CN111328306B

CN111328306B - 手术机器人臂导纳控制

Info

Publication number: CN111328306B
Application number: CN201880072910.7A
Authority: CN
Inventors: 库尔特·克里斯托弗·梅耶尔; 钟书耘; 何铭晏
Original assignee: Auris Surgical Robotics Inc
Current assignee: Auris Health Inc
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: JP7301819B2; AU2018347473A1; US11701783B2; US10016900B1; EP3676060A1; JP2020536755A; US10434660B2; CN111328306A; AU2018347473B2; KR20200071745A; KR102587262B1; EP3676060B1; US20230302658A1; US20190105785A1; EP3676060A4; US20200039086A1; WO2019074670A1

Abstract

某些方面涉及用于手术机器人臂导纳控制的系统和技术。在一个方面，提供了一种包括机器人臂和处理器的系统。处理器可以被配置成基于扭矩传感器的输出来确定机器人臂上的参考点处的力，以及接收参考点的移动方向的指示。处理器还可以确定力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上，生成指示机器人臂的移动的目标阻力的至少一个参数，以及基于至少一个参数控制电机，以根据目标阻力移动机器人臂。

Description

手术机器人臂导纳控制

技术领域

本文公开的系统和方法涉及手术机器人臂的导纳(admittance)，并且更具体地涉及用于基于施加至机器人臂的力来控制机器人臂的姿态的技术。

背景技术

医疗过程例如内窥镜检查(例如，支气管镜检查)可能涉及将医疗工具插入患者的腔网络(例如，气道)中以用于诊断和/或治疗目的。在某些过程中，在开始过程之前，将(一个或多个)机器人臂中的一个或更多个与患者对准。(一个或多个)机器人臂的对准向系统提供了将(一个或多个)机器人臂的位置与患者相关联的位置信息。在(一个或多个)机器人臂与患者对准期间，可以由系统的用户手动地重新定位(一个或多个)机器人臂。

发明内容

本公开内容的系统、方法和装置均具有若干创新方面，这些方面中的单个方面不会单独地负责本文中公开的期望属性。

在一个方面，提供了一种系统，该系统包括(a)机器人臂，其包括：至少两个连接件、连接至少两个连接件的至少一个关节、被配置成检测至少两个连接件之间的扭矩的至少一个扭矩传感器以及被配置成调整至少两个连接件的位置的至少一个电机，(b)处理器；以及(c)存储计算机可执行指令的存储器，计算机可执行指令使处理器执行以下操作：基于扭矩传感器的输出确定所述机器人臂上的参考点处的力；接收所述参考点的移动方向的指示；确定所述力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上；基于力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上的确定，生成指示对机器人臂的移动的目标阻力的至少一个参数；以及基于至少一个参数控制电机以根据目标阻力移动机器人臂。

在另一方面中，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有指令，所述指令在被执行时使至少一个计算装置执行以下操作：基于扭矩传感器的输出确定包括该扭矩传感器的机器人臂上的参考点处的力，机器人臂还包括：两个连接件、连接两个连接件的关节、以及被配置成调整两个连接件的位置的电机、被配置成检测两个连接件之间的扭矩的该扭矩传感器；接收参考点的移动方向的指示；确定力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上；基于力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上的确定，生成指示对机器人臂的移动的目标阻力的至少一个参数；以及基于至少一个参数控制电机以根据目标阻力移动机器人臂。

在又一方面，提供了一种定位机器人臂的方法，该方法包括：基于扭矩传感器的输出确定包括所述扭矩传感器的所述机器人臂上的参考点处的力，机器人臂还包括：两个连接件、连接两个连接件的关节、以及被配置成调整两个连接件的位置的电机、被配置成检测两个连接件之间的扭矩的该扭矩传感器；接收参考点的移动方向的指示；确定力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上；基于力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上的确定，生成指示对机器人臂的移动的目标阻力的至少一个参数；以及基于至少一个参数控制电机以根据目标阻力移动机器人臂。

附图说明

在下文中将结合附图描述所公开的方面，提供这些附图是为了说明而不是限制所公开的方面，其中，相似的附图标记表示相似的元素。

图1示出了被布置用于(一个或多个)诊断和/或治疗性支气管镜检查过程的基于推车的机器人系统的实施方式。

图2描绘了图1的机器人系统的另外的方面。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方式。

图4示出了被布置用于血管手术的图1的机器人系统的实施方式。

图5示出了被布置用于支气管镜检查过程的基于台的机器人系统的实施方式。

图6提供了图5的机器人系统的替选视图。

图7示出了被配置成收起(一个或多个)机器人臂的示例系统。

图8示出了被配置用于输尿管镜检查过程的基于台的机器人系统的实施方式。

图9示出了被配置用于腹腔镜检查过程的基于台的机器人系统的实施方式。

图10示出了具有俯仰或倾斜调整的图5至图9的基于台的机器人系统的实施方式。

图11提供了图5至图10的基于台的机器人系统的台与柱之间的接口的详细图示。

图12示出了示例性器械驱动器。

图13示出了具有成对的器械驱动器的示例性医疗器械。

图14示出了器械驱动器和器械的替选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的伸长轴的轴线。

图15描绘了示出根据示例实施方式的定位系统的框图，该定位系统估计图1至图10的机器人系统的一个或更多个元件的定位，例如图13和图14的器械的定位。

图16示出了根据本公开内容的方面的被配置成以导纳控制模式控制机器人臂的移动的基于推车的机器人系统的实施方式。

图17是示出根据本公开内容的方面的用于支气管镜检查过程的示例设置过程的特征的流程图。

图18是示出根据本公开内容的方面的用于确定施加至机器人臂的力并基于所确定的力来移动机器人臂的示例过程的流程图。

图19是示出根据本公开内容的方面的用于计算施加至机器人臂的力的技术的机器人臂的自由体图。

图20是示出根据本公开内容的方面的示例过程的框图，该示例过程用于使用在机器人臂上的参考点处检测到的力作为用于控制机器人臂的移动的输入。

图21是示出根据本公开内容的方面的可以应用于测量的参考点力的死区(deadband)函数的示例的图。

图22是示出根据本公开内容的方面的能够由手术机器人系统或其(一个或多个)部件操作的示例导纳控制方法的流程图。

具体实施方式

1.概述。

本公开内容的各方面可以被集成到能够执行各种医疗过程的机器人使能的医疗系统中，各种医疗过程包括诸如腹腔镜检查的微创过程以及诸如内窥镜检查的无创过程二者。在内窥镜检查过程中，系统可以能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。

除了执行广泛的过程之外，系统可以提供另外的益处例如增强的成像和指导以帮助医师。另外，该系统可以为医师提供从人体工程学位置执行过程的能力，而不需要棘手的臂运动和定位。更进一步地，该系统可以为医师提供以改进的易用性执行过程的能力，使得系统的一个或更多个器械可以由单个用户控制。

出于说明的目的，下面将结合附图描述各种实施方式。应当理解的是，所公开的构思的许多其他实现方式是可能的，并且利用所公开的实现方式可以实现各种优点。本文中包括标题以供参考，并且有助于定位各个部分。这些标题不意在限制关于标题所描述的构思的范围。这样的构思可以在整个说明书中具有适用性。

A.机器人系统-推车。

取决于特定的过程，可以以各种方式配置机器人使能的医疗系统。图1示出了被布置用于诊断和/或治疗性支气管镜检查过程的基于推车的机器人使能的系统10的实施方式。在支气管镜检查期间，系统10可以包括推车11，推车11具有一个或更多个机器人臂12，用于将医疗器械例如可操纵的内窥镜13——其可以是用于支气管镜检查的特定于过程的支气管镜——递送到自然孔口访问点(即，在本示例中为位于台上的患者的嘴)，以递送诊断和/或治疗工具。如图所示，推车11可以位于患者的上躯干附近，以提供对该访问点的访问。类似地，机器人臂12可以被致动以相对于访问点定位支气管镜。当利用胃镜——一种用于胃肠过程的专用内窥镜——执行胃肠(GI)过程时，也可以利用图1中的布置。图2更详细地描绘了推车的示例实施方式。

继续参照图1，一旦推车11被正确定位，机器人臂12就可以以机器人方式、手动地或以其组合方式将可操纵内窥镜13插入到患者体内。如图所示，可操纵内窥镜13可以包括至少两个伸缩部分，例如内引导件部分和外护套部分，每个部分耦接至来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器耦接至单独的机器人臂的远端。便于将引导件部分与护套部分同轴对准的器械驱动器28的这种线性布置产生“虚拟轨道”29，其中可以通过将一个或更多个机器人臂12操纵到不同角度和/或位置来在空间中重新定位“虚拟轨道”29。在图中使用虚线描绘了本文描述的虚拟轨道，并且因此虚线不描绘系统的任何物理结构。器械驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导件部分相对于外护套部分伸缩，或者使内窥镜13相对于患者前进或缩回。虚拟轨道29的角度可以基于临床应用或医师偏好来调整、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，所示的虚拟轨道29的角度和位置代表了在向医师提供对内窥镜13的访问同时使由于使内窥镜13弯曲到患者的嘴中而产生的摩擦最小化之间的折衷。

可以使用来自机器人系统的精确命令在插入之后沿着患者的气管和肺引导内窥镜13，直到到达目标目的地或手术部位。为了增强通过患者的肺网络的导航和/或到达期望的目标，内窥镜13可以被操纵成相对于外护套部分伸缩地延伸内引导件部分，以获得增强的接合和更大的弯曲半径。单独的器械驱动器28的使用还允许引导件部分和护套部分被彼此独立地驱动。

例如，可以引导内窥镜13以将活检针递送至目标，例如，患者肺内的病变或结节。可以沿着工作通道部署针以获得要由病理学家分析的组织样本，该工作通道沿着内窥镜的长度延伸。取决于病理学结果，可以沿着内窥镜的工作通道部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，可能需要在分开的过程中递送诊断和治疗处理。在那些情况下，内窥镜13也可以用于递送基准以“标记”目标结节的位置。在其他情况下，可以在相同的过程期间递送诊断和治疗处理。

系统10还可以包括可移动塔30，该可移动塔30可以经由支持线缆连接至推车11以向推车11提供对控制、电子、流控、光学、传感器和/或电力的支持。将这样的功能放置在塔30中实现了可以由操作医师和他/她的工作人员更容易地调整和/或重新定位的更小形状因子的推车11。此外，在推车/台与支持塔30之间的功能划分减少了手术室的混乱并且有利于改善临床工作流程。虽然推车11可以被定位成靠近患者，但是塔30可以被收起在远程位置中以在过程期间不挡道。

为了支持上述机器人系统，塔30可以包括基于计算机的控制系统的(一个或多个)部件，该基于计算机的控制系统将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质例如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等内。这些指令的执行——无论该执行是在塔30中还是在推车11中发生——都可以控制整个系统或其(一个或多个)子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可以使机器人系统的部件致动相关的托架和臂安装件，致动机器人臂，以及控制医疗器械。例如，响应于接收到控制信号，机器人臂的关节中的电机可以将臂定位成特定姿势。

塔30还可以包括泵、流量计、阀控制器和/或流体入口，以向可以通过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗和抽吸能力。这些部件也可以使用塔30的计算机系统来控制。在一些实施方式中，冲洗和抽吸能力可以通过(一个或多个)单独的线缆直接递送至内窥镜13。

塔30可以包括电压和浪涌保护器，电压和浪涌保护器被设计成向推车11提供经滤波和受保护的电力，从而避免在推车11中放置电力变换器和其他辅助电力部件，从而产生更小、更可移动的推车11。

塔30还可以包括用于部署在整个机器人系统10中的传感器的支持设备。例如，塔30可以包括用于检测、接收和处理从遍及机器人系统10的光学传感器或摄像装置接收到的数据的光电子设备。与控制系统结合，这样的光电子设备可以用于生成实时图像以在部署在整个系统中的任何数量的控制台中显示，包括在塔30中显示。类似地，塔30还可以包括用于接收和处理从部署的电磁(EM)传感器接收到的信号的电子子系统。塔30还可以用于容纳和定位EM场发生器，以由医疗器械中或医疗器械上的EM传感器检测。

除了在系统的其余部分中可用的其他控制台例如安装在推车顶部的控制台之外，塔30还可以包括控制台31。控制台31可以包括用于医师操作者的用户接口和显示屏，例如触摸屏。系统10中的控制台通常设计成提供机器人控制以及过程的手术前信息和实时信息，例如，内窥镜13的导航和定位信息。当控制台31不是仅医师可用的控制台时，控制台31可以由第二操作者例如护士使用，以监测患者的健康或生命特征以及系统的操作，以及提供特定于过程的数据，例如导航和定位信息。在其他实施方式中，控制台30容纳在与塔30分开的体中。

塔30可以通过一个或更多个线缆或连接件(未示出)耦接至推车11和内窥镜13。在一些实施方式中，可以通过单根线缆将来自塔30的支持功能提供至推车11，从而简化手术室并且使手术室不杂乱。在其他实施方式中，可以以单独的线缆和连接件耦接特定功能。例如，在可以通过单根电力线缆向推车提供电力时，可以通过单独的线缆提供对控制、光学、流控和/或导航的支持。

图2提供了来自图1所示的基于推车的机器人使能的系统的推车的实施方式的详细图示。推车11通常包括伸长的支承结构14(通常称为“柱”)、推车基部15和在柱14的顶部处的控制台16。柱14可以包括用于支承一个或更多个机器人臂12(图2中示出三个)的部署的一个或更多个托架，例如托架17(替选地“臂支承件”)。托架17可以包括可单独配置的臂安装件，其中这些臂安装件沿着垂直轴线旋转以调整机器人臂12的基部，以相对于患者更好地定位。托架17还包括托架接口19，托架接口19允许托架17沿着柱14竖直平移。

托架接口19通过诸如槽20的槽连接至柱14，所述槽被定位在柱14的相对侧以引导托架17的竖直平移。槽20包含用于相对于推车基部15将托架定位和保持在各种竖直高度处的竖直平移接口。托架17的竖直平移允许推车11调整机器人臂12的可达范围以满足各种台高度、患者体型和医师偏好。类似地，托架17上的可单独配置的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以各种配置成一定角度。

在一些实施方式中，槽20可以补充有槽盖，其中槽盖与槽表面齐平且平行，以防止在托架17竖直平移时灰尘和流体进入柱14的内部腔室和竖直平移接口。可以通过位于槽20的竖直顶部和底部附近的弹簧卷轴对来部署槽盖。盖在卷轴内盘绕直到被部署成在托架17竖直地上下平移时从盖的盘绕状态延伸和缩回。当托架17朝卷轴平移时，卷轴的弹簧加载提供了将盖缩回到卷轴中的力，而当托架17平移远离卷轴时也保持紧密密封。可以使用例如托架接口19中的支架将盖连接至托架17，以确保在托架17平移时盖适当地延伸和缩回。

柱14可以在内部包括诸如齿轮和电机的机构，这些机构被设计成使用竖直对准的导螺杆，以响应于控制信号来以机械化方式平移托架17，所述控制信号响应于用户输入例如来自控制台16的输入而生成。

机器人臂12通常可以包括由一系列连接件23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，一系列连接件23由一系列关节24连接，每个关节包括独立的致动器，每个致动器包括独立可控的电机。每个独立可控的关节表示机器人臂可用的独立自由度。臂12中的每一个具有七个关节，并且因此提供七个自由度。多个关节带来多个自由度，从而允许“冗余”自由度。冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连接件位置和关节角度将它们各自的端部执行器22定位在空间中的特定位置、取向和轨迹处。这允许系统从空间中的期望点定位和引导医疗器械，同时允许医师将臂关节移动到远离患者的临床有利位置以产生更好的访问，同时避免臂碰撞。

推车基部15在地面上平衡柱14、托架17和臂12的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，例如电子器件、电机、电源以及使得能够移动和/或固定推车的部件。例如，推车基部15包括允许推车在过程之前容易地在室中移动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当位置之后，可以使用轮锁固定脚轮25，以在过程期间将推车11保持在适当位置。

定位在柱14的竖直端部处的控制台16允许用于接收用户输入的用户接口和显示屏两者(或两用装置，例如触摸屏26)向医师用户提供手术前数据和手术中数据两者。触摸屏26上的潜在手术前数据可以包括手术前规划、从手术前计算机化断层层析成像(CT)扫描得出的导航和映射数据和/或来自手术前患者面谈的注释。显示器上的手术中数据可以包括从工具提供的光学信息、来自传感器的传感器和坐标信息以及重要的患者统计数据，例如呼吸、心率和/或脉搏。控制台16可以被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧访问控制台。从该位置，医师可以在从推车11后面操作控制台16时观察控制台16、机器人臂12和患者。如所示出的，控制台16还包括用于帮助操纵和稳定推车11的手柄27。

图3示出了被布置成用于输尿管镜检查的机器人使能的系统10的实施方式。在输尿管镜检查过程中，推车11可以被定位成将输尿管镜32——即，被设计成穿过患者的尿道和输尿管的特定于过程的内窥镜——递送到患者的下腹部区域。在输尿管镜检查中，可以期望输尿管镜32直接与患者的尿道对准以减少对该区域中的敏感解剖结构的摩擦和力。如所示出的，推车11可以在台的脚部处对准，以允许机器人臂12定位输尿管镜32，以直接线性访问患者的尿道。从台的脚部，机器人臂12可以沿着虚拟轨道33将输尿管镜32通过尿道直接插入患者的下腹部。

在插入到尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，可以将输尿管镜32导航到膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断和/或治疗应用。例如，可以将输尿管镜32引导到输尿管和肾中以使用沿着输尿管镜32的工作通道部署的激光或超声碎石装置打碎积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用沿着输尿管镜32部署的篮状件移除所得到的结石碎片。

图4示出了类似地被布置成用于血管手术的机器人使能的系统的实施方式。在血管手术中，系统10可以被配置成使得推车11可以将医疗器械34例如可操纵导管递送至患者腿部中的股动脉中的访问点。股动脉呈现用于导航的较大直径以及到患者心脏的相对较少迂回曲折的路径两者，这简化了导航。如在输尿管镜检查过程中，推车11可以被定位成朝向患者的腿和下腹部，以允许机器人臂12提供直接线性访问患者的大腿/髋部区域中的股动脉访问点的虚拟轨道35。在插入动脉后，可以通过平移器械驱动器28来引导和插入医疗器械34。替选地，推车可以被定位在患者的上腹部周围，以到达替选的血管访问点，例如，肩部和腕部附近的颈动脉和臂动脉。

B.机器人系统-台。

机器人使能医疗系统的实施方式还可以包含患者台。台的包含通过移除推车减少了手术室内的资本设备的量，这允许更好地访问患者。图5示出了被布置成用于支气管镜检查过程的这样的机器人使能的系统的实施方式。系统36包括用于在地面上支承平台38(示为“台”或“床”)的支承结构或柱37。与基于推车的系统非常相似，系统36的机器人臂39的端部执行器包括器械驱动器42，器械驱动器42被设计成通过或沿着由器械驱动器42的线性对准形成的虚拟轨道41来操纵伸长的医疗器械，例如图5中的支气管镜40。实际上，通过将发射器和检测器放置在台38周围，可以将用于提供荧光透视成像的C形臂定位在患者的上腹部区域上方。

出于讨论的目的，图6提供了没有患者和医疗器械的系统36的替选视图。如所示出的，柱37可以包括在系统36中被示为环形的一个或更多个托架43，一个或更多个机器人臂39可以基于一个或更多个托架43。托架43可以沿着沿柱37的长度延伸的竖直柱接口44平移，以提供不同的有利点，其中机器人臂39可以被定位成从这些有利点到达患者。(一个或多个)托架43可以使用位于柱37内的机械电机绕柱37旋转，以允许机器人臂39访问台38的多个侧，例如患者的两侧。在具有多个托架的实施方式中，托架可以单独地定位在柱上，并且可以独立于其他托架而平移和/或旋转。尽管托架43不需要围绕柱37或甚至不需要是圆形的，但所示的环形形状有利于托架43绕柱37旋转，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移允许系统将医疗器械例如内窥镜和腹腔镜对准到患者的不同访问点中。在其他实施方式(未示出)中，系统36可以包括患者台或床，患者台或床具有沿着其侧延伸的棒或轨道形式的可调整的臂支承件。一个或更多个机器人臂39(例如，经由具有肘关节的肩部)可以被附接至可调整的臂支承件，这些可调整的臂支承件可以被竖直调整。通过提供竖直调整，机器人臂39有利地能够被紧凑地收起在患者台或床下面，并且随后在过程期间升高。

臂39可以通过包括一系列关节的一组臂安装件45安装在托架上，这些关节可以单独地旋转和/或可伸缩地延伸，以为机器人臂39提供附加的可配置性。此外，臂安装件45可以被定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装件45可以被定位在台38的相同侧(如图6所示)、台38的相对侧(如图9所示)或台38的相邻侧(未示出)。

柱37在结构上为台38提供支承并且为托架的竖直平移提供路径。在内部，柱37可以配备有用于引导托架的竖直平移的导螺杆以及使基于导螺杆的所述托架的平移机械化的电机。柱37还可以将电力信号和控制信号传送至托架43和安装在托架43上的机器人臂39。

台基部46提供与图2所示的推车11中的推车基部15的功能类似的功能，容纳较重的部件以平衡台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台基部46也可以包含用于在过程期间提供稳定性的刚性脚轮。从台基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两侧沿相反方向延伸，并且当系统36需要移动时缩回。

继续图6，系统36还可以包括塔(未示出)，该塔在台与塔之间划分系统36的功能以减小台的形状因子和体积。如在较早公开的实施方式中，塔可以为台提供各种支持功能，例如处理、计算和控制能力、电力、流控和/或光学和传感器处理。塔还可以是可移动的以被定位成远离患者，以改善医师的访问并且使手术室不杂乱。此外，将部件放置在塔中允许台基部中的更多储存空间以用于机器人臂的潜在收起。塔还可以包括主控制器或控制台，该主控制器或控制台提供用于用户输入的用户接口例如键盘和/或挂件装置(pendant)以及用于手术前和手术中信息例如实时成像、导航和跟踪信息的显示屏(或触摸屏)二者。在一些实施方式中，塔还可能包含针对要用于吹气的气罐的保持器。

在一些实施方式中，台基部可以在不使用机器人臂时收起和储存机器人臂。图7示出了在基于台的系统的实施方式中收起机器人臂的系统47。在系统47中，托架48可以竖直平移到基部49中以使机器人臂50、臂安装件51和托架48收起在基部49内。基部盖52可以平移和缩回成打开以绕柱53部署托架48、臂安装件51和臂50，以及可以关闭以在不使用时收起托架48、臂安装件51和臂50以保护它们。可以沿着基部盖52的开口的边缘用膜54密封基部盖52，以防止在关闭时灰尘和流体进入。

图8示出了被配置成用于输尿管镜检查过程的机器人使能的基于台的系统的实施方式。在输尿管镜检查中，台38可以包括用于将患者定位成与柱37和台基部46成偏角的转动部分55。转动部分55可以绕枢转点(例如，位于患者头部下方)旋转或枢转，以将转动部分55的底部部分定位成远离柱37。例如，转动部分55的枢转允许C形臂(未示出)定位在患者的下腹部上方，而不与台38下方的柱(未示出)争夺空间。通过绕柱37旋转托架35(未示出)，机器人臂39可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可以固定至台38的转动部分55，以在过程期间支承患者的腿的位置，并且允许清楚地访问患者的腹股沟区域。

在腹腔镜检查过程中，通过患者腹壁中的(一个或多个)小切口，可以将微创器械插入患者的解剖结构中。在一些实施方式中，微创器械包括伸长刚性构件，例如轴，其用于访问患者体内的解剖结构。在患者的腹腔膨胀之后，可以引导通常称为腹腔镜的器械执行手术任务，例如抓取、切割、切除、缝合等。图9示出了被配置用于腹腔镜检查过程的机器人使能的基于台的系统的实施方式。如图9所示，系统36的托架43可以被旋转并且竖直调整成将成对的机器人臂39定位在台38的相对侧，使得可以使用臂安装件45将器械(例如，腹腔镜)59定位成穿过患者两侧的最小切口以到达他/她的腹腔。

为了适应腹腔镜检查过程，机器人使能的台系统还可以将平台倾斜到期望的角度。图10示出了具有俯仰或倾斜调整的机器人使能的医疗系统的实施方式。如图10所示，系统36可以适应台38的倾斜，以将台的一部分定位在比其他部分距地面更远的距离处。此外，臂安装件45可以旋转以匹配该倾斜，使得臂39与台38保持相同的平面关系。为了适应更陡的角度，柱37还可以包括伸缩部分60，伸缩部分60允许柱37的竖直延伸以防止台38接触地面或与基部46碰撞。

图11提供了台38与柱37之间的接口的详细图示。俯仰旋转机构61可以被配置成以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。可以通过将正交轴线1、2定位在柱-台接口处来实现俯仰旋转机构61，每个轴线由单独的电机3、4响应于电俯仰角命令来致动。沿着一个螺杆5的旋转将使得能够沿一个轴线1进行倾斜调整，而沿着另一个螺杆6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调整。在一些实施方式中，球形关节可以用于以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。

例如，当试图将台定位在头低脚高(Trendelenburg)位置，即，将患者的下腹部定位在比患者的下腹部距地面更高的位置处以用于下腹部手术时，俯仰调整特别有用。头低脚高位置使患者的内部器官通过重力滑向他/她的上腹部，从而清出腹腔以供微创工具进入并且执行下腹部手术过程，例如腹腔镜前列腺切除术。

C.器械驱动器和接口。

系统的机器人臂的端部执行器包括：(i)器械驱动器(替选地称为“器械驱动机构”或“器械装置操纵器”(IDM))，其包含用于致动医疗器械的机电装置；以及(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，其可以没有任何机电部件例如电机。该二分法可能是由以下所驱动的：对医疗过程中使用的医疗器械进行消毒的需要以及由于昂贵的资本设备的复杂机械组件和敏感电子器件而不能对昂贵的资本设备进行充分消毒。因此，医疗器械可以被设计成从器械驱动器(以及因此从系统)拆卸、移除和互换，以由医师或医师的工作人员单独消毒或处置。相比之下，器械驱动器不需要被更改或消毒，并且可以被覆盖以受到保护。

图12示出了示例器械驱动器。定位在机器人臂的远端处的器械驱动器62包括一个或更多个驱动单元63，一个或更多个驱动单元63以平行轴线布置以经由驱动轴64向医疗器械提供受控的扭矩。每个驱动单元63包括用于与器械相互作用的单独的驱动轴64、用于将电机轴旋转转换成期望扭矩的齿轮头65、用于生成驱动扭矩的电机66、用于测量电机轴的速度并且向控制电路提供反馈的编码器67以及用于接收控制信号并且致动驱动单元的控制电路68。每个驱动单元63被独立地控制和机动化，器械驱动器62可以向医疗器械提供多个(如图12所示为四个)独立的驱动输出。在操作中，控制电路68将接收控制信号，将电机信号传输至电机66，将由编码器67测量的得到的电机速度与期望速度进行比较，以及调制电机信号以生成期望扭矩。

对于需要无菌环境的过程，机器人系统可以包含驱动接口，例如连接至无菌披盖(drape)的无菌适配器，该驱动接口位于器械驱动器与医疗器械之间。无菌适配器的主要目的是将角运动从器械驱动器的驱动轴传递到器械的驱动输入，同时保持驱动轴与驱动输入之间的物理分离并且因此保持无菌性。因此，示例无菌适配器可以包括旨在与器械驱动器的驱动轴和器械上的驱动输入配合的一系列旋转输入和输出。连接至无菌适配器的由薄的柔性材料例如透明或半透明塑料组成的无菌披盖被设计成覆盖资本设备，例如器械驱动器、机器人臂和推车(在基于推车的系统中)或台(在基于台的系统中)。使用该披盖将允许将资本设备定位在患者附近，同时仍然位于不需要消毒的区域(即，非无菌区)中。在无菌披盖的另一侧，医疗器械可以在需要消毒的区域(即无菌区)中与患者对接。

D.医疗器械。

图13示出了具有成对器械驱动器的示例医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括伸长轴71(或伸长体)和器械基部72。器械基部72——由于其用于由医师进行的手动交互的预期设计，因此也被称为“器械手柄”——通常可以包括可旋转的驱动输入73例如插口、滑轮或卷轴，驱动输入73被设计成与驱动输出74配合，驱动输出74延伸通过机器人臂76的远端处的器械驱动器75上的驱动接口。当物理连接、闩锁和/或耦接时，器械基部72的经配合的驱动输入73可以与器械驱动器75中的驱动输出74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出74传递到驱动输入73。在一些实施方式中，驱动输出74可以包括花键，这些花键被设计成与驱动输入73上的插口配合。

伸长轴71被设计成例如如在内窥镜检查中通过解剖结构开口或内腔被递送，或者例如如在腹腔镜检查中通过微创切口被递送。伸长轴66可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性伸长轴的远端可以连接至端部执行器和手术工具或医疗器械例如抓握器或剪刀，该端部执行器从由具有至少一个自由度的U形夹形成的有关节的腕部延伸，当驱动输入响应于从器械驱动器75的驱动输出74接收的扭矩而旋转时，可以基于来自腱部的力来致动该端部执行器。当被设计成用于内窥镜检查时，柔性伸长轴的远端可以包括可操纵或可控制的弯曲部分，该弯曲部分可以基于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而被接合和弯曲。

使用沿轴71的腱部沿着伸长轴71传递来自器械驱动器75的扭矩。这些单独的腱部例如牵引线可以单独地锚定至器械手柄72内的单独的驱动输入73。从手柄72沿着沿伸长轴71的一个或更多个牵引内腔引导腱部并且将腱部锚定在伸长轴71的远侧部分处，或者锚定在伸长轴的远侧部分处的腕部中。在过程例如腹腔镜检查、内窥镜检查或混合过程期间，这些腱部可以耦接至远侧安装的端部执行器，例如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入73上的扭矩将张力传递到腱部，从而使端部执行器以某种方式致动。在一些实施方式中，在手术过程期间，腱部可以使关节绕轴线旋转，从而使端部执行器沿一个方向或另一个方向移动。替选地，腱部可以连接至在伸长轴71的远端处的抓握器的一个或更多个爪部(jaw)，其中来自腱部的张力使抓握器闭合。

在内窥镜检查中，腱部可以经由粘合剂、控制环或其他机械固定件耦接至沿着伸长轴71定位(例如，在远端处)的弯曲或接合区段。当固定地附接至弯曲区段的远端时，将沿着腱部传递施加在驱动输入73上的扭矩，从而使较软的弯曲区段(有时称为可接合区段或区域)弯曲或接合。沿着非弯曲区段，以下可以是有利的：使沿着内窥镜轴的壁(或在内窥镜轴的壁的内部)引导单独的腱部的单独的牵引内腔螺旋或盘旋，以平衡由牵引线中的张力产生的径向力。出于特定目的，可以改变或设计螺旋的角度和/或其之间的间隔，其中较紧的螺旋在负载力下呈现较小的轴压缩，而较小的螺旋量在负载力下引起较大的轴压缩，但也呈现有限的弯曲。另一方面，牵引内腔可以被引导成平行于伸长轴71的纵向轴线以允许在期望的弯曲或可接合区段中的受控接合。

在内窥镜检查中，伸长轴71容纳多个部件以辅助机器人过程。轴可以包括用于将手术工具(或医疗器械)、冲洗和/或抽吸部署到轴71的远端处的手术区域的工作通道。轴71还可以容纳线和/或光纤以向远侧末端处的光学组件/从远侧末端处的光学组件传递信号，该光学组件可以包括光学摄像装置。轴71也可以容纳光纤，以将光从位于近处的光源例如发光二极管传送到轴的远端。

在器械70的远端处，远侧末端还可以包括用于将用于诊断和/或治疗、冲洗和抽吸的工具递送至手术部位的工作通道的开口。远侧末端还可以包括用于摄像装置例如纤维镜或数码摄像装置的端口，该摄像装置用于捕获内部解剖空间的图像。相关地，远侧末端还可以包括用于光源的端口，所述光源用于在使用摄像装置时照亮解剖空间。

在图13的示例中，驱动轴轴线以及因此驱动输入轴线与伸长轴的轴线正交。然而，该布置使伸长轴71的滚动能力复杂化。当腱部从驱动输入73延伸出去并且进入伸长轴71内的牵引内腔时，在保持驱动输入73静止的同时沿着伸长轴71的轴线滚动伸长轴71会引起腱部的不期望的缠结。这样的腱部的所得到的缠结可能扰乱旨在在内窥镜检查过程期间预测柔性伸长轴71的移动的任何控制算法。

图14示出了器械驱动器和器械的替选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的伸长轴的轴线。如所示出的，圆形器械驱动器80包括四个驱动单元，其驱动输出81在机器人臂82的端部处平行对准。驱动单元和它们各自的驱动输出81被容纳在器械驱动器80的旋转组件83中，旋转组件83由组件83内的驱动单元之一驱动。响应于由旋转驱动单元提供的扭矩，旋转组件83沿着圆形轴承旋转，该圆形轴承将旋转组件83连接至器械驱动器的非旋转部分84。可以通过电接触将电力和控制信号从器械驱动器80的非旋转部分84传送至旋转组件83，电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来保持。在其他实施方式中，旋转组件83可以对集成到非旋转部分84中并且因此不平行于其他驱动单元的单独的驱动单元做出响应。旋转机构83允许器械驱动器80使驱动单元及其各自的驱动输出81作为单个单元绕器械驱动器轴线85旋转。

与较早公开的实施方式类似，器械86可以包括伸长轴部分88和器械基部87(出于讨论的目的，以透明的外表示出)，该器械基部87包括被配置成接纳器械驱动器80中的驱动输出81的多个驱动输入89(例如，插口、滑轮和卷轴)。与先前公开的实施方式不同，器械轴88从器械基部87的中心延伸，其中器械轴88的轴线基本平行于驱动输入89的轴线，而不是如图13的设计中那样正交。

当耦接至器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83结合绕器械驱动器轴线85旋转。由于器械轴88被定位在器械基部87的中心处，因此器械轴88在被附接时与器械驱动器轴线85共轴。因此，旋转组件83的旋转使器械轴88绕其自身的纵向轴线旋转。此外，当器械基部87与器械轴88一起旋转时，连接至器械基部87中的驱动输入89的任何腱部在旋转期间都不会缠结。因此，驱动输出81、驱动输入89和器械轴88的轴线的平行允许轴旋转，而不会使任何控制腱部缠结。

E.导航和控制。

传统的内窥镜检查可以涉及使用荧光透视检查(例如，如可以通过C形臂递送)和其他形式的基于辐射的成像模态，以向操作医师提供腔内指导。相比之下，本公开内容所设想的机器人系统可以提供基于非辐射的导航和定位手段，以减少医师的辐射暴露并且减少手术室内的设备的量。如本文所使用的，术语“定位”可以指确定和/或监测对象在参考坐标系中的位置。诸如手术前映射、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据的技术可以单独地或组合地使用以实现无辐射操作环境。在仍使用基于辐射的成像模态的其他情况下，可以单独地或组合地使用手术前映射、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据，以改进仅通过基于辐射的成像模态获得的信息。

图15是示出根据示例实施方式的估计机器人系统的一个或更多个元件的定位例如器械的定位的定位系统90的框图。定位系统90可以是被配置成执行一个或更多个指令的一组一个或更多个计算机装置。计算机装置可以由以上讨论的一个或更多个部件中的处理器(或多个处理器)和计算机可读存储器来实施。作为示例而非限制，计算机装置可以位于图1所示的塔30、图1至图4所示的推车、图5至图10所示的床等中。

如图15所示，定位系统90可以包括定位模块95，定位模块95处理输入数据91至94以生成针对医疗器械的远侧末端的定位数据96。定位数据96可以是表示器械的远端相对于参考系的定位和/或取向的数据或逻辑。参考系可以是相对于患者的解剖结构或相对于已知对象例如EM场生成器(参见下文关于EM场生成器的讨论)的参考系。

现在更详细地描述各种输入数据91至94。手术前映射可以通过使用低剂量CT扫描的集合来完成。手术前CT扫描被重构成三维图像，这些三维图像被可视化为例如患者的内部解剖结构的剖面图的“切片”。当总体分析时，可以生成针对患者的解剖结构例如患者的肺网络的解剖腔、空间和结构的基于图像的模型。可以根据CT图像确定和近似诸如中心线几何结构的技术，以形成患者的解剖结构的三维体积，该三维体积被称为模型数据91(当仅使用手术前CT扫描生成时也被称为“手术前模型数据”)。在美国专利申请第14/523,760号中讨论了中心线几何结构的使用，该申请的全部内容并入本文中。网络拓扑模型也可以从CT图像得出，并且特别适于支气管镜检查。

在一些实施方式中，器械可以配备有摄像装置以提供视觉数据92。定位模块95可以处理视觉数据以实现一个或更多个基于视觉的定位跟踪。例如，手术前模型数据可以与视觉数据92结合使用，以实现对医疗器械(例如，内窥镜或通过内窥镜的工作通道前进的器械)的基于计算机视觉的跟踪。例如，使用手术前模型数据91，机器人系统可以基于内窥镜的预期行进路径根据模型生成预期内窥镜图像的库，每个图像链接至模型内的定位。在手术中，机器人系统可以参考该库，以将在摄像装置(例如，在内窥镜远端处的摄像装置)处捕获的实时图像与图像库中的图像进行比较，以辅助定位。

其他基于计算机视觉的跟踪技术使用特征跟踪来确定摄像装置的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以识别手术前模型数据91中的与解剖内腔对应的圆形几何结构并且跟踪那些几何结构的变化，以确定选择了哪个解剖内腔以及摄像装置的相对旋转和/或平移运动。拓扑图的使用可以进一步增强基于视觉的算法或技术。

光流——另一种基于计算机视觉的技术——可以分析视觉数据92中的视频序列中的图像像素的位移和平移以推断摄像装置移动。光流技术的示例可以包括运动检测、对象分割计算、亮度、运动补偿编码、立体视差测量等。通过经由多次迭代进行多个帧的比较，可以确定摄像装置(以及因此确定内窥镜)的移动和定位。

定位模块95可以使用实时EM跟踪来生成内窥镜在全局坐标系中的实时定位，该全局坐标系可以被配准到由手术前模型表示的患者的解剖结构。在EM跟踪中，包括以一个或更多个定位和取向嵌入在医疗器械(例如，内窥镜工具)中的一个或更多个传感器线圈的EM传感器(或跟踪器)测量由定位在已知定位处的一个或更多个静态EM场生成器产生的EM场的变化。由EM传感器检测的定位信息被存储为EM数据93。EM场生成器(或发送器)可以靠近患者放置，以产生嵌入的传感器可以检测到的低强度磁场。磁场在EM传感器的传感器线圈中感应出小电流，可以对这些小电流进行分析以确定EM传感器与EM场生成器之间的距离和角度。这些距离和取向可以在手术中“配准”到患者的解剖结构(例如，手术前模型)，以确定将坐标系中的单个定位与患者的解剖结构的手术前模型中的位置对准的几何变换。一旦被配准，在医疗器械的一个或更多个位置(例如，内窥镜的远侧末端)中的嵌入的EM跟踪器可以提供对医疗器械通过患者的解剖结构的进展的实时指示。

机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用以提供针对机器人系统的定位数据96。可以在手术前校准期间确定由接合命令引起的装置俯仰和横摆。在手术中，这些校准测量可以与已知的插入深度信息结合使用，以估计器械的位置。替选地，可以结合EM、视觉和/或拓扑建模来分析这些计算，以估计医疗器械在网络内的位置。

如图15所示，定位模块95可以使用多个其他输入数据。例如，尽管在图15中未示出，但是利用形状感测光纤的器械可以提供定位模块95可以用来确定器械的定位和形状的形状数据。

定位模块95可以以(一个或多个)组合使用输入数据91至94。在一些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中定位模块95向根据输入数据91至94中的每一个确定的定位分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠(可能是存在EM干扰的情况)的情况下，通过EM数据93确定的定位的置信度可能降低，并且定位模块95可能更大程度上依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。

如以上所讨论的，本文讨论的机器人系统可以被设计成包含以上技术中的一个或更多个的组合。基于塔、床和/或推车的机器人系统的基于计算机的控制系统可以将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质例如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等内，计算机程序指令在执行时使系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统的控制信号并且显示导航和定位数据，例如器械在全局坐标系、解剖图等内的位置。

2.用于机器人臂导纳控制的技术。

本公开内容的实施方式涉及用于例如基于从手术机器人系统的用户(例如，临床医生)接收的输入来控制一个或更多个机器人臂的移动的系统和技术。可能存在在其期间用户期望(例如，通过直接向臂之一施加力)直接控制手术机器人系统的机器人臂中的一个或更多个的情况。例如，用于医疗过程的手术机器人系统的设置可以涉及将至少一个机器人臂移动至特定姿态以与对准装置和/或患者对准。通过抓握机器人臂并对其施加力，用户可以能够以直观的方式直接控制机器人臂的位置。如本文中所使用的，术语“导纳控制模式”(或简称“导纳模式”)可以指手术机器人系统的控制模式，在该控制模式下，用户通过对机器人臂施加力来控制机器人臂的移动。

机器人臂可以包括被配置成重新定位并保持机器人臂的当前姿态的驱动部件。因此，为了提供导纳控制功能，系统可以测量由用户施加至机器人臂的力，并使用所测量的力作为输入值来致动驱动部件中的一个或更多个。

在没有对用户输入(即，由用户施加至机器人臂的力)的正确解释的情况下，通过驱动部件对机器人臂的操作和移动可能不会给用户带来自然或直观的“感觉”(例如，如果机器人臂以与用户对机器人臂施加的力不相称的方式加速/减速)。因此，可能期望以以下方式基于由用户施加至机器人臂的力来控制机器人臂的移动，该方式允许通过正常至轻微的触摸进行控制、提供响应性移动、最小化系统滞后、提供控制感等。本文公开的技术的另外优点包括但不限于：以低的随时间力值(例如，小于阈值的脉冲值)提供机器人臂移动(例如，平移和/或旋转)，这可以提供机器人臂的小规模和大规模位移；提供与施加的力成比例的机器人臂移动速度；以及当脉冲值达到零时，立即终止机器人臂的移动。

本公开内容的方面涉及用于测量用户输入并控制一个或更多个机器人臂的移动以实现这些优点中的一个或更多个的系统和技术。

A.用于导纳控制的示例系统。

图16示出了根据本公开内容的方面的可以被配置成以导纳控制模式控制机器人臂的移动的基于推车的机器人系统的实施方式。尽管图16涉及(一个或多个)机器人臂附接至推车的实施方式，但是本公开内容不限于此，并且本文描述的技术可应用于例如如图6所示的附接至支承患者平台的柱的(一个或多个)机器人臂。

返回图16，提供了一种系统100，系统100可以包括推车105以及一个或更多个机器人臂110和120。推车105可以包括处理器(未示出)和存储器(未示出)。然而，取决于实施方式，处理器和存储器中的一个或更多个可以位于另外的装置上或另外的装置内，例如位于图1所示的可移动塔30上。图16中还示出了患者导引器130，其可以在医疗过程之前被插入到患者(未示出)体内。患者导引器130可以包括导引器管131，导引器管131被配置成将可操纵器械(未示出)引导到患者体内以用于医疗过程。患者导引器130还可以包括对准构件133，对准构件133被配置成促进患者导引器130与机器人臂110和120之一之间的对准。

机器人臂110和120可以分别包括第一机器人臂110和第二机器人臂120。然而，本公开内容的方面也适用于具有更多或更少数量的机器人臂的系统。在图16的实施方式中，第一机器人臂110包括多个连接件111、多个关节113和IDM 115。关节113中的每一个连接两个相邻的连接件111。尽管未示出，但是第一机器人臂110还可以包括被配置成检测连接件111中的两个连接件之间的扭矩的扭矩传感器。在某些实现方式中，给定的关节113可以容纳被配置成检测与给定的关节113相邻的两个连接件111之间的扭矩的对应扭矩传感器。因此，扭矩传感器可以位于关节113中，并且可以耦接至两个相邻的连接件111。扭矩传感器还可以设置在将第一机器人臂110连接至推车105的关节113中。在某些实现方式中，(一个或多个)扭矩传感器可以经由多个应变仪来实现，多个应变仪被配置成使不沿着对应关节113的旋转轴线的扭矩的影响最小化，以避免影响扭矩传感器的输出。

另外，电机(未示出)可以位于关节113中的每一个中，并且可以耦接至两个相邻的连接件111。因此，给定的关节113还可以容纳电机，该电机被配置成在两个相邻的连接件111之间(或在连接件111与推车105之间)施加力以调整两个相邻的连接件111的定位。IDM115可以连接至机器人臂110的远端。通过致动第一机器人臂110的关节113中的一个或更多个关节中的电机，电机可以进行操作以调整第一机器人臂110的姿势或姿态，并且因此调整IDM 115(例如，通过调整第一机器人臂110的一个或更多个关节113的位置和/或取向)，从而控制附接至IDM115的可操纵器械。

关节113中的每一个还可以容纳被配置成测量两个相邻连接件111的相对位置的位置传感器。因此，给定的关节113还可以容纳可以被配置成测量两个相邻连接件111之间的角度的位置传感器。系统可以能够基于位置传感器中的每一个的输出来确定第一机器人臂110中的连接件111中的每一个的位置。另外，如下面所讨论的，位置传感器的输出可以用于确定施加至第一机器人臂110上的参考点的力。在某些实施方式中，给定的位置传感器可以包括编码器。编码器可以被配置成通过读取例如印刷在电机轴上的编码的视觉信息来测量电机轴的速度和/或位置，并且可以向系统提供表示电机的速度和/或位置的反馈。

与第一机器人臂110类似，第二机器人臂120可以包括多个连接件121、连接相邻连接件121的多个关节123和IDM 125。关节123中的每一个可以容纳对应扭矩传感器、电机和位置传感器(未示出)。IDM 125还可以附接至可操纵器械以操作可操纵器械。

在某些实施方式中，并不是在关节113和123中的每一个中包括单独的扭矩传感器和电机，而是电机还可以用作扭矩传感器。例如，当向第一机器人臂110施加力(例如，重力、碰撞力、由用户施加的力等)时，(一个或多个)电机可以被配置成向关节113施加(一个或多个)相反且相对的力以保持第一机器人臂110的位置。(一个或多个)电机中需要以保持第一机器人臂110位置的电机电流可以对应于施加至对应关节113的扭矩。

B.机器人臂设置。

定位机器人臂中的一个或更多个可以是用于为医疗过程准备手术机器人系统的设置过程的一部分。所使用的特定设置过程可能取决于正在执行的医疗过程、机器人系统的配置(例如，臂是否附接至推车(参见图16)或者附接至支承平台的柱(参见图6))等。

图17是示出根据本公开内容的方面的用于支气管镜检查过程的示例设置过程的特征的流程图。图17所示的方法1700仅是示例实现方式，并且可以通过添加、移除和/或修改与方法1700相关联的一个或更多个块来修改方法1700。尽管图17使用支气管镜检查作为示例医疗程序以便于对设置过程的描述，但是本公开内容的方面大体涉及通过使用施加至机器人臂的力来进行机器人臂的移动，并且因此可以应用于其他医疗过程或者仅应用于机器人臂的移动。

方法1700在块1701处开始。在块1705处，方法1700涉及将推车移动至初始位置。例如，用户可以移动推车以将其定位在患者的访问点附近(例如，在患者的访问点的限定距离内)。一旦推车已经移动到位，用户就可以通过例如锁定推车的脚轮来固定推车。块1710可以涉及臂设置阶段，在该臂设置阶段中，用户可以将机器人臂中的一个或更多个放置至初始姿态。

在某些医疗过程中，在执行过程之前，可能需要将(一个或多个)机器人臂112与患者对准。因此，臂设置阶段可以包括用于将机器人臂112中的一个或更多个与患者的访问点对准的对准步骤。由于所使用的访问点可能取决于正在执行的医疗过程的类型，因此特定的对准过程可能取决于医疗过程的类型。在支气管镜检查的示例中，可以使用患者导引器将支气管镜引导到患者的嘴中。可以将患者导引器插入患者的嘴中，并且可以通过将机器人臂与患者导引器对准来将机器人臂与患者对准。因此，在支气管镜检查设置过程的一种实现方式中，用户可以将机器人臂中的第一机器人臂与患者导引器对准。其余的(一个或多个)机器人臂可以例如通过在第一机器人臂与其余的(一个或多个)机器人臂之间保持虚拟轨道而自动地与由用户选择的第一机器人臂的姿态对准。

在某些实现方式中，机器人臂的移动可以被限制在某些边界(例如，区域或体积)内。系统可以通过在边界处模拟“虚拟墙”来防止用户将IDM移动到边界之外。在某些实现方式中，边界可以确保：机器人臂在与患者对准时的姿态允许机器人臂充分移动以执行期望的医疗过程。

在将第一机器人臂与患者导引器对准之后，在块1715处，系统将(一个或多个)机器人臂缩回至装载(一个或多个)器械姿态。在一些实施方式中，系统可以响应于从用户接收到装载器械姿态输入来将(一个或多个)机器人臂缩回至装载(一个或多个)器械姿态。该输入可以指示用户已经完成对准步骤并且准备将器械(例如，支气管镜的护套和观测仪器(scope))装载到机器人臂上。在块1720处，用户将医疗器械装载到(一个或多个)对应机器人臂上。方法1700在块1725处结束。

C.确定施加至机器人臂的力。

尽管可以由用户或由手术机器人系统远程控制机器人臂的定位，但是在将机器人臂中的至少一个与患者对准的对准阶段期间，对机器人臂的远程控制可能并不方便。例如，在支气管镜检查、内窥镜检查或类似的过程期间，一个或更多个机器人臂可以与患者导引器对准，这可以涉及识别患者导引器在系统的局部坐标系内的定位。返回参照图16，对准过程可以涉及移动第一机器人臂110使得IDM 115与对准构件133接触。对准构件133可以被配置成通过针对对准限定IDM 115的特定定位和取向来促进与IDM 115对准。例如，在某些实施方式中，对准构件133可以具有与IDM 115的形状互补的形状以及限定IDM 115的旋转位置的一个或更多个标记。IDM 115可以包括可以与患者导引器130上的标记匹配的(一个或多个)对应标记。

由于对准可能需要第一机器人臂110的精确移动和定位以及IDM 115与对准构件133的标记和/或互补形状的对准的视觉确认，因此用户处于对准构件133和IDM 115二者均可见的位置处可以是有利的。因此，在至少一个实现方式中，系统100可以被配置成在处于导纳控制模式下时接收由用户直接施加至第一机器人臂110的力的形式的用户输入。机器人臂中的一个或更多个(例如，在对准期间可以使用的第一机器人臂110)还可以包括导纳控制按钮，该导纳控制按钮可以由用户致动以进入和/或退出导纳控制模式。例如，导纳控制按钮可以位于IDM 115的限定距离内或位于机器人臂110的另一部分上。然而，在其他实现方式中，系统100可以被配置成基于位于系统100中其他地方的导纳控制按钮或通过除按钮之外的一些其他类型的输入例如经由触摸屏、踏板等从用户接收关于进入/退出导纳模式的输入。另外，对导纳控制按钮或类似的输入部件的致动可以针对一个机器人臂(例如，第一机器人臂110)或多个机器人臂(例如，机器人臂110和120)激活导纳控制模式。

某些手术机器人系统可以在机器人臂的每一个中包括力传感器，以测量在对应机器人臂上的参考点处经受的力。在一个示例中，参考点可以位于IDM例如IDM 115上。例如，力传感器可以位于图16的第一机器人臂110的IDM 115上或附近(例如，在IDM 115的限定距离内)以测量施加至IDM 115的力。然而，能够以足够的精度测量所施加的力的力传感器可能是昂贵的。因此，在某些实现方式中，系统可以使用从扭矩传感器输出的扭矩值来确定IDM 115(或机器人臂110上的任何参考点)处的力。

图18是示出根据本公开内容的方面的用于在导纳模式下确定施加至机器人臂的力并基于所确定的力来移动机器人臂的示例过程的流程图。图18所示的方法1800仅是示例实现方式，并且可以通过添加、移除和/或修改与方法1800相关联的一个或更多个块来修改方法1800。为了方便起见，方法1800将被描述为由系统(例如，图16的手术机器人系统100)执行。然而，方法1800的某些方面可以例如由系统的一个或更多个处理器基于存储在存储器中的计算机可执行指令来执行。此外，将结合单个机器人臂描述方法1800。然而，可以执行类似的方法以在导纳模式下确定由包括在系统中的机器人臂中的每一个所经受的力。

方法1800在块1801处开始。在块1805处，系统从用户接收进入导纳控制模式的输入。例如，系统可以接收在由用户致动按钮时生成的用户输入信号。在一种实现方式中，机器人臂可以包括导纳按钮，该导纳按钮在被致动时将系统转换至导纳控制模式。在块1810处，系统接收机器人臂扭矩和位置值。系统可以从包括在机器人臂中的扭矩传感器中的每一个接收扭矩值。此外，系统可以从存储在存储器中的指示机器人臂中的连接件中的每一个的位置的位置数据中检索位置值。例如，机器人臂还可以包括位置传感器，例如形成在关节中的每一个上的编码器。编码器可以被配置成通过读取印刷在电机轴上的经编码的视觉信息来测量电机轴的速度和/或位置，并且可以向系统提供表示电机的速度和/或位置的反馈。系统可以被配置成基于来自编码器的反馈来确定关节中的每一个的位置。使用来自机器人臂上的每个编码器的位置信息，系统可以确定连接件和IDM中的每一个的位置。

在块1815处，系统基于扭矩值和位置值来确定关节中的每个关节的重力被补偿的扭矩值。给定关节的重力被补偿的扭矩值可以表示关节处的由于除重力以外的力而引起的扭矩分量。在一个实现方式中，系统可以基于对应扭矩传感器的输出来测量关节处的第一扭矩值。然后，系统可以基于机器人臂的位置确定关节处的第二扭矩值。机器人臂的位置数据可以包括使得系统能够确定通过关节连接的两个连接件的位置以及在两个连接件之间形成的角度的数据。第二扭矩值可以指示两个连接件之间的扭矩的重力分量。然后，系统可以能够基于第一扭矩值和第二扭矩值确定重力被补偿的扭矩值。例如，第一扭矩值与第二扭矩值之间的差可以对应于重力被补偿的扭矩值。

例如，在块1820处，系统可以基于关节中的每个关节的重力被补偿的扭矩值来确定在机器人臂上的参考点处施加在机器人臂上的力。即，系统可以基于第一扭矩值与第二扭矩值之间的差来确定参考点处的力。因此，所确定的力可以排除机器人臂经受的力的由于重力而引起的分量。在块1825处，系统可以基于所确定的参考点处的力来移动机器人臂。例如，系统可以基于机器人臂的位置来确定参考点的移动方向，并确定力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上。系统可以基于力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上的确定，来生成指示对机器人臂的移动的目标阻力的至少一个参数，并且基于至少一个参数控制机器人臂中的至少一个电机，以根据目标阻力移动机器人臂。下面将更详细地描述用于使用所确定的力作为机器人臂移动的输入的其他技术。方法1800在块1830处结束。

D.机器人臂自由体图和导纳控制模式。

图19示出了用于描述根据本公开内容的方面的用于计算施加至机器人臂的力的技术的机器人臂的自由体图。机器人臂210可以附接至推车211。机器人臂210可以包括第一连接件230、将第一连接件连接至推车211的第一关节240、第二连接件235、连接第一连接件230和第二连接件235的第二关节245、以及连接至第二连接件235的远端的IDM 250。在图19中以简化形式示出了机器人臂210，然而，可以通过向通过附加关节连接的臂添加附加连接件来以类似的方式分析更复杂的机器人臂。IDM 250可以限定参考点，在该参考点处，将外力F建模为施加至机器人臂210。然而，在其他实施方式中，参考点可以设置成沿着机器人臂210的任何其他点。另外，在附图中将由第一连接件230和第二连接件235中的每一个经受的由于重力而引起的力示为施加在对应连接件230和235的重心处的重力矢量g。

图20是示出根据本公开内容的方面的示例过程的框图，该示例过程用于使用在机器人臂上的参考点处检测到的力作为用于控制机器人臂的移动的输入。过程300可以由手术机器人系统或其(一个或多个)部件操作。图20所示的过程300可以涉及接收多个输入，多个输入包括施加至机器人臂的力F、施加至机器人臂的由于重力而引起的力g、施加至机器人臂的由于重力而引起的模型化的力

机器人臂的关节位置的指示

在某些实施方式中，系统还可以包括关节控制器，该关节控制器可以经由单独的硬件或者利用处理器来实现，可以被配置成使用命令信息θ_ci来移动机器人臂。技术300可以涉及输出命令信息θ_ci，该命令信息θ_ci可以由关节控制器使用以指示机器人臂中的(一个或多个)电机将机器人臂移动至新姿态。如下面所讨论的，关节控制器可以接收命令信息θ_ci并生成机器人臂的关节位置的指示

该指示可以被反馈为至技术300的输入。

例如，参照图19，关节240和245中的每一个可以包括被配置成输出测量的扭矩值τ_测量的扭矩传感器。可以根据以下等式确定在关节240和245中的每一个处的测量的扭矩值τ_测量。

τ_测量＝τ_力+τ_重力 (1)

其中，τ_测量是测量的扭矩值，τ_力是在关节240或245处的由于施加至机器人臂210的力F而引起的扭矩，并且τ_重力是由于重力g而施加至关节240或245的扭矩。在该实施方式中，施加至机器人臂210的力F被建模为施加至作为参考点的IDM 250。然而，取决于实施方式，可以将力建模为在不同点处施加至机器人臂210。

可以将由于在参考点处施加的力F而引起的扭矩和由于重力g而引起的扭矩确定为如下：

τ_力＝J(θ)^TF (2)

τ_重力＝G(θ，g) (3)

其中，J(θ)^T是表示基于机器人臂210中的关节240或245的位置的力F至关节240或245的传递的雅可比转置矩阵，并且G(θ，g)表示由于重力g引起的至关节240或245的扭矩传递。θ表示机器人臂中的关节中的每个关节的角度位置(例如，机器人臂的位置)。将等式(2)和(3)代入(1)得到：

τ_测量＝J(θ)^TF+G(θ，g) (4)

相应地，可以基于测量的扭矩τ_测量、雅可比转置矩阵J(θ)^T以及由于重力引起的扭矩传递G(θ，g)来求解施加至参考点(例如，IDM 250)的力F。

可以如图20所示将等式(4)可视化，其中可以基于雅可比转置矩阵块305的输出(例如，J(θ)^TF)与重力扭矩传递块310的输出(例如，G(θ，g))之和来确定扭矩传感器测量块320。雅可比转置矩阵块305将力F作为输入，而重力扭矩传递块310将重力g的值作为输入。

在某些实施方式中，由于重力而引起的扭矩G(θ，g)被建模为由于重力而引起的模型化扭矩

这在图20中被示为模型化重力转矩传递块315，其将模型化的重力

和模型化的关节位置

作为输入。如下面的等式所示，由于重力而引起的模型化扭矩

中可能存在一定量的不确定性。

在某些实现方式中，重力g近似等于模型化的重力

并且模型化的关节位置

可以被定义为等于θ+n，其中n是表示关节位置传感器测量中的不确定性的值。关节位置传感器测量中的不确定性n可以反映来自对关节位置测量有贡献的传感器(例如，位置传感器)中的每一个的测量中的噪声或不确定性。因此，等式(5)可以简化为如下：

因此，由于重力而引起的模型化扭矩ΔG中的不确定性可以是重力g、机器人臂中的关节中的每个关节的角度位置θ以及表示关节位置传感器测量中的不确定性的值n的函数。

系统可以将值τ确定为由于力而在参考点处经受的并受到由于重力而引起的模型化扭矩ΔG扰动的扭矩：

在某些实现方式中，扭矩传感器的输出可能是有噪声的并且可能随时间漂移。为了解决扭矩传感器的输出中的漂移误差，系统可以通过在机器人臂静止(例如，不存在作用于机器人臂的非重力力)时将扭矩传感器的输出调整为零来执行校准。在一个实施方式中，系统可以基于一段时间内从(一个或多个)扭矩传感器接收到的输出来校准扭矩传感器。例如，对于在机器人臂静止时的机器人臂中的每个关节，系统可以对一定时间段内(例如，在1s内)的测量扭矩值τ_测量求平均值，确定针对臂的当前姿态的重力被补偿的扭矩，并且进行设置以将重力被补偿的扭矩的输出值调整为零。在某些实现方式中，每当导纳按钮被致动时，系统可以执行扭矩传感器的该校准。然而，在其他实现方式中，系统可以以另外的间隔校准扭矩传感器。因此，系统可以响应于接收到用户输入信号(例如，导纳按钮的致动)并且基于来自(一个或多个)扭矩传感器的经校准的输出来确定参考点处的力。

如下，扭矩传感器校准可以由函数B₁表示：

τ′＝B₁(τ) (8)

返回图20，与等式(8)一致，将扭矩校准B₁块325应用于扭矩传感器测量块320的输出和模型化的重力扭矩传递块315的输出。

在某些实施方式中，如先前所讨论的，机器人臂可能在参考点处不包括专用力传感器。因此，系统可以根据以下等式确定视在(apparent)参考点力：

其中，

是雅可比模型，其是测量的关节位置

的函数。如等式(9)和图20所示，使用测量的关节位置

作为第二输入将模型化的逆雅可比块330应用于经校准的扭矩传感器输出(例如，扭矩校准B₁块325的输出)。

系统还可以将死区应用于视在参考点力

在某些实施方式中，死区可以将机器人臂的移动限制为仅响应死区外的力的值。死区可以通过防止机器人臂或IDM上的小的、可能无意的力引起机器人臂的移动，来改善用户控制机器人臂移动的体验。死区还可以起到如下作用：消除扭矩传感器输出中的任何噪声以避免影响机器人臂移动。还可以对死区中的过渡进行平滑，以防止机器人臂响应于由用户施加至机器人臂的(一个或多个)力或扭矩传感器输出中的噪声而在移动中表现出“跳跃”(例如，非常快地加速至高移动速度)。这样的实现方式可以促进机器人臂的更受控的精细运动。在一个实现方式中，可以通过对死区边界处的力值应用平滑函数来由具有平滑边缘的±4N的范围形成死区。因此，系统还可以基于平滑后的力值控制机器人臂的移动。例如，以下函数B₂可以用作视在参考点力

的无单位乘数，以提供具有平滑边缘的死区：

其中，值1.5是调整死区边缘的过渡(例如，限定过渡的“平滑度”)的可调整参数，x是施加的力输入值，并且值8是限定死区的宽度的可调整参数。死区的应用由死区函数B2块335示出。图21是示出根据本公开内容的方面的可以应用于测量的参考点力的死区函数的示例的图。具体地，图21所示的死区函数示出了针对从-10到10的x值、等式(11)中的无单位乘数y的值。

系统可以使用机器人臂的虚拟模型基于被应用死区的视在参考点力

来控制机器人臂的移动。取决于实施方式，系统可以确定用于在虚拟模型中使用的机器人臂的移动的目标阻力。移动的目标阻力可以包括例如限定机器人臂的虚拟质量的第一参数和限定机器人臂的虚拟阻尼系数的第二参数。因此，系统可以基于机器人臂的模型来控制电机以移动机器人臂，该模型限定电机的控制、参考点处的力、第一参数和第二参数之间的关系。

系统还可以基于机器人臂的移动方向更新目标阻力。在一个实施方式中，系统可以基于机器人臂的关节位置θ来确定机器人臂的参考点的移动方向。在其他实施方式中，可以基于机器人臂的笛卡尔位置X(s)来确定移动方向，如下所示。

系统还可以确定力(例如，死区后视在参考点力

)的分量的方向是否在与参考点的移动方向相同的方向上。系统可以基于死区后视在参考点力

的分量的方向是否在与参考点的移动方向相同的方向上来调整移动的目标阻力(例如，第一参数和第二参数中的一个或更多个)。在一个示例中，系统可以响应于确定力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上来减小第一参数和第二参数。系统还可以确定力的分量在与参考点的移动方向相反的方向上，并且响应于确定力的分量在与参考点的移动方向相反的方向上来增大第一参数和第二参数。

通过基于对力的方向与机器人臂的移动方向的比较来调整第一参数和第二参数，系统可以推断用户向机器人臂施加力的意图。即，当用户正在施加具有在机器人臂的移动方向上的分量的力时，用户的意图可能是加速机器人臂在力的方向上的移动。类似地，当用户正在施加具有在与机器人臂的移动方向相反的方向上的分量的力时，用户的意图可能是使机器人臂在力的方向上的移动减速。因此，系统可以被配置成以与用户的意图一致的方式控制机器人臂的移动。

再次参照图20，虚拟质量块240和虚拟阻尼块345可以被应用于死区函数B₂块335的输出(例如，死区后视在参考点力

)。这可以产生机器人臂的虚拟模型，该虚拟模型向用户提供改善的反馈。

在一个实现方式中，虚拟模型可以表示为：

其中：

此处，s是拉普拉斯变量，并且

是机器人臂的笛卡尔速度。

和

是可以在机器人臂级处指定的质量矩阵和阻尼矩阵。可以选择质量参数和阻尼参数以限定用户体验的机器人臂的运动感觉。在某些实施方式中，矩阵

和

是对角的，这可以允许选择单个质量参数和单个阻尼参数以限定在每个笛卡尔方向和取向上的机器人臂移动的感觉，如下所示：

在某些实现方式中，系统可以在存储器中存储多个用户简档。用户简档中的每一个可以限定第一参数的值和第二参数的值。例如，某些用户可能对第一参数和第二参数的如下配置具有偏好，该配置与机器人臂的移动对施加至其的力的期望响应相匹配。因此，系统还可以被配置成接收对用户简档之一的选择，并基于所接收的选择来调整第一参数和第二参数。例如，在进入导纳模式之前，用户可以向系统的触摸屏提供指示所选择的用户简档的输入，并且系统可以基于所选择的用户简档配置第一参数和第二参数以向用户提供所选择的移动响应简档(profile)。

为了确定机器人臂的位置X(s)，系统可以在积分函数块350处对机器人臂的速度

进行积分，如下所示：

机器人臂的位置信息X(s)可以用于确定用于调整关节位置θ的命令信息θ_ci，该命令信息θ_ci可以在命令映射函数块355处确定，如下所示：

其中，

是命令映射函数，其将基于死区后视在参考点力

确定的机器人臂的位置信息X(s)映射到命令信息θ_ci。因此，如等式(1)至(16)中所示，系统可以基于至少一个参数和力来确定关节位置命令信息θ_ci。

关节控制器可以将关节位置命令信息传送至机器人臂的(一个或多个)电机。在提供用于移动机器人臂的指令时，关节控制器可以确定机器人臂的关节位置的指示

的值，其中

可以作为反馈提供给块315和330。系统还可以被配置成基于命令信息确定参考点的移动方向的指示。例如，使用关节位置的指示

的值的当前样本和先前样本，系统可以确定机器人臂上的参考点移动的方向。

基于上述技术300，系统可以为用户提供直观的导纳控制模式。例如，在应用了死区函数B₂块335以及虚拟质量块340和虚拟阻尼块345之后，系统可以提供用于机器人臂的移动的命令信息，其中在力在死区区域之外时，机器人臂的移动与施加的力成比例。此外，通过对力应用死区，防止施加至机器人臂的非预期的力致动移动，从而改善了用户的控制感。恰当应用死区阈值仍然使得机器人臂能够通过由用户施加的相对低的力而移动。

在某些实现方式中，系统还可以被配置成当检测到的由用户施加在机器人臂上的力变为零时，停止所有运动。即，如果用户释放机器人臂，则系统可以以预定速率将移动减慢至停止。在一个实施方式中，系统可以在大于阈值时段的时间段内检测施加在机器人臂上的力小于阈值力。响应于在大于阈值时段的时间段内检测到施加在机器人臂上的力小于阈值力，系统可以向机器人臂的电机施加中断力以停止机器人臂的进一步移动。

E.示例导纳控制技术。

在一个示例实现方式中，手术机器人系统可以被配置成在导纳控制模式下检测施加至机器人臂的力并且将所检测到的力用作用于机器人臂移动的输入。图22是示出根据本公开内容的方面的针对导纳控制模式的能够由手术机器人系统或其(一个或多个)部件操作的示例方法的流程图。例如，图22所示的方法2200的步骤可以由手术机器人系统的处理器执行。为了方便起见，将方法2200描述为由系统的处理器执行。

方法2200在块2201处开始。在块2205处，处理器基于至少一个扭矩传感器的输出来确定在机器人臂上的参考点处的力。机器人臂可以包括：至少两个连接件，连接至少两个连接件的至少一个关节，被配置成检测至少两个连接件之间的扭矩的至少一个扭矩传感器，以及被配置成调整至少两个连接件的位置的至少一个电机。在某些实施方式中，处理器还可以基于位置传感器的输出来确定力。在这些实施方式中，位置传感器可以被配置成测量两个相邻连接件之间的角度。

在块2210处，处理器接收参考点的移动方向的指示。在块2215处，处理器确定力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上。在块2220处，处理器基于力的分量在与参考点的移动方向相同的方向上的确定，来生成指示对机器人臂的移动的目标阻力的至少一个参数。在块2225处，处理器基于至少一个参数控制电机，以根据目标阻力来移动机器人臂。方法2200在块2230处结束。

3.实现系统和术语。

本文公开的实施方式提供了用于手术机器人臂导纳控制的系统、方法和设备。在某些实施方式中，该控制模式可以包括确定施加至机器人臂的参考点的力，并使用确定的力作为输入来控制机器人臂的移动。

应当注意的是，如本文所使用的术语“耦合(couple)”、“耦接(coupling)”、“被耦接(coupled)”或词语耦合(couple)的其他变型可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“被耦接”至第二部件，则第一部件可以经由另一部件间接连接至第二部件，或者直接连接至第二部件。

本文描述的用于导纳控制模式的技术可以作为一个或更多个指令存储在处理器可读或计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”是指可以由计算机或处理器访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这样的介质可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存存储器、致密盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或者可以用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。应该注意，计算机可读介质可以是有形的和非暂态的。如本文中所使用的，术语“代码”可以指能够由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。

本文公开的方法包括用于实现所描述的方法的一个或更多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可以彼此互换。换句话说，除非所描述的方法的正确操作要求步骤或动作的特定顺序，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

如本文所用的，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件指示两个或更多个部件。术语“确定”涵盖多种动作，因此，“确定”可以包括估算、计算、处理、推导、调查、查找(例如，在表、数据库或其他数据结构中查找)、查明等。此外，“确定”可以包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。此外，“确定”可以包括解析、精选、选择、建立等。

除非另外明确指出，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话说，短语“基于”描述了“仅基于”和“至少基于”两者。

提供所公开的实现方式的先前描述以使本领域的任何技术人员能够实现或使用本发明。对这些实现方式的各种修改对于本领域技术人员而言将是明显的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中限定的一般原理可以应用于其他实现方式。例如，应当理解，本领域的普通技术人员将能够采用许多相应的替选和等效的结构细节，例如紧固、安装、耦接或接合工具部件的等效方法、用于产生特定致动运动的等效机制以及用于递送电能的等效机制。因此，本发明不意在限于本文所示的实现方式，而是应被赋予与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最广范围。

Claims

1.一种手术机器人臂导纳控制系统，包括：

机器人臂，包括：

至少两个连接件，

连接所述至少两个连接件的至少一个关节，

至少一个扭矩传感器，被配置成检测所述至少两个连接件之间的扭矩，以及

至少一个电机，被配置成调整所述至少两个连接件的位置，处理器；以及

存储器，其存储使所述处理器执行以下操作的计算机可执行指令：

基于所述扭矩传感器的输出确定所述机器人臂上的参考点处的力，

接收所述参考点的移动方向的指示，

确定所述力的分量在与所述参考点的所述移动方向相同的方向上，

基于所述力的分量在与所述参考点的所述移动方向相同的方向上的确定，生成指示对所述机器人臂的移动的目标阻力的至少一个参数，以及

基于所述至少一个参数控制所述电机以根据所述目标阻力移动所述机器人臂。

2.根据权利要求1所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中，所述机器人臂还包括与所述机器人臂的远端连接的器械装置操纵器，并且其中，所述参考点位于所述器械装置操纵器上。

3.根据权利要求1所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中，所述存储器还包括使所述处理器执行以下操作的计算机可执行指令：

基于所述扭矩传感器的输出测量所述至少一个关节处的第一扭矩值，

基于所述机器人臂的位置确定所述至少一个关节处的第二扭矩值，所述第二扭矩值指示所述至少两个连接件之间的扭矩的重力分量，以及

基于所述第一扭矩值与所述第二扭矩值之间的差确定所述参考点处的力。

4.根据权利要求1所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中：

所述存储器还包括使所述处理器确定所述力的死区的计算机可执行指令，并且

基于所述至少一个参数控制所述电机将所述机器人臂的移动限制为对所述死区之外的力的值做出响应。

5.根据权利要求4所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中，所述存储器还包括使所述处理器执行以下操作的计算机可执行指令：

对所述死区的边界处的力的值应用平滑函数，以及

基于平滑后的力的值控制所述电机以移动所述机器人臂。

6.根据权利要求1所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中，所述机器人臂还包括：

被配置成由用户致动的按钮，

所述存储器还包括使所述处理器执行以下操作的计算机可执行指令：

接收在由所述用户致动所述按钮时生成的用户输入信号，以及

基于在一段时间内从所述扭矩传感器接收到的输出来校准所述扭矩传感器，

其中，确定所述参考点处的力还响应于接收到所述用户输入信号并且基于来自所述扭矩传感器的经校准的输出。

7.根据权利要求1所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中，所述目标阻力包括：

至少一个第一参数，其限定所述机器人臂的虚拟质量，以及

至少一个第二参数，其限定所述机器人臂的虚拟阻尼系数，

所述存储器还包括使所述处理器基于所述机器人臂的模型来控制所述电机以移动所述机器人臂的计算机可执行指令，所述模型限定所述电机的控制、所述参考点处的力、所述至少一个第一参数和所述至少一个第二参数之间的关系。

8.根据权利要求7所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中：

所述至少一个第一参数包括多个第一参数值，所述第一参数值中的每一个针对所述机器人臂沿多个垂直轴线之一的移动来限定所述机器人臂的虚拟质量，并且

所述至少一个第二参数包括多个第二参数值，所述第二参数值中的每一个针对所述机器人臂沿所述多个垂直轴线之一的移动来限定所述机器人臂的虚拟阻尼系数。

9.根据权利要求7所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中，所述存储器还包括使所述处理器执行以下操作的计算机可执行指令：

确定所述力的分量是在与所述参考点的所述移动方向相同的方向上还是在与所述参考点的所述移动方向相反的方向上，以及

基于对所述力的分量是在与所述参考点的所述移动方向相同的方向上还是在与所述参考点的所述移动方向相反的方向上的确定，来调整所述至少一个第一参数或所述至少一个第二参数。

10.根据权利要求7所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中，所述存储器还包括使所述处理器执行以下操作的计算机可执行指令：

响应于所述力的分量在与所述参考点的所述移动方向相同的方向上的确定，减小所述至少一个第一参数和所述至少一个第二参数。

11.根据权利要求7所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中，所述存储器还包括使所述处理器执行以下操作的计算机可执行指令：

确定所述力的分量在与所述参考点的所述移动方向相反的方向上，以及

响应于所述力的分量在与所述参考点的所述移动方向相反的方向上的确定，增大所述至少一个第一参数和所述至少一个第二参数。

12.根据权利要求7所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中：

所述存储器还包括多个用户简档，所述用户简档中的每一个包括针对所述至少一个第一参数和所述至少一个第二参数的限定值，

接收对所述用户简档之一的选择；以及

基于接收到的选择调整所述至少一个第一参数和所述至少一个第二参数。

13.根据权利要求1所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中：

所述机器人臂还包括被配置成测量所述至少两个连接件之间的角度的至少一个位置传感器，

所述存储器还包括使所述处理器基于所述位置传感器的输出来确定所述力的计算机可执行指令，

所述扭矩传感器、所述电机和所述位置传感器位于所述关节中，

所述扭矩传感器、所述电机和所述位置传感器中的每一个均耦接至与所述关节连接的至少两个连接件。

14.根据权利要求1所述的手术机器人臂导纳控制系统，其中，所述存储器还包括使所述处理器执行以下操作的计算机可执行指令：

基于所述至少一个参数和所述力确定关节位置命令信息；

将所述关节位置命令信息传送至所述电机；以及

基于所述关节位置命令信息确定所述参考点的所述移动方向的指示。

15.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有指令，所述指令在被执行时使至少一个计算装置执行以下操作：

基于扭矩传感器的输出确定包括所述扭矩传感器的机器人臂上的参考点处的力，所述机器人臂还包括：两个连接件、连接所述两个连接件的关节以及被配置成调整所述两个连接件的位置的电机、被配置成检测所述两个连接件之间的扭矩的所述扭矩传感器；

接收所述参考点的移动方向的指示；

确定所述力的分量在与所述参考点的所述移动方向相同的方向上；

基于所述力的分量在与所述参考点的所述移动方向相同的方向上的确定，生成指示对所述机器人臂的移动的目标阻力的至少一个参数；以及

16.根据权利要求15所述的非暂态计算机可读存储介质，其上还存储有在被执行时使至少一个计算装置执行以下操作的指令：

基于所述扭矩传感器的输出测量所述关节处的第一扭矩值；

基于所述机器人臂的位置确定所述关节处的第二扭矩值，所述第二扭矩值指示所述两个连接件之间的扭矩的重力分量；以及

17.根据权利要求15所述的非暂态计算机可读存储介质，其上还存储有在被执行时使至少一个计算装置执行以下操作的指令：

确定所述力的死区；以及

在控制所述电机以移动所述机器人臂的同时，将所述机器人臂的移动限制为对所述死区之外的力的值做出响应。

18.根据权利要求17所述的非暂态计算机可读存储介质，其上还存储有在被执行时使至少一个计算装置执行以下操作的指令：

对所述死区的边界处的力的值应用平滑函数；以及

基于平滑后的力的值控制所述电机以移动所述机器人臂。

19.根据权利要求15所述的非暂态计算机可读存储介质，其上还存储有在被执行时使至少一个计算装置执行以下操作的指令：

接收在由用户致动所述机器人臂上的按钮时生成的用户输入信号；

基于在一段时间内从所述扭矩传感器接收到的输出来校准所述扭矩传感器；以及

还响应于接收到所述用户输入信号并且基于来自所述扭矩传感器的经校准的输出来确定所述参考点处的力。

20.根据权利要求15所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，所述目标阻力包括：

至少一个第一参数，其限定所述机器人臂的虚拟质量，以及

至少一个第二参数，其限定所述机器人臂的虚拟阻尼系数，

其中，所述非暂态计算机可读存储介质还在其上存储有在被执行时使至少一个计算装置基于所述机器人臂的模型来控制所述电机以移动所述机器人臂的指令，所述模型限定所述电机的控制、所述参考点处的力、所述至少一个第一参数和所述至少一个第二参数之间的关系。

21.根据权利要求20所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，其上还存储有在被执行时使至少一个计算装置执行以下操作的指令：

确定所述力的分量是在与所述参考点的所述移动方向相同的方向上还是在与所述参考点的所述移动方向相反的方向上；以及

22.根据权利要求20所述的非暂态计算机可读存储介质，其中，其上还存储有在被执行时使至少一个计算装置执行以下操作的指令：

23.一种定位机器人臂的方法，包括：

基于扭矩传感器的输出确定包括所述扭矩传感器的所述机器人臂上的参考点处的力，所述机器人臂还包括：两个连接件、连接所述两个连接件的关节以及被配置成调整所述两个连接件的位置的电机、被配置成检测所述两个连接件之间的扭矩的所述扭矩传感器；

接收所述参考点的移动方向的指示；

24.根据权利要求23所述的方法，还包括：

基于所述扭矩传感器的输出测量所述关节处的第一扭矩值；

25.根据权利要求23所述的方法，还包括：

确定所述力的死区；以及

26.根据权利要求25所述的方法，还包括：

对所述死区的边界处的力的值应用平滑函数；以及

基于平滑后的力的值控制所述电机以移动所述机器人臂。

27.根据权利要求23所述的方法，还包括：

28.根据权利要求23所述的方法，其中，所述目标阻力包括：

至少一个第一参数，其限定所述机器人臂的虚拟质量，以及

至少一个第二参数，其限定所述机器人臂的虚拟阻尼系数，

其中，所述方法还包括基于所述机器人臂的模型来控制所述电机以移动所述机器人臂，所述模型限定所述电机的控制、所述参考点处的力、所述至少一个第一参数和所述至少一个第二参数之间的关系。

29.根据权利要求28所述的方法，还包括：

30.根据权利要求28所述的方法，还包括：