CN116940296A - 用于重新对准腕式器械的外科机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种外科机器人系统包括外科控制台，该外科控制台包括手柄控制器。该系统还包括机器人臂，该机器人臂包括器械，该器械具有：多根线缆，该多根线缆能够纵向移动；和端部执行器，该端部执行器能够通过线缆移动，该端部执行器具有一对相对的钳口。该系统还包括处理器，该处理器被配置成：确定取向未对准的量和钳口未对准的量；基于取向未对准的量来调整器械；以及基于钳口未对准的量来调整该对相对的钳口。

Description

用于重新对准腕式器械的外科机器人系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年3月11日提交的美国专利申请63/159,559号的优先权。

背景技术

技术领域

本公开总体涉及一种外科机器人系统，其具有一个或多个模块化臂推车和用于控制推车及其相应臂的外科控制台，该一个或多个模块化臂推车中的每个模块化臂推车支撑机器人臂。更具体地，本公开涉及一种用于响应于未对准的检测而通过机器人臂的器械驱动单元控制器械以重新对准器械和/或钳口的系统和方法。

相关领域背景

外科机器人系统当前用于微创医学过程中。一些外科机器人系统包括外科控制台，该外科控制台控制外科机器人臂和外科器械，该外科器械具有联接到机器人臂并由机器人臂致动的端部执行器(例如，夹钳或抓持器械)。在操作中，将机器人臂移动到患者上方的位置，然后机器人臂将外科器械经由外科手术孔口或患者的天然孔口引导到小切口中，以将端部执行器定位在患者体内的工作部位处。

由于外科机器人器械的远程操作，器械的致动需要准确地反映在外科控制台处远程输入的移动命令。因此，需要提供外科机器人器械的精确操作。

发明内容

根据本公开的一个实施方案，公开了一种外科机器人系统。外科机器人系统包括外科控制台，该外科控制台包括手柄控制器。该系统还包括机器人臂，该机器人臂包括器械，该器械具有：多根线缆，该多根线缆能够纵向移动；和端部执行器，该端部执行器能够通过线缆移动，端部执行器具有一对相对的钳口。该系统还包括处理器，该处理器被配置成：确定钳口未对准的量，并且基于钳口未对准的量来调整该对相对的钳口。

上述实施方案的具体实施可包括以下特征中的一者或多者。根据上述实施方案的一个方面，处理器被进一步配置成计算手柄控制器的手柄位置的变化。处理器被进一步配置成基于当前手柄位置与先前手柄位置之间的差来计算用户增量输入。处理器被进一步配置成输出器械钳口命令以控制该对相对的钳口的位置。处理器被进一步配置成通过将用户增量输入添加到先前器械钳口命令来计算未调整的器械钳口命令。处理器被进一步配置成将未对准值计算为当前手柄桨位置与未调整的器械钳口命令之间的差。处理器被进一步配置成计算调整值，该调整值是调整比例因子与用户增量输入的乘积。处理器被进一步配置成响应于用户增量输入和具有相同符号的未对准值而使用正比例因子计算调整值。处理器被进一步配置成响应于用户增量输入和具有不同符号的未对准值而使用负比例因子计算调整值。处理器被进一步配置成将调整值添加到未调整的器械钳口命令以调整该对相对的钳口，从而校正钳口未对准的量。处理器被进一步配置成确认绝对调整值小于绝对未对准值以防止过度校正。

根据本公开的另一个实施方案，公开了一种外科机器人系统。外科机器人系统包括外科控制台，该外科控制台包括手柄控制器。该系统还包括机器人臂，该机器人臂包括器械，该器械具有：多根线缆，该多根线缆能够纵向移动；和端部执行器，该端部执行器能够通过线缆移动，端部执行器具有一对相对的钳口。该系统还包括处理器，该处理器被配置成：确定取向未对准的量，并且基于取向未对准的量来调整器械。

上述实施方案的具体实施可包括以下特征中的一者或多者。根据上述实施方案的一个方面，处理器被进一步配置成基于当前器械期望取向与先前位置器械取向之间的差来计算运动轴线，该当前器械期望取向基于手柄控制器的取向。处理器可被进一步配置成基于手柄控制器的当前取向与手柄控制器的先前取向之间的差来计算用户增量取向输入。处理器被进一步配置成通过将用户增量取向输入添加到先前器械命令取向来计算未调整的器械命令取向。处理器被进一步配置成计算未对准轴线，该未对准轴线是当前器械期望取向与未调整的器械命令取向之间的差。处理器被进一步配置成基于运动轴线与未对准轴线之间的角度来计算调整值。处理器被进一步配置成响应于角度的余弦为正而使用第一负惩罚因子来计算调整值。处理器被进一步配置成响应于角度的余弦为负而使用第二负惩罚因子来计算调整值，第二负惩罚因子大于第一负惩罚因子。

根据本公开的另一实施方案，公开了一种外科机器人系统。外科机器人系统包括外科控制台，该外科控制台包括手柄控制器。该系统还包括机器人臂，该机器人臂包括器械，该器械具有：多根线缆，该多根线缆能够纵向移动；和端部执行器，该端部执行器能够通过线缆移动，端部执行器具有一对相对的钳口。该系统还包括处理器，该处理器被配置成：确定取向未对准的量和钳口未对准的量；基于取向未对准的量来调整器械；以及基于钳口未对准的量来调整该对相对的钳口。

上述实施方案的具体实施可包括以下特征中的一者或多者。根据上述实施方案的一个方面，处理器可被进一步配置成确定器械的类型并且基于器械的类型来修改取向未对准的调整。处理器可被进一步配置成基于器械的类型来调整收敛速率。处理器可被进一步配置成确定器械的类型并基于器械的类型来修改钳口未对准的调整。该系统还可包括被配置成捕获端部执行器的图像的相机。处理器可被进一步配置成基于该对相对的钳口的尺寸来修改取向未对准的调整。

附图说明

本文结合附图描述了本公开的各种实施方案，其中：

图1是根据本公开的实施方案的包括控制塔、控制台和一个或多个外科机器人臂的外科机器人系统的示意图；

图2是根据本公开的实施方案的图1的外科机器人系统的外科机器人臂的透视图；

图3是根据本公开的实施方案的具有图1的外科机器人系统的外科机器人臂的设置臂的透视图；

图4是根据本公开的实施方案的图1的外科机器人系统的计算机架构的示意图；

图5是根据本公开的实施方案的器械驱动单元和外科器械的透视图；

图6是根据本公开的实施方案的图5中所示的器械驱动单元和外科器械的部分分离的透视图；

图7是与图5和图6的机器人外科组件一起使用的外科器械的后透视图；

图8是图7的外科器械的驱动组件的透视图；

图9A是通过图7的9A-9A截取的外科器械的剖视图；

图9B是通过图7的9B-9B截取的外科器械的剖视图；

图10A是根据本公开的实施方案的用于图1的外科机器人系统中的端部执行器的顶部透视图；

图10B是根据本公开的实施方案的用于图1的外科机器人系统的缝合器的侧视图；

图10C是根据本公开的实施方案的用于图1的外科机器人系统的电烙剪刀的侧视图；

图10D是根据本公开的实施方案的用于图1的外科机器人系统的电烙刀片的侧视图；

图10E是根据本公开的实施方案的用于图1的外科机器人系统的电外科血管密封器的侧视图；

图11是根据本公开的实施方案的控制图10A的端部执行器的位置的部件的流程控制图；并且

图12A和图12B是根据本公开的实施方案的用于对准外科器械的方法的流程图。

具体实施方式

参考附图详细描述了本发明所公开的外科机器人系统的实施方案，其中若干视图的每个视图中类似的附图标记代表相同或对应的要素。如本文所用，术语“远侧”是指外科机器人系统和/或与患者联接的外科器械的部分，而术语“近侧”是指更远离患者的部分。

术语“应用程序”可包括出于用户的利益而设计来执行功能、任务或活动的计算机程序。例如，应用程序可指作为独立程序或在网络浏览器中本地或远程运行的软件，或本领域的技术人员理解为应用程序的其他软件。应用程序可在控制器或用户设备上运行，包括例如在移动设备、个人计算机或服务器系统上运行。

如下文将详细描述的，本公开涉及一种外科机器人系统，该外科机器人系统包括外科控制台、控制塔和具有联接到设置臂的外科机器人臂的一个或多个可移动推车。外科控制台通过一个或多个接口设备接收用户输入，这些接口设备由控制塔解释为用于移动外科机器人臂的移动命令。该外科机器人臂包括控制器，该控制器被配置成处理移动命令并且生成用于激活机械臂的一个或多个致动器的扭矩命令，该扭矩命令进而将响应于移动命令来移动机器人臂。

参考图1，外科机器人系统10包括控制塔20，该控制塔连接到外科机器人系统10的所有部件，外科机器人系统包括外科控制台30和一个或多个机器人臂40。机器人臂40中的每个机器人臂包括与其能够移除地联接的外科器械50。机器人臂40中的每个机器人臂还联接到可移动推车60。

外科器械50被配置成用于在微创外科手术期间使用。在实施方案中，外科器械50可被配置成用于开放式外科手术。在实施方案中，外科器械50可以是被配置成为用户提供视频馈送的内窥镜，诸如内窥镜相机51。在另外的实施方案中，外科器械50可以是被配置成通过在钳口构件之间压缩组织并向其施加电外科电流来密封组织的电外科夹钳。在另外的实施方案中，外科器械50可以是外科缝合器，该外科缝合器包括一对钳口，该对钳口被配置成在部署多个组织紧固件(例如，钉)并切割所缝合的组织时抓持和夹紧组织。

机器人臂40中的一者可包括被配置成捕获外科手术部位的视频的相机51。外科控制台30包括第一显示器32和第二显示器34，第一显示器显示由设置在机器人臂40上的外科器械50的相机51提供的外科手术部位的视频馈送，第二显示器显示用于控制外科机器人系统10的用户界面。第一显示器32和第二显示器34是允许显示各种图形用户输入的触摸屏。

外科控制台30还包括多个用户接口设备，诸如由用户使用以远程控制机器人臂40的脚踏板36和一对手柄控制器38a和38b。外科控制台还包括用于在操作手柄控制器38a和38b时支撑临床医生手臂的扶手33。

控制塔20包括显示器23，该显示器可以是触摸屏，并且在图形用户界面(GUI)上输出。控制塔20还充当外科控制台30与一个或多个机器人臂40之间的接口。具体地，控制塔20被配置成控制机器人臂40，以例如基于来自外科控制台30的一组可编程指令和/或输入命令来移动机器人臂40和对应的外科器械50，以使得机器人臂40和外科器械50响应于来自脚踏板36和手柄控制器38a和38b的输入来执行期望的移动序列。

控制塔20、外科控制台30和机器人臂40中的每一者包括相应计算机21、31、41。计算机21、31、41使用基于有线或无线通信协议的任何合适的通信网络彼此互连。如本文所用，术语“网络”无论单数还是复数，均表示数据网络，包括但不限于互联网、内联网、广域网或局域网，并且不限于本公开所涵盖的通信网络的定义的全部范围。合适的协议包括但不限于传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)、数据报协议/互联网协议(UDP/IP)和/或数据报拥塞控制协议(DCCP)。无线通信可经由一个或多个无线配置实现，例如，无线电频率、光学、Wi-Fi、蓝牙(开放无线协议，用于使用短波无线电波从固定设备和移动设备在短距离内交换数据，从而创建个人局域网络(PAN))、(一套高级通信协议的规范，使用基于针对无线个人局域网络(WPAN)的IEEE 122.15.4-2003标准的小型低功率数字无线电)。

计算机21、31、41可包括能够操作地连接到存储器(未示出)的合适处理器(未示出)，该处理器可包括易失性、非易失性、磁性、光学或电子介质中的一种或多种，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、非易失性RAM(NVRAM)或闪存存储器。处理器可为适于执行本公开中所述的操作、计算和/或指令集的任何合适处理器(例如，控制电路)，包括但不限于硬件处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、中央处理单元(CPU)、微处理器以及它们的组合。本领域技术人员应当理解，可以通过使用适于执行本文所述的算法、计算和/或指令集的任何逻辑处理器(例如，控制电路)来代替处理器。

参考图2，机器人臂40中的每个机器人臂可包括多个连接件42a、42b、42c，该多个连接件分别在接合部44a、44b、44c处互连。接合部44a被配置成将机器人臂40固定到可移动推车60上并且限定第一纵向轴线。参考图3，可移动推车60包括升降器61和设置臂62，该设置臂提供用于安装机器人臂40的基座。升降器61允许设置臂62竖直移动。可移动推车60还包括用于显示与机器人臂40有关信息的显示器69。

设置臂62包括第一连接件62a、第二连接件62b和第三连接件62c，这些连接件提供机器人臂40的横向可操纵性。连接件62a、62b、62c在接合部63a和63b处互连，这些接合部中的每个接合部可包括致动器(未示出)，用于使连接件62b和62b相对于彼此和连接件62c旋转。具体地，连接件62a、62b、62c可在它们相应的彼此平行的横向平面中移动，从而允许机器人臂40相对于患者(例如，外科手术台)延伸。在实施方案中，机器人臂40可联接到外科手术台(未示出)。设置臂62包括用于调整连接件62a、62b、62c以及升降器61的移动的控制器65。

第三连接件62c包括具有两个自由度的可旋转基座64。具体地，可旋转基座64包括第一致动器64a和第二致动器64b。第一致动器64a能够绕垂直于由第三连接件62c限定的平面的第一固定臂轴线旋转，并且第二致动器64b能够绕横向于第一固定臂轴线的第二固定臂轴线旋转。第一致动器64a和第二致动器64b允许机器人臂40的完整三维取向。

接合部44b的致动器48b经由皮带45a联接到接合部44c，并且接合部44c进而经由皮带45b联接到接合部46c。接合部44c可包括联接皮带45a和45b的分动箱，使得致动器48b被配置成使连接件42b、42c中的每一者和保持器46中相对于彼此旋转。更具体地，连接件42b、42c和保持器46被动地联接到致动器48b，该致动器强制执行围绕枢转点“P”的旋转，该枢转点位于由连接件42a限定的第一轴线与由保持器46限定的第二轴线的交叉处。因此，致动器48b控制第一轴线与第二轴线之间的角度θ，从而允许外科器械50的取向。由于连接件42a、42b、42c和保持器46经由皮带45a和45b互连，所以还调整了连接件42a、42b、42c和保持器46之间的角度，以便实现期望的角度θ。在实施方案中，接合部44a、44b、44c中的一些或全部接合部可包括致动器，以消除对机械连杆的需要。

接合部44a和44b包括致动器48a和48b，该致动器被配置成通过一系列皮带45a和45b或其他机械连杆(诸如驱动杆、线缆或杆等)相对于彼此驱动接合部44a、44b、44c。具体地，致动器48a被配置成使机器人臂40绕由连接件42a限定的纵向轴线旋转。

参考图2，机器人臂40还包括限定第二纵向轴线并且被配置成接收器械驱动单元(IDU)52(图1)的保持器46。IDU 52被配置成联接到外科器械50的致动机构和相机51，并且被配置成移动(例如，旋转)并致动器械50和/或相机51。IDU 52将致动力从其致动器传递到外科器械50，以致动外科器械50的部件(例如，端部执行器)。保持器46包括滑动机构46a，该滑动机构被配置成使IDU 52沿由保持器46限定的第二纵向轴线移动。保持器46还包括接合部46b，该接合部使保持器46相对于连接件42c旋转。在内窥镜过程期间，器械50可以通过由保持器46保持的内窥镜孔口55(图3)插入。

机器人臂40还包括设置在IDU 52和设置臂62上的多个手动超控按钮53(图1)，这些手动超控按钮可在手动模式下使用。用户可以按下按钮53中的一个或多个按钮以使与按钮53相关联的部件移动。

参考图4，外科机器人系统10的计算机21、31、41中的每一者可包括可在硬件和/或软件中具体体现的多个控制器。控制塔20的计算机21包括控制器21a和安全观测器21b。控制器21a从外科控制台30的计算机31接收关于手柄控制器38a和38b的当前位置和/或取向以及脚踏板36和其他按钮的状态的数据。控制器21a处理这些输入位置以确定机器人臂40和/或IDU 52的每个接合部的期望驱动命令，并且将这些命令传送到机器人臂40的计算机41。控制器21a还接收由致动器48a和48b的编码器测量的实际接合部角度并使用该信息来确定传输回外科控制台30的计算机31的力反馈命令，以通过手柄控制器38a和38b提供触觉反馈。安全观测器21b对进入和离开控制器21a的数据执行有效性检查，并且如果检测到数据传输中的错误，则通知系统故障处理器，以将计算机21和/或外科机器人系统10置于安全状态。

计算机41包括多个控制器，即主推车控制器41a、设置臂控制器41b、机器人臂控制器41c和器械驱动单元(IDU)控制器41d。主推车控制器41a接收和处理来自计算机21的控制器21a的接合命令并且将这些命令传送到设置臂控制器41b、机器人臂控制器41c和IDU控制器41d。主推车控制器41a还管理器械交换以及可移动推车60、机器人臂40和IDU 52的总体状态。主推车控制器41a还将实际接合部角度传送回控制器21a。

设置臂控制器41b控制接合部63a和63b中的每一者，以及设置臂62的可旋转基座64，并且针对俯仰轴线计算期望的马达移动命令(例如，马达扭矩)并控制制动器。机器人臂控制器41c控制机器人臂40的每个接合部44a和44b，并且计算机器人臂40的重力补偿、摩擦补偿和闭环位置控制所需的期望马达扭矩。机器人臂控制器41c基于计算的扭矩来计算移动命令。然后将计算的马达命令传送到机器人臂40中的致动器48a和48b中的一个或多个致动器。然后将实际接合位置通过致动器48a和48b传输回机器人臂控制器41c。

IDU控制器41d接收外科器械50的期望接合部角度，诸如腕部和钳口角度，并且计算IDU 52中的马达的期望电流。IDU控制器41d基于马达位置来计算实际角度并且将实际角度传输回主推车控制器41a。

响应于控制机器人臂40的手柄控制器(例如，手柄控制器38a)的位姿来控制机器人臂40，该位姿通过由控制器21a执行的手眼变换函数变换为机器人臂40的期望位姿。手眼功能以及本文描述的其他功能体现在能够由控制器21a或本文描述的任何其他合适的控制器执行的软件中。手柄控制器38a中的一个手柄控制器的位姿可体现为相对于坐标参考系的坐标位置和滚转-俯仰-偏航(“RPY”)取向，该坐标参考系固定到外科控制台30。器械50的期望位姿相对于机器人臂40上的固定参考系。然后通过由控制器21a执行的缩放函数来缩放手柄控制器38a的位姿。在实施方案中，通过缩放函数，坐标位置按比例缩小并且取向按比例放大。除此之外，控制器21a还执行离合函数，其使手柄控制器38a与机器人臂40脱离。具体地，如果超出某些移动限值或其他阈值，则控制器21a停止将来自手柄控制器38a的移动命令传输到机器人臂40，并且实质上如同虚拟离合器机构一样起作用，例如限制机械输入影响机械输出。

机器人臂40的期望位姿基于手柄控制器38a的位姿，并且然后通过由控制器21a执行的逆运动学函数传递。逆运动学函数计算机器人臂40的接合部44a、44b、44c的角度，该角度实现了通过手柄控制器38a的经缩放和调整的位姿输入。然后将所计算的角度传递到机器人臂控制器41c，该机器人臂控制器包括具有比例微分(PD)控制器、摩擦估计器模块、重力补偿器模块和双侧饱和块的接合部轴线控制器，该接合部轴线控制器被配置成限制接合部44a、44b、44c的马达的所命令的扭矩。

参考图5和图6，更详细地示出了IDU 52，并且IDU被配置成将动力和致动力从其马达152a、152b、152c、152d传递到器械50，以驱动器械50的部件的移动，诸如铰接、旋转、俯仰、偏航、夹紧、切割等。IDU 52还可被配置成用于基于电外科能量的器械等(例如，线缆驱动器、滑轮、摩擦轮、齿条和小齿轮布置等)的激活或击发。

IDU 52包括马达组150和无菌屏障壳体130。马达组150包括用于控制器械50的各种操作的马达152a、152b、152c、152d。器械50能够可移除地联接到IDU 52。当马达组150的马达152a、152b、152c、152d被致动时，马达152a、152b、152c、152d的驱动传递轴154a、154b、154c、154d的旋转被分别传递到器械50的驱动组件300a、300b、300c、300d(图7)的相应的近侧联接器310a、310b、310c、310d。

器械50可具有端部执行器，该端部执行器被示出为固定到其远侧端部的针驱动器200(图10A)。器械50被配置成将由IDU 52(例如，经由马达组150的马达152a、152b、152c、152d)供应的旋转力/运动转换成线缆380a、380b、380c、380d的纵向移动或平移，以实现针驱动器200的各种功能。

参考图7至图9B，器械50包括具有壳体212的壳体组件210，该壳体在其中限定至少一个腔体或孔212a、212b、212c、212d，该腔体或孔被配置成在其中接收相应的驱动组件300a、300b、300c、300d。根据本公开，壳体212的每个孔212a、212b、212c、212d被配置成在其中可操作地支撑相应的驱动组件300a、300b、300c、300d。

壳体212的每个孔212a、212b、212c、212d在其中限定相应的纵向延伸的凹槽或通道213a、213b、213c、213d。每个通道213a、213b、213c、213d被配置成滑动地接纳从相应的驱动组件300a、300b、300c、300d的相应的驱动螺母350a、350b、350c、350d沿径向延伸的轨道或凸片353a、353b、353c、353d。

当器械50连接到IDU 52时，器械50的驱动组件300a、300b、300c、300d的近侧联接器310a、310b、310c、310d与IDU 52内的相应的驱动传递轴154a、154b、154c、154d(图5和图6)对准并连接到相应的驱动传递轴，以将相应的驱动组件300a、300b、300c、300d联接到IDU52的相应的马达152a、152b、152c、152d。

器械50的壳体组件210的壳体212还支撑电连接器190(图7)，该电连接器被配置用于选择性地连接到IDU 52的IDU 52的插头140(图5和图6)。器械50可包括电子器件，包括但不限于存储器(用于存储识别信息、使用信息等)、用于接收和传输数据或信息的有线或无线通信电路。IDU 52可被配置成允许专用电烙线缆等的通过或穿过，以供使用并且连接到基于电外科的机电外科器械(例如，用于消融、凝结、密封等)。电连接器190可包括但不限于导电连接器、磁性连接器、电阻性连接器、电容性连接器、霍尔传感器、簧片开关等。器械50可经由被配置成接合引导件218的联接器176固定到IDU 52。

继续参考图7至图9B，器械50的壳体组件210容纳多个驱动组件，示出为驱动组件300a、300b、300c、300d。在示出的实施方案中，器械50包括三个驱动组件300a、300b、300c、300d；然而，器械50可包括更多(例如，四个、五个或六个)或更少(例如，两个)驱动组件，而不脱离本发明的范围。

每个驱动组件300a、300b、300c、300d包括相应的近侧联接器310a、310b、310c、310d、近侧轴承320a、320b、320c、320d、驱动螺杆340a、340b、340c、340d、驱动螺母350a、350b、350c、350d、偏置元件370a、370b、370c、370d以及线缆380a、380b、380c、380d。每个驱动组件300a、300b、300c、300d的近侧联接器310a、310b、310c、310d被配置成与联接到IDU52的相应的马达的相应的驱动传递轴154a、154b、154c、154d啮合地接合。在操作中，马达152a、152b、152c、152d的驱动传递轴154a、154b、154c、154d的旋转导致相应的驱动组件300a、300b、300c、300d的相应的近侧联接器310a、310b、310c、310d的对应旋转。

每个驱动组件300a、300b、300c、300d的近侧联接器310a、310b、310c、310d键接到或以其他方式不可旋转地连接到相应的驱动螺杆340a、340b、340c、340d的近侧端部。因此，近侧联接器310a、310b、310c、310d的旋转导致相应的驱动螺杆340a、340b、340c、340d的对应旋转。

每个近侧轴承320a、320b、320c、320d设置在邻近壳体组件210的壳体212的近侧端部的相应的驱动螺杆340a、340b、340c、340d的近侧部分周围。每个驱动螺杆340a、340b、340c、340d的远侧端部或尖端可以可旋转地设置或支撑在壳体212的远侧端部中限定的相应的凹部214a、214b、214c、214d中(见图9A至图9B)。

驱动螺杆340a、340b、340c、340d中的每一者包括螺纹主体或轴部分341a、341b、341c、341d并且限定延伸穿过其径向中心的纵向轴线“L-L”(见图8)。在使用中，如上所述的近侧联接器310a、310b、310c、310d的旋转导致相应的驱动螺杆340a、340b、340c、340d围绕纵向轴线“L-L”以对应的方向和旋转速率旋转。

驱动螺母350a、350b、350c、350d中的每一者包括纵向延伸穿过其中的螺纹孔351a、351b、351c、315d，该螺纹孔被配置成机械地接合相应的驱动螺杆340a、340b、340c、340d的螺纹轴部分341a、341b、341c、341d。每个驱动螺母350a、350b、350c、350d被配置成以一种方式定位在相应的驱动螺杆340a、340b、340c、340d上，使得驱动螺杆340a、340b、340c、340d的旋转引起相应的驱动螺母350a、350b、350c、350d的纵向移动或平移。此外，近侧联接器310a、310b、310c、310d沿第一方向(例如，顺时针方向)的旋转引起相应的驱动螺母350a、350b、350c、350d沿相应的驱动螺杆340a、340b、340c、340d沿第一纵向方向(例如，向近侧)移动，并且近侧联接器310a、310b、310c、310d沿第二方向(例如，逆时针方向)的旋转引起相应的驱动螺母350a、350b、350c、350d相对于相应的驱动螺杆340a、340b、340c、340d沿第二纵向方向(例如，向远侧)移动。

每个驱动螺母350a、350b、350c、350d包括形成在接合凸片352a、352b、352c、352d中的保持凹口，该接合凸片形成在每个驱动螺母中，该保持凹口邻近螺纹孔351a、351b、351c、351d设置。每个保持凹口被配置成保持相应的线缆380a、380b、380c、380d的近侧端部部分380ap、380bp、380cp、380dp，如下文进一步详细讨论的。

每个驱动螺母350a、350c、350c、350d还包括从其外表面径向延伸且沿着其外表面纵向延伸的凸片353a、353b、353c、353d。每个驱动螺母350a、350b、350c、350d的凸片353a、353b、353c、353d被配置成可滑动地设置在形成于壳体212的孔212a、212b、212c、212d中的相应的纵向延伸通道213a、213b、213c、213d中。每个驱动螺母350a、350b、350c、350d的凸片353a、353b、353c、353d与壳体212的孔212a、212b、212c、212d的相应的通道213a、213b、213c、213d配合，以在每个驱动螺杆340a、340b、340c、340d旋转时抑制或防止每个驱动螺母350a、350b、350c、350d绕纵向轴线“L-L”旋转。

驱动螺母350a、350b、350c、350d中的每一者的接合凸片352a、352b、352c、352d邻近其径向向内表面设置，该径向向内表面被配置成机械地接合或保持相应的线缆380a、380b、380c、380d的近侧端部部分380ap、380bp、380cp、380dp。在操作中，当驱动螺母350a、350b、350c、350d沿着驱动螺杆340a、340b、340c、340d轴向移位时，驱动螺母350a、350b、350c、350d将伴随的轴向平移传输到线缆380a、380b、380c、380d。

可以是压缩弹簧的偏置元件370a、370b、370c、370d被配置成径向地围绕每个驱动螺杆340a、340b、340c、340d的螺纹轴部分341a、341b、341c、341d的相应的远侧部部分。每个偏置元件370a、370b、370c、370d插置在相应的驱动螺母350a、350b、350c、350d与壳体组件210的壳体212的远侧表面之间。

每根线缆380a、380b、380c、380d从相应的驱动螺母350a、350b、350c向远侧延伸，穿过壳体组件210的壳体212的相应的中心孔或通道212a、212b、212c、212d，并且被配置成机械地接合外科器械的一部分(例如，器械50的针驱动器200的一部分或部件)。

在操作中，至少一根线缆380a、380b、380c、380d的纵向平移被配置成以特定方式移动和/或致动器械50的针驱动器200。参考图10A，针驱动器200包括具有第一销113的近侧部分112和远侧部分114。远侧部分114能够围绕销113枢转，该销限定了轴线“A-A”。线缆380a、380b、380c、380d围绕其相应的滑轮112a、112b、114a、114b穿过近侧部分112和远侧部分114，这些滑轮一体地形成为近侧部分112和远侧部分114的臂。在实施方案中，针驱动器200(即，远侧部分114以及钳口120和122)可围绕轴线“A-A”铰接，以控制端部执行器相对于纵向轴线“X-X”的偏航角。远侧部分114包括第二销115，其中一对钳口120和122能够枢转地联接到第二销115上。钳口120和122被配置成围绕由第二销115限定的轴线“B-B”枢转，从而允许控制钳口120和122的俯仰角以及打开和闭合钳口120和122。通过调整线缆380a、380b、380c、380d的张力和/或长度和方向(例如，近侧或远侧)来控制偏航角、俯仰角和钳口角。针驱动器200还包括线缆位移传感器116，该线缆位移传感器被配置成测量线缆380a、380b、380c、380d的位置。因此，针驱动器200具有三个自由度：钳口120和122之间的偏航角、俯仰角和钳口角。在实施方案中，针驱动器200可具有多个线缆位移传感器116，一个线缆位移传感器用于线缆380a、380b、380c、380d中的每一者。线缆位移传感器116是固定的并且可通过测量由标记(例如，磁体、点等)标记的线缆380a、380b、380c、380d上的特定可移动点来操作。例如，线缆位移传感器116可为光学编码器、霍尔效应传感器或任何其他合适的位移传感器。

除了图10A的针驱动器200之外，系统10还可使用如图10B至图10E所示的其他类型的端部执行器，诸如缝合器215(图10B)、剪刀220(图10C)、电烙刀片230(图10E)和血管密封器240(图10E)。为了避免混淆，下面使用不同的附图标记来参考近侧部分112和远侧部分114以及枢轴销113和115以及其相应的枢轴“A-A”和“B-B”。

图10B的缝合器215为具有第一钳口216和第二钳口217的钳口型器械，第一钳口为砧座，第二钳口包括钉仓，该钉仓容纳能够抵靠第一钳口216弹出的多个钉。缝合器215可经由销218枢转地联接到纵向轴215，使得缝合器215可围绕轴线“A-A”铰接。

图10C的剪刀220可以是单极弯曲剪刀或任何其他剪刀状切割端部执行器，并且包括能够围绕第二销225和轴线“B-B”相对于彼此枢转的第一刀片221和第二刀片222。第一刀片221和第二刀片222能够由以单极模式操作的电外科发生器(未示出)通电，使得剪刀220同时切割和烧灼组织。剪刀220还可包括设置在剪刀220的近侧部分上的绝缘盖226，以防止与组织的意外接触。剪刀220还可包括近侧部分224和第一销223，使得剪刀220可围绕轴线“A-A”铰接。

图10D的电烙刀片230包括切割元件231，该切割元件可以是钩或任何合适的单极电极。电烙刀片230还包括一个或多个可枢转的远侧部分232和近侧部分234，并且可以能够围绕枢转轴线“A-A”和“B-B”中的一者或多者枢转。电烙刀片230还由以单极模式操作的电外科发生器通电。除此之外，电烙刀片230还包括设置在近侧部分232和远侧部分234上的绝缘盖233。

图10E的血管密封器240包括一对钳口241和242，每个钳口具有导电表面。钳口241和242被配置成围绕销243相对于彼此枢转。除此之外，血管密封器240可包括一个或多个可枢转的远侧部分244和近侧部分246，并且可以能够围绕枢转轴线“A-A”和“B-B”中的一者或多者枢转。血管密封器240由在血管密封器或双极模式下操作的电外科发生器通电。

根据本公开，线缆380a、380b、380c、380d中的至少一者的远侧部分可包括柔性部分，而线缆380a、380b、380c、380d的近侧部分可以是刚性的，使得柔性远侧部分可遵循特定路径通过器械50。因此，偏置元件370a、370b、370c、370d可用于保持线缆380a、380b、380c、380d处于张紧状态，以防止松弛或以减少线缆380a、380b、380c、380d的柔性远侧部分中的松弛量。IDU 52的马达152a、152b、152c、152d控制线缆380a、380b、380c、380d上的最小张力，使得最小张力由所有四个联接器310a、310b、310c、310d保持。

在器械50的使用期间(例如，当IDU 52的马达152a、152b、152c、152d或其他动力驱动器用于旋转近侧联接器310a、310b、310c、310d中的一者或多者时)，近侧联接器310a、310b、310c、310d的旋转导致相应的驱动螺杆340a、340b、340c、340d的对应旋转。驱动螺杆340a、340b、340c、340d的旋转引起相应的驱动螺母350a、350b、350c、350d的纵向平移，这是由于驱动螺杆340a、340b、340c、340d的螺纹部分341a、341b、341c、341d与驱动螺母350a、350b、350c、350d的螺纹孔351a、351b、351c、351d之间的接合。

驱动螺母350a、350b、350c、350d的纵向平移方向由近侧联接器310a、310b、310c、310d的旋转方向确定，该近侧联接器又使相应的驱动螺杆340a、340b、340c、340d旋转。在实施方案中，驱动螺杆340a、340b、340c、340d中的每一者的顺时针旋转导致线缆380a、380b、380c、380d的对应近侧平移。另外地，驱动螺杆340a、340b、340c、340d中的每一者的逆时针旋转导致线缆380a、380b、380c、380d的对应远侧平移。

另外地，在一个方面，当驱动组件300a、300b、300c、300d中的一者的一个驱动螺母350a、350b、350c、350d沿第一纵向方向(例如，向近侧)移动时，设想来自不同驱动组件300a、300b、300c、300d的不同驱动螺母350a、350b、350c、350d沿相反的第二纵向方向(例如，向远侧)移动。此类功能可通过控制相应的马达152a、152b、152c、152d来实现。此类配置用于例如补偿线缆380a、380b、380c、380d中的任何松弛或者在线缆380a、380b、380c、380d中产生松弛。可以设想，每个驱动螺母350a、350b、350c、350d可被独立地驱动。

当线缆380a、380b、380c、380d中的另一者(例如，相对的线缆)在相反的方向上平移时，马达152a、152b、152c、152d中的每一者可以对应方式被控制，以消除线缆380a、380b、380c、380d中的任一者中的松弛形成。另外地，当线缆380a、380b、380c、380d中的另一者(例如，相对的线缆)在相反的方向上平移时，马达152a、152b、152c、152d中的每一者可以对应方式被控制以在线缆380a、380b、380c、380d中的任一者中的产生松弛。马达152a、152b、152c、152d的此类对应控制确保线缆380a、380b、380c、380d中的任一者的近侧平移不受相对的线缆380a、380b、380c、380d的静止位置阻碍。

参考图6，马达152a、152b、152c、152d中的每一者包括电流传感器153、转矩传感器155和编码器157。为了简明起见，下面仅描述马达152a的操作。传感器153、155、157监测马达152a的性能。电流传感器153被配置成测量马达152a的电流消耗，并且转矩传感器155被配置成测量马达转矩。转矩传感器155可以是任何力或应变传感器，该力或应变传感器包括一个或多个应变计，该一个或多个应变计被配置成将机械力和/或应变转换成指示由马达152a输出的转矩的传感器信号。编码器157可以是提供指示马达152a的旋转次数的传感器信号的任何设备，诸如机械编码器或光学编码器。由编码器157测量和/或确定的参数可包括速度、距离、每分钟转数、位置等。来自传感器153、155、157的传感器信号被传输到IDU控制器41d，该IDU控制器然后基于传感器信号控制马达152a、152b、152c、152d。具体地，马达152a、152b、152c、152d由致动器控制器159控制，该致动器控制器控制马达152a、152b、152c、152d的扭矩输出和角速度。在实施方案中，还可使用另外的位置传感器，包括但不限于联接到可移动部件并且被配置成检测行进距离的电位计、霍尔效应传感器、加速度计和陀螺仪。在实施方案中，单个控制器可执行IDU控制器41d和致动器控制器159的功能。

在校准和接合部运动期间，IDU控制器41d向/从IDU 52提供输入和处理输出。输入信号包括期望状态、期望接合部角度、实际马达状态、实际马达角度、实际马达电流。输出信号包括实际控制器状态、实际接合部角度、期望马达状态、期望马达扭矩和接合部极限。

IDU控制器41d负责校准包括线缆380a、380b、380c、380d中的每一者的器械50。参考图11，端部执行器位置控制器400使用开环控制方案来控制针驱动器200的移动，在该开环控制方案中，针驱动器200的最终位置(例如，输出)不用于其控制中，而是由线缆位移传感器116和编码器157提供反馈。端部执行器位置控制器400可以是联接到IDU控制器41d的单独控制器，并且可设置在IDU 52内，或者端部执行器位置控制器400可以是IDU控制器41d的部件。响应于通过手柄控制器38a和38b和/或自动运动轨迹的用户输入而产生针驱动器200的期望位置。期望位置被提供给位置控制器400并且与由线缆位移传感器116测量的针驱动器200的实际位置进行比较。位置控制器400计算位置误差和输入到线缆380a、380b、380c、380d的非线性模型401的附加控制信号。模型401确定线缆380a、380b、380c、380d的近侧端部的期望位移，以克服非线性，诸如反冲、线缆拉伸、静摩擦以及由于弯曲引起的线缆路径的长度变化。

器械50(包括标准抓紧器、针驱动器和双极器械)的位置控制包括增益调度，使得当以全钳口闭合的所命令的输入执行钳口夹紧时，钳口控制的位置反馈被解除。这确保了当钳口120和122由于物体被抓紧而不闭合时防止整体缠绕，并且切断整体直到夹紧力被释放并且在已经从高静摩擦区域转换之后发生钳口打开动作，该高静摩擦区域由夹紧下的较高钳口扭矩产生。

位置控制还包括抖动程序，该抖动程序将器械接合部(即，近侧部分112和远侧部分114)维持在动态摩擦区域中。如本文所用，“抖动”表示以约40Hz至约150Hz的频率速率在相反方向上的振荡移动。抖动在接合部空间中实现，并且可基于大量器械50的经验测试来优化，以考虑器械与器械之间的变化以及器械50的寿命期间的变化。接合部空间抖动基于器械50的腕部位姿和取决于配置的摩擦。抖动使近侧部分112和远侧部分114脱离静摩擦区域断开并改善控制器响应。抖动还减小了铰接所需的净扭矩，从而延长了器械50的寿命。

在器械50包括剪刀220的实施方案中，位置控制程序包括前馈摩擦模型。该前馈模型减少了反馈位置回路的控制器努力，并且通过补偿高摩擦而有助于控制器稳定性和响应，这对于剪刀220钳口的刀片设计而言是需要的并且是固有的，以实现足够的切割性能。

模型401极大地改善了端部执行器的位置控制性能，因为模型401补偿了非线性并允许使用线性反馈控制器，即致动器控制器159。否则，当柔性线缆380a、380b、380c、380d改变形状时，在不使用模型401的情况下闭合反馈回路将导致缓慢响应、不准确以及性能的显著变化。模型401还补偿由于滑轮112a、112b、114a、114b(图10A)上的线缆缠绕而引起的外科器械的钳口120和122的实际位置的变化。

由模型401计算出的期望位移然后被用作致动器控制器159的输入，该致动器控制器计算用于马达152a、152b、152c、152d中的每一者的所命令的移动命令(例如，所供应的电流量)。致动器控制器159还充当位置控制器，该位置控制器使用来自由相应的编码器157测量的马达152a、152b、152c、152d的实际位置的反馈回路。将实际马达位置与来自模型401的期望马达位置进行比较以进一步改进马达控制。马达152a、152b、152c、152d连接至联接器310a、310b、310c、310d，该联接器拉动将运动传输至针驱动器200的线缆380a、380b、380c、380d。线缆位移传感器116测量线缆380a、380b、380c、380d中的每一者的实际位置，其对应于针驱动器200的实际位置。

在实施方案中，来自内窥镜相机51的视频馈送也可用于使用基于视觉的算法向反馈回路提供附加控制参数，例如，检测针驱动器200的移动和/或角度，并且向位置控制器400提供视觉观察的角度。基于视觉的算法可另选地或除了由线缆位移传感器116提供的反馈之外用于监测针驱动器200的实际位置。另外地，所测量的线缆张力也可用作位置控制器400的附加输入。所测量的扭矩可用于估计由针驱动器200施加在组织上的力和扭矩。

在另外的实施方案中，模型401可以是线缆380a、380b、380c、380d的自适应非线性模型，该自适应非线性模型自动调整控制参数以补偿随时间缓慢变化的可观察参数，诸如柔性线缆导管的整体曲率变化。神经网络或其他基于人工智能的算法可用于开发和实现非线性模型401。可基于针驱动器200的所命令的运动和所观察的(即，所测量的)位置的数据集来教导模型401。

参考图12A和图12B，在流程图中示出了重新对准算法。重新对准算法体现为由控制器21a或外科机器人系统10的任何其他合适的控制器执行的软件指令，并且被配置成调整钳口120和122的增量取向和增量打开/关闭命令，以便减少期望输入与所命令的输出之间的未对准。

参考图12A，响应于基于来自手柄控制器38a的输入的器械钳口命令来执行打开和关闭钳口120和122。器械钳口命令是表示相对的钳口120和122的所命令的打开角度与可命令的相对的钳口120和122的最大打开角度的比率的值。器械钳口命令可以是从0到1，其中0指示完全闭合状态并且1指示完全打开状态。因此，手柄控制器38a输出器械钳口命令，并且基于该命令来命令钳口120和122到达位置。

类似地，手柄控制器38a的手柄桨位置是表示实际桨打开比率(即，当前桨打开角度与最大可能桨打开角度的比率)的值。手柄桨位置可以是从0到1，其中0指示完全闭合状态并且1指示完全打开状态。

钳口未对准被定义为在任何给定采样时间的手柄桨位置和器械钳口命令之间的标量差。因此，由控制器21a计算桨位置与器械命令之间的未对准，而不考虑可能由于实际钳口位置与器械钳口命令不匹配而导致的任何跟踪误差。

在步骤500处，控制器21a连续地计算在任何期望采样时间(例如，k)的手柄桨位置的变化。具体地，控制器21a计算当前手柄桨位置和先前(即，在采样时间k-1)手柄桨位置之间的差。手柄桨位置之间的差是用户增量输入，并且表示由用户相对于先前采样时间而提供的运动量。

在步骤502处，控制器21a还通过将以上所计算的用户增量输入添加到先前器械钳口命令(在时间k-1发出的器械钳口命令)来计算未调整的器械钳口命令。未调整的器械钳口命令表示当前器械钳口命令将仅基于用户增量输入，而不考虑任何重新对准努力。换句话说，该命令将以保持系统中存在的初始未对准而不是减小该初始未对准的方式移动钳口(直到达到运动范围极限)。

在步骤504处，控制器21a计算未对准值，该未对准值是当前手柄桨位置与未调整的器械钳口命令之间的差，并且表示在没有任何重新对准的情况下输出的钳口命令中的未对准量。

在步骤506处，控制器21a计算调整值，该调整值是调整比例因子与用户增量输入的乘积。如果用户增量输入和未对准值符号一致(即，两者均为正或负)，则调整比例因子为正标量，否则调整比例因子为负标量(即，一者为负则另一者为正)。为了校正未对准，在步骤508处，控制器21a然后将调整值添加到未调整的器械钳口命令。除此之外，将调整值的绝对值与未对准值的绝对值进行比较，以确认绝对调整值不超过绝对未对准值，从而防止过度校正。

参考图12B，响应于基于来自手柄控制器38a的输入的器械命令取向来执行器械50的取向。器械命令取向是由手柄控制器38a提供的第一旋转矩阵(例如，3×3矩阵)，命令器械50的工具中心点(TCP)(即，针驱动器200的坐标系)相对于基础参考系(即，机器人臂40的基础参考系)达到该第一旋转矩阵。

器械期望取向被表示为第二旋转矩阵(例如，3×3矩阵)，该第二旋转矩阵表示器械50的TCP相对于机器人臂40的基础参考系的“对准”取向。该取向是从手柄控制器38a的取向和手眼协调映射导出的。当通过适当的变换在内窥镜进给参考系中表示器械期望取向时，器械取向与如在外科医生参考系中表示的手柄取向匹配。外科医生参考系和内窥镜进给参考系是相对于其限定手眼协调的两个参考系。换句话说，为了正确的视觉对应，手柄控制器38a在外科医生参考系的x(y或z)轴上的平移应当导致器械50在内窥镜进给参考系的x(y或z)轴上的平移。缩放的手柄取向也可用于限定器械期望取向而不是实际手柄取向。

取向未对准被定义为在任何给定采样时间下器械命令取向和器械期望取向之间的差。由控制器21a计算期望取向和命令取向之间的取向未对准，而不考虑可能由于实际器械取向没有完美地跟踪器械命令取向而导致的任何跟踪误差。通过以下方式来获得第一旋转矩阵和第二旋转矩阵之间的差：首先计算第二矩阵的转置，然后用后因子乘以第一矩阵，然后将结果转换为“轴线-角度”表示。所得到的轴线被表示在第二旋转矩阵的参考系中。

在步骤600处，控制器21a在任何期望采样时间(例如，k)连续地计算器械期望取向的变化。具体地，控制器21a计算当前器械期望取向与先前(即，在采样时间k-1)器械期望取向之间的差。器械期望取向之间的差是用户增量取向输入，并且表示由用户相对于先前采样时间而提供的运动量。该差被转换为轴线-角度表示，即运动轴线，其是3×1矢量。取向角度定义了运动角度，并且其是正标量。

在步骤602处，控制器21a还通过将以上所计算的用户增量取向输入添加到先前器械命令取向(即，在时间k-1发出的器械取向命令)来计算未调整的器械命令取向。这是在进行旋转矩阵到轴线-角度转换时使用适当的参考系来完成的。这表示当前器械命令取向将仅基于用户取向输入，而不考虑任何重新对准努力。换句话说，该命令将以保持系统中存在的初始未对准而不是减小未对准的方式移动器械取向(直到达到运动范围极限)。

在步骤604处，控制部21a进一步计算未对准值，该未对准值是当前器械期望取向与未调整的器械命令取向的差。未对准值表示在没有任何努力重新对准器械50的情况下输出器械取向命令中的未对准量。未对准值也被转换成轴线-角度格式。当前器械期望取向与未调整的器械命令取向之间的差的轴线是未对准轴线，其是3×1矢量。类似地，差的角度是未对准角度并且是正标量。

在步骤606处，当两个矢量都被表示在公共参考系(例如，机器人臂40的基础参考系)中时，控制器21a计算运动轴线与未对准轴线之间的角度φ的余弦。控制器21a还通过使用所计算的余弦(例如，cos(φ))、调整比例和运动角度使用以下公式(I)来计算调整后的运动角度：

调整后的运动角度＝(运动角度)+abs(cos(φ))×(调整比例)×(运动角度)

在步骤608处，控制器确定是否cos(φ)>0。如果cos(φ)>0，则在步骤610处，控制器21a选择第一负惩罚标度(即，因子)。如果cos(φ)<0，则在步骤612处，控制器21a选择绝对值大于第一负惩罚标度的第二负惩罚标度(即，因子)。在步骤614处，控制部21a基于在步骤610或612中所计算的调整值来校正取向未对准。控制器21a还对运动角度调整(即，运动角度与调整后的运动角度之间的差)进行封顶，使得其绝对值在任何给定时间都不超过未对准角度。控制部21a进一步通过使用调整后的动作角度、同一动作轴线和先前器械命令取向来计算调整后的器械命令取向。重新对准算法不改变所命令的运动的轴线，而是调整沿该轴线的运动量。

可基于所使用的端部执行器的类型(例如，针抓紧器200、缝合器215、剪刀220、电烙刀片230、血管密封器240等)来修改对准算法。在将器械50联接到IDU 52时，控制器21a被配置成通过访问器械50的存储器来确定器械50和/或端部执行器的类型，该存储器可存储关于器械50的各种操作参数。所存储的参数可由控制器21a执行的软件模块用来控制器械50(例如，运动学特性)以及对对准算法的修改。修改可由系统10本地地存储在器械50的存储器中，或远程地(例如，由服务器)存储，并且可在识别器械50和/或端部执行器时能够由控制器21a检索。

期望器械或端部执行器取向可基于端部执行器的类型和特定功能，忽略来自手柄控制器38a的特定输入。例如，对于缝合器215，当缝合器215处于所谓的“待命”状态(即，准备好射出钉)时，可重新对准到缝合器215的位置，而不是基于手眼和手动控制器38a/38b的取向的标准取向。

相反，重新对准可不仅基于手动控制器38a/38b的取向，而且考虑正在执行的外科任务。系统10的其他部件可由重新对准算法使用，诸如由相机51捕获的端部执行器的实时视频的图像处理。因此，除了IDU 52和器械50的传感器之外，可使用图像处理来确定未对准。

除此之外，控制器21a还可基于正在执行的特定外科任务来调整重新对准算法。可使用机器学习技术处理任务或先前在手术期间执行的步骤来确定任务。因此，可基于任务来调整重新对准速度。在实施方案中，当在周围回缩或移动器官时，可以更快的速率执行重新对准，而对于如在关键结构附近解剖的精细任务，重新对准可以较慢。此外，重新对准可基于在取向工作空间的边缘附近的端部执行器的位置。该对准可被配置成缓慢地偏移对准角度，使得所需的手柄取向更舒适。

在实施方案中，收敛速率(即，校正未对准的速率)也可特定于所使用的端部执行器的类型，以考虑钳口的尺寸(诸如长度)的差异。对于较长的钳口构件(诸如缝合器215的钳口构件，其可为约50mm)，收敛速率可降低。然而，对于较短的钳口器械(如针驱动器200)，收敛速率可增加。

也可基于未对准的区域选择性地执行重新对准算法，使得仅当在某个设定区域中发生未对准时校正未对准，并且当在设定区域之外发生未对准时不调整未对准。如本文所用，“区域”是指钳口构件中的一者或两者的位置和/或其间的角度。未对准区域还可基于正在使用的器械50的类型。对于精确操作的器械(诸如缝合器215和血管密封器240)，未对准区域可以是小的，并且覆盖针对未对准而调整的端部执行器的更多移动。对于较不精确操作的器械(诸如抓紧器、回缩工具等)，未对准区域可较大，以覆盖端部执行器的较小移动。

除了是否基于区域执行未对准之外，用于未对准的校正程度也可基于区域。具体地，多个未对准区域可具有与其相关联的不同惩罚因子。类似于图12A的步骤608，可在整个未对准调整期间修改惩罚因子。因此，当未对准较大时，该因子增加，并且然后当未对准接近较小程度的未对准(例如，从步骤612转换到步骤610)时，该因子减小。

这些区域和惩罚因子可以是依赖于器械的。具体地，当使用缝合器215时，可能期望对于较大的未对准快速地重新对准，并且然后一旦未对准减少就慢下来。该对准速率的变化与手动器械的使用相匹配，即，外科医生可使用器械来进行手柄的快速移动，以获得基本的重新对准就位，然后一旦完成较宽的对准就提供更精确的控制。

对于在腕部中具有较少自由度的一些器械，诸如仅包括单个铰接轴线的缝合器215，重新对准算法可仅应用于可用的自由度，例如，用于缝合器215的滚动和俯仰和仅用于电烙刀片230的俯仰和偏航。

类似于取向重新对准，钳口打开角度重新对准可基于器械类型以特定速率改变。因此，当打开时可比关闭时更快地进行重新对准，或者可仅在仅一个方向上实现重新对准(即，打开或关闭)。

应当理解，可对本发明所公开的实施方案作出各种修改。在实施方案中，传感器可设置在机器人臂的任何合适部分上。因此，以上说明不应理解为限制性的，而是仅作为各种实施方案的例示。本领域的技术人员能够设想在本文所附权利要求书的范围和实质内的其他修改。

Claims (26)

1.一种外科机器人系统，所述外科机器人系统包括：

外科控制台，所述外科控制台包括手柄控制器；

机器人臂，所述机器人臂包括器械，所述器械具有：

多根线缆，所述多根线缆能够纵向移动；和

端部执行器，所述端部执行器能够通过所述线缆移动，

所述端部执行器具有一对相对的钳口；和

处理器，所述处理器被配置成：

确定钳口未对准的量；以及

基于所述钳口未对准的量调整所述一对相对的钳口。

2.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成计算所述手柄控制器的手柄位置的变化。

3.根据权利要求2所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成基于当前手柄位置与先前手柄位置之间的差来计算用户增量输入。

4.根据权利要求3所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成输出器械钳口命令以控制所述一对相对的钳口的位置。

5.根据权利要求4所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成通过将所述用户增量输入添加到先前器械钳口命令来计算未调整的器械钳口命令。

6.根据权利要求5所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成将未对准值计算为当前手柄桨位置与所述未调整的器械钳口命令之间的差。

7.根据权利要求6所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成计算调整值，所述调整值是调整比例因子与所述用户增量输入的乘积。

8.根据权利要求7所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成响应于所述用户增量输入和具有相同符号的所述未对准值而使用正比例因子来计算所述调整值。

9.根据权利要求7所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成响应于所述用户增量输入和具有不同符号的所述未对准值而使用负比例因子来计算所述调整值。

10.根据权利要求6所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成将所述调整值添加到所述未调整的器械钳口命令以调整所述一对相对的钳口，从而校正所述钳口未对准的量。

11.根据权利要求10所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成确认绝对调整值小于绝对未对准值以防止过度校正。

12.一种外科机器人系统，所述外科机器人系统包括：

外科控制台，所述外科控制台包括手柄控制器；

机器人臂，所述机器人臂包括器械，所述器械具有：

多根线缆，所述多根线缆能够纵向移动；和

端部执行器，所述端部执行器能够通过所述线缆移动，

所述端部执行器具有一对相对的钳口；和

处理器，所述处理器被配置成：

确定取向未对准的量；以及

基于所述取向未对准的量来调整所述器械。

13.根据权利要求12所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成基于当前器械期望取向与先前器械期望取向之间的差来计算运动轴线，所述当前器械期望取向基于所述手柄控制器的取向。

14.根据权利要求13所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成基于所述手柄控制器的当前取向与所述手柄控制器的先前取向之间的差来计算用户增量取向输入。

15.根据权利要求14所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成通过将所述用户增量取向输入添加到先前器械命令取向来计算未调整的器械命令取向。

16.根据权利要求15所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成计算未对准轴线，所述未对准轴线是所述当前器械期望取向与所述未调整的器械命令取向之间的差。

17.根据权利要求16所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成基于所述运动轴线与所述未对准轴线之间的角度来计算调整值。

18.根据权利要求17所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成响应于所述角度的余弦为正而使用第一负惩罚因子来计算所述调整值。

19.根据权利要求18所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成响应于所述角度的余弦为负而使用第二负惩罚因子来计算所述调整值，所述第二负惩罚因子大于所述第一负惩罚因子。

20.一种外科机器人系统，所述外科机器人系统包括：

外科控制台，所述外科控制台包括手柄控制器；

机器人臂，所述机器人臂包括器械，所述器械具有：

多根线缆，所述多根线缆能够纵向移动；和

端部执行器，所述端部执行器能够通过所述线缆移动，

所述端部执行器具有一对相对的钳口；和

处理器，所述处理器被配置成：

确定取向未对准的量和钳口未对准的量；

基于所述取向未对准的量来调整所述器械；以及

基于所述钳口未对准的量调整所述一对相对的钳口。

21.根据权利要求20所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成确定所述器械的类型并且基于所述器械的所述类型修改所述取向未对准的调整。

22.根据权利要求21所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成基于所述器械的所述类型来调整收敛速率。

23.根据权利要求21所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成确定所述器械的类型并且基于所述器械的所述类型修改所述钳口未对准的调整。

24.根据权利要求20所述的外科机器人系统，所述外科机器人系统还包括相机，所述相机被配置成捕获所述端部执行器的图像。

25.根据权利要求24所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成基于所述端部执行器的所述图像来确定所述取向未对准的量和所述钳口未对准的量。

26.根据权利要求20所述的外科机器人系统，其中所述处理器被进一步配置成基于所述一对相对的钳口的尺寸来修改所述取向未对准的调整。