CN117979917A - 设置外科机器人系统中的远程运动中心 - Google Patents

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CN117979917A CN202280063940.8A CN202280063940A CN117979917A CN 117979917 A CN117979917 A CN 117979917A CN 202280063940 A CN202280063940 A CN 202280063940A CN 117979917 A CN117979917 A CN 117979917A
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乌尔里克·哈根
布赖恩·A·罗克罗尔
兰根·K·米什拉
海门·V·卡帕迪亚
莱纳·科涅茨克
保罗·M·洛沙克
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Abstract

一种外科机器人系统被配置成控制符合切口点的约束而没有物理约束的外科机器人臂，诸如将接入端口联接到机器人臂的端口闩锁。该系统还被配置成连续地监测和确定切口点、接入端口相对于机器人臂和/或器械的相对位置。可以使用相机、电磁传感器及其他跟踪方法来实现这些部件的位置和定位。

Description

设置外科机器人系统中的远程运动中心
背景技术
外科机器人系统可以包括外科控制台和外科器械，外科控制台控制外科机器人臂，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。
在机器人辅助腹腔镜手术中，使用机器人臂来引导腹腔镜器械。这种机器人臂被安装到固定点，例如移动推车、手术台、天花板支撑系统等，并且在这种机器人臂的端部执行器处装备有腹腔镜器械。在手术期间，腹腔镜器械围绕患者体壁中的切口点(也称为支点)移动。通过固有地仅允许关于切口点的运动的机器人臂的运动学设计或者通过以符合切口点的约束的方式命令机器人臂运动来考虑该运动约束。
发明内容
本公开提供了一种用于控制外科机器人臂的系统和方法，该外科机器人臂符合切口点的约束而没有物理约束，诸如将接入端口联接到机器人臂的端口闩锁。该系统被配置成基于接入端口相对于机器人臂和/或器械的位置来连续地监测和确定切口点的相对位置。
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具有多个接合部的机器人臂。该系统还包括通过切口点设置在患者体壁中并且与机器人臂断开联接的接入端口。该系统还包括联接到机器人臂并且被配置成插入到接入端口中的器械。该系统还包括外科医生控制台，该外科医生控制台具有：手柄控制器，该手柄控制器被配置成接收用于移动该器械和机器人臂的用户输入；和控制器，该控制器被配置成在在移动该器械或机器人臂中的至少一者的同时维持与切口点对准的远程运动中心。
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，外科机器人系统还可以包括器械驱动单元，该器械驱动单元联接到机器人臂并且被配置成致动器械。该系统还可以包括被配置成捕捉机器人臂的视频的相机，其中控制器被配置成基于视频确定多个接合部中的至少一个接合部的位置。该多个接合部中的每个接合部可以包括可由相机检测的标记。该系统还可以包括被配置成捕获接入端口的视频的内窥镜相机，并且控制器可以被配置成基于视频确定接入端口的位置。接入端口可以包括可由内窥镜相机检测的标记。外科机器人系统还可以包括设置在接入端口、器械或机器人臂中的至少一者上的至少一个电磁跟踪器以及电磁发射检测器，该电磁发射检测器被配置成监测至少一个电磁跟踪器的电磁发射并且基于电磁发射确定至少一个电磁跟踪器的位置。控制器可以被进一步配置成基于至少一个电磁跟踪器的位置来维持远程运动中心。
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具有多个接合部的机器人臂。该系统还包括通过切口点设置在患者体壁中并且与机器人臂断开联接的接入端口。该系统还包括控制器，该控制器被配置成移动机器人臂以维持与切口点对准的远程运动中心。
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，外科机器人系统可以包括器械和器械驱动单元，器械驱动单元联接到机器人臂并且被配置成致动该器械。外科机器人系统还可以包括外科医生控制台，该外科医生控制台具有手柄控制器，该手柄控制器被配置成接收用于移动器械和机器人臂的用户输入。控制器可以被进一步配置成在移动器械和机器人臂的同时维持远程运动中心。控制器还可以被进一步配置成基于视频确定多个接合部中的至少一个接合部的位置。该多个接合部中的每个接合部可以包括可由相机检测的标记。内窥镜相机可以被配置成捕获接入端口的视频，并且控制器可以被进一步配置成基于视频确定接入端口的位置。接入端口可以包括可由内窥镜相机检测的标记。
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系统的方法。该方法可以包括在外科医生控制台处接收用户输入，该外科医生控制台具有被配置成接收用户输入的手柄控制器。该方法还包括响应于用户输入而移动器械或机器人臂中的至少一者，其中该器械通过设置在患者体壁中的接入端口插入穿过切口点并且与机器人臂断开联接，机器人臂可以包括多个接合部。该方法还包括在移动器械或机器人臂中的至少一者的同时维持与切口点对准的远程运动中心。
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，该方法还可以包括在视频相机处捕获机器人臂的视频并且基于该视频确定多个接合部中的至少一个接合部的位置。该方法还可以包括在联接到机器人臂的内窥镜相机处捕获接入端口的视频，并且基于该视频确定接入端口的位置。该方法还可以包括监测至少一个电磁跟踪器的电磁发射，该电磁跟踪器设置在接入端口、器械或机器人臂中的至少一者上；确定该至少一个电磁跟踪器、电磁发射检测器的位置；以及基于该至少一个电磁跟踪器的位置确定接入端口、器械或机器人臂中的至少一者的位置。
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外科机器人系统的示意图，该外科机器人系统包括控制塔、控制台和一个或多个外科机器人臂，每个外科机器人臂设置在可移动推车上；
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是根据本公开的一个实施方案的外科机器人臂和接入端口的示意图；
图6是根据本公开的一个实施方案的图5的外科机器人臂的示意图，其中外科器械附接到该外科机器人臂；
图7是根据本公开的一个实施方案的图6的外科机器人臂的示意图，其中外科器械插入到接入端口中；
图8是根据本公开的一个实施方案的插入到接入端口中的外科器械的示意图；
图9是根据本公开的实施方案的图1的可移动推车的平面示意图，其中图6的机器人臂围绕外科手术台定位；并且
图10是用于控制图6的外科机器人臂的方法的流程图。
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“近侧”是指外科机器人系统和/或与其联接的外科器械的更靠近机器人基座的部分，而术语“远侧”是指离机器人基座更远的部分。
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器人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，包括外科控制台30和一个或多个可移动推车60。可移动推车60中的每个可移动推车包括机器人臂40，该机器人臂具有可移除地联接到其上的外科器械50。机器人臂40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中的一个机器人臂可包括被配置成捕获外科手术部位的视频的内窥镜相机51。内窥镜相机51可以是立体内窥镜，该立体内窥镜被配置成捕获外科手术部位的两个并排(即，左右)图像以产生外科手术场景的视频流。内窥镜相机51联接到图像处理设备56，该图像处理设备可以设置在控制塔20内。视频处理设备56可以是如下文所描述的任何计算设备，该计算设备被配置成接收来自内窥镜相机51的视频馈送，基于本公开的深度估计算法执行图像处理以及输出经处理的视频流。
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，射频、光学、Wi-Fi、蓝牙(开放无线协议，用于使用短长度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)的任何合适处理器(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用于使连接件62b和62b相对于彼此和连接件62c旋转的致动器(未示出)。具体地，连接件62a、62b、62c可在它们对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能够围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能够围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46b。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和保持器46中的每一者相对于彼此旋转。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。换句话说，枢转点“P”是机器人臂40的远程运动中心(RCM)。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围绕由连接件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54)。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。在内窥镜手术期间，器械50可以通过内窥镜接入端口55(图3)插入，该内窥镜接入端口由保持器46保持并且特别是由抓持器47保持。保持器46还包括用于将端口55固定到保持器46的端口闩锁46c(图2和图3)。
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和图5)，这些手动超控按钮可以在手动模式下使用。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中的每个计算机可包括可在硬件和/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。
接合部63a和63b中的每个接合部以及设置臂62的可旋转基座64是被动接合部(即，其中不存在致动器)，从而允许由用户对其进行手动调整。接合部63a和63b以及可旋转基座64包括制动器，这些制动器由用户脱离接合以配置设置臂62。设置臂控制器41b监测接合部63a和63b中的每个接合部以及设置臂62的可旋转基座64的滑动。当制动器被接合或当制动器被脱离接合时可由操作者自由移动时，但不影响其他接合部的控制。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执行的手眼变换功能变换为机器人臂40的期望位姿。手眼功能以及本文描述的其他功能具体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以具体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执行的缩放功能来缩放手柄控制器38a的位姿。在实施方案中，通过缩放功能，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还执行离合功能，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，该等角度实现由手柄控制器38a输入的经缩放和经调整位姿。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至图8，外科机器人臂100类似于机器人臂40，并且也可以用作外科机器人系统10的一部分。机器人臂100不经由端口闩锁46c附接到接入端口55并且经由计算机21和计算机31受到控制以维持RCM。外科机器人臂100包括六(6)个或更多个独立自由度(DoF)，从而允许机器人臂100在微创外科手术中使用并且通过应用软RCM方法(即，将机器人臂100约束到RCM，而除了插入到接入端口55中的器械50之外不将接入端口55机械地联接到机器人臂100)来遵循切口点的约束。因此，接入端口55与机器人臂100断开联接，即，端口闩锁46c(图3)不在使用中。
机器人臂100包括多个接合部101、102、103、104、105、106。接合部101、102、103、104、105、106中的每个接合部提供一个或多个DoF，从而在机器人臂100的端部执行器120处为机器人臂提供总共六个或更多个DoF。接合部101联接到第一连接件111，该第一连接件充当基座并且被配置成将机器人臂100固定到可移动推车60。第一接合部101可以被配置成在横向于由第一连接件111限定的纵向轴线的平面中旋转。第二接合部102经由第二连接件112联接到第一接合部101并且可以是铰接接合部。第三接合部103经由第三连接件113联接到第二接合部102。第三接合部103也可以是铰接接合部。第四接合部104经由第四连接件114与第三接合部103连结。第四接合部104可以是类似于第一接合部101的旋转接合部，使得第四接合部104被配置成在横向于由第四连接件114限定的纵向轴线的平面中旋转。第五接合部105经由第五连接件115联接到第四接合部104。第五接合部105可以是铰接接合部。第六接合部106可以是与第一接合部101和第四接合部104类似的旋转接合部，并且经由第六连接件116联接到第五接合部105。第六接合部105是机器人臂100的端部执行器，并且可以包括与IDU 52类似的IDU 120。IDU 120被配置成联接到器械50并且控制和致动器械50以执行外科手术。机器人臂100描绘了示例性运动链并且设想了其他接合部配置，诸如棱柱或多个DoF的接合部。
在微创外科手术期间，器械50的运动受到体壁“BW”中的切口点“I”的限制，接入端口55通过该切口点插入。特别地，切口点“I”消除了两个DoF(即，两个平移)。因此，在六个DoF的机器人臂100中，通过机器人臂100的运动，能够在患者体内实现设置在器械50的远端部分处的端部执行器的最大四个DoF，这提供了六个DoF(即，6-2＝4)。在实施方案中，可以通过在器械50的端部执行器处添加接合部(例如，用于抓持器的腕接合部)而在患者体内添加额外的DoF。
为了提供机器人臂100的软RCM控制，相对于机器人臂100的运动学(即，接合部101、102、103、104、105、106)来确定患者体壁“BW”中的切口点“I”的位置。切口点“I”的位置可以用作逆向运动学计算中的附加约束DoF(自由度)，以确定机器人臂100的期望姿态。逆运动学解是一组数学项，用于导出每个接合部101、102、103、104、105、106的位置，以便将IDU 120移动到空间中期望的姿态。
如上所述，在微创手术期间，器械50的运动受到切口点“I”的限制，这消除了两个DoF(即，两个平移)。切口点“I”可能不是理想的点，并且其在体壁中的位置由临床医生基于临床结果来选择，例如，目标在于具有尽可能低的创伤，而不是机器人臂100易于移动。通常，用作压力密封件以容纳体腔的吹气的接入端口55被放置在切口处，并且接入端口包括深度端口标记57，该深度端口标记可以是设置在管的外表面上的环或任何其他基准标记。在插入接入端口55期间，端口标记57由临床医生与建议的切口点“I”对齐。接入端口55被插入到端口标记57与期望的切口点“I”对准的深度。接入端口55还可以包括顶部端口标记58，该顶部端口标记可以具有环形形状并且设置在插入器械50所穿过的接入端口55的顶部表面上。
由于接入端口55的位置与切口点“I”的位置重合，因此知道端口标记57相对于机器人臂100的运动学特性的位置允许在逆运动学特性中实施限制，使得机器人臂100的运动以由器械50限定的纵向轴线“Z-Z”总是与切口点“I”相交的方式被控制(图7)。如果切口点“I”在手术期间不改变其位置，则一旦相对于机器人臂100识别切口点“I”的位置并且保持切口点“I”静止就是可行的。在切口点“I”移动的情况下(例如，由于床和/或患者调整)，需要更新切口点的位置(即，动态位置)。
外科机器人系统10被配置成识别机器人臂100与切口点“I”之间的变换，并且使用该变换来控制机器人臂100的移动。为了辅助跟踪器械50，器械标记59可以设置在器械50上的任何地方，例如纵向轴。器械标记59可以是环或任何其他合适的基准标记。在将器械50联接到IDU 120之前，可以基于基座(即，第一连接件111)和/或机器人臂100的端部执行器(即，IDU 120)的位置来计算机器人臂100的变换。一旦器械50联接到IDU 120，则可以在器械50上的器械标记59和/或器械50的端部执行器54的位置上计算变换。切口点“I”的位置可以基于接入端口的端口标记57和/或顶部标记58的位置来确定。
参考图9，外科机器人系统10设置在手术室“OR”中的手术台200周围。系统10包括可移动推车60。可移动推车60可以使用任何合适的配准系统或方法相对于手术台200和相对于彼此定位。推车60的位置和取向取决于多个因素，诸如多个端口55的放置，这又取决于正在执行的手术。一旦确定了端口放置，就将接入端口55插入到患者体内，并且对手推车60进行定位以将器械50和内窥镜相机51插入到对应的接入端口55中。推车60和它们相应的机器人臂100的取向可以基于各个激光对准图案。对于使用对准图案来对多个可移动推车60进行定向的更详细描述，参见2021年5月26日提交的名称为“SURGICAL ROBOTIC SYSTEMUSER INTERFACES”的国际申请号PCT/US2021/034125，该国际申请的全部公开内容以引用方式并入本文。
系统10包括一个或多个外部相机202，该一个或多个外部相机设置在OR周围的任何位置，其视野捕捉可移动推车60、机械臂100、接入端口55、器械50等中的每一者。外部相机202捕捉系统10的各个部件的位置和取向。除了端口标记57和58以及器械标记59之外，机器人臂100可以包括设置在接合部101、102、103、104、105、106或连接用连接件中的任一者上的一个或多个臂标记150a……n。臂标记150a……n可以具有任何合适的形状和颜色并且可由相机202检测。标记57、58、59和150a……n可以辅助识别系统10的各个部件，但不是必需的，并且可以使用图像处理技术来代替标记57、58、59和150a……n或与这些标记结合使用。
系统10还包括一个或多个外部射频(RF)发射检测器210，该一个或多个外部射频发射检测器被配置成检测多个跟踪器211的位置和/或距离，这些跟踪器可以被设置在接入端口55、器械50和机器人臂100上，并且具体地被设置在接合部101、102、103、104、105、106中的任一者上。跟踪器211可以是能够发射可由RF检测器210检测的电磁能量的有源或无源发射器，其可以使用被配置成使用飞行时间、三角测量和其他方法来确定跟踪器211的位置的任何合适的电磁频谱传输来操作。外部相机202和RF检测器210以通信方式联接到计算机21，该计算机被配置成处理来自外部相机202的图像数据和来自RF检测器210的电磁位置数据以确定机器人臂100、接入端口55和器械50的位置和/或取向。基于物体的形状及其已知的形状轮廓和几何形状，图像数据可以包括具有或不具有对应标记57、58、59和150a……n的接入端口55、器械50和机器人臂100的图像处理和检测。
系统10被配置成对接入端口55和机器人臂100中的每一者进行定位。标记58和150a……n对于它们所设置在的接入端口55和机器人臂100可以是唯一的，从而允许系统10识别特定的接入端口55和机器人臂100。在实施方案中，标记150a……n对于接合部101、102、103、104、105、106中的每一者可以是唯一的。在另外的实施方案中，接入端口55和机器人臂100可以包括任何其他视觉标识符，诸如唯一地标识这些部件的数字、字母数字或象形图。
另外，系统10并且特别是计算机21被配置成确定接入端口55的几何形状，即接入端口55的位置和取向(包括其纵向轴线)以及机器人臂100的现有特征，并且基于由外部相机202提供的图像数据来计算接入端口和机器人臂的变换。在实施方案中，标记57、58、59和150a……n可以作为图像数据的一部分被包括，从而允许计算机21计算机器人臂100的变换。在另外的实施方案中，电磁位置数据可以结合或单独用于确定机器人臂100的变换。
参考图5至图8，外科机器人臂100类似于机器人臂40并且可用作外科机器人系统10的一部分。机器人臂100经由端口闩锁46c或任何其他固定装置与接入端口55断开联接(即，不附接到该接入端口)，并且经由计算机21和/或计算机31控制以维持RCM。外科机器人臂100包括六(6)个或更多个独立自由度(DoF)，从而允许机器人臂100用于微创外科手术中并且通过应用软RCM方法(即，将机器人臂100约束到RCM而不将接入端口55机械地联接到机器人臂)来遵循切口点的约束。
参考图5至图8，机器人臂100包括多个接合部101、102、103、104、105、106。接合部101、102、103、104、105、106中的每个接合部提供一个或多个DoF，从而在机器人臂100的端部执行器120处为机器人臂提供总共六个或更多个DoF。接合部101联接到第一连接件111，该第一连接件充当基座并且被配置成将机器人臂100固定到可移动推车60。第一接合部101可以被配置成在横向于由第一连接件111限定的纵向轴线的平面中旋转。第二接合部102经由第二连接件112联接到第一接合部101并且可以是铰接接合部。第三接合部103经由第三连接件113联接到第二接合部102。第三接合部103也可以是铰接接合部。第四接合部104经由第四连接件114联接到第三连接件113。第四接合部104可以是类似于第一接合部101的旋转接合部，使得第四接合部104被配置成在横向于由第四连接件114限定的纵向轴线的平面中旋转。第五接合部105经由第五连接件115联接到第四接合部104。第五接合部105可以是铰接接合部。第六接合部106可以是与第一接合部101和第四接合部104类似的旋转接合部，并且经由第六连接件116联接到第五接合部105。第六接合部105包括机器人臂100的端部执行器，该端部执行器可以是类似于IDU 52的IDU 120。IDU 120被配置成联接到器械50并且控制和致动器械50以执行外科手术。机器人臂100描绘了示例性运动链并且设想了其他接合部配置，诸如棱柱或多个DoF的接合部。
如图8中所示，在微创外科手术期间，器械50的运动受到体壁“BW”中的切口点“I”的限制，接入端口55通过该切口点插入。特别地，切口点“I”消除了两个DoF(即，两个平移)。因此，在六个DoF的机器人臂100中，通过机器人臂100的运动，能够在患者体内实现设置在器械50的远端部分处的端部执行器的最大四个DoF，这提供了六个DoF(即，6-2＝4)。在实施方案中，可以通过在器械50的端部执行器处添加接合部(例如，用于抓持器的腕接合部)而在患者体内添加额外的DoF。
为了提供机器人臂100的软RCM控制，相对于机器人臂100的运动学(即，接合部101、102、103、104、105、106)来确定患者体壁“BW”中的切口点“I”的位置。切口点“I”的位置可以用作逆向运动学计算中的附加约束DoF(自由度)，以确定机器人臂100的期望姿态。逆运动学解是一组数学项，用于导出每个接合部101、102、103、104、105、106的位置，以便将IDU 120移动到空间中期望的姿态。
如上所述，在微创手术期间，器械50的运动受到切口点“I”的限制，这消除了两个DoF(即，两个平移)。切口点“I”可能不是理想的点并且其在体壁中的位置由临床医生基于期望的临床结果来选择，例如，目标是具有尽可能低的创伤，而不是机器人臂100容易移动。通常，用作压力密封件以容纳体腔的吹气的接入端口55被放置在切口处，并且接入端口包括深度端口标记57，该深度端口标记可以是设置在管的外表面上的环或任何其他基准标记。在插入接入端口55期间，端口标记57由临床医生与建议的切口点“I”对齐。接入端口55被插入到端口标记57与期望的切口点“I”对准的深度。接入端口55还可以包括顶部端口标记58，该顶部端口标记可以具有环形形状并且设置在插入器械50所穿过的接入端口55的顶部表面上。
由于接入端口55的位置与切口点“I”的位置重合，因此知道端口标记57相对于机器人臂100的运动学特性的位置允许在逆运动学特性中实施限制，使得机器人臂100的运动以由器械50限定的纵向轴线“Z-Z”总是与切口点“I”相交的方式被控制(图7)。如果切口点“I”在手术期间不改变其位置，则一旦相对于机器人臂100识别切口点“I”的位置并且保持切口点“I”静止就是可行的。在切口点“I”移动的情况下(例如，由于床和/或患者调整)，需要更新切口点的位置(即，动态位置)。
外科机器人系统10被配置成识别机器人臂100与切口点“I”之间的变换，并且使用该变换来控制机器人臂100的移动。为了辅助跟踪器械50，器械标记59可以设置在器械50上的任何地方，例如纵向轴。器械标记59可以是环或任何其他合适的基准标记。在将器械50联接到IDU 120之前，可以基于基座(即，第一连接件111)和/或机器人臂100的端部执行器(即，IDU 120)的位置来计算机器人臂100的变换。一旦器械50联接到IDU 120，则可以在器械50上的器械标记59和/或器械50的端部执行器54的位置上计算变换。切口点“I”的位置可以基于接入端口的端口标记57和/或顶部标记58的位置来确定。
参考图9，外科机器人系统10设置在手术室“OR”中的手术台200周围。系统10包括可移动推车60。可移动推车60可以使用任何合适的配准系统或方法相对于手术台200和相对于彼此定位。推车60的位置和取向取决于多个因素，诸如多个端口55的放置，这又取决于正在执行的手术。一旦确定了端口放置，就将接入端口55插入到患者体内，并且对手推车60进行定位以将器械50和内窥镜相机51插入到对应的接入端口55中。推车60和它们相应的机器人臂100的取向可以基于各个激光对准图案。对于使用对准图案来对多个可移动推车60进行定向的更详细描述，参见2021年5月26日提交的名称为“SURGICAL ROBOTIC SYSTEMUSER INTERFACES”的国际申请号PCT/US2021/034125，该国际申请的全部公开内容以引用方式并入本文。
参考图9，系统10还包括一个或多个外部电磁(例如，射频(RF))发射检测器210，该一个或多个外部电磁发射检测器被配置成检测多个跟踪器211的位置和/或距离，该多个跟踪器可以设置在接入端口55、器械50和机器人臂100上，并且具体地，设置在接合部101、102、103、104、105、106中的任一者上。跟踪器211可以是能够发射可由RF检测器210检测的电磁能量的有源或无源发射器，其可以使用被配置成使用飞行时间、三角测量和其他方法来确定跟踪器211的位置的任何合适的电磁频谱传输来操作。外部相机202和RF检测器210以通信方式联接到计算机21，该计算机被配置成处理来自外部相机202的图像数据和来自RF检测器210的电磁位置数据以确定机器人臂100、接入端口55和器械50的位置和/或取向。基于物体的形状及其已知的形状轮廓和几何形状，图像数据可以包括具有或不具有对应标记57、58、59和150a……n的接入端口55、器械50和机器人臂100的图像处理和检测。
系统10被配置成对接入端口55和机器人臂100中的每一者进行定位。标记58和150a……n对于它们所设置在的接入端口55和机器人臂100可以是唯一的，从而允许系统10识别特定的接入端口55和机器人臂100。在实施方案中，标记150a……n对于接合部101、102、103、104、105、106中的每一者可以是唯一的。在另外的实施方案中，接入端口55和机器人臂100可以包括任何其他视觉标识符，诸如唯一地标识这些部件的数字、字母数字或象形图。
另外，系统10并且特别是计算机21被配置成确定接入端口55的几何形状，即接入端口55的位置和取向(包括其纵向轴线)以及机器人臂100的现有特征，并且基于由外部相机202提供的图像数据来计算接入端口和机器人臂的变换。在实施方案中，标记57、58、59和150a……n可以作为图像数据的一部分被包括，从而允许计算机21计算机器人臂100的变换。在另外的实施方案中，电磁位置数据可以结合或单独用于确定机器人臂100的变换。
参考图5至图7，机器人臂100中的每个机器人臂还可以包括设置在机器人臂100和/或可移动推车60上的一个或多个臂相机204，从而允许机器人臂100和附接到其上的器械50的可视化。相机204可以设置在IDU 120附近，允许无障碍地观察接入端口55。另外，机器人臂100中的每个机器人臂还包括被配置成检测多个跟踪器211的位置和/或距离的一个或多个臂RF检测器212。臂RF检测器212可以集成在机器人臂100的各种位置处(例如，从端部执行器向下到基座)。
臂相机204和RF检测器212可通信地联接到计算机21和/或计算机31，从而允许对来自相机204和臂RF检测器212的图像和电磁位置数据进行本地处理。特别地，图像数据可以用于经由顶部标记58和通过臂相机204可见的机器人臂100中的一个或多个机器人臂来识别接入端口55的位置。然后，计算机21和/或31可以基于机器人臂100上的现有特征(例如，接合部放置)、标记105a……n和/或跟踪器211来计算机器人臂100中的每个机器人臂的相对变换。
参考图8，每个接入端口55还可以包括设置在接入端口55上的一个或多个端口相机206，从而允许机器人臂100和附接到其上的器械50的可视化。相机206可邻近接入端口55的顶表面设置并且可以面向与插入点相反的方向，从而允许无阻碍地观察机器人臂100和器械50。另外，接入端口55中的每个接入端口还可以包括被配置成检测多个跟踪器211的位置和/或距离的一个或多个端口RF检测器214。端口RF检测器214可以集成在接入端口的各种位置处(例如，在其顶部处)。
端口相机206和RF检测器214可通信地联接到计算机21和/或计算机31，从而允许对来自相机206和端口RF检测器214的图像和电磁位置数据进行本地处理。特别地，图像数据可用于识别通过端口相机206可见的机器人臂100的位置。然后，计算机21和/或31可以基于机器人臂100上的现有特征(例如，接合部放置)、标记105a……n和/或跟踪器211来计算机器人臂100中的每个机器人臂的相对变换。
如图5至图8中所示，系统10在机器人臂100的每个移动阶段期间利用位置反馈外部相机202和/或RF检测器210。特别地，图5示出了在器械50附接到机器人臂100之前同时接入端口55已经放置在患者的体壁“BW”中之前处于第一阶段期间的机器人臂100。图6示出了在器械50附接到IDU 120之后的机器人臂100。图7和图8描绘了当器械50通过端口55插入时机器人臂100的构型。
在第一阶段期间，每个机器人臂100可以由用户通过按压按钮53将机器人臂100置于被动模式来手动定位。当机器人臂100是手动模式时，可以接近机器人臂100以接触对应的端口55。这允许计算机21通过使用机器人臂100作为测量设备通过计算运动学来识别接入端口55的位置和取向。
在实施方案中，机器人臂100的端部执行器和接入端口55可以包括配合几何结构(例如，销和插座)以确认机器人臂100与接入端口55的物理接触。一旦进行了接触，用户可以通过在系统10的显示器23、32和34中的任一者上显示的图形用户界面来确认接触。在实施方案中，机器人臂100可以包括用户界面(未示出)，该用户界面被配置成显示GUI以完成各种任务，诸如识别接入端口55的位置。界面可以是触摸屏、激光对准模块、操纵杆、或其他定向输入、或用于通信端口坐标的终端。
此外，诸如接触传感器(例如，机械开关、电触头)或无接触传感器(例如，霍尔效应传感器、接近传感器等)的各种传感器可以用于自动地感测机器人臂100何时已经到达接入端口55。这允许自动确认机器人臂100和接入端口55已经接触。
参考图8，接入端口55还可以包括一个或多个传感器71，该一个或多个传感器可以是位置传感器，诸如陀螺仪、加速计、超宽带(UWB)雷达、磁传感器、惯性测量单元等。位置传感器被配置成在没有视线的情况下提供准确的定位。传感器71还可以是介电传感器、力传感器(例如，应变计)或光学传感器，其被配置成通过检测接入端口55的偏转或挠曲来检测形成在体壁“BW”中的切口和横向力测量。
在第二阶段中，如图6所示，至少一个接入端口55被插入到体壁“BW”中，并且一个或多个机器人臂100配备有器械50和相机51，而没有被插入到接入端口55中。在该阶段中，每个机器人臂100的接合部101、102、103、104、105、106可以通过手动模式操纵。因此，属于第一阶段的所有上述实施方案也可以在第二阶段中实施。
由于相机51被附接到机器人臂100中的一个机器人臂，因此相机51可以被用作臂相机204以检测所插入的接入端口55的位置、尺寸、距离等以及另一机器人臂100的位置。该数据可以被传递到计算机21和/或31以计算机器人臂100的相对变换。这在所有的接入端口55都被设置并且在相机51的视野内时可以在插入相机51之前自动完成。一旦插入，在患者体内捕获的图像就可以用于检测器械50的轴。控制器21a可以从接入端口55和插入的器械50的图像提取位置数据，以计算接入端口55相对于彼此的位置。
接入端口55可以是透明的，因此当插入相机51时，图像处理设备56可以处理视频馈送以分析图像，从而检测患者身体的起点和当相机51清除腹膜时的结束点。接入端口55还可以包括设置在接入端口55内的距离标记，使得当相机51被插入时，距离标记可以用于通过图像处理设备56确定插入深度并计算相机51在接入端口55内的位置。
如果接入端口55是不透明的，则图像处理设备56可以使用视频馈送来在插入期间监测接入端口55的开始和结束。控制器21a然后可以基于插入视频的图像处理来确定端口放置并且估计RCM。
类似于在阶段期间在机器人臂100与接入端口55之间使用接触感测，机器人臂100中的每个机器人臂可以使用附接到其上的器械50来接触对应的接入端口55。这允许计算机21通过使用机器人臂100作为测量设备来识别接入端口55的位置和取向。类似于上述接触感测实施方案，配合几何结构和传感器可以用于检测接触。
IDU 120可以测量施加在器械50上的力。特别地，IDU 120可以测量在将器械50插入接入端口55期间的力。在插入期间，接入端口55的端口密封部引起更高的摩擦，IDU 120利用该检测到的力来自动识别器械50何时经过该深度，然后利用对接入端口55的粘附来计算RCM。IDU 120可以测量力，并且确定可以由系统10的计算机21和/或31来执行。另外，压力传感器可以用于测量通过接入端口55的吹气压力并且当器械50穿过接入端口55的吹气密封部时检测压力信号中的下降以确定RCM。
如图7所示，在第三阶段期间，机器人臂100装备有器械50，这些器械已经部分地插入到接入端口55中。在该阶段期间，仅一个维度是未知的，即接入端口55的顶部与机器人臂100的端部执行器部分之间的距离。
器械50上(例如，器械50的纵向轴上)的器械标记器59可以用于检测器械50已插入到接入端口55中至适当深度。相机202、204、206中的任一个相机可以用于检测器械标记59。一旦基于器械标记59与接入端口55的顶部的对准检测到正确的插入，则用户可以经由用户界面确认器械已经被正确地插入。因为器械标记59与机器人臂100的运动学具有固定关系并且接入端口55的顶部与切口点“I”具有固定关系，所以切口点“I”与机器人运动学之间的关系由控制器21a识别，并且可以还用于应用软RCM方法。
在实施方案中，器械标记器59可以是可移除的，例如弹性带、夹子等。标记器59被配置成防止器械50进一步插入到接入端口55中，直到器械标记器被移除。用户移动机器人臂100，使得器械标记59像机械端部止动件那样接触接入端口55的顶部。在通过用户输入确认并且移除器械标记59之后，切口点“I”与机器人臂100的运动学之间的关系被识别并且还可以被用于应用软RCM方法。
机器人臂100还可以包括距离传感器110，该相机可以是非接触光学(例如，激光)距离传感器或超声距离传感器。距离传感器110被配置成测量机器人臂100的端部执行器(即，IDU 120)与接入端口55的顶部之间的距离。这种光学传感器可以是例如使用飞行时间、三角测量和其他测量技术的激光传感器。
在实施方案中，器械标记59可以包括一个或多个霍尔效应传感器或其他磁敏传感器，并且接入端口55可以包括永磁体目标。通过插入器械50，当器械标记器59经过接入端口55的永磁体时，接入端口55和器械50以及IDU 120之间的关系被识别并且可以用于软RCM方法。当器械50移动通过接入端口55时，附加的磁性传感器器械标记59可以用于更新位置关系。
在另外的实施方案中，器械标记器59可以包括永磁体或磁性线性光栅，并且接入端口55可以包括霍尔效应或任何其他合适的磁敏传感器。在器械50的插入期间检测器械标记59允许建立接入端口55与器械50之间的关系，并且IDU 120被识别并且可以用于软RCM方法。器械标记59可以是包含多个磁体的磁性光栅，从而允许对经过的磁体进行计数并且基于该计数建立动态连续测量。
参考图8，器械50可以包括距离传感器63，该距离传感器可以是电缆电位计，该电缆电位计的一端可联接到接入端口55。电缆电位计可以包括具有电缆线轴的弹簧加载滑轮和测量滑轮旋转的电位计。通过将电缆的自由端附接到接入端口55，可以通过在IDU控制器41d处读出电位计信号来测量距离。替代地，距离传感器63可以是旋转位置传感器(例如，霍尔效应传感器、编码器等)。
在另外的实施方案中，距离传感器63可以是在IDU 52与接入端口55的顶部之间延伸的弹簧加载的被动线性滑动件或伸缩梁(即，在接入端口55的方向上的弹簧偏置梁或滑动件)。弹簧确保梁或滑动件的尖端被推靠在接入端口55的顶表面上。通过测量梁或滑动件的位置，IDU 52与接入端口55的顶部之间的距离可以被测量并且可以用于软RCM方法。
在器械50的改变期间，机器人臂100可以被切换到器械改变模式，在该模式期间，两个或更多个接合部被控制为零扭矩(例如，接合部104和105)以充当被动接合部，并且其余接合部被命令移动。切口点“I”的作用类似于约束机器人臂100的运动的轴承。被动接合部104和105的位置读数允许计算机器人臂100的IDU 120与切口点“I”之间的距离。
在器械50包括一对钳口50a和50b(图1)(例如，血管密封器、抓持器、剪刀等)的实施方案中，钳口50a和50b可以用于确定接入端口55的长度并计算RCM。钳口50a和50b可以被偏置到打开位置，并且致动器(即，IDU 120)上的扭矩可以用于测量钳口50a和50b何时弹开以测量接入端口55的远端处的插入深度。所行进的距离，即钳口50a和50b弹开的距离被用于计算RCM。类似地，钳口50a和50b可以是闭合的，但可铰接到一侧以在行进通过接入端口55期间以及一旦钳口55a和55b时施加压力。
在实施方案中，接入端口55可以包括在接入端口55的管腔内的多个台阶。台阶的直径可以变化，其直径可以从入口处的初始小直径增加到端口的入口和出口处的较小直径，其间具有较大的直径。当引入器械50时，机器人臂100可以使用台阶查找过程来推进器械50。该过程包括打开钳口50a和50b，使得它们与端口壁接触。然后使器械50在接入端口55内前进，直到钳口50a和50b朝向较小直径撞击台阶。在另外的实施方案中，不是以阶梯状增量改变接入端口55的内径，内径可以逐渐地改变，并且钳口50a和50b的位置(即，打开角度)可以用于在移入患者体内时测量直径的变化。然后使用直径的变化来确定行进距离和RCM。
在另外的实施方案中，当器械50被机器人臂100移动时，接入端口55的位置可以在外科手术期间被确定。最初，系统10设置有器械50相对于接入端口55的默认位置，例如中点。当器械50被机器人臂100移动通过接入端口55时，扭矩感测可以用于通过监测扭矩并最小化计算出的作用在体壁“BW”上的力来逐渐地改进对接入端口55的位置的估计。如上所述，接入端口55的传感器71可以是被配置成测量由接入端口55施加在体壁“BW”上的力的力传感器。然后可以在手术期间使用该数据以最小化在体壁“BW”上的这种力。
在另一个实施方案中，机器人臂100可以被手动控制以使IDU 120以锥形围绕预期的RCM旋转。接着可以使用传感器、相机及上文所描述的其他装置来计算RCM。特别地，以下数据中的任何或全部可以用于确定RCM：来自机器人臂100的位置感测数据；来自机器人臂100的力和/或扭矩感测数据；或来自相机51的器械50在患者体内的尖端运动的内窥镜相机视图。
参考图10，用于控制机器人臂100的方法包括在步骤302处在外科医生控制台30处通过移动手柄控制器38a和38b中的一者或两者来接收用户输入。如以上关于逆运动学所描述的，用户输入在步骤304处被转换成移动命令，这些移动命令移动和/或致动器械50和机器人臂100。基于机器人臂100、接入端口55、器械55的位置和/或取向来执行逆运动学计算，这可以使用本公开中描述的视觉、电磁和其他跟踪方法中的任一种来确定。在步骤306处，在移动器械50和/或机器人臂100的同时维持RCM(其与切口点“I”对准)。换句话说，由本公开的追踪方法确定的虚拟RCM并入到逆运动学计算中，从而约束机器人臂100相对于接入端口55的移动，而没有由端口闩锁46c强加的物理约束。
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 (20)

1.一种外科机器人系统，所述外科机器人系统包括：
机器人臂，所述机器人臂包括多个接合部；
接入端口，所述接入端口通过切口点设置在患者体壁中并且与所述机器人臂断开联接；
器械，所述器械联接到所述机器人臂并且被配置成插入到所述接入端口中；
外科医生控制台，所述外科医生控制台包括手柄控制器，所述手柄控制器被配置成接收用于移动所述器械和所述机器人臂的用户输入；和
控制器，所述控制器被配置成在移动所述器械或所述机器人臂中的至少一者的同时维持与所述切口点对准的远程运动中心。
2.根据权利要求1所述的外科机器人系统，所述外科机器人系统还包括：
器械驱动单元，所述器械驱动单元联接到所述机器人臂并且被配置成致动所述器械。
3.根据权利要求1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机器人臂的视频，其中所述控制器被进一步配置成基于所述视频确定所述多个接合部中的至少一个接合部的位置。
4.根据权利要求3所述的外科机器人系统，其中所述多个接合部中的每个接合部包括能够由所述相机检测的标记。
5.根据权利要求1所述的外科机器人系统，所述外科机器人系统还包括：
内窥镜相机，所述内窥镜相机联接到所述机器人臂，其中所述内窥镜相机被配置成捕获所述接入端口的视频，并且所述控制器被进一步配置成基于所述视频确定所述接入端口的位置。
6.根据权利要求5所述的外科机器人系统，其中所述接入端口包括能够由所述内窥镜相机检测的标记。
7.根据权利要求1所述的外科机器人系统，所述外科机器人系统还包括：
至少一个电磁跟踪器，所述至少一个电磁跟踪器设置在所述接入端口、所述器械或所述机器人臂中的至少一者上；和
电磁发射检测器，所述电磁发射检测器被配置成监测所述至少一个电磁跟踪器的电磁发射并且基于所述电磁发射来确定所述至少一个电磁跟踪器的位置。
8.根据权利要求7所述的外科机器人系统，其中所述控制器被进一步配置成在基于所述至少一个电磁跟踪器的所述位置移动所述器械或所述机器人臂中的至少一者的同时维持与所述切口点对准的所述远程运动中心。
9.一种外科机器人系统，所述外科机器人系统包括：
机器人臂，所述机器人臂包括多个接合部；
接入端口，所述接入端口通过切口点设置在患者体壁中并且与所述机器人臂断开联接；和
控制器，所述控制器被配置成移动所述机器人臂以维持与所述切口点对准的远程运动中心。
10.根据权利要求9所述的外科机器人系统，所述外科机器人系统还包括：
器械；和
器械驱动单元，所述器械驱动单元联接到所述机器人臂并且被配置成致动所述器械。
11.根据权利要求10所述的外科机器人系统，所述外科机器人系统还包括：
外科医生控制台，所述外科医生控制台包括手柄控制器，所述手柄控制器被配置成接收用于移动所述器械和所述机器人臂的用户输入。
12.根据权利要求11所述的外科机器人系统，其中所述控制器被进一步配置成在移动所述器械和所述机器人臂的同时维持所述远程运动中心。
13.根据权利要求9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机器人臂的视频，其中所述控制器被进一步配置成基于所述视频确定所述多个接合部中的至少一个接合部的位置。
14.根据权利要求13所述的外科机器人系统，其中所述多个接合部中的每个接合部包括能够由所述相机检测的标记。
15.根据权利要求9所述的外科机器人系统，所述外科机器人系统还包括：
内窥镜相机，所述内窥镜相机联接到所述机器人臂，其中所述内窥镜相机被配置成捕获所述接入端口的视频，并且所述控制器被进一步配置成基于所述视频确定所述接入端口的位置。
16.根据权利要求15所述的外科机器人系统，其中所述进入端口包括能够由所述内窥镜相机检测的标记。
17.一种用于控制外科机器人系统的方法，所述方法包括：
在外科医生控制台处接收用户输入，所述外科医生控制台包括被配置成接收所述用户输入的手柄控制器；
响应于所述用户输入移动器械或机器人臂中的至少一者，其中所述器械通过设置在患者体壁中的接入端口插入穿过切口点并且与所述机器人臂断开联接，并且所述机器人臂包括多个接合部；以及
在移动所述器械或所述机器人臂中的至少一者的同时维持与所述切口点对准的远程运动中心。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：
在视频相机处捕获所述机器人臂的视频；以及
基于所述视频确定所述多个接合部中的至少一个接合部的位置。
19.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：
在联接到所述机器人臂的内窥镜相机处捕获所述接入端口的视频；以及
基于所述视频确定所述接入端口的位置。
20.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：
监测至少一个电磁跟踪器的电磁发射，所述至少一个电磁跟踪器设置在所述接入端口、所述器械或所述机器人臂中的至少一者上；
确定所述至少一个电磁跟踪器、电磁发射检测器的位置；以及
基于所述至少一个电磁跟踪器的所述位置确定所述接入端口、所述器械或所述机器人臂中的至少一者的位置。
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