CN110013313B - 具有目标轨迹偏差监视的外科手术机器人系统及相关方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及操作外科手术机器人系统的方法及外科手术机器人系统。可以提供一种方法来操作外科手术机器人系统，所述外科手术机器人系统包含机器人臂，所述机器人臂被配置成相对于患者的解剖位置定位外科手术末端执行器。可以接收位置信息，其中所述位置信息是使用远离所述机器人臂并远离所述患者的传感器系统产生的。所述位置信息可包含与附连在所述患者身上的跟踪装置有关的位置信息和与所述外科手术末端执行器有关的位置信息。可以控制所述机器人臂以基于使用所述传感器系统产生的所述位置信息将所述外科手术末端执行器相对于所述患者的所述解剖位置移动到目标轨迹。

Description

具有目标轨迹偏差监视的外科手术机器人系统及相关方法

技术领域

本申请是2017年5月31日提交的序列号为15/609,334的美国申请的部分继续申请，所述序列号为15/609,334的美国申请是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，所述第15/157,444号美国专利申请是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，所述第15/095,883号美国专利申请是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，所述第14/062,707号美国专利申请是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，所述第13/924,505号美国专利申请要求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，所有文献的全部内容出于所有目的以引用的方式并入本文中。

本公开涉及医疗装置，更具体地涉及外科手术机器人系统以及相关的方法和装置。

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辨识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性位置处。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)，并因此产生其自身的用于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，在几何上解析有源和/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、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，患者的移动(例如，由于呼吸)可能影响定位的准确性。

发明内容

根据本发明构思的一些实施例，可以提供一种方法来操作外科手术机器人系统，所述外科手术机器人系统包含机器人臂，所述机器人臂被配置成相对于患者的解剖位置定位外科手术末端执行器。可以接收位置信息，其中使用远离机器人臂并远离患者的传感器系统产生位置信息。位置信息可包含与附连到患者的跟踪装置(例如，参考基座或动态参考基座)有关的位置信息和与外科手术末端执行器有关的位置信息。可以控制机器人臂以基于使用传感器系统产生的位置信息将外科手术末端执行器相对于患者的解剖位置移动到目标轨迹。在控制机器人臂相对于患者的解剖位置移动到目标轨迹之后，控制机器人臂以锁定外科手术末端执行器的位置。在锁定外科手术末端执行器的位置的同时，可确定外科手术末端执行器相对于解剖位置的实际轨迹与外科手术末端执行器相对于解剖位置的目标轨迹之间的偏差。此外，可以基于在锁定外科手术末端执行器的位置之后使用传感器系统产生的定位信息来确定偏差。另外，可以响应于确定偏差而产生指示偏差的用户输出。

根据本发明构思的一些其它实施例，可以提供一种方法来操作外科手术机器人系统，所述外科手术机器人系统包含机器人臂，所述机器人臂被配置成相对于患者的解剖位置定位外科手术末端执行器。可以针对呼吸循环的多个阶段提供对于解剖位置相对于跟踪装置的移动模型的访问，其中模型提供解剖位置相对于跟踪装置的多个偏移，使得所述多个偏移中的相应一个偏移与呼吸循环的所述多个阶段中的相应一个阶段相关联。可以使用远离机器人臂并且远离患者的传感器系统来产生位置信息。位置信息可以包含与跟踪装置由于患者呼吸而移动时附连到患者的跟踪装置的位置和外科手术末端执行器的位置有关的信息。当跟踪装置由于患者呼吸而移动时，可以检测呼吸循环的所述多个阶段。当跟踪装置由于患者呼吸而移动时，可以控制机器人臂以将外科手术末端执行器相对于患者的解剖位置维持在目标轨迹上。所述控制可以基于当跟踪装置由于患者呼吸而移动时，接收位置信息、检测所述多个阶段，以及使用所述多个偏移来确定解剖位置的定位。

根据本发明构思的另外其它实施例，可以提供一种方法来操作外科手术机器人系统，所述外科手术机器人系统包含机器人臂，所述机器人臂被配置成相对于患者的解剖位置定位外科手术末端执行器。可以为呼吸循环的多个阶段提供解剖位置相对于跟踪装置(例如，参考基座或动态参考基座)的移动模型，使得解剖位置相对于跟踪装置的第一偏移用于确定呼吸循环的第一阶段的目标轨迹，并且解剖位置相对于跟踪装置的第二偏移用于确定呼吸循环的第二阶段的目标轨迹。可以接收第一位置信息，其中使用远离机器人臂并且远离患者的传感器系统产生第一位置信息。第一位置信息可包含与附连到患者的跟踪装置的第一位置和外科手术末端执行器的第一位置有关的信息。可以检测患者的呼吸循环的第一阶段，并且可以控制机器人臂以基于第一位置信息并基于使用第一偏移以响应于检测到呼吸循环的第一阶段而从跟踪装置的第一位置确定解剖位置的第一位置，将外科手术末端执行器相对于患者的解剖位置移动到目标轨迹。可以接收使用传感器系统产生的第二位置信息，其中第二位置信息包含与附连到患者的跟踪装置的第二位置和外科手术末端执行器的第二位置相关的信息。可以检测患者的呼吸循环的第二阶段，并且可以控制机器人臂以基于第二位置信息并且基于使用第二偏移以响应于检测到呼吸循环的第二阶段而从跟踪装置的第二位置确定解剖位置的第二位置，移动外科手术末端执行器以相对于患者的解剖位置维持目标轨迹。

在审阅以下图式和详细描述之后，所属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方法和相关的外科手术系统以及对应的方法和计算机程序产品。希望所有此类外科手术系统以及对应的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包含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示出了本发明构思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、外科医生和其他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示出了根据示范性实施例的外科手术机器人的一部分；

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在将外科手术器械插入到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到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，其具有刚性附连在其上的多个跟踪标记；

图13C是根据一个实施例具有刚性附连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型式；

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示出附连有仅单个跟踪标记的末端执行器的替代型式；

图15B示出具有穿过导管设置的器械的图15A的末端执行器；

图15C示出图15A的末端执行器具有在两个不同位置中的器械，和用以确定器械定位于导管内还是导管外的所得逻辑；

图15D示出图15A的末端执行器具有两个不同帧处的导管中的器械，和所述末端执行器距导管上的单个跟踪标记的相对距离；

图15E示出关于坐标系的图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的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扩展植入物插入于收缩位置和扩展位置中的器械；

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器械；

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；

图19B描绘具有联接到其的器械样式末端执行器的机器人的实施例；

图20A、20B和20C是根据本发明构思的一些实施例的仪表配置的示意图；

图21A和21B是根据本发明构思的一些实施例的不同呼吸阶段的轨迹的示意图解；

图22是示出根据本发明构思的一些实施例的机器人控制器的框图；以及

图23和24是示出根据本发明构思的一些实施例的外科手术机器人系统的操作的流程图。

具体实施方式

应该理解的是，本公开的应用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。本公开的教示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”及其变型的使用意味着涵盖其后列出的项目及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”及其变型广泛地使用，并且涵盖直接和间接安装、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。

呈现以下讨论以使所属领域的技术人员能够制造和使用本公开的实施例。对所示出的实施例的各种修改对于所属领域的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，实施例不希望限于所示出的实施例，而是应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图式来阅读，其中不同图式中的相同元件具有相同的附图标记。图式不一定按比例绘制，且图式描绘了所选择的实施例，并不希望限制实施例的范围。熟练的技术人员将认识到，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、基座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的角度可检视的给定测量体积中辨识例如有源和无源跟踪标记118(示出为图2中的患者跟踪装置116的一部分，且由图13A到13B中的放大视图示出)。相机200可以扫描给定测量体积并且检测来自标记118的光，以便辨识和确定标记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，且/或无源标记118可包含反射红外光的回射标记(例如它们将进入的IR辐射反射到入射光的方向中)，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。在所示的配置中，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可以再次定位在外科医生120的对面，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和护士或护理人员(scrub tech)124的传统区域可保持不受机器人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，还是在远程位置。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，导管能够接纳和定向用于对患者210进行外科手术的外科手术器械608(本文进一步描述)。如本文所使用，术语“末端执行器”与术语“末端履行器”和“履行器元件”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的移动的任何已知结构。

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z轴朝向患者210身体成角度。

在一些示范性实施例中，外科手术器械608的位置可以动态地更新，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可以配置成在外科手术器械608偏离选定的预先计划的轨迹的情况下校正外科手术器械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，医师或其他使用者可以操作系统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的另外细节可查阅第13/924,505号共同待决美国专利申请，所述专利申请的全部内容以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的基座106上、机器人臂104上，和/或末端执行器112上。在示范性实施例中，所述多个跟踪标记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，所述多个跟踪标记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可包含不透射线的标记或光学标记。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。包含外科手术机器人102和外科手术器械608的控制、移动和跟踪的外科手术机器人系统100的进一步细节可查阅第2016/0242849号美国专利公开，所述专利公开的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)或能够使用市售红外光学跟踪系统(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可包括能够使用市售光学跟踪系统(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，其包括可以接通和断开的红外发光二极管，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视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示出了符合本公开的示范性实施例的处于对接配置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，所述机器人包含显示器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示出了处于对接配置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，。所属领域的技术人员将认识到，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示出了符合本公开的示范性实施例的基座400。基座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，所述不同电压供应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，以例如为马达512、514、516、518和末端执行器310、马达510、环324、相机转换器542以及系统300的其它部件(例如用于冷却机柜316内的电气部件的风扇)供电。

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可以由符合本公开并在本文中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可以用于对电池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可被设计成啮合脚轮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阻止发生所有运动。控制面板322还可以具有指示器，其用于向使用者通知某些系统状况，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的使用者通知系统300正在操作的不同模式以及对使用者的某些警告。

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)的信息以向使用者显示信息。此外，计算机子系统504还可包含扬声器536以向使用者提供音频。

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。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使用者使用的器械上的某些标记的位置。此跟踪可以以符合本公开的方式进行，包含使用分别跟踪例如LED或反射标记等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、定向和位置可以被提供给计算机408，这些信息可以在显示器304上向使用者展示。举例来说，具有这些类型的标记并且以这种方式(其可以被称为导航空间)跟踪的外科手术器械608可以相关于患者的解剖结构的三维图像而向使用者展示。

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。物理移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啮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啮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(load cell)来控制这些移动，并且由操作这些测压元件的使用者激活来以期望的方式移动系统300。

此外，系统300可以通过使用者在显示器304(其可以是触摸屏输入装置)上指示外科手术器械或部件在显示器304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。使用者可以通过踩踏脚踏板544或一些其它输入装置来起始此自动移动。

图6示出了符合示范性实施例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和机器人基座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可以表示器械工具608被配置成一旦定位成穿过导管606或固定在导管606中时行进的移动路径，例如器械工具608插入患者体内的路径。在示范性操作中，机器人基座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可以辅助使用者(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上以监视器械工具608的定位和定向。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最佳所见，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描述的标记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、机器人基座610、末端执行器602和/或患者210相关的器械608的限定范围或相对定向。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分别示出了符合示范性实施例的末端执行器602的俯视图、前视图和侧视图。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为活跃时，末端执行器602可以由系统100、300、600来控制，并且当标记702被停用时，末端执行器602可以被锁定在适当位置并且不能被系统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来跟踪末端执行器602。标记702和/或末端执行器602的位置可展示在与外科手术机器人系统100、300、600相关联的显示器110、304上，例如图2所示的显示器110和/或图3所示的显示器304。此显示器110、304可以允许使用者确保末端执行器602处于关于机器人臂604、机器人基座610、患者210和/或使用者的理想位置。

举例来说，如图7A所示，可以将标记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通过末端执行器602相对于跟踪装置的一系列共同定向来检视标记702中的至少3个。举例来说，以这种方式分布标记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，所述红外(IR)接收器可以检测到何时外部相机200、326准备好读取标记702。在此检测后，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持续照亮。此外，在示范性实施例中，可以关闭标记702以防止干扰其它导航工具(例如不同类型的外科手术器械608)。

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可以是本文所描述的任何类型，包含但不限于发光二极管或反射球。标记804通过与外科手术机器人系统100、300、600相关联的跟踪装置来监视，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的位置和定向跟踪器械608的定位。举例来说，外科医生120等使用者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充分辨识跟踪阵列612和标记804以在例如示范性外科手术机器人系统的显示器110上显示器械608和标记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纳外科手术器械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体内或体上的期望的解剖目标。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、钻子、扩眼器、螺丝刀、插入工具、拆卸工具等。虽然中空管114、606总体上展示为具有圆筒形构造，但所属领域的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并接近外科手术部位的任何合适的形状、尺寸和构造。

图9A到9C示出了符合示范性实施例的末端执行器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可进一步包括凹陷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介接和/或啮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啮合。通过这些联接件，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安装件，并且增强联接件可以是五杆跨中心夹紧链接件。

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。此坐落可以被认为是磁力辅助的运动学联接。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样式的运动学安装件。

关于增强联接件，夹具1204的部分可以配置为固定的接地链接，并且此夹具1204可以用作五杆链接件。当唇缘1212和唇缘1218以固定末端执行器602和机器人臂604的方式啮合夹具1204时，闭合夹具手柄1206可将末端执行器602紧固到机器人臂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经过中心的链接的位置。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，链接件不会打开。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之间的链接可以在末端执行器602和机器人臂604之间提供无菌屏障，而不会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链接件。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，其将支持将末端执行器102紧固到机器人臂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、跨中心链接件或凸轮机构紧固。

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在导航空间和成像空间两者中跟踪对象和患者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，并且动态参考基座(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座1404的开口1406中。动态参考基座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头。为了跟踪目标解剖结构，动态参考基座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，以便将动态参考基座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可以由跟踪子系统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座1404相关联，从而允许将导航空间中的对象的描绘叠加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座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提供了符合本公开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)导入到系统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的图形表示可以叠加在目标解剖结构的图像上。

在步骤1508处，通过辨识标记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由跟踪子系统532通过红外光在导航空间中辨识的光学标记。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在成像空间中辨识配准固定件1410，并且可以通过使用标记1420在导航空间中辨识配准固定件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的成像图案相比于标记1420的导航图案的位置的相对位置来进行此转移。

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，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座1404来跟踪导航空间和成像空间两者中的目标解剖结构。

在步骤1514和1516处，导航空间可以叠加在成像空间上和具有导航空间中可见的标记的对象(例如具有光学标记804的外科手术器械608)上。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到12B示出了可与机器人系统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，可以为任何适当的主题成像用于任何适当的程序。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，其可包围图像捕获部分(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，其可彼此相隔大约一百八十度设置，并且相对于图像捕获部分的轨迹安装在转子(未示出)上。图像捕获部分可操作以在图像获取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，从而允许从多个方向或在多个平面中获取患者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，所属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到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到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包含基座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描述存在。图13B描绘了末端执行器112的特写视图，其具有导管114和刚性附连到末端执行器112的多个跟踪标记118。在此实施例中，所述多个跟踪标记118附接到导管112。图13C描绘了具有刚性附连到器械608的多个跟踪标记804的器械608(在这种情况下为探针608A)。如本文其它地方描述，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、钻子、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(例如不会妨碍外科手术操作、可见性等)。标记118、804可以例如用阵列612附连到器械608、末端执行器112或其它待跟踪的对象。通常，三个或四个标记118、804与阵列612一起使用。阵列612可包含线性区段、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附接到探针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作为刚性主体被跟踪，并且允许跟踪系统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或其它待以3D跟踪的对象(例如多个刚性主体)，每个工具608、末端执行器112或类似物上的标记118、804以已知的标记间间隔不对称地布置。不对称对准的原因是，使得哪一标记118、804对应于刚性主体上的特定位置以及标记118、804是从前方还是后方检视(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。不对称和唯一的标记图案允许系统100、300、600检测各个标记118、804，然后对照所存储的模板检查标记间隔以确定它们表示哪个工具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。如果没有此信息，则除非使用者手动指定哪个检测到的标记118、804对应于每个刚性主体上的哪个位置，否则不能执行刚性主体计算以提取关键的几何信息，例如工具尖端624和轴622的对准。这些构思对于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的替代型式。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示出例如在图14A的第一配置中如由相机200、326看见的跟踪标记918A到918D的模板；且图14D示出例如在图14B的第二配置中如由相机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，使用关于末端执行器112距此阵列612的位置的信息和关于目标轨迹距另一被跟踪源的位置的信息来计算必须针对机器人102的每个轴线输入的将把导管114移动成与轨迹对准并沿着轨迹向量将尖端移动到特定位置的所需移动。

有时，所期望的轨迹在不方便或不可达的位置中，但如果可转动导管114，那么可到达所期望的轨迹。举例来说，如果导管114可超出俯仰(手腕上下角度)轴线的限度朝上转动，那么远离机器人102的基座106定点的极陡峭轨迹可能是可到达的，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的基座106可能移动，或具有不同导管附接的不同末端执行器112可能与工作的末端执行器交换。这两个解决方案可能是费时且繁琐的。

如图14A和14B中最佳所见，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的基座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、器械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连接到基座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，预期包含不同数目个和不同类型的阵列908A、908B以及不同布置、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或到基座906的其它连接器相对于基座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也枢转、转动或移动。如图14A中最佳所见，导管914具有纵向轴线916，纵向轴线916在大体上法向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度，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，其中所有四个标记918A到918D保持刚性地附接到导管914且此转动由使用者调整，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在先前定向中附接到手腕(机器人臂104)而计算错误的机器人轴线移动。通过保持一个或多个标记918A到918D(例如两个标记918C、918D)刚性地在管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的末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可由例如夹具、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的机构移动：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，通过仅松开夹具或铰链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可跨越铰链920刚性地互连到附接到机器人臂104的末端执行器912的基座906。铰链920可呈例如翼形螺母等等夹具的形式，可松开并再收紧夹具以允许使用者在第一配置(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中识别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，那么所跟踪标记与如图14C中示出的阵列模板1匹配。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，那么所跟踪标记与如图14D中示出的阵列模板2匹配。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限定的空间关系。使用者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，其中标记阵列与允许系统100、300、600将组合件辨识为两个不同工具或两个不同末端执行器的唯一模板匹配。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)之间或外部转动的任何位置中，标记918A到918D将不与任何模板匹配，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，例如识别不同器械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，其中每个离散位置与特定模板匹配，并通过不同已知属性定义唯一工具608或末端执行器112、912。另外，虽然对于末端执行器912举例说明，但是应了解，可移动且和固定的标记918A到918D可与任何合适的器械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来跟踪附接到机器人的末端执行器112的三个或三个以上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，从而完全限定从末端执行器112到基座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的基座106上(未示出)，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座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仅一个额外标记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的替代型式。末端执行器1012可类似于本文中所描述的其它末端执行器，且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/或可起到充当监督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可作为到末端执行器1012的刚性延伸部附接到机器人末端执行器1012，所述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的末端上的反射球面，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的视线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器械608放置在导管1014内时，器械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，器械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，器械608无法在任何方向上平移。换句话说，器械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的位置的另外两个参数已知，那么相机坐标系中的末端执行器1012的位置被充分限定。

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，以及仅位于相机200、326的视野内的某处。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的固定法向(垂直)距离D_F是固定的，且在几何学上已知，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与从导管中心线1016到单个标记1018的已知固定距离D_F匹配时，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与固定距离D_F匹配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的法向检测到的距离D_D在由透明工具608在两个位置中表示的两个数据帧(所跟踪标记坐标)中从导管中心线1016到单个标记1018的固定距离D_F匹配，且因此可能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帧，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，可通过工具608在第一位置中检测到第一帧F1，且可通过工具608在第二位置(即，相对于第一位置线性移动)中检测到第二帧F2。工具阵列612上的标记804可从第一帧F1移动多于给定量(例如大于总共5mm)到达第二帧F2。即使在此移动的情况下，从工具中心线向量C′到单个标记1018的检测到的距离D_D在第一帧F1与第二帧F2两者中大体上相同。

逻辑上，外科医生120或使用者可将工具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将能够通过跟踪五个标记(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。知晓工具608在导管1014内后，可计算在空间上限定机器人末端执行器1012的位置和定向的所有6个自由度。在不具有单个标记1018的情况下，即使确定已知工具608在导管1014内，但是导管1014沿着工具的中心线向量C′定位于何处，以及导管1014如何相对于中心线向量C′旋转是未知的。

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′和法向向量。此法向向量具有定向，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，并在特定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，从而限定导管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′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的任何区段相对于这些向量k′、j′、i′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/或可充当监督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)导航并移动到所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的一部分实现机器人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以指代“变换-相机到机器人”。一旦此变换已知，那么对于每个被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帧可乘以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来计算坐标的变换。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，在紧固机器人基座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，且需要重新获得Tcr，则可使系统100、300、600提示使用者将工具608插入到导管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；以及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；以及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给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的连续监视以验证位置的方法，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将移动到错误的位置。出于此原因，单个标记1018提供安全价值。

对于机器人102的既定给定固定位置，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将检测不到任何错误，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“监督标记”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，那么监督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可警告使用者且可进行校正。因此，此单个标记1018还可被认为是用于机器人102的监督标记。

应显而易见的是，在完全阵列永久地安装于机器人102上(例如所述多个跟踪标记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督标记的单个标记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帧处更新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，由此与单个标记1018相比更多地阻挡外科医生对外科手术区域208的视野和访问，且到完全阵列的视线比到单个标记1018的视线更容易受到阻挡。

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等器械608，器械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。使用所属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扩展或铰接。第8,709,086号和第8,491,659号美国专利描述了可扩展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。

当跟踪例如植入物固持器608B、608C等工具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，所述固定位置标记804相对于植入物固持器器械608B、608C定位在已知位置。这些固定标记804将不能够相对于器械几何形状在任何定向上移动，并将适用于限定器械608在空间上的位置。另外，存在可附接到阵列612或器械自身的至少一个标记806，所述器械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(例如图17A到17B中示出的可扩展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)相关。因此，系统和/或使用者可基于可移动标记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用以限定植入物固持器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(例如收缩位置或扩展位置)的反馈。图17A示出其初始高度处的可扩展间隔件10，且图17B示出扩展状态下的间隔件10，其中可移动标记806平移到不同位置。在此状况下，当植入物10扩展时，可移动标记806移动成更接近固定标记804，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给定扩展高度与可移动标记806的特定位置相关。

现转而参看图18A到18B，四个固定标记804用以限定植入物固持器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给定铰接高度与可移动标记806的特定位置相关。

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的每个缜密配置与特定定向上或特定高度下的植入物固持器608B、608C和植入物10、12的特定几何形状相关。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，虽然举例说明了可扩展和铰接式植入物10、12，但是器械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、啮合剂等等。

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可以能够基于期望的外科手术程序而执行一个或多个功能。举例来说，具有导管114的末端执行器112可用于导引器械608，如本文中所描述。另外，末端执行器112可由控制例如外科手术装置、器械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器械。作为非限制性实例，如图19A中所描绘的末端执行器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种或多种牵开器)或用于插入或安装外科手术装置的一个或多个机构，例如可扩展椎间融合装置(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扩张植入物)、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)、可扩展椎体切除术装置(例如第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号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，包含多轴螺杆、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号美国专利中举例说明的装置)、人造和天然椎间盘、运动保留装置和植入物、脊髓刺激剂(例如第9,440,076号美国专利中举例说明的装置)，以及其它外科手术装置。末端执行器112可包含一个或多个器械，所述器械直接或间接联接到机器人来向外科手术目标提供骨啮合剂、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器械。

末端执行器自身和/或植入物、装置或器械可包含一个或多个标记118，使得可在三维中识别标记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可包含器械608，或其联接到机器人臂104(举例来说，器械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，并可使可扩展植入物10扩展或收缩。因此，机器人系统100可配置成辅助外科医生或者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、血管、结肠直肠、肿瘤、牙科以及其它外科手术和程序。

在机器人脊柱(或其它)手术期间，动态参考基座(DRB)因此可以附连到患者(例如，附连到患者的骨骼)，并且用于跟踪患者解剖结构。由于患者正在呼吸，DRB(其附接到患者身体)的位置可能会振荡。末端执行器的所附连导管的位置可以被机器人自动控制，以在这些振荡期间连续地与目标轨迹保持对准。然而，一旦将外科手术工具引入到导管中，出于安全原因可以停止自动位置控制，并且机器人将保持刚性地固定在静态姿势中。此后，患者移动(例如，由于呼吸)可能导致偏离目标轨迹，同时末端执行器(例如，外科手术工具)保持相对于房间锁定在适当位置。此偏差/偏移(如果未被注意到和未被考虑)可能因此降低系统和/或外科手术的准确性。

根据本发明构思的一些实施例，可以改善患者移动(例如，由于呼吸)的检测，和/或可以改善定位。例如，来自远程传感器系统的信息可用于产生相对于机器人末端执行器的定位的呼吸效果的表示。可以基于实际末端执行器轨迹与例如用于放置脊柱螺钉(或其它医疗装置/植入物/手术)的目标(即，计划的)末端效应轨迹之间的偏差(差异)来监视此偏差。如果患者呼吸是显著的，则所导致的偏差可能导致末端执行器的实际轨迹与目标(计划的)轨迹的距离变化。根据本发明构思的一些实施例，可以在显示器110上提供此偏差。根据一些实施例，图形仪表可以在显示器110上展示，具有三个不同的区段。这些区段可以着色以指示移位的程度：绿色，黄色和红色。在期间认为呼吸过度的手术中，使用者(例如，外科医生)可以请求麻醉师限制呼吸量，或者在短时间内完全停止患者呼吸，以便更准确地放置末端执行器。。

图20A、20B和20C示出了呼吸仪表结构的三个实施例，其可以作为图形仪表在显示器110上提供。在图20A中，可以使用圆形刻度盘配置来示出仪表，其中“针”2001a指示偏差程度。在图20B中，可以使用水平杆配置来示出仪表，其中“针”2001b指示偏差程度。在图20C中，可以使用垂直杆配置来示出仪表，其中“针”2001c指示偏差程度。在图20A-C的任何实施例中，可以省略“针”，其中使用照明来指示偏差程度。例如，可以照亮绿色区域(或其部分)(不照亮黄色和红色区域)以指示低偏差程度；绿色区域和黄色区域(或黄色区域的部分)可以被照亮(不照亮红色区域)以指示中等偏差程度；并且可以照亮绿色区域、黄色区域和红色区域(或红色区域的部分)以指示高偏差程度。此外，仪表可用于动态地指示实时变化的偏差(例如，由于呼吸)。

另外或替代地，外科手术机器人系统可以使用仪表或其它视觉或音频输出指示何时应该更新末端执行器的位置以减少由相对于计划位置的偏差所产生的稳态误差。例如，因为DRB附连到患者身上，所以仪表可以反映由于患者在手术床上的移动而导致的与目标轨迹的稳态偏差。将此信息提供给使用者(例如，外科医生或外科手术团队的其他成员)可以允许使用者选择何时激活机器人臂以减小稳态偏差(即，闭合反馈回路)。

因为并非所有人以相同的方式或以相同的强度呼吸，所以实际轨迹和目标轨迹之间的偏差的量值可能在不同的患者之间变化很大。此外，末端执行器的目标轨迹和实际轨迹之间的期望偏差(被认为是最佳偏差零)可以在仪表的绿色端指示，并且末端执行器的目标轨迹和实际轨迹之间的极端偏差可以在仪表的红色端指示。此外，期望偏差和极端偏差之间的差异可能由仅一到两毫米的DRB移动引起。

因此，仪表可以用于指示末端执行器的实际轨迹和目标轨迹之间的实时偏差(例如，由于呼吸引起的周期性移动和/或例如患者身体的移位之类的一次性移动所致)。此显示的偏差可以使使用者(例如，外科医生或其他外科手术团队成员)意识到利用机器人将末端执行器移动到目标轨迹并且允许稳定到由末端的目标轨迹限定的精确目标(计划)位置。通过使用DRB跟踪移动，如果使用任何器械导致患者位置的显著变化，仪表将指示所述变化，从而通知使用者利用机器人将末端执行器再次移动到目标轨迹，从而减小实际轨迹和目标轨迹之间的偏差，直到任何这种偏差在可接受的范围内。

根据一些实施例，外科手术机器人系统可以使用来自远程传感器(例如，跟踪相机200)的反馈来确定DRB和机器人臂末端执行器的位置，并且固定偏移可以用于确定患者相对于DRB的特定解剖位置，条件是DRB相对于解剖位置的定位基本上是固定的。例如，如果DRB附连到脊柱并且解剖位置是脊柱上用于放置螺钉的位置，则DRB相对于解剖位置的定位可以基本上固定(即使脊柱由于呼吸而移动)，使得在所有呼吸阶段期间，可以使用固定偏移来基于DRB的位置确定解剖位置。

根据一些其它实施例，DRB和解剖位置之间的偏移可以是可变的。例如，如果DRB附连到脊柱并且解剖位置在与DRB间隔开的软组织(例如，例如肺等器官)中，则DRB和解剖位置之间的偏移可以在呼吸循环的不同阶段期间改变。在这种情况下，DRB的位置不能专门用于跟踪目标解剖结构。外科手术机器人系统可以使用建模来提供可变偏移，所述可变偏移用于基于呼吸循环的不同阶段期间DRB的位置来确定目标解剖位置的定位。

根据本发明构思的一些实施例，图20A、20B和/或20C的仪表和/或末端执行器的目标轨迹与实际轨迹之间的偏差的确定可用于在可能受呼吸影响的手术(例如，肺部或器官活检或其它软组织手术)期间提供增强的机器人引导。如图21A和21B所示，如果待进行活检的病变的移动相对于DRB的移动不是固定的(即，DRB和病变之间的偏移在呼吸循环内是可变的)，那么在各种呼吸阶段，目标针轨迹相对于DRB附接位置的偏移的数学或实验预测可能是有用的。例如，如图21A所示当肺部放气时DRB和病变之间的偏移可以不同于如图21B所示当肺部充气时DRB和病变之间的偏移。此些预测可以基于组织建模和/或关于肺部的不同部分在呼吸期间移动的位置的模建模估计。也就是说，通过研究肺在呼吸的每个阶段期间通常如何表现，可以创建计算模型以提供整个呼吸循环中任何肺部位置的定位。然后可以将模型应用于在特定位置具有病变的特定患者。在替代方案中，可以通过在同时记录呼吸阶段的同时拍摄x射线或其它类型的成像来为患者以实验方式获取病变移动的路径。可以编译含有图像和呼吸阶段的数据帧，并且可以在外科手术过程中创建并稍后参考病变偏移与阶段的查找表或拟合数学公式，以引导机器人臂定位末端执行器。此信息可用于确定在不同呼吸阶段DRB相对于病变的偏移，使得对DRB位置的了解可用于确定病变在不同呼吸阶段的相应位置。

图21A(肺部放气)和图21B(肺部充气)是轴向透视的躯干的示意图，示出了呼吸对DRB与病变空间位置的影响。在此实例中，DRB所附接到的骨骼的移动的量值和方向可以与肺部病变的移动的量值幅度和方向不同，使得基于与DRB的固定偏移来跟踪病变可能不足以准确地跟踪病变的位置。尽管在不同的呼吸阶段期间不能直接跟踪肺部病变的位置，但是肺部病变相对于DRB的锚定点的位置可以被建模或以其它方式确定，并且机器人导管(或其它末端执行器)的位置可以调整以使其轨迹在肺充气/放气的多个/所有阶段期间与实际病变位置相交。

在功能上，机器人系统可以直接跟踪DRB作为基础坐标，然后基于可变偏移(即，位置偏移)和呼吸的阶段位置的查找表或数学模型来调整用于软组织活检的导管的位置。在一个实施例中，机器人系统可以基于跟踪的呼吸连续且自动地调整其位置，使得外科医生可以在任何时间部署活检针并准确地靶向病变。在另一实施例中，机器人可以稳定地保持在对应于特定阶段的位置，然后当活检针处于供外科医生进行手动部署的适当位置时通过仪表(例如，图20A、20B和/或20C的仪表)向使用者指示。外科医生会在适当时观察仪表并部署活检针。在另一实施例中，机器人系统可以稳定地保持在对应于特定阶段的位置，并且在适当的时间自动部署活检针，而无需外科医生的手动干预。

因此，本发明构思的实施例可用于帮助外科医生确定限制患者呼吸水平多少以补偿或减少/消除机器人臂上的末端执行器的DRB和/或轨迹的移位。此外，图形仪表可用于展示由于在末端执行器导管中使用器械引起DRB的移位而导致的实际轨迹与目标轨迹之间的偏差。此外，在DRB和解剖位置(例如，病变)之间的位置偏移在不同呼吸阶段改变的情况下，可以使用可变偏移的建模来更准确地确定解剖位置相对于DRB的定位。例如，第一偏移可以用于基于DRB在第一呼吸阶段(例如，放气)期间的位置来确定解剖位置的定位，并且第二偏移可以用于基于DRB在第二呼吸阶段(例如，充气)期间的位置来确定解剖位置的定位。因此，此信息可以由外科手术机器人系统使用以：在呼吸循环期间自动且连续地定位/重新定位末端执行器，以将末端执行器相对于移动的解剖位置(例如，病变)维持在目标轨迹上；和/或当相对于解剖位置(例如，病变)在目标轨迹上正确对准时，从末端执行器自动部署外科手术工具。

图22是示出外科手术机器人系统控制器的元件的框图(例如，在计算机408内实施)。如图所示，控制器可以包含与输入接口电路2201(也称为输入接口)、输出接口电路2203(也称为输出接口)、控制接口电路2205(也称为控制接口)和存储器电路2209(也称为存储器)耦合的处理器电路2207(也称为处理器)。存储器电路2209可以包含计算机可读程序代码，其当由处理器电路2207执行时，使得处理器电路执行根据本文公开的实施例的操作。根据其它实施例，处理器电路2207可以被定义为包含存储器，使得不需要单独的存储器电路。

如本文所讨论，无线终端UE的操作可以由处理器2207、输入接口2201、输出接口2203和/或控制接口2205来执行。例如，处理器2207可以通过输入接口2201接收用户输入，并且此用户输入可以包含通过脚踏板544、平板计算机546等接收的用户输入。处理器2207还可以接收从跟踪系统532和/或相机200通过输入接口2201接收的位置传感器输入。处理器2207可以通过输出接口2203提供输出，并且此输出可以包含用于在显示器304上渲染图形/视觉信息和/或通过扬声器536提供的音频输出的信息。处理器2207可以通过控制接口2205向运动控制子系统506提供机器人控制信息，并且机器人控制信息可以用于控制机器人臂104(也称为机器人臂)和/或末端执行器112的操作。

现在将参照图23的流程图讨论根据本发明构思的一些实施例的外科手术机器人系统(包含被配置为相对于患者的解剖位置定位外科手术末端执行器的机器人臂)的操作。例如，模块可以存储在图22的存储器2209中，并且这些模块可以提供指令，使得当处理器2207执行模块的指令时，处理器2207执行图23的流程图的相应操作。

在框2301处，处理器2207可以通过输入接口2201接收用户输入(例如，来自外科医生或外科手术团队的其他成员的输入)，以将外科手术末端执行器移动到相对于患者的解剖位置的目标轨迹。目标轨迹可以是末端执行器相对于用于执行外科手术的解剖位置的定位和/或对准。此外，用户输入可以经由例如脚踏板544等输入装置提供，所述输入装置是“常关”的，使得需要来自用户的主动输入以允许用于定位末端执行器112的机器人臂104的运动。例如，在脚踏板的实例中，可能要求用户主动地按压脚踏板以允许机器人臂和/或末端执行器的运动，并且当用户没有主动按下脚踏板时，机器人臂和末端执行器的位置可以被锁定。

在框2303处，处理器2207可以接收使用远离机器人臂104并且远离患者的传感器系统(例如，相机系统200)产生的位置信息。可以通过输入接口2201接收位置信息。位置信息可以包含与附连到患者的跟踪装置(例如，参考基座或动态参考基座DRB)有关的位置信息，和与外科手术末端执行器112有关的位置信息。

在框2305处，处理器2207可以控制机器人臂104(例如，经由通过控制接口2205发射/接收的信令)以基于使用传感器系统产生的位置信息将外科手术末端执行器112移动到相对于患者的解剖位置的目标轨迹。此外，处理器2207可以响应于接收到移动外科手术末端执行器的用户输入(如所讨论)来控制机器人臂将外科手术末端执行器移动到目标轨迹。因此，只要维持允许运动的用户输入，框2303和2305的操作可以继续通过框2307，直到外科手术末端执行器直到末端执行器定位在目标轨迹中。如果在到达目标轨迹之前允许运动的用户输入停止(例如，用户的脚从踏板544移开)，则机器人臂可在到达目标轨迹之前在框2307和2309处锁定。

一旦外科手术末端执行器定位在目标轨迹中，处理器2207就可通过输入接口2201接收用户输入以在框2307锁定外科手术末端执行器的位置。此输入可以响应于在框2307处用户停止允许运动的输入(例如，通过从脚踏板544移开脚)。响应于此输入，处理器2207可以控制机器人臂在框2309处锁定外科手术末端执行器的位置(例如，经由通过控制接口2205发射/接收的控制信令)。

当外科手术末端执行器的位置被锁定时，处理器2207可以继续接收使用远离机器人臂104并且远离患者的传感器系统(例如，相机系统200)产生的位置信息。可以通过输入接口2201接收位置信息。位置信息可包含与附连到患者的跟踪装置(例如，DRB)有关的位置信息，和与外科手术末端执行器112有关的位置信息。在框2313处，在末端执行器的位置被锁定时，处理器2207可确定外科手术末端执行器相对于解剖位置的实际轨迹和外科手术末端执行器相对于解剖位置的目标轨迹之间的偏差，其中所述偏差是基于在锁定外科手术末端执行器的位置之后使用传感器系统产生的定位信息来确定的。

在框2315处，处理器2207可以产生指示偏差的用户输出，其中响应于确定偏差而产生所述用户输出。用户输出可以在例如使用如上文参考图20A、20B和/或20C所讨论的显示配置的显示器304上渲染为图形仪表。此外，可在框2309、2311、2313和2315处动态地更新用户输出(例如，图形仪表)以反映当外科手术末端执行器的位置被锁定时的变化的偏差(例如，只要在框2321处未接收到模式外科手术末端执行器的进一步输入。

根据一些实施例，在框2313处确定偏差可以包含针对呼吸循环的多个阶段基于解剖位置相对于跟踪装置的移动模型来动态地确定偏差。所述模型可提供用于确定呼吸循环的第一阶段的目标轨迹的解剖位置相对于跟踪装置的第一偏移(即，位置偏移)，以及用于确定呼吸循环的第二阶段的目标轨迹的解剖位置相对于跟踪装置的第二偏移(即，位置偏移)。因此，产生用户输出可以包含动态地产生用户输出以实时基于呼吸循环的多个阶段的偏移来指示偏差。例如，波纹管带可以通过输入接口2201提供输入，从而允许处理器2207确定患者呼吸的阶段(例如，肺充气或肺放气)。例如，在第9,782,229号美国专利中讨论了波纹管带的使用，所述专利的公开内容全文以引用的方式并入本文中。

基于此呼吸阶段信息，处理器2207可以使用第一偏移来确定第一呼吸阶段(例如，肺充气)期间的第一时间解剖位置的定位，并且处理器2207可以使用第二偏移来确定第二呼吸阶段(例如，肺放气)期间的第二时间解剖位置的定位。因此，处理器2207可以基于使用第一偏移确定的目标轨迹在框2313处产生第一时间的第一偏差，处理器2207可以基于使用第二偏移确定的目标轨迹在框2313处产生第二时间的第二偏差，且处理器2207可以实时产生对应于第一和第二偏差的相应用户输出。

当末端执行器锁定在适当位置时，处理器2207可以在框2317处确定偏差是否超过阈值。响应于在框2317处偏差超过阈值，处理器2207可以在外科手术末端执行器的位置被锁定时产生用户输出以提供过度偏差的通知。此通知可以通过输出接口2203提供，作为使用扬声器536的可听输出/警告，或者作为使用显示器304的视觉输出/警告。例如，如果患者在手术台上移动或被移动，则可能发生这种偏差超过阈值的情况。响应于这样的警告或由于其它原因，用户可以通过在框2321处提供移动外科手术末端执行器的输入(例如，通过按压脚踏板544)来决定重新定位外科手术末端执行器。响应于在框2321处通过输入接口2201接收此用户输入，并且响应于在框2303处通过输入接口接收位置信息，处理器2207可以在框2305处控制机器人臂以基于使用传感器系统产生的第二位置信息和跟踪装置的第二位置将外科手术末端执行器相对于患者的解剖位置移动到目标轨迹。

根据图23的一些实施例，外科手术末端执行器可包含引导件，所述引导件配置成引导手动插入穿过导管的外科手术器械的放置。一旦外科手术末端执行器被锁定并且使用者对放置感到满意，使用者就可以通过引导件插入外科手术器械以实施医疗程序。例如，使用者可以使用图形仪表来确定在执行手术之前正确放置了末端执行器。

根据一些其它实施例，处理器2207可以基于使用传感器系统产生的定位信息来确定外科手术末端执行器的实际轨迹与外科手术末端执行器的目标轨迹之间的偏差的样式。例如，这种偏差样式可能由于呼吸而发生，呼吸导致解剖位置和跟踪装置在外科手术末端执行器被锁定就位时移动。此外，末端执行器可以是外科手术器械(例如，活检针)，并且处理器2207可以控制末端执行器以基于偏差样式(当末端执行器锁定在位时)自动部署外科手术器械来实现与患者的解剖位置的物理接触。换句话说，处理器2207可以选择部署时间与解剖位置的移动一致，这将解剖位置放置成与锁定的末端执行器的外科手术器械对准。

现在将参照图24的流程图讨论根据本发明构思的一些实施例的外科手术机器人系统(包含被配置为相对于患者的解剖位置定位外科手术末端执行器的机器人臂)的操作。如上所述，模块可以存储在图22的存储器2209中，并且这些模块可以提供指令，使得当处理器2207执行模块的指令时，处理器2207执行图23的流程图的相应操作。

在框2401处，处理器2207可以针对患者的呼吸循环的多个阶段提供对于解剖位置相对于跟踪装置的移动模型的访问。所述模型可以提供解剖位置相对于跟踪装置的多个偏移，使得所述多个偏移中的相应一个偏移与呼吸循环的所述多个阶段中的相应一个阶段相关联。例如，模型可以提供解剖位置相对于跟踪装置的第一偏移，其中第一偏移用于确定呼吸循环的第一阶段的目标轨迹(例如，如图21A所示，肺部放气)，并且模型可以包含解剖位置相对于跟踪装置的第二偏移，其中第二偏移用于确定呼吸循环的第二阶段的目标轨迹(例如，如图21B所示，肺部充气)。此外，可以为呼吸循环的任何数量的阶段提供相应的偏移，例如，包含完全充气、完全放气、部分充气/放气等。

所述模型可以在控制器存储器2209中提供，或者从控制器外部的存储器和/或数据库访问。可以使用呼吸阶段和相应偏移的查找表来提供模型，或者可以将模型提供为呼吸阶段和相应偏移之间的数学关系。可以在手术之前，通过在呼吸循环的不同阶段拍摄解剖结构的医学图像同时使用波纹管带来检测呼吸阶段，来开发模型。然后可以使用医学图像来确定各个呼吸阶段的不同偏移。

在框2405、2407、2409和2411处，处理器2207可以执行接收位置信息、检测呼吸阶段和控制机器人臂以维持目标轨迹直到程序在框2411完成的操作。

在框2405处，处理器2207可以接收使用远离机器人臂并远离患者的传感器系统产生的位置信息，并且所述位置信息可以包含当跟踪装置由于患者呼吸而移动时与附连到患者的跟踪装置的位置和外科手术末端执行器的位置有关的信息。

在框2407处，当跟踪装置由于患者呼吸而移动时，处理器2207可以检测呼吸循环的多个阶段。例如，处理器2207可以基于从波纹管带接收的信息来检测呼吸阶段。

在框2409处，当跟踪装置由于患者呼吸而移动时，处理器2209可以控制机器人臂将外科手术末端执行器相对于患者的解剖位置维持在目标轨迹。所述控制可以基于当跟踪装置由于患者呼吸而移动时接收位置信息、检测多个阶段，以及使用多个偏移来确定解剖位置的定位。

作为实例，可以在框2405处接收第一位置信息，并且可以在框2407处检测第一呼吸阶段。响应于第一位置信息和检测第一呼吸阶段，处理器2207可以在框2409处控制机器人臂，以基于使用传感器系统产生的第一位置信息并且基于使用第一偏移来响应于检测到呼吸循环的第一阶段而从跟踪装置的第一位置确定解剖位置的第一位置，将外科手术末端执行器相对于患者的解剖位置维持在目标轨迹处。

假设程序在框2411处继续，则可以在框2405处接收第二位置信息，并且可以在框2407处检测第二呼吸阶段。响应于第二位置信息和检测第二呼吸阶段，处理器2207可以在框2409处控制机器人臂，以基于使用传感器系统产生的第二位置信息并且基于使用第二偏移来响应于检测到呼吸循环的第二阶段而从跟踪装置的第二位置确定解剖位置的第二位置，将外科手术末端执行器相对于患者的解剖位置维持在目标轨迹处。

在框2405、2407、2409和2411处将末端执行器维持在目标轨迹中的同时，可以手动或自动完成医疗程序。根据一些实施例，末端执行器可以是引导件，使得使用者(例如，外科医生)可以通过引导件手动插入医疗器械，同时引导件连续且自动地维持在目标轨迹处以便于在完成程序所需的一段时间内更准确地放置医疗器械。根据一些其它实施例，末端执行器可包含医疗器械(例如，活检针)，其可在末端执行器维持在目标轨迹处时由机器人系统自动部署。

在本发明构思的各种实施例的上述描述中，应理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制本发明构思。除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解的是，例如在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且除非本文明确定义，否则不应在理想化或过度正式的意义上解释。

当一个元件被称为“连接”、“耦合”、“响应”(或其变型)于另一元件时，它可以直接连接、耦合或响应于另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”、“直接耦合”、“直接响应”(或其变型)于另一元件时，不存在中间元件。相同的数字始终指代相同的元件。此外，本文使用的“耦合”、“连接”、“响应”或其变型可以包含无线耦合、连接或响应。如本文所使用，单数形式“一”、“一个”和“所述”也希望包含复数形式，除非上下文另有明确说明。为了简洁和/或清楚起见，可能未详细描述众所周知的功能或构造。术语“和/或”包含一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件/操作，但是这些元件/操作不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件/操作与另一元件/操作区分开。因此，在不脱离本发明构思的教示的情况下，在一些实施例中的第一元件/操作可以在其它实施例中被称为第二元件/操作。在整个说明书中，相同的附图标记或相同的参考标记表示相同或相似的元件。

如本文所使用，术语“包括”、“包含”、“具有”或其变型是开放式的，并且包含一个或多个所陈述的特征、整数、元件、步骤、组件或功能，但不排除一个或多个其它特征、整数、元件、步骤、组件、功能或其群组的存在或添加。此外，如本文所使用，源自拉丁语短语“例如(exempli gratia)”的通用缩写“eg”可用于引入或指定先前提及的项目的一个或多个一般实例，并且不希望限制此项目。源自拉丁语短语“即(id est)”的通用缩写“ie”可用于依据更一般的叙述指定特定项目。

本文参考计算机实施的方法、设备(系统和/或装置)和/或计算机程序产品的框图和/或流程图图解来描述示例实施例。应当理解，框图和/或流程图图解的框以及框图和/或流程图图解中的框的组合可以由一个或多个计算机电路执行的计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机电路、专用计算机电路和/或其它可编程数据处理电路的处理器电路，以产生机器，使得指令经由计算机的处理器和/或其它可编程数据处理设备、变换和控制晶体管、存储在存储器位置中的值，以及此电路内的其它硬件组件执行，以实施在框图和/或流程图框中指定的功能/动作，从而创建用于实施框图和/或流程图框中指定的功能/动作的构件(功能性)和/或结构。

这些计算机程序指令还可以存储在有形计算机可读媒体中，所述有形计算机可读媒体可以指示计算机或其它可编程数据处理设备以特定方式起作用，使得存储在计算机可读媒体中的指令产生包含实施框图和/或流程图框中指定的功能/动作的指令的制品。因此，本发明构思的实施例可以体现在例如数字信号处理器之类的处理器上运行的硬件和/或软件(包含固件、常驻软件、微代码等)中，这些处理器可以统称为“电路”、“模块”或其变型。

还应注意，在一些替代实施方案中，框中提到的功能/动作可以不按流程图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能/动作。此外，流程图和/或框图的给定框的功能性可以分成多个框，且/或流程图和/或框图的两个或两个以上框的功能性可以至少部分地集成。最后，可以在所示的框之间添加/插入其它框，且/或可以省略框/操作而不脱离本发明构思的范围。此外，尽管一些图包含通信路径上的箭头以示出通信的主要方向，但是应该理解，通信可以在与所示箭头相反的方向上发生。

虽然在前面的说明书中已经公开了本发明构思的几个实施例，但应该理解，在受益于前述说明和相关附图中呈现的教示的情况下，将能够设想出本发明构思所涉及的本发明构思的许多修改和其它实施例。因此应该理解，本发明构思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希望包含在所附权利要求书的范围内。进一步设想，来自一个实施例的特征可以与来自本文描述的不同实施例的特征组合或一起使用。此外，虽然在本文以及在所附权利要求书中使用了特定术语，但是它们仅在一般和描述性意义上被使用，而不是为了限制所描述发明构思或所附权利要求书的目的。本文引用的每个专利和专利公开的全部公开内容全文以引用的方式并入本文中，如同每个此专利或公开个别地以引用的方式并入本文中。本发明构思的各种特征和/或潜在优点在所附权利要求书中陈述。

Claims (7)

1.一种外科手术机器人系统，其包括：

机器人臂，其被配置为相对于患者的解剖位置定位外科手术末端执行器；以及

控制器，其与所述机器人臂耦合，其中所述控制器被配置为，

接收使用远离所述机器人臂并远离所述患者的传感器系统产生的位置信息，其中所述位置信息包含与附连在所述患者身上的跟踪装置有关的位置信息和与所述外科手术末端执行器有关的位置信息；

控制所述机器人臂以基于使用所述传感器系统产生的所述位置信息，将所述外科手术末端执行器相对于所述患者的所述解剖位置移动到目标轨迹；

在控制所述机器人臂相对于所述患者的所述解剖位置移动到所述目标轨迹之后，控制所述机器人臂以锁定所述外科手术末端执行器的位置；

当所述外科手术末端执行器的所述位置被锁定时，确定所述外科手术末端执行器相对于所述解剖位置的实际轨迹与所述外科手术末端执行器相对于所述解剖位置的目标轨迹之间的偏差，其中在锁定所述外科手术末端执行器的所述位置之后，基于使用所述传感器系统产生的所述位置信息确定所述偏差；以及

产生指示所述偏差的用户输出，其中响应于确定所述偏差而产生所述用户输出。

2.根据权利要求1所述的外科手术机器人系统，其中所述控制器进一步被配置为，

接收将所述外科手术末端执行器相对于所述患者的所述解剖位置移动到所述目标轨迹的用户输入；

其中控制所述机器人臂将所述外科手术末端执行器移动到所述目标轨迹包括控制所述机器人臂以响应于接收到移动所述外科手术末端执行器的所述用户输入而将所述外科手术末端执行器移动到所述目标轨迹。

3.根据权利要求2所述的外科手术机器人系统，其中所述用户输入包括第一用户输入，其中所述控制器进一步被配置为，

在控制所述机器人臂移动到所述目标轨迹之后，接收锁定所述外科手术末端执行器的所述位置的第二用户输入；

其中控制所述机器人臂锁定所述外科手术末端执行器的所述位置包括控制所述机器人臂以响应于接收到锁定所述外科手术末端执行器的所述位置的所述第二用户输入而锁定所述外科手术末端执行器的所述位置。

4.根据权利要求3所述的外科手术机器人系统，其中控制所述机器人臂将所述外科手术末端执行器移动到所述目标轨迹包括：控制所述机器人臂以基于使用所述传感器系统产生的第一位置信息和所述跟踪装置的第一位置，将所述外科手术末端执行器移动到所述目标轨迹，其中所述控制器进一步被配置为，

在产生指示所述偏差的所述用户输出之后，接收将所述外科手术末端执行器移动到所述目标轨迹的第三用户输入；以及

响应于接收所述第三用户输入，控制所述机器人臂以基于使用所述传感器系统产生的第二位置信息和所述跟踪装置的第二位置，将所述外科手术末端执行器相对于所述患者的所述解剖位置移动到所述目标轨迹。

5.根据权利要求1所述的外科手术机器人系统，其中确定所述偏差包括：基于使用所述传感器系统产生的所述位置信息，确定所述外科手术末端执行器的所述实际轨迹与所述外科手术末端执行器的所述目标轨迹之间的所述偏差的样式，并且其中所述末端执行器包括外科手术器械，其中所述控制器进一步被配置为，

基于所述偏差的所述样式自动部署所述外科手术器械，以实现与所述患者的所述解剖位置的物理接触。

6.一种外科手术机器人系统，其包括：

机器人臂，其被配置为相对于患者的解剖位置定位外科手术末端执行器；以及

控制器，其与所述机器人臂耦合，其中所述控制器被配置为，

针对呼吸循环的多个阶段，提供对于所述解剖位置相对于跟踪装置的移动模型的访问，其中所述模型提供所述解剖位置相对于所述跟踪装置的多个偏移，使得所述多个偏移中的相应一个偏移与所述呼吸循环的所述多个阶段中的相应一个阶段相关联；

接收使用远离所述机器人臂并远离所述患者的传感器系统产生的位置信息，其中所述位置信息包含：当所述跟踪装置由于所述患者呼吸而移动时，与附连在所述患者身上的所述跟踪装置的位置以及所述外科手术末端执行器的位置有关的信息；

检测当所述跟踪装置由于所述患者呼吸而移动时所述呼吸循环的所述多个阶段，以及

控制所述机器人臂以当所述跟踪装置由于所述患者呼吸而移动时，将所述外科手术末端执行器相对于所述患者的所述解剖位置维持在目标轨迹，其中所述控制是基于当所述跟踪装置由于所述患者呼吸而移动时，接收所述位置信息、检测所述多个阶段、以及使用所述多个偏移来确定所述解剖位置的定位。

7.根据权利要求6所述的外科手术机器人系统，其中所述模型提供：用于确定呼吸循环的第一阶段的所述目标轨迹的所述解剖位置相对于所述跟踪装置的第一偏移，以及用于确定所述呼吸循环的第二阶段的所述目标轨迹的所述解剖位置相对于所述跟踪装置的第二偏移，其中控制所述机器人臂包括：控制所述机器人臂以基于使用传感器系统产生的第一位置信息并基于使用所述第一偏移，来响应于检测到所述呼吸循环的所述第一阶段而从所述跟踪装置的第一位置确定所述解剖位置的第一位置，将所述外科手术末端执行器相对于所述患者的所述解剖位置维持在所述目标轨迹处，以及控制所述机器人臂以基于使用传感器系统产生的第二位置信息并基于使用所述第二偏移，来响应于检测到所述呼吸循环的所述第二阶段而从所述跟踪装置的第二位置确定所述解剖位置的第二位置，将所述外科手术末端执行器相对于所述患者的所述解剖位置维持在所述目标轨迹处。

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