20将力或扭矩施加到关节410,但是其它力或扭矩也 施加到关节410。特别地，一个或更多个其它传动系统420可W被连接到关节410,并且共 同地施加倾向于引起关节410转动的净张力或净力。在图4所示的实施例中，传动系统420 连接到关节410和驱动马达442,W便传动系统422中的张力倾向于对抗施加的张力T并使 关节410W图4中的逆时针方向旋转。除了传动系统422连接到关节410的差别W外，额 外的传动系统422或连接到关节410的传动系统可W与传动系统420相同。
[0049] 控制系统450可W是执行程序的通用计算机或被布线W生成控制致动器440施加 到传动系统420的张力T的驱动信号的电路。当致动器440是电动马达时，驱动信号可W是控制来自致动器440的扭矩输出的驱动电压或电流，并且张力T等于马达扭矩除W张力 T施加到传动系统420的有效力矩臂。如W下进一步描述的，控制系统450可W利用关节 410的期望位置0D、期望速度接0W及关节410当前时刻和之前时刻的位置0的一个或多 个测量结果，计算张力T或马达扭矩的大小。用户（例如，控制系统400的外科医生）可W通过操纵控制器460来提供期望位置0D和速度#0。除了控制器460能够提供根据其可W 确定期望位置eD和期望速度#0的值的信号之外，控制器460的确切配置对本发明来说不 重要。适合于复杂的医疗器械的手动控制器一般提供指示医疗器械的运动的许多同步指令 的信号，运些运动可能设及器械的多个关节。例如，用作控制器460的合适的操纵器被提供 在直观外科手术公司（IntuitiveSurgical,Inc)商售的daVinci外科手术系统的主控制 器中。
[0050] 在时间间隔At内将关节410从其当前测量位置0移动到期望位置0D所需的张 力T一般将取决于许多因素，包括：抵抗施加的张力T的关节410的有效惯性；施加张力T 的致动器440的惯性、禪连至关节410并施加净有效力的任何其他传动系统422 ;施加到关 节410的外部力；对抗关节410的致动或传动系统的移动的内部和外部摩擦力；关节410的 当前速度换;W及内部和外部阻尼力。运些因素中许多因素可能依据器械400的工作环境而 改变，并且难W测量或建模。然而，对于医疗器械的特定关节，可W基于系统力学或凭经验 进行建模。在一个具体实施例中，控制系统450根据远端关节的误差（0D-0)和（接i.胃爲） 确定张力T，远端关节误差（0D- 0 )和（若、)分别是关节410的测量位置与期望位置之 差和关节410的测量速度与期望速度之差。
[0051] 图5A是用于控制具有图4的系统400的基本结构的医疗器械的过程500的流程 图。过程500在步骤510通过读取关节410的位置0的当前值和确定关节速度#的当前 值开始。例如，在假设恒定速度（例如，^ =(矿-.分）M/ )或假定在给定先前确定速度下 的恒定加速度情况下，可W利用当前位置0、先前位置0 '和测量之间的时间间隔AtW已 知的方式直接测量或确定或估计速度各然后，步骤515获取关节410的期望位置0D和期 望速度，步骤520计算测量位置与期望位置之差或之间的误差（0D-0)W及测量速度与 期望速度之差或之间的误差{谷。…#)。
[0052] 在步骤520中计算的位置和速度误差可W用于确定关节410到达期望位置0D所 需的张力T。在图5A的实施例中，施加的张力T可W包括多个贡献，主要贡献是远端张力 Tdist,其被确定作为位置误差（0厂0 )和速度误差（#0…的函数fi。远端张力Tdist独立 于致动器的位置，例如，马达轴的角度，其允许即使当关节410的位置和致动器440的位置 之间没有直接关系时远端张力Tdist的确定。在一个特定实施例中，函数f1是形式方程式1， 其中gl和g2是增益因子，C是常数或几何结构相关参数，Tug。是符号，即± 1。符号TMg。与 传动系统420中的张力产生的关节410的移动相关联，并且例如如果传动系统420中的张 力T倾向于增加位置坐标0，那么Tsig。为正（例如，+1)，而如果传动系统420中的张力T 倾向于减小位置坐标9,那么Tug。为负（例如，-1)。在另一个实施例中，函数影响力的 下界，例如，为了使力总是正的，并且足W避免传动系统中出现松弛。参数C可W是根据系 统的其他部分施加到关节410的已知或建模的力而选择的常数。例如，参数C可W是选择 用于平衡其他传动系统将力施加到关节410引起的扭矩的常数，或者可W考虑预期的摩擦 力或外部力。然而，参数C不需要严格是常数，而是可W包括补偿可W有效建模的诸如重力 或机构刚度的属性的非常数项，因此，参数C可W取决于测量的关节位置或速度。增益因子 gl和g2可W根据关节410的期望刚度和阻尼选择。特别地，当关节410用作静态夹时，施 加到组织的净夹紧力或扭矩取决于方程式1的gl(0D-0)项。一般地，增益因子gl和的 W及常数C可W根据关节410的期望刚度和阻尼或响应度或者根据误差累积选择。例如， 当插入器械400W沿病人体内自然腔而行时，增益因子gl可W设置为较低值，W使得关节 410缓缓地运转并且防止关节410损伤周围组织。在插入器械之后，增益因子gl可W设置 为较高值，从而允许外科医生利用器械执行精确的手术任务。
[00对方程式1 :护;如*(帥馬…巧牛及3魄…貪+0
[0054] 方程式1的別(佑…巧+《對4…扔+C项可W用于近似确定在关节410处用于 转动关节410W利用传动系统420在给定时间At内到达期望位置0D当前所需的扭矩、张 力或力。扭矩和力或张力相关，因为扭矩是力和有效力矩臂R的乘积，有效力矩臂R由关节 410与传动系统420的连接和关节410的旋转轴线之间的垂直距离限定。有效力矩臂R可 W并入增益因子gl和g2W及常数C或是用于将计算的远端张力Tdist转换成计算的扭矩。 [00对远端张力Tdis郝适当选择的函数f1，例如适当选择的方程式1中的参数gl、g2和 C，可W估计需要致动器440施加的从而W响应于手动控制器460的操作人员的操纵的方式 移动关节410的力。然而，在某些条件下，步骤530、535、540和545提供可选的校正。特别 地，可选的步骤530和535分别计算位置误差（0D- 0 )的饱和总和或整数I，并且计算积分 张力Tiw。积分张力Tiw可W是正的、零或负的，并且其可W作为远端张力TDIST的校正被加 入，其中远端张力Tdist在步骤525计算。积分张力TIW被计算作为饱和积分I的函数f2,并 且可W仅为积分I和增益因子的乘积。在步骤530中计算的饱和积分I可W仅是在间隔结 束时的测量位置和要到达的期望位置之间的位置误差（0D-0 )或差（0D,1-911)在过去N 个时间间隔的总和。可W限制或不限制总和所包含的时间间隔数N，并且积分I可能饱和， 因为积分I的大小不允许超过最大饱和值。饱和值一般可W被选择为覆盖（cap)积分张力 Tiw的最大值或最小值。然而，当计算函数f2的值时，可W可替换地覆盖（cap)积分张力TIW 的最小值和最大值。
[0056] 可选的步骤540计算本文中称为近端张力Tpwx的另一个校正，其可W为正、零或 负。近端张力Tpw巧W被加到远端张力Tdist中，其中远端张力Tdist在步骤525中计算。图 5B是用于计算近端张力Tpwx的过程540的流程图。过程540在步骤542中通过读取致动 器440的速度4的当前值开始。速度浸4可W通过附连在致动器440底部的标准测速仪测 量。为了提高计算效率，还可W安排步骤542W在图5A的步骤510和步骤515之间执行。 然后，步骤544计算近端速度差或误差#^^6?，其限定为基于关节410的期望速度接《计算的 期望速度和基于当前致动器速度4计算的当前速度之间的差或误差。在一个特定实施例 中，期望速度可W是有效力矩臂R、符号Tug。和关节410的期望速度的乘积，而当前速度 可W是致动器440的有效力矩臂和致动器速度4的乘积。在图5B的实施例中，近端张力 T?、被确定作为近端速度误差的函数f4。在一个特定实施例中，函数f4可W仅是近 端速度误差各/WW和增益因子的乘积。增益因子可W被选择W便为传动系统420提供额外 的阻尼效应。
[0057] 图5A的可选步骤550计算成对张力TpAiK，其可W是远端张力Tdist的正的、零或负 的校正值，其中远端张力Tdist是在步骤525中计算的。图5C是用于计算成对张力TPAIK的 过程550的流程图。过程550在步骤552中通过读取致动器440的当前速度值线和与关节 410关联的所有其他致动器的速度值开始。在图4的系统中，存在禪连至关节410的两个 致动器440和442W及两个致动器速度為和爲，。可W安排步骤552在图5A的步骤510和 步骤515之间执行，从而提高计算效率。然后，步骤556计算成对速度差或误差^^'/4//?，当致 动器440和442基本相同，例如对于相应的传动系统420和422的操作具有相同的有效力 矩臂时，速度差或误差可W限定为与关节410关联的致动器440和442的当前速度4, 和聋 之间的差或误差。在一个具体实施例中，当前速度误差可W是致动器440和442 速度差(式~知)和有效力矩臂的乘积。在图6的实施例中，成对张力Tpaik被确定作为成对 速度误差這的函数片。在一个特定实施例中，函数fV巧W仅是成对速度误差若和增 益因子的乘积。增益因子可W被选择W便为传动系统420提供额外的阻尼效应。 阳〇5引在图5A的步骤560中，张力T被确定作为远端张力Tdist、近端张力T?。成对张力Tpaik和积分张力TIW之和的函数f3。在图5C的实施例中，函数f3限制张力T的最大值和最 小值。最大张力Tmax和最小张力TMI间W在对控制系统450 (例如，在软件中）进行编程的 过程中设置。然而，柔性的传动系统本身可W具有在后端机构中合适设计的最小张力或最 大张力。例如，图3A中所示的传动系统具有当马达/致动器342或344凭惯性转动时通过 预加载系统333或335的设置控制的最小张力Tmw和当禪合马达342或344的扭矩超过腫 322或324在绞盘332或334上滑动的点时由滑动引起的最大张力Tmax。一般地，期望的是 具有同时由硬件和软件设置的最大张力Tmax和最小张力TMIW。特别地，最大张力Tmax应被设 置为避免由于较大力对器械的损伤，而最小张力Tmiw应被设置为确保传动系统中的腫不会 松弛和脱轨或缠绕在一起。
[0059] 图5A的步骤565生成引起致动器440施加在步骤560中计算的张力T的控制信 号。例如，当致动器440是直接驱动电动马达时，控制信号可W是控制为与计算的张力T成 比例的驱动电流。步骤570中的控制系统450引起致动器440施加和保持计算的张力T一 段时间间隔At,在该时间间隔期间，关节410朝着当前期望的位置0D移动。当改变张力 T时，整个张力T的施加将延迟一段时间，其取决于致动器440的惯性。优选地，为了快速响 应，致动器440的惯性相对较小。例如，充当致动器440的驱动马达的惯性将优选地小于关 节410惯性的五倍。在时间间隔At之后，过程500转向步骤510重复执行关节位置的测 量、目标位置和速度的获取W及将要在下一个时间间隔期间施加的张力T的计算。一般地， 时间间隔At应当足够小，W便提供对器械的操作人员来说似乎平滑而不会引起器械出现 不期望振动的运动。例如，每秒钟或每几秒钟计算和设置张力T两百五十次，将提供对人眼 来说看似平滑的运动并且将提供响应于人类命令（例如，控制器460的人类操纵）的器械 操作。在利用或不利用积分张力Tiw的计算和不利用器械或外部环境的详细建模或测量结 果的情况下，在计算张力T中使用误差一般将引起关节410集中在期望位置。然而，如上所 述，在计算施加的张力T时使用的诸如增益gl和g2的参数可W针对特定器械被调整，并且 在使用中被进一步调整从而补偿器械的外部环境的改变。
[0060] 致动器442施加到传动系统422的张力还可W通过利用图5A的控制过程500而 控制，并且当与致动器440和传动系统42