用于机器人使能的远程操作的系统的控制器

摘要

本发明涉及一种机器人使能的远程操作的系统，该机器人使能的远程操作的系统可包括控制器和能够由该控制器操纵的器械。该器械可以是医疗器械。该控制器可包括被构造用于由操作者致动的柄部。该柄部可附接到万向支架，该万向支架被构造成允许在多个旋转自由度上操纵该柄部。该万向支架可包括测力传感器。该万向支架可被构造用于阻抗控制。该控制器还可包括定位平台，该定位平台联接到该万向支架并且被构造成允许在多个位置自由度上操纵该柄部。该控制器可被构造用于至少部分地基于该万向支架中的该测力传感器的输出信号进行导纳控制。

说明书

技术领域

本申请涉及控制器，并且具体地讲，涉及用于机器人使能的远程操作的系统(包括医疗系统)的控制器。

背景技术

医学规程诸如腹腔镜手术可涉及进入患者的内部区域并使患者的内部区域可视化。在腹腔镜检查规程中，医疗器械可通过腹腔镜式入口插入到内部区域中。

在某些规程中，机器人使能的医疗系统可用于控制器械及其端部执行器的插入和/或操纵。机器人使能的医疗系统可包括机器人臂或其他器械定位装置。机器人使能的医疗系统还可包括用于在规程期间控制器械的定位的控制器。

发明内容

在第一方面，描述了一种机器人使能的远程操作的系统。所述系统包括控制器和能够由所述控制器操纵的机器人工具。所述控制器包括：柄部，所述柄部被构造用于由操作者致动；万向支架，所述万向支架联接到所述柄部并且被构造成允许在多个自由度上操纵所述柄部，其中所述万向支架被构造用于阻抗控制，使得所述柄部的操纵引起所述机器人工具的对应操纵；以及定位平台，所述定位平台联接到所述万向支架并且被构造成允许在多个自由度上操纵所述柄部。所述定位平台被构造用于导纳控制，使得所述柄部的操纵引起所述机器人工具的对应操纵。

所述系统可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中所述机器人工具是医疗器械；(b)其中所述万向支架经由旋转关节联接到所述定位平台；(c)其中所述万向支架允许在至少三个旋转自由度上操纵所述柄部；(d)其中所述定位平台允许在至少三个位置自由度上操纵所述柄部；(e)机器人臂，所述机器人臂联接到所述机器人工具，并且其中所述机器人工具包括导管、内镜、抓握器、密封器或切割器中的至少一者；(f)测力传感器，所述测力传感器定位在所述万向支架内；(g)其中所述定位平台的所述导纳控制基于所述测力传感器的输出信号；(h)其中所述万向支架至少包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述第一连接件、所述第二连接件和所述第三连接件从远侧到近侧布置并由关节连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第一连接件内；(i)其中所述关节是转动关节；(j)其中所述万向支架至少包括第一关节、第二关节和第三关节，所述第一关节、所述第二关节和所述第三关节从远侧到近侧布置并由连接件连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第二关节的远侧；(k)其中所述万向支架至少包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述第一连接件、所述第二连接件和所述第三连接件从远侧到近侧布置并由关节连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第三连接件内；(l)所述万向支架至少包括第一关节、第二关节和第三关节，所述第一关节、所述第二关节和所述第三关节从远侧到近侧布置并由连接件连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第三关节的近侧；(m)其中所述万向支架包括附接到所述测力传感器的远侧端部的覆盖件，所述覆盖件屏蔽位于所述测力传感器的近侧的结构，从而防止所述测力传感器的所述远侧端部与所屏蔽的结构之间的机械短路；(n)马达，所述马达定位在所述万向支架内用于控制所述万向支架的关节；(o)其中所述马达通过缆线驱动装置连接到所述关节；(p)其中所述马达位于所述关节的近侧；(q)其中所述定位平台包括至少一个棱柱关节；(r)其中所述棱柱关节的运动轴线与重力方向对齐；以及/或者(s)其中所述万向支架通过关节联接到所述定位平台，并且其中所述关节的轴线与所述重力方向对齐。

在另一方面，机器人使能的远程操作的系统包括控制器和能够由所述控制器操纵的机器人工具。所述控制器包括：柄部，所述柄部被构造用于由操作者致动；万向支架，所述万向支架联接到所述柄部并且被构造成允许在多个自由度上操纵所述柄部，所述万向支架包括测力传感器，其中所述万向支架的至少两个轴线的运动不基于所述测力传感器的任何输出信号；以及定位平台，所述定位平台联接到所述万向支架并且被构造成允许在多个自由度上操纵所述柄部。所述柄部被构造用于至少部分地基于所述万向支架中的所述测力传感器的输出信号进行导纳控制。

所述系统可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中所述万向支架至少包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述第一连接件、所述第二连接件和所述第三连接件从远侧到近侧布置并由关节连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第一连接件内；(b)覆盖件，所述覆盖件附接到所述测力传感器的远侧端部，所述覆盖件屏蔽位于所述测力传感器的近侧的结构，从而防止所述测力传感器的所述远侧端部与所屏蔽的结构之间的机械短路；(c)其中所述万向支架至少包括第一关节、第二关节和第三关节，所述第一关节、所述第二关节和所述第三关节从远侧到近侧布置并由连接件连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第二关节的远侧；(d)其中所述万向支架至少包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述第一连接件、所述第二连接件和所述第三连接件从远侧到近侧布置并由关节连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第三连接件内；(e)其中所述万向支架至少包括第一关节、第二关节和第三关节，所述第一关节、所述第二关节和所述第三关节从远侧到近侧布置并由连接件连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第三关节的近侧；(f)马达，所述马达定位在所述万向支架内用于控制所述万向支架的关节；(g)其中所述马达通过缆线驱动装置连接到所述关节；以及/或者(h)其中所述马达位于关节的近侧。

在另一方面，提供了一种用于远程操作的方法，所述方法涉及或包括：经由阻抗控制来驱动控制器的旋转；经由导纳控制来驱动控制器的平移；基于阻抗控制和/或导纳控制从所述控制器递送输出信号；以及基于所述输出信号驱动所述远程操作的工具的运动。

所述方法可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中所述输出信号基于所述控制器的柄部的所述旋转和/或位置；(b)其中经由阻抗控制来驱动所述控制器的旋转包括旋转所述控制器的柄部；(c)其中所述柄部附接到万向支架，所述万向支架被构造成允许在多个自由度上操纵所述柄部；(d)其中所述万向支架包括测力传感器；(e)其中经由导纳控制来驱动控制器的平移包括平移所述控制器的所述柄部，并且其中所述导纳控制基于所述测力传感器的输出；(f)其中所述万向支架至少包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述第一连接件、所述第二连接件和所述第三连接件从远侧到近侧布置并由关节连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第一连接件内；(g)其中所述万向支架至少包括第一关节、第二关节和第三关节，所述第一关节、所述第二关节和所述第三关节从远侧到近侧布置并由连接件连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第二关节的远侧；(h)其中所述万向支架至少包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述第一连接件、所述第二连接件和所述第三连接件从远侧到近侧布置并由关节连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第三连接件内；以及/或者(i)其中所述万向支架至少包括第一关节、第二关节和第三关节，所述第一关节、所述第二关节和所述第三关节从远侧到近侧布置并由连接件连接，并且其中所述测力传感器定位在所述第三关节的近侧。

在另一方面，提供了一种用于远程操作的方法，所述方法包括：操纵控制器以引起远程操作的机器人工具的对应操纵，其中操纵所述控制器包括：通过阻抗控制在至少三个旋转自由度上操纵所述控制器的柄部，以引起所述远程操作的机器人工具的对应操纵；以及通过导纳控制在至少三个位置自由度上操纵所述控制器的所述柄部，以引起所述远程操作的机器人工具的对应操纵。

所述方法可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中在所述至少三个旋转自由度上操纵所述柄部包括操纵万向支架；(b)其中在所述至少三个旋转自由度上操纵所述柄部包括以至少俯仰、翻滚和偏航操纵所述柄部；(c)其中在所述至少三个位置自由度上操纵所述柄部包括操纵定位平台；以及/或者(d)其中在所述至少三个位置自由度上操纵所述柄部包括在至少x方向、y方向和z方向上操纵所述柄部。

在另一方面，机器人使能的远程操作的系统包括用于操纵远程操作的机器人工具的操纵器，所述操纵器包括由连接件形成的多个关节，所述连接件包括最近侧连接件和可操作地联接到柱的最远侧连接件，其中所述最近侧连接件定位成比所述最远侧连接件更靠近所述柱。所述系统还包括定位在所述多个连接件中的至少一个连接件内的测力传感器。所述多个关节中的第一组定位在所述测力传感器的近侧，并且所述多个关节中的第二组定位在所述测力传感器的远侧，并且所述多个关节中的所述第二组包括至少一个关节，所述至少一个关节的运动不基于来自所述测力传感器的输出信号。

所述系统可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中所述操纵器包括串联连接件操纵器；(b)其中所述操纵器包括并联连接件操纵器；(c)其中所述操纵器包括柄部、万向支架和由所述多个连接件形成的定位平台；(d)其中所述万向支架通过转动关节联接到所述定位平台；(e)其中在所述测力传感器近侧的所述多个关节中的所述第一组是定位平台的一部分；(f)其中所述定位平台的所述操纵基于所述测力传感器的输出；以及/或者(g)其中在所述测力传感器远侧的所述多个关节中的所述第二组是万向支架的一部分。

在另一方面，机器人使能的系统包括控制器，所述控制器包括：柄部，所述柄部被构造用于由操作者致动；万向支架，所述万向支架联接到所述柄部并且被构造成允许在多个自由度上操纵所述柄部，其中所述万向支架被构造用于阻抗控制；以及定位平台，所述定位平台联接到所述万向支架并且被构造成允许在多个自由度上操纵所述柄部，其中所述定位平台被构造用于导纳控制。在一些实施方案中，所述控制器操纵远程操作的机器人工具。在一些实施方案中，所述控制器操纵虚拟环境中的对象。

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规程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的机器人系统的替代视图。

图7示出了被构造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示出了具有俯仰或倾斜调整的图5-图9的基于台的机器人系统的实施方案。

图11提供了图5-图10的基于台的机器人系统的台和立柱之间的接口的详细图示。

图12示出了示例性器械驱动器。

图13示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。

图14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15描绘了根据示例性实施方案的示出定位系统的框图，该定位系统估计图1-图10的机器人系统的一个或多个元件的位置，诸如图13和图14的器械的位置。

图16A是示出机器人使能的医疗系统的实施方案的框图，该机器人使能的医疗系统包括用于机器人使能的医疗器械的控制器。

图16B是示出图16A的控制器的实施方案的框图，该控制器可被配置用于混合阻抗和导纳控制。

图16C是包括两个万向支架和一个定位平台的控制器的实施方案的等轴视图。

图17是用于控制器的万向支架的实施方案的等轴视图。

图18是包括处于第一位置的测力传感器的万向支架的第一实施方案的等轴剖视图。

图19A是包括处于第二位置的测力传感器的万向支架的第二实施方案的等轴剖视图。

图19B是图19A的第二实施方案的等轴视图，其被示出具有透明覆盖件以示出缆线驱动系统的实施方案。

图20A示出了机械短路的示例。

图20B示出了用于万向支架的覆盖件的示例，该覆盖件被构造成减小机械短路的可能性。

图20C示出了根据一个实施方案的图18的万向支架的第一实施方案中的覆盖件的范围，该覆盖件可被接触而不引起机械短路。

图20D示出了根据一个实施方案的图19A和图19B的万向支架的第二实施方案中的覆盖件的范围，该覆盖件可被接触而不引起机械短路。

图21是示出控制器方法的实施方案的流程图。

图22是示出控制器方法的另一个实施方案的流程图。

具体实施方式

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学规程，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。

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规程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插入到患者体内。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，每个器械驱动器耦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，诊断和治疗处理可能需要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。

系统10还可包括可移动塔30，该可移动塔可经由支撑线缆连接到推车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线缆直接递送到内窥镜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、更可移动的推车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或生命体征和系统的操作，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可通过一个或多个线缆或连接件(未示出)耦接到推车11和内窥镜13。在一些实施方案中，可通过单个线缆向推车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，特定功能可耦接在单独的布线和连接中。例如，尽管可以通过单个线缆向推车提供电力，但也可以通过单独的线缆提供对控制、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系统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。多个关节导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连杆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，同时允许医师将臂关节移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移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。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的实施方案。在血管规程中，系统10可以被构造成使得推车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。

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不需要围绕柱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。

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需要移动时回缩。

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。塔还可以是可移动的，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。塔还可以包括主控制器或控制台，该控制台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和臂50，并且关闭以收起托架48、臂安装件51和臂50，以便在不使用时保护它们。基部盖52可以用膜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可以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地面更远的距离处。另外，臂安装件45可以旋转以匹配倾斜，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可以被构造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方位(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。

系统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”)，其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，其可以没有诸如马达的任何机电部件。该二分法可能是由以下所驱动的：对医学规程中使用的医疗器械进行消毒的需要；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消毒。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消毒或处置。相比之下，器械驱动器不需要被改变或消毒，并且可以被覆盖以便保护。

图12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，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可以向医疗器械提供多个(如图12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，同时保持驱动轴与驱动输入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配合的一系列旋转输入和输出。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消毒的区域(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消毒的区域(即，无菌区)与患者对接。

图13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73(例如，插座、滑轮或卷轴)，该驱动输入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74配合。当物理连接、闩锁和/或耦接时，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74可以包括花键，其被设计成与驱动输入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，当驱动输入响应于从器械驱动器75的驱动输出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，这些腱可以耦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移动。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13的示例中，驱动轴轴线以及因此驱动输入轴线与细长轴的轴线正交。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的移动的任何控制算法。

图14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)，该器械基部包括被配置成接收器械驱动器80中的驱动输出81的多个驱动输入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89的轴线，而不是如图13的设计中那样正交。

当耦接到器械驱动器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89的任何腱在旋转期间都不缠结。因此，驱动输出81、驱动输入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。

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15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-图4所示的推车、图5-图10所示的床等中。

如图15所示，定位系统90可以包括定位模块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。在操作中，机器人系统可以参考该库，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移动。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)的移动和位置。

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。在手术中，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15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15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。

机器人使能的远程操作的系统(诸如上述系统)可包括被配置成允许操作者(例如，执行机器人使能的医疗规程的医师)操纵和控制一个或多个器械的输入装置或控制器。在一些实施方案中，机器人使能的远程操作的系统包括用于操作一个或多个医疗工具的控制器。本领域的技术人员将会知道，本文所述的控制器也可应用于非医学环境中。例如，控制器可用于操纵涉及危险物质的工具。此外，在一些实施方案中，本文所述的控制器可用于抓取物理环境和/或虚拟环境中的对象。在一些实施方案中，控制器可自足作为与人类操作者交互的服务机器人。在一些实施方案中，控制器可与器械(诸如医疗器械)耦接(例如，通信地、电子地、电地、无线地和/或机械地)，使得控制器的操纵引起器械的对应操纵。在一些实施方案中，控制器和器械被布置成主从对。在一些实施方案中，控制器可被称为操纵器、仿真器、主设备、接口等。在一些实施方案中，控制器可包括并联或串联组装的多个连接件。

控制器可用作操作者控制医疗器械(诸如内窥镜式、腔内式、腹腔镜式或开放式外科器械)的动作的输入装置。操作者对控制器的移动可引导医疗器械的移动。例如，当操作者在三维空间(例如，向上、向下、向左、向右、向后、向前)中平移控制器时，系统可引起医疗器械的对应平移。类似地，如果操作者旋转控制器(例如，围绕三条正交轴线中的任一条正交轴线)，则系统可引起医疗器械的对应旋转运动。控制器还可包括允许操作者致动医疗器械的输入端。例如，如果医疗器械包括抓握器，则控制器可包括允许操作者打开和闭合抓握器的输入端。

控制器还可向操作者提供触觉反馈。例如，在一些实施方案中，施加在医疗器械上的力或扭矩可以通过控制器传递回操作者。在一些实施方案中，通过控制器向操作者提供触觉反馈为用户提供改进的操作、控制或驱动体验。在一些实施方案中，为了使操作者更容易与控制器交互并操作系统，可提供清晰的触觉提示。

在一些实施方案中，控制器还用于例如在切换医疗器械时使操作者的手与医疗器械的取向对准。例如，如果医疗器械在医疗规程期间定位在患者体内，则重要的是医疗器械不会意外地或无意地移动。因此，当操作者希望控制已经定位在体内的医疗器械时，控制器可以首先移动以匹配医疗器械的取向，同时器械保持在适当位置。在控制器正确取向以匹配医疗器械的取向的情况下，操作者然后可使用控制器来操纵医疗器械。

在一些实施方案中，机器人使能的医疗系统包括具有跟随操作者的手部运动的七个自由度的控制器，其中所述七个自由度包括三个位置自由度(例如，在x、y、z空间中的平移运动)、三个旋转自由度(例如，围绕俯仰轴线、翻滚轴线和偏航轴线的旋转运动)和一个(或多个)器械致动自由度(例如，角度自由度)。在一些实施方案中，器械致动自由度可控制医疗器械的端部执行器(诸如夹持器或抓握器)的打开和闭合以保持物体。在一些实施方案中，可省略器械致动自由度。在一些实施方案中，控制器可包括更多或更少数量的自由度。例如，在一些实施方案中，控制器可包括多于三个位置自由度或多于三个旋转自由度以提供一个或多个冗余自由度。在一些实施方案中，冗余自由度可为控制器提供附加的机械灵活性，例如，以避免由控制器的机械结构引起的奇点。

图16A示出了机器人使能的医疗系统100的实施方案的框图，包括控制器102的实施方案的示意图和机器人使能的医疗器械310的实施方案的示意图。如上简述，控制器102可以与机器人使能的医疗器械310耦接，使得控制器102的操纵引起机器人使能的医疗器械310的基本上对应的移动，并且施加在机器人使能的医疗器械310上的力可以传递回控制器并触觉地传送给操作者。在一些实施方案中，控制器102和机器人使能的医疗器械310被布置成主从构型。

在系统100的例示的实施方案中，控制器102包括柄部104、万向支架106和定位平台108。柄部104可被构造成由操作者握持。如图所示，在一些实施方案中，柄部104联接到万向支架106和定位平台108。如上所述，柄部104可包括一个或多个自由度以致动器械。万向支架106可被构造成提供一个或多个旋转自由度以允许操作者旋转柄部104。在一些实施方案中，万向支架106被构造成提供至少三个旋转自由度。例如，万向支架106可被构造成允许操作者围绕俯仰轴线、翻滚轴线和偏航轴线旋转柄部104。示例性万向支架106在图17-图19B中示出并在下文中更详细地描述。定位平台108可被构造成提供一个或多个平移(在本文中也称为位置)自由度以允许操作者平移柄部104。在一些实施方案中，定位平台108被构造成提供至少三个位置自由度。例如，定位平台108可被构造成允许操作者在三维空间(例如，x、y和z方向)中平移柄部104。示例性定位平台108可见于图16C中，在下文中更详细地描述。万向支架106和定位平台108一起可使得用户能够操纵柄部104。

在例示的实施方案中，机器人使能的医疗器械310包括器械或工具312(其可包括端部执行器)、器械驱动器314和机器人臂316(或其他器械定位装置)。医疗工具312可以是例如上图9所示的腹腔镜式器械59，以及如贯穿本申请所述并且对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的其他类型的内窥镜式或腹腔镜式医疗器械。医疗工具312可包括一个或多个端部执行器。端部执行器可以定位在医疗工具312的远侧端部上。端部执行器可被构造用于插入患者体内。在一些实施方案中，端部执行器可为抓握器、夹持器、切割器、衬圈设备或剪刀等等。在一些实施方案中，医疗工具312可包括镜或相机。

医疗工具312可附接到器械驱动器314。器械驱动器314可被构造成如上所述致动医疗工具312。例如，器械驱动器314可被构造成牵拉医疗工具312的一根或多根牵拉线以致动医疗工具312。在一些实施方案中，器械驱动器314可为如上所述的器械驱动机构。器械驱动器314可附接到机器人臂316，例如，如图13所示。机器人臂316可被构造成能够进行关节运动或移动以进一步操纵和定位医疗工具312。示例性医疗器械/工具、器械驱动器和机器人臂如上所述在图1-图15的系统中示出。

控制器102可以联接到机器人使能的医疗器械310，使得柄部104的操纵引起医疗工具312的基本上对应的移动，并且施加在医疗工具312上的力可以通过柄部104触觉地传递给操作者。柄部104的操纵可通过测量万向支架106和定位平台108的力和移动来测量或确定。医疗工具312的移动可以由器械驱动器314和/或机器人臂316的关节运动和移动引起。因此，通过操纵柄部104，操作者可以控制医疗工具312。

在许多情况下，期望控制器102易于由操作者操纵，使得操作者对医疗工具312进行精细且精确的控制，并且可以使用控制器102而不会变得过度疲劳。用于测量控制器的操纵容易性的一个度量是系统的感知惯性和/或感知质量。在一些实施方案中，系统的感知惯性是用户在操纵柄部104时感觉好像其是点质量的系统的质量。一般来讲，具有较低感知惯性的控制器102可更易于操作。在其他实施方案中，感知惯性包括用户在操纵柄部104时感觉到的惯性矩。

如下所述，本专利申请中所述的控制器包括提供优于现有系统的优点的若干新颖且不明显的特征。在一些实施方案中，本文所述的控制器被有利地配置为利用导纳控制和阻抗控制两者来操作。如下所述，包括导纳控制和阻抗控制两者的混合控制器可提供改善的操作体验。在一些实施方案中，当与其他控制器相比时，包括导纳控制和阻抗控制两者的混合控制器可有利地提供更低或减小的感知惯性。在一些实施方案中，混合控制器可提供改善的触觉反馈和响应。此外，如下所述，在一些实施方案中，本文所述的控制器可防止或降低可引起不稳定且不可预测的移动的机械短路(下文所述)的可能性。在本专利申请中描述的控制器的这些和其他特征和优点在以下部分中进一步讨论。

图16B是被配置为使用阻抗控制和导纳控制两者操作的控制器102的实施方案的框图。这种控制器102可被称为混合控制器。

阻抗控制和导纳控制是用于控制机器人系统的两种控制方案。在阻抗控制下，系统测量位移(例如，位置和速度的变化)并输出力。例如，对于阻抗控制，系统可测量操作者移动控制器的距离或速度，并且基于该测量结果，在器械上产生力(例如，通过致动马达)。在阻抗控制下，操作者对控制器的移动可反向驱动器械的多个部分。在许多情况下，使用阻抗控制可导致大的感知惯性。这可能是因为，例如，阻抗控制依赖于操作者移动控制器。在阻抗控制下，操作者可能必须克服控制器的感知质量或惯性以使其移动，从而使控制器感觉沉重。对于阻抗控制，操作者必须物理地克服系统中的大部分或全部惯性以移动控制器。其他控制器仅依赖于阻抗控制，这可使系统在与本文所述的控制器进行比较时具有更高的感知惯性或质量。由于较高的感知惯性，操作者在使用此类其他控制器时可能过度疲劳。

在导纳控制下，系统测量由操作者施加在控制器上的力和/或扭矩，并输出控制器的对应速度和/或位置。在一些方面，导纳控制与阻抗控制相反。在一些实施方案中，使用导纳控制可有利地使得系统的感知惯性或质量减小。导纳控制可用于改变被感知为具有高质量或惯性的控制器的动态。在一些情况下，通过使用导纳控制，操作者不需要克服系统中的全部惯性来移动控制器。例如，在导纳控制下，当用户在控制器上施加力时，系统可测量该力并通过驱动与控制器相关联的一个或多个马达来帮助用户移动控制器，从而获得控制器的期望速度和/或位置。换句话讲，对于导纳控制，力传感器或测力传感器测量操作者施加到控制器的力，并且以感觉轻的方式移动控制器以及耦接的机器人使能的医疗器械310。导纳控制可感觉比阻抗控制更轻，因为在导纳控制下，可隐藏控制器的感知惯性，因为控制器中的马达可以帮助加速质量。相比之下，通过阻抗控制，用户负责全部或基本上全部的质量加速。

如图16B中例示的实施方案所示，控制器102包括柄部104、万向支架106和定位平台108。如上所述，万向支架106可被构造成提供一个或多个旋转自由度(例如，三个或四个)，并且定位平台108可被构造成提供一个或多个旋转自由度(例如，三个或四个)。万向支架106和定位平台108可允许用户在三维空间中移动柄部104并且围绕俯仰轴线、翻滚轴线和偏航轴线旋转柄部104。柄部104的操纵引起对应的医疗器械的运动。此外，柄部104、万向支架106和定位平台108可被构造成向操作者提供表示施加在医疗器械上的力的触觉反馈。

如图16B中的虚线框所示，在控制器102中，万向支架106被构造用于阻抗控制，并且定位平台108被构造用于导纳控制。因此，对于一些实施方案，定位平台108的平移自由度或位置自由度依赖于导纳控制，而万向支架106的旋转自由度依赖于阻抗控制。如下文进一步所述，这种类型的混合控制器102可具有若干优点。在其他实施方案(未示出)中，万向支架106被构造用于导纳控制，并且定位平台108被构造用于阻抗控制。在一些实施方案中，万向支架106和定位平台均可被构造用于导纳控制，或者均可被构造用于阻抗控制。

为了利用导纳控制，控制器102包括至少一个力传感器或测力传感器112。测力传感器112被配置为测量由操作者施加在控制器102上的力(一般来讲，施加在柄部104上的力)。测力传感器112的输出信号(力的量度)用来提供控制控制器102诸如定位平台108的运动的控制信号。机器人使能的医疗器械310将跟随柄部104的运动(例如，通过激活器械驱动器314或机器人臂316中的一个或多个马达)。在一些实施方案中，测力传感器112可为在三个方向上测量力的三个自由度的测力传感器。

在例示的实施方案中，测力传感器112定位在万向支架106内。下文所述的图18和图19A示出了测力传感器112可定位在万向支架106内的两个不同实施方案。测力传感器112的其他位置也是可能的。在一些实施方案中，测力传感器112定位在定位平台108中。在一些实施方案中，包括多于一个测力传感器112(例如，两个、三个、四个或更多个测力传感器)，所述测力传感器可定位在柄部104、万向支架106和/或定位平台108中。

在一些实施方案中，测力传感器112有利地定位在控制器102中的远侧(更靠近柄部104)。这是因为，在一些实施方案中，导纳控制可用于隐藏位于测力传感器112近侧的控制器102的多个部分(例如，位于测力传感器112的与柄部104相对侧上的控制器102的多个部分)的感知质量。

图16C是控制器102的实施方案的透视图。在例示的实施方案中，控制器102被配置为允许操纵一个或多个医疗器械。如图所示，控制器102可包括一对柄部104。在一些实施方案中，该对柄部104操作单个器械，而在其他实施方案中，该对柄部104中的每个柄部各自操作其自身的对应器械。每个柄部104连接到万向支架106。每个万向支架连接到定位平台108。在一些实施方案中，柄部104被认为是在万向支架106的远侧，该万向支架被认为是在定位平台108的远侧。柄部104和万向支架106在图17中更详细地示出，并且将在下文描述。

如图16C所示，在例示的实施方案中，每个定位平台108包括具有多个连接件的SCARA(选择性顺应性组装机器人臂)臂118，这些连接件通过棱柱关节116联接到柱114。棱柱关节116被构造成沿着柱114(例如，沿着导轨117)平移以允许柄部104在z方向上平移，从而提供第一自由度。SCARA臂118被构造成允许柄部104在x-y平面中运动，从而提供两个附加的自由度。因此，图16C所示的定位平台108中的每个定位平台被构造成提供三个位置自由度或平移自由度，并且允许操作者将柄部104定位在三维(例如，x、y、z)空间中的任何位置(在定位平台的到达范围内)处。

在一些实施方案中，柱114(和导轨117)沿着与工作空间的竖直方向(例如，如图所示的z方向)对齐的轴线延伸，所述竖直方向可与重力方向对齐。该定位平台108的优点在于其可提供重力补偿。换句话讲，定位平台108的棱柱关节116可保持万向支架106相对于重力的恒定取向。

在一些实施方案中，定位平台108可具有其他构型。例如，在所有实施方案中，定位平台108不需要包括棱柱关节和/或SCARA臂。

在一些实施方案中，可在控制器102的一部分中(例如，在万向支架106中)提供测力传感器112(图16C中未示出)。添加测力传感器112使得控制器能够除阻抗控制之外还具有导纳控制。在导纳控制下，可减小控制器102的感知惯性。这是因为万向支架106和/或定位平台的质量可经由测力传感器112隐藏。这可能是因为测力传感器112可测量施加在控制器上的力并且可用于提供驱动控制器102中的马达的输出以帮助控制器102的运动。隐藏的质量的量取决于测力传感器112的位置。在一些实施方案中，在测力传感器112近侧的质量可被部分地或基本上隐藏，而在测力传感器112远侧的质量将不被隐藏。

在一些实施方案中，通过将测力传感器112向远侧定位在控制器102上(例如，在图16C所示的万向支架106中)，万向支架106的质量可在操作控制器102时被部分地或基本上隐藏。同样，定位平台108的质量(其具有比万向支架106相对更高的质量)也可在操作控制器102时被部分地或基本上隐藏。隐藏质量有利地导致临床医生较低的感知惯性。在没有测力传感器112的情况下，为了在z方向上移动柄部104，操作者将必须向柄部104提供足够的力以向上提升柄部104、万向支架106和SCARA臂118。此外，可以设想到，与在z方向上的运动相比，将需要较小的力来在x-y平面中移动柄部。这种差异将可能导致操作者的不均匀操作体验，这将使得控制器102难以使用。因此，通过包括测力传感器112，如本文所述，控制器102可帮助用户在x、y和z方向上平移柄部104，并且提供更均匀且受控的操作体验。在一些实施方案中，测力传感器112使得定位平台108能够基本上或完全地在导纳控制下操作。与定位平台108相比，万向支架106的惯性矩可相对较低。这可能是因为万向支架106通常比定位平台108小得多。因此，万向支架106的至少一些部分可适用于阻抗控制。

如本文所述的这种混合阻抗/导纳控制器102的一个优点是，该系统的感知惯性可相对低于完全依赖于阻抗控制的系统。此外，混合控制器102的机械结构可更简单，因为导纳控制可用于补充和平整化系统的移动。相比之下，仅阻抗的系统的机械结构通常非常复杂，以试图使在不同方向上移动系统所需的力归一化并使感知的惯性最小化。

在一些实施方案中，通过使用如本文所述的混合控制器102，可能的是，万向支架106的质量和惯性实际上可相对于仅阻抗的控制器的万向支架增加，因为控制器102的总质量和惯性中的太多部分可被定位平台的导纳控制隐藏。在一些实施方案中，增加万向支架的尺寸可允许使用更大的马达，这可允许控制器与需要使用轻质万向支架和马达以避免增加总质量和惯性的其他系统相比提供更强的触觉反馈力。

如图16C所示，混合控制器102可被视为串联的多个连接件和关节，例如，被视为串联连接件操纵器。柄部104、万向支架106和定位平台108各自包括可操作地联接的一个或多个连接件，其中最近侧的连接件邻近定位平台108的柱114，并且最远侧的连接件是柄部104本身的一部分。在一些实施方案中，可以将一个或多个测力传感器112(图16C中未示出)插入控制器102中以提供对控制器102的至少一些部分的导纳控制。控制器102的其他部分可由临床医生或操作者通过阻抗控制(或在一些情况下，被动控制)来控制。在一些实施方案中，在测力传感器112近侧的连接件和关节可以直接或间接地受到测力传感器112的影响。因此，对这些近侧连接件和关节的操纵可以得到导纳控制的帮助。在一些实施方案中，测力传感器112远侧的连接件和关节可以不受测力传感器112的直接或间接影响。因此，对这些远侧连接件和关节的操纵可以得到阻抗控制的帮助。例如，在图19A的实施方案(将在下面更详细地讨论)中，测力传感器112定位在万向支架106中，使得远侧关节128、130、132(图17所示)可以不直接或间接地受到测力传感器112的影响。换句话说，在这些关节处对万向支架106的轴线的操纵不是直接或间接地基于测力传感器112的输出。这些远侧连接件和关节可以通过阻抗控制来移动。相比之下，位于测力传感器112近侧的连接件和关节(诸如定位平台108中的那些)可以直接或间接地受到测力传感器112的影响。换句话说，在这些关节处对轴线的操纵直接或间接地基于测力传感器112的输出。这些近侧连接件和关节可以通过导纳控制来移动。

如上所述，在一些实施方案中，测力传感器112(或力传感器)定位在万向支架106中。在一些实施方案中，万向支架106为具有阻抗控制的控制器102提供旋转自由度，而定位平台108可为具有导纳控制的控制器102提供位置自由度(例如，基于定位在万向支架106中的测力传感器112的输出)。存在许多可以将测力传感器112定位在万向支架106内的方式。控制器102的感知惯性减小的程度可以部分地基于测力传感器112在万向支架106内的位置。在此部分中描述了两个示例性实施方案，这两个示例性实施方案示出了定位在万向支架106的两个不同部分中的测力传感器112。其他实施方案也是可能的。

图17是万向支架106的实施方案的等轴视图。如图所示，对于一些实施方案，万向支架106定位在定位平台108的远侧端部处(图17中仅示出了定位平台108的最后一个连接件)。如本专利申请中所用，在控制器102的上下文中，术语“远侧”是指朝向柄部104的方向(例如，柄部104是控制器102的最远侧部件)，并且术语“近侧”是指相反的方向(例如，朝向柱114，参见图16C)。因此，万向支架106的近侧端部可附接到定位平台108的远侧端部。因此，柄部104可定位在万向支架106的远侧端部处。

在一些实施方案中，柄部104被构造成由操作者握持。柄部104可被构造成模拟或模仿控制器102用于控制的医疗器械。在一些实施方案中，柄部包括抓握器柄部(例如，径向对称的抓握器柄部)、触针、桨式柄部等。在例示的实施方案中，柄部104包括被构造成提供上文讨论的器械致动自由度的两个致动臂120。在握持柄部104的同时，操作者可调节致动臂120之间的角度以控制与受控医疗器械相关联的对应角度。例如，在医疗器械是抓握器、剪刀等的情况下，致动臂120之间的角度可用于控制抓握器的两个钳口之间的角度。

在例示的实施方案中，万向支架106包括由关节连接的三个臂或连接件。从远侧到近侧布置并且如图17所示，万向支架106包括第一连接件122、第二连接件124和第三连接件126。从远侧到近侧布置并且如图17所示，万向支架106还包括第一关节128、第二关节130、第三关节132和第四关节134。这些关节允许各种连接件旋转，从而为万向支架106提供上文讨论的旋转自由度。

柄部104通过第一关节128连接到第一连接件122的远侧端部。第一关节128可被构造成允许柄部104相对于第一连接件122旋转。在例示的实施方案中，第一关节128允许柄部104围绕翻滚轴136旋转。在一些实施方案中，翻滚轴136与柄部104的纵向轴线对齐。第一关节128可以为转动关节。

第一连接件122的近侧端部通过第二关节130连接到第二连接件124的远侧端部。第二关节130可被构造成允许柄部104和第一连接件122相对于第二连接件124旋转。在例示的实施方案中，第二关节130允许柄部104和第一连接件122围绕偏航轴138旋转。在一些实施方案中，偏航轴138延伸穿过第二关节130并且在柄部104的中心点处与翻滚轴136相交。第二关节130可以为转动关节。如图所示，对于一些实施方案，第一连接件122包括L形。在一些实施方案中，第一连接件122被构造成具有形成于其中的凹槽以用于接纳第二连接件124并且允许第二连接件124相对于第一连接件122旋转。

第二连接件124的近侧端部通过第三关节132连接到第三连接件126的远侧端部。第三关节132可被构造成允许柄部104、第一连接件122和第二连接件124相对于第三连接件126旋转。在例示的实施方案中，第三关节132允许柄部104、第一连接件122和第二连接件124围绕俯仰轴140旋转。在一些实施方案中，俯仰轴140延伸穿过第三关节132，并且在柄部104的中心点处与翻滚轴136和偏航轴138相交。第三关节132可以为转动关节。如图所示，对于一些实施方案，第二连接件124包括L形。在一些实施方案中，L形第二连接件124被接纳在L形第一连接件122的凹槽中(如图17所示)。在其他实施方案中，L形第一连接件122可被接纳在L形第二连接件124的凹槽中。

在例示的实施方案中，第一关节128、第一连接件122、第二关节130、第二连接件124和第三关节132提供三个旋转自由度，从而允许在俯仰、翻滚和偏航方面调节柄部104的旋转。在例示的实施方案中，万向支架106还包括提供冗余旋转自由度的第三连接件126和第四关节134。这不需要包括在所有实施方案中，而是可为万向支架106提供更大的机械柔性。

如图所示，第三连接件126的远侧端部通过第三关节132连接到第二连接件124的近侧端部。第三连接件126的近侧端部通过第四关节134连接到定位平台108的远侧端部。第四关节134可被构造成允许柄部104、第一连接件122、第二连接件124和第三连接件126相对于定位平台108旋转。在例示的实施方案中，第四关节134允许柄部104、第一连接件122、第二连接件124和第三连接件126围绕轴线142旋转。在一些实施方案中，轴线142平行于偏航轴线138。在一些实施方案中，偏航轴线138和轴线142同轴，但是如图所示，这不必是所有实施方案中的情况。轴线142(和偏航轴线138)可平行于重力方向以保持万向支架相对于重力方向的取向，如上所述。第四关节134可以为转动关节。如图所示，对于一些实施方案，第三连接件126包括L形。

图18和图19A示出了万向支架106的两个实施方案，这两个实施方案以万向支架106的连接件的剖视图示出以示出万向支架106的内部结构中的一些。如将在下文更详细地描述，这两个实施方案提供了测力传感器112可定位在万向支架106内的位置的示例。尽管示出了两个示例，但测力传感器112的其他布置也是可能的。在一些实施方案中，术语测力传感器112可涵盖单个测力传感器或多个子测力传感器。

图18示出了万向支架106的第一实施方案的剖视图。如图所示，在第一实施方案中，测力传感器112定位在第一连接件122中。换句话讲，测力传感器112定位在第一关节128与第二关节130之间。在万向支架106的第一实施方案中，测力传感器112定位在控制器102的远侧端部附近。具体地，在该实施方案中，测力传感器112定位在万向支架106的最远侧连接件中，该最远侧连接件是万向支架106在柄部104之前的最后一个连接件。由于测力传感器112的远侧定位，在该实施方案中，在测力传感器112的远侧存在非常小的质量。因此，可大大减小包括万向支架106的该实施方案的控制器102的感知惯性。

在图18例示的实施方案中，与关节相关联的马达是可见的。例如，如图所示，第一马达144定位在第一关节128内，第二马达146定位在第二关节130内，第三马达148定位在第三关节132内，并且第四马达150定位在第四关节134内。在一些实施方案中，马达可用于通过万向支架106提供触觉反馈。在一些实施方案中，与马达协同定位的编码器可被配置为提供关节的移动的测量(例如，位移和位置)以用于万向支架106的阻抗控制。

如图18所示，第二马达146、第三马达148和第四马达150均相对于测力传感器112定位在近侧。因此，在一些实施方案中，可隐藏这些马达的质量，使得可减小感知惯性。在一些实施方案中，这可允许使用更大的马达，这可通过万向支架106提供更强的触觉反馈。

图19A示出了万向支架106的第二实施方案的剖视图。如图所示，在第二实施方案中，测力传感器112定位在第三连接件126中。换句话讲，测力传感器112定位在第三关节132与第四关节134之间。与万向支架106的第一实施方案(图18)相比，在第二实施方案中，测力传感器112定位在更近侧。因此，在第二实施方案中，在测力传感器112的远侧存在更多的质量(例如，柄部104、第一连接件122和第二连接件124的质量)，这可有助于整个系统更高的感知惯性，并且因此，包括万向支架106的第二实施方案的控制器102可被感知为比包括万向支架106的第一实施方案的控制器102(图18)更重(更高的感知惯性)。然而，因为万向支架106的第二实施方案可包括在如上所述的混合控制器102上，所以当与完全依赖于阻抗控制的其他控制器相比时，仍然实现感知惯性的总体减小。另外，在一些方面，万向支架106的第二实施方案可提供若干独特的优点。例如，万向支架106的第二实施方案通过将测力传感器112定位在第三连接件126中来减小万向支架106的旋转惯性。在混合控制器中，因为万向支架106可以是阻抗控制的，所以操作者将感觉到万向支架106的所有旋转惯性。因此，保持低惯性对于用户体验可能是有益的。另外，当与图18的第一实施方案相比时，万向支架106的第二实施方案可提供降低的机械短路风险，如以下部分所讨论的。

在图19A例示的实施方案中，与关节相关联的马达是可见的。例如，如图所示，第一马达144定位在第一关节128内，第三马达146定位在第三关节132内，并且第四马达150定位在第四关节134内。万向支架106还包括与第二关节130的旋转相关联的第二马达148；然而，如图19A所示，第二马达148不定位在第二关节130处。相反，第二马达148可定位在第三关节132中并且机械地连接到第二关节130。这在图19B中最清楚地看出。

图19B提供了万向支架106的第二实施方案的附加视图。在该视图中，连接件的覆盖件被示出为透明的以显露万向支架106的一些内部部件。如图所示，第二马达148定位在第三关节132中并且通过新型缆线驱动系统152连接到第二关节130。缆线驱动系统152有利地充当第二关节130与第二马达148之间的传动装置。缆线驱动系统可包括被引导通过万向支架106的第二连接件124中的一个或多个缆线滑轮的一根或多根缆线。

在该实施方案中，万向支架106具有使第二关节130由远程定位的第二马达148控制的附加优点。远程定位的第二马达148的优点在于，马达148可以放置在万向支架106的近侧部分附近，而不是第二关节130本身附近。将第二马达146定位在第三连接件126中(与第二连接件124相对)减小了万向支架的旋转惯性。如上所述，减小旋转惯性可能是有益的，因为万向支架106是阻抗控制的，从而需要用户克服万向支架106的惯性来操作控制器。

如前所述，马达可用于通过万向支架106提供触觉反馈。此外，在一些实施方案中，马达可被配置为提供关节的移动的测量(例如，位移和位置)以用于万向支架106的阻抗控制。

尽管已参考图17-图19B描述了包括测力传感器112的万向支架106的两个实施方案，但是其他实施方案也是可能的。在其他实施方案中，万向支架106可包括两个或更多个测力传感器112。

虽然使用包括阻抗控制和导纳控制两者的混合控制器102提供了如上文所讨论的若干显著优点(包括减小控制器的感知惯性并提供改善的操作体验)，但是在一些实施方案中，使用导纳控制包括使用测力传感器112来测量力。当实施包括测力传感器112的实施方案时，应考虑机械短路的风险。当操作者的手、腕、臂或任何组合在控制器的在测力传感器112近侧的一部分与控制器的在测力传感器112远侧的一部分之间形成刚性或物理桥时，可发生机械短路。机械短路的影响可能是操作者难以控制的无意运动。

图20A是示出机械短路的示例的图像。在例示的示例中，操作者正握持位于测力传感器112远侧的柄部104。操作者在柄部104上施加力(例如，通过移动柄部104)，力由测力传感器112测量并且用于定位平台(未示出)中的导纳控制。然而，如图所示，操作者还接触万向支架的部分153，该部分相对于测力传感器112位于近侧，从而引起机械短路。施加在部分153处的力也由测力传感器112测量，从而引起无意的且不可控制的运动。

在一些实施方案中，机械短路产生不期望的运动，因为系统假定操作者正在柄部104处施加所有的力，当这实际上不是真的时，例如由于测力传感器112的近侧接触。操作者可安全地接触位于测力传感器112远侧的控制器或万向支架的任何部分。与测力传感器112的近侧的控制器的接触可能引起不期望的机械短路。

为了降低机械短路的风险并增加控制器的操作者可安全接触而不引起机械短路的部分，在一些实施方案中，可在测力传感器112上方提供外壳或覆盖件。例如，对于包括测力传感器112的连接件，覆盖件可仅在测力传感器112的远侧附接到连接件，但在连接件的位于测力传感器112的近侧的部分上方延伸(而不接触)。由于覆盖件仅连接在测力传感器112的远侧，因此与覆盖件的接触可能不会引起机械短路。在一些实施方案中，覆盖件可模制在下面的部件上方。在其他实施方案中，覆盖件可以是在下面的部件上方形成的滑动件。

图20B示出了万向支架106的第二实施方案(例如，如图19A和图19B所示)的实施方案，其示出了包括测力传感器112的第三连接件126的覆盖件154的剖面型式。如图所示，测力传感器112定位在第三连接件126内。因此，第三连接件126的一部分定位在测力传感器112的远侧，并且第三连接件126的一部分126P定位在测力传感器112的近侧。与第三连接件126的近侧部分126P的接触将引起机械短路。为了降低机械短路的可能性，覆盖件154在近侧部分126P上方延伸并覆盖该近侧部分。对于万向支架106(图18)的第一实施方案，可在第一连接件122上实现类似的覆盖件。

图20C和图20D示出了万向支架106的第一实施方案和第二实施方案的多个部分(分别在图18和图19A中示出)，其可被接触而不引起机械短路。在这些图中，可接触较暗的阴影部分而不引起机械短路。如图20C所示，在万向支架106的第一实施方案中，柄部104和第一连接件122可被接触而不引起机械短路。这可能是因为覆盖件可在包括测力传感器112的第一连接件122上方延伸。如图20D所示，在万向支架106的第二实施方案中，柄部104、第一连接件122、第二连接件124和第三连接件126可被接触而不引起机械短路。这可能是因为覆盖件可在包括测力传感器112的第三连接件123上方延伸。比较图20C和图20D，第二实施方案(图20D)可提供比第一实施方案(图20C)更大的防止机械短路的区域。这可反映两种设计之间的权衡。虽然第一实施方案(图20D)可被感知为较轻(因为测力传感器112被定位成靠近万向支架的远侧连接件)，但其也可具有可经受短路的更多区域。相比之下，虽然第二实施方案(图20D)可被感知为更重(因为测力传感器112被定位成靠近万向支架的近侧连接件)，但其可具有被更多的保护以免短路的区域。无论如何，这两种设计都提供了被认为比仅依赖于阻抗控制的控制器更轻的控制器，并且具有防止机械短路风险的新型覆盖件。本领域的技术人员将会知道，这两个实施方案均提供特定优点并且可适用于各种情况。

图21是示出示例性方法210的流程图，其中控制器(例如，主设备)控制医疗器械(例如，从设备)。方法210可被配置用于使用阻抗控制和导纳控制两者进行混合控制。尽管按顺序示出，但方法210的框可以其他顺序植入，或者框中的一个或多个可基本上同时发生。方法210在框212处开始，其中用户可经由阻抗控制来驱动控制器的旋转。在框214处，用户还可经由导纳控制来驱动控制器的平移。在一些实施方案中，可通过定位在控制器的万向支架中的一个或多个测力传感器来启用导纳控制。

在框216处，经由处理器递送来自控制器的输出信号。输出信号可基于控制器的阻抗控制和/或导纳控制。在框218处，基于输出信号来驱动机器人医疗器械的运动。

图22是示出了示例性控制器方法220的流程图。方法220可被配置用于使用阻抗控制和导纳控制两者进行混合控制。尽管按顺序示出，但方法220的框可以相反的顺序植入或者可基本上同时发生。方法220在框222处开始，其中控制器的柄部经由阻抗控制来操纵以引起机器人医疗器械的对应操纵。在一些实施方案中，在一个或多个旋转自由度上操纵柄部。在一些实施方案中，在至少三个旋转自由度上操纵柄部。在一些实施方案中，在至少俯仰、翻滚和偏航上操纵柄部。在一些实施方案中，操纵柄部包括操纵万向支架。

在框224处，经由导纳控制来操纵柄部以引起机器人医疗器械的对应操纵。在一些实施方案中，在一个或多个位置自由度或平移自由度上操纵柄部。在一些实施方案中，在至少三个位置自由度或平移自由度上操纵柄部。在一些实施方案中，在x、y和z方向上操纵柄部。在一些实施方案中，操纵柄部包括操纵定位平台。

上述混合控制器通常可使用阻抗控制万向支架和导纳控制定位平台。也就是说，对于上述混合控制器，万向支架的所有三个旋转自由度可使用阻抗控制，并且定位平台的所有三个位置自由度可使用导纳控制。

在该部分中，描述了附加类型的混合控制器，该混合控制器可包括阻抗控制的万向支架(例如，具有三个旋转自由度)和定位平台，该定位平台在一个自由度(例如，在竖直平移轴上)的导纳控制下并且在另两个自由度的阻抗控制下。因此，对于这种类型的混合控制器，可存在对导纳控制的一个自由度约束。也就是说，导纳控制被限制或约束到仅一个自由度，诸如竖直平移自由度。

如此处所述，这可通过在万向支架中提供一个自由度的测力传感器(与上述三个自由度的测力传感器112相对)来实现。具有自由度约束的混合控制器可导致许多优点，诸如更大的稳定性、稳健性和降低的成本。

在一些实施方案中，被约束到仅一个自由度的混合控制器可包括与上述控制器102相同或类似的运动学结构。例如，被约束到仅一个自由度的混合控制器可包括如上所示的万向支架106和定位平台108，该定位平台包括由关节连接的多个连接件。然而，对于被约束到仅一个自由度的混合控制器，测力传感器112将为仅在单个方向上测量力的一个自由度的测力传感器。在一些实施方案中，测力传感器112被构造成仅在重力方向上或沿着柱114的轴线测量力(参见图16C)。

在一个实施方案中，图18所示的测力传感器112可为一个自由度的测力传感器。在另一个实施方案中，图19A和图19B所示的测力传感器112可为一个自由度的测力传感器。在另一个实施方案中，可以将测力传感器112放置在万向支架106的第四关节134后面(例如，近侧)(参见图18和图19A)。该实施方案可在测力传感器112的远侧具有增加的质量(当与上述实施方案进行比较时)。在一些实施方案中，测力传感器112的远侧质量越大和/或测力传感器112的刚度越小，引入的机械振动频率越低，因此导纳控制性能和/或稳定性越差。通过切换到一个自由度的测力传感器112，这种类型的混合控制器有可能减小封装尺寸、质量和成本，同时增加测力传感器112的刚度、范围和准确度，这可导致更好的导纳性能和/或稳定性。

在一些实施方案中，具有自由度约束的混合控制器的定位平台108可类似于图16所示的定位平台102。例如，定位平台可包括与工作空间的竖直方向对齐的棱柱基部轴线。定位平台还可包括以SCARA构型布置的两个旋转关节，这两个旋转关节提供垂直于棱柱关节的平面运动。在一些实施方案中，棱柱轴线可用导螺杆致动器或线性致动器来实现。在一些实施方案中，线性致动器的使用可以移动齿隙，减小驱动期间的噪声，并且具有较小的马达惯性。

此外，在一些实施方案中，直接驱动电流还可以用于更准确的竖直力测量和/或估计。为了增强对平面SCARA部分的阻抗控制，可使驱动SCARA部分的马达高度反向驱动。在一些实施方案中，与SCAR的肘部相关联的马达可以远程定位到柱114中。这些改进可减小定位平台的平面连接件的惯性，以减小阻抗控制的平面定位自由度上的质量。

机械振动频率由于惯性的减小以及齿轮箱柔顺性的移除或降低而提高，从而也改善了竖直导纳控制的性能和/或稳定性。就感知的质量而言，在定位平台(例如，SCARA)的平面自由度上，它们是类似且相对均匀的，由万向支架的质量支配。沿竖直轴线的原始质量可更高，但导纳控制可被调谐成匹配其他自由度的感知质量，以在整个工作空间中获得更均匀的性能。当基于电流的力测量的准确度不足时，可以使用一个自由度的测力传感器112来测量棱柱致动位置处的竖直力。结合校准和万向支架远侧力测量，该信息可估计在竖直致动远侧的任何点处的附加竖直外力。因此，可检测并防止所有机械短路和意外碰撞，以增强安全性。

本文所公开的实施方式提供了用于机器人使能的医疗系统的系统、方法和设备。本文所述的各种实施方式包括用于机器人使能的医疗系统的控制器。

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

本文所述的位置估计和机器人运动致动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的介质上。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。

如本文所用，术语“大约”或“约”是指长度、厚度、数量、时间段或其他可测量值的测量范围。此类测量范围涵盖相对于指定值的+/-10％或更小、优选地+/-5％或更小、更优选地+/-1％或更小、并且还更优选地+/-0.1％或更小的变化，只要此类变化是适当的以便在所公开的装置、系统和技术中起作用。

提供对所公开的实施方式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。对这些实施方式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实施方式。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实施方式，而是被赋予符合本文所公开的原理和新颖特征的最宽范围。