机器人臂的接触感测和接触反应的系统和方法与流程

1.本文公开的系统和方法涉及机器人医疗系统，并且更具体地涉及机器人医疗系统的机器人控制臂。


背景技术：

2.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)和非侵入规程(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。
3.这类机器人医疗系统可包括被配置成在给定医疗规程期间控制医疗工具的移动的机器人臂。为了实现医疗工具的期望位姿，机器人臂可以在设置过程期间或者在远程操作期间被放置成适当位姿。一些机器人使能的医疗系统可以包括臂支撑件(例如，杆)，该臂支撑件连接到机器人臂的相应基部并且支撑机器人臂。


技术实现要素：

4.在机器人手术期间，机器人臂可能例如由于在机器人臂的远程操作下的移动而与相邻对象诸如患者、医护人员或手术室中的附件接触，从而导致对患者或医护人员的过大的接触力和/或扭矩。过大的接触力或扭矩可能在手术期间对患者或医护人员造成伤害和不适。在一些情况下，响应于这样的接触力和/或扭矩，机器人臂的一个或多个关节和/或连杆可以执行零空间运动以保持位姿(例如，插管的位置和/或取向的位姿)。在一些情况下，可能需要操作者在将机器人臂移动离开之前移动患者或到达输入控件。然而，这些动作可能带来与患者或手术室中的其他对象发生不期望的碰撞和接触的额外风险。
5.因此，需要改进的机器人医疗系统。特别地，需要一种机器人医疗系统，该机器人医疗系统检测机器人臂(例如，机器人臂的连杆、关节等)上的交互(例如，力和/或扭矩)，并且根据所检测到的力和/或扭矩的特性(例如，量值、方向、变化速率等)而采取某些适当的动作，诸如启用机器人臂的零空间运动、以合适的速度以及/或者在根据所检测到的力和/或扭矩的特性(例如，量值、方向、变化速率等)选择的方向上移动机器人臂的一个或多个关节和/或连杆，或者禁用远程操作等。这样有利地提高了手术期间患者和/或操作者的安全性。这还确保了在手术期间当外科医生驱动机器人臂中的一个或多个机器人臂时减少中断。
6.此外，如本文所公开的，传感器分布在机器人臂的多个区域，以检测机器人臂上的力和/或扭矩，并且根据所检测到的接触力或扭矩来启用机器人臂上的受控移动。因此，减少了医护人员在远程操作期间手动调节机器人臂的位姿、移动患者和/或重新定位自身等的操作负担。
7.在本公开的另一方面，机器人臂可包括至少一个冗余度自由度，可用于若干不同目标，同时将器械递送到期望位姿并且保持远程运动中心(rcm)。这些目标可包括运动学碰撞避免、关节极限避免、过度接触避免、用于手动臂重新定位的导纳零空间运动，以及将机
器人关节定位在优选位置处。在一些情况下，这些目标中的每个目标要求机器人臂的相应零空间运动。因为机器人臂具有可用于零空间运动的有限自由度，所以这些目标有时可能彼此冲突。因此，需要在各种操作状态下同时优化机器人臂的这些目标并且以平衡的、最佳的方式控制零空间运动。
8.如本文所公开的，机器人医疗系统可以通过识别机器人系统的多个任务来管理与各种目标相关联的零空间运动请求，每个任务可以请求机器人臂的相应零空间运动。机器人系统可以根据统一方案(例如，从许多可用方案中选择的一个方案，诸如排他性、切换或加权等)来对任务进行优先级排序，并且根据统一方案来确定机器人臂的零空间速度。在一些实施方案中，医疗机器人系统可以确定当前情况下每个零空间运动请求的“严重程度”或必要性(例如，生成具有合适的权重和定量测量的“成本函数”)，并且通过降低当前情况下零空间运动请求的聚合的“严重程度”(例如，优化成本函数)来确定机器人臂合适的零空间关节速度。机器人医疗系统然后基于使用统一方案确定的零空间关节速度来执行机器人臂的零空间运动，这对应于在这种情况下的竞争优先级(例如，安全性、功率消耗、效率、不同任务的目标和约束等)之间的适当平衡。
9.本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，这些创新方面中没有一个独自负责本文所公开的期望属性。
10.根据本公开的一些实施方案，一种机器人系统包括机器人臂。机器人系统还包括一个或多个传感器。该机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。该存储器存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器经由一个或多个传感器来检测由外部对象施加在机器人臂上的接触力或扭矩。响应于检测到接触力或扭矩，根据确定接触力或扭矩的量值介于接触力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间，一个或多个处理器根据所检测到的接触力或扭矩来启用机器人臂上的第一组受控移动。
11.在一些实施方案中，启用机器人臂上的第一组受控移动包括激活机器人臂的零空间运动。
12.在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器：响应于检测到接触力或扭矩，根据确定接触力或扭矩超过接触力或扭矩上限，禁用机器人系统的一部分的移动。
13.在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器：响应于检测到接触力或扭矩，根据确定接触力或扭矩小于接触力或扭矩下限，放弃根据所检测到的接触力或扭矩来启用机器人臂上的第一组受控移动。
14.在一些实施方案中，一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器。使用一个或多个接触传感器来检测接触力或扭矩。
15.在一些实施方案中，一个或多个接触传感器位于机器人臂的连杆上。
16.在一些实施方案中，机器人臂的连杆是远侧连杆或近侧连杆。
17.在一些实施方案中，一个或多个传感器包括多轴负荷传感器。使用多轴负荷传感器来检测接触力或扭矩。
18.在一些实施方案中，多轴负荷传感器包括位于机器人臂的远侧部分上的六轴负荷传感器。
19.在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使
一个或多个处理器接收包括机器人臂的第一速度的第一用户命令。根据确定接触力的量值介于接触力下限和接触力上限之间，该一个或多个处理器(a)确定接触力的方向，(b)确定扭矩的方向，(c)确定由机器人臂的平移速度和接触力的方向形成的第一角度，以及(d)确定由机器人臂的旋转速度和扭矩的方向形成的第二角度。根据确定第一角度在第一角度阈值内并且第二角度在第二角度阈值内，一个或多个处理器启用机器人臂的一个或多个关节以第一速度移动。根据以下项中的至少一项，一个或多个处理器禁用机器人臂的移动：(i)确定第一角度超过第一角度阈值，或者(ii)确定第二角度超过第二角度阈值。
20.在一些实施方案中，根据用于检测接触力的一个或多个接触传感器的测量不确定性来确定第一角度阈值和第二角度阈值。
21.在一些实施方案中，存储器还包括指令，这些指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器接收第二用户命令，该第二用户命令包括机器人臂的所请求的速度(例如，线性速度或角速度)。根据确定扭矩的量值介于扭矩下限和扭矩上限之间，一个或多个处理器确定扭矩的方向。在一些实施方案中，一个或多个处理器可以确定由扭矩的方向和机器人臂的所请求的速度(例如，线性速度或角速度)形成的第三角度。根据确定第三角度在第三角度阈值内，一个或多个处理器启用机器人臂以所请求的速度移动。根据确定第三角度超过第三角度阈值，一个或多个处理器禁用机器人臂的移动。
22.在一些实施方案中，相对于机器人臂的远程运动中心来确定扭矩的量值。
23.在一些实施方案中，根据用于检测扭矩的六轴负荷传感器的测量不确定性来确定第三角度阈值。
24.根据本公开的一些实施方案，一种机器人系统包括机器人臂。机器人系统还包括一个或多个传感器。该机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器经由一个或多个传感器来检测由外部对象施加在机器人臂上的接触力或扭矩。响应于检测到接触力或扭矩，并且根据确定接触力或扭矩介于力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间，一个或多个处理器启用机器人臂按基于机器人臂的预先建立或预先记录的路径的轨迹移动。
25.在一些实施方案中，一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器。
26.在一些实施方案中，该一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。
27.在一些实施方案中，机器人臂的预先建立或预先记录的路径包括机器人臂的连杆质心的预先记录的路径。
28.在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器根据连杆质心的预先记录的路径来确定在可配置时间段内沿预先记录的路径的平移和旋转运动方向。
29.在一些实施方案中，机器人臂的预先建立或预先记录的路径包括机器人臂的远程中心运动的俯仰和/或偏航角的预先建立或预先记录的路径。
30.在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器根据机器人臂的预先建立或预先记录的路径来确定在可配置时间段内沿预先记录的路径的平均运动方向。
31.根据本公开的一些实施方案，一种机器人系统包括机器人臂。机器人系统包括一个或多个传感器。机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储指令，该指令
在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器经由一个或多个传感器来检测由外部对象施加在机器人臂上的接触力或扭矩。根据确定接触力或扭矩大于或等于反作用力或扭矩下限，一个或多个处理器降低机器人臂的速度。
32.在一些实施方案中，机器人臂包括一个或多个关节。降低机器人臂的速度包括降低机器人臂的一个或多个关节中的每个关节的相应速度。
33.在一些实施方案中，降低一个或多个关节中的每个关节的相应速度包括以相同的比例降低所有关节的速度。
34.在一些实施方案中，降低机器人臂的速度包括降低机器人臂的远程中心运动处的角速度。
35.在一些实施方案中，一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器。
36.在一些实施方案中，该一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。
37.根据本公开的另一方面，机器人系统包括用户控制台。机器人系统还包括机器人臂。机器人系统还包括联接到机器人臂的可调式杆。该机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器基于来自由机器人系统执行的多个任务中的两个或更多个任务的输入来控制机器人臂和/或可调式杆的零空间运动。多个任务包括：第一任务，该第一任务包括机器人臂的接触检测和反应；第二任务，该第二任务包括可调式杆的优化；第三任务，该第三任务包括经由运动学进行的碰撞和/或关节极限处理；第四任务，该第四任务包括机器人臂零空间和/或杆位姿点动(pose jogging)；以及第五任务，该第五任务包括朝向优选的关节位置的运动。
38.在一些实施方案中，机器人系统还包括被定位在机器人臂上的一个或多个力传感器。第一任务还包括使用一个或多个力传感器来检测机器人臂上的接触。
39.在一些实施方案中，一个或多个力传感器包括被定位在机器人臂的连杆上的接触传感器。
40.在一些实施方案中，一个或多个力传感器包括被定位在机器人臂的关节或远侧端部上的接触传感器。
41.在一些实施方案中，机器人系统还包括被定位在机器人臂的关节上的一个或多个力传感器。第二任务包括使用在一个或多个传感器上感测到的力来调节可调式杆相对于机器人臂的位姿。
42.在一些实施方案中，机器人系统还包括被定位在机器人臂的关节上的一个或多个编码器。第三任务包括使用一个或多个编码器来检测碰撞并且经由运动学控制来减轻碰撞。
43.在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器基于多个任务中的任务之间的预设互斥性来对多个任务中的一个或多个任务进行优先级排序。
44.在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器将相应的权重分配给多个任务中的每个任务。存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器基于多个任务的相应权重的相对量值对多个任务中的一个或多个任务进行优先级排序。
45.在一些实施方案中，存储器还包括指令，该指令在由一个或多个处理器执行时，使
一个或多个处理器基于机器人系统的当前状态在多个任务中的一个或多个任务的不同组之间切换。
46.在一些实施方案中，机器人臂具有至少一个冗余度自由度。
47.在一些实施方案中，控制机器人臂的零空间运动包括以最佳零空间关节速度将机器人臂的一个或多个关节移动到期望位姿。
48.在一些实施方案中，存储器还包括指令，这些指令在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器执行机器人臂的零空间运动，同时允许机器人臂的端部执行器遵循命令。
49.根据本公开的另一方面，在机器人系统处执行一种方法。机器人系统包括机器人臂、联接到机器人臂的可调式杆、一个或多个处理器，以及存储器。存储器存储被配置用于由一个或多个处理器执行的一个或多个程序。该方法包括识别机器人系统的第一多个任务。第一多个任务中的每个任务请求具有对应的零空间关节速度的机器人臂的相应零空间运动。第一多个任务包括以下项中的两项或更多项：第一任务，该第一任务包括运动学碰撞避免；第二任务，该第二任务包括关节极限避免；第三任务，该第三任务包括接触避免和导纳零空间运动；以及第四任务，该第四任务包括朝向优选的关节位置的运动。该方法包括基于机器人臂的第一零空间关节速度来执行机器人臂的零空间运动，该第一零空间关节速度是通过减小成本函数来确定的，该成本函数包括对应于可调式杆和/或机器人臂零空间和/或杆位姿点动的优化的第一成本以及对应于第一多个任务中的每个任务的多个第二成本。
50.在一些实施方案中，该方法包括使用具有连续步长减小的梯度下降算法来减小成本函数。
51.在一些实施方案中，该方法包括以第一零空间关节速度将机器人臂的一个或多个关节移动到期望位姿。
52.在一些实施方案中，在允许机器人臂的端部执行器遵循命令时发生机器人臂的零空间运动的执行。
53.在一些实施方案中，该方法还包括为第一成本分配第一权重，以及为多个第二成本中的每个第二成本分配相应的第二权重。
54.在一些实施方案中，第二成本中的至少一者具有相应的第二权重零。
55.在一些实施方案中，根据机器人系统的操作状态来执行将相应的第二权重分配给多个第二成本中的每一者。
56.在一些实施方案中，机器人系统包括机器人臂、联接到机器人臂的可调式杆、一个或多个处理器，以及存储器。存储器存储一个或多个程序，该一个或多个程序在由一个或多个处理器执行时，使一个或多个处理器执行本文所述方法中的任一种方法。
57.需注意，上述各种实施方案可与本文所述的任何其他实施方案组合。在说明书中描述的特征和优点不是全部包含的，并且特别地，考虑到附图、说明书和权利要求书，许多另外的特征和优点对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。此外，应当注意，说明书中使用的语言主要是为了可读性和指导目的而选择的，并且可能不是为了描绘或限制本发明的主题而选择的。
附图说明
58.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。
59.图1示出了被布置用于诊断和/或治疗支气管镜检查过程的基于推车的机器人系统的实施方案。
60.图2描绘了图1的机器人系统的另外方面。
61.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。
62.图4示出了被布置用于血管过程的图1的机器人系统的实施方案。
63.图5示出了被布置用于支气管镜检查过程的基于台的机器人系统的一个实施方案。
64.图6提供了图5的机器人系统的另选视图。
65.图7示出了被构造成能够收起机器人臂的示例性系统。
66.图8示出了被构造用于输尿管镜检查过程的基于台的机器人系统的实施方案。
67.图9示出了被构造用于腹腔镜检查过程的基于台的机器人系统的实施方案。
68.图10示出了图5至图9的具有俯仰和倾斜调节的基于台的机器人系统的实施方案。
69.图11提供了图5至图10的台与基于台的机器人系统的柱之间的接口的详细图示。
70.图12示出了基于台的机器人系统的另选实施方案。
71.图13示出了图12的基于台的机器人系统的端视图。
72.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。
73.图15示出了示例性器械驱动器。
74.图16示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。
75.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。
76.图18示出了具有基于器械的插入架构的器械。
77.图19示出了示例性控制器。
78.图20描绘了根据示例性实施方案的框图，该框图示出了估计图1至图10的机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如图16至图18的器械的位置)的定位系统。
79.图21示出了根据一些实施方案的示例性机器人系统。
80.图22示出了根据一些实施方案的示例性机器人系统的另一视图。
81.图23a和图23b示出了根据一些实施方案的示例性机器人臂的不同视图。
82.图24a至图24h示出了根据一些实施方案的机器人臂210的传感器。
83.图25a至图25c示出了根据一些实施方案的用于检测和响应接触力和/或扭矩的方法的流程图。
84.图26示出了机器人臂在空间中被允许的移动。
85.图27a和图27b示出了根据一些实施方案的用于检测和响应接触力和/或扭矩的另一方法的流程图。
86.图28示出了根据一些实施方案的用于检测和响应接触力和/或扭矩的另一方法的流程图。
87.图29示出了根据一些实施方案的用于机器人系统200的运动学架构的框图900。
88.图30a至图30c示出了根据一些实施方案的控制机器人臂的零空间运动的方法的流程图。
89.图31a和图31b示出了根据一些实施方案的用于确定机器人臂的零空间关节速度的方法的流程图。
具体实施方式
90.1.概述。
91.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。在内窥镜检查过程中，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。
92.除了执行广泛的过程之外，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过程的能力，而不需要笨拙的臂运动和位置。另外，该系统可以为医师提供以改进的易用性执行过程的能力，使得系统的器械中的一个或多个可由单个用户控制。
93.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实施方案是可能的，并且利用所公开的实施方案可实现各种优点。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。
94.a.机器人系统
–
推车。
95.机器人使能的医疗系统可以按多种方式配置，这取决于特定过程。图1示出了被布置用于诊断和/或治疗支气管镜检查过程的基于推车的机器人使能系统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专用支气管镜)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，可致动机器人臂12以相对于进入点来定位支气管镜。当利用胃镜(用于胃肠道(gi)过程的专用内窥镜)执行gi过程时，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。
96.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插入到患者中。如图所示，可操纵内窥镜13可包括至少两个伸缩部分，诸如内引导件部分和外护套部分，每个部分联接到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器联接到单独的机器人臂的远侧端部。有利于将引导件部分与护套部分同轴对准的器械驱动器28的这种线性布置产生“虚拟轨道”29，该“虚拟轨道”可以通过将一个或多个机器人臂12操纵到不同角度和/或位置而在空间中被重新定位。本文所述的虚拟轨道在附图中使用虚线描绘，并且因此虚线未描绘系统的任何物理结构。器械驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导件部分相对于外护套部分伸缩，或者使内窥镜13从患者推进或回缩。虚拟轨道29的角度可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的角度和位置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弯曲到患者的口腔中引起的摩擦最小化之间的折衷。
97.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，可操纵内窥镜13以从外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也允许引导件部分和护套部分彼此独立地被驱动。
98.例如，可引导内窥镜13以将活检针递送到目标，诸如例如患者肺内的病变或结节。针可沿工作通道向下部署，该工作通道延伸内窥镜的长度以获得待由病理学家分析的组织样本。根据病理结果，可沿内窥镜的工作通道向下部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，诊断和治疗处理可在单独的过程中递送。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过程期间递送。
99.系统10也可包括可动塔30，该可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。将此类功能放置在塔30中允许可由操作医师和他/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/台与支撑塔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过程期间不挡道。
100.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控制整个系统或其子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可致使机器人系统的部件致动相关托架和臂安装件，致动机器人臂，并且控制医疗器械。例如，响应于接收到控制信号，机器人臂的接头中的马达可将臂定位成特定姿势。
101.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。
102.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、更可移动的推车11。
103.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也可用于容纳和定位em场发生器，以供医疗器械之中或之上的em传感器进行检测。
104.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过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或生命体征和系统的操作，以及提供过程专用数据，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。
105.塔30可通过一个或多个缆线或连接件(未示出)联接到推车11和内窥镜13。在一些实施方案中，可通过单根缆线向推车11提供来自塔30的支撑功能，从而简化手术室并消除手术室的混乱。在其他实施方案中，特定功能可联接在单独的布线和连接中。例如，尽管可以通过单根缆线向推车提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控制、光学、流体和/或导航的支持。
106.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沿柱14竖直地平移。
107.托架接口19通过狭槽诸如狭槽20连接到柱14，这些狭槽被定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包含竖直平移接口以将托架相对于推车基部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的到达范围以满足多种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独构造的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种构型成角度。
108.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进行部署。盖盘绕在卷轴内，直到被部署成，随着托架17竖直地上下平移，从盖的盘绕状态开始延伸和回缩。当托架17朝向卷轴平移时，卷轴的弹簧负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。
109.柱14可在内部包括机构诸如齿轮和马达，这些机构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。
110.机器人臂12通常可包括由一系列连杆23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，该一系列连杆由一系列接头24连接，每个接头包括独立的致动器，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可用的独立自由度。臂12中的每一者具有七个关节，并且因此提供七个自由度。多个接头导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。冗余的自由度允许机器人臂12使用不同的连杆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，同时允许医师使臂接头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。
111.推车基部15在地板上平衡柱14、托架17和臂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、电源以及使得推车能够移动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车在过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，以在过程期间将推车11保持在适当方位。
112.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。从该方位，医师可以在从推车11后面操作控制台16的同时观察控制台16、机器人臂12和患者。如图所示，控制台16也包括用于辅助操纵和稳定推车11的柄部27。
113.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。在输尿管镜过程中，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过程专用内窥镜)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可在台的脚部处对准，以允许机器人臂12定位输尿管镜32，以用于直接线性进入患者的尿道。机器人臂12可从台的脚部沿着虚拟轨道33将输尿管镜32通过尿道直接插入患者的下腹部中。
114.在插入尿道中之后，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。
115.图4示出了类似地布置用于血管过程的机器人使能的系统的实施方案。在血管过程中，系统10可被构造成使得推车11可将医疗器械34(诸如可操纵导管)递送到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导轨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。
116.b.机器人系统
–
台。
117.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装备的量，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过程的这样的机器人使能系统的实施方案。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。
118.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可使用被定位在柱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，同时维持结构平衡。托架43的旋转和平移允许系统将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者身上的不同进入点中。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有利地能够紧凑地收到病人检查台或病床下方，并且随后在过程期间升高。
119.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提供附加的可构造性。另外，臂安装架45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装架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)。
120.柱37在结构上为台38提供支撑，并且为托架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、以及将所述托架基于导螺杆的平移机械化的马达。柱37也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。
121.台基部46具有与图2所示的推车11中的推车基部15类似的功能，容纳较重的部件以平衡台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台基部46也可结合刚性脚轮以在过程期间提供稳定性。在基部46的两侧上，从台基部46的底部开始部署的脚轮可以在相反方向延伸，并且在系统36需要移动时回缩。
122.继续图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，塔可以向台提供各种支持功能，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中有更多的储存空间，以用于机器人臂的潜在收起。塔架还可包括主控制器或控制台，该主控制器或控制台提供用于用户输入的用户界面诸如键盘和/或吊塔，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)。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。
123.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和臂50，并且关闭以收起该托架、该臂安装件和该臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可利用膜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。
124.图8示出了被构造用于输尿管镜检查过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可以沿着虚拟导轨57将输尿管镜56直接插入患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可以固定至台38的旋转部分55，以在过程期间支撑患者的
腿部的方位，并且允许完全通向患者的腹股沟区域。
125.在腹腔镜检查过程中，通过患者的腹壁中的一个或多个小切口，可将微创器械插入患者的解剖结构中。在一些实施方案中，微创器械包括用于进入患者内的解剖结构的细长刚性构件，诸如轴。在患者腹腔充气之后，可以引导器械执行外科或医疗任务，诸如抓握、切割、消融、缝合等。在一些实施方案中，器械可以包括镜，诸如腹腔镜。图9示出了被配置用于腹腔镜检查过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。
126.为了适应腹腔镜检查过程，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可旋转以匹配倾斜，使得臂39与台38维持相同的平面关系。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接触地板或与基部46碰撞。
127.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可被构造成能够以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。俯仰旋转机构61可以通过将正交轴线1、2定位在柱台接口处来实现，每条轴线由单独的马达3、4响应于电俯仰角命令而致动。沿着一个螺钉5的旋转将使得能够在一条轴线1中进行倾斜调整，而沿着另一个螺钉6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调节。在一些实施方案中，可使用球形接头来在多个自由度上改变台38相对于柱37的俯仰角。
128.例如，当试图将台定位在特伦德伦伯格卧位(即，将患者的下腹部定位在比患者的下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过程，诸如腹腔镜前列腺切除术。
129.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。在所示实施方案中，示出了单个可调式臂支撑件105，但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可被构造成以使其可相对于台101移动，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的位置。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和附接到该一个或多个可调式臂支撑件的任何机器人臂收到台101下方的能力。可调式臂支撑件105可从收起位置升高到台101的上表面下方的位置。在其他实施方案中，可调式臂支撑件105可从收起位置升高到台101的上表面上方的位置。
130.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(“z提升”)上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，该托架被构造成能够沿着或相对于支撑台101的柱102上移或下移。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可包括旋转关节，该
旋转关节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沿着台的纵向长度平移。
131.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。
132.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、杆或轨道连接件111以及杆或轨道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移动。
133.托架109可通过第一关节113附接到柱102，该第一关节允许托架109相对于柱102移动(例如，诸如沿第一轴线或竖直轴线123上下移动)。第一关节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可包括第二关节115，该第二关节为可调式臂支撑件105提供第二自由度(倾斜)。可调式臂支撑件105可包括第三关节117，该第三关节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可包括第四关节121，该第四关节可沿着第四轴线129为可调式臂支撑件105提供第四自由度(平移)。
134.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。
135.在一些实施方案中，机器人臂142a、142b中的一者或多者包括具有七个或更多个自由度的臂。在一些实施方案中，机器人臂142a、142b中的一者或多者可包括八个自由度，包括插入轴线(包括插入的1个自由度)、腕部(包括腕部俯仰、偏航和滚动的3个自由度)、肘部(包括肘部俯仰的1个自由度)、肩部(包括肩部俯仰和偏航的2个自由度)以及基部144a、144b(包括平移的1个自由度)。在一些实施方案中，插入自由度可由机器人臂142a、142b提供，而在其他实施方案中，器械本身经由基于器械的插入架构提供插入。
136.c.器械驱动器和接口。
137.系统的机器人臂的端部执行器包括：(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”)，该器械驱动器结合用于致动医疗器械的机电装置；和(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，该医疗器械可不含任何机电部件，诸如马达。该二分法可能是由以下所驱动的：对医疗过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。
138.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，其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(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。
139.对于需要无菌环境的过程，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件，同时保持驱动轴与驱动输入件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装备，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。
140.d.医疗器械。
141.图16示出了具有成对器械驱动器的示例医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括细长轴71(或细长主体)和器械基部72。由于其用于由医师进行的手动交互的预期设计而也被称为“器械柄部”的器械基部72通常可以包括可旋转驱动输入部73(例如，插座、滑轮或卷轴)，该驱动输入部被设计成与延伸通过机器人臂76的远侧端部处的器械驱动器75上的驱动接口的驱动输出部74配合。当物理连接、闩锁和/或联接时，器械基部72的配合的驱动输入73可以与器械驱动器75中的驱动输出74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出74传递到驱动输入73。在一些实施方案中，驱动输出部74可包括花键，这些花键被设计成与驱动输入部73上的插孔配合。
142.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)来递送。细长轴71可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性细长轴的远侧端部可以连接到端部执行器，该端部执行器从由具有至少一个自由度的连接叉形成的接头腕和外科工具或医疗器械(诸如例如，抓握器或剪刀)延伸，当驱动输入部响应于从器械驱动器75的驱动输出部74接收到的扭矩而旋转时，该外科工具可以基于来自腱的力来致动。当设计用于内窥镜检查时，柔性细长轴的远侧端部可包括可操纵或可控制的弯曲节段，该弯曲节段以基于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而进行关节运动和弯曲。
143.来自器械驱动器75的扭矩使用腱沿着轴71向下传递到细长轴71。这些单独的腱(诸如牵拉线)可单独地锚定到器械柄部72内的各个驱动输入部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，或锚定在细长轴的远侧部分处的腕部中。在外科过程诸如腹腔镜、内窥镜或混合过程期间，这些腱可以联接到远侧安装的端部执行器，诸如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入部73上的扭矩将张力传递到腱，从而引起端部执行器以某种方式致动。在一些实施方案中，
在外科过程期间，腱可以致使接头围绕轴线旋转，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，其中来自腱的张力使抓握器闭合。
144.在内窥镜检查中，腱可经由粘合剂、控制环或其他机械固定件联接到沿着细长轴71定位(例如，在远侧端部处)的弯曲或关节运动节段。当固定地附接到弯曲节段的远侧端部时，施加在驱动输入部73上的扭矩将沿腱向下传递，从而使较软的弯曲节段(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/或其间的间隔，其中更紧的螺旋在负载力下呈现较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但也呈现限制弯曲。在另一种情况下，可平行于细长轴71的纵轴来引导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式关节运动。
145.在内窥镜检查中，细长轴71容纳多个部件以辅助机器人过程。轴可包括用于将外科工具(或医疗器械)、冲洗件和/或抽吸件部署到轴71的远侧端部处的操作区域的工作通道。轴71也可容纳线和/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，该光学组件可包括光学相机。轴71也可容纳光纤，以将来自位于近侧的光源(诸如发光二极管)的光载送到轴的远侧端部。
146.在器械70的远侧端部处，远侧末端也可包括用于将供诊断和/或治疗、冲洗和抽吸的工具递送到手术部位的工作通道的开口。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。
147.在图16的示例中，驱动轴的轴线以及因此驱动输入部轴线与细长轴的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚动能力复杂化。沿着细长轴71的轴线滚动该细长轴同时保持驱动输入部73静止会引起当腱从驱动输入部73延伸出去并且进入细长轴71内的牵拉腔时，腱的不期望的缠结。此类腱的所得缠结可破坏旨在预测柔性细长轴在内窥镜式过程期间的运动的任何控制算法。
148.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，并且该电力和控制信号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。
149.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)，该器械基部包括被构造成接收器械驱动器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。
150.当联接到器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83组合地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的旋转使器械轴88围绕其自身的纵轴旋转。此外，在器械基部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。
151.图18示出了根据一些实施方案的具有基于器械的插入架构的器械。器械150可联接到上文所述的器械驱动器中的任何。器械150包括细长轴152、连接到轴152的端部执行器162和联接到轴152的柄部170。细长轴152包括管状构件，该管状构件具有近侧部分154和远侧部分156。细长轴152沿着其外表面包括一个或多个通道或凹槽158。凹槽158被构造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。
152.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部174，例如插孔、滑轮或卷轴，该一个或多个机械输入部被设计成与器械驱动器的附接表面上的一个或多个扭矩联接器往复地配合。
153.在一些实施方案中，器械150包括使细长轴152能够相对于柄部170平移的一系列滑轮或缆线。换句话讲，器械150本身包括基于器械的插入架构，该架构适应器械的插入，从而使对机器人臂的依赖最小化以提供器械150的插入。在其他实施方案中，机器人臂可以很大程度上负责器械插入。
154.e.控制器。
155.本文所述的机器人系统中的任一个机器人系统可包括用于操纵附接到机器人臂的器械的输入装置或控制器。在一些实施方案中，控制器可与器械(例如，通信地、电子地、电气、无线地和/或机械地)联接，使得控制器的操纵例如经由主从控制而致使器械对应操纵。
156.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。
157.在所示实施方案中，控制器182被构造成允许操纵两个医疗器械，并且包括两个柄部184。柄部184中的每一者连接到万向支架186。每个万向支架186连接到定位平台188。
158.如图19所示，每个定位平台188包括通过棱柱接头196联接到柱194的scara臂(选择顺应性装配机器人臂)198。棱柱关节196被构造成能够沿着柱194(例如，沿着轨道197)平移，以允许柄部184中的每一者在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。
159.在一些实施方案中，一个或多个负荷传感器定位在控制器中。例如，在一些实施方案中，负荷传感器(未示出)被定位在万向支架186中的每一者的主体中。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被构造用于导纳控制，而万向支架186被构造用于阻抗控制。在其他实施方案中，万向支架186被构造用于导纳控制，而定位平台188被构造用于阻抗控制。因此，对于一些实施方案，定位平台188的平移自由度或位置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。
160.f.导航和控制。
161.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。
162.图20是示出了根据示例性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可以是一组被配置成执行一个或多个指令的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、图5至图14所示的床等中。
163.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)。
164.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号中有所讨论，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。
165.在一些实施方案中，器械可以配备有相机以提供视觉数据92。定位模块95可处理视觉数据以实现一个或多个基于视觉的位置跟踪。例如，术前模型数据可以与视觉数据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。在操作中，机器人系统可以参考该库，以便将在摄像相机(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。
166.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。
167.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。
168.定位模块95可使用实时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手术中“配准”到患者解剖结构(例如，手术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的手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。
169.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。在手术中，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。
170.如图20所示，定位模块95可使用多项其他输入数据。例如，尽管图20中未示出，但利用了形状感测纤维的器械可提供形状数据，定位模块95可使用该形状数据来确定器械的位置和形状。
171.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中的每一者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。
172.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致使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位置、解剖图等。
173.2.用于检测和响应机器人臂上的外力和/或扭矩的系统、装置和方法
174.本公开的实施方案涉及用于在执行机器人臂的远程操作时检测和响应与机器人臂的交互(例如，无意接触或碰撞、直接操纵等)的系统、方法和装置。
175.根据本公开的一些实施方案，一种机器人医疗系统包括一个或多个传感器和/或
传感器架构，用于感测机器人臂上(例如，机器人臂的连杆、接头等上)的交互。例如，机器人臂可以在远程操作(例如，手术、诊断规程等)期间与相邻对象(例如，患者、医护人员和/或手术室中的附件)接触。传感器和/或传感器架构检测并且任选地测量机器人臂上的交互(例如，力、接触、位移、扭矩等)。
176.当所测量的交互接近患者、医护人员和/或附件的安全接触极限(例如，安全的力极限和/或扭矩极限)时，机器人系统必须适当地响应，以确保机器人操纵器上的接触力不超过安全接触极限。响应于检测到交互，并且根据确定交互的特性(例如，量值、方向、变化速率等)，例如，机器人系统可以启用机器人臂上的适当的受控移动，诸如启用机器人臂的零空间运动，以及/或者以根据所检测到的力和/或扭矩的特性来选择的速度和/或方向(例如，由远程操作请求的速度和/或方向、其他速度和/或方向(例如，零空间运动、运动的禁止等))移动机器人臂的一个或多个关节和/或连杆。
177.当所测量的交互接近安全接触极限时，机器人系统还向外科医生提供触觉或其他类型的反馈，使得外科医生在系统的安全接触极限内操作机器人系统。例如，根据一些实施方案，机器人系统可以用输出的形式向医师控制台显示器提供反馈或作为触觉反馈。
178.a.机器人系统
179.图21示出了根据一些实施方案的示例性机器人系统200。在一些实施方案中，机器人系统200是机器人医疗系统(例如，机器人手术系统)。在图21的示例中，机器人系统200包括患者支撑平台202(例如，患者平台、台、床等)。沿着患者支撑平台202的长度的两个端部分别被称为“头部”和“腿部”。患者支撑平台202的两侧分别被称为“左”和“右”。患者支撑平台202包括用于患者支撑平台202的支撑件204(例如，刚性框架)。
180.机器人系统200还包括用于支撑机器人系统200的基部206。基部206包括轮208，这些轮允许机器人系统200能够在物理环境中容易地移动或重新定位。在一些实施方案中，轮208从机器人系统200中省略或者是可回缩的，并且基部206可以直接搁置在地面或地板上。在一些实施方案中，轮208被替换为支脚。
181.机器人系统200包括一个或多个机器人臂210。机器人臂210可被构造成执行如上文参考图1至图20所述的机器人医疗规程。虽然图21示出了五个机器人臂210，但是应当理解，机器人系统200可以包括任何数量的机器人臂，包括小于五个，或六个或更多个。
182.机器人系统200还包括支撑机器人臂210的一个或多个杆220(例如，可调式臂支撑件或可调式杆)。机器人臂210中的每个机器人臂通过机器人臂的相应基部接头被支撑在杆220上并且可移动地联接到该杆。在一些实施方案中，并且如图12中所述，杆220可以提供若干自由度，包括提升、侧向平移、倾斜等。在一些实施方案中，机器人臂210和/或可调式臂支撑件220中的每一者也被称为相应的运动链。
183.图21示出了由位于图的视场中的杆220支撑的三个机器人臂210。其余两个机器人臂由位于患者支撑平台202的另一长度上的另一杆支撑。
184.在一些实施方案中，可调式臂支撑件220可以被构造成提供机器人臂210中的一个或多个机器人臂的基础位置以进行机器人医疗规程。通过沿着机器人臂210的下面的杆220的长度平移机器人臂210和/或通过经由一个或多个接头和/或连杆调节机器人臂210的位置和/或取向(参见例如图23)，可以相对于患者支撑平台202定位机器人臂。
185.在一些实施方案中，可调式臂支撑件220可沿着患者支撑平台202的长度平移。在
一些实施方案中，杆220沿着患者支撑平台202的长度的平移使得由杆220支撑的机器人臂210中的一个或多个机器人臂与杆同时平移或相对于杆平移。在一些实施方案中，可以平移杆220，同时保持机器人臂中的一个或多个机器人臂相对于机器人医疗系统200的基部206静止。
186.在图21的示例中，可调式臂支撑件220沿着患者支撑平台202的部分长度定位。在一些实施方案中，可调式臂支撑件220可在患者支撑平台202的整个长度上延伸，以及/或者在患者支撑平台202的部分或全部宽度上延伸。
187.根据一些实施方案，在机器人医疗规程期间，机器人臂210中的一个或多个机器人臂还可以被构造成保持器械212(例如，机器人控制的医疗器械或工具，诸如内窥镜和/或可以在手术期间使用的任何其他器械)，并且/或者联接到一个或多个附件，包括一个或多个插管。
188.图22示出了根据一些实施方案的图21中的示例性机器人系统200的另一视图。在该示例中，机器人医疗系统200包括六个机器人臂210-1、210-2、210-3、210-4、210-5和210-6。患者平台202由在基部206和患者平台202之间延伸的柱214支撑。在一些实施方案中，患者平台202包括倾斜机构216。倾斜机构216可定位在柱214和患者平台202之间，以允许患者平台相对于柱214枢转、旋转或倾斜。倾斜机构216可被构造成允许患者平台202的侧向倾斜和/或纵向倾斜。在一些实施方案中，倾斜机构216允许患者平台202同时进行侧向倾斜和纵向倾斜。
189.图22示出了处于未倾斜状态或位置的患者平台202。在一些实施方案中，未倾斜状态或位置可以是患者平台202的默认位置。在一些实施方案中，患者平台202的默认位置是如图所示的基本上水平的位置。如图所示，在未倾斜状态下，患者平台202可水平地或平行于支撑机器人医疗系统200的表面(例如，地面或地板)定位。
190.继续参考图22，在机器人系统200的例示的示例中，患者平台202包括支撑件204。在一些实施方案中，支撑件204包括刚性支撑结构或框架，并且可支撑一个或多个表面、垫或衬垫222。患者平台202的上表面可包括支撑表面224。在医疗规程期间，患者可被置于支撑表面224上。
191.图22示出了处于示例性部署配置的机器人臂210和可调式臂支撑件220，其中机器人臂210到达患者平台202上方。在一些实施方案中，由于机器人系统200的使得不同部件能够收起在患者平台202下方的配置，机器人臂210和臂支撑件220可占据患者平台202下方的空间。因此，在一些实施方案中，可能有利的是将倾斜机构216构造成具有低轮廓和/或小体积，以使下方可用于储存的空间最大化。
192.图22还示出了可用于描述本文所公开的实施方案的某些特征的示例性x、y和z坐标系。应当理解，该坐标系仅出于示例和解释的目的而提供，并且可使用其他坐标系。在例示的示例中，当患者平台202处于未倾斜状态时，x方向或x轴在侧向方向上延伸跨过患者平台202。即，当患者平台202处于未倾斜状态时，x方向跨过患者平台202从一个侧向侧(例如，右侧)延伸到另一个侧向侧(例如，左侧)。当患者平台202处于未倾斜状态时，y方向或y轴沿着患者平台202在纵向方向上延伸。即，当患者平台202处于未倾斜状态时，y方向沿着患者平台202从一个纵向端部(例如，头部端部)延伸到另一个纵向端部(例如，腿部端部)。在未倾斜状态下，患者平台202可以位于x-y平面中或平行于x-y平面，该x-y平面可平行于地板
或地面。在例示的示例中，z方向或z轴在竖直方向上沿柱214延伸。在一些实施方案中，倾斜机构216被构造成通过使患者平台202围绕平行于y轴的侧向倾斜轴线旋转来使患者平台202侧向倾斜。倾斜机构216可被进一步构造成通过使患者平台202围绕平行于x轴的纵向倾斜轴线旋转来使患者平台202纵向倾斜。
193.b.机器人臂
194.图23a和图23b示出了根据一些实施方案的示例性机器人臂210的不同视图。
195.图23a示出了机器人臂210包括多个连杆302(例如，连杆(linkage))。连杆302由一个或多个接头304连接。接头304中的每个接头包括一个或多个自由度(dof)。
196.在图23a中，接头304包括位于机器人臂210的基部306处或附近的第一接头304-1(例如，基部接头或a0接头)。在一些实施方案中，基部接头304-1包括允许机器人臂210沿着杆220(例如，沿着y轴)平移的棱柱接头。关节304还包括第二关节304-2(例如，a1关节)。在一些实施方案中，第二关节304-2相对于基部关节304-1旋转。接头304还包括连接到连杆302-2的一个端部的第三接头304-3(例如，a2接头)。在一些实施方案中，接头304-3包括多个dof，并且促进连杆302-2相对于接头304-3倾斜和旋转。
197.图23a还示出了连接到连杆302-2的另一个端部的第四接头304-4(例如，a3接头)。在一些实施方案中，接头304-4包括连接连杆302-2与连杆302-3的肘接头。关节304还包括一对关节304-5(例如，腕滚动关节或a4关节)和304-6(例如，腕俯仰关节或a5关节)，这对关节位于机器人臂210的远侧部分上。
198.机器人臂210的近侧端部可以连接到基部306，并且机器人臂210的远侧端部可以连接到高级装置操纵器(adm)308(例如，工具驱动器、器械驱动器或机器人端部执行器等)。adm 308可以被构造成控制医疗器械212(例如，工具、窥镜等)的定位和操纵。
199.机器人臂210还可以包括插管传感器310，用于检测插管的存在或插管与机器人臂210的接近度。在一些实施方案中，当插管传感器310(例如，经由机器人系统200的一个或多个处理器)检测到插管的存在时，机器人臂210被置于对接状态(例如，对接位置)。在一些实施方案中，当机器人臂210处于对接位置时，机器人臂210可以执行零空间运动以保持插管的位置和/或取向，如以下进一步详细讨论的。相反地，当插管传感器310没有检测到插管时，机器人臂210被置于未对接状态(例如，未对接位置)。
200.在一些实施方案中，并且如图23a所示，机器人臂210包括输入或按钮312(例如，圆环形按钮，或其他类型的控件等)，该输入或按钮可用于将机器人臂210置于导纳模式中(例如，通过按下按钮312)。导纳模式也被称为导纳方案或导纳控制。在导纳模式下，机器人系统210测量(例如，施加在机器人臂210上的)力和/或扭矩并输出对应的速度和/或位置。在一些实施方案中，机器人臂210可以在导纳模式中由用户手动操纵(例如，在设置规程期间，或在规程之间等)。在一些情况下，通过使用导纳控制，操作者不需要克服机器人系统200中的全部惯性来移动机器人臂210。例如，在导纳控制下，当操作者在臂上施加力时，机器人系统200可测量该力并通过驱动与机器人臂210相关联的一个或多个马达来帮助操作者移动机器人臂210，从而获得机器人臂210的期望速度和/或位置。
201.在一些实施方案中，连杆302可以可拆卸地联接到医疗工具212(例如，以便于容易地将医疗工具212安装到机器人臂210上以及从机器人臂上拆卸下来)。接头304向机器人臂210提供多个自由度(dof)，该多个dof促进经由adm 308控制医疗工具212。
202.图23b示出了机器人臂210的前视图。在一些实施方案中，机器人臂210包括与图23a中的按钮312不同的第二输入或按钮314(例如，下压按钮)，用于将机器人臂210置于阻抗模式(例如，通过单次按压或连续按压并且保持按钮314)。在该示例中，按钮314位于a4关节304-5和a5关节304-6之间。阻抗模式也被称为阻抗方案或阻抗控制。在阻抗模式中，机器人系统200测量位移(例如，位置和速度的变化)并且输出力以便于机器人臂的手动移动。在一些实施方案中，机器人臂210可以在阻抗模式下由用户手动操纵(例如，在设置规程期间)。在一些实施方案中，在阻抗模式下，操作者对机器人臂210的一个部分的移动可以向后驱动机器人臂210的其他部分。
203.在一些实施方案中，对于导纳控制，力传感器或负荷传感器可以测量操作者正施加到机器人臂210的力并且以感觉轻的方式移动机器人臂210。导纳控制可能感觉比阻抗控制更轻，因为在导纳控制下，可隐藏机器人臂210的感知惯性，因为控制器中的马达可以帮助加速质量。相比之下，根据一些实施方案，在阻抗控制的情况下，用户负责大多数(如果不是全部)质量加速。
204.在一些情况下，取决于机器人臂210相对于操作者的位置，可能不方便触及按钮312和/或按钮314以激活手动操纵模式(例如，导纳模式和/或阻抗模式)。因此，在这些情况下，操作者可以方便地触发手动操纵模式而不是通过按钮触发手动操纵模式。
205.在一些实施方案中，机器人臂210包括单个按钮，该按钮可用于将机器人臂210置于导纳模式和阻抗模式(例如，通过使用不同按压，诸如长按压、短按压、按压并保持等)。在一些实施方案中，通过用户推动臂连杆(例如，连杆302)和/或接头(例如，接头304)并且克服力阈值，机器人臂210可以被置于阻抗模式中。
206.在医疗规程期间，可能期望机器人臂210的adm 308和/或与其联接的工具212的远程运动中心(rcm)保持在静态位姿(例如，位置和/或取向)。rcm可以指空间中的一个点，在该点上，插入医疗工具212的插管或其他进入端口在运动中受到限制。在一些实施方案中，医疗工具212包括端部执行器，该端部执行器通过患者的切口或自然孔口插入，同时保持rcm。在一些实施方案中，医疗工具212包括在机器人医疗系统的设置过程期间处于回缩状态的端部执行器。
207.在一些情况下，机器人系统200可以被构造成在“零空间”内移动机器人臂210的一个或多个连杆302，以避免与附近对象(例如，其他机器人臂)碰撞，而机器人臂210和/或rcm的adm 308保持在其相应的位姿(例如，位置/取向)。零空间可以被视为机器人臂210可以移动的空间，该空间不会导致adm 308和/或rcm移动，从而保持医疗工具212的位置和/或取向(例如，患者体内)。在一些实施方案中，机器人臂210可以具有可用于adm 308的每个位姿的多个位置和/或配置。
208.对于将adm 308移动到空间中的期望位姿的机器人臂210，在某些实施方案中，机器人臂210可具有至少六个dof—三个dof用于平移(例如，x、y和z位置)和三个dof用于旋转(例如，偏航、俯仰和滚动)。在一些实施方案中，每个接头304可以提供具有单个dof的机器人臂210，并且因此，机器人臂210可以具有至少六个接头以实现将adm 308定位在空间中的任何位姿的移动自由度。为了进一步将机器人臂210的adm 308和/或远程中心或运动保持在期望的位姿，机器人臂210还可以具有至少一个附加的“冗余关节”。因此，在某些实施方案中，系统可以包括具有至少七个接头304的机器人臂210，其提供具有至少七个dof的机器
人臂210。在一些实施方案中，机器人臂210可以包括接头304的子集，每个接头具有多于一个自由度，从而实现用于零空间运动的附加dof。然而，取决于实施方案，机器人臂210可以具有更多或更少数量的dof。
209.此外，如图12中所述，杆220(例如，可调式臂支撑件)可提供若干自由度，包括提升、侧向平移、倾斜等。因此，取决于实施方案，机器人医疗系统可以具有比仅在机器人臂210中的自由度更多的机器人控制的自由度，以提供零空间移动和碰撞避免。在这些实施方案中的相应实施方案中，一个或多个机器人臂的端部执行器(以及与其联接的任何工具或器械)和/沿着工具的轴线的远程中心可以有利地保持患者体内的位姿和/或位置。
210.具有至少一个冗余dof的机器人臂210具有比用于执行给定任务的最小dof数量多至少一个dof。例如，根据一些实施方案，机器人臂210可以具有至少七个dof，其中机器人臂210的接头304中的一个接头可以被认为是冗余接头。一个或多个冗余接头可以允许机器人臂210在零空间中移动以既保持adm 308的位姿和rcm的位置又避免与其他机器人臂或对象的碰撞。
211.在一些实施方案中，机器人系统200可以被构造成通过利用一个或多个冗余接头在零空间中的移动来执行碰撞避免以避免例如相邻机器人臂210之间的碰撞。例如，当机器人臂210与另一机器人臂210碰撞或接近(例如，在限定的距离内)时，机器人系统200的一个或多个处理器可以被构造成检测碰撞或即将发生碰撞(例如，通过运动学)。因此，机器人系统200可以控制机器人臂210中的一个或两个机器人臂在零空间内调节其相应的接头，以避免碰撞或即将发生的碰撞。在包括至少一对机器人臂的一个实施方案中，机器人臂和其端部执行器中的一者的基部可以保持其位姿，而其间的连杆或关节在零空间中移动以避免与相邻机器人臂碰撞。
212.c.传感器
213.图24a至图24h示出了根据一些实施方案的机器人臂210的传感器。在一些实施方案中，机器人臂210中的每一者包括可用于检测机器人臂210与一个或多个外部对象之间的接触的不同传感器。根据一些实施方案，根据所检测到的力、扭矩等的量，机器人系统200可根据所检测到的接触力或扭矩的量和/或方向来启用机器人臂210上的受控移动。
214.在一些实施方案中，传感器是传感器架构的一部分。根据一些实施方案，传感器架构可包括用于将传感器数据例如传感器属性或参数(例如，力、接触、力矩、位移、移动、位置等)和值(例如，位置、量值、定时、持续时间等)，从传感器传送到机器人系统200的一个或多个处理器的其他部件。
215.在一些实施方案中，传感器包括一个或多个关节传感器(例如，基于关节的传感器)。图24a示出了位于关节304-1(例如，基部关节或a0关节)上、靠近机器人臂210的基部306的关节传感器402(例如，a0关节传感器)。在一些实施方案中，a0接头传感器402包括力传感器，该力传感器允许在机器人臂210的近侧端部上检测交互力。在一些实施方案中，a0接头传感器402用作用于将机器人臂210从位置控制模式转变到手动操纵模式(例如，阻抗模式、导纳模式、随取随用模式等)的激活检测。
216.在一些实施方案中，传感器包括位于机器人臂210的其他关节上的其他基于关节的传感器(例如，位于a1关节304-2、a2关节304-3、a3关节304-4等上的传感器)。
217.在一些实施方案中，传感器包括一个或多个基于非关节的传感器。基于非接头的
传感器可沿着机器人臂210的连杆302的长度定位和/或定位在adm 308上。传感器(基于接头和基于非接头两者)检测机器人臂210与外部对象(例如，操作者、患者、另一机器人臂、外科工具和/或下面的杆220)之间的交互。
218.在一些实施方案中，并且如图24a所示，传感器还包括六轴负荷传感器404。六轴负荷传感器404是可以感测多个方向上的力和力矩(例如，扭矩)的力和力矩传感器(例如，该力和力矩传感器可以测量沿x、y和z轴的力以及围绕每个轴线的力矩)。在图24a中，六轴负荷传感器404位于臂210的远侧部分上的一对关节之间(例如，a4关节304-5与a5关节304-6之间)。六轴负荷传感器404可用作工具驱动器(例如，adm 308)的支撑安装件。因此，六轴负荷传感器404可测量将在机器人臂210的远侧上(例如，通过工具驱动器)检测到的力和/或力矩。在一些实施方案中，六轴负荷传感器404在没有连杆(例如，没有连杆302-4)的情况下直接位于a4接头304-5和a5接头304-6之间。
219.在一些实施方案中，机器人臂210还包括接触传感器408(例如，壳体传感器)。尽管图24b的示例示出了十四个接触传感器(例如，408-1至408-14)，但是应当理解，机器人臂210可以包括任何数量的接触传感器408。在一些实施方案中，接触传感器408包括力和/或力矩传感器，并且可以检测(例如，感测和/或测量)多个方向上的力和/或力矩。在一些实施方案中，接触传感器408被定位在机器人臂的关节304上。在一些实施方案中，接触传感器沿连杆302的长度定位，该连杆为诸如机器人臂210的近侧部分上的连杆和/或远侧部分上的连杆。
220.在一些实施方案中，接触传感器408位于机器人臂210的已知在手术期间经常与患者或医护人员碰撞的区域中。图24c示出了机器人臂210的远侧部分的三个视图，在该视图中，具有与患者碰撞的相对较高可能性的区410被遮蔽。图24d示出了机器人臂201的近侧部分(例如，在图24c中机器人臂210的远侧部分的近侧)的三个视图，在该视图中，具有与患者或医护人员碰撞的相对较高可能性的区域412被遮蔽。
221.使用图24c(i)中的区域410-1作为示例，在一些实施方案中，adm 308包括检测adm 308处或附近的交互的一个或多个接触传感器408。在一些实施方案中，根据确定所测量的力和/或力矩的量值介于接触力和/或扭矩下限和接触力和/或扭矩上限之间，机器人系统200可根据所检测到的接触力或扭矩来启用机器人臂210上的受控移动。例如，根据一些实施方案，受控移动可包括根据用户经由预设控制机构(例如，远程操作、按钮控制等)的命令的机器人臂210的移动。根据一些实施方案，受控移动还可包括机器人臂210的一个或多个关节和/或连杆的移动，以减小所检测到的机器人臂上的接触力或扭矩。根据一些实施方案，受控移动还可以包括机器人臂210的零空间运动。
222.另外和/或另选地，在一些实施方案中，与adm的交互(例如，力和力矩)可由其上安装有adm的六轴负荷传感器404(直接地或间接地)检测。
223.在一些实施方案中，接触传感器408可具有围绕机器人臂连杆外侧的悬置“壳体”。图24e示出了根据一些实施方案的机器人臂210的示例性连杆302。
224.在一些实施方案中，并且如图24e所示，连杆302包括刚性壳体422、结构连杆424、结构盖426、第一关节430(例如，图23a和图23b中的a2关节304-3)、第二关节428(例如，图23a和图23b中的a3关节304-4)、一对反应桨432，以及壳体盖434(例如，装饰盖)。根据一些实施方案，结构盖426可以附接到结构连杆424以容纳结构连杆424的部件，并且在第一关节
430与第二关节428之间形成内部结构连接。
225.在一些实施方案中，壳体422用于检测机器人臂210上的(例如，通过外部对象的)接触。例如，根据一些实施方案，壳体422连同壳体盖434悬置在结构连杆424上方并且围绕该结构连杆。根据一些实施方案，壳体422与连杆302的内部部件/构件(例如，结构连杆424和结构盖426)之间的相对运动可以使用沿连杆302的长度设置的一个或多个传感器(例如，接触传感器408)来检测，以确定与外部对象的接触。
226.在一些实施方案中，接触传感器408(例如，壳体传感器)中的一个或多个接触传感器被策略性地设置在沿连杆302的长度的不同位置处，位于结构连杆424与连杆302的壳体422之间。例如，壳体422可经由接触传感器408悬置在结构连杆424上方。
227.在一些实施方案中，接触传感器408沿着连杆302的长度均匀地分布。在一些实施方案中，接触传感器408可以沿着连杆302的长度随机地分布。另选地，在一些实施方案中，更多数量的传感器408可以位于连杆302的特定区域中(例如，在已知与外部对象具有更多接触的区域中，诸如图24c中的区域410和图24d中的区域412)。在一些实施方案中，不管传感器408的分布，因为壳体422围绕结构连杆424，所以当连杆302接触外部对象时，该对象将与壳体422接触。因此，力和/或力矩感测接触传感器408可以检测壳体422与外部对象之间的接触。传感器408还可以测量在壳体422与结构连杆504之间的所有方向上的力和/或扭矩的变化，这些变化是因连杆302与外部对象接触而引起的。
228.在一些实施方案中，可以使用一个或多个传统负荷传感器、力感测电阻器和/或能够(例如，在与弹簧组合时)感测力、力矩和/或位移的任何部件来代替接触传感器408(或除了该接触传感器之外还使用一个或多个传统负荷传感器、力感测电阻器和/或能够感测力、力矩和/或位移的任何部件)，用于检测与外部对象的交互。
229.如本文所用，除非上下文另外清楚地指示，否则壳体422和壳体盖434可以共同地被简称为“壳体”422，而结构连杆424和结构盖426可以共同地被简称为结构连杆424或可操纵连杆(例如，连杆302)。
230.图24f和图24g示出了根据一些实施方案的沿机器人臂210的连杆302的传感器分布。
231.图24f(i)和图24f(ii)分别示出了根据一些实施方案的连杆302的一个端部的示例性侧视图和前视图。在一些实施方案中，连杆302对应于机器人臂210的近侧连杆(例如，图23a和图23b中的连杆302-2)。在该示例中，连杆302的一个端部包括七个接触传感器(例如，408-1至408-7)。在一些实施方案中，因为连杆302(例如，连杆302-2)可以在两个端部处基本上对称，因此在连杆302中总共有十四个传感器408。
232.图24g(i)和图24g(ii)分别示出了根据一些实施方案的连杆302的示例性侧视图和前视图。在一些实施方案中，连杆302对应于机器人臂210的远侧连杆(例如，图23a和图23b中的连杆302-3)。在该示例中，根据一些实施方案，在连杆302中包括十二个接触传感器408。
233.在图24f和图24g中，根据一些实施方案，传感器408在不同的方向上定向。在一些实施方案中，传感器408中的每个传感器是单独的力传感器(例如，单轴力传感器)，并且机器人系统200组合所有传感器以输出集中的(例如，组合的或合计的)力和力矩值。因此，根据一些实施方案，通过将传感器定位在如图24f和图24g所示的各种取向上，可以检测所有
方向上的力和/或力矩。
234.尽管图24f和图24g示出了各自包括多个接触传感器408的连杆302的实施方案，但在一些实施方案中，连杆302可包括被构造成在多个方向上感测结构连杆424与壳体422之间的力和/或扭矩和/或位移的单个传感器。在一些实施方案中，使用从传感器408接收到的信号，机器人系统200可以检测壳体422与外部对象之间的接触的方向。根据一些实施方案，机器人系统200还可以基于来自传感器408的信号来测量由壳体422与外部对象之间的接触引起的力的大小。根据一些实施方案，基于传感器408的放置，机器人系统200还可以检测施加到连杆302的扭矩(例如，力矩)。例如，根据一些实施方案，如果将力施加到壳体422，则(例如，连杆302-2或连杆302-3的一个端部上的)某些传感器408可被压缩。根据一些实施方案，基于被压缩的传感器408的位置和由该传感器感测的力，机器人系统200可以确定施加到连杆302的扭矩。
235.图24h(i)和图24h(ii)示出了根据一些实施方案的包括一个或多个接触感测护罩436(例如，由遮蔽区域表示)的机器人臂210。图24h(i)示出了在机器人臂210的近侧连杆(例如，图23a和图23b中的连杆302-2)上的接触感测护罩436-1和在机器人臂210的远侧连杆(例如，图23a和图23b中的连杆302-3)上的接触感测护罩436-2。近侧连杆和远侧连杆中的每一者包括接触传感器408。图24h(ii)示出了根据一些实施方案的在机器人臂的远侧端部上的接触感测护罩436-3。六轴负荷传感器404还可以设置在机器人臂的远侧部分上。图24h(ii)还示出了远程中心运动(rcm)438。根据一些实施方案，rcm 438是插管和患者身体的交叉点。
236.在一些实施方案中，对于机器人臂的远侧连杆或近侧连杆上的每个感测护罩(例如，感测护罩436-1和感测护罩436-2)，可以(例如，使用接触传感器408和/或能够检测力和/或力矩的任何其他类型的传感器)确定作用在机器人臂210的任何点(例如，连杆的质心、机器人臂的质心、基部、关节、连杆上的位置和/或远程中心位置)上的组合的外部接触力测量结果(例如，fc)(例如，线性力测量结果)和组合的外部扭矩(例如，力矩)测量结果(例如，mc)。
237.在一些实施方案中，机器人系统200仅使用力测量结果(例如，fc)，而不使用扭矩测量结果(例如，mc)来确定机器人系统200是否应当响应，使得接触力和/或扭矩不超过安全的力和/或扭矩极限。根据一些实施方案，机器人系统200使用力测量结果(例如，fc)和扭矩测量结果(例如，mc)两者来确定机器人臂210的移动方向。
238.在一些实施方案中，机器人系统200仅使用扭矩测量结果(例如，mc)而不使用力测量结果(例如，fc)来确定机器人系统200是否应当采取任何动作。根据一些实施方案，机器人系统200使用扭矩测量结果(例如，mc)和/或力测量结果(例如，fc)来确定机器人臂210的移动方向。
239.在一些实施方案中，机器人系统200使用力测量结果(例如，fc)和扭矩测量结果(例如，mc)两者来确定机器人系统200是否应当响应。根据一些实施方案，机器人系统200还使用力测量结果(例如，fc)和/或扭矩测量结果(例如，mc)来确定机器人臂210的移动方向。
240.在一些实施方案中，对于与机器人操纵器的远侧端部(例如，由图26h(ii)中的接触感测护罩436-3表明的区域)的任何外部接触力(例如，f)，可以示出，如果在rcm 438处的感应扭矩(例如，τ
rcm
)小于某个扭矩极限τ
极限
，则保证力f小于力极限f
极限
。在一些实施方案
中，感应扭矩(例如，τ
rcm
)由六轴负荷传感器404或位于或接近远侧端部的任何其他传感器检测。因此，根据一些实施方案，通过监测rcm 438处的感应扭矩τ
rcm
，可以限制机器人操纵器远侧端部上的接触力。
241.d.用于检测和响应机器人臂上的接触力和/或扭矩的示例性方法和系统
242.图25a至图25c示出了根据一些实施方案的用于检测和响应接触力和/或扭矩的方法500的流程图。根据本公开的一些实施方案，方法500由机器人系统(例如，如图21和图22所示的机器人医疗系统200，或机器人手术平台)的一个或多个处理器执行。
243.机器人系统包括机器人臂(例如，图21、图22、图23a、图23b、图24a和图24h中的机器人臂210)。在一些实施方案中，机器人臂是机器人系统的两个或更多个机器人臂中的第一机器人臂(参见例如图21和图22)。
244.在一些实施方案中，机器人系统包括单个机器人臂。机器人系统还包括一个或多个传感器(例如，图24a中的传感器402和传感器404，图24b、图24f和图24g中的接触传感器408和/或本文所述的其他传感器)。
245.在一些实施方案中，一个或多个传感器与机器人臂210集成(例如，附着到机器人臂、机器人臂的一部分、包括在机器人臂内、在机器人臂的表面上、附接到机器人臂、嵌入在机器人臂的表面下、安装在机器人臂的部分之间(例如，在相邻连杆之间、在相邻关节之间等)、安装在机器人臂的端部处、在机器人臂的连杆上或内，以及/或者在机器人臂的关节上或内等)。在一些实施方案中，一个或多个传感器是传感器架构的一部分。在一些实施方案中，传感器架构包括用于将传感器数据(例如，传感器属性或参数(例如，力、接触、力矩、位移、移动、位置等)和值(例如，位置、量值、定时、持续时间等))从传感器传送到机器人系统的一个或多个处理器的其他部件。
246.在一些实施方案中，一个或多个传感器包括位于机器人臂的连杆(例如，连杆302，图23a和图23b)上或内、在两个相邻关节(例如，a4关节和a5关节、在彼此之间不具有连杆的两个相邻关节等)之间、在机器人臂的关节和相邻端部执行器等之间，或者位于机器人臂的非机器人关节的部分上的一个或多个基于非关节的传感器。在一些实施方案中，基于非接头的传感器包括一个或多个力传感器、一个或多个力矩传感器和/或一个或多个力和力矩传感器。
247.在一些实施方案中，一个或多个传感器包括一个或多个基于关节的传感器。例如，基于关节的传感器可以位于机器人臂的近侧端部上(例如，靠近机器人臂的基部)(例如，a0关节传感器402)，或者位于两个相邻的连杆之间的关节(例如，两个相邻的连杆302-2和302-3之间的a3关节304-4中的传感器)上。在一些实施方案中，基于关节的传感器是力传感器、力矩传感器或组合的力和力矩传感器。
248.重新参考图25a，机器人系统(例如，使用一个或多个处理器)经由一个或多个传感器检测(510)(例如，感测和测量)由外部对象施加在机器人臂上的接触力(例如，fc或f)或扭矩(mc或τ
rcm
)(例如，感应扭矩)。在一些实施方案中，接触力(例如，fc或f)和扭矩(例如，mc或τ
rcm
经由机器人臂210上的感测护罩436(例如，图24h中的感测护罩436-1、436-2和/或436-3)来检测。例如，接触力或扭矩可以是除由重力引起的力或力矩之外的任何力或力矩。根据一些实施方案，接触力或扭矩可以在至少一个方向上。
249.在一些实施方案中，一个或多个传感器包括(512)一个或多个接触传感器(例如，
接触传感器408，图24b)。根据一些实施方案，使用一个或多个接触传感器408来检测(例如，感测和测量)接触力(例如，fc)或扭矩(例如，力矩)(例如，mc)。
250.在一些实施方案中，一个或多个接触传感器408位于(514)机器人臂的连杆上。例如，根据一些实施方案，接触传感器408可被定位在已知在手术期间经常与患者碰撞的机器人臂的区域上，诸如图24c中的区域410和图24d中的区域412。在一些实施方案中，并且如图24e所示，接触传感器可具有围绕机器人臂连杆302(例如，近侧连杆或远侧连杆)的外侧的悬置“壳体”。在一些实施方案中，接触传感器是可以感测多个方向上的力的力传感器。在一些实施方案中，接触传感器是可以感测多个方向上的力和力矩的力和力矩传感器。
251.在一些实施方案中，机器人臂的连杆是(516)远侧连杆(例如，远侧连杆302-3，图24b)或近侧连杆(例如，近侧连杆302-2，图24a)。
252.在一些实施方案中，一个或多个传感器包括(518)多轴负荷传感器。使用多轴负荷传感器来检测(例如，感测和测量)接触力(例如，f)或扭矩(例如，τ
rcm
)。
253.在一些实施方案中，多轴负荷传感器包括(520)位于机器人臂的远侧部分上的六轴负荷传感器(例如，六轴负荷传感器404，图24a)。例如，在图24a中，六轴负荷传感器404位于机器人臂210的远侧部分上，在a4关节304-5(例如，腕滚动关节)和a5关节304-6(例如，腕俯仰关节)之间。
254.在一些实施方案中，响应于(522)检测到接触力或扭矩，根据确定接触力或扭矩的量值介于接触力(例如，fr)或扭矩下限(例如，τr)和接触力(例如，f
极限
)或扭矩上限(例如，τ
极限
)之间，机器人系统根据所检测到的接触力或扭矩来启用机器人臂上的第一组受控移动。例如，一个或多个处理器可根据所检测到的接触力或扭矩的位置、方向、量值、方向和/或量值变化速率来启用机器人臂上的第一组受控移动。
255.在一些实施方案中，接触力或扭矩的量值可包括接触力或扭矩的当前检测值，或跨预设时间窗口和/或在机器人臂的预设区域处的接触力或扭矩的平均值。在一些实施方案中，接触力或扭矩的量值可包括跨预设时间窗口或跨机器人臂的预设区域的接触力或扭矩的合计值。
256.在一些实施方案中，接触力下限fr或扭矩下限τr包括力或扭矩的第一阈值水平，在该第一阈值水平下，机器人臂响应于所检测到的力(例如，fc或f)或扭矩(例如，mc或τ
rcm
)而开始移动。在一些实施方案中，接触力或扭矩下限也被称为反作用力或扭矩极限。例如，接触力下限(例如，fr)可以是15n(例如，牛顿)和25n之间的任何值。扭矩下限τr可以是范围从2nm至4nm的任何值。
257.在一些实施方案中，接触力上限f
极限
或扭矩上限τ
极限
是力或扭矩的第二阈值水平，超过该第二阈值水平，响应于所检测到的力或扭矩移动机器人臂可能是不安全的或不期望的。在一些实施方案中，接触力或扭矩上限也被称为安全力或扭矩极限。例如，根据一些实施方案，较高接触力f
极限
可以是范围从45n至60n的任何值。根据一些实施方案，扭矩上限τ
极限
可以是7nm至9nm的任何值。
258.在一些实施方案中，当接触力或扭矩的值等于接触力下限或接触力上限时，接触力或扭矩被确定为介于接触力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间。
259.在一些实施方案中，对于与机器人臂210的远侧端部的任何外部接触力(例如，f)(例如，由图24h中的护罩436-3表明)，如果远程中心运动处的感应扭矩τ
rcm
小于某个扭矩极
限τ
极限
，则接触力保证小于力极限f
极限
。因此，根据一些实施方案，通过监测τ
rcm
可以限制机器人臂210的远侧端部上的接触力的量值。
260.在一些实施方案中，启用机器人臂上的第一组受控移动包括移动机器人臂的一个或多个关节(例如，关节304，图23a和图23b)和/或连杆(例如，连杆302，图23a和图23b)。可以根据所检测到的接触力或扭矩的位置、方向、量值和/或变化速率来选择一个或多个关节和/或连杆。根据一些实施方案，启用第一组受控移动还可包括以根据所检测到的接触力或扭矩的位置、量值、方向和/或变化速率选择的速度、方向等来移动机器人臂的一个或多个关节和/或连杆。
261.在一些实施方案中，启用机器人臂上的第一组受控移动包括根据用户的命令经由预设控制机构(例如，远程操作、按钮控制等)来执行机器人臂的移动。例如，根据一些实施方案，用户的命令可以是外科医生在远程操作期间移动机器人臂(例如，机器人臂的连杆和/或关节)的命令。
262.在一些实施方案中，启用机器人臂上的第一组受控移动包括(例如，自动地并且在没有用户干预的情况下)执行机器人臂的零空间移动。例如，一个或多个处理器可以执行零空间运动以保持插管的位置和/或取向。在一些实施方案中，除了由用户经由预设控制机构请求的机器人臂的移动之外，还可以执行机器人臂的零空间移动。
263.在一些实施方案中，启用机器人臂上的第一组受控移动包括执行减小所检测到的机器人臂上的接触力fc或扭矩τ
rcm
(例如，以确保机器人臂继续在安全极限内运行)的移动。
264.在一些实施方案中，机器人系统使得能够在启用机器人臂上的第一组受控移动时限制机器人臂上的不同于第一组受控移动的第二组受控移动。在一些实施方案中，第一组受控移动和第二组受控移动共同构成了由机器人臂上的机器人系统实施或支持的一整组受控移动。例如，根据一些实施方案，该整组受控移动可包括物理环境中的机器人臂的各种关节和连杆的平移和/或旋转的不同组合。
265.在一些实施方案中，限制机器人臂上的第二组受控移动包括限制机器人臂的一个或多个移动方向、一个或多个移动角度范围和/或一个或多个移动速度范围等。例如，机器人系统(例如，通过一个或多个处理器)可以限制机器人臂上的某种形式的受控移动，包括限制机器人臂的一个或多个关节和/或一个或多个连杆的相应移动方向、相应移动角度和/或相应速度等。
266.在一些实施方案中，当所检测到的接触力或扭矩介于接触力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间时，机器人系统准许受控移动，但对机器人臂的受控移动施加一些限制。例如，根据一些实施方案，机器人系统可以修改由用户请求的机器人臂的移动的方向和/或速度，以减小接触力或扭矩。因此，根据一些实施方案，机器人系统向用户提供反馈而不中断或完全禁止用户所请求的移动。在一些实施方案中，当所检测到的接触力或扭矩接近接触力或扭矩上限时，机器人系统通过根据所检测到的接触力和/或扭矩的特征值主动地调节机器人臂的移动速度和移动方向来向用户提供更强的反馈(例如，触觉或视觉)。
267.重新参考图25，在一些实施方案中，启用(524)机器人臂上的第一组受控移动包括激活机器人臂的零空间运动。例如，在一些情况下，接触力可能来自外科手术期间机器人臂与患者之间的接触。在一些实施方案中，机器人系统可以自动地(例如，在没有用户干预的情况下)激活机器人臂的零空间运动以减小由机器人臂施加在患者上的接触力，而不中断
手术。
268.在一些实施方案中，响应于(526)检测到接触力或扭矩，根据确定接触力或扭矩超过接触力或扭矩上限，机器人系统(例如，通过一个或多个处理器)禁用机器人系统的一部分的移动。例如，根据一些实施方案，一个或多个处理器可以禁用先前开始的机器人臂的所有关节和/或连杆的运动。根据一些实施方案，一个或多个处理器还可以响应于用户命令以及响应于机器人臂上的所检测到的接触力或扭矩来防止移动的开始或继续。在一些实施方案中，根据一些实施方案，一个或多个处理器还可以禁用机器人系统的桌面或可调式臂支撑件的移动。
269.在一些实施方案中，响应于(528)检测到接触力或扭矩，根据确定接触力或扭矩小于接触力或扭矩下限，机器人系统放弃根据所检测到的接触力或扭矩来启用机器人臂上的第一组受控移动。例如，根据一些实施方案，如果接触力或扭矩非常低，则机器人系统将不激活移动来减小接触力或扭矩。根据一些实施方案，机器人臂可以是固定的或者可以通常经由其他主动控制机构来控制。例如，用户可以像用户通常在手术期间那样控制机器人臂，诸如经由远程操作、按钮控制和/或阻抗模式控制。在一些实施方案中，响应于检测到接触力或扭矩，并且根据确定接触力或扭矩小于接触力或扭矩下限，机器人系统还放弃限制机器人臂上的第二组受控移动。
270.在一些实施方案中，机器人系统接收(530)包括机器人臂的第一速度(例如，)的第一用户命令。在一些实施方案中，第一速度(例如，)包括机器人臂的第一运动方向和/或机器人臂的第一移动量值(例如，速度)。例如，机器人臂的第一速度可以是机器人臂的端部执行器(例如，adm 308，图23a)的速度。在一些实施方案中，第一用户命令是笛卡尔坐标形式的速度命令。根据一些实施方案，在接收到第一用户命令之后，机器人系统计算与第一用户命令相匹配的必要的(例如，对应的)关节速度。
271.在一些实施方案中，根据(532)确定(例如，由机器人臂的连杆上的接触传感器测量的)接触力的量值(例如，||fc||)介于接触力下限(例如，fr)和接触力上限(例如，f
极限
)之间，机器人系统(a)确定(534)接触力的方向(例如，θf)；(b)确定(536)扭矩的方向(例如，θ
ω
)；(c)确定(538)由机器人臂的平移速度(例如，发生接触的机器人臂连杆的平移速度)和接触力的方向形成的第一角度；以及(d)确定(540)由机器人臂的旋转速度和扭矩的方向形成的第二角度。
272.例如，在一些实施方案中，由机器人臂的平移速度和接触力的方向形成的第一角度可以表示为：
[0273][0274]
根据一些实施方案，其中vc是机器人臂(例如，机器人臂的连杆)相对于其质心(或机器人臂的任何其他位置)的平移速度向量，fc是接触力向量，‖vc‖是向量vc的范数(例如，量值)，并且‖fc‖是向量fc的范数(例如，量值)。
[0275]
由机器人臂的旋转速度和扭矩的方向形成的第二角度可以表示为：
[0276]
[0277]
其中ωc是机器人臂相对于其质心(或机器人臂的任何其他位置)的旋转速度向量(例如，机器人臂的连杆的旋转速度)，mc是相对于连杆的质心(或机器人臂的任何其他位置)的扭矩向量(例如，由接触传感器408检测)，‖ωc‖是向量ωc的范数(例如，量值)，并且‖mc‖是向量mc的范数(例如，量值)。根据一些实施方案，其中j
c(q)
是连杆质心的雅可比矩阵。
[0278]
继续参考图25，在一些实施方案中，根据(542)确定第一角度在(例如，小于或等于、不超过)第一角度阈值(例如，θ1≤θ
极限,f
)内，并且第二角度在(例如，小于或等于、不超过)第二角度阈值(例如，θ2≤θ
极限,ω
)内，机器人系统启用机器人臂的关节(例如，)以第一速度(例如，)移动。
[0279]
在一些实施方案中，根据用于检测接触力的一个或多个接触传感器(例如，接触传感器408，图24b)的测量不确定性来确定(544)第一角度阈值(例如，θ
极限,f
)和第二角度阈值(例如，θ
极限,ω
)。例如，根据一些实施方案，接触传感器408可以位于由图24h(i)中的感测护罩436-1或感测护罩436-2指示的区域中。
[0280]
在一些实施方案中，根据(546)以下项中的至少一项，机器人系统禁用机器人臂的移动(例如，)：(i)确定第一角度超过第一角度阈值(例如，θ1》θ
极限,f
)或者(ii)确定第二角度超过第二角度阈值(例如，θ2》θ
极限,ω
)。
[0281]
在一些实施方案中，如图26所示，机器人臂在空间中被允许的移动可以由锥600(例如，角度范围)表示。锥600包括轴线602，该轴线表示接触力(例如，fc)或力矩(例如，mc)的方向。锥600还包括表示接触的碰撞点的顶点604，而锥中的体积表示三维空间中允许机器人臂的下一次移动的邻域。根据一些实施方案，当机器人臂反应并且移动远离先前的碰撞点时，期望接触力fc减小。在一些实施方案中，如果fc仍然高于反作用力极限fr，则由新的接触条件确定的新锥限定新的被允许的移动。在一些实施方案中，f
极限
的代表性值可以为110n。在一些实施方案中，这种反作用行为的反作用力极限fr可以被设定(例如，预定义)为80n。
[0282]
在一些实施方案中，机器人系统接收(548)包括机器人臂的所请求的速度(例如，所请求的角速度ω
req
)的第二受控命令。例如，根据一些实施方案，机器人臂的所请求的速度可包括机器人臂的连杆(例如，连杆302)的所请求的角速度或机器人臂的关节(例如，304)的所请求的角速度。在一些实施方案中，机器人臂的角速度包括量值(例如，速度)和方向(例如，机器人臂的角速度为向量)。在一些实施方案中，机器人臂的角速度(例如，ω
req
)是在机器人臂的远程操作期间从外科医生请求的角速度。
[0283]
在一些实施方案中，根据(550)确定接触扭矩(例如，‖τ
rcm
‖)(例如，接触力矩或感应扭矩)的量值(例如，由连杆之间或机器人臂的远侧端部上的多轴负荷传感器测量，诸如图24a和图24h(ii)中的六轴负荷传感器404)介于反作用扭矩下限(例如，τr)和扭矩上限(例如，τ
极限
)之间，机器人系统确定(552)扭矩的方向。根据一些实施方案，机器人系统还确定(554)由扭矩的方向和机器人臂的角速度形成的第三角度。
[0284]
在一些实施方案中，反作用扭矩下限(例如，τr)是在rcm(例如，rcm 438)处机器人臂对接触作出反应所需的最小测量扭矩。
[0285]
在一些实施方案中，由扭矩的方向和机器人臂的角速度形成的第三角度可以表示为：
[0286][0287]
其中ω
req
是机器人臂的角速度向量，τ
rcm
是由六轴负荷传感器测量的扭矩向量，‖ω
req
‖是扭矩向量ω
req
的范数(例如，量值)，并且‖τ
rcm
‖是扭矩向量τ
rcm
的范数(例如，量值)。
[0288]
在一些实施方案中，相对于机器人臂的远程运动中心(例如，rcm 438，图24h(ii))确定扭矩的量值(556)。
[0289]
在一些实施方案中，根据确定第三角度在(例如，小于或等于、不超过)第三角度阈值(例如，θ3≤θ
极限
)内，机器人系统使得机器人臂能够以所请求的速度(例如，所请求的角速度ω
req
)移动(558)。
[0290]
在一些实施方案中，根据用于检测扭矩的六轴负荷传感器(例如，六轴负荷传感器404)的测量不确定性来确定第三角度阈值(560)。
[0291]
在一些实施方案中，根据(562)确定第三角度超过第三角度阈值(例如，θ3》θ
极限
)，机器人系统禁用机器人臂的移动。
[0292]
图27a至图27b是根据一些实施方案的用于检测和响应接触力和/或扭矩的方法700的流程图。在一些实施方案中，方法700由机器人系统(例如，如图21和图22所示的机器人医疗系统200，或机器人手术平台)的一个或多个处理器执行。
[0293]
机器人系统包括机器人臂(例如，图21、图22、图23a、图23b、图24a和图24h中的机器人臂210)。机器人系统还包括一个或多个传感器(例如，图24a中的传感器402和传感器404，图24b、图24f和图24g中的接触传感器408和/或本文所述的其他传感器)。在一些实施方案中，一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器(例如，接触传感器408)。在一些实施方案中，一个或多个传感器包括六轴负荷传感器(例如，六轴负荷传感器404，图24a和图24h)。机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储由一个或多个处理器执行的指令。
[0294]
根据本公开的一些实施方案，机器人系统经由一个或多个传感器检测(714)外部对象施加在机器人臂上的接触力(例如，fc或f)或扭矩(例如，mc或τ
rcm
)。
[0295]
在一些实施方案中，响应于(716)检测到接触力或扭矩，根据确定接触力或扭矩(例如，接触力或扭矩的量值)介于力(例如，fr)或扭矩下限(例如，τr)和接触力(例如，f
极限
)或扭矩上限(例如，τ
极限
)之间，机器人系统启用机器人臂按基于机器人臂的预先建立或预先记录的路径的轨迹移动。
[0296]
在一些实施方案中，轨迹对应于在检测到力或扭矩之前执行的先前移动路径的反转。
[0297]
在一些实施方案中，当接触力或扭矩的值等于接触力下限或接触力上限时，接触力或扭矩被确定为介于接触力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间。
[0298]
在一些实施方案中，机器人臂的预先建立或预先记录的路径包括(718)机器人臂的连杆质心的预先记录的路径。在一些实施方案中，机器人臂的预先建立或预先记录的路径包括机器人臂的关节的预先记录的路径，或机器人臂的多个关节的关节值。
[0299]
在一些实施方案中，机器人系统根据连杆质心的预先记录的路径来确定(720)在
可配置时间段内沿预先记录的路径的平移(例如，d
t
)和旋转运动方向(例如，dr)。例如，可配置时间段可以是10秒至100秒的任何时间段(例如，持续时间)。在可配置时间段的每个时刻(例如，每秒、每2秒等)，可基于所记录的路径来确定相应的过渡和旋转运动方向。
[0300]
在一些实施方案中，机器人系统接收包括第一速度(例如，)的用户命令。在一些实施方案中，第一速度(例如，)包括机器人臂的运动方向和/或机器人臂的移动量值(例如，速度)。例如，机器人臂的速度可以是机器人臂的端部执行器(例如，adm 308，图23a)的速度。在一些实施方案中，根据确定(例如，由机器人臂的连杆上的接触传感器测量的)接触力的量值介于接触力下限(例如，fr)和接触力上限(例如，f
极限
)之间，机器人系统(a)确定接触力的方向(例如，θf)；(b)确定扭矩的方向(例如，θ
ω
)；(c)确定由机器人臂的平移速度和沿预先记录的路径的平移运动方向形成的第一角度；以及(d)确定由机器人臂的旋转速度和沿预先记录的路径的旋转运动方向形成的第二角度。
[0301]
例如，由机器人臂的平移速度和沿预先记录的路径的平移运动方向形成的第一角度可以表示为：
[0302][0303]
根据一些实施方案，其中vc是机器人臂的平移速度向量，d
t
是机器人臂在可配置时间段内沿连杆质心的预先记录的路径的平移运动向量，‖vc‖是向量vc的范数(例如，量值)，并且‖d
t
‖是向量d
t
的范数(例如，量值)。
[0304]
由机器人臂的旋转速度和沿预先记录的路径的旋转运动方向形成的第二角度可以表示为：
[0305][0306]
根据一些实施方案，其中ωc是机器人臂(例如，机器人臂的连杆)相对于其质心(和/或机器人臂的任何其他位置)的旋转速度向量，dr是在可配置时间段内沿连杆质心的预先记录的路径的旋转运动向量，‖ωc‖是向量ωc的范数(例如，量值)，并且‖dr‖是向量dr的范数(例如，量值)。
[0307]
在一些实施方案中，根据确定第一角度在第一角度阈值(例如，θ1≤θ
极限,f
)内(例如，小于或等于、不超过)，并且第二角度在第二角度阈值(例如，θ2≤θ
极限,ω
)内(例如，小于或等于、不超过)，机器人系统使得机器人臂的关节(例如，)能够以用户命令速度在预先记录的路径上移动。
[0308]
例如，根据一些实施方案，机器人系统可以在可配置时间段的每个时间实例(例如，每秒、每2秒等)计算第一角度和第二角度以确定它们是否在其相应的角度阈值内，如果对于所述时间实例第一角度在第一角度阈值(例如，θ1≤θ
极限,f
)内(例如，小于或等于、不超过)并且第二角度在第二角度阈值(例如，θ2≤θ
极限,ω
)内(例如，小于或等于、不超过)，则根据确定第一角度和第二角度，启用机器人臂的关节的移动。
[0309]
在一些实施方案中，根据确定第一角度超过第一角度阈值(例如，θ1》θ
极限,f
)并且/或者第二角度超过第二角度阈值(例如，θ2》θ
极限,ω
)，机器人系统禁用机器人臂的移动。
[0310]
再次参考图27，在一些实施方案中，机器人臂的预先建立或预先记录的路径包括
(722)机器人臂的远程中心运动的俯仰和/或偏航角的预先建立或预先记录的路径(例如，rcm 438，图24h)。
[0311]
在一些实施方案中，机器人系统还根据机器人臂的预先建立或预先记录的路径(例如，rcm的俯仰/偏航角的预先记录的路径)来确定(724)在可配置时间段(例如，2秒至100秒)内沿预先记录的路径的平均运动方向(例如，)。
[0312]
在一些实施方案中，机器人系统接收包括机器人臂的角速度的受控命令(例如，ω
req
)。机器人系统可以使用连杆之间或机器人臂远侧端部上的多轴负荷传感器，诸如图24a和图24h(ii)中的六轴负荷传感器404来确定扭矩的量值。在一些实施方案中，根据确定所检测到的扭矩的量值(例如，τ_rcm|)介于反作用扭矩下限(例如，τr)和扭矩上限(例如，τ
极限
)之间，机器人系统确定扭矩的方向。机器人系统还确定由扭矩的方向和机器人臂的角速度形成的第三角度。
[0313]
在一些实施方案中，由扭矩的方向和机器人臂的角速度形成的第三角度可以表示为：
[0314][0315]
其中ω
req
是机器人臂在可配置时间段内的角速度向量，是在可配置时间段内沿预先记录的路径的平均运动方向，‖ω
req
‖是向量ω
req
的范数(例如，量值)，并且是向量的范数(例如，量值)。
[0316]
在一些实施方案中，根据确定第三角度在第三角度阈值(例如，θ3≤θ
极限
)内(例如，小于或等于、不超过)，机器人系统使得机器人臂能够沿预先记录的路径以平均运动方向(例如，)移动。
[0317]
在一些实施方案中，根据确定第三角度超过第三角度阈值，机器人系统禁用机器人臂的移动。
[0318]
图28是根据一些实施方案的用于检测和响应接触力和/或扭矩的方法800的流程图。在一些实施方案中，方法700由机器人系统(例如，如图21和图22所示的机器人医疗系统200，或机器人手术平台)的一个或多个处理器执行。
[0319]
机器人系统包括机器人臂。(例如，图21、图22、图23a、图23b、图24a和图24h中的机器人臂210)。在一些实施方案中，机器人臂是机器人系统的两个或更多个机器人臂中的第一机器人臂(参见例如图21和图22)。在一些实施方案中，机器人系统包括单个机器人臂。
[0320]
机器人系统还包括一个或多个传感器(例如，图24a中的传感器402和传感器404，图24b、图24f和图24g中的接触传感器408和/或本文所述的其他传感器)。
[0321]
在一些实施方案中，一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器(例如，接触传感器408，图24b)。在一些实施方案中，接触传感器是检测力和/或力矩(例如，扭矩)的力和/或力矩传感器。在一些实施方案中，一个或多个传感器包括六轴负荷传感器(例如，六轴负荷传感器404)。
[0322]
机器人系统包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储由一个或多个处理器执行的指令。
[0323]
机器人系统经由一个或多个传感器检测(814)由外部对象施加在机器人臂上的接触力(例如，fc或f)或扭矩(例如，mc或τ
rcm
)。在一些实施方案中，经由机器人臂210的连杆上的感测护罩(例如，图24h中的感测护罩436-1和/或感测护罩436-2)来检测接触力(例如，fc)和扭矩(例如，mc)。在一些实施方案中，经由机器人臂210的远侧端部上的感测护罩(例如，图24h中的感测护罩436-3)来检测接触力(例如，f)和扭矩(例如，τ
rcm
)。例如，接触力或扭矩可以是除由重力引起的力或力矩之外的任何力或力矩。接触力或扭矩可以在多个方向上。
[0324]
在一些实施方案中，根据(816)确定接触力或扭矩大于或等于反作用力(例如，fr)或扭矩下限(例如，τr)，机器人系统降低机器人臂的速度。
[0325]
在一些实施方案中，机器人臂包括(818)一个或多个关节。降低机器人臂的速度包括(820)降低机器人臂的一个或多个关节中的每个关节的相应速度。
[0326]
在一些实施方案中，降低一个或多个关节中的每一个关节的相应速度包括(822)以相同的比例(例如，相同的比率)降低所有关节的速度。例如，根据一些实施方案，机器人系统可以将关节中的每个关节的相应速度降低1％、2％、5％或10％等。
[0327]
在一些实施方案中，机器人系统接收包括第一速度(例如，)的第一受控命令(例如，第一速度包括机器人臂的端部执行器的速度)。根据确定接触力小于或等于反作用力下限(例如，fc≤fr)，机器人系统使得机器人臂能够以第一速度移动。根据确定接触力大于反作用力下限(例如，fc》fr)，根据一些实施方案，机器人系统使得机器人臂能够以小于第一速度的命令速度(例如，)移动。例如，根据一些实施方案，机器人臂(例如，机器人臂的关节)的命令速度可以表示为：
[0328][0329]
等式(7)示出，当接触力fc大于反作用力下限(例如，fc》fr)时，机器人关节速度随着接触力fc增大而降低。在该等式中，根据一些实施方案，f
极限
是力的上限阈值水平，超过该上限阈值水平，响应于所检测到的力移动机器人臂可能是不安全的或不期望的。根据一些实施方案，由于(f
极限-fr)是常数，所以等式(7)示出了所检测到的接触力fc越高，命令速度越低。此外，根据一些实施方案，当所检测到的接触力fc至少与f
极限
一样大时(例如，当fc≥f
极限
时，)，不允许(例如，禁用或停止)机器人臂的移动。根据一些实施方案，如果接触力fc小于或等于反作用力极限(例如，fc≤fr)，则命令关节速度与外科医生所要求的速度(例如，)相同。
[0330]
在一些实施方案中，降低机器人臂的速度包括降低(824)机器人臂的远程中心运动(例如，rcm 438，图24h)处的角速度。
[0331]
例如，在一些实施方案中，机器人系统接收包括机器人臂的第一角速度的第二受控命令(例如，ω
req
)。例如，根据一些实施方案，机器人臂的角速度可包括机器人臂的连杆(例如，连杆302)的角速度或机器人臂的关节(例如，304)的角速度。根据确定扭矩小于或等于扭矩下限(例如，τ
rcm
≤τr)，机器人系统使得机器人臂能够以第一角速度移动。根据确定
扭矩大于扭矩下限(例如，τ
rcm
》τr)，机器人系统使得机器人臂能够以小于第一角速度ω
req
的命令角速度(例如，ω
cmd
)移动。在一些实施方案中，这种情况可以表示为：
[0332][0333]
在等式(8)中，τ
极限
是扭矩的上限阈值水平，超过该上限阈值水平，响应于所检测到的扭矩移动机器人臂可能是不安全的或不期望的。根据一些实施方案，因为(τ
极限-τr)是恒定值，所以等式(8)示出所检测到的扭矩τ
rcm
越高，命令角速度ω
cmd
越低。此外，根据一些实施方案，当所检测到的扭矩τ
rcm
至少与τ
极限
一样大时(例如，当τ
rcm
≥τ
极限
时，ω
cmd
＝0)，不允许(例如，禁用或停止)机器人臂的移动。
[0334]
在一些实施方案中，方法500、方法700或方法800的各个方面可以相对于机器人臂中的一个或多个机器人臂独立地或组合地使用。
[0335]
d.统一零空间运动控制
[0336]
如前所述，机器人臂(例如，机器人臂210)可包括多个关节(例如，关节304，图23a和图23b)，这导致多个自由度(dof)。在一些实施方案中，机器人臂可具有至少七个关节，因此具有七个dof。当机器人臂具有七个关节时，其中一个关节可以被认为是冗余关节。因此，具有至少七个关节的机器人臂具有至少一个附加的dof(例如，附加的冗余度，或一个冗余dof)。在一些实施方案中，一个或多个冗余dof可以允许机器人臂在零空间中移动以保持adm 308的位姿和/或rcm的位置，并且避免与其他机器人臂或对象的碰撞。在一些实施方案中，根据一些实施方案，当机器人臂在零空间中移动时，机器人臂的端部执行器可以使用不同的连杆位置和关节角度朝向空间中的特定位姿(例如，位置和/或取向)和轨迹定位。在一些实施方案中，机器人臂的端部执行器的移动可经由远程操作来进行，而在其他实施方案中，机器人臂的端部执行器的移动可经由机器人臂的手动移动或从动离合来进行。在一些实施方案中，一个或多个冗余dof使得机器人臂能够从空间中的期望点定位和引导医疗器械，同时允许医师使臂关节移动到远离患者的临床有利位置，以产生更多的接近，同时避免臂碰撞。
[0337]
在一些实施方案中，(例如，在远程操作期间)可以命令具有一个dof冗余度的机器人臂进入期望的位姿，同时保持其远程中心。相同的机器人臂可以并发地(例如，同时地)用于若干目的，同时递送具有期望位姿的臂。根据一些实施方案，目标可包括运动学碰撞(例如，机器人系统的臂之间的碰撞，或者臂与地面或其他系统部件(诸如可调式杆、床顶部等)之间的碰撞)避免、关节极限避免、过度接触避免、用于手动臂重新定位的导纳零空间运动、手动杆重新定位和/或杆优化调节，以及将关节定位在期望的(例如，优选的)位置处。这些目标中的每个目标可请求机器人臂的相应零空间运动。在仅一个附加的(或有限的)dof冗余度的情况下，这些目标可能彼此冲突。因此，需要在机器人臂的各种操作状态下同时优化目标，并且以平衡的、最佳的方式控制机器人臂的零空间运动。
[0338]
图29示出了根据一些实施方案的用于机器人系统200的运动学架构的框图900。
[0339]
框图900包括主应用程序902。在一些实施方案中，外科医生在远程操作期间使用主应用程序902来控制机器人臂(例如，机器人臂210，图21和图22)的端部执行器。在一些实
施方案中，主应用程序902(例如，经由来自外科医师的命令)输出主控制器命令(例如，端部执行器轨迹)，该主控制器命令是包括端部执行器关于rcm的位姿(例如，位置和/或取向)的向量。在一些实施方案中，当外科医生远程操作地控制外科医生控制台处的机器人臂或器械时，启动主应用程序902，如上所述。
[0340]
图29还示出了根据一些实施方案的新颖的统一零空间运动控制模块904。在一些实施方案中，统一零空间运动控制模块904与主应用程序902并发地(例如，同时地)执行。根据本公开的一些实施方案，统一零空间运动控制模块904管理多个任务(例如，多个任务模块的相应多组操作)。在一些实施方案中，多个任务包括接触检测906、杆优化908、碰撞和/或关节避免910、零空间点动912以及优选的关节位置914，等等。根据一些实施方案，多个任务还可包括其他任务916。在一些实施方案中，多个任务中的至少一个任务需要机器人臂在给定时间的相应零空间运动。
[0341]
在一些实施方案中，多个任务包括接触检测906。如先前在图23a至图24h中所描述的，根据一些实施方案，机器人系统包括感测架构，该感测架构包括一个或多个传感器，诸如接触传感器408、六轴负荷传感器(例如，六轴负荷传感器404)、力传感器(例如，a0力传感器402)和/或可以沿机器人臂的一个或多个连杆和/或关节(例如，连杆302和/或关节304)定位的任何其他传感器(例如，电容传感器)。根据一些实施方案，机器人系统使用一个或多个传感器来检测(例如，感测和测量)机器人臂上的接触力和/或扭矩。在一些实施方案中，基于所检测到的接触力和/或扭矩，机器人系统可以确定利用机器人臂的零空间运动的反应方案。例如，根据一些实施方案，根据所检测到的接触力和/或扭矩，可以在机器人臂上激活零空间控制以减小接触力和/或扭矩的量。
[0342]
再次参考图29，在一些实施方案中，接触检测906模块向统一零空间运动控制模块904输出两个参数和f0，其中是包括来自接触传感器408和/或六轴负荷传感器404的力和扭矩两者的接触扳手，并且其中f0是在a0关节处(例如，由a0力传感器402)检测到的力。在一些实施方案中，如果此类力超过特定阈值，则可以在机器人臂上激活零空间运动。例如，根据一些实施方案，如图25、图27和图28中所述，机器人系统可以根据确定接触力或扭矩的量值在接触力(例如，fr)或扭矩下限(例如，τr)和接触力(例如，f
极限
)或扭矩上限(例如，τ
极限
)之间来启用零空间运动。
[0343]
在一些实施方案中，多个任务包括杆优化908。如图21中所述，机器人臂和/或可调式臂支撑件(例如，杆)中的每一者可被称为相应的运动链。在一些实施方案中，机器人臂及其下面的杆可被认为是一个运动链。例如，在图22中，根据一些实施方案，机器人臂210-1及其下面的杆220-1可以是相同的运动链的一部分。在一些实施方案中，杆优化包括优化支撑机器人臂(例如，机器人臂210-1)的下面的杆(例如，杆220-1)的位姿(例如，位置和/或取向)，同时在零空间中移动机器人臂，以便将机器人臂210的端部执行器(例如，adm 308)和/或与其联接的工具212的远程运动中心(rcm)保持在静态位姿。在一些实施方案中，杆优化模块908向统一零空间运动控制模块904输出机器人臂的a0关节的位置(例如，q0)。在一些实施方案中，杆优化模块908可以被扩展以涵盖手动杆重新定位，其中以相同的方式对所得输出(例如，q0)进行积分。
[0344]
在一些实施方案中，多个任务还包括碰撞和/或关节避免910。在一些情况下，机器
人臂可与其他对象碰撞，诸如与另一机器人臂、患者支撑平台和/或接近机器人臂的其他对象碰撞。此外，在一些情况下，机器人臂的关节可在其关节极限处或附近操作。根据一些实施方案，在碰撞和/或关节避免910中，机器人臂利用零空间运动来避免碰撞和/或关节极限而不影响端部执行器轨迹(例如，)。
[0345]
在一些实施方案中，机器人系统包括定位在机器人臂的一个或多个关节上的一个或多个编码器(例如，关节编码器)。根据一些实施方案，关节编码器测量机器人臂的关节的位置和/或角度，并且使得能够根据关节编码器数据来进行碰撞检测和处理。在一些实施方案中，机器人系统基于关节的测量位置和/或角度来创建运动学模型。碰撞和/或关节避免基于使用机器人系统的测量结果(例如，机器人臂关节的位置和/或角度)的运动学方法来控制机器人臂的零空间运动。因此，碰撞和/或关节避免模块910不同于使用传感器数据来激活零空间控制的接触检测模块906。
[0346]
在一些实施方案中，碰撞和/或关节避免模块910向统一零空间控制模块904输出两个参数p
c,i
和p
o,i
，其中p
c,i
和p
o,i
对应于碰撞控制点和障碍物点的笛卡尔坐标。根据一些实施方案，当机器人臂靠近障碍物(诸如另一机器人臂、机器人系统的另一对象，或外部对象)时，可以识别机器人臂上最接近对象上的一个或多个对应的点的一个或多个点。根据一些实施方案，碰撞控制点是机器人臂上的一个或多个点。根据一些实施方案，障碍物点是机器人臂的障碍物上的一个或多个对应的点。
[0347]
在一些实施方案中，碰撞和/或关节避免910假设机器人臂下面的杆是静止的。在一些情况下，在零空间中移动机器人臂的同时将其下面的杆保持在静止位置可能无法获得解决方案。在这些情况下，根据一些实施方案，机器人系统(例如，使用统一零空间运动控制模块904)还将同时激活杆优化模块908以通过下面的杆的平移(和/或旋转、和/或倾斜)来启用机器人臂的零空间运动。
[0348]
在一些实施方案中，多个任务还包括零空间点动912(例如，机器人臂零空间点动和/或杆位姿点动)。在零空间点动中，用户可以在臂移动期间的任何时间沿臂下方的杆在两个方向上(例如，沿正y轴和负y轴，图22)手动地移动机器人臂，而不影响端部执行器的位姿(例如，零空间)。在一些实施方案中，可通过按压机器人臂上的按钮(例如，图23a中的按钮312或其他输入按钮)，或通过使用外部输入诸如操纵杆，或通过推动配备有内置力、扭矩和/或接触传感器的机器人臂的连杆来激活零空间点动。在一些实施方案中，零空间点动包括利用下面的杆的平移，其平行于臂基部平移(例如，沿正y轴和负y轴，图22)，并且扩大在每个臂上点动的运动范围。
[0349]
零空间点动的示例是导纳零空间点动。在一些情况下，当外科医生正在执行远程操作时，患者侧的医护人员可能需要接近患者。在这些情况下，医护人员可以激活导纳零空间点动以手动地控制(例如，手动地操纵)可以从机器人臂本身以及/或者从包括机器人臂及其下面的杆的运动链获得的零空间，以将机器人臂移动到使得患者能够进入的位姿。换句话讲，根据一些实施方案，导纳零空间点动使得用户能够在优选的位置处手动地重新定位机器人臂和/或机器人臂的关节，同时保证机器人臂在手动重新定位期间在零空间中移动。根据一些实施方案，零空间点动模块912向统一零空间运动控制模块904输出a0关节的速度(例如，δq0)。
[0350]
图29还示出多个任务包括优选的关节位置914。在一些实施方案中，针对机器人臂
的位姿存在优选值。例如，由于机器人系统的运动学能力，或者由于已知位姿将导致远程操作期间的可能的臂碰撞的可能性降低，一些位姿(例如，机器人臂的关节和/或连杆的位置和/取向)可能是优选的。根据一些实施方案，在优选的关节位置914中，机器人臂利用零空间运动来计算对应的优选的关节位置并且朝向优选的位姿移动。在一些实施方案中，优选的关节值可基于规程或运动学度量(例如，可操纵性)来确定。根据一些实施方案，优选的关节位置模块914向统一零空间运动控制模块904输出机器人臂的关节的优选位置(例如，q
k,优选的
)。
[0351]
在一些实施方案中，统一零空间运动控制模块902确定(并且输出)机器人臂的零空间关节速度根据一些实施方案，是n
×
1向量，其分量对应于机器人臂的每个关节的速度，其中n表示机器人臂的关节数量。对于具有七个关节的机器人臂(例如，机器人臂具有一个冗余dof)，是7
×
1向量。
[0352]
在框图900中，(其中r是基准)是用于端部执行器向量的主控制器命令。主应用程序输入可涉及笛卡尔饱和度(918)。根据一些实施方案，通过基于机器人臂的当前位置限制对机器人运动学求解器的输入，可以减少或防止运动学中的任何不良状况，诸如违反线性假设、奇点、机器人工作空间、碰撞检测限制，等等。同时，根据一些实施方案，可以应用其他适当的饱和度。在一些实施方案中，笛卡尔饱和度模块918还可以使工具尖端速度饱和以进一步确保患者安全。
[0353]
根据一些实施方案，一旦计算出初始逆运动学解(例如，)并且将其添加(922)到统一零空间运动控制模块904的输出(例如，)并且通过统一运动饱和度模块924，则对照(例如，经由α-饱和度和额外的速度/碰撞条件模块926)不同的臂主体位置和关节速度极限的速度约束来检查所得的逆运动学解(例如，)。此时，对关节速度((δq_o)
→→
)进行积分(928)以确定关节位置命令(例如，)。根据一些实施方案，在碰撞检测和验证模块930之后，滤波器(932)也被应用于关节位置命令(例如，(q_o)
→→
)以生成针对命令的平滑信号。
[0354]
图30a至图30c示出了根据一些实施方案的控制机器人臂的零空间运动的方法1000的流程图。根据本公开的一些实施方案，方法1000由机器人系统(例如，如图21和图22所示的机器人医疗系统200，或机器人手术平台)的一个或多个处理器执行。
[0355]
机器人系统包括用户控制台(例如，用于执行机器人系统的远程操作和其他操作的医师控制台)。机器人系统还包括(1004)机器人臂(例如，图21、图22、图23a、图23b、图24a和图24h中的机器人臂210)。在一些实施方案中，机器人臂是机器人系统的两个或更多个机器人臂中的第一机器人臂(参见例如图21和图22)。在一些实施方案中，机器人系统包括单个机器人臂。在一些实施方案中，机器人臂具有至少一个冗余度自由度。例如，在一些实施方案中，机器人臂可具有至少七个关节(例如，关节304，图23)，因此产生至少七个dof(例如，至少一个冗余dof)。根据一些实施方案，具有至少七个dof的机器人臂210相比于用于执行给定任务的最小数量的dof(例如，六个dof)多至少一个dof。根据一些实施方案，当机器人臂具有七个关节时，其中一个关节可以被认为是冗余关节。根据一些实施方案，一个或多
个冗余关节可允许机器人臂210在零空间中移动以既保持adm 308的位姿和rcm的位置又避免与其他机器人臂或对象的碰撞。机器人系统还包括联接到机器人臂的可调式杆(例如，杆220，图21和图22)。该机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储由一个或多个处理器执行的指令。
[0356]
根据一些实施方案，机器人系统基于来自由机器人系统执行的多个任务中的两个或更多个任务的输入来控制(1012)机器人臂210和/或可调式杆220的零空间运动。
[0357]
在一些实施方案中，并且如图29所示，多个任务包括(1014)：第一任务，该第一任务包括机器人臂的接触检测(例如，接触检测906)；第二任务，该第二任务包括可调式杆的优化(例如，杆优化908)；第三任务，该第三任务包括经由运动学进行的碰撞和/或关节极限处理(例如，碰撞/关节避免910)；第四任务，该第四任务包括机器人臂零空间和/或杆位姿点动(例如，零空间点动912)；以及第五任务，该第五任务包括朝向优选的关节位置(例如，优选的关节位置916)的运动。在一些实施方案中，多个任务中的每个任务需要机器人臂的相应零空间运动。在一些实施方案中，机器人系统包括零空间运动控制系统(例如，统一零空间运动控制模块904)，该零空间运动控制系统以优化任务的执行的方式控制机器人臂的零空间运动。
[0358]
在一些实施方案中，多个任务与多个目标相关，诸如运动学碰撞避免、关节极限避免、过度接触避免，以及用于手动臂重新定位的导纳零空间运动。
[0359]
在一些实施方案中，控制机器人臂的零空间运动包括以最佳零空间关节速度将机器人臂的一个或多个关节移动(1016)到期望位姿(例如，位置和取向)。
[0360]
例如，在图29中，根据一些实施方案，主应用程序902输出主控制器命令该主控制器命令包括机器人臂的端部执行器的位姿(例如，位置和/或取向)。根据一些实施方案，统一零空间运动控制模块904输出零空间关节速度向量其分量对应于机器人臂的关节速度。
[0361]
在一些实施方案中，机器人系统控制机器人臂的零空间运动，同时允许(1018)机器人臂的端部执行器遵循命令。在一些实施方案中，命令可由外科医生经由机器人臂的远程操作而生成。在其他实施方案中，命令可经由机器人臂的手动操纵(诸如经由从动离合器)来生成。
[0362]
例如，在图29中，统一零空间运动控制模块904控制机器人臂的零空间运动。统一零空间运动控制模块904可以与主应用程序902同时执行，该主应用程序控制机器人臂的端部执行器的位姿。
[0363]
在一些实施方案中，机器人系统还包括(1020)被定位在机器人臂上的一个或多个力传感器。
[0364]
在一些实施方案中，一个或多个力传感器包括(1022)被定位在机器人臂的连杆上的接触传感器(例如，接触传感器408)。例如，如图24b、图24c、图24d、图4e、图24f和图24g中所述，接触传感器408是可以被定位在机器人臂的连杆302上的力传感器。
[0365]
在一些实施方案中，一个或多个力传感器包括(1024)被定位在机器人臂的关节或远侧端部上的接触传感器。例如，在一些实施方案中，图24b中的接触传感器408可被定位在机器人臂210的关节304上。接触传感器408还可以沿连杆302的长度定位，该连杆为诸如机
器人臂210的近侧部分上的连杆和/或远侧部分上的连杆。图24g还示出了定位在机器人臂的远侧端部上的接触传感器408。
[0366]
在一些实施方案中，第一任务(例如，接触检测906)还包括(1026)使用一个或多个力传感器来检测机器人臂上的接触。
[0367]
例如，根据一些实施方案，机器人系统包括感测架构，该感测架构包括一个或多个传感器，诸如接触传感器408、六轴负荷传感器(例如，六轴负荷传感器404)、力传感器(例如，a0力传感器402)和/或可以沿机器人臂的一个或多个连杆和/或关节(例如，连杆302和/或关节304)定位的任何其他传感器(例如，电容传感器)。这些传感器检测机器人臂上的接触。例如，根据一些实施方案，接触传感器408是力传感器(或力和力矩传感器)。根据一些实施方案，六轴负荷传感器404是力和力矩传感器。
[0368]
在一些实施方案中，机器人系统还包括(1028)被定位在机器人臂的关节上的一个或多个力传感器。根据一些实施方案，第二任务包括(1030)使用在一个或多个传感器上感测到的力来调节可调式杆相对于机器人臂210的位姿(例如，位置和/或取向)。
[0369]
例如，如图24a所示，根据一些实施方案，机器人系统包括定位在机器人臂的a0关节304-1上的力传感器402。根据一些实施方案，杆优化908任务包括使用在a0力传感器上感测到的力来调节机器人臂下面的杆的位姿(例如，位置和/或取向)。
[0370]
例如，根据一些实施方案，机器人臂及其下面的可调式杆形成一个运动链(或者是相同的运动链的一部分)。在一些实施方案中，杆优化包括优化支撑机器人臂(例如，机器人臂210-1)的下面的杆(例如，杆220-1)的位姿(例如，位置和/或取向)，同时在零空间中移动机器人臂，以便将机器人臂的端部执行器(例如，adm 308)和/或与其联接的工具的远程运动中心(rcm)保持在静态位姿。
[0371]
在一些实施方案中，机器人系统还包括(1032)定位在机器人臂的关节上的一个或多个编码器(例如，关节编码器)(例如，用于测量机器人臂的位置和/或角度)。根据一些实施方案，第三任务(例如，关节碰撞/避免910)包括(1034)使用一个或多个编码器来检测冲突并且经由运动学控制来减轻冲突。
[0372]
根据一些实施方案，与根据来自机器人臂的一个或多个传感器的数据来激活零空间运动的第一任务(例如，接触检测906)不同，第三任务(例如，关节碰撞/避免910)使用由关节编码器测量的关节的位置和/或角度来建立运动学模型，并且使用零空间运动学控制来减轻关节碰撞。
[0373]
在一些实施方案中，机器人系统基于排他性、加权和/或切换来对各种任务的零空间运动进行优先级排序。
[0374]
在一些实施方案中，机器人系统基于多个任务中的任务之间的预设互斥性来对多个任务中的一个或多个任务进行优先级排序(1034)。
[0375]
例如，根据一些实施方案，当机器人系统执行某些任务时，某些其他任务被禁用(例如，通过将它们的权重设置为零)。在一个示例中，根据一些实施方案，当启用杆优化908时，禁用连杆/关节碰撞避免910。在另一示例中，根据一些实施方案，当使用零空间点动912时，禁用所有其他任务(例如，接触检测906、杆优化908、连杆/关节碰撞避免910，以及优选的关节位置914)。
[0376]
在一些实施方案中，机器人系统向多个任务中的每个任务分配(1038)相应的权
重。
[0377]
例如，在一些实施方案中，机器人系统可以基于任务的相对重要性将相应的权重分配给多个任务中的每个任务，其中相比于不太重要的任务，较为重要的任务被赋予更高的相应权重。在一些实施方案中，权重是动态可调节权重，这些动态可调节权重基于当前检测到的传感器数据和/或关节编码器数据和/或机器人系统的当前状态(例如，空闲、在手术中、在设置中等)在运行过程中计算。
[0378]
在一些实施方案中，机器人系统还基于多个任务的相应权重的相对量值来对多个任务中的一个或多个任务进行优先级排序(1040)。例如，经过优先级排序的任务在多个任务中具有最高权重。根据一些实施方案，与其中一个或多个任务可能被禁用并且因此在确定机器人臂的零空间运动时不被考虑的其他优先化方案诸如排他性或切换(参见下文)不同，在加权方案中，所有任务基于由它们相应的分配的权重确定的相对重要性被考虑。
[0379]
在一些实施方案中，机器人系统基于机器人系统的当前状态在多个任务中的不同组的一个或多个任务之间切换(1042)。
[0380]
根据一些实施方案，切换使得不同任务能够在不同时间被启用。根据一些实施方案，切换取决于机器人系统的状态(例如，在设置期间、在手术期间、在阻抗模式下、在导纳模式下，等等)以在每个状态下产生期望的结果。
[0381]
在一些情况下，用户可以在设置规程期间激活阻抗模式以手动操纵机器人臂。根据一些实施方案，当机器人臂处于阻抗模式时，碰撞和/或关节极限处理(例如，碰撞/关节避免(910))、接触检测(906)和零空间点动(912)被关闭。根据一些实施方案，杆优化(908)可被激活以促进将机器人臂/可调式杆运动链构造成用于手术的优化位姿。
[0382]
在另一示例中，根据一些实施方案，碰撞和/或关节避免(910)假设机器人臂的下面的杆是静止的。在一些情况下，根据一些实施方案，在零空间中移动机器人臂的同时将其下面的杆保持在静止位置可能无法获得解决方案。在这些情况下，根据一些实施方案，机器人系统(例如，使用统一零空间运动控制模块904)还将同时激活杆优化模块908以通过下面的杆的平移(和/或旋转、和/或倾斜)来启用机器人臂的零空间运动。
[0383]
在一些实施方案中，优选的关节位置模块914默认被禁用，并且仅在用户命令时作为辅助特征被激活。当被激活时，机器人系统切换到不同的状态，其中成本函数(例如，参见图31)以优选的关节位置被增强，并且其他任务以可能不同的权重被禁用或启用。
[0384]
根据本公开的另一方面，根据一些实施方案，可以通过优化来确定零空间关节速度(例如，零空间运动控制模块902的输出)。图31a和图31b示出了根据一些实施方案的用于确定机器人臂的零空间关节速度的方法1100的流程图。根据本公开的一些实施方案，方法1100由机器人系统(例如，如图21和图22所示的机器人医疗系统200，或机器人手术平台)的一个或多个处理器执行。
[0385]
机器人系统包括机器人臂(例如，图21、图22、图23a、图23b、图24a和图24h中的机器人臂210)。在一些实施方案中，机器人臂是机器人系统的两个或更多个机器人臂中的第一机器人臂(参见例如图21和图22)。在一些实施方案中，机器人系统包括单个机器人臂。机器人系统还包括联接到机器人臂的可调式杆(例如，杆220，图21和图22)。机器人系统还包括一个或多个处理器和存储器。存储器存储被配置用于由一个或多个处理器执行的一个或多个程序。
[0386]
根据一些实施方案，机器人系统识别(1108)用于机器人系统的第一多个任务(例如，s)。在一些实施方案中，第一多个任务包括机器人系统的目标(例如，目的)(例如，将由机器人系统的(例如，单个、每个)机器人臂满足的目标)。例如，根据一些实施方案，第一多个任务(例如，目标)包括运动学碰撞避免、关节极限避免、过度接触避免、用于手动臂重新定位的导纳零空间运动，以及将机器人关节定位在优选位置处。在一些实施方案中，第一多个任务包括在框图900中描绘的任务。例如，根据一些实施方案，第一多个任务包括接触检测(906)、杆优化(908)、碰撞/关节避免(910)、零空间点动(912)、优选的关节位置(914)和/或其他任务916。
[0387]
在一些实施方案中，第一多个任务(例如，s)中的每个任务(例如，)请求(1110)具有对应的零空间关节速度(例如，)的机器人臂的相应(例如，不同)零空间运动。
[0388]
在一些实施方案中，第一多个任务包括(1112)以下项中的两项或更多项：第一任务，该第一任务包括运动学碰撞避免；第二任务，该第二任务包括关节极限避免；第三任务，该第三任务包括接触避免和导纳零空间运动；以及第四任务，该第四任务包括朝向优选的关节位置的运动。
[0389]
在一些实施方案中，包括运动学碰撞避免的第一任务对应于在图29中描述的碰撞/关节避免任务(910)。在一些实施方案中，第一任务可以表示为：
[0390][0391]
其中p
c,i
是控制点i的笛卡尔坐标，p
o,i
是障碍物点i的笛卡尔坐标，‖p
c,i-p
o,i
‖是差分向量(p
c,i-p
o,i
))的范数(例如，量值)，d
触发
是阈值距离，超过该阈值距离将触发关节的零空间移动，并且d
停止
是停止关节的零空间移动的上限。如关于碰撞和/或关节避免模块910所描述的，根据一些实施方案，当机器人臂靠近障碍物(诸如另一机器人臂、机器人系统的另一对象或外部对象等)时，可以识别机器人臂上最接近对象上的对应点的点。根据一些实施方案，控制点i，p
o,i
(或碰撞控制点)是指机器人臂上的点，而障碍物点是机器人臂的障碍物上的对应的点。
[0392]
在一些实施方案中，包括关节极限避免的第二任务对应于图29中描述的碰撞/关节避免任务(910)。在一些实施方案中，第二任务可以表示为：
[0393][0394]
其中q,i是关节i的当前关节值，q
极限,i
是关节i的极限(例如，恒定值)，‖q,
i-q
极限,i
‖是向量差分(q,
i-q
极限,i
)的范数(例如，量值)，q
自由,i
是关节i的自由极限值，其中触发关节i的零空间移动，并且q
停止,i
是关节i的上限值，其中停止关节i的零空间移动。
[0395]
在一些实施方案中，在当前关节值q,i介于自由极限值(例如，q
自由,i
)和上限值(q
停止,i
)之间时，(例如，由机器人系统，例如，由统一零空间运动控制模块902)激活第二任务。
[0396]
在一些实施方案中，包括接触避免和导纳零空间运动的第三任务对应于图29中的接触检测任务(906)和零空间点动任务(912)。在一些实施方案中，第三任务可以表示为：
[0397][0398]
其中|f1|为位于a0关节上的力传感器、接触传感器和/或六轴负荷传感器检测到的外力f1的量值。在一些实施方案中，等式(11)中的f1与来自接触检测模块906的输出f0相同，并且f
最小值
和f
最大值
是将启用零空间运动的力阈值下限和力阈值上限。例如，如图25、图27和图28中所述，根据一些实施方案，机器人系统可以根据确定接触力的量值(例如，|f1|)介于接触力下限(例如，fr)和接触力上限(例如，f
极限
)之间来启用零空间运动。
[0399]
在一些实施方案中，包括朝向优选的关节位置的运动的第四任务对应于图29中的优选的关节位置任务(914)。在一些实施方案中，第四任务可以表示为：
[0400][0401]
其中qk为关节k的当前值，q
k,优选的
为关节k的优选位置，(q
k,最大值-q
k,最小值
)为关节k的运动范围。对于具有七个关节(例如，七个dof)的机器人系统，k具有范围从1至7(包括1和7)的整数值。
[0402]
在等式(9)至(12)中，si(其中i＝1至4)为非负值，并且表示对应的零空间运动请求的相应归一化的“严重程度”。例如，根据一些实施方案，如果关节处于配置的关节极限，则来自该事件的零空间运动请求将具有归一化的严重程度s＝1，并且如果相同的关节偏离关节极限达配置的量，则s＝1。以第四任务为例，根据一些实施方案，如果关节当前处于其优选的关节位置，则等式(12)中的当前关节值qk为q
k,优选的
，因此s4＝0，这意味着不存在“严重程度”，因为关节已经处于其优选的关节位置。
[0403]
再次参考图31，在一些实施方案中，机器人系统基于通过减少(例如，优化)成本函数(例如，h(q))确定的机器人臂的第一零空间关节速度来执行(1114)机器人臂的零空间运动。成本函数h(q)包括(1116)对应于可调式杆和/或机器人臂零空间和/或杆位姿点动的优化的第一成本。根据一些实施方案，成本函数还包括(1118)对应于第一多个任务中的每个任务的多个第二成本。
[0404]
在一些实施方案中，成本函数h(q)可写为：
[0405][0406]
根据一些实施方案，成本函数h(q)具有第一成本对应于可调式杆和/或机器人臂零空间和/或杆位姿点动的优化，wm是用于杆优化和/或机器人臂零空间和/或杆位姿点动的权重，nj是机器人臂雅可比矩阵的零空间基向量。在一些实施方案中，q是对应于第一成本的零空间速度。在一些实施方案中，第一成本对应于图29中的杆优化任务(908)和零空间点动任务(912)。
[0407]
根据一些实施方案，成本函数h(q)具有第二成本其中对于i＝1至4，如以上等式(9)至(12)中所定义的。如上所述，根据一些实施方案，si是对应的零空间运动请求的相应归一化的“严重程度”，并且wi是对应的si的相应权重。如本文所定义的，根据一些实施方案，成本函数h(q)是标量函数，并且第一成本和第二成本中的每一者具有
非负值(例如，h(q)中的每一项具有零或正值)。
[0408]
在一些实施方案中，机器人系统使用具有连续步长减小的梯度下降算法来减小(1120)成本函数。
[0409]
在一些实施方案中，h(q)使用由下式给出的梯度下降公式来优化：
[0410][0411]
根据一些实施方案，梯度下降公式的解是此解是机器人臂的零空间关节速度。根据一些实施方案，也是图29中的统一零空间运动控制模块902的输出。根据一些实施方案，步长α可以是使用算法诸如armijo规则更新的常数或可变参数。在一些实施方案中，求解之后的封闭解可以写为：
[0412][0413]
其中k是运动学碰撞避免的避免范围d
停止-d
触发
和关节极限避免的q
停止,j-q
自由,j
等的函数，是第i碰撞事件的碰撞点的雅可比矩阵，并且ej是第j维度的标准基础。
[0414]
在一些实施方案中，机器人臂执行(1122)机器人臂的零空间运动，同时允许机器人臂的端部执行器遵循命令，诸如在机器人臂的远程操作期间以及/或者在机器人臂的手动操纵(例如，经由从动离合器)期间。
[0415]
例如，在图29中，根据一些实施方案，统一零空间运动控制模块904控制机器人臂的零空间运动。根据一些实施方案，统一零空间运动控制模块904与控制机器人臂的端部执行器的位姿的主应用程序902同时执行。
[0416]
在一些实施方案中，机器人系统以第一零空间关节速度将机器人臂的一个或多个关节移动(1124)到期望位姿(例如，位置和取向)。
[0417]
在一些实施方案中，机器人系统为第一成本分配(1126)第一权重。根据一些实施方案，机器人系统还为多个第二成本中的每一者分配(1128)相应的第二权重。
[0418]
例如，参考等式(13)，根据一些实施方案，机器人系统为第一成本分配第一权重wm。根据一些实施方案，机器人系统还为多个第二成本中的每一者分配相应的第二权重wi，其中i＝1至4(例如，或对应于优先级排序和统一方案中所涉及的任务的数量的另一数量)。
[0419]
根据一些实施方案，减小成本函数包括最小化成本函数h(q)。在一些实施方案中，基于图30中描述的排他性方案来最小化成本函数。例如，在一些实施方案中，无论何时使用第一成本(即，w
m不为零
)，第二成本都被忽略(例如，w1、w2、w3和w4全部为零)。根据一些实施方案，这种场景适用于当机器人臂接收杆优化命令时的情况。在这种情况下，根据一些实施方案，机器人臂仅出于该目的而使用零空间运动。
[0420]
在一些实施方案中，第二成本中的至少一者具有(1130)相应的第二权重0。
[0421]
在一些实施方案中，根据机器人系统的操作状态来执行将相应的第二权重分配给多个第二成本中的每一者。
[0422]
例如，根据一些实施方案，w1、w2、w3和w4可以表示用于为第一多个任务(例如，s)中
的每个任务(例如，)的相应零空间运动请求设置优先级的权重。在一些实施方案中，权重的实际值w1至w4可以根据机器人系统的操作状态或零空间运动请求严重程度的函数而变化(例如，si)。例如，根据一些实施方案，在协调的桌子运动中，相比于优选的关节位置任务(例如，s4)，为运动学碰撞避免(例如，s1)和关节极限避免(例如，s2)任务分配更高的权重。即，根据一些实施方案，运动学碰撞避免任务s1所对应的权重w1和关节极限避免任务s2所对应的权重w2的值大于优选的关节位置任务s4所对应的权重w4的值。
[0423]
在一些实施方案中，在杆优化任务中，仅允许优选的关节位置。因此，根据一些实施方案，用户可以将w4设置为适当的权重并且通过将权重w1、w2和w3设置为零来禁用由第二成本表示的所有其他请求。作为请求严重程度相关权重的另一示例，根据一些实施方案，当导纳零空间运动/接触避免请求出现时或者当s3》0时，w1、w2和w4可以全部设置为零，使得用户完全控制机器人臂来实现用户的目标。
[0424]
3.实施系统和术语。
[0425]
本文所公开的实施方案提供了用于在使用机器人臂执行远程操作时检测和响应与机器人臂的交互的系统、方法和装置。
[0426]
应当指出的是，如本文所用，术语“联接(couple)”、“联接(coupling)”、“联接(coupled)”或词语联接的其他变型形式可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“联接”到第二部件，则第一部件可经由另一个部件间接连接到第二部件或直接连接到第二部件。
[0427]
本文所述的用于转变到手动操纵模式的功能可以作为一个或多个指令存储在处理器可读或计算机可读的介质上。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，此类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。
[0428]
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。
[0429]
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。
[0430]
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。
[0431]
提供对所公开的实施方案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。对这些实施方案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实施方案。例如，应当理解，本领域的普通技术人员将能够采用多个对应的替代和等同的结构细节，诸如紧固、安装、联接或接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机构、以及用于递送电能的等同机构。因此，本发明并非旨在限于本文所示的实施方案，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。
[0432]
参照以下条款描述了一些实施方案或具体实施：
[0433]
条款1.一种机器人系统，包括：
[0434]
机器人臂；
[0435]
一个或多个传感器；
[0436]
一个或多个处理器；和
[0437]
存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：
[0438]
经由所述一个或多个传感器来检测由外部对象施加在所述机器人臂上的接触力或扭矩；以及
[0439]
响应于检测到所述接触力或扭矩，根据确定所述接触力或扭矩的量值介于接触力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间，根据所检测到的接触力或扭矩来启用所述机器人臂上的第一组受控移动。
[0440]
条款2.根据条款1所述的机器人系统，其中，启用所述机器人臂上的第一组受控移动包括激活所述机器人臂的零空间运动。
[0441]
条款3.根据条款1或2所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：
[0442]
响应于检测到所述接触力或扭矩，根据确定所述接触力或扭矩超过所述接触力或扭矩上限，禁用所述机器人系统的一部分的移动。
[0443]
条款4.根据条款1至3中任一项所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：
[0444]
响应于检测到所述接触力或扭矩，根据确定所述接触力或扭矩小于所述接触力或扭矩下限，放弃根据所检测到的接触力或扭矩来启用所述机器人臂上的所述第一组受控移动。
[0445]
条款5.根据条款1至4中任一项所述的机器人系统，其中：
[0446]
所述一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器；并且
[0447]
使用所述一个或多个接触传感器来检测所述接触力或扭矩。
[0448]
条款6.根据条款5所述的机器人系统，其中，所述一个或多个接触传感器位于所述机器人臂的连杆上。
[0449]
条款7.根据条款6所述的机器人系统，其中，所述机器人臂的所述连杆是远侧连杆或近侧连杆。
[0450]
条款8.根据条款1至7中任一项所述的机器人系统，其中：
[0451]
所述一个或多个传感器包括多轴负荷传感器；并且
[0452]
使用所述多轴负荷传感器来检测所述接触力或扭矩。
[0453]
条款9.根据条款8所述的机器人系统，其中，所述多轴负荷传感器包括位于所述机
器人臂的远侧部分上的六轴负荷传感器。
[0454]
条款10.根据条款1至9中任一项所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：
[0455]
接收包括所述机器人臂的第一速度的第一用户命令；
[0456]
根据确定所述接触力的所述量值介于接触力下限和接触力上限之间：
[0457]
确定所述接触力的方向；
[0458]
确定所述扭矩的方向；
[0459]
确定由所述机器人臂的平移速度和所述接触力的所述方向形成的第一角度；以及
[0460]
确定由所述机器人臂的旋转速度和所述扭矩的所述方向形成的第二角度；
[0461]
根据确定所述第一角度在第一角度阈值内并且所述第二角度在第二角度阈值内，启用所述机器人臂的一个或多个关节以所述第一速度移动；以及
[0462]
根据以下项中的至少一项来禁用所述机器人臂的移动：(i)确定所述第一角度超过所述第一角度阈值，或者(ii)确定所述第二角度超过所述第二角度阈值。
[0463]
条款11.根据条款10所述的机器人系统，其中，根据用于检测所述接触力的一个或多个接触传感器的测量不确定性来确定所述第一角度阈值和所述第二角度阈值。
[0464]
条款12.根据条款1至9中任一项所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：
[0465]
接收包括所述机器人臂的所请求的速度的第二用户命令；
[0466]
根据确定所述扭矩的所述量值介于所述扭矩下限和所述扭矩上限之间：
[0467]
确定所述扭矩的方向；
[0468]
确定由所述扭矩的所述方向和所述机器人臂的所请求的速度形成的第三角度；
[0469]
根据确定所述第三角度在第三角度阈值内，启用所述机器人臂以所请求的速度移动；以及
[0470]
根据确定所述第三角度超过所述第三角度阈值，禁用所述机器人臂的移动。
[0471]
条款13.根据条款12所述的机器人系统，其中，相对于所述机器人臂的远程运动中心来确定所述扭矩的所述量值。
[0472]
条款14.根据条款12或13所述的机器人系统，其中，根据用于检测所述扭矩的六轴负荷传感器的测量不确定性来确定所述第三角度阈值。
[0473]
条款15.一种机器人系统，包括：
[0474]
机器人臂；
[0475]
一个或多个传感器；
[0476]
一个或多个处理器；和
[0477]
存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：
[0478]
经由所述一个或多个传感器来检测由外部对象施加在所述机器人臂上的接触力或扭矩；以及
[0479]
响应于检测到所述接触力或扭矩，根据确定所述接触力或扭矩介于力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间，启用所述机器人臂按基于所述机器人臂的预先建立或预先记录的路径的轨迹移动。
[0480]
条款16.根据条款15所述的机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器。
[0481]
条款17.根据条款15或16所述的机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。
[0482]
条款18.根据条款15至17中任一项所述的机器人系统，其中，所述机器人臂的所述预先建立或预先记录的路径包括所述机器人臂的连杆质心的预先记录的路径。
[0483]
条款19.根据条款18所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：
[0484]
根据所述连杆质心的所述预先记录的路径来确定在可配置时间段内沿所述预先记录的路径的平移和旋转运动方向。
[0485]
条款20.根据条款15至19中任一项所述的机器人系统，其中，所述机器人臂的所述预先建立或预先记录的路径包括所述机器人臂的远程中心运动的俯仰和/或偏航角的预先建立或预先记录的路径。
[0486]
条款21.根据条款20所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：
[0487]
根据所述机器人臂的所述预先建立或预先记录的路径来确定在可配置时间段内沿所述预先记录的路径的平均运动方向。
[0488]
条款22.一种机器人系统，包括：
[0489]
机器人臂；
[0490]
一个或多个传感器；
[0491]
一个或多个处理器；和
[0492]
存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：
[0493]
经由所述一个或多个传感器来检测由外部对象施加在所述机器人臂上的接触力或扭矩；以及
[0494]
根据确定所述接触力或扭矩大于或等于反作用力或扭矩下限，降低所述机器人臂的速度。
[0495]
条款23.根据条款22所述的机器人系统，其中：
[0496]
所述机器人臂包括一个或多个关节；并且
[0497]
降低所述机器人臂的所述速度包括降低所述机器人臂的所述一个或多个关节中的每个关节的相应速度。
[0498]
条款24.根据条款23所述的机器人系统，其中，降低所述一个或多个关节中的每个关节的所述相应速度包括以相同的比例降低所有关节的速度。
[0499]
条款25.根据条款22至24中任一项所述的机器人系统，其中，降低所述机器人臂的所述速度包括降低所述机器人臂的远程中心运动处的角速度。
[0500]
条款26.根据条款22至25中任一项所述的机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器。
[0501]
条款27.根据条款22至26中任一项所述的机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。

技术特征：
1.一种机器人系统，包括：机器人臂；一个或多个传感器；一个或多个处理器；和存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：经由所述一个或多个传感器来检测由外部对象施加在所述机器人臂上的接触力或扭矩；以及响应于检测到所述接触力或扭矩，根据确定所述接触力或扭矩的量值介于接触力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间，根据所检测到的接触力或扭矩来启用所述机器人臂上的第一组受控移动。2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，启用所述机器人臂上的第一组受控移动包括激活所述机器人臂的零空间运动。3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：响应于检测到所述接触力或扭矩，根据确定所述接触力或扭矩超过所述接触力或扭矩上限，禁用所述机器人系统的一部分的移动。4.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：响应于检测到所述接触力或扭矩，根据确定所述接触力或扭矩小于所述接触力或扭矩下限，放弃根据所检测到的接触力或扭矩来启用所述机器人臂上的所述第一组受控移动。5.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：所述一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器；并且使用所述一个或多个接触传感器来检测所述接触力或扭矩。6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中，所述一个或多个接触传感器位于所述机器人臂的连杆上。7.根据权利要求6所述的机器人系统，其中，所述机器人臂的所述连杆是远侧连杆或近侧连杆。8.根据权利要求1所述的机器人系统，其中：所述一个或多个传感器包括多轴负荷传感器；并且使用所述多轴负荷传感器来检测所述接触力或扭矩。9.根据权利要求8所述的机器人系统，其中，所述多轴负荷传感器包括位于所述机器人臂的远侧部分上的六轴负荷传感器。10.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：接收包括所述机器人臂的第一速度的第一用户命令；根据确定所述接触力的所述量值介于接触力下限和接触力上限之间：a)确定所述接触力的方向；b)确定所述扭矩的方向；
c)确定由所述机器人臂的平移速度和所述接触力的所述方向形成的第一角度；以及d)确定由所述机器人臂的旋转速度和所述扭矩的所述方向形成的第二角度；根据确定所述第一角度在第一角度阈值内并且所述第二角度在第二角度阈值内，启用所述机器人臂的一个或多个关节以所述第一速度移动；以及根据以下项中的至少一项来禁用所述机器人臂的移动：(i)确定所述第一角度超过所述第一角度阈值，或者(ii)确定所述第二角度超过所述第二角度阈值。11.根据权利要求10所述的机器人系统，其中，根据用于检测所述接触力的一个或多个接触传感器的测量不确定性来确定所述第一角度阈值和所述第二角度阈值。12.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：接收包括所述机器人臂的所请求的速度的第二用户命令；根据确定所述扭矩的所述量值介于所述扭矩下限和所述扭矩上限之间：确定所述扭矩的方向；确定由所述扭矩的所述方向和所述机器人臂的所请求的速度形成的第三角度；根据确定所述第三角度在第三角度阈值内，启用所述机器人臂以所请求的速度移动；以及根据确定所述第三角度超过所述第三角度阈值，禁用所述机器人臂的移动。13.根据权利要求12所述的机器人系统，其中，相对于所述机器人臂的远程运动中心来确定所述扭矩的所述量值。14.根据权利要求12所述的机器人系统，其中，根据用于检测所述扭矩的六轴负荷传感器的测量不确定性来确定所述第三角度阈值。15.一种机器人系统，包括：机器人臂；一个或多个传感器；一个或多个处理器；和存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：经由所述一个或多个传感器来检测由外部对象施加在所述机器人臂上的接触力或扭矩；以及响应于检测到所述接触力或扭矩，根据确定所述接触力或扭矩介于力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间，启用所述机器人臂按基于所述机器人臂的预先建立或预先记录的路径的轨迹移动。16.根据权利要求15所述的机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器。17.根据权利要求15所述的机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。18.根据权利要求15所述的机器人系统，其中，所述机器人臂的所述预先建立或预先记录的路径包括所述机器人臂的连杆质心的预先记录的路径。19.根据权利要求18所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由
所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：根据所述连杆质心的所述预先记录的路径来确定在可配置时间段内沿所述预先记录的路径的平移和旋转运动方向。20.根据权利要求15所述的机器人系统，其中，所述机器人臂的所述预先建立或预先记录的路径包括所述机器人臂的远程中心运动的俯仰和/或偏航角的预先建立或预先记录的路径。21.根据权利要求20所述的机器人系统，其中，所述存储器还包括指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：根据所述机器人臂的所述预先建立或预先记录的路径来确定在可配置时间段内沿所述预先记录的路径的平均运动方向。22.一种机器人系统，包括：机器人臂；一个或多个传感器；一个或多个处理器；和存储器，所述存储器存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时，使所述一个或多个处理器：经由所述一个或多个传感器来检测由外部对象施加在所述机器人臂上的接触力或扭矩；以及根据确定所述接触力或扭矩大于或等于反作用力或扭矩下限，降低所述机器人臂的速度。23.根据权利要求22所述的机器人系统，其中：所述机器人臂包括一个或多个关节；并且降低所述机器人臂的所述速度包括降低所述机器人臂的所述一个或多个关节中的每个关节的相应速度。24.根据权利要求23所述的机器人系统，其中，降低所述一个或多个关节中的每个关节的所述相应速度包括以相同的比例降低所有关节的速度。25.根据权利要求22所述的机器人系统，其中，降低所述机器人臂的所述速度包括降低所述机器人臂的远程中心运动处的角速度。26.根据权利要求22所述的机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括一个或多个接触传感器。27.根据权利要求22所述的机器人系统，其中，所述一个或多个传感器包括六轴负荷传感器。

技术总结
本发明提供了机器人医疗系统，该机器人医疗系统能够进行接触感测和接触反应。机器人医疗系统可包括机器人臂和一个或多个传感器。该机器人医疗系统可以被构造成经由该一个或多个传感器来检测由外部对象施加在该机器人臂上的接触力或扭矩。响应于检测到该接触力或扭矩，并且根据确定该接触力或扭矩的量值介于接触力或扭矩下限和接触力或扭矩上限之间，该机器人医疗系统可根据所检测到的接触力或扭矩来启用该机器人臂上的第一组受控移动。来启用该机器人臂上的第一组受控移动。来启用该机器人臂上的第一组受控移动。


技术研发人员：杨波 M
受保护的技术使用者：奥瑞斯健康公司
技术研发日：2021.12.07
技术公布日：2023/8/28