机器人工具的协调运动的制作方法

机器人工具的协调运动
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求提交于2019年9月19日的美国临时申请62/902,872的优先权的权益，该申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
3.本文所公开的系统和方法涉及机器人工具的协调运动，并且更具体地涉及一个或多个机器人控制的器械和/或相机之间的协调运动。


背景技术：

4.可使用机器人医疗系统执行各种医学规程以控制一个或多个医疗器械的插入和/或操纵。对于某些医学病症，必须到达一个或多个内部作用部位以完全治疗医学病症。机器人医疗系统可以包括一个或多个机器人臂或任何其他器械定位装置。机器人医疗系统还可以包括控制器，该控制器用于在这些规程的每个规程期间经由操纵机器人臂和/或器械定位装置来控制器械的定位。


技术实现要素：

5.一些手术需要在患者体内的超过一个工作空间处的规程。例如，在全结肠切除术期间，医师将需要在患者腹部的所有四个象限中执行手术任务。在现有系统中，控制台允许控制两台器械或一个相机。因此，将所有三个工具(例如，两个器械和一个相机)从作用部位运动到作用部位可能是繁琐、耗时且对患者有危险的。本公开包括允许机器人工具(例如，器械和/或相机)之间自动协调运动的系统和方法。因此，可以在作用部位之间更方便地执行机器人工具的协调运动，并且对患者的危险较小。
6.根据一个方面，一种机器人外科系统包括多个机器人臂和控制单元，该控制单元被配置成控制机器人臂中的每个机器人臂的运动。第一工具与多个机器人臂中的第一机器人臂相关联。第二工具与多个机器人臂中的第二机器人臂相关联。由控制单元控制的第一机器人臂和第一工具的运动导致第二机器人臂和第二工具的协调运动。第一机器人臂在运动期间保持第一远程运动中心，并且第二机器人臂在协调运动期间保持第二远程运动中心。
7.在另一方面，机器人手术方法包括使用控制单元使与第一机器人臂相关联的第一工具运动、以及使与第二机器人臂相关联的第二工具运动。第二机器人臂和第二工具的运动与第一机器人臂和第一工具的运动协调。在第一机器人臂和第一工具运动期间保持第一远程运动中心。在第二机器人臂和第二工具协调运动期间保持第二远程运动中心。
8.在另一方面，一种机器人外科系统包括多个机器人臂和控制单元，该控制单元被配置成控制机器人臂中的每个机器人臂的运动。第一工具与多个机器人臂中的第一机器人臂相关联。第二工具与多个机器人臂中的第二机器人臂相关联。由控制单元控制的第一机器人臂和第一工具的运动导致第二机器人臂和第二工具的协调运动。
9.在另一方面，机器人手术方法包括通过第一端口将与第一机器人臂相关联的刚性工具插入患者体内，并且通过患者的自然孔口插入与第二机器人臂相关联的柔性工具。使用控制单元使刚性工具和第一机器人臂运动。柔性工具以与刚性工具协调运动的方式运动。在协调运动期间保持刚性工具的远程运动中心。
10.在另一方面，一种机器人外科系统包括多个机器人臂和控制单元，该控制单元被配置成控制机器人臂中的每个机器人臂的运动。第一工具与多个机器人臂中的第一机器人臂相关联并且具有第一远程运动中心。第二工具与多个机器人臂中的第一机器人臂相关联并且具有第二远程运动中心。机器人外科系统包括处理器和与该处理器通信的至少一个计算机可读存储器。该存储器在其上存储计算机可执行的指令以使得该处理器：在控制单元处接收输入；基于输入引起第一机器人臂和第一工具的第一运动；使第二机器人臂和第二工具的第二运动与第一运动协调；使第一工具在第一机器人臂的第一运动期间保持第一远程运动中心；以及使第二工具在第二机器人臂的协调第二运动期间保持第二远程运动中心。
11.在另一方面或可由机器人外科系统操作的方法中，该方法包括：基于在控制单元处接收到的输入使与多个机器人臂中的第一机器人臂相关联的第一工具运动；基于输入使与多个机器人臂中的第二机器人臂相关联的第二工具运动；使第二机器人臂和第二工具的运动与第一机器人臂和第一工具的运动协调；以及在运动和协调运动期间保持第一工具和第二工具的远程运动中心。
附图说明
12.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。
13.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。
14.图2描绘了图1的机器人系统的另外方面。
15.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。
16.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。
17.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。
18.图6提供了图5的机器人系统的另选视图。
19.图7示出了被构造成收起机器人臂的示例性系统。
20.图8示出了被构造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。
21.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。
22.图10示出了具有俯仰或倾斜调整的图5至图9的基于台的机器人系统的实施方案。
23.图11提供了在图5至图10的基于台的机器人系统的台与柱之间的接口的详细图示。
24.图12示出了基于台的机器人系统的另选实施方案。
25.图13示出了图12的基于台的机器人系统的端视图。
26.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。
27.图15示出了示例性器械驱动器。
28.图16示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。
29.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。
30.图18示出了具有基于器械的插入架构的器械。
31.图19示出了示例性控制器。
32.图20描绘了根据示例性实施方案的示出定位系统的框图，该定位系统估计图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。
33.图21示出了机器人医疗系统的实施方案。
34.图22示出了可绕远程运动中心运动的一对机器人臂和机器人工具。
35.图23是示出机器人工具的示意图。
36.图24a示出了作为医学规程的一部分插入患者腹部内的五个机器人工具。
37.图24b示出了定位在患者腹部内的第一作用部位的五个机器人工具。
38.图24c示出了定位在患者腹部内的第二作用部位的五个机器人工具。
39.图25a至图25b示出了四个机器人器械和一个机器人相机。
40.图26示出了根据本公开的各方面的控制台的一个示例，该控制台包括用于控制机器人臂的一种或多种界面。
41.图27是示出可由机器人系统操作用于执行医学规程的示例性方法的流程图，包括机器人工具之间的协调运动。
42.图28示出了根据本公开的各方面的用于执行伴随规程的基于床的机器人系统的示例。
43.图29a至图29b示出了一个或多个刚性机器人工具和一个柔性机器人工具的协调运动。
44.图30是示出可由机器人系统操作用于执行伴随医学规程的示例性方法的流程图，包括一个或多个刚性机器人工具和柔性机器人工具之间的协调运动。
具体实施方式
45.1.概述。
46.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。
47.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方位。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。
48.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。
49.a.机器人系统
–
推车。
50.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。
51.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，每个部分耦合到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器耦合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/或方位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。
52.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。
53.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用于潜在的癌组织。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。
54.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。
55.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，机器人臂的关节中的马达可将臂定位成特定姿势。
56.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。
57.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。
58.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。
59.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。
60.塔30可通过一个或多个缆线或连接件(未示出)耦合到推车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，特定功能可耦合在单独的布线和连接中。例如，尽管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。
61.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。
62.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。
63.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。
64.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。
65.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关节24连接，每个关节包括独立的致动器，每个致动器包括可独立控制的马达。每个可独立控制的关节表示机器人臂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关节，并且因此提供七个自由度。多个关节导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。具有冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连接件方位和关节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，同时允许医师使臂关节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。
66.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。
67.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相对的侧面接近控制台16。从该位置，医师可在从推车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。
68.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通过尿道直接插入到患者的下腹部中。
69.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。
70.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。
71.b.机器人系统
–
台。
72.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。
73.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，经由具有肘关节的肩部)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。
74.机器人臂39可通过包括一系列关节的一组臂安装件45安装在托架43上，该关节可单独地旋转和/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)。
75.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。
76.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。台面基部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。
77.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。
78.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。
79.图8示出了被构造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直接插入到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，以在规程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。
80.在腹腔镜检查规程中，通过患者的腹壁中的小切口，可将微创器械插入到患者的解剖结构中。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示出了被构造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。
81.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。
82.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，可使用球形关节来在多个自由度上改变台38相对于柱37的俯仰角。
83.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。
84.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。
85.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可包括旋转接头，该旋转接头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。
86.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。
87.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。
88.托架109可通过第一接头113附接到柱102，该第一接头允许托架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)。第一接头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可包括第二接头115，该第二接头为可调式臂支撑件105提供第二自由度(倾斜)。可调式臂支撑件105可包括第三接头117，该第三接头可为可调式臂支撑件105提供第三自由度(“向上枢转”)。可提供附加接头119(在图13中示出)，该附加接头机械地约束第三接头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可包括第四接头121，该第四接头可沿第四轴线129为可调式臂支撑件105提供第四自由度(平移)。
89.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。
90.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、偏航和翻滚的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。
91.c.器械驱动器和接口。
92.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。
93.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。
94.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。
95.d.医疗器械。
96.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/或耦合时，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。
97.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)，或者包括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关节腕和外科工具或医疗器械(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。
98.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，这些腱可以耦合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，腱可以致使关节围绕轴线旋转，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。
99.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耦合到沿着细长轴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。
100.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(例如，发光二极管)的光载送到轴71的远侧端部。
101.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。
102.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延伸出去并且进入到细长轴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。
103.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。
104.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。
105.当耦合到器械驱动器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组合地围绕器械驱动器轴线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围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。
106.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可耦合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和耦合到轴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。
107.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耦合器往复地配合。
108.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，从而使对机械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。
109.e.控制器。
110.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)耦合，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。
111.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。
112.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。
113.如图19所示，每个定位平台188包括通过棱柱接头196耦合到柱194的scara臂(选择顺应性装配机械臂)198。棱柱接头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。
114.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)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。
115.f.导航和控制。
116.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。
117.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。
118.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)。
119.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。
120.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。
121.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。
122.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。
123.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。
124.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。
125.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。
126.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。
127.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。
128.2.机器人工具运动介绍
129.本公开涉及两个或更多个机器人控制的工具(例如，一个或多个器械和/或相机)之间的协调或同步运动。图21示出了机器人医疗系统200。如上文几个示例所示，机器人医疗系统可用于医学规程，例如内窥镜、腹腔镜、或其他医疗系统(参见例如，上文所述的图1、图3至图5、图8和图9)。机器人医疗系统200可包括患者侧平台210。患者侧平台210可包括患者检查台238。患者检查台238的尺寸可设定成在医学规程期间支撑患者205。患者检查台238可以是可运动的和/或包括一个或多个可运动节段以操纵患者205的位置。患者检查台238可由柱239和检查台基座235支撑。
130.患者侧平台210可包括至少一个或多个机器人臂208。机器人臂208可安装在一个或多个导轨211上。导轨211可以可运动地安装到患者检查台238上。不是每个医学规程都需要利用全部的机器人臂208。因此，未使用的机器人臂208可以被收起或从患者侧平台210拆卸掉。
131.机器人臂208可包括第一机器人臂212、第二机器人臂214、第三机器人臂216、第四
机器人臂218和/或第五机器人臂220。尽管未示出，但也可以提供一个或多个附加机器人臂208。机器人臂208通常可各自包括由一系列连杆分开的机器人臂基部和端部执行器，该一系列连杆由一系列关节连接。关节可包括独立的致动器，该独立的致动器具有用于操纵机器人臂212-220的可独立控制的马达。在某些具体实施中，机器人臂208可以包括七个可运动的关节。
132.机器人臂208可包括或耦合到一个或多个机器人工具221，用于执行机器人控制的医学规程，例如机器人手术。机器人工具221可包括一个或多个器械和/或相机。器械可包括但不限于单极剪、针驱动器、单极钩、组织抓握器、脉管闭合器和/或缝合器。例如，器械可以是刚性(例如，腹腔镜)器械。在一个实施方案中，器械中的一个器械可包括具有一个或多个相机的刚性腹腔镜。机器人工具221可包括第一器械222、第二器械224、第三器械226、第四器械228和/或相机230。机器人工具221可各自对应于机器人臂208的相应臂。机器人工具221可通过切口或自然孔口插入患者体内，例如患者的腹部内，并且导航到作用部位以执行医学规程。在机器人控制的医学规程期间，相应的机器人臂208可以控制机器人工具221的位置。
133.为了控制患者侧平台210，包括机器人臂208和机器人工具221，机器人医疗系统200可包括控制器240。图21示出了控制器240的示意性实施方案。控制器240可包括查看器242。查看器242可包括用于医师操作患者侧平台210的图形用户界面、屏幕、投影、立体查看器或其他视觉界面、控制器输入、触觉反馈系统等的任何组合。查看器242还可包括主控制器244。主控制器244可包括用于操作患者侧平台210的机器人臂208和机器人工具221的一个或多个控制器(例如，多个自由度的万向支架、小键盘、鼠标等)。在某些具体实施中，控制器240可为医师的控制台。
134.控制器240可包括处理器248。处理器248可以从主控制器244接收输入信号以控制机器人工具221和机器人臂208的位置。处理器248可以从患者侧平台210(例如，从安装在机器人臂关节上的位置编码器)接收指示机器人工具221和/或机器人臂208的位置的输入信号。
135.处理器248可以与计算机可读存储介质246通信地耦合。计算机可读存储介质246可具有存储在其上的指令，该指令可由处理器248执行。指令可以使处理器248输出基于输入信号使运动机器人臂208和/或机器人工具221运动的信号。计算机可读存储介质246上的指令可包括患者侧平台210的虚拟模型。虚拟模型可表示(例如，数学上)机器人工具221和机器人臂208的位置。虚拟模型可以至少部分地由来自机器人工具221和/或机器人臂208的输入数据形成。因此，主控制器244可以以主从关系控制机器人臂208和/或机器人工具221。
136.虽然图21的实施方案示出了耦合到类似于床的患者侧平台210的机器人臂208，但是在其他实施方案中，机器人臂208可以耦合到类似于推车的患者侧平台，如图1至图4所示。本领域技术人员将理解，描述机器人工具的协调运动的下一章节可以适用于在床或推车上与机器人臂耦合的工具。
137.3.协调的机器人工具运动
138.图22示出了第一机器人臂312和第二机器人臂314。机器人臂312可以是机器人臂208中的一个机器人臂的具体实施。机器人臂312可包括或耦合到第一器械322。器械322可以耦合在机器人臂312的端部执行器312a上(例如，耦合在机器人臂312的最后一个关节
上)。器械322可以是相对于端部执行器312a可延伸的且可缩回的。器械322还可以通过机器人臂312的连杆的运动在空间中进行关节运动。器械322可以从第一姿态322a运动到第二姿态322b。器械322的运动可包括如图所示的角度θ1变化。器械322的运动可包括器械远侧端部321的位置的变化。远侧端部321可沿路径δ1运动。路径δ1可三维延伸。器械322的运动可包括器械322在端部执行器312a内的延伸和/或回缩。在某些具体实施中，路径δ1可以在远侧端部321处测量，或者沿着器械322的任何位置测量。
139.当器械322从第一姿态322a(即，第一位置和第一取向)运动到第二姿态322b(即，远侧端部321沿路径δ1运动)时，器械322可以围绕远程运动中心315运动。远程运动中心315可固定在空间中(例如，相对于患者侧平台210)。在一些实施方案中，在器械322和机器人臂312的运动期间可以自动保持远程运动中心315。
140.根据机器人臂312的一个自动具体实施，用户可以控制主控制器(未示出)以使远侧端部321沿路径δ1运动。在虚拟机器人臂312'和虚拟机器人器械322'的虚拟模型内，来自主控制器的输入信号可以被翻译成虚拟路径δ1’
。路径δ1平移进入虚拟路径δ1’
可包括一个缩放系数，如3:1、4:1等。虚拟机器人臂312'和/或虚拟机器人器械322'的必需运动是使虚拟机器人器械322’沿着虚拟路径δ1’
运动所需的必需运动，其可以使用反向运动学来计算。反向运动学计算可包括虚拟机器人器械322'的虚拟运动中心315'，其作为虚拟模型的限制。
141.使用反向运动学计算的虚拟模型的必需运动可以平移成机器人臂312和/或器械322的对应物理运动。根据由虚拟模型计算的必需运动，机器人臂312和/或器械322上的伺服、马达或其他致动器可以使远侧端部321沿路径δ1运动。可以调整臂312以使器械322通过角度θ1运动。端部执行器312a可以调整器械322的长度。远程运动中心315可以在执行的运动期间保持在适当位置。
142.第二机器人臂314可以在结构上和/或功能上类似于第一机器人臂312或与其相同。机器人臂314可包括第二器械324。器械324可耦合在机器人臂314的端部执行器314a上。器械324可以从第一姿态324a运动到第二姿态324b。器械324的运动可包括角度θ2的变化和/或远侧端部323沿路径δ2的运动。器械324沿路径δ2的运动可以响应于在主控制处的用户输入。在器械324沿路径δ2运动时，机器人臂314围绕运动中心316的运动可以自动化，如上文针对器械322所述。
143.本公开的一个方面是第一器械322与第二器械324之间的协调运动。用户可以控制第一器械322沿路径δ1运动。第二器械324可以自动控制以与第一器械322一起运动，用以保持第一器械322与第二器械324之间的相对间隔。例如，可以在远侧端部321、远侧端部323之间保持相对间隔。在某些具体实施中，路径δ2可平行于(即，跟踪)路径δ1以保持相对间隔。第二器械324的运动可以与第一器械322的运动同时发生。
144.在某些具体实施中，可以自动控制另外的机器人器械以与第一器械322一起运动。附加器械的运动可以保持与第一器械322的相对间隔。另外的器械的运动可以与第一器械322沿着路径δ1的运动同时发生。因此，可以以协调方式使多个机器人器械(例如，两个或更多个)运动。
145.4.协调机器人工具运动，同时在多个端口处保持远程运动中心
146.通常，远程运动中心对于腹腔镜、胸腔、经皮和其他医学规程期间的患者安全可为
重要的。图23示意性地示出与机器人臂420的端部连接的器械431。机器人臂420可包括相机425。器械431可围绕远程运动中心415a旋转。器械431可通过端口或套管434(例如，套管针)插入患者的身体405内。套管434可以延伸穿过身体405中的切口或天然孔口。
147.器械431可推进到套管434中，使得远程运动中心415a可以处于患者的身体405与器械431或套管434的接口处或与该接口相关联(例如，在415b处)。远程运动415a的这种定位可以允许器械431的远侧端部在身体405内运动，同时防止由于器械431的轴的运动对身体405造成损伤(例如，在接口处)。
148.一些医学规程涉及在相同的治疗阶段期间访问患者体内的超过一个工作空间。例如，参考图24a的具体实施，在全结肠切除术期间，医师可能需要在腹部500的四个象限(例如，右上象限i、右下象限ii、左上象限iii、左下象限iv)中执行手术任务。这需要两个或更多个器械从作用部位运动到作用部位。
149.已知的机器人医疗系统不允许通过不同的端口同时控制器械和相机。因此，为了将所有三个机器人工具从作用部位运动到作用部位，用户将必须执行几次小的运动、在器械与相机之间交替控制(例如，用于将器械保持在相机的视野中)。如果用户在身体中具有第三器械，则从作用部位运动到作用部位的过程甚至更加繁琐。用户需要将前两个器械运动到新作用部位，从而执行几次小的运动并在相机控制和器械控制之间切换，然后使相机运动返回初始作用部位。然后，用户可以将控制交换到第三器械并将第三器械带到新作用部位。这一序列通常导致器械脱离屏幕，这对患者来说是一种危险情况。
150.另外，任何机器人器械的安全运动可能需要由相机提供的视图与控制器定向取向。这可能需要取向过程，由此使控制器和相机视图对准。然而，相机的运动可能使用户失去方向，并且通常需要相机与控制器重新取向。因此，用户每次使相机运动、在相机与器械之间来回切换、或者使器械脱离屏幕并且使其返回到屏幕时，可能需要用户控制器或相机重新取向。这一过程可能是耗时且不方便的。
151.另外，一些医学规程用通过多个端口插入的机器人控制的器械执行。例如，在腹腔镜手术期间，患者的腹部可以包括多个端口，一个或多个机器人工具可以通过该端口插入。每个端口可包括通过腹壁和/或套管的切口，如上所述。
152.继续参考图24a的具体实施，端口可包括第一端口512、第二端口514、第三端口516、第四端口518和/或第五端口525。尽管不需要，但是端口512、端口514、端口516、端口518可位于腹部500的四个象限(i、ii、iii、iv)中的任一个或全部内。
153.机器人工具515可包括第一器械522、第二器械524、第三器械526、第四器械528和/或相机(例如，腹腔镜)530。第一器械522可通过第一端口512插入到腹部500内。第一器械522可包括远程运动中心532。远程运动中心532可位于端口512处。第一器械522可包括远侧端部522a。类似于第一器械522，第二器械、第三器械、第四器械524
–
528和/或相机530可包括相应的远程运动中心534
–
538、相应的远侧端部524a
–
530a、并且通过相应的端口514
–
518插入腹部500内。
154.本文所公开的系统和方法允许机器人工具(例如，器械和/或相机)之间的协调运动。这些机器人工具还可以在此类协调运动期间保持远程运动中心。图24a示出了经历腹腔镜手术的患者腹部500，其作为本文所公开的系统和方法的示例性应用环境。图24b至图24c示出机器人工具在作用部位520a、520b之间的协调运动。在图24b中，机器人工具515可以位
于第一作用部位520a处。在图24c中，机器人工具515已经运动到第二作用部位520b。在某些具体实施中，机器人工具515的运动可以在它们从第一作用部位520a运动到第二作用部位520b时协调。
155.机器人工具515中的每个机器人工具可以包括远程运动中心。远程运动中心可以位于相应端口512-518处(例如，在机器人工具515与腹部500的腹壁的相交处)。当机器人工具515通过相应的机器人臂(未示出)运动时，包括在机器人工具515的协调运动期间，可以保持远程运动中心。
156.图24b示出了位于第一作用部位520a处的第一器械522的远侧端部522a。机器人臂(未示出)可以将远侧端部522a定位在作用部位520a内。远程运动中心532可以保持在端口512处。图24c示出了第一器械522的远侧端部522a运动到第二作用部位520b。机器人臂(未示出)可以使远侧端部522a从作用部位520a运动到作用部位520b，同时将远程运动中心532保持在端口512处。类似地，第二器械、第三器械、第四器械524-528和/或相机530的远侧端部524a
–
530a可以从腹部500内的第一作用部位520a运动到第二作用部位520b。相应的机器人臂(未示出)可以使远侧端部524a
–
530a运动，同时将远程运动中心534
–
538保持在相应的端口514
–
518处。
157.如果单独完成，则器械522
–
528和/或相机530从作用部位520a到作用部位520b的运动可能是繁琐且耗时的。本公开的一个方面是器械522
–
528和/或相机530中的两个或更多个的协调运动。
158.根据从动件模式，远侧端部522a
–
528a的姿态可以与相机530的远侧端部530a的姿态协调。用户可以使用控制器(例如，单个控制器)来控制相机530的姿态。相机530的运动可以引起器械522
–
524(或它们的任何子组)的协调运动。远侧端部522a
–
528a可以保持与相机530的远侧端部530a的相对间隔。在这一协调运动期间，器械522
–
528的远程运动中心532-538和相机530可以自动保持在相应端口512
–
518处。通过使相机530从第一作用部位520a运动到第二作用部位520b，器械522
–
528可以自动从第一作用部位520a运动到第二作用部位520b。
159.根据相机模式、从动件模式的变化，远侧端部522a
–
528a的位置可以与相机530的视野协调。在图24b中，相机530具有特定取向，在该取向下第一作用部位520a和/或远侧端部522a
–
528a中的每个远侧端部位于相机530的视野内。用户可以使用控制器控制相机530的视野。相机530的视野的运动可以引起器械522
–
524(或它们的任何子组)的协调运动。器械522
–
524可以运动，同时将远侧端部522a
–
528a保持在相机530的视野内。在这一协调运动期间，器械522
–
528的远程运动中心532-538和相机530可以自动保持在相应端口512
–
518处。在图24c中，相机530发生运动以查看第二作用部位和/或远侧端部522a
–
528a中的每个远侧端部保持在相机530的视野内。
160.根据双控制模式，可以使用第一控制器控制器械522
–
524(或它们的任何子组)的运动。可以使用第二控制器来控制相机530。第一控制器和第二控制器可由用户独立操作。在器械522
–
524通过第一控制器进行协调运动期间，器械522
–
528的远程运动中心532-538可以自动保持在相应端口512
–
518处。在这个具体实施中，用户可以通过操作第一控制器给器械522
–
524导航，使它们沿从第一作用部位520a至第二作用部位520b的路径一起协调运动。用户还可以通过操作第二控制器给相机530导航，使其沿从第一作用部位520a至第二作
用部位520b的路径运动。理想地，用户可以在这一运动期间将器械522
–
524保持在相机530的视野内。另选地，使用第二控制器的相机530的视野运动可以引起器械522
–
524(或它们的任何子组)的自动协调运动以保持在视野内。第一控制器可用于在视野内使器械522
–
524(或它们的任何子组)运动或调整它们。
161.器械522
–
528和/或相机530的协调运动可以减少从第一作用部位520a运动到第二作用部位520b所需的总时间。器械522
–
528和/或相机530的协调运动还可以减少与将一个或多个器械留在腹部500内而在相机530的视野外相关联的风险。此外，相机530的取向可以相对于器械522
–
528保持。
162.图25a至图25b示出了在作用部位620a处的机器人医疗系统的器械622、器械624、器械626、器械628和相机630。在一些具体实施中，器械622
–
628可以包括夹持器和/或切割具类型的器械，但是本文考虑了任何器械类型。如上所述，器械622
–
628的运动(例如，从或到作用部位620a)可以与相机630的运动协调。可使用各种方法协调器械622
–
628和相机630的相对定位。
163.图25a示出了器械622
–
628和相机630的第一相对间隔635a。器械622
–
628可分别包括相应参考点622a、624a、626a和628a。参考点622a
–
628a可以是在器械622
–
628上的任何位置。参考点622a
–
628a可以位于器械622
–
628的相应远侧端部处。相机630可包括参考点630a。参考点622a
–
630a可以通过一条或多条线(例如，对角线)连在一起。线可以形成交叉点645a。交叉点645a通常可在器械622
–
628(或它们的任何子组)的中心位置处。参考点630a可以位于相机630的远侧端部处(例如，在相机630的透镜处)。参考点622a
–
630a可用于限定相机630与任何或所有器械622
–
628之间的相对间隔635a。可以在交叉点645a与参考点630a之间限定相对间隔635a。在从动件模式下，可以保持相对间隔635a。在相机模式下，相机630的视野可以被导向(例如，居中)交叉点645a。在双控制模式下，保持器械622
–
628围绕交叉点645a的相对间隔。
164.图25b示出了器械622
–
628和相机630的第二相对间隔635b。器械622
–
628可分别包括参考点622b
–
628b。参考点622b
–
628b可以位于器械622
–
628的抓握点或切割点处(例如，器械的钳口之间的中点)。参考点622b-628b可以通过一条或多条线连在一起。线可以形成交叉点645b。交叉点645b通常可在器械622-628(或它们的任何子组)的中心位置处。相机630可包括参考点630b。可以在交叉点645b与参考点630b之间限定相对间隔635b。在从动件模式下，可以保持相对间隔635b。在相机模式下，相机630的视野可以被导向(例如，居中)交叉点645b。在双控制模式下，器械622
–
628可以围绕交叉点645b保持相对间隔。
165.对于上述系统和操作模式中的任一个，可能发生某些情况，使得机器人臂中的一个或多个机器人臂不能跟随同步运动或沿同样路径运动，或者不能保持机器人臂和/或附接到机器人臂上的器械之间的相对间隔。例如，机器人臂可能到达运动限制、遇到障碍物、彼此干扰或受到周围物体干扰等。因此，系统可以具有对这些情况的预定响应。在一个具体实施中，系统可以通过机器人臂的器械装置操纵器停止或停用所有机器人臂的运动和/或器械的运动。在另一具体实施中，系统可以仅停止无法满足运动指令或请求的机器人臂(和/或机器人臂的器械装置操纵器)。在另一个具体实施中，系统可以包括声音、视觉、触觉或其他警报，它们向用户指示机器人系统的一个或多个部件(例如，臂)无法满足运动指令。在另一具体实施中，系统使用上述响应策略的任何组合。
166.5.对机器人工具的协调运动的控制
167.图26示出了用于控制多个机器人臂和/或机器人工具的运动的控制器740，例如在本文所述的机器人医疗系统中描述的那些。控制器740可以是控制器240的具体实施。控制器740可以是控制台。控制器740可包括用户界面742。用户界面742可包括查看器710。查看器710可以是屏幕、投影、立体查看器或其他视觉界面。查看器710可以显示在医学规程期间使用相机(例如，机器人腹腔镜)拍摄的图像或视频。
168.控制器740可包括主控制器744。主控制器744可包括对机器人臂和/或机器人工具的控制。为了控制机器人臂，外科医生可坐在控制器740(例如，医师控制台)处，并且将使用主控制器744驱动机器人臂中的一个或多个机器人臂。控制器可包括左万向支架746和/或右万向支架747。左万向支架746可以以主从布置控制第一机器人臂和第一机器人工具。右万向支架747可以以主从布置控制第二机器人臂和第二机器人工具。
169.主控制器744可允许机器人工具之间的切换控制。在一个具体实施中，机器人医疗系统包括超过两个机器人工具。控制器740可包括一个或多个脚踏开关748(偏置的或非偏置的)、触摸屏、按钮或其他开关。脚踏开关748或其他开关可使得用户能够在机器人臂/工具之间切换控制。脚踏开关748或其他开关可用于将机器人工具的控制分配给左万向支架746或右万向支架747。因此，与机器人臂和器械/相机的数量相比，需要更少的万向支架来控制患者侧平台210。在某些具体实施中，脚踏开关748或其他开关可以启动机器人工具的协调运动。在某些具体实施中，脚踏开关748或其他开关可以选择控制模式(例如，从动件模式、相机模式、双控制模式或其他控制模式)。在某些具体实施中，协调运动可仅在预测条件下启动，例如所有所选工具均在相机的视图内，并且/或者所有工具已被分配给控制器(例如，万向支架746、万向支架747)。
170.主控制器744可用于上述机器人工具的协调运动。在从动件模式或相机模式下，可以使用左万向支架746或右万向支架747来控制机器人工具(或其子组)。左万向支架746可控制第一机器人工具(例如，机器人相机)。第二机器人工具(例如，器械)和/或其他机器人工具可与第一机器人工具以自动协调运动方式运动，同时在相应端口处保持相应的远程运动中心。
171.在双控制模式下，可以使用左万向支架746和右万向支架747来控制机器人工具(或其子组)。左万向支架746可控制第一机器人工具(例如，机器人相机)。右万向支架747可控制第二机器人工具(例如，器械)和一个或多个其他机器人工具。第二机器人工具和一个或多个其他机器人工具可以以自动协调运动方式运动，同时在相应端口处保持相应的远程运动中心。
172.在某些具体实施中，主控制器744的左万向支架746和右万向支架747用于操作机器人工具以在作用部位执行机器人医学规程。在其他具体实施中，主控制器744包括重定位控制器750以在作用部位之间使机器人工具运动。重定位控制器750可包括用于选择协调运动的机器人臂的控制输入。重定位控制器750可允许用户选择机器人器械的全部或子组。可选择重定位控制器750以使第一机器人工具运动。可选择重定位控制器750以使第二机器人工具以与第一机器人工具协调运动的方式运动。重定位控制器750可包括使第一机器人工具运动的第一控制器、以及使第二机器人工具运动并且使一个或多个附加机器人工具以与第二机器人工具协调运动的方式运动的第二控制器。重定位控制器750或控制器740可以允
许选择协调运动的控制模式(例如，从动件模式、相机模式、双控制模式或其他控制模式)。
173.图27示出了使用机器人医疗系统执行医学规程的方法800。机器人医疗系统可包括多个机器人臂。多个机器人臂可包括第一机器人臂和第二机器人臂以及对应的第一机器人工具和第二机器人工具。机器人医疗系统可包括控制单元，该控制单元被配置成控制机器人臂中的每一个的运动。方法800可在框801处开始。方法800可由机器人医疗系统的用户启动。启动可包括启用机器人医疗系统的协调运动模式和/或将多个机器人臂分配给控制单元的一个或多个控制器。
174.在步骤805，用户可以操作第一机器人臂以使第一机器人工具以第一运动方式运动。第一机器人臂可在第一运动期间保持第一远程运动中心。在步骤810，机器人医疗系统可自动操作第二机器人臂以使第二机器人工具以与第一运动协调运动的方式运动。第二机器人臂可在协调运动期间保持第二远程运动中心。协调运动可以与第一运动同时进行或延时进行。方法800在框820处结束。
175.6.伴随规程
176.某些医学病症的治疗可涉及执行两次或更多次医学规程以完全治疗医学病症。例如，肺部病变的诊断和管理可涉及多个治疗阶段(episode)以执行医学规程，包括灵活的内窥镜检查和胸腔镜检查。此类病症的治疗可以分期为多个治疗阶段。然而，分期治疗可能增加患者的风险和不便，并且增加围手术期资源，导致患者和医师的时间和成本增加。
177.另选地，可以在单个治疗阶段期间连续地或并行地执行多个治疗规程。然而，对于多个治疗阶段，存在与当前执行的单个治疗阶段相关联的缺点。如上所述，多个临床提供者可能需要帮助执行单个治疗阶段，从而导致成本增加和手术室空间过度拥挤。此外，为了在单个治疗阶段连续地执行多个规程，医师可在各种方法之间进行交替，这可涉及在无菌技术和非无菌技术之间进行切换。在无菌和非无菌技术之间切换还可涉及将注意力从一个外科手术部位改变到另一个外科手术部位、重穿手术衣(regowning)以及显著中断的临床工作流。
178.总的来说，在单个治疗阶段期间协调多个医疗服务提供者和/或医师以并行执行规程是昂贵的，并且对于某些规程可能成本过高。因此，本公开的实施方案涉及用于作为单个治疗阶段的一部分伴随地(例如，由单个用户或团队)执行两种或更多种类型/模式的规程的系统和方法。机器人医疗系统可用于执行伴随规程，如提交于2019年9月3日的美国专利申请16/559,310进一步所述，该专利申请全文以引用方式并入本文。
179.如图28所示，机器人医疗系统900可用于对患者905执行伴随规程。机器人医疗系统900可包括用于支撑和定位患者905的病床938。机器人医疗系统900可包括用于支撑病床938的基座935。机器人医疗系统900可包括多个机器人臂910。多个机器人臂中的第一机器人臂920可用于控制第一机器人工具930。第一机器人工具930可以是刚性(例如，腹腔镜)器械。第一机器人工具930的远侧端部可以通过切口(例如，在腹壁内)和/或套管插入患者的身体905内。第一机器人工具930可围绕远程运动中心915旋转。远程运动中心915可位于切口处。
180.多个机器人臂910中的第二机器人臂922可用于控制第二机器人工具932。第二机器人工具932可以是刚性(例如，腹腔镜)器械。第二机器人工具932的远侧端部可以通过切口(例如，在腹壁内)和/或套管插入患者的身体905内。第二机器人工具932可围绕远程运动
中心916旋转。远程运动中心916可位于切口处。
181.第一机器人工具930和第二机器人工具932可以由控制器940操作。控制器940可包括查看器942。控制器940可包括主控制器944。主控制器944可以是控制台。主控制器944可以与处理器948耦合。处理器948可以从查看器942接收输入信号，用于控制第一机器人工具930和第二机器人工具932的位置。处理器948可以接收指示机器人工具930、机器人工具932和/或机器人臂910的位置的输入信号(例如，从安装在机器人臂关节上的位置编码器)。处理器948可以从查看器942接收输入信号以控制机器人工具930、机器人工具932和/或机器人臂910的位置。
182.机器人医疗系统900可包括柔性器械931。柔性器械931可包括引导件934和护套936。第三机器人臂926可定位护套936。第四机器人臂928可定位引导件934。护套934是可在护套936内推进的。引导件934可包括内窥镜和/或内窥镜器械。引导件934和/或护套936可通过如上文关于器械驱动器75所述的一个或多个牵拉线运动。牵拉线和/或第三臂926和第四臂928可以由控制器940操作。
183.在伴随规程期间，机器人医疗系统900可以使机器人工具930、机器人工具932和引导件934中的一者或多者之间能够实现协调运动。在伴随规程期间，柔性器械931可以插入患者905的天然孔口(例如，鼻、口腔、阴道、尿道、直肠或耳朵)，并且机器人工具930、机器人工具932中的一者或两者可以引入患者的另一区域(例如，经皮进入胸腔、腹部、腹膜外和/或腹膜内空间)。例如，在组合的经皮-内窥镜肾结石去除期间，用户可以启动协调模式，在该协调模式期间，经皮器械或相机中的一者或多者的运动可以保持针对内窥镜的相对位置。在另一示例中，在组合的腹腔镜息肉切除术期间，用户可以启动协调模式，在该协调模式期间，柔性结肠镜保持与腹腔镜和/或腹腔镜工具的相对间隔和/或取向。
184.图29a至图29b示出了刚性相机1030、刚性器械1032和柔性器械1034的协调运动。刚性相机1030位于通过切口进入的患者体内的空间中。刚性器械1032位于具有刚性相机1030的空间内。刚性相机1030可以提供刚性器械1032的视图。柔性器械1034可以位于与具有刚性相机1030的空间相邻的空间中。相邻空间可通过患者的体内组织的一个或多个壁与该空间分离。例如，空间可以是腹部空间，并且相邻空间可以在结肠内。
185.在一个具体实施中，用户可进行操作以使刚性相机1030以协调运动模式运动。刚性器械1032和/或柔性器械1034可以以协调运动方式自动运动，从而保持相对于刚性相机1030(例如，从动件或相机模式)的相对间隔。刚性器械1032可围绕远程运动中心(未示出)旋转。柔性器械1034可以在相邻空间内推进/回缩和/或进行关节运动。另选地，用户可以使刚性器械1032运动，并且刚性相机1030和柔性器械1034可以以协调运动方式自动运动(即，推进/回缩和/或进行关节运动)以保持相对间隔。在另一可选的具体实施中，用户可以使柔性器械1034运动，并且刚性相机1030和刚性器械1032可以以协调运动方式自动运动以保持相对间隔。
186.在某些具体实施中，不能在不对患者造成伤害的情况下执行柔性器械1034或刚性相机1030的协调运动。例如，柔性器械的协调运动可能需要推进穿过组织壁以保持相对间隔。因此，机器人医疗系统可以限制柔性器械1034和/或刚性相机1030的运动。受限的运动可以通过触觉反馈、视觉警报和/或强迫停止传递给用户。在某些具体实施中，相对间隔可以包括误差容限。只要相对间隔保持在误差容限内，柔性器械1034和/或刚性相机1030可以
继续运动。一旦相对间隔超过误差容限，柔性器械1034和/或刚性相机1030的运动就可能受到限制。
187.图30示出了使用机器人医疗系统执行医学规程的方法1100。机器人医疗系统可包括多个机器人臂和控制单元，该控制单元被配置成控制机器人臂中的每一个的运动。方法1100可在框1101处开始。在步骤1105，通过第一端口将与多个机器人臂中的第一机器人臂相联接的刚性工具插入患者体内。在步骤1110，将与多个机器人臂中的第二机器人臂相联接的柔性工具插入患者的天然孔口中。在步骤1115，用户使用控制单元以第一运动控制刚性工具和第一机器人臂，同时保持远程运动中心。在步骤1120，柔性工具以与刚性工具的第一运动协调的运动方式运动。在框1125处，方法1100结束。
188.7.实施系统和术语。
189.本文公开的具体实施提供了用于机器人工具的协调运动的系统、方法和装置。
190.应当指出的是，如本文所用，术语“耦合(couple)”、“耦合(coupling)”、“耦合(coupled)”或词语耦合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“耦合”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。
191.与用于执行本文所述的机器人工具的协调运动的系统和方法相关联的功能可作为一个或多个指令存储在处理器可读介质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。
192.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。
193.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。
194.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。
195.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、耦合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。