CN116669652A - 用于在机器人系统中通过差分信号线路传输紧急信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

机器人医疗系统可快速且可靠地通信紧急信号。机器人医疗系统可包括第一节点、第二节点和第一对电导体，该第一对电导体用于该第一节点与该第二节点之间的差分通信，使得数据信号作为差分信号在该第一节点与该第二节点之间通信。该第一节点可包括与该第一对电导体电联接的第一电路。该第一电路可将紧急停止信号作为非差分信号通过该第一对电导体在该第一节点与该第二节点之间通信。

Description

用于在机器人系统中通过差分信号线路传输紧急信号的方法 和装置

技术领域

本文所公开的系统和方法涉及用于通过差分信号线路传输紧急信号的方法和装置，并且更具体地涉及用于在机器人系统中通过差分信号线路传输紧急信号的方法和装置。

背景技术

机器人系统通常具有多个可动关节以提供多个自由度。对于执行关键操作(诸如外科手术)的机器人系统，有必要将紧急信号快速且可靠地通信到多个关节(或相关联的马达驱动器)。然而，添加用于紧急信号的专用通信线路可能具有挑战性，并可能增加机器人系统的尺寸和复杂性。因此，需要无需附加的通信线路即可快速且可靠地通信紧急信号的机器人系统。

发明内容

本文公开了一种使用一对或多对电导体在机器人系统的节点(例如，马达驱动器)之间传输差分信号的机器人系统。该机器人系统将紧急信号作为非差分信号通信，这继而允许机器人系统的不同节点在无附加通信线路的情况下快速且可靠地通信紧急信号。

根据一些实施方案，一种机器人系统包括第一节点和第二节点和第一对电导体，该第一对电导体用于该第一节点与该第二节点之间的差分通信，使得数据信号作为差分信号在该第一节点与该第二节点之间通信。该第一节点包括与该第一对电导体电联接的第一电路，并且该第一电路将紧急停止信号作为非差分信号通过该第一对电导体在该第一节点与该第二节点之间通信。

根据一些实施方案，一种用于在具有多个节点的医疗系统中传输紧急停止信号的方法包括通过改变该医疗系统的该多个节点中的第一节点与第二节点之间的第一差分信号接口的共模电压，通过该第一差分信号接口在该第一节点与该第二节点之间传输紧急停止信号。

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一个实施方案。

图6提供了图5的机器人系统的另选视图。

图7示出了被构造成能够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医疗机器人系统的部件。

图22示出了根据一些实施方案的医疗机器人系统的架构。

图23示出了根据一些实施方案的医疗机器人系统的网络架构。

图24示出了根据一些实施方案的滑环结构。

图25是示出根据一些实施方案的通过共模电压通信信号的节点的示意图。

图26是示出紧急信号的单向通信的示例的示意图。

图27是示出根据一些实施方案的用于紧急信号的单向通信的电路的示意图。

图28是示出紧急信号的简单双向通信的示例的示意图。

图29是示出根据一些实施方案的用于紧急信号的简单双向通信的电路的示意图。

图30是示出紧急信号的复杂双向通信的另一示例的示意图。

图31是示出根据一些实施方案的用于紧急信号的复杂双向通信的电路的示意图。

图32是示出根据一些实施方案的节点的状态的状态机图。

图33是示出根据一些实施方案的通信紧急信号的方法的流程图。

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位置执行规程的能力，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专用支气管镜)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以相对于进入点来定位支气管镜。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插入到患者中。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也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。针可沿工作通道向下部署，该工作通道延伸内窥镜的长度以获得待由病理学家分析的组织样本。根据病理结果，可沿内窥镜的工作通道向下部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，诊断和治疗处理可在单独的规程中递送。在这些情况下，内窥镜13也可用于递送基准以“标记”目标结节的位置。在其他情况下，诊断和治疗处理可在相同的规程期间递送。

系统10也可包括可动塔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。将此类功能放置在塔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，机器人臂的关节中的马达可将臂定位成特定姿势。

塔30还可包括泵、流量计、阀控制器和/或流体通路，以便向可通过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗和抽吸能力。这些部件也可使用塔30的计算机系统来控制。在一些实施方案中，冲洗和抽吸能力可通过单独的缆线直接递送到内窥镜13。

塔30可包括电压和浪涌保护器，该电压和浪涌保护器被设计成向推车11提供经滤波和保护的电力，从而避免在推车11中放置电力变压器和其他辅助电力部件，从而得到更小、更可移动的推车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装备。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装备。结合控制系统，此类光电装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也可用于容纳和定位EM场发生器，以供医疗器械之中或之上的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，以及提供规程专用数据，诸如导航和定位信息。在其他实施方案中，控制台31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可包括可单独构造的臂安装件，该臂安装件沿垂直轴线旋转以调节机器人臂12的基部，以相对于患者更好地定位。托架17也包括托架接口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，这些狭槽被定位在柱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。狭槽盖可通过定位在狭槽20的竖直顶部和底部附近的成对弹簧卷轴进行部署。盖盘绕在卷轴内，直到被部署成，随着托架17竖直地上下平移，从盖的盘绕状态开始延伸和回缩。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，这些机构被设计成使用竖直对准的导螺杆以响应于响应用户输入(例如，来自控制台16的输入)生成的控制信号来以机械化方式平移托架17。

机器人臂12通常可包括由一系列连杆23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，该一系列连杆由一系列关节24连接，每个关节包括独立的致动器，每个致动器包括可独立控制的马达。每个可独立控制的关节表示机器人臂可用的独立自由度。臂12中的每一者具有七个关节，并且因此提供七个自由度。多个关节导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。冗余的自由度允许机器人臂12使用不同的连杆位置和关节角度将其相应的端部执行器22定位在空间中的特定位置、取向和轨迹处。这允许系统从空间中的期望点定位和导向医疗器械，同时允许医师使臂关节运动到远离患者的临床有利位置，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。在到达适当位置之后，脚轮25可以使用轮锁固定，以在规程期间将推车11保持在适当位置。

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。从该位置，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也包括用于辅助操纵和稳定推车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专用内窥镜)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可被构造成使得推车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装备的量，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43，一个或多个机器人臂39可基于该托架。托架43可以沿着沿柱37的长度伸展的竖直柱接口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，同时维持结构平衡。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轨道的形式。一个或多个机器人臂39(例如，经由具有肘关节的肩部)可附接到可调式臂支撑件，该可调式臂支撑件可被竖直调节。通过提供竖直调节，机器人臂39有利地能够紧凑地收到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，臂安装件45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装件45可定位在台38的同一侧上(如图6所示)、台38的相对侧上(如图9所示)或台38的相邻侧上(未示出)。

柱37在结构上为台38提供支撑，并且为托架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、以及将该托架基于导螺杆的平移机械化的马达。柱37也可将功率和控制信号传送到托架43和安装在其上的机器人臂39。

台基部46具有与图2所示的推车11中的推车基部15类似的功能，容纳较重的部件以平衡台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台基部46也可结合刚性脚轮以在规程期间提供稳定性。在基部46的两侧上，从台基部46的底部开始部署的脚轮可以在相反方向延伸，并且在系统36需要移动时回缩。

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。塔还可以是可运动的，以远离患者定位，从而改善医师的接近并且消除手术室的混乱。另外，将部件放置在塔中允许在台基部中有更多的储存空间，以用于机器人臂的潜在收起。塔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(未示出)，机器人臂39可沿着虚拟轨道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位置，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示出了被构造用于腹腔镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。如图9所示，系统36的托架43可被旋转并且竖直调整，以将成对的机器人臂39定位在台38的相对侧上，使得可使用臂安装件45将器械59定位成穿过患者两侧上的最小切口以到达他/她的腹腔。

为了适应腹腔镜检查规程，机器人使能的台系统还可将平台倾斜到期望的角度。图10示出了具有俯仰或倾斜调整的机器人使能的医疗系统的实施方案。如图10所示，系统36可以适应台38的倾斜，以将台的一部分定位在比另一部分距底板更远的距离处。另外，臂安装件45可旋转以匹配倾斜，使得臂39与台38维持相同的平面关系。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可被构造成能够以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。俯仰旋转机构61可以通过将正交轴线1、2定位在柱台接口处来实现，每条轴线由单独的马达3、4响应于电俯仰角命令而致动。沿着一个螺钉5的旋转将使得能够在一条轴线1中进行倾斜调整，而沿着另一个螺钉6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调节。在一些实施方案中，可使用球形关节来在多个自由度上改变台38相对于柱37的俯仰角。

例如，当试图将台定位在特伦德伦伯格卧位(即，将患者的下腹部定位在比患者的下腹部距地板更高的位置)以用于下腹部手术时，俯仰调节特别有用。特伦德伦伯格卧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。在所示实施方案中，示出了单个可调式臂支撑件105，但附加的臂支撑件可设置在台101的相对侧上。可调式臂支撑件105可被构造成以使其可相对于台101移动，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，包括容易地将一个或多个可调式臂支撑件105和附接到该一个或多个可调式臂支撑件的任何机器人臂收到台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(“Z提升”)上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，该托架被构造成能够沿着或相对于支撑台101的柱102上移或下移。第二自由度可允许可调式臂支撑件105倾斜。例如，可调式臂支撑件105可包括旋转关节，该旋转关节可允许可调式臂支撑件105在特伦德伦伯格卧位与床对准。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移动。

托架109可通过第一关节113附接到柱102，该第一关节允许托架109相对于柱102移动(例如，诸如沿第一轴线或竖直轴线123上下移动)。第一关节113可向可调式臂支撑件105提供第一自由度(“Z提升”)。可调式臂支撑件105可包括第二关节115，该第二关节为可调式臂支撑件105提供第二自由度(倾斜)。可调式臂支撑件105可包括第三关节117，该第三关节可为可调式臂支撑件105提供第三自由度(“向上枢转”)。可提供附加关节119(在图13中示出)，该附加关节机械地约束第三关节117以在轨道连接件111围绕第三轴线127旋转时保持轨道107的取向。可调式臂支撑件105可包括第四关节121，该第四关节可沿着第四轴线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的杆或轨道107A。第一机器人臂142A包括附接到轨道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包括附接到轨道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；和(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装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示出了示例性器械驱动器。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系统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，控制电路系统68将接收控制信号，将马达信号传输至马达66，将由编码器67测量的所得马达速度与期望速度进行比较，并且调制马达信号以生成期望扭矩。

对于需要无菌环境的规程，机器人系统可以结合驱动接口，诸如连接至无菌覆盖件的无菌适配器，其位于器械驱动器与医疗器械之间。无菌适配器的主要目的是将角运动从器械驱动器的驱动轴传递到器械的驱动输入部，同时保持驱动轴与驱动输入部之间的物理分离并且因此保持无菌。因此，示例性无菌适配器可以包括旨在与器械驱动器的驱动轴和器械上的驱动输入部配合的一系列旋转输入部和旋转输出部。连接到无菌适配器的由薄的柔性材料(诸如透明或半透明塑料)组成的无菌覆盖件被设计成覆盖资本装备，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装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性医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括细长轴71(或细长主体)和器械基部72。由于其用于由医师进行的手动交互的预期设计而也被称为“器械柄部”的器械基部72通常可以包括可旋转驱动输入部73(例如，插座、滑轮或卷轴)，该驱动输入部被设计成与延伸通过机器人臂76的远侧端部处的器械驱动器75上的驱动接口的驱动输出部74配合。当物理连接、闩锁和/或联接时，器械基部72的配合的驱动输入部73可以与器械驱动器75中的驱动输出部74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出部74传递到驱动输入部73。在一些实施方案中，驱动输出部74可包括花键，这些花键被设计成与驱动输入部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)来递送。细长轴71可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性细长轴的远侧端部可以连接到端部执行器，该端部执行器从由具有至少一个自由度的连接叉形成的关节腕和外科工具或医疗器械(诸如例如，抓握器或剪刀)延伸，当驱动输入部响应于从器械驱动器75的驱动输出部74接收到的扭矩而旋转时，该外科工具可以基于来自腱的力来致动。当设计用于内窥镜检查时，柔性细长轴的远侧端部可包括可操纵或可控制的弯曲节段，该弯曲节段以基于从器械驱动器75的驱动输出部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向下传输到细长轴71。这些单独的腱(诸如牵拉线)可单独地锚定到器械柄部72内的各个驱动输入部73。从柄部72，沿着细长轴71的一个或多个牵拉腔向下引导腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处，或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，腱可以致使关节围绕轴线旋转，从而致使端部执行器沿一个方向或另一个方向运动。另选地，腱可连接到细长轴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，施加在驱动输入部73上的扭矩将沿腱向下传输，从而使较软的弯曲节段(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的纵向轴线来引导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式关节运动。

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也可容纳线和/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，远侧末端也可包括用于将供诊断和/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的滚动能力复杂化。沿着细长轴71的轴线滚动该细长轴同时保持驱动输入部73静止会引起当腱从驱动输入部73延伸出去并且进入细长轴71内的牵拉腔时，腱的不期望的缠结。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运动的任何控制算法。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。如图所示，圆形器械驱动器80包括四个驱动单元，其驱动输出部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部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通信至旋转组件83，该电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来维持。在其他实施方案中，旋转组件83可以响应于集成到非旋转部分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部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的旋转使器械轴88围绕其自身的纵向轴线旋转。此外，在器械基部87与器械轴88一起旋转时，连接到器械基部87中的驱动输入部89的任何腱在旋转期间都不缠结。因此，驱动输出部81、驱动输入部89和器械轴88的轴线的平行允许轴在不会使任何控制腱缠结的情况下旋转。

图18示出了根据一些实施方案的具有基于器械的插入架构的器械。器械150可联接到上文所述的器械驱动器中的任何器械驱动器。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的外表面伸展。在其他实施方案中，缆线180也可伸展穿过细长轴152。该一根或多根缆线180的操纵(例如，经由器械驱动器)引起端部执行器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部174，例如插孔、滑轮或卷轴，该一个或多个机械输入部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包括使细长轴152能够相对于柄部170平移的一系列滑轮或缆线。换句话讲，器械150本身包括基于器械的插入架构，该架构适应器械的插入，从而使对机器人臂的依赖最小化以提供器械150的插入。在其他实施方案中，机器人臂可以很大程度上负责器械插入。

E.控制器。

本文所述的机器人系统中的任一个机器人系统可包括用于操纵附接到机器人臂的器械的输入装置或控制器。在一些实施方案中，控制器可与器械(例如，通信地、电子地、电气、无线地和/或机械地)联接，使得控制器的操纵例如经由主从控制而致使器械对应操纵。

图19是控制器182的实施方案的透视图。在本实施方案中，控制器182包括可具有阻抗和导纳控制两者的混合控制器。在其他实施方案中，控制器182可仅利用阻抗或被动控制。在其他实施方案中，控制器182可仅利用导纳控制。通过作为混合控制器，控制器182有利地在使用时可具有较低的感知惯性。

在所示实施方案中，控制器182被构造成允许操纵两个医疗器械，并且包括两个柄部184。柄部184中的每一者连接到万向支架186。每个万向支架186连接到定位平台188。

如图19所示，每个定位平台188包括通过棱柱关节196联接到柱194的SCARA臂(选择顺应性装配机器人臂)198。棱柱关节196被构造成能够沿着柱194(例如，沿着轨道197)平移，以允许柄部184中的每一者在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中的每一者的主体中。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被构造用于导纳控制，而万向支架186被构造用于阻抗控制。在其他实施方案中，万向支架186被构造用于导纳控制，而定位平台188被构造用于阻抗控制。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装备的量。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位置。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可以是一组被配置成执行一个或多个指令的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号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运动。光流技术的示例可以包括运动检测、对象分割计算、亮度、运动补偿编码、立体视差测量等。通过多次迭代的多帧比较，可以确定相机(以及因此内窥镜)的运动和位置。

定位模块95可使用实时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位置对准的几何变换。一旦配准，医疗器械的一个或多个位置(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。

机器人命令运动学数据94也可由定位模块95使用来提供用于机器人系统的定位数据96。可以在术前校准期间确定从关节运动命令得到的装置俯仰和偏航在手术中，这些校准测量可以与已知的插入深度信息结合使用，以估计器械的位置。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位置。

如图20所示，定位模块95可使用多项其他输入数据。例如，尽管图20中未示出，但利用了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中的每一者确定的位置分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠的情况下(如可能存在EM干扰的情况)，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可能更严重地依赖于视觉数据92和/或机器人命令运动学数据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.具有紧急信号的快速通信的机器人系统。

如上述若干示例所示，机器人系统可包括多个节点(例如，关节或与相应关节相关联的马达驱动器)，该多个节点被构造为控制若干连杆的移动。对于重要的操作(例如，用于医疗机器人系统的外科手术)，通过多个节点快速通信某些信号(例如，紧急信号)可能是有益的。例如，将紧急停止信号快速通信到多个节点使得所有节点都可停止进一步移动以例如避免任何碰撞可能是有益的。然而，至少出于以下解释的原因，添加用于紧急信号的专用通信线路可能具有挑战性。

本申请公开了利用差分通信线路将紧急信号作为非差分信号通信以提高紧急信号通信的速度和可靠性而无需单独的专用通信线路的机器人系统。

A.示例性医疗机器人系统

在一些实施方案中，机器人系统为具有多个部件(诸如图21所示的塔212、医师控制台214和外科台216)的医疗机器人系统。外科台216可对应于上述系统36或基于台的外科机器人系统100，并且可具有带外科工具的机器人臂。塔212可对应于上述塔30，并且可为外科台216和医师控制台214提供控制、电子、流体、光学、传感器和/或电力的支持。医师控制台214可包括由医师操作者使用来操作外科台216的用户界面。医师控制台214可向医师操作者提供机器人控制以及医疗规程的术前和实时信息。

图22中示出根据一些实施方案的医疗机器人系统的示例性架构。医疗机器人系统可包括在不同计算机(例如，图22所示的五个计算机)上运行的多个软件过程。在一些实施方案中，在医师控制台计算机220上运行的过程负责医师控制台中的主控器的所有硬件控制和低级别安全。在一些实施方案中，在塔计算机222上运行的过程负责塔外围设备(包括任何流体系统)的所有硬件控制和低级别安全。

在一些实施方案中，在塔计算机224上运行的过程负责塔上的触摸屏用户界面。该用户界面为系统设置、规程内使用和系统拆卸提供了不同的视图和工作流程。在一些实施方案中，在外科台计算机226和228上运行的过程负责患者侧机器人系统的所有硬件控制和低级别安全，包括机器人臂、高级装置操纵器(ADM)和外科台。

如图22所示，患者平台利用电气通信协议(例如，以太猫)在整个系统中通信信号。例如，以太猫协议使得能够快速且可靠地实时控制机器人臂。在一些实施方案中，计算机224可利用此类电气通信协议经由线材或导体通过单独的节点发送数据。在一些实施方案中，每个节点代表一个马达驱动器(例如，在装配关节、机器人臂、杆或床中)。

图23中示出了根据一些实施方案的医疗机器人系统的网络架构。在一些实施方案中，医疗机器人系统具有与图23所示不同数量(例如，更多或更少)的部件。在一些实施方案中，医疗机器人系统具有图23中未示出的附加部件。在图23中，医疗机器人系统具有多个节点(例如，具有机动驱动器的马达关节)，诸如机器人臂142A上的马达驱动器A0至A5(以及写入马达驱动器和ADM)以及机器人臂142B上的马达驱动器A0至A5(以及写入马达驱动器和ADM)。大量的节点(例如，马达驱动器)可能需要大量的导电线路来向它们通信电信号。然而，在这些节点中的一些节点中，由于空间限制，提供大量导电线路可能是一个挑战。例如，在机器人臂的旋转关节节点中，可提供一个或多个滑环以用作旋转组件的电连接件。如图24所示，多个导电线路或“电刷”242可延伸到滑环主体，然后它们可围绕滑环主体缠绕。这些导电线路和/或电刷用作电接触件，并且可围绕滑环主体缠绕的导电线路的数量与滑环主体自身的直径相关。由于滑环主体直径的尺寸有限，因此可穿过滑环装配的导电线路和/或电刷的数量有限。

例如，在一些机器人系统中，使用用于接收(Rx)和传输(Tx)电信号的四根导电线(两对导电线)来执行通信，并且将用于传输紧急信号(例如，紧急停止信号)的附加线添加到有限的物理空间(例如，由于滑环主体直径的尺寸等)可能具有挑战性。

本申请也利用现有的用于数据通信(例如，传输和接收)的导电线路(例如，互联网、以太网或以太猫线路)来提供紧急信号(例如，紧急停止(E-STOP)信号)。这有利地允许用于传输和接收数据的现有导电线路也能够实现紧急信令，从而减少对附加导电线路的需要并提供空间节省。

B.差分通信接口

在一些实施方案中，差分信号接口(例如，以太网、以太猫、RS422或低电压差分信令(LVDS))用于通信机器人命令信号(例如，运动命令)和传输紧急信号(例如，紧急停止信号)两者。例如，当系统的一个节点中出现故障(例如，与机器人臂相关联的软件故障)时，或者当按下发信号通知紧急停止的按钮时，可提供紧急停止信号。然后，可将此类信息传播到系统中的其他节点，以例如停止其他关节的移动。

在一些实施方案中，机器人系统包括不同的导电对(例如，用于Rx和Tx信号的2个差分对)，并且这些导电对的共模电压电平用于发信号通知紧急信号。传统上，共模电压电平的浮动性质实现电隔离(例如，浮动共模电压不需要连接系统来共享共同接地)。因此，差分通信的共模电压通常被允许在通信的两端浮动。代替使共模电压浮动，将共模电压设置为各种电平在差分通信接口中提供了附加的通信信道，该附加的通信信道可用于独立于机器人命令信号来通信紧急信号。

图25是示出根据一些实施方案的通过共模电压通信信号的节点252和254的示意图。在图25中，节点252具有用于传输信号的电路256和用于接收信号的电路257，并且类似地，节点254具有用于接收信号的电路258和用于传输信号的电路259。例如，由节点252中的电路256传输的信号由节点254中的电路258接收，并且由节点254中的电路259传输的信号由节点252中的电路257接收。在一些实施方案中，由电路256、257、258或259传输或接收的信号被编码(例如，使用编码方法，诸如8b/10b编码、幅移键控、频移键控、相移键控、二进制频移键控或多频移键控或其任何组合)以用于在节点之间通信用于激活马达驱动器的指令和/或信息(例如，传感器信息等)。

在一些实施方案中，由电路256、257、258或259传输或接收的信号作为差分信号通过相应的一对导体(或导电线路)传输，而紧急信号作为共模电压电平通过相应的一对导体传输。相应的一对导体261或263可为双绞缆线，诸如10BASE-T、100BASE-T、1000BASE-T、10GBASE-T、25GBASE-T或40GBASE-T，其可用于根据各种通信协议(诸如互联网、以太网或以太猫通信协议)来传输差分信号。

在图25中，节点252包括用于传输和/或接收紧急信号的电路253，并且节点254包括用于传输和/或接收紧急信号的电路255。插图281示出了由电路253传输并由电路255接收的电信号的波形的示例。在一些实施方案中，节点252包括用于组合来自电路256(在插图282或284中示出)的差分电信号和来自电路253(在插图281中示出)的共模电压信号的电路262。通过电导体对261通信的组合电信号可具有插图283或285中所示的波形。在一些实施方案中，电路262还从差分电信号中分离共模电压信号。在一些实施方案中，节点254包括用于分离电路258的差分电信号和电路255的共模电压信号的电路264(使得电路258接收在插图282或284中示出的电信号，并且电路255接收在插图281中示出的电信号)。在一些实施方案中，电路264还将来自电路255的共模电压信号与经由导体261传输的差分电信号组合。类似地，在一些实施方案中，节点254包括用于组合来自电路258的差分电信号和来自电路255的共模电压信号的电路268，并且节点252包括用于分离电路259的差分电信号和电路255的共模电压信号的电路266。

虽然图25所示的电路262、264、266和268包括用于组合和/或分离来自共模电压信号的差分电信号的电感器(并且使用电感器的中心抽头来接收共模电压信号)，但电路262、264、266和268可在无电感器的情况下提供或检索共模电压信号。例如，在一些实施方案中，电路262、264、266和268中的任一者可包括用于检索共模电压信号的求和放大器和用于检索差分信号的差分放大器。在一些配置中，使用运算放大器来实现求和放大器和差分放大器。另外，在一些实施方案中，电路262、264、266和268中的任一者可包括用于将共模电压信号与差分电信号组合的上拉电阻器和/或下拉电阻器。

C.使用共模电压电平的单向紧急信令

如上所述，共模电压可用于通信紧急信号，而差分信号用于通信机器人命令或其他信息。在一些实施方案中，机器人系统包括被配置为以单个阈值电压电平操作以用于通信紧急信号的电路。例如，相应节点可包括被配置为将共模电压设置为高电压(例如，24V)以发信号通知正常条件或设置为低电压(例如，4V)以传输紧急信号或指示故障状态的电路。

在一些实施方案中，此类具有单个电压阈值的电路用于紧急信号的单向通信。在一些情况下，具有此类电路的机器人系统被认为是“单向的”，因为紧急信号是在一个方向上(例如，仅上游或仅下游)传输的。图26示出了具有七个节点(例如，N0至N6)的机器人系统中的紧急信号的单向(例如，下游)通信的示例，该七个节点例如可对应于图23所示的一个或多个节点，诸如马达驱动器A0至A5和腕部节点，或者D0节点至D7节点。当没有节点处于故障状态时，不传输任何紧急信号。然而，在与这些节点中的一个节点(诸如N2节点)相关联的电路(或处理器)检测到故障之后，该电路生成紧急信号，该紧急信号被传播到下一个下游节点(例如，N3节点)。下游节点在接收到紧急信号时进入故障状态并生成紧急信号，该紧急信号也被传播到下一个下游节点。通过向下游重复这些操作，下游节点(例如，节点N3至节点N6)顺序地接收紧急信号并且连续地进入故障状态。在一些实施方案中，紧急信号也被发送到主控制器(例如，图22所示的计算机222、224、226和/或228)，该主控制器可将紧急信号发送到机器人系统内的其他节点(例如，与节点N2不在同一链中的节点；和/或N2上游的节点，诸如N0和N1)，并将与此类节点相关联的马达驱动器置于故障状态。例如，向机器人系统中的所有节点发送紧急信号将导致整个系统停止。

图27示出了利用单个电压阈值进行紧急信号的单向通信的示例性电路。当特定节点(例如，节点A0)不处于故障状态(例如，特定节点处于正常状态)时，该节点提供高电压(例如，在预定义高电压范围内的电压，诸如14V至36V)以发信号通知正常条件，并且当特定节点处于故障状态时，该节点提供低电压(例如，在预定义低电压范围内的电压，诸如0V至14V)以发信号通知故障状态或通信紧急信号。在图27中，特定节点包括下拉电路以提供在高电压与低电压之间切换的电压。例如，高电压可为24V并且低电压可为4V，在这种情况下，可使用14V的电压阈值。在一些实施方案中，高电压对应于由电压源提供的电压。在一些实施方案中，低电压由上拉电阻器和下拉电阻器的电阻值以及由电压源提供的电压来确定。

使用例如图25所示的电路将由特定节点提供的电压作为一对导体的共模电压来通信。为简明起见，图27中未示出此类部件。

相邻节点(例如，节点A1)将共模电压与电压阈值(例如，14V)进行比较以确定是否已接收到紧急信号(例如，使用电压监测器272)。如图27所示，来自电压比较器的指示已接收到紧急信号的逻辑信号触发晶体管(例如，使NMOS在源极与漏极之间传导电荷)，使得将高电压通信到后续节点(例如，作为节点A1与节点A2之间的一对导体的共模电压)。可重复这些操作，使得可通过后续节点(例如，下游节点)传播紧急信号。

D.使用共模电压电平的双向紧急信令

在一些情况下，可使用紧急信号的双向通信(例如，将紧急信号传输到上游节点和下游节点两者)。存在至少两种类型的双向紧急信令：简单双向信令和复杂双向信令。对于简单双向紧急情况信令，电路可针对相应比较器以单个电压阈值操作。在复杂双向信令中，电路可针对相应电压比较器以多个电压阈值操作，以区分上游紧急信号和下游紧急信号。区分上游紧急信号和下游紧急信号的能力可实现节点的更复杂操作(例如，基于节点的优先级的节点操作)。

1)简单双向信令

图28是示出紧急信号的双向通信的示例的示意图。在图28中，由节点N2生成的紧急停止信号被同时向上游和向下游传输(例如，向上游传输到节点N1和向下游传输到节点N3)。紧急信号可进一步向上游和下游传播到其他节点。在一些多节点系统中，这些节点中的任何节点都可触发紧急信号，并且在所有节点都脱离故障状态(例如，所有节点都进入正常状态)之后，释放紧急停止信号。

图29中示出简单双向信令的示例性电路图。图29所示的每个节点能够生成紧急信号，该紧急信号被传播到相邻节点(例如，上游和/或下游)。在图29中，可利用上拉电路或下拉电路中的分压器(例如，开关与分压器的组合)在每个节点处生成下游电压和/或上游电压。所分的电压作为共模电压提供，该共模电压在相邻节点中的电压监测器处被监测。例如，从节点A0到节点A1的下游共模电压在节点A1中的电压监测器292处被监测，而从节点A1到节点A0的上游共模电压将在节点A0中的不同电压监测器298处被监测。类似地，从节点A2到节点A1的上游共模电压由节点A1中的电压监测器294监测。

与其中两个电压电平表示正常运作和紧急停止信号(例如，对于正常状态为24V，并且对于故障状态为4V)的单向情况不同，在简单双向情况下，可使用三个电压电平，例如，低电压(例如，4V)、中间电压(例如，14V)和高电压(例如，24V)。高电压指示无紧急信号。低电压表示下游紧急信号。中间电压表示上游紧急信号。相应节点为上游信号和下游信号提供电压，并感测上游共模电压和下游共模电压，以确定节点应处于正常状态还是故障状态。相应节点包括用于感测电压电平的电压比较器(例如，窗口比较器)。例如，相应节点可包括用于监测下游共模电压的第一电压比较器(例如，电压监测器292)和用于监测上游共模电压的第二电压比较器(例如，电压监测器294)。第一电压比较器可具有第一电压阈值(例如，9V，其对应于低电压(例如，4V)与中间电压(例如，14V)之间的中点)，并且第二电压比较器可具有第二电压阈值(例如，19V，其对应于中间电压(例如，14V)与高电压(例如，24V)之间的中点)。例如，节点A1将来自节点A2的上游共模电压与第二电压阈值(例如，19V)进行比较以确定节点A1是否应进入故障状态。另外，节点A1还将来自节点A0的下游共模电压与第一电压阈值(例如，9V)进行比较以确定节点A1是否应进入故障状态。

在一些实施方案中，第一电压阈值小于第二电压阈值。由于节点A1与节点A2之间的共模电压由节点A2中的第一电压监测器(例如，电压监测器296)和节点A1中的第二电压监测器(例如，电压监测器294)两者监测，因此在此类实施方案中，在节点A1与节点A2之间满足第一电压阈值的共模电压也满足第二电压阈值。例如，在节点A1与节点A2之间小于9V的共模电压无差别地满足上游故障状态条件和下游故障状态条件两者。

2)复杂双向信令

在一些实施方案中，复杂双向通信系统可用于区分上游信号和下游信号之间的优先级(例如，上游节点获得比紧急信号触发和解除触发更高的优先级(并且因此获得超控权限))。图30示出了复杂双向通信的示例，其中某些节点处的故障可能优先于其他节点。

在图30中，当没有节点生成紧急信号时，所有节点都处于正常状态。然而，当节点N2进入故障状态并同时向上游和下游传播紧急信号时，上游节点和下游节点也进入故障状态。

当节点N5在节点处于故障状态时也产生单独的故障时(例如，由于源自节点N2的紧急信号)，并且如果节点被构造为使得上游节点(例如，节点N2)的故障优先于下游节点(例如，节点N5)的故障，则随着源自节点N2的紧急信号传播通过节点，紧急信号不与节点N5处的故障相关联地改变。

然而，当节点N2的故障清除时，节点N2与N5之间的紧急信号从下游紧急信号改变为上游紧急信号。

当节点N3在节点处于故障状态时产生单独的故障时(由于源自节点N5的紧急信号)，并且如果节点被构造为使得上游节点(例如，节点N3)的故障优先于下游节点(例如，节点N5)的故障，则节点N3与N5之间的紧急信号从上游紧急信号改变为下游紧急信号。在复杂双向电路中，上游紧急信号和下游紧急信号是可辨别的，使得某些节点在设置如上所述的故障状态时获得优先级。

图31中示出用于复杂双向信令的示例性电路。在图31所示的电路中，使用了四个共模电压电平。例如，电压电平可为4V、10V、18V和24V，如图31所示。在一些实施方案中，相应节点中的比较器具有三个阈值(例如，第一阈值(例如，7V)、第二阈值(例如，14V)和第三阈值(例如，21V))。比较器确定所监测的电压低于第一阈值(例如，4V)、介于第一阈值与第二阈值之间(例如，10V)、介于第二阈值与第三阈值之间(例如，18V)、或高于第四阈值(例如，24V)，尽管只要所监测的电压小于第四阈值，比较器就可触发逻辑信号，指示在节点的上游或下游存在故障。然而，所监测的电压是低于第一阈值、介于第一阈值与第二阈值之间、介于第二阈值与第三阈值之间还是高于第四阈值可指示故障是源自节点的上游还是下游，并且可用于确定节点将如何区分上游信号或下游信号的优先级。

在一些实施方案中，相应节点包括图腾柱驱动器以将通信线路的一个端部拉至高电压(例如，24V)或拉至低电压(例如，4V)以发信号通知故障状态。

与简单双向情况相比，复杂双向通信电路除了区分上游信号和下游信号之外，还允许将在节点内生成的故障与由其他节点生成的故障区分开来，这继而允许对紧急信号进行更复杂的处理，如关于图30所述。每个节点需要处于四种可能状态中的一种可能状态，如图32所示的状态机图所描述的，在该状态机图中使用了以下符号。

DS：下游

US：上游

PD：下拉

PU：上拉

NF：节点故障

NE：节点紧急停止

DSEN：下游感测

USEN：上游感测

DTRIG：下游触发

UTRIG：上游触发

可用于比较器(例如，窗口比较器)的示例性窗口感测表如下：

电压电平	阈值	USEN/DSEN	指示
				4V	V感测<7V	000	远程PD和本地PD
10V	7V<V感测<14V	001	本地PD
				18V	14V<V感测<21V	011	远程PD
24V	21V<V感测	111	稳态(正常)

3.具体实施。

上面讨论的通信系统可在机器人系统中实现。

根据一些实施方案，机器人系统包括第一节点(例如，第一机动关节，诸如图23所示的机器人臂142A上的具有机动驱动器A0的机动关节)和第二节点(例如，第二机动关节，诸如图23所示的机器人臂142A上的具有机动驱动器A1的机动关节)，以及用于第一节点与第二节点之间的差分通信的第一对电导体(例如，双绞缆线中的一对电线261，诸如10BASE-T、100BASE-T、1000BASE-T、10GBASE-T、25GBASE-T或40GBASE-T，用于根据以太网、以太猫、RS422、LVDS协议进行通信)(例如，第一对电导体与第一节点和第二节点电联接)，使得数据信号(例如，包括或指示运动命令和/或传感器信息的数据分组或拆包数据)作为差分信号在第一节点与第二节点之间通信。

在一些实施方案中，第一节点包括第一机动关节，并且第二节点包括第二机动关节(例如，图2所示的关节24，其中第一节点可包括机器人臂142A上的具有机动驱动器A0的机动关节，并且第二节点可包括机器人臂142A上的具有机动驱动器A1的机动关节，如图23所示)。在一些实施方案中，相应机动关节包括用于相应马达的马达驱动器。在一些实施方案中，马达驱动器被配置为响应于数据信号而移动(例如，通过致动相应马达)机器人系统的一个或多个部件，诸如机器人臂的连杆(例如，连杆机构23)、装配关节或床。例如，马达驱动器可响应于第一类型的数据信号而引起相应马达的顺时针旋转，并且响应于第二类型的数据信号而引起相应电机的逆时针旋转。

在一些实施方案中，第一机动关节和第二机动关节是单个机器人臂(例如，机器人臂142A)上的关节。在一些实施方案中，单个机器人臂具有多个机动关节以提供高自由度。

在一些实施方案中，第一机动关节位于第一机器人臂(例如，机器人臂142A的机动关节A0)上，并且第二机动关节位于不同于第一机器人臂的第二机器人臂(例如，机器人臂142B的机动关节A1)上(例如，第一机动关节和第二机动关节在不同的机器人臂上)。在一些实施方案中，第一机器人臂和第二机器人臂彼此相邻定位(例如，第一机器人臂和第二机器人臂可位于同一臂安装件上，如图6所示)。

在一些实施方案中，第一机动关节位于机器人臂上，并且第二机动关节位于支撑机器人臂的杆上(例如，第一机动关节被定位成移动机器人臂的至少一个连杆，并且第二机动关节被定位成移动可调式臂支撑件105，该可调式臂支撑件移动整个机器人臂)。

第一节点包括与第一对电导体电联接(直接地或间接地，例如通过一个或多个电气部件，诸如线材、连接器、电阻器等)的第一电路(例如，电路253)，并且该第一电路(例如，第一电路被配置为)将紧急停止信号作为非差分信号(例如，共模信号)通过第一对电导体在第一节点与第二节点之间通信。在一些实施方案中，数据信号被编码(例如，在数据分组中或在拆包数据中串行编码)，而紧急停止信号不被编码，使得对紧急停止信号的响应不需要解码，这减少了响应时间。

在一些实施方案中，数据信号还包括传感器信息(例如，由马达驱动器提供的或由一个或多个传感器检测到的指示相应马达的位置、速度和/或加速度的信息，或指示接触的信息，诸如在与相应机动关节联接的运动学链中接触的存在和/或接触的位置或力)。

在一些实施方案中，第一节点还包括用于发送和/或接收数据信号(例如，机器人命令和/或传感器数据)的第一数据电路(例如，电路256和257)。在一些实施方案中，第一数据电路将数据信号作为数字信号发送和/或接收。在一些实施方案中，第一数据电路将数据信号作为模拟信号发送和/或接收。在一些实施方案中，第一节点还包括用于组合差分信号和非差分信号的组合器电路(例如，电路262)。例如，组合器电路可包括具有与第一电路联接的抽头(例如，中心抽头)的电感器。另选地，组合器电路可包括用于组合差分信号和非差分信号的一个或多个运算放大器。

在一些实施方案中，在多节点通信系统中，第一节点在第二节点的上游(例如，在图27中，第一节点是节点A0并且第二节点是节点A1)。在一些实施方案中，第一节点包括用于将信号(例如，电信号，诸如紧急停止信号和/或数据信号)传输到第二节点的电路，并且第二节点包括用于从第一节点接收信号的电路(例如，第一节点包括与电路262结合的下拉电路，用于将紧急信号与差分信号组合，并且第二节点包括与电路264结合的电压监测器诸如电压比较器，用于提取共模电压信号)。

在一些实施方案中，第二节点包括用于接收紧急停止信号的第二电路(例如，电路255)。在一些实施方案中，第二节点(或第二节点的第二电路)包括用于感测第一节点与第二节点之间的第一对电导体的共模电压的第一电压监测器(例如，电压监测器272)。例如，共模电压对应于第一对电导体上的电压(诸如中心抽头电压)的加权平均值。

在一些实施方案中，第二节点还包括用于接收和/或发送数据信号的第二数据电路(例如，电路258和259)。在一些实施方案中，第二节点还包括用于分离差分信号和非差分信号的分离器电路(例如，电路264)。例如，分离器电路可包括与第一对电导体和第二数据电路联接的电感器。分离器电路的电感器可具有与第二电路255联接的中心抽头。另选地，分离器电路可包括用于分离差分信号和非差分信号的一个或多个运算放大器。

在一些实施方案中，机器人系统还包括在第一节点与第二节点之间延伸的另一对电导体(例如，传输线路，与可用作接收线路的第一对电导体相比)(例如，双绞缆线中的一对电线263)。在一些实施方案中，第一对电导体和另一对电导体具有相同的共模电压。在一些实施方案中，第一对电导体和另一对电导体具有不同的共模电压。

在一些实施方案中，第二节点包括用于响应于由第一电压监测器检测到的共模电压满足预定义电压阈值(例如，共模电压是低电压(例如，4V))而生成紧急停止信号的第二电路。例如，图27中的节点A1包括下拉电路，该下拉电路响应于由电压监测器272检测到的共模电压下降到低于阈值电压(诸如14V)而生成低电压(例如，4V)紧急信号。

在一些实施方案中，第二电路被配置为在由第一电压监测器检测到的共模电压不满足预定义电压阈值(例如，共模电压是高电压(例如，24V))时放弃生成紧急停止信号。例如，图27所示的节点A1的下拉电路提供高电压(例如，24V)，而由电压监测器272检测到的共模电压高于阈值电压(诸如14V)。

在一些实施方案中，第二电路还被配置为响应于接收到不同于来自第一电压监测器的信号的紧急停止发生器信号而生成紧急停止信号。例如，节点A1包括与开关(例如，晶体管，诸如NMOS)联接的逻辑电路(例如，OR电路)，使得开关响应于来自电压监测器的逻辑信号或指示源自节点A1内的故障的单独的、独立的逻辑信号而下拉分压器的电压。

在一些实施方案中，机器人系统包括第三节点(例如，图27中的节点A2)和用于第二节点与第三节点之间的差分通信的第二对电导体，使得数据信号(例如，运动命令、传感器信息)作为差分信号在第二节点与第三节点之间通信。紧急停止信号作为非差分信号(例如，共模信号)通过第二对电导体在第二节点与第三节点之间通信。

在一些实施方案中，第二电路通过改变(例如，降低)第二对电导体的共模电压来通信紧急停止信号。

在一些实施方案中，第二电路包括用于感测第二节点与第三节点之间的第二对电导体的共模电压(用于监测来自第三节点的上游紧急信号)的第二电压监测器(例如，电压监测器294)。

在一些实施方案中，第一电路包括用于感测第一节点与第二节点之间的第一对电导体的共模电压(用于监测来自第二节点的上游紧急信号)的电压监测器(例如，电压监测器298)。

在一些实施方案中，第一节点能够仅在从第一节点到第二节点(例如，图27中的节点A0)的单侧方向上通信紧急停止信号。在一些实施方案中，第一节点不能够在第一节点与第二节点之间双向地通信紧急停止信号(例如，图27中的节点A0不包括用于监测节点A0与节点A1之间的共模电压的电压监测器)。

在一些实施方案中，第一节点能够将紧急停止信号双向地从第一节点通信到第二节点，或从第二节点通信到第一节点(例如，图29中的节点A1)。在一些实施方案中，多个共模电压电平用于指示上游紧急停止信号和下游紧急停止信号(例如，第一共模电压电平用于指示上游紧急停止信号，并且不同于第一共模电压的第二共模电压用于指示下游紧急停止信号)。在一些实施方案中，多个分压器电路用于提供多个共模电压电平(例如，第一节点中的下拉电路和第二节点中的下拉电路共同确定在第一节点与第二节点之间延伸的电导体(或一对电导体)中的共模电压)。

图33是示出根据一些实施方案的通信紧急信号的方法330的流程图。方法330由机器人系统(例如，关于图21至图23所描述的医疗机器人系统)的节点执行。

方法330包括(332)通过改变医疗系统的多个节点中的第一节点与第二节点之间的第一差分信号接口的共模电压(例如，如图25的插图281、283或285中所示改变共模电压)，通过第一差分信号接口在第一节点与第二节点之间传输紧急停止信号。

在一些实施方案中，第一节点和第二节点通过一对电导体(例如，一对电导体261)电联接(334)。该对电导体与第一节点的本地公共端和第二节点的本地公共端电隔离。

在一些实施方案中，方法330包括(336)通过第一节点与第二节点之间的第一差分信号接口传输对机器人命令进行编码的差分信号(例如，插图282或284中所示的差分信号作为插图283或285中所示的组合电信号的一部分进行传输)。

在一些实施方案中，方法330包括(338)监测第一差分信号接口的共模电压(例如，利用电压监测器272)；以及(340)响应于检测到第一差分信号接口的共模电压满足预定义电压阈值，通过改变医疗系统的多个节点中的第二节点与第三节点之间的第二差分信号接口的共模电压(例如，使用图27所示的节点A1的下拉电路)，通过第二差分信号接口在第二节点与第三节点之间传输紧急停止信号。第二差分信号接口的共模电压在第二节点与第三节点之间传输紧急停止信号，并且第二差分信号接口与第一差分信号接口分离，并且第三节点与第一节点分离。

4.术语。

本文所公开的实施方案提供用于机器人系统的系统、方法和设备，该机器人系统可通过差分信号线路通信紧急信号而无需附加的通信线路。

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。

本文所述的用于在机器人系统中通信紧急信号的功能可作为一个或多个指令存储在处理器可读或计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”是指可由计算机或处理器访问的任何可用介质。通过示例而非限制，此类介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器、致密盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可以用于存储呈指令或数据结构的形式的期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。应当指出的是，计算机可读介质可为有形的和非暂态的。如本文所用，术语“代码”可以指可由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。

本文所公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可彼此互换。换句话讲，除非正在描述的方法的正确操作需要步骤或动作的特定顺序，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

如本文所用，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件指示两个或更多个部件。术语“确定”涵盖多种动作，并且因此，“确定”可包括计算、运算、处理、导出、调查、查找(例如，在表格、数据库或另一种数据结构中查找)、查明等。另外，“确定”可包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。另外，“确定”可包括解析、选择、挑选、建立等。

除非另有明确指明，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话讲，短语“基于”描述“仅基于”和“至少基于”两者。

提供对所公开的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。

参照以下条款描述了一些实施方案或具体实施：

条款1.一种机器人系统，该机器人系统包括：

第一节点和第二节点；和

第一对电导体，该第一对电导体用于该第一节点与该第二节点之间的差分通信，使得数据信号作为差分信号在该第一节点与该第二节点之间通信，

其中该第一节点包括与该第一对电导体电联接的第一电路，并且该第一电路将紧急停止信号作为非差分信号通过该第一对电导体在该第一节点与该第二节点之间通信。

条款2.根据条款1所述的机器人系统，其中：

该第一节点包括第一机动关节，并且该第二节点包括第二机动关节。

条款3.根据条款2所述的机器人系统，其中：

该第一机动关节和该第二机动关节是单个机器人臂上的关节。

条款4.根据条款2或3所述的机器人系统，其中：

该第一机动关节位于第一机器人臂上，并且该第二机动关节位于不同于该第一机器人臂的第二机器人臂上。

条款5.根据条款2至4中任一项所述的机器人系统，其中：

该第一机动关节位于机器人臂上，并且该第二机动关节位于支撑该机器人臂的杆上。

条款6.根据条款1至5中任一项所述的机器人系统，其中：

在多节点通信系统中，该第一节点位于该第二节点的上游。

条款7.根据条款1至6中任一项所述的机器人系统，其中：

该第二节点包括第一电压监测器，该第一电压监测器用于感测该第一节点与该第二节点之间的该第一对电导体的共模电压。

条款8.根据条款7所述的机器人系统，其中：

该第二节点包括第二电路，该第二电路用于响应于由该第一电压监测器检测到的该共模电压满足预定义电压阈值而生成紧急停止信号。

条款9.根据条款8所述的机器人系统，其中：

该第二电路被配置为当由该第一电压监测器检测到的该共模电压不满足该预定义电压阈值时，放弃生成紧急停止信号。

条款10.根据条款8或9所述的机器人系统，其中：

该第二电路被配置为响应于接收到不同于来自该第一电压监测器的信号的紧急停止发生器信号而生成紧急停止信号。

条款11.根据条款8至10中任一项所述的机器人系统，该机器人系统还包括：

第三节点；和

第二对电导体，该第二对电导体用于该第二节点与该第三节点之间的差分通信，使得数据信号作为差分信号在该第二节点与该第三节点之间通信，其中紧急停止信号作为非差分信号通过该第二对电导体在该第二节点与该第三节点之间通信。

条款12.根据条款11所述的机器人系统，其中：

该第二电路通过改变该第二对电导体的共模电压来通信紧急停止信号。

条款13.根据条款11或12所述的机器人系统，其中：

该第二电路包括第二电压监测器，该第二电压监测器用于感测该第二节点与该第三节点之间的该第二对电导体的中心抽头电压。

条款14.根据条款1至13中任一项所述的机器人系统，其中：

该第一电路包括电压监测器，该电压监测器用于感测该第一节点与该第二节点之间的该第一对电导体的中心抽头电压。

条款15.根据条款1至14中任一项所述的机器人系统，其中：

该第一节点能够仅在从该第一节点到该第二节点的单侧方向上通信紧急停止信号。

条款16.根据条款1至15中任一项所述的机器人系统，其中：

该第一节点能够将紧急停止信号双向地从该第一节点通信到该第二节点，或从该第二节点通信到该第一节点。

条款17.一种用于在具有多个节点的医疗系统中传输紧急停止信号的方法，该方法包括：

通过改变该医疗系统的该多个节点中的第一节点与第二节点之间的第一差分信号接口的共模电压，通过该第一差分信号接口在该第一节点与该第二节点之间传输紧急停止信号。

条款18.根据条款17所述的方法，其中：

该第一节点和该第二节点通过一对电导体电联接，该对电导体与该第一节点的本地公共端和该第二节点的本地公共端电隔离。

条款19.根据条款17或18所述的方法，该方法还包括：

通过该第一节点与该第二节点之间的该第一差分信号接口传输对机器人命令进行编码的差分信号。

条款20.根据条款17至19中任一项所述的方法，该方法还包括：

监测该第一差分信号接口的该共模电压；以及

响应于检测到该第一差分信号接口的该共模电压满足预定义电压阈值，通过改变该医疗系统的该多个节点中的该第二节点与第三节点之间的第二差分信号接口的共模电压，通过该第二差分信号接口在该第二节点与该第三节点之间传输紧急停止信号，

其中第二差分信号接口的共模电压在该第二节点与该第三节点之间传输紧急停止信号，并且该第二差分信号接口与该第一差分信号接口分离，并且该第三节点与该第一节点分离。

Claims (20)

1.一种机器人系统，所述机器人系统包括：

第一节点和第二节点；和

第一对电导体，所述第一对电导体用于所述第一节点与所述第二节点之间的差分通信，使得数据信号作为差分信号在所述第一节点与所述第二节点之间通信，

其中所述第一节点包括与所述第一对电导体电联接的第一电路，并且所述第一电路将紧急停止信号作为非差分信号通过所述第一对电导体在所述第一节点与所述第二节点之间通信。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：

所述第一节点包括第一机动关节，并且所述第二节点包括第二机动关节。

3.根据权利要求2所述的机器人系统，其中：

所述第一机动关节和所述第二机动关节是单个机器人臂上的关节。

4.根据权利要求2所述的机器人系统，其中：

所述第一机动关节位于第一机器人臂上，并且所述第二机动关节位于不同于所述第一机器人臂的第二机器人臂上。

5.根据权利要求2所述的机器人系统，其中：

所述第一机动关节位于机器人臂上，并且所述第二机动关节位于支撑所述机器人臂的杆上。

6.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：

在多节点通信系统中，所述第一节点位于所述第二节点的上游。

7.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：

所述第二节点包括第一电压监测器，所述第一电压监测器用于感测所述第一节点与所述第二节点之间的所述第一对电导体的共模电压。

8.根据权利要求7所述的机器人系统，其中：

所述第二节点包括第二电路，所述第二电路用于响应于由所述第一电压监测器检测到的所述共模电压满足预定义电压阈值而生成紧急停止信号。

9.根据权利要求8所述的机器人系统，其中：

所述第二电路被配置为当由所述第一电压监测器检测到的所述共模电压不满足所述预定义电压阈值时，放弃生成紧急停止信号。

10.根据权利要求8所述的机器人系统，其中：

所述第二电路被配置为响应于接收到不同于来自所述第一电压监测器的信号的紧急停止发生器信号而生成紧急停止信号。

11.根据权利要求8所述的机器人系统，所述机器人系统还包括：

第三节点；和

第二对电导体，所述第二对电导体用于所述第二节点与所述第三节点之间的差分通信，使得数据信号作为差分信号在所述第二节点与所述第三节点之间通信，其中紧急停止信号作为非差分信号通过所述第二对电导体在所述第二节点与所述第三节点之间通信。

12.根据权利要求11所述的机器人系统，其中：

所述第二电路通过改变所述第二对电导体的共模电压来通信紧急停止信号。

13.根据权利要求11所述的机器人系统，其中：

所述第二电路包括第二电压监测器，所述第二电压监测器用于感测所述第二节点与所述第三节点之间的所述第二对电导体的中心抽头电压。

14.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：

所述第一电路包括电压监测器，所述电压监测器用于感测所述第一节点与所述第二节点之间的所述第一对电导体的中心抽头电压。

15.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：

所述第一节点能够将紧急停止信号仅在单侧方向上从所述第一节点通信到所述第二节点。

16.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：

所述第一节点能够将紧急停止信号双向地从所述第一节点通信到所述第二节点，或从所述第二节点通信到所述第一节点。

17.一种用于在具有多个节点的医疗系统中传输紧急停止信号的方法，所述方法包括：

通过改变所述医疗系统的所述多个节点中的第一节点与第二节点之间的第一差分信号接口的共模电压，通过所述第一差分信号接口在所述第一节点与所述第二节点之间传输紧急停止信号。

18.根据权利要求17所述的方法，其中：

所述第一节点和所述第二节点通过一对电导体电联接，所述一对电导体与所述第一节点的局部公共部分和所述第二节点的局部公共部分电隔离。

19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：

通过所述第一节点与所述第二节点之间的所述第一差分信号接口传输对机器人命令进行编码的差分信号。

20.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：

监测所述第一差分信号接口的所述共模电压；以及

响应于检测到所述第一差分信号接口的所述共模电压满足预定义电压阈值，通过改变所述医疗系统的所述多个节点中的所述第二节点与第三节点之间的第二差分信号接口的共模电压，通过所述第二差分信号接口在所述第二节点与所述第三节点之间传输紧急停止信号，

其中第二差分信号接口的共模电压在所述第二节点与所述第三节点之间传输紧急停止信号，并且所述第二差分信号接口与所述第一差分信号接口分离，并且所述第三节点与所述第一节点分离。