CN117580536A - 用于手动控制输入装置的可变阻尼的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于手动控制输入装置的可变阻尼的系统和方法，从而提供医疗工具(例如用于遥操作)的阻尼控制。该系统包括机器人用户接口和控制单元，该控制单元用于基于一个或多个变量将不同的可变阻尼系数应用于该机器人用户接口。该机器人用户接口包括一个或多个连接件和一个或多个关节，这些连接件和关节配合以促进医疗工具的远程操纵。该控制单元被配置成能够从该一个或多个关节接收运动信息，基于所接收的运动信息从多个不同的阻尼修正器中确定阻尼修正器，将所确定的阻尼修正器应用于该一个或多个关节中的至少一个关节，从而在该医疗工具的操纵期间修正该至少一个关节的力或扭矩。

Description

用于手动控制输入装置的可变阻尼的系统和方法

技术领域

本申请涉及控制器，并且具体地讲，涉及用于机器人使能的遥操作的系统(包括医疗系统)的阻尼控制器。

背景技术

在某些医疗规程中，机器人使能的医疗系统可用于控制器械及其端部执行器的插入和/或操纵。机器人使能的医疗系统可包括机器人臂或其他器械定位装置。机器人使能的医疗系统还可包括用于在规程期间控制器械的定位的控制器。

发明内容

本文公开的主题技术的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，这些创新方面中没有一个独自负责本文公开的期望属性。

根据各个方面，公开了一种用于手动控制输入装置的可变阻尼的系统，从而提供医疗工具的阻尼控制。该系统包括：机器人用户接口，该机器人用户接口包括一个或多个连接件和一个或多个关节，该一个或多个连接件和一个或多个关节配合以促进医疗工具的远程操纵；以及控制单元，该控制单元被配置成能够：从该一个或多个关节接收运动信息；基于所接收的运动信息从多个不同的阻尼修正器中确定阻尼修正器；以及将所确定的阻尼修正器应用于该一个或多个关节中的至少一个关节，从而在该医疗工具的该远程操纵期间修正该至少一个关节的力或扭矩。在一些具体实施中，该控制单元还被配置成能够：基于该运动信息确定该机器人用户接口的速度矢量，其中，该阻尼修正器是基于该速度矢量确定的阻尼系数。在一些具体实施中，基于阻尼函数选择该阻尼系数，该阻尼函数包括(i)响应于该速度矢量满足第一阈值的第一阻尼区域以及(ii)响应于该速度矢量满足第二阈值的第二阻尼区域。

根据各个方面，还公开了一种用于医疗工具的阻尼控制的方法。该方法包括：基于机器人用户接口的操纵以机器人方式促进医疗工具的移动，该机器人用户接口包括一个或多个连接件和一个或多个关节，该一个或多个连接件和一个或多个关节配合以促进该医疗工具的远程操纵；从该一个或多个关节接收运动信息；基于所接收的运动信息从多个不同的阻尼修正器中确定阻尼修正器；以及将所确定的阻尼修正器应用于该一个或多个关节中的至少一个关节，从而在该医疗工具的该远程操纵期间修正该至少一个关节的力或扭矩。在一些具体实施中，该方法还包括基于该运动信息确定该机器人用户接口的速率或速度，其中，该阻尼修正器是基于该速率或速度确定的阻尼系数。

根据各个方面，公开了一种用于医疗工具的阻尼控制的手动控制输入装置。该装置包括：一个或多个连接件和关节，该一个或多个连接件和关节使得能够操纵医疗器械；以及一个或多个传感器，该一个或多个传感器定位在该一个或多个连接件和关节上，从而将对应于速率或速度和/或位置的信息传输到控制单元，其中，该控制单元被配置成能够：基于所传输的信息应用可变阻尼函数，以修正该连接件和关节中的一个或多个连接件和关节的力或扭矩。在一些具体实施中，该可变阻尼函数包括(i)响应于该速率或速度满足第一阈值的第一阻尼区域以及(ii)响应于该速率或速度满足第二阈值的第二阻尼区域。在一些具体实施中，在该第一阻尼区域中，该可变阻尼函数包括恒定阻尼系数，并且其中，在该第二阻尼区域中，该可变阻尼函数包括非恒定阻尼系数。在一些具体实施中，该可变阻尼函数包括响应于该速率或速度的连续非恒定关系。

应当理解，根据以下详细描述，本主题技术的其他配置对于本领域技术人员将变得显而易见，其中通过说明示出和描述了主题技术的各种配置。正如将意识到的，在全部不脱离主题技术的范围的情况下，主题技术能够具有其他和不同的配置，并且主题技术的若干细节能够在各种其他方面进行修改。因此，附图和具体实施方式应被视为实质上是说明性的而非限制性的。

附图说明

下文将结合附图描述所公开的方面，该附图被提供以说明而非限制所公开的方面，其中类似的标号表示类似的元件。

图1示出了被布置用于诊断和/或治疗支气管镜检查规程的基于推车的机器人系统的一个示例性具体实施。

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的机器人系统的另一个示例性具体实施。

图4示出了被布置用于血管规程的图1的机器人系统的另一个示例性具体实施。

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示例性具体实施。

图6提供了图5的机器人系统的第二视图。

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示出了被构造成用于输尿管镜检查规程的基于台的机器人系统的一个示例性具体实施。

图9示出了被构造成用于腹腔镜规程的基于台的机器人系统的一个示例性具体实施。

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一个示例性具体实施。

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示例性图示。

图12示出了示例性器械驱动器。

图13示出了带有成对器械驱动器的示例性医疗器械。

图14示出了器械驱动器和器械的第二设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。

图15示出了根据一个示例性具体实施的框图，其示出了估计图1至图10的机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如图13和图14的器械的位置)的示例性定位系统。

图16A是示出机器人使能的医疗系统的一个示例性具体实施的框图，该机器人使能的医疗系统包括用于机器人使能的医疗器械的控制器。

图16B是示出图16A的控制器的一个示例性具体实施的框图，该控制器可被配置成用于混合阻抗和导纳控制。

图16C是包括两个万向支架和一个定位平台的控制器的一个示例性具体实施的等轴视图。

图17是用于控制器的万向支架的一个示例性具体实施的等轴视图。

图18描绘了可通过HID的阻抗控制来添加恒定的虚拟阻尼。

图19是根据本文公开的主题技术的各个方面的控制器的第二具体实施的透视图。

图20A描绘了根据本文公开的主题技术的各个方面的第一示例性阻尼函数，该阻尼函数包括用于选择不同阻尼系数的四个区域。

图20B描绘了第二示例性阻尼函数，该阻尼函数包括过渡状态。

图20C描绘了第三示例性阻尼函数，该阻尼函数包括多个过渡状态。

图21描绘了根据本文公开的主题技术的各个方面的用于手动控制输入装置的可变阻尼的示例性过程，该过程提供了医疗工具的阻尼控制。

图22描绘了根据本文公开的主题技术的各个方面的用于机器人关节的第一示例性虚拟触觉壁，该触觉壁包括触觉壁阻尼区域。

图23描绘了根据本文公开的主题技术的各个方面的用于机器人关节的第二示例性虚拟触觉壁，该触觉壁包括触觉壁阻尼区域和触觉前壁阻尼区域。

图24示出了根据本文公开的主题技术的各个方面的用于阻尼关节移动的示例性阻尼函数，该阻尼函数包括触觉前壁阻尼区域内的阻尼和触觉壁阻尼区域内的阻尼。

图25描绘了根据本文公开的主题技术的各个方面的用于医疗工具的阻尼操纵的示例性过程。

具体实施方式

1.概述。

本公开的各个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，系统可提供附加的益处，诸如增强的阻尼控制以帮助医师。另外，系统可为医师提供以改进的易用性执行规程的能力，使得系统的器械中的一个或多个器械可由单个用户控制。

出于说明的目的，下文将结合附图描述各个具体实施。应当理解，所公开的概念的许多其他具体实施是可能的，并且利用所公开的具体实施可实现各种优点。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按多种方式构造，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的系统10的一个具体实施。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一个示例性具体实施。

继续参考图1，一旦推车11被正确定位，机器人臂12就可以机器人方式、手动地或以它们的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。促进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。本文描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的角度和位置表示在向医师提供到内窥镜13的通路同时使由内窥镜13弯曲到患者的口中引起的摩擦最小化之间的折衷。

在插入之后，内窥镜13可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品。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，诊断和治疗处理可能需要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也可包括塔30，该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。根据各个具体实施，塔30可用作或包括用于操作机器人系统的各种部件的控制单元，包括本文描述的机器人臂和触觉接口装置。将此类功能放置在塔30中可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。在一些具体实施中，塔30可以是可移动的。

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。在一些具体实施中，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员的用户接口和显示屏，诸如触摸屏。系统10中的控制台通常被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。在其他具体实施中，控制台30被容纳在与塔30分开的主体中。

塔30可通过一个或多个缆线或连接件(未示出)耦接到推车11和内窥镜13。在一些具体实施中，可通过单个缆线向推车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。在其他具体实施中，特定功能可在单独的电缆和连接件中耦接。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一个具体实施的详细图示。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。

在一些具体实施中，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方位，以产生更大的接近，同时避免臂碰撞。

推车基部15在地板上平衡柱14、托架17和臂12的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，诸如电子器件、马达、电源以及使得推车能够移动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车在规程之前容易地围绕房间运动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当位置之后，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接口和显示屏(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的一个具体实施。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通过尿道直接插入到患者的下腹部中。

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一个具体实施。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。另外地或可替代地，推车可被定位在患者的上腹部周围，以便到达另选的血管进入点，诸如例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具体实施还可结合患者的台。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的系统的一个具体实施。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的另一个视图。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。在具有多个托架的具体实施中，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。在其他具体实施(未示出)中，系统36可包括具有可调式臂支撑件的患者台或床，该可调式臂支撑件呈在患者台或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。如在先前公开的具体实施中，塔可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接口诸如键盘和/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)。在一些具体实施中，塔还可包括用于待用于注气的气罐的夹持器。

在一些具体实施中，台基部可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一个具体实施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示出了被构造成用于输尿管镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的一个具体实施。在输尿管镜检查中，台38可以包括用于将患者定位成与柱37和台基部46成偏角的旋转部分55。旋转部分55可围绕枢转点(例如，位于患者的头部下方)旋转或枢转，以便将旋转部分55的底部部分定位成远离柱37。例如，旋转部分55的枢转允许C形臂(未示出)定位在患者的下腹部上方，而不与台38下方的柱(未示出)竞争空间。通过围绕柱37旋转托架35(未示出)，机器人臂39可沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入到患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可固定到台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。在一些具体实施中，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。在一些具体实施中，器械可包括镜，诸如腹腔镜。图9示出了被构造成用于腹腔镜规程的机器人使能的基于台的系统的一个具体实施。如图9所示，系统36的托架43可以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，使得可以使用臂安装件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一个具体实施。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。在一些具体实施中，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。

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(可替代地称为“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12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率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12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测量的所得马达速率与期望速率进行比较，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13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。在一些具体实施中，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。在一些具体实施中，在外科规程期间，腱可使关节围绕轴线旋转，从而使端部执行器沿一个方向或另一个方向移动。另外地或可替代地，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也可以容纳光纤，以将来自位于近侧的光源(例如，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13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14示出了器械驱动器和器械的另一个设计，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传达至旋转组件83，该电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来维持。在其他具体实施中，旋转组件83可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。

与先前公开的具体实施类似，器械86可包括细长轴部分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能够接收器械驱动器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)。与先前公开的具体实施不同，器械轴88从器械基部87的中心延伸，该器械基部的轴线基本上平行于驱动输入部89的轴线，而不是如图13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。

E.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，本公开设想的机器人系统可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15是示出了根据一个示例性具体实施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，计算机装置可位于图1所示的塔30、图1至图4所示的推车、图5至图10所示的床等中。

如图15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序列14/523,760号中有所讨论，其内容全文并入本文中。网络拓扑模型也可从CT图像中导出，并且特别适合于支气管镜检查。

在一些具体实施中，器械可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内腔，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跟踪器可提供医疗器械通过患者的解剖结构的进展的实时指示。

机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用以提供用于机器人系统的方位数据96。可以在术前校准期间确定从关节运动命令得到的装置俯仰和偏航。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。另外地或可替代地，这些计算可结合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15所示，定位模块95可使用多项其他输入数据。例如，尽管图15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中的每个输入数据确定的位置分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠(如可能存在EM干扰的情况)的情况下，由EM数据93确定的位置的置信度可能降低，并且定位模块95可能更重地依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。

如上所讨论的，本文讨论的机器人系统可以被设计成结合以上技术中的一种或多种的组合。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使系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统的控制信号并且显示导航和定位数据，诸如器械在全局坐标系内的位置、解剖图等。

2.用于机器人使能的遥操作的系统的控制器

机器人使能的遥操作的系统(诸如上述系统)可包括被构造成能够允许操作者(例如，执行机器人使能的医疗规程的医师)操纵和控制一个或多个器械的输入装置或控制器。在一些具体实施中，机器人使能的遥操作的系统包括用于操作一个或多个医疗工具的控制器。本领域的技术人员将会知道，本文所述的控制器也可应用于非医学环境中。例如，控制器可用于操纵涉及危险物质的工具。此外，在一些具体实施中，本文所述的控制器可用于抓取物理环境和/或虚拟环境中的对象。在一些具体实施中，控制器可自足作为与人类操作者交互的服务机器人。在一些具体实施中，控制器可与器械(诸如例如医疗器械)耦接(例如，通信地、电子地、电地、无线地和/或机械地)，使得控制器的操纵引起器械的相对应操纵。在一些具体实施中，控制器和器械被布置成主从对。在一些具体实施中，控制器可被称为操纵器、仿真器、主设备、接口等。在一些具体实施中，控制器可包括并联或串联组装的多个连接件。

控制器可用作操作者控制医疗器械(诸如内窥镜式、腔内式、腹腔镜式或开放式外科器械)的动作的输入装置。操作者对控制器的移动可引导医疗器械的移动。例如，当操作者在三维空间(例如，向上、向下、向左、向右、向后、向前)中平移控制器时，系统可引起医疗器械的对应平移。类似地，如果操作者旋转控制器(例如，围绕三条正交轴线中的任一条正交轴线)，则系统可引起医疗器械的对应旋转运动。控制器还可包括允许操作者致动医疗器械的输入端。例如，如果医疗器械包括抓握器，则控制器可包括允许操作者打开和闭合抓握器的输入端。

控制器还可向操作者提供触觉反馈。例如，在一些具体实施中，施加在医疗器械上的力或扭矩可通过控制器传输回操作者。在一些具体实施中，通过控制器向操作者提供触觉反馈为用户提供改进的操作、控制或驱动体验。在一些具体实施中，为了使操作者更容易与控制器交互并操作系统，可提供清晰的触觉提示。

在一些具体实施中，控制器还用于例如在切换医疗器械时使操作者的手与医疗器械的取向对准。例如，如果医疗器械在医疗规程期间定位在患者体内，则重要的是医疗器械不会意外地或无意地移动。因此，当操作者希望控制已经定位在体内的医疗器械时，控制器可以首先移动以匹配医疗器械的取向，同时器械保持在适当位置。在控制器正确取向以匹配医疗器械的取向的情况下，操作者然后可使用控制器来操纵医疗器械。

在一些具体实施中，机器人使能的医疗系统包括具有跟随操作者的手移动的七个自由度的控制器，其中该七个自由度包括三个位置自由度(例如，在x、y、z空间中的平移移动)、三个旋转自由度(例如，围绕俯仰轴线、滚动轴线和偏航轴线的旋转移动)和一个(或多个)器械致动自由度(例如，角度自由度)。在一些具体实施中，器械致动自由度可控制医疗器械的端部执行器(诸如持握器或抓握器)的打开和闭合以保持对象。在一些具体实施中，可省略器械致动自由度。在一些具体实施中，控制器可包括更多或更少数量的自由度。例如，在一些具体实施中，控制器可包括多于三个位置自由度或多于三个旋转自由度以提供一个或多个冗余自由度。在一些具体实施中，冗余自由度可为控制器提供附加的机械灵活性，例如，以避免由控制器的机械结构引起的奇点。

图16A示出了机器人使能的医疗系统100的一个具体实施的框图，包括控制器102的一个具体实施的示意图和机器人使能的医疗器械310的一个具体实施的示意图。如上简述，控制器102可与机器人使能的医疗器械310耦接，使得控制器102的操纵引起机器人使能的医疗器械310的基本上相对应的移动，并且施加在机器人使能的医疗器械310上的力可传输回控制器并触觉地传送给操作者。在一些具体实施中，控制器102和机器人使能的医疗器械310被布置成主从构型。

在系统100的示出的具体实施中，控制器102包括柄部104、万向支架106和定位平台108。柄部104可被构造成由操作者握持。如图所示，在一些具体实施中，柄部104耦接到万向支架106和定位平台108。如上所述，柄部104可包括一个或多个自由度以致动器械。万向支架106可被构造成提供一个或多个旋转自由度以允许操作者旋转柄部104。在一些具体实施中，万向支架106被构造成能够提供至少三个旋转自由度。例如，万向支架106可被构造成允许操作者围绕俯仰轴线、滚动轴线和偏航轴线旋转柄部104。定位平台108可被构造成提供一个或多个平移(在本文中也称为位置)自由度以允许操作者平移柄部104。在一些具体实施中，定位平台108被构造成能够提供至少三个位置自由度。例如，定位平台108可被构造成能够允许操作者在三维空间(例如，x、y和z方向)中平移柄部104。示例性定位平台108可见于图16C和图19中，在下文中更详细地描述。万向支架106和定位平台108一起可使得用户能够操纵柄部104。

在示出的具体实施中，机器人使能的医疗器械310包括器械或工具312(其可包括端部执行器)、器械驱动器314和机器人臂316(或其他器械定位装置)。医疗工具312可以是例如上图9所示的腹腔镜式器械59，以及如贯穿本申请所述并且对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的其他类型的内窥镜式或腹腔镜式医疗器械。医疗工具312可包括一个或多个端部执行器。端部执行器可以定位在医疗工具312的远侧端部上。端部执行器可被构造成用于插入到患者体内。在一些具体实施中，端部执行器可以是抓握器、持握器、切割器、篮装设备或剪刀等等。在一些具体实施中，医疗工具312可包括镜或相机。

医疗工具312可附接到器械驱动器314。器械驱动器314可被构造成如上所述致动医疗工具312。例如，器械驱动器314可被构造成牵拉医疗工具312的一根或多根牵拉线以致动医疗工具312。在一些具体实施中，器械驱动器314可以是如上所述的器械驱动机构。器械驱动器314可附接到机器人臂316，例如，如图13所示。机器人臂316可被构造成能够进行关节运动或移动以进一步操纵和定位医疗工具312。示例性医疗器械/工具、器械驱动器和机器人臂如上所述在图1至图15的系统中示出。

控制器102可耦接到机器人使能的医疗器械310，使得柄部104的操纵引起医疗工具312的基本上相对应的移动，并且施加在医疗工具312上的力可通过柄部104触觉地传输给操作者。柄部104的操纵可通过测量万向支架106和定位平台108的力和移动来测量或确定。医疗工具312的移动可以由器械驱动器314和/或机器人臂316的关节运动和移动引起。因此，通过操纵柄部104，操作者可以控制医疗工具312。

在许多情况下，期望控制器102易于由操作者操纵，使得操作者对医疗工具312进行精细且精确的控制，并且可以使用控制器102而不会变得过度疲劳。用于测量控制器的操纵容易性的一个度量是系统的感知惯性和/或感知质量。在一些具体实施中，系统的感知惯性是用户在操纵柄部104时感觉好像其是点质量的系统的质量。一般来讲，具有较低感知惯性的控制器102可更易于操作。在其他具体实施中，感知惯性包括用户在操纵柄部104时感觉到的惯性矩。

如下所述，本专利申请中所述的控制器包括提供优于现有系统的优点的若干新颖且不明显的特征。在一些具体实施中，本文所述的控制器被有利地配置成能够采用阻尼算法和/或函数来精确控制控制器、机器人臂和医疗工具。根据各个具体实施，本文公开的控制器以导纳控制和/或阻抗控制来操作。如下所述，包括导纳控制和阻抗控制两者的混合控制器可提供改善的操作体验。根据各个具体实施，当与其他控制器相比时，所公开的控制器可有利地提供较低或减小的感知惯性。在一些具体实施中，所公开的控制器可提供改善的触觉反馈和响应。此外，如下所述，在一些具体实施中，本文所述的控制器可防止或降低可引起不稳定且不可预测的移动的机械短路(下文所述)的可能性。在本专利申请中描述的控制器的这些和其他特征和优点在以下部分中进一步讨论。

A.混合控制器

图16B是被配置成能够使用阻抗控制和导纳控制两者操作的控制器102的一个具体实施的框图。这种控制器102可被称为混合控制器。

阻抗控制和导纳控制是用于控制机器人系统的两种控制方案。在阻抗控制下，系统测量位移(例如，位置和速度的变化)并输出力。例如，对于阻抗控制，系统可测量操作者移动控制器的距离或速率，并且基于该测量结果，在器械上产生力(例如，通过致动马达)。在阻抗控制下，操作者对控制器的移动可反向驱动器械的多个部分。在许多情况下，使用阻抗控制可导致大的感知惯性。这可能是因为，例如，阻抗控制依赖于操作者移动控制器。在阻抗控制下，操作者可能必须克服控制器的感知质量或惯性以使其移动，从而使控制器感觉沉重。对于阻抗控制，操作者必须物理地克服系统中的大部分或全部惯性以移动控制器。其他控制器仅依赖于阻抗控制，这可使系统在与本文所述的控制器进行比较时具有更高的感知惯性或质量。由于较高的感知惯性，操作者在使用此类其他控制器时可能过度疲劳。

在导纳控制下，系统测量由操作者施加在控制器上的力和/或扭矩，并输出控制器的对应速度和/或位置。在一些方面，导纳控制与阻抗控制相反。在一些具体实施中，使用导纳控制可有利地使系统的感知惯性或质量减小。导纳控制可用于改变被感知为具有高质量或惯性的控制器的动态。在一些情况下，通过使用导纳控制，操作者不需要克服系统中的全部惯性来移动控制器。例如，在导纳控制下，当用户在控制器上施加力时，系统可测量该力并通过驱动与控制器相关联的一个或多个马达来帮助用户移动控制器，从而获得控制器的期望速度和/或位置。换句话讲，对于导纳控制，力传感器或测力传感器测量操作者正在向控制器施加的力，并且以感觉轻的方式移动控制器以及耦接的机器人使能的医疗器械310。导纳控制可感觉比阻抗控制更轻，因为在导纳控制下，可隐藏控制器的感知惯性，因为控制器中的马达可以帮助加速质量。相比之下，通过阻抗控制，用户负责全部或基本上全部的质量加速。

如图16B中示出的具体实施所示，控制器102包括柄部104、万向支架106和定位平台108。如上所述，万向支架106可被构造成提供一个或多个旋转自由度(例如，三个或四个)，并且定位平台108可被构造成提供一个或多个旋转自由度(例如，三个或四个)。万向支架106和定位平台108可允许用户在三维空间中移动柄部104并且围绕俯仰轴线、滚动轴线和偏航轴线旋转柄部104。柄部104的操纵引起对应的医疗器械的运动。此外，柄部104、万向支架106和定位平台108可被构造成向操作者提供表示施加在医疗器械上的力的触觉反馈。

如图16B中的虚线框所示，在控制器102中，万向支架106被构造用于阻抗控制，并且定位平台108被构造用于导纳控制。因此，对于一些具体实施，定位平台108的平移自由度或位置自由度依赖于导纳控制，而万向支架106的旋转自由度依赖于阻抗控制。如下文进一步所述，这种类型的混合控制器102可具有若干优点。在其他具体实施(未示出)中，万向支架106被构造成用于导纳控制，并且定位平台108被构造成用于阻抗控制。在一些具体实施中，万向支架106和定位平台均可被构造成用于导纳控制，或者均可被构造成用于阻抗控制。

为了利用导纳控制，控制器102包括至少一个力传感器或测力传感器112。测力传感器112被配置为测量由操作者施加在控制器102上的力(一般来讲，施加在柄部104上的力)。另外地或可替代地，如将关于图18至图25所进一步描述，控制器102的每个关节可报告运动信息，包括当前速率、速度、力和扭矩，包括施加在关节上的力和/或扭矩。

继续参考图16B，测力传感器112的输出信号(力的量度)用来提供控制控制器102诸如定位平台108的移动的控制信号。机器人使能的医疗器械310将跟随柄部104的运动(例如，通过激活器械驱动器314或机器人臂316中的一个或多个马达)。在一些具体实施中，测力传感器112可以是在三个方向上测量力的三个自由度的测力传感器。

在示出的具体实施中，测力传感器112定位在万向支架106内。测力传感器112的其他位置也是可能的。在一些具体实施中，测力传感器112定位在定位平台108中。在一些具体实施中，包括多于一个测力传感器112(例如，两个、三个、四个或更多个测力传感器)，该测力传感器可定位在柄部104、万向支架106和/或定位平台108中。

在一些具体实施中，测力传感器112有利地定位在控制器102中的远侧(更靠近柄部104)。这是因为，在一些具体实施中，导纳控制可用于隐藏位于测力传感器112近侧的控制器102的多个部分(例如，位于测力传感器112的与柄部104相对侧上的控制器102的多个部分)的感知质量。

图16C是控制器102的一个具体实施的透视图。在示出的具体实施中，控制器102被配置成能够允许操纵一个或多个医疗器械。如图所示，控制器102可包括一对柄部104。在一些具体实施中，该对柄部104操作单个器械，而在其他具体实施中，该对柄部104中的每个柄部各自操作其自身的相对应器械。每个柄部104连接到万向支架106。每个万向支架连接到定位平台108。在一些具体实施中，柄部104被认为是在万向支架106的远侧，该万向支架被认为是在定位平台108的远侧。柄部104和万向支架106在图17中更详细地示出，并且将在下文描述。

如图16C所示，在示出的具体实施中，每个定位平台108包括具有多个连接件的SCARA(选择性顺应性组装机器人臂)臂118，这些连接件通过棱柱关节116耦接到柱114。棱柱关节116被构造成沿着柱114(例如，沿着导轨117)平移以允许柄部104在z方向上平移，从而提供第一自由度。SCARA臂118被构造成能够允许柄部104在x-y平面中运动，从而提供两个附加自由度。因此，图16C所示的定位平台108中的每个定位平台被构造成能够提供三个位置自由度或平移自由度，并且允许操作者将柄部104定位在三维(例如，x、y、z)空间中的任何位置(在定位平台的到达范围内)处。

在一些具体实施中，柱114(和轨道117)沿着与工作空间的竖直方向(例如，如图所示的z方向)对准的轴线延伸，所述竖直方向可与重力方向对准。该定位平台108的优点在于其可提供重力补偿。换句话讲，定位平台108的棱柱关节116可保持万向支架106相对于重力的恒定取向。

在一些具体实施中，定位平台108可具有其他构型。例如，在所有具体实施中，定位平台108不需要包括棱柱关节和/或SCARA臂。

在一些具体实施中，可在控制器102的一部分中(例如，诸如在万向支架106中)提供测力传感器112(图16C中未示出)。添加测力传感器112使得控制器能够除阻抗控制之外还具有导纳控制。在导纳控制下，可减小控制器102的感知惯性。这是因为万向支架106和/或定位平台的质量可经由测力传感器112隐藏。这可能是因为测力传感器112可测量施加在控制器上的力并且可用于提供驱动控制器102中的马达的输出以帮助控制器102的运动。隐藏的质量的量取决于测力传感器112的位置。在一些具体实施中，在测力传感器112近侧的质量可被部分地或基本上隐藏，而在测力传感器112远侧的质量将不被隐藏。

在一些具体实施中，通过将测力传感器112向远侧定位在控制器102上(例如，在图16C所示的万向支架106中)，万向支架106的质量可在操作控制器102时被部分地或基本上隐藏。同样，定位平台108的质量(其具有比万向支架106相对更高的质量)也可在操作控制器102时被部分地或基本上隐藏。隐藏质量有利地导致临床医生较低的感知惯性。在没有测力传感器112的情况下，为了在z方向上移动柄部104，操作者将必须向柄部104提供足够的力以向上提升柄部104、万向支架106和SCARA臂118。此外，可以设想到，与在z方向上的运动相比，将需要较小的力来在x-y平面中移动柄部。这种差异将可能导致操作者的不均匀操作体验，这将使得控制器102难以使用。因此，通过包括测力传感器112，如本文所述，控制器102可帮助用户在x、y和z方向上平移柄部104，并且提供更均匀且受控的操作体验。在一些具体实施中，测力传感器112使得定位平台108能够基本上或完全地在导纳控制下操作。与定位平台108相比，万向支架106的惯性矩可相对较低。这可能是因为万向支架106通常比定位平台108小得多。因此，万向支架106的至少一些部分可适用于阻抗控制。

如本文所述的这种混合阻抗/导纳控制器102的一个优点是，该系统的感知惯性可相对低于完全依赖于阻抗控制的系统。此外，混合控制器102的机械结构可更简单，因为导纳控制可用于补充和平整化系统的移动。相比之下，仅阻抗的系统的机械结构通常非常复杂，以试图使在不同方向上移动系统所需的力归一化并使感知的惯性最小化。

在一些具体实施中，通过使用如本文所述的混合控制器102，可能的是，万向支架106的质量和惯性实际上可相对于仅阻抗的控制器的万向支架增加，因为控制器102的总质量和惯性中的太多部分可被定位平台的导纳控制隐藏。在一些具体实施中，增加万向支架的尺寸可允许使用更大的马达，这可允许控制器与需要使用轻质万向支架和马达以避免增加总质量和惯性的其他系统相比提供更强的触觉反馈力。

如图16C所示，混合控制器102可被视为串联的多个连接件和关节，例如，被视为串联连接件操纵器。柄部104、万向支架106和定位平台108各自包括可操作地联接的一个或多个连接件，其中最近侧的连接件邻近定位平台108的柱114，并且最远侧的连接件是柄部104本身的一部分。在一些具体实施中，可将一个或多个测力传感器112(图16C中未示出)插入到控制器102中以提供对控制器102的至少一些部分的导纳控制。控制器102的其他部分可由临床医生或操作者通过阻抗控制(或在一些情况下，被动控制)来控制。在一些具体实施中，在测力传感器112近侧的连接件和关节可直接或间接地受到测力传感器112的影响。因此，对这些近侧连接件和关节的操纵可以得到导纳控制的帮助。在一些具体实施中，测力传感器112远侧的连接件和关节可不直接或间接地受测力传感器112的影响。因此，对这些远侧连接件和关节的操纵可以得到阻抗控制的帮助。例如，在图19A的具体实施(将在下面更详细地讨论)中，测力传感器112定位在万向支架106中，使得远侧关节128、130、132(图17所示)可不直接或间接地受到测力传感器112的影响。换句话说，在这些关节处对万向支架106的轴线的操纵不是直接或间接地基于测力传感器112的输出。这些远侧连接件和关节可以通过阻抗控制来移动。相比之下，位于测力传感器112近侧的连接件和关节(诸如定位平台108中的那些)可以直接或间接地受到测力传感器112的影响。换句话说，在这些关节处对轴线的操纵直接或间接地基于测力传感器112的输出。这些近侧连接件和关节可以通过导纳控制来移动。

B.用于触觉接口控制的万向支架

如上所述，在一些具体实施中，测力传感器112(或力传感器)定位在万向支架106中。在一些具体实施中，万向支架106为具有阻抗控制的控制器102提供旋转自由度，而定位平台108可为具有导纳控制的控制器102提供位置自由度(例如，基于定位在万向支架106中的测力传感器112的输出)。存在许多可以将测力传感器112定位在万向支架106内的方式。控制器102的感知惯性减小的程度可以部分地基于测力传感器112在万向支架106内的位置。在此部分中描述了两个示例性具体实施，这两个示例性具体实施示出了定位在万向支架106的两个不同部分中的测力传感器112。其他具体实施也是可能的。

图17是万向支架106的一个具体实施的等轴视图。如图所示，对于一些具体实施，万向支架106定位在定位平台108的远侧端部处(图17中仅示出了定位平台108的最后一个连接件)。如本专利申请中所用，在控制器102的上下文中，术语“远侧”是指朝向柄部104的方向(例如，柄部104是控制器102的最远侧部件)，并且术语“近侧”是指相反的方向(例如，朝向柱114，参见图16C)。因此，万向支架106的近侧端部可附接到定位平台108的远侧端部。因此，柄部104可定位在万向支架106的远侧端部处。

在一些具体实施中，柄部104被构造成能够由操作者握持。柄部104可被构造成模拟或模仿控制器102用于控制的医疗器械。在一些具体实施中，柄部包括抓握器柄部(例如，径向对称的抓握器柄部)、触针、桨式柄部等。在示出的具体实施中，柄部104包括被构造成能够提供上文讨论的器械致动自由度的两个致动臂120。在握持柄部104的同时，操作者可调节致动臂120之间的角度以控制与受控医疗器械相关联的对应角度。例如，在医疗器械是抓握器、剪刀等的情况下，致动臂120之间的角度可用于控制抓握器的两个钳口之间的角度。

在示出的具体实施中，万向支架106包括由关节连接的三个臂或连接件。从远侧到近侧布置并且如图17所示，万向支架106包括第一连接件122、第二连接件124和第三连接件126。从远侧到近侧布置并且如图17所示，万向支架106还包括第一关节128、第二关节130、第三关节132和第四关节134。这些关节允许各种连接件旋转，从而为万向支架106提供上文讨论的旋转自由度。

柄部104通过第一关节128连接到第一连接件122的远侧端部。第一关节128可被构造成允许柄部104相对于第一连接件122旋转。在示出的具体实施中，第一关节128允许柄部104围绕滚动轴线136旋转。在一些具体实施中，滚动轴线136与柄部104的纵向轴线对准。第一关节128可以为转动关节。

第一连接件122的近侧端部通过第二关节130连接到第二连接件124的远侧端部。第二关节130可被构造成允许柄部104和第一连接件122相对于第二连接件124旋转。在示出的具体实施中，第二关节130允许柄部104和第一连接件122围绕偏航轴线138旋转。在一些具体实施中，偏航轴线138延伸穿过第二关节130并且在柄部104的中心点处与滚动轴线136相交。第二关节130可以为转动关节。如图所示，对于一些具体实施，第一连接件122包括L形。在一些具体实施中，第一连接件122被构造成能够具有形成于其中的凹槽以用于接收第二连接件124并且允许第二连接件124相对于第一连接件122旋转。

第二连接件124的近侧端部通过第三关节132连接到第三连接件126的远侧端部。第三关节132可被构造成允许柄部104、第一连接件122和第二连接件124相对于第三连接件126旋转。在示出的具体实施中，第三关节132允许柄部104、第一连接件122和第二连接件124围绕俯仰轴线140旋转。在一些具体实施中，俯仰轴线140延伸穿过第三关节132并且在柄部104的中心点处与滚动轴线136和偏航轴线138相交。第三关节132可以为转动关节。如图所示，对于一些具体实施，第二连接件124包括L形。在一些具体实施中，L形第二连接件124被接收在L形第一连接件122的凹槽中(如图17所示)。在其他具体实施中，L形第一连接件122可被接收在L形第二连接件124的凹槽中。

在示出的具体实施中，第一关节128、第一连接件122、第二关节130、第二连接件124和第三关节132提供三个旋转自由度，从而允许在俯仰、滚动和偏航方面调节柄部104的旋转。在示出的具体实施中，万向支架106还包括提供冗余旋转自由度的第三连接件126和第四关节134。这不需要包括在所有具体实施中，而是可为万向支架106提供更大的机械柔性。

如图所示，第三连接件126的远侧端部通过第三关节132连接到第二连接件124的近侧端部。第三连接件126的近侧端部通过第四关节134连接到定位平台108的远侧端部。第四关节134可被构造成允许柄部104、第一连接件122、第二连接件124和第三连接件126相对于定位平台108旋转。在示出的具体实施中，第四关节134允许柄部104、第一连接件122、第二连接件124和第三连接件126围绕轴线142旋转。在一些具体实施中，轴线142平行于偏航轴线138。在一些具体实施中，偏航轴线138和轴线142同轴，但是如图所示，这不必是所有具体实施中的情况。轴线142(和偏航轴线138)可平行于重力方向以保持万向支架相对于重力方向的取向，如上所述。第四关节134可以为转动关节。如图所示，对于一些具体实施，第三连接件126包括L形。

C.用于触觉接口控制的可变阻尼

包括上述用于控制机器人系统、机器人臂和/或器械的控制器中的任何控制器的触觉接口装置(HID)以尽可能可反向驱动为目标进行机械设计。部件被设计或选择成具有最小的机械耗散效果，诸如摩擦和阻尼。以这种方式，HID被设计成对用户透明，这意味着当在自由空间中移动HID时，用户不会感觉到太大的阻力或阻抗，从而允许用户以HID施加的最小负担和干扰来完成外科任务。

另一方面，具有非常小的耗散可能会产生不期望的结果。例如，当柄部受到碰撞或脱离用户控制时，这可能会使停止距离非常大。类似地，用户可能会感觉HID接口正在失控或太容易移动，特别是在慢速率下。

如图18所描绘，可通过HID的阻抗控制来添加恒定的虚拟阻尼。阻尼力(例如，扭矩)可通过将当前线速度(例如，角速度)乘以恒定阻尼系数来计算。在一些情况下，确定待应用的恒定阻尼水平可能具有挑战性，甚至是矛盾的。例如，已经发现，虽然慢速率下的大阻尼系数可能是防止HID感觉它可能“失控”所期望的，但是这种系数可能使系统在非常小的速度下不稳定，从而给外科医生移动控制器造成困难。类似地，高速度下的高阻尼系数可能会削弱或抵消HID的可反向驱动能力。此外，对于不同的应用，期望的阻尼行为可能是不同的，甚至是冲突的。为了克服这些挑战，主题技术包括一种新颖的可变阻尼解决方案，该解决方案部分地根据用户如何操纵HID来为基于系统和/或用户的输入提供适当水平的阻尼阻力。本文所述的控制单元(包括例如一个或多个处理器)可基于一个或多个变量将不同的可变阻尼系数应用于机器人用户接口。

图19是HID或控制器102的第二具体实施的透视图。在示出的具体实施中，控制器102被配置成能够允许操纵一个或多个医疗器械，如前所述。如图所示，控制器102可包括一个或多个柄部104。根据各个具体实施，控制器包括两个柄部(如图16C所示)，其中一个柄部在图19中描绘。该对柄部104可被构造成能够(与机器人系统的其他部件一起)操作单个器械。在一些具体实施中，该对柄部104中的每一个柄部可作为相应器械操作。每个柄部104连接到万向支架106。每个万向支架连接到包括连接件118a和118b的定位平台108。在一些具体实施中，柄部104被认为是在万向支架106的远侧。

所描绘的定位平台108与图16C中所描绘的定位平台之间的差异在于，所描绘的定位平台108基于连接件118a的移动而不是通过棱柱关节116沿着柱114的竖直平移而在Z方向上平移，而在Y方向上的平移是基于平台通过关节120的移动而不是连接件118的横向移动(如图16C所示)。连接件118被构造成能够通过关节116a和116b分别围绕轴线G1和G2的旋转而竖直平移，以允许柄部104在z方向上平移，从而提供第一自由度。臂118被构造成能够经由关节120围绕轴线G0平移(并且万向支架106经由关节116c围绕轴线G3平移)，以允许柄部104在x-y平面内运动，从而提供两个附加自由度。因此，图19所示的定位平台108被构造成能够提供三个位置自由度或平移自由度，并且允许操作者将柄部104定位在三维(例如，x、y、z)空间中的任何位置(在定位平台的到达范围内)处。

根据各个具体实施，HID控制器102可在机器人阻抗控制下操作，由此用户的移动反向驱动机器人工具。另外地或可替代地，HID控制器102可在导纳控制或混合导纳阻抗控制下操作。在这种具体实施中，控制单元可测量用户正在向HID控制器102施加的力，并且输出HID控制器102的位置。换句话说，阻抗控制测量位移(位置和速度)并且输出力，而导纳则相反。通常情况下，导纳控制感觉比阻抗控制更轻，因为在导纳控制下，可隐藏感知惯性，因为触觉主设备中(例如，定位平台中)的马达可有助于加速质量。

当外科医生正在使用HID经由遥操作来操纵器械时，HID系统被设计成尽可能可反向驱动。如前所述，所描绘的部件被设计或选择成具有最小的机械耗散效果，诸如摩擦和阻尼。通过提供这种反向驱动能力，操作控制器102的用户能够感觉到好像被操纵的医疗工具在用户的直接控制下，具有尽可能小的阻力或阻抗。

在某些情况下，诸如当柄部受到碰撞或脱离用户的控制时，或者当柄部太容易失控时，可通过将控制器测量的线速度和/或角速度乘以阻尼修正器来提供阻尼力。本文参考阻尼系数的使用提供了示例；然而，所公开的阻尼修正器可包括用于修正所公开的HID或其部件的阻尼的任何函数或变量。

根据各个具体实施，所公开的机器人系统的控制单元结合了具有非恒定或可变阻尼系数的阻尼算法(例如，使用阻抗控制)。代替恒定，该算法可根据当前阻尼状态(下面讨论)和/或系统变量确定阻尼系数，这些系统变量是直接测量的或基于运行中的其他实时测量(例如，当前HID速度)计算的。该阻尼系数可乘以线速度和/或角速度，以确定施加到HID的虚拟阻尼力。

在一些具体实施中，应用到HID的阻尼系数可保持恒定，并且阻尼力(例如，扭矩)可通过将线速度(角速度)乘以恒定阻尼系数来计算，如图18所示。如将进一步描述，恒定或可变阻尼修正器通常可应用于HID，或应用于HID的一个或多个机器人关节(例如，关节116)以修正关节的力或扭矩。根据各个具体实施，阻尼修正器在医疗工具312的操纵期间应用，并且根据各个具体实施，提供关节或医疗工具的运动的阻力。

阻尼算法可采用具有多个阻尼状态的阻尼函数。作为一个示例，一种阻尼状态可向用户提供相对较低量的阻力(例如，类似于手在水中挪移)，而一种不同的阻尼状态可向用户提供相对较高量的阻力(例如，想象手在糖蜜中挪移)。另一种阻尼状态可取决于从HID(例如，从关节)接收的运动信息提供可变量的阻力。在一些具体实施中，阻力可与在运动信息中接收的变量成比例或成反比。

在所公开的系统中结合多种或可变阻尼状态有益于正在执行的医疗规程。例如，如果外科医生正在缓慢地驱动HID，一种状态可提供某种程度的阻尼，以允许外科医生感觉他或她正在控制非常精细的运动。当外科医生开始做较大的运动时，可选择另一种状态来减小阻尼力，因为太大的阻尼力可能会引起疲劳。换句话说，随着HID的速度增加，阻尼系数和相关阻尼可能会减小。

根据各个具体实施，由控制单元执行的阻尼算法可根据当前阻尼状态和/或基于实时测量直接测量或计算的变量来确定阻尼系数。例如，可采用阻尼函数来根据从HID接收的运动信息动态地确定阻尼系数。在这点上，所接收的运动信息可包括HID的速率或速度、HID的当前位置、或施加到HID或其部分(诸如与HID相关联的一个或多个关节)的力。每个机器人关节可例如向控制单元报告运动信息，包括关节的速率、关节的当前位置或关节的当前力或扭矩。在一些具体实施中，所报告的力或扭矩可包括或者是抵抗关节或医疗工具的运动的力或扭矩。

在一些具体实施中，可在与(例如，控制台16或31的)控制单元相关联的图形用户界面(GUI)处选择阻尼函数，然后基于运动信息确定阻尼系数。在一些具体实施中，控制单元可基于正在进行的医疗规程来选择阻尼函数。在一些具体实施中，控制单元可确定什么情景(例如，避免不稳定性、避免失控感、更大的反向驱动能力、避免超速等)与特定规程最相关。

另一个测量变量可包括由用户施加在HID(或一个或多个关节)上的力。在一个示例中，HID上的力可向系统通知关于用户施加到HID上的持握量，从而向系统通知HID的潜在失控或漂移的风险。如果不期望的漂移的风险很高，则可保证选择具有阻尼系数较高的阻尼状态的阻尼函数。

可变阻尼状态的一个应用(除了器械遥操作)是在相机控制期间，其中两个HID臂通过虚拟弹簧连接，以提供类似方向盘的触觉效果。用户能够摇移和滚动相机，类似于操控方向盘。由于非常低的输出阻抗以及类似方向盘运动的人体工程学，用户可能往往会在摇移相机时作出无意的滚动运动。虽然向滚动运动添加大虚拟阻尼可防止相机的无意滚动，但是这也使得有意滚动相机变得更加困难。为了解决这个问题，可在较低速度下将阻尼系数设置为高值，以防止无意的滚动，并且为更精细的滚动运动提供更好的控制。在较高速度下，当从用户对HID的移动中检测到正滚动运动时，可减小阻尼系数，从而为用户提供更好的相机控制体验。

另一个示例可包括支持辅助HID控制，其中可能期望HID稳定且快速地耗散动能以抑制无意的运动，同时仍然允许用户的遥操作能力。所选择的阻尼函数可包括在低速率下使阻尼系数快速上升，而在高速率下保持高阻尼系数及扭矩饱和或调整阻尼系数，从而允许用户仍然反向驱动HID用于连续遥操作。

在一些具体实施中，可采用HID物理上不能穿过的虚拟壁或假想壁。HID甚至可在到达虚拟壁之前减速，并且例如以硬停止结束。因此，HID的位置可以是触发不同阻尼状态的又另一个变量。例如，阻尼系数可基于HID相对于虚拟壁的当前位置。在这种具体实施中，阻尼函数可在距离满足第一阈值时确定用于修正机器人关节的阻力或扭矩的第一阻尼系数，并且在距离满足第二阈值时确定用于修正阻力或扭矩的第二阻尼系数。

图20A、图20B和图20C示出了根据本文公开的主题技术的各个方面的基于速率选择阻尼系数的三个示例性阻尼函数。所描绘的阻尼函数仅仅是系统可被编程以响应于变化的速率来修正HID的行为的代表性方式，并且不应该被视为是穷举的。例如，行为被修正时的速率可代表HID的速率。在一些具体实施中，所描绘的阻尼函数可基于除速率之外的或替代速率的其他因素(诸如HID的位置或施加到HID的力)来确定阻尼系数。在一些具体实施中，阻尼函数使用的速率、位置或力可包括HID内或与HID相关联的一个或多个相应关节的旋转速率、位置或力(或扭矩)。

图20A描绘了第一示例性阻尼函数，包括用于选择不同阻尼系数的四个区域。为了公开的目的，每个区域可对应于给定变量的不同范围，从而实现用于确定阻尼系数的不同状态。在这点上，当描述函数如何修正HID或其关节的阻尼(例如，通过确定阻尼系数)时，本公开可互换地使用术语“区域”和“状态”。

在所描述的示例中，第一状态(状态1)可在非常低的速率下采用。在这方面，具有一些阻尼可能是有益的，因为这可能有助于防止系统振动。在某一点处，达到更高的速率，并且可采用第二状态(状态2)来提供更大的阻尼以避免失控。例如，如果外科医生在该较高的速率下失去掌控，这可能是有益的，因为较高的阻尼将使漂移最小化。当速率进一步增加时，可采用第三状态(状态3)。在第三状态下，对阻尼的需求实际上可能会减少。这是因为在较高的速率下，外科医生往往会更用力地、更牢固地持握HID，从而使失控漂移的可能性最小化。因此，相较于第二状态(状态2)，阻尼系数在第三状态(状态3)下可能实际上更低。

在更高的速率下，阻尼系数可能需要再次增加。例如，在非常高的速率下，可能不太需要关心失控，而是更需要关心HID的超速。如果HID移动得太快，患者侧的机器人臂或器械可能无法跟随。因此，第四状态(状态4)可提供更高的阻尼系数。

如图20A中可见，某些状态可选择阻尼系数，该阻尼系数与HID或机器人关节的当前速率或速度成比例地修正HID或机器人关节的运动(例如，在状态1下)，而另一个状态可选择阻尼系数，该阻尼系数与HID或机器人关节的当前速率或速度成反比地修正HID或机器人关节的运动(例如，当在状态2和状态3之间过渡时)。该运动可通过所应用的阻尼系数来修正，从而使至少一个关节的力或扭矩发生变化。根据各个具体实施，当当前速率和/或速度在某些范围内时，阻尼修正器可被选择成使得运动(或者，例如一个或多个关节的速率、力或扭矩)保持固定，如图20A的状态2、状态3和状态4的平稳段所示。

图20B描绘了第二示例性阻尼函数，该阻尼函数包括过渡状态。在一些具体实施中，在低速率(状态A.1)下，可能期望用于高反向驱动能力的低阻尼系数。另一方面，较高速率下的高阻尼系数也可能是期望的，例如以便避免HID的超速(状态A.3)。可能不期望在低阻尼状态(状态A.1)和高阻尼状态(状态A.3)之间产生突然的跳跃，因为这可能不会给用户提供平稳的控制。因此，所描绘的阻尼函数提供了两个其他状态之间的过渡阻尼区域(状态A.2)。

可选择所应用的阻尼系数来修正一个或多个机器人关节的力或扭矩，以动态调整HID的速率。例如，当机器人用户接口的一部分的当前速率或速度在第一范围内(对应于例如状态A.1)时，力或扭矩可被修正固定量，当机器人用户接口的一部分的当前速率或速度在第二范围内(对应于例如状态A.2)时，力或扭矩可被修正可变量(例如，在所描绘的具体实施中增加)，并且当机器人用户接口的一部分的当前速率或速度在大于第一范围的第二范围内(对应于例如状态A.3的所描绘的平稳段)时，力或扭矩可被修正另一个固定量。

虽然所描绘的阻尼区域提供了连续的过渡，但是在一些具体实施中，该过渡可以不是连续的。例如，过渡可包括数个子区域，每个子区域具有其自己的阻尼系数，从而最终进展到高阻尼区域(参见例如图23)。

图20C描绘了第三示例性阻尼函数，该阻尼函数包括多个过渡状态。所描绘的阻尼函数类似于图20B的阻尼函数，但是包括具有递减阻尼系数的第四状态。例如，当HID速率高但外科医生对HID具有更大的控制，从而保证较低的阻尼系数时，可实施第四阻尼状态。在所描绘的示例中，当当前速率或速度在第四范围内时，所应用的阻尼修正器根据对数衰减来修正HID的运动(例如，通过修正一个或多个关节的力或扭矩)。

图21描绘了根据本文公开的主题技术的各个方面的用于手动控制输入装置的可变阻尼的示例性过程，该过程提供了医疗工具的阻尼控制。出于解释的目的，参考本文描述的部件和/或过程在本文中描述了示例性过程200的各个框。过程200的框中的一个或多个框可例如由一个或多个计算装置实施，该一个或多个计算装置包括例如由先前描述的机器人系统的控制单元执行的软件。在一些具体实施中，可基于一种或多种机器学习算法来实施框中的一个或多个框。在一些具体实施中，框中的一个或多个框可与其他框分开实施，并且由一个或多个不同的处理器或装置来实现。此外，出于解释的目的，示例性过程200的框被描述为连续或线性发生。然而，示例性过程200的多个框可并行发生。另外，示例性过程200的框不需要以所示的次序执行，和/或示例性过程200的框中的一个或多个框不需要被执行。

在所描绘的示例中，所公开的机器人系统的控制单元基于机器人用户接口的操纵以机器人方式促进医疗工具移动通过三维空间(202)。机器人接口(例如，HID)包括(如图19所描绘)一个或多个连接件和一个或多个关节，它们例如基于用户的输入配合以促进医疗工具的远程操纵。

从一个或多个关节接收运动信息(204)。根据各个具体实施，每个关节可向控制单元报告其速率和位置(例如，角速率和角位置)。在一些具体实施中，关节可报告由关节施加或施加到关节的角向力或扭矩。在一些具体实施中，运动信息可包括施加到机器人用户接口的力或机器人用户接口的速率的大小。在一些具体实施中，运动信息包括机器人用户接口的当前位置。

根据各个具体实施，控制单元可从每个关节接收运动信息，并且确定机器人接口整体的速度矢量或接口的相应关节或其他部分(例如，万向支架106或柄部104或相应一个或多个连接件116)的速率矢量。在一些具体实施中，运动信息可包括与每个关节相关联的矢量或力贡献，以及基于集体贡献确定的速度矢量。速度矢量可对应于机器人接口通过三维空间所采取的路径。

基于所接收的运动信息，基于所接收的运动信息从多个不同的阻尼修正器中确定阻尼修正器(206)。根据各个具体实施，确定阻尼修正器可包括例如根据先前关于图20A至图20C描述的那些确定阻尼函数，然后可基于所接收的运动信息的变量确定阻尼系数。在一些具体实施中，阻尼修正器包括基于如前所述的测量参数确定的阻尼系数。

在一些具体实施中，基于阻尼函数选择阻尼系数，该阻尼函数包括(i)响应于速度矢量满足第一阈值的第一阻尼区域以及(ii)响应于速度矢量满足第二阈值的第二阻尼区域。在一些具体实施中，阻尼系数可通过用机器人用户接口的至少一部分的速率或速度来索引多个阻尼系数(例如，存储在数据库中)以获得对应于该速率或速度的阻尼系数来确定。在导出速度矢量的一些具体实施中，可基于速度矢量的大小来确定阻尼系数。如图20A至图20C所示，响应于给定参数，阻尼系数可以是连续非恒定关系。

将所确定的阻尼修正器应用于一个或多个关节中的至少一个关节，从而在医疗工具的操纵期间修正该至少一个关节的力或扭矩(208)。例如，阻尼修正器可被应用来修正关节中的至少一个关节的角速率，并且可修正机器人用户接口的运动，包括在一些具体实施中修正机器人用户接口或其部分的运动的阻力。

在一些具体实施中，所应用的阻尼修正器使该至少一个关节的力或扭矩在机器人用户接口的一部分的当前速率或速度在第一范围内时与当前速率或速度成比例地改变，并且在当前速率或速度在第二范围内时与当前速率或速度成反比地改变。图20A的不同的阻尼系数提供了这种具体实施的示例。

另一方面，如图20A至图20C的描绘示例中可见，所应用的阻尼修正器可使一个或多个关节的力或扭矩在当前速率或速度在第三范围内时保持固定。在一些具体实施中，当机器人用户接口的一部分的当前速率或速度在第一范围内时，所应用的阻尼修正器可将关节的力或扭矩修正可变量，并且当当前速率或速度在大于第一范围的第二范围内时，所应用的阻尼修正器可将关节的力或扭矩修正固定量。在一些具体实施中，类似于图20C所见，当当前速率或速度在第四范围内时，所应用的阻尼修正器可根据对数衰减修正力或扭矩。

根据各个具体实施，接收运动信息(例如，从关节)以及确定和应用阻尼修正器的前述循环可连续地重复。例如，控制单元每秒可处理多个(如果不是数百个)循环。以这种方式，阻尼可随着机器人接口的移动而被调节，其中阻力的各种变化基本上不会被用户感知，从而改善了接口的运动并且增强了用户的体验。

C.用于医疗工具的机器人移动的可变阻尼

虽然先前部分解决了提供用于HID或控制器的可变阻尼状态，但是本部分解决了提供手动控制机器人臂或关节的移动时的可变阻尼状态。图22描绘了根据本文公开的主题技术的各个方面的用于机器人关节24的第一示例性虚拟触觉壁，该触觉壁包括触觉壁阻尼区域220。例如，机器人关节24可以是如先前关于图2所述的机器人臂12的一部分。

根据各个具体实施，虚拟触觉壁220是作用在预定关节极限222附近的虚拟触觉力或扭矩，并且可被应用来防止关节达到关节极限。根据各个具体实施，机器人臂可被构造成能够在阻抗控制下操作，在此期间可采用触觉壁220。阻抗模式(其是具有重力和摩擦补偿的控制模式)可允许用户通过直接拉动或推动机器人臂来移动机器人关节。然而，当关节以高速率撞击虚拟触觉壁时，用户可能会在触觉壁上施加过量的力并且使关节移动超过关节极限，从而引起故障。此时，用户可能无法进一步使用机器人臂，直到故障被清除。主题技术降低了触觉壁的进入速率，以避免这种力过量。

所描绘的示例示出了如何基于关节位置224来修正机器人臂12中的关节的速率，或如何基于关节位置来修正机器人臂对医疗工具的运动的阻力。确定关节24上的一个或多个运动极限。根据各个具体实施，每个机器人关节24可包括两个极限，每个旋转方向有一个极限。随着关节移动或旋转(例如，角旋转)，位置信息被提供给控制单元。控制单元可用相应的关节极限222预编程，并且可将从每个关节24接收的当前位置信息与其相应的极限进行比较。因此，控制单元可确定由机器人关节24报告的当前位置与运动极限之间的距离。基于该距离，可确定阻尼系数，并且可将其应用于机器人关节，以修正机器人关节24的力或扭矩。以这种方式，机器人臂24对医疗工具的运动的阻力受到影响。根据各个具体实施，直到关节移动(例如，旋转)经过预定的触觉壁进入位置226，才可确定阻尼系数。

图23描绘了根据本文公开的主题技术的各个方面的用于机器人关节24的第二示例性虚拟触觉壁，该触觉壁包括触觉壁阻尼区域230和触觉前壁阻尼区域232。根据各个具体实施，通过取决于关节位置和速率改变阻尼系数234来限制触觉壁220的最大进入速率。就关节位置而言，当关节24的旋转位置远离触觉壁进入位置226时，应用于关节的阻尼系数234可为低值。然而，随着关节移动靠近触觉壁进入位置226，阻尼系数234和所产生的阻尼力或扭矩可能变得更高，这减慢了关节速率。

就速率而言，在较低的速率下可应用较低的阻尼系数，而在较高的速率下可应用较高的阻尼系数。在这点上，关节可更容易以低速率和中等速率移动，同时仍然限制最大关节速率，包括触觉壁的进入速率。图24示出了根据本文公开的主题技术的各个方面的用于阻尼关节移动的示例性阻尼函数，该阻尼函数包括触觉前壁阻尼区域232内的阻尼和触觉壁阻尼区域220内的阻尼。在所描绘的示例中，在触觉前壁阻尼区域232中，关节运动基于过渡状态240被阻尼。对阻尼系数的调节可以是连续的和/或线性的，如先前关于图20A至图20C所述，或者可包括一个或多个不同的线性调节，如图24所示。如前所述，在触觉壁阻尼区域220中，关节运动可被阻尼固定量242。

图25描绘了根据本文公开的主题技术的各个方面的用于医疗工具的阻尼操纵的示例性过程。出于解释的目的，参考本文描述的部件和/或过程在本文中描述了示例性过程300的各个框。过程300的框中一个或多个框可例如由一个或多个计算装置实施，该一个或多个计算装置包括例如由先前描述的机器人系统的控制单元执行的软件。在一些具体实施中，可基于一种或多种机器学习算法来实施框中的一个或多个框。在一些具体实施中，框中的一个或多个框可与其他框分开实施，并且由一个或多个不同的处理器或装置来实现。此外，出于解释的目的，示例性过程300的框被描述为连续或线性发生。然而，示例性过程300的多个框可并行发生。另外，示例性过程300的框不需要以所示的次序执行，和/或示例性过程300的框中的一个或多个框不需要被执行。

在所描绘的示例中，提供被构造成用于与机器人臂12一起使用的机器人关节24(302)。如前所述，机器人臂12包括一个或多个连接件和一个或多个关节(包括机器人关节)，它们配合以移动医疗工具。

随着医疗工具在三维空间内移动，控制单元接收机器人关节的当前位置(304)。根据各个具体实施，控制单元还可接收和/或确定机器人关节24的当前速度。如前所述，每个关节24可向控制单元报告其速率和位置(例如，角速率和角位置)。另外地或可替代地，关节24可报告由关节施加或施加到关节的角向力或扭矩。

然后，控制单元确定机器人关节24的当前位置和机器人关节的第一运动极限之间的距离(306)。作为一个示例，当前位置可以是机器人关节24的旋转位置，并且距离可以是关节的旋转距离。在一些具体实施中，机器人关节24与两个相应运动极限相关联，每个极限与机器人关节的相应旋转方向相关联。

然后，控制单元基于该距离将阻尼函数应用于机器人关节24，以修正医疗工具的运动的阻力(308)。根据各个具体实施，阻尼函数引起(例如，通过应用阻尼系数)机器人关节的运动的阻力或扭矩的增加。在接收或确定关节速度的一些具体实施中，应用于机器人关节的阻尼函数也可基于当前速度。

类似于其他先前描述的具体实施，当距离满足第一阈值时，控制单元可确定用于修正机器人关节的运动的阻力或扭矩的第一阻尼系数；并且当距离满足第二阈值时，确定用于修正阻力或扭矩的第二阻尼系数。

机器人关节24的每个旋转方向可与多个阻尼区域相关联，相应旋转方向的每个阻尼区域确定用于修正机器人关节的力或扭矩的不同阻尼系数。例如，阻尼函数可包括第一阻尼区域，其响应于关节24的当前位置满足第一阈值将关节24的力或扭矩修正可变量；以及第二阻尼区域，其响应于关节24的当前位置满足第二阈值将力或扭矩修正固定量。

如关于图23和图24所述，所应用的阻尼函数可基于机器人臂相对于虚拟壁的当前位置，并且可基于关节在通向虚拟壁的一个或多个阻尼区域内的位置来选择阻尼系数，从而在每个阻尼区域中不同地修正力或扭矩。因此，阻尼函数可在到达虚拟壁的触觉前极限232时开始降低关节24的速度。当关节24在触觉前极限232和虚拟壁226之间移动时，阻尼函数可改变阻尼系数234。简要参考图23，阻尼系数234可随着关节从触觉前极限向虚拟壁226移动而增加。然后，阻尼系数234可随着关节24移动超过虚拟壁226而保持恒定。在一些具体实施中，阻尼函数可包括在触觉壁极限222处的硬停止。

在一些具体实施中，阻尼函数基于机器人臂的速度确定阻尼系数，并且阻尼函数可随着机器人臂的速度增加而改变阻尼系数。类似于先前描述的具体实施，速度矢量可例如从与每个关节相关联的力、位置和/或速度速率贡献来确定。速度矢量可对应于机器人接口通过三维空间所采取的路径。

上述示例性过程200和300中的许多过程以及相关特征和应用也可被实施为软件过程，这些软件过程被指定为记录在计算机可读存储介质(也称为计算机可读介质)上的一组指令并且可被自动执行(例如，无需用户干预)。当这些指令由一个或多个处理单元(例如，一个或多个处理器、处理器核或其他处理单元)执行时，它们使处理单元执行指令中指示的动作。计算机可读介质的示例包括但不限于CD-ROM、闪存驱动器、RAM芯片、硬盘驱动器、EPROM等。计算机可读介质不包括无线地或通过有线连接传送的载波和电子信号。

在适当的情况下，术语“软件”旨在包括驻留在只读存储器中的固件或存储在磁性存储中的应用程序，它们可被读入存储器中以供处理器处理。此外，在一些具体实施中，主题公开的多个软件方面可被实施为较大程序的子部分，同时保留主题公开的不同软件方面。在一些具体实施中，多个软件方面也可被实施为单独的程序。最后，一起实施本文描述的软件方面的单独程序的任何组合都在主题公开的范围内。在一些具体实施中，当软件程序被安装以在一个或多个电子系统上操作时，这些软件程序定义了一个或多个特定的机器具体实施，这些机器具体实施执行并完成软件程序的操作。

计算机程序(也称为程序、软件、软件应用程序、脚本或代码)可用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、声明或过程语言；并且它可以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程、对象或适合在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可存储在保持其他程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的部分中，在专用于所考虑的程序的单个文件中，或在多个协调文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)中。计算机程序可以被部署成在一个计算机上或在位于一个站点处或分布在多个站点上并且通过通信网络互连的多个计算机上执行。

3.实施系统和术语。

本文公开的具体实施提供了用于机器人使能的医疗系统的系统、方法和设备。本文所述的各个具体实施包括用于机器人使能的医疗系统的控制器。

应当指出的是，如本文所用，术语“联接”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。

本文描述的位置估计和机器人运动致动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的介质上。术语“计算机可读介质”是指可由计算机或处理器访问的任何可用介质。通过示例而非限制，此类介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器、致密盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可以用于存储呈指令或数据结构的形式的期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。应当指出的是，计算机可读介质可为有形的和非暂态的。如本文所用，术语“代码”可以指可由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。

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

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

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

如本文所用，术语“大约”或“约”是指长度、厚度、数量、时间段或其他可测量值的测量范围。此类测量范围涵盖相对于指定值的+/-10％或更小、优选地+/-5％或更小、更优选地+/-1％或更小、还更优选地+/-0.1％或更小的变化，只要此类变化是适当的，以便在所公开的装置、系统和技术中起作用。

提供对所公开的具体实施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。对这些具体实施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具体实施。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具体实施，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1.一种用于控制医疗工具的系统，所述系统包括：

机器人用户接口，所述机器人用户接口包括一个或多个连接件和一个或多个关节，所述一个或多个连接件和一个或多个关节配合以促进医疗工具的远程操纵；以及

控制单元，所述控制单元被配置成能够：

从所述一个或多个关节接收运动信息；

基于所接收的运动信息从多个不同的阻尼修正器中确定阻尼修正器；并且

将所确定的阻尼修正器应用于所述一个或多个关节中的至少一个关节，从而在所述医疗工具的所述远程操纵期间修正所述至少一个关节的力或扭矩。

条款2.根据条款1所述的系统，其中，所述控制单元还被配置成能够：

基于所述运动信息确定所述机器人用户接口的速度矢量，其中，所述阻尼修正器是基于所述速度矢量确定的阻尼系数。

条款3.根据条款2所述的系统，其中，基于阻尼函数选择所述阻尼系数，所述阻尼函数包括(i)响应于所述速度矢量满足第一阈值的第一阻尼区域以及(ii)响应于所述速度矢量满足第二阈值的第二阻尼区域。

条款4.根据条款2或3所述的系统，其中，所述阻尼修正器包括响应于所述速度矢量的连续非恒定关系。

条款5.根据条款2至4中任一项所述的系统，其中，接收所述运动信息包括接收多个关节中的每个关节的力矢量，其中，基于所接收的力矢量确定所述速度矢量。

条款6.根据条款1至5中任一项所述的系统，其中，所述运动信息包括施加到所述机器人用户接口的力或所述机器人用户接口的速率的大小。

条款7.根据条款1至6中任一项所述的系统，其中，所述运动信息包括所述机器人用户接口的当前位置。

条款8.根据条款1至7中任一项所述的系统，其中，确定所述阻尼修正器包括：

通过所述机器人用户接口的至少一部分的速率或速度索引多个阻尼修正器，所确定的阻尼修正器对应于所述速率或速度。

条款9.根据条款1至8中任一项所述的系统，其中，所应用的阻尼修正器使所述至少一个关节的所述力或扭矩在所述机器人用户接口的一部分的当前速率或速度在第一范围内时与所述当前速率或速度成比例地改变，并且在所述当前速率或速度在第二范围内时与所述当前速率或速度成反比地改变。

条款10.根据条款9所述的系统，其中，所应用的阻尼修正器使所述至少一个关节的所述力或扭矩在所述当前速率或速度在第三范围内时保持固定。

条款11.根据条款1至10中任一项所述的系统，其中，当所述机器人用户接口的一部分的当前速率或速度在第一范围内时，所应用的阻尼修正器将所述至少一个关节的所述力或扭矩修正可变量，并且当所述当前速率或速度在大于所述第一范围的第二范围内时，所应用的阻尼修正器将所述至少一个关节的所述力或扭矩修正固定量。

条款12.根据条款1至11中任一项所述的系统，其中，当所述当前速率或速度在第四范围内时，所应用的阻尼修正器根据对数衰减修正所述力或扭矩。

条款13.根据条款1至12中任一项所述的系统，其中，所确定的阻尼修正器修正所述至少一个关节的角速率。

条款14.根据条款1至13中任一项所述的系统，其中，所述控制单元被配置成能够在所述机器人用户接口的至少一部分移动期间连续地重复确定并应用所述阻尼修正器。

条款15.一种用于控制医疗工具的方法，所述方法包括：

基于机器人用户接口的操纵以机器人方式促进医疗工具的移动，所述机器人用户接口包括一个或多个连接件和一个或多个关节，所述一个或多个连接件和一个或多个关节配合以促进所述医疗工具的远程操纵；

从所述一个或多个关节接收运动信息；

基于所接收的运动信息从多个不同的阻尼修正器中确定阻尼修正器；以及

将所确定的阻尼修正器应用于所述一个或多个关节中的至少一个关节，从而在所述医疗工具的所述远程操纵期间修正所述至少一个关节的力或扭矩。

条款16.根据条款15所述的方法，所述方法还包括：

基于所述运动信息确定所述机器人用户接口的速率或速度，其中，所述阻尼修正器是基于所述速率或速度确定的阻尼系数。

条款17.一种用于医疗工具的阻尼控制的手动控制输入装置，所述手动控制输入装置包括：

一个或多个连接件和关节，所述一个或多个连接件和关节使得能够操纵医疗器械；以及

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器定位在所述一个或多个连接件和关节上，从而将对应于速率或速度和/或位置的信息传输到控制单元，

其中，所述控制单元被配置成能够：

基于所传输的信息应用可变阻尼函数，以修正所述连接件和关节中的一个或多个连接件和关节的力或扭矩。

条款18.根据条款17所述的输入装置，其中，所述可变阻尼函数包括(i)响应于所述速率或速度满足第一阈值的第一阻尼区域以及(ii)响应于所述速率或速度满足第二阈值的第二阻尼区域。

条款19.根据条款18所述的输入装置，其中，在所述第一阻尼区域中，所述可变阻尼函数包括恒定阻尼系数，并且其中，在所述第二阻尼区域中，所述可变阻尼函数包括非恒定阻尼系数。

条款20.根据条款17至19中任一项所述的输入装置，其中，所述可变阻尼函数包括响应于所述速率或速度的连续非恒定关系。

Claims (20)

1.一种用于控制医疗工具的系统，所述系统包括：

机器人用户接口，所述机器人用户接口包括一个或多个连接件和一个或多个关节，所述一个或多个连接件和一个或多个关节配合以促进医疗工具的远程操纵；以及

控制单元，所述控制单元被配置成能够：

从所述一个或多个关节接收运动信息；

基于所接收的运动信息从多个不同的阻尼修正器中确定阻尼修正器；并且

将所确定的阻尼修正器应用于所述一个或多个关节中的至少一个关节，从而在所述医疗工具的所述远程操纵期间修正所述至少一个关节的力或扭矩。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元还被配置成能够：

基于所述运动信息确定所述机器人用户接口的速度矢量，其中，所述阻尼修正器是基于所述速度矢量确定的阻尼系数。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，基于阻尼函数选择所述阻尼系数，所述阻尼函数包括(i)响应于所述速度矢量满足第一阈值的第一阻尼区域以及(ii)响应于所述速度矢量满足第二阈值的第二阻尼区域。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述阻尼修正器包括响应于所述速度矢量的连续非恒定关系。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，接收所述运动信息包括接收多个关节中的每个关节的力矢量，其中，基于所接收的力矢量确定所述速度矢量。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述运动信息包括施加到所述机器人用户接口的力或所述机器人用户接口的速率的大小。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述运动信息包括所述机器人用户接口的当前位置。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，确定所述阻尼修正器包括：

通过所述机器人用户接口的至少一部分的速率或速度索引多个阻尼修正器，所确定的阻尼修正器对应于所述速率或速度。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所应用的阻尼修正器使所述至少一个关节的所述力或扭矩在所述机器人用户接口的一部分的当前速率或速度在第一范围内时与所述当前速率或速度成比例地改变，并且在所述当前速率或速度在第二范围内时与所述当前速率或速度成反比地改变。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所应用的阻尼修正器使所述至少一个关节的所述力或扭矩在所述当前速率或速度在第三范围内时保持固定。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述机器人用户接口的一部分的当前速率或速度在第一范围内时，所应用的阻尼修正器将所述至少一个关节的所述力或扭矩修正可变量，并且当所述当前速率或速度在大于所述第一范围的第二范围内时，所应用的阻尼修正器将所述至少一个关节的所述力或扭矩修正固定量。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述当前速率或速度在第四范围内时，所应用的阻尼修正器根据对数衰减修正所述力或扭矩。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所确定的阻尼修正器修正所述至少一个关节的角速率。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制单元被配置成能够在所述机器人用户接口的至少一部分移动期间连续地重复确定并应用所述阻尼修正器。

15.一种用于控制医疗工具的方法，所述方法包括：

基于机器人用户接口的操纵以机器人方式促进医疗工具的移动，所述机器人用户接口包括一个或多个连接件和一个或多个关节，所述一个或多个连接件和一个或多个关节配合以促进所述医疗工具的远程操纵；

从所述一个或多个关节接收运动信息；

基于所接收的运动信息从多个不同的阻尼修正器中确定阻尼修正器；以及

将所确定的阻尼修正器应用于所述一个或多个关节中的至少一个关节，从而在所述医疗工具的所述远程操纵期间修正所述至少一个关节的力或扭矩。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

基于所述运动信息确定所述机器人用户接口的速率或速度，其中，所述阻尼修正器是基于所述速率或速度确定的阻尼系数。

17.一种用于医疗工具的阻尼控制的手动控制输入装置，所述手动控制输入装置包括：

一个或多个连接件和关节，所述一个或多个连接件和关节使得能够操纵医疗器械；以及

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器定位在所述一个或多个连接件和关节上，从而将对应于速率或速度和/或位置的信息传输到控制单元，

其中，所述控制单元被配置成能够：

基于所传输的信息应用可变阻尼函数，以修正所述连接件和关节中的一个或多个连接件和关节的力或扭矩。

18.根据权利要求17所述的输入装置，其中，所述可变阻尼函数包括(i)响应于所述速率或速度满足第一阈值的第一阻尼区域以及(ii)响应于所述速率或速度满足第二阈值的第二阻尼区域。

19.根据权利要求18所述的输入装置，其中，在所述第一阻尼区域中，所述可变阻尼函数包括恒定阻尼系数，并且其中，在所述第二阻尼区域中，所述可变阻尼函数包括非恒定阻尼系数。

20.根据权利要求17所述的输入装置，其中，所述可变阻尼函数包括响应于所述速率或速度的连续非恒定关系。