CN115334993A - 用于医疗器械的约束运动控制的***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于医疗器械的约束运动控制的***和方法。在一个方面，机器人***包括器械，该器械具有端部执行器；机器人臂，该机器人臂被配置成控制该器械和该端部执行器的移动；和输入装置，该输入装置被配置成接收用于控制该器械和该端部执行器的移动的输入。该器械能够以与该输入装置不同数量的自由度(DOF)移动。该***被配置成：确定将该输入装置的该输入与用于实现由该输入指示的该端部执行器的运动的机器人臂命令相关联的雅可比矩阵；经由丢弃该雅可比矩阵的至少一行来修改该雅可比矩阵；以及基于所修改的雅可比矩阵来确定用于实现由该输入指示的该器械的该运动的机器人臂命令。

Description

用于医疗器械的约束运动控制的***和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年3月26日提交的美国临时申请63/000,093的权益，该美国临时申请据此全文以引用方式并入。

技术领域

本文所公开的***和方法涉及用于控制医疗器械的***和方法，并且更具体地涉及医疗器械的约束运动控制。

背景技术

医疗规程(诸如腹腔镜检查)可以涉及使用一个或多个机器人臂进入患者的内部区域以将医疗器械***到患者的内部区域中。在腹腔镜规程中，医疗器械可通过腹腔镜插管***到内部区域中。在某些规程中，机器人使能的医疗***可用于控制一个或多个医疗器械的***和/或操纵。机器人使能的医疗***可以具有用户输入，该用户输入被配置成由用户以许多自由度(DOF)操纵。取决于在输入控制下的特定医疗器械，其中器械能够移动的DOF的数量可以不同于输入能够控制、命令和/或移动的DOF的数量。

发明内容

本公开的***、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所公开的期望属性。

在一个方面，提供了一种机器人***，包括：器械，该器械具有端部执行器；机器人臂，该机器人臂被配置成控制器械和端部执行器的移动；输入装置，该输入装置被配置成接收用于控制器械和端部执行器的移动的输入，其中器械能够以与输入装置不同数量的自由度(DOF)移动；至少一个处理器；和至少一个计算机可读存储器，该至少一个计算机可读存储器与一组一个或多个处理器通信并且在其上存储有计算机可执行指令以致使至少一个处理器：确定将输入装置的输入与用于实现由输入指示的端部执行器的运动的机器人臂命令相关联的雅可比矩阵，经由丢弃雅可比矩阵的至少一行来修改雅可比矩阵，以及基于所修改的雅可比矩阵来确定用于实现由输入指示的器械的运动的机器人臂命令。

在另一方面，提供了一种用于控制医疗器械的端部执行器的移动的方法，该方法包括：经由输入装置接收用于控制器械的移动的输入，该器械具有与输入装置不同数量的DOF；确定将输入装置的输入与用于实现由输入指示的端部执行器的运动的机器人臂命令相关联的雅可比矩阵；经由丢弃雅可比矩阵的至少一行来修改雅可比矩阵；以及基于所修改的雅可比矩阵来确定用于实现由输入指示的器械的运动的机器人臂命令。

在又一方面，提供了一种机器人***，包括：器械，该器械具有端部执行器；机器人臂，该机器人臂被配置成控制器械和端部执行器的移动；输入装置，该输入装置被配置成接收用于控制端部执行器的移动的输入命令，其中器械能够以比输入装置更少数量的DOF移动；至少一个处理器；和至少一个计算机可读存储器，该至少一个计算机可读存储器与一组一个或多个处理器通信并且在其上存储有计算机可执行指令以致使至少一个处理器：从输入装置接收用于控制端部执行器的移动的输入命令，经由丢弃与端部执行器的不可实现的移动相对应的输入命令的一部分来修改输入命令，以及基于所修改的输入命令来确定用于控制端部执行器的移动的机器人臂移动。

在又另一方面，提供了一种用于控制医疗器械的端部执行器的移动的方法，该方法包括：经由输入装置接收用于控制端部执行器的移动的输入命令，该端部执行器具有比输入装置更少数量的DOF；将输入命令变换为端部执行器坐标系；确定端部执行器坐标系中的端部执行器雅可比矩阵；经由丢弃端部执行器雅可比矩阵的至少一行来修改端部执行器雅可比矩阵；以及基于所修改的雅可比矩阵来确定用于实现由输入指示的端部执行器的运动的机器人臂命令。

在又一方面，提供了一种机器人***，该机器人***包括：器械，该器械具有端部执行器；机器人臂，该机器人臂被配置成控制器械和端部执行器的移动；输入装置，该输入装置被配置成接收用于控制器械和端部执行器的移动的输入，其中器械能够以与输入装置不同数量的DOF移动；至少一个处理器；和至少一个计算机可读存储器，该至少一个计算机可读存储器与一组一个或多个处理器通信并且在其上存储有计算机可执行指令以致使至少一个处理器：确定将输入装置的输入与用于实现由输入指示的端部执行器的运动的机器人臂命令相关联的雅可比矩阵，该雅可比矩阵将端部执行器的参考系与机器人***的世界参考系相关联，经由丢弃雅可比矩阵的至少一行来修改雅可比矩阵，以及基于所修改的雅可比矩阵来确定用于实现由输入指示的器械的运动的机器人臂命令。

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性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人***的实施方案。

图2描绘了图1的机器人***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***的实施方案。

图4示出了被布置用于血管规程的图1的机器人***的实施方案。

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***的实施方案。

图6提供了图5的机器人***的另选视图。

图7示出了被配置成收起一个或多个机器人臂的示例性***。

图8示出了被配置用于输尿管镜检查规程的基于台的机器人***的实施方案。

图9示出了被配置用于腹腔镜规程的基于台的机器人***的实施方案。

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***的实施方案。

图11提供了图5至图10的台和基于台的机器人***的柱之间的接口的详细图示。

图12示出了基于台的机器人***的另选实施方案。

图13示出了图12的基于台的机器人***的端视图。

图14示出了其上附接有机器人臂的基于台的机器人***的端视图。

图15示出了示例性器械驱动器。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。

图18示出了具有基于器械的***架构的器械。

图19示出了示例性控制器。

图20描绘了根据示例性实施方案的框图，该框图示出了估计图1至图10的机器人***的一个或多个元件的位置(诸如图16至图18的器械的位置)的定位***。

图21示出了根据本公开的各方面的可以由机器人***控制的欠致动的器械的示例。

图22A和图22B分别示出了处于打开位置和闭合位置的图21的器械的端部执行器。

图23示出了根据本公开的各方面的可用于经由一个或多个机器人臂控制医疗器械的移动的示例性输入装置。

图24示出了根据本公开的各方面的图23所示的柄部中的一个柄部的近距离视图。

图25示出了示例性框图，该框图示出了根据本公开的各方面的如何可以使用逆运动学来确定机器人臂的接头方位。

图26示出了根据本公开的各方面的相对于不同参考系的5-DOF医疗器械。

图27是示出根据本公开的各方面的能够由机器人***或其部件操作以用于执行医疗器械的约束运动控制的示例性方法的流程图。

图28是示出根据本公开的各方面的能够由机器人***或其部件操作以使医疗器械的输入装置和端部执行器对准的示例性方法的流程图。

具体实施方式

1.概述。

本公开的各方面可集成到机器人使能的医疗***中，该机器人使能的医疗***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，***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，***可以提供附加的益处，诸如增强的成像和指导以帮助医师。另外，该***可以为医师提供从人体工程学方位执行规程的能力，而不需要笨拙的臂运动和位置。另外，该***可以为医师提供以改进的易用性执行规程的能力，使得***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种实施方案。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***–推车。

机器人使能的医疗***可以按多种方式配置，这取决于特定规程。图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人使能的***10的实施方案。在支气管镜检查期间，***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特定的支气管镜)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，可以致动机器人臂12以相对于进入点定位支气管镜。当用胃镜(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示例性实施方案。

继续参考图1，一旦推车11被正确定位，机器人臂12就可以机器人地、手动地或以其组合将可操纵内窥镜13***患者体内。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，每个部分耦合到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器耦合到单独的机器人臂的远侧端部。有利于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”可以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。本文所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***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的角度可以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的角度和方位代表了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中。

在***之后，内窥镜13可以使用来自机器人***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，内窥镜13可***纵以从外部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还允许引导件部分和护套部分彼此独立地被驱动。

例如，内窥镜13可被导向以将活检针递送到目标，诸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本。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可以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。

***10还可包括可运动塔30，该可运动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。将这样的功能放置在塔30中允许可以由操作医师和他/她的工作人员更容易地调整和/或重新定位的更小形状因子的推车11。另外，在推车/台和支撑塔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过程期间不挡道。

为了支持上述机器人***，塔30可包括基于计算机的控制***的部件，该基于计算机的控制***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以控制整个***或其子***。例如，当由计算机***的处理器执行时，指令可致使机器人***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***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***来控制。在一些实施方案中，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、更可运动的推车11。

塔30还可包括用于在整个机器人***10中部署的传感器的支撑设备。例如，塔30可包括用于在整个机器人***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设备。结合控制***，此类光电设备可用于生成实时图像，以用于在整个***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***。塔30还可用于容纳和定位EM场发生器，以便由医疗器械中或医疗器械上的EM传感器进行检测。

除了***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者的用户界面和显示屏，诸如触摸屏。***10中的控制台通常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状况或生命体征和***10的操作，以及提供规程特定的数据，诸如导航和定位信息。在其他实施方案中，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)耦合到推车11和内窥镜13。在一些实施方案中，可通过单根缆线向推车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。在其他实施方案中，特定功能可耦合在单独的布线和连接中。例如，虽然可以通过单个缆线向推车11提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控件、光学器件、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***的推车11的实施方案的详细图示。推车11通常包括细长支撑结构14(通常称为“柱”)、推车基部15以及柱14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可包括可单独配置的臂安装件，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还包括托架接口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，该狭槽定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包括竖直平移接口以将托架17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的到达范围以满足各种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独配置的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种配置成角度。

在一些实施方案中，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部署。盖在卷轴内盘绕，直到在托架17竖直地上下平移时被部署成从盖的盘绕状态延伸和回缩。当托架17朝向卷轴平移时，卷轴的弹簧加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可在内部包括诸如齿轮和马达之类的机构，其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12可用的独立自由度。机器人臂12中的每个机器人臂可具有七个接头，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。具有冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连接件位置和接头角度将其相应的端部执行器22定位在空间中的特定方位、取向和轨迹处。这允许***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和机器人臂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11能够运动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车11在规程之前容易地围绕房间运动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当方位之后，脚轮25可以使用轮锁固定，以在规程期间将推车11保持在适当方位。

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界面和显示屏(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以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可以被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧面进入控制台16。从该方位，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还包括用以帮助操纵和稳定推车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***10的实施方案。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特定的内窥镜)递送到患者的下腹部区域。在输尿管镜检查中，可以期望输尿管镜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可以在台的脚部处对准，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***患者的下腹部中。

在***到尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，输尿管镜32可以被导航到膀胱、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示出了类似地被布置用于血管规程的机器人使能的***10的实施方案。在血管规程中，***10可被配置成使得推车11可将医疗器械34(诸如可操纵导管)递送至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可以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***到动脉中之后，可通过平移器械驱动器28来导向和***医疗器械34。另选地，推车可以被定位在患者的上腹部周围，以到达另选的血管进入点，诸如肩部和腕部附近的颈动脉和臂动脉。

B.机器人***–台。

机器人使能的医疗***的实施方案还可结合患者的台。结合台通过移除推车减少了手术室内的资本设备的量，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此类机器人使能的***的实施方案。***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***非常相似，***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***36的另选视图。如图所示，柱37可包括在***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的长度延伸的竖直柱接口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可以使用定位在柱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。在具有多个托架的实施方案中，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，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移允许***36将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者上的不同进入点中。在其他实施方案(未示出)中，***36可包括具有可调式臂支撑件的病人检查台或病床，该可调式臂支撑件呈在病人检查台或病床旁边延伸的杆或导轨的形式。一个或多个机器人臂39(例如，经由具有肘接头的肩部)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有利地能够紧凑地存放在病人检查台或病床下方，并且随后在规程期间升高。

机器人臂39可通过包括一系列接头的一组臂安装件45安装在托架43上，该接头可单独地旋转和/或伸缩地延伸以向机器人臂39提供附加的可配置性。另外，臂安装架45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装架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43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，以及用以机械化基于导螺杆的托架43的平移的马达。柱37还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还可结合刚性脚轮以在规程期间提供稳定性。从台基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两侧沿相反方向延伸，并且当***36需要运动时回缩。

继续图6，***36还可以包括塔(未示出)，该塔使***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。如在先前所公开的实施方案中，塔可以向台提供多种支持功能，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46中有更多的储存空间，以用于机器人臂39的潜在收起。塔还可以包括主控制器或控制台，其提供用于用户输入的用户界面(诸如键盘和/或挂件)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)两者。在一些实施方案中，塔还可包括用于待用于注气的气罐的夹持器。

在一些实施方案中，台基部可以在不使用时收起和储存机器人臂。图7示出了在基于台的***的实施方案中收起机器人臂的***47。在***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和机器人臂50，并且闭合以收起该托架、臂安装件和机器人臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可以利用膜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示出了被配置用于输尿管镜检查规程的机器人使能的基于台的***的实施方案。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可以围绕枢转点(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可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接***患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可以固定至台38的旋转部分55，以在规程期间支撑患者的腿部的方位，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***患者的解剖结构中。在一些实施方案中，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，可以引导器械执行外科或医疗任务，诸如抓握、切割、消融、缝合等。在一些实施方案中，器械可以包括镜，诸如腹腔镜。图9示出了被配置用于腹腔镜规程的机器人使能的基于台的***的实施方案。如图9所示，***36的托架43可以被旋转并且竖直调节，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。

为了适应腹腔镜检查规程，机器人使能的台***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节的机器人使能的医疗***的实施方案。如图10所示，***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可以旋转以匹配倾斜，使得机器人臂39与台38保持相同的平面关系。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接触地板或与台基部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可以被配置成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中进行倾斜调节，而沿另一个螺钉6的旋转将使得能够沿另一个轴线2进行倾斜调节。在一些实施方案中，可使用球形接头来在多个自由度上改变台38相对于柱37的俯仰角。

例如，当试图将台定位在头低脚高位(即，将患者的下腹部定位在比患者的上腹部距地板更高的方位)以用于下腹部手术时，俯仰调节特别有用。头低脚高位致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***切除术。

图12和图13示出了基于台的外科机器人***100的另选实施方案的等轴视图和端视图。外科机器人***100包括可被配置成相对于台101支撑一个或多个机器人臂(参见例如图14)的一个或多个可调式臂支撑件105。在例示的实施方案中，示出了单个可调式臂支撑件105，但是附加的臂支撑件可设置在台101的相对侧上。可调式臂支撑件105可被配置成使得其可相对于台101运动，以调节和/或改变可调式臂支撑件105和/或安装到该可调式臂支撑件的任何机器人臂相对于台101的方位。例如，可调式臂支撑件105可相对于台101被调节一个或多个自由度。可调式臂支撑件105为***100提供高灵活性，包括容易地将一个或多个可调式臂支撑件105和附接到其的任何机器人臂收起在台101下方的能力。可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面下方的方位。在其他实施方案中，可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面上方的方位。

可调式臂支撑件105可提供若干自由度，包括提升、侧向平移、倾斜等。在图12和图13的例示实施方案中，臂支撑件105被配置成具有四个自由度，这些自由度在图12中用箭头示出。第一自由度允许在z方向上(“Z提升”)调节可调式臂支撑件105。例如，可调式臂支撑件105可包括托架109，该托架被配置成沿或相对于支撑台101的柱102向上或向下运动。第二自由度可允许可调式臂支撑件105倾斜。例如，可调式臂支撑件105可包括旋转接头，该旋转接头可允许可调式臂支撑件105在头低脚高位与床对准。第三自由度可允许可调式臂支撑件105“向上枢转”，这可用于调节台101的一侧与可调式臂支撑件105之间的距离。第四自由度可允许可调式臂支撑件105沿台的纵向长度平移。

图12和图13中的外科机器人***100可包括由安装到基部103的柱102支撑的台。基部103和柱102相对于支撑表面支撑台101。地板轴线131和支撑轴线133在图13中示出。

可调式臂支撑件105可安装到柱102。在其他实施方案中，臂支撑件105可安装到台101或基部103。可调式臂支撑件105可包括托架109、杆或导轨连接件111以及杆或导轨107。在一些实施方案中，安装到轨道107的一个或多个机器人臂可相对于彼此平移和运动。

托架109可通过第一接头113附接到柱102，该第一接头允许托架109相对于柱102运动(例如，诸如沿第一轴线或竖直轴线123上下运动)。第一接头113可向可调式臂支撑件105提供第一自由度(“Z提升”)。可调式臂支撑件105可包括第二接头115，该第二接头为可调式臂支撑件105提供第二自由度(倾斜)。可调式臂支撑件105可包括第三接头117，该第三接头可为可调式臂支撑件105提供第三自由度(“向上枢转”)。可提供附加接头119(在图13中示出)，该附加接头机械地约束第三接头117以在导轨连接件111围绕第三轴线127旋转时保持导轨107的取向。可调式臂支撑件105可包括第四接头121，该第四接头可沿着第四轴线129为可调式臂支撑件105提供第四自由度(平移)。

图14示出了根据一个实施方案的具有安装在台101的相对侧上的两个可调式臂支撑件105A、105B的外科机器人***140A的端视图。第一机器人臂142A附接到第一可调式臂支撑件105B的杆或导轨107A。第一机器人臂142A包括附接到导轨107A的基部144A。第一机器人臂142A的远侧端部包括可附接到一个或多个机器人医疗器械或工具的器械驱动机构146A。类似地，第二机器人臂142B包括附接到导轨107B的基部144B。第二机器人臂142B的远侧端部包括器械驱动机构146B。器械驱动机构146B可被配置成附接到一个或多个机器人医疗器械或工具。

在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者包括具有七个或更多个自由度的臂。在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者可包括八个自由度，包括***轴线(包括***的1个自由度)、腕部(包括腕部俯仰、偏航和滚动的3个自由度)、肘部(包括肘部俯仰的1个自由度)、肩部(包括肩部俯仰和偏航的2个自由度)以及基部144A、144B(包括平移的1个自由度)。在一些实施方案中，***自由度可由机器人臂142A、142B提供，而在其他实施方案中，器械本身经由基于器械的***架构提供***。

C.器械驱动器和接口。

***的机器人臂的端部执行器可包括：(i)器械驱动器(另选地称为“器械驱动机构”或“器械装置操纵器”)，该器械驱动器结合了用于致动医疗器械的机电装置；以及(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，该医疗器械可以没有任何机电部件，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设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，医疗器械可以被设计成从器械驱动器(以及因此从***)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15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，该一个或多个驱动单元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度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(例如，如图15所示为四个)独立的驱动输出。在操作中，控制电路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测量的所得马达速度与期望速度进行比较，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***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设备，诸如器械驱动器、机器人臂和推车(在基于推车的***中)或台(在基于台的***中)。覆盖件的使用将允许资本设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16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***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/或耦合时，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。在一些实施方案中，驱动输出部74可以包括花键，其被设计成与驱动输入部73上的插座配合。

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)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接头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74接收到的扭矩而进行关节运动和弯曲。

使用沿着细长轴71的腱沿着细长轴71传递来自器械驱动器75的扭矩。这些单独的腱(诸如，牵拉线)可以单独地锚定至器械柄部72内的单独的驱动输入部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，或者锚定在细长轴的远侧部分处的腕部中。在外科手术诸如腹腔镜、内窥镜或混合手术期间，这些腱可以耦合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。在一些实施方案中，在外科手术期间，腱可以致使接头围绕轴线旋转，从而致使端部执行器沿一个方向或另一个方向运动。另选地，腱可以连接到细长轴71的远侧端部处的抓握器的一个或多个钳口，其中来自腱的张力致使抓握器闭合。

在内窥镜检查中，腱可以经由粘合剂、控制环或其他机械固定件耦合到沿着细长轴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递，从而引起较软的弯曲节段(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/或它们之间的间隔，其中更紧的螺旋在负载力下表现出较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但限制弯曲。在另一种情况下，可以平行于细长轴71的纵向轴线来导向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71可以在轴71的远侧端部处包括用于部署外科工具(或医疗器械)、对手术区域进行冲洗和/或抽吸的工作通道。轴71还可以适应线和/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，该光学组件可以包括光学相机。轴71也可以适应光纤，以将来自位于近侧的光源(诸如，发光二极管)的光载送到轴71的远侧端部。

在器械70的远侧端部处，远侧末端还可以包括用于递送用于诊断和/或治疗的工具、对手术部位进行冲洗和抽吸的工作通道的开口。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16的示例中，驱动轴轴线以及因此驱动输入部轴线与细长轴71的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚动能力复杂化。在保持驱动输入部73静止的同时沿着其轴线使细长轴71滚动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。所得到的这样的腱的缠结可能破坏旨在在内窥镜规程期间预测柔性细长轴71的运动的任何控制算法。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，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80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传送至旋转组件83，该电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来保持。在其他实施方案中，旋转组件83可以响应于集成到不可旋转部分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81作为单个单元围绕器械驱动器轴线85旋转。

与先前所公开的实施方案类似，器械86可以包括细长轴部分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)，该器械基部包括被配置成接收器械驱动器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)。与先前公开的实施方案不同，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16的设计中那样正交。

当耦合到器械驱动器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的旋转致使器械轴88围绕其自身的纵向轴线旋转。此外，当器械基部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。

图18示出了根据一些实施方案的具有基于器械的***架构的器械。器械150可耦合到上文所述的器械驱动器中的任一个器械驱动器。器械150包括细长轴152、连接到轴152的端部执行器162和耦合到轴152的柄部170。细长轴152包括管状构件，该管状构件具有近侧部分154和远侧部分156。细长轴152沿着其外表面包括一个或多个通道或凹槽158。凹槽158被配置成接纳通过该凹槽的一根或多根线材或缆线180。因此，一根或多根缆线180沿着细长轴152的外表面延伸。在其他实施方案中，缆线180也可穿过细长轴152。所述一根或多根缆线180的操纵(例如，经由器械驱动器)使得端部执行器162的致动。

器械柄部170(也可称为器械基部)通常可包括附接接口172，该附接接口具有一个或多个机械输入件174，例如插孔、滑轮或卷轴，所述一个或多个机械输入件被设计成与器械驱动器的附接表面上的一个或多个扭矩耦合器往复地配合。

在一些实施方案中，器械150包括使得细长轴152能够相对于柄部170平移的一系列滑轮或缆线。换句话讲，器械150本身包括基于器械的***架构，该架构适应器械的***，从而使对机器人臂的依赖最小化以提供器械150的***。在其他实施方案中，机器人臂可以很大程度上负责器械***。

E.控制器。

本文所述的机器人***中的任一个机器人***可包括用于操纵附接到机器人臂的器械的输入装置或控制器。在一些实施方案中，控制器可与器械(例如，通信地、电子地、电气、无线地和/或机械地)耦合，使得控制器的操纵例如经由主从控制而致使器械对应操纵。

图19是控制器182的实施方案的透视图。在本实施方案中，控制器182包括可具有阻抗和导纳控制两者的混合控制器。在其他实施方案中，控制器182可仅利用阻抗或被动控制。在其他实施方案中，控制器182可仅利用导纳控制。通过作为混合控制器，控制器182有利地在使用时可具有较低的感知惯性。

在例示的实施方案中，控制器182被配置成允许操纵两个医疗器械，并且包括两个柄部184。柄部184中的每个柄部连接到万向支架186。每个万向支架186连接到定位平台188。

如图19中所示，每个定位平台188包括通过棱柱接头196耦合到柱194的SCARA臂(选择顺应性装配机器人臂)198。棱柱接头196被配置成沿着柱194(例如，沿着导轨197)平移，以允许柄部184中的每个柄部在z方向上平移，从而提供第一自由度。SCARA臂198被配置成允许柄部184在x-y平面中运动，从而提供两个附加自由度。

在一些实施方案中，一个或多个负荷传感器定位在控制器中。例如，在一些实施方案中，负荷传感器(未示出)定位在万向支架186中的每个万向支架的主体中。通过提供负荷传感器，控制器182的部分能够在导纳控制下操作，从而在使用时有利地减小控制器的感知惯性。在一些实施方案中，定位平台188被配置用于导纳控制，而万向支架186被配置用于阻抗控制。在其他实施方案中，万向支架186被配置用于导纳控制，而定位平台188被配置用于阻抗控制。因此，对于一些实施方案，定位平台188的平移自由度或方位自由度可依赖于导纳控制，而万向支架186的旋转自由度依赖于阻抗控制。

F.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，本公开所设想的机器人***可以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设备的量。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方位。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20是示出根据示例性实施方案的估计机器人***的一个或多个元件的位置(诸如器械的位置)的定位***90的框图。定位***90可以是被配置成执行一个或多个指令的一组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。以举例的方式而非限制，计算机装置可以位于图1所示的塔30、图1至图4所示的推车11、图5至图14所示的床等中。

如图20所示，定位***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。可以从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14/523,760中有所讨论，其内容全文并入本文中。网络拓扑模型也可以从CT图像中导出，并且特别适合于支气管镜检查。

在一些实施方案中，器械可以配备有相机以提供视觉数据(或图像数据)92。定位模块95可处理视觉数据92以实现一个或多个基于视觉的(或基于图像的)位置跟踪模块或特征部。例如，术前模型数据91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***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。在外科手术进行时，机器人***可以参考该库，以便将在相机(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可以使用实时EM跟踪来生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该全局坐标系可以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***)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外科手术进行时“配准”到患者解剖结构(例如，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术前模型中的方位对准的几何变换。一旦配准，医疗器械的一个或多个方位(例如，内窥镜的远侧末端)中的嵌入式EM***可以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***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。在外科手术进行时，这些校准测量可以与已知的***深度信息结合使用，以估计器械的方位。另选地，这些计算可以结合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方位。

如图20所示，定位模块95可以使用多个其他输入数据。例如，尽管在图20中未示出，但是利用形状感测纤维的器械可以提供定位模块95可以用来确定器械的位置和形状的形状数据。

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***可以被设计成结合以上技术中的一种或多种技术的组合。位于塔、床和/或推车中的机器人***的基于计算机的控制***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致使***接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个***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方位、解剖图等。

2.医疗器械的约束运动控制。

本公开的实施方案涉及用于医疗器械的约束运动控制的***和技术。如本文所述，机器人***(例如，图1的***10或图14的***140A)可用于使用输入装置(例如，图19所示的控制器182)控制一个或多个医疗器械(例如，图1的可操纵内窥镜13、图4的医疗器械34或图18的器械150)，该输入装置被配置成接收用于控制器械的移动的用户输入。

不同的医疗器械可能能够以不同数量的自由度(DOF)移动。当医疗器械能够移动的DOF的数量与输入装置能够由用户操纵的DOF的数量不同时，在将输入装置的移动映射到用于以医疗装置能够移动的DOF移动医疗器械的命令中可能存在挑战。对于某些具体实施，医疗器械可能能够以比输入装置更少的DOF移动。当医疗器械被约束为以比对特定任务可能有益的DOF更少的DOF移动时，医疗器械可以被描述为“欠致动的”。例如，方位和取向可以被视为6-DOF任务(例如，包括x、y、z、俯仰、偏航、翻滚DOF)，某些医疗器械可以被约束为以5个或更少的DOF移动，并且因此，这些医疗器械可以被认为是“欠致动的”。

图21至图22B示出了根据本公开的各方面的可以由机器人***控制的欠致动的器械200的示例。具体地，图21提供了器械200的整体视图，而图22A和图22B分别示出了处于打开位置和闭合位置的器械200的端部执行器215。

器械200可以包括外科缝合器，其可以受益于能够仅以5-DOF而不是6-DOF移动。例如，5-DOF医疗缝合器可能能够被设计成具有比对应的6-DOF缝合器更厚和更硬的部件。由于外科缝合器可以用于夹紧相对厚的材料，因此外科缝合器具有更厚和更硬的部件以处理与夹紧相对厚的材料相关的增加的负载可能是有益的。欠致动的医疗器械的另一示例是吸入冲洗器，其可以被约束为以5-DOF移动或甚至4-DOF移动来移动，这取决于具体实施。在其他具体实施中，欠致动的医疗器械可以实施为直谐波工具或关节运动谐波工具。本申请的优点延伸到对欠致动的器械(包括缝合器和吸入冲洗器)的控制，超出这里所设想的那些，包括现在和将来在市场上可以买到的任何其他器械。

在图21所示的具体实施中，医疗器械200包括轴205、柄部210和端部执行器215。器械200可耦合到上文所述的器械驱动器中的任一个器械驱动器。一根或多根缆线(未示出)可沿着轴205的外表面延伸，并且/或者一根或多根缆线也可延伸穿过细长轴205。一根或多根缆线(例如，经由器械驱动器)进行的操纵导致端部执行器215的致动。

柄部210(也可称为器械基部)通常可以包括附接接口，该附接接口具有一个或多个机械输入件，例如插孔、滑轮或卷轴，该一个或多个机械输入件被设计成与器械驱动器的附接表面上的一个或多个扭矩耦接器往复地配合。

根据特定器械200的具体实施，端部执行器215可以实施为执行一个或多个不同的医疗和/或外科任务，这些任务可经由张紧一根或多根缆线来实现。在一些实施方案中，器械200包括一系列滑轮，一根或多根缆线可操作地耦接到这些滑轮，以使轴205能够相对于柄部210平移。

在一些实施方案中，器械200可以包括适于横切和/或密封组织的端部执行器215。图22A至图22B示出了根据本公开各方面的其中端部执行器215被配置成用作医疗缝合器的示例性实施方案。具体地，图22A示出了处于打开位置的端部执行器215，而图22B示出了处于闭合位置的端部执行器215。如图22A和图22B所示，例示的实施方案中的端部执行器215包括下钳口310和上钳口315以及击发机构320。一个或多个沟槽(未示出)可以在上钳口315中形成。另外，下钳口310(也称为仓钳口)可以包括下钳口狭槽330，并且上钳口315可以包括上钳口狭槽335。在某些具体实施中，击发机构320可以包括突片和/或I形梁。在某些实施方案中，击发机构320被构造成能够与容纳多个钉(未示出)的盒(未示出)相互作用，以将钉驱动到组织中。在一些实施方案中，击发机构可包括悬臂构件或推块。

如上所述，端部执行器215可以体现为可用于密封和/或横切组织的医疗缝合器。如图22B所示，一旦击发机构320已从端部执行器215的近侧端部沿着端部执行器215横向推进，端部执行器215就将被夹紧到所示的闭合位置中。医疗器械300可通过以下方式操作：将组织夹持在医疗器械300的两个钳口(例如，下钳口310和上钳口315)之间，然后沿着下钳口310和上钳口315横向地推动击发机构320，以使钉成形并横切组织。医疗缝合器诸如医疗器械300可用于，例如，胃缝合和/或胃空肠吻合(roux-en-y)胃旁路术。

在一些实施方案中，医疗器械可以具有腕部，该腕部被配置成以1个DOF进行关节运动。对于某些医学规程，例如，机器人控制的腹腔镜式规程，希望具有2-DOF腕部。然而，可能存在与用于医疗缝合器的2-DOF腕部相关联的设计挑战，这种挑战在设计1DOF腕部时可能不存在。例如，引导通过2-DOF腕部向钳口提供足够夹持力所需的力的大小可能是有难度的。此外，提供对2-DOF腕部的控制(例如，提供俯仰和偏航DOF)，同时还独立于腕部的2-DOF移动来单独控制缝合器和击发机构，这些可能是有难度的。此外，缝合器(无论是手动的还是机器人的)通常被设计成单次使用的(例如，一次性的)，这可能会增加与缝合器相关联的成本。最后，将医疗缝合器设计成薄型的可以改善缝合器在收缩空间中的可操纵性，但这可能是有难度的。

当由机器人***控制的医疗器械具有减少数量的DOF时，其中医疗器械能够移动的DOF的数量可能不匹配用户在控制医疗器械时使用的输入装置的DOF的数量。图23示出了根据本公开的各方面的可用于经由一个或多个机器人臂控制医疗器械的移动的示例性输入装置。图23的输入装置410可以类似于图19所示的控制器182。具体地，输入装置410包括一对柄部415，该对柄部可以通过用户的手在空间中直接操纵。在某些实施方案中，每个柄部415可能能够以6个DOF移动；然而，在其他具体实施中，柄部415可能能够以更多或更少数量的DOF移动。例如，柄部415中的每个柄部可以作为万向支架实现。在一些具体实施中，万向支架中的每个万向支架可以包括或可操作地耦合到一个或多个马达，该一个或多个马达被配置成向用户提供力反馈。对用户的此类力反馈可以用于减少或限制万向支架可以由用户移动的DOF。

图24示出了根据本公开的各方面的图23所示的柄部415中的一个柄部的近距离视图。在一些实施方案中，柄部415包括按钮435和手指抓握部440。按钮435提供用户界面，该用户界面允许用户致动对应医疗器械的端部执行器。手指抓握部440可提供界面，该界面允许用户抓握柄部415并且在三个空间DOF上操纵柄部415的方位。柄部415还可充当万向支架，从而允许用户以三个取向DOF(例如，俯仰、偏航和翻滚)来操纵柄部。

当医疗器械能够以与用于控制医疗器械的移动的输入装置不同数量的DOF移动时，将输入装置的运动映射到医疗器械能够执行的运动中可能存在挑战。换句话说，控制具有与输入装置不同的DOF的医疗器械可能是一个挑战，由此输入装置的运动学不匹配医疗器械的运动学(例如，经由1:1的映射)。挑战源于难以准确地控制不能像输入装置那样自由移动的医疗器械。

本公开的各方面解决了使用能够以不同数量的DOF移动的输入装置来控制医疗装置的至少两个挑战。一个挑战包括解决所谓的“不期望的运动”(例如，医疗器械不能执行的输入装置的运动)，其可以使用主输入装置与医疗器械之间的传统运动链发生。另一个挑战涉及向用户提供关于无法由医疗器械执行的输入装置的运动的反馈。

2.1经由所修改的逆运动学算法拒绝“不期望的运动”

机器人医疗***通常接收用于经由输入装置(诸如图23和图24所示的输入装置410的柄部415中的一个柄部)将医疗器械的端部执行器定位在期望位姿处的命令。机器人***可以使用逆运动学算法来生成一个或多个机器人臂内的每个接头和/或致动器的所需定位，以实现命令的端部执行器位姿。图25示出了示例性框图500，该框图示出了根据本公开的各方面的如何可以使用逆运动学502来确定机器人臂的接头方位。具体地，输入装置410可以基于用户对输入装置410的位姿的操纵来生成命令的端部执行器位姿。输入装置410向逆运动学502提供命令的端部执行器位姿，该逆运动学确定可以实现命令的端部执行器位姿的一组机器人臂接头方位504。逆运动学502可由机器人***的处理器执行。这些机器人臂接头方位504可用于生成命令以定位机器人臂以实现期望的端部执行器。

在执行逆运动学502算法时，机器人***可以使用一个或多个雅克比矩阵。雅可比矩阵可以定义***的两个不同表示之间的动态关系。可以基于运动学问题的时间导数来确定雅可比矩阵，这些运动学问题将机器人臂的接头方位与端部执行器位姿相关联。因此，雅可比矩阵可用于将端部执行器速度与机器人臂接头角速度相关联。雅可比矩阵的示例在以下等式(1)中示出：

等式左侧的矢量是端部执行器的扭曲并包括线速度v和角速度ω。

是机器人臂接头的接头速度矢量或接头速度，并且J是将端部执行器扭曲与机器人操纵器的接头速度相关联的雅可比矩阵。雅可比矩阵也可以如等式(2)所示表达如下：

雅可比矩阵表示考虑线速度J_v和角速度J_ω两者的变换。由于医疗规程可以在具有x、y、z轴的3D参考系中执行，因此雅可比矩阵最终可以如下表示，其中V_x、y、z表示线速度，并且ω_x、y、z表示角速度。

由雅可比矩阵执行的变换可适用于n-DOF***的每个DOF。对于医疗器械的端部执行器，n可以是其中端部执行器能够移动的数字DOF，其中DOF中的每个DOF对应于端部执行器***的特定接头的移动。例如，对于能够以5-DOF移动的器械(例如，外科缝合器)的端部执行器，n将等于5。对于具有5-DOF的外科缝合器实施方案，外科缝合器可能能够以滚动、俯仰、偏航、***和器械俯仰DOF移动，其中外科缝合器不能够以器械偏航DOF移动。因此，对于5-DOF器械，为了考虑每个DOF n的变换，雅可比矩阵(以下等式(3)中示出)将具有五列，其中每列表示特定接头处的变换。按顺序，列对应于翻滚、俯仰、偏航、***和器械俯仰。

上文所说明的雅可比矩阵对于具有不同数量DoF的医疗器械可以是通用的。例如，对于能够以5个DoF移动的医疗器械，n＝5且m＝6。因此，n可以对应于医疗器械能够移动的DoF的数量，而m可以对应于输入装置能够移动的DoF的数量。

然而，使用上述雅可比矩阵可能不足以解决从输入装置接收到的不期望的运动。因此，本公开的各方面涉及所修改的雅可比矩阵的用途，该所修改的雅可比矩阵可以用于逆运动学算法中以拒绝从输入装置接收到的命令中包括的不期望的运动。

与下面的5-DOF医疗器械结合提供所修改的逆运动学算法的具体实施的示例。图26示出了根据本公开的各方面的相对于不同参考系的5-DOF医疗器械600。具体地，医疗器械600包括轴602和端部执行器604，该轴可以通过插管(未示出)***以进入患者的内腔。用于医疗器械600的代表性位姿的5-DOF医疗器械600的直接运动学可以如等式(4)至等式(6)所示定义如下：

R＝Rot(q₁,x)Rot(q₂,Y)Rot(q₃,z)Rot(q₄,y) (5)

其中q_i＝1,..5是矢量的分量(例如，接头方位)，并且在不丧失一般性的同时，l₁＝200且l₂＝40。运算符Rot(a,b)定义与关于轴线“b”的角度“a”相关联的3×3旋转矩阵。p是端部执行器的方位，例如，如图26所示的端部执行器坐标系(X₄,Y₄,Z₄)的方位，l₁是图26中的坐标系X₂,Y₂,Z₂与坐标系X₃,Y₃,Z₃之间的固定距离，且l₂是X₃,Y₃,Z₃与端部执行器坐标系X₄,Y₄,Z₄之间的固定距离。这些参数是定义工具尺寸的几何参数。例如，l₁定义整个器械轴长度并且l₂定义例如端部执行器的钳口的长度。通过改变这些参数，可以设计和构建不同的工具以用于不同的应用。***可以定义用于所修改的逆运动学算法中用于拒绝无益运动的两个雅可比矩阵。第一雅可比矩阵606可以在世界坐标系中定义，而第二雅可比矩阵608可以在端部执行器坐标系中定义。

第一雅可比矩阵606描述了世界坐标系中的笛卡尔速度与定义端部执行器的方位的运动链中所有接头的接头速度之间的耦合。运动链可以包括控制医疗器械的机器人臂的接头和医疗器械的接头。第二雅可比矩阵608描述了端部执行器笛卡尔速度与接头速度之间的耦合。在端部执行器坐标系中，由于用户对输入装置的操纵，例如通过将端部执行器的参考系与机器人***的世界参考系相关联，可以将端部执行器604笛卡尔速度直接映射到输入装置的运动。因此，输入装置的移动可以理想地与端部执行器604的笛卡尔方向一对一地映射。第一雅可比矩阵606可以定义远程运动中心(RCM)，其中插管的移动被约束，例如，以防止插管对患者体壁施加过大的力。因此，第一雅可比矩阵606和第二雅可比矩阵608中的每一者可以约束医疗器械600的运动，第一雅可比矩阵606约束医疗器械600的运动以维持RCM，并且第二雅可比矩阵608约束端部执行器的运动以跟随输入装置的运动。

以下是用于医疗器械600的给定位姿的第一雅可比矩阵606和第二雅可比矩阵608的示例。当医疗器械600具有不同的位姿时，第一雅可比矩阵606和第二雅可比矩阵608的具体值将是不同的。第一雅可比矩阵606在以下等式(7)中示出：

第二雅可比矩阵608在以下等式(8)中示出：

第二雅可比矩阵608中的值可以涉及端部执行器604从医疗器械600当前位姿移动的能力。例如，对于5-DOF医疗器械600，医疗器械600可能不具有以偏航DOF移动的能力。由于医疗器械600能够以俯仰DOF移动，因此第二雅可比矩阵608的第五行中的值反映医疗器械俯仰的能力。同样，因为医疗器械600不能以偏航DOF移动，所以第二雅可比矩阵608的第四行中的值反映医疗器械不能偏航(例如，第四行中的第四列和第五列中的零)。

在某些具体实施中，机器人***可以通过经由丢弃与不可实现的端部执行器的移动相对应的输入命令的一部分修改从输入装置接收的输入命令来拒绝逆运动学中的无益运动。例如，机器人***可以移除第二雅可比矩阵608中将不会在端部执行器处产生任何运动的行。因此，在定义用于医疗器械600的当前位姿的第一雅可比矩阵606和第二雅可比矩阵608之后，***可以通过丢弃描述医疗器械600无法执行无益运动的第二雅可比矩阵608的行来修改第二雅可比矩阵608。当输入装置的DOF比医疗器械多n个时，***可以丢弃与医疗器械不能移动的n个DOF相对应的第二雅可比矩阵608的行。例如，第二雅可比矩阵608的所丢弃的行可以对应于器械不能执行的一种或多种类型的移动。

在以上为不具有偏航能力的5-DOF医疗器械提供的第二雅可比矩阵608的示例中，可以丢弃第四行，因为端部执行器604无法以偏航DOF移动。等式(9)中示出了上述第二雅可比矩阵608的示例，其中第四行被识别为包括无益运动：

通过丢弃第四行所修改的上述第二雅可比矩阵608的示例在以下等式(10)中示出：

在一些具体实施中，不必修改第一雅可比矩阵606，因为医疗器械600可以始终能够至少部分地执行由第一雅可比矩阵606定义的世界坐标系中的命令的端部执行器运动的一部分。

图27是示出根据本公开的各方面的能够由机器人***或其部件操作以用于执行医疗器械的约束运动控制的示例性方法的流程图。例如，图27所示的方法700的步骤可以由医疗机器人***(例如，机器人使能的***10，或者上述机器人医疗***200、300或400中的一者)或相关联的***的处理器和/或其他部件执行。为方便起见，方法700被描述为由“***”结合方法700的描述来执行。

方法700在框701处开始。在框702处，***经由输入装置接收用于控制医疗器械的移动的输入。器械具有与输入装置不同数量的DOF。例如，在一些具体实施中，器械能够以比输入装置更少数量的DOF移动，然而，在其他具体实施中，器械可能能够以比输入装置更多数量的DOF移动。在某些具体实施中，***还可以将从输入装置接收的输入变换为端部执行器坐标系。

在框704处，***确定将输入装置的输入与用于实现由输入指示的端部执行器的运动的机器人臂命令相关联的雅可比矩阵。例如，雅可比矩阵可以定义端部执行器笛卡尔速度与定义端部执行器的方位的运动链中所有接头的接头速度之间的动态关系。

在框706处，***经由丢弃雅可比矩阵的至少一行来修改雅可比矩阵。例如，***可以丢弃与器械不能执行的类型的移动相对应的雅可比矩阵的一个或多个行。在一些具体实施中，从雅可比矩阵丢弃的行的数量可以对应于输入装置的DOF的数量与医疗器械的DOF的数量之间的差异。在一个示例中，端部执行器可能无法以偏航自由度移动，并且***可以通过丢弃与偏航移动相对应的雅可比矩阵的行来修改雅可比矩阵。

在框708处，***基于所修改的雅可比矩阵来确定用于实现由输入指示的器械的运动的机器人臂命令。例如，***可以使用逆运动学来确定包括机器人臂的命令的接头方位的机器人臂命令，以确定机器人臂命令。逆运动学可以使用所修改的雅可比矩阵作为逆运动学算法的一部分。例如，逆运动学算法可以包括对所修改的雅可比矩阵求逆，使用所求逆的所修改的雅可比矩阵来确定运动链中的所有接头的接头速度(例如，使用上述等式(1))，以及使用所确定的关节速度生成机器人臂命令。在另一示例中，逆运动学算法可以包括对端部执行器雅可比矩阵求逆，通过从所求逆的端部执行器雅可比矩阵中移除角速度的分量来修改所求逆的端部执行器雅可比矩阵，以及基于所修改的所求逆的端部执行器雅可比矩阵来确定机器人臂的接头的接头速度。方法700在框710处结束。

***被配置成拒绝无益运动的本公开的各方面可以实现两个基本任务。第一，***可以仅拒绝医疗器械无法实现任何给定位姿的运动。第二，***可以将用户运动投射到器械能够实现的运动子集上。也就是说，即使用户对输入装置的操纵的部分可以对应于医疗器械无法执行的移动，***也能够将输入装置处的指示移动映射到医疗器械能够执行的一组移动上。因此，***能够在医疗器械能够的范围内跟随命令的运动。

本文所描述的方法和算法可以推广用于任何具有比传统6-DOF少的任何数量的自由度的医疗器械。根据特定医疗器械的限制，雅可比矩阵的正确行将从端部执行器雅可比矩阵中丢弃。例如，对于可以偏航但不可以俯仰的器械，***将丢弃端部执行器雅可比矩阵的第五行。

2.2.输入装置和端部执行器的对准

如本文所讨论的，某些医疗器械可能能够以比用于控制医疗器械的输入装置更少数量的DOF移动。由于这种差异，用户可以将输入装置操纵到医疗器械的端部执行器无法复制的位姿中。为了为用户提供直观的界面，输入装置的位姿应尽可能紧密地匹配医疗器械的位姿。然而，由于输入装置可能不限于与医疗器械相同的移动，因此如果用户以医疗器械不能跟随的方式对输入装置进行位姿设置，那么用户可能会迷失方向和/或难以概念化输入装置位姿与医疗器械端部执行器位姿之间的错配。

为了解决上述挑战，本公开的各方面涉及用于将输入装置的位姿与端部执行器的位姿对准的***和方法。例如，机器人***可以被配置成确保外科医生的手始终通过约束输入装置的运动与医疗器械的端部执行器对准。例如，机器人***可以识别是否无法实现端部执行器的命令的运动并约束输入装置的移动。

图28是示出根据本公开的各方面的能够由机器人***或其部件操作以使医疗器械的输入装置和端部执行器对准的示例方法的流程图。例如，图28所示的方法800的步骤可以由医疗机器人***(例如，机器人使能的***10，或者上述机器人医疗***200、300或400中的一者)或相关联的***的处理器和/或其他部件执行。为方便起见，方法800被描述为由“***”结合方法800的描述来执行。

方法800在框801处开始。在框802处，***将端部执行器的位姿与输入装置的位姿进行比较。例如，***可以确定端部执行器的位姿与输入装置的位姿之间是否存在任何差异。如果端部执行器和输入装置的位姿相同，则***可能不需要约束输入装置的移动。

在框804处，***基于端部执行器的位姿与输入装置的位姿的比较来约束输入装置的移动。例如，如果输入装置的位姿与端部执行器的位姿不同，则***可以约束输入装置远离端部执行器的位姿的进一步移动。在一些具体实施中，输入装置可以经由包括在输入装置中的一个或多个致动器提供“力反馈”。力反馈可以被配置成将输入装置朝向端部执行器的位姿移动。在一些具体实施中，力反馈可以提供用户可以通过操纵输入装置而感觉到的力。在其他具体实施中，力反馈可以防止用户在远离端部执行器的位姿的方向上移动输入装置。因此，力反馈可以被配置成约束临床医生的手以在约束运动中移动输入装置。输入装置的运动可以以相同的DOF被约束，其中端部执行器的运动被约束。

在某些具体实施中，***可以通过变换DOF来约束输入装置的移动，其中端部执行器移动从端部执行器坐标系被约束到输入装置的坐标系中。例如，***可以接收端部执行器的位姿并且确定端部执行器坐标系中的雅可比矩阵。在端部执行器坐标系内，***可以识别端部执行器关于其不能旋转的轴线。由于输入装置的物理构造，端部执行器不能旋转的轴线可能不与输入装置的任何物理接头对准。因此，在某些构造中，由于可能阻碍可由端部执行器实现的运动，因此可能不足以简单地防止围绕输入装置的一个马达的旋转。

为了约束对应于端部执行器不能执行的运动的输入装置的运动，***可以变换DOF，其中端部执行器被约束到输入装置的坐标系中并且以所变换的DOF冻结运动。***还可以向输入装置坐标系中的所有其他DOF应用力反馈，以确保输入装置和端部执行器始终对准。进入输入装置坐标系的投影通过防止用户在力反馈将输入装置带回与端部执行器位姿对准之前移动输入装置远离与端部执行器位姿的对准来改善性能和用户的体验。在不使用此类力反馈的情况下，用户可以不断地被拉回到某一位姿，而不是被阻止在某一方向上移动并且沿可接受的运动轨迹被引导。

3.实施***和术语。

本文所公开的具体实施提供了用于医疗器械的约束运动控制的***、方法和设备。

应当指出的是，如本文所用，术语“耦合(couple)”、“耦合(coupling)”、“耦合(coupled)”或词语耦合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“耦合”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。

本文所述的用于约束医疗器械的运动的功能可以作为一个或多个指令存储在处理器可读或计算机可读介质上。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。

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、耦合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。

Claims (39)

1.一种机器人***，包括：

器械，所述器械具有端部执行器：

机器人臂，所述机器人臂被配置成控制所述器械和所述端部执行器的移动；

输入装置，所述输入装置被配置成接收用于控制所述器械和所述端部执行器的移动的输入，其中所述器械能够以与所述输入装置不同数量的自由度（DOF）移动；

至少一个处理器；和

至少一个计算机可读存储器，所述至少一个计算机可读存储器与一组一个或多个处理器通信并且在其上存储有计算机可执行指令，以致使所述至少一个处理器：

确定将所述输入装置的所述输入与用于实现由所述输入指示的所述端部执行器的运动的机器人臂命令相关联的雅可比矩阵，

经由丢弃所述雅可比矩阵的至少一行来修改所述雅可比矩阵，以及

基于所修改的雅可比矩阵来确定用于实现由所述输入指示的所述器械的所述运动的机器人臂命令。

2.根据权利要求1所述的机器人***，其中所述器械能够以比所述输入装置更少数量的DOF移动。

3.根据权利要求2所述的机器人***，其中所述输入装置具有6个DOF，并且所述器械具有5个DOF。

4. 根据权利要求2所述的机器人***，其中：

所述输入装置具有比所述器械多n个的DOF；并且

所述雅可比矩阵的所述修改包括丢弃与所述器械不能执行的一种或多种类型的移动相对应的所述雅可比矩阵的n行。

5.根据权利要求2所述的机器人***，其中所述器械是外科缝合器、吸入冲洗器、直谐波工具或关节运动谐波工具。

6.根据权利要求5所述的机器人***，其中所述器械包括具有5个DOF的外科缝合器。

7.根据权利要求5所述的机器人***，其中所述器械包括具有至少4个DOF的吸入冲洗器。

8. 根据权利要求2所述的机器人***，其中：

所述端部执行器不能以偏航自由度移动，并且

所述雅可比矩阵的所述修改包括丢弃与偏航移动相对应的所述雅可比矩阵的行。

9.根据权利要求1所述的机器人***，其中所述输入装置包括万向支架。

10.根据权利要求9所述的机器人***，其中所述万向支架接收力反馈。

11.根据权利要求10所述的机器人***，其中所述力反馈约束临床医生的手以在约束运动中移动所述万向支架。

12.根据权利要求11所述的机器人***，其中所述万向支架的所述运动以相同的DOF被约束，其中所述端部执行器的运动被约束。

13.根据权利要求1所述的机器人***，其中：

所述端部执行器不能以偏航自由度移动；

所述器械在远程运动中心（RCM）处的移动中被约束；

所述雅可比矩阵包括端部执行器雅可比矩阵，所述端部执行器雅可比矩阵将所述输入装置的所述输入与用于实现由所述输入指示的所述端部执行器的所述运动的所述机器人臂命令相关联；并且

所述计算机可执行指令还致使所述至少一个处理器：

基于从所述端部执行器雅可比矩阵丢弃所述至少一行来修改所述雅可比矩阵；

确定将所述输入装置的所述输入与用于维持所述RCM的所述机器人臂命令相关联的RCM雅可比矩阵；以及

基于所修改的端部执行器雅可比矩阵和所述RCM雅可比矩阵确定所述机器人臂命令。

14.根据权利要求1所述的机器人***，其中所述雅可比矩阵将所述端部执行器的参考系与所述机器人***的世界参考系相关联。

15.一种用于控制医疗器械的端部执行器的移动的方法，所述方法包括：

经由输入装置接收用于控制所述器械的移动的输入，所述器械具有与所述输入装置不同数量的自由度（DOF）；

确定将所述输入装置的所述输入与用于实现由所述输入指示的所述端部执行器的运动的机器人臂命令相关联的雅可比矩阵；

经由丢弃所述雅可比矩阵的至少一行来修改所述雅可比矩阵；以及

基于所修改的雅可比矩阵来确定用于实现由所述输入指示的所述器械的所述运动的机器人臂命令。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述器械具有比所述输入装置更少数量的DOF。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述输入装置具有6个DOF，并且所述端部执行器具有5个DOF。

18. 根据权利要求16所述的方法，其中：

所述输入装置具有比所述器械多n个的DOF；并且

所述雅可比矩阵的所述修改包括丢弃与所述器械不能执行的类型的移动相对应的所述雅可比矩阵的n行。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述器械是外科缝合器或吸入冲洗器。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述器械包括具有5个DOF的外科缝合器。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述器械包括具有4个DOF的吸入冲洗器。

22. 根据权利要求16所述的方法，其中：

所述端部执行器不能以偏航自由度移动，并且

所述雅可比矩阵的所述修改包括丢弃与所述偏航移动相对应的所述雅可比矩阵的行。

23.根据权利要求15所述的方法，其中所述输入装置包括万向支架。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述万向支架接收力反馈。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述力反馈约束临床医生的手以在约束运动中移动所述万向支架。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述万向支架的所述运动以相同的DOF被约束，其中所述端部执行器的运动被约束。

27.根据权利要求15所述的方法，其中：

所述端部执行器不能以偏航自由度移动；

所述器械在远程运动中心（RCM）处的移动中被约束；

所述雅可比矩阵包括端部执行器雅可比矩阵，所述端部执行器雅可比矩阵将所述输入装置的所述输入与用于实现由所述输入指示的所述端部执行器的所述运动的所述机器人臂命令相关联；并且

所述方法还包括：

基于从所述端部执行器雅可比矩阵丢弃所述至少一行来修改所述雅可比矩阵；

确定将所述输入装置的所述输入与用于维持所述RCM的所述机器人臂命令相关联的RCM雅可比矩阵；以及

基于所修改的端部执行器雅可比矩阵和所述RCM雅可比矩阵来确定所述机器人臂命令。

28.一种机器人***，包括：

器械，所述器械具有端部执行器：

机器人臂，所述机器人臂被配置成控制所述器械和所述端部执行器的移动；

输入装置，所述输入装置被配置成接收用于控制所述端部执行器的移动的输入命令，其中所述器械能够以比所述输入装置更少数量的自由度（DOF）移动；

至少一个处理器；和

至少一个计算机可读存储器，所述至少一个计算机可读存储器与一组一个或多个处理器通信并且在其上存储有计算机可执行指令，以致使所述至少一个处理器：

从所述输入装置接收用于控制所述端部执行器的移动的所述输入命令，

经由丢弃与所述端部执行器的不可实现的移动相对应的所述输入命令的一部分来修改所述输入命令，以及

基于所修改的输入命令来确定用于控制所述端部执行器的移动的机器人臂移动。

29.根据权利要求28所述的机器人***，其中所述计算机可执行指令还致使所述至少一个处理器：

确定将所述输入命令与用于实现由所述输入命令指示的所述端部执行器的所述运动的所述机器人臂移动相关联的雅可比矩阵，

其中所述输入命令的所述修改包括丢弃所述雅可比矩阵的至少一行。

30.根据权利要求28所述的机器人***，其中：

所述端部执行器不能以偏航自由度移动，

所述雅可比矩阵的所述修改包括丢弃与所述偏航移动相对应的所述雅可比矩阵的行。

31.根据权利要求28所述的机器人***，其中所述输入装置包括万向支架。

32.根据权利要求31所述的机器人***，其中所述万向支架接收力反馈。

33.根据权利要求32所述的机器人***，其中所述力反馈约束临床医生的手以在约束运动中移动所述万向支架。

34.根据权利要求33所述的机器人***，其中所述万向支架的所述运动以相同的DOF被约束，其中所述端部执行器的运动被约束。

35.一种用于控制医疗器械的端部执行器的移动的方法，所述方法包括：

经由输入装置接收用于控制所述端部执行器的移动的输入命令，所述端部执行器具有比所述输入装置更少数量的自由度（DOF）；

将所述输入命令变换为端部执行器坐标系；

确定所述端部执行器坐标系中的端部执行器雅可比矩阵；

经由丢弃所述端部执行器雅可比矩阵的至少一行来修改所述端部执行器雅可比矩阵；以及

基于所修改的雅可比矩阵来确定用于实现由所述输入指示的所述端部执行器的所述运动的机器人臂命令。

36. 根据权利要求36所述的方法，还包括：

对所述端部执行器雅可比矩阵求逆；以及

通过从所求逆的端部执行器雅可比矩阵中移除角速度的分量来修改所求逆的端部执行器雅可比矩阵，

其中所述机器人臂命令的所述确定包括基于所修改的所求逆的端部执行器雅可比矩阵来确定所述机器人臂的接头的接头速度。

37. 根据权利要求36所述的方法，还包括：

将所述端部执行器的位姿与所述输入装置的位姿进行比较；以及

基于所述端部执行器的所述位姿与所述输入装置的所述位姿的所述比较来约束所述输入装置的移动。

38. 根据权利要求37所述的方法，其中：

所述端部执行器在至少一个DOF的移动中被约束，并且

所述输入装置的所述移动的所述约束包括变换所述DOF，其中所述端部执行器移动从所述端部执行器坐标系被约束到所述输入装置的坐标系中。

39.一种机器人***，包括：

器械，所述器械具有端部执行器：

机器人臂，所述机器人臂被配置成控制所述器械和所述端部执行器的移动；

输入装置，所述输入装置被配置成接收用于控制所述器械和所述端部执行器的移动的输入，其中所述器械能够以与所述输入装置不同数量的自由度（DOF）移动；

至少一个处理器；和

至少一个计算机可读存储器，所述至少一个计算机可读存储器与一组一个或多个处理器通信并且在其上存储有计算机可执行指令，以致使所述至少一个处理器：

确定将所述输入装置的所述输入与用于实现由所述输入指示的所述端部执行器的运动的机器人臂命令相关联的雅可比矩阵，所述雅可比矩阵将所述端部执行器的参考系与所述机器人***的世界参考系相关联，

经由丢弃所述雅可比矩阵的至少一行来修改所述雅可比矩阵，以及

基于所修改的雅可比矩阵来确定用于实现由所述输入指示的所述器械的所述运动的机器人臂命令。

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