CN110652359B - 手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

公开包含手术机器人、传感器和手术控制计算机的手术机器人系统。为了确定所述手术机器人的机器人臂与患者的实际或预测碰撞，所述传感器被配置成输出指示所述机器人臂邻近于患者时所述机器人臂与所述患者的近程的近程信号。所述手术控制计算机的处理器从所述传感器接收所述近程信号，且基于所接收的近程信号确定所述机器人臂何时已经与所述患者碰撞或预测会与所述患者碰撞。响应于确定此实际或预测碰撞，所述处理器执行矫正动作。通过使手术机器人系统响应于确定实际或预测碰撞而执行矫正动作，可减少和/或消除所述机器人臂和所述患者之间的碰撞。

Description

手术机器人系统

相关申请的交叉参考

本申请是第15/609,334号美国专利申请的部分接续申请，所述第15/609,334号美国专利申请是2016年5月18日提交的第15/157,444号美国专利申请的部分接续申请，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连续申请，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连续申请，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连续申请，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，并且要求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。

技术领域

本公开涉及医疗装置，且更具体地说涉及手术机器人系统以及相关方法和装置。

背景技术

技术的进步最近已经使外科手术期间手术机器人系统的使用增加。通常，手术机器人系统包含手术机器人，其由外科医生手动地控制和/或由计算机自主地控制以执行或辅助外科手术。在手动控制的系统中，外科医生可经由操纵器和/或计算机控制来控制手术机器人。举例来说，外科医生可手动地接合安置于末端执行器上的测压元件(即，被设计成与环境交互的手术机器人的机器人臂的末端处的装置)以致使末端执行器对患者执行切除。相比而言，自主控制的手术机器人系统可使用计算机程序来控制手术机器人以执行外科手术的给定移动。在某些情况下，手术机器人系统可具有手动特性和自主特性两者。通过使用手术机器人系统代替传统外科手术技术，可以增加的稳定性、精度、速度和平稳度执行外科手术的移动。在此方面，使用机器人系统的外科手术可实现较小切口、组织创伤减小且失血减少，从而产生例如输血和结疤减少以及操作时间和愈合时间缩短等益处。

然而，相比于传统外科手术技术，传统手术机器人系统可能具有有限的反馈。举例来说，虽然手动进行传统外科手术的外科医生可能够将器械调整到特定角度并同时感测他或她是否正接触患者，但传统手术机器人系统可能缺乏感测此类信息所必需的反馈。因此，此系统的手术机器人的部分可能在调整到特定器械角度或视点时与患者碰撞。在此方面，传统手术机器人系统可能对患者造成疼痛、不适和/或伤害，且对手术机器人本身造成损坏。

发明内容

具体实施方式中所公开的方面是针对响应于确定机器人臂的实际或预测碰撞而在手术机器人系统中执行矫正动作。在外科手术期间，手术机器人可以陡峭的角度且非常接近患者而操纵手术器械。以此方式定位手术器械可能导致手术机器人和患者之间发生碰撞，从而使患者受伤和/或对手术机器人造成损坏。手术机器人的机器人臂归因于接近手术末端执行器而处于此碰撞的特定风险下。

因此，在本文中所公开的示例性方面中，提供包含手术机器人、传感器和手术控制计算机的手术机器人系统。为了确定手术机器人的机器人臂与患者的实际或预测碰撞，传感器被配置成输出指示机器人臂邻近于患者时机器人臂与患者的近程的近程信号。手术控制计算机的处理器从传感器接收近程信号，且基于所接收的近程信号确定机器人臂何时已经与患者碰撞或预测会与患者碰撞。响应于确定此实际或预测碰撞，处理器执行矫正动作。

在至少一个非限制性实施例中，例如在手动控制的手术机器人系统中，执行矫正动作包含向操作者显示碰撞警示。在另一非限制性实施例中(例如自主控制的手术机器人系统)，执行矫正动作包含抑制机器人臂在朝向机器人臂已经与患者碰撞或预测会与患者碰撞的方向上的移动。通过响应于确定实际或预测碰撞使手术机器人系统执行矫正动作，机器人臂和患者之间的碰撞可减少和/或消除，而不需要增加外科医生训练和/或机器人臂的过度运动限制范围。以此方式，手术机器人系统可以在外科手术中使用以便以减小的成本实现组织损伤、失血和结疤减少，以及操作时间和愈合时间缩短。

所属领域的技术人员在检审视以下图式和具体实施方式后将显而易见根据本文中公开的各方面的其它方法、手术机器人系统和计算机程序产品。希望所有此类方法、手术机器人系统和计算机程序产品包含于本说明书内，包含于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

附图作为本申请的一部分并入且被包含以提供对本文的公开内容的进一步理解，附图示出权利要求书和贯穿本申请的其它地方阐述的本发明构思的示例性非限制性实施例。在此方面，本文中所公开的图式是针对以下各图：

图1是外科手术程序期间机器人手术系统、患者、外科医生和其他医务人员的示例性布置的俯视图；

图2示出了根据一个示例性实施例包含手术机器人和相机相对于患者的定位的图1的示例性机器人手术系统；

图3示出了根据示例性实施例的手术机器人系统；

图4示出了根据示例性实施例的手术机器人的一部分；

图5示出了根据示例性实施例图3中示出的手术机器人的框图；

图6示出了根据示例性实施例的手术机器人；

图7A-7C示出了根据示例性实施例的末端执行器；

图8示出了根据一个示例性实施例在将手术器械插入到末端执行器的导管中之前和之后的手术器械和末端执行器；

图9A-9C示出了根据示例性实施例的末端执行器和机器人臂的部分；

图10示出了根据示例性实施例的动态参考阵列、成像阵列和其它组件；

图11示出了根据示例性实施例的配准方法；

图12A-12B示出了根据示例性实施例的成像装置；

图13A示出了根据示例性实施例包含机器人臂和末端执行器的手术机器人的一部分；

图13B示出了图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示出了根据一个示例性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示出了根据一个示例性实施例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示出了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示出了来自图14A的第一配置中的跟踪标记的模板；

图14D示出了来自图14B的第二配置中的跟踪标记的模板；

图15A示出了根据一个示例性实施例仅附连有单个跟踪标记的末端执行器的替代型式；

图15B示出了具有穿过导管安置的器械的图15A的末端执行器；

图15C示出了图15A的末端执行器，其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示出了具有两个不同框架处的导管中的器械的图15A的末端执行器，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示出了相对于坐标系的图15A的末端执行器；

图16是根据一个示例性实施例用于将手术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-17B分别示出了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器械；

图18A-18B分别示出了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和成角位置中的器械；

图19A示出了具有可互换或替代性末端执行器的手术机器人的实施例；

图19B示出了手术机器人的实施例，所述手术机器人具有联接到其的器械样式末端执行器；

图20示出了根据一些示例性实施例的手术机器人系统的框图，所述手术机器人系统包含传感器和手术控制计算机，所述手术控制计算机连接到手术机器人以响应于确定手术机器人的机器人臂的实际或预测碰撞而执行矫正动作；以及

图21-24示出了根据一些示例性实施例图20的手术机器人系统中的手术控制计算机的操作的流程图。

具体实施方式

呈现以下论述以使所属领域的普通技术人员能够制造和使用本公开的实施例。所属领域的普通技术人员将容易了解对所示出的实施例的各种修改。如此，所属领域的普通技术人员所理解的与本文中所公开的实施例相关联的原理将容易适用于其它实施例和应用，而不脱离本公开的实施例。因此，本文中所公开的实施例并不意图仅限于本文中所示的实施例，而是应被赋予与本文中所公开的原理和特征相一致的最广范围。在此方面，以下详细描述中所公开的示例性方面应参考图式来阅读，其中不同图式中的相似元件可具有相似参考标号。词语“示例性”在本文中用于意指“充当实例、例子或说明”。本文中描述为“示例性”的任何方面未必解释为比其它方面优选或有利。不一定按比例的图式描绘所选择的实施例并且并不打算限制实施例的范围。所属领域的普通技术人员将认识到，本文中所提供的实例具有许多有用的替代形式且落在实施例的范围内。

如上文所解释，在使用手术机器人系统的外科手术期间，可能需要以陡峭的角度且非常接近患者而放置例如手术器械等手术机器人的方面以执行外科手术的特定移动。然而，以此方式定位手术机器人可能导致手术机器人和患者之间发生碰撞，从而使患者受伤和/或对手术机器人造成损坏。手术机器人的机器人臂归因于接近手术末端执行器而处于此碰撞的特定风险下。

因此，在本文中所公开的示例性方面中，提供包含手术机器人、传感器和手术控制计算机的手术机器人系统。为了确定手术机器人的机器人臂与患者的实际或预测碰撞，传感器被配置成输出指示机器人臂邻近于患者时机器人臂与患者的近程的近程信号。手术控制计算机的处理器从传感器接收近程信号，且基于所接收的近程信号确定机器人臂何时已经与患者碰撞或预测会与患者碰撞。响应于确定此实际或预测碰撞，处理器执行矫正动作。在至少一个非限制性实施例中，例如在手动控制的手术机器人系统中，执行矫正动作包含向操作者显示碰撞警示。在另一非限制性实施例中(例如自主控制的手术机器人系统)，执行矫正动作包含抑制机器人臂在朝向机器人臂已经与患者碰撞或预测会与患者碰撞的方向上的移动。通过响应于确定实际或预测碰撞使手术机器人系统执行矫正动作，机器人臂和患者之间的碰撞可减少和/或消除，而不需要增加外科医生训练和/或机器人臂的过度运动限制范围。以此方式，手术机器人系统可以在外科手术中使用以便以减小的成本实现组织损伤、失血和结疤减少，以及操作时间和愈合时间缩短。

尽管在响应于确定机器人臂的实际或预测碰撞在手术机器人系统中执行矫正动作的上下文中描述各种实施例，但本公开不限于此。首先在下文详细描述实例手术机器人系统，然后根据本公开的实施例描述与响应于确定机器人臂的实际或预测碰撞而在手术机器人系统中执行矫正动作相关联的各种配置和操作。

手术机器人系统

现转而参看附图，图1和图2示出了根据示例性实施例的手术机器人系统100。手术机器人系统100可包含例如手术机器人102、一个或多个机器人臂104、基部106、显示器110，和包含例如导管114的末端执行器112(图2中示出)。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，其中患者跟踪装置116直接固定到患者210(例如固定到患者210的骨头)。手术机器人系统100还可使用例如定位在相机支架202上的相机200。相机支架202可具有任何合适的配置以将相机200移动、定向并支撑在期望的位置。相机200可包含能够识别例如在从相机的角度可见的既定测量体积中的有源和无源跟踪标记118(展示为图2示出的患者跟踪装置116的一部分，且在图13A-13B中以放大视图展示)的任何合适的一个或多个相机，例如一个或多个红外相机(例如双焦点或立体摄影测量相机)。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(IR)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IR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IR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2示出了手术机器人系统100在手术室环境中的一个示例性配置。如图1和2所示，手术机器人102可以位于患者210附近或邻近于患者210。虽然描绘在患者210的头部附近，但是应当理解，手术机器人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正在进行手术的区域。相机200可以与手术机器人系统100分开并且定位在患者210的足部。该位置允许相机200对手术视野208具有直接的视线。再次，可以设想相机200可以位于具有到手术视野208的视线的任何合适的位置。在所示的配置中，外科医生120可以定位在手术机器人102的对面，但仍然能够操纵末端执行器112和显示器110。手术助理126可以与外科医生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和护士或擦洗护工124的传统区域可不受机器人102和相机200的位置阻碍。

关于手术机器人102的其它组件，显示器110可以被附接到手术机器人102。在其它示例性实施例中，显示器110可以与手术机器人102分开，不管是在具有手术机器人102的手术室内，还是在远处的位置。末端执行器112可以联接到机器人臂104并且由至少一个发动机控制。在示例性实施例中，末端执行器112可包含导管114，导管能够接收和/或定向用于对患者210进行外科手术的手术器械608(下文进一步描述)。如本文所使用的，术语“末端执行器”与术语“末端施行器”和“施行器元件”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仪器代替。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手术器械608的移动的任何已知结构。

手术机器人102能够控制末端执行器112的平移和定向。手术机器人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(例如翻转、纵摇和/或横摆)可以被选择性地控制)。在一些示例性实施例中，与使用例如具有六自由度且仅包括旋转轴的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程序的执行具有显著提高的准确度。举例来说，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选择性地朝向患者210的身体相对于z轴成角度。

在一些示例性实施例中，手术器械(例如，图6所示的手术器械608)的位置可以动态更新，使得手术机器人102可以在手术期间始终知道手术器械608的位置。因此，在一些示例性实施例中，手术机器人102可以将手术器械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，手术机器人102可以配置成在手术器械608偏离所选择的预先规划的轨迹的情况下校正手术器械608的路径。在一些示例性实施例中，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/或手术器械608的移动。因此，在示例性实施例中，在使用中，医师或其他用户可以操作手术机器人系统100，并且可以选择停止、修改或手动控制末端执行器112和/或手术器械608的自主移动。包含手术机器人102对手术器械608的控制和移动的手术机器人系统100的进一步细节可以查阅第13/924,505号美国专利申请，其全部内容以引用的方式并入本文中。

机器人手术系统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/或手术器械608的移动。在示例性实施例中，多个跟踪标记118可以被安装(或以其它方式被固定)到手术机器人102的外表面，例如手术机器人102的基部106上、机器人臂104上，和/或末端执行器112上。在示例性实施例中，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。在示例性实施例中，多个跟踪标记118可以定位在患者210上与手术视野208间隔开，以减小被外科医生、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和手术工具608)中的每一个都能够被机器人102跟踪。在示例性实施例中，手术机器人系统100可以使用从每个被标记对象收集的跟踪信息计算例如末端执行器112、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。在示例性实施例中，标记118中的一个或多个可以是光学标记。在一些实施例中，通过用于检查或检验末端执行器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。包含手术机器人102和手术器械608的控制、移动和跟踪的手术机器人系统100的进一步细节可以查阅第2016/0242849号美国专利公开，其全部内容以引用的方式并入本文中。

示例性实施例包含联接到手术器械608的一个或多个标记118。在示例性实施例中，例如联接到患者210和手术器械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。在示例性实施例中，联接到末端执行器112的标记118是有源标记，其包括可以接通和关断的红外发光二极管，并且联接到患者210和手术器械608的标记118包括无源反射球。

在示例性实施例中，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。

类似于手术机器人系统100，图3示出了与本公开的示例性实施例一致的处于对接配置的手术机器人系统300和相机支架302。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、竖直柱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。这些组件参照图5更详细地描述。图3示出了处于对接配置的手术机器人系统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可以在手术程序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2所示。

图4示出了与本公开的示例性实施例一致的基部400。基部400可以是手术机器人系统300的一部分并且包括机柜316。机柜316可以容纳手术机器人系统300的某些组件，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。这些组件之间的连接和关系参照图5更详细地描述。

图5示出了手术机器人系统300的示例性实施例的某些组件的框图。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、发动机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、组件和子系统。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等其它组件，以例如为发动机512、514、516、518和末端执行器310、发动机510、环324、相机转换器542以及用于系统300的其它组件供电，所述其它组件例如用于冷却机柜316内的电气组件的风扇。

配电模块404还可以将电力提供给其它组件，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本文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可以用以对电池402进行充电。

平台子系统502的其它组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组件连接到系统300和/或相关联的组件和模块。连接器面板320可以含有接收来自不同组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组件(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，其用于使系统300通电或断电、升高或下降竖直柱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，这可以移除所有发动机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组件(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。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的不同组件和/或在手术程序期间由用户使用的器械上的某些标记的位置。此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，可以在显示器304上向用户展示。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)跟踪的手术器械608可以向用户展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竖直柱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发动机510-518来进行。举例来说，发动机510可以配置成竖直地升高或降低竖直柱312。如图3所示，发动机512可以配置成围绕与竖直柱312接合的点横向移动上臂308。如图3所示，发动机514可以配置成围绕与上臂308接合的点横向移动下臂308。发动机516和518可以配置成以可控制翻转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可以通过测压元件来控制这些移动，所述测压元件设置在末端执行器310上并且由接合这些测压元件的用户激活以按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(其可以是触摸屏输入装置)上指示手术器械或组件在显示器304上的患者解剖结构的三维图像上的位置，来提供竖直柱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起始此自动移动。

图6示出了与示例性实施例一致的手术机器人系统600。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插入到患者体内的路径。在示例性操作中，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。手术机器人系统600可以与之前描述的手术机器人系统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中最佳所见，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以获得器械608相对于机器人臂604、机器人基部610、末端执行器602和/或患者210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、7B和7C分别示出了与示例性实施例一致的末端执行器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。在示例性实施例中，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，或者可以被解除激活，使得红外标记702对于相机200、326不可见。因此，当标记702为有源时，末端执行器602可以由手术机器人系统100、300、600来控制，并且当标记702被解除激活时，末端执行器602可以被锁定在适当位置并且不能被手术机器人系统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或其它跟踪装置可在通过跟随跟踪标记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的位置可显示在与手术机器人系统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可以允许用户确保末端执行器602关于机器人臂604、机器人基部610、患者210和/或用户处于期望位置。

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，使得远离手术视野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在手术视野208中平移和旋转时通过跟踪装置监视末端执行器602。

另外，在示例性实施例中，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)的工作循环同步到外部相机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，在示例性实施例中，可以关闭标记702以防止干扰其它导航工具(例如不同类型的手术器械608)。

图8描绘了一种类型的手术器械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。由与手术机器人系统100、300、600相关联的跟踪装置来监视标记804，并且标记804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的位置和定向来跟踪器械608的定位。外科医生120等用户可以以某种方式定向器械608，使得由跟踪装置或相机200、326充分辨识跟踪阵列612和标记804以例如在示例性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中并调整器械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的尺寸和配置被设定为接收手术器械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。手术器械608可包含大致圆筒形器械的至少一部分。虽然螺丝刀作为手术工具608被举例说明，但应该理解，任何合适的手术工具608都可以由末端执行器602定位。作为实例，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配置，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手术器械608并接近手术部位的任何合适的形状、尺寸和配置。

图9A到9C示出了与示例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/或接合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。在示例性实施例中，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变成安置到相应的凹陷1214中。举例来说，如图9B所示的球1208将安置在凹陷1214中，如图9A所示。此安置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经过中心的联动件的位置。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之间的接合部上方滑动，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11，在手术程序之前或期间，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手术程序中保持附接。在示例性实施例中，患者固定器械1402被附接到患者210的刚性区域，例如远离经受手术程序的目标解剖结构定位的骨骼。为了跟踪目标解剖结构，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以便将动态参考基部1404与目标解剖结构的位置配准，使动态参考基部1404与目标解剖结构相关联。

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方，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可以被跟踪子系统532检测到)。如本文先前所描述，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，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部1404可以成为参考点，从而允许从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例性方法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的成像图案相较于标记1420的导航图案的位置的相对位置来完成此转移。

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部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，并且对象具有在导航空间中可见的标记(例如具有光学标记804的手术器械608)。可以通过手术器械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，可以针对任何适当的程序使任何适当的主题成像。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x射线系统中可能需要的患者210的频繁手动重新定位。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来在基本上不受来自x射线支撑结构1318的干扰的情况下照料患者。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，其可安置成彼此相隔大约一百八十度，并且相对于图像捕获部分的轨道安装在转子上(未示出)。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多个平面获取患者210的图像数据。虽然本文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，手术机器人系统100、300、600依靠末端执行器112、602、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描绘了手术机器人系统100的一部分，其具有机器人102，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和刚性固定到末端执行器112的多个跟踪标记118。在此实施例中，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)。如本文其它地方所描述，器械608可包含任何合适的手术器械，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(例如不妨碍手术操作、可视性等)。标记118、804可以附连到器械608、末端执行器112或例如待用阵列612跟踪的其它对象。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、交叉件，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，不妨碍轴杆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的位置和轴杆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最接近轴杆622。因此，不知道轴杆622从阵列612延伸的方向。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。不对称且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指派给每个所跟踪对象。如果没有该信息，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和轴杆622的对准。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-14D，示出了具有可移动跟踪标记918A-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-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-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所见的跟踪标记918A-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所见的跟踪标记918A-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-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-918D中的一个或多个，以给出关于正被跟踪的刚性主体的更新后信息，而不妨碍对所跟踪标记918A-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用以计算必须针对机器人102的每个轴线输入的将使导管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，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，那么可到达期望的轨迹。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指向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的基部106可移动，或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-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-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更新后信息，而不妨碍检测和跟踪过程。举例来说，标记918A-918D中的一个可固定在适当位置，且其它标记918A-918D可以是可移动的；标记918A-918D中的两个可固定在适当位置且其它标记918A-918D可以是可移动的；标记918A-918D中的三个可固定在适当位置且其它标记918A-918D可以是可移动的；或所有标记918A-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-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由多个单独组件组成。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，相应根端连接到导管914，且以V形状从其发散到远端，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以及不同布置、数目和类型的标记918A-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在大体上正交或竖直的定向上对准，使得标记918A-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现相对于竖直定向成角，使得标记918A-918D具有不同于第一配置的第二配置。

相比于对于图14A-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-918D保持刚性地附接到导管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。通过保持一个或多个标记918A-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-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-918D中的一个或多个配置成根据任何合适的方式而移动、枢转、转动等等。举例来说，标记918A-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-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夹具的形式，可松开并再收紧夹具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-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-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-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-918D与机器人附接之间的其自有的唯一限定的空间关系。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，存在两个组装位置，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-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-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-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。

在所描述的实施例中，在图14A和14B示出了两个离散组装位置。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-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限定唯一工具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，可移动且固定的标记918A-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的每个发动机的编码器已知，从而完全限定从末端执行器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上(未示出)，那么同样地有可能基于从每个发动机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-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，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的视觉或与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。如果另外两个参数，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，是已知的，那么相机坐标系中的末端执行器1012的位置被完全限定。

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，和仅位于相机200、326的视野内某处。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的固定法线(竖直)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DD与从导管中心线1016到单个标记1018的已知固定距离DF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DD与固定距离DF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的检测到的法线距离DD与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)中从导管中心线1016到单个标记1018的固定距离DF匹配，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，已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DD保持固定在正确长度，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向第二框架F2移动多于既定量(例如大于总共5mm)。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DD在第一框架F1与第二框架F2两者中大体上相同。

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。在无单个标记1018的情况下，即使确定地已知工具608在导管1014内，也不知道导管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。

侧重于图15E，在跟踪到单个标记1018的存在以及工具608上有四个标记804的情况下，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'和法线向量。此法线向量具有定向，所述定向相对于在手腕(在此实例中，平行于该片段定向)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的法线向量构成，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的定向可能是有用的。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机械加工或植入物定位。虽然附接到插入到导管1014中的工具608的任何物件的定向从工具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'的定向而提供从-180°到+180°的基本上“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的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的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。应显而易见，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中并读取工具的阵列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提示用户将工具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的连续监视以检验位置的方法，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的位置并将末端执行器1012发送到目标位置，但将不可能检验机器人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将不会检测到任何错误，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与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可警告用户且可作出校正。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(例如多个跟踪标记702安装于图7A-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的手术视野208的访问，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-17B和18A-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。轴杆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处连接到轴杆622。举例来说，旋钮628可旋转以使植入物10、12膨胀或铰接植入物10、12。以引用的方式并入本文中的第8,709,086号和第8,491,659号美国专利描述可膨胀融合装置和安装方法。

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，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，其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-17B中示出的可膨胀椎间体间隔件的高度，或图18A-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-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既定膨胀高度与可移动标记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既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，虽然举例说明了可膨胀和铰接式植入物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、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可以能够基于期望的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可用于导引如本文中所描述的器械608。另外，末端执行器112可由控制例如手术装置、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可包括回缩器(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回缩器)或用于插入或安装手术装置的一个或多个机构，所述手术装置例如可膨胀椎间融合装置(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、椎弓根螺杆、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、运动保持装置和植入物、脊髓刺激剂(例如第9,440,076号美国专利中举例说明的装置)和其它手术装置。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-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者部分或完全独立于外科医生进行操作。因此，据设想，机器人系统100可以能够针对其指定的功能或手术程序而控制每个替代性末端执行器112。

如上文所论述，在本文中所公开的示例性实施例中描述例如手术机器人系统100等手术机器人系统。在此方面，图20示出示例性手术机器人系统2000的框图。手术机器人系统2000包含手术机器人2002、手术控制计算机2004和传感器处理计算机2006。手术机器人2002包含机器人臂2008，其具有经由铰接机构连接的上部部分2008(A)和下部部分2008(B)。机器人臂2008的上部部分2008(A)连接到手术机器人2002的基部2010，且下部部分2008(B)连接到手术末端执行器2012。手术末端执行器2012与环境的各个方面交互以便辅助或执行对患者2014的手术。显示装置2016可连接到手术机器人2002的基部2010以在手术期间向外科医生和/或操作者提供信息。基部2010包含发动机2018，其经连接以响应于来自手术控制计算机2004的命令经由发动机控制器2020移动机器人臂2008。手术控制计算机2004包含处理器2022、包含程序指令2026的存储器2024，和网络接口2028。手术控制计算机2004的处理器2022经由传感器处理计算机2006从传感器或传感器2030(A)-2030(C)接收例如近程信号(在下文进一步详细论述)等感测到的数据。如图20中所示出且下文更详细论述，传感器或传感器2030(A)-2030(C)可以跨越不同传感器位置的各种配置组织，如点线框所指示，且可与下文论述的各种功能一起操作。

在使用手术机器人系统2000进行外科手术期间，手术机器人2002可辅助或执行患者2014上或附近的外科手术操作。手术机器人2002的机器人臂2008可由外科医生和/或操作者或由自主控制计算机移动，以相对于患者2014定位手术末端执行器2012。虽然机器人臂2008被定位成与患者2014相邻，但传感器或传感器2030(A)-2030(C)(下文更详细地描述)可经由传感器处理计算机2006将例如指示机器人臂2008相对于患者2014的近程的近程信号等感测到的数据发送到手术控制计算机2004。响应于接收到来自传感器处理计算机2006的近程信号，处理器2022执行存储于手术控制计算机2004的存储器2024中的程序指令2026的操作。处理器2022基于所接收近程信号确定机器人臂2008是否以及何时已经与患者2014碰撞或预测会与患者2014碰撞。处理器2022随后经由网络接口2028响应于所述确定而执行矫正动作。举例来说，处理器2022可通过控制显示装置2016以向外科医生和/或操作者显示碰撞警示使得外科医生和/或操作者可避免机器人臂2008与患者的碰撞来执行矫正动作。此实施例在手动控制的手术机器人系统中可能特别适用。在另一实例中，处理器2022通过将指示发动机控制器2020抑制机器人臂2008在朝向患者2014的另一方向中的移动的命令发送到发动机控制器2020来执行矫正动作。

通过使手术机器人系统2000响应于确定实际或预测碰撞而执行矫正动作，机器人臂2008和患者2014之间的碰撞可减少和/或消除，而不需要增加外科医生监督和/或针对机器人臂2008的过度运动限制范围。手术机器人系统可借此减少和/或消除碰撞的后果(其可包含组织损伤、失血和结疤)，且可以允许机器人臂的更加可靠的移动以及增加的运动范围，这可实现操作时间缩短及外科手术成本减小。

在此方面，图21-24示出流程图2100、2200、2300和2400，其示出可由存储于存储器2024中且由处理器2022执行的程序指令2026提供的示例性操作。每一示例性流程图2100、2200、2300和2400包含上文所论述的操作：基于近程信号确定机器人臂2008何时已经与患者2014碰撞或预测会与患者2014碰撞(参看图21中的框2102、图22中的框2202、图23中的框2302，和图24中的框2402)，以及响应于所述确定执行矫正动作(参看图21中的框2104、图22中的框2204、图23中的框2304，和图24中的框2404)。然而，每一流程图2100、2200、2300和2400的相异之处在于，每一流程图针对示出较具体和/或额外操作的不同实施例。确切地说，图21-23中的流程图2100、2200和2300各自针对与响应于所述确定执行矫正动作相关联的一组较具体操作，如框2104、2204和2304中所公开。图24不同于图21-23之处在于，流程图2400进一步针对除基于近程信号确定机器人臂何时已经与患者碰撞或预测会与患者碰撞以及响应于所述确定执行矫正动作之外的额外操作。

尽管这些实施例可在本文所论述的实例中呈现为彼此不同，但其也可以众多方式组合，只要此组合是可操作的或将是可操作的。此外，尽管本文中所公开的实施例中的操作可呈现为以给定组合发生，但给定实施例中的每一操作可单独地执行或与其它实施例的操作组合执行，只要此操作组合是可操作的或将是可操作的。根据一些示例性实施例，以任何此类方式，通过执行图21-24中所公开的操作，处理器2022能够响应于机器人臂2008的实际或预测碰撞在手术机器人系统2000中执行矫正动作。

参看图21和图20的手术机器人系统2000，执行矫正动作可包含控制显示装置以向操作者显示碰撞警示，和/或控制音频产生装置以向操作者输出可听碰撞警示(图21的框2106)。通过以此方式提供碰撞警示，操作者和/或外科医生可停止或抑制机器人臂2008的移动以避免机器人臂2008与患者2014碰撞。在一些实例中，显示装置为显示装置2016，其可以是视频监视器、投影仪或用于检视手术机器人系统2000的反馈的其它屏幕。在额外实例中，音频产生装置可并入到显示装置2016中，或手术机器人系统2000中其它地方，例如手术控制计算机2004中或仅仅在单独的音频产生单元中。

虽然显示和/或输出可见/可听碰撞警示在手动控制的手术机器人系统中可能尤其有益，但此类碰撞警示在自主控制的手术机器人系统中也可能是有益的。举例来说，在无人类操作者提供的手动操作的情况下执行外科手术的自主控制的手术机器人系统可得益于此碰撞警示，因为不同的自主操作者单元可被警告机器人臂2008与患者2014的实际或预测碰撞且可按需要执行额外矫正动作。在此方面，不同手术机器人系统可能够组合以跨越如本文所论述的系统提供相同益处。此外，此碰撞警示在由人类监视的自主控制的手术机器人系统中可能是有益的，因为其可警示监视器和/或人类此碰撞使得可执行额外矫正动作。

还应了解，显示装置或音频产生装置可位于各种位置。举例来说，如果外科手术为远程外科手术且操作者并不位于与手术机器人2008相同的地方，那么显示装置和/或音频产生装置可位于远程位置。以此方式，碰撞警示对于操作者和/或外科医生可仍然是可见和/或可听的，因此操作者和/或外科医生可采取额外矫正动作。此外，虽然本文中所公开的实施例预期机器人臂和患者之间的碰撞，但对于感测和矫正动作符合条件的碰撞不限于机器人臂与患者的碰撞。事实上，本文中所公开的实施例还可应用于机器人臂与几乎任何其它物体之间的碰撞，所述物体包含手术台、传感器、机器人臂本身、手术控制计算机、传感器处理计算机、外科医生和/或操作者，或包含在手术环境中的任何其它装置或特征。

进一步参看图21，执行矫正动作还可包含经由抑制机器人臂在朝向机器人臂已经与患者碰撞或预测会与患者碰撞的方向上移动的命令控制发动机或发动机的组合(图21的框2108)。举例来说，在其中末端执行器2012将定位于患者2014的腹部的左侧的外科手术中，机器人臂2008可能需要沿着Z轴朝向患者2014移动以按需要定位末端执行器2012。然而，在沿着Z轴移动的过程中，机器人臂2008可能与患者2014碰撞或预测会与患者2014碰撞。在确定此实际或潜在碰撞时，处理器2022可将命令发送到发动机控制器2020以致使发动机2018抑制和/或停止机器人臂2008沿朝向机器人臂2008已经与患者2014碰撞或预测会与患者2014碰撞的方向的移动。举例来说，如果机器人臂2008已经与患者2014的左肩碰撞，则处理器2022可将命令发送到发动机控制器2020，从而致使发动机2018停止机器人臂2008在正Z轴方向(即，从页面出来)上的移动。虽然机器人臂2008可在一些实施例中在X轴方向、Y轴方向和/或负Z轴方向上移动以从实际或预测碰撞位置(如下文所论述)移开，但机器人臂2008可在此实例中停止正Z轴方向上的移动以便停止造成可能更大的伤害。以此方式，在手术机器人系统2000中响应于机器人臂2008的实际或预测碰撞而执行的矫正动作可减少更大伤害，借此以减小的成本实现组织损伤、失血和结疤减少，以及操作时间和愈合时间缩短。

关于图22，且进一步参看图20的手术机器人系统2000，如上文所论述执行矫正动作还可包含响应于近程信号确定末端执行器的平移移动，其将允许末端执行器相对于患者从当前位置朝向目标位置移动，而不会使机器人臂与患者碰撞(图22的框2206)。类似地，执行此矫正动作可进一步包含响应于近程信号确定末端执行器的旋转移动，其将允许末端执行器朝向目标位置进一步移动，而无碰撞(图22中的框2208)。一旦确定，就可向操作者显示引导信息，所述引导信息基于所确定的平移移动和旋转移动引导操作者对末端执行器的移动(图22中的框2210)。

举例来说，相对于图20，在其中末端执行器2012朝向患者2014沿着Y轴向下移动的外科手术中，处理器2022可基于由传感器2030(A)-2030(C)捕获且由传感器处理计算机2006发射到处理器2022的近程信号确定机器人臂2008不久将与患者2014碰撞。响应于此确定，处理器2022可确定机器人臂2008应在正Z轴方向中移动以避免此碰撞。然而，为了仍按需要定位末端执行器2012，处理器2022可进一步确定末端执行器2012应旋转以移动到目标位置而无碰撞。为了辅助外科医生和/或操作者接续地或同时执行此类平移和旋转移动，显示装置2016可向操作者显示引导信息，所述引导信息根据所确定的运动引导操作者对末端执行器2012的移动。

在额外实施例中，手术控制计算机2004还可确定手术机器人2002的基部2010的新位置，使得机器人臂2008可以对于末端执行器2012的给定位置不太麻烦的一组接合角接近患者2014。举例来说，当相对于患者2014以陡峭的俯仰角定位手术末端执行器2012时，可能需要以机器人臂2008的俯仰角减小为代价提供增加的横滚角。为了将手术机器人2002的基部2010定位在新位置中，操作者可在一些实施例中使手术机器人2002的稳定器松开并手动地将基部2010推动到新位置。在一些实施例中，显示装置2016可向操作者显示引导信息以根据所确定的运动引导操作者对基部2010的移动。在一些实施例中，重新定位基部2010可在定位机器人臂2008之前发生。以此方式，手术机器人系统2000可引导操作者以定位基部2010使得手术机器人2008的轨迹提供末端执行器2012的增加的范围和/或机器人臂2008的增加的移动自由度，从而避免与患者2014碰撞。

此实例可特别适用于(但不限于)手动控制的手术机器人系统。以此方式，外科医生和/或操作者可能够以陡峭的角度且非常接近于患者定位例如末端执行器2012等末端执行器，而不会使患者受伤和/或对手术机器人造成损坏。通过提供这样的保护，可实现有利的手术移动，而无与机器人臂2008的碰撞相关联的缺点。

在自主控制的手术机器人系统中，可能需要使手术机器人系统的组件执行如相对于图22描述的类似操作。如此，图23针对在例如图20的手术机器人系统2000等手术机器人系统中执行矫正动作，其中发动机2018包含第一发动机，其被配置成基于由处理器2022确定的平移移动来平移地移动机器人臂2008；以及第二发动机，其被配置成基于由处理器2022确定的旋转移动来旋转地移动机器人臂2008和/或末端执行器2012。在此方面，执行矫正动作可包含响应于近程信号确定末端执行器的平移移动，其将允许相对于患者朝向目标位置移动末端执行器，而不会使机器人臂与患者碰撞(图23中的框2306)。执行此矫正动作可进一步包含响应于近程信号确定末端执行器的旋转移动，其将允许相对于患者朝向目标位置进一步移动末端执行器，而不会使机器人臂与患者碰撞(图23中的框2308)。在作出此些确定后，处理器可基于所确定的平移移动产生供所述至少一个发动机平移地移动机器人臂的平移命令(图23中的框2310)，且基于所确定的旋转移动产生供所述至少一个其它发动机旋转地移动机器人臂的旋转命令(图23中的框2312)。

如上文相对于图22的实例中所论述，在其中末端执行器2012朝向患者2014沿着Y轴向下移动的外科手术中，处理器2022可基于由传感器2030(A)-2030(C)捕获且由传感器处理计算机2006发射到处理器2022的近程信号确定机器人臂2008不久将与患者2014碰撞。响应于此确定，处理器2022可确定应在正Z轴方向中移动机器人臂2008以避免此碰撞，且末端执行器2012应旋转以移动到目标位置中并安置而无碰撞。然而，与相对于图22所公开的操作相比或除此之外，处理器2022可选择自主地执行这些运动的全部或一部分。在此方面，处理器2022可产生平移命令并将平移命令发射到被配置成平移地移动机器人臂2008的发动机2018中的第一发动机。

类似地，处理器2022可接续地或同时产生旋转命令且将旋转命令发射到被配置成旋转地移动机器人臂2008或末端执行器2012的发动机2018中的第二发动机。以此方式，可至少部分基于来自处理器2022的命令执行末端执行器2012和机器人臂2008的所确定的移动。此实例可特别适用于(但不限于)自主控制的手术机器人系统。以此方式，例如末端执行器2012等末端执行器可以陡峭的角度且非常接近于患者而定位，而不会使患者受伤和/或对手术机器人2002造成损坏，且不需要对手术机器人2002的过度运动限制范围。以与上文关于图22所论述的益处类似的方式，提供这样的保护可允许有利的手术移动，而无与机器人臂2008的碰撞相关联的缺点。

如上所述，图24示出流程图2400，其针对除基于近程信号确定机器人臂何时已经与患者碰撞或预测会与患者碰撞及响应于所述确定执行矫正动作的操作以外的操作。确切地说，流程图2400包含以下操作：基于来自传感器的近程信号产生映射机器人臂和患者之间的距离的数据结构(图24中的框2406)，以及确定相对于患者从末端执行器的当前位置到末端执行器的目标位置的路径，其中路径的确定基于数据结构的内容而受限制，以避免机器人臂与患者的碰撞(图24中的框2408)。

在一个实施例中，相对于图24论述的操作可特别适用于在外科手术期间为手术机器人提供平稳的手术移动。举例来说，在其中末端执行器2012沿着X轴从患者2014的足部朝向患者2014的头部移动的外科手术中，可能有益的是，确定末端执行器2012和机器人臂2008的路径使得手术机器人2002不会与患者2014碰撞。在此方面，处理器2022可基于由传感器2030(A)-2030(C)捕获的近程信号产生映射机器人臂2008和患者2014之间的距离的存储于存储器2024中的数据结构。基于数据结构的内容，处理器2022可确定从末端执行器2012的当前位置(即，在患者2014的足部附近)到末端执行器2012的目标位置(即，在患者2014的头部附近)的路径，其被限制以避免机器人臂2008和患者2014之间的碰撞。举例来说，所确定的路径可包含在Y轴方向中在患者2014胸部以上升高，使得末端执行器2012能够在X轴方向中横穿所述路径时避免接触患者2014。类似地，此方法可应用于路径和方向的多种其它组合。以此方式，基于所确定的路径确定末端执行器2012的平移移动。

此外，类似于相对于图21-23论述的实施例，处理器2022可通过向操作者显示引导信息或通过产生和发射致使发动机2018执行所确定的移动的命令来实施此类操作。以此方式，末端执行器可以非常陡峭的角度且非常接近于患者而定位，而不会使患者受伤和/或对手术机器人造成损坏且不需要手术机器人减速。在此方面，提供这样的保护和速度可允许被设计成减少组织损伤、失血和结疤的有利的手术移动。此外，还可避免与机器人臂2008的碰撞相关联的缺点。

如上文所指出，图20中示出且图21-24中提及的传感器或传感器2030(A)-2030(C)可以跨越不同传感器位置的各种配置组织，且可以各种形式与各种功能一起呈现。因此，以下段落公开如实施于上文所论述的实施例中的传感器或传感器2030(A)-2030(C)的不同实施例。

在此方面，传感器或传感器2030(A)-2030(C)可包含压力膜，其被配置成致使近程信号在感测压力后被发射到处理器2022。在一个实施例中，压力膜在机器人臂2008上在位置2030(A)中，使得压力膜连接到机器人臂2008的表面且沿着所述表面的至少一部分延伸。以此方式，压力膜连接到电路(例如传感器处理计算机2006)，所述电路被配置成响应于抵着压力膜施加力而输出指示碰撞已发生的近程信号。在此实例中，传感器2030(A)的位置在机器人臂2008的下部部分2008(B)上。然而，在额外实施例中，传感器2030(A)的位置还可在可能导致机器人臂2008的碰撞的任何表面上，例如机器人臂2008的上部部分2008(A)、连接上部部分2008(A)和下部部分2008(B)的铰接机构、基部2010、末端执行器2012或其部分、患者2014，和/或手术环境的任何其它特征。

在另一实施例中，传感器或传感器2030(A)-2030(C)可以是测压元件和/或开关。举例来说，测压元件和/或开关可位于机器人臂2008上，使得测压元件和/或开关连接到机器人臂2008。以此方式，测压元件和/或开关连接到电路(例如传感器处理计算机2006)，所述电路被配置成响应于抵着测压元件和/或开关施加力而输出指示已发生碰撞的近程信号。以与压力膜类似的方式，测压元件和/或开关可定位于多种相关位置处。

在另一实施例中，传感器或传感器2030(A)-2030(C)可以是光源和光传感器。举例来说，在位置2030(A)处附连到机器人臂2008的光源可通常发射光束，所述光束由也在位置2030(A)处附连到机器人臂2008的光传感器接收。通过使光传感器和光源沿着机器人臂2008隔开，光传感器可被配置成在光源和光传感器之间的光导路径未被阻挡时接收来自光源的光。然而，当路径被例如即将与机器人臂碰撞的物体阻挡时，光传感器可向传感器处理器计算机2006提供近程信号。以与上文所论述的压力膜和测压元件和/或开关类似的方式，光源和光传感器可定位于手术环境中的多种相关位置处。

在另一实施例中，传感器或传感器2030(A)-2030(C)可以是导电衬垫系统。举例来说，包含第一导电衬垫和第二导电衬垫的导电衬垫系统可设置于图20中示出的手术机器人系统2000中。确切地说，第一导电衬垫可位于患者2014上的位置2030(A)处，且第二导电衬垫可位于患者2014上的位置2030(B)处。以此方式，第一导电衬垫连接到机器人臂2008的表面且沿着所述表面的至少一部分延伸，且第二导电衬垫连接到患者2014且沿着患者2014的至少一部分延伸。通过配置导电衬垫系统以在所述第一和第二导电衬垫形成接触时产生电流，导电衬垫系统可致使例如传感器处理器计算机2006等电路向处理器2022提供指示已发生碰撞的近程信号。在此方面，导电衬垫系统能够将近程信号发送到处理器2022，用于确定是否机器人臂2008和患者2014之间已发生碰撞。以与上文所论述的实施例类似的方式，导电衬垫系统可定位于手术环境中的多种相关位置处。

在另一实施例中，传感器或传感器2030(A)-2030(C)可以是距离测距电路，其被配置成输出提供机器人臂2008的一部分和患者2014之间的距离的指示的近程信号。在此方面，在一个实施例中，距离测距电路可在位置2030(A)处连接到机器人臂2008，且被配置成确定远离机器人臂2008的方向上的距离。在一个实施例中，在距离测距电路中确定距离可包含使用飞行时间测量系统。在此系统中，发射体发射第一类型的能量的脉冲，且检测器从患者2014的入射区域接收所述脉冲的反射。在接收后，处理器基于发射和接收之间脉冲的行进时间确定脉冲行进的距离。在至少一个实例中，发射体可位于位置2030(C)处，且检测器可位于手术环境中的另一位置处，例如2030(A)、2030(B)乃至2030(C)。在一些实施例中，处理器可以是定位于传感器处理计算机2006中的处理器、手术控制计算机2004中的处理器2022，或位于手术机器人系统2000中其它地方的处理器。在确定所述距离后，飞行时间测量系统的处理器基于所确定的距离产生近程信号。在至少一个实施例中，第一类型的能量是声能或电磁能(例如，RF信号)。在至少额外实施例中，声能包括超声波频率信号，且电磁能包括射频信号、微波频率信号、红外频率信号、可见频率信号和紫外频率信号中的一个。在又一实施例中，飞行时间测量系统的发射体和检测器连接到机器人臂2008。

在其它实施例中，传感器或传感器2030(A)-2030(C)可以是探针，其被配置成测量例如患者2014等患者上的至少一个位置。探针可利用跟踪机器人臂2008的位置的相同跟踪方法跟踪，且针对所述方法配准。在此方面，手术控制计算机2004的操作可包含确定相对于患者2014从末端执行器2012的当前位置到末端执行器2012的目标位置的路径，以及基于患者2014上的所述至少一个位置确定所述路径是否将导致机器人臂2008与患者2014碰撞。响应于确定所述路径将导致机器人臂2008与患者2014碰撞，可产生指示机器人臂2008预测会与患者2014碰撞的近程信号。

在其它实施例中，传感器或传感器2030(A)-2030(C)可以是相机系统，其被配置成确定例如机器人臂2008等机器人臂和例如患者2014等患者上的跟踪标记阵列之间的距离。以此方式，相机系统可基于所确定的距离产生近程信号。

关于手术控制计算机2004，处理器2022可包含可跨越一个或多个数据网络并置或分布的一个或多个数据处理电路，例如通用和/或专用处理器(例如，微处理器和/或数字信号处理器)。处理器2022被配置成执行下文描述为计算机可读介质的存储器2024中的程序代码2026当中的计算机程序指令，以执行本文针对手术控制计算机2004公开的实施例中的一个或多个的操作和方法中的一些或全部。网络接口电路2028被配置成经由有线网络(例如，以太网、USB等)和/或无线网络(例如，Wi-Fi、蓝牙、蜂窝式等)与例如服务器和/或手术机器人2002等另一电子装置通信。

预期本文中所公开的手术机器人系统被配置成在任何类型的手术程序中使用，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、牙科和其它外科手术及程序。

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”、“联接”、“响应”(或其变型)于另一元件时，它可以直接连接、联接或响应于另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”、“直接联接”、“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。除非另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型是广泛地使用且涵盖直接以及间接安装、连接、支撑和联接。另外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。如本文所使用，单数形式“一”和“所述”希望也包含复数形式，除非上下文另外清楚地指示。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，相同的参考标号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、整体、元件、步骤、组件或功能，但不排除一个或多个其它特征、整体、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/或流程图图示来描述实例实施例。应当理解，框图和/或流程图图示的框以及框图和/或流程图图示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非暂时性计算机可读介质中，所述非暂时性计算机可读介质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介质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，在一些替代实施例中，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，根据所涉及的功能性/动作，连续示出的两个框实际上可以大体上同时执行或所述框有时可以相反次序执行。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，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构思的目的或者所附权利要求。这里引用的每个专利和专利公开的全部公开内容以引用的方式并入本文中，如同每个这样的专利或公开单独地以引用的方式并入本文中。在下面的权利要求中阐述了本发明构思的各种特征和/或潜在优点。

Claims (10)

1.一种手术机器人系统，其包括：

手术机器人，其包括机器人臂和控制器，其中所述机器人臂被配置成能够连接到手术末端执行器且被配置成相对于患者定位所述手术末端执行器；

传感器，其被配置成输出近程信号，所述近程信号指示当所述机器人臂被定位成与患者相邻时所述机器人臂相对于所述患者的近程；以及

手术控制计算机，其包括：

至少一个处理器，其经连接以从所述传感器接收所述近程信号；以及

至少一个存储器，其存储程序指令，所述程序指令由所述至少一个处理器执行以执行包括以下各项的操作：

基于所述近程信号确定所述机器人臂何时已经与所述患者碰撞或预测会与所述患者碰撞；以及

响应于所述确定执行矫正动作，

其中所述传感器包括相机系统，所述相机系统经配置以确定所述机器人臂和所述患者上的跟踪标记阵列之间的距离，且基于所确定的所述距离产生所述近程信号。

2.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其中用于响应于所述确定执行所述矫正动作的操作包括：

控制显示装置以向操作者显示碰撞警示和/或控制音频产生装置以向所述操作者输出可听碰撞警示。

3.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其进一步包括：

发动机，其经连接以响应于命令而移动所述机器人臂，

其中用于响应于所述确定执行所述矫正动作的所述操作包括：

经由命令控制所述发动机以抑制所述机器人臂在朝向所述机器人臂已经与所述患者碰撞或预测会与所述患者碰撞的方向上移动。

4.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其中用于响应于所述确定执行所述矫正动作的所述操作包括：

响应于所述近程信号，确定所述末端执行器的平移移动，其将允许所述末端执行器相对于所述患者从当前位置朝向目标位置移动，而不会使所述机器人臂与所述患者碰撞；以及

基于所确定的所述平移移动向操作者显示引导信息，所述引导信息引导所述操作者对所述末端执行器的移动。

5.根据权利要求4所述的手术机器人系统，其中用于响应于所述确定执行所述矫正动作的所述操作进一步包括：

响应于所述近程信号，确定所述末端执行器的旋转移动，其将允许所述末端执行器相对于所述患者朝向所述目标位置进一步移动，而不会使所述机器人臂与所述患者碰撞，

其中显示给所述操作者的所述引导信息基于所确定的所述平移移动和所述旋转移动引导所述操作者对所述末端执行器的移动。

6.根据权利要求4所述的手术机器人系统，其中所述手术控制计算机的所述操作进一步包括：

基于来自所述传感器的所述近程信号产生映射所述机器人臂和所述患者之间的距离的数据结构；以及

确定相对于所述患者从所述末端执行器的所述当前位置到所述末端执行器的所述目标位置的路径，其中所述路径的所述确定基于所述数据结构的内容而受限制以避免所述机器人臂与所述患者的碰撞，

其中基于所确定的所述路径确定所述末端执行器的所述平移移动。

7.根据权利要求4所述的手术机器人系统，其进一步包括：

至少一个发动机，其经连接以响应于平移命令而平移地移动所述机器人臂，

其中用于响应于所述确定执行所述矫正动作的所述操作包括：

响应于所述近程信号，确定所述末端执行器的平移移动，其将允许所述末端执行器相对于所述患者朝向目标位置移动，而不会使所述机器人臂与所述患者碰撞；以及

基于所确定的所述平移移动产生供所述至少一个发动机平移地移动所述机器人臂的所述平移命令。

8.根据权利要求7所述的手术机器人系统，其进一步包括：

至少一个其它发动机，其经连接以响应于旋转命令旋转地移动所述机器人臂，

其中用于响应于所述确定执行所述矫正动作的所述操作进一步包括：

响应于所述近程信号，确定所述末端执行器的旋转移动，其将允许所述末端执行器相对于所述患者朝向所述目标位置进一步移动，而不会使所述机器人臂与所述患者碰撞；以及

基于所确定的所述旋转移动产生供所述至少一个其它发动机旋转地移动所述机器人臂的所述旋转命令。

9.根据权利要求7所述的手术机器人系统，其中所述手术控制计算机的所述操作进一步包括：

基于来自所述传感器的所述近程信号产生映射所述机器人臂和所述患者之间的距离的数据结构；以及

确定相对于所述患者从所述末端执行器的所述当前位置到所述末端执行器的所述目标位置的路径，其中所述路径的所述确定基于所述数据结构的内容而受限制以避免所述机器人臂与所述患者的碰撞，

其中基于所确定的所述路径产生供所述至少一个发动机平移地移动所述机器人臂的所述平移命令。

10.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其中：

所述传感器包括连接到所述机器人臂的表面且沿着所述表面的至少一部分延伸的压力膜，其中所述压力膜连接到电路，所述电路被配置成响应于抵着所述压力膜施加力而输出指示已发生碰撞的所述近程信号。