相關申請案的交叉引用

本申請案是2010年2月12日申請的標題為“提供指示關節(jié)式儀器的所命令的狀態(tài)與優(yōu)選姿勢之間的差的感覺反饋的醫(yī)療機器人系統(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號美國申請案的部分繼續(xù)申請案，其由引用并入此處。

本申請案也是2009年11月5日申請的標題為“關節(jié)式儀器在進入導管移入和移出的運動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號美國申請案的部分繼續(xù)申請案，所述美國申請案是2009年8月15日申請的標題為“跨過具有不同工作空間條件的區(qū)域平滑控制關節(jié)式儀器(Smooth Control of an Articulated Instrument Across Areas with Different Work Space Conditions)”的第12/541,913號美國申請案的部分繼續(xù)申請案，所述美國申請案中的每一個由引用并入此處。

技術領域

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

背景技術：

例如執(zhí)行微創(chuàng)外科手術時所使用的遙操作系統等醫(yī)療機器人系統提供優(yōu)于傳統開腹手術技術的許多益處，包含疼痛較少、住院時間較短、較快地返回到正常活動、最小的傷疤、恢復時間減少以及對組織的傷害較小。因此，對于這樣的醫(yī)療機器人系統的需求是強烈的并且逐漸增長。

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

為了執(zhí)行某些醫(yī)療程序，使用單個進入孔口例如微創(chuàng)切口或自然的身體孔來進入患者體內以執(zhí)行醫(yī)療程序可為有利的。舉例來說，可首先將進入導管插入、定位且保持在進入孔口的適當位置。關節(jié)式儀器例如，關節(jié)式相機儀器以及多個關節(jié)式手術工具儀器可用來執(zhí)行醫(yī)療程序，然后其可以被插入到進入導管的近端中，以便從其遠端延伸出來。因此，進入導管容納多個儀器的單個進入孔口，同時在進入導管引導儀器進入工作部位時，使所述儀器保持捆束在一起。

然而，由于關節(jié)式相機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)療機器人系統中。舉例來說，因為相機儀器具有接近的關節(jié)(例如，接合點)，其從遠端的相機視圖不可見，因此外科醫(yī)生在移動相機時會跟蹤不到這些關節(jié)的當前狀態(tài)，且因此跟蹤不到其可用運動范圍。并且，當相機和工具儀器的關節(jié)在相機視野之外且因此外科醫(yī)生通過其所捕獲的圖像不可見時，外科醫(yī)生在以遙控機器人技術移動關節(jié)型儀器以執(zhí)行醫(yī)療程序時，會不經意地驅動工具和/或相機儀器的鏈接而彼此相撞。在任一情況下，可危害患者的安全，且會不利地影響醫(yī)療程序的成功和/或按時完成。

技術實現要素：

因此，本發(fā)明的一個或更多個方面的一個目標是醫(yī)療機器人系統，以及在其中實施的方法，其促使操作者命令關節(jié)式儀器的正常模式操作的優(yōu)選姿勢，其充當在所述儀器的正常操作期間相對于關節(jié)式儀器的操作者所命令移動的偏置點。

本發(fā)明的一個或更多個方面的另一目標是醫(yī)療機器人系統，以及其中所實施的方法，其應用輸入裝置上的力反饋促使其操作者命令關節(jié)式儀器的姿勢通過平滑過渡到優(yōu)選姿勢來擺成優(yōu)選姿勢。

本發(fā)明的一個或更多個方面的另一目標是醫(yī)療機器人系統，以及其中所實施的方法，其應用輸入裝置上的力反饋促使其操作者命令關節(jié)式儀器的姿勢擺成第一優(yōu)選姿勢，然后根據激活信號平滑地過渡到第二優(yōu)選姿勢。

通過本方面的各個方面可實現這些和額外的目標，其中簡而言之，一個方面是用于促使操作者操縱輸入裝置來命令關節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢的方法，所述方法包括：響應于操作者對輸入裝置的操縱產生關節(jié)式儀器的所命令姿勢；針對輸入裝置的多個自由度產生第一力命令，以便指示第一優(yōu)選姿勢與所命令姿勢之間的差；以及通過根據第一激活信號分階段引入其應用來將第一力命令應用于輸入裝置的所述多個自由度。

另一方面是醫(yī)療機器人系統，其包括：輸入裝置；關節(jié)式儀器；以及處理器，其經配置以響應于操作者對輸入裝置的操縱而產生關節(jié)式儀器的所命令姿勢，針對輸入裝置的多個自由度產生第一力命令，以便指示第一優(yōu)選姿勢與經修改所命令姿勢之間的差，且所述第一力命令的應用命令于輸入裝置的所述多個自由度，以便根據第一激活信號分階段引入其應用。

從對本發(fā)明優(yōu)選實施例的以下描述中，將明白本發(fā)明的各種方面的額外目標、特征和優(yōu)點，所述描述應結合附圖進行。

附圖說明

圖1示出利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機器人系統的方框圖。

圖2示出利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機器人系統中具有從中延伸出來的多個關節(jié)式儀器的進入導管的遠端的立體圖。

圖3到4分別示出利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機器人系統中從進入導管的遠端延伸出來的關節(jié)式儀器的俯視圖和右側視圖。

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

圖6示出針對利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機器人系統中的關節(jié)式儀器的操作者所命令移動的儀器控制器的方框圖。

圖7示出從用于正常操作的優(yōu)選姿勢中的進入導管的遠端延伸出來的關節(jié)式儀器的側視圖，正如其被使用在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機器人系統中。

圖8示出處于縮回到進入導管中的優(yōu)選姿勢的進入導管的遠端延伸出來的關節(jié)式儀器的側視圖，正如其被使用在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機器人系統中。

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)療機器人系統中。

圖10示出如在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機器人系統中使用的圖6的儀器控制器的姿勢數據和姿勢推動塊的方框圖。

圖11示出如在利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機器人系統中使用的依據時間函數的正常模式操作和縮回模式的激活信號。

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

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

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

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節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢的方法中的約束來修改關節(jié)式儀器的所命令姿勢的方法的流程圖。

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

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

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節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢的方法的第一實施例的流程圖。

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節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢的方法的第二實施例的流程圖。

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節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢的方法的第三實施例的流程圖。

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節(jié)式儀器擺成優(yōu)選姿勢的方法的第四實施例的流程圖。

圖22示出用于利用本發(fā)明的方面的醫(yī)療機器人系統中的關節(jié)式儀器的操作者所命令移動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)療機器人系統中使用的提供作為對輸入控制裝置將施加的力將分階段引入的第一推動力命令的“分階段引入”推動塊的方框圖。

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

具體實施方式

圖1示出醫(yī)療機器人系統100的方框圖。進入導管(EG)200經配置以插入穿過進入孔口，例如微創(chuàng)切口或患者體內的自然身體孔。例如第一關節(jié)式手術工具(工具1)231、第二關節(jié)式手術工具(工具2)241和關節(jié)式立體相機(CAM)211可插入穿過進入導管200，并從進入導管200的遠端延伸出來。如圖2中所示，相機211具有一對立體圖像捕獲裝置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)。手術工具231、241具有末端執(zhí)行器331、341。盡管僅展示兩個工具231、241，但進入導管200可引導額外工具，如在患者體內的工作部位執(zhí)行醫(yī)療程序所需要。下文參考圖3和4提供關于關節(jié)式儀器211、231、241的額外細節(jié)。

裝置231、241、211、200中的每一個由其自己的操縱器和控制器操縱和控制。具體地，關節(jié)式相機儀器211由受相機儀器控制器(CTRLC)213控制的相機操縱器(ECM)212操縱，第一關節(jié)式手術工具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，第二關節(jié)式手術工具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，且進入導管200由受進入導管控制器(CTRLG)203控制的進入導管操縱器(EGM)202操縱。如下文參考圖6所述，控制器203、233、243、213作為主/從控制系統在處理器102中實施。

關節(jié)式儀器操縱器232、242、212中的每一個是運載致動器且提供機械無菌接口以將傳輸運動到其相應的關節(jié)式儀器的機械組合件。每一個關節(jié)式儀器231、241、211是從其操縱器接收運動且借助于纜線傳輸將其傳播到遠端關節(jié)(例如，接合點)的機械組合件。這些接合點可為棱柱型(例如，線性運動)或旋轉型(例如，其圍繞機械軸樞轉)。此外，所述儀器可具有內部機械約束(例如，纜線、傳動裝置、凸輪和皮帶等)，其迫使多個接合點以預定方式一起移動。每一組受機械約束的接合點實施特定的運動軸，且可將約束設計成對旋轉接合點(例如，榫接接合點)。注意，以此方式，儀器還可具有比可用致動器更多的接合點。

進入導管操縱器(EGM)202可用來以機械方式將進入導管200插入進入孔口中和從進入孔口縮回。EGM202還可用來以機械方式使進入導管200相對于樞轉點(也稱為遠程中心“RC”)附近的進入導管200的縱軸進行俯仰、橫滾和偏航樞轉?？墒褂迷O置臂來固持和定位進入導管200，使得其遠程中心RC位于進入孔口處。

提供兩個輸入裝置108、109供外科醫(yī)生操縱。輸入裝置108、109中的每一個可選擇性地與裝置211、231、241、200中的一個相關聯，使得相關聯的裝置可由輸入裝置通過其控制器和操縱器來控制。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，提供由語音辨識系統辨識的語音命令，使用例如觸摸板等輸入裝置將這些關聯輸入到系統100中，或與輸入裝置108、109上提供的專用按鈕交互。通過使用這些關聯機制中的任一個，產生選擇輸入且將其提供給多路復用器(MUX)280，其在處理器102中實施。選擇輸入的值(例如，1與0的組合)指示選擇哪一關聯(即，交叉切換)。

舉例來說，向多路復用器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工具241和第二手術工具231相關聯，因此外科醫(yī)生可在進入導管200被鎖定于適當位置時對患者執(zhí)行醫(yī)療程序。在此配置中，多路復用器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。

當外科醫(yī)生將重新定位相機211時，左輸入裝置108和右輸入裝置109中的一個或兩個可使用選擇輸入的第二值與相機211相關聯，使得外科醫(yī)生可移動相機211穿過其控制器213和操縱器212。類似地，當外科醫(yī)生將重新定位相機200時，左輸入裝置108和右輸入裝置109中的一個或兩個可使用選擇輸入的第三值與進入導管200相關聯，使得外科醫(yī)生可移動進入導管200穿過其控制器203和操縱器202。在任何情況下，解除關聯的裝置被其相應控制器軟鎖在適當位置。

相機儀器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)生提供遠程呈現體驗，如例如第6,671,581號美國專利“微創(chuàng)手術設備中的相機參考控制(Camera Referenced Control in a Minimally Invasive Surgical Apparatus)”，其由引用并入此處。因此，使用醫(yī)療機器人系統100的外科醫(yī)生可通過操縱輸入裝置108、109以致使相關聯手術工具231、241的對應移動，同時外科醫(yī)生在顯示屏104上觀看工作部位的圖像，來對患者執(zhí)行醫(yī)療程序。

盡管描述為處理器，但將認識到，處理器102可實際上由硬件、軟件和固件的任何組合實施。并且，如本文所描述，所述處理器的功能可由一個單元執(zhí)行，或在不同組件之中劃分，所述組件中的每一個反過來可由分布在整個系統中的硬件、軟件和固件的任何組合實施。

對于例如本文所述的醫(yī)療機器人系統的通用方面的構造和操作的額外細節(jié)，見例如第6,493,608號美國專利“微創(chuàng)手術設備的控制系統的方面(Aspects of a Control System of a Minimally Invasive Surgical Apparatus)”和第U.S.2008/007129號美國專利申請公開案“微創(chuàng)手術系統(Minimally Invasive Surgical System)”，其由引用并入此處。

圖3到4作為實例分別示出了()具有向外延伸的關節(jié)式相機儀器211和關節(jié)式手術工具儀器231、241的進入導管200的遠端的俯視圖和右側視圖。關節(jié)式相機211延伸穿過通道321，且關節(jié)式手術工具儀器231、241分別延伸穿過進入導管200的通道431、441。相機211包含尖端311；第一、第二和第三鏈接322、324、326；第一和第二接合點組合件(本文也簡稱為“接合點”)323、325；以及手腕組合件327。第一接合點組合件323耦合第一和第二鏈接322、324，且第二接合點組合件325耦合第二和第三鏈接324、326，使得第二鏈接324可圍繞第一接合點組合件323進行俯仰和偏航樞轉，同時第一和第三鏈接322、326保持彼此平行。

第一和第二接合點323、325稱為“榫接接合點”，因為其一起協作操作，使得當第二鏈接324圍繞第一接合點323進行俯仰和/或偏航樞轉時，第三鏈接326以互補方式圍繞第二接合點325樞轉，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行橫滾旋轉，以及穿過通道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能力，使得相機的尖端311可向上或向下且向右或向左、以及其組合、定向。

工具231、241的接合點和鏈接在構造和操作上類似于相機211的接合點和鏈接。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所述的致動器(加用于致動末端執(zhí)行器331的額外致動器)驅動。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所述的致動器(加用于致動末端執(zhí)行器341的額外致動器)驅動。

圖5作為實例示出了()關節(jié)式儀器(例如，關節(jié)式相機211以及關節(jié)式手術工具231、241)及其對應的儀器操縱器(例如，相機操縱器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包含若干可致動組合件521-523、531-533、570，用于實現所述儀器(包含其末端執(zhí)行器)的移動，且其對應操縱器包含用于致動所述可致動組合件的若干致動器501-503、511-513、560。

另外，還可提供若干接口機構。舉例來說，在無菌操縱器/儀器接口中提供俯仰/偏航耦合機構540、550(分別用于榫接接合點俯仰/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)，以實現儀器接合點在儀器接合點空間中的所需運動范圍，同時兩者滿足操縱器致動器空間中的緊湊型約束，并保全跨接口的準確運動傳輸。盡管顯示為單個塊540，但榫接接合點致動器501、502(區(qū)分為#1和#2)與榫接接合點俯仰/偏航組合件521、522之間的耦合可包含一對耦合機構，無菌接口的每一側上一個(即，一個在接口的操縱器側上，且一個在接口的儀器側上)。同樣地，盡管顯示為單個塊550，但手腕致動器512、513(區(qū)分為#1和#2)與手腕俯仰/偏航接合點組合件532、533之間的耦合也可包括一對耦合機構，無菌接口的每一側上一個。

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

入/出(I/O)組合件523包含第一鏈接(例如，關節(jié)式相機211的鏈接322)，以及穿過將入/出(I/O)致動器503耦合到第一鏈接的傳動系的接口，使得第一鏈接因I/O致動器503的致動而可控地沿其縱軸線性移動。橫滾組合件531包含第一鏈接，以及穿過將橫滾致動器511的旋轉元件(例如，電動機的轉子)耦合到第一鏈接的一個或更多個齒輪(即，具有齒輪比545)的接口，使得第一鏈接因橫滾致動器511的致動而圍繞其縱軸可控地旋轉。

儀器操縱器(例如，相機操縱器212)包含手腕致動器512、513，其通過手腕組合件(例如，關節(jié)式相機211的手腕組合件327)的手腕耦合550俯仰和偏航接合點532、533致動，以便致使儀器尖端(例如，相機尖端311)在相對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。抓握組合件570包含末端執(zhí)行器(例如，手術工具231的末端執(zhí)行器331)，以及穿過將抓握致動器560耦合到末端執(zhí)行器的一個或更多個齒輪(即，具有齒輪比555)的接口，以便可控地致動末端執(zhí)行器。

儀器接合點群組500稱為“平移接合點”，因為通過這些接合點的組合的致動，可根據需要使用弧補償將儀器的手腕組合件平移定位在三維空間內。儀器接合點群組510稱為“定向接合點”，因為通過這些接合點的致動，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、期間和之后的各個階段，可存在關節(jié)式儀器211、231、241的優(yōu)選姿勢，以最佳實現那時所執(zhí)行的任務。舉例來說，在正常操作期間，如圖3和4中所示，手術工具231、241中的每一個的優(yōu)選姿勢可為“肘出、手腕入”姿勢，以提供良好的運動范圍，同時最小化與其它儀器不經意碰撞的機會。同樣地，在正常操作期間，如圖3和4中所示，相機儀器211的優(yōu)選姿勢可為“眼鏡蛇”姿勢，其中在相機的圖像捕獲端提供手術工具儀器231、241的末端執(zhí)行器331、341的良好視圖。作為另一實例，當希望將儀器縮回到進入導管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)或希望通過使進入導管200圍繞其遠程中心樞轉來重新定向進入導管200時，在儀器縮回到進入導管200中之前，儀器的優(yōu)選姿勢是“挺直”姿勢，其中儀器的鏈接在直線上對準，例如圖8中所示。

圖6作為示例，示出了相機儀器控制器(CTRLC)213的方框圖，當輸入裝置108通過如先前參考圖1所描述的多路復用器280選擇性地與相機儀器211相關聯時，由外科醫(yī)生對輸入裝置108的移動所命令，所述相機儀器控制器控制關節(jié)式相機儀器211的擺姿勢(即，兩者均平移和定向)。輸入裝置108包含通過接合點連接的若干鏈接，以便促進多自由度移動。舉例來說，當外科醫(yī)生/操作者將輸入裝置108從一個位置移動到另一位置時，與輸入裝置108的接合點相關聯的傳感器以取樣間隔(適合處理器102的處理速度以及相機控制目的)感測此移動，且將指示接合點空間中的此經取樣移動的數字信息631提供給輸入處理塊610。

輸入處理塊610處理從輸入裝置108的接合點傳感器接收到的信息631，以通過從接合點位置信息計算接合點速度，且使用眾所周知的變換技術，使用雅可比矩陣和眼睛相關信息執(zhí)行變換，來將所述信息變換成相機儀器211在笛卡爾空間中相對于與外科醫(yī)生的眼睛的位置相關聯的參考幀(“眼睛參考幀”)的對應所期望的位置和速度。

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

模擬儀器塊604通過使用逆向運動學、限制所命令的接合點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，以及應用可經界定以改進在那時正由外科醫(yī)生使用醫(yī)療機器人系統100執(zhí)行的醫(yī)療程序的性能的虛擬約束，將相機儀器211的所命令姿勢621從其笛卡爾空間變換到其接合點空間。尤其，如圖9中所示出，可通過對所命令姿勢621實施虛擬約束的虛擬屏障邏輯901(具體參考如下圖15所述)來修改所命令的姿勢621，以產生經修改的所命令姿勢623。然后逆向運動學和限制塊902將經修改的所命令姿勢623從儀器笛卡爾空間轉變?yōu)閮x器接合點空間，且將接合點位置和/或速度限制于與關節(jié)式相機儀器211的接合點相關聯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(其包含相機儀器211的每一接合點的所命令值)提供給接合點控制塊605和正向運動學塊606。接合點控制塊605包含相機儀器211的每一受控接合點(或操作地耦合的接合點，例如“榫接接合點”)的接合點控制系統。出于反饋控制目的，與相機儀器211的受控接合點中的每一個相關聯的傳感器將指示相機儀器211的每一接合點的當前位置和/或速度的傳感器數據632提供回到接合點控制塊605。傳感器可直接地(例如，從相機儀器211上的接合點)或間接地(例如，從驅動所述接合點的相機操縱器212中的致動器)感測此接合點信息。然后接合點控制塊605中的每一接合點控制系統產生用于其在相機操縱器212中的相應致動器的扭矩命令633，以便以常規(guī)反饋控制系統方式將所命令的與所感測的接合點值之間的差驅動到零。

正向運動學塊606使用相機儀器211的正向運動學，相對于眼睛參考幀將模擬儀器塊604的輸出622從相機儀器的接合點空間變換回到笛卡兒空間。將正向運動學塊606的輸出641提供給標度和偏移處理塊601，以及提供回到模擬儀器塊604，以用于其內部計算目的。

標度和偏移處理塊601在將其輸出612傳遞到輸入處理塊610(在此處計算其輸出611與輸入612之間的誤差值)之前，對正向運動學塊606的輸出641執(zhí)行逆標度和偏移功能。如果未對模擬儀器塊604的輸入621強加限制或其它約束，那么所計算的誤差值將為零。另一方面，如果已強加限制或約束，那么誤差值不為零，且將其轉換為扭矩命令634，其驅動輸入裝置108中的致動器提供由外科醫(yī)生的手感覺的力反饋。因此，外科醫(yī)生知道正通過他或她感覺在所述方向上抵抗他或她對輸入裝置108的移動的力強加限制或約束。

姿勢推動塊625包含在控制器213中，以產生提供給輸入處理塊610的推動力命令627。然后輸入處理塊610將推動力命令627轉換成電動機扭矩，使得所命令的推動力以促使外科醫(yī)生命令相機儀器211的姿勢擺成姿勢數據626中所提供的優(yōu)選姿勢的方式由外科醫(yī)生在輸入裝置108上感覺到。

對于相機儀器211，可存在至少兩種優(yōu)選姿勢。在正常模式操作期間，例如當外科醫(yī)生正對患者執(zhí)行醫(yī)療程序時，相機儀器211的優(yōu)選姿勢為圖3和4中所示的“眼鏡蛇”姿勢。在圖3中的“眼鏡蛇”姿勢向下看，相機儀器211的所有鏈接322、324、326均與第一鏈接322的縱軸401對準，使得其具有最大的可用橫向運動范圍，且為相機儀器211的主插入方向提供參考。另外，榫接接合點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以負俯仰角度旋轉，使得相機尖端311以某一角度向下定向，使得相機優(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那時也從進入導管200的遠端延伸出來。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相機211，使得相機211可在末端執(zhí)行器331、341在其使用期間遠離和返回朝向進入導管200的遠端移動時，更好地觀看末端執(zhí)行器331、341。

在縮回模式期間，相機儀器211的優(yōu)選姿勢為“挺直”姿勢。圖7和8分別示出相機儀器211在“眼鏡蛇”和“挺直”姿勢時的簡化側視圖。為了從“眼鏡蛇”姿勢到“挺直”姿勢，榫接接合點323、325旋轉鏈接324，直到其與第一鏈接322的縱軸401對準為止。由于鏈接326歸因于榫接接合點323、325的操作而總是與第一鏈接322平行，因此當鏈接324于縱軸401對準時，鏈接326也與縱軸401對準。同時，手腕接合點327也旋轉相機尖端311，直到其中心軸也與縱軸401對準為止。

圖10作為示例，示出了姿勢推動塊625及其到姿勢數據塊626的耦合的方框圖。在此實例中，姿勢數據塊626包括存儲在處理器102可存取的非易失性存儲器中的數據。相機儀器211的所存儲數據包含用于相機儀器211的縮回的“挺直”姿勢1001的數據，以及在相機儀器211的正常模式操作期間使用的“眼鏡蛇”姿勢1002的數據。

姿勢推動塊625包括縮回模式推動塊1003、正常模式推動塊1004以及求和節(jié)點1005?？s回模式推動塊1003和正常模式推動塊1004的關鍵特征是在轉變周期期間，來自一個的推動力命令分階段引入，而來自另一個的推動力命令正分階段停止。如下參考圖12所述的縮回模式推動塊1003的更詳細描述，且參考圖13所述的正常模式推動塊1004的更詳細描述。

圖12作為示例，示出了連續(xù)處理傳入數據的縮回模式推動塊1003的方框圖。求和節(jié)點1201計算優(yōu)選“挺直”姿勢1001(即，相機儀器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產生的經修改的所命令姿勢(XSLV、VSLV)623之間的差(XERR、VERR)。如本文中所使用，術語“姿勢”表示儀器的位置和定向以及其位置和旋轉速度，使得所命令的姿勢可包含位置(XCMD)和速度(VCMD)分量，經修改的所命令姿勢可包含位置(XSLV)和速度(VSLV)分量，優(yōu)選姿勢可包含位置(XPP)和速度(VPP)分量，且優(yōu)選姿勢與經修改的所命令姿勢之間的所計算差可包含位置(XERR)和速度(VERR)分量。然而，在求和節(jié)點1201中所執(zhí)行的計算中，優(yōu)選姿勢(VPP)的速度(VPP)分量全部假定為零。

為了闡釋如何產生經修改的所命令姿勢(XSLV、VSLV)，參考圖15所述的虛擬屏障邏輯901的實例。在框1501中，邏輯901從標度和偏移塊621接收所命令姿勢(XCMD)621，且在框1502中，其確定所命令的姿勢621在第一方向上的投射，所述方向在本發(fā)明的實例中為沿相機儀器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，其為距進入導管200的遠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試圖將關節(jié)式儀器211推回到進入導管200中，同時其處于其在那時物理上將不配合的配置中，時，進入導管200和關節(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)處理數據。另一方面，如果框1503中的確定為是，那么在框1504中，確定相機儀器211的當前姿勢，感測其接合點位置，且應用正向運動學來確定其對應的笛卡兒姿勢。在框1505中，然后作出相機儀器211的當前姿勢是否為優(yōu)選姿勢(即，在此情況下為“挺直”姿勢)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(XCMD)，且跳回到框1501，以為下一處理循環(huán)處理數據。另一方面，如果框1505中的確定為否，那么通過應用虛擬屏障作為約束來修改所命令的姿勢(XCMD)，使得相機儀器211被阻止在第一方向上進一步移動。所述方法接著循環(huán)回到框1501，以為下一處理循環(huán)處理數據。因此，以此方式防止相機儀器211移出虛擬屏障位置，直到當前姿勢為相機儀器211的優(yōu)選縮回姿勢為止。

返回參看圖12，在框1202中，去除所計算差(XERR、VERR)的非推動分量。尤其，去除沿第一方向的平移分量以及圍繞尖端310的橫滾旋轉分量，因為這些分量中沒有一個影響優(yōu)選姿勢(即，不管其值如何，相機儀器均可被置于如圖8中所示的“挺直”姿勢，)。在框1203中，框1202中所產生的經修改差(XERR′、VERR′)經轉換以產生力命令，其將導致一個或更多個力被施加到輸入裝置108，使得外科醫(yī)生被促使命令相機儀器211擺成優(yōu)選姿勢。優(yōu)選地，此力命令為將施加到輸入裝置108的對應自由度的粘彈性六自由度力。

通過比例微分(PD)開環(huán)系統的框圖，圖14示出了力轉換器塊1203的實例。在此PD系統中，經修改的位置差(XERR′)乘以位置增益(KP)1401，且由限制器1402限制于第一飽和值(SATP)，以產生第一力命令貢獻。同時，經修改的速度差(VERR′)乘以微分增益(KD)1403，以產生第二力命令貢獻。求和節(jié)點1404計算第二力命令貢獻與第一力命令貢獻之間的差，且限制器1405將所述差限制于第二飽和值(SATF)。因此，第二力命令貢獻與第一力命令貢獻之間的受限差導致粘彈性六自由度笛卡爾力，用于推動外科醫(yī)生移動輸入裝置108，以便命令優(yōu)選姿勢。選擇第一和第二飽和值的值，以便確保輸入裝置108的電動機上的所命令電動機扭矩不超過其額定最大值。

返回參看圖12，調制器1207用類似圖11中的曲線1101的縮回激活信號來對力轉換器塊1203所產生的粘彈性六自由度笛卡爾力進行振幅調制。為了產生縮回激活信號，求和節(jié)點1204計算所命令姿勢(XCMD)與經修改的所命令姿勢(XSLV)之間的差，忽略速度貢獻，調制系數發(fā)生器1205使用所計算的差產生調制系數流，且低通濾波器1206對所述調制系數流進行濾波。

圖16中所示出的流程圖中提供縮回模式激活信號的產生的實例。塊1601和1602描述求和節(jié)點1204所采取的動作。尤其，在框1601中，接收所命令的姿勢(XCMD)和經修改的所命令姿勢(XSLV)，且在框1602中，計算所命令的姿勢(XCMD)與經修改的所命令姿勢(XSLV)之間的差?？?603到1607接下來描述調制系數發(fā)生器1205所采取的動作。在框1603中，確定所計算的差在第一方向(即，沿縱軸401的縮回方向)的投射，且在框1604中，作出投射是否超過閾值的確定。在此情況下，閾值應足夠大，以確保外科醫(yī)生真的希望縮回相機儀器211，且這不是不經意的動作，例如因手抖而導致。如果框1604中的確定為是，那么在框1605中，將當前調制系數設定為整數值“1”。另一方面，如果框1604中的確定為否，那么在框1606中，將當前調制系數設定為整數值“0”。在框1607中，然后將當前調制系數附加到先前處理周期中所產生的調制系數流?？?608描述低通濾波器1206所采取的動作。尤其，在框1608中，通過使調制系數流穿過低通濾波器1206來產生縮回激活信號，然后該過程跳回到框1601，以為下一處理循環(huán)處理數據。

圖13作為示例示出了也連續(xù)處理傳入數據的正常模式推動塊1004的方框圖。求和節(jié)點1301計算優(yōu)選“眼鏡蛇”姿勢1002(即，相機儀器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產生的經修改的所命令姿勢(XSLV、VSLV)623之間的差(XERR、VERR)。

在框1302中，去除所計算差(XERR、VERR)的非推動分量。尤其，去除沿第一方向的平移分量以及圍繞尖端311的橫滾旋轉分量，因為這些分量中沒有一個影響優(yōu)選姿勢(即，不管其值如何，相機儀器均可被置于如圖7中所示的“眼鏡蛇”姿勢，)。在框1303中，框1302中所產生的經修改差(XERR′、VERR′)經轉換以產生力命令，其將導致一個或更多個力被施加到輸入裝置108，使得外科醫(yī)生被促使命令相機儀器211擺成優(yōu)選姿勢。優(yōu)選地，此力命令為將施加到輸入裝置108的對應自由度的粘彈性六自由度力，其產生類似于先前參考圖14所述的。

然后調制器1307用類似圖11中的曲線1102的正常模式無效信號來對力轉換器塊1303所產生的粘彈性六自由度笛卡爾力進行振幅調制。為了產生正常模式無效信號，求和節(jié)點1304計算所命令姿勢(XCMD)與經修改的所命令姿勢(XSLV)之間的差，忽略速度貢獻，調制系數發(fā)生器1305使用所計算的差產生調制系數流，且低通濾波器1306對所述調制系數流進行濾波。

圖17所示出的流程圖中提供正常模式無效信號的產生的實例。在框1701和1702描述求和節(jié)點1304所采取的動作。尤其，在框1701中，接收所命令的姿勢(XCMD)和經修改的所命令姿勢(XSLV)，且在框1702中，計算所命令的姿勢(XCMD)與經修改的所命令姿勢(XSLV)之間的差?？?703到1707接下來描述調制系數發(fā)生器1305所采取的動作。在框1703中，確定所計算的差在第一方向(即，沿縱軸401的縮回方向)的投射，且在框1704中，作出投射是否超過閾值的確定。在此情況下，閾值應足夠大，以確保外科醫(yī)生真的希望縮回相機儀器211，且這不是不經意的動作，例如因手抖而導致。如果框1704中的確定為是，那么在框1705中，將當前調制系數設定為整數值“0”。另一方面，如果框1704中的確定為否，那么在框1706中，將當前調制系數設定為整數值“1”。注意，調制系數值賦值與縮回激活信號的產生中所使用的調制系數值賦值相反。這導致縮回和正常模式激活信號中的一個分階段引入，而另一個正分階段停止。在框1707中，然后將當前調制系數附加到先前處理周期中所產生的調制系數流。最后框1708描述低通濾波器1306所采取的動作。尤其，在框1708中，通過使調制系數流穿過低通濾波器1306來產生正常模式無效信號。然后該過程跳回到框1701，以為下一處理循環(huán)處理數據。

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

圖18示出如上文詳細描述的概述本發(fā)明的第一實施例的流程圖。在框1801中，從那時與姿勢正被命令的關節(jié)式儀器相關聯的輸入裝置接收所命令的姿勢(XCMD)。在框1802中，使用虛擬約束(例如，參看圖15所描述)來修改所命令的姿勢。在框1803到1807中，產生第一力命令，其將分階段引入以推動輸入裝置的操作者命令第一(新)優(yōu)選姿勢(例如，參看圖12所描述)，同時在框1808到1812中，產生第二力命令，其將分階段停止，以推動輸入裝置的操作者命令第二(現任)優(yōu)選姿勢(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，然后隨后在分階段引入和分階段停止轉變周期之后，促使操作者命令第一優(yōu)選姿勢。

圖19到21示出本發(fā)明的額外實施例，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示出第二實施例，其為第一實施例的修改，其中通過刪除框1802，使用虛擬約束使得所命令的姿勢不被修改，但執(zhí)行第一實施例的所有其它框。圖20示出第三實施例，其為第一實施例的修改，其中通過刪除框808到812，第二(現任)優(yōu)選姿勢不活動，但執(zhí)行具有已修改塊813的第一實施例的所有其它框，因為不存在待分階段停止的第二力命令。圖21示出第四實施例，其為第三實施例的修改，其中通過刪除框1802，使用虛擬約束使得所命令的姿勢不被修改，但執(zhí)行第三實施例的所有其它框。

圖22到24示出本發(fā)明的其它實施例，其詳細敘述先前所公開的某些實施例。尤其，鑒于先前實施例公開在某一時間(在轉變周期之外)正活動的單個優(yōu)選姿勢，圖22到24中所示的實施例預期在某一時間多個正活動的優(yōu)選姿勢的可能性，其中對活動的優(yōu)選姿勢進行加權，使得一個或一些可比其它更占優(yōu)勢。另外，加權提供額外的機制，通過所述機制，通過使其相應的權重可動態(tài)地更改(例如，逐步從權重“0”改變?yōu)闄嘀亍?”以分階段引入對應的優(yōu)選姿勢，且相反地，逐步從權重“1”改變?yōu)闄嘀亍?”以分階段停止對應的優(yōu)選姿勢)來過渡引入和過渡停止優(yōu)選姿勢。并且，鑒于先前實施例公開對于不同操作模式來說固定的優(yōu)選姿勢，圖22到24中所示的實施例基于例如其它關節(jié)式儀器的當前或所命令姿勢等系統數據來預期動態(tài)改變優(yōu)選姿勢的可能性。舉例來說，相機儀器211的優(yōu)選姿勢可隨著工具儀器231、241的末端執(zhí)行器331、341的姿勢改變而動態(tài)地改變，使得末端執(zhí)行器331、341保持完全定位在相機儀器211的視野中。作為另一實例，關節(jié)式儀器211、231、241中每一個的優(yōu)選姿勢可動態(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示出用于關節(jié)式儀器的操作者所命令移動的替代儀器控制器的方框圖。盡管實例是針對相機控制器213，但認識到，相同的通用結構可用于醫(yī)療機器人系統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的功能在逆向運動學和限制方面通常與圖6的塊604相同，但可在強加于所命令的姿勢621上以產生經修改的所命令姿勢2205的虛擬約束方面不同，因為不同的操作模式和/或優(yōu)選姿勢。同樣地，姿勢推動塊2201的功能在將兩個姿勢推動貢獻求和在一起的方面與塊625相同，其中根據相應的激活信號，第一(新)優(yōu)選姿勢將分階段引入，而第二(現任)優(yōu)選姿勢將分階段停止。

姿勢產生塊2202包含于控制器213中，以動態(tài)地產生提供給姿勢推動塊2201的一個或更多個優(yōu)選姿勢，以及在適當的時候傳遞靜態(tài)優(yōu)選姿勢。尤其，盡管可正常地傳遞姿勢數據塊626所提供的靜態(tài)優(yōu)選姿勢，但隨著條件例如，其周圍的其它工具儀器231、241的姿勢的改變，可將關節(jié)式相機儀器211的優(yōu)選姿勢從靜態(tài)優(yōu)選姿勢動態(tài)地改變。作為一個實例，相機儀器211的優(yōu)選姿勢可在正常操作模式期間動態(tài)地改變，以避免與正在使用且因此在那時移動以對患者身體結構執(zhí)行醫(yī)療程序的工具儀器231、241碰撞。為了動態(tài)地產生待分階段引入的一個或更多個優(yōu)選姿勢(例如，圖23的優(yōu)選姿勢2301、2303、2305)以及待分階段停止的一個或更多個優(yōu)選姿勢(例如，優(yōu)選姿勢2401、2403、2405)，姿勢發(fā)生器塊2202可將所述系統的一個或更多個狀態(tài)的不同功能用于待動態(tài)地改變的優(yōu)選姿勢中的每一個。在此情況下，系統狀態(tài)信息由系統數據2203提供。作為一個實例，系統數據2203可包括系統100中的其它儀器231、241的所命令姿勢。作為另一實例，系統數據2203可包括如通過將正向運動學應用于其所感測到的接合點位置來確定的其它儀器231、241的實際姿勢。

姿勢推動塊2201包含“分階段引入”和“分階段停止”推動塊，其以與先前相對于圖10的縮回模式和正常模式推動塊1003和1004所描述的方式類似的方式，分別產生在輸入轉置108上將分階段引入和分階段停止的推動力。

圖23作為示例，示出“分階段引入”推動塊的方框圖。優(yōu)選姿勢2320由多個優(yōu)選姿勢(例如，優(yōu)選姿勢2301、2303、2305)的加權平均值產生，使得優(yōu)選姿勢中的每一個乘以對應的權重(例如，權重2302、2304、2306)，其中所述權重的和等于“1”。權重可為固定值，或優(yōu)選為動態(tài)值，所以優(yōu)選姿勢中的一個或更多個可在不同時間、在不同操作模式下或在不同系統條件下占優(yōu)勢。優(yōu)選姿勢2320與經修改的所命令姿勢2205之間的差由求和節(jié)點2314計算。在框2315中去除所述差的非推動分量，且將結果提供給力轉換器塊2316，其產生力命令，例如參考圖12的框1203所描述。分階段引入激活信號由分階段引入信號發(fā)生器塊2317產生，為的是類以圖11中的縮回模式激活信號1101。然后由振幅調制器2318，通過用分階段引入激活信號對力轉換器塊2316所產生的力命令進行振幅調制，來產生在輸入裝置108上將分階段引入的振幅經調制的力命令。

使用類似構造，圖24作為示例，示出“分階段停止”推動塊的框圖。在此情況下，優(yōu)選姿勢2420由多個優(yōu)選姿勢(例如，優(yōu)選姿勢2401、2403、2405)的加權平均值產生，使得優(yōu)選姿勢中的每一個乘以對應的權重(例如，權重2402、2404、2406)，其中所述權重的和等于“1”。權重可為固定值，或優(yōu)選為動態(tài)值，所以優(yōu)選姿勢中的一個或更多個可在不同時間、在不同操作模式下或在不同系統條件下占優(yōu)勢。優(yōu)選姿勢2420與經修改的所命令姿勢2205之間的差由求和節(jié)點2414計算。在框2415中去除所述差的非推動分量，且將結果提供給力轉換器塊2416，其產生力命令，例如參考圖12的框1203所描述。分階段停止激活信號由分階段停止信號發(fā)生器塊2417產生，為的是類似圖11中的正常模式激活信號1102。然后由振幅調制器2418，通過用分階段停止激活信號對力轉換器塊2416所產生的力命令進行振幅調制，來產生提供給輸入裝置108且在輸入裝置108上將分階段停止的振幅經調制的力命令。

除本文所述的實施例之外，認識到通過其各種技術的不同組合，可構造其它實施例，且完全預期所述其它實施例在本發(fā)明的范圍內。尤其，盡管相對于優(yōu)選和替代實施例已描述了本發(fā)明的各個方面，但將理解，本發(fā)明有權在所附權利要求書的完整范圍內得到完全保護。