被配置为当与驱动单元断开时将外科手术工具保持在预定姿态的适配器

摘要

一种被配置为选择性地连接到驱动单元的外科手术工具包含细长轴、末端执行器、适配器以及第一线缆、第二线缆、第三线缆和第四线缆。所述末端执行器包含第一钳口和第二钳口。所述线缆延伸穿过所述细长轴，其中所述第一线缆和所述第四线缆的远侧部分分别固定到所述第一钳口和所述第二钳口的第一侧，并且所述第二线缆和所述第三线缆的远侧部分分别固定到所述第一钳口和所述第二钳口的第二侧。所述适配器被配置为选择性地连接到所述驱动单元，并且包含差动驱动机构，所述差动驱动机构被配置为操纵所述线缆的近侧部分，所述线缆在俯仰、偏航和钳口DOF中操纵所述末端执行器。所述线缆中的每一个向近侧偏置，并且被配置为当所述工具与所述驱动单元断开时将所述末端执行器保持在期望姿态。

说明书

背景技术

例如远程手术系统等机器人外科手术系统用于执行微创外科手术过程，其与传统的开放外科手术技术相比具有许多益处，包含疼痛较少、住院时间较短、能更快地恢复正常活动、疤痕极小、恢复时间减少以及对组织的损伤较小。

机器人外科手术系统可以具有多个机械臂，其响应于外科医生观察由外科手术部位的图像捕获装置捕获的图像而引起的输入装置的移动来移动附接的器械或工具，诸如图像捕获装置、缝合器、电外科手术器械等。在外科手术过程中，每个工具通过开口(自然的或切口的)插入患者体内，并定位成在外科手术部位操纵组织。开口围绕患者的身体设置，使得外科手术器械可用于协作地执行外科手术过程，并且图像捕获装置可观察外科手术部位。

在外科手术过程中，工具可以包含由一个或多个开环线缆控制的末端执行器。可以通过控制线缆中的张力来操纵末端执行器。

对于用于控制线缆中的张力以操纵末端执行器的改进方法，有持续的需要。

发明内容

在本公开的方面中，一种控制外科手术机器人的末端执行器的方法包含：接收期望姿态；为每个电动机产生电动机扭矩；为每个电动机传递电动机扭矩；为每个电动机产生零扭矩；为每个电动机产生期望扭矩；以及将期望扭矩传递到器械驱动单元(IDU)，使得IDU将末端执行器移动到期望姿态。一级控制器以三个自由度(DOF)接收末端执行器的期望姿态。一级控制器响应于接收期望姿态而为IDU的每个电动机产生电动机扭矩。一级控制器传递在二级控制器中接收的电动机扭矩。二级控制器为IDU的每个电动机产生零扭矩，以保持IDU的差动驱动机构的线缆中的张力。为IDU的每个电动机产生期望扭矩，所述扭矩包含每个电动机的电动机扭矩和零扭矩的和。

在各方面，为IDU的每个电动机产生零扭矩还包含在末端执行器的钳口之间产生夹紧力。产生夹紧力可以包含修改期望姿态，使得末端执行器的钳口之间的钳口角度为负。所述方法可以包含在产生夹紧力之前验证末端执行器的钳口的位置小于夹紧阈值。所述方法可以包含当钳口具有大于释放阈值的位置时释放夹紧力。释放阈值可以大于夹紧阈值。

在一些方面，为每个电动机产生零扭矩包含二级控制器接收来自IDU的感测扭矩。来自IDU的感测扭矩可能会影响IDU的每个电动机的零扭矩。为每个电动机产生零扭矩可以包含响应于相应电动机的感测扭矩来调整每个电动机的零扭矩。调整每个电动机的零扭矩可以包含对每个电动机的电动机扭矩施加增益。为每个电动机产生零扭矩可以包含响应于感测扭矩为IDU的每对电动机调整拉动器电动机的零扭矩。

在某些方面，为每个电动机产生期望扭矩包含三级控制器，其接收电动机扭矩和零扭矩并将电动机扭矩和零扭矩组合成包含电动机扭矩和零扭矩的和的期望扭矩。三级控制器可以将期望扭矩传递到IDU。组合电动机扭矩和零扭矩可以包含从IDU接收感测扭矩，并且将增益施加到电动机扭矩和零扭矩的和以确定期望扭矩，使得感测扭矩接近电动机扭矩和零扭矩的和。

在特定方面，二级控制器响应于接收IDU的每个电动机的电动机位置而产生每个电动机的零扭矩。由二级控制器接收的电动机位置可以在关节空间中。位于IDU和二级控制器之间的转换器将电动机位置从电动机空间转换到关节空间。

在各方面，为每个电动机产生电动机扭矩包含计算关节空间中的电动机扭矩并补偿摩擦。所述方法可以包含在二级控制器接收每个电动机的电动机扭矩之前将关节空间中的电动机扭矩分配给每个电动机。

在本公开的另一方面中，用于由开环差动驱动机构的四根线缆控制的末端执行器的控制器包含一级控制器和二级控制器。一级控制器被配置为接收末端执行器在偏航、俯仰和钳口自由度(DOF)中的期望姿态，产生用于器械驱动单元(IDU)的每个电动机的电动机扭矩，以将末端执行器定位在期望姿态，并传递电动机扭矩。二级控制器被配置为接收来自一级控制器的电动机扭矩，并产生用于IDU的电动机中的每一个的零扭矩以保持差动驱动机构的线缆中的张力，并且IDU被配置为接收包含电动机扭矩和零扭矩的和的期望扭矩，并响应于接收期望扭矩而将末端执行器操纵至期望姿态。

在各方面，控制器包含组合控制器，所述组合控制器被配置为从二级控制器接收零扭矩和电动机扭矩，生成电动机扭矩和零扭矩的和，并且将所述和发送到IDU。

在本公开的另一方面，用于控制由开环差动驱动机构的四根线缆控制的末端执行器的器械驱动单元(IDU)包含电动机、联接器和扭矩传感器。IDU由一级控制器和二级控制器控制。电动机被配置为接收期望扭矩并且响应于接收期望扭矩而将末端执行器操纵到期望姿态。一级控制器被配置为接收末端执行器在偏航、俯仰和钳口自由度(DOF)上的期望姿态，以为电动机产生电动机扭矩来将末端执行器定位在期望姿态，并且以传递电动机扭矩。二级控制器被配置为接收来自一级控制器的电动机扭矩，以便为电动机产生零扭矩来保持差动驱动机构的线缆中的张力，其中期望扭矩包含电动机扭矩与零扭矩的和。

在本公开的另一方面中，用于限定纵向轴线的外科手术工具的适配器包含：第一驱动螺杆、第一驱动螺母、第一线缆、第一弹簧、第二驱动螺杆、第二驱动螺母、第二线缆和第二弹簧。第一驱动螺杆纵向固定并且被配置为围绕平行于纵向轴线的第一螺杆轴线旋转，并且具有螺纹部分。第一驱动螺母围绕第一驱动螺杆的螺纹部分设置，并且螺纹联接到第一驱动螺杆，使得第一驱动螺母响应于第一驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第一驱动螺杆响应于第一驱动螺母的纵向平移而旋转。第一线缆具有固定到第一驱动螺母的近侧部分，和远侧部分。第一弹簧围绕第一驱动螺杆设置并且被配置为沿第一纵向方向推动第一驱动螺母，并且具有第一弹簧常数。

第二驱动螺杆纵向固定并且被配置为围绕平行于第一螺杆轴线的第二螺杆轴线旋转，并且具有螺纹部分。第二驱动螺母围绕第二驱动螺杆的螺纹部分设置并且螺纹联接到第二驱动螺杆，使得第二驱动螺母响应于第二驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第二驱动螺杆响应于第二驱动螺母的纵向平移而旋转。第二线缆具有固定到第二驱动螺母的近侧部分，和远侧部分。

第一线缆和第二线缆的远侧部分可操作地联接到彼此，使得远侧部分的平移彼此相反。第二弹簧围绕第二驱动螺杆设置并且被配置为沿第一方向推动第二驱动螺母，并具有第二弹簧常数。第二弹簧被偏置成使得第二弹簧沿第一方向平移第二驱动螺母和第二线缆，使得第二线缆沿与第一方向相反的第二方向并且克服第一弹簧的偏压来平移第一线缆和第一驱动螺母，使得工具被朝向预定姿态偏置。

在各方面，第一螺杆包含被配置为与第一电动机接口的第一近侧头部，并且第二螺杆包含被配置为与第二电动机接口的第二近侧头部。第一方向可以是近侧，并且第二方向可以是远侧。第一驱动螺母可以限定第一槽，第一线缆的近侧部分固定在第一槽中。第二弹簧常数可以大于第一弹簧常数。

在本公开的另一方面中，外科手术工具包含细长轴、末端执行器和适配器。细长轴限定纵向轴线并且具有近侧端和远侧端。末端执行器被支撑在细长轴的远侧端附近，并且包含可在俯仰、偏航和钳口DOF中移动的第一钳口和第二钳口。适配器支撑细长轴的近侧端并且包含第一驱动螺杆、第一驱动螺母、第一线缆、第一弹簧、第二驱动螺杆、第二驱动螺母、第二线缆和第二弹簧。第一驱动螺杆纵向固定并且被配置为围绕平行于纵向轴线的第一螺杆轴线旋转，并且具有螺纹部分。第一驱动螺母围绕第一驱动螺杆的螺纹部分设置，并且螺纹联接到第一驱动螺杆，使得第一驱动螺母响应于第一驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第一驱动螺杆响应于第一驱动螺母的纵向平移而旋转。第一线缆延伸穿过细长轴，并且具有固定到第一驱动螺母的近侧部分和固定到末端执行器的远侧部分。第一弹簧围绕第一驱动螺杆设置并且被配置为沿第一纵向方向推动第一驱动螺母，并且具有第一弹簧常数。

第二驱动螺杆纵向固定并且被配置为围绕平行于第一螺杆轴线的第二螺杆轴线旋转，并且具有螺纹部分。第二驱动螺母围绕第二驱动螺杆的螺纹部分设置并且螺纹联接到第二驱动螺杆，使得第二驱动螺母响应于第二驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第二驱动螺杆响应于第二驱动螺母的纵向平移而旋转。第二线缆延伸穿过细长轴，并且具有固定到第二驱动螺母的近侧部分和固定到末端执行器的远侧部分。

第一线缆和第二线缆的远侧部分可操作地联接到彼此，使得远侧部分的平移彼此相反。第二弹簧围绕第二驱动螺杆设置并且被配置为沿第一方向推动第二驱动螺母，并且将第二弹簧偏置成使得第二弹簧沿第一方向平移第二驱动螺母和第二线缆，使得第二线缆沿与第一方向相反的第二方向并且克服第一弹簧的偏压来平移第一线缆和第一驱动螺母，从而使得工具被朝向预定姿态偏置。

在各方面，第一线缆和第二线缆的远侧部分均联接到第一钳口。

在一些方面，适配器包含第三驱动螺杆、第三驱动螺母、第三线缆、第三弹簧、第四驱动螺杆、第四驱动螺母、第四线缆和第四弹簧。第三驱动螺杆纵向固定在适配器内并且被配置为围绕平行于纵向轴线的第三螺杆轴线旋转，并且具有螺纹部分。第三驱动螺母围绕第三驱动螺杆的螺纹部分设置，并且螺纹联接到第三驱动螺杆，使得第三驱动螺母响应于第三驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第三驱动螺杆响应于第三驱动螺母的纵向平移而旋转。第三线缆延伸穿过细长轴，并且具有固定到第三驱动螺母的近侧部分和固定到末端执行器的远侧部分。第三弹簧围绕第三驱动螺杆设置并且被配置为沿第三纵向方向推动第三驱动螺母，并且具有第三弹簧常数。

第四驱动螺杆纵向固定在适配器内，并且被配置为围绕平行于第三螺杆轴线的第四螺杆轴线旋转，并且具有螺纹部分。第四驱动螺母围绕第四驱动螺杆的螺纹部分设置并且螺纹联接到第四驱动螺杆，使得第四驱动螺母响应于第四驱动螺杆的旋转而纵向平移，并且第四驱动螺杆响应于第四驱动螺母的纵向平移而旋转。第四线缆延伸穿过细长轴，并且具有固定到第四驱动螺母的近侧部分和固定到末端执行器的远侧部分。第三线缆和第四线缆的远侧部分可操作地联接到彼此，使得远侧部分的平移彼此相反。第四弹簧围绕第四驱动螺杆设置，被配置为沿第一方向推动第四驱动螺母，并具使第四弹簧偏置成使得第四弹簧沿第一方向平移第四驱动螺母和第四线缆。第四线缆沿第二方向并且克服第三弹簧的偏压来平移第三线缆和第三驱动螺母，使得末端执行器被朝向预定姿态偏置。

在某些方面，第一线缆的远侧部分固定到第一钳口的第一侧，第二线缆的远侧部分固定到第一钳口的第二侧，第三线缆的远侧部分固定到第二钳口的第二侧，并且第四线缆的远侧部分固定到第二钳口的第一侧，使得第一线缆和第四线缆分别设置在第一钳口和第二钳口的同一侧，并且第二线缆和第三线缆分别设置在第一钳口和第二钳口的同一侧。末端执行器可以包含轭状物和U形夹。U形夹可以固定到细长轴的远侧端，并且轭状物可以围绕垂直于纵向轴线并与纵向轴线相交的第一轴线枢转联接到U形夹。钳口可围绕垂直于第一轴线的第二轴线枢转联接到轭状物。第一钳口可具有围绕第二轴线枢转的第一主轴，并且第二钳口可具有围绕第二轴线枢转的第二主轴。第一线缆和第二线缆的远侧部分可以固定到第一主轴的相对侧，并且第三线缆和第四线缆的远侧部分可以固定到第二主轴的相对侧。

在特定方面，第二弹簧和第四弹簧被配置为将工具保持在这样的姿态，即，第一钳口和第二钳口处于闭合位置，第一钳口和第二钳口与纵向轴线纵向对准，并且轭状物与纵向轴线对准。第一线缆、第二线缆、第三线缆和第四线缆可被配置为在俯仰、偏航和钳口DOF中操纵末端执行器的姿态。

在本公开的另一方面，被配置为选择性地连接到驱动单元的外科手术工具包含细长轴、末端执行器、第一线缆、第二线缆、第三线缆、第四线缆和适配器。细长轴限定纵向轴线并具有近侧端和远侧端。末端执行器被支撑在细长轴的远侧端附近，并且包含第一钳口和第二钳口。第一线缆延伸穿过细长轴并且具有固定到第一钳口的第一侧的远侧部分。第二线缆延伸穿过细长轴并且具有固定到第一钳口的第二相对侧的远侧部分。第三线缆延伸穿过细长轴并且具有固定到第二钳口的第二侧的远侧部分。

第四线缆延伸穿过细长轴并且具有固定到第二钳口的第一侧的远侧部分。适配器支撑细长轴的近侧端并且被配置为选择性地连接到驱动单元。适配器包含差动驱动机构，所述差动驱动机构被配置为操纵第一线缆、第二线缆、第三线缆和第四线缆中的每一个的近侧部分，以在俯仰、偏航和钳口DOF中操纵末端执行器。第一线缆、第二线缆、第三线缆和第四线缆中的每一个向近侧偏置，并且被配置为随着工具与驱动单元断开而将末端执行器保持在期望姿态。

在各方面，适配器以第一力朝近侧推动第一线缆和第三线缆中的每一个，并以大于第一力的第二力朝近侧推动第二线缆和第四线缆中的每一个。在第一钳口和第二钳口处于闭合位置使得第一钳口和第二钳口闭合并且与纵向轴线对准的情况下，期望姿态在俯仰和偏航方面可以是直线的。可替代地，在第一钳口和第二钳口处于打开位置使得第一钳口和第二钳口彼此间隔开并且与纵向轴线对准的情况下，期望姿态在俯仰和偏航方面可以是直线的。

在一些方面，末端执行器包含轭状物和U形夹。U形夹可以固定到细长轴的远侧端。轭状物围绕垂直于纵向轴线并与纵向轴线相交的第一轴线枢转联接到U形夹。钳口可围绕垂直于第一轴线的第二轴线枢转地联接到轭状物。第一钳口具有围绕第二轴线枢转的第一主轴，并且第二钳口具有围绕第二轴线枢转的第二主轴。

在某些方面，差动驱动机构包含驱动螺杆、螺纹联接到驱动螺杆的螺母，以及弹簧，所述弹簧对于第一线缆、第二线缆、第三线缆和第四线缆中的每一个向近侧偏压螺母，第一线缆、第二线缆、第三线缆和第四线缆中的每一个的近侧部分固定到各自的螺母。

此外，在一致的程度上，本文所描述的任何方面可与本文所描述的任何或所有其它方面结合使用。

附图说明

下面参考附图描述本公开的各个方面，这些附图被并入本说明书并构成本说明书的一部分，其中：

图1是根据本公开的机器人外科手术系统的用户界面和外科手术机器人的示意图；

图2是图1的机器人系统的臂的侧面透视图，包含IDU、适配器组件和具有末端执行器的工具；

图3是图2的工具的后部透视图；

图4是沿图3的截面线3-3截取的截面图；

图5是示出图3的工具的适配器的内部的透视图；

图6是图2的工具的末端执行器的放大透视图，其中钳口处于直线闭合构型；

图7是图6的末端执行器的透视图，其中末端执行器以正偏航DOF旋转；

图8是图6的末端执行器的透视图，其中末端执行器以正俯仰角DOF旋转；

图9是图6的末端执行器的透视图，其中末端执行器以正钳口DOF旋转；

图10是图6的末端执行器的透视图，其中末端执行器以正俯仰角DOF、正偏航角DOF和正钳口DOF旋转；

图11是根据本公开的实施例的位置控制器的示意图；

图12是根据本公开的实施例的总控制器的示意图；

图13是根据本公开的实施例的另一总控制器的示意图；以及

图14是根据本公开的实施例的另一总控制器的示意图。

具体实施方式

现将参考图式详细地描述本公开的实施例，其中相同的附图标记表示若干视图中的每一张中完全相同的或对应的元件。如本文所用，术语“诊治者”指代医生、护士或任何其他医护人员，且可包含辅助人员。在整个说明书中，术语“近侧”是指装置或其部件的更靠近操纵该装置或部件的诊治者或外科手术机器人的部分，且术语“远侧”是指装置或其部件的离操纵该装置的诊治者或外科手术机器人较远的部分。

参考图1，根据本公开的机器人外科手术系统1一般示作机器人系统10、处理单元30和用户界面40。机器人系统10通常包含连杆或臂12和机器人基座18。臂12可移动地支撑工具20，所述工具20被配置为作用在组织上。每个臂12具有支撑工具20的末端14，所述工具20被配置为作用在组织上。另外，臂12的末端14可以包含用于对外科手术部位成像的成像装置16。用户界面40通过处理单元30与机器人底座18连通。

用用户界面40包含被配置为显示三维图像的显示装置44。显示装置44显示外科手术部位的三维图像，其可以包含由定位在臂12的末端14上的成像装置16捕获的数据和/或包含由定位在外科手术室周围的成像装置(例如，定位在外科手术部位内的成像装置、定位在患者附近的成像装置、定位在成像连杆或臂52的远侧端的成像装置56)捕获的数据。成像装置(例如，成像装置16、56)可以捕获外科手术部位的视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热图像和/或任何其它已知的实时图像。成像装置将捕获的成像数据发送到处理单元30，处理单元30根据成像数据实时创建外科手术部位的三维图像，并将三维图像发送到显示装置44以便显示。

用户界面40还包含支撑在控制臂43上的输入手柄42，其允许诊治者操纵机器人系统10(例如，移动臂12、臂12的末端14和/或工具20)。输入手柄42中的每一个与处理单元30通信以向所述处理单元传输控制信号并且从所述处理单元接收反馈信号。另外或可替代地，输入手柄42中的每一个可以包含输入装置(未示出)，所述输入装置允许外科医生操纵(例如，夹紧、抓握、击发、打开、关闭、旋转、推动、切片等)支撑在臂12的末端14处的工具20。

输入手柄42中的每一个可移动通过预定的工作空间以在外科手术部位内移动臂12的末端14。显示装置44上的三维图像被定向，使得输入手柄42的移动移动臂12的末端14，如在显示装置44看到的那样。应当理解，显示装置上的三维图像的取向可以相对于患者上方的视图成镜像或旋转。另外，应当理解，显示装置44上的三维图像的尺寸可以被缩放为大于或小于外科手术部位的实际结构，从而允许诊治者更好地观察外科手术部位内的结构。当输入手柄42被移动时，工具20在外科手术部位内移动，如下详述。如本文详述的，工具20的移动还可包含支撑工具20的臂12的末端14的移动。

关于机器人外科手术系统1的构造和操作的详细论述，可参考第8,828,023号美国专利，所述专利的全部内容以引入的方式并入本文中。

参考图2，图1的外科手术机器人10的示范性臂12的一部分。臂12包含可沿轨道124平移的托架122。器械驱动单元(IDU)13被固定到托架122。IDU13具有一个或多个电动机(未示出)，所述电动机被配置为控制如下详述的工具20。对于包含一个或多个电动机的示范性IDU的详细讨论，可参考美国专利公开第2018/0153634号，其全部内容通过引用并入本文。

工具20包含适配器210、从适配器210向远侧延伸的细长轴212，以及由细长轴212的远侧部分支撑的末端执行器270。适配器210可释放地联接到IDU13，使得工具20从IDU13接收输入。

另外参考图3，适配器210包含IDU接口220，IDU接口220包含第一电动机接口222、第二电动机接口224、第三电动机接口226、第四电动机接口228和控制接口229。电动机接口222至228中的每一个被配置为机械地联接到IDU13的相应电动机。电动机接口222、224、226、228围绕轴212的纵向轴线A-A布置。电动机接口222、224、226、228可以是在与轴212的纵向轴线A-A正交的平面中的矩形或正方形。控制接口229被配置为联接到IDU13或托架122的控制接口，以从外科手术机器人10和/或处理单元30接收指令和/或将数据发送到外科手术机器人10和/或处理单元30。

参考图4和图5，第一电动机接口222包含第一驱动螺杆230、第一驱动螺母232、第一弹簧234和第一线缆236。第一驱动螺杆230包含第一头部231和远侧小块239。第一头部231可具有径向齿、槽、凹连接器、凸连接器或用于联接同轴旋转轴的任何合适的接口，使得第一头部231被配置为将第一驱动螺杆230机械地联接到IDU13的电动机。第一驱动螺杆230由位于第一头部231附近的第一轴承233支撑在适配器210内。远侧小块239被容纳在由适配器210限定的第一开口238内，使得第一轴承233和远侧小块239将第一驱动螺杆230支撑在适配器210内并且使得第一驱动螺杆230能够围绕其纵向轴线旋转，保持第一驱动螺杆230的纵向轴线平行于细长轴212的纵向轴线，并且防止第一驱动螺杆230沿其纵向轴线平移。

第一驱动螺母232设置在第一驱动螺杆230的螺纹部分上，使得第一驱动螺母232和第一驱动螺杆230彼此螺纹联接。具体地，当第一驱动螺杆230沿第一方向旋转时，例如围绕驱动螺杆的纵向轴线顺时针旋转，如图3中箭头D1所示，第一驱动螺母232沿第一驱动螺杆230朝第一头部231向近侧平移，并且当第一驱动螺杆230沿与第一方向相反的第二方向旋转时，例如逆时针旋转，第一驱动螺母232沿第一驱动螺杆230远离第一头部231向远侧平移。第一驱动螺母232限定容纳第一线缆236的一部分的第一槽235，使得当第一驱动螺母232沿第一驱动螺杆230平移时，第一线缆236与第一驱动螺母232配合平移。具体地，当第一驱动螺母232向近侧平移时，第一线缆236缩回，并且当第一驱动螺母232向远侧平移时，第一线缆236松弛。

第一弹簧234围绕第一驱动螺母232远侧的第一驱动螺杆230设置，并接合第一驱动螺母232的远侧表面。第一弹簧234支撑在适配器210内，使得第一弹簧234向近侧推动第一驱动螺母232。第一弹簧234可具有足够大的弹簧常数以朝近侧推动第一驱动螺母232，使得第一驱动螺杆230在没有施加到第一头部231的力的情况下沿第一方向旋转。第一弹簧234可以具有恒定或渐进的弹簧常数。

第二电动机接口224包含第二驱动螺杆240、第二弹簧244和第二线缆246；第三电动机接口226包含第三驱动螺杆250、第三弹簧254和第三线缆256；第四电动机接口228包含第四驱动螺杆260、第四弹簧264和第四线缆266。驱动螺杆240、250、260、弹簧244、254、264和线缆246、256、266分别类似于上文详述的第一驱动螺杆230、第一弹簧234和第一线缆236，且为简洁起见将不在本文中详述，除非其中的差异与工具20的功能相关。

参见图6至图10，线缆236、246、256、266延伸穿过轴212并连接到末端执行器270，以控制末端执行器270在三个自由度(DOF)(例如，偏航、俯仰和钳口)中的运动。末端执行器270包含U形夹272、轭状物274、第一钳口276和第二钳口278。U形夹272包含第一惰轮273，并且轭状物274包含远离第一惰轮273的第二惰轮275。第一惰轮273和第二惰轮275各自限定惰轮轴线I

第一钳口276包含第一主轴277，并且第二钳口278包含第二主轴279。第一主轴277和第二主轴279各自限定主轴轴线S

U形夹272在偏航DOF中围绕第二惰轮轴线I

继续参考图6，线缆236、246、256、266缠围绕在第一惰轮273和第二惰轮275上，并固定到第一主轴277和第二主轴279中的各自一个上。第一线缆236和第二线缆246固定到第一钳口276的第一主轴277的相对侧。具体地，第一线缆236可固定到第一主轴277的顶侧，并且第二线缆246可固定到第一主轴277的底侧。第一线缆236和第二线缆246可以彼此形成围绕第一主轴277缠绕的连续单片线缆。第三线缆256和第四线缆266固定到第二钳口278的第二主轴279的相对侧。具体地，第三线缆256可固定到第二主轴279的底侧，并且第四线缆266可固定到第二主轴279的底侧。第三线缆256和第四线缆266可以彼此形成围绕第二主轴279缠绕的连续单片线缆。

第一惰轮273和第二惰轮275可以限定单独的凹槽以围绕各自的惰轮273、275引导线缆236、246、256、266中的每一个，使得线缆236、246、256、266固定在各自的凹槽内而不干扰其它线缆236、246、256、266。

继续参考图6至图10，线缆236、246、256、266的位移用作差动驱动，以在偏航DOF、俯仰DOF和钳口DOF中控制末端执行器270。首先参考图6，末端执行器270处于线缆236、246、256、266相对于彼此处于中间位置的直线构型。在中间位置，线缆236、246、256、266中的每一个的张力可以基本上彼此相等。为了在正偏航方向上移动末端执行器270，将各自固定到第二主轴278的第三线缆256和第四线缆266各自缩回一定距离，并且将各自固定到第一主轴276的第一线缆236和第二线缆246各自延伸或松弛与图7所示相同的距离。如图所示，正偏航方向使轭状物274向右枢转，并且负偏航方向使轭状物274向左枢转。为了在负偏航方向上移动末端执行器270，将第一线缆236和第二线缆246缩回，并且将第三线缆256和第四线缆266延伸或松弛与第一线缆236和第二线缆246缩回的距离相同的距离。

现在参考图8，为了使末端执行器270沿正偏航方向运动，如图所示向上运动，将各自固定到不同主轴276、278的顶侧的第一线缆236和第四线缆266缩回一定距离，并且将各自固定到不同主轴276、278的底侧的第二线缆246和第三线缆256松弛相同的距离。为了在负俯仰方向上向下移动末端执行器270，如图所示，将第二线缆246和第三线缆256缩回一段距离，并且将第一线缆236和第四线缆266松弛相同的距离。

参考图9，为了在正钳口方向上移动末端执行器270，以使钳口276、278彼此枢转分开，将各自固定到不同主轴276、278的不同侧的第一线缆236和第三线缆256缩回，并且将固定到不同主轴276、278的不同侧的第二线缆246和第四线缆266松弛。第一线缆236和第三线缆256可以缩回相同的距离或不同的距离。然而，第二线缆246松弛与第一线缆236缩回的距离相同的距离，并且第四线缆266松弛与第三线缆256缩回的距离相同的距离。为了在负钳口方向上移动末端执行器270，以例如使钳口276、278朝向彼此移动，将第二线缆246和第四线缆266缩回并且将第一线缆236和第三线缆256松弛。

可以设想，当一个钳口(例如第一钳口276)枢转时，另一个钳口(例如第二钳口278)可以是静止的，使得末端执行器270在钳口方向上移动。为了在第二钳口278静止的情况下在正钳口方向上移动末端执行器270，可以缩回第一线缆236并且将第二线缆246松弛相等的量，同时使第三线缆256和第四线缆266保持静止。类似地，为了在第一钳口276静止的情况下在正钳口方向上移动末端执行器270，将第三线缆236缩回并且将第四线缆266松弛相等的量，同时使第一线缆236和第二线缆246保持静止。这些运动中的每一个都可以反向，以在钳口276、278中的一个静止的情况下沿负钳口方向移动末端执行器270。

现在参考图10，末端执行器270可以在多于一个DOF中顺序或同时移动。例如，通过缩回第四线缆266并松弛第二线缆246，同时基本上保持第一线缆236和第三线缆256的位置，末端执行器270可从直线构型(图6)移动到图10中的位置，以同时沿正偏航、俯仰和钳口方向移动末端执行器270。

虽然上文描述了末端执行器270在偏航DOF、俯仰DOF和钳口DOF中的几种运动，但这些运动是示范性运动，而不是末端执行器270在偏航、俯仰和钳口DOF中的所有可能运动或运动组合的详尽列表。

参考图2、图5和图6，当工具20与IDU13断开时，可能希望将末端执行器270保持在已知或中间位置。通过将工具20保持在已知位置，当工具20连接到IDU13时，机器人系统1可以知道末端执行器270的位置或姿态，而不需要运行校准序列。这可以减少每次附接新工具20时校准外科手术机器人10所需的时间。另外，机器人系统10可以知道末端执行器270的位置，而不需要可以降低每个工具20的成本的绝对编码器。这种已知姿态可以存储在工具20的存储器(未示出)中，并且当工具20附接到外科手术机器人10时通过控制接口29与机器人系统1通信。

为了将末端执行器270保持在已知或中性姿态，弹簧234、244、254、264可用作预拉伸弹簧。对于一些工具，例如施夹器或缝合器，当工具20与IDU13分离时，具有保持在完全打开或完全正钳口构型中的末端执行器可能是有益的。例如，施夹器和缝合器可能需要处于打开位置以将夹子或钉子装载到末端执行器的钳口中。对于此类器械，第一弹簧234和第三弹簧254各自具有大的第一弹簧常数，并且第二弹簧244和第四弹簧264各自具有较小的第二弹簧常数，使得第一弹簧234和第三弹簧254对第二弹簧244和第四弹簧264施加过大的力以使钳口276、278朝完全打开的构型移动。另外，由于第二弹簧244和第四弹簧264保持第二线缆246和第三线缆266中的张力，使得末端执行器270相对于偏航和俯仰方向保持笔直。另外或可替代地，第一弹簧234和第三弹簧254可以具有与第二弹簧244和第四弹簧264相同或基本上相同的弹簧常数，并且被偏置成使得第一弹簧234和第三弹簧254对第二弹簧244和第四弹簧264施加过大的力以使钳口朝向完全打开的构型移动。

可替代地，当工具20从IDU13断开时，将一些末端执行器保持在完全闭合或完全负钳口构型可能是有益的。对于此类的器械，第二弹簧244和第四弹簧264各自具有大的第一弹簧常数，并且第一弹簧234和第三弹簧254各自具有较小的第二弹簧常数，使得第二弹簧244和第四弹簧264对第一弹簧234和第三弹簧254施加过大的力以使钳口276、278朝完全闭合的构型移动。另外，由于第一弹簧234和第三弹簧254保持第一线缆236和第三线缆256中的张力，所以末端执行器270相对于偏航和俯仰方向保持笔直。另外或可替代地，第二弹簧244和第四弹簧264可以具有与第一弹簧234和第三弹簧254相同或基本上相同的弹簧常数，并且被偏置成使得第二弹簧244和第四弹簧264对第一弹簧234和第三弹簧254施加过大的力以使钳口朝向完全闭合的构型移动。

弹簧234、244、254、256可被配置为将工具20保持在其它中间位置，这对于具有特定末端执行器270的工具20是有利的。可以通过改变弹簧234、244、254、256中的一个或多个的弹簧常数和/或偏置弹簧234、244、254、256中的一个或多个来保持工具20的构型。当工具20连接到IDU13时，工具20的中间位置可以通过控制接口229传送到外科手术机器人10和/或处理单元30。

需要将测量的IDU13的电动机的电动机位置与末端执行器270的计算的偏航、俯仰和钳口位置相关联的正向运动学模型来确定末端执行器270的姿态。这不同于传统的机器人，在传统的机器人中，关节角度通常由诸如电位计或编码器的位置传感器直接测量。然而，由于末端执行器270内的空间非常有限，因此难以在末端执行器270内放置直接测量末端执行器270的姿态的编码器、电位计或其它装置。因此，从IDU13的电动机的测量位置计算末端执行器的姿态是有利的。另外，通过与机器人外科手术系统1(图1)交互的诊治者观察外科手术部位内的末端执行器270，可以补偿计算出的姿态的不准确性。

下面参考图2至图6中详细描述的工具20来描述用于控制末端执行器270在偏航DOF、俯仰DOF和钳口DOF中的运动学控制方法。在下面的模型中，第一钳口276将被称为钳口a，并且第二钳口278将被称为钳口b，以避免与下面方程中使用的整数混淆。应当理解，外科手术机器人10的臂12被配置为在额外的四个DOF中移动末端执行器270，使得末端执行器270可以在六个DOF和钳口DOF中移动。

如上详述的，通过利用IDU13的电动机(未示出)移动线缆236、246、256、266中的一个或多个来移动钳口“a、b”。第一扭矩a是施加到第一钳口“a”的扭矩，并且第二扭矩τb是施加到第二钳口“b”的扭矩。如图所示，第一钳口a和第二钳口b通常是彼此的镜像，仅有微小的差别，并且第一钳口a和第二钳口b都围绕相同的销或轴线，例如主轴轴线S

其中，μ1是相应钳口“a、b”与相应钳口“a、b”围绕其枢转的销(未明确示出)之间的摩擦系数，ca、cb是阻尼项，并且“m”是惯性项。阻尼项ca、cb和惯性项“m”是关节角度θ的函数。

另外，第一钳口a由第一线缆236和第二线缆246直接铰接，并且第二钳口b由第三线缆256和第四线缆266直接铰接，其中第一线缆236和第四线缆266固定到相应钳口“a、b”的顶侧，并且第二线缆246和第三线缆256固定到相应钳口“a、b”的底侧。因此，扭矩τa、τb还可以由以下方程表示：

如果单独考虑每个钳口“a、b”，则惯性项“m”和阻尼项“c”与关节角度θ无关。由于钳口“a、b”是彼此的大致镜像，因此可以假设惯性项“m”和阻尼项“c”的组合项是来自单个钳口的相应项的两倍，使得mp≡2ma≈2mb并且cp≡2ca≈2cb。因此，将方程(2)组合到方程(1)中，并且重新整理所述方程，得到以下结果：

接着，对于俯仰DOF，通过组合钳口“a”和钳口“b”来形成合成俯仰关节。如上所述，合成俯仰关节的惯性项“mp”和阻尼项“cp”是各个钳口“a、b”的阻尼项和惯性项的两倍。俯仰角θp由平分第一钳口和第二钳口之间的角度“a、b”的线来限定。因此，俯仰中的铰接扭矩定义为：

对于钳口DOF，合成钳口关节由具有以下关节俯仰的第一钳口和第二钳口形成：

将方程(3)和(4)代入方程(2)为合成俯仰关节和合成钳口关节提供了基本动力学方程：

如上详述的，方程(4)和(5)描述了线缆236、246、256、266中的力与用于合成俯仰关节和合成钳口关节的铰接扭矩之间的关系。末端执行器270的最终DOF是由全部四个线缆铰接的偏航DOF。对于偏航关节，动力学方程取决于俯仰和钳口中的末端执行器270的构型。通常，在医疗应用中，在俯仰和钳口中的运动是快速的。因此，为了简单起见，可以忽略这种依赖性，从而给出：

其中，惯性项“m”以及科式和离心项“c”是将俯仰关节和钳口关节考虑在内的集总参数，并且μ2是轭状物274关于惰轮275的摩擦系数。重新整理方程(7)以将铰接偏航扭矩τy定义为：

方程(8)可以代入方程(7)中以将偏航关节的动力学方程简化为：

因此，偏航关节、俯仰关节和钳口关节的动力学方程为：

此外，可以根据方程(4)、(5)和(8)来确定将铰接扭矩与线缆236、246、256、266中的力相关联的一组方程，使得：

这可以通过定义以下变量来简化：

使得方程(11)可以以矩阵形式表示为：

可形成逆运动学模型以确定末端执行器270相对于IDU13的每个电动机的电动机位置的期望偏航角、俯仰角和钳口角度。如上详述的，末端执行器270的偏航、俯仰和钳口DOF的运动可以通过适配器210的差动驱动机构来实现。此外，每个DOF的负向运动使用相同的线缆，例如线缆236、246、256、266，但是在每个线缆上具有相反的方向或符号。应注意，线缆移动的负号不一定表示线缆的缩回，而是各个线缆保持在最小张力下以防止线缆松弛。下面的表1示出了每个DOF中正向运动的组合。应注意，由于每个钳口“a、b”移动并对总钳口角度有贡献，钳口DOF的平移为一半。

表1

线缆中的每一个在偏航、俯仰和钳口中的线缆运动的线性组合中的运动使得：

因此，针对每个运动，线缆236、246、256、266中的每一个的运动可以由下式给出：

使得对于以每个DOF的运动，线缆236、246、256、266中的每一个的位移(例如平移)是：

如上所述，IDU13包含电动机(未示出)，所述电动机与电动机接口222、224、226、228中的每一个相关联，以旋转驱动螺杆230、240、250、260中相应一个，驱动螺杆230、240、250、260又缩回或松弛对应的线缆236、246、256、266。电动机作为末端执行器270的期望姿态的函数旋转，如下：

注意，s是相应线缆的总体平移，使得电动机的期望旋转可以作为期望末端执行器姿态的函数示出，为：

作为期望末端执行器姿态的函数的每个电动机的期望旋转可以组合在单个矩阵中，如：

如果假设惰轮273、275和主轴277、279中的每一个的半径对于线缆236、246、256、266中的每一个是相等的，则方程(19)可以简化为：

根据方程(20)的逆运动学模型，可以获得将电动机位置与末端执行器270的偏航角度、俯仰角度和钳口角度相关联的正向运动学模型。应注意，方程(20)具有三个未知数和四个方程。然而，如果在线缆236、246、256、266中的每一个中保持适当的张力，则可以在反方向上求解方程(20)。例如，为了求解θj，可以将第一方程和第三方程或第二方程和第四方程加在一起。由于这些总和中的任何一个都不大可能更精确，因此可以取两者的平均值。根据这种推理，正向关系可以表示如下：

应当理解，方程(21)可以通过取方程(20)的伪逆(例如广义逆(Moore-Penroseinverse))来获得。

参考图11，IDU13的电动机可以由比例-积分-微分(PID)控制器300控制，如以下根据本公开详述的。使用方程(19)根据期望钳口角度

其中，

如图11所示的PID控制器300还可用于控制末端执行器270的一个或多个DOF中的刚度。另外，PID控制器300可以利用方程(21)的正向运动学模型来计算关节空间中的误差，而不是如图所示的电动机空间中的误差。

如上详述的，单独的PID控制器300不直接或明确地说明线缆236、246、256、266内的力。例如，保持张力(例如防止线缆松弛)是上述运动学模型的要求。应当理解，如果IDU13的电动机以高精度跟踪期望电动机位置并且彼此同步，则张力将保持在线缆236、246、256、266中。相反，如果电动机不能移动到与其它电动机中的一个或多个同步的期望电动机位置，则线缆236、246、256、266中的一个或多个可能变得松弛。在实施例中，可以通过监测IDU13的电动机的电流和/或监测PID控制器300之前的扭矩传感器，将线缆236、246、256、266预张紧预定量。通过预张紧线缆236、246、256、266，即使IDU13的电动机使线缆236、246、256、266脱离同步，线缆中的张力也将保持为正。

另外，当钳口“a、b”闭合时，单独的PID控制器300不保持钳口“a、b”中的夹紧力。例如，当IDU13的电动机根据方程(20)闭合位置环时，净夹紧力近似为零。在实施例中，当末端执行器270不能到达零位置时，当钳口“a、b”处于闭合位置时，可以保持一些闭合力。在实施例中，钳口角度可以被控制为负，使得当钳口“a、b”处于闭合位置时闭合力可以保持。在这样的实施例中，一旦钳口角度超过零，就可以缩放钳口DOF中的期望角度，并且可以修改逆运动学方程，使得通过改变期望负角度的大小来调节夹紧力。然而，由于末端执行器270在被控制时，其在控制的钳口角度超过期望负角度之前不能打开，所以这种方法可能对诊治者造成困惑。此外，由于重新缩放，在钳口DOF中可能存在跟踪误差。

根据机器人外科手术系统1(图1)的实施例，外科手术机器人10或处理单元30包含零空间(NS)控制器400，其被配置为提供线缆张力和/或钳口夹紧力。在这样的实施例中，PID控制器300是初级位置控制器，并且NS控制器400是二级控制器。

PID控制器300继续使用如上详述的方程(20)来控制末端执行器270的姿态。当PID控制器300控制末端执行器270的姿态时，在来自方程(13)的电动机空间中产生另一DOF(线缆力)，其可通过螺杆230、240、250、260与电动机扭矩相关。每个线缆236、246、256、266中的线缆力与各自电动机的扭矩相关，如下：

f

其中，k

假设螺杆230、240、250、260具有相同的半径，方程(24)可以与方程(13)组合，使得：

这可以简化成：

如上所示，方程25受到约束，使得对于相同的铰接扭矩，可以有不同的方式来产生电动机扭矩以平衡方程(25)。例如，电动机扭矩

其中，电动机扭矩

这是通过将矩阵S的零空间内的附加电动机扭矩

使得在由PID控制器300确定的铰接关节扭矩

由上可知，可以开发次级NS控制器400以调整由PID控制器300产生的电动机扭矩

首先，将根据本公开解决在线缆236、246、256、266中保持张力。在正常操作期间，末端执行器270具有三个DOF，其中铰接扭矩在方程(13)中定义。只要附加电动机扭矩

其中，矩阵I是4×4单位矩阵；S

N＝(I

然后，将方程(26)代入方程(31)并将摩擦系数μ1和μ2设定为零产生：

接下来，通过假设任意矢量

其重新整理为：

其中，附加电动机扭矩矢量

并且由于任意矢量

Δτ＝0.25(z

其结果是：

如通过将方程(37)插入到方程(28)中所示出的，清楚的是，相同的扭矩可以被添加到IDU13的每个电动机而不改变用于偏航、俯仰和钳口DOF的铰接扭矩。因此，如果每个电动机的附加电动机扭矩相同，则不会影响由PID控制器300确定的位置。如以上关于方程(25)详述的，这假设摩擦被忽略，这是被允许的，因为每个电动机的附加扭矩不使关节铰接，而是在系统内产生内力并且有助于系统的刚度。

然而，当摩擦系数μ1和μ2很大时，象征性地求解矩阵S，使得方程(29)的零空间表示为：

应注意，如果摩擦系数μ1和μ2为零，则方程(38)降级为方程(37)，使得方程(37)是方程(38)的一次近似。因此，方程(38)提供了附加电动机扭矩

由于方程(38)在NS控制器400的实现中是灵活的，考虑到测量扭矩

在保持线缆张力的第一方法中，根据测量的扭矩在每个电动机处调整扭矩，所述测量扭矩

上述差动驱动机构是具有两对电动机的推挽机构。然而，在第一方法中，推进器不是主动地推进，而是保持最小张力，并且拉动器电动机将推进器电动机拉动到期望位置，使得每对电动机的拉动器电动机闭合所述对的两个电动机的位置环，这需要比例增益较高并且使拉动器电动机的最大电流显著增大。即使考虑到增加的增益，第一方法在保持每个线缆中的最小张力f

为了在IDU13的电动机铰接末端执行器270时将每个线缆236、246、256、266的张力保持在最小张力f

如果调整扭矩Δτ是满足方程(29)的最小扭矩，则来自NS控制器400的调整扭矩Δτ表示为：

在此第一方法中，在IDU13的每个单独电动机处调整扭矩。检查并调整测量扭矩

在保持线缆张力的第二方法中，考虑每对线缆(例如第一线缆236和第二线缆246以及第三线缆256和第四线缆266)之间的物理连接，使得方程(39)中定义的约束被放松。具体地，代替验证每个电动机的扭矩，IDU13的每对电动机的扭矩受到IDU13的每个电动机组或每对电动机的平均值的限制。

如果测量扭矩

在第二方法中，电动机组中的每一个的平均值表示为：

类似于第一方法，确定满足方程(41)的最小调整扭矩Δτ，使得来自NS控制器400的输出采取方程(40)的形式。不必示出如果方程(39)成立，则方程(41)也成立。然而，还清楚的是，方程(41)提供了保持每个线缆的最小张力f

在保持线缆张力的第三方法中，基于对应于线缆236、246、256、266中的每一个中期望的最小张力f

Δτ＝τ

其中，τ

方程(42)中的调整扭矩Δτ可以提供保持线缆236、246、256、266中的张力的不同程度的确定性。例如，当增益因子K＝1时，调整扭矩Δτ将以最小扭矩τ

第三方法考虑了方程(38)中的摩擦，通过缩放方程(38)的四个元素来说明来自方程(38)的摩擦并且使最高调整扭矩Δτ等于方程(42)的输出。

第三方法允许调谐增益因子K，以考虑其它控制器的性能要求，例如总功率、IDU13的电动机能够提供的最大电流和/或关节的刚度。这允许当保持线缆张力的确定性是关键的并且可以增加IDU13的电机上的工作量时增加增益因子K，以及当保持线缆张力的确定性不是关键的并且需要减少IDU13的电动机上的工作量时减少增益因子K。

其次，将根据本公开解决在钳口“a、b”之间产生夹紧力。根据末端执行器270的器械类型，调整钳口“a、b”之间的夹紧力可能是有益的。例如，当钳口“a、b”形成针驱动器时，需要高的夹紧力，而当钳口“a、b”是肠抓钳时，需要低得多的夹紧力。

在产生夹紧力的第一方法或技术中，夹紧力是通过过度夹紧钳口产生的，例如，将期望钳口角度

通过修改方程(20)，每对电动机的拉动器电动机继续拉动，同时防止推进器电动机松弛。

由于控制的钳口角度θ

在用于在钳口“a、b”之间产生夹紧力的第二方法或技术中，当钳口“a、b”处于闭合位置时，NS控制器400可用于产生夹紧力。当钳口“a、b”处于闭合位置时，末端执行器270具有两个DOF，使得当钳口DOF中的铰接扭矩τ

两个新变量可以定义如下：

从而将方程(44)简化为：

类似地，方程(26)也降级为：

其可以对于如方程(47)中定义的矩阵S

其中，Δτ3和Δτ4是任意标量。

通过将摩擦系数μ1和μ2设置为零，可以表明电动机2和4的附加电动机扭矩

因此，为了平衡末端执行器270中的内力：

f

其将附加电动机扭矩

f

f

公式(52)表明，Δτ3和Δτ4之间的差值可用于调整钳口“a、b”之间的夹紧力Δτ

Δτ

使得方程(49)可以重写为：

当将方程(54)与方程(37)进行比较时，清楚的是，一旦钳口“a、b”处于闭合位置，就可以在第一、第二和第三方法中保持线缆张力，同时调整钳口“a、b”之间的夹紧力Δτ

当包含摩擦系数μ1和μ2时，方程(50)的夹紧力Δτ

τ

在此实例中，俯仰铰接扭矩τ

Δτ

此外，电动机扭矩

Δτ

为了保持钳口“a、b”之间的夹紧力Δτ

将方程(57)代入方程(58)，其中Δτ

以类似的方式，当

τ

在此实例中，用于俯仰的铰接扭矩由第二线缆246提供，使得内部扭矩或夹紧力Δτ

Δτ

为了保持钳口“a、b”之间的夹紧力Δτ

将方程(61)代入方程(61)提供：

考虑到方程(59)和(63)之间的对称性，可得出控制方程为：

其具有两个独立变量，夹紧力Δτ

方程(64)取决于以下假设：末端执行器270的钳口“a、b”闭合，使得末端执行器270的DOF减小为2，因此方程(44)成立。在使用中，此条件可以通过方程(21)的正向运动学模型来评估。为了验证方程(21)的正向运动学模型，由于电动机和末端执行器270的物理分离，使用由编码器为IDU13的电动机提供的电动机位置可能是有利的。由于电动机编码器将引起一些不确定性，所以可以设定夹紧阈值，使得一旦计算的钳口角度小于夹紧阈值，就可以在短时间周期(例如，0.5秒)内逐渐应用如方程(64)中所指出的夹紧扭矩调整。此外，由于调整量与这两个自由变量(夹紧力Δτ

由于夹紧力仅根据来自与机器人外科手术系统1(图1)交互的诊治者的指令提供，当诊治者发信号通知打开末端执行器270的钳口“a、b”的意图时，夹紧力可以比夹紧力的增加更快地释放，例如0.1秒。由于一旦意图清晰，诊治者可以视觉观察到钳口“a、b”打开，所以可以使用期望钳口角度

现在参考图12，提供了一种综合控制器600，其组合了根据本公开提供的PID控制器300、NS控制器400和组合控制器500，以控制末端执行器270在偏航、俯仰和钳口中的位置，并且在需要时保持线缆张力并产生夹紧力。PID控制器300接收期望钳口角度

NS控制器400接收来自PID控制器300的电动机扭矩

NS控制器400将电动机扭矩

参考图13，根据本公开，公开了组合PID控制器300和NS控制器400的另一综合控制器610，以控制末端执行器270在偏航、俯仰和钳口中的位置并保持线缆张力。如图所示，NS控制器400将电动机扭矩

参看图14，根据本公开揭示了将PID控制器300与NS控制器400进行组合的另一综合控制器620，以控制末端执行器270在偏航、俯仰和钳口中的位置，并且在需要时保持线缆张力并产生夹紧力。综合控制器620还包含关节空间转换器622，其通过使用方程(21)的正向运动学模型将IDU13的电动机位置

如果需要，通过直接在关节空间中操作PID控制器300，偏航、俯仰和钳口关节可以具有不同的受控刚度。来自关节空间中的PID控制器300的输出是关节扭矩

分配控制器310从PID控制器300接收关节扭矩

NS控制器400然后从分配控制器310接收电动机扭矩

总控制器600、610、620是预期的总控制器的实例，不应被视为限制。也考虑其它总控制器来容纳差动驱动机构，差动驱动机构使用零空间控制器来保持线缆张力并产生夹紧力。例如，另一总控制器可以在期望扭矩

尽管已经在附图中示出了本公开的几个实施例，但是不旨在将本公开限制于此，因为旨在使本公开的范围与本领域所允许的一样宽泛，并且同样地解读说明书。也可以设想上述实施例的任何组合，并且所述任何作何在所附权利要求的范围内。因此，以上描述不应解释为限制性的，而仅作为特定实施例的示例。本领域技术人员将在所附权利要求的范围内设想其它修改。