相關(guān)申請(qǐng)案的交叉引用

本申請(qǐng)案是2010年2月12日申請(qǐng)的標(biāo)題為“提供指示關(guān)節(jié)式儀器的所命令的狀態(tài)與優(yōu)選姿勢(shì)之間的差的感覺(jué)反饋的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)(Medical Robotic System Providing Sensory Feedback Indicating a Difference Between a Commanded State and a Preferred Pose ofan Articulated Instrument)”的第12/704,669號(hào)美國(guó)申請(qǐng)案的部分繼續(xù)申請(qǐng)案，其由引用并入此處。

本申請(qǐng)案也是2009年11月5日申請(qǐng)的標(biāo)題為“關(guān)節(jié)式儀器在進(jìn)入導(dǎo)管移入和移出的運(yùn)動(dòng)期間的控制器輔助的重新配置(Controller Assisted Reconfiguration of an Articulated Instrument During Movement Into and Out of an Entry Guide)”的第12/613,328號(hào)美國(guó)申請(qǐng)案的部分繼續(xù)申請(qǐng)案，所述美國(guó)申請(qǐng)案是2009年8月15日申請(qǐng)的標(biāo)題為“跨過(guò)具有不同工作空間條件的區(qū)域平滑控制關(guān)節(jié)式儀器(Smooth Control of an Articulated Instrument Across Areas with Different Work Space Conditions)”的第12/541,913號(hào)美國(guó)申請(qǐng)案的部分繼續(xù)申請(qǐng)案，所述美國(guó)申請(qǐng)案中的每一個(gè)由引用并入此處。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般涉及醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，且尤其，涉及一種應(yīng)用輸入裝置上的力反饋來(lái)促使其操作者命令關(guān)節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢(shì)的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

例如執(zhí)行微創(chuàng)外科手術(shù)時(shí)所使用的遙操作系統(tǒng)等醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)提供優(yōu)于傳統(tǒng)開(kāi)腹手術(shù)技術(shù)的許多益處，包含疼痛較少、住院時(shí)間較短、較快地返回到正?；顒?dòng)、最小的傷疤、恢復(fù)時(shí)間減少以及對(duì)組織的傷害較小。因此，對(duì)于這樣的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)的需求是強(qiáng)烈的并且逐漸增長(zhǎng)。

這樣的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例是來(lái)自加利福尼亞州森尼韋爾市的直觀外科公司(Intuitive Surgical，Inc.，)的手術(shù)系統(tǒng)，其為微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。DA手術(shù)系統(tǒng)具有若干機(jī)械臂，其響應(yīng)于觀看由手術(shù)部位的圖像捕獲裝置捕獲的圖像的外科醫(yī)生對(duì)輸入裝置的移動(dòng)而移動(dòng)所附接的醫(yī)療裝置，例如圖像捕獲裝置和直觀外科的專有ENDOWRIST用關(guān)節(jié)連接的外科儀器。將醫(yī)療裝置中的每一個(gè)穿過(guò)其自己的微創(chuàng)切口插入到患者體內(nèi)，并定位以在手術(shù)部位執(zhí)行醫(yī)療程序。切口可放置在患者身體附近，使得手術(shù)儀器可用來(lái)協(xié)作地執(zhí)行醫(yī)療程序，且圖像捕獲裝置可觀看此醫(yī)療程序，其機(jī)械臂在所述程序期間無(wú)碰撞。

為了執(zhí)行某些醫(yī)療程序，使用單個(gè)進(jìn)入孔口例如微創(chuàng)切口或自然的身體孔來(lái)進(jìn)入患者體內(nèi)以執(zhí)行醫(yī)療程序可為有利的。舉例來(lái)說(shuō)，可首先將進(jìn)入導(dǎo)管插入、定位且保持在進(jìn)入孔口的適當(dāng)位置。關(guān)節(jié)式儀器例如，關(guān)節(jié)式相機(jī)儀器以及多個(gè)關(guān)節(jié)式手術(shù)工具儀器可用來(lái)執(zhí)行醫(yī)療程序，然后其可以被插入到進(jìn)入導(dǎo)管的近端中，以便從其遠(yuǎn)端延伸出來(lái)。因此，進(jìn)入導(dǎo)管容納多個(gè)儀器的單個(gè)進(jìn)入孔口，同時(shí)在進(jìn)入導(dǎo)管引導(dǎo)儀器進(jìn)入工作部位時(shí)，使所述儀器保持捆束在一起。

然而，由于關(guān)節(jié)式相機(jī)和工具儀器極為貼近，若干挑戰(zhàn)存在于使用這樣的捆束單元的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中。舉例來(lái)說(shuō)，因?yàn)橄鄼C(jī)儀器具有接近的關(guān)節(jié)(例如，接合點(diǎn))，其從遠(yuǎn)端的相機(jī)視圖不可見(jiàn)，因此外科醫(yī)生在移動(dòng)相機(jī)時(shí)會(huì)跟蹤不到這些關(guān)節(jié)的當(dāng)前狀態(tài)，且因此跟蹤不到其可用運(yùn)動(dòng)范圍。并且，當(dāng)相機(jī)和工具儀器的關(guān)節(jié)在相機(jī)視野之外且因此外科醫(yī)生通過(guò)其所捕獲的圖像不可見(jiàn)時(shí)，外科醫(yī)生在以遙控機(jī)器人技術(shù)移動(dòng)關(guān)節(jié)型儀器以執(zhí)行醫(yī)療程序時(shí)，會(huì)不經(jīng)意地驅(qū)動(dòng)工具和/或相機(jī)儀器的鏈接而彼此相撞。在任一情況下，可危害患者的安全，且會(huì)不利地影響醫(yī)療程序的成功和/或按時(shí)完成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)方面的一個(gè)目標(biāo)是醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，以及在其中實(shí)施的方法，其促使操作者命令關(guān)節(jié)式儀器的正常模式操作的優(yōu)選姿勢(shì)，其充當(dāng)在所述儀器的正常操作期間相對(duì)于關(guān)節(jié)式儀器的操作者所命令移動(dòng)的偏置點(diǎn)。

本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)方面的另一目標(biāo)是醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，以及其中所實(shí)施的方法，其應(yīng)用輸入裝置上的力反饋促使其操作者命令關(guān)節(jié)式儀器的姿勢(shì)通過(guò)平滑過(guò)渡到優(yōu)選姿勢(shì)來(lái)擺成優(yōu)選姿勢(shì)。

本發(fā)明的一個(gè)或更多個(gè)方面的另一目標(biāo)是醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，以及其中所實(shí)施的方法，其應(yīng)用輸入裝置上的力反饋促使其操作者命令關(guān)節(jié)式儀器的姿勢(shì)擺成第一優(yōu)選姿勢(shì)，然后根據(jù)激活信號(hào)平滑地過(guò)渡到第二優(yōu)選姿勢(shì)。

通過(guò)本方面的各個(gè)方面可實(shí)現(xiàn)這些和額外的目標(biāo)，其中簡(jiǎn)而言之，一個(gè)方面是用于促使操作者操縱輸入裝置來(lái)命令關(guān)節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢(shì)的方法，所述方法包括：響應(yīng)于操作者對(duì)輸入裝置的操縱產(chǎn)生關(guān)節(jié)式儀器的所命令姿勢(shì)；針對(duì)輸入裝置的多個(gè)自由度產(chǎn)生第一力命令，以便指示第一優(yōu)選姿勢(shì)與所命令姿勢(shì)之間的差；以及通過(guò)根據(jù)第一激活信號(hào)分階段引入其應(yīng)用來(lái)將第一力命令應(yīng)用于輸入裝置的所述多個(gè)自由度。

另一方面是醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)，其包括：輸入裝置；關(guān)節(jié)式儀器；以及處理器，其經(jīng)配置以響應(yīng)于操作者對(duì)輸入裝置的操縱而產(chǎn)生關(guān)節(jié)式儀器的所命令姿勢(shì)，針對(duì)輸入裝置的多個(gè)自由度產(chǎn)生第一力命令，以便指示第一優(yōu)選姿勢(shì)與經(jīng)修改所命令姿勢(shì)之間的差，且所述第一力命令的應(yīng)用命令于輸入裝置的所述多個(gè)自由度，以便根據(jù)第一激活信號(hào)分階段引入其應(yīng)用。

從對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的以下描述中，將明白本發(fā)明的各種方面的額外目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)，所述描述應(yīng)結(jié)合附圖進(jìn)行。

附圖說(shuō)明

圖1示出利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)的方框圖。

圖2示出利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中具有從中延伸出來(lái)的多個(gè)關(guān)節(jié)式儀器的進(jìn)入導(dǎo)管的遠(yuǎn)端的立體圖。

圖3到4分別示出利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中從進(jìn)入導(dǎo)管的遠(yuǎn)端延伸出來(lái)的關(guān)節(jié)式儀器的俯視圖和右側(cè)視圖。

圖5示出如在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中使用的關(guān)節(jié)式儀器操縱器和關(guān)節(jié)式儀器的交互組件的方框圖。

圖6示出針對(duì)利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)式儀器的操作者所命令移動(dòng)的儀器控制器的方框圖。

圖7示出從用于正常操作的優(yōu)選姿勢(shì)中的進(jìn)入導(dǎo)管的遠(yuǎn)端延伸出來(lái)的關(guān)節(jié)式儀器的側(cè)視圖，正如其被使用在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中。

圖8示出處于縮回到進(jìn)入導(dǎo)管中的優(yōu)選姿勢(shì)的進(jìn)入導(dǎo)管的遠(yuǎn)端延伸出來(lái)的關(guān)節(jié)式儀器的側(cè)視圖，正如其被使用在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中。

圖9示出圖6的儀器控制器的模擬儀器塊的方框圖正如其被使用在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中。

圖10示出如在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中使用的圖6的儀器控制器的姿勢(shì)數(shù)據(jù)和姿勢(shì)推動(dòng)塊的方框圖。

圖11示出如在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中使用的依據(jù)時(shí)間函數(shù)的正常模式操作和縮回模式的激活信號(hào)。

圖12示出如在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中使用的圖10的縮回模式推動(dòng)塊的方框圖。

圖13示出如在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中使用的圖10的正常模式推動(dòng)塊的方框圖。

圖14示出如在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中使用的圖12和13的力轉(zhuǎn)換器塊的方框圖。

圖15示出利用本發(fā)明的方面的用于通過(guò)施加虛擬屏障作為可用于促使操作者操縱輸入裝置以命令關(guān)節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢(shì)的方法中的約束來(lái)修改關(guān)節(jié)式儀器的所命令姿勢(shì)的方法的流程圖。

圖16示出利用本發(fā)明的方面的用于產(chǎn)生可用于促使操作者操縱輸入裝置以命令關(guān)節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢(shì)的方法中的縮回模式激活信號(hào)的方法的流程圖。

圖17示出利用本發(fā)明的方面的用于產(chǎn)生可用于促使操作者操縱輸入裝置以命令關(guān)節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢(shì)的方法中的正常模式無(wú)效信號(hào)的方法的流程圖。

圖18示出利用本發(fā)明的方面的用于促使操作者操縱輸入裝置以命令關(guān)節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢(shì)的方法的第一實(shí)施例的流程圖。

圖19示出利用本發(fā)明的方面的用于促使操作者操縱輸入裝置以命令關(guān)節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢(shì)的方法的第二實(shí)施例的流程圖。

圖20示出利用本發(fā)明的方面的用于促使操作者操縱輸入裝置以命令關(guān)節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢(shì)的方法的第三實(shí)施例的流程圖。

圖21示出利用本發(fā)明的方面的用于促使操作者操縱輸入裝置以命令關(guān)節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢(shì)的方法的第四實(shí)施例的流程圖。

圖22示出用于利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)式儀器的操作者所命令移動(dòng)的替代儀器控制器的方框圖。

圖23示出如在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中使用的提供作為對(duì)輸入控制裝置將施加的力將分階段引入的第一推動(dòng)力命令的“分階段引入”推動(dòng)塊的方框圖。

圖24示出如在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)中使用的作為正對(duì)輸入控制裝置施加的力將分階段停止的第二推動(dòng)力命令的“分階段停止”推動(dòng)塊的方框圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)100的方框圖。進(jìn)入導(dǎo)管(EG)200經(jīng)配置以插入穿過(guò)進(jìn)入孔口，例如微創(chuàng)切口或患者體內(nèi)的自然身體孔。例如第一關(guān)節(jié)式手術(shù)工具(工具1)231、第二關(guān)節(jié)式手術(shù)工具(工具2)241和關(guān)節(jié)式立體相機(jī)(CAM)211可插入穿過(guò)進(jìn)入導(dǎo)管200，并從進(jìn)入導(dǎo)管200的遠(yuǎn)端延伸出來(lái)。如圖2中所示，相機(jī)211具有一對(duì)立體圖像捕獲裝置311、312，以及覆蓋在其尖端中的光纖纜線313(在其近端耦合到光源)。手術(shù)工具231、241具有末端執(zhí)行器331、341。盡管僅展示兩個(gè)工具231、241，但進(jìn)入導(dǎo)管200可引導(dǎo)額外工具，如在患者體內(nèi)的工作部位執(zhí)行醫(yī)療程序所需要。下文參考圖3和4提供關(guān)于關(guān)節(jié)式儀器211、231、241的額外細(xì)節(jié)。

裝置231、241、211、200中的每一個(gè)由其自己的操縱器和控制器操縱和控制。具體地，關(guān)節(jié)式相機(jī)儀器211由受相機(jī)儀器控制器(CTRLC)213控制的相機(jī)操縱器(ECM)212操縱，第一關(guān)節(jié)式手術(shù)工具231由受工具儀器控制器(CTRL1)233控制的第一工具操縱器(PSM1)232操縱，第二關(guān)節(jié)式手術(shù)工具241由受工具儀器控制器(CTRL2)243控制的第二工具操縱器(PSM2)242操縱，且進(jìn)入導(dǎo)管200由受進(jìn)入導(dǎo)管控制器(CTRLG)203控制的進(jìn)入導(dǎo)管操縱器(EGM)202操縱。如下文參考圖6所述，控制器203、233、243、213作為主/從控制系統(tǒng)在處理器102中實(shí)施。

關(guān)節(jié)式儀器操縱器232、242、212中的每一個(gè)是運(yùn)載致動(dòng)器且提供機(jī)械無(wú)菌接口以將傳輸運(yùn)動(dòng)到其相應(yīng)的關(guān)節(jié)式儀器的機(jī)械組合件。每一個(gè)關(guān)節(jié)式儀器231、241、211是從其操縱器接收運(yùn)動(dòng)且借助于纜線傳輸將其傳播到遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)(例如，接合點(diǎn))的機(jī)械組合件。這些接合點(diǎn)可為棱柱型(例如，線性運(yùn)動(dòng))或旋轉(zhuǎn)型(例如，其圍繞機(jī)械軸樞轉(zhuǎn))。此外，所述儀器可具有內(nèi)部機(jī)械約束(例如，纜線、傳動(dòng)裝置、凸輪和皮帶等)，其迫使多個(gè)接合點(diǎn)以預(yù)定方式一起移動(dòng)。每一組受機(jī)械約束的接合點(diǎn)實(shí)施特定的運(yùn)動(dòng)軸，且可將約束設(shè)計(jì)成對(duì)旋轉(zhuǎn)接合點(diǎn)(例如，榫接接合點(diǎn))。注意，以此方式，儀器還可具有比可用致動(dòng)器更多的接合點(diǎn)。

進(jìn)入導(dǎo)管操縱器(EGM)202可用來(lái)以機(jī)械方式將進(jìn)入導(dǎo)管200插入進(jìn)入孔口中和從進(jìn)入孔口縮回。EGM202還可用來(lái)以機(jī)械方式使進(jìn)入導(dǎo)管200相對(duì)于樞轉(zhuǎn)點(diǎn)(也稱為遠(yuǎn)程中心“RC”)附近的進(jìn)入導(dǎo)管200的縱軸進(jìn)行俯仰、橫滾和偏航樞轉(zhuǎn)?？墒褂迷O(shè)置臂來(lái)固持和定位進(jìn)入導(dǎo)管200，使得其遠(yuǎn)程中心RC位于進(jìn)入孔口處。

提供兩個(gè)輸入裝置108、109供外科醫(yī)生操縱。輸入裝置108、109中的每一個(gè)可選擇性地與裝置211、231、241、200中的一個(gè)相關(guān)聯(lián)，使得相關(guān)聯(lián)的裝置可由輸入裝置通過(guò)其控制器和操縱器來(lái)控制。外科醫(yī)生(或助理)可以常規(guī)方式執(zhí)行此選擇，例如與圖形用戶接口(GUI)上的菜單交互，提供由語(yǔ)音辨識(shí)系統(tǒng)辨識(shí)的語(yǔ)音命令，使用例如觸摸板等輸入裝置將這些關(guān)聯(lián)輸入到系統(tǒng)100中，或與輸入裝置108、109上提供的專用按鈕交互。通過(guò)使用這些關(guān)聯(lián)機(jī)制中的任一個(gè)，產(chǎn)生選擇輸入且將其提供給多路復(fù)用器(MUX)280，其在處理器102中實(shí)施。選擇輸入的值(例如，1與0的組合)指示選擇哪一關(guān)聯(lián)(即，交叉切換)。

舉例來(lái)說(shuō)，向多路復(fù)用器280的選擇輸入的第一值使左輸入裝置108和右輸入裝置109處于“工具跟隨模式”，其中它們分別與第一手術(shù)工具241和第二手術(shù)工具231相關(guān)聯(lián)，因此外科醫(yī)生可在進(jìn)入導(dǎo)管200被鎖定于適當(dāng)位置時(shí)對(duì)患者執(zhí)行醫(yī)療程序。在此配置中，多路復(fù)用器280交叉切換以將輸入裝置108的輸出251和輸入252分別連接到工具控制器243的輸入260和輸出261；且將輸入裝置109的輸出253和輸入254分別連接到工具控制器233的輸入268和輸出269。

當(dāng)外科醫(yī)生將重新定位相機(jī)211時(shí)，左輸入裝置108和右輸入裝置109中的一個(gè)或兩個(gè)可使用選擇輸入的第二值與相機(jī)211相關(guān)聯(lián)，使得外科醫(yī)生可移動(dòng)相機(jī)211穿過(guò)其控制器213和操縱器212。類似地，當(dāng)外科醫(yī)生將重新定位相機(jī)200時(shí)，左輸入裝置108和右輸入裝置109中的一個(gè)或兩個(gè)可使用選擇輸入的第三值與進(jìn)入導(dǎo)管200相關(guān)聯(lián)，使得外科醫(yī)生可移動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)管200穿過(guò)其控制器203和操縱器202。在任何情況下，解除關(guān)聯(lián)的裝置被其相應(yīng)控制器軟鎖在適當(dāng)位置。

相機(jī)儀器211所捕獲的圖像由圖像處理器214處理，且在顯示屏104上顯示，以便向外科醫(yī)生提供遠(yuǎn)程呈現(xiàn)體驗(yàn)，如例如第6,671,581號(hào)美國(guó)專利“微創(chuàng)手術(shù)設(shè)備中的相機(jī)參考控制(Camera Referenced Control in a Minimally Invasive Surgical Apparatus)”，其由引用并入此處。因此，使用醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)100的外科醫(yī)生可通過(guò)操縱輸入裝置108、109以致使相關(guān)聯(lián)手術(shù)工具231、241的對(duì)應(yīng)移動(dòng)，同時(shí)外科醫(yī)生在顯示屏104上觀看工作部位的圖像，來(lái)對(duì)患者執(zhí)行醫(yī)療程序。

盡管描述為處理器，但將認(rèn)識(shí)到，處理器102可實(shí)際上由硬件、軟件和固件的任何組合實(shí)施。并且，如本文所描述，所述處理器的功能可由一個(gè)單元執(zhí)行，或在不同組件之中劃分，所述組件中的每一個(gè)反過(guò)來(lái)可由分布在整個(gè)系統(tǒng)中的硬件、軟件和固件的任何組合實(shí)施。

對(duì)于例如本文所述的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)的通用方面的構(gòu)造和操作的額外細(xì)節(jié)，見(jiàn)例如第6,493,608號(hào)美國(guó)專利“微創(chuàng)手術(shù)設(shè)備的控制系統(tǒng)的方面(Aspects of a Control System of a Minimally Invasive Surgical Apparatus)”和第U.S.2008/007129號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)案“微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)(Minimally Invasive Surgical System)”，其由引用并入此處。

圖3到4作為實(shí)例分別示出了()具有向外延伸的關(guān)節(jié)式相機(jī)儀器211和關(guān)節(jié)式手術(shù)工具儀器231、241的進(jìn)入導(dǎo)管200的遠(yuǎn)端的俯視圖和右側(cè)視圖。關(guān)節(jié)式相機(jī)211延伸穿過(guò)通道321，且關(guān)節(jié)式手術(shù)工具儀器231、241分別延伸穿過(guò)進(jìn)入導(dǎo)管200的通道431、441。相機(jī)211包含尖端311；第一、第二和第三鏈接322、324、326；第一和第二接合點(diǎn)組合件(本文也簡(jiǎn)稱為“接合點(diǎn)”)323、325；以及手腕組合件327。第一接合點(diǎn)組合件323耦合第一和第二鏈接322、324，且第二接合點(diǎn)組合件325耦合第二和第三鏈接324、326，使得第二鏈接324可圍繞第一接合點(diǎn)組合件323進(jìn)行俯仰和偏航樞轉(zhuǎn)，同時(shí)第一和第三鏈接322、326保持彼此平行。

第一和第二接合點(diǎn)323、325稱為“榫接接合點(diǎn)”，因?yàn)槠湟黄饏f(xié)作操作，使得當(dāng)?shù)诙溄?24圍繞第一接合點(diǎn)323進(jìn)行俯仰和/或偏航樞轉(zhuǎn)時(shí)，第三鏈接326以互補(bǔ)方式圍繞第二接合點(diǎn)325樞轉(zhuǎn)，使得第一和第三鏈接322、326總是保持彼此平行。第一鏈接322也可在其縱軸周圍進(jìn)行橫滾旋轉(zhuǎn)，以及穿過(guò)通道321移入和移出(例如，朝工作部位插入以及從工作部位縮回)。手腕組合件327也具有俯仰和偏航角移動(dòng)能力，使得相機(jī)的尖端311可向上或向下且向右或向左、以及其組合、定向。

工具231、241的接合點(diǎn)和鏈接在構(gòu)造和操作上類似于相機(jī)211的接合點(diǎn)和鏈接。尤其，工具231包含末端執(zhí)行器331(具有齒板338、339)；第一、第二和第三鏈接332、334、336；第一和第二接合點(diǎn)組合件333、335；以及手腕組合件337，其由例如參考圖5所述的致動(dòng)器(加用于致動(dòng)末端執(zhí)行器331的額外致動(dòng)器)驅(qū)動(dòng)。同樣地，工具241包含末端執(zhí)行器341(具有齒板348、349)；第一、第二和第三鏈接342、344、346；第一和第二接合點(diǎn)組合件343、345；以及手腕組合件347，其也由例如參考圖5所述的致動(dòng)器(加用于致動(dòng)末端執(zhí)行器341的額外致動(dòng)器)驅(qū)動(dòng)。

圖5作為實(shí)例示出了()關(guān)節(jié)式儀器(例如，關(guān)節(jié)式相機(jī)211以及關(guān)節(jié)式手術(shù)工具231、241)及其對(duì)應(yīng)的儀器操縱器(例如，相機(jī)操縱器212和工具操縱器232、242)的交互部分的圖。所述儀器中的每一個(gè)包含若干可致動(dòng)組合件521-523、531-533、570，用于實(shí)現(xiàn)所述儀器(包含其末端執(zhí)行器)的移動(dòng)，且其對(duì)應(yīng)操縱器包含用于致動(dòng)所述可致動(dòng)組合件的若干致動(dòng)器501-503、511-513、560。

另外，還可提供若干接口機(jī)構(gòu)。舉例來(lái)說(shuō)，在無(wú)菌操縱器/儀器接口中提供俯仰/偏航耦合機(jī)構(gòu)540、550(分別用于榫接接合點(diǎn)俯仰/偏航以及手腕俯仰偏航)以及齒輪比545、555(分別用于儀器橫滾和末端執(zhí)行器致動(dòng))，以實(shí)現(xiàn)儀器接合點(diǎn)在儀器接合點(diǎn)空間中的所需運(yùn)動(dòng)范圍，同時(shí)兩者滿足操縱器致動(dòng)器空間中的緊湊型約束，并保全跨接口的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)傳輸。盡管顯示為單個(gè)塊540，但榫接接合點(diǎn)致動(dòng)器501、502(區(qū)分為#1和#2)與榫接接合點(diǎn)俯仰/偏航組合件521、522之間的耦合可包含一對(duì)耦合機(jī)構(gòu)，無(wú)菌接口的每一側(cè)上一個(gè)(即，一個(gè)在接口的操縱器側(cè)上，且一個(gè)在接口的儀器側(cè)上)。同樣地，盡管顯示為單個(gè)塊550，但手腕致動(dòng)器512、513(區(qū)分為#1和#2)與手腕俯仰/偏航接合點(diǎn)組合件532、533之間的耦合也可包括一對(duì)耦合機(jī)構(gòu)，無(wú)菌接口的每一側(cè)上一個(gè)。

榫接接合點(diǎn)俯仰組合件521和榫接接合點(diǎn)偏航組合件522兩者共享第一、第二和第三鏈接(例如，關(guān)節(jié)式相機(jī)211的鏈路322、324、326)以及第一和第二接合點(diǎn)(例如，關(guān)節(jié)式相機(jī)211的接合點(diǎn)322、325)。除這些共享組件之外，榫接接合點(diǎn)俯仰和偏航組合件521、522還包含機(jī)械耦合，其將第一和第二接合點(diǎn)(通過(guò)榫接耦合540)耦合到榫接接合點(diǎn)俯仰和偏航致動(dòng)器501、502，使得第二鏈接可圍繞穿過(guò)第一接合點(diǎn)的線且沿與第一鏈接(例如，關(guān)節(jié)式相機(jī)211的鏈接322)的縱軸橫向的軸可控地樞轉(zhuǎn)，且第二鏈接可圍繞穿過(guò)第一接合點(diǎn)的線且沿與第一鏈接的橫軸和縱軸正交的軸可控地樞轉(zhuǎn)。

入/出(I/O)組合件523包含第一鏈接(例如，關(guān)節(jié)式相機(jī)211的鏈接322)，以及穿過(guò)將入/出(I/O)致動(dòng)器503耦合到第一鏈接的傳動(dòng)系的接口，使得第一鏈接因I/O致動(dòng)器503的致動(dòng)而可控地沿其縱軸線性移動(dòng)。橫滾組合件531包含第一鏈接，以及穿過(guò)將橫滾致動(dòng)器511的旋轉(zhuǎn)元件(例如，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子)耦合到第一鏈接的一個(gè)或更多個(gè)齒輪(即，具有齒輪比545)的接口，使得第一鏈接因橫滾致動(dòng)器511的致動(dòng)而圍繞其縱軸可控地旋轉(zhuǎn)。

儀器操縱器(例如，相機(jī)操縱器212)包含手腕致動(dòng)器512、513，其通過(guò)手腕組合件(例如，關(guān)節(jié)式相機(jī)211的手腕組合件327)的手腕耦合550俯仰和偏航接合點(diǎn)532、533致動(dòng)，以便致使儀器尖端(例如，相機(jī)尖端311)在相對(duì)于手腕組合件的上下(即，俯仰)和左右(即，偏航)方向上可控地樞轉(zhuǎn)。抓握組合件570包含末端執(zhí)行器(例如，手術(shù)工具231的末端執(zhí)行器331)，以及穿過(guò)將抓握致動(dòng)器560耦合到末端執(zhí)行器的一個(gè)或更多個(gè)齒輪(即，具有齒輪比555)的接口，以便可控地致動(dòng)末端執(zhí)行器。

儀器接合點(diǎn)群組500稱為“平移接合點(diǎn)”，因?yàn)橥ㄟ^(guò)這些接合點(diǎn)的組合的致動(dòng)，可根據(jù)需要使用弧補(bǔ)償將儀器的手腕組合件平移定位在三維空間內(nèi)。儀器接合點(diǎn)群組510稱為“定向接合點(diǎn)”，因?yàn)橥ㄟ^(guò)這些接合點(diǎn)的致動(dòng)，儀器的尖端可圍繞手腕組合件定向。

在醫(yī)療程序的執(zhí)行之前、期間和之后的各個(gè)階段，可存在關(guān)節(jié)式儀器211、231、241的優(yōu)選姿勢(shì)，以最佳實(shí)現(xiàn)那時(shí)所執(zhí)行的任務(wù)。舉例來(lái)說(shuō)，在正常操作期間，如圖3和4中所示，手術(shù)工具231、241中的每一個(gè)的優(yōu)選姿勢(shì)可為“肘出、手腕入”姿勢(shì)，以提供良好的運(yùn)動(dòng)范圍，同時(shí)最小化與其它儀器不經(jīng)意碰撞的機(jī)會(huì)。同樣地，在正常操作期間，如圖3和4中所示，相機(jī)儀器211的優(yōu)選姿勢(shì)可為“眼鏡蛇”姿勢(shì)，其中在相機(jī)的圖像捕獲端提供手術(shù)工具儀器231、241的末端執(zhí)行器331、341的良好視圖。作為另一實(shí)例，當(dāng)希望將儀器縮回到進(jìn)入導(dǎo)管200中以執(zhí)行工具更換(即，將儀器或其末端執(zhí)行器更換成另一儀器或末端執(zhí)行器)或希望通過(guò)使進(jìn)入導(dǎo)管200圍繞其遠(yuǎn)程中心樞轉(zhuǎn)來(lái)重新定向進(jìn)入導(dǎo)管200時(shí)，在儀器縮回到進(jìn)入導(dǎo)管200中之前，儀器的優(yōu)選姿勢(shì)是“挺直”姿勢(shì)，其中儀器的鏈接在直線上對(duì)準(zhǔn)，例如圖8中所示。

圖6作為示例，示出了相機(jī)儀器控制器(CTRLC)213的方框圖，當(dāng)輸入裝置108通過(guò)如先前參考圖1所描述的多路復(fù)用器280選擇性地與相機(jī)儀器211相關(guān)聯(lián)時(shí)，由外科醫(yī)生對(duì)輸入裝置108的移動(dòng)所命令，所述相機(jī)儀器控制器控制關(guān)節(jié)式相機(jī)儀器211的擺姿勢(shì)(即，兩者均平移和定向)。輸入裝置108包含通過(guò)接合點(diǎn)連接的若干鏈接，以便促進(jìn)多自由度移動(dòng)。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)外科醫(yī)生/操作者將輸入裝置108從一個(gè)位置移動(dòng)到另一位置時(shí)，與輸入裝置108的接合點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的傳感器以取樣間隔(適合處理器102的處理速度以及相機(jī)控制目的)感測(cè)此移動(dòng)，且將指示接合點(diǎn)空間中的此經(jīng)取樣移動(dòng)的數(shù)字信息631提供給輸入處理塊610。

輸入處理塊610處理從輸入裝置108的接合點(diǎn)傳感器接收到的信息631，以通過(guò)從接合點(diǎn)位置信息計(jì)算接合點(diǎn)速度，且使用眾所周知的變換技術(shù)，使用雅可比矩陣和眼睛相關(guān)信息執(zhí)行變換，來(lái)將所述信息變換成相機(jī)儀器211在笛卡爾空間中相對(duì)于與外科醫(yī)生的眼睛的位置相關(guān)聯(lián)的參考幀(“眼睛參考幀”)的對(duì)應(yīng)所期望的位置和速度。

標(biāo)度和偏移處理塊601從輸入處理塊610接收經(jīng)處理的信息611，且將標(biāo)度和偏移調(diào)整應(yīng)用于信息，使得因此正在顯示屏104上觀看的相機(jī)儀器211的所得移動(dòng)的圖像看起來(lái)自然，且如輸入裝置108的操作者所預(yù)期。為了允許相機(jī)儀器211如其在工作部位所觀看的較精確的移動(dòng)，在相機(jī)儀器211的較小移動(dòng)相對(duì)于輸入裝置108的較大移動(dòng)的情況下，標(biāo)度調(diào)整是有用的。另外，應(yīng)用偏移調(diào)整，以用于在外科醫(yī)生操縱輸入裝置108以命令相機(jī)儀器211且因此那時(shí)正在顯示屏104上顯示的其所捕獲圖像的移動(dòng)時(shí)，使輸入裝置108相對(duì)于他或她的眼睛對(duì)準(zhǔn)。

模擬儀器塊604通過(guò)使用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)、限制所命令的接合點(diǎn)位置和速度以避免物理限制或其它約束，例如避免與患者的組織或其它部分的有害接觸，以及應(yīng)用可經(jīng)界定以改進(jìn)在那時(shí)正由外科醫(yī)生使用醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)100執(zhí)行的醫(yī)療程序的性能的虛擬約束，將相機(jī)儀器211的所命令姿勢(shì)621從其笛卡爾空間變換到其接合點(diǎn)空間。尤其，如圖9中所示出，可通過(guò)對(duì)所命令姿勢(shì)621實(shí)施虛擬約束的虛擬屏障邏輯901(具體參考如下圖15所述)來(lái)修改所命令的姿勢(shì)621，以產(chǎn)生經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)623。然后逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)和限制塊902將經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)623從儀器笛卡爾空間轉(zhuǎn)變?yōu)閮x器接合點(diǎn)空間，且將接合點(diǎn)位置和/或速度限制于與關(guān)節(jié)式相機(jī)儀器211的接合點(diǎn)相關(guān)聯(lián)或放于其上的物理限制或其它約束。

將模擬儀器塊604的輸出622(其包含相機(jī)儀器211的每一接合點(diǎn)的所命令值)提供給接合點(diǎn)控制塊605和正向運(yùn)動(dòng)學(xué)塊606。接合點(diǎn)控制塊605包含相機(jī)儀器211的每一受控接合點(diǎn)(或操作地耦合的接合點(diǎn)，例如“榫接接合點(diǎn)”)的接合點(diǎn)控制系統(tǒng)。出于反饋控制目的，與相機(jī)儀器211的受控接合點(diǎn)中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的傳感器將指示相機(jī)儀器211的每一接合點(diǎn)的當(dāng)前位置和/或速度的傳感器數(shù)據(jù)632提供回到接合點(diǎn)控制塊605。傳感器可直接地(例如，從相機(jī)儀器211上的接合點(diǎn))或間接地(例如，從驅(qū)動(dòng)所述接合點(diǎn)的相機(jī)操縱器212中的致動(dòng)器)感測(cè)此接合點(diǎn)信息。然后接合點(diǎn)控制塊605中的每一接合點(diǎn)控制系統(tǒng)產(chǎn)生用于其在相機(jī)操縱器212中的相應(yīng)致動(dòng)器的扭矩命令633，以便以常規(guī)反饋控制系統(tǒng)方式將所命令的與所感測(cè)的接合點(diǎn)值之間的差驅(qū)動(dòng)到零。

正向運(yùn)動(dòng)學(xué)塊606使用相機(jī)儀器211的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)，相對(duì)于眼睛參考幀將模擬儀器塊604的輸出622從相機(jī)儀器的接合點(diǎn)空間變換回到笛卡兒空間。將正向運(yùn)動(dòng)學(xué)塊606的輸出641提供給標(biāo)度和偏移處理塊601，以及提供回到模擬儀器塊604，以用于其內(nèi)部計(jì)算目的。

標(biāo)度和偏移處理塊601在將其輸出612傳遞到輸入處理塊610(在此處計(jì)算其輸出611與輸入612之間的誤差值)之前，對(duì)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)塊606的輸出641執(zhí)行逆標(biāo)度和偏移功能。如果未對(duì)模擬儀器塊604的輸入621強(qiáng)加限制或其它約束，那么所計(jì)算的誤差值將為零。另一方面，如果已強(qiáng)加限制或約束，那么誤差值不為零，且將其轉(zhuǎn)換為扭矩命令634，其驅(qū)動(dòng)輸入裝置108中的致動(dòng)器提供由外科醫(yī)生的手感覺(jué)的力反饋。因此，外科醫(yī)生知道正通過(guò)他或她感覺(jué)在所述方向上抵抗他或她對(duì)輸入裝置108的移動(dòng)的力強(qiáng)加限制或約束。

姿勢(shì)推動(dòng)塊625包含在控制器213中，以產(chǎn)生提供給輸入處理塊610的推動(dòng)力命令627。然后輸入處理塊610將推動(dòng)力命令627轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)扭矩，使得所命令的推動(dòng)力以促使外科醫(yī)生命令相機(jī)儀器211的姿勢(shì)擺成姿勢(shì)數(shù)據(jù)626中所提供的優(yōu)選姿勢(shì)的方式由外科醫(yī)生在輸入裝置108上感覺(jué)到。

對(duì)于相機(jī)儀器211，可存在至少兩種優(yōu)選姿勢(shì)。在正常模式操作期間，例如當(dāng)外科醫(yī)生正對(duì)患者執(zhí)行醫(yī)療程序時(shí)，相機(jī)儀器211的優(yōu)選姿勢(shì)為圖3和4中所示的“眼鏡蛇”姿勢(shì)。在圖3中的“眼鏡蛇”姿勢(shì)向下看，相機(jī)儀器211的所有鏈接322、324、326均與第一鏈接322的縱軸401對(duì)準(zhǔn)，使得其具有最大的可用橫向運(yùn)動(dòng)范圍，且為相機(jī)儀器211的主插入方向提供參考。另外，榫接接合點(diǎn)323、325“榫接上”，如圖4中所示，使得第三鏈接326在縱軸401上方移位一距離，且手腕組合件327以負(fù)俯仰角度旋轉(zhuǎn)，使得相機(jī)尖端311以某一角度向下定向，使得相機(jī)優(yōu)選正觀看工具儀器231和241的末端執(zhí)行器331和341的工作空間的中心，工具儀器231和241那時(shí)也從進(jìn)入導(dǎo)管200的遠(yuǎn)端延伸出來(lái)。在此情況下，外科醫(yī)生優(yōu)選被允許沿縱軸401在輸入/輸出(I/O)方向上向前和向后自由地移動(dòng)相機(jī)211，使得相機(jī)211可在末端執(zhí)行器331、341在其使用期間遠(yuǎn)離和返回朝向進(jìn)入導(dǎo)管200的遠(yuǎn)端移動(dòng)時(shí)，更好地觀看末端執(zhí)行器331、341。

在縮回模式期間，相機(jī)儀器211的優(yōu)選姿勢(shì)為“挺直”姿勢(shì)。圖7和8分別示出相機(jī)儀器211在“眼鏡蛇”和“挺直”姿勢(shì)時(shí)的簡(jiǎn)化側(cè)視圖。為了從“眼鏡蛇”姿勢(shì)到“挺直”姿勢(shì)，榫接接合點(diǎn)323、325旋轉(zhuǎn)鏈接324，直到其與第一鏈接322的縱軸401對(duì)準(zhǔn)為止。由于鏈接326歸因于榫接接合點(diǎn)323、325的操作而總是與第一鏈接322平行，因此當(dāng)鏈接324于縱軸401對(duì)準(zhǔn)時(shí)，鏈接326也與縱軸401對(duì)準(zhǔn)。同時(shí)，手腕接合點(diǎn)327也旋轉(zhuǎn)相機(jī)尖端311，直到其中心軸也與縱軸401對(duì)準(zhǔn)為止。

圖10作為示例，示出了姿勢(shì)推動(dòng)塊625及其到姿勢(shì)數(shù)據(jù)塊626的耦合的方框圖。在此實(shí)例中，姿勢(shì)數(shù)據(jù)塊626包括存儲(chǔ)在處理器102可存取的非易失性存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。相機(jī)儀器211的所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包含用于相機(jī)儀器211的縮回的“挺直”姿勢(shì)1001的數(shù)據(jù)，以及在相機(jī)儀器211的正常模式操作期間使用的“眼鏡蛇”姿勢(shì)1002的數(shù)據(jù)。

姿勢(shì)推動(dòng)塊625包括縮回模式推動(dòng)塊1003、正常模式推動(dòng)塊1004以及求和節(jié)點(diǎn)1005。縮回模式推動(dòng)塊1003和正常模式推動(dòng)塊1004的關(guān)鍵特征是在轉(zhuǎn)變周期期間，來(lái)自一個(gè)的推動(dòng)力命令分階段引入，而來(lái)自另一個(gè)的推動(dòng)力命令正分階段停止。如下參考圖12所述的縮回模式推動(dòng)塊1003的更詳細(xì)描述，且參考圖13所述的正常模式推動(dòng)塊1004的更詳細(xì)描述。

圖12作為示例，示出了連續(xù)處理傳入數(shù)據(jù)的縮回模式推動(dòng)塊1003的方框圖。求和節(jié)點(diǎn)1201計(jì)算優(yōu)選“挺直”姿勢(shì)1001(即，相機(jī)儀器211的縮回配置)與由儀器控制器213的模擬儀器塊608的虛擬屏障邏輯901產(chǎn)生的經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)(XSLV、VSLV)623之間的差(XERR、VERR)。如本文中所使用，術(shù)語(yǔ)“姿勢(shì)”表示儀器的位置和定向以及其位置和旋轉(zhuǎn)速度，使得所命令的姿勢(shì)可包含位置(XCMD)和速度(VCMD)分量，經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)可包含位置(XSLV)和速度(VSLV)分量，優(yōu)選姿勢(shì)可包含位置(XPP)和速度(VPP)分量，且優(yōu)選姿勢(shì)與經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)之間的所計(jì)算差可包含位置(XERR)和速度(VERR)分量。然而，在求和節(jié)點(diǎn)1201中所執(zhí)行的計(jì)算中，優(yōu)選姿勢(shì)(VPP)的速度(VPP)分量全部假定為零。

為了闡釋如何產(chǎn)生經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)(XSLV、VSLV)，參考圖15所述的虛擬屏障邏輯901的實(shí)例。在框1501中，邏輯901從標(biāo)度和偏移塊621接收所命令姿勢(shì)(XCMD)621，且在框1502中，其確定所命令的姿勢(shì)621在第一方向上的投射，所述方向在本發(fā)明的實(shí)例中為沿相機(jī)儀器211的第一鏈接322的縱軸401的儀器縮回方向。在框1503中，作出沿第一方向的投射是否將命令相機(jī)儀器211移出虛擬屏障位置的確定。在此情況下，虛擬屏障位置是沿縱軸401的位置，其為距進(jìn)入導(dǎo)管200的遠(yuǎn)端的閾值距離或安全裕量。如US2011/0040305A1中所描述，安全裕量的目的是為了防止當(dāng)試圖將關(guān)節(jié)式儀器211推回到進(jìn)入導(dǎo)管200中，同時(shí)其處于其在那時(shí)物理上將不配合的配置中，時(shí)，進(jìn)入導(dǎo)管200和關(guān)節(jié)式儀器211兩者發(fā)生損壞。如果框1503中的確定為否，那么虛擬屏障邏輯901跳回到框1501，以為下一處理循環(huán)處理數(shù)據(jù)。另一方面，如果框1503中的確定為是，那么在框1504中，確定相機(jī)儀器211的當(dāng)前姿勢(shì)，感測(cè)其接合點(diǎn)位置，且應(yīng)用正向運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)確定其對(duì)應(yīng)的笛卡兒姿勢(shì)。在框1505中，然后作出相機(jī)儀器211的當(dāng)前姿勢(shì)是否為優(yōu)選姿勢(shì)(即，在此情況下為“挺直”姿勢(shì))的確定。如果框1505中的確定為是，那么虛擬屏障邏輯901不修改所命令的姿勢(shì)(XCMD)，且跳回到框1501，以為下一處理循環(huán)處理數(shù)據(jù)。另一方面，如果框1505中的確定為否，那么通過(guò)應(yīng)用虛擬屏障作為約束來(lái)修改所命令的姿勢(shì)(XCMD)，使得相機(jī)儀器211被阻止在第一方向上進(jìn)一步移動(dòng)。所述方法接著循環(huán)回到框1501，以為下一處理循環(huán)處理數(shù)據(jù)。因此，以此方式防止相機(jī)儀器211移出虛擬屏障位置，直到當(dāng)前姿勢(shì)為相機(jī)儀器211的優(yōu)選縮回姿勢(shì)為止。

返回參看圖12，在框1202中，去除所計(jì)算差(XERR、VERR)的非推動(dòng)分量。尤其，去除沿第一方向的平移分量以及圍繞尖端310的橫滾旋轉(zhuǎn)分量，因?yàn)檫@些分量中沒(méi)有一個(gè)影響優(yōu)選姿勢(shì)(即，不管其值如何，相機(jī)儀器均可被置于如圖8中所示的“挺直”姿勢(shì)，)。在框1203中，框1202中所產(chǎn)生的經(jīng)修改差(XERR′、VERR′)經(jīng)轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生力命令，其將導(dǎo)致一個(gè)或更多個(gè)力被施加到輸入裝置108，使得外科醫(yī)生被促使命令相機(jī)儀器211擺成優(yōu)選姿勢(shì)。優(yōu)選地，此力命令為將施加到輸入裝置108的對(duì)應(yīng)自由度的粘彈性六自由度力。

通過(guò)比例微分(PD)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的框圖，圖14示出了力轉(zhuǎn)換器塊1203的實(shí)例。在此PD系統(tǒng)中，經(jīng)修改的位置差(XERR′)乘以位置增益(KP)1401，且由限制器1402限制于第一飽和值(SATP)，以產(chǎn)生第一力命令貢獻(xiàn)。同時(shí)，經(jīng)修改的速度差(VERR′)乘以微分增益(KD)1403，以產(chǎn)生第二力命令貢獻(xiàn)。求和節(jié)點(diǎn)1404計(jì)算第二力命令貢獻(xiàn)與第一力命令貢獻(xiàn)之間的差，且限制器1405將所述差限制于第二飽和值(SATF)。因此，第二力命令貢獻(xiàn)與第一力命令貢獻(xiàn)之間的受限差導(dǎo)致粘彈性六自由度笛卡爾力，用于推動(dòng)外科醫(yī)生移動(dòng)輸入裝置108，以便命令優(yōu)選姿勢(shì)。選擇第一和第二飽和值的值，以便確保輸入裝置108的電動(dòng)機(jī)上的所命令電動(dòng)機(jī)扭矩不超過(guò)其額定最大值。

返回參看圖12，調(diào)制器1207用類似圖11中的曲線1101的縮回激活信號(hào)來(lái)對(duì)力轉(zhuǎn)換器塊1203所產(chǎn)生的粘彈性六自由度笛卡爾力進(jìn)行振幅調(diào)制。為了產(chǎn)生縮回激活信號(hào)，求和節(jié)點(diǎn)1204計(jì)算所命令姿勢(shì)(XCMD)與經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)(XSLV)之間的差，忽略速度貢獻(xiàn)，調(diào)制系數(shù)發(fā)生器1205使用所計(jì)算的差產(chǎn)生調(diào)制系數(shù)流，且低通濾波器1206對(duì)所述調(diào)制系數(shù)流進(jìn)行濾波。

圖16中所示出的流程圖中提供縮回模式激活信號(hào)的產(chǎn)生的實(shí)例。塊1601和1602描述求和節(jié)點(diǎn)1204所采取的動(dòng)作。尤其，在框1601中，接收所命令的姿勢(shì)(XCMD)和經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)(XSLV)，且在框1602中，計(jì)算所命令的姿勢(shì)(XCMD)與經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)(XSLV)之間的差?？?603到1607接下來(lái)描述調(diào)制系數(shù)發(fā)生器1205所采取的動(dòng)作。在框1603中，確定所計(jì)算的差在第一方向(即，沿縱軸401的縮回方向)的投射，且在框1604中，作出投射是否超過(guò)閾值的確定。在此情況下，閾值應(yīng)足夠大，以確保外科醫(yī)生真的希望縮回相機(jī)儀器211，且這不是不經(jīng)意的動(dòng)作，例如因手抖而導(dǎo)致。如果框1604中的確定為是，那么在框1605中，將當(dāng)前調(diào)制系數(shù)設(shè)定為整數(shù)值“1”。另一方面，如果框1604中的確定為否，那么在框1606中，將當(dāng)前調(diào)制系數(shù)設(shè)定為整數(shù)值“0”。在框1607中，然后將當(dāng)前調(diào)制系數(shù)附加到先前處理周期中所產(chǎn)生的調(diào)制系數(shù)流?？?608描述低通濾波器1206所采取的動(dòng)作。尤其，在框1608中，通過(guò)使調(diào)制系數(shù)流穿過(guò)低通濾波器1206來(lái)產(chǎn)生縮回激活信號(hào)，然后該過(guò)程跳回到框1601，以為下一處理循環(huán)處理數(shù)據(jù)。

圖13作為示例示出了也連續(xù)處理傳入數(shù)據(jù)的正常模式推動(dòng)塊1004的方框圖。求和節(jié)點(diǎn)1301計(jì)算優(yōu)選“眼鏡蛇”姿勢(shì)1002(即，相機(jī)儀器211的正常模式配置)與由儀器控制器213的模擬儀器塊608的虛擬屏障邏輯901產(chǎn)生的經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)(XSLV、VSLV)623之間的差(XERR、VERR)。

在框1302中，去除所計(jì)算差(XERR、VERR)的非推動(dòng)分量。尤其，去除沿第一方向的平移分量以及圍繞尖端311的橫滾旋轉(zhuǎn)分量，因?yàn)檫@些分量中沒(méi)有一個(gè)影響優(yōu)選姿勢(shì)(即，不管其值如何，相機(jī)儀器均可被置于如圖7中所示的“眼鏡蛇”姿勢(shì)，)。在框1303中，框1302中所產(chǎn)生的經(jīng)修改差(XERR′、VERR′)經(jīng)轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生力命令，其將導(dǎo)致一個(gè)或更多個(gè)力被施加到輸入裝置108，使得外科醫(yī)生被促使命令相機(jī)儀器211擺成優(yōu)選姿勢(shì)。優(yōu)選地，此力命令為將施加到輸入裝置108的對(duì)應(yīng)自由度的粘彈性六自由度力，其產(chǎn)生類似于先前參考圖14所述的。

然后調(diào)制器1307用類似圖11中的曲線1102的正常模式無(wú)效信號(hào)來(lái)對(duì)力轉(zhuǎn)換器塊1303所產(chǎn)生的粘彈性六自由度笛卡爾力進(jìn)行振幅調(diào)制。為了產(chǎn)生正常模式無(wú)效信號(hào)，求和節(jié)點(diǎn)1304計(jì)算所命令姿勢(shì)(XCMD)與經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)(XSLV)之間的差，忽略速度貢獻(xiàn)，調(diào)制系數(shù)發(fā)生器1305使用所計(jì)算的差產(chǎn)生調(diào)制系數(shù)流，且低通濾波器1306對(duì)所述調(diào)制系數(shù)流進(jìn)行濾波。

圖17所示出的流程圖中提供正常模式無(wú)效信號(hào)的產(chǎn)生的實(shí)例。在框1701和1702描述求和節(jié)點(diǎn)1304所采取的動(dòng)作。尤其，在框1701中，接收所命令的姿勢(shì)(XCMD)和經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)(XSLV)，且在框1702中，計(jì)算所命令的姿勢(shì)(XCMD)與經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)(XSLV)之間的差。框1703到1707接下來(lái)描述調(diào)制系數(shù)發(fā)生器1305所采取的動(dòng)作。在框1703中，確定所計(jì)算的差在第一方向(即，沿縱軸401的縮回方向)的投射，且在框1704中，作出投射是否超過(guò)閾值的確定。在此情況下，閾值應(yīng)足夠大，以確保外科醫(yī)生真的希望縮回相機(jī)儀器211，且這不是不經(jīng)意的動(dòng)作，例如因手抖而導(dǎo)致。如果框1704中的確定為是，那么在框1705中，將當(dāng)前調(diào)制系數(shù)設(shè)定為整數(shù)值“0”。另一方面，如果框1704中的確定為否，那么在框1706中，將當(dāng)前調(diào)制系數(shù)設(shè)定為整數(shù)值“1”。注意，調(diào)制系數(shù)值賦值與縮回激活信號(hào)的產(chǎn)生中所使用的調(diào)制系數(shù)值賦值相反。這導(dǎo)致縮回和正常模式激活信號(hào)中的一個(gè)分階段引入，而另一個(gè)正分階段停止。在框1707中，然后將當(dāng)前調(diào)制系數(shù)附加到先前處理周期中所產(chǎn)生的調(diào)制系數(shù)流。最后框1708描述低通濾波器1306所采取的動(dòng)作。尤其，在框1708中，通過(guò)使調(diào)制系數(shù)流穿過(guò)低通濾波器1306來(lái)產(chǎn)生正常模式無(wú)效信號(hào)。然后該過(guò)程跳回到框1701，以為下一處理循環(huán)處理數(shù)據(jù)。

縮回模式推動(dòng)塊1003中的低通濾波器1206以及正常模式推動(dòng)塊1004中的低通濾波器1306的時(shí)間常數(shù)優(yōu)選相同，使得在例如圖11中所示的轉(zhuǎn)變周期期間，分階段引入和分階段停止匹配，其中時(shí)間“t(k)”表示框1804和1704中的閾值確定第一次導(dǎo)致是確定的時(shí)間，時(shí)間“t(k-m)”表示在“t(k)”之前，框1804和1704中的閾值確定導(dǎo)致否確定的時(shí)間，且時(shí)間“t(k+m)”表示在“t(k)”之后，框1804和1704中的閾值確定仍導(dǎo)致是確定的時(shí)間。

圖18示出如上文詳細(xì)描述的概述本發(fā)明的第一實(shí)施例的流程圖。在框1801中，從那時(shí)與姿勢(shì)正被命令的關(guān)節(jié)式儀器相關(guān)聯(lián)的輸入裝置接收所命令的姿勢(shì)(XCMD)。在框1802中，使用虛擬約束(例如，參看圖15所描述)來(lái)修改所命令的姿勢(shì)。在框1803到1807中，產(chǎn)生第一力命令，其將分階段引入以推動(dòng)輸入裝置的操作者命令第一(新)優(yōu)選姿勢(shì)(例如，參看圖12所描述)，同時(shí)在框1808到1812中，產(chǎn)生第二力命令，其將分階段停止，以推動(dòng)輸入裝置的操作者命令第二(現(xiàn)任)優(yōu)選姿勢(shì)(例如，參看圖13所描述)。在框1813中，將第一和第二力命令施加到輸入裝置，使得最初輸入裝置的操作者被促使命令第二優(yōu)選姿勢(shì)，然后隨后在分階段引入和分階段停止轉(zhuǎn)變周期之后，促使操作者命令第一優(yōu)選姿勢(shì)。

圖19到21示出本發(fā)明的額外實(shí)施例，其包含參看圖18所述的一些但非所有框的各種組合。尤其，圖19示出第二實(shí)施例，其為第一實(shí)施例的修改，其中通過(guò)刪除框1802，使用虛擬約束使得所命令的姿勢(shì)不被修改，但執(zhí)行第一實(shí)施例的所有其它框。圖20示出第三實(shí)施例，其為第一實(shí)施例的修改，其中通過(guò)刪除框808到812，第二(現(xiàn)任)優(yōu)選姿勢(shì)不活動(dòng)，但執(zhí)行具有已修改塊813的第一實(shí)施例的所有其它框，因?yàn)椴淮嬖诖蛛A段停止的第二力命令。圖21示出第四實(shí)施例，其為第三實(shí)施例的修改，其中通過(guò)刪除框1802，使用虛擬約束使得所命令的姿勢(shì)不被修改，但執(zhí)行第三實(shí)施例的所有其它框。

圖22到24示出本發(fā)明的其它實(shí)施例，其詳細(xì)敘述先前所公開(kāi)的某些實(shí)施例。尤其，鑒于先前實(shí)施例公開(kāi)在某一時(shí)間(在轉(zhuǎn)變周期之外)正活動(dòng)的單個(gè)優(yōu)選姿勢(shì)，圖22到24中所示的實(shí)施例預(yù)期在某一時(shí)間多個(gè)正活動(dòng)的優(yōu)選姿勢(shì)的可能性，其中對(duì)活動(dòng)的優(yōu)選姿勢(shì)進(jìn)行加權(quán)，使得一個(gè)或一些可比其它更占優(yōu)勢(shì)。另外，加權(quán)提供額外的機(jī)制，通過(guò)所述機(jī)制，通過(guò)使其相應(yīng)的權(quán)重可動(dòng)態(tài)地更改(例如，逐步從權(quán)重“0”改變?yōu)闄?quán)重“1”以分階段引入對(duì)應(yīng)的優(yōu)選姿勢(shì)，且相反地，逐步從權(quán)重“1”改變?yōu)闄?quán)重“0”以分階段停止對(duì)應(yīng)的優(yōu)選姿勢(shì))來(lái)過(guò)渡引入和過(guò)渡停止優(yōu)選姿勢(shì)。并且，鑒于先前實(shí)施例公開(kāi)對(duì)于不同操作模式來(lái)說(shuō)固定的優(yōu)選姿勢(shì)，圖22到24中所示的實(shí)施例基于例如其它關(guān)節(jié)式儀器的當(dāng)前或所命令姿勢(shì)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)期動(dòng)態(tài)改變優(yōu)選姿勢(shì)的可能性。舉例來(lái)說(shuō)，相機(jī)儀器211的優(yōu)選姿勢(shì)可隨著工具儀器231、241的末端執(zhí)行器331、341的姿勢(shì)改變而動(dòng)態(tài)地改變，使得末端執(zhí)行器331、341保持完全定位在相機(jī)儀器211的視野中。作為另一實(shí)例，關(guān)節(jié)式儀器211、231、241中每一個(gè)的優(yōu)選姿勢(shì)可動(dòng)態(tài)地改變，以避免在使用節(jié)式儀器211、231、241的醫(yī)療程序的執(zhí)行期間與節(jié)式儀器211、231、241中的其它儀器碰撞。

例如，圖22示出用于關(guān)節(jié)式儀器的操作者所命令移動(dòng)的替代儀器控制器的方框圖。盡管實(shí)例是針對(duì)相機(jī)控制器213，但認(rèn)識(shí)到，相同的通用結(jié)構(gòu)可用于醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)100中的其它裝置控制器203、233、243?？?10、601、605、606的功能與先前參考圖6所述的功能相同。模擬儀器塊2204的功能在逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)和限制方面通常與圖6的塊604相同，但可在強(qiáng)加于所命令的姿勢(shì)621上以產(chǎn)生經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)2205的虛擬約束方面不同，因?yàn)椴煌牟僮髂Ｊ胶?或優(yōu)選姿勢(shì)。同樣地，姿勢(shì)推動(dòng)塊2201的功能在將兩個(gè)姿勢(shì)推動(dòng)貢獻(xiàn)求和在一起的方面與塊625相同，其中根據(jù)相應(yīng)的激活信號(hào)，第一(新)優(yōu)選姿勢(shì)將分階段引入，而第二(現(xiàn)任)優(yōu)選姿勢(shì)將分階段停止。

姿勢(shì)產(chǎn)生塊2202包含于控制器213中，以動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生提供給姿勢(shì)推動(dòng)塊2201的一個(gè)或更多個(gè)優(yōu)選姿勢(shì)，以及在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候傳遞靜態(tài)優(yōu)選姿勢(shì)。尤其，盡管可正常地傳遞姿勢(shì)數(shù)據(jù)塊626所提供的靜態(tài)優(yōu)選姿勢(shì)，但隨著條件例如，其周圍的其它工具儀器231、241的姿勢(shì)的改變，可將關(guān)節(jié)式相機(jī)儀器211的優(yōu)選姿勢(shì)從靜態(tài)優(yōu)選姿勢(shì)動(dòng)態(tài)地改變。作為一個(gè)實(shí)例，相機(jī)儀器211的優(yōu)選姿勢(shì)可在正常操作模式期間動(dòng)態(tài)地改變，以避免與正在使用且因此在那時(shí)移動(dòng)以對(duì)患者身體結(jié)構(gòu)執(zhí)行醫(yī)療程序的工具儀器231、241碰撞。為了動(dòng)態(tài)地產(chǎn)生待分階段引入的一個(gè)或更多個(gè)優(yōu)選姿勢(shì)(例如，圖23的優(yōu)選姿勢(shì)2301、2303、2305)以及待分階段停止的一個(gè)或更多個(gè)優(yōu)選姿勢(shì)(例如，優(yōu)選姿勢(shì)2401、2403、2405)，姿勢(shì)發(fā)生器塊2202可將所述系統(tǒng)的一個(gè)或更多個(gè)狀態(tài)的不同功能用于待動(dòng)態(tài)地改變的優(yōu)選姿勢(shì)中的每一個(gè)。在此情況下，系統(tǒng)狀態(tài)信息由系統(tǒng)數(shù)據(jù)2203提供。作為一個(gè)實(shí)例，系統(tǒng)數(shù)據(jù)2203可包括系統(tǒng)100中的其它儀器231、241的所命令姿勢(shì)。作為另一實(shí)例，系統(tǒng)數(shù)據(jù)2203可包括如通過(guò)將正向運(yùn)動(dòng)學(xué)應(yīng)用于其所感測(cè)到的接合點(diǎn)位置來(lái)確定的其它儀器231、241的實(shí)際姿勢(shì)。

姿勢(shì)推動(dòng)塊2201包含“分階段引入”和“分階段停止”推動(dòng)塊，其以與先前相對(duì)于圖10的縮回模式和正常模式推動(dòng)塊1003和1004所描述的方式類似的方式，分別產(chǎn)生在輸入轉(zhuǎn)置108上將分階段引入和分階段停止的推動(dòng)力。

圖23作為示例，示出“分階段引入”推動(dòng)塊的方框圖。優(yōu)選姿勢(shì)2320由多個(gè)優(yōu)選姿勢(shì)(例如，優(yōu)選姿勢(shì)2301、2303、2305)的加權(quán)平均值產(chǎn)生，使得優(yōu)選姿勢(shì)中的每一個(gè)乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)重(例如，權(quán)重2302、2304、2306)，其中所述權(quán)重的和等于“1”。權(quán)重可為固定值，或優(yōu)選為動(dòng)態(tài)值，所以優(yōu)選姿勢(shì)中的一個(gè)或更多個(gè)可在不同時(shí)間、在不同操作模式下或在不同系統(tǒng)條件下占優(yōu)勢(shì)。優(yōu)選姿勢(shì)2320與經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)2205之間的差由求和節(jié)點(diǎn)2314計(jì)算。在框2315中去除所述差的非推動(dòng)分量，且將結(jié)果提供給力轉(zhuǎn)換器塊2316，其產(chǎn)生力命令，例如參考圖12的框1203所描述。分階段引入激活信號(hào)由分階段引入信號(hào)發(fā)生器塊2317產(chǎn)生，為的是類以圖11中的縮回模式激活信號(hào)1101。然后由振幅調(diào)制器2318，通過(guò)用分階段引入激活信號(hào)對(duì)力轉(zhuǎn)換器塊2316所產(chǎn)生的力命令進(jìn)行振幅調(diào)制，來(lái)產(chǎn)生在輸入裝置108上將分階段引入的振幅經(jīng)調(diào)制的力命令。

使用類似構(gòu)造，圖24作為示例，示出“分階段停止”推動(dòng)塊的框圖。在此情況下，優(yōu)選姿勢(shì)2420由多個(gè)優(yōu)選姿勢(shì)(例如，優(yōu)選姿勢(shì)2401、2403、2405)的加權(quán)平均值產(chǎn)生，使得優(yōu)選姿勢(shì)中的每一個(gè)乘以對(duì)應(yīng)的權(quán)重(例如，權(quán)重2402、2404、2406)，其中所述權(quán)重的和等于“1”。權(quán)重可為固定值，或優(yōu)選為動(dòng)態(tài)值，所以優(yōu)選姿勢(shì)中的一個(gè)或更多個(gè)可在不同時(shí)間、在不同操作模式下或在不同系統(tǒng)條件下占優(yōu)勢(shì)。優(yōu)選姿勢(shì)2420與經(jīng)修改的所命令姿勢(shì)2205之間的差由求和節(jié)點(diǎn)2414計(jì)算。在框2415中去除所述差的非推動(dòng)分量，且將結(jié)果提供給力轉(zhuǎn)換器塊2416，其產(chǎn)生力命令，例如參考圖12的框1203所描述。分階段停止激活信號(hào)由分階段停止信號(hào)發(fā)生器塊2417產(chǎn)生，為的是類似圖11中的正常模式激活信號(hào)1102。然后由振幅調(diào)制器2418，通過(guò)用分階段停止激活信號(hào)對(duì)力轉(zhuǎn)換器塊2416所產(chǎn)生的力命令進(jìn)行振幅調(diào)制，來(lái)產(chǎn)生提供給輸入裝置108且在輸入裝置108上將分階段停止的振幅經(jīng)調(diào)制的力命令。

除本文所述的實(shí)施例之外，認(rèn)識(shí)到通過(guò)其各種技術(shù)的不同組合，可構(gòu)造其它實(shí)施例，且完全預(yù)期所述其它實(shí)施例在本發(fā)明的范圍內(nèi)。尤其，盡管相對(duì)于優(yōu)選和替代實(shí)施例已描述了本發(fā)明的各個(gè)方面，但將理解，本發(fā)明有權(quán)在所附權(quán)利要求書的完整范圍內(nèi)得到完全保護(hù)。