当错开时的主从取向映射1.本技术是于2016年6月10日提交的名称为“当错开时的主从取向映射”的中国专利申请201680033734.7(pct/us2016/036863)的分案申请。2.相关申请3.本技术要求2015年6月10日提交的标题为“master‑to‑slaveorientationmappingwhenmisaligned”的美国临时专利申请62/173,844的申请日的优先权和权益，该申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域：
：4.本发明的方面涉及外科手术系统，并且更具体涉及当外科手术系统中的主工具把手和从外科手术器械尖端最初错开时控制两者的取向。
背景技术：
：：5.诸如微创远程操作机器人系统的外科手术系统为患者提供了许多益处，诸如减小身体创伤、更快恢复、以及更短的住院时间。通常，在外科手术系统中，外科医生使用主工具操纵器(有时被称为主工具)来控制外科手术器械(被称为从外科手术器械)的移动。6.在一种远程操作外科手术系统中，主工具操纵器的主工具把手被特别设计为用于人机(ergonomic)和直观双重控制从外科手术器械。外科医生使用他/她的食指和大拇指以特殊方式握住主工具把手，以便瞄准和抓取运动包含直观指向运动和捏取运动。7.为了能够直观控制从外科手术器械，主工具把手在外科手术系统中的立体视镜(stereoscopicviewer)的视图框中在取向上与从外科手术器械尖端理想地对齐。从外科手术器械尖端的运动理想地经由远程操作来跟随主工具运动，并且在运动方向以及绝对取向两者上是一致的，即，外科手术器械尖端运动跟随主工具把手的运动。如果主工具与从外科手术器械尖端之间未实现取向对齐，但是从外科手术器械尖端既不指向与外科医生正在利用主工具指向的相同的绝对方向，也不沿着与外科医生正在利用主工具指向的相同轴线滚动。8.在一个方面中，主工具操纵器使用万向节组件中的马达来主动对齐外科医生眼睛观察坐标下的主工具把手的取向轴线与摄像机观察坐标下的相关联的从外科手术器械尖端。在主工具的运动与从外科手术器械的运动之间接合跟随之前，这种对齐自动发生。9.具体地，在进入对之前远程操作外科手术系统的跟随之前，系统设法对齐从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的取向与主工具把手在眼睛观察坐标系(有时也被称为眼坐标系)中的取向。通常，只要系统从主工具把手与从外科手术器械尖端之间的取向对齐可能已经被危及的模式转变(在工具改变、摄像机啮合(clutch)、从动件啮合、在四臂系统中的臂交换等之后)，远程操作外科手术系统就执行主从对齐。10.在主从对齐过程中，在不改变主工具把手x‑y‑z位置的情况下，计算使主工具把手在眼睛观察坐标系中的取向匹配从外科手术器械尖端在摄像机观察坐标系中的取向的一组主腕部接头角。然后使用马达来命令主腕部接头匹配计算的角。11.这将会导致主工具把手与从外科手术器械尖端的取向的对齐。然而，如果当马达正在将腕部接头定位在主工具中时外科医生太牢固地抓握主工具把手，主工具把手与从外科手术器械尖端之间则会存在位移误差和取向误差两者。12.在主工具把手中的腕部接头被命令对齐主工具把手与从外科手术器械尖端的取向之后，远程操作外科手术系统在允许用户进入跟随之前再次检查主和从取向匹配。如果取向不匹配，警告消息被显示并且主从对齐被再次尝试。该过程被重复直至主工具把手与从外科手术器械尖端的取向之间的对齐在可接受容差内，例如，主从之间的取向错开小于十度。13.取向错开被限制于小角度偏差，使得当主工具被旋转时，从外科手术尖端通常被外科医生感知为以相同方式的滚动。(参见图4c和4d以及下面的相关讨论，其展示了当取向错开大于允许的小角度偏差时，当主工具把手被旋转时从外科手术器械尖端以未预期的方式旋转。)14.当主工具把手与从外科手术器械尖端的取向之间的对齐误差小于允许的小取向错开时，主工具把手与从外科手术器械尖端被认为对齐，并且远程操作外科手术系统进入跟随。对使主工具把手与从外科手术器械尖端以这样的小取向错开对齐的要求往往使外科医生的进入跟随减慢。技术实现要素：15.一种外科手术系统包括从外科手术器械和主工具操纵器，所述从外科手术器械具有从外科手术器械尖端，并且主工具操纵器包括主工具把手。主工具把手通过控制器被耦连至从外科手术器械尖端。从外科手术器械尖端与主工具把手之间的所需的取向对齐被放宽，使得控制器正常进入跟随，其中不管主工具把手与从外科手术器械尖端之间的任何取向错开如何，从外科手术器械尖端的运动都跟随主工具把手的运动。16.因此，实现小取向错开的现有技术主从对齐过程的多次重复被消除或被显著减少。进一步地，不管刚好在进入跟随之前的主工具把手与从外科手术器械尖端之间的任何俯冲取向错开(swoopingorientationmisalignment)如何，从外科手术器械的运动都直观地跟随主工具把手的运动，并且在跟随期间不存在与主工具把手的运动相关联的未预期的运动。17.在一个方面中，控制器被配置为接收来自主工具操纵器的第一命令，并且向从外科手术器械发送包括从外科手术器械尖端的期望取向的第二命令。控制器被进一步配置为通过使用主工具把手的取向来产生从外科手术器械尖端的期望取向。主工具把手的取向被包括在第一命令中。18.即使当主工具把手与从外科手术器械尖端之间存在俯冲取向错开时，由控制器产生的从外科手术器械尖端的期望取向也保留主工具把手与从外科手术器械尖端之间的相同的感知旋转。此处，相同的感知旋转意味着，如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定轴线，则从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定轴线。例如，如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定x轴线，从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定x轴线，或如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定y轴线，从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定y轴线，或如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定z轴线，从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定z轴线。19.这是与主控件围绕眼坐标系中的空间固定轴线的旋转导致围绕摄像机坐标系中的相同空间固定轴线的从旋转的现有系统相比。当在进入跟随时主工具把手与从外科手术器械尖端之间的取向偏移被准许为大取向偏移时，主把手围绕其指向方向的旋转能够导致投影在从观察坐标系上的围绕主指向方向的从外科手术器械尖端圆形运动。因此，现有系统中的主工具把手和从外科手术器械尖端不具有对于俯冲取向错开的相同的感知运动。20.在一个方面中，控制器包括存储器和取向控制模块。存储器被配置为存储从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的基本取向并且存储眼坐标系在主坐标系中基本取向。控制器还被配置为接收来自主工具操纵器的第一命令。来自主工具操纵器的第一命令包括主工具把手在眼坐标系中的当前取向。控制器被进一步配置为向从外科手术器械发送包括从外科手术器械的期望取向的第二命令。21.应当认识到，控制器能够由一个单元或多个不同单元组成。当控制器被分割在在不同的单元之间时，所述单元可以被集中在一个位置中或被分布成遍布外科手术系统。22.取向控制模块被配置为接收主工具把手在眼坐标系中的当前取向，并且产生从外科手术器械的期望取向。取向控制模块还被配置为检索主工具把手的存储的基本取向和从外科手术器械尖端的存储的基本取向。23.取向控制模块被进一步配置为基于从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的存储的基本取向和相对旋转矩阵产生从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望取向。相对旋转矩阵表示眼坐标系在主坐标系中的相对旋转。在产生从外科手术器械的期望取向中，取向控制模块补偿主工具把手与从外科手术器械尖端之间的任何俯冲取向错开。因此，从外科手术器械尖端的运动直观地跟随主工具把手的运动而无任何未预期的运动。24.在本文中，俯冲取向错开是在现有系统中当主工具把手围绕主工具把手的对应轴线被旋转时将会导致外科手术器械的尖端围绕外科手术器械尖端的轴线以可感知的圆形移动的取向错开。现有系统的特征在于将从外科手术器械尖端的期望取向限定为主工具把手的当前取向、从外科手术器械尖端在摄像机参考坐标系中的基本取向、和主工具把手在眼坐标系中的基本取向的转置的乘积。25.在一个方面中，相对旋转矩阵是主工具把手在眼坐标系中的当前取向和眼坐标系在主坐标系中的存储取向的组合。26.控制器还包括主从对齐模块。主从对齐模块被配置为向主工具发送移动主工具把手的命令，以对齐主工具把手在眼坐标系中的取向与从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的取向。而且，在主工具移动主工具把手之后，主从对齐模块被配置为确定主工具把手在眼坐标系中的取向与从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的取向之间的取向对齐误差。进一步地，主从对齐模块被配置为确定取向对齐误差小于或等于最大准许的俯冲取向错开。在一个方面中，最大允许的俯冲取向错开被限制，因此不存在关于旋转是围绕哪一个轴的混淆，例如，使得俯仰和偏摆不被混淆。作为示例，在一个方面中，最大准许的俯冲取向错开是五十度。27.在一个方面中，主从对齐模块被进一步配置为，只要取向对齐误差大于最大准许的俯冲取向误差，就重复发送命令、确定取向对齐误差、以及确定取向对齐误差是否小于或等于最大允许的俯冲取向误差。此处，最大准许的俯冲取向对齐误差是表达最大准许的俯冲取向错开的不同方式。28.在一个方面中，控制器还包括被耦连至主从对齐模块的存储模块。存储模块被配置为在主工具移动主工具把手之后，如果取向对齐误差小于最大的大对齐误差，则接收主工具把手在眼坐标系中的取向和从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的取向。存储模块还被配置为将主工具把手在眼坐标系中的取向作为眼坐标系在主坐标系中的基本取向存储在存储器中，并且将从外科手术器械尖端在摄像机参考系中的取向作为从外科手术器械尖端在摄像机参考系中的基本取向存储在存储器中。29.在一个方面中，外科手术系统包括具有远端的内窥镜。摄像机坐标系相对于内窥镜的远端被限定。外科手术系统还包括外科医生控制台，所述外科医生控制台包括观察器和主工具操纵器。30.用于控制外科手术系统中的从外科手术器械的从外科手术器械尖端的对齐以及外科手术系统中的主工具操纵器的主工具把手的对齐的方法包括通过使用在眼坐标系中的取向由控制器产生从外科手术器械尖端的期望取向，在主工具把手与从外科手术器械尖端之间具有俯冲取向错开的情况下，从外科手术器械尖端的期望取向保留主工具把手与从外科手术器械尖端之间的相同的感知旋转。31.在一个方面中，所述产生包括由控制器基于旋转偏移和主工具把手在眼坐标系中的当前取向产生从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望取向，旋转偏移是从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的存储的取向和眼坐标系在主坐标系中的存储的取向的组合。所述方法还包括由控制器向从外科手术器械发送包括从外科手术器械尖端的期望取向的命令，并且响应于所述命令通过从外科手术器械将从外科手术器械尖端移动到期望取向。32.在一个方面中，在所述产生之前，所述方法向主工具操纵器发送移动主工具把手的命令，以对齐主工具把手在眼坐标系中的取向与从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的取向。在主工具操纵器移动主工具把手之后，所述方法确定主工具把手在眼坐标系中的取向与从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的取向之间的取向对齐误差。所述方法然后确定取向对齐误差是否小于或等于最大准许的俯冲取向错开。33.在另一方面中，一种计算机辅助医疗系统包括主工具把手、从外科手术器械尖端、控制器和存储器。主坐标系的滚动轴线沿着主工具把手的长度被限定。主坐标系与主工具把手的取向相关联，并且主坐标系是主体固定主坐标系。34.从坐标系的滚动轴线沿着从外科手术器械尖端的长度被限定。从坐标系与从外科手术器械尖端的取向相关联，并且从坐标系是主体固定从坐标系；35.存储器包含指导控制器执行包括以下动作的动作的非临时性指令：接收对应于主工具把手的滚动的输入，响应于输入而产生使从外科手术器械尖端滚动的命令，所述命令是使从外科手术器械尖端围绕主体固定从坐标系的滚动轴线旋转而不使从外科手术器械尖端围绕与主体固定从坐标系的滚动轴线正交的任一轴旋转，以及响应于所述命令而使从外科手术器械尖端围绕主体固定从坐标系的滚动轴线滚动。36.一种用于计算机辅助医疗系统的状态的方法，在所述计算机辅助医疗系统中眼坐标系中的主坐标系的滚动轴线与摄像机坐标系中的从坐标系的滚动轴线之间存在取向错开，主坐标系与主操纵器的主工具把手相关联，从坐标系与从外科手术器械尖端相关联，主工具把手的滚动轴线沿着主工具把手的长度被限定，从外科手术器械尖端的滚动轴线沿着从外科手术器械尖端的长度被限定，所述方法包括接收对应于主工具把手围绕主坐标系的滚动轴线的滚动的输入，主坐标系是主体固定主坐标系。响应于输入而产生使从外科手术器械尖端滚动的命令，所述命令是使从外科手术器械尖端围绕主体固定从坐标系的滚动轴线旋转而不使从外科手术器械尖端围绕与主体固定从坐标系的滚动轴线正交的任何轴线旋转，以及响应于命令而使从外科手术器械尖端围绕主体固定从坐标系的滚动轴线滚动。附图说明37.图1是外科手术系统的示意图，其包括具有跟随模块的远程操作伺服控制器，所述跟随模块包括取向控制模块。38.图2a是图1的外科医生控制台的多个部分的示意图。39.图2b是在一个方面中图示由图1的控制器实现的处理的过程流程图。40.图3a至3c图示了由图1的控制器使用的各种坐标系。41.图4a至4d图示了当主从之间存在错开时取向的现有系统相对控制的问题。42.图5a、5b、5e和5f图示了当存在错开时由图1的控制器执行以控制主控件和从动件的过程克服了现有系统的限制。43.图5c和5d图示了主工具把手与从外科手术器械尖端之间的取向错开，这在空间固定坐标系被使用时导致从外科手术器械尖端不能重复主工具把手的感知运动。44.图6是在一个方面中图示由图1的控制器实现的处理的更详细过程流程图。45.在附图中，附图编号中的第一个数字表明带有该附图编号的元件第一次出现的图。具体实施方式46.本发明的各方面预期到，远程操作外科手术系统100(有时也被称为系统100)中的主工具把手和从外科手术器械尖端的现有技术主从对齐过程可以导致主工具把手与从外科手术器械尖端之间的俯冲取向对齐误差(即，大的错开)。为了避免与在主工具把手与从外科手术器械尖端的取向对齐之前重复主从对齐过程相关联的现有技术延迟，控制器150放宽了在能够进入跟随之前用于主工具把手与从外科手术器械尖端的取向之间的可接受对齐误差的标准，即，俯冲取向对齐误差是可接受的。相比于需要主工具把手与从外科手术器械尖端的取向之间的更精确对齐的现有技术过程，在能够进入跟随之前用于主工具把手与从外科手术器械尖端的取向之间的可接受对齐误差的宽松标准减少了在能够进入跟随之前主从对齐过程的所需重复的次数。47.在本文中，俯冲取向错开是在上面描述的现有系统中主工具把手围绕其指向方向的旋转将会导致投影在从观察坐标系上的围绕主工具把手指向方向的从外科手术器械尖端圆形旋转情况下的取向错开。现有系统的特征在于将从外科手术器械尖端的期望取向限定为主工具把手的当前取向、从外科手术器械尖端在摄像机参考坐标系中的基本取向、和主工具把手在眼坐标系中的基本取向的转置的乘积。48.由于现有系统将从外科手术器械尖端与主工具把手之间的取向误差限制于小取向误差，从外科手术器械尖端的圆形运动对用户来说是不可感知的，并且因此对于现有系统中的小取向误差，从外科手术器械尖端和主工具把手具有相同的感知运动。然而，当对于小取向误差的要求被放宽时，从外科手术器械尖端和主工具把手的感知运动不再相同。49.如在下面更完整地解释的，控制器150在主从对齐过程完成后存储主工具把手和从外科手术器械尖端的基本取向，并且进入跟随。如本文中使用的，“跟随”是在由系统100的用户移动外科医生控制台114中的主工具的主工具把手导致控制器150向外科手术器械112发送以与主工具把手移动相同的方式移动从外科手术器械尖端的命令情况下的远程操作外科手术系统100的状态。因此，在跟随期间，不管当跟随开始时主工具把手与从外科手术器械尖端之间的取向错开如何，从外科手术器械尖端的移动都跟随主工具把手的移动。50.在跟随期间，来自主工具操纵器的从外科手术器械尖端的每个命令移动由控制器150以如在下面更完整地描述的具体方式进行旋转，以补偿在进入跟随之前主工具把手与从外科手术器械尖端之间的任何对齐误差。不管主工具把手与从外科手术器械尖端之间的初始取向错开如何，这种旋转的结果体现在从外科手术器械尖端的运动都直观地对应于主工具把手的运动。从外科手术器械尖端的运动是用户基于主工具把手的移动所预期的运动，因为由系统100的用户感知的主工具把手的运动与由用户感知的从外科手术器械的运动相同，即，主工具把手和从外科手术器械尖端具有相同的感知运动。51.这是与在如在下面关于图4a至4d更完整地描述的一些情况下大初始错开导致当跟随主工具把手的运动时外科手术器械尖端的未预期的运动的现有系统相比。具体地，主工具把手和从外科手术器械尖端的感知运动是不同的，因为主工具把手围绕眼坐标系中的空间固定轴线的旋转导致围绕摄像机坐标系中的相同空间固定轴线的从外科手术器械尖端旋转。当在进入跟随时主工具把手与从外科手术器械尖端之间的取向偏移被允许为大取向偏移时，主工具把手围绕其指向方向的旋转能够导致投影在从观察坐标系上的围绕主指向方向的从外科手术器械尖端圆形运动。参见下面的图4c和4d以及附随的描述。52.更具体地，在一个方面中，控制器150(图1)被配置为从主工具操纵器(未示出，但是参见主工具操纵器370(图3c))接收第一命令133，并且向从外科手术器械112发送包括从外科手术器械尖端的期望取向的第二命令135。控制器150被配置为使用主工具把手的取向来产生从外科手术器械尖端的期望取向。主工具把手的取向被包括在第一命令133中。53.即使当主工具把手与从外科手术器械之间存在俯冲取向错开时，由控制器150产生的从外科手术器械尖端的期望取向也保留主工具把手与从外科手术器械尖端之间的相同的感知旋转。此处，相同的感知旋转意味着，如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定轴线，从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定轴线。例如，如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定x轴线，从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定x轴线，或如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定y轴线，从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定y轴线，或如果主工具把手的旋转被感知为是围绕主工具把手的主体固定z轴线，从外科手术器械的旋转被感知为是围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定z轴线。54.如刚刚解释的，这是与现有系统相比，在现有系统中当取向偏移被允许为大取向偏移时主工具把手围绕其指向方向的旋转能够导致投影在从观察坐标系上的围绕主指向方向的从外科手术器械尖端圆形运动。因此，现有系统中的主工具把手和从外科手术器械尖端不具有对于俯冲取向误差的相同的感知运动。55.在外科手术系统100中，用户(通常外科医生)坐在控制台114处，并且在大拇指和食指之间抓握主工具把手(未示出)，使得瞄准和抓取运动包含直观的指向运动和夹捏运动(pinchingmotion)。主工具把手是主工具操纵器的一部分，有时被称为主工具。主工具把手的运动被控制器150如在下面更完整地描述的那样用来移动从外科手术器械112的尖端，例如，移动外科手术器械的末端执行器。56.控制台114(图1和图2a)包括主显示器，有时被称为观察器，所述主显示器至少显示患者111的外科手术部位103的立体图像210(图2a)。立体图像210通常包括外科手术部位103的图像203、外科手术器械112的一部分的图像212、和从外科手术器械112的尖端的图像212t。控制台114还包括一个或更多个脚踏板(未示出)。57.控制台114(图1)被连接到控制器150，所述控制器150反过来被连接到推车110，所述推车110支撑包括机器人臂113的多个机器人臂。从外科手术器械112由机器人臂113握住并定位。虽然未在图1中示出，但是由机器人臂中的另一个握住的内窥镜通常用于提供立体图像210。58.在整个外科手术过程期间外科医生舒适地就坐并且观察控制台114上的主显示器。外科医生通过至少操纵主工具把手230(图2a)来执行医疗程序。主工具把手230包括两个杠杆231、232，有时被称为夹捏器，外科医生通常在大拇指和食指之间抓握所述两个杠杆231、232。主工具提供至少包括主工具把手230的当前取向的主移动命令133。主移动命令133有时被称为第一命令。59.响应于来自主工具的主移动命令133，控制器150(例如，控制器150的远程操作伺服控制器160)向从外科手术器械112发送从移动命令135。响应于从移动命令135，从外科手术器械112如在命令135中的指示的那样定位从外科手术器械112的尖端。从移动命令135有时被称为第二命令。60.通常，控制台114包括至少两个主工具，并且每个主工具控制不同的外科手术器械。在本文中，具有主工具把手230的单个主工具被考虑。鉴于该描述，本发明的各方面能够针对任何期望数量的主工具进行实现。61.主显示器被定位在靠近外科医生的手的控制台114(图1)中，使得在主显示器中看见的图像210(图2a)被取向为使得外科医生感觉她或他实际上直接俯视外科手术部位103。由于外科医生会期望工具112是基于他/她的手的位置，所以工具112的图像212看起来像是大体位于外科医生的手被大体定位且取向的地方。然而，通常，当观看图像210时外科医生不能看见主工具把手230的位置或取向。62.将来自内窥镜的实时图像投影到透视图像210中，使得外科医生能通过与工具112的外科手术器械末端执行器关联的主工具把手230来操纵工具112的外科手术器械末端执行器，就好像是以大体真实的现场感来观看工作空间。通过真实的现场感，意味着图像的呈现是模拟物理操纵外科手术器械的操作者的视角的真实透视图像。因此，控制器150将外科手术器械112的坐标变换为感知位置，以便透视图像为当内窥镜在开放腔外科手术过程期间从外科医生的眼睛高度直接观察外科手术工具112时外科医生可看见的图像。63.控制器150执行系统100中的各种功能。控制器150接收来自内窥镜的图像并且生成外科医生看见的立体图像。控制器150使用远程操作伺服控制器160通过控制命令135将主工具把手230的机械运动转移到关联的从外科手术器械，使得外科医生能够有效地操纵从外科手术器械112。控制器150和远程操作控制器160类似于现有系统，除了在下面更完整地描述的方面。64.尽管被描述为控制器150，但是应认识到控制器150可以实际上通过任何数量的模块来实现，并且每个模块可以包括部件的任意组合。每个模块和每个部件可以包括硬件、在处理器上执行的软件、和固件、或三者的任意组合。而且，如在本文中描述的控制器150的功能和动作可以由一个模块执行，或被分割在不同的模块之间或甚至在模块的不同部件之间。当被分割在不同的模块或部件之间时，模块或部件可以被集中在一个位置中，或出于分布式处理的目的而被分布成遍布系统100。因此，控制器150不应当被解读为需要单个物理实体，因为在一些方面中控制器150被分布成遍布系统100。65.一次使用的外科手术器械的数量并且因此系统100中使用的外科手术器械的数量一般取决于正在被执行的医疗程序和手术室内的空间约束以及其他因素。如果需要改变程序期间正在使用的外科手术器械中的一个或更多个，助手可以移除该外科手术器械，并且由不同的外科手术器械替换该外科手术器械。66.当系统100中只存在两个主工具时，并且当外科医生想控制与被耦连到这两个主工具的两个从外科手术器械不同的从外科手术器械的移动时，外科医生可以将两个从外科手术器械中的一个或两个锁定在适当位置中。外科医生然后将两个主工具中的一个或两个与由机器人臂中的另一个握住的另一从外科手术器械相关联，并且然后控制器150关于那些外科手术器械变为激活。67.为了便于由控制器150执行的动作的讨论，各种坐标系被使用。坐标系是包括三个空间轴线(例如，x轴线、y轴线和z轴线)和三个取向(例如，俯仰、偏摆和滚动)的笛卡尔坐标系统。取向中的每一个是关于空间轴线中的一个的旋转。68.第一坐标系被称为眼坐标系。在一个方面中，眼坐标系中的原点被选择为与当他或她正在外科医生控制台114中观察外科手术部位103时外科医生的眼睛正常位于的位置相对应。在一个方面中，在主移动命令133中，主工具把手230的位置和取向在眼坐标系中被指定。用于确定主工具把手230在眼坐标系中的位置和取向的技术是已知的。例如，参见美国专利号us6,671,581b2(2003年12月30日授权，并且公开了“camerareferencedcontrolinaminimallyinvasivesurgicalapparatus”)，其以引用方式被并入本文。69.第二坐标系被称为主坐标系。在一个方面中，主坐标系的原点被选择为主工具把手230上的点。70.第三坐标系被称为摄像机坐标系。在一个方面中，摄像机坐标系的原点被选择为与内窥镜的远端上的位置相对应。在一个方面中，在从移动命令135中，从外科手术器械尖端的期望取向在摄像机坐标系中被指定。用于确定从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的位置和取向的技术是已知的。例如，参见美国专利号us6,671,581b2，其之前以引用方式被并入本文。71.第四坐标系被称为从坐标系。在一个方面中，从坐标系的原点被选择为从外科手术器械尖端上的点。72.图2b是刚好在跟随过程被开始之前使用具有主工具的对齐和从外科手术器械尖端的对齐的相对旋转的跟随过程的过程流程图。跟随过程由控制器150中的跟随模块130来实现。73.在该跟随过程中，在没有从外科手术器械尖端的任何未预期的运动的情况下，从外科手术器械尖端的运动跟随主工具的运动。如在下面更完整地描述的，同样使用相对旋转的现有跟随过程导致当在进入跟随过程中主工具与从外科手术器械尖端错开时从外科手术器械尖端的未预期的旋转。74.在这方面中，跟随启用检查过程270(图2b)确定系统100是否已经启用主工具把手230与从外科手术器械尖端之间的跟随。在一个方面中，跟随启用检查过程270由跟随模块130(图1和2b)来实现。跟随模块130被包括在控制器150中，并且因此控制器150确定跟随是否被启用。类似地，关于图2b的跟随会话(session)描述的其他过程和动作中的每一个由控制器150的远程操作伺服控制器160执行，并且因此控制器150能够被认为执行所述过程和动作。75.如果跟随被启用，跟随启用(followingenabled)检查过程270将来自主工具操纵器的每个命令133传到产生新从取向(generatenewslaveorientation)过程280，并且否则不采取动作。跟随启用检查过程270不应当被解读为需要控制器150继续调用来确定跟随是否被启用。跟随启用检查过程270是图示性的，只是跟随不能被开始直至跟随被启用。当跟随启用事件被接收时，跟随是否被启用的确定可以例如通过开始跟随过程的事件管理器(eventhandler)来完成。76.产生新从取向过程280使用主工具命令中的信息和存储取向131(例如，存储取向mre’和crs’)来生成从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望取向crs_des。存储取向mre’和crs’被称为基本取向。产生新从取向过程280由被包括在控制器150中的取向控制模块134来实现。77.主工具命令133包括主工具把手230在眼坐标系中的取向erm。取向erm有时被称为主工具把手在眼坐标系中的当前取向。78.在跟随过程(有时被称为跟随会话)被开始之前，取向mre’和crs’被存储在存储器265中。在本文中，取向参考数字上的主要注释表示取向是对应取向状态在进入跟随之前的瞬间的快照，并且在一个方面中，存储取向是在相同跟随会话中不改变的固定量。79.存储取向mre’是在当前跟随会话被开始之前在主坐标系中的眼坐标系的最后取向。在这方面中，代替保持眼坐标系固定并且如在现有系统中一样考虑主工具把手的移动，主工具把手被假设为保持固定并且眼坐标系正在移动。这是用于表示主工具把手的运动的替代性技术。80.存储取向crs’是在当前跟随会话被开始之前从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的最后取向。取向mre’和crs’在跟随会话被开始之前被存储，并且因此被称为基本取向，因为它们是跟随会话期间的取向的改变所基于的取向，即，从外科手术器械尖端的新取向相对于从外科手术器械尖端的存储的基本取向crs’被确定。81.产生新从取向过程280基于主工具把手在眼坐标系中的旋转偏移roffset和当前取向erm产生从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望取向crs_des，例如，从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望取向crs_des被限定为：82.crs_des＝roffset*erm83.旋转偏移roffset是从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的存储取向crs’和在主坐标系中的眼坐标系的存储取向mre’的组合。在一个方面中，84.如在下面进一步更完整地讨论的，85.roffset＝crs’*mre’86.因此，87.crs_des＝crs’*mre’*erm88.如之前陈述的，上一个表达式期望取向crs_des展示了从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望取向crs_des是主工具把手在眼坐标系中的两个存储取向和当前取向的组合。在下面进一步展示了(mre’*erm)是相对旋转矩阵r2的转置。因此，从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望取向crs_des是从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的存储取向crs’和相对旋转矩阵r2的转置的乘积。相对旋转矩阵r2表示眼坐标系330在主坐标系340中的相对旋转。89.使用从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的存储取向crs’和相对旋转矩阵r2的转置的乘积来确定从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的crs_des补偿了当进入跟随时主工具把手230与外科手术器械工具尖端之间的任何取向对齐误差。进一步的，如在下面更完整地讨论的，该过程不导致外科手术器械工具尖端的未预期的运动，并且因此外科手术器械尖端的运动被认为直观地跟随主工具把手230的运动。90.在产生新从取向过程280产生从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望取向crs_des之后，发送从移动命令(sendslavemovecommand)过程290发送从移动命令135，有时被称为命令135，所述从移动命令135包括到从外科手术器械操纵器222或其他从器械控制器的期望取向crs_des。响应于命令135，从外科手术器械操纵器222将从外科手术器械尖端移动到期望取向。从外科手术器械如何对命令作出响应以改变器械尖端的取向是已知的，并且因此通过从外科手术器械的器械尖端的取向的变化不被进一步详细地考虑。在发送从移动命令135之后，发送从移动命令过程290返回到跟随启用检查过程270。91.当系统100首先开始并继续跟随时进入图2b的跟随过程，直至系统100禁用跟随。当跟随被系统100禁用时，在一个方面中，主从对齐(master‑slavealignment)过程250中的俯冲取向误差可接受(swoopingorientationerroracceptable)检查过程(未示出，但是参见图6中的过程620)确定主工具把手在眼坐标系中的取向与从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的取向之间的取向错开是否小于或等于最大准许的俯冲取向错开。92.如果俯冲取向误差可接受检查过程确定主工具把手在眼坐标系中的坐标与从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的取向之间的取向错开小于或等于最大准许的俯冲取向错开，存储取向(storeorientations)过程260接收并存储从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的当前取向，并且接收并存储主工具把手在眼坐标系中的当前取向的转置，这是眼坐标系在主坐标系中的取向。在一个方面中，存储取向过程260由存储模块261来实现。存储模块261被包括在控制器150中。在过程260完成后，跟随会话被启用。93.在系统100的初始启动期间并且当俯冲取向误差可接受检查过程确定取向错开大于最大准许的俯冲取向错开，主从对齐过程250向外科医生控制台114中的主工具发送移动主工具把手230的命令，以便主工具把手230在眼坐标系中的取向匹配从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的取向。主工具中的马达用来改变主工具把手230的取向是已知的，并且因此不被进一步详细地考虑。在定位主工具(positionmastertool)过程完成后，俯冲取向误差可接受检查过程被重复。94.在主从对齐过程250结束时候的更大允许的错开意味着，在大多数情况下，主从对齐过程250仅被执行一次并且然后进入跟随。因此，如果不被消除，外科医生之前由于多个错开警告而经历的任何失败被最小化。95.应认识到，控制器150包括至少一个处理器，并且通常包括多个处理器，该处理器在跟随会话期间响应于主工具移动输入命令在通过控制器150的处理周期速率确定的继续基础上确定从外科手术器械尖端的新对应位置和取向的。控制器150的典型处理周期速率为大约1300hz。因此，当主工具从一个位置被移动到下一个位置时，从外科手术器械尖端的对应期望移动在大约1300hz处被确定。当然，取决于控制器中使用的一个或多个处理器，控制器150能够具有任何适当的处理周期速率。96.在考虑上面进一步详细描述的创造性方面之前，参考坐标系中的每一个的特定示例关于图3a至3c进行呈现。然后，为了帮助更清楚地说明创造性方面，现有系统和其关于俯冲取向错开出现的缺点被讨论。最后，在上面描述的创造性方面被更详细地考虑，并且与现有系统进行比较。97.在图3a中，摄像机坐标系310被定位为使得其原点315被定位在内窥镜314的观察末端316处。在这方面中，摄像机坐标系310是笛卡尔坐标系统，例如，包括x轴线xc、y轴线yc和z轴线zc。围绕z轴线zc的旋转被称为滚动。围绕x轴线xc的旋转被称为俯仰，并且围绕y轴线yc的旋转被称为偏摆。自然地，x轴线xc和y轴线yc被定位在垂直于z轴线zc的平面中。取向与具体轴线的关联性仅是说明性的，并不旨在进行限制。只要关联性在参考坐标系中的每一个中被一致地限定，具体轴线与旋转之间的关联性就能够不同于在本文中描述的关联性。98.摄像机坐标系310的z轴线zc方便地沿着内窥镜314的观察轴线317轴向地延伸。虽然在图3a中，观察轴线317被示为与内窥镜314的轴的轴线同轴对齐，但是应认识到，观察轴线317也能够相对于内窥镜314的纵长轴线具有一定的角度。因此，内窥镜314也能够是成角度的内窥镜。内窥镜314通常可围绕其纵长轴线有角度地移位。x轴线、y轴线和z轴线相对于内窥镜304的观察轴线317固定，以便与内窥镜304围绕其纵长轴线的角度移位一致地围绕纵长轴线有角度地移位。99.为了使得远程操作伺服控制器160能够确定从位置和从取向，从坐标系320被限定在从外科手术器械尖端312t上或被附连到从外科手术器械尖端312t。在图3a的示例中，从坐标系320在枢转连接326处具有其原点325。在这方面中，从坐标系320是笛卡尔坐标系统，例如，包括x轴线xs、y轴线ys和z轴线zs。围绕z轴线zs的旋转被称为滚动。围绕x轴线xs的旋转被称为俯仰，并且围绕y轴线ys的旋转被称为偏摆。自然地，x轴线xs和y轴线ys被定位在垂直于z轴线zs的平面中。100.从坐标系320的轴线中的一个(例如z轴线zs)被方便地限定为沿着器械尖端312t的对称轴线或类似物延伸。从外科手术器械112的取向通过在枢转连接326处具有其原点325的从坐标系320相对于摄像机坐标系310的取向来限定。类似地，从外科手术器械112的位置通过从坐标系320的原点相对于摄像机坐标系310的原点315的位置来限定。112.在跟随中，主工具把手经历额外的旋转，其在眼坐标系中被表达：113.erm＝r1*erm’114.因此，当前取向erm被限定为等于眼坐标系中的相对主旋转矩阵r1和存储取向erm’的乘积。115.在现有系统中，从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望从取向crs_des被限定为：116.crs_des＝erm*roffset_priort117.替换之前表达式中的旋转偏移roffset的以上限定给出：118.crs_des＝erm*(crs’t*erm’)t119.替换之前表达式中的额外旋转erm的以上限定给出120.crs_des＝r1*erm’*mre’*crs’121.然而，旋转矩阵是正交矩阵是已知的，即，122.mre’*erm’＝i123.因此，124.crs_des＝r1*crs’ꢀꢀꢀꢀ(1)125.实际上，当主工具把手被移动时为了发送控制从外科手术器械的移动的移动命令，现有系统首先例如根据以上内容来计算眼坐标系中的相对主旋转矩阵r1，相对主旋转矩阵被限定为126.erm＝r1*erm’127.erm*erm’t＝r1*erm’*erm’t128.但是129.erm’*erm’t＝i130.r1＝erm*erm’t131.为了计算眼坐标系中的相对主旋转矩阵r1，现有系统将当前旋转矩阵erm与存储取向erm’的转置相乘。132.为了获得期望从取向crs_des，现有系统然后将相同的相对主旋转矩阵r1应用于摄像机坐标系310中的快照从取向crs’。确定期望从取向crs_des的该过程被称为“观察坐标系中心”，因为系统监测眼坐标系中的主工具把手的运动的δ，并且在摄像机坐标系中的从外科手术器械上复制该δ。如果系统允许刚好在进入跟随之前的俯冲取向错开，相对于眼坐标系中的主工具把手与摄像机坐标系中的从外科手术器械尖端之间的错开的运动的使用产生将会混淆现有系统的用户的运动。133.图4a是在现有系统中的主从对齐后主工具把手在眼坐标系330中的方位lm的图形表示。为了便于讨论，方位lm在xe‑ye平面中。方位lm被保存为(epm’，erm’)。方位lm被限定在关于眼坐标系330的空间中，并且因此在现有系统中，坐标系340是空间固定坐标系统。图4b是在主从对齐后从外科手术器械尖端在摄像机坐标系310中的方位ls的图形表示。方位ls在xc‑yc平面中。方位ls被保存为(cps’，crs’)。在该示例中，方位ls被限定在关于摄像机坐标系310的空间，并且因此在现有系统中，坐标系320是空间固定坐标系统。在主从对齐结束的时候，与主工具把手的从外科手术器械尖端错开大于之前由系统所允许的错开。134.在进入跟随后，外科医生旋转主工具把手，如在图4c中图示的。旋转是围绕xe‑ye平面中的空间固定x轴线xsm。主工具把手围绕眼坐标系中的空间固定轴线xsm的旋转导致围绕摄像机坐标系中的相同空间固定轴线xss的从外科手术器械尖端旋转。当取向偏移被准许为大取向偏移时，主工具把手围绕其指向方向的旋转能够导致投影在从观察坐标系上的围绕主指向方向的从外科手术器械尖端圆形运动。然而，外科医生可能希望从外科手术器械尖端将会在xc‑yc平面中围绕其x轴线xss旋转。135.在俯冲取向错开的情况下，现有技术系统仍然如刚刚描述的那样响应于主工具把手的旋转而确定期望从取向crs_des。由于取向的初始大移位，从外科手术器械尖端不像预期的那样旋转，因为当相对旋转被应用于从外科手术器械尖端时，从外科手术器械尖端的旋转不再处于xc‑yc平面中。不是在xc‑yc平面中旋转，而是从外科手术器械尖端在摄像机坐标系310中沿着圆形路径401旋转。在图4d中，虚线402表示在主工具把手230和从外科手术器械尖端312t对齐的情况下从外科手术器械尖端312t的方位。如果两者对齐，主工具把手围绕其轴中线的一个的旋转将会导致从外科手术器械尖端围绕其轴线中的相同轴线旋转而不在空间上偏离该轴线。然而，由于俯冲取向错开，从外科手术器械的旋转路径偏离该轴线，如通过路径401示出。136.因此，在该示例中，在平面中围绕主工具把手的轴线xsm旋转主工具把手的感知运动不导致外科手术器械尖端在平面中围绕对应轴线402旋转的感知运动。相反，如刚刚描述的，从外科手术器械尖端的移动是沿着圆形路径401。圆形路径401在垂直于xc‑yc平面的平面中。因此，对于现有系统中的俯冲取向错开，主工具把手的感知旋转和从外科手术器械尖端的感知旋转不相同。137.更一般地，如之前描述的，主工具把手围绕眼坐标系中的空间固定轴线的旋转导致围绕摄像机坐标系中的相同空间固定轴线的从外科手术器械尖端旋转。当取向偏移被准许为大取向偏移时，主工具把手围绕其指向方向的旋转能够导致现有系统中的投影在从观察坐标系上的围绕主指向方向的从外科手术器械尖端圆形运动。138.因此，如果最大对齐误差从小取向错开被增加至俯冲取向错开，现有系统将会导致从外科手术器械的不自然旋转。当跟随会话被开始时，远程操作伺服控制器160中的取向控制模块134消除了当存在俯冲取向错开时现有系统的问题。139.取向控制模块134消除了与现有系统相关联的问题。第一，用于确定主工具把手与从外科手术器械尖端之间是否错开的标准被放宽。当进入被启用时，主工具把手230与从外科手术器械尖端312t之间的俯冲取向对齐被允许。140.更大允许的取向错开意味着，在大多数情况下，主从对齐过程250仅被运行一次并且然后进入跟随。因此，如果未被消除，外科医生之前在现有系统的情况下由于多个错开警告而经历的任何失败被最小化。141.第二，尽管有大初始取向错开，但是从外科手术器械尖端312t的运动直观地跟随主工具把手230的运动。不存在与主工具把手230的旋转相关联的未预期的运动。因此，尽管在进入跟随时有俯冲取向错开，主工具把手230的感知旋转与从外科手术器械尖端312t的感知旋转相同。如果主工具把手230的旋转是围绕主工具把手230的主体固定轴线，从外科手术器械尖端312t的旋转是围绕从外科手术器械尖端312t的相同主体固定轴线，使得主控件和从动件的运动对用户来说是直观的。142.为了解决当俯冲取向错开被允许时现有系统的行为，“操纵器中心”方法在取向控制模块134中被采用。在操纵器中心方法中，主工具把手运动的任何δ(任何相对改变)利用眼坐标系330来进行限定，该眼坐标系330相对于被固定在适当位置中的主工具把手230移动，即，主坐标系340是主体固定坐标系。具体地，眼坐标系330在主坐标系340中的取向mre被限定为等于相对旋转矩阵r2和存储取向mre’的乘积，即，143.mre＝r2*mre’144.注意，通过对如在眼坐标系330中观察到的主坐标系340的取向erm执行矩阵转置来获得如在主工具坐标系340中观察到的眼坐标系330的取向mre是不重要的，即：145.mre＝ermt146.而且，旋转矩阵是正交矩阵，即，147.mre*erm＝mre*mret＝i148.其中i是单位矩阵。149.因此，mre’＝erm’t。在这方面中，来自主从对齐过程250的取向erm’被转置，并且取向mre’在存储取向过程260中被存储。150.在这方面中，偏移矩阵roffset根据存储取向通过将两个存储取向相乘(例如，通过将两个存储的旋转矩阵相乘)来产生，即：151.roffset＝crs’*mre’＝crs’*erm’t152.在这方面中，摄像机坐标系中的期望从取向crs_des被限定为：153.crs_des＝roffset*ermꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(2)154.替换表达式(2)中的旋转偏移roffset的以上限定给出：155.crs_des＝(crs’*mre’)*ermꢀꢀꢀꢀ(3)156.erm＝mret＝(r2*mre’)t＝mre’t*r2t157.替换表达式(3)中的额外旋转erm的这种限定给出158.crs_des＝(crs’*mre’)*mre’t*r2t159.但是，160.mre’t＝erm’161.因此，162.crs_des＝crs’*mre’*erm’*r2t163.然而，如上面提及的，旋转矩阵是正交矩阵，即，164.mre’*erm’＝i165.因此，166.crs_des＝crs’*r2tꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(4)167.表达式(4)示出了摄像机坐标系中的期望从取向crs_des是从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的相对旋转矩阵r2和基本取向crs’的组合。因此，期望从取向相对于从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的基本取向crs’而被限定。168.表达式(4)被用来响应于指示主工具把手230被移动的消息而确定摄像机坐标系中的期望从取向crs_des。取向控制模块134首先例如根据上述内容计算主坐标系340中的转置的相对旋转矩阵r2t，相对旋转矩阵r2被限定为169.mre＝r2*mre’170.mre*mre’t＝r2*mre’*mre’t171.但是172.mre’*mre’t＝i173.r2＝mre*mre’t174.r2t＝(mre*mre’t)t175.r2t＝mre’*mret176.r2t＝mre’*erm177.因此，为了计算用于在表达式(6)中使用的相对旋转矩阵r2的转置，取向控制模块134将主工具尖端当前旋转矩阵erm和存储取向mre’相乘。178.为了获得期望从取向crs_des，取向控制模块134将相对旋转r2的转置应用于摄像机坐标系310中的快照从取向crs’。确定期望从取向crs_des的该过程被称为“操纵器中心”，因为系统监测眼坐标系330相对于固定在适当位置中的主工具把手的运动的δ，并且在摄像机坐标系310中的从外科手术器械112上复制该δ。即使主工具把手230与从外科手术器械尖端312t之间的错开能够显著大于现有系统中的错开，用于产生期望从取向crs_des的该方法也消除了从器械(图4d)的未预期的运动的问题。179.作为一示例，假设刚好在进入跟随之前主工具把手230与从外科手术器械尖端312t之间的错开与在上面关于图4a和4b描述的相同。在进入跟随后，外科医生旋转主工具把手230，如在图5a中图示的。该旋转是围绕xe‑ye平面中的主体固定x轴线xbm。现在，主坐标系的x轴线xm是主体固定轴线，例如，旋转相对于被固定在主工具把手上的x轴线而被限定。外科医生可能预期从外科手术器械尖端将会在xc‑yc平面中围绕其主体固定x轴线xbs旋转，即，从坐标系的x轴线xs是固定的，并且旋转被限定为围绕x轴线。180.不同于在图4d中图示的运动，通过这种实施方式，系统100有效地描述了眼坐标系330在主坐标系340中的相对运动，这是因为主坐标系340被认为是主体固定坐标系，并且在从动侧保留相同的关系。围绕主体固定主x轴线xbm的旋转产生如所期望的并且如在图5b中描述的围绕主体固定从x轴线xbs的旋转。181.如在图5a和图5b中示出的，即使当主工具把手230与从外科手术器械尖端312t之间存在俯冲取向错开，由控制器150产生的从外科手术器械尖端的期望取向crs_des也保留主工具把手230(图5a)与从外科手术器械尖端312t(图5b)之间的相同的感知旋转。此处，主工具把手230的旋转被感知为在xe‑ye平面中，并且从外科手术器械尖端312t的旋转被感知为在对应xc‑yc平面中，使得主工具把手230的感知运动与从外科手术器械尖端312t的感知运动相同。182.更一般地，由控制器150产生的从外科手术器械尖端的期望取向crs_des保留主工具把手230(图5a)与从外科手术器械尖端312t之间的相同的感知旋转。如之前解释的，相同的感知旋转意味着，如果主工具把手的旋转被感知为围绕主工具把手的主体固定轴线，从外科手术器械的旋转被感知为围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定轴线。例如，如果主工具把手的旋转被感知为围绕主工具把手的主体固定x轴线，从外科手术器械的旋转被感知为围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定x轴线，或如果主工具把手的旋转被感知为围绕主工具把手的主体固定y轴线，从外科手术器械的旋转被感知为围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定y轴线，或如果主工具把手的旋转被感知为围绕主工具把手的主体固定z轴线，从外科手术器械的旋转被感知为围绕从外科手术器械尖端的对应主体固定z轴线。183.虽然围绕x轴线的旋转在图4a至4d以及5a和5b中示出，但是对于围绕y轴线的旋转和对于z轴线的旋转，在现有系统中和在系统100中看见相同的行为。因此，本文中的描述应用于俯仰、偏摆和滚动中的每一个。然而，对于y轴线和z轴线中的每一个的描述和图示不被呈现，因为它在关于x轴线的描述的情况下将会是冗余的。本领域技术人员理解对围绕y轴线和z轴线的旋转的应用，而无需对于轴线中的每一个重复图4a至4d和5a和5b的描述。184.然而，呈现了另一示例。在现有技术系统中，在进入跟随之前，主坐标系340的z轴线zm在眼坐标系330中与从坐标系320的z轴线zs在摄像机坐标系310中之间存在取向错开。具体地，主坐标系340的z轴线zm与眼坐标系330的z轴线ze一致，而从坐标系320的z轴线zs偏离摄像机坐标系310的z轴线zc。从坐标系320的z轴线zs位于yc‑zc平面中。185.如在上面解释的，在现有系统中，主坐标系340和从坐标系320的轴线是空间固定的。因此，在现有系统中，主坐标系340的z轴线zm是空间固定轴线zsm，并且从坐标系320的z轴线zs是空间固定z轴线zss。186.在进入跟随后，外科医生旋转主工具把手，如在图5c中图示的。旋转是围绕ze‑ye平面中的空间固定z轴线zsm。主工具把手围绕眼坐标系中的空间固定轴线zsm的旋转导致从外科手术器械尖端围绕摄像机坐标系中的相同空间固定轴线zss的旋转。当取向偏移被准许为大取向偏移时，主工具把手围绕其指向方向的旋转能够导致投影在从观察坐标系上的围绕主指向方向的从外科手术器械尖端圆形运动。然而，外科医生可能预期从外科手术器械尖端将会在zc‑yc平面中围绕其z轴线zss旋转。187.在俯冲取向错开的情况下，现有技术系统仍然如刚刚描述的那样响应于主工具把手的旋转而确定期望从取向crs_des。由于取向的初始大移位，从外科手术器械尖端不像预期的那样旋转，因为当相对旋转被应用于从外科手术器械尖端时，从外科手术器械尖端的旋转不再在zc‑yc平面中。不是在zc‑yc平面中旋转，而是从外科手术器械尖端在摄像机坐标系310中沿着圆形路径501旋转。由于俯冲取向错开，从外科手术器械的旋转路径偏离轴线zc，如通过路径501示出。188.因此，在该示例中，围绕主工具把手的空间固定轴线zsm旋转主工具把手的感知运动不导致外科手术器械尖端围绕对应轴线zc旋转的感知运动。相反，如刚刚描述的，从外科手术器械尖端的移动是沿着圆形路径501。圆形路径501在垂直于zc‑yc平面的平面中。因此，对于现有系统中的俯冲取向错开，主工具把手的感知旋转和从外科手术器械尖端的感知旋转不相同。189.更一般地，如之前描述的，主工具把手围绕眼坐标系中的空间固定轴线的旋转导致从外科手术器械尖端围绕摄像机坐标系中的相同空间固定轴线的旋转。当取向偏移被准许为大取向偏移时，主工具把手围绕其指向方向的旋转能够导致现有系统中的投影在从观察坐标系上的围绕主指向方向的从外科手术器械尖端圆形运动。190.不同于在图5d中图示的运动，通过这种实施方式，系统100有效地描述了眼坐标系330在主坐标系340中的相对运动，这是因为主坐标系340被认为是主体固定坐标系，并且在从动侧保留相同的关系。围绕主体固定主z轴线zbm的旋转产生如所期望的并且如在图5f中描述的围绕主体固定从z轴线zbs的旋转。191.如在图5e和图5f中示出的，即使当主工具把手230与从外科手术器械尖端312t之间存在俯冲取向错开，由控制器150产生的从外科手术器械尖端的期望取向crs_des也保留主工具把手230(图5e)与从外科手术器械尖端(图5f)之间的相同的感知运动。此处，主工具把手230的旋转被感知为在ze‑ye平面中，并且从外科手术器械尖端312t的旋转被感知为在对应zc‑yc平面中，使得主工具把手230的感知运动与从外科手术器械尖端312t的感知运动相同。192.图6是用于由控制器150执行的过程600的一个方面的更详细过程流程图。为了便于讨论，过程600被示为线性过程。这仅是图示性的，并不旨在进行限制。鉴于以下公开，例如，过程600能够如在下面描述的那样实现，或替代地利用正在被并行地执行的动作中的一些或全部来实现。193.当用户(通常是外科医生)在外科医生控制台114首先开始会话，主从对齐过程250被开始。主从对齐过程250由主从对齐模块132来实现，所述主从对齐模块132被包括在远程操作伺服控制器160中。远程操作伺服控制器160被包括在控制器150中。因此，在下面关于主从对齐过程250描述的动作中的每一个由控制器150来执行，并且因此远程操作伺服控制器的设计是可选的。194.主从对齐过程250的定位主工具过程610相当于现有系统中的过程。从外科手术器械尖端312t的方位(位置和取向)在摄像机坐标系310中被确定，并且然后定位主工具过程610向远程操作伺服控制器160发送在眼坐标系330中将主工具把手230移动到对应期望方位(位置和取向)的命令。参见
背景技术：
：中的以上描述在一个方面中这如何进行的。195.然而，如果外科医生太牢固地抓握主工具把手230，远程操作伺服控制器160不能将主工具把手230移动到期望方位。因此，在这种情况下，主工具把手230在眼坐标系330中的方位与从外科手术器械尖端312t在摄像机坐标系310中的方位之间存在错开。在定位主工具过程610完成后，处理转移到主从对齐过程250中的俯冲取向误差可接受检查过程620。196.俯冲取向误差可接受检查过程620确定从外科手术器械尖端312t在摄像机坐标系310中与主工具把手230在眼坐标系330中之间的任何取向错开是否小于或等于最大准许的取向错开，即，是否小于或等于最大准许的俯冲取向误差。不同于需要最大取向错开等于或小于几度的现有技术系统，关于取向对齐的限制已经被显著地放宽。197.在一个方面中，两个因素被用来选择最大准许的俯冲取向错开。第一因素是使最大准许的俯冲取向错开足够大以致于当主从对齐过程250被重复时外科手术系统100的大多数用户将不会被迫等待。第二因素选择最大准许的俯冲取向错开来避免外科医生在围绕各个轴线的运动之间混淆。例如，如果最大准许的俯冲取向错开是九十度，主工具把手的偏摆运动将表现为从外科手术器械尖端的俯仰运动，这很有可能会对外科医生造成混淆。198.第一因素能够例如通过使许多无经验的用户使用外科手术系统100而被确定，并且在主从对齐过程250完成之后确定最大取向错开。已经观察到，具有更少经验的用户倾向于用力地抓握主工具把手，这往往会导致更大的取向错开。实验已经表明大约五十度的最大准许的俯冲取向错开不导致围绕各个轴线的运动之间的混淆。199.然而，五十度的使用仅是图示性的，并不旨在进行限制。鉴于本公开，本领域技术人员能够选择适合于外科手术系统100的用户的最大可准许取向错开。例如，在一些情况下，最大可准许取向可以被扩大至六十度或更大，而在外科手术系统100的所有用户都是有经验的用户的情况下，最大准许的俯冲取向可以被减小至三十度或更小。200.在任何情况下，最大准许的俯冲取向误差都大于现有系统的最大准许的小取向错开。在本文中，俯冲取向错开被限定如下。俯冲取向错开是使得从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望从取向crs_des被限定为以下时的取向错开：201.crs_des＝erm*roffset_priort202.主工具把手230围绕眼坐标系330中的其指向方向的旋转导致从外科手术器械尖端312t围绕投影在从观察坐标系上的主指向方向沿圆形移动，这对用户来说是可感知的。当期望从取向crs_des的这种限定被使用并且最大准许的俯冲取向错开被限制于现有技术的小错开时，外科手术器械尖端312t的任何圆形运动不被用户所感知。203.因此，俯冲取向错开大于现有最大准许的小取向错开。这种限定也与新的最大准许的俯冲取向错开被选择为限制主从对齐过程250的迭代次数以获得用于进入跟随的可准许错开的事实一致。为了区别最大准许的取向错开与现有系统的最大准许的小取向对齐，系统100的最大准许的取向错开在本文中被称为最大准许的俯冲取向误差。204.在一个方面中，如在上面描述的，俯冲取向误差可接受检查过程620确定主工具把手230在眼坐标系330中与从外科手术器械在摄像机坐标系310中之间的任何取向错开是否小于或等于最大准许的更大取向误差。俯冲取向误差可接受检查过程620首先确定取向错开的错开角度(misalignmentangle)如下。[0205][0206][0207]错开角度＝acos((r11+r22+r33‑1)/2)[0208]其中acos是逆余弦函数。如果取向错开的错开角度小于或等于最大准许的俯冲取向误差，俯冲取向误差可接受检查过程620将处理转移到存储方位(storelocations)过程630，并且要不然将处理转移到俯冲取向误差可接受检查过程620，将处理返回到定位主工具过程610。因此，在一个方面中，如果取向错开的错开角度小于或等于五十度，则俯冲取向误差可接受检查过程620将处理转移到存储方位过程630。[0209]在一个方面中，存储方位过程630(有时被称为过程630)包括存储取向过程260。在一个方面中，存储方位过程630由存储模块261来实现。[0210]在一个方面中，存储方位过程630首先对erm’进行转置以获得mre’，并且然后将主工具把手230的方位lm(epm’，mre’)存储在存储器265中并将从外科手术器械尖端312t的ls(cps’，crs’)存储在存储器265中。在存储方位过程630完成后，跟随被启用并且进入跟随过程690。[0211]在一个方面中，跟随过程690由被包括在远程操作伺服控制器160中的跟随模块130来实现。远程操作伺服控制器160被包括在控制器150中。因此，在下面关于跟随过程690描述的动作中的每一个由控制器150来执行。[0212]在跟随过程690中，如果跟随被启用，跟随启用检查过程270将来自主工具操纵器的每个命令133传到产生新从位置(generatenewslaveposition)过程660，并且要不然不采取动作。[0213]产生新从位置过程660(有时被称为过程660)确定从外科手术器械尖端312t在摄像机坐标系310中的新期望位置cps_des。主命令133包括主工具把手230在眼坐标系330中的位置epm。为了确定主工具把手230的位置的相对位置改变δ，存储的位置epm’通过过程660从存储器265进行检索，并且从位置epm中被减去，即，[0214]δ＝epm–epm’[0215]其中δ是三乘一矩阵。新期望位置cps_des是：[0216]cps_des＝cps’+δ[0217]在确定新期望位置cps_des之后，产生新从位置过程660转移到产生新从取向过程280。[0218]产生新从取向过程280(有时被称为过程280)确定从外科手术器械尖端312t在摄像机坐标系310中的新期望取向crs_des。如在上面描述的，[0219]crs_des＝crs’*r2t[0220]r2t＝mre’*erm[0221]因此，产生新从取向过程280检索存储取向mre’和存储取向crs’，并且然后将取向crs’、mre’和erm相乘在一起以产生新期望取向crs_des。如关于图5a和5b解释的，即使当主工具把手230与从外科手术器械尖端312t之间存在俯冲取向错开时，由控制器150产生的从外科手术器械尖端的期望取向crs_des也保留主工具把手230与从外科手术器械尖端312t之间的相同的感知旋转。在确定新期望取向crs_des之后，产生新从取向过程280转移到发送从移动命令过程290。[0222]在产生新从取向过程280产生从外科手术器械尖端在摄像机坐标系中的期望取向crs_des之后，发送从移动命令过程290向外科手术器械操纵器222发送包括期望位置cps_des和期望取向crs_des的从移动命令135，(有时被称为命令135)。响应于命令135，从外科手术器械操纵器222将从外科手术器械112的外科手术器械尖端312t移动到期望方位。在这方面中，在发送从移动命令135之后，发送从移动命令过程290转移到跟随禁用检查过程640。[0223]如果跟随被系统100禁用，跟随禁用检查过程640转移到大取向误差可接受检查过程620，并且要不然返回到产生新从位置过程660。跟随禁用检查过程640不应当被解读为需要过程690调用来确定处理是否已经在通过过程690执行的每一个循环中被禁用。例如，跟随过程690可以被允许直至事件管理器接收跟随禁用事件，并且然后事件管理器禁用跟随过程690。[0224]说明本发明的各方面和实施例的以上说明和附图不应理解为限制性的——权利要求限定了要受保护的发明。可以做出各种机械性的、合成的、结构的、电气的和操作的改变，而不偏离本说明和权利要求的精神和范围。在一些情况中，未在细节上示出或描述公知的电路、结构和技术以避免混淆创造性方面。[0225]此外，本说明的术语不旨在限制本发明。例如，空间相对术语，例如，“在……之下”、“在……下方”、“下部”、“在……上方”、“上部”、“近侧”、“远侧”等等可以用于描述图中的一个单元或特征与另一个单元或特征的关系。这些空间上相对的术语旨在除了包含图中示出的位置和取向之外还包含在使用或操作中装置的不同位置和取向。例如，若图中装置被翻转，则描述为在其他元件或特征“下方”、“之下”的元件则成为在其他元件或特征“上方”、“之上”。因此，示范术语“在……下方”可以包含上方和下方两种位置和取向。装置可以被以其他方式取向(旋转90度或在其他取向上)并且在本文中使用的空间相对描述词被相应地解释。[0226]单数形式“一”、“一个”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文另有说明。术语“包含”、“包含了”、“包括”等指定叙述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或增加。[0227]所有示例和说明性参考是非限制性的并且不应当用于将权利要求限制于在本文中描述的具体实施方式和实施例及其等价物。任何标题只用于符合格式且在任何方面都不应当用于限制主题，因为一个标题下的文本可以交叉参考或应用于一个或多个标题下的文本。最终，鉴于本公开，关于一个方面或实施例的描述的具体特征可以被应用于本发明的其他公开的方面或实施例，即使其未在附图中具体示出或本文本中说明。[0228]虽然存储器被图示为一体结构，但不应解释为要求所有的存储器均在同一物理位置上。存储器的全部或部分可以处于与处理器不同的物理位置。存储器指的是易失性存储器、非易失性存储器或两者的任意组合。[0229]处理器被耦连到包含由处理器执行的指令的存储器。这将在计算机系统内被完成，或可替换地通过调制解调器和模拟线路或者通过数字接口和数字载波线路被连接到另一台计算机而被完成。[0230]在本文中，计算机程序产品包含介质，所述介质被配置为存储在本文中描述的方法和/或处理中的任何一种或任意组合所需的计算机可读代码，或用于在本文中描述的方法和/或处理中的任何一种或任意组合的计算机可读代码被存储在所述介质中。计算机程序产品的一些示例是cd‑rom盘、dvd盘、闪存、rom卡、软盘、磁带、计算机硬盘驱动器、网络上的服务器和呈现计算机可读程序代码的在网络上传输的信号。有形计算机程序产品包含介质，所述介质被配置为存储在本文中描述的方法和/或处理中的任何一种或任意组合的计算机可读指令，或者用于本文中描述的方法和/或处理中的任何一种或任意组合的计算机可读指令被存储在所述介质中。有形计算机程序产品为cd‑rom盘、dvd盘、闪存、rom卡、软盘、磁带、计算机硬盘驱动器和其他物理存储介质。[0231]鉴于本公开，使用用户感兴趣的操作系统和计算机编程语言，在各种计算机系统配置中能够执行用于在本文中描述的方法和/或处理中的任何一种或任意组合的指令。当前第1页12当前第1页12