CN115379811A - 用于机器人系统的手动输入装置 - Google Patents

Abstract

某些方面涉及用于控制机器人外科工具的输入装置的系统和技术。该输入装置可以包括第一对相对的连接件和第二对相对的连接件。该第一对相对的连接件和第二对相对的连接件可以径向对称布置。该输入装置可以被配置成控制该机器人外科工具的操作。

Description

用于机器人系统的手动输入装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年3月27日提交的美国临时申请第63/000769号的权益，该申请据此全文以引用方式并入。

技术领域

本文公开的系统和方法涉及输入装置，并且更具体地，在某些实施方案中，涉及用于外科系统的输入装置。

背景技术

医疗规程诸如腹腔镜手术可涉及进入患者的内部区域并使患者的内部区域可视化。在腹腔镜检查规程中，医疗器械可通过腹腔镜式入口插入内部区域中。

在某些规程中，机器人医疗系统可以用于控制器械和端部执行器的插入和/或操纵。机器人医疗系统可以包括机器人臂或其他器械定位装置。机器人医疗系统还可以包括用于在规程期间控制器械的定位和/或致动的输入装置。

发明内容

本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，这些创新方面中没有一个独自负责本文所公开的期望属性。

在一个方面，提供了一种用于控制机器人外科工具的输入装置。该输入装置可以包括第一对相对的连接件和第二对相对的连接件。第一对相对的连接件和第二对相对的连接件可以径向对称布置。该输入装置可以被配置成控制该机器人外科工具的操作。

在一些配置中，第一对相对的连接件比第二对相对的连接件长。第一对相对的连接件可以与第二对相对的连接件具有相等的长度。第一对相对的连接件中的每个连接件可以包括手指垫。第二对相对的连接件中的每个连接件可以包括离合器按钮。离合器按钮可以是下压按钮。离合器按钮可以包括突出的凸缘。输入装置可以包括至少一个离合器按钮。该至少一个离合器按钮在被致动时可以被配置成将输入装置与控制机器人外科工具的操作分离。第一对相对的连接件中的每个连接件和第二对相对的连接件中的每个连接件可以耦合到中心纵向构件。第一对相对的连接件中的每个连接件的近侧端部和第二对相对的连接件中的每个连接件的近侧端部可以被配置成相对于中心纵向构件径向移动。第一对相对的连接件中的每个连接件可以被配置成一起移动。第二对相对的连接件中的每个连接件可以被配置成一起移动。第一对相对的连接件和第二对相对的连接件可以被配置成一起移动。第一对相对的连接件中的每个连接件可以被配置成一起移动，使得第一对相对的连接件的近侧端部被定位成与中心纵向构件的距离相等。第一对相对的连接件可以被约束在一起移动。第二对相对的连接件可以被约束在一起移动。中心纵向构件可以包括霍尔效应传感器。

在另一个方面，可以提供一种用于控制机器人外科工具的输入装置。输入装置可以包括多连接件抓取器，该多连接件抓取器包括耦合到中心纵向构件的三个或更多个连接件。三个或更多个连接件可以围绕中心纵向构件彼此间隔开小于180度。多连接件抓取器可以被配置用于控制机器人外科工具的操作。三个或更多个连接件可以彼此等距间隔开。三个或更多个连接件中的每个连接件可以被配置成从打开位置移动到闭合位置，在打开位置，三个或更多个连接件中的每个连接件的近侧端部被定位成径向远离中心纵向构件，在闭合位置，三个或更多个连接件中的每个连接件的近侧端部被定位成径向接近中心纵向构件。三个或更多个连接件中的每个连接件可以被偏置在打开位置。

在又一个方面，可以提供一种用于控制外科工具的输入装置。输入装置可以包括多连接件抓取器，该多连接件抓取器包括围绕中心纵向构件的两个或更多个连接件，用于控制外科工具的操作。

在一些配置中，两个或更多个连接件中的至少一个连接件可以包括手指输入部。手指输入部能够在第一模式和第二模式下操作。在第一模式中，手指输入部可以作为手指离合器操作，并且在第二模式中，手指离合器作为选择工具操作。手指输入部可以包括下压输入部。手指输入部可以包括旋转输入部。中心纵向构件可以包括用于检测手指输入部的模式的传感器。传感器可以耦合到中心纵向构件。两个或更多个连接件中的每个连接件可以在近侧端部包括曲面。曲面可以围绕中心纵向构件包绕。输入装置可以包括齿条。齿条可以包括齿轮齿，该齿轮齿被配置成与两个或更多个连接件中的每个连接件相配合。两个或更多个连接件中的每个连接件可以被配置成相对于齿条旋转，其中两个或更多个连接件中的每个连接件被配置成与齿条啮合，使得两个或更多个连接件中的一个连接件的旋转引起两个或更多个连接件中的其余连接件的旋转。两个或更多个连接件中的每个连接件可以包括锥齿轮齿，该锥齿轮齿被配置成将两个或更多个连接件中的每个连接件的运动连接到两个或更多个连接件的其余连接件。

在又一个方面，可以提供医师控制台。医师控制台可以包括输入装置，该输入装置包括第一抓取器和第二抓取器。输入装置可以被配置成控制外科工具。第一抓取器和第二抓取器中的至少一者可以包括用于控制外科工具的操作的四连接件径向对称抓取器。

附图说明

下文将结合附图描述所公开的方面，该附图被提供以说明而非限制所公开的方面，其中类似的标号表示类似的元件。

图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人系统的实施方案。

图2描绘了图1的机器人系统的另外方面。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方案。

图4示出了被布置用于血管规程的图1的机器人系统的实施方案。

图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图6提供了图5的机器人系统的另选视图。

图7示出了被构造成收起机器人臂的示例性系统。

图8示出了被配置用于输尿管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图9示出了被构造用于腹腔镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图10示出了图5至图9的具有俯仰和倾斜调节的基于台的机器人系统的实施方案。

图11提供了图5至图10的台和基于台的机器人系统的柱之间的接口的详细图示。

图12示出了基于台的机器人系统的另选实施方案。

图13示出了图12的基于台的机器人系统的端视图。

图14示出了其上附接有机器人臂的基于台的机器人系统的端视图。

图15示出了示例性器械驱动器。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。

图18示出了具有基于器械的插入架构的器械。

图19示出了示例性控制器。

图20示出了根据示例实施方案的定位系统的框图，该定位系统估计图1至图10的机器人系统的一个或多个元件的位置，诸如图16至图18的器械的位置。

图21A示出了处于打开位置的输入装置。

图21B示出了处于闭合位置的图21A的输入装置。

图22以分解图示出了图21A至图21B的输入装置。

图23示出了没有多个连接件的图21A至图21B和图22的输入装置。

图24A示出了图21A至图21B和图22至图23的输入装置，其中没有处于打开位置的第二对连接件。

图24B示出了处于闭合位置的图24A的输入装置。

图24C示出了具有弹簧筒的图24B的输入装置。

图24D示出了图24C的输入装置的横截面视图。

图24E示出了图24C至图24D的弹簧筒。

图24F示出了图24E的弹簧筒的横截面视图。

图25A示出了具有手指垫的第一连接件的俯视图。

图25B示出了图25A的第一连接件的仰视图。

图26A示出了具有辅助输入部的第三连接件的俯视图。

图26B示出了图26A的第三连接件的仰视图。

图27A示出了具有辅助输入部的第三连接件的另一个示例。

图27B示出了图27A的第三连接件的横截面视图。

图28示出了具有辅助输入部的第三连接件的又一个示例。

图29A示出了具有辅助输入部的第三连接件的又一个示例。

图29B示出了具有辅助输入部的抓取器的另一个示例。

图29C示出了具有辅助输入部的第一连接件的示例。

图29D示出了图29C的第一连接件的横截面视图。

图30示出了具有辅助输入部的第三连接件的又一个示例。

图31显示了输入装置的另一个示例。

图32示出了输入装置的另一个示例的横截面视图。

图33示出了输入装置的又一个示例。

具体实施方式

1.概述。

本公开的各方面可集成到机器人使能的医疗系统中，该机器人使能的医疗系统能够执行多种医疗规程，包括微创规程诸如腹腔镜检查，以及非侵入规程诸如内窥镜检查两者。在内窥镜检查规程中，系统可能能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。

除了执行广泛的规程之外，系统可以提供附加的益处，诸如增强的成像和指导以帮助医师。另外，该系统可以为医师提供从人体工程学方位执行规程的能力，而不需要笨拙的臂运动和位置。另外，该系统可以为医师提供以改进的易用性执行规程的能力，使得系统的器械中的一个或多个器械可由单个用户控制。

出于说明的目的，下文将结合附图描述各种实施方案。应当理解，所公开的概念的许多其他具体实施是可能的，并且利用所公开的具体实施可实现各种优点。标题包括在本文中以供参考并且有助于定位各个节段。这些标题并非旨在限制相对于其所述的概念的范围。此类概念可在整个说明书中具有适用性。

A.机器人系统–推车。

机器人使能的医疗系统可以按多种方式配置，这取决于特定规程。图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人使能的系统10的实施方案。在支气管镜检查期间，系统10可包括推车11，该推车具有一个或多个机器人臂12，以将医疗器械诸如可操纵内窥镜13(其可以是用于支气管镜检查的规程特定的支气管镜)递送至自然孔口进入点(即，在本示例中定位在台上的患者的口)，以递送诊断和/或治疗工具。如图所示，推车11可被定位在患者的上躯干附近，以便提供到进入点的通路。类似地，可以致动机器人臂12以相对于进入点定位支气管镜。当利用胃镜(用于胃肠道(GI)规程的专用内窥镜)执行GI规程时，也可利用图1中的布置。图2更详细地描绘了推车的示例性实施方案。

继续参考图1，一旦推车11被正确定位，机器人臂12就可以机器人地、手动地或以其组合将可操纵内窥镜13插入患者体内。如图所示，可操纵内窥镜13可包括至少两个伸缩部分，诸如内引导件部分和外护套部分，每个部分耦合到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器耦合到单独的机器人臂的远侧端部。有利于将引导件部分与护套部分同轴对准的器械驱动器28的这种线性布置产生“虚拟轨道”29，该“虚拟轨道”可以通过将一个或多个机器人臂12操纵到不同角度和/或位置而在空间中被重新定位。本文所述的虚拟轨道在附图中使用虚线描绘，并且因此虚线未描绘系统的任何物理结构。器械驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导件部分相对于外护套部分伸缩，或者使内窥镜13从患者推进或回缩。虚拟轨道29的角度可以基于临床应用或医师偏好来调节、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，如图所示的虚拟轨道29的角度和方位代表了在向医师提供到内窥镜13的通路同时使由内窥镜13弯曲到患者的口中引起的摩擦最小化之间的折衷。

在插入之后，内窥镜13可以使用来自机器人系统的精确命令向下导向患者的气管和肺，直到到达目标目的地或手术部位。为了增强通过患者的肺网络的导航和/或到达期望的目标，内窥镜13可被操纵以从外部护套部分伸缩地延伸内引导件部分，以获得增强的关节运动和更大的弯曲半径。使用单独的器械驱动器28还允许引导件部分和护套部分彼此独立地被驱动。

例如，内窥镜13可被导向以将活检针递送到目标，诸如患者肺内的病变或结节。针可沿工作通道向下部署，该工作通道延伸内窥镜的长度以获得待由病理学家分析的组织样本。根据病理结果，可沿内窥镜的工作通道向下部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，诊断和治疗处理可在单独的规程中递送。在这些情况下，内窥镜13也可用于递送基准以“标记”目标结节的位置。在其他情况下，诊断和治疗处理可在相同的规程期间递送。

系统10还可包括可运动塔30，该可运动塔可经由支撑缆线连接到推车11以向推车11提供控制、电子、流体、光学、传感器和/或电力的支持。将这样的功能放置在塔30中允许可以由操作医师和他/她的工作人员更容易地调节和/或重新定位的更小形状因子的推车11。另外，在推车/台和支撑塔30之间划分功能减少了手术室混乱并且有利于改善临床工作流程。虽然推车11可被定位成靠近患者，但是塔30可以在远程位置中被收起以在规程过程期间不挡道。

为了支持上述机器人系统，塔30可包括基于计算机的控制系统的部件，该基于计算机的控制系统将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质诸如永磁存储驱动器、固态驱动器等内。无论执行是发生在塔30中还是发生在推车11中，这些指令的执行都可以控制整个系统或其子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可致使机器人系统的部件致动相关托架和臂安装件，致动机器人臂，并且控制医疗器械。例如，响应于接收到控制信号，机器人臂的关节中的马达可将臂定位成特定姿势。

塔30还可包括泵、流量计、阀控制器和/或流体通路，以便向可通过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗和抽吸能力。这些部件也可使用塔30的计算机系统来控制。在一些实施方案中，冲洗和抽吸能力可通过单独的缆线直接递送到内窥镜13。

塔30可包括电压和浪涌保护器，该电压和浪涌保护器被设计成向推车11提供经滤波和保护的电力，从而避免在推车11中放置电力变压器和其他辅助电力部件，从而得到更小、更可运动的推车11。

塔30还可包括用于在整个机器人系统10中部署的传感器的支撑设备。例如，塔30可包括用于在整个机器人系统10中检测、接收和处理从光学传感器或相机接收的数据的光电设备。结合控制系统，此类光电设备可用于生成实时图像，以用于在整个系统中部署的任何数量的控制台中显示(包括在塔30中显示)。类似地，塔30还可包括用于接收和处理从部署的电磁(EM)传感器接收的信号的电子子系统。塔30还可用于容纳和定位EM场发生器，以便由医疗器械中或医疗器械上的EM传感器进行检测。

除了系统的其余部分中可用的其他控制台(例如，安装在推车顶部上的控制台)之外，塔30还可包括控制台31。控制台31可包括用于医师操作者的用户界面和显示屏，诸如触摸屏。系统10中的控制台通常设计成提供机器人控制以及规程的术前信息和实时信息两者，诸如内窥镜13的导航和定位信息。当控制台31不是医师可用的唯一控制台时，其可由第二操作者(诸如护士)使用以监测患者的健康状况或生命体征和系统10的操作，以及提供规程特定的数据，诸如导航和定位信息。在其他实施方案中，控制台30被容纳在与塔30分开的主体中。

塔30可通过一个或多个缆线或连接件(未示出)耦合到推车11和内窥镜13。在一些实施方案中，可通过单根缆线向推车11提供来自塔30的支撑功能，从而简化手术室并消除手术室的混乱。在其他实施方案中，特定功能可耦合在单独的布线和连接中。例如，虽然可以通过单个缆线向推车11提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控件、光学器件、流体和/或导航的支持。

图2提供了来自图1所示的基于推车的机器人使能的系统的推车11的实施方案的详细图示。推车11通常包括细长支撑结构14(通常称为“柱”)、推车基部15以及在柱14的顶部处的控制台16。柱14可包括一个或多个托架，诸如用于支持一个或多个机器人臂12(图2中示出三个)的部署的托架17(另选地为“臂支撑件”)。托架17可包括可单独配置的臂安装件，该臂安装件沿垂直轴线旋转以调节机器人臂12的基部，以相对于患者更好地定位。托架17还包括托架接口19，该托架接口允许托架17沿着柱14竖直地平移。

托架接口19通过狭槽诸如狭槽20连接到柱14，该狭槽定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包括竖直平移接口以将托架17相对于推车基部15定位并保持在各种竖直高度处。托架17的竖直平移允许推车11调节机器人臂12的到达范围以满足各种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独配置的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种配置成角度。

在一些实施方案中，狭槽20可补充有狭槽盖，该狭槽盖与狭槽表面齐平且平行，以防止灰尘和流体在托架17竖直平移时进入柱14的内部腔以及竖直平移接口。狭槽盖可通过定位在狭槽20的竖直顶部和底部附近的成对弹簧卷轴部署。盖在卷轴内盘绕，直到在托架17竖直地上下平移时被部署成从盖的盘绕状态延伸和回缩。当托架17朝向卷轴平移时，卷轴的弹簧加载提供了将盖回缩到卷轴中的力，同时在托架17平移远离卷轴时也保持紧密密封。可使用例如托架接口19中的支架将盖连接到托架17，以确保在托架17平移时盖的适当延伸和回缩。

柱14可在内部包括诸如齿轮和马达之类的机构，其被设计成使用竖直对准的导螺杆以响应于响应用户输入(例如，来自控制台16的输入)生成的控制信号来以机械化方式平移托架17。

机器人臂12通常可包括由一系列连杆23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，该一系列连杆由一系列关节24连接，每个关节包括独立的致动器，每个致动器包括可独立控制的马达。每个可独立控制的关节表示机器人臂12可用的独立自由度。机器人臂12中的每个机器人臂可具有七个接头，并且因此提供七个自由度。多个关节导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。具有冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连接件位置和接头角度将其相应的端部执行器22定位在空间中的特定方位、取向和轨迹处。这允许系统从空间中的期望点定位和导向医疗器械，同时允许医师使臂关节运动到远离患者的临床有利方位，以产生更大的接近，同时避免臂碰撞。

推车基部15在地板上平衡柱14、托架17和机器人臂12的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，诸如电子器件、马达、电源以及使得推车11能够运动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车11在规程之前容易地围绕房间运动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当方位之后，脚轮25可以使用轮锁固定，以在规程期间将推车11保持在适当方位。

定位在柱14的竖直端部处的控制台16允许用于接收用户输入的用户界面和显示屏(或两用装置，诸如例如触摸屏26)两者向医师用户提供术前和术中数据两者。触摸屏26上的潜在术前数据可以包括从术前计算机化断层摄影(CT)扫描导出的术前计划、导航和标测数据和/或来自术前患者面谈的记录。显示器上的术中数据可以包括从工具、传感器提供的光学信息和来自传感器的坐标信息以及重要的患者统计，诸如呼吸、心率和/或脉搏。控制台16可以被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧面进入控制台16。从该方位，医师可以在从推车11后面操作控制台16的同时观察控制台16、机器人臂12和患者。如图所示，控制台16还包括用以帮助操纵和稳定推车11的柄部27。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的机器人使能的系统10的实施方案。在输尿管镜规程中，推车11可被定位成将输尿管镜32(被设计成横穿患者的尿道和输尿管的规程特定的内窥镜)递送到患者的下腹部区域。在输尿管镜检查中，可以期望输尿管镜32直接与患者的尿道对准以减少该区域中的敏感解剖结构上的摩擦和力。如图所示，推车11可以在台的脚部处对准，以允许机器人臂12定位输尿管镜32，以用于直接线性进入患者的尿道。机器人臂12可从台的脚部沿着虚拟轨道33将输尿管镜32通过尿道直接插入患者的下腹部中。

在插入到尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，输尿管镜32可以被导航到膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断和/或治疗应用。例如，可以将输尿管镜32引导到输尿管和肾中以使用沿输尿管镜32的工作通道向下部署的激光或超声碎石装置来打碎积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用沿输尿管镜32向下部署的篮移除所得的结石碎片。

图4示出了类似地布置用于血管规程的机器人使能的系统10的实施方案。在血管规程中，系统10可被配置成使得推车11可将医疗器械34(诸如可操纵导管)递送至患者的腿部的股动脉中的进入点。股动脉呈现用于导航的较大直径以及到患者的心脏的相对较少的迂回且曲折的路径两者，这简化了导航。如在输尿管镜规程中，推车11可以被定位成朝向患者的腿部和下腹部，以允许机器人臂12提供直接线性进入患者的大腿/髋部区域中的股动脉进入点的虚拟轨道35。在插入到动脉中之后，可通过平移器械驱动器28来导向和插入医疗器械34。另选地，推车可以被定位在患者的上腹部周围，以到达另选的血管进入点，诸如肩部和腕部附近的颈动脉和臂动脉。

B.机器人系统–台。

机器人使能的医疗系统的实施方案还可结合患者的台。结合台通过移除推车减少了手术室内的资本设备的量，这允许更多地接近患者。图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的这样的机器人使能的系统的实施方案。系统36包括用于将平台38(示出为“台”或“床”)支撑在地板上的支撑结构或柱37。与基于推车的系统非常相似，系统36的机器人臂39的端部执行器包括器械驱动器42，其被设计成通过或沿着由器械驱动器42的线性对准形成的虚拟轨道41来操纵细长医疗器械，诸如图5中的支气管镜40。在实践中，用于提供荧光镜成像的C形臂可以通过将发射器和检测器放置在台38周围而定位在患者的上腹部区域上方。

图6提供了用于讨论目的的没有患者和医疗器械的系统36的另选视图。如图所示，柱37可包括在系统36中示出为环形的一个或多个托架43，一个或多个机器人臂39可基于该托架。托架43可以沿着沿柱37的长度延伸的竖直柱接口44平移，以提供不同的有利点，机器人臂39可以从这些有利点被定位以到达患者。托架43可以使用定位在柱37内的机械马达围绕柱37旋转，以允许机器人臂39进入台38的多个侧面，诸如患者的两侧。在具有多个托架的实施方案中，托架可单独地定位在柱上，并且可独立于其他托架平移和/或旋转。虽然托架43不需要环绕柱37或甚至是圆形的，但如图所示的环形形状有利于托架43围绕柱37旋转，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移允许系统36将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者上的不同进入点中。在其他实施方案(未示出)中，系统36可包括具有可调式臂支撑件的病人检查台或病床，该可调式臂支撑件呈在病人检查台或病床旁边延伸的杆或导轨的形式。一个或多个机器人臂39(例如，经由具有肘接头的肩部)可附接到可调式臂支撑件，该可调式臂支撑件可被竖直调节。通过提供竖直调节，机器人臂39有利地能够紧凑地存放在病人检查台或病床下方，并且随后在规程期间升高。

机器人臂39可通过包括一系列接头的一组臂安装件45安装在托架43上，该接头可单独地旋转和/或伸缩地延伸以向机器人臂39提供附加的可配置性。另外，臂安装件45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装件45可定位在台38的同一侧上(如图6所示)、台38的相对侧上(如图9所示)或台38的相邻侧上(未示出)。

柱37在结构上为台38提供支撑，并且为托架43的竖直平移提供路径。在内部，柱37可配备有用于引导托架的竖直平移的导螺杆，以及用以机械化基于导螺杆的托架43的平移的马达。柱37还可将功率和控制信号传送到托架43和安装在其上的机器人臂39。

台基部46具有与图2所示的推车11中的推车基部15类似的功能，容纳较重的部件以平衡台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台基部46还可结合刚性脚轮以在规程期间提供稳定性。从台基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两侧沿相反方向延伸，并且当系统36需要运动时回缩。

继续参考图6，系统36还可以包括塔(未示出)，该塔使系统36的功能在台与塔之间进行划分以减小台的形状因子和体积。如在先前所公开的实施方案中，塔可以向台提供多种支持功能，诸如处理、计算和控制能力、电力、流体和/或光学以及传感器处理。塔还可以是可运动的，以远离患者定位，从而改善医师的接近并且消除手术室的混乱。另外，将部件放置在塔中允许在台基部46中有更多的储存空间，以用于机器人臂39的潜在收起。塔还可以包括主控制器或控制台，其提供用于用户输入的用户界面(诸如键盘和/或挂件)以及用于术前和术中信息(诸如实时成像、导航和跟踪信息)的显示屏(或触摸屏)两者。在一些实施方案中，塔还可包括用于待用于注气的气罐的夹持器。

在一些实施方案中，台基部可以在不使用时收起和储存机器人臂。图7示出了在基于台的系统的实施方案中收起机器人臂的系统47。在系统47中，托架48可以竖直平移到基部49中以使机器人臂50、臂安装件51和托架48收起在基部49内。基部盖52可以平移和回缩打开以围绕柱53部署托架48、臂安装件51和机器人臂50，并且闭合以收起该托架、臂安装件和机器人臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可以利用膜54沿着其开口的边缘密封，以防止在闭合时灰尘和流体进入。

图8示出了被配置用于输尿管镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。在输尿管镜检查中，台38可以包括用于将患者定位成与柱37和台基部46成偏角的旋转部分55。旋转部分55可以围绕枢转点(例如，位于患者的头部下方)旋转或枢转，以便将旋转部分55的底部部分定位成远离柱37。例如，旋转部分55的枢转允许C形臂(未示出)定位在患者的下腹部上方，而不与台38下方的柱(未示出)竞争空间。通过围绕柱37旋转托架35(未示出)，机器人臂39可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可以固定至台38的旋转部分55，以在手术期间支撑患者的腿部的方位，并且允许完全通向患者的腹股沟区域。

在腹腔镜检查规程中，通过患者的腹壁中的一个或多个小切口，可将微创器械插入患者的解剖结构中。在一些实施方案中，微创器械包括用于进入患者内的解剖结构的细长刚性构件，诸如轴。在患者腹腔充气之后，可以引导器械执行外科或医疗任务，诸如抓握、切割、消融、缝合等。在一些实施方案中，器械可以包括镜，诸如腹腔镜。图9示出了被配置用于腹腔镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。如图9所示，系统36的托架43可被旋转并且竖直调整，以将成对的机器人臂39定位在台38的相对侧上，使得可使用臂安装件45将器械59定位成穿过患者两侧上的最小切口以到达他/她的腹腔。

为了适应腹腔镜检查规程，机器人使能的台系统还可将平台倾斜到期望的角度。图10示出了具有俯仰或倾斜调整的机器人使能的医疗系统的实施方案。如图10所示，系统36可以适应台38的倾斜，以将台的一部分定位在比另一部分距底板更远的距离处。另外，臂安装件45可以旋转以匹配倾斜，使得机器人臂39与台38保持相同的平面关系。为了适应更陡的角度，柱37还可以包括伸缩部分60，该伸缩部分允许柱37的竖直延伸以防止台38接触地板或与台基部46碰撞。

图11提供了台38与柱37之间的接口的详细图示。俯仰旋转机构61可以被配置成以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。俯仰旋转机构61可以通过将正交轴线1、2定位在柱台接口处来实现，每条轴线由单独的马达3、4响应于电俯仰角命令而致动。沿着一个螺钉5的旋转将使得能够在一条轴线1中进行倾斜调整，而沿着另一个螺钉6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调节。在一些实施方案中，可使用球形接头来在多个自由度上改变台38相对于柱37的俯仰角。

例如，当试图将台定位在头低脚高位(即，将患者的下腹部定位在比患者的上腹部距地板更高的方位)以用于下腹部手术时，俯仰调节特别有用。头低脚高位致使患者的内部器官通过重力滑向他/她的上腹部，从而清理出腹腔以使微创工具进入并且执行下腹部外科或医疗规程，诸如腹腔镜前列腺切除术。

图12和图13示出了基于台的外科机器人系统100的另选实施方案的等轴视图和端视图。外科机器人系统100包括可被构造成相对于台101支撑一个或多个机器人臂(参见例如图14)的一个或多个可调式臂支撑件105。在例示的实施方案中，示出了单个可调式臂支撑件105，但是附加的臂支撑件可设置在台101的相对侧上。可调式臂支撑件105可被构造，使得其可相对于台101运动，以调节和/或改变可调式臂支撑件105和/或安装到该可调式臂支撑件的任何机器人臂相对于台101的方位。例如，可调式臂支撑件105可相对于台101被调节一个或多个自由度。可调式臂支撑件105为系统100提供高灵活性，包括容易地将一个或多个可调式臂支撑件105和附接到其的任何机器人臂收起在台101下方的能力。可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面下方的方位。在其他实施方案中，可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面上方的方位。

可调式臂支撑件105可提供若干自由度，包括提升、侧向平移、倾斜等。在图12和图13的例示实施方案中，臂支撑件105被构造成具有四个自由度，这些自由度在图12中用箭头示出。第一自由度允许在z方向上(“Z提升”)调节可调式臂支撑件105。例如，可调式臂支撑件105可包括托架109，该托架被配置成沿或相对于支撑台101的柱102向上或向下运动。第二自由度可允许可调式臂支撑件105倾斜。例如，可调式臂支撑件105可包括旋转接头，该旋转接头可允许可调式臂支撑件105在头低脚高位与床对准。第三自由度可允许可调式臂支撑件105“向上枢转”，这可用于调节台101的一侧与可调式臂支撑件105之间的距离。第四自由度可允许可调式臂支撑件105沿台的纵向长度平移。

图12和图13中的外科机器人系统100可包括由安装到基部103的柱102支撑的台。基部103和柱102相对于支撑表面支撑台101。地板轴线131和支撑轴线133在图13中示出。

可调式臂支撑件105可安装到柱102。在其他实施方案中，臂支撑件105可安装到台101或基部103。可调式臂支撑件105可包括托架109、杆或导轨连接件111以及杆或导轨107。在一些实施方案中，安装到轨道107的一个或多个机器人臂可相对于彼此平移和运动。

托架109可通过第一接头113附接到柱102，该第一接头允许托架109相对于柱102运动(例如，诸如沿第一轴线或竖直轴线123上下运动)。第一接头113可向可调式臂支撑件105提供第一自由度(“Z提升”)。可调式臂支撑件105可包括第二接头115，该第二接头为可调式臂支撑件105提供第二自由度(倾斜)。可调式臂支撑件105可包括第三接头117，该第三接头可为可调式臂支撑件105提供第三自由度(“向上枢转”)。可提供附加接头119(在图13中示出)，该附加接头机械地约束第三接头117以在导轨连接件111围绕第三轴线127旋转时保持导轨107的取向。可调式臂支撑件105可包括第四接头121，该第四接头可沿第四轴线129为可调式臂支撑件105提供第四自由度(平移)。

图14示出了根据一个实施方案的具有安装在台101的相对侧上的两个可调式臂支撑件105A、105B的外科机器人系统140A的端视图。第一机器人臂142A附接到第一可调式臂支撑件105B的杆或导轨107A。第一机器人臂142A包括附接到导轨107A的基部144A。第一机器人臂142A的远侧端部包括可附接到一个或多个机器人医疗器械或工具的器械驱动机构146A。类似地，第二机器人臂142B包括附接到导轨107B的基部144B。第二机器人臂142B的远侧端部包括器械驱动机构146B。器械驱动机构146B可被构造成附接到一个或多个机器人医疗器械或工具。

在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者包括具有七个或更多个自由度的臂。在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者可包括八个自由度，包括插入轴线(包括插入的1个自由度)、腕部(包括腕部俯仰、偏航和滚动的3个自由度)、肘部(包括肘部俯仰的1个自由度)、肩部(包括肩部俯仰和偏航的2个自由度)以及基部144A、144B(包括平移的1个自由度)。在一些实施方案中，插入自由度可由机器人臂142A、142B提供，而在其他实施方案中，器械本身经由基于器械的插入架构提供插入。

C.器械驱动器和接口。

系统的机器人臂的端部执行器可包括：(i)器械驱动器(另选地称为“器械驱动机构”或“器械装置操纵器”)，该器械驱动器结合了用于致动医疗器械的机电装置；以及(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，该医疗器械可以没有任何机电部件，诸如马达。该二分法可能是由以下所驱动的：对医疗规程中使用的医疗器械进行灭菌的需要；以及由于昂贵的资本设备的复杂机械组件和敏感电子器件而不能对昂贵的资本设备进行充分灭菌。因此，医疗器械可以被设计成从器械驱动器(以及因此从系统)拆卸、移除和互换，以便由医师或医师的工作人员单独灭菌或处置。相比之下，器械驱动器不需要被改变或灭菌，并且可以被覆盖以便保护。

图15示出了示例器械驱动器。定位在机器人臂的远侧端部处的器械驱动器62包括一个或多个驱动单元63，该一个或多个驱动单元以平行轴线布置以经由驱动轴64向医疗器械提供受控扭矩。每个驱动单元63包括用于与器械相互作用的单独的驱动轴64，用于将马达轴旋转转换成期望扭矩的齿轮头65，用于生成驱动扭矩的马达66，用以测量马达轴的速度并且向控制电路提供反馈的编码器67，以及用于接收控制信号并且致动驱动单元的控制电路68。每个驱动单元63被独立地控制和机动化，器械驱动器62可向医疗器械提供多个(例如，如图15所示为四个)独立的驱动输出。在操作中，控制电路68将接收控制信号，将马达信号传输至马达66，将由编码器67测量的所得马达速度与期望速度进行比较，并且调制马达信号以生成期望扭矩。

对于需要无菌环境的规程，机器人系统可以结合驱动接口，诸如连接至无菌覆盖件的无菌适配器，其位于器械驱动器与医疗器械之间。无菌适配器的主要目的是将角运动从器械驱动器的驱动轴传递到器械的驱动输入部，同时保持驱动轴与驱动输入部之间的物理分离并且因此保持无菌。因此，示例性无菌适配器可以包括旨在与器械驱动器的驱动轴和器械上的驱动输入部配合的一系列旋转输入部和旋转输出部。连接到无菌适配器的由薄的柔性材料(诸如透明或半透明塑料)组成的无菌覆盖件被设计成覆盖资本设备，诸如器械驱动器、机器人臂和推车(在基于推车的系统中)或台(在基于台的系统中)。覆盖件的使用将允许资本设备被定位在患者附近，同时仍然位于不需要灭菌的区域(即，非无菌区)。在无菌覆盖件的另一侧上，医疗器械可以在需要灭菌的区域(即，无菌区)与患者对接。

D.医疗器械。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括细长轴71(或细长主体)和器械基部72。由于其用于由医师进行的手动交互的预期设计而也被称为“器械柄部”的器械基部72通常可以包括可旋转驱动输入部73(例如，插座、滑轮或卷轴)，该驱动输入部被设计成与延伸通过机器人臂76的远侧端部处的器械驱动器75上的驱动接口的驱动输出部74配合。当物理连接、闩锁和/或耦合时，器械基部72的配合的驱动输入部73可以与器械驱动器75中的驱动输出部74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出部74传递到驱动输入部73。在一些实施方案中，驱动输出部74可以包括花键，其被设计成与驱动输入部73上的插座配合。

细长轴71被设计成通过解剖开口或内腔(例如，如在内窥镜检查中)或通过微创切口(例如，如在腹腔镜检查中)递送。细长轴71可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性细长轴的远侧端部可以连接到端部执行器，该端部执行器从由具有至少一个自由度的连接叉形成的接头腕和外科工具或医疗器械(诸如例如，抓取器或剪刀)延伸，当驱动输入部响应于从器械驱动器75的驱动输出部74接收到的扭矩而旋转时，该外科工具可以基于来自腱的力来致动。当设计用于内窥镜检查时，柔性细长轴的远侧端部可包括可操纵或可控制的弯曲节段，该弯曲节段以基于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而进行关节运动和弯曲。

使用沿着细长轴71的腱沿着细长轴71传递来自器械驱动器75的扭矩。这些单独的腱(例如，牵拉线)可以单独地锚定至器械柄部72内的单独的驱动输入部73。从柄部72，沿着细长轴71的一个或多个牵拉腔向下引导腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处，或者锚定在细长轴的远侧部分处的腕部中。在外科手术诸如腹腔镜、内窥镜或混合手术期间，这些腱可以耦合到远侧安装的端部执行器，诸如腕部、抓取器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入部73上的扭矩将张力传递到腱，从而引起端部执行器以某种方式致动。在一些实施方案中，在外科手术期间，腱可以致使接头围绕轴线旋转，从而致使端部执行器沿一个方向或另一个方向运动。另选地，腱可以连接到细长轴71的远侧端部处的抓取器的一个或多个钳口，其中来自腱的张力致使抓取器闭合。

在内窥镜检查中，腱可以经由粘合剂、控制环或其他机械固定件耦合到沿着细长轴71定位(例如，在远侧端部处)的弯曲或关节运动节段。当固定地附接到弯曲节段的远侧端部时，施加在驱动输入部73上的扭矩将沿腱向下传递，从而引起较软的弯曲节段(有时称为可关节运动节段或区域)弯曲或进行关节运动。沿着不弯曲节段，可以有利的是，使单独的牵拉腔螺旋或盘旋，该牵拉腔沿着内窥镜轴的壁(或在内部)导向单独的腱，以平衡由牵拉线中的张力引起的径向力。为了特定目的，可以改变或设计螺旋的角度和/或它们之间的间隔，其中更紧的螺旋在负载力下表现出较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但限制弯曲。在另一种情况下，可以平行于细长轴71的纵向轴线来导向牵拉腔以允许在期望的弯曲或可关节运动节段中进行受控关节运动。

在内窥镜检查中，细长轴71容纳多个部件以辅助机器人规程。轴71可以在轴71的远侧端部处包括用于部署外科工具(或医疗器械)、对手术区域进行冲洗和/或抽吸的工作通道。轴71还可以适应线和/或光纤以向远侧末端处的光学组件/从远侧末端处的光学组件传递信号，该光学组件可以包括光学相机。轴71也可以适应光纤，以将来自位于近侧的光源(诸如，发光二极管)的光载送到轴71的远侧端部。

在器械70的远侧端部处，远侧末端还可以包括用于递送用于诊断和/或治疗的工具、对手术部位进行冲洗和抽吸的工作通道的开口。远侧末端还可以包括用于相机(诸如纤维镜或数码相机)的端口，以捕获内部解剖空间的图像。相关地，远侧末端还可以包括用于光源的端口，该光源用于在使用相机时照亮解剖空间。

在图16的示例中，驱动轴轴线以及因此驱动输入部轴线与细长轴71的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚动能力复杂化。在保持驱动输入部73静止的同时沿着其轴线使细长轴71滚动会引起当腱从驱动输入部73延伸出去并且进入细长轴71内的牵拉腔时，腱的不期望的缠结。所得到的这样的腱的缠结可能破坏旨在在内窥镜规程期间预测柔性细长轴71的运动的任何控制算法。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。如图所示，圆形器械驱动器80包括四个驱动单元，其驱动输出81在机器人臂82的端部处平行对准。驱动单元和它们各自的驱动输出81容纳在由组件83内的驱动单元中的一个驱动单元驱动的器械驱动器80的旋转组件83中。响应于由旋转驱动单元提供的扭矩，旋转组件83沿着圆形轴承旋转，该圆形轴承将旋转组件83连接到器械驱动器80的非旋转部分84。可以通过电接触将电力和控制信号从器械驱动器80的非旋转部分84传送至旋转组件83，该电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来保持。在其他实施方案中，旋转组件83可以响应于集成到不可旋转部分84中的单独的驱动单元，并且因此不平行于其他驱动单元。旋转机构83允许器械驱动器80允许驱动单元及其相应的驱动输出81作为单个单元围绕器械驱动器轴线85旋转。

与先前所公开的实施方案类似，器械86可以包括细长轴部分88和器械基部87(出于讨论的目的，示出为具有透明的外部表层)，该器械基部包括被配置成接收器械驱动器80中的驱动输出部81的多个驱动输入部89(诸如插座、滑轮和卷轴)。与先前公开的实施方案不同，器械轴88从器械基部87的中心延伸，该器械基部的轴线基本上平行于驱动输入部89的轴线，而不是如图16的设计中那样正交。

当耦合到器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83组合地围绕器械驱动器轴线85旋转。由于器械轴88被定位在器械基部87的中心处，因此当附接时器械轴88与器械驱动器轴线85同轴。因此，旋转组件83的旋转致使器械轴88围绕其自身的纵向轴线旋转。此外，当器械基部87与器械轴88一起旋转时，连接到器械基部87中的驱动输入部89的任何腱在旋转期间都不缠结。因此，驱动输出部81、驱动输入部89和器械轴88的轴线的平行允许轴在不会使任何控制腱缠结的情况下旋转。

图18示出了根据一些实施方案的具有基于器械的插入架构的器械。器械150可耦合到上文所述的器械驱动器中的任一个器械驱动器。器械150包括细长轴152、连接到轴152的端部执行器162和耦合到轴152的柄部170。细长轴152包括管状构件，该管状构件具有近侧部分154和远侧部分156。细长轴152沿着其外表面包括一个或多个通道或凹槽158。凹槽158被配置成接纳通过该凹槽的一根或多根线材或缆线180。因此，一根或多根缆线180沿着细长轴152的外表面延伸。在其他实施方案中，缆线180也可穿过细长轴152。所述一根或多根缆线180的操纵(例如，经由器械驱动器)使得端部执行器162的致动。

器械柄部170(也可称为器械基部)通常可包括附接接口172，该附接接口具有一个或多个机械输入件174，例如插孔、滑轮或卷轴，所述一个或多个机械输入件被设计成与器械驱动器的附接表面上的一个或多个扭矩耦合器往复地配合。

在一些实施方案中，器械150包括使得细长轴152能够相对于柄部170平移的一系列滑轮或缆线。换句话讲，器械150本身包括基于器械的插入架构，该架构适应器械的插入，从而使对机器人臂的依赖最小化以提供器械150的插入。在其他实施方案中，机器人臂可以很大程度上负责器械插入。

E.控制器。

本文所述的机器人系统中的任一个机器人系统可包括用于操纵附接到机器人臂的器械的输入装置或控制器。在一些实施方案中，控制器可与器械(例如，通信地、电子地、电气、无线地和/或机械地)耦合，使得控制器的操纵例如经由主从控制而致使器械对应操纵。

图19是控制器182的实施方案的透视图。在本实施方案中，控制器182包括可具有阻抗和导纳控制两者的混合控制器。在其他实施方案中，控制器182可仅利用阻抗或被动控制。在其他实施方案中，控制器182可仅利用导纳控制。通过作为混合控制器，控制器182有利地在使用时可具有较低的感知惯性。

在例示的实施方案中，控制器182被配置成允许操纵两个医疗器械，并且包括两个柄部184。柄部184中的每个柄部连接到万向支架186。每个万向支架186连接到定位平台188。

如图19所示，每个定位平台188包括通过棱柱接头196耦合到柱194的SCARA臂(选择顺应性装配机器人臂)198。棱柱接头196被配置成沿着柱194(例如，沿着导轨197)平移，以允许柄部184中的每个柄部在z方向上平移，从而提供第一自由度。SCARA臂198被构造成允许柄部184在x-y平面中运动，从而提供两个附加自由度。

在一些实施方案中，一个或多个负荷传感器定位在控制器中。例如，在一些实施方案中，负荷传感器(未示出)定位在万向支架186中的每个万向支架的主体中。通过提供负荷传感器，控制器182的部分能够在导纳控制下操作，从而在使用时有利地减小控制器的感知惯性。在一些实施方案中，定位平台188被配置用于导纳控制，而万向支架186被配置用于阻抗控制。在其他实施方案中，万向支架186被配置用于导纳控制，而定位平台188被配置用于阻抗控制。因此，对于一些实施方案，定位平台188的平移自由度或方位自由度可依赖于导纳控制，而万向支架186的旋转自由度依赖于阻抗控制。

F.导航和控制。

传统的内窥镜检查可以涉及使用荧光透视(例如，如可以通过C形臂递送的)和其他形式的基于辐射的成像模态，以向操作医师提供腔内指导。相比之下，本公开所设想的机器人系统可以提供基于非辐射的导航和定位装置，以减少医师暴露于辐射并且减少手术室内的设备的量。如本文所用，术语“定位”可以指确定和/或监测对象在参考坐标系中的方位。诸如术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据的技术可以单独地或组合地使用以实现无辐射操作环境。在仍使用基于辐射的成像模态的其他情况下，可以单独地或组合地使用术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据，以改进仅通过基于辐射的成像模态获得的信息。

图20是示出根据示例实施方案的估计机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如器械的位置)的定位系统90的框图。定位系统90可以是被配置成执行一个或多个指令的一组一个或多个计算机装置。计算机装置可以由上文讨论的一个或多个部件中的处理器(或多个处理器)和计算机可读存储器来体现。通过示例而非限制，计算机装置可以位于图1所示的塔30、图1至图4所示的推车11、图5至图14所示的床等中。

如图20所示，定位系统90可包括定位模块95，该定位模块处理输入数据91-94以生成用于医疗器械的远侧末端的位置数据96。位置数据96可以是表示器械的远侧端部相对于参考系的位置和/或取向的数据或逻辑。参考系可以是相对于患者解剖结构或已知对象(诸如EM场发生器)的参考系(参见下文对于EM场发生器的讨论)。

现在更详细地描述各种输入数据91-94。术前标测可以通过使用低剂量CT扫描的集合来完成。术前CT扫描被重建为三维图像，该三维图像被可视化，例如作为患者的内部解剖结构的剖面图的“切片”。当总体上分析时，可以生成用于患者的解剖结构(诸如患者肺网络)的解剖腔、空间和结构的基于图像的模型。可以从CT图像确定和近似诸如中心线几何形状的技术，以形成患者解剖结构的三维体积，其被称为模型数据91(当仅使用术前CT扫描生成时也称为“术前模型数据”)。中心线几何形状的使用在美国专利申请14/523,760中有所讨论，其内容全文并入本文中。网络拓扑模型也可以从CT图像中导出，并且特别适合于支气管镜检查。

在一些实施方案中，器械可以配备有相机以提供视觉数据(或图像数据)92。定位模块95可处理视觉数据92以实现一个或多个基于视觉的(或基于图像的)位置跟踪模块或特征部。例如，术前模型数据91可以与视觉数据92结合使用，以实现对医疗器械(例如，内窥镜或推进通过内窥镜的工作通道的器械)的基于计算机视觉的跟踪。例如，使用术前模型数据91，机器人系统可以基于内窥镜的行进预期路径根据模型生成预期内窥镜图像的库，每个图像连接到模型内的位置。在外科手术进行时，机器人系统可以参考该库，以便将在相机(例如，在内窥镜的远侧端部处的相机)处捕获的实时图像与图像库中的那些图像进行比较，以辅助定位。

其他基于计算机视觉的跟踪技术使用特征跟踪来确定相机的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以识别术前模型数据91中的与解剖腔对应的圆形几何结构并且跟踪那些几何结构的变化以确定选择了哪个解剖腔，以及跟踪相机的相对旋转和/或平移运动。拓扑图的使用可以进一步增强基于视觉的算法或技术。

光流(另一种基于计算机视觉的技术)可以分析视觉数据92中的视频序列中的图像像素的位移和平移以推断相机运动。光流技术的示例可以包括运动检测、对象分割计算、亮度、运动补偿编码、立体视差测量等。通过多次迭代的多帧比较，可以确定相机(以及因此内窥镜)的运动和位置。

定位模块95可以使用实时EM跟踪来生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该全局坐标系可以被配准到由术前模型表示的患者的解剖结构。在EM跟踪中，包括嵌入在医疗器械(例如，内窥镜工具)中的一个或多个位置和取向中的一个或多个传感器线圈的EM传感器(或跟踪器)测量由定位在已知位置处的一个或多个静态EM场发生器产生的EM场的变化。由EM传感器检测的位置信息被存储为EM数据93。EM场发生器(或发射器)可以靠近患者放置，以产生嵌入式传感器可以检测到的低强度磁场。磁场在EM传感器的传感器线圈中感应出小电流，可以对该小电流进行分析以确定EM传感器与EM场发生器之间的距离和角度。这些距离和取向可以在外科手术进行时“配准”到患者解剖结构(例如，术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的术前模型中的方位对准的几何变换。一旦配准，医疗器械的一个或多个方位(例如，内窥镜的远侧末端)中的嵌入式EM跟踪器可以提供医疗器械通过患者的解剖结构的进展的实时指示。

机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用以提供用于机器人系统的方位数据96。可以在术前校准期间确定从关节运动命令得到的装置俯仰和偏航。在外科手术进行时，这些校准测量可以与已知的插入深度信息结合使用，以估计器械的方位。另选地，这些计算可以结合EM、视觉和/或拓扑建模进行分析，以估计医疗器械在网络内的方位。

如图20所示，定位模块95可使用多个其他输入数据。例如，尽管在图20中未示出，但是利用形状感测纤维的器械可以提供形状数据，定位模块95可以使用该形状数据来确定器械的位置和形状。

定位模块95可以组合地使用输入数据91-94。在一些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中定位模块95向根据输入数据91-94中的每个输入数据确定的位置分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠(如可能存在EM干扰的情况)的情况下，由EM数据93确定的位置的置信度可能降低，并且定位模块95可能更重地依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。

如上所讨论的，本文讨论的机器人系统可以被设计成结合以上技术中的一种或多种技术的组合。位于塔、床和/或推车中的机器人系统的基于计算机的控制系统可将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质(诸如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等)内，该计算机程序指令在执行时致使系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统的控制信号并且显示导航和定位数据，诸如器械在全局坐标系内的位置、解剖图等。

2.用于机器人系统的手动输入装置。

本公开的实施方案涉及用于操作一个或多个医疗器械的输入装置的系统和技术。

诸如上述系统的机器人医疗系统可以包括输入装置，该输入装置被配置成允许操作者(例如，执行机器人启用的医疗规程的医师)操纵和控制一个或多个器械。在一些实施方案中，机器人医疗系统可以包括用于操作一个或多个医疗工具的输入装置。在一些示例中，输入装置可以远程操作一个或多个医疗工具，诸如经由远程操作或远程手术。

本领域技术人员将会理解，本文描述的输入装置也可以应用于非医疗环境中。例如，输入装置可以用于操纵涉及危险物质的工具。此外，在一些实施方案中，本文描述的输入装置可以用于在物理和虚拟环境两者中抓握对象。在一些配置中，输入装置可以作为与人类操作者交互的服务机器人自给自足。在一些配置中，输入装置可以与医疗器械(例如，通信地、电子地、电气地、无线地和/或机械地)耦合，使得输入装置的操纵致使医疗器械对应操纵。在一些配置中，输入装置和医疗器械被布置成主从对。在一些配置中，输入装置可以被配置成控制机器人外科工具的操作。在一些配置中，输入装置可以被称为操纵器、仿真器、主机、控制器、接口等。

该输入装置可以用作操作者的输入部，以控制医疗器械(诸如在内窥镜、腔内、腹腔镜或开放手术中)的动作。操作者对输入装置的移动可以引导医疗器械的移动。例如，当操作者在三维空间中(例如，上、下、左、右、后向、前向)平移输入装置时，系统可以致使医疗器械对应平移。类似地，如果操作者旋转输入装置(例如，围绕三个正交轴线中的任一个)，系统可以致使医疗器械对应旋转移动。输入装置还可以包括一个或多个输入部，该一个或多个输入部允许操作者致动医疗器械。作为一个示例，如果医疗器械包括抓取器器械，则输入装置可以包括允许操作者打开和闭合抓取器器械的一个或多个输入部。

在一些实施方案中，机器人医疗系统包括跟随操作者的手移动的具有七个自由度的输入装置，该七个自由度包括三个位置自由度(例如，在x、y、z空间中的平移移动)、三个旋转自由度(例如，围绕俯仰、滚动和偏转轴的旋转移动)、以及一个(或多个)器械致动自由度(例如，角度自由度)。在一些实施方案中，器械致动自由度可以控制医疗器械的端部执行器的打开和闭合，诸如用于保持对象的夹具或抓取器器械。在一些实施方案中，输入装置可以包括更多或更少数量的自由度。例如，在一些实施方案中，输入装置可以包括多于三个位置自由度或多于三个旋转自由度，以提供一个或多个冗余自由度。在一些实施方案中，冗余自由度可以为输入装置提供另外的机械灵活性，例如，以避免由输入装置的机械结构引起的奇点。

图19示出了输入装置或控制器182的实施方案，用户可以使用该输入装置或控制器来控制一个或多个器械。如上所述，控制器可以包括可以用于控制器械的两个柄部184。柄部184中的每个柄部可以连接到万向支架186。柄部184中的两个柄部可以用作抓取器。

抓取器可以是输入装置的部分，医师触摸并且握持该部分以允许用户控制机器人系统的部件，诸如医疗器械。抓取器可以是医师在手术期间对系统的主要输入部。当使用抓取器时，用户会遇到许多挑战。在一些情况下，抓取器使用起来并不总是舒适的。例如，当执行滚动动作时，用户可能难以握持在抓取器的各种部件(诸如相对的手指抓持部)上。用户可以选择在手指抓持部之外工作来执行此类操作，由此他们在远离手指垫的点处抓持抓取器的连接件。当将他们的手移动到此类位置时，可能难以触及抓取器的其他部件，诸如辅助控件或手指离合器。因此，需要人机工程学特征以允许医师根据需要操纵抓取器。

A.多连接件抓取器

图21A至图21B示出了柄部或抓取器200的实施方案，其可以用作输入系统的一部分，诸如上面参考图19描述的输入系统。图21A示出了处于打开配置的抓取器200，而图21B示出了处于闭合配置的抓取器200。图22以分解图示出了图21A至图21B的抓取器。抓取器200可以包括多个连接件，并且在例示的实施方案中，抓取器200包括四个连接件202、204、206、208。在一些配置中，抓取器可以包括至少两个连接件。在一些配置中，抓取器200可以包括至少三个连接件。在一些示例中，抓取器200可以具有任意数量的连接件，诸如2至12个之间的任意数量的连接件。在一些实施方案中，多个连接件可以围绕抓取器200周向布置。在一些配置中，多个连接件可以彼此等距间隔开。在一些配置中，多个连接件可以围绕中心轴线彼此间隔开小于180度。尽管下面描述的配置包括四个连接件，但是可以包括任意数量的连接件。

如图21A至图21B所示，抓取器200包括四个连接件，包括第一连接件202、第二连接件204、第三连接件206和第四连接件208。四个连接件202、204、206、208彼此间隔开至少小于180度并且围绕抓取器200的圆周间隔开。四个连接件202、204、206、208可以彼此均匀地间隔开。四个连接件可以径向对称布置。四个连接件202、204、206、208可以各自与相邻的连接件间隔开小于180度。如例示的布置中所示，四个连接件202、204、206、208可以各自彼此间隔开大约90度。如图所示，多个连接件202、204、206、208可以围绕抓取器200周向布置。

连接件202、204、206、208可以成对布置。例如，抓取器200可以包括第一对相对的连接件202、204和第二对相对的连接件206、208。在例示的布置中，第一对相对的连接件可以包括彼此间隔开大约180度的第一连接件202和第二连接件204。在例示的布置中，第二对相对的连接件可以包括彼此间隔开大约180度的第三连接件206和第四连接件208。在改进的布置中，第一对相对的连接件的连接件202、204可以与第二对相对的连接件的每个连接件206、208间隔开小于180度。

参考图22，抓取器200可以包括中心轴250。中心轴250可以被称为纵向轴、纵向构件、中心构件、轴或构件。中心轴可以包括电路300，诸如印刷电路板，以连接到抓取器200的其他部件或机器人系统的其他部件。在例示的布置中，电路300可以放置在中心轴250内部。

中心轴250可以支撑多个连接件202、204、206、208。第一对相对的连接件202、204中的每个连接件和第二对相对的连接件206、208中的每个连接件可以耦合到中心轴250。第一连接件202可以具有近侧端部232和远侧端部222。第二连接件204可以具有近侧端部234和远侧端部224。第三连接件206可以具有近侧端部236和远侧端部226。第四连接件208可以具有近侧端部238和远侧端部228。多个连接件202、204、206、208可以在它们相应的近侧端部232、234、236、238和/或它们相应的远侧端部222、224、226、228处连接或操作地连接。

第一对相对的连接件202、204可以各自包括手指抓持部或手指垫212、214。第二对相对的连接件206、208可以各自包括辅助输入部216、218。多个连接件202、204、206、208中的每个连接件可以包括辅助连接件242、244、246、248，以将连接件202、204、206、208的近侧端部232、234、236、238附接到中心轴250。

多个连接件中的每个连接件可以被配置成从打开位置移动到闭合位置，在打开位置，多个连接件202、204、206、208中的每个连接件的近侧端部232、234、236、238被定位成径向远离中心轴250，在闭合位置，多个连接件202、204、206、208中的每个连接件的近侧端部232、234、236、238被定位成径向接近中心轴250。再次参考图21A，抓取器200示出为处于打开位置，其中多个连接件202、204、206、208的近侧端部232、234、236、238远离抓取器200的中心轴250定位。多个连接件202、204、206、208中的每个连接件可以在其相应的远侧端部222、224、226、228中的每个远侧端部处连接到抓取器200，使得每个连接件可以远离中心轴250以一定角度延伸或枢转。第一对相对的连接件202、204中的每个连接件的近侧端部232、234和第二对相对的连接件206、208中的每个连接件的近侧端部236、238被配置成相对于中心轴250径向移动。

再次参考图21B，抓取器200示出为处于闭合位置，其中多个连接件202、204、206、208的近侧端部232、234、236、238接近抓取器200的中心轴250定位。在闭合位置，近侧端部232、234、236、238中的每个近侧端部可以被定位成接近中心轴250，使得多个连接件202、204、206、208中的每个连接件可以在长度上平行于中心轴250。

多个连接件202、204、206、208中的每个连接件可以被偏置在打开位置。在一些配置中，每个连接件可以在打开位置被弹簧加载。在一些配置中，每个连接件具有至少两个弹簧(未示出)，其中第一弹簧提供大部分力以将连接件偏置在打开位置。当连接件达到一定程度的闭合时，第二弹簧可以提供轻微的触觉反馈，以向用户指示抓取器何时闭合并且闭合抓取器的进一步运动将导致外科器械的夹紧力增加。

例如，第一对相对的连接件202、204和/或第二对相对的连接件206、208可以在捏合运动中被操纵，这可以被转化为手术器械在体内的移动。例如，打开和闭合第一对相对的连接件202、204将对应于医疗器械的剪刀工具或钳口的打开和闭合。方便的捏合运动可以使抓取器的致动对用户来说自然且容易。

抓取器200上的多个连接件202、204、206、208可以测量用户手指的输入角度。例如，多个连接件202、204、206、208中的任一个或多个连接件相对于中心轴250定位的角度可以转换成器械的部件(诸如器械的端部执行器的一个或多个钳口)的期望角度。

抓取器200可以具有增加数量的连接件(诸如如图21A至图21B和图22中所示的四个连接件)和/或彼此更接近定位的连接件。抓取器200也可以是径向对称的，特别是在最远侧端部。

通过具有抓取器的此类径向对称配置，用户可以有利地能够轻松地执行某些移动(例如，滚动操纵)，否则这些移动是有挑战性的。如果用户想要用抓取器完成滚动强度大的任务，诸如缝合，用户只能在超出他们手腕运动范围之前将抓取器旋转大约180度而不会重新定位用户的手。为了继续滚动抓取器，他们必须松开抓取器的当前位置，旋转手腕并且重新抓持抓取器以继续。

具有多个彼此间隔开小于180度的连接件的径向对称抓取器允许医师在其手指尖之间滚动抓取器，同时保持抓取器的期望取向(诸如在闭合位置或保持闭合角)。这是可能的，因为用户的手指总是与至少两个连接件接触，这是因为多个连接件的数量增加以及多个连接件之间可能存在的死区减少。

一些用户可以选择在手指垫212、214之外工作，以保持多个连接件202、204、206、208更接近它们的多个连接件202、24、206、208的远侧端部222、224、226、228。抓取器200有利地能够适应此情况，并且允许在手指垫212、214内外两者舒适地使用。此外，当在手指垫212、214之外工作时(诸如在多个连接件202、204、206、208中的一个或多个的远侧端部222、224、226、228处)，抓取器200可以具有径向对称性，使得医师可以闭合抓取器200(诸如闭合第一对相对的连接件202、204和/或闭合第二对相对的连接件206、208)，然后在他们的手指之间滚动抓取器200。当执行抓取器200的此滚动动作时，可能期望抓取器200保持在闭合位置。第一对相对的连接件202、204和/或第二对相对的连接件206、208可以是相同的，并且在其远侧端部222、224、226、228是对称的，允许用户使用多个连接件202、204、206、208中的任一个连接件来闭合夹持部200。

当操作抓取器200时，远侧端部处的径向对称可以有利地更加宽容用户的手的错位。此外，紧密间隔开在一起(例如，彼此间隔开小于180度)的连接件数量的增加允许用户在操纵抓取器200时更容易地定位他们的手指以保持与多个连接件中的一个或多个连接件的接触。例如，当在手指垫212、214外部工作时，用户可以使用多个连接件的任意组合来致动抓取器200。多个连接件可以增加用户用于致动抓取器200的接触点的数量。这可以允许用户更容易地保持与抓取器的致动器的接触，以降低用户的手的定位和重新调整的难度。多个连接件和径向对称可以给用户更大的自由度来操纵抓取器200。

第一对相对的连接件202、204的长度可以比第二对相对的连接件206、208长。多个连接件可以布置成使得较长的连接件202、204彼此相对，其中较短的连接件206、208位于两者之间。两个较长的连接件202、204可以用作主抓握连接件。较长的连接件202、204可以具有手指抓持部、垫、环，诸如例示的布置的手指垫212、214。

在其他示例中，第一对相对的连接件202、204和第二对相对的连接件206、208可以具有相等的长度。在其他示例中，第二对相对的连接件206、208的长度可以比第一对相对的连接件202、204长。

图23示出了没有多个连接件的图21A至图21B和图22的抓取器，以更详细地示出中心支撑轴250和滑动支撑件260。主支撑轴250可以用作用于滑动支撑件260的承载表面。如图24A中所示，滑块或滑动支撑件260可以连接到多个连接件202、204、206、208。主支撑轴250可以与滑动支撑件260接合或连接，以相对于中心支撑轴250约束连接件202、204、206、208，同时仍然允许多个连接件202、204、206、208相对于中心支撑轴250旋转平移。例如，中心支撑轴250可以具有狭槽或凹部，以接纳滑动支撑件260的部分或接纳连接到滑动支撑件260的键。此外，键可以用作限制滑动支撑件260平移的止动件。在一些示例中，平移的限制可以是大约5毫米。

清楚起见，图24A和图24B示出了没有第二对连接件206、208的抓取器。图24A示出了第一对连接件202、204处于打开位置的抓取器。图24B示出了第一对连接件202、204处于闭合位置的抓取器。如图所示，第一对连接件202、204可以在它们相应的近侧端部232、234处连接到滑动支撑件260。例如，多个连接件202、204、206、208中的每个连接件可以相应地通过辅助连接件242、244连接到滑动支撑件260。辅助连接件242、244可以自由枢转，以将相应连接件202、204的角位移转变成滑动支撑件260沿着中心轴250的轴向平移。在如图24A中所示的打开位置，滑动支撑件260可以朝向抓取器200的近侧端部定位，使得辅助连接件242、246和第一对连接件202、204各自远离中心轴250成角度。随着滑动支撑件260在远侧方向上移动，辅助连接件242、244远离中心轴250成角度，这又使近侧端部232、234、236、238远离中心轴250移动。在如图24B中所示的闭合位置，滑动支撑件260可以沿着中心轴250更接近地定位，使得第一对连接件202、204和辅助连接件242、248延伸并且更接近中心轴250成角度地定位。在打开位置，滑动支撑件260可以定位成使得第一对连接件202、204和/或辅助连接件242、244在长度上完全延伸并且基本上平行于中心支撑件250。在此配置中，连接件202、204中的一个连接件的轴向位移引起另一个连接件202、204的相同位移。在此配置中，第一对连接件202、204的运动被一起约束。第一对相对的连接件202、204中的每个连接件可以被配置成一起移动，使得第一对相对的连接件202、204的近侧端部232、234被定位成与中心轴250的距离相等。

在一些配置中，第一对相对的连接件202、204中的每个连接件被配置成一起移动。在一些配置中，第二对相对的连接件206、208中的每个连接件被配置成一起移动。在一些配置中，第一对相对的连接件202、204和第二对相对的连接件206、208被配置成一起移动。在一些配置中，第一对相对的连接件202、204和第二对相对的连接件206、208被配置成独立移动。在一些配置中，多个连接件中的每个连接件被配置成独立移动。在一些配置中，多个连接件中的每个连接件被配置成一起移动。

尽管清楚起见在图24A至图24B中没有示出，但是第二对连接件206、208可以类似地在它们相应的近侧端部236、238处连接，它们相应的近侧端部可以相应地用辅助连接件246、248连接到滑动支撑件260。在例示的布置中，所有四个连接件202、204、206、208可以连接到同一滑动支撑件260。在此配置中，多个连接件202、204、206、208中的一个连接件的轴向位移引起多个连接件202、204、206、208中的其余三个连接件的相同位移。在此配置中，多个连接件202、204、206、208的运动被一起约束。

抓取器200可以包括近侧板262。近侧板262可以附接到中心支撑轴250或与该中心支撑轴成一体。近侧板262可以围绕中心支撑轴250朝向中心支撑轴250的近侧端部定位。近侧板262可以用作止动件来限制滑动支撑件260的轴向平移。在一些示例中，近侧板262可以定位成防止滑动支撑件260使多个连接件202、204、206、208延伸超过多个连接件202、204、206、208和/或辅助连接件242、244、246、248的长度。在一些示例中，近侧板262也可以用作用于支撑用户的手的另外的表面。

多个连接件202、204、206、208可以在它们相应的远侧端部222、224、226、228处连接或操作地连接。例如，多个连接件202、204、206、208可以在它们相应的远侧端部222、224、226、228处连接或操作地连接到远侧端部连接件支撑件270。多个连接件202、204、206、208可以在它们相应的近侧端部232、234、236、238处连接或可操作地连接。

图24C示出了抓取器200。图24D示出了图24C的输入装置的横截面视图。如前面描述的，多个连接件中的每个连接件可以被偏置在打开位置。在一些配置中，每个连接件可以在打开位置被弹簧加载。如图24D所示，抓取器200可以在连接件中的每个连接件处包括一系列主要弹簧210。主要弹簧210可以定位在连接件中的每个连接件的远侧端部附近，以将每个连接件偏置在打开位置。

抓取器200还可以包括辅助弹簧280，以在靠近闭合位置时测量由用户施加的诸如在抓取器200的近侧端部的辅助力。当连接件达到一定程度的闭合时，辅助弹簧280可以提供轻微的触觉反馈，以指示抓取器200何时闭合，并且闭合抓取器200的进一步运动将导致外科器械的夹紧力增加。辅助弹簧280用于确定当抓取器200完全闭合并且用户施加力时施加的力。如图所示，辅助弹簧280可以定位在弹簧筒272内。弹簧筒272可以邻近滑动环260定位。弹簧筒272可以沿着中心轴250轴向可调整地定位。当辅助力由辅助弹簧280施加和测量时，弹簧筒272沿着中心轴250的轴向位置可以调整连接件相对于中心轴250的角度。弹簧筒272的使用和位置有利地定位了辅助弹簧280，使得它不会干扰抓取器200的径向对称性。辅助筒272还避免了将辅助弹簧280放置在抓取器200的远侧部分，因此有利地避免了抓取器200尺寸的增加。辅助筒272还提供了辅助弹簧280的更容易的组装和调整。

图24E示出了图24C至图24D的弹簧筒272。图24F示出了图24E的弹簧筒272的横截面视图。弹簧筒272包括辅助弹簧280和垫片垫圈278。弹簧筒272包括外表面278。外表面276不仅在视觉上隐藏了辅助弹簧280，而且还保护辅助弹簧280免受损坏或无意中被调整。外表面276可以具有螺纹以允许弹簧筒272轴向接合并且沿着中心轴250移动。外表面276的螺纹允许对弹簧筒272的轴向移动进行更精确或精细的控制，这可以有利地允许对弹簧筒272进行更精确的调整，并且因此允许对连接件的冲击角度进行更精确的调整。如图所示，滑动支撑件或滑动环260邻近弹簧筒定位，并且也被配置成沿着中心轴250轴向移动，如前面描述的。滑动支撑件260可以冲击弹簧筒272的垫片垫圈278。向垫片垫圈278施加力的滑动支撑件260可以致使垫片垫圈278向辅助弹簧280施加力。在一些示例中，垫片垫圈278的厚度可以被调整以改变施加到辅助弹簧280的力的大小。

图25A示出了具有手指垫212的第一连接件202的俯视图。图25B示出了具有图25A的手指垫212的第一连接件202的仰视图。尽管在图25A至图25B中仅示出了第一对连接件202、204中的第一连接件202，但是第二连接件204和手指垫214可以基本上类似。第一对相对的连接件202、204各自可以相应地包括手指垫212、214。手指垫212、214可以通过增加用户可以接触和操纵相对的连接件的表面积来便于操纵手指连接件202、204。手指垫212、214可以通过螺栓附接到相应的连接件202、204。Velcro环(未示出)可以定位在手指垫212、214和相应的连接件202、204之间以在使用时固定在用户的手指周围。

第一对连接件202、204可各自包括位于第一对连接件202、204的远侧端部222、224的远侧脊部223、243，该远侧脊部223、243可各自遵循相应连接件202、204的轮廓。远侧脊部223、243可以是人机工程学特征，允许医师在远侧端部容易地抓持和操纵抓取器200。例如，远侧脊部223、243可以用作表面以使用户在手指垫212、214外部工作时能够将抓取器200拉向它们。

第一对连接件202、204可以各自包括用于感测该相应对连接件202、204的位置的磁体302、304。如图25B中所示，磁体302可以定位或安装在连接件202的底部上。连接件202的角位移可以由霍尔效应传感器感测。霍尔效应传感器可以定位在中心轴250上或定位在该中心轴中。霍尔效应传感器可以用于测量磁场的大小或变化。当多个连接件改变角度时，一个或多个传感器可以用于检测由于磁体302、304的运动引起的磁场变化，这通过相应连接件202、204的运动而发生。在一些配置中，霍尔效应传感器可以用于检测磁体302、304以及连接件202、204相对于中心轴250的距离，输入装置可使用该距离来传输控制信号。类似地，第二对连接件206、208也可以各自包括磁体(未示出)。此外，可以使用其他传感器，诸如电阻传感器和/或光学传感器。

B.辅助输入部

在一些配置中，在多个连接件中的一个连接件上包括至少一个辅助输入部(诸如图21A至图21B和图22中所示的辅助输入部216)。辅助输入部也可以被称为手指输入部或辅助输入部的特定功能，诸如离合器。在一些实施方案中，通过压下离合器，这暂时将器械的移动与控制器分离。第一对相对的连接件202、204中的一个或多个连接件可以包括辅助输入部。第二对相对的连接件206、208中的一个或两个连接件可以包括辅助输入部。在抓取器200上具有辅助输入部216、218以允许其他控制方案是有用的。在一些配置中，辅助输入部216、218可以是可以根据不同的模式服务于不同的目的的多功能手指输入部。例如，辅助输入部可以服务于第一模式和第二模式。在第一模式中，辅助输入部用作离合器。在第二模式中，辅助输入部用作选择工具，诸如用于用户接口的菜单/工具选择器。例如，辅助输入部可以用作离合器。在规程期间，用户经常必须重新调整他或她的手的位置。任何手指离合器的致动可以暂时使抓取器脱离对器械操作的控制，从而允许用户在规程期间重新调整他或她的手的位置以重新抓持抓取器。

为了保持抓取器的径向对称配置，在辅助输入部的尺寸或体积方面可能具有挑战性。在一些配置中，将辅助输入部定位在多个连接件202、204、206、208中的一个或多个连接件上可能是有利的。在一些示例中，如图21A至图21B和图22中所示，第二对连接件206、208可以包括辅助输入部216、218。在一些配置中，辅助输入部可以放置在没有手指垫的连接件上，或放置在定位于具有手指垫的连接件之间的连接件上。此配置可以允许用户在操纵抓取器时能够容易地触及辅助输入部。此配置还可以减小辅助输入部的尺寸，并且最小化辅助输入部对抓取器的径向对称的干扰，且可以最大化用户致动多个连接件202、204、206、208的其余空间。

图27A至图27B和图28至图30示出了具有辅助输入部的第三连接件206的各种配置。尽管在这些图中仅示出了第三连接件206，但是第四连接件208可以基本上类似。辅助输入部可以是滑动输入部、下压输入部、平移输入部或旋转输入部。

图26A示出了具有图21A至图21B和图22的辅助输入部216的第三连接件206的俯视图。图26B示出了图26A的第三连接件206的仰视图。尽管在图26A至图26B中仅示出了第二对连接件206、208中的第三连接件206，但是第四连接件208可以基本上类似。第二对相对的连接件206、208可以包括开关306。开关308可以定位在连接件206、208中的每个连接件的顶侧上，朝向它们相应的近侧端部236、238。开关308可以连接到中心支撑件250内部的电路300。如图26B中所示，第二对连接件206、208中的每个连接件可以包括线引导件326以将开关308连接到电路300。

类似于第一对连接件202、204的远侧脊部223、243，第二对连接件206、208也可以各自具有位于第二对连接件206、208的远侧端部226、228的远侧脊部263、283。远侧脊部263、283可以各自遵循相应连接件206、208的轮廓。远侧脊部263、283可以是人机工程学特征，允许医师在远侧端部容易地抓持和操纵抓取器200。例如，远侧脊部263、283可以用作表面以使用户在远侧端部处理抓取器200时能够将抓取器200拉向它们。

辅助输入部可以以许多不同的形式出现以激活开关306、308。图27A示出了具有辅助输入部的第三连接件的另一个示例。图27B示出了图27A的第三连接件的横截面视图。如图27A中所示，辅助输入部216可以包括下压按钮256。如果辅助输入部是抓取器的离合器，则下压按钮256可以被认为是离合器按钮。在规程期间，用户经常必须重新调整他或她的手的位置。离合器的致动(诸如通过辅助输入部)，可以暂时使抓取器与器械的控制操作分离，从而允许用户在规程期间重新调整他或她的手的位置以重新抓持抓取器。辅助输入部216可以包括盖254，该盖围绕整个组件包绕，以保护辅助输入部216免受意外冲击。

如图27B中所示，下压按钮256可以是弹簧加载的。辅助输入部216可以包括可以与开关306接合的表面或轨道258。下压按钮256可以安装在轨道258上，下压按钮256在该轨道上滑动。下压按钮256可以被约束在轨道258上，诸如通过定位销，按钮沿着轨道258轴向平移到该定位销。当下压按钮256被用户致动时，下压按钮256可以与开关306接合，以激活另一个控制方案，诸如离合器模式。下压按钮256可以定位在第三连接件206的近侧端部236处，使得用户可以将他们的手指钩在第三连接件206的近侧端部236周围来致动下压按钮256。

图28示出了具有辅助输入部316的另一种布置的第三连接件206的又一个示例。辅助输入部316可以类似于图27A至图27B中所示的辅助输入部216。辅助输入部316可以包括具有凸缘、突出凸缘或突起358的下压按钮356。凸缘或突起358可以提供用户可以致动下压按钮356的另外的表面。凸缘或突起358对于手指较短的用户来说尤其有用，相较于下压按钮256的近侧端部，手指较短的用户更容易够到凸缘或突起358。

图29A示出了具有辅助输入部416的另一种布置的第三连接件206的又一个示例。辅助输入部416可以包括基于旋转的装置或滚轮446。用户在滚轮446的边缘上提供线性运动，该线性运动被转换成滚轮446的旋转运动。滚轮446可以是有利的，因为它可以是小尺寸的，这最小化了辅助输入部416并且最大化了用户致动多个连接件的空间。此外，基于旋转的装置446可以比平移机构更小、更简单且更稳健。例如，基于旋转的装置446可以在不占用大平移机构的空间的情况下有利地提供感觉大行程的旋转运动。基于旋转的装置446也有利地比类似尺寸的平移机构简单。基于旋转的装置446可以占用更少的空间而不损害用户体验。此外，对于基于旋转的装置446，存在最小的滑动表面，改善了基于旋转的装置446的磨损和寿命。

滚轮446的致动可以接合并且激活开关(诸如图26A和图27B中所示的开关306)。在一些示例中，滚轮446的致动可以由传感器检测到。在一些示例中，基于旋转的装置或滚轮446可以耦合到磁体。在一些示例中，滚轮446的致动可以改变可以由传感器(诸如模拟磁传感器)检测到的磁场。在一些示例中，滚轮446的致动可以直接旋转磁体，这可以通过磁体的旋转将磁场在不同的方向上取向。磁场方向的变化能够由传感器检测到。在其他示例中，滚轮的致动可以引起磁体的线性运动，这也能够由传感器检测到。

图29B示出了抓取器200b的又一个示例，其中在第一对相对的连接件202、204上具有辅助输入部916。尽管在图29B中示出在第一对相对的连接件202、204上，但是在一些实施方案中，辅助输入部916可以另选地或另外地定位在第二对相对的连接件206、208上。抓取器200b可以类似于上述抓取器200。连接件202、204、206、208中的每个连接件可以包括手指抓持部或手指垫212、214、266、268。

图29C示出了具有辅助输入部916的布置的第一连接件202。图29D示出了图29C的第一连接件的横截面视图。类似于图29A的辅助输入部416，图29B至图29D的辅助输入部916可以包括基于旋转的装置或滚轮946。用户在滚轮946的边缘上提供线性运动，该线性运动被转换成滚轮946的旋转运动。滚轮946可以在尺寸、简单性、稳健性、空间和磨损方面提供类似的优点。此外，滚轮946的致动可以类似地接合并且激活开关(诸如如图26A和图27B中所示的开关306)。在一些示例中，滚轮946的致动可以由传感器检测到。在一些示例中，基于旋转的装置或滚轮946可以耦合到磁体。在一些示例中，滚轮946的致动可以改变可以由传感器(诸如模拟磁传感器)检测到的磁场。在一些示例中，滚轮946的致动可以直接旋转磁体，这可以通过磁体的旋转将磁场在不同的方向上取向。磁场方向的变化能够由传感器检测到。在其他示例中，滚轮的致动可以引起磁体的线性运动，这也能够由传感器检测到。图30示出了具有辅助输入部516的布置的第三连接件206的又一个示例。辅助输入部516可以是沿着第三连接件206的长度移动的平移垫546。平移垫546可以是有利的，因为它降低了第三连接件206上的辅助输入部516的高度。

平移垫546的致动可以接合并且激活开关(诸如图26A和图27B中所示的开关306)。在一些示例中，平移垫546的致动可以由传感器检测到。在一些示例中，平移垫546可以耦合到磁体。在一些示例中，平移垫546的致动可以改变可以由传感器(诸如模拟磁传感器)检测到的磁场。在一些示例中，平移垫546的致动可以致使磁体线性运动，这可以被传感器检测到。

C.另选的多连接件抓取器

图31示出了抓取器600的另一个示例。抓取器600仅具有两个连接件602、604。每个连接件602、604可以在远侧端部622、624处具有弯曲的面，该弯曲的面围绕中心支撑件250包绕。每个连接件602、604可以在连接件602、604中的每个连接件的远侧端部622、624或在中心轴250或抓取器600的远侧端部具有曲面。用户可以具有其中用户可以抓握连接件602、604的更大的自由度。抓取器600可以具有部分径向对称。抓取器600的曲面允许滚动操作，其中用户可以闭合连接件602、604，并且在不打开连接件602、604的情况下在用户的手指之间滚动抓取器600。抓取器600的辅助输入部可以是轮或滚轮机构646，其可以定位在中心轴250上，而不是安装在连接件上。

图32示出了抓取器700的另一个示例的横截面视图。抓取器700可以类似于如图21A至图21B和图22中所示的四连接件抓取器，但是具有不同的机构用于连接多个连接件的运动。尽管清楚起见，图32仅示出了两个连接件202、204，但是抓取器700可以包括任意数量的连接件，诸如两个、三个或四个连接件。

抓取器700可以包括四侧齿条770。多个连接件202、204、206、208中的每个连接件可以具有被配置成与齿条770的齿轮齿啮合或配合的齿轮齿。当连接件202、204、206、208中的一个连接件在打开配置和闭合配置之间移动时，多个连接件202、204、206、208致使齿条770向前或向后(或向近侧或向远侧)平移，这迫使得多个连接件202、204、206、208中的其余连接件以相同的方式移动。在此配置中，多个连接件202、204、206、208的运动被一起约束。多个连接件202、204、206、208中的每个连接件可以被配置成相对于齿条770旋转，其中多个连接件202、204、206、208中的每个连接件都被配置成与齿条770接合，使得多个连接件202、204、206、208中的一个连接件的旋转引起多个连接件202、204、206、208中的其余连接件的旋转。

图33示出了抓取器800的又一个示例。抓取器800可以类似地径向对称并且具有多个连接件，诸如四个连接件802、804、806、808。多个连接件802、804、806、808中的每个连接件可以具有锥齿轮810，以将每个连接件802、804、806、808的运动相互连接。锥齿轮810可以安装在中心支撑构件850上。多个连接件202、204、206、208中的每个连接件可以包括锥齿轮齿，该锥齿轮齿被配置成将多个连接件202、204、206、208中的每个连接件的运动连接到多个连接件202、204、206、208的其余连接件。

D.传感器位置

如上描述的，当用户操纵抓取器的多个连接件时，用户的手指可以调整多个连接件的角度。多个连接件可以相对于中心轴线或中心轴取向或成角度。抓取器上的多个连接件可以测量用户手指的输入角度。例如，多个连接件中的任一个或多个连接件相对于中心轴定位的角度可以转换成器械的部件(诸如器械端部执行器的一个或多个钳口)的期望角度。抓取器200可以包括一个或多个传感器来测量多个连接件的角度，从而测量用户手指的输入角度。同样如上描述的，辅助输入部状态也可以由一个或多个传感器来测量。

抓取器可以包括位于不同位置的一个或多个传感器。在一些配置中，一个或多个传感器可以位于或耦合到多个连接件中的一个或多个连接件。在一些配置中，一个或多个传感器可以位于中心轴中或耦合到中心轴。中心轴中的一个或多个传感器可能是有利的，因为在多个连接件中的每个连接件上的空间有限。中心轴中的一个或多个传感器还可以有利地将传感器定位成远离连接件的运动和用户的接触，这可以降低损坏传感器的风险。

在一些配置中，一个或多个传感器可以包括霍尔效应传感器，诸如3D霍尔效应传感器。一个或多个传感器可以包括相互正交取向的3个不同的传感器。使用这些传感器读数，可以开发一种算法来确定多个连接件的角度并检测辅助输入部状态。一个或多个传感器在中心轴中的位置还可以有利地消除在连接件上布线和封装传感器的需要。

一个或多个传感器可以检测多个连接件中包括的一个或多个磁体和/或辅助输入部中的一个或多个磁体。例如，每个连接件可以包括位于固定位置的一个或多个磁体。当多个连接件改变角度时，一个或多个传感器可以用于检测由于这些磁体的运动而引起的磁场变化。

类似地，辅助输入部可以包括或操作地连接到一个或多个磁体，使得辅助输入部的改变或移动可以改变一个或多个磁体的位置或方向，这可以由传感器检测到。在一些示例中，由于辅助输入部引起的磁场变化可以与抓取器的运动或抓取器的一个或多个部件相耦合。在一些示例中，多个连接件的角度可以与辅助输入部状态分离。

在一些配置中，一个或多个传感器可以是具有到多个连接件和辅助输入部的物理电连接的3自由度传感器。

3.实施系统和术语。

本文公开的实现方式提供了用于机器人外科系统的控制器的系统、方法和设备。

应当指出的是，如本文所用，术语“耦合”或词语耦合的其他变型形式可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“耦合”到第二部件，则第一部件可经由另一个部件间接连接到第二部件或直接连接到第二部件。

本文描述的多个连接件的位置和取向估计以及辅助输入部状态检测可以作为一个或多个指令存储在处理器可读或计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”是指可由计算机或处理器访问的任何可用介质。通过示例而非限制，此类介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器、致密盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可以用于存储呈指令或数据结构的形式的期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。应当指出的是，计算机可读介质可为有形的和非暂态的。如本文所用，术语“代码”可以指可由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。

本文所公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可彼此互换。换句话讲，除非正在描述的方法的正确操作需要步骤或动作的特定顺序，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

如本文所用，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件指示两个或更多个部件。术语“确定”涵盖多种动作，并且因此，“确定”可包括计算、运算、处理、导出、调查、查找(例如，在表格、数据库或另一种数据结构中查找)、查明等。另外，“确定”可包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。另外，“确定”可包括解析、选择、挑选、建立等。

除非另有明确指明，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话讲，短语“基于”描述“仅基于”和“至少基于”两者。

提供对所公开的具体实施的前述描述以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。对这些具体实施的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所定义的一般原理可应用于其他具体实施。例如，应当理解，本领域的普通技术人员将能够采用多个对应的替代和等同的结构细节，诸如紧固、安装、耦合或接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机构、以及用于递送电能的等同机构。因此，本发明并非旨在限于本文所示的具体实施，而是被赋予符合本文所公开的原理和新颖特征的最广范围。

Claims (20)

1. 一种用于控制机器人外科工具的输入装置，所述输入装置包括：

第一对相对的连接件；以及

第二对相对的连接件，

其中所述第一对相对的连接件和所述第二对相对的连接件径向对称布置，

其中所述输入装置被配置成控制所述机器人外科工具的操作。

2.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述第一对相对的连接件比所述第二对相对的连接件长。

3.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述第一对相对的连接件具有与所述第二对相对的连接件相等的长度。

4.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述第一对相对的连接件中的每个连接件包括手指垫。

5.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述第二对相对的连接件中的每个连接件包括离合器按钮。

6.根据权利要求5所述的输入装置，其中所述离合器按钮包括下压按钮。

7.根据权利要求5所述的输入装置，其中所述离合器按钮包括突出的凸缘。

8.根据权利要求5所述的输入装置，其中当所述离合器按钮被致动时，所述离合器按钮被配置成将所述输入装置与控制所述机器人外科工具的操作分离。

9.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述第一对相对的连接件中的每个连接件和所述第二对相对的连接件中的每个连接件耦合到中心纵向构件。

10.根据权利要求9所述的输入装置，其中所述第一对相对的连接件中的每个连接件的近侧端部和所述第二对相对的连接件中的每个连接件的近侧端部被配置成相对于所述中心纵向构件径向移动。

11.根据权利要求1所述的输入装置，其中所述第一对相对的连接件和所述第二对相对的连接件被配置成一起移动。

12.根据权利要求9所述的输入装置，其中所述第一对相对的连接件中的每个连接件被配置成一起移动，使得所述第一对相对的连接件的近侧端部被定位成与所述中心纵向构件的距离相等。

13.一种用于控制机器人外科工具的输入装置，所述输入装置包括：

多连接件抓取器，所述多连接件抓取器包括耦合到中心纵向构件的三个或更多个连接件，

其中所述三个或更多个连接件围绕所述中心纵向构件彼此间隔开小于180度，

其中所述多连接件抓取器被配置用于控制所述机器人外科工具的操作。

14.根据权利要求13所述的输入装置，其中所述三个或更多个连接件中的每个连接件被配置成从打开位置移动到闭合位置，在所述打开位置，所述三个或更多个连接件中的每个连接件的近侧端部被定位成径向远离所述中心纵向构件，在所述闭合位置，所述三个或更多个连接件中的每个连接件的所述近侧端部被定位成径向接近所述中心纵向构件。

15.根据权利要求14所述的输入装置，其中所述三个或更多个连接件中的每个连接件被偏置在所述打开位置。

16.一种用于控制外科工具的输入装置，所述输入装置包括：

多连接件抓取器，所述多连接件抓取器包括围绕中心纵向构件的两个或更多个连接件，用于控制所述外科工具的操作，

其中所述两个或更多个连接件中的至少一个连接件包括手指输入部。

17.根据权利要求16所述的输入装置，其中所述手指输入部能够在第一模式和第二模式下操作。

18.根据权利要求17所述的输入装置，其中在所述第一模式下，所述手指输入部作为手指离合器操作，并且在所述第二模式下，所述手指输入部作为选择工具操作。

19.根据权利要求16所述的输入装置，其中所述手指输入部包括旋转输入部。

20.根据权利要求16所述的输入装置，其中所述中心纵向构件包括用于检测所述手指输入部的模式的传感器。

Images