CN115605157A - 具有传感器集成以支持远程操作和直接手动相互作用的无源和有源臂控制方案 - Google Patents

Abstract

某些方面涉及用于机器人外科系统的导纳控制模式。该导纳控制模式可基于检测和/或测量机器人臂上的力(旋转和/或非旋转的)，以及响应于此类相互作用而使机器人臂运动。力可包括临床医生与机器人臂的直接手动相互作用。机器人臂的运动可位于保持医疗器械的位置的零空间内。

Description

具有传感器集成以支持远程操作和直接手动相互作用的无源 和有源臂控制方案

交叉引用

本申请要求提交于2020年3月31日的美国临时申请63/002,990的优先权权益，该美国临时申请的全部内容据此以引用方式并入。

背景技术

技术领域

本文所公开的系统和方法涉及外科机器人控制方案。

相关领域

外科机器人系统可包括用于支撑和操纵医疗器械的机器人臂。医疗器械可安装在机器人臂的医疗器械驱动器上。机器人臂可包括通过连杆连接的一系列可关节运动的关节。在某些具体实施中，机器人臂可由外科医生经由远程操作操纵以使用机器人臂和医疗器械进行医疗规程。

发明内容

根据本公开的一个方面，外科机器人系统包括具有近侧端部和远侧端部的机器人臂。多个连杆在近侧端部与远侧端部之间由多个关节联接。一个或多个马达与多个关节中的至少一个关节联接并且被配置成调节多个连杆中的至少一个连杆的位置。传感器与机器人臂联接。具有计算机可执行指令的存储器可使处理器：用传感器测量机器人臂上的力，该力位于传感器的远侧，基于测量的力来生成信号，以及基于该信号来控制一个或多个马达以使多个连杆中的至少一个连杆运动。

根据另一方面，在不使医疗器械运动的情况下，至少一个连杆响应于该力的运动位于机器人臂的零空间内，该机器人臂包括用于定位医疗器械的冗余自由度。

根据另一方面，冗余自由度沿支撑机器人臂的支撑轨道。

根据另一方面，沿支撑轨道的运动由输入部启动。

根据另一方面，至少一个连杆在零空间中的运动基于在机器人臂的虚拟模型中对至少一个连杆的位置进行建模。

根据另一方面，第二机器人臂支撑第二医疗器械。该计算机可执行指令进一步被配置成使处理器：测量第二机器人臂的位置，基于第二机器人臂的位置来生成第二信号，以及基于该第二信号来控制第二机器人臂的一个或多个马达以使第二机器人臂的第二连杆运动。在不使第二医疗器械运动的情况下，第二连杆的运动位于第二机器人臂的零空间内。第二机器人臂包括用于定位第二医疗器械的冗余自由度。

根据另一方面，生成第二信号进一步基于该机器人臂位于第二机器人臂的触发距离内。

根据另一方面，计算机可执行指令进一步被配置成使该处理器：基于该机器人臂与相邻结构的接近度来增加至少一个关节在第一方向上运动的阻力。

根据另一方面，机器人臂包括被配置成由用户激活的输入部。该存储器进一步包括计算机可执行指令以使该处理器：接收通过由用户激活输入部而生成的用户输入信号，以及进一步响应于接收到该用户输入信号而控制一个或多个马达以使至少一个连杆运动。

根据另一方面，输入部是机器人臂上的按钮。

根据另一方面，输入部位于在机器人臂的远侧部分上。

根据另一方面，输入部是器械驱动机构上的圆环形按钮。

根据另一方面，机器人臂还包括插管检测传感器，该插管检测传感器被配置成检测机器人臂于插管的对接/未对接状态。该存储器还包括计算机可执行指令以使该处理器：从插管检测传感器接收插管输入信号，以及进一步响应于接收到该插管输入信号和机器人臂上的测量力而控制一个或多个马达以使至少一个连杆运动。

根据另一方面，存储器还包括计算机可执行指令以使该处理器：将用传感器测量的力与阈值力进行比较，以及进一步响应于该力高于阈值力而控制一个或多个马达以使该至少一个连杆运动。

根据另一方面，传感器是负荷传感器。

根据另一方面，传感器是六个自由度的负荷传感器，其桥接连杆中的结构断裂，并且阈值力至少部分地基于机器人臂的质量和重力。

根据另一方面，传感器是力传感器。

根据另一方面，传感器是负荷传感器，该负荷传感器与机器人臂的远侧部分上的抓取点联接。

根据另一方面，机器人臂的远侧部分进一步包括被配置成与医疗器械联接的器械驱动机构。

根据另一方面，该力被配置成调节医疗器械的对准。

根据另一方面，至少一个连杆的运动调节医疗器械的远程运动中心的位置。

根据另一方面，控制一个或多个马达以使至少一个连杆运动进一步包括控制多个关节中的至少两个关节在第一方向上运动。

根据另一方面，机器人臂进一步被配置成远程操作。

根据本公开的一个方面，外科机器人系统包括具有近侧部分和远侧部分的机器人臂。远侧部分包括器械驱动机构，该器械驱动机构被配置成驱动附接于其上的医疗器械。多个连杆在近侧部分和远侧部分之间由多个可独立致动关节联接在一起，从而适应医疗器械以多个自由度运动。自由度中的至少一个自由度对医疗器械的位置是冗余的。臂支撑件与机器人臂的近侧部分联接。输入部被配置成由用户激活。存储器存储计算机可执行指令以使处理器：检测输入部的激活，基于检测到该输入的激活来生成用户输入信号，以及基于接收到该用户输入信号老控制多个关节中的至少一个关节，以在不使医疗器械运动的情况下使多个连杆中的至少一个连杆在第一方向上运动。

根据另一方面，机器人臂进一步被配置成远程操作。

根据另一方面，臂支撑件的近侧部分包括轨道和线性关节，该线性关节被配置成使至少一个连杆在第一方向上沿轨道平移。

根据另一方面，机器人臂包括力传感器和计算机可执行指令，该计算机可执行指令进一步被配置成使处理器：用传感器测量机器人臂上的力，基于测量的力来生成信号，以及控制线性关节的马达，以使至少一个连杆在第一方向上沿轨道运动。

根据本公开的一个方面，外科机器人系统包括具有近侧部分和远侧部分的机器人臂。远侧部分包括器械驱动机构，该器械驱动机构被配置成驱动附接于其上的医疗器械。多个连杆在近侧部分和远侧部分之间由多个可独立致动关节联接在一起，从而适应医疗器械以多个自由度运动。自由度中的至少一个自由度对医疗器械的位置是冗余的。臂支撑件与机器人臂的近侧部分联接。力传感器位于机器人臂的近侧部分上。处理器和存储计算机可执行指令的存储器使处理器：用力传感器测量机器人臂上的力，该力沿机器人臂位于力传感器远侧，基于该力来生成控制信号，以及基于该控制信号来控制多个关节中的至少一个关节，以在不使该医疗器械的运动情况下使多个连杆中的至少一个连杆运动。

根据另一方面，机器人臂进一步被配置成远程操作。

根据另一方面，生成控制信号进一步基于力高于阈值。

根据另一方面，在机器人臂的远程操作期间，力与相邻结构接触。

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描绘了根据示例性实施方案的框图，该框图示出了估计图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)的定位系统。

图21A示出了包括负荷传感器的机器人臂的示例。

图21B示出了图21A中所示的机器人臂的前视图。

图22是机器人臂和控制器的示意图。

图23示出了以臂位置控制模式控制外科机器人臂的方法的流程图。

图24示出了以导纳控制模式控制外科机器人臂的方法的流程图。

图25是包括抓取点的机器人臂的另一实施方案。

图26A至图26B示出了零空间碰撞避免的示例性序列。

图27示出了零空间碰撞避免的触发距离。

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，每个部分联接到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器联接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)联接到推车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，特定功能可联接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关节，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关节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，经由具有肘关节的肩部)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可通过包括一系列关节的一组臂安装件45安装在托架43上，该关节可单独地旋转和/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，可使用球形关节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可包括旋转关节，该旋转关节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可通过第一关节113附接到柱102，该第一关节允许托架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)。第一关节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可包括第二关节115，该第二关节为可调式臂支撑件105提供第二自由度(倾斜)。可调式臂支撑件105可包括第三关节117，该第三关节可为可调式臂支撑件105提供第三自由度(“向上枢转”)。可提供附加关节119(在图13中示出)，该附加关节机械地约束第三关节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可包括第四关节121，该第四关节可沿第四轴线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/或联接时，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关节腕和外科工具或医疗器械(诸如例如，抓握器或剪刀)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，这些腱可以联接到远侧安装的端部执行器，诸如腕部、抓握器或剪刀。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，腱可以致使关节围绕轴线旋转，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的远侧端部处的抓握器的一个或多个钳口，其中来自腱的张力致使抓握器闭合。

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联接到沿着细长轴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。

当联接到器械驱动器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可联接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和联接到轴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联接器往复地配合。

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)联接，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包括通过棱柱关节196联接到柱194的SCARA臂(选择顺应性装配机器人臂)198。棱柱关节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.外科机器人系统和控制方案

外科机器人系统(如关于图1至图20示出和描述的外科系统)通常包括用于执行不同类型的医疗(例如，外科)规程的多个机器人臂或操纵器。机器人臂可由临床医生远程控制，或者由助手直接控制(例如，经由手动操纵)。这些功能可基于工作流程需求单独或同时提供。每个机器人臂可经由一个或多个控制方案运动，该控制方案是本公开的主题。这些控制方案与传感器架构的集成可有利于适当的控制、模式组合和切换以与医疗规程工作流程需求平滑匹配。

A.外科机器人系统

图21A至图21B示出了机器人臂200的示例，该机器人臂可以为根据本公开的机器人外科系统的部件。机器人臂200可包括由可独立关节运动的关节连接的一系列连杆221、222、223、224和/或225。该系列连杆可安装在支撑轨道220上。可独立关节运动的关节可包括代表性关节A0、A1、A2、A3、A4和/或A5。关节A1-A5可不同地包括旋转关节。每个关节可包括马达和/或控制器(例如，伺服控制器)。第三关节A3可以为肘关节。第四关节A4和第五关节A5可形成机器人臂200的腕关节。第四关节A4可以为滚动关节，并且第五关节A5可以为俯仰关节。A0关节可允许沿支撑轨道220的线性平移。第一连接件221可沿支撑轨道220穿过A0关节平移。机器人臂200可具有六个或更多个自由度。在某些具体实施中，对于机器人臂的远侧端部的给定位置，机器人臂200可包括至少一个过量自由度。

机器人臂200可包括医疗器械驱动器230(例如，器械驱动器75)。医疗器械驱动器230可位于机器人臂200的远侧端部上(例如，在第五连接件225上)。医疗器械驱动器230可与医疗器械235可移除地联接。医疗器械235可包括细长轴。细长轴可从第一端部236延伸到第二端部237。第一端部236可包括端部执行器240。端部执行器240可以为各种医疗器械中的任一种，诸如但不限于夹持器、柳叶刀、探针、内窥镜、剪刀或其他外科工具。

医疗器械235可经由医疗器械驱动器230操作。医疗器械235可经由机器人臂200的可关节运动的关节定位。可响应于用户输入经由远程操作通过控制器(例如，使用控制器182)而控制可关节运动的关节和/或医疗器械驱动器230。临床医生还可手动操纵机器人臂200以定位可关节运动的关节和/或医疗器械235。机器人臂200对手动操纵的响应可取决于机器人臂200的操作控制方案，如下文进一步描述的。

机器人臂200可包括多轴负荷传感器250。负荷传感器250可定位在机器人臂的近侧部分224a和远侧部分224b之间。在一个具体实施中，负荷传感器250可桥接机器人臂的第四连杆224(或任何其他连杆)中的结构断裂。负荷传感器250可在结构上支撑机器人臂200的远侧部分224b，该远侧部分包括医疗器械驱动器230和/或医疗器械235。多轴负荷传感器250可以是6轴负荷传感器(测量围绕x、y和z方向的力和力矩)。在另一具体实施中，多轴负荷传感器250是3轴负荷传感器。在另一个实施方案中，负荷传感器250可以是分布式关节传感器(例如，用于系统10)。

多轴负荷传感器250可检测和/或测量作用于远侧部分224b上，诸如医疗器械235或医疗器械驱动器230上的力F。在一些实施方案中，负荷传感器250可用作用于手动操纵机器人臂200的导纳控制方案的输入。负荷传感器250还可检测机器人臂200的可关节运动的关节或机器人臂200的其他部件的潜在过载。

A0关节可包括力传感器241。力传感器241可位于A0基部关节处或附近(例如，在与支撑轨道220连接时)。力传感器241可检测和/或测量机器人臂200上的力F。力F可位于力传感器241远侧。力传感器241可检测沿机器人臂200沿支撑轨道220的行进方向作用的力F的分量。力传感器241可用作进入用于手动调节机器人臂200的零空间微动控制方案的开关，如下文进一步描述的。

机器人臂200可包括插管检测传感器243。插管检测传感器243可以为磁性、机械、压力、光学或其他传感器类型。插管检测传感器243可检测机器人臂200与插管(例如，与患者连接并且被配置成接收医疗器械235)的对接或未对接状态。机器人臂200的控制方案或可用于机器人臂200的控制方案可基于机器人臂200的对接或未对接状态，如由插管检测传感器243检测的。

机器人臂200可包括按钮242。按钮242可定位在医疗器械驱动器230上或附近。按钮242可以为圆圈形按钮。按钮242可定位在医疗器械235的细长轴的第二端部237周围。按钮242可以一定样式(例如，三次点击)致动一次、保持或制动。按钮242可由临床医生致动以改变或选择机器人臂200的控制方案。例如，按下按钮242可切换导纳控制方案的激活，由此6轴负荷传感器250可用于检测施加到机器人臂200的力。

除了按钮242之外，机器人臂还可包括其他输入或接触点。致动不同的输入按钮，这可将机器人臂置于不同类型的控制模式下，如下文所描述的。机器人臂200可包括近侧连接件按钮244。近侧连接件按钮244可定位在第二连接件222上或邻近机器人臂200的肘关节。近侧连接件按钮244可用于改变或选择机器人臂200的控制方案。

机器人臂200可包括远侧连接件按钮245。远端连接件按钮245可定位在第四连接件224或第五连接件225上(例如，邻近医疗器械驱动器230)。远侧连接件按钮245可用于改变或选择机器人臂200的控制方案。

图22示出了类似于机器人臂200的机器人臂300的控制示意图，该机器人臂包括由一个或多个对应的可关节运动的关节联接的一个或多个连杆。机器人臂300可包含与控制器330联接的可关节运动的关节中的一个可关节运动的关节的马达320。控制器330可包括与计算机可读存储器370联接的处理器360。

机器人臂300可包括传感器350。传感器350可以为负荷传感器(例如，多轴力和/或扭矩传感器，诸如负荷传感器250)或力传感器(例如，单向力传感器，诸如力传感器241)。传感器350可安装在机器人臂300上以检测机器人臂300的远侧端部上的力和/或扭矩。任选地，传感器350可测量力和/或扭矩。传感器350可基于力和/或扭矩来生成信号。控制器330可接收所生成的信号。处理器360可基于从传感器350接收的信号来执行存储在计算机可读存储器370上的指令。根据下文所述的控制方案中的一者或多者，执行的指令可生成用于操作马达320的马达控制信号。马达320可接收马达控制信号并且基于该马达控制信号来使连杆运动。

机器人臂300还可包括输入部340。输入部340可以为按钮(例如，按钮242、244或245)和/或插管检测传感器(例如，插管检测传感器243)。输入部340可接收用户输入或机器人臂的另一状态。控制器330可从输入部340接收输入信号。生成马达控制信号的控制方案可基于来自输入部340的输入信号。在某些具体实施中，可基于按钮致动、插管的对接或未对接状态、和/或机器人臂的当前操作控制方案来选择控制方案。执行的指令可进一步基于用户输入信号来生成马达控制信号以用于操作马达320。

B.机器人臂控制方案

机器人臂200可以以许多不同的控制方案或模式进行操作。控制方案可不同地支撑对机器人臂200的远程操作和/或直接手动操纵。示例性控制方案包括：

i.臂位置控制。

臂位置控制方案可用于机器人臂200的远程操作(“主要使用”)。在臂位置控制方案中，由临床医生在医生控制台(例如，控制器182)处接收位置输入。使用逆运动学和/或动力学和/或比例因子将位置输入翻译成机器人臂的位置。逆运动学和/或动力学可包括机器人臂200的虚拟(例如，数学)模型。虚拟模型可对机器人臂200的一系列连杆和可关节运动的关节进行建模。虚拟模型可对医疗器械驱动器230和医疗器械235进行建模。虚拟模型可包括针对虚拟机器人臂，诸如医疗器械235的远程运动中心和/或位于机器人臂的可操作空间内的其他对象(例如，其他机器人臂、患者或其他医疗设备)的一个或多个约束。

基于虚拟模型，控制器可生成一个或多个马达控制信号以使可关节运动的关节和/或医疗器械驱动器运动到机器人臂的平移位置。可基于马达控制信号来控制对应的可关节运动的关节和/或医疗器械驱动器的马达。

臂位置控制方案中的机器人臂200的远程操作由图23中所示的过程400示出。在步骤401，过程400可开始。过程400可基于来自用户的输入、在机器人臂200上供电、与插管对接或其他标准来开始。在步骤405，控制器可从医生控制台接收机器人臂200的位置变化。在步骤410，控制器可基于机器人臂的虚拟模型生成马达控制信号以实现位置变化。在步骤415，可关节运动的关节的马达可接收马达控制信号以根据该控制信号(基于位置变化)使机器人臂运动。在步骤420，过程400可结束。过程400可基于用户输入、关闭机器人臂、检测用于进入不同控制方案的标准(诸如机器人臂的直接手动操纵)或其他标准来结束。

臂位置控制方案也可用于将机器人臂保持在固定姿势(“次要使用”)。在固定姿势的模式下，机器人臂200不接收用于使机器人臂运动的位置输入。因此，控制器可生成一个或多个马达控制信号以保持可关节运动的关节和医疗器械驱动器的位置。

在机器人臂与插管对接或未对接时，该机器人臂可以以臂位置控制方案进行操作。当与插管对接时，机器人臂可以以用于远程操作的臂位置控制方案进行操作。在该控制模式下，机器人臂可在术中执行远程中心机器人腹腔镜检查(例如，机器人使能的医疗系统36)或虚拟轨道内窥镜检查(例如，机器人使能的系统10)。当机器人臂与插管未对接时，臂位置控制方案可用于将机器人臂保持在固定姿势。

ii.导纳控制。

导纳控制方案使机器人臂200响应于该机器人臂200上的力(即，力(非旋转)和/或扭矩(旋转))而运动。力可由传感器检测，诸如负荷传感器250或A0力传感器。传感器可测量作用于机器人臂200位于传感器远侧的一部分上的力。传感器可生成向机器人臂200的控制器指示力的信号。控制器可接收信号并且基于所测量的力来生成马达控制信号。机器人臂的关节的马达可接收马达控制信号并且响应于该马达控制信号而使连杆运动。连杆的运动可对应于力的方向和/或量值。在某些具体实施中，马达控制信号可使关节在力的方向上运动。任选地，机器人臂的多个关节可在力的方向上运动。

在导纳控制方案下，机器人臂可通过驱动与控制器相关联的一个或多个马达来辅助用户使机器人臂运动，从而产生机器人臂的期望速度和/或位置。因此，在一些具体实施中，在导纳控制下的机器人臂可隐藏机器人臂200的感知惯性。可关节运动的关节的马达可有助于基于力输入(例如，基于马达控制信号)来加速可关节运动连接件和连杆的质量。相比之下，在其中反向驱动可关节运动的关节的阻抗控制方案中，用户可能导致所有质量加速。因此，在一些实施方案中，机器人臂与在阻抗控制方案相比在导纳控制方案中可能感觉起来更轻。

导纳控制方案可利用按钮来启动，诸如按钮242(例如，圆圈形按钮)。在某些具体实施中，导纳控制方案可仅由按钮启动。当按钮被释放(处于按下并保持配置时)或切换关闭时，机器人臂可恢复到臂位置控制方案。在其他具体实施中，可基于检测到的力(例如，超过阈值)来启动导纳控制方案。在一段时间不活动之后，力下降到阈值以下(例如，持续一段时间)或其他标准，可停用导纳控制方案。

用于机器人臂200的导纳控制方案由图24中所示的过程500示出。在步骤501，过程500可开始。过程500可基于使用传感器(诸如负荷传感器250或力传感器241)检测机器人臂200上的力来开始。在一些实施方案中，可将力与阈值力进行比较。力可来自和/或指示机器人臂200的直接手动操纵。过程500可基于接收诸如通过按钮242、244或245的用户输入来开始。

在步骤505，传感器可测量机器人臂上的力。在步骤510，控制器可基于由传感器测量的力生成马达控制信号。马达控制信号可被配置成在力的方向上使机器人臂200运动。在步骤515，可关节运动的关节的马达可接收马达控制信号以使机器人臂相应地运动。

在步骤520，过程500可结束。过程500可基于下降到阈值以下的力，检测到机器人臂200上没有力，用户输入(诸如通过按钮242、244、245)，检测用于进入不同控制方案的标准(诸如机器人臂的直接手动操纵)和/或其他标准来结束。

当机器人臂与插管未对接(例如，对于关键的对接/未对接运动而言)以及当其与插管对接时(例如，对于调节医疗器械235的远程运动中心，即，端口碰撞和/或从动抓紧而言)时，机器人臂200可处于导纳控制下。例如，临床医生可能希望完成机器人臂与插管的对接。用户可按下按钮242，从而激活导纳控制模式。

导纳控制方案还可基于安装在负荷传感器上的抓取点。图25示出了机器人臂600的另一个实施方案。机器人臂600可包括通过对应的可关节运动的关节610联接的多个连杆620。机器人臂600可包括抓取点642。抓取点642可位于医疗器械驱动器630上或邻近该医疗器械驱动器。抓取点642可安装在负荷传感器上(例如，3轴或6轴负荷传感器)。临床医生可通过抓住抓取点642来激活导纳控制方案。负荷传感器可检测抓取点642上的力以打开导纳控制方案。然后，负荷传感器可测量抓取点上的力，以使临床医生手动操纵机器人臂。临床医生可由驱动可关节运动的关节610的马达来辅助。导纳控制方案中的这种辅助可辅助临床医生与插管进行对接和/或执行机器人臂600的其他精细运动。

机器人臂可通过在导纳控制方案与臂位置控制方案之间切换来操作。例如，机器人臂可远程操作地进行操作，直到触发器例如用户输入启动导纳控制为止。导纳控制可操作直到另一触发器(诸如释放用户输入)重新启动臂位置控制为止。这样，临床医生可在这两种模式之间无缝地切换。

臂位置控制方案和导纳控制方案可用于医疗规程中的不同步骤。例如，导纳控制可用于机器人臂的较大运动(例如，折叠)、远程运动中心的运动、与插管的连接等。臂位置控制方案可用于执行医疗规程。臂位置控制和导纳控制两者可与各种零空间控制方案结合使用，如下文所描述的。

取决于机器人臂的状态，不同的输入(例如，按钮242、244、245)可将机器人臂置于不同的控制模式下。例如，当机器人臂200与插管对接时(如由插管检测传感器243检测的)，致动输入(例如，按钮)可将机器人臂置于导纳零空间控制模式下(例如，以在对接时允许从动抓紧)。在一些实施方案中，导纳零空间控制模式不通过呈按钮形式的输入激活，而是通过向机器人臂施加力使得其达到或超过阈值力来激活。相反，当机器人臂200与插管未对接时(如由插管检测传感器243检测的)，致动输入可将机器人臂置于有源导纳模式下(例如，以允许医疗器械的定位)。

iii.碰撞避免零空间控制(基于运动学)。

在对于附接的医疗器械的给定位置而言，机器人臂包括冗余连接件或过量自由度的情况下，允许零空间运动。因此，机器人臂的连杆中的一个或多个可在零空间内运动，同时保持医疗器械的端部执行器的位置。在碰撞避免零空间控制方案下，机器人臂200与外科机器人系统中的其他机器人臂(或其他部件)之间的碰撞使用虚拟模型(例如，机器人臂200的运动学和/或动力学模型)来检测并且通过使用至少一个机器人臂的零空间运动来自动避免。因此，在碰撞避免零空间控制方案中可防止臂间碰撞和/或臂内碰撞。

当启用臂位置控制方案或导纳控制方案时，可启用碰撞避免零空间控制方案。碰撞避免零空间控制方案可在机器人臂的远程操作和/或手动操纵期间可用。碰撞避免零空间控制方案可以是完全自动模式(例如，机器人系统本身将检测两个臂之间即将发生的碰撞，并且将使一个或多个臂的一个或多个关节运动以自动避免碰撞)。

图26A和图26B示出了在碰撞避免零空间控制方案下的动作的示例性顺序。在图26A所示的初始时间点700处，该系统使第一机器人臂705和相关联的第一医疗器械基于命令运动沿支撑轨道715朝向第二机器人臂710运动(例如，在臂位置控制方案或导纳控制方案中)。第二机器人臂可包括第二医疗器械。第一机器人臂705的运动可基于系统的虚拟模型来使第一机器人臂705和第二机器人臂710上的某些点进入碰撞。

因此，在碰撞避免零空间控制方案中，当第一机器人臂705和第二机器人臂710进入触发距离内时，第一机器人臂705和第二机器人臂710的一个或多个关节可在零空间内(例如，经由其冗余关节)自动调节以避免碰撞，如图26B中的后续时间点701的图像所示。如图26B中所示，第二机器人臂710的基部关节沿撑件轨道715滑动，从而经由零空间运动(例如，无需使与第二机器人臂710相关联的医疗器械的端部执行器运动)来提供碰撞避免。如图26B中所示，与第二机器人臂710相关联的第二医疗器械的端部执行器还没有运动–仅用于零空间运动和碰撞避免的近侧关节已经运动。

图27示出了根据本公开的各方面的建模连接件的截止距离和触发距离。具体地，图27示出了由当前(最小)距离815分开的第一连接件805和第二连接件810的横截面。触发距离820和截止距离825示出于第一连接件805周围。尽管未示出，但是第二连接件810还可以具有触发距离和截止距离，其可以具有或者可以不具有与第一连接件805相关联的触发距离820和截止距离825相同的值。如本文所述，当另一个连接件(诸如第二连接件810)穿透第一连接件805的触发距离820时，，系统可以采取动作以避免与其它连接件的碰撞。

在某些实施方案中，系统可包括用于临床医生的触觉反馈系统(例如，使用远程操作或手动操纵)。当正在运动的机器人臂接近与另一物体碰撞时，系统增加机器人臂的一个或多个关节朝向该物体运动的阻力。随着接近度增加，阻力可增加。

如果系统检测到臂具有两个相反碰撞，则系统可能无法避免与零空间运动的碰撞，并且一旦已经达到截止距离，系统将停止运动。当系统防止由于截止距离超出而引起的进一步运动时，系统可以向用户提供触觉力反馈，以通知用户需要在相反方向上使工具之一运动以允许另一工具运动远离碰撞。

iv.导纳零空间控制(基于力或扭矩)。

在导纳零空间控制方案中，作用在机器人臂200上的力可使一个或多个连杆在零空间内运动。与基于运动学(例如，两个机器人臂之间的分离距离)的碰撞避免零空间控制方案不同，导纳零空间控制方案依赖于施加到一个或多个机器人臂的实际外力。例如，施加到机器人臂200的力可以是在系统的机器人臂之间捕获的用户、发现妨碍机器人臂在支撑轨道220上滑动的附件、或创建患者访问的临床医生。

导纳零空间控制方案可以以各种方式启动。在一个示例性具体实施中，临床医生可接近床，并且推动机器人臂上的接触点，并从而启动导纳零空间控制方案。在另一个具体实施中，临床医生可在机器人臂的接触部分(例如，其连接件)上施加高于阈值的力。力可启动导纳零空间控制方案，尽管可能需要相同水平的力保留在方案中。

在导纳零空间控制方案中，力传感器(诸如力传感器241)可被置于机器人臂200的A0基部关节处。力传感器可测量沿支撑轨道220施加的外力。如果机器人臂200的零空间运动可用，则控制器可基于测量的力生成马达控制信号并且基于该马达控制信号使可关节运动的关节中的一个或多个可关节运动的关节运动。如果机器人臂200的零空间运动不可用或者存在与相邻臂碰撞的风险，则控制器可防止机器人臂的运动。控制器还可提供触觉反馈以警告用户。触觉反馈可具有较高阈值，以便克服对多个臂的自主碰撞避免，而不是刚性地压倒或导致意外碰撞。

导纳零空间控制方案可在有源控制方案期间经由远程操作或手动操纵(诸如在导纳控制方案中)提供机器人臂的人工合规性。因此，在一些具体实施中，这两种模式都可协同工作以提供机器人臂的自动零空间控制。通过调谐和饱和零空间控制，空间中的所有臂均可生成与任何机器人臂的安全的力相互作用，以使臂在它们相应的零空间中变形。

v.零空间微动控制(基于按钮)。

在零空间微动控制方案中，临床医生可基于用户输入来使机器人臂200沿零空间内的一个自由度运动。可提供一个或多个用户输入(例如，近侧连接件按钮244)以用于激活零空间微动控制方案。在零空间微动控制方案中，临床医生可调节外科机器人系统以例如适应患者运动、医疗设备或医疗规程的其他方面。

在一个示例中，零空间微动控制方案使机器人臂200在支撑轨道220的方向上运动。可通过按下近侧连接件按钮244来启动该方案。一旦启动，力传感器241就可检测作用在近侧连接件上的力以控制马达，从而辅助机器人臂200沿支撑轨道220的运动。另选地，可包括两个输入按钮而不是力传感器。每个按钮可沿支撑轨道220在不同方向上运动。

一些控制方案可与其他控制模式结合操作。例如，碰撞避免零空间控制、导纳零空间控制和/或零空间微动控制方案可在臂位置控制或导纳控制期间操作。有利地，碰撞避免零空间控制和导纳零空间控制可以自动操作以减少已知(例如，运动学)系统部件与未知部件(例如，由机器人臂接触的相邻环境结构)两者之间的碰撞。因此，各种模式可增强医疗或外科机器人系统的安全操作。

3.实施系统和术语。

本文所公开的具体实施提供了用于基于导纳的控制方案的系统、方法和设备。

应当指出的是，如本文所用，术语“联接(couple)”、“联接(coupling)”、“联接(coupled)”或词语联接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“联接”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。

本文所述的控制功能可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、联接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)

1.一种外科机器人系统，包括：

机器人臂，所述机器人臂包括：

近侧端部和远侧端部；

多个连杆，所述多个连杆在所述近侧端部与所述远侧端部之间由多个关节联接；

一个或多个马达，所述一个或多个马达与所述多个关节中的至少一个关节联接并且被配置成调节所述多个连杆中的至少一个连杆的位置；和

传感器，所述传感器与所述机器人臂联接；

处理器；

存储器，所述存储器存储计算机可执行指令，以使所述处理器：

用所述传感器测量所述机器人臂上的力，所述力位于所述传感器远侧；

基于所测量的力来生成信号；以及

基于所述信号来控制所述一个或多个马达以使所述多个连杆中的所述至少一个连杆运动。

2.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中在不使由所述机器人臂支撑的医疗器械运动的情况下，所述至少一个连杆响应于所述力的运动位于所述机器人臂的零空间内，所述机器人臂包括用于定位所述医疗器械的冗余自由度。

3.根据权利要求2所述的外科机器人系统，其中所述冗余自由度沿支撑所述机器人臂的支撑轨道。

4.根据权利要求3所述的外科机器人系统，其中沿所述支撑轨道的运动由输入启动。

5.根据权利要求2所述的外科机器人系统，其中所述至少一个连杆在所述零空间中的运动基于在所述机器人臂的虚拟模型中对所述至少一个连杆的位置进行建模。

6.根据权利要求1所述的外科机器人系统，进一步包括支撑第二医疗器械的第二机器人臂；

其中所述计算机可执行指令进一步被配置成使所述处理器：

测量第二机器人臂的位置；

基于所述第二机械臂的位置来生成第二信号；以及

基于所述第二信号来控制所述第二机器人臂的一个或多个马达以使所述第二机器人臂的第二连杆运动；

其中在不使所述第二医疗器械运动的情况下所述第二连杆的运动位于所述第二机器人臂的零空间内，所述第二机器人臂包括用于定位所述第二医疗器械的冗余自由度。

7.根据权利要求6所述的外科机器人系统，其中生成所述第二信号进一步基于所述机器人臂位于所述第二机器人臂的触发距离内。

8.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述计算机可执行指令进一步被配置成使所述处理器：

基于所述机器人臂与相邻结构的接近度增加所述至少一个关节在第一方向上运动的阻力。

9.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述机器人臂进一步包括：

输入部，所述输入部被配置成由用户激活；

所述存储器进一步包括计算机可执行指令以使所述处理器：

接收通过由所述用户激活所述输入部而生成的用户输入信号；以及

进一步响应于接收到所述用户输入信号而控制所述一个或多个马达以使所述至少一个连杆运动。

10.根据权利要求9所述的外科机器人系统，其中所述输入部是所述机器人臂上的按钮。

11.根据权利要求9所述的外科机器人系统，其中所述输入部位于所述机器人臂的所述远侧端部上。

12.根据权利要求11所述的外科机器人系统，其中所述输入部是器械驱动机构上的按钮。

13.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述机器人臂进一步包括：

插管检测传感器，所述插管检测传感器被配置成检测所述机器人臂与插管的对接/未对接状态；

所述存储器进一步包括计算机可执行指令以使所述处理器：

从所述插管检测传感器接收插管输入信号，以及

进一步响应于接收到所述插管输入信号和所述机器人臂上的所测量的力，而控制所述一个或多个马达以使所述至少一个连杆运动。

14. 根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述存储器进一步包括计算机可执行指令以使所述处理器：

将用所述传感器测量的所述力与阈值力进行比较；以及

进一步响应于所述力高于所述阈值力而控制所述一个或多个马达以使所述至少一个连杆运动。

15.根据权利要求14所述的外科机器人系统，其中所述传感器是负荷传感器并且桥接所述连杆中的结构断裂，并且所述阈值力至少部分地基于所述机器人臂的质量和重力。

16.根据权利要求14所述的外科机器人系统，其中所述传感器包括负荷传感器，所述负荷传感器与所述机器人臂的所述远侧端部上的抓取点联接。

17.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述机器人臂的所述远侧端部进一步包括器械驱动机构，所述器械驱动机构被配置成与医疗器械联接。

18.根据权利要求17所述的外科机器人系统，其中所述力被配置成调节所述医疗器械的对准。

19.根据权利要求17所述的外科机器人系统，其中所述至少一个连杆的运动调节所述医疗器械的远程运动中心的位置。

20.根据权利要求17所述的外科机器人系统，其中控制所述一个或多个马达以使所述至少一个连杆运动进一步包括控制所述多个关节中的至少两个关节在第一方向上运动。

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