CN115443109A - 为手术机器人臂供电 - Google Patents

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Abstract

一种手术机器人，包括：手术机器人臂，所述手术机器人臂包括一系列关节和用于驱动所述一系列关节的关节电机，所述一系列关节从基座延伸到用于附接到手术器械的末端，所述手术器械用于通过端口插入到患者的身体中至手术部位，所述一系列关节包括第一组关节，其中对于所述第一组关节中的每个关节，所述手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节经受重力扭矩或力，并且遵从所述重力扭矩或力的所述关节的移动会使所述手术器械朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中；以及机器人臂控制器，所述机器人臂控制器被配置成发送驱动信号以驱动所述关节电机，其中所述手术机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失，发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节中的每个关节的位置，由此防止所述手术器械由于所述第一组关节中的一个或多个关节在重力作用下的移动而朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中。

Description

为手术机器人臂供电
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。机器人臂104上的关节控制器驱动关节108相应地移动。
用于驱动机器人臂104的关节的电力经由电力电缆从外科医生控制台112提供到机器人臂。在电源故障的情况下，已知使用机械制动器将机器人臂104的关节保持在适当位置，并且将手术器械106从患者手动移除。
发明内容
根据本发明的方面，提供了一种手术机器人，包括：手术机器人臂，所述手术机器人臂包括一系列关节和用于驱动所述一系列关节的关节电机，所述一系列关节从基座延伸到用于附接到手术器械的末端，所述手术器械用于通过端口插入到患者的身体中至手术部位，所述一系列关节包括第一组关节，其中对于所述第一组关节中的每个关节，所述手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节经受重力扭矩或力，并且遵从所述重力扭矩或力的所述关节的移动会使所述手术器械朝向所述手术部位推进到所述患者体内；以及机器人臂控制器，所述机器人臂控制器被配置成发送驱动信号以驱动所述关节电机，其中所述手术机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失，发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节中的每个关节的位置，由此防止所述手术器械由于所述第一组关节中的一个或多个关节在重力作用下的移动而朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中。
所述一系列关节可包括第二组关节，其中对于第二组关节中的每个关节，所述手术机器人臂不具有使得所述每个关节经受重力扭矩或力的构造。
在所述第一组关节和所述第二组关节中，所述机器人臂控制器可被配置成响应于检测到电力丢失仅发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节的位置。
所述第二组关节可以邻近所述手术机器人臂的基座。
所述第二组关节可以在所述手术机器人臂的基座与所述第一组关节之间。
所述一系列关节可包括第三组关节，其中对于所述第三组关节中的每个关节，所述手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节经受重力扭矩或力，但仅遵从所述重力扭矩或力的所述关节的移动不会使所述手术器械通过所述端口朝向所述手术部位推进。
在所述第一组关节和所述第三组关节中，所述机器人臂控制器可被配置成响应于检测到电力丢失仅发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节的位置。
在所述第一组关节、所述第二组关节和所述第三组关节中，所述机器人臂控制器可被配置成响应于检测到电力丢失仅发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节的位置。
所述第三组关节可以是邻近所述手术机器人臂的末端的连续关节。
所述第三组关节可以在所述手术机器人臂的末端与所述第一组关节之间。
所述一系列关节可按从所述手术机器人臂的基座的顺序由以下各项组成：第一滚动关节、第一俯仰关节、第二滚动关节、第二俯仰关节、第三滚动关节、第三俯仰关节、第一偏航关节和第四滚动关节。
所述第一组关节可由所述第一俯仰关节、所述第二滚动关节和所述第二俯仰关节组成。
所述第二组关节可由所述第一滚动关节组成。
所述第三组关节可由所述第三滚动关节、所述第三俯仰关节、所述第一偏航关节和所述第四滚动关节组成。
检测到的电力丢失可以是从备用电池电源向所述手术机器人臂供电的电力丢失。
所述机器人臂控制器可被配置成在检测到从所述备用电池电源向所述手术机器人臂供电的电力丢失之前检测从主电源向所述手术机器人臂供电的电力丢失。
所述机器人臂控制器可被配置成在检测到从所述主电源供电的电力丢失之前，根据从远程外科医生输入装置接收到的输入控制所述手术机器人臂和附接的手术器械移动。
所述手术机器人臂控制器可集成到所述手术机器人臂中。
所述手术机器人臂可以安装在支撑结构上，并且所述机器人臂控制器可以集成到所述支撑结构中。
根据本发明的方面，提供了一种用于控制手术机器人臂的控制方法，所述手术机器人臂包括一系列关节，所述一系列关节从基座延伸到用于附接到手术器械的末端，所述手术器械用于插入到患者的身体中至手术部位，所述一系列关节包括第一组关节，其中对于所述第一组关节中的每个关节，所述手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节经受重力扭矩或力，并且遵从所述重力扭矩或力的所述关节的移动会使所述手术器械朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中，所述手术机器人臂还包括用于驱动所述一系列关节的关节电机，所述方法包括：发送驱动信号以驱动所述关节电机，其中所述手术机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失，发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节中的每个关节的位置，由此防止所述手术器械由于所述第一组关节中的一个或多个关节在重力作用下的移动而朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中。
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2示出了手术机器人臂；
图3示出了图2的手术机器人臂的关节的分解图；
图4为示出了手术机器人系统的控制系统的示意图；
图5示出了手术机器人臂的操作模式，以及这些操作模式之间允许的转变；以及
图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12是示出了在电源故障期间机器人臂控制器的控制方法的流程图。
具体实施方式
下文描述了图1中所示的类型的手术机器人系统。该手术机器人系统包括一个或多个手术机器人臂和手术器械，以及远程外科医生控制台。远程外科医生控制台经由控制系统连接到手术机器人臂。控制系统包括远离手术机器人臂定位的中心控制器。控制系统还可包括每个手术机器人臂的机器人臂控制器，该机器人臂控制器与该手术机器人臂共同定位。
下文描述的控制系统和方法是针对保持手术器械的手术机器人臂进行的，所述手术器械在其远端处具有用于在手术部位处操纵患者的组织的末端执行器。末端执行器可以是例如一对钳口、手术刀、缝合针等。然而，相同的手术机器人臂、控制系统和方法同样适用于为内窥镜的手术器械，所述内窥镜在其远端处具有用于捕获手术部位的视频馈送的摄像头。
图2示出了示例性手术机器人200。机器人包括基座201，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201安装到支撑结构。在图2中，支撑结构是推车210。此推车可以是用于将机器人安装在床高度的床侧推车。替代地，支撑结构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202从机器人的基座201延伸到用于附接到手术器械204的末端203。臂是柔性的。它借助于沿着其长度的多个柔性关节205来铰接。在关节之间是刚性臂连杆206。适当地，关节是回转关节。机器人臂具有在基座与末端之间的至少七个关节。图2中所示的机器人臂200具有在基座201与末端203之间的总共八个关节。图2中所示的机器人臂具有在基座与末端之间的仅八个关节。所述关节包括一个或多个滚动关节(其在关节的任一侧上具有沿着臂连杆的纵向方向的旋转轴线)、一个或多个俯仰关节(其具有横向于前一臂连杆的纵向方向的旋转轴线)以及一个或多个偏航关节(其也具有横向于前一臂连杆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的旋转轴线)。在图2的实例中，关节205a、205c、205e和205h是滚动关节；关节205b、205d和205f是俯仰关节；并且关节205g是偏航关节。从机器人臂的基座201按顺序到机器人臂的末端203的关节的顺序是：滚动、俯仰、滚动、俯仰、滚动、俯仰、偏航、滚动。图2中不存在中间关节。
图3中示出了图2的手术机器人臂的关节。机器人臂由八个关节铰接。滚动关节J1205a邻近基座201，并且随后为俯仰关节J2 205b。俯仰关节J2具有垂直于滚动关节J1的旋转轴线的旋转轴线。滚动关节J3 205c邻近俯仰关节J2，并且随后为俯仰关节J4 205d。俯仰关节J4具有垂直于滚动关节J3的旋转轴线的旋转轴线。滚动关节J5 205e邻近俯仰关节J4、随后为俯仰关节J6 205f和偏航关节J7 205g，随后为滚动关节J8 205h。俯仰关节J6和偏航关节J7形成复合关节，该复合关节可以是球形关节。俯仰关节J6和偏航关节J7具有相交的旋转轴线。
机器人臂的在基座的远侧的端部可以通过臂的一个或多个关节的移动相对于基座铰接。一组远侧关节J5、J6、J7和J8的旋转轴线都在手术机器人臂上的点处相交。参考腕部。适当地，腕部是在器械附接到机器人臂时刚性联接到该器械的远端的机器人臂的一部分。腕部具有位置和取向。例如，腕部的位置可以是J5、J6、J7和J8的旋转轴线的交点。替代地，腕部的位置可以是器械的关节的一个或多个旋转轴线的交点。替代地，腕部的位置可以是机器人臂的远侧关节的一个或多个旋转轴线与器械的关节的一个或多个旋转轴线的交点。图2和图3中所示的手术机器人臂具有冗余关节。对于腕部相对于手术机器人臂的基座的给定位置，关节J1至J4具有多于一个构造。因此，手术机器人臂可以采用不同的姿态，同时保持相同腕部位置。
手术机器人臂可以与图2和图3中所示的不同地接合。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。
返回图2，手术机器人臂包括一组电机207。每个电机207驱动关节205中的一个或多个。每个电机207由关节控制器控制。关节控制器可以与电机207共同定位。关节控制器可以控制电机207中的一个或多个。机械人臂包括一系列传感器208、209。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208，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209。围绕关节的旋转轴线施加的扭矩包括以下分量的任何一个或组合：由于作用于关节上的重力产生的扭矩、由于惯性产生的扭矩，以及由于施加到关节的外部力产生的扭矩。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。
手术器械204附接到机器人臂203的末端处的驱动组件。此附接点始终在患者外部。手术器械204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，所述远端接近患者的身体内的手术部位。手术器械可以被构造成与臂的关节205h的旋转轴线线性平行地延伸。例如，手术器械可以沿着与臂的关节205h的旋转轴线重合的轴线延伸。
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。向患者身体中做切口，通过所述切口插入端口。手术器械可以通过端口穿透患者的身体以接近手术部位。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。这使得器械能够在操作期间快速地从驱动组件上拆卸并附接另一器械。
在手术器械的远端处，器械轴的远端通过铰接联接连接到末端执行器。末端执行器在手术部位处参与手术程序。末端执行器可以是例如一对钳口、一对单极剪子、持针器、有孔抓握器或手术刀。铰接联接包括若干关节。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。末端执行器本身还可以包括关节。图2和图3中所示的末端执行器具有一对相对的末端执行器元件307、308。末端执行器的关节在图3上示出为俯仰关节301、偏航关节302和夹紧关节303。俯仰关节301邻近器械的轴且围绕垂直于器械轴的纵向轴线的轴线旋转。偏航关节302具有垂直于俯仰关节301的旋转轴线的旋转轴线。夹紧关节303确定末端执行器元件的展开。在实践中，夹紧关节303可以是另一偏航关节，其具有与偏航关节302相同的旋转轴线。两个偏航关节302、303的独立操作可以使末端执行器元件一致地偏航，并且/或者相对于彼此打开和关闭。
驱动力以任何合适的方式从机器人臂传输到末端执行器。例如，器械的关节可以由诸如电缆、推杆或推/拉杆的驱动元件驱动。这些驱动元件在器械的近端处接合器械接口。机器人臂的末端处的驱动组件包括器械驱动关节，所述器械驱动关节经由上述相应的接口元件将驱动力从手术机器人臂传输到器械接口，并且由此传输到器械关节。这些器械驱动关节在图3上示出为关节J9、J10和J11。图3示出了三个器械驱动关节，每个器械驱动关节驱动器械的三个关节中的一个。
适当地，器械驱动关节是将驱动力传输到器械关节的唯一装置。机器人臂可具有多于或少于三个器械驱动关节。手术器械可具有多于或少于三个关节。如图3中所示，器械驱动关节可具有与其驱动的器械关节的一对一映射。替代地，器械驱动关节可以驱动多于一个器械关节。
外科医生控制台远程地远离手术机器人系统的一个或多个手术机器人臂定位。外科医生控制台包括一个或多个外科医生输入装置和显示器。每个外科医生输入装置使得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。
例如，外科医生输入装置可以是例如通过常平装置连接到外科医生控制台的手动控制器。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的相应移动。手动控制器也可以相对于外科医生控制台旋转。此类移动可用于命令器械的末端执行器的相应旋转。
外科医生控制台可包括两个或更多个外科医生输入装置。每个外科医生输入装置可用于控制不同的手术器械。因此，例如，外科医生可以使用左手中的手动控制器控制一个手术器械，并且使用右手中的手动控制器控制另一个手术器械。
控制系统将外科医生控制台连接到一个或多个手术机器人。在图4中示出了这种控制系统。外科医生控制台401通过双向通信链路连接到中央控制器402。具体地说，外科医生控制台401的外科医生输入装置通信地耦合到中央控制器402。中央控制器402通过双向通信链路连接到手术机器人系统的每个手术机器人臂的臂控制器403、404、405。每个臂控制器与手术机器人臂共同定位。臂控制器可以位于手术机器人臂中。替代地，臂控制器可以位于支撑手术机器人臂的支撑结构中，例如位于臂的推车中。中央控制器远程地远离手术机器人臂中的至少一个定位。适当地，中央控制器远程地远离手术机器人系统中的所有手术机器人臂定位。中央控制器可以位于外科医生控制台处。替代地，中央控制器可以与臂控制器中的一个共同定位。中央控制器可以远离外科医生控制台和所有臂控制器定位。
中央控制器包括处理器406和存储器407。存储器407以非暂态方式存储软件代码，所述软件代码可以由处理器406执行以使处理器以本文所述的方式控制外科医生控制台以及一个或多个手术机器人臂和器械。
臂控制器中的每一个包括处理器408和存储器409。存储器409以非暂态方式存储软件代码，所述软件代码可以由处理器408执行以使处理器以本文所述的方式控制外科医生控制台以及一个或多个手术机器人臂和器械。
中央控制器402从外科医生输入装置接收命令。来自外科医生输入装置的命令指示手术器械的远端的期望位置和/或姿态的变化。控制系统将从外科医生输入装置接收的命令转换为驱动信号。此转换由中央控制器和与外科医生输入装置相关联的手术机器人臂的手术机器人臂控制器中的一个或组合执行。机器人臂控制器将驱动信号发送至手术机器人臂的关节控制器和/或与外科医生输入装置相关联的手术器械。这些关节控制器通过相应地驱动关节电机来响应。由此驱动关节以使末端执行器采用由外科医生输入装置命令的期望位置和/或姿态。由此，响应于外科医生输入装置的操纵，由控制系统控制手术器械的操纵。
控制系统从手术机器人臂的关节上的位置传感器和扭矩传感器接收输入。控制系统使用臂中的关节和连杆的已知序列和感测到的关节位置来确定手术机器人臂的当前构造。根据手术机器人臂和附接的手术器械的当前构造，以及机器人臂和器械的连杆和关节的已知质量和尺寸，控制系统确定由于作用于每个关节的重力产生的扭矩。控制系统将重力补偿驱动信号发送至机器人臂的关节控制器。关节控制器通过驱动关节电机来响应，以便抵消作用于每个关节的重力。换句话说，每个关节电机施加的扭矩与计算出的作用于关节的重力正好相反。在没有来自外科医生输入装置的命令和/或作用于机器人臂的外部力(除了重力以外)的情况下，机器人臂由此被抵抗重力保持就位。它在重力作用下不会下垂。在实践中，由控制系统发送至关节控制器的用于驱动关节电机的每个驱动信号可以被解析为根据从外科医生输入装置接收到的输入驱动关节的分量和抵消重力的分量。在一些模式中，如下文所论述的，驱动信号还可包括驱动关节以与施加到机器人臂的外部力符合的分量。
手术机器人臂可在许多不同的操作模式中操作。图5示出了手术机器人臂的一些示例性操作模式，以及这些操作模式之间允许的转变。
图5示出了校准模式501。在校准模式501中，驱动手术机器人臂以与施加到机器人臂的外部力符合。具体地，扭矩传感器209检测施加到机器人臂的外部力。外部力可以是例如(例如，通过推动机器人臂)向机器人臂施加力的床侧团队的成员。如上文所述，感测到的围绕关节的旋转轴线的扭矩包括以下分量中的任何一个或组合：由于作用于关节的重力产生的扭矩、由于惯性产生的扭矩，以及由于施加到关节的外部力产生的扭矩。控制系统从感测到的围绕关节的扭矩减去由于重力和惯性产生的扭矩，以确定由于外部力产生的围绕该关节的扭矩的分量。然后，控制系统确定驱动信号以驱动关节以便符合外部力。控制系统将驱动信号发送至控制该关节的关节控制器。关节控制器控制该关节的电机以驱动控制系统命令的关节。这样，当将外部力施加到关节时，该关节被驱动以遵从该力。因此，机器人臂顺从于操作者向其施加的力。
在校准模式501中，控制系统驱动机器人臂以对抗如上文所述的作用于机器人臂的重力扭矩。因此，在校准模式501中，床侧团队的成员可以通过在期望位置推或拉机器人臂的任何部分而将机器人臂操纵到适当位置，并且该部分将保持在该位置，而不管重力对它和依靠于它的任何部分的影响。
在校准模式501中，控制系统不将检测到的对外科医生输入装置的操纵转换成用于移动机器人臂的关节的驱动信号。控制系统从外科医生输入装置接收到的任何输入不被转换成机器人臂的移动。
校准模式501主要在操作开始之前的手术机器人系统的设置期间使用。例如，手术器械可以在校准模式501期间附接到机器人臂，并且床侧工作人员的成员可以操纵机器人臂，以便将手术器械沿着期望方向插入患者的身体中的端口中以到达手术部位。如果在操作期间移动或重新定位机器人臂及其支撑结构，则再次使用校准模式501来将机器人臂操纵到适当位置。
在手术机器人系统的设置期间，校准模式用于确定虚拟枢轴点。虚拟枢轴点是当具有刚性轴的器械在患者的身体中移动时，该器械的天然旋转中心。虚拟枢轴点是当手术器械在患者的身体中的端口内在手术机器人臂的构造改变时手术器械枢转所围绕的支点。将端口插入患者的腹壁中。端口长约2-10厘米。器械通过端口插入患者的身体中。虚拟枢轴点位于端口的长度上。虚拟枢轴点的确切位置取决于患者的解剖结构，因此因患者而异。
虚拟枢轴点可以使用以下方法确定。当器械位于端口中时，操作员在大体上横向于器械轴的方向上移动机器人臂的远端。这种运动使端口在器械轴穿过端口的情况下在器械轴上施加侧向力，结果是器械向臂的关节施加扭矩—在这种情况下是关节J6 205f和J7205g—所述关节的轴线横向于器械轴的纵向轴线。每个臂关节的位置由其相关联的位置传感器208测量，并且此感测到的位置被输出到控制系统。每个臂关节处的扭矩由其相关联的扭矩传感器209测量，并且此感测到的扭矩被输出到控制系统。因此，当操作员横向移动机器人臂的远端时，控制系统接收感测到的指示臂关节上的位置和力的输入。该信息允许控制系统估计：(a)机器人的远端相对于固定基座的位置，和(b)器械轴相对于机器人的远端的矢量。由于器械轴穿过端口的通道，因此端口的通道必须位于该矢量上。当移动机器人臂的远端时，控制器计算多对远端位置和器械轴矢量。这些矢量都从各自的远端位置会聚在端口的通道中的虚拟枢轴点的位置上。通过收集一系列这些数据对，然后求解器械轴矢量会聚的平均位置，控制系统确定相对于基座的虚拟枢轴点。
一旦在校准模式501中确定了虚拟枢轴点，则针对图5上所示的模式中的其余模式设置虚拟枢轴点。虚拟枢轴点由控制系统存储。在图5中所示的其它模式中的每个模式中，手术机器人臂总是被驱动，使得附接的手术器械的轴的纵向轴线与虚拟枢轴点相交(无论器械是否实际附接到机器人臂)。手术器械的轴的纵向轴线与机器人臂的末端的纵向轴线具有已知关系。例如，如图2中所示，手术器械的轴的纵向轴线可以与机器人臂的末端的纵向轴线重合。
从校准模式，手术机器人臂可转变到锁定模式502。在锁定模式502中，控制系统将手术机器人臂保持在固定位置。该固定位置是手术机器人臂从校准模式转变到锁定模式502时所处的位置。在锁定模式中，控制系统驱动机器人臂的关节以补偿重力(如上文所述)。否则，控制系统不将对外科医生输入装置的任何操纵或施加到机器人臂的外部力转换成用于驱动机器人臂的关节的驱动信号。
从锁定模式502，手术机器人臂可转变到器械调节模式503。在器械调节模式503中，控制系统驱动手术机器人臂以与施加到机器人臂的外部力符合(如上文关于校准模式所述的)，同时使手术器械的轴的纵向轴线与在校准模式中确定的虚拟枢轴点保持相交。器械调节模式503可用于调节器械在患者的身体内的位置。例如，在校准模式中设置虚拟枢轴点之后，器械调节模式503可用于使床侧团队的成员能够将器械推入患者的身体中，使得末端执行器到达手术部位。在器械调节模式503中，控制系统驱动机器人臂的关节以补偿重力(如上文所述)。在器械调节模式503中，控制系统不将对外科医生输入装置的任何操纵转换成用于驱动机器人臂的关节的驱动信号。
从器械调节模式503，手术机器人臂可转变到手术模式504或器械更换模式505。在手术模式504中，控制系统通过将从外科医生输入装置接收到的输入转换成用于控制手术机器人臂和/或与该外科医生输入装置相关联的手术器械的运动的控制信号(如上所述)，对所述输入作出响应。手术器械的末端执行器由此如由外科医生输入装置命令的移动。当执行转换时，控制系统维持手术器械的轴的纵向轴线与虚拟枢轴点之间相交。
手术模式504可包括离合器模式。离合器模式可由外科医生控制台，例如经由外科医生输入装置上的输入启动。替代地，离合器模式可以由手术机器人臂上的输入或手术机器人臂所安装到的支撑件启动。在离合器模式中，对外科医生输入装置的操纵暂时与机器人臂断开。当接收到指示离合器模式已接合的输入时，控制系统不将对外科医生输入装置的操纵转换成用于驱动机器人臂的关节的控制信号。外科医生使用离合器模式，以便将外科医生输入装置移动到外科医生输入装置的工作区中的更舒适的位置，而不将该运动转移到手术器械的末端执行器。外科医生还使用离合器模式暂时脱开一个手术器械，同时外科医生集中于正由另一外科医生输入装置操纵的手术器械。
手术模式504可以是半顺从模式。换句话说，机器人臂可以对施加到机器人臂的外部力展现一些顺从行为。例如，在手术模式504中，控制系统可以通过控制驱动肘关节205d和臂的周围关节的电机以驱动这些关节遵从该感测到的外部力，来对感测到的施加到肘关节205d附近的外部力作出响应。这样，床侧团队的成员可以将肘关节205d或肘关节附近的臂的一部分推离，以使得他们能够在手术模式期间接近患者。为了实现这一点，控制系统可以为机器人臂的被指定为顺从的一个或多个部分限定允许的面积或体积，使得这些部分响应于外部施加的力的移动限制在允许的面积/体积内。允许的面积/体积被定义成使得响应于外部施加的力在该面积/体积内的移动不使器械的构造受到影响。机器人臂仅在手术模式504中是半顺从的，因为控制系统不通过与施加到机器人臂的任何部分而不是指定为顺从的部分的外部力符合作出响应。
从手术模式504，手术机器人臂可以转变到器械调节模式503或器械更换模式505。接合器械更换模式505，以便从患者的身体移除器械和/或将器械插入患者的身体中。在器械更换模式505中，控制系统驱动手术机器人臂以与感测到的沿着朝向或远离手术机器人臂的手术器械的纵向轴线施加到机器人臂的外部力的分量符合。当在器械更换模式505中时，控制系统使手术器械的轴的纵向轴线与在校准模式中确定的虚拟枢轴点保持相交。控制系统以与上文关于校准模式所述的相同方式与感测到的外部力符合，唯一的差异是(i)控制系统仅与在指定方向上(即，沿着朝向或远离手术机器人臂的手术器械的纵向轴线)感测到的力的分量符合，并且(ii)控制系统使手术器械与虚拟枢轴点保持相交。
在手术结束时，当手术器械从手术部位移除时，或者在术中当手术器械被换成另一手术器械时，床侧团队的成员使用器械更换模式505以使得他们能够从患者的身体中拔出器械，然后将另一器械插入患者的身体中。在器械更换模式505中，控制系统防止床侧团队的成员在除朝向或远离手术机器人臂的手术器械的纵向轴线之外的任何方向上施加的力被转换成手术机器人臂的相应移动。因此，由床侧团队的成员施加的任何侧向力都不转换成手术机器人臂的相应移动。这确保了手术器械的抽取沿着端口与手术部位之间的进入线进行，从而避免了对远离该线的组织的损坏。
在器械更换模式505中，控制系统限制将由床侧团队的成员沿着朝向患者的身体的手术器械的纵向轴线施加的力转换成手术机器人臂的相应移动。此限制使得附接的器械的末端执行器不能比器械的末端执行器在进入器械更换模式时更远地推进到患者的身体中。此限制适用于在器械抽取期间进入器械更换模式时附接到臂的相同器械。此限制也适用于在器械更换后插入患者的身体中的新附接的器械。这确保手术器械不能被进一步推入患者的身体中，从而对手术部位造成损害。
在器械更换模式505中，控制系统驱动机器人臂的关节以补偿重力(如上文所述)。在器械更换模式505中，控制系统不将对外科医生输入装置的任何操纵转换成用于驱动机器人臂的关节的驱动信号。
从器械更换模式505，手术机器人臂可转变到器械调节模式503或手术模式504。
从锁定模式502、器械调节模式503、手术模式504和器械更换模式505中的每一个，手术机器人臂可转变到待机模式506。从该待机模式506，手术机器人臂可以转变回到其先前所处的锁定模式、器械调节模式、手术模式和器械更改模式中的一个。从待机模式506，手术机器人臂也可以转变到校准模式501。
手术机器人臂或机器人臂所安装到的支撑结构可包括一个或多个接口。这些接口可以是按钮或一组按钮。这些接口可以例如由床侧团队的成员来致动，以在关于图5描述的操作模式之间转变。外科医生的控制台可包括一个或多个接口，其可例如由外科医生致动以在关于图5描述的操作模式之间转变。
手术机器人臂需要电力来为关节电机供电以驱动关节，并且为包括机器人臂控制器和关节控制器的手术机器人臂中的所有电路供电。手术机器人臂通常以全功率模式操作，在所述全功率模式中，它由主电源供电。此主电源足以在整个手术程序中维持手术机器人臂的电力需求。例如，主电源可以是诸如电力干线电源的电源。电力可以通过外科医生的控制台从主电源传送到手术机器人臂。
手术机器人臂还可以降低功率模式操作，在所述降低功率模式中它由次级电源供电。在此降低功率模式中，可使用的手术机器人臂的操作模式较少。参考图5，锁定模式502、器械调节模式503、手术模式504和器械更换模式505仅可在全功率模式中可用。它们在降低功率模式中不可用。校准模式501和待机模式506可以在全功率模式中全部可用，并且在降低功率模式中部分或全部可用。
次级电源可包括一个或多个电池。这些电池可以位于手术机器人臂本地。例如，一个或多个电池中的每一个可以位于手术机器人臂本身中，或位于手术机器人臂所安装到的支撑结构中。次级电源可包括两个电池。第一电池可以是可再充电电池，并且第二电池可以是不可再充电电池。第一电池在充满电时可以提供足够的电能来驱动手术机器人臂的电机，以抵抗重力保持手术机器人臂的位置至少N分钟。例如，5<N<30。例如，N＝5。第二电池可以提供足够的电能来驱动手术机器人臂的电机(如下文所述)以保持手术机器人臂至少T秒。例如，20<T<180。例如，T＝30。N和T是电池可以提供所描述的电能的时间的估计值。这些估计值可以基于电池的典型放电与时间图，或电池随时间推移的理想放电的数学模型。可以通过测量电池随时间推移的电压、电流或电能输出，并将这些电压/电流/电能读数与电压与电池容量的典型电池寿命图进行比较来估计每个电池的剩余电池寿命。第一电池的最大容量可以在5000与6000mAh之间。第二电池的最大容量可以在300与600mAh之间。
手术机器人臂只有在全功率模式中连接到主电源时才能够通电以供使用。手术机器人臂上的机器人臂控制器检测到正从主电源接收到足够的电能以为手术机器人臂的功能供电。在检测到主电源的电源故障时，机器人臂控制器将手术机器人臂切换到降低功率模式。在降低功率模式中，机器人臂控制器控制从次级电源为手术机器人臂供电。例如，最初在降低功率模式中，机器人臂控制器可以控制从第一电池为手术机器人臂供电。如果第一电池耗尽，则机器人臂控制器可以控制从第二电池为手术机器人臂供电。机器人臂控制器可以检测电源故障，检测电源故障后的电力恢复，以及启用和禁用全功率模式和降低功率模式。
现在参考图6到图12解释可由控制系统响应于检测到手术机器人臂的电源故障执行的控制方法。适当地，这些控制方法由已经失去电力的手术机器人臂的机器人臂控制器执行。
从图6开始，在步骤601处，手术机器人臂以全功率模式操作，其中电力由主电源提供至手术机器人臂。在步骤602处，控制系统在手术模式中操作手术机器人臂。在步骤603处，控制系统确定是否已检测到手术机器人臂的电源故障。如果未检测到电源故障，那么控制系统返回到步骤602，在该步骤中其继续在手术模式中操作手术机器人臂。如果在步骤603处检测到电源故障，那么控制系统通过在步骤604处启用降低功率模式且在步骤605处进入待机模式而作出响应。待机模式是锁定模式，在该锁定模式中，控制系统将控制信号发送至机器人臂的关节控制器，从而命令它们控制关节电机以驱动关节，以便将手术机器人臂的关节保持锁定在适当位置。然后，控制方法前进到步骤606，在该步骤中它确定全功率是否已恢复，即电源故障是否已停止。如果答案为否，则控制系统将手术机器人臂保持在待机模式605。如果答案为是，则控制系统移至步骤607。在步骤607处，控制系统通过禁用降低功率模式且重新启用全功率模式来对检测到电源故障的停止进行响应。控制系统接着返回到手术模式602。
步骤604和605可以按图6中所示的顺序实施，或者以相反顺序实施，或者同时实施。步骤607可以与返回到手术模式602同时实施。
尽管关于手术模式进行了描述，但图6的方法适用于关于图5描述的手术机器人臂的任何操作模式，即锁定模式、器械调节模式和器械更换模式。
图6的控制方法可用于不具有机械制动器而是电制动的手术机器人臂。在主电源的电力丢失的情况下，图6的控制方法确保手术机器人臂在待机模式中保持锁定在其当前位置。这防止了手术机器人臂在重力作用下下垂，否则如果机器人臂未通电以抵消作用于机器人臂的关节的重力扭矩，则将发生这种情况。通过将机器人臂保持在备用电池电源的适当位置，为恢复机器人臂的全功率或从患者的身体安全地移除附接到机器人臂的手术器械提供时间。
图6的控制方法有助于为程序设置手术室，并且在程序之后拆除手术室。通常，若干手术机器人臂和其它设备需要围绕患者的床侧适当地定位，并且在手术操作开始之前设置。图6的控制方法允许有意拔出手术机器人臂的电力电缆，以使得其它设备能够滚动经过手术机器人臂而不必在电力电缆上方滚动。然后，可以重新插入电力电缆，并且手术机器人臂返回到其先前所处的操作模式，而不必重新执行任何校准程序。在拔出电力电缆的时间期间，机器人臂保持在适当位置。图6的控制方法在术中也可用，以使得其它部件能够滚动通过附接到手术机器人臂的电力电缆的路径。
为了使手术机器人臂在恢复全功率时返回到手术模式，控制系统存储在校准模式期间确定的虚拟枢轴点。虚拟枢轴点在降低功率模式期间继续由控制系统存储。在电源故障之后返回到手术模式时，虚拟枢轴点由控制系统从存储器检索，并由控制系统用于确定驱动信号以发送至关节控制器以驱动机器人臂的关节电机。这样，在电源故障后不需要重新校准。为了不需要重新校准，手术机器人臂的支撑结构必须在待机模式期间保持固定。如果支撑结构移动，例如通过解除对机器人臂所安装到的推车的制动以及重新制动该推车，则虚拟枢轴点将改变。因此，所存储的虚拟枢轴点在将全功率恢复到手术机器人臂之后将不再有效。
图7示出了对图6的控制方法的修改。步骤601至606与图6相同。在步骤606处检测到已恢复全功率之后，控制系统前进到步骤701。在步骤701处，控制系统确定是否存在超过可从次级电源获得的阈值电池容量。例如，控制系统可以确定是否存在可从次级电源获得的多于P秒的电能。如果存在超过可从次级电源获得的阈值电池容量，则控制系统前进到步骤607，在该步骤中控制系统禁用降低功率模式且重新启用全功率模式。从步骤607，控制系统返回到步骤602处的手术模式。如果存在小于可从次级电源获得的阈值电池容量，则控制系统返回到步骤605的待机模式。如果存在小于可从次级电源获得的阈值电池容量，则控制系统可在步骤702处发出警报。控制系统可以输出警报信号作为手术机器人臂上的指示器。例如，从机器人臂上的扬声器输出的音频警报信号和/或机器人臂上的诸如闪烁光的视觉指示器。控制系统还可以向远程外科医生的控制台发送警报信号。此警报信号可以作为控制台上的扬声器的音频警报信号或外科医生的控制台显示屏上的视觉指示器输出在外科医生的控制台上。
图7的控制方法引入超出图6的控制方法的附加安全元件。具体地，图7的控制方法确保，在恢复全功率时，仍然有足够的电池电能可用于在允许手术机器人臂返回到手术模式之前将手术机器人臂保持在适当位置至少P秒。因此，如果再次丢失全功率，则手术机器人臂将使用来自电池的电能保持在适当位置足够长，使得床侧团队能够从患者的身体移除器械。
在如上文所述的次级电源包括第一可再充电电池和第二不可再充电电池的情况下，P可与T相同。在这种情况下，图7的步骤701确定第一可再充电电池是否完全放电且第二不可再充电电池是否消耗到剩余电能的T秒以下，以保持手术机器人臂。如果是，则唯一可用的电池电能是第二不可再充电电池的剩余电能，所述剩余电能如果低于T秒，则被认为不够长以致于无法从患者的身体安全地移除手术器械。如果剩余大于T秒的电能，则第二不可再充电电池和/或第一可再充电电池有足够的可用电能以使得床侧团队能够在主电源发生另一次电源故障时安全地移除手术器械。
图8示出了手术机器人臂进入如参考图6的步骤601至605所述的待机模式605的控制方法。在步骤801处，在进入待机模式后，控制系统确定是否已从用户输入接收到改变为校准模式的命令。用户输入可以是位于手术机器人臂上或邻近手术机器人臂的接口。例如，接口可以位于手术机器人臂或其支撑结构上。用户输入可以是位于外科医生的控制台上的接口。在任一情况下，接口可采用按钮、开关、滑块、触敏输入、语音控制输入、眼睛控制输入或手势控制输入的形式。
如果在步骤801处，控制系统确定尚未接收到用户输入，则控制系统在步骤605处返回到待机模式。如果在步骤801处，控制系统确定已接收到用户输入，则控制方法前进到步骤802。在步骤802处，控制系统通过将对手术机器人臂的控制从待机模式转变到校准模式来响应来自用户输入的命令。
图8的方法允许床侧团队或外科医生在检测到主电源的电源故障时安全地结束手术程序中的手术机器人臂的部分。在接收到用户输入时，控制系统将机器人臂转变到驱动机器人臂以遵从施加到机器人臂的外部力的校准模式。因此，床侧团队可以将机器人臂及其支撑结构移出患者的床。
图9示出了对图8的控制方法的修改。步骤601至801与图8相同。在步骤801处，在检测到已从用户输入接收到改变为校准模式的命令之后，控制方法前进到步骤901。在步骤901处，控制系统确定是否存在超过可从次级电源获得的阈值电池容量。例如，控制系统可以确定是否存在可从次级电源获得的多于P秒的电能。如果存在多于可从次级电源获得的阈值电池容量，则控制方法进行到步骤902。在步骤902处，控制系统将对手术机器人臂的控制从待机模式转变到校准模式。如果在步骤901处，控制系统确定存在小于可从次级电源获得的阈值电池容量，则控制方法返回到步骤605的待机模式或转变到步骤903，在该步骤中手动地移除器械。如果存在小于可从次级电源获得的阈值电池容量，则控制系统可在步骤904处发出警报。控制系统可以输出警报信号作为如上文参考图7所述的手术机器人臂上的指示器。控制系统还可以向远程外科医生的控制台发送警报信号，如上文参考图7所述。在如上文所述的次级电源包括第一可再充电电池和第二不可再充电电池的情况下，P可与T相同。
在步骤903处，床侧团队可以通过将器械从机器人臂拆除来手动移除器械，手动打开器械的钳口以便松开其间抓握的任何组织，通过操纵器械接口元件来手动拉直器械，然后从患者拔出器械。执行此功能不需要任何工具。
图10示出了对图8的控制方法的修改。步骤601至801与图8相同。在步骤801处，在检测到已从用户输入接收到改变为校准模式的命令之后，控制方法前进到步骤1001。在步骤1001处，控制系统确定是否存在附接到手术机器人臂的在患者的身体内的手术器械。如果：(i)不存在附接到手术机器人臂的手术器械，或(ii)存在附接到手术机器人臂的手术器械，但该手术器械未插入患者的身体中的端口中，则不满足此状况。如果控制系统确定不存在附接到手术机器人臂的位于患者的身体中的手术器械，则在步骤1002处，控制系统从待机模式转变到校准模式。如果在步骤1001处，控制系统确定存在附接到手术机器人臂的位于患者的身体中的手术器械，则控制方法移动至(i)步骤605，在该步骤中控制系统将手术机器人臂保持在待机模式，或(ii)步骤1003，在该步骤中手动移除器械。
图11示出了对图8的控制方法的修改，包括对图9和图10的修改两者。步骤601至901与图9相同。如果在步骤901处，控制系统确定可从第二电源获得小于阈值电池容量，则控制系统(i)将手术机器人臂维持在待机模式605，或(ii)在步骤1103处手动移除器械。在任一情况下，可在步骤903处发出警报。
然而，如果在步骤901处，控制系统确定可从第二电源获得超过阈值电池容量，则控制系统移动到步骤1101。在步骤1101处，控制系统确定是否存在附接到手术机器人臂的在患者的身体内的手术器械。如果控制系统确定不存在附接到手术机器人臂的位于患者的身体中的手术器械，则在步骤1102处，控制系统从待机模式转变到校准模式。如果在步骤1101处，控制系统确定存在附接到手术机器人臂的位于患者的身体中的手术器械，则在步骤1103处，控制系统(i)在步骤605处将手术机器人臂保持在待机模式，或(ii)在步骤1103处手动移除器械。
步骤901和1101可以按图11中所示的顺序实施，或者以相反顺序实施，或者同时实施。
与图6一样，尽管关于手术模式描述了图7、图8、图9、图10和图11的方法，但是它们同样适用于关于图5描述的手术机器人臂的任何操作模式，即锁定模式、器械调节模式和器械更换模式。这些模式都具有共同特征，即当手术机器人臂处于其中时，控制系统限制手术机器人臂的运动，以便维持手术器械的轴的纵向轴线与虚拟枢轴点之间相交。
在电源故障之后，对手术机器人臂供电的电池电源可能完全耗尽，以使得机器人臂控制器使手术机器人臂进入最小电源模式，在该最小电源模式中电源仅用于维持手术机器人臂的位置，以便防止手术器械进一步推进到患者的身体中。
手术机器人臂可被视为由三组关节组成。每组关节包括一个或多个关节。现在将描述这三组关节。
对于第一组关节中的每个关节，当基座位于水平表面上时，手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节：(i)经受重力扭矩或力，并且(ii)遵从重力扭矩或力的关节的移动会使附接到手术机器人臂的手术器械朝向手术部位推进到患者的身体中。为了满足此定义，手术机器人臂只需要一种构造，其中关节满足第一条件和第二条件两者。可能的情况是，对于手术机器人臂的一些其它构造，该相同关节不满足第一条件和第二条件。满足此定义的特定手术机器人臂的关节取决于包括该手术机器人臂的关节序列的该手术机器人臂的特定结构。
遵从重力扭矩或力的第一组关节中的关节的移动可以使手术器械通过端口推进到患者的身体中超过阈值距离K。例如，该阈值距离K可以在0.1cm<K<5cm的范围内。K可在1cm<K<3cm的范围内。K可为2cm。
对于图2和图3的手术机器人臂，第一组关节由俯仰关节J2 205b、滚动关节J3205c和俯仰关节J4 205d组成。这些关节中的每个关节可以在重力作用下移动，并且因此使器械前进到患者的身体中。J2是当手术机器人臂的基座在水平表面上时具有水平旋转轴线的俯仰关节。因此，重力使J2围绕其轴线旋转。J3是具有沿着J2-J4臂连杆的旋转轴线的滚动关节。J2-J4臂连杆的方向随手术机器人臂的姿态变化。如果J2-J4臂连接是竖直的，则J3不会经受重力扭矩。但是，如果J2-J4臂连杆沿着任何非竖直方向定位，则J3在重力作用下经受扭矩。J4是旋转轴线随机器人臂姿态变化的俯仰关节。除非机器人臂处于完全折叠位置，否则机器人臂的从J4到末端的重量在重力作用下对J4施加力。
对于第二组关节中的每个关节，当基座位于水平表面上时，手术机器人臂不具有使得所述每个关节经受重力扭矩或力的构造。满足此定义的特定手术机器人臂的关节取决于包括该手术机器人臂的关节序列的该手术机器人臂的特定结构。
对于图2和图3的手术机器人臂，第二组关节邻近手术机器人臂的基座。第二组关节在基座与第一组关节之间。第二组关节由滚动关节J1 205a组成。当手术机器人臂的基座在水平表面上时，此滚动关节具有竖直旋转轴线。因此，此滚动关节在重力作用下不围绕其轴线移动。
对于第三组关节中的每个关节，当基座位于水平表面上时，手术机器人臂不具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节仅在重力作用下的移动会使附接到手术机器人臂的手术器械通过端口朝向患者的身体中的手术部位前进。满足此定义的特定手术机器人臂的关节取决于包括该手术机器人臂的关节序列的该手术机器人臂的特定结构。
第三组关节中的关节仅在重力作用下的移动可基本上不使器械推进到患者的身体中。第三组关节中的关节仅在重力作用下的移动可使器械不明显进入患者的身体中。遵从重力扭矩或力的第三组关节中的关节的移动可以使手术器械推进到患者的身体中小于阈值距离L。例如，该阈值距离L可以在0cm<L<2cm的范围内。L可在0cm<L<0.2cm的范围内。L可为2cm。
端口或患者的腹部可以部分地支撑器械的重量，由此防止器械由于第三组关节中的关节仅在重力作用下的移动而进一步插入患者的身体中。由于第三组关节中的一个关节仅在重力作用下的移动，器械可能不会进一步移动到患者的身体中超过患者的腹部的弹性允许的距离。
对于图2和图3的手术机器人臂，第三组关节是邻近手术机器人臂的末端的连续关节。第三组关节在手术机器人臂的末端与第一组关节之间。第三组关节由滚动关节J5205e、俯仰关节J6 205f、偏航关节J7 205g和滚动关节J8 205h组成。J5是具有沿着J4-J6/J7臂连杆的旋转轴线的滚动关节。因此，J5仅有助于腕部的旋转。J5的移动不能使器械进一步插入患者的身体中。机器人臂的从J5到末端的重量不对关节J5施加扭矩。J6和J7具有与腕部位置的定义一致的一致和垂直的旋转轴线(参见上文)。J6或J7的移动不能使器械进一步插入患者的身体中。腕部的重量不对任一关节J6或J7施加扭矩。J8是具有沿着器械的轴的纵向轴线的旋转轴线的滚动关节。J8围绕其轴线的旋转不能使器械进一步插入到患者的身体中。腕部的重量不对J8施加扭矩。
图12示出了由机器人臂控制器执行的方法。在步骤1201处，机器人臂控制器检测电力丢失。电力丢失可以以任何合适的方式，例如上述方式检测。作为另一实例，可以通过使用传感器检测电力电缆与机器人臂或其支撑结构的物理连接来检测电力丢失。在检测到电力电缆缺乏物理连接时，检测到电力丢失。响应于此，在步骤1202处，机器人臂控制器驱动第一组关节以抵抗重力保持第一组关节中的每个关节的位置。机器人臂控制器仅驱动第一组关节以抵抗重力保持其位置。机器人臂控制器不驱动第二组关节或第三组关节以抵抗重力保持其位置。更具体地，机器人臂控制器将控制信号发送至第一组关节的关节控制器以电制动第一组关节。关节控制器通过控制第一组关节的关节的关节电机以制动第一组关节中的每个关节来对来自机器人臂控制器的控制信号作出响应，并且由此抵抗重力保持每个关节的位置。机器人臂控制器不向第二组关节和第三组关节的关节控制器发送命令它们电制动第二组关节和第三组关节的控制信号。
适当地，图12的控制方法在即将发生完全电源故障时实施。机器人臂控制器通过仅主动地驱动手术机器人臂的这些关节以抵抗重力保持其位置(这从安全角度来说是关键的)来最小化电能使用而对此情况作出响应，如参考图12所述。安全关键关节是这样的关节：(i)其如果不通过电制动保持在适当位置，则会在重力作用下移动，并且(ii)在重力作用下的这种移动可能使器械进一步推进到患者的身体中。当不主动驱动其它关节以抵抗重力保持其位置时，其它关节可能使手术器械在患者的身体内旋转，但不使手术器械进一步推进到患者的身体中，因此它们不是安全关键关节。
在参考图2和图3描述的手术机器人臂中，当手术机器人臂的基座在水平表面上时，在手术机器人臂的至少一些构造中，关节J2、J3和J4在重力作用下下垂，并且该下垂可以使附接到手术机器人臂的器械进一步推进到患者的身体中。因此，在此实例中，关节J2、J3和J4是安全关键关节，它们被电制动，以在图12的步骤1202中抵抗重力保持它们的位置。除了防止器械进一步移动到患者身体中之外，电制动关节J2、J3和J4还防止手术机器人臂的腕部在重力作用下移动。这防止器械围绕虚拟枢轴点枢转，围绕虚拟枢轴点枢转可能导致器械在患者的身体中移动。
通过仅向手术机器人臂施加最小功率以防止手术器械进一步推进到患者的身体中，剩余电池寿命被尽可能延长。图12的步骤1202可以使得安全关键关节能够被电制动至少R秒。例如，30秒<R<120秒。R可以是例如60秒。在此期间，床侧团队可以采取行动以安全地将手术器械从患者的身体取出。
在图12的步骤1201中，触发机器人臂控制器检测电力丢失的电力丢失程度是特定于实施的。例如，机器人臂控制器可被配置成如果其确定第二电源的剩余电池寿命已降到阈值W以下，则检测到电力丢失。该阈值W可以在30秒<W<5分钟的范围内。该阈值W可以在60秒<W<2分钟的范围内。W可以是60秒。
作为另一实例，机器人臂控制器可被配置成如果其确定第二电源的剩余电能容量已降到阈值电能容量以下，则检测到电力丢失。
作为另一实例，机器人臂控制器可被配置成如果其确定由第二电源供应的电压或电流下降到阈值V以下，则检测到电力丢失。例如，V可在6V<V<11V的范围中。
作为另一实例，如果次级电源包括第一电池和第二电池，则机器人臂控制器可被配置成在确定第一电池已耗尽时检测到电力丢失。机器人臂控制器可在第一电池供应的电压或电流下降到阈值U以下时检测到第一电池耗尽。例如，U可在8V<U<15V的范围中。机器人臂控制器可包括看门狗电路，该看门狗电路监测手术机器人臂的电源的状态。适当地，机器人臂控制器从主电源、第一电池和第二电池中的每一个接收电力输入。机器人臂控制器控制哪个电源向手术机器人臂供电。在检测到第一电池的电力丢失时，机器人臂控制器从将第一电池的电力输入连接到手术机器人臂切换到将第二电池的电力输入连接到手术机器人臂。机器人臂控制器还可以防止机器人臂控制器的处理器与手术机器人臂的其余部分之间通信。例如，机器人臂控制器可以防止发送通信，命令关节控制器根据外科医生输入装置的移动来移动手术机器人臂的关节。机器人臂控制器使手术机器人臂进入故障锁定状态，在该故障锁定状态中将保持驱动信号发送至关节控制器，从而仅驱动关键关节以驱动这些关键关节抵消重力。如果第二电池是不可再充电电池，则在步骤1201中，在使用之后可能需要更换第二电池以抵抗重力保持机器人臂。
机器人臂控制器可以仅被配置成在机器人臂控制器已检测到主电源的电力丢失时在图12的步骤1201处检测电力丢失。
一旦机器人臂控制器已实施图12的控制方法，则即使主电源的电力恢复，机器人臂控制器也可以被配置成不将手术机器人臂转变到图5中的任何操作模式。相反，手术机器人臂在再次使用之前被断电以进行维持。
本文所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。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种手术机器人，包括：
手术机器人臂，所述手术机器人臂包括：
一系列关节，所述一系列关节从基座延伸到用于附接到手术器械的末端，所述手术器械用于通过端口插入到患者的身体中至手术部位，所述一系列关节包括第一组关节，其中对于所述第一组关节中的每个关节，所述手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节经受重力扭矩或力，并且遵从所述重力扭矩或力的所述关节的移动会使所述手术器械朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中；和
用于驱动所述一系列关节的关节电机；以及
机器人臂控制器，所述机器人臂控制器被配置成发送驱动信号以驱动所述关节电机，其中所述手术机器人臂控制器被配置成响应于检测到来自第一电源的电力丢失，发送驱动信号以使用第二电源驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节中的每个关节的位置，由此防止所述手术器械由于所述第一组关节中的一个或多个关节在重力作用下的移动而朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中。
2.根据权利要求1所述的手术机器人，其中所述一系列关节包括至少一个其它关节，所述至少一个其它关节不在所述第一组关节中，并且对于所述至少一个其它关节不具有这样的情况：所述手术机器人臂具有的构造使得所述关节经受会产生所述关节的移动的重力扭矩或力，所述关节的移动会使所述手术器械朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中，并且其中所述手术机器人臂控制器被配置成响应于检测到所述电力丢失，不发送驱动所述关节电机以便抵抗重力保持所述至少一个其它关节中的每个关节的位置的驱动信号。
3.根据权利要求1或2所述的手术机器人，其中所述一系列关节包括第二组关节，其中对于所述第二组关节中的每个关节，所述手术机器人臂不具有使得所述每个关节经受重力扭矩或力的构造。
4.根据权利要求3所述的手术机器人，其中在所述第一组关节和所述第二组关节中，所述机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失仅发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节的位置。
5.根据权利要求3或4所述的手术机器人，其中所述第二组关节邻近所述手术机器人臂的基座。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的手术机器人，其中所述第二组关节在所述手术机器人臂的基座与所述第一组关节之间。
7.根据任一前述权利要求所述的手术机器人，其中所述一系列关节包括第三组关节，其中对于所述第三组关节中的每个关节，所述手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节经受重力扭矩或力，但仅遵从所述重力扭矩或力的所述关节的移动不会使所述手术器械通过所述端口朝向所述手术部位推进。
8.根据权利要求7所述的手术机器人，其中在所述第一组关节和所述第三组关节中，所述机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失仅发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节的位置。
9.根据从属于权利要求3至6中任一项时的权利要求7所述的手术机器人，其中在所述第一组关节、所述第二组关节和所述第三组关节中，所述机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失仅发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节的位置。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的手术机器人，其中所述第三组关节是邻近所述手术机器人臂的末端的连续关节，并且位于所述手术机器人臂的末端与所述第一组关节之间。
11.根据任一前述权利要求所述的手术机器人，其中所述一系列关节按从所述手术机器人臂的基座的顺序由以下各项组成：第一滚动关节、第一俯仰关节、第二滚动关节、第二俯仰关节、第三滚动关节、第三俯仰关节、第一偏航关节和第四滚动关节。
12.根据权利要求11所述的手术机器人，其中所述第一组关节由所述第一俯仰关节、所述第二滚动关节和所述第二俯仰关节组成。
13.根据从属于权利要求7时的权利要求11至12中任一项所述的手术机器人，其中所述第三组关节由所述第三滚动关节、所述第三俯仰关节、所述第一偏航关节和所述第四滚动关节组成。
14.根据任一前述权利要求所述的手术机器人，其中所述第一电源是干线电源，并且所述第二电源是第一电池电源，并且其中，所检测的电力丢失是从所述干线电源向所述手术机器人臂供电的电力丢失。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的手术机器人，其中所述第一电源是第一电池电源，并且所述第二电源是第二电池电源，并且其中检测到的电力丢失是从所述第一电池电源向所述手术机器人臂供电的电力丢失。
16.根据权利要求15所述的手术机器人，其中所述机器人臂控制器被配置成在检测到从所述第一电池电源向所述手术机器人臂供电的电力丢失之前检测从主电源向所述手术机器人臂供电的电力丢失。
17.根据权利要求16所述的手术机器人，其中所述机器人臂控制器被配置成在检测到从所述主电源供电的电力丢失之前，根据从远程外科医生输入装置接收到的输入控制所述手术机器人臂和附接的手术器械移动。
18.根据任一前述权利要求所述的手术机器人，其中所述机器人臂控制器集成到所述手术机器人臂中。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的手术机器人，其中所述手术机器人臂安装在支撑结构上，并且所述机器人臂控制器集成到所述支撑结构中。
20.一种用于控制手术机器人臂的控制方法，所述手术机器人臂包括一系列关节，所述一系列关节从基座延伸到用于附接到手术器械的末端，所述手术器械用于插入到患者的身体中至手术部位，所述一系列关节包括第一组关节，其中对于所述第一组关节中的每个关节，所述手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节经受重力扭矩或力，并且遵从所述重力扭矩或力的所述关节的移动会使所述手术器械朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中，所述手术机器人臂还包括用于驱动所述一系列关节的关节电机，所述方法包括：
发送驱动信号以驱动所述关节电机，其中所述手术机器人臂控制器被配置成响应于检测到来自第一电源的电力丢失，发送驱动信号以使用第二电源驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节中的每个关节的位置，由此防止所述手术器械由于所述第一组关节中的一个或多个关节在重力作用下的移动而朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中。

Claims (21)

1.一种手术机器人，包括：
手术机器人臂，所述手术机器人臂包括：
一系列关节，所述一系列关节从基座延伸到用于附接到手术器械的末端，所述手术器械用于通过端口插入到患者的身体中至手术部位，所述一系列关节包括第一组关节，其中对于所述第一组关节中的每个关节，所述手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节经受重力扭矩或力，并且遵从所述重力扭矩或力的所述关节的移动会使所述手术器械朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中；和
用于驱动所述一系列关节的关节电机；以及
机器人臂控制器，所述机器人臂控制器被配置成发送驱动信号以驱动所述关节电机，其中所述手术机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失，发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节中的每个关节的位置，由此防止所述手术器械由于所述第一组关节中的一个或多个关节在重力作用下的移动而朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中。
2.根据权利要求1所述的手术机器人，其中所述一系列关节包括至少一个其它关节，所述至少一个其它关节不在所述第一组关节中，并且对于所述至少一个其它关节不具有这样的情况：所述手术机器人臂具有的构造使得所述关节经受会产生所述关节的移动的重力扭矩或力，所述关节的移动会使所述手术器械朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中，并且其中所述手术机器人臂控制器被配置成响应于检测到所述电力丢失，不发送驱动所述关节电机以便抵抗重力保持所述至少一个其它关节中的每个关节的位置的驱动信号。
3.根据权利要求1或2所述的手术机器人，其中所述一系列关节包括第二组关节，其中对于所述第二组关节中的每个关节，所述手术机器人臂不具有使得所述每个关节经受重力扭矩或力的构造。
4.根据权利要求3所述的手术机器人，其中在所述第一组关节和所述第二组关节中，所述机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失仅发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节的位置。
5.根据权利要求3或4所述的手术机器人臂，其中所述第二组关节邻近所述手术机器人臂的基座。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的手术机器人臂，其中所述第二组关节在所述手术机器人臂的基座与所述第一组关节之间。
7.根据任一前述权利要求所述的手术机器人臂，其中所述一系列关节包括第三组关节，其中对于所述第三组关节中的每个关节，所述手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节经受重力扭矩或力，但仅遵从所述重力扭矩或力的所述关节的移动不会使所述手术器械通过所述端口朝向所述手术部位推进。
8.根据权利要求7所述的手术机器人臂，其中在所述第一组关节和所述第三组关节中，所述机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失仅发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节的位置。
9.根据从属于权利要求3至6中任一项时的权利要求7所述的手术机器人臂，其中在所述第一组关节、所述第二组关节和所述第三组关节中，所述机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失仅发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节的位置。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的手术机器人臂，其中所述第三组关节是邻近所述手术机器人臂的末端的连续关节。
11.根据权利要求10所述的手术机器人臂，其中所述第三组关节在所述手术机器人臂的末端与所述第一组关节之间。
12.根据任一前述权利要求所述的手术机器人臂，其中所述一系列关节按从所述手术机器人臂的基座的顺序由以下各项组成：第一滚动关节、第一俯仰关节、第二滚动关节、第二俯仰关节、第三滚动关节、第三俯仰关节、第一偏航关节和第四滚动关节。
13.根据权利要求12所述的手术机器人臂，其中所述第一组关节由所述第一俯仰关节、所述第二滚动关节和所述第二俯仰关节组成。
14.根据从属于权利要求3时的权利要求12或13所述的手术机器人臂，其中所述第二组关节由所述第一滚动关节组成。
15.根据从属于权利要求7时的权利要求12至14中任一项所述的手术机器人臂，其中所述第三组关节由所述第三滚动关节、所述第三俯仰关节、所述第一偏航关节和所述第四滚动关节组成。
16.根据任一前述权利要求所述的手术机器人臂，其中检测到的电力丢失是从备用电池电源向所述手术机器人臂供电的电力丢失。
17.根据权利要求16所述的手术机器人臂，其中所述机器人臂控制器被配置成在检测到从所述备用电池电源向所述手术机器人臂供电的电力丢失之前检测从主电源向所述手术机器人臂供电的电力丢失。
18.根据权利要求17所述的手术机器人臂，其中所述机器人臂控制器被配置成在检测到从所述主电源供电的电力丢失之前，根据从远程外科医生输入装置接收到的输入控制所述手术机器人臂和附接的手术器械移动。
19.根据任一前述权利要求所述的手术机器人臂，其中所述机器人臂控制器集成到所述手术机器人臂中。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的手术机器人臂，其中所述手术机器人臂安装在支撑结构上，并且所述机器人臂控制器集成到所述支撑结构中。
21.一种用于控制手术机器人臂的控制方法，所述手术机器人臂包括一系列关节，所述一系列关节从基座延伸到用于附接到手术器械的末端，所述手术器械用于插入到患者的身体中至手术部位，所述一系列关节包括第一组关节，其中对于所述第一组关节中的每个关节，所述手术机器人臂具有这样的构造，所述构造使得所述每个关节经受重力扭矩或力，并且遵从所述重力扭矩或力的所述关节的移动会使所述手术器械朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中，所述手术机器人臂还包括用于驱动所述一系列关节的关节电机，所述方法包括：
发送驱动信号以驱动所述关节电机，其中所述手术机器人臂控制器被配置成响应于检测到电力丢失，发送驱动信号以驱动所述关节电机，以便抵抗重力保持所述第一组关节中的每个关节的位置，由此防止所述手术器械由于所述第一组关节中的一个或多个关节在重力作用下的移动而朝向所述手术部位推进到所述患者的身体中。
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