本申請是于2013年2月15日提交的名稱為“使用模式區(qū)分操作員動作的機器人系統(tǒng)操作模式的用戶選擇”的中國專利申請201380008910.8(pct/us2013/026316)的分案申請。

相關(guān)申請的交叉參考

本申請要求美國臨時申請61/599,237(于2012年2月15日提交)的優(yōu)先權(quán)，其通過引用并入此處。

本發(fā)明總體涉及機器人系統(tǒng)，具體地涉及使用模式區(qū)分操作員動作的機器人系統(tǒng)操作模式的用戶選擇。

背景技術(shù)：

機器人系統(tǒng)可以具有若干用戶可選擇的操作模式。用戶可以選擇操作模式的一種方法是通過菜單驅(qū)動的圖形用戶界面(gui)。盡管該類型的模式選擇非常靈活并且適應(yīng)大多數(shù)用戶可選擇的操作模式，但是與gui交互對于用戶來說可能是耗時的。例如，如果用戶的手此時忙于操縱輸入設(shè)備，則可能不方便把手離開一個輸入設(shè)備并將它放在另一個輸入設(shè)備上，例如計算機鼠標(biāo)或觸摸板，從而與gui交互。

用戶可以在若干用戶可選擇的操作模式中選擇操作模式的另一種方法是通過發(fā)出可由語音識別系統(tǒng)識別的語音命令。這種途徑的優(yōu)點是，其相對迅速并且用戶的手不必離開此時正在使用的輸入設(shè)備。然而，該途徑承擔(dān)語音識別系統(tǒng)的附加成本，以及由語音識別系統(tǒng)錯誤識別用戶的口頭命令而產(chǎn)生的可能錯誤。

用戶可以在若干用戶可選擇的操作模式中選擇操作模式的又一種方法是通過激活腳踏板。其優(yōu)點是不要求用戶把手從此時正在使用的輸入設(shè)備移開。然而，當(dāng)存在并非僅僅幾個用戶可選擇的操作模式時，從實現(xiàn)和可用性的角度看，選擇操作模式所需要的腳踏板數(shù)量可能變得令人望而卻步。例如，當(dāng)存在四個用戶可選擇的操作模式并且每一個腳踏板只與一個用戶可選擇的操作模式關(guān)聯(lián)時，需要四個腳踏板。這些腳踏板可容易達(dá)到但它們充分間隔開以避免意外按壓的要求使該途徑令人望而卻步，使得在實踐中僅可以使用兩個或三個踏板。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的一個或多個方面的一個目的是機器人系統(tǒng)以及在其中實現(xiàn)的、有助于用戶選擇操作模式而用戶不必將手從此時正在使用的輸入設(shè)備移開的方法。

本發(fā)明的一個或多個方面的另一個目的是機器人系統(tǒng)以及在其中實現(xiàn)的、有助于用戶以可靠方式選擇機器人系統(tǒng)操作模式的方法。

本發(fā)明的一個或多個方面的另一個目的是機器人系統(tǒng)以及在其中實現(xiàn)的、有助于用戶以適時方式選擇機器人系統(tǒng)操作模式的方法。

本發(fā)明的一個或多個方面的另一個目的是機器人系統(tǒng)以及在其中實現(xiàn)的、有助于用戶以成本節(jié)約方式選擇機器人系統(tǒng)操作模式的方法。

本發(fā)明的一個或多個方面的再一個目的是機器人系統(tǒng)以及在其中實現(xiàn)的、不要求用于選擇操作模式的設(shè)備數(shù)量和機器人系統(tǒng)的可用的用戶可選擇的操作模式數(shù)量之間的一一對應(yīng)的方法。

這些目的和附加目的通過本發(fā)明的各個方面實現(xiàn)，其中簡要地說，一個方面是可在多個操作模式中操作的機器人系統(tǒng)。機器人系統(tǒng)包括：一個或多個輸入設(shè)備，其用于多個操作模式中的每一個；以及處理器，其被配置為通過確定已經(jīng)以區(qū)分選定的操作模式的方式操縱一個或多個輸入設(shè)備，由此在多個操作模式中選擇操作模式。

另一個方面是用于選擇機器人系統(tǒng)的多個操作模式中的一個操作模式的方法。該方法包括：通過確定已經(jīng)以區(qū)分選定的操作模式的方式操縱用于多個操作模式中的每一個操作模式的一個或多個輸入設(shè)備，由此在多個操作模式中選擇操作模式。

本發(fā)明的各個方面的其他目的、特征和優(yōu)點將從下面結(jié)合附圖的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的描述中變得顯而易見。

附圖說明

圖1示出采用利用本發(fā)明多方面的醫(yī)療機器人系統(tǒng)的操作室的俯視圖。

圖2示出利用本發(fā)明多方面的醫(yī)療機器人系統(tǒng)中的入口導(dǎo)向器的遠(yuǎn)端的透視圖，其中鉸接器械延伸出入口導(dǎo)向器的遠(yuǎn)端。

圖3示出利用本發(fā)明多方面的在醫(yī)療機器人系統(tǒng)中有用的入口導(dǎo)向器的橫截面視圖。

圖4示出利用本發(fā)明多方面的在醫(yī)療機器人系統(tǒng)中安裝在耦合到機器人臂組件的平臺上的鉸接器械組件的透視圖。

圖5示出利用本發(fā)明多方面的在醫(yī)療機器人系統(tǒng)中可用的控制臺的前視圖。

圖6示出利用本發(fā)明多方面的在醫(yī)療機器人系統(tǒng)中用于控制和選擇性關(guān)聯(lián)設(shè)備操縱器到一對輸入設(shè)備的部件的方框圖。

圖7示出利用本發(fā)明多方面的在醫(yī)療機器人系統(tǒng)中所使用的左輸入設(shè)備和右輸入設(shè)備的參考系以及定義在輸入設(shè)備之間的設(shè)定點。

圖8示出利用本發(fā)明多方面的在醫(yī)療機器人系統(tǒng)中所使用的入口導(dǎo)向器連同遠(yuǎn)程中心參考系和四個自由度移動的透視圖。

圖9示出利用本發(fā)明多方面的用于選擇機器人系統(tǒng)的多個操作模式中的一個操作模式的方法的流程圖。

圖10示出利用本發(fā)明多方面的用于選擇機器人系統(tǒng)的多個操作模式中的一個操作模式的替換方法的流程圖。

圖11示出利用本發(fā)明多方面的在機器人系統(tǒng)中顯示在顯示屏上以便指示攝像機操作模式的模式區(qū)分動作的圖形指示。

圖12示出利用本發(fā)明多方面的在機器人系統(tǒng)中顯示在顯示屏上以便指示組合控制操作模式的模式區(qū)分動作的圖形指示。

具體實施方式

盡管醫(yī)療機器人系統(tǒng)在本文中被描述為機器人系統(tǒng)的示例，但是應(yīng)當(dāng)理解，本文中所要求保護(hù)的發(fā)明的各個方面并非限于這些類型的機器人系統(tǒng)。

圖1示出操作室的俯視圖，在操作室中外科醫(yī)生(“s”)正在采用醫(yī)療機器人系統(tǒng)100來對患者(“p”)執(zhí)行醫(yī)療程序。在該情況下，醫(yī)療機器人系統(tǒng)是微創(chuàng)機器人外科手術(shù)(mirs)系統(tǒng)，其包括當(dāng)患者在操作臺52上時，外科醫(yī)生在一個或多個助手(“a”)的幫助下對患者執(zhí)行微創(chuàng)診斷或外科手術(shù)程序時所利用的控制臺51。

多個鉸接器械由入口導(dǎo)向器(eg)200經(jīng)單個入口孔61引入到患者體內(nèi)的作業(yè)部位?？?1可以是微創(chuàng)切口或人體天然孔口。入口導(dǎo)向器200是圓柱結(jié)構(gòu)，其通過機器人臂組件2514(本文也簡稱為“機器人臂”)保持或操縱。機器人臂2514包括設(shè)置臂和入口導(dǎo)向器操縱器。設(shè)置臂用于將入口導(dǎo)向器200定位在孔61，使得樞軸點在孔處出現(xiàn)。附接到機器人臂2514的遠(yuǎn)端的是平臺2512，平臺2512上安裝有器械組件2516，使得它們各自的器械可以延伸通過入口導(dǎo)向器200。每一個器械組件包括鉸接器械及其器械操縱器。

作為示例，圖2示出入口導(dǎo)向器200的透視圖，其中諸如鉸接外科手術(shù)工具器械231(tool1)、241(tool2)(本文也簡稱為“工具”)的鉸接器械以及鉸接立體攝像機器械211(cam)(本文也簡稱為“攝像機”)延伸出其遠(yuǎn)端。攝像機器械211具有容納在其頂端的一對立體圖像捕捉設(shè)備311、312和光維電纜313(在其近端耦合到光源)。外科手術(shù)工具231、241具有末端執(zhí)行器(endeffector)331、341。盡管僅示出了兩個工具231、241，但是入口導(dǎo)向器200可以根據(jù)在患者體內(nèi)的作業(yè)部位執(zhí)行醫(yī)療程序的需要引導(dǎo)附加工具。例如，如圖3中入口導(dǎo)向器200的橫截面視圖所示，通道351可用于將另一個鉸接外科手術(shù)工具延伸通過入口導(dǎo)向器200并通過其遠(yuǎn)端延伸出。通道431、441分別由鉸接外科手術(shù)工具器械231、241使用，并且通道321用于鉸接攝像機器械211。

每個鉸接器械包括多個可致動接頭以及耦合到這些接頭的多個連桿。作為示例，第二鉸接器械241包括：第一連桿322、第二連桿324和第三連桿326；第一接頭323和第二接頭325；以及肘節(jié)接頭327。第一接頭323耦合第一連桿322和第二連桿324，并且第二接頭325耦合第二連桿324和第三連桿326，使得第二連桿324可以以俯仰(pitch)292和偏轉(zhuǎn)(yaw)293繞第一接頭323樞轉(zhuǎn)，而第一連桿322和第三連桿326保持彼此平行?？梢灶愃频貥?gòu)造和操作其他工具和攝像機器械231、251、211。

作為示例，圖4示出安裝在機器人臂2514的遠(yuǎn)端處的平臺2512上的鉸接器械組件2516。入口導(dǎo)向器200附接到平臺2512，使得入口導(dǎo)向器200(連同平臺2512)可以由入口導(dǎo)向器操縱器操縱。每個鉸接器械組件包括鉸接器械及其器械操縱器。例如，示例性鉸接器械2502a被安裝在致動器組件2504上，該致動器組件包括用于致動鉸接器械的接頭的多個致動器。器械2502a具有延伸通過其致動器組件2504并進(jìn)入入口導(dǎo)向器200的鏡筒2506。致動器組件2504被安裝到線性致動器2510(例如，伺服控制的導(dǎo)螺桿和螺母組件或滾珠螺桿和螺母組件)，該線性致動器控制鏡筒2506插入入口導(dǎo)向器200以及從入口導(dǎo)向器200收回鏡筒2506。在該情況下，器械操縱器2520包括致動器組件2504和線性致動器2510。在器械2502a是鉸接器械241的情況下，鏡筒2506的遠(yuǎn)端是圖2中所示的第一連桿322。第二器械2502b安裝有所示的類似機構(gòu)。另外，可以類似地安裝鉸接攝像機器械。

作為示例，圖5示出控制臺51的前視圖?？刂婆_51具有左輸入設(shè)備(mtml)41和右輸入設(shè)備(mtmr)42，用戶可以用他/她的左手和右手分別抓住左輸入設(shè)備41和右輸入設(shè)備42，從而以多自由度(“dof”)操縱關(guān)聯(lián)的設(shè)備，例如入口導(dǎo)向器和鉸接器械。控制臺51上提供了具有腳趾和腳后跟控件的腳踏板44、48?？刂婆_51內(nèi)提供了處理器43，用于控制以及本文所描述的其它目的。也提供具有左目鏡46和右目鏡47的立體視覺顯示器45，用于所顯示的立體圖像，這些圖像產(chǎn)生于由立體攝像機器械211捕捉并由處理器43處理的圖像。在立體視覺顯示器45上顯示的立體視圖可以對應(yīng)于由攝像機器械211捕捉的圖像，或者其可以是數(shù)字改變的視圖，以適應(yīng)外科醫(yī)生偏好和/或提供給外科醫(yī)生遠(yuǎn)程呈現(xiàn)。

處理器43在醫(yī)療機器人系統(tǒng)中執(zhí)行各種功能。其執(zhí)行的一個重要功能是經(jīng)由總線110通過控制信號轉(zhuǎn)換并傳遞輸入設(shè)備41、42的機械運動，以命令它們關(guān)聯(lián)的操縱器內(nèi)的致動器致動它們各自的接頭，使得外科醫(yī)生可以有效地操縱設(shè)備，例如工具器械231、241、攝像機器械211和入口導(dǎo)向器200。另一個功能是執(zhí)行本文所描述的各種方法以及實現(xiàn)各種控制器和交叉耦合的控制邏輯。

盡管被描述為處理器，但是應(yīng)當(dāng)理解，處理器43可以通過硬件、軟件和固件的任何組合實現(xiàn)。而且，本文所描述的它的功能可以由一個單元執(zhí)行，或者被劃分在不同部件中，每一個部件可以繼而由硬件、軟件和固件的任何組合實現(xiàn)。進(jìn)一步地，盡管被示為控制臺51的一部分，但是處理器43還可以包括分布在整個系統(tǒng)的數(shù)個子單元。

題為“minimallyinvasivesurgicalsystem”的美國公開us2008/0065108al(通過引用并入此處)提供關(guān)于醫(yī)療機器人系統(tǒng)(例如，醫(yī)療機器人系統(tǒng)100)的附加細(xì)節(jié)。

諸如醫(yī)療機器人系統(tǒng)100的機器人系統(tǒng)可以在多個操作模式中操作。以下參考圖6至圖8描述了醫(yī)療機器人系統(tǒng)100的若干此類操作模式，并且以下參考圖9至圖12描述了用于在機器人系統(tǒng)的多個操作模式中選擇操作模式的方法的示例。

作為示例，圖6示出用于在各種操作模式中控制設(shè)備操縱器(和它們各自的設(shè)備)并且將它們選擇性關(guān)聯(lián)到輸入設(shè)備41、42的部件的方框圖。諸如抓鉗、刀具和針的外科手術(shù)工具可以用于在患者體內(nèi)的作業(yè)部位處執(zhí)行醫(yī)療程序。在該示例中，兩個外科手術(shù)工具231、241用于機器人式地執(zhí)行程序，并且攝像機211用于觀察程序。工具231、241和攝像機211通過入口導(dǎo)向器200內(nèi)的通道插入。如參考圖1所描述的，利用機器人臂組件2514的設(shè)置部分，入口導(dǎo)向器200通過入口孔61插入患者體內(nèi)，并且機器人臂組件2514的入口導(dǎo)向器操縱器(egm)202可以將入口導(dǎo)向器200朝著將要執(zhí)行醫(yī)療程序的作業(yè)部位操控。設(shè)備231、241、211、200中的每個由其自己的操縱器操縱。具體地，攝像機211由攝像機操縱器(ecm)212操縱，第一外科手術(shù)工具231由第一器械操縱器(psm1)232操縱，第二外科手術(shù)工具241由第二器械操縱器(psm2)242操縱，并且入口導(dǎo)向器200由入口導(dǎo)向器操縱器(egm)202操縱。

器械操縱器232、242、212中的每個是如下機械組件，其承載致動器并提供機械的無菌接口以將運動傳輸?shù)狡涓髯缘你q接器械。每個器械231、241、211是如下機械組件，其接收來自其操縱器的運動并且通過電纜傳輸將該運動傳送到遠(yuǎn)端鉸接(例如，接頭)。這些接頭可以是棱柱的(例如，線性運動)或旋轉(zhuǎn)的(例如，它們繞機械軸樞轉(zhuǎn))。此外，器械可以具有迫使多個接頭以預(yù)定方式一起移動的內(nèi)部機械約束件(例如，電纜、齒輪、凸輪和傳送帶等)。每組機械約束的接頭實現(xiàn)特定的運動軸，并且約束件可以被設(shè)計為與旋轉(zhuǎn)接頭(例如，嚙合關(guān)節(jié))配對。還應(yīng)注意的是，以這種方式，器械可以具有比可用致動器更多的接頭。

輸入設(shè)備41、42中的每個可以選擇性地與設(shè)備211、231、241、200中的一個關(guān)聯(lián)，使得關(guān)聯(lián)的設(shè)備可以通過其控制器和操縱器由輸入設(shè)備控制。操作員可以使用本文所描述的腳踏板44、48中的一個或兩者以及本文所描述的其他部件和方法執(zhí)行這種選擇。對于每個這種選擇，產(chǎn)生選擇輸入并將其提供到多路復(fù)用器(mux)280，多路復(fù)用器也優(yōu)選地由處理器43實現(xiàn)。根據(jù)選擇輸入所提供的值(即，l和0的組合)的不同，交叉轉(zhuǎn)換的不同組合是可選擇的。

作為第一示例，到mux280的選擇輸入的第一值將左輸入設(shè)備41和右輸入設(shè)備42置于“工具跟蹤”操作模式，其中左輸入設(shè)備41和右輸入設(shè)備42分別與第一外科手術(shù)工具241和第二外科手術(shù)工具231關(guān)聯(lián)。因此，在該操作模式下，工具231、241由外科醫(yī)生操縱輸入設(shè)備41、42，通過它們各自的控制器243(ctrl2)、233(ctrl1)和操縱器242、232被遠(yuǎn)程機器人式控制，以便當(dāng)導(dǎo)向器200通過其控制器213(ctrlc)軟鎖定在適當(dāng)位置(inplace)時，在患者體內(nèi)的作業(yè)部位對解剖結(jié)構(gòu)執(zhí)行醫(yī)療程序。攝像機211也可以通過其控制器213軟鎖定在適當(dāng)位置，或者替換地，其可以移動以自動追蹤工具231、241的末端執(zhí)行器331、341的移動，使得末端執(zhí)行器保持在攝像機的視野內(nèi)。在該配置中，mux280交叉轉(zhuǎn)換以：將輸入設(shè)備41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；以及將輸入設(shè)備42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。以這種方式，輸入設(shè)備41、42可以命令工具241、231的移動，并從它們各自的控制器243、233接收觸覺反饋。

當(dāng)外科醫(yī)生要重新定位攝像機211或入口導(dǎo)向器200時，左輸入設(shè)備41和右輸入設(shè)備42中的一個或兩者可以與攝像機211或入口導(dǎo)向器200關(guān)聯(lián)，使得外科醫(yī)生可以通過其各自的控制器(213或203(ctrlg))和操縱器(212或202)移動攝像機211或入口導(dǎo)向器200。在該情況下，外科手術(shù)工具231、241中不關(guān)聯(lián)的一個或多個通過其控制器鎖定在相對于入口導(dǎo)向器200的適當(dāng)位置。

作為第二示例，到mux280的選擇輸入的第二值將左輸入設(shè)備41和右輸入設(shè)備42中的一個置于單手?jǐn)z像機控制模式(本文中簡稱為“攝像機”操作模式)，其中輸入設(shè)備與攝像機211關(guān)聯(lián)。因此，在該模式下，攝像機器械211由外科醫(yī)生操縱關(guān)聯(lián)的輸入設(shè)備，通過其控制器213和操縱器212被遠(yuǎn)程機器人式控制，以便當(dāng)外科手術(shù)工具231、241和入口導(dǎo)向器200通過其各自的控制器233、243、203軟鎖定在適當(dāng)位置時，擺正(pose)攝像機211的位置。在該配置中，假定輸入設(shè)備41要與攝像機211關(guān)聯(lián)，mux280交叉轉(zhuǎn)換以將輸入設(shè)備41的輸出251和輸入252分別連接到攝像機控制器213的輸入262和輸出263。以這種方式，輸入設(shè)備41可以命令鉸接攝像機器械211的移動，并從其控制器213接收觸覺反饋。另一個輸入設(shè)備42此時可以與另一個設(shè)備關(guān)聯(lián)，或此時不與任何其它設(shè)備關(guān)聯(lián)。在后者的情況下，可以不使用輸入設(shè)備42并優(yōu)選地將其鎖定在適當(dāng)位置，或者替換地，其可以用于執(zhí)行特定的功能，例如計算機鼠標(biāo)。

作為第三示例，到mux280的選擇輸入的第三值將左輸入設(shè)備41和右輸入設(shè)備42置于“雙手入口導(dǎo)向器定位模式”(本文簡稱為“入口導(dǎo)向器”操作模式)，其中它們作為一對輸入設(shè)備與入口導(dǎo)向器200關(guān)聯(lián)。因此，在該模式下，入口導(dǎo)向器200由外科醫(yī)生操縱輸入設(shè)備41、42，通過其控制器203和操縱器202被遠(yuǎn)程機器人式控制，以便當(dāng)外科手術(shù)工具231、241和攝像機211通過其各自的控制器233、243、213軟鎖定在相對于入口導(dǎo)向器200的適當(dāng)位置時，擺正(即，定位和定向)入口導(dǎo)向器200的位置。在該情況下，輸入設(shè)備41、42可以協(xié)力用于控制入口導(dǎo)向器200，例如使用“虛擬手把”圖像參考控制技術(shù)，在該技術(shù)中，輸入設(shè)備41、42的樞軸點之間的中間點用于控制攝像機器械211的移動。在該配置中，mux280交叉轉(zhuǎn)換以：將輸入設(shè)備41的輸出251和輸入252分別連接到入口導(dǎo)向器控制器203的輸入265和輸出266；并且還將輸入設(shè)備42的輸出253和輸入254分別連接到入口導(dǎo)向器控制器203的輸入265和輸出266。入口導(dǎo)向器控制器203包括將分別來自輸入設(shè)備41、42的輸入251、253進(jìn)行組合以實現(xiàn)以下參考圖7至圖8如本文所描述的“入口導(dǎo)向器”操作模式。

作為示例，圖7示出輸入設(shè)備41、42的可移動參考系。具體地，具有在左手輸入設(shè)備41頂端處的原點702的笛卡爾坐標(biāo)系xlm、ylm、zlm定義與左手輸入設(shè)備41關(guān)聯(lián)的第一可移動參考系，并且具有在右手輸入設(shè)備42頂端處的原點712的笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)xrm、yrm、zrm定義與右手輸入設(shè)備42關(guān)聯(lián)的第二可移動參考系。在該情況下，每個輸入設(shè)備還具有由其用戶手動握住的夾子。具體地，輸入設(shè)備41具有夾子701且輸入設(shè)備42具有夾子710。在單個設(shè)備操作中，例如在如上所描述的“工具跟蹤”和“攝像機”操作模式中，夾子的移動導(dǎo)致相對于固定參考系的輸入設(shè)備的頂端參考系的移動，并且導(dǎo)致相對于入口導(dǎo)向器200的樞軸點的關(guān)聯(lián)設(shè)備的對應(yīng)移動。在該情況下，固定參考系被定義在控制臺51的立體視覺顯示器45處，其中x軸和y軸在立體圖像的平面內(nèi)，而z軸對應(yīng)于圖像的深度。

圖8示出簡化的(不按比例的)入口導(dǎo)向器200的透視圖。入口導(dǎo)向器200的形狀為大致圓柱形并且具有沿其長度在中心伸展的縱向軸x′。入口導(dǎo)向器200的樞軸點(也稱為遠(yuǎn)程中心(rc))用作具有如圖所示的x、y和z軸的固定參考系以及具有如圖所示的x′、y′和z′軸的入口導(dǎo)向器參考系兩者的原點。如先前所描述的，機器人臂2514的設(shè)置臂保持并定位入口導(dǎo)向器200，使得入口導(dǎo)向器200的遠(yuǎn)程中心在患者的入口孔61處。

當(dāng)系統(tǒng)100處于“入口導(dǎo)向器”操作模式時，輸入設(shè)備41、42將通過外科醫(yī)生以特定的方式移動，以命令入口導(dǎo)向器200的移動。具體地，當(dāng)期望入口導(dǎo)向器200(以及此時設(shè)置在其內(nèi)的鉸接器械)以偏轉(zhuǎn)角ψ繞處于遠(yuǎn)程中心“rc”處的z軸(其在空間中保持固定)樞轉(zhuǎn)時，外科醫(yī)生以相同的方向?qū)⑤斎朐O(shè)備41、42兩者的夾子移動到右邊或左邊，這取決于入口導(dǎo)向器200所旋轉(zhuǎn)的方向(例如，如果到左邊則順時針方向，如果到右邊則逆時針方向)。當(dāng)期望入口導(dǎo)向器200(以及此時設(shè)置在其內(nèi)的鉸接器械)以俯仰角θ繞y′軸(其正交于入口導(dǎo)向器200的縱向軸x′)樞轉(zhuǎn)時，外科醫(yī)生以相同的方向向上或向下移動輸入設(shè)備41、42兩者的夾子，使得當(dāng)夾子701、710兩者上移時，入口導(dǎo)向器200的遠(yuǎn)端下俯，以及當(dāng)夾子701、710兩者下移時，入口導(dǎo)向器200的遠(yuǎn)端上仰。當(dāng)期望入口導(dǎo)向器200(以及此時設(shè)置在其內(nèi)的鉸接器械)以滾動角φ繞其縱向軸x′樞轉(zhuǎn)時，外科醫(yī)生向上移動一個輸入設(shè)備的夾子，同時向下移動另一個輸入設(shè)備的夾子，所以夾子繞在輸入設(shè)備41、42的可移動參考系的原點702、712的中間的樞軸點720樞轉(zhuǎn)。最后，當(dāng)期望入口導(dǎo)向器200以插入/收回或進(jìn)/出“i/o”方向沿其縱向軸x′線性移動時，外科醫(yī)生以相同的方向向前或向后移動輸入設(shè)備41、42兩者的夾子，使得當(dāng)兩個夾子向前移動時，入口導(dǎo)向器200以插入方向向前移動，以及當(dāng)兩個夾子向后移動時，入口導(dǎo)向器200以收回方向向后移動。

除了上述三種操作模式外，到mux280的選擇輸入的第四值將左輸入設(shè)備41和右輸入設(shè)備42置于第四操作模式(本文簡稱為“組合(combo)控制”操作模式)，其中入口導(dǎo)向器200通過輸入設(shè)備41、42按先前參考“入口導(dǎo)向器”操作模式所描述的協(xié)力移動而被移動。然而，在該模式下，器械231、241的末端執(zhí)行器331、341通過它們各自的控制器233、243錨定在適當(dāng)位置(即，在全局(world)參考系中保持在相同位置和定向)。為了做到這一點，器械控制器233、243命令它們各自的器械操縱器232、242以適當(dāng)方式致動它們各自的鉸接接頭(例如，器械241的鉸接接頭323、325、327)，以在入口導(dǎo)向器200移動時適應(yīng)器械的末端執(zhí)行器331、341在適當(dāng)位置的這種錨定。當(dāng)處于“入口導(dǎo)向器”操作模式時，攝像機控制器213命令攝像機操縱器212將攝像機211可致動接頭軟鎖定在適當(dāng)位置，使得攝像機211的圖像捕捉末端可以隨著入口導(dǎo)向器200重新定向而重新定向。在該配置中，mux280交叉轉(zhuǎn)換以：將輸入設(shè)備41的輸出251和輸入252分別連接到入口導(dǎo)向器控制器203的輸入265和輸出266；并且還將輸入設(shè)備42的輸出253和輸入254分別連接到入口導(dǎo)向器控制器203的輸入265和輸出266。入口導(dǎo)向器控制器203包括將分別來自輸入設(shè)備41、42的輸入251、253進(jìn)行組合以實現(xiàn)“入口導(dǎo)向器”操作模式的邏輯。在入口導(dǎo)向器控制器203和器械控制器243、233之間耦合的控制邏輯命令器械控制器243、233命令它們各自的器械操縱器232、242以適當(dāng)?shù)姆绞街聞铀鼈兏髯缘你q接接頭，以在入口導(dǎo)向器200移動時適應(yīng)器械的末端執(zhí)行器331、341在適當(dāng)位置的錨定。

題為“medicalroboticsystemwithcoupledcontrolmodes”的美國公開2010/0274087al(通過引用并入此處)提供醫(yī)療機器人系統(tǒng)(例如，醫(yī)療機器人系統(tǒng)100)中的耦合控制模式的附加細(xì)節(jié)。

圖9示出用于選擇機器人系統(tǒng)的操作模式的由機器人系統(tǒng)中的處理器實施的方法的流程圖。在方框801中，機器人系統(tǒng)處于當(dāng)前操作模式。作為示例，當(dāng)前操作模式可以是機器人系統(tǒng)的正常操作模式，例如用于對患者的解剖結(jié)構(gòu)執(zhí)行醫(yī)療程序的“工具跟蹤”操作模式。

在方框802中，該方法確定是否已經(jīng)激活模式切換器，例如控制臺51的右腳踏板44，在該情況下，當(dāng)外科醫(yī)生用腳壓下它時，模式切換器被激活。模式切換器的其它示例包括輸入設(shè)備41、42上的可壓按鈕，以及到語音識別系統(tǒng)的語音命令。如果方框802中的確定為“否”，則方法循環(huán)回到方框801并保持機器人系統(tǒng)在當(dāng)前操作模式。另一方面，如果方框802中的確定為“是”，則在方框803中，該方法將機器人系統(tǒng)置于第一操作模式(本文稱為默認(rèn)操作模式)，例如“組合控制”操作模式。優(yōu)選地，默認(rèn)操作模式是此時可用于選擇的用戶可選擇的操作模式中最常選擇的操作模式。通過使該操作模式成為默認(rèn)操作模式，系統(tǒng)通常會以期望的操作模式操作而無進(jìn)一步處理延遲。

在方框804中，該方法等待直到其檢測到通過系統(tǒng)用戶操縱一個或多個輸入設(shè)備(例如，控制臺51的可手動操縱的輸入設(shè)備41、42)而采取的一些動作。在檢測到已經(jīng)采取動作之后，該方法確定該動作是否為第二操作模式(例如，“攝像機”操作模式)的區(qū)分動作。術(shù)語“區(qū)分動作”意思是唯一識別與此時所考慮的其他操作模式(其包括機器人系統(tǒng)目前正操作的操作模式)相反/不同的操作模式的動作。具體地，其為用在所選擇的操作模式中的而不是用在此時可用于選擇的任何其他操作模式中的、由系統(tǒng)用戶在輸入設(shè)備41、42中的一個或兩個上執(zhí)行的操縱動作。當(dāng)“攝像機”操作模式和“組合控制”操作模式是此時唯一可用于選擇的操作模式時，圖11和圖12中分別示出用于這兩個操作模式的區(qū)分動作的示例。如果方框804中的確定為“是”，則在方框805中，該方法將機器人系統(tǒng)置于第二操作模式。另一方面，如果方框804中的確定為“否”，則該方法返回到方框802。

當(dāng)在第二操作模式中操作時，在方框806中，該方法確定模式切換器是否仍是激活的。如果方框806中的確定為“否”，則該方法循環(huán)回到方框802。另一方面，如果方框806中的確定為“是”，則在方框807中，該方法等待直到其檢測到通過系統(tǒng)用戶操縱一個或多個輸入設(shè)備(例如，控制臺51的可手動操縱輸入設(shè)備41、42)而采取的一些動作。在檢測到已經(jīng)采取動作之后，該方法確定該動作是否為第三操作模式的區(qū)分動作。如果方框807中的確定為“是”，則該方法將機器人系統(tǒng)置于第三操作模式。另一方面，如果方框807中的確定為“否”，則該方法循環(huán)回到方框805以保持機器人系統(tǒng)在第二操作模式。當(dāng)在第三操作模式中操作時，在方框809中，該方法確定模式切換器是否仍是激活的。如果方框809中的確定為“否”，則該方法循環(huán)回到方框802。另一方面，如果方框809中的確定為“是”，則該方法循環(huán)回到方框808以保持機器人系統(tǒng)在第三操作模式。

注意，在上述方法中，為了恢復(fù)到先前操作模式，必須釋放模式切換器或?qū)ζ浣獬せ?，使得該方法在進(jìn)行到期望的操作模式之前可以一直循環(huán)回到方框802。例如，如果機器人系統(tǒng)此時以第三操作模式操作，而系統(tǒng)用戶期望恢復(fù)到第二操作模式，則系統(tǒng)用戶必須首先釋放模式切換器，所以該方法跳回到方框802。系統(tǒng)用戶必須接著重新激活模式切換器并執(zhí)行參考方框804所描述的區(qū)分第二操作模式的動作。

作為示例，圖10示出用于選擇機器人系統(tǒng)的操作模式的由機器人系統(tǒng)中的處理器所實施的替換方法的流程圖。該替換方法修改圖9的方法，以有助于恢復(fù)到先前操作模式，而不必一直循環(huán)回到方框802。在該方法中，方框801-809以與參考圖9所述的方式大致相同的方式執(zhí)行，但有以下例外。

作為第一例外，如果方框807中的確定為“否”，則在方框911中，該方法等待直到其檢測到由操縱一個或多個輸入設(shè)備(例如，控制臺51的可手動操縱輸入設(shè)備41、42)的系統(tǒng)用戶采取的一些動作，而不是直接循環(huán)回到方框805。在檢測到已經(jīng)采取動作之后，該方法確定該動作是否為第一操作模式的區(qū)分動作。如果方框911中的確定為“是”，則該方法跳回到方框803并將機器人系統(tǒng)置于第一操作模式。另一方面，如果方框911中的確定為“否”，則該方法循環(huán)回到方框805以保持機器人系統(tǒng)在第二操作模式。

作為第二例外，如果方框809中的確定為“是”，則在方框912中，該方法等待直到其檢測到由操縱一個或多個輸入設(shè)備(例如，控制臺51的可手動操縱輸入設(shè)備41、42)的系統(tǒng)用戶采取的一些動作，而不是直接循環(huán)回到方框808。在檢測到已經(jīng)采取動作之后，該方法確定該動作是否為第二操作模式的區(qū)分動作。如果方框912中的確定為“是”，則該方法跳回到方框805并將機器人系統(tǒng)置于第二操作模式。另一方面，如果方框912中的確定為“否”，則該方法進(jìn)行到方框914。在方框914中，該方法確定該動作是否為第一操作模式的區(qū)分動作。如果方框914中的確定為“是”，則該方法跳回到方框803并將機器人系統(tǒng)置于第一操作模式。另一方面，如果方框914中的確定為“否”，則該方法循環(huán)回到方框808以保持機器人系統(tǒng)在第三操作模式。

在如參考圖9所描述的方法的情況下，任何時候確定已經(jīng)對模式切換器解除了激活(即，模式切換器不再是激活的)，該方法就返回到方框802。作為對方框802、806和809中所作確定的替換，模式切換器的釋放或解除激活可以用作將方法的處理自動返回到對應(yīng)于圖9和圖10中方框801的處理點的系統(tǒng)中斷。

值得指出的是，當(dāng)“組合控制”操作模式或“攝像機”操作模式為上述方法中的默認(rèn)操作模式時，由于在這兩個操作模式中，末端執(zhí)行器由它們各自的控制器保持在適當(dāng)位置，因此系統(tǒng)用戶不經(jīng)意移動一個或多個輸入設(shè)備將不會導(dǎo)致無意地移動工具231、241的末端執(zhí)行器331、341。因此，在這兩個操作模式中，末端執(zhí)行器331、341的不經(jīng)意移動擊打在作業(yè)部位處的物體不是所關(guān)注的問題。

到目前為止，在本發(fā)明的各種實施例的描述中，假定了系統(tǒng)用戶知道哪些用戶可選擇的操作模式此時可用于選擇以及用于可用的用戶可選擇的操作模式中的每一個的至少一個區(qū)分動作。然而，在實踐中，不是所有系統(tǒng)用戶都具有該知識。當(dāng)他們的注意力集中在使用機器人系統(tǒng)執(zhí)行程序時，即使有經(jīng)驗的用戶也可能不容易記起這樣的信息。因此，優(yōu)選地，處理器43被配置為在顯示器45上提供這種信息的圖形指示，以幫助系統(tǒng)用戶結(jié)合參考圖9和圖10所描述的方法為機器人系統(tǒng)選擇操作模式。

優(yōu)選地，參考圖9和圖10所描述的方法在方框804、807、911、912和914中所執(zhí)行的它們各自的確定中采用常規(guī)閾值水平和/或低通濾波器，以防止用戶不經(jīng)意移動一個或多個輸入設(shè)備導(dǎo)致操作模式的無意選擇。當(dāng)閾值水平被包括到這些方框中所做的確定時，隨著用戶移動一個或多個輸入設(shè)備，該方法還優(yōu)選地提供給用戶感覺反饋，作為在這些方框中所采取動作的一部分，以便執(zhí)行區(qū)分動作。以這種方式，用戶知道此時他或她離閾值水平多近。這種感覺反饋可以采取控制臺51的立體顯示器45上的視覺反饋、控制臺51的立體聲揚聲器411、412上的音頻反饋、以及控制臺51的輸入設(shè)備41、42上的觸覺反饋中的任何一個或任何組合的形式。作為一個示例，當(dāng)提供輸入設(shè)備41、42上的觸覺反饋時，這種反饋可以隨一個或多個輸入設(shè)備41、42的操縱接近閾值水平而在強度上增加。作為另一個示例，當(dāng)在立體聲揚聲器411、412上提供音頻反饋時，可以隨一個或多個輸入設(shè)備41、42的操縱接近閾值水平提供似乎更靠近用戶或僅僅變得更大聲的立體聲音。

圖11和圖12示出可以在機器人系統(tǒng)的顯示屏(例如，醫(yī)療機器人系統(tǒng)100的立體視覺顯示器45)上提供的圖形信息的示例，以幫助系統(tǒng)用戶結(jié)合本文所描述的方法選擇操作模式。盡管在分開的圖中示出，但是優(yōu)選地，此時可用于用戶選擇的所有操作模式一起被顯示在立體視覺顯示器45上，使得用戶知道哪些操作模式是此時用戶可選擇的。

具體地，圖11示出右輸入設(shè)備42的右夾子710的圖形表示710′和指示右夾子710可以如何移動的圖形指示1300，以便當(dāng)用戶可選擇的操作模式由“攝像機”操作模式和“組合控制”操作模式組成時，執(zhí)行用于“攝像機”操作模式的區(qū)分動作。在該示例中，用于“攝像機”操作模式的區(qū)分動作是右夾子710繞其軸xrm的旋轉(zhuǎn)，其為不在“組合控制”操作模式中執(zhí)行的動作，因此將其與“組合控制”模式區(qū)分開。

盡管圖11中引用了右夾子，但是系統(tǒng)用戶可以實際在左夾子或右夾子上執(zhí)行區(qū)分動作。在一個實施例中，右夾子710的旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致右輸入設(shè)備42與攝像機移動的控制關(guān)聯(lián)，而左夾子701的旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致左輸入設(shè)備41與攝像機移動的控制關(guān)聯(lián)。在另一個實施例中，右夾子或左夾子的旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致預(yù)選的輸入設(shè)備與攝像機移動的控制關(guān)聯(lián)。在該情況下，預(yù)選可以通過系統(tǒng)用戶與圖形用戶界面或本文描述的或在機器人系統(tǒng)中常用的任何其他用戶/系統(tǒng)交互裝置交互而執(zhí)行。

圖12示出左輸入設(shè)備41的夾子701的圖形表示701′和右輸入設(shè)備42的夾子710的圖形表示710′，以及指示輸入設(shè)備41的夾子701和輸入設(shè)備的夾子42的夾子710可以如何移動的圖形指示1400、1500，以便當(dāng)用戶可選擇的操作模式由“攝像機”操作模式和“組合控制”操作模式組成時，執(zhí)行用于“組合控制”操作模式的區(qū)分動作。在該示例中，用于“組合控制”操作模式的區(qū)分動作是夾子701、710兩者在向上方向上的移動，其不是例如在“攝像機”操作模式中執(zhí)行的動作，因此將其與“攝像機”模式區(qū)分開。

圖11中的圖形指示1300包括指示閾值的目標(biāo)1302，以及指示一個或多個輸入設(shè)備的用戶的操縱離閾值有多靠近或接近的箭頭1301。同樣地，圖12中的圖形指示1400、1500包括指示閾值的目標(biāo)1402、1502，以及指示一個或多個輸入設(shè)備的用戶的操縱離閾值多靠近的箭頭1401、1501。盡管圖中所示的箭頭指示已經(jīng)達(dá)到閾值，但是應(yīng)當(dāng)理解，箭頭將從首先確定指示特性動作的移動的時間點以及這種移動達(dá)到在圖9和圖10的方框804、807、911、912和914中為它們各自的操作模式所確定的閾值的時間點逐漸變得更長。

圖11和圖12中所示的區(qū)分動作可以表示系統(tǒng)用戶可以采取的以進(jìn)入指示的操作模式的建議動作，或者其可以表示系統(tǒng)用戶可以采取的以進(jìn)入指示的操作模式的唯一動作。在前者情況下，系統(tǒng)被編程為響應(yīng)任何區(qū)分動作(相對此時可用于選擇的所有用戶可選擇的操作模式)以進(jìn)入指示的操作模式。該選項可以適合于有經(jīng)驗的系統(tǒng)用戶，他們熟知此時可用于用戶選擇的操作模式的合適的區(qū)分動作。在后者情況下，系統(tǒng)被編程為響應(yīng)此時在立體視覺顯示器45上示出的唯一區(qū)分動作，以進(jìn)入指示的操作模式。該選項可以適合于無經(jīng)驗的系統(tǒng)用戶，他們?nèi)狈δ切﹦幼鲗⒈徽J(rèn)為是用于可用操作模式的區(qū)分動作的了解，并且因此可能對不經(jīng)意進(jìn)入無意的操作模式感到驚訝。

注意，對于可用的操作模式的不同組合，用于選擇操作模式的區(qū)分動作可以不同。在圖11和圖12的示例中，可用的操作模式為“攝像機”操作模式和“組合控制”操作模式。然而，如果可用的操作模式僅包括“工具跟蹤”操作模式和“攝像機”操作模式，則用于“攝像機”操作模式的指示動作將不會將其與在“工具跟蹤”操作模式中可能采用的動作區(qū)分開。在那種情況下，可以最初將“工具”跟蹤操作模式設(shè)定為圖9和圖10的方框801中所示的當(dāng)前操作模式，并且到“攝像機”操作模式的切換將要求參考圖9和圖10所描述的模式切換器。替換地，如果選擇“攝像機”操作模式為圖9和圖10的方框803中的默認(rèn)操作模式，則用于“工具跟蹤”模式的區(qū)分動作將是輸入設(shè)備41的夾子701或輸入設(shè)備42的夾子710的擠壓，其為不會在“攝像機”操作模式、“組合控制”操作模式或“入口導(dǎo)向器”操作模式中進(jìn)行的動作。

盡管已經(jīng)針對優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明的各個方面，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明被賦予在所附權(quán)利要求的全部范圍內(nèi)的完全保護(hù)。