CN112789006A - 在操纵机器人系统的用户输入控制装置期间监测执行 - Google Patents

在操纵机器人系统的用户输入控制装置期间监测执行 Download PDF

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Abstract

一种手术机器人系统，包括：手术机器人；用户输入装置，所述用户输入装置联接到所述手术机器人并且可由用户操纵以控制所述手术机器人的操作，所述用户输入装置包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器配置成在所述用户操纵所述用户输入装置时采集数据；处理器单元，所述处理器单元配置成：分析所采集的数据以确定与所述用户操作所述手术机器人相关联的参数是否具有期望工作值；以及响应于从所采集的数据确定所述参数不具有期望工作值而生成指示将采取响应动作的输出信号。

Description

在操纵机器人系统的用户输入控制装置期间监测执行
技术领域
本发明涉及在用户控制操纵机器人系统的输入控制装置期间，通过使用输入控制装置上的一个或多个传感器采集数据来监测执行。
背景技术
手术机器人用于对人和/或动物执行医疗程序。手术机器人通常包括支撑作为手术器械的末端执行器的可移动机构(机械臂)。该机构可重新配置以将末端执行器移动到手术部位并且操作末端执行器以执行手术。机器人通常由操作控制台的用户(例如，外科医生)控制，控制台通信联接到机器人。控制台可包括由数据链路联接到手术机器人的一个或多个用户输入装置(例如，控制器)。用户可以通过适当地操纵用户输入装置来控制末端执行器的移动。例如，用户可以在三维空间中移动用户输入装置以实现末端执行器的对应移动。
与人工操作手术相比，机器人手术的一个潜在方便的方面是其允许更容易地在外科手术的执行期间采集数据。需要利用采集数据的能力来提高由手术机器人执行的程序的安全性和/或疗效。
发明内容
根据本发明，提供了一种如所附权利要求中所阐述的手术机器人系统。
附图说明
现在将参照附图以举例的方式描述本发明。在附图中：
图1示出手术机器人系统；
图2示出手术机器人系统的控制系统；
图3示出用于控制手术机器人系统的机械臂的移动的示例用户输入装置。
具体实施方式
本公开涉及一种机器人系统，该机器人系统包括机械臂和可由用户操纵的用户输入装置，以控制机械臂的操作。在执行手术程序的使用期间，用户输入装置形成用户站立或操作的控制台的一部分。控制台包括一个或多个感测装置，用于在使用手术机器人系统期间，例如在用户操纵用户输入装置时，捕获与用户有关的数据。与用户有关的数据可以是以某种方式表征用户状态的数据，例如其生理状态，或者可以是与生理或生物测定参数相关联的数据。在一组实例中，感测装置不构成用户输入装置的一部分，但可以是例如用于在使用机器人系统期间捕获用户图像的图像捕获装置(例如，摄像头)，或用于捕获用户的音频数据的音频捕获装置(例如，麦克风)。
在另一组实例中，感测装置确实形成用户输入装置的一部分，并且用户输入装置包括用于在用户操纵装置以控制机械臂的操作时采集数据的一组一个或多个传感器。数据可包括用户的生理或生物测定数据(例如，血压、体温、出汗率等)和/或表征用户操纵用户输入装置的数据，例如，用户输入装置的取向、用户通过定位装置所通过的运动范围；用户对用户输入装置施加的力等。
所采集的数据由处理器单元分析以确定与用户操作手术机器人相关联的参数是否具有期望工作值。期望工作值可以是例如预定值。期望工作值可能表示安全工作值。期望工作值可以是位于某个期望工作范围内的值。期望工作值可以是用户的生理和/或生物测定参数的值，或者可以是表征用户操纵用户输入装置的参数的值。期望工作值(和期望工作范围，如适用)可存储在处理器单元可访问的存储器中。
如果确定参数不具有期望工作值，则处理器单元生成并输出指示将采取响应动作的反馈信号。反馈信号可以输出到机器人系统的另一部件。反馈信号可直接使机器人系统的另外部件采取响应动作，或可以使机器人系统的另外部件向用户提供反馈(例如，音频、视觉和/或触觉)以指示需要用户做出响应动作。下文将提供反馈信号的类型以及相关联的响应动作的实例。通过在用户操纵用户输入装置时采集数据，并且如果数据指示与用户操作手术机器人相关联的参数不具有期望值，则生成输出信号，可以实现(直接或间接地)响应动作，从而增加手术程序的安全性和/或疗效。
图1示出大体上在100处标示的手术机器人系统的实例。机器人系统包括由数据链路106联接到控制单元104的手术机器人102。所述系统还包括大体上在166处标示的用户控制台或用户站。控制台166包括用户输入装置116、图像捕获装置158(例如，摄像头)和音频捕获装置162(例如，麦克风)。
控制单元104由数据链路110联接到音频输出装置108；由数据链路114联接到视觉显示装置112，由数据链路118联接到用户输入装置116；由数据链路160联接到图像捕获装置158，由数据链路164联接到音频捕获装置。数据链路中的每一个可以是有线通信链路。数据链路中的每一个可以是无线通信链路。数据链路可以是有线和无线通信链路的混合。也就是说，数据链路106、110、114和118中的一个或多个可以是有线通信链路，并且一个或多个可以是无线通信链路。在其它实例中，任何数据链路可以是有线和无线通信链路的组合。
音频输出装置108配置成输出音频信号。音频输出装置108可以是扬声器。视觉显示装置112配置成显示图像。图像可以是静态图像或移动图像。视觉显示装置例如可以是屏幕或监视器。
控制单元104可以位于手术机器人102本地(例如，在同一房间或手术室内)，或者可以位于远离手术机器人的位置。类似地，用户输入装置116可以位于手术机器人102本地或远程。音频输出装置108和视觉显示装置112可以位于用户输入装置116本地。装置108、112可以位于相对接近用户输入装置116的位置，使得来自这些装置的输出(分别为音频和视觉信号)能够被操作手术机器人102的用户检测到。图像捕获装置158和音频捕获装置162形成控制台166的一部分，因此位于用户输入装置116的本地，使得图像捕获装置158可以捕获操作手术机器人102的用户的视觉图像，并且音频捕获装置162可以捕获从操作手术机器人102的用户发出的声音。下文将更详细地解释这一点。
机器人102包括机械臂120，该机械臂在此实例中安装到底座122。底座122继而可以安装在地板、安装在天花板或安装到可移动推车或手术台。机械臂120端接末端执行器138。末端执行器138可以是例如内窥镜的手术器械。手术器械是用于执行例如切割、扣合、照射或成像的一些操作功能的工具。
机械臂120包括一系列刚性部分，或由连续关节132、134互连的连杆(124、126、128)。也就是说，每对连续的连杆由相应的关节互连；即，连杆由一系列关节相对于彼此铰接。机器人还包括将最近侧连杆124与底座122互连的关节130以及将机械臂的最远侧连杆128与器械138互连的关节136。关节130-136可包括一个或多个回转关节，该一个或多个回转关节各自允许围绕单个轴线旋转。关节130-136可包括一个或多个通用关节，该一个或多个通用关节各自允许围绕两个正交轴线旋转。
尽管示出包括一系列三个刚性连杆的机械臂120，但应了解，此处的臂仅是示例性的，并且在其它实例中，臂可包括更多或更少的连杆，其中串联的每对连续连杆由相应关节互连，近端连杆经由关节连接到底座，且终端连杆经由关节连接到末端执行器。
手术机械臂120还包括用于驱动分别围绕关节130、132、134和136运动的一组致动器140、142、144和146。也就是说，围绕机械臂的每个关节的运动可以由相应的致动器驱动。致动器的操作(例如，每个致动器的驱动和制动)可以由从控制单元104传送的信号控制。致动器可以是电机，例如电动机。
机械臂120还包括多组传感器。在此实例中，机械臂120包括表示为150A、B、152A、B、154A、B和156A、B的每个关节的一组传感器。在此实例中，每个关节的一组传感器包括扭矩传感器(由后缀‘A’表示)和位置传感器或位置编码器(由后缀‘B’表示)。每个扭矩传感器150-156A配置成测量在相应关节处施加的扭矩，即，用于测量围绕关节的旋转轴线施加的扭矩。测量的扭矩可包括在关节处由驱动该关节的相应致动器提供的内部施加的扭矩和/或在关节处例如来自机械臂的重量或由用户施加的手动力外部施加的扭矩。每个位置传感器150-156B测量相应关节的位置配置。传感器150-156A、B可以通过数据链路106将包含感测到的数据的信号输出到控制单元104，该感测到的数据指示测量的扭矩值和关节的位置配置。
用户输入装置116使用户能够操作手术机器人102。用户操纵用户输入装置116以控制机械臂的位置和移动。用户输入装置116通过数据链路118将用户控制信号输出到控制单元104，所述用户控制信号包含指示机械臂120的期望配置的数据。然后，控制单元104可以将驱动信号输出到机械臂120的致动器140-146，以根据从用户输入装置116和从机械臂传感器150-156A、B接收的信号来实现围绕机械臂关节130-136的期望运动。
控制单元104的示例性结构在图2中示出。控制单元包括处理器单元202和存储器204。处理器单元202联接到存储器204。
处理器单元202通过通信路径206从输入装置116接收指示机械臂120的期望配置的用户控制信号。通信路径206形成数据链路118的一部分。从处理器单元202到用户输入装置的通信路径208也形成数据链路118的一部分，并且允许信号从处理器单元202传送到用户输入装置116，这将在下文中更详细地解释。
处理器单元202还通过通信路径210从机械臂120的传感器150-156A、B接收包含感测到的数据的信号，所述通信路径形成数据链路106的一部分。处理器单元202通过通信路径212将运动控制信号传送到机械臂120的致动器，以实现围绕关节130-136的期望运动。运动控制信号可包括驱动信号以驱动围绕关节的运动和/或制动信号以制动致动器以阻止围绕关节的运动。通信路径212还形成数据链路106的一部分。处理器单元202可根据从用户输入装置116接收的运动控制信号和从传感器150-156A、B接收的包含感测到的数据的信号而将运动控制信号传送到机械臂120的致动器。
如图所示，处理器单元202生成用于通过数据链路110传送到音频输出装置108的信号、用于通过数据链路114传送到视觉显示装置112的信号以及用于通过数据链路118的通信路径208传送到用户输入装置116的信号。下文将更详细地解释这些信号的产生。
存储器204是存储介质的实例，并且可以以非暂时性方式存储计算机可读代码，该计算机可读代码可由处理器单元202执行以执行本文中所描述的过程。例如，在执行代码时，处理器单元202根据从用户输入装置116接收的信号和从机械臂传感器150-156A、B接收的信号，确定运动控制信号以通过数据链路106传送到机械臂120的致动器。处理器单元202还可以执行以非暂时性形式存储在存储器204中的代码，以生成通过数据链路110传送到音频输出装置108的信号、通过数据链路114传送到视觉显示装置112的信号和通过数据链路118的通信路径208传送到用户输入装置116的信号。
图3示出示例性用户输入装置116的更详细的视图。在此实例中，用户输入装置包括由铰接联动装置304支撑的控制器302。
铰接联动装置连接到平台或底座306。联动装置304允许控制器302在空间中以若干自由度操纵。自由度可包括至少一个平移自由度和/或一个旋转自由度。自由度的数目可以根据联动装置的布置而变化，但在某些实例中，联动装置304可以允许控制器以六个自由度(三个平移自由度和三个旋转自由度)操纵。铰接联动装置304可包括由关节互连的多个刚性连杆。连杆可以是刚性的。每一连续对连杆可由相应关节互连。连杆及其互连可以提供控制器302的平移自由度。联动装置还可包括用于提供旋转自由度(例如使得控制器能够在俯仰和/或滚动和/或偏航中移动)的万向节(图3中未示出)。替代地，角自由度可以由联动装置的关节提供，例如联动装置关节中的一个或多个可为球形关节。
控制器302设计成保持在用户手中。用户可以在三维空间中操纵控制器(例如通过控制器的平移和/或旋转)以生成传送到控制单元104的用户控制信号。控制器包括握柄部分308和头部部分310。当正确使用时，握柄部分308位于使用者手的手掌中。用户食指的一个或多个部分环绕握柄部分。当正确使用时，用户手部不接触控制器的头部部分310。在该实例中，握柄部分308形成控制器302的第一末端部分，并且头部部分310形成控制器302的第二末端部分。第一末端部分可称为近侧末端部分，并且第二末端部分可称为远侧末端部分。
握柄部分308可以具有任何方便的形状：例如大体上为圆柱形形状。它可具有圆形、椭圆形、正方形或不规则横截面。握柄可构造为被一根、两根或三根手指抓握。握柄部分可以比头部部分更薄。在垂直于握柄部分的跨度的横截面中，握柄部分可以是大体上圆形的。
头部部分310刚性地附接到握柄部分308。握柄和头部部分可以是控制器302的共同壳体的部分。
控制器可另外包括一个或多个用户界面输入，例如按钮、触发器等(为清楚起见从图3省略)。用户界面输入可以用于使用户能够向手术机器人提供功能输入，例如控制手术器械的操作。
在此实例中，取决于铰接联动装置304的配置，用户输入装置116生成指示末端执行器138的期望位置和取向的用户控制信号。联动装置304的配置可用于计算手动控制器302的位置和取向。联动装置304的配置可以由联动装置上的传感器312A、B、C检测。也就是说，输入装置传感器312A、B、C可以操作以感测联动装置304的每个连杆的配置。例如，传感器312A、B、C中的每一个可以测量铰接联动装置304的相应关节的位置配置，即，传感器312A、B、C中的每一个可以是测量联动装置304的相应关节的位置的位置传感器。然后，来自传感器312A、B、C的感测到的数据用于计算手动控制器302的位置。如果联动装置包含万向节，则用户输入装置116还可包含用于感测万向节的角位置的传感器。从万向节传感器感测的数据可用于计算控制器302的取向。这些计算可以由用户输入装置116执行，例如，由容纳在用户输入装置内的处理器执行。替代地，控制器的位置和/或取向的计算可以由处理器单元202从由传感器感测到的联动装置的关节和/或万向节位置执行。一般来说，用户输入装置116可以通过数据链路118将指示手动控制器302的位置和取向的用户控制信号输出到控制单元104。这些控制信号可以包含控制器302的位置和取向数据(如果由用户输入装置116计算控制器302的位置和取向)，或者它们可以包含用于联动装置304的关节和任选的万向节位置数据(如果位置和取向由处理器单元202计算)。控制单元104接收用户控制信号并且从这些信号计算末端执行器138的期望位置和取向。也就是说，控制单元104可以从手动控制器302的位置和取向计算末端执行器138的期望位置和取向。在计算末端执行器138的期望位置和取向之后，控制单元104计算臂120的配置以实现所述期望位置和取向。
因此，简而言之，在使用中时，用户通过在空间中操纵控制器302来操纵用户输入装置116，从而引起铰接联动装置304的移动。联动装置304的配置可以由联动装置传感器感测，并且用于计算手动控制器302的位置和取向，其中用户控制信号含有指示从用户输入装置116将位置和取向(并且因此指示末端执行器138的期望位置和取向)传送到控制单元104的数据。
尽管图3中仅示出了单个手动控制器302，但应了解，在一些实例中，用户输入装置116可包括两个手动控制器。每个手动控制器可以采用上述控制器302的形式。每个手动控制器可由相应的联动装置支撑。每个手动控制器可配置成生成控制信号以控制相应的末端执行器，例如手术工具和内窥镜。末端执行器可以位于单个机械臂上或相应臂上。在其它实例中，每个控制器可以配置成控制单个末端执行器。
根据本文中所描述的实例，用户输入装置116包括配置成在用户操纵装置116时采集数据的一组传感器，其中，所述数据与用户操作手术机器人102相关联。所采集的数据传送到处理器单元202，在此分析所述数据以确定与用户操作手术机器人相关联的参数是否具有期望工作值。如果处理器单元确定参数不具有期望值，则处理器单元202生成指示将采取响应动作的输出信号。由处理器单元202生成的输出信号可以是在其指示要采取动作的意义上的反馈信号。输出信号可以指示响应动作将由机器人系统100的部件或由机器人系统100的用户执行。现在将描述传感器的类型和反馈信号的各种实例。
测量待由处理器单元202分析的数据的一组传感器可包括输入装置传感器312A、B、C。在其它实例中，测量待由处理器单元202分析的数据的一组传感器可以是或可以包括除了输入装置传感器312A、B、C之外的另外的传感器。此类传感器的示例组在图3中314A、B、C处示出。
传感器314可包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器配置成采集装置116的用户的生理数据。在此实例中，这些传感器是传感器314A、B。生理数据传感器314A、B可以布置成在装置116的操作期间从用户手部采集生理数据。为了辅助此类数据采集，生理数据传感器可以定位在装置116上以在用户操作输入装置116时与用户手部接触。也就是说，传感器可以定位在输入装置116上以在正常使用用户输入装置116以控制手术机器人102的操作期间与用户手部接触。“正常使用”可以指当用户手部处于输入装置116上的预期或期望位置时的情况。预期或期望位置可以是人体工程学位置。应了解，正常使用中的用户手的位置将取决于用户输入装置的形状和配置。
在图3所示的实例中，传感器314A、B定位在在使用期间被用户手部抓握的控制器302上。特别地，传感器314A、B定位在控制器302的握柄部分308上，使得当用户抓握控制器302时传感器与用户手部接触。在所示的示例性布置中，传感器314A定位成当用户抓握控制器时位于用户手指下方，并且传感器314B定位成位于手掌或用户的拇指根部下方。定位传感器以定位在用户手指下方可以方便地使得能够同时从用户手上的多个不同位置采集生理数据。这可以使得从处理器202的数据分析得到的任何结论的准确度得到改进(例如，通过减少误报的发生率)和/或提高在输入装置116的使用期间的数据采集率。应了解，在其它实例中，传感器可位于控制器上的不同位置处。
方便地，传感器314A、B可位于控制器302的表面处，以促进与用户手部的良好接触。
可由传感器314A、B采集的用户的生理数据类型可包含例如皮肤温度数据；脉搏率数据；血氧饱和度数据；出汗率数据；出汗数据中的离子浓度；水合水平数据和血压数据。皮肤温度数据可以由温度传感器来测量。用户的脉搏率数据可以通过光体积描记法(PPG)传感器或心电图(ECG)传感器来测量。在ECG的情况下，可以在用户输入装置116的两个手动控制器上提供ECG传感器。血氧饱和度数据可以由PPG传感器或脉搏血氧饱和度传感器来测量。出汗率数据可以由出汗率传感器来测量，所述出汗率传感器可以是例如皮肤传导传感器或出汗率传感器。皮肤传导传感器可包括一个或多个电极，该一个或多个电极配置成测量传导率，其取决于汗液中含有的电解质水平。出汗率传感器可包括用于采集从皮肤蒸发的湿气的湿度腔室，以及位于腔室内以测量腔室内的湿度水平的一个或多个湿度传感器。可以通过离子浓度传感器测量离子浓度数据。离子浓度传感器可包括用于测量皮肤电导率的一个或多个电极，这指示离子浓度水平(浓度水平越高，电导率越高)。水合水平数据可以由水合传感器采集。水合传感器可以例如测量以下各项中的一者或多者：皮肤弹性、血糖浓度(通过基于光的检测)、出汗电导率或皮肤pH。
传感器314A和314B中的每一个可以采集不同类型的生理数据。也就是说，传感器314A可以采集第一类型的生理数据，并且传感器314B可以采集第二类型的生理数据。在其它实例中，传感器314A、B中的每一个可以采集相同类型的生理数据(例如，两个传感器都可以采集温度数据)。
尽管图3所示的实例中仅示出用于采集生理数据的两个传感器，但应了解，用户输入装置116可包括用于采集用户的生理数据的任何合适数目的传感器。用户输入装置例如可以包括用于采集生理数据的三个、四个、五个或更多个传感器。一般来说，用户输入装置116可包括用于采集用户生理数据的一组一个或多个传感器。用户输入装置可包括用于采集用户生理数据的多个传感器。多个传感器可以采集一种或多种不同类型的生理数据。因此，在一个实例中，用户输入装置包括多个传感器，所述多个传感器各自配置成采集相同类型的生理数据；在另一个实例中，多个传感器采集多个类型的生理数据，例如，多个传感器中的每一个可采集相应不同类型的生理数据。
由传感器314A、B采集的数据通过通信链路118的数据路径206传送到处理器单元202。所采集的数据可以流式传输到处理器单元202。替代地，所采集的数据可以突发方式传送到处理器单元202。
处理器单元202操作以分析从用户输入装置116接收的所采集数据，以确定与用户操作手术机器人相关联的参数是否具有期望工作值。继续本实例，其中所采集的数据是生理数据，与用户操作手术机器人相关联的参数是用户操作手术机器人期间用户的生理参数。生理参数可以是例如(取决于采集的数据)：用户的温度；用户的脉搏率；用户的血氧饱和度水平；用户的出汗率；用户的离子浓度；用户的水合水平等。
处理器单元202可从所采集的数据确定生理参数的值(例如，脉搏率、用户温度、用户水合水平、出汗率等)并且确定该生理参数的值是否为期望值。处理器单元202可分析所采集的数据以确定生理参数在一段时间内的时间平均值，以及确定该时间平均值是否是期望值。例如，从传感器314A、B采集的数据可以指定生理参数的值和与每个值相关联的时间戳。这些值可以在一段时间内求平均值以计算该时间段内的平均生理参数值。
期望值可以是某个指定值。它可以是预定值。参数的期望工作值可以是指定范围内的任何值，或高于或低于指定阈值的值。期望工作值可以是指示良好或可接受的生理状态的值。期望工作值可以是“安全”或正常值，例如临床可接受的值。
生理参数的期望值、值范围和/或阈值可存储在控制单元104的存储器204中。处理器单元202可以访问存储在存储器204中的值，以例如通过将从采集的数据确定的生理参数的值与存储在存储器204中的期望值、值范围或阈值进行比较来确定生理参数是否具有期望工作值。
如果生理参数不具有期望工作值，这可能指示用户没有处于最佳或期望的状态以控制手术机器人102的操作。例如，水合水平已知会影响精神表现和注意力水平。如果根据从传感器314A、B采集的数据确定的用户水合水平不在期望水平(例如，它们低于阈值)，则这可以指示用户控制手术机器人的注意力或精神能力受损。其它生理参数可以充当用户控制手术机器人的能力受损的生物标志物。例如，高于指定值的脉搏率可以指示用户处于过度压力或紧张水平。超过指定值的出汗率可以类似地指示过度压力或焦虑水平。高于指定阈值的皮肤温度可以指示用户不适(例如，罹患发烧)，或身体过度疲劳。低于阈值的氧饱和度可以指示用户正在罹患症状，包括头痛、意识模糊、缺乏协调或视觉障碍。应当理解，生理参数可以充当其它类型的病症的生物标志物。
因此，响应于检测到生理参数不具有期望值，处理器单元202生成并输出指示将采取响应动作的信号。该信号可以输出到机器人系统100的另一部件以使所述部件执行专用响应动作。现在将描述这方面的各种实例。
在一个实例中，处理器单元202输出控制信号以制动致动器140-146。也就是说，处理器单元202响应于检测到生理参数不具有期望值而将制动信号输出到致动器140-146。因此，由处理器单元202输出的信号可以阻止手术机器人102的运动并锁定机械臂的每个关节130-136。换句话说，从处理器单元202输出的信号可以将机械臂120的位置锁定在适当位置。
在另一实例中，处理器单元202输出控制信号以暂停末端执行器138的操作。控制信号可锁定末端执行器。例如，如果末端执行器是包括一对夹持器的手术器械，则控制信号可以使夹持器锁定在适当位置。如果手术器械包括切割元件(例如刀片)，则控制信号可以使切割元件锁定在适当位置。如果手术器械是烧灼或照射工具，则控制信号可终止对器械的供电。
在另一实例中，处理器单元202将报警信号输出到音频输出装置108和/或视觉显示装置112。报警信号可以使音频输出装置108生成音频信号，例如音频警报。报警信号可以使视觉显示装置112显示视觉图像，例如，警告图像或视觉报警。音频信号和/或所显示的视觉图像可用于提醒输入装置116的用户和/或其它个人用户的生理参数不具有期望值。这可以指示需要改变用户，或者用户需要中断操作手术机器人。
在上述实例中，处理器单元202输出指示将响应于用户的生理参数不具有期望值而采取响应动作的信号。在输入装置116包括不同类型的生理数据传感器(即，配置成采集不同类型的生理数据的传感器)的情况下，处理器单元202可配置成响应于两个或更多个生理参数不具有期望值的组合而输出指示将采取响应动作的信号。触发输出信号所需的生理参数的组合可以是预定的。
处理器单元202可响应于检测到生理参数不具有工作值(即，指示将采取单个响应动作的信号)而输出单一类型的信号。或者，处理器单元202可以输出一组信号，每个信号指示将采取相应的响应动作。该组信号可包括以下各项的任何组合：1)制动致动器140-146的信号；2)暂停末端执行器或手术仪器138的操作的信号；3)向音频输出装置108输出的报警信号；以及4)向视觉显示装置112输出的报警信号。
在上述实例中，传感器314A、B描述为生理数据传感器，该生理数据传感器布置成从输入装置116的用户采集生理数据，并且处理器单元202布置成响应于从所采集的数据确定用户的至少一个生理参数不具有期望值而生成输出信号。在另一组实例中，用户输入装置116包括配置成采集与用户使用输入装置相关联的数据的传感器。也就是说，输入装置116可包括采集表征用户使用输入装置116的数据的传感器。换句话说，传感器可以某种方式采集表征用户操纵输入装置116的数据。处理器单元202可以接着生成输出信号，该输出信号指示将响应于从采集的数据确定表征用户对用户输入装置116的控制的参数不具有期望值而采取响应动作。
例如，传感器314A、B、C实际上可以是配置成感测用户的触摸的触摸传感器。换句话说，每个触摸传感器可以检测其是否与用户接触。触摸传感器可以是例如电容式传感器。触摸传感器可以在空间上定位在用户输入装置116上，使得来自触摸传感器的数据指示在使用期间用户手部在用户输入装置116上的位置。在此实例中，表征用户使用输入装置116的参数是用户手部在输入装置116上的位置。
触摸传感器可包括一个或多个传感器的第一子集，该一个或多个传感器的第一子集定位在输入装置116上以在正常使用输入装置116期间与用户手部接触以控制手术机器人102的操作。“正常使用”可以指当用户手部处于输入装置116上的预期或期望位置时的情况。预期或期望位置可以是指定位置，例如，人体工程学位置。在本实例中，传感器的第一子集是传感器314A、B，其定位在控制器302的握柄部分308上。因此，传感器314A、B定位成使得当用户抓握控制器302的握柄部分308处时，用户手部接触传感器314A、B。
触摸传感器可另外包括一个或多个传感器的第二子集，该一个或多个传感器的第二子集定位于输入装置116上以在输入装置116的正常使用期间不与用户手部接触。换句话说，一个或多个传感器的第二子集定位成使得当用户手部处于输入装置116上的预期位置时，手不接触一个或多个传感器的第二子集中的任一个。因此，用户手部与第二传感器子集中的至少一个之间的接触表明用户手部不处于输入装置116上的预期或期望位置。继续本示例，一个或多个传感器的第二子集包括传感器314C。传感器314C定位在控制器302的头部部分310上。因此，当用户握住控制器302的握柄部分308处时，用户手部不接触传感器314C。
触摸传感器可包括传感器的第一子集和第二子集；即，指示用户手部在用户输入装置116上的正确和错误位置的传感器。替代地，触摸传感器可以仅包括传感器的第一子集和第二子集中的一个，即仅第一子集或仅第二子集。
从传感器的第一和/或第二子集采集的数据通过通信链路118的数据路径206传送到处理器单元202。处理器单元202可操作以分析从触摸传感器接收的所采集数据，以确定用户手部是否位于用户输入装置116上的预期或期望或正确位置。由于来自触摸传感器的数据指示用户手部在用户输入装置上的位置，因此处理器单元202可分析该数据以确定与用户控制用户输入装置相关联的参数(在此实例中，用户手部在输入装置116上的位置)是否具有期望工作值(例如，用户手部处于预期位置)。为此，处理器单元202可以访问传感器314A、B、C的传感器数据值与输入装置116上的手位置之间的一组预存储关系。这组关系可以存储在存储器204中。该关系可以定义传感器数据值与手位置的分类之间的一组关联，例如正确或期望的手位置和不正确或不期望的手位置。存储器204可以存储第一组传感器数据值与一组一个或多个期望或预期手位置、和/或第二组传感器数据值与一组一个或多个不期望的手位置之间的关联。在当前实例中，第一组传感器数据值可以是传感器314A、B在与用户手部接触时输出的值。第二组传感器数据值可以是传感器314C在与用户手部接触时输出的值，和/或传感器314A、B在不与用户手部接触时输出的值。
因此，总而言之，处理器单元202可以通过以下方式分析从触摸传感器314A、B、C采集的数据以确定用户手部是否处于用户输入装置116上的期望位置：
-将所感测的数据与存储在存储器204中的与用户输入装置116上的一组一个或多个正确手位置相关联的数据值和/或与用户输入装置116上的一组一个或多个错误手位置相关联的数据值进行比较；以及
-取决于所述比较确定用户手部是否处于正确或错误位置。
如果处理器单元202由从触摸传感器314A、B、C采集的数据确定用户手部处于输入装置116上的正确位置，则不采取进一步动作。相比之下，如果处理器单元202从所采集数据确定用户手部不在正确位置，则处理器单元202输出指示将采取响应动作的信号。此信号可以是使机器人系统100的部件(通过感官反馈的手段)向用户指示将采取响应动作的反馈信号。现在将描述这方面的各种实例。
在一个实例中，处理器单元202将反馈信号输出到音频输出装置108和/或视觉显示单元112，使得将音频和/或视觉反馈提供给用户，所述音频和/或视觉反馈指示用户手部处于错误位置。例如，音频输出装置108可以响应于从处理器单元202接收反馈信号而输出指示用户手部处于错误位置的音频信号。在一些实例中，音频信号可传达将针对感测的用户手位置要进行的调整，以将其带到正确位置。处理器单元202可以根据从传感器314A、B、C采集的数据来确定需要对用户手部位置做出哪些调整。这些调整的指示可以包括在从处理器单元202输出的反馈信号内。
视觉显示装置112可响应于从处理器单元202接收反馈信号而输出指示用户手部处于错误位置的视觉显示。视觉显示可能包含用户手部处于不正确位置的通知。替代地或另外，视觉显示器可包括手部的正确位置和/或对感测的用户手部位置进行调整以使其到正确位置的图示。处理器单元202可以根据从传感器314A、B、C采集的数据来确定需要对用户手部位置做出哪些调整。这些调整的指示可以包括在从处理器单元202输出的反馈信号内。
在另一实例中，处理器单元202将反馈信号输出到用户输入装置116。此反馈信号可使用户输入装置116向用户提供触觉和/或视觉反馈，指示用户手部处于错误位置。例如，用户输入装置116可包括一个或多个致动器以向用户提供力或振动反馈(图3中未示出)。致动器可以位于控制器302内。在一个实施方案中，致动器可以位于传感器314A、B、C中的一个或多个下方。致动器可以例如位于传感器314C下方。这可方便地使用户能够在其手处于抓握控制器302的头部部分的错误位置时接收直接触觉反馈。替代地，致动器可以位于传感器314A、B下方。这样，触觉反馈可以将用户手部引导到控制器302上的正确放置。
用户输入装置116可包括一个或多个光输出装置(图3中未示出)，以向用户提供视觉反馈，指示用户手部处于错误位置。例如，控制器302可以包括一个或多个面板，每个面板布置成由一个或多个光输出装置照明。因此，光输出装置可安装在面板下方。当用户手部处于正确位置时，面板可以包括在控制器302的与用户手部接触的部分内，和/或当用户手部处于正确位置时，面板可以包括在控制器302的不与用户手部接触的部分内。换句话说，面板可以指示用户手部的正确和/或不正确位置。来自处理器302的反馈信号可以在用户手部处于正确位置时使得在控制器的与用户手部接触的部分内的面板被照亮，和/或在用户手部处于正确位置时使得控制器的与用户手部不接触的部分内的面板被照亮。如果两种类型的面板都被照亮，它们可能以不同的颜色照亮。当用户手部处于正确位置时照亮控制器302的不与用户手部接触的部分内的面板向用户指示他们不正确地保持用户输入装置。当用户手部处于正确位置时照亮控制器302的与用户手部接触的部分内的面板用作向用户的调整其手部位置的视觉指导。
处理器单元202可响应于从所采集的数据检测到用户手部不在期望位置而输出单一类型的反馈信号。替代地，处理器单元202可以输出一组反馈信号。该组信号可包括以下各项的任何组合：1)到音频输出装置108的反馈信号；2)到视觉显示装置112的反馈信号；3)到用户输入装置116的反馈信号，以使得用户输入装置向用户提供触觉和/或视觉反馈。
在上述实例中，采集数据以表征用户使用输入装置116的一组传感器是触摸传感器，且表征用户使用输入装置116的参数是用户手部在输入装置116上的位置。在另一组实例中，表征用户使用或操纵输入装置116的参数可以与用户输入装置116的移动有关。
例如，参数可以包括：(i)操纵输入装置116所通过的运动范围和/或(ii)由用户施加到输入装置116的力和/或(iii)在用户使用期间用户输入装置116的取向和/或(iv)控制器302的移动的频率分量。这些参数中的每一个可以具有期望或可接受的工作值范围。工作值的这些范围可以表示机械臂的大体上安全的操作。例如，输入装置的极端运动范围可对应于在典型手术程序中不太可能需要的手术器械的极端运动范围。类似地，向输入装置116施加过度的力可能会无意中使得手术器械向患者施加大的力。手动控制器移动的频率分量还可以具有期望范围，指示当用户正在握住或抓握控制器302时，由于使用者手部的天然震颤引起的手动控制器302的移动。控制器移动中的过低的频率分量可以指示用户疲劳或醉酒。控制器移动中过高的频率分量可以指示不安全的手摇晃程度。
为了监测参数(i)，从传感器312A、B、C采集的数据可用于计算手动控制器302在使用期间随时间推移的位置，因此计算在使用期间操纵控制器302所通过的运动范围。计算出的位置可以是3-D空间中的位置。手动控制器302的位置可以由用户输入装置116内部的处理器从如上所述的由传感器312A、B、C采集的数据计算，并且传送到控制单元104内的处理器单元202。替代性地，手动控制器302的位置可以由处理器单元202从由传感器312A、B、C感测到的联动装置304的关节位置计算。无论如何，指示控制器302的位置的信号从装置116传送到处理器单元202。这些信号可以包含控制器302的位置数据(如果该位置是由用户输入装置116计算的)或联动装置304的关节的关节位置数据(如果控制器302的位置是由处理器202计算的)。
处理器单元202接着可处理所接收的指示手动控制器302的位置的数据，以监测手动控制器移动通过的运动范围从而检测手动控制器302是否已移动通过超过指定工作范围的运动范围。可以根据范围结束位置指定运动工作范围。换句话说，手动控制器302的运动工作范围可以在空间中限定3-D工作体积，控制器302可以移动通过所述工作体积。如果从感测到的数据计算控制器302处于工作体积内的空间位置，则处理器确定控制器未超过其运动工作范围。如果计算得出控制器302处于工作体积之外的空间位置，则处理器确定控制器302已超过其运动工作范围。替代地，运动工作范围可以指定控制器302可在一个运动中移动通过的距离的最大量值。这可以通过指定控制器302可在指定时间间隔内移动通过的距离的最大量值来定义。在这种情况下，处理器单元202可以分析接收的控制器302的位置数据以监测控制器302随时间移动通过的距离，从而确定是否存在控制器移动距离超过指定最大量值的时间间隔。响应于识别此时间间隔，处理器单元202确定控制器302已超过其运动工作范围。如果处理器单元202无法识别此时间间隔，则其确定控制器302未超过其运动工作范围。
为了监测参数(ii)，用户输入装置116可以配备有一个或多个扭矩传感器，以用于测量围绕铰接联动装置304的相应一个或多个关节施加的扭矩。图3示出了示例扭矩传感器316A、B、C。每个扭矩传感器测量例如由用户操纵或使用控制器302期间围绕联动装置304的相应关节施加的扭矩。由传感器316A、B、C采集的感测到的扭矩数据接着可在数据信号中通过数据链路118传送到控制单元104的处理器单元202。处理器单元202可以分析从传感器316接收的感测到的扭矩数据，以确定用户对控制器302施加的力是否超过最大工作值或指定阈值。处理器单元302可以通过确定来自传感器316A、B、C的感测到的扭矩是否超过指定阈值来确定用户施加的力是否已超过指定阈值。这可以使用多种条件来完成，例如：1)通过分析从扭矩传感器316A、B、C接收的感测数据来确定由所述传感器中的任一个感测的扭矩是否超过指定阈值；2)通过分析从扭矩传感器316A、B、C接收的感测数据以确定传感器316A、B、C感测的平均扭矩是否超过指定阈值；和3)通过分析从扭矩传感器316A、B、C接收的感测数据以确定传感器316A、B、C感测的总扭矩是否超过指定阈值。处理器单元202可以使用条件1)到3中的一个来确定测量的扭矩是否超过指定阈值；或者替代性地使用条件1)到3)中的两个的组合(例如，条件1)和2)；条件1)和3)或条件2)和3))或使用所有三个条件来确定测量的扭矩是否超过指定阈值。如果处理器单元202从条件1)到3)中的一个或多个确定感测到的扭矩已超过指定阈值，则其确定用户在控制器302上施加的力已超过指定阈值。这基于传感器316中感测到的扭矩由用户在控制器302上施加的力产生的假设。如果处理器单元202根据情况从条件1)到3)中的一个或多个确定由传感器316A、B、C测量的扭矩未超过指定阈值，则确定由用户在控制器302上施加的力未超过指定阈值。
替代地，可以使用容纳在控制器302内的一个或多个加速度计(图3中未示出)来监测参数(ii)。加速度计可与控制器302的主体一起固定。所述或每个加速度计可以布置成测量沿着一个或多个轴线的加速度。如果加速度计与控制器302的主体一起固定，那么加速度计可以测量控制器302沿着一个或多个轴线的加速度，并且因此来自加速度计的感测数据提供施加到控制器302的力的指示。感测到的数据可沿着数据链路118提供给处理器单元202。处理器单元202可分析来自加速度计的感测数据以确定施加到控制器302的力是否超过指定阈值。这可以是沿着一个或多个方向轴线施加的力，或施加到控制器的力的量值。
为了监测参数(iii)，从联动装置传感器(例如，万向节传感器)采集的数据可用于计算在使用期间随着时间推移的手动控制器302的取向。计算出的取向可以是3-D空间中的取向。手动控制器302的取向可以由用户输入装置116内部的处理器从如上所述的传感器采集的数据计算，并且传送到控制单元104内的处理器单元202，或者替代性地由处理器单元202从传感器采集的数据计算。处理器单元202可以接着处理所接收的指示手动控制器302的取向的数据，以检测控制器的取向是否在工作值的指定范围内。工作值的指定范围可以限定控制器302的可接受取向的范围。可接受取向的范围可以相对于一个、两个或三个轴线指定。
为了监测参数(iv)，从传感器312A、B、C采集的数据可用于计算指示在使用期间随时间推移手部控制器302的位置的位置数据。手动控制器的位置可以从由用户输入装置116内部的处理器从传感器312A、B、C感测的联动装置304的关节位置计算。替代性地，手动控制器302的位置可以由处理器单元202从由传感器312A、B、C感测到的联动装置304的关节位置计算。无论如何，指示控制器302的位置的信号从装置116传送到处理器单元202。这些信号可以包含控制器302的位置数据(如果该位置是由用户输入装置116计算的)或联动装置304的关节的关节位置数据(如果控制器302的位置是由处理器202计算的)。因此，处理器单元202可以使用从用户输入装置116接收的信号来跟踪手动控制器302随时间推移在空间中的位置。
处理器单元202可以对控制器302的位置数据执行频率分析(例如，傅里叶分析)，以确定控制器302移动的频率分量。也就是说，处理器单元202可以执行对位置数据的频率分析以将控制器302随时间(即，在时间域中)的移动表示为不同频率分量的组合。处理器单元202接着可确定控制器移动的频率分量是否在可接受工作范围内。工作范围可以限定可接受分量频率的频带。例如，低于频带的下限的分量频率可以指示疲劳或醉酒。高于频带的上限的分量频率可以指示不稳定(例如，摇晃或震颤)。如果控制器302的频率分析位置数据包含工作频带之外的超出指定阈值的(根据离散频率分量的最大振幅或数目定义)低频分量的量，或包含工作频带之外的超出指定阈值(根据离散分量的最大振幅或数目定义)的高频分量的量，那么处理器202可以确定手部控制器移动的频率分量不在可接受工作范围内。已经认识到，在频率域中分析手部控制器移动可以使用户的移动的异常比它们在时间域中更明显。例如，控制器移动的低频率分量(其可能是由于疲劳或醉酒引起的)可能从控制器在时间域中的位置数据中不可见，但在频率域中是显而易见的。作为另一实例，如果通过复杂的移动模式操纵控制器，那么这些移动的高频分量可能从时间域中的位置数据不可见，但在频率域中是显而易见的。
处理器单元202可替代地对扭矩传感器316A、B、C随时间推移感测到的数据或由加速度计(如果存在)随时间推移感测到的数据执行频率分析。
与和用户输入装置116的移动有关的参数(i)到(iv)相关联的期望值、或工作值或范围可存储在存储器204中以供处理器单元202访问。
如果处理器单元202确定所测量的参数(i)到(iv)中的一个不具有期望工作值(即，在可接受工作范围内的值)，则其生成并输出指示将采取响应动作的信号。该信号可以输出到机器人系统100的另一部件以使所述部件执行专用响应动作。现在将描述这方面的各种实例。
响应于检测到参数(i)不具有期望工作值，处理器单元202可以将反馈信号输出到音频输出装置108和/或视觉显示装置112。音频输出装置108可以作为响应输出指示装置116已超过其期望运动范围的音频信号以向用户提供音频反馈。视觉显示装置112可显示指示装置116已超过其期望的运动工作范围以向用户提供视觉反馈的图像。图像可以是图片或书面消息。替代地或另外，如果用户以超过期望运动范围的方式操纵控制器302，处理器单元202可以将触觉反馈信号输出到用户输入装置116，其向用户提供触觉反馈。该反馈可以呈振动的形式，或增加对进一步超过期望的运动范围的控制器302的移动的阻力。
响应于检测到参数(ii)不具有期望工作值，处理器单元202可以将反馈信号输出到音频输出装置108和/或视觉显示装置112。音频输出装置108可以作为响应于输出音频信号，该音频信号指示施加到装置116的力已超过预定值以向用户提供音频反馈。视觉显示装置112可显示图像，该图像指示施加到装置116的力已超过预定值以向用户提供视觉反馈。图像可以是图片或书面消息。替代地或另外，处理器单元202可以将触觉反馈信号输出到向用户提供反馈的用户输入装置116。该反馈可以呈控制器302振动的形式。
响应于检测到参数(iii)不具有期望工作值，处理器单元202可以将反馈信号输出到音频输出装置108和/或视觉显示装置112。音频输出装置108可以作为响应输出指示装置116不在期望工作取向上的音频信号，以向用户提供音频反馈。视觉显示装置112可显示指示装置116不在期望工作取向上的图像，以向用户提供视觉反馈。图像可以是图片或书面消息。替代地或另外，处理器单元202可以将触觉反馈信号输出到向用户提供触觉反馈的用户输入装置116。该反馈可以呈振动的形式，或增加对进一步将控制器定向在其工作取向范围之外的控制器302的移动的阻力。
响应于检测到参数(iv)不具有期望工作值，处理器单元202可以将反馈信号输出到音频输出装置108和/或视觉显示装置112。音频输出装置108可以作为响应输出指示控制器302的振荡频率不在期望频率范围内的音频信号以向用户提供音频反馈。视觉显示装置112可显示指示控制器302的振荡频率不在期望频率范围内的图像以向用户提供视觉反馈。图像可以是图片或书面消息。替代地或另外，如上所述，处理器单元202可输出制动信号以制动致动器140-146。这可以确保机械臂不受不处于合适生理状态的用户的控制。
上面的描述描述了各种实例，说明如何将位于用户输入装置116上的传感器用于非侵扰性地采集数据以确定与用户操作手术机器人相关联的参数是否具有期望工作值。现在将描述用于使用用户控制台166的其它感官装置非侵扰性地采集与用户控制手术机器人有关的数据的替代方法的实例。
在一组此类实例中，图像捕获装置158在使用期间捕获用户的图像，即当用户通过操纵用户输入装置116来控制手术机器人102时。捕获的图像随后通过数据链路160传送到处理器单元202。处理器单元202可以接着对所捕获图像执行图像分析以监测用户的一个或多个生理参数。例如，处理器单元202可以执行图像分析以确定用户的心率或呼吸率。可以从通过分析来自图像捕获装置158的所捕获图像的序列识别的用户胸部的运动来确定呼吸率。可以通过分析一系列捕获图像来检测由血液循环引起的面部皮肤颜色变化来确定心率。可以使用图像处理技术检测皮肤颜色变化，所述图像处理技术包括独立分量分析(ICA)、主要分量分析(PCA)和快速傅里叶变换(FFT)。作为另一实例，处理器单元202可分析所捕获的图像以检测用户的瞳孔响应(即，用户的瞳孔扩张或收缩的程度)。
处理器单元202可以接着确定生理参数的值是否是可接受的工作值，例如在可接受的工作范围内。例如，处理器单元202可确定用户的呼吸和/或心率是否高于最小水平(指示完全意识)且低于最大水平(可能指示不期望的高紧张水平)；和/或用户的瞳孔扩张水平是否高于最小阈值(可能指示合适的参与水平)且低于最大阈值(可能指示不期望的高肾上腺素水平，或药物中毒的影响)。处理器单元202可以使用存储器204中的参数的存储值来确定生理参数的值是否具有期望值。
响应于检测到用户的生理参数不具有期望值，处理器单元202生成并输出指示将采取响应动作的反馈信号。该信号可以是上述信号类型中的任一个，例如，制动信号以制动致动器140-146，或到音频输出装置108和/或图像显示装置112的反馈信号，或到用户输入装置116的触觉反馈信号。
在另一组实例中，音频捕获装置162捕获音频数据(例如，从用户发出的声音)并由数据链路164将指示捕获的声音的音频信号传送到处理器202。处理器202单元可以对捕获的声音执行音频分析以监测用户的状态。例如，处理器单元202可以对捕获的声音执行语音分析以识别由用户说出的词语或短语。这可以识别指示可能需要采取响应行动的某些词语或短语。例如，诅咒语或多个诅咒语可以指示用户在手术程序期间出错。作为另一实例，短语可用于指示用户需要帮助，例如通过指示用户疲劳或感觉不适。换句话说，处理器单元202可以对由音频捕获装置162捕获的音频数据执行语音分析，以确定用户是否已经说出指示将采取响应动作的一组指定字和/或短语中的一个。替代性地，处理器单元202可以对所捕获的音频数据执行语音分析，以根据一组指定音调对用户的语音的音调进行分类。指定的音调集合可包括例如冷静、焦虑、惊恐、紧张、愤怒等。
如果处理器单元202从所分析的音频数据中识别用户已经说出指定词语或短语中的一个，或者从分析确定用户语音的音调是指定音调之一，则其生成并输出指示将采取响应动作的反馈信号。反馈信号可以是上述反馈信号中的任一个。
在另一组实例中，用户控制台166可包括用于分析用户的呼吸以检测酒精水平的呼吸分析仪(图1中未示出)。可能需要用户在开始程序之前，即在用户输入装置116可用于操纵机械臂之前，要求用户向呼吸分析仪呼气。例如，机器人系统可以配置成在锁定模式和活动模式中操作。在锁定模式中，用户输入装置116的移动不会导致机械臂或末端执行器的对应移动。在活动模式中，输入装置116的移动引起机械臂的对应移动以将末端执行器移动到如上所述的期望位置和取向。处理器单元202可配置成当机器人系统处于锁定模式时，从呼吸分析仪接收指示用户血液中的酒精水平的信号。处理器单元202接着可分析所接收的信号以确定酒精水平是否低于指定阈值。响应于确定酒精水平低于阈值，处理器单元可将信号输出到用户输入装置116和机械臂，所述信号将操作模式从锁定转变到活动。如果处理器单元202确定酒精水平超过阈值，则其使机器人系统保持在锁定模式。
在替代布置中，当机器人系统处于活动模式时，处理器202可以从呼吸分析仪接收指示用户酒精水平的信号。如果处理器单元确定酒精水平超过指定阈值，则其输出信号，使机器人系统转换到锁定模式。
机器人系统100可任选地包括数据记录器168，其用于记录从用户(例如，从用户输入装置116上的传感器和/或从图像捕获装置158和音频捕获装置162)采集的数据。数据记录器168可例如通过记录：(i)处理器单元输出反馈信号的每个时间；以及(ii)确定具有超出其工作范围使得发出该反馈信号的值的生理参数，来另外记录随时间推移处理器单元202的活动。数据记录器可以记录额外数据，例如每个反馈信号发出的时间。
数据记录器在图1中示出为联接到控制单元104，但这仅仅是示例性布置。在其它布置中，数据记录器168可直接连接到用户输入装置116和/或图像捕获装置158和音频捕获装置162的传感器。
数据记录器168可以配置成从由用户输入装置116上的传感器采集的数据识别或表征正执行的手术程序的阶段/步骤。例如，可以离线分析通过多个程序从用户输入装置上的传感器采集的数据(例如，联动装置304的关节的位置数据和/或围绕联动装置304的每个关节施加的扭矩)，并且使用所述数据将多个手术程序中的一个或每一个表征为若干离散步骤或阶段。在对手术程序进行表征后，数据记录器168可以配置成使用从用户采集的数据和从处理单元102采集的数据将反馈信号与手术程序的步骤相关联。这可以使得能够识别用户行为的模式并与手术程序的步骤相关联，这可用于识别训练或其它开发需求。
例如，数据记录器能够确定以下一项或多项：
(i)用户最可能呈现某种生理状态(例如疲劳或紧张)的手术程序的步骤；
(ii)自程序开始以来，用户最有可能呈现某种生理状态，例如疲劳或紧张的时间；
(iii)最有可能出错的程序的步骤(例如，从最有可能从处理器单元202传送反馈信号的步骤确定的)。
数据记录器还能够识别手术程序维持合适的执行水平的标记或目标，例如：
(i)如果程序未在程序开始的指定时间量内完成，则数据记录器可确定出错的可能性超过指定阈值；
(ii)如果手术程序的特定阶段在程序开始的指定时间内未达到或未完成，则数据记录器可确定出错的可能性超过指定阈值。
申请人在此独立地公开了本文描述的每个单独的特征以及两个或更多个这种特征的任意组合，只要这些特征或组合能够基于本说明书作为一个整体根据本领域技术人员的公知常识来实施，而不管这些特征或特征的组合是否解决本文公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单个特征或特征组合组成。鉴于以上描述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种手术机器人系统，包括：
手术机器人；
用户输入装置，所述用户输入装置联接到所述手术机器人并且可由用户操纵以控制所述手术机器人的操作，所述用户输入装置包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器配置成在所述用户操纵所述用户输入装置时采集数据；以及
处理器单元，所述处理器单元配置成：
分析所采集的数据以确定与所述用户操作所述手术机器人相关联的参数是否具有期望工作值，所述确定包括分析所采集的数据以计算所述参数在指定时间段内的时间平均值，以及确定所述参数的所述时间平均值是否在指定的目标范围内；以及
响应于从所采集的数据确定所述参数的所述时间平均值不在所述目标范围内而生成指示将采取响应动作的输出信号；
其中与所述用户操作所述手术机器人相关联的参数是以下各项中的一者或多者：
所述用户的生理参数，所述一个或多个传感器配置成采集所述用户的生理数据；以及
所述用户操纵所述用户输入装置的指示。
2.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其中所述一个或多个传感器包括定位在所述用户输入装置上的一组一个或多个传感器，所述一组一个或多个传感器在所述用户操纵所述用户输入装置以控制所述手术机器人的操作时接触所述用户的手部。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的手术机器人系统，其中所述处理器单元配置成分析所采集的数据以确定所述用户的生理参数是否具有在指定范围内的值；并且响应于从所采集的数据确定所述参数不具有在所述指定范围内的值而生成所述输出信号。
4.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述处理器单元配置成确定两个或更多个生理参数的组合是否具有期望工作值，并且响应于确定所述两个或更多个生理参数不具有期望工作值而生成所述输出信号。
5.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述一组一个或多个传感器配置成测量以下各项中的一者或多者：温度、脉搏率；血氧饱和度；出汗率；汗液中的离子浓度；水合水平；血压；手部稳定性。
6.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述手术机器人包括由关节互连的多个肢体；以及配置成驱动所述关节的一组致动器，并且所述输出信号是制动所述致动器的制动信号。
7.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述手术机器人包括手术器械，并且所述输出信号使所述器械被禁用。
8.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述手术机器人系统包括联接到所述处理器单元的扬声器，所述扬声器配置成响应于从所述处理器单元接收到所述输出信号而输出音频报警信号。
9.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述手术机器人系统包括联接到所述处理器单元的视觉显示器，所述视觉显示器配置成响应于从所述处理器单元接收到所述输出信号而输出视觉报警信号。
10.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中与所述用户操作所述手术机器人相关联的参数涉及当操纵所述输入装置以控制所述手术机器人的操作时所述用户与所述用户输入装置的交互。
11.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述参数指示以下各项中的一者或多者：
当操纵所述输入装置以控制所述手术机器人的操作时，由所述用户向所述用户输入装置施加的力；
运动范围，所述用户通过所述运动范围操纵所述用户输入装置；
当由所述用户操纵以控制所述手术机器人的操作时，所述用户输入装置的取向；以及
当由所述用户保持时所述用户输入装置的手动控制器的移动的频率分量。
12.根据权利要求11所述的手术机器人系统，其中所述一个或多个传感器配置成随时间推移采集指示所述手动控制器的位置的数据，并且所述处理器配置成通过对所采集的数据执行频率分析来分析所采集的数据，以确定在由所述用户保持时所述手动控制器的移动的频率分量。
13.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述输出信号是触觉反馈信号，所述处理器单元配置成将所述触觉反馈信号传送到所述用户输入装置。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的手术机器人系统，其中所述参数是所述用户在所述用户输入装置上的手握点，所述处理器单元配置成分析所采集的数据以确定所述用户的手握点是否处于指定期望位置。
15.根据权利要求14所述的手术机器人系统，其中由所述处理器单元生成的输出信号是指示所述指定期望位置的反馈信号。
16.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述用户输入装置包括一个或多个光输出装置以向用户提供视觉反馈。
17.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述参数指示由扭矩传感器感测的数据或由一个或多个加速度计感测的数据的频率分量。
18.根据权利要求15所述的手术机器人系统，其中所述输出信号是视觉反馈信号，所述处理器单元配置成将所述视觉反馈信号传送到视觉显示单元以使所述视觉显示单元显示所述用户的手握点的指定期望位置。
19.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，还包括数据记录器，所述数据记录器用于记录在借助于所述手术机器人执行的手术程序期间从所述一个或多个传感器采集的数据。

Claims (19)

1.一种手术机器人系统，包括：
手术机器人；
用户输入装置，所述用户输入装置联接到所述手术机器人并且可由用户操纵以控制所述手术机器人的操作，所述用户输入装置包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器配置成在所述用户操纵所述用户输入装置时采集数据；
处理器单元，所述处理器单元配置成：
分析所采集的数据以确定与所述用户操作所述手术机器人相关联的参数是否具有期望工作值；以及
响应于从所采集的数据确定所述参数不具有期望工作值而生成指示将采取响应动作的输出信号；
其中与所述用户操作所述手术机器人相关联的参数是以下各项中的一者或多者：
所述用户的生理参数，所述一个或多个传感器配置成采集所述用户的生理数据；以及
所述用户操纵所述用户输入装置的指示。
2.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其中所述一个或多个传感器包括定位在所述用户输入装置上的一组一个或多个传感器，所述一组一个或多个传感器在所述用户操纵所述用户输入装置以控制所述手术机器人的操作时接触所述用户的手部。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的手术机器人系统，其中所述处理器单元配置成分析所采集的数据以确定所述用户的生理参数是否具有在指定范围内的值；并且响应于从所采集的数据确定所述参数不具有在所述指定范围内的值而生成所述输出信号。
4.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述处理器单元配置成：
分析所采集的数据以计算所述参数在指定时间段内的时间平均值；
确定所述参数的所述时间平均值是否在指定目标范围内；以及
响应于从所采集的数据确定所述参数的所述时间平均值不在所述目标范围内而生成所述输出信号。
5.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述一组一个或多个传感器配置成测量以下各项中的一者或多者：温度、脉搏率；出汗率；汗液中的离子浓度；血压；手部稳定性。
6.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述手术机器人包括由关节互连的多个肢体；以及配置成驱动所述关节的一组致动器，并且所述输出信号是制动所述致动器的制动信号。
7.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述手术机器人包括手术器械，并且所述输出信号使所述器械被禁用。
8.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述手术机器人系统包括联接到所述处理器单元的扬声器，所述扬声器配置成响应于从所述处理器单元接收到所述输出信号而输出音频报警信号。
9.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述手术机器人系统包括联接到所述处理器单元的视觉显示器，所述视觉显示器配置成响应于从所述处理器单元接收到所述输出信号而输出视觉报警信号。
10.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中与所述用户操作所述手术机器人相关联的参数涉及当操纵所述输入装置以控制所述手术机器人的操作时所述用户与所述用户输入装置的交互。
11.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述参数指示以下各项中的一者或多者：
当操纵所述输入装置以控制所述手术机器人的操作时，由所述用户向所述用户输入装置施加的力；
运动范围，所述用户通过所述运动范围操纵所述用户输入装置；
当由所述用户操纵以控制所述手术机器人的操作时，所述用户输入装置的取向；以及
当由所述用户保持时所述用户输入装置的手动控制器的移动的频率分量。
12.根据权利要求11所述的手术机器人系统，其中所述一个或多个传感器配置成随时间推移采集指示所述手动控制器的位置的数据，并且所述处理器配置成通过对所采集的数据执行频率分析来分析所采集的数据，以确定在由所述用户保持时所述手动控制器的移动的频率分量。
13.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，其中所述输出信号是触觉反馈信号，所述处理器单元配置成将所述触觉反馈信号传送到所述用户输入装置。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的手术机器人系统，其中所述参数是所述用户在所述用户输入装置上的手握点，所述处理器单元配置成分析所采集的数据以确定所述用户的手握点是否处于指定期望位置。
15.根据权利要求14所述的手术机器人系统，其中由所述处理器单元生成的输出信号是指示所述指定期望位置的反馈信号。
16.根据权利要求15所述的手术机器人系统，其中所述输出信号是触觉反馈信号。
17.根据权利要求16所述的手术机器人系统，其中所述处理器配置成将所述触觉反馈信号传送到所述用户输入装置。
18.根据权利要求15所述的手术机器人系统，其中所述输出信号是视觉反馈信号，所述处理器单元配置成将所述视觉反馈信号传送到视觉显示单元以使所述视觉显示单元显示所述用户的手握点的指定期望位置。
19.根据任一前述权利要求所述的手术机器人系统，还包括数据记录器，所述数据记录器用于记录在借助于所述手术机器人执行的手术程序期间从所述一个或多个传感器采集的数据。
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