CN116490144A - 观察系统中的成像装置控制 - Google Patents

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Abstract

公开了用于计算机辅助装置中的成像装置控制的技术，该计算机辅助装置包括被配置成支撑成像装置的可重新定位结构以及被联接到可重新定位结构的控制系统。控制系统被配置成：确定从显示单元偏移的参考点的位置；将参考点的位置转换成从成像装置偏移的另一参考点的目标位置；确定第一可重新定位结构的移动命令，该移动命令移动成像装置从而使得另一参考点朝向目标位置移动；以及基于移动命令导致对可重新定位结构的致动。

Description

观察系统中的成像装置控制
相关申请
本申请要求在2020年12月10日提交的且名称为“Imaging Device Control inViewing Systems”美国临时申请No.62/123,936的权益，该申请的内容以引用的方式并入到本文中。
技术领域
本公开大体涉及一种电子装置，并且更具体地涉及具有可重新定位的成像装置的装置的控制。
背景技术
越来越多的装置被计算机辅助电子装置所取代。在工业、娱乐、教育和其他环境中尤其如此。作为医学示例，当今的医院在手术室、介入套房、重症监护病房、急诊室和/或类似病房中都有大量的电子装置。这些电子装置中的许多可以能够具有自主或半自主运动。人员也通常使用位于用户控制系统处的一个或更多个输入装置来控制电子装置的运动和/或操作。作为具体示例，微创机器人远程手术系统允许外科医生从床边或远程位置对患者进行操作。远程手术通常指的是使用手术系统进行的手术，并且其中外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构)来操纵手术器械的运动，而不是直接用手握住和移动器械。
当电子装置被用于在工作部位执行任务时，一个或更多个成像装置(例如，内窥镜、光学相机和/或超声探头)能够采集工作部位的图像，这些图像向正在监视和/或执行任务的操作员提供视觉反馈。成像装置也可以是可控的以便更新经由显示单元被提供给操作员的工作部位的视野。例如，成像装置可以被附接到可重新定位结构，其包括通过一个或更多个结构被联接在一起的两个或更多个连杆，其中所述可重新定位结构能够移动(包括通过内部重构)以便更新在工作部位处的成像装置的位置和/或取向。在这样的情况下，成像装置的运动可以被操作员、其他人员或者自动地控制，并且使得能够改变工作部位的视野。
用于控制成像装置的一种方法是移动成像装置以跟随显示单元的运动。例如，操作员的头部运动能够经由传感器系统被跟踪并且被用于控制成像装置的运动。用于控制成像装置的另一种方法是移动成像装置以跟随手操作的控制器的运动。例如，操作员可以控制具有两个操纵器的手操作的控制器，所述操纵器能够作为模拟把手被一起操纵。然而，这种基于不同输入模式来控制成像装置的方法尚未被组合以控制相同的成像装置。此外，如果成像装置由于与成像装置和/或安装有成像装置的可重新定位结构相关联的运动范围限制、碰撞和/或类似情况而不能够跟随多种输入模式，则导致问题的具体输入模式不能够被容易地识别，例如以提供阻止操作员进一步试图以不能被跟随的方式移动该具体输入模式的触觉反馈。
因此，需要用于控制可重新定位的成像装置的方法和系统。
发明内容
根据一些实施例，计算机辅助装置包括被配置成支撑成像装置的第一可重新定位结构以及被联接到可重新定位结构的控制系统。控制系统被配置成：确定从显示单元偏移的第二参考点的位置；将第二参考点的位置转换成从成像装置偏移的第一参考点的目标位置；确定第一可重新定位结构的移动命令，该移动命令移动成像装置从而使得第一参考点朝向目标位置移动；以及基于移动命令导致对第一可重新定位结构的致动。
根据一些实施例，公开了一种操作包括可重新定位结构和一个或更多个处理器的计算机辅助装置的方法，其中一个或更多个处理器通信地联接到可重新定位结构，所述方法包括：确定从显示单元偏移的第一参考点的位置；将第一参考点的位置转换成从成像装置偏移的第二参考点的目标位置；确定可重新定位结构的移动命令，该移动命令移动成像装置从而使得第一参考点朝向目标位置移动，其中可重新定位结构被配置成支撑成像装置；以及基于移动命令导致对可重新定位结构的致动。
另一些实施例包括但不限于一个或更多个非瞬时性机器可读介质，其包括多个机器可读指令，当被一个或更多个处理器执行时机器可读指令适于导致一个或更多个处理器执行本文公开的任意方法。
应该理解的是，上述内容和下述具体实施方式均实质上是示例性和解释性的，并且试图提供对所本公开的理解而不限制本公开的范围。在此方面，从下述具体描述中，本公开的附加方面、特征和优点将对本领域技术人员来说是明显的。
附图说明
图1是根据各种实施例的远程操作系统的示例的简化图。
图2是根据一些实施例的示例性显示系统的透视图。
图3示出了在各种示例中显示单元可以具有与成像装置的自由度不匹配的自由度。
图4示出了根据各种实施例在显示单元工作空间中的参考点和在成像装置工作空间中的参考点之间的映射。
图5示出了根据各种实施例的显示单元参考点相对于显示单元基线参考点以及成像装置参考点相对于成像装置基线参考点的差量。
图6示出了根据各种实施例的用于控制成像装置的方法的简化图。
图7示出了根据各种实施例的图6的方法的更具体的一个过程。
图8示出了根据各种实施例的图6的方法的更具体的另一个过程。
具体实施方式
说明创造性方面、实施例、实施方式或模块的本说明书和附图不应被视为限制性的——权利要求限定了受保护的发明。在不脱离本说明书和权利要求书的精神和范围的情况下，可以进行各种机械、成分、结构、电气和操作的改变。在一些情况下，没有具体示出或描述公知的电路、结构或技术以便不混淆本发明。两幅或更多幅图中的类似数字代表相同或类似元件。
在本说明书中，阐述具体细节来描述根据本公开的一些实施例。阐述了许多具体的细节，以便提供对实施例的全面的理解。然而，对于本领域的一个技术人员来说明显的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实现一些实施例。这里公开的具体实施例试图是说明性的而不是限制性的。本领域的一个技术人员可以意识到其他元件(虽然没有在此被具体描述)可以在本公开的范围和精神内。此外，为了避免不必要的重复，关于一个实施例示出和描述的一个或更多个特征可以被结合到其他实施例中，除非另有具体描述或者如果所述一个或更多个特征将使得实施例不起作用。
此外，本说明书的术语不试图限制本发明。例如，如图所示，可以使用空间相对术语，诸如“下方”、“之下”，“下面”、“之上”，“上面”、“近侧”、“远侧”等，来描述一个元素或特征与另一个元素或特征的关系。除了图中所示的位置和取向之外，这些空间相对术语还旨在涵盖元件或其操作的不同位置(即，方位)和取向(即，旋转放置)。例如，如果附图中的一幅的内容被翻转，则被描述为在其他元素或特征“下面”或“下方”的元素或特征将处于所述其他元素或特征“上面”或“之上”。因此，示例性术语“下面”能够包含在上面和下面的位置和取向二者。装置还可以其它方式取向(旋转90度或以其它取向)，并且可以相应地解释本文中使用的空间上相对的描述词。同样，沿着和围绕各种轴线的运动的描述包括各种特殊的元素位置和取向。此外，单数形式“一”、“一个”和“这个”试图也包括多个，除非上下文明确指出是单个。并且，术语“包括”、“包含”、“具有”等表明存在所列出的特征、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或还有一个或更多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或其集合。被描述为联接的部件可以直接电气或机械地联接，或者，它们可以经由一个或更多个中间部件间接联接。
只要可行，则参考一个实施例、实施方式或模块详细描述的元件可以被包括在未具体示出或描述它们的其他实施例、实施方式或模块中。例如，如果参考一个实施例详细描述了一个元件，而没有参考第二实施例描述该元件，则该元件仍然可以被要求保护为被包括在第二实施例中。因此，为了避免在以下描述中不必要的重复，与一个实施例、实施方式或应用相关联地示出和描述的一个或更多个元件可以被结合到其他实施例、实施方式或方面中，除非另外特别描述，除非一个或更多个元件将使一个实施例或实施方式不起作用，或者除非两个或更多个元件提供冲突的功能。
在一些情况下，公知的方法、程序、部件和电路尚未被详细描述，以便不会不必要地使实施例的各方面模糊不清。
本公开根据其在三维空间中的状态描述了各种装置、元件和计算机辅助装置和元件的部分。如这里所用，术语“位置”指的是元件或元件的一部分在三维空间中的方位(例如，沿着笛卡尔x-、y-和z-坐标的三个平移自由度)。如这里所用，术语“取向”指的是元件或元件的一部分的旋转放置(三个旋转自由度，例如，滚转、俯仰和偏航)。如这里所用，术语“形状”指的是沿着元件测量的一组位置或取向。如本文所用，并且对于具有可重新定位臂的装置，术语“近侧”指的是沿着其运动链朝向计算机辅助装置的基座的方向，而“远侧”指的则是沿着运动链远离基座的方向。
参考计算机辅助系统和装置来描述本公开的各方面，其可以包括被远程操作、远程控制、自主、半自主、机器人的和/或诸如此类的系统和装置。此外，根据使用手术系统(例如由加利福尼亚州森尼维尔市的直观外科手术公司Intuitive Surgical,Inc.商售的da手术系统)的实施例来描述本公开的各方面。然而，技术人员将理解，这些示例不是限制性的，并且本文所公开的创造性方面可以以各种方式体现和实现，包括机器人实施例和(如适用)非机器人实施例。例如，例如，参考手术器械和手术方法描述的技术可以用于其他环境。因此，本文所述的器械、系统和方法可以用于人类、动物、人类或动物解剖结构的部分、工业系统、通用机器人或远程操作系统。作为进一步的示例，本文所述的器械、系统和方法可以用于非医疗目的，包括工业用途、通用机器人用途、感测或操纵非组织工件、美容改进、人体或动物解剖成像、从人体或动物解剖结构收集数据、设立或取下系统、培训医疗或非医疗人员和/或类似情况。附加示例应用包括用于在从人体或动物解剖结构移除的组织上进行处理(不返回人体或动物解剖结构)以及用于在人体或动物尸体上进行处理。此外，这些技术也能够被用于医学治疗或诊断程序，其包括或者不包括手术方面。
系统概观
图1是根据各种实施例的示例远程操作系统100的简化图。在一些示例中，远程操作系统100可以是远程操作医学系统，诸如手术系统。如所示，远程操作系统100包括处于引导器-跟随器配置的跟随器装置104和引导器装置。在引导器-跟随器配置中，跟随器模拟引导器的运动。在图1中的引导器装置被示为包括工作站(也被称为“控制台”)形式的输入系统102。在各种实施例中，输入系统102可以是任意适当形式并且可以包括或可以不包括工作站。在图1示例中，跟随器装置104由输入系统102的一个或更多个输入装置106进行控制，如下文更具体描述的。引导器-跟随器配置有时也被称为主从配置，并且包括引导器和跟随器装置的系统有时也被称为主-从系统，其中引导器是“主”并且跟随器是“从”。
在这种示例中，输入系统102包括由操作员108接触并操纵的一个或更多个输入装置。如所示，输入系统102包括由操作员的每只手使用的输入装置106。输入装置106由输入系统102支撑并且可以机械地接地。在一些实施例中，可以提供人机工程学支撑件110(例如前臂撑架)，操作员108可以将他或她的前臂搁置在该支撑件110上。在一些示例中，在程序期间，通过使用输入装置106来命令跟随器装置104，操作员108可以在跟随器装置104附近的工作部位执行任务。
显示单元112是被包括在输入系统102中的另一输入装置。显示单元112可以显示图像以便操作员108进行观察。显示单元112可以以各种自由度运动，以适应操作员108的观察位置并/或提供控制功能。在远程操作系统100的示例中，显示的图像可以描述操作员108正通过操纵输入装置106和/或显示单元112执行各种任务所处的工作部位。在一些示例中，可以由输入系统102从一个或更多个成像装置接收由显示单元112显示的图像以捕获布置在工作部位处的图像。在另一些示例中，可以由显示单元112(或者由连接的其他装置或系统)生成由显示单元显示的图像，诸如以用于虚拟呈现工具、工作部位或者用于用户接口部件。
当使用输入系统102时，操作员108可以站立或者坐在椅子或其他支撑件上，将他或她的眼睛定位成观察显示单元112，操纵输入装置106和/或显示单元112，并且根据需要将他或她的前臂搁置在人机工程学支撑件110上。在一些实施例中，操作员108可以站立在输入系统102处或者呈现其他姿态，并且显示单元112和其他输入装置可以进行位置(高度、深度等)调整以适应操作员108。
远程操作系统100也可以包括跟随器装置104，其可以由引导器装置(诸如由输入系统102)进行命令。在一种医学示例中，跟随器装置104能够位于靠近患者可以位于其上的手术台(例如台、床或其他支撑件)。在这样的情况下，工作部位可以位于手术台上，例如在患者、模拟患者或模型等(未示出)上或内。所示的跟随器装置104包括多个操纵器臂120，每个均被配置成联接到器械122。操纵器臂120是可重新定位的结构的示例，器械122(诸如操纵器械或者具有成像装置的器械)能够被安装在该结构上。器械122可以包括例如末端执行器126和被配置成联接到操纵器臂120的外壳。
在各种实施例中，器械122中的一个或更多个可以包括成像装置以用于捕获图像(例如光学相机、高光谱相机、超声波传感器等)。例如，器械122中的一个或更多个可以是包括成像装置的内窥镜，该成像装置可以提供工作部位的一部分的被捕获图像以便经由显示单元112进行显示。
在一些实施例中，响应于操作员108操纵输入装置，操纵器臂120可以被控制成移动、铰接或者致动器械122(诸如通过使得整个器械122平移或旋转，铰接或致动末端执行器126，或者铰接在末端执行器126近侧的任意器械接头)，从而使得操作员108可以在工作部位处执行任务。对于手术示例，操作员可以指挥操纵器臂120移动器械122以便通过微创孔或天然孔口在内部手术部位处执行外科手术程序。
如所示，控制系统140被提供在输入系统102外部并且与输入系统102通信。在另一些实施例中，控制系统140可以被提供在输入系统102中和/或跟随器装置104中。随着操作员108移动(一个或多个)输入装置106和/或显示单元112，基于输入装置106和/或显示单元112的移动，包括感测的位置和/或取向信息的感测的空间信息被提供给控制系统140。控制系统140可以确定或提供控制信号至跟随器装置104以便基于接收的信息和用户输入来控制操纵器臂120或器械122的移动。在一种实施例中，控制系统140支持一个或更多个有线通信协议(例如，以太网、USB和/或类似协议)和/或一个或更多个无线通信协议(例如，蓝牙、IrDA、HomeRF、IEEE 802.11、DECT、无线遥测和/或类似协议)。
控制系统140可以被实施在一个或更多个计算系统上。一个或更多个计算系统可以被用于控制跟随器装置104。此外，一个或更多个计算系统可以被用于控制输入系统102的部件，诸如响应于通过操作员108的头部提供的输入来控制显示单元112的移动。
如所示，控制系统140包括处理器150和存储控制模块170的存储器160。在实施例中，控制系统140可以包括一个或更多个处理器、非永久性存储器(例如，易失性存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、高速缓冲存储器)、永久性存储器(例如，硬盘、光盘驱动器，诸如压缩盘(CD)驱动器或数字多功能盘(DVD)驱动器、闪存等)、通信接口(例如，蓝牙接口、红外接口、网络接口、光学接口等)以及许多其他元件和功能。此外，控制模块170的功能能够实现在任何技术上可行的软件和/或硬件中。
控制系统140的一个或更多个处理器中的每个可以是用于处理指令的集成电路。例如，一个或更多个处理器可以是处理器、中央处理单元(CPU)、微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)、张量处理单元(TPU)和/或诸如此类的一个或更多个核或微核。
控制系统140的通信接口可以包括用于将计算系统连接到网络(未示出)(例如，局域网(LAN)、广域网(WAN)，诸如因特网、移动网络或任何其他类型的网络)和/或连接到诸如另一计算系统的另一装置的集成电路。
此外，控制系统140可以包括一个或更多个输出装置，诸如显示装置、打印机、扬声器、外部存储器或者任何其他的输出装置。可以存在许多不同类型的计算系统，并且上述(一个或多个)输入和输出装置可以采取其他形式。
用于执行本公开的实施例的计算机可读程序代码形式的软件指令可以全部或部分临时或永久地存储在非暂时性计算机可读介质上，诸如CD、DVD、存储设备、磁盘、磁带、闪存、物理存储器或任何其他计算机可读存储介质。具体地，软件指令可以对应于当由(一个或多个)处理器执行时被配置为执行本发明的一些实施例的计算机可读程序代码。
继续图1，控制系统140可以被连接到网络或者是网络的一部分。网络可以包括多个节点。控制系统140可以被实施在一个节点上或者在一组节点上。例如，控制系统140可以被实施在分布式系统的被连接到其他节点的一个节点上。例如，控制系统140可以被实施在具有多个节点的分布式计算系统上，其中控制系统140的不同功能和/或部件可以位于分布式计算系统内的不同节点上。此外，上述控制系统140的一个或更多个元件可以位于远程位置并且经由网络被连接到其他元件。
在一些实施例中，一个或更多个输入装置可以不接地(未接地输入装置在运动学上没有接地，并且示例中未接地输入装置被配置成由操作员108的手保持而不需硬件提供的附加物理支撑)。这样的未接地输入装置可以与显示单元112结合使用。在一些实施例中，操作员108可以使用被定位在工作部位附近的显示单元112，从而使得操作员108可以在观察显示单元112显示的图像的同时手动地操作工作部位处的器械，诸如在手术示例中的腹腔镜器械。
一些实施例可以包括远程操作医学系统的一个或更多个部件，该系统例如是由美国加利福尼亚州森尼维尔市的直观外科手术公司Intuitive Surgical,Inc.商售的da手术系统。
图2是根据各种实施例的示例性显示系统200的透视图。在一些实施例中，显示系统200被用于远程操作系统的工作站(例如，在图1中所示的工作站)中，或者显示系统200可以被用于其他系统中或作为独立系统，例如以允许操作员观察工作部位或其他物理场地、显示的虚拟环境等。虽然图2示出了特定配置，不过其他实施例可以使用不同配置。
显示系统200包括基座支撑件202、臂支撑件204和对应于图1的显示单元112的显示单元206。显示单元206具有由支撑件联动装置提供的多个自由度的运动，支撑件联动装置包括基座支撑件202、被联接到基座支撑件202的臂支撑件204和被联接到臂支撑件204的倾斜构件224(如下所述)，其中显示单元206被联接到倾斜构件224。
基座支撑件202可以是竖直构件，其机械接地，例如直接地或间接地联接到地面，诸如通过搁置在地板上或附接到地板。例如，基座支撑件202可以机械联接到被联接到地面的支撑结构210。基座支撑件202包括第一基座部分212和第二基座部分214，它们被联接成使得第二基座部分214相对于第一基座部分212可以以线性自由度平移。
臂支撑件204可以是被机械联接到基座支撑件202的水平构件。臂支撑件204包括第一臂部分218和第二臂部分220。第二臂部分220被联接到第一臂部分218，从而使得第二臂部分220相对于第一臂部分218可以以第一线性自由度(DOF)线性平移。
显示单元206可以被机械联接到臂支撑件204。显示单元206可以以由第二基座部分214和第二臂部分220的线性平移提供的第二线性DOF来移动。
在一些实施例中，显示单元206包括可以显示数字图像的显示装置，例如，一个或更多个显示屏、投影仪或者其他显示装置。显示单元206可以包括两个视口223，其中显示设备装置在视口后方提供或被包括在视口中。在一些实施例中一个或更多个显示屏或其他显示装置可以被定位在显示单元206上代替视口223。
在一些实施例中，显示单元206显示由诸如内窥镜的成像装置捕获的工作部位(例如，在医学示例中是患者的内部解剖结构)的图像。工作部位可以替代性地是工作部位的虚拟呈现。在这些器械122中的一个或更多个经由输入系统102的输入装置由操作员控制的同时，图像可以显示跟随器装置104的器械122的捕获的图像或虚拟渲染图。
在一些实施例中，显示单元206被倾斜构件224可旋转地联接到臂支撑件204。在图示示例中，倾斜构件224在第一端处被旋转联接器联接到臂支撑件204的第二臂部分220，该旋转联接器被配置成提供倾斜构件224和显示单元206相对于第二臂部分220绕倾斜轴线226的旋转运动。在一些实施例中，倾斜轴线226被定位在显示单元206中的显示装置上方。
这里讨论的各种自由度中的每种均可以是被动的并且需要手动操纵，或者可以通过一个或更多个致动器来移动，诸如通过一个或更多个马达、电磁阀等。例如，倾斜构件224和显示单元206绕倾斜轴线226的旋转运动可以由一个或更多个致动器驱动，诸如由在倾斜轴线226处或附近被联接到倾斜构件的马达驱动。
显示单元206可以被旋转地联接到倾斜构件224并且可以绕偏航轴线230旋转。例如，这可以是从经由视口223观察显示单元206的图像的操作员的观察点开始的横向或左-右旋转。在这种示例中，显示单元206被旋转机构联接到倾斜构件，该旋转机构可以是轨道机构。例如，在一些实施例中，轨道机构包括弯曲轨道228，其滑动地接合被联接到倾斜构件224的凹槽构件229，从而通过使得弯曲轨道228移动通过凹槽构件229的凹槽来允许显示单元206绕偏航轴线230旋转。
显示系统200可以因此向显示单元206提供竖直线性自由度216、水平线性自由度222、旋转(倾斜)自由度227和旋转偏航自由度231。显示系统200的部件在这些自由度中的协调移动的组合允许显示单元206在显示单元206的工作空间中被定位在各种位置和取向。显示单元206在倾斜、水平和竖直自由度上的运动允许当操作员正通过头部运动提供头部输入时显示单元206停留在操作员的头部附近或者保持接触操作员的头部。
显示系统200的自由度允许显示系统200提供显示单元206在物理空间中绕可以位于不同方位的枢轴线的枢转运动。例如，显示系统200可以提供显示单元206在物理空间中的对应于操作员正操作显示系统200时操作员的头部的运动的运动。这样的运动可以包括绕限定的颈部枢轴线的旋转，该颈部枢轴线近似对应于在操作员的颈部处的操作员的头部的颈部轴线。旋转允许显示单元206根据正引导显示单元206的移动的操作员的头部被移动。在另一示例中，运动可以包括绕限定的前额枢轴线的旋转，该前额枢轴线近似对应于当显示单元206如图所示被定向在绕偏航轴线230的居中偏航旋转位置时在前额处延伸通过操作员头部的前额轴线。
显示单元206可以包括一个或更多个输入装置，其允许操作员提供输入来操纵显示单元206在空间中的取向和/或位置，和/或操纵显示系统200和/或更大系统(例如，远程操作系统)的其他功能或部件。
示意性地，显示单元206包括头部输入区242。在一些实施例中，头部输入区242被定位在显示单元206的在显示单元206操作期间面向操作员头部的表面上。
头部输入区242可以被成形为形成头枕，当操作员正提供头部输入时该头枕可以接触操作员的头部。更具体地，头部输入区242可以位于视口223上方的区域中，以便在操作员正通过视口223观察图像的同时该头部输入区接触操作员的前额。显示单元206可以包括一个或更多个头部输入传感器，其感测至头部输入区242的操作员头部输入作为命令以导致成像装置的移动，或者以其他方式导致呈现给操作员的图像中的视图的更新(例如通过图形渲染、数字变焦或摇拍等)。此外，在一些实施例中且在一些操作情况下，感测的头部移动被用于移动显示单元206以补偿头部移动。因此，即使在操作员执行头部移动以控制成像装置提供的视野时，操作员的头部的位置也可以相对于视口223保持不动。因此可以确保操作员的眼睛与视口的适当对齐。
在一些实施例中，感测操作员头部输入包括感测操作员的头部或头部的一部分(例如，前额)的存在或与头部输入区242的接触。一个或更多个头部输入传感器可以包括各种类型的传感器中的任意传感器，例如电阻传感器、电容传感器、力传感器、光学传感器等。
继续图2，可以基于至头部输入区242的操作员头部输入由显示系统200来改变显示单元206的取向和/或位置。例如，感测的操作员输入被提供给控制系统(例如，控制系统140)，其控制显示系统200的致动器以使得第二基座部分214以线性自由度216移动、第二臂部分220以线性自由度222移动、倾斜构件224以旋转自由度227移动且/或显示单元206以旋转自由度231移动，以导致显示单元206如(例如根据)感测的操作员头部输入的命令来移动。感测的操作员头部输入也可以被用于控制显示系统200和/或较大系统(例如，图1的远程操作系统100)的其他功能。因此，在一些实施例中，操作员可以移动他或她的头部以提供输入从而控制显示单元206根据头部的运动由显示系统200移动，从而允许显示单元206跟随操作员的头部的运动并改变观察角度。
在一些实施例中，基于显示单元206的感测的运动来改变和操纵由显示单元206和/或其他受控装置显示的图像。在显示系统的一些实施例中，显示单元206可以绕偏航轴线230以自由度231旋转，并且从显示系统200省略其他自由度216、222和227中的一个或更多个。例如，显示单元206可以(例如，通过(一个或多个)致动器和/或通过操作员手动地)绕偏航轴线230旋转，并且显示单元206可以(例如，通过(一个或多个)致动器和/或通过操作员手动地)被手动定位成更高和/或更低，例如通过使用基座支撑件202或者其他机构，其中省略水平自由度222和/或倾斜自由度227。
本领域技术人员将意识到图2仅示出了显示系统的配置的一种示例。支持基于来自操作员的输入的显示单元206的移动的替代配置也是可能的。支持显示单元206的期望移动的任意联动装置可以被使用以代替图2所示配置。
虽然在此主要参考作为接地机械结构(例如，显示系统200)的一部分的显示单元206进行描述，不过在另一些实施例中显示单元可以是一个或更多个任何技术上可行的显示装置。例如，显示单元可以是由操作员持有的手持装置，诸如平板装置或者移动电话。作为另一示例，显示单元可以是头戴装置(例如眼镜、护目镜、头盔)。在这样的情况下，可以通过使用在显示单元内部或外部的一个或更多个加速表、陀螺仪、惯性测量单元、相机和/或其他传感器来确定显示单元的位置和/或取向。
成像装置控制技术
如所述，在一些实施例中，在显示单元中的头部输入装置能够包括一个或更多个头部输入传感器，其感测操作员头部输入(例如施加力至、或移动或重构显示单元(诸如显示单元206)的头部输入)。例如，在显示单元206中的头部输入装置能够捕获并转换由头部力或移动提供的头部输入，以命令安装有成像装置(例如，在内窥镜内)的可重新定位的结构。在内窥镜的示例中，内窥镜可以捕获并提供工作部位的一部分的图像，其经由输入系统的显示单元(例如，输入系统102的显示单元112)显示以进行输出。
图3示出了根据各种实施例的显示单元、手操作的控制器和成像装置的各种自由度。如面板A中所示，在一些示例中，显示单元310(对应于图1的显示单元112和图2的显示单元206)在四个DOF上可动。在图3中所示的具体系统姿态中，操作员302能够使得显示单元310以竖直(纸面上上-下)DOF 314和也以水平(纸面上左-右)DOF 316平移。在所示的具体系统姿态中，操作员302也能够使得显示单元310绕竖直轴线(偏航)DOF 318旋转和使得显示单元310绕水平轴线(俯仰)DOF 312旋转。例如，如上文结合图2所述，可以基于至头部输入区242的操作员头部输入来改变显示单元206的取向和/或位置，以手动地移动显示单元206，或者控制显示系统200的致动器以移动显示单元206。例如，通过使得第二基座部分214以线性自由度216移动、第二臂部分220以线性自由度222移动、倾斜构件224以旋转自由度227移动且/或显示单元206以旋转自由度231移动，手动或致动器提供的移动能够跟随操作员头部的移动。
如面板B中所示，当被安装在包括可重新定位的结构的操纵器臂120上且正被操作时，成像装置320可以被受限成以三个DOF移动。在一些示例中，成像装置320可以通过出入端口或套管被引入到工作部位中。例如，成像装置320可以被包括在内窥镜中，如上文结合图1所述。在一些这样的情况下，成像装置320可以关于与出入端口或套管相关联的远程运动中心具有俯仰DOF 324、偏航DOF 326和插入-收回DOF 322。例如，成像装置320可以是0°内窥镜，在这种情况下成像装置320的观察方向对应于插入-收回DOF 322的插入方向。作为另一示例，成像装置可以是30°内窥镜，在这种情况下成像装置320的观察方向可以从插入-收回DOF 322的插入方向偏离30°。应该注意，内窥镜也可以具有滚转DOF以用于绕内窥镜的轴旋转，或者沿着内窥镜轴提供附加DOF的一个或更多个接头。但是，显示单元310可以不具有用于滚转的对应DOF或者这样的附加接头。
虽然作为示例在此关于被配置成以四个DOF移动的显示单元310进行描述，不过在另一些实施例中，显示单元可以被配置成以四个以上的DOF移动。例如，如上文结合图2所述，显示单元可以是手持装置，诸如平板装置或移动电话，或者头戴装置，操作员可以在高达六个自由度上像刚体一样平移和旋转该头戴装置。虽然在此作为参考示例关于具有三个DOF的成像装置320进行描述，不过在另一些实施例中，成像装置320可以具有三个以上的DOF。例如，成像装置可以是内窥镜，其具有通过一个或多个附加接头联接到轴上的远端，从而形成“腕部”，该“腕部”关于成像装置320提供与上述三个DOF不同的一个或更多个DOF。虽然在此主要参考不具有滚转DOF的显示单元310进行了描述，不过在另一些实施例中，诸如当显示单元是手持装置或头戴装置时，显示单元可以具有滚转DOF，其能够映射到成像装置320的滚转DOF。更一般地，在一些实施例中，显示单元310可以具有在数量和/或方向上与成像装置320的DOF不同的任何合适的DOF。
在一些实施例中，显示单元310的移动(其可以大体跟随操作员302的头部移动)不被直接地转换成成像装置320的移动命令。这可以发生于如下实施例：显示单元310和成像装置320具有匹配的DOF和/或运动范围限制，以及显示单元310和成像装置320具有不同的DOF和/或运动范围限制。在一些示例中，显示单元310的某些移动(例如向上和向下)由于DOF或运动范围约束而不能被成像装置320明确地跟随，并且在这样的情况下，试图控制成像装置320的移动直接跟随显示单元310的移动会生产意外结果、不直观的结果和/或偏离显示单元310移动的结果。
图4示出了根据各种实施例在显示单元工作空间中的参考点和在成像装置工作空间中的参考点之间的映射。如在面板4A-B中所示，为了将显示单元310的运动映射到成像装置320的目标运动，控制系统(例如控制系统140)将从显示单元310偏移开的参考点400(在此也被称为“显示单元参考点400”)的位置映射到从成像装置320偏移开的参考点428(在此也被称为“成像装置参考点428”)的目标位置。如所示，显示单元参考点400在显示单元的前方在远离操作员302的方向上从显示单元310偏移开一定距离。同样地，成像装置参考点428朝向成像装置的视野且在成像装置320的“前方”从成像装置320偏移开一定距离。控制系统将显示单元参考点400的位置转换成成像装置参考点428的目标位置，从而使得成像装置参考点428朝向目标位置的运动类似于显示单元参考点400的运动。因此，通过使用成像装置参考点428和显示单元参考点400，改变显示单元310的位置的操作员输入能够被映射到成像装置320的命令位置、速度或加速度。
在一些示例中，显示单元参考点400在远离操作员302的方向上(即在操作员302的眼睛前方)位于显示单元310的透镜(例如，在显示单元206的视口223内的透镜)前方一定距离402处。在一些示例中，显示单元参考点400可以在远离操作员302的方向上在显示单元310的透镜前方近似30cm，这大略是在操作员302的眼睛和操作员302的手之间的距离。在一些示例中，诸如在显示单元是手持装置或头戴装置的情况下，显示单元参考点400可以是在操作员眼睛前方近似30cm。另外，在一些示例中，包括显示单元参考点400在操作员眼睛前方近似30cm的一些情况下，成像装置参考点428可以是在成像装置320的远端前方近似10cm，这大略是在工作部位处在成像装置320和一个或更多个远程操作的器械(例如，远程操作的跟随器装置104的器械122)之间的距离。在一些实施例中，显示单元参考点400在操作员302前方的距离和/或成像装置参考点428在成像装置320前方的距离可以不是固定的。例如，由成像装置320捕获并经由显示单元310呈现给操作员的图像可以通过成像装置320的光学或数字变焦或者摇拍和/或被施加到由显示单元310显示的图像的光学变焦或摇拍来进行修改。在这样的情况下，成像装置参考点428能够基于光学或数字变焦和摇拍相对于成像装置320移动。例如，光学或数字变焦可以使得成像装置参考点428沿着视野的中央轴线移动并相对于成像装置320更远或更近，而光学或数字摇拍可以使得成像装置参考点428移动离开视野的中央轴线并相对于成像装置320横向运动。
如所示，显示单元参考点400的位置能够表示在任何适当坐标系统中，诸如使用笛卡尔坐标(xd，yd，zd)，其被示为轴线412、414和426。图像装置参考点428的位置也能够被表示成笛卡尔坐标(xi，yi，zi)，其被示为轴线422、424和426。无论显示单元310的DOF如何，如结合图3在上文所述，显示单元310在显示单元310的任何DOF上的移动可以被投影到显示单元310前方距离402处以在xd、yd和zd方面确定显示单元参考点400。类似映射也可以被用于确定在成像装置320在成像装置320的任何DOF上的移动和成像装置参考点428在xd、yd和zd坐标(或其他坐标系统)中的移动之间的关系。
在一些实施例中，通过使用正向运动学和支撑显示单元310的可重新定位结构的已知接头位置，控制系统求解显示单元参考点400的位置。例如，控制系统本身可以计算跟随操作员302头部运动所需的接头位置，或者从计算接头位置的另一模块获得这些接头位置，基于接头位置求解显示单元310的透镜的位置，并且在与透镜观察平面垂直的方向上在透镜位置前方添加距离402以便确定显示单元参考点400的位置。在另一些实施例中，控制系统能够以任意技术上可行的方式确定显示单元参考点400的位置。例如，当显示单元是手持装置和/或未接地头戴显示器时，显示单元的位置可以由显示单元和/或头戴显示器的传感器捕获的数据和/或通过使用一个或更多个外部传感器系统捕获的数据来确定。之后距离能够被添加到显示单元的位置以获得显示单元参考点的位置。
在一些实施例中，在确定显示单元参考点400的位置之后，控制系统生成控制命令，其控制安装有成像装置320的可重新定位结构到达对应位置，从而使得成像装置参考点428大体跟随显示单元参考点400的位置。成像装置参考点428的最终位置在此也被称为“目标”位置。可以在使用比例因数的情况下定义目标位置；在这种情况下，比例因数被施加到显示单元参考点400的运动以获得成像装置参考点428的对应目标位置。例如，显示单元参考点400沿着xd、yd和zd自由度的笛卡尔运动能够被映射到经历比例因数的对应目标位置。在一些示例中，可以基于操作员喜好、显示单元310类型、成像装置320类型、执行的程序和/或诸如此类来确定比例因数。
在一些实施例中，安装有成像装置320的可重新定位结构可以被致动以更新成像装置320在工作部位中的位置和/或取向，以便成像装置参考点428移动到目标位置或朝向目标位置移动。在这样的情况下，控制系统能够使用成像装置参考点428的目标位置来确定成像装置320的远端的位置。之后，成像装置320和/或安装有成像装置320的可重新定位结构的反向运动学能够被用于确定如何致动成像装置320和/或安装有成像装置320的可重新定位结构的接头以便相应地移动成像装置320。
在一些实施例中，一个或更多个器械(例如，器械122中的一个或更多个)相对于在成像装置320移动时不变化的参考系移动。例如，在上文描述的跟随器方式中，一个或更多个器械可以基于通过使用来自手持控制器的输入生成的命令相对于参考系移动。在这样的情况下，当成像装置320移动时，通过成像装置320的移动来使能的环境的不同视图不会影响控制器械所处的参考系。环境的不同视图仅改变成像装置320相对于器械的视野，这会改变成像装置340捕获的图像呈现给器械操作员的有效视点。
图5示出了根据各种实施例的显示单元参考点相对于显示单元基线参考点以及成像装置参考点相对于成像装置基线参考点的差量。如所示，在一些示例中，相对于显示单元基线参考点502的位置来定义显示单元参考点400的位置，并且相对于成像装置基线参考点512的位置来定义成像装置参考点428的位置。例如，当操作员302选择进入将显示单元310的移动转换成导致成像装置320的移动跟随显示单元310的移动的命令的模式时，显示单元基线参考点502和成像装置基线参考点512可以是分别地远离操作员302在显示单元310前方和在成像装置320前方一定距离处的点。之后在随后时间处的显示单元参考点400的位置能够被表示为在当前显示单元参考点400和显示单元基线参考点502之间的差量504(也被称为“差异504”)，其在此被标注为Δ显示单元。类似地，之后，在随后时间处的成像装置参考点428的位置能够被表示为在当前成像装置参考点400和成像装置基线参考点512之间的差量514(也被称为“差异514”)，其在此被标注为Δ成像装置。如所述，显示单元参考点400的位置变化能够通过根据等式1施加比例因数被映射成成像装置参考点428的位置变化。
Δ成像装置＝比例×Δ显示单元，
等式1
在等式1中，比例因数能够例如是静态的或者可变的。作为特定示例，比例因数能够是可选值：针对成像装置320的较精密控制是小于1(例如1/3)；针对成像装置320的正常控制是1，且/或针对成像装置320的较粗略控制是大于1(例如1.5)。
此外，在一些实施例中，控制系统能够考虑到对显示单元310的位置和/或成像装置320的位置的手动调整。例如，操作员300可以对显示单元310的位置进行人机工程学调整。在这样的情况下，显示单元310的位置移动(例如针对操作员人机工程学)，并且控制系统不命令成像装置320的移动跟随针对人机工程学调整的移动。作为另一示例，如果操作员300或某人使用其他技术来移动成像装置320，成像装置320可以被手动调整。在这样的情况下，成像装置320的位置被移位，但是显示单元310的位置不变。如下文更具体描述的，在一些示例中，当发生改变显示单元310的位置的人机工程学调整时，控制系统：(1)在完成人机工程学调整时基于显示单元310的位置和取向来更新显示单元基线参考点502，其将显示单元参考点400的差量504设置为零；(2)设置等于成像装置参考点428的差量514的校正；和(3)执行棘轮技术/逐渐变化技术(ratcheting technique)以减少多个移动循环上的校正。此外，在一些示例中，当发生对成像装置320的手动重新定位时，控制系统：(1)在完成手动重新定位时基于成像装置320的位置和取向来更新成像装置基线参考点512，其将成像装置参考点428的差量514设置为零；(2)基于显示单元参考点400的差量504乘以-1确定校正；和(3)执行棘轮技术以减少多个移动循环上的校正。
此外，在一些实施例中，当成像装置参考点428例如由于与成像装置320和/或安装有成像装置320的可重新定位结构相关联的运动范围(ROM)限制、碰撞和/或类似情况而不能跟随显示单元参考点400时，控制系统可以根据等式2确定与在实现的成像装置参考点428的差量和成像装置参考点428的目标差量之间的差异成比例的触觉反馈，成像装置参考点428的目标差量基于显示单元参考点400的差量504通过应用比例因数来确定。
Ffbk＝α×(Δ实现的成像装置-比例×Δ显示单元)，等式2
在等式2中，Ffbk是力反馈并且α是比例性常数。控制系统能够进一步将触觉反馈转换成安装有显示单元310的可重新定位结构的接头力和/或转矩，其阻止操作员进一步试图增加在实现的成像装置参考点的差量和成像装置参考点428的目标差量之间的差异，该目标差量是基于显示单元参考点400的差量504通过应用比例因数来确定的。在一些示例中，可以针对显示单元参考点400的xd、yd和/或zd中的每个单独地确定和/或应用触觉反馈。
图6示出了根据各种实施例的用于控制成像装置的方法600的简化图。方法600的过程602-620中的一个或更多个可以至少部分以存储在非瞬时性有形机器可读介质上的可执行代码的形式来实现，当被一个或更多个处理器(例如，控制系统140中的处理器150)运行时该可执行代码可以导致所述一个或更多个处理器执行过程602-620中的一个或更多个。在一些实施例中，方法600可以由一个或更多个模块执行，诸如在控制系统140中的控制模块170。在一些实施例中，方法600可以包括未被示出的附加过程。在一些实施例中，过程602-620中的一个或更多个至少部分由控制系统140的单元中的一个或更多个来执行。
如所示，方法600开始于过程602，其中显示单元基线参考点502和成像装置基线参考点512被初始化。在一些实施例中，显示单元基线参考点502和成像装置基线参考点512被初始化成显示单元参考点400和成像装置参考点428，其中当操作员选择进入将显示单元310的移动转换成导致成像装置320的移动以跟随显示单元310的移动的命令的模式时，显示单元参考点400和成像装置参考点428可以分别远离操作员在显示单元310前方和在成像装置320前方一定距离处。如所述，在随后时间处的显示单元参考点400的位置能够表示为在当前显示单元参考点和显示单元基线参考点502之间的差异或者差量。类似地，在随后时间处的成像装置参考点428的位置能够表示为在当前成像装置参考点和成像装置基线参考点512之间的差异或者差量。
在过程604处，确定显示单元参考点400的位置。在一些实施例中，显示单元参考点400的位置被确定为在远离操作员的方向上在显示单元310前方一定距离处。在一些示例中，显示单元参考点400的位置能够通过使用正向运动学基于安装有显示单元310的可重新定位结构的接头位置来确定，诸如当显示单元跟随操作员300的头部移动时。在另一些示例中，显示单元参考点400的位置能够以任何技术上可行的方式被确定，诸如经由显示单元的一个或更多个传感器和/或使用一个或更多个外部跟踪系统。
在过程606处，如果显示单元310已经被手动调整，则方法600继续到过程608，在此显示单元基线参考点502被更新并且校正被确定。如所述，例如当操作员300对显示单元310的位置做出人机工程学调整时，显示单元310可以被手动调整。在一些示例中，通过将显示单元基线参考点502设置成在完成对显示单元310的手动调整时显示单元参考点400的位置来更新显示单元基线参考点502。此外，在显示单元参考点400和成像装置参考点428之间的映射的校正被创建，并且之后经由下文所述的棘轮技术逐渐减小到零，以便针对显示单元基线参考点502的变化进行校正，并且避免成像装置参考点的位置跳跃。在一些示例中，校正被定义为在成像装置参考点428的差量514和显示单元参考点400的差量504之间的差异，如上文结合图5所述。例如，校正能够通过在等式3中求解校正来确定。
Δ成像装置＝比例×Δ显示单元+校正
等式3
在这样的情况下，当显示单元基线参考点502被重置时显示单元参考点400的差量504变成零，并且校正则等于成像装置参考点428的差量514。这样的校正使得在显示单元参考点400的差量504被操作员300移动后成像装置参考点428的差量514保持相同，以便当基于显示单元参考点400相对于新显示单元基线参考点的差量确定成像装置基线参考点428的新差量时，操作员300不会看到至另一位置的不连续变化。即，校正补偿了在显示单元参考点400的差量504和成像装置参考点428的差量514之间由于对显示单元310的手动调整导致的差异。如下文更具体所述，校正在多个移动循环内被逐渐变为(ratchet)零，之后成像装置参考点428的差量514根据等式1跟随显示单元参考点400的差量504。
如果确定在过程610处已经手动调整了成像装置320，则方法600继续到过程612，在此成像装置基线参考点512被更新并且校正被确定。在一些示例中，通过将成像装置基线参考点512设置成在完成对成像装置320的手动调整时成像装置参考点428的位置来更新成像装置基线参考点512。类似于过程608，在过程610处确定在显示单元参考点400和成像装置参考点428之间的映射的校正，并且之后该校正经由棘轮技术逐渐减小到零，以针对变化的成像装置基线参考点进行校正。在一些示例中，校正被设置成显示单元参考点400的差量504乘以-1(和可选地比例因数)，这是因为当更新成像装置基线参考点512时在等式3中的成像装置参考点的差量变成零。
随后到过程612，或者如果在过程610处没有确定成像装置320已经被手动调整，则在过程614处确定成像装置参考点428的目标位置。图7根据各种实施例更具体地示出了过程614。在一些实施例中，分别地针对多个轴线中的每个(例如x、y和z轴线中的每个)执行过程702-710。如所示，在过程702处，如果识别出从前一移动循环的非零校正，则方法600继续到过程704，在此确定新(第k个)校正。在一些示例中，新(第k个)校正能够被确定为：
其中k和k-1分别指示出第k和第k-1个移动循环。
在过程706处，如果新(第k个)校正的幅值大于前一(k-1)校正的幅值，则在过程708处，校正被设置成前一(k-1)校正。另一方面，如果第k个校正的幅值不大于前一(k-1)校正的幅值，则在过程710处，基于新(第k个)校正、前一(k-1)校正和棘轮因数来设置校正。在一些示例中，能够根据等式5来执行过程706-710。
如果|校正k|＞|校正k-1|，则
校正k＝校正k-1
否则
校正k＝r×校正k+(1-r)×校正k-1 等式5
其中r是棘轮因数0<r≤1。在一些示例中，可以基于操作员喜好、显示单元310类型、成像装置320类型、执行的程序和/或类似项中的一者或更多者来选择r。
随后到过程708和710，或者如果在过程702处没有识别出校正的话，则在过程712处，基于显示单元参考点400和校正(如果存在的话)来确定成像装置参考点428的目标位置。在一些示例中，能够根据等式6来执行过程712。
在等式6，(来自等式5的)校正被用于基于棘轮因数来减少成像装置参考点428的运动，直到在若干循环后校正变成零。成像装置参考点428的运动减少得越多，则对于操作员的影响将越明显，不过校正则消除得越快，从而使得成像装置参考点428能够根据等式1跟随显示单元参考点400。在一些示例中，棘轮因数r可以被设置成1。在这样的情况下，成像装置参考点428(和操作员看到的图像)将不移动，直到消除了校正并且成像装置参考点428直接跟随显示单元参考点400。此外，通过允许校正仅变成较小数字，确保了校正收敛于零并且成像装置参考点428的差量514收敛于显示单元参考点400的差量504(乘以比例因数)。
返回图6，在确定成像装置参考点428的目标位置之后，方法600继续到过程616。在过程616，如果能够实现成像装置参考点428的目标位置，则方法600继续到过程618，在此基于成像装置参考点428的目标位置来致动成像装置320。
在一些情况下，如果不能够实现成像装置参考点428的目标位置，则方法600直接进行到过程620，在此基于成像装置参考点428的目标位置来确定可实现位置，并且成像装置320被致动到或朝向可实现位置。在一些示例下，也提供触觉反馈。例如，操作员300可以将显示单元移动到成像装置320由于与成像装置320和/或安装有成像装置320的可重新定位结构的相关联的DOF或运动范围限制、碰撞和/或诸如此类原因而不能够跟随的位置中。在这样的情况下，成像装置320可以被重新定位到可实现位置；也可以提供触觉反馈。触觉反馈可以驱使操作员朝向对应于成像装置的可实现目标位置的位置移动显示单元，可以阻止对应于增加在实现的成像装置参考点的差量和基于显示单元参考点的差量确定的成像装置参考点的目标差量之间的差异的目标位置的显示单元的进一步移动。
图8示出了根据各种实施例的更具体的过程620。在一些实施例中，分别地针对多个轴线中的每个(例如x、y和z轴线中的每个)执行过程802-808。
如所示，在过程802处，确定成像装置320的可实现位置。如所述，可实现位置可以基于目标位置被确定成在满足与成像装置320和/或安装有成像装置320的可重新定位结构的相关联的DOF或运动范围限制、碰撞约束和/或类似物的同时能够实现的成像装置320的位置。
在过程804处，确定触觉反馈。在一些示例中，触觉反馈能够根据等式2被确定为与在实现的成像装置参考点的差量和基于显示单元参考点的差量确定的成像装置参考点的目标差量之间的差异成比例的力。
在过程806处，触觉反馈被转换成接头力和/或转矩。在一些示例中，触觉反馈能够经由反向运动学被转换成安装有显示单元310的可重新定位结构的接头的接头力和/或转矩。在另一些示例中，触觉反馈可以被转换成任何技术上可行的(一种或多种)形式，诸如手持装置和/或头戴装置的振动。
在过程808处，接头力和/或转矩(或其他(一种或多种)形式的触觉反馈)被施加到安装有显示单元310的可重新定位结构。在一些示例中，一个或更多个命令可以被生成并发送给用于安装有显示单元310的可重新定位结构中的接头的控制器，以便提供接头力和/或转矩(或其他(一种或多种)形式的触觉反馈)。
返回图6，在成像装置320通过过程618或620被致动到或朝向新位置时，通过返回到过程604开始下一个移动循环。
公开的实施例通过在显示单元移动时使用从显示单元偏移的显示单元参考点来控制可重新定位成像装置。公开的实施例将显示单元参考点的位置转换成成像装置参考点的目标位置。成像装置参考点从成像装置偏移。公开的实施例基于成像装置参考点的目标位置来命令重新定位成像装置。在远程操作系统的背景下，显示单元参考点的偏移能够是在远离操作员的方向上在显示单元前方一定距离，并且能够是在显示单元和操作员的手之间的额定工作距离。同样在远程操作系统的背景下，成像装置参考点的偏移能够是在成像装置前方的第二距离，其能够是在成像装置和正被远程操作的一个或更多个器械之间的额定工作距离。当发生人机工程学调整时，在完成人机工程学调整时基于显示单元的位置和取向，更新基线参考点，显示单元参考点被计算成与基线参考点的差量；此外，在一些情况下，校正被设置成等于成像装置参考点的差量，并且执行棘轮技术来减少校正。当发生对成像装置的手动重新定位时，更新成像装置的基线参考点；此外，在一些情况下，基于显示单元参考点的差量乘以-1来确定校正，并且执行棘轮技术以减少校正。此外，在一些情况下，当成像装置参考点不能够跟随显示单元参考点时，能够提供触觉反馈，该触觉反馈基于在实现的成像装置参考点的差量和基于显示单元参考点的差量确定的成像装置参考点的目标差量之间的差异；例如，触觉反馈能够与这样的差异成比例。
有利地，公开的实施例允许可重新定位成像装置的运动类似于命令成像装置的运动的显示单元的运动。这样做能够为正移动显示单元的操作员提供更直观的控制，即使在显示单元和成像装置不同的自由度不同和/或显示单元和成像装置的运动范围不同的情况下。此外，当操作员对显示单元进行人机工程学调整或者手动重新定位成像装置时，公开的实施例能够减少或者避免成像装置或显示单元的意外运动，或者减少或避免对成像装置的控制的不连续。
图6-图9中所示方法的过程中的一个或更多个可以部分地或完全地以被存储在非瞬时性有形机器可读介质上的可执行代码的形式来实现，当被一个或更多个处理器(例如，控制系统140中的处理器150)运行时可执行代码可以导致一个或更多个处理器执行方法600的过程和/或图6、图7和/或图8中任意附图中的过程中的一个或更多个过程。在一些实施例中，过程可以由一个或更多个模块执行，诸如在控制系统140中的控制模块170。在一些实施例中，方法600可以包括未被示出的附加过程。可以包括方法600的过程和/或图6、图7和/或图8的过程的机器可读介质的一些常见形式例如是，软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、CD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡、纸带、任何其他有孔图案的物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储芯片或卡带和/或处理器或计算机适合读取的任何其他介质。
虽然已经示出和描述了说明性实施例，但在上述公开中预想了广泛的修改、变更和替代，并且在某些情况下，可以在不使用其他特征的情况下使用实施例的某些特征。本领域普通技术人员可以意识到许多变体、替代方案和修改。因此，本发明的范围应当仅受随附权利要求的限制，并且适当的是，权利要求被广义地解释，并且以与本文公开的实施例的范围一致的方式解释。

Claims (34)

1.一种计算机辅助装置，包括：
被配置成支撑成像装置的第一可重新定位结构；以及
被联接到所述第一可重新定位结构的控制系统，其中所述控制系统被配置成：
确定从显示单元偏移的第二参考点的位置；
将所述第二参考点的所述位置转换成从所述成像装置偏移的第一参考点的目标位置；
确定所述第一可重新定位结构的移动命令，该移动命令移动所述成像装置从而使得所述第一参考点朝向所述目标位置移动；以及
基于所述移动命令导致对所述第一可重新定位结构的致动。
2.根据权利要求1所述的计算机辅助装置，其中所述第二参考点通过在远离操作员的方向上在所述显示单元的前方而从所述显示单元偏移，并且所述第一参考点通过在所述成像装置的视野的方向上在所述成像装置的前方而从所述成像装置偏移。
3.根据权利要求1所述的计算机辅助装置，其中所述控制系统进一步被配置成：基于所述成像装置的变焦水平来确定所述第一参考点的偏移。
4.根据权利要求1所述的计算机辅助装置，其中所述控制系统进一步被配置成：基于被施加到由所述显示单元所示的图像的数字变焦或摇拍来确定所述第一参考点的偏移。
5.根据权利要求1所述的计算机辅助装置，进一步包括被配置成支撑所述显示单元的第二可重新定位结构。
6.根据权利要求5所述的计算机辅助装置，其中基于所述第二可重新定位结构的正向运动学来确定所述第二参考点的所述位置。
7.根据权利要求5所述的计算机辅助装置，其中所述成像装置和所述第一可重新定位结构一起具有第一多个自由度，其中所述显示单元和所述第二可重新定位结构一起具有与所述第一多个自由度不同的第二多个自由度。
8.根据权利要求7所述的计算机辅助装置，其中所述第一多个自由度在数量上不同于所述第二多个自由度，或者其中所述第一多个自由度包括不匹配所述第二多个自由度的一个或更多个自由度。
9.根据权利要求1所述的计算机辅助装置，其中所述显示单元包括由如下装置构成的组中选择的装置：手持装置和头戴装置。
10.根据权利要求1所述的计算机辅助装置，其中为了将所述第二参考点的所述位置转换成所述第一参考点的所述目标位置，所述控制系统被配置成：
确定在所述第二参考点和所述显示单元的基线参考点之间的第一差异；
基于所述第一差异确定所述第一参考点的第二差异；以及
由所述第二差异和所述成像装置的基线参考点来确定所述第一参考点的所述目标位置。
11.根据权利要求10所述的计算机辅助装置，其中所述控制系统被配置成：
基于在进入第一模式时所述第二参考点的所述位置来确定所述显示单元的所述基线参考点，其中在所述第一模式中，所述显示单元的移动被用于控制所述成像装置的移动；以及
基于在进入所述第一模式时所述成像装置的配置来确定所述成像装置的所述基线参考点。
12.根据权利要求10所述的计算机辅助装置，其中为了基于所述第一差异确定所述第二差异，所述控制系统被配置成根据比例因数缩放所述第一差异。
13.根据权利要求12所述的计算机辅助装置，其中所述比例因数基于选自如下参数构成的组中的一个或更多个参数来确定：操作员喜好、所述显示单元的类型、所述成像装置的类型和正在执行的程序。
14.根据权利要求12所述的计算机辅助装置，其中为了将所述第二参考点的所述位置转换成所述第一参考点的所述目标位置，所述控制系统进一步被配置成：向所述第二差异添加校正。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的计算机辅助装置，其中所述控制系统进一步被配置成，响应于识别出对所述显示单元的手动调整：
将所述显示单元的基线参考点设置成在完成对所述显示单元的所述手动调整时所述第二参考点的所述位置；
基于在所述第一参考点和所述成像装置的基线参考点之间的差异来设置第一校正；以及
在一个或更多个移动循环上减少所述第一校正。
16.根据权利要求15所述的计算机辅助装置，其中为了针对第一移动循环减少所述第一校正，所述控制系统被配置成：
基于针对所述第一移动循环在所述第一参考点和所述成像装置的所述基线参考点之间的差异以及来自前一移动循环在所述第一参考点和所述显示单元的所述基线参考点之间的差异来确定所述第一移动循环的第二校正；以及
当所述第二校正的幅值不大于所述第一校正的幅值时，基于所述第一校正、所述第二校正和棘轮因数来设置所述第一校正。
17.根据权利要求1-14中任一项所述的计算机辅助装置，其中所述控制系统进一步被配置成，响应于识别出对所述成像装置的手动调整：
将所述成像装置的基线参考点设置成在完成对所述成像装置的所述手动调整时所述第一参考点的所述位置；
基于在所述第二参考点和所述显示单元的基线参考点之间的差异来设置第一校正；以及
在一个或更多个移动循环上减少所述第一校正。
18.根据权利要求17所述的计算机辅助装置，其中为了针对第一移动循环减少所述第一校正，所述控制系统被配置成：
基于针对所述第一移动循环的在所述第二参考点和所述成像装置的所述基线参考点之间的差异以及来自前一移动循环的在所述第二参考点和所述显示单元的所述基线参考点之间的差异来确定所述第一移动循环的第二校正；以及
当所述第二校正的幅值不大于所述第一校正的幅值时，基于所述第一校正、所述第二校正和棘轮因数来设置所述第二校正。
19.根据权利要求1-14中任一项所述的计算机辅助装置，其中所述控制系统进一步被配置成，响应于确定所述第一可重新定位结构不能够实现所述移动命令：
基于在能够实现的所述第一参考点的位置和所述第一参考点的所述目标位置之间的差异来确定触觉反馈；
基于所述触觉反馈，确定被配置成支撑所述显示单元的第二可重新定位结构中的接头的接头力或转矩；并且
基于确定的接头力或转矩来导致对所述第二可重新定位结构的所述接头的致动。
20.根据权利要求1-14中任一项所述的计算机辅助装置，其中所述第二参考点的所述位置是在所述显示单元中所包括的透镜前方大约30cm，或者其中所述第一参考点的所述位置是在所述成像装置的远端前方大约10cm。
21.根据权利要求1-14中任一项所述的计算机辅助装置，其中所述计算机辅助装置是远程操作的医学装置。
22.一种操作包括可重新定位结构和一个或更多个处理器的计算机辅助装置的方法，所述一个或更多个处理器通信地联接到所述可重新定位结构，所述方法包括：
通过所述一个或更多个处理器确定从显示单元偏移的第一参考点的位置；
通过所述一个或更多个处理器将所述第一参考点的位置转换成从成像装置偏移的第二参考点的目标位置；
通过所述一个或更多个处理器确定所述可重新定位结构的移动命令，所述移动命令移动所述成像装置从而使得所述第一参考点朝向所述目标位置移动，其中所述可重新定位结构被配置成支撑所述成像装置；以及
通过所述一个或更多个处理器基于所述移动命令导致对所述可重新定位结构的致动。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述第二参考点通过在远离操作员的方向上在所述显示单元的前方而从所述显示单元偏移，并且所述第一参考点通过在所述成像装置的视野的方向上在所述成像装置的前方而从所述成像装置偏移。
24.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：基于所述成像装置的变焦水平或者被施加到由所述显示单元所示的图像的数字变焦或摇拍来确定所述第一参考点的偏移。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述成像装置和所述可重新定位结构一起具有第一多个自由度，其中所述显示单元和支撑所述显示单元的第二可重新定位结构一起具有与所述第一多个自由度不同的第二多个自由度。
26.根据权利要求22所述的方法，其中将所述第二参考点的所述位置转换成所述第一参考点的所述目标位置包括：
确定在所述第二参考点和所述显示单元的基线参考点之间的第一差异；
基于所述第一差异确定所述第一参考点的第二差异；以及
由所述第二差异和所述成像装置的基线参考点来确定所述第一参考点的所述目标位置。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
基于在进入第一模式时所述第二参考点的位置来确定所述显示单元的所述基线参考点，其中在所述第一模式中，所述显示单元的移动被用于控制所述成像装置的移动；以及
基于在进入所述第一模式时所述成像装置的配置来确定所述成像装置的所述基线参考点。
28.根据权利要求26所述的方法，其中基于所述第一差异确定所述第二差异包括根据比例因数缩放所述第一差异。
29.根据权利要求22所述的方法，进一步包括，响应于识别出对所述显示单元的手动调整：
将所述显示单元的基线参考点设置成在完成对所述显示单元的所述手动调整时所述第二参考点的所述位置；
基于在所述第一参考点和所述成像装置的基线参考点之间的差异来设置第一校正；以及
在一个或更多个移动循环上减少所述第一校正。
30.根据权利要求29所述的方法，其中针对第一移动循环减少所述第一校正包括：
基于针对所述第一移动循环的在所述第一参考点和所述成像装置的所述基线参考点之间的差异以及来自前一移动循环的在所述第一参考点和所述显示单元的所述基线参考点之间的差异来确定所述第一移动循环的第二校正；以及
当所述第二校正的幅值不大于所述第一校正的幅值时，基于所述第一校正、所述第二校正和棘轮因数来设置所述第一校正。
31.根据权利要求22所述的方法，进一步包括，响应于识别出对所述成像装置的手动调整：
将所述成像装置的基线参考点设置成在完成对所述成像装置的所述手动调整时所述第一参考点的所述位置；
基于在所述第二参考点和所述显示单元的基线参考点之间的差异来设置第一校正；以及
在一个或更多个移动循环上减少所述第一校正。
32.根据权利要求31所述的方法，其中针对第一移动循环减少所述第一校正包括：
基于针对所述第一移动循环的在所述第二参考点和所述成像装置的所述基线参考点之间的差异以及来自前一移动循环的在所述第二参考点和所述显示单元的所述基线参考点之间的差异来确定所述第一移动循环的第二校正；以及
当所述第二校正的幅值不大于所述第一校正的幅值时，基于所述第一校正、所述第二校正和棘轮因数来设置所述第二校正。
33.根据权利要求22所述的方法，进一步包括，响应于确定所述可重新定位结构不能够实现所述移动命令：
基于在能够实现的所述第一参考点的位置和所述第一参考点的目标位置之间的差异来确定触觉反馈；
基于所述触觉反馈，确定被配置成支撑所述显示单元的另一可重新定位结构中的接头的接头力或转矩；并且
基于确定的接头力或转矩来导致对所述另一可重新定位结构的所述接头的致动。
34.一个或更多个非瞬时性机器可读介质，其包括多个机器可读指令，当被一个或更多个处理器执行时所述机器可读指令指令适于导致所述一个或更多个处理器执行根据权利要求22-33中任一项所述的方法。
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