本发明提供了用于机器人手术的方法和装置，并且具体地，提供了用于基于机器人工具的端部执行器的配置或特性来控制机器人工具的运动的控制系统和方法。
背景技术：
：：由于术后恢复时间减少且瘢痕形成最小化，因此微创外科手术(mis)器械通常优于传统的开放式外科装置。腹腔镜式外科手术是一种类型的mis手术，其中在腹部形成一个或多个小切口，并且通过切口插入套管针以形成进入腹腔的通路。套管针用于将各种器械和工具引入腹腔中，而且提供注气使腹壁升高到器官上方。器械和工具可用于以多种方式接合和/或处理组织以达到诊断或治疗效果。内窥镜式外科手术是另一种类型的mis手术，其中将细长的柔性轴通过自然孔口引入体内。尽管传统的微创外科器械和技术已证明是高度有效的，但较新的系统可提供甚至更多的优点。例如，传统的微创外科器械通常不能为外科医生提供存在于开放式外科手术中的工具放置的灵活性。用器械通过小切口接近手术部位时遇到困难。另外，典型的内窥镜式器械的长度的增加通常会降低外科医生感觉由组织和器官施加在端部执行器上的力的能力。此外，如电视监测器上的图像中所观察到的器械的端部执行器的运动与端部执行器的实际运动的协调是特别困难的，因为如图像中所感知的运动通常不与端部执行器的实际运动直观地对应。因此，通常缺乏对外科器械运动输入的直观响应。已经发现，直观性、灵巧性和灵敏度的此类缺乏使得增加微创外科手术的使用受阻。多年以来，已经开发出多种微创机器人系统以增加外科手术的灵巧性，并允许外科医生以直观方式对患者进行手术。远程手术是使用系统进行的外科手术的一般术语，其中外科医生使用一些形式的远程控制(例如，伺服机构等)来操纵手术器械运动，而不是用手直接握持和移动工具。在此类远程外科手术系统中，通常在远离患者的位置处在视觉显示器上为外科医生提供外科手术部位的图像。外科医生通常可在远离患者的位置处执行外科手术，同时在外科手术期间观察视觉显示器上的端部执行器运动。通常在视觉显示器上观察手术部位的三维图像时，外科医生通过操纵远程位置处的主控制装置来对患者执行外科手术，该主控制装置控制远程控制式器械的动作。虽然在机器人外科手术领域已经取得了重大进展，但仍然需要用于机器人外科手术的改善的方法、系统和装置。技术实现要素：当前主题的各方面包括具有控制系统的机器人外科系统，该控制系统可检测和监测与工具组件(例如，端部执行器)的一部分相关联的各种配置和特性(例如，旋转速度等)，用于控制外科系统的机器人臂或联接到机器人臂的工具组件的运动特性(例如，速度)。在一个方面，本发明描述了一种机器人外科系统，该机器人外科系统包括机器人臂，该机器人臂具有近侧端部，该近侧端部被构造成能够联接到支撑件并且在机器人臂的远侧端部处具有驱动器。该驱动器可包括一个或多个马达。另外，该机器人外科系统可包括工具组件，该工具组件具有被构造成能够可释放地联接到驱动器的外壳。该外壳可包括第一致动器和第二致动器，该第一致动器和该第二致动器各自由一个或多个马达中的至少一个致动。该工具组件还可包括轴，该轴从外壳朝远侧延伸并且可操作地联接到第一致动器，使得第一致动器的致动使轴旋转。另外，该工具组件可包括枢转地联接到轴的远侧端部的端部执行器。该端部执行器可被构造成能够在致动第二致动器时枢转，以在端部执行器的第一纵向轴线和轴的第二纵向轴线之间形成角度。另外，该机器人外科系统可包括控制系统，该控制系统被构造成能够基于由端部执行器的当前位置形成的角度来控制机器人臂的运动速度。该运动速度可与角度相关。在一些实施方式中，该控制系统可进一步基于轴的旋转速度来控制机器人臂的运动速度，其中运动速度与轴的旋转速度相关。在另一个方面，本发明描述了一种机器人外科系统，该机器人外科系统包括机器人臂，该机器人臂具有近侧端部，该近侧端部被构造成能够联接到支撑件并且在机器人臂的远侧端部处具有驱动器。该机器人臂能够相对于支撑件移动。另外，该机器人外科系统可包括工具组件，该工具组件具有被构造成能够可释放地联接到驱动器的外壳。该外壳可包括致动器，该致动器由与驱动器相关联的马达致动。该工具组件还可包括从外壳延伸的轴和端部执行器，该端部执行器枢转地联接到轴的远侧端部并且被构造成能够响应于致动器而枢转，从而限定至少一个窗口区域。该至少一个窗口区域中的每一个可具有等于端部执行器的远侧端部与轴的纵向轴线之间的距离的半径。此外，该机器人外科系统可包括控制系统，该控制系统被构造成能够基于端部执行器的当前位置的半径来控制机器人臂的运动速度。运动速度可与半径相关。在一些实施方式中，控制系统可进一步基于端部执行器的惯性矩来控制机器人臂的运动速度。运动速度可与端部执行器的惯性矩相关。在一些实施方式中，惯性矩由以下项中的一个或多个限定：端部执行器的质量、端部执行器的旋转速度以及端部执行器的远侧端部与轴的纵向轴线之间的距离。在当前主题的另一相互关联的方面，一种方法包括确定位于工具组件的轴的远侧端部处的端部执行器的第一关节运动角度，该工具组件联接到机器人外科系统的机器人臂。该方法还可包括基于所确定的第一关节运动角度设定机器人臂的第一最大运动速度。另外，该方法可包括关节运动端部执行器并且确定端部执行器的第二关节运动角度，其中第二关节运动角度大于第一关节运动角度。该方法可进一步包括基于所确定的第二关节运动角度设定机器人臂的第二最大运动速度，第二最大运动速度小于第一最大运动速度。在一些实施方式中，第一关节运动角度和第二关节运动角度可各自由在端部执行器和轴的纵向轴线之间形成的角度限定。在一些实施方式中，该方法包括使端部执行器围绕轴的纵向轴线旋转，并且基于端部执行器的旋转设定机器人臂的第三最大运动速度，其中第三最大运动速度小于第二最大运动速度。另一种方法可包括确定第一窗口区域，该第一窗口区域由围绕工具组件的轴的纵向轴线旋转的端部执行器的远侧端部限定。工具组件可联接到机器人外科系统的机器人臂。另外，该方法可包括基于所确定的第一窗口区域设置机器人臂的第一最大运动速度。该方法可进一步包括关节运动端部执行器并且确定由围绕轴的纵向轴线旋转的端部执行器的远侧端部限定的第二窗口区域，其中第二窗口区域大于第一窗口区域。此外，该方法可包括基于所确定的第二窗口区域设定机器人臂的第二最大运动速度，第二最大运动速度小于第一最大运动速度。另一种方法可包括确定位于工具组件的轴的远侧端部处的端部执行器的第一惯性矩，其中工具组件联接到机器人外科系统的机器人臂。另外，该方法可包括基于所确定的第一惯性矩设定机器人臂的第一最大运动速度。另外，该方法可包括增加端部执行器的旋转速度和端部执行器的关节运动角度中的至少一个。该方法还可包括确定端部执行器的第二惯性矩，该第二惯性矩大于第一惯性矩。此外，该方法可包括基于所确定的第二惯性力矩设定机器人臂的第二最大运动速度，第二最大运动速度小于第一最大运动速度。在一些实施方式中，惯性矩由以下项中的一个或多个限定：端部执行器的质量、端部执行器的旋转速度以及端部执行器的关节运动角度。在附图和以下描述中阐述了本文描述的主题的一个或多个变型形式的细节。根据说明书和附图以及权利要求，本文所述主题的其它特征和优点将显而易见。附图说明结合附图阅读下述详细说明将更全面地理解本发明，其中：图1为包括患者侧部分和用户侧部分的外科机器人系统的一个实施方案的透视图。图2示出了图1的外科机器人系统的机器人臂的实施方案，其具有可释放地联接到机器人臂的工具组件。图3示出了图2的机器人臂的工具驱动器的实施方案。图4示出了图2的工具组件与机器人臂分离，该工具组件包括从近侧端部的圆盘延伸的轴，并且具有位于轴的远侧端部处的端部执行器。图5示出了图4的工具组件的圆盘的实施方案。图6示出了图5的圆盘的致动组件的实施方案。图7示出了从刚好位于图4的端部执行器的近侧的腕部延伸的致动轴的实施方案。图8示出了图7的端部执行器的一部分。图9a示出了端部执行器的另一个实施方案，该端部执行器被示出为相对于轴的纵向轴线以第一角度关节运动。图9b示出了图9a的端部执行器，该端部执行器被示出为相对于轴的纵向轴线以第二角度关节运动。图10a示出了第一曲线图，其示出了随着端部执行器的关节运动的增加，机器人臂的运动速度的降低。图10b示出了第二曲线图，其示出了随着端部执行器的占有面积增加，机器人臂的最大可允许运动速度的减小，其中占有面积可包括端部执行器的关节运动和轴旋转中的至少一个。图11示出了第三曲线图，其示出了在随时间推移围绕轴旋转时以端部执行器的各个关节运动角度的轴运动的速度阈值的差异的示例。图12示出了第四曲线图，其示出了基于随时间推移与端部执行器相关联的一个或多个因素的轴前进(或运动)的速度阈值的差异的示例。图13a和图13b分别是第五曲线图和第六曲线图，其示出了基于端部执行器的惯性矩影响速度阈值的控制系统的示例。图14示出了沿笛卡尔坐标系中的三个轴中的一个的运动和旋转。图15示出了计算机系统的示例性实施方案。具体实施方式现在将描述某些示例性实施方案，以提供对本文所公开的装置和方法的结构、功能、制造和用途的原理全面理解。这些实施方案的一个或多个示例在附图中示出。本领域的技术人员将会理解，本文具体描述并在附图中示出的装置和方法是非限制性的示例性实施方案，本公开的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施方案示出或描述的特征部可与其它实施方案的特征部进行组合。此类修改和变型旨在包括在本发明的范围之内。此外，在本公开中，各实施方案中名称相同的部件通常具有类似的特征部，因此在具体实施方案中，不一定完整地阐述每个名称相同的部件的每个特征部。另外，在所公开的系统、装置和方法的描述中使用线性或圆形尺寸的程度上，此类尺寸并非旨在限制可结合此类系统、装置和方法使用的形状的类型。本领域的技术人员将认识到，针对任何几何形状可容易地确定此类线性和圆形尺寸的等效尺寸。系统和装置及其部件的大小和形状可至少取决于系统和装置将用于其中的受治疗者的解剖结构、系统和装置将与其一起使用的部件的大小和形状、以及系统和装置将用于其中的方法和手术。一般来讲，本发明描述了外科机器人系统的控制系统，其可帮助对患者执行外科手术。此类手术可能需要机器人外科系统移动外科臂并且操纵联接到机器人臂的工具组件。例如，工具组件可包括定位在轴的远侧端部处的端部执行器。端部执行器可围绕轴关节运动和旋转，以便到达并操纵手术部位处的组织。另外，机器人臂可帮助相对于手术部位移动和定位工具组件。如果做出错误的移动或移动太快，则由工具组件和/或机器人臂产生的此类运动可导致对工具组件或患者的损伤。此外，根据工具组件的配置或特性，可增加此类损伤。例如，如果使其围绕轴旋转，则相对于轴具有大的关节运动角度的端部执行器与直的端部执行器相比可潜在地对患者造成更多的组织损伤。这样，为了减少对患者的组织损伤的发生和严重性，控制系统基于与端部执行器相关联的至少一个特性(例如，关节运动、旋转等)来控制机器人外科系统和工具组件的至少一个运动特性(例如，速度阈值、运动速度等)。控制系统可确定和监测与机器人外科系统和/或工具组件(例如，端部执行器)相关联的任何数量的配置和固有特性，该机器人外科系统和/或工具组件可由控制系统使用以确定与机器人外科系统和/或工具组件相关联的一个或多个适当的运动特性(例如，旋转、速度等)，如下面将更详细地讨论的。此外，控制系统的此类控制可允许机器人系统以平滑和/或可预测的方式移动，这可模仿人类控制的自然运动并且提供安全特征，其例如减少工具组件和/或机器人臂碰撞。如上所述，在一个实施方案中，可使用机器人外科系统来实现本文公开的系统、装置和方法。如本领域技术人员将理解的，机器人外科系统的各种部件之间的电子通信可以是有线的或无线的。本领域的技术人员也将会理解，系统中的所有电子通信都可以是有线的，系统中的所有电子通信都可以是无线的，或者系统的一些部分可以进行有线通信，并且系统的其它部分可进行无线通信。图1为外科系统300的一个实施方案的透视图，该机器人外科系统包括与患者312相邻定位的患者侧部分310，以及位于距离患者一定距离处(在同一室内和/或在远程位置)的用户侧部分311。患者侧部分310一般来讲包括一个或多个机器人臂320和被构造成能够可释放地联接到机器人臂320的一个或多个工具组件330。用户侧部分311一般来讲包括用于观察患者312和/或外科手术部位的视觉系统313，以及用于控制机器人臂320和每个工具组件330在外科手术期间的运动的控制系统315。控制系统315可具有各种配置，并且它可位于患者附近，例如，在手术室中，远离患者，例如，在单独的控制室中，或者它可分布在两个或更多个位置处。例如，专用系统控制台可位于手术室中，并且单独的控制台可位于远程位置。控制系统315可包括使得用户能够观察患者312的正在由患者侧部分310进行手术的外科手术部位和/或控制患者侧部分310的一个或多个部件(例如，以在外科手术部位执行外科手术)。在一些实施方案中，控制系统315还可包括一个或多个手动操作的输入装置，诸如操纵杆、外骨骼式手套、动力和重力补偿式操纵器等。这些输入装置可控制遥控马达，这些遥控马达继而控制包括机器人臂320和工具组件330的外科系统的运动。患者侧部分也可具有多种配置。如图1所示，患者侧部分310可联接到手术台314。然而，在一些实施方案中，患者侧部分310可安装到墙壁，安装到天花板，安装到地板或安装到其它手术室设备。另外，虽然患者侧部分310被示为包括两个机器人臂320，但是也可包括更多或更少的机器人臂320。此外，患者侧部分310可包括诸如相对于手术台314(如图1所示)安装在各种位置的单独的机器人臂320。另选地，患者侧部分310可包括单个组件，该单个组件包括从其延伸的一个或多个机器人臂320。图2示出了机器人臂420和可释放地联接到机器人臂420的工具组件430的一个实施方案。机器人臂420可沿着一个或多个机械自由度(例如，所有六个笛卡尔自由度、五个或更少的笛卡尔自由度等)支撑和移动相关联的工具组件430。机器人臂420可在机器人臂420的远侧端部处包括工具驱动器440，该工具驱动器可协助控制与工具组件430相关联的特征。机器人臂420还可包括入口引导件432(例如，插管安装件、插管等)，该入口引导件可以是机器人臂420的一部分或者可移除地联接到机器人臂420，如图2所示。工具组件430的轴436可插入穿过入口引动件430以插入患者体内。为了在使用外科系统时提供无菌手术区域，阻隔件434可放置在外科系统的致动部分(例如，机器人臂420)与外科器械(例如，工具组件430等)之间。无菌部件诸如器械无菌适配器(isa)也可放置在工具组件430与机器人臂420之间的连接接口处。isa放置在工具组件430与机器人臂420之间可确保用于工具组件430和机器人臂420的无菌联接点。这允许从机器人臂420移除工具组件430以在外科手术过程中与其它工具组件430交换而不损害无菌外科手术区域。图3更详细地示出了工具驱动器440。如图所示，工具驱动器440包括一个或多个马达，例如，示出了五个马达442，这些马达控制与工具组件430相关联的多种运动和动作，如将在下面更详细地描述的。例如，每个马达442都可联接到与工具组件430相关联的启动特征部(例如，齿轮)和/或与其相互作用，用于控制可由工具组件430执行的一个或多个动作和运动，诸如用于辅助执行外科手术。可在工具驱动器440的上表面上触及马达442，因此工具组件被构造成能够安装在工具驱动器440的顶部上以联接到该工具驱动器。工具驱动器440还包括形成于其侧壁中的轴接收通道444，以用于接收工具430的轴。在其它实施方案中，轴可延伸穿过工具驱动器440中的开口，或者两个部件可在各种其它配置中配合。图4示出了与机器人臂420分离的工具组件430。工具组件430包括联接到轴436的近侧端部的外壳或圆盘435和联接到轴436的远侧端部的端部执行器438。端部执行器可包括一对钳口，诸如相对于第一钳口枢转的第二钳口。第二钳口可在闭合位置和打开位置之间枢转，在闭合位置，一对钳口被构造成能够与其间的组织接合，在打开位置，一对钳口被构造成能够在其间接收组织。保持钉的仓可设置在第一钳口内，并且一个或多个钉可在端部执行器击发到其间接合的钉组织时被递送到手术部位。圆盘435可包括联接特征部，该联接特征部有助于将圆盘435可释放地联接到机器人臂420的工具驱动器440。圆盘435可包括齿轮和/或致动器，其可由驱动器440中的一个或多个马达442致动，如下面将更详细描述的。圆盘435中的齿轮和/或致动器可控制与端部执行器438相关联的各种特征部的操作(例如、夹紧、击发、旋转、关节运动、能量递送等)，以及控制轴436的运动(例如，轴的旋转)。轴436可固定到圆盘435，或者它可释放地连接到圆盘435，使得轴436可与其它轴互换。这可允许单个圆盘435适应于具有不同端部执行器438的各种轴436。轴436可包括致动器和连接器，该致动器和连接器沿轴延伸并且有助于控制端部执行器438和/或轴436的致动和/或运动。轴436还可包括一个或多个关节或腕部437，该一个或多个关节或腕部437允许轴436的一部分或端部执行器438相对于轴436的纵向轴线进行关节运动。这可允许端部执行器438相对于轴436的纵向轴线的精细运动和各种角度。端部执行器438可包括各种外科手术工具中的任何一种诸如缝合器、施夹器、夹钳、针驱动器、烧灼装置、切割工具、一对钳口、成像装置(例如，内窥镜或超声波探头)或包括两种或更多种不同工具的组合的组合装置。图5更详细地示出了圆盘435和从圆盘435延伸的轴436的近侧端部。如图5所示，圆盘435包括多个致动齿轮和齿轮轴，其可被直接或间接地控制到与驱动器440相关联的马达442中的任何一个。例如，如图5所示，圆盘435被构造成能够在由附图标记m1、m2、m3、m4和m5指示的位置处联接到五个马达。在该实施方案中，圆盘435包括第一关节运动齿轮g1和第二关节运动齿轮g2，该第一关节运动齿轮g1和第二关节运动齿轮g2分别经由一系列一个或多个附加齿轮和轴联接到第一马达m1和第二马达m2。第一马达m1和第二马达m2的致动将使关节运动齿轮g1，g2旋转，这又引起关节运动缆线在近侧方向或远侧方向上的线性运动，从而使端部执行器438在期望的左右方向上进行关节运动。圆盘435还包括轴旋转齿轮g3a，轴旋转齿轮g3a经由一系列一个或多个附加齿轮和轴联接到第三马达m3。因此，第三马达m3的致动将使轴旋转齿轮g3a旋转，从而引起工具组件430的轴436的旋转。第三马达m3还可被构造成能够经由一系列一个或多个附加齿轮和轴移位和联接到头部旋转齿轮g3b，头部旋转齿轮g3b将引起端部执行器438相对于轴436的旋转。圆盘435还包括牢固闭合齿轮g4a，其经由一系列一个或多个附加齿轮和轴联接到第四马达m4。第四马达m4的致动将使牢固闭合齿轮g4a旋转，以引起传动螺杆的线性平移，从而牢固地闭合端部执行器438的钳口。圆盘435还包括快速闭合齿轮g4b，其也可通过一系列一个或多个附加齿轮和轴联接到第四马达m4。当马达m4移位成与快速闭合齿轮g4b接合时，第四马达m4的致动将使快速闭合齿轮g4b旋转以引起快速闭合缆线的线性平移，从而快速闭合端部执行器438的钳口。最后，图示的圆盘435包括击发齿轮g5，其经由一系列一个或多个附加齿轮和轴联接到第五马达m5。第五马达m5的致动将使击发齿轮g5旋转，从而线性地驱动导螺杆以使滑板前进通过端部执行器438，如下面将更详细地讨论的。图6示出了图5的圆盘435的致动组件870的部件。如上所示和所指示的，每个齿轮g1-g5联接到致动轴，该致动轴从致动组件870并且沿着工具组件430的轴436延伸，诸如用于控制端部执行器的运动。图7示出了致动轴的远侧端部，其从刚好位于端部执行器438的近侧的腕部980延伸。腕部980可允许端部执行器438相对于轴436的近侧端部的精细运动和角度。如图7所示，腕部980包括围绕腕部980的周边间隔开的四个关节运动缆线982。当致动(例如，推动、拉动、旋转)时，关节运动缆线982将引起端部执行器438相对于轴436的近侧端部的关节运动(例如，向上、向下、向左、向右的运动和它们的组合)。关节运动缆线982连接到关节运动联接器839，如图6所示，当关节运动齿轮g1，g2由第一马达m1和第二马达m2致动时，关节运动联接器839朝近侧和远侧被驱动。腕部980还包括上部旋转驱动器984，其在被致动时可使端部执行器438的一对钳口牢固地闭合。上部旋转驱动器984联接到图6中所示的牢固闭合齿轮g4a，使得通过马达m4使牢固闭合齿轮g4a旋转引起旋转驱动器984的旋转。腕部980还可包括下部旋转驱动器986，其在被致动时可引起位于端部执行器438处的滑板的运动。下部旋转驱动器986联接到图6中所示的击发齿轮g5，并且其同样响应于击发齿轮g5的旋转而旋转。图示的腕部980还包括线性拉动线缆988，其联接到图6中所示的快速闭合齿轮g4b，并且在近侧方向上线性移动，以使一对钳口快速闭合。图8示出了具有刀具致动组件1080的端部执行器1038的一部分，刀具致动组件1080包括驱动构件1082、刀具1084、刀具滑板1086以及导螺杆或旋转驱动器986。驱动构件1082包括与旋转驱动器986螺纹联接的内螺纹。当旋转驱动器986旋转时，此类联接可允许驱动构件1082沿着旋转驱动器986移动。如上所述，旋转驱动器986可在腕部980处致动，如图7所示，从而引起旋转驱动器986的旋转和刀具滑板1086沿旋转驱动器986的线性运动。旋转驱动器986联接到图6中所示的击发齿轮g5。刀具致动组件1080被构造成能够当驱动构件1082沿着旋转驱动器986推动刀具滑板1086时将刀具1084取向在切割位置，并且当驱动构件1082相对于刀具滑块1086朝近侧移动时收起刀具1084。在操作中，首先使旋转驱动器986旋转以使驱动构件1082沿旋转驱动器986向远侧前进，从而在远侧方向上推动刀具滑板1086并且使刀具1084成角度地取向在切割位置。在组件1080的远侧运动结束时，旋转驱动器986的旋转方向被反转以使驱动构件1082相对于刀具滑板1086朝近侧回缩，从而使刀具1084向下旋转到收起位置，诸如经由接口特征部1092和刀具1084之间的相互作用。如上所述，端部执行器可围绕轴关节运动和旋转，以便到达并操纵手术部位处的组织。另外，机器人臂可帮助相对于手术部位移动和定位工具组件。如果做出错误的移动或移动太快，则由工具组件和/或机器人臂产生的此类运动可导致对工具组件或患者的损伤。此外，根据工具组件的配置或特性，可增加此类损伤或潜在损伤。例如，如果使其围绕轴旋转，则相对于轴具有大的关节运动角度的端部执行器与直的端部执行器相比可对患者造成更多的组织损伤。这可以是由于在较大的关节运动角度下，与端部执行器是直的或与轴成直线时相比，当端部执行器围绕轴旋转时，可影响更多的区域。因此，为了减少对患者的组织损伤的发生和严重性，至少一个固有特性诸如机器人外科系统和工具组件的一个或多个运动特性(例如，旋转、速度等)基于工具组件的配置(例如，端部执行器的关节运动)来控制。图9a和图9b示出了端部执行器2038，其围绕轴2036的腕部2080进行关节运动并且围绕轴2036的纵向轴线2037旋转。如图9a所示，端部执行器2038可关节运动并且形成第一关节运动角度2039a。如本文所提到的，关节运动角度2039可被定义为在端部执行器2038(或端部执行器的纵向轴线)与轴2036的纵向轴线2037之间形成的角度。端部执行器2038可形成任何数量的关节运动角度2039，包括90度的关节运动角度，如图9b所示。端部执行器也可以是直的或者与轴2036的纵向轴线2037成直线。端部执行器2038可围绕轴2036(或轴的纵向轴线2037)旋转，并且可以各种速度旋转。端部执行器2038的此类关节运动和旋转可通过机器人外科系统的一个或多个控制特征部来控制，其中任一个都可由用户控制。这样，端部执行器2038可关节运动以形成各种关节运动角度并且可以各种速度旋转。机器人外科系统可包括控制系统(诸如图1中所示的控制系统315)，其包括可控制机器人臂(诸如图1中的机器人臂320)的运动(例如，前进、定位等)的一个或多个控制特征部。在其远侧端部处具有端部执行器的工具组件可联接到机器人臂(例如，参见联接到图2中的机器人臂420的工具组件430)。控制系统还可帮助控制端部执行器2038的关节运动或旋转。此外，控制系统可检测与端部执行器2038相关联的一个或多个特性(例如，关节运动角度、旋转等)，控制系统可使用这些特性来确定机器人臂(例如，运动速度)或联接到机器人臂的工具组件(例如，端部执行器2038的旋转速度)的一个或多个适当的运动参数。控制系统可检测与端部执行器2038相关的任何数量的特征，并使用这些信息来控制与机器人臂或工具组件相关联的各种运动参数，如将在下面更详细地讨论的。例如，也如图9a和图9b所示，控制系统可确定和监测由关节运动式端部执行器2038产生的受影响的窗口区域2100。窗口区域2100可由围绕轴的纵向轴线2037旋转的端部执行器2038的远侧端部限定，从而限定窗口区域2100的圆周2110。端部执行器2038的关节运动角度2039越大，圆周2110和窗口区域2100就越大。窗口区域2100可限定端部执行器2038具有与物体诸如患者的组织相互作用的可能性的区域。这样，端部执行器2038的关节运动角度越大，潜在相互作用的区域就越大，并且端部执行器2038在移动(例如，平移、旋转)时可能产生更大的损伤。这样，控制系统确定和监测由端部执行器的配置产生的窗口区域2100以便设定和控制机器人臂和工具组件的运动可能是有益的。虽然窗口区域2100在本文中被描述为由围绕轴的纵向轴线2037旋转的端部执行器2038的远侧端部限定，从而限定窗口区域2100的圆周2110，但是在不脱离本公开的范围的范围的情况下，沿着端部执行器2038的任何数量的点都可用于限定窗口区域2100的圆周2110。图10a示出了第一曲线图2200，其示出了当由端部执行器2038形成的窗口区域2100增加时机器人臂的运动速度被控制系统减小。例如，如图10a所示，当端部执行器2038是直的时，机器人臂的运动速度最大。随着窗口区域2100由于端部执行器的关节运动角度增加而增加，控制系统降低机器人臂的运动速度。随着窗口区域2100由于端部执行器的关节运动角度减小而减小，控制系统增加机器人臂的运动速度。因此，运动速度的此类变化(例如，增大或减小)可与由端部执行器形成的窗口区域相关，并且此类关系可以是线性的(例如，反比例)或非线性的。在一些实施方式中，控制系统基于端部执行器2038的关节运动角度2039或窗口区域2100设定机器人臂可移动的阈值或最大速度。这样，控制系统可基于端部执行器的关节运动角度2039或窗口区域2100设定最大速度或者直接控制速度。图10b示出了第二曲线图2210，其示出了当占有面积区域减小时控制系统增加最大速度(或速度阈值)。占有面积区域可类似于窗口区域2100，因为它可包括由端部执行器2038的关节运动限定的区域。然而，占有面积区域还可包括端部执行器2038的旋转速度。由于可在窗口区域2100和占有面积区域内进行的潜在的损伤，控制系统设定相关机器人臂的运动速度，使得窗口区域2100或端部执行器的旋转速度(即，占有面积区域的因素)增加，速度或最大允许速度减小。如果端部执行器在不希望的区域中移动，这至少可减小端部执行器造成的损伤程度。另外，随着窗口区域2100或端部执行器的旋转速度(即，占有面积区域的因素)减小，速度或最大允许速度增加。因此，最大可允许运动速度的此类变化(例如，增大或减小)可与由端部执行器限定的占有面积区域相关，并且此类关系可以是线性的或非线性的。图11示出了第三曲线图2300，其示出了随着时间的推移在围绕轴2036旋转时在端部执行器2038的各个关节运动角度2039处的轴2036运动(例如，由于机器人臂运动)的速度阈值的差异的示例。如图11所示，随着端部执行器从直线关节运动到45度角，轴前进(或运动)的速度或阈值速度减小，然后当端部执行器2038关节运动到90度角时进一步减小。另外，随着端部执行器从90度角关节运动到45度角，轴前进(或运动)的速度或阈值速度增加，然后当端部执行器2038关节运动成直的时进一步增加。因此，轴运动的速度或阈值速度的此类变化(例如，增大或减小)可与端部执行器的关节运动角度相关，并且此类关系可以是线性的或非线性的。端部执行器2038可以各种速度旋转，同时为直线或相对于轴2036形成角度。图12示出了第四曲线图2400，其示出了基于随时间推移与端部执行器2308相关联的一个或多个因素的轴前进(或运动)的速度阈值的差异的示例。如图12所示，随着端部执行器2038从具有直线配置移动到为关节运动的，轴2036的运动的速度或阈值速度减小。还如图12所示，当端部执行器2038以关节运动配置旋转时，轴2036的运动的速度或阈值速度进一步减小。这样，控制系统可确定和监测端部执行器2038的关节运动和旋转，以设定机器人臂和轴2036的运动的速度或速度阈值。此外，当端部执行器2038的关节运动角度2039增加时或者当端部执行器2038旋转时，控制系统可将速度或速度阈值设定为更低。控制系统可确定和监测与机器人外科系统和/或工具组件相关的任何数量的特性，用于设定和/或控制任何数量的参数诸如速度和速度阈值。在一些实施方式中，控制系统可基于与端部执行器2038相关联的一个或多个特性来控制速度调节和整体停止运动的速度阈值。例如，控制系统可确定和监测端部执行器2038的惯性矩以控制速度阈值和停止运动。因此，速度阈值和停止运动的此类控制或变化可与端部执行器的惯性矩相关，并且此类关系可以是线性的或非线性的。惯性矩可被定义为包括以下项中的一个或多个：端部执行器2038的质量、端部执行器2038的旋转速度以及端部执行器2038的几何形状(例如，端部执行器2038的关节运动角度2039)。端部执行器2038的几何形状可包括端部执行器2038的关节运动角度2039和/或端部执行器2038的远侧端部与轴2036的纵向轴线2037之间的距离。此外，惯性矩可相对于端部执行器围绕其旋转的一个或多个轴线确定。停止运动可定义为端部执行器基于与端部执行器2038相关联的一个或多个特性诸如当前行驶速度、旋转速度、惯性矩等达到完全停止所需的时间量。随着惯性矩增加，控制系统可降低速度阈值。这可确保端部执行器在期望的位置处或期望的距离内停止。图13a和图13b分别是第五曲线图和第六曲线图，其示出了基于端部执行器2038的惯性矩影响速度阈值的控制系统的示例。在图13a所示的第五曲线图2500中，与具有较小惯性矩的端部执行器相比，对于具有较大惯性矩的端部执行器，控制机器人臂的运动的马达的速度阈值被示出为较小。此外，当马达关闭时(在第一线2510处)，马达的速度几乎立即下降到零。然而，如图13b的第六曲线图2550中所示，端部执行器的惯性矩越大，速度变化率越低(如在第二线2520处速度减小到零的速率所示，在第二线2520处，在第一线2510处马达关闭后)。这样，控制系统设定速度阈值，该速度阈值考虑端部执行器2038的速度将从阈值速度减小到完全停止的速率。这可确保端部执行器2038定位在期望的静止位置并且不会对患者的任何组织或端部执行器造成损伤，诸如通过超过期望的静止位置。尽管惯性矩被描述为与端部执行器相关，但是在不脱离本公开的范围的情况下，控制系统可基于机器人外科系统或工具组件的任何一个或多个部分的重量或惯性矩来控制机器人外科系统或工具组件的任何部分的速度阈值。存在多种方式来描述外科系统的运动，以及其在空间中的位置和取向。一种特别方便的惯例是根据系统的自由度来表征系统。系统的自由度是唯一标识其姿势或配置的独立变量的数量。笛卡尔自由度集合通常由三个平移或位置变量(例如，进退、升沉和摇摆)以及由三个旋转或取向变量(例如，欧拉角或滚转、俯仰和偏航)表示，这些变量描述了外科系统的部件相对于给定参考笛卡尔坐标系的位置和取向。如本文所用，并且如图14所示，术语“进退”是指向前和向后运动，术语“升沉”是指上下运动，并且术语“摇摆”是指左右运动。关于旋转术语，“滚转”是指左右倾斜，“俯仰”是指向前和向后倾斜，并且“偏航”是指左右转动。在更一般意义上，平移术语中的每一个指的是沿笛卡尔坐标系中的三个轴中的一个的运动，并且旋转术语中的每一个指的是围绕笛卡尔坐标系中的三个轴中的一个的旋转。虽然自由度的数量最多为六，这是一个独立控制所有平移和取向变量的条件，但是联合自由度的数量通常是设计选择的结果，其涉及机制的复杂性和任务规范的考虑。对于非冗余运动链，独立控制的关节的数量等于端部执行器的移动程度。对于冗余运动链，端部执行器在笛卡尔空间中将具有相等数量的自由度，其将对应于平移运动和旋转运动的组合。因此，自由度的数量可大于、等于或小于六。关于表征外科系统的各种部件和机械框架的位置，可使用术语“向前”和“向后”。通常，术语“向前”是指外科系统的最靠近输入工具的远侧端部的端部，并且当在外科手术中使用时，指的是设置在患者体内的端部。术语“向后”是指外科系统的最远离输入工具的远侧端部的端部，并且在使用时，通常指离远离患者的端部。本文所用的术语并非旨在限制本发明。例如，空间相关的术语如“上”、“下”、“下方”、“之下”、“下部”、“上方”、“上部”、“向后”、“向前”等可用于描述图中所示的一个元件或特征部与另一个元件或特征部的关系。这些空间相关的术语旨在涵盖装置在使用或操作中的除了图中所示的位置和取向之外的不同位置和取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为“低于”其它元件或特征部或“在其下方”的元件将“高于”其它元件或特征部或“在其上方”。同样，沿各轴和围绕各轴的运动的描述包括各种特殊装置位置和取向。如本领域技术人员将理解的，对所述特征部、步骤、操作、元件和/部组件的存在的说明不排除本文所述的一个或多个其它特征部、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。另外，被描述为已联接的部件可以直接联接，或者它们可以经由一个或多个中间部件间接联接。存在几个适用于下面的各种描述一般方面。例如，在各个附图中示出并描述了至少一个外科端部执行器。端部执行器是执行特定手术功能的外科器械或组件的一部分，例如，夹钳/抓紧器、针驱动器、剪刀、电烙器钩、缝合机、施夹钳/移除器、抽吸工具、冲洗工具等。任何端部执行器可与本文所述的外科系统一起使用。此外，在示例性实施方案中，端部执行器可被构造成能够由用户输入工具操纵。输入工具可以是允许成功操纵端部执行器的任何工具，无论它是否是形状和样式与端部执行器类似的工具诸如类似于端部执行器剪刀的剪刀输入工具，或者是形状和样式与端部执行器不同的工具诸如与端部执行器抓紧器不同的手套的输入工具以及诸如与端部执行器抓紧器不同的操纵杆的输入工具。在一些实施方案中，输入工具可以是端部执行器的较大比例版本，以便于容易使用。此类较大比例的输入工具可具有适合于用户握持的尺寸的指环或握把。但是，端部执行器和输入工具可具有任何相对尺寸。外科系统的从动工具(例如，外科器械)可通过组织表面中的接入点定位在患者体腔内用于微创外科手术。通常，诸如套管针的插管用于提供穿过组织表面的路径和/或防止外科器械或引导管在患者组织上摩擦。插管可用于切口和自然孔。一些外科手术需要吹气，并且插管可包括一个或多个密封件以防止过量吹入气体泄漏通过器械或导管。在一些实施方案中，插管可具有与其联接的外壳，其具有两个或更多个密封端口，用于接收除了从动组件之外的各种类型的器械。如本领域技术人员将理解的，本文公开的外科系统部件中的任一个可具有设置在其上、其中和/或其周围的功能性密封件，以在外科系统的任何部分通过外科进入口诸如插管设置时防止和/或减少吹气泄漏。外科系统也可用于开放式外科手术。如本文所用，外科进入点是从动工具通过组织表面进入体腔的点，无论是通过微创手术中的插管还是通过开放式手术中的切口。本文所公开的系统、装置和方法可使用一个或多个计算机系统来实现，所述计算机系统也可在本文中被称为数字数据处理系统和可编程系统。可在数字电子电路、集成电路、专门设计的专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、计算机硬件、固件、软件和/或其组合中实现本文描述的主题的一个或多个方面或特征。这些不同方面或特征可包括一个或多个计算机程序中的具体实施，该一个或多个计算机程序是在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上可执行的和/或可解释的，该至少一个可编程处理器可以是特殊的或通用的，耦合以从存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置接收数据和指令并向它们传输数据和指令。可编程系统或计算机系统可包括客户端和服务器。客户端和服务器一般来讲彼此远程，并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系是借助于在各自计算机上运行的、彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序得到的。这些计算机程序(也可称为程序、软件、软件应用程序、组件或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且能够以高级程序、面向对象的编程语言、函数编程语言、逻辑编程语言来实现和/或以汇编/机器语言来实现。如本文所用，术语“机器可读介质”是指用来向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、设备和/或装置(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑装置(pld))，包括接收作为机器可读信号的机器指令的机器可读介质。术语“机器可读信号”是指用来向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。机器可读介质可非暂态地存储此类机器指令，例如非瞬时固态存储器或磁性硬盘驱动器或任何等同的存储介质。另选地或除此之外，机器可读介质可以瞬态方式存储此类机器指令，例如处理器高速缓存或与一个或多个物理处理器核相关联的其它随机存取存储器。为提供与用户的交互，可在具有用于向用户显示信息的显示装置诸如阴极射线管(crt)或液晶显示器(lcd)或发光二极管(led)监测器、以及用户能向计算机提供输入的键盘和指示装置诸如鼠标、跟踪球等的计算机上实现本文所述主题的一个或多个方面或特征。也可使用其它类型的装置来提供与用户的交互。例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)；并且可通过任何形式接收来自用户的输入，包括但不限于声音、语音或触觉输入。其它可能的输入装置包括但不限于触摸屏或其它触敏装置，诸如单点或多点电阻性或电容式触控板、语音识别硬件和软件、光学扫描仪、光学指针、数字图像捕获装置和相关联的解释软件等。图15示出了计算机系统100的一个示例性实施方案。如图所示，计算机系统100包括一个或多个处理器102，该一个或多个处理器102可控制计算机系统100的操作。“处理器”在本文中也被称为“控制器”。一个或多个处理器102可包括任何类型的微处理器或中央处理单元(cpu)，包括可编程通用或专用微处理器和/或各种专有或可商购获得的单处理器系统或多处理器系统中的任一种。计算机系统100还可包括一个或多个存储器104，所述一个或多个存储器104可为待由处理器102执行的代码提供临时存储，或者为一个或多个用户、存储装置和/或数据库获取的数据提供临时存储。存储器104可包括只读存储器(rom)、闪存、一种或多种随机存取存储器(ram)(例如，静态ram(sram)、动态ram(dram)或同步dram(sdram))和/或存储器技术的组合。计算机系统100的各种元件可联接到总线系统112。图示的总线系统112是抽象的，其表示通过适当的桥接器、适配器和/或控制器连接的任何一个或多个单独的物理总线、通信线路/接口和/或多点或点对点连接。计算机系统100还可包括一个或多个网络接口106、一个或多个输入/输出(io)接口108以及一个或多个存储装置110。网络接口106可使计算机系统100能够通过网络与远程装置(例如，其它计算机系统)通信，并且对于非限制性示例，可以是远程桌面连接接口、以太网适配器和/或其它局域网(lan)适配器。io接口108可包括一个或多个接口部件，以将计算机系统100与其它电子设备连接。对于非限制性示例，io接口108可包括高速数据端口，例如通用串行总线(usb)端口、1394端口、wi-fi、蓝牙等。另外，计算机系统100可以是人类用户可访问的，因此io接口108可包括显示器、扬声器、键盘、指向装置和/或各种其它视频、音频或字母数字接口。存储装置110可包括用于以非易失性和/或非瞬态方式存储数据的任何常规介质。因此，存储装置110可将数据和/或指令保持在持久状态，即，尽管中断对计算机系统100的供电，仍保留一个或多个值。存储装置110可包括一个或多个硬盘驱动器、闪存驱动器、usb驱动器、光盘驱动器、各种介质卡、磁盘、光盘和/或它们的任何组合，并且可直接连接到计算机系统100或远程连接至计算机系统100，诸如通过网络连接。在示例性实施方案中，一个或多个存储装置可包括被配置为存储数据的有形或非暂态计算机可读介质，例如硬盘驱动器、闪存驱动器、usb驱动器、光盘驱动器、媒体卡、磁盘、光盘等。图15中示出的元件包括可以是单个物理机器的一些或所有元件。此外，并非所有例示的元件都需要位于同一物理机器上或同一物理机器中。示例性计算机系统包括传统台式计算机、工作站、小型计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字助理(pda)、移动电话等。计算机系统100可包括web浏览器，用以检索网页或其它标记语言流，呈现这些页面和/或流(在视觉上、听觉上或其它方面)，在这些页面/流上执行脚本、控件和其它代码，接受关于这些页面/流的用户输入(例如，出于完成输入字段的目的)，发布关于这些页面/流或其它的超文本传输协议(http)请求(例如，用于从完成的输入字段提交服务器信息)等等。网页或其它标记语言可以是超文本标记语言(html)或其它传统形式，包括嵌入式可扩展标记语言(xml)、脚本、控件等。计算机系统100还可包括用于生成和/或将网页传送到客户端计算机系统的web服务器。在一个示例性实施方案中，计算机系统100可作为单个单元提供，例如作为单个服务器、作为单个塔、包含在单个外壳内等。单个单元可以是模块化的，使得其各个方面可根据需要换入和换出，例如升级、更换、维护等，而不会中断系统的任何其它方面的功能。因此，单个单元也可以是可扩展的，具有作为附加模块添加的能力和/或期望和/或改善现有模块的附加功能。计算机系统还可包括各种其它软件和/或硬件组件中的任何一种，包括(作为非限制性示例)操作系统和数据库管理系统。尽管本文描绘和描述了示例性计算机系统，但应当理解，这是出于普遍性和方便性的原因。在其它实施方案中，计算机系统的架构和操作可与这里示出和描述的不同。本文所公开的装置也可设计为单次使用后丢弃，或者它们可设计为供多次使用。然而无论是哪种情况，该装置都可在至少使用一次后经过修整再行使用。修复可包括拆卸装置、清洁或更换具体部件以及后续重新组装的其中任意几个步骤的组合。具体地，该装置可拆卸，而且可以任意组合选择性地替换或移除该装置的任意数目的特定零件或部件。在清洁和/或替换特定部件时，可对该装置进行重新组装，以便随后在修整设施处使用或就在外科手术之前由手术团队使用。本领域的技术人员将会理解，修整装置可利用多种技术来进行拆卸、清洁/替换和重新组装。此类技术的使用以及所得的修整装置均在本申请的范围内。优选地，本文所述的本发明的部件将在使用之前处理。首先，获取新的或用过的器械，并根据需要进行清洁。然后可对器械进行灭菌。在一种灭菌技术中，将所述器械放置在密闭且密封的容器(诸如，塑料或tyvek袋)中。然后将容器和器械放置在可穿透该容器的辐射场诸如γ辐射、x射线或高能电子中。辐射杀死器械上和容器中的细菌。然后可将经灭菌的器械储存在无菌容器中。密封容器使器械保持无菌，直到其在医疗设施中被打开。通常，对该装置进行灭菌。这以通过本领域的技术人员已知的任何多种方式来完成，包括β辐射或γ辐射、环氧乙烷、蒸汽以及液浴(例如冷浸)。在名称为“对植入式医疗装置进行灭菌的系统和方法(systemandmethodofsterilizinganimplantablemedicaldevice)”的美国专利8,114,345中更详细地描述了对包括内部电路的装置进行灭菌的示例性实施方案。优选的是，如果植入的话，将装置气密密封。这可通过本领域技术人员已知的任何数量的方式而完成。根据上述实施方案，本领域的技术人员将会认识到本发明的另外的特征和优点。因此，本发明不应受到已具体示出和描述内容的限制，除非所附权利要求有所指示。本文引用的所有出版物和参考文献全文明确地以引用方式并入本文中。当前第1页12当前第1页12