CN115768371A - 用于在体内反转小型手术机器人单元的选定部件的定向和视图的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于在体内移动机器人单元的系统和方法。机器人单元可以包括具有耦接到相机轴向延伸支撑构件的相机组件的相机子组件、具有耦接到第一机器人臂轴向延伸支撑构件的第一机器人臂的第一机器人臂子组件，以及具有第二机器人臂轴向延伸支撑构件的第二机器人臂子组件，其中当通过插入点插入患者的腔内时，可以控制相机组件以及第一机器人臂和第二机器人臂以致动每个机器人臂的至少一个关节反转方向使得第一机器人臂和第二机器人臂中的每一个的末端效应器区域面向插入点，并且在选定方向上移动相机组件使得相机元件面向插入点。

Description

用于在体内反转小型手术机器人单元的选定部件的定向和视 图的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年5月11日提交的序列号为63/023,034、名称为“用于在体内反转小型手术机器人单元的选定部件的定向和视图的系统和方法”的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用并入本文。

背景技术

自1990年代初创立以来，微创手术领域迅速发展。虽然微创手术极大地改善了患者的预后，但这种改善是以外科医生精确和轻松操作的能力为代价的。在传统的腹腔镜手术过程中，外科医生通常通过患者腹壁上的多个小切口插入腹腔镜器械。工具穿过腹壁插入的性质限制了腹腔镜器械的运动，因为器械无法在不损伤腹壁的情况下左右移动。标准腹腔镜器械在运动上也受到限制，并且通常限于四个运动轴线。这四个运动轴线是器械进出套管针的移动(轴线1)、器械在套管针内的旋转(轴线2)以及套管针在两个平面内的角位移，同时保持套管针的枢转点进入腹腔(轴线3和轴线4)。二十多年来，大多数微创手术仅通过这四个运动的程度进行。此外，如果手术需要处理腹腔内的多个不同位置，则现有系统需要多个切口。

现有的机器人手术设备试图解决其中的许多问题。一些现有的机器人手术设备复制了非机器人腹腔镜手术，并在仪器末端增加了自由度。然而，即使对手术进行了许多代价高昂的改变，现有的机器人手术设备也未能在使用它们的大多数手术中提供改善的患者预后。此外，现有的机器人设备增加了外科医生和手术末端效应器之间的距离。由于外科医生对机器人设备施加的运动和力的失误，这种增加的分离导致受伤。由于人类操作员不熟悉许多现有机器人设备的自由度，因此外科医生在对患者进行手术之前需要对机器人模拟器进行广泛的培训，以最大程度地减少造成意外伤害的可能性。

为了控制现有的机器人设备，外科医生通常坐在控制台前并用他或她的手和/或脚控制操纵器。此外，机器人相机保持在半固定位置，并通过外科医生的脚和手的组合运动移动。这些半固定相机提供有限的视野，通常会导致手术区域难以可视化。

其他机器人设备有两个机器人操纵器通过单个切口插入。这些设备减少了通常在脐部的单个切口所需的切口数量。然而，现有的单切口机器人设备由于其致动器设计而存在重大缺陷。现有的单切口机器人设备包括体内机器人内的伺服马达、编码器、齿轮箱和所有其他致动设备，这导致插入患者体内的机器人单元相对较大。这种尺寸在移动和执行各种程序的能力方面严重限制了机器人单元。此外，这种大型机器人通常需要通过大切口部位插入，通常接近开腹手术的大小，因此增加了感染、疼痛和一般发病率的风险。

传统机器人设备的另一个缺点是它们的移动自由度有限。因此，如果手术需要在多个不同的位置进行手术，则需要制作多个切口点以便能够将机器人单元插入不同的操作位置。这增加了患者感染的机会。

发明内容

本发明涉及一种手术机器人系统，该手术机器人系统采用具有至少三个铰接自由度(articulating degrees of freedom)的相机组件和一个或多个机器人臂，该机器人臂具有至少六个铰接自由度和对应于相关联的末端效应器(例如，抓取器、操纵器等)的移动的附加自由度。当安装在患者体内时，相机组件可以在俯仰方向或偏航方向上移动或旋转大约180度，使得相机组件可以向后观察插入部位。由此，相机组件和机器人臂可以在向上或向下方向上、以及向后方向上朝向(例如，远离插入部位)每一侧灵巧地观察和操作以向后观察插入部位。机器人臂和相机组件也可以在滚动、俯仰和偏航方向上移动。

本发明还涉及一种机器人支撑系统，该机器人支撑系统包括采用一个或多个调节元件和相关联的枢转关节的支撑支柱。机器人子系统的马达单元可以安装到调节元件的最远侧一个。马达单元可以采用多个调节元件和枢转点来线性或轴向移动机器人单元的一个或多个部件，包括例如机器人臂和相机组件。

本发明涉及一种手术机器人系统，其包括用于接收用户生成的移动数据并响应于此生成控制信号的计算单元、具有支撑支柱的机器人支撑子系统以及机器人子系统。支撑支柱包括基座部分、支撑梁，该支撑梁具有耦接到基座的第一端和耦接到多个调节元件中的近侧一个的相对的第二端。调节元件被安置和布置为在调节元件中的相邻调节元件之间以及在近侧调节元件和支撑梁之间形成枢转关节。机器人子系统包括马达单元以及机器人单元，该马达单元具有一个或多个与其相关联的马达元件，其中该马达单元耦接到多个调节元件中的远侧一个，该机器人单元具有相机子组件和多个机器人臂子组件。相机子组件和多个机器人臂子组件耦接到马达单元，并且当马达单元被致动时使相机子组件和机器人臂子组件之一在选定的方向上移动。此外，一个或多个调节元件以及一个或多个相机子组件和机器人臂子组件响应于控制信号而移动。

相机子组件包括轴向延伸的支撑构件、耦接到支撑构件的一端的接口元件，以及耦接到支撑构件的相对端的相机组件。接口元件配置为与马达单元的一个或多个马达元件接合。此外，相机组件包括第一相机元件和第二相机元件，所述第一相机元件具有与其相关联的第一光源，所述第二相机元件具有与其相关联的第二光源。机器人臂子组件包括轴向延伸的支撑构件、耦接到支撑构件的一端的接口元件，以及耦接到支撑构件的相对端的机器人臂。此外，机器人臂子组件的接口元件中的每一个配置为与马达单元的多个马达元件中的不同的马达元件接合。相机子组件的接口元件可以与机器人臂子组件之一的接口元件耦接到相同的马达元件。可替代地，相机子组件的接口元件和机器人臂子组件之一的接口元件可以耦接到多个马达元件中的不同的马达元件。

此外，机器人臂可以包括末端效应器区域和相机组件，并且第一机器人臂和第二机器人臂可以被调整尺寸和配置为通过插入点插入到患者的腔内，并且计算单元响应于用户生成的控制信号可以生成由第一机器人臂和第二机器人臂以及相机组件接收的控制信号。响应于控制信号，第一机器人臂和第二机器人臂中的每一个都可以被致动以反转方向，使得末端效应器区域面向插入点，并且相机组件可以在选定的方向上移动使得相机元件面向插入点。可替代地，响应于控制信号，机器人臂可以被定向或移动使得它们面向横向于支撑构件的轴线或与其正交的第一方向，并且第一机器人臂和第二机器人臂中的每一个可以被致动以便反转方向使得末端效应器区域面向与第一方向基本相反的第二方向。更进一步地，响应于控制信号，机器人臂可以被定向使得它们面向第一方向，并且第一机器人臂和第二机器人臂中的每一个可以被致动或移动以便反转方向使得末端效应器区域面向与第一方向基本相反的第二方向。

根据本发明，在将相机组件移向插入点之前，可以旋转相机支撑构件，使得相机组件布置在相机支撑构件上方，并且相机组件中的一个或多个相机元件背对插入点。此外，相机组件可以在俯仰方向上旋转，使得相机元件面向插入点。可替代地，相机组件可以在偏航方向上旋转，使得相机元件面向插入点。

本发明还涉及一种用于在体内移动机器人单元的方法。机器人单元可以包括具有耦接到相机轴向延伸支撑构件的相机组件的相机子组件、具有耦接到第一机器人臂轴向延伸支撑构件的第一机器人臂的第一机器人臂子组件，以及具有第二机器人臂轴向延伸支撑构件的第二机器人臂子组件，其中当通过插入点插入患者的腔内时，相机组件以及第一机器人臂和第二机器人臂可以被控制用于致动每个机器人臂的至少一个关节反转方向使得第一机器人臂和第二机器人臂中的每一个的末端效应器区域面向插入点，并且在选定方向上移动相机组件使得相机元件面向插入点。

机器人单元可以连接到马达单元并且马达单元可以被致动或驱动以便在平移或线性方向上相对于插入部位移动机器人单元或相机组件。第一机器人臂子组件和第二机器人臂子组件的接口元件中的每一个都可以配置为与马达单元的多个马达元件中的不同马达元件接合。可替代地，相机子组件的接口元件可以与第一机器人臂子组件和第二机器人臂子组件之一的接口元件耦接到相同的马达元件。此外，相机子组件的接口元件和第一机器人臂子组件和第二机器人臂子组件之一的接口元件可以耦接到多个马达元件中的不同的马达元件。

根据本发明的方法，在移动相机组件之前，可以旋转相机支撑构件，使得相机组件布置在相机支撑构件上方，并且相机组件中的一个或多个相机元件背对着插入点。移动相机组件的步骤可以包括在俯仰方向上旋转相机组件，使得相机元件面向插入点。可替代地，移动相机组件的步骤可以包括在偏航方向上旋转相机组件，使得相机元件面向插入点。

本发明还可以涉及一种用于在体内移动机器人单元的方法，其中机器人单元包括具有耦接到相机轴向延伸支撑构件的相机组件的相机子组件、具有耦接到相机轴向延伸支撑构件的第一机器人臂的第一机器人臂子组件，以及具有耦接到轴向延伸支撑构件的第二机器人臂的第二机器人臂子组件，其中当通过插入点插入患者的腔内时，相机组件以及第一机器人臂和第二机器人臂可以被控制用于致动第一机器人臂和第二机器人臂中的每一个上的至少一个关节以反转方向，使得第一机器人臂和第二机器人臂中的每一个的每个末端效应器区域面向与插入轴线正交的方向，并且致动相机组件的至少一个关节以在选定方向上移动相机组件，使得相机元件面向与插入轴线正交的方向。

当机器人单元连接到马达单元时，该方法包括致动马达单元以便相对于插入部位移动机器人单元或相机组件。此外，第一机器人臂子组件和第二机器人臂子组件的接口元件中的每一个配置为与马达单元的马达元件中的不同的马达元件接合。可替代地，相机子组件的接口元件与第一机器人臂子组件和第二机器人臂子组件之一的接口元件耦接到相同的马达元件。此外，相机子组件的接口元件和第一机器人臂子组件和第二机器人臂子组件之一的接口元件耦接到多个马达元件中的不同的马达元件。

该方法还包括，在移动相机组件之前，旋转相机支撑构件，使得相机组件布置在相机支撑构件上方，并且相机组件中的一个或多个相机元件背对面向反向的方向(reversefacing direction)。移动相机组件的步骤包括在俯仰或偏航方向上旋转相机组件，使得相机元件面向该面向反向的方向。

附图说明

通过结合附图参考以下详细描述，将更充分地理解本发明的这些和其他特征和优点，在附图中相同的附图标记贯穿不同的视图指代相同的元件。附图说明了本发明的原理，并且虽然未按比例绘制，但显示了相对尺寸。

图1是本发明的手术机器人系统的示意图。

图2A是根据本发明教导的机器人臂子组件的立体图。

图2B是根据本发明教导的相机子组件的立体图。

图3A是根据本发明的教导的支撑支柱的立体侧视图，该支撑支柱形成机器人支撑系统的一部分，该机器人支撑系统由耦接至机器人子系统的手术机器人系统所采用。

图3B-3D是根据本发明教导的耦接到机器人子系统的马达单元的支撑支柱的立体侧视图，其中马达单元采用多个马达元件，并且其中马达元件耦接到相机子组件和机器人臂子组件。

图3E-3G是根据本发明教导的耦接到机器人子系统的马达单元的支撑支柱的立体俯视图，其中马达单元采用多个马达元件，并且马达元件耦接到相机子组件和机器人臂子组件。

图4是根据本发明教导布置在患者体腔内的机器人单元的图示立体图。

图5是根据本发明教导布置在患者体腔内的机器人单元的图示立体图，其中机器人臂和相机组件布置在中立位置(neutral position)。

图6A是根据本发明的教导布置在患者体腔内的机器人单元的图示立体图，其中机器人臂被示为朝向面向后的位置移动。

图6B是根据本发明的教导布置在患者体腔内的机器人单元的图示立体图，其中相机子组件被示为在滚动方向上移动。

图6C是根据本发明的教导布置在患者体腔内的机器人单元的图示立体图，其中相机组件被示为在俯仰方向上移动以便面向后方。

图6D是根据本发明的教导布置在患者体腔内的机器人单元的图示立体图，其中相机组件被示为在可替代的偏航方向上移动以便面向后方。

图7A是本发明的手术机器人系统的相机子组件的替代实施例的立体图。

图7B是根据本发明教导的图7A的相机组件的局部视图，其图示了通过铰接关节实现的旋转轴线。

图8A是本发明的相机子组件的另一个实施例的立体图。

图8B是布置在铰接位置的图8A的相机组件的立体图。

具体实施方式

本发明采用可通过套管针通过单个切口点或部位插入患者体内的手术机器人单元。机器人单元足够小以在体内部署在手术部位，并且在插入时具有足够的调动性以能够在体内移动以便在多个不同点或部位执行各种手术。具体地，机器人单元可以被插入并且相机组件和机器人臂被控制和操纵使得它们在面向后的方向上向后定向。此外，机器人子系统可以耦接到形成机器人支撑系统的一部分的支撑支柱。支撑支柱可以具有多个调节或铰接段，使得它们可以在适当地操纵和定向时赋予机器人单元的一个或多个部件线性运动。

在下面的描述中，阐述了关于本发明的系统和方法以及该系统和方法可以运行的环境的许多具体细节，以提供对所公开的主题的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，所公开的主题可以在没有这些具体细节的情况下实践，并且本领域众所周知的某些特征未被详细描述以避免复杂化并且提高所公开主题的清楚性。此外，应当理解，下文提供的任何示例仅是说明性的，不应被解释为限制性方式，并且本发明人预期可以采用其他系统、装置和/或方法来实现或补充本发明的教导并被认为在本发明的范围内。

虽然本发明的系统和方法可以设计为与一个或多个用作虚拟现实手术系统的一部分的手术机器人系统一起使用，但本发明的机器人系统可以结合任何类型的手术系统被采用，包括例如机器人手术系统、直杆式手术系统和腹腔镜系统。此外，本发明的系统可用于其他非手术系统，其中用户需要访问大量信息，同时控制设备或装置。

本文公开的系统和方法可以与例如在美国专利No.10,285,765和PCT专利申请号PCT/US20/39203中公开的机器人手术设备和相关联系统、和/或与在美国公开号2019/0076199中公开的相机系统结合和使用，其中所有上述专利、专利申请和出版物的内容和教导均通过引用并入本文。构成本发明的一部分的手术机器人单元可以作为手术系统的一部分，该手术系统包括用户工作站、用于与机器人子系统交互并支撑机器人子系统的机器人支撑系统(RSS)、马达单元以及可植入手术机器人单元，该可植入手术机器人单元包括一个或多个机器人臂和一个或多个相机组件。植入式机器人臂和相机组件可以形成单支撑轴线机器人系统的一部分，或者可以形成分臂(SA)架构机器人系统的一部分。

图1是根据本发明教导的手术机器人系统10的示意框图描述。系统10包括显示设备或单元12、虚拟现实(VR)计算单元14、感测和跟踪单元16、计算单元18和机器人子系统20。显示单元12可以是任何选定类型的显示器用于显示由VR计算单元14、计算单元18和/或机器人子系统20生成的信息、图像或视频。显示单元12可以包括或形成例如头戴式显示器(HMD)、屏幕或显示器、三维(3D)屏幕等的一部分。显示单元还可以包括可选的传感器和跟踪单元16A，例如可以在市售的头戴式显示器中找到。感测和跟踪单元16和16A可以包括一个或多个传感器或检测器，该传感器或检测器耦接到系统的用户，诸如例如护士或外科医生。传感器可以耦接到用户的手臂，如果不使用头戴式显示器，则附加传感器也可以耦接到用户的头部和/或颈部区域。这种排布中的传感器由传感器和跟踪单元16表示。如果用户采用头戴式显示器，则眼睛、头部和/或颈部传感器和相关联的跟踪技术可以内置或采用于该设备内，并因此形成可选的传感器和跟踪单元16A的一部分。耦接到外科医生手臂的传感器和跟踪单元16的传感器可以优选地耦接到手臂的选定区域，诸如例如肩部区域、肘部区域、腕部或手部区域，并且如果需要的话可以耦接到手指。根据一种实践，传感器耦接到一对由外科医生操纵的手控制器。传感器生成指示用户所选部分的位置的位置数据。感测和跟踪单元16和/或16A可用于控制相机组件44和机器人子系统20的机器人臂42的移动。由传感器和跟踪单元16的传感器生成的位置数据34可被传送到计算单元18以供处理器22处理。计算单元20可以根据位置数据34确定或计算外科医生手臂的每个部分的位置和/或方向，并将该数据传送到机器人子系统20。根据在替代实施例中，感测和跟踪单元16可以采用耦接到外科医生的躯干或任何其他身体部位的传感器。此外，感测和跟踪单元16除了传感器之外可以采用具有例如加速度计、陀螺仪、磁力计和运动处理器的惯性动量单元(IMU)。附加磁力计是该领域的标准做法，因为磁航向可以减少传感器绕垂直轴的漂移。可替代的实施例还包括放置在诸如手套、手术服或手术服的外科材料中的传感器。传感器可以是可重复使用的或一次性的。此外，传感器可以布置在用户的外部，诸如在诸如手术室的房间中的固定位置。外部传感器可以生成外部数据36，该外部数据可以由计算单元处理并因此被系统10采用。根据另一个实施例，当显示单元12是采用相关联的传感器和跟踪单元16A的头戴式设备时，该设备生成由VR计算单元14接收和处理的跟踪和位置数据34A。此外，如果需要，传感器和跟踪单元16可以包括手控制器。

在显示器是HMD的实施例中，显示单元12可以是虚拟现实头戴式显示器，例如Oculus Rift、Varjo VR-1或HTC Vive Pro Eye。HMD可以为用户提供耦接或安装到用户头部的显示器、允许显示器的聚焦视图的透镜、以及提供显示器的位置和定向跟踪的传感器和/或跟踪系统16A。位置和定向传感器系统可以包括例如加速度计、陀螺仪、磁力计、运动处理器、红外跟踪、眼睛跟踪、计算机视觉、交变磁场的发射和感测，以及跟踪位置和定向中的至少一个的任何其他方法，或其任何组合。众所周知，HMD可以将来自相机组件44的图像数据提供给外科医生的右眼和左眼。为了保持外科医生的虚拟现实体验，传感器系统可以跟踪外科医生头部的位置和定向，然后将数据中继到VR计算单元14，如果需要，还可以中继到计算单元18。计算单元图18还可以进一步调节机器人的相机组件44的摇摄(pan)和倾斜以便跟随用户头部的移动。

如果与HMD相关联，例如与显示单元12和/或跟踪单元16A相关联，则由传感器生成的传感器或位置数据34A可以直接或经由VR计算单元14传送到计算单元18。同样，由系统中的其他传感器生成的跟踪和位置数据34，例如来自可以与用户的手臂和手相关联的感测和跟踪单元16的跟踪和位置数据34可以被传送到计算单元18。位置数据34、34A可由处理器22处理并可存储在例如存储单元24中。跟踪和位置数据34、34A也可由控制单元26使用，其作为响应可生成控制信号用于控制机器人子系统20的一个或多个部分的移动。机器人子系统20可以包括用户工作站、机器人支撑系统(RSS)、马达单元40和可植入手术机器人单元，所述可植入手术机器人单元包括一个或多个机器人臂42和一个或多个相机组件44。可植入机器人臂和相机组件可以形成单支撑轴机器人系统的一部分，诸如在美国专利No.10,285,765中公开和描述的，或者可以形成分臂(SA)架构机器人系统的一部分，诸如在PCT专利申请号PCT/US20/39203所公开或描述的。

控制单元26生成的控制信号可以被机器人子系统20的马达单元40所接收。马达单元40可以包括一系列伺服马达和齿轮，它们配置为单独地驱动机器人臂42和相机组件44。可以控制机器人臂42以跟随由相关联的传感器感测到的外科医生手臂的按比例缩小的移动或运动。机器人臂42可具有可与用户的肩、肘和腕关节以及手指相关联的移动相关联的部分或区域。例如，机器人肘关节可以跟随人手肘的位置和定向，机器人手腕关节可以跟随人手腕的位置和定向。机器人臂42还可以具有与其相关联的端部区域，该端部区域可以终止于跟随用户的一个或多个手指的移动的末端效应器，例如当用户将食指和拇指捏在一起时的食指。当机器人的手臂跟随用户的手臂移动时，机器人的肩膀固定在适当的位置。在一个实施例中，从用户手臂的位置和定向中减去用户躯干的位置和定向。这种减法允许用户在机器人臂不移动的情况下移动他或她的躯干。

机器人相机组件44配置为向外科医生提供图像数据48，例如操作或手术部位的实况视频馈送，以及使外科医生能够致动和控制形成相机组件44一部分的相机。相机组件44优选地包括一对相机70A、70B，其光轴轴向间隔开选定的距离，称为相机间距离，以提供手术部位的立体视图或图像。外科医生可以通过头戴式显示器的移动或通过耦接到外科医生头部的传感器，或通过使用跟踪用户头部或手臂运动的手控制器或传感器来控制相机70A、70B的移动，从而能使外科医生以直观和自然的方式获得所需的手术部位视图。相机可在多个方向上移动，包括例如在偏航、俯仰和滚动方向上，如所知的那样。立体相机的部件可以配置为提供感觉自然和舒适的用户体验。在一些实施例中，可以修改相机之间的轴间距离以调节用户感知的操作部位的深度。

根据一个实施例，相机组件44可以通过外科医生头部的移动而致动。例如，在手术过程中，如果外科医生希望观察位于当前视野(FOV)上方的物体，则外科医生会向上看，这会导致立体相机从用户的视角绕俯仰轴向上旋转。由相机组件44生成的图像或视频数据48可以显示在显示单元12上。如果显示单元12是头戴式显示器，则显示器可以包括内置跟踪和传感器系统16A，其获得用于HMD的偏航、俯仰和滚动方向的原始定向数据以及HMD的笛卡尔空间(x,y,z)中的位置数据。然而，可替代的跟踪系统可用于提供显示器的补充位置和定向跟踪数据，以代替或补充HMD的内置跟踪系统。

由相机组件44生成的图像数据48可以被传送到虚拟现实(VR)计算单元14并可以由VR或图像渲染单元30处理。图像数据48可以包括静止照片或图像数据以及视频数据。VR渲染单元30可以包括合适的硬件和软件，用于处理图像数据，接着渲染图像数据以供显示单元12显示，如本领域已知的那样。此外，VR渲染单元30可以将从相机组件44接收的图像数据与相机组件中相机的位置和定向相关联的信息以及与外科医生头部的位置和定向相关联的信息组合起来。利用该信息，VR渲染单元30可以生成输出视频或图像渲染信号并将该信号传输到显示单元12。也就是说，VR渲染单元30渲染手控制器的位置和定向读数以及头部位置外科医生的信息用于在显示单元中显示，例如在外科医生佩戴的HMD中。

VR计算单元14还可以包括虚拟现实(VR)相机单元38，用于生成一个或多个虚拟现实(VR)相机以在显示单元12中显示的VR世界中使用或放置。VR相机单元38可以在虚拟世界中生成一个或多个虚拟相机，并且系统10可以采用它来渲染头戴式显示器的图像。这确保了VR相机始终呈现与佩戴头戴式显示器的用户看到的立方体贴图相同的视图。在一个实施例中，可以使用单个VR相机，而在另一实施例中，可以采用单独的左眼和右眼VR相机来渲染到显示器中单独的左眼和右眼立方体贴图上，以提供立体视图。VR相机的FOV设置可以自行配置为相机组件44发布的FOV。除了为实时相机视图或图像数据提供上下文背景外，立方体贴图还可用于在虚拟物体上生成动态反射。这种效果允许虚拟物体上的反射表面从立方体贴图上拾取反射，使这些物体在用户看来就像它们实际上在反射真实世界的环境一样。

机器人子系统20可以采用可沿不同或分开的轴线展开的多个不同的机器人臂42A、42B。此外，可以采用多个不同的相机元件70A、70B的相机组件44也可以沿公共分离轴线展开。因此，手术机器人单元采用多个不同的部件，诸如一对分开的机器人臂和相机组件44，它们可沿不同的轴线展开。此外，机器人臂42和相机组件44是可分离操纵、可调动的和可移动的。包括机器人臂和相机组件的机器人子系统20可沿着分离的可操纵轴线布置，并且在本文中被称为分臂(SA)架构。SA架构被设计成通过单个套管针在单个插入点或位置简化和提高机器人手术器械的插入效率，同时协助将手术器械部署到手术准备状态，以及随后的通过套管针的手术器械的移除。举例来说，手术器械可以通过套管针插入以进入患者的体腔并在体内进行操作。在一些实施例中，可以使用各种手术器械，包括但不限于机器人手术器械，以及本领域已知的其他手术器械。

在一些实施例中，本发明的机器人子系统20由具有多个自由度的结构支撑，使得机器人臂42A、42B和相机组件44(例如，机器人单元50)可以在患者体内被调动到单个位置或多个不同的位置。在一些实施例中，机器人子系统20可以直接安装到手术台或手术室内的地板或天花板，或任何其他类型的支撑结构。在其他实施例中，安装通过各种紧固装置实现，包括但不限于夹具、螺钉或其组合。在更进一步的实施例中，支撑结构可以是独立的。支撑结构在本文中被称为机器人支撑系统(RSS)。RSS可以形成整个手术机器人系统10的一部分，该系统可以包括允许外科医生在患者体内执行虚拟手术的虚拟站。

在一些实施例中，手术机器人系统10的RSS可以可选地包括马达单元40，该马达单元40在一端耦接到机器人单元50并且在相对端耦接到可调节的支撑构件或元件。可替代地，如本文所示，马达单元40可以形成机器人子系统20的一部分。马达单元40可以包括齿轮、一个或多个马达、动力传动系统、电子设备等，用于为机器人单元50的一个或多个部件提供动力和驱动。机器人单元50可以选择性地耦接到马达单元40。根据一个实施例，RSS可以包括支撑构件，该支撑构件具有耦接到其远端的马达单元40。马达单元40又可以耦接到相机组件44和每个机器人臂42。支撑构件可以配置和被控制为线性移动，或者在任何其他选择的方向或定向上，移动机器人单元50的一个或多个部件。

马达单元40还可以向机器人单元50提供机械动力、电力、机械通信和电子通信，并且还可以包括可选的控制器，用于处理来自一个或多个系统组件(例如，显示器12、感测和跟踪单元16、机器人臂42、相机组件44等)，并响应于此生成控制信号。马达单元40还可以包括用于存储数据的存储元件。可替代地，马达单元40可以由计算单元18控制。马达单元40因此可以生成用于控制一个或多个马达的信号，这些马达又可以控制和驱动机器人臂42(包括例如每个机器人臂的每个铰接关节的位置和定向)以及相机组件44。马达单元40可以进一步提供平移或线性自由度，其首先用于通过合适的医疗设备插入和移除机器人单元50的每个部件，例如套管针108。当通过套管针108插入到患者100时，马达单元40也可以用于调节每个机器人臂42的插入深度。

图2A和2B说明了本发明的机器人子系统20的选定组件的总体设计。例如，图2A示出了本发明的机器人臂子组件56。所示的机器人臂子组件56包括轴向延伸的支撑构件52，该支撑构件52具有耦接到近端的接口元件54和耦接到相对的远端的机器人臂42A。支撑构件52在机器人臂42A安装到其上时用于支撑机器人臂42A，并且可以进一步用作机械动力、电力和通信的渠道。为了简单起见，仅示出了第一机器人臂42A，尽管第二机器人臂42B或后续机器人臂可以相似或相同。接口元件54配置为连接到马达单元40，以经由支撑元件52从马达单元40传递驱动力和任何相关联信号到机器人臂42A。接口元件可以具有任何选定的形状和尺寸，优选地配置为与马达单元40的马达元件的驱动端接合。在一个实施例中，接口元件54、76可以采用一系列电触点和一系列机械联动设备，例如滑轮，每个都有一个旋转轴线。在另一个实施例中，机械滑轮可各自包括从接口元件的表面突出的阳花键(malespline)。每个阳花键配置为与位于驱动元件上的阴花键(female spline)配合，从而以扭矩的形式提供机械动力的传输。在又一实施例中，滑轮可采用与位于驱动元件上的一个或多个阳花键接合的一个或多个阴花键。在其他实施例中，来自驱动元件的机械能可以通过本领域已知的其他配合类型的表面传递到接口元件。此外，图示的机器人臂42A可包括一系列铰接段58，其形成对应于人手臂关节的关节段。由此，铰接段58可以被构造和组合以提供旋转和/或铰链移动以模仿人手臂的不同部分，诸如肩关节或区域、肘关节或区域以及手腕关节或区域。机器人臂42A的铰接段58被构造成提供电缆驱动的旋转运动，例如，但在合理的旋转限制范围内。铰接段58配置为以最小尺寸提供最大扭矩和速度。在替代实施例中，铰接段58可包括球形关节，从而在单个关节中提供多个，例如两个或三个旋转自由度。

在一个实施例中，每个铰接段58可以相对于相邻铰接段的起始点正交定向。此外，每个铰接段58可以是线缆驱动的并且可以具有与其相关联的用于关节位置跟踪的霍尔效应传感器阵列。在另一个实施例中，铰接段可以包括集成在其中的惯性测量单元或磁跟踪解决方案，例如美国Polhemus提供的那些，以便提供关节位置跟踪或估计。此外，用于传感器的通信线以及机械驱动电缆可以通过支撑构件52的内腔向近侧布线至近侧接口元件54。机器人臂42A还可以包括端部62，该端部62可以与其耦接的一种或多种手术工具，如本领域已知的。根据一个实施例，端部效应器或抓紧器64可以耦接到端部62。端部效应器可以模仿外科医生的一个或多个手指的移动。

图2B说明了本发明的相机子组件78。图示的相机组件可包括轴向延伸的支撑构件74，其具有耦接到近端的接口元件76和耦接到相对的远端的相机组件44。图示的相机组件44可以包括一对相机元件70A、70B。相机组件可以以允许相机组件相对于支撑构件在偏航和俯仰方向上移动的方式连接或耦接到支撑构件74。如图所示，相机元件可以是相对于彼此分离的并且不同的，或者可以安装在共同的外壳中。相机元件70A、70B中的每一个可以分别具有与其相关联的光源72A、72B。光源可以布置在相对于相机元件的任何选定位置。支撑构件74在相机组件44安装到其上时用于支撑相机组件44，并且可以进一步用作机械动力、电力和通信的渠道。接口元件76配置为连接到马达单元40以用于经由支撑元件52从马达单元40传递驱动力和任何相关联的信号到相机组件44。

本发明的相机子组件的替代实施例示于图7A和7B中。图示的相机子组件78A可以包括轴向延伸的支撑构件74A，其具有耦接到近端的接口元件76A和耦接到相对的远端的相机组件44。图示的相机组件44可以包括一对相机元件82A、82B。相机组件44可以以允许相机组件相对于支撑构件移动的方式连接或耦接到支撑构件74A。如图所示，相机元件82A、82B可以相对于彼此是分离的并且不同的，或者可以安装在共同的外壳中。每个相机元件可以分别具有与其相关联的光源84A、84B。光源84A、84B可以布置在相对于相机元件的任何选定位置。支撑构件74A在相机组件44安装到其上时用于支撑相机组件44，并且可以进一步用作机械动力、电力和通信的渠道。接口元件76A配置为连接到马达单元40，以经由支撑元件52将驱动力和任何相关联信号传递到相机组件44。所示的支撑构件74A还可以包括一个或多个铰接关节86允许相机组件44相对于支撑构件74A以多个自由度运动，包括例如以三个自由度运动。相机组件44的多个自由度可以通过铰接关节86来实现。多个自由度可以包括例如绕滚动轴线88A、偏航轴线88B和俯仰轴线88C的移动，如图7B所示。

铰接关节86可以包括例如一系列连续的铰链关节，每个铰链关节都与相邻或先前的关节正交，并且相机组件44可以耦接到最远侧的铰接关节86。这种安置本质上形成蛇形(snake-like)相机子组件可以能够致动铰接关节86，使得相机组件44可以被重新定位和使成角以观察体腔的相对大部分。此外，自由度之一可以包括旋转自由度，其轴线平行于支撑构件74A的纵向轴线。该附加轴线也与其他轴线正交并且可以为相机子组件提供增加的调动性。此外，相机子组件的调动性和定位能力可以通过增加大于三个自由度来增强。在一些实施例中，图示的相机子组件78A可以包括一系列球形或球状的关节，每个单独地实现两个或三个自由度。球关节可以在更小的封装中实现类似的自由度。

相机子组件的又一个实施例示于图8A和图8B。图示的相机子组件78B可以包括轴向延伸的支撑构件74B，其具有耦接到近端的接口元件76B和耦接到相对的远端的相机组件44。所示相机组件44可以不同地配置并且可以包括例如堆叠组件，该堆叠组件包括具有一对相机元件的成像单元130和包括一个或多个光源的照明单元132。相机组件44可以以允许相机组件相对于支撑构件移动的方式连接或耦接到支撑构件74B。支撑构件74B用于在相机组件44安装到其上时支撑相机组件44，并且可以进一步用作机械动力、电力和通信的渠道。接口元件76B配置为连接到马达单元40，以通过支撑元件52将驱动力和任何相关联信号传递到相机组件44。所示的支撑构件74B还可以包括一个或多个铰接关节134允许相机组件44相对于支撑构件74A以多个自由度移动，包括例如以三个自由度移动。相机组件44的多个自由度可以通过铰接关节134实现。相机组件44可以使用铰接关节移动，类似于相机子组件78A。图8B示出了布置在弯曲铰接位置的相机子组件的远端。

机器人臂子组件56、56和相机子组件78能够有多个运动自由度。根据一种实践，当机器人臂组件56、56和相机子组件78通过套管针插入患者内时，子组件能够至少在轴向、偏航、俯仰和滚动方向上移动。机器人臂组件56、56配置为用可选的安装在其远端的末端效应器64来结合并利用多个移动自由度。在其他实施例中，机器人臂组件56、56的工作端或远端被设计成结合和使用其他机器人手术器械。

如图3A-3G所示，马达单元40可以耦接到形成机器人支撑系统(RSS)的一部分的支撑支柱90，该机器人支撑系统又形成本发明的手术机器人系统10的一部分。RSS配置为机械地移动位于患者体腔外部的运动元件，使得围绕或相对于套管针108发生任何运动。RSS因此提供偏航、俯仰和在一些实施例中的绕套管针的滚动方向的移动，使得在操作期间可以向机器人臂子组件和相机子组件提供或传送这些自由度，而不会对患者造成不可逆的伤害。这种运动也可以通过多个元件的机器人协调来提供，或者可以通过机器人臂关节的铰接的模式来强制实行。所示的支撑支柱90可以具有任何选定的形状和尺寸，并且优选地配置为能够移动和操纵机器人子系统20的机器人单元50部分的一个或多个部件。支撑支柱90可以具有主体，该主体具有基座元件92和与其耦接的垂直延伸的支撑梁94。支撑梁94可采用为与其耦接的一组调节元件96提供机械支撑。调节元件96可以经由枢转关节相对于彼此可枢转地移动。本领域的普通技术人员将容易认识到，支撑支柱90可以采用一个或多个调节元件，优选两个或多个调节元件，最优选三个或多个调节元件。在图示的实施例中，调节元件96可以包括第一调节元件96A，其经由第一或近侧枢转关节98A可枢转地耦接到支撑梁94。枢转关节可以采用已知的机械元件的组装，允许第一调节元件96A相对于支撑梁94进行枢转移动。支撑支柱90还可以采用通过第二或中间枢转关节98B耦接到第一调节元件96A的第二或中间调节元件96B。第二枢转关节98B允许第二调节元件96B相对于第一调节元件96A的枢转移动。支撑支柱90还采用第三或远侧调节元件96C，其通过第三或远侧枢转关节98C耦接到第二调节元件96B。第三枢转关节98C允许第三调节元件96C相对于第二调节元件96B的枢转移动。

第三或远侧调节元件96C也可以经由任何选定的机械连接耦接到马达单元40，用于平移或线性移动马达单元。马达单元40可以采用一个或多个驱动元件或马达元件40A-40C来驱动机器人子系统20的一个或多个部件，具体地用于驱动机器人臂子组件56和相机子组件78。具体地，支撑柱90可以配置为在至少两个自由度上，并且更典型地在五个或六个自由度上移动和调节马达单元40的一个或多个马达元件。在一个实施例中，马达单元40可以附接到调节元件96C以调节马达40A-40C的位置并且因此调节耦接到马达的机器人单元的一个或多个部件的位置。马达的线性或平移位置可通过调节元件96A-96C中的一个或多个调节元件经由枢转关节98A-98C的相对于彼此的协作运动来调节。此外，马达元件也可以通过滑动平移运动相对于第三调节元件96C而平移地移动。这种平移移动使得每个运动元件相对于套管针的深度能够彼此独立地控制。在一个实施例中，在第三调节元件96C和每个马达元件之间存在通常为线性轨道的形式的线性自由度，其允许每个马达元件相对于套管针平移地被控制。线性轨道可以存在于马达单元40的不同马达元件之间。例如，可以有将第三调节元件96C连接到相机马达元件的线性轨道，在该线性轨道上有第二和第三线性轨道，每个线性轨道分别连接到第一机器人臂马达元件和第二机器人臂马达元件。

此外，马达40A-40C的位置可以相对于患者在轴向方向上进行调节或者可以以弧形方式移动或者可以在竖直方向上移动。在一个实施例中，多个马达40A-40C可以附接到相同的调节元件96C以用于同时调节马达的位置并因此调节耦接到马达的机器人单元的一个或多个部件的位置，如图3C和图3E-3G所示。在其他实施例中，每个马达都安装到分离的可调节支撑元件以提供对每个马达的独立调节。在其他实施例中，两个或更多个马达可以安装在共同的支撑元件上，而其余马达安装在分离的支撑元件上。

所示的支撑支柱90可以配置为承载任何必要的机械的和电的缆线和连接件。支撑支柱90可耦接到计算单元18或布置成与计算单元18通信以便从其接收控制信号。马达单元40可以耦接到一个或多个马达40A-40C，并且马达单元经由接口元件54、76可以平移或轴向移动相机和机器人臂子组件。调节元件96C可以被调整尺寸和被配置为安装适当尺寸的马达单元40。

在手术期间使用时，诸如外科医生的用户可以在手术室中设置RSS，使得它被布置在适合手术的位置并且被定位使得支撑支柱90和相关联的马达单元40准备耦接到马达单元40。更具体地，马达单元40的马达元件40A-40C可以耦接到相机子组件78和机器人臂子组件56、56中的每一个。如图3A-3G和图4所示，患者100被带入操作室并放置在手术台102上并准备手术。在患者100上做一个切口，以便进入体腔104。然后将套管针设备108或任何类似设备在选定位置处插入到患者100，以提供进入所需体腔104或操作部位的入口。例如，为了进入患者的腹腔，可以将套管针108插入并穿过患者的腹壁。在该示例中，患者的腹部随后被吹入合适的吹入气体，例如二氧化碳。当患者的腹部适当地充气时，然后可以将包括支撑支柱90的RSS调动到患者100和套管针108之上的位置。相机子组件78和一个或多个机器人臂子组件56可以耦接到马达单元40，并且可以被插入到套管针108中，并因此插入到患者100的体腔104中。具体地，相机组件44和机器人臂42A、42B可以通过套管针108单独且顺序地插入到患者100中。顺序插入方法的优点是支持较小的套管针，因此可以在患者身上做较小的切口，从而减少患者遭受的创伤。此外，相机组件44和机器人臂42A、42B可以以任何顺序或以特定顺序插入。根据一种实践，相机组件之后可以是第一机器人臂，然后是第二机器人臂，所有这些都可以插入到套管针108中，并因此插入到体腔104中。

一旦插入患者100体内，机器人单元50的每个部件(例如，机器人臂和相机组件)可以在外科医生的指导下或以自动方式移动到手术准备位置。在一些实施例中，相机组件44可以采用立体相机并且可以配置为与每个机器人臂42A、42B的肩关节等距地定位并且因此在它们之间居中。相机70A、70B和两个肩关节的对齐形成了机器人单元50的虚拟肩部。机器人臂具有至少六个自由度，并且相机组件具有至少两个自由度，因此允许机器人面向选定的方向(诸如如下面进一步详细描述的向左、向右、笔直向前，以及在反转的位置)并在其中工作。

一旦进入患者100体内，机器人臂42A、42B和相机组件44的工作端可以通过调节元件96A-96C、马达元件40A-40C的移动以及机器人臂和相机组件的铰接关节或段58的内部运动的组合来被定位。铰接段58允许机器人臂42的工作端和相机组件44在体腔104内定位和定向。在一个实施例中，铰接段提供患者体内的多个自由度，包括例如在偏航方向、俯仰方向和绕机器人臂的垂直肩部的滚动方向的移动。此外，绕套管针108在偏航方向上的移动有效地将机器人臂的工作端在体腔104中相对于套管针108向左或向右平移。此外，在俯仰方向上绕套管针108移动有效地将患者体内的工作端向上或向下平移或平移到反转的位置。可以轴向或线性方式移动或平移以提供平移自由度的马达元件允许每个工作端沿套管针108的长轴更浅或更深地插入患者体内。最后，铰接关节允许经由末端效应器64对组织或其他任务进行小而灵巧的运动和精细操作。例如，在一个实施例中，与相机组件44相关联的三个铰接关节允许相关联的成像元件定位在最有利位置用于观察手术的操纵或其他所需元件。结合起来，三个铰接关节使外科医生能够偏航和俯仰到任何所需的观察角度，并调节视水平线的角度。不同元件和不同运动的能力的组合产生了一个系统，该系统在非常大的体积内非常灵巧并且给予设备和用户高度的自由度来决定如何接近工作部位并在其中进行工作。根据另一个实施例，每个机器人臂和相机组件都可以通过它们自己独立的套管针插入，并在内部进行三角测量，以便在共同的手术部位进行工作。

本发明的机器人子系统20在手术期间提供了设备的最大灵活性。外科医生可以通过单个切口点在腹腔104内的不同手术位置处操作机器人臂42和相机组件44。手术部位可以包括套管针插入点左侧、套管针插入点右侧、套管针插入点前面或前方的那些部位，并且如果需要的话，在相机组件44后面并“向后”观察套管针插入点。本发明的机器人单元50允许外科医生反转机器人臂42的定向和相机组件44的视点，以便在机器人单元50插入空腔104内时观察置于机器人单元50后面的腹腔的那些部分。也就是说，相机器人组件的视点可以反转以面向后方。同样，机器人臂42的位置可以基于手臂的多个运动自由度而反转。通过具有能够在面向套管针插入部位的同时进行操作的手术机器人单元50，大大增加了整个手术系统10的灵活性，因为机器人单元50可以到达腹腔104内的任何地方。在完全到达的情况下，机器人单元50能够仅通过单个插入部位进行任何操作，这减少了患者的创伤。可以到达并观察插入部位的机器人单元还可以缝合切口点，这将节省手术室环境中的时间和工具使用量。此外，机器人臂也存在类似的能力，其内部至少具有六个自由度，加上与末端效应器相关联的任何自由度。

图4是布置在患者100的腹腔104内的本发明的机器人单元50的一般示意图，其中机器人单元布置在面向后的定向或位置。机器人单元50经过通过切口点110插入的套管针108并进入空腔104。如图所示，根据本发明的教导，相机组件44和机器人臂42布置在面向后方的定向上。支撑支柱90、机器人臂42和相机组件44可以由计算单元18控制以进行或执行移动的组合，例如在轴向、俯仰、滚动和/或偏航方向上的移动或旋转，即定位机器人臂和相机组件以便以足够清晰的视野面向后面向切口点110以进行手术程序。

图5是当最初通过套管针108插入患者的体腔104例如腹腔中时本发明的机器人单元50的示意图。机器人臂42A、42B和相机组件44的图示定位形成机器人单元50的典型或正常操作位置，指示该单元准备好使用。机器人单元50包括一对机器人臂42A、42B，每个机器人臂分别耦接到相应的沿纵轴线延伸的支撑构件52A、52B。机器人臂42A、42B可在多个不同的方向和定向上相对于支撑构件52A、52B移动并且具有对应的肩关节、肘关节和腕关节。所示的机器人臂是相同的并且包括可以如图所示对应于右机器人臂的第一机器人臂42A和可以如图所示对应于左机器人臂的第二机器人臂42B。机器人单元50还包括相机组件44，其采用由一对轴向间隔开的透镜系统形成的一对立体相机70A、70B，并且在所示位置对应于右侧相机元件70A(例如，右侧眼睛)和左相机元件70B(例如，左眼)。相机组件44安装到对应的支撑构件74并且可在多个不同方向上相对于其移动，包括偏航、俯仰和滚动方向。可以使用允许组件在多个不同方向(包括偏航和俯仰方向)上移动的任何选定的机械连接来将相机组件耦接到支撑构件。每个单独的机器人臂42A、42B和相机组件44在切口点110处通过套管针108插入并进入空腔104，并且由沿纵向轴线延伸的它们各自的支撑构件所支撑。

机器人臂42A、42B和相机组件44可以在使用期间由用户例如外科医生操纵。如果用户希望将机器人单元50定位在面向后方(例如，反转)的定向或位置以便观察切口点110或体腔的其他部分，则机器人臂42A、42B和相机组件44可以在多个协调移动中独立地操纵，以便将各个部件移动到面向后的位置。这可以通过机器人臂和相机组件的各种不同的移动来实现。例如，感测和跟踪单元16、16A可以感测外科医生的移动并生成由计算单元18接收和处理的信号。作为响应，计算单元可以生成控制信号来控制机器人臂子组件和相机组件的移动。具体地，用户的手和头的移动由感测和跟踪单元16、16A感测和跟踪，并由计算单元18处理。控制单元26可以生成传送到机器人子系统20的控制信号。作为响应，可以控制包括一个或多个马达或驱动元件的马达单元40以所选的方式驱动或移动相机子组件78和机器人臂子组件56、56。

例如，如果用户希望将机器人单元50定位到向后面向位置，则控制器可以生成适当的指令并将其传输到机器人子系统以进行一系列协调的移动，例如图6A-6D中所示。最初，通过例如一个或多个马达单元和/或支撑支柱90的一个或多个调节元件96的协作和协调移动，相机支撑构件74在轴向方向上远离切口点110移动。远离切口点110，如图6A中箭头A所示。支撑构件74的轴向移动以这样的方式定位相机组件44，使得充分远离机器人臂以允许机器人臂旋转而不受相机组件的不希望的干扰。借助六个自由度，机器人臂42A、42B接着可以在肘关节116处和由机器人臂的相应铰接段58形成的肩关节114处向上和向后旋转选定的量，如箭头B所示。在新的定向和位置，右机器人臂42A有效地变成左机器人臂，而左机器人臂42B有效地变成右机器人臂。支撑支柱90可以采用马达组件40，该马达组件40可以响应于合适的控制信号，在多个不同的方向上移动相机组件44和相关联的相机支撑构件74。相机支撑元件74接着可以在滚动方向上旋转或移动，如图6B中的箭头C所示。在此定向中，相机组件44也被旋转，使得相机元件有效地切换侧面。例如，相机元件70A现在布置在相机组件44的相对侧，同时仍然作为相机组件的“右眼”。类似地，相机70B现在布置在相机组件44的相对侧，同时仍然作为相机组件的“左眼”。此外，在该位置，相机支撑构件74位于相机元件70A、70B的视野之外。相机组件44接着可以在俯仰方向上旋转大约180度，如如图6C中的箭头D所示，使得相机70A、70B的视野现在向后面向切口点110。

根据替代实践，相机支撑构件74可以在滚动方向上移动180度，随后相机组件44在偏航方向上旋转180度，如图6D中的箭头E所示。当相机组件44以这种方式旋转时，相机位置从用户的视角来看是反转的。具体来说，左眼变成右眼，右眼变成左眼。这种错位(misplaced)的眼睛定向可以经由控制器来解决，其可以交换指令，使得原本用于左眼的指令现在被传送到右眼，反之亦然。根据另一种替代实践，相机支撑构件74最初布置在腔内，以便从相机组件的视角来看不会遮挡插入点110的视野，因此仅需要移动或旋转相机。这样，相机组件44可以在偏航方向或俯仰方向上相对于相机支撑构件74移动大约180度。当相机组件44旋转时，从用户的视角看手臂是反转的。具体来说，左臂变成右臂，右臂变成左臂。这种错位的定向可以通过控制器来解决，其可以交换指令，使得原本用于左臂的指令现在被传送到右臂，反之亦然。具体地，可以实施软件校正或重新映射以便处理用于正确的机器人臂和相机元件的命令(例如，要求系统软件重新映射左控制器以驱动右手臂，反之亦然)。此外，可以交换相机元件的视频馈送以便获得希望的结果。

除了相机组件44的移动之外，机器人臂42A、42B也可以移动。例如，机器人臂42A、42B可以旋转以面向后方朝向插入点或部位。机器人臂的旋转运动可以通过在相应的关节处(诸如例如在肩关节114处)旋转臂来实现，使得臂旋转经过相机组件并向后面向套管针108。

根据又一实践，相机组件44可以以如图6B所示的定向(例如，相机组件布置在相机支撑构件74的顶部)插入患者100的体腔104中。如果实施相机组件44的进一步移动，则相机元件将相对于图6C和6D中所示的是反转的。

进一步地，用户可以通过类似的方式调节手臂和相机的关节的相对角度来将机器人单元定位在左面向模式、右面向模式、上面向模式和下面向模式，从而使用户可以在相对于插入部位的所有角度进行操作。这可以通过马达元件的外部偏航、俯仰和滚动进一步增强，以允许机器人单元在体腔内平移放置和移动。

上述手术机器人系统10的一个优点是它具有高度的适应性和调动性，并且使外科医生能够在整个体腔104中移动机器人单元50。此外，机器人单元50可以以许多不同的方式和配置被定向，包括向后朝向插入点110观察。由于机器人单元50可以到达并观察插入点110，该单元还可以缝合切口点110，这节省了手术室环境中的时间和工具使用。

Claims (32)

1.一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括：

计算单元，所述计算单元用于接收用户生成的移动数据并响应于此生成控制信号，

机器人支撑子系统，所述机器人支撑子系统具有支撑支柱，所述支撑支柱包括基座部分、支撑梁，所述支撑梁具有耦接到所述基座的第一端和耦接到多个调节元件中的近侧调节元件的相对的第二端，其中所述多个调节元件被安置和布置为在所述多个调节元件中的相邻调节元件之间以及在所述近侧调节元件和所述支撑梁之间形成枢转关节，以及

机器人子系统，所述机器人子系统具有：

马达单元，所述马达单元具有与其相关联的一个或多个马达元件，其中所述马达单元耦接到所述多个调节元件中的远侧调节元件，以及

机器人单元，所述机器人单元具有相机子组件和多个机器人臂子组件，其中所述相机子组件和所述多个机器人臂子组件耦接到所述马达单元，并且所述马达单元在被致动时在选定的方向上移动所述相机子组件和所述机器人臂子组件之一，

其中，所述多个调节元件中的一个或多个以及相机子组件和所述机器人臂子组件中的一个或多个响应于所述控制信号而移动。

2.如权利要求1所述的手术机器人系统，其中，所述相机子组件包括：

轴向延伸的支撑构件，

接口元件，所述接口元件耦接到所述支撑构件的一端，以及

相机组件，所述相机组件耦接到所述支撑构件的相对端。

3.如权利要求2所述的手术机器人系统，其中，所述接口元件配置为与所述马达单元的一个或多个马达元件接合。

4.如权利要求3所述的手术机器人系统，其中，所述相机组件包括第一相机元件和第二相机元件，所述第一相机元件具有与其相关联的第一光源，所述第二相机元件具有与其相关联的第二光源。

5.如权利要求3所述的手术机器人系统，其中，所述机器人臂子组件中的每一个包括：

轴向延伸的支撑构件，

接口元件，所述接口元件耦接到所述支撑构件的一端，以及

机器人臂，所述机器人臂耦接到所述支撑构件的相对端。

6.如权利要求5所述的手术机器人系统，其中，所述马达单元包括多个马达元件，并且其中所述机器人臂子组件的接口元件中的每一个配置为与所述马达单元的所述多个马达元件中的不同的马达元件接合。

7.如权利要求5所述的手术机器人系统，其中，所述相机子组件的接口元件与所述机器人臂子组件之一的接口元件耦接到相同的马达元件。

8.如权利要求5所述的手术机器人系统，其中，所述马达单元包括多个马达元件，并且其中所述相机子组件的接口元件与所述机器人臂子组件之一的接口元件耦接到所述多个马达元件中的不同的马达元件。

9.如权利要求5所述的手术机器人系统，其中，所述机器人臂具有末端效应器区域，并且其中所述相机组件以及所述第一机器人臂和所述第二机器人臂可以被调整尺寸以及配置为通过插入点插入到患者的腔内，并且其中所述计算单元响应于所述用户生成的控制信号生成由所述第一机器人臂和所述第二机器人臂以及所述相机组件接收的控制信号以用于：

致动所述第一机器人臂和所述第二机器人臂中的每一个以便反转方向使得所述末端效应器区域面向所述插入点，并且

在选定方向上移动所述相机组件，使得所述相机元件面向所述插入点。

10.如权利要求5所述的手术机器人系统，其中，所述机器人臂具有末端效应器区域，并且其中所述相机组件以及所述第一机器人臂和所述第二机器人臂可以被调整尺寸以及配置为通过插入点插入到患者的腔内，并且其中所述计算单元响应于所述用户生成的控制信号生成由所述第一机器人臂和所述第二机器人臂以及所述相机组件接收的控制信号以用于：

定向所述机器人臂使得它们面向横向于所述支撑构件的轴线或与其正交的第一方向，并且

致动所述第一机器人臂和所述第二机器人臂中的每一个以便反转方向，使得所述末端效应器区域面向与所述第一方向基本相反的第二方向。

11.如权利要求5所述的手术机器人系统，其中，所述机器人臂具有末端效应器区域，并且其中所述相机组件以及所述第一机器人臂和所述第二机器人臂可以被调整尺寸以及配置为通过插入点插入到患者的腔内，并且其中所述计算单元响应于所述用户生成的控制信号生成由所述第一机器人臂和所述第二机器人臂以及所述相机组件接收的控制信号以用于：

定向机器人臂使得它们面向第一方向，以及

致动所述第一机器人臂和所述第二机器人臂中的每一个以便反转方向，使得所述末端效应器区域面向与所述第一方向基本相反的第二方向。

12.如权利要求9所述的手术机器人系统，还包括，在将所述相机组件移向所述插入点之前，旋转相机支撑构件，使得所述相机组件布置在所述相机支撑构件上方并且所述相机组件中的一个或多个相机元件背对所述插入点。

13.如权利要求12所述的手术机器人系统，其中，所述计算单元响应于所述用户生成的控制信号生成由所述第一机器人臂和所述第二机器人臂以及所述相机组件接收的控制信号以用于在俯仰方向上旋转所述相机组件，使得所述相机元件面向所述插入点。

14.如权利要求12所述的手术机器人系统，其中，所述计算单元响应于所述用户生成的控制信号生成由所述第一机器人臂和所述第二机器人臂以及所述相机组件接收的控制信号以用于在偏航方向上旋转所述相机组件，使得所述相机元件面向所述插入点。

15.一种用于在体内移动机器人单元的方法，其中，所述机器人单元包括相机子组件、第一机器人臂子组件以及第二机器人臂子组件，所述相机子组件具有耦接到相机轴向延伸支撑构件的相机组件，所述第一机器人臂子组件具有耦接到第一机器人臂轴向延伸支撑构件的第一机器人臂，所述第二机器人臂子组件具有第二机器人臂轴向延伸支撑构件，其中当通过插入点插入患者的腔内时，所述相机组件以及所述第一机器人臂和所述第二机器人臂可以被控制用于：

致动每个机器人臂的至少一个关节以反转方向，使得每个第一机器人臂和第二机器人臂的末端效应器区域面向插入点，以及

在选定方向上移动相机组件，使得相机元件面向插入点。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述机器人单元连接到马达单元，还包括致动所述马达单元以便在线性方向上相对于所述插入部位移动所述机器人单元或所述相机组件。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述马达单元包括多个马达元件，并且其中所述第一机器人臂子组件和所述第二机器人臂子组件的接口元件中的每一个配置为与所述马达单元的所述多个马达元件中的不同的马达元件接合。

18.如权利要求16所述的方法，其中，所述马达单元包括多个马达元件，并且其中所述相机子组件的接口元件与所述第一机器人臂子组件和所述第二机器人臂子组件之一的接口元件耦接到相同的马达元件。

19.如权利要求16所述的方法，其中，所述马达单元包括多个马达元件，并且其中所述相机子组件的接口元件与所述第一机器人臂子组件和所述第二机器人臂子组件之一的接口元件耦接到所述多个马达元件中的不同的马达元件。

20.如权利要求15所述的方法，还包括，在移动所述相机组件之前，旋转相机支撑构件，使得所述相机组件布置在所述相机支撑构件上方并且所述相机组件中的一个或多个相机元件背对所述插入点。

21.如权利要求15所述的方法，其中，移动所述相机组件的步骤包括在俯仰方向上旋转所述相机组件，使得所述相机元件面向所述插入点。

22.如权利要求15所述的方法，其中，移动所述相机组件的步骤包括在偏航方向上旋转所述相机组件，使得所述相机元件面向所述插入点。

23.如权利要求20所述的方法，还包括，在旋转所述机器人臂和相机支撑元件之前，在轴向方向上移动所述相机支撑元件远离切口点。

24.一种用于在体内移动机器人单元的方法，其中，所述机器人单元包括相机子组件、第一机器人臂子组件以及第二机器人臂子组件，所述相机子组件具有耦接到相机轴向延伸支撑构件的相机组件，所述第一机器人臂子组件具有耦接到第一机器人臂轴向延伸支撑构件的第一机器人臂，所述第二机器人臂子组件具有耦接到轴向延伸支撑构件的第二机器人臂，其中当通过插入点插入患者的腔内时，所述相机组件以及所述第一机器人臂和所述第二机器人臂可以被控制用于：

致动所述第一机器人臂和所述第二机器人臂中的每一个上的至少一个关节以反转方向，使得所述第一机器人臂和所述第二机器人臂中的每一个的末端效应器区域面向与插入轴线正交的方向，并且

致动所述相机组件的至少一个关节以在选定方向上移动所述相机组件，使得所述相机元件面向与所述插入轴线正交的方向。

25.如权利要求24所述的方法，其中，所述机器人单元连接到马达单元，还包括致动所述马达单元以便相对于所述插入部位移动所述机器人单元或所述相机组件。

26.如权利要求25所述的方法，其中，所述马达单元包括多个马达元件，并且其中所述第一机器人臂子组件和所述第二机器人臂子组件的接口元件中的每一个配置为与所述马达单元的所述多个马达元件中的不同的马达元件接合。

27.如权利要求25所述的方法，其中，所述马达单元包括多个马达元件，并且其中所述相机子组件的接口元件与所述第一机器人臂子组件和所述第二机器人臂子组件之一的接口元件耦接到相同的马达元件。

28.如权利要求25所述的方法，其中，所述马达单元包括多个马达元件，并且其中所述相机子组件的接口元件与所述第一机器人臂子组件和所述第二机器人臂子组件之一的接口元件耦接到所述多个马达元件中的不同的马达元件。

29.如权利要求24所述的方法，还包括，在移动所述相机组件之前，旋转相机支撑构件，使得所述相机组件布置在所述相机支撑构件上方并且所述相机组件中的一个或多个相机元件背对面向反向的方向。

30.如权利要求24所述的方法，其中，移动所述相机组件的步骤包括在俯仰方向上旋转所述相机组件，使得所述相机元件面向面向反向的方向。

31.如权利要求24所述的方法，其中，移动所述相机组件的步骤包括在偏航方向上旋转所述相机组件，使得所述相机元件面向面向反向的方向。

32.如权利要求24所述的方法，还包括，在旋转所述机器人臂和相机支撑元件之前，在轴向方向上移动所述相机支撑元件远离切口点。

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