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CN104717936B - 使用者启动的手术安装平台的断开式离合 - Google Patents

使用者启动的手术安装平台的断开式离合 Download PDF

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CN104717936B CN201380053748.1A CN201380053748A CN104717936B CN 104717936 B CN104717936 B CN 104717936B CN 201380053748 A CN201380053748 A CN 201380053748A CN 104717936 B CN104717936 B CN 104717936B
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Abstract

机器人和/或手术装置、系统和方法包括运动学联动装置结构和相关联的被配置为促进使用的系统的准备的控制系统。一个或多个运动学联动装置子系统可包括关节，该关节是主动地驱动的、被动的或二者的混合。装配模式利用直观的使用者界面，其中一个或多个关节通过制动器或关节驱动器系统最初保持静止。使用者可通过利用超过手动铰接阈值的力、扭力矩等手动地推动所述联动装置来铰接所述关节。通过改变传送至制动器或驱动器系统的信号而促进移动关节的铰接。系统可从所述关节速度低于阈值任选地达期望的停顿时间，感应重新配置的完成。系统可提供锁销样手动铰接，其不限于机械上预定义的锁销关节配置。本发明的实施方式提供并可尤其良好地适用于手动移动在机器人手术系统或类似中支撑多个手术操纵器的平台而不必添加额外的输入装置。

Description

使用者启动的手术安装平台的断开式离合
发明背景
微创医疗技术旨在减少诊断或手术过程中损伤的无关联组织的量，从而减少患者恢复时间、不适和有害的副作用。例如，微创手术的一个作用是减少的医院术后恢复时间。由于标准手术的平均住院时间通常显著长于相似的微创手术的平均住院时间，微创技术使用的增加每年可节省数百万美元的医院费用。虽然在美国每年进行的许多手术可潜在地以微创的方式进行，但由于微创手术器械和掌握它们所涉及的额外的手术训练的限制，只有一部分目前手术利用这些具有优势的技术。
已经开发了微创机器人手术或远程手术系统来提高外科医生的灵巧性和避免传统微创技术的一些限制。在远程手术中，外科医生利用一些形式的远程控制(例如，自动控制装置等)来操纵手术器械移动，而不是直接用手握住和移动器械。在远程手术系统中，可在手术工作台向外科医生提供手术部位的图像。在观察显示器上的手术部位二维或三维图像的同时，外科医生通过操纵主控装置对患者进行手术过程，主控装置进而控制自动控制装置操作的器械的运动。
用于远程手术的自动控制装置通常接受来自两个主控器(对应于外科医生的每一只手)的输入信息，并可包括两只或更多只机器人手臂，手术器械安装于机器人手臂的每一只上。主控器与相关的机器人手臂以及器械组件之间的操作连通通常通过控制系统实现。该控制系统通常包括至少一个处理器，处理器将输入命令从主控器递送至相关机器人手臂和器械组件，并在例如力反馈等情况下从器械和手臂组件返回至相关的主控器。机器人手术系统的一个实例是可从Calif,Sunnyvale的Intuitive Surgical,Inc.获得的DA系统。
多种结构布置可用于在机器人手术过程中在手术部位支撑手术器械。从动联动装置(driven linkage)或“从动装置(slave)”通常被称作机器人手术操纵器，在微创机器人手术过程中用作机器人手术操纵器的示例性联动装置的布置描述于美国专利号7,594,912、6,758,843、6,246,200、和5,800,423中，其全部公开内容通过引用并入本文中。这些联动装置通常利用平行四边形布置来保持具有轴的器械。这种操纵器结构可约束器械的移动，使得器械围绕位于沿着刚性轴长度的空间内的操纵的远程中心枢轴转动。通过将操纵的远程中心与内部手术部位的切口点对准(例如，与在腹腔镜手术过程中腹壁处的套管针或插管对准)，手术器械的末端执行器通过使用操纵器联动装置移动轴的近端而被安全定位，不对腹壁强加潜在危险的力量。可选的操纵器结构描述于例如美国专利号7,763,015、6,702,805、6,676,669、5,855,583、5,808,665、5,445,166和5,184,601中，其全部公开内容通过引用并入本文中。
多种结构布置也可用于在机器人手术过程中在手术部位支撑和定位机器人手术操纵器和手术器械。支撑联动装置机构有时称为装配(set-up)关节或装配关节手臂，其通常用于将每个操纵器定位并对准患者体内各自的切口点。支撑联动装置机构促进手术操纵器对准期望的手术切口点和目标解剖机构。示例性支撑联动装置机构描述于美国专利号6,246,200和6,788,018中，其全部公开内容通过引用并入本文中。
虽然新的远程手术系统和装置已被证明是高效和有优势的，但仍然期望进一步的改进。一般而言，可期望改进的微创机器人手术系统。如果这些改进的技术增加机器人手术系统的效率和易用性，则将是尤其有益的。例如，提高可操纵性、增加手术室内的空间利用率、提供更快和更容易的装配、在使用过程中阻止机器人装置间的碰撞和/或降低这些新的手术系统的机械复杂性和尺寸是尤其有益的。
发明概述
下文呈现本发明一些实施方式的简要概述，从而提供本发明的基本理解。此概述并非本发明的全面概览。其不旨在确定本发明关键/极其重要的要素或圈定本发明的范围。其唯一目的是以简要的形式呈现本发明的一些实施方式，作为接下来呈现的更加详细说明的开端。
本发明总体提供改进的机器人和/或手术装置、系统和方法。本文所述的运动学联动装置结构和相关的控制系统尤其有利于帮助系统使用者在准备使用——包括准备对特定的患者的手术过程时布置机器人结构。本文所述的示例性机器人手术系统可具有一个或多个运动学联动装置的子系统，其被配置以帮助对准操纵器结构与手术工作部位。这些装配系统的关节可以是主动驱动式、被动式(使得在治疗上使用操纵器时这些关节被手动地铰接并随后锁定成期望的配置)或二者的混合。本文所述的机器人系统实施方式可利用装配模式，其中一个或多个关节通过制动器或关节驱动系统而最初保持静止。制动器或驱动系统限制意外的铰接，但使用者可通过手动地利用超过关节(一个或多个)的手动铰接阈值的力、扭矩等推动联动装置来手动地铰接关节。一旦关节(一个或多个)开始移动，处理器可通过改变传送至制动器或驱动系统的信号而以更少的使用者作用力促进铰接。当使用者获得期望的配置时，系统可从关节(一个或多个)速度低于阈值任选地达期望的停顿时间来感应使用者已经完成重新配置。然后系统可再次阻止关节意外的铰接。停顿时间可帮助避免倒转方向时锁定联动装置，并且系统可提供“锁销(detent)”样手动铰接，其不限于机械上预定义的锁销关节配置。本发明的实施方式提供使用者界面，该界面是直观的，并且可尤其良好地适用于手动移动在机器人手术系统或类似中支撑多个手术操纵器的平台而不必添加额外的输入装置。
在第一方面，本发明提供配置机器人系统的方法。该方法包括响应针对联动装置低于期望铰接阈值的第一手动作用力而阻止系统联动装置自第一姿势的手动铰接。响应铰接联动装置超过期望铰接阈值的第二手动作用力而促进联动装置从第一姿势向第二姿势手动移动。响应联动装置的手动移动而确定第二姿势。联动装置自第二姿势的手动移动受到阻止。
因此，在第一方面，提供配置机器人系统的方法。该方法包括响应针对联动装置的第一手动作用力而阻止系统联动装置自第一姿势的手动铰接，促进联动装置从第一姿势向第二姿势的手动移动，响应联动装置的手动移动而确定第二姿势，和阻止联动装置自第二姿势的手动移动。该阻止步骤响应针对联动装置低于期望铰接阈值的第一手动作用力。该促进步骤响应针对联动装置超过期望铰接阈值的第二手动作用力。
在其它示例性实施方式中，关节传感器可感应施加至关节的第一手动作用力的第一扭力矩，且处理器可通过确定驱动信号而阻止手动铰接，该驱动信号被配置以对联动装置引起反扭力矩而对抗第一扭力矩，以便促使联动装置返回至第一姿势。在进一步的实施方式中，关节传感器也可感应施加至关节的第二手动作用力的第二扭力矩，且处理器可配置以确定第二作用力超过期望的铰接阈值。例如，在一些实施方式中，铰接阈值可为扭力矩阈值，且通过确定第二扭力矩超过阈值扭力矩，处理器可确定第二作用力超过期望的铰接阈值。响应超过期望的铰接阈值的第二作用力，处理器可改变驱动信号，以便降低反扭力矩，使得第一扭力矩足以手动地移动操纵器。
在该方法的一些实施方式中，处理器响应超过期望铰接阈值的第二作用力，可通过向驱动信号添加摩擦补偿分量而改变驱动信号，以便减轻联动装置向第二姿势的手动移动的摩擦。
在其它实施方式中，通过确定手动移动的速度低于阈值速度可确定第二姿势。此外，通过确定手动移动的速度保持低于阈值速度达阈值停顿时间也可确定第二姿势，以便促进倒转移动方向而不阻止手动移动。
在进一步实施方式中，配置机器人系统的方法包括响应针对操纵器低于期望铰接阈值的第三手动作用力而用驱动信号驱动处于第二姿势的联动装置，以便阻止联动装置自第二姿势的手动移动。
上述示例性方法可用于配置手术机器人系统。例如，联动装置可为具有近侧基座和平台以及布置在其之间的关节的装配结构。平台可支撑多个手术操纵器，其中每个操纵器可为器械夹持器，其被配置以可释放地接收手术器械。手动移动可为改变多个操纵器相对于手术部位的位置的移动。在其它实例中，联动装置可包括在具有可释放地接收手术器械的夹持器的手术操纵器中。手术操纵器也可包括被配置用于可释放地接收插管的插管接口。操纵器可进一步被配置以在临近插管的开口内可枢轴转动地移动器械轴，以便在微创手术开口内操纵器械的末端执行器。配置方法可进一步包括响应插管安装至插管接口用超过期望铰接阈值的手动作用力阻止关节的手动铰接。
在其它方面，提供机器人系统。机器人系统包括具有关节的联动装置、连接至联动装置的驱动器或制动器系统以及与驱动器或制动器系统相连接的处理器。处理器可被配置以响应针对联动装置低于期望铰接阈值的第一手动作用力而将信号传送至驱动器或制动器系统，以便阻止联动装置自第一姿势的手动铰接。处理器可响应铰接联动装置的超过期望铰接阈值的第二手动作用力而改变信号。改变的信号可被配置为促进联动装置自第一姿势向第二姿势的手动移动。处理器也可响应联动装置的手动移动而确定第二姿势，并可将信号传送至驱动系统，以便阻止联动装置自第二姿势的手动移动。
在另外的示例性实施方式中，机器人系统进一步包括连接至关节的关节传感器。关节传感器可被配置以感应施加至关节的第一手动作用力的第一扭力矩。处理器可被配置以确定信号，以便施加反扭力矩至联动装置而对抗第一扭力矩，并促使联动装置返回至第一姿势。在具体的实施方式中，驱动器或制动器系统可包括驱动系统。进一步，关节传感器可被配置，以便将施加至关节的第二手动作用力的第二扭力矩传送至处理器。处理器可进一步被配置以利用第二扭力矩确定第二作用力是否超过期望的铰接阈值。例如，处理器可被配置以通过确定第二扭力矩是否超过阈值扭力矩来确定第二作用力超过期望的铰接阈值。响应超过期望的铰接阈值的第二作用力，处理器可改变驱动信号，以便降低反扭力矩，使得第一扭力矩足以手动地移动操纵器。
在一些实施方式中，机器人系统的信号可包括驱动信号，并且处理器可被配置以响应超过期望的铰接阈值的第二作用力，通过将摩擦补偿分量添加至驱动信号来改变驱动信号，以便减轻联动装置向第二姿势的手动移动的摩擦。
处理器可被配置以响应低于阈值速度的手动移动速度来确定第二姿势。处理器可进一步被配置以通过确定手动移动速度低于阈值速度达阈值停顿时间来确定第二姿势，以便促进倒转手动移动的方向而不阻止手动移动。处理器也可被配置以响应针对操纵器的低于期望铰接阈值的第三手动作用力而阻止联动装置自第二姿势的手动移动。
以上示例性系统可以是手术机器人系统。例如，联动装置可以是具有近侧基座和平台以及布置在其之间的关节的装配结构。平台可支撑多个手术操纵器，其中每个操纵器可以是被配置以可释放地接收手术器械的器械夹持器。手动移动可以是改变多个操纵器相对于手术部位的位置的移动。在其它实例中，联动装置可被包括在具有可释放地接收手术器械的夹持器的手术操纵器中。手术操纵器也可包括插管接口，该插管接口被配置用于可释放地接收插管。操纵器可进一步被配置以在邻近插管的开口内可枢轴转动地移动器械轴，以便在微创手术开口内操纵器械的末端执行器。系统可进一步包括响应插管安装至插管接口，利用超过期望的铰接阈值的手动作用力来阻止关节的手动铰接。
在另外的方面，提供机器人手术系统。机器人手术系统包括具有关节的联动装置、连接至联动装置的驱动系统、连接至关节的扭力矩传感器系统和将扭力矩传感器与驱动系统连接的处理器。可将关节设置于近侧基座和器械夹持器之间。器械夹持器可被配置用于可释放地支撑手术器械。处理器被配置以响应低于期望的铰接阈值的感应扭力矩而将驱动信号传送至驱动系统，以便阻止关节自第一配置的手动铰接。响应超过期望的铰接阈值的感应扭力矩，处理器可改变驱动信号以利用低于铰接阈值的移动扭力矩来促进关节自第一配置向第二配置的手动移动。响应低于阈值速度的手动移动速度，处理器可确定第二配置。处理器也可被配置为响应低于期望的铰接阈值的感应扭力矩而将驱动信号传送至驱动系统，以便阻止联动装置自第二姿势的手动移动。
在其它方面，提供配置机器人系统的方法。该方法包括在手动作用力移动组装件的联动装置的过程中驱动机器人组装件，以便模拟处于第一和第二联动装置姿势的联动装置的第一和第二锁销。该方法还包括响应联动装置至第二姿势的手动移动而确定第二姿势。
为了更加充分地理解本发明的性质和优势，应当参考接下来的详细说明和附图。从随后的附图和详细说明看本发明的其它方面、目标和优势将是明显的。
附图说明
图1为根据许多实施方式的用于进行手术的微创机器人手术系统的平面图。
图2为根据许多实施方式的用于机器人手术系统的外科医生控制台的透视图。
图3为根据许多实施方式的机器人手术系统电子设备推车的透视图。
图4图示地示例根据许多实施方式的机器人手术系统。
图5A为根据许多实施方式的机器人手术系统的患者旁推车(手术机器人)的局部视图。
图5B为根据许多实施方式的机器人手术工具的正视图。
图6为根据许多实施方式的机器人手术系统的透视示意图。
图7为根据许多实施方式的其它机器人手术系统的透视示意图。
图8显示根据许多实施方式的机器人手术系统，与图7的示意图一致。
图9示例装配联动装置相对于图8机器人手术系统的定向平台的旋转定向限制。
图10显示根据许多实施方式的与机器人手术系统吊杆组装件旋转限制有关的重力中心图。
图11为示意地示例准备用于手术的机器人手术系统的方法的流程图。
发明详述
在以下说明中，将描述本发明的各种实施方式。为了说明的目的，阐述了具体配置和细节，从而提供实施方式的全面理解。然而，本发明可被实施而无需所述具体细节，这对本领域技术人员而言也是明显的。此外，可省略或简化公知的特征，从而不会使所描述的实施方式看不清楚。
本文所述的运动学联动装置结构和控制系统尤其有益于帮助系统使用者布置对具体患者手术的机器人结构。除用于在治疗过程中与组织等相互作用的主动驱动的操纵器外，机器人手术系统还可具有一个或多个运动学联动装置系统，其被配置以支撑和帮助将操纵器结构与手术工作部位对准。这些装配系统可以是主动驱动式或可以是被动式，使得当操纵器在治疗上使用时装配系统被手动地铰接和随后锁定成期望的配置。被动式装配运动学系统可在尺寸、重量、复杂性和成本上具有优势。遗憾的是，多个操纵器可用于处理每位患者的组织，操纵器可各自独立地受益于精确定位，以便使得由该器械支撑的器械具有贯穿工作空间的期望的运动，且临近的操纵器相对位置的轻微变化可对操纵器间的相互作用产生显著的影响(定位不佳的操纵器潜在地碰撞或其运动范围和/或容易性显著减小)。因此，准备手术时快速布置机器人系统的挑战可能是显著的。
一个选择是将多个操纵器安装至单个平台，操纵器支撑平台有时称为定向平台。可由主动驱动式支撑联动装置(本文中有时称为装配结构，且通常具有装配结构联动装置等)来支撑定向平台。系统也可提供和用某种操纵杆或一组按钮控制支撑定向平台的机器人装配结构的电动轴，该操纵杆或按钮允许使用者以独立的方式如所期望的那样主动地驱动那些轴。这种方法虽然在一些情况下有用，但可能面临一些缺点。具体地，安置用于复杂系统的所有元件的驱动按钮以使得每一个可供使用者使用而获得系统的所有潜在配置可能是困难的。虽然单独的离合按钮也可用于释放制动器或驱动系统，但具有不同功能的按钮间可以仍然存在混淆的可能性。此外，手术组的无菌和非无菌构件均可以希望铰接一些关节或联动装置(如通过抓住无菌区内或外的不同位置)。因此更直观和灵活的使用者界面是可期望的。这对于用于多象限手术或用于支撑多个手术操纵器并可围绕至少大致垂直地延伸的轴线枢轴转动以便使操纵器相对于手术台或其它支撑体上的患者定向的结构的定向平台尤其如此。
微创机器人手术
现参考附图，其中贯穿若干视图相同的参考编号表示相同部件，图1是微创机器人手术(MIRS)系统10的平面图示例，该系统通常用于对患者12进行微创诊断或手术过程，患者12躺在手术台14上。系统可包括在手术过程中外科医生18使用的外科医生控制台16。一个或多个助手20也可参与该过程。该MIRS系统10可进一步包括患者旁推车22(手术机器人)和电子设备推车24。当外科医生18通过控制台16观察手术部位时，患者旁推车22可操纵至少一个通过患者12体内微创切口的可去除地连接的工具组装件26(在下文中简称为“工具”)。通过内窥镜28如立体内窥镜可获得手术部位的图像，内窥镜28可被患者旁推车22操纵以将内窥镜28定向。电子设备推车24可用于处理手术部位的图像，用于随后通过外科医生控制台16向外科医生18显示。一次所使用的手术工具26的数量将一般取决于诊断或手术过程和手术室内的空间约束等因素。如果有必要改变在手术过程中使用的工具26中的一个或多个，助手20可从患者旁推车22去除工具26，并用来自手术室中的托盘30的其它工具26将其取代。
图2是外科医生控制台16的透视图。外科医生控制台16包括左眼显示器32和右眼显示器34，用于向外科医生18呈现实现深度感的手术部位的协调(coordinated)立体视图。控制台16进一步包括一个或多个输入控制装置36，其进而引起患者旁推车22(图1中所示)操纵一个或多个工具。输入控制装置36可提供与其相关工具26(图1中所示)相同的自由度，以向外科医生提供输入控制装置36与工具26成整体的远程呈现或感受，使得外科医生具有直接控制工具26的强烈感觉。为了这个目标，可利用位置、力和触觉反馈传感器(未显示)将位置、力和触感从工具26通过输入控制装置36传送回至外科医生的手。
外科医生控制台16通常与患者位于同一房间，使得外科医生可直接监测手术过程，如果有必要则亲身参与，并直接对助手说话，而不是通过电话或其它通讯媒介。然而，外科医生可处于允许远程手术过程的与患者不同的房间、完全不同的建筑或其它远程位置。
图3为电子设备推车24的透视图。电子设备推车24可与内窥镜28连接并可包括处理器以处理捕获的图像，用于随后如在外科医生控制台或位于本地和/或远程的其它合适的显示器上向外科医生显示。例如，在使用立体内窥镜的情况下，电子设备推车24可处理捕获的图像以向外科医生呈现手术部位的协调立体图像。这种协调可包括相反图像之间的校正，并可包括调整立体内窥镜的立体工作距离。作为另一个实施例，图像处理可包括使用之前确定的摄像机校准参数来弥补图像捕获装置的成像误差，如光学像差。
图4图示地示例了机器人手术系统50(如图1的MIRS系统10)。如以上所讨论的，外科医生控制台52(如图1中的外科医生控制台16)可被外科医生用来在微创过程期间控制患者旁推车(手术机器人)54(如图1中的患者旁推车22)。患者旁推车54可利用成像装置如立体内窥镜来捕获手术过程部位的图像，并将捕获的图像输出至电子设备推车56(如图1中的电子设备推车24)。如以上所讨论的，电子设备推车56可在任何随后的显示之前以多种方式处理捕获的图像。例如，电子设备推车56可在经外科医生控制台52向外科医生显示组合的图像之前利用虚拟控制界面覆盖捕获的图像。患者旁推车54可输出捕获图像用于在电子设备推车56之外进行处理。例如，患者旁推车54可输出捕获的图像至处理器58，处理器58可用于处理捕获的图像。图像也可由电子设备推车56和处理器58的组合进行处理，电子设备推车56和处理器58可被连接在一起以共同、相继和/或其组合处理捕获的图像。一个或多个单独的显示器60也可与处理器58和/或电子设备推车56相连接，用于本地和/或远程显示图像，如手术过程部位的图像或其它相关图像。
处理器58通常包括硬件和软件的组合，软件包括可触摸媒介，其体现计算机可读代码指令用于进行本文功能性描述的控制方法步骤。硬件通常包括一个或多个数据处理板，其可被共同定位但通常具有分布于本文所述的机器人结构中的组件。软件通常包含非易失性媒介，且还可包含单片(monolithic)代码，但更通常包含许多子例程，其任选地在多种分布数据处理结构中的任何一种中运行。
图5A和5B分别显示患者旁推车22和手术工具62。手术工具62为手术工具26的实例。所示的患者旁推车22提供三个手术工具26和成像装置28如用于捕获手术过程部位的图像的立体内窥镜的操纵。操纵由具有许多机器人关节的机器人机构提供。成像装置28和手术工具26可通过患者体内的切口而被定位和操纵，使得运动学远程中心保持在切口处以最小化切口的尺寸。当手术部位的图像定位于成像装置28的视野内时，它们可包括手术工具26远端的图像。
手术工具26通过将管状插管64插入穿过微创进入开口如切口、自然腔道、经皮穿透或类似而被插入患者体内。插管64被安装至机器人操纵器手臂，且手术工具26的轴穿过插管内腔。操纵器手臂可传送表明插管已经被安装至其上的信号。
机器人手术系统和模块化操纵器支撑体
图6为根据许多实施方式的机器人手术系统70的透视示意图示。手术系统70包括安装基座72、支撑联动装置74、定向平台76、多个外部装配联动装置78(显示两个)、多个内部装配联动装置80(显示两个)和多个手术器械操纵器82。操纵器82的每一个可操作以选择性地铰接安装至操纵器82并可沿着插入轴线插入患者体内的手术器械。操纵器82的每一个被连接至装配联动装置78、80之一并被其支撑。外部装配联动装置78的每一个通过第一装配联动装置关节84被旋转地连接至定向平台76并被其支撑。内部装配联动装置80的每一个被固定地连接至定向平台76并被其支撑。定向平台76被旋转地连接至支撑联动装置74并被其支撑。支撑联动装置74被固定地连接至安装基座72并被其支撑。
在许多实施方式中，安装基座72是可移动的并由地板支撑，从而实现整个手术系统70的选择性重新定位，例如在手术室内。安装基座72可包括导向轮组装件和/或任何其它合适的支撑部件，所述支撑部件提供选择性重新定位和选择性阻止安装基座72从选择的位置移动。安装基座72也可具有其它合适的配置，例如天花板安装、固定地板/底座安装、墙壁安装或配置为由任何其它合适的安装表面支撑的界面。
支撑联动装置74可操作以相对于安装基座72选择性地对定向平台76定位和/或定向。支撑联动装置74包括柱座86、可平移柱构件88、肩关节90、吊杆基座构件92、吊杆第一级构件94、吊杆第二级构件96和腕关节98。柱座86被固定地连接至安装基座72。可平移柱构件88被可滑动地连接至柱座86，用于相对于柱座86进行平移。在许多实施方式中，可平移柱构件88相对于柱座86沿垂直定向的轴线平移。吊杆基座构件92通过肩关节90被旋转地连接至可平移柱构件88。肩关节90可操作以在水平面内相对于可平移柱构件88选择性地定向吊杆基座构件92，可平移柱构件88相对于柱座86和安装基座72具有固定的角度取向。吊杆第一级构件94可相对于吊杆基座构件92在水平方向选择性地平移，所述水平方向在许多实施方式中与吊杆基座构件92和吊杆第一级构件94对齐。吊杆第二级构件96同样可相对于吊杆第一级构件94在水平方向选择性地平移，所述水平方向在许多实施方式中与吊杆第一级构件94和吊杆第二级构件96对齐。因此，支撑联动装置74可操作以选择性地设置肩关节90和吊杆第二级构件96的远端之间的距离。腕关节98将吊杆第二级构件96的远端旋转地连接至定向平台76。腕关节98可操作以选择性地设置定向平台76相对于安装基座72的角度取向。
装配联动装置78、80的每一个可操作以相对于定向平台76选择性地定位和/或定向相关联的操纵器82。装配联动装置78、80的每一个包括装配联动装置基座连杆100、装配联动装置延伸连杆102、装配联动装置平行四边形联动装置部分104、装配联动装置垂直连杆106、第二装配联动装置关节108和操纵器支撑连杆110。外部装配联动装置78的装配联动装置基座连杆100的每一个可通过第一装配联动装置关节84的操作而相对于定向平台76被选择性地定向。在所示的实施方式中，内部装配联动装置80的装配联动装置基座连杆100的每一个被固定地连接至定向平台76。内部装配联动装置80的每一个也可类似于外部装配联动装置，通过额外的第一装配联动装置关节84被旋转地连接至定向平台76。装配联动装置延伸连杆102的每一个可相对于相关联的装配联动装置基座连杆100在水平方向平移，所述水平方向在许多实施方式中与相关联的装配联动装置基座连杆和装配联动装置延伸连杆102对齐。装配联动装置平行四边形联动装置部分104的每一个被配置并可操作以在垂直方向选择性地平移装配联动装置垂直连杆106，同时保持装配联动装置垂直连杆106垂直地定向。在实例实施方式中，装配联动装置平行四边形联动装置部分104的每一个包括第一平行四边形关节112、连接连杆114和第二平行四边形116。第一平行四边形关节112将连接连杆114旋转地连接至装配联动装置延伸连杆102。第二平行四边形关节116将装配联动装置垂直连杆106旋转地连接至连接连杆114。第一平行四边形关节112被旋转地连结至第二平行四边形关节116，使得连接连杆114相对于装配联动装置延伸连杆102的旋转与装配联动装置垂直连杆106相对于连接连杆114的相反旋转匹配，以便当装配联动装置垂直连杆106被选择性地垂直平移时保持装配联动装置垂直连杆106垂直地定向。第二装配联动装置关节108可操作以相对于装配联动装置垂直连杆106选择性地定向操纵器支撑连杆110，从而相对于装配联动装置垂直连杆106选择性地定向相关联的连接操纵器82。
图7为根据许多实施方式的机器人手术系统120的透视示意图示。由于手术系统120包括的构件类似于图6手术系统70的构件，相同的参考编号用于相似的组件，并且以上所述的类似组件的相应描述适用于手术系统120并在此省略以避免重复。手术系统120包括安装基座72、支撑联动装置122、定向平台124、多个装配联动装置126(显示四个)以及多个手术器械操纵器82。操纵器82的每一个可操作以选择性地铰接安装至操纵器82并可沿插入轴线插入患者体内的手术器械。操纵器82的每一个被连接至装配联动装置126之一并被其支撑。装配联动装置126的每一个通过第一装配联动装置关节84被旋转地连接至定向平台124并被其支撑。定向平台124被旋转地连接至支撑联动装置122并被其支撑。支撑联动装置122被固定地连接至安装基座72并被其支撑。
支撑联动装置122可操作以相对于安装基座72选择性地对定向平台124定位和/或定向。支撑联动装置122包含柱座86、可平移柱构件88、肩关节90、吊杆基座构件92、吊杆第一级构件94和腕关节98。支撑联动装置122可操作以选择性地设置肩关节90和吊杆第一级构件94的远端之间的距离。腕关节98将吊杆第一级构件94的远端旋转地连接至定向平台124。腕关节98可操作以选择性地设置定向平台124相对于安装基座72的角度取向。
装配联动装置126的每一个可操作以相对于定向平台124选择性地定位和/或定向相关联的操纵器82。装配联动装置126的每一个包括装配联动装置基座连杆100、装配联动装置延伸连杆102、装配联动装置垂直连杆106、第二装配联动装置关节108、旋风(tornado)机构支撑连杆128和旋风机构130。装配联动装置126的装配联动装置基座连杆100的每一个可通过操作相关联的第一装配联动装置关节84而相对于定向平台124被选择性地定向。装配联动装置垂直连杆106的每一个可相对于相关联的装配联动装置延伸连杆102在垂直方向选择性地平移。第二装配联动装置关节108可操作以相对于装配联动装置垂直连杆106选择性地定向旋风机构支撑连杆128。
旋风机构130的每一个包括旋风关节132、连接连杆134和操纵器支撑体136。连接连杆134将操纵器支撑体136固定地连接至旋风关节132。旋风关节130可操作以使操纵器支撑体136相对于旋风机构支撑连杆128围绕旋风轴线136旋转。旋风机构128被配置以定位和定向操纵器支撑体134，使得操纵器82的远程操纵中心(RC)通过旋风轴线136相互交叉。因此，旋风关节132的操作可用于相对于患者重新定向相关联的操纵器82而不相对于患者移动相关联的远程操纵中心(RC)。
图8为根据许多实施方式的机器人手术系统140的简化图示，其与图7的机器人手术系统120的示意图示一致。由于手术系统140与图7的机器人手术系统120一致，相同的参考编号用于类似的组件，并且上述类似组件的相应描述适用于手术系统140并在此省略以避免重复。
支撑联动装置122被配置以通过支撑联动装置122的连杆之间沿多个装配结构轴线的相对移动而相对于安装基座72选择性地对定向平台124定位和定向。可平移柱构件88可相对于柱座86沿第一装配结构(SUS)轴线142选择性地重新定位，第一装配结构(SUS)轴线142在许多实施方式中垂直地定向。肩关节90可操作以相对于可平移柱构件88围绕第二SUS轴线144选择性地定向吊杆基座构件92，第二SUS轴线144在许多实施方式中垂直地定向。吊杆第一级构件94可相对于吊杆基座构件92沿着第三SUS轴线146选择性地重新定位，第三SUS轴线146在许多实施方式中水平地定向。腕关节98可操作以相对于吊杆第一级构件94围绕第四SUS轴线148选择性地对定向平台124定向，第四SUS轴线148在许多实施方式中垂直地定向。
装配联动装置126的每一个被配置，以通过在装配联动装置126连杆之间沿多个装配关节(SUJ)轴线的相对移动，相对于定向平台124选择性地定位和定向相关联的操纵器82。第一装配联动装置关节84的每一个可操作以相对于定向平台124围绕第一SUJ轴线150选择性地定向相关联的装配联动装置基座连杆100，第一SUJ轴线150在许多实施方式中垂直地定向。装配联动装置延伸连杆102的每一个可相对于相关联的装配联动装置基座连杆10沿第二SUJ轴线152而选择性地重新定位，第二SUJ轴线152在许多实施方式中水平地定向。装配联动装置垂直连杆106的每一个可相对于相关联的装配联动装置延伸连杆102沿第三SUJ轴线154选择性地重新定位，第三SUJ轴线154在许多实施方式中垂直地定向。第二装配联动装置关节108的每一个可操作以相对于装配联动装置垂直连杆106围绕第三SUJ轴线154选择性地定向旋风机构支撑连杆128。旋风关节132的每一个可操作以围绕相关联的旋风轴线138旋转相关联的操纵器82。
图9示例了根据许多实施方式的装配联动装置126相对于定向平台124的旋转取向限制。装配联动装置126的每一个相对于定向平台124以顺时针限制取向显示。相应的逆时针限制取向由图9相对于垂直定向的镜面的镜像表示。如所示例的，两个内部装配联动装置126的每一个可从在一个方向与垂直参照156成5度至在相对方向与垂直参照156成75度而被定向。如示例的，两个外部装配联动装置的每一个可在相应方向与垂直参照156成15度至95度而被定向。
在使用中，手术助手、外科医生、技术支持或其它使用者通常期望配置一些或所有用于手术的机器人手术系统140的联动装置，包括装配结构联动装置、装配关节和/或操纵器的每一个。包含在配置这些联动装置的任务中的将是相对于第一级构件94围绕腕关节98的垂直第四SUS轴线148定位定向平台124。关节驱动马达121和/或制动器系统123被连接至腕关节98，一个示例性实施方式同时包括驱动121和制动器123。此外，关节传感器系统通常感应腕关节98的角度配置或位置。
本文中将参考通过围绕第四SUS轴线148铰接腕关节98手动铰接定向平台124——如箭头127示意地示例——来描述手动地配置系统进行使用的示例性使用者界面、系统和方法。需要理解的是，可利用可选的实施方式来铰接整个运动学系统的一个或多个可选的关节，包括装配结构的一个或多个可选的关节、装配关节的一个或多个、或操纵器联动装置的关节的一个或多个。使用示例性实施方式铰接电动腕关节实施方式可允许使用者有效地定位操纵器82。当如图5B所示手动地将操纵器82和其相关联的插管64对接时，本文所述的腕关节98的手动铰接可提高速度和易用性。
图10显示根据许多实施方式的与机器人手术系统160支撑联动装置的旋转限制有关的重心图。随着机器人手术系统160的组件被定位和定向以将机器人手术系统160的重心162相对于手术系统160的支撑联动装置164最大程度地转移至一侧，支撑联动装置164的肩关节可被配置以限制支撑结构164围绕装配结构(SUS)肩关节轴线166旋转，从而阻止超过安装基座预先确定的稳定性限制。
图11示意地示例通过铰接腕关节98对定向平台124定向的方法。如以上所概述的，可以以主跟随模式(master following mode)使用机器人系统140，以处理组织等。机器人系统通常停止跟随，并开始配置模式131，其允许使用者手动地围绕第四SUS轴线148以期望取向来配置定向平台。一旦已经进入配置模式，关节传感器系统所感应的腕关节98的当前角度θC被设置为步骤133中的期望角度θD。如果插管被安装至由平台124支撑的任何操纵器，则系统可将制动施加至腕关节并退出配置模式，以便通过步骤135阻止腕关节的手动移动。
而在配置模式中，当平台不围绕腕关节移动时，系统处理器通常会将信号传送至与腕关节98相关联的关节马达，以便保持设置的期望角度θD。因此，当系统受到轻微撞击、推动或拉动时，通过施加每误差E的关节扭力矩，腕关节马达可促使平台返回至期望角度，误差E随着感应的关节位置和期望的关节位置之间的差异而变化：
E＝θ-θD
步骤137中这种向期望姿势的关节驱动通常被限制以允许使用者通过对联动装置系统施加充足的作用力139而克服腕关节的伺服。例如，在关节感应系统显示超过阈值量的关节移位时、在被施加至马达以对抗所施加的力的扭力矩达到阈值量时、在施加至关节联动装置系统远侧的感应力超过阈值量时或类似情况，处理器可停止腕关节伺服以对抗关节的铰接。在一些实施方式中，可存在作用力阈值的时间要素以克服伺服，如通过响应超过阈值的扭力矩达超过阈值的时间而停止伺服。然而其它选项也是可能的，包括阈值力或扭力矩与时间之间的更加复杂的关系，感应力被施加至由腕关节(或其它可铰接关节)支撑的特定联动装置或联动装置的子装置等。在示例性实施方式中，定向平台和装配结构系统其余部分之间的关节传感器提供用于估算施加至定向平台的扭力矩的信号，并且关节移位和伺服刚度被用于估算施加至手术手臂和/或装配关节的扰动扭力矩。在另外的示例性实施方式中，可过滤误差信号以使系统与慢速或稳态信号相比对瞬时推动更加灵敏。这种误差过滤可使当装配结构处于倾斜表面上时触发更加灵敏同时限制错误触发。
当使用者以足以超过期望铰接阈值的作用力推动或拉动一个或多个手术操纵器、装配关节联动装置或直接推动或拉动平台时，使用者能够旋转定向平台而不必抵抗伺服控制。虽然伺服以便对抗使用者的平台移动在步骤141中停止，但驱动信号仍然可被发送至腕关节马达。例如，通过在手动移动平台的过程中施加适当的驱动信号，可提供143摩擦补偿、重力补偿、动量补偿和/或类似。示例性补偿驱动系统更加充分描述于Neimeyer所有的名称为“Friction Compensation in a Minimally Invasive Surgical Apparatus”的美国专利公开2009/0326557中，Prisco等所有的名称为“Control System for ReducingInternally Generated Frictional and Inertial Resistance to Manual Positioningof a Surgical Manipulator”的美国专利公开2011/0009880等中。在一些实施方式中，当停止伺服时，系统可单独或除驱动信号之外利用关节运动范围限制。当使用者超过范围运动限制推动时，这种运动范围限制可类似于伺服而响应，除非它们是单侧的。
一旦使用者已经手动地在期望的取向附近铰接至腕时，使用者将倾向于使平台减速，并且在到达时，期望的配置将停止平台的移动。系统利用了这个，且当关节传感器显示平台的移动降至期望的零阈值以下时，处理器可作出响应，重新设置期望的关节角度和重新启动伺服(或制动)以便阻止自该关节位置的移动。当使用者可能希望倒转手动关节铰接的方向以纠正任何过调节时，处理器可不重新接合伺服，直到铰接速度保持低于阈值达期望的停顿时间。
其它变化形式也在本发明的精神内。因此，虽然本发明容易受到各种变化和可选结构的影响，但其某些示例的实施方式显示于附图中并已经在上文中进行可详述。然而，应当理解的是，本发明不旨在将本发明限制于被公开的特定的一种形式或多种形式，而相反，本发明意在涵盖所有落入本发明的精神和范围内的变化、可选构造和等同物，如所附的权利要求中所限定。
术语“一个(a)”和“一个(an)”和“该(the)”和类似指称在说明本发明的上下文中(尤其在以下权利要求的上下文中)的使用应被视为同时涵盖单数和复数，除非本文中另有指出或明显与上下文相矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被视为开放式术语(即，意思是“包括，但不限于”)，除非另有说明。术语“连接(connected)”应被视为部分或全部地包含在内、连接至或连接在一起，即使存在某物介于其间。本文中数值范围的描述仅仅是旨在作为分别提及落入该范围的每个独立的值的便捷方法，除非本文中另有指出，并且每个单独的值被并入说明书中，如同其单独地描述于本文中。本文中所述的所有方法可以以任何合适的顺序进行，除非本文中另有指出或明显与上下文相矛盾。本文中任何和所有实例或示例性语言(例如，“如”)的应用仅仅是为了更好地阐明本发明的实施方式，且不对本发明的范围产生限制，除非另有声明。本说明书中的语言均不应被视为表明本发明的实施所必要的未请求保护的要素。
本文中描述了本发明优选的实施方式，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。在阅读上述描述后，那些优选的实施方式的变化形式对本领域技术人员而言可变得明显。发明人期望技术人员酌情利用这些变化形式，且发明人意图本发明以本发明中具体的描述之外的方式实施。因此，本发明包括本文所附权利要求中适用法律所允许的所述主题的所有变化和等同物。此外，上述要素在其所有可能变化形式中的任何组合被本发明所包含，除非本文中另有指出或明显与上下文相矛盾。
本文引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，以与每篇参考文献被单独和具体地被指出通过引用并入且以全部的方式在本文中被提出相同的程度在此通过引用并入。

Claims (17)

1.机器人系统，所述系统包括：
联动装置，其具有关节；
驱动器或制动器系统，其被连接至所述联动装置；和
处理器，其与所述驱动器或制动器系统相连接，所述处理器被配置以：
响应于针对所述联动装置的第一手动作用力低于期望铰接阈值而将信号传送至所述驱动器或制动器系统，以便阻止所述联动装置自第一姿势手动铰接；
响应于铰接所述联动装置的第二手动作用力超过所述期望铰接阈值而改变所述信号，其中改变的信号被配置以促进所述联动装置自所述第一姿势向第二姿势的手动移动；
响应于检测到所述手动移动的速度低于阈值速度而确定所述第二姿势；和
将所述信号传送至所述驱动器或制动器系统，以便阻止所述联动装置自所述第二姿势的手动移动。
2.根据权利要求1所述的机器人系统，其进一步包括连接至所述关节的关节传感器，所述关节传感器被配置以感应施加至所述关节的所述第一手动作用力的第一扭力矩，并且其中所述处理器被配置以确定所述信号，以便将反扭力矩施加至所述联动装置而对抗所述第一扭力矩，并促使所述联动装置返回至所述第一姿势，其中所述驱动器或制动器系统包括驱动系统。
3.根据权利要求2所述的机器人系统，其中所述关节传感器被配置成将施加到所述关节的所述第二手动作用力的第二扭力矩发送到所述处理器，并且其中所述机器人系统的所述处理器被配置成利用所述第二扭力矩确定所述第二手动作用力是否超过所述期望铰接阈值，并且响应于确定所述第二手动作用力超过所述期望铰接阈值而改变制动信号。
4.根据权利要求2所述的机器人系统，其中配置所述关节传感器，以便将施加至所述关节的所述第二手动作用力的第二扭力矩传送至所述处理器，并且其中所述机器人系统的所述处理器被配置以利用所述第二扭力矩确定所述第二手动作用力是否超过所述期望铰接阈值，且响应于确定所述第二手动作用力超过所述期望铰接阈值，改变所述信号以便减小所述反扭力矩，使得所述第一扭力矩足以手动地移动所述联动装置。
5.根据权利要求4所述的机器人系统，其中所述处理器被配置以响应于所述第二扭力矩超过阈值扭力矩而确定所述第二手动作用力超过所述期望铰接阈值。
6.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述信号包括驱动信号，且所述处理器被配置以响应于所述第二手动作用力超过所述期望铰接阈值，通过将摩擦补偿分量添加至所述信号而改变所述驱动信号，以便减轻所述联动装置向所述第二姿势的手动移动的摩擦。
7.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述处理器被配置以通过确定所述手动移动的速度低于所述阈值速度达阈值停顿时间来确定所述第二姿势，以便促进所述手动移动方向的倒转，而不阻止所述手动移动。
8.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述处理器被配置以响应于针对所述联动装置的第三手动作用力低于所述期望铰接阈值来阻止所述联动装置自所述第二姿势的手动移动。
9.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述机器人系统包括手术机器人系统，其中所述联动装置包括装配结构，所述装配结构具有近侧基座和平台以及设置于所述近侧基座和所述平台之间的关节，其中所述平台支撑多个手术操纵器，每个操纵器包括器械夹持器，所述器械夹持器被配置用于可释放地接收手术器械，且其中所述手动移动改变所述多个手术操纵器相对于手术部位的位置。
10.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述机器人系统包括手术机器人系统，其中所述联动装置包括在手术操纵器中，所述手术操纵器具有被配置用于可释放地接收手术器械的器械夹持器和被配置用于可释放地接收插管的插管接口，所述手术操纵器被配置以在邻近所述插管的开口内可枢轴转动地移动所述手术器械的轴，以便操纵所述手术器械的末端执行器，且其中所述处理器被配置以响应于所述插管安装至所述插管接口而利用超过所述期望铰接阈值的第二手动作用力来阻止所述关节的手动铰接。
11.机器人手术系统，所述系统包括：
联动装置，其具有设置于近侧基座和器械夹持器之间的关节，所述器械夹持器被配置用于可释放地支撑手术器械；
驱动系统，其被连接至所述联动装置；
扭力矩传感器系统，其被连接至所述关节；和
处理器，其将所述扭力矩传感器系统与所述驱动系统相连接，所述处理器被配置以：
响应于感应扭力矩低于铰接阈值而将驱动信号传送至所述驱动系统，以便阻止所述关节自第一配置的手动铰接；
响应于所述感应扭力矩超过所述铰接阈值而改变所述驱动信号，其中改变的驱动信号被配置以利用低于所述铰接阈值的移动扭力矩来促进所述关节自所述第一配置向第二配置的手动移动；
响应于所述手动移动的速度低于阈值速度而确定所述第二配置；和
响应于所述感应扭力矩低于所述铰接阈值而将驱动信号传送至所述驱动系统，以便阻止所述联动装置自所述第二配置的手动移动。
12.根据权利要求11所述的机器人手术系统，其中所述处理器被配置成确定所述驱动信号以便将反扭力矩施加到所述联动装置以对抗所述手动铰接，并且促使所述联动装置向所述第一配置返回。
13.根据权利要求11所述的机器人手术系统，其中所述处理器被配置成确定所述感应扭力矩是否超过所述铰接阈值，并且作为响应，改变制动信号。
14.根据权利要求11所述的机器人手术系统，其中所述驱动信号包括摩擦补偿分量以便减轻所述联动装置向所述第二配置的手动移动的摩擦。
15.根据权利要求11所述的机器人手术系统，其中所述处理器被配置成响应于所述手动移动的速度低于所述阈值速度达阈值停顿时间来确定所述第二配置，以便促进所述手动移动方向的倒转，而不阻止所述手动移动。
16.根据权利要求11所述的机器人手术系统，其中所述手动移动改变所述手术器械相对于手术部位的位置。
17.根据权利要求11所述的机器人手术系统，进一步包括被配置用于可释放地接收插管的插管接口，所述联动装置被配置以在邻近所述插管的开口内可枢轴转动地移动所述手术器械的轴，以便在微创手术开口内操纵所述手术器械的末端执行器，并且其中所述处理器被配置以响应于所述插管安装至所述插管接口而利用超过所述铰接阈值的所述感应扭力矩来阻止所述关节的手动铰接。
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