28.权利要求27所述的方法，其中确定所述角度包括：
确定表征所述操纵器臂的轴线与表征所述视野的轴线的点积。
29.权利要求21或权利要求22到28中任一项所述的方法，其进一步包括确定所述远程操作系统的控制系统的操作模式。
30.权利要求21或权利要求22到28中任一项所述的方法，其中所述第二方向具有反平行于所述第一方向的分量。
31.机器人系统，其包括：
操作员输入系统，所述操作员输入系统具有第一输入装置；
第一机器人平台，所述第一机器人平台具有被配置以接收第一器械的第一从属操纵器臂，所述第一从属操纵器臂和所述第一器械具有器械坐标系；
第二机器人平台，所述第二机器人平台具有被配置以接收成像系统的第二从属操纵器臂，其中所述成像系统提供成像坐标系；和
控制系统，所述控制系统通过所述第一输入装置接收移动命令，接收的移动命令指示相对于所述成像坐标系在第一方向上的移动，其中所述控制系统通过以下方式在所述第一机器人平台和第二机器人平台的平台上执行所述接收的移动命令：
比较所述第一器械在所述器械坐标系中的定向与所述成像系统在所述成像坐标系中的定向，
确定映射施加到所述接收的移动命令从而产生针对所述第一器械的能够执行的移动命令，以及
引起响应于所述移动命令的相对于所述器械坐标系的第二方向上的器械运动，其中所述第二方向不同于所述第一方向。
32.权利要求31所述的机器人系统，其中所述第一机器人平台包括第一基座，而所述第二机器人平台包括第二基座，所述第一基座与所述第一基座分开并且相对于所述第一基座能够移动。
33.权利要求32所述的机器人系统，其中所述机器人系统是医疗机器人系统，并且其中所述第一基座和所述第二基座被配置以沿配置以支持患者的医疗台的轨道进行布置。
34.权利要求31或权利要求32或33所述的机器人系统，其进一步包括控制台，所述控制台包括所述操作员输入系统和显示系统，所述显示系统被配置以显示由所述成像系统提供的图像。
35.权利要求31或权利要求32或33所述的机器人系统，其中所述机器人系统是医疗机器人系统，以及其中所述第一器械包括组织探头。
36.权利要求31或权利要求32或33所述的机器人系统，其中所述第二机器人平台包括被配置以接收另外的器械的另外的从属操纵器臂。
37.权利要求36所述的机器人系统，其中所述操作员输入系统具有第二输入装置，并且所述控制系统被配置使得所述第一输入装置控制所述第一从属操纵器臂以及所述第二输入装置控制所述另外的从属操纵器臂。
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