CN116249498A - 基于非接触信息的外科机器人中的碰撞避免 - Google Patents

Abstract

机器人***可以能够检测和避免碰撞。本发明提供了一种医疗机器人***，其可以包括第一运动链和一个或多个传感器，该一个或多个传感器被定位成检测在该第一运动链的附近检测到的一个或多个对象。该医疗机器人***可以被配置为基于从由位于该第一运动链附近的该一个或多个传感器检测到的一个或多个对象确定的约束，使该第一运动链的构型从第一构型调整到第二构型。

Description

基于非接触信息的外科机器人中的碰撞避免

技术领域

本文所公开的***和方法涉及具有机器人臂的医疗机器人***，并且更具体地涉及能够自动调整机器人臂以避免碰撞的医疗机器人***。

背景技术

在使用医疗机器人***的医疗规程期间，机器人臂可彼此接触(例如，臂碰撞)并且与环境(例如，患者、床边工作人员及配件)接触。尽管可以基于已知的臂构型来预测和避免机器人臂之间的碰撞，但是预测并完全避免与其他对象的碰撞一直是具有挑战性的，特别是对于随时间改变其位置的对象。无论碰撞的类型如何，碰撞都会对医疗规程造成破坏，因此，需要能够减少或消除与机器人臂发生碰撞的医疗机器人***。

发明内容

本文公开了一种医疗机器人***，该医疗机器人***使用位于运动学部件(例如，机器人臂)上的一个或多个传感器来检测力(例如，或碰撞的其他参数)。所检测到的力或碰撞的其他参数用于调整运动学部件的构型(例如，位置)，这继而又减少了未来与运动学部件发生碰撞。

根据一些实施方案，一种医疗机器人***包括：第一运动链；一个或多个传感器，该一个或多个传感器被定位成检测与所述第一运动链的一个或多个部分接触的一个或多个参数；一个或多个处理器，该一个或多个处理器与该一个或多个传感器通信；和存储器，该存储器存储指令，这些指令在由一个或多个处理器执行时，基于从由一个或多个传感器检测到的与第一运动链接触的一个或多个参数确定的约束，使第一运动链的构型从第一构型调整到第二构型。

根据一些实施方案，一种方法由与医疗机器人***通信的电子装置执行。医疗机器人***包括第一运动链和被定位成检测与该第一运动链接触的一个或多个参数的一个或多个传感器。该方法包括接收由一个或多个传感器检测到的与第一运动链接触的一个或多个参数；基于与该第一运动链接触的该一个或多个参数来确定与所述第一运动链相关联的约束；以及基于该约束使第一运动链的构型从第一构型调整到第二构型。

根据一些实施方案，一种电子装置包括一个或多个处理器和存储指令的存储器，这些指令在由一个或多个处理器执行时，使该一个或多个处理器接收由一个或多个传感器检测到的与医疗机器人***的第一运动链接触的一个或多个参数；基于与该第一运动链接触的该一个或多个参数来确定与该第一运动链相关联的约束；以及基于该约束使第一运动链的构型从第一构型调整到第二构型。

根据一些实施方案，一种计算机可读存储介质存储用于由电子装置的一个或多个处理器执行的指令。所存储的指令包括用于执行以下操作的指令：接收由一个或多个传感器检测到的与医疗机器人***的第一运动链接触的一个或多个参数；基于与该第一运动链接触的该一个或多个参数来确定与该第一运动链相关联的约束；以及基于该约束使第一运动链的构型从第一构型调整到第二构型。

根据一些实施方案，一种医疗机器人***包括：第一机器人臂；一个或多个传感器，该一个或多个传感器被定位成检测与第一机器人臂相邻的对象的存在；一个或多个处理器，该一个或多个处理器与该一个或多个传感器通信；和存储器。存储器存储指令，这些指令在由一个或多个处理器执行时，使该一个或多个处理器：从一个或多个传感器接收对应于在第一机器人臂附近的一个或多个对象的一个或多个定位位置的第一传感器信息；基于该第一传感器信息生成或更新对象标测图，其中对象标测图表征与第一机器人臂相邻的对象的空间关系；以及基于该对象标测图将第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

根据一些实施方案，一种医疗机器人***包括：第一机器人臂；一个或多个传感器，该一个或多个传感器被定位成检测在第一机器人臂附近的动态对象的存在；一个或多个处理器，该一个或多个处理器与该一个或多个传感器通信；和存储器。存储器存储指令，这些指令在由一个或多个处理器执行时，使该一个或多个处理器：从一个或多个传感器接收对应于在第一机器人臂附近的动态对象的定位的传感器信息；基于该传感器信息生成或更新对象标测图，

其中对象标测图表征在第一机器人臂附近的对象的空间关系；以及基于该对象标测图将第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

根据一些实施方案，一种方法由与医疗机器人***通信的电子装置执行，该医疗机器人***包括第一机器人臂和一个或多个传感器，该一个或多个传感器被定位成检测在第一机器人臂附近的对象的存在。该方法包括：从一个或多个传感器接收对应于在第一机器人臂附近存在的一个或多个对象的定位的传感器信息；基于该传感器信息生成或更新对象标测图，其中所述对象标测图表征在所述第一机器人臂附近的对象的空间关系；以及基于该对象标测图将第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

根据一些实施方案，一种电子装置包括：一个或多个处理器；和存储器。存储器存储指令，这些指令在由一个或多个处理器执行时，使该一个或多个处理器：从一个或多个传感器接收对应于在医疗机器人***的第一机器人臂附近的一个或多个对象的定位的传感器信息；基于该传感器信息生成或更新对象标测图，

其中对象标测图表征在第一机器人臂附近的对象的空间关系；以及基于该对象标测图使第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

根据一些实施方案，一种计算机可读存储介质存储用于由电子装置的一个或多个处理器执行的指令。所存储的指令包括用于执行以下操作的指令：接收对应于与医疗机器人***的第一机器人臂相邻存在的一个或多个对象的定位的传感器信息；基于该传感器信息生成或更新对象标测图，其中所述对象标测图表征与所述第一机器人臂相邻的对象的空间关系；以及基于该对象标测图使第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

附图说明

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

图1示出了被布置用于诊断和/或治疗支气管镜检查规程的基于推车的机器人***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机器人臂的示例性***。

图8示出了被构造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示出了被构造用于腹腔镜检查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的台与基于台的机器人***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示出了根据一些实施方案的示例性机器人臂。

图22A和图22B示出了根据一些实施方案的可形成机器人臂的一部分的示例性机器人连杆。

图23示出了根据一些实施方案的包括刚性外壳并且被配置成检测与外部对象的接触的示例性连杆。

图24示出了根据一些实施方案的可用于图23的连杆中的力感测传感器的一个示例。

图25A和图25B示出了根据一些实施方案的连杆的两个视图，其中在连杆中包括多个传感器。

图25C和图25D示出了根据一些实施方案的连杆的两个视图，其中在连杆中包括多个传感器。

图26示出了根据一些实施方案的包括可调式臂支撑件的机器人***的示例。

图27示意性地示出了如何在机器人臂、可调式臂支撑件和装配接头之间共享一个或多个自由度(DoF)。

图28是示出根据一些实施方案的用于基于接触信息调整一个或多个运动链的方法的流程图。

图29A至图29F示出了在图28的流程图中所示的操作期间机器人臂的构型。

图30是示出根据一些实施方案的基于接触信息调整运动链的构型的方法的流程图。

图31示出了根据一些实施方案的被安装用于检测附近的对象的传感器。

图32示出了具有多个传感器以收集关于动态环境的信息的机器人臂的示例。

图33示出了根据一些实施方案的具有基于由一个或多个传感器检测到的信息的对应标测图的人的示例性表示。

图34是示出根据一些实施方案的用于基于检测到的对象信息调整一个或多个运动链的方法的流程图。

图35A至图35G示出了根据一些实施方案的机器人臂的构型和对应的标测图。

图36A和图36B是示出根据一些实施方案的缓冲区的示意图。

图37是示出根据一些实施方案的基于传感器信息调整机器人臂的构型的方法的流程图。

图38是示出根据一些实施方案的医疗机器人***的电子部件的示意图。

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和/或治疗支气管镜检查规程的基于推车的机器人使能***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，可致动机器人臂12以相对于进入点定位支气管镜。当利用胃镜(用于胃肠道(GI)规程的专用内窥镜)执行GI规程时，也可利用图1中的布置。图2更详细地描绘了推车的示例性实施方案。

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，每个部分联接到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器联接到单独的机器人臂的远侧端部。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的角度可基于临床应用或医师偏好来调节、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，如图所示的虚拟轨道29的角度和位置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弯曲到患者的口腔中引起的摩擦最小化之间的折衷。

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，可操纵内窥镜13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，可引导内窥镜13以将活检针递送到目标，诸如例如患者肺内的病变或结节。针可沿工作通道向下部署，该工作通道延伸内窥镜的长度以获得待由病理学家分析的组织样本。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还可包括可动塔30，该可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中允许可由操作医师和他/她的工作人员更容易地调节和/或重新定位的更小形状因子的推车11。另外，在推车/台与支撑塔30之间划分功能减少了手术室混乱并且有利于改善临床工作流程。虽然推车11可被定位成靠近患者，但是塔30可以在远程位置中被收起以在规程过程期间不挡道。

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，机器人臂的接头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或生命体征和***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31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)联接到推车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，特定功能可联接在单独的布线和连接中。例如，尽管可以通过单根缆线向推车提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控制、光学、流体和/或导航的支持。

图2提供了来自图1所示的基于推车的机器人使能的***的推车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以及在柱14的顶部处的控制台16。柱14可包括一个或多个托架，诸如用于支持一个或多个机器人臂12(图2中示出三个)的部署的托架17(另选地为“臂支撑件”)。托架17可包括可单独配置的臂安装件，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，该狭槽被定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包含竖直平移接口以将托架相对于推车基部15定位并保持在各种竖直高度处。托架17的竖直平移允许推车11调节机器人臂12的到达范围以满足多种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独构造的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种构型成角度。

在一些实施方案中，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。狭槽盖可通过被定位在狭槽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，卷轴的弹簧负载提供了将盖回缩到卷轴中的力，同时在托架17平移远离卷轴时也保持紧密密封。可使用例如托架接口19中的支架将盖连接到托架17，以确保在托架17平移时盖的适当延伸和回缩。

柱14可在内部包括机构诸如齿轮和马达，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接头24连接，每个接头包括独立的致动器，每个致动器包括可独立控制的马达。每个可独立控制的关节表示机器人臂可用的独立自由度。臂12中的每个臂具有七个关节，并且因此提供七个自由度。多个接头导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。冗余的自由度允许机器人臂12使用不同的连杆方位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，同时允许医师使臂接头运动到远离患者的临床有利方位，以产生更大的接近，同时避免臂碰撞。

推车基部15在地板上平衡柱14、托架17和臂12的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，诸如电子器件、马达、电源以及使得推车能够移动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车在规程之前容易地围绕房间运动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当方位之后，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包括从术前计算机化断层摄影(CT)扫描导出的术前计划、导航和标测数据和/或来自术前患者面谈的记录。显示器上的术中数据可以包括从工具、传感器提供的光学信息和来自传感器的坐标信息以及重要的患者统计，诸如呼吸、心率和/或脉搏。控制台16可被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧面接近控制台。从该方位，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还包括用于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***尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，输尿管镜32可被导航到膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断和/或治疗应用。例如，可以将输尿管镜32引导到输尿管和肾中以使用沿输尿管镜32的工作通道向下部署的激光或超声碎石装置来打碎积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用沿输尿管镜32向下部署的篮移除所得的结石碎片。

图4示出了类似地布置用于血管规程的机器人使能的***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)递送到患者的腿部的股动脉中的进入点。股动脉呈现用于导航的较大直径以及到患者的心脏的相对较少的迂回且曲折的路径两者，这简化了导航。如在输尿管镜规程中，推车11可被定位成朝向患者的腿部和下腹部，以允许机器人臂12提供直接线性进入患者的大腿/髋部区域中的股动脉进入点的虚拟轨道35。在***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这样的机器人使能***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，该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可使用被定位在柱37内的机械马达围绕柱37旋转，以允许机器人臂39进入台38的多个侧面，诸如患者的两侧。在具有多个托架的实施方案中，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***将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者身上的不同进入点中。在其他实施方案(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。

臂39可通过包括一系列关节的一组臂安装件45安装在托架上，该关节可单独地旋转和/或伸缩地延伸以向机器人臂39提供附加的可构造性。另外，臂安装架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所述托架的平移的马达。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，塔可以向台提供各种支持功能，诸如处理、计算和控制能力、电力、流体和/或光学以及传感器处理。塔还可以是可运动的，以远离患者定位，从而改善医师的接近并且消除手术室的混乱。另外，将部件放置在塔中允许在台基部中有更多的储存空间，以用于机器人臂的潜在收起。塔架还可包括主控制器或控制台，该主控制器或控制台提供用于用户输入的用户界面诸如键盘和/或吊塔，以及用于术前和术中信息诸如实时成像、导航和跟踪信息的显示屏(或触摸屏)。在一些实施方案中，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和臂50，并且关闭以收起该托架、该臂安装件和该臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可利用膜54沿着其开口的边缘密封，以防止在闭合时灰尘和流体进入。

图8示出了被构造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(未示出)，机器人臂39可沿着虚拟轨道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检查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可被旋转并且竖直调整，以将成对的机器人臂39定位在台38的相对侧上，使得可使用臂安装件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整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可旋转以匹配倾斜，使得臂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接触地板或与基部46碰撞。

图11提供了台38与柱37之间的接口的详细图示。俯仰旋转机构61可被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。沿着一个螺钉5的旋转将使得能够在一条轴线1中进行倾斜调整，而沿着另一个螺钉6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调节。在一些实施方案中，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，当试图将台定位在特伦德伦伯格卧位(即，将患者的下腹部定位在比患者的下腹部距地板更高的方位)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包括可被构造成相对于台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的位置。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，包括容易地将该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可从收起位置升高到台101的上表面下方的位置。在其他实施方案中，可调式臂支撑件105可从收起位置升高到台101的上表面上方的位置。

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被构造成具有四个自由度，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，该托架被配置成沿着或相对于支撑台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沿着台的纵向长度平移。

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、杆或轨道连接件111以及杆或轨道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可被构造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，该医疗器械可不含任何机电部件，诸如马达。该二分法可能是由以下所驱动的：对医疗规程中使用的医疗器械进行灭菌的需要；以及由于昂贵的资本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示出了示例器械驱动器。定位在机器人臂的远侧端部处的器械驱动器62包括一个或多个驱动单元63，其以平行轴线布置以经由驱动轴64向医疗器械提供受控扭矩。每个驱动单元63包括用于与器械相互作用的单独的驱动轴64，用于将马达轴旋转转换成期望扭矩的齿轮头65，用于生成驱动扭矩的马达66，用以测量马达轴的速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(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件，同时保持驱动轴与驱动输入件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/或联接时，器械基部72的配合的驱动输入73可以与器械驱动器75中的驱动输出74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出74传递到驱动输入73。在一些实施方案中，驱动输出件74可包括花键，其被设计成与驱动输入件73上的插孔配合。

细长轴71被设计成通过解剖开口或内腔(例如，如在内窥镜检查中)或通过微创切口(例如，如在腹腔镜检查中)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。

来自器械驱动器75的扭矩使用腱沿着轴71向下传递到细长轴71。这些单独的腱(例如，牵拉线)可单独地锚定至器械柄部72内的单独的驱动输入件73。从柄部72，沿着细长轴71的一个或多个牵拉腔向下导向腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处，或锚定在细长轴的远侧部分处的腕部中。在外科规程诸如腹腔镜、内窥镜或混合规程期间，这些腱可以联接到远侧安装的端部执行器，诸如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入部73上的扭矩将张力传递到腱，从而引起端部执行器以某种方式致动。在一些实施方案中，在外科规程期间，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，腱可经由粘合剂、控制环或其他机械固定件联接到沿着细长轴71定位(例如，在远侧端部处)的弯曲或关节运动节段。当固定地附接到弯曲节段的远侧端部时，施加在驱动输入件73上的扭矩将沿腱向下传递，从而致使较软的弯曲节段(有时称为可关节运动节段或区域)弯曲或进行关节运动。沿着不弯曲节段，可以有利的是，使单独的牵拉腔螺旋或盘旋，该牵拉腔沿着内窥镜轴的壁(或在内部)导向单独的腱，以平衡由牵拉线中的张力引起的径向力。为了特定目的，可以改变或设计螺旋的角度和/或其间的间隔，其中更紧的螺旋在负载力下呈现较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但也呈现限制弯曲。在另一种情况下，可平行于细长轴71的纵向轴线来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。轴可包括用于将外科工具(或医疗器械)、冲洗件和/或抽吸件部署到轴71的远侧端部处的操作区域的工作通道。轴71还可以容纳线和/或光纤以向远侧末端处的光学组件/从远侧末端处的光学组件传递信号，该光学组件可包括光学相机。轴71也可容纳光纤，以将来自位于近侧的光源(诸如发光二极管)的光载送到轴的远侧端部。

在器械70的远侧端部处，远侧末端还可包括用于将用于诊断和/或治疗、冲洗和抽吸的工具递送到手术部位的工作通道的开口。远侧末端还可以包括用于相机(诸如纤维镜或数码相机)的端口，以捕获内部解剖空间的图像。相关地，远侧末端还可以包括用于光源的端口，该光源用于在使用相机时照亮解剖空间。

在图16的示例中，驱动轴的轴线以及因此驱动输入件轴线与细长轴的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚转能力复杂化。沿着细长轴71的轴线滚转该细长轴同时保持驱动输入件73静止会引起当腱从驱动输入件73延伸出去并且进入细长轴71内的牵拉腔时，腱的不期望的缠结。此类腱的所得缠结可破坏旨在预测柔性细长轴在内窥镜式规程期间的运动的任何控制算法。

图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)的旋转来维持。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)，该器械基部包括被构造成接收器械驱动器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。

当联接到器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83组合地围绕器械驱动器轴线85旋转。由于器械轴88被定位在器械基部87的中心处，因此当附接时器械轴88与器械驱动器轴线85同轴。因此，旋转组件83的旋转致使器械轴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中的驱动输入件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可联接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和联接到轴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被构造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联接器往复地配合。

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所示，每个定位平台188包括通过棱柱接头196联接到柱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，沿着轨道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被构造成允许柄部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)被定位在万向支架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的平移自由度或位置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是示出了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。通过示例而非限制，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、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92。定位模块95可处理视觉数据以实现一个或多个基于视觉的位置跟踪。例如，术前模型数据可以与视觉数据92结合使用，以实现对医疗器械(例如，内窥镜或推进通过内窥镜的工作通道的器械)的基于计算机视觉的跟踪。例如，使用术前模型数据91，机器人***可以基于内窥镜的行进预期路径根据模型生成预期内窥镜图像的库，每个图像连接到模型内的位置。在操作中，机器人***可以参考该库，以便将在摄像相机(例如，在内窥镜的远侧端部处的相机)处捕获的实时图像与图像库中的那些图像进行比较，以辅助定位。

其他基于计算机视觉的跟踪技术使用特征跟踪来确定相机的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以识别术前模型数据91中的与解剖腔对应的圆形几何结构并且跟踪那些几何结构的变化以确定选择了哪个解剖腔，以及跟踪相机的相对旋转和/或平移运动。拓扑图的使用可以进一步增强基于视觉的算法或技术。

光流(另一种基于计算机视觉的技术)可以分析视觉数据92中的视频序列中的图像像素的位移和平移以推断相机运动。光流技术的示例可以包括运动检测、对象分割计算、亮度、运动补偿编码、立体视差测量等。通过多次迭代的多帧比较，可以确定相机(以及因此内窥镜)的运动和位置。

定位模块95可使用实时EM跟踪来生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该全局坐标系可被配准到由术前模型表示的患者的解剖结构。在EM跟踪中，包括嵌入在医疗器械(例如，内窥镜工具)中的一个或多个位置和取向中的一个或多个传感器线圈的EM传感器(或***)测量由定位在已知位置处的一个或多个静态EM场发生器产生的EM场的变化。由EM传感器检测的位置信息被存储为EM数据93。EM场发生器(或发射器)可以靠近患者放置，以产生嵌入式传感器可以检测到的低强度磁场。磁场在EM传感器的传感器线圈中感应出小电流，可以对该小电流进行分析以确定EM传感器与EM场发生器之间的距离和角度。这些距离和取向可以在手术中“配准”到患者解剖结构(例如，手术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的手术前模型中的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。在手术中，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。

图20所示，定位模块95可使用多个其他输入数据。例如，尽管图20中未示出，但利用形状感测纤维的器械可提供形状数据，定位模块95可使用该形状数据来确定器械的位置和形状。

定位模块95可以组合地使用输入数据91-94。在一些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中定位模块95向根据输入数据91-94中的每个输入数据确定的位置分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠(如可能存在EM干扰的情况)的情况下，由EM数据93确定的位置的置信度可能降低，并且定位模块95可能更重地依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。

如上所讨论的，本文讨论的机器人***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位置、解剖图等。

2.用于碰撞避免的***和方法的简介。

本申请公开了利用关于在医疗机器人***附近的对象的信息来避免或减少未来碰撞的风险的医疗机器人***。如本文所述，机器人医疗***可包括被配置成在给定医疗规程期间控制医疗工具的移动的多个机器人臂。为了实现医疗工具的期望姿势，机器人臂可以被放置成可以使该机器人臂与外部对象(诸如，例如，患者、床边工作人员或无生命对象(例如，床上的配件))接触的姿势。通过足够早地检测到机器人臂与外部对象之间的接触(例如，在接触时立即，或者至少在接触导致大于阈值的力之前)，可以改善机器人外科手术的安全性。

关于在附近的对象的信息可以包括使用诸如力传感器的接触传感器获得的接触信息和使用非接触传感器获得的非接触信息。基于关于在医疗机器人***附近的对象的信息，运动链(例如，机器人臂和可调式臂支撑件)的构型被调整以例如增加距在附近的对象的距离并且降低未来碰撞的可能性。

A.用于检测接触或获得控制信息的机器人臂和传感器架构

医疗机器人***包括多个传感器以收集关于在医疗机器人***附近的对象的信息(例如，定位信息)。一些传感器位于医疗机器人***的机器人臂上或与其相邻。

图21示出了根据一些实施方案的示例性机器人臂205。机器人臂205包括由一个或多个接头131(例如，131-1至131-3)连接的多个连杆132。机器人臂205的近侧端部可以连接到基部136，并且机器人臂205的远侧端部可以连接到高级装置操纵器(ADM)134(也称为机器人臂的器械驱动器或端部执行器)。ADM 134可以被配置成控制医疗工具135(也称为医疗器械)的定位和操纵。因此，连杆132可以可拆卸地联接到医疗工具135。接头131向机器人臂205提供多个自由度(DoF)，该多个自由度有利于经由ADM 134控制医疗工具135。

在一些实施方案中，机器人臂205包括一个或多个基于力的传感器，以用于检测机器人臂205的任何部分与除机器人臂205之外的对象137(例如，另一机器人臂、其他医疗设备、患者、医务人员等)之间的接触。在一些实施方案中，此类传感器位于接头131内或与接头相邻。例如，一个或多个力传感器可以位于接头131-3处。位于接头131-3处的一个或多个力传感器可以检测来自机器人臂205的近侧端部的相互作用力(例如，力和/或力矩的大小和/或方向)。附加地或另选地，一个或多个力传感器可以位于或靠近机器人臂205的远侧端部附近的接头131-1处。位于接头131-1处或附近的一个或多个力传感器可以包括能够检测相对于六条轴线的力和力矩(例如，扭矩)两者(例如，沿着x、y和z轴线的力以及关于x、y和z轴线的扭矩)的六轴负荷传感器。基于由一个或多个传感器检测到的力，一个或多个处理器可以确定接触的位置以及在接触中所涉及的机器人臂205的一个或多个部分(一个或多个连杆或接头、ADM 134或医疗工具135)。

附加地或另选地，机器人臂205包括一个或多个接触传感器。图22A和图22B示出了根据一些实施方案的可形成具有一个或多个接触传感器的机器人臂的一部分的示例性机器人连杆。

图22A示出了机器人臂205的远侧部分的三个视图，而图22B示出了机器人臂205的在图22A的远侧部分近侧的一部分的三个视图。参考图22A和图22B，机器人臂205可包括装置操纵器203、多个连杆207、209、211和233以及连接装置操纵器203和连杆207、209、211和233的多个接头213、215、217和219。在图22A所示的视图中的每个视图中，突出显示了机器人臂205的具有与患者碰撞的相对较高的可能性的区域221。

在一些实施方案中，臂部件(例如，图22A至图22B的机器人连杆205-211或接头213-219中的一者)与一个或多个传感器联接以感测与诸如患者、床边工作人员或其他对象之类的外部对象的接触。

在一些实施方案中，外壳可以悬挂在给定连杆周围，并且外壳与连杆的内部部件/构件之间的相对运动可以使用一个或多个传感器来进行检测，以便检测与外部对象的接触。图23示出了根据一些实施方案的包括刚性外壳309并且被配置成检测与外部对象的接触的示例性连杆300。具体地，连杆300包括结构连杆301、结构盖303、第一接头305、第二接头307、外壳309、一对反作用桨311和外壳盖313。例如，连杆300的内部部件可包括结构连杆301和结构盖303。

结构盖303可以附接到结构连杆301以容纳结构连杆301的部件并且在第一接头305与第二连杆之间形成内部结构连接。外壳309连同外壳盖313悬挂在结构连杆301上方并且围绕该结构连杆。如本文所用，除非上下文另外清楚地指示，否则外壳309和外壳盖313可以共同地被简称为“外壳”309，而结构连杆301和结构盖303可以共同地被简称为结构连杆301或可操纵连杆。

外壳309可经由力感测连接件连接到结构连杆301。因为外壳309围绕结构连杆301，所以当连杆300接触外部对象时，该对象将与外壳309接触。因此，力感测连接件可通过测量因连杆300与外部对象接触而引起的外壳309与结构连杆301之间的力的变化来检测外壳309与外部对象之间的接触。外壳309还可以是足够刚性的，使得在与外部对象接触时，外壳309接合力感测连接件。有利地，通过使用刚性外壳309，可以在所有的三个方向上感测外壳309与结构连杆301之间的力和相对移动。

根据一些实施方案，力感测连接件可以以多种不同的方式实施。例如，力感测连接件可包括以下各者中的一者或多者：传统负荷传感器、力感测电阻器和/或能够感测力(或位移，当与弹簧组合时)的任何部件。

图24示出了根据一些实施方案的可用于图23的连杆300中的力感测连接件的一个示例。具体地，力感测连接件可包括多个外壳传感器321(例如，在例示的实施方案中为十四个外壳传感器)，这些外壳传感器可设置在结构连杆301与外壳309之间。

在一些实施方案中，传感器321在外壳309与结构连杆301之间遍布于连杆300上。例如，外壳309可经由传感器321悬挂在结构连杆301上方。根据具体实施，连杆300可包括沿着机器人臂连杆分布的一个、两个、三个、四个或更多个传感器321。图25A和图25B示出了根据一些实施方案的连杆401的两个视图，其中在连杆401中包括十四个传感器321。具体地，图25A和图25B分别示出了包括七个传感器321的连杆401的一端的侧视图和前视图。连杆401可在连杆401的两端基本上对称，从而在连杆401中包括总共十四个传感器321。

图25C和图25D示出了根据一些实施方案的连杆411的两个视图，其中在连杆411中包括十二个传感器321。在一些具体实施中，机器人臂可包括连杆401和连杆411两者，其中连杆401被定位为靠近连杆411。具体地，图25C和图25D分别示出了包括十二个传感器321的连杆411的侧视图和前视图。连杆411可在连杆411的两端基本上对称，从而在连杆401中包括总共二十四个传感器321。在多种具体实施中，多个传感器321可以被构造成支撑刚性外壳而不固定到刚性外壳。在一些具体实施中，连杆401或411还可包括一个或多个支撑件，该一个或多个支撑件被配置成相对于结构连杆支撑刚性外壳。例如，一个或多个支撑件可包括弹簧、挠曲件和/或悬架。

尽管图25A至图25D示出了包括多个传感器321的连杆401和411，但是在一些实施方案中，连杆可包括被配置成在多个方向上感测结构连杆301与外壳309之间的力和/或位移的单个传感器。使用从传感器321接收到的信号，机器人***可被配置成检测外壳309与外部对象之间的接触的方向。机器人***还可基于来自传感器321的信号来测量由外壳309与外部对象之间的接触引起的力的大小。基于多个传感器321在连杆401和411内的放置，机器人***还可被配置成检测施加到连杆的扭矩。例如，如果将扭矩施加到外壳309，则在连杆401和411的一侧上的某些传感器321可被压缩。基于被压缩的传感器321的方位和由该传感器感测到的力，机器人***可确定施加到连杆401和411的扭矩。

返回参考图21，当一个或多个传感器321检测到机器人臂205的任何部分与另一对象之间的接触或碰撞时，机器人臂205可以被放置在各种位姿中。在一些情况下，存在对机器人臂205的移动的附加约束。例如，在医疗规程期间，可能期望机器人臂205的ADM 134和/或与其联接的工具135的远程移动中心(RCM)保持在静态位姿/定位。RCM可以指空间中的点，其中***医疗工具135的套管或其他进入端口被限制在运动中。在一些具体实施中，医疗工具135包括端部执行器，该端部执行器通过患者的切口或自然孔口***，同时保持RCM。

在一些情况下，机器人***可以被配置成在“零空间”内移动机器人臂205的一个或多个连杆132，以避免与附近对象(例如，其他机器人臂)碰撞，而机器人臂205的ADM 134和/或RCM保持在其相应的位姿/定位。零空间可以被视为机器人臂205可以在其中移动的空间，该空间不会导致ADM 134和/或RCM移动，从而保持医疗工具135的定位和/或取向。在一些具体实施中，机器人臂205可以具有可用于ADM 134的每个位姿的多个定位和/或构型。

对于将ADM 134移动到空间中的期望位姿的机器人臂205，在某些具体实施中，机器人臂205可以具有至少六个DoF——三个DoF用于平移(例如，X、Y、Z定位)并且三个DoF用于旋转(例如，偏航、俯仰和滚转)。在一些具体实施中，每个接头131可以提供具有单个DoF的机器人臂205，并且由此，机器人臂205可以具有至少六个接头以实现将ADM 134定位在空间中的任何位姿的运动自由度。为了进一步将机器人臂205的ADM 134和/或远程中心或运动保持在期望的位姿，机器人臂205还可以具有至少一个附加的“冗余接头”。因此，在某些具体实施中，***可以包含具有至少七个接头131的机器人臂205，其提供具有至少七个DoF的机器人臂205。然而，取决于具体实施，机器人臂205可以具有更多或更少数量的DoF。

具有至少一个冗余DoF的机器人臂205(也称为“运动学冗余的”机器人臂)可以指机器人臂205比用于执行给定任务的最小DoF数量多至少一个DoF。例如，机器人臂205可以具有至少七个DoF，其中机器人臂205的接头131中的一个接头可以被认为是用于完成需要六个DoF的任务的冗余接头。一个或多个冗余接头可以允许机器人臂205在零空间中移动以保持ADM 134的位姿和RCM的定位两者，并且避免与其他臂或对象的碰撞。

一种机器人***(例如，图6的***36或图14的***140A)可以被配置成通过利用一个或多个冗余接头在零空间中的移动(单独地或协调地运动)来执行碰撞避免以避免例如相邻机器人臂之间的碰撞。例如，当机器人臂与另一机器人臂碰撞或接近(例如，在限定的距离内)时，***的一个或多个处理器可以被配置成检测碰撞或即将发生碰撞(例如，通过运动学)。因此，该***可以控制一个或两个机器人臂在零空间内调整各自的接头，以避免碰撞或即将发生的碰撞。在涉及一对机器人臂的一些具体实施中，机器人臂中的一个机器人臂的基部和其端部执行器可以保持其位姿，而其间的连杆或接头在零空间中移动以避免与相邻机器人臂碰撞。

图26示出了根据一些实施方案的包括可调式臂支撑件210的机器人***200的示例。在图26中，机器人***200包括多个机器人臂205、一个或多个可调式臂支撑件210、一个或多个装配接头215和床柱220。机器人臂205中的每一个可以由可调式臂支撑件210中的一个支撑，并且可调式臂支撑件210可以继而由装配接头215支撑。如上所述，每个机器人臂205可以具有多个DoF。类似地，可调式臂支撑件210和装配接头215可以在一个或多个DoF中移动。

图27示意性地示出了一个或多个DoF如何在机器人臂、可调式臂支撑件和装配接头之间共享。图27示出了一种***，其中装配接头215可以在近侧端部处联接到床支撑件223并且在远侧端部处联接到可调式臂支撑件210。此外，多个机器人臂205可以在其相应的近侧端部处联接到可调式臂支撑件210。在某些具体实施中，可调式臂支撑件210和装配接头215一起可以具有四个DoF。因此，附接到可调式臂支撑件210的机器人臂205可以共享由装配接头215和可调式臂支撑件210提供的四个DoF。

因此，取决于实施方式，机器人医疗***可以具有超过机器人臂中的那些的许多机器人控制的自由度，以提供零空间移动和碰撞避免。在这些具体实施中的每个具体实施中，一个或多个机器人臂的端部执行器(以及与其联接的任何工具或器械)和/或与其相关联的(例如，沿着工具轴线)远程中心可以有利地维持患者体内的位姿和/或定位。

在一些实施方案中，本文所描述的机器人***利用不同连杆构件(例如，多个机器人臂和/或可调式臂支撑件的)之间的共享DoF来实现零空间移动以避免碰撞。在某些具体实施中，该***可以使用与第一组一个或多个机动连杆(例如，以一个或多个机器人臂的形式——例如，图26中所示的机器人臂205)相关联的一个或多个DoF与同第二组一个或多个机动连杆(例如，以支撑机器人臂的支撑连杆的形式，包括一个或多个装配接头连杆和一个或多个臂支撑件连杆——例如，图26中所示的装配接头215和可调式臂支撑件210)相关联的一个或多个DoF进行协调和/或同步运动，以实现零空间移动以避免碰撞。

第一组一个或多个机动连杆(例如，以一个或多个机器人臂的形式)可以被配置成执行与第二组一个或多个机动连杆(例如，以可调式臂支撑件连杆或导轨的形式)不同的功能。在一些实施方案中，第一组一个或多个连接件由第二组一个或多个连接件支持。

此外，在一些实施方案中，第一组一个或多个机动连接件具有与第二组一个或多个机动连接件不同数量的DoF。例如，如图27所示的简化具体实施中所示，第一组一个或多个连杆可以形成三个机器人臂205，每个机器人臂具有7个或更多个DoF。例如，机器人臂205中的每一个机器人臂可以具有包括但不限于肩部偏航、肩部俯仰、肘部俯仰、腕部偏航、腕部俯仰、滚转和***的DoF。第二组一个或多个机动连杆可以与具有4个或更多个DoF的可调式臂支撑件210组合形成装配接头215。例如，装配接头215和可调式臂支撑件210可以具有包括但不限于垂直平移或“Z提升”、沿床的纵向平移、倾斜和向上枢转的DoF。装配接头215和可调式臂支撑件210的DoF也在图24中示出，如上文所论述。

在其他具体实施中，第一组一个或多个机动连杆可以具有与第二组一个或多个机动连杆相同数量的DoF。有利地，通过在第一组一个或多个连杆和第二组一个或多个连杆之间共享DoF，可以扩大用于零空间移动和避免碰撞的DoF的数量。

本公开的方面涉及机器人***，除了能够进行零空间移动的机器人臂的DoF之外，还具有一个或多个DoF。这些额外的DoF(例如，来自装配接头与可调式臂支撑件组合)可以影响耦合到可调式臂支撑件的机器人臂的运动并且有助于避免碰撞。例如，当与每个机器人臂中的每一个的DoF组合时，来自第二组连接件的DoF包括竖直平移、纵向平移和倾斜对于零空间移动特别有用。

在上述实施方式中，不同组的连接件构件之间的共享DoF用于零空间移动，由此至少一组连接件构件与机器人臂相关联。在这些实施方案中，机器人臂的ADM以及附接到其的工具的RCM可以有利地保持在适当位姿/位置。

B.用于机器人臂和/或杆优化的力信息的利用

由上述一个或多个传感器检测到的力信息(例如，在机器人臂与诸如患者的对象之间的碰撞或接触期间)可以被转换成用于机器人臂和/或可调式臂支撑件(也称为“杆”)优化的一般约束。在一些情况下，医疗规程可以从标准端口放置开始，由此一个或多个机器人臂附接在端口位置处。当碰撞发生时，将经由力传感器中的一个或多个力传感器(例如，包括位于一个或多个接头处的力传感器的接触传感器)收集碰撞信息。能够检测碰撞的其他潜在传感器包括用于检测超声或光的传感器。此类碰撞信息包括碰撞的性质(例如，臂对臂碰撞、臂对环境碰撞)、碰撞的大***置(例如，碰撞是否在连杆、接头、高级装置操纵器(ADM)等上)、以及碰撞的估计方向(例如，碰撞向量)。该信息将用于生成外部约束，例如势场/碰撞场，例如在碰撞的方向上起源于碰撞的位置处。该势场可排斥和“推”离机器人臂和/或可调式臂支撑件的附近接头和连杆，从而有利地避免进一步碰撞。这种“推”的强度可以是从附近部件到碰撞位置的距离的函数。利用这些约束，除了优化一个或多个臂之外，还可以针对碰撞距离和机器人臂端部执行器工作空间优化可调式臂支撑件/杆位姿。这允许***容易地从碰撞中恢复并且以更小的未来碰撞可能性继续规程。

图28是示出根据一些实施方案的用于基于接触信息来调整一个或多个运动链(例如，相应运动链包括可旋转地彼此联接的刚性主体的组件，诸如联接至相关联的可调式臂支撑件/杆的一个或多个机器人臂)的方法的流程图。

图28所示的工作流程从医疗机器人***用于医疗规程开始(操作281)，其中医疗机器人***具有一个或多个运动链。当***用于医疗规程时，检测与运动链的碰撞(例如，机器人臂与患者之间的接触)(操作282)(例如，使用关于图21、图22A至图22B、图24和图25A至图25D描述的一个或多个传感器)。医疗机器人***停止(操作283)运动链的移动并收集接触信息。在一些情况下，医疗机器人***向特定指令集(例如，软件应用程序)或电子装置提供接触信息，以用于优化一个或多个运动链的构型。继而，医疗机器人***例如通过使用特定指令集或电子装置来确定(操作284)运动链的新构型，并且将运动链置于(操作285)所确定的构型中，从而消除与运动链的接触。此后，医疗机器人***恢复(操作286)医疗规程。当运动链处于优化构型时，运动链与对象接触的可能性降低。在一些情况下，医疗机器人***继续医疗规程(操作281)。

图29A至图29F示出了根据图28的流程图在操作期间机器人臂205的构型。

图29A示出了关于图26描述的医疗机器人***200，其中在台面225上的患者正在经历医疗规程。在图29A至图29F中，未示出医疗器械以便不混淆医疗机器人***200的操作的其他方面。

图29B示出机器人臂205-2向下移动并且机器人臂205-2的一部分与患者接触。图29C示出医疗机器人***200(或其一个或多个处理器)接收接触信息(例如，接触的位置、接触的方向、接触的力等)并且在标测图(例如，对医疗机器人***200附近的对象进行建模的三维标测图)中对接触进行建模。例如，接触或碰撞可以被建模为标测图中的约束或势场。在图29C中，接触被建模为势场227-1。在一些具体实施中，势场是定向的(例如，能够应用于运动链的位于从接触位置起的某个方向上或某个方向范围中的部分)或非定向的(例如，能够应用于运动链的所有部分，而不管它们相对于接触位置的位置如何)。在一些具体实施中，约束或势能的影响基于从接触位置到运动链的相应部分的距离。例如，位于距接触位置第一距离处的运动链的一部分可以比位于距接触位置大于第一距离的第二距离处的运动链的另一部分更远离其原始位置和/或接触位置移动。在图29C中，靠近接触位置定位的机器人臂205-2的远侧端部(例如，被配置为保持医疗工具的机器人臂205-2的尖端)可以被保持或最低限度地远离接触位置移动。类似地，机器人臂205-2的近侧端部(靠近可调式臂支撑件210)以及其他机器人臂205-1和205-3至205-6可以保持静止，而臂的近侧端部与远侧端部之间的中间连杆和接头可以移动。

在一些具体实施中，约束的大小(例如，约束区域或体积的大小)或势场的范围基于一个或多个因素来确定，诸如从接触检测到的力、接触对象的类型(例如，基于接触位置来确定，诸如患者—在台面225上检测到与其的碰撞，以及医务人员—在台面225外部检测到与其的碰撞)以及检测的概率。例如，图29D示出了具有比图29C中示出的势场更大范围的势场，并且调整多个机器人臂(即，机器人臂205-1至205-3)的构型(例如，机器人臂205-1和205-3以及机器人臂205-2的部分远离接触位置或势场移动)。

图29E示出了在机器人臂205-1的远侧端部的向下移动期间在机器人臂205-1与患者之间检测到另一碰撞(或接触)。在图29E中，医疗机器人***200接收关于机器人臂205-1与患者之间的接触的信息，将该接触建模为标测图中的势场227-2，并且调整机器人臂205-1的构型(或者机器人臂205-1至205-6中的两个或更多个机器人臂的构型，具体取决于势场的范围)。图29E和图29F还示出医疗机器人***200在标测图中维持势场227-1(并且因此，在机器人臂205-1的构型的调整期间，机器人臂205-1可以不进入势场227-1的附近)。在一些情况下，一个或多个势场(或约束)随时间期满，并且由此，医疗机器人***200在检测到机器人臂205-1与患者之间的碰撞时可能不维持势场227-1。

图30是示出根据一些实施方案的基于接触信息调整运动链的构型的方法330的流程图。方法330由与医疗机器人***通信的电子装置(例如，一个或多个处理器，诸如关于图38描述的处理器380)执行，该医疗机器人***包括第一运动链和被定位成检测与第一运动链接触的一个或多个参数(例如，力、扭矩、接触方向、接触位置等)的一个或多个传感器(例如，具有机器人臂205和关于图21、图23、图24和图25A至图25D描述的一个或多个传感器的医疗机器人***200)。

在一些实施方案中，一个或多个传感器包括以下中的至少一者：定位在第一运动链的基部处(例如，在接头131-3处或在基部136处)的力传感器、定位成与位于一个或多个连杆与第一运动链的端部执行器之间的接头相邻(例如，在接头131-1处)的力传感器、或者一个或多个连杆上的一个或多个接触传感器(例如，在外壳传感器上)(例如，传感器321)。在一些实施方案中，定位成与位于一个或多个连杆与机器人臂端部执行器之间的接头相邻的力传感器包括六轴负荷传感器。

在一些实施方案中，第一运动链是运动学冗余的。例如，第一运动链具有比完成医疗任务所需的自由度更高的自由度(例如，第一运动链具有7、8或9个自由度或更高)。在一些实施方案中，第一机器人臂是运动学冗余的。在一些实施方案中，第一机器人臂和可调式臂支撑件的组合是运动学冗余的。

方法330包括(331)接收(例如，从一个或多个传感器)由一个或多个传感器检测到的与第一运动链接触的一个或多个参数。

在一些实施方案中，与第一运动链的接触包括第一运动链与不是医疗机器人***的一部分的对象(例如，患者、工作人员或配件)之间的接触。

在一些实施方案中，接触的一个或多个参数包括(332)选自由以下各项组成的组中的一者或多者：接触的力信息(包括力和/或扭矩)、接触的位置信息、和接触的方向信息(其可以从在第一运动链与对象之间的接触之前和/或期间的第一运动链的移动和/或力的方向来确定)。

在一些实施方案中，接触的一个或多个参数包括关于该接触是与移动对象还是固定对象的接触的信息(其可基于接触位置是否随时间改变而确定)。

方法330还包括(333)基于与第一运动链接触的一个或多个参数来确定与第一运动链相关联的约束。

在一些实施方案中，方法330包括基于由一个或多个传感器检测到的与第一运动链的后续接触的一个或多个参数来更新约束和/或建立约束标测图。例如，医疗机器人***200创建约束标测图(例如，基于接触的初始信息)或更新先前建立的约束标测图(例如，基于接触的后续信息)。

在一些实施方案中，接触的一个或多个参数形成概率标测图的一部分。例如，接触信息被转换成某个对象可能存在于三维空间中的各个位置处的概率(并且由此，概率标测图中的概率值表示针对各个位置或体素的接触或碰撞的可能性)。

在一些实施方案中，基于接触的检测的置信度来确定概率标测图。例如，具有高检测置信度的对象(或接触)可被分配高概率值，因为该对象具有存在于对应位置处的高可能性，并且具有低检测置信度的对象(或接触)可被分配低概率值，因为该对象具有存在于对应位置处的低可能性。

在一些实施方案中，方法330包括基于有限约束时间来更新概率标测图。例如，医疗机器人***200可以以一个或多个时间间隔更新概率标测图。在一些具体实施中，基于有限约束时间更新概率标测图包括在自一个或多个约束最后在概率标测图中被更新起的特定时间段之后终止(或移除)此类约束。这防止陈旧约束保留在概率标测图上，从而干扰第一运动链的最佳构型的确定。

在一些实施方案中，方法330包括基于改变的约束概率来更新概率标测图。在一些具体实施中，医疗机器人***200确定接触是与静止对象还是动态移动对象进行的接触(例如，基于接触位置，例如，台面225外部的接触可以被建模为与移动对象的接触，并且台面225上的接触可以被建模为与静止对象的接触)。对于与动态对象的接触，基于动态对象可能不会保持在相同位置的可能性来降低概率。例如，时间衰减函数(或曲线)可用于更新概率标测图，其中时间衰减函数可以是线性衰减函数或非线性衰减函数(例如，指数衰减函数)。

在一些实施方案中，至少部分地基于由一个或多个传感器检测到的接触的一个或多个参数，将约束建模(334)为势场(例如，势场227-1)。例如，势场被建模为力从其施加到第一运动链的一个或多个部件上(并且可能施加到其他运动链的部件上)的一个或多个位置。在一些实施方案中，由于势场而产生在第一运动链的相应部件上的建模力基于从接触位置到相应部件的位置的距离，并且可以具有背离碰撞位置的方向。

在一些实施方案中，势场还基于(335)由一个或多个传感器中的相应传感器检测到接触的概率。例如，对于由具有高检测可靠性/保真度的传感器(例如，具有低灵敏度的传感器)检测到的接触，建模力被增大，而对于由具有低检测可靠性/保真度的传感器(例如，具有高灵敏度的传感器)检测到的接触，建模力被减小。这减小了与难以检测(例如，由于对象的大小或材料)的对象接触的可能性，同时通过减小可被可靠地且精确地检测的对象的力来增加可用于机器人臂和工具操纵的空间。在一些实施方案中，一个或多个传感器中的相应传感器被分配有预定的检测概率(例如，医疗机器人***200在存储器中存储相应传感器或相应传感器类型的预定检测概率值的表)。

在一些实施方案中，约束被建模为禁止进入区域(例如，不允许第一运动链的部件进入的体积)。在一些实施方案中，禁止进入区域具有基于接触的一个或多个参数定义的一个或多个边界(例如，禁止进入区域的大小基于力信息确定，并且禁止进入区域的形状基于方向信息和/或位置信息确定)。

方法330还包括(336)基于约束引起第一运动链的构型从第一构型调整(例如，通过激活与第一运动链联接或包括在第一运动链中的一个或多个致动器)到第二构型(例如，第二构型不同于第一构型)。该调整将第一运动链定位在非碰撞位置并且降低未来碰撞的风险。

在一些实施方案中，第一运动链包括第一机器人臂(例如，机器人臂205-1)和第一机器人臂定位在其上的可调式臂支撑件(例如，可调式臂支撑件210)(例如，第一机器人臂与可调式臂支撑件机械地联接，诸如可旋转地联接)，并且对第一运动链的构型的调整包括(337)改变可调式臂支撑件的定位。

在一些实施方案中，该方法包括(338)利用第一运动链的零空间使第一运动链的构型从第一构型调整到第二构型。

在一些实施方案中，方法330包括基于从由一个或多个传感器检测到的与第一运动链接触的一个或多个参数确定的约束来引起不与第一运动链的一个或多个部分接触的一个或多个其他运动链的构型的调整(例如，如图29D所示，即使机器人臂205-1和205-3不与机器人臂205-2接触，机器人臂205-1和205-3也被移动)。

在一些实施方案中，方法330包括基于从由一个或多个传感器检测到的与第一运动链接触的一个或多个参数确定的约束，引起不与对象接触的一个或多个运动链的构型的调整(例如，如图29D所示，移动不与患者接触的机器人臂205-1和205-3)。

在一些实施方案中，方法330还包括执行医疗规程。在一些实施方案中，医疗规程包括外科手术规程。

C.用于检测附近的对象的传感器架构

如上所述，医疗机器人***200可以包括用于检测与运动链(例如，机器人臂)的接触的一个或多个传感器。在一些实施方案中，医疗机器人***200包括用于检测在医疗机器人***200附近的对象的一个或多个传感器(例如，非接触式接近传感器)。此类传感器不需要接触，因此可用于调整运动链的构型(或移动)并在接触发生之前防止接触。此类传感器的示例包括声纳、雷达、激光雷达(LIDAR)、超声传感器、基于光的传感器或基于视觉的传感器。

图31示出了根据一些实施方案的被安装用于检测附近的对象的传感器314。在一些实施方案中，一个或多个传感器(例如，传感器314-1至314-5)被固定到一个或多个机器人连杆132。在一些实施方案中，一个或多个传感器(例如，传感器314-6和314-7)在外部固定到医疗机器人***200(例如，在墙壁或天花板上)。在一些情况下，一个或多个传感器314可以用作用于收集关于动态环境的信息的参考点。在一些实施方案中，一个或多个传感器314位于对对象(例如，患者)具有最大可见性的连杆或连杆之间的接头中的任一者上。在一些实施方案中，至少一个机器人臂具有一个传感器。在一些实施方案中，至少一个机器人臂具有多个传感器。

图32示出了具有多个传感器314以收集关于动态环境的信息的机器人臂205的示例。在图32中，机器人臂205包括至少四个传感器(尽管机器人臂205可以包括附加的传感器，但是在图32中示出了四个传感器314-1至314-4)。三个传感器314-1至314-3定位在机器人臂205的远侧连杆上，而一个传感器314-4定位在机器人臂205的近侧连杆上。如图32中所示，不同的传感器314可以被配置为检测环境的不同斑块或区域。传感器314-1和314-2检测到患者的不同区域，传感器314-3检测到医务人员(例如，医师助手、护士、麻醉科医师等)，而传感器314-4没有检测到任何东西。根据传感器314检测到的信息，可以生成环境的标测图。

图33示出了根据一些实施方案的具有基于由一个或多个传感器314(或单个传感器)检测到的信息的标测图的人(例如，患者)的示例性表示。在图33中，人被表示为三维空间中的点云(例如，一组点或小圆点)(例如，每个点与三维坐标相关联)。在一些实施方案中，每个点具有指示该点属于特定对象(例如，患者)的可能性的概率值。在图33中，基于点的大小来表示概率值(例如，较大的点表示该点属于对象的概率较高)。

D.利用感测到的信息来生成感测到的对象的标测图

图34是示出根据一些实施方案的用于基于检测到的对象信息调整一个或多个运动链的方法的流程图。

图34所示的工作流程开始于(操作322)标测图初始化。在一些具体实施中，标测图初始化包括使用空标测图。在这种情况下，医疗机器人***假设没有环境的先验知识(例如，对象的位置和大小)。在一些其他具体实施中，标测图初始化包括从患者身体模型的预定模型(空间的、统计的或确定性的，以网格或点云的形式)选择初始患者身体标测图。在这种情况下，用患者身体标测图(例如，默认患者身体标测图或基于用户输入选择或生成的患者身体标测图)来初始化标测图。例如，可以基于对患者的身体测量(例如，身高和腰围等)来生成患者身体标测图。在一些具体实施中，初始患者身体标测图具有围绕建模的患者身体的空包围。

医疗规程开始并且医疗机器人***(操作323)监测环境，并且(操作324)利用关于检测到的对象的信息来更新标测图。例如，当机器人臂移动时，传感器将记录它们到视线内最近对象的距离。在一些具体实施中，医疗机器人***确定检测到的对象是否属于医疗机器人***。如果检测到的对象不属于医疗机器人***200，并且该对象在医疗规程内，则更新初始空间/统计或确定性模型(或标测图)。更新可基于任何同时定位与建图(SLAM)算法或传感器融合算法，诸如卡尔曼滤波器、粒子滤波器及协方差相交算法。周期性地重复更新操作(操作324)。在多次迭代之后，可以实现具有高置信度的环境(例如，包括患者身体的环境)的空间模型。

当模型的置信度和精度足够高时，机器人处理器将避免与该模型碰撞。这将消除与患者碰撞的可能性。也可以基于该模型在操作期间修改杆放置以提高效率(更少的臂-臂碰撞等)。

在一些情况下，基于更新的标测图确定运动链的新构型(操作325)，并且医疗机器人***(操作326)将运动链置于所确定的构型中。当运动链处于优化构型时，医疗规程继续。因此，减小了运动链与另一对象接触的可能性。这继而又提高了医疗规程的效率，因为将存在更少的碰撞(例如，在机器人臂之间或在机器人臂与另一对象之间)。

在一些具体实施中，由于环境的动态性质，每个边界斑块可以被分配有基于何时以及如何检测到边界斑块的概率(例如，医疗机器人***存储指示何时以及如何检测到关于特定点的信息的信息，诸如检测的时间戳)。例如，根据以高接触力(或以具有高灵敏度的传感器)确定斑块的确定，医疗机器人***将高概率分配给对象的检测到的边界。另外，医疗机器人***随时间降低概率，以反映对象可能已从其原始位置移动的情况，由此使长时间之前检测到的边界无效。另一方面，如果对象随着时间推移在相同或相似位置持续被检测到，则医疗机器人***增大分配给对象的检测到的边界的概率。在这种情况下，可以更精确地近似对象(或其边界)的位置和形状。在一些具体实施中，可使用附加的先验知识。例如，已知患者相对固定到台面，而工作人员通常在床外四处移动。因此，基于传感器测量的位置，可以生成单独的模型(例如，基于针对台面区域的传感器测量的患者模型和基于床外的传感器测量的工作人员模型，其可能随着时间推移而过期或衰减)。

图35A至图35G示出了根据一些实施方案的机器人臂的构型和对应的标测图。在图35A至图35G中，未示出传感器以便不混淆医疗机器人***的操作的其他方面。

图35A在左侧示出了具有机器人臂205-1和205-2的医疗机器人***，其中患者240被定位在台面225上。图35A还示出了天花板结构291(例如，照明灯具)。在图35A的右侧示出的是对应于在图35A的左侧示出的设置的对象标测图的图形表示。对象标测图包括患者的标测图241(例如，表示患者的表面边界的一组点)并且还包括台面225和天花板结构291的一个或多个部分的标测图。

图35B在左侧示出机器人臂205-2基于患者的标测图241移动(例如，移动到更优化的位置或位姿)。图35B还在左侧示出医务人员242已经移动到机器人臂205-1的附近。在图35B的右侧示出的是包括医务人员242的标测图243的更新的对象标测图的图形表示。

图35C在左侧示出了机器人臂205-1基于更新的标测图(包括医务人员的标测图243)而移动。

图35D在左侧示出医务人员242已经移动远离机器人臂205-1。然而，图35D在右侧示出了医务人员的标测图243仍然存在(至少持续了特定时间段)。

图35E在右侧示出了医务人员的标测图243已经被移除。在一些具体实施中，医务人员(或任何移动对象)的标测图243在特定时间段之后期满(例如，移动对象的标测图在预设时间段逝去时被移除)。在一些其他具体实施中，医务人员(或任何移动对象)的标测图243随时间衰减(例如，移动对象的标测图的概率值随时间减小)。另一方面，随着时间的推移，在相同位置继续检测到患者240。在一些具体实施中，静态对象(例如，患者240)的标测图的概率值随时间增加。

图35F在左侧示出医务人员242已经移动到机器人臂205-2附近。在图35F的右侧示出的是包括在患者240的右侧的医务人员242的标测图243的另一更新的对象标测图的图形表示。

图35G在左侧示出了机器人臂205-2基于更新的标测图(包括在新位置处的医务人员的标测图243)而移动。

如图35A至图35G所示，医疗机器人***可以检测在医疗机器人***附近的对象并调整运动链的构型，从而降低与运动链碰撞的风险。图35A至图35G还示出某些对象在标测图中被不同地建模。例如，移动对象的标测图可随时间期满或衰减，并且静态对象的概率值可随时间(或在达到阈值时间后)增加。

在一些实施方案中，利用标测图中的缓冲区对对象进行建模。允许运动链紧挨着对象的边界向上移动可导致运动链由于各种原因(诸如测量误差、建模误差和对象的移动)而与对象接触，并且提供缓冲区(例如，具有与对象的边界相距一定距离的边界的一定区域或体积)减小运动链与对象之间的接触的可能性。在一些实施方案中，如图36A所示，基于各种因素(例如，检测概率、检测置信度等)来确定缓冲区的缓冲区距离db。例如，对于具有相同物理大小(和形状)的两个对象244和245，当对象244是静态对象而对象245是动态移动对象时，它们的缓冲区246和247可以具有不同的大小。

图37是示出根据一些实施方案的基于传感器信息调整机器人臂的构型的方法370的流程图。方法330由与医疗机器人***通信的电子装置(例如，一个或多个处理器，诸如关于图38描述的处理器380)执行，该医疗机器人***包括第一机器人臂和被定位成检测第一机器人臂附近的对象的一个或多个传感器(例如，具有机器人臂205和关于图31描述的一个或多个传感器的医疗机器人***200)。

在一些实施方案中，一个或多个传感器包括声纳、雷达、LIDAR、超声、基于光的传感器或基于视觉的传感器中的至少一者或多者。

在一些实施方案中，一个或多个传感器包括至少一个非接触传感器。在一些实施方案中，除了至少一个非接触式传感器之外，一个或多个传感器还包括至少一个接触传感器。

在一些实施方案中，第一机器人臂被遥操作地控制。在一些实施方案中，所存储的指令在由一个或多个处理器执行时，使该一个或多个处理器从与该一个或多个处理器分开定位的输入装置接收控制信号。在一些实施方案中，输入装置与第一机器人臂或任何其他机器人臂分开定位。

在一些实施方案中，第一机器人臂是运动学冗余的。例如，第一机器人臂具有比完成医疗任务所需的自由度更高的自由度(例如，具有或不具有相关联的可调式臂支撑件的第一机器人臂具有7、8或9个自由度或更高)。

在一些实施方案中，医疗机器人***包括可移动患者平台。在一些实施方案中，可移动患者平台包括刚性基部和能够相对于刚性基部移动的台面。

方法370包括(371)从一个或多个传感器接收对应于在第一机器人臂附近(例如，在第一时间)存在的一个或多个对象的定位的传感器信息。

方法370还包括(372)基于传感器信息生成或更新对象标测图(例如，指示与医疗机器人***，特别是第一机器人臂相邻的对象的定位和/或大小的数据结构)，其中对象标测图表征第一机器人臂附近的对象的空间关系。在一些实施方案中，对象标测图表征与医疗机器人***相邻的对象的空间关系。通过利用多个传感器，能够检测经过遮蔽的对象。例如，对象在特定传感器的视场内可能位于障碍物后面。然而，可以通过从不同角度观察对象的一个或多个其他传感器来检测对象。因此，通过利用多个传感器，即使存在从某些视图看遮蔽对象的障碍物，也能够检测对象并且能够确定它们的定位。

方法370还包括(373)基于对象标测图将第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型(例如，第二构型不同于第一构型)。第一机器人臂的构型的调整降低了第一机器人臂与被检测对象之间碰撞的风险。

在一些实施方案中，医疗机器人***包括除第一机器人臂之外的一个或多个机器人臂；和被定位成检测一个或多个机器人臂附近的对象的存在的一个或多个第二传感器。方法370还包括：从一个或多个第二传感器接收对应于在一个或多个机器人臂附近的一个或多个对象(例如，在第一传感器信息中表示的相同对象和/或不同对象)的一个或多个定位位置的第二传感器信息；还基于第二传感器信息生成或更新对象标测图；以及基于对象标测图调整一个或多个机器人臂的构型。

在一些实施方案中，方法370包括在生成或更新对象标测图之后(374)迭代以下操作：从一个或多个传感器接收对应于在第一机器人臂附近的一个或多个对象的定位的后续传感器信息；基于后续传感器信息来更新所述对象标测图；以及根据基于后续传感器信息更新的对象标测图调整第一机器人臂的构型。

在一些实施方案中，方法370任选地包括(375)基于检测到一个或多个对象中的相应对象的概率来更新对象标测图。例如，具有低检测概率的对象(例如，以低于阈值频率的频率检测到并且因此不太可能被检测到的对象)被建模为具有缓冲区以降低与该对象碰撞的概率，而具有高检测概率的对象(例如，以高于阈值频率的频率检测到并且因此更可能被检测到的对象)被建模为没有缓冲区或具有较小缓冲区。

在一些实施方案中，一个或多个对象包括动态移动的对象。例如，对象在第一时间位于第一定位，并且在不同于第一时间的第二时间位于不同于第一定位的第二定位。动态移动的对象可以是患者、工作人员或配件。在一些实施方案中，对象基于医疗机器人***的配置(例如，运动学信息)动态地移动(例如，对象基于第一机器人臂或任何其他机器人臂的构型改变其定位)。例如，对象是其定位基于患者平台(例如，手术床)的构型而改变的患者。在其他实施方案中，对象是床边工作人员，当机器人臂运动时，该床边工作人员试图避开机器人臂。在一些实施方案中，该方法还包括(376)在已经更新对象标测图以反映该对象之后的一段时间之后，移除对该对象标测图的更新(或者更新该对象标测图以减少或消除该对象对该对象标测图的影响，或者从该对象标测图中移除该对象)。例如，如果在位置A处检测到对象，则将在对象标测图中标记位置A附近的区域。在一段时间之后，在对象标测图中不再标记位置A周围的区域。这不适用于保持在相同位置处的对象。例如，一个或多个处理器根据对象继续被检测(例如，在相同位置周围)的确定而放弃移除对对象标测图的更新或在对象标测图中保持该对象。

在一些实施方案中，调整第一机器人臂的构型增加了第一机器人臂与动态对象之间的距离，使得第一机器人臂与动态对象之间的碰撞的风险降低。

在一些实施方案中，一个或多个对象包括静态对象。在一些实施方案中，方法370包括根据基于传感器信息继续检测静态对象(例如，在相同位置周围)而在对象标测图中保持静态对象(或保持对涉及静态对象的对象标测图的更新)。

在一些实施方案中，方法370包括(377)还基于医疗机器人***的配置(例如，运动学信息)(例如，第一机器人臂和/或任何其他机器人臂的构型)更新对象标测图。

在一些实施方案中，方法370还包括执行医疗规程。在一些实施方案中，医疗规程包括外科手术规程。

E.构型的确定

如上所述，医疗机器人***基于传感器信息(例如，接触信息和/或检测到的对象信息)确定运动链的新构型。对于新构型存在某些条件，诸如机器人臂205的ADM 134和/或与其联接的远程运动中心(RCM)保持在静态位姿/定位，同时相应运动链与所检测到的对象之间的距离以及任何两个运动链之间的距离需要增加(以便减少接触的可能性并且提供增加的工作空间来操纵运动链)。虽然存在基于这些条件确定新构型的许多方式，但确定新构型的一种方式是基于成本函数(也称为损失函数)。例如，成本函数可以包括基于新构型的条件的惩罚或分数，并且基于最小化或最大化成本函数的参数(例如，运动链的相应部件的定位)来选择新构型。

在一些具体实施中，为了最大化医疗机器人***的工作空间，可以执行以下优化过程。在保持每个机器人臂的远程中心定位的同时，目标是最大化接头位置到相应接头极限的最小距离(这为到达接头极限留出更多行程，从而减小任何接头到达其接头极限的可能性)和任何两个机器人臂的最小距离(这减小两个机器人臂之间碰撞的可能性)。假设总共六个机器人臂，其中第一至第三机器人臂位于一个基部上并且第四至第六机器人臂位于另一基部上，则成本函数可以如下写出：

其中q_i,j是机器人臂j的接头i的定位，q_i,j,min是机器人臂j的接头i的下界限，q_i,j,max是机器人臂j的接头i的上界限，w_i,j和v_m,n是针对特定应用选择的权重，T_基部，j是表示机器人臂j的基部位姿的均匀(例如，4×4)矩阵，并且d(j₁,j₂)是两个机器人臂j₁和j₂之间的最小距离，该最小距离是每个机器人臂上的任何两个连杆的最小距离。优化问题是找到T_基部，1和T_基部，4以最大化成本函数，其在数学上表达如下：

其中qj是机器人臂j的所有接头定位的向量，并且prc,j(qj,T_基部，j)是作为机器人臂j的接头定位和基部位姿的函数的机器人臂j的远程中心的定位。

如果接触的大小(力或扭矩或两者)是已知的并且被使用，则优化可以作为在线过程被执行，使得接触减少的改进可以在优化期间被测量。可以使用以下经修改的成本函数：

其中F_i,j和T_i,j是在机器人臂j的连杆i上测量的外部接触力和力矩，w_F和w_T是为特定应用选择的权重。在这种情况下，优化问题是找到T_基部，1和T_基部，4以最大化成本函数，其在数学上表达如下：

为了实现离线优化，可以利用粗略接触位置和接触方向的附加信息来估计对象的位置，使得可以计算机器人臂与对象之间的估计距离。

当在没有用于该接触的方向信息的情况下使用粗略位置时，假设在机器人臂j的连杆i上检测到大小为|Fi,j|和|Ti,j|的接触，则对象的位置可以被估计为沿着其垂直平分线远离该接触连杆的min(kF/|Fi,j|,kT/|Ti,j|)，其被标注为Oi,j。接触连杆与对象之间的距离可以估计为ri,j(qj)。对于没有检测到接触的连杆ri,j(qj)＝0。另外考虑接触距离的新成本函数如下：

其中w_r是为特定应用选择的权重。在这种情况下，优化问题是找到T_基部，1和T_基部，2以最大化成本函数，其在数学上表达如下：

当接触方向信息与粗略接触位置一起可用时，可估计更精确的对象位置。利用接触方向信息，可以将对象位置O’_i,j估计为vec_i，j+k_F·F_i，j/|F_i，j|²，其中vec_i，j从T_i，j＝vec_i，j×F_i，j。

然后，可以与上述类似地估计接触连杆和对象之间的距离。估计的距离标注为r'_i,j(q_j)。在一些具体实施中，对于旋转接头上的连杆，接触方向和朝向90°的纵向连杆方向之间的角度需要被包括在优化中。对于沿着dir_i,j在机器人臂j的连杆i上检测到的接触，并且纵向连杆方向是link_i,j，其是q_j的函数，两个方向向量之间的角度θ_i,j(q_j)＝arccos(dir_i,j·link_i,j)。另外考虑接触方向的新成本函数如下：

其中w_θ是为特定应用选择的权重。在这种情况下，优化问题是找到T_基部，1和T_基部，4以最大化成本函数，其在数学上表达如下：

3.实施***和术语。

图38是示出根据一些实施方案的医疗机器人***的电子部件的示意图。

医疗机器人***包括一个或多个处理器380，其与存储用于执行本文描述的任何方法(例如，关于图30和图37描述的操作)的指令的计算机可读存储介质382(例如，计算机存储器装置，诸如随机存取存储器、只读存储器、静态随机存取存储器和非易失性存储器，以及其他存储装置，诸如硬盘驱动器、光盘、磁带记录或其任何组合)通信。一个或多个处理器380还与输入/输出控制器384通信(经由***总线或任何合适的电路)。输入/输出控制器384从一个或多个传感器388-1、388-2等接收传感器数据，并且将传感器数据中继到一个或多个处理器380。输入/输出控制器384还从一个或多个处理器380接收指令和/或数据，并且将指令和/或数据中继到一个或多个致动器，诸如第一马达387-1和387-2等。在一些实施方案中，输入/输出控制器384联接到一个或多个致动器控制器386并且向一个或多个致动器控制器386的至少一个子集提供指令和/或数据，该一个或多个致动器控制器继而又向所选择的致动器提供控制信号。在一些实施方案中，一个或多个致动器控制器386与输入/输出控制器384成一体，并且输入/输出控制器384将控制信号直接提供给一个或多个致动器387(在没有单独的致动器控制器的情况下)。尽管图38示出了存在一个致动器控制器386(例如，一个致动器控制器用于整个移动医疗平台)，但是在一些实施方案中，可以使用附加的致动器控制器(例如，一个致动器控制器用于每个致动器等)。

本文所公开的具体实施提供了用于医疗机器人***的***、方法和设备，其可以基于在运动链附近的对象的定位来优化运动链的构型。

应当指出的是，如本文所用，术语“联接(couple)”、“联接(coupling)”、“联接(coupled)”或词语联接的其他变型形式可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“联接”到第二部件，则第一部件可经由另一个部件间接连接到第二部件或直接连接到第二部件。

本文所述的用于移动医疗平台的动力辅助可动化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。

如本文所用，短语“医疗机器人***的附近”可以指传感器的检测范围(例如，传感器中的至少一个传感器可以检测到在医疗机器人***的附近的对象)或运动链的移动范围。在一些情况下，短语“在附近”还涵盖“在同一房间内”、“在视场内”、相邻或靠近。

提供对所公开的具体实施的前述描述以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。对这些具体实施的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所定义的一般原理可应用于其他具体实施。例如，应当理解，本领域的普通技术人员将能够采用多个对应的替代和等同的结构细节，诸如紧固、安装、联接或接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机构、以及用于递送电能的等同机构。因此，本发明并非旨在限于本文所示的具体实施，而是被赋予符合本文所公开的原理和新颖特征的最广范围。

关于以下条款描述一些实施方案或实施方式：

条款1.一种医疗机器人***，包括：

第一机器人臂；

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被定位成检测与所述第一机器人臂相邻的对象的存在；

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述一个或多个传感器通信；和

存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

从所述一个或多个传感器接收对应于在所述第一机器人臂附近的一个或多个对象的一个或多个定位位置的第一传感器信息；

基于所述第一传感器信息生成或更新对象标测图，其中所述对象标测图表征与所述第一机器人臂相邻的对象的空间关系；以及

基于所述对象标测图将所述第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

条款2.根据条款1所述的医疗机器人***，还包括：

除所述第一机器人臂之外的一个或多个机器人臂；和

一个或多个第二传感器，所述一个或多个第二传感器被定位成检测所述一个或多个机器人臂附近的对象的存在，

其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

从所述一个或多个第二传感器接收对应于在所述一个或多个机器人臂附近的一个或多个对象的一个或多个定位位置的第二传感器信息；

基于所述第二传感器信息生成或更新所述对象标测图；以及

基于所述对象标测图调整所述一个或多个机器人臂的构型。

条款3.根据条款1或2所述的医疗机器人***，其中所述一个或多个传感器包括以下中的至少一者或多者：声纳、雷达、LIDAR、超声、基于光的传感器或基于视觉的传感器。

条款4.根据条款1至3中任一项所述的医疗机器人***，其中所述一个或多个传感器包括至少一个非接触传感器。

条款5.根据条款1至4中任一项所述的医疗机器人***，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，进一步使所述一个或多个处理器在生成或更新所述对象标测图之后迭代：

从所述一个或多个传感器接收对应于与所述第一机器人臂相邻的一个或多个对象的定位的后续传感器信息；

基于所述后续传感器信息来更新所述对象标测图；以及

根据基于所述后续传感器信息而更新的所述对象标测图来调整所述第一机器人臂的构型。

条款6.根条款5所述的医疗机器人***，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，进一步使所述一个或多个处理器基于检测到所述一个或多个对象中的相应对象的概率来更新所述对象标测图。

条款7.根据条款1至6中任一项所述的医疗机器人***，其中所述第一机器人臂被遥操作地控制。

条款8.根据条款1至7中任一项所述的医疗机器人***，其中所述第一机器人臂是运动学冗余的。

条款9.根据条款1至8中任一项所述的医疗机器人***，其中所述一个或多个对象包括动态移动的对象。

条款10.根据条款9所述的医疗机器人***，其中所述对象基于所述医疗机器人***的配置而动态地移动。

条款11.根据条款9或10所述的医疗机器人***，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，进一步使所述一个或多个处理器在所述对象标测图已被更新以反映所述对象之后的一段时间之后移除对所述对象标测图的所述更新。

条款12.根据条款1至11中任一项所述的医疗机器人***，其中所述一个或多个对象包括静态对象。

条款13.根据条款1至12中任一项所述的医疗机器人***，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，进一步使所述一个或多个处理器基于所述医疗机器人***的配置来更新所述对象标测图。

条款14.根据条款1至13中任一项所述的医疗机器人***，还包括可移动患者平台。

条款15.一种医疗机器人***，包括：

第一机器人臂；

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被定位成检测在第一机器人臂附近的动态对象的存在；

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述一个或多个传感器通信；和

存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

从所述一个或多个传感器接收对应于在所述第一机器人臂附近的动态对象的定位的后续传感器信息；

基于所述传感器信息生成或更新所述对象标测图，

其中所述对象标测图表征在所述第一机器人臂附近的对象的空间关系；以及

基于所述对象标测图将所述第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

条款16.根据条款15所述的医疗机器人臂，其中调整第一机器人臂的构型增加了所述第一机器人臂与所述动态对象之间的距离，使得所述第一机器人臂与所述动态对象之间的碰撞的风险降低。

条款17.一种由与医疗机器人***通信的电子装置执行的方法，所述医疗机器人***包括第一机器人臂和一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被定位成检测在所述第一机器人臂附近的对象的存在，所述方法包括：

从所述一个或多个传感器接收对应于在所述第一机器人臂附近存在的一个或多个对象的定位的传感器信息；

基于所述传感器信息生成或更新对象标测图，其中所述对象标测图表征在所述第一机器人臂附近的对象的空间关系；以及

基于所述对象标测图将所述第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

条款18.根据条款17所述的方法，还包括：

在生成或更新所述对象标测图之后，迭代：

从所述一个或多个传感器接收对应于在所述第一机器人臂附近的一个或多个对象的定位的后续传感器信息；

基于所述后续传感器信息来更新所述对象标测图；以及

根据基于所述后续传感器信息而更新的所述对象标测图来调整所述第一机器人臂的构型。

条款19.根据条款17或18所述的方法，还包括基于检测到所述一个或多个对象中的相应对象的概率来更新所述对象标测图。

条款20.根据条款17至19中任一项所述的方法，其中：

所述一个或多个对象包括动态移动的对象；并且

所述方法还包括在所述对象标测图已被更新以反映所述对象之后的一段时间之后，移除对所述对象标测图的更新。

条款21.根据条款17至20中任一项所述的方法，还包括基于所述医疗机器人***的配置来更新所述对象标测图。

条款22.一种电子装置，包括：

一个或多个处理器；和

存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

从一个或多个传感器接收对应于在医疗机器人***的第一机器人臂附近的一个或多个对象的定位的传感器信息；

基于所述传感器信息生成或更新所述对象标测图，

其中所述对象标测图表征在所述第一机器人臂附近的对象的空间关系；以及

基于所述对象标测图将所述第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

条款23.根据条款22所述的电子装置，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

在生成或更新所述对象标测图之后，迭代：

从所述一个或多个传感器接收对应于在所述第一机器人臂附近的一个或多个对象的定位的后续传感器信息；

基于所述后续传感器信息来更新所述对象标测图；以及

根据基于所述后续传感器信息而更新的所述对象标测图来调整所述第一机器人臂的构型。

条款24.根据条款22或23所述的电子装置，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器基于检测到所述一个或多个对象中的相应对象的概率来更新所述对象标测图。

条款25.根据条款22至24中任一项所述的电子装置，其中：

所述一个或多个对象包括动态移动的对象；并且

所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器在所述对象标测图已被更新以反映所述对象之后的一段时间之后移除对所述对象标测图的更新。

条款26.根据条款22至25中任一项所述的电子装置，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器基于所述医疗机器人***的配置来更新所述对象标测图。

条款27.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储用于由电子装置的一个或多个处理器执行的指令，所存储的指令包括用于执行以下操作的指令：

接收对应于与医疗机器人***的第一机器人臂相邻存在的一个或多个对象的定位的传感器信息；

基于所述传感器信息生成或更新对象标测图，其中所述对象标测图表征与所述第一机器人臂相邻的对象的空间关系；以及

基于所述对象标测图将所述第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

条款28.根据条款27所述的计算机可读存储介质，其中所存储的指令还包括用于执行根据条款18至21中任一项所述的方法的指令。

Claims (27)

1.一种医疗机器人***，包括：

第一机器人臂；

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被定位成检测与所述第一机器人臂相邻的对象的存在；

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述一个或多个传感器通信；和

存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

从所述一个或多个传感器接收对应于在所述第一机器人臂附近的一个或多个对象的一个或多个定位位置的第一传感器信息；

基于所述第一传感器信息生成或更新对象标测图，其中所述对象标测图表征与所述第一机器人臂相邻的对象的空间关系；以及

基于所述对象标测图将所述第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

2.根据权利要求1所述的医疗机器人***，还包括：

除所述第一机器人臂之外的一个或多个机器人臂；和

一个或多个第二传感器，所述一个或多个第二传感器被定位成检测所述一个或多个机器人臂附近的对象的存在，

其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

从所述一个或多个第二传感器接收对应于在所述一个或多个机器人臂附近的一个或多个对象的一个或多个定位位置的第二传感器信息；

基于所述第二传感器信息生成或更新所述对象标测图；以及

基于所述对象标测图调整所述一个或多个机器人臂的构型。

3.根据权利要求1所述的医疗机器人***，其中所述一个或多个传感器包括以下中的至少一者或多者：声纳、雷达、LIDAR、超声、基于光的传感器或基于视觉的传感器。

4.根据权利要求1所述的医疗机器人***，其中所述一个或多个传感器包括至少一个非接触传感器。

5.根据权利要求1所述的医疗机器人***，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，进一步使所述一个或多个处理器在生成或更新所述对象标测图之后迭代：

从所述一个或多个传感器接收对应于与所述第一机器人臂相邻的一个或多个对象的定位的后续传感器信息；

基于所述后续传感器信息来更新所述对象标测图；以及

根据基于所述后续传感器信息而更新的所述对象标测图来调整所述第一机器人臂的构型。

6.根权利要求5所述的医疗机器人***，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，进一步使所述一个或多个处理器基于检测到所述一个或多个对象中的相应对象的概率来更新所述对象标测图。

7.根据权利要求1所述的医疗机器人***，其中所述第一机器人臂被遥操作地控制。

8.根据权利要求1所述的医疗机器人***，其中所述第一机器人臂是运动学冗余的。

9.根据权利要求1所述的医疗机器人***，其中所述一个或多个对象包括动态移动的对象。

10.根据权利要求9所述的医疗机器人***，其中所述对象基于所述医疗机器人***的配置而动态地移动。

11.根据权利要求9所述的医疗机器人***，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，进一步使所述一个或多个处理器在所述对象标测图已被更新以反映所述对象之后的一段时间之后移除对所述对象标测图的更新。

12.根据权利要求1所述的医疗机器人***，其中所述一个或多个对象包括静态对象。

13.根据权利要求1所述的医疗机器人***，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，进一步使所述一个或多个处理器还基于所述医疗机器人***的配置来更新所述对象标测图。

14.根据权利要求1所述的医疗机器人***，还包括可移动患者平台。

15.一种医疗机器人***，包括：

第一机器人臂；

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被定位成检测在所述第一机器人臂附近的动态对象的存在；

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器与所述一个或多个传感器通信；和

存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

从所述一个或多个传感器接收对应于在所述第一机器人臂附近的所述动态对象的定位的后续传感器信息；

基于所述传感器信息生成或更新对象标测图，其中所述对象标测图表征在所述第一机器人臂附近的对象的空间关系；以及

基于所述对象标测图将所述第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

16.根据权利要求15所述的医疗机器人臂，其中调整所述第一机器人臂的构型增加了所述第一机器人臂与所述动态对象之间的距离，使得所述第一机器人臂与所述动态对象之间的碰撞的风险降低。

17.一种由与医疗机器人***通信的电子装置执行的方法，所述医疗机器人***包括第一机器人臂和一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被定位成检测在所述第一机器人臂附近的对象的存在，所述方法包括：

从所述一个或多个传感器接收对应于在所述第一机器人臂附近存在的一个或多个对象的定位的传感器信息；

基于所述传感器信息生成或更新对象标测图，其中所述对象标测图表征在所述第一机器人臂附近的对象的空间关系；以及

基于所述对象标测图将所述第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

在生成或更新所述对象标测图之后，迭代：

从所述一个或多个传感器接收对应于在所述第一机器人臂附近的一个或多个对象的定位的后续传感器信息；

基于所述后续传感器信息来更新所述对象标测图；以及

根据基于所述后续传感器信息而更新的所述对象标测图来调整所述第一机器人臂的构型。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括基于检测到所述一个或多个对象中的相应对象的概率来更新所述对象标测图。

20.根据权利要求17所述的方法，其中：

所述一个或多个对象包括动态移动的对象；并且

所述方法还包括在所述对象标测图已被更新以反映所述对象之后的一段时间之后，移除对所述对象标测图的更新。

21.根据权利要求17所述的方法，还包括基于所述医疗机器人***的配置来更新所述对象标测图。

22.一种电子装置，包括：

一个或多个处理器；和

存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

从一个或多个传感器接收对应于在医疗机器人***的第一机器人臂附近的一个或多个对象的定位的传感器信息；

基于所述传感器信息生成或更新对象标测图，其中所述对象标测图表征在所述第一机器人臂附近的对象的空间关系；以及

基于所述对象标测图将所述第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

23.根据权利要求22所述的电子装置，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：

在生成或更新所述对象标测图之后，迭代：

从所述一个或多个传感器接收对应于在所述第一机器人臂附近的一个或多个对象的定位的后续传感器信息；

基于所述后续传感器信息来更新所述对象标测图；以及

根据基于所述后续传感器信息而更新的所述对象标测图来调整所述第一机器人臂的构型。

24.根据权利要求22所述的电子装置，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器基于检测到所述一个或多个对象中的相应对象的概率来更新所述对象标测图。

25.根据权利要求22所述的电子装置，其中：

所述一个或多个对象包括动态移动的对象；并且

所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器在所述对象标测图已被更新以反映所述对象之后的一段时间之后，移除对所述对象标测图的更新。

26.根据权利要求22所述的电子装置，其中所存储的指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器基于所述医疗机器人***的配置来更新所述对象标测图。

27.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储用于由电子装置的一个或多个处理器执行的指令，所存储的指令包括用于执行以下操作的指令：

接收对应于与医疗机器人***的第一机器人臂相邻存在的一个或多个对象的定位的传感器信息；

基于所述传感器信息生成或更新对象标测图，其中所述对象标测图表征与所述第一机器人臂相邻的对象的空间关系；以及

基于所述对象标测图将所述第一机器人臂的构型从第一构型调整到第二构型。

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