CN117412721A - 外科机器人系统中的进入端口长度检测 - Google Patents

Abstract

一种外科机器人系统，该外科机器人系统被配置成使用器械的端部执行器确定进入端口长度，该端部执行器被插入到外科进入端口的纵向管中并且在第一位置处被校准。随后将该端部执行器推进到该纵向管内位于该第一位置的远侧的第二位置。然后在该第二位置处执行对该端部执行器的第二校准。在该第二校准期间，通过控制器监测该端部执行器与该纵向管之间的接触，从而基于该接触确定该纵向管的长度。

Description

外科机器人系统中的进入端口长度检测

背景技术

技术领域

本公开整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。本公开涉及一种使用机器人臂的器械驱动单元来检测、校准和控制通过进入端口插入的器械的系统和方法。更具体地，该器械用于在器械的初始插入期间检测进入端口的长度。

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。

某些外科机器人系统不支持自动识别附接到每个臂上的孔口/套管针的类型，因此该系统不知道孔口属性，例如长度。本公开提供了一种识别套管针和/或进入端口的长度的系统和方法。

发明内容

本公开提出了基于软件的方法，用于自动检测所附接的孔口是长还是短。长孔口具有与标准长度孔口相同的部件。长孔口使用相同类型的孔口密封件，并通过相同的孔口闩锁附接到机器人臂。远程运动中心(RCM)与机器人臂的距离相同。长端口与短端口之间的关键区别在于，长端口在RCM(即，延伸到患者体内的部分)以下具有几厘米的附加端口长度。

根据本公开的一个实施方案，公开了一种用于控制外科机器人器械的方法。该方法包括将限定纵向轴线的器械的端部执行器插入到外科手术进入端口的纵向管中，并将该端部执行器推进到该纵向管内的第一位置。该方法还包括在该第一位置处执行对该端部执行器的第一校准。该方法还包括将该端部执行器推进到该纵向管内位于该第一位置的远侧的第二位置以及在该第二位置处执行对该端部执行器的第二校准。该方法还包括监测该端部执行器与该纵向管之间的接触以及基于该接触确定该纵向管的长度。

上述实施方案的具体实施可包括以下修改。根据上述实施方案的一个方面，该端部执行器可包括近侧接合部，该近侧接合部能够相对于该纵向轴线枢转，从而限定该端部执行器的偏航角。该端部执行器还可包括远侧接合部，该远侧接合部能够相对于该近侧接合部枢转，从而限定该端部执行器的俯仰角。该端部执行器还可包括一对相对的钳口，该一对相对的钳口能够相对于该远侧接合部枢转，从而限定钳口角。该第一校准可包括对该偏航角、该俯仰角和该钳口角的校准。该第二校准可包括对该偏航角、该俯仰角或该钳口角中的至少一者的校准。该第二校准可包括在推进该端部执行器时使该端部执行器相对于该纵向轴线振荡。振荡可包括以预定速率使该近侧接合部、该远侧接合部或该一对相对的钳口中的至少一者周期性地枢转。该第二校准还可包括使该近侧接合部、该远侧接合部或该一对相对的钳口中的至少一者枢转，使得该一对相对的钳口中的至少一个钳口接触该纵向管以及推进该端部执行器，同时通过这些钳口中的该至少一个钳口对该纵向管施加力。监测接触可包括测量致动该端部执行器的至少一个马达的扭矩。

根据本公开的另一个实施方案，公开了一种用于控制外科机器人器械的方法。该方法包括将限定纵向轴线的器械的端部执行器插入到外科手术进入端口的纵向管中。该端部执行器包括近侧接合部，该近侧接合部能够相对于该纵向轴线枢转，从而限定该端部执行器的偏航角；远侧接合部，该远侧接合部能够相对于该近侧接合部枢转，从而限定该端部执行器的俯仰角；和一对相对的钳口，该一对相对的钳口能够相对于该远侧接合部枢转，从而限定钳口角。该方法还包括将该端部执行器推进到该纵向管内的第一位置，并在该第一位置处执行对该端部执行器的第一校准。该方法还包括将该端部执行器推进到该纵向管内位于该第一位置的远侧的第二位置以及在该第二位置处执行对该端部执行器的第二校准。该方法还包括监测该端部执行器与该纵向管之间的接触以及基于该接触确定该纵向管的长度。

该第一校准可包括对该偏航角、该俯仰角和该钳口角的校准。该第二校准可包括对该偏航角、该俯仰角或该钳口角中的至少一者的校准。该第二校准可包括在推进该端部执行器时使该端部执行器相对于该纵向轴线振荡。振荡可包括以预定速率使该近侧接合部、该远侧接合部或该一对相对的钳口中的至少一者周期性地枢转。该第二校准还可包括：使该近侧接合部、该远侧接合部或该一对相对的钳口中的至少一者枢转，使得该一对相对的钳口中的至少一个钳口接触该纵向管以及推进该端部执行器，同时通过这些钳口中的该至少一个钳口对该纵向管施加力。监测接触可包括测量致动该端部执行器的至少一个马达的扭矩。基于测量到扭矩变化的位置确定该纵向管的该长度。

根据本公开的另外的实施方案，公开了一种用于对外科机器人器械进行控制的方法。该方法包括将限定纵向轴线的器械的端部执行器插入到外科手术进入端口的纵向管中，并将该端部执行器推进到该纵向管内的第一位置。该方法还包括在该第一位置处执行对该端部执行器的第一校准。该方法还包括将该端部执行器推进到该纵向管内位于该第一位置的远侧的第二位置以及在该第二位置处执行对该端部执行器的第二校准。该方法还包括测量致动该端部执行器的至少一个马达的扭矩，并且基于测量到扭矩变化的位置确定该纵向管的长度。

该端部执行器可包括近侧接合部，该近侧接合部能够相对于该纵向轴线枢转，从而限定该端部执行器的偏航角；远侧接合部，该远侧接合部能够相对于该近侧接合部枢转，从而限定该端部执行器的俯仰角；以及一对相对的钳口，该一对相对的钳口能够相对于该远侧接合部枢转，从而限定钳口角；将该端部执行器推进到该纵向管内的第一位置。

根据本公开的另一个实施方案，公开了一种用于控制外科机器人器械的方法。该方法包括将限定纵向轴线的器械的端部执行器插入到外科手术进入端口的纵向管中，并将该端部执行器推进到该纵向管外的第一位置。该方法还包括在该第一位置处执行对该端部执行器的第一校准。该方法还包括将该端部执行器回缩到该纵向管内位于该第一位置的近侧的第二位置以及在该第二位置处执行对该端部执行器的第二校准。该方法还包括监测该端部执行器与该纵向管之间的接触以及基于该接触确定该纵向管的长度。

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

图12是根据本公开的实施方案的端部执行器位置控制器的示意图；

图13是根据本公开的实施方案的用于控制图10的端部执行器的钳口夹紧的方法的流程图；

图14是根据本公开的实施方案的用于校准图5的器械驱动单元和外科器械的方法的流程图；

图15是根据本公开的实施方案的用于控制图10的端部执行器的位置的位置随时间的曲线轨迹；

图16是根据本公开的实施方案的用于控制图10的端部执行器的速度的速度随时间的曲线轨迹；并且

图17是根据本公开的实施方案的用于器械驱动单元的马达的最小扭矩控制的方法的流程图；

图18是根据本公开的不同长度的进入端口的侧视图；

图19是根据本公开的一个实施方案的用于控制外科机器人器械的方法的流程图；

图20是根据本公开的另一个实施方案的用于控制外科机器人器械的方法的流程图；并且

图21是根据本公开的另外的实施方案的用于控制外科机器人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，诸如脚踏开关36和由用户用来远程控制机器人臂40的一对手控制器38a和38b。外科控制台进一步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，以诸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响应于来自脚踏开关36和手控制器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接收关于手控制器38a和38b的当前位置和/或取向以及脚踏开关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的手控制器(例如，手控制器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。手控制器38a中的一个手控制器的位姿可体现为相对于固定到外科控制台30的坐标参考系的坐标位置和滚转-俯仰-偏航(“RPY”)取向。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。另外，控制器21a还执行离合函数，其使手控制器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200(图10)，该端部执行器固定到其远侧端部。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，以实现端部执行器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220(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220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的端部执行器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的端部执行器200。参考图10，端部执行器包括具有第一销113的近侧接合部112和远侧接合部114。远侧接合部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穿过近侧接合部112和远侧接合部114，这些滑轮一体地形成为近侧接合部112和远侧接合部114的臂。在实施方案中，端部执行器200(即，远侧接合部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。远侧接合部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。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。端部执行器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，端部执行器200具有三个自由度：钳口120与122之间的偏航角、俯仰角和钳口角。在实施方案中，端部执行器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。

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40。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端部执行器200的移动，在该开环控制方案中，端部执行器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端部执行器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测量的端部执行器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，近侧接合部112和远侧接合部114)保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。抖动使近侧接合部112和远侧接合部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是剪刀器械的实施方案中，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，这对于剪刀器械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10)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端部执行器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，其对应于实际端部执行器位置200。

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，检测端部执行器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端部执行器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端部执行器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。可基于端部执行器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12，位置控制器400接收端部执行器200的位置命令，并计算马达152a、152b、152c、152d的单独位置。具体地，位置控制器400将端部执行器200的期望接合部角度转换成马达电流，以实现期望位置。位置控制器400还包括最小扭矩控制器402，该扭矩控制器在控制偏航角、俯仰角和钳口角的同时保持线缆张力。因此，最小扭矩控制器402用于将器械50的期望接合部角度转换成供应给马达152a、152b、152c、152d的马达电流，同时确保由马达152a、152b、152c、152d在线缆380a、380b、380c、380d上施加最小扭矩以保持期望位置。最小扭矩控制器402还被配置成根据端部执行器200和/或钳口120和122的偏航/俯仰来补偿钳口120和122的夹紧力。位置控制器400和最小扭矩控制器402可体现为由IDU控制器41d执行的软件应用。

最小扭矩控制器402的主要功能是确保所有缆索380a、380b、380c、380d始终保持最小张力。这是通过与位置控制器400并行运行的最小扭矩控制器反馈回路来实现的。最小扭矩控制器402的控制器被极限在1Hz带宽，以允许线缆380a、380b、380c、380d上的最小扭矩的瞬时错误，从而降低整体系统刚度，改善控制器对高加速度位置命令的响应，并通过减慢直接扭矩控制动态来增加位置控制器400的稳定性裕度。

参考图17，最小扭矩控制器402被配置成确定马达152a、152b、152c、152d的扭矩输出之间的差异，并基于单独扭矩测量值之间的差异来调整所有四个马达152a、152b、152c、152d。具体地，最小扭矩控制器402通过确定哪个所测量的扭矩值最大来操作。最小扭矩控制器402接收来自马达152a、152b、152c、152d中的每一者的扭矩传感器155的所测量的扭矩，并比较扭矩值以确定四个值中的最大扭矩值。最大扭矩指示最低张力，而较高的张力对应于较高的负扭矩。最小扭矩控制器402将所确定的最大扭矩值与阈值扭矩值进行比较，该阈值扭矩值可基于器械50的机械特性凭经验获得。如果该所确定的最大扭矩值低于阈值扭矩值，则最小扭矩控制器402计算补偿值，该补偿值被应用于马达152a、152b、152c、152d中的每一者的误差，即最大扭矩值，使得端部执行器200的位置不受干扰。该补偿发生在位置控制器400的零空间中。

位置控制器400操作控制空间和零空间，该控制空间定义了赋予端部执行器200的移动的命令，该零空间定义了不赋予端部执行器200的空间移动的命令(例如，近侧接合部112和远端接合部114)。位置控制器400被配置成调整钳口夹紧力，该夹紧力被添加到位置控制器400的零空间中。

位置控制器400控制钳口120和122的移动以夹紧组织，并利用超冲程处理来实现钳口夹紧力、保持一致夹紧力的钳口夹紧反馈、确保电流和扭矩保持在预定限度内的电流限制器和扭矩限制器。这可通过利用超冲程模式来实现，该模式驱动两个钳口120和122经过零点，以便生成足够的钳口夹紧力。基于所测量的扭矩，一旦钳口120和122接触组织，就达到零点。超冲程模式在位置控制器400的零空间中实现，使得超冲程模式的添加不影响位置控制命令。这是通过增加由每组线缆380a、380b和380c、380d施加的等量但方向不同的张力来实现的，导致净零移动，同时增加其间的压力。当线缆中的一者或多者(例如，线缆380a、380b)中的张力超过其余线缆(例如，线缆380c、380d)中的张力时，端部执行器200的运动完成。因此，当线缆380a、380b、380c、380d的子集的两个张力之间存在净差时，端部执行器200被致动。当相同的力从两组线缆380a、380b和380c、380d上增加或移除时，净移动为零。同样的分析也适用于单独的线缆。

超冲程模式可以预定的速率施加压力，并使用两种不同的速率来夹紧和松开。夹紧速率小于松开速率，以便降低对马达152a、152b、152c、152d的电流需求。

松开速率高于夹紧速率，因为在此过程期间，线缆380a、380b、380c、380d被释放，并导致较小的电流消耗。超冲程模式也可能够基于器械类型进行配置，其中某些类型的器械需要特定的夹紧压力，例如由于钳口尺寸的原因。

如上所述，对于器械50，例如抓紧器、针驱动器和双极器械，超冲程机构用于在控制器的零空间中生成钳口夹紧力。当器械被命令在钳口位置处于零点时完全闭合时，两条低侧线缆，线缆380c和380d(图10)被命令附加扭矩以实现给定器械的额定夹紧力。

在器械50是剪刀器械的实施方案中，因为不存在夹紧，而是切割动作，所以超冲程命令被设计成提供所需的额外扭矩，以对预期组织或缝合线进行干净且快速的切割。在这种情况下，超冲程命令作为所命令的输入角度的函数运行，使得当剪刀被驱动至完全闭合时，超冲程扭矩呈指数上升。指数上升是由于当钳口120和122驱动完成闭合以完成切割动作时，随着刀片从边缘到边缘的常数前进到表面与表面的接触，摩擦增加。在该钳口致动期间，如果输入命令被停止或驱动以打开钳口120和122，则超冲程扭矩被快速释放以重新获得打开动作的响应性，并且还在切割动作完成或暂停时减小器械中的净扭矩。

超冲程扭矩与位置控制器400串联施加，以根据需要施加最大扭矩的情况(例如，大尺寸缝合线)的要求提供附加扭矩。除成功的钳口致动所需的扭矩之外，该所添加的扭矩确保了可在剪刀器械50的任何铰接配置中进行切割。

IDU控制器41d还包括零空间电流限制器406，该零空间电流限制器在位置控制器400的零空间内执行马达152a、152b、152c、152d中的每一者的马达电流极限。零空间电流极限对端部执行器200的接合部(例如，近侧接合部112和远侧接合部114)的钳口夹紧和接合部轨迹跟踪只有很小的影响或没有影响。在零空间电流极限期间，计算供应给马达152a、152b、152c、152d中的每一者的电流的绝对最大值，以获得电流值。然后，对该值求逆，以便计算待施加到位置控制器400的零空间中的缩放系数。如果缩放系数小于1，则电流值跨所有四个马达152a、152b、152c、152d施加。饱和状态和缩放值被用在位置反馈回路中，以防止位置控制器400的PID控制器的积分器缠绕。

IDU控制器41d还包括零空间扭矩限制器408，其在位置控制器400的零空间内执行马达152a、152b、152c、152d中的每一者的马达扭矩极限。零空间目标极限对端部执行器200的接合部(例如，近侧接合部112和远侧接合部114)的钳口夹紧和接合部轨迹跟踪只有很小的影响或没有影响。在扭矩限制器408被接合的时间与绝对扭矩极限之间存在死区，以在钳口120和122的夹紧移动期间给位置控制器400足够的时间来影响扭矩。计算扭矩的绝对最大值以获得扭矩值。然后，对该值求逆，以计算施加在控制器的零空间中的缩放系数。如果缩放系数小于1，则扭矩值跨所有四个马达152a、152b、152c、152d施加。饱和状态和缩放值被用在位置反馈回路(图11)中，以防止位置控制器400的PID控制器的积分器缠绕。

位置控制器400包括轨迹发生器410，该轨迹发生器基于位置轨迹440(图15)和梯形速度轨迹450(图16)输出完成操纵的位置和时间，该位置轨迹和梯形速度轨迹在校准期间用以下输入更新：初始位置、最终位置、期望加速度、目标速度、期望减速度和时间。如图15所示，速度轨迹450产生了三个区域，加速区域450a、恒速区域450b和减速区域450c。

IDU控制器41d通过调整线缆380a、380b、380c、380d中的每一者的张力和/或距离来用差分驱动控制腕戴式端部执行器200，以实现端部执行器200的期望位姿(例如，俯仰、偏航、钳口角)。提供最小扭矩以确保适当的张力，并持续施加到四根线缆380a、380b、380c、380d，因此线缆不会松弛。如果线缆没有保持适当的张力，将会失去对端部执行器200的控制。

当将器械40联接到IDU 52时，IDU控制器41d执行校准步骤，以确保在偏航、俯仰和钳口120与122之间的接合部角度的正确器械调零。IDU控制器41d还执行逆运动学，以在位置控制期间控制所附接的腕戴式器械40。对偏航角、俯仰角和钳口接合部角以及联接器310a、310b、310c、310d的初始接合进行校准，并预张紧线缆380a、380b、380c、380d。因此，对端部执行器200的每个自由度进行校准。

联接器接合将IDU 52的传递轴154a、154b、154c、154d与所附接的器械50的联接器310a、310b、310c、310d对准。基于马达152a、152b、152c、152d中的每一者的给定开始和结束位置，为每个校准步骤生成梯形速度轨迹450。使用轨迹发生器410，梯形速度轨迹450包括速度值、加速度值和减速度值。基于器械50的取向来调整用于偏航和俯仰校准的目标端部止动件。取向调整的贡献与端部执行器20相对于内窥镜孔口55的孔口闩锁的当前取向一致。一旦校准步骤完成，IDU控制器41d转换到接合部控制。校准步骤按执行顺序描述如下。

钳口校准闭合钳口120和122，以找到对应于钳口120和122的闭合位置的钳口接合部角度的零点。在钳口校准期间，钳口120和122从全开位置移动到全闭位置。在钳口角校准期间，使用钳口闭合轨迹，其将目标角速度设定为从约1弧度每秒(rad/s)到约5rad/s。在校准期间，钳口120和122的实际速度被监测，直到达到期望的(即，闭合的)位置。

通过对来自编码器157的实际位置测量值进行数值微分并应用低通滤波器来消除速度计算中生成的任何噪声，来计算实际速度。

存在死区，一旦已经达到期望的钳口位置，即可实现校准完成检查。死区用于确保在钳口120和122完全闭合之前的移动开始时不会错误地触发速度极限。一旦两个驱动线缆(例如，线缆380a和380b)的速度已经下降到阈值以下，该阈值是速度极限、旋转步数和时间段(例如，约0.00025秒)的乘积，则钳口校准被标记为完成。一旦校准完成，所生成的扭矩被释放，并且马达角度和接合部角度归零。如果在检测到终端速度之前已经过去了斜坡轨迹的结束时间(其也可包括附加偏移时间值(例如，5ms))，则校准步骤失败，并且IDU控制器52转换到异常(即，输出错误)。

偏航和俯仰校准过程是三步校准。首先，命令正接合部轨迹，直到检测到器械50的目标正扭矩极限，在该点处记录起始偏移值。接下来，命令负接合部角度，直到检测到负接合部目标扭矩极限。然后通过计算当前偏移值和起始偏移值的平均值来确定零偏移。第三也是最后的接合部校准步骤是移动到零偏移并将马达(例如，被校准的马达152a、152b、152c、152d中的一者)归零并将端部执行器200的接合部角度归零。这将为接合部角度建立零点。如果在三个校准步骤期间，斜坡轨迹的结束时间(其也可包括附加偏移时间值(例如，5ms))过去而没有实现目标扭矩，则校准步骤失败，并且IDU控制器52转换到异常(即，输出错误)。每个校准步骤都具有唯一的完整信号，该信号用于将状态机转换到下一个校准步骤。

位置控制器400还包括信号预处理器404，该信号预处理器提供输入锁存和缓存以及钳口角缩放。为IDU控制器41d在器械校准期间使用的马达角度和钳口偏移提供锁存。当处于接合部控制中时，还提供对先前期望的接合部角度的缓存，以便为接合部控制保持部提供先前的位置数据。输入钳口角作为0.0到1.0的标准化钳口值提供。然后，预处理器404将标准化值从0.0缩放到特定器械的最大钳口角值1.0，单位为弧度。

位置控制包括最小扭矩反馈控制、超冲程处理、电流限制器和扭矩限制器以及钳口反馈回路。最小扭矩控制提供位置控制回路以及保持线缆380a、380b、380c、380d上的张力。超冲程处理施加扭矩以一起驱动钳口120和122，从而达到所附接的器械所需的目标夹紧力。电流限制器和扭矩限制器确保电流和扭矩保持在为器械40设定的阈值内。每个器械40可具有存储在存储器(未示出)中的其自己的电流限制器和扭矩限制器，这些限制器通过电连接器220提供给IDU 52。当器械的钳口120和122闭合时，钳口夹紧反馈回路保持恒定的夹紧力。

线缆380a、380b、380c、380d上的预张力通过命令斜坡轨迹达到目标扭矩(可从约0.001Nm到约0.1Nm)而将扭矩施加到所附接的器械50的联接器310a、310b、310c、310d中的每一者。这样做是为了确保保持最小扭矩。实现最小扭矩所需的电流在该步骤完成时被锁存。这样做是为了保持线缆380a、380b、380c、380d上的张力。如果在检测到终端扭矩之前已经过去了斜坡轨迹的结束时间(其也可包括附加偏移时间值(例如，5ms))，则IDU控制器52转换到异常(即，输出错误)，指示器械50没有与IDU 52正确接合。

本公开提供了用于确定正在使用的内窥镜孔口55的长度的系统和方法。在手术期间，可使用不同长度的孔口，具体地，长孔口55b可用于肥胖症手术，其比标准孔口55a长，如图18所示。在器械交换和孔口55内器械50的位置控制期间，使用较长的孔口会影响系统100的功能。更具体地，在取出期间，在第一近侧接合部到达孔口底部之前，器械更换需要将腕戴式器械拉直并闭合。

参考图19，用于确定孔口55长度的方法包括通过沿着滑动机构46a推进器械50和IDU 52，将器械50插入到孔口55的纵向管56中。器械50，并且具体地为端部执行器200被推进到第一位置，并且如上文关于图14所述执行第一校准，包括偏航、俯仰和钳口角的校准。这些步骤可以任何合适的方式执行，包括将孔口55插在器械50上方等，并且是任选的。这些步骤可由机器人臂40或人来执行。

然后，器械50连同端部执行器200前进到第二位置，该第二位置在第一位置的远侧。在第二位置处执行第二校准。选择第二位置，使得端部执行器200，并且具体地为近侧接合部112位于标准孔口55a的远侧端部之外，如图18所示。在使用长孔口55b的实施方案中，端部执行器200设置在长孔口55b内。

如上所述，IDU 52的马达152a、152b、152c、152d中的每一者包括扭矩传感器155和编码器157，如上所述，其分别测量扭矩和接合部位置。在校准期间，校准轨迹被命令到近侧接合部112和远侧接合部114以及钳口120和122。轨迹包括将接合部112和114和/或钳口120和122置于孔口55a或孔口55b的壁的边界之外的移动极限。该轨迹可包括如上文关于图14所述的完全校准，其中近侧接合部112和远侧接合部114以及钳口120和122中的每一者都被校准。

扭矩传感器155连续地测量扭矩，并将所测量的扭矩与指示碰撞(即与长孔口55b的壁的碰撞)的预定阈值进行比较。因此，接合部112和114和/或钳口120和122远离纵向轴线“X-X”的任何移动/铰接都会导致与长孔口55b的孔口壁的碰撞。如果使用标准孔口55a，由于接合部112和114和/或钳口120和122在孔口55外部自由移动的能力，不会检测到碰撞。如果在某个接合部位置范围内超过扭矩阈值，则IDU控制器52确定器械50与孔口壁的内侧碰撞，并因此推断长孔口55b被附接。另一方面，如果器械50自由铰接而没有超过扭矩阈值，则IDU控制器52确定器械50在孔口的远侧端部之外(即，在孔口之下)，并且因此标准孔口55a被附接。换句话讲，如果近侧接合部112和远侧接合部114以及钳口120和122达到其接合部极限，则IDU控制器52确定端部执行器200在孔口之外，并且因此标准孔口55a被附接。

在实施方案中，第二校准可仅包括部分校准，其中近侧接合部112、远侧接合部114和/或钳口120和122中的仅一者移动到孔口壁的边界之外。因此，可命令器械50进行一个或多个腕戴式运动(即，俯仰或偏航)并应用相同的扭矩阈值检查来确定端部执行器200是否仍在孔口壁内。在另外的实施方案中，在第二校准期间，仅钳口120和122可打开。因此，在第二校准点处，钳口120和122打开和闭合，以确定端部执行器200是否仍在孔口壁内。

在另外的实施方案中，在第二校准期间，钳口120和122的远侧端部部分可延伸经过第一位置到达位于短孔口55a的长度远侧的第二位置。一旦在第二位置处，钳口120和122可完全打开或以其他方式铰接，直到检测到碰撞，如以上在图19的方法中所述。一旦确定了孔口的类型，IDU控制器52将长度传输至控制器21a，该控制器然后基于孔口的类型，即标准孔口55a或长孔口55b，修改和/或调整器械交换和其他位置控制算法。另外，控制器21a可在显示器中的任何显示器上显示孔口55的长度或类型，例如控制台30的第一显示器32和第二显示器34和/或控制塔20的显示器23。

设想第一校准和第二校准的位置可颠倒，其中第一校准在孔口55外部的第一位置处执行，并且器械50回缩到孔口55内部的第一位置附近的第二位置。如果在第二次校准期间检测到碰撞，则确定长孔口55b正在使用，并且如果没有检测到碰撞，则确定短孔口55a正在使用。

参考图20，用于确定孔口55长度的另一种方法包括通过沿着滑动机构46a推进器械50和IDU 52将器械50插入到孔口55中。器械50，并且具体地为端部执行器200被推进到第一位置，并且如上文关于图14所述执行第一校准，包括偏航、俯仰和钳口角的校准。

然后，器械50连同端部执行器200前进到第二位置，该第二位置在第一位置的远侧。随着器械50被推进，近侧接合部112和远侧接合部114以及钳口120和122中的一者或多者相对于纵向轴线“X-X”铰接或移动，以检测与孔口壁的碰撞。因此，当端部执行器200移动通过孔口55时，端部执行器200或其部件，即近侧接合部112和远侧接合部114以及钳口120和122中的一者，以预定的速率周期性地振荡，该速率可从约1mm至约5mm。可以与上文关于图19的方法描述的类似方式来检测碰撞。当执行振荡时，端部执行器200的推进可暂停或减慢，即端部执行器200相对于纵向轴线“X-X”移动，或端部执行器200可相对于纵向轴线“X-X”移动，同时端部执行器200不停顿地前进。一旦不再检测到碰撞，IDU控制器52将尚未发生碰撞的距离与标准孔口55a和长孔口55b的距离进行比较。基于该比较，IDU控制器52设置孔口55的长度。另外，控制器21a可在显示器中的任何显示器上显示孔口55的长度或类型，例如控制台30的第一显示器32和第二显示器34和/或控制塔20的显示器23。

参考图21，用于确定孔口55长度的另一方法包括通过沿着滑动机构46a推进器械50和IDU 52将器械50插入到孔口55中。器械50，并且具体地为端部执行器200被推进到第一位置，并且如上文关于图14所述执行第一校准，包括偏航、俯仰和钳口角的校准。

一旦执行了第一校准，钳口120和122完全打开，或端部执行器200俯仰或铰接，直到检测到碰撞。一旦检测到碰撞，其以与上文关于图19和图20的方法所述相同的方式执行，器械50被推进，同时钳口120和122处于打开配置，或端部执行器200处于铰接配置，以保持与孔口55的内部的物理接触。因此，当端部执行器200推进通过孔口55时，端部执行器200连续地向孔口55的内部施加力。以与碰撞相同的方式检测物理接触。器械50继续推进，直到端部执行器200从孔口55的远侧端部凸出，由于端部执行器200不再推压孔口55的内部，这通过缺少扭矩来检测。一旦扭矩下降，IDU控制器52将扭矩下降已经发生的距离与标准孔口55a和长孔口55b的距离进行比较。基于该比较，IDU控制器52设置孔口55的长度。另外，控制器21a可在显示器中的任何显示器上显示孔口55的长度或类型，例如控制台30的第一显示器32和第二显示器34和/或控制塔20的显示器23。

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它修改。

Claims (20)

1.一种用于控制外科机器人器械的方法，所述方法包括：

在外科进入端口的纵向管内的第一位置处执行对端部执行器的第一校准，所述端部执行器限定纵向轴线并且包括：

近侧接合部，所述近侧接合部能够相对于所述纵向轴线枢转，从而限定所述端部执行器的偏航角；

远侧接合部，所述远侧接合部能够相对于所述近侧接合部枢转，从而限定所述端部执行器的俯仰角；和

一对相对的钳口，所述一对相对的钳口能够相对于所述远侧接合部枢转，从而限定钳口角；

将所述端部执行器推进到所述纵向管内位于所述第一位置的远侧的第二位置；

在所述第二位置处执行对所述端部执行器的第二校准；

监测所述端部执行器与所述纵向管之间的接触；以及

基于所述接触确定所述纵向管的长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一校准包括对所述偏航角、所述俯仰角和所述钳口角的校准。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二校准包括对所述偏航角、所述俯仰角或所述钳口角中的至少一者的校准。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二校准包括在推进所述端部执行器时使所述端部执行器相对于所述纵向轴线振荡。

5.根据权利要求4所述的方法，其中振荡包括以预定速率使所述近侧接合部、所述远侧接合部或所述一对相对的钳口中的至少一者周期性地枢转。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二校准包括：

使所述近侧接合部、所述远侧接合部或所述一对相对的钳口中的至少一者枢转，使得所述一对相对的钳口中的至少一个钳口接触所述纵向管；以及

推进所述端部执行器，同时通过所述钳口中的所述至少一个钳口对所述纵向管施加力。

7.根据权利要求1所述的方法，其中监测接触包括测量致动所述端部执行器的至少一个马达的扭矩，并且基于测量到扭矩变化的位置确定所述纵向管的所述长度。

8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：

输出所述纵向管的所述长度，包括在至少一个显示器上显示所述长度。

9.一种用于控制外科机器人器械的方法，所述方法包括：

在外科进入端口的纵向管内的第一位置处执行对器械的端部执行器的第一校准；

将所述端部执行器推进到所述纵向管内位于所述第一位置的远侧的第二位置；

在所述第二位置处执行对所述端部执行器的第二校准；

监测所述端部执行器与所述纵向管之间的接触；以及

基于所述接触确定所述纵向管的长度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述端部执行器限定纵向轴线并且包括近侧接合部，所述近侧接合部能够相对于所述纵向轴线枢转，从而限定所述端部执行器的偏航角。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述端部执行器包括远侧接合部，所述远侧接合部能够相对于所述近侧接合部枢转，从而限定所述端部执行器的俯仰角。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述端部执行器包括一对相对的钳口，所述一对相对的钳口能够相对于所述远侧接合部枢转，从而限定钳口角。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一校准包括对所述偏航角、所述俯仰角和所述钳口角的校准。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二校准包括对所述偏航角、所述俯仰角或所述钳口角中的至少一者的校准。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二校准包括在推进所述端部执行器时使所述端部执行器相对于所述纵向轴线振荡，并且振荡包括以预定速率使所述近侧接合部、所述远侧接合部或所述一对相对的钳口中的至少一者周期性地枢转。

16.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括：

输出所述纵向管的所述长度，包括在至少一个显示器上显示所述长度。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二校准包括：

使所述近侧接合部、所述远侧接合部或所述一对相对的钳口中的至少一者枢转，使得所述一对相对的钳口中的至少一个钳口接触所述纵向管；以及

推进所述端部执行器，同时通过所述钳口中的所述至少一个钳口对所述纵向管施加力。

18.根据权利要求9所述的方法，其中监测接触包括测量致动所述端部执行器的至少一个马达的扭矩。

19.一种用于控制外科机器人器械的方法，所述方法包括：

在外科进入端口的纵向管内的第一位置处执行对器械的端部执行器的第一校准，所述器械限定纵向轴线；

将所述端部执行器推进到所述纵向管内位于所述第一位置的远侧的第二位置；

在所述第二位置处执行对所述端部执行器的第二校准；

测量致动所述端部执行器的至少一个马达的扭矩；以及

基于测量到扭矩变化的位置确定所述纵向管的长度。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述端部执行器包括：

近侧接合部，所述近侧接合部能够相对于所述纵向轴线枢转，从而限定所述端部执行器的偏航角；

远侧接合部，所述远侧接合部能够相对于所述近侧接合部枢转，从而限定所述端部执行器的俯仰角；和

一对相对的钳口，所述一对相对的钳口能够相对于所述远侧接合部枢转，从而限定钳口角。