CN113164211A - 用于在外科机器人系统中将外科工具与工具驱动器的致动器接合的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明题为“用于在外科机器人系统中将外科工具与工具驱动器的致动器接合的方法和系统”。本发明公开了一种用于在外科机器人系统中检测外科工具与机器人臂的工具驱动器的接合的系统和计算机化方法。该方法可包括启动该工具驱动器的致动器以使驱动盘旋转以与该外科工具中的工具盘机械接合。在启动该致动器的同时，监测该致动器的导致该驱动盘的旋转的一个或多个电机工作参数。该方法基于监测到的该一个或多个电机工作参数来检测该驱动盘何时与该工具盘机械接合。本文还描述并要求保护其他实施方案。

Description

用于在外科机器人系统中将外科工具与工具驱动器的致动器 接合的方法和系统

技术领域

本发明的一个实施方案涉及用于在外科机器人系统中检测外科机器人工具与外科机器人臂中的一个或多个致动器的成功接合的控制单元。本文还描述了其他实施方案。

背景技术

外科机器人系统赋予操作者或使用者(诸如手术外科医生)使用外科机器人系统执行外科手术的一个或多个动作的能力。在外科机器人系统中，诸如内窥镜、夹钳、切割工具、扩张器、针、能量发射器等外科工具或器械机械地联接到外科机器人臂的机器人关节，使得机器人关节的移动或致动直接引起工具的一部分的旋转、枢转或线性移动(例如，内窥镜相机的旋转、抓钳钳口的枢转或针的平移)。一旦该工具附接到(例如，接触)臂中的工具驱动器，操作者命令就可引起所附接的工具的移动和启动其功能，诸如闭合夹钳、调节内窥镜的弯曲度、将器械延伸到插管壁之外、使用夹紧工具施加压力以及其他移动和动作。

由于外科手术的不同性质，不同的外科工具或器械可在外科手术之前和期间选择性地附接到外科机器人系统的相同臂。为了避免外科手术期间的设备故障，重要的是外科工具或器械不仅要附接到外科机器人臂的机器人关节，而且还要在机械意义上接合到该外科机器人臂的机器人关节。也就是说，在外科手术期间使用外科工具之前，外科工具中的对器械特征部施加运动或使得器械特征部启动(例如，打开、闭合、切割、施加压力等)的机构应机械地接合到外科机器人系统的机器人臂的工具驱动器中的致动器。

附图说明

本发明的实施方案在附图中是以示例的方式而不是以限制的方式来示出的，在附图中，类似的附图标记指示类似的元件。应当注意，本公开中对本发明的“一个”实施方案的提及并不一定指同一实施方案，并且它们表示至少一个实施方案。另外，为了简明及减少附图总数的目的，可使用给定附图来示出本发明的不止一个实施方案的特征，并且对于给定实施方案而言可能不需要附图中的所有元件。

图1是手术场所中的示例外科机器人系统的绘画视图；

图2是用于检测外科工具与外科机器人臂的工具驱动器的接合的系统的图示；

图3是示出外科工具、工具驱动器和控制单元的框图；

图4A至图4C示出了接合过程中工具盘和驱动盘的不同状态；

图5A是示出由控制单元执行的用于使手术工具与工具驱动器接合的过程的流程图；

图5B是示出用于控制单元基于驱动驱动盘的致动器的一个或多个工作参数来检测工具盘与驱动盘的接合的另一个过程的流程图；

图5C是示出用于控制单元检测外科机器人系统的外科工具与工具驱动器的接合的另一个过程的流程图；

图6示出了反馈回路的框图；并且

图7示出了在反馈回路中使用的控制器的框图。

具体实施方式

本文描述了用于在外科机器人系统中检测可拆卸外科机器人工具与外科机器人臂的工具驱动器的接合的装置、系统和方法的实施方案。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施方案的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文所述的技术可在没有一个或多个具体细节的情况下或利用其他方法、部件、材料等实施。在其他情况下，为了避免混淆某些方面，未详细示出或描述熟知的结构、材料或操作。

本说明书中通篇提及的“一个实施方案”或“实施方案”意指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，整个说明书的各个不同地方出现的短语“一个实施方案”或“实施方案”不一定都指同一实施方案。此外，特定特征、结构或特性(诸如在不同附图中示出的那些)可以以任何合适的方式结合在一个或多个实施方案中。

参见图1，这是手术场所中的示例外科机器人系统100的绘画视图。外科机器人系统100包括用户控制台102、控制塔103以及手术平台105(例如，工作台、床等)处的一个或多个外科机器人臂104。外科机器人系统100可结合用于对患者106执行外科手术的任何数量的设备、工具或附件。例如，外科机器人系统100可包括用于执行外科手术的一个或多个外科工具107。外科工具107可在其远侧端部(也是外科工具107所附接到的外科机器人臂4的远侧端部)处具有端部执行器，以用于执行外科手术，诸如切割、抓握、刺戳或能量发射。

可在外科手术期间手动地、通过机器人或通过以上两种方式操纵每个外科工具107。例如，外科工具107可以是用于进入、查看或操纵患者106的内部解剖结构的工具。在一个实施方案中，外科工具106是可抓取患者的组织的抓钳。外科工具106可直接由床边操作者108的手手动控制；或者可通过机器人经由发送电子命令以致动外科工具106所附接的外科机器人臂104的移动来控制该外科工具。外科机器人臂104被示出为台上安装式系统，但是在其他构型中，外科机器人臂104可安装在手推车、天花板或侧壁中或另一合适的结构支撑件中。

一般地，远程操作者109(诸如外科医生)可使用用户控制台102以远程操纵外科机器人臂104和/或所附接的外科工具107(例如，遥操作)。用户控制台102可与外科机器人系统100的其余部分位于相同的手术室中，如图1所示。然而，在其他环境中，用户控制台102可位于相邻或附近的房间中，或者该用户控制台可处于远程位置，例如位于不同的建筑物、城市或国家中。用户控制台102可包括座椅110、用脚操作的控件113、一个或多个手持式用户界面设备UID 114和至少一个用户显示器115，该至少一个用户显示器被配置为显示例如患者106体内的手术部位的视图。在示例用户控制台102中，远程操作者109坐在座椅110中并查看用户显示器115，同时操纵用脚操作的控件113和手持式UID 114以便远程地控制外科机器人臂104和外科工具107(其安装在外科手术臂的远侧端部上)。

在一些变型中，床边操作者108还可在“床上方”模式下操作外科机器人系统100，其中床边操作者108(使用者)此时在患者106的一侧并且同时操纵i)附接到外科机器人臂104的机器人驱动的工具(具有端部执行器)(例如利用握持在一只手中的手持式UID 114)和ii)手动式腹腔镜工具。例如，床边操作者的左手可操纵手持式UID以控制外科机器人部件，而床边操作者的右手可操纵手动式腹腔镜工具。因此，在这些变型中，床边操作者108可同时对患者106执行机器人辅助的微创外科手术和手动腹腔镜外科手术。

在示例程序(外科手术)期间，以无菌的方式为患者106进行术前准备并且覆上盖布以实现麻醉。可在外科机器人系统100的臂处于收起构型或缩回构型时手动地执行向外科手术部位的初始进入(以便于进入外科手术部位)。一旦完成进入，外科机器人系统100(包括其外科机器人臂104)的初始定位或准备即可执行。接下来，外科手术继续进行，用户控制台102处的远程操作者109利用用脚操作的控件113和UID 114来操纵各种端部执行器和可能的成像系统以执行外科手术。手动辅助还可由穿无菌工作服的床边人员(例如，床边操作者108)在手术床或手术台处提供，该床边人员可对一个或多个外科机器人臂104执行诸如缩回组织、执行手动重新定位以及工具更换等任务。还可以存在非无菌人员以在用户控制台102处协助远程操作者109。当程序或外科手术完成时，外科机器人系统100和用户控制台102可被配置或设定为处于便于术后程序(诸如经由用户控制台102进行的清洁或消毒以及医疗记录输入或打印输出)的状态。

在一个实施方案中，远程操作者109保持并移动UID 114以提供输入命令，从而移动外科机器人系统100中的机器人臂致动器117。UID 114可例如经由控制台计算机系统116来通信地联接到外科机器人系统100的其余部分。UID 114可生成与UID 114的移动对应的空间状态信号，例如UID的手持式外壳的位置和取向，并且空间状态信号可为用于控制机器人臂致动器117的运动的输入信号。外科机器人系统100可使用源自空间状态信号的控制信号来控制致动器117的成比例运动。在一个实施方案中，控制台计算机系统116的控制台处理器接收空间状态信号并生成对应的控制信号。基于这些控制信号(其控制致动器117如何被通电以移动外科机器人臂104的区段)，附接到臂的对应外科工具的移动可模拟UID 114的移动。类似地，远程操作者109与UID 114之间的交互可生成例如抓持控制信号，该抓持控制信号使外科工具107的抓钳的钳口闭合并抓持患者106的组织。

外科机器人系统100可包括若干UID 114，其中针对控制致动器和相应外科机器人臂104的外科工具(端部执行器)的每个UID生成相应的控制信号。例如，远程操作者109可移动第一UID 114以控制左机器人臂中的致动器117的运动，其中致动器通过移动该外科机器人臂104中的连杆、齿轮等来作出响应。类似地，远程操作者109对第二UID 114的移动控制另一个致动器117的运动，继而移动外科机器人系统100的其他连杆、齿轮等。外科机器人系统100可包括固定到患者右侧的床或工作台上的外科机器人右臂104，和在患者左侧的外科机器人左臂104。致动器117可包括一个或多个电机，该一个或多个电机受控以使得它们驱动外科机器人臂104的关节的旋转，以便例如相对于患者改变附接到该臂的外科工具107的内窥镜或抓钳的取向。可通过从特定UID 114生成的空间状态信号来控制同一外科机器人臂104中的若干致动器117的运动。UID 114还可控制相应外科工具抓钳的运动。例如，每个UID 114可生成相应抓持信号以控制致动器(例如，线性致动器)的运动，该运动在外科工具107的远侧端部处打开或闭合抓钳的钳口以抓持患者106体内的组织。

在一些方面，手术平台105与用户控制台102之间的通信可通过控制塔103，该控制塔可将从用户控制台102(并且更具体地讲是从控制台计算机系统116)接收到的用户命令转换成传输到手术平台105上的外科机器人臂104的机器人控制命令。控制塔103还可将来自手术平台105的状态和反馈传输回用户控制台102。手术平台105、用户控制台102和控制塔103之间的通信连接可使用多种数据通信协议中的任何合适数据通信协议经由有线和/或无线链路来进行。任何有线连接可任选地内置到手术室的地板和/或墙壁或天花板中。外科机器人系统100可提供视频输出到一个或多个显示器，包括手术室内的显示器以及能够经由互联网或其他网络访问的远程显示器。视频输出或馈送还可以被加密以确保隐私，并且全部或部分视频输出可以被保存到服务器或电子保健记录系统。

图2是用于检测外科工具240与外科机器人臂220的工具驱动器230的接合的外科机器人系统100的子系统或一部分的图示。外科机器人臂220可以是相对于图1示出和讨论的外科机器人系统100的外科机器人臂104中的一个。控制单元201可为例如图1中的控制塔的一部分。如本文更详细地讨论，控制单元210可基于工具驱动器230中的一个或多个致动器(例如，致动器238-j)的一个或多个电机工作参数来检测接合。

存在工具驱动器230，不同的外科工具(例如，外科工具240，以及未示出的其他可拆卸的外科工具)可选择性地附接到该工具驱动器(一次接一个)。这可通过以下方式来完成：例如，人类用户将外科工具240的外壳握持在其手中，并且沿所示箭头280的方向移动该外科工具直到其中存在一个或多个工具盘(例如，工具盘244-i)的外科工具240的外表面与其中存在一个或多个驱动盘(例如，驱动盘234-j)的工具驱动器230的外表面接触。在所示的示例中，工具驱动器230是位于外科机器人臂220的远侧端部部分处的外科机器人臂220的区段。臂220的近侧端部部分固定到外科机器人平台，诸如图2中未示出但其示例可见于上述图1中的手术台。

控制单元210负责控制外科机器人臂220(包括驱动盘234)中的各种电动关节的运动，通过该运动实现了模拟用户输入设备的操作的端部执行器246(其位置和取向以及其外科功能)的操作。当外科工具240已被接合以从工具驱动器230传递力或扭矩时，这经由外科工具240中的机械传动来实现。控制单元210可实现为编程处理器，例如实现为图1的控制塔103的一部分。其可响应经由本地或远程用户输入(例如，操纵杆、触摸控制器、可穿戴设备或经由控制台计算机系统116通信的其他用户输入设备)接收的一个或多个用户命令。另选地，控制单元210可响应一个或多个自主命令或控制(例如，从由控制单元210或由控制台计算机系统116执行的受过训练的外科机器学习模型接收)，或它们的组合。这些命令指示机器人臂220的移动及其附接的端部执行器246的操作。

端部执行器246可以是任何外科器械，例如钳口、切割工具、内窥镜、扩张器、植入工具等。各自具有不同端部执行器的不同外科工具可选择性地(一次一个地)附接到机器人臂220，以在外科手术或其他医疗程序期间使用。图2的示例中示出的端部执行器246为位于外科工具240的远端处的钳口，并且可回缩到如图所示的插管(例如，可插入正经受外科手术的患者体内的细管)中或延伸出插管。

机器人臂220包括工具驱动器230，该工具驱动器中存在一个或多个致动器，诸如致动器238-j。每个致动器可以是具有一个或多个相应电动电机(例如，无刷永磁直流电机)的线性或旋转致动器，其驱动轴可通过传动装置(例如，未示出的实现给定齿轮减速比的齿轮系)联接到相应的驱动盘234-j。工具驱动器230包括可布置在工具驱动器230的平面或平坦表面上的一个或多个驱动盘234，其中该附图示出了布置在平坦表面的相同平面上的若干个此类驱动盘。每个驱动盘(例如，驱动盘234-j)暴露在工具驱动器230的外表面上，并且被设计成机械地接合(例如，经由按扣、摩擦或其他配对特征部牢固地紧固)外科工具240的配对工具盘244-j，以实现该两者之间的直接扭矩传递。一旦例如外科工具240的平面或平坦表面和工具驱动器230的对应或配对的平面或平坦表面彼此接触，就可发生这种情况。

此外，电机驱动电路(未示出，但其可例如安装在工具驱动器230中或外科机器人臂220中的其他地方)电联接到一个或多个致动器238的组成电机的输入驱动端子。电机驱动电路根据电机驱动电路输入来操纵电机所消耗的电力以便调节例如电机的速度或其扭矩，该电机驱动电路输入可由控制单元210来设定或控制，这导致相关联的驱动盘(例如，驱动盘234-j)的通电旋转。

当配对的驱动盘234-j机械地接合到相应的工具盘244-j时，驱动盘234-j的通电旋转导致工具盘244-j旋转，例如，该两个盘可作为一个盘旋转，从而在例如外科工具240内的连杆、齿轮、缆线、链条或其他传动装置上施加运动，以用于控制可机械地联接到传动装置的端部执行器246的动作和操作。

基于其端部执行器执行动作的动作类型和自由度的数量，诸如旋转、关节运动、打开、闭合、延伸、回缩、施加压力等，不同的外科工具可具有不同数量的工具盘。

此外，在外科工具240内，多于一个工具盘244可有助于端部执行器246的单一运动，以实现诸如由分别驱动配对驱动盘234的两个或更多个电机分担负载的目标。

在另一方面，在工具驱动器230内，可存在两个或更多个电机，其驱动轴联接(经由传动装置)以使相同的输出轴(或驱动盘234)旋转来分担负载。

在另一方面，在外科工具240内，可存在传动装置，该传动装置转移来自两个驱动盘234的扭矩(经由相应的工具盘244)，以用于以相同的自由度执行互补动作，例如，第一驱动盘234-i使位于外科工具230的外壳内的滚筒旋转以纳入缆线的一端，并且第二驱动盘234-j使位于外科工具230的外壳内的另一滚筒旋转以纳入缆线的另一端。又如，可使用两个工具盘234-i、234-j来实现端部执行器沿单个轴的延伸和缩短，一个工具盘用于执行延伸，另一工具盘用于执行回缩，例如经由不同的缆线。这与也以一个自由度运动(例如，沿着单个运动轴纵向延伸和缩短)但仅需要单个工具盘来控制其整个运动范围的执行器形成对比。又如，以多个自由度运动(例如，诸如腕式运动、沿多个轴线的运动、除了端部执行器运动之外的能量发射器的启动等)的执行器可能需要使用若干工具盘(每个工具盘接合到相应的驱动盘)。在另一类型的外科工具240中，单个工具盘244足以经由直接输入(例如，齿轮)执行延伸运动和回缩运动两者。又如，在端部执行器246为钳口的情况下，两个或更多个工具盘244可协同地控制钳口的运动以实现负载分担，如本文更详细地讨论。

在一些实施方案中，当外科工具240首先附接到或安装在工具驱动器230上使得工具盘与对应的驱动盘基本上共面并且同轴对准(尽管工具盘和驱动盘可能尚未成功地接合)时，控制单元210初始地检测外科工具240的类型。在一个实施方案中，外科工具240具有信息存储单元242诸如固态存储器、识别其工具或端部执行器信息的RFID标签、条形码(包括二维或矩阵条形码)等，这些信息诸如以下中的一者或多者：工具或端部执行器类型的识别、唯一的工具或端部执行器ID、所使用的工具盘的数量、所使用的那些工具盘的位置(例如，来自总共六个可能的工具盘244-e、244-f、244-g、244-h、244-i、244-j)、工具盘的传动类型(例如，直接驱动、缆线驱动等)、工具盘对端部执行器施加的运动或致动、一个或多个工具校准值(例如，在工具的因素测试/组装期间确定的工具盘的旋转位置)、端部执行器的运动是否受最大或最小运动的约束，以及其他工具属性。在一个实施方案中，信息存储单元242识别控制单元210可用来执行各种工具属性的查找的最小信息，诸如工具ID。

工具驱动器230可包括通信接口232(例如，存储器写入器、近场通信NFC、收发器、RFID扫描仪、条形码读取器等)以从信息存储单元242读取信息并将信息传递到控制单元210。此外，在一些实施方案中，外科工具240中可存在多于一个信息存储单元，诸如与每个工具盘244相关联的一个信息存储单元。在该实施方案中，工具驱动器230还可包括用于将存在于给定工具中的每个可能的信息存储单元的对应传感器。

接合

在外科工具240与工具驱动器230附接使得工具盘与对应的驱动盘对准并叠加在其上(尽管不一定机械地接合)之后，并且在获得工具盘信息(例如，由控制单元210读取)之后，控制单元210执行接合过程以检测预期附接到相应驱动盘的所有工具盘何时与它们相应的驱动盘机械接合(例如，已经实现了它们的机械接合，或者现在认为工具驱动器与工具接合)。即，将外科工具240与工具驱动器230附接不一定确保工具盘与对应的驱动盘的机械接合所需的适当配对(例如，由于配对特征部的未对准)。该接合过程可包括启动驱动对应驱动盘234-j的致动器(例如，致动器238-j)的一个或多个电机。然后，基于致动器238-j的一个或多个监测到的电机工作参数，当致动器驱动驱动盘234-j时，可检测到工具盘244-i与驱动盘234-j的机械接合，如下文更详细地讨论。可针对预期当前附接到相应工具盘244(例如，如基于针对当前附接的特定外科工具240获得的工具盘信息所确定的)的(工具驱动器230的)每个驱动盘234重复该过程。

在检测到特定类型的外科工具240已与工具驱动器230附接时，控制单元210启动先前已与该类型的外科工具240相关联的工具驱动器230的一个或多个致动器(例如，电机)。在一些实施方案中，与外科工具240的对应驱动盘234相关联的每个致动器可同时地、逐次地被启动或同时启动和逐次启动结合进行。图3示出了利用四个工具盘(诸如工具盘244-i)的外科工具240的示例，该四个工具盘以共面方式布置在其外壳的配对表面上。每个工具盘有助于端部执行器246的运动和/或启动的至少一部分。在检测到外科工具240与工具驱动器230的附接(例如，相应外壳的配对表面的接合)时，控制单元210(或其处理器312在执行作为接合控件316存储在存储器314中的指令时)执行确定仅需要转动对应的四个驱动盘(诸如驱动盘234-j)(需要启动对应的致动器238-j，参见图2)来执行接合过程的过程。

返回图2，在致动器238-j的操作期间，在检测到外科工具240与工具驱动器230的附接之后，在致动器238-j的电机被发信号通知开始移动时，一个或多个传感器236-j测量该致动器的一个或多个电机工作参数。在一个实施方案中，对于缆线驱动的外科工具，致动器238-j将沿着使得其附接的(但尚未接合的)工具盘244-i将缆线卷绕在工具240的传动外壳中的方向转动。例如，参见图4A，其中工具盘244的运动445避免缆线446的退绕，从而将工具盘244保持在适当位置或开始沿(卷绕缆线446的)运动445的方向转动工具盘244。工具盘244的这种转动持续进行直至实现接合为止，如下面结合图4B和图4C进一步说明的。

在另一个实施方案中，发信号通知所选择的致动器转动以便致使其附接的工具盘244旋转，从而使得连接到工具盘244的端部执行器246朝向物理约束移动(例如，钳口打开直到其抵靠插管壁停止，当在完全打开位置碰撞到硬止动件时实现运动范围内的最大值等)。在另一个实施方案中，诸如其中两个致动器分担作为内窥镜相机的旋转的负载的内窥镜实施方案，其中可能不存在阻止相机旋转的硬止动件，所选择的致动器使其附接的工具盘244-i沿着与另一个工具盘244-j的运动相反的方向旋转，该另一个工具盘也可旋转地联接到工具240的传动外壳中的相同输出轴。在这种情况下，一旦工具盘244-i、244-j中的一个工具盘接合，其将充当另一个工具盘的物理约束。也可使用与本文讨论一致的其他预定的运动方向。

此外，在一些实施方案中，控制单元210使致动器的运动逐渐缓升或增加(例如，控制单元210发信号通知或命令致动器在运动开始时开始以慢速旋转，然后逐渐增加速度，然后在检测到接合时逐渐降低速度)。

在一个实施方案中，存储在外科工具246的信息存储单元242中的校准值可用于加速工具接合。例如，校准值可包括在产品组装或测试期间记录的特定工具盘244-j的工厂确定的位置(角度)。接合过程可能需要了解对应的驱动盘234-j的原始位置。该了解可通过控制单元210执行工具驱动器校准例程来获得，在该例程中其确定特定驱动盘234-j何时到达原始位置(当控制单元致动驱动盘234-j时)，使得控制单元210现在知晓该驱动盘234-j的位置。需注意，控制单元210可以在仅依赖于来自工具驱动器230中的位置传感器的输出时这样做，并且工具240本身可以是无源的，因为其中没有电子传感器。

接下来，控制单元210可启动驱动盘234-j的对应致动器，使得驱动盘234-j以高速转动，直到驱动盘234-j的位置变量接近工厂确定的位置。当驱动盘满足相对于工厂确定的位置(例如，工具盘的原始位置)的阈值距离时，这意味着工具盘和驱动盘的配对特征部接近对准，可降低速度以便增加配对特征部在其初始相遇时将彼此接合的可能性。该过程可适用于直接传动装置以及利用缆线驱动执行器的工具盘(如图4A所示)。对于后者，校准值可包括旋转计数(例如，电机驱动轴的完整旋转次数)，该旋转计数可用于在一旦检测到该接合时限制驱动盘234-j的继续转动，以便确保不超过缆线的最大卷绕长度，或不超过接合的工具盘244-j和驱动盘234-j的旋转角度。

在一些实施方案中，由控制单元210(经由传感器236)监测的电机工作参数被解释为意指工具盘与驱动盘的成功机械接合。这些工作参数可包括通过扭矩或力传感器测量的由致动器238-j施加的扭矩的测量值、当尝试驱动致动器238-j以特定速度运动时提供给该致动器的电机的电流测量值(例如，其中传感器236-j可包括与电机输入驱动端子串联的电流感测电阻器)，当试图驱动执行器的电机以特定速度运动时在该电机的输入驱动端子中看到的电阻抗测量值(例如，其中传感器236-j也可包括用于测量电机输入驱动端子的电压的电压感测电路)、致动器238-j的速度(例如，其中传感器236-j可包括致动器238-j的输出轴上或电机的驱动轴上的位置编码器)、以及本文被称为电机工作参数的其他参数。当监测特定致动器的一个或多个电机工作参数时，当这些参数中的一个或多个传输满足(例如，符合或达到)预定条件或阈值时，此类情况的检测可被控制单元210解释为机械接合事件。需注意，满足预定条件可例如意味着所监测的工作参数根据阈值相对于另一个电机的工作参数表现出某些变化，该另一个电机是同一致动器238-j的一部分或者是在接合检测过程期间由控制单元210同时控制的另一个致动器238-i的一部分。

在一些实施方案中，控制单元210使用在致动器238-j的操作期间检测到某些电机工作参数来确定工具盘244-j与驱动盘234-j的机械接合已发生，这些电机工作参数诸如以下中的一者或多者：i)满足(例如，上升并达到)扭矩阈值的扭矩，ii)满足(例如，上升并达到)电流阈值的电机电流，iii)降至低于阻抗阈值的阻抗，iv)降至低于电机速度阈值的电机速度，或它们的组合。以下是此类过程的一些示例。

在一个实施方案中，在工具盘244-j使用缆线446来控制其端部执行器246的运动的情况下，(正在驱动对应的驱动盘234-j的)致动器238-j将沿卷绕缆线的方向(这里，控制单元210可基于先前识别的工具240的类型而了解该运动方向445)运动。图4A示出了在其盘面上具有一对联接特征部447a、447b的此类工具盘244，该联接特征部被示出为空心圆。每个联接特征部447a、447b可为形成于盘面中的单独的圆柱形腔。运动方向445将使缆线446卷绕在其周围，其中在该初始状态下，缆线446有一些松弛，如图所示，该松弛将随着缆线446沿运动方向445卷绕而消失。

驱动盘234与工具盘244同心地对准，如图4B所示。即，图4B示出了对准并叠加在工具盘244上的驱动盘234，使得它们相应的盘面彼此接触。驱动盘234在其盘面上具有一对被示出为实心圆的联接特征部448a、448b。每个联接特征部448a、448b可为形成在盘面上的单独的圆柱形销。在该特定示例中，联接特征部448中的每个联接特征部的尺寸被设计成容易地装配到特征部447中的任一特征部中(一旦两个互补特征部对准)。在图4B中，即使特征部447a、447b和特征部448a、448b的对应的工具盘和驱动盘的盘面彼此接触，它们也未对准。换句话讲，在图4B中，一个或多个配对的或互补的特征部对诸如特征结构447a-448a或特征结构447a-448b尚未彼此机械地接合。在此类情况下，驱动盘234继续由其致动器238驱动以沿运动方向445运动(转动)，直到在图4C所示的情况下达到机械接合为止。

如图4C所示，驱动盘234在转动时已经到达如图所示的联接特征部447a-448a和联接特征部447b-448b两者彼此机械接合的点，使得它们现在作为一个整体运动(如果驱动盘234继续转动的话)。在这里的示例中，每个销-腔对现在互锁，如该附图所示。此外，此时，缆线446现在被卷绕之后被教导，并因此可用于在驱动盘234继续沿运动方向445转动时帮助将工具盘244保持在适当位置(防止其旋转)。在图4C的情况下进一步转动驱动盘234可能随着缆线446拉动其端部执行器246而增加缆线446的张力，直到达到硬止动件，这创建了物理约束以防止在现在接合的驱动盘234的运动方向445上的进一步运动。

对进一步转动驱动盘234的物理约束使得控制单元210能够检测机械接合事件，从而对电机工作参数进行测量并与可能已预先确定的指示接合的一个或多个阈值进行比较。例如，电机的速度/速率降至低于一个或多个阈值指示接合，因为电机被限制沿卷绕方向的进一步运动。又如，当由电机施加的扭矩增加到大于自由运动的电机的值和/或大于由工具盘和驱动盘和/或附接特征部在接合之前彼此摩擦或滑动引起的摩擦力的值时，发生接合。类似地，在其他实施方案中，当发生接合并且在继续向电机供电以试图使驱动盘沿预定方向继续运动时，所测量的电流和/或阻抗接近并且可能达到最大预定值。当满足这些阈值中的一个或多个阈值时，控制单元210可断定在工具盘和驱动盘之间已发生接合。

控制单元210可使用其他形式的物理约束来检测驱动盘和工具盘的成功接合。例如，运动约束，诸如由端部执行器的关节(例如，仅可围绕轴线从-45度旋转到45度的关节)施加的运动范围的机械极限，或对运动的物理屏障(例如，阻止端部执行器运动的插管壁)也可用作上文针对缆线驱动的或非缆线驱动的工具所述的物理约束/硬止动件。

在一些实施方案中，外科工具240可在至少一个运动自由度上不具有物理约束/硬止动件，电机工作参数可从该至少一个运动自由度来测量。例如，工具盘244-j可负责施加端部执行器246元件围绕轴线的不受约束的旋转。然而，即使在此类不受约束的运动的情况下，控制单元210仍可通过在接合检测过程期间检测一个或多个电机工作参数的变化来检测驱动盘234-j与工具盘244-j的接合。例如，电机工作参数模式，诸如由特征部447旋转经过特征部488(并且因此彼此不接合)引起的重复扭矩峰值，指示没有接合。因此，该扭矩峰值模式的停止或不存在(当驱动盘234-j继续转动时)意味着控制单元210已检测到工具盘与驱动盘接合。

在一些实施方案中，可通过使用多个驱动盘的协调移动，和/或通过在接合第二驱动盘之前使单个驱动盘接合来创建物理约束。例如，考虑其中两个或更多个工具盘(在外科工具240的相同外壳中)通过工具240的外壳中的传动装置连接的情况，以在沿相同方向转动时，诸如当切割或夹持工具可能需要施加的力超过单个致动器238-j可提供的力时分担负载(端部执行器246)。在此类实施方案中，沿相同方向转动(其相应的驱动盘沿相同方向转动)的两个或更多个致动器驱动外科工具240内部的相同输出轴(由于外科工具240中的连接到对应工具盘的传动装置)。现在，如果发信号通知两个致动器沿相反方向移动，则一旦其中一个驱动盘接合其对应的工具盘，这就成为另一个驱动盘的物理约束(当另一个驱动盘已接合其对应的工具盘时)。当两个或更多个致动器中的一个致动器接合(其驱动盘接合其对应的工具盘)时，控制单元210通过发信号通知已接合的致动器例如进入位置保持状态来为另一个致动器创建约束。即，控制单元210将命令第一致动器238-j保持其位置，而另一个未接合的致动器238-i继续被发信号通知以驱动并因此转动或移动(朝向其驱动盘234-i和工具盘244-i之间的接合)。在该实施方案中，可监测致动器的电机工作参数中的一者或两者以检测工具盘与驱动盘对之间的接合。此外，如果确实存在硬止动件(控制单元210预期或知晓该特定工具240具有硬止动件)，则可发信号通知接合的驱动盘的致动器继续沿相同方向驱动或转动，直到检测到硬止动件。另一个致动器可继续沿相反方向转动并尝试接合，而已接合的致动器使其位置保持在硬止动件处。

返回图2，并且如上所述，由控制单元210执行的工具识别使该控制单元能够了解外科工具240的端部执行器246的特性。例如，控制单元210可使用该识别过程来确定工具240中的两个(或更多个)工具盘是否协同工作以施加端部执行器运动，该端部执行器的一种或多种运动是否受制于硬止动件或物理约束、该端部执行器的运动范围、工具240将使用哪些致动器、以及工厂定义的校准值诸如工具盘的原始位置。需注意，校准值可涵盖一范围，例如290度+/-4度。基于此类校准值，例如工具盘244-i的原始位置，并且基于对应驱动盘234-i的当前位置(使用工具驱动器230中的位置编码器确定)，控制单元210可跟踪接合过程期间的差值(当致动器被发信号通知转动时)。只要该差值大于预定阈值，则发信号通知致动器快速转动(快速旋转)，然后响应于该差值变得小于阈值(意味着驱动盘接近校准值原始位置)，发信号通知致动器缓慢转动(缓慢旋转)。并且预期这将增加检测到可靠接合的机会。

在一些实施方案中，在控制单元210检测到接合之后，控制单元210可相对于端部执行器246采取一个或多个附加动作以确认该接合。例如，控制单元210可使端部执行器经受预定的一组一种或多种运动以测试接合，诸如发信号通知驱动盘反向从而使端部执行器沿着与其在接合过程期间进行的操作相反的方向运动、使端部执行器运动以实现预期的最大运动程度等。此类运动使得控制单元210能够例如再次达到硬止动件或达到物理约束，如本文基于一个或多个电机工作参数所讨论的那样检测，以确认工具盘与驱动盘之间的机械接合。

此外，在一些实施方案中，控制单元210可利用硬止动件或物理约束来设定端部执行器的参考位置。例如，已知当端部执行器沿着某个方向达到270°旋转时将发生硬停止，控制单元210可针对对应致动器或驱动盘的位置设定校准值。然后，可基于驱动盘的旋转数、电机轴、齿轮齿数比、驱动盘/电机分度等来跟踪致动器或驱动盘的运动。

此外，在一些实施方案中，当试图实现工具盘与驱动盘的接合时，控制单元210可发信号通知由一个或多个电机在指定的时间数内、在指定的旋转数内的致动或它们的组合。当在阈值时间量、旋转数等内未实现接合时，控制单元210可向外科机器人系统的操作者(例如，图1的系统100的操作者)发出警告以分离然后重新附接外科工具240以便重启接合过程。

在控制单元210检测到驱动盘与工具盘的机械接合之后，操作者可命令外科机器人臂220的一个或多个关节的运动。如上所述，命令从一个或多个UID(例如，UID 114)接收或源自该一个或多个UID，作为来自UID的空间状态信号，这些空间状态信号被转换为控制单元210提供的对应控制信号(例如，期望的电机速度或电流和旋转方向)以使工具驱动器230的一个或多个致动器通电，从而将改变端部执行器的姿态、位置或其他状态。在一个实施方案中，在两个或更多个致动器协同地控制端部执行器的运动的情况下，诸如当两个或更多个工具盘用于以相同自由度施加端部执行器的运动时，控制单元210还执行协作控制技术以确保致动器在移动端部执行器时以互补的方式操作，分担与端部执行器的运动相关联的负载，在施加此类运动时不彼此对抗，保持致动器之间的平衡，使得一个致动器不连续地执行比其他致动器更多或更少的工作等。例如，当使用两个或更多个致动器来控制端部执行器246的钳口的打开、闭合和夹持力施加时，控制单元利用多致动器操作控制技术，该多致动器操作控制技术将两个或更多个致动器中的第一致动器识别为主致动器，并且将剩余的一个或多个致动器识别为从致动器。然后，已被提供用于发信号通知主致动器将端部执行器246移动到命令位置的位置命令还被提供用于发信号通知从致动器将端部执行器246移动到相同的命令位置。例如，如果主致动器和从致动器是复制的，则如果主致动器接收到特定的极性(其电机的旋转方向)和特定的马电机电流值以满足给定的端部执行器位置命令，则也可将相同的极性和电流值提供给每个从属致动器。然而，在一些实施方案中，可对致动器的运动如何彼此互补进行一些补偿，例如，当主致动器和从致动器的旋转方向不同时反转从致动器的极性，当电机的属性不同时调整增益(例如，所命令的电机电流的增益)等，如本文更详细地讨论。

图3为示出外科工具240、工具驱动器230和控制单元210的示例的框图。通过使其相应外壳的互补的或配对的表面彼此接触，外科工具240可与工具驱动器230附接。附接还可包括将外壳彼此紧固。此外，控制单元210可使用工具驱动器230的一个或多个传感器(未示出)来检测附接，包括从外科工具240读取识别外科工具240的数据，该数据指示哪些工具盘(例如，工具盘244-j)用于控制端部执行器246的运动，包括校准值，该校准值指示该工具是否具有硬止动件或者指示哪些工具盘有助于外科工具240中的其他工具盘的运动或通过传动装置连接到该外科工具中的其他工具盘。数据可经由在控制单元210的通信接口318与工具驱动器230中的传感器读出电路(未示出)之间建立的通信链路(例如，有线或无线链路)传输到控制单元210。然后，数据可作为接合控制程序(接合控件316)的一部分存储在存储器314中，并且可与该特定外科工具240相关联，只要该特定外科工具保持附接到工具驱动器230即可。

包括其编程处理器312的控制单元210可集成到外科机器人系统100(图1)中，例如作为控制塔103内的共享微处理器和程序存储器。另选地，控制单元210可在远程计算机中实现，诸如在与手术室不同的房间中实现，或者在与图1所示的手术场所不同的建筑物中实现。此外，尽管未示出，但控制单元210还可包括能够实现对机器人臂及其附接的工具240的手动控制的用户界面硬件(例如，键盘、触摸屏、麦克风、扬声器)、功率设备(例如，电池)以及通常与用于控制外科机器人系统的电子设备相关联的其他部件。

存储器314联接到一个或多个处理器312(为简单起见，这里统称为“处理器”)以存储供处理器312执行的指令。在一些实施方案中，存储器是非暂态的，并且可存储包括工具控件320和接合控件316的一个或多个程序模块，这些程序模块的指令将处理器312配置为执行本文所述的接合过程。换句话讲，处理器312可在作为工具控件320和接合控件316的一部分存储在存储器314中的程序、例程或指令的执行的控制下操作，以根据本文所述的方面和特征来执行方法或过程。

响应于检测到外科工具240与工具驱动器230的附接，接合控件316执行(更确切地说，将处理器312配置为执行)用于检测工具盘与对应的驱动盘(其由致动器驱动)的机械接合(诸如工具盘344-i与对应的驱动盘334-i的接合)的过程。接合控件316可以发信号通知(通过工具控件320)工具驱动器230的一个或多个致动器施加其相应的驱动盘的运动。在一些实施方案中，这些指令或信号包括为电机通电、启动电机或以其他方式向电机提供电力的指令，使得电机可产生或施加特定量的扭矩，通过施加一定的电压命令、电流命令等使驱动盘以特定的速度和方向旋转。此外，在接合检测过程期间可控制每个驱动盘的运动以最初快速启动，然后一旦接近接合或检测到接近配对特征部的对准或达到预定时间限制而未检测到接合，就缓慢下降。例如，基于驱动盘与工具盘的相对位置(其可基于已知的校准值)，致动器速度缓降至预定速度(例如，直到驱动盘在配对特征部变得对准的阈值距离内)。

接合控件316监测工具驱动器230的致动器的电机的一个或多个电机工作参数。如本文所述，电机工作参数可包括由电机施加的扭矩、提供给电机的电压、当尝试驱动电机以一定速度运动时在电机的输入驱动端子上显现出的阻抗、电机速度、以及其他电机工作参数。这些参数中的一个或多个参数可通过将它们与阈值进行比较来监测，使得当达到阈值时，则认为已发生机械接合事件(例如在工具盘344-i和驱动盘334-i之间)。如本文所述，当工具盘和驱动盘的对应配对特征部彼此对准并紧固到驱动盘的该旋转将导致例如机械接合的工具盘(如与驱动盘一起)的立即旋转和成比例旋转时，预期检测到机械接合。当一个或多个电机工作参数满足阈值(例如，达到或超过指示达到硬停止的阈值、最大扭矩、电压或阻抗值、大于克服工具240首次附接到工具驱动器230时最初出现的摩擦力所需的扭矩、电压或阻抗值)，预期检测到此类接合。因此，接合控件316推断或推论出工具盘344-i和驱动盘334-j已彼此接合(例如，相应的盘配对特征部彼此紧固)。

需注意，接合控件316不需要监测能够从工具驱动器230获得的所有电机参数的传感器读数。相反，接合控件316可基于例如外科工具240是否受制于任何硬止动件或物理运动约束、一个或多个工具盘是否协同操作(彼此协作)以在外科工具240上施加运动、工具盘是经由缆线还是直接(例如，通过齿轮箱)在外科工具240上施加运动，或它们的组合，来仅监测感兴趣的一个或多个特性，以便确定何时满足与接合相关联的阈值。

在一些实施方案中，接合控件316监测电机工作参数的模式，诸如扭矩、电压、电机速度、阻抗等的模式，这些模式是驱动盘234-j在工具盘244-j上方旋转但没有机械接合的结果。即，可测量一定量的扭矩、力、电压等，其大于自由运动的驱动盘(其中外科工具240未附接到工具驱动器230)所表现出的量，并且小于机械接合的驱动盘(当例如工具盘和驱动盘的配对特征彼此经过时，工具外壳和工具驱动器外壳接触，但不接合)。当诸如由于遇到硬止动件或物理运动约束而检测到该电机参数模式改变时，接合控件316被认为已经检测到机械接合。即使在没有可用的硬止动件或运动约束时，或者不必在将驱动盘驱动到工具的硬止动件或其他运动约束的情况下，基于监测和解释模式的电机工作模式也能够使得接合控件316检测(工具盘344-j和驱动盘334-j之间的)接合。

在一些实施方案中，当接合控件316检测到工具盘与驱动盘的机械接合时，其还可以启动验证过程或接合检查，其中工具驱动器230的致动器被发信号通知其经历预定的一组一种或多种运动，以验证检测到的接合。例如，可指示致动器使其相应的驱动盘沿着与接合方向相反的方向旋转(该方向是在最初检测到接合时驱动盘旋转的方向，例如，沿图4A所示的运动方向445)。然后，驱动盘可以沿着接合方向往回旋转，直到检测到第二接合(例如，当特定电机参数达到与工具盘达到硬止动件或运动约束一致的阈值时，当特定电机参数达到与并非仅由摩擦力(工具盘和对应驱动盘之间的摩擦力)引起的对旋转工具盘的阻力一致的阈值时，或它们的组合)。

接合控件316基于检测到工具盘与驱动盘的接合，或者基于倒计时定时器已经到期而未检测到接合，为外科机器人系统的操作者生成通知。该通知可指示已发生接合以使得外科工具240可供使用，或者指示未发生接合并且因此应重新附接外科工具240。

图5A是示出根据本公开的实施方案的使外科机器人系统的外科工具与工具驱动器接合的过程500的流程图。过程500可由根据存储在存储器中的软件配置的编程处理器(在本文中也称为处理逻辑)执行(例如，图3的处理器312和存储器314，其中处理器312根据工具控件320和接合控件316的指令来配置)。

参见图5A，处理逻辑开始于启动工具驱动器的致动器以旋转该工具驱动器的驱动盘(处理框502)。例如，处理逻辑可以启动工具驱动器(例如，工具驱动器230)的线性或旋转致动器以转动或旋转驱动盘(例如，驱动盘234-j)。此外，如本文所讨论，当机械地接合时，驱动盘(例如，盘234-j)的旋转将引起外科工具(例如，外科工具240)的对应工具盘(例如，盘244-j)的立即或直接旋转。

处理逻辑监测致动器的一个或多个电机工作参数，该一个或多个电机工作参数在启动电机的同时引起驱动盘的旋转(处理框504)。在一些实施方案中，被监测的电机的工作参数可包括扭矩、电机电流、电机速度或它们的组合。

基于一个或多个监测到的电机工作参数，处理逻辑检测驱动盘何时与工具盘机械接合(处理框506)。在一个实施方案中，当或响应于被监测的一个或多个电机工作参数中的至少一个电机工作参数满足对应的条件或阈值时，发生检测。例如，该条件可与响应于电机达到阻止工具盘进一步旋转的物理约束而发生的电机工作参数的值相关联(例如，当遇到运动的物理障碍时，达到运动范围的机械极限；当发生与另一启动的电机致动器的对立时，达到工具的端部执行器的最大运动程度，等等)。又如，该条件可表示当在旋转期间存在由驱动盘接触工具盘并抵靠该工具盘滑动而引起的摩擦力但未将驱动盘机械地闩锁或紧固到工具盘时所表现出的电机工作参数。在本文所讨论的实施方案中，当检测到驱动盘与工具盘的机械接合时，处理逻辑可执行一个或多个附加动作，诸如生成系统或操作者通知、发起一个或多个接合验证操作、存储参考值等。

图5B是示出用于基于驱动驱动盘的致动器的一个或多个电机工作参数来检测工具盘与驱动盘的接合的过程550的流程图。过程550由处理逻辑执行，该处理逻辑可包括硬连线电路和编程处理器的任何组合，其中例如过程550可由根据上述工具控件320和接合控件316编程的处理器312执行。该过程可开始于检测可拆卸外科工具已附接到外科机器人系统的机器人臂的工具驱动器(处理框552)。可基于工具驱动器的传感器进入无线检测范围内或与可拆卸外科工具中的信息存储单元导电地连接来检测附接。如本文所述，信息存储单元可包括工具标识符，并且还可包括附加的工具属性，诸如工具外壳中的若干可用工具盘中的哪些通过该外壳中的传动装置实际连接到可拆卸外科工具中的端部执行器、工具中的何种类型的传动装置控制端部执行器的运动(例如，缆线驱动、直接驱动等)、所允许的运动或旋转的方向、是否存在此类运动或旋转的任何范围、校准值(例如，缆线长度、当前缆线长度、最大绕组、工具盘的旋转位置或工具盘的原始位置等)以及本文讨论的其他工具属性。

然后启动工具驱动器的至少一个电机，使得至少一个电机旋转与工具盘(该工具盘通过外科工具中的传动装置连接以控制端部执行器的运动)对应的相关联的驱动盘(处理框554)。在一个实施方案中，向工具控件320发信号通知要提供给电机的电流、电机要达到的扭矩或运动方向，使得该电机将致使驱动盘沿预定方向以预定速度旋转。换句话讲，处理逻辑使得信号被发送到电机驱动电路，从而命令电机驱动电路向电机施加功率或为电机通电。在一些实施方案中，基于在检测到工具驱动器与可拆卸外科工具的附接时确定例如工具的类型、工具驱动器传动装置类型(例如，缆线驱动、直接驱动等)、将遇到的约束类型(例如，硬止动件、物理约束、反向运动约束)或此类因素的组合来设置预定速度。然后监测工具驱动器的至少一个电机的一个或多个电机工作参数(处理框556)。所监测的电机工作参数可对应于由处理逻辑控制以引起电机运动的那些参数(例如，扭矩、速度)。

返回图5B，处理逻辑重复检查以查看是否已满足接合条件，例如，所监测的电机工作参数已达到阈值(处理框558)。如果是这样，则标记机械接合事件，这表示驱动盘已与其对应的工具盘机械接合(处理框564)。如本文所讨论，阈值指示与驱动盘的机械接合相关联的条件。例如，当与在预定速度或速率下的电机相关联的扭矩、电流或阻抗超过与仅遇到工具驱动器与工具盘摩擦力的电机相关联的值时，预期机械接合。该阈值可以是大于克服此类摩擦力所需的扭矩、电压、阻抗等的值。又如，端部执行器的运动可受制于物理约束，诸如关节的最大运动范围、硬止动件(例如，由插管壁施加)、另一个驱动盘的反向运动以及其他物理约束。在这种情况下，电机的运动速度和方向被选择为使端部执行器或工具盘朝向物理约束推进。然后，当达到物理约束时，监测到的扭矩、电流、阻抗将达到最大峰值，而速度将下降到零。在该示例中，一个阈值可指被设定成接近其最大值的扭矩或电机电流，并且另一阈值可指被设定成低于电机在驱动盘旋转期间的标称速度的速度(例如，基本上为零)。因此，这两个阈值用作对彼此进行检查以使对接合的检测更稳健。

响应于检测到的驱动盘与对应工具盘的接合，停止驱动盘的运动(处理框566)。在一个实施方案中，当运动停止时，可存储与端部执行器的该位置或状态相关联的一个或多个参考值以供稍后参考和使用。例如，在使用物理约束来检测接合的情况下，可存储该时刻的电机的分度值、旋转计数等，并且稍后用于在物理约束处或附近重新定位端部执行器。物理约束可以是例如最大缆线长度、插管壁、运动范围的最大值等。此外，在缆线驱动的工具的情况下，为了防止缆线的过度张紧，可响应于在框558处执行的检测而同时或几乎同时停止驱动盘的运动或停用电机。

一旦在处理框567(其中上文在框554-556-558-564-566中所述的过程可能已针对每个相应的驱动盘执行)中检测到所有相关的驱动盘(对应于特定外科工具的使用中的工具盘的那些驱动盘)的接合，则生成工具接合的通知(处理框568)。该通知可以是由外科机器人系统的用户界面硬件生成的视觉通知(例如，图形用户界面通知)、听觉通知(例如，音调、声音等)、感觉通知(例如，触觉通知)或此类通知的组合。

简要地返回处理框558，当不满足接合条件(例如，监测到的电机工作参数不满足阈值，使得工具盘和对应的驱动盘的机械接合未发生)时，执行对是否已达到时间或旋转限制的确定(处理框560)。接合失败可能是由于断裂的缆线、工具盘和驱动器盘彼此之间的距离不够接近而导致无法接合等)。时间限制可为允许驱动盘旋转而不检测与工具盘的机械接合的预定的最大时间间隔(倒计时定时器值)。类似地，旋转限制可为施加其相应驱动盘一次或多次完整旋转所需的电机旋转次数。例如，如果旋转限制与驱动盘的一次完整旋转相关联，则假设接合应在驱动盘的单次旋转内发生。如果未达到时间限制、旋转限制或限制的某种组合(处理框560)，则继续监测一个或多个电机工作参数值(返回到处理框556)。然而，如果达到一个或多个限制(处理框560)，则生成与处理框568的通知类似的、已发生错误并且工具接合已失败的通知(处理框562)。在这种情况下，可以指示外科系统的操作者将外科工具与工具驱动器分离，然后重新附接它们以重启图5B的接合过程。

现在转到图5C，这是作为外科机器人系统的一部分的由控制单元执行的用于使外科机器人工具与工具驱动器接合的过程的示意图。该系统包括图2所示的外科机器人工具240，该外科机器人工具在其近侧端部处具有一个或多个工具盘并且在其远侧端部处具有端部执行器，如图所示。如图所示，工具驱动器(例如，工具驱动器230)安装在外科机器人臂220的远侧端部处，其中工具驱动器230具有一个或多个驱动盘234，每个驱动盘由工具驱动器的外壳内的旋转电机驱动。每个驱动盘234将被附接到外科工具240的工具盘244，以向端部执行器246施加运动。

继续参见图5C，用于使工具盘与驱动盘接合的过程由控制单元执行，并且具体地由该控制单元的被配置为(或被编程为)进行此操作的一个或多个处理器执行。操作可开始于检测外科工具附接到工具驱动器(框582)；这可由处理器无线地或经由读取已与工具驱动器接触的工具的标识或其他属性的有线连接来完成，使得工具盘与对应或相应的驱动盘接触。然后，控制单元可通过旋转电机致动每个驱动盘(框584)，并且在致动期间检测驱动盘是否接合到相应的工具盘(框586)；当驱动盘和工具盘的一对联接特征部(可存在多于一对，例如，如图4A至图4C所示的两对，或更多)变为互锁时，驱动盘被认为是接合到工具盘。为了检测接合，控制单元识别所感测的电机状态(致动器的状态或其电机工作参数)的变化，包括旋转电机的速度下降到低于预定的速度阈值并且旋转电机的扭矩上升到高于预定的扭矩阈值。速度阈值可对应于电机基本上停止的速度，其中扭矩阈值是介于以下两者之间的值：i)在接合之前电机克服驱动盘与工具盘之间的摩擦力的最小扭矩；以及ii)电机产生的最大扭矩。电机状态的变化可由下述项中的至少一者引起：端部执行器达到关节极限、端部执行器上的外力、由于工具驱动器的另一个电机被启动而引起的运动约束，以及它们的组合。根据具体的外科工具，可存在用于操作端部执行器的多于一个工具盘。在这种情况下，还对每个附加工具盘(其在工具驱动器中具有对应的驱动盘)执行上述接合过程。然后该过程继续进行到框588，其中控制单元发信号通知例如外科机器人系统的用户界面子系统以报告外科工具的接合，但仅在用于特定工具的所有工具盘已被检测为与其相应的驱动盘接合的情况下才进行。

在一个实施方案中，反馈回路可用于监测一个或多个电机工作参数并检测何时达到阈值。图6示出了用于使用速度反馈来控制工具驱动器的电机的速度的反馈回路的框图。反馈回路可在硬件、固件、软件或它们的组合中实现。控制器602接收速度命令。控制器602可为例如比例积分微分控制器(例如，图7的PID控制器702)，该比例积分微分控制器提供回路/反馈机制以提供适当的电机电流(例如，控制器输出ctrlr out)，从而以速度命令(也称为速度设定值)的速度和方向驱动电机/致动器604。例如，该方向可以是缆线驱动的工具盘244-j的卷绕方向。又如，该方向可以是将与另一电机的运动相反的方向，该另一电机的附接的工具盘244-i应与工具盘244-j协作。又如，该方向可以是使电机朝向硬止动件(诸如物理屏障或运动范围的机械极限)推进端部执行器的方向。在一个实施方案中，控制器602可使用各种值，诸如实现速度所需的扭矩、实现速度所需的电流、指示速度的阻抗等，作为用于生成到电机/致动器604的控制器电流输出的量度。

传感器诸如扭矩传感器、速度传感器或这些传感器的组合测量电机/致动器的实际速度。然后将实际速度作为反馈提供回控制器602，该控制器可基于电机的实际速度与命令速度之间的差异来计算误差。控制器602通过调节其控制器输出例如对电机/致动器604的电机电流命令、电机/致动器604要实现的扭矩、阻抗值等来响应该差异，该控制器输出将使得电机/致动器604朝速度命令或设定值移动。在一些实施方案中，控制器602可输出作为执行反馈回路的结果而计算的电机工作参数，诸如扭矩、电流、阻抗、速度等。

在另一个实施方案中，控制器602可包括饱和块(未示出)以确保控制器输出(例如，控制电机电流的值)不超过阈值，例如电流阈值、扭矩阈值、阻抗阈值。由饱和块使用或输入到饱和块的值可以是两用的，即也用作提供给处理器的电机工作参数值(用于在接合过程期间被监测的目的)。

图7示出了反馈回路的框图，该反馈回路包括用于控制工具驱动器的电机的速度的控制器702。在一个实施方案中，控制器702是比例积分(PI)控制器，并且可在控制器602内使用，并且可部分地实现为硬件、固件、软件或它们的组合。

控制器702接收速度命令(例如，控制变量设定值)。控制器702提供回路/反馈机构以调节和提供适当的电流(例如，控制器输出)，从而以速度命令/设定值的速度和方向驱动电机/致动器704。例如，该方向可以是缆线驱动的外科工具的工具盘的卷绕方向。又如，该方向可以是将与工具驱动器的另一电机的运动相反的方向。又如，该方向可以是使电机朝向硬止动件(诸如物理屏障或运动范围的机械极限)推进端部执行器的方向。在一个实施方案中，控制器702可使用各种值，诸如实现速度所需的扭矩、实现速度所需的电流、指示速度的阻抗等，作为用于生成到电机/致动器704的控制器电流输出的量度。

对原始速度命令进行调整，诸如比例调整(例如，块k_p)以调整与误差成比例的速度(例如，如由反馈所确定的)，以及积分调整(例如，块k_i)以调整速度以考虑随时间推移积分的过去误差。积分调整还可使用由块k_b生成的恢复项来调整，该恢复项在用于抗积分饱和的反馈回路中，以进一步调整积分调整的值。经积分调整的值可通过块1/s进一步调整(例如，在被添加到经比例设定值调整的值之前)。在一个实施方案中，可如图所示在控制器702中使用饱和块，以确保控制提供给电机的电流的值不超过阈值，例如电流阈值、扭矩阈值、阻抗阈值等。在由上述块执行调整并且所得的电流命令值不超过饱和块中设置的值之后，可将电流命令(例如，已基于反馈和PI调整校正的经调整命令)馈送到电流放大器中，使得可将进入电机致动器704的命令电流放大一个系数。该系数可基于电机/致动器704的特性、基于来自电机/致动器704的反馈等来固定。根据放大的电流来启动电机/致动器704，并且将关于电机/致动器704的速度响应的反馈(例如，由与电机联接的传感器确定的速度、扭矩、速度等)提供给由控制器702实现的反馈回路。

如上所述，由饱和块使用(或输入到饱和块)的值可用作提供给处理器的电机工作参数值，以便在接合过程期间进行监测，例如，表示当前电机电流或当前电机阻抗。

在另一个实施方案中，反馈可用作提供给处理器的电机工作参数值，以便在接合过程期间进行监测。在控制器702中计算的其他变量(例如，经调整的和未经调整的)可用作监测的电机工作参数。

包括下文在说明书摘要中描述的内容在内的本发明的示出的实施方案的上述描述并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然出于示例性目的在此描述了本发明的具体实施方案和示例，本领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可以进行各种修改。例如，尽管图4A至图4C示出了具有将工具盘244连接到端部执行器(未示出)的缆线驱动的传动装置的外科工具240，上述接合过程也适用于具有不同传动装置(不一定是缆线驱动)的其他类型的外科工具。可按照以上详细描述对本发明进行这些修改。在以下权利要求中使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书中公开的具体实施方案。相反，本发明的范围将完全由以下权利要求书来确定，该权利要求书应根据已确立的权利要求解释原则来理解。

Claims (20)

1.一种用于使机器人外科工具与工具驱动器接合的外科机器人系统，所述外科机器人系统包括：

机器人外科工具，所述机器人外科工具具有位于近侧端部处的一个或多个工具盘和位于远侧端部处的端部执行器；

工具驱动器，所述工具驱动器安装在外科机器人臂的远侧端部处，所述工具驱动器具有各自由旋转电机驱动的一个或多个驱动盘，每个驱动盘被配置用于附接到所述外科工具的工具盘以向所述端部执行器施加运动；

控制单元，所述控制单元包括一个或多个处理器，所述处理器被配置为：

检测所述外科工具附接到所述工具驱动器；

通过所述旋转电机致动每个驱动盘；

在所述致动期间，检测驱动盘是否接合到相应的工具盘；并且

当已检测到所述驱动盘中的每个驱动盘与相应工具盘的接合时，报告所述外科工具的接合。

2.根据权利要求1所述的系统，其中当所述驱动盘和所述工具盘的一对联接特征部互锁时，所述驱动盘接合到所述工具盘。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述接合由所述处理器基于所感测的电机状态的变化来检测，所述电机状态的变化包括所述旋转电机的速度下降到低于预定的速度阈值并且所述旋转电机的扭矩上升到高于预定的扭矩阈值。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述速度阈值对应于所述电机基本上停止的速度，其中所述扭矩阈值是介于以下两者之间的值：i)在接合之前所述电机克服所述驱动盘与所述工具盘之间的摩擦力的最小扭矩；以及ii)所述电机产生的最大扭矩。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述电机状态的变化由下述项中的至少一者引起：所述端部执行器达到关节极限、所述端部执行器上的外力、由于所述工具驱动器的另一个电机被启动而引起的运动约束，以及它们的组合。

6.一种用于使外科机器人系统的外科工具与工具驱动器接合的方法，所述方法包括：

启动所述工具驱动器的致动器以旋转驱动盘，其中所述驱动盘将与所述外科工具中的工具盘机械接合；

当所述致动器被启动，引起所述驱动盘的旋转时，监测所述致动器的一个或多个工作参数；以及

基于监测到的所述一个或多个工作参数来检测所述驱动盘何时与所述工具盘机械接合。

7.根据权利要求6所述的方法，其中检测所述驱动盘何时与所述工具盘机械接合包括：

确定所述一个或多个电机工作参数满足条件。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述电机工作参数包括扭矩、电机电流、电机速度或它们的组合。

9.根据权利要求7所述的方法，其中确定所述一个或多个电机工作参数满足条件包括：

确定所测量的所述致动器的扭矩超过阈值扭矩并且所测量的所述致动器的速度低于阈值速度，其中所述阈值扭矩大于在没有机械接合的情况下在旋转期间所述驱动盘与所述工具盘之间的摩擦力，并且其中所述阈值速度基本上为零。

10.根据权利要求7所述的方法，其中所述条件表示所述致动器达到物理约束而阻止所述驱动盘的进一步旋转。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述物理约束包括所述外科机器人工具的预定义运动约束，其中所述工具盘正在卷绕缆线，并且其中所述物理约束包括由也正在卷绕所述缆线或正在保持所述缆线的位置的第二驱动盘引起的运动约束。

12.根据权利要求6所述的方法，其中被监测的所述一个或多个电机工作参数由一个或多个传感器采集。

13.根据权利要求6所述的方法，其中所述驱动盘和所述工具盘包括一对或多对联接特征部，其中当实现机械接合时，每对联接特征部变得彼此互锁以作为一体旋转。

14.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：

启动所述工具驱动器的所述致动器以使所述驱动盘以第一速度旋转；以及

当所述致动器到达距参考位置的阈值角度内时，启动所述工具驱动器的所述致动器以使所述驱动盘以低于所述第一速度的第二速度旋转，其中所述参考位置对应于已知的经校准接合位置。

15.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：

检测到所述驱动盘中的至少一个驱动盘未能与对应的工具盘机械接合；以及

为所述外科机器人系统的操作者生成指示未成功接合的通知。

16.一种外科机器人系统，所述外科机器人系统包括：

工具驱动器，所述工具驱动器包括被配置为使一个或多个驱动盘旋转的一个或多个致动器；

机器人外科工具，所述机器人外科工具与所述工具驱动器附接，所述外科工具包括被配置为对所述外科工具的端部执行器施加运动的一个或多个工具盘；

控制单元，所述控制单元包括存储器和与所述工具驱动器可通信地联接的处理器，所述控制单元被配置为：

启动所述工具驱动器的致动器以旋转驱动盘使其与所述外科工具中的工具盘接合；

当所述致动器被启动，引起所述驱动盘的旋转时，监测所述致动器的一个或多个工作参数；

基于监测到的所述致动器的所述一个或多个工作参数来检测所述驱动盘何时与所述工具盘接合；以及

当所述一个或多个驱动盘中的每个驱动盘与对应的工具盘接合时，报告所述外科工具与所述工具驱动器的接合。

17.根据权利要求16所述的外科机器人系统，其中所述控制单元被进一步配置为：

检测被监测的一个或多个电机工作参数满足接合条件。

18.根据权利要求17所述的外科机器人系统，其中所述电机工作参数包括扭矩、电流、速度或它们的组合。

19.根据权利要求17所述的外科机器人系统，其中所述接合条件包括所述致动器的速度下降到低于预定阈值速度，并且所述致动器的电机电流超过阈值电流。

20.根据权利要求17所述的外科机器人系统，其中所述接合条件对应于由所述致动器达到物理约束而阻止所述驱动盘的进一步旋转引起的工作参数的变化。

Images