CN109922750A - 用于远程可控操纵器的重新定位系统和相关方法 - Google Patents

Abstract

一种计算机辅助系统，包括经配置支撑工具的操纵器、可锁定的接头和控制器。所述操纵器从基部向远侧延伸并且包括远侧部分。可锁定的接头联接到基部并相对于基部位于近侧；控制器可操作地联接到动力接头，所述动力接头相对于所述基部位于远侧。所述控制器经配置执行操作。所述操作包括：当可锁定的接头被锁定时，驱动动力接头以移动远侧部分，并且当可锁定的接头被解锁并且远侧部分的位置被从外部维持时，驱动动力接头以移动基部。一种包括用于操作计算机辅助系统的过程的方法。一种方法，其包括确定用于由操纵器支撑的工具的期望运动包络，并且基于期望运动包络定位所述操纵器的基部。

Description

用于远程可控操纵器的重新定位系统和相关方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年2月8日提交的美国临时申请No.62/456,430的权益。在先申请的公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分并且通过引用并入本申请的公开内容中。

技术领域

本说明书涉及用于诸如远程可控操纵器的操纵器的系统。

背景技术

机器人系统能够包括机器人操纵器以操纵工具在工作部位执行任务。机器人操纵器能够包括通过一个或更多个接头/关节(joint)联接在一起的两个或更多个连杆。接头能够是主动控制的主动接头。接头也能够是在主动接头被主动控制时遵从主动接头的运动的被动接头。这种主动和被动接头可以是旋转或棱柱型接头。然后可以通过接头的位置、机器人操纵器的结构以及连杆的联接确定机器人操纵器的配置。

机器人系统包括工业和娱乐机器人系统。机器人系统还包括用于诊断、非外科手术治疗、外科手术治疗等程序的医疗机器人系统。作为具体示例，机器人系统包括微创、计算机辅助的机器人外科手术系统，其中外科医生能够对床边或远程位置患者进行操作。远程外科手术通常是指使用外科手术系统进行的外科手术，其中外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构)来操纵外科手术工具运动而不是用手直接握住和移动外科手术工具。可用于远程外科手术的机器人外科手术系统能够包括远程可控的机器人操纵器。操作者能够远程控制机器人操纵器的运动。操作者还能够手动将机器人外科手术系统的件移动到外科手术环境内的位置。例如，外科医生、手术助理或其他操作者能够用手推或拉设备，使得设备沿着外科手术环境的地板表面移动。

发明内容

在一方面，一种计算机辅助系统包括经配置支撑工具的操纵器、可锁定的接头和控制器。操纵器从基部向远侧延伸并且包括远侧部分。可锁定的接头联接到基部并相对于基部位于近侧。控制器可操作地联接到动力接头。动力接头相对于基部位于远侧。控制器经配置执行操作。操作包括：在可锁定的接头被锁定时驱动动力接头以移动远侧部分，并且在可锁定的接头被解锁并且从外部维持位置、取向或位置和取向二者的参数时驱动动力接头以移动基部。

在另一方面，一种用于操作计算机辅助系统的方法包括：在可锁定的接头被解锁并且操纵器的远侧部分的位置、取向或位置和取向二者的参数被从外部维持时驱动动力接头以移动基部，并且在可锁定的接头被锁定时，驱动动力接头以移动远侧部分。计算机辅助系统包括操纵器和可锁定的接头。操纵器从基部向远侧延伸。可锁定的接头联接到基部并相对于基部位于近侧。动力接头相对于基部位于远侧。

在另一方面，非暂时性机器可读介质包括多个机器可读指令。当由一个或更多个处理器执行时，这些指令适于使一个或更多个处理器执行本文公开的方法中的任意个。

例如，在一个方面，这些指令适于使一个或更多个处理器执行用于操作计算机辅助系统的方法。计算机辅助系统包括操纵器和可锁定的接头。操纵器从基部向远侧延伸。可锁定的接头联接到基部并相对于基部位于近侧。该方法包括：确定基部的期望位置，在可锁定的接头被解锁并且操纵器的远侧部分的位置、取向或位置和取向二者的参数被从外部维持时驱动动力接头以将基部朝向期望位置反向驱动(backdrive)，并且(在可锁定的接头被锁定之后)驱动动力接头以移动远侧部分。动力接头相对于基部位于远侧。

在又一方面，一种计算机辅助外科手术系统包括远程可控操纵器。操纵器从操纵器的基部延伸到远侧部分，该远侧部分包括经配置支撑外科手术工具的联接件(coupling)。外科手术系统还包括在操纵器的基部处的可锁定的接头。基部远侧的动力接头可被驱动，以在可锁定的接头被锁定时相对于运动包络内的参考点移动外科手术工具。运动包络部分地由基部相对于参考点的位置限定。外科手术系统还包括可操作地连接到动力接头的控制器。控制器经配置通过驱动动力接头来改变外科手术工具的运动包络，同时可锁定的接头被解锁并且同时外科手术工具相对于参考点的位置被维持，以便相对于参考点调整基部的位置。

在另一方面，一种方法包括确定由远程可控操纵器支撑的外科手术工具的期望运动包络。该方法还包括：在基部解锁的同时，基于期望运动包络，向操纵器的基部的远侧驱动动力接头，以相对于手术台重新定位基部，使得外科手术工具的运动包络被调整，并且同时保持外科手术工具的位置。

一些实施方式可以包括下面和本文其他地方描述的特征中的一个或更多个，包括下面描述的实施方式的任何适当组合。

在各种实施方式中，远侧部分的位姿通过以下参数(对于远侧部分的一部分)被维持：位置、取向、一个或更多个位置参数、一个或更多个取向参数、位置和取向二者，或者位置和取向参数的组合。

在一些实施方式中，远侧部分的位置相对于参考点被从外部维持，驱动动力接头移动远侧部分使远侧部分相对于参考点移动，并且驱动动力接头移动基部使基部相对于参考点移动。在一些实施方式中，参考点对应于进入端口的位置，工具通过该进入端口进入工作部位。在一些实施方式中，进入端口是微创进入端口或患者的自然孔口的入口。

在一些实施方式中，基部的位置由可锁定的接头维持。例如，锁定可锁定的接头，或者锁定包括可锁定的接头的多个可锁定的接头，使基部的位置锁定。在一些实施方式中，通过维持工具的位置或联接到操纵器的套管的位置来从外部维持远侧部分的位置。

在一些实施方式中，在可锁定的接头被解锁并且从外部维持远侧部分的位置的同时驱动动力接头通过用动力接头反向驱动来移动基部。

在一些实施方式中，响应于确定远侧部分的位置未被从外部维持而减慢或停止驱动动力接头以移动基部。

在一些实施方式中，计算机辅助系统还包括致动模块。操纵器经配置联接到致动模块并通过致动模块支撑工具。在一些实施方式中，致动模块经配置沿着工具的纵向轴线平移工具，并且驱动工具的末端执行器。在一些实施方式中，致动模块包括动力接头。

在一些实施方式中，操纵器包括动力接头。

在一些实施方式中，该方法还包括或者操作还包括：驱动动力接头以使工具在工具的运动范围内居中。在一些实施方式中，动力接头的驱动使工具居中是基于用户选择。在一些实施方式中，驱动动力接头使工具居中包括驱动动力接头以基于工具的指向方向调整基部的位置。

在一些实施方式中，驱动动力接头以移动基部包括确定期望运动包络，以及驱动动力接头以将基部朝向提供期望运动包络的位置移动。在一些实施方式中，驱动动力接头以移动基部包括确定基部的期望位置，以及驱动动力接头以将基部移向期望位置。一旦基部到达或在提供基部期望运动包络或期望位置的一定容差范围内，系统就可以停止移动基部；或者，系统可以响应一些其他标准(诸如响应于指示碰撞的力或偏转、确定无法到达提供期望运动包络的基部位置或期望基部位置、用户输入、用户不存在等)停止移动基部。

在各种实施方式中，基于以下中的一个或更多个来确定基部的期望运动包络或期望位置：操纵器的碰撞的可能性、操纵器的位姿相对于计算机辅助系统的第二操纵器的位姿、操纵器的设定接头的运动包络、要执行的操作类型、操纵器的碰撞的可能性。第二操纵器可以联接到与第一操纵器相同的基部，或者联接到相对于第一操纵器的基部分离且可移动的第二基部。

在一些实施方式中，在可锁定的接头被解锁的同时驱动动力接头以移动基部包括驱动动力接头以基于工具的指向方向调整基部的位置。在一些实施方式中，基于工具的指向方向驱动动力接头包括在工具的插入轴线指向目标的同时驱动动力接头。在一些实施方式中，基于工具的指向方向调整基部的位置有助于使工具在其运动范围或运动包络内居中。

在一些实施方式中，操作还包括，或者该方法还包括：驱动联接到基部并且相对于基部在远侧定位的第二动力接头。例如，动力接头和第二动力接头都被驱动以在可锁定的接头被锁定时移动远侧部分。并且，动力接头和第二动力接头在可锁定的接头被解锁时都被驱动以移动基部，并且远侧部分的位置被从外部维持。

在一些实施方式中，计算机辅助系统还包括一个或更多个附加的可锁定的接头，其在驱动动力接头以移动基部时被解锁，和/或在驱动动力接头以移动基部时被锁定。例如，在一个实施方式中，计算机辅助系统还包括第二可锁定的接头，并且驱动动力接头以移动基部包括驱动动力接头以重新定位可锁定的接头和第二可锁定的接头，同时可锁定的接头和第二个可锁定的接头都是解锁的。

在一些实施方式中，计算机辅助系统还包括经配置将基部联接到台子的设定组件，其中设定组件包括可锁定的接头。

在一些实施方式中，计算机辅助系统还包括传感器，该传感器经配置响应于检测到远侧部分的位置被从外部维持而生成信号。并且，响应于信号而驱动动力接头以移动基部。

在一些实施方式中，计算机辅助系统还包括传感器，该传感器经配置响应于检测到可锁定的接头被锁定而生成信号。并且，驱动动力接头以响应信号移动远侧部分。

在一些实施方式中，可锁定的接头被手动锁定、手动解锁，或者手动锁定和解锁。

在一些实施方式中，该方法还包括(或者操作还包括)：在驱动动力接头移动基部之后解锁可锁定的接头。

在一些实施方式中，该方法包括(或者操作包括)：在驱动动力接头移动基部的同时选择性地解锁或锁定可锁定的接头，同时远侧部分的位置被从外部维持。

在一些实施方式中，该方法还包括(或者操作还包括)：响应于确定工具的运动包络接近工具的期望运动包络，禁止基部的运动。

在一些实施方式中，控制器经配置通过驱动动力接头来反向驱动基部来改变外科手术工具的运动包络。

在一些实施方式中，驱动动力接头包括反向驱动基部。

在一些实施方式中，联接件经配置接收致动模块，该致动模块可操作以驱动外科手术工具的末端执行器。在一些情况下，外科手术系统还包括致动模块。致动模块例如安装到操纵器的联接件，并且致动模块经配置沿着外科手术工具的纵向轴线平移外科手术工具并且当外科手术工具被安装到致动模块时驱动外科手术工具的末端执行器。在一些情况下，动力接头包括致动模块和外科手术工具之间的动力接头。

在一些实施方式中，远程可控操纵器包括动力接头。

在一些实施方式中，当可锁定的接头被锁定时，基部的位置相对于参考点固定，并且基部的位置可相对于参考点移动以在可锁定的接头被解锁时改变外科手术工具的运动包络。

在一些实施方式中，控制器经配置驱动动力接头以使外科手术工具在外科手术工具的运动范围内居中。在一些情况下，控制器经配置基于用户选择驱动动力接头以使外科手术工具居中。

在一些实施方式中，控制器经配置基于将由外科手术系统执行的外科手术操作的类型根据期望运动包络来改变外科手术工具的运动包络。

在一些实施方式中，控制器经配置基于操纵器与障碍物碰撞的可能性，根据期望运动包络来改变外科手术工具的运动包络。

在一些实施方式中，控制器经配置驱动动力接头以调整基部的位置，同时外科手术工具的插入轴线指向患者的目标解剖结构，患者相对于参考点固定。

在一些实施方式中，操纵器包括在基部和外科手术工具之间延伸的联动装置，并且控制器经配置通过相对于基部移动联动装置来改变外科手术工具的运动包络。

在一些实施方式中，控制器经配置驱动第一和第二动力接头以调整外科手术工具的运动包络。

在一些实施方式中，外科手术系统还包括设定组件，该设定组件包括可锁定的接头。例如，设定组件相对于参考点支撑操纵器。例如，控制器经配置驱动动力接头以重新定位设定接头，同时基部可相对于参考点移动，而设定接头可相对于参考点移动，并且同时外科手术工具的位置被维持。

在一些实施方式中，控制器经配置在改变外科手术工具的运动包络之后并且在可锁定的接头被锁定之后驱动动力接头以执行外科手术。

在一些实施方式中，控制器经配置在用户将外科手术工具朝向患者的目标解剖结构引导时驱动动力接头以调整基部的位置。

在一些实施方式中，确定期望运动包络包括基于操纵器的设定接头的运动包络来确定期望运动包络。

在一些实施方式中，确定期望运动包络包括基于要执行的外科手术操作的类型来确定期望运动包络。在一些情况下，重新定位操纵器的基部包括驱动操纵器的动力接头。该方法还包括，例如，驱动动力接头以对患者执行外科手术操作。

在一些实施方式中，确定期望运动包络包括基于操纵器与障碍物碰撞的可能性来确定期望运动包络。

在一些实施方式中，重新定位操纵器的基部包括在解锁操纵器的设定接头的同时重新定位操纵器的基部。

前述的优点可包括但不限于下文和本文其他地方所述的那些优点。基部能够被重新定位，使得外科手术工具能够在外科手术程序中更容易地到达目标解剖结构。对于包括设定组件和操纵器的操纵器系统，操纵器的基部能够被重新定位，而不必人类操作者手动重新定位操纵器系统的基部或设定组件。在基部的重新定位期间，能够调整外科手术工具的运动包络以减小操纵器接触外科手术环境内的物体的可能性。

在一些示例中，除了用于重新定位外科手术工具的致动器之外，不需要致动器来重新定位基部。用于重新定位外科手术工具的致动器也用于重新定位基部。这些致动器能够是运动学地定位在外科手术工具和操纵器的基部之间的致动器，从而避免了对驱动基部的外部致动器的需求。

尽管本公开中呈现的具体示例经常讨论外科手术示例，但是所公开的技术也适用于非外科手术用途。例如，它们可以与通用机器人或工业机器人操作一起使用并改善该机器人操作，例如那些用于操纵工件的机器人操作。这些技术还可以与用于诊断和非外科手术治疗的医疗机器人操作一起使用并改进该机器人操作。

此外，尽管本公开中呈现的具体示例经常讨论远程操作机器人系统和远程可控臂，但是所公开的技术也适用于部分或全部由操作者直接和手动移动的机器人系统。例如，这些技术能够适用于机器人系统，该机器人系统经设计在操作者的手操纵工具时帮助稳定由机器人臂保持的工具。作为另一个示例，这里讨论的任何可控制臂可以经配置允许直接操纵，并且通过直接施加到操纵器的连杆或接头的输入接受操作者指令。

在附图和以下描述中阐述了本说明书中描述的主题的一个或更多个实施方式的细节。根据说明书，附图和权利要求，其他潜在的特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是具有操纵器的示例计算机辅助系统的侧视图。

图2是示例外科手术系统的俯视图。

图3是包括第一和第二远程可控操纵器的示例性外科手术环境的透视图。

图4A是能够联接到设定组件的示例性操纵器的侧透视图。

图4B是图4A的操纵器的俯视透视图。

图4C是图4A的操纵器的侧视图。

图5是示例计算机辅助系统的框图。

图6是再定位操纵器的示例过程的流程图。

图7A和7B描绘了再定位操纵器的示例过程。

图8是用于再定位操纵器的示例输入的图表。

图9是能够用于实施结合本文描述的任何计算机实现的方法描述的控制器的计算机系统的图表。

各附图中同样的附图标记和名称表示同样的元件。

具体实施方式

虽然本文描述的一些示例涉及外科手术程序或工具，或医疗程序和医疗工具，但是所公开的技术适用于非医疗程序和非医疗工具。例如，本文描述的工具、系统和方法可以用于非医疗目的，包括工业用途、一般机器人用途，以及感测或操纵非组织工件。其他示例应用涉及美容改进、人或动物解剖结构的成像、从人或动物解剖结构收集数据，以及训练医疗或非医疗人员。另外的示例应用包括用于从人或动物解剖结构移除(而不返回人或动物解剖结构)的组织上的程序，以及对人或动物尸体进行的程序。此外，这些技术还能够用于外科手术和非外科手术、医学治疗或诊断程序。

此外，尽管本公开中呈现的一些示例讨论了远程操作机器人系统或远程可操作系统，但是所公开的技术也适用于部分或全部由操作者直接和手动移动的计算机辅助系统。例如，这些技术能够应用于机器人系统，该机器人系统经设计在操作者的手操纵工具时帮助稳定机器人臂保持的工具。作为另一个示例，这里讨论的操纵器可以经配置允许直接操纵，并通过直接施加到操纵器的连杆或接头的输入接受操作者指令。

“和/或”在本文中用于表示两种所述可能性中的任一种或两种。例如，“位置和/或取向”用于指示位置、取向或位置和取向参数二者的组合。

“位姿”在本文中用于指示一个或更多个位置参数、一个或更多个取向参数，或位置和取向参数的任意组合。例如，操纵器(或操纵器所保持的物品)的远侧部分的“位姿”能够包括远侧部分(或物品)的一个或更多个位置参数、一个或更多个取向参数，或位置和取向参数的任意组合。因此，尽管为了简单起见，本公开中呈现的具体示例经常讨论维持操纵器的远侧部分的位置，但是本文描述的技术也可用于其他方面。例如，这些技术可用于维持沿一个或更多个轴线或三维空间(3D空间)的位置、绕一个或更多个轴线或3D空间的取向，或操纵器的远侧部分或由操纵器支撑的物品(诸如套管或工具或其他装置)的位置和取向参数的组合。作为特定示例，这些技术可用于维持3D空间中的位置和3D空间中的旋转，使得在该3D空间中不发生平移或旋转。

“重新定位”在本文中用于指示改变位置、取向或位置和取向两者。例如，基部的“重新定位”包括以某种方式平移或旋转基部，从而改变基部的一个或更多个位置或取向参数。

“联动装置”在本文中用于表示包括单个连杆、至少一个连杆或多个连杆的结构，如果适用于给定的上下文的话。

“工具”在本文中用于包含通用或工业机器人工具和专用机器人医疗器械(包括用于诊断和非外科手术治疗的机器人外科手术器械和机器人医疗器械)。示例工具(例如，结合图1描述的工具114)包括：利用荧光透视、辐射、超声波、声波、光学或其他技术的相机或其他成像工具；抽吸、冲洗、抓取、切割、测量和其他各种尺寸、形状和功能的工具；以及应用能量的工具诸如RF、微波、超声波等。

图1描绘了环境10中的计算机辅助系统的侧视图。在该特定示例中，计算机辅助系统包括操纵器再定位系统100。环境10可以是工业、娱乐、训练或外科手术或其他医疗环境。再定位系统100包括操纵器102和控制器104。操纵器102也可以被称为操纵器102。在各种实施方式中，操纵器102全部或部分地被直接操作或遥控操作。在各种实施方式中，操纵器102被远程控制。在图1所示的示例中，操纵器102从近侧部分110处的基部108延伸到能够支撑工具114的远侧部分112。工具114可以是可拆卸工具。在一些实施方式中，操纵器的联接提供允许从操纵器(例如，结合图1描述的操纵器102)移除工具的接口。例如，在一些实施方式中，联接提供允许快速移除工具并安装相同工具或不同工具的工具/操纵器接口。

可锁定的接头106位于操纵器102的基部108近侧，并且是可锁定且可不锁定的接头。在各种实施方式中，可锁定的接头106经配置手动锁定、手动解锁、自动锁定、自动解锁或前述的组合。在一些实施方式中，可锁定的接头106默认锁定，并且需要用户的有意或连续输入来解锁可锁定的接头106。在图1的示例中，可锁定的接头106位于基部108处，并且位于操纵器102的近侧部分110处。

在接头106是基部108和结构之间的唯一接头的情况下，锁定该接头106将锁定基部108相对于该结构的位姿。也就是说，基部108的锁定位姿被保持在窄的公差范围内，这受到接头106和结构的设计和操作的限制。因此，基部的位姿可以参考参照系，并且相对于该参照系保持静止。示例性参照系包括相对于环境10固定的坐标系、工件或工作部位的特定特征、工作部位的进入端口、重新定位之前的操纵器102的一部分等。如果环境10是在外科手术或其他医疗环境中，可附接的参照系的示例包括患者组织、患者解剖特征、支撑患者的表面、地板表面、外科手术环境等。

在一些实施方式中，锁定该接头106保持基部相对于参考点118固定。在参考点118相对于环境10固定的情况下，锁定该接头106保持基部相对于环境10固定。在一些医疗实施方式中，参考点118对应于相对于工件109固定的点。参考点118能够例如对应于工具114通过其插入或将通过其插入的工件109上的插入部位或端口上的点、相对于环境10中的地板表面固定的点、相对于环境10中的手术台固定的点等。在外科手术或其他医疗背景中，工件109可包括患者的一部分，并且插入部位或端口可包括患者的切口或自然孔口。

在基部108远侧的动力接头116能够由控制器104可操作的致动器驱动，以引起基部108的相对重新定位、操纵器102的一部分(诸如操纵器102的远侧部分112)的相对重新定位、和/或在安装时联接到操纵器的物品(诸如套管或工具114)的相对重新定位。动力接头116与操纵器102的一个或更多个联动装置运动学上串联地定位在例如当工具114由操纵器102支撑时将位于的位置和基部108之间。例如，动力接头116能够连结操纵器102的两个联动装置，或者连结被安装到操纵器102的远侧部分112的联动装置和装置。动力接头116在实施中例如定位在操纵器102的近侧部分110和远侧部分112之间。当工具114被支撑在操纵器102的远侧部分112上时，工具114和基部108在动力接头116被驱动时相对于彼此移动。控制器104例如操作联接到动力接头116的致动器以驱动动力接头116并引起基部108和远侧部分112之间的相对移动，并且因此引起在基部108和工具114(如果安装到操纵器102的远侧部分的话)之间的相对移动。在这里描述的过程和操作期间，控制器104操作动力接头116以便相对于远侧部分112(或联接到操纵器的物品，诸如套管或工具114(当被安装时))移动基部108。为了调整基部108的位置(和/或取向)，控制器104驱动动力接头116，同时：(a)联接到基部108的接头106被解锁，并且(b)远侧部分112(或联接到操纵器的物品)的位置(和/或取向)被从外部维持。

为了重新定位基部108，控制器104能够通过选择性地激活移动动力接头116的一个或更多个致动器来驱动动力接头116。动力接头116的从动运动能够反向驱动接头106，从而移动基部108。在一些情况下，基部108的这种反向驱动仅通过动力接头116的从动运动来实现，并且没有操纵器102的(一个或更多个)任何其它动力接头的运动。在一些情况下，基部108的这种反向驱动通过操纵器102的一个或更多个其它动力接头的附加从动运动补充动力接头116的从动运动来实现。在一些情况下，基部108的这种反向驱动仅通过可锁定的接头106的反向驱动运动来实现。在一些情况下，基部108的这种反向驱动是通过可锁定的接头106的反向驱动运动和操纵器102的一个或更多个其他可锁定的接头的其他反向驱动来实现的。

因此，再定位系统100是示例计算机辅助系统，其包括一个或更多个操纵器(例如操纵器102)，每个操纵器经配置支撑工具(例如，工具114)。计算机辅助系统包括一个或更多个可锁定的接头(例如接头116)和控制器(例如控制器104)。每个操纵器从基部(例如基部108)向远侧延伸并且包括远侧部分(例如，远侧部分112)。一个或更多个可锁定的接头联接到基部并相对于基部位于近侧。控制器104可操作地联接到一个或更多个动力接头(例如动力接头106)。动力接头相对于基部位于远侧。控制器104经配置执行一种方法或一组操作，包括如下：驱动至少一个动力接头以在至少一个可锁定的接头被锁定的同时移动远侧部分，并驱动至少一个动力接头以在至少一个可锁定的接头被解锁且从外部维持一个或更多个远侧部分的位置的同时移动基部。

在一些实施方式中，控制器104驱动动力接头106以使基部108朝向基部的期望位置(和/或取向)移动。可以基于期望运动包络122或任何其他适当的标准来确定期望位置(和/或取向)。在一些实施方式中，控制器104驱动动力接头106以将基部108朝向为工具114提供期望运动包络122的位置(和/或取向)移动。在一些实施方式中，一旦基部108到达对基部108提供期望运动包络或期望位置的位置(和/或取向)或处于其一定容差内，则控制器104就停止移动基部108。在一些实施方式中，控制器104可以在实现期望基部位置或期望运动包络122之前停止驱动动力接头116，或者停止移动基部108。这种停止可以响应于一些其他标准，例如响应于指示碰撞的力或偏转，响应于确定无法到达为基部108提供期望运动包络或期望位置的位置(和/或取向)，响应于用户输入，响应于用户不存在等。

在一些实施方式中，在基部已经通过动力接头116反向驱动而被移动之后，可锁定的接头106被解锁，以允许动力接头116的驱动从而移动远侧部分112(或由远侧部分112保持的装置，诸如套管或工具114)。在各种实施方式中，可锁定的接头106被手动解锁或者响应于指示应该解锁可锁定的接头的用户输入被解锁。在一些实施方式中，控制器104在实现期望基部位置或期望运动包络122之后自动地使可锁定的接头自动解锁。

在基部108的重新定位期间，操纵器102的远侧部分112(或者由操纵器102支撑的物品，诸如套管或工具114(如果安装到操纵器102的话))能够被从外部维持在环境10内的期望位置(和/或取向)。可以相对于任何适当的参考维持位置(和/或取向)。在一些实施方式中，参考包括参考点(例如，参考点118)、一个或更多个参考方向或参考帧。在一些实施方式中，由没有取向信息的单个点组成的参考在仅维持位置的实施方式中能够是足够的。在一些实施方式中，参考包括一个或更多个参考方向但不包括参考位置；例如，所述一个或更多个参考方向可以基于紧接在重新定位过程开始之前的远侧部分112的三维取向。在仅维持对应于一组(一个或更多个)方向的(一个或更多个)取向的实施方式中，没有参考位置的该组方向能够是足够的。在一些实施方式中，参考包括参考位置和一个或更多个参考方向；当维持位置和一个或更多个取向参数时，可以使用这样的参考。在一些实施方式中，参考包括足以在三维空间中定义位置和取向的完整参考系。

当位置被保持在可接受的位置变化范围内时，维持该位置。例如，在一些实施方式中，可接受的位置变化范围是零，并且维持该位置涉及保持位置完全不变。在一些实施方式中，可接受的位置变化范围是非零的，并且基于系统设计的限制；考虑到机械、电气和计算公差以及误差，位置尽可能维持接近不变。在一些实施方式中，可接受的位置变化范围是非零的，并且包括基于操作条件的界限。例如，在一些情况下，可接受的位置变化范围是毫米或厘米的数量级，并且设置为避免损坏工件或人体组织。在一些情况下，可接受的位置变化范围更大。在一些情况下，可接受的位置变化范围在不同的平移自由度之间是不同的。

类似地，当取向保持在可接受的取向变化范围内时，维持取向。在各种实施方式中，基于性能条件，可接受的取向变化范围可以是零，可以是由系统性能限制的最小量，可以小于一度或多度或更大度数，诸如避免对工件或人体组织的损坏等。在一些情况下，可接受的取向变化范围在不同的旋转自由度之间不同。

在一些实施方式中，被维持在合适位置(和/或取向)的操纵器102的远侧部分112仅包括操纵器的远侧连杆的一部分或全部。例如，被维持的远侧部分112可以包括远侧连杆的远侧端部、可以包括远侧连杆的经配置在程序期间与进入端口相邻的一部分、可以包括联接到安装到操纵器的装置(例如，诸如工具或套管等的装置)的远侧连杆的一部分、可以包括整个远侧连杆或者可以包括整个远侧连杆和操纵器102的(一个或更多个)其他更远侧部分。

类似地，当维持工具114或套管的特定部分的位置(和/或取向)时，工具114或套管能够被认为被维持在适当位置(和/或取向)。在一些情况下，通过维持工具114或套管的远侧部分、工具114或套管的邻近进入端口的一部分、工具114或套管的与工具或套管的远程旋转中心重合的一部分等的位置(和/或取向)来维持工具114或套管的位姿。

在一些示例中，当接头106被锁定时，基部108的位姿不移动(例如，相对于诸如锚定到环境10的参考系的参考，或包括参考点118的参考)。如果远侧部分112在这种情况下是可移动的(例如，自由且不受约束从而相对于参考可移动)，则当动力接头116被驱动且接头106锁定时，控制器104能够相对于参考引起远侧部分112的移动。当远侧部分112支撑工具114时，工具114与远侧部分112一起移动，并因此响应于动力接头116被驱动而移动。因此，动力接头116可被驱动以使工具114在至少部分地由基部108的位置(和/或取向)限定的运动包络120内移动。例如，工具114被驱动以在运动包络120内移动，以利用运动包络120对目标解剖结构执行操作。

在一些示例中，当接头106被解锁时，基部108的位姿是可移动的(例如，相对于诸如锚定到环境10的参考系的参考或包括点118的参考)。如果接头106被解锁并且操纵器102的远侧部分112的位姿得以维持，则控制器104能够通过驱动动力接头116使基部108相对于参考移动。操纵器102的近侧部分110(例如)相对于参考移动，同时操纵器102的远侧部分112相对于参考维持固定。如果远侧部分112支撑工具114，则工具114不会由于远侧部分112的移动而移动(因为远侧部分112在动力接头116被驱动时没有移动)。在这方面，驱动动力接头116的控制器导致近侧部分110的反向驱动并因此移动基部108；这导致基部108相对于远侧部分112(或联接到操纵器的物品，诸如套管或工具114(如果安装的话))并且相对于参考的运动。

控制器104能够通过在接头106被解锁时驱动动力接头116以及同时维持远侧部分112(或者联接到操纵器的物品，诸如套管或工具114(如果安装的话))的位姿来改变工具114的运动包络。调整基部108的位置。当基部108被解锁时并且同时远侧部分112(或联接到操纵器的物品)的位置(和/或取向)相对于参考(诸如包括点118的参考)被保持，控制器104驱动动力接头116。基部108相对于经维持的远侧部分112(或联接到操纵器的物品)移动。因为远侧部分112(或联接到操纵器的物品)的位置(和/或取向)是固定的或以其他方式维持的，所以基部108能够由动力接头116反向驱动。当基部108移动时，工具114的运动包络能够改变。类似的过程能够用于调整基部108的取向。

在各种实施方式中，控制器104操作动力接头116以朝向实现工具114的期望运动包络122的方式移动基部108。在一些实施方式中，期望运动包络122对应于其中工具114能够由操纵器102驱动以到达适合于该程序的位置的运动包络。例如，期望运动包络122能够对应于如下运动包络，即工具114的末端执行器或工具114的与工件相互作用或对工作部位成像的其他零件能够到达程序的目标位置。在医疗背景中，目标位置可以包括用于要执行的医疗操作的目标解剖结构。在各种实施方式中，运动包络由物理设计、致动限制(例如，操纵器的接头的运动范围)、操纵器102的位姿、基部108的位置等确定。

当基部108处于图1所示的初始位姿时，工具114可移动通过初始运动包络120。当基部108处于最终位姿(图1中未示出)时，工具114可移动通过期望运动包络122。控制器104操作动力接头116以将基部108从其初始位姿移动到其最终位姿，从而趋向实现工具114的期望运动包络122。运动包络120、122对应于(例如)用于工具114的三维运动包络，例如，用于工具114的末端执行器、远侧部分或远侧端部。在各种实施方式中，当基部到达对应于期望运动包络122的期望位置时或当已经实现了期望运动包络122时，控制器(例如，通过致动基部108的一个或更多个制动器)停止驱动动力接头116和/或基部108的运动。在一些实施方式中，响应于用户命令或其他标准，控制器在到达期望基部位置或实现期望运动包络122之前停止驱动动力接头116和/或基部108的运动。

虽然以上示例是关于操纵器描述的并且集中于一个动力接头116，但是各种实施方式可以具有一个或更多个动力接头116。例如，在一些实施方式中，动力接头116是图11所示的多个动力接头116a、116b、116c中的一个。在一些实施方式中，动力接头116a、116b、116c在接头106被解锁的同时由控制器104选择性地驱动，以移动基部108(例如，相对于诸如包括参考点118的参考的参考)。在图1所示的架构中，在可锁定的接头106解锁的情况下驱动动力接头116a能够使基部108以第一自由度(DOF)移动。同时，在可锁定的接头106解锁的情况下驱动动力接头116b能够以第二DOF移动基部108，并且在可锁定的接头106解锁的情况下驱动动力接头116c能够以第三DOF移动基部108。第一、第二和第三DOF是不同的DOF。在一些实施方式中，控制器104同时操作动力接头(例如，116a、116b、116c)以便以实现工具114的期望运动包络122(或者将基部108置于期望位置)的方式移动基部108。在一些实施方式中，控制器104在时间上单独地/分别地或在时间上以不同的组合操作动力接头(例如，116a、116b、116c)，以便以分段时间方式移动基部以实现工具114的期望运动包络122(或将基部108置于期望位置)。

在一些实施方式中，一个或更多个动力接头116由操纵器102的致动器驱动。在一些实施方式中，一个或更多个动力接头116由一个或更多个致动器驱动，并且这些一个或更多个致动器进而由致动模块402驱动。在一些实施方式中，该致动模块可移除地安装到操纵器102。

在图1所示的示例中，一个或更多个动力接头116由操纵器102的一个或更多个致动器驱动，并且一个或更多个动力接头116由致动模块402的一个或更多个致动器驱动。具体地，动力接头116a、116b是操纵器102的动力接头，并且由操纵器102的一个或更多个致动器驱动；相比之下，动力接头116c是致动模块402的动力接头，并且由致动模块402的一个或更多个致动器驱动。在操作期间，控制器104驱动动力接头116a、116b并且移动致动模块402，从而相对于基部108移动工具114。此外，控制器104驱动动力接头116c以使工具114相对于致动模块402旋转，并使工具114相对于基部108移动。

虽然关于具有一个可锁定的接头106的操纵器描述了上面的示例，但是各种实施方式可以具有一个或多个可锁定的接头106。例如，在一些实施方式中，可锁定的接头106是多个可锁定的接头106a、106b、106c中的一个。图1示出了具有三个可锁定的接头106a、106b、106c的这种示例。具体而言，在图1所示的示例中，可锁定的接头106a将操纵器102连接到设定组件。可锁定的接头106b连接设定组件的联动装置。可锁定的接头106c将设定组件连接到支撑结构。在各种实施方式中，支撑结构包括固定装置、支架、台子或台子的一部分(例如台面、台子导轨、台子基部、台子腿)等。在一些实施方式中，当动力接头116被驱动以重新定位基部108时，可锁定的接头106a、106b、106c中的一个或更多个被解锁。在具有多个可锁定的接头的一些实施方式中，当动力接头116被驱动以重新定位基部108时，至少一个可锁定的接头被锁定并且至少一个其他可锁定的接头在部分或整个持续时间内被解锁。在一些实施方式中，在驱动动力接头116以移动基部108的同时选择性地解锁或锁定可锁定的接头106有助于引导基部108的移动。例如，在一些实施方式中，基部108朝向期望基部位置或期望运动包络122的运动随时间以分段方式实现。接头106的第一组合被锁定或解锁以便于第一。然后，接头106的第二、不同组合被锁定或解锁，以便于基部108朝向期望基部位置或期望运动包络122的第二运动。基部108的第一和第二运动可以在不同的方向上。可利用锁定或解锁接头106的附加组合来提供基部108的附加运动。

虽然图1示出了由操纵器102支撑的工具114，并且工具114通过进入端口朝向工件109的工作部位插入，所讨论的技术也能够用于在没有工具114的情况下，或者在具有安装用于在没有进入端口的情况下进入的工作部位上的程序的工具114，或者在具有安装但未插入进入端口用于进入工作部位的工具114的情况下，重新定位系统的基部。例如，操纵器102的远侧部分112(或维持在远侧部分112中的物品，诸如套管或工具114)可通过任何适当的技术从外部维持在适当位置和/或取向。

示例外部维持技术包括以下中的任何一个或其组合：操作者施加的力、固定装置、其他机器人臂、进入端口壁力(例如，其中工件包括患者解剖结构的患者组织力)和不同于驱动操纵器102的致动器或制动器的其他技术。因而，远侧部分112的位置(和/或取向)能够被直接或通过媒介物(诸如安装到远侧部分112的物品)间接维持。作为具体示例，在一些实施方式中，可以通过维持工具114(当联接到远侧部分112或操纵器102的另一部分时)的位置，或通过维持联接到远侧部分112或操纵器102的另一部分的套管或其他装置，来从外部维持远侧部分112的位姿。

图2示出了包括外科手术系统200的示例计算机辅助系统。在该示例中，远离患者209的外科医生202通过操纵远离操纵器102定位的控制台203的控制输入来执行远程外科手术操作。在一些实施方式中，如图2所示，环境10包括障碍物，例如：操作者206、208、210；手术台212；电子推车214；外科手术工具台216、218以及环境10中的其他对象。在操纵器102的操作期间，当工具114移动通过其运动包络时，操纵器102可能与障碍物碰撞。如本文所述，为了抑制与障碍物的碰撞，调整操纵器102的基部108的位置(和/或取向)以基于操纵器102与障碍物之间的碰撞的可能性来实现期望运动包络。具体地，调整工具114的运动包络(图1中示出)以抑制碰撞的可能性，例如，当工具114移动通过期望运动包络时碰撞的可能性小于当工具114移动通过其初始运动包络时碰撞的可能性。该调整可以如通过使用在定义期望运动包络122时的碰撞的可能性的估计等在初始设置时被定义的、在术中被执行。

图3是包括第一和第二远程可控操纵器的示例性外科手术环境的透视图。图3是手术台302上的患者209的透视图。操纵器系统300包括设定组件304，其相对于参考(例如，包括参考点118的参考)支撑(关于图1描述的)操纵器102。设定组件304安装到支撑结构306。在一些实施方式中，支撑结构306是手术台302的一部分，例如，是手术台302的床栏。支撑结构306包括托架305，其将设定组件304固定到手术台302。在一些示例中，设定组件304和/或操纵器102由例如人类操作者手动调整到相对于参考点的期望位置。参考点相对于支撑结构306是固定的。期望位姿能够从相对于患者209的多个可选择的位姿中的一个选择。期望位姿例如对应于其中工具114的插入轴线与通过患者体壁20的进入端口的位置对准的位姿。操作者手动操纵设定组件304和/或操纵器102，以使工具114能够通过进入端口进入目标解剖结构。

虽然设定组件304被描述为轨道安装的，但是在一些实施方式中，设定组件304被安装成使得设定组件304从顶置框架、地板或外科手术环境的其他固定部分延伸。设定组件304例如从相对于外科手术环境的地板可移动的推车延伸，并且推车包括制动机构以维持推车相对于地板的位置(和/或取向)。例如，设定组件304安装到相对于顶置框架可移动的台架。台架相对于顶置框架移动以相对于患者重新定位设定组件304。

操纵器102可释放且可调整地联接到设定组件304。操纵器102的基部108(例如操纵器102的近侧端部)被安装到设定组件304的远侧部分。设定组件304包括联接支撑结构306、设定组件304和操纵器102的设定接头系统。接头系统可选择性地锁定以抑制或允许在支撑结构306与设定组件304之间和/或在操纵器102和设定组件304之间的相对运动。设定组件304的设定接头是可手动调整的。设定组件304具有多个自由度(DOF)，并且当接头系统被锁定时以期望配置固定不动。

接头系统包括一个或更多个可锁定的设定接头。在一些示例中，接头系统包括可锁定的接头309a、309b，其中可锁定的接头309a经配置被锁定成相对于支撑结构306固定设定组件304，并且可锁定的接头309b经配置被锁定成将设定组件304固定到操纵器102。可锁定的接头309a、309b能够是被动(可手动调整)或主动(动力可调或动力辅助可调)的。在图3中描绘的示例中，可锁定的接头309a、309b可手动调整并可手动锁定。

在一些实施方式中，可锁定的接头309a、309b中的一个或更多个是手动可锁定的接头。操作者手动操作可手动操作的机构，例如旋钮、控制杆、开关、按钮等，以锁定可锁定的接头。在一些情况下，可手动操作的机构是纯机械机构，其被手动锁定以抑制操纵器系统300的部件的相对运动。在一些情况下，当操作者手动操作可手动操作的机构时，产生启动锁定操作的电信号。电信号使机电机构锁定可锁定的接头。在一些情况下，控制器104经配置操作机电机构。启动锁定操作的电信号使控制器104操作机电机构以锁定可锁定的接头。在这方面，控制器104还经配置识别可锁定的接头何时被解锁或可锁定的接头何时被锁定。在一些情况下，可锁定的接头309a、309b包括液压锁定机构或其他机构，以帮助锁定可锁定的接头309a、309b。这种锁定行为的许多替代方案都是可能的。在一些情况下，锁定默认为“始终锁住”，并且当操作者手动操作可手动操作的机构时或者当控制器104提供用于引起这种解锁的信号时，电信号启动解锁操作。或者，锁定默认为“始终锁住”，并且当操作者未手动操作可手动操作的机构时，或者当控制器104提供用于锁定的信号或者不提供用于解锁的信号时，电信号启动解锁操作。

在所示的示例中，当可锁定的接头309b将设定组件304固定到操纵器102时，设定组件304的联动装置310被固定到操纵器102的联动装置组件312。具体地，当可锁定的接头309b被锁定时，联动装置310的远侧部分通过可锁定的接头309b被固定到联动装置组件312的近侧部分。联动装置310的近侧部分通过可锁定的接头309a安装到支撑结构306。如关于图4A至4C所示，联动装置组件312包括一个或更多个联动装置，当被一个或更多个动力接头驱动时，该一个或更多个联动装置移动以引起基部108、远侧部分112和/或联接到操纵器102的物品(诸如工具114)的相对重新定位。联动装置组件312(例如)使得工具114能够进行偏转和俯仰运动。

在一些实施方式中，可锁定的接头309a、309b中的一个对应于关于图1描述的可锁定的接头106。如果操纵器系统300安装到支撑结构306，并且工具114安装到操纵器系统300，则工具114在动力接头116被驱动时并且在可锁定的接头309a、309b中的一个或更多个被锁定时相对于支撑结构306移动。例如，可锁定的接头309a在被锁定时通过抑制设定组件304的联动装置310相对于支撑结构306的运动来禁止设定组件304相对于支撑结构306的运动。锁定的接头309b在被锁定时通过阻止设定组件304的联动装置310相对于操纵器102的联动装置组件312的运动，禁止设定组件304相对于操纵器102的运动。就此而言，当可锁定的接头309a被解锁时，操纵器102的基部108可相对于支撑结构306移动，例如，由于联动装置310相对于支撑结构306的移动。当锁定的接头309b被解锁时，操纵器102的基部108可相对于支撑结构306移动，例如，由于联动装置组件312相对于联动装置310的移动。

当可锁定的接头309a、309b中的一个或两个被解锁并且工具114的位姿被维持时，当动力接头116被驱动时，基部108相对于工具114(或者如果被安装到操纵器102，工具114将在的位置)重新定位，从而改变工具114的运动包络。基部108由动力接头116反向驱动，使得操纵器102的近侧部分110(而不是操纵器102的远侧部分112)被移动。动力接头116处的扭矩输入在基部108(而不是在远侧部分112)处产生输出移动。

在该示例中，为了相对于支撑结构306移动工具114，动力接头116在接头系统被锁定的情况下(例如，可锁定的接头309a、309b都被锁定)被驱动。如本文关于图4A-4C所述，在一些实施方式中，多个动力接头被驱动，其中可锁定的接头309a、309b经锁定以相对于支撑结构306移动工具114。如本文所述，动力接头能够是操纵器102的动力接头和/或致动模块402的动力接头。

在一些实施方式中，操纵器系统300是多个操纵器系统300a、300b中的一个，其中每个操纵器系统300a、300b包括对应的设定组件和对应的远程可控操纵器。两个操纵器系统300a、300b都安装到支撑结构306。在一些示例中，多个工具用于程序。作为外科手术示例，多个外科手术工具通常用于单个外科手术操作。

作为进一步的外科手术示例，可以结合本文描述的技术使用不同类型各种替代计算机辅助的远程操作外科手术工具和不同的末端执行器。在一些情况下，至少一些操纵器的外科手术工具在外科手术程序中被移除和替换。在一些情况下，计算机辅助的远程操作外科手术工具包括多个DOF，例如但不限于滚动、俯仰、偏航、插入深度、钳口的打开/关闭、缝合器递送的致动、电烙器的激活等。这样的DOF中的至少一些能够由操纵器102的致动器致动，外科手术工具选择性地联接到该操纵器102。包括例如DeBakey Forceps(德巴基钳)、微镊子和Potts scissors(珀特斯剪刀)的若干末端执行器包括相对于彼此枢转的第一和第二末端执行器元件，以便限定一对末端执行器钳口。其他末端执行器(包括手术刀和电烙器探针)具有单个末端执行器元件。对于具有末端执行器钳口的外科手术工具，通常通过挤压输入装置的抓握构件来致动钳口。在一些情况下，外科手术工具包括图像捕获装置，诸如相机。

图4A描绘了操纵器102和待安装到操纵器102的工具114的示例的透视图。操纵器102可以联接到设定组件(诸如设定组件304)。操纵器102包括(例如)基部108上的安装件404以将设定组件304可释放地联接到操纵器102。

基部108经配置与设定组件304可释放地联接。基部108包括例如安装件404。安装件404将基部108联接到设定组件304，使得基部108可相对于设定组件304以三个或更多个自由度移动。安装件404例如是从基部108的近侧端部延伸的球，球经配置被容纳在设定组件304的插槽中。安装件404允许操纵器102被联接到设定组件304使得操纵器102能够相对于设定组件304重新取向。安装件404对应于例如关于图3描述的可锁定的接头309b。当在操纵器102和设定组件304之间达到所需的取向时，安装件404能够可释放地锁定在固定的取向中，例如，可锁定的接头309b被锁定。然后，基部108相对于设定组件304保持不动，直到安装件404被解锁。

如本文所述，操纵器102的远侧部分112经配置联接到工具114。操纵器102包括致动模块联接件414，以可释放地与致动模块402联接，工具114安装到致动模块402。在外科手术示例中，致动模块402包括用于致动包括外科手术工具的工具114的外科手术工具致动模块。联接件414经配置可释放地与套管410联接，套管410与工具114的插入轴线406同轴。套管410限定了沿着插入轴线406可滑动地接收工具114的轴408(或其他装置，诸如但不限于内窥镜)的管腔。对于外科手术操作，套管410可包括患者体壁入口，该患者体壁入口经配置经由患者体壁上的外科手术进入位置通过患者从联接件414向远侧延伸。

致动模块402可释放地接收工具114。致动模块402例如可从操纵器102拆卸，以使致动模块402能够容易地与另一个致动器系统互换。当工具114安装到致动模块402时，工具114的轴408延伸通过套管410。在外科手术示例中，套管410延伸通过患者体壁以引导轴408和工具114的末端执行器412通过患者体壁进入其中末端执行器412将执行外科手术操作的腔体。当执行计算机辅助的远程操作外科手术时，末端执行器412由外科医生202(图2中所示)远程控制。

致动模块402例如是包括致动器的系统的独立单元，以在工具114安装到致动模块402时控制工具114的运动。操纵器102驱动联接件414以控制致动模块402和安装到致动模块402的工具114的运动。操纵器102的联动装置组件312例如通过联接件414与致动模块402可释放地联接，使得当联动装置组件312被操作时致动模块402移动。

还参考图4B和图4C，操纵器102包括例如联动装置组件312的联动装置405a、405b。基部108和联动装置405a可旋转地联接，例如，联动装置405a可相对于基部108旋转。联动装置405b的近侧部分联接到操纵器102的致动器(例如，定位在联动装置405a内)。联动装置405b的远侧部分联接到联接件414。

在一些示例中，操纵器102包括致动器以控制工具114的第一组DOF，并且致动模块402包括一个或更多个致动器以控制工具114的第二组DOF。第一组DOF包括例如俯仰运动421、偏航运动422和工具114相对于参考的滚动运动423(例如，包括参考点118的参考)。当工具114安装到致动模块402并且致动模块402安装到联接件414时，工具114经配置经历俯仰运动421、偏航运动422和滚动运动423。工具114的第二组DOF包括例如工具114的插入运动424。在一些示例中，如果工具114的末端执行器412包括DOF，则第二组DOF还包括末端执行器412的末端执行器运动。

操纵器102的控制器104经配置响应于输入(例如，来自外科医生202使用(如参考图2所述的)外科医生控制台203的输入)致动联接件414的俯仰运动421、偏航运动422和滚动运动423。操纵器102包括两个可选择性地操作的致动器以分别致动俯仰运动421和偏航运动422。在一些实施方式中，操纵器102包括三个或更多个可选择性地操作的致动器。致动模块402包括可选择性地操作的致动器以致动滚动运动423。在一些情况下，致动模块402是操纵器102的整体部件，并且操纵器102包括致动器以致动滚动运动423。在一些实施方式中，用于俯仰运动421、偏航运动422和滚动运动423的致动器中的一个对应于关于图1描述的动力接头116的致动器。用于俯仰运动421、偏航运动422和滚动运动423的致动器例如是电动马达。

对于俯仰运动421，当操纵器102的致动器(未示出)被驱动时，联接件414沿着路径418平移穿过联动装置405a中的狭槽419。联动装置405a和联动装置405b联接成使得联动装置405b相对于联动装置405a可沿着路径418通过联动装置405a中的狭槽419移动。当致动器驱动联动装置405b时，联接件414被驱动，例如沿路径418平移。路径418对应于例如弧形路径，联动装置405b的远侧部分沿着该弧形路径行进，并且弧形路径限定俯仰弧。

对于偏航运动422，当操纵器102的另一个致动器(未示出)被驱动时，联动装置405a相对于基部108绕偏航轴线420旋转。联动装置405a例如可沿逆时针方向和/或顺时针方向绕偏航轴线420旋转。联动装置405b和联接件414可旋转地联接到联动装置405a，使得联动装置405b和联接件414随着联动装置405a的旋转而旋转。

对于滚动运动423，操纵器102的控制器104可操作以驱动致动模块402以使致动模块402相对于联接件414旋转。在一些示例中，当固定到致动模块402的齿轮被驱动时，致动模块402与工具114一起旋转。操纵器102包括例如致动器425，其可由控制器104操作以使致动模块402围绕插入轴线406旋转。

当控制器104连接到致动模块402(例如，电连接到致动模块402)时，控制器104经配置操作致动模块402的致动器。致动模块的致动器402可操作以引起工具114的插入运动424并致动工具114的末端执行器412。具体地，控制器104响应于输入(例如通过使用(如参考图2所述的)外科医生控制台203的来自外科医生202的输入)产生控制信号来操作致动模块402的致动器。在这方面，在一些示例中，操纵器102不包括引起插入运动424的致动的致动器或致动末端执行器412的致动器。而是，致动模块402包括这些致动器，并且这些致动模块402能够与控制器104断开连接以使得不同的致动模块能够被容易地安装到操纵器102。

在一些示例中，为了在致动模块402安装到操纵器102时致动插入运动424，控制器104操作致动模块402的致动器以将工具114插入患者体内。用于插入运动424的致动器例如是容纳在致动模块402中的电动马达。经历插入运动424的工具114沿着插入轴线406平移通过患者身体组织。致动模块402是还可操作以使工具114从患者缩回，例如，沿着插入轴线406将工具114平移远离患者身体组织。

在一些情况下，致动模块402可操作以致动工具114的末端执行器412。如果末端执行器412包括可移动或可枢转元件，则致动模块402可操作以致动末端执行器412以引起末端执行器运动，例如，引起末端执行器元件移动或枢转。如果末端执行器412包括电烙器装置，则致动模块402可操作以将电能输送到电烙器装置以烧灼患者组织。如本文所述，工具114可包括其他类型的末端执行器，并且致动模块402因此能够相应地包括其他致动系统以操作末端执行器。用于末端执行器致动的致动器取决于末端执行器412的类型。如果末端执行器412包括可移动的末端执行器元件，则致动器是电动马达。如果末端执行器412递送电能，则致动器是可操作以将电能输送到患者组织的可变电源。

在一些实施方式中，操纵器102是硬件约束的远程运动中心系统。基部108和联动装置405a、405b相对于彼此布置，使得插入轴线406和偏航轴线420在弧形路径418的中心点处彼此相交，例如在远程运动中心426处。

远程运动中心426是空间中的点，围绕该点进行本文所述的俯仰运动421、偏航运动422和滚动运动423。例如，当工具114经历俯仰运动421时，远程运动中心426的位置不变，因为弧形路径418的中心点位于远程运动中心426处。弧形路径418的半径的中心点例如与远程运动中心426重合。因此，工具114的俯仰运动421围绕远程运动中心426进行，因为弧形路径418的半径的中心点是与远程运动中心426重合。

在一些示例中，当联动装置405a相对于基部108旋转以产生工具114的偏航运动422时，远程运动中心426的位置不变，因为偏航轴线420穿过远程运动中心426。此外，当致动模块402相对于联动装置405b围绕插入轴线406旋转以产生工具114的滚动运动423时，远程运动中心426的位置不变，因为插入轴线406穿过远程运动中心426。

在一些实施方式中，在联接件414沿着弧形路径418的所有位置处，插入轴线406和偏航轴线420在弧形路径418的中心处彼此相交，远程运动中心426位于弧形路径418的中心。替代地或另外地，在联接件414围绕联动装置405a的偏航轴线420相对于基部108的所有位置处，插入轴线406和偏航轴线420在弧形路径418的中心处彼此相交，其中远程运动中心426位于弧形路径418的该中心处。此外，在联接件414沿弧形路径418的所有位置处结合关于联动装置405a的偏航轴线420相对于基部108的任何位置，插入轴线406和偏航轴线420在弧形路径418的中心处彼此相交，远程运动中心426位于该中心处。在这方面，关于图1描述的工具114的运动包络120取决于远程运动中心426的位置。例如，随着工具114在远程运动中心426的给定位置处经历俯仰运动421、偏航运动422和滚动运动423，运动包络120包括工具114的一部分(诸如工具114的末端执行器)的所有可能位置。在一些实施方式中，远程运动中心426位于其他点处(例如，在距离插入轴线406的特定距离处)。在一些情况下，操纵器102使用软件约束的远程运动中心(而不是远程运动中心426或者除了远程运动中心426之外)来实现。

在诸如外科手术操作的操作期间，远程运动中心426在一些情况下经定位与套管410的区域重合。远程运动中心426例如定位在患者的体壁处。这种布置的一个优点是，当工具114经历俯仰运动421、偏航运动422和/或滚动运动423时，由套管410施加到体壁的任何所产生的应力可忽略不计，因为套管410的与主体壁接触的部分(即在远程运动中心426处)即使在工具114经历运动421、422和423时，仍维持基本不动。

图5给出了示例性控制系统500的框图，该示例性控制系统500能够与计算机辅助系统(诸如再定位系统100)一起使用。如图5所示，控制系统500包括控制器104和驱动系统502。控制器104能够以引起操纵器102的远侧部分112和基部108的相对运动的方式操作驱动系统502。驱动系统502包括关于图1描述的动力接头116。动力接头116例如对应于用于俯仰运动421、偏航运动422和/或滚动运动423的致动器之一的接头。动力接头116能够操作以致动工具114的俯仰运动421、偏航运动422和/或滚动运动423，并且还能够操作以致动基部108的运动，例如，以在空间中平移基部108。如果驱动系统502包括多个动力接头以反向驱动基部108，则基部108能够在两个或更多个维度上移动。驱动系统502包括例如本文所述的致动器中的一个或更多个以驱动联动装置组件312。

在一些实施方式中，控制系统500包括基部锁定系统504。控制器104能够以选择性地固定基部108相对于参考(例如，包括参考点118的参考)的运动的方式操作基部锁定系统504。基部锁定系统504包括例如被动或动力接头，其可锁定以固定在接头处连接的联动装置的相对位置(和/或取向)。基部锁定系统504包括例如可锁定的接头309a、309b。在一些情况下，控制器104操作基部锁定系统504以选择性地解锁接头以实现在接头处连接的联动装置的相对运动。或者，基部锁定系统504不是由控制器104操作，而是由人类操作者操作。基部锁定系统504的接头包括例如可手动操作的锁定装置，例如旋钮、螺钉等，当手动操作时，这些锁定装置固定连接在接头处的联动装置的相对运动以锁定接头。手动锁定装置也可手动操作以解锁接头，从而实现连接在接头处的联动装置的相对运动。

在一些实施方式中，控制系统500包括传感器系统506。传感器系统506包括一个或更多个传感器，以检测计算机辅助系统(例如外科手术系统200)中的设备的治疗参数和状况。在一些示例中，操纵器102包括位姿动传感器，其位于动力接头116处以检测在动力接头116处连接的联动装置的相对位姿。位姿传感器能够包括压力传感器、扭矩传感器、力传感器、位置传感器、速度传感器、加速度计、旋转编码器、线性编码器和/或其他适当的传感器，以确定与动力接头相关联的联动装置的(一个或更多个)位置和/或(一个或更多个)取向。在一些情况下，控制器104基于来自位姿传感器的信号确定基部108的位姿。在一些情况下，传感器系统506包括与基部108相关联的位姿传感器。

在一些示例中，传感器系统506包括障碍物检测传感器。障碍物检测传感器位于再定位系统100中的一个或更多个位置处，以检测即将发生的碰撞或与环境10中的附近障碍物的接触。操纵器102例如包括障碍物检测传感器，以检测操纵器102何时接触或几乎接触附近的障碍物。障碍物能够包括计算机辅助系统的其他设备(例如外科手术系统200)、环境10内的操作者或环境10内的其他物体。障碍物检测传感器例如是接触传感器、接近度传感器、光学飞行时间传感器，或适合于检测与障碍物的接触或与障碍物的距离的其他传感器。障碍物检测传感器还能够包括例如带开关、柔性感测阵列、单独的力感测电阻器或力感测电阻器阵列，或无源电容感测系统。

控制系统500还包括致动模块接口508，当致动模块402被安装到联接件414时，致动模块接口508使致动模块402能够与控制器104电接口。当致动模块402通过致动模块接口508与控制器104接口时，控制器104能够操作致动模块402的致动器以实现插入运动424和末端执行器致动，如本文所述。

控制系统500可操作以通过操作动力接头116来重新定位操纵器102的基部108以反向驱动基部108。本文描述了驱动动力接头116以定位基部108，同时维持远侧部分112(和/或联接到操纵器102的物品，如套管或工具114)的位置(和/或取向)的示例性过程和操作。例如，图6描绘了再定位操纵器(诸如操纵器102)的示例过程600的流程图。例如，过程600能够用于控制动力接头116以反向驱动基部108。过程600的操作例如由控制器104执行。

图7A和图7B描绘了其中执行过程(诸如过程600)以执行以优化工具114的运动包络的过程的具体示例。操纵器102被操作以使基部108从其中工具114具有初始运动包络120(图7A)的位置(和/或取向)移动到其中工具114具有期望运动包络122(图7B)的位置(和/或取向)。

期望运动包络122使工具114能够更容易地到达解剖结构的目标部分。在一些示例中，过程600在程序开始附近启动(例如，在外科手术示例中，在动力接头116已经被操作以对患者209的解剖结构执行外科手术之前)。在一些示例中，过程600在程序期间启动(例如，在外科手术示例中，在控制器104已经操作动力接头116一段时间之后，以使用工具114对患者209的解剖结构执行外科手术)。在程序的第一部分期间，工具114可通过初始运动包络120(图7A)移动，并且工具114可通过期望运动包络122(图7B)移动通过程序的第二部分。过程600在程序的第一部分之后且在程序的第二部分之前启动。在外科手术示例中，在手术程序的第一部分中，在患者209的解剖结构的第一部分上执行手术，并且在手术的第二部分中，在患者209的解剖结构的第二部分上执行手术。用于工具114的初始运动包络120能够使工具114更容易地到达解剖结构的第一部分，而用于工具114的期望运动包络122能够使工具114更容易到达解剖结构的第二部分。

在过程600期间或之前，一个或更多个可锁定的接头(例如，可锁定的接头309a、309b)被解锁以使基部108能够相对于参考(例如，包括参考点118的参考)手动移动。当锁定时，可锁定的接头309a、309b使操纵器102能够运动并因此使致动模块402和工具114能够运动。在一些示例中，当可锁定的接头309a、309b被解锁时，人类操作者700操纵可锁定的接头309a、309b以重新定位基部108、操纵器102的一部分(诸如远侧部分112，和/或联接到操纵器102的物品，诸如套管或工具114)。例如，操作者700手动抓握致动模块402和/或工具114，并将工具114朝向患者209的目标解剖结构引导。具体地，致动模块402被操纵，使得工具114的插入轴线朝向目标解剖结构被引导。

在这方面，期望运动包络122部分地由手动操纵之后的工具114的位置(和/或取向)限定。为了在手动操纵之后实现期望运动包络122，控制器104例如执行图6中所示的过程600。

在过程600的操作602处，控制器104基于由控制器104接收的输入数据确定期望运动包络122。在一些情况下，输入数据包括用于启动操作602的指令和用于确定其中动力接头116应该被驱动的方式的数据。输入数据对应于控制器104可用于确定工具114的期望运动包络(例如，期望运动包络122)的数据。输入数据的示例类型包括：操纵器的设定接头的运动包络或运动范围、要执行的操作的类型、操纵器(诸如与人、台子、另一个操纵器)的碰撞的可能性、计算机辅助系统的第二操纵器的位姿、工具114的指向方向(例如，在手动操纵到目标处的点(诸如工业工件或目标解剖结构的一部分)之后)等。在一些示例中，基于输入数据，控制器104确定期望运动包络122是其中工具114在其每个DOF的运动范围内居中的运动包络。工具114例如在滚动运动范围、俯仰运动范围和滚动运动范围内居中。

在替代或另外的示例中，当工具114居中时，操纵器102未被最佳地配置。控制器104确定其中工具114未居中的期望运动包络122，例如，从其每个DOF的运动范围的中心偏置，以改善操纵器102和工具114的性能。控制器104接收输入数据并确定期望运动包络122为其中工具114基于输入数据被偏置的运动包络。在此关于图8描述了控制器104可用于确定期望运动包络的输入数据的示例。

在操作604处，控制器104基于在操作602处接收的输入数据来驱动动力接头116以重新定位基部108。在图7A中，在操作604期间，基部108相对于参考(例如，包括参考点118的参考)并且相对于工具114重新定位。控制器104例如生成控制信号，并发送控制信号使驱动系统502驱动动力接头116。工具114的运动包络随着基部108相对于工具114的位置(和/或取向)的变化而变化。特别地，当再定位系统100处于图7A所示的第一配置时，工具114具有初始运动包络120。当再定位系统100是图7B所示的第二配置时，工具114具有期望运动包络120。当动力接头116被驱动时，控制器104产生控制信号以实现工具114的期望运动包络122。

如图7A所示，控制器104驱动动力接头116，同时可锁定的接头309a、309b被解锁。为了解锁可锁定的接头309a、309b，在一些示例中，操作者700通过松开与可锁定的接头309a、309b相关联的夹紧装置来手动操作可锁定的接头309a、309b。在一些示例中，控制器104通过将控制信号发送到与可锁定的接头309a、309b相关联的制动器来发送控制信号以解锁可锁定的接头309a、309b。控制信号释放制动器以解锁可锁定的接头309a、309b。

控制器104驱动动力接头116，同时维持工具114相对于参考(例如，包括参考点118的参考)的位置(和/或取向)。如图7A中所示，为了维持工具114的位置(和/或取向)，在一些示例中，操作者700通过抓握工具114、致动模块402和/或套管410，手动地禁止工具114相对于参考的运动，以维持工具114相对于参考的位置(和/或取向)。在一些示例中，工具114的位置(和/或取向)通过固定装置维持，该固定装置抑制工具114、致动模块402和/或套管410的运动。固定装置接收并固定工具114、致动模块402和/或套管410，从而维持工具114的位置(和/或取向)。例如，固定装置附接到固定在环境10中的物体(诸如，关于图3描述的支撑结构306)。在一些示例中，控制器104在工具114安装到致动模块402之前执行操作604。致动模块402例如安装到联接件414，并且当控制器104驱动动力接头116时操作者700抓握致动模块402。

当可锁定的接头309a、309b被解锁时驱动动力接头116并且同时维持工具114的位置(和/或取向)。在这方面，当驱动动力接头116时，工具114不(例如，相对于参考)移动。

在图7A和图7B描绘的示例中，动力接头116对应于联动装置405a和联接件414之间的接头。因为联动装置405a的远侧部分相对于参考(例如，包括参考点118的参考)的位置(和/或取向)被维持，当动力接头116被驱动时，联动装置405a的近侧部分相对于参考移动。在这方面，当动力接头116被驱动时，在支撑结构306和联动装置405a的近侧部分之间以运动串联连接的部分移动。这些部分包括例如基部108和设定组件304。当动力接头116被驱动时，基部108相对于联动装置405a重新定位。如果工具114在操作604期间居中，则基部108移动到期望位置(和/或取向)；在一些实施方式中，期望位置(和/或取向)是工具114处于偏航运动422的运动范围的中心的一个。

在一些示例中，动力接头116对应于联动装置405b和联接件414之间的接头。因为联动装置405b的远侧部分相对于参考(例如，包括参考点118的参考)的位置(和/或取向)被维持，当动力接头116被驱动时，联动装置405b的近侧部分相对于参考移动。在这方面，当动力接头116被驱动时，在支撑结构306和联动装置405b的近侧部分之间运动串联连接的部分移动。这些部分包括例如基部108、联动装置405a和设定组件304。当联动装置405a相对于联动装置405b移动时，联动装置405a中的狭槽419相对于联接件414重新定位。如果工具114在操作604期间居中，则狭槽419被重新定位到期望位置(和/或取向)，例如，其中工具114处于用于俯仰运动421的运动范围的中心。

在一些示例中，动力接头116对应于致动器425和致动模块402之间的接头。因为致动模块402的位置(和/或取向)被维持，所以在支撑结构306和致动器425之间运动串联连接的部分。这些部分包括例如联接件414、联动装置405b、基部108和设定组件304。联接件414在动力接头116被驱动时经历滚动运动，从而引起联动装置405b、联动装置405a、基部108和设定组件304的运动。当动力接头116被驱动时，联接件414相对于致动模块402重新定位。如果工具114在操作604期间居中，则联接件414移动到期望位置(和/或取向)，其中工具114例如在用于滚动运动423的运动范围的中心处。

除了工具114的位置(和/或取向)之外，联接件414的位置(和/或取向)以及致动模块402的位置(和/或取向)在操作604期间被维持，在一些实施方式中，远程运动中心426的位置和套管410(图4A中示出)相对于参考(例如，包括参考点118的参考)的位置(和/或取向)被维持。在操作604期间，联动装置405a、405b、基部108和设定组件304均可相对于参考移动。

虽然动力接头116被描述为单个动力接头，但是在一些实施方式中，操纵器102的多个动力接头被驱动以相对于参考并相对于工具114重新定位操纵器102和设定组件304的部分。在这方面，工具114能够在与俯仰运动421、偏航运动422和滚动运动423中的两个或更多个相对应的运动范围内居中。

在操作606处，控制器104检测工具114的期望运动包络122是否已经实现(或者，基部108是否处于期望位置)。基于传感器系统506生成的信号，控制器104确定何时实现期望运动包络122。控制器104检测例如基部108是否处于期望位置以确定是否已经实现期望运动包络122。

如果控制器104未检测到工具114的运动包络处于期望位置，则控制器104继续驱动动力接头116以在操作604中重新定位基部108。在一些示例中，控制器104继续驱动操作604中的动力接头116同时检测工具114的运动包络是否处于期望位置。

如果控制器104检测到工具114的运动包络是期望运动包络122(例如，期望的形状和尺寸，并且在期望位置，或者尽可能接近可实现的给定的特定约束)，则控制器104在操作608处指示重新定位的完成。控制器104例如向人类操作者发出人类可察觉的信号，以指示基部108的重新定位完成。该信号可以包括例如以下中的一个或更多个：触觉、听觉或视觉指示。一些具体示例包括力反馈、不同空间或时间模式的嘟嘟声或音调、广播语言、不同颜色或空间或时间模式的光，以及文本、符号或图形反馈。

在已经实现用于工具114的期望运动包络122之后，可锁定的接头309a、309b被锁定并且操纵器102准备好被操作以在工件上执行操作(例如，在外科手术的示例中，在目标解剖结构上执行外科手术操作)。控制器104驱动操纵器102的动力接头116以执行操作。控制器104操作操纵器102和/或致动模块402的动力接头(包括动力接头116)。动力接头的操作引起俯仰运动421、偏航运动422、滚动运动423和其组合，因此，将工具114移动到期望运动包络122内的不同位置以执行操作。控制器104还操作致动模块402的致动器以实现插入运动424和末端执行器致动。

虽然工具114被描述为在对应于工具114的一个或更多个DOF的运动范围内居中，但是在一些情况下，工具114被移动到运动范围内的另一位置(和/或取向)。例如，基于在操作602处接收的输入数据，控制器104将期望运动包络122确定为其中工具114偏离其每个DOF的运动范围的中心的运动包络。

图8描绘了用于再定位操纵器(诸如操纵器102)的输入的示例。例如，图8描绘了控制器104在操作602处接收的示例输入数据。输入数据800包括加载到与控制器104相关联的存储器中的数据、用户指定的数据、由传感器系统506产生的数据等。输入数据800包括例如程序数据800a、设备数据800b、位姿数据800c、操作者数据800d、障碍物数据800e、工件数据800f和端口数据800g。数据800a、800b、800c、800e、800f、800g表示控制器104可用于控制再定位系统100的数据的一些示例。控制器104可以适当地使用其他类型和内容的数据来控制再定位系统100。

过程数据800a包括指示要执行的特定过程的数据。例如，在外科手术示例中，数据800a包括指示要对患者执行的外科手术程序的数据。过程数据800a能够参考工作空间的特定要求，诸如工具114周围的区域应当能够进入(例如，在外科手术示例中，由于要对患者进行特定的外科手术程序，在外科手术期间工具114应该能够进入的患者周围的区域)。程序可能需要预定范围的工作空间。在一些情况下，当操作者在重新定位操作之前选择工作空间的范围时，生成程序数据800a。操作者能够以多种方式选择工作空间的范围。例如，操作者可以通过在图形用户接口中突出显示或跟踪来输入数据。作为另一个示例，操作者能够移动操纵器102(在工具被保持或不被保持的情况下)以指示期望的工作空间，或者通过移动工具114的替代物来指示期望的工作空间。工具114的示例替代物包括表示可在程序期间使用的平均工具的装置、复制工具114的近侧部分而不是整个轴和末端执行器的装置、投射可以在程序期间使用的与工具的远侧端部相关联的位置的视觉指示的装置。关于操纵器102或工具114或期望运动包络122的接头的期望运动范围的信息能够至少部分地获自这种示范。传感器系统506的位姿传感器例如能够提供指示操纵器102配置、工具114位置或其他系统信息形式的由期望工作空间的操作者手动示范的数据。传感器系统506因此能够提供关于操纵器102或工具114的接头的期望运动范围或期望运动包络122的信息。控制器104或其他计算系统然后能够处理该传感器信息以确定操作者所展示的工作空间的范围。

设备数据800b包括指示在该过程期间要使用的设备的规格的数据。设备数据800b能够包括指定操纵器系统300的每个接头(例如动力接头、被动接头或二者)的运动范围的数据。运动范围能够是结构或机械限制。在一些示例中，基于接头的初始位置(和/或取向)以及操纵器102的接头的运动范围来估计工具114的初始运动包络120。控制器104确定在运动范围内的使得工具114能够实现期望运动包络122的接头的期望的位置(和/或取向)。在操作604处，控制器104驱动动力接头116，使得接头朝向期望位置(和/或取向)移动并且工具114能够移动通过期望运动包络122。

设备数据800b还能够包括关于安装到操纵器102的工具114的类型的信息。工具114的类型可以影响例如工作空间的范围和执行操作所须的扭矩量。工具114的类型能够由操作者手动输入。在一些示例中，工具114可包括指示工具114的类型的可检测标签。

位姿数据800c包括指示接头、连杆、工具和操纵器系统300的其他部件的位姿的数据。位姿数据800c包括操纵器102的每个接头和/或连杆的初始位姿、设定组件304的每个接头和/或连杆中的初始位姿、工具114的初始位姿以及基部108的初始位姿。当控制器104执行过程600以定位(和/或定向)基部108时，随着基部108移动，传感器系统506的位姿传感器能够响应于基部108的运动而产生信号。在该过程期间，基于来自传感器系统506的位姿传感器的信号，根据这里描述的远程运动中心方法，控制器104能够控制操纵器102以相对于参考(例如，包括参考点118的参考)维持工具114的位置(和/或取向)。在一些实施方式中，控制器驱动动力接头106以响应于来自传感器系统506的一个或更多个信号移动基部108，该信号指示远侧部分112的位置(或由远侧部分112支撑的装置，例如套管或工具114)被维持。在一些实施方式中，控制器驱动动力接头106以响应于来自传感器系统506的一个或更多个信号来移动基部108，该信号指示可锁定的接头116(或可锁定的接头的组合)被锁定。

操作者数据800d包括与(一个或更多个)操作者有关的数据。在医疗示例中，操作者数据800d包括与执行该程序的医疗团队(例如，操作者)有关的数据。操作者数据800d包括例如与能力、设备布局的偏好、经验水平、技能水平和其他操作者特定属性有关的信息。在一些示例中，在过程之前为每个操作者创建操作者简档。替代地或另外地，为具体团队创建团队简档。

障碍物数据800e包括指示患者和环境10中的障碍物相对于操纵器系统300的位姿(例如，位置或取向的一个或更多个参数)的数据。在一些示例中，障碍物数据800e能够包括由操作者输入的环境10的地图。地图能够包括环境10内的潜在障碍物的位置，诸如设备(例如，外科手术系统200)的其他件。障碍物数据800e替代地或另外地包括来自传感器系统506的障碍物检测传感器的数据。障碍物检测传感器能够在程序之前或者随着操纵器102在外科手术期间围绕环境10移动产生指示环境10内的障碍物的位置、取向或位姿的信号。例如，简要地参考回到图2，在一些示例中，环境10包括多个操纵器系统300a、300b或人。障碍物数据800e包括操纵器系统300a、300b或人中的每个的位置，并且每个操纵器系统300a、300b的操纵器基于其他(一个或更多个)操纵器或人的位置重新定位。

在一些医疗背景中，工件数据800f包括患者数据并且包括指示患者特定特征的数据。这样的患者数据能够包括指示患者习惯和患者体型的数据。在一些示例中，操作者输入患者习惯和患者体型。在一些情况下，成像装置能够产生能够由控制器104(或在程序之前或期间通过计算系统)分析的图像，以确定患者的习惯和患者体型。成像装置可以包括工具114的一部分或者与任何工具114分开。成像装置可以在过程600期间在重新定位基部108之前被插入患者中。成像装置能够产生可用于估计患者习惯和患者体型的图像。在一些示例中，工件数据800f还能够包括指示患者相对于操纵器102的位姿和/或手术台302相对于操纵器102的位姿的数据。工件数据800f能够包括术前图像，诸如X射线图像、X射线计算机断层扫描图像、磁共振成像扫描等。在一些情况下，工件数据800f包括术中图像或表面扫描。

端口数据800g包括指示进入端口的特性的数据。端口数据800g能够指示进入端口的位置和取向，并且进入端口的位置和取向能够指示参考的位置和取向(例如，参考系、参考位置、一个或更多个参考方向、包括参考点118的参考等)。在一些实施方式中，端口数据基于当联接到操纵器102的套管被对接时、操作者指示准备好重新定位基部108时、当安装工具114时等的操纵器102的位姿。在一些医疗实施方式中，诸如套管158或工具114的部件被插入通过患者的进入端口，并且控制器104能够基于来自操纵器102上的传感器的信号确定进入端口的位置和取向。

在一些示例中，端口数据800g能够由操作者输入。如果在控制器104执行过程600以定位(和/或定向)基部108之前工具114没有插入进入端口，则控制器104能够基于输入的端口数据800g选择参考。选择参考使得工具114定位和定向成在基部108的定位(和/或定向)完成之后容易地插入到进入端口中。特别地，工具114能够在基部108的定位(和/或定向)期间处于缩回位置或配置，并且然后轴向平移到插入位置，使得参考对应于进入端口的位置(和/或取向)。

在一些实施方式中，指标(indices)805中的一个或更多个能够例如由操作者或根据默认设置来选择，以由控制器104优化。控制器104通过确定再定位系统100的最佳配置来优化所选择的指标805。当再定位系统100处于最佳配置时，工具114具有期望运动包络122。在一些情况下，控制器基于优化指标确定期望运动包络122，并且然后确定再定位系统100的最佳配置，以实现期望运动包络122。在确定再定位系统100的最佳配置之后，控制器104产生输出信号810以操作操纵器102以实现最佳配置，并且从而实现期望运动包络122。

如图8所示，指标805包括例如运动范围指标805a、稳定性指标805b、平滑度指标805c、扭矩指标805d、障碍物指标805e和工件力指标805f。其他指标可以是适当的。指标805中的每一个表示控制器104的优化目标。基于输入数据800，控制器104计算一个或更多个指标805的值。指标的值例如是输入数据800的函数。控制器104能够基于在操作602处接收的输入数据800来优化指标值的函数。控制器104例如确定再定位系统100的最佳配置以优化功能。控制器104例如执行优化策略以确定优化所选指标的值的期望运动包络122。优化策略包括例如基于梯度下降的优化策略、基于最小二乘的优化策略或其他适当的策略。在一些实施方式中，用于操作的优化策略基于来自先前类似操作的数据。来自先前操作的数据包括例如在先前操作期间收集的输入、在先前操作期间确定的指标，和/或在先前操作期间确定的分数。在一些情况下，优化策略使用机器学习方法来确定，例如，人工神经网络或专家系统。

随着控制器104执行操作604，输入数据800和指标805能够连续更新。在这方面，随着控制器104在操作604处时驱动动力接头116，控制器104能够在操作602处连续地接收输入数据。指标805的值能够改变，例如，传感器系统506的传感器产生环境10和再定位系统100的条件。期望运动包络122因此能够随着控制器104驱动动力接头116和新输入数据由控制器104接收而持续改变。

在一些示例中，选择单个指标作为主要目标，并且基于优化单个指标的值来确定期望运动包络122。在一些情况下，选择第二指标作为次要目标，并且基于优化第一指标的值和第二指标的值来确定期望运动包络122。在一些示例中，选择多个指标，并且将权重分配给每个所选指标。权重表示指标相对于其他所选指标的优先级。基于每个所选指标的权重和每个所选指标的值来计算分数。基于优化的分数来确定期望运动包络122。

基于每个接头可用的运动范围确定运动范围指标805a的值。可以基于例如设备数据800b和位姿数据800c来计算运动范围指标805a的值。例如，控制器104能够确定用于操纵器102的当前配置的DOF的两个方向中的每个方向上的可用运动量，例如，用于俯仰运动421、偏航运动422或滚动运动423。在一些情况下，控制器104确定期望运动包络122，使得工具114在DOF的两个方向上可移动基本相等的量。在一些示例中，如果运动指标805a的范围对应于要优化的唯一指标，则选择期望运动包络122，使得工具114相对于其每个DOF居中。

基于位姿数据800c确定稳定性指标805b的值，以确定工具114在工具114的当前位姿中的稳定性。当基部108被重新定位时，稳定性指标的值能够基于工具114的移动量来计算。例如，在基部108的定位(和/或定向)期间，如果传感器系统506的位姿传感器检测到操纵器102(或者套管或工具114或安装到操纵器102的其他物品)的远侧部分的大的移动距离、速度或加速度，则控制器104能够确定稳定性指标是次优的。因此，当传感器系统506检测到工具114的不稳定性时，稳定性指标805b的值能够在操作604的过程中变化。

替代地或另外地，控制器104确定操纵器102(或由操纵器102保持的装置，诸如套管或工具114)的远侧部分的位置和/或取向相对于参考是否没有被维持。并且，如果位置和/或取向未被维持在阈值或其他维持标准内，则控制器104能够减慢或停止基部108的进一步重新定位。控制器104还能够向操作者发出警报，以提供操纵器102(或操纵器102保持的装置)的远侧部分的位置和/或取向的充分外部维持。

在一些实施方式中，控制器104响应于确定工具的运动包络正在接近工具的期望运动包络122或者如果基部108正在接近期望基部位置而减慢、停止或以其他方式禁止基部108的运动。。

平滑度指标805c的值表示工具114的运动性能，并且在一些情况下，表示操纵器102的一些或全部接头的运动性能。控制器104能够通过确定对于操纵器102和工具114的当前位姿是可能的的工具114的运动的分辨率来估计运动性能。例如，对于特定的接头，通过增量(例如，给定的施加电压)致动接头可以导致工具114的取决于操纵器102的每个接头的位姿和工具114的位姿的运动量。在一些实施方式中，平滑度指标805c的值基于作为位姿和接头传感器位置分辨率的函数可实现的空间分辨率被计算。平滑度指标805c能够解释由施加的增量电压引起的运动的大小。在这方面，工具114从给定的施加的增量电压的较小运动能够导致工具114的改善的运动性能和更大的运动平滑度。控制器104能够基于例如设备数据800b和位姿数据800c来计算平滑度指标805c的值。

工具114的扭矩指标805d的值表示操纵器102能够施加在工具114上的扭矩。在一些实施方式中，程序可以要求操纵器102能够以执行程序所须的最小扭矩操纵工具114。在这些情况下，最大化工具114可实现的扭矩可以是有益的。然而，可实现的扭矩能够取决于接头相对于工具114的位置和取向以及基部108相对于工具114的位置(和/或取向)。控制器104能够基于例如程序数据800a、设备数据800b和位姿数据800c计算扭矩指标的值。

在一些实施方式中，代替扭矩指标或除扭矩指标之外，计算指示操纵器102能够施加在工具114上的力的力指标。此外，扭矩指标和/或力指标可以考虑操纵器系统300的接头上的力和扭矩，使得在操纵器102在工作空间内的运动期间能够使特定接头上的力和/或扭矩最小化。

基于位姿数据800c和障碍物数据800e确定障碍物指标805e的值。障碍指标表示操纵器102可能与附近障碍物碰撞的可能性。在这方面，使用障碍物数据800e、操纵器102的当前位姿和程序数据800a，控制器104能够计算障碍物指标805e的值以确定操纵器102是否可能与附近的障碍物碰撞。当传感器系统506检测到新的障碍物时，障碍物指标805e的值可以在操作604的过程中变化。

工件力指标805f的值表示施加到工件或由工件施加的力的量。例如，工件力指标805f的值可以基于位姿数据800c、工件数据800f和端口数据800g被计算，并且可以指示可以施加在工件上的扭矩或力的量。控制器104能够使用工件力指标805f来确定操纵器102或基部108是否以可以在工件上施加超过期望量的力的方式移动。在医疗背景中，工件力指标805f可指示施加到患者组织或由患者组织施加的力的量。控制器104能够使用工件力指标805f来确定所施加的力是否超过用于施加到患者组织的阈值力。

本文描述的控制器和任何相关部件能够成为计算系统的一部分，该计算系统有助于根据本文所述的过程和方法控制插入系统。图9是计算机系统900的示例的示意图，该计算机系统900能够用于实施关于本文描述的任何计算机实现的方法描述的控制器，例如控制器104。系统900包括部件，诸如处理器910、存储器920、存储装置930和输入/输出装置940。组件910、920、930和940中的每一个使用系统总线950互连。处理器910能够处理在系统900内执行的指令。在一些示例中，处理器910是单线程处理器，而在一些情况下，处理器910是多线程处理器。处理器910能够处理存储在存储器920中或存储装置930中的指令，以在输入/输出装置940上显示用户接口的图形信息。

系统900的存储器存储能够包括存储器920以及存储装置930。存储器920存储系统900内的信息。处理器910能够在执行本文所述的过程和方法时使用该信息。在一些示例中，存储器920是计算机可读存储介质。存储器920能够包括易失性存储器和/或非易失性存储器。存储装置930能够为系统900提供大容量存储。通常，存储装置930能够包括经配置存储计算机可读指令的任何非暂时性有形介质。任选地，存储装置930是计算机可读介质。或者，存储装置930可以是软盘装置、硬盘装置、光盘装置或磁带装置。这样，系统900包括非暂时性机器可读介质；该介质存储多个机器可读指令，当由一个或更多个处理器(例如，处理器910)执行时，所述多个机器可读指令适于使一个或更多个处理器执行用于计算机辅助系统(例如，再定位系统100或本文所述的任何其他计算机辅助系统)的方法或操作(例如，本文所述的方法和操作中的任意个)。

在一些情况下，处理器910与远程计算系统935通信。远程计算系统935包括例如远程服务器、云计算装置或远离处理器910及其系统的其他计算装置。远程计算系统935包括远离处理器910的环境(例如远离环境)的计算资源。在一些情况下，远程计算系统935包括与处理器910建立无线链接的一个或更多个服务器。远程计算系统935包括例如实现为处理器910可访问的处理器、存储、软件、数据访问等的计算基础设施的网络可访问计算平台的一部分。

系统900包括输入/输出装置940。输入/输出装置940为系统900提供输入/输出操作。在一些示例中，输入/输出装置940包括键盘、计算机鼠标、指点装置、声控装置、麦克风、触摸屏等。在一些情况下，输入/输出装置940包括用于显示图形用户接口的显示单元。

本申请中描述的方法和系统的特征能够在数字电子电路中实现，或者在计算机硬件、固件或它们的组合中实现。这些特征能够在有形地存储在信息载体中的计算机程序产品中实现。信息载体能够例如是机器可读存储装置，用于由可编程处理器执行。操作能够由执行指令程序的可编程处理器执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行本文所述的功能。所描述的特征能够在可编程系统上可执行的一个或更多个计算机程序中实现，该可编程系统包括至少一个可编程处理器，其经联接以从数据存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置接收数据和指令，并将数据和指令传输到数据存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置。计算机程序包括能够直接或间接地在计算机中使用以执行某种活动或带来某种结果的一组指令。能够以任何形式的编程语言编写的计算机程序，包括编译或解释的语言。计算机程序能够以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子程序或适用于计算环境的其他单元。该计算机程序实现例如快速遗传算法(FGA)。

通常，计算机还将包括或可操作地联接以与存储数据文件的一个或更多个大容量存储装置通信。这种装置能够包括磁盘，诸如内部硬盘和可移动盘、磁光盘和光盘。适用于存储计算机程序指令和数据的存储装置包括所有形式的非易失性存储器，包括例如半导体存储器装置，诸如EPROM，EEPROM和闪存装置；磁盘，诸如内部硬盘和可移动盘、磁光盘、CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器能够由ASIC(专用集成电路)补充或并入该ASIC中。

为了提供与用户的交互，这些特征能够在具有用于向用户显示信息的显示装置和键盘和用户能够通过其向计算机提供输入的指点装置的计算机上实现，该显示装置诸如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器，指点装置诸如鼠标或轨迹球。或者，计算机没有附接的键盘、鼠标或监视器，而是能够由另一台计算机远程控制。

这些特征能够在包括后端部件(诸如数据服务器)或包括中间件部件(诸如应用服务器或因特网服务器)或包括前端部件(诸如具有图形用户接口或因特网浏览器的计算机)或其任意组合的计算机系统中实现。系统的部件能够通过任何形式的数字数据通信介质来连接，例如通信网络。通信网络的示例包括例如LAN、WAN以及形成因特网的计算机和网络。

计算机系统能够包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过网络进行交互。客户端和服务器的关系借助于在各个计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。

处理器910执行与计算机程序有关的指令。处理器910能够包括硬件，如逻辑门、加法器、乘法器和计数器。处理器910能够进一步包括执行算术和逻辑操作的单独的算术逻辑单元(ALU)。

已经描述了许多实施方式。然而，应该理解，可以进行各种修改。例如，计算机辅助系统可以包括具有冗余自由度的一个或更多个操纵器。在一些情况下，这些操纵器被称为具有过剩、额外或冗余的自由度。具有冗余自由度的操纵器具有比将操纵器(例如，操纵器102)的远侧部分或安装在操纵器上的工具或其他装置(如果存在的话)(例如工具114或套管或其他装置)放置在给定位置的所须的更多自由度的架构。例如，在一些实施方式中，操纵器包括运动链，该运动链包括多个接头和连杆，多个接头和连杆提供足够的自由度以允许一系列接头状态，用于：(1)基部(例如基部108)的位姿和(2)操纵器(例如操纵器102)的远侧部分(例如，远侧部分112)的状态或由操纵器支撑的工具(例如工具114)的末端执行器的状态。在具有冗余自由度的操纵器中，一个接头的致动可以由沿着运动链的不同接头的类似致动直接替代。因此，可以移动一个或更多个中间连杆或接头而不改变远侧部分或安装在操纵器上的工具或其他装置的位姿。

因此，其他实施方式在权利要求的范围内。

Claims (53)

1.一种计算机辅助系统，包括：

操纵器，其经配置支撑工具，所述操纵器从基部向远侧延伸并且包括远侧部分；

可锁定的接头，其联接到所述基部并相对于所述基部位于近侧；以及

控制器，其可操作地联接到动力接头，所述动力接头相对于所述基部位于远侧，其中所述控制器经配置执行操作，所述操作包括：

在所述可锁定的接头被锁定的同时，驱动所述动力接头以移动所述远侧部分，并且

在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的位置被从外部维持的同时，驱动所述动力接头以移动所述基部。

2.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

在所述远侧部分的所述位置和取向二者被从外部维持的同时，驱动所述动力接头。

3.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中驱动所述动力接头以移动所述基部改变所述远侧部分或所述工具的运动包络。

4.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中：

所述远侧部分的所述位置相对于参考点被从外部维持；

在所述可锁定的接头被锁定的同时驱动所述动力接头以移动所述远侧部分包括：相对于所述参考点移动所述远侧部分；和

在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：相对于所述参考点移动所述基部。

5.根据权利要求4所述的计算机辅助系统，其中所述参考点对应于进入端口的位置，其中所述工具通过所述进入端口进入到工作部位。

6.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中在所述可锁定的接头被锁定的同时驱动所述动力接头以移动所述远侧部分包括：在通过所述可锁定的接头维持所述基部的位置的同时驱动所述动力接头以移动所述远侧部分。

7.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中通过维持所述工具的位置或联接到所述操纵器的套管的位置来从外部维持所述远侧部分的所述位置。

8.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

用所述动力接头反向驱动。

9.根据权利要求1所述的计算机辅助系统，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

响应于确定所述远侧部分的所述位置没有被从外部维持，减慢或停止所述动力接头的运动。

10.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，还包括：

致动模块，其中所述操纵器经配置联接到所述致动模块并通过所述致动模块支撑所述工具，并且其中所述致动模块经配置沿着所述工具的纵向轴线平移所述工具并且驱动所述工具的末端执行器。

11.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中，所述操纵器经配置联接到致动模块并且通过所述致动模块支撑所述工具，其中所述致动模块可操作成驱动所述工具，并且其中所述致动模块包括所述动力接头。

12.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中，所述操纵器包括所述动力接头。

13.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中所述操作还包括：

驱动所述动力接头以使所述工具居中在所述工具的运动范围中。

14.根据权利要求13所述的计算机辅助系统，驱动所述动力接头以使所述工具居中在所述工具的运动范围中包括：

基于用户选择，驱动所述动力接头以使所述工具居中。

15.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

基于要执行的操作类型，确定期望运动包络；和

驱动所述动力接头以使所述基部朝向提供所述期望运动包络的位置移动。

16.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

基于所述操纵器的碰撞的可能性，确定期望运动包络；和

驱动所述动力接头以使所述基部朝向提供所述期望运动包络的位置移动。

17.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，还包括第二操纵器，所述第二操纵器经配置支撑第二工具，其中在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

基于相对于所述第二操纵器的位姿的所述操纵器的位姿，确定期望运动包络。

18.根据权利要求17所述的计算机辅助系统，其中所述第二操纵器联接到第二基部，并且其中所述第二基部相对于所述基部可动。

19.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

驱动所述动力接头以基于所述工具的指向方向调整所述基部的所述位置。

20.根据权利要求19所述的计算机辅助系统，其中，在所述工具基于所述工具的指向方向的同时驱动所述动力接头以调整所述基部的所述位置包括：

在所述工具的插入轴线指向目标的同时驱动所述动力接头以调整所述基部的所述位置。

21.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中：

所述控制器联接到第二动力接头；

在所述可锁定的接头被锁定的同时驱动所述动力接头以移动所述远侧部分包括：驱动所述动力接头和所述第二动力接头；和

在所述可锁定的接头被解锁并且从外部维持所述远侧部分的所述位置的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：驱动所述动力接头和所述第二动力接头。

22.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，还包括第二可锁定的接头，其中在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

在所述可锁定的接头和所述第二可锁定的接头都解锁的同时驱动所述动力接头以重新定位所述可锁定的接头和所述第二可锁定的接头。

23.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，还包括：

设定组件，其经配置将所述基部联接到台子，所述设定组件包括所述可锁定的接头。

24.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，还包括传感器，所述传感器经配置响应于检测到所述远侧部分的所述位置被从外部维持而产生信号，其中在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

响应于所述信号，驱动所述动力接头以移动所述基部。

25.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，还包括传感器，所述传感器经配置响应于检测到所述可锁定的接头被锁定而产生信号，其中在所述可锁定的接头被锁定的同时驱动所述动力接头以移动所述远侧部分包括：

响应于所述信号，驱动所述动力接头以移动所述远侧部分。

26.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中所述可锁定的接头被手动锁定或手动解锁。

27.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中所述操作还包括：

在驱动所述动力接头以移动所述基部后，解锁所述可锁定的接头。

28.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中所述操作包括：

在从外部维持所述远侧部分的所述位置的同时，选择性地解锁或锁定所述可锁定的接头，同时驱动所述动力接头以移动所述基部。

29.根据权利要求1或权利要求2至9中任一项所述的计算机辅助系统，其中，所述操作还包括：

响应于确定所述工具的运动包络接近所述工具的期望运动包络，禁止所述基部的运动。

30.一种用于操作计算机辅助系统的方法，所述计算机辅助系统包括操纵器和可锁定的接头，所述操纵器从基部向远侧延伸，所述可锁定的接头联接到所述基部并且相对于所述基部位于近侧，所述方法包括：

在所述可锁定的接头被解锁并且所述操纵器的远侧部分的位置被从外部维持的同时，驱动动力接头以移动所述基部，其中所述动力接头相对于所述基部位于远侧；和

在所述可锁定的接头被锁定的同时，驱动所述动力接头以移动所述远侧部分。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

在所述远侧部分的所述位置和取向被从外部维持的同时，驱动所述动力接头。

32.根据权利要求30所述的方法，还包括：

确定由所述操纵器支撑的工具的期望运动包络，其中

在所述可锁定的接头被解锁并且所述操纵器的所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

移动所述基部，使得基于所述期望运动包络调整所述工具的运动包络。

33.根据权利要求32所述的方法，其中确定由所述操纵器支撑的所述工具的所述期望运动包络包括：基于所述操纵器的设定接头的运动包络，确定所述期望运动包络。

34.根据权利要求32所述的方法，其中确定由所述操纵器支撑的所述工具的所述期望运动包络包括：基于要执行的操作的类型，确定所述期望运动包络。

35.根据权利要求32所述的方法，其中确定由所述操纵器支撑的所述工具的所述期望运动包络包括：基于所述操纵器的碰撞的可能性，确定所述期望运动包络。

36.根据权利要求32所述的方法，其中所述计算机辅助系统包括第二操纵器，并且其中确定由所述操纵器支撑的所述工具的所述期望运动包络包括：

基于相对于所述第二操纵器的位姿的所述操纵器的位姿，确定所述期望运动包络。

37.根据权利要求30所述的方法，其中：

所述远侧部分的所述位置相对于所述参考点被从外部维持；

在所述可锁定的接头被锁定的同时驱动所述动力接头以移动所述远侧部分包括：相对于所述参考点移动所述远侧部分；和

在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：相对于所述参考点移动所述基部。

38.根据权利要求30所述的方法，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头包括：

利用所述动力接头进行反向驱动。

39.根据权利要求30所述的方法，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

响应于确定所述远侧部分的所述位置没有被从外部维持，减慢或停止所述动力接头的运动。

40.根据权利要求30或权利要求31至39中任一项所述的方法，其中所述操纵器经配置联接到致动模块并通过所述致动模块支撑工具，其中所述致动模块可操作成驱动所述工具，并且其中所述致动模块包括所述动力接头。

41.根据权利要求30或权利要求31至39中任一项所述的方法，其中所述操纵器包括所述动力接头。

42.根据权利要求30或权利要求31至39中任一项所述的方法，其中所述操纵器经配置支撑工具，所述方法还包括：

驱动所述动力接头以使所述工具居中在所述工具的运动范围中。

43.根据权利要求42所述的方法，其中驱动所述动力接头以使所述工具居中在所述工具的运动范围中包括：

驱动所述动力接头以基于所述工具的指向调整所述基部的所述位置。

44.根据权利要求30或权利要求31至39中任一项所述的方法，其中：

在所述可锁定的接头被锁定的同时驱动所述动力接头以移动所述远侧部分包括：驱动所述动力接头和第二动力接头，其中所述第二动力接头联接到所述基部并相对于所述基部位于远侧；和

在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：驱动所述动力接头和所述第二动力接头。

45.根据权利要求30或权利要求31至39中任一项所述的方法，其中：

所述计算机辅助系统还包括第二可锁定的接头，所述第二可锁定的接头联接到所述基部并且位于所述基部的近侧；和

在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

在所述可锁定的接头和所述第二可锁定的接头都解锁的同时，驱动所述动力接头以重新定位所述可锁定的接头和所述第二可锁定的接头。

46.根据权利要求30或权利要求31至39中任一项所述的方法，还包括：响应于确定所述基部在最佳基部位置包络内，禁止所述基部的运动。

47.一种包括多个机器可读指令的非暂时性机器可读介质，所述多个机器可读指令在由一个或更多个处理器执行时适于使所述一个或更多个处理器执行用于操作计算机辅助系统的方法，所述计算机辅助系统包括操纵器和可锁定的接头，所述操纵器从基部向远侧延伸，所述可锁定的接头联接到所述基部并且相对于所述基部位于近侧，其中该方法包括：

确定所述基部的期望位置；

在所述可锁定的接头被解锁并且所述操纵器的远侧部分的位置被从外部维持的同时，驱动动力接头以朝向所述期望位置反向驱动所述基部，其中所述动力接头相对于所述基部位于远侧；和

在所述可锁定的接头被锁定后，驱动所述动力接头以移动所述远侧部分。

48.根据权利要求47所述的非暂时性机器可读介质，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

在所述远侧部分的所述位置和取向被从外部维持的同时驱动所述动力接头。

49.根据权利要求47所述的非暂时性机器可读介质，其中确定所述基部的所述期望位置包括：

基于所述操纵器的设定接头的运动包络，确定所述期望位置；或者

基于要执行的操作类型确定所述期望位置；或者

基于所述操纵器的碰撞的可能性，确定所述期望位置；或者

基于相对于所述计算机辅助系统的第二操纵器的位姿的所述操纵器的位姿确定所述期望位置。

50.根据权利要求47所述的非暂时性机器可读介质，其中，在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：

用所述动力接头反向驱动；和

响应于确定所述远侧部分的所述位置没有被从外部维持，减慢或停止所述动力接头的运动。

51.根据权利要求47或权利要求48至50中任一项所述的非暂时性机器可读介质，其中，所述操纵器经配置支撑工具，并且其中，所述方法还包括：

驱动所述动力接头以使所述工具居中在所述工具的运动范围中；或者

根据所述工具的指向方向驱动所述动力接头。

52.根据权利要求47或权利要求48至50中任一项所述的非暂时性机器可读介质，其中：

所述计算机辅助系统还包括第二可锁定的接头，其中所述第二可锁定的接头联接到所述基部并相对于所述基部位于近侧；

在所述可锁定的接头被锁定的同时驱动所述动力接头以移动所述远侧部分包括：驱动所述动力接头和第二动力接头，其中所述第二动力接头相对于所述基部位于远侧；和

在所述可锁定的接头被解锁并且所述远侧部分的所述位置被从外部维持的同时驱动所述动力接头以移动所述基部包括：在所述可锁定的接头和所述第二可锁定的接头都被解锁的同时，驱动所述动力接头和所述第二动力接头。

53.一种包括多个机器可读指令的非暂时性机器可读介质，所述多个机器可读指令在由一个或更多个处理器执行时适于使所述一个或更多个处理器执行权利要求30至46中任一项所述的方法。