CN109758232A - 外科手术机器人系统及用于该系统的牵开器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种外科手术机器人系统及用于该系统的牵开器。该系统包含：机器人，其具有机器人底座和联接到所述机器人底座的机器人臂；以及外科手术牵开器。该牵开器包含牵开器框架、联接器、叶片、力和/或扭矩传感器以及力和/或扭矩反馈确定单元。牵开器框架包含可平移地和/或可枢转地连接到所述牵开器框架的臂。所述联接器将所述牵开器框架可拆卸地附接到所述机器人臂。所述叶片各自联接到所述臂中的一个的远侧端且远离所述远侧端延伸。所述力和/或扭矩传感器连接到所述叶片且指示因与外科手术部位的材料接触而施加到所述叶片的力和/或扭矩的量。所述力和/或扭矩反馈确定单元基于所述指示来确定施加到所述叶片的力和/或扭矩的所述量。

Description

外科手术机器人系统及用于该系统的牵开器

相关申请的交叉引用

本申请是2017年5月31日提交的第15/609,334号美国专利申请的部分继续申请，其是2016年5月18日提交的第15/157,444号美国专利申请的部分继续申请，是2016年4月11日提交的第15/095,883号美国专利申请的部分继续申请，是2013年10月24日提交的第14/062,707号美国专利申请的部分继续申请，是2013年6月21日提交的第13/924,505号美国专利申请的部分继续申请，其要求2012年6月21日提交的第61/662,702号临时申请的优先权且要求2013年3月15日提交的第61/800,527号临时申请的优先权，出于所有目的所有申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开涉及位置识别系统，并且具体涉及在机器人辅助外科手术期间的末端执行器和工具跟踪和操纵。

背景技术

用于机器人辅助外科手术的位置辨识系统用于以三维(3D)方式确定特定对象的位置且跟踪特定对象。举例来说，在机器人辅助外科手术中，例如当机器人或医生定位和移动器械时，需要高度精确地跟踪某些对象，例如外科手术器械。

基于红外信号的位置识别系统可以使用无源和/或有源传感器或标记来跟踪对象。在无源传感器或标记中，待跟踪的对象可包含无源传感器，例如反射球形球，其位于待跟踪对象上的策略位置。红外发射器发射信号，且反射球形球反射信号以帮助确定对象在3D中的位置。在有源传感器或标记中，待跟踪的对象包含有源红外发射器，如发光二极管(light emitting diode，LED)，并因此产生它们自己的用于3D检测的红外信号。

利用有源或无源跟踪传感器，系统然后基于来自以下一个或多个或与以下一个或多个相关的信息，在几何上分辨有源和/或无源传感器的三维位置：红外相机、数字信号、有源或无源传感器的已知位置、距离、其接收响应信号所花费的时间、其它已知变量或其组合。

这些外科手术系统可因此利用位置反馈来精确地引导机器人臂和工具相对于患者的外科手术部位的移动。然而，这些系统可能缺乏力和扭矩反馈，其可在外科手术程序期间限制其效果。

发明内容

为了满足这个和其它需要，公开在机器人辅助外科手术期间提供力和/扭矩反馈的外科手术牵开器和相关的外科手术系统。

本公开的一些实施例涉及用于外科手术机器人系统的外科手术牵开器。外科手术牵开器包含牵开器框架、联接器、多个叶片以及力和/或扭矩传感器。牵开器框架包含多个臂，所述多个臂可平移地和/或可枢转地连接到框架。联接器配置成将牵开器框架可拆卸地附接到外科手术机器人系统的机器人臂。所述叶片各自联接到所述臂中的一个的远侧端且远离所述臂中的一个的远侧端延伸。力和/或扭矩传感器连接到所述叶片且配置成提供因与外科手术部位的材料接触而施加到所述叶片中的至少一个的力和/或扭矩的量的指示。

本公开的某一其它实施例涉及外科手术机器人系统，其包含：机器人，其具有机器人底座和联接到机器人底座的机器人臂；以及外科手术牵开器。外科手术牵开器包含牵开器框架、联接器、多个叶片、力和/或扭矩传感器以及力和/或扭矩反馈确定单元。牵开器框架包含多个臂，所述多个臂可平移地和/或可枢转地连接到牵开器框架。联接器配置成将所述牵开器框架可拆卸地附接到所述机器人臂。所述叶片各自联接到所述臂中的一个的远侧端且远离所述臂中的一个的远侧端延伸。力和/或扭矩传感器连接到所述叶片且配置成提供因与外科手术部位的材料接触而施加到所述叶片中的至少一个的力和/或扭矩的量的指示。所述力和/或扭矩反馈确定单元配置成感测由所述力和/或扭矩传感器提供的所述指示，且基于所述指示来确定施加到所述叶片中的所述至少一个的力和/或扭矩的所述量。

在审阅以下图式和详细描述之后，本领域的技术人员将显而易见根据本发明主题的实施例的其它外科手术牵开器和相关的外科手术系统以及对应方法和计算机程序产品。希望所有此类额外外科手术牵开器和相关的外科手术系统以及对应方法和计算机程序产品包含在本说明书内，在本发明主题的范围内，且受所附权利要求书保护。此外，希望本文中所公开的所有实施例可单独地实施或者以任何方式和/或组合而组合。

附图说明

为了提供对本公开的进一步理解而提供且并入在本申请的一部分中并构成本申请案的一部分的附图说明了本发明概念的某些非限制性实施例。在附图中：

图1是外科手术过程期间机器人系统、患者、外科医生和其它医务人员的位置的潜在布置的俯视图；

图2示出了根据一个实施例的包含外科手术机器人和相机相对于患者的定位的机器人系统；

图3示出了根据示范性实施例的外科手术机器人系统；

图4示出根据示范性实施例的外科手术机器人的部分；

图5示出了根据示范性实施例的外科手术机器人的框图；

图6示出了根据示范性实施例的外科手术机器人；

图7A到7C示出了根据示范性实施例的末端执行器；

图8示出了根据一个实施例的在将外科手术器械插入末端执行器的导管中之前和之后的外科手术器械和末端执行器；

图9A到9C示出了根据示范性实施例的末端执行器和机器人臂的部分；

图10示出了根据示范性实施例的动态参考阵列、成像阵列和其它部件；

图11示出了根据示范性实施例的配准方法；

图12A-12B示出了根据示范性实施例的成像装置的实施例；

图13A示出了根据示范性实施例的包含机器人臂和末端执行器的机器人的一部分；

图13B是图13A所示的末端执行器的特写视图，其具有刚性固定在其上的多个跟踪标记；

图13C是根据一个实施例的具有刚性固定在其上的多个跟踪标记的工具或器械；

图14A是在第一配置中具有可移动跟踪标记的末端执行器的替代性版本；

图14B是在第二配置中具有可移动跟踪标记的图14A中示出的末端执行器；

图14C示出来自图14A的第一配置中的跟踪标记的模板；

图14D示出来自图14B的第二配置中的跟踪标记的模板；

图15A示出仅附着有单个跟踪标记的末端执行器的替代性版本；

图15B示出具有穿过导管安置的仪器的图15A的末端执行器；

图15C示出图15A的末端执行器，其具有在两个不同位置中的仪器，和用以确定仪器是否定位于导管内或导管外部的所得逻辑；

图15D示出具有两个不同框架处的导管中的仪器的图15A的末端执行器，和所述末端执行器离导管上的单个跟踪标记的相对距离；

图15E关于坐标系示出图15A的末端执行器；

图16是用于将机器人的末端执行器导航并移动到期望目标轨迹的方法的框图；

图17A到17B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的可膨胀植入物插入于收缩和膨胀位置中的仪器；

图18A到18B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的铰接式植入物插入于插入位置和成角位置中的仪器；

图19A描绘具有可互换或替代性末端执行器的机器人的实施例；且

图19B描绘具有联接到其的仪器样式末端执行器的机器人的实施例；

图20说明具有机器人臂的外科手术机器人系统，所述机器人臂具有牵开器末端执行器，所述牵开器末端执行器具有根据一些实施例配置的力和/或扭矩传感器和响应组件；

图21A到21B说明根据一个实施例配置的双叶片牵开器末端执行器的运动；

图22A到22B说明根据一个实施例配置的三叶片牵开器末端执行器的运动；

图23说明根据一个实施例的图20的外科手术机器人系统的部分，所述外科手术机器人系统具有相机系统和配置成感测施加到牵开器的力和/或扭矩的响应组件；

图24说明根据一个实施例的具有配置成感测施加到牵开器的力和/或扭矩的应变计的且可以与图20的外科手术机器人系统一起使用的牵开器；

图25说明具有根据一个实施例配置的无线通信接口的图24的力和/或扭矩传感器以及响应组件的部分；

图26说明牵开器，其具有配置成感测施加到牵开器的力和/或扭矩的应变计和包含经操作以提供与感测到的力和/或扭矩相关的视觉指示的至少一个LED的控制接口；

图27说明牵开器，其具有配置成感测施加到牵开器的力和/或扭矩的应变计和包含经操作以提供与感测到的力和/或扭矩相关的视觉指示的显示装置的控制接口；

图28说明根据一些实施例的通过图20的外科手术机器人系统基于感测到的力和/或扭矩而控制牵开器叶片的移动的操作和方法的流程图；以及

图29说明根据一些实施例的通过图20的外科手术机器人系统基于感测到的力和/或扭矩而控制通知的产生的操作和方法的流程图。

具体实施方式

应该理解的是，本公开在其应用中不限于在此描述中阐述的或者在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本公开的教导可以在其它实施例中使用和实践并且以各种方式实践或执行。而且，应该理解的是，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。本文中“包含”、“包括”或“具有”和其变型的使用意味着涵盖其后列出的项目和其等同物以及附加项目。除非另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”和其变体广泛地使用并且包含直接和间接安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。

呈现以下讨论以使本领域技术人员能够制作和使用本公开的实施例。对所示实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不脱离本公开的实施例的情况下，本文中的原理可以应用于其它实施例和应用。因此，这些实施例不旨在限于所示出的实施例，而是将被赋予与本文公开的原理和特征相一致的最宽范围。下面的详细描述将参照附图来阅读，其中不同附图中的相同元件具有相同的附图标记。不一定按比例绘制的附图描绘了所选择的实施例，并不旨在限制实施例的范围。本领域技术人员将认识到，本文提供的实例具有许多有用的替代方案并且落入实施例的范围内。

现转而参看附图，图1和图2示出了根据示范性实施例的外科手术机器人系统100。外科手术机器人系统100可包含例如外科手术机器人102、一个或多个机器人臂104、基部106、显示器110、例如包含导管114的末端执行器112、以及一个或多个跟踪标记118。外科手术机器人系统100可包含患者跟踪装置116，其也包含一个或多个跟踪标记118，适于直接固定到患者210(例如固定到患者210的骨头)。外科手术机器人系统100还可利用例如定位在相机支架202上的相机200。相机支架202可具有任何合适的构造以将相机200移动、定向并支撑在期望的位置。相机200可包含任何合适的一个或多个相机，例如一个或多个红外相机(例如，双焦或立体摄影测量相机)，所述相机能够在从相机200的角度可查看的给定测量体积中识别例如有源和无源跟踪标记118(示出为图2中患者跟踪装置116的部分且通过图13A到13b中的放大视图示出)。相机200可以扫描既定的测量体积并且检测来自标记118的光以便识别和确定标记118在三维中的位置。举例来说，有源标记118可包含由电信号(例如红外发光二极管(LED))激活的红外发射标记，并且无源标记118可包含反射红外光的回射标记(例如它们将进入的IR辐射反射进入入射光的方向)，所述红外光例如由相机200上的照明器或其它合适的装置发射。

图1和图2示出了用于将外科手术机器人系统100放置在外科手术室环境中的可能配置。举例来说，机器人102可以位于患者210附近或旁边。虽然描绘在患者210的头部附近，但是应当理解，机器人102可以位于患者210附近的任何合适的位置，这取决于患者210正在进行外科手术的区域。相机200可以与机器人系统100分开并且定位在患者210的足部。所述位置允许相机200对外科手术区域208具有直接的视线。再次，可以设想相机200可以位于具有到外科手术区域208的视线的任何合适的位置。在所示的构造中，外科医生120可以定位在机器人102的对面，但仍然能够操纵末端执行器112和显示器110。外科手术助理126可以再次与外科医生120对置地定位，并且可以触及末端执行器112和显示器110两者。如果需要，外科医生120与助理126的位置可以颠倒。麻醉师122和护士或擦洗技术人员124的传统区域不受机器人102和相机200的位置阻碍。

关于机器人102的其它部件，显示器110可以被附接到外科手术机器人102，并且在其它示范性实施例中，显示器110可以与外科手术机器人102分开，不管是在具有外科手术机器人102的外科手术室内，还是在远处的位置。末端执行器112可以联接到机器人臂104并且由至少一个马达控制。在示范性实施例中，末端执行器112可包括导管114，导管能够接收和定向用于对患者210进行外科手术的外科手术器械608(在此进一步描述)。如本文所使用的，术语“末端执行器”与术语“末端履行器”和“末端执行器元件”可互换使用。虽然通常用导管114示出，但应理解，末端执行器112可以用适用于外科手术的任何合适的器械代替。在一些实施例中，末端执行器112可包括用于以期望的方式实现外科手术器械608的运动的任何已知结构。

外科手术机器人102能够控制末端执行器112的平移和定向。机器人102能够例如沿着x轴、y轴和z轴移动末端执行器112。末端执行器112可以配置成用于围绕x轴、y轴和z轴中的一个或多个以及Z框轴线选择性旋转(使得与末端执行器112相关联的一个或多个欧拉角(例如滚动、俯仰和/或偏航)可以被选择性地控制)。在一些示范性实施例中，与利用例如仅包括旋转轴的六自由度机器人臂的传统机器人相比，对末端执行器112的平移和定向的选择性控制可以允许医疗过程的执行具有显著提高的准确度。举例来说，外科手术机器人系统100可以用于在患者210上操作，并且机器人臂104可以被定位在患者210的身体上方，末端执行器112选择性地相对于朝向患者210身体的z轴成角度。

在一些示范性实施例中，外科手术器械608的位置可以动态更新，使得外科手术机器人102可以在外科手术期间始终知道外科手术器械608的位置。因此，在一些示范性实施例中，外科手术机器人102可以将外科手术器械608快速移动到期望位置，而无需医师的任何进一步帮助(除非医师需要)。在一些进一步的实施例中，外科手术机器人102可以配置成如果外科手术器械608偏离选择的预先计划的轨迹，则校正外科手术器械608的路径。在一些示范性实施例中，外科手术机器人102可配置成允许停止、修改和/或手动控制末端执行器112和/或外科手术器械608的移动。因此，在示范性实施例中，在使用中，医师或其它用户可以操作系统100，并且可以选择停止、修改或手动控制末端执行器112和/或外科手术器械608的自主移动。包含由外科手术机器人102对外科手术器械608的控制和移动的外科手术机器人系统100的另外细节可在第13/924,505号共同未决的美国专利申请中发现，所述美国专利申请以全文引用的方式并入本文中。

机器人外科手术系统100可包括一个或多个跟踪标记118，其配置成三维地跟踪机器人臂104、末端执行器112、患者210和/或外科手术器械608的移动。在示范性实施例中，多个跟踪标记118可以被安装(或以其它方式被固定)在机器人102的外表面上，例如但不限于机器人102的基部106上、机器人臂104上、或末端执行器112上。在示范性实施例中，多个跟踪标记118中的至少一个跟踪标记118可以被安装或以其它方式被固定到末端执行器112。一个或多个跟踪标记118可以进一步被安装(或以其它方式被固定)到患者210。在示范性实施例中，多个跟踪标记118可以定位在患者210上与外科手术区域208间隔开，以减少被外科医生、外科手术工具或机器人102的其它部分遮挡的可能性。此外，一个或多个跟踪标记118可以进一步被安装(或以其它方式被固定)到外科手术工具608(例如螺丝刀、扩张器、植入物插入器等)。因此，跟踪标记118使得被标记的对象(例如末端执行器112、患者210和外科手术工具608)中的每一个都能够被机器人102跟踪。在示范性实施例中，系统100可以使用从每个标记对象收集的跟踪信息计算例如末端执行器112、外科手术器械608(例如定位在末端执行器112的管114中)的定向和位置、以及患者的相对位置210。

标记118可包含不透射线或光学标记。标记118可呈适合的形状，包含球面、球形、圆柱形、立方体、长方体等等。在示范性实施例中，标记118中的一个或多个可以是光学标记。在一些实施例中，通过用于检查或验证末端执行器112的位置，末端执行器112上的一个或多个跟踪标记118的定位可使位置测量的准确性最大化。外科手术机器人系统100的进一步细节包含外科手术机器人102和外科手术器械608的控制、移动和跟踪，其可以在共同未决的美国专利申请序列号13/924,505中发现，其全部内容以引用的方式并入本文中。

示范性实施例包含联接到外科手术器械608的一个或多个标记118。在示范性实施例中，例如联接到患者210和外科手术器械608的这些标记118，以及联接到机器人102的末端执行器112的标记118可包括传统的红外发光二极管(LED)或能够使用商业上可获得的红外光学跟踪系统(例如)跟踪的二极管。是加拿大安大略省滑铁卢北方数字公司(Northern Digital Inc.)的注册商标。在其它实施例中，标记118可包括能够使用商业上可获得的光学跟踪系统(例如Polaris Spectra)跟踪的常规反射球。Polaris Spectra也是北方数字公司的注册商标。在示范性实施例中，联接到末端执行器112的标记118是有源标记，其包括可以打开和关闭的红外发光二极管，并且联接到患者210和外科手术器械608的标记118包括无源反射球。

在示范性实施例中，由标记118发射和/或反射的光可以由相机200检测并且可以用于监测被标记对象的位置和移动。在替代实施例中，标记118可包括射频和/或电磁反射器或收发器，并且相机200可包含射频和/或电磁收发器，或由射频和/或电磁收发器代替。

类似于外科手术机器人系统100，图3示出了与本公开的示范性实施例一致的处于对接构造的外科手术机器人系统300和相机支架302。外科手术机器人系统300可包括机器人301，机器人包含显示器304、上臂306、下臂308、末端执行器310、垂直柱312、脚轮314、机柜316、平板抽屉318、连接器面板320、控制面板322和信息环324。相机支架302可包括相机326。这些部件参照图5更详细地描述。图3示出了处于对接构造的外科手术机器人系统300，其中相机支架302例如在不使用时与机器人301嵌套，。本领域技术人员将认识到，相机326和机器人301可以在外科手术过程期间彼此分离并且定位在任何适当的位置处，例如如图1和图2所示。

图4示出了与本公开的示范性实施例一致的基部400。基部400可以是外科手术机器人系统300的一部分并且包括机柜316。机柜316可以容纳外科手术机器人系统300的某些部件，包含但不限于电池402、配电模块404、平台接口板模块406、计算机408、手柄412和平板抽屉414。这些部件之间的连接和关系参照图5更详细地描述。

图5示出了外科手术机器人系统300的示范性实施例的某些部件的框图。外科手术机器人系统300可包括平台子系统502、计算机子系统504、运动控制子系统506和跟踪子系统532。平台子系统502可以进一步包括电池402、配电模块404、平台接口板模块406和平板充电站534。计算机子系统504可以进一步包括计算机408、显示器304和扬声器536。运动控制子系统506可以进一步包括驱动器电路508、马达510、512、514、516、518、稳定器520、522、524、526、末端执行器310和控制器538。跟踪子系统532可进一步包括位置传感器540和相机转换器542。系统300还可包括脚踏板544和平板546。

经由可以被提供给配电模块404的电源548，将输入电力供应给系统300。配电模块404接收输入电力并且配置成产生不同的电源电压，所述电源电压被提供给系统300的其它模块、部件和子系统。配电模块404可以配置成向平台接口模块406提供不同的电压供应，所述不同电压可以被提供给如计算机408、显示器304、扬声器536、驱动器508等其它部件，以例如驱动用于系统300的马达512、514、516、518和末端执行器310、马达510、环324、相机转换器542以及其它部件，例如用于冷却机柜316内的电气部件的风扇。

配电模块404还可以将电力提供给其它部件，例如可以位于平板抽屉318内的平板充电站534。平板充电站534可以与平板546进行无线或有线通信以用于为平板546充电。平板546可以由与本公开一致并在此描述的外科医生来使用。

配电模块404还可以连接到电池402，电池402在配电模块404没有从输入电力548接收电力的情况下用作临时电源。在其它时间，如果必要，配电模块404可以用作对电池402进行充电。

平台子系统502的其它部件还可包含连接器面板320、控制面板322和环324。连接器面板320可以用于将不同的装置和部件连接到系统300和/或相关联的部件和模块。连接器面板320可以含有接收来自不同部件的线路或连接的一个或多个端口。举例来说，连接器面板320可以具有可以将系统300接地到其它设备的接地端子端口、将脚踏板544连接到系统300的端口、连接到跟踪子系统532的端口，跟踪子系统532可包括位置传感器540、相机转换器542、以及与相机支架302相关联的相机326。连接器面板320还可包含其它端口以允许与其它部件(例如计算机408)进行USB、以太网、HDMI通信。

控制面板322可以提供控制系统300的操作和/或提供关于系统300的信息的各种按钮或指示器。举例来说，控制面板322可包含按钮，其用于给系统300通电或断电、升高或下降垂直柱312、以及升高或下降稳定器520-526，稳定器520-526可被设计成接合脚轮314以锁定系统300以免于物理移动。其它按钮可以在紧急情况下停止系统300，这可以消除所有的马达功率并施加机械制动器来停止发生所有运动。控制面板322还可以具有指示器，其用于向用户通知某些系统状况，例如线路电力指示器或电池402的充电状态。

环324可以是视觉指示器，以向系统300的用户通知系统300正在操作的不同模式以及对用户的某些警告。

计算机子系统504包含计算机408、显示器304和扬声器536。计算机504包含操作系统和用于操作系统300的软件。计算机504可以接收和处理来自其它部件(例如跟踪子系统532、平台子系统502和/或运动控制子系统506)的信息以向用户显示信息。此外，计算机子系统504还可包含扬声器536以向用户提供音频。

跟踪子系统532可包含位置传感器504和转换器542。跟踪子系统532可以对应于包含相机326的相机支架302，如参照图3所描述的。位置传感器504可以是相机326。跟踪子系统可以跟踪位于系统300的不同部件和/或在外科手术过程期间由用户使用的器械上的某些标记的位置。所述跟踪可以以与本公开一致的方式进行，包含使用分别跟踪例如LED或反射标记的有源或无源元件的位置的红外技术。具有这些类型的标记的结构的定位、取向和位置可以被提供给可以在显示器304上向用户示出的计算机408。举例来说，具有这些类型的标记并且以这种方式跟踪的外科手术器械608(其可以被称为导航空间)可以向用户显示相关的患者的解剖结构的三维图像。

运动控制子系统506可以配置成物理地移动垂直柱312、上臂306、下臂308或旋转末端执行器310。物理运动可以通过使用一个或多个马达510-518来进行。举例来说，马达510可以配置成垂直升高或降低垂直柱312。如图3所示，马达512可以配置成围绕与垂直柱312接合的点横向移动上臂308。如图3所示，马达514可以配置成围绕与上臂308接合的点横向移动下臂308。马达516和518可以配置成以可控制滚动并且可控制倾斜的方式来移动末端执行器310，由此提供可以移动末端执行器310的多个角度。这些移动可以通过控制器538来实现，控制器538可以通过设置在末端执行器310上的测压元件来控制这些移动，并且由接合这些测压元件的用户激活以期望的方式移动系统300。

此外，系统300可以通过用户在显示器304上指示外科手术器械或部件在显示器304(其可以是触摸屏输入装置)上的患者解剖结构的三维图像上的位置，来提供垂直柱312、上臂306和下臂308的自动移动。用户可以通过踩踏脚踏板544或一些其它输入装置来启动所述自动移动。

图6示出了与示范性实施例一致的外科手术机器人系统600。外科手术机器人系统600可包括末端执行器602、机器人臂604、导管606、器械608和机器人基部610。器械工具608可以附接到包含一个或多个跟踪标记(例如标记118)的跟踪阵列612，并且具有相关联的轨迹614。轨迹614可以代表器械工具608配置成一旦其穿过或固定在导管606中而行进的移动路径，例如器械工具608插入患者体内的路径。在示范性操作中，机器人基部610可以配置成与机器人臂604和末端执行器602进行电子通信，使得外科手术机器人系统600可以辅助用户(例如外科医生)在患者210上操作。外科手术机器人系统600可以与之前描述的外科手术机器人系统100和300一致。

跟踪阵列612可以安装在器械608上以监测器械工具608的定位和取向。跟踪阵列612可以附接到器械608并且可包括跟踪标记804。如图8所示，跟踪标记804可以是例如发光二极管和/或其它类型的反射标记(例如如本文其它地方所述的标记118)。跟踪装置可以是与外科手术机器人系统相关联的一个或多个视线装置。作为实例，跟踪装置可以是与外科手术机器人系统100、300相关联的一个或多个相机200、326，并且还可跟踪跟踪阵列612以获得与机器人臂604、机器人基部610、末端执行器602和/或患者210相关的器械608的限定域或相对定向。跟踪装置可以与结合相机支架302和跟踪子系统532描述的那些结构一致。

图7A、图7B和图7C分别示出了与示范性实施例一致的末端执行器602的俯视图、主视图和侧视图。末端执行器602可包括一个或多个跟踪标记702。跟踪标记702可以是发光二极管或其它类型的有源和无源标记，例如之前已经描述的跟踪标记118。在示范性实施例中，跟踪标记702是由电信号(例如红外发光二极管(LED))激活的有源红外发射标记。因此，跟踪标记702可以被激活，使得红外标记702对于相机200、326可见，或者可以被停用，使得红外标记702对相机200、326不可见。因此，当标记702激活时，末端执行器602可以由系统100、300、600来控制，并且当标记702被去激活时，末端执行器602可以被锁定在位并且不能被系统100、300、600移动。

标记702可以以使得标记702可被一个或多个相机200、326或与外科手术机器人系统100、300、600相关联的其它跟踪装置可见的方式设置在末端执行器602上或末端执行器602内。相机200、326或其它跟踪装置可随着跟踪标记702的移动而移动到不同位置和视角时跟踪末端执行器602。标记702和/或末端执行器602的位置可显示在显示器110、304上与外科手术机器人系统100、300、600相关联，例如图2所示的显示器110和/或图3所示的显示器304。所述显示器110、304可以允许用户确保末端执行器602处于关于机器人臂604、机器人基部610、患者210和/或用户的理想位置。

举例来说，如图7A所示，可以将标记物702放置在末端执行器602的表面周围，使得远离外科手术区域208并且面向机器人102、301和相机200、326放置的跟踪装置能够以通过末端执行器602相对于跟踪装置100、300、600的一系列共同取向来观看标记702中的至少3个。举例来说，以这种方式分配标记702允许当末端执行器602在外科手术区域208中平移和旋转时通过跟踪装置监视末端执行器602。

另外，在示范性实施例中，末端执行器602可以配备有红外(infared，IR)接收器，当外部相机200、326准备好读取标记702时，所述红外(IR)接收器可以检测。在检测之后，末端执行器602然后可以照亮标记702。由IR接收器检测到外部相机200、326准备好读取标记702可以表示需要将标记702(其可以是发光二极管)的占空比同步到外部相机200、326。这也可以允许机器人系统作为整体实现较低的功耗，由此标记702将仅在适当的时间被照亮而不是被连续照亮。此外，在示范性实施例中，可以关闭标记702以防止与其它导航工具(例如不同类型的外科手术器械608)干扰。

图8描绘了一种类型的外科手术器械608，其包含跟踪阵列612和跟踪标记804。跟踪标记804可以是本文所述的任何类型，包含但不限于发光二极管或反射球。通过跟踪与外科手术机器人系统100、300、600相关联的装置来监视标记804，并且可以是视线相机200、326中的一个或多个。相机200、326可以基于跟踪阵列612和标记804的位置和取向跟踪器械608的定位。举例来说外科医生120等用户可以以某种方式定向器械608，使得通过跟踪装置或相机200、326充分识别跟踪阵列612和标记804以显示器械608以及例如示范性外科手术机器人系统的显示器110上的标记804。

外科医生120可以将器械608放置到末端执行器602的导管606中并调节器械608，这种方式在图8中是明显的。末端执行器112、310、602的中空管或导管114、606的尺寸和构造被设定为接收外科手术器械608的至少一部分。导管114、606配置成通过机器人臂104定向，使得外科手术器械608的插入和轨迹能够到达患者210体内或体上的期望解剖目标。外科手术器械608可包含大致圆筒形器械的至少一部分。虽然螺丝刀作为外科手术工具608被举例说明，但应该理解，任何合适的外科手术工具608都可以由末端执行器602定位。作为实例，外科手术器械608可包含一个或多个导丝、套管、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、插入工具、拆卸工具等。虽然中空管114、606总体上显示为具有圆筒形构造，但本领域技术人员将会理解的是，导管114、606可以具有期望用于容纳外科手术器械608并进入外科手术部位的任何合适的形状、尺寸和构造。

图9A到9C示出了与示范性实施例一致的末端执行器602和机器人臂604的一部分。末端执行器602可进一步包括主体1202和夹具1204。夹具1204可包括手柄1206、球1208、弹簧1210和唇缘1212。机器人臂604还可包括凹陷1214、安装板1216、唇缘1218和磁体1220。

末端执行器602可以通过一个或多个联接件机械地接合和/或接合外科手术机器人系统和机器人臂604。举例来说，末端执行器602可以通过定位联接件和/或增强联接件与机器人臂604接合。通过这些联接，末端执行器602可以与柔性无菌屏障外的机器人臂604紧固。在一个示范性实施例中，定位联接件可以是磁力运动学支架，并且增强联接件可以是五杆跨中心夹紧联动件。

关于定位联接件，机器人臂604可包括安装板1216(其可以是非磁性材料)、一个或多个凹陷1214、唇缘1218和磁体1220。磁体1220安装在每个凹陷1214下方。夹具1204的部分可包括磁性材料并且被一个或多个磁体1220吸引。通过夹具1204和机器人臂604的磁性吸引，球1208变成坐落在相应的凹陷1214中。举例来说，如图9B所示的球1208将坐落在凹陷1214中，如图9A所示。这个座位可以被认为是磁力辅助的运动学联接件。无论末端执行器602的定向如何，磁体1220都可以配置成足够坚固以支撑末端执行器602的整个重量。定位联接件可以是唯一地约束六个自由度的任何类型的运动学安装件。

关于增强联接件，夹具1204的部分可以配置为固定的接地联动件，并且这种夹具1204可以用作五杆联动件。当唇缘1212和唇缘1218以固定末端执行器602和机器人臂604的方式接合夹具1204时，闭合夹具手柄1206可将末端执行器602固定到机器人臂604。当夹具手柄1206闭合时，当夹具1204处于锁定位置时弹簧1210可被拉伸或受到应力。锁定位置可以是提供联动件经过中心的位置。由于闭合位置经过中心，因此在没有施加到夹具手柄1206以释放夹具1204的力的情况下联动件不会打开。因此，在锁定位置中，末端执行器602可牢固地固定到机器人臂604。

弹簧1210可以是张紧的弯曲梁。弹簧1210可由表现出高刚度和高屈服应变的材料组成，例如原始PEEK(聚醚醚酮)。末端执行器602和机器人臂604之间的连接可以在末端执行器602和机器人臂604之间提供无菌屏障而不妨碍两个联接件的紧固。

增强联接件可以是具有多个弹簧构件的联动件。增强联接件可以与凸轮或基于摩擦的机构锁定。增强联接件还可以是足够强大的电磁体，其将紧固末端执行器102支撑到机器人臂604。增强联接件可以是多件式套环，其完全与末端执行器602和/或机器人臂604分开，在末端执行器602与机器人臂604之间的接口上滑动，并且用螺旋机构、跨中心联动件或凸轮机构紧固。

参考图10和图11，在外科手术过程之前或期间，可以进行某些配准程序以跟踪导航空间和成像空间中的患者210的目标解剖结构。为了进行这种配准，可以使用配准系统1400，如图10所示。

为了跟踪患者210的位置，患者跟踪装置116可包含将被固定到患者210的刚性解剖结构的患者固定器械1402，并且动态参考基部(dynamic reference base，DRB)1404可以被牢固地附接到患者固定器械1402。举例来说，患者固定器械1402可被插入到动态参考基部1404的开口1406中。动态参考基部1404可含有对跟踪装置(例如跟踪子系统532)可见的标记1408。这些标记1408可以是光学标记或反射球，例如跟踪标记118，如前所述。

患者固定器械1402附接到患者210的刚性解剖结构并且可以在整个外科手术过程中保持附接。在示范性实施例中，患者固定器械1402被附接到患者210的刚性区域，例如远离经受外科手术过程的目标解剖结构定位的骨骼。为了跟踪目标解剖结构，动态参考基部1404通过使用临时放置在目标解剖结构上或附近的配准固定件与目标解剖结构相关联，以便将动态参考基部1404与目标解剖结构的位置配准。

通过使用枢转臂1412，将配准固定件1410附接到患者固定器械1402。通过将患者固定器械1402插入穿过配准固定件1410的开口1414，将枢转臂1412附接到患者固定器械1402。通过例如将旋钮1416插入穿过枢转臂1412的开口1418，将枢转臂1412附接到配准固定件1410。

使用枢转臂1412，配准固定件1410可以放置在目标解剖结构上，并且其位置可以使用配准固定件1410上的跟踪标记1420和/或基准1422在成像空间和导航空间中确定。配准固定件1410可以含有在导航空间中可见的标记1420的集合(例如标记1420可以所跟踪子系统532检测到)。如本文先前所述，跟踪标记1420可以是在红外光下可见的光学标记。配准固定件1410还可以含有在成像空间(例如三维CT图像)中可见的基准1422的集合，例如轴承球。如关于图11更详细描述的那样，使用配准固定件1410，目标解剖结构可以与动态参考基部1404相关联，从而允许将导航空间中的对象的描绘覆盖在解剖结构的图像上。位于远离目标解剖结构的位置处的动态参考基部1404可以成为参考点，从而允许从外科手术区域移除配准固定件1410和/或枢转臂1412。

图11提供了与本公开一致的用于配准的示范性方法1500。方法1500在步骤1502处开始，其中可以将目标解剖结构的图形表示(或图像)导入系统100、300、600，例如计算机408。图形表示可以是患者210的目标解剖结构的三维CT或者荧光镜扫描，其包含配准固定件1410和基准1420的可检测成像图案。

在步骤1504处，检测基准1420的成像图案并将其配准在成像空间中并存储在计算机408中。可选地，此时在步骤1506处，配准固定件1410的图形表示可以覆盖在目标解剖结构的图像上。

在步骤1508处，通过识别标记1420来检测并配准配准固定件1410的导航图案。标记1420可以是经由位置传感器540通过跟踪子系统532通过红外光在导航空间中识别的光学标记。因此，目标解剖结构的定位、定向以及其它信息被配准在导航空间中。因此，可以通过使用基准1422在成像空间中识别配准固定件1410，并且可以通过使用标记1420在导航空间中识别配准固定件1410。在步骤1510处，将成像空间中的配准固定件1410的配准转移到导航空间。举例来说，通过使用基准1422的成像图案比较于标记1420的导航图案的位置的相对位置来完成所述转移。

在步骤1512处，配准固定件1410的导航空间(已经与成像空间一起配准)的配准被进一步转移到附接到患者固定件器械1402的动态配准阵列1404的导航空间。因此，配准固定件1410可以被拆卸并且因为导航空间与成像空间相关联，所以可以使用动态参考基础1404来跟踪导航和成像空间中的目标解剖结构。

在步骤1514和1516处，导航空间可以覆盖在成像空间上，并且对象(例如具有光学标记804的外科手术器械608)具有在导航空间中可见的标记。可以通过外科手术器械608在目标解剖结构的图像上的图形表示来跟踪对象。

图12A-12B图示了可与机器人系统100、300、600结合使用以获取患者210的手术前、手术中、手术后和/或实时图像数据的成像装置1304。使用成像系统1304，可以为任何适当的对象成像用于任何适当的过程。成像系统1304可以是任何成像装置，例如成像装置1306和/或C形臂1308装置。可能需要从多个不同位置拍摄患者210的X射线，而不需要频繁手动重新定位患者210，这可能需要在X射线系统中进行。如图12A所示，成像系统1304可以是C形臂1308的形式，其包含终止于“C”形的相对远端1312的细长C形构件。C形构件1130可以进一步包括X射线源1314和图像接收器1316。臂的C形臂1308内的空间可以为医生提供空间以使患者基本上不受来自X射线支撑结构1318的干扰。如图12B所示，成像系统可包含成像装置1306，成像装置1306具有附接到支撑结构成像装置支撑结构1328的机架外壳1324，例如具有轮1332的轮式移动手推车1330，其可包围图像捕捉部分(未示出)。图像捕获部分可包含X射线源和/或发射部分以及X射线接收和/或图像接收部分，其彼此相隔大约一百八十度设置的，并且相对于图像捕获部分的轨迹安装在转子上(未示出)。图像捕获部分可以用于在图像采集期间旋转三百六十度。图像捕获部分可围绕中心点和/或轴旋转，允许从多个方向或多个平面获取患者210的图像数据。虽然在此举例说明了某些成像系统1304，但应该理解，本领域的普通技术人员可以选择任何合适的成像系统。

现转而参看图13A-13C，外科手术机器人系统100、300、600依靠末端执行器112、602、外科手术器械608和/或患者210(例如患者跟踪装置116)相对于期望的外科手术区域的准确定位。在图13A-13C所示的实施例中，跟踪标记118、804刚性地附接到器械608和/或末端执行器112的一部分。

图13A描绘了外科手术机器人系统100的一部分，其具有机器人102，其中机器人102包含基部106、机器人臂104和末端执行器112。未示出的其它元件，例如显示器、相机等也可以如本文所述存在。图13B描绘了末端执行器112的特写视图，其具有导管114和刚性固定到末端执行器112上的多个跟踪标记118。在所述实施例中，多个跟踪标记118附接到导管。图13C描绘了具有刚性固定到器械608上的多个跟踪标记804的器械608(在这种情况下为探针608A)。如本文其它地方所述，器械608可包含任何合适的外科手术器械，例如但不限于导丝、套管、牵开器、钻孔器、扩眼器、螺丝刀、插入工具、移除工具等。

当要以3D跟踪器械608、末端执行器112或其它对象时，跟踪标记118、804的阵列可以刚性地附接到工具608或末端执行器112的一部分。优选地，跟踪标记118、804被附接，使得标记118、804不妨碍(例如不妨碍外科手术操作、能见度等)。标记118、804可以例如用阵列612固定到器械608、末端执行器112或其它要跟踪的对象上。通常，三个或四个标记118、804与阵列612一起使用。612可包含线性部分、交叉部分，并且可以是不对称的，使得标记118、804相对于彼此处于不同的相对位置和定位。举例来说，如图13C所示，示出了具有4标记跟踪阵列612的探针608A，并且图13B描绘了具有不同4标记跟踪阵列612的末端执行器112。

在图13C中，跟踪阵列612用作探针608A的手柄620。因此，四个标记804连接到探针608A的手柄620上，所述手柄不妨碍轴622和尖端624。这四个标记804的立体摄影测量跟踪允许器械608作为刚体所跟踪并且用于跟踪系统100、300、600在探针608A在跟踪相机200、326前方四处移动时精确地确定尖端624的位置和轴622的定向。

为了能够自动跟踪一个或多个工具608、末端执行器112或其它要以3D跟踪的对象(例如多个刚体)，每个工具608、末端执行器112或类似物上的标记118、804以已知的标记间隔不对称地排列。不对称对齐的原因是，使得标记118、804对应于刚体上的特定位置以及标记118、804是从前方还是后方观察，即镜像，都是明确的。举例来说，如果标记118、804被布置在工具608或末端执行器112上的正方形中，那么系统100、300、600将不清楚哪个标记118、804对应于正方形的哪个角。举例来说，对于探针608A，不清楚哪个标记804最接近轴622。因此，不知道轴622从阵列612延伸的方式。因此，每个阵列612以及因此每个工具608、末端执行器112或其它待跟踪的对象应该具有唯一的标记图案，以使其能够与正被跟踪的其它工具608或其它对象区分。不对称和独特的标记图案允许系统100、300、600检测各个标记118、804，然后针对存储的模板检查标记间隔以确定它们代表哪个工具608、末端执行器112或其它对象。然后可以将检测到的标记118、804自动分类并以正确的顺序分配给每个所跟踪对象。如果没有所述信息，则除非用户手动指定哪个检测到的标记118、804对应于每个刚体上的哪个位置，否则不能执行刚体计算以提取关键的几何信息，例如工具尖端624和轴622的对齐。这些概念对于3D光学跟踪方法的技术人员来说通常是已知的。

现转而参看图14A到14D，示出了具有可移动跟踪标记918A到918D的末端执行器912的替代性版本。在图14A中，具有可移动跟踪标记918A到918D的阵列示出于第一配置中，且在图14B中，可移动跟踪标记918A到918D示出于相对于第一配置成角的第二配置中。图14C示出例如如由图14A的第一配置中的相机200、326看见的跟踪标记918A到918D的模板；且图14D示出例如如由图14B的第二配置中的相机200、326看见的跟踪标记918A到918D的模板。

在此实施例中，涵盖了4标记阵列跟踪，其中标记918A到918D并非全部相对于刚性主体位于固定位置中，且替代地，可例如在测试期间调整阵列标记918A到918D中的一个或多个，以给出关于正被跟踪的刚性主体的经更新信息，而不妨碍对所跟踪标记918A到918D的自动检测和分类的过程。

当跟踪任何工具，例如连接到机器人系统100、300、600的末端执行器912的导管914时，跟踪阵列的主要目的是在相机坐标系中更新末端执行器912的位置。当使用例如如图13B中示出的刚性系统时，反射性标记118的阵列612从导管114刚性地延伸。因为跟踪标记118刚性地连接，所以对相机坐标系中的标记位置的了解还在相机坐标系中提供导管114的中心线、尖端和尾部的准确位置。通常，关于末端执行器112离此阵列612的位置的信息和关于目标轨迹离另一跟踪源的位置的信息用以计算必须针对机器人102的每个轴线输入的将把导管114移动成与轨迹对准的所需移动，并沿着轨迹向量将尖端移动到特定位置。

有时，期望轨迹在不方便或不可达的位置中，但如果可转动导管114，那么可到达期望轨迹。举例来说，如果导管114可超出间距(手腕上下角度)轴线的限度朝上转动，那么远离机器人102的基部106定点的极陡峭轨迹可以是可到达的，但如果导管114平行于将其连接到手腕的末端的板而附接，那么所述极陡峭轨迹可能并非可到达的。为了到达此轨迹，机器人102的基部106可移动，具有不同导管附接的不同末端执行器112可与工作的末端执行器交换。这两个解决方案可以是费时且繁琐的。

如图14A和14B中最好地看出，如果阵列908配置成使得标记918A到918D中的一个或多个不在固定位置中，且替代地，可调整、转动、枢转或移动标记918A到918D中的一个或多个，那么机器人102可提供关于正被跟踪的对象的经更新信息，而不妨碍检测和跟踪过程。举例来说，标记918A到918D中的一个可固定在适当位置，且其它标记918A到918D可以是可移动的；标记918A到918D中的两个可固定在适当位置且其它标记918A到918D可以是可移动的；标记918A到918D中的三个可固定在适当位置且其它标记918A到918D可以是可移动的；或所有标记918A到918D可以是可移动的。

在图14A和14B中示出的实施例中，标记918A、918B刚性地直接连接到末端执行器912的基部906，且标记918C、918D刚性地连接到管914。类似于阵列612，可提供阵列908以将标记918A到918D附接到末端执行器912、仪器608或待跟踪的其它对象。但是，在此状况下，阵列908由多个单独部件组成。举例来说，标记918A、918B可通过第一阵列908A连接到基部906，且标记918C、918D可通过第二阵列908B连接到导管914。标记918A可附连到第一阵列908A的第一端，且标记918B可分离一段直线距离并附连到第一阵列908A的第二端。虽然第一阵列908是大体上线性的，但是第二阵列908B具有弯曲或V形配置，其具有连接到导管914的相应根端，且以V形状从根端发散到远端，其中标记918C在一个远端处且标记918D在另一远端处。虽然在本文中举例说明了具体配置，但是应了解，涵盖了包含不同数目个和不同类型的阵列908A、908B和不同布置、数目和类型的标记918A到918D的其它非对称设计。

导管914可例如跨越铰链920或到基部906的其它连接器相对于基部906可移动、可转动或可枢转。因此，标记918C、918D是可移动的，使得当导管914枢转、转动或移动时，标记918C、918D也枢轴、转动或移动。如图14A中最好地看出，导管914具有纵向轴线916，纵向轴线916在大体上正交或竖直的定向上对准，使得标记918A到918D具有第一配置。现转而参看图14B，导管914枢转、转动或移动，使得纵向轴线916现相对于垂直定向成角，使得标记918A到918D具有不同于第一配置的第二配置。

相比于对于图14A到14D描述的实施例，如果在导管914与臂104(例如手腕附接)之间存在转动，其中剩余的所有四个标记918A到918D刚性地附接到导管914，且此转动由用户调整，那么机器人系统100、300、600将不能够自动地检测到导管914定向已改变。机器人系统100、300、600将跟踪标记阵列908的位置，并将假设导管914在先前定向上附接到手腕(机器人臂104)而计算错误的机器人轴线移动。通过一个或多个标记918A到918D(例如两个标记918C、918D)刚性地保持在管914上并保持一个或多个标记918A到918D(例如两个标记918A、918B)跨越转动，对新位置的自动检测变得可能，且基于在机器人臂104的端上检测到新工具或末端执行器112、912而计算正确的机器人移动。

标记918A到918D中的一个或多个配置成根据任何合适构件而移动、枢转、转动等等。举例来说，标记918A到918D可由例如夹钳、弹簧、杠杆、滑动件、肘节等等铰链920或用于执行以下操作的任何其它合适机构移动：个别地或组合地移动标记918A到918D、个别地或组合地移动阵列908A、908B、相对于另一部分移动末端执行器912的任何部分、或相对于另一部分移动工具608的任何部分。

如图14A和14B中示出，通过仅松开夹钳或铰链920、相对于其它部分908A、908B移动阵列908A、908B的部分并再收紧铰链920使得导管914定向于不同位置中，阵列908和导管914可变得可重新配置。举例来说，两个标记918C、918D可与管914刚性地互连，且两个标记918A、918B可跨越到附接到机器人臂104的末端执行器912的基部906的铰链920刚性地互连。铰链920可呈例如翼形螺母等等夹钳的形式，可松开并再收紧夹钳以允许用户在第一配置(图14A)与第二配置(图14B)之间快速切换。

相机200、326检测例如图14C和14D中标识的模板中的一个中的标记918A到918D。如果阵列908在第一配置(图14A)中且跟踪相机200、326检测到标记918A到918D，那么所跟踪标记匹配如图14C中示出的阵列模板1。如果阵列908是第二配置(图14B)且跟踪相机200、326检测到相同标记918A到918D，那么所跟踪标记匹配如图14D中示出的阵列模板2。阵列模板1和阵列模板2由系统100、300、600辨识为两个相异工具，其各自具有导管914、标记918A到918D与机器人附接之间的其自有的唯一定义的空间关系。用户可因此在第一配置与第二配置之间调整末端执行器912的位置，而不向系统100、300、600通知改变，且系统100、300、600将适当地调整机器人102的移动以保持在轨迹上。

在此实施例中，存在两个装配位置，其中标记阵列匹配允许系统100、300、600将组合件识别为两个不同工具或两个不同末端执行器的唯一模板。在这两个位置(即，分别在图14C和14D中示出的阵列模板1和阵列模板2)之间或的外部转动的任何位置中，标记918A到918D将不匹配任何模板，且虽然相机200、326检测到个别标记918A到918D，但系统100、300、600将不会检测到任何阵列存在，其结果与从相机200、326的视野临时阻挡标记918A到918D的情况相同。应了解，对于其它配置可存在其它阵列模板，其它配置例如标识不同仪器608或其它末端执行器112、912等等。

在所描述实施例中，在图14A和14B示出了两个离散装配位置。但是，应了解，在转动接点、线性接点、转动接点与线性接点的组合、木栓板或其它组合件上可存在多个离散位置，其中可通过调整阵列的一个或多个标记918A到918D相对于其它标记的位置来产生唯一标记模板，其中每个离散位置匹配特定模板，并通过不同已知属性定义工具608或唯一末端执行器112、912。另外，虽然对于末端执行器912举例说明，但是应了解，可移动且固定的标记918A到918D可与任何合适的仪器608或待跟踪的其它对象一起使用。

当使用外部3D跟踪系统100、300、600以跟踪附接到机器人的末端执行器112的三个或更多个标记的完全刚性主体阵列(例如如图13A和13B中所描绘)时，有可能直接跟踪或计算相机200、326的坐标系中的机器人102的每个区段的3D位置。接点相对于跟踪器的几何定向通过设计已知，且接点的线性位置或角位置从机器人102的每个马达的编码器已知，从而完全定义从末端执行器112到基部116的所有移动部分的3D位置。类似地，如果跟踪器安装于机器人102的基部106(未示出)上，那么同样地有可能基于从每个马达的编码器已知的接点几何形状和接点位置而跟踪或计算从基部106到末端执行器112的机器人102的每个区段的3D位置。

在一些情形中，可能需要从刚性地附接到末端执行器112的少于三个标记118跟踪机器人102的所有片段的位置。具体地说，如果工具608被引入到导管114中，那么可能需要通过正被跟踪的一个额外标记118跟踪机器人902的完全刚性主体运动。

现转而参看图15A到15E，示出了仅具有单个跟踪标记1018的末端执行器1012的替代性版本。末端执行器1012可类似于本文中所描述的另一末端执行器，并可包含沿着纵向轴线1016延伸的导管1014。类似于本文中所描述的其它跟踪标记，单个跟踪标记1018可刚性地附连到导管1014。此单个标记1018可起到添加缺失的自由度以允许完全刚性主体跟踪的作用，和/或可起到充当监测标记以确保关于机器人和相机定位的假设有效的作用。

单个跟踪标记1018可作为末端执行器1012的刚性延伸部附接到机器人末端执行器1012，刚性延伸部在任何方便的方向上突出且并不阻挡外科医生的视野。跟踪标记1018可附连到导管1014或末端执行器1012上的任何其它合适的位置。当附连到导管1014时，跟踪标记1018可定位在导管1014的第一端与第二端之间的位置处。举例来说，在图15A中，单个跟踪标记1018示出为安装于窄轴1017的端上的反射球面，窄轴1017从导管1014前向延伸，并在导管1014的中点上方和导管1014的入口下方纵向定位。此位置允许标记1018由相机200、326大体上可见，而且将不阻挡外科医生120的视觉或与外科手术附近的其它工具或对象碰撞。另外，在此位置中具有标记1018的导管1014被设计成使引入到导管1014中的任何工具608上的标记阵列在导管1014上的单个标记1018可见的同时可见。

如图15B中示出，当紧密配合的工具或仪器608放置在导管1014内时，仪器608变得在6个自由度中的4个中以机械方式受约束。也就是说，除了围绕导管1014的纵向轴线1016之外，仪器608无法在任何方向上旋转，且除了沿着导管1014的纵向轴线1016之外，仪器608无法在任何方向上平移。换句话说，仪器608可仅沿着导管1014的中心线平移并围绕所述中心线旋转。如果另外两个参数已知，例如(1)围绕导管1014的纵向轴线1016的旋转角度；和(2)沿着导管1014的位置，那么相机坐标系中的末端执行器1012的位置变得完全定义。

现参考图15C，系统100、300、600应该能够知晓工具608何时实际上定位于导管1014内部，而非替代地定位于导管1014外部，和仅位于看到相机200、326的某处。工具608具有纵向轴线或中心线616和具有多个所跟踪标记804的阵列612。刚性主体计算可用以基于阵列612在工具608上的所跟踪位置而确定工具608的中心线616定位于相机坐标系中的何处。

从单个标记1018到导管1014的中心线或纵向轴线1016的固定正交(垂直)距离D_F是固定的并在几何学上已知，且可跟踪单个标记1018的位置。因此，当从工具中心线616到单个标记1018的检测到的距离D_D匹配从导管中心线1016到单个标记1018的已知固定距离D_F时，可确定工具608在导管1014内(工具608的中心线616、1016与导管1014重合)或恰好在此距离D_D匹配固定距离D_F的可能位置的地点中的某一点处。举例来说，在图15C中，从工具中心线616到单个标记1018的正交检测到的距离D_D匹配由两个位置中的透明工具608表示的两个数据框架(所跟踪标记坐标)的从导管中心线1016到单个标记1018的固定距离D_F，且因此可需要额外的考量以确定工具608何时定位在导管1014中。

现转而参看图15D，编程逻辑可用以寻找跟踪数据的框架，其中从工具中心线616到单个标记1018的检测到的距离D_D按正确长度保持固定，而不管工具608在空间上相对于单个球面1018按大于某一最小距离移动，以满足工具608在导管1014内移动的条件。举例来说，可通过第一位置中的工具608检测到第一框架F1，且可通过第二位置(即，相对于第一位置线性移动)中的工具608检测到第二框架F2。工具阵列612上的标记804可从第一框架F1以多于既定量(例如大于总共5毫米)移动到第二框架F2。甚至通过此移动，从工具中心线向量C′到单个标记1018的检测到的距离D_D在第一框架F1与第二框架F2中大体上相同。

逻辑上，外科医生120或用户可将工具608放置于导管1014内，并使工具608略微地旋转或使其向下滑动到导管1014中，且系统100、300、600将能够从跟踪五个标记(工具608上的四个标记804加导管1014上的单个标记1018)来检测到工具608在导管1014内。知道了工具608在导管1014内后，可计算在空间上定义机器人末端执行器1012的位置和定向的所有6个自由度。不具有单个标记1018，即使确定已知工具608在导管1014内，但是未知导管1014沿着工具的中心线向量C′定位于何处，且导管1014如何相对于中心线向量C′旋转。

侧重于图15E，跟踪到单个标记1018的存在以及工具608上有四个标记804，有可能通过单个标记1018和通过中心线向量C′建构导管1014和工具608的中心线向量C′和法向量。此法向量具有定向，所述定向相对于在手腕(在此实例中，平行于那个片段)远端的机器人的前臂在已知定向上并在具体固定位置处与中心线向量C′相交。为方便起见，可建构三个相互正交的向量k′、j′、i′，如图15E中示出，从而定义导管1014的刚性主体位置和定向。三个相互正交的向量中的一个k′中的一个由中心线向量C′构成，第二向量j′由穿过单个标记1018的法向量构成，且第三向量i′是第一向量k′与第二向量j′的向量叉积。当所有接点处于零处时，相对于这些向量k′、j′、i′的机器人接点位置已知且固定，且因此刚性主体计算可用以在机器人处于起始位置处时确定机器人相对于这些向量k′、j′、i′的任何区段的位置。在机器人移动期间，如果从跟踪系统检测到工具标记804的位置(此时工具608在导管1014中)和单个标记1018的位置，且每个接点的角度/线性位置从编码器已知，那么可确定机器人的任何区段的位置和定向。

在一些实施例中，固定工具608相对于导管1014的定向可以是有用的。举例来说，末端执行器导管1014可围绕其轴线1016在特定位置中定向以允许加工或植入物定位。虽然附接到插入到导管1014中的工具608的任何东西的定向从工具608上的所跟踪标记804已知，但是在导管1014上没有额外跟踪标记1018(或在其它实施例中没有多个跟踪标记)的情况下，相机坐标系中的导管1014自身的旋转定向未知。此标记1018基于标记1018相对于中心线向量C′的定向而基本上提供从-180°到+180°的“时钟位置”。因此，单个标记1018可提供额外的自由度以允许完全刚性主体跟踪，和/或可充当监测标记以确保关于机器人和相机定位的假设有效。

图16是用于将机器人102的末端执行器1012(或本文中所描述的任何其它末端执行器)导航并移动到期望目标轨迹的方法1100的框图。单个标记1018在机器人末端执行器1012或导管1014上的另一用途是在没有附接到机器人102的完全跟踪阵列的情况下作为方法1100的部分实现机器人102的自动化安全移动。当跟踪相机200、326不相对于机器人102移动(即，它们在固定位置中)，跟踪系统的坐标系与机器人的坐标系共配准，且机器人102经校准使得可仅基于每个机器人轴线的经编码位置而在机器人笛卡尔坐标系中准确地确定导管1014的位置和定向时，此方法1100起作用。

对于此方法1100，跟踪器的坐标系和机器人的坐标系必须共配准，这意味着需要从跟踪系统的笛卡尔坐标系到机器人笛卡尔坐标系的坐标变换。为方便起见，此坐标变换可以是机器人技术的领域中众所周知的平移和旋转的4×4矩阵。此变换将被称为Tcr以指“变换-相机到机器人”。一旦此变换已知，那么对于每个跟踪标记以向量形式作为x、y、z坐标接收到的跟踪数据的任何新框架可乘以4×4矩阵，且所得x、y、z坐标将处于机器人的坐标系中。为了获得Tcr，在机器人上的完全跟踪阵列在机器人坐标系中已知的位置处刚性地附接到机器人时跟踪所述完全跟踪阵列，接着使用已知刚性主体方法以计算坐标的变换。应明显的是，当还读取额外标记1018时，插入到机器人102的导管1014中的任何工具608可与刚性附接的阵列提供相同的刚性主体信息。也就是说，工具608仅需要插入到导管1014内的任何位置并在所述导管1014内处于任何旋转，而不是插入到固定位置和定向。因此，有可能通过以下操作来确定Tcr：将具有跟踪阵列612的任何工具608插入到导管1014中并读取工具阵列612加导管1014的单个标记1018，同时从每个轴线上的编码器确定机器人的坐标系中的导管1014的当前位置。

在图16的方法1100中提供了用于将机器人102导航并移动到目标轨迹的逻辑。在进入循环1102之前，假设先前已存储了变换Tcr。因此，在进入循环1102之前，在步骤1104中，在紧固机器人基部106之后，当机器人静态时，存储导管中插入的工具的大于或等于一帧跟踪数据；且在步骤1106中，从此静态数据和先前校准的数据计算从相机坐标到机器人坐标的机器人导管位置的变换Tcr。Tcr应保持有效，只要相机200、326不相对于机器人102移动即可。如果相机200、326相对于机器人102移动，那么需要重新获得Tcr，可使系统100、300、600提示用户将插入工具608到导管1014中并接着自动执行必需的计算。

在方法1100的流程图中，每一帧所收集数据由患者210身上的DRB 1404的所跟踪位置、末端执行器1014上的单个标记1018的所跟踪位置和每个机器人轴线的位置的快照组成。从机器人的轴线的位置，计算出末端执行器1012上的单个标记1018的位置。此计算出的位置与如从跟踪系统记录的标记1018的实际位置相比较。如果值一致，那么可保证机器人102在已知位置中。变换Tcr应用于DRB 1404的所跟踪位置，以使得可根据机器人的坐标系提供机器人102的目标。可接着命令机器人102移动以到达目标。

在步骤1104、1106之后，循环1102包含从跟踪系统接收DRB 1404的刚性主体信息的步骤1108；将目标尖端和轨迹从图像坐标变换到跟踪系统坐标的步骤1110；和将目标尖端和轨迹从相机坐标变换到机器人坐标(应用Tcr)的步骤1112。循环1102进一步包含从跟踪系统接收机器人的单个杂散标记位置的步骤1114；和将单个杂散标记从跟踪系统坐标变换到机器人坐标(应用所存储Tcr)的步骤1116。循环1102还包含从前向运动学确定机器人坐标系中的单个机器人标记1018的当前位置的步骤1118。来自步骤1116和1118的信息用以确定来自经变换所跟踪位置的杂散标记坐标是否与小于既定容限的计算出的坐标一致的步骤1120。如果是，那么继续进行到步骤1122，计算并将机器人移动应用于目标x、y、z和轨迹。如果否，那么继续进行到步骤1124：在继续进行之前停止并需要完全阵列插入到导管1014中；步骤1126：在插入阵列之后重新计算Tcr；以及继续进行以重复步骤1108、1114和1118。

相比于省略对单个标记1018的连续监控以验证位置的方法，此方法1100具有优点。在不具有单个标记1018的情况下，将仍有可能使用Tcr来确定末端执行器1012的位置并向末端执行器1012发送目标位置，但将不可能验证机器人102实际上在预期位置中。举例来说，如果相机200、326已凸起且Tcr不再有效，那么机器人102将移动到错误位置。出于此原因，单个标记1018关于安全提供值。

对于机器人102的既定固定位置，理论上有可能将跟踪相机200、326移动到单个所跟踪标记1018保持未移动的新位置，这是因为单个所跟踪标记是单点而非阵列。在此状况下，系统100、300、600将不检测任何错误，这是因为在单个标记1018的计算出的和所跟踪位置方面将存在一致。但是，一旦机器人的轴线致使导管1012移动到新位置，那么计算出的和所跟踪位置将不一致且安全检查将起作用。

举例来说，术语“监测标记”可参考相对于DRB 1404在固定位置中的单个标记使用。在此实例中，如果DRB 1404凸起或以其它方式移开，那么监测标记的相对位置改变且可警告外科医生120导航可能存在问题。类似地，在本文中所描述的实施例中，通过机器人的导管1014上的单个标记1018，系统100、300、600可持续检查相机200、326是否已相对于机器人102移动。如果跟踪系统的坐标系对机器人的坐标系的配准丢失例如因为相机200、326凸起或发生故障或因为机器人发生故障，那么系统100、300、600可警告用户且可制成校正。因此，此单个标记1018还可被认为是用于机器人102的监测标记。

应显而易见的是，在完全阵列永久地安装于机器人102上(例如多个跟踪标记702安装于图7A到7C中示出的末端执行器602上)的情况下，不需要作为机器人监测标记的单个标记1018的此类功能性，这是因为不需要相机200、326相对于机器人102在固定位置中，且基于机器人102的所跟踪位置而在每个框架处更新Tcr。使用单个标记1018而非完全阵列的原因是完全阵列更庞大且具干扰性，由此阻挡外科医生的视野和对大于单个标记1018的外科手术视野208的访问，且到完全阵列的视距比到单个标记1018的视距更易于受到阻挡。

现转而参看图17A到17B和18A到18B，描绘了例如植入物固持器608B、608C等仪器608，仪器608包含固定跟踪标记804和可移动跟踪标记806两者。植入物固持器608B、608C可具有手柄620和从手柄620延伸的外轴622。轴622可大体上垂直于手柄620定位，如所示出，或可在任何其它合适的定向上定位。内轴626可在一端处通过旋钮628延伸穿过外轴622。使用本领域的技术人员已知的典型连接机构，在另一端处，植入物10、12在植入物固持器608B、608C的尖端624处连接到轴622。可旋转旋钮628例如以使植入物10、12膨胀或铰接。第8,709,086号和第8,491,659号美国专利描述了可膨胀融合装置和安装方法，所述美国专利以引用的方式并入本文中。

当例如植入物固持器608B、608C等跟踪工具608时，跟踪阵列612可含有固定标记804与一个或多个可移动标记806的组合，可移动标记806构成阵列612或以其它方式附接到植入物固持器608B、608C。导航阵列612可包含至少一个或多个(例如至少两个)固定位置标记804，固定位置标记804相对于植入物固持器仪器608B、608C与已知位置一起定位。这些固定标记804将不能够相对于仪器几何形状在任何定向上移动，并将适用于定义仪器608在空间上的位置。另外，存在可附接到阵列612或仪器自身的至少一个标记806，仪器能够相对于固定标记804在预定边界内移动(例如滑动、旋转等等)。系统100、300、600(例如软件)使可移动标记806的位置与植入物10的特定位置、定向或其它属性相关(例如图17A到17B中示出的可膨胀椎间体间隔件的高度，或图18A到18B中示出的铰接式椎间体间隔件的角度)。因此，系统和/或用户可基于可移动标记806的位置而确定植入物10、12的高度或角度。

在图17A到17B中示出的实施例中，四个固定标记804用以界定植入物固持器608B，且第五可移动标记806能够在预定路径内滑动以提供关于植入物高度(例如收缩位置或膨胀位置)的反馈。图17A示出其初始高度处的可膨胀间隔件10，且图17B示出膨胀状态下的间隔件10，其中可移动标记806平移到了不同位置。在此状况下，当植入物10膨胀时，可移动标记806更接近固定标记804移动，但预期此移动可逆转或以其它方式不同。标记806的线性平移的量将对应于植入物10的高度。虽然仅示出了两个位置，但是将有可能将此作为连续功能，可通过此连续功能使任何既定膨胀高度与可移动标记806的具体位置相关。

现转而参看图18A到18B，四个固定标记804用以界定植入物固持器608C，且第五可移动标记806配置成在预定路径内滑动以提供关于植入物铰接角度的反馈。图18A示出处于其初始线性状态下的铰接式间隔件12，且图18B示出按某一偏移角处于铰接式状态下的间隔件12，其中可移动标记806平移到不同位置。标记806的线性平移的量将对应于植入物12的铰接角度。虽然仅示出了两个位置，但是将有可能将此作为连续功能，可通过此连续功能使任何既定铰接高度与可移动标记806的具体位置相关。

在这些实施例中，可移动标记806持续滑动以基于位置而提供关于植入物10、12的属性的反馈。还预期，可存在可移动标记806必须处于的缜密位置，所述缜密位置将还能够提供关于植入物属性的其它信息。在此状况下，所有标记804、806的每个缜密配置与具体定向上或具体高度下的植入物固持器608B、608C和植入物10、12的具体几何形状相关。另外，可针对任何其它类型的已导航植入物的其它可变属性而使用可移动标记806的任何运动。

虽然相对于可移动标记806的线性移动描绘并描述，但是可移动标记806不应限于仅滑动，这是因为可存在标记806的旋转或其它移动可适用于提供关于植入物10、12的信息的应用。所述组固定标记804与可移动标记806之间的任何相对位置改变可以是植入物10、12或其它装置的相关信息。另外，虽然举例说明了可膨胀和铰接式植入物10、12，但是仪器608可对其它医疗装置和材料起作用，例如间隔件、笼、板、紧固件、钉子、螺杆、杆、插销、导线结构、缝合线、锚链夹、卡钉、支架、移植骨、生物制剂、接合剂等等。

现转而参看图19A，据设想，机器人末端执行器112可与其它类型的末端执行器112互换。此外，预期每个末端执行器112可以能够基于期望外科手术程序而执行一个或多个功能。举例来说，一导管114的末端执行器112可用于导引如本文中所描述的仪器608。另外，末端执行器112可由控制例如外科手术装置、仪器或植入物的不同或替代性末端执行器112替换。

替代性末端执行器112可包含联接到机器人且可由机器人控制的一个或多个装置或仪器。作为非限制性实例，如图19A中所描绘，末端执行器112可包括牵开器(例如，第8,992,425号和第8,968,363号美国专利中公开的一个或多个牵开器)或用于插入或安装例如可膨胀椎间融合装置等外科手术装置的一个或多个机构(例如第8,845,734号、第9,510,954号和第9,456,903号美国专利中举例说明的可膨胀植入物)、单独椎间融合装置(例如第9,364,343号和第9,480,579号美国专利中举例说明的植入物)、可膨胀椎体切除术装置(例如9,393,128号和第9,173,747号美国专利中举例说明的椎体切除术植入物)、铰接式间隔件(例如第9,259,327号美国专利中举例说明的植入物)、刻面假体(例如第9,539,031号美国专利中举例说明的装置)、椎板成形术装置(例如第9,486,253美国专利中举例说明的装置)、棘突间隔件(例如第9,592,082号美国专利中举例说明的植入物)、可充气物、紧固件，包括多轴螺杆、单面螺杆、椎弓根螺钉、后螺杆等等、骨固定板、杆建构物和修改装置(例如第8,882,803美国专利中举例说明的装置)、人造和自然椎间盘、运动保留装置和植入物、脊髓刺激器(例如第9,440,076美国专利中举例说明的装置)和其它外科手术装置。末端执行器112可包含一个或多个仪器，所述仪器直接或间接联接到机器人来向外科手术目标提供骨接合剂、移植骨、活细胞、药品或其它递送物。末端执行器112还可包含被设计成用于执行椎间盘切除术、椎体后凸成形术、椎骨支架术、扩张或其它外科手术程序的一个或多个仪器。

末端执行器自身和/或植入物、装置或仪器可包含一个或多个标记118，使得可在三维中标识标记118的定位和位置。预期标记118可包含如本文中所描述的可对相机200直接或间接可见的有源或无源标记118。因此，举例来说，定位于植入物10上的一个或多个标记118可实现在植入之前、期间和之后对植入物10的跟踪。

如图19B中示出，末端执行器112可包含仪器608，或其联接到机器人臂104(举例来说，仪器608可通过图9A到9C中示出的联接机构联接到机器人臂104)并可由机器人系统100控制的部分。因此，在图19B中示出的实施例中，机器人系统100能够将植入物10插入到患者体内，并可使可膨胀植入物10膨胀或收缩。因此，机器人系统100可配置成辅助外科医生或部分或完全独立于外科医生进行手术。因此，据设想，机器人系统100可以能够针对其指定的功能或外科手术程序而控制每个替代性末端执行器112。

虽然参考脊柱应用大体上描述了本文中所描述的机器人和相关联系统，但是还预期机器人系统配置成用于其它外科手术应用中，包含但不限于外伤手术或其它矫形应用(例如放置髓内钉、板等等)、颅侧、神经、心胸、结肠直肠、肿瘤、牙科和其它外科手术和程序。

具有力和/或扭矩监测的牵开器末端执行器

一些另外相关实施例涉及具有牵开器末端执行器的外科手术机器人系统。外科手术机器人系统配置成在机器人辅助外科手术期间感测施加到被称作“牵开器”的牵开器末端执行器的力和/或扭矩。外科手术机器人系统可包含响应于感测到的力和/或扭矩而控制牵开器的移动和/或基于感测到的力和/或扭矩向外科手术操作人员提供通知的组件。在图20到29的实例非限制性说明的上下文中描述这些外科手术机器人系统、外科手术牵开器和相关组件。

图20说明具有连接到牵开器2010末端执行器的机器人臂2002的外科手术机器人系统2000。外科手术机器人系统2000包含一个或多个力和/或扭矩传感器2070，处理传感器2070的输出的组件，和响应性地控制牵开器2010的移动和/或向外科手术操作人员提供通知的组件。

参看图20，牵开器2010可通过一个或多个联接件与机器人臂2002机械地介接和/或接合。举例来说，牵开器2010可通过定位联接件和/或加强联接件来接合机器人臂2002。通过这些联接件，牵开器2010可以与柔性且无菌屏障外的机器人臂2002紧固。在示范性实施例中，定位联接件可以是磁力运动学支架且增强联接件可以是五杆跨中心夹紧联动件。联接件可如图9A到9C中所示出且如上文相关地描述一样配置，其中牵开器2010将包含夹具1204，所述夹具1204具有手柄1206、球1208、弹簧1210和唇缘1212，如图9A到9C中所示出。机器人臂2002可使用图9A到9C中所示出的凹陷1214、安装板1216、唇缘1218和磁体1220联接到牵开器2010。

牵开器2010包含牵开器框架2011，其具有多个臂2014，所述多个臂2014可平移地和/或可枢转地连接到牵开器框架2014。多个叶片2012各自联接到臂2014中的一个的远侧端且远离臂2014中的一个的远侧端延伸。

根据本公开的各种实施例，外科手术机器人系统2000进一步包含力和/或扭矩传感器2070，其连接到至少一个叶片2012且配置成提供当回缩叶片2012以打开患者外科手术切口时与接触外科手术部位的材料而施加到叶片2012中的至少一个的力和/或扭矩的量的指示，外科手术部位例如周围组织。

叶片2012可通过臂2014联接到一个或多个牵开器马达2042，其在马达控制器2040的控制下移动叶片2012。举例来说，臂2014可通过使在马达控制器2040的控制下操作的一个或多个致动器马达2042致动而相对于彼此平移和/或共同地或相对于彼此枢转(旋转)。联接马达控制器2040以提供命令信号，所述命令信号控制牵开器马达242的操作，所述牵开器马达242机械地联接以经由互连臂2014平移和/或枢转叶片2012。

替代地或另外，叶片2012可通过臂2014联接到机械致动器组合件，所述机械致动器组合件响应于各个螺钉、按钮或杠杆2015的旋转、滑动或凹陷而移动叶片2012。具有叶片的通过马达和/或螺钉致动的牵开器的各种额外配置在图24到27中示出且在下文中描述。

可通过力和/或扭矩传感器2070光学地检测到和/或电气地感测到因与外科手术部位的材料接触而施加到叶片2012中的一个或多个的力和/或扭矩的量。传感器2070向力和/或扭矩反馈确定单元2030提供感测到的力和/或扭矩的量的指示。如下文将解释，可通过跟踪连接到叶片2012和连接到臂2014和/或框架2011的跟踪标记之间的位置和定向中的相对改变而光学地观察到叶片2012上的力和/或扭矩。替代地或另外，可通过在叶片2012上、在臂2014上、在框架2011上，和/或在机器人臂2002上提供传感器而电子地感测到叶片2012上的力和/或扭矩。

力和/或扭矩反馈确定单元2030配置成使用由力和/或扭矩传感器2070提供的指示，且确定施加到叶片2012中的至少一个的力和/或扭矩的量。力和/或扭矩反馈确定单元2030向控制接口单元2050提供指示确定为施加到叶片2012中的所述至少一个的力和/或扭矩的量的信息。控制接口单元2050可配置成基于信息向马达控制器2040产生命令信号以控制由马达2042进行的叶片2012的移动。控制接口单元2050可另外或替代地配置成基于力和/或扭矩的量向操作人员产生通知，例如下文将关于图25和27解释。

图20到23说明用于确定施加到叶片2012的力和/或扭矩的光学方法。光学方法包含相机系统2060，其被配置成光学地跟踪叶片2012与臂2014之间的相对移动以确定施加到叶片2012的力和/或扭矩。叶片2012可以通过柔性构件2062连接到臂2014，所述柔性构件允许叶片2012与臂2014之间的弹性移动。多个跟踪标记2016、2018和2020可连接到叶片2012和臂2014中的每一个。跟踪标记2016、2018和2020被配置成允许其相对位置和定向由相机系统2060或外科手术机器人系统2000的其它位置跟踪组件跟踪。用于感测所施加的力和/或扭矩的光学方法的跟踪标记2016、2018和2020和柔性构件2062统称为传感器2070。

跟踪标记2016、2018和2020可以是发光二极管或被配置用于由相机系统2060跟踪的其它类型的有源或无源标记。跟踪标记2016、2018和2020可以与上问针对标记118、702和/或806描述的那跟踪标记类似地配置。跟踪标记2016可以连接到框架2011以允许跟踪其位置和方向。跟踪标记2018连接到臂2014中的每一个，以允许单独地跟踪其位置和定向。跟踪标记2020可连接到迟2012中的每一个，以允许单独地跟踪其位置和定向。

叶片2012可平移移动和/或旋转以调整外科手术切口之暴露开口。基于叶片2012上的标记2020相对于臂上的标记2018和/或框架2011上的标记2016的观测到的定向改变和对柔性部件2062的弹性模数或弹簧常数的了解，可通过相机系统2060确定在此平移移动和/或旋转期间对叶片2012施加的力和/或扭矩。当力和/或扭矩施加到叶片2012时，柔性构件2062弯曲和/或扭曲，这相比于臂2014上的标记2018和框架2011上的标记2016的任何移动引起叶片上的标记2020之间的不同量的移动。可选择柔性构件的材料，以使得在预期力范围内的相对移动允许臂2014在其范围限度内移动，同时允许相对于叶片发生可以通过光学跟踪检测到并转换成力/扭矩读数的偏转。

力和/或扭矩反馈确定单元2030被配置成基于而标记2020与2018和/或2016之间的相对移动量而确定施加到叶片2012的力和/或扭矩，通过相机系统2060观测所述移动量。相机系统2060可以被配置成跟踪跟踪标记2020与2018和/或2016的定向之间的移动，并输出指示相对定向移动的信息。举例来说，相机系统2060可以向控制接口单元2050提供信息，所述信息指示在一个或多个定义的轴线周围的标记2020、2018和/或2016的观测到的平移移动量和/或旋转移动的量，所述旋转移动被称为定向移动。举例来说，参考图15E，机系统2060可向控制接口单元2050指示沿i′、j′和k′轴的平移移动量和/或可指示沿着各标记的i′、j′和k′轴线的旋转移动的量。

联接力和/或扭矩反馈确定单元2030以从相机系统2060接收信息，且基于信息从其确定施加到叶片中的至少一个的力和/或扭矩的量。在一个实施例中，力和/或扭矩反馈确定单元2030包含存储器内数据结构，其基于来自已知施加的对抗力或来自计算建模的实验数据而使跟踪标记2016、2018和2020之间的不同相对定向移动量与力和/或扭矩相关联。确定单元2030可使用如从相机系统2060接收的跟踪标记2020、2018和/或2016中的至少一些之间的相对定向移动量作为数据结构中的参考指标，来查询施加到叶片2012中的至少一个的力和/或扭矩的量。

图21A到21B说明根据一个实施例配置且可对应于图20的牵开器2010的双叶片牵开器末端执行器的运动。图21A说明叶片2012平移移动开以打开外科手术切口。图21B说明叶片2012围绕中心轴线旋转移动。叶片2012可另外朝外张开以增大其远端之间的距离和/或朝内张开以减小其远端之间的距离。叶片2012的移动引起连接到不同叶片2012的标记2020的相对位置和/或定向的对应改变。虽然每个叶片2012被说明为连接到两个标记2020，但是叶片2012中的一个或两个可以替代地连接到单个标记2020或多于两个标记2020。连接到叶片2012的标记2020的数目可取决于相机系统2020的跟踪分辨率和操作，且基于外科手术器械或其它物体会阻止一个或多个标记2020在外科手术期间由相机系统2060观测到的可能性。

图22A到22B说明根据一个实施例配置并可替代图20中的牵开器2010使用的三叶片2200牵开器末端执行器的运动。图22A说明叶片2200平移移动开以打开切口。图22B说明叶片2012围绕中心轴线旋转移动。叶片2012可另外朝外张开以增大其远端之间的距离和/或可朝内张开以减小其远端之间的距离。叶片2012的移动引起连接到不同叶片2012的标记2020的相对位置和/或定向的对应改变。相机系统2060通过标记2020跟踪叶片2012的位置和/或定向的改变。基于叶片2012上与臂2014和/或框架2011上的跟踪标记中的至少一些之间的观测到的相对定向移动量，力和/或扭矩反馈确定单元2030确定施加到叶片2012的力和/或确定施加到叶片2012的扭矩。

虽然每个叶片2200被说明为连接到一个标记2020，但是多于一个标号器可连接到叶片2200中的一个或多个中的每一个。连接到叶片2200的标记2020的数目可取决于相机系统2020的跟踪分辨率和操作和外科手术器械或其它物体会阻止一个或多个标记2020在外科手术期间由相机系统2060观测到的可能性。

图23进一步说明充当柔性构件2062的弹簧组合件的实施例。弹簧组合件可包含在叶片2012与臂2014之间延伸以弹性地阻挡叶片2012与臂2014之间的移动的至少一个弹簧。

柔性构件2062可包含被配置成将运动限制于叶片2012与臂2014之间的单自由度旋转的旋转接头。旋转接头包含被配置成弹性地阻挡叶片2012相对于臂2014的旋转的扭转弹簧。

在另一实施例中，柔性构件2062包含被配置成将运动限制于叶片2012与臂2014之间的线性滑动的方形接头。方形接头包含延伸于叶片2012与臂2014之间的弹性地阻挡叶片2012与臂2014之间的线性滑动的弹簧。

在另一实施例中，柔性构件2062包含被配置成沿着多个正交轴限制叶片2012与臂2014之间的运动的多轴接头。多轴接头包含在叶片2012与臂2014之间延伸以沿着正交轴弹性地阻挡叶片2012与臂2014之间的移动的弹簧。

图23说明可被配置成执行本文中所描述的力和/或扭矩反馈确定单元2030和控制接口单元2050的组合式操作的计算机2310。计算机2310可另外执行本文描述的用于相机系统2060和/或马达控制器2040的操作中的至少一些。

图24到27说明用于感测施加到图22A到22B的三叶片牵开器的叶片2200的力和/或扭矩的电气方法。

图24说明具有配置成感测施加到牵开器的力和/或扭矩的应变计2070的且可以与图20的外科手术机器人系统一起使用的牵开器。应变计2070连接到叶片2200的外表面(或内表面，下文所描述的)且配置成测量应变。叶片2200各自连接到三个臂2410中的对应一个，且臂2410可连接到具有联接器的框架，所述联接器可以可拆卸地附接到机器人臂2002。

耦合电路2072配置成调节来自应变计2070的信号且将来自应变计2070的信号提供到外科手术机器人系统2000的力和/或扭矩反馈确定单元2030。应变计可由电阻性元件(例如，以蛇形模式延伸的电阻迹线)形成，所述电阻性元件具有根据相对于电阻性元件上的应变水平的限定关系而变化的电阻率特性。耦合电路2072可包含信号驱动器和采样电路2400，具有配置成为应变计供能以输出应变信号的应变计驱动器电路，且具有配置成将应变信号转换为被提供给力和/或扭矩反馈确定单元2030的数字数据的模/数转换器。

确定单元2030使用数字数据来确定施加到叶片2200的力和/或扭矩的量。确定单元2030可基于使由数字数据指示的应变信号的量值与施加到叶片2200的力和/或扭矩的对应量相关的限定关系确定力和/或扭矩的量。确定单元2030可基于比较由来自两个或多于两个应变计2070的数字数据所指示的应变信号的相对量值(例如，取所述相对量值的比率)来进一步确定扭矩的量。举例来说，可由确定单元2030比较由叶片2200中的不同叶片上的应变计2070所感测到的应变信号来检测施加到叶片2200中的不同叶片的力的量的不对称性。力不对称性的量可接着通过限定的关系转换为扭矩量。这些关系可在牵开器的制造期间限定和/或确定(例如，重新校准)和/或可在牵开器的使用期间(例如，在校准程序)期间限定和/或确定(例如，重新校准)。

如上文所解释，控制接口单元2050可使用确定量的力和/或扭矩来控制叶片2200的移动和/或控制向操作人员产生通知。控制接口单元2050可向马达控制器20/40提供控制信号以控制牵开器马达2042的移动，牵引器马达2042又可以相对于其它叶片2200移动个别叶片2200和/或可一起移动叶片2200以提供平移和/或旋转移动。

尽管图24到27的实施例示出应变计2070设置在所有叶片2200的外表面上，但应变计2070中的一个或多个可设置在叶片2200中的对应一个或多个上，且应变计2070可安装在叶片2200的外表面上或内表面上。牵开器抵靠组织的膨胀将在叶片的尖端上相对于其基部附接件产生向内的力，由此沿着其主轴线在叶片的外表面上产生拉伸应变且在叶片的内表面上产生压缩应变，其可由安装在叶片的内表面或外表面上的应变计感测。可能有利的是将应变计2070安装在叶片2200的外表面上，以避免与外科手术工具接触，所述外科手术工具通过由牵开器形成的外科手术开口插入，此接触可能损坏应变计2070和/或传递应变信号的传感器布线2402。此外，将应变计2070安装到叶片2200的外表面可增大应变计对周围组织和其它材料引起的叶片2200的朝内弯曲的灵敏度，所述朝内弯曲归因于叶片的曲度(外表面上呈凸面且内表面上呈凹面)。应变计可在叶片2200的中间与远离臂2410的端部之间的位置处连接到叶片2200，这可增大应变计对沿着叶片2200应变的灵敏度。

图25说明具有根据一个实施例配置的无线通信接口的图24的力和/或扭矩传感器以及响应组件的部分。牵开器的力和/或扭矩传感器包含配置成为应变计2070供能以输出应变信号的应变计驱动器电路、配置成将应变信号转换为数字数据的模/数转换器以及配置成通过无线空中接口发射数字数据的无线发射器电路2500。在所说明的实施例中，应变计驱动器电路和模/数转换器可驻留在与无线发射器2500相同的装置封装内。

无线接收器电路2502联接到力和/或扭矩反馈确定单元2030且配置成接收由所述无线发射器电路2500所发射的数字数据。以此方式使用无线接口可简化通过牵开器2010与机器人臂2002之间的联接器所需的电接口。举例来说，牵开器的力和/或扭矩传感器可通过相对简单的电源连接器供电，所述电源连接器通过联接器提供给机器人臂2002，或可由延伸到远程电源的其它布线供电。此外，使用具有模拟应变信号在转换成数字数据之前传输对应较短距离的无线接口，可避免使模拟应变信号降级和/或避免电磁噪声，如果模拟应变信号跨大得多的距离从牵开器2010通过机器人臂2002和其它布线传导到远端定位的力和/或扭矩反馈确定单元2030以用于数字转换，那么所述电磁噪声可以其它方式引入到模拟应变信号中。

图26说明其具有配置成感测施加到牵开器的力和/或扭矩的应变计2070的牵开器和包含经操作以提供与感测到的力和/或扭矩相关的视觉指示的至少一个发光二极管(LED)装置2600的控制接口；电耦合器通过从控制接口单元2072接收LED激活信号并将LED激活信号提供给至少一个LED 2600来将LED 2600互连到控制接口单元2050。

在一个实施例中，多个LED 2600在外科手术程序期间在操作人员的视野内的一个或多个位置处安装到臂2410中的一个或多个，且由控制接口单元2050的LED驱动器2602选择性地激励以指示施加到叶片2200中的一个或多个的感测到的和/或扭矩的水平。控制接口单元2050可替代地或另外地响应于感测的力和/或扭矩超过特定外科手术程序的限定阈值而激励单个LED 2600，这可用以向外科手术操作人员提供警戒警告。

控制接口单元2050可响应于感测到的力和/或扭矩满足满足越来越大的限定阈值而依序激励多个LED 2600中的不同LED，以由此向外科手术操作人员提供一系列通知。阈值可取决于使用牵开器进行的外科手术程序而变化。外科手术操作人员可使用人机界面来向控制接口单元2050用信号发送外科手术程序的类型。通过LED 2600提供的视觉通知可指示牵开器何时可用以扩张外科手术开口同时维持可安全地施加到手术部位中的组织或其它材料的最大力和/或最大扭矩的限定限度内的操作，和/或可指示何时已到达最大力和/或扭矩使得应在可能的情况下小心地执行牵开器的进一步扩张和/或牵开器的进一步旋转。

图27说明具有被配置成感测施加到牵开器的力和/或扭矩的应变计2070的牵开器，和包含被操作成提供与感测到的力和/或扭矩相关的视觉指示的显示装置2710的控制接口。显示驱动器2700通过显示器布线2702和耦合器向显示装置2710提供显示信号。显示驱动器2700被配置成显示施加到叶片2200中的一个或多个的力水平和/或扭矩水平的文本及/或图形指示。可显示力水平和扭矩水平的单独指示，这可以使操作人员能够确保施加的力和扭矩保持在可接受范围内。通过显示装置2710提供的视觉通知可指示是否在可安全地施加到手术部位中的组织或其它材料的最大力和/或最大扭矩的限定限度内执行外科手术开口内的牵开器的扩张，和/或可指示何时已到达最大力和/或最大扭矩使得应在可能的情况下小心地执行牵开器的进一步扩张和/或牵开器的进一步旋转。

图28说明根据一些实施例的通过图20的外科手术机器人系统2000基于感测到的力和/或扭矩而控制牵开器叶片2012或2200的移动的操作和方法的流程图。操作确定2800感测到的力和/或扭矩是否满足一个或多个限定的规则。另一操作基于确定2800控制2802牵开器叶片的移动。用于确定2800的操作可由力和/或扭矩反馈确定单元2030执行，且用于控制移动2802的操作可以由控制接口单元2050执行。

在一个实施例中，通过借助于马达控制器2040控制牵开器马达2042抑制叶片相对于彼此的进一步平移和/或枢转，这将响应于指示力和/或扭矩的量满足由外科手术程序规则限定的一个或多个最大阈值值的信息增大施加到叶片中的至少一个的力和/或扭矩的量。

外科手术机器人系统2000可被编程为根据限定的外科手术的限定操作集合来执行牵开器2010的自动化移动。确定的力和/或扭矩量可穿过通过力和/或扭矩反馈确定单元2030和控制接口单元2050的闭环反馈，以控制牵开器2010的自动化移动。可控制牵开器2010的移动以避免或防止超过可在牵开器2010的自动化移动期间可施加到手术部位中的组织或其它材料的可接受力和/或扭矩的量的限定的限度。此外，当牵开器2010保持静止时，控制接口单元2050可通过警告外科手术操作人员和/或使得牵开器2010能够以如下方式自动移动来对超出一个或多个限定的限制的感测到的力和/或扭矩作出响应：将例如通过移动牵开器、减小叶片之间的距离和/或共同旋转叶片或相对于另一叶片旋转一个叶片来减小感测的力和/或扭矩。

图29说明根据一些实施例的通过图20的外科手术机器人系统2000基于感测到的力和/或扭矩而控制通知产生的操作和方法的流程图。操作确定2900感测到的力和/或扭矩是否满足一个或多个限定的规则。另一操作基于确定2900而控制2902一个或多个通知的产生。举例来说，如上文关于图26所描述，当已经达到一个或多个阈值水平的力和/或扭矩时，可以选择性地激励一个或多个LED 2600以通知外科手术操作人员。替代地，如上文关于图27所描述，文本及/或图形指示可显示于显示装置2710上以指示施加到叶片2200中的一个或多个的力水平和/或扭矩水平。通过显示装置2710提供的视觉通知可指示是否在可安全地施加到手术部位中的组织或其它材料的最大力和/或最大扭矩的限定限度内执行外科手术开口内的牵开器的扩张，和/或可指示何时已到达最大力和/或扭矩使得应在可能的情况下小心地执行牵开器的进一步扩张和/或牵开器的进一步旋转。

虽然在前面的说明书中已经公开了本发明的几个实施例，但应该理解，本发明所涉及的本发明的许多修改和其它实施例将受益于前述说明和相关附图中呈现的教导。因此应该理解，本发明不限于上文公开的特定实施例，并且许多修改和其它实施例旨在被包含在所附权利要求的范围内。进一步设想，来自一个实施例的特征可以与来自这里描述的不同实施例的特征组合或使用。此外，虽然在这里以及在随后的权利要求中使用了特定术语，但是它们仅以一般的和描述性的意义被使用，而不是为了限制所描述发明的目的或者所附权利要求。这里引用的每个专利和出版物的全部公开内容以引用的方式并入，如同每个这样的专利或出版物单独地以引用的方式并入本文中。本发明的各种特征和潜在优势在所附权利要求书中阐述。

Claims (20)

1.一种用于外科手术机器人系统的外科手术牵开器，所述外科手术牵开器包括：

牵开器框架，其包括可平移地和/或可枢转地连接到所述牵开器框架的多个臂；

联接器，其配置成将所述牵开器框架可拆卸地附接到所述外科手术机器人系统的机器人臂；

多个叶片，各自联接到所述臂中的一个的远侧端且远离所述远侧端延伸；以及

力和/或扭矩传感器，其连接到所述叶片且配置成提供因与外科手术部位的材料接触而施加到所述叶片中的至少一个的力和/或扭矩的量的指示。

2.根据权利要求1所述的外科手术牵开器，其中所述力和/或扭矩传感器包括：

至少一个柔性构件，其连接于所述叶片与所述臂之间，允许在所述叶片与所述臂之间的弹性移动；以及

多个跟踪标记，所述跟踪标记中的至少一个连接到所述臂和所述叶片中的每一个，其中所述跟踪标记配置成允许其相对定向被所述外科手术机器人系统的位置跟踪组件跟踪。

3.根据权利要求2所述的外科手术牵开器，其中所述至少一个柔性构件包括：

转动接头，其配置成将运动约束于所述叶片与所述臂之间的一个自由度旋转，所述转动接头包括扭转弹簧，所述扭转弹簧配置成弹性地抵抗所述叶片相对于所述臂的旋转。

4.根据权利要求2所述的外科手术牵开器，其中所述至少一个柔性构件包括：

棱形接头，其配置成将运动约束于所述叶片与所述臂之间的线性滑动，所述棱形接头包括在所述叶片与所述臂之间延伸的弹簧，所述弹簧弹性地抵抗所述叶片与所述臂之间的线性滑动。

5.根据权利要求2所述的外科手术牵开器，其中所述至少一个柔性构件包括：

多轴接头，其配置成沿着多个正交轴约束所述叶片与所述臂之间的运动，所述多轴接头包括在所述叶片与所述臂之间延伸的弹簧，所述弹簧沿着所述正交轴弹性地抵抗所述叶片与所述臂之间的移动。

6.根据权利要求2所述的外科手术牵开器，其中所述至少一个柔性构件包括：

至少一个弹簧，其在所述叶片与所述臂之间延伸，弹性地抵抗所述叶片与所述臂之间的移动。

7.根据权利要求1所述的外科手术牵开器，其中所述力和/或扭矩传感器包括：

多个应变计，其连接到所述叶片以测量所述叶片中的应变；以及

联接器，其配置成从所述应变计朝向所述外科手术机器人系统的力和/或扭矩反馈确定单元提供信号。

8.根据权利要求7所述的外科手术牵开器，其中所述应变计在所述叶片的中间与远离所述臂的端部之间的位置处连接到所述叶片。

9.根据权利要求7所述的外科手术牵开器，其中所述联接器包括：

应变计驱动器电路，其配置成为所述应变计供能以输出应变信号；

模/数转换器，其配置成将所述应变信号转换成数字数据；以及

无线发射器电路，其配置成通过无线空中接口朝向所述外科手术机器人系统的无线接收器电路发射所述数字数据。

10.根据权利要求1所述的外科手术牵开器，其进一步包括：

至少一个发光二极管(LED)装置，其连接到所述牵开器框架；以及

联接器，其配置成从所述外科手术机器人系统的控制接口单元接收LED激活信号且将所述LED激活信号提供到所述至少一个LED装置。

11.根据权利要求1所述的外科手术牵开器，其进一步包括：

显示装置，其连接到所述牵开器框架；以及

联接器，其配置成从所述外科手术机器人系统的控制接口单元接收显示信号且将所述显示信号提供到所述显示装置。

12.一种外科手术机器人系统，其包括：

机器人，其具有机器人底座和耦合到所述机器人底座的机器人臂；

外科手术牵开器，其包括：

牵开器框架，其包括可平移地和/或可枢转地连接到所述牵开器框架的多个臂；

联接器，其配置成将所述牵开器框架可拆卸地附接到所述机器人臂；

多个叶片，各自联接到所述臂中的一个的远侧端且远离所述远侧端延伸；以及

力和/或扭矩传感器，其连接到所述叶片且配置成提供因与外科手术部位的材料接触而施加到所述叶片中的至少一个的力和/或扭矩的量的指示；以及力和/或扭矩反馈确定单元，其配置成感测由所述力和/或扭矩传感器提供的所述指示，且基于所述指示来确定施加到所述叶片中的所述至少一个的力和/或扭矩的所述量。

13.根据权利要求12所述的外科手术机器人系统，其进一步包括

相机系统；

其中所述力和/或扭矩传感器包括：

至少一个柔性构件，其连接于所述叶片与所述臂之间，允许在所述叶片与所述臂之间的弹性移动；以及

多个跟踪标记，所述跟踪标记中的至少一个连接到所述臂和所述叶片中的每一个，

其中所述相机系统配置成跟踪所述跟踪标记的所述定向之间的移动，且输出指示相对定向移动的信息，

其中联接所述力和/或扭矩反馈确定单元以从所述相机系统接收所述信息，且基于所述信息从中确定施加到所述叶片中的所述至少一个的力和/或扭矩的所述量。

14.根据权利要求13所述的外科手术机器人系统，其中：

所述力和/或扭矩反馈确定单元包括数据结构，所述数据结构使所述跟踪标记的至少参考跟踪标记之间相对定向移动的不同量与力和/或扭矩相关，基于来自所述相机系统的所述信息确定所述跟踪标记中的至少一些之间的相对定向移动的所述量，且将所确定的相对定向移动的所述量用作所述数据结构中的参考指标,从而确定施加到所述叶片中的所述至少一个的力和/或扭矩的所述量。

15.根据权利要求12所述的外科手术机器人系统，其中：

所述力和/或扭矩传感器包括多个应变计，所述多个应变计连接到所述叶片以测量所述叶片中的应变；

联接所述力和/或扭矩反馈确定单元以从所述应变计接收应变信号，且基于所述指示来确定施加到所述叶片中的所述至少一个的力和/或扭矩的所述量。

16.根据权利要求15所述的外科手术机器人系统，

其中所述力和/或扭矩传感器进一步包括：

应变计驱动器电路，其配置成为所述应变计供能以输出所述应变信号；

模/数转换器，其配置成将所述应变信号转换成数字数据；以及

无线发射器电路，其配置成通过无线空中接口发射所述数字数据；以及

其进一步包括无线接收器电路，所述无线接收器电路联接到所述力和/或扭矩反馈确定单元且配置成接收由所述无线发射器电路所发射的所述数字数据。

17.根据权利要求12所述的外科手术机器人系统，其进一步包括

马达控制器，其联接成提供命令信号以控制牵开器马达，所述牵开器马达机械地联接以使所述外科手术牵开器的所述叶片相对于彼此平移和/或枢转；

控制接口单元，其联接到所述力和/或扭矩反馈确定单元以接收信息，所述信息指示确定为施加到所述叶片中的所述至少一个的力和/或扭矩的所述量，且基于所述信息产生所述命令信号以通过所述马达控制器控制所述叶片的移动。

18.根据权利要求17所述的外科手术机器人系统，其中所述控制接口单元进一步配置成抑制所述叶片相对于彼此的进一步平移和/或枢转，这将响应于指示力和/或扭矩的所述量满足由外科手术程序规则限定的一个或多个最大阈值的信息而增大施加到所述叶片中的所述至少一个的力和/或扭矩的所述量。

19.根据权利要求12所述的外科手术机器人系统，其进一步包括

至少一个发光二极管(LED)装置；以及

控制接口单元，其联接到所述LED装置且联接到所述力和/或扭矩反馈确定单元，以接收指示确定为施加到所述叶片中的所述至少一个的力和/或扭矩的所述量的信息，且响应于指示力和/或扭矩的所述量满足由外科手术程序规则限定的一个或多个阈值的信息而选择性地为所述至少一个LED装置供能。

20.根据权利要求12所述的外科手术机器人系统，其进一步包括

显示装置；以及

控制接口单元，其联接到所述显示装置且联接到所述力和/或扭矩反馈确定单元，以接收指示确定为施加到所述叶片中的所述至少一个的力和/或扭矩的所述量的信息，且基于确定为施加到所述叶片中的所述至少一个的力和/或扭矩的所述量来将显示信号提供到向用户显示通知的所述显示装置。