CN104105577A - 使用模式区分操作员动作的机器人***操作模式的用户选择 - Google Patents

使用模式区分操作员动作的机器人***操作模式的用户选择 Download PDF

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Abstract

机器人***具有多个用户可选择的操作模式。为了选择操作模式中的一个，用户执行在多个用户可选择的操作模式中唯一识别期望的操作模式的区分动作。通过机器人***中的处理器实现的方法识别区分动作，并将机器人***置于用户所选择的操作模式。

Description

使用模式区分操作员动作的机器人***操作模式的用户选择
相关申请的交叉参考
本申请要求美国临时申请61/599,237(于2012年2月15日提交)的优先权，其通过引用并入此处。
技术领域
本发明总体涉及机器人***，具体地涉及使用模式区分操作员动作的机器人***操作模式的用户选择。
背景技术
机器人***可以具有若干用户可选择的操作模式。用户可以选择操作模式的一种方法是通过菜单驱动的图形用户界面(GUI)。尽管该类型的模式选择非常灵活并且适应大多数用户可选择的操作模式，但是与GUI交互对于用户来说可能是耗时的。例如，如果用户的手此时忙于操纵输入设备，则可能不方便把手离开一个输入设备并将它放在另一个输入设备上，例如计算机鼠标或触摸板，从而与GUI交互。
用户可以在若干用户可选择的操作模式中选择操作模式的另一种方法是通过发出可由语音识别***识别的语音命令。这种途径的优点是，其相对迅速并且用户的手不必离开此时正在使用的输入设备。然而，该途径承担语音识别***的附加成本，以及由语音识别***错误识别用户的口头命令而产生的可能错误。
用户可以在若干用户可选择的操作模式中选择操作模式的又一种方法是通过激活脚踏板。其优点是不要求用户把手从此时正在使用的输入设备移开。然而，当存在并非仅仅几个用户可选择的操作模式时，从实现和可用性的角度看，选择操作模式所需要的脚踏板数量可能变得令人望而却步。例如，当存在四个用户可选择的操作模式并且每一个脚踏板只与一个用户可选择的操作模式关联时，需要四个脚踏板。这些脚踏板可容易达到但它们充分间隔开以避免意外按压的要求使该途径令人望而却步，使得在实践中仅可以使用两个或三个踏板。
发明内容
因此，本发明的一个或多个方面的一个目的是机器人***以及在其中实现的、有助于用户选择操作模式而用户不必将手从此时正在使用的输入设备移开的方法。
本发明的一个或多个方面的另一个目的是机器人***以及在其中实现的、有助于用户以可靠方式选择机器人***操作模式的方法。
本发明的一个或多个方面的另一个目的是机器人***以及在其中实现的、有助于用户以适时方式选择机器人***操作模式的方法。
本发明的一个或多个方面的另一个目的是机器人***以及在其中实现的、有助于用户以成本节约方式选择机器人***操作模式的方法。
本发明的一个或多个方面的再一个目的是机器人***以及在其中实现的、不要求用于选择操作模式的设备数量和机器人***的可用的用户可选择的操作模式数量之间的一一对应的方法。
这些目的和附加目的通过本发明的各个方面实现，其中简要地说，一个方面是可在多个操作模式中操作的机器人***。机器人***包括：一个或多个输入设备，其用于多个操作模式中的每一个；以及处理器，其被配置为通过确定已经以区分选定的操作模式的方式操纵一个或多个输入设备，由此在多个操作模式中选择操作模式。
另一个方面是用于选择机器人***的多个操作模式中的一个操作模式的方法。该方法包括：通过确定已经以区分选定的操作模式的方式操纵用于多个操作模式中的每一个操作模式的一个或多个输入设备，由此在多个操作模式中选择操作模式。
本发明的各个方面的其他目的、特征和优点将从下面结合附图的本发明的优选实施例的描述中变得显而易见。
附图说明
图1示出采用利用本发明多方面的医疗机器人***的操作室的俯视图。
图2示出利用本发明多方面的医疗机器人***中的入口导向器的远端的透视图，其中铰接器械延伸出入口导向器的远端。
图3示出利用本发明多方面的在医疗机器人***中有用的入口导向器的横截面视图。
图4示出利用本发明多方面的在医疗机器人***中安装在耦合到机器人臂组件的平台上的铰接器械组件的透视图。
图5示出利用本发明多方面的在医疗机器人***中可用的控制台的前视图。
图6示出利用本发明多方面的在医疗机器人***中用于控制和选择性关联设备操纵器到一对输入设备的部件的方框图。
图7示出利用本发明多方面的在医疗机器人***中所使用的左输入设备和右输入设备的参考系以及定义在输入设备之间的设定点。
图8示出利用本发明多方面的在医疗机器人***中所使用的入口导向器连同远程中心参考系和四个自由度移动的透视图。
图9示出利用本发明多方面的用于选择机器人***的多个操作模式中的一个操作模式的方法的流程图。
图10示出利用本发明多方面的用于选择机器人***的多个操作模式中的一个操作模式的替换方法的流程图。
图11示出利用本发明多方面的在机器人***中显示在显示屏上以便指示摄像机操作模式的模式区分动作的图形指示。
图12示出利用本发明多方面的在机器人***中显示在显示屏上以便指示组合控制操作模式的模式区分动作的图形指示。
具体实施方式
尽管医疗机器人***在本文中被描述为机器人***的示例，但是应当理解，本文中所要求保护的发明的各个方面并非限于这些类型的机器人***。
图1示出操作室的俯视图，在操作室中外科医生(“S”)正在采用医疗机器人***100来对患者(“P”)执行医疗程序。在该情况下，医疗机器人***是微创机器人外科手术(MIRS)***，其包括当患者在操作台52上时，外科医生在一个或多个助手(“A”)的帮助下对患者执行微创诊断或外科手术程序时所利用的控制台51。
多个铰接器械由入口导向器(EG)200经单个入口孔61引入到患者体内的作业部位。孔61可以是微创切口或人体天然孔口。入口导向器200是圆柱结构，其通过机器人臂组件2514(本文也简称为“机器人臂”)保持或操纵。机器人臂2514包括设置臂和入口导向器操纵器。设置臂用于将入口导向器200定位在孔61，使得枢轴点在孔处出现。附接到机器人臂2514的远端的是平台2512，平台2512上安装有器械组件2516，使得它们各自的器械可以延伸通过入口导向器200。每一个器械组件包括铰接器械及其器械操纵器。
作为示例，图2示出入口导向器200的透视图，其中诸如铰接外科手术工具器械231(TOOL1)、241(TOOL2)(本文也简称为“工具”)的铰接器械以及铰接立体摄像机器械211(CAM)(本文也简称为“摄像机”)延伸出其远端。摄像机器械211具有容纳在其顶端的一对立体图像捕捉设备311、312和光维电缆313(在其近端耦合到光源)。外科手术工具231、241具有末端执行器(end effector)331、341。尽管仅示出了两个工具231、241，但是入口导向器200可以根据在患者体内的作业部位执行医疗程序的需要引导附加工具。例如，如图3中入口导向器200的横截面视图所示，通道351可用于将另一个铰接外科手术工具延伸通过入口导向器200并通过其远端延伸出。通道431、441分别由铰接外科手术工具器械231、241使用，并且通道321用于铰接摄像机器械211。
每个铰接器械包括多个可致动接头以及耦合到这些接头的多个连杆。作为示例，第二铰接器械241包括：第一连杆322、第二连杆324和第三连杆326；第一接头323和第二接头325；以及肘节接头327。第一接头323耦合第一连杆322和第二连杆324，并且第二接头325耦合第二连杆324和第三连杆326，使得第二连杆324可以以俯仰(pitch)292和偏转(yaw)293绕第一接头323枢转，而第一连杆322和第三连杆326保持彼此平行。可以类似地构造和操作其他工具和摄像机器械231、251、211。
作为示例，图4示出安装在机器人臂2514的远端处的平台2512上的铰接器械组件2516。入口导向器200附接到平台2512，使得入口导向器200(连同平台2512)可以由入口导向器操纵器操纵。每个铰接器械组件包括铰接器械及其器械操纵器。例如，示例性铰接器械2502a被安装在致动器组件2504上，该致动器组件包括用于致动铰接器械的接头的多个致动器。器械2502a具有延伸通过其致动器组件2504并进入入口导向器200的镜筒2506。致动器组件2504被安装到线性致动器2510(例如，伺服控制的导螺杆和螺母组件或滚珠螺杆和螺母组件)，该线性致动器控制镜筒2506***入口导向器200以及从入口导向器200收回镜筒2506。在该情况下，器械操纵器2520包括致动器组件2504和线性致动器2510。在器械2502a是铰接器械241的情况下，镜筒2506的远端是图2中所示的第一连杆322。第二器械2502b安装有所示的类似机构。另外，可以类似地安装铰接摄像机器械。
作为示例，图5示出控制台51的前视图。控制台51具有左输入设备(MTML)41和右输入设备(MTMR)42，用户可以用他/她的左手和右手分别抓住左输入设备41和右输入设备42，从而以多自由度(“DOF”)操纵关联的设备，例如入口导向器和铰接器械。控制台51上提供了具有脚趾和脚后跟控件的脚踏板44、48。控制台51内提供了处理器43，用于控制以及本文所描述的其它目的。也提供具有左目镜46和右目镜47的立体视觉显示器45，用于所显示的立体图像，这些图像产生于由立体摄像机器械211捕捉并由处理器43处理的图像。在立体视觉显示器45上显示的立体视图可以对应于由摄像机器械211捕捉的图像，或者其可以是数字改变的视图，以适应外科医生偏好和/或提供给外科医生远程呈现。
处理器43在医疗机器人***中执行各种功能。其执行的一个重要功能是经由总线110通过控制信号转换并传递输入设备41、42的机械运动，以命令它们关联的操纵器内的致动器致动它们各自的接头，使得外科医生可以有效地操纵设备，例如工具器械231、241、摄像机器械211和入口导向器200。另一个功能是执行本文所描述的各种方法以及实现各种控制器和交叉耦合的控制逻辑。
尽管被描述为处理器，但是应当理解，处理器43可以通过硬件、软件和固件的任何组合实现。而且，本文所描述的它的功能可以由一个单元执行，或者被划分在不同部件中，每一个部件可以继而由硬件、软件和固件的任何组合实现。进一步地，尽管被示为控制台51的一部分，但是处理器43还可以包括分布在整个***的数个子单元。
题为“Minimally Invasive Surgical System”的美国公开US2008/0065108 Al(通过引用并入此处)提供关于医疗机器人***(例如，医疗机器人***100)的附加细节。
诸如医疗机器人***100的机器人***可以在多个操作模式中操作。以下参考图6至图8描述了医疗机器人***100的若干此类操作模式，并且以下参考图9至图12描述了用于在机器人***的多个操作模式中选择操作模式的方法的示例。
作为示例，图6示出用于在各种操作模式中控制设备操纵器(和它们各自的设备)并且将它们选择性关联到输入设备41、42的部件的方框图。诸如抓钳、刀具和针的外科手术工具可以用于在患者体内的作业部位处执行医疗程序。在该示例中，两个外科手术工具231、241用于机器人式地执行程序，并且摄像机211用于观察程序。工具231、241和摄像机211通过入口导向器200内的通道***。如参考图1所描述的，利用机器人臂组件2514的设置部分，入口导向器200通过入口孔61***患者体内，并且机器人臂组件2514的入口导向器操纵器(EGM)202可以将入口导向器200朝着将要执行医疗程序的作业部位操控。设备231、241、211、200中的每个由其自己的操纵器操纵。具体地，摄像机211由摄像机操纵器(ECM)212操纵，第一外科手术工具231由第一器械操纵器(PSM1)232操纵，第二外科手术工具241由第二器械操纵器(PSM2)242操纵，并且入口导向器200由入口导向器操纵器(EGM)202操纵。
器械操纵器232、242、212中的每个是如下机械组件，其承载致动器并提供机械的无菌接口以将运动传输到其各自的铰接器械。每个器械231、241、211是如下机械组件，其接收来自其操纵器的运动并且通过电缆传输将该运动传送到远端铰接(例如，接头)。这些接头可以是棱柱的(例如，线性运动)或旋转的(例如，它们绕机械轴枢转)。此外，器械可以具有迫使多个接头以预定方式一起移动的内部机械约束件(例如，电缆、齿轮、凸轮和传送带等)。每组机械约束的接头实现特定的运动轴，并且约束件可以被设计为与旋转接头(例如，啮合关节)配对。还应注意的是，以这种方式，器械可以具有比可用致动器更多的接头。
输入设备41、42中的每个可以选择性地与设备211、231、241、200中的一个关联，使得关联的设备可以通过其控制器和操纵器由输入设备控制。操作员可以使用本文所描述的脚踏板44、48中的一个或两者以及本文所描述的其他部件和方法执行这种选择。对于每个这种选择，产生选择输入并将其提供到多路复用器(MUX)280，多路复用器也优选地由处理器43实现。根据选择输入所提供的值(即，l和0的组合)的不同，交叉转换的不同组合是可选择的。
作为第一示例，到MUX 280的选择输入的第一值将左输入设备41和右输入设备42置于“工具跟踪”操作模式，其中左输入设备41和右输入设备42分别与第一外科手术工具241和第二外科手术工具231关联。因此，在该操作模式下，工具231、241由外科医生操纵输入设备41、42，通过它们各自的控制器243(CTRL2)、233(CTRL1)和操纵器242、232被远程机器人式控制，以便当导向器200通过其控制器213(CTRLC)软锁定在适当位置(in place)时，在患者体内的作业部位对解剖结构执行医疗程序。摄像机211也可以通过其控制器213软锁定在适当位置，或者替换地，其可以移动以自动追踪工具231、241的末端执行器331、341的移动，使得末端执行器保持在摄像机的视野内。在该配置中，MUX 280交叉转换以：将输入设备41的输出251和输入252分别连接到工具控制器243的输入260和输出261；以及将输入设备42的输出253和输入254分别连接到工具控制器233的输入268和输出269。以这种方式，输入设备41、42可以命令工具241、231的移动，并从它们各自的控制器243、233接收触觉反馈。
当外科医生要重新定位摄像机211或入口导向器200时，左输入设备41和右输入设备42中的一个或两者可以与摄像机211或入口导向器200关联，使得外科医生可以通过其各自的控制器(213或203(CTRLG))和操纵器(212或202)移动摄像机211或入口导向器200。在该情况下，外科手术工具231、241中不关联的一个或多个通过其控制器锁定在相对于入口导向器200的适当位置。
作为第二示例，到MUX 280的选择输入的第二值将左输入设备41和右输入设备42中的一个置于单手摄像机控制模式(本文中简称为“摄像机”操作模式)，其中输入设备与摄像机211关联。因此，在该模式下，摄像机器械211由外科医生操纵关联的输入设备，通过其控制器213和操纵器212被远程机器人式控制，以便当外科手术工具231、241和入口导向器200通过其各自的控制器233、243、203软锁定在适当位置时，摆正(pose)摄像机211的位置。在该配置中，假定输入设备41要与摄像机211关联，MUX 280交叉转换以将输入设备41的输出251和输入252分别连接到摄像机控制器213的输入262和输出263。以这种方式，输入设备41可以命令铰接摄像机器械211的移动，并从其控制器213接收触觉反馈。另一个输入设备42此时可以与另一个设备关联，或此时不与任何其它设备关联。在后者的情况下，可以不使用输入设备42并优选地将其锁定在适当位置，或者替换地，其可以用于执行特定的功能，例如计算机鼠标。
作为第三示例，到MUX 280的选择输入的第三值将左输入设备41和右输入设备42置于“双手入口导向器定位模式”(本文简称为“入口导向器”操作模式)，其中它们作为一对输入设备与入口导向器200关联。因此，在该模式下，入口导向器200由外科医生操纵输入设备41、42，通过其控制器203和操纵器202被远程机器人式控制，以便当外科手术工具231、241和摄像机211通过其各自的控制器233、243、213软锁定在相对于入口导向器200的适当位置时，摆正(即，定位和定向)入口导向器200的位置。在该情况下，输入设备41、42可以协力用于控制入口导向器200，例如使用“虚拟手把”图像参考控制技术，在该技术中，输入设备41、42的枢轴点之间的中间点用于控制摄像机器械211的移动。在该配置中，MUX 280交叉转换以：将输入设备41的输出251和输入252分别连接到入口导向器控制器203的输入265和输出266；并且还将输入设备42的输出253和输入254分别连接到入口导向器控制器203的输入265和输出266。入口导向器控制器203包括将分别来自输入设备41、42的输入251、253进行组合以实现以下参考图7至图8如本文所描述的“入口导向器”操作模式。
作为示例，图7示出输入设备41、42的可移动参考系。具体地，具有在左手输入设备41顶端处的原点702的笛卡尔坐标系XLM、YLM、ZLM定义与左手输入设备41关联的第一可移动参考系，并且具有在右手输入设备42顶端处的原点712的笛卡尔坐标***XRM、YRM、ZRM定义与右手输入设备42关联的第二可移动参考系。在该情况下，每个输入设备还具有由其用户手动握住的夹子。具体地，输入设备41具有夹子701且输入设备42具有夹子710。在单个设备操作中，例如在如上所描述的“工具跟踪”和“摄像机”操作模式中，夹子的移动导致相对于固定参考系的输入设备的顶端参考系的移动，并且导致相对于入口导向器200的枢轴点的关联设备的对应移动。在该情况下，固定参考系被定义在控制台51的立体视觉显示器45处，其中x轴和y轴在立体图像的平面内，而z轴对应于图像的深度。
图8示出简化的(不按比例的)入口导向器200的透视图。入口导向器200的形状为大致圆柱形并且具有沿其长度在中心伸展的纵向轴X′。入口导向器200的枢轴点(也称为远程中心(RC))用作具有如图所示的X、Y和Z轴的固定参考系以及具有如图所示的X′、Y′和Z′轴的入口导向器参考系两者的原点。如先前所描述的，机器人臂2514的设置臂保持并定位入口导向器200，使得入口导向器200的远程中心在患者的入口孔61处。
当***100处于“入口导向器”操作模式时，输入设备41、42将通过外科医生以特定的方式移动，以命令入口导向器200的移动。具体地，当期望入口导向器200(以及此时设置在其内的铰接器械)以偏转角ψ绕处于远程中心“RC”处的Z轴(其在空间中保持固定)枢转时，外科医生以相同的方向将输入设备41、42两者的夹子移动到右边或左边，这取决于入口导向器200所旋转的方向(例如，如果到左边则顺时针方向，如果到右边则逆时针方向)。当期望入口导向器200(以及此时设置在其内的铰接器械)以俯仰角θ绕Y′轴(其正交于入口导向器200的纵向轴X′)枢转时，外科医生以相同的方向向上或向下移动输入设备41、42两者的夹子，使得当夹子701、710两者上移时，入口导向器200的远端下俯，以及当夹子701、710两者下移时，入口导向器200的远端上仰。当期望入口导向器200(以及此时设置在其内的铰接器械)以滚动角φ绕其纵向轴X′枢转时，外科医生向上移动一个输入设备的夹子，同时向下移动另一个输入设备的夹子，所以夹子绕在输入设备41、42的可移动参考系的原点702、712的中间的枢轴点720枢转。最后，当期望入口导向器200以***/收回或进/出“I/O”方向沿其纵向轴X′线性移动时，外科医生以相同的方向向前或向后移动输入设备41、42两者的夹子，使得当两个夹子向前移动时，入口导向器200以***方向向前移动，以及当两个夹子向后移动时，入口导向器200以收回方向向后移动。
除了上述三种操作模式外，到MUX 280的选择输入的第四值将左输入设备41和右输入设备42置于第四操作模式(本文简称为“组合(combo)控制”操作模式)，其中入口导向器200通过输入设备41、42按先前参考“入口导向器”操作模式所描述的协力移动而被移动。然而，在该模式下，器械231、241的末端执行器331、341通过它们各自的控制器233、243锚定在适当位置(即，在全局(world)参考系中保持在相同位置和定向)。为了做到这一点，器械控制器233、243命令它们各自的器械操纵器232、242以适当方式致动它们各自的铰接接头(例如，器械241的铰接接头323、325、327)，以在入口导向器200移动时适应器械的末端执行器331、341在适当位置的这种锚定。当处于“入口导向器”操作模式时，摄像机控制器213命令摄像机操纵器212将摄像机211可致动接头软锁定在适当位置，使得摄像机211的图像捕捉末端可以随着入口导向器200重新定向而重新定向。在该配置中，MUX 280交叉转换以：将输入设备41的输出251和输入252分别连接到入口导向器控制器203的输入265和输出266；并且还将输入设备42的输出253和输入254分别连接到入口导向器控制器203的输入265和输出266。入口导向器控制器203包括将分别来自输入设备41、42的输入251、253进行组合以实现“入口导向器”操作模式的逻辑。在入口导向器控制器203和器械控制器243、233之间耦合的控制逻辑命令器械控制器243、233命令它们各自的器械操纵器232、242以适当的方式致动它们各自的铰接接头，以在入口导向器200移动时适应器械的末端执行器331、341在适当位置的锚定。
题为“Medical Robotic System with Coupled Control Modes”的美国公开2010/0274087 Al(通过引用并入此处)提供医疗机器人***(例如，医疗机器人***100)中的耦合控制模式的附加细节。
图9示出用于选择机器人***的操作模式的由机器人***中的处理器实施的方法的流程图。在方框801中，机器人***处于当前操作模式。作为示例，当前操作模式可以是机器人***的正常操作模式，例如用于对患者的解剖结构执行医疗程序的“工具跟踪”操作模式。
在方框802中，该方法确定是否已经激活模式切换器，例如控制台51的右脚踏板44，在该情况下，当外科医生用脚压下它时，模式切换器被激活。模式切换器的其它示例包括输入设备41、42上的可压按钮，以及到语音识别***的语音命令。如果方框802中的确定为“否”，则方法循环回到方框801并保持机器人***在当前操作模式。另一方面，如果方框802中的确定为“是”，则在方框803中，该方法将机器人***置于第一操作模式(本文称为默认操作模式)，例如“组合控制”操作模式。优选地，默认操作模式是此时可用于选择的用户可选择的操作模式中最常选择的操作模式。通过使该操作模式成为默认操作模式，***通常会以期望的操作模式操作而无进一步处理延迟。
在方框804中，该方法等待直到其检测到通过***用户操纵一个或多个输入设备(例如，控制台51的可手动操纵的输入设备41、42)而采取的一些动作。在检测到已经采取动作之后，该方法确定该动作是否为第二操作模式(例如，“摄像机”操作模式)的区分动作。术语“区分动作”意思是唯一识别与此时所考虑的其他操作模式(其包括机器人***目前正操作的操作模式)相反/不同的操作模式的动作。具体地，其为用在所选择的操作模式中的而不是用在此时可用于选择的任何其他操作模式中的、由***用户在输入设备41、42中的一个或两个上执行的操纵动作。当“摄像机”操作模式和“组合控制”操作模式是此时唯一可用于选择的操作模式时，图11和图12中分别示出用于这两个操作模式的区分动作的示例。如果方框804中的确定为“是”，则在方框805中，该方法将机器人***置于第二操作模式。另一方面，如果方框804中的确定为“否”，则该方法返回到方框802。
当在第二操作模式中操作时，在方框806中，该方法确定模式切换器是否仍是激活的。如果方框806中的确定为“否”，则该方法循环回到方框802。另一方面，如果方框806中的确定为“是”，则在方框807中，该方法等待直到其检测到通过***用户操纵一个或多个输入设备(例如，控制台51的可手动操纵输入设备41、42)而采取的一些动作。在检测到已经采取动作之后，该方法确定该动作是否为第三操作模式的区分动作。如果方框807中的确定为“是”，则该方法将机器人***置于第三操作模式。另一方面，如果方框807中的确定为“否”，则该方法循环回到方框805以保持机器人***在第二操作模式。当在第三操作模式中操作时，在方框809中，该方法确定模式切换器是否仍是激活的。如果方框809中的确定为“否”，则该方法循环回到方框802。另一方面，如果方框809中的确定为“是”，则该方法循环回到方框808以保持机器人***在第三操作模式。
注意，在上述方法中，为了恢复到先前操作模式，必须释放模式切换器或对其解除激活，使得该方法在进行到期望的操作模式之前可以一直循环回到方框802。例如，如果机器人***此时以第三操作模式操作，而***用户期望恢复到第二操作模式，则***用户必须首先释放模式切换器，所以该方法跳回到方框802。***用户必须接着重新激活模式切换器并执行参考方框804所描述的区分第二操作模式的动作。
作为示例，图10示出用于选择机器人***的操作模式的由机器人***中的处理器所实施的替换方法的流程图。该替换方法修改图9的方法，以有助于恢复到先前操作模式，而不必一直循环回到方框802。在该方法中，方框801-809以与参考图9所述的方式大致相同的方式执行，但有以下例外。
作为第一例外，如果方框807中的确定为“否”，则在方框911中，该方法等待直到其检测到由操纵一个或多个输入设备(例如，控制台51的可手动操纵输入设备41、42)的***用户采取的一些动作，而不是直接循环回到方框805。在检测到已经采取动作之后，该方法确定该动作是否为第一操作模式的区分动作。如果方框911中的确定为“是”，则该方法跳回到方框803并将机器人***置于第一操作模式。另一方面，如果方框911中的确定为“否”，则该方法循环回到方框805以保持机器人***在第二操作模式。
作为第二例外，如果方框809中的确定为“是”，则在方框912中，该方法等待直到其检测到由操纵一个或多个输入设备(例如，控制台51的可手动操纵输入设备41、42)的***用户采取的一些动作，而不是直接循环回到方框808。在检测到已经采取动作之后，该方法确定该动作是否为第二操作模式的区分动作。如果方框912中的确定为“是”，则该方法跳回到方框805并将机器人***置于第二操作模式。另一方面，如果方框912中的确定为“否”，则该方法进行到方框914。在方框914中，该方法确定该动作是否为第一操作模式的区分动作。如果方框914中的确定为“是”，则该方法跳回到方框803并将机器人***置于第一操作模式。另一方面，如果方框914中的确定为“否”，则该方法循环回到方框808以保持机器人***在第三操作模式。
在如参考图9所描述的方法的情况下，任何时候确定已经对模式切换器解除了激活(即，模式切换器不再是激活的)，该方法就返回到方框802。作为对方框802、806和809中所作确定的替换，模式切换器的释放或解除激活可以用作将方法的处理自动返回到对应于图9和图10中方框801的处理点的***中断。
值得指出的是，当“组合控制”操作模式或“摄像机”操作模式为上述方法中的默认操作模式时，由于在这两个操作模式中，末端执行器由它们各自的控制器保持在适当位置，因此***用户不经意移动一个或多个输入设备将不会导致无意地移动工具231、241的末端执行器331、341。因此，在这两个操作模式中，末端执行器331、341的不经意移动击打在作业部位处的物体不是所关注的问题。
到目前为止，在本发明的各种实施例的描述中，假定了***用户知道哪些用户可选择的操作模式此时可用于选择以及用于可用的用户可选择的操作模式中的每一个的至少一个区分动作。然而，在实践中，不是所有***用户都具有该知识。当他们的注意力集中在使用机器人***执行程序时，即使有经验的用户也可能不容易记起这样的信息。因此，优选地，处理器43被配置为在显示器45上提供这种信息的图形指示，以帮助***用户结合参考图9和图10所描述的方法为机器人***选择操作模式。
优选地，参考图9和图10所描述的方法在方框804、807、911、912和914中所执行的它们各自的确定中采用常规阈值水平和/或低通滤波器，以防止用户不经意移动一个或多个输入设备导致操作模式的无意选择。当阈值水平被包括到这些方框中所做的确定时，随着用户移动一个或多个输入设备，该方法还优选地提供给用户感觉反馈，作为在这些方框中所采取动作的一部分，以便执行区分动作。以这种方式，用户知道此时他或她离阈值水平多近。这种感觉反馈可以采取控制台51的立体显示器45上的视觉反馈、控制台51的立体声扬声器411、412上的音频反馈、以及控制台51的输入设备41、42上的触觉反馈中的任何一个或任何组合的形式。作为一个示例，当提供输入设备41、42上的触觉反馈时，这种反馈可以随一个或多个输入设备41、42的操纵接近阈值水平而在强度上增加。作为另一个示例，当在立体声扬声器411、412上提供音频反馈时，可以随一个或多个输入设备41、42的操纵接近阈值水平提供似乎更靠近用户或仅仅变得更大声的立体声音。
图11和图12示出可以在机器人***的显示屏(例如，医疗机器人***100的立体视觉显示器45)上提供的图形信息的示例，以帮助***用户结合本文所描述的方法选择操作模式。尽管在分开的图中示出，但是优选地，此时可用于用户选择的所有操作模式一起被显示在立体视觉显示器45上，使得用户知道哪些操作模式是此时用户可选择的。
具体地，图11示出右输入设备42的右夹子710的图形表示710′和指示右夹子710可以如何移动的图形指示1300，以便当用户可选择的操作模式由“摄像机”操作模式和“组合控制”操作模式组成时，执行用于“摄像机”操作模式的区分动作。在该示例中，用于“摄像机”操作模式的区分动作是右夹子710绕其轴XRM的旋转，其为不在“组合控制”操作模式中执行的动作，因此将其与“组合控制”模式区分开。
尽管图11中引用了右夹子，但是***用户可以实际在左夹子或右夹子上执行区分动作。在一个实施例中，右夹子710的旋转将导致右输入设备42与摄像机移动的控制关联，而左夹子701的旋转将导致左输入设备41与摄像机移动的控制关联。在另一个实施例中，右夹子或左夹子的旋转将导致预选的输入设备与摄像机移动的控制关联。在该情况下，预选可以通过***用户与图形用户界面或本文描述的或在机器人***中常用的任何其他用户/***交互装置交互而执行。
图12示出左输入设备41的夹子701的图形表示701′和右输入设备42的夹子710的图形表示710′，以及指示输入设备41的夹子701和输入设备的夹子42的夹子710可以如何移动的图形指示1400、1500，以便当用户可选择的操作模式由“摄像机”操作模式和“组合控制”操作模式组成时，执行用于“组合控制”操作模式的区分动作。在该示例中，用于“组合控制”操作模式的区分动作是夹子701、710两者在向上方向上的移动，其不是例如在“摄像机”操作模式中执行的动作，因此将其与“摄像机”模式区分开。
图11中的图形指示1300包括指示阈值的目标1302，以及指示一个或多个输入设备的用户的操纵离阈值有多靠近或接近的箭头1301。同样地，图12中的图形指示1400、1500包括指示阈值的目标1402、1502，以及指示一个或多个输入设备的用户的操纵离阈值多靠近的箭头1401、1501。尽管图中所示的箭头指示已经达到阈值，但是应当理解，箭头将从首先确定指示特性动作的移动的时间点以及这种移动达到在图9和图10的方框804、807、911、912和914中为它们各自的操作模式所确定的阈值的时间点逐渐变得更长。
图11和图12中所示的区分动作可以表示***用户可以采取的以进入指示的操作模式的建议动作，或者其可以表示***用户可以采取的以进入指示的操作模式的唯一动作。在前者情况下，***被编程为响应任何区分动作(相对此时可用于选择的所有用户可选择的操作模式)以进入指示的操作模式。该选项可以适合于有经验的***用户，他们熟知此时可用于用户选择的操作模式的合适的区分动作。在后者情况下，***被编程为响应此时在立体视觉显示器45上示出的唯一区分动作，以进入指示的操作模式。该选项可以适合于无经验的***用户，他们缺乏对那些动作将被认为是用于可用操作模式的区分动作的了解，并且因此可能对不经意进入无意的操作模式感到惊讶。
注意，对于可用的操作模式的不同组合，用于选择操作模式的区分动作可以不同。在图11和图12的示例中，可用的操作模式为“摄像机”操作模式和“组合控制”操作模式。然而，如果可用的操作模式仅包括“工具跟踪”操作模式和“摄像机”操作模式，则用于“摄像机”操作模式的指示动作将不会将其与在“工具跟踪”操作模式中可能采用的动作区分开。在那种情况下，可以最初将“工具”跟踪操作模式设定为图9和图10的方框801中所示的当前操作模式，并且到“摄像机”操作模式的切换将要求参考图9和图10所描述的模式切换器。替换地，如果选择“摄像机”操作模式为图9和图10的方框803中的默认操作模式，则用于“工具跟踪”模式的区分动作将是输入设备41的夹子701或输入设备42的夹子710的挤压，其为不会在“摄像机”操作模式、“组合控制”操作模式或“入口导向器”操作模式中进行的动作。
尽管已经针对优选的实施例描述了本发明的各个方面，但是应当理解，本发明被赋予在所附权利要求的全部范围内的完全保护。

Claims (33)

1.一种可在多个操作模式中操作的机器人***，所述机器人***包括:
一个或多个输入设备，其用于所述多个操作模式中的每一个中；以及
处理器，其被配置为通过确定已经以区分选定的操作模式的方式操纵所述一个或多个输入设备，在所述多个操作模式中选择操作模式。
2.根据权利要求1所述的机器人***，其还包括：
模式切换器，其中所述模式切换器的激活指示所述机器人***的当前的操作模式可以被改变；
其中所述处理器被配置为在确定所述模式切换器已经被激活并且已经以将所述选定的操作模式与至少所述当前的操作模式区分开的方式操纵所述一个或多个输入设备之后，将所述机器人***的所述当前的操作模式改变到所述选定的操作模式。
3.根据权利要求2所述的***，其中所述处理器被配置为在所述模式切换器被解除激活后，将所述机器人***的操作模式从所述选定的操作模式改变回到先前的操作模式。
4.根据权利要求2所述的***，其中所述模式切换器适于通过操作员的脚激活，并且所述一个或多个输入设备中的每一个适于通过所述操作员的对应的手操纵。
5.根据权利要求2所述的***，其中所述处理器被配置为在确定已经以将所述先前的操作模式与至少所述选定的操作模式区分开的方式操纵所述一个或多个输入设备之后，将所述机器人***的操作模式从所述选定的操作模式改变回到先前的操作模式。
6.根据权利要求2所述的***，其中所述处理器被配置为通过对所述模式切换器解除激活、然后重新激活所述模式切换器，将所述机器人***的操作模式从所述选定的操作模式改变回到先前的操作模式。
7.根据权利要求1所述的***，其中所述处理器被配置为在区分所述选定的操作模式的、对所述一个或多个输入设备的操纵达到阈值水平之后，改变到所述选定的操作模式。
8.根据权利要求7所述的***，其中所述处理器被配置为将感觉反馈提供给所述一个或多个输入设备的操作员，该感觉反馈指示区分所述选定的操作模式的、对所述一个或多个输入设备的操纵何时接近所述阈值水平。
9.根据权利要求8所述的***，其中所述处理器被配置为通过将触觉反馈提供在所述一个或多个输入设备上，将所述感觉反馈提供给所述操作员。
10.根据权利要求9所述的***，其中所述处理器被配置为随着对所述一个或多个输入设备的操纵接近所述阈值水平，使所述一个或多个输入设备上的所述触觉反馈在强度上增加。
11.根据权利要求8所述的***，其中所述处理器被配置为通过将视觉反馈提供给所述操作员，将所述感觉反馈提供给所述操作员。
12.根据权利要求11所述的***，其还包括：
显示器；
其中所述处理器被配置为通过将图形指示显示在所述显示器上，将所述视觉反馈提供给所述操作员，以便指示对所述一个或多个输入设备的操纵何时接近所述阈值水平。
13.根据权利要求8所述的***，其中所述处理器被配置为通过将音频反馈提供给所述操作员，将所述感觉反馈提供给所述操作员。
14.根据权利要求1所述的***，其还包括：
显示器；
其中所述处理器被配置为将一个或多个图形指示显示在所述显示器上，其中每一个图形指示指示将所述多个操作模式中的对应一个操作模式与所述多个操作模式中的其他操作模式区分开的、对所述一个或多个输入设备的操纵。
15.根据权利要求14所述的***，其中所述一个或多个输入设备包括一对输入设备，其中所述多个操作模式包括第一操作模式和第二操作模式，其中在所述第一操作模式中，该对输入设备都***纵，而在所述第二操作模式中，该对输入设备中的仅一个***纵，使得当该对输入设备中的仅一个***作时，由所述处理器选择所述第二操作模式。
16.根据权利要求15所述的***，其中当操作员以预定方式操纵该对输入设备中的仅一个时，由所述处理器选择所述第二操作模式。
17.根据权利要求15所述的***，其中当操作员以预定方式操纵该对输入设备的两者时，由所述处理器选择所述第一操作模式。
18.根据权利要求15所述的***，其还包括：
入口导向器；
延伸通过所述入口导向器的铰接摄像机器械；
其中所述入口导向器具有沿中心轴的枢轴点，所述中心轴延伸通过所述入口导向器的近端和远端；其中在所述第一操作模式中，所述入口导向器可控地绕所述枢轴点可枢转，以便响应于该对输入设备的预定移动而绕所述枢轴点枢转所述铰接摄像机器械；并且其中在所述第二操作模式中，响应于该对输入设备中的关联一个的移动，所述入口导向器是不动的且所述铰接摄像机器械的远端是可移动的。
19.根据权利要求18所述的***，其中所述机器人***还包括：
延伸通过所述入口导向器的至少一个铰接工具器械，其中通过在所述第一操作模式和第二操作模式期间所述处理器控制所述至少一个铰接工具器械的远端的铰接，所述至少一个铰接工具器械的远端可控地保持在相对于固定参考系的适当位置。
20.一种用于选择机器人***的多个操作模式中的一个的方法，所述方法包括：
通过确定已经以区分选定的操作模式的方式操纵用于所述多个操作模式中的每一个中的一个或多个输入设备，在所述多个操作模式中选择操作模式。
21.根据权利要求20所述的方法，其还包括：
确定模式切换器的激活状态，其中所述模式切换器的激活指示所述机器人***的当前的操作模式可以被改变；以及
在确定所述模式切换器已经被激活并且已经以将所述选定的操作模式与至少所述当前的操作模式区分开的方式操纵所述一个或多个输入设备之后，将所述机器人***的所述当前的操作模式改变到所述选定的操作模式。
22.根据权利要求21所述的方法，其还包括：
在所述模式切换器被解除激活后，将所述机器人***的操作模式从所述选定的操作模式改变回到现任的先前的操作模式。
23.根据权利要求21所述的方法，其还包括：
在确定已经以将所述先前的操作模式与至少所述选定的操作模式区分开的方式操纵所述一个或多个输入设备之后，将所述机器人***的操作模式从所述选定的操作模式改变回到先前的操作模式。
24.根据权利要求21所述的方法，其还包括：
通过对所述模式切换器解除激活、然后重新激活所述模式切换器，将所述机器人***的操作模式从所述选定的操作模式改变回到先前的操作模式。
25.根据权利要求20所述的方法，其还包括：
在区分所述选定的操作模式的、对所述一个或多个输入设备的操纵达到阈值水平之后，将所述机器人***的当前的操作模式改变到所述选定的操作模式。
26.根据权利要求25所述的方法，其还包括：
将感觉反馈提供给所述一个或多个输入设备的操作员，所述感觉反馈指示区分所述选定的操作模式的、对所述一个或多个第二输入设备的操纵何时接近所述阈值水平。
27.根据权利要求26所述的方法，其中将所述感觉反馈提供给所述操作员包括将触觉反馈提供在所述一个或多个输入设备上。
28.根据权利要求27所述的方法，其中将所述触觉反馈提供在所述一个或多个输入设备上包括使所述触觉反馈随着对所述一个或多个输入设备的操纵接近所述阈值水平而在强度上增加。
29.根据权利要求26所述的方法，其中将所述感觉反馈提供给所述操作员包括将视觉反馈提供给所述操作员。
30.根据权利要求29所述的方法，其中将所述视觉反馈提供给所述操作员包括将图形指示显示在所述一个或多个输入设备的操作员可视的显示器上，以便向所述操作员指示对所述一个或多个输入设备的操纵何时接近所述阈值水平。
31.根据权利要求26所述的方法，其中将所述感觉反馈提供给所述操作员包括将音频反馈提供给所述操作员。
32.根据权利要求20的所述方法，其还包括：
将一个或多个图形指示显示在所述一个或多个输入设备的操作员可视的显示器上，其中每一个图形指示指示将所述多个操作模式中的对应一个操作模式与所述多个操作模式中的其他操作模式区分开的、对所述一个或多个输入设备的操纵。
33.一种机器人***，其包括：
至少一个输入设备；
入口导向器；
铰接摄像机器械，其具有延伸出所述入口导向器的远端的图像捕捉端；
至少一个铰接工具器械，其具有延伸出所述入口导向器的所述远端的工作端；以及
耦合控制装置，其用于响应于所述至少一个输入设备的移动而使所述入口导向器绕枢轴点枢转，以便重新定向所述入口导向器的所述远端和所述铰接摄像机器械的所述图像捕捉端，同时通过调节所述至少一个铰接工具器械的铰接来维持所述至少一个铰接工具器械的所述工作端相对于固定参考系的姿势。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20141015

Assignee: Intuitive medical Co.

Assignor: INTUITIVE SURGICAL OPERATIONS, Inc.

Contract record no.: X2022990000315

Denomination of invention: User selection of operation mode of robot system using mode to distinguish operator action

Granted publication date: 20170627

License type: Common License

Record date: 20220620