本申请要求2019年6月26日提交的美国临时申请62/866,897的权益，该临时申请据此全文以引用方式并入。
技术领域
本文所公开的系统和方法涉及用于机器人臂对准和对接的系统和方法，并且更具体地涉及机器人臂与目标的对准和/或对接的组合式传感器辅助和计算机辅助。
背景技术
在执行外科手术之前，支撑外科器械的机器人臂可“对接”到放置在患者身上的对应目标。目标可包括端口诸如插管或进入点诸如自然孔口。当目标是插管时，机器人臂与插管的对接可包括将机器人臂联接或以其他方式闩锁到插管。对接过程可在任何外科手术的开始之前或在手术中间进行(例如，外科医生可能需要使用不同的插管并且重新对接一个或多个机器人臂)。对接过程通常手动执行，并且可能涉及外科医生或临床医生使机器人臂运动成与插管对准以将机器人臂对接到插管。一旦对接过程完成，即可将外科器械同轴地插入插管并进入患者的内部区域。
技术实现要素：
本公开的系统、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。
在第一方面，一种机器人外科系统包括：机器人臂；驱动机构，所述驱动机构附接到所述机器人臂；插管；第一传感器，所述第一传感器联接到所述机器人臂或所述驱动机构；第二传感器，所述第二传感器与所述第一传感器不同，所述第二传感器联接到所述机器人臂或所述驱动机构；至少一个计算机可读存储器，在所述至少一个计算机可读存储器上存储有可执行指令；以及一个或多个处理器，该一个或多个处理器与至少一个计算机可读存储器通信。一个或多个处理器可被配置成执行指令以致使系统至少：基于来自第一传感器的数据引导机器人臂朝向插管的自动运动；以及基于来自第二传感器的数据引导机器人臂朝向插管的手动运动。
该机器人外科系统可进一步以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中第一传感器包括基于视觉的传感器；(b)其中基于视觉的传感器包括相机；(c)其中基于视觉的传感器附接到驱动机构；(d)其中插管还包括基准件，所述基准件被配置成由基于视觉的传感器检测；(e)其中第二传感器包括不基于视觉的传感器；(f)其中不基于视觉的传感器包括力传感器或扭矩传感器；(g)其中不基于视觉的传感器附接到驱动机构；(h)其中不基于视觉的传感器包括开关；(i)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的前端上；和/或(j)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的后端上。
在另一方面，一种机器人外科系统包括：机器人臂；驱动机构，所述驱动机构附接到所述机器人臂；插管；第一传感器，所述第一传感器联接到所述机器人臂或所述驱动机构；第二传感器，所述第二传感器联接到所述机器人臂或所述驱动机构；至少一个计算机可读存储器，在所述至少一个计算机可读存储器上存储有可执行指令；以及一个或多个处理器，该一个或多个处理器与至少一个计算机可读存储器通信。一个或多个处理器可被配置成执行指令以致使系统至少：基于来自第一传感器的数据在第一模式下使机器人臂朝向插管自动运动；以及基于来自第二传感器的数据在第二模式下使机器人臂手动运动。
该机器人外科系统可进一步以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中第一传感器包括基于视觉的传感器；(b)其中基于视觉的传感器包括相机；(c)其中基于视觉的传感器附接到驱动机构；(d)其中插管还包括基准件，所述基准件被设计成由基于视觉的传感器检测；(e)其中第二传感器包括不基于视觉的传感器；(f)其中不基于视觉的传感器包括力传感器或扭矩传感器；(g)其中不基于视觉的传感器包括开关；(h)其中不基于视觉的传感器附接到驱动机构；(i)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的前端上；和/或(j)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的后端上。
另一方面涉及一种对接机器人外科系统的外科方法，该方法包括：用驱动机构使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管自动平移；将所述机器人外科系统切换到手动模式；使所述驱动机构朝向所述插管手动平移；以及将驱动机构手动对接到插管上。
以上段落中描述的方面还可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中使机器人臂用驱动机构朝向至少部分地定位在患者体内的插管自动平移包括使驱动机构与插管对准；(b)其中将机器人外科系统切换到手动模式包括激活触摸传感器、激活开关或向测力仪(load cell)施加力中的一者或多者；(c)其中用驱动机构使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管自动平移包括利用定位在机器人臂或驱动机构上的基于视觉的传感器；(d)其中基于视觉的传感器包括相机；(e)其中基于视觉的传感器附接到驱动机构；(f)其中插管包括基准件，所述基准件被设计成由基于视觉的传感器检测；(g)其中将机器人外科系统切换到手动模式包括激活不基于视觉的传感器；(h)其中不基于视觉的传感器包括力传感器或扭矩传感器；(i)其中不基于视觉的传感器附接到驱动机构；(j)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的前端上；和/或(k)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的后端上。
另一方面涉及一种对接机器人外科系统的外科方法，该方法包括：用驱动机构使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管手动平移；将所述机器人外科系统切换到自动模式；使所述驱动机构朝向所述插管自动平移或取向；将所述机器人外科系统切换到手动模式；以及将驱动机构手动对接到插管上。
以上段落中描述的方面还可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中用驱动机构使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管自动平移或取向包括使驱动机构与插管对准；(b)其中将机器人外科系统切换到手动模式或自动模式包括激活触摸传感器、激活开关或向测力仪施加力中的一者或多者；(c)其中用驱动机构朝向至少部分地定位在患者体内的插管自动平移或取向包括利用定位在机器人臂或驱动机构上的基于视觉的传感器；(d)其中基于视觉的传感器包括相机；(e)其中基于视觉的传感器附接到驱动机构；(f)其中插管包括基准件，所述基准件被设计成由基于视觉的传感器检测；(g)其中将机器人外科系统切换到手动模式包括激活不基于视觉的传感器；(h)其中不基于视觉的传感器包括力传感器或扭矩传感器；(i)其中不基于视觉的传感器附接到驱动机构；(j)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的前端上；和/或(k)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的后端上。
另一方面涉及一种对接机器人外科系统的外科方法，该方法包括：用驱动机构使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管平移；将所述机器人外科系统切换到混合模式；使所述驱动机构朝向所述插管手动平移，同时使所述驱动机构朝向所述插管自动取向；将所述机器人外科系统切换到手动模式；使所述驱动机构朝向所述插管手动平移；以及将驱动机构手动对接到插管上。
以上段落中描述的方面还可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中用驱动机构使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管平移是自动执行的；(b)其中用驱动机构朝向至少部分地定位在患者体内的插管自动平移包括利用定位在机器人臂或驱动机构上的基于视觉的传感器；(c)其中基于视觉的传感器包括相机；(d)其中基于视觉的传感器附接到驱动机构；(e)其中插管包括基准件，所述基准件被设计成由基于视觉的传感器检测；(f)其中用驱动机构使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管平移是手动执行的；(g)其中将机器人外科系统切换到混合模式或手动模式包括激活触摸传感器、激活开关或向测力仪施加力中的一者或多者；(h)其中将机器人外科系统切换到手动模式包括激活不基于视觉的传感器；(i)其中不基于视觉的传感器包括力传感器或扭矩传感器；(j)其中不基于视觉的传感器附接到驱动机构；(k)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的前端上；和/或(l)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的后端上。
在另一方面，一种机器人外科系统包括：机器人臂；驱动机构，所述驱动机构附接到所述机器人臂；基于视觉的传感器，所述基于视觉的传感器定位在所述驱动机构上；不基于视觉的传感器，所述不基于视觉的传感器定位在所述驱动机构上；至少一个计算机可读存储器，在所述至少一个计算机可读存储器上存储有可执行指令；以及一个或多个处理器，该一个或多个处理器与至少一个计算机可读存储器通信。一个或多个处理器可被配置成执行指令以致使系统至少：基于基于视觉的传感器来引导机器人臂或驱动机构朝向至少部分地定位在患者体内的器械的自动运动；以及将机器人外科系统切换到手动模式，使得可基于来自不基于视觉的传感器的数据使系统朝向至少部分地定位在患者体内的器械手动运动。
该机器人外科系统可进一步以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中不基于视觉的传感器包括力传感器或扭矩传感器；(b)其中不基于视觉的传感器包括开关；(c)其中不基于视觉的传感器包括单个传感器；(d)其中不基于视觉的传感器包括传感器阵列；(e)其中不基于视觉的传感器包括传感器阵列；和/或(f)其中基于视觉的传感器包括相机。
在又一方面，在一种非暂态计算机可读存储介质上存储有指令，该指令在被执行时致使装置的处理器至少：用驱动机构使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管自动平移；将机器人外科系统切换到手动模式；使所述驱动机构朝向所述插管手动平移；以及将驱动机构手动对接到插管上。
以上段落中描述的方面还可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中指令在被执行时进一步致使驱动机构与插管对准；(b)其中指令在被执行时进一步致使处理器激活触摸传感器、激活开关或向测力仪施加力；(c)其中指令在被执行时进一步致使处理器激活定位在机器人臂或驱动机构上的基于视觉的传感器；(d)其中基于视觉的传感器包括相机；(e)其中基于视觉的传感器附接到驱动机构；(f)其中插管包括基准件，所述基准件被设计成由基于视觉的传感器检测；(g)其中指令在被执行时进一步致使处理器激活不基于视觉的传感器；(h)其中不基于视觉的传感器包括力传感器或扭矩传感器；(i)其中不基于视觉的传感器附接到驱动机构；(j)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的前端上；和/或(k)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的后端上。
在另一方面，在一种非暂态计算机可读存储介质上存储有指令，该指令在被执行时致使装置的处理器至少：用驱动机构使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管手动平移；将机器人外科系统切换到自动模式；使所述驱动机构朝向所述插管自动平移或取向；将机器人外科系统切换到手动模式；以及将驱动机构手动对接到插管上。
该机器人外科系统可进一步以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中指令在被执行时进一步致使驱动机构与插管对准；(b)其中指令在被执行时进一步致使处理器激活触摸传感器、激活开关或向测力仪施加力；(c)其中指令在被执行时进一步致使处理器激活定位在机器人臂或驱动机构上的基于视觉的传感器；(d)其中基于视觉的传感器包括相机；(e)其中基于视觉的传感器附接到驱动机构；(f)其中插管包括基准件，所述基准件被设计成由基于视觉的传感器检测；(g)其中指令在被执行时进一步致使处理器激活不基于视觉的传感器；(h)其中不基于视觉的传感器包括力传感器或扭矩传感器；(i)其中不基于视觉的传感器附接到驱动机构；(j)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的前端上；和/或(k)其中不基于视觉的传感器定位在驱动机构的后端上。
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系统的实施方案。
图2描绘了图1的机器人系统的另外方面。
图3示出了被布置用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方案。
图4示出了被布置用于血管规程的图1的机器人系统的实施方案。
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系统的实施方案。
图6提供了图5的机器人系统的另选视图。
图7示出了被配置成收起机器人臂的示例性系统。
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系统的实施方案。
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系统的实施方案。
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系统的实施方案。
图11提供了图5至图10的台和基于台的机器人系统的柱之间的接口的详细图示。
图12示出了基于台的机器人系统的另选实施方案。
图13示出了图12的基于台的机器人系统的端视图。
图14示出了其上附接有机器人臂的基于台的机器人系统的端视图。
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插入架构的器械。
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的机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如图16至图18的器械的位置)的定位系统。
图21A示出了附接到机器人臂的ADM的示例性实施方案。
图21B示出了图21A的ADM的实施方案的顶部透视图。
图21C示出了图21A至图21B的ADM的实施方案的底部透视图。
图22示出了根据本公开的各方面的示例性对接方法中的第一位置处的ADM和插管。
图23示出了根据本公开的各方面的在示例性对接方法中的第二位置中对准的ADM和插管。
图24示出了根据本公开的各方面的在示例性对接方法中对接的ADM和插管。
图25是示出根据本公开的各方面的用于将ADM与插管对准的示例性技术的流程图。
图26是示出根据本公开的各方面的用于将ADM与插管对准的另一种示例性技术的流程图。
图27是示出根据本公开的各方面的用于将ADM与插管对准的又一种示例性技术的流程图。
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系统中，该机器人使能的医疗系统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，系统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，系统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，该系统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方位。另外，该系统可以为医师提供以改进的易用性执行规程的能力，使得系统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实施方式是可能的，并且利用所公开的实施方式可实现各种优点。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.机器人系统–推车。
机器人使能的医疗系统可以按多种方式构造，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系统10的实施方案。在支气管镜检查期间，系统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插入患者体内。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/或方位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系统的任何物理结构。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整、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衷。
在插入之后，内窥镜13可以使用来自机器人系统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可被操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也可用于递送基准件以“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。
系统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系统，塔30可包括基于计算机的控制系统的部件，该基于计算机的控制系统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系统或其子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可致使机器人系统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。
塔架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部署的系统提供受控的冲洗和抽吸能力。这些部件也可使用塔30的计算机系统来控制。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系统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系统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。结合控制系统，此类光电设备可用于生成实时图像，以用于在整个系统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系统。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。
除了系统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。系统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系统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系统的推车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可包括可单独构造的臂安装件，该臂安装件沿着垂直轴线旋转以调整机器人臂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包含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调整机器人臂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关节，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使用不同的连接件方位和关节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。这允许系统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相对的侧面接近控制台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系统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通过尿道直接插入患者的下腹部中。
在插入尿道中之后，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示出了类似地布置用于血管规程的机器人使能的系统10的实施方案。在血管规程中，系统10可被构造成使得推车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。在插入动脉中之后，可通过平移器械驱动器28来导向和插入医疗器械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.机器人系统–台。
机器人使能的医疗系统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系统的实施方案。系统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。与基于推车的系统非常相似，系统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系统36的另选视图。如图所示，柱37可包括在系统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的旋转和平移允许系统36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，系统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，经由具有肘关节的肩部)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可通过包括一系列关节的一组臂安装件45安装在托架43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，臂安装件45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装件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和安装在所述托架上的机器人臂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。台面基部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，并且当系统36需要运动时回缩。
继续图6，系统36还可以包括塔(未示出)，该塔使系统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，塔还可包含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示出了在基于台的系统的实施方案中收起机器人臂的系统47。在系统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，并且关闭以收起该托架、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，以防止在关闭时灰尘和流体进入。
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系统的实施方案。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直接插入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小切口，可将微创器械插入患者的解剖结构中。在一些实施方案中，微创器械包括用于进入患者体内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示出了被构造用于腹腔镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。如图9所示，系统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，机器人使能的台系统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系统的实施方案。如图10所示，系统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，可使用球形关节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，俯仰调整特别有用。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，诸如腹腔镜前列腺切除术。
图12和图13示出了基于台的外科机器人系统100的另选实施方案的等轴视图和端视图。外科机器人系统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可被构造，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为系统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中的外科机器人系统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的外科机器人系统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，包括插入轴线(包括插入的1个自由度)、腕部(包括腕部俯仰、偏航和翻滚的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，插入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插入架构提供插入。
C.器械驱动器和接口。
系统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(以及因此从系统)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，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，机器人系统可以结合驱动接口，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(在基于推车的系统中)或台(在基于台的系统中)。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系统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关节腕和外科工具或医疗器械(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(例如，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式、内窥镜式或混合手术期间，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，从而致使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，腱可以致使关节围绕轴线旋转，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，施加在驱动输入部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，该光学组件可以包括光学相机。轴71也可以容纳光纤，以将来自位于近侧的光源(例如，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延伸出去并且进入到细长轴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插入架构的器械。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被配置成接收穿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插入架构，该架构适应器械的插入，从而使对机械臂的依赖最小化以提供器械150的插入。在其他实施方案中，机器人臂可以很大程度上负责器械插入。
E.控制器。
本文所述的机器人系统中的任一个机器人系统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)联接，使得控制器的操纵例如经由主从控制引起器械的对应操纵。
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(选择顺应性装配机械臂)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，一个或多个测力仪定位在控制器中。例如，在一些实施方案中，测力仪(未示出)定位在万向支架186中的每个万向支架的主体中。通过提供测力仪，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被构造用于导纳控制，而万向支架186被构造用于阻抗控制。在其他实施方案中，万向支架186被构造用于导纳控制，而定位平台188被构造用于阻抗控制。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系统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是示出根据示例实施方案的估计机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如器械的位置)的定位系统90的框图。定位系统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11、图5至图14所示的床等中。
如图20所示，定位系统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，机器人系统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，机器人系统可以参考该库，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(或跟踪器)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跟踪器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系统的方位数据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插入深度信息结合使用，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形状数据，定位模块95可以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，本文讨论的机器人系统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/或推车中的机器人系统的基于计算机的控制系统可以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系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统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.机器人臂对准和对接。
本公开的实施方案涉及用于机器人臂与患者的相关联目标的计算机辅助对准和/或对接的系统和技术。在某些布置中，在将外科器械引入患者体内之前，机器人臂可与目标(例如，安装或以其他方式放置在患者体内的端口或插管)对准和/或对接。在对接之后，机器人臂和/或系统可被配置成控制器械的远侧端部的运动。
理论上，对接过程似乎简单。然而，它可能是非常具有挑战性且讲究细节的过程。例如，在将机器人臂对接到插管的尝试中，临床医生可能遇到臂、消毒盖布和其他外科设备，这些可使机器人臂对接面临挑战。此外，对接可能是耗时的，并且可能涉及在受限空间中对盖有消毒盖布的机器人系统的许多调整和相互作用。由于耗时的性质，外科医生通常可在规程需要的情况下选择将容纳较大工作空间的次最佳端口位置。另外，机器人臂与插管之间的对准可能非常精细且难以实现。
本申请描述了有助于至少部分地自动化对接过程的新型对接方法。此外，本申请理解，在一些情况下，自动对接过程可涉及其自身的挑战。例如，考虑其中机器人臂被设计成自动检测(例如，经由视觉传感器或相机)、运动和闩锁到插管的自动化过程。在一些情况下，视觉传感器可能检测误报。在其他情况下，所需的插管可能被视觉传感器的视线阻挡。
本申请描述了改进自动化对接过程并解决上述挑战的方法。在一些实施方案中，提供了利用自动模式和手动模式两者的新型对接过程。在一个实施方案中，自动模式利用第一传感器(例如，视觉传感器)来捕获图像并引导机器人臂的自动运动，而手动模式利用第二传感器(例如，不基于视觉的传感器)以允许由临床医生进行指导式手动运动。下文更详细地描述了利用第一类型的传感器和第二类型的传感器的机器人臂的实施方案。
图21A至图21C是根据本公开的各方面的包括一个或多个传感器的有源装置操纵器(ADM)205的示例性实施方案。图21A至图21C中所示的ADM 205可用于本文所述的方法中。ADM 205可类似于先前公开的实施方案，诸如上文所述的器械驱动器80。ADM 205可类似地由多个驱动单元构成，这些驱动单元可联接到器械以操纵和控制器械，如前所述。在某些布置中，希望将ADM(例如，器械驱动器80)对接和/或联接到安装或以其他方式放置在患者体内的端口或插管。
如图21A所示，机器人臂12可在远侧端部处包括ADM 205。如图21B所示，第一传感器225可安装在ADM 205的一部分上，以便捕获图像或用于引导机器人臂12或ADM 205的自动运动。第一传感器225可以是图像传感器或基于视觉的传感器，诸如相机。在某些布置中，第一传感器225可以是不基于视觉的传感器，诸如开关、力传感器或扭矩传感器。在如图21B所示的例示实施方案中，第一传感器225可嵌入ADM 205的主体中。如图21B中的例示实施方案所示，第一传感器225可定位在ADM 205的一侧上，该侧可被视为前端或配合和/或面向插管的那端。在其他实施方案中，第一传感器225可附接(永久地或可拆卸地)到ADM 205的外表面，与ADM 205集成，或以其他方式存在于ADM 205的主体内。第一传感器225也可安装在其他位置，诸如安装在机器人臂12上、器械上或在手术室内的其他位置。当系统在对准和/或定位机器人臂12和ADM 205的各个步骤期间处于自动模式时，第一传感器225可用于检测系统的各种部件诸如端口或插管205的相对空间位置。
第二传感器220可安装在ADM 205的一部分上，如图21C所示。第二传感器220可用于引导机器人臂12和/或ADM 205的手动运动。第二传感器220可与第一传感器不同。在一个实施方案中，第二传感器220是不基于视觉的传感器，诸如开关、力传感器或扭矩传感器。在其他实施方案中，第二传感器220还可以是基于视觉的传感器，诸如相机。在一些实施方案中，第二传感器220可作为输入结合以引导机器人臂12的手动运动(例如，在导纳模式期间)。诸如，ADM 205可具有针对用户诸如医师的指定抓取点215，以触摸或抓住ADM 205，从而激活或切换模式，诸如手动或导纳模式、阻抗模式或重力平衡模式。抓取点215可包括第二传感器220，该第二传感器可以是不基于视觉的传感器，诸如测力仪或按钮。在一些实施方案中，第二传感器220可以是位移传感器，诸如光学接近传感器或霍尔效应传感器。指定抓取点215的使用可确保用户的意图被传送到系统以进入特定模式，诸如手动模式。在一些实施方案中，指定抓取点215的使用还可确保用户和患者的安全性，因为系统可被设计成使得只有在用户触摸抓取点215时才能激活手动模式。
在如图21C所示的例示实施方案中，第二传感器220可至少部分地嵌入ADM 205的主体中。在其他实施方案中，第二传感器220可附接到ADM 205的外表面，或者可定位在系统中的其他地方，诸如定位在机器人臂12上。如图21C中的例示实施方案所示，第二传感器220可定位在ADM 205的一侧上，该侧可被视为ADM 205的后端。在其他实施方案中，第二传感器220可附接(永久地或可拆卸地)到ADM 205的外表面，与ADM 205集成，或以其他方式存在于ADM 205的主体内。第二传感器220也可安装在机器人臂12上、在ADM 205上、在器械上或在手术室内的其他位置。诸如第一传感器225和第二传感器220的传感器可定位在ADM 205上、在器械上或手术室内的其他位置上的各种位置。
第一传感器225和第二传感器220可用于不同的用户控制模式，诸如分别用于自动模式和手动模式。类似地，还可采用包括不同自动化水平的其他用户控制模式。然而，可使用其他传感器类型。可用于确定ADM 205和插管的相对位置的示例性传感器包括EM传感器、IR传感器、LIDAR传感器和/或RF传感器。
本公开的各方面涉及使用一个或多个传感器来辅助机器人臂12与患者的相关联目标的对准和对接。对接程序可涉及使机器人臂12或ADM 205运动以将机器人臂12或ADM 205的相关联第一轴线与目标诸如定位在患者体内的插管的相关联第二轴线对准。在一些实施方案中，对接程序可涉及将ADM 205/机器人臂12与空间中的点而不是轴线对准和对接。例如，对接程序可涉及将ADM 205与端口对准和对接。尽管本文描述的程序可涉及机器人臂12或ADM 205与端口或插管的对接，但在其他实施方案中，机器人臂12可替代地与患者的进入点对准，其中进入点不包括放置或安装在患者身上的端口(诸如天然孔口，诸如患者的窦)。
在一些实施方案中，对准和对接过程可为完全自动的或完全手动的。在一些实施方案中，对准和对接过程可为自动模式和手动模式的组合。对接方法可将自动模式和手动模式的使用与系统的各种传感器的使用组合。自动运动的使用可能是有利的，以提高易用性并提供优异的准确性和精确度。手动模式的使用因为更可靠、立即响应、避免碰撞以及避免对患者造成伤害而可能是有利的。两种类型的模式的使用使得对接方法既精确又可靠，同时保持患者安全性和易用性。
图22至图24示出了根据本公开的各方面的示例性对接方法的各个阶段。该对接方法可在术前准备中在机器人臂的初始部署之后实施，或在手术期间需要重新对接机器人臂时实施。在初始部署期间，ADM 205可部署到ADM 205已经大致瞄准插管235的位置。有利地，本文所述的对接方法可利用自动和/或手动模式或特征来准确地将ADM对接到插管。
参考图22至图24，根据一个实施方案的系统包括：ADM 205；第一传感器225，其包括具有相关联视野230的图像传感器；端口或插管235；基准件240；以及患者的体壁245。ADM 205附接到机器人臂的远侧端部(未示出)，机器人臂被配置成控制ADM 205和器械的运动。图22示出了ADM 205和定位在患者245体内的插管235。系统还可包括第一传感器225和第二传感器220，类似于图21A至图21C。如图22至图24中所示，包括第一传感器225和第二传感器220的传感器定位在不同于图21A至图21C的位置。例如，在图22至图24中，第一传感器225可定位在ADM 205的前端上以面向插管235。第二传感器220可定位在ADM 205的与前端相对的后端上。对于某些规程，无菌手术盖布(未示出)可联接到ADM 205以在ADM 205与患者245之间提供屏障。无菌手术盖布可覆盖ADM 205的包括一个或多个传感器的至少一部分。由于在一些情况下，无菌手术盖布可为不透明的，因此无菌手术盖布可包括与一个或多个传感器重叠的透明区域，使得第一传感器225可经由透明区域观察或检测插管235。因此，透明区域可被构造成使得视野230基本上不被无菌手术盖布阻挡。
如图22所示，插管235定位在第一传感器225的视野230内。ADM 205可被定位成使得插管235在第一传感器225的视野230内，使得第一传感器225可检测插管235。机器人臂(未示出)或ADM 205可朝向定位在患者245体内的插管235平移。此步骤可在自动模式或手动模式下执行。ADM 205可朝向插管235平移并定位在插管235附近，使得插管235定位在第一传感器225的范围或视野230内。机器人臂和ADM 205可位于距插管235一定距离处，并且ADM 205可与插管235不对准。然而，在该步骤结束时，插管235应大致面向ADM 205的第一传感器225。ADM 205可大致部署到在期望的插管235处被瞄准的位置。
在另一个实施方案中，ADM 205和/或插管235实现图22的期望位置的运动可由用户手动执行。在手动模式下，用户可手动握住插管235并取向插管235的面(其可包括基准件240)以大致面对ADM 205的第一传感器225。用户可手动将ADM 205定位到第一位置中，使得基准件240在第一传感器225的视野230内。为了确保第一传感器225可在附接到插管235的基准件240上拾取，用户可使用第二传感器220来使ADM 205或机器人臂运动(如图21C中所述)。例如，在ADM 205结合了不基于视觉的传感器诸如力传感器(例如，测力仪)的实施方案中，用户可通过对ADM 205施加力来接触ADM 205和使ADM 205运动。如图21B所述，用户可触摸或施加力至ADM 205的抓取点215。在一些实施方案中，如果出于一些原因没有检测插管235，则ADM 205可通过扫描程序尝试检测插管235。此扫描程序可涉及在一个方向范围内重新取向ADM 205，直至检测到插管235。系统可包括指示插管是否在视野内或是否已检测到插管的指示器(未示出)。指示器可定位在ADM 205上或系统的其他部分中。可使用与ADM 205相关联的一个或多个传感器诸如第一传感器225或第二传感器220来执行手动模式，如图21B至图21C所述。
在另一个实施方案中，ADM 205的运动可由系统自动执行。在自动模式下，ADM 205可扫描视野230以检测插管235。此扫描过程可包括在一个方向范围内重新取向ADM 205以检测插管235。另外，用户可使ADM 205手动运动到针对ADM 205的范围内，以在自动模式下实现适当的瞄准或扫描。在自动模式下，系统可能能够使用从第一传感器225接收的数据来确定ADM 205与插管235之间的相对位置。系统可随后使用传感器数据来使ADM 205运动和定位，使得第一传感器225大致面向插管235。可使用与ADM 205相关联的一个或多个传感器诸如第一传感器225或第二传感器220来执行自动模式，如图21B至图21C所述。
ADM 205还可被定位成使得第一传感器225大致面向插管235的端部，这可包括基准件240。本公开的各方面还涉及其他传感器类型的使用，这可涉及不同基准件的使用。第一传感器225可用于检测和识别与插管235或进入点相关联的基准件240。如本文所用，基准件可指可由传感器检测并由系统使用以确定基准件240与第一传感器225之间的相对空间位置的标记或对象。例如，当第一传感器225体现为图像传感器时，基准件240可包括能够由图像传感器检测的标记或其他视觉图案。在EM传感器实施方案中，基准件240可包括辐射能够由EM传感器检测的EM信号的EM发射器和/或反射器。处理器可被配置成基于由第一传感器225产生的信号来确定基准件240相对于第一传感器225的取向和位置。在某些实施方案中，基准件240可定位在患者245身上具有进入点的限定相对位置，插管235位于该进入点中。同样，基准件不需要放置在插管235自身上。例如，可在相对于插管235的已知相对空间位置和取向上将基准件放置在患者身上和/或消毒盖布上。
当基准件240在第一传感器225的视野230内时，系统可使用从第一传感器225接收的数据来确定ADM 205与插管235之间的相对位置。如果该第一传感器225是图像传感器，则第一传感器225可收集可用于确定插管235的相对位置的图像。
现在参考图23，ADM 205可随后朝向插管235运动。ADM 205可被定位成使得其被取向或与插管对准，进而使得ADM 205的轴线与插管235的轴线对准。此步骤可在自动模式或手动模式下执行。ADM 205可运动或平移到靠近插管235的位置，使得ADM 205和插管235对准以沿相同轴线210对接。除了确保ADM 205与插管235之间的正确取向和对准之外，ADM 205还可平移到靠近插管235的位置。
使用从第一传感器225或第二传感器220接收的数据作为输入，处理器可向机器人臂(未示出)提供指令，以使ADM 205从图22中的第一位置运动到图23所示的第二位置。在图23所示的位置中，ADM 205轴线与插管235的插入轴线基本上对准，使得它们沿相同轴线210对准。处理器可能能够基于从第一传感器225或第二传感器220接收的数据来确定基准件240相对于ADM 205的相对位置和取向两者。处理器还可使用指示基准件240相对于插管235的相对位置和第一传感器225相对于ADM 205的相对位置的数据，以确定基准件240相对于ADM 205的相对位置。
在自动模式下执行沿相同轴线210将ADM 205与插管235对准的步骤可能是有利的。自动模式可将ADM 205与插管235对准到更准确或更精确的程度。自动模式下的对准还可避免在手动模式下执行对准时可能发生的人为错误。
如图24所示，ADM 205可对接到插管235上。此步骤可在自动模式或手动模式下执行。对接的此最终步骤可由用户在手动模式下完成以确保患者安全。另外，在手动模式或自动模式下，在所用的一个或多个传感器的支持下执行最终对接是有利的。
例如，如果用户完全依赖于自动模式，则有时ADM 205可能错过插管235并且可致使患者245受伤。一旦ADM 205自动地足够靠近插管235，用户可随后使用不基于视觉的传感器将ADM 205手动对接到插管235，而不是将最终对接过程自动化。在一些实施方案中，随着ADM 205被对接到插管235，其可被限制为保持在沿同一轴线210的直线上。当ADM 205已对接到插管235上时，器械(未示出)可穿过ADM 205插入到插管235和患者245中并穿过其回缩。
在手动模式下执行将ADM 205对接到插管235上的步骤可能是有利的。在手动模式下执行对接可确保患者安全以避免对患者造成伤害。手动模式下的对接还可避免在自动模式下执行对准时可能发生的计算机错误的风险和危险。
如本文所述的对接方法的各个步骤可各自以自动模式或手动模式执行或以模式的组合执行。可另外使用模式的组合。例如，即使用户使ADM205或插管235手动运动，ADM 205也可自动运动以继续朝向插管瞄准。
可通过各种方法激活自动模式或手动模式，包括激活开关、踏板、按钮、力传感器或扭矩传感器。将机器人外科系统切换到手动模式可包括激活触摸传感器、激活开关或向测力仪施加力中的一者或多者。切换到特定模式可能需要激活特定方法，诸如特定脚踏板。而激活另一个模式可能需要激活不同的方法，诸如不同的脚踏板或激活触摸传感器。另选地，如果用户保持激活相同的装置来激活先前的模式，则从一个模式切换到另一模式可以是自动的。在一些实施方案中，对准和对接过程可在以某一模式按下按钮时执行(例如，如果释放按钮则暂停)。
通过在不同类型的对接模式之间提供平滑的转换，将给用户带来最佳体验。这可通过若干方式来实现。例如，当希望模式切换时，机器人可首先平稳地停止，切换到不同的对接模式，然后平稳地加速。在模式之间转换时，可使用在线运动计划在手动模式到自动模式之间平滑地转换，或反之亦然。平滑的转换可通过算法实现，不需要例如使用在线运动计划来停止。
可在任何时间去激活自动模式或手动模式对接，使得机器人将在此后停止。这可例如通过按下用于激活对应对接模式的按钮或脚踏板来实现。这是为了确保系统在任何意外发生的情况下都是安全的。自动模式可被手动模式对接超控。如果自动模式对接的表现不理想，则用户可通过按下另一个按钮来切换到手动模式对接，或者如果使用力传感器或测力仪，则只需在ADM上用力拉动即可。这可通过力阈值化来实现。
图25是示出根据本公开的各方面的可由手术机器人系统或其部件操作的用于将机器人臂或ADM与插管对准的示例性方法的流程图。尽管结合图25描述的程序可涉及ADM与插管的对接，但在其他实施方案中，ADM可替代地与患者的进入点对准，其中进入点不包括放置或安装在患者身上的端口(诸如天然孔口，诸如患者的窦)。在某些实施方案中，系统可包括被配置成控制对准/对接过程的用户输入(例如，按钮或开关)。
图25中所示的方法300的步骤可由手术机器人系统的处理器执行。为了方便起见，方法300被描述为由系统的处理器执行。可包括处理器作为系统的一部分，该系统包括机器人臂(例如，图1至图4的机器人臂12)和被配置成生成指示机器人臂的位置的信息的一个或多个传感器。在一些实施方案中，一个或多个传感器可包括基于视觉的传感器，诸如可附接到机器人臂或附接在位于机器人臂的远侧端部处的ADM处的图像传感器(例如相机)。一个或多个传感器还可包括不基于视觉的传感器，诸如可附接到机器人臂或附接到ADM的力传感器。
然而，在其他实施方案中，可使用任何其他类型的传感器(例如，EM传感器、红外(IR)传感器、光探测和测距(LIDAR)传感器和/或射频(RF)传感器)。在另选的实施方案中，一个或多个传感器可定位在操作环境内除ADM处之外的其他位置。例如，传感器可安装到床或推车，或者可安装到除当前对接的机器人臂之外的另一个机器人臂。
重新参考图25，方法300在框302处开始。在框302处，处理器在自动模式下使机器人臂和驱动机构或ADM 205朝向插管235平移。此步骤通常可对应于参考图22或图23所述的位置和步骤。在此步骤中，机器人臂或ADM 205可被定位成使得插管235在第一传感器225的视野或范围内，如图22所述。另外，用驱动机构205使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管235自动平移可包括使驱动机构205与插管235对准，如图23中所述。此步骤还可利用基于视觉的传感器，诸如第一传感器225，其定位在机器人臂或驱动机构205上以辅助ADM 205或机器人臂的自动运动。
在自动模式下，处理器从一个或多个传感器诸如从先前所述的第一传感器225接收指示机器人臂或ADM 205的位置的信息。该信息可定义ADM 205相对于插管235的相对空间位置，这可包括基准件240。由于基准件240可相对于插管235位于预定相对位置，因此处理器可能能够确定ADM 205和插管235的相对位置。
处理器可确定插管235在ADM 205的一个或多个传感器诸如第一传感器225和第二传感器220的视野内。如果处理器确定插管235不在视野内，则处理器可激活扫描过程，其中ADM 205扫描区域以确定插管235的位置。扫描过程可涉及使ADM 205运动到不同位置或不同角度并且扫描区域以识别插管235的位置。
一旦过程确定插管235处于ADM 205的一个或多个传感器(包括第一传感器225和第二传感器220)的视野内，处理器可随后使用一个或多个传感器在自动模式下使ADM 205运动到相对于插管235的期望位置。处理器可确定ADM 205位于第一位置处，其中ADM 205的相关联第一轴线不与安装在患者体内的插管235的相关联第二轴线对准。在此，第一轴线可包括器械被配置成由机器人臂和ADM 205沿其插入/回缩的轴线，并且第二轴线可包括ADM 205的可通过其插入器械的插入轴线。处理器提供使机器人臂和ADM 205朝向插管235平移的命令。
在一些实施方案中，ADM 205可平移到其中ADM 205的轴线与插管235的插入轴线对准的位置。因此，处理器可确定机器人臂或ADM 205的将机器人臂或ADM 205与插管235对准的运动。
在框304处，处理器将系统切换到手动模式。将机器人外科系统切换到手动模式可包括激活触摸传感器、激活开关或向测力仪施加力中的一者或多者。该切换可通过用户激活传感器诸如上文所述的第二传感器220来实施。在手动模式下，处理器接收指示用户施加力到第二传感器220的力的大小或力的方向的位置的信息。信息可限定用户希望的平移ADM 205的方向或距离。处理器可随后允许用户使ADM 205或让ADM 205运动，以在所需方向或距离上运动。
在框306处，在手动模式下使驱动机构205朝向插管平移。ADM 205可运动或平移到靠近插管235的位置，在该处ADM 205和插管235对准以沿相同轴线对接。ADM 205可平移到靠近插管235的位置，如图23所述。在一些实施方案中，ADM 205可被限制为保持在沿同一轴线的直线上，或者被限制为随着ADM 205对接到插管235而沿轴线运动。此步骤还可利用不基于视觉的传感器，诸如第二传感器220，其定位在机器人臂或驱动机构205上以辅助ADM 205或机器人臂的手动运动。
在ADM 205的轴线与插管235的轴线对准的情况下，处理器可允许用户沿对准的插入轴线使ADM 205朝向插管235手动运动。处理器可允许用户在插管235的阈值距离内使ADM 205手动运动，以允许ADM 205对接到插管235。
在框308处，驱动机构205在手动模式下对接到插管235上。此步骤可类似于图24所述的位置和方法执行。对接的此最终步骤可在手动模式下完成以确保患者安全。一旦在框306处ADM 205自动地足够靠近插管235，用户可随后使用不基于视觉的传感器诸如第二传感器220将ADM 205手动对接到插管235，而不是将最终对接过程自动化。在一些实施方案中，随着ADM 205被对接到插管235，其可被限制为保持在沿同一轴线的直线上。当ADM 205已对接到插管235上时，器械(未示出)可穿过ADM 205插入到插管235和患者中并穿过其回缩。在某些实施方案中，可手动执行ADM 205到插管235的最终对接(例如，联接或闩锁)。处理器可允许用户使ADM 205手动运动到插管235上。
图26示出了可由手术机器人系统的处理器执行的另一种方法400。为了方便起见，方法400被描述为由系统的处理器执行。可包括处理器作为系统的一部分，该系统包括机器人臂(例如，图1至图4的机器人臂12)和被配置成生成指示机器人臂的位置的信息的一个或多个传感器。在一些实施方案中，一个或多个传感器可包括基于视觉的传感器，诸如可附接到机器人臂或附接在位于机器人臂的远侧端部处的ADM处的图像传感器(例如相机)。一个或多个传感器还可包括不基于视觉的传感器，诸如可附接到机器人臂或附接到ADM的力传感器。
方法400可在框402处开始。在框402处，处理器允许用户在手动模式下使机器人臂和驱动机构205朝向插管235平移。此步骤通常可对应于参考图22所述的位置和方法。在此步骤中，处理器可允许用户使机器人臂和ADM 205朝向插管235平移，使得插管235在第一传感器225的视野或范围内，如图22中所述。此步骤还可利用不基于视觉的传感器，诸如第二传感器220，其定位在机器人臂或ADM 205上以辅助ADM 205或机器人臂的手动运动。
在框404处，处理器将系统切换到自动模式。将机器人外科系统切换到自动模式可包括激活触摸传感器、激活开关或向测力仪施加力中的一者或多者。如本文所述，在自动模式下，处理器从一个或多个传感器诸如从第一传感器225接收指示机器人臂或ADM 205的位置的信息。
在框406处，处理器可在自动模式下使驱动机构205朝向插管235平移或取向。处理器可确定插管235在ADM 205的一个或多个传感器诸如第一传感器225的视野内。一旦过程确定插管235处于ADM 205的一个或多个传感器的视野内，处理器可随后使用一个或多个传感器诸如第一传感器225在自动模式下使ADM 205运动到相对于插管235的期望位置。处理器可确定ADM 205位于第一位置处，其中ADM 205的相关联第一轴线不与安装在患者体内的插管235的相关联第二轴线对准。在此，第一轴线可包括器械被配置成由机器人臂和ADM 205沿其插入/回缩的轴线，并且第二轴线可包括ADM 205的可通过其插入器械的插入轴线。处理器提供使机器人臂和ADM 205朝向插管235平移的命令。在一些实施方案中，ADM 205可将ADM 205和机器人臂平移到其中ADM 205的轴线与插管235的插入轴线对准的位置。因此，处理器可确定机器人臂的将机器人臂与插管235对准的运动。
另外，处理器还可在自动模式下使驱动机构朝向插管235平移。ADM 205可运动或平移到靠近插管235的位置，在该处ADM 205和插管235对准以沿相同轴线对接。ADM 205可平移到靠近插管235的位置，如图23所述。在一些实施方案中，ADM 205可被限制为保持在沿同一轴线的直线上，或者被限制为随着ADM 205对接到插管235而沿轴线运动。此步骤还可利用不基于视觉的传感器，诸如第二传感器220，其定位在机器人臂或ADM 205上以辅助ADM 205或机器人臂的自动运动。在ADM 205的轴线与插管235的轴线对准的情况下，处理器可沿对准的插入轴线使ADM 205朝向插管235平移。处理器可在插管235的阈值距离内使ADM 205自动运动，以允许ADM 205对接到插管235。
在框408处，处理器将系统切换到手动模式。类似于框404，将机器人外科系统切换到手动模式可包括激活触摸传感器、激活开关或向测力仪施加力中的一者或多者。
在框410处，驱动机构205在手动模式下对接到插管235上。此步骤可类似于图24所述的位置和方法执行。对接的此最终步骤可在手动模式下完成以确保患者安全。一旦在框406处ADM 205自动地足够靠近插管235，用户可随后使用不基于视觉的传感器诸如第二传感器220将ADM 205手动对接到插管235，而不是将最终对接过程自动化。在一些实施方案中，随着ADM 205被对接到插管235，其可被限制为保持在沿同一轴线的直线上。当ADM 205已对接到插管235上时，器械(未示出)可穿过ADM 205插入到插管235和患者中并穿过其回缩。在某些实施方案中，可手动执行ADM 205到插管235的最终对接(例如，联接或闩锁)。处理器可允许用户使ADM 205手动运动到插管235上。
图27示出了可由手术机器人系统的处理器执行的另一种方法500。为了方便起见，方法500被描述为由系统的处理器执行。可包括处理器作为系统的一部分，该系统包括机器人臂(例如，图1至图4的机器人臂12)和被配置成生成指示机器人臂的位置的信息的一个或多个传感器。在一些实施方案中，一个或多个传感器可包括基于视觉的传感器，诸如可附接到机器人臂或附接在位于机器人臂的远侧端部处的ADM处的图像传感器(例如相机)。一个或多个传感器还可包括不基于视觉的传感器，诸如可附接到机器人臂或附接到ADM的力传感器。基于视觉的传感器可用于将ADM与插管或插管的远端中心对准。可在手动模式下使用不基于视觉的传感器，以使ADM朝向插管平移。
方法500可在框502处开始。在框502处，处理器允许用户在自动模式或手动模式下使机器人臂和驱动机构205朝向插管235平移。此步骤通常可对应于参考图22和图23所述的位置和方法。此步骤可在手动模式下利用不基于视觉的传感器，诸如第二传感器220，其定位在机器人臂或ADM 205上以辅助ADM 205或机器人臂的手动运动。处理器可允许用户使机器人臂或ADM 205朝向插管235平移，使得插管235在第一传感器225的视野或范围内。此步骤还可在自动模式下利用基于视觉的传感器，诸如第一传感器225，其定位在机器人臂或驱动机构205上以辅助ADM 205或机器人臂的自动运动。处理器可使机器人臂朝向至少部分地定位在患者体内的插管235用驱动机构205自动平移，这可包括将驱动机构205与插管235对准。
在框504处，处理器将系统切换到混合模式。将机器人外科系统切换到混合模式可包括激活触摸传感器、激活开关或向测力仪施加力中的一者或多者，如前所述。处理器可接收从用户传送的信号，并且处理器可切换到混合模式。
在框506处，处理器可在混合模式下使驱动机构205朝向插管平移。在混合模式下，可自动控制驱动机构205的取向，以保持驱动机构205与插管235或插管235的远端中心对准。处理器可从一个或多个传感器诸如从第一传感器225接收指示机器人臂或ADM 205的位置的信息。处理器可在混合模式下自动且连续地取向驱动机构205及插管235，使得它们始终对准。同样在混合模式下，可由用户使驱动机构205朝向插管235手动平移。插管235相对于驱动机构205的位置通过一个或多个传感器诸如第一传感器225周期性地更新。当驱动机构205定位在插管235附近时，可基于插管235的位置的最后一个传感器读数来考虑插管235的位置。
在框508处，处理器将系统切换到手动模式。将机器人外科系统切换到手动模式可包括激活触摸传感器、激活开关或向测力仪施加力中的一者或多者，如前所述。处理器可接收从用户传送的信号，并且处理器可切换到手动模式。
在框510处，由用户在手动模式下使驱动机构205朝向插管235平移。ADM 205可运动或平移到靠近插管235的位置。ADM 205可平移到靠近插管235的位置，如图23所述。此步骤还可利用不基于视觉的传感器，诸如第二传感器220，其定位在机器人臂或驱动机构205上以辅助ADM 205或机器人臂的手动运动。
在框512处，处理器允许用户在手动模式下使驱动机构205手动运动到插管235上。此步骤可类似于图24所述的位置和方法执行。一旦在框510处ADM 205足够靠近插管235，用户就可将ADM 205手动对接到插管235。
3.实施系统和术语。
本文公开的实施方式提供了用于对准和对接机器人臂的系统、方法和装置。
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。
本文所述的对准和对接功能可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，这样的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具体实施方式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。