计算机辅助的医疗系统和方法与流程

计算机辅助的医疗系统和方法
1.本技术是于2017年6月29日提交的名称为“计算机辅助的医疗系统和方法”的中国专利申请201780045919.4的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求2016年7月1日提交的美国临时申请号62/357,678的权益。在先申请的公开内容被认为是本技术的公开内容的一部分，并且以引用方式被并入本技术的公开内容。
技术领域
4.本公开涉及用于计算机辅助外科手术(诸如微创外科手术、远程操作的外科手术和微创计算机辅助的远程操作的外科手术)的系统和方法。例如，本公开涉及用于在机器人操纵器的末端处夹持外科手术器械的机构以及用于致动外科手术器械的计算机辅助插入运动的方法。


背景技术：

5.机器人系统和计算机辅助装置通常包含操纵器械以在工作部位执行任务的机器人或活动臂、和用于支撑采集工作部位的图像的图像采集装置的至少一个机器人或活动臂。机器人臂包含通过一个或更多个主动控制关节耦接在一起的多个连杆。在多种实施例中，可以提供多个主动控制关节。机器人臂还可以包含一个或更多个被动关节，这些被动关节不被主动控制，但依从主动控制关节的移动。这种主动和被动关节可以是回转或棱柱关节。机器人臂的构型可以通过关节方位以及连杆的结构和耦接的知识而被确定。
6.用于外科手术中使用的微创远程外科手术系统正在发展，以提高外科手术医生的灵巧性以及允许外科手术医生从远程位置对患者进行手术。远程外科手术是对如下外科手术系统的泛称，即外科手术医生使用远程控制的某种形式，例如伺服机构等来操纵外科手术器械移动而不是通过手直接握持和移动器械。在此种远程外科手术系统中，在远程位置处为外科手术医生提供手术部位的图像。当外科手术医生通常在合适的观察器或显示器上观看到手术部位的三维图像时，外科手术医生通过操纵主控制输入装置，继而控制机器人器械的运动，从而对患者执行外科手术程序。机器人外科手术器械能够通过小的微创外科手术孔口被插入以处理患者体内的手术部位处的组织，通常避免一般与通过开放式外科手术技术进入外科手术工作部位相关联的创伤。这些机器人系统能够足够灵巧地移动外科手术器械的工作端，以执行相当复杂的外科手术任务，通常通过在微创孔口处枢转器械的轴、使轴轴向滑动通过孔口、在孔口内旋转轴和/或其他类似动作来完成。


技术实现要素：

7.本公开提供了用于计算机辅助的医疗程序的系统和方法。示例程序包括外科手术，诸如微创外科手术、远程操作的外科手术以及使用计算机辅助远程操作医疗装置的微创计算机辅助远程操作外科手术。其他示例程序包括各种医疗处理和诊断程序。例如，本公
开提供了用于在机器人操纵器组件的末端处夹持医疗器械的机构以及用于致动器械的轴向平移或插入运动的方法。
8.在微创计算机辅助的医疗程序的背景下，机器人操纵器组件的移动可以受系统处理器的控制，以便使外科手术器械的轴或中间部分在通过微创外科手术进入部位、自然口(包括口腔和肛门)或其他孔口时被约束于安全的运动。例如，这种运动可以包括轴通过孔口部位的轴向插入，轴绕其轴线的旋转以及轴绕邻近进入部位的枢轴点的枢转运动，但通常会阻止轴的过度横向运动，否则其可能不经意地撕破邻近孔口的组织或扩大进入部位。在进入部位处对机器人操纵器组件运动的这些约束中的一些或全部可以通过部分地利用或完全利用机器人数据处理和控制技术而被施加。用于约束机器人操纵器组件运动的此类构思在本文中可以被称为软件约束的远程运动中心。
9.在一个方面中，本公开涉及一种微创计算机辅助的外科手术方法，所述方法包括移动计算机辅助的外科手术操纵器臂以引起被耦接到所述计算机辅助的操纵器臂的细长外科手术器械沿着空间中的固定线移动，所述空间中的固定线由所述外科手术器械的纵向轴线限定；以及独立于所述计算机辅助的外科手术操纵器臂移动沿着所述空间中的固定线来移动所述外科手术器械。所述计算机辅助的外科手术操纵器臂可以被远程操作。
10.这样的微创计算机辅助的外科手术方法可以可选地包括以下特征中的一个或更多个。所述外科手术器械的至少远端部分可以在每个移动操作期间被设置在患者的身体内部。所述移动操作可以至少在一定程度上同时发生。所述移动操作可以不同时发生。独立于计算机辅助的外科手术操纵器臂移动的所述外科手术器械的移动可以包括移动器械夹持器托架，所述外科手术器械被可释放地耦接到所述器械夹持器托架。移动所述计算机辅助的外科手术操纵器臂可以被用于长的、缓慢的移动，而移动所述外科手术器械可以被用于更短的、更快的移动。所述长的、缓慢的移动可以通过频率截止滤波操作与所述更短的、更快的移动区别开来。移动所述计算机辅助的外科手术操纵器臂结合所述移动所述外科手术器械可以响应于接收外科手术器械命令的运动输入而被执行。移动所述计算机辅助的外科手术操纵器臂可以进一步包括相对于所述计算机辅助的外科手术操纵器臂枢转外科手术器械夹持器。
11.在另一方面中，本公开涉及一种计算机辅助的外科手术系统，包括：(a)器械夹持器，所述器械夹持器被配置用于可枢转附连到计算机辅助的外科手术操纵器臂；(b)器械夹持器托架，所述器械夹持器托架被可移动地耦接到所述器械夹持器；(c)外科手术器械，所述外科手术器械可耦接到所述器械夹持器托架，所述外科手术器械包含细长轴和被设置在所述细长轴的末端处的末端执行器；以及(d)管状套管，所述管状套管限定用于可滑动地接收所述细长轴的第一管腔，其中所述管状套管被配置用于从所述器械夹持器拆卸下来使用。
12.这样的计算机辅助的外科手术系统可以可选地包括以下特征中的一个或更多个。所述器械夹持器可以限定用于与所述细长轴可滑动接合的第二管腔。所述器械夹持器托架可以沿着所述器械夹持器线性地平移。所述系统还可以包括被耦接到基座的所述计算机辅助的外科手术操纵器臂。
13.在另一方面中，一种计算机辅助的外科手术系统包括可耦接到计算机辅助的外科手术操纵器臂的器械夹持器、可移动地耦接到所述器械夹持器的器械夹持器托架以及耦接
到所述器械夹持器的套管夹持器。当所述器械夹持器被耦接到所述计算机辅助的外科手术操纵器臂时，所述器械夹持器托架可独立于所述计算机辅助的外科手术操纵器臂移动，并且所述套管夹持器可独立于所述计算机辅助的外科手术操纵器臂并且独立于所述器械夹持器托架移动。
14.这样的计算机辅助的外科手术系统可以可选地包括以下特征中的一个或更多个。所述系统还可以包括可释放地耦接到所述套管夹持器的套管，其中所述套管限定管腔。所述系统还可以包括可释放地耦接到所述器械夹持器托架的外科手术器械(其中所述外科手术器械可滑动地耦接在所述套管的所述管腔内)。所述器械夹持器托架可以沿着所述器械夹持器可线性地平移。所述系统还可以包括被耦接到基座的所述计算机辅助的外科手术操纵器臂。
15.在另一方面中，本公开涉及一种计算机辅助的外科手术系统，其包括：(a)器械夹持器，所述器械夹持器被配置用于可枢转附连到计算机辅助的外科手术操纵器臂；(b)器械夹持器托架，所述器械夹持器托架被可移动地耦接到所述器械夹持器；(c)外科手术器械，所述外科手术器械可耦接到所述器械夹持器托架(所述外科手术器械包括细长轴和被设置在所述细长轴的末端处的末端执行器)；(d)套管夹持器，所述套管夹持器被可移动地耦接到所述器械夹持器；以及(e)管状套管，所述管状套管可耦接到所述套管夹持器(所述管状套管限定用于可滑动地接收所述细长轴的管腔)。
16.这样的计算机辅助的外科手术系统可以可选地包括以下特征中的一个或更多个。所述器械夹持器托架可以沿着所述器械夹持器可线性地平移。所述系统还可以包括被耦接到基座的所述计算机辅助的外科手术操纵器臂。所述套管夹持器可以相对于所述器械夹持器可线性地平移。
17.在另一方面中，本公开涉及一种计算机辅助的外科手术系统，包括：(a)器械夹持器，所述器械夹持器被配置用于在可枢转关节处附连到计算机辅助的外科手术操纵器臂(其中所述可枢转关节可沿着所述器械夹持器平移)；(b)器械夹持器托架，所述器械夹持器托架被可移动地耦接到所述器械夹持器；(c)管状套管，所述管状套管可耦接到所述器械夹持器(其中所述管状套管限定管腔)；以及(d)外科手术器械，所述外科手术器械可耦接到所述器械夹持器托架。所述外科手术器械包括细长轴和被设置在所述细长轴的末端处的末端执行器。所述细长轴可滑动地耦接在所述管腔内。
18.这样的计算机辅助的外科手术系统可以可选地包括以下特征中的一个或更多个。所述器械夹持器托架可以沿着所述器械夹持器可线性地平移。所述系统还可以包括被耦接到基座的所述计算机辅助的外科手术操纵器臂。
19.本文中描述的一些或所有实施例可以提供以下优点中的一个或更多个。例如，本文中描述的一些机器人操纵器组件实施例被配置为相比于传统的机器人操纵器组件更紧凑。这种紧凑设计能够降低机器人外科手术系统的机器人操纵器组件之间的物理干扰的可能性。此外，这种紧凑设计能够减小机器人操纵器组件的重量和惯性。因此，机器人外科手术系统的致动器的尺寸和功率能够被减小。机械联动装置的结构尺寸和重量也可以通过使用本文中描述的机器人操纵器组件实施例而被减小。这种更轻的机械联动装置能够便于对用户输入更好的响应的机器人外科手术系统。此外，本文中提供的一些方法也便于更小且响应更好的机器人操纵器组件。
20.一个或更多个实施例的细节在附图和下面的描述中进行阐述。根据描述和附图以及根据权利要求，其他特征、目的和优点将会是显而易见的。
附图说明
21.图1是机器人外科手术系统的示例患者侧推车的透视图。
22.图2是机器人外科手术系统的示例外科医生控制台的前视图。
23.图3是机器人外科手术系统的示例机器人操纵器臂组件的侧视图。
24.图4是处于第一构型的示例外科手术器械的远端部分的透视图。
25.图5是处于第二构型的图4的外科手术器械的远端部分的透视图。
26.图6是处于第三构型的图4的外科手术器械的远端部分的透视图。
27.图7到图9是示例性机器人操纵器组件的底视图、侧视图和后视图，该机器人操纵器组件针对给定末端执行器方位具有一系列关节状态。
28.图10是图示说明由图7到图9的机器人操纵器组件提供的自由度的示意图。
29.图11是图示说明通过外科手术孔口插入的机器人操纵器组件的示意图。
30.图12示意性地图示说明了以手动方式将图11中高度可配置的操纵器组件重新定位到新的孔口位置所面临的一些挑战。
31.图13示意性地图示说明了对图11的臂进行重新配置以便在将操纵器手动重新定位到新的孔口位置过程中增强运动范围或类似效果。
32.图14和15示意性地图示说明了在臂的手动移动过程中在一系列可替代的关节构型内自动地重新配置操纵器组件的关节。
33.图16是简化框图，其示意性地图示说明了全约束逆雅可比主/从速度控制器。
34.图17是经修改的主/从控制器的简化框图，其中逆雅可比控制器模块与具有构型相关子空间滤波器的第二模块相结合，以允许对操纵器组件进行控制。
35.图18图示说明了对图17中所图示说明的简化主-从控制的细化。
36.图19示意性地图示说明了用于全约束主/从机器人外科手术系统的示例性逆雅可比控制器。
37.图20示意性地图示说明了图11中的控制器的修改部分，其中逆雅可比控制器已通过构型相关滤波器进行修改，以便控制器顾及到不同级别的系统约束和/或目标的优先级。
38.图21是根据一些实施例的示例患者侧机器人操纵器组件的远侧部分的侧视图。该机器人操纵器组件处于相对于外科手术部位的第一布置。
39.图22是图21的示例患者侧机器人操纵器组件的另一侧视图。该机器人操纵器组件处于相对于外科手术部位的第二布置。
40.图23是根据一些实施例的用于控制外科手术器械的插入的两步方法的流程图。
41.图24是根据一些实施例的另一示例患者侧机器人操纵器组件的远侧部分的侧视图。
42.图25是根据一些实施例的另一示例患者侧机器人操纵器组件的远侧部分的侧视图。
43.图26是根据一些实施例的另一示例患者侧机器人操纵器组件的远侧部分的侧视图。
44.图27是根据一些实施例的另一示例患者侧机器人操纵器组件的远侧部分的侧视图。
45.图28是根据一些实施例的另一示例患者侧机器人操纵器组件的远侧部分的侧视图。
46.各种附图中的相同的参考符号指示相同的元件。
具体实施方式
47.图示说明发明性方面、实施例、实现方式或应用的本说明书及附图不应被视为限制——而是权利要求限定受保护的本发明。可以在不脱离本说明书及权利要求书的精神和范围的情况下进行各种机械性、组成的、结构性、电气及操作性改变。在一些情况下，并未示出或详细描述众所周知的电路、结构或技术以免混淆本发明。两个或更多个附图中的相同编号表示相同或类似元件。
48.另外，被选择为描述一个或更多个实施例以及可选元件或特征的特定词语并不旨在限制本发明。举例来说，空间相对术语——诸如，“在...下方”、“在...下面”、“下部”、“在...上方”、“上部”、“近侧”、“远侧”及类似表述——可以用于描述如图中所图示说明的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除了图中所示出的位置和取向之外，这些空间相对术语旨在涵盖在使用或操作中的装置的不同方位(即，平移放置)和取向(即，旋转放置)。举例来说，如果图中的装置被翻转，那么描述为“在”其他元件或特征“下方”或“在”其他元件或特征“下面”的元件将变成“在”其他元件或特征“上方”或“在”其他元件或特征“上面”。因此，示范性术语“在
…
下方”能够涵盖上方和下方的位置和取向两者。装置可以以其他方式取向(例如，旋转90度或处于其他取向)，并且本文中所用的空间相对描述符被相应地解释。同样地，对沿着各种轴线(平移)及围绕各种轴线(旋转)的移动的描述包括各种特殊装置位置和取向。身体的位置和取向的组合限定了身体的姿势。
49.类似地，除非上下文以其他方式指示，否则几何术语(例如，“平行”、“垂直”、“圆形”或“正方形”)并不旨在要求绝对数学精度。替代地，这类几何术语允许因制造所致的变化或等效功能。举例来说，如果将元件描述为“圆形”或“大体上圆形”，那么本说明书仍涵盖并非精确地环形(例如，为稍呈长椭圆形或为多边的多边形的形状)的部件。词语“包括”或“具有”意指包括但不限于。
50.应当理解，尽管本说明书是充分清楚的、简明的且准确的，但是严谨的且详尽的语言精确性不总是可能的或期望的，因为说明书应当保持在合理的长度，并且有技术的阅读者应理解背景和相关联的技术。例如，就视频信号而论，有技术的读者应理解：被描述为显示信号的示波器不显示信号本身而是该信号的表示，并且被描述为显示信号的视频监测器不显示信号本身而是该信号携带的视频信息。
51.此外，除非上下文以其他方式指示，否则单数形式“一”、“一个”和“所述/该”也旨在包括复数形式。并且，术语“包含”、“包括”、“具有”及类似表述指定所陈述的特征、步骤、操作、元件及/或部件的存在但并未排除一个或更多个其他特征、步骤、操作、元件、部件及/或组的存在或添加。并且，所述一个或更多个个别列出的术语或一个或更多个个别列出的术语中的每一个应当被认为是可选的，除非另外规定，以便术语的各种组合在没有详尽列出每种可能的组合的情况下进行描述。助动词“可以”同样意指特征、步骤、操作、元件或部
件是可选的。
52.只要可行，关于一个实施例、实现方式或应用详细描述的元件可以被可选地包括在未具体示出或描述的其他实施例、实现方式或应用中。举例来说，如果关于一个实施例详细描述元件并且关于第二实施例未描述，那么所述元件尽管如此仍可以要求为被包括在第二实施例中。因此，为避免在以下描述中的不必要重复，除非另外具体描述，除非一个或更多个元件将使得实施例或实现方式不起作用，或除非所述元件中的两个或更多个提供冲突的功能，否则与一个实施例、实现方式或应用相关联示出和描述的一个或更多个元件可以被并入到其他实施例、实现方式或方面中。
53.被描述为被耦接的元件可以被直接电性地或机械地耦接，或它们可以经由一个或更多个中间部件被间接地耦接。
54.与诸如机械结构、部件或部件组件的零件相关联的术语“柔性”应被广义地理解。实质上，术语意指零件能够在不损坏零件的情况下反复弯曲并恢复到原始形状。许多“刚性”物体由于材料性质而具有微小的固有弹性“弯曲度”，但在本文中使用该术语时，此类物体不被认为是“柔性的”。柔性零件可以具有无限的自由度(dof)。此类零件的示例包括封闭的、可弯曲的管(由例如nitinol、聚合物、柔软橡胶和类似物制成)、螺旋线圈卷簧等，其可以被弯曲成各种简单的和复杂的曲线，通常无显著的横截面变形。通过使用与串联“椎骨”的蛇形布置类似的一系列紧密间隔的部件，其他柔性零件可以近似于此类无限dof零件。在此类椎骨布置中，每个部件为运动链(kinematic chain)中的短连杆，并且每个连杆之间的可移动机械约束(例如，销铰链、杯和球、活性铰链和类似物)可以允许在连杆之间相对移动的一个(例如，俯仰)或两个(例如，俯仰和偏转)dof。短的柔性零件可以用作并被建模为在运动链的两个连杆之间提供一个或更多个dof的单个机械约束(关节)，即使柔性零件本身可以是由若干耦接的连杆构成的运动链。本领域的技术人员应理解，零件的柔性可以用其刚度来表示。
55.除非在本说明书中另外陈述，否则柔性零件，诸如机械结构、部件或部件组件可以为主动或被动柔性的。主动柔性零件可以通过使用与零件本身内在相关联的力而被弯曲。例如，一个或更多个腱可以沿着零件纵长地布线并且从零件的纵向轴线偏移，使得在一个或更多个腱上的张力导致零件或零件的一部分弯曲。主动地弯曲主动柔性零件的其他方式包括但不限于使用气动或液压动力、齿轮、电活性聚合物(更一般地说，“人造肌肉”)和诸如此类。被动柔性零件通过使用在零件外部的力(例如，所施加的机械或电磁力)而被弯曲。被动柔性零件可以保持在其弯曲形状中，直到再次弯曲，或其可以具有趋向于将零件恢复至原始形状的内在特性。具有内在刚度的被动柔性零件的示例为塑料杆或弹性橡胶管。主动柔性零件在未被其内在相关联的力致动时可以是被动柔性的。单个零件可以由串联的一个或更多个主动和被动柔性零件制成。
56.主要依据使用由加利福尼亚州的森尼韦尔市(sunnyvale)的直观外科公司(intuitive surgical,inc.)商售的da外科手术系统的实现方式来描述本发明的各方面。此类外科手术系统的示例是daxi
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外科手术系统(型号is4000)和dasi
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tm
外科手术系统(型号is3000)。然而，本领域技术人员将理解，本文中所公开的发明性方面可以以不同方式体现和实现，包括计算机辅助的、非计算机辅助的以及手动的和计算机辅助的实施例和实现方式的混合组合。关于da外科手术系统(例如，型号
is4000、型号is3000、型号is2000、型号is1200)的实现方式仅为示范性的且不被视为限制本文中所公开的发明性方面的范围。如果适用的话，发明方面可以被体现并实现在相对更小的、手持的、手动操作的装置中、和在具有额外机械支撑的相对更大的系统中、以及在计算机辅助的装置(包括在所有类型的医疗程序(诸如用于诊断、非外科手术处理、微创外科手术处理和非微创外科手术处理的程序)中使用的非远程操作的和远程操作的医疗装置)的其他实施例中。如果适用的话，发明方面可以被体现并实现在非医疗系统中，诸如工业机器人和其他机器人系统。
57.应当理解，公开的结构和机构的小尺度在这些结构和机构的构建的情况下产生了特有的力学/机械(mechanical)条件和难题，这些特有的力学条件和难题不像在以更大尺度构建的类似的结构和机构中发现的那些，因为力和材料强度不随着机构的尺寸以相同的比率按比例缩放。例如，由于力学、材料性质和制造考虑，具有8mm轴直径的外科手术器械不能被简单地在尺寸上按比例缩放到5mm轴直径。同样地，5mm轴直径装置不能被简单地在尺寸上按比例缩放到3mm轴直径装置。当物理尺寸被减小时，显著的力学/机械问题存在。
58.计算机是遵循编程指令来对输入信息执行数学或逻辑功能以产生经处理的输出信息的机器。计算机包括执行数学或逻辑功能的逻辑单元、以及存储编程指令、输入信息和输出信息的存储器。术语“计算机”和类似的术语(诸如“处理器”或“控制器”)包含单个位置和分布式实现方式两者。
59.本公开提供了改进的医疗和机器人装置、系统及方法。发明构思能够与计算机辅助的医疗系统诸如医疗机器人系统一起使用，在该医疗机器人系统中多个外科手术工具或器械将会被安装在其上并且在医疗程序期间被相关联的多个机器人操纵器移动。该机器人系统通常会包含微创、非远程操作、远程机器人、远程外科手术和/或远程呈现系统，其包括被配置为主-从控制器的处理器。通过为使用适当配置为移动操纵器组件的处理器的机器人系统提供具有相对大量的自由度的铰接联动装置，联动装置的运动可以被定制以适应于穿过微创、自然孔或其他进入部位进行工作。大量的自由度也使得处理器能够对操纵器进行定位，以便抑止这些移动结构之间的干扰或碰撞或类似的问题。
60.本文描述的机器人操纵器组件通常会包括机器人操纵器和安装于其上的工具(在外科手术应用中所述工具通常包含手术器械)，尽管术语“机器人组件”也可以涵盖没有在其上安装工具的操纵器。术语“工具”不仅涵盖通用的或工业的机器人工具，还包括专用的机器人手术器械，其中专用的机器人手术器械结构通常包括适用于组织操纵、组织处理、组织成像或类似动作的末端执行器。工具/操纵器接口通常会是可快速拆分的工具夹持器或联结器(coupling)，以便能够快速去除工具并用可替代工具更换该工具。操纵器组件通常会具有基座，其在机器人程序的至少一部分的过程中被固定在空间内，同时操纵器组件可以包含在基座和工具的末端执行器之间的许多自由度。末端执行器的致动(诸如打开或闭合夹紧装置的夹片，对电外科电极板(electrosurgical paddle)进行通电，或类似动作)通常会独立于这些操纵器组件自由度，并且在操纵器组件自由度之外额外增加这些操纵器组件自由度。
61.末端执行器典型地以2到6个自由度在工作空间内进行移动。如此处所用，术语“方位”包括位置和取向。因此(例如)末端执行器的方位变化可能涉及到该末端执行器从第一位置到第二位置的平移、该末端执行器从第一取向到第二取向的旋转，或二者的组合。
62.当被用于微创机器人外科手术或其他医疗程序时，操纵器组件的移动可以受系统处理器的控制，以便工具或器械的轴或中间部分在穿过微创外科手术进入部位或其他孔口时被约束于安全的运动。例如，这种运动可以包括轴通过孔口部位的轴向插入，轴绕其轴线的旋转以及轴绕与进入部位邻近的枢轴点的枢转运动，但一般会阻止轴的过度横向运动，否则其可能不经意地撕破与孔口邻近的组织或扩大进入部位。在进入部位处对操纵器运动的这种约束的一些或全部通过利用抑止不适当的运动的机械操纵器关节联动装置而被施加，或者通过利用机器人数据处理和控制技术而被部分地或全部地施加。因此，操纵器组件的这种微创孔口受约束运动可以在操纵器组件的0到3个自由度之间使用。
63.本文描述的很多示例性操纵器组件会具有比在手术部位内定位和移动末端执行器所需要的自由度更多的自由度。例如，通过微创孔口在内部手术部位处能够以6个自由度定位的外科手术末端执行器在一些实施例中可以具有9个自由度(6个末端执行器自由度——3个用于位置，3个用于取向——加上顺应进入部位约束的3个自由度)，但其一般具有10个或更多自由度。具有比给定的末端执行器方位所需要的自由度更多的自由度的高度可配置的操纵器组件能够被描述为具有或提供充足的自由度，以允许针对工作空间中的末端执行器方位的一系列关节状态。例如，对于给定的末端执行器方位，操纵器组件可以占据(并被在其间驱动)一系列可替代的操纵器联动装置方位中的任何方位。类似地，对于给定的末端执行器速度矢量，操纵器组件可以具有针对操纵器组件的各种关节的一系列不同的关节移动速度。
64.参考图1和图2，用于微创远程外科手术的系统能够包括患者侧推车100和外科医生控制台40。远程外科手术是对如下外科手术系统的泛称，即外科手术医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构或诸如此类)来操纵外科手术器械移动而不是通过手直接握持和移动器械。例如，利用外科医生控制台40控制患者侧推车100是一种类型的远程外科手术。相比之下，通过手动地将操纵器或器械推动或拉动成期望的构型来直接控制患者侧推车包含非远程操作的控制。机器人可操纵外科手术器械能够通过小的微创外科手术孔口被插入以处理患者体内的手术部位的组织，避免与用于开放式外科手术的进入相关联的创伤。这些机器人系统能够足够灵巧地移动外科手术器械的工作端，以执行相当复杂的外科手术任务，通常通过在微创孔口处枢转器械的轴、使轴轴向滑动通过孔口、在孔口中旋转轴和/或其他类似动作来完成。
65.在所描绘的实施例中，患者侧推车100包括基座110、第一机器人操纵器臂组件120、第二机器人操纵器臂组件130、第三机器人操纵器臂组件140和第四机器人操纵器臂组件150。每个机器人操纵器臂组件120、130、140和150被可枢转地耦接到基座110。在一些实施例中，少于四个或多于四个机器人操纵器臂组件可以被包括在内，作为患者侧推车100的一部分。虽然在所描绘的实施例中基座110包括小脚轮以允许移动的方便性，但是在一些实施例中患者侧推车100被固定地安装到地板、屋顶、手术台、结构框架或诸如此类。
66.在典型的应用中，机器人操纵器臂组件120、130、140或150中的两个夹持外科手术器械，并且第三个夹持立体内窥镜。其余机器人操纵器臂组件是可用的，使得另一器械可以被引入在工作部位处。替代地，其余机器人操纵器臂组件可以被用于将第二内窥镜或另一图像捕获装置(诸如超声换能器)引入到工作部位。
67.机器人操纵器臂组件120、130、140和150中的每一个通常由通过可致动关节被耦
接在一起并且被操纵的连杆形成。机器人操纵器臂组件120、130、140和150中的每一个包括装配臂和装置操纵器。装配臂定位其夹持装置，以便枢转点出现在到患者内的装配臂进入孔口处。装置操纵器然后可以操纵其夹持装置，以便它可以围绕枢转点被枢转、被插入到进入孔口内和从进入孔口中收回来，并且围绕其轴轴线被旋转。
68.在所描绘的实施例中，外科医生控制台40包括立体视觉显示器45，以便用户可以从由患者侧推车100的立体摄像机捕获的图像以立体视觉的形式观察外科手术工作部位。左目镜46和右目镜47被提供在立体视觉显示器45中，以便用户可以分别以用户的左眼和右眼观察显示器45内的左显示屏和右显示屏。通常在合适的观察器或显示器上观察外科手术部位的图像时，外科医生通过操纵主控制输入装置对患者执行外科手术程序，所述主控制输入装置转而控制机器人器械的运动。
69.外科医生控制台40还包括左输入装置41和右输入装置42，用户分别用他/她的左手和右手抓握该左输入装置41和右输入装置42，从而优选地以六个自由度(“dof”)操纵正被患者侧推车100的机器人操纵器臂组件120、130、140和150夹持的装置(例如，外科手术器械)。具有脚趾控制和脚后跟控制的脚踏板44被提供在外科医生控制台40上，因此用户可以控制与脚踏板相关联的装置的移动和/或致动。
70.处理器43被提供在外科医生控制台40中用于控制和其他目的。处理器43执行医疗机器人系统中的各种功能。由处理器43执行的一个功能是转换和传输输入装置41、42的机械运动以致动其相关联的机器人操纵器臂组件120、130、140和150中的其相应关节，以便外科医生能够有效地操纵装置，诸如外科手术器械。处理器43的另一功能是实施本文中描述的方法、交叉耦接控制逻辑和控制器。
71.尽管被描述为处理器，但是应意识到处理器43可以通过硬件、软件和固件的任意组合来实现。而且，如本文中描述的其功能可以由一个单元执行或被分配到许多子单元之中，这些子单元中的每一个又可以通过硬件、软件和固件的任意组合来实现。进一步地，尽管被示为外科医生控制台40的一部分或物理地邻近外科医生控制台40，但是处理器43也可以作为子单元被分布在整个远程外科手术系统中。
72.同样参考图3，机器人操纵器臂组件120、130、140和150能够操纵装置(诸如外科手术器械)来执行微创外科手术。例如，在所描绘的布置中，机器人操纵器臂组件120被可枢转地耦接到器械夹持器122。套管180和外科手术器械200转而被可释放地耦接到器械夹持器122。套管180是在外科手术期间被定位在患者接口部位处的管状构件。套管180限定管腔，外科手术器械200的细长轴220被可滑动地设置在该管腔中。
73.器械夹持器122被可枢转地耦接到机器人操纵器臂组件120的远端。在一些实施例中，器械夹持器122与机器人操纵器臂组件120的远端之间的可枢转耦接是可由外科医生控制台40和处理器43致动的机动化关节。
74.器械夹持器122包括器械夹持器框架124、套管夹具126和器械夹持器托架(carriage)128。在所描绘的实施例中，套管夹具126被固定到器械夹持器框架124的远端。套管夹具126能够被致动以与套管180耦接或分离。器械夹持器托架128被可移动地耦接到器械夹持器框架124。更具体地，器械夹持器托架128沿着器械夹持器框架124可线性地平移。在一些实施例中，器械夹持器托架128沿着器械夹持器框架124的移动是由处理器43可致动/可控制的机动化平移移动。
75.外科手术器械200包括传动组件(transmission assembly)210、细长轴220和末端执行器230。传动组件210与器械夹持器托架128可释放地耦接。轴220从传动组件210向远侧延伸。末端执行器230被设置在轴220的远端处。
76.轴220限定了与套管180的纵向轴线一致的纵向轴线222。当器械夹持器托架128沿着器械夹持器框架124平移时，外科手术器械200的细长轴220沿着纵向轴线222被移动。以这样的方式，末端执行器230能够被插入患者体内的外科手术工作空间和/或从患者体内的外科手术工作空间收回。
77.还参考图4到图6，可以使用各种不同类型的可替代机器人手术器械以及不同的末端执行器230，其中至少一些操纵器的器械在外科手术程序中被去除并更换。这些末端执行器中的几个(包括例如德巴基(debakey)镊56i、微型外科镊56ii和potts剪56iii)包括第一末端执行器单元56a和第二末端执行器单元56b，其相对于彼此作枢轴转动，从而定义出一对末端执行器夹片。其他末端执行器(包括解剖刀和电灼探针)具有单个末端执行器单元。对于具有末端执行器夹片的器械，所述夹片通常通过捏压输入装置41、42的夹紧构件而被致动。
78.细长轴220允许末端执行器230和该轴220的远端(经由套管180)通过微创孔口(通常通过腹壁或诸如此类)向远侧插入到外科手术工作部位内。手术部位可以被注入气体，而末端执行器230在患者体内的移动通常会受到影响，至少部分地是由于器械200绕某一位置的枢轴转动，轴220在该位置穿过微创孔口。换句话说，机器人操纵器臂组件120、130、140和150会在患者体外移动传动组件210，以便轴220延伸通过微创孔口位置，从而帮助提供末端执行器230的期望移动。因此，机器人操纵器臂组件120、130、140和150在外科手术程序期间通常会在患者体外进行大幅度的移动。
79.参考图7到图10，示例机器人操纵器臂组件304能够与外科手术器械306耦接，以影响该器械306相对于基座302的移动。由于在外科手术程序期间，具有不同末端执行器的许多不同外科手术器械可以按顺序安装于每个机器人操纵器臂组件304上(一般借助于外科手术助手)，器械夹持器320将优选地允许快速去除和更换所安装的外科手术器械306。应当理解，示例机器人操纵器臂组件304仅仅是在本公开的范围内设想的各种类型的机器人操纵器臂组件的一个非限制性示例。
80.示例机器人操纵器臂组件304通过枢转安装关节322被安装到基座302上，从而允许机器人操纵器臂组件304的其余部分绕第一关节轴线j1旋转，其中在示例性实施方式中第一关节322提供绕竖直轴线的旋转。基座302和第一关节322一般包含机器人操纵器臂组件304的近侧部分，其中操纵器从基座朝向器械夹持器320和末端执行器50向远侧延伸。
81.通过描述如图7到图9所图示说明的机器人操纵器臂组件304的各个连杆以及如图10所图示说明的连接这些连杆的关节的旋转轴线，第一连杆324从基座302向远侧延伸并在关节322处绕第一枢转关节轴线j1旋转。很多其余的关节能够通过图10中与其相关联的旋转轴线来进行识别。例如，第一连杆324的远端在提供水平枢转轴线j2的关节处耦接到第二连杆326的近端。第三连杆328的近端在轧辊关节(roll joint)处耦接第二连杆326的远端，以便第三连杆一般在关节j3处围绕着沿第二和第三连杆两者的轴线延伸(且理想情况下与其对准)的轴线旋转或滚动。进一步向远侧延伸，在另一个枢转关节j4后面，第四连杆330的远端通过一对枢转关节j5、j6耦接至器械夹持器320，其中枢转关节j5、j6共同定义出器械
夹持器腕332。机器人操纵器臂组件304的平移或棱形关节j7便于器械306通过微创孔口的轴向移动，还便于器械夹持器320附连到套管306上，器械306通过此套管被可滑动地插入。
82.在器械夹持器320远侧，外科手术器械306可以具有额外的自由度。对外科手术器械306的这些自由度的致动通常会由机器人操纵器臂组件304的电机来驱动。可替代实施例可以在快速可拆分器械夹持器/器械接口处将外科手术器械306和支撑操纵器臂结构分离开来，以便这里所示的正处于外科手术器械306上的一个或更多个关节被替换到该接口上，反之亦然。换句话说，外科手术器械306与机器人操纵器臂组件304之间的接口可以沿操纵器臂组件304的运动链(其可以包括外科手术器械和操纵器臂组件304)在更近侧或更远侧被设置。在示例性实施例中，外科手术器械306包括枢轴点pp近侧的旋转关节j8，该枢轴点一般被设置在微创孔口部位。外科手术器械306的远侧腕允许末端执行器50绕器械腕关节轴线j9、j10的枢轴运动。末端执行器夹片元件之间的角度α可以独立于末端执行器50的位置和取向被控制。
83.现在参考图11到图13，示例机器人操纵器臂组件502包括操纵器臂组件504和具有末端执行器508的外科手术器械506。本文所用的术语“操纵器组件”在一些情况下也可以包括不含安装于其上的外科手术器械的操纵器臂。所图示说明的机器人操纵器臂组件502一般从近侧基座510向远侧伸展到末端执行器508，其中末端执行器508和外科手术器械506的远侧部分被配置用于经由微创外科手术入口514插入到内部手术部位512内。机器人操纵器臂组件502的关节结构类似于上面关于图10的描述，并且包括充足的自由度以允许操纵器组件针对给定的末端执行器方位处于一系列不同关节状态中的任何状态，即使是当外科手术器械506被约束而不能穿过微创孔口514时。
84.当微创外科手术程序的进入部位要从第一孔口位置514a变换到第二孔口位置514b时，通常期望能够手动重新定位机器人操纵器臂组件502的一些或全部连杆。类似地，当初始装配用于外科手术的机器人操纵器组件502时，操纵器组件502可以被手动地移动到对准孔口位置的期望的方位，通过该孔口位置相关的外科手术器械506可以进入手术部位512。但是，鉴于高度可配置操纵器臂结构的情况，其中高度可配置操纵器臂结构在(例如)基座510和器械/操纵器接口(见图10)之间具有相对大数量的关节，这种对连杆的手动定位是有挑战性的。即使当机器人操纵器组件502结构被平衡以避免重力效应时，试图以适当的布置对准每个关节对个人来说也是困难的，耗时太多，并且可能涉及大量培训和/或技巧。当机器人操纵器组件502的连杆相对于关节不平衡时这些挑战可能更大，这是因为以适当的构型对这种高度可配置结构进行定位以便开始外科手术是一件困难的事情，这归因于操纵器的臂长及其被动和柔软的设计。
85.为了便于装配用于外科手术程序的机器人操纵器组件502(或为了便于重新配置操纵器组件502以进入患者的不同组织)，外科医生控制台40的处理器43(见图2)可以主动驱动操纵器组件502的关节。在一些情况下，这样的驱动可以是响应于操纵器组件502的至少一个关节的手动移动。在图13中，系统操作员(可选地是外科医生、助手、技师或类似人员)的手h手动地移动机器人操纵器臂组件502的连杆或外科手术器械506以对准期望的微创孔口514b。在这一移动过程中，处理器驱动手/操纵器接合的近侧的关节。由于机器人操纵器臂组件502通常会有充足的自由度以便处于一系列可替代的构型，近侧关节可以被驱动到期望的操纵器状态而不抑止对机器人操纵器臂组件502的远侧部分的手动定位。可任
选地，关节可以被驱动以便补偿重力、抑止动量效应或向手动移动提供期望的(且通常容易克服)阻力，以便使手感受到对操纵器结构在其关节处的塑性变形，以便将可配置联动组件保持在期望的姿态，或诸如此类。虽然在图13中这一移动被示出为通过附连于机器人操纵器臂组件504的外科手术器械506来执行，但在将外科手术器械506附连到机器人操纵器臂组件504之前操纵器组件通常被手动定位。
86.参考图14和15，出于任何各种不同的理由，机器人操纵器组件502可以由处理器43(图2)重新配置。例如，关节526可以从向下的顶点构型被驱动到向上的顶点构型，以便抑止与邻近臂、设备或人员发生碰撞；以便增强末端执行器508的运动范围；以便对患者生理移动(诸如患者呼吸或诸如此类)作出响应；以便对诸如通过重新定向外科手术台进行的患者重新定位作出响应；以及诸如此类。机器人操纵器组件502的构型的这些改变的部分但不是全部可以响应于施加到操纵器组件502的外部力，并且处理器43通常驱动操纵器组件502的不同关节，该关节不同于受外部力作用的关节。在其他情况下，处理器43响应于由处理器43所执行的计算来重新配置机器人操纵器组件502。在任何一种情况下，处理器43可以不同于响应于信号驱动机器人操纵器组件502的简单的主/从控制器，从而提供优选的操纵器组件502构型。机器人操纵器组件502的这种配置可以发生在主/从末端执行器移动的过程中、对操纵器组件502的手动或其他重新配置的过程中，和/或至少部分地在不同的时间，诸如松开离合输入端之后。
87.现在参考图16，简化的控制器示意图530示出了主/从控制器532，其将主控输入装置534耦接到从动操纵器536。在该示例中，利用矢量数学符号来描述控制器的输入、输出和计算，其中矢量x通常指的是笛卡尔坐标/直角坐标中的方位矢量，而其中矢量q指的是相关联动装置(最常见的是操纵器从动联动装置)的关节铰接构型矢量，有时也指关节空间中的联动装置方位。当另外存在歧义时可以对这些矢量添加下标以区分特定的结构，因此xm(例如)为相关主控工作空间或坐标系中的主控输入装置的方位，而xs表示在该工作空间中的从动装置的方位。与方位矢量相关的速度矢量通过在该矢量之上加点或在该矢量和下标之间加单词“dot”来表示，诸如xdotm或表示主控速度矢量，其中速度矢量在数学上被定义为方位矢量随时间的变化(例如用dxm/dt表示主控速度矢量)。
88.示例控制器532包含逆雅可比速度控制器。在这里xm是主控输入装置的方位而为主控输入装置的速度，控制器532计算电机命令以传输到操纵器536，从而根据主控速度实现与输入装置相对应的从动末端执行器运动。类似地，控制器532可以根据从动方位xs和/或从动速度计算施加于主控输入装置(并由此施加到操作员的手上)的力反馈(force reflection)信号。对这一简单的主/从逆雅可比控制器示意图进行很多细化是期望的，包括图19所图示说明的和美国专利us 6,424,885(“'885专利”)中所详细描述的那些，其中该专利的全部公开通过引用被并入本文。
89.现在参考图17，处理器542(也被称为“控制器542”)可以被特征化为包括第一控制器模块544和第二控制器模块546。第一模块544可以包含主关节控制器，诸如逆雅可比主从控制器。第一模块544的主关节控制器可以被配置为响应于来自主控输入装置534的输入来生成期望的操纵器组件移动。但是，从上面可以看出，对于空间中给定的末端执行器方位，本文所描述的很多操纵器联动装置具有一系列可替代的构型。因此，用于使末端执行器呈现给定方位的命令会导致各种各样的不同的关节移动和构型，其中一些可能比其他更为人
期望。因此，第二模块546可以被配置为有助于将操纵器组件驱动到期望的构型，在一些实施例中在主/从移动过程中朝向优选的构型驱动操纵器。在很多实施例中，第二模块546会包含构型相关的滤波器。
90.在宽泛的数学方面，第一模块544的主关节控制器和第二模块546的构型相关滤波器两者可以包含处理器542所用的滤波器，以将关节的线性组合的控制权限路由到一个或更多个外科手术目标或任务的服务器。如果我们假定x是关节运动的空间，f(x)可以是滤波器，其对关节进行控制从而：i)提供期望的末端执行器移动，和ii)提供器械轴在孔口部位处的枢轴运动。因此，第一模块544的主关节控制器可以包含滤波器f(x)。在概念上，(1-f-1
f)(x)可以描述与构型相关的子空间滤波器，其向正交的关节速度的线性组合提供控制致动权限，以实现主关节控制器的目标(在本示例中，即末端执行器移动和器械轴的枢轴运动)。因此，这一构型相关滤波器可以被控制器542的第二模块546使用，来实现第二目标，诸如保持操纵器组件的期望的姿态、抑止碰撞或类似目标。这两种滤波器都可以进一步被细分为与实现更特定的任务对应的更多个滤波器。例如，滤波器f(x)可以被分成f1(x)和f2(x)，分别用于末端执行器的控制和轴的枢轴运动的控制，其中任意一个都可以被选择为处理器的主要任务或最高优先级任务。
91.尽管由各模块实现的数学计算可能(至少部分地)相似，但本文描述的机器人处理器和控制技术通常将会利用被配置为完成第一(有时被称为主要)控制器任务的主关节控制器，同时利用构型相关滤波器，该构型相关滤波器利用主关节控制器所产生的欠约束解来完成第二(也被称为次要)任务。在下面大多数描述中，主关节控制器将会关于第一模块来描述，而构型相关滤波器则将会关于第二模块来描述。具有变动优先级的额外功能(诸如额外的子空间滤波器)和/或额外模块也可以被包含在内。
92.如本文别处提及的，用于实现关于这种第一和第二模块所描述的功能的硬件和/或编程代码可以是完全集成的、部分集成的或完全分开。控制器542可以同步使用两个模块的功能，和/或可以具有多个不同模式，在这些模式中，一个或两个模块被单独使用或以不同的方式被使用。例如，在一些实施例中，在主从操纵过程中可以使用第一模块544而受到第二模块546的影响很小或不受到第二模块546的影响，而在系统的装配过程中当末端执行器不被自动驱动时，诸如在端口离合或操纵器组件的其他手动铰接过程中，第二模块546起到更大的作用。虽然如此，在很多实施例中两个模块在机器人运动被使能的大部分或全部时间内都可以是有效的。例如，通过将第一模块的增益设置为零，通过将xs设置为x
s,actual
，和/或通过降低逆雅可比控制器中的矩阵的秩以便其不控制那么多并使构型相关滤波器具有更多控制权限，第一模块对操纵器组件的状态的影响可以被降低或消除，以便将处理器542的模式从组织操纵器模式变换为离合模式。
93.图18图示说明了图17中的简化主从控制示意图的细化，并示出了在不同的处理器模式中如何使用不同的模块。如图18所图示说明的，例如，第一模块544可以包含具有雅可比相关矩阵的雅可比控制器的一些形式。在端口离合模式中，第二模块546可以接收来自从动操纵器536且指示该从动装置的方位或速度的信号，其至少部分地通过从动操纵器联动装置的手动铰接来产生。响应于这一输入，第二模块546可以产生电机命令，该电机命令适合于驱动从动装置的关节以便允许从动联动装置的手动铰接，同时将从动装置配置在期望的关节构型。在主从末端执行器操纵过程中，控制器可以使用第二模块546来帮助基于差分
信号bqdot0导出电机命令。针对控制器542的第二模块546的这一选择性输入信号可以被用于驱动操纵器联动装置以便保持微创孔口的枢轴位置或沿操纵器结构移动微创孔口的枢轴位置，从而避免多个操纵器之间的碰撞，增强操纵器结构的运动范围和/或避免奇点，产生期望的操纵器姿态，或者类似目的。因此，bqdot0可以包含和/或指示(例如)一般在关节空间中的期望的关节速度集，更一般的说其代表次要控制目标。在其他实施例中，处理器可以包括独立的模块和/或用于离合、次要控制器任务及类似功能的构型相关滤波器。
94.现在参考图20，局部控制示意图550图示说明了对图19所示的控制器的修改。控制示意图550大致上表示对图19中控制器的部分551的修改以便于控制具有大量自由度的操纵器组件。在图20所示的实施例中，第一模块544包含逆雅可比速度控制器，其中使用逆雅可比矩阵所做的计算的输出依据虚拟从动路径552进行修改。首先来描述虚拟从动路径，与虚拟从动路径相关的矢量一般用下标v来表示，以便关节空间中的虚拟从动速度qdotv被积分以得到qv，利用逆运动学模块554对qv进行处理以产生虚拟从动关节方位信号xv。虚拟从动方位和主控输入命令xm通过使用正向运动学模块556而被结合和处理。当接近系统的硬性限制时，当违反系统的软性限制时等，使用虚拟从动路径(通常具有简化的动力学特性)有助于平滑控制和力反馈，这可以通过参考’885专利来更充分的理解，该专利在此前作为参考被引入。类似地，响应于来自逆雅可比矩阵的(其由第二模块546所修改或增广)经由适当的关节控制器的输出对电机命令(诸如来自关节控制器的关节扭矩信号或类似信号)进行的计算、输入和输出处理以及类似处理在专利’885有更充分的描述。
95.针对一般由第一控制模块544和第二控制模块546所指示的结构以及控制示意图550和本文所描述的其他控制器的其他元件的结构，这些结构通常包含数据处理硬件、软件和/或固件。这些结构通常会包括可重复编程的软件、数据和类似物，其可以体现为机器可读代码并通过外科医生控制台40(见图2)的处理器43储存于有形介质中以便使用。机器可读代码可以被储存于很多不同的配置中，包括随机存取存储器、非易失性存储器、一次写入存储器、磁记录介质、光记录介质或类似物。体现与此相关的代码和/或数据的信号可以通过多种通信链路进行传送，包括因特网、内联网、以太网、无线通信网络和链路、电信号和导体、光纤和网络以及诸如此类。如图2所示，处理器43可以包含外科医生控制台40的一个或更多个数据处理器，和/或可以包括一个或更多个操纵器的局部化数据处理电路、器械、独立的和/或远程的处理结构或位置，以及诸如此类，而本文描述的模块可以包含(例如)单个共用处理器电路板、多个独立的电路板，或这些模块中的一个或更多个可以分散在多个电路板上，其中的一些也运行另一个模块中的一些或全部计算。类似地，模块的软件代码可以编写为单个集成软件代码，每个模块可以分离为单独的子程序，或者一个模块的部分代码可以与另一个模块的一些或全部代码相结合。因此，数据和处理结构可以包括多种集中式或分布式的数据处理和/或编程体系结构中的任一种。
96.为更详细地描述图20中控制器的输出，控制器通常会寻求求解一个特定的操纵器关节构型矢量q，其用于生成针对这些高度可配置的从动操纵器机构的命令。从上面可以看出，操纵器联动装置通常具有充足的自由度，从而针对给定的末端执行器状态占据一系列关节状态。这些结构可以(但通常不)包含具有真正冗余自由度的联动装置，亦即在这些结构中一个关节的致动可以直接替换为沿运动学链的不同关节的类似致动。虽然如此，有时这些结构被称为具有过量的、额外的或冗余的自由度，其中这些术语(广义上)一般包括运
动学链，其中(例如)中间连杆可以移动而不改变末端执行器的方位(包括位置和取向)。
97.当利用图20的速度控制器来指导高度可配置操纵器的移动时，第一模块的主关节控制器通常寻求确定或求解虚拟关节速度矢量qdotv，它可以被用于以这样的方式驱动从动操纵器536的关节：末端执行器准确地遵循主控命令xm。但是，对于具有冗余自由度的从动机构，逆雅可比矩阵一般并不完全定义关节矢量解。例如，在针对给定的末端执行器状态占据一系列关节状态的系统中从笛卡尔命令xdot到关节运动qdot的映射是一对多的映射。换句话说，因为该机构是冗余的，因此在数学上存在无限多个解，其由存在逆变换的子空间来表示。控制器可以利用列数多于行数的雅可比矩阵通过将多个关节速度映射到相当少的笛卡尔速度中来体现这一关系。我们的解通常会寻求消除从动机构在笛卡尔工作空间内的这种自由度冲突。
98.涉及使用通过软件指令进行配置的处理器来计算机器人操纵器臂组件的软件约束的远程运动中心的额外描述能够在美国专利us8,004,229中找到，其通过引用以其整体并入本文。
99.简而言之，上面的描述(和美国专利us8,004,229中的描述)使得能够通过软件并且因此软件约束的远程运动中心的概念对枢轴点(远程运动中心)进行确定/估计。由于具有计算软件枢轴点的能力，以系统的柔性或刚性为特征的不同模式可以被选择性地实现。更具体地说，在计算出估计枢轴点后，在一定的枢轴点/中心范围(即，从具有被动枢轴点到具有固定的/刚性枢轴点的范围)内的不同的系统模式能够被实现。例如，在固定枢轴点实现方式中，估计枢轴点可以与期望的枢轴点相比较以产生误差输出，该误差输出可以被用于将器械的枢轴驱动到期望的位置。相反，在被动枢轴实现方式中，尽管期望的枢轴位置可能不是最重要的目标，但估计的枢轴点可以被用于误差检测和随后的安全保护，因为估计枢轴点位置的变化可以指示出患者已被移动或传感器出现故障，从而使系统有机会采取矫正动作。
100.移动的器械和微创孔口的组织之间的相互作用可以至少部分地由处理器来确定，处理器可选地允许系统的柔性或刚性在从被动枢轴点到固定枢轴点的范围内变化。在被动/刚性范围的被动端，当器械夹持器腕关节的电机施加很小的扭矩或不施加扭矩时，器械的近端可以在空间中移动，以便器械有效地表现出它好像通过一对被动关节与操纵器或机器人臂耦接。在这种模式下，器械轴与沿微创孔口的组织之间的相互作用导致器械绕枢轴点的枢轴运动。如果手术器械没有被插入到微创孔口中或另外受到约束，它可以在重力的影响下指向下方，而操纵器臂的移动会平移悬挂的器械而不进行绕沿器械轴的某个部位的枢轴运动。对于被动/刚性范围的刚性端，微创孔口的位置可以被输入或计算为空间中的固定点。与被设置在枢轴点近侧的运动学链中的每个关节相关的电机随后可以驱动操纵器，以便在计算的枢轴点处横向抵靠轴的任何横向力都会导致反作用力以保证轴穿过枢轴点。在某些方面，这种系统可以表现为类似于机械上受约束的远程中心联动装置。很多实施例会处于这两个极端之间，从而提供计算出的运动，该运动一般在进入部位处进行枢轴转动，并且当沿微创进入部位的组织移动时在可接受范围内适应或移动运动的枢轴中心，而不对那一组织施加过量的横向力。
101.参考图21和图22，示例器械夹持器620在关节610处以如下构型被可枢转地耦接到机器人操纵器臂组件的最远侧连杆600：该构型能够被用来根据本文中描述的远程外科手
术系统和构思执行远程外科手术。外科手术器械640被可释放地耦接到器械夹持器620。套管660被定位在微创外科手术接口部位10处。在所描绘的实施例中，套管660从器械夹持器620拆卸下来。虽然在所描绘的实施例中，器械夹持器620被可枢转地耦接到机器人操纵器臂组件的最远侧连杆600，但是在一些实施例中，平移耦接或棱柱关节耦接被用来将器械夹持器620耦接到最远侧连杆600。这样的枢转、平移和/或棱柱关节能够被包含在本文中描述的任何实施例中。
102.器械夹持器620包括器械夹持器框架622、和器械夹持器托架624、以及可选的器械轴引导件626。器械夹持器托架624被可移动地耦接到器械夹持器框架622。更具体地，器械夹持器托架624沿着器械夹持器框架622可线性地平移。在一些实施例中，器械夹持器托架624沿着器械夹持器框架622的移动是可由远程外科手术系统的处理器致动/控制的机动化平移移动。可选的器械轴引导件626能够被附加到或可释放地耦接到器械夹持器框架622。
103.外科手术器械640包括传动组件642、细长轴644和末端执行器646。传动组件642可与器械夹持器托架624可释放地耦接。轴644从传动组件642向远侧延伸。轴644与由套管660限定的管腔并且与由可选的器械轴引导件626限定的管腔可滑动地耦接。末端执行器646被设置在轴644的远端处，并且在远程外科手术程序期间被定位在患者的身体内的外科手术工作空间内。
104.细长轴644限定了器械轴线，该具体器械轴线是纵向轴线641。借助于轴644与套管660之间的物理接合，纵向轴线641与套管660的纵向轴线一致。当器械夹持器托架624沿着器械夹持器框架622平移时，外科手术器械640的细长轴644沿着纵向轴线641移动。当器械夹持器托架624沿着器械夹持器框架622平移时，纵向轴线641在空间中保持固定。以此方式(通过沿着器械夹持器框架622平移器械夹持器托架624)，末端执行器646能够沿着在空间中固定的(由纵向轴线641定义的)线被插入到患者的身体内的外科手术工作空间内和/或从患者的身体内的外科手术工作空间收回。
105.此外，在所描绘的实施例中，末端执行器646能够以第二方式沿着在空间中固定的(由纵向轴线641限定的)线被插入到外科手术工作空间内和/或从外科手术工作空间收回。即，使用本文中描述的软件约束的远程运动中心技术，机器人操纵器臂组件的最远侧连杆600的移动结合可枢转关节610的移动能够导致外科手术器械640沿着纵向轴线641移动，同时纵向轴线641在空间中保持固定。
106.在一些实施例中，套管660是弧形的(相比于所示出的线性套管660)并且外科手术器械640的细长轴644是柔性的，使得细长轴644能够符合套管660的弧形。在这样的情况下，从弧形套管660近侧的传动组件642线性延伸的细长轴644的末端部分限定了纵向轴线641。应当理解，本文中描述的任何实施例能够可替代地包括弧形套管。
107.在一些实施例中，外科手术器械640的细长轴644是弧形的(相比于所示出的线性细长轴644)。在这样的情况下，纵向轴线641是与弧形细长轴644一致的弧线。应当理解，本文中描述的任何实施例能够可替代地包括具有弧形细长轴的外科手术器械。
108.图21示出了被插入在第一深度d1处的末端执行器646。图22示出了被插入在第二深度d2处的末端执行器646。第二深度d2大于第一深度d1。在两种构型中，纵向轴线641沿着空间中的相同线被定位。
109.从图21的布置变换到图22的布置能够涉及两种类型的移动。首先，器械夹持器托
架624沿着器械夹持器框架622被平移，导致外科手术器械640更深地到患者内的第一移动。其次，机器人操纵器臂组件的最远侧连杆600的移动结合可枢转关节610的移动导致外科手术器械640仍然更深地到患者内的第二移动。第二深度d2与第一深度d1之间的差由第一和第二移动的和构成。两种类型的移动能够被进行，同时保持纵向轴线641沿着空间中的线被固定(始终一致)。
110.虽然之前的描述涉及都导致将外科手术器械640更深地移动到患者内的两种移动，但是应当理解，相同的原理可适用于从患者收回外科手术器械640。此外，前面提到的第一和第二移动的任意组合能够被执行。例如，器械夹持器托架624沿着器械夹持器框架622的第一移动能够被进行以从患者收回外科手术器械640，并且机器人操纵器臂的最远侧连杆600和可枢转关节610的第二移动能够被进行以将外科手术器械640插入到患者内。这样的移动能够被同时地(同步地)或顺序地(非同步地)进行。
111.参考图23，呈现了用于沿着在空间中固定的线移动外科手术器械的两步方法700的流程图。方法700使用在上面参考图21和22描述的构思。
112.在操作710中，机器人操纵器臂被移动，以引起被耦接到机器人操纵器臂的细长外科手术器械沿着空间中的由外科手术器械的纵向轴线限定的固定线移动。这样的移动能够例如通过图21和图22之间的比较来进行图示说明。在图22中，机器人操纵器臂组件的最远侧连杆600比在图21中更靠近患者。如上面描述的，当最远侧连杆600被移动得更靠近患者时，外科手术器械640沿着纵向轴线641被对应地移动，纵向轴线641始终沿着在空间中固定的线被保持。换言之，使用本文中描述的软件约束的远程运动中心技术，机器人操纵器臂组件的最远侧连杆600的移动能够导致沿着纵向轴线641移动外科手术器械640，同时纵向轴线641在空间中保持固定。最远侧连杆600的移动可以配合可枢转关节610的移动来进行。可替代地，在一些情况下，当机器人操纵器臂被移动以引起细长外科手术器械更深地延伸到外科手术空间内，器械可以正在经历关于远程中心的俯仰和偏航运动，同时器械深度也正在被控制。三维末端执行器轨迹可以由器械的俯仰、偏航和插入构成。在这样的情况下，外科手术器械的纵向轴线不一定在空间中固定。
113.在操作720中，外科手术器械沿着(如依照操作710由纵向轴线641定义的)空间中的固定线独立于机器人操纵器臂移动被移动。例如，再次参考图21和图22之间的比较，器械夹持器托架624能够沿着器械夹持器框架622被平移，导致外科手术器械640沿着纵向轴线641的移动，同时纵向轴线641在空间中保持固定。这样的移动能够独立于机器人操纵器臂组件的最远侧连杆600的移动来进行。
114.在一些情况下，操作720可以包括周期性地将器械夹持器托架624再定中心(re-center)在器械夹持器框架622上。通过将器械夹持器托架624再定中心在器械夹持器框架622上，使器械夹持器托架624相对于器械夹持器框架622的整个行程的大约一半可用于沿任一方向的移动(插入和收回)。当(一个或多个)再定中心运动正在发生时，在一些情况下末端执行器646的方位能够基本上被保持不动。
115.在一些情况下，限制能够关于机器人操纵器臂和/或器械夹持器托架的移动(关于操作710和720)来建立。在一个这样的示例中，参考图21和图22的实施例，在一些情况下，器械夹持器框架622的插入被限制，使得器械夹持器框架622不会与套管660碰撞。在另一示例中，在一些情况下，器械夹持器托架624和器械夹持器框架622的组合收回被限制，使得器械
末端执行器646不被拉出套管660。在另一示例中，在一些情况下，允许器械夹持器框架622从套管660收回的距离受到限制，并且沿着纵向轴线641的任何进一步收回通过器械夹持器托架624的移动来进行。
116.应当理解，操作710和720能够以任一顺序被执行而不脱离方法700的范围。此外，操作710和720能够被同时地(同步地)或顺序地(非同步地)执行而不脱离方法700的范围。
117.方法700的使用能够提供关于远程外科手术系统的设计和操作的优点。例如，因为器械夹持器托架624沿着器械夹持器框架622的移动涉及相对低的惯性，操作720能够特别适合于致动外科手术器械640的短的快速的移动，而更长的更缓慢的移动能够通过如在操作710中那样移动机器人操纵器臂来执行。具有根据方法700的可用的移动的这种组合，能够使机器人操纵器臂和/或器械夹持器620更小且更轻。因此，降低了系统的机器人操纵器臂组件之间的干扰的可能性。此外，用于致动系统的机器人操纵器臂组件的更小功率的电机和更轻重量的连杆的使用可以通过方法700的使用而变得可行。
118.在一些实施例中，通过限定频率截止，缓慢的移动(即，被指定由机器人操纵器臂执行的那些移动)能够与快速的移动(即，被指定由器械夹持器托架执行的那些移动)区别开来。例如，在一些实施例中，控制器对器械的期望运动使用低通滤波操作，并且使用该滤波器的输出来驱动机器人操纵器臂的运动。其余高频运动分量被控制器用来驱动器械夹持器托架的运动。相反，在一些实施例中，控制系统通过使用高通滤波器来对器械的期望运动进行滤波，并且使用该滤波器的输出来驱动器械夹持器托架的运动，而使用该信号的其余部分来驱动机器人操纵器臂的运动。参考图24，示例器械夹持器820在关节810处以如下构型被可枢转地耦接到机器人操纵器臂组件的最远侧连杆800：该构型能够被用来根据本文中描述的远程外科手术系统和构思执行远程外科手术。外科手术器械840被可释放地耦接到器械夹持器820。套管860被定位在微创外科手术接口部位10处。
119.所描绘的布置大致类似于图21和图22的布置，除了在所描绘的布置中套管860经由线性可调节组件826被耦接到器械夹持器820(而在图21和图22中套管660从器械夹持器620上拆卸下来)。线性可调节组件826从器械夹持器820延伸。套管夹具827能够被定位在线性可调节组件826的自由端处。套管夹具827能够被用来经由线性可调节组件826将套管860可释放地耦接到器械夹持器820。这样的布置能够支撑被施加于器械轴844的横向负荷，并且可以帮助防止套管860相对于外科手术接口部位10移位。
120.在一些实施例中，线性可调节组件826是主动的。即，在一些实施例中，线性可调节组件826由致动器(例如，电机)来驱动，使得线性可调节组件826通过动力致动来延伸和收回。这样的动力致动能够由外科医生控制台的处理器(例如，按照图2)来致动/控制。在一些实施例中，线性可调节组件826是被动的。即，在一些实施例中，线性可调节组件826不通过致动器来驱动。替代地，线性可调节组件826可以响应于由于与相邻物体接触、重力等原因被外部力作用而延伸和收回。在一些被动和/或主动的实施例中，线性可调节组件826被制动以便能够在必要时保持其方位。
121.应当意识到，在图24中描绘的布置能够根据图23的方法700来操作。即，使用本文中描述的软件约束的远程运动中心技术，机器人操纵器臂组件的最远侧连杆800能够被移动，以导致沿着纵向轴线841移动外科手术器械840，同时纵向轴线841在空间中保持固定。此外，器械夹持器托架824能够沿着器械夹持器框架822被平移，导致外科手术器械840沿着
纵向轴线841的移动，同时纵向轴线841在空间中保持固定。这样的移动能够独立于机器人操纵器臂组件的最远侧连杆800的移动来进行。
122.参考图25，示例器械夹持器920在关节910处以如下构型被可枢转地耦接到机器人操纵器臂组件的最远侧连杆900：该构型能够被用来根据本文中描述的远程外科手术系统和构思执行远程外科手术。外科手术器械940被可释放地耦接到器械夹持器920。套管960被定位在微创外科手术接口部位10处。
123.所描绘的布置包括线性致动器机构926，所述线性致动器机构926便于关节910沿着器械夹持器框架922的平移。因此，器械夹持器920能够相对于最远侧连杆900枢转和平移。在一些实施例中，线性致动器机构926能够是诸如但不限于导螺杆组件、齿条和小齿轮布置、伸缩组件和诸如此类的机构。
124.应当意识到，在图25中描绘的布置能够根据图23的方法700来操作。即，使用本文中描述的软件约束的远程运动中心技术，机器人操纵器臂组件的最远侧连杆900能够被移动，以导致沿着纵向轴线941移动外科手术器械940，同时纵向轴线941在空间中保持固定。此外，器械夹持器托架924能够沿着器械夹持器框架922被平移，导致外科手术器械940沿着纵向轴线941的移动，同时纵向轴线941在空间中保持固定。这样的移动能够独立于机器人操纵器臂组件的最远侧连杆900的移动来进行。
125.参考图26，示例器械夹持器1020在关节1010处以如下构型被可枢转地耦接到机器人操纵器臂组件的最远侧连杆1000：该构型能够被用来根据本文中描述的远程外科手术系统和构思执行远程外科手术。外科手术器械1040被可释放地耦接到器械夹持器1020。套管1060被定位在微创外科手术接口部位10处。
126.器械夹持器1020包括线性可调节上部部分1022和线性可调节下部部分1026。线性可调节上部部分1022和线性可调节下部部分1026被耦接到中间部分1021，所述中间部分1021在关节1010处与最远侧连杆1000可枢转地耦接。线性可调节部分1022和1026能够相对于中间部分1021被延伸和/或收回。在一些实施例中，线性可调节部分1022和1026是伸缩组件。在一些实施例中，线性可调节部分1022和1026中的任一者或两者是主动的(动力致动的)。在一些实施例中，线性可调节部分1022和1026中的任一者或两者是被动的(非动力致动的)。
127.器械夹持器托架1024与线性可调节上部部分1022耦接。因此，器械夹持器托架1024能够独立于最远侧连杆1000被平移(平行于轴线1041)。套管1060可经由套管夹具1027可释放地耦接到线性可调节下部部分1026。因此，当最远侧连杆1000移动时，套管1060能够相对于微创外科手术接口部位10被维持在大致不动的方位(通过线性可调节下部部分1026的补偿移动)。
128.应当意识到，在图26中描绘的布置能够根据图23的方法700来操作。即，使用本文中描述的软件约束的远程运动中心技术，机器人操纵器臂组件的最远侧连杆1000能够被移动，以导致沿着纵向轴线1041移动外科手术器械1040，同时纵向轴线1041在空间中保持固定。此外，器械夹持器托架1024能够沿着器械夹持器1020(相对于中间部分1021)被平移，导致外科手术器械1040沿着纵向轴线1041的移动，同时纵向轴线1041在空间中保持固定。这样的移动能够独立于机器人操纵器臂组件的最远侧连杆1000的移动来进行。
129.参考图27，示例器械夹持器1120在关节1110处以如下构型被可枢转地耦接到机器
人操纵器臂组件的最远侧连杆1100：该构型能够被用来根据本文中描述的远程外科手术系统和构思执行远程外科手术。外科手术器械1140被可释放地耦接到器械夹持器1120。套管1160被定位在微创外科手术接口部位10处。
130.所描绘的布置大致类似于图21和图22的布置，除了在所描绘的布置中内套管1162与器械夹持器1120耦接，并且内套管1162延伸通过定位在微创外科手术接口部位10处的套管1160。内套管1162与由套管1160限定的管腔可滑动地耦接。外科手术器械1140的细长器械轴1144与由内套管1162限定的管腔可滑动地耦接。这样的布置能够支撑被施加于器械轴1144的横向负荷，并且可以有助于防止套管1160相对于外科手术接口部位10移位。内套管1162长于套管1160。
131.应当意识到，在图27中描绘的布置能够根据图23的方法700来操作。即，使用本文中描述的软件约束的远程运动中心技术，机器人操纵器臂组件的最远侧连杆1100能够被移动，以导致沿着纵向轴线1141移动外科手术器械1140，同时纵向轴线1141在空间中保持固定。此外，器械夹持器托架1124能够沿着器械夹持器框架1122被平移，导致外科手术器械1140沿着纵向轴线1141的移动，同时纵向轴线1141在空间中保持固定。这样的移动能够独立于机器人操纵器臂组件的最远侧连杆1100的移动来进行。
132.参考图28，示例器械夹持器1220以如下构型被耦接到机器人操纵器臂组件的最远侧连杆1200：该构型能够被用来根据本文中描述的远程外科手术系统和构思执行远程外科手术。外科手术器械1240被可释放地耦接到器械夹持器1220。套管1260被定位在微创外科手术接口部位10处。
133.器械夹持器1220包括器械夹持器框架1222、器械夹持器托架1224和套管夹具1227。器械夹持器托架1224被可移动地耦接到器械夹持器框架1222。更具体地，器械夹持器托架1224可沿着器械夹持器框架1222线性地平移。在一些实施例中，器械夹持器托架1224沿着器械夹持器框架1222的移动是由远程外科手术系统的处理器可致动/可控制的机动化平移移动。套管夹具1227能够被附加到器械夹持器框架1222。套管夹具1227能够使器械夹持器框架1222适合于与套管1260可释放地耦接。
134.器械夹持器1220的近端部分被耦接到最远侧连杆1200。器械夹持器1220包括器械夹持器框架1223的可铰接部分。器械夹持器框架1223的可铰接部分能够相对于最远侧连杆1200被操纵。在一些实施例中，器械夹持器框架1223的可铰接部分能够通过远程外科手术系统的处理器可致动/可控制的机动化移动来操纵。通过相对于最远侧连杆1200操纵器械夹持器框架1223，套管1260的取向能够被调节。通过调节套管1260的取向，外科手术器械1240的远侧部分能够被物理地控制。
135.外科手术器械1240包括传动组件1242、柔性细长轴1244和末端执行器1246。传动组件1242可与器械夹持器托架1224可释放地耦接。柔性细长轴1244从传动组件1242向远侧延伸。柔性细长轴1244与由套管1260限定的管腔可滑动地耦接。在一些实施例中，引导构件1248被包括以便于柔性细长轴1244在传动组件1242与套管1260之间的横向挠曲。末端执行器1246被设置在柔性细长轴1244的远端处，并且在远程外科手术程序期间被定位在患者的身体内的外科手术工作空间内。
136.套管1260和从套管1260向远侧延伸的柔性细长轴1244的部分限定了纵向轴线1241。当器械夹持器托架1224沿着器械夹持器框架1222平移时，从套管1260向远侧延伸的
柔性细长轴1244的部分沿着纵向轴线1241移动。当器械夹持器托架1224沿着器械夹持器框架1222平移时，纵向轴线1241在空间中保持固定。以此方式(通过沿着器械夹持器框架1222平移器械夹持器托架1224)，末端执行器1246能够沿着在空间中固定的(由纵向轴线1241限定的)线被插入到患者的身体内的外科手术工作空间内和/或从患者的身体内的外科手术工作空间收回。
137.此外，在所描绘的实施例中，末端执行器1246能够以第二方式沿着在空间中固定的(由纵向轴线1241限定的)线被插入到外科手术工作空间内和/或从外科手术工作空间收回。即，使用本文中描述的软件约束的远程运动中心技术，机器人操纵器臂组件的最远侧连杆1200的移动结合器械夹持器框架1223的可铰接部分的移动能够导致外科手术器械1240沿着纵向轴线1241移动，同时纵向轴线1241在空间中保持固定。
138.应当意识到，在图28中描绘的布置能够根据图23的方法700来操作。即，使用本文中描述的软件约束的远程运动中心技术，机器人操纵器臂组件的最远侧连杆1200能够被移动，以导致沿着纵向轴线1241移动外科手术器械1240，同时纵向轴线1241在空间中保持固定。此外，器械夹持器托架1224能够沿着器械夹持器框架1222被平移，导致外科手术器械1240沿着纵向轴线1241的移动，同时纵向轴线1241在空间中保持固定。这样的移动能够独立于机器人操纵器臂组件的最远侧连杆1200的移动来进行。
139.虽然本说明书含有许多具体实现细节，但是这些不应当被解释为对任何发明的范围或可以要求保护的内容的范围的限制，而是应当被解释为是对可以专用于特定发明的特定实施例的特征的描述。本说明书中在分开的实施例的背景下所描述的某些特征也可以组合地实现在单个实施例中。与此相反，在单个实施例的背景下描述的各种特征也可以分开地或以任何适合的子组合形式实现在多个实施例中。此外，尽管特征在此可以被描述为在某些组合中起作用并且甚至最初也是如此要求保护的，但是在一些情况下，可以从组合中删去来自所要求保护的组合的一个或更多个特征，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。
140.类似地，虽然附图中按特定顺序描绘了操作，但这不应当被理解为要求此类操作按所示的特定顺序或按先后顺序来执行或要求所有所示操作被执行以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。此外，本文描述的实施例中的各种系统模块和部件的分离不应被理解为在所有的实施例中都需要这样的分离，而是应当将其理解为，所描述的程序部件和系统通常可以被一起集成到一个单独的产品中或打包到多个产品中。
141.已经描述了本主题的具体实施例。其他的实施例落入随附的权利要求书的范围内。例如，权利要求书中所列举的动作可以按不同的顺序执行并且仍实现期望的结果。作为示例，附图中所描绘的过程不一定要求所示特定的顺序或先后顺序来实现期望的结果。在某些实现方式中，多任务和并行处理可以是有利的。