CN113456238A

CN113456238A - 器械碰撞检测与反馈

Info

Publication number: CN113456238A
Application number: CN202110767139.9A
Authority: CN
Inventors: P·卡梅伦
Original assignee: Titan Medical Inc
Current assignee: Titan Medical Inc
Priority date: 2015-05-01
Filing date: 2015-12-15
Publication date: 2021-10-01
Also published as: CA2984092A1; US20180132956A1; EP3288720A1; WO2016176755A1; US20200330175A1; CN107530875B; CN107530875A; US20230355334A1; US11648073B2; EP3288720A4; CA2984092C; CN113491582A; CA3177820A1; US10729503B2

Abstract

一种机器人手术系统，其包括插入管、第一和第二手术工具和处理器。第一和第二手术工具包括工具定位器和末端执行器。处理器被配置为基于对输入装置的操作产生控制信号；响应于在输入设备处接收到的操作，确定新的末端执行器位置和取向；基于新的末端执行器位置取向，确定铰接区段的定位；对于第一手术工具，基于铰接区段的确定的定位，确定沿着铰接区段的多个点的位置；对于第二手术工具，基于铰接区段的确定的定位，确定沿着铰接区段的至少一个点；确定从沿着第一手术工具的铰接区段的多个点中的每个点到沿着第二手术工具的铰接区段的至少一个点的一组距离；响应于确定至少一个距离满足接近度阈值，产生指示已经满足接近度标准的反馈信号。

Description

器械碰撞检测与反馈

本申请是申请日为2015年12月15日、申请号为201580079340.0、发明名称为：“器械碰撞检测与反馈”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本披露涉及例如用于腹腔镜手术的主从式机器人系统、并且更具体地涉及在手术过程中防止手术工具和/或机器人操纵器碰撞。

背景技术

在以靠近的接近度部署多个灵巧工具时，当器械彼此物理接触时，可能会出现多种情况。这些灵巧工具的部分可能不旨在彼此接触。这些工具在其灵巧区段上的点处发生接触可以致使联接至这些灵巧工具上的末端执行器进行所不旨在的或不期望的运动。例如，这些工具可能会被彼此捕获，并且在释放时可能会晃动，从而导致工具突然和/或意外的移动。

发明内容

本披露描述了一种操作机器人控制系统的方法，所述机器人控制系统包括主控设备和从属系统，所述主控设备与具有能够平移和旋转移动的对应的手柄的多个输入装置通信，并且所述从属系统具有与各对应的手柄相应的工具定位装置，每个工具定位装置固持具有末端执行器的对应工具，所述末端执行器的位置和取向是响应于对应的手柄的位置和取向来确定的。所述方法涉及响应于对应的相应手柄的当前位置和当前取向，来致使与所述主控设备相关联的至少一个处理器电路产生相应的末端执行器的所希望的新的末端执行器位置和所希望的新的末端执行器取向。所述方法进一步涉及致使所述至少一个处理器电路使用所述希望的新的末端执行器位置和取向，来确定从沿着第一工具定位装置的第一多个点中的各个点到沿着至少一个其他工具定位装置的多个点中的各个点的距离，并且致使所述至少一个处理器电路确定所述距离中的任一者是否满足接近度标准。所述方法进一步涉及致使所述至少一个处理器电路告知与满足所述接近度标准的距离相关联的工具定位装置所关联的手柄的操作者以指明已经满足了所述接近度标准。

致使所述至少一个处理器电路告知所述操作者可以涉及：致使所述至少一个处理器电路向与满足所述接近度标准的所述距离相关联的工具定位装置所关联的手柄所关联的输入装置发信号，以致使与满足所述接近度标准的所述距离相关联的工具定位装置所关联的手柄向所述操作者呈现出触觉反馈，所述触觉反馈阻碍这些手柄沿着会使满足所述接近度标准的距离缩短的方向移动。

致使所述至少一个处理器电路告知所述操作者可以涉及：致使所述至少一个处理器电路产生致使警报器通知所述接近度标准已经被满足的通知信号。

致使所述至少一个处理器电路产生通知信号可以包括：致使所述至少一个处理器电路产生显示器控制信号，所述显示器控制信号用于致使显示器描绘出指明满足了所述接近度标准的所述距离的视觉表示。

致使所述至少一个处理器电路产生通知信号可以包括：致使所述至少一个处理器电路产生音频控制信号，所述音频控制信号用于致使音频装置提供指明满足了所述接近度标准的所述距离的可听见的声音。

所述方法可以进一步涉及致使所述至少一个处理器电路使与满足所述接近度标准的所述距离相关联的所有工具定位装置不能移动。

致使所述至少一个处理器电路使与满足所述接近度标准的所述距离相关联的所有定位装置不能移动可以涉及：致使所述至少一个处理器电路向与所述距离相关联的所述定位装置所关联的相应的从属系统传输控制信号，当所述接近度标准没有被满足时，各个控制信号指明基于对应手柄的当前位置和取向的当前的末端执行器位置和取向；并且当所述接近度标准被满足时致使所述至少一个处理器电路来使被传输至与满足所述接近度标准的所述距离相关联的所述工具定位装置所关联的所述从属系统的所述控制信号指明相应的所述相关联的末端执行器的先前的位置和取向。

所述方法可以涉及：当不再满足所述接近度标准时致使所述至少一个处理器电路使得与满足所述接近度标准的距离相关联的所述工具定位装置能够移动。

产生所希望的新的末端执行器位置和所希望的新的末端执行器取向可以包括：致使所述至少一个处理器电路从各输入装置接收表示所述对应输入装置的所述手柄的对应地当前位置和当前取向的当前手柄位置信号

和当前手柄取向信号(R_MCURR)；并且致使所述至少一个处理器电路响应于对应的所述当前手柄位置信号

和所述当前手柄取向信号(R_MCURR)、针对对应的工具定位装置、产生限定所述末端执行器的对应地所述希望的新的末端执行器位置以及所述希望的新的末端执行器取向的新的末端执行器位置信号

和新的末端执行器取向信号(R_EENEW)。

致使所述至少一个处理器电路接收所述当前手柄位置信号和所述当前手柄取向信号可以涉及致使所述至少一个处理器电路周期性地接收所述当前手柄位置信号和所述当前手柄取向信号。

所述方法可以涉及：致使所述至少一个处理器电路接收由操作者控制的启动信号；并且致使所述至少一个处理器电路检测所述启动信号的状态变化，并且当检测到所述变化时：将所述当前手柄位置信号

和所述当前手柄取向信号(R_MCURR)对应地存储为主基础位置信号

和主基础取向信号(R_MBASE)；并且将所述新的末端执行器位置信号

和所述新的末端执行器取向信号(R_EENEW)对应地存储为末端执行器基础位置信号

和末端执行器基础取向信号(R_EEBASE)。

致使所述主控设备产生所述新的末端执行器位置信号

和所述新的末端执行器取向信号(R_EENEW)可以涉及主控设备根据以下关系式计算新的末端执行器位置信号和新的末端执行器取向信号：

和

R_EENEW＝R_EEBASER_MBASE ^-1R_MCURR

这些工具定位装置各自可以涉及多个区段，每个区段包括多个椎骨，并且所述多个点各自的所述点中的至少一些点可以是位于对应区段或区段的椎骨上的点。

所述方法可以涉及：针对每个工具定位装置，致使所述至少一个处理器电路基于针对与所述工具定位装置相关联的所述末端执行器计算出的所述希望的新的末端执行器位置和取向，来计算从与所述工具定位装置相关联的参考点到所述工具定位装置的区段上的点的矢量。

所述方法可以涉及：致使所述至少一个处理器电路基于所述区段上的点的位置来计算与所述区段相关联的至少一个椎骨的位置。

本披露进一步描述了一种被编码有代码的非瞬态计算机可读介质，所述代码用于致使处理器电路执行上文所描述的方法中的任何一种方法。

本披露进一步描述了一种用于机器人控制系统中的设备，所述设备与具有能够平移和旋转移动的对应的手柄的多个输入装置通信，并且所述机器人控制系统包括具有与各对应的手柄相应的工具定位装置的从属系统，每个工具定位装置固持具有末端执行器的对应工具，所述末端执行器的位置和取向是响应于对应的手柄的位置和取向来确定的。所述设备包括用于响应于对应的相应手柄的当前位置和当前取向来产生相应的所述末端执行器的所希望的新的末端执行器位置和所希望的新的末端执行器取向的装置；以及用于基于所述希望的新的末端执行器位置和取向来确定从沿着第一工具定位装置的第一多个点中的各个点到沿着至少一个其他工具定位装置的多个点中的各个点的距离的装置。所述设备进一步包括：用于确定所述距离中的任何距离是否满足接近度标准的装置；以及用于告知与满足所述接近度标准的距离相关联的工具定位装置所关联的手柄的操作者以指明已经满足了所述接近度标准的装置。

所述用于告知操作者的装置可以包括：用于向与满足所述接近度标准的所述距离相关联的工具定位装置所关联的手柄所关联的输入装置发信号的装置，以致使与满足所述接近度标准的距离相关联的工具定位装置所关联的手柄向所述操作者呈现出触觉反馈，所述触觉反馈阻碍这些手柄沿着会使满足所述接近度标准的距离缩短的方向移动。

所述用于告知操作者的装置可以包括：用于产生致使警报器通知所述接近度标准已经被满足的通知信号的装置。

所述用于产生通知信号的装置可以包括：致使所述至少一个处理器电路产生显示器控制信号，所述显示器控制信号用于致使显示器描绘出指明满足了所述接近度标准的所述距离的视觉表示。

所述用于产生所述通知信号的装置可以包括：用于产生音频控制信号的装置，所述音频控制信号用于致使音频装置提供指明满足了所述接近度标准的所述距离的可听见的声音。

所述设备可以进一步包括：用于使与满足所述接近度标准的所述距离相关联的所有工具定位装置不能移动的装置。

所述用于使与满足所述接近度标准的任何距离相关联的所有定位装置不能移动的装置可以包括：用于向与所述距离相关联的所述定位装置所关联的相应的从属系统传输控制信号的装置，当所述接近度标准没有被满足时，各个控制信号指明基于对应手柄的当前位置和取向的当前的末端执行器位置和取向；以及用于，当所述接近度标准被满足时，致使被传输至与满足所述接近度标准的所述距离相关联的所述工具定位装置所关联的所述从属系统的所述控制信号指明相应的所述相关联的末端执行器的先前的位置和取向的装置。

所述设备可以包括：用于，当不再满足所述接近度标准时，使得与满足所述接近度标准的所述距离相关联的所述工具定位装置能够移动的装置。

所述用于产生所述希望的新的末端执行器位置和所希望的新的末端执行器取向的装置可以包括：用于从各输入装置接收表示所述对应输入装置的所述手柄的对应地当前位置和当前取向的当前手柄位置信号

和当前手柄取向信号(R_MCURR)的装置；以及用于响应于所述对应的当前手柄位置信号

和新的末端执行器取向信号(R_EENEW)的装置。

用于接收所述当前手柄位置信号和所述当前手柄取向信号的所述装置可以包括用于周期性地接收所述当前手柄位置信号和所述当前手柄取向信号的装置。

所述设备可以包括用于接收由所述操作者控制的启动信号的装置；用于检测所述启动信号的状态变化的装置；以及用于，当检测到所述变化时，将所述当前手柄位置信号

和主基础取向信号(R_MBASE)的装置。所述设备可以进一步包括当检测到所述变化时，用于将所述新的末端执行器位置信号

和末端执行器基础取向信号(R_EEBASE)的装置。

用于计算所述新的末端执行器位置信号

和所述新的末端执行器取向信号(R_EENEW)的所述装置可以包括用于根据以下关系式来计算所述新的末端执行器位置信号和所述新的末端执行器取向信号的装置：

和

R_EENEW＝R_EEBASER_MBASE ^-1R_MCURR

这些工具定位装置各自可以包括多个区段，每个区段包括多个椎骨，并且所述多个点各自的所述点中的至少一些点可以是位于对应区段或区段的椎骨上的点。

所述设备可以包括用于，基于针对与所述工具定位装置相关联的所述末端执行器计算出的所述希望的新的末端执行器位置和取向，来计算从与所述工具定位装置相关联的参考点到所述工具定位装置的区段上的点的、到沿着各工具定位装置的点的矢量的装置。

所述设备可以包括用于基于所述区段上的所述点的位置来计算与所述区段相关联的至少一个椎骨的位置的装置。

本披露进一步描述了一种用于机器人控制系统中的设备，所述设备与具有能够平移和旋转移动的对应的手柄的多个输入装置通信，并且从属系统具有与各对应的手柄相应的工具定位装置，每个工具定位装置固持具有末端执行器的对应工具，所述末端执行器的位置和取向是响应于对应的手柄的位置和取向来确定的。所述设备包括至少一个处理器电路，所述至少一个处理器电路被配置成响应于对应的相应手柄的当前位置和当前取向来产生相应的末端执行器的所希望的新的末端执行器位置和所希望的新的末端执行器取。并且所述至少一个处理器电路被配置成使用所述希望的新的末端执行器位置和取向，来确定从沿着第一工具定位装置的第一多个点中的各个点到沿着至少一个其他工具定位装置的多个点中的各个点的距离。所述设备进一步包括：至少一个处理器电路，该至少一个处理器电路被配置成用于确定所述距离中的任一者是否满足接近度标准；并且用于告知与满足所述接近度标准的距离相关联的工具定位装置所关联的手柄的操作者，以指明已经满足了所述接近度标准。

所述至少一个处理器电路可以被配置成用于通过以下方式告知操作者，即，向与满足所述接近度标准的所述距离相关联的工具定位装置所关联的手柄所关联的输入装置发信号，以致使与满足所述接近度标准的所述距离相关联的工具定位装置所关联的手柄向所述操作者呈现出触觉反馈，所述触觉反馈阻碍这些手柄沿着会使满足所述接近度标准的距离缩短的方向移动。

所述至少一个处理器电路可以被配置成用于通过以下方式告知操作者，即，产生致使警报器通知所述接近度标准已经被满足的通知信号。

所述通知信号可以包括显示器控制信号，所述显示器控制信号用于致使显示器描绘出指明满足了所述接近度标准的所述距离的视觉表示。

所述通知信号可以包括音频控制信号，所述音频控制信号用于致使音频装置提供指明满足了所述接近度标准的所述距离的可听见的声音。

所述至少一个处理器电路可以进一步被配置成用于使与满足所述接近度标准的所述距离相关联的所有工具定位装置不能移动。

所述至少一个处理器电路可以被配置成用于通过以下方式来使与满足所述接近度标准的所述距离相关联的所有定位装置不能移动：向与所述距离相关联的所述定位装置所关联的相应的从属系统传输控制信号，当所述接近度标准没有被满足时，各个所述控制信号指明基于对应手柄的当前位置和取向的当前的末端执行器位置和取向；并且当所述接近度标准被满足时，致使被传输至与满足所述接近度标准的所述距离相关联的所述工具定位装置所关联的所述从属系统的所述控制信号指明相应的所述相关联的末端执行器的先前的位置和取向。

所述至少一个处理器电路可以进一步被配置成当不再满足所述接近度标准时使得与满足所述接近度标准的所述距离相关联的所述工具定位装置能够移动。

所述至少一个处理器电路可以被配置成用于通过以下方式来产生所述希望的新的末端执行器位置和所希望的新的末端执行器取向：从各输入装置接收表示所述对应输入装置的所述手柄的对应地当前位置和当前取向的当前手柄位置信号

和当前手柄取向信号(R_MCURR)；并且响应于对应的所述当前手柄位置信号

和新的末端执行器取向信号(R_EENEW)。

所述至少一个处理器电路可以被配置成用于周期性地接收所述当前手柄位置信号和所述当前手柄取向信号。

所述至少一个处理器电路可以被配置成用于接收由操作者控制的启动信号，并且用于检测所述启动信号的状态变化，并且当检测到所述变化时：将所述当前手柄位置信号

和末端执行器基础取向信号(R_EEBASE)。

所述至少一个处理器电路可以被配置成用于根据以下关系式来计算所述新的末端执行器位置信号

和所述新的末端执行器取向信号(R_EENEW)：

和

R_EENEW＝R_EEBASER_MBASE ^-1R_MCURR

所述至少一个处理器电路可以被配置成用于针对每个工具定位装置，基于针对与所述工具定位装置相关联的所述末端执行器计算出的所述希望的末端执行器位置，来计算从与所述工具定位装置相关联的参考点到所述工具定位装置的区段上的点的矢量。

所述至少一个处理器电路可以被配置成用于基于所述区段上的所述点的位置来计算与所述区段相关联的至少一个椎骨的位置。

本领域的普通技术人员在结合附图审阅以下特定实施例的描述后将清楚本披露的其他方面和特征。

附图说明

在展示了本文所描述的多种不同实施例的附图中，

图1是根据本发明一个实施例的腹腔镜手术系统的图形表示；

图2是图1所示的腹腔镜手术系统的主控子系统的输入装置的斜视图；

图3是由图1所示的系统的主控设备维持的、并且根据图8所示的功能更新的当前值缓冲器和先前值缓冲器的示意性表示；

图4是图2所示的输入装置和图1所示的从属子系统的工具定位装置的斜视图，示出了输入装置的基础轴线与末端执行器的基础轴线之间的关系；

图5是图4所示的工具定位装置的斜视图，其在图1所示的系统的插入管中带有由插入管固持的、呈末端执行器形式的工具；

图6是流程图，展示了由图1所示的系统所产生和使用的某些功能和某些信号；

图7是主控设备响应于检测到对使用者输入作出反应而产生的启动信号的信号传输而执行的存储例程的流程图；

图8是图6所示的流程图的末端执行器位置和取向计算框的流程图；

图9是图1所示的从属子系统的左手工具定位装置和右手工具定位装置的透视图；

图10是流程图，表示了由图1所示的主控子系统的主控设备所执行的代码，以用于提供对腹腔镜手术工具的接近度计算；

图11是左手工具定位装置和右手工具定位装置的接近度的视觉表示的示意图；

图12是图1所示的从属子系统的左手工具定位装置和右手工具定位装置的透视图，其中没有满足接近度标准；并且

图13是图1所示的从属子系统的左手工具定位装置和右手工具定位装置的透视图，其中满足了接近度标准。

具体实施方式

参见图1，总体上用50示出了呈腹腔镜手术系统形式的机器人控制系统。系统50包括主控子系统52和从属子系统54。主控子系统52可以位于世界上的任何地方，但是出于本描述的目的，其会被考虑成在手术室内。从属子系统54位于手术室中。

在所示的实施例中，主控子系统52包括工作站56，在这个实施例中工作站具有第一输入装置58和第二输入装置60以及与主控设备64通信的查看器62，主控设备包括至少一个处理器电路。在其他实施例中，可以存在更多个输入装置。第一输入装置58和第二输入装置60各自包括相应的手柄105和102。在这个实施例中，第一输入装置58和第二输入装置60可操作成被操作者(例如，外科医生、例如会通过操纵主控子系统52的第一和第二输入装置来控制从属子系统54上的对应工具66和67执行腹腔镜手术的人)的对应的手来致动。

查看器62可以包括LCD显示器68，以例如用于显示从属子系统54上的相机70所捕捉到的图像，以便使操作者能够在操纵第一输入装置58和第二输入装置60的同时看到患者体内的工具66和67，从而致使这些工具按所希望的方式移动来执行手术。第一输入装置58和第二输入装置60产生被主控设备64接收的位置信号和取向信号，并且主控设备产生通过缆线72或以无线方式例如从主控子系统52传输到从属子系统54的从属控制信号。

从属子系统54包括从属计算机74，从属计算机接收来自主控子系统52的从属控制信号并且产生马达控制信号来控制从属子系统的工具控制器78的驱动机构上的马达76，以使相应的工具定位装置79和81的控制缆线(未示出)伸出和缩回至某个位置以及使工具66和67旋转。在PCT/CA2013/001076中描述了针对此目的的示例性工具定位装置和工具，该文献通过援引并入本文。一般而言，会存在与输入装置58和60各自相关联的工具与工具定位装置。在所示的实施例中，工具定位装置79和81延伸穿过插入管61，该插入管的一部分穿过小切口63插入患者体内，以将工具66和67的末端执行器71和73定位在患者体内以便于手术。

在所示的实施例中，工作站56具有支撑件80，该支撑件具有平坦表面82，以用于将第一输入装置58和第二输入装置60支撑在对其手正在致动该第一输入装置58和第二输入装置60的使用者而言舒适的位置中。

在所示的实施例中，从属子系统54包括从属计算机74位于其中的手推车84。手推车84具有机械地连接至其上的铰接臂86，工具固持器安装座88被布置在铰接臂的远端处。

输入装置

在所示的实施例中，第一输入装置58和第二输入装置60是相同的，但是被对应地针对左手和右手使用加以单独适配。在这个实施例中，输入装置58和60各自是可从瑞士的Force Dimension获得的Omega.7触觉装置。简单起见，将仅进一步描述的输入装置60，应理解的是，输入装置58以相同的方式操作。

参见图2，输入装置60包括平坦表面82，该平坦表面支撑控制单元92，该控制单元具有连接至手柄102的臂94、96、98，该手柄是万向安装的并且可以被操作者的手握住并且关于笛卡尔参考系的正交轴线x₆、y₆、和z₆来定位和旋转，该参考系具有的原点位于沿着形成手柄102的一部分的圆柱体的轴线的中点处。这个笛卡尔参考系可以被称为手柄参考系并且所具有的原点104(即，手柄102的中心)可以被称为手柄位置。

臂94、96、98利于手柄102并且因此手柄位置104在空间中的平移移动、并且将该手柄位置的移动限制在某一空间体积内。这个体积可以被称为手柄平移工作空间。控制单元92还能够产生触觉力，以用于通过臂94、96、和98向手柄102和105提供触觉反馈。

手柄102安装在具有销108的万向安装座106上。平坦表面82具有用于接纳销108的校准开口110。当销108被接纳在开口110中时，输入装置60处于相对于固定的主笛卡尔参考系限定的、一般在手柄平移工作空间的中心处的校准位置中，该主笛卡尔参考系包括正交的轴线x_r、y_r、z_r。在所示的实施例中，这个主参考系具有平行于平坦表面82的x_r-z_r平面以及垂直于该平坦表面的y_r轴。在所示的实施例中，z_r轴平行于平坦表面82并且与居中地穿过控制单元92的轴线112重合，使得将手柄102沿着轴线112以平行于平坦表面82的方向朝向控制单元92的中心推动和将其拉离是沿z_r方向的移动。

控制单元92具有多个传感器(未示出)，这些传感器感测臂94、96、和98的位置和手柄102围绕x₆、y₆、和z₆轴各自的旋转、并且产生代表工作空间中的手柄位置104以及手柄102相对于固定主参考系x_r、yr、z_r的旋转取向的信号。在这个实施例中，这些位置信号和取向信号经由USB总线的缆线111传输至主控设备64。更具体地，控制单元92将代表手柄102的当前位置和取向的当前手柄位置信号和当前手柄取向信号产生为相对于固定主参考系x_r、y_r、z_r的当前手柄位置矢量

和当前手柄旋转矩阵R_MCURR。

例如，当前手柄位置矢量

是矢量

其中x₆、y₆、和z₆表示相对于固定主参考系x_r、y_r、z_r在手柄平移工作空间内的手柄位置104坐标。

当前手柄旋转矩阵R_MCURR是3x3矩阵

其中该矩阵的列表示手柄参考系x₆、y₆、和z₆相对于固定主参考系x_r、y_r、z_r的轴线。因此R_MCURR限定了手柄102在手柄平移工作空间中相对于x_r、y_r、z_r固定主参考系的当前旋转取向。

当前手柄位置矢量

和当前手柄旋转矩阵R_MCURR被以当前手柄位置信号和当前手柄取向信号方式在USB总线的缆线111上例如传输至图1的主控设备64。参见图3，主控设备64包括当前存储缓存器140，该存储缓存器将当前手柄位置矢量

存储在当前缓存器的第一存储区142中并且将当前手柄旋转矩阵R_MCURR存储在当前缓存器140的第二存储区144中。

工具定位器和末端执行器

参见图4和图5，进一步描述了末端执行器73和工具定位装置81。参见图4和图5，工具定位装置81使工具67及其末端执行器73在空间体积内移动。这个体积可以被称为末端执行器工作空间。

末端执行器73的位置和取向是相对于具有轴线x_v、y_v、和z_v的固定从属参考系限定的，这些轴线在被称为固定从属参考位置128的点处相交，这个点位于插入管61的纵向轴线136上、并且被包含在垂直于纵向轴线136并且含有插入管61的远侧边缘103的平面中。z_v轴与插入管61的纵向轴线136重合。因此x_v-z_v平面含有插入管61的纵向轴线136，并且x_v轴和y_v轴限定了垂直于插入管61的纵向轴线136的平面。

在所示的实施例中，末端执行器73包括一对夹具夹爪，这对夹具夹爪可以定位和定向在末端执行器工作空间内。这些夹具夹爪的尖端可以被指定为末端执行器位置、并且可以被定义为末端执行器卡迪尔参考系x₅、y₅、z₅的原点150。末端执行器位置150是相对于从属参考位置128限定的并且可以相对于固定从属参考系x_v、y_v、z_v来定位和定向。

图6示出了展示了由系统50产生且使用的功能和信号的流程图。如结合图6所描述的，响应于当前手柄位置信号

和当前手柄取向信号R_MCURR来计算所希望的新的末端执行器位置和所希望的新的末端执行器取向、并且将其呈现为新的末端执行器位置矢量

和新的旋转矩阵R_EENEW。例如，新的末端执行器位置矢量

是以下矢量：

其中x₅、y₅、和z₅表示相对于x_v、y_v、z_v固定从属参考系在末端执行器工作空间内的末端执行器位置150坐标。末端执行器旋转矩阵R_EENEW是3x3矩阵：

其中R_EENEW矩阵中的列表示在固定从属参考系x_v、y_v、z_v中写出的末端执行器参考系x₅、y₅、z₅的轴线。因此R_EENEW限定了相对于x_v、y_v、z_v固定从属参考系在末端执行器工具空间中末端执行器73的新取向。

脚踏开关

返回参见图1，在所示的实施例中，除了接收来自输入装置58和60的信号之外，主控设备64还联接至脚踏开关170，该脚踏开关可由操作者(外科医生)致动来向主控设备64提供二进制启动信号。当未致动(即，未压下)脚踏开关170时，该启动信号处于激活状态，并且当脚踏开关170被压下时，该启动信号处于非激活状态。因此脚踏开关170控制启动信号的状态。启动信号允许操作者致使主控设备64响应于手柄105和102的移动来使末端执行器71和73选择性地启动移动和禁止移动。

主控设备和从属计算机

仍然参见图1，在所示的实施例中，主控设备64是通过存储在非瞬时计算机可读介质、例如磁盘驱动器114上的程序代码来控制的。所述代码致使主控设备64执行包括碰撞检测功能在内的多种不同功能。参见图6，这些功能可以分组成类别并且被表现为以下代码功能框，包括：基础设置框216、末端执行器位置和取向计算框116、运动学框118、运动控制框120、以及反馈力控制框122，每个框包括存储在主控设备64的磁盘驱动器114上的代码。

为了便于描述，上述框在图6中被示出为主控设备64内的功能框。这些功能框对于主控子系统52的每个输入装置而言是分开地且以相同的方式来执行的。在所示的实施例中，仅存在两个输入装置58和60。虽然描述了关于输入装置60、工具定位装置81、和末端执行器73的这些功能框的执行，但是应理解的是，所述代码对于所有其他输入装置(例如图1所示的输入装置58、工具定位装置79、和末端执行器71)而言是以相同的方式分开地执行的，以通过操作者的相应右手和左手来实现对末端执行器73和71二者的控制。

在这个实施例中，每当由脚踏开关170所产生的启动信号从非激活状态转换成激活状态、例如当操作者释放脚踏开关时，就非同步地执行基础设置框216。基础设置框216包括的代码致使主控设备64对手柄102和末端执行器73的位置和取向对应地设定新的基础位置和取向，如下文中描述的。

一般而言，末端执行器位置和取向计算框116包括的代码致使主控设备64响应于手柄102的位置和取向来计算新的末端执行器位置信号

和新的取向信号R_EENEW，所述新的位置信号和取向信号使得末端执行器73定位和定向成所希望的位置

和取向R_MCURR。末端执行器位置和取向计算框116从脚踏开关170接收启动信号并且产生输出信号，所述输出信号包括“新的”信号和联接至反馈力控制框122的信号。

运动学框118包括的代码致使主控设备64响应于新计算出的末端执行器位置信号

和取向信号R_EENEW来产生构型变量。所述构型变量限定了将末端执行器73定位和定向在所希望的位置和取向上所要求的工具定位装置姿态。

反馈力控制框122包括的代码致使主控设备64从运动学框118接收所述构型变量并且确定沿着工具定位装置81和79的多个不同点在末端执行器工作空间中的理论位置、并且确定相应的工具定位装置81和79上的这些理论位置中的任意两个理论位置之间的距离是否小于阈值距离。当这样的距离小于阈值距离时，反馈力控制框122的代码致使主控设备64产生反馈以将这种接近度告知操作者。

运动控制框120包括的代码致使主控设备64响应于所述构型变量来产生从属控制信号。

在图1所示的实施例中，从属控制信号表示缆线长度值，这些缆线长度值指明从属子系统54的工具定位装置81的某些控制缆线必须伸出或缩回多少来致使工具67的末端执行器73采取藉由定位和旋转输入装置60而限定的所希望的位置和取向。表示所述控制缆线长度值的从属控制信号被传输至从属计算机74，该从属计算机具有其自己的、编码有通信接口框124的计算机可读介质，该通信接口框所包括的代码用于致使从属计算机从主控设备64接收从属控制信号。从属计算机处的计算机可读介质还编码有马达控制信号发生器框126，马达控制信号发生器框所包括的代码用于致使从属计算机74产生马达控制信号，所述马达控制信号用于控制工具控制器78上的马达76来使得控制着所附接的工具定位装置81的控制缆线根据由来自主控设备64的从属控制信号表示的控制缆线长度值而伸出和缩回。下文更详细地描述了图6的这些不同框。

基础设置框

图7示出了显示基础设置框216中所包括的操作细节的流程图。参见图7，如上文所描述，每当启用信号从非激活状态转换成激活状态时，就非同步地执行基础设置框216。基础设置框216致使主控设备64对手柄102和末端执行器73的位置和取向对应地设定新的基础位置和取向。返回参见图3，主控设备64将表示由基础位置信号

表示的可限定的主基础位置矢量的值x_mb、y_mb、z_mb存储在第三存储区146中、并且将表示由基础取向信号R_MBASE表示的可限定的主基础旋转矩阵的值存储在第四存储区148中。

在系统50启用时，主控设备64初始地致使可限定的主基础位置矢量

被设置成等于当前手柄位置矢量

并且致使可限定的主基础旋转矩阵R_MBASE限定的取向与由同当前手柄旋转相关联的手柄旋转矩阵R_MCURR限定的当前取向相同。

初始地，因此：

和

R_MBASE＝R_MCURR

换言之，由轴线x_mb、y_mb、和z_mb表示的可限定主基础参考系和由轴线x₆、y₆、和z₆表示的手柄参考系在启用时重合。

随后，将主基础位置矢量

和主基础旋转矩阵R_MBASE维持在与启用时相同的值，直至例如通过释放脚踏开关(图1的170)激活启动信号，这致使启动信号从非激活状态转换成激活状态。响应于启动信号的非激活状态到激活状态的转换，执行图6和7的基础设置框216来将主基础位置矢量

的值和主基础旋转矩阵R_MBASE的值对应地改变成当前获取的主位置信号

和当前获取的主取向信号R_MCURR的值。

返回参见图3，除了将当前主位置信号

和取向信号R_MCURR对应地存储在当前缓存器140的第一存储区142和第二存储区144中之外，主控设备64还将末端执行器的位置信号

和取向信号R_EENEW的计算值对应地存储在当前缓存器140的第五存储区152和第六存储区154中。基础设置框216还致使主控设备64将表示可限定的末端执行器基础位置矢量

的值x_sb、y_sb、z_sb进一步存储在当前缓存器140的第七存储区162中、并且将表示可限定的末端执行器基础旋转矩阵R_EEBASE的值存储在第八存储区164中。在图4中，末端执行器基础位置被示为由轴线x_sb、y_sb、z_sb表示的参考系。图4中还示出了输入装置60和由轴线x_mb、y_mb、和z_mb表示的主基础参考系。主控设备64在系统启用时初始地致使将可限定的末端执行器基础位置矢量

设定成等于新的末端执行器位置矢量

并且在系统启用时致使可限定的从属基础旋转矩阵R_EEBASE限定的取向与由新的末端执行器旋转矩阵R_EENEW所限定的取向相同。在系统初始化时，当不存在之前存储的

或R_EENEW的值时，

和R_EEBASE被设定成等于基于工具定位装置81、工具66、和末端执行器73的原始构型限定的

和R_EENEW。在这个实施例中，原始构型将多个构型变量限定成产生总体上笔直的工具定位装置姿态(如图4所示)并且是在系统初始化之前预配置好的。在其他实施例中，原始构型可以将多个构型变量限定成产生不同的弯折的、或笔直和弯折的工具定位装置姿态。初始地，因此：

和

R_EEBASE＝R_EENEW

换言之，由轴线x_sb、y_sb、和z_sb表示的可限定从属基础参考系和由轴线x₅、y₅、和z₅表示的末端执行器参考系在启用时重合。

末端执行器基础位置矢量

和末端执行器基础旋转矩阵R_EEBASE被维持在与启用时相同的值，直至脚踏开关170(如图1所示)激活启动信号，这致使启动信号从非激活状态转换成激活状态。因此，图6和7的基础设置框216将末端执行器基础位置矢量

和末端执行器旋转矩阵R_EEBASE改变成新计算出的末端执行器位置矢量

和新计算出的末端执行器取向矩阵R_EENEW。

末端执行器位置和取向计算框

一般而言，末端执行器位置和取向计算框116包括的代码致使主控设备64响应于当前手柄位置

和当前手柄取向R_MCURR，来计算新的末端执行器位置信号和取向信号(在此被称为

和R_EENEW)，新的位置信号和取向信号将末端执行器73定位和定向到所希望的位置和取向中。在一个实施例中，末端执行器位置和取向计算框116以约1kHz的速率周期性地执行。图8示出了显示了末端执行器位置和取向计算框116中所包括的操作细节的流程图。这些操作以致使主控设备64向输入装置60的控制单元92查询当前手柄位置矢量

和当前手柄旋转矩阵R_MCURR的框159开始。如之前所描述的并且参见图3，

的值和R_MCURR的值被主控设备64加以存储，第一存储区142存储表示当前手柄位置矢量

的三个值，并且第二存储区144存储表示当前手柄旋转矩阵R_MCURR的九个值。

在从控制单元92获取

和R_MCURR的新的值之后，框160致使主控设备64计算相对于固定从属参考位置128和从属基础取向而言的、表示所希望的末端执行器位置150和所希望的末端执行器取向的新的末端执行器位置信号

和新的末端执行器取向信号R_EENEW。框160还致使主控设备64将表示新的末端执行器位置矢量

的值存储在图3的第五存储区152中、并且将表示所希望的末端执行器取向矩阵R_EENEW的值存储在图3的第六存储区154中。

新的末端执行器位置信号

和新的末端执行器取向信号R_EENEW是根据以下关系式计算的：

以及

R_EENEW＝R_EEBASER_MBASE ^-1R_MCURR (1b)，

其中：

是表示末端执行器73在末端执行器工作空间中的新的希望的位置的新的末端执行器位置矢量、并且是相对于从属基础参考位置限定的；

A是表示主控装置与从属装置之间的平移运动比例因子的标量值；

是第一存储区142中存储的手柄位置矢量的当前表示，该手柄位置矢量是相对于固定主参考系限定的；

是手柄102的最后保存的位置矢量

该位置矢量是在例如通过释放脚踏开关170使得启动信号最后一次从非激活状态转换成激活状态、或系统初始化、或者通过操作者操作控制界面时所移动去到的位置矢量；

是末端执行器73的最后保存的位置矢量

该位置矢量是在启动信号最后一次从非激活状态转换成激活状态或系统初始化时所移动去到的位置矢量；

R_EENEW是表示末端执行器73的当前取向的新的末端执行器取向矩阵、并且是相对于固定从属参考位置128限定的；

R_EEBASE是末端执行器73在启动信号最后一次从非激活状态转换成激活状态时所移动去到的最后保存的旋转矩阵R_EENEW；

R_MBASE ^-1是旋转矩阵R_MBASE的倒数，其中R_MBASE是在启动信号最后一次从非激活状态转换成激活状态时保存的手柄102的最后保存的旋转矩阵R_MCURR；

R_MCURR是表示手柄102相对于固定主参考系的取向的当前获取的旋转矩阵；

框161接着致使主控设备64确定启动信号是否处于激活状态。如果启动信号处于激活状态，可选框208致使主控设备64执行某些特殊功能，例如像对准控制功能。例如，在本申请人的共同未决的申请US 62/101,734和US 62/101,804中描述了这样的对准控制功能，这些申请通过援引以其全部内容并入本文。

在特殊功能是对准控制功能的情况下，这样的功能可以具有例如两种结果之一。第一种结果可以致使主控设备64执行框215，所述框致使主控设备64向运动控制框120发送“新的”信号来告诉运动控制框120向从属计算机74发送基于新计算出的末端执行器位置

和新计算出的末端执行器取向R_EENEW的从属控制信号。第二种结果致使主控设备64执行框163：所述框致使主控设备64将该“新的”信号设定成非激活，以告诉运动控制框120发送基于先前计算出的末端执行器位置

和先前计算出的末端执行器取向R_EEPREV的从属控制信号。

如果执行框215，则这些从属控制信号基于

和R_EENEW的新计算出的值。这致使末端执行器73呈现出由手柄102的当前位置和当前取向确定的位置和取向。

框159接着致使主控设备64将存储在存储器区142和144中的当前位置矢量

和当前旋转矩阵R_MCURR复制到图3中提及的“先前”缓存器141的存储区143和145中、并且将新计算出的末端执行器位置矢量

和新计算出的末端执行器旋转矩阵R_EENEW复制到先前缓存器141的存储区147和149中。新计算出的末端执行器位置矢量

和新计算出的末端执行器旋转矩阵R_EENEW因此被重新命名为“先前计算出的末端执行器位置矢量”

和“先前计算出的末端执行器旋转矩阵”R_EEPREV。通过将新计算出的末端执行器位置矢量

和新计算出的末端执行器旋转矩阵R_EENEW存储为先前计算出的末端执行器位置矢量

和先前计算出的末端执行器旋转矩阵R_EEPREV，就可以根据下一个当前手柄位置矢量

和下一个当前手柄旋转矩阵R_MCURR来计算后续获取的新的末端执行器位置矢量

和后续获取的新的末端执行器旋转矩阵R_EENEW。

如果执行框163，则这些从属控制信号基于

和R_EEPREV。这致使末端执行器73呈现出由手柄102的先前位置和先前取向确定的位置和取向。接着末端执行器位置和取向计算框116结束。

仍参见图8，在框161处，如果启动信号处于非激活状态并且在其保持非激活状态时，主控设备64会立即执行框163，所述框致使主控设备64“新的”信号设定成非激活，以指示图5中的运动控制框120其应发送基于对应地在存储区147和149中的

和R_EEPREV的先前计算出的值的从属控制信号。运动控制框120产生的从属控制信号因此表示由

和R_EENEW的最后保存的值得出的控制缆线长度值，从而致使末端执行器73保持不动，因为向从属计算机74发送了与先前确定的相同的从属控制信号。接着末端执行器位置和取向计算框116结束。只要启动信号是非激活的，从属控制信号就只基于先前计算出的末端执行器位置信号

和先前计算出的取向信号R_EEPREV，因为它们在启动信号变成非激活之前就存在。

相应地，当启动信号处于非激活状态时，可以移动和旋转手柄102，并且

和R_EENEW的计算会仍通过末端执行器位置和取向计算框116的框160来执行，但是将不存在末端执行器73的移动，因为向从属计算机74发送的是先前的从属控制信号。这允许“抓住”或重新定位手柄102而不使末端执行器73进行对应移动并且使末端执行器73能够具有增大的移动范围、并且允许操作者将其手重新定位在手柄平移工作空间内的舒适位置。

虽然已经示出了将先前计算出的末端执行器位置信号

和先前计算出的取向信号R_EEPREV、或新计算出的末端执行器位置

和新计算出的取向R_EENEW用作产生由运动控制框120发送给从属计算机74的从属控制信号的基础，但是新计算出的末端执行器位置信号

和新计算出的末端执行器取向信号R_EENEW始终呈现给运动学框118和反馈力控制框122。换言之，运动学框118始终基于新计算出的末端执行器位置信号

和新计算出的取向信号R_EENEW来计算构型变量，并且反馈力控制框122始终基于

和R_EENEW来计算沿着该工具定位装置的多个不同点的理论位置以及左侧工具定位装置上的这些不同点与右侧工具定位装置上的这些不同点之间的距离。

运动学框

和取向信号R_EENEW来产生构型变量。这些构型变量限定了为了将末端执行器73定位和定向到所希望的末端执行器位置和取向所要求的工具定位装置姿态。

每当执行末端执行器位置和取向计算框116时，运动学框118就接收新计算出的末端执行器位置信号

和取向信号R_EENEW。响应于此，运动学框118产生工具定位装置81的构型变量。

参见图5和图9，工具定位装置81具有第一铰接区段130(被称为s形区段)和第二铰接区段132(被称为远侧区段)。这些区段各自包括多个“椎骨”224。s形区段130从离插管61一定距离(被称为插入距离q_ins)处开始，该距离是被限定为固定从属参考系x_v、y_v、z_v的原点的固定从属参考位置128与在第一位置参考系x₁、y₁、和z₁(图9所示)的原点处的第一位置230之间的距离。插入距离q_ins表示工具定位装置81从插入管61的末端延伸出的不可弯折部分。在所示的实施例中，插入距离q_ins可以例如为约10-20mm。在其他实施例中，插入距离q_ins可以更长或更短、例如在从0-100mm内变化。

s形区段130从第一位置230延伸至被限定为具有轴线x₃、y₃、和z₃的第三参考系的原点的第三位置234、并且当s形区段130内的控制缆线(未示出)被推动或拉动时能够呈现出平滑的s形形状。s形区段130具有的中点位于第二位置232处，该第二位置被限定为具有轴线x₂、y₂、z₂的第二位置参考系的原点。s形区段130具有长度L₁，在图9的左手侧工具定位装置79上最佳可见。在所示的实施例中，这个长度L₁可以例如为约65mm。

远侧区段132从第三位置234延伸至第四位置236，该第四位置被限定为具有轴线x₄、y₄、z₄的第四参考系的原点。远侧区段132具有长度L₂，也在图9的左手侧工具定位装置79上最佳可见。在所示的实施例中，这个长度L₂可以例如为约23mm。

每个工具66和67还具有末端执行器长度，在所示的实施例中该末端执行长度是从第四位置236延伸至被限定为轴线x₅、y₅、和z₅的原点的末端执行器位置150的夹具长度L₃。该夹具长度L₃同样在图9的左手侧工具定位装置79上最佳可见并且在这个实施例中可以为例如约25mm。从属参考位置128、第一位置230、第二位置232、第三位置234、第四位置236、以及末端执行器位置150可以统称为工具参考位置。

如在PCT/CA 2013/001076(在此通过援引并入本文)中所解释的，通过推动和拉动工具定位装置79和81内的某些控制缆线，s形区段130可以从如图9的左手工具定位装置81所示的笔直形状弯折到如图9的右手工具定位装置79所示的部分S形形状、直到完全S形形状的任何不同度数的S形形状。s形区段130是分段式的，在于它具有位于第二位置232的相反两侧上的第一区段220和第二区段222。现在参见5，第一区段220和第二区段222位于含有第一位置230、第二位置232、和第三位置234的第一弯折平面中。该第一弯折平面与该固定从属参考系的x_v-z_v平面成角度δ_prox。第一区段220和第二区段222在该第一弯折平面内弯折过相反但相等的角度θ_prox，使得无论角度θ_prox或该弯折平面角度δ_prox怎样，第三位置234的z₃轴始终平行于固定从属参考位置128的z_v轴并且对准与之相同的方向。因此，通过推动和拉动工具定位装置81内的控制缆线，第三位置234可以被放置在圆柱形空间体积内的多个离散位置中的任何位置处。这个体积可以被称为s形区段工作空间。

此外，远侧区段132位于含有第三位置234和第四位置236的第二弯折平面中。第二弯折平面与固定从属参考系的x_v-z_v平面成角度δ_dist。远侧区段132在第二弯折平面中以角度θ_dist弯折。因此，通过推动和拉动工具定位装置81内的控制缆线，第四位置236可以被放置在另一空间体积内。这个体积可以被称为远侧工作空间。s形区段工作空间加上远侧工作空间的组合可以被称为工具定位装置工作空间，因为这表示工具66和67在受到相应的工具定位装置79和81影响时可能的总移动。

在所示的实施例中，第四位置236与末端执行器位置150之间的距离是远侧区段132的可移动部分与夹具末端执行器73的尖端(和73)之间的距离，即夹具长度L₃的长度。一般而言，夹具在第四位置236与末端执行器位置150之间的这部分(L₃)是不可弯折的。

在所示的实施例中，末端执行器71或73是围绕末端执行器参考系的z₅轴在x₅-y₅平面中可旋转的夹具夹爪工具，旋转角度用相对于正的x₅轴的角度γ表示。最后，该夹具夹爪可以处于从完全闭合到完全打开(如由铰链限制的)的任何不同打开程度。这些不同打开程度可以被限定为“夹具”。

因此，总之，由运动学框118的代码提供的构型变量是：

q_ins：表示从由轴线x_v、y_v、和z_v限定的从属参考位置128到由轴线x₁、y₁、和z₁限定的第一位置230的距离，其中工具定位装置81的s形区段130从该第一位置开始；

δ_prox：表示s形区段130在其中弯折的第一弯折平面相对于固定从属参考系的x_v-y_v平面；

θ_prox：表示s形区段130中的第一区段220和第二区段222在该第一弯折平面中弯折的角度；

δ_dist：表示远侧区段132在其中弯折的第二弯折平面相对于固定从属参考系的x_v-y_v平面；

θ_dist：表示远侧区段132在该第二弯折平面中弯折的角度；

γ：表示末端执行器73围绕轴z₅的旋转度；并且

夹具：末端执行器73的夹具夹爪的打开程度。(这是与手柄102上的致动器(未示出)产生的、指明操作者通过挤压手柄而施加的压力的量的信号成正比计算的值)。

为了计算这些构型变量，将首先回想到，末端执行器旋转矩阵R_EENEW是3x3矩阵：

由于R_EENEW中的最后一列是相对于固定从属参考系x_v、y_v、和z_v写出的末端执行器参考系的z轴，所以可以根据以下关系式计算与远侧区段132相关联的θ_dist、δ_dist、和γ：

δ_dist＝-atan2(z_5y,z_5x) (3)

如果

γ＝atan2(-y_5z,x_5z)-δ_dist+π (4a)

或者

γ＝atan2(y_5z,-x_5z)-δ_dist

接着可以使用这些值来计算第三位置234相对于固定从属参考位置128的位置

这是通过计算从第三位置234到第四位置236的矢量

以及从第四位置236到末端执行器位置150的矢量

并且从

中减去这些矢量实现的。

其中：

并且其中：

是x方向上的单位矢量；

是y方向上的单位矢量；并且

是z方向上的单位矢量。

一旦知道从该固定从属参考位置128到第三位置234的矢量

就可以得到s形区段130的构型变量、δ_prox、以及θ_prox。通过求解关于δ_prox的两个等式来计算与s形区段130相关联的δ_prox：

(8b)与(8a)之比给出了

其中

和

对应地是x方向和y方向上的单位矢量。

不能得到θ_prox的封闭式解，因此必须通过等式(8a)或(8b)中的任一者的数学方程解得到θ_prox。例如，可以采用牛顿-拉夫逊(Newton-Raphson)方法，该方法是相继迭代近似计算出实值函数的更好的根的方法。牛顿-拉夫逊方法可以使用以下等式来实施：

其中

是x方向上的单位矢量；并且

是从固定从属参考位置128到第三位置234的矢量。

等式(10)是改写成f(θ_prox)＝0格式的等式(8a)。牛顿-拉夫逊方法倾向于非常快地收敛，因为在0＜θ_prox＜π的范围内，该函数具有大的曲率半径，并且没有局部平稳点。遵循牛顿-拉夫逊方法，可以使用以下关系式来迭代地对θ_prox进行相继改进估计以满足等式(10)：

最后，在确定了θ_prox时，可以使用以下等式来得到q_ins，

其中：

是z方向上的单位矢量；

是从固定从属参考位置128到第三位置234的矢量；并且

是矢量

和单位矢量

的点积。

图6所示的运动学框118中的代码致使主控设备64响应于由末端执行器位置和取向计算框116产生末端执行器位置信号

和取向信号R_EENEW，来计算上述构型变量的值，并且这些计算出的构型变量一般限定了将末端执行器71或73定位在末端执行器工作空间内所希望的位置和所希望的取向上所要求的工具定位装置姿态。

应了解的是，构型变量是针对每个末端执行器71和73产生的，并且因而在所示的实施例中，为运动控制框120和反馈力控制框122产生了分别被称为左侧构型变量和右侧构型变量的两组构型变量、并且这些构型变量被转输至运动控制框和反馈力控制框或以其他方式可供其使用。

反馈力控制框

返回参见图6，反馈力控制框122致使主控设备64从分别针对左侧末端执行器71和右侧末端执行器73两者执行的运动学框118接收左侧构型变量和右侧构型变量、并且确定沿着工具定位装置79和81各自的多个不同点在工具定位装置工作空间中的理论位置。反馈力控制框122还致使主控设备64确定单独工具定位装置上的任何两个理论位置之间的距离是否小于阈值距离。当这样的距离小于阈值距离时，反馈力控制框122的代码致使主控设备64使得操作者知晓这种接近度。将这个接近度告知操作者可以例如通过查看器62中的LCD显示器68以视觉方式、和/或通过音频方式来提供、和/或通过使用输入装置58和60来提供触觉反馈的方式来提供。

图10示出了显示反馈力控制框122中所包含的操作细节的流程图。参见图10，反馈力控制框122包括框250和252，这两个框对应地接收由运动学框118产生的左侧构型变量和右侧构型变量。框250和252致使主控设备64使用下文所描述的方法来执行为了确定(相对于固定从属参考位置128而言并且因此就绝对值而言在工具定位装置工作空间和末端执行器工作空间内的)左手工具定位装置79和末端执行器71、以及工具定位装置81和末端执行器73二者的所述工具参考点(即，第一位置230、第二位置232、第三位置234、第四位置236、和末端执行器位置150)的理论位置所要求的计算。

一旦确定了每个参考点的理论位置，于是就可以确定沿着工具定位装置79和81的多个不同中间点在工具定位装置工作空间内的理论位置。工具定位装置79和81的s形区段130和远侧区段132中的所述区段220、222各自包括多个相同“椎骨”224，这些椎骨总体上在第一位置230与第四位置236之间延伸，并且这些椎骨的中心相隔相同的距离，并且这些中间点被限定为相应的工具定位装置79和81的各个相同椎骨的中心的位置。由于s形区段130和远侧区段132在弯折时形成连续平滑的恒定半径的曲线，因此可以数学地计算每个椎骨的中心的理论位置。

例如，针对任何给定的工具定位装置79或81，可以通过简单地将由运动学框118确定的q_ins构型变量在z_v轴上加到固定从属参考位置128上，来确定第一位置230参考点相对于固定从属参考位置128的理论位置，因为q_ins总体上表示该工具定位装置的不可弯折部分。确定从固定从属参考位置128到第一位置230的矢量

会提供第一位置230在工具定位装置工作空间内的理论位置的绝对值。

一旦确定第一位置230的理论位置，就可以确定s形区段130的第一区段220(即，从第一位置230到第二位置232)的所有椎骨224的理论位置。例如，在图9所示的实施例中，假设在从第一位置230延伸至第二位置232的第一区段220中存在15个椎骨224。第一区段220的第n个椎骨的中心所应处于的理论位置位于沿着第一区段220的中间点处，并且该中间点可以相对于第一位置230参考点计算为

于是可以确定从第一位置230到第n个椎骨位置的矢量。将从第一位置230到第n个椎骨的矢量加到从固定从属参考位置128到第一位置230的矢量

上将得出第一区段220的该椎骨相对于固定从属参考位置128在该定位装置工作空间内的理论位置的绝对值。针对s形区段130中的第一区段220的15个椎骨中的每一个椎骨来进行此过程，以得到第一区段220的每个椎骨224相对于固定从属参考位置128在该工具定位装置工作空间内的理论位置。

额外地，针对任何给定的工具定位装置79或81，可以用构型变量q_ins、θ_prox、和δ_prox来确定第二位置232参考点相对于固定从属参考位置128的理论位置。确定从固定从属参考位置128到第二位置232的矢量

会提供第二位置232在工具定位装置工作空间内的理论位置的绝对值。

一旦确定了第二位置232的理论位置，它就可以被用作确定s形区段130中的第二区段222(即，从第二位置232延伸至第三位置234)中的所有椎骨中间点的理论位置的参考点。对于图9所示的工具定位装置81的实施例，同样假设在第二区段222中存在15个椎骨，第二区段222的第n个椎骨的中心应位于沿着第二区段222的中间点。第二区段222在该第一弯折平面中弯折的角度δ_prox等于针对考虑第一区段220的椎骨的计算所使用的角度θ_prox并且与之相反。因此第n个椎骨的中间点可以相对于第二位置232计算为

将从第二位置232参考点到第n个椎骨的矢量加到从从属参考位置128到第二位置232的矢量

上将提供第二区段222的第n个椎骨在工具定位装置工作空间内的理论位置的绝对值。针对s形区段130的第二区段220中的15个椎骨中的每一个椎骨来进行此过程，以得到每个椎骨中间点相对于固定从属参考位置在定位装置工作空间内的绝对位置。

额外地，针对任何给定的工具定位装置79或81，位于s形区段130末端处的第三位置234的理论位置可以用由以下相对于固定从属参考位置表达的矢量分量限定的矢量

来表达：

一旦确定了第三位置234的理论位置，它就可以被用作参考点，以使用上文提供的方法来确定远侧区段132中的所有椎骨224的理论位置。假设在远侧区段132中存在15个椎骨，第n个椎骨的中心应位于沿着远侧区段132的中间点处。远侧区段132在第二平面δ_dist中弯折的角度是θ_dist。因此第n个椎骨的中间点可以相对于第三位置234计算为

将从第三位置234参考点到远侧区段132的第n个椎骨中间点的矢量加到从固定从属参考位置128到第三位置234的矢量

上将得出远侧区段132的第n个椎骨在该工具定位装置工作空间内的理论位置的绝对值。针对远侧区段132中的15个椎骨中的每一个椎骨来进行此过程，以算出每个椎骨中间点相对于固定从属参考位置128在工具定位装置工作空间内的理论位置的绝对值。

另外，可以根据以下矢量分量关系式来将第四位置236参考点的理论位置确定为相对于第三位置234的矢量

如之前所呈现的：

将从第三位置234参考点到第四位置236参考点的矢量

加到从固定从属参考位置128到第三位置234的矢量

上将得出第四位置236参考点相对于固定从属参考位置128在工具定位装置工作空间内的理论位置的绝对值。

最后，可以根据以下矢量分量关系式来将末端执行器位置150参考点的理论位置确定为相对于第四位置236的矢量

如之前所呈现的：

将从第四位置236参考点到末端执行器位置150参考点的矢量

加到从第三位置234参考点到第四位置236参考点的矢量

上并且加上从固定从属参考位置128到第三位置234参考点的矢量

将得出末端执行器位置150相对于固定从属参考位置128在末端执行器工作空间内的理论位置的绝对值。

在框250和252的计算左手工具定位装置79和末端执行器71、以及右手工具定位装置81和末端执行器73的位置参考点和椎骨中间点的理论位置之后，反馈力控制框122的框254致使主控设备64计算同左手工具定位装置79相关联的各参考点和中间点与同右手工具定位装置81相关联的各参考点和中间点之间的距离。这是通过以下矢量计算简单地完成的：

其中：

是到被限定为左侧工具定位装置79或左侧末端执行器71上的参考点或中间点的兴趣点的矢量；

是到被限定为右侧工具定位装置81或右侧末端执行器73上的参考点或中间点的兴趣点的矢量；并且

d＝计算距离。

在计算出同左侧工具定位装置79相关联的所有左侧兴趣点与同右侧工具定位装置81相关联的所有右侧兴趣点之间的距离后，框256接着致使主控设备64确定这些单独工具定位装置79和81上的任何两个兴趣点之间的任何计算距离是否满足接近度标准。在这个实施例中，该接近度标准是这两个兴趣点之间的计算出的距离是否小于阈值距离(TH)。确切地说，如图12所示，当这两个兴趣点之间的计算出的距离大于或等于阈值距离时不满足接近度标准，并且如图13所示，当这两个兴趣点之间的计算出的距离小于阈值距离时就满足了接近度标准。阈值距离可以相对于这些工具定位装置的直径来设定。在一个实施例中，阈值距离可以设定成不小于工具定位装置79和81的1倍直径的距离，因为这些工具定位装置不能物理地呈现出使它们的轴线比1倍直径更靠近地间隔开的姿态。安全阈值可以例如为约例如2倍工具固持器直径。

应了解的是，表示任何两个工具定位装置79和81的新计算出的末端执行器位置

和取向R_EENEW的信号针对与这些工具定位装置相关联的各个末端执行器71和73所规定的末端执行器位置可能试图将这两个工具定位装置定姿态成使得两个点会同时物理地占据同一理论空间位置(“重合”)、或者使右侧工具定位装置81上点放置在左侧工具定位装置79的左侧(“交叉”)。当然，这些不是实际上可以获得的位置，因为两个点不能同时占据同一空间位置、也不能使一个工具定位装置穿透第二工具定位装置的实体物质。然而通过反馈力控制框122计算出的沿着各工具定位装置的兴趣点的理论位置可能限定重合位置或交叉位置。

在左侧工具定位装置79或末端执行器71上的一个点的任何理论位置与阈值距离相比更靠近右侧工具定位装置81或末端执行器73上的一个点的理论位置并且因此满足接近度标准的任何情况下，这两个点称为“重叠”。可能存在不同的重叠程度，例如，用这两个点之间的计算距离与阈值距离之间的差的量值(“重叠距离”)来计算的。

在图10所示的实施例中，工具定位装置79和81或末端执行器71和73上的两个点之间的任何计算距离发生重叠，则框258致使主控设备64根据重叠程度来计算触觉力的大小和方向。在其他实施例中，框258可以致使主控设备64产生视觉或音频通知信号。

可以使用左侧工具定位装置79和末端执行器71上的兴趣点与右侧工具定位装置81和末端执行器73上的兴趣点之间的重叠距离的限定函数来确定触觉力的大小。例如，力的大小可以与重叠距离的平方乘以比例因子成比例。例如，触觉力的大小可以根据以下关系式来计算：

F＝0.35(重叠距离)²。 (15)

例如，可以通过计算垂直于接触点的单位矢量来确定触觉力的方向，其中接触点被限定为当

与

之间的距离等于阈值距离时沿着

与

之间的矢量在中途的点。例如，可以使用矢量加法来计算力的方向。可以通过从到右侧器械上的兴趣点的矢量

减去到左侧器械上的兴趣点的矢量

来计算右侧工具定位装置81和末端执行器73上的力的方向，并且接着通过以下关系式来标准化以给出单位矢量

在一个实施例中，左侧工具定位装置79和末端执行器71上的力的方向可以在与右侧工具定位装置81和末端执行器73上的力相反的方向上，使得对操作者而言，由输入装置58和60呈现出的力是相等但相反的，从而因此模拟工具定位装置79与81之间的接触。

框260接着致使主控设备64产生反馈信号以用于被控制单元92接收。在这个实施例中，反馈信号致使控制单元92产生可由操作者感受到的触觉力以指示操作者：这些工具定位装置紧密靠近。例如，反馈信号可以包括会被操作者以相等且在与接触相切平面相垂直的相反两方向上的方式感觉成操作者的就好像这些器械正在彼此接触的触觉的力的大小的表示。替代性地，可以用反馈信号产生显示控制信号以用于致使图1的查看器62例如示出左侧工具定位装置79和右侧工具定位装置81上最靠近的触及点。例如，参见图11，该视图可以将左侧工具定位装置示出为第一圆圈244、将右侧工具定位装置示出为第二圆圈246、并且示出在第一圆圈与第二圆圈之间表示由框256计算出的最近距离的线段242。在框260处向控制单元发送反馈信号之后，接着反馈力控制框122结束。

如果在框256处，两个点之间的计算距离都不小于阈值距离，即它们都等于或大于阈值距离，则反馈力控制框122的框260致使主控设备64发送反馈信号来致使输入装置停止基于碰撞检测来产生触觉力。如果没有其他反馈产生系统要求触觉力反馈，则主控设备64产生被控制单元92接收的反馈信号，以致使控制单元停止产生先前可被操作者察觉到的任何触觉力，从而指示操作者工具定位装置79和81并非紧密靠近。接着反馈力控制框122结束。

响应于来自主控设备64的反馈信号产生触觉力，控制单元92向臂94、96、98施加触觉力以阻碍手柄102的移动，并且在所示的实施例中，触觉力的大小是取决于左侧工具定位装置79和末端执行器71以及右侧工具定位装置81和末端执行器73上的任何两个点之间的计算距离小于阈值距离的重叠程度来设定的。响应于来自主控设备64的反馈信号停止产生触觉力，控制单元92停止对臂94、96、98施加触觉力，因此允许手柄102移动。

运动控制框

图6所示的运动控制框120包括的代码致使主控设备64响应于构型变量来产生从属控制信号。运动控制框120使用由运动学框118产生的构型变量、通过对所计算出的构型变量应用传递函数来确定所要求的缆线长度来产生控制缆线长度值。这样的传递函数可以例如针对所使用的特定工具来从理论上和/或根据经验得出。运动控制框120还对由图6的末端执行器位置和取向计算框116提供的并且受图8的框215和163控制的“新的”信号作出响应。

参见图8，在启动信号激活时末端执行器位置和取向计算框116的215框产生激活的“新的”信号，并且致使通过从属控制信号呈现当前的控制缆线长度值。当启动信号未激活、并且当启动信号激活但对准误差不小于阈值时163框产生非激活的“新的”信号，并且致使通过从属控制信号呈现先前的控制缆线长度值。

结论

上文所描述的系统是一种机器人控制系统，所述机器人控制系统包括主控设备64和从属子系统，所述主控设备与具有能够平移和旋转移动的对应手柄102和105的多个输入装置58和60通信，并且所述从属子系统具有与各对应手柄相应的工具定位装置79和81，每个工具定位装置79和81固持具有末端执行器71和73的对应工具66和67，所述末端执行器的位置和取向是响应于对应的相应手柄的位置和取向来确定的。

所述主控设备64含有至少一个处理器电路，所述至少一个处理器电路通过图6-8和图10所示的框进行配置，以致使所述至少一个处理器执行一种操作所述机器人控制系统来检测工具定位装置79和81及其相应的末端执行器71和73之间的潜在碰撞的方法，所述工具定位装置和末端执行器可以是所述从属子系统54的一部分。在所示的实施例中，存在两个工具定位装置79和81以及相应地两个末端执行器71和73，应理解的是，在其他实施例中，可以存在多于两个的工具定位装置和末端执行器。

一般而言，所述方法涉及：响应于对应的相应手柄102和105的当前位置

和当前取向R_MCURR，来致使与所述主控设备64相关联的至少一个处理器电路产生相应的末端执行器71和73的所希望的新的末端执行器位置和所希望的新的末端执行器取向。致使所述至少一个处理器电路使用所希望的新的末端执行器位置

和取向R_EENEW，来确定工具定位装置79和81的姿态并且由此计算从沿着第一工具定位装置79的第一多个点中的各个点到沿着至少一个其他工具定位装置81的多个点中的各个点的距离。接着致使所述至少一个处理器电路确定这些计算出的距离中的任一者是否满足接近度标准并且在已经满足所述接近度标准时告知操作者。

致使所述至少一个处理器电路告知操作者工具定位装置79和81满足接近度标准以包括：致使所述至少一个处理器电路对与手柄102(与工具定位装置79和81相关联)相关联的输入装置58和60发信号来致使与工具定位装置79和81(与满足所述接近度标准的计算出的距离相关联)相关联的手柄102对操作者呈现出触觉反馈，所述触觉反馈阻碍这些手柄沿着工具定位装置79与81之间、满足所述接近度标准的计算距离会被缩短的方向移动。

替代性地或此外，致使所述至少一个处理器电路告知操作者可以包括：致使所述至少一个处理器电路产生致使警报器通知所述接近度标准已经被满足的通知信号，并且这可以涉及：致使所述至少一个处理器电路产生显示器控制信号，所述显示器控制信号用于致使LCD显示器68描绘出指明满足了所述接近度标准的距离的视觉表示，和/或致使所述至少一个处理器电路产生音频控制信号，所述音频控制信号用于致使音频装置提供指明满足了所述接近度标准的距离的可听见的声音。

在所描述的实施例中，所述至少一个处理器电路可以被配置成在所述计算出的距离不再满足所述接近度表面时致使输入装置58停止产生触觉反馈、产生致使警报器停止通知所述接近度标准已经被满足的通知信号、或者使与满足所述接近度标准的距离相关联的工具定位装置79和81能够移动。

在另外的替代方案或另外的补充方案中，所述至少一个处理器电路可以被配置成然后使与满足所述接近度标准的距离相关联的所有工具定位装置79和81不能移动。

致使所述至少一个处理器电路使与满足所述接近度标准的任何距离相关联的所有工具定位装置79和81不能移动可以涉及：致使所述至少一个处理器电路向与满足所述接近度标准的计算出的距离相关联的所述定位装置79和81所关联的相应从属子系统54传输控制信号，当所述接近度标准没有被满足时，各控制信号指明基于对应手柄的当前位置和取向的当前的末端执行器位置和取向，并且当所述接近度标准被满足时致使所述至少一个处理器电路来使被传输至与满足所述接近度标准的计算出的距离相关联的工具定位装置79和81所关联的从属子系统54的所述控制信号指明相关联的相应末端执行器71和73的先前位置

和取向(R_EEBASE)。

产生所希望的新的末端执行器位置和所希望的新的末端执行器取向并且可以涉及：致使所述至少一个处理器电路从各输入装置58和60接收表示对应输入装置的手柄102的对应地当前位置和当前取向的当前手柄位置信号

和当前手柄取向信号(R_MCURR)；并且致使所述至少一个处理器电路响应于所述对应的当前手柄位置信号

和所述当前手柄取向信号(R_MCURR)、针对对应的工具定位装置79和81产生限定所述末端执行器71和73的对应的所希望的新的末端执行器位置以及所希望的新的末端执行器取向的新的末端执行器位置信号

和新的末端执行器取向信号(R_EENEW)。

致使所述至少一个处理器电路接收所述当前手柄位置信号

和所述当前手柄取向信号R_MCURR可以涉及致使所述至少一个处理器电路周期性地接收所述当前手柄位置信号和所述当前手柄取向信号。

所述方法可以进一步涉及致使所述至少一个处理器电路接收由操作者控制的启动信号；并且致使所述至少一个处理器电路检测所述启动信号的状态变化。当检测到变化时，可以致使所述至少一个处理器来：将所述当前手柄位置信号

和末端执行器基础取向信号(R_EEBASE)。

致使主控设备64产生所述新的末端执行器位置信号

和所述新的末端执行器取向信号(R_EENEW)可以涉及致使主控设备64根据以下关系式来计算新的末端执行器位置信号和新的末端执行器取向信号：

和(1a)

R_EENEW＝R_EEBASER_MBASE-¹R_MCURR (1b)

这些工具定位装置79和81各自可以包括多个区段130和132，每个区段包括多个椎骨224，并且所述多个点各自的点中的至少一些点可以是位于区段130和132的相应区段或椎骨上的点。

所述方法可以涉及：针对每个工具定位装置79和81，致使所述至少一个处理器电路基于针对与所述工具定位装置79和81相关联的末端执行器计算出的所希望的新的末端执行器位置和取向，来计算从与所述工具定位装置相关联的参考点到所述工具定位装置的区段上的点的矢量。

所述方法可以进一步涉及致使所述至少一个处理器电路基于所述区段上的点的位置来计算与所述区段相关联的至少一个椎骨的位置。

虽然已经描述和展示了本发明的具体实施例，但这样的实施例应当被视为对于本发明仅仅是说明性的，而不应视为限制根据所附权利要求书所解释的本发明。

Claims

1.一种机器人手术系统，包括：

插入管，所述插入管被配置为通过患者体壁中的切口插入；

第一手术工具和第二手术工具，所述第一手术工具和所述第二手术工具延伸穿过所述插入管，所述第一手术工具和所述第二手术工具中的每个手术工具包括工具定位器和相关联的末端执行器，所述工具定位器包括多个铰接区段，所述铰接区段可操作用以在末端执行器工作空间内移动所述末端执行器；

处理器，所述处理器被配置为基于对相关联的输入装置的操作产生控制信号，用于使所述第一手术工具和所述第二手术工具中的每个手术工具的工具定位器在所述末端执行器工作空间内定位所述相关联的末端执行器；

其中，所述处理器还被配置为：

对于所述第一手术工具和所述第二手术工具中的每个手术工具，响应于在所述相关联的输入设备处接收到的操作，确定新的末端执行器位置和新的末端执行器取向；

对于所述第一手术工具和所述第二手术工具中的每个手术工具，基于所述新的末端执行器位置和所述新的末端执行器取向，在所述末端执行器工作空间内确定所述铰接区段的定位；

对于所述第一手术工具，基于所述铰接区段的确定的定位，确定沿着所述铰接区段的多个点的位置；

对于所述第二手术工具，基于所述铰接区段的确定的定位，确定沿着所述铰接区段的至少一个点；

确定从沿着所述第一手术工具的铰接区段的所述多个点中的每个点到沿着所述第二手术工具的铰接区段的所述至少一个点的一组距离；

响应于确定所述一组距离中的至少一个距离满足接近度阈值，产生指示已经满足接近度标准的反馈信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器被配置为通过确定与每个铰接区段相关联的参考点在所述末端执行器工作空间中的位置来确定所述铰接区段的定位。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述铰接区段中的至少一个铰接区段包括多个椎骨，所述多个椎骨被配置为在弯曲时形成平滑曲线，并且，其中所述处理器被配置为进一步确定在所述至少一个铰接区段上相邻定位的参考点之间的一组中间参考点的位置。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理器被配置为通过确定沿所述铰接区段的位于中心的纵向轴线的参考点位置来确定参考点的位置，并且，其中所述处理器进一步被配置为基于所述工具定位器的直径确定沿着每个工具定位器的铰接区段的各自点的位置。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理器被配置为通过计算从每个参考点到每个工具定位器的铰接区段上的点的向量来确定沿着第一工具定位器和第二工具定位器的各自铰接区段的所述各自点的位置。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述处理器产生的所述反馈信号可操作用以：

使得与所述第一手术工具和所述第二手术工具相关联的所述末端执行器的运动被禁止；以及

使得与所述第一手术工具和所述第二手术工具相关联的所述末端执行器保持在各自的先前位置和先前取向。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述处理器产生的所述反馈信号包括视觉通知或音频通知中的至少一者，以提醒操作者接近度条件。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述处理器产生的所述反馈信号可操作用以发起产生对用户的触觉反馈，以阻碍所述输入设备在会缩短所述至少一个距离的方向上的进一步操作。