用于磁性感测和与套管针对接的系统和方法与流程

本公开整体涉及机器人外科领域，并且更具体地，涉及用于外科机器人或在机器人辅助外科系统中使用的对接系统。

背景技术

微创外科手术(MIS)诸如腹腔镜手术涉及旨在在外科规程期间减少组织损伤的技术。例如，腹腔镜规程通常涉及在患者体内(例如，在腹部)形成多个小切口，以及通过切口将一个或多个工具和至少一个内窥镜相机引入患者体内。然后通过使用引入的工具执行外科规程，其中可视化辅助由相机提供。一般来讲，MIS提供多重有益效果，诸如减少患者疤痕、减轻患者疼痛、缩短患者恢复期以及降低与患者恢复相关联的医疗费用。在一些实施方案中，可用机器人系统执行MIS，该机器人系统包括用于基于来自操作者的命令操纵外科器械的一个或多个机器人臂。

在MIS规程中，通过套管针向患者的体腔提供通路。一旦套管针的插管的远侧端部(例如穿过患者的腹壁)被适当地定位并插入穿过组织并进入患者的内部区域中，在其远侧端部处具有套管针对接接口的外科机器人臂或附接到其上的工具驱动装置由用户手动操纵，直到对接接口与套管针的近侧端部上(患者体外)的附接部分(例如，配合接口)对准。然后用户手动或作为自动步骤将套管针配合接口和对接接口彼此闩锁，从而将臂刚性附接到套管针。然后将在其远侧端部处具有端部执行器的外科工具(例如，剪刀、抓持钳口或相机)插入插管的顶部开口中，并且然后将该工具附接到臂，使得可用该工具执行进一步的外科手术。

技术实现要素：

在MIS规程中，一旦套管针的插管得以适当地定位并插入穿过组织并进入患者的内部区域中，期望将机器人臂或附接到其上的工具驱动装置对接到套管针，以提供机器人臂和套管针的刚性机械附接。机器人臂和套管针的此类附接可例如提供套管针的稳定，使得一个或多个外科工具可插入穿过插管的内腔并进入患者的内部区域中。就这一点而言，操纵位于机器人臂/工具驱动装置的远侧块上的对接接口，直到对接接口与套管针的暴露在患者体外的一部分上的附接部分(例如，配合接口)对准。然后将机器人臂/工具驱动装置的对接接口闩锁到套管针的附接部分，以提供机器人臂/工具驱动装置和套管针的刚性机械附接。

需要将机器人臂对接到套管针的系统和方法，其消除了套管针对接的一些模式所呈现的挑战。例如，由于套管针与机器人臂或附接的工具驱动装置之间需要精确对准，因此将机器人臂/工具驱动装置与套管针手动对接可能是困难的。又如，一些套管针对接规程通过使用将机器人臂引导到套管针的视觉传感器而采用光学跟踪。然而，视觉传感器可被有时与机器人臂一起使用并且在周围环境中使用的无菌屏障或消毒盖布阻挡。套管针对接规程的附加示例，例如超声三角测量、惯性感测和所生成的电磁场的检测，涉及在套管针上使用生成可用于引导机器人臂的信号的电动部件。然而，此类电动设备可缩短套管针的寿命，因为这些部件可例如由于重复使用或通过灭菌规程而劣化。

在套管针中使用磁体(例如，非电动磁体，诸如永磁体)可提供用于由传感器系统感测的磁场，使得可控制机器人臂与套管针的姿势(例如，空间位置和取向)自动对准，并且可引导或驱动机器人臂与套管针准确并精确地机械联接。此类磁感测的使用不需要在机器人臂和套管针之间的视线，使得例如无菌屏障可用于覆盖机器人臂的部分而不干扰套管针对接过程。此外，使用套管针中的磁体生成用于对接机器人臂的磁场不需要电动部件，使得套管针具有增加套管针的寿命和灵活性的稳固构造。

一般来讲，在一个方面，外科机器人系统可包括具有多个致动器的机器人臂，以及联接到机器人臂的远侧端部的工具驱动装置。工具驱动装置可包括对接接口以接收套管针的配合接口或附接部分。该系统还包括一个或多个传感器，其可操作以感测由套管针生成的磁场。一个或多个处理器被配置成基于所感测的磁场确定套管针的位置和取向。处理器还被配置成驱动机器人臂致动器以将对接接口取向到套管针的附接部分的所确定的取向，并且朝向套管针的附接部分的所确定的位置引导机器人臂。

在一种变型中，通过由一个或多个处理器控制的一个或多个致动器自动驱动机器人臂朝向套管针的所确定的位置。在另一种变型中，手动引导(例如，由用户的手强制)机器人臂朝向套管针的所确定的位置，同时通过由一个或多个处理器控制的致动器进行辅助。在又一种变型中，用户手动引导机器人臂朝向套管针的所确定的位置，并且当用户的手动力将机器人臂导向远离套管针的所确定的位置时，由一个或多个处理器控制的一个或多个致动器抵抗用户对机器人臂的手动力。

对接接口可限定腔室和定位在腔室中的一个或多个夹持部件之间的接收空间。在一种变型中，一个或多个夹持部件可移动地联接到对接接口并且被配置成移动以将套管针的附接部分(诸如上部突起)固定在对接接口中。在另一种变型中，将杠杆支撑在对接接口上，并且杠杆的移动导致一个或多个夹持部件朝向锁定或解锁位置移动。在又一种变型中，提供了开关，当致动时，该开关发信号通知处理器激活一个或多个传感器以及/或者基于所感测的磁场确定套管针的位置和取向(并且然后驱动致动器朝向套管针的所确定的位置引导对接接口并且将对接接口取向到套管针的所确定的取向)。开关可被定位成使得杠杆的移动致动开关。

根据一种变型，一个或多个传感器是对接接口的腔室中的多个传感器，该对接接口的腔室可包括设置在从对接接口的正面开口测量的相应不同深度处的至少三个传感器。

在本公开的另一种变型中，一个或多个传感器包括联接到第一传感器板的多个第一传感器和联接到第二传感器板的多个第二传感器，其中第一传感器板和第二传感器板位于对接接口的腔室的相对侧上。

根据本公开，提供了一种用于将外科机器人系统的机器人臂对接到套管针的方法。该方法可包括测量由嵌入套管针中的一对磁体生成的磁场以产生测量传感器读数。可由联接到工具驱动装置的对接接口的多个传感器执行测量，该工具驱动装置联接到机器人臂。

一个或多个处理器可确定(例如，选择为初始猜测)套管针的估计姿势，该估计姿势包括套管针的位置和取向，例如，6自由度(DOF)，包括关于位置的3DOF和关于取向的3DOF。该估计套管针姿势可与对接接口的已知姿势相关(在本文中也称为“转换”)。此外，一个或多个处理器基于以下项计算估计传感器读数：套管针的估计姿势、包括一对磁体相对于彼此的已知位置和磁体的相应极性轴之间已知偏移量的该对磁体的已知放置、以及对接接口中的传感器的物理模型或确定性模型。

然后由一个或多个处理器计算相似性量度或差值，这实际上将估计传感器读数与从传感器获取的测量(或真实)传感器读数进行比较。然后处理器使用该相似性测量度产生更新的转换(相对于对接接口姿势，对估计套管针姿势的更新)。

然后一个或多个处理器重复以上计算估计传感器读数的操作，这次使用更新的(估计)套管针姿势，从而产生更新的(估计)传感器读数。然后基于更新的传感器读数和测量(真实)传感器读数计算新的相似性量度。重复该循环，这应当导致相似性的逐渐增大量度，从而“优化”或调整估计套管针姿势，直到更新的传感器读数和测量传感器读数之间的差值低于阈值误差，从而产生对应于“最终”或确定套管针姿势的更新的传感器读数。在完成该优化算法时，使得不再超过阈值误差，测量传感器读数或优化的估计传感器读数可用于例如引导机器人臂移动对接接口更靠近套管针，以表示套管针的最终或确定的姿势。

该方法还可包括引导机器人臂，使得对接接口基于套管针的姿势的更新的估计传感器读数达到准备对接或对接状态或姿势(位置和取向)。准备对接或对接状态可以是对接接口的姿势，该姿势足够接近套管针的姿势，例如使得对接接口中的机械闩锁或夹具可与套管针的附接部分接合。当与对接接口的姿势相关联的信号匹配优化的或更新的估计传感器读数，即，在其可接受的容限范围内时，可由一个或多个处理器识别准备对接状态。在一种变型中，对接接口相对于套管针的准备对接或对接状态可由操作者视觉确定。

在一种变型中，通过由一个或多个处理器控制的一个或多个致动器自动驱动机器人臂朝向套管针。在另一种变型中，手动引导(例如，由用户的手强制)机器人臂朝向套管针，同时通过由一个或多个处理器控制的致动器进行辅助。在又一种变型中，手动引导机器人臂朝向套管针，并且当用户的手动力将机器人臂导向远离套管针时，由一个或多个处理器控制的致动器抵抗用户对机器人臂的手动力。

在一个方面，对接接口与套管针的对接包括引导对接接口朝向套管针，直到达到准备对接或对接状态，这可以是在套管针的附接部分刚好位于对接接口的腔室的外部或至少部分地设置在对接接口的腔室中的时候。

在另一种变型中，对接接口包括杠杆，该杠杆可由用户手动操作以将套管针锁定或闩锁到对接接口(处于准备对接或对接状态)。可提供与一个或多个处理器进行电子通信的开关。朝向解锁位置向后移动杠杆可导致与开关接触，以发信号通知一个或多个处理器激活多个传感器并从多个传感器获得读数，并且实现引导机器人臂朝向套管针。杠杆也可向前移动以移动对接接口中的一个或多个夹持部件，从而将对接接口锁定或闩锁到套管针。

附图说明

图1是具有外科机器人系统的手术室布置的概览示意图。

图2是根据本公开的一个方面的机器人臂的一部分的透视图。

图3是图2的机器人臂的工具驱动装置的示意透视图。

图4是图3的工具驱动装置的对接接口的透视图。

图5是图4的对接接口的传感器系统的透视图。

图6至图8是根据本公开的一个方面的将附接到外科机器人系统的机器人臂的工具驱动装置对接到套管针的方法的操作的绘画视图。

图9是图6中所识别的区域9的放大示意图。

图10是根据本公开的一个方面的用于将附接到外科机器人系统的机器人臂的工具驱动装置对接到套管针的方法的工艺流程。

图11是根据本公开的一个方面的用于将附接到外科机器人系统的机器人臂的工具驱动装置对接到套管针的方法的工艺流程。

图12A是根据本公开的一个方面的用于将附接到外科机器人系统的机器人臂的工具驱动装置对接到套管针的方法的工艺流程。

图12B是根据本公开的一个方面的用于将附接到外科机器人系统的机器人臂的工具驱动装置对接到套管针的方法的工艺流程。

具体实施方式

本发明的各个方面和变型的非限制性示例在本文中描述并在附图中示出。

参见图1，这是手术场所中的示例性外科机器人系统1的绘画视图。机器人系统1包括用户控制台2、控制塔3以及外科机器人平台5(例如台、床等)处的一个或多个外科机器人臂4。系统1可结合用于对患者6执行外科手术的任何数量的装置、工具或附件。例如，系统1可包括用于执行外科手术的一个或多个外科工具7。外科工具7可以是附接到外科臂4的远侧端部的端部执行器，用于执行外科规程。

每个外科工具7可在外科手术期间手动操纵、机器人操纵或两者。例如，外科工具7可以是用于进入、查看或操纵患者6的内部解剖结构的工具。在一个实施方案中，外科工具7为可抓紧患者的组织的抓紧器。外科工具7可由床边操作者8手动控制；或者其可经由其所附接的外科机器人臂4的致动移动而由机器人控制。机器人臂4被示出为台上安装系统，但是在其他构造中，臂4可安装在手推车、天花板或侧壁上，或者安装在另一个合适的结构支撑件中。

一般来讲，远程操作者9(诸如外科医生或其他操作者)可使用用户控制台2远程操纵臂4和/或所附接的外科工具7，例如远程操作。用户控制台2可位于与系统1的其余部分相同的手术室中，如图1所示。然而，在其他环境中，用户控制台2可位于相邻或附近的房间中，或者其可位于远程位置，例如，在不同的建筑物、城市或国家中。用户控制台2可包括座椅10、脚动控制件13、一个或多个手持用户输入装置(UID)14以及至少一个用户显示器15，该用户显示器被配置成显示例如患者6体内的手术部位的视图。在示例性用户控制台2中，远程操作者9坐在座椅10中并查看用户显示器15，同时操纵脚动控制件13和手持式UID 14，以便远程控制臂4和外科工具7(其安装在臂4的远侧端部上)。

在一些变型中，床边操作者8还可以“床上”模式操作系统1，其中床边操作者8(用户)现在位于患者6的一侧并且同时操纵机器人驱动的工具(附接到臂4的端部执行器)，例如，用一只手握持手持式UID 14和手动腹腔镜工具。例如，床边操作者的左手可操纵手持式UID以控制机器人部件，而床边操作者的右手可操纵手动腹腔镜工具。因此，在这些变型中，床边操作者8可对患者6执行机器人辅助微创手术和手动腹腔镜手术两者。

在示例性规程(外科手术)期间，在利用外科机器人系统1开始外科手术之前，外科团队可执行术前设置。在术前设置期间，外科机器人系统的主要部件(台5和机器人臂4、控制塔3和用户控制台2)定位在手术室中、连接并通电。台5和机器人臂4可处于完全收起构造，其中臂4处于台5下方以用于储存和/或运输目的。外科团队可将臂4从其收起位置延伸以用于无菌盖布，例如用无菌屏障覆盖系统1的一个或多个部分，诸如臂4的部分，以最小化、抑制或防止病原体的传播。在盖布之后，臂4可部分地回缩，直到需要使用。可能需要执行多个常规腹腔镜步骤，包括套管针放置和注气。例如，每个套管针可借助于闭塞器插入到小切口中并穿过体壁。套管和闭塞器允许光学进入，以用于在插入期间使组织层可视化，从而使放置期间的损伤风险最小化。内窥镜通常首先被放置以提供手持式相机可视化，用于放置其他套管针或其他工具或设备。

在一个实施方案中，远程操作者9手持并移动UID 14艺提供输入命令，从而驱动机器人系统1中的一个或多个机器人臂致动器17。UID14可例如经由控制台计算机系统16通信地联接到机器人系统1的其余部分。UID 14可生成对应于UID 14的移动的空间状态信号，例如UID的手持式外壳的位置和取向，并且空间状态信号可以是控制机器人臂致动器17的运动的输入信号。机器人系统1可使用源自空间状态信号的控制信号来控制致动器17的成比例运动。在一个实施方案中，控制台计算机系统16的控制台处理器接收空间状态信号并生成对应的控制信号。基于控制致动器17如何通电以驱动臂4的区段或连接件的这些控制信号，附接到臂的对应外科工具的移动可模拟UID 14的移动。类似地，远程操作者9与UID 14之间的交互可生成例如抓持控制信号，该抓持控制信号导致外科工具7的抓紧器的钳口闭合并抓持患者6的组织。

外科机器人系统1可包括若干UID 14，其中为控制相应臂4的致动器和外科工具(端部执行器)的每个UID生成相应的控制信号。例如，远程操作者9可移动第一UID 14以控制位于左机器人臂中的致动器17的运动，其中致动器通过移动臂4中的连杆、齿轮等来响应。类似地，远程操作者9对第二UID 14的移动控制另一个致动器17的运动，这继而驱动机器人系统1的其他连杆、齿轮等。机器人系统1可包括固定到患者的右侧的床或台的右臂4，以及位于患者的左侧的左臂4。致动器17可包括一个或多个马达，控制该一个或多个马达，使得它们驱动臂4的接合部旋转，以例如相对于患者改变附接到该臂的外科工具7的内窥镜或抓紧器的取向。同一臂4中的若干致动器17的运动可由从特定UID 14生成的空间状态信号控制。UID 14还可控制相应外科工具抓紧器的运动。例如，每个UID 14可生成相应的抓持信号以控制致动器(例如，线性致动器)的运动，该致动器在外科工具7的远侧端部处打开或闭合抓紧器的钳口以抓持患者6体内的组织。

在一些方面，平台5和用户控制台2之间的通信可通过控制塔3，该控制塔可将从用户控制台2(并且更具体地从控制台计算机系统16)接收的用户命令转换成传输到机器人平台5上的臂4的机器人控制命令。控制塔3还可将状态和反馈从平台5传输回用户控制台2。可使用各种数据通信协议中的任何合适的数据通信协议经由有线和/或无线链路通信连接机器人平台5、用户控制台2和控制塔3。任何有线连接可任选地内置于手术室的地板和/或墙壁或天花板中。机器人系统1可向一个或多个显示器提供视频输出，包括手术室内的显示器以及经由互联网或其他网络访问的远程显示器。还可加密视频输出或馈送以确保隐私，并且视频输出的全部或部分可保存到服务器或电子保健记录系统。

如上所述，为了形成能够将外科器械引入患者6体内的端口，套管针组件可通过患者体内(例如，腹壁中)的切口或进入点至少部分地插入患者体内。套管针组件可包括插管或套管针63(图6)、闭塞器和/或密封件。在一些变型中，套管针组件可包括闭塞器，诸如具有用于穿透患者皮肤的尖锐尖端的针。闭塞器可在插入患者6体内时设置在套管针63的内腔内，然后从套管针63移除，使得外科器械可插入穿过套管针63的内腔。一旦定位在患者6的身体内，套管针63就可提供用于进入患者6体内的体腔或其他部位的通道，例如，使得一个或多个外科器械或工具可插入患者6的体腔中，如本文进一步所述。应当理解，如本文所述的套管针63至少包括插管，并且可任选地包括闭塞器或其他部件。

转到图2，示出了根据本公开的一个方面的机器人臂19的一部分。本文所述的机器人臂19和相关联的部件可形成根据本公开的实施方案的外科机器人系统。机器人臂19可结合到上述外科机器人系统1中，或者可形成不同系统的一部分。虽然已经示出了单个机器人臂19，但是应当理解，在不脱离本公开的情况下，机器人臂19可包括附加的臂部分或者可以是多臂设备的部件。

机器人臂19可包括多个连接件(例如，连接件20A-20E)和用于相对于彼此致动多个连接件的多个接合部模块(例如，接合部21A-21E)。接合部模块可包括各种接合部类型，诸如俯仰接合部或滚动接合部，其中任何一种都可手动地或通过机器人臂致动器17致动，并且其中任何一种都可基本上约束相邻连接件围绕某些轴线相对于其他轴线的移动。还如图所示，工具驱动装置23附接到机器人臂19的远侧端部。如本文所述，工具驱动装置23可配置有对接接口27以接收套管针63的附接部分(例如，配合接口)，使得可引导一个或多个外科器械(例如，内窥镜、缝合器等)穿过套管针63的插管的内腔。可致动机器人臂19的多个接合部模块21A-21E以定位和取向用于机器人手术的工具驱动装置23。

图3是示出根据本主题技术的各方面的没有加载工具的示例性工具驱动装置23的示意图。在一种变型中，工具驱动装置23可包括具有纵向轨道25的细长基部(或“塔板”)24和与纵向轨道25滑动接合的工具架26。塔板24可被配置成联接到机器人臂19的远侧端部，使得机器人臂19的关节运动将工具驱动装置23定位和/或取向在适当位置。工具架26可被配置成接收用于延伸穿过套管针63的工具。

另外，工具架26可通过由致动驱动装置操纵和控制的缆线系统或线来致动一组关节运动(术语“缆线”和“线”在整个本申请中可互换使用)。工具架26可包括不同构造的致动驱动装置，诸如机械传动装置。

另外参见图4，套管针63可在位于细长基部24的远侧块处的对接站或对接接口27处联接到工具驱动装置23或三外科机器人系统1的另一个部件。对接接口27被配置成接收套管针63的一部分，使得对接接口27被配置成套管针对接接口、套管针附接装置或套管针安装装置。对接接口27可提供将套管针63附接到外科机器人系统1的可靠且快速的方式。

对接接口27可限定腔室29，该腔室可通过对接接口27的口部或正面开口31进入并且可包括围绕接收器37布置的第一夹持部件33和第二夹持部件35(例如，臂、板、杠杆、构件)，接收器限定用于接收套管针63的一部分的接收空间38(例如，形成于位于插管的近侧部分中的插管的附接部分中的配合接口)。夹持部件33、35中的至少一者可在打开位置和闭合位置之间枢转，使得套管针63的附接部分69可插入夹持部件33、35之间的接收空间38中，使得套管针63的一部分至少部分地由第一夹持部件33和第二夹持部件35保持在适当位置。

在一种变型中，对接接口27可包括偏心机构，诸如杠杆45或其他合适的锁定部件，该锁定部件例如通过销和狭槽布置或通过打开位置和闭合位置之间的另一个可枢转或可移动的连接件与夹持部件33机械配合。杠杆45可例如沿着在对接接口27的主体或壳体中限定的轨道或狭槽在向前锁定位置(例如，锁定的偏心位置)和向后解锁位置之间移动。当杠杆43朝向锁定位置运动时，杠杆45可朝向接收空间38向下推压夹持部件33并且将夹持部件33锁定在闭合位置，使得套管针63的一部分牢固地保持在第一夹持部件33和第二夹持部件35之间。在一些变型中，第二夹持部件35可为静止的或可为固定的。在一种变型中，杠杆45可在手动或处理器控制下用电动马达或致动器控制和/或驱动。

在一些变型中，对接接口27还可在无菌部件诸如套管针63和非无菌部件诸如第一夹持部件33和第二夹持部件35(或手术系统的其他非无菌部件)之间提供无菌屏障。无菌屏障可例如由无菌适配器提供，该无菌适配器由插置在套管针63与第一夹持部件33和第二夹持部件35(为清楚起见未示出)之间的手术级聚合物或其他手术级材料形成。

另外参见图5，对接接口27还包括传感器系统47，该传感器系统至少包括在对接接口27的第一位置处的母板或第一传感器板49以及在对接接口27的第二位置处的子板或第二传感器板51，并且经由电缆53或其他导电连接件与第一传感器板49电通信。在一种变型中，传感器板49、51之间的通信可采用多从机和多主机集成通信计算机总线。传感器板49、51中的一者或两者可包括微处理器或其他相关联的处理器，例如以控制和/或读取传感器板49、51的传感器，并促进传感器板49、51之间的通信，例如，以实现传感器板49、51之间的时间同步。如图所示，第一传感器板49和第二传感器板51被定位成在对接接口27的腔室29的相对横向侧上彼此间隔开但彼此平行，例如面向彼此。第一传感器板49包括多个第一传感器55，并且第二传感器板51包括多个第二传感器57。就这一点而言，传感器55、57嵌入或以其他方式联接到机器人臂19或工具驱动装置23。多个传感器55、57中的每个传感器被布置成使得至少一个传感器55、57相对于另一个相应的传感器55、57向后设置，例如在从对接接口27的正面开口31测量的深度处。如图所示，传感器55、57至少设置在第一深度D1、第二深度D2、第三深度D3和第四深度D4处，其中D4>D3>D2>D1。在不脱离本公开的情况下，深度D1、D2、D3、D4可以均匀或不均匀的增量间隔开。虽然已经以行R1-R4和列C1-C4的网格状构造描述了传感器55、57，但是应当理解，在不脱离本公开的情况下，多个传感器55、57中的一者或两者可具有不同的布置。

如本文进一步所述，传感器55、57可操作为感测或测量与套管针63相关联的磁场，并且产生相应的对应电信号。就这一点而言，传感器55、57可被配置为磁力计，例如，接收磁场的至少一部分作为输入并产生对应于磁场的强度或其他特性的输出电信号的传感器，并且因此传感器55、57可以是换能器。传感器55、57中的任一个传感器可被配置成接收不同的物理输入并产生对应的电信号，例如惯性测量单元、加速度计等。就这一点而言，传感器55、57产生输出电信号，该输出电信号可电传送到例如结合到控制塔3中的处理器或控制器，以提供经由机器人臂致动器17引导机器人臂19移动的力或速度命令，如本文进一步所述。应当理解，处理器可结合到外科机器人系统1的附加或另选部分中，并且传感器系统47可与一个或多个不同的处理器电通信。开关61或其他控制件安装在对接接口27上或附近，例如，在杠杆45后面的某个位置处，使得杠杆45可被推压与开关61接触，如本文进一步所述。开关61可与控制塔3中的处理器电通信，以向处理器发信号来激励或激活传感器板49、51中的一者或两者，从而激活传感器系统47以感测或测量磁场，并且根据算法实现机器人臂19朝向套管针63的引导，如本文进一步所述。在一种变型中，传感器系统47可在开关61动作之前或独立于开关的动作由处理器激活，并且开关61可用于基于从传感器系统47接收的信号发信号通知处理器开始计算，以确定套管针的估计姿势，并且然后影响机器人臂19及其联接的工具驱动装置23的引导。开关61可具有若干不同配置中的一者，例如，机械按钮和机械开关组合可为优选的，但另一种形式的触觉界面或触摸屏也是可能的，其可由用户激活。开关61在对接接口27上或附近的此类放置允许操作者激活对接过程而无需远离机器人臂19行进到单独的控制接口，例如，远离机器人臂19/工具驱动装置23定位的用户控制台2。

虽然传感器板49、51通常被描述为包括嵌入其中或其上的相应传感器55、57的相应第一印刷电路板(PCB)和第二印刷电路板(PCB)，但应当理解，在不脱离本公开的情况下，传感器系统47可以不同的布置提供，例如作为分立部件。另外，应当理解，本文所述的任何部件可使用各种数据通信协议中的任何合适的数据通信协议经由有线链路和/或无线链路进行通信。

另外参见图6至图9，示出了根据本公开的一个方面的工具驱动装置23的对接接口27与至少部分地插入患者6体内的套管针63的引导和对接。如图所示，套管针63包括大体管状的主体64，该管状的主体具有带凸缘的上部或头部67以及从头部67突出以与对接接口27配合的附接部分69。在一种变型中，附接部分69可被配置成例如具有鼻部或卡圈或销状布置，并且可具有用于与对接接口27的接收器37互相接合的一个或多个表面特征部，例如凹口、脊、突起、角度、钩等。

在不脱离本公开的情况下，套管针63可具有不同的布置。套管针63包括产生相应磁场B1、B2的第一磁体71和第二磁体73，该磁场具有已知特性，例如，其间的已知偏振轴或角度、已知偶极矩、相对于彼此的已知位置等。第一磁体71和第二磁体73各自可具有不同的极化轴，例如，在相应磁体71、73的相对极之间延伸的轴。就这一点而言，第一磁体71和第二磁体73可相对于彼此倾斜布置，例如使得在相应的偏振轴之间设置角度。磁体71、73中的一者或两者可以嵌入或以其他方式联接到套管针63，例如通过整体地模制在其中、通过插入其接收部分中或通过以其他方式固定到套管针63。在一种变型中，磁体71、73一体地形成在套管针63的附接部分69中。在其他变型中，磁体71、73可联接到或嵌入套管针63的不同部分中。虽然套管针63被描述为具有一对磁体71、73，但应当理解，在不脱离本公开的情况下，套管针63可具有不同数量的磁体，例如，作为多对或单独布置的磁体提供。在一种变型中，套管针63可包括单个磁体。

仍然参见图6至图9，并且另外参考图10和图11的工艺流程，将描述和示出根据本公开的方面的用于将机器人臂19对接到套管针63的方法。处于第一或停放或未知姿势的机器人臂19和对接接口27是对接接口27被定位成远离套管针63的附接部分69中的磁体71、73和由其产生的相应磁场B1、B2的姿势，使得对接接口27和套管针63之间的更近距离是期望的，以有利于传感器55、57有效地接收或感测磁场B1、B2。机器人臂19的停放或未知姿势可以是例如机器人臂19的收起布置。

对接接口27可被导向、引导或驱动到靠近套管针63但与套管针物理分离的第二或进入位置，例如由操作者手动(例如，使得机器人臂19由操作者的手手动强制或手动引导)或经由机器人臂致动器17。对接接口27相对于套管针63的合适接近度(其中传感器系统47的传感器55、57可有效地感测或测量磁场B1、B2)，可例如通过以下项指示：在机器人臂19或工具驱动装置23的一部分上具有听觉蜂鸣声或听觉警示、指示灯或其他视觉标记、或触觉指示器诸如触觉或振动反馈。就这一点而言，在将机器人臂19/工具驱动装置23定位在进入位置处之前，传感器55、57可例如在机器人臂19和工具驱动装置23的初始设置或准备时由处理器激活，或者经由操作者的输入激活。如方框103所示，如果对接接口27不合适地靠近传感器系统47以有效地感测磁场B1、B2，例如在进入姿势处，则机器人臂19可被进一步朝向套管针63引导，例如，在处理器确定对接接口27被定位成有效地感测磁场B1、B2之前，通过操作者手动施力或引导、自动地在处理器的控制下、或它们的某种组合。

在图7所示的进入位置，传感器系统47的传感器55、57可感测从套管针63发出的磁场B1、B2，并且产生传送到控制塔3中的处理器的对应电信号。在机器人臂19/对接接口27在进入位置处的此类定位处，处理器可开始根据算法基于从传感器系统47接收的信号来计算套管针63相对于对接接口27的位置和取向。可例如通过激活开关61来提示此类算法的初始化或启动。在一种变型中，可通过将杠杆45向后移动到解锁(向后)位置来激活开关61，使得杠杆45接触并致动开关61。

因此，并且参考图10和图11中的框107，控制塔3中的处理器由开关61发信号通知，以应用算法来确定套管针63的附接部分69相对于对接接口27的姿势(例如，空间位置和取向)，从而提供转换，例如，可用于将机器人臂19以及附接到其上的工具驱动装置23的对接接口27朝向套管针63引导或驱动的转换矩阵。此类算法或算法组可以是一组计算机实现的指令，例如，作为计算机程序产品、固件等的一部分，其可存储在非暂态计算机可读介质上以供控制塔3的处理器处理，并且在本文中将统称为算法。处理器对算法的初始化可被认为是机器人臂19/工具驱动装置23的对接规程的开始。

在一种变型中，并且根据该算法，通过测量和协调由传感器系统47的传感器55、57输出的电信号确定在传感器板49、51上的不同位置(例如，深度D1、D2、D3、D4)处接收的相应磁体71、73的磁场B1、B2的相对强度，控制塔3中的处理器测量套管针63的附接部分69相对于三轴坐标系(诸如X轴、Y轴和Z轴系统)的感测姿势。例如，如果列C1中的传感器55、57输出对应于所接收的磁场B1、B2的大于列C2中的传感器55、57的输出电信号的电信号，则可计算套管针63的附接部分69与对接接口27之间的深度距离(例如，X轴位置)的确定。类似地，如果行R1中的传感器55、57输出对应于所接收的磁场B1、B2的大于列R2中的传感器55、57的输出电信号的电信号，则可计算套管针63的附接部分69与对接接口27之间的垂直距离(例如，Z轴位置)的确定。此外，如果传感器板49上的传感器55输出对应于所接收的磁场B1、B2的大于传感器板51上的传感器57的输出电信号的电信号，则可计算套管针63的附接部分69与对接接口27之间的水平距离(例如，Y轴位置)的确定。在一个示例中，当对接接口27沿着X轴、Y轴和Z轴中的一者或多者被引导或驱动时，由传感器55、57在不同深度D1、D2、D3、D4处生成电信号可用于确定套管针63何时变得更靠近对接接口27。就这一点而言，传感器55、57中的一者或多者在对接接口27的不同位置处被磁场B1、B2或其程度的相对饱可用于确定对接接口27与套管针63的相对接近度。

传感器板49、51的不同行R1-R4和不同列C1-C4中的传感器55、57的差分电信号的生成还可由控制塔3中的处理器使用，以确定围绕X轴、Y轴和Z轴中的两者或更多者的旋转，例如，滚转、俯仰和偏航。例如，在传感器55、57被磁场B1、B2不对称的相对饱和(例如使得对接接口27相对于套管针63至少部分地倾斜)的情况下，可确定套管针63的附接部分69相对于X轴、Y轴和Z轴中的至少两者的取向。此外，由传感器55、57生成的电信号可由处理器与磁体71、73的极化轴的已知偏移量进行比较，以确定套管针63的附接部分69围绕X轴、Y轴和Z轴中的另一者的取向的旋转。就这一点而言，布置传感器55、57，根据算法向控制塔3中的处理器提供对应于磁场B1、B2的电信号，使得套管针63的附接部分69相对于对接接口27的实际姿势或感测姿势可相对于六个自由度(DOF)来确定：X轴位置、Y轴位置、Z轴位置、X轴旋转、Y轴旋转和Z轴旋转。在一种变型中，来自传感器55、57的至少六个测量结果可用于确定套管针63的姿势。确定套管针63姿势的准确性和精度可对应于传感器系统47中采用的多个传感器55、57，使得可选择所需数量的传感器以用于传感器系统47。

根据该算法，控制塔3中的处理器可基于如上所述的传感器55、57产生的电信号来确定套管针63的感测或测量姿势。还应当理解，相应的单独板49、51上的传感器55、57可提供对应于磁场B1、B2的可比较的电信号，例如，以减少误差，诸如由外科机器人系统1的部件(例如，马达、致动器、显示器等)提供的电磁噪声。此外，板49、51中的一个或多个板可结合惯性测量单元，例如以补偿地球的磁场或机器人臂19的振动，使得可最小化、抑制或防止机器人臂19的不受算法控制的相关联的运动。

应当理解，本文引用的套管针63的姿势具体地是相对于安装在工具驱动装置23的对接接口27中的传感器系统47的传感器板49、51而言的。就这一点而言，在确定本文所述的对接接口27的姿势时，可考虑相对于周围对接接口27布置传感器板49、51。

由控制塔3中的处理器应用的算法还可产生从传感器系统47的物理或确定性模型(例如，传感器板49、51的位置和布置的确定性模型(参见图10的框105))输出的估计传感器读数。传感器系统47的此类确定性模型可由处理器在磁场B1、B2的虚拟表示的存在下提供，该确定性模型基于磁体71、73的已知特性建模，并且磁场B1、B2包括磁体71、73的相应极化轴的已知相对偏移量。因此，在开始本文所述的算法之前，处理器可获得或以其他方式可用确定性模型(图10中的框105)。

此类确定性模型可以是由处理器应用的预定义的函数或函数集，该处理器接收套管针63相对于模型化传感器系统47(例如，相对于传感器板49、51)的估计姿势作为输入。因此，输入到确定性模型的套管针63的估计姿势可被认为是套管针63的选择姿势(或初始地，猜测姿势)，并且由处理器运行的确定性模型产生对应于套管针63的该估计姿势的估计传感器读数作为输出。在一种变型中，由处理器最初运行通过确定性模型的套管针63的估计姿势可以是存储的一组值，例如预定义的值，其可以基于从历史数据中已知的典型套管针放置或布置。

由处理器从确定性模型产生的估计传感器读数可与由处理器从传感器系统47接收的测量传感器读数不同，使得可期望将测量传感器读数与估计传感器读数配准，例如，以考虑可能影响所测量的传感器读数的准确性的变量，诸如由机器人臂19附近的其他套管针或其他手术设备生成的磁场，或其他电磁干扰。因此，控制塔3中的处理器可计算相似性量度，其中来自确定性模型的估计传感器读数与来自传感器系统47的测量传感器读数进行比较，并且可由处理器优化，例如迭代地更新以在预定误差范围或误差容限内彼此接近(参见图10的框109)。

图11的至少框115至框123示出了根据本公开的一个方面的图10的框109的优化算法。优化算法可结合内点算法与分析海森算法、非线性最小二乘解算器或不同的优化算法。由处理器通过确定性模型运行套管针63的初始估计或猜测姿势(框115)以产生估计传感器读数(图11中的框117)。然后由处理器将这些估计传感器读数与从传感器系统47接收的测量传感器读数进行比较(框119)，并且处理器计算估计传感器读数与测量传感器读数之间的差值是否在可接受的误差范围或误差容限内(框121)。如果估计传感器读数与测量读数之间的差值不在可接受的误差范围或误差容限内，处理器调整套管针63的猜测或估计姿势(框123)，从而产生套管针63的更新的估计姿势，该估计姿势由处理器通过确定性模型运行，以产生更新的估计传感器读数(重复框117)。然后由处理器计算更新的估计传感器读数与测量传感器读数之间的差值(重复框119)，以确定估计传感器读数与测量传感器读数之间的差值是否在可接受的误差范围或误差容限内(重复框121)。如果此类差值不在可接受的误差范围或误差容限内，则再次迭代地更新套管针63的估计姿势(重复框123)并由处理器通过确定性模型运行。该迭代优化算法继续，直到处理器产生在可接受误差范围或容限内的一组优化的或最终更新的估计传感器读数(框121的输出处的“是”分支)。

通过前述优化产生的最终更新的估计传感器读数对应于套管针63的附接部分69的“确定姿势”，该“确定姿势”与对接接口27的姿势一起提供可与用于引导或驱动机器人臂19的目标或计划轨迹相关联的转换，如本文进一步所述。就这一点而言，经由处理器优化通过确定性模型产生的估计传感器读数和从传感器系统47接收的测量传感器读数，外科机器人系统1可操作以区分表示套管针63的姿势的磁场B1、B2与其他磁场或电磁干扰，诸如由手术场所中的其他套管针或其他手术设备产生的那些磁场或电磁干扰。在一种变型中，在存在多个套管针的情况下，外科机器人系统1可被配置成靶向和发起给定对接接口与最近套管针的磁感测和对接，并且区分由最近套管针产生的磁场与由其他套管针产生的磁场。

在由处理器执行的进一步的操作中，将对应于套管针63的附接部分69的确定姿势的最终更新的估计传感器读数与对接接口27的姿势进行比较，例如，以提供用于引导对接接口27朝向套管针63的转换(图10中的框111)。在一种变型中，对接接口27的姿势可以是已知值，例如，如通过机器人臂致动器17或外科机器人系统1的各种其他传感器(例如，陀螺仪、加速度计、位置编码器等)对机器人臂19的先前移动的对数所确定的。在另一种变型中，对接接口27的姿势可被认为是几何中心，从该几何中心可引导或驱动机器人臂19平移或旋转以接近套管针63。因此，如图7所示，控制塔3中的处理器可基于最终更新的估计传感器读数向机器人臂致动器17提供一组引导或驱动控制信号，以提供机器人臂19跟踪计划轨迹并且实现引导或驱动机器人臂19将对接接口27定位和取向成与套管针63的附接部分69成对接面向关系，使得对接接口27与附接部分69在第三或校正的进入位置的取向匹配或具有基本上相同的取向。应当理解，在第三或校正的进入位置，对接接口27定位在套管针63附近，但与套管针分离，并且对接接口27被取向为使得仅机器人臂19/对接接口27朝向套管针63的最终平移引导将足以实现对接接口27与套管针63的对接(框111)。

在一种变型中，根据该算法，用户对机器人臂19/工具驱动装置23朝向套管针36的手动引导可受到由处理器建模的虚拟弹簧的影响，该虚拟弹簧模拟弹簧常数，从该弹簧常数生成与朝向套管针63的计划轨迹的偏移量成比例的力，例如，经由机器人臂致动器17，以导致机器人臂19/对接接口27朝向计划轨迹并朝向与套管针63的附接部分69的对准返回。就这一点而言，在操作者手动强制机器人臂19/对接接口27朝向套管针63的情况下，操作者可能遇到由处理器实现的虚拟弹簧产生的力，该力随着从基于最终更新的估计传感器读数的朝向套管针63的计划轨迹的距离增加而增加。就这一点而言，控制塔3中的处理器提供计划轨迹作为虚拟夹具，偏离该虚拟夹具产生机器人臂致动器17对机器人臂19的校正移动和由机器人臂致动器施加在机器人臂上的力，该机器人臂致动器趋于使机器人臂19/对接接口27朝向与计划轨迹对准返回。除此之外或另选地，沿计划轨迹引导机器人臂19/对接接口27可由机器人臂致动器17在处理器的控制下主动辅助，例如，以增强或放大由操作者在手动引导机器人臂19时施加的手动力。提供此类虚拟夹具可显着使操作者更容易地移动机器人臂19/对接接口27并保持机器人臂/对接接口与计划轨迹对准。

在又一种变型中，完全手动强制或引导机器人臂19，例如，其中机器人臂19的移动基本上不受处理器控制下的机器人臂致动器17的影响，可任选地实现为如上所述的在处理器控制下由机器人臂致动器17自动驱动机器人臂19的替代形式，或者实现为如上所述由机器人臂致动器17对操作者根据虚拟弹簧手动引导机器人臂19的处理器控制的辅助或阻力的替代形式。经由机器人致动器在机器人臂19的完全或部分处理器控制与操作者对机器人臂19的手动控制之间的切换可通过例如位于对接接口27上或附近的控制件来实现，该对接接口与处理器电通信，例如开关、切换开关或其他控制件，诸如位于台5附近的脚踏板。

在如上所述的操作者对机器人臂19的手动引导的处理器控制的阻力或辅助中，或者经由机器人臂致动器17或如上所述的机器人臂19的完全手动引导中，可向操作者提供机器人臂19/对接接口27相对于由处理器提供的计划轨迹的定位，例如，利用听觉蜂鸣声或听觉警报、指示灯或其他视觉标记、在用户控制台2处提供的图形指示标识、或触觉指示标识诸如机器人臂19的一部分上的触觉或振动反馈，以辅助操作者手动引导机器人臂19。

在本公开的一个方面，如框111所示，控制塔3中的处理器可根据转换(基于最终更新的估计传感器读数)激活机器人臂致动器17以引导或驱动机器人臂19，使得朝向套管针63的所确定的位置和取向引导或驱动对接接口27。应当理解，机器人臂19的这种驱动或引导可包括对接接口27的重新定位(根据转换)，并且在一些情况下，使对接接口27重新取向(根据转换)以实现校正的进入姿势。此类引导可由处理器同时或作为单独的顺序步骤实现。

图12A示出了在机器人臂致动器17基于从最终更新的估计传感器读数产生的转换引导或驱动机器人臂19的情况下，处理器可周期性地或连续地检查对接接口27的姿势，例如，以确认对接接口27是否已达到或匹配进入姿势，即对接接口27的取向基本上匹配套管针63的确定姿势(框127)。如果处理器确定对接接口27不匹配套管针63的取向，则处理器可控制机器人臂致动器17进一步驱动或引导机器人臂19朝向此类取向(框129)。一旦对接接口27的取向基本上匹配套管针63的取向，处理器就可驱动机器人臂致动器17进一步驱动或引导机器人臂19，例如，仅平移运动(现在不需要改变姿势或取向)，直到工具驱动装置23与套管针63对接(图12A中的框131)。

仍然参见图7和图8，并且另外参考图12B，这些图用于示出根据本公开的一个方面的工具驱动装置23(联接到机器人臂19)与套管针63的对接过程，其中在框133中，在引导机器人臂的同时调节对接接口的取向和位置两者。

图12B还用于在框135中示出对接过程的最后阶段，其中处理器确定对接接口27是定位在第四状态还是对接状态，例如，其中套管针63的附接部分69至少部分地围绕或接收在接收器37的接收空间38中。对于图12B中的过程，框135中的处理器还检查对接接口27和套管针63是否具有基本上相同的取向(并且如果不是，则该过程循环回到框133)。对比这与图12A的过程，其中在框131中平移对接接口直到达到对接状态之前，对接接口的取向已在框129中完成。在这两种情况下，对接状态可指套管针63的附接部分69至少部分地接收在接收器37的接收空间38中，这可由处理器例如基于来自臂致动器和传感器的反馈信号确定，反馈信号转换成与最终更新的估计传感器读数相匹配的机器人臂19/对接接口27的姿势，例如，使得值在彼此可接受的预定容限或误差范围内。处理器可通过例如发出听觉蜂鸣声或听觉警报、指示灯或其他视觉标记、或触觉指示器诸如机器人臂19的一部分上的触觉或振动反馈的信号来警示用户该对接状态。在一种变型中，操作者可在视觉上确认对接接口27与套管针63的对接状态。如果对接接口27已由处理器确定尚未与套管针63对接，则图12B中的过程循环回到框133，其中处理器可驱动机器人臂致动器17以进一步引导或驱动机器人臂19，直到工具驱动装置23与套管针63实现对接。

机器人臂19与套管针63对接接合的此类引导或驱动也可通过由机器人臂致动器17对操作者根据如上所述的虚拟弹簧的机器人臂19的手动引导的处理器控制的辅助或阻力来执行，或者可由操作者完全手动地引导，如上所述。

在对接状态下，对接接口27可例如经由夹持部件33、35与套管针63物理地锁定(例如，刚性地机械联接)，如下文进一步所述。在一种变型中，套管针63的附接部分69至少部分地围绕或接收在接收器37的接收空间38中的状态可被认为是准备对接状态，并且对接接口27的锁定或机械联接接合可被认为是对接状态或最终对接状态。

当套管针63的附接部分69这样定位在对接接口27的接收器37的接收空间38中时，杠杆45可例如手动地或在处理器控制下通过致动器移动至向前锁定位置，以推动夹持部件33(图4)与套管针63的附接部分69可按压地接合，使得附接部分69在对接位置固定(例如，闩锁、夹持或锁定)到对接接口27。此外，杠杆45可向后移动到解锁位置，以使夹持部件33与附接部分69脱离接合，从而使机器人臂19/对接接口27与套管针63脱离。

一旦套管针63被锁定到对接接口27，一个或多个外科工具可联接到工具驱动装置23并插入穿过套管针63，以进入患者6的体腔并在其中执行后续手术操作。外科机器人系统1具有一旦附接立马唯一地识别每个工具(内窥镜和外科器械)的能力，并且例如在用户控制台2处的显示器15上显示工具类型和臂位置。对应的工具功能启用并且可使用UID 14和脚动控制件13激活。患者侧助手可在整个规程中根据需要附接和拆卸工具。坐在用户控制台2处的外科医生可使用控制UID 14和脚动控制件13的工具开始执行手术。系统1将外科医生的手、腕部和手指运动通过UID 14和脚动控制件13转换成外科工具的精确实时运动。

根据前述算法的传感器系统47和由控制塔3中的处理器控制的机器人臂19的布置，并且使用来自传感器系统47的输入，向外科机器人系统1提供了定位和/或引导系统，该系统确保了机器人臂19/对接接口27朝向套管针63的平滑的受控的接近，并且任选地，套管针63与机器人臂19/对接接口27对接联接，使得套管针63和机器人臂19/工具驱动装置23之间刚性(例如，稳定)机械连接。就这一点而言，机器人臂19/工具驱动装置23和套管针63可对接，同时基本上保持套管针63的姿势，例如以便最小化、抑制或防止套管针63相对于患者的移动，并且保持套管针63的稳定姿势以用于后续手术操作。此类对接接合可通过磁体71、73和传感器系统47的前述相互作用来实现，使得对接联接不需要例如与套管针63相关联的视觉传感器(例如，视线)或动力传感器(例如，以提供超声三角测量、惯性感测或电磁跟踪)。就这一点而言，可采用各种附件，诸如消毒盖布、覆盖物或其他屏障，而不干扰磁体71、73和传感器系统47的相互作用。此外，套管针63设置有稳固的构造，该构造可例如承受循环使用、剧烈使用和/或消毒规程而不干扰磁体71、73的性质。

出于解释的目的，前述描述使用特定命名来提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，实践本发明不需要具体细节。出于举例说明和描述的目的，已经提供了本发明的特定方面的前述说明。它们并非旨在为详尽的或将本发明限制为所公开的具体形式；根据上述教导内容可对本公开进行多种修改和改变。选择和描述实施方案是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明和具有适合于所设想的特定用途的各种修改的各种实施方案。