具组件26、操纵器组件、和/或参考图7A讨论的控制系统。
[0103]在信息源810是输入装置的实施方式中，运动模型822可以是具有N个自由度的机械体的模型，所述N个自由度对应于输入装置输出期望控制的N个自由度。例如，输入装置可输出用于完全控制机械体方位的参数，如控制机械体的三个平移和三个旋转的参数。然后运动模型822可以是具有三个平移和三个旋转的机械体的运动模型。在一些实施方式中，不限定机械体方位的一个或多个自由度可以被独立于运动模型822建模或以其他方式控制。无论如何，在大多数实施方式中，运动模型822包括机械体840缺少的一个或多个自由度的数学表示。例如，机械体840可缺少用于控制机械体840的滚动的自由度。然而，运动模型822可以是具有控制机械体滚动的自由度的机械体的运动模型，并且输入装置810可输出指示机械体滚动的期望控制的信息。
[0104]在信息源810是工具方位测量装置的实施方式中，运动模型822可以是生成接头估测结果(即，相应于机械体840的自由度的接头方位估测结果)所针对的机械体的模型。例如，如果应用工具方位测量装置仅可提供N个自由度测量的接头估测技术，则运动模型822可具有至少N个自由度，机械体可具有(N-M)自由度，等。然而，在其他实施方式中，机械体可具有大于N个的自由度，操纵器组件可被符合逻辑地分成多个部分，其中每个部分具有不多于N个接头或运动自由度，而工具测量工具装置用于测量每个部分的端部的方位和方向。
[0105]由于将来自信息源810的控制信息812施加于运动处理器820，一个或多个个体控制输出824可通过运动处理器820生成，并且通信至一个或多个致动器830，该致动器830可操作以影响机械体840的自由度中的一个或多个的控制。生成并通信至致动器830的个体控制输出824的数量少于可由运动处理器820生成的个体控制输出824的总数。S卩，通信至致动器830的个体控制输出824不包括控制机械体840缺少的自由度(一个或多个)的信息。例如，运动模型822可模拟具有完全限定机械体方位的自由度的机械体，并且可计算得到控制所有那些自由度的输出。然而，仅使用那些计算得到的输出的子集，因为实际控制的机械体(即，机械体840)不具有运动模型822模拟的全部自由度。因此，通信至致动器830的个体控制输出824仅仅是可利用运动模型822生成的可能指令的子集。
[0106]在信息源810是输入装置的实施方式中，个体控制输出824可包括指示机械体840的某个自由度的期望方位的信息。例如，个体控制输出824可指示与机械体840的自由度中的一个相关的接头的期望方位(例如，角)。
[0107]在信息源810是工具方位测量装置的实施方式中，个体控制输出824可包括指示机械体840的某个自由度的实际方位的信息。例如，个体控制输出824可指示与机械体840的自由度中的一个相关的接头的实际方位(例如，角)。
[0108]个体控制输出824由用于控制机械体840的自由度中的至少一些的一个或多个致动器830接收。例如，致动器830可以是电力马达或类似物，其可操作以致动机械体840的接头，如前参考例如图5所述。根据一个实施方式，各致动器可操作以控制机械体840的对应自由度。然而，在其他实施方式中，一个致动器可以可操作以控制机械体840的多于一个或少于一个自由度。
[0109]机械体840可以是任何适当的具有至少一个自由度的机械体。例如，机械体可以是机器人操纵臂(例如，参考图4描述的操纵臂100或参考图5描述的操纵臂500)和/或外科器械(例如，参考图1A描述的器械26或参考图5描述的器械511)。在一些实施方式中，机械体可包括操纵臂和外科器械两者的运动方面。
[0110]如前所述，多种实施方式包括信息源810作为输入装置，使得运动处理器820输出机体840的接头的期望方位，而其他实施方式包括信息源810作为工具方位测量装置，使得运动处理器820输出机体840的接头的实际方位。在再其他实施方式中，系统可包括输入装置一一用于向输入装置专属的运动模型和控制器(即，一种运动处理器)提供期望方位一一和工具方位测量装置一一用于向工具方位测量装置专属的运动模型和估测器(即，一种运动处理器)提供工具末端方位信息。在这种情况下，工具末端方位测量装置使用的运动模型可不同于输入装置使用的运动模型。进一步，各运动模型的输出，即操纵器组件的接头的期望方位和实际方位，可被一起用于计算将要施加于各接头马达的实际扭矩量。在不提供工具方位测量装置的实施方式中，系统可获得估测的接头方位，并将其与在利用输入装置生成扭矩量时输出的期望方位结合。参考图9描述这些进一步实施方式中的一些。
[0111]在某些实施方式中系统800是简化的用于控制机械体的系统，并且包括不同的构件，如输入装置810、运动处理器820、致动器(一个或多个)830、和机械体840。然而，本领域普通技术人员将理解，系统可通过相对于图8示例具有较少或较多数量的构件而同样出色地操作。因此，图8中系统800的显示实质上应被用作示例，而非限制本公开的范围。
[0112]图9是根据实施方式的致动器830的框图。致动器830包括接头控制器832和马达834，其中接头控制器832可操作以生成扭矩命令836，用于控制马达834。马达834可偶联于操纵器组件的用于控制操纵器组件的自由度的一个或多个接头。在此实施方式中，致动器830可操作以控制自由度(X)。
[0113]为生成扭矩命令836，接头控制器834接收自由度(X)的期望方位824A。期望方位可从输入装置如外科医生控制台接收。例如，在信息源810是输入装置时，期望的方位824A可由运动处理器820 (图8)生成。因此，期望的方位824A可通过如下生成:将从输入装置传送的控制信息施加于运动模型822，和仅利用个体控制输出824的子集中的一个作为期望的方位824A。
[0114]为生成扭矩命令836，接头控制器834还接收自由度(X)的实际方位824B。实际方位可利用多种技术中的一种或多种而生成。在一个实施方式中，实际方位可基于用于各接头马达的编码器来确定。在其他实施方式中，实际方位可根据操纵器组件的端部(例如，工具末端)的方位(例如，位置和/或方向)和利用逆向运动学来计算。用于感应操纵器组件端部的方位的传感器装置可包括沿操纵器组件的长度布置的光纤，其中一端固定在工具末端，使得接头方位变化导致光纤性质(例如，折射指数)变化。在另一实施方式中，传感器装置可包括附接至操纵器组件端点的一个或多个电磁传感器，使得末端方位的任何变化可由电磁场发生器测量。例如，参考图8，信息源810可以是感应装置，其可操作以确定工具末端方位，并且通过将工具末端方位测量施加于运动模型822，个体控制输出824的子集中的一个可被用作实际方位824B。
[0115]在接收DOF (X)的期望方位和实际方位后，接头控制器832可确定导致自由度从其实际(即，当前)方位移至期望方位的适当马达扭矩量。然后，接头控制器832向马达834发送指示该扭矩量的扭矩命令836。
[0116]图1OA是显示根据第一实施方式的利用输入装置控制操纵器组件的简化的系统1000的框图。系统1000包括输入装置1010、控制器1020、和操纵器组件1030。输入装置1010可类似于参考图8讨论的信息源810，控制器1020可类似于参考图8讨论的运动处理器820，和操纵器组件1030可类似于参考图8讨论的致动器和机械体840。在一个实施方式中，操纵器组件1030包括操纵器(例如，操纵器500)和/或工具(例如，工具511)。操纵器组件1030可具有一个或多个操纵器运动自由度，并且在一些实施方式中可另外地或可选地具有一个或多个致动自由度。进一步，操纵器组件1030可以可操作以控制一个或多个末端执行器(或者，更一般地，控制框)的方位。例如，末端执行器可被限定在作为操纵器组件1030的部分的工具的末端，这种工具的轴的中途，等。末端执行器也具有多个自由度，其可与操纵器自由度相同或不同。
[0117]根据图1OA所示的实施方式，输入装置1010和控制器1020可操作以控制比操纵器组件1030实际具有的数量更多的运动操纵器自由度(即，操纵器组件1030的自由度)。例如，输入装置1010可具有六个运动自由度1012，包括三个可独立控制的旋转自由度和三个可独立控制的平移自由度。输入装置1010输出相应于输入装置1010的方位或以其他方式指示操纵器组件1030相关的末端执行器的期望方位的参数或其他信息。
[0118]输入装置1010的输出被控制器1020接收和处理，以提供控制操纵器组件1030的指令(例如，控制操纵器组件1030的接头相关的马达的指令)。在此实施方式中，控制器1020包括具有六个运动自由度的操纵器组件的运动模型1022，该六个运动自由度用于控制末端执行器的三个可独立控制的旋转和三个可独立控制的平移自由度。
[0119]然后，来自输入装置1010的输出施加于运动模型1022的结果的子集被用于控制操纵器组件1030。例如，可将结果的子集通信至与操纵器组件1030的接头相关的一个或多个致动器。在此实施方式中操纵器组件1030具有四个运动自由度。因此，操纵器组件1030缺少两个运动自由度。例如，操纵器组件1030可缺少对应于偏转和俯仰活动的自由度，或可缺少对应于两种平移活动的自由度，等。因此，子集包括仅用于控制操纵器组件1030被配置具有的那些自由度的指令。在此情况下，指令指示操纵器组件1030的接头的期望方位，并且可与指示操纵器组件1030的接头的实际方位的信息组合。该组合可用于确定适于施加至接头马达的扭矩。
[0120]在其他实施方式中，输入装置和运动模型可不具有六个运动自由度，并且末端执行器可不具有四个运动自由度。而是输入装置和运动模型可被配置以控制比操纵器组件配备的数量更多的自由度。例如，输入装置1010和控制器1020可被配置以控制五个运动自由度，而操纵器组件可具有I至4个运动自由度中的任一种。
[0121]图1OB是显示根据第二实施方式的利用输入装置控制操纵器组件的简化的系统1001的框图。系统1001包括输入装置1010、控制器1020、和操纵器组件1030，其可类似于参考图1OA讨论的那些。
[0122]根据此实施方式，输入装置1010和控制器1020可操作以控制比操纵器组件1030具有的数量更多的运动自由度，类似于参考图1OA讨论的实施方式。进一步，输入装置1010可操作以致动操纵器组件1030的非运动自由度。例如，输入装置1010可以可操作以致动操纵器组件1030相关的真空压力。
[0123]因此，在此实施方式中，输入装置1010包括六个运动自由度1012以及至少一个致动自由度1014，其中致动自由度指代非运动自由度。在一个实施方式中，致动自由度可通过输入装置1010上的元件如一个或多个夹持部件723 (图7B)来致动。然后，输入装置1010，通过六个运动自由度，可输出相应于输入装置1010的方位或以其他方式指示操纵器组件1030相关的末端执行器的期望方位的参数或其他信息。进一步，输入装置1010，通过一个致动自由度，可输出致动操纵器组件1030或偶联于操纵器组件1030或操纵器组件1030的部分的工具的功能(例如，致动真空装置、一个或多个钳子/指、等)的参数或其他信息。
[0124]输入装置1010的输出被控制器1020接收和处理，以提供控制操纵器组件1030的指令。在此实施方式中，控制器1020包括具有六个运动自由度的操纵器组件的运动模型1022，类似于参考图1OA描述的那种。进一步，控制器1020还包括致动控制器1024，其可以可操作以处理输入装置1010的关于致动自由度1014的输出，并且利用该输出致动操纵器组件1030的功能。
[0125]然后，来自输入装置1010的输出施加于运动模型1022的结果的子集用于控制操纵器组件1030，类似于参考图1OA讨论的那种。进一步，来自输入装置1010的致动输出施加于致动控制器1024的结果可用于控制操纵器组件1030的致动(或偶联于操纵器组件1030或操纵器组件1030的部分的工具的致动)。如参考图1OA所述，在其他实施方式中，输入装置和运动模型可不具有六个运动自由度，并且末端执行器可不具有四个运动自由度。进一步，在一些实施方式中，输入装置1010可包括多个致动自由度，致动控制器1024可以可操作以处理来自输入装置1010的多个致动自由度的输出，并且操纵器组件1030可具有可由输入装置1010控制的、独立于操纵器组件1030的控制的、相应数量的致动自由度。
[0126]图1OC是显示根据第三实施方式的利用输入装置控制操纵器组件的简化的系统1002的框图。系统1002包括输入装置1010、控制器1020、和操纵器组件1030，其可类似于参考图1OA讨论的那些。
[0127]根据此实施方式，操纵器组件1030具有多个运动自由度(例如，八个)，其包括至少一个零空间自由度(例如，三个零空间自由度)，但仍缺少至少一个完全限定与操纵器组件1030相关的末端执行器的方位所需的自由度。例如，虽然操纵器组件1030包括八个包括多余的自由度在内的运动自由度，其仍缺少至少一个可独立控制的旋转或平移自由度。
[0128]应理解，当本文描述操纵器组件的零空间自由度时，假定控制框位于操纵器组件上(例如，控制框位于工具末端)。然而，实施方式不限于这种情况，因此在描述操纵器组件的零空间自由度时，实施方式可选地包括雅各比零空间自由度，其中雅各比与下列相关:操纵器组件和具有任意限方位置的控制框，如在患者组织处、在距工具末端固定距离处、等。
[0129]输入装置1010包括六个运动自由度1012，类似于参考图1OA讨论的那些。然后，控制器1020可操作以通过施加输出至运动模型1026处理来自输入装置1010的输出，该运动模型1026包括九个运动自由度，其包括六个运动自由度，如参考图1OA讨论的那些，以及三个零空间自由度。因此，控制器1020可在操纵器组件1030包括九个运动自由度一一包括三个零空间自由度一一的假设下生成输出。然而，由于操纵器组件1030仅包括八个运动自由度，控制器1020不提供相应于操纵器组件1030的缺失运动自由度的输出。而是，控制器1020输出用于控制操纵器组件1030的八个运动自由度的指令。
[0130]图1OD是显示利用根据第四实施方式的输入装置控制操纵器组件的简化的系统1003的框图。系统1003包括输入装置1010、控制器1020、和操纵器组件1030，其可类似于参考图1OA讨论的那些。
[0131]根据此实施方式，输入装置1010包括一个或多个零空间自由度，而操纵器组件1030不包括任何零空间自由度，并且包括的运动自由度少于输入装置1010。在其他实施方式中，操纵器组件1030还可包括与输入装置1010相同或更多数量的零空间自由度。
[0132]因此，在此实施方式中，输入装置1010包括多个自由度1016——包括七个运动自由度，其包括一个零空间自由度。然后，来自输入装置1010的输出可被处理并且最终递送到控制器1020中，其中控制器1020包括具有五个自由度的操纵器组件的运动模型。然后，控制器1020可将来自输入装置1010的输出施加至运动模型1028，然后利用结果的子集控制操纵器组件1030，类似于参考图1OA讨论的那种。
[0133]在此实施方式中，操纵器组件1030包括四个运动自由度1032。然而，在其他实施方式中，操纵器组件1030可具有少于四个运动自由度。进一步，在输入装置1010被描述为具有一个零空间自由度时，输入装置1010可具有多于一个零空间自由度。例如，输入装置1010可具有两个、三个、或四个零空间自由度。
[0134]某些实施方式中的系统1000、1001、1002、和1003是简化的利用输入装置控制末端执行器的系统，并且包括不同构件，如输入装置1010、控制器1020、和操纵器组件1030。然而，本领域普通技术人员将理解，系统可通过相对于图1OA至1D示例具有较少或较多数量的构件而同样出色地操作。例如，在一些实施方式中，输入装置可除一个或多个运动自由度之外还具有零空间自由度和致动自由度，控制器可具有零空间自由度和致动控制器，和操纵器组件可具有零空间自由度和致动自由度。因此，图1OA至1D中系统的显示实质上应被用作示例，而非限制本公开的范围。
[0135]图1lA是显示根据第一实施方式的利用工具方位测量装置控制操纵器组件的简化的系统1100的框图。系统1100包括工具方位测量装置1110、接头估测器1120、和操纵器组件1130。
[0136]系统1100的元件类似于系统1000中相似标记的元件，除提供工具方位测量装置1110代替输入装置1010和提供接头估测器1120代替控制器外。因此，参考系统1000的描述同样适用于系统