本申请要求于2016年6月9日提交的美国临时专利申请no.62/347,961的权益。在先申请的公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并且通过引用并入本申请的公开内容中。
本公开涉及用于微创计算机辅助远程手术的系统和方法。例如，本公开涉及用于在各种手术环境中控制机器人操纵器、插管和手术器械的运动的方法。
背景技术
机器人系统和计算机辅助装置通常包括机器人或可移动臂以操纵器械，用于在工作部位处和在用于支撑捕获工作部位的图像的图像捕获装置的至少一个机器人或可移动臂处执行任务。机器人臂包含通过一个或多个主动控制的关节联接在一起的多个连杆。在许多实施例中，可以提供多个主动控制的关节。机器人臂还可以包括一个或多个被动关节，这些被动关节不是主动控制的，但依从主动控制的关节的运动。这种主动关节和被动关节可以是转动关节(revolutejoints)或棱柱型关节(prismaticjoints)。然后可以通过关节的方位以及结构的知识和连杆的联接来确定机器人臂的配置。
正在开发用于外科手术的微创远程手术系统，以增加外科医生的灵活性并允许外科医生从远程位置给患者动手术。远程手术是外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构等)来操纵手术器械移动而不是用手直接握持和移动器械的手术系统的总称。在这种远程手术系统中，在远程位置处向外科医生提供手术部位的图像。通常在合适的浏览器或显示器上查看手术部位的三维图像时，外科医生通过操纵主控制输入装置对患者进行外科手术，主控制输入装置进而控制机器人器械的运动。机器人手术器械能穿过小的微创手术孔被插入以治疗患者体内手术部位处的组织，通常是与进入开腹手术相关的创伤。这些机器人系统能够以足够的灵活性移动手术器械的工作末端或末端执行器，以通常通过在微创孔处枢转器械的轴、使所述轴轴向滑动穿过所述孔、在所述孔内旋转所述轴以及/或者诸如此类来执行相当复杂的手术任务。
技术实现要素：
本公开提供了用于计算机辅助医疗操作和非医疗操作的系统和方法。例如，本公开提供了用于辅助微创计算机辅助远程操作手术(在本文中也称为“机器人手术”和“计算机辅助手术”)的系统和方法。例如，本公开提供了用于在各种手术情形下控制机器人操纵器、插管和手术器械的运动的方法。
在微创计算机辅助远程操作手术的情况下，机器人操纵器组件的运动可以由系统的处理器控制，使得手术器械的轴或中间部分被约束成安全运动穿过微创手术进入部位或其他孔。这种运动可以包括，例如，轴穿过孔部位的轴向插入、轴围绕其轴线的旋转以及轴围绕邻近进入部位的枢轴点的枢转运动，但是通常会阻止轴的过度横向运动，否则可能会撕裂孔附近的组织或无意中扩大进入部位。可以使用机器人数据处理和控制技术部分地或全部地施加对进入部位处的机器人操纵器组件运动的这种约束的一些或全部。用于通过计算机辅助手术系统的处理器约束机器人操纵器组件运动的这些概念在本文中可称为由软件约束的远程运动中心。
在一些情况下，使用由软件约束的远程运动中心概念来控制机器人操纵器组件的方法能够包括使用计算机辅助手术系统的处理器在手术进入部位处的位置处(除了在插管上)定位远程运动中心。在一个这样的示例中，本公开提供了使用由软件约束的远程运动中心概念将远程运动中心定位在手术器械的轴上的固定方位处的方法。附加地或替代地，远程运动中心的方位可以与手术进入部位或孔重合或可以不与手术进入部位或孔重合。在另一个这样的示例中，本公开提供了使用由软件约束的远程运动中心概念将远程运动中心定位在患者体内的组织层处的方法。在诸如这些的情况下，这些方法可以允许插管在手术进入部位或孔处的至少一些横向运动。
在一个方面，本公开描述了一种计算机辅助手术系统。该计算机辅助手术系统包括被配置为联接到插管的操纵器组件，以及与操纵器组件电通信的处理器。插管限定内腔(lumen)，该内腔被配置为可滑动地接收手术器械的轴。处理器被配置为将操纵器组件的远程运动中心相对于插管定位在第一位置处，并且响应于将远程运动中心相对于插管重新定位的指示，将远程运动中心相对于插管重新定位到第二位置。第二位置与第一位置不同。
这种计算机辅助手术系统可以可选地包括以下特征中的一个或多个。在一些实施例中，第一位置沿着插管，而第二位置不沿着插管。在一些实施例中，第一位置和第二位置距由插管限定的纵向轴线的距离不同。处理器可以被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置保持或约束在距纵向轴线的最大距离内。处理器还可以被配置为基于第二位置限制插管的运动。处理器还可以被配置为接收命令以根据命令的器械运动来移动器械，并且命令器械以修改的器械运动来移动。修改的器械运动可以基于命令的器械运动和第二位置。在一些实施例中，处理器被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置保持或约束为沿着插管。第一位置可以与由插管的内腔限定的轴线重合，并且处理器可以被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置保持或约束为与该轴线重合。处理器可以被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置保持或约束为沿着器械的轴。
进一步地，这种计算机辅助手术系统可以可选地包括以下附加特征中的一个或多个。处理器还可以被配置为输出一个或多个信号，以使操纵器组件使插管和器械相对于彼此移动，使得第一位置和第二位置相对于器械位于相同位置。处理器可以被配置为通过以下方式输出一个或多个信号，以使操纵器组件使插管和器械相对于彼此移动：通过处理器输出一个或多个信号，以使操纵器组件在保持插管静止的同时移动器械。处理器可以被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时限制远程运动中心的运动速度。处理器可以被配置为确定与插管相关联的力，并且响应于与插管相关联的力超过力极限，不允许重新定位远程运动中心。手术系统还可以包括视觉指示器，并且处理器可以被配置为使用视觉指示器提供远程运动中心的视觉指示。插管可选择性地与患者的组织层联接，使得内腔与手术工作空间连通。处理器可以被配置为使插管相对于患者解剖结构移动，使得手术工作空间被修改。在一些情况下，组织层可以是内组织层。在一些情况下，患者的体壁可包含组织层。
更进一步地，这种计算机辅助手术系统可以可选地单独包括以下附加特征中的一个或多个，或者与前面描述的任何特征组合。处理器可以被配置为通过以下方式使插管相对于患者解剖结构移动，使得手术工作空间被修改：移动插管使得手术工作空间的尺寸被改变(尺寸减小或扩大)，或移动插管使得手术工作空间的形状被改变，或移动插管使得手术工作空间的尺寸(尺寸减小或增大)和形状被改变。处理器可以被配置为通过以下方式使插管相对于患者解剖结构移动，使得手术工作空间被修改：(i)检测插管与操纵器组件的联接(其中插管被配置为与患者的组织层联接)，以及(ii)移动操纵器组件，使得插管使组织层隆起(tent)并扩大手术工作空间。插管可包含可充气构件，该可充气构件被配置为选择性地将插管与患者的组织层联接。操纵器组件可包含用于隆起组织的钩或抽吸装置。手术系统的处理器可以被配置为生成将远程运动中心相对于插管重新定位的指示，或者(从处理器外部)接收将远程运动中心相对于插管重新定位的指示，或者在一些情况下生成该指示并在另一些情况下接收该指示。手术系统可以包括输入设备，用于用户发起将远程运动中心相对于插管重新定位的指示。手术系统可包含被配置为向处理器提供指示的第二处理器。手术系统可以包括包含手持输入装置的操作员控制台，其中操作员控制台响应于来自手持输入装置的信号提供将远程运动中心重新定位的指示。手术系统可包括与处理器电通信的第一手持输入装置和第二手持输入装置，其中将远程运动中心重新定位的指示包含指示第一手持输入装置远离第二手持输入装置的相对运动的信号。手术系统可包括联接到操纵器组件的开关。开关的激活可以向处理器发送将远程运动中心相对于插管重新定位的指示。手术系统可包括联接到操纵器组件的开关。在操纵器组件的手动移动前激活联接到操纵器组件的开关可以向处理器发送将远程运动中心相对于插管重新定位的指示。处理器可以被配置为执行以下项中的一个或多个：(a)检测插管与操纵器组件的联接(其中插管可以被配置为与患者的组织层联接)；(b)检测第二插管与手术系统的第二操纵器组件的第二联接(其中第二插管可以被配置为与患者的组织层联接)；以及(c)同时移动操纵器组件和第二操纵器组件，使得插管和第二插管使组织层变形并修改手术工作空间。手术系统可以通过移动操纵器组件和第二操纵器组件使组织层变形并修改手术工作空间，使得插管和第二插管使组织层隆起并扩大手术工作空间。
在另一方面，本公开描述了一种计算机辅助机器人方法。该计算机辅助机器人方法包括通过计算机辅助机器人系统的处理器确定机器人系统的远程运动中心的第一位置。机器人系统包括操纵器组件和可与操纵器组件联接的插管。插管限定内腔，该内腔被配置为可滑动地接收器械的轴。计算机辅助机器人方法还包括通过处理器接收将远程运动中心相对于插管重新定位的指示，并且通过处理器并响应于接收到该指示将远程运动中心相对于插管重新定位到第二位置。
这种计算机辅助机器人方法可以可选地包括以下特征中的一个或多个。在一些情况下，第一位置沿着插管，而第二位置不沿着插管。第一位置和第二位置可以距由插管限定的纵向轴线的距离不同。将远程运动中心重新定位到第二位置可以包括将第二位置保持或约束在距纵向轴线的最大距离内。该方法还可以包括基于第二位置限制插管的运动。该方法还可以包括接收命令以用命令的器械运动来移动器械，并命令器械以修改的器械运动移动。修改的器械运动可以基于命令的器械运动和第二位置。将远程运动中心重新定位到第二位置可以包括将第二位置保持或约束为沿着插管。第一位置可以与由内腔限定的轴线重合。将远程运动中心重新定位到第二位置可以包括将第二位置保持或约束为与由内腔限定的轴线重合。将远程运动中心重新定位到第二位置可以包括将第二位置保持或约束为沿着器械的轴。
进一步地，这种计算机辅助机器人方法可以可选地单独包括以下附加特征中的一个或多个，或者与前面描述的任何特征组合。机器人系统还可以包括器械。该方法还可以包括通过处理器输出一个或多个信号，以使操纵器组件使插管和器械相对于彼此移动，使得第一位置和第二位置相对于器械位于相同位置。通过处理器输出一个或多个信号，以使操纵器组件使插管和器械相对于彼此移动可包括通过处理器输出一个或多个信号，以使操纵器组件在保持插管静止的同时移动器械。将远程运动中心重新定位到第二位置可以包括限制远程运动中心的运动速度。该方法还可以包括确定与插管相关联的力，并且响应于与插管相关联的力超过力极限而不允许远程运动中心的运动。该方法还可以包括提供远程运动中心的视觉指示。
在另一方面，本公开描述了一种包含多个机器可读指令的非暂时性机器可读介质，所述多个机器可读指令在由与计算机辅助手术系统相关联的一个或多个处理器执行时适于使所述一个或多个处理器执行一种方法。该方法包括：(i)检测插管与计算机辅助手术系统的操纵器组件的可释放联接(该插管限定内腔并被配置为与患者的组织层联接)；(ii)检测手术器械到操纵器组件的安装(手术器械的轴限定纵向轴线并被配置为延伸穿过插管的内腔，使得轴的远端部分位于患者体内的手术工作空间中)；(iii)使操纵器组件移动，使得插管沿纵向轴线移动并修改手术工作空间。
通过执行多个机器可读指令使得与计算机辅助手术系统相关联的一个或多个处理器执行的这种方法可以可选地包括以下附加特征中的一个或多个。使操纵器组件移动使得插管沿着纵向轴线移动并修改手术工作空间的步骤可以包括使操纵器组件移动，使得插管使组织层隆起并扩大工作空间。使操纵器组件移动使得插管沿着纵向轴线移动并修改手术工作空间的步骤可以包括从联接到操纵器组件的开关接收致动信号，以及移动操纵器组件。使操纵器组件移动使得插管沿着纵向轴线移动并修改手术工作空间的步骤可以包括从远离第二手持输入装置的第一手持输入装置接收输入，以及移动操纵器组件。该方法还可以包括保持或约束手术器械大体静止，同时使操纵器组件移动，使得插管沿着纵向轴线移动并修改手术工作空间。该方法还可以包括检测第二插管与计算机辅助手术系统的第二操纵器组件的可释放联接。第二插管可被配置为与患者的组织层联接。使操纵器组件移动使得插管沿着纵向轴线移动并修改手术工作空间的步骤包括同时移动操纵器组件和第二操纵器组件，使得插管和第二插管使组织层隆起。同时移动操纵器组件和第二操纵器组件的步骤可包括基于共享的远程运动中心限制操纵器组件和第二操纵器组件的同时移动。
在另一方面，本发明描述了一种计算机辅助远程操作手术方法，包括：(a)将插管可释放地联接到患者的体壁，其中所述插管限定内腔并可联接到机器人操纵器臂组件；(b)将手术器械的轴安装在插管的内腔内，使得轴的远端部分位于患者体内的手术工作空间中，其中轴限定纵向轴线；以及(c)移动机器人操纵器臂组件以使插管沿着空间中的与纵向轴线重合的固定线移动，并且其中移动插管使体壁隆起，使得手术工作空间的尺寸被改变(尺寸减小或扩大)。
这种计算机辅助远程操作手术方法可以可选地包括以下特征中的一个或多个。当机器人操纵器臂组件移动以使插管移动时，可以独立于插管运动来控制手术器械的方位。移动机器人操纵器臂可包括致动联接到机器人操纵器臂的开关。所述移动机器人操纵器臂可以包括将操作员控制台(例如外科医生控制台)的第一主输入装置远离操作员控制台的第二主输入装置移动。可使用附接到插管的可充气构件将插管与体壁可释放地联接。当可充气构件处于充气配置时，插管与体壁可联接，并且其中当可充气构件处于泄气配置时，插管可以与体壁分离。
在另一方面，本公开描述了一种计算机辅助远程操作手术方法，包括：(i)使用机器人操纵器臂组件将细长的手术器械插入患者体内的手术工作空间中，其中所述手术器械包括轴和在所述轴的远端处的末端执行器，其中所述机器人操纵器臂组件的远程运动中心位于与所述轴或离轴线(off-axis)重合的第一位置；以及(ii)在插入之后，将所述手术器械向远侧更远地移动到所述手术工作空间中，其中所述远程运动中心在所述移动期间保持位于所述第一位置。
这种计算机辅助远程操作手术方法可以可选地包括以下特征中的一个或多个。移动手术器械可以包括线性地移动远程运动中心。移动手术器械可以包括沿着弯曲路径移动远程运动中心。手术工作空间可以是细长通道或可以由敏感结构界定。
在另一方面，本公开描述了一种计算机辅助远程操作手术方法，包括：(1)将插管插入穿过患者的体壁并穿过患者的内组织层，其中内组织层在患者体内比体壁更远，其中插管限定内腔并且可联接到机器人操纵器臂组件；(2)将插管与内组织层可释放地联接；(3)将手术器械的轴安装在插管的内腔内，使得轴的远端部分延伸超过插管的远侧尖端并进入患者体内的手术工作空间中，其中轴限定纵向轴线；以及(4)移动机器人操纵器臂以使插管沿着空间中的与纵向轴线重合的固定线移动，并且其中移动插管使得内组织层隆起，使得手术工作空间的尺寸被改变(尺寸减小或扩大)或手术工作空间被操纵(形状、位置等改变)以辅助完成任务。
这种计算机辅助远程操作手术方法可以可选地包括以下特征中的一个或多个。当机器人操纵器臂组件移动以使插管移动时，手术器械的方位可以被维持大体静止。移动机器人操纵器臂可包括致动联接到机器人操纵器臂的开关。移动机器人操纵器臂可以包括移动操作员控制台(例如外科医生控制台)的第一主输入装置远离操作员控制台的第二主输入装置。可使用附接到插管的可充气构件将插管与内组织层可释放地联接。当可充气构件处于充气配置时，插管与内组织层可联接，并且其中当可充气构件处于泄气配置时，插管可以与内组织层分离。
在另一方面，本发明描述了一种计算机辅助远程操作手术方法，包括：(i)将端口装置(portdevice)与患者的体壁联接，其中端口装置限定第一内腔和第二内腔；(ii)将第一插管与第一内腔可滑动地接合，使得第一插管的远端部分定位在患者的手术工作空间内；(iii)将第一插管联接到第一机器人操纵器臂组件；(iv)将第二插管与第二内腔可滑动地接合，使得第二插管的远端部分定位在手术工作空间内；(v)将第二插管联接到第二机器人操纵器臂组件；(vi)将第一手术器械的轴安装在第一插管的内腔中，使得第一手术器械的远端部分定位在手术工作空间内；(vii)将第二手术器械的轴安装在第二插管的内腔中，使得第二手术器械的远端部分定位在手术工作空间内；以及(viii)同时移动第一机器人操纵器臂组件和第二机器人操纵器臂组件，从而移动端口装置以修改手术工作空间。
这种计算机辅助远程操作手术方法可以可选地包括以下特征中的一个或多个。第一机器人操纵器臂组件和第二机器人操纵器臂组件的同时移动可以使体壁变得隆起。第一机器人操纵器臂组件和第二机器人操纵器臂组件的同时移动可以在远程外科医生控制台处启动，该远程外科医生控制台能够被用于控制第一机器人操纵器臂组件和第二机器人操纵器臂组件的移动。第一机器人操纵器臂组件和第二机器人操纵器臂组件的同时移动可以受限于共享的远程运动中心的最大可允许移动距离。
本文所述的一些或所有实施例可以提供以下优点中的一个或多个。首先，本文提供的一些计算机辅助远程操作手术方法有助于体壁的隆起，通过该体壁做出手术进入切口。这些方法提供了各种优点，例如在手术工作空间中更好的可视性。使用本文提供的隆起方法也促进了工作空间中的空间增加以便更好地进入。当用来为吹入法做补充时(或在某些情况下作为吹入法的替代方案)，用于隆起体壁的方法可具有优势。例如，虽然吹入法有助于手术工作空间的大致对称扩大，但是诸如隆起的组织变形能够促进工作空间的部分的改变，包括部分或全部手术工作空间的不对称扩大或缩小。例如，对于浅的或者具有紧挨着的入口点和操作点的手术工作空间，不对称扩大比对称扩大能够引起手术工作空间更大的扩大。而且，对于医疗和非医疗手术，对工作空间的尺寸、形状和位置的控制能够有助于使手术中的步骤容易进行。
第二，本文提供的一些计算机辅助远程操作手术方法便于沿着患者体内的通道进行安全的微创手术进入。如下面进一步描述的，一些通道可以是弯曲的或不规则形状的，并因此难以使用常规技术深入导航到通道中。使用本文所述的由软件约束的远程运动中心概念，在一些实施例中，远程运动中心能够被定位在手术器械的轴上，使得远程运动中心的位置随着手术器械的前进而在通道中前进。这种技术能够提供对手术器械的远端部分的精细控制，从而便于沿着通道进行安全的微创手术进入。
第三，本文提供的一些计算机辅助远程操作手术方法便于将远程运动中心定位在患者体内的组织层处。当组织的内层对横向运动比外体壁更敏感时，这种技术会特别有益。例如，在微创心脏手术的情况下(当手术工作空间在心脏内部时)，穿过心脏壁的切口对横向运动会比穿过胸壁的切口更敏感。使用本文所述的由软件约束的远程运动中心概念，远程运动中心能够被定位在穿过组织的内层的切口的部位处，从而最小化组织的内层的横向运动。
在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，其他特征、目的和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是计算机辅助远程操作手术或机器人手术系统的示例患者侧推车的透视图。
图2是计算机辅助远程操作手术系统的示例外科医生控制台的主视图。
图3是计算机辅助远程操作手术系统的示例机器人操纵器臂组件的侧视图。
图4是处于第一配置的示例手术器械的远端部分的透视图。
图5是处于第二配置的图4的手术器械的远端部分的透视图。
图6是处于第三配置的图4的手术器械的远端部分的透视图。
图7-9是具有用于给定末端执行器方位的一系列关节状态的示例性机器人操纵器组件的仰视图、侧视图和后视图。
图10是图示由图7-9的机器人操纵器组件提供的自由度的示意图。
图11是图示被插入穿过手术孔的机器人操纵器组件的示意图。
图12示意性地图示手动重新定位图11的高度可配置的操纵器组件到新的孔方位的一些挑战。
图13示意性地图示图11的臂的重新配置，以在将操纵器手动重新定位到新的孔方位期间增加运动范围等。
图14和图15示意性地图示在手动移动臂期间在一系列可替代的关节配置内以机器人方式重新配置操纵器组件的关节。
图16是示意性地图示完全约束的逆雅可比(jacobian)主/从速度控制器的简化框图。
图17是修改的主/从控制器的简化图，其中逆雅可比控制器模块与具有配置相关子空间过滤器(configurationdependentsubspacefilter)的第二模块组合以允许对操纵器组件的控制。
图18图示图17中所示的简化主-从控制的细化。
图19示意性地图示用于完全约束的主/从机器人手术系统的示例性逆雅可比控制器。
图20示意性地图示图11的控制器的修改部分，其中逆雅可比控制器已经用配置相关过滤器(configurationdependentfilter)修改，使得控制器遵守不同级别的系统约束和/或目标的优先级。
图21是示例患者侧机器人操纵器臂组件、插管和手术器械的远侧部分的侧视图，所述远侧部分被插入穿过微创手术进入部位处的体壁。
图22是图21的布置的另一视图，其中插管创建体壁的隆起，以加大内部手术工作空间。
图23描绘了对于使用图22的技术对体壁进行隆起特别有利的示例手术场景。
图24-26图示用于在类似通道的手术工作空间内操作的微创计算机辅助远程操作手术方法。
图27描绘了对于参考图24-26描述的技术特别有利的示例手术场景。
图28-30是根据一些实施例的用于运动控制参照系的示例示意框图。
图31是示例患者侧机器人操纵器臂组件、插管和手术器械的远侧部分的侧视图，所述远侧部分被插入穿过微创手术进入部位处的外体壁和内组织层。
图32是图31的布置的另一视图，其中插管创建内组织层的隆起，以加大内部手术工作空间。
图33是具有示例组织联接元件的机器人手术插管，其能够被用于根据本文提供的方法创建组织隆起。
图34-36是具有另一示例组织联接元件的机器人手术插管，其能够被用于根据本文提供的方法创建组织隆起。
图37和图38示出了具有开关的示例患者侧机器人操纵器臂组件的远侧部分，其能够与本文提供的一些方法结合使用。
图39示出了在微创手术部位处的插管和手术器械的远侧部分，以图示图37和图38的开关的使用。
图40图示用于实施外科医生控制的体壁隆起并用于选择性地调整远程运动中心的位置的示例方法。
图41和图42是用于控制器械末端执行器参照系和远程中心参照系之间的关系的两种系统的示例示意框图。
图43图示在单个部位进入机器人手术技术的情况下隆起体壁的方法。
各附图中的同样的附图标记表示相同元件。
具体实施方式
图示说明发明方面、实施例、实施方式或应用的本说明书和附图不应被视为限制性的，权利要求书限定了所保护的发明。在不脱离本说明书和权利要求书的精神和范围的情况下，可进行各种机械、组成、结构、电气和操作改变。在一些情况下，尚未详细示出或描述公知的电路、结构或技术以免模糊本发明。两个或更多个附图中的同类数表示相同或相似的元件。
此外，选择用于描述一个或多个实施例和可选元件或特征的特定词语不旨在限制本发明。例如，空间相关术语——例如“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”、“近侧”、“远侧”等——可用于描述如附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了附图中所示的方位和取向之外，这些空间相关术语意在涵盖装置在使用或操作中的不同方位(即平移放置)和取向(即旋转放置)。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件将是在所述其它元件或特征“上方”或“上面”。因此，示例性术语“下方”能够涵盖上方和下方的方位和取向两者。装置可以以其它方式被取向(例如，旋转90度或以其它取向旋转)并且本文使用的空间相关描述符被相应地解释。同样地，沿着(平移)和围绕(旋转)各种轴线的移动的描述包括各种特殊装置方位和取向。身体的方位和取向的组合定义了身体的姿势。
类似地，除非上下文另有指示，否则诸如“平行”、“垂直”、“圆形”或“方形”的几何术语不旨在要求绝对数学精度。相反，这种几何术语允许由于制造或等效功能而引起的变化。例如，如果元件被描述为“圆形”或“基本上圆形”，则不是精确圆形的部件(例如，略呈椭圆形或多边形的部件)仍被本说明书涵盖。词语“包括”或“具有”意味着包括但不限于。
应当理解，尽管本说明书足够清楚、简洁和准确，但是严格和详尽的语言精确度并不总是可能或期望的，因为说明书应该保持合理的长度并且熟练的读者将理解背景和相关技术。例如，考虑到视频信号，熟练的读者将理解，被描述为显示该信号的示波器不显示该信号本身但显示该信号的表示，并且被描述为显示该信号的视频监视器不显示该信号本身但显示该信号携带的视频信息。
另外，除非上下文另有指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该/所述”旨在也包括复数形式。而且，术语“包含”、“包括”、“具有”等指定所述特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。并且，除非另有说明，否则一个或多个单独列出的项中的每一个或每个应当被认为是可选的，以便描述项的各种组合而无需每种可能组合的详尽列表。辅助动词“可以”同样暗示特征、步骤、操作、元件或部件是可选的。
如果可行，参考一个实施例、实施方式或应用详细描述的元件可以可选地包括在未具体示出或描述它们的其他实施例、实施方式或应用中。例如，如果参考一个实施例详细描述了元件而未参考第二实施例描述该元件，仍然可以声称该元件被包括在第二实施例中。因此，为了避免在以下描述中不必要的重复，除非一个或多个元件将使实施例或实施方式失去功能，或者除非两个或更多个元件提供矛盾功能，否则结合一个实施例、实施方式或应用示出和描述的一个或多个元件可以被并入其他实施例、实施方式或方面中，除非另外特别描述。
被描述为联接的元件可以被电或机械直接联接，或者它们可以通过一个或多个中间部件被间接联接。
与零件(例如，机械结构、部件或部件组件)相关联的术语“柔性的”应该被广义地解释。实质上，该术语意味着该零件能够被反复弯曲并恢复到原始形状而不会损坏该零件。虽然许多“刚性的”物体不被认为是“柔性的”(如该术语在本文中使用)，但是由于材料特性这些物体具有轻微的固有弹性“弯曲”。柔性零件可具有无限自由度(dof)。这种零件的示例包括封闭的可弯曲管(由诸如镍钛诺(nitinol)、聚合物、软橡胶等制成)、螺旋线圈弹簧等，其能够被弯曲成各种简单或复合曲线，通常没有明显的横截面变形。另一些柔性零件可以通过使用一系列紧密间隔的部件来近似这样的无限自由度零件，所述紧密间隔的部件类似于连续“椎骨”的蛇状布置。在这种椎骨布置中，每个部件是运动链中的短连杆，并且每个连杆之间的可移动机械约束(例如，销铰链、杯和球、活动铰链等)可允许连杆之间的相对运动的一个(例如，倾斜)或两个(例如，倾斜和偏转)dof。一个短的柔性零件可以用作并被建模为单一的机械约束(关节)，其提供运动链中的两个连杆之间的一个或多个dof，即使柔性零件本身可能是由多个联接连杆构成的运动链。知识渊博的人会理解，零件的柔性可以用其刚度来表达。
除非在本说明书中另有说明，否则柔性零件(例如，机械结构、部件或部件组件)可以是主动或被动柔性的。可以通过使用与零件本身固有相关联的力来弯曲主动柔性零件。例如，一个或多个肌腱可以沿着零件纵向地布线并且偏离零件的纵向轴线，使得一个或多个肌腱上的张力导致该零件或该零件的一部分弯曲。主动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(更通常地，“人造肌肉”)等。通过使用零件外部的力(例如，施加的机械力或电磁力)来弯曲被动柔性零件。被动柔性零件可以保持其弯曲形状直到再次弯曲，或者它可以具有易于使零件恢复到原始形状的固有特性。具有固有刚度的被动柔性零件的示例是塑料杆或弹性橡胶管。当主动柔性零件不由其固有的相关力致动时，主动柔性零件可以是被动柔性的。单个零件可以由一个或多个串联的主动和被动柔性零件制成。
本发明的各方面主要根据使用由加利福尼亚州森尼维耳市的直观外科手术操作公司(intuitivesurgical,inc.ofsunnyvale,california)商业化的达芬奇(da
应该理解，所公开的结构和机构的小尺寸产生了独特的机械条件和制造这些结构和机构的困难，这些结构和机构不同于以较大尺寸制造的类似结构和机构中发现的那些，因为力和材料的强度不会随着机构的大小以相同的速率改变大小。例如，由于机械、材料特性和制造考虑，具有8mm轴直径的手术器械不能简单地按比例缩小到5mm的轴直径。同样，5毫米轴直径装置不能简单地缩小成3毫米轴直径装置。随着物理尺寸的减小，存在显著的机械问题。
计算机是遵循编程指令以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”和类似术语(例如，“处理器”或“控制器”)包括单一位置和分布式实施方式两者。
本公开提供了改进的手术和机器人装置、系统和方法。本发明构思特别有利于与手术机器人系统一起使用，其中多个手术工具或器械将在外科手术过程中安装在相关联的多个机器人操纵器上并由其移动。机器人系统通常包含远程机器人、远程手术和/或远程呈现系统，其包括被配置为主-从控制器的处理器。通过提供采用处理器的机器人系统，所述处理器被适当配置为用具有相对大量自由度的铰接联动装置(articulatedlinkages)来移动操纵器组件，能够定制联动装置的运动以通过微创进入部位进行工作。在本申请中使用“联动装置”来指示单个连杆，并且在适用时指示包含多个连杆(和一个或多个关节)的系统。大量的自由度还可以允许处理器定位操纵器以抑制这些移动结构之间的干扰或碰撞等。
本文所述的机器人操纵器组件通常包括机器人操纵器和安装在其上的工具(该工具通常包含外科手术版本的手术器械)，但是术语“机器人组件”也将涵盖其上未安装工具的操纵器。术语“工具”涵盖通用或工业机器人工具和专用机器人手术器械两者，其中后者的这些结构通常包括适于组织操纵、组织治疗、组织成像等的末端执行器。工具/操纵器接口通常是快速断开工具保持器或联接器，从而允许使用替代工具快速移除和更换工具。操纵器组件通常具有在机器人手术的至少一部分期间固定在空间中的基座，并且操纵器组件可包括在基座和工具的末端执行器之间的多个自由度。末端执行器的致动(例如，夹持装置的钳口的打开或闭合、给电外科手术板通电等)通常将与这些操纵器组件自由度分离，并且除了这些操纵器组件自由度之外。
末端执行器通常将在工作空间中以2到6个自由度移动。如本文所用，术语“方位”涵盖位置和取向两者。因此，(例如)末端执行器的方位的改变可涉及末端执行器从第一位置到第二位置的平移、末端执行器从第一取向到第二取向的旋转，或这两者的组合。
当用于微创机器人手术时，操纵器组件的移动可以由系统的一个或多个处理器(或简称“处理器”)控制，使得工具或器械的轴或中间部分被约束成安全运动穿过微创手术进入部位或其他孔。这种运动可以包括，例如，轴穿过孔部位的轴向插入、轴围绕其轴线的旋转以及轴围绕邻近进入部位的枢轴点的枢转运动，但是通常会阻止轴的过度横向运动，否则可能会撕裂孔附近的组织或无意中扩大进入部位。对进入部位处的操纵器运动的这种约束的一些或全部可以使用抑制不正确运动的机械操纵器关节联动装置来施加，或者可以使用机器人数据处理和控制技术部分地或完全地施加。因此，操纵器组件的这种微创孔约束的运动可以采用操纵器组件的零到三个自由度。
本文所述的许多示例性操纵器组件将具有比在手术部位内定位和移动末端执行器所需的更多的自由度。例如，能够以六个自由度定位在穿过微创孔的内部手术部位处的手术末端执行器在一些实施例中可以具有九个自由度(六个末端执行器自由度—三个用于位置并且三个用于取向—加上三个自由度以依从进入部位约束)，但通常会有十个或更多个自由度。具有比给定末端执行器方位所需的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足够的自由度以允许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，操纵器组件可占据(并在其间驱动)一系列替代操纵器联动装置方位中的任何一个。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用于操纵器组件的各种关节的一系列不同的关节移动速度。应当注意，可以使用力控制、或阻抗控制、或导纳(admittance)控制、或前述的任何组合来潜在地控制主动方位控制的任何自由度。
参照图1和图2，用于微创远程手术的计算机辅助手术系统(或“计算机辅助机器人系统”)能够包括患者侧推车100和操作员控制台(例如，外科医生控制台)40。远程手术是外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构等)来操纵手术器械移动而不是用手直接握持和移动器械的手术系统的总称。机器人可操纵的手术器械能够穿过小的微创手术孔被插入，以治疗患者体内手术部位处的组织，避免与进入开腹手术相关的创伤。这些机器人系统能够以足够的灵活性移动手术器械的工作末端，以通常通过在微创孔处枢转器械的轴、使所述轴轴向滑动穿过所述孔、在所述孔内旋转所述轴及/或诸如此类来执行相当复杂的手术任务。
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(或“操纵器组件120”)、第二机器人操纵器臂组件130(或“操纵器组件130”)、第三机器人操纵器臂组件140(或“操纵器组件140”)以及第四机器人操纵器臂组件150(或“操纵器组件150”)。每个机器人操纵器臂组件120、130、140和150可枢转地联接到基座110。在一些实施例中，可以包括少于四个或多于四个的机器人操纵器臂组件作为患者侧推车100的一部分。虽然在所描绘的实施例中，基座110包括脚轮以便于移动，但是在一些实施例中，患者侧推车100被固定地安装到地板、天花板、手术台、结构框架等。
在典型的应用中，机器人操纵器臂组件120、130、140和150中的两个握持手术器械，而第三个握持立体内窥镜。剩余的机器人操纵器臂组件可供使用，使得可以在工作部位处引入另一个器械。替代地，剩余的机器人操纵器臂组件可用于将第二内窥镜或另一图像捕获装置(例如超声换能器)引入到工作部位。
机器人操纵器臂组件120、130、140和150中的每一个通常由联接在一起并通过可致动关节操纵的连杆形成。机器人操纵器臂组件120、130、140和150中的每一个包括装配臂(setuparm)和装置操纵器。装配臂定位其握持的装置，使得在其进入患者的进入孔处发生枢转。然后，装置操纵器可以操纵其握持的装置，使得它可以围绕枢轴枢转，被插入入口孔并从入口孔缩回，并围绕其轴线旋转。枢轴在本公开中也可以被称为“枢轴点”，因为围绕枢轴的枢转运动能够被理想地建模并解释为围绕空间中的特定点的旋转运动。而且，在一些实施例中，“枢轴”或“枢轴点”可以被实现为点；然后围绕“枢轴”或“枢轴点”产生的枢转运动不涉及旋转中心的平移(或者在给定系统设计的情况下可能的最小的中心平移量)。然而，在各种实施例中，“枢轴”或“枢轴点”可以被实现为指定边界内的一组点、空间的一小部分等。于是，围绕“枢轴”或“枢轴点”产生的枢转运动可包括旋转中心的有限平移，而整体运动仍是基本上围绕旋转中心。平移运动的量能够变化。例如，在一些实施例中，平移运动的量对于具有未增强感觉的普通人来说是不可察觉的。作为另一示例，在一些实施例中，平移运动的量类似于机械枢轴关节中可以发现的量。
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，使得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查看手术工作部位。左眼目镜46和右眼目镜47设置在立体视觉显示器45中，使得用户可以用用户的左眼和右眼分别查看显示器45内的左显示屏和右显示屏。通常在合适的浏览器或显示器上查看手术部位的图像时，外科医生通过操纵主控制输入装置对患者进行外科手术，主控制输入装置进而使用手术系统的(一个或多个)处理器控制机器人器械的运动。
外科医生控制台40还包括左输入装置41和右输入装置42，用户可以分别用他/她的左手和右手抓握左输入装置41和右输入装置42，以操纵由患者侧推车100的机器人操纵器臂组件120、130、140和150以优选地六个自由度(“dof”)握持的装置(例如，手术器械)。具有脚趾和脚跟控制的脚踏板44设置在外科医生控制台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。
在外科医生控制台40中设置有处理器43以用于控制和其他目的。处理器43在医疗机器人系统中执行各种功能。由处理器43执行的一个功能是平移和传递输入装置41、42的机械运动，以致动在它们相关联的机器人操纵器臂组件120、130、140和150中其各自的关节，使得外科医生能够有效地操纵装置(诸如手术器械)。处理器43的另一个功能是实现本文所述的方法、交叉联接控制逻辑和控制器。
尽管在上面的示例中描述了外科医生控制台40，但是应认识到，操作员控制台可以是未将外科医生设计为主要用户的控制台。例如，操作员控制台可以被设计用于手术团队的另一位成员(麻醉师、助手等)作为主要用户，以供外科医生在相同或不同时间与手术团队的其他(一位或多位)成员一起使用，或者供手术团队的任何一位成员通用。而且，在另一些实施例中，操作员控制台可以被设计用于非手术医疗用途，或用于非医疗用途。
尽管被描述为处理器，但应认识到，处理器43(以及本文所述的其他“处理器”)可由硬件、软件和固件的任何组合来实现。而且，本文所述的其功能可以由一个单元执行或者分给若干子单元，每个子单元可以进而通过硬件、软件和固件的任何组合来实现。此外，尽管被示为外科医生控制台40的一部分或与其物理上相邻，但处理器43也可以作为子单元分布在整个远程手术系统中。
处理器43(以及本文所述的其他手术系统的处理器)能够执行来自非暂时性机器可读介质的机器可读指令，其激活处理器43以执行与指令相对应的动作。因此，应当理解，本文中的计算机辅助手术技术和方法的公开包括非暂时性机器可读介质的随附公开，该非暂时性机器可读介质包含相应的机器可读指令。
还参照图3，机器人操纵器臂组件120、130、140和150能够操纵诸如手术器械的装置以执行微创手术。例如，在所描绘的布置中，机器人操纵器臂组件120可枢转地联接到器械保持器122。插管180和手术器械200进而被可释放地联接到器械保持器122。插管180是管状构件，其在手术期间位于患者接口部位处。插管180限定内腔，手术器械200的细长轴220可滑动地设置在内腔中。在一些实施例中，本文所述的手术系统的处理器被配置为检测例如插管180与操纵器组件120的可释放联接。
器械保持器122可枢转地联接到机器人操纵器臂组件120的远端。在一些实施例中，器械保持器122和机器人操纵器臂组件120的远端之间的可枢转联接是机动化的关节，其可由外科医生控制台40和处理器43致动。
器械保持器122包括器械保持器框架124、插管夹具126和器械保持器托架128。在所描绘的实施例中，插管夹具126被固定到器械保持器框架124的远端。能够致动插管夹具126以与插管180联接或分离。器械保持器托架128可移动地联接到器械保持器框架124。更具体地，器械保持器托架128可沿器械保持器框架124线性平移。在一些实施例中，器械保持器托架128沿器械保持器框架124的移动是可由处理器43致动/控制的机动化的平移移动。
手术器械200包括传动组件210、细长轴220和末端执行器230。传动组件210可释放地与器械保持器托架128联接。轴220从传动组件210向远侧延伸。末端执行器230设置在轴220的远端处。在一些实施例中，本文所述的手术系统的处理器被配置为检测例如手术器械200到操纵器组件120的安装。
轴220限定纵向轴线222，纵向轴线222与插管180的纵向轴线重合并且与由插管180限定的内腔的纵向轴线重合。当器械保持器托架128沿着器械保持器框架124平移时，手术器械200的细长轴220沿着纵向轴线222移动。以这种方式，末端执行器230能够从患者体内的手术工作空间被插入和/或缩回。
还参照图4-6，可以使用各种不同类型的替代机器人手术器械和不同末端执行器230，其中至少一些操纵器的器械在外科手术过程中被移除和更换。这些末端执行器中的数个(包括例如debakey钳56i、微型外科镊56ii和potts剪刀56iii)包括第一末端执行器元件56a和第二末端执行器元件56b，它们相对于彼此枢转，以便限定一对末端执行器钳口。另一些末端执行器(包括手术刀和电烙术探针)具有单个末端执行器元件。对于具有末端执行器钳口的器械而言，通常通过挤压输入装置41、42的抓手构件来致动钳口。
细长轴220允许末端执行器230和轴220的远端向远侧被插入手术工作空间穿过微创孔(此处，经由插管180)，通常穿过腹壁等。可以向手术工作部位吹气，并且通常通过使器械200围绕轴220穿过微创孔的位置枢转，至少部分地实现末端执行器230在患者体内的移动。换句话说，机器人操纵器臂组件120、130、140和150将使传动组件210在患者体外移动，使得轴220延伸穿过微创孔位置，以帮助提供末端执行器50的期望移动。因此，机器人操纵器臂组件120、130、140和150在外科手术过程中经常会在患者体外经历明显的移动。
参照图7-10，示例机器人操纵器臂组件304能够与手术器械306联接以影响器械306相对于基座302的移动。由于在外科手术过程中(通常在手术助手的帮助下)具有不同末端执行器的多个不同手术器械可以顺序地安装在每个机器人操纵器臂组件304上，器械保持器320将优选地允许快速移除和更换安装的手术器械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。
示例机器人操纵器臂组件304通过枢转安装关节322安装到基座302，以允许机器人操纵器臂组件304的其余部分围绕第一关节轴线j1旋转，其中在示例性实施例中第一关节322提供围绕竖直轴线的旋转。基座302和第一关节322通常包含机器人操纵器臂组件304的近侧部分，其中操纵器从基座向远侧朝向器械保持器320和末端执行器50延伸。
描述了如图7-9所示的机器人操纵器臂组件304的各个连杆以及如图10所示的连接连杆的关节的旋转轴线，第一连杆324从基座302向远侧延伸并且在关节322处围绕第一枢轴关节轴线j1旋转。许多其余关节能够通过图10中其相关联的旋转轴线来识别。例如，第一连杆324的远端在提供水平枢转轴线j2的关节处被联接到第二连杆326的近端。第三连杆328的近端在滚动关节处被联接到第二连杆326的远端，使得第三连杆通常围绕沿着第二连杆和第三连杆两者的轴线(并且理想地与其对准)延伸的轴线在关节j3处旋转或滚动。在另一个枢轴关节j4之后向远侧进行，第四连杆330的远端通过一对枢轴关节j5、j6联接到器械保持器320，所述枢轴关节j5、j6一起限定器械保持器腕部332。机器人操纵器臂组件304的平移或棱柱型关节j7便于器械306轴向移动穿过微创孔，并且还便于将器械保持器320附接到插管，穿过该插管器械306可滑动地被插入。
在器械保持器320的远侧，手术器械306可包括额外的自由度。手术器械306的自由度的致动通常将由机器人操纵器臂组件304的马达驱动。替代实施例可以在快速可拆卸的器械保持器/器械接口处将手术器械306与支撑操纵器臂结构分离，使得此处示出的在手术器械306上的一个或多个关节改为在接口上，或者反之亦然。换句话说，手术器械306和机器人操纵器臂组件304之间的接口可沿着操纵器臂组件304的运动链(其可包括手术器械和操纵器臂组件304两者)更近侧或更远侧地设置。在示例性实施例中，手术器械306包括枢轴点pp的近侧的旋转关节j8，其通常设置在微创孔的部位处。手术器械306的远侧腕部允许末端执行器50围绕器械腕关节轴线j9、j10进行枢转运动。可以独立于末端执行器50的位置和取向来控制末端执行器钳口元件之间的角度α。
现在参照图11-13，示例机器人操纵器臂组件502包括操纵器臂504(也称为“操纵器臂组件504”)和具有末端执行器508的手术器械506。如本文中所使用，术语操纵器组件在某些情况下也可以涵盖没有手术器械安装在其上的操纵器臂。图示的机器人操纵器臂组件502通常从近侧基座510向远侧延伸到末端执行器508，其中末端执行器508和手术器械506的远侧部分被配置为经由微创孔514插入内部手术部位512，从而允许进入手术部位512。机器人操纵器臂组件502的关节结构类似于上面关于图10描述的关节结构，并且包括足够的自由度以允许操纵器组件对于给定的末端执行器方位在不同关节状态的范围内位于任何位置，即使当手术器械506被约束为穿过微创孔514时也是如此。
当要将微创外科手术的进入部位从第一孔位置514a变为第二孔位置514b时，通常期望手动地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，在最初装配机器人操纵器组件502用于手术时，可以手动地将操纵器组件502移动到与孔位置对准的期望位置，相关联的手术器械506将通过该孔位置进入手术部位512。然而，鉴于具有在(例如)基座510和器械/操纵器接口(参见图10)之间的相对大量关节的高度可配置的操纵器臂结构，连杆的这种手动定位可能是具有挑战性的。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于一个人来说会是困难的、耗时的并且可能涉及重要的训练和/或技能。当机器人操纵器组件502的连杆关于关节不平衡时，挑战会更大，因为将这种高度可配置的结构定位在适当的配置中以开始手术可能由于操纵器的臂长度及其被动和柔软设计而很费劲。
为了便于装配机器人操纵器组件502用于外科手术(或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(参见图2)的处理器43可以主动在502期间驱动操纵器组件的关节。在一些情况下，这种驱动可以响应于操纵器组件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，外科医生、助手、技术人员等)的手h手动地移动机器人操纵器臂组件502的连杆或手术器械506以与期望的微创孔位置514b对准。在该移动期间，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通常具有足够的自由度以便处于一系列替代配置中，因此可以将近侧关节驱动到期望的操纵器状态而不会阻止机器人操纵器臂组件502的远侧部分的手动定位。可选地，可以驱动关节以便补偿重力，抑制动量效应，提供对手动移动的期望的(并且通常容易克服)阻力，从而给手具有使操纵器结构在其关节处塑性变形的印象，以便将可配置的连杆组件保持在期望的姿势等。虽然这种移动在图13中被示为用附接到机器人操纵器臂组件504的手术器械506执行，在将手术器械506附接到机器人操纵器臂组件504之前，操纵器组件通常将被手动定位。
参照图14和图15，机器人操纵器组件502可因为各种不同原因中的任何一个而由处理器43(图2)重新配置。例如，关节526可以从向下定向的顶点配置驱动到向上定向的顶点配置，以便抑制与相邻的臂、装备或人员的碰撞；增加末端执行器508的运动范围；响应于患者的生理运动，例如患者呼吸等；响应于患者的重新定位，例如通过重定向手术台；等等。机器人操纵器组件502的配置中的这些变化中的一些但不是全部可以响应于施加到操纵器组件502的外力，其中处理器43经常驱动操纵器组件502的不同关节而不是外力施于其上的关节。在另一些情况下，处理器43将响应于由处理器43执行的计算来重新配置机器人操纵器组件502。在任一情况下，处理器43可以从简单的主-从控制器变化，以响应于提供优选的操纵器组件502配置的信号而驱动机器人操纵器组件502。机器人操纵器组件502的这种配置可以在主-从末端执行器移动期间、在操纵器组件502的手动或其他重新配置期间和/或至少部分地在不同时间发生，例如在释放抓持(clutch)输入之后。
现在参照图16，简化控制器示意图530示出了将主输入装置534联接到从操纵器536的主/从控制器532。在该示例中，使用矢量数学符号来描述控制器输入、输出和计算，其中矢量x通常将参考笛卡尔坐标中的方位矢量，并且其中矢量q将参考相关联的联动装置(最常见的是操纵器从联动装置)的关节铰接配置矢量，有时称为关节空间中的联动装置方位。当存在歧义时，能够将下标附加到这些矢量以识别特定结构，使得xm(例如)是主输入装置在相关联的主工作空间或坐标系中的方位，而xs表示该工作空间中的从动件的方位。与方位矢量相关联的速度矢量由矢量上方的点或矢量和下标之间的单词“dot”表示，例如主速度矢量的xdotm或
示例控制器532包含逆雅可比速度控制器。在xm是主输入装置的方位并且
现在参照图17，处理器542(也称为“控制器542”)可以被表征为包括第一控制器模块544(也称为“第一模块544”)和第二控制器模块546(也称为“第二模块546”)。第一模块544可以包含主要关节控制器，例如逆雅可比主-从控制器。第一模块544的主要关节控制器可以被配置用于响应于来自主输入装置534的输入产生期望的操纵器组件运动。然而，如上所述，本文所述的许多操纵器联动装置具有一系列用于在空间中的给定末端执行器方位的替代配置。因此，用于使末端执行器呈现给定方位的命令可以引起各种不同的关节运动和配置，其中的一些可能比另一些更令人满意。因此，第二模块546可以被配置为帮助将操纵器组件驱动到期望的配置，从而在一些实施例中，在主-从运动期间将操纵器朝向优选配置驱动。在许多实施例中，第二模块546将包含配置相关过滤器。
在广义的数学术语中，第一模块544的主要关节控制器和第二模块546的配置相关过滤器都可以包含由处理器542使用来将关节的线性组合的控制权限传送到一个或多个手术目标或任务的实现的过滤器。如果我们假设x是关节运动的空间，则f(x)可以是对关节进行控制的过滤器，以i)提供期望的末端执行器运动，以及ii)在孔部位处提供器械轴的枢转运动。因此，第一模块544的主要关节控制器可包含过滤器f(x)。从概念上讲，(1-f-1f)(x)可以描述配置相关的子空间过滤器，其给予与实现主要关节控制器的目标(在该示例中，末端执行器运动和枢转的器械轴运动)正交的关节速度的线性组合的控制致动权限。因此，这种配置相关过滤器可以由控制器542的第二模块546使用以实现第二目标，例如维持操纵器组件的期望姿势、抑制碰撞等。两个过滤器可以进一步细分为对应于实现更具体任务的更多过滤器。例如，过滤器f(x)可以分成f1(x)和f2(x)，分别用于控制末端执行器和控制枢转轴运动，其中任何一个都可以被选择作为处理器的主要或最高优先级任务。
虽然由模块执行的数学计算可以(至少部分地)类似，但是本文中描述的机器人处理器和控制技术将经常利用经配置用于第一(有时称为主要的)控制器任务的主要关节控制器，以及配置相关过滤器，该配置相关过滤器利用由主要关节控制器生成的欠约束解以用于第二(也称为次要的)任务。在以下大部分描述中，将参考第一模块描述主要关节控制器，而将参考第二模块描述配置相关过滤器。还可以包括附加功能(诸如附加子空间过滤器)和/或各种优先级的附加模块。
如本文其他地方所述，用于执行参考这种第一模块和第二模块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离的。控制器542可以同时使用两个模块的功能，和/或可以具有多种不同模式，其中一个或两个模块分开使用或以不同的方式使用。例如，在一些实施例中，在主-从操纵期间，第一模块544可以在很少或没有来自第二模块546的影响的情况下使用，并且当末端执行器未被机器人驱动时(例如在操纵器组件的端口抓持或其他手动铰接期间)，第二模块546在系统装配期间具有更大的作用。尽管如此，在许多实施例中，两个模块均可以在启用机器人运动的大部分或全部时间是活动的。例如，通过将第一模块的增益设置为零，通过将xs设置为xs,actual，和/或通过降低逆雅可比控制器中的矩阵秩使其不能控制太多并使配置相关过滤器具有更多控制权限，能够减少或消除第一模块对操纵器组件的状态的影响，从而将处理器542的模式从组织操纵器模式变为抓持模式。
图18图示了对图17的简化的主-从控制示意图540的改进，并示出了不同模块如何可以在不同处理器模式下使用。如图18所示，第一模块544可以例如包含具有雅可比相关矩阵的某种形式的雅可比控制器。在端口抓持模式下，第二模块546可以从从操纵器536接收信号，该信号指示至少部分地由从操纵器联动装置的手动铰接产生的从动件的方位或速度。响应于该输入，第二模块546能够产生适于驱动从动件的关节的动力命令，以便允许从联动装置的手动铰接，同时配置处于期望的关节配置的从动件。在主-从末端执行器操纵期间，控制器可以使用第二模块546来帮助基于不同的信号bqdot0导出动力命令。这种到控制器542的第二模块546的替代输入信号可用于驱动操纵器联动装置，以便沿着操纵器结构维持或移动微创孔枢轴位置，从而避免多个操纵器之间的碰撞，从而增加操纵器结构的运动范围和/或避免奇点，以便产生操纵器的期望姿势等。在一些实施例中，到第二模块的替代输入信号用于驱动操纵器联动装置，以便以规定的方式维持或移动微创孔枢轴位置，同时导致对操纵器联动装置的运动的一个或多个其他约束。示例约束包括对操纵器联动装置的一个或多个零件的方位、速度、加速度、跃度或前述的任何组合的静态或动态限制。另外的示例约束包括对电流汲取、输出功率、输出扭矩、输出力、感测的扭矩或力等的静态或动态限制。因此，bqdot0通常可以包含和/或指示(例如)一般在关节空间中的一组期望的关节速度，更通常表示次要控制目标。在另一些实施例中，处理器可以包括用于抓持、次要控制器任务等的单独模块和/或相关配置过滤器。
现在参照图20，部分控制示意图550图示了图19中所示的控制器的修改。控制示意图550非常粗略地表示图11的控制器的部分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，其具有来自使用根据虚拟从路径552修改的逆雅可比矩阵进行的计算的输出。首先描述虚拟从路径，与虚拟从动件相关联的矢量通常用v下标表示，使得关节空间qdotv中的虚拟从速度被积分以提供qv，使用逆运动模块554处理qv以生成虚拟从关节方位信号xv。虚拟从方位和主输入命令xm被组合并使用正向运动556进行处理。虚拟从动件(通常具有简化的动力学)的使用有助于在接近系统的硬限制时、在超越系统的软限制时等等进行平滑控制和力反射，其参考先前通过引用并入本文的'885专利能够更全面地理解。类似地，在'885专利中更全面的描述了响应于来自逆雅可比矩阵的输出(由第二模块546修改或增强)通过适当的关节控制器、输入和输出处理等进行来自关节控制器的动力命令(诸如关节力矩信号等)的计算。
陈述通常由第一控制模块544和第二控制模块546指示的以及本文中描述的控制示意图550的其他部件和其他控制器的结构，这些结构通常将包含数据处理硬件、软件和/或固件。这样的结构通常将包括可重新编程的软件、数据等，其可以体现在机器可读代码中并存储在有形介质中以供外科医生控制台40的处理器43使用(参见图2)。机器可读代码可以以各种不同的配置存储，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、光学记录介质等。体现代码和/或与其相关联的数据的信号可以通过各种通信链路传输，所述通信链路包括因特网、内联网、以太网、无线通信网络和链路、电信号和导体、光纤和网络等。如图2所示，处理器43可以包含外科医生控制台40的一个或多个数据处理器，和/或可包括操纵器、器械、单独和/或远程处理结构或位置等中的一个或多个的局部数据处理电路，并且本文中描述的模块可以包含(例如)单个公共处理器板、多个单独的板，或者所述模块中的一个或多个可以分散在多个板上，其中一些板还运行另一个模块的一些或全部计算。类似地，模块的软件代码可以被编写为单个集成软件代码，每个模块可以分成单独的子程序，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组合。因此，数据和处理结构可以包括各种集中式或分布式数据处理和/或编程体系结构中的任何一种。
更详细地陈述图20的控制器的输出，该控制器将经常试图求解一个特定的操纵器关节配置矢量q，以用于为这些高度可配置的从操纵器机构生成命令。如上所述，操纵器联动装置通常具有足够的自由度，以便占据给定末端执行器状态的一系列关节状态。这种结构可以(但通常不会)包含具有真正冗余自由度的联动装置，即，其中一个关节的致动可以直接被沿着运动链的不同关节的类似致动替换的结构。尽管如此，这些结构有时被称为具有过剩、额外或冗余的自由度，同时这些术语(广义上)通常涵盖运动链，其中(例如)中间连杆能够移动而不改变末端执行器的方位(包括位置和取向两者)。
当使用图20的速度控制器引导高度可配置的操纵器的移动时，第一模块的主要关节控制器经常试图确定或求解虚拟关节速度矢量qdotv，其能够被用于以使得末端执行器将准确地遵循主命令xm的方式驱动从操纵器536的关节。然而，对于具有冗余自由度的从机构，逆雅可比矩阵通常不完全定义关节矢量解。例如，在能够占据给定末端执行器状态的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，因为机构是冗余的，所以存在数学上无数个解，其由逆生存的子空间表示。控制器可以使用列比行更多的雅可比矩阵来体现这种关系，将多个关节速度映射到相对较少的笛卡尔速度。我们的解
关于使用由软件指令配置的处理器来计算机器人操纵器臂组件的由软件约束的远程运动中心的附加描述能够在美国专利8,004,229中找到，该专利的全部内容通过引用并入本文。
简而言之，以上描述(以及美国专利8,004,229中的描述)使得枢轴(远程运动中心)能够通过软件，因此通过由软件约束的远程运动中心的概念被确定/估计。通过具有计算软件枢轴点的能力，能够选择性地实现以系统的顺应性或刚度为特征的不同模式。更具体地，在计算估计的枢轴点之后，能够实现在一定范围的枢轴点/中心上(即，从具有被动枢轴点的枢轴点/中心到具有固定/刚性枢轴点的枢轴点/中心的范围)的不同系统模式。例如，在固定枢轴实施方式中，能够将估计的枢轴点与期望的枢轴点进行比较以生成误差输出，该误差输出能够被用于将器械的枢轴驱动到期望的位置。相反地，在被动枢轴实施方式中，虽然期望的枢轴位置可能不是最重要的目标，但是估计的枢轴点能够被用于误差检测并因此用于安全性，因为估计的枢轴点位置的变化可以指示患者已被移动或者传感器出现故障，从而使系统有机会采取纠正措施。
移动器械和微创孔的组织之间的相互作用可以至少部分地由处理器确定，处理器可选地允许系统的顺应性或刚度在从被动枢轴点延伸到固定枢轴点的整个范围内被改变。在被动/刚性范围的被动端，器械的近端可以在空间中移动，而器械保持器腕关节的马达施加很小的扭矩或不施加扭矩，使得器械就像它通过一对被动关节联接到操纵器或机器人臂一样有效地起作用。在该模式下，器械轴和组织之间沿微创孔的相互作用引起器械围绕枢轴点的枢转运动。如果手术器械没有被插入微创孔或未以其他方式加以约束，则它可能在重力的影响下向下指向，并且操纵器臂的移动将使悬挂的器械平移而不会围绕沿着器械轴的部位进行枢转运动。朝向被动/刚性范围的刚性端，微创孔的位置可以被输入或计算为空间中的固定点。然后，与设置在枢轴点近侧的运动链的每个关节相关联的马达可以驱动操纵器，使得在计算的枢轴点处横向抵靠轴的任何横向力引起反作用力以保持轴穿过枢轴点。在某些方面，这种系统可以表现得类似于机械约束的远程中心联动装置。许多实施例将落在这两个极端之间，提供通常在进入部位处枢转的计算的运动，并且当沿着微创进入部位的组织移动时，其在可接受范围内适应或移动枢转运动中心，而不在上述组织上施加过大的横向力。
参照图21和图22，计算机辅助手术系统600(或“手术系统600”)能够被用于执行微创机器人手术方法。手术系统600是计算机辅助手术系统的一部分(例如，像图1的患者侧手推车100的一部分)。在该示例中，手术系统600用于隆起外组织层10(例如，在外组织层是体壁的情况下的体壁10)，从而在外组织层下方创建更大的手术工作空间。通过在患者体内创建更大的工作空间，能够有利地实现增加的手术通路和更好的微创手术可视性。图21示出了在隆起外组织层10之前的手术系统600。图22示出了在隆起外组织层10之后的手术系统600。在一些实施方式中，外组织层10是患者的外体壁(表皮、肌肉、脂肪等)，穿过该外体壁做出切口以进入目标手术区。
手术系统600包括机器人操纵器臂组件610(或“操纵器组件610”)、插管620、手术器械630和一个或多个处理器(未示出)。机器人操纵器臂组件610包括机器人操纵器臂612和器械保持器614。器械保持器614可枢转地联接到机器人操纵器臂612。插管620可释放地联接到器械保持器614。手术器械630可释放地联接到器械保持器托架616，器械保持器托架616可沿器械保持器614可控制地平移。在一些实施例中，手术系统600的处理器被配置为检测插管620与操纵器组件610的可释放联接。在一些实施例中，手术系统600的处理器被配置为检测手术器械630到操纵器组件610的安装。
手术器械630包括可与器械保持器托架616可释放地联接的传动组件632。手术器械630包括从传动组件632延伸的细长轴634。在细长轴634的远端处是末端执行器636。可以使用各种不同类型的替代机器人手术器械630和不同末端执行器636，其中器械有时在外科手术过程中被移除和更换。
插管620限定内腔，细长轴634可滑动地联接在内腔中。当器械保持器托架616沿器械保持器614平移时，器械630与器械保持器托架616一起移动。因此，细长轴634在插管620的内腔内滑动。因此，通过器械保持器托架616沿器械保持器614的平移运动，细长轴634(以及末端执行器636)变得相对于插管620向远侧延伸和/或向近侧缩回。以这种方式，能够使用手术系统600的处理器移动末端执行器636，向远侧更深地进入手术空间，或者向近侧远离手术空间移动。然而，器械保持器托架616的这种平移和器械630不涉及插管620的任何移动。
细长轴634限定纵向轴线631，纵向轴线631与由插管620限定的轴线重合以及与由插管620的内腔限定的轴线重合。当器械保持器托架616沿着器械保持器614平移时(使用手术系统600的处理器)，器械630沿纵向轴线631移动。
插管620包括插管轴622和组织接合元件624，组织接合元件624将插管620配置为可选择性地与患者的组织层联接。在所描绘的实施例中，组织接合元件624是可充气构件，其联接到插管轴622。图33-36描述了组织接合元件624的各种其他实施例，其能够替代地用于所描绘的可充气构件。因为所描绘的组织接合元件624是可充气的，所以组织接合元件624具有泄气的低轮廓配置和充气的展开配置，在充气的展开配置中插管620可与患者的组织层联接。例如，当插管620被插入患者或将其从患者移除时，能够使用组织接合元件624的低轮廓配置。在一些实施例中，接合元件624可在组织层的两侧上均是可充气的，从而允许在插管沿进入或离开患者的方向的运动期间升起(purchaseon)组织。
在使用中，插管轴622被插入穿过外组织层10中的切口，使得组织接合元件624定位在外组织层10下方(即，在患者体内)。在使组织接合元件624大体上穿过外组织层10之后，组织接合元件624能够与外组织层10联接。例如，在所描绘的实施例中，组织接合元件624能够被充气以准备用于隆起外组织层10。然后，为了隆起外组织层10，组织接合元件624远离患者移动(如与图21相比由图22所描绘)。
为了如图22所描绘的那样隆起外组织层10，使用手术系统600的处理器使插管620(具有联接到外组织层10的组织接合元件624)远离患者移动。因此，在一些实施例中，手术系统600的处理器被配置为相对于患者解剖结构移动插管620，使得手术工作空间被修改(尺寸、形状、位置等改变)。在一些实施例中，手术系统600的处理器被配置为相对于患者解剖结构移动插管620，使得通过以下方式使手术工作空间被修改：检测插管620与操纵器组件610的联接(插管620被配置为与患者的组织层联接)并且移动操纵器组件610，使得插管620使组织层隆起并修改手术工作空间。
在一些实施例中，例如在所描绘的实施例中，组织接合元件624沿着空间中的与纵向轴线631重合的固定线远离患者移动。为了实现这种移动，能够利用用于约束机器人操纵器臂组件610(如本文所述)的运动的由软件约束的远程运动中心概念。使用由软件约束的远程运动中心概念移动机器人操纵器臂组件610以便隆起外组织层10使插管620的横向运动最小化，否则所述横向运动可能无意地压迫或甚至撕裂切口处的组织。在一些实施例中，使用由软件约束的远程运动中心概念，由手术系统600的处理器控制的机器人操纵器臂组件610能够沿着空间中的与纵向轴线631重合的固定线移动插管620。可以使用本文所述的机器人数据处理和控制技术部分或全部地施加对机器人操纵器臂组件610的运动的这种约束的一些或全部。
以上示例以及本文描述的许多其他示例使用隆起和扩大工作空间来说明对工作空间的修改。这些控制系统与组织的相互作用的技术也能够用于相对于患者解剖结构移动插管，使得工作空间的尺寸改变(尺寸减小或扩大)，或者形状改变，或者尺寸和形状两者都改变。例如，插管可以是倾斜的或偏转的、旋转的、横向移动的、朝向工作空间而不是远离工作空间平移的或是插管平移和旋转的任何组合。插管与(一个或多个)组织层的相互作用导致组织变形和工作空间的修改。
在一些实施例中，例如，本文所述的由软件约束的远程运动中心数据处理和控制技术能够被手术系统600的处理器用来将手术系统600的远程运动中心定位和/或重新定位在诸如恰好在组织接合元件624的近侧的插管620上的位置处。在一些这样的实施例中，可以通过在整个机器人外科手术过程中恰好在组织接合元件624的近侧的手术系统600的处理器来维持远程运动中心的方位。例如，在图21和图22中所描绘的两种布置中，远程运动中心的方位可以恰好在组织接合元件624的近侧。替代地，如下面进一步描述的，在一些实施例中，在机器人外科手术过程中，可以使用手术系统600的处理器相对于插管620选择性地调整或重新定位远程运动中心的方位。因此，手术系统600的处理器可以被配置为响应于接收到重新定位远程运动中心的指示而将远程运动中心相对于插管620重新定位到其他位置。
在一些这样的实施例中，处理器被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置约束为沿着插管620。第二位置能够以各种方式被约束为沿着插管620。例如，在一些这样的实施例中，处理器被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置约束为与由插管620的轴622的内表面、轴622或插管620的外表面或插管620的内腔限定的轴线重合。作为另一示例，在一些这样的实施例中，处理器被配置为将第二位置约束为与插管620的轴622的一部分或全部的中心轴线重合。作为另一示例，在一些实施例中，处理器被配置为将第二位置约束在插管620的内表面或外表面上。作为又一示例，在一些实施例中，处理器被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置约束在由插管620的壁包围的体积内。
在一些这样的实施例中，处理器被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置约束为沿着器械630的轴634。第二位置也能够以各种方式被约束为沿着轴634。例如，在一些这样的实施例中，处理器被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置约束为与由轴634限定的轴线(例如，由轴634的一部分或全部限定的中心轴线)重合。作为另一示例，在一些实施例中，处理器被配置为将第二位置约束在轴634的内表面或外表面上。作为又一示例，在一些实施例中，处理器被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置约束在由轴634的壁包围的体积内。
在一些情况下，远程运动中心的第一位置沿着插管620，而远程运动中心的第二位置(在远程运动中心通过手术系统600的处理器从第一位置被重新定位之后)不沿着插管620。在一些这样的情况下，手术系统600的处理器可以被配置为基于远程运动中心的第二位置限制插管620的运动。
在一些情况下，远程运动中心的第一位置和远程运动中心的第二位置(在远程运动中心从第一位置被重新定位之后)距插管620限定的纵向轴线的距离不同。在一些这样的情况下，手术系统600的处理器被配置为将远程运动中心重新定位到第二位置，同时将第二位置约束在距插管620限定的纵向轴线的最大距离内。
在一些实施例中，手术系统600的处理器被配置为接收命令以根据命令的器械运动移动器械630，并命令器械630以修改的器械运动移动。在一些这样的实施例中，修改的器械运动基于命令的器械运动和远程运动中心的第二位置。例如，对于附接到刚性直轴的末端执行器，与沿着轴定位且更远离末端执行器的远程运动中心相比，轴需要更多地围绕沿着轴定位且更靠近末端执行器的远程运动中心枢转。类似的考虑适用于具有非刚性轴或非直轴的其他器械设计。在一些实施例中，当为提供命令的运动所需的器械630或握持器械630的操纵器的运动超过可接受的极限时，器械运动被修改，使得操纵器或(一个或多个)器械运动是可接受的。例如，器械或握持器械的操纵器的其余部分的运动可以按常数缩小，基于远程运动中心的位置按变量缩小，被限制为零或非零值，等等。作为具体示例，在一些实施例中，当远程运动中心在末端执行器的阈值距离内时，手术系统600的处理器不允许器械倾斜、偏转和/或滚动。作为进一步的示例，当远程运动中心在末端执行器的阈值距离内时，手术系统600的处理器仅允许器械腕部倾斜、偏转和/或插入/撤回。用于修改器械运动的极限能够基于用以减少或避免对内部组织的损坏的参数，从而在体壁或内组织层上施加高撕裂力等等。在一些实施例中，修改可以增加器械630或握持器械630的操纵器的一个或多个连杆或关节的运动，例如以允许其他连杆或关节的较小运动，或增加命令的器械运动。可以通过任何适当的方式提供对操作员或其他用户的反馈，包括通过视觉或听觉反馈、触觉反馈(例如，抵抗操作员移动相关联的减少的或有限的自由度、帮助与放大的自由度相关联的操作员移动的力反馈)等。
根据前述关于通过手术系统600的处理器将远程运动中心从第一位置重新定位到第二位置的描述，可以理解的是，本公开描述了一种计算机辅助机器人方法，包括：(i)由机器人手术系统600的处理器确定机器人手术系统600的远程运动中心的第一位置，(ii)由机器人手术系统600的处理器接收相对于插管620重新定位远程运动中心的指示，以及(iii)由机器人手术系统600的处理器并且响应于接收到指示，将远程运动中心相对于插管620重新定位到第二位置。在该方法的一些实施例中，第一位置沿着插管620而第二位置不沿着插管620。在一些这样的情况下，该方法还可以包括基于远程运动中心的第二位置限制插管620的运动。
在该方法的一些实施例中，远程运动中心的第一位置和远程运动中心的第二位置(在远程运动中心从第一位置被重新定位之后)距插管620限定的纵向轴线的距离不同。在一些这样的情况下，将远程运动中心重新定位到第二位置的步骤包括将第二位置约束在距插管620限定的纵向轴线的最大距离内。
在该方法的一些实施例中，将远程运动中心重新定位到第二位置的方法包括将第二位置约束为沿着插管620。在该方法的一些实施例中，将远程运动中心重新定位到第二位置的方法包括将第二位置约束为与插管620的内腔限定的轴线重合。在该方法的一些实施例中，将远程运动中心重新定位到第二位置的方法包括将第二位置约束为沿着器械630的轴634。在该方法的一些实施例中，将远程运动中心重新定位到第二位置的方法包括由处理器输出一个或多个信号以使操纵器组件610使插管620和器械630相对于彼此移动，使得远程运动中心的第一位置和远程运动中心的第二位置相对于器械630处于相同位置。
在该方法的一些实施例中，将远程运动中心重新定位到第二位置的方法包括接收命令以根据命令的器械运动移动器械630，并命令器械630以修改的器械运动移动。在一些这样的实施例中，修改的器械运动基于命令的器械运动和远程运动中心的第二位置。在该方法的一些实施例中，将远程运动中心重新定位到第二位置的方法包括由处理器输出一个或多个信号以使操纵器组件在保持插管620静止的同时移动器械630。
在该方法的一些实施例中，将远程运动中心重新定位到第二位置的方法包括限制远程运动中心的运动速度。在该方法的一些实施例中，将远程运动中心重新定位到第二位置的方法包括确定与插管620相关联的力，并且响应于与插管620相关联的力超过力极限而不允许远程运动中心的运动。可以通过模型、测量值或模型和测量值的组合来确定与插管620相关联的(一个或多个)力。例如，可以通过使用与插管620接触的组织的偏斜(deflection)的估计值和解剖结构的平均或先前测量的物理特性(例如，几何形状、导纳等)来计算插管620上的力。作为另一示例，插管620上的力可以通过位于插管上的力传感器测量。作为又一示例，可以通过测量握持插管620的结构(例如机器人操纵器)的一个或多个关节的偏斜并使用该结构的机械模型以导出与偏斜相关联的力来估计插管620上的力。在该方法的一些实施例中，将远程运动中心重新定位到第二位置的方法包括提供远程运动中心的视觉指示。
如图22所描绘的外组织层10的隆起对于具有浅手术工作空间的身体位置中的机器人手术会是特别有利的。换句话说，对于穿过外组织层10的进入点接近操作点/区域的身体位置中的机器人手术而言，外组织层10的隆起会是特别有利的。
具有穿过外组织层10的接近操作点/区域的进入点的机器人手术技术的一个非限制性示例在图23中示出。此处，髋部手术被描绘为使用本文提供的装置、系统和方法来进行。也就是说，将附接到插管轴622的组织接合元件624从患者向外拉出，以在患者体内在髋部的球窝关节附近创建较大的手术工作空间。在一些实施例中，如本文所述的由软件约束的远程运动中心概念用于沿着空间中的与纵向轴线631重合的固定线移动插管620以隆起组织层10。
在所描绘的实施例中，操纵器组件的远程运动中心与插管轴622上的方位623重合。这样，方位623在本文中可称为“方位623”、“远程运动中心方位623”或“远程运动中心623”。如图所示，在一些实施例中，远程运动中心的方位623能够在近侧邻近组织接合元件624。在所描绘的插管620沿着空间中的与纵向轴线631重合的固定线移动的过程中和之后，在一些实施例中，操纵器臂组件的远程运动中心的方位623相对于插管620保持在固定位置。本文所述的由软件约束的远程运动中心概念能够用于控制机器人操纵器臂组件610，以使插管620沿着空间中的与纵向轴线631重合的固定线移动，并且将远程运动中心维持在方位623处。
虽然在图23的示例场景中，机器人操纵器臂组件610由手术系统600的处理器控制，以在插管620移动时将远程运动中心维持在插管上的固定方位623处，但是在一些机器人手术方法中，远程运动中心的方位有利地不被维持在插管620上的固定方位623中，而是相对于插管620被重新定位到第二位置，该第二位置不同于相对于插管620的第一位置。此外，在一些实施例中，手术系统600的处理器被配置为将远程运动中心从这样的第一位置重新定位到这样的第二位置，同时处理器被编程和控制以受以下方式中的任何一种或多种约束。处理器可以被约束为使第二位置保持在距插管620的纵向轴线的最大距离内。处理器可以被约束为保持第二位置沿着插管620。处理器可以被约束为保持第二位置与插管620的内腔限定的轴线重合。处理器可以被约束为保持第二位置沿着器械630的轴634。处理器可以被约束为限制远程运动中心的运动速度。可以响应于达到或超过由插管620检测到的力极限(例如，使用插管620上的一个或多个应变仪)，阻止处理器进一步重新定位远程运动中心。可以基于远程运动中心的重新定位来阻止处理器致动一个或多个特定自由度的运动。在一些实施例中，手术系统600的处理器被配置为将远程运动中心从插管620上的第一位置重新定位到不沿着插管620的第二位置。
图24-26提供了一种示例计算机辅助远程操作手术方法，其中在机器人外科手术过程中远程运动中心方位623没有被维持在插管620上的固定方位。在该示例方法中，远程运动中心方位623能够例如由手术系统600的处理器被维持在器械630的细长轴634上的固定方位处。在一些实施例中，处理器能够被配置为通过以下方式输出一个或多个信号，以使操纵器组件610使插管620和器械630相对于彼此移动：通过处理器输出一个或多个信号，以使操纵器组件610在保持插管620静止的同时移动器械630。随着器械630的轴634被移动，远程运动中心方位623被手术系统600的处理器重新定位，因此使得远程运动中心的第一位置和远程运动中心的第二位置相对于器械630位于相同位置处。替代地，能够使用手术系统600的处理器将远程运动中心方位623选择性地定位和/或重新定位在沿着器械630的细长轴634的各个位置处，或甚至在轴634外的位置处。
在图24-26中描绘的计算机辅助远程操作手术方法中，手术系统600用于在细长手术工作空间14内实施微创机器人手术方法。在图24中，末端执行器636位于第一位置处。在图25中，末端执行器636位于第二位置处，第二位置在细长手术工作空间14内比第一位置更深。在图26中，末端执行器636位于第三位置处，第三位置在细长手术工作空间14内比第二位置更深。
在该示例场景中，细长手术工作空间14是弯曲的。在一些场景中，细长手术工作空间14在三维空间中具有不止一条曲线或是不规则形状。在一些场景中，细长手术工作空间14通常是直的。此处描述的方法的使用能够辅助沿着所有这样的细长手术工作空间14成功地导航手术器械630。
在每个所描绘的布置中，远程运动中心方位623由手术系统600的处理器维持在器械630的细长轴634上的固定方位处。即，在图24-26中所示的每个布置中，远程运动中心方位623位于器械630的细长轴634上的相同方位处。可以想到的是，当远程运动中心方位623在图24-26中所示的布置之间转换时，其沿着弯曲路径行进。这种弯曲路径对于避免干扰细长手术工作空间14的壁会是重要的。
应当理解，远程运动中心方位623能够由手术系统600的处理器选择性地定位在沿着轴634的任何位置，或甚至在轴634外的位置处。在一些实施例中，能够使用本文所述的由软件约束的远程运动中心数据处理和控制技术，使得处理器能够根据需要将手术系统600的远程运动中心定位在(一个或多个)位置中。细长手术工作空间14的特定形状和深度可以使一些远程运动中心方位623比其他的更有利。因此，在一些情况下，操作手术系统600的外科医生可以根据呈现的特定手术场景选择用于处理器控制远程运动中心方位623的特定方法。这些方法可以包括但不限于将远程运动中心方位保持或约束在插管620上的恒定位置处，在器械轴634上的恒定位置处，在空间中的恒定位置处，在沿着插管620和器械轴634的轴线的位置处，在沿着插管620和器械轴634的轴线的位置处等，以及它们的组合。替代地，在一些情况下，操作手术系统600的外科医生可以使用手术系统600的处理器在外科手术过程中一次或多次手动控制/调整远程运动中心方位623和/或控制远程运动中心方位623的方法。
图27提供了另一种非限制性示例手术场景，对于该场景，在器械630的细长轴634上的固定方位处控制远程运动中心方位623的方法会是有利的。在该场景中，在患者体内有一个或多个在目标操作区域18附近的敏感区域16。必须导航器械轴634，使得末端执行器636进入目标操作区域18，但必须避开敏感区域16。也就是说，在手术期间，器械轴634不必接触敏感区域16。在这种情况下，使用手术系统600的处理器将远程运动中心方位623定位在靠近末端执行器636的位置处或者在其附近的短距离处是有利的。
参照图28-30，至少有三个待由系统的控制器(例如，图2的处理器43)控制的参照系。参照系之一(c)是插管620的参照系(其他参照系包括远程运动中心方位623参照系rc和器械末端执行器636参照系e)。参照系运动控制的一般框图可以表示为如图28-30所示。这些附图显示了用于相对于相关参照(取决于输入模态)命令插管、器械和远程参照系运动中心的选项。
假设eyete由主工具操纵器(mtm)控制器(例如，图2的处理器43)命令。远程中心参照系和插管参照系的姿势规范可以来自以下来源中的一个或组合：(i)mtm控制器指定这些系/参照系在eye系中，即eyetrc和eyetc，(ii)次要装置命令这些系姿势在方便的参照系中，即reftrc和reftc(其中能够确定eyetref)，以及(iii)从侧控制器指定这些姿势在从臂的基系(baseframe)中，即wtrc和wtc(其中eyetw是已知的)。这些的具体非限制性实施例示于图28-30中。
图28是用于使用来自mtm控制器的输入主动控制远程运动中心(rc)、插管(c)和器械末端执行器(e)参照系的框图700。该控制模态可以与诸如但不限于“长号(trombone)”和其他相关mtm移动控制模式(下面参考图40进一步描述)的实施例相关。虽然图40结合隆起体壁主要描述了这种控制技术，但是类似的控制方法能够用于移动远程运动中心而不管对体壁或任何相关联的工作空间有何影响。
根据这些描述，能够想到本公开描述了一种系统，该系统包含操作员控制台，操作员控制台包含一个或多个手持输入装置，其中操作员控制台响应于来自手持输入装置的信号提供重新定位远程运动中心的指示。来自手持输入装置的信号可以通过致动输入装置上的按钮、开关或其他传感器或通过输入装置的运动来触发。
此外，能够想到本公开描述了一种系统，其包含与处理器电通信的第一手持输入装置和第二手持输入装置，其中重新定位远程运动中心的指示包含指示第一手持输入装置远离第二手持输入装置的相对运动的信号。第一手持输入装置和第二手持输入装置可以附接到控制台或自由浮动。第一手持输入装置的相对运动可由第一手持输入装置的运动、第二手持输入装置的运动或第一手持输入装置和第二手持输入装置两者的运动引起。
图29是用于使用来自主操纵器控制器的输入主动控制器械末端执行器(e)系，同时使用次要输入装置控制远程中心(rc)和插管(c)系的框图710。注意，为了方便起见，次要输入装置可以使用任意参照，而不一定是目系(eye系)。然而，参照系变换eyetref能够被直接测量或由间接测量值计算。然后，信号调节单元可以将这些输入组合在适当的公共系中，以供从操纵器控制器使用。
图30是用于使用来自主操纵器控制器的输入主动控制器械末端执行器(e)系，同时使用从侧接口控制远程中心(rc)和插管(c)系的框图720。注意，从侧输入可以被提供在用于由从操纵器控制器控制的任意参照系(例如世界系)中。可以直接测量或由间接测量值计算机器人的世界系与到眼睛的固定系(eye)之间的6-dof变换。该框图可以用在这样的实施例中，其中如下面进一步描述的那样，通过三态开关在从侧或者在抓持模式下命令独立插管运动。
参照图31和图32，手术系统600能够用于实施另一种微创机器人手术方法。在该示例方法中，手术系统600用于隆起内组织层11(例如，内部器官的壁)，从而在内组织层11下方创建较大的手术工作空间。在该方法的变体中，一个或多个可充气组织接合元件624能够用在内组织层11的两侧上以操纵它。通过在患者体内创建较大的工作空间，能够有利地实现增加的手术通路和更好的微创手术可视性。图31示出了在隆起内组织层11之前的手术系统600。图32示出了在隆起内组织层11之后的手术系统600。在一些实施方式中，内组织层11是器官或其他腔(例如，结肠)的壁，穿过该壁进行切口以进入器官内部的目标操作区域。
在使用中，插管轴622被插入穿过外组织层10(例如，体壁)和内组织层11中的切口，使得组织接合元件624定位在内组织层11下方(即，在患者体内)。在使组织接合元件624大体上穿过内组织层11之后，组织接合元件624能够与内组织层11联接。例如，在所描绘的实施例中，组织接合元件624能够被充气以准备用于隆起内组织层11。然后，为了隆起内组织层11，组织接合元件624远离患者移动(如与图31相比由图32所描绘)。
为了如图32所描绘的隆起内组织层11，插管620(具有联接到内组织层11的组织接合元件624)远离患者移动。在一些实施例中，组织接合元件624沿着空间中的与纵向轴线631重合的固定线远离患者移动。为了实现这种移动，能够利用用于约束机器人操纵器臂组件610(如本文所述)的运动的由软件约束的远程运动中心概念。使用由软件约束的远程运动中心概念移动机器人操纵器臂组件610以隆起内组织层11使插管620的横向运动最小化，否则所述横向运动可能无意中压迫或甚至撕裂切口处的组织。在一些实施例中，使用由软件约束的远程运动中心概念，机器人操纵器臂组件610能够沿着空间中的与纵向轴线631重合的固定线移动插管620。可以使用由如本文所述的手术系统600的处理器实施和/或执行的机器人数据处理和控制技术部分地或全部地施加对机器人操纵器臂组件610的运动的这种约束的一些或全部。
在一些实施例中，由如本文所述的手术系统600的处理器实施和/或执行的由软件约束的远程运动中心数据处理和控制技术能够用于将手术系统600的远程运动中心方位623定位在恰好在组织接合元件624的近侧的插管620上。在一些这样的实施例中，在内组织层11的隆起期间和在整个机器人外科手术过程期间，远程运动中心方位623的方位可由手术系统600的处理器维持恰好在组织接合元件624的近侧。例如，在图31和图32中所描绘的两种布置中，远程运动中心方位623的方位可以恰好在组织接合元件624的近侧。替代地，如下面进一步描述的，在一些实施例中，可以在机器人外科手术过程期间，使用手术系统600的处理器选择性地调整远程运动中心方位623的方位。
如图所示的将远程运动中心方位623的方位定位和维持在内组织层11处的插管620上能够在一些手术场景中提供优势。例如，当内组织层11比外组织层10对横向运动更敏感时，这种技术会是特别有益的。例如，在微创心脏手术的情况下(当手术工作空间在心脏内部时)，穿过心脏壁的切口会比穿过体壁(例如，胸壁或腹壁)的切口对横向运动更敏感。使用由如本文所述的手术系统600的处理器实施和/或执行的由软件约束的远程运动中心概念，远程运动中心方位623能够被定位在穿过内组织层11的切口的部位处，从而使内组织层11的横向运动最小化，同时允许在穿过外组织层10的切口处进行一些横向运动。
参照图33，在一些实施例中，机器人操纵器臂组件能够包括真空组织接合构件740。这种真空组织接合构件740能够选择性地与组织表面联接，以便于使用本文所述的方法隆起组织或操纵层。
在所描绘的布置中，插管620可释放地与器械保持器614联接。器械保持器614可枢转地与机器人操纵器臂612(未示出；参见图21和图22)联接。真空组织接合构件740还可释放地与器械保持器614联接。
真空组织接合构件740包括真空管线742和与真空管线742流体连通的抽吸构件744(或“抽吸装置744”)。真空管线742具有传递负压(低于环境室压力)到抽吸构件744的一个或多个内腔。抽吸构件744被配置有一个或多个开口，所述开口能够与组织表面接合并且能够借助于抽吸构件744中的负压将吸力施加到组织表面上。因此，当抽吸构件744将吸力施加到组织表面时，真空组织接合构件740与组织联接。
当真空组织接合构件740与组织联接时，器械保持器614能够被移动以产生组织的相应运动。例如，如图22所描绘的，器械保持器614能够远离组织移动以隆起组织。
在所描绘的实施例中，抽吸构件744包围插管轴622。应当理解，也可以想到其他布置在本公开的范围内。例如，在一些实施例中，可以使用单个真空杯。在一些实施例中，可以使用多个离散的真空杯。多个杯可以以各种方式进行布置，例如围绕插管轴622。抽吸构件744可以包含能够顺应不规则组织表面形貌的柔顺材料。
参照图34-36，在一些实施例中，机器人操纵器臂组件能够包括机械组织接合构件750。这种机械组织接合构件750能够选择性地与组织层联接，以便于使用本文所述的方法隆起组织层。
在所描绘的布置中，插管620(其与机器人操纵器臂组件(诸如图21和图22中所示的机器人操纵器臂组件610)可释放地联接)与机械组织接合构件750可滑动地联接。即，机械组织接合构件750能够相对于插管轴622纵向滑动并且能够被旋转。在所描绘的实施例中，插管620包括内腔625，机械组织接合构件750可滑动地联接在内腔625中。
机械组织接合构件750包括抓握部分752、轴754和钩部分756。轴754在抓握部分752和钩部分756之间延伸。抓握部分752能够由临床医生使用来操纵钩部分756。例如，在插管轴622被插入穿过组织层中的切口之后，临床医生能够操纵抓握部分752以使钩部分756与组织层的下侧接合。在一些情况下，操纵包括抓握部分752的旋转以旋转钩部分756。此后，机器人操纵器臂组件能够远离患者移动以隆起组织层(例如，如参考图22或图32所述)。在一些情况下，钩部分756会刺穿组织层的下侧。在一些情况下，钩部分756可被配置有防损伤端部，该防损伤端部将防止或抑制刺穿组织层的下侧。
已经描述了组织接合构件的许多不同设计。另外，想到了用于使机器人操纵器臂组件与组织层接合的其他装置和技术在本公开的范围内。例如，在一些实施例中，插管(或其附件)能够被缝合到组织层。而且，在一些实施例中，凸缘能够从插管选择性地展开。例如，由柔性或超柔性材料构成的凸缘能够被包含在插管的内腔中，并然后展开以在插管的远端已经穿过组织层的切口放置之后径向向外延伸。通过使机器人操纵器臂组件远离患者移动，展开的凸缘可用于施加收缩力以隆起组织。此外，已经描述了可充气组织接合构件(图21和图22)。在一些实施例中，两个或更多个可充气组织接合构件能够被联接到单个插管。在一些这样的实施例中，第一可充气接合构件能够定位在组织层下方，并且第二可充气接合构件能够定位在组织层上方。在一些情况下，除了用于施加隆起组织层的力之外，可充气接合构件还能够用作密封件。
参照图37-39，在一些实施例中，机器人操纵器臂组件610的用以创建组织隆起(如本文所述)的移动能够通过致动操纵器组件610的器械保持器614上的输入装置(诸如三态开关618)来启动。也就是说，能够使用速度控制模式，由此临床医生能够通过沿第一方向致动三态开关618来使体壁10隆起，从而向手术系统600的处理器发送指示以重新定位远程运动中心(例如，相对于插管620重新定位远程运动中心)。响应于从三态开关618接收到激活信号，机器人操纵器臂组件610(以及具有组织接合元件624的插管620)远离患者移动。在一些情况下，远程运动中心也可以相对于插管620移动。插管620的移动将使组织接合元件624在体壁10上施加力，使得体壁10将隆起。释放三态开关618将使机器人操纵器臂组件610的移动停止并维持在空间中的方位。当不再需要组织隆起时，临床医生能够沿与第一方向相反的第二方向激活三态开关618。响应于在第二方向上从三态开关618接收到激活信号，机器人操纵器臂组件610将朝向患者移动并且体壁10的隆起将减小。
在所描绘的布置和技术中，远程运动中心方位623的位置由手术系统600的处理器保持或约束在插管轴622上的一致位置处。因此，当机器人操纵器臂组件610通过沿第一方向致动三态开关618而被远离患者移动时，远程运动中心方位623的位置跟随插管620的移动。在所描绘的示例中，远程运动中心方位623的位置通过手术系统600的处理器移动到位置623'。
替代地，在一些实施例中，尽管机器人操纵器臂组件610(和插管620)的移动由三态开关618的致动启动，但是手术系统600的处理器可以将远程运动中心方位623的位置维持在空间中的相同位置中。也就是说，在一些实施例中，开关618的激活向手术系统600的处理器发送相对于插管620重新定位远程运动中心的指示。
虽然在该示例中，机器人操纵器臂组件610的用以隆起体壁10的移动通过三态开关618的致动而被启动，也想到用于移动机器人操纵器臂组件610(和/或远程运动中心的位置)的其他输入设备和技术在本公开的范围内。例如，手术系统的处理器可以被配置为生成相对于插管以任何适当的方式重新定位远程运动中心的指示。在各种实施例中，处理器可基于预先计划的操纵器或远程运动中心轨迹、响应于检测到特定的解剖特征、基于对相同类型的先前手术的分析等等来生成该指示。作为另一示例，手术系统的处理器可以被配置为(从处理器的外部)接收相对于插管重新定位远程运动中心的指示。该指示可以通过用户与输入设备的交互来启动。该指示可以由与处理器分开的第二处理器提供。该指示可以源自前述的组合。例如，在一些实施例中，处理器被配置为响应于某些标准或在手术的某些部分生成该指示，并且还被配置为从外部接收该指示。
作为进一步的示例，在一些实施例中，能够将移动距离，即在以上描述中的623和623'之间的距离(例如，若干毫米)输入到机器人操纵器臂组件610的用户界面中。在一些实施例中，脚踏板能够用于引起机器人操纵器臂组件610(和/或远程运动中心的方位)的移动。脚踏板能够位于例如外科医生控制台(例如，图2的外科医生控制台40)处，或者位于患者侧区域处。在一些实施例中，语音命令和语音识别能够用于输入机器人操纵器臂组件610(和/或远程运动中心的方位)的移动的距离以创建隆起的体壁10。而且，手术系统可以包括操作员控制台，操作员控制台包含手持输入装置，其中操作员控制台响应于来自手持输入装置的信号提供重新定位远程运动中心的指示。手术系统可包括与处理器电通信的第一手持输入装置和第二手持输入装置，其中重新定位远程运动中心的指示包含指示第一手持输入装置远离第二手持输入装置的相对运动的信号。
在一些实施例中，抓持模式输入设备能够用于隆起体壁10和/或启动远程运动中心的重新定位。使用抓持模式，能够按下器械保持器614上的按钮，以允许器械保持器614远离患者的手部移动。按钮的按下释放机器人操纵器臂组件610，使得它能够被手动移动。在将器械保持器614相对于患者移动到期望位置之后，能够释放按钮并且机器人操纵器臂组件610将再次准备好进行正常操作。在一些由软件约束的远程中心实施例中，可以在手术期间激活该抓持模式。在一些实施例中，在操纵器组件610的手动移动前激活开关(即，器械保持器614上的按钮)向手术系统600的处理器发送相对于插管620重新定位远程运动中心的指示。
在另一个示例中，导纳控制模式可用于隆起体壁10(和/或移动远程运动中心的位置)。使用导纳模式，临床医生能够简单地手动将器械保持器614从患者移动离开到期望的位置。能够谐调导纳以匹配被操纵或隆起的组织的特性。在将器械保持器614相对于患者移动到期望位置之后，机器人操纵器臂组件610将再次准备好进行正常操作。在一些由软件约束的远程中心实施例中，可以在手术期间激活该导纳控制模式。在一些实施例中，能够以这种导纳控制模式向临床医生提供触觉反馈。这种类型的触觉反馈可以是任何适当的反馈。例如，反馈可以包含预定的振动模式或力量值以及与不同隆起量相关联的方向。作为另一些示例，反馈可以基于导纳，可以将与插管620的手动操纵相关联的力建模以隆起体壁10，可以将由器械保持器614或操纵器臂组件610或其他结构经历的对应于体壁10的隆起的反作用力，等等。
图40图示了能够用于隆起体壁10的另一示例技术或模式。该示例允许使用手术系统600的处理器在外科医生控制台40处激活远程操作的体壁隆起(参见图2)，并且，在一些情况下，允许使用手术系统600的处理器选择性地调整远程运动中心的位置。在该示例中，外科医生或其他操作员的两只手致动并控制左手持主输入装置41且右手持主输入装置42。左主输入装置41使用手术系统600的处理器控制末端执行器636的移动。右主输入装置42使用手术系统600的处理器控制插管620的移动，插管620使用组织接合元件624与体壁10联接。
为了通过手术系统600的处理器激活体壁10的隆起，外科医生简单地将右主输入装置42移动远离左主输入装置41。在各种实施例中，这能够通过相对于地面移动右主输入装置42同时保持左主输入装置41相对于地面静止不动，保持右主输入装置42相对于地面静止不动同时相对于地面移动左主输入装置41，或通过相对于地面移动左主输入装置41和右主输入装置42两者来实现。结果，插管620被移动远离末端执行器636。因为插管620经由组织接合元件624与体壁10联接，所以插管620远离患者的移动将导致体壁10的隆起。在一些实施例中，使用由软件约束的远程运动中心概念，右主输入装置42相对于左主输入装置41的相对运动能够通过手术系统600的处理器激活插管620沿着空间中的与器械轴634的纵向轴线631重合的固定线的移动。可以使用本文所述的机器人数据处理和控制技术部分地或全部地施加对机器人操纵器臂组件610的运动的这种约束的一些或全部。在一些实施例中，由于隆起而在组织上的力(通过测量、模型估计、测量和建模的组合等确定)能够由手术系统600的控制器用于诸如限制远程运动中心的移动或向外科医生或控制台40处的其他操作员提供触觉反馈的目的。作为一些示例，这种触觉反馈可以为操作员模拟手动操纵插管620以隆起体壁10，可以为操作员模拟由器械保持器614或操纵器臂组件610或其他结构经历的对应于体壁10的隆起的反作用力，等等。
尽管左和右主装置42、41被描述为附接到上述控制台40，但是应认识到，在一些实施例中，可使用的其他手持输入装置可以与任何控制台分离、不接地并且无线通信。
根据图40的先前描述，能够想到本公开描述了一种修改(改变尺寸，例如放大或缩小；或者改变形状；或者对空间特征的任何其他改变)手术工作空间的方法，该方法包括接收来自远离第二手持输入装置的第一手持输入装置的输入，并且移动操纵器组件610。在一些情况下，该方法包括保持手术器械630大体静止，同时使操纵器组件610移动，使得插管620沿手术器械630的纵向轴线移动并修改(例如扩大)手术工作空间。
图41和图42是两个系统800和810的示例示意框图，所述两个系统800和810用于使用计算机辅助手术系统的处理器来控制器械末端执行器参照系和远程中心参照系之间的关系。在这些系统的一些实施例中，假设插管参照系和远程中心参照系重合。此外，插管和远程中心在物理上被约束为相对于器械末端执行器(仅沿着插管和器械的纵向轴线)移动。在这种情况下，有两种不同的策略可以被采用，以控制器械末端执行器的参照系(e系)和远程中心的参照系(rc系)之间的关系。
能够用于主动控制两个参照系(无论e系是固定的还是移动的)之间的相对距离(d)的一种策略使用来自力/扭矩传感器或三态开关的输入。可以使用图41中所示的框图来实现用于该模式的控制子系统。该控制子系统能够被描述为‘相对姿势控制器’。这在概念上类似于上述的图30。
例如，图41提供了使用三态开关相对控制插管距尖端的距离的一般框图。在该实施例中，对从操纵器的增量笛卡尔命令“slv_cart_delta”可以表示如下：slv_cart_delta＝s*slv_cart_vel*ts(其中ts是控制器的采样时间)。s可以取值[1，-1，0]，这取决于它命令运动进入身体、从身体出来还是不运动。本领域普通技术人员将容易认识到，增量方位控制和速度控制是可互换的并且用于相同的目的。
图42提供了使用力/扭矩或压力传感器相对控制插管距尖端的距离的一般框图。在该实施例中，对从操纵器的增量笛卡尔命令“slv_cart_delta”可以表示如下：slv_cart_delta＝f(f，p)(其中“f”是使用感测到的力或压力f和一些用户定义的参数p作为输入的可编程函数)。这是一个导纳控制器。在一个实施例中，这可以通过借助于关节扭矩传感器和臂运动学知识估计沿插管轴线的笛卡尔力来实现。在这种估计之后，计算的估计值可以用作输入f以命令增量运动。信号f可以是基于用户与操纵器的交互的任何其他测量或计算的力的量，其目的是相对于末端执行器移动远程运动中心。
另外，可以使用另一策略来独立地控制rc系和e系的轨迹，其中管理这些轨迹的控制输入可能都来自主操纵器。该附加策略的控制子系统框图可以被称为‘独立姿势控制器’，其在图28-30中描述。图40中所示的长号控制模式是该策略的示例。
应当理解，在某些情况下可以概述插入(i/o)运动以允许远程中心或插管相对于器械尖端e的横向运动。在这种情况下，为了不影响尖端姿势e，远程或插管将需要围绕尖端枢转，同时驱动器械以补偿e的运动。这将允许rc或插管在体壁上的大致横向运动，并且可有助于以更复杂的方式操纵手术领域。
参照图43，一些微创机器人手术方法使用单点技术。单点技术的目的是减少穿过体壁10的切口的数量。例如，在所描绘的布置中，第一插管620和第二插管620'各自穿过端口装置900的单独内腔。端口装置900使用单个切口与体壁10接合。因此，通过单个切口使用两个插管620和620'。
使用本文所述的由软件约束的远程运动中心概念，能够使用手术系统的处理器协调两个插管620和620'的移动，使得体壁10能够被隆起。应当理解，每个单独的插管620和620'被联接到相应的机器人操纵器组件610和610'(未示出；参见图21和图22)。
两个插管620和620'中的每一个具有共享的远程运动中心。在所描绘的布置中，在隆起体壁10之前，共享的远程运动中心位于第一位置，被示为方位623。使用本文所述的技术，联接到两个插管620和620'的两个机器人臂组件能够被协调地移动，使得共享的远程运动中心使用手术系统600的处理器被移动到第二位置623'。结果，端口装置900将远离患者移动，并且体壁10将变得隆起。在两个插管620和620'的移动期间，末端执行器636和636'能够被维持在手术工作空间内的大致静止方位中。
鉴于以上对图43的描述，能够想到在一些实施例中，手术系统600的处理器由机器可读指令进行配置和/或编程以检测插管620与操纵器组件610的联接(其中插管620被配置为与患者的组织层联接)，检测第二插管620'与手术系统600的第二操纵器组件610'的第二联接(其中第二插管620'被配置为与患者的组织层联接)，并且同时移动操纵器组件610和第二操纵器组件610'，使得插管620和第二插管620'使组织层变形并修改手术工作空间。例如，使组织层隆起并扩大手术工作空间。在一些情况下，同时移动操纵器组件610和第二操纵器组件610'的步骤包括基于共享的远程运动中心限制操纵器组件610和第二操纵器组件610'的同时移动。
作为另外的实施例，可以扩展本文所述的机器人系统(例如，结合图1-2描述的手术系统、手术系统600、各种操纵器组件和相关联的处理器，以及其他系统)来以规定的方式维持或移动枢轴位置，同时导致对操纵器联动装置的运动的一个或多个其他约束。它们确定并驱动运动以平衡维持或移动枢轴位置的任务，其中一个或多个任务对应于运动其他约束。示例约束包括对操纵器联动装置的一个或多个零件的方位、速度、加速度、跃度或前述的任何组合的静态或动态限制。另外的示例约束包括对电流汲取、输出功率、输出转矩、输出力、感测的扭矩或力等的静态或动态限制，等。
在本公开中已经描述了许多用于控制机器人系统的运动的技术。许多具体示例描述了在各种手术环境中的在(一个或多个)机器人操纵器、(一个或多个)插管和(一个或多个)手术器械的背景下的技术。尽管大多数示例描述了结合外科手术的技术，但是这些技术也能够应用于非外科手术，包括用于医学诊断或非手术治疗的手术。此外，这些技术也能够用于非医疗机器人系统中。
在一些情况下，提供由软件约束的远程运动中心的位置的指示是有益的。这些指示可以单独使用或组合使用，并且可以与本文所述的实施例中的任何一个一起使用。能够以各种方式提供指示。例如，在一些实施例中，本文所述的手术系统的处理器能够被配置为例如通过外科医生控制台向外科医生提供远程运动中心的方位的一个或多个视觉指示器或提示。在一个这样的示例中，由软件约束的远程运动中心的位置能够通过显示器45(图2)中的图形表示来向外科医生或其他操作员或人员描绘。在另一示例中，在一些实施例中，光(例如，漫射光)能够在手术工作空间内发光，以指示由软件约束的远程运动中心的位置。外科医生(或其他操作员或人员)能够在显示器中看到闪亮的光。在一些实施例中，能够提供触觉反馈以指示由软件约束的远程运动中心的移动。例如，在一个这样的实施例中，能够为由软件约束的远程运动中心的每5毫米移动提供触觉定位器。作为附加示例，具有或不具有触觉反馈的声音或语音提示指示由软件约束的远程运动中心的移动。
能够提供的远程运动中心的方位的附加视觉提示的一些示例如下。能够包括在患者的身体表面或插管上的视觉投影，其指示远程中心的位置。例如，如果将投影设置为聚焦到远程中心处的一个点，那么在皮肤表面可见的光斑尺寸将表示距远程中心的距离。还可以使用两条或更多条光线，这些光线被对准以在远程中心处相交，使得从皮肤表面反射的两条或更多条光线之间的距离指示距远程中心的距离。这可以由操作员在床边直接观察，或者通过手术控制台中显示的外接摄像机视图观察到。投影也可以是距离表面的深度的实际数字读数，其中皮肤表面相对于器械操纵器的位置可以使用机器视觉、深度摄像机或一些其他设备来测量。远程中心位置可以被照亮为插管本身上的带，或者作为与远程中心的任一侧已知距离的一系列带。当外科医生在患者旁边并且能够直接观察插管时，这可以是有用的。
在一些实施例中，一个或多个安全特征能够与用于控制本公开中描述的各种手术环境中的机器人操纵器、插管和手术器械的运动的技术结合使用。这些指示可以单独使用或组合使用，并且可以与本文所述的实施例中的任何一个一起使用。例如，在一些实施例中，使用本文所述的手术系统的处理器来监控由软件约束的远程运动中心的离轴线位置。离轴线位置能够由手术系统的处理器约束到限制距离，和/或当离轴线位置超过阈值距离时，能够向外科医生提供警报。
结合一些实施例提供的另一个安全特征是使用本文所述的手术系统的处理器限制由软件约束的远程运动中心的运动速度。这种速度限制能够有助于在某些情况下最小化撕裂组织的可能性。此外，另一个安全特征是包括力感测装置(例如，力感测插管)并且通过本文所述的手术系统的处理器在用于由软件约束的远程运动中心的控制方案中使用力反馈。例如，能够建立力极限，使得当达到力极限时，由软件约束的远程运动中心不能移动得更远。在一些实施例中，力极限能够与距离限制结合使用。为了向临床医生提供反馈，在一些实施例中，当达到或接近限制时(例如，触觉、听觉、视觉、触感等)，系统能够发出警报。
能够与一些实施例结合使用的附加安全特征包括通过本文所述的手术系统的处理器将由软件约束的远程运动中心的移动约束为仅沿着插管或仅沿着手术器械的轴。
在一些实施例中，能够在患者体外使用摄像机，使得外科医生能够看到组织隆起的程度。例如，在一些实施例中，画中画能够与外科医生控制台处的显示器一起使用。也就是说，由患者体外的摄像机拍摄的隆起的视频图像能够被馈送到外科医生控制台的显示器，同时仍然允许外科医生看到来自被用于手术的内窥镜的图像。这种显示器可以与本文所述的实施例中的任何一个一起使用。
虽然本说明书包含许多具体实施方式细节，但这些不应被解释为对任何发明或可要求保护的事项的范围的限制，而是作为针对于特定发明的特定实施例的特征的描述。在单独实施例的情况下在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反地，在单个实施例的情况下描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，虽然本文中可将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声明，但是在某些情况下来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从该组合中去除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或按先后顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理会是有利的。此外，本文所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实施例中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序部件和系统通常可以一起集成在单个产品中或者被打包进多个产品。
已经描述了本主题的具体实施例。其他实施例在其后的权利要求书的范围内。例如，权利要求书中记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。作为一个示例，附图中描绘的过程不一定需要所示的特定顺序或先后顺序来实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务和并行处理会是有利的。