CN115397355A - 用于在负荷传感器上安装机器人部件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

某些方面涉及一种机器人外科系统，该机器人外科系统包括具有基部、近侧部分和远侧部分的机器人臂。工具驱动器以可拆卸方式联接到医疗器械，并且该工具驱动器与机器人臂的远侧部分联接。负荷传感器被定位在近侧部分和远侧部分之间，使得该负荷传感器支撑远侧部分和工具驱动器。负荷传感器被配置成检测与远侧部分或工具驱动器相互作用的力以增强对机器人臂的用户控制和/或机器人臂的安全操作。

Description

用于在负荷传感器上安装机器人部件的系统和方法

交叉引用

本申请要求美国临时申请63/003,034的优先权的权益，该申请的全部内容据此以引用方式并入。

技术领域

本文所公开的系统和方法涉及外科机器人系统和用于外科系统的机械人臂中的负荷传感器的新颖集成。

背景技术

外科机器人系统可包括用于支撑和操纵医疗器械的机器人臂。医疗器械可安装在机器人臂的端部执行器上。机器人臂可以包括通过连杆连接的一系列可关节运动的接合部。在某些具体实施中，机器人臂可由外科医生经由远程操作操纵以使用机器人臂和医疗器械进行外科规程。

发明内容

本公开的一个方面是一个或多个负荷传感器在外科机器人系统内的集成。外科机器人系统可包括机器人臂。该臂可包括用于控制端部执行器的位置的多个可独立关节运动的接合部和连杆。端部执行器可支撑用于进行各种外科规程中的任一种的医疗器械。机器人臂和/或医疗器械中的连杆的位置可由医师经由远程操作来控制。除了远程操作外科机器人系统之外，还可能期望响应于其他外部刺激来操纵机器人臂。在一个示例中，可能有利的是检测和/或测量施加在机器人系统的各部分(诸如医疗器械或机器人臂的连杆或接合部中任一者)上的力。还可能期望响应于直接用户输入来操纵机器人臂(例如，以机器人辅助移动模式手动操纵机器人臂)。

因此，根据本公开的另一方面，已发现可能有利的是在机器人臂内结合负荷传感器。在某些情况下，负荷传感器可以为或包括多个力传感器，这些力传感器被定位成检测机器人臂的远侧部分上的力和/或力矩。通过结合负荷传感器，机器人臂可直接感测和测量诸如与用户的相互作用力。相互作用力可由与机器人接合的临床医生或机器人施加，该机器人与机器人臂周围的环境内的物体接合。将负荷传感器结合到机器人臂中也可用于安全感测。机器人臂可测量与患者、临床医生或其他物体接触的力或力矩。如果力是可检测的，则机器人可被编程为限制施加到外部物体的力并防止对患者、物体或机器人臂本身造成进一步伤害或损坏。

本公开的一个方面是包括机器人臂的机器人外科系统。机器人臂可包括具有近侧部分和远侧部分的基部。工具驱动器能够以可拆卸方式联接到医疗器械。工具驱动器可与机器人臂的远侧部分联接。负荷传感器可被定位在近侧部分和远侧部分之间，使得负荷传感器支撑远侧部分和工具驱动器。该负荷传感器被配置成检测与工具驱动器的远侧部相互作用的力。

根据另一方面，近侧部分和远侧部分之间的结构断裂由负荷传感器桥接。

根据另一方面，负荷传感器完全支撑机器人臂的远侧部分和工具驱动器。

根据另一方面，负荷传感器被定位成与机器人臂的腕接合部相邻。

根据另一方面，负荷传感器被定位在机器人臂的第一接合部与第二接合部之间。

根据另一方面，第一接合部是腕滚动接合部，并且第二接合部是腕俯仰接合部。

根据另一方面，负荷传感器被定位成与机器人臂的基部相邻。

根据另一方面，负荷传感器是多轴负荷传感器。

根据另一方面，负荷传感器是三轴负荷传感器。

根据另一方面，负荷传感器是六轴负荷传感器。

根据另一方面，负荷传感器包括多个负荷传感器。多个负荷传感器被配置成一起检测机器人臂的远侧部分上的一个或多个力和/或力矩。

根据另一方面，多个负荷传感器包括至少三个负荷传感器。

根据另一方面，三个负荷传感器以三脚架配置布置。

根据另一方面，多个负荷传感器中的负荷传感器是单轴负荷传感器。

根据另一方面，第一负荷传感器和机器人臂进一步包括位于基部与第一负荷传感器之间的第二负荷传感器位置。第二负荷传感器支撑第一负荷传感器，并且远侧部分包括工具驱动器。第二负荷传感器可检测与机器人臂或工具驱动器的远离第二负荷传感器的任何部分相互作用的力。

根据另一方面，负荷传感器包括第一壳体构件和第二壳体构件。第一壳体构件与机器人臂的远侧部分联接。第二壳体构件与机器人臂的近侧部分联接。

根据另一方面，负荷传感器被配置成检测患者和/或插管与所述工具驱动器或远侧部分的另一部分之间的相互作用力。

根据另一方面，机器人外科系统包括具有近侧部分和远侧部分的基部的机器人臂。工具驱动器以可拆卸方式联接到医疗器械。工具驱动器与机器人臂的远侧部分联接。负荷传感器被定位在近侧部分与远侧部分之间。负荷传感器在近侧部分和远侧部分之间形成结构断裂，使得该负荷传感器完全支撑包括工具驱动器的远侧部分。

根据另一方面，负荷传感器被定位成与机器人臂的腕接合部相邻。

根据另一方面，负荷传感器被定位在机器人臂的第一接合部与第二接合部之间。

根据另一方面，第一接合部是腕滚动接合部，并且第二接合部是腕俯仰接合部。

根据另一方面，负荷传感器被定位成与机器人臂的基部相邻。

根据另一方面，负荷传感器是多轴负荷传感器。

根据另一方面，负荷传感器是三轴负荷传感器、六轴负荷传感器和多个力传感器。

根据另一方面，负荷传感器被配置成检测患者和/或插管与工具驱动器或医疗器械之间的相互作用力。

根据另一方面，机器人外科系统包括机器人臂，该机器人臂具有能够与可拆卸器械联接的工具驱动器。用于检测与机器人臂相互作用的力的负荷传感器使机器人臂能够手动操纵。工具驱动器被安装在负荷传感器上。

根据另一方面，机器人外科系统包括具有基部、近侧部分和远侧部分的机器人臂。工具驱动器以可拆卸方式联接到机器人臂的远侧部分上的医疗器械。机器人臂包括定位在近侧部分和远侧部分之间的多轴负荷传感器。多轴负荷传感器桥接近侧部分和远侧部分之间的结构断裂。

根据另一方面，多轴负荷传感器包括多个力传感器，这些力传感器被配置成检测远侧部分或工具驱动器或其他机器人臂上的负载。

附图说明

下文将结合附图描述所公开的方面，该附图被提供以说明而非限制所公开的方面，其中类似的标号表示类似的元件。

图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人系统的实施方案。

图2描绘了图1的机器人系统的另外方面。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方案。

图4示出了被布置用于血管规程的图1的机器人系统的实施方案。

图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图6提供了图5的机器人系统的另选视图。

图7示出了被构造成收起机器人臂的示例性系统。

图8示出了被配置用于输尿管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图9示出了被构造用于腹腔镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图10示出了图5至图9的具有俯仰和倾斜调节的基于台的机器人系统的实施方案。

图11提供了图5至图10的台和基于台的机器人系统的柱之间的接口的详细图示。

图12示出了基于台的机器人系统的另选实施方案。

图13示出了图12的基于台的机器人系统的端视图。

图14示出了其上附接有机器人臂的基于台的机器人系统的端视图。

图15示出了示例性器械驱动器。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。

图18示出了具有基于器械的插入架构的器械。

图19示出了示例性控制器。

图20描绘了根据示例性实施方案的框图，该框图示出了估计图1至图10的机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如图16至图18的器械的位置)的定位系统。

图21A示出了包括负荷传感器的机器人臂的示例。

图21B示出了图21A所示的机器人臂的前视图。

图22A示出了沿图21B中的线B-B截取的剖视图。

图22B示出了沿图21A中的线A-A截取的剖视图。

图23A示出了包括一个或多个力传感器的机器人臂的接合部的另一示例。

图23B示出了沿图23A中的线C-C截取的剖视图。

图24示出了负荷传感器的示例。

具体实施方式

1.概述。

本公开的各方面可集成到机器人使能的医疗系统中，该机器人使能的医疗系统能够执行多种医疗规程，包括微创规程诸如腹腔镜检查，以及非侵入规程诸如内窥镜检查两者。在内窥镜检查规程中，系统可能能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。

除了执行广泛的规程之外，系统可以提供附加的益处，诸如增强的成像和指导以帮助医师。另外，该系统可以为医师提供从人体工程学方位执行规程的能力，而不需要笨拙的臂运动和位置。另外，该系统可以为医师提供以改进的易用性执行规程的能力，使得系统的器械中的一个或多个器械可由单个用户控制。

出于说明的目的，下文将结合附图描述各种实施方案。应当理解，所公开的概念的许多其他具体实施是可能的，并且利用所公开的具体实施可实现各种优点。标题包括在本文中以供参考并且有助于定位各个节段。这些标题并非旨在限制相对于其所述的概念的范围。此类概念可在整个说明书中具有适用性。

A.机器人系统–推车。

机器人使能的医疗系统可以按多种方式配置，这取决于特定规程。图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人使能的系统10的实施方案。在支气管镜检查期间，系统10可包括推车11，该推车具有一个或多个机器人臂12，以将医疗器械诸如可操纵内窥镜13(其可以是用于支气管镜检查的规程特定的支气管镜)递送至自然孔口进入点(即，在本示例中定位在台上的患者的口)，以递送诊断和/或治疗工具。如图所示，推车11可被定位在患者的上躯干附近，以便提供到进入点的通路。类似地，可以致动机器人臂12以相对于进入点定位支气管镜。当利用胃镜(用于胃肠道(GI)规程的专用内窥镜)执行GI规程时，也可利用图1中的布置。图2更详细地描绘了推车的示例性实施方案。

继续参考图1，一旦推车11被正确定位，机器人臂12就可以机器人地、手动地或以其组合将可操纵内窥镜13插入患者体内。如图所示，可操纵内窥镜13可包括至少两个伸缩部分，诸如内引导件部分和外护套部分，每个部分联接到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器联接到单独的机器人臂的远侧端部。有利于将引导件部分与护套部分同轴对准的器械驱动器28的这种线性布置产生“虚拟轨道”29，该“虚拟轨道”可以通过将一个或多个机器人臂12操纵到不同角度和/或位置而在空间中被重新定位。本文所述的虚拟轨道在附图中使用虚线描绘，并且因此虚线未描绘系统的任何物理结构。器械驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导件部分相对于外护套部分伸缩，或者使内窥镜13从患者推进或回缩。虚拟轨道29的角度可以基于临床应用或医师偏好来调节、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，如图所示的虚拟轨道29的角度和方位代表了在向医师提供到内窥镜13的通路同时使由内窥镜13弯曲到患者的口中引起的摩擦最小化之间的折衷。

在插入之后，内窥镜13可以使用来自机器人系统的精确命令向下导向患者的气管和肺，直到到达目标目的地或手术部位。为了增强通过患者的肺网络的导航和/或到达期望的目标，内窥镜13可被操纵以从外部护套部分伸缩地延伸内引导件部分，以获得增强的关节运动和更大的弯曲半径。使用单独的器械驱动器28还允许引导件部分和护套部分彼此独立地被驱动。

例如，内窥镜13可被导向以将活检针递送到目标，诸如患者肺内的病变或结节。针可沿工作通道向下部署，该工作通道延伸内窥镜的长度以获得待由病理学家分析的组织样本。根据病理结果，可沿内窥镜的工作通道向下部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，诊断和治疗处理可在单独的规程中递送。在这些情况下，内窥镜13也可用于递送基准以“标记”目标结节的位置。在其他情况下，诊断和治疗处理可在相同的规程期间递送。

系统10还可包括可运动塔30，该可运动塔可经由支撑缆线连接到推车11以向推车11提供控制、电子、流体、光学、传感器和/或电力的支持。将这样的功能放置在塔30中允许可以由操作医师和他/她的工作人员更容易地调节和/或重新定位的更小形状因子的推车11。另外，在推车/台和支撑塔30之间划分功能减少了手术室混乱并且有利于改善临床工作流程。虽然推车11可被定位成靠近患者，但是塔30可以在远程位置中被收起以在规程过程期间不挡道。

为了支持上述机器人系统，塔30可包括基于计算机的控制系统的部件，该基于计算机的控制系统将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质诸如永磁存储驱动器、固态驱动器等内。无论执行是发生在塔30中还是发生在推车11中，这些指令的执行都可以控制整个系统或其子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可致使机器人系统的部件致动相关托架和臂安装件，致动机器人臂，并且控制医疗器械。例如，响应于接收到控制信号，机器人臂的接合部中的马达可将臂定位成特定姿势。

塔30还可包括泵、流量计、阀控制器和/或流体通路，以便向可通过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗和抽吸能力。这些部件也可使用塔30的计算机系统来控制。在一些实施方案中，冲洗和抽吸能力可通过单独的缆线直接递送到内窥镜13。

塔30可包括电压和浪涌保护器，该电压和浪涌保护器被设计成向推车11提供经滤波和保护的电力，从而避免在推车11中放置电力变压器和其他辅助电力部件，从而得到更小、更可运动的推车11。

塔30还可包括用于在整个机器人系统10中部署的传感器的支撑设备。例如，塔30可包括用于在整个机器人系统10中检测、接收和处理从光学传感器或相机接收的数据的光电设备。结合控制系统，此类光电设备可用于生成实时图像，以用于在整个系统中部署的任何数量的控制台中显示(包括在塔30中显示)。类似地，塔30还可包括用于接收和处理从部署的电磁(EM)传感器接收的信号的电子子系统。塔30还可用于容纳和定位EM场发生器，以便由医疗器械中或医疗器械上的EM传感器进行检测。

除了系统的其余部分中可用的其他控制台(例如，安装在推车顶部上的控制台)之外，塔30还可包括控制台31。控制台31可包括用于医师操作者的用户界面和显示屏，诸如触摸屏。系统10中的控制台通常设计成提供机器人控制以及规程的术前信息和实时信息两者，诸如内窥镜13的导航和定位信息。当控制台31不是医师可用的唯一控制台时，其可由第二操作者(诸如护士)使用以监测患者的健康状况或生命体征和系统10的操作，以及提供规程特定的数据，诸如导航和定位信息。在其他实施方案中，控制台30被容纳在与塔30分开的主体中。

塔30可通过一个或多个缆线或连接件(未示出)联接到推车11和内窥镜13。在一些实施方案中，可通过单根缆线向推车11提供来自塔30的支撑功能，从而简化手术室并消除手术室的混乱。在其他实施方案中，特定功能可联接在单独的布线和连接中。例如，虽然可以通过单个缆线向推车11提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控件、光学器件、流体和/或导航的支持。

图2提供了来自图1所示的基于推车的机器人使能的系统的推车11的实施方案的详细图示。推车11通常包括细长支撑结构14(通常称为“柱”)、推车基部15以及在柱14的顶部处的控制台16。柱14可包括一个或多个托架，诸如用于支持一个或多个机器人臂12(图2中示出三个)的部署的托架17(另选地为“臂支撑件”)。托架17可包括可单独配置的臂安装件，该臂安装件沿垂直轴线旋转以调节机器人臂12的基部，以相对于患者更好地定位。托架17还包括托架接口19，该托架接口允许托架17沿着柱14竖直地平移。

托架接口19通过狭槽诸如狭槽20连接到柱14，该狭槽定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包括竖直平移接口以将托架17相对于推车基部15定位并保持在各种竖直高度处。托架17的竖直平移允许推车11调节机器人臂12的到达范围以满足各种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独配置的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种配置成角度。

在一些实施方案中，狭槽20可补充有狭槽盖，该狭槽盖与狭槽表面齐平且平行，以防止灰尘和流体在托架17竖直平移时进入柱14的内部腔以及竖直平移接口。狭槽盖可通过定位在狭槽20的竖直顶部和底部附近的成对弹簧卷轴部署。盖在卷轴内盘绕，直到在托架17竖直地上下平移时被部署成从盖的盘绕状态延伸和回缩。当托架17朝向卷轴平移时，卷轴的弹簧加载提供了将盖回缩到卷轴中的力，同时在托架17平移远离卷轴时也保持紧密密封。可使用例如托架接口19中的支架将盖连接到托架17，以确保在托架17平移时盖的适当延伸和回缩。

柱14可在内部包括诸如齿轮和马达之类的机构，其被设计成使用竖直对准的导螺杆以响应于响应用户输入(例如，来自控制台16的输入)生成的控制信号来以机械化方式平移托架17。

机器人臂12通常可包括由一系列连杆23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，该一系列连杆由一系列接合部24连接，每个接合部包括独立的致动器，每个致动器包括可独立控制的马达。每个可独立控制的接合部表示机器人臂12可用的独立自由度。机器人臂12中的每个机器人臂可具有七个接合部，并且因此提供七个自由度。多个接合部导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。具有冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连接件位置和接合部角度将其相应的端部执行器22定位在空间中的特定方位、取向和轨迹处。这允许系统从空间中的期望点定位和导向医疗器械，同时允许医师使臂接合部运动到远离患者的临床有利方位，以产生更大的接近，同时避免臂碰撞。

推车基部15在地板上平衡柱14、托架17和机器人臂12的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，诸如电子器件、马达、电源以及使得推车11能够运动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车11在规程之前容易地围绕房间运动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当方位之后，脚轮25可以使用轮锁固定，以在规程期间将推车11保持在适当方位。

定位在柱14的竖直端部处的控制台16允许用于接收用户输入的用户界面和显示屏(或两用装置，诸如例如触摸屏26)两者向医师用户提供术前和术中数据两者。触摸屏26上的潜在术前数据可以包括从术前计算机化断层摄影(CT)扫描导出的术前计划、导航和标测数据和/或来自术前患者面谈的记录。显示器上的术中数据可以包括从工具、传感器提供的光学信息和来自传感器的坐标信息以及重要的患者统计，诸如呼吸、心率和/或脉搏。控制台16可以被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧面进入控制台16。从该方位，医师可以在从推车11后面操作控制台16的同时观察控制台16、机器人臂12和患者。如图所示，控制台16还包括用以帮助操纵和稳定推车11的柄部27。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的机器人使能的系统10的实施方案。在输尿管镜规程中，推车11可被定位成将输尿管镜32(被设计成横穿患者的尿道和输尿管的规程特定的内窥镜)递送到患者的下腹部区域。在输尿管镜检查中，可以期望输尿管镜32直接与患者的尿道对准以减少该区域中的敏感解剖结构上的摩擦和力。如图所示，推车11可以在台的脚部处对准，以允许机器人臂12定位输尿管镜32，以用于直接线性进入患者的尿道。机器人臂12可从台的脚部沿着虚拟轨道33将输尿管镜32通过尿道直接插入患者的下腹部中。

在插入到尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，输尿管镜32可以被导航到膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断和/或治疗应用。例如，可以将输尿管镜32引导到输尿管和肾中以使用沿输尿管镜32的工作通道向下部署的激光或超声碎石装置来打碎积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用沿输尿管镜32向下部署的篮移除所得的结石碎片。

图4示出了类似地布置用于血管规程的机器人使能的系统10的实施方案。在血管规程中，系统10可被配置成使得推车11可将医疗器械34(诸如可操纵导管)递送至患者的腿部的股动脉中的进入点。股动脉呈现用于导航的较大直径以及到患者的心脏的相对较少的迂回且曲折的路径两者，这简化了导航。如在输尿管镜规程中，推车11可以被定位成朝向患者的腿部和下腹部，以允许机器人臂12提供直接线性进入患者的大腿/髋部区域中的股动脉进入点的虚拟轨道35。在插入到动脉中之后，可通过平移器械驱动器28来导向和插入医疗器械34。另选地，推车可以被定位在患者的上腹部周围，以到达另选的血管进入点，诸如肩部和腕部附近的颈动脉和臂动脉。

B.机器人系统–台。

机器人使能的医疗系统的实施方案还可结合患者的台。结合台通过移除推车减少了手术室内的资本设备的量，这允许更多地接近患者。图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的这样的机器人使能的系统的实施方案。系统36包括用于将平台38(示出为“台”或“床”)支撑在地板上的支撑结构或柱37。与基于推车的系统非常相似，系统36的机器人臂39的端部执行器包括器械驱动器42，其被设计成通过或沿着由器械驱动器42的线性对准形成的虚拟轨道41来操纵细长医疗器械，诸如图5中的支气管镜40。在实践中，用于提供荧光镜成像的C形臂可以通过将发射器和检测器放置在台38周围而定位在患者的上腹部区域上方。

图6提供了用于讨论目的的没有患者和医疗器械的系统36的另选视图。如图所示，柱37可包括在系统36中示出为环形的一个或多个托架43，一个或多个机器人臂39可基于该托架。托架43可以沿着沿柱37的长度延伸的竖直柱接口44平移，以提供不同的有利点，机器人臂39可以从这些有利点被定位以到达患者。托架43可以使用定位在柱37内的机械马达围绕柱37旋转，以允许机器人臂39进入台38的多个侧面，诸如患者的两侧。在具有多个托架的实施方案中，托架可单独地定位在柱上，并且可独立于其他托架平移和/或旋转。虽然托架43不需要环绕柱37或甚至是圆形的，但如图所示的环形形状有利于托架43围绕柱37旋转，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移允许系统36将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者上的不同进入点中。在其他实施方案(未示出)中，系统36可包括具有可调式臂支撑件的病人检查台或病床，该可调式臂支撑件呈在病人检查台或病床旁边延伸的杆或导轨的形式。一个或多个机器人臂39(例如，经由具有肘接合部的肩部接合部)可附接到可调式臂支撑件，该可调式臂支撑件可被竖直调节。通过提供竖直调节，机器人臂39有利地能够紧凑地存放在病人检查台或病床下方，并且随后在规程期间升高。

机器人臂39可通过包括一系列接合部的一组臂安装件45安装在托架43上，该接合部可单独地旋转和/或伸缩地延伸以向机器人臂39提供附加的可配置性。另外，臂安装件45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装件45可定位在台38的同一侧上(如图6所示)、台38的相对侧上(如图9所示)或台38的相邻侧上(未示出)。

柱37在结构上为台38提供支撑，并且为托架43的竖直平移提供路径。在内部，柱37可配备有用于引导托架的竖直平移的导螺杆，以及用以机械化基于导螺杆的托架43的平移的马达。柱37还可将功率和控制信号传送到托架43和安装在其上的机器人臂39。

台基部46具有与图2所示的推车11中的推车基部15类似的功能，容纳较重的部件以平衡台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台基部46还可结合刚性脚轮以在规程期间提供稳定性。从台基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两侧沿相反方向延伸，并且当系统36需要运动时回缩。

继续参考图6，系统36还可以包括塔(未示出)，该塔使系统36的功能在台与塔之间进行划分以减小台的形状因子和体积。如在先前所公开的实施方案中，塔可以向台提供多种支持功能，诸如处理、计算和控制能力、电力、流体和/或光学以及传感器处理。塔还可以是可运动的，以远离患者定位，从而改善医师的接近并且消除手术室的混乱。另外，将部件放置在塔中允许在台基部46中有更多的储存空间，以用于机器人臂39的潜在收起。塔还可以包括主控制器或控制台，其提供用于用户输入的用户界面(诸如键盘和/或挂件)以及用于术前和术中信息(诸如实时成像、导航和跟踪信息)的显示屏(或触摸屏)两者。在一些实施方案中，塔还可包括用于待用于注气的气罐的夹持器。

在一些实施方案中，台基部可以在不使用时收起和储存机器人臂。图7示出了在基于台的系统的实施方案中收起机器人臂的系统47。在系统47中，托架48可以竖直平移到基部49中以使机器人臂50、臂安装件51和托架48收起在基部49内。基部盖52可以平移和回缩打开以围绕柱53部署托架48、臂安装件51和机器人臂50，并且闭合以收起该托架、臂安装件和机器人臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可以利用膜54沿着其开口的边缘密封，以防止在闭合时灰尘和流体进入。

图8示出了被配置用于输尿管镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。在输尿管镜检查中，台38可以包括用于将患者定位成与柱37和台基部46成偏角的旋转部分55。旋转部分55可以围绕枢转点(例如，位于患者的头部下方)旋转或枢转，以便将旋转部分55的底部部分定位成远离柱37。例如，旋转部分55的枢转允许C形臂(未示出)定位在患者的下腹部上方，而不与台38下方的柱(未示出)竞争空间。通过围绕柱37旋转托架35(未示出)，机器人臂39可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可以固定至台38的旋转部分55，以在手术期间支撑患者的腿部的方位，并且允许完全通向患者的腹股沟区域。

在腹腔镜检查规程中，通过患者的腹壁中的一个或多个小切口，可将微创器械插入患者的解剖结构中。在一些实施方案中，微创器械包括用于进入患者内的解剖结构的细长刚性构件，诸如轴。在患者腹腔充气之后，可以引导器械执行外科或医疗任务，诸如抓握、切割、消融、缝合等。在一些实施方案中，器械可以包括镜，诸如腹腔镜。图9示出了被配置用于腹腔镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。如图9所示，系统36的托架43可以被旋转并且竖直调整，以将成对的机器人臂39定位在台38的相对侧上，使得可以使用臂安装件45将器械59定位成穿过患者两侧上的最小切口以到达他/她的腹腔。

为了适应腹腔镜检查规程，机器人使能的台系统还可将平台倾斜到期望的角度。图10示出了具有俯仰或倾斜调整的机器人使能的医疗系统的实施方案。如图10所示，系统36可以适应台38的倾斜，以将台的一部分定位在比另一部分距底板更远的距离处。另外，臂安装件45可以旋转以匹配倾斜，使得机器人臂39与台38保持相同的平面关系。为了适应更陡的角度，柱37还可以包括伸缩部分60，该伸缩部分允许柱37的竖直延伸以防止台38接触地板或与台基部46碰撞。

图11提供了台38与柱37之间的接口的详细图示。俯仰旋转机构61可以被配置成以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。俯仰旋转机构61可以通过将正交轴线1、2定位在柱台接口处来实现，每条轴线由单独的马达3、4响应于电俯仰角命令而致动。沿着一个螺钉5的旋转将使得能够在一条轴线1中进行倾斜调整，而沿着另一个螺钉6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调节。在一些实施方案中，可使用球形接合部来在多个自由度上改变台38相对于柱37的俯仰角。

例如，当试图将台定位在头低脚高位(即，将患者的下腹部定位在比患者的上腹部距地板更高的方位)以用于下腹部手术时，俯仰调节特别有用。头低脚高位致使患者的内部器官通过重力滑向他/她的上腹部，从而清理出腹腔以使微创工具进入并且执行下腹部外科或医疗规程，诸如腹腔镜前列腺切除术。

图12和图13示出了基于台的外科机器人系统100的另选实施方案的等轴视图和端视图。外科机器人系统100包括可被构造成相对于台101支撑一个或多个机器人臂(参见例如图14)的一个或多个可调式臂支撑件105。在例示的实施方案中，示出了单个可调式臂支撑件105，但是附加的臂支撑件可设置在台101的相对侧上。可调式臂支撑件105可被构造，使得其可相对于台101运动，以调节和/或改变可调式臂支撑件105和/或安装到该可调式臂支撑件的任何机器人臂相对于台101的方位。例如，可调式臂支撑件105可相对于台101被调节一个或多个自由度。可调式臂支撑件105为系统100提供高灵活性，包括容易地将一个或多个可调式臂支撑件105和附接到其的任何机器人臂收起在台101下方的能力。可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面下方的方位。在其他实施方案中，可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面上方的方位。

可调式臂支撑件105可提供若干自由度，包括提升、侧向平移、倾斜等。在图12和图13的例示实施方案中，臂支撑件105被构造成具有四个自由度，这些自由度在图12中用箭头示出。第一自由度允许在z方向上(“Z提升”)调节可调式臂支撑件105。例如，可调式臂支撑件105可包括托架109，该托架被配置成沿或相对于支撑台101的柱102向上或向下运动。第二自由度可允许可调式臂支撑件105倾斜。例如，可调式臂支撑件105可包括旋转接合部，该旋转接合部可允许可调式臂支撑件105在头低脚高位与床对准。第三自由度可允许可调式臂支撑件105“向上枢转”，这可用于调节台101的一侧与可调式臂支撑件105之间的距离。第四自由度可允许可调式臂支撑件105沿台的纵向长度平移。

图12和图13中的外科机器人系统100可包括由安装到基部103的柱102支撑的台。基部103和柱102相对于支撑表面支撑台101。地板轴线131和支撑轴线133在图13中示出。

可调式臂支撑件105可安装到柱102。在其他实施方案中，臂支撑件105可安装到台101或基部103。可调式臂支撑件105可包括托架109、杆或导轨连接件111以及杆或导轨107。在一些实施方案中，安装到轨道107的一个或多个机器人臂可相对于彼此平移和运动。

托架109可通过第一接合部113附接到柱102，该第一接合部允许托架109相对于柱102运动(例如，诸如沿第一轴线或竖直轴线123上下运动)。第一接合部113可向可调式臂支撑件105提供第一自由度(“Z提升”)。可调式臂支撑件105可包括第二接合部115，该第二接合部为可调式臂支撑件105提供第二自由度(倾斜)。可调式臂支撑件105可包括第三接合部117，该第三接合部可为可调式臂支撑件105提供第三自由度(“向上枢转”)。可提供附加接合部119(在图13中示出)，该附加接合部机械地约束第三接合部117以在导轨连接件111围绕第三轴线127旋转时保持导轨107的取向。可调式臂支撑件105可包括第四接合部121，该第四接合部可沿第四轴线129为可调式臂支撑件105提供第四自由度(平移)。

图14示出了根据一个实施方案的具有安装在台101的相对侧上的两个可调式臂支撑件105A、105B的外科机器人系统140A的端视图。第一机器人臂142A附接到第一可调式臂支撑件105B的杆或导轨107A。第一机器人臂142A包括附接到导轨107A的基部144A。第一机器人臂142A的远侧端部包括可附接到一个或多个机器人医疗器械或工具的器械驱动机构146A。类似地，第二机器人臂142B包括附接到导轨107B的基部144B。第二机器人臂142B的远侧端部包括器械驱动机构146B。器械驱动机构146B可被构造成附接到一个或多个机器人医疗器械或工具。

在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者包括具有七个或更多个自由度的臂。在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者可包括八个自由度，包括插入轴线(包括插入的1个自由度)、腕部(包括腕部俯仰、偏航和滚动的3个自由度)、肘部(包括肘部俯仰的1个自由度)、肩部(包括肩部俯仰和偏航的2个自由度)以及基部144A、144B(包括平移的1个自由度)。在一些实施方案中，插入自由度可由机器人臂142A、142B提供，而在其他实施方案中，器械本身经由基于器械的插入架构提供插入。

C.器械驱动器和接口。

系统的机器人臂的端部执行器可包括：(i)器械驱动器(另选地称为“器械驱动机构”或“器械装置操纵器”)，该器械驱动器结合了用于致动医疗器械的机电装置；以及(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，该医疗器械可以没有任何机电部件，诸如马达。该二分法可能是由以下所驱动的：对医疗规程中使用的医疗器械进行灭菌的需要；以及由于昂贵的资本设备的复杂机械组件和敏感电子器件而不能对昂贵的资本设备进行充分灭菌。因此，医疗器械可以被设计成从器械驱动器(以及因此从系统)拆卸、移除和互换，以便由医师或医师的工作人员单独灭菌或处置。相比之下，器械驱动器不需要被改变或灭菌，并且可以被覆盖以便保护。

图15示出了示例器械驱动器。定位在机器人臂的远侧端部处的器械驱动器62包括一个或多个驱动单元63，该一个或多个驱动单元以平行轴线布置以经由驱动轴64向医疗器械提供受控扭矩。每个驱动单元63包括用于与器械相互作用的单独的驱动轴64，用于将马达轴旋转转换成期望扭矩的齿轮头65，用于生成驱动扭矩的马达66，用以测量马达轴的速度并且向控制电路提供反馈的编码器67，以及用于接收控制信号并且致动驱动单元的控制电路68。每个驱动单元63被独立地控制和机动化，器械驱动器62可向医疗器械提供多个(例如，如图15所示为四个)独立的驱动输出。在操作中，控制电路68将接收控制信号，将马达信号传输至马达66，将由编码器67测量的所得马达速度与期望速度进行比较，并且调制马达信号以生成期望扭矩。

对于需要无菌环境的规程，机器人系统可以结合驱动接口，诸如连接至无菌覆盖件的无菌适配器，其位于器械驱动器与医疗器械之间。无菌适配器的主要目的是将角运动从器械驱动器的驱动轴传递到器械的驱动输入部，同时保持驱动轴与驱动输入部之间的物理分离并且因此保持无菌。因此，示例性无菌适配器可以包括旨在与器械驱动器的驱动轴和器械上的驱动输入部配合的一系列旋转输入部和旋转输出部。连接到无菌适配器的由薄的柔性材料(诸如透明或半透明塑料)组成的无菌覆盖件被设计成覆盖资本设备，诸如器械驱动器、机器人臂和推车(在基于推车的系统中)或台(在基于台的系统中)。覆盖件的使用将允许资本设备被定位在患者附近，同时仍然位于不需要灭菌的区域(即，非无菌区)。在无菌覆盖件的另一侧上，医疗器械可以在需要灭菌的区域(即，无菌区)与患者对接。

D.医疗器械。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括细长轴71(或细长主体)和器械基部72。由于其用于由医师进行的手动交互的预期设计而也被称为“器械柄部”的器械基部72通常可以包括可旋转驱动输入部73(例如，插座、滑轮或卷轴)，该驱动输入部被设计成与延伸通过机器人臂76的远侧端部处的器械驱动器75上的驱动接口的驱动输出部74配合。当物理连接、闩锁和/或联接时，器械基部72的配合的驱动输入部73可以与器械驱动器75中的驱动输出部74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出部74传递到驱动输入部73。在一些实施方案中，驱动输出部74可以包括花键，其被设计成与驱动输入部73上的插座配合。

细长轴71被设计成通过解剖开口或内腔(例如，如在内窥镜检查中)或通过微创切口(例如，如在腹腔镜检查中)递送。细长轴71可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性细长轴的远侧端部可以连接到端部执行器，该端部执行器从由具有至少一个自由度的连接叉形成的接合的腕和外科工具或医疗器械(诸如例如，抓握器或剪刀)延伸，当驱动输入部响应于从器械驱动器75的驱动输出部74接收到的扭矩而旋转时，该外科工具可以基于来自腱的力来致动。当设计用于内窥镜检查时，柔性细长轴的远侧端部可包括可操纵或可控制的弯曲节段，该弯曲节段以基于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而进行关节运动和弯曲。

使用沿着细长轴71的腱沿着细长轴71传递来自器械驱动器75的扭矩。这些单独的腱(例如，牵拉线)可以单独地锚定至器械柄部72内的单独的驱动输入部73。从柄部72，沿着细长轴71的一个或多个牵拉腔向下引导腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处，或者锚定在细长轴的远侧部分处的腕部中。在外科手术诸如腹腔镜、内窥镜或混合手术期间，这些腱可以联接到远侧安装的端部执行器，诸如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入部73上的扭矩将张力传递到腱，从而引起端部执行器以某种方式致动。在一些实施方案中，在外科手术期间，腱可以致使接合部围绕轴线旋转，从而致使端部执行器沿一个方向或另一个方向运动。另选地，腱可以连接到细长轴71的远侧端部处的抓握器的一个或多个钳口，其中来自腱的张力致使抓握器闭合。

在内窥镜检查中，腱可以经由粘合剂、控制环或其他机械固定件联接到沿着细长轴71定位(例如，在远侧端部处)的弯曲或关节运动节段。当固定地附接到弯曲节段的远侧端部时，施加在驱动输入部73上的扭矩将沿腱向下传递，从而引起较软的弯曲节段(有时称为可关节运动节段或区域)弯曲或进行关节运动。沿着不弯曲节段，可以有利的是，使单独的牵拉腔螺旋或盘旋，该牵拉腔沿着内窥镜轴的壁(或在内部)导向单独的腱，以平衡由牵拉线中的张力引起的径向力。为了特定目的，可以改变或设计螺旋的角度和/或它们之间的间隔，其中更紧的螺旋在负载力下表现出较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但限制弯曲。在另一种情况下，可以平行于细长轴71的纵向轴线来导向牵拉腔以允许在期望的弯曲或可关节运动节段中进行受控关节运动。

在内窥镜检查中，细长轴71容纳多个部件以辅助机器人规程。轴71可以在轴71的远侧端部处包括用于部署外科工具(或医疗器械)、对手术区域进行冲洗和/或抽吸的工作通道。轴71还可以适应线和/或光纤以向远侧末端处的光学组件/从远侧末端处的光学组件传递信号，该光学组件可以包括光学相机。轴71也可以适应光纤，以将来自位于近侧的光源(诸如，发光二极管)的光载送到轴71的远侧端部。

在器械70的远侧端部处，远侧末端还可以包括用于递送用于诊断和/或治疗的工具、对手术部位进行冲洗和抽吸的工作通道的开口。远侧末端还可以包括用于相机(诸如纤维镜或数码相机)的端口，以捕获内部解剖空间的图像。相关地，远侧末端还可以包括用于光源的端口，该光源用于在使用相机时照亮解剖空间。

在图16的示例中，驱动轴轴线以及因此驱动输入部轴线与细长轴71的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚动能力复杂化。在保持驱动输入部73静止的同时沿着其轴线使细长轴71滚动会引起当腱从驱动输入部73延伸出去并且进入细长轴71内的牵拉腔时，腱的不期望的缠结。所得到的这样的腱的缠结可能破坏旨在在内窥镜规程期间预测柔性细长轴71的运动的任何控制算法。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。如图所示，圆形器械驱动器80包括四个驱动单元，其驱动输出81在机器人臂82的端部处平行对准。驱动单元和它们各自的驱动输出81容纳在由组件83内的驱动单元中的一个驱动单元驱动的器械驱动器80的旋转组件83中。响应于由旋转驱动单元提供的扭矩，旋转组件83沿着圆形轴承旋转，该圆形轴承将旋转组件83连接到器械驱动器80的非旋转部分84。可以通过电接触将电力和控制信号从器械驱动器80的非旋转部分84传送至旋转组件83，该电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来保持。在其他实施方案中，旋转组件83可以响应于集成到不可旋转部分84中的单独的驱动单元，并且因此不平行于其他驱动单元。旋转机构83允许器械驱动器80允许驱动单元及其相应的驱动输出81作为单个单元围绕器械驱动器轴线85旋转。

与先前所公开的实施方案类似，器械86可以包括细长轴部分88和器械基部87(出于讨论的目的，示出为具有透明的外部表层)，该器械基部包括被配置成接收器械驱动器80中的驱动输出部81的多个驱动输入部89(诸如插座、滑轮和卷轴)。与先前公开的实施方案不同，器械轴88从器械基部87的中心延伸，该器械基部的轴线基本上平行于驱动输入部89的轴线，而不是如图16的设计中那样正交。

当联接到器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83组合地绕器械驱动器轴线85旋转。由于器械轴88被定位在器械基部87的中心处，因此当附接时器械轴88与器械驱动器轴线85同轴。因此，旋转组件83的旋转致使器械轴88绕其自身的纵向轴线旋转。此外，当器械基部87与器械轴88一起旋转时，连接到器械基部87中的驱动输入部89的任何腱在旋转期间都不缠结。因此，驱动输出部81、驱动输入部89和器械轴88的轴线的平行允许轴在不会使任何控制腱缠结的情况下旋转。

图18示出了根据一些实施方案的具有基于器械的插入架构的器械。器械150可联接到上文所述的器械驱动器中的任一个器械驱动器。器械150包括细长轴152、连接到轴152的端部执行器162和联接到轴152的柄部170。细长轴152包括管状构件，该管状构件具有近侧部分154和远侧部分156。细长轴152沿着其外表面包括一个或多个通道或凹槽158。凹槽158被配置成接纳通过该凹槽的一根或多根线材或缆线180。因此，一根或多根缆线180沿着细长轴152的外表面延伸。在其他实施方案中，缆线180也可穿过细长轴152。所述一根或多根缆线180的操纵(例如，经由器械驱动器)使得端部执行器162的致动。

器械柄部170(也可称为器械基部)通常可包括附接接口172，该附接接口具有一个或多个机械输入件174，例如插孔、滑轮或卷轴，所述一个或多个机械输入件被设计成与器械驱动器的附接表面上的一个或多个扭矩联接器往复地配合。

在一些实施方案中，器械150包括使得细长轴152能够相对于柄部170平移的一系列滑轮或缆线。换句话讲，器械150本身包括基于器械的插入架构，该架构适应器械的插入，从而使对机器人臂的依赖最小化以提供器械150的插入。在其他实施方案中，机器人臂可以很大程度上负责器械插入。

E.控制器。

本文所述的机器人系统中的任一个机器人系统可包括用于操纵附接到机器人臂的器械的输入装置或控制器。在一些实施方案中，控制器可与器械(例如，通信地、电子地、电气、无线地和/或机械地)联接，使得控制器的操纵例如经由主从控制而致使器械对应操纵。

图19是控制器182的实施方案的透视图。在本实施方案中，控制器182包括可具有阻抗和导纳控制两者的混合控制器。在其他实施方案中，控制器182可仅利用阻抗或被动控制。在其他实施方案中，控制器182可仅利用导纳控制。通过作为混合控制器，控制器182有利地在使用时可具有较低的感知惯性。

在例示的实施方案中，控制器182被配置成允许操纵两个医疗器械，并且包括两个柄部184。柄部184中的每个柄部连接到万向支架186。每个万向支架186连接到定位平台188。

如图19所示，每个定位平台188包括通过棱柱接合部196联接到柱194的SCARA臂(选择顺应性装配机器人臂)198。棱柱接合部196被配置成沿着柱194(例如，沿着导轨197)平移，以允许柄部184中的每个柄部在z方向上平移，从而提供第一自由度。SCARA臂198被构造成允许柄部184在x-y平面中运动，从而提供两个附加自由度。

在一些实施方案中，一个或多个负荷传感器定位在控制器中。例如，在一些实施方案中，负荷传感器(未示出)被定位在万向支架186中的每个万向支架的主体中。通过提供负荷传感器，控制器182的部分能够在导纳控制下操作，从而在使用时有利地减小控制器的感知惯性。在一些实施方案中，定位平台188被配置用于导纳控制，而万向支架186被配置用于阻抗控制。在其他实施方案中，万向支架186被配置用于导纳控制，而定位平台188被配置用于阻抗控制。因此，对于一些实施方案，定位平台188的平移自由度或方位自由度可依赖于导纳控制，而万向支架186的旋转自由度依赖于阻抗控制。

F.导航和控制。

传统的内窥镜检查可以涉及使用荧光透视(例如，如可以通过C形臂递送的)和其他形式的基于辐射的成像模态，以向操作医师提供腔内指导。相比之下，本公开所设想的机器人系统可以提供基于非辐射的导航和定位装置，以减少医师暴露于辐射并且减少手术室内的设备的量。如本文所用，术语“定位”可以指确定和/或监测对象在参考坐标系中的方位。诸如术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据的技术可以单独地或组合地使用以实现无辐射操作环境。在仍使用基于辐射的成像模态的其他情况下，可以单独地或组合地使用术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据，以改进仅通过基于辐射的成像模态获得的信息。

图20是示出根据示例实施方案的估计机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如器械的位置)的定位系统90的框图。定位系统90可以是被配置成执行一个或多个指令的一组一个或多个计算机装置。计算机装置可以由上文讨论的一个或多个部件中的处理器(或多个处理器)和计算机可读存储器来体现。通过示例而非限制，计算机装置可以位于图1所示的塔30、图1至图4所示的推车11、图5至图14所示的床等中。

如图20所示，定位系统90可包括定位模块95，该定位模块处理输入数据91-94以生成用于医疗器械的远侧末端的位置数据96。位置数据96可以是表示器械的远侧端部相对于参考系的位置和/或取向的数据或逻辑。参考系可以是相对于患者解剖结构或已知对象(诸如EM场发生器)的参考系(参见下文对于EM场发生器的讨论)。

现在更详细地描述各种输入数据91-94。术前标测可以通过使用低剂量CT扫描的集合来完成。术前CT扫描被重建为三维图像，该三维图像被可视化，例如作为患者的内部解剖结构的剖面图的“切片”。当总体上分析时，可以生成用于患者的解剖结构(诸如患者肺网络)的解剖腔、空间和结构的基于图像的模型。可以从CT图像确定和近似诸如中心线几何形状的技术，以形成患者解剖结构的三维体积，其被称为模型数据91(当仅使用术前CT扫描生成时也称为“术前模型数据”)。中心线几何形状的使用在美国专利申请14/523,760中有所讨论，其内容全文并入本文中。网络拓扑模型也可以从CT图像中导出，并且特别适合于支气管镜检查。

在一些实施方案中，器械可以配备有相机以提供视觉数据(或图像数据)92。定位模块95可处理视觉数据92以实现一个或多个基于视觉的(或基于图像的)位置跟踪模块或特征部。例如，术前模型数据91可以与视觉数据92结合使用，以实现对医疗器械(例如，内窥镜或推进通过内窥镜的工作通道的器械)的基于计算机视觉的跟踪。例如，使用术前模型数据91，机器人系统可以基于内窥镜的行进预期路径根据模型生成预期内窥镜图像的库，每个图像连接到模型内的位置。在外科手术进行时，机器人系统可以参考该库，以便将在相机(例如，在内窥镜的远侧端部处的相机)处捕获的实时图像与图像库中的那些图像进行比较，以辅助定位。

其他基于计算机视觉的跟踪技术使用特征跟踪来确定相机的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以识别术前模型数据91中的与解剖腔对应的圆形几何结构并且跟踪那些几何结构的变化以确定选择了哪个解剖腔，以及跟踪相机的相对旋转和/或平移运动。拓扑图的使用可以进一步增强基于视觉的算法或技术。

光流(另一种基于计算机视觉的技术)可以分析视觉数据92中的视频序列中的图像像素的位移和平移以推断相机运动。光流技术的示例可以包括运动检测、对象分割计算、亮度、运动补偿编码、立体视差测量等。通过多次迭代的多帧比较，可以确定相机(以及因此内窥镜)的运动和位置。

定位模块95可以使用实时EM跟踪来生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该全局坐标系可以被配准到由术前模型表示的患者的解剖结构。在EM跟踪中，包括嵌入在医疗器械(例如，内窥镜工具)中的一个或多个位置和取向中的一个或多个传感器线圈的EM传感器(或跟踪器)测量由定位在已知位置处的一个或多个静态EM场发生器产生的EM场的变化。由EM传感器检测的位置信息被存储为EM数据93。EM场发生器(或发射器)可以靠近患者放置，以产生嵌入式传感器可以检测到的低强度磁场。磁场在EM传感器的传感器线圈中感应出小电流，可以对该小电流进行分析以确定EM传感器与EM场发生器之间的距离和角度。这些距离和取向可以在外科手术进行时“配准”到患者解剖结构(例如，术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的术前模型中的方位对准的几何变换。一旦配准，医疗器械的一个或多个方位(例如，内窥镜的远侧末端)中的嵌入式EM跟踪器可以提供医疗器械通过患者的解剖结构的进展的实时指示。

机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用以提供用于机器人系统的方位数据96。可以在术前校准期间确定从关节运动命令得到的装置俯仰和偏航。在外科手术进行时，这些校准测量可以与已知的插入深度信息结合使用，以估计器械的方位。另选地，这些计算可以结合EM、视觉和/或拓扑建模进行分析，以估计医疗器械在网络内的方位。

如图20所示，定位模块95可使用多个其他输入数据。例如，尽管在图20中未示出，但是利用形状感测纤维的器械可以提供形状数据，定位模块95可以使用该形状数据来确定器械的位置和形状。

定位模块95可以组合地使用输入数据91-94。在一些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中定位模块95向根据输入数据91-94中的每个输入数据确定的位置分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠(如可能存在EM干扰的情况)的情况下，由EM数据93确定的位置的置信度可能降低，并且定位模块95可能更重地依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。

如上所讨论的，本文讨论的机器人系统可以被设计成结合以上技术中的一种或多种技术的组合。位于塔、床和/或推车中的机器人系统的基于计算机的控制系统可以将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质(诸如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等)内，该计算机程序指令在执行时引起系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统的控制信号并且显示导航和定位数据，诸如器械在全局坐标系内的方位、解剖图等。

2.对机器人臂和负荷传感器的介绍

根据本公开的外科机器人系统包括其中具有一个或多个集成的负荷传感器的机器人臂。一个或多个负荷传感器可测量作用在机器人臂上的力。因此，在医学规程期间，负荷传感器可用于改善机器人臂的用户控制和/或机器人臂的安全操作。通过结合一个或多个负荷传感器，机器人臂能够直接感测和测量与用户的相互作用力。换句话讲，通过将负荷传感器结合到机器人臂中，机器人臂然后能够检测(例如，经由临床医生或临床医生助手)施加在机器人臂上的相互作用力。有利地，在一些实施方案中，一个或多个负荷传感器可感测力和扭矩/力矩两者。将负荷传感器结合到机器人臂中也可用于安全感测，以检测机器人臂的位于负荷传感器远侧的部分是否已接触患者、床边工作人员或床边附近的物体。如果检测到此类接触，则机器人可停止以防止接触物体后的进一步伤害。

在一些实施方案中，负荷传感器沿机器人臂的长度被定位在结构断裂的位置中。因此，机器人臂的远离负荷传感器的部分可由负荷传感器安装和支撑，并且与这些远侧部分的相互作用可通过负荷传感器检测。在一些实施方案中，负荷传感器的这种新颖配置允许机器人直接测量与用户的相互作用力，以及半直接测量该机器人臂的远侧端部可能施加在患者上或与其碰撞的物体上的接触力。另外，在一些实施方案中，这种新颖配置允许直接测量由机器人施加到患者的身体壁的插管负载。下面提供了包括一个或多个负荷传感器的机器人臂的独特配置以及负荷传感器的类型的详细信息。

图21A示出了机器人臂200的示例，所述机器人臂可以为机器人外科系统的部件。机器人臂200可包括通过可独立关节运动的接合部连接的一系列连杆。可独立关节运动的接合部可包括接合部A0、A1、A2、A3、A4和/或A5。接合部A0-A5可不同地包含旋转和/或平移接合部。机器人臂200可具有六个或更多个自由度。

连杆系列202包括支撑轨道220、第一连接件221、第二连接件222、第三连接件223、第四连接件224和/或第五连接件225。支撑轨道220可在基部接合部A0处与第一连接件221联接。第一连接件221能够沿支撑轨道220平移。第一连接件221可通过第一接合部A1和第二接合部A2与第二连接件222联接。第二连接件222能够相对于第一连接件221绕两个轴线旋转。第二连接件222可通过第三接合部A3与第三连接件223联接。第三接合部132可以为肘接合部。第三连接件223能够相对于第二连接件222绕一个轴线旋转。第三连接件223可通过第四接合部A3与第四连接件224联接。第四连接件224能够相对于第三连接件223绕一个轴线旋转(例如，沿轴，该轴沿第三连接件223和第四连接件224的纵向轴线对准)。第四连接件224可通过第五接合部A5与第五连接件225联接。第五连接件225能够相对于第四连接件224绕一个轴线旋转。第四接合部A4和第五接合部A5可形成机器人臂200的腕接合部。第四接合部A4可以为滚动接合部，并且第五接合部A5可以为俯仰接合部。

机器人臂200可包括工具驱动器230。工具驱动器230可位于机器人臂200的远侧端部上(例如，在第五连接件225上)。工具驱动器230可与医疗器械235可移除地联接。医疗器械235可包括细长轴。细长轴可从第一端部236延伸到第二端部237。第一端部236可包括端部执行器240。端部执行器240可以为各种医疗器械中的任一种，诸如但不限于夹持器、柳叶刀、探针、内窥镜、剪刀或其他外科工具。

医疗器械235的位置可通过工具驱动器230和机器人臂200的可关节运动的接合部控制。机器人臂200能够响应于用户输入经由远程操作定位。医师或其他用户也可手动操纵机器人臂200。在某些具体实施中，用户可反向驱动可关节运动的接合部，例如，以将工具驱动器230与插管对接或折叠机器人臂200以进行存储。在低惯性系统中，反向驱动可关节运动的接合部可能是相对容易的。然而，在高惯性系统中，反向驱动可关节运动的接合部可能是困难的。因此，负荷传感器255可用于检测操纵力。在某些操作模式中，机器人臂200可被编程为响应于此类外部操纵力而移动。

在一些实施方案中，机器人臂200可包括结构断裂250。结构断裂250可将机器人臂的远侧部分与机器人臂的近侧部分物理分开。结构断裂250可将连杆中的任一者的远侧部分与连杆的近侧部分物理分开。结构断裂可完全切断近侧部分和远侧部分之间的机械连接。例如，连杆可包括一个或多个内部结构构件和/或一个或多个外壳或外部部分。结构断裂250可延伸穿过内部结构构件和外壳部分两者。

如图所示，结构断裂250被定位在第四连接件224中。在其他具体实施中，结构断裂250可位于连杆中的任一者内。第四连接件224可包括近侧部分224a和远侧部分224b。结构断裂250可将近侧部分224a和远侧部分224b分开。

有利地，结构断裂250可由负荷传感器255桥接。负荷传感器255可包括第一端部255a和第二端部255b。负荷传感器255可包括由第一壳体构件和第二壳体构件形成的外壳。第一壳体构件可包括第一端部255a。第二壳体构件可包括第二端部255b。第一壳体构件可与近侧部分224a刚性地联接。第二壳体构件可与远侧部分224b刚性地联接。

第一壳体构件和第二壳体构件可联接在一起并且包括一个或多个挠曲件或可偏转元件。可偏转元件的应变测量结果可用于计算作用在第一壳体构件和第二壳体构件中的任一者上的力和力矩(例如，在x方向、y方向和/或z方向上的力和/或围绕x轴、y轴和/或z轴的力矩)。在线性方案中，挠曲量可与施加到可偏转元件的外力或扭矩的量成正比。因此，负荷传感器可测量机器人臂200的远侧部分上的力和力矩的整个范围。负荷传感器255可感测多个方向上的力矩，其包括垂直于负荷传感器255安装于其中的平面(即，如图22A所示，进入/离开页面)所施加的力矩。负荷传感器可以为多轴负荷传感器、3轴负荷传感器(例如，x方向力、y方向力、z方向力)或6轴负荷传感器(例如，x方向力、y方向力、z方向力和M_x力矩、M_y力矩、M_z力矩)。图24中示出了负荷传感器455的示例性实施方案(包括第一板455a和第二板455b，两者间具有一个或多个挠曲件)。

第一端部255a可位于结构断裂250的近侧。第二端部255b可位于结构断裂250的远侧。第一端部255a可与近端部分224a联接。第二端部255b可与远端部分224b联接。第一端部255a可通过一个或多个机械紧固件(未示出)与近侧部分224a联接。第二端部255b可通过一个或多个机械紧固件256a-b与远侧部分224b联接。第二端部255b可包括用于接收机械紧固件256a-256b的一个或多个螺纹孔。近侧部分224a可包括横向远侧壁。第一端部255a可与横向远侧壁联接。远侧部分224b可包括横向近侧壁。第二端部255b可与横向近侧壁联接。机械紧固件256a-256b能够延伸穿过相应横向壁中的孔并且延伸到负荷传感器255的相应端部中。

机器人臂200的远侧部分可包括医疗器械235、工具驱动器230、第五连接件225和第四连接件224的远侧部分224b。机器人臂200的近侧部分可包括第四连接件224的近侧部分224a、连接件223、222、221和支撑轨道220。机器人臂200的远侧部分可完全由负荷传感器255支撑。负荷传感器255可提供跨结构断裂250的刚性结构连杆。远侧端部上的任何力或力矩F可由负荷传感器255检测和/或测量。负荷传感器255可生成指示力或力矩F的电信号。测量的每个力或力矩(例如，扭矩)可以以电信号形式输出。因此，6轴负荷传感器可具有至少六个应变仪和六个输出。3轴负荷传感器可具有三个应变仪和三个输出。

在其他具体实施中，负荷传感器255可被定位成支撑工具驱动器230和医疗器械235。远侧部分可包括工具驱动器230和医疗器械235。在其他具体实施中，负荷传感器255可定位在工具驱动器230内以测量医疗器械235上的力。在机器人臂200的其他具体实施中，负荷传感器255可定位在一系列连杆或机器人臂200、工具驱动器230或医疗器械235中的任一者上。负荷传感器255可以与机器人臂200的腕接合部或肘部相邻。

图22A进一步示出了第五接合部A5可包括轴215a和马达215b。第五连接件225能够通过马达215b的作用绕轴215a移动或旋转。第四接合部A4可包括轴214a和马达214b。轴214a可与马达214b联接。马达214b对轴214a的操作可使第四连接件224相对于第三连接件223围绕由轴214a限定的旋转轴线旋转。图22B示出了机器人臂200的另一视图。

在一个具体实施中，机器人臂200包括多于一个负荷传感器(例如，桥接相应的结构断裂)。机器人臂200可包括在机器人臂的基部(例如，支撑轨道220、第一连接件221或第二连接件222)附近的第一负荷传感器和在工具驱动器230(例如，第三连接件223、第四连接件224、第五连接件225、工具驱动器230)附近的第二负荷传感器。两个负荷传感器可将机器人臂200划分成近侧部分、中间部分和远侧部分。包括多于一个负荷传感器可提供关于作用在机器人臂上的力或力矩的附加信息。例如，第一负荷传感器可以测量作用在远侧部分上的力或力矩，并且第二负荷传感器可以测量作用在远侧部分和中间部分上的力或力矩。

结合到机器人臂200中的负荷传感器255为机器人臂200提供各种改善和优点。对于医疗规程，机器人臂200的一种操作方法是通过远程操作或位置控制。操作者可通过一个或多个用户输入(例如，万向支架186)来定位机器人臂。可操作可关节运动的接合部中的每一者的电机或其他驱动器以控制机器人臂200的连接件的位置。该操作模式主要是基于位置的。然而，负荷传感器255可启用对用户的“触摸”反馈(例如，通过触觉控制)。负荷传感器255可用于半直接测量医疗器械235(或远侧部分的其他部分)与外科环境内的患者或其他物体(例如，插管)之间的相互作用力和/或力矩。如果机器人臂接触患者(例如，身体壁)，可感测到床边工作人员或床边附近的物体，则机器人臂200可停止以防止在接触物体之后进一步伤害。

因此，将负荷传感器255结合到机器人臂200中对于操作机器人臂200期间的安全而言可能是有用的。机器人臂200可自动地受限于施加到外部物体上的力。机器人臂200可向用户发出警告或触觉反馈以限制施加的力。因此，可防止机器人臂200对外部物体或机器人臂200本身的各部分造成进一步伤害。

在临床环境中，其还可有助于直接手动操纵机器人臂(例如，反向驱动)。例如，为了将医疗器械235与患者或用于插入其中的插管对准，或收起或展开机器人臂200(例如，从折叠/收起状态或到折叠/收起状态)，机器人臂200可以手动反向驱动。负荷传感器255可检测施加到机器人臂200的远侧部分的相互作用力。机器人臂200可被编程为响应于这些力以允许和/或辅助操纵可关节运动的接合部从而调整机器人臂200的位置。

在某些具体实施中，机器人臂200还可包括按钮(例如，工具驱动器230上的圆环按钮)或其他用户输入以用于激活导纳控制模式，以该导纳控制模式使用负荷传感器255检测或测量与用户的相互作用力。可以以导纳控制模式控制机器人臂200以至少部分地响应于相互作用力而移动机器人臂200。例如，用户可选择按钮并抓握机器人臂200的远侧部分，以在期望方向上移动机器人臂。释放按钮则能够使机器人臂200在激活之前返回到其操作。在其他具体实施中，负荷传感器255可充当传感器以激活导纳控制模式。

图23A和图23B示出了机器人臂300的另一实施方案。机器人臂300可包括通过多个可关节运动的接合部连接的一系列连杆。机器人臂300可以远程操作方法进行操作以用于进行医疗规程。机器人臂300可包括连杆324。连杆324可包括近侧部分324a和远侧部分324b。近侧部分324a可通过结构断裂350与远侧部分324b分开。结构断裂350可延伸穿过连杆324的任何结构或外部部分。近侧部分324a可包括横向端部324c。

结构断裂350可有利地通过新型负荷传感器355桥接。负荷传感器355可包括三个单自由度负荷传感器或力传感器355a、355b和355c。这些负荷传感器355a-355c中的每一者可包括至少一个挠曲件和相关联的应变仪。负荷传感器355a-355c可作为单个3轴负荷传感器操作。负荷传感器355a-355c可在单个平面中对准。单个平面可横向于连杆324的纵向轴线。

负荷传感器355a-355c可以三脚架布置定位。三脚架布置可在臂300的近侧部分和远侧部分之间形成固有稳定(且不过度受限)的连接。负荷传感器355a-355c中每一者的第一端部可用远侧部分324b固定。负荷传感器355a-355c中每一者的相对端部可与近侧部分324a联接。因此，施加到远侧部分324b的力(例如，在x方向、y方向或z方向上)或力矩(例如，M_x或M_y)可通过负荷传感器355a-355c测量。一个例外是负荷传感器355a-c的三脚架布置不能检测围绕z方向的力矩(M_z)，这是由于负荷传感器355a-c处于垂直于力矩M_z的单个平面中。在其他具体实施中，负荷传感器355可包括在其他配置和其他数量的负荷传感器中的单独的负荷传感器(例如，单自由度)。在一个示例中，负荷传感器355可以以正方形或矩形图案布置并且包括四个负荷传感器。

3.实施系统和术语。

本文公开的具体实施提供了用于支撑在负荷传感器上的工具驱动器的系统、方法和设备。应当指出的是，如本文所用，术语“联接”或词语联接的其他变型形式可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“联接”到第二部件，则第一部件可经由另一个部件间接连接到第二部件或直接连接到第二部件。

本文所述的机器人控制功能可作为一个或多个指令存储在处理器可读或计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”是指可由计算机或处理器访问的任何可用介质。通过示例而非限制，这样的介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器、致密盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可以用于存储呈指令或数据结构的形式的期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。应当指出的是，计算机可读介质可为有形的和非暂态的。如本文所用，术语“代码”可以指可由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。

本文所公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可彼此互换。换句话讲，除非正在描述的方法的正确操作需要步骤或动作的特定顺序，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

如本文所用，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件指示两个或更多个部件。术语“确定”涵盖多种动作，并且因此，“确定”可包括计算、运算、处理、导出、调查、查找(例如，在表格、数据库或另一种数据结构中查找)、查明等。另外，“确定”可包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。另外，“确定”可包括解析、选择、挑选、建立等。

除非另有明确指明，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话讲，短语“基于”描述“仅基于”和“至少基于”两者。

提供对所公开的具体实施的前述描述以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。对这些具体实施的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所定义的一般原理可应用于其他具体实施。例如，应当理解，本领域的普通技术人员将能够采用多个对应的替代和等同的结构细节，诸如紧固、安装、联接或接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机构、以及用于递送电能的等同机构。因此，本发明并非旨在限于本文所示的具体实施，而是被赋予符合本文所公开的原理和新颖特征的最广范围。

Claims (20)

1.一种机器人外科系统，包括：

机器人臂，所述机器人臂包括基部、近侧部分和远侧部分；

工具驱动器，所述工具驱动器以可拆卸方式联接到医疗器械，所述工具驱动器与所述机器人臂的所述远侧部分联接；以及

负荷传感器，所述负荷传感器定位在所述近侧部分和所述远侧部分之间，使得所述负荷传感器支撑所述远侧部分和所述工具驱动器；

其中所述负荷传感器被配置成检测与所述远侧部分或所述工具驱动器相互作用的力。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括所述近侧部分和所述远侧部分之间的结构断裂，所述负荷传感器桥接所述结构断裂。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述负荷传感器完全支撑所述机器人臂的所述远侧部分和所述工具驱动器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述负荷传感器被定位成与所述机器人臂的腕接合部相邻。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述负荷传感器被定位在所述机器人臂的第一接合部与第二接合部之间。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一接合部是腕滚动接合部，并且所述第二接合部是腕俯仰接合部。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述负荷传感器被定位成与所述机器人臂的所述基部相邻。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述负荷传感器是多轴负荷传感器。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述负荷传感器包括多个负荷传感器。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述多个负荷传感器包括至少三个负荷传感器。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述三个负荷传感器以三脚架配置布置。

12.根据权利要求9所述的系统，其中所述多个负荷传感器中的所述负荷传感器是单轴负荷传感器。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述负荷传感器是第一负荷传感器，并且进一步包括定位在所述基部与所述第一负荷传感器之间的第二负荷传感器，所述第二负荷传感器支撑所述第一负荷传感器和包括所述工具驱动器的所述远侧部分，所述第二负荷传感器被配置成检测与所述机器人臂或工具驱动器的远离所述第二负荷传感器的任何部分相互作用的力。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述负荷传感器包括第一壳体构件和第二壳体构件，所述第一壳体构件与所述机器人臂的所述远侧部分联接，并且所述第二壳体构件与所述机器人臂的近侧部分联接。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述负荷传感器被配置成检测患者和/或插管与所述工具驱动器或所述医疗器械之间的相互作用力。

16.一种机器人外科系统，包括：

机器人臂，所述机器人臂包括基部、近侧部分和远侧部分；

工具驱动器，所述工具驱动器以可拆卸方式联接到医疗器械，所述工具驱动器与所述机器人臂的所述远侧部分联接；以及

多轴负荷传感器，所述多轴负荷传感器定位在所述近侧部分和所述远侧部分之间；

其中所述负荷传感器在所述近侧部分和所述远侧部分之间形成结构断裂，使得所述负荷传感器完全支撑包括所述工具驱动器的所述远侧部分。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述负荷传感器被定位在所述机器人臂的第一接合部与第二接合部之间。

18.根据权利要求16所述的系统，其中所述负荷传感器被定位成与所述机器人臂的所述基部相邻。

19.根据权利要求16所述的系统，其中所述负荷传感器被配置成检测患者和/或插管与所述工具驱动器或所述医疗器械之间的相互作用力。

20. 一种机器人外科系统，包括：

机器人臂，所述机器人臂包括能够与可拆卸器械联接的工具驱动器；以及

负荷传感器，所述负荷传感器用于检测与所述机器人臂相互作用的力，以使得能够手动操纵所述机器人臂；

其中所述工具驱动器被安装在所述负荷传感器上。

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