CN118042999A - 具有不同长度的进入端口的外科机器人系统的操作系统 - Google Patents

Abstract

一种外科机器人系统被配置成使得用户能够确认一个或多个进入端口是标准的还是较长的长度(例如，肥胖症型进入端口)。该系统包括外科医生控制台，该外科医生控制台具有一个或多个手控制器和头部跟踪设备，该头部跟踪设备被配置成检测外科医生致动设置在该进入端口内的器械的端部执行器的尝试。该系统防止该端部执行器的致动，直到该器械的插入深度足够或该用户确认该进入端口具有标准长度，例如小于预设长度阈值。

Description

具有不同长度的进入端口的外科机器人系统的操作系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年9月27日提交的美国临时申请第63/248,695号的权益和优先权，该美国临时申请的全部公开内容以引用方式全文并入本文。

背景技术

外科机器人系统当前用于微创医学手术中。一些外科机器人系统包括外科医生控制台，该外科医生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该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端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的端口/套管针的类型，因此该系统不知道端口属性，例如长度。

发明内容

本公开提供了一种外科机器人系统，该外科机器人系统被配置成操作通过进入端口插入的内窥镜器械，并与不同长度的进入端口一起操作。为了防止对器械或进入端口的损坏，在该器械的该端部执行器位于该进入端口(例如，管状部分)内时，该系统防止该端部执行器的致动。在端部执行器的第一近侧接合部插入到患者体内超过阈值深度之后，启用端部执行器致动。这样做是为了防止器械被损坏以及防止损坏进入端口。类似地，在器械取出期间，该系统还防止用户在器械被致动(例如，端部被铰接)时拉动器械通过进入端口，以防止器械和端口被损坏。

在手术中，进入端口可具有不同长度。例如，肥胖症端口可能比标准长度端口更长。长端口具有与标准长度端口相同的部件。长端口使用相同类型的端口密封件，并通过相同的端口闩锁附接到机器人臂。不同长度端口的远程运动中心(RCM)与机器人臂的距离也相同。长端口与标准端口之间的区别在于，标准端口在RCM(即，延伸到患者体内的部分)以下通常具有几厘米的附加端口长度。端口的RCM的位置不能改变，并且因此，器械穿过端口之前的最小插入深度对于肥胖症端口来说更大。这对于不能自动检测所安装的进入端口的类型和/或长度的外科机器人系统来说可能是有问题的。

根据本公开的外科机器人系统将所有进入端口视为肥胖症端口(即，较长的端口)，并防止用户铰接或以其他方式致动器械的端部执行器，直到器械插入到足以穿过较长端口的深度。该系统被配置成确定器械的插入深度以及用户是否正在控制器械(例如，移动或致动端部执行器)。如果外科医生试图在端部执行器设置在标准长度端口与较长端口之间的插入深度处时致动端部执行器，则系统在图形用户界面(GUI)上输出警报，请求确认标准长度端口正在被使用并且器械已经穿过进入端口的远侧端部。一旦外科医生确认标准长度端口正在被使用，系统就会存储该设置，直到进入端口从保持器上脱离。

根据本公开的一个方面，公开了一种外科机器人系统。该外科机器人系统包括机器人臂，该机器人臂被配置成支撑进入端口和具有插入到该进入端口中的端部执行器的器械。该系统还包括外科医生控制台，该外科医生控制台被配置成检测用户活动。该系统还包括控制器，该控制器被配置成：监测该器械在该进入端口内的插入距离；分析该用户活动；以及在该插入距离小于阈值距离时，响应于该用户活动而防止该端部执行器的致动。

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，该外科医生控制台还可包括手控制器，该手控制器具有万向节组件和手指传感器。该用户活动可包括接触该手指传感器和/或围绕该万向节组件旋转该手控制器。该外科医生控制台还可包括头部跟踪设备，该头部跟踪设备被配置成检测头部位置和/或眼睛方向。该用户活动还可包括指向该外科医生控制台的头部和/或眼睛。

该外科机器人系统还可包括显示器。该控制器可被进一步配置成响应于检测到该用户活动和该插入距离小于该阈值距离而在该显示器上输出确认查询。该显示器可为触摸屏，并且对该确认查询的响应可包括触摸该触摸屏。该头部跟踪设备可被配置成检测头部点头作为对该确认查询的该响应。该控制器可进一步被配置成响应于该进入端口的长度小于该阈值距离的确认，启用该端部执行器的致动。

根据本公开的另一个方面，公开了一种用于控制外科机器人系统的方法。该方法可包括在外科医生控制台处监测用户活动；监测具有端部执行器的器械插入到进入端口中的插入距离，该器械和该进入端口由机器人臂支撑。该方法还可包括检测该用户活动。该方法还可包括在该插入距离小于阈值距离时，响应于该用户活动而防止该端部执行器的致动。

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，该外科医生控制台可包括手控制器，该手控制器具有万向节组件和手指传感器。检测该用户活动可包括检测接触该手指传感器或围绕该万向节组件旋转该手控制器中的至少一者。检测该用户活动可包括在该外科医生控制台的头部跟踪设备处跟踪至少一个头部位置或眼睛方向。跟踪该头部位置和/或眼睛方向可包括检测指向该外科医生控制台的头部或眼睛中的至少一者。该方法还可包括在显示器上显示图形用户界面。该方法还可包括响应于检测到该用户活动和该插入距离小于该阈值距离而在该显示器上输出确认查询。该方法还可包括在该显示器的触摸屏处接收对该确认查询的响应。该方法还可包括在该头部跟踪设备处检测头部点头作为对该确认查询的该响应。该方法还可包括响应于该进入端口的长度小于该阈值距离的确认，在控制器处启用该端部执行器的致动。

根据本公开的另一个方面，公开了一种外科机器人系统，该外科机器人系统包括机器人臂，该机器人臂被配置成支撑进入端口和具有插入到该进入端口中的端部执行器的器械。该系统还包括外科医生控制台和显示器，该外科医生控制台具有手控制器，该手控制器被配置成控制该机器人臂或该器械中的至少一者。该系统还包括控制器，该控制器被配置成在该显示器上输出第一提示，该第一提示请求用户识别该进入端口的属性并确认该进入端口的该属性。该控制器被进一步配置成在该显示器上输出第二提示，该第二提示基于该进入端口的该属性的确认请求用户确认该进入端口的该属性。

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，该进入端口的该属性可为长度。该第一提示可包括请求用户选择该进入端口的类型的查询，该类型是标准的或长的。在确认该进入端口的该属性时，该控制器可进一步被配置成确定该器械是否在虚拟边界之外操作。在确定该器械是否在虚拟边界之外操作时，该控制器可进一步被配置成对该虚拟边界之外的操作次数和该虚拟边界之外的操作持续时间进行计数。

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是根据本公开的不同长度的进入端口的侧视图；

图6是图1的外科医生控制台的手控制器的放大透视图；

图7是根据本公开的一个实施方案的用于控制图1的外科机器人系统的方法的流程图；

图8是根据本公开的另一个实施方案的用于控制图1的外科机器人系统的方法的流程图；并且

图9是根据本公开的一个方面的围绕手术台定位的图1的可移动推车的平面示意图。

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/或联接到其的外科器械的离患者较近的部分，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医生控制台、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。外科医生控制台通过一个或多个界面设备接收用户输入，该一个或多个界面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的部件中的全部部件，包括外科医生控制台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可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可为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可为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可为外科缝合器，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部位的视频的相机51。外科医生控制台30包括第一显示器32和第二显示器34，该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提供的外科部位的视频馈送，该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。

外科医生控制台30还包括多个用户界面设备，诸如脚踏板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。外科医生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，该显示器可为触摸屏，并且在图形用户界面(GUI)上输出。控制塔20还充当外科医生控制台30与一个或多个机器人臂40之间的界面。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医生控制台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、外科医生控制台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者或多者，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能够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，手术台)延伸。在实施方案中，机器人臂40可联接到手术台(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。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与保持器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)。保持器46包括滑动机构46a，该滑动机构被配置成使IDU 52沿着由保持器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可通过由保持器46保持的内窥镜端口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)，该多个手动超控按钮可在手动模式下使用。用户可按压按钮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从外科医生控制台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医生控制台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的接合部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中的每个接合部，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。然后将实际接合部位置通过致动器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或本文所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具体体现为相对于固定到外科医生控制台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执行的缩放功能来缩放手控制器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。另外，控制器21a还执行离合功能，其使手控制器38a与机器人臂40脱离接合。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或38b的位姿，然后通过由控制器21a执行的逆运动学功能传递。逆运动学功能计算机器人臂40的接合部44a、44b、44c的角度，这些角度实现了通过手控制器38a或38b的经缩放和调整的位姿输入。然后将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，在手术期间，可使用不同长度的端口，具体地，长端口55b可用于肥胖症手术，其比标准端口55a长。在器械交换和端口55内器械50的位置控制期间，使用较长的端口会影响系统10的功能。更具体地，在取出期间，在第一近侧接合部到达端口底部之前，器械更换需要将腕戴式器械拉直并闭合。

在器械50的使用期间，通过沿着滑动机构46a推进器械50和IDU 52，将器械50插入到端口55的纵向管56中。器械50，并且具体地端部执行器200前进到期望深度。IDU控制器41d和其他控制器(例如，控制器21a)连续地跟踪器械50(并且具体地端部执行器200)已经前进的距离。

外科机器人系统10被配置成确定外科医生控制台30的用户是否试图控制器械50和/或端部执行器200。控制器械50的尝试包括通过手控制器38a和38b输入激活命令以致动端部执行器200，以及外科医生是否面对外科医生控制台30或与该外科医生控制台接合。外科机器人系统10利用外科医生控制台30的以下硬件来确定用户控制器械50的意图。

参考图1，外科医生控制台30包括头部跟踪设备120，该头部跟踪设备可包括一个或多个相机、照明设备，诸如IR投影仪等。通过跟踪设备120，外科医生控制台30被配置成实时或近乎实时地识别和跟踪用户的头部和眼睛。由外科医生控制台30的控制器31a使用头部位置和/或眼睛方向来确定用户是否与外科医生控制台30接合或脱离接合。

外科医生控制台30被进一步配置成跟踪用户与手控制器38a和38b的接合。图6示出了右手侧控制器38b，该右手侧控制器是左手侧控制器38b的镜像副本。手控制器38a和38b中的每个手控制器均包括桨状物208，该桨状物被配置成控制端部执行器的致动，例如打开和闭合端部执行器200的钳口。桨状物208可包括手指传感器204，该手指传感器被配置成检测手指的存在或移动，诸如触摸传感器、电容传感器、光学传感器等。在实施方案中，手指传感器204可设置在手控制器38a和38b的任何部分上。手控制器38a和38b中的每个手控制器还可包括触发器205a和一个或多个按钮205b，用于激活器械50的各种功能。另外，手控制器38a和38b中的每个手控制器可包括万向节组件206，该万向节组件允许手控制器38a和38b围绕三条轴线(x、y、z)移动和旋转。手控制器38a和38b还可包括红外接近传感器207，该红外接近传感器被配置成检测手与手控制器38a和38b的抓握的接触。手控制器38a和38b的细节在于2018年11月30日提交的标题为“Control arm assemblies for roboticsurgical systems”的美国专利公开第2020/0315729号中提供，该美国专利公开的全部内容以引用方式并入本文。

外科医生控制台30的控制器31a监测用户与手控制器38a和38b的交互，并响应于用户输入来控制器械50。另外，控制器31a还监测万向节组件206的每个接合部的单独或新速度。控制器31a还监测万向节组件206的接合部中的每个接合部的位移和/或万向节组件206的净位移。此外，控制器31a还可监测桨状物208的输入角度和/或速度。

参考图7，用于验证进入端口55的长度的方法包括在步骤300处确定(即，测量)器械50插入到进入端口55中的深度。可使用跟踪滑动机构46a的编码器或其他传感器来确定插入距离跟踪，该滑动机构被配置成沿着由保持器46限定的第二纵向轴线移动IDU 52。距离阈值被设置为长于长端口55b的长度，以确保器械50和/或端部执行器200的安全致动。在步骤302处，将测量的插入距离与阈值进行比较，该阈值对应于长端口55b的长度。如果器械50的插入距离或深度长于长端口55b的长度，则在步骤310处，控制器21a允许器械50和/或端部执行器200的致动。

在步骤304处，如果器械50的插入距离或深度小于长端口55b的长度，则控制器21a通过禁用器械50的致动来防止器械50和/或端部执行器200的致动。器械50的禁用可通过忽略来自IDU 52处的外科医生控制台30的用户输入命令来实现。在器械50的致动被禁用时，外科医生控制台30的控制器31a相对于外科医生控制台30监测用户活动，如步骤306。用户活动包括外科医生与外科医生控制台30的任何交互。具体地，在步骤306a处，控制器31a跟踪外科医生的头部和眼睛移动和方向，以确定外科医生是否正在观看显示器32。如果外科医生正在观看显示器32，则确定外科医生旨在控制器械50。

另外或另选地，在步骤306b处，控制器31a还可通过监测手指传感器204、接近传感器207、万向节组件206的移动、按压触发器205a或按钮205b和/或桨状物208的移动来监测外科医生与手控制器38a和38b的接合。如果在步骤308处检测到预先确定的类型和/或幅值的用户输入，同时器械50的插入距离小于阈值距离，则控制器21a在步骤314处向外科医生和/或其他工作人员输出警报，该警报指示器械50尚未充分前进，并在步骤312处请求确认标准长度端口55a正在被使用。

警报和确认查询可分别在控制塔20和外科医生控制台30的显示器23、32和34中的任何一者上输出。可通过触摸显示器23、32和34中的任何一者上显示的对应的按钮(例如，“是”)来接收确认。外科医生还可通过肯定地摇头(例如，竖直点头)来输入确认，这可由头部跟踪设备120来跟踪。在实施方案中，外科医生可通过使用任何合适的手势触摸手指传感器204来输入确认，诸如双击、按压触发器205a和/或按钮205b等。此外，外科医生可按压外科医生控制台30的脚踏板36中的一个脚踏板来确认进入端口长度。响应于确认，控制器21a可存储确认并修改与确认相关联的任何参数，诸如阈值距离。这将防止外科医生在器械50的后续使用(即，插入)中再次确认。

一旦接收到确认，则控制器21a响应于外科医生的输入在步骤310处启用器械50和/或端部执行器200的致动。可对由机器人臂40中的每个机器人臂保持的进入端口55中的每个进入端口执行图7的方法，直到正在使用的器械50中的全部器械都已经被激活。在实施方案中，可使用另一确认将相同的端口选择应用于机器人臂40中的每个机器人臂，以最小化正在显示的提示数量。

参考图8，用于验证进入端口55的长度的另一种方法包括在步骤400处设置如图9所示的系统。图7和图8的方法可实现为能够由系统10的控制器中的任何控制器(例如，控制器21a、31、41a等)执行的软件指令。

在实施方案中，外科机器人系统10绕手术台90设置。(参见图9)。系统10包括可移动推车60a-d，这些可移动推车可被编号为“1”至“4”在设置期间，推车60a-d中的每个推车都绕手术台90定位。推车60a-d的位置和取向取决于多种因素，诸如多个进入端口55a-d的放置，这进而取决于正在进行的手术。一旦确定了端口放置，就将进入端口55a-d插入到患者体内，并且推车60a-d被定位成将器械50和内窥镜相机51插入到对应的端口55a-d中

如上所述，可使用不同类型的进入端口55a-d。具体地，可使用具有不同尺寸(例如，直径和长度)的进入端口。进入端口55a可为具有约100mm至约200mm的长度的标准长度进入端口，而进入端口55b可为具有200mm或以上的长度的长端口。对于不同的端口，端口直径可不同，并且可为约5mm至约15mm。

在步骤402处，系统10向用户提供提示(例如，经由第一显示器32上的GUI)，询问是否存在任何正在被使用的长端口。该提示可为具有“是”响应和“否”响应的弹出查询。如果响应为“是”，则在步骤404处，系统10将进入端口55a-d中的全部进入端口设置为长端口。如果响应为“否”，则在步骤406处，系统10将进入端口55a-d中的全部进入端口设置为标准长度端口。在实施方案中，系统10可为进入端口55a-d中的每个进入端口提供单独的提示，并接收针对每个提示和进入端口的响应。

在响应于外科医生控制台30处的用户输入操作机器人臂40a-d和器械50期间，系统10监测用户是否试图操作器械50超过标准长度进入端口的虚拟边界。系统10可在存储器中存储或针对不同类型的进入端口55a-d计算虚拟边界，例如当通过标准进入端口操作时器械50能够到达的第一3D空间和当通过长长度进入端口操作时器械50能够到达的第二3D空间。第二3D空间可小于第一3D空间。

在步骤407处，系统10确认用户的响应，即所有进入端口都是长长度的。系统10监测用户对器械50的操作。具体地，系统10对用户试图在虚拟边界之外操作器械50的次数进行计数，并对每次尝试(即，在虚拟边界之外的移动和/或位置)是否超出预先确定的时间限制进行计数。尝试次数阈值可为2或以上，并且时间阈值可为约2秒或以上。

如果系统10确定器械50在虚拟边界之外操作(即，比时间阈值长的尝试次数大于尝试阈值)，则系统10进行到步骤412，该步骤在步骤412处用第二提示提示用户确认用户正确回答了步骤402处的第一提示，因为如由系统10监测的器械50的使用与用户对进入端口的初始分类相矛盾(即，说明进入端口长，但是移动确认进入端口是标准的)。该提示询问用户(例如，经由第一显示器32上的GUI)进入端口是标准的还是长型进入端口。该提示可为“是”或“否”查询，或是询问用户识别类型(例如，“标准”或“长”)的查询。基于对该提示的响应，系统10在步骤414处将进入端口类型设置为“标准”或在步骤416处设置为“长”。如果系统10确定器械50在虚拟边界内操作，则过程在步骤410处结束。

在外科手术期间，在步骤408处，系统10还连续地监测进入端口55a-d的脱离和/或重新附接。如果在系统10的设置期间存在的进入端口55a-d中的全部进入端口在整个手术持续期间保持不变，则该过程在步骤410处结束。如果在任何时候端口被重新附接或新的进入端口被附接，则系统10检测到该附接并在步骤412处用第二提示提示用户。该提示询问用户(例如，经由第一显示器32上的GUI)新附接的进入端口是标准的还是长型进入端口。该提示可为“是”或“否”查询，或是询问用户识别类型(例如，“标准”或“长”)的查询。基于对该提示的响应，系统10在步骤414处将进入端口类型设置为“标准”或在步骤416处设置为“长”。

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 (25)

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，所述机器人臂被配置成支撑进入端口和具有插入到所述进入端口中的端部执行器的器械；

外科医生控制台，所述外科医生控制台被配置成检测用户活动；

控制器，所述控制器被配置成：

测量所述器械在所述进入端口内的插入距离；

检测所述用户活动；以及

在所述插入距离小于阈值距离时，响应于检测到所述用户活动而防止所述端部执行器的致动。

2.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述外科医生控制台包括手控制器，所述手控制器具有万向节组件和手指传感器。

3.根据权利要求2所述的外科机器人系统，其中所述用户活动包括接触所述手指传感器或围绕所述万向节组件旋转所述手控制器中的至少一者。

4.根据权利要求3所述的外科机器人系统，其中所述外科医生控制台包括头部跟踪设备，所述头部跟踪设备被配置成检测头部位置或眼睛方向中的至少一者。

5.根据权利要求4所述的外科机器人系统，其中所述用户活动包括指向所述外科医生控制台的头部或眼睛中的至少一者。

6.根据权利要求5所述的外科机器人系统，所述外科机器人系统还包括显示器。

7.根据权利要求6所述的外科机器人系统，其中所述控制器被进一步配置成响应于检测到所述用户活动和所述插入距离小于所述阈值距离而在所述显示器上输出确认查询。

8.根据权利要求7所述的外科机器人系统，其中所述显示器是触摸屏，并且对所述确认查询的响应包括触摸所述触摸屏。

9.根据权利要求8所述的外科机器人系统，其中所述头部跟踪设备被配置成检测头部点头作为对所述确认查询的所述响应。

10.根据权利要求1所述的外科机器人系统，其中所述控制器被进一步配置成：

响应于所述进入端口的长度小于所述阈值距离或所述器械的所述插入距离的长度超出所述阈值的确认，启用所述端部执行器的致动；以及

基于所述确认修改所述阈值。

11.一种用于控制外科机器人系统的方法，所述方法包括：

测量具有端部执行器的器械插入到进入端口中的插入距离，所述器械和所述进入端口由机器人臂支撑；

在外科医生控制台处监测用户活动；

在所述插入距离小于阈值距离时，响应于检测到所述用户活动而在外科医生控制台上输出警报并防止所述端部执行器的致动。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述外科医生控制台包括手控制器，所述手控制器具有万向节组件和手指传感器。

13.根据权利要求12所述的方法，其中检测所述用户活动包括检测接触所述手指传感器或围绕所述万向节组件旋转所述手控制器中的至少一者。

14.根据权利要求13所述的方法，其中检测所述用户活动包括在所述外科医生控制台的头部跟踪设备处跟踪至少一个头部位置或眼睛方向。

15.根据权利要求14所述的方法，其中跟踪所述用户活动的所述头部位置或所述眼睛方向中的至少一者包括检测指向所述外科医生控制台的头部或眼睛中的至少一者。

16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括在显示器上显示图形用户界面。

17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括响应于检测到所述用户活动和所述插入距离小于所述阈值距离而在所述显示器上输出确认查询。

18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：

在所述显示器的触摸屏处接收对所述确认查询的响应；以及

在所述头部跟踪设备处检测头部点头作为对所述确认查询的所述响应。

19.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括响应于所述进入端口的长度小于所述阈值距离的确认，在控制器处启用所述端部执行器的致动。

20.一种用于控制外科机器人系统的方法，所述方法包括：

测量具有端部执行器的器械插入到进入端口中的插入距离，所述器械和所述进入端口由机器人臂支撑；

在外科医生控制台处检测用户输入；以及

在所述插入距离小于阈值距离时，响应于检测到所述用户输入而防止所述端部执行器的致动。

21.一种外科机器人系统，所述外科机器人系统包括：

机器人臂，所述机器人臂被配置成支撑进入端口和具有插入到所述进入端口中的端部执行器的器械；

外科医生控制台，所述外科医生控制台包括：

手控制器，所述手控制器被配置成控制所述机器人臂或所述器械中的至少一者；和

显示器；

控制器，所述控制器被配置成：

在所述显示器上输出第一提示，所述第一提示请求用户识别所述进入端口的属性；

确认所述进入端口的所述属性；以及

在所述显示器上输出第二提示，所述第二提示基于所述进入端口的所述属性的确认来请求用户确认所述进入端口的所述属性。

22.根据权利要求21所述的外科机器人系统，其中所述进入端口的所述属性是长度。

23.根据权利要求21所述的外科机器人系统，其中所述第一提示包括请求用户选择所述进入端口的类型的查询，所述进入端口的所述类型选自由标准或长组成的组。

24.根据权利要求23所述的外科机器人系统，其中在确认所述进入端口的所述属性时，所述控制器被进一步配置成确定所述器械是否在虚拟边界之外操作。

25.根据权利要求24所述的外科机器人系统，其中在确定所述器械是否在虚拟边界之外操作时，所述控制器被进一步配置成对所述虚拟边界之外的操作次数和所述虚拟边界之外的操作持续时间进行计数。