CN114760949A - 控制手术器械 - Google Patents

Abstract

一种用于响应于在远程外科医生控制台处操纵远程外科医生输入装置而控制手术器械的操纵的控制系统，所述手术器械由手术机器人臂支撑，所述手术器械包括由铰接联接件连接到轴的远端的末端执行器，所述铰接联接件包括一个或多个关节，所述一个或多个关节使所述末端执行器能够相对于所述轴的远端采用一系列姿态，所述控制系统被配置成：从由用户致动的输入件接收命令以使所述手术器械伸直；以及响应于所接收的命令，以：命令向所述铰接联接件的关节施加驱动力以驱动所述器械采用预定配置，在所述预定配置中，所述末端执行器的轮廓与所述轴的远端的轮廓最紧密地对准。

Description

控制手术器械

背景技术

使用机器人来辅助和执行手术是已知的。图1示出了典型的手术机器人系统。手术机器人100由基座102、臂104和器械106组成。基座支撑机器人，并且本身可以刚性地附接到例如手术室地面、手术室天花板或推车。臂在基座与器械之间延伸。臂借助于沿其长度的多个柔性关节108而铰接，所述多个柔性关节用于将手术器械相对于患者定位在期望位置。手术器械附接到机器人臂的远端。手术器械在端口处穿透患者的身体，以便进入手术部位。手术器械包括通过关节铰接连接到远端末端执行器110的轴。末端执行器参与手术程序。在图1中，所示的末端执行器为一对钳口。外科医生经由远程外科医生控制台112控制手术机器人100。外科医生控制台包括一个或多个外科医生输入装置114。这些可以采用手动控制器或脚踏板的形式。外科医生控制台还包括显示器116。

控制系统118将外科医生控制台112连接到手术机器人100。控制系统从外科医生输入装置接收输入，并将这些输入转换成控制信号以移动机器人臂104的关节和末端执行器110。控制系统将这些控制信号发送至机器人，其中相应关节相应地被驱动。

有时，手术器械106和/或机器人臂104进入外科医生希望改变的棘手配置。例如，当缝合时，通过机器人臂上的最终滚动关节围绕其旋转轴线的旋转，手术器械围绕其纵向轴线旋转。这样，臂滚动关节可以达到关节限制。为了继续缝合，外科医生首先执行外科医生输入装置的展开运动数次，以便使臂滚动关节展开，并且因此使器械展开。这种展开运动可能耗时且使外科医生的手腕疲劳，特别是在缝合操作期间需要定期执行时。当滚动关节已完全展开时，可能对外科医生也不明显。因此，需要帮助外科医生处理此类情况。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于响应于在远程外科医生控制台处操纵远程外科医生输入装置而控制手术器械的操纵的控制系统，所述手术器械由手术机器人臂支撑，所述手术器械包括由铰接联接件连接到轴的远端的末端执行器，所述铰接联接件包括一个或多个关节，所述一个或多个关节使所述末端执行器能够相对于所述轴的远端采用一系列姿态，所述控制系统被配置成：从由用户致动的输入件接收命令以使所述手术器械伸直；以及响应于所接收的命令，以：命令向所述铰接联接件的关节施加驱动力以驱动所述器械采用预定配置，在所述预定配置中，所述末端执行器的轮廓与所述轴的远端的轮廓最紧密地对准。

在所述预定配置中，所述铰接联接件的每个关节可以处于其运动范围的中心。

所述铰接联接件可包括俯仰关节和两个偏航关节。

所述末端执行器可包括被张开角分开的一对可相对的末端执行器元件，其中在所述预定配置中，所述张开角最小化。

所述手术机器人臂可包括在基座与所述手术器械的附接件之间的一系列连杆，所述连杆散置有关节，所述控制系统被配置成响应于所接收的命令另外命令向所述手术机器人臂的一个或多个关节施加驱动力以驱动所述手术机器人臂采用预定臂配置。

所述手术机器人臂可包括邻近所述手术器械的附接件的末端关节，所述末端关节是滚动关节，其中响应于所接收的命令，所述控制系统被配置成命令向所述滚动关节施加驱动力以将所述滚动关节驱动到其运动范围的中心。

在所述预定臂配置中，所述手术器械的附接件可以被定向成使得所述手术器械可在所述手术机器人臂处于水平表面上时竖直地附接到所述手术器械的附接件和/或从所述手术器械的附接件竖直地移除。

当所述手术器械附接到所述手术器械的附接件时，所述预定臂配置可以匹配所述机器人臂的配置。

所述控制系统可以被配置成在从所述输入件接收到所述命令时，在通过命令向所述铰接联接件和/或机器人臂关节施加驱动力来进行响应之前，等待预定时间。

所述控制系统可以被配置成在从所述输入件接收到所述命令时测量所述手术器械的当前配置，并且仅在所述手术器械的当前配置与所述预定配置相差大于器械公差值时命令向所述铰接联接件的关节施加驱动力。

所述控制系统可以被配置成在从所述输入件接收到所述命令时测量所述机器人臂的当前配置，并且仅在所述机器人臂的当前配置与所述预定臂配置相差大于臂公差值时命令向所述手术机器人臂的关节施加驱动力。

所述输入件可以是远程外科医生控制台的一部分。

所述输入件可位于所述远程外科医生控制台的手动控制器上，所述输入件能够被所述用户的手部的运动致动。

所述输入件可以是能够由所述用户的语音致动的语音传感器。

所述输入件可以是位于所述远程外科医生控制台的两个手动控制器上的组合输入件，所述组合输入件能够由所述用户的双手的运动致动。

所述控制系统可以被配置成在接收到所述命令时：确定所述外科医生是否具有对所述手术器械的主动控制，以及仅当所述外科医生具有对手术器械的主动控制时，通过命令向所述铰接联接件的关节施加驱动力来响应所接收的命令。

所述输入件可以位于手术机器人臂上。

所述控制系统可以被配置成在接收到所述命令时：确定器械更换模式是否已被启用；以及仅当所述器械更换模式已被启用时，通过命令向铰接联接件的关节施加驱动力来响应所接收的命令。

所述控制系统可以被配置成仅在所述输入件正被所述用户致动时命令向所述铰接联接件的关节和/或机器人臂关节施加驱动力。

所述控制系统可以被配置成：从所述手术机器人臂上的输入件接收所述命令；从所述远程外科医生输入装置上的输入接收另一个命令，所述另一个命令操纵所述手术器械；以及用来自所述手术机器人臂上的输入的命令覆盖所述另一个命令。

附图说明

现在将参考附图以举例的方式描述本发明。在附图中：

图1示出了用于执行手术程序的手术机器人系统；

图2a和2b示出了示例性手术器械的远端；

图3示出了机器人；

图4a、b和c示出了机器人臂与手术器械之间的接口；

图5示出了外科医生输入装置；以及

图6是控制手术器械的操纵的方法的流程图。

具体实施方式

下文描述了从远程外科医生控制台和/或手术机器人臂控制手术机器人臂和手术机器人器械。臂、器械和控制台形成图1所示的类型的手术机器人系统的一部分。

手术器械由机器人臂支撑。机器人臂本身由基座支撑。在手术期间，将基座固定到手术室的一部分，例如地板、天花板、推车或患者床。机器人臂一直保持在患者外部。机器人臂包括散置有关节一系列臂连杆。这些关节可以是回转关节。在基座远端的机器人臂的端部可以通过一个或多个关节的移动相对于基座铰接。手术器械附接到机器人臂的远端处的驱动组件。此附接点在患者外部。

手术器械具有细长轮廓，其中轴跨越在其近端与其远端之间，所述近端附接到机器人臂，所述远端接近患者体内的手术部位。手术器械的近端和器械轴可以相对于彼此刚性，并且在附接到机器人臂时相对于机器人臂的远端刚性。向患者体内做出切口，通过所述切口插入端口。手术器械可通过端口穿透患者身体，以便进入手术部位。替代地，手术器械可以通过身体的自然腔道穿透身体以接近手术部位。在器械的近端处，轴连接到器械接口。器械接口与机器人臂的远端处的驱动组件接合。具体地说，器械接口的各个器械接口元件各自接合驱动组件的相应各个驱动组件接口元件。器械接口可以与驱动组件可释放地接合。器械可以手动地从机器人臂上拆卸，而不需要任何工具。这使得在操作期间器械能够快速地从驱动组件上拆卸，并且附接另一个器械。

在手术器械的远端处，轴的远端由铰接联接件连接到末端执行器。末端执行器在手术部位处参与手术程序。图2a和2b示出了示例性器械的远端，其具有一对钳夹作为末端执行器201。轴202由铰接联接件203连接到末端执行器201。铰接联接件203包括若干关节。这些关节使得末端执行器的姿态能够相对于器械轴的方向改变。尽管图2a和2b中未示出，但末端执行器还可以包括关节。在图2a和2b的实例中，铰接联接件203包括俯仰关节204。俯仰关节204围绕俯仰轴线205旋转，该俯仰轴线垂直于轴202的纵向轴线206。俯仰关节204允许支撑体213(下文描述)且因此允许末端执行器201围绕俯仰轴线205相对于轴旋转。在图2a和2b的实例中，铰接联接件还包括第一偏转关节207和第二偏转关节211。第一偏转关节207围绕第一偏转轴线208旋转。第二偏转关节211围绕第二偏转轴线212旋转。偏转轴线208、212都垂直于俯仰轴线205。偏转轴线208、212可以是平行的。偏转轴线208和212可以是共线的。铰接联接件203包括支撑体213。在一端，支撑体213由俯仰关节204连接到轴202。在另一端，支撑体213由偏转关节207和211连接到末端执行器201。为了便于图示，图2a省略了该支撑体，以便使得能够更容易地看到铰接联接件的其它结构。所示的末端执行器201包括两个末端执行器元件209、210。替代性地，末端执行器可具有单个末端执行器元件。图2a和2b中所示的末端执行器元件209、210是相对的钳口。然而，末端执行器元件可以是任何类型的相对末端执行器元件。第一偏转关节207与第一末端执行器元件209固定，并且允许第一末端执行器元件209围绕第一偏转轴线208相对于支撑体213和俯仰关节204旋转。第二偏转关节211与第二末端执行器元件210固定，并且允许第二末端执行器元件210围绕第二偏转轴线212相对于支撑体213和俯仰关节204旋转。在图2a中，末端执行器元件209、210以钳口邻接的闭合配置示出。一般来说，末端执行器元件209、210被张开角分开。

图2a和2b中所示的关节由一对驱动元件驱动。驱动元件是细长的。它们在横向于纵向跨度上是柔性的。它们抵抗沿着其纵向跨度的压缩力和拉力。每对驱动元件在器械轴的另一端固定到器械接口的相应器械接口元件。因此，机器人臂按如下方式将驱动力传递到末端执行器：驱动组件接口元件的移动使器械接口元件移动，所述器械接口元件使驱动元件移动，所述驱动元件使铰接部和/或末端执行器的一个或多个关节移动，从而使所述末端执行器移动。驱动元件可以是线缆。驱动元件可包括若干柔性部分和一个刚性部分。柔性部分接合器械接口和铰接联接件的部件，并且刚性部分延伸穿过器械轴的全部或部分。例如，柔性部分可以是线缆，并且刚性部分可以是辐条。其它刚性部分可以在器械接口或器械的铰接联接件中。例如，齿条和小齿轮可以在器械接口或器械的铰接联接件中。

图2a和2b示出了第一对驱动元件A1、A2，其被约束以围绕第一偏转关节207移动。驱动元件A1、A2驱动第一末端执行器元件209围绕第一偏转轴线208旋转。图2a和2b示出了第二对驱动元件B1、B2，其被约束以围绕第二偏转关节211移动。驱动元件B1、B2驱动第二末端执行器元件210围绕第二偏转轴线212旋转。图2a和2b还示出了第三对驱动元件C1、C2，其被约束以围绕俯仰关节204移动。驱动元件C1、C2驱动末端执行器201围绕俯仰轴线205旋转。可以通过向驱动元件C1和/或C2施加张力，围绕俯仰轴线205旋转末端执行器201。俯仰关节204和偏转关节207、211独立地由它们各自的驱动元件驱动。

末端执行器元件209、210可独立地旋转。末端执行器元件可以在相反的旋转方向上旋转。例如，可以通过向驱动元件A2、B1施加张力，使末端执行器元件在相对的旋转方向上朝向彼此旋转。可以通过向驱动元件A1、B2施加张力来使末端执行器元件在相对的旋转方向上远离彼此旋转。可以通过向驱动元件A1、B1或替代地向A2、B2施加张力来使两个末端执行器元件在同一旋转方向上旋转。这使末端执行器元件围绕枢转轴线208、212偏转。替代地，在一个末端执行器元件保持就位时，通过向驱动元件A1、A2、B1、B2中的仅一个施加张力，可以(在任一旋转方向上)旋转另一末端执行器元件。

图3示出了示例性机器人300。机器人包括基座301，当正在执行手术程序时，所述基座固定在适当位置。适当地，基座301安装到底盘。底盘可以是推车，例如用于以床高度安装机器人的床边推车。替代地，底盘可以是安装在天花板上的装置或安装在床上的装置。

机器人臂302从机器人的基座301延伸到用于手术器械304的附接件303。臂是柔性的。它借助于沿着其长度的多个柔性关节305来铰接。在关节之间是刚性臂连杆306。图3中的臂具有八个关节。该关节包括一个或多个滚动关节(其沿着臂构件的纵向方向在关节的任一侧上具有旋转轴)、一个或多个俯仰关节(其具有横向于前一臂构件的纵向方向的旋转轴线)和一个或多个偏航关节(其还具有横向于前一臂构件的纵向方向并且还横向于共同定位的俯仰关节的旋转轴线)。在图3的实例中，关节305a、305c、305e和305h是滚动关节；关节305b、305d和305f是俯仰关节；并且关节305g是偏航关节。俯仰关节305f和偏航关节305g具有相交的旋转轴线。因此，从基座301到附接件303的关节的顺序是：滚动、俯仰、滚动、俯仰、滚动、俯仰、偏航、滚动。然而，臂可以不同地接合。例如，臂可以具有少于八个或多于八个关节。臂可以包括允许除了在关节的相应侧之间旋转之外的运动的关节，例如伸缩关节。机器人包括一组驱动器307，每个驱动器307驱动一个或多个关节305。

附接件303使得手术器械304能够可释放地附接到机器人臂的远端。手术器械可以被配置成与臂的末端关节305h的旋转轴线平行地直线延伸。例如，手术器械可以沿着与臂的末端关节的旋转轴线重合的轴线延伸。

机器人臂包括一系列传感器308、309。对于每个关节，这些传感器包括用于感测关节的位置的位置传感器308，以及用于感测围绕关节的旋转轴线施加的扭矩的扭矩传感器309。用于关节的位置传感器和扭矩传感器中的一者或两者可以与用于该关节的电机集成。传感器的输出被传递到控制系统118。

图4a、4b和4c示出了机器人臂的远端与器械的近端之间的接口。图4a示出了器械接口401。器械接口401刚性地附接到器械轴202。器械轴202不相对于器械接口401旋转或以其它方式移动。器械接口包括器械接口元件402，其中的每一个接口元件固定到驱动元件。该驱动元件沿着轴202向下延伸以用于驱动铰接关节203。器械接口元件402被暴露，以便能够与机器人臂相接。

图4b示出了在机器人臂的远端处的驱动组件接口。驱动组件接口元件403各自具有与器械接口元件402互补的形状。因此，驱动组件接口元件403被成形为以便接收器械接口元件402。驱动组件接口元件403各自可沿着平行于机器人臂的远端的纵向轴线404的方向沿着导螺杆405驱动。器械接口降低到驱动组件中，使得器械接口元件402接合在驱动组件接口元件403中。图4c示出了接合在驱动组件接口中的器械接口。机器人臂现在可以通过驱动驱动组件接口元件403沿着导螺杆405的移动来驱动铰接件203的移动。

外科医生控制台包括一个或多个外科医生输入装置。每个外科医生输入装置使外科医生能够向控制系统提供控制输入。例如，外科医生输入装置可以是手动控制器、脚控制器，例如踏板、将由手指或身体的另一部分控制的触敏输入件、语音控制输入装置、眼睛控制输入装置或手势控制输入装置。外科医生输入装置可以提供外科医生可以单独操作的若干输入件。

图5示出了示例性手动控制器500。手动控制器例如由万向装置(未示出)连接到外科医生控制台。这使手动控制器能够相对于外科医生控制台以三个平移自由度移动。此类移动可用于命令器械的末端执行器201的对应移动。所示手动控制器旨在由右手握住。可以用左手握住镜像手动控制器。手动控制器包括适合由手抓握的本体501。手动控制器可包括额外输入件，例如按钮、开关、杠杆、滑动输入件或电容性传感器输入件，例如跟踪板503。图5的手动控制器包括触发器502。触发器502可相对于本体501移动。在所示的手动控制器中，触发器502可相对于本体501旋转。替代地或另外，触发器可以相对于本体501线性地平移。触发器502相对于本体501的移动可用于命令打开和关闭器械的末端执行器元件209、210。手动控制器可包括两个触发器，每个触发器用于独立地控制末端执行器元件209、210中的单个不同末端执行器元件。

控制系统将外科医生控制台连接到手术机器人。控制系统包括处理器和存储器。存储器以非暂态方式存储可以由处理器执行的软件代码，以使处理器以本文描述的方式控制手术控制台和机器人臂和器械。控制系统从外科医生输入装置接收输入，并将其转换成控制信号以移动机器人臂的关节和/或铰接联接件的关节和/或末端执行器的关节。控制系统将这些控制信号发送至机器人臂，其中相应关节相应地被驱动。响应于外科医生输入装置的操纵，由此由控制系统控制手术器械的操控。

如下文将更详细地描述，控制系统还接收另一输入。控制系统以与上文相同的方式通过将另一输入转换成控制信号以移动机器人臂的关节和/或铰接联接件的关节和/或末端执行器的关节来响应于此另一输入。控制系统将这些控制信号发送至机器人臂，其中相应关节相应地被驱动。响应于此另一输入，由此还由控制系统控制手术器械和机器人臂的操纵。

在操作期间，有时外科医生可能希望使器械伸直。例如，当手术器械从身体移除时，其穿过端口。手术器械的远端伸直，以便其适合穿过端口。为此，外科医生可以手动操纵外科医生输入装置以使铰接联接件的每个关节旋转以便使器械伸直。理想地，器械的远端在来自身体内部的内窥镜的视频馈送中可见，以便外科医生在手术器械的远端到达端口之前视觉确认手术器械的远端处于伸直位置。

作为另一个实例，当缝合时，手术器械的旋转被重复地命令。这可以通过旋转器械的轴的滚动关节或通过旋转机器人臂的最终滚动关节305h来实现。这可使得滚动关节达到关节限制。通过展开滚动关节使手术器械伸直，以便其能够再次用于缝合。为此，外科医生可以手动操纵外科医生输入装置以展开器械。当器械完全展开时，可能并不明显。在上述两种情境中，外科医生保持对器械的控制。出于安全原因，在这些情境中外科医生保持对手术器械的控制是重要的。

图6描述了响应于来自由用户致动的输入件的命令而控制待伸直的手术器械的方法。

在步骤601处，控制系统从由用户致动的输入件接收使手术器械伸直的命令。该输入件可以是外科医生控制台112的一部分。例如，该输入件可以在被配置成通过用户手部的运动来致动的手动控制器500上。例如，该输入件可以是手动控制器上的按钮、开关或滑块。该输入件可以是来自被配置成由用户的双手的运动致动的两个手动控制器的组合输入件。例如，该输入件可以是两个手动控制器上的同时按钮按压。该输入件可以是由用户的语音致动的外科医生控制台112上的语音传感器。对于外科医生控制台上的所描述的示例性输入件，外科医生是用户。

替代地或另外，该输入件可以在手术机器人臂上。替代地或另外，该输入件可以位于支撑结构上，手术机器人臂安装到所述支撑结构上，例如，推车或床。例如，该输入件可以是位于机器人臂或支撑结构的外部壳体上的按钮、开关、滑块或触摸垫。对于机器人臂或支撑结构上的所描述的示例性输入件，床侧工作人员的成员是用户。

所述系统可包括可由用户致动以使手术器械伸直的两个或更多个输入件。例如，输入件中的一个可以位于外科医生控制台112上，并且另一个输入件可以位于机器人臂上。

在步骤602处，控制系统通过命令向铰接联接件和/或器械轴的一个或多个关节施加驱动力以驱动器械采用预定配置来响应所接收的命令。

末端执行器可以采用相对于器械的轴的远端的轮廓的一系列姿态，每个姿态取决于铰接联接件203的关节围绕其旋转轴线的旋转角度。步骤602的预定配置可以是末端执行器的轮廓与轴的远端的轮廓最紧密地对准的配置。换句话说，在末端执行器相对于轴的远端的轮廓可采用的姿态范围中，预定配置是末端执行器与轴的远端的投影轮廓最紧密对准的姿态。轴的远端的投影轮廓在图2b上用虚线215示出。在此预定配置中：支撑体213不相对于轴202围绕俯仰关节205旋转，和/或末端执行器201不相对于支撑体213围绕偏航关节207、211旋转，和/或末端执行器元件209、210的张开角最小化。如果末端执行器元件209、210邻接，则它们的张开角可以为零。在预定配置中，铰接联接件203的每个关节可以处于其运动范围的中心。步骤602的预定配置可以是这样一种配置，其中，末端执行器相对于轴的姿态不同于与轴的远端的轮廓最紧密对准。

在预定配置中，器械轴的滚动关节可以处于其运动范围的中心。这通过命令驱动力围绕滚动关节的轴线驱动滚动关节来执行。因此，当达到滚动关节的极限时，这不再需要外科医生主动手动展开器械。在预定配置中，器械轴的滚动关节可以处于其运动范围的某一限制处，所述限制不同于通过外科医生在相反的旋转方向上的重复滚动运动所达到的关节限制。例如，在缝合操作中，如果控制系统接收到缝合操作要继续的信息，那么其可以通过使手术器械的滚动关节展开超出其运动范围的中心到其它关节限制来对接收到输入进行响应。这最大化了可用于继续缝合运动的行程。

因此，响应于用户致动输入件，可以使器械的远端伸直。输入可以是单个输入。对于将手术器械从身体移除的实例，响应于单个输入，控制手术器械以采用使它能够通过端口缩回的伸直配置。因此，这不再需要外科医生将铰接联接件的每个关节主动拉直到正确的程度，以便使器械能够安全地通过端口缩回。

在步骤602处，控制系统可以通过命令向机器人臂的一个或多个关节施加驱动力以驱动机器人臂采用预定臂配置来响应在步骤601处接收的命令。

例如，预定臂配置可以是末端滚动关节305h处于其运动范围的中心的臂配置。对于手术器械已卷起的实例，例如在缝合操作期间，响应于输入(可以是单个输入)，通过展开机器人臂的滚动关节305h来展开手术器械。这通过命令驱动力以仅围绕滚动关节305h的轴线驱动滚动关节来执行。因此，当达到滚动关节305h的限制时，这不再需要外科医生主动手动展开器械。对于缝合操作，外科医生可以放下针或将其传递到另一器械，然后致动输入件以使器械展开，然后拾取针以继续缝合。

预定臂配置可以是末端滚动关节305h处于其运动范围的某一限制处的配置，所述限制不同于通过外科医生在相反的旋转方向上的重复滚动运动所达到的关节限制。例如，在缝合操作中，如果控制系统接收到缝合操作要继续的信息，那么其可以通过滚动关节305h超出其运动范围的中心到它的其它关节限制来展开手术器械，来对接收到输入进行响应。这最大化了可用于继续缝合运动的行程。

预定配置可以是机器人臂的驱动组件接口被定向以便当机器人处于水平表面上时朝上的配置。参考图4c，驱动组件接口(其与器械接口相接)面向方向X。当机器人处于水平表面上时，该方向X在预定配置中是竖直的。这通过命令一些或所有机器人臂关节旋转以使驱动组件接口面向方向X来执行。这使床侧工作人员更容易将器械拆卸/附接到机器人臂。

控制系统可以将预定臂配置设置为在操作开始之前手术器械附接到臂时的机器人臂配置。通常，床侧工作人员此时将臂操纵成U形(或马蹄形)构造，此时，机器人臂关节均不接近其关节限制。控制系统从关节位置传感器308接收每个关节的角位置。控制系统将所接收的关节位置集合记录为预定臂配置。

预定配置可以是上述预定配置中的任何一个或组合。

为了防止输入件被误用以使器械伸直，控制系统可以实施以下预防措施中的任何一个或组合：

1.控制系统可以确定外科医生是否具有对手术器械的主动控制。在步骤601处接收到命令时，仅在控制系统确定外科医生具有对手术器械的主动控制时，控制系统前进到步骤602。控制系统可在确定外科医生输入装置的离合器按钮被接合时确定外科医生对手术器械具有主动控制。

2.控制系统可确定是否启用器械更换模式。在步骤601处接收到命令时，仅在控制系统确定器械更换模式已被启用时，控制系统前进到步骤602。在器械更换模式中，在步骤601之后但在步骤602之前，控制系统可以命令末端执行器元件209、210打开。这使得末端执行器在从手术部位提取手术器械之前释放其夹持的组织。然后，在检测到手术器械已开始从手术部位缩回时，控制系统前进到步骤602以使器械采用预定配置。

3.在步骤601处接收到命令之后，控制系统可以等待预定间隔T，然后在步骤602处命令施加驱动力。如果在时间间隔T期间输入件不再被用户致动，则控制系统不前进到步骤602。T可以在10m s–1000m s的范围内。T可以是200ms。

4.控制系统可确定是否已向机器人臂施加制动。在步骤601处接收到命令时，仅在控制系统确定已施加制动时，控制系统前进到步骤602。

5.仅在用户继续在步骤601处致动输入件的时间段，控制系统命令施加驱动力以使器械采用步骤602处的预定配置。如果用户停止致动输入件，那么控制系统停止命令施加步骤602的驱动力。

6.控制系统可以实施碰撞避免机构。在步骤601处接收命令时，仅在控制系统确定在实施步骤602时机器人臂不会与另一结构(例如另一机器人臂)碰撞时，控制系统前进到步骤602。

7.控制系统可以在手术部位处实施特征检测/识别，以便确定在不接触或干扰周围组织的情况下器械是否可安全地移动。在步骤601处接收到命令时，仅在控制系统确定在器械末端执行器周围有足够的间隙以避免在实施步骤602时干扰周围组织时，控制系统前进到步骤602。

响应于在步骤601处从输入件接收命令，控制系统可将器械的当前配置与预定配置进行比较。然后，控制系统可以仅在器械的当前配置和预定配置相差超过器械公差值时继续执行步骤602。器械的每个关节可以具有个体公差值。例如，此个体公差值可以在0.005至0.02弧度的范围内。个体公差值可以是0.01弧度。末端执行器元件的张开角也可以具有个体公差值。如果任何单个关节超过其个体公差值，或张开角超过其个体公差值，则确定当前配置超过器械的预定配置的值超过器械公差值。如果当前配置与预定配置相差不大于器械公差值，那么控制系统将器械视为已经具有预定配置，并且因此不继续执行步骤602。

响应于在步骤601处从输入件接收命令，控制系统可将机器人臂的当前配置与预定臂配置进行比较。然后，控制系统可以仅在机器人臂的当前配置和预定臂配置相差超过臂公差值时，继续命令向机器人臂的关节施加驱动力。可以仅考虑机器人臂的最终滚动关节305h。换句话说，仅当最终滚动关节305h与其预定关节位置相差大于其个体公差值时，机器人臂的当前配置可视为与预定臂配置相差大于臂公差值。最终滚动关节的个体公差值可以在0.0005至0.01弧度的范围内。最终滚动关节的个体公差值可以是0.001弧度。替代地，机器人臂的每个关节可具有个体臂公差值。在这种情况下，如果任何单个关节超过其个体公差值，则确定当前臂配置超过预定臂配置超过臂公差值。如果当前臂配置与预定臂配置相差不大于臂公差值，那么控制系统将臂视为已经具有预定臂配置，因此不继续命令向机器人臂的关节施加驱动力以将其配置改变到预定臂配置。

使用上述公差方法可防止由于计算中的取舍误差而驱动器械/机器人臂围绕预定配置无限地振荡。

用于实施本文中所描述的方法的控制系统可在如图1所示的控制系统118处实施。在这种情况下，控制系统118接收来自外科医生控制台112的输入和来自机器人臂100的输入。在步骤601的输入件位于机器人臂或支撑结构上的情况下，来自该输入件的命令从机器人臂或支撑结构发送到控制系统118。在从外科医生控制台112和从输入件接收到冲突命令时，控制系统可以用来自输入件的命令覆盖来自外科医生控制台的命令。这可以经受控制系统检查机器人臂状态机和/或整个机器人系统的状态机。

用于实施本文中所描述的方法的控制系统可在机器人臂处实施。例如，在输入件位于机器人臂上的实例中，控制系统也可以位于机器人臂处。臂控制系统包括处理器和存储器。存储器以非暂态方式存储可以由处理器执行的软件代码，以使处理器以本文描述的方式控制机器人臂和器械。臂控制系统从控制系统118接收输入，并且还接收由用户致动的输入。臂控制系统将这些输入转换成控制信号以移动机器人臂的关节和/或铰接联接件的关节和/或末端执行器的关节。臂控制系统可以从控制系统118和从由用户致动的输入件接收冲突命令。在接收到冲突命令时，臂控制系统可以用来自输入件的命令覆盖来自控制系统118的命令。这可通过由臂控制系统从控制系统118接收的数据包来实现，所述数据包包括模式字段或标记，该模式字段或标记使得源自外科医生控制台的位置命令能够被臂控制系统覆盖。模式字段包括与机器人臂的模式有关的信息。实例模式是：外科医生控制机器人臂以执行手术的手术模式，以及器械可以从机器人臂安全地移除和附接另一器械的器械更换模式。此模式信息辅助臂控制系统高效地使来自输入件的命令优于来自外科医生控制台的命令，而不需要臂控制系统另外从系统状态机检索该信息。

控制系统可以跨越机器人手术系统分布。例如，控制系统118可以关于在外科医生控制台上致动的输入件执行图6的方法，而臂控制系统可以关于在机器人臂上致动的输入件执行图6的方法。

与已知方法相比，本文所述的方法使得器械能够以安全方式返回到标称笔直配置，其中外科医生保持对器械的控制，同时需要来自外科医生的减少的努力。

末端执行器可以采用任何合适的形式。例如，末端执行器可以是一对弯曲剪刀，电外科器械，例如一对单极剪刀、针架、一对钳夹或开口抓握器。

本文描述的机器人可以用于除手术之外的目的。例如，端口可以是制造物品如汽车发动机中的检查端口，并且机器人可以控制观察工具以观察发动机内部。

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。

Claims (19)

1.一种用于响应于在远程外科医生控制台处操纵远程外科医生输入装置而控制手术器械的操纵的控制系统，所述手术器械由手术机器人臂支撑，所述手术机器人臂包括在基座与所述手术器械的附接件之间的一系列连杆，所述连杆散置有关节，所述手术器械包括由铰接联接件连接到轴的远端的末端执行器，所述铰接联接件包括一个或多个关节，所述一个或多个关节使所述末端执行器能够相对于所述轴的远端采用一系列姿态，所述控制系统被配置成：

从由用户致动的输入件接收命令以使所述手术器械伸直；以及

响应于所接收的命令，以：

(i)命令向所述铰接联接件的关节施加驱动力以驱动所述器械采用预定配置，在所述预定配置中，所述末端执行器的轮廓与所述轴的远端的轮廓最紧密地对准，以及

(ii)命令向所述手术机器人臂的一个或多个关节施加驱动力以驱动所述手术机器人臂采用预定臂配置。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中在所述预定配置中，所述铰接联接件的每个关节处于其运动范围的中心。

3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中所述铰接联接件包括俯仰关节和两个偏航关节。

4.根据任一前述权利要求所述的控制系统，其中所述末端执行器包括被张开角分开的一对可相对的末端执行器元件，其中在所述预定配置中，所述张开角最小化。

5.根据任一前述权利要求所述的控制系统，其中所述手术机器人臂包括邻近所述手术器械的附接件的末端关节，所述末端关节是滚动关节，其中响应于所接收的命令，所述控制系统被配置成命令向所述滚动关节施加驱动力以将所述滚动关节驱动到其运动范围的中心。

6.根据任一前述权利要求所述的控制系统，其中在所述预定臂配置中，所述手术器械的附接件被定向成使得所述手术器械能够在所述手术机器人臂处于水平表面上时竖直地附接到所述手术器械的附接件和/或从所述手术器械的附接件竖直地移除。

7.根据任一前述权利要求所述的控制系统，其中当所述手术器械附接到所述手术器械的附接件时，所述预定臂配置匹配所述机器人臂的配置。

8.根据任一前述权利要求所述的控制系统，其被配置成在从所述输入件接收到所述命令时，在通过命令向所述铰接联接件和/或机器人臂关节施加驱动力来进行响应之前，等待预定时间。

9.根据任一前述权利要求所述的控制系统，其被配置成在从所述输入件接收到所述命令时，测量所述手术器械的当前配置，并且仅在所述手术器械的当前配置与所述预定配置相差大于器械公差值时命令向所述铰接联接件的关节施加驱动力。

10.根据任一前述权利要求所述的控制系统，其被配置成在从所述输入件接收到所述命令时，测量所述机器人臂的当前配置，并且仅在所述机器人臂的当前配置与所述预定臂配置相差大于臂公差值时命令向所述手术机器人臂的关节施加驱动力。

11.根据任一前述权利要求所述的控制系统，其中所述输入件是所述远程外科医生控制台的一部分。

12.根据权利要求11所述的控制系统，其中所述输入件位于所述远程外科医生控制台的手动控制器上，所述输入件能够被所述用户的手部的运动致动。

13.根据权利要求11所述的控制系统，其中所述输入件是能够由所述用户的语音致动的语音传感器。

14.根据权利要求13所述的控制系统，其中所述输入件是位于所述远程外科医生控制台的两个手动控制器上的组合输入件，所述组合输入件能够由所述用户的双手的运动致动。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的控制系统，其被配置成在接收到所述命令时：

确定所述外科医生是否具有对所述手术器械的主动控制，以及

仅当所述外科医生具有对所述手术器械的主动控制时，通过命令向所述铰接联接件的关节施加驱动力来响应所接收的命令。

16.根据权利要求1至10中任一项所述的控制系统，其中所述输入件在所述手术机器人臂上。

17.根据权利要求15所述的控制系统，其被配置成在接收到所述命令时：

确定器械更换模式是否已被启用；以及

仅当所述器械更换模式已被启用时，通过命令向所述铰接联接件的关节施加驱动力来响应所接收的命令。

18.根据任一前述权利要求所述的控制系统，其被配置成仅在所述输入件正被所述用户致动时命令向所述铰接联接件的关节和/或机器人臂关节施加驱动力。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的控制系统，其被配置成：

从所述手术机器人臂上的输入件接收所述命令；

从所述远程外科医生输入装置上的输入件接收另一个命令，所述另一个命令操纵所述手术器械；以及

用来自所述手术机器人臂上的输入件的命令覆盖所述另一个命令。

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