CN111818872A - 相机控制 - Google Patents

Abstract

主从系统，其包括：第一操纵器，其支撑第一端部执行器；第二操纵器，其支撑第二端部执行器；输入装置，其配置为从操作者的手中同时接收实现第一端部执行器的期望运动的第一运动命令和实现第二端部执行器的期望运动的第二运动命令；以及处理器，其配置为分别响应于从输入装置接收的第一运动命令和第二运动命令，来确定第一端部执行器和第二端部执行器的期望运动。

Description

相机控制

背景技术

通常，在机器人主从系统中，操作者使用一个或多个输入装置来控制许多远程操作工具的运动。因此，操作者可以控制工具，而无需处于与对工具进行操纵的工作场所相同的位置。可以包括诸如相机之类的图像捕获装置和用于显示所捕获的图像的视图的显示器，以向操作者提供工作场所的视图。机器人主从系统的一些应用包括在危险环境(比如，水下、核电站或化工厂)和微创外科手术系统中进行组装、维护或探查。

特别是在外科手术系统中，可以是外科医生、助手、学生或其组合的操作者能够通过在操作者控制台(比如，外科医生控制台)操纵许多输入装置，来远程操纵由许多机器人操纵器支撑的许多远程工具(诸如外科手术器械)。和外科手术器械一样，机器人操纵器可以支撑图像捕获装置(诸如内窥镜)，以在外科医生控制台的显示器上为操作者提供远程手术部位的视图。

在外科手术期间，外科医生操纵输入装置，以控制外科手术器械在手术部位的运动。通常，该手术中使用的内窥镜由相机助手来控制，该相机助手响应于从外科医生接收到的口头指示来操纵内窥镜，以向外科医生提供手术部位的期望视图。替代地，外科医生可以通过进入内窥镜模式，而使用与用于操纵外科手术器械相同的输入装置来控制内窥镜，在该内窥镜模式下，停下外科手术器械的操作并且将器械锁定在适当的位置，然后，将输入装置与器械解除关联并且与内窥镜相关联以控制内窥镜的运动。一旦操纵内窥镜并且获得了期望的视点，则退出上述内窥镜模式，将输入装置与内窥镜解除关联并且与器械重新关联，使得外科医生可以恢复器械的操作。

然而，这种控制内窥镜的方法充其量是无效的。具体而言，相机助手控制内窥镜的方法可能会导致延迟和错误(比如，外科医生可能会因为内窥镜参考系相对于外科医生的位置运动而变得迷失方向)。在外科医生使用输入装置来控制内窥镜的方法中，在外科医生可以操纵内窥镜来改变他/她对手术部位的视点之前，外科医生需要停止外科手术。相反，在正常的开放手术期间，外科医生可以响应于他们对手术部位的视点进行改变的需要或刺激，而移动其头部，同时进行手术。

因此，需要一种改进的主从系统，该主从系统将允许外科医生更直观地且更舒适地改变他们对手术部位的视图，同时能够在手头进行手术。

发明内容

因此，本发明提供了一种主从系统，该主从系统包括：第一操纵器，其支撑第一端部执行器；第二操纵器，其支撑第二端部执行器；输入装置，其配置为从操作者的手中同时接收实现第一端部执行器的期望运动的第一运动命令和实现第二端部执行器的期望运动的第二运动命令；以及处理器，其配置为响应于从输入装置接收的第一运动命令和第二运动命令，来确定第一端部执行器和第二端部执行器的期望运动。

输入装置还可以包括由操作者握持的主体。主体可以配置为由操作者的单手把握。

输入装置还可以包括第一输入器，该第一输入器用于接收实现第一端部执行器的期望运动的第一运动命令。

处理器可以配置为在多种模式下操作，多种模式包括：接合模式，其中，处理器将输入装置与第二端部执行器可操作地联接；脱离模式，其中，处理器将输入装置与第二端部执行器可操作地分离；操作模式，其中，处理器将第一输入器与第一端部执行器可操作地联接；以及选择模式，其中，处理器将第一输入器与第一端部执行器可操作地分离。

处理器还可以配置为在脱离模式下响应于从手抓输入器接收到的信号而操作。处理器还可以配置为在操作模式下响应于从第二输入器接收到信号而操作。处理器还可以配置为当处理器进入脱离模式时，同时在脱离模式和选择模式下操作。

输入装置还可以配置为当处理器在接合模式下操作时接收实现第二端部执行器的期望运动的第二运动命令。

第一输入器可以配置为当处理器在操作模式下操作时接收实现第一端部执行器的期望运动的第一运动命令。第一输入器还可以配置为当处理器在选择模式下操作时，选择第三端部执行器以与输入装置相关联。输入装置还可以配置为响应于第一输入器对第三端部执行器的选择来接收实现第三端部执行器的期望运动的第三运动命令。

输入装置还可以包括联接至第一输入器的驱动机构，该驱动机构配置为向第一输入器施加力，以向操作者提供力反馈。输入装置还可以包括力传感器，该力传感器配置为感测施加到第一输入器的力，以确定第一输入器处正在接收来自操作者的命令。第一输入装置还可以包括电容传感器，该电容传感器配置为感测操作者何时触摸第一输入器，以确定第一输入器处正在接收来自操作者的命令。输入装置还可以包括位置传感器，该位置传感器配置为感测第一输入器相对于主体的位置，以确定第一输入器处正在接收来自操作者的命令。

处理器还可以配置为根据所确定的第一端部执行器的期望运动来实现第一端部执行器的运动。处理器还可以配置为根据所确定的第二端部执行器的期望运动来实现第二端部执行器的运动。

第一端部执行器可以具有多个自由度，并且处理器可以配置为将第一端部执行器的至少一个自由度与第一输入器选择性地相关联，并且响应于第一输入器的运动，来实现第一端部执行器的该至少一个自由度的运动。

第一端部执行器可以包括用于捕获工作场所的图像的图像捕获装置。图像捕获装置可以是内窥镜。主从系统还可以包括用于显示所捕获的图像的显示器。

处理器还可以配置为根据第一输入器相对于操作者选择的参考系的运动，来实现第一端部执行器的运动。操作者选择的参考系可以固定至输入装置。操作者选择的参考系可以固定至显示器。处理器还可以配置为连续更新输入装置参考系与第二端部执行器参考系之间的映射并且连续更新第一输入器参考系与第一端部执行器参考系之间的映射，使得显示器上显示的第一端部执行器和第二端部执行器的运动分别对应于第一输入器和输入装置的运动。

附图说明

现在，将参考附图以示例的方式描述本发明，其中：

图1示出了主从系统；

图2示出了使用多个机器人操纵器为患者进行远程手术，多个机器人操纵器各自均支撑工具；

图3示出了图2的机器人操纵器的两个示例，每个机器人操纵器各自均支撑不同的工具；

图4示出了包括显示器和输入装置的操作者控制台；

图5a示出了包括输入器和手抓输入器的输入装置的俯视图；

图5b示出了图5a的输入装置的立体图；

图6示出了图1的系统的示意图；

图7示出了使用图4的操作者控制台的操作者；

图8a示出了图5a的输入器的视图，其中，其操作者选择的参考系固定至图4的输入器；并且

图8b示出了图5a的输入器的替代视图，其中，其操作者选择的参考系固定至图4的显示器。

具体实施方式

图1示出了示例性配置中的作为外科手术系统的主从系统10。系统10包括患者台50、推车70和操作者控制台20。操作者控制台20允许操作者O(图7所示)使用一个或多个输入装置21a、21b来对支撑工具40a、40b、40c的一个或多个机器人操纵器80a、80b、80c(如图2所示)进行远程操控，从而对患者P执行外科手术。操作者O可以例如是外科医生、助手或学生。

现在参考图2，系统10具有用于支撑各种工具40a、40b、40c的一个或多个机器人操纵器80a、80b、80c。机器人操纵器80a、80b、80c可以如图2、图3和图6所示。图2、图3和图6的机器人操纵器80a、80b、80c各自均具有从基座90延伸的臂81(如图6所示)。臂81通过沿其长度的一系列旋转接头82、83、84铰接。臂81的远端处是工具40a、40b、40c，这些工具终止于端部执行器41a、41b、41c。端部执行器41a、41b可以是外科手术器械，诸如但不限于光滑钳部、锯齿状钳部、夹持器、一对剪刀、缝合针、激光、刀、吻合器、烧灼器、抽吸器、钳子、手术刀或烧灼电极等。端部执行器41c可以替代地是图像捕获装置，诸如内窥镜。端部执行器41a、41b、41c可以由臂81的远端处的驱动马达86驱动而运动。驱动马达86可以通过沿着器械轴的内部延伸的线缆联接至端部执行器41a、41b、41c。

尽管图3示出了支撑内窥镜41c的机器人操纵器80c和支撑器械端部执行器41a的机器人操纵器80a，但是，应当理解，每个机器人操纵器80a、80b、80c可以支撑任何端部执行器。

现在参考图4，操作者控制台20包括一个或多个输入装置21a、21b，输入装置联接至用于控制机器人操纵器80a、80b、80c的连杆组件26。操作者控制台20还包括用于向操作者O提供远程外科手术工作场所的视图的显示器30。图4、图5a和图5b的输入装置21a、21b设计为握持在用户的手中，以向系统10提供三维运动输入。在一些情况下，输入装置21a、21b还可以允许用户向系统10提供功能输入。

尽管以上描述涉及单个显示装置，但是在其他示例中，机器人系统可以包括多个显示装置或屏幕。屏幕适当地配置为将远程工作场所的视图显示为二维图像和/或三维图像。屏幕可以设置在单个操作者控制台20上，或者两个或更多个控制台可以各自均包括至少一个屏幕。这允许附加的观看屏幕，附加的观看屏幕可以用于允许除控制台操作者之外的其他人观看外科手术工作场所，例如以用于培训。

为了便于说明，将参考图5a和图5b中所指示的相互正交的X轴、Y轴和Z轴来描述示例性输入装置21b。X轴与输入装置21b的前/后轴正交。Y轴与输入装置21b的左/右轴正交。Z轴与输入装置21b的上/下轴平行，并且与X轴和Y轴正交。换句话说，输入装置21b的Z轴是从输入装置21b的顶表面穿过输入装置21b的主体到达其底表面的线。

图5a和图5b的示例性输入装置21b旨在被握于右手中。镜像输入装置21a可以旨在用于左手。输入装置21b的主体27具有头部23和把手24。把手24配置为处于用户的手掌中。这允许用户将其第一手指/食指放置在手抓输入器22上。用户的拇指可以放置在头部23的与手抓输入器22相反的一侧，或者替代地，用户的拇指可以放置在头部23上的输入器25上。这种类型的装置的用户接受度测试已经证实，许多用户自然地以这种方式拿起并握持这种装置，其手腕处于中性位置并且其拇指与手指相对。结果是，对于三维运动输入，用户的手腕可以自由屈曲、伸展、内收和外展运动。

在图5a和图5b的输入装置21b中，手抓输入器22被示为是能够绕轴线(未示出)相对于头部23旋转的触发杆。手抓输入器22可以可变地被称为拨动(pince)或捏动(pinch)输入器。对于这种手抓输入器的更详细的描述，请参考本申请人的题为“Hand ControllerGrip(手控把手)”的GB专利申请GB1616086.3。此外，在图5a和图5b的输入装置21b中，输入器25被示为是拇指杆，该拇指杆在底座上枢转并且将其相对于默认中心位置的位置报告给控制单元60。该位置信号继而可以用作进一步的运动输入，并且可选地，用作系统10中的功能输入。图5a和图5b的输入器25被设计为由用户的拇指来操纵，并且通常提供二维输入。

输入器25可以用若干方式铰接。例如，输入器25可以绕输入装置21b的X轴在前/后方向A上枢转。输入装置25还可以绕输入装置21b的Y轴在左/右方向B上枢转。输入器25还可以充当推压按钮以提供输入器25的沿输入装置21b的Z轴的上/下运动。

输入器25位于输入装置21a、21b上，使得用户可以以舒适自然的方式使用输入器25，但是不会无意地致动输入器25。在默认情况下，输入器25可以处于不可操作状态，在该状态下，忽略系统从输入器25接收到的任何输入。只有当检测到用户正在接合输入器时，输入器25才可以变得可操作。为此，可以在用户的拇指能够接合的输入器25的表面上设置触敏面板(未示出)。触敏面板可以包括电容传感器(未示出)，以在用户的拇指触摸输入器25时检测用户的拇指在输入器25上的存在。替代地或附加地，可以为输入器25提供触觉反馈，以检测因用户的拇指对输入器25进行触摸而导致的任何摇动或振动，从而检测用户的拇指在输入器25上的存在。

优选地，在默认情况下，输入器25处于可操作状态。在这种情况下，为了停止用户对输入器25的任何无意的致动，可以将中性区域限定在输入器25的不会产生任何输出的铰接范围内。例如，在输出信号起作用并且系统中产生相关联的从设备的任何结果运动之前，输入器25可能需要绕输入装置21a、21b的X轴在前/后方向上枢转超过某个阈值。可以在显示器30上和/或在输入装置21a、21b上提供视觉提示，以向输入器25指示不会对系统产生任何输出的输入值的范围。

可以在头部23内设置位置传感器，以感测输入器25相对于主体27的位置。位置传感器可以能够辨别输入器25的位置范围，从而允许更精确地识别输入器25被枢转或被按压的程度。位置传感器可以是绕输入器25的旋转轴线布置的旋转编码器或电位计。除了位置传感器之外或代替位置传感器，输入装置21b可以包括用于检测施加给输入器25的力和/或绕输入器的枢转轴线施加给输入器25的转矩的力和/或转矩传感器。

可以在头部23上设置附加的用户输入接口。例如，可以存在一个或多个推压按钮、旋钮、操纵杆、翘板开关等。

现在参考图6，示例性机器人操纵器80a由控制单元60掌控。控制单元60接收来自输入装置21a、21b和其他源(诸如，连杆组件26和机器人操纵器位置/力传感器85)的输入。

连杆组件26是铰接连杆，该铰接连杆支撑输入装置21a、21b并且允许其以六个自由度运动。连杆组件26的配置可以由连杆上的传感器来检测，并且被传递至控制单元60。以这种方式，输入装置21a、21b的运动可以用于控制机器人操纵器80a的运动。代替连杆组件26，输入装置21a、21b可以配备有允许估计其位置和定向的加速度计。

控制单元60包括处理器61，该处理器61执行以非瞬态形式存储在存储器62中的代码。在执行代码时，处理器60确定信号集，以用于命令机器人操纵器80a的接头82、83和84运动，并且用于使器械40a的端部执行器41a根据来自输入装置21a、21b、连杆组件26和操纵器位置/力传感器85的输入来运动。代码配置为使得机器人操纵器80a的运动基本上由来自输入装置21a、21b和连杆组件26的输入决定。例如，在正常操作模式下，(i)端部执行器41a的姿势可以由输入装置21a、21b绕其旋转自由度的姿势来设定；(ii)端部执行器41a的位置可以由输入装置21a、21b绕其平移自由度的位置来设定；并且(iii)端部执行器41a的钳部的配置可以由手抓输入器22或输入器25相对于主体21的位置来设定。例如，手抓输入器22可以用于操作外科手术器械端部执行器的钳部。

相机控制

此外，当机器人操纵器80c支撑诸如内窥镜41c之类的图像捕获装置时，在执行代码时，处理器60确定信号集，以命令机器人操纵器80c的接头82、83和84运动，并且使内窥镜41c根据来自输入器25和输入装置21a、21b的位置/力传感器的输入来运动。例如，在正常操作模式下，(i)内窥镜41c的远端的上/下位置可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认位置在前/后方向A上的位置来设定；(ii)内窥镜41c的远端的左/右位置可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认位置在左/右方向B上的位置来设定；(iii)内窥镜41c的缩放水平可以由第二输入装置21b的输入器25绕其默认位置在前/后方向A上的位置来设定；并且(iv)内窥镜41c的远端的旋转可以由第二输入装置21b的输入器25绕其默认位置在左/右方向B上的位置来设定。应当注意，输入装置21a和21b可以与上述相反地映射，使得第一输入装置21a控制内窥镜41c的旋转和缩放水平，并且第二输入装置21b控制内窥镜41c的远端的上/下和左/右运动。替代地，单个输入装置21a或21b用于控制内窥镜41c的所有上述自由度。如前所述，(i)内窥镜41c的远端的上/下位置可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认位置在前/后方向A上的位置来设定；(ii)内窥镜41c的远端的左/右位置可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认位置在左/右方向B上的位置来设定。此时，操作者O可以按压输入器25，以从控制内窥镜41c的远端的上/下和左/右方向的运动切换到控制内窥镜41c的旋转和缩放水平。一旦进行了切换，则(iii)内窥镜41c的缩放水平可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认位置在前/后方向A上的位置来设定；并且(iv)内窥镜41c的旋转可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认位置在左/右方向B上的位置来设定。替代地，操作者O可以根据其自己的偏好，来选择输入器25的前/后和左/右运动与内窥镜41c的上/下、左/右、旋转和缩放水平之间的映射。换句话说，操作者O可以选择输入器25的哪个自由度映射到内窥镜41c的哪个自由度。这将在下面进行更详细地描述。因此，系统10的操作者O能够使用单个输入装置21a、21b来同时控制器械端部执行器41a、41b和内窥镜41c，而无需停下器械端部执行器41a、41b或内窥镜41c的操纵。

当机器人操纵器80c支撑诸如内窥镜41c之类的图像捕获装置时，在执行代码时，处理器60可以确定信号集，以使内窥镜41c根据来自输入器25和输入装置21a、21b的位置/力传感器的输入且使用速度控制来运动，使得还可以控制内窥镜41c沿期望方向运动的速率。例如，输入器25可以配置为使得其偏置以返回到中性位置。在正常操作模式下，(i)内窥镜41c的远端在上/下方向上运动的速率可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认中性位置在前/后方向A上的位置来设定；(ii)内窥镜41c的远端在左/右方向上运动的速率可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认中性位置在左/右方向B上的位置来设定；(iii)内窥镜41c的缩放水平改变的速率可以由第二输入装置21b的输入器25绕其默认中性位置在前/后方向A上的位置来设定；并且(iv)内窥镜41c的远端的旋转速率可以由第二输入装置21b的输入器25绕其默认中性位置在左/右方向B上的位置来设定。换句话说，当操作者O希望内窥镜41c以期望的方式运动时，他们将沿上述的一个合适的方向推动相关输入装置21a、21b的输入器25。他们沿合适的方向将输入器25远离中性位置推动得有多远确定了内窥镜41c以期望的方式运动得有多快。一旦操作者O释放输入器25，则内窥镜41c停止运动，并且输入器25返回其中性位置。应当注意，输入装置21a和21b可以与上述相反地映射，使得第一输入装置21a控制内窥镜41c的旋转和缩放水平，并且第二输入装置21b控制内窥镜41c的远端的上/下和左/右运动。

替代地，单个输入装置21a或21b用于使用速度控制来控制内窥镜41c的所有上述自由度。如前所述，输入器25配置为使得偏置以返回到中性位置；(i)内窥镜41c的远端在上/下方向上运动的速率可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认中性位置在前/后方向A上的位置来设定；(ii)内窥镜41c的远端在左/右方向上运动的速率可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认中性位置在左/右方向B上的位置来设定。此时，操作者O可以按压输入器25，以从控制内窥镜41c的远端的上/下和左/右方向的运动切换到控制内窥镜41c的旋转和缩放水平。一旦进行了切换，则(iii)内窥镜41c的缩放水平改变的速率可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认中性位置在前/后方向A上的位置来设定；并且(iv)内窥镜41c的旋转速率可以由第一输入装置21a的输入器25绕其默认中性位置在左/右方向B上的位置来设定。替代地，操作者O可以根据其自己的偏好，来选择输入器25的前/后和左/右运动与内窥镜41c的上/下、左/右、旋转和缩放水平之间的映射。换句话说，操作者O可以选择输入器25的哪个自由度映射到内窥镜41c的哪个自由度。这将在下面进行更详细地描述。因此，系统10的操作者O能够使用单个输入装置21a、21b来同时控制器械端部执行器41a、41b和内窥镜41c，而无需停下器械端部执行器41a、41b或内窥镜41c的操纵。

以这种方式，系统10的操作者O可以在手术期间重新定位内窥镜41c以捕获工作场所的不同视图，而无需停止手术。内窥镜41c因此可以被视为另一个从动端部执行器。

主从关系

参考图7，使用操作者控制台20执行手术的操作者O使用输入装置21a、21b(主设备)来控制一个或多个远程工具40a、40b、40c(从设备)的运动。操作者O可以经由显示器30观看工作场所。支撑在机器人操纵器80a和80b上的器械端部执行器41a和41b响应于其各自相关联的输入装置21a、21b上的运动和功能输入而被操纵，以实现位置和定向运动。在手术期间，器械端部执行器41a、41b和外科手术部位的图像由支撑在机器人操纵器80c上的内窥镜41c捕获，并且显示在显示器30上，使得当操作者O使用输入装置21a、21b控制器械端部执行器41a、41b的响应运动和动作时，可以看到这些响应运动和动作。

有利地，控制单元60在输入装置21a、21b和与其相关联的器械端部执行器41a、41b之间建立关系，如在显示器30上显示的捕获图像中所观看到的，在该关系中，在图像中显示给操作者O的器械端部执行器41a或41b的定向和位置遵循并且对应于由操作者的手所操纵的相关联的输入装置21a或21b的定向和位置。与图像中所显示的器械端部执行器41a或41b的运动未映射到操作者的手的运动的情况相比，通过将相关联的器械端部执行器41a或41b的定向和位置映射到输入装置的定向和位置，可以以更直观的方式对器械端部执行器41a或41b的运动进行控制。

另外，控制单元60在输入器25与和其关联的内窥镜41c之间建立关系，在该关系中，内窥镜41c的定向和位置遵循并且对应于由操作者的手所操纵的相关联的输入器25的定向和位置。与内窥镜41c的运动未映射到输入器25的定向和位置的情况相比，通过这样将相关联的内窥镜41c的定向和位置映射到输入器的定向和位置，可以以更直观的方式对内窥镜41c的运动进行控制。

控制单元60通过将输入装置在输入装置笛卡尔坐标参考系统(输入器系)中的位置和定向与器械端部执行器41a或41b在相机笛卡尔坐标参考系统(相机系)中的位置和定向进行映射，来实现输入装置21a、21b与器械端部执行器41a、41b之间的控制。因此，在操作期间，将器械端部执行器在相机系中的位置和定向映射到输入装置21a、21b在输入器系中的位置和定向，并且器械端部执行器41a或41b实现了运动到相机系中的新位置/定向，该新位置/定向对应于输入装置21a、21b在输入器系中的当前位置和定向。

在一些情况下，控制单元60通过将输入器在输入器笛卡尔坐标参考系统(输入器系)中相对于输入装置21a、21b的位置和定向与内窥镜41c在相机系中的位置和定向进行映射，来实现输入器25与内窥镜41c之间的控制。因此，在操作期间，内窥镜41c实现了运动到相机系中的新位置/定向，该新位置/定向对应于输入器25在输入器系中的当前位置和定向。

替代地，控制单元60通过将输入器在输入器系中绕其默认中性位置相对于输入装置21a、21b的位置与内窥镜41c在相机系中的运动方向和速率进行映射且使用速度控制来实现输入器25与内窥镜41c之间的控制。因此，在操作期间，实现了内窥镜41c在相机系中以新的方向和期望的速率运动，该新的方向和期望的速率对应于输入器25在输入器系中绕其默认中性位置的位置。

有利地，用户可以使输入装置21a、21b脱离并且使其运动到更符合人体工程学的位置和/或定向。在重新接合输入装置21a、21b时，更新输入器系与相机系之间的映射。因此，主参考系可以改变并且还可以在输入装置21a和输入装置21b之间变化。另外，主设备(输入装置21a、21b)和从设备(端部执行器41a、41b、41c)之间的映射的这种更新导致经由输入装置21a、21b给出的运动命令产生在显示器30上显示给操作者O的从设备的预期运动。

将理解，如果图像捕获装置的位置改变，则器械端部执行器41a或41b在所观看到的图像中的定向和位置也可能改变。因此，并且有利地，在图像捕获装置的这种位置改变之后，再次建立器械端部执行器41a、41b的运动映射到输入装置21a、21b的运动的关系。这将增强操作者在进行手术时的直观“感觉”，这是由于主设备和从设备之间的映射的这种连续更新将导致经由输入装置21a、21b给出的运动命令产生向操作者O显示的从设备的预期运动。

另外，为了向操作者O提供输入器25的运动与内窥镜41c的远端的运动之间的改进的和更直观的响应，控制单元60借助于相对于操作者优选参考系的输入器系，基于输入器25的位置和方向来确定并实现内窥镜41c的远端的期望位置和定向。该概念在图8a和图8b中示出并且在下面进行描述。

图8a示出了操作者O握持输入装置21a使得其直指显示器30的屏幕的示例。操作者O可以选择将其优选参考系设置为与输入装置21a的参考系(即，输入器系)相同。在该示例中，在操纵输入器25之前，操作者O可以看到显示器30上所示的器械端部执行器41a。然而，一旦输入器25相对于输入装置21的主体沿如图8a中的字母L所指的方向向左运动，内窥镜41c的远端也向左运动，这导致器械端部执行器41a的显示图像转移到捕获图像的右侧，如显示器30’所示。

图8b示出了操作者O握持输入装置21a使得输入装置21a指向显示器30的屏幕的右方90度的另一示例。如果操作者O再次选择将其优选参考系设置为与输入器系相同，操纵输入器25沿图8b中的字母L所指的方向相对于输入装置21的主体向左运动将导致内窥镜41c的远端向左运动，这导致器械端部执行器41a的显示图像转移到捕获图像的右侧，如显示器30’所示。

然而，操作者O可以选择将其优选参考系设置为相对于屏幕。在该示例中，使输入器25沿图8b中的字母L所指的方向运动将导致内窥镜41c的远端向前运动，这导致器械端部执行器41a的显示图像看起来更大，如显示器30”所示。替代地，操作者O可以选择另一期望的参考系。

功能输入

上面的示例描述了使用输入器25来提供图像捕获装置(比如，内窥镜41c)的三维运动。以下示例描述了用于向系统10提供功能输入的输入器25。

系统10设置用于选择性地允许输入装置21a、21b与任何器械端部执行器41、41b之间的操作关联。在许多外科手术中，期望操作者能够从两个或更多个器械端部执行器41a、41b中进行选择。例如，输入装置21a、21b可用于控制多个器械端部执行器41a、41b。输入装置21a、21b在可操作地联接至一个器械端部执行器41、41b时可用于控制该一个器械端部执行器41、41b，并且在可操作地联接至另一器械端部执行器41a、41b时可用于控制该另一器械端部执行器。换句话说，输入装置21a、21b在接合模式下可用于控制可操作地与其联接的器械端部执行器40a、40b。输入装置21a、21b与器械端部执行器41a、41b之间的联接是可以改变的。一个器械端部执行器41a可以由多个输入装置21a、21b进行控制。器械端部执行器41a可与一个输入装置21a联接，以允许通过一个输入装置21a来控制器械端部执行器41a。一旦与该一个输入装置21a分离，则器械端部执行器41a就可与另一输入装置21b联接，以允许由该另一输入装置21b来控制器械端部执行器41a。因此，多于一个器械端部执行器41a、41b可以与单个输入装置21可操作地相关联。

输入装置21a、21b一次可与一个器械端部执行器41a、41b相关联或者可操作地联接至一个器械端部执行器41a、41b。在一个示例中，这种关联或联接是在软件控制中实现的。操作者O例如通过操纵相应的输入装置21a、21b来选择相应的器械端部执行器41a、41b(诸如通过使用输入器25从界面中的菜单中选择选项)，从而选择期望的联接。一旦选择了适当的器械端部执行器41a、41b，其就与输入装置21a、21b可操作地接合/联接，以向操作者O提供对所选择的器械端部执行器的控制。这可以使用输入装置21的手抓输入器22来完成。然而，无需使用输入装置21a、21b本身来进行这种接合。可以使用另一按钮或控件(诸如操作者控制台20上的脚踏板或开关)，来代替输入装置21a、21b或与之一起使用。替代地，输入装置21a、21b上的除了手抓输入器22之外的另一按钮或控件可以设置为接合输入器，以用于将适当的器械端部执行器41a、41b与输入装置21a、21b可操作地接合/联接，以向操作者O提供对所选择的器械端部执行器的控制。这在器械端部执行器41a、41b的选择上提供了灵活性。可操作地联接至输入装置21a、21b的器械端部执行器41a、41b可被称为接合器械端部执行器。未与输入装置21a、21b可操作地联接的器械端部执行器41a、41b可被称为脱离器械端部执行器。脱离器械端部执行器不会主动地由输入装置21a、21b进行控制。适当地，处理器61配置为确定哪个器械端部执行器41a、41b是接合器械。

因此，处理器61可以在多种模式下进行操作，即在接合模式下、在脱离模式下、在操作模式下和在选择模式下进行操作。在接合模式下，输入装置21a、21b与器械端部执行器41a、41b可操作地联接。在脱离模式下，输入装置21a、21b与器械端部执行器41a、41b可操作地分离。可以使用将器械端部执行器可操作地联接至输入装置21a、21b的上述相同的机构，以将该器械端部执行器与该输入装置21a、21b可操作地分离。例如，输入装置21a、21b的手抓输入器22可用于使相关联的器械端部执行器41a、41b可操作地分离。再者，无需使用输入装置21a、21b本身来实现这种脱离。可以使用另一按钮或控件(诸如操作者控制台20上的踏板或开关)，来代替输入装置21a、21b或与之一起使用。再者，可以替代地将输入装置21a、21b上的除了手抓输入器22之外的另一按钮或控件设置为接合输入器，以用于将相关联的器械端部执行器41a、41b与输入装置21a、21b可操作地脱离/分离。一旦先前的器械端部执行器与输入装置21a、21b可操作地分离，则可以选择不同的器械端部执行器并且将其可操作地联接至输入装置21a、21b，以向操作者O提供对所选择的器械的控制。

在选择模式下，处理器61还可以配置为使得当将器械40a、40b与输入装置21脱离时，该输入装置21a、21b的输入器25不再用作三维输入器并且自动变成器械端部执行器选择装置，以允许操作者O选择用于与输入装置21a、21b相关联的另一器械端部执行器。在一个示例中，当使用多于一个输入装置21a、21b时，将一个输入装置21a、21b脱离仅导致该输入装置21a、21b的相关联的器械端部执行器与该脱离的输入装置21的转为选择装置的输入器25脱离。因此，处理器可以同时在脱离模式和选择模式下操作。在另一示例中，当使用多于一个输入装置21a、21b时，将一个输入装置21a、21b脱离导致所有相关联的器械端部执行器与所有输入装置21a、21b的自动转为选择装置的输入器25脱离。

如前所述，一个或多个输入装置21a、21b的输入器25也可用于控制图像捕获装置(比如，内窥镜41c)的各种自由度(上/下、左/右、放大/缩小和滚动)。这可以在操作模式下发生，在该模式下，例如，第一输入装置21a的输入器25可操作地联接至内窥镜41c以控制其上/下和左/右运动，并且第二输入装置21b的输入器25可以可操作地联接至内窥镜41c以控制内窥镜41c的放大/缩小和滚动。输入装置21a、21b的手抓输入器22可用于使处理器61进入操作模式，并且为操作者O提供对内窥镜所需的自由度的控制。替代地，可以使用如上所述的输入装置21a、21b的另一接合输入器或操作者控制台20上的另一按钮或控件(诸如脚踏板或开关)，来代替手抓输入器22或与其一起使用，以引起处理器61进入操作模式。在一个示例中，当输入装置21a、21b中的任何一者与其相关联的器械端部执行器41a、41b脱离，而另一者保持接合于其相关联的器械端部执行器41a、41b时，则输入装置21a和21b的两个输入器25在处理器61的作用下不控制内窥镜的自由度，并且两个输入器25变成器械选择装置。

与为操作者提供器械选择装置一样，输入器25还可以适于向系统10提供其他功能输入(比如，选择操作者可以经由菜单型界面访问的许多其他可用模式)。在一个示例中，当系统10进入这些其他功能形式时，处理器61配置为使所有输入装置21a、21b与其各自相关联的器械端部执行器41a、41b脱离。此外，处理器61配置为使所有输入器25与内窥镜41c脱离。

尽管已经在外科手术机器人系统的背景下描述了本发明，但是应当理解，本发明的不同方面同样适用于其他主从机器人系统。因此，机器人系统可以是工业系统或其他类型的系统。机器人可以是工业机器人或用于其他功能的机器人。器械可以是工业工具或其他形式的工具。器械的主体可以包括用于可释放地附接到机器人的联接器和在联接器与端部执行器之间伸展的细长轴。

本文所述的控制流程可以由一个或多个物理处理单元执行，该物理处理单元执行使该(这些)单元执行控制流程的软件。该物理处理单元或每个物理处理单元可以是任何适当的处理器，诸如CPU或者固定功能或可编程硬件。

申请人在此单独公开了本文所述的每个单独的特征以及两个或更多个这样的特征的任意组合，其程度是这样的特征或组合能够根据本领域技术人员的公知常识基于整个说明书来执行，而不管这样的特征或特征的组合是否解决了本文所公开的任何问题，并且不限于权利要求书的范围。申请人指出，本发明的方面可以包括任何这样的单个特征或特征的组合。鉴于以上描述，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims (20)

1.一种主从系统，其包括：

第一操纵器，其支撑第一端部执行器；

第二操纵器，其支撑第二端部执行器；

输入装置，其配置为从操作者的手中同时接收实现所述第一端部执行器的期望从运动的第一主运动命令和实现所述第二端部执行器的期望从运动的第二主运动命令；以及

处理器，其配置为分别响应于从所述输入装置接收的所述第一主运动命令和所述第二主运动命令，来确定所述第一端部执行器和所述第二端部执行器的期望从运动。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输入装置包括由所述操作者握持的主体，所述主体配置为在正常使用中由所述操作者的单手把握。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述输入装置包括第一输入器，所述第一输入器用于接收实现所述第一端部执行器的期望从运动的所述第一主运动命令。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述处理器能够在多种模式下操作，所述多种模式包括：

接合模式，其中，所述输入装置与所述第二端部执行器可操作地联接；

脱离模式，其中，所述输入装置与所述第二端部执行器可操作地分离；

操作模式，其中，所述第一输入器与所述第一端部执行器可操作地联接；以及

选择模式，其中，所述第一输入器与所述第一端部执行器可操作地分离。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述处理器配置为在所述脱离模式下响应于从手抓输入器接收到的信号而操作。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其中，当所述处理器在所述接合模式下时，所述输入装置配置为接收实现所述第二端部执行器的期望从运动的所述第二主运动命令。

7.根据权利要求4至6中的任一项所述的系统，其中，当所述处理器在所述操作模式下时，所述第一输入器配置为接收实现所述第一端部执行器的期望从运动的所述第一主运动命令。

8.根据权利要求4至7中的任一项所述的系统，其中，当所述处理器在所述选择模式下时，所述第一输入器还配置为选择用于与所述输入装置相关联的第三端部执行器。

9.根据权利要求4至8中的任一项所述的系统，其中，所述处理器还配置为在所述操作模式下响应于从第二输入器接收到信号而操作。

10.根据从属于权利要求8的权利要求9所述的系统，其中，所述输入装置还配置为响应于所述第一输入器对所述第三端部执行器的选择而接收实现所述第三端部执行器的期望从运动的第三主运动命令。

11.根据权利要求4至10中的任一项所述的系统，其中，当所述处理器进入所述脱离模式时，所述处理器还配置为同时在所述脱离模式和所述选择模式下进行操作。

12.根据权利要求3至11中的任一项所述的系统，其中，所述输入装置还包括下列各项中的一者或多者：

驱动机构，其联接至所述第一输入器，所述驱动机构配置为向所述第一输入器施加力，以向所述操作者提供力反馈；

力传感器，其配置为感测施加到所述第一输入器的力，以确定所述第一输入器处正在接收来自所述操作者的命令；

电容传感器，其配置为感测所述操作者何时触摸所述第一输入器，以确定所述第一输入器处正在接收来自所述操作者的命令；和

位置传感器，其配置为感测所述第一输入器相对于所述主体的位置，以确定所述第一输入器处正在接收来自所述操作者的命令。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述处理器还配置为实现以下运动中的一者或多者：

根据所确定的所述第一端部执行器的期望从运动实现所述第一端部执行器的运动；和

根据所确定的所述第二端部执行器的期望从运动实现所述第二端部执行器的运动。

14.根据权利要求3至13中的任一项所述的系统，其中，所述第一端部执行器具有多个自由度，并且所述处理器配置为选择性地将所述第一端部执行器的自由度中的至少一者与所述第一输入器相关联，以响应于所述第一输入器的运动来实现所述第一端部执行器的自由度中的所述至少一者的运动。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述第一端部执行器包括用于捕获工作场所的图像的图像捕获装置。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述图像捕获装置是内窥镜。

17.根据权利要求15或16所述的系统，还包括用于显示所捕获的图像的显示器。

18.根据权利要求3至17中的任一项所述的系统，其中，所述处理器还配置为根据所述第一输入器相对于操作者选择的参考系的运动来确定所述第一端部执行器的期望从运动。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述操作者选择的参考系

固定至所述输入装置；或者

固定至所述显示器。

20.根据权利要求3至19中的任一项所述的系统，其中，所述处理器还配置为连续更新输入装置参考系与第二端部执行器参考系之间的映射并且连续更新第一输入器参考系与第一端部执行器参考系之间的映射，使得所述显示器上显示的所述第一端部执行器和所述第二端部执行器的运动分别对应于所述第一输入器和所述输入装置的运动。

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