CN116322553A - 使用连杆交互感测来激活手动操纵的系统和方法 - Google Patents

Abstract

描述了能够手动操纵的机器人医疗系统。机器人医疗系统可以包括机器人臂和传感器架构。传感器架构可以包括被定位成检测施加在机器人臂上的第一力的一个或多个基于非接头的传感器。机器人医疗系统可以被配置为确定从传感器架构接收到的传感器数据是否满足第一标准。例如，可以根据确定第一力超过第一阈值力来满足第一标准。机器人医疗系统可以被配置为根据确定满足第一标准，将机器人臂从位置控制模式转变到手动操纵模式。

Description

使用连杆交互感测来激活手动操纵的系统和方法

技术领域

本文公开的系统和方法涉及机器人医疗系统，并且更具体地涉及机器人医疗系统的机器人控制臂。

背景技术

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)和非侵入规程(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。

这类机器人医疗系统可包括被配置成在给定医疗规程期间控制医疗工具的移动的机器人臂。为了实现医疗工具的期望位姿，机器人臂可以在设置过程期间被放置成适当位姿。一些机器人使能的医疗系统可以包括臂支撑件(例如，杆)，该臂支撑件连接到机器人臂的相应基部并且支撑机器人臂。

发明内容

在规程开始之前，可能需要操作者(例如，医师助理、医务人员等)将机器人医疗系统的机器人臂和可调式臂支撑件设置成期望的总体配置。在一些情况下，操作者可以在设置期间手动地将一个或多个机器人臂操纵到它们的相应配置(例如，使用导纳模式控制、阻抗模式控制或它们的组合等)，但是操作者必须激活输入控件(例如，按压按钮、激活触摸屏上的用户界面控件等)以便将机器人臂置于手动操纵模式(例如，导纳模式控制、阻抗模式控制等)。在一些情况下，取决于机器人臂相对于操作者的位置和/或取决于输入控制器的位置，操作者在不必过度伸展他/她自己或在手术室走来走去的情况下触及输入控件可能是不方便或困难的。对机器人臂何时以及如何从位置控制模式转变成手动操纵模式的这种限制使得设置过程非常麻烦并且耗时。当操作者在手术室走来走去并且/或者试图从不舒服或不方便的位置触及输入控件时，这也增加了绊倒和与手术室中的其他人或对象碰撞的风险。由于在设置过程期间对操作员施加了显著的操作负担，操作员发生错误的风险也增加。

此外，在手术期间，患者或医护人员可能意外地与未对接的机器人臂接触，从而导致对患者或医护人员的过度的接触力。过度的接触力可能在手术期间对患者或医护人员造成伤害。此外，要求操作者在将机器人臂移开之前移动患者或触及输入控件可能造成与患者或手术室中的另一对象的不期望的碰撞和接触的附加风险。

出于至少这些原因，需要改进的机器人医疗系统。特别地，需要一种机器人医疗系统，该机器人医疗系统感测机器人臂上(例如，机器人臂的连杆、接头等上)的交互，并且基于传感器数据有条件地启用机器人臂的手动操纵模式。

如本文所公开，不是要求操作者触及相对于机器人医疗系统的固定位置处的专用控件，而是利用包括分布在机器人臂的多个区中的传感器的传感器架构来捕获关于操作者如何接触机器人臂和/或与机器人臂交互的传感器数据。基于传感器数据，操作者激活机器人臂的手动操纵模式的意图由机器人医疗系统基于传感器数据对照各种预先建立的标准的评估来计算地确定，使得机器人医疗系统可以根据触摸机器人臂和/或与机器人臂交互的许多不同方式来智能地激活手动操纵模式，操作者可以从机器人医疗系统附近的许多不同位置容易地、方便地并且直观地执行这些方式。因此，减轻了在设置机器人医疗系统时操作者的操作负担，并且提高了使用机器人医疗系统的效率和安全性。

此外，当患者或医护人员在手术期间意外地与未对接的机器人臂接触时，机器人医疗系统自动地激活机器人臂的导纳模式或阻抗模式控件以将臂从接触或碰撞点移开(例如，自动地和/或在手动操纵下)，而不是要求操作者在将机器人臂移开之前移动患者或触及输入控件，使得可以解决患者或医务人员上的过度的接触力。机器人医疗系统可响应于碰撞或接触力和/或力矩超过预设阈值并且/或者响应于操作者直接推动或牵拉机器人臂的连杆和/或接头而激活机器人臂的导纳模式或阻抗模式控件。这有利地提高了手术期间患者和/或操作者的安全性。

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。

根据本公开的一些实施方案，一种机器人系统包括机器人臂。该机器人系统还包括传感器架构。传感器架构包括被定位成检测施加在机器人臂上的第一力的一个或多个基于非接头的传感器。该机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时使得处理器确定从传感器架构接收到的传感器数据是否满足第一标准。根据确定第一力超过第一阈值力来满足第一标准。根据确定满足所述第一标准，包括确定所述第一力超过所述第一阈值力，所述处理器将所述机器人臂从位置控制模式转变到手动操纵模式。

在一些实施方案中，手动操纵模式包括阻抗模式。

在一些实施方案中，所述一个或多个基于非接头的传感器包括组合的力和力矩传感器。

在一些实施方案中，所述一个或多个非接头传感器包括位于所述机器人臂的一对接头之间的至少一个传感器。

在一些实施方案中，所述一个或多个非接头传感器包括位于所述机器人臂的远侧部分中的至少第一传感器。

在一些情况下，该机器人系统还包括安装在所述第一传感器上的工具驱动器，使得所述第一传感器检测由所述工具驱动器施加的力。

在一些情况下，第一传感器是六轴负荷传感器。

在一些实施方案中，所述一个或多个基于非接头的传感器包括位于所述机器人臂的一个或多个连杆上的一个或多个接触传感器。

在一些情况下，接触传感器能够检测施加在机器人臂上的力和力矩。

在一些实施方案中，传感器架构还包括被定位成检测施加在机器人臂上的第二力的一个或多个基于接头的传感器。

在一些情况下，根据确定由所述基于非接头的传感器检测到的所述第一力和由所述基于接头的传感器检测到的所述第二力满足对所述第一力和所述第二力的预设要求组合来满足所述第一标准。存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时使得处理器：根据确定满足所述第一标准，包括确定所述第一力和所述第二力满足对所述第一力和所述第二力的预设要求组合，将所述机器人臂从所述位置控制模式转变到所述手动操纵模式。

在一些实施方案中，存储器进一步存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时使得处理器：在手动操纵模式期间，根据由操作者对机器人臂的物理操纵来生成输出以辅助机器人臂的移动。

在一些实施方案中，存储器进一步存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时使得处理器在手动操纵模式期间监测机器人臂的移动。根据确定所述移动满足第二标准，其中根据确定所述机器人臂在所述手动操纵模式期间的所述移动低于移动阈值水平来满足所述第二标准，所述一个或多个处理器将所述机器人臂从所述手动操纵模式转变到所述位置控制模式。

在一些实施方案中，所述第一标准包括以下要求：所述机器人臂处于未对接配置以便满足所述第一标准。

在一些实施方案中，所述机器人系统还包括输入界面，所述输入界面在由预设输入激活时使得所述一个或多个处理器将所述机器人臂从所述位置控制模式转变到所述手动操纵模式。

在一些实施方案中，所述机器人系统还包括一个或多个附加机器人臂。所述机器人系统还包括输入界面，所述输入界面远程地激活所述第一机器人臂和/或所述附加机器人臂的阻抗控制。

在本公开的另一个方面中，一种机器人系统包括机器人臂。该机器人系统还包括传感器架构。传感器架构包括被定位成检测施加在机器人臂上的力和/或力矩的一个或多个传感器。该机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时使得处理器确定从传感器架构接收到的传感器数据是否满足第一标准。根据确定由所述一个或多个传感器检测到的力超过第一阈值力或根据确定由所述一个或多个传感器检测到的力矩超过第一阈值力矩来满足所述第一标准。根据确定满足所述第一标准，所述处理器将所述机器人臂从位置控制模式转变到手动操纵模式。

在一些实施方案中，所述一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。

在一些实施方案中，所述一个或多个传感器包括多个接触传感器。

在一些情况下，所述机器人臂包括外表面。所述多个接触传感器与覆盖所述机器人臂的所述外表面的壳体接合。

在一些情况下，检测到的力和力矩是由所述多个接触传感器中的相应一个接触传感器检测到的相应力和/或相应力矩的组合。

在一些实施方案中，所述一个或多个传感器包括被定位成远离所述机器人臂的接头的至少基于非接头的传感器。

在一些实施方案中，所述一个或多个传感器包括被定位在所述机器人臂的接头上的至少基于接头的传感器。

在一些实施方案中，手动操纵模式包括阻抗模式。

在一些实施方案中，存储器进一步存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时使得处理器：在手动操纵模式期间，根据由操作者对机器人臂的物理操纵来生成输出以辅助机器人臂的移动。

在一些实施方案中，存储器进一步存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时使得处理器在手动操纵模式期间监测机器人臂的移动。根据确定所述移动满足第二标准，其中根据确定所述机器人臂在所述手动操纵模式期间的所述移动低于移动阈值水平来满足所述第二标准，所述处理器将所述机器人臂从所述手动操纵模式转变到所述位置控制模式。

在一些实施方案中，所述第一标准包括以下要求：所述机器人臂处于未对接配置以便满足所述第一标准。

在一些实施方案中，所述机器人系统还包括输入界面，所述输入界面在由预设输入激活时使得所述一个或多个处理器将所述机器人臂从所述位置控制模式转变到所述手动操纵模式。

需注意，上述各种实施方案可与本文所述的任何其他实施方案组合。在说明书中描述的特征和优点不是全部包含的，并且特别地，考虑到附图、说明书和权利要求书，许多另外的特征和优点对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。此外，应当注意，说明书中使用的语言主要是为了可读性和指导目的而选择的，并且可能不是为了描绘或限制本发明的主题而选择的。

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和/或治疗支气管镜检查规程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示出了被配置成收起机器人臂的示例性系统。

图8示出了被构造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的台与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21示出了根据一些实施方案的示例性机器人系统。

图22示出了根据一些实施方案的示例性机器人系统的另一视图。

图23A和图23B示出了根据一些实施方案的示例性机器人臂的不同视图。

图24A至图24D示出了根据一些实施方案的机器人臂的传感器架构。

图25示出了根据一些实施方案的机器人臂的示例性连杆。

图26A和图26B示出了根据一些实施方案的沿着机器人臂的连杆的传感器分布。

图27示出了根据一些实施方案的与机器人臂的连杆的示例性交互。

图28A和图28B示出了根据一些实施方案的用于手动操纵机器人臂的方法的流程图。

图29示出了根据一些实施方案的用于手动操纵机器人臂的方法的方法900的流程图。

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实施方案是可能的，并且利用所公开的实施方案可实现各种优点。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和/或治疗支气管镜检查规程的基于推车的机器人使能系统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的角度和位置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弯曲到患者的口腔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，可操纵内窥镜13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，可引导内窥镜13以将活检针递送到目标，诸如例如患者肺内的病变或结节。针可沿着工作通道向下部署，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，可沿着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还可包括可动塔30，该可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/台与支撑塔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，机器人臂的接头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或生命体征和系统的操作，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，尽管可以通过单根缆线向推车提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控制、光学、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，该臂安装件沿着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，该狭槽被定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包含竖直平移接口以将托架相对于推车基部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的到达范围以满足多种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独构造的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种构型成角度。

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。狭槽盖可通过被定位在狭槽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，卷轴的弹簧负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可在内部包括机构诸如齿轮和马达，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接头24连接，每个接头包括独立的致动器，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可用的独立自由度。臂12中的每个臂具有七个关节，并且因此提供七个自由度。多个接头导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。冗余的自由度允许机器人臂12使用不同的连杆方位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，同时允许医师使臂接头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、电源以及使得推车能够移动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车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可被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧面接近控制台。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还包括用于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)递送到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，该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可使用被定位在柱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将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者身上的不同进入点中。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。

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提供附加的可构造性。另外，臂安装架45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装架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所述托架的平移的马达。柱37还可将电力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，塔可以向台提供各种支持功能，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。塔还可以是可移动的，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中有更多的储存空间，以用于机器人臂的潜在收起。塔架还可包括主控制器或控制台，该主控制器或控制台提供用于用户输入的用户界面诸如键盘和/或吊塔，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)。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和臂50，并且关闭以收起该托架、该臂安装件和该臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可利用膜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示出了被构造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，以在规程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节，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节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可旋转以匹配倾斜，使得臂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中进行倾斜调节，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，当试图将台定位在特伦德伦伯格卧位(即，将患者的下腹部定位在比患者的下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可被配置成使得其可相对于台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的位置。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，包括容易地将该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可从收起位置升高到台101的上表面下方的位置。在其他实施方案中，可调式臂支撑件105可从收起位置升高到台101的上表面上方的位置。

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，该托架被配置成沿着或相对于支撑台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沿着台的纵向长度平移。

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、杆或轨道连接件111以及杆或轨道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，该第四接头可沿着第四轴线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，该医疗器械可不含任何机电部件，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，其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(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件，同时保持驱动轴与驱动输入件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73可以与器械驱动器75中的驱动输出74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出74传递到驱动输入73。在一些实施方案中，驱动输出件74可包括花键，其被设计成与驱动输入件73上的插孔配合。

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。

来自器械驱动器75的扭矩使用腱沿着轴71向下传递到细长轴71。这些单独的腱(例如，牵拉线)可单独地锚定至器械柄部72内的单独的驱动输入件73。从柄部72，沿着细长轴71的一个或多个牵拉腔向下导向腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处，或锚定在细长轴的远侧部分处的腕部中。在外科规程诸如腹腔镜、内窥镜或混合规程期间，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，在外科规程期间，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，施加在驱动输入件73上的扭矩将沿腱向下传递，从而致使较软的弯曲节段(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/或其间的间隔，其中更紧的螺旋在负载力下呈现较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但也呈现限制弯曲。在另一种情况下，可平行于细长轴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。轴可包括用于将外科工具(或医疗器械)、冲洗件和/或抽吸件部署到轴71的远侧端部处的操作区域的工作通道。轴71还可以容纳线和/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，该光学组件可包括光学相机。轴71也可容纳光纤，以将来自位于近侧的光源(诸如发光二极管)的光载送到轴的远侧端部。

在器械70的远侧端部处，远侧末端还可包括用于将用于诊断和/或治疗、冲洗和抽吸的工具递送到手术部位的工作通道的开口。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，驱动轴的轴线以及因此驱动输入部轴线与细长轴的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚转能力复杂化。沿着细长轴71的轴线滚转该细长轴同时保持驱动输入件73静止会引起当腱从驱动输入件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。此类腱的所得缠结可破坏旨在预测柔性细长轴在内窥镜式规程期间的移动的任何控制算法。

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，并且该电力和控制信号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)，该器械基部包括被构造成接收器械驱动器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中的驱动输入件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被构造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)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联接到柱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，沿着轨道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)被定位在万向支架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的平移自由度或位置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是示出了根据示例性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、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92。定位模块95可处理视觉数据以实现一个或多个基于视觉的位置跟踪。例如，术前模型数据可以与视觉数据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。在操作中，机器人系统可以参考该库，以便将在摄像相机(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移动。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)的移动和位置。

定位模块95可使用实时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手术中“配准”到患者解剖结构(例如，手术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的手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。在手术中，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。

图20所示，定位模块95可使用多个其他输入数据。例如，尽管图20中未示出，但利用形状感测纤维的器械可提供形状数据，定位模块95可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.用于使用连杆交互感测来激活手动操纵模式的系统、装置和方法

本公开的实施方案涉及用于使用连杆交互感测来手动操纵机器人臂的系统、方法和装置。

根据本公开的一些实施方案，一种机器人医疗系统包括一个或多个传感器和/或传感器架构，用于感测机器人臂上(例如，机器人臂的连杆、接头等上)的交互。例如，系统的操作者可以推动和/或抓住机器人臂的一部分。传感器和/或传感器架构检测机器人臂上的交互(例如，力、接触、位移、扭矩等)。根据确定满足预先建立或预先定义的标准，机器人系统可以激活机器人臂的手动操纵(例如，手动操纵模式或随取随用(grab-and-go)模式)，从而使得机器人臂的一个或多个部分或整个机器人臂被移动和/或重新配置。

在设置期间可以期望手动操纵，由此可以移动和/或重新配置机器人臂。在手术期间，当在患者或操作者上存在过度的接触力时，手动操纵可以使得机器人臂能够远离患者和/或操作者移动，从而解决在患者和/或操作者上的过度的力。

A.机器人系统

图21示出了根据一些实施方案的示例性机器人系统200。在一些实施方案中，机器人系统200是机器人医疗系统(例如，机器人手术系统)。在图21的示例中，机器人系统200包括患者支撑平台202(例如，患者平台、台、床等)。沿着患者支撑平台202的长度的两个端部分别被称为“头部”和“腿部”。患者支撑平台202的两侧分别被称为“左”和“右”。患者支撑平台202包括用于患者支撑平台202的支撑件204(例如，刚性框架)。

机器人系统200还包括用于支撑机器人系统200的基部206。基部206包括轮208，轮允许机器人系统能够在物理环境中容易地移动或重新定位。在一些实施方案中，轮208从机器人系统200中省略或者是可回缩的，并且基部206可以直接搁置在地面或地板上。在一些实施方案中，轮208被替换为支脚。

机器人系统200包括一个或多个机器人臂210。机器人臂210可被构造成执行如上文参考图1至图20所述的机器人医疗规程。虽然图21示出了五个机器人臂210，但是应当理解，机器人系统200可以包括任何数量的机器人臂，包括小于五个，或六个或更多个。

机器人系统200还包括支撑机器人臂210的一个或多个杆220(例如，可调式臂支撑件或可调式杆)。机器人臂210中的每个机器人臂通过机器人臂的相应基部接头被支撑在杆220上并且可移动地联接到该杆。在一些实施方案中，并且如图12中所述，杆220可以提供若干自由度，包括提升、侧向平移、倾斜等。在一些实施方案中，机器人臂210和/或可调式臂支撑件220中的每一者也被称为相应的运动链。

图21示出了由位于图的视场中的杆220支撑的三个机器人臂210。其余两个机器人臂由位于患者支撑平台202的另一长度上的另一杆支撑。

在一些实施方案中，可调式臂支撑件220可以被构造成提供机器人臂210中的一个或多个机器人臂的基础位置以进行机器人医疗规程。通过沿着机器人臂210的下面的杆220的长度平移机器人臂210和/或通过经由一个或多个接头和/或连杆调节机器人臂210的位置和/或取向(参见例如图23)，可以相对于患者支撑平台202定位机器人臂。

在一些实施方案中，可调式臂支撑件220可沿着患者支撑平台202的长度平移。在一些实施方案中，杆220沿着患者支撑平台202的长度的平移使得由杆220支撑的机器人臂210中的一个或多个机器人臂与杆同时平移或相对于杆平移。在一些实施方案中，可以平移杆220，同时保持机器人臂中的一个或多个机器人臂相对于机器人医疗系统200的基部206静止。

在图21的示例中，可调式臂支撑件220沿着患者支撑平台202的部分长度定位。在一些实施方案中，可调式臂支撑件220可在患者支撑平台202的整个长度上延伸，以及/或者在患者支撑平台202的部分或全部宽度上延伸。

在机器人医疗规程期间，机器人臂210中的一个或多个机器人臂还可被构造成保持器械212(例如，机器人控制的医疗器械或工具，诸如内窥镜和/或可在手术期间使用的任何其他器械)，并且/或者联接到一个或多个附件，包括一个或多个插管。

图22示出了根据一些实施方案的图21中的示例性机器人系统200的另一视图。在该示例中，机器人医疗系统200包括六个机器人臂210-1、210-2、210-3、210-4、210-5和210-6。患者平台202由在基部206和患者平台202之间延伸的柱214支撑。在一些实施方案中，患者平台202包括倾斜机构216。倾斜机构216可定位在柱214和患者平台202之间，以允许患者平台相对于柱214枢转、旋转或倾斜。倾斜机构216可被构造成允许患者平台202的侧向倾斜和/或纵向倾斜。在一些实施方案中，倾斜机构216允许患者平台202同时进行侧向倾斜和纵向倾斜。

图22示出了处于未倾斜状态或位置的患者平台202。在一些实施方案中，未倾斜状态或位置可以是患者平台202的默认位置。在一些实施方案中，患者平台202的默认位置是如图所示的基本上水平的位置。如图所示，在未倾斜状态下，患者平台202可水平地或平行于支撑机器人医疗系统200的表面(例如，地面或地板)定位。

继续参考图22，在机器人系统200的例示的示例中，患者平台202包括支撑件204。在一些实施方案中，支撑件204包括刚性支撑结构或框架，并且可支撑一个或多个表面、垫或衬垫222。患者平台202的上表面可以包括支撑表面224。在医疗规程期间，患者可被置于支撑表面224上。

图22示出了处于示例性部署配置的机器人臂210和可调式臂支撑件220，其中机器人臂210到达患者平台202上方。在一些实施方案中，由于机器人系统200的使得不同部件能够收起在患者平台202下方的配置，机器人臂210和臂支撑件220可占据患者平台202下方的空间。因此，在一些实施方案中，可能有利的是将倾斜机构216构造成具有低轮廓和/或小体积，以使下方可用于储存的空间最大化。

图22还示出了将用于描述本文所公开的实施方案的某些特征的示例性x、y和z坐标系。应当理解，该坐标系仅出于示例和解释的目的而提供，并且可使用其他坐标系。在例示的示例中，当患者平台202处于未倾斜状态时，x方向或x轴在侧向方向上延伸跨过患者平台202。即，当患者平台202处于未倾斜状态时，x方向跨过患者平台202从一个侧向侧(例如，右侧)延伸到另一个侧向侧(例如，左侧)。当患者平台202处于未倾斜状态时，y方向或y轴沿着患者平台202在纵向方向上延伸。即，当患者平台202处于未倾斜状态时，y方向沿着患者平台202从一个纵向端部(例如，头部端部)延伸到另一个纵向端部(例如，腿部端部)。在未倾斜状态下，患者平台202可以位于x-y平面中或平行于x-y平面，该x-y平面可平行于地板或地面。在例示的示例中，z方向或z轴在竖直方向上沿着柱214延伸。在一些实施方案中，倾斜机构216被构造成通过使患者平台202围绕平行于y轴的侧向倾斜轴线旋转来使患者平台202侧向倾斜。倾斜机构216可被进一步构造成通过使患者平台202围绕平行于x轴的纵向倾斜轴线旋转来使患者平台202纵向倾斜。

B.机器人臂

图23A和图23B示出了根据一些实施方案的示例性机器人臂210的不同视图。

图23A示出了机器人臂210包括多个连杆302(例如，连杆(linkage))。连杆302由一个或多个接头304连接。接头304中的每个接头包括一个或多个自由度(DoF)。

在图23A中，接头304包括位于机器人臂210的基部306处或附近的第一接头304-1(例如，基部接头或A0接头)。在一些实施方案中，基部接头304-1包括允许机器人臂210沿着杆220(例如，沿着y轴)平移的棱柱接头。接头304还包括第二接头304-2(例如，A1接头。在一些实施方案中，第二接头304-2相对于基部接头304-1旋转，并且相对于基部306升高(和/或倾斜)机器人臂210。接头304还包括连接到连杆302-2的一个端部的第三接头304-3(例如，A2接头)。在一些实施方案中，接头304-3包括多个DoF，并且促进连杆302-2相对于接头304-3倾斜和旋转。

图23A还示出了连接到连杆302-2的另一个端部的第四接头304-4(例如，A3接头)。在一些实施方案中，接头304-4包括连接连杆302-2与连杆302-3的肘接头。接头304还包括一对接头304-5(例如，腕滚动接头或A4接头)和304-6(例如，腕俯仰接头或A5接头)，该对接头位于机器人臂210的远端部分上。

机器人臂210的近侧端部可以连接到基部306，并且机器人臂210的远侧端部可以连接到高级装置操纵器(ADM)308(例如，工具驱动器、器械驱动器或机器人端部执行器等)。ADM 308可以被构造成控制医疗器械212(例如，工具、窥镜等)的定位和操纵。

机器人臂210还可以包括插管传感器310，用于检测插管的存在或插管与机器人臂210的接近度。在一些实施方案中，当插管传感器310(例如，经由机器人系统200的一个或多个处理器)检测到插管的存在时，机器人臂210被置于对接状态(例如，对接位置)。在一些实施方案中，当机器人臂210处于对接位置时，机器人臂210可以执行零空间运动以保持插管的位置和/或取向，如以下进一步详细讨论的。相反地，当插管传感器310没有检测到插管时，机器人臂210被置于未对接状态(例如，未对接位置)。

在一些实施方案中，并且如图23A所示，机器人臂210包括输入或按钮312(例如，圆环形按钮，或其他类型的控件等)，该输入或按钮可用于将机器人臂210置于导纳模式中(例如，通过按下按钮312)。导纳模式也被称为导纳方案或导纳控制。在导纳模式下，机器人系统210测量(例如，施加在机器人臂210上的)力和/或扭矩并输出对应的速度和/或位置。在一些实施方案中，机器人臂210可以在导纳模式中由用户手动操纵(例如，在设置规程期间，或在规程之间等)。在一些情况下，通过使用导纳控制，操作者不需要克服机器人系统200中的全部惯性来移动机器人臂210。例如，在导纳控制下，当操作者在臂上施加力时，机器人系统200可测量该力并通过驱动与机器人臂210相关联的一个或多个马达来帮助操作者移动机器人臂210，从而获得机器人臂210的期望速度和/或位置。

在一些实施方案中，连杆302可以可拆卸地联接到医疗工具212(例如，以便于容易地将医疗工具212安装到机器人臂210上以及从机器人臂上拆卸下来)。接头304向机器人臂210提供多个自由度(DoF)，所述多个DoF促进经由ADM 308控制医疗工具212。

图23B示出了机器人臂210的前视图。在一些实施方案中，机器人臂210包括与图23A中的按钮312不同的输入或按钮314(例如，下压按钮)，用于将机器人臂置于阻抗模式(例如，通过单次按压或连续按压并保持按钮)。在该示例中，按钮304位于A4接头304-4和A5接头304-5之间。阻抗模式也被称为阻抗方案或阻抗控制。在阻抗模式中，机器人系统200测量位移(例如，位置和速度的变化)并且输出力以便于机器人臂的手动移动。在一些实施方案中，机器人臂210可以在阻抗模式下由用户手动操纵(例如，在设置规程期间)。在一些实施方案中，在阻抗模式下，操作者对机器人臂210的一个部分的移动可以向后驱动机器人臂210的其他部分。

在一些实施方案中，对于导纳控制，力传感器或负荷传感器可以测量操作者正施加到机器人臂210的力并且以感觉轻的方式移动机器人臂210。导纳控制可能感觉比阻抗控制更轻，因为在导纳控制下，可隐藏机器人臂210的感知惯性，因为控制器中的马达可以帮助加速质量。相比之下，根据一些实施方案，在阻抗控制的情况下，用户负责大多数(如果不是全部)质量加速。

在一些情况下，取决于机器人臂210相对于操作者的位置，可能不方便触及按钮312和/或按钮314以激活手动操纵模式(例如，导纳模式和/或阻抗模式)。因此，在这些情况下，操作者可以方便地触发手动操纵模式而不是通过按钮触发手动操纵模式。

在一些实施方案中，机器人臂210包括单个按钮，该按钮可用于将机器人臂210置于导纳模式和阻抗模式(例如，通过使用不同按压，诸如长按压、短按压、按压并保持等)。在一些实施方案中，通过用户推动臂连杆(例如，连杆302)和/或接头(例如，接头304)并且克服力阈值，机器人臂210可以被置于阻抗模式中。

在医疗规程期间，可能期望机器人臂210的ADM 308和/或与其联接的工具212的远程运动中心(RCM)保持在静态位姿/位置。RCM可以指空间中的点，其中插入医疗工具212的插管或其他进入端口被限制在运动中。在一些实施方案中，医疗工具212包括端部执行器，该端部执行器通过患者的切口或自然孔口插入，同时保持RCM。在一些实施方案中，医疗工具212包括在机器人医疗系统的设置过程期间处于回缩状态的端部执行器。

在一些情况下，机器人系统200可以被构造成在“零空间”内移动机器人臂210的一个或多个连接件302，以避免与附近对象(例如，其他机器人臂)碰撞，而机器人臂210和/或RCM的ADM 308保持在其相应的位姿/位置。零空间可以被视为机器人臂210可以移动的空间，该空间不会导致ADM 308和/或RCM移动，从而保持医疗工具212的位置和/或取向(例如，患者体内)。在一些实施方案中，机器人臂212可以具有可用于ADM 308的每个位姿的多个位置和/或配置。

对于将ADM 308移动到空间中的期望位姿的机器人臂210，在某些实施方案中，机器人臂210可以具有至少六个DoF-三个DoF用于平移(例如，X、Y、Z位置)和三个DoF用于旋转(例如，偏航、俯仰和滚动)。在一些实施方案中，每个接头304可以提供具有单个DoF的机器人臂210，并且因此，机器人臂210可以具有至少六个接头以实现将ADM 308定位在空间中的任何位姿的移动自由度。为了进一步将机器人臂210的ADM 308和/或远程中心或运动保持在期望的位姿，机器人臂210可以进一步具有至少一个附加的“冗余接头”。因此，在某些实施方案中，系统可以包括具有至少七个接头304的机器人臂210，其提供具有至少七个DoF的机器人臂210。在一些实施方案中，机器人臂210可以包括接头304的子集，每个接头具有多于一个自由度，从而实现用于零空间运动的附加DoF。然而，取决于实施方案，机器人臂210可以具有更多或更少数量的DoF。

此外，如图12中所述，杆220(例如，可调式臂支撑件)可提供若干自由度，包括提升、侧向平移、倾斜等。因此，取决于实施方案，机器人医疗系统可以具有比仅在机器人臂210中的自由度更多的机器人控制的自由度，以提供零空间移动和碰撞避免。在这些实施方案中的相应实施方案中，一个或多个机器人臂的端部执行器(以及与其联接的任何工具或器械)和/沿着工具的轴线的远程中心可以有利地保持患者体内的位姿和/或位置。

具有至少一个冗余DoF的机器人臂210具有比用于执行给定任务的最小DoF数量多至少一个DoF。例如，根据一些实施方案，机器人臂210可以具有至少七个DoF，其中机器人臂210的接头304中的一个接头可以被认为是冗余接头。一个或多个冗余接头可以允许机器人臂210在零空间中移动以既保持ADM 308的位姿和RCM的位置又避免与其他机器人臂或对象的碰撞。

在一些实施方案中，机器人系统200可以被构造成通过利用一个或多个冗余接头在零空间中的移动来执行碰撞避免以避免例如相邻机器人臂210之间的碰撞。例如，当机器人臂210与另一机器人臂210碰撞或接近(例如，在限定的距离内)时，系统的一个或多个处理器可以被构造成检测碰撞或即将发生碰撞(例如，通过运动学)。因此，机器人系统200可以控制机器人臂210中的一个或两个机器人臂在零空间内调节其相应的接头，以避免碰撞或即将发生的碰撞。在涉及一对机器人臂的一个实施方案中，机器人臂和其端部执行器中的一者的基部可以保持其位姿，而其间的连杆或接头在零空间中移动以避免与相邻机器人臂碰撞。

C.传感器架构

图24A至图24D示出了根据一些实施方案的机器人臂210的传感器架构。

在一些实施方案中，机器人臂210包括提供传感器数据的传感器架构，该传感器数据用于使得能够激活手动操纵模式。在一些实施方案中，传感器架构包括一个或多个基于接头的传感器(例如，位于接头304处)。在一些实施方案中，传感器架构包括一个或多个基于非接头的传感器。基于非接头的传感器可沿着机器人臂210的连杆302的长度定位和/或定位在ADM 308上。传感器(基于接头和基于非接头两者)检测机器人臂210与外部对象(例如，操作者、患者、另一机器人臂、外科工具和/或下面的杆220)之间的交互。

在一些实施方案中，基于接头的传感器包括接头传感器402(例如，A0接头传感器)。在图24A的示例中，A0接头传感器402位于接头304-1(例如，基部接头或A0接头)上，靠近机器人臂210的基部306。在一些实施方案中，A0接头传感器402包括力传感器，该力传感器允许在机器人臂210的近侧端部上检测交互力。在一些实施方案中，A0接头传感器402用作用于将机器人臂210从位置控制模式转变到手动操纵模式(例如，阻抗模式、导纳模式、随取随用模式等)的激活检测。

在一些实施方案中，传感器架构包括位于机器人臂210的其他接头上的其他基于接头的传感器(例如，位于A1接头304-2、A2接头304-3、A3接头304-4等上的传感器)。

在一些实施方案中，传感器架构还包括六轴负荷传感器404。六轴负荷传感器404具有测量六个方向上的力的能力，这意味着它可以测量X、Y和Z轴以及围绕每个轴的旋转。换句话说，六轴负荷传感器404是能够感测(例如，检测和测量)多个方向上的力和力矩的力和力矩(例如，扭矩)传感器。

在一些实施方案中，并且如图24A所示，六轴负荷传感器404位于臂210的远侧部分上的一对接头之间(例如，A4接头304-5与A5接头304-6之间)。六轴负荷传感器404可用作工具驱动器(例如，ADM 308)的支撑安装件。因此，六轴负荷传感器404可测量将在机器人臂210的远侧上(例如，通过工具驱动器)检测到的力和/或力矩。在一些实施方案中，六轴负荷传感器404在没有连杆(例如，没有连杆302-4)的情况下直接位于A4接头304-5和A5接头304-6之间。

在一些实施方案中，传感器架构还包括接触传感器408(例如，壳体传感器)。尽管图24B的示例示出了十四个接触传感器(例如，408-1至408-14)，但是应当理解，机器人臂210可以包括任何数量的接触传感器408。在一些实施方案中，接触传感器408包括力和/或力矩传感器，并且可以检测(例如，测量)多个方向上的力和/或力矩。在一些实施方案中，壳体传感器408沿着连杆302的长度定位，该连杆诸如机器人臂210的近侧部分上的连杆和/或远侧部分上的连杆。

在一些实施方案中，接触传感器408位于机器人臂210的已知在手术期间经常与患者碰撞的区域中。图24C示出了机器人臂210的远侧部分的三个视图，在该视图中，具有与患者碰撞的相对较高可能性的区410被遮蔽。图24D示出了机器人臂201的近侧部分(例如，在图24C中机器人臂210的远侧部分的近侧)的三个视图，在该视图中，具有与患者碰撞的相对较高可能性的区412被遮蔽。

使用图24C(i)中的区410-1作为示例，在一些实施方案中，ADM 308包括检测ADM308处或附近的交互的一个或多个接触传感器408。在一些实施方案中，根据确定测量到的力和/或力矩超过相应阈值，在机器人臂210上激活手动操纵模式。此外，到手动操纵模式的转变可以是根据确定机器人臂210未对接。另外和/或另选地，在一些实施方案中，与ADM的交互(例如，力和力矩)可由其上安装有ADM的六轴负荷传感器404(直接地或间接地)检测。

图25示出了根据一些实施方案的机器人臂210的示例性连杆302。

在一些实施方案中，并且如图25所示，连杆302包括刚性壳体502、结构连杆504、结构盖506、第一接头508(例如，图23中的As2接头304-2)、第二接头510(例如，图23中的A3接头304-3)、一对反应桨512以及壳体盖514(例如，装饰盖)。结构盖506可以附接到结构连杆504以容纳结构连杆504的部件，并且在第一接头508与第二接头510之间形成内部结构连接。

在一些实施方案中，壳体502用于检测机器人臂210上的(例如，通过外部对象的)接触。例如，壳体502连同壳体盖514悬挂在结构连杆504上方并且围绕该结构连杆。壳体502与连杆302的内部部件/构件(例如，结构连杆504和结构盖506)之间的相对运动可使用沿着连杆302的长度设置的一个或多个传感器(例如，接触传感器408)来检测，以确定与外部对象的接触。

在一些实施方案中，接触传感器408(例如，壳体传感器)中的一个或多个接触传感器被策略性地设置在沿着连杆302的长度的不同方位处，位于结构连杆504与连杆302的壳体502之间。例如，壳体502可经由传感器408悬挂在结构连杆504上方。

在一些实施方案中，接触传感器408沿着连杆302的长度均匀地分布。在一些实施方案中，接触传感器408可以沿着连杆302的长度随机地分布。另选地，在一些实施方案中，更多数量的传感器408可以位于连杆302的特定区域中(例如，在已知与外部对象具有更多接触的区域中)。在一些实施方案中，不管传感器408的分布，因为壳体502围绕结构连杆504，所以当连杆302接触外部对象时，该对象将与壳体502接触。因此，力和/或力矩感测接触传感器408可以检测壳体502与外部对象之间的接触。传感器408还可以测量在壳体502与结构连杆504之间的所有方向上的力和/或扭矩的变化，该变化是由连杆302与外部对象接触所引起的。

在一些实施方案中，可以使用一个或多个传统负荷传感器、力感测电阻器和/或能够(例如，在与弹簧组合时)感测力、力矩和/或位移的任何部件来代替接触传感器408(或除了该接触传感器之外还使用一个或多个传统负荷传感器、力感测电阻器和/或能够感测力、力矩和/或位移的任何部件)，用于检测与外部对象的交互。。

如本文所用，除非上下文另外清楚地指示，否则壳体504和壳体盖514可以共同地被简称为“壳体”504，而结构连杆504和结构盖506可以共同地被简称为结构连杆504或可操纵连杆(例如，连杆302)。

图26A和图26B示出了根据一些实施方案的沿着机器人臂210的连杆的传感器分布。

图26A(i)和(ii)分别示出了根据一些实施方案的连杆600的一个端部的示例性侧视图和前视图。在一些实施方案中，连杆600对应于机器人臂210的近侧连杆(例如，图23中的连杆302-2)。在此示例中，连杆600的一个端部包括七个接触传感器(例如，408-1至408-7)。在一些实施方案中，因为连杆600(例如，连杆302-2)可以在两个端部处基本上对称，因此在连杆600中总共有十四个传感器408。

图26B(i)和(ii)分别示出了根据一些实施方案的连杆650的示例性侧视图和前视图。在一些实施方案中，连杆650对应于机器人臂210的远侧连杆(例如，图23A中的连杆302-3)。在此示例中，在连杆650中包括十二个接触传感器408。

在图26A和图26B中，传感器408在不同方向上取向。在一些实施方案中，传感器408中的每个传感器是单独的力传感器(例如，单轴力传感器)，并且机器人系统200组合所有传感器以输出集中的(例如，组合的)力和力矩值。因此，通过将传感器定位在如图26和图27所示的各种取向上，可以检测所有方向上的力和/或力矩。

尽管图26A和图26B示出了各自包括多个接触传感器408的连杆302的实施方案，但是在一些实施方案中，连杆302可以包括被配置为在多个方向上感测结构连杆504与壳体502之间的力和/或扭矩和/或位移的单个传感器。在一些实施方案中，使用从传感器408接收到的信号，机器人系统200可以检测壳体502与外部对象之间的接触的方向。机器人系统200还可以基于来自传感器408的信号来测量由壳体502与外部对象之间的接触引起的力的大小。基于传感器408的放置，机器人系统200还可以检测施加到连杆302的扭矩(例如，力矩)。例如，如果将力施加到壳体502，则(例如，连杆302-2或连杆302-3的一个端部上的)某些传感器408可被压缩。基于被压缩的传感器408的位置和由该传感器感测的力，机器人系统200可确定施加到连杆302的扭矩。

在一些实施方案中，上述基于接头的传感器(例如，基于接头的传感器402)和基于非接头的传感器(例如，位于连杆302中和/或高碰撞区域中的六轴负荷传感器404和接触传感器408)的组合提供了用于激活机器人臂210上的手动操纵(例如，阻抗模式)的独特传感器架构。

在一些情况下，用户可以在设置期间在机器人臂210上施加力以移动机器人臂210(例如，诸如在随取随用模式下)。在这种情况下，用户可以简单地在机器人臂210上施加力，而不是触及输入按钮(例如，图23中的按钮312和/或按钮314)。如果上述传感器中的任一个传感器或任一组传感器测量到当机器人臂210未对接时高于预定阈值的力，则处理器将把机器人臂210设定为手动操纵模式(例如，阻抗模式)，从而允许手动操纵机器人臂210。在一些实施方案中，在手动操纵模式期间，处理器保持(例如，重复地、连续地等)监测机器人臂210的接头移动。在一些实施方案中，根据确定接头速度在预定义时间段内低于预定义阈值，处理器退出手动操纵模式。根据退出手动操纵模式，机器人臂210然后被设定成位置控制模式以保持其当前位置。

另选地，在一些实施方案中，在外科规程期间，力可能来自患者。在这种情况下，如果上述传感器中的任一个传感器或任一组传感器测量到高于预定阈值的力，则机器人臂210可被转换成手动操纵模式，其中操作者可从接触对象移动臂(或其一部分)以减小接触力，从而提高患者安全性。

D.使用接触传感器与连杆的示例性交互

图27A至图27D示出了根据一些实施方案的与机器人臂210的连杆的示例性交互。

图27A示出了外部对象(例如，用户)在机器人臂302的连杆210-2上的接触。该接触包括在连杆302-2上的力704并且被定位在区702周围。例如，力704可以表示由用户在机器人臂210上的随取随用动作产生的力。

在一些实施方案中，并且如图25和图26中所讨论的，连杆302-2包括沿着连杆302-2的长度分布的接触传感器408。在一些实施方案中，根据图26A所示的示例，连杆302-2对应于近侧连杆，并且包括分布在连杆302-2中的多个(例如，14个)接触传感器408。

在一些实施方案中，连杆302-2中的传感器408中的每个传感器包括力传感器。如图25中所讨论的，因为壳体502围绕结构连杆504并且传感器408位于壳体502与结构连杆504之间，所以即使传感器不与对象直接接触，传感器408也能够检测外部对象对壳体502的力。在一些实施方案中，传感器408中的每个传感器测量并输出相应的力测量结果，如图27B所示。在一些实施方案中，机器人系统200(例如，经由一个或多个处理器)根据力分布确定是否触发手动操纵模式。

在一些实施方案中，连杆302-2中的传感器408中的每个传感器包括力矩传感器。力矩传感器中的每个力矩传感器(除了直接位于接触点之上或之下的传感器)测量并输出相应的力矩测量结果，如图27C所示。

在一些实施方案中，机器人系统200的一个或多个处理器可以组合传感器408的至少子集的力和/或力矩测量结果以产生组合的力输出和/或组合的力矩输出。图27D是连杆302-2的示例性力和力矩图，其中在连杆302-2的每一端部处的传感器408的力和力矩测量结果已被组合。在此示例中，来自位于连杆408-2的端部706附近的传感器408(例如，传感器408-1至302-7)的力测量结果被组合以产生组合的力Fx_A、Fy_A和Fz_A。力矩测量结果被组合以产生组合的力矩Mx_A、My_A和Mz_A。来自位于连杆302-2的端部708附近的传感器408(例如，传感器408-8至408-14)的力测量结果被组合以产生组合的力Fx_B、Fy_B和Fz_B。力矩测量结果被组合以产生组合的力矩Mx_B、My_B和Mz_B。

在一些实施方案中，类似的分析适用于机器人臂210的包括传感器408的远侧连杆(例如，连杆302-3)。在一些情况下，根据图26B所示的示例，远侧连杆可以包括分布在连杆302-3中的多个(例如，12个)接触传感器408。

在一些实施方案中，机器人臂210包括位于机器人臂210的多个连杆上的接触传感器(例如，机器人臂210包括位于连杆302-2和连杆302-3上的接触传感器408)。在这种情况下，机器人系统200可以使用来自位于多个连杆上的各种传感器的传感器数据来确定是否将机器人臂210转变到手动操纵模式。

E.激活对一个或多个机器人臂的手动操纵的示例性方法和系统

图28A和图28B是根据一些实施方案的用于激活机器人臂的手动操纵的方法800的流程图。

在一些实施方案中，方法800由机器人系统(例如，如图21和图22所示的机器人系统200，或另一机器人医疗系统等)的一个或多个处理器根据存储在机器人系统的存储器中的指令来执行。在一些实施方案中，机器人系统是用于对患者执行医疗规程的机器人医疗系统或机器人手术平台。

在一些实施方案中，机器人系统包括机器人臂(例如，机器人臂210，或可在位置控制模式、速度控制模式和一个或多个手动操纵模式等中操作的另一类型的机器人臂)。在一些实施方案中，机器人臂可以是机器人系统的两个或更多个机器人臂中的第一机器人臂(例如，机器人臂210-1、210-2、210-3等中的第一机器人臂210-1，如图22所示)。在一些实施方案中，机器人臂可以是机器人系统的单个机器人臂。

在一些实施方案中，机器人系统还包括传感器架构(例如，如参考图24、图25和图26描述的机器人臂的传感器架构，以及可选地，分布在机器人系统上和/或周围的各种位置处的附加传感器)。传感器架构包括被定位成检测施加在机器人臂上的第一力的一个或多个基于非接头的传感器。关于基于非接头的传感器的进一步细节在下文中并且关于图24至图27讨论。

参考图28A，在一些实施方案中，方法800包括确定(802)从传感器架构接收到的传感器数据是否满足第一标准。在一些实施方案中，根据确定第一力(例如，施加在机器人臂上并且由传感器架构检测到的力)超过第一阈值力来满足(804)第一标准。在一些实施方案中，方法800还包括：根据确定满足第一标准，包括确定第一力超过第一阈值力，将机器人臂从位置控制模式转变(806)到手动操纵模式。

在一些实施方案中，第一标准包括用于基于从传感器架构接收到的各种类型的传感器数据来确定是否将机器人系统200切换到手动操纵模式的标准。可选地，在一些实施方案中，传感器数据可以与对机器人臂的状态的其他要求和/或其他安全和操作条件结合使用，该其他要求和/或其他安全和操作条件被共同地用于确定是否满足第一标准。

在一些实施方案中，第一标准包括以下要求：机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)处于未对接配置。在一些实施方案中，当机器人臂的远侧端部未固定到插管时，机器人臂被认为处于未对接配置。在一些实施方案中，在手术之前的设置阶段期间，操作者可以激活阻抗模式以将未对接的机器人臂设置到期望的位置或配置中，和/或将未对接的机器人臂移开以为机器人系统附近的其他机器人臂或人(例如，患者、医务人员等)创造空间。在一些实施方案中，在手术期间，机器人系统的一个或多个臂可以对接，并且操作者可以将未对接的臂移开以为医务人员腾出空间。在一些实施方案中，当患者支撑平台202的配置在手术期间改变时，操作者可调节未对接的臂的位置以适应机器人系统的改变的配置。在一些实施方案中，未对接的机器人臂可能在手术期间意外碰到患者(例如，与患者接触)并且在患者上施加力，并且将未对接的机器人臂移动远离患者是更安全的。在任何上述情形中，根据从传感器架构接收到的传感器数据转变到手动操纵模式而不是激活位于相对于机器人系统的固定位置处的专用控制装置或接口使得上述任务更容易由操作者执行，并且对于患者更安全。

在一些实施方案中，第一阈值力是从值的范围(例如，30牛顿-70牛顿)中选择的预设值(例如，30牛顿、50牛顿、65牛顿等)。在一些实施方案中，第一阈值力是操作者配置的和/或操作者可配置的力阈值。在一些实施方案中，根据满足其他条件来满足第一标准，而不需要第一力超过第一阈值力。例如，根据确定施加在机器人臂上的第一力矩超过阈值力矩或者根据确定用户与机器人臂的一个或多个连杆之间的接触面积超过阈值接触面积来满足第一标准，而不需要第一力超过第一阈值力。

在一些实施方案中，在位置控制模式下，机器人臂的位置相对于机器人系统的预选部分(例如，机器人系统200的可调式臂支撑件220、患者支撑平台202或基部206等)固定。

在一些实施方案中，手动操纵模式可以包括非动力辅助手动操纵模式或动力辅助手动操纵模式，诸如阻抗模式或导纳模式。根据一些实施方案，手动操纵模式还可以包括一种模式，在该模式下，可通过在机器人臂的一个或多个部分上手动地推动、牵拉和/或扭转来移动和/或重新配置机器人臂。

在一些实施方案中，方法800可以还包括：根据确定不满足第一标准，包括确定第一力不超过第一阈值力，放弃将机器人臂从位置控制模式转变到手动操纵模式，并且将机器人臂保持在位置控制模式下。

在一些实施方案中，手动操纵模式包括阻抗模式。在一些实施方案中，在阻抗模式(例如，阻抗控制)下，机器人系统200测量位移(例如，(例如，机器人臂或其一部分的)位置和速度的变化)并且输出力以控制机器人臂210的移动。在一些实施方案中，在阻抗控制下，操作者对机器人臂210的一个部分的手动移动可以使得一个或多个处理器驱动机器人臂210的其他部分的移动。

在一些实施方案中，一旦机器人臂210转变出位置控制模式并进入阻抗模式，一个或多个处理器就可以停止保持机器人臂210的固定位置，允许机器人臂210被操作者施加在机器人臂210上的力和力矩移动，使得根据机器人臂的移动输出力以抵消操作者的力和力矩，和/或驱动机器人臂的未由操作者直接接触的其他部分的移动。

在一些实施方案中，一个或多个处理器可以引起一个或多个其他机器人臂的自动移动以避免与机器人臂碰撞。

在一些实施方案中，手动操纵模式包括导纳模式(例如，导纳控制)。在一些实施方案中，在导纳模式下，机器人系统测量由操作者施加在机器人臂上的力和/或扭矩，并且输出用于驱动机器人臂的移动的对应速度和/或位置。

在一些实施方案中，一旦机器人臂转变出位置控制模式并进入导纳模式，一个或多个处理器就可以停止保持机器人臂的固定位置，根据由操作者施加在机器人臂上的力和力矩移动机器人臂，和/或驱动机器人臂的未由操作者直接接触的其他部分的移动。在一些实施方案中，一旦机器人臂转变出位置控制模式并进入导纳模式，一个或多个处理器就可引起一个或多个其他臂的自动移动以避免与机器人臂碰撞。

再次参考图28A，在一些实施方案中，传感器架构还包括(808)被定位成检测施加在机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)上的第二力的一个或多个基于接头的传感器。例如，根据一些实施方案，基于接头的传感器可以位于机器人臂的近侧端部上(例如，靠近机器人臂的基部，诸如A0接头传感器402)。根据一些实施方案，基于接头的传感器也可以位于两个相邻连杆之间的接头上(例如，两个相邻连杆302-2和302-3之间的A3接头304-4中的传感器)。在一些实施方案中，根据确定由基于非接头的传感器检测到的第一力和由基于接头的传感器检测到的第二力满足对第一力和第二力的预设要求组合来满足(810)第一标准。在一些实施方案中，根据确定满足第一标准将机器人臂从位置控制模式转变到手动操纵模式包括(812)：根据确定满足第一标准，包括确定第一力和第二力满足对第一力和第二力的预设要求组合，将机器人臂从位置控制模式转变到手动操纵模式。

在一些实施方案中，并且如图28B中所述，方法800还包括：在手动操纵模式期间，根据由操作者对机器人臂的物理操纵来生成(814)输出以辅助机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)的移动。例如，在一些实施方案中，机器人系统200的一个或多个处理器可以生成控制信号形式的输出，以控制致动器、马达和/或齿轮的力(例如，具有受控幅度和/或方向的力)和/或移动(例如，具有受控距离、速度和/或方向的移动)的输出，以辅助操作者物理操纵机器人臂。

如图28B中进一步所述，方法800还包括在手动操纵模式期间监测(816)机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)的移动。例如，处理器可以在手动操纵模式期间连续地监测或周期性地检查机器人臂的移动，包括检查接头和/或机器人臂作为整体的移动。在一些实施方案中，处理器在手动操纵模式期间依赖于从传感器架构的位置和位移传感器接收到的传感器数据来监测机器人臂的移动。

在一些实施方案中，并且如图28B中所述，方法800还包括：根据(818)确定移动满足第二标准，其中根据确定在手动操纵模式期间机器人臂的移动低于移动阈值水平来满足第二标准，将机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)从手动操纵模式转变到位置控制模式。

在一些实施方案中，第二标准包括用于基于从传感器架构接收到的移动数据来确定是否切换回位置控制模式的标准。可选地，在一些实施方案中，移动数据与对机器人臂的状态的其他要求和/或其他安全和操作条件结合使用以确定是否满足第二标准。

在一些实施方案中，当在阈值时间量期间移动小于阈值移动量时，和/或当在阈值时间量内未检测到移动时，一个或多个处理器确定手动操纵模式的移动低于阈值移动水平。

在一些实施方案中，将机器人臂从手动操纵模式转变到位置控制模式包括停用手动操纵模式。例如，在一些实施方案中，当处理器检测到接头和/或机器人臂210的速度在预定义时间段内低于预定义阈值时，机器人控制器退出阻抗模式。这将机器人臂210设定回位置控制模式以保持其当前位置。

继续参考图28B，在一些实施方案中，机器人系统(例如，机器人系统200，或另一机器人医疗系统或机器人外科平台等)还包括(820)输入界面。方法800包括检测(822)通过预设输入对输入界面的激活。方法800还包括根据预设输入对输入界面的激活，将机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)从位置控制模式转变(824)到手动操纵模式。

在一些实施方案中，输入界面可以包括按钮、触敏显示器、具有显示器的触摸板、拉杆或开关。预设输入可以包括在输入界面上的按压输入、轻拂或轻击)。

在一些实施方案中，输入界面可被激活的方位相对较小并相对于机器人系统的一部分固定(例如，固定到机器人臂的远侧端部、固定到患者支撑平台的边缘上的小区域、位于附接到患者支撑平台的头部的悬垂控件上等)，使得当操作者位于机器人系统附近的不同区域处时，该输入界面可能不在操作者的伸手可及的范围内。

在一些实施方案中，仅单一类型的输入可用于激活输入界面以使得转变成手动操纵模式。这与手动操纵模式的基于传感器的激活可以如何工作截然不同。例如，根据各种实施方案，传感器提供遍及沿着机器人臂的接头和连杆的可行输入区域，因此不要求用户触及机器人臂的特定固定部分。此外，在一些实施方案中，来自基于接头的传感器和基于非接头的传感器的传感器数据被组合地分析以确定操作者与机器人臂210的交互，并且作为整体被评估以确定是否满足用于激活手动操纵模式的标准。以这种方式，不要求操作者提供具有严格的不让步要求的单一类型的输入，诸如用于按钮、开关或触摸屏的那些输入。

在一些实施方案中，用户可以基于他/她自己的当前位置和舒适度自适应地使用不同种类的手部姿势、臂配置、不同身体部位和/或力与扭矩的不同组合来激活手动操纵模式。例如，操作者可以使机器人臂的两个连杆朝向彼此弯曲、扭转机器人臂的远侧端部、抵靠可调式臂支撑件向下推动机器人臂、推动连杆、牵拉连杆、抓住一个连杆并且使用他/她的肩部推动另一个连杆或接头等，以取决于机器人臂与操作者之间的当前空间关系来激活手动操纵模式。处理器将基于传感器数据是否满足预设标准来作出反应以激活手动操纵模式，而不管使用以上方法中的哪一种方法。此外，当患者以足够的力斜靠或意外碰到机器人臂的任何部分时，处理器将激活手动操纵模式并将机器人臂移开(例如，而不是要求医护人员按压按钮或将患者或机器人臂移开等)以提高患者安全性。

如前所述，根据一些实施方案，方法800可由包括机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)和传感器架构的机器人系统执行。在一些实施方案中，机器人系统包括传感器架构(例如，关于图24、图25和图26所述的传感器架构)。在一些实施方案中，传感器架构包括一种或多种类型的传感器，诸如力传感器、接触传感器、压力传感器、力矩传感器、位移传感器(例如，角和/或平移位移传感器)和/或位置传感器。传感器被定位成检测并且可选地测量由机器人臂或其一部分所经历的接触、力矩、力和/或位移。在一些实施方案中，传感器架构包括与机器人臂集成(例如，附着到机器人臂、机器人臂的一部分、包括在机器人臂内、在机器人臂的表面上、附接到机器人臂、嵌入在机器人臂的表面下、安装在机器人臂的部分之间(例如，在相邻连杆之间、在相邻接头之间、在表面盖与结构连杆之间等)、安装在机器人臂的端部处、在机器人臂的连杆(例如，连杆302)上或内和/或在机器人臂的接头(例如，接头304)上或内)的传感器。在一些实施方案中，传感器架构可以包括用于将传感器数据从传感器传送到一个或多个处理器的其他部件。传感器数据可以包括传感器参数，诸如力、接触、力矩、位移、移动和/或位置等。传感器参数还可以包括值，诸如感测参数的方位、感测参数的大小、感测参数的定时和/或持续时间。

在一些实施方案中，传感器架构包括一个或多个基于非接头的传感器(例如，位于机器人臂的在两个相邻接头之间的连杆上或内的基于非接头的传感器，如图23和图24所示)。根据本公开的一些实施方案，非接头传感器可被定位成检测施加在机器人臂上的第一力。

在一些实施方案中，一个或多个基于非接头的传感器可以位于机器人臂的在两个相邻接头之间的连杆上或内。例如，参考图23和图24，一个或多个基于非接头的传感器可以位于A2接头304-3与A3接头304-4之间的连杆302-2内，并且/或者位于A3接头304-4与A4接头304-5之间的连杆302-3内，并且/或者位于A4接头304-5与A5接头304-6之间的连杆302-4内。

在一些实施方案中，基于非接头的传感器可以位于两个相邻接头之间，该两个相邻接头之间不具有连杆。例如，在图24A中，六轴负荷传感器404可在接头之间不存在连杆302-4的情况下直接位于A4接头304-5与A5接头304-6之间。

在一些实施方案中，基于非接头的传感器还可以位于接头与机器人臂的相邻端部执行器之间，诸如图23中的A5接头304-6与端部执行器308之间。基于非接头的传感器也可以位于机器人臂的不是接头的机器人臂的一部分上。

在一些实施方案中，基于非接头的传感器包括一个或多个力传感器、一个或多个力矩传感器和/或一个或多个力和力矩传感器。在一些实施方案中，施加在机器人臂上的第一力是除重力之外的力。第一力可以包括由机器人臂与物理环境中的人之间的接触产生的力，如图27的示例中所示。例如，第一力可以施加在机器人臂的表面上、连杆上、接头上和/或端部执行器上。

在一些实施方案中，传感器架构还包括测量机器人臂或该机器人臂的一部分(例如，连杆、接头、端部执行器等)的位置和移动(例如，旋转和/或平移)的一个或多个基于非接头的位置传感器和移动传感器。

根据一些实施方案，使用来自基于非接头的传感器(例如，位于机器人臂的连杆上的传感器)的传感器数据来触发手动操纵模式的优点在于，基于非接头的传感器直接检测机器人臂的连杆上的力和/或力矩。因此，力和/或力矩不必施加在接头上和/或在特定方向上施加以便检测力和/或力矩。因此，基于非接头的传感器极大地扩展了操作者通过与机器人臂直接交互来激活手动操纵模式的可用机会和方式。

在一些实施方案中，所述一个或多个基于非接头的传感器包括组合的力和力矩传感器。例如，组合的力和力矩传感器可以包括六轴负荷传感器(例如，六轴负荷传感器404，图24A)和/或壳体传感器阵列(例如，接触传感器408)。

在一些实施方案中，组合的力和力矩传感器包括六轴负荷传感器，该六轴负荷传感器具有测量所有六个方向上的力和力矩(例如，X、Y和Z方向上的力，以及X、Y和Z方向上的力矩或扭矩(例如，围绕X、Y和Z轴的旋转力))的能力。

在一些实施方案中，组合的力和力矩传感器能够测量X、Y、Z方向的子集中的力，并且测量X、Y、Z方向的相同子集中的力矩或扭矩。在一些实施方案中，组合的力和力矩传感器能够测量X、Y、Z方向的一个子集中的力，并且测量X、Y、Z方向的不同子集中的力矩或扭矩。在一些实施方案中，组合的力和力矩传感器能够测量所有X、Y、Z方向上的力，并且测量X、Y、Z方向的子集中的力矩。在一些实施方案中，组合的力和力矩传感器能够测量X、Y、Z方向的子集中的力，并且测量所有X、Y、Z方向中的力矩。

在一些实施方案中，所述一个或多个非接头传感器包括位于所述机器人臂的一对接头之间的至少一个传感器。在一些实施方案中，第一传感器位于该对接头之间的连杆(例如，接头304-3与304-4之间的连杆302-2)上，或者在没有连杆的情况下直接位于两个相邻接头之间。在一些实施方案中，所述一个或多个非接头传感器包括位于所述机器人臂的远侧部分中的至少第一传感器。

例如，一个或多个非接头传感器包括机器人臂210的位于A4接头304-5与A5接头304-6之间的远侧部分中的传感器404(例如，六轴负荷传感器)。在一些实施方案中，机器人臂210的远侧部分包括接头(例如，A6接头304-5)和端部执行器(例如，ADM 308)。

在一些实施方案中，机器人系统(例如，机器人系统200或另一机器人医疗系统或机器人外科平台等)还包括安装在第一传感器上的工具驱动器，使得第一传感器检测由工具驱动器施加的力。

在一些实施方案中，工具驱动器包括高级装置操纵器(ADM)308，如图23A所示。由工具驱动器施加的力可以包括由插入到患者体内的工具引起的力。该力还可以包括由操作者施加在工具驱动器自身上的力。在一些实施方案中，第一传感器是安装在位于机器人臂的远侧端部部分处的两个相邻接头之间的组合力和力矩传感器，并且第一传感器(例如，六轴负荷传感器404或其他类型的组合力和力矩传感器)允许工具驱动器与机器人臂的远侧端部之间的交互力被检测和测量。

如图23A所示，机器人臂210包括用于检测插管的存在的插管传感器310，该插管传感器确定机器人臂210的对接状态。仅当机器人臂210处于未对接状态时，才允许机器人臂210转变(例如，经由处理器)成手动操纵模式。当机器人臂210处于对接状态时，由工具驱动器施加的力将不会使得处理器转变成手动操纵模式，即使当机器人臂未对接时力超过用于转变成手动操纵模式的预设阈值也是如此。

在一些情况下，一个或多个基于非接头的传感器包括六轴负荷传感器(例如，六轴负荷传感器404)。

在一些实施方案中，一个或多个基于非接头的传感器包括位于机器人臂的一个或多个连杆上的一个或多个接触传感器(例如，接触传感器408)。接触传感器包括检测和测量与另一对象或表面的接触的传感器。在一些实施方案中，接触传感器根据确定传感器与对象/表面之间的接触力超过接触检测力阈值，或根据确定传感器与另一对象或表面之间的距离小于接触检测阈值距离，或根据确定传感器与另一对象或表面之间的接触面积大于阈值接触面积来检测和测量接触。

在一些实施方案中，接触传感器位于机器人臂上的已知在手术期间经常与患者碰撞的位置(例如，区)(例如，如图24C所示的区410、如图24D所示的区412等)。在一些情况下，在外科规程期间，力可能来自患者。在这种情况下，如果接触传感器(或本申请中所述的任何其他传感器)测量到高于预定阈值的力，则机器人臂210可以转变成手动操纵模式，由此该机器人臂可以移动远离接触源。这有利地增强了患者安全性。

在一些实施方案中，接触传感器检测操作者握持机器人臂210的方式。例如，手动操纵模式可选地响应于检测到操作者正以某种方式握持机器人臂(例如，同时握持两个连杆、用双手握持连杆、在围绕连杆的纵向轴线扭转连杆的同时用双手握持一个连杆、在连杆的纵向方向上牵拉连杆的同时握持一个或两个连杆、抓住并牵拉第一远侧连杆、抓住并推动第一近侧连杆、抓住并抵靠基部接头推动近侧连杆等)而被触发。在一些实施方案中，操作者握持臂并在机器人臂上施加力(该力是机器人臂的期望移动的自然前兆)的各种方式可以可选地被分类并且被抽象成不同的标准(例如，阈值和条件)，该标准在被满足时使得处理器转变成操纵模式。

在一些实施方案中，接触传感器能够检测施加在机器人臂210上的力和力矩。

在一些实施方案中，接触传感器可以感测多个方向上的力和力矩。在一些实施方案中，接触传感器包括附接到机器人臂的连杆的外表面的多个接触力传感器的阵列，如图25所示。在一些实施方案中，接触传感器具有围绕在其上安装有接触力传感器的机器人臂连杆的外侧的悬置“壳体”，并且壳体与接触力传感器接合以允许检测和测量施加在机器人臂连杆的表面上的力。这在图25中示出。在一些实施方案中，机器人臂210包括在机器人臂的多个连杆上的接触传感器。例如，机器人臂210包括在机器人臂210的连杆302-2和连杆302-3上的接触传感器408。

在一些实施方案中，机器人臂的相应连杆上的接触传感器跨连杆表面上的延伸区域分布。在一些实施方案中，当操作者用一只或两只手抓住相应的连杆时，位于延伸区域的多个部分(例如，多个不相交部分)中的接触传感器可被激活，并且被激活部分的方位和/或传感器数据可选地用于确定操作者如何握持到连杆上并且/或者试图移动连杆。在一些实施方案中，当操作者同时抓住或推动多个连杆(例如，用手、臂、躯干、腿等)时，位于多个连杆中的接触传感器可被激活，并且连杆上的激活区域的方位和/或传感器数据可选地用于确定操作者如何握持到连杆上并且/或者试图移动连杆。在一些实施方案中，通过连杆上的接触传感器获得的力和/或力矩数据被一个或多个处理器用来在不需要来自基于接头的传感器的传感器数据的情况下确定是否从位置控制模式转变到手动操纵模式。

在一些实施方案中，通过连杆上的接触传感器获得的力和/或力矩数据被一个或多个处理器用来结合来自基于接头的传感器的传感器数据确定是否从位置控制模式转变到手动操纵模式。在一些实施方案中，接触传感器提供用于在操作者不处于容易触及位于相对于机器人系统的固定位置处的专用控制界面(例如，位于机器人臂的远侧端部处的按钮或圆环按钮)以用于激活手动操纵模式的位置时激活手动操纵模式的附加装置。

在一些实施方案中，来自接触传感器的传感器数据可选地用于提供用于控制机器人臂的其他类型的自动移动(例如，避免碰撞、解决冲击、标出物理环境中的高概率碰撞区等)的信息。

在一些实施方案中，传感器架构包括一个或多个基于接头的传感器。例如，基于接头的传感器可以位于机器人臂的近侧端部上(例如，靠近机器人臂的基部，诸如A0接头传感器402)。基于接头的传感器也可以位于两个相邻连杆之间的接头上(例如，两个相邻连杆302-2和302-3之间的A3接头304-4中的传感器)。

在一些实施方案中，基于接头的传感器是力传感器。在一些实施方案中，基于接头的传感器是组合的力和力矩传感器。在一些实施方案中，通过一个或多个基于接头的传感器获得的力和/或力矩数据被一个或多个处理器用来在不需要来自基于非接头的传感器的传感器数据的情况下确定是否从位置控制模式转变到手动操纵模式。例如，只要第二力超过第二阈值力，就能够满足第一标准而不需要第一力超过第一阈值力。在一些实施方案中，通过基于接头的传感器获得的力和/或力矩数据被一个或多个处理器用来结合来自基于非接头的传感器的传感器数据确定是否从位置控制模式转变到手动操纵模式(例如，只要第一力和第二力一起满足对第一力和第二力的某一预设要求组合，就能够满足第一标准而不需要第一力超过第一阈值力)。

在一些实施方案中，基于接头和/或基于非接头的传感器感测可能来自操作者的力，该操作者意图在设置期间(例如，诸如在随取随用模式下)移动机器人臂210。在这种情况下，操作者可以简单地在机器人臂的各个部分上施加力或力矩或者以一种或多种合适的方式握持机器人臂，而不是触及输入按钮。如果上述传感器中的任一个传感器或任何组合测量到当机器人臂未对接时满足第一标准的力或力的组合，则处理器将把机器人臂210设定为手动操纵模式，从而允许手动操纵机器人臂210。在一些实施方案中，在手动操纵模式期间，机器人臂210的一个或多个接头相对于物理环境手动移动(例如，平移、旋转等)(例如，改变配置)并且/或者整个机器人臂210在物理环境中手动移动。例如，在改变或不改变机器人臂210的配置的情况下，手动地平移或旋转整个机器人臂210。

在一些实施方案中，机器人系统200还包括一个或多个附加机器人臂。机器人系统200还包括输入界面，该输入界面远程地激活第一机器人臂和/或附加机器人臂的阻抗控制。

图29是根据一些实施方案的用于激活机器人臂的手动操纵的方法900的流程图。在一些实施方案中，方法900由机器人系统(例如，如图21和图22所示的机器人系统200，或另一机器人系统或机器人外科平台等)的一个或多个处理器根据存储在机器人系统的存储器中的指令来执行。在一些实施方案中，机器人系统可以是用于对患者执行医疗规程的机器人医疗系统或机器人手术平台。

机器人系统包括机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)。在一些实施方案中，机器人臂可以是机器人系统的两个或更多个机器人臂中的第一机器人臂(例如，机器人臂210-1、210-2、210-3等中的第一机器人臂210-1，如图22所示)。在一些实施方案中，机器人臂可以是机器人系统的单个机器人臂。

机器人系统包括传感器架构(例如，如图24、图25和图26中所述的传感器架构)。传感器架构包括一个或多个传感器(例如，A0接头传感器402、六轴负荷传感器404和/或接触传感器408等)，该传感器被定位成检测施加在机器人臂210上的力和/或力矩。

参考图29，在一些实施方案中，方法900包括确定(902)从传感器架构接收到的传感器数据是否满足第一标准。

在一些实施方案中，参考图29，根据确定由一个或多个传感器检测到的力超过第一阈值力或根据确定由一个或多个传感器检测到的力矩超过第一阈值力矩来满足(904)第一标准。

在一些实施方案中，方法900还包括：根据(906)确定满足第一标准(例如，检测到的力或力矩超过相应的阈值)，将机器人臂从位置控制模式转变到手动操纵模式。

在一些实施方案中，第一标准包括用于基于从传感器架构接收到的各种类型的传感器数据来确定是否切换到手动操纵模式的标准。可选地，在一些实施方案中，传感器数据可以与对机器人臂的状态的其他要求和/或其他安全和操作条件结合使用，该其他要求和/或其他安全和操作条件被共同地用于确定第一标准。

在一些实施方案中，第一阈值力是从值的范围(例如，30牛顿-70牛顿)中选择的预设值(例如，30牛顿、50牛顿、65牛顿等)。在一些实施方案中，第一阈值力是操作者配置的和/或操作者可配置的力阈值。

在一些实施方案中，第一阈值力矩是从值的范围(例如，0.3牛顿米-0.7牛顿米)中选择的预设值(例如，0.3牛顿米、0.5牛顿米、0.6牛顿米等)。在一些实施方案中，第一阈值力矩是操作者配置的和/或操作者可配置的力矩阈值。

在一些实施方案中，当在还测量力的同时设定用于力矩测量的阈值时，阈值力矩的设定包括参考点(例如，枢轴点)的识别和使用，因为取决于参考点的位置，力可以对总力矩值具有不同贡献。例如，在一些实施方案中，当在施加力的位置处设置参考点时，对力矩的贡献为零。然而，如果参考点被选择为相距一定距离，则力矩贡献为非零。在一些实施方案中，参考点离施加力的点越远，对力矩的贡献越大。例如，在一些实施方案中，如果远程中心点(例如，沿着插管的点)被选择为参考点，则阈值移动可以是4Nm、6Nm或8Nm。

在一些实施方案中，第一标准包括以下要求：机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)处于未对接配置以便满足第一标准。在一些实施方案中，机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)被确定为处于未对接配置。在一些实施方案中，当机器人臂的远侧端部未固定到插管时，机器人臂被确定为处于未对接配置。

在一些实施方案中，在手术之前的设置阶段期间，操作者可以激活阻抗模式或导纳模式以将未对接的机器人臂设置到期望的位置或配置中，或将未对接的机器人臂移开以为机器人系统附近的其他机器人臂或人(例如，患者、医务人员等)创造空间。在一些实施方案中，在手术期间，机器人系统的一个或多个臂可以对接，并且操作者可以将未对接的臂移开以为医务人员腾出空间。在一些实施方案中，当患者支撑平台的配置在手术期间改变时，操作者可调节未对接的臂的位置以适应机器人系统的改变的配置。在一些实施方案中，未对接的机器人臂可能在手术期间意外碰到患者(例如，与患者接触)并且在患者上施加力，并且将未对接的机器人臂移动远离患者是更安全的。在任何上述情形中，根据从传感器架构接收到的传感器数据转变到手动操纵模式而不是激活位于相对于机器人系统的固定位置处的专用控制装置或接口使得上述任务更容易由操作者执行，并且对于患者更安全。

在一些实施方案中，在位置控制模式下，机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)的位置相对于机器人系统的预选部分(例如，可调式臂支撑件220、患者支撑平台202、基部206等)固定。

在一些实施方案中，手动操纵模式可以包括非动力辅助手动操纵模式或动力辅助手动操纵模式，诸如阻抗模式或导纳模式。根据一些实施方案，手动操纵模式还可以包括一种模式，在该模式下，机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)可以通过在机器人臂的一个或多个部分上手动地推动、牵拉和/或扭转来移动和/或重新配置。

在一些实施方案中，手动操纵模式包括阻抗模式。

在一些实施方案中，根据确定不满足第一标准(例如，包括确定检测到的力和检测到的力矩都不超过它们的相应阈值)，方法900包括放弃将机器人臂从位置控制模式转变到手动操纵模式，并且将机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)保持在位置控制模式下。

参考图29，在一些实施方案中，方法900包括：在手动操纵模式期间，根据由操作者对机器人臂的物理操纵来生成(908)输出以辅助机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)的移动。

例如，在一些实施方案中，机器人系统的一个或多个处理器可以生成控制信号形式的输出，以控制致动器、马达和/或齿轮的力(例如，具有受控幅度和/或方向的力)和/或移动(例如，具有受控距离、速度和/或方向的移动)的输出，以辅助操作者物理操纵机器人臂。

在一些实施方案中，方法900还包括在手动操纵模式期间监测(910)机器人臂210的移动。根据确定移动满足第二标准，其中根据确定在手动操纵模式期间机器人臂的移动低于移动阈值水平来满足第二标准，方法900包括将机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)从手动操纵模式转变(912)到位置控制模式。

参考步骤910，在一些实施方案中，机器人系统的处理器可在手动操纵模式期间连续地监测或周期性地检查机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)的移动，包括例如检查接头304和/或机器人臂210作为整体的移动。在一些实施方案中，处理器在手动操纵模式期间依赖于从传感器架构的位置和位移传感器接收到的传感器数据来监测机器人臂的移动。

在一些实施方案中，第二标准包括用于基于从传感器架构接收到的移动数据来确定是否切换回位置控制模式的标准。可选地，在一些实施方案中，移动数据与对机器人臂(例如，机器人臂210)的状态的其他要求和/或其他安全和操作条件结合使用以确定是否满足第二标准。

在一些实施方案中，当在阈值时间量期间移动小于阈值移动量时，或当在阈值时间量内未检测到移动时，满足第二标准。

在一些实施方案中，将机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)从手动操纵模式转变到位置控制模式包括停用手动操纵模式。例如，当处理器检测到接头(例如，接头304)和/或机器人臂的速度在预定义时间段内低于预定义阈值时，机器人控制器退出阻抗模式。根据一些实施方案，这将机器人臂设定回位置控制模式以保持其当前位置。

同样如图29中所述，在一些实施方案中，机器人系统包括(914)输入界面。方法900包括检测(916)通过预设输入对输入界面的激活。方法900包括根据输入界面的激活，将机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)从位置控制模式转变(918)到手动操纵模式。

在一些实施方案中，输入界面可以包括按钮、触敏显示器、具有显示器的触摸板、拉杆或开关。预设输入可以包括在输入界面上的按压输入、轻拂或轻击。

如前所述，根据一些实施方案，方法900可由包括机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)和传感器架构的机器人系统执行。

在一些实施方案中，机器人系统包括传感器架构。(例如，在图24、图25和图26中所述的传感器架构)。在一些实施方案中，传感器架构包括一种或多种类型的传感器，诸如力传感器、接触传感器、压力传感器、力矩传感器、位移传感器(例如，角和/或平移位移传感器)和/或位置传感器。传感器被定位成检测并且可选地测量由机器人臂或其一部分所经历的接触、力矩、力和/或位移。在一些实施方案中，传感器架构包括与机器人臂集成(例如，附着到机器人臂、机器人臂的一部分、包括在机器人臂内、在机器人臂的表面上、附接到机器人臂、嵌入在机器人臂的表面下、安装在机器人臂的部分之间(例如，在相邻连杆之间、在相邻接头之间等)、安装在机器人臂的端部处、在机器人臂的连杆(例如，连杆302)上或内和/或在机器人臂的接头(例如，接头304)上或内)的传感器。在一些实施方案中，传感器架构可以包括用于将传感器数据从传感器传送到一个或多个处理器的其他部件。传感器数据可以包括传感器参数，诸如力、接触、力矩、位移、移动和/或位置等。传感器参数还可以包括值，诸如感测参数的方位、感测参数的大小、感测参数的定时和/或持续时间。

在一些实施方案中，传感器架构包括一个或多个传感器(例如，A0接头传感器402、六轴负荷传感器404和/或接触传感器408等)，该传感器被定位成检测施加在机器人臂210上的力和/或力矩。在一些实施方案中，一个或多个传感器检测从多个方向施加在机器人臂210上的力和/或力矩。检测到的力和/或力矩包括除了由重力引起的力和/或力矩之外的力和/或力矩。在一些实施方案中，由机器人臂210施加的力和/或移动是由人与机器人臂210之间的接触引起的力和/或力矩，诸如在机器人臂210的表面上、连杆(例如，连杆302)上、接头(例如，接头304)上、端部执行器(例如，ADM 308)上等的力和/或力矩。

在一些实施方案中，一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。

在一些实施方案中，一个或多个传感器包括多个接触传感器(例如，接触传感器408，图24B)。

在一些实施方案中，接触传感器包括检测和测量与另一对象或表面的接触的传感器。在一些实施方案中，接触传感器根据确定传感器与对象/表面之间的接触力超过接触检测力阈值，或根据确定传感器与另一对象或表面之间的距离小于接触检测阈值距离，和/或根据确定传感器与另一对象或表面之间的接触面积大于阈值接触面积来检测和测量接触。

在一些实施方案中，接触传感器位于机器人臂上的已知在手术期间经常与患者碰撞的位置(例如，区)(例如，如图24C所示的区410、如图24D所示的区412等)。在一些情况下，在外科规程期间，力可能来自患者。在这种情况下，根据一些实施方案，如果接触传感器(或本申请中所述的任何其他传感器)测量到高于预定阈值的力，则机器人臂210可以转变成手动操纵模式，由此该机器人臂可以迅速地移动远离接触源。这有利地增强了患者和/或操作者的安全性。

在一些实施方案中，接触传感器检测操作者握持机器人臂210的方式。例如，手动操纵模式可选地响应于检测到操作者正以某种方式握持机器人臂(例如，同时握持两个连杆、用双手握持连杆、在围绕连杆的纵向轴线扭转连杆的同时用双手握持一个连杆、在连杆的纵向方向上牵拉连杆的同时握持一个或两个连杆、抓住并牵拉第一远侧连杆、抓住并推动第一近侧连杆、抓住并抵靠基部接头推动近侧连杆等)而被触发。

在一些实施方案中，操作者握持臂并在机器人臂上施加力(该力是机器人臂的期望移动的自然前兆)的各种方式可以可选地被分类并且被抽象成不同的标准(例如，阈值和条件)，该标准在被满足时使得处理器转变成操纵模式。

在一些实施方案中，机器人臂(例如，机器人臂210，或可以在位置控制模式和一个或多个手动操纵模式下操作的另一类型的机器人臂等)包括外表面。例如，多个接触传感器(例如，接触传感器408)可以与覆盖机器人臂的外表面的壳体(例如，壳体502，图25)接合。

在一些实施方案中，检测到的力和力矩是由多个接触传感器中的相应一个接触传感器检测到的相应力和/或相应力矩的组合。

在一些实施方案中，所述一个或多个传感器包括被定位成远离所述机器人臂的接头的至少基于非接头的传感器。例如，基于非接头的传感器(例如，接触传感器或壳体传感器408)可被定位在连杆(例如，连杆302)上，或两个相邻接头之间(例如，定位在A4接头304-5与A5接头304-6之间的六轴负荷传感器404)。

在一些实施方案中，一个或多个传感器包括被定位在机器人臂210的接头上的至少基于接头的传感器(例如，A0接头传感器402和/或位于机器人臂210的其他接头304上的传感器)。

3.实施系统和术语。

本文所公开的实施方案提供用于使用连杆交互感测来激活机器人医疗系统的机器人臂上的手动操纵模式的系统、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。

本文所述的用于转变到手动操纵模式的功能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的介质上。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。

提供对所公开的实施方案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。对这些实施方案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实施方案。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实施方案，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 (28)

1.一种机器人系统，包括：

机器人臂；

传感器架构，所述传感器架构包括被定位成检测施加在所述机器人臂上的第一力的一个或多个基于非接头的传感器；

一个或多个处理器；以及

存储指令的存储器，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述处理器：

确定从所述传感器架构接收到的传感器数据是否满足第一标准，其中根据确定所述第一力超过第一阈值力来满足所述第一标准；以及

根据确定满足所述第一标准，包括确定所述第一力超过所述第一阈值力，将所述机器人臂从位置控制模式转变到手动操纵模式。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述手动操纵模式包括阻抗模式。

3.根据权利要求1或2所述的机器人系统，其中所述一个或多个基于非接头的传感器包括组合的力和力矩传感器。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人系统，其中所述一个或多个非接头传感器包括位于所述机器人臂的一对接头之间的至少一个传感器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的机器人系统，其中所述一个或多个非接头传感器包括位于所述机器人臂的远侧部分中的至少第一传感器。

6.根据权利要求5所述的机器人系统，还包括安装在所述第一传感器上的工具驱动器，使得所述第一传感器检测由所述工具驱动器施加的力。

7.根据权利要求5或6所述的机器人系统，其中所述第一传感器是六轴负荷传感器。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的机器人系统，其中所述一个或多个基于非接头的传感器包括位于所述机器人臂的一个或多个连杆上的一个或多个接触传感器。

9.根据权利要求8所述的机器人系统，其中所述一个或多个接触传感器能够检测施加在所述机器人臂上的力和力矩。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的机器人系统，其中所述传感器架构还包括被定位成检测施加在所述机器人臂上的第二力的一个或多个基于接头的传感器。

11.根据权利要求10所述的机器人系统，其中：

根据确定由所述基于非接头的传感器检测到的所述第一力和由所述基于接头的传感器检测到的所述第二力满足对所述第一力和所述第二力的预设要求组合来满足所述第一标准，并且

所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述处理器：

根据确定满足所述第一标准，包括确定所述第一力和所述第二力满足对所述第一力和所述第二力的预设要求组合，将所述机器人臂从所述位置控制模式转变到所述手动操纵模式。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的计算机系统，其中所述存储器进一步存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述处理器：

在所述手动操纵模式期间，根据由操作者对所述机器人臂的物理操纵来生成输出以辅助所述机器人臂的移动。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的计算机系统，其中所述存储器进一步存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述处理器：

在所述手动操纵模式期间监测所述机器人臂的移动；并且

根据确定所述移动满足第二标准，其中根据确定所述机器人臂在所述手动操纵模式期间的所述移动低于移动阈值水平来满足所述第二标准，将所述机器人臂从所述手动操纵模式转变到所述位置控制模式。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的机器人系统，其中所述第一标准包括以下要求：所述机器人臂处于未对接配置以便满足所述第一标准。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的机器人系统，还包括输入界面，所述输入界面在由预设输入激活时使得所述一个或多个处理器将所述机器人臂从所述位置控制模式转变到所述手动操纵模式。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的机器人系统，还包括：

一个或多个附加机器人臂；以及

输入界面，所述输入界面远程地激活所述第一机器人臂和/或所述附加机器人臂的阻抗控制。

17.一种机器人系统，包括：

机器人臂；

传感器架构，所述传感器架构包括：

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被定位成检测施加在所述机器人臂上的力和/或力矩；

一个或多个处理器；以及

存储指令的存储器，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述处理器：

确定从所述传感器架构接收到的传感器数据是否满足第一标准，其中根据确定由所述一个或多个传感器检测到的力超过第一阈值力或根据确定由所述一个或多个传感器检测到的力矩超过第一阈值力矩来满足所述第一标准；并且

根据确定满足所述第一标准，将所述机器人臂从位置控制模式转变到手动操纵模式。

18.根据权利要求17所述的机器人系统，其中所述一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。

19.根据权利要求17或18所述的机器人系统，其中所述一个或多个传感器包括多个接触传感器。

20.根据权利要求19所述的机器人系统，其中

所述机器人臂包括外表面；并且

所述多个接触传感器与覆盖所述机器人臂的所述外表面的壳体接合。

21.根据权利要求19或20所述的机器人系统，其中检测到的力和力矩是由所述多个接触传感器中的相应一个接触传感器检测到的相应力和/或相应力矩的组合。

22.根据权利要求17至21中任一项所述的机器人系统，其中所述一个或多个传感器包括被定位成远离所述机器人臂的接头的至少基于非接头的传感器。

23.根据权利要求17至22中任一项所述的机器人系统，其中所述一个或多个传感器包括被定位在所述机器人臂的接头上的至少基于接头的传感器。

24.根据权利要求17至23中任一项所述的机器人系统，其中所述手动操纵模式包括阻抗模式。

25.根据权利要求17至24中任一项所述的计算机系统，其中所述存储器进一步存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述处理器：

在所述手动操纵模式期间，根据由操作者对所述机器人臂的物理操纵来生成输出以辅助所述机器人臂的移动。

26.根据权利要求17至25中任一项所述的计算机系统，其中所述存储器进一步存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时使得所述处理器：

在所述手动操纵模式期间监测所述机器人臂的移动；并且

根据确定所述移动满足第二标准，其中根据确定所述机器人臂在所述手动操纵模式期间的所述移动低于移动阈值水平来满足所述第二标准，将所述机器人臂从所述手动操纵模式转变到所述位置控制模式。

27.根据权利要求17至26中任一项所述的机器人系统，其中所述第一标准包括以下要求：所述机器人臂处于未对接配置以便满足所述第一标准。

28.根据权利要求17至27中任一项所述的机器人系统，还包括输入界面，所述输入界面在由预设输入激活时使得所述一个或多个处理器将所述机器人臂从所述位置控制模式转变到所述手动操纵模式。

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