本申請(qǐng)要求2014年3月17日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.61/954,537的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容以引用方式被并入本文以用于所有目的。

本申請(qǐng)大體涉及2013年8月15日提交的標(biāo)題為“通過機(jī)器人臂的手動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制的可移動(dòng)手術(shù)安裝平臺(tái)”的美國(guó)申請(qǐng)No.13/967,573，以及2013年8月15日提交的標(biāo)題為“用戶發(fā)起的手術(shù)安裝平臺(tái)的分離離合”的美國(guó)申請(qǐng)No.13/967,594，所述申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用方式被并入本文。

背景技術(shù)：

微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)旨在減少診斷或手術(shù)過程期間損壞的外部組織的量，從而減少患者恢復(fù)時(shí)間、不適以及有害副作用。微創(chuàng)手術(shù)的一個(gè)影響是，例如，減少的術(shù)后住院恢復(fù)時(shí)間。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的手術(shù)平均住院時(shí)間通常顯著長(zhǎng)于類似的微創(chuàng)手術(shù)的平均時(shí)間，微創(chuàng)技術(shù)的增加的使用可在每年的住院費(fèi)用中節(jié)省數(shù)百萬美元。雖然在美國(guó)每年進(jìn)行的許多手術(shù)可能以微創(chuàng)方式進(jìn)行，但是由于微創(chuàng)手術(shù)器械和掌握它們所涉及的附加的手術(shù)訓(xùn)練的限制，當(dāng)前手術(shù)中的僅僅一部分使用這些有利的技術(shù)。

已經(jīng)開發(fā)微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)或遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)以增加外科醫(yī)生的靈巧性并且避免對(duì)傳統(tǒng)的微創(chuàng)技術(shù)的一些限制。在遠(yuǎn)程手術(shù)中，外科醫(yī)生使用一些形式的遠(yuǎn)程控制(例如，伺服機(jī)構(gòu)或類似物)，來操縱手術(shù)器械移動(dòng)，而不是直接用手保持和移動(dòng)器械。在遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)中，外科醫(yī)生能夠被提供具有在手術(shù)工作站處的手術(shù)部位的圖像。在顯示器上觀察手術(shù)部位的兩維或三維圖像的同時(shí)，外科醫(yī)生通過操縱主控制設(shè)備，該主控制設(shè)備進(jìn)而控制伺服機(jī)械操作的器械的運(yùn)動(dòng)來對(duì)患者進(jìn)行手術(shù)過程。

用于遠(yuǎn)程手術(shù)的伺服機(jī)構(gòu)將通常接收來自兩個(gè)主控制器(一個(gè)用于外科醫(yī)生的手中的每一個(gè))的輸入，并且可包括兩個(gè)或更多個(gè)機(jī)器人臂，手術(shù)器械被安裝在每一個(gè)機(jī)器人臂上。主控制器和相關(guān)聯(lián)的機(jī)器人臂和器械組件之間的操作通信通常通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)通常包括至少一個(gè)處理器，該處理器將來自主控制器的輸入命令傳達(dá)到相關(guān)聯(lián)的機(jī)器人臂和器械組件，并且在(例如)力反饋等的情況下從器械和臂組件傳達(dá)回相關(guān)聯(lián)的主控制器。機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)示例是可從加利福尼亞州森尼維耳市的直觀外科公司(Intuitive Surgical，Inc.)購(gòu)得的DA 系統(tǒng)。

各種結(jié)構(gòu)布置能夠被用于在機(jī)器人手術(shù)期間將手術(shù)器械支撐在手術(shù)部位處。從動(dòng)(driven)連桿或“從動(dòng)件”通常被稱為機(jī)器人手術(shù)操縱器，并且在微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)期間用作機(jī)器人手術(shù)操縱器的示例性連桿布置在美國(guó)專利No.7,594,912、No.6,758,843、No.6,246,200以及No.5,800,423中進(jìn)行描述，所述專利的全部公開內(nèi)容以引用方式被并入本文。這些連桿通常利用平行四邊形布置以保持具有軸的器械。這種操縱器結(jié)構(gòu)能夠約束器械的移動(dòng)，使得器械圍繞沿剛性軸的長(zhǎng)度被定位在空間中的遠(yuǎn)程操縱中心樞轉(zhuǎn)。通過將遠(yuǎn)程操縱中心與內(nèi)部手術(shù)部位的切口點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)(例如，在腹腔鏡手術(shù)期間借助在腹壁處的套管針或插管)，通過使用操縱器連桿移動(dòng)軸的近端，手術(shù)器械的端部執(zhí)行器能夠被安全地定位，而不施加對(duì)腹壁的潛在的危險(xiǎn)力。例如，在美國(guó)專利No.7,763,015、No.6,702,805、No.6,676,669、No.5,855,583、No.5,808,665、No.5,445,166和No.5,184,601中描述了替代的操縱器結(jié)構(gòu)，所述專利的全部公開內(nèi)容以引用方式被并入本文。

各種結(jié)構(gòu)布置也能夠被用于在機(jī)器人手術(shù)期間將機(jī)器人手術(shù)操縱器和手術(shù)器械支撐和定位在手術(shù)部位處。支撐連桿機(jī)構(gòu)(有時(shí)候被稱為裝配(set-up)關(guān)節(jié)或裝配關(guān)節(jié)臂)通常用來定位每個(gè)操縱器，并且將每個(gè)操縱器與患者身體中相應(yīng)的切口點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。支撐連桿機(jī)構(gòu)有助于手術(shù)操縱器與期望的手術(shù)切口點(diǎn)和目標(biāo)的解剖結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)。示例性支撐連桿機(jī)構(gòu)在美國(guó)專利No.6,246,200和No.6,788,018中進(jìn)行描述，所述專利的全部公開內(nèi)容以引用方式被并入本文。

雖然新的遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)和設(shè)備已經(jīng)被證明是非常有效的且是有利的，但是進(jìn)一步的改進(jìn)是期望的。通常，改進(jìn)的微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)是期望的。如果這些改進(jìn)的技術(shù)提高機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的效率和易用性，則將是特別有益的。例如，對(duì)于增加可操縱性、改進(jìn)手術(shù)室中的空間利用率、提供展開和收起的更快和更簡(jiǎn)單的裝配、抑制使用期間機(jī)器人設(shè)備之間的碰撞，以及/或者減小這些新的手術(shù)系統(tǒng)的機(jī)械復(fù)雜性和尺寸將是特別有益的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

下文呈現(xiàn)了本發(fā)明的一些實(shí)施例的簡(jiǎn)化的發(fā)明內(nèi)容，以便提供對(duì)發(fā)明的基本理解。本發(fā)明內(nèi)容不是本發(fā)明的全面概述。并不旨在確定本發(fā)明的關(guān)鍵/重要元件和描繪本發(fā)明的范圍。其唯一的目的是以簡(jiǎn)化形式呈現(xiàn)本發(fā)明的一些實(shí)施例，作為稍后呈現(xiàn)的具體實(shí)施方式的前序。

本發(fā)明大體提供改進(jìn)的機(jī)器人和/或手術(shù)設(shè)備、系統(tǒng)和方法。本文描述的運(yùn)動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)和相關(guān)聯(lián)的控制系統(tǒng)在幫助系統(tǒng)用戶布置準(zhǔn)備使用的機(jī)器人結(jié)構(gòu)方面是特別有益的，包括準(zhǔn)備用于對(duì)特定患者的手術(shù)過程的展開結(jié)構(gòu)或使用之后的收起結(jié)構(gòu)。本文所描述的示例性機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)可具有一個(gè)或更多個(gè)運(yùn)動(dòng)連桿子系統(tǒng)，所述一個(gè)或更多個(gè)運(yùn)動(dòng)連桿子系統(tǒng)被配置成幫助將操縱器結(jié)構(gòu)與手術(shù)工作部位對(duì)準(zhǔn)。這些裝配系統(tǒng)的關(guān)節(jié)可被主動(dòng)地驅(qū)動(dòng)、被動(dòng)地驅(qū)動(dòng)(使得當(dāng)操縱器用于治療時(shí)，該關(guān)節(jié)可以被手動(dòng)地鉸接且然后鎖定到期望的配置)，或兩者的結(jié)合。本文所描述的機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)施例可采用裝配模式，其中一個(gè)或更多個(gè)關(guān)節(jié)被主動(dòng)地驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)鏈的一個(gè)或更多個(gè)其它關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)并且選擇性地制動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)其它關(guān)節(jié)，以便控制被動(dòng)移動(dòng)以將關(guān)節(jié)移動(dòng)到參考關(guān)節(jié)狀態(tài)。在許多實(shí)施例中，一個(gè)或更多個(gè)其它關(guān)節(jié)是被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)，并且參考關(guān)節(jié)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于與裝配關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)操縱器臂或多個(gè)操縱器臂的期望配置。在許多實(shí)施例中，被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)將移動(dòng)支撐多個(gè)操縱器的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，其進(jìn)而通過受控制的被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)將相關(guān)聯(lián)的裝配關(guān)節(jié)移動(dòng)到特定參考關(guān)節(jié)狀態(tài)，從而將整個(gè)系統(tǒng)的布置促進(jìn)和推進(jìn)到期望的取向和/或具有工作空間的位置配置。有利地，該方法允許通過控制欠驅(qū)動(dòng)裝配關(guān)節(jié)的移動(dòng)的系統(tǒng)的重新配置，而不需要關(guān)節(jié)的手動(dòng)操縱。另外，多個(gè)臂的裝配關(guān)節(jié)能夠被同時(shí)控制，從而相比于僅通常將可能通過手動(dòng)鉸接的情況，允許以較少時(shí)間使用被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)的重新配置。任選地，取向平臺(tái)的移動(dòng)能夠?qū)е略O(shè)置在操縱器和平臺(tái)之間的裝配關(guān)節(jié)連桿的移動(dòng)，以及與由平臺(tái)支撐的附加的操縱器組件相關(guān)聯(lián)的裝配關(guān)節(jié)連桿的移動(dòng)。響應(yīng)于相應(yīng)的裝配關(guān)節(jié)的感測(cè)的關(guān)節(jié)狀態(tài)，一個(gè)或更多個(gè)裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)的控制可通過選擇性制動(dòng)對(duì)應(yīng)于裝配關(guān)節(jié)的一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)制動(dòng)器(joint brake)來實(shí)現(xiàn)。

因此，在第一方面中，提供準(zhǔn)備機(jī)器人手術(shù)的方法。該方法包括：感測(cè)第一機(jī)器人操縱器的一個(gè)或更多個(gè)裝配關(guān)節(jié)從初始位置到對(duì)應(yīng)于一個(gè)操縱器或多個(gè)操縱器的期望配置的參考位置的位移；計(jì)算將力和/或移動(dòng)傳遞到與裝配關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的連桿的裝配結(jié)構(gòu)連桿的移動(dòng)，所述裝配關(guān)節(jié)通過被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)來朝相應(yīng)的參考位置移動(dòng)裝配關(guān)節(jié)；以及通過選擇性制動(dòng)來控制裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)，直到裝配關(guān)節(jié)到達(dá)參考位置。通過抑制被動(dòng)移動(dòng)遠(yuǎn)離參考位置以及促進(jìn)被動(dòng)移動(dòng)朝向參考位置，選擇性制動(dòng)控制裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)。一旦裝配關(guān)節(jié)處于參考位置，能夠施加制動(dòng)器以將裝配關(guān)節(jié)鎖定在適當(dāng)位置。

在許多實(shí)施例中，裝配結(jié)構(gòu)連桿可包括安裝基部、柱、構(gòu)件以及可延伸吊桿(boom)。柱可與安裝基部可滑動(dòng)地耦接。另外，柱可沿豎直取向的第一支撐軸線相對(duì)于安裝基部被選擇性地定位。構(gòu)件可以是吊桿基部構(gòu)件，其通過肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)地耦接到柱。構(gòu)件可圍繞豎直取向的第二支撐軸線相對(duì)于柱被選擇性地取向。可延伸吊桿可與構(gòu)件可滑動(dòng)地耦接，從而沿水平取向的第三支撐軸線相對(duì)于構(gòu)件選擇性地定位可延伸吊桿。取向平臺(tái)可旋轉(zhuǎn)地耦接到可延伸吊桿構(gòu)件。計(jì)算的受動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)可包括裝配結(jié)構(gòu)連桿的多個(gè)關(guān)節(jié)中任何一個(gè)的移動(dòng)，所述裝配結(jié)構(gòu)連桿的多個(gè)關(guān)節(jié)被驅(qū)動(dòng)以便將力和/或力矩傳遞到更遠(yuǎn)側(cè)的連桿中，該更遠(yuǎn)側(cè)的連桿將一個(gè)或更多個(gè)欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)到期望的參考狀態(tài)或位置。

在一個(gè)方面中，處理器包括非瞬時(shí)機(jī)器可讀代碼，該非瞬時(shí)機(jī)器可讀代碼包含(embody)用于基于欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的感測(cè)的關(guān)節(jié)狀態(tài)以及關(guān)節(jié)的初始狀態(tài)和參考狀態(tài)之間的誤差來確定一個(gè)或更多個(gè)欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的選擇性制動(dòng)的指令。在許多實(shí)施例中，系統(tǒng)可利用比例微分控制器來確定將欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)到參考狀態(tài)所需要的扭矩控制輸入，并且采用關(guān)節(jié)制動(dòng)器控制器，該關(guān)節(jié)制動(dòng)控制器響應(yīng)于欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中的感測(cè)的扭矩，對(duì)扭矩控制輸入積分以確定隨著時(shí)間的脈沖，從而確定制動(dòng)控制輸入，該制動(dòng)控制輸入基于制動(dòng)和關(guān)節(jié)扭矩之間的關(guān)系根據(jù)隨著時(shí)間的脈沖選擇性地施加關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)制動(dòng)器以消耗所感測(cè)的關(guān)節(jié)扭矩(通常經(jīng)過受動(dòng)關(guān)節(jié)的幾個(gè)循環(huán)的移動(dòng))。在一些方面中，關(guān)節(jié)控制器被配置成確定制動(dòng)控制輸入，使得扭矩隨著時(shí)間被消耗，以便在關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)期間提供基本上恒定的速度，以及/或者在被動(dòng)移動(dòng)期間提供關(guān)節(jié)的恒定減速，這在一些實(shí)施例中可基于欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)從參考狀態(tài)開始的位移的大小。

為了更全面地理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)參考隨后的具體實(shí)施方式和附圖。本發(fā)明的其它方面、目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)后面的附圖和具體實(shí)施方式將是明顯的。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的被用于進(jìn)行手術(shù)的微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的平面視圖。

圖2是根據(jù)一些實(shí)施例的用于機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的外科醫(yī)生的控制臺(tái)的透視圖。

圖3是根據(jù)一些實(shí)施例的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)電子手推車的透視圖。

圖4圖解示出根據(jù)一些實(shí)施例的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。

圖5A是根據(jù)一些實(shí)施例的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的患者側(cè)手推車(手術(shù)機(jī)器人)的局部視圖。

圖5B是根據(jù)一些實(shí)施例的機(jī)器人手術(shù)工具的前視圖。

圖6是根據(jù)一些實(shí)施例的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的透視示意圖。

圖7是根據(jù)一些實(shí)施例的另一個(gè)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的透視示意圖。

圖8示出符合圖7的示意圖的根據(jù)許多實(shí)施例的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。

圖9A至圖9C示出相對(duì)于圖8的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的取向平臺(tái)的裝配連桿的旋轉(zhuǎn)取向。

圖10A至圖10B示出根據(jù)一些實(shí)施例的裝配關(guān)節(jié)連桿和相關(guān)聯(lián)的取向平臺(tái)。

圖11是示意性地示出根據(jù)一些實(shí)施例的方法的流程圖，所述方法用于通過驅(qū)動(dòng)裝配結(jié)構(gòu)的取向平臺(tái)以將一個(gè)或更多個(gè)被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)移動(dòng)到期望的狀態(tài)來使機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)準(zhǔn)備用于手術(shù)。

圖12A是根據(jù)一些實(shí)施例的通過安裝手推車的裝配支撐結(jié)構(gòu)支撐的取向平臺(tái)的移動(dòng)的透視示意圖，所述安裝手推車的裝配支撐結(jié)構(gòu)借助通過選擇性制動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)或更多個(gè)裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)來提供多個(gè)操縱器臂的期望的對(duì)準(zhǔn)。

圖12B和圖12C是根據(jù)一些實(shí)施例的示出相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)和自由度的取向平臺(tái)的示意圖以及取向平臺(tái)的透視圖示，所述取向平臺(tái)由吊頂支架裝配支撐結(jié)構(gòu)支撐，以便提供單個(gè)操縱器臂與相關(guān)聯(lián)的手術(shù)入口部位的期望的對(duì)準(zhǔn)。

圖13示意性地示出根據(jù)一些實(shí)施例的通過提供取向平臺(tái)的擺振移動(dòng)的模式控制由取向平臺(tái)支撐的被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)的方法。

圖14A至圖14C示意性地示出根據(jù)一些實(shí)施例的用于通過使用機(jī)動(dòng)化的控制輸入控制被動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)的控制圖表。

圖14D圖示說明根據(jù)一些實(shí)施例的制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，通過該制動(dòng)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于機(jī)動(dòng)化的控制輸入的計(jì)算的關(guān)節(jié)扭矩。

具體實(shí)施方式

在下面的描述中，將描述本發(fā)明的各種實(shí)施例。為了解釋的目的，闡述具體的配置和細(xì)節(jié)，以便提供對(duì)實(shí)施例的徹底理解。但是，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員也將明顯的是，本發(fā)明可在沒有特定細(xì)節(jié)的情況下被實(shí)踐。此外，可省略或簡(jiǎn)化熟知的特征，以便不模糊被描述的實(shí)施例。

本文描述的運(yùn)動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)在幫助系統(tǒng)用戶在特定患者上布置過程的機(jī)器人結(jié)構(gòu)方面是特別有益的。與在治療期間被用于與組織等相互作用的被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的操縱器一起，機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)可具有一個(gè)或更多個(gè)運(yùn)動(dòng)連桿系統(tǒng)，所述一個(gè)或更多個(gè)運(yùn)動(dòng)連桿系統(tǒng)被配置成支撐和幫助將操縱器結(jié)構(gòu)與手術(shù)工作部位對(duì)準(zhǔn)。這些裝配系統(tǒng)可被主動(dòng)地驅(qū)動(dòng)或者可以被動(dòng)的，使得當(dāng)操縱器用于治療時(shí)，這些裝配系統(tǒng)可以被手動(dòng)地鉸接且然后鎖定到期望的配置。被動(dòng)裝配運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可在尺寸、重量、復(fù)雜性和成本方面具有優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槎鄠€(gè)操縱器可用來處理每個(gè)患者的組織，快速地布置機(jī)器人系統(tǒng)以準(zhǔn)備用于手術(shù)的挑戰(zhàn)能夠是顯著的。

一個(gè)選擇是將多個(gè)操縱器安裝到單個(gè)平臺(tái)，其中操縱器支撐的平臺(tái)有時(shí)候被稱為取向平臺(tái)。取向平臺(tái)能夠由被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的支撐連桿(在本文有時(shí)候被稱為裝配結(jié)構(gòu)，且通常具有裝配結(jié)構(gòu)連桿等等)支撐。系統(tǒng)也可利用用戶控制提供和控制支撐取向平臺(tái)的機(jī)器人裝配結(jié)構(gòu)的機(jī)動(dòng)化軸線，或者根據(jù)感測(cè)的配置以及與參考狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的期望的配置通常是自動(dòng)的。

為了維持機(jī)器人操縱器的被動(dòng)關(guān)節(jié)和被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)二者的優(yōu)點(diǎn)，本文描述的機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)施例可采用其中一個(gè)或更多個(gè)關(guān)節(jié)被主動(dòng)地驅(qū)動(dòng)的模式，從而通過被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)引起被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的一個(gè)或更多個(gè)被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)遠(yuǎn)側(cè)中的特定響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)的期望的參考狀態(tài)。這些裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)可通過關(guān)節(jié)制動(dòng)器的選擇性應(yīng)用而進(jìn)行控制，從而抑制被動(dòng)移動(dòng)遠(yuǎn)離參考狀態(tài)并且促進(jìn)被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)朝向參考狀態(tài)，直到裝配關(guān)節(jié)到達(dá)相應(yīng)的參考狀態(tài)。參考狀態(tài)可指工作空間內(nèi)的期望位置、相對(duì)于系統(tǒng)的某些其它關(guān)節(jié)的期望的位置、在特定方向的期望的速度和加速度中的任何一個(gè)或全部。

在某些方面中，被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)將自動(dòng)地移動(dòng)支撐多個(gè)操縱器的平臺(tái)支撐連桿結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)操縱器以一個(gè)或更多個(gè)自由度在相反的方向之間連續(xù)地移動(dòng)，從而引起一個(gè)或更多個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)的期望的移動(dòng)，而不需要手動(dòng)的鉸接。通過借助選擇性制動(dòng)控制欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)，系統(tǒng)通過同時(shí)移動(dòng)支撐每個(gè)操縱器的一個(gè)或更多個(gè)裝配關(guān)節(jié)以將操縱器移動(dòng)到期望的配置、取向和/或與工作空間的位置對(duì)準(zhǔn)大大地促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的布置。期望的配置、取向或?qū)?zhǔn)可包括任何數(shù)量的布置。在一些實(shí)施例中，期望的布置包括展開布置、收起布置或部分收起的布置中的任何一個(gè)。在展開配置中，操縱器被延伸到用于操縱器的裝配的工作空間中，這可包括一個(gè)或更多個(gè)操縱器上的手術(shù)工具的互換。在收起和部分收起的配置中，操縱器可至少部分地緊靠彼此被收縮和折疊，以便占用較少的工作空間。通過利用本文描述的方法的方面，由平臺(tái)支撐的操縱器中的一個(gè)、一些或全部的相對(duì)于平臺(tái)的獨(dú)立定位能夠任選地通過支撐一個(gè)、一些或全部操縱器的被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)系統(tǒng)的受控制的移動(dòng)而被提供。在一個(gè)方面中，根據(jù)本發(fā)明的方法通過慣性效應(yīng)和關(guān)節(jié)的受控制的制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝配關(guān)節(jié)的受控制的移動(dòng)。例如，本文所描述的支撐手術(shù)機(jī)器人臂(例如，從操縱器)的裝配關(guān)節(jié)通常被用于機(jī)器人系統(tǒng)的裝配以用于手術(shù)，以及用于手術(shù)后收起系統(tǒng)的機(jī)器人臂，使得這些關(guān)節(jié)很少被移動(dòng)并且不需要這些關(guān)節(jié)是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的。這些裝配關(guān)節(jié)被配置為具有關(guān)節(jié)制動(dòng)器的被動(dòng)關(guān)節(jié)，使得關(guān)節(jié)能夠自由地浮動(dòng)，從而在裝配或收起期間允許機(jī)器人臂的手動(dòng)操縱期間的關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)，并且所述關(guān)節(jié)能夠通過應(yīng)用相應(yīng)的關(guān)節(jié)制動(dòng)器被鎖定就位。在某些情形下可期望將機(jī)器人臂移動(dòng)到預(yù)定位置，從而有助于準(zhǔn)備用于手術(shù)的機(jī)器人臂的覆蓋(drape)、患者手推車的卷起以及手術(shù)過程之后機(jī)器人臂的收起。通過移動(dòng)平臺(tái)連桿(例如，取向平臺(tái))、機(jī)器人臂的裝配關(guān)節(jié)被安裝在其上的公共基部，以及通過選擇性地控制裝配關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)制動(dòng)器的應(yīng)用，本文所描述的示例方法允許這些被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)的受控制的移動(dòng)，而不需要這些關(guān)節(jié)的手動(dòng)移動(dòng)。

在某些方面中，方法包括裝配關(guān)節(jié)制動(dòng)器控制器，其利用裝配關(guān)節(jié)連桿的被動(dòng)動(dòng)力學(xué)。例如，裝配關(guān)節(jié)被安裝在其上的取向平臺(tái)能夠被命令通過引起加速的軌線，這通過驅(qū)動(dòng)控制取向平臺(tái)的移動(dòng)的一個(gè)或更多個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)而移動(dòng)取向平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。裝配關(guān)節(jié)的制動(dòng)器控制器接收其相關(guān)聯(lián)的裝配關(guān)節(jié)的狀態(tài)(諸如通過關(guān)節(jié)狀態(tài)傳感器)、裝配關(guān)節(jié)的參考狀態(tài)(位置、速度和/或加速度)，以及取向平臺(tái)的加速。當(dāng)裝配關(guān)節(jié)連桿的慣性和取向平臺(tái)的加速度的結(jié)合足以引起裝配關(guān)節(jié)聯(lián)接件朝參考加速時(shí)，關(guān)節(jié)制動(dòng)器被釋放。在某些方面中，關(guān)節(jié)制動(dòng)器確定是否基于其相應(yīng)的關(guān)節(jié)的感測(cè)的關(guān)節(jié)狀態(tài)部分地或完全地釋放制動(dòng)器。例如，如果關(guān)節(jié)速度下降到零，或者與裝配關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)的期望的方向相反，則可應(yīng)用制動(dòng)器，直到取向平臺(tái)的加速是有利的。關(guān)節(jié)制動(dòng)控制器也可被配置為使得當(dāng)達(dá)到參考狀態(tài)時(shí)，應(yīng)用關(guān)節(jié)制動(dòng)器，從而將其相應(yīng)的關(guān)節(jié)鎖定在其期望的位置處。在另一個(gè)方面中，制動(dòng)器控制器能夠被配置成當(dāng)其朝參考狀態(tài)移動(dòng)時(shí)控制被動(dòng)關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)。例如，如果被動(dòng)關(guān)節(jié)的速度超過參考速度，則局部制動(dòng)器應(yīng)用能夠阻止相關(guān)聯(lián)的連桿的速度，以便提供裝配關(guān)節(jié)到期望的位置的更平滑、更有利的移動(dòng)。

本發(fā)明的上述方面在提供遠(yuǎn)程手術(shù)操作系統(tǒng)中的多個(gè)機(jī)器人臂的展開和收起的方法，諸如本文詳細(xì)描述的那些方法中的任何一個(gè)中特別有用。許多此類系統(tǒng)包括機(jī)器人臂，機(jī)器人臂具有協(xié)助機(jī)器人臂的裝配和收起的一個(gè)或更多個(gè)被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)。裝配、操作和收起機(jī)器人臂的工作流程通常需要機(jī)器人臂被置于某些收起的和展開的配置中。雖然這能夠通過欠驅(qū)動(dòng)裝配關(guān)節(jié)的手動(dòng)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，但是該方法會(huì)是有問題的。例如，在此類系統(tǒng)中，用戶必須一般手動(dòng)地釋放裝配關(guān)節(jié)制動(dòng)器，并且手動(dòng)地移動(dòng)每個(gè)機(jī)器人臂的各個(gè)關(guān)節(jié)，這會(huì)是費(fèi)時(shí)的并且顯著地減少系統(tǒng)的易用性。此外，設(shè)備在過程期間需要被重新配置，或者部分地收起，當(dāng)機(jī)器人臂可用消毒帷簾覆蓋時(shí)，本文描述的方法允許非無菌區(qū)域中的外科醫(yī)生或用戶控制被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)的移動(dòng)，以及重新配置或部分收起機(jī)器人臂。應(yīng)當(dāng)理解，通過結(jié)合從屬關(guān)節(jié)(subject joint)的關(guān)節(jié)制動(dòng)的另一個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，使用施加在其上的慣性力，這些方法可用于控制關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)。這些方法可在其中應(yīng)用的系統(tǒng)在下面被詳細(xì)描述。

微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)

現(xiàn)在參考附圖，其中貫穿若干附圖類似的附圖標(biāo)記表示類似的部件，圖1是微創(chuàng)機(jī)器人手術(shù)(MIRS)系統(tǒng)10的平面視圖說明，系統(tǒng)10通常用于對(duì)正躺在手術(shù)臺(tái)14上的患者12進(jìn)行微創(chuàng)診斷或手術(shù)過程。系統(tǒng)能夠包括在手術(shù)過程期間由外科醫(yī)生18使用的外科醫(yī)生的控制臺(tái)16。一個(gè)或更多個(gè)助理20也可參與該手術(shù)過程。MIRS系統(tǒng)10能夠進(jìn)一步包括患者側(cè)手推車22(手術(shù)機(jī)器人)和電子手推車24。當(dāng)外科醫(yī)生18通過控制臺(tái)16觀察手術(shù)部位時(shí)，患者側(cè)手推車22能夠通過患者12的身體中的微創(chuàng)切口操縱至少一個(gè)可移除地耦接的工具組件26(在下文被簡(jiǎn)單地稱為“工具”)。手術(shù)部位的圖像能夠通過內(nèi)窺鏡28獲得，所述內(nèi)窺鏡28諸如立體內(nèi)窺鏡，其能夠通過患者側(cè)手推車22操縱以對(duì)內(nèi)窺鏡28取向。電子手推車24能夠用來處理手術(shù)部位的圖像，用于通過外科醫(yī)生的控制臺(tái)16向外科醫(yī)生18的后續(xù)顯示。除了其它因素之外，一次使用的手術(shù)工具26的數(shù)量一般將取決于診斷或手術(shù)過程以及手術(shù)室內(nèi)的空間約束。如果需要改變手術(shù)過程期間使用的工具26中的一個(gè)或多個(gè)，助理20可從患者側(cè)手推車22移除工具26，并且用來自手術(shù)室中的托盤30的另一個(gè)工具26替換它。

圖2是外科醫(yī)生的控制臺(tái)16的透視圖。外科醫(yī)生的控制臺(tái)16包括左眼顯示器32和右眼顯示器34，其用于向外科醫(yī)生18呈現(xiàn)允許深度感知的手術(shù)部位的經(jīng)協(xié)調(diào)的立體視圖?？刂婆_(tái)16還包括一個(gè)或更多個(gè)輸入控制設(shè)備36，該輸入控制設(shè)備36進(jìn)而導(dǎo)致患者側(cè)手推車22(圖1中示出)操縱一個(gè)或更多個(gè)工具。輸入控制設(shè)備36能夠提供與它們相關(guān)聯(lián)的工具26(圖1中示出)相同的自由度，以向外科醫(yī)生提供遠(yuǎn)程呈現(xiàn)，或輸入控制設(shè)備36與工具26成一體的感知，使得外科醫(yī)生具有直接控制工具26的強(qiáng)烈感覺。為此，可采用位置、力和觸覺反饋傳感器(未示出)來通過輸入控制設(shè)備36將位置、力和觸覺感覺從工具26傳輸回外科醫(yī)生的手。

外科醫(yī)生的控制臺(tái)16通常位于與患者相同的房間中，因此外科醫(yī)生可直接地監(jiān)測(cè)該手術(shù)過程，如果有必要?jiǎng)t實(shí)際在場(chǎng)，并且與助理直接地對(duì)話而不是通過電話或其它的通信介質(zhì)。但是，外科醫(yī)生能夠位于與患者不同的房間、完全不同的建筑物、或其它遠(yuǎn)距離患者的位置，以允許遠(yuǎn)程手術(shù)過程。

圖3是電子手推車24的透視圖。電子手推車24能夠與內(nèi)窺鏡28耦接并且能夠包括處理器以處理捕捉的圖像用于后續(xù)的顯示，諸如向外科醫(yī)生的控制臺(tái)上的外科醫(yī)生顯示，或者在位于本地和/或遠(yuǎn)程的另一個(gè)合適的顯示器上。例如，在立體內(nèi)窺鏡被使用的情況下，電子手推車24能夠處理捕捉的圖像，以向外科醫(yī)生呈現(xiàn)手術(shù)部位的經(jīng)協(xié)調(diào)的立體圖像。這種協(xié)調(diào)能夠包括相對(duì)圖像之間的對(duì)準(zhǔn)并且能夠包括調(diào)整立體內(nèi)窺鏡的立體工作距離。作為另一個(gè)示例，圖像處理能夠包括使用先前確定的攝像機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)，以補(bǔ)償圖像捕捉設(shè)備的成像誤差，諸如光學(xué)象差。

圖4圖解示出機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)50(諸如圖1的MIRS系統(tǒng)10)。如上面所討論的，外科醫(yī)生的控制臺(tái)52(諸如圖1中的外科醫(yī)生控制臺(tái)16)能夠在微創(chuàng)手術(shù)過程期間由外科醫(yī)生使用以控制患者側(cè)手推車(手術(shù)機(jī)器人)54(諸如圖1中的患者側(cè)手推車22)。患者側(cè)手推車54能夠使用成像設(shè)備，諸如立體內(nèi)窺鏡，以捕捉手術(shù)部位的圖像，并且將捕捉的圖像輸出至電子手推車56(諸如圖1中的電子手推車24)。如上面所討論的，電子手推車56能夠在任意后續(xù)的顯示之前以各種方式處理捕捉的圖像。例如，在經(jīng)由外科醫(yī)生的控制臺(tái)52向外科醫(yī)生顯示組合的圖像之前，電子手推車56能夠?qū)⒉蹲降膱D像與虛擬控制界面重疊?；颊邆?cè)手推車54能夠輸出捕捉的圖像，用于在電子手推車56外側(cè)處理。例如，患者側(cè)手推車54能夠?qū)⒉蹲降膱D像輸出至處理器58，其能夠用于處理捕捉的圖像。圖像也能夠由電子手推車56和處理器58的組合進(jìn)行處理，電子手推車56和處理器58能夠被耦接在一起，以共同地、順序地和/或其組合處理捕捉的圖像。一個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)的顯示器60也能夠與處理器58和/或電子手推車56耦接，用于圖像(諸如手術(shù)部位的圖像或其它相關(guān)的圖像)的本地和/或遠(yuǎn)程顯示。

處理器58將通常包括硬件和軟件的組合，其中軟件包括包含計(jì)算機(jī)可讀代碼指令的有形介質(zhì)，用于執(zhí)行本文所述的功能性控制的方法步驟。硬件通常包括一個(gè)或更多個(gè)數(shù)據(jù)處理板，其可以是協(xié)同定位的，但是將經(jīng)常具有分布在本文所述的機(jī)器人結(jié)構(gòu)之間的部件。軟件將通常包括非易失性介質(zhì)，并且也可包括單片代碼(monolithic code)，但是將更通常地包括許多子程序，任選地在多種分布的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)中的任何一種中運(yùn)行。

圖5A和圖5B分別示出患者側(cè)手推車22和手術(shù)工具62。手術(shù)工具62是手術(shù)工具26的示例。示出的患者側(cè)手推車22提供三個(gè)手術(shù)工具26和一個(gè)成像設(shè)備28的操縱，所述成像設(shè)備28諸如用于手術(shù)部位的圖像的捕捉的立體內(nèi)窺鏡。通過具有許多機(jī)器人關(guān)節(jié)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)提供操縱。成像設(shè)備28和手術(shù)工具26能夠通過患者的切口被定位和操縱，使得運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)程中心被維持在切口處，以最小化切口的尺寸。當(dāng)手術(shù)工具26的遠(yuǎn)端被定位在成像設(shè)備28的視野內(nèi)時(shí)，手術(shù)部位的圖像能夠包括手術(shù)工具26的遠(yuǎn)端的圖像。

借助通過微創(chuàng)入口孔(諸如切口、自然孔口、經(jīng)皮刺入等)插入管狀插管64，手術(shù)工具26被插入患者。插管64被安裝到機(jī)器人操縱器臂，并且手術(shù)工具126的軸穿過插管的管腔。操縱器臂可傳輸指示插管已經(jīng)被安裝在其上的信號(hào)。

機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)和模塊化操縱器支撐件

圖6是根據(jù)許多實(shí)施例的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)70的透視示意圖。手術(shù)系統(tǒng)70包括安裝基部72、支撐連桿74、取向平臺(tái)76、多個(gè)外部裝配連桿78(示出兩個(gè))、多個(gè)內(nèi)部裝配連桿80(示出兩個(gè))以及多個(gè)手術(shù)器械操縱器(M)82。操縱器82中的每一個(gè)可操作以選擇性地鉸接安裝到操縱器82的手術(shù)器械，并且可沿插入軸線插入患者。操縱器82中的每一個(gè)被附接到裝配連桿78、80中的一個(gè)并且由裝配連桿78、80中的一個(gè)支撐。外部裝配連桿78中的每一個(gè)通過第一裝配連桿關(guān)節(jié)84旋轉(zhuǎn)地耦接到取向平臺(tái)76并且由該取向平臺(tái)76支撐。內(nèi)部裝配連桿80中的每一個(gè)被固定地附接到取向平臺(tái)76并且由該取向平臺(tái)76支撐。取向平臺(tái)76被旋轉(zhuǎn)地耦接到支撐連桿74并且由該支撐連桿74支撐。并且，支撐連桿74被固定地附接到安裝基部72并且由該安裝基部72支撐。

在許多實(shí)施例中，安裝基部72是可移除的和地板支撐的，從而實(shí)現(xiàn)例如在手術(shù)室內(nèi)的整個(gè)手術(shù)系統(tǒng)70的選擇性重新定位。安裝基部72能夠包括可操縱的車輪組件和/或任何其它合適的支撐特征部，該支撐特征部提供選擇性地重新定位以及選擇性地防止安裝基部72從所選擇的位置的移動(dòng)兩者。安裝基部72也能夠具有其它合適的配置，例如，吊頂安裝件、固定的地板/基座安裝件、壁安裝件、或被配置成由任何其它合適的安裝表面支撐的界面。

支撐連桿74是可操作的以相對(duì)于安裝基部72對(duì)取向平臺(tái)76選擇性地定位和/或取向。支撐連桿74包括柱基部86、可平移的柱構(gòu)件88、肩關(guān)節(jié)90、吊桿基部構(gòu)件92、吊桿第一級(jí)構(gòu)件94、吊桿第二級(jí)構(gòu)件96和腕關(guān)節(jié)98。柱基部86被固定地附接到安裝基部72。可平移的柱構(gòu)件88可滑動(dòng)地耦接到柱基部86，用于相對(duì)于柱基部86平移。在許多實(shí)施例中，可平移的柱構(gòu)件88沿豎直取向的軸線相對(duì)于柱基部86平移。吊桿基部構(gòu)件92通過肩關(guān)節(jié)90被旋轉(zhuǎn)地耦接到可平移的柱構(gòu)件88。肩關(guān)節(jié)90是可操作的，以在水平平面中相對(duì)于可平移的柱構(gòu)件88對(duì)吊桿基部構(gòu)件92選擇性地取向，該可平移的柱構(gòu)件88具有相對(duì)于柱基部86和安裝基部72的固定的角度取向。吊桿第一級(jí)構(gòu)件94相對(duì)于吊桿基部構(gòu)件92在水平方向上是選擇性地可平移的，該水平方向在許多實(shí)施例中與吊桿基部構(gòu)件92和吊桿第一級(jí)構(gòu)件94二者對(duì)準(zhǔn)。吊桿第二級(jí)構(gòu)件96相對(duì)于吊桿第一級(jí)構(gòu)件94在水平方向上同樣是選擇性地可平移的，該水平方向在許多實(shí)施例中與吊桿第一級(jí)構(gòu)件94和吊桿第二級(jí)構(gòu)件96對(duì)準(zhǔn)。因此，支撐連桿74是可操作的，以選擇性地設(shè)定肩關(guān)節(jié)90和吊桿第二級(jí)構(gòu)件96的遠(yuǎn)端之間的距離。腕關(guān)節(jié)98將吊桿第二級(jí)構(gòu)件96的遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)地耦接到取向平臺(tái)76。腕關(guān)節(jié)98是可操作的，以選擇性地設(shè)定取向平臺(tái)76相對(duì)于安裝基部72的角度取向。

裝配連桿78、80中的每一個(gè)是可操作的，以相對(duì)于取向平臺(tái)76對(duì)相關(guān)的操縱器82選擇性地定位和/或取向。裝配連桿78、80中的每一個(gè)包括裝配連桿基部聯(lián)接件100、裝配連桿延伸聯(lián)接件102、裝配連桿平行四邊形連桿部分104、裝配連桿豎直聯(lián)接件106、第二裝配連桿關(guān)節(jié)108以及操縱器支撐聯(lián)接件110。外部裝配連桿78的裝配連桿基部聯(lián)接件100中的每一個(gè)能夠經(jīng)由第一裝配連桿關(guān)節(jié)84的操作相對(duì)于取向平臺(tái)76被選擇性地取向。在所示的實(shí)施例中，內(nèi)部裝配連桿80的裝配連桿基部聯(lián)接件100中的每一個(gè)被固定地附接到取向平臺(tái)76。類似于外部裝配連桿，內(nèi)部裝配連桿80中的每一個(gè)也能夠經(jīng)由附加的第一裝配連桿關(guān)節(jié)84被旋轉(zhuǎn)地附接到取向平臺(tái)76。裝配連桿延伸聯(lián)接件102中的每一個(gè)相對(duì)于相關(guān)聯(lián)的裝配連桿基部聯(lián)接件100在水平方向上是可平移的，該水平方向在許多實(shí)施例中與相關(guān)聯(lián)的裝配連桿基部聯(lián)接件和裝配連桿延伸聯(lián)接件102對(duì)準(zhǔn)。裝配連桿部分104中的每一個(gè)被配置，并且可操作以在豎直方向上選擇性地平移裝配連桿豎直聯(lián)接件106，同時(shí)保持裝配連桿豎直聯(lián)接件106豎直地取向。在示例實(shí)施例中，裝配連桿部分104中的每一個(gè)包括第一關(guān)節(jié)112、耦接聯(lián)接件114以及第二連桿116。第一關(guān)節(jié)112將耦接聯(lián)接件114旋轉(zhuǎn)地耦接到裝配連桿延伸聯(lián)接件102。第二關(guān)節(jié)116將裝配連桿豎直聯(lián)接件106旋轉(zhuǎn)地耦接到耦接聯(lián)接件114。第一關(guān)節(jié)112被旋轉(zhuǎn)地連到第二平行四邊形關(guān)節(jié)116，使得通過抵消裝配連桿豎直聯(lián)接件106相對(duì)于耦接聯(lián)接件114的旋轉(zhuǎn)，匹配耦接聯(lián)接件114相對(duì)于裝配連桿延伸聯(lián)接件102的旋轉(zhuǎn)，以便在裝配連桿垂直聯(lián)接件106被選擇性地豎直平移時(shí)維持裝配連桿豎直聯(lián)接件106被豎直地取向。第二裝配連桿關(guān)節(jié)108是可操作的，以相對(duì)于裝配連桿豎直聯(lián)接件106對(duì)操縱器支撐聯(lián)接件110選擇性地取向，從而相對(duì)于裝配連桿豎直聯(lián)接件106對(duì)相關(guān)聯(lián)的附接的操縱器82選擇性地取向。

圖7是根據(jù)許多實(shí)施例的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)120的透視示意圖。因?yàn)槭中g(shù)系統(tǒng)120包括與圖6的手術(shù)系統(tǒng)70的部件類似的部件，所以相同的附圖標(biāo)記用于類似的部件，并且上面闡述的類似的部件的對(duì)應(yīng)的描述適用于手術(shù)系統(tǒng)120并且在這里被省略以避免重復(fù)。手術(shù)系統(tǒng)120包括安裝基部72、支撐連桿122、取向平臺(tái)124、多個(gè)裝配連桿126(示出四個(gè))以及多個(gè)手術(shù)器械操縱器82。操縱器82中的每一個(gè)可操作以選擇性地鉸接安裝到操縱器82的手術(shù)器械并且沿插入軸線可插入患者。操縱器82中的每一個(gè)被附接到裝配連桿126中的一個(gè)并且由裝配連桿126中的一個(gè)支撐。裝配連桿126中的每一個(gè)通過第一裝配連桿關(guān)節(jié)84旋轉(zhuǎn)地耦接到取向平臺(tái)124并且由取向平臺(tái)124支撐。取向平臺(tái)124被旋轉(zhuǎn)地耦接到支撐連桿122并且由支撐連桿122支撐。并且，支撐連桿122被固定地附接到安裝基部72并且由安裝基部72支撐。

支撐連桿122是可操作的以相對(duì)于安裝基部72對(duì)取向平臺(tái)124選擇性地定位和/或取向。支撐連桿122包括柱基部86、可平移的柱構(gòu)件88、肩關(guān)節(jié)90、吊桿基部構(gòu)件92、吊桿第一級(jí)構(gòu)件94以及腕關(guān)節(jié)98。支撐連桿122是可操作的，以選擇性地設(shè)定肩關(guān)節(jié)90和吊桿第一級(jí)構(gòu)件94的遠(yuǎn)端之間的距離。腕關(guān)節(jié)98將吊桿第一級(jí)構(gòu)件94的遠(yuǎn)端旋轉(zhuǎn)地耦接到取向平臺(tái)124。腕關(guān)節(jié)98是可操作的，以選擇性地設(shè)定取向平臺(tái)124相對(duì)于安裝基部72的角度取向。

裝配連桿126中的每一個(gè)是可操作的，以相對(duì)于取向平臺(tái)124對(duì)相關(guān)聯(lián)的操縱器82選擇性地定位和/或取向。裝配連桿126中的每一個(gè)包括裝配連桿基部聯(lián)接件100、裝配連桿延伸聯(lián)接件102、裝配連桿豎直聯(lián)接件106、第二裝配連桿關(guān)節(jié)108、旋風(fēng)式(tornado)機(jī)構(gòu)支撐聯(lián)接件128以及旋風(fēng)式機(jī)構(gòu)130。裝配連桿126的裝配連桿基部聯(lián)接件100中的每一個(gè)能夠經(jīng)由相關(guān)聯(lián)的第一裝配連桿關(guān)節(jié)84的操作相對(duì)于取向平臺(tái)124被選擇性地取向。裝配連桿豎直聯(lián)接件106中的每一個(gè)在豎直方向上相對(duì)于相關(guān)聯(lián)的裝配連桿延伸聯(lián)接件102是選擇性地可平移的。第二裝配連桿關(guān)節(jié)108是可操作的，以相對(duì)于裝配連桿豎直聯(lián)接件106對(duì)旋風(fēng)式機(jī)構(gòu)支撐聯(lián)接件128選擇性地取向。

旋風(fēng)式機(jī)構(gòu)130中的每一個(gè)包括旋風(fēng)式關(guān)節(jié)132、耦接聯(lián)接件134以及操縱器支撐件136。耦接聯(lián)接件134將操縱器支撐件136固定地耦接到旋風(fēng)式關(guān)節(jié)132。旋風(fēng)式關(guān)節(jié)130是可操作的，以圍繞旋風(fēng)式軸線136相對(duì)于旋風(fēng)式機(jī)構(gòu)支撐聯(lián)接件128旋轉(zhuǎn)操縱器支撐件136。旋風(fēng)式機(jī)構(gòu)128被配置成對(duì)操縱器支撐件134定位和取向，使得操縱器82的遠(yuǎn)程操縱中心(RC)與旋風(fēng)式軸線136相交。因此，旋風(fēng)式關(guān)節(jié)132的操作能夠用來相對(duì)于患者對(duì)相關(guān)聯(lián)的操縱器82重新取向，而不相對(duì)于患者移動(dòng)相關(guān)聯(lián)的遠(yuǎn)程操縱中心(RC)。

圖8是符合圖7的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)120的示意圖的根據(jù)許多實(shí)施例的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)140的簡(jiǎn)化表示。因?yàn)槭中g(shù)系統(tǒng)140與圖7的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)120一致，所以相同的附圖標(biāo)記用于類似的部件，并且上面闡述的類似的部件的對(duì)應(yīng)的描述適用于手術(shù)系統(tǒng)140并且在這里被省略以避免重復(fù)。

支撐連桿122被配置成經(jīng)由支撐連桿122的聯(lián)接件之間的相對(duì)移動(dòng)沿多個(gè)裝配結(jié)構(gòu)軸線相對(duì)于安裝基部72對(duì)取向平臺(tái)124選擇性地定位和取向?？善揭频闹鶚?gòu)件88沿第一裝配結(jié)構(gòu)(SUS)軸線142相對(duì)于柱基部86是選擇性地可重新定位的，該第一裝配結(jié)構(gòu)(SUS)軸線142在許多實(shí)施例中被豎直地取向。肩關(guān)節(jié)90是可操作的，以圍繞第二SUS軸線144相對(duì)于可平移的柱構(gòu)件88對(duì)吊桿基部構(gòu)件92選擇性地取向，該第二SUS軸線144在許多實(shí)施例中被豎直地取向。吊桿第一級(jí)構(gòu)件94沿第三SUS軸線146相對(duì)于吊桿基部構(gòu)件92是選擇性地可重新定位的，該第三SUS軸線146在許多實(shí)施例中被水平地取向。并且，腕關(guān)節(jié)98是可操作的，以圍繞第四SUS軸線148相對(duì)于吊桿第一級(jí)構(gòu)件94對(duì)取向平臺(tái)124選擇性地取向，該第四SUS軸線148在許多實(shí)施例中被豎直地取向。

裝配連桿126中的每一個(gè)被配置成經(jīng)由裝配連桿126的聯(lián)接件之間的相對(duì)移動(dòng)沿多個(gè)裝配關(guān)節(jié)(SUJ)軸線相對(duì)于取向平臺(tái)124對(duì)相關(guān)聯(lián)的操縱器82選擇性地定位和取向。第一裝配連桿關(guān)節(jié)84中的每一個(gè)是可操作的，以圍繞第一SUJ軸線150相對(duì)于取向平臺(tái)124對(duì)相關(guān)聯(lián)的裝配連桿基部聯(lián)接件100選擇性地取向，該第一SUJ軸線150在許多實(shí)施例中被豎直地取向。裝配連桿延伸聯(lián)接件102中的每一個(gè)能夠沿第二SUJ軸線152相對(duì)于相關(guān)聯(lián)的裝配連桿基部聯(lián)接件10被選擇性地重新定位，該第二SUJ軸線152在許多實(shí)施例中被豎直地取向。裝配連桿豎直聯(lián)接件106中的每一個(gè)能夠沿第三SUJ軸線154相對(duì)于相關(guān)聯(lián)的裝配連桿延伸聯(lián)接件102被選擇性地重新定位，該第三SUJ軸線154在許多實(shí)施例中被豎直地取向。第二裝配連桿關(guān)節(jié)108中的每一個(gè)是可操作的，以圍繞第三SUJ軸線154相對(duì)于裝配連桿豎直聯(lián)接件106對(duì)旋風(fēng)式機(jī)構(gòu)支撐聯(lián)接件128選擇性地取向。旋風(fēng)式關(guān)節(jié)132中的每一個(gè)是可操作的，以圍繞相關(guān)聯(lián)的旋風(fēng)式軸線138旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的操縱器82。

圖9A示出根據(jù)許多實(shí)施例的裝配連桿126相對(duì)于取向平臺(tái)124的旋轉(zhuǎn)取向極限。裝配連桿126中的每一個(gè)被示出處于相對(duì)于取向平臺(tái)124的順時(shí)針極限取向。對(duì)應(yīng)的逆時(shí)針極限取向相對(duì)于豎直取向的鏡平面由圖9的鏡像表示。如圖所示，兩個(gè)內(nèi)部裝配連桿126中的每一個(gè)能夠從在一個(gè)方向距豎直參考156 5度被取向到在相反方向距豎直參考156 75度。如圖所示，兩個(gè)外部裝配連桿中的每一個(gè)能夠從在對(duì)應(yīng)的方向距豎直參考156 15度被取向到在對(duì)應(yīng)的方向距豎直參考156 95度。在一個(gè)方面中，其中裝配連桿是在它們相關(guān)聯(lián)的極限附近或在它們相關(guān)聯(lián)的極限處的位置的取向(諸如圖9A中所示)可適于用于初始裝配的展開的配置，因?yàn)樵摱ㄎ辉试S患者側(cè)助理容易接近臂中的每一個(gè)，以便促進(jìn)在一個(gè)或更多個(gè)操縱器中工具的替換，或者相對(duì)于手術(shù)臺(tái)上的患者手動(dòng)地定位一個(gè)或更多個(gè)工具。

圖9B至圖9C示出配置，其中裝配連桿的取向和定位是這樣的，使得操縱器被收縮并且被定位成彼此靠近或鄰近。這種取向可適于收起的配置，其中操縱器占用較少的工作空間。這可允許患者側(cè)助理附加的間隙以調(diào)整手術(shù)臺(tái)或者將患者定位在手術(shù)臺(tái)上。在某些方面中，系統(tǒng)可利用部分收起的配置(例如，無菌收起)，諸如圖9C中所示，其中裝配關(guān)節(jié)被定位和取向，使得操縱器足夠近以占用較少的工作空間，但是彼此足夠遠(yuǎn)以允許用于可被定位在操縱器的一個(gè)或更多個(gè)上的任何手術(shù)帷簾的間隙。響應(yīng)于檢測(cè)到系統(tǒng)的一個(gè)或更多個(gè)部件在無菌狀態(tài)下，可完成該無菌收起配置，該無菌狀態(tài)可指示無菌部件上的手術(shù)帷簾的存在。在另一個(gè)方面中，系統(tǒng)可利用完全收起的配置(例如，完全收起)，諸如圖9B中所示，其中裝配關(guān)節(jié)被定位和取向，使得臂彼此緊靠或緊鄰地收縮，以便基本上最小化操縱器占用的工作空間。

控制裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)

在一個(gè)方面中，通過控制如上所述的裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的裝配結(jié)構(gòu)的期望的配置。雖然在某些應(yīng)用中，通過允許裝配關(guān)節(jié)自由地浮動(dòng)以及將裝配關(guān)節(jié)手動(dòng)地移動(dòng)到期望的位置來實(shí)現(xiàn)此，但是該過程能夠變得復(fù)雜和費(fèi)時(shí)，尤其是在高度可配置的并且包括具有冗余自由度的多個(gè)機(jī)器人臂的裝配結(jié)構(gòu)中。為了改進(jìn)在使用具有被動(dòng)移動(dòng)的裝配關(guān)節(jié)中的方便、使用和效率，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方面的期望的配置、方法，通過結(jié)合主動(dòng)地驅(qū)動(dòng)裝配結(jié)構(gòu)的某些其它關(guān)節(jié)的被動(dòng)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)制動(dòng)，控制被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)。在某些方面中，裝配關(guān)節(jié)的參考狀態(tài)被確定，其與裝配結(jié)構(gòu)的期望的配置對(duì)應(yīng)，并且關(guān)節(jié)狀態(tài)傳感器用來確定裝配關(guān)節(jié)從參考狀態(tài)的位移。裝配結(jié)構(gòu)的一個(gè)或更多個(gè)其它關(guān)節(jié)被主動(dòng)地驅(qū)動(dòng)，以便驅(qū)動(dòng)裝配結(jié)構(gòu)并且將力和/或力矩傳遞到與裝配關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的連桿上。當(dāng)平臺(tái)連桿開始加速時(shí)，裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)被關(guān)節(jié)制動(dòng)器抑制，因此連桿充當(dāng)剛性主體。當(dāng)連桿上的力和/或力矩使得裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)將朝參考狀態(tài)移動(dòng)時(shí)，那么制動(dòng)器被至少部分地釋放，以便促進(jìn)由連桿上的力和/或力矩的慣性引起的關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)。在一個(gè)方面中，當(dāng)相關(guān)聯(lián)的連桿上的力和/或力矩在閾值幅度之上時(shí)，特定的裝配關(guān)節(jié)的制動(dòng)器被釋放，使得移動(dòng)的連桿的慣性推進(jìn)或“猛推”相應(yīng)的連桿，從而實(shí)現(xiàn)在期望方向的關(guān)節(jié)移動(dòng)。

在某些方面中，基于由通過驅(qū)動(dòng)裝配結(jié)構(gòu)通過一個(gè)或更多個(gè)從動(dòng)關(guān)節(jié)傳遞到相關(guān)聯(lián)的連桿上的力和/力矩所產(chǎn)生的關(guān)節(jié)上的慣性力，控制方法選擇性地施加被動(dòng)關(guān)節(jié)上的制動(dòng)器。在一個(gè)方面中，當(dāng)關(guān)節(jié)上的慣性力將導(dǎo)致被動(dòng)移動(dòng)時(shí)，被關(guān)節(jié)被制動(dòng)，所述被動(dòng)移動(dòng)使被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)遠(yuǎn)離參考狀態(tài)并且在關(guān)節(jié)上的慣性力將導(dǎo)致朝向參考狀態(tài)的被動(dòng)移動(dòng)時(shí)被動(dòng)關(guān)節(jié)被允許浮動(dòng)。在一個(gè)方面中，因?yàn)槭軕T性力影響的關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)可不足以將被動(dòng)關(guān)節(jié)完全移動(dòng)到期望的參考位置，所以一個(gè)或更多個(gè)從動(dòng)關(guān)節(jié)可被循環(huán)，直到作為響應(yīng)所提供的被動(dòng)關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)完全的移動(dòng)。假定裝配結(jié)構(gòu)的各種從動(dòng)關(guān)節(jié)每個(gè)具有相關(guān)聯(lián)的關(guān)節(jié)極限或關(guān)節(jié)移動(dòng)的范圍，那么一個(gè)或更多個(gè)從動(dòng)關(guān)節(jié)能夠在一個(gè)方向被驅(qū)動(dòng)預(yù)定的位移且然后在相反的方向被反轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)。因?yàn)榭尚枰囟ù笮〉牧?或力矩以提供足夠的慣性，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的必要的被動(dòng)移動(dòng)，通過根據(jù)計(jì)算的移動(dòng)的一個(gè)或更多個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的受控制的驅(qū)動(dòng)，諸如導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)所需的期望力的擺振移動(dòng)或各種其它移動(dòng)，能夠確定機(jī)器人臂上的所需要的力和/或力矩。例如，相比于在相同的方向僅將扭矩施加到兩個(gè)從動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)中的任一個(gè)，利用特定的扭矩驅(qū)動(dòng)具有沿運(yùn)動(dòng)鏈串聯(lián)設(shè)置的平行軸線的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)中的每一個(gè)將導(dǎo)致在鏈的更遠(yuǎn)側(cè)連桿中的較大的慣性力和/或力矩。使用從動(dòng)關(guān)節(jié)的結(jié)合的移動(dòng)對(duì)于克服更遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié)的扭矩能力或關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的范圍的限制可以是有用的。在另一個(gè)方面中，通過加速更遠(yuǎn)側(cè)連桿經(jīng)過較大關(guān)節(jié)位移，或者通過增加的加速度，可實(shí)現(xiàn)較大的慣性力和/或力矩。

在某些方面中，響應(yīng)于特定范圍內(nèi)被動(dòng)關(guān)節(jié)上的扭矩的感測(cè)，制動(dòng)器釋放被定時(shí)，以允許被動(dòng)關(guān)節(jié)浮動(dòng)并且被動(dòng)地移動(dòng)。例如，當(dāng)感測(cè)的扭矩在最小閾值之上時(shí)，制動(dòng)器可被釋放，以允許關(guān)節(jié)上增加的慣性，從而實(shí)現(xiàn)較高的關(guān)節(jié)速度或加速度，并且當(dāng)感測(cè)的扭矩在最大扭矩之上時(shí)，制動(dòng)器可被至少部分地施加，以便防止被動(dòng)移動(dòng)期間關(guān)節(jié)的過高的速度或加速度。可施加關(guān)節(jié)制動(dòng)器以將反作用扭矩維持在最大值，以便在被動(dòng)移動(dòng)期間將關(guān)節(jié)的速度維持在基本上恒定的速度，或者當(dāng)關(guān)節(jié)接近期望的參考狀態(tài)時(shí)，可施加可變的制動(dòng)，以便在被動(dòng)移動(dòng)期間提供關(guān)節(jié)的基本上恒定的減速度。在某些方面中，制動(dòng)器的施加至少部分地基于被動(dòng)關(guān)節(jié)上的感測(cè)的扭矩，以及實(shí)際關(guān)節(jié)狀態(tài)距期望的參考關(guān)節(jié)狀態(tài)的位移(例如，誤差)?；陉P(guān)節(jié)距參考狀態(tài)多遠(yuǎn)，該方法允許被動(dòng)移動(dòng)期間對(duì)被動(dòng)關(guān)節(jié)的速度和/或加速度的控制。例如，當(dāng)關(guān)節(jié)在距參考關(guān)節(jié)狀態(tài)的預(yù)定位移之上時(shí)，控制制動(dòng)器的施加，以提供被動(dòng)關(guān)節(jié)的基本上恒定的關(guān)節(jié)速度(當(dāng)被動(dòng)關(guān)節(jié)正朝參考移動(dòng)時(shí))，并且當(dāng)關(guān)節(jié)位移足夠接近參考(例如，在預(yù)定的位移內(nèi))時(shí)，施加可變的制動(dòng)，以提供基本上恒定的減速度，直到關(guān)節(jié)達(dá)到期望的參考狀態(tài)。

在一個(gè)方面中，一旦被動(dòng)關(guān)節(jié)達(dá)到期望的參考狀態(tài)，就完全地施加制動(dòng)器，以將被動(dòng)關(guān)節(jié)鎖定在參考狀態(tài)。在另一個(gè)方面中，系統(tǒng)可在期望的參考狀態(tài)部分地施加制動(dòng)器，甚至到特定的關(guān)節(jié)，直到與相應(yīng)的機(jī)器人臂相關(guān)聯(lián)的所有被動(dòng)關(guān)節(jié)，或者直到與裝配結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的所有被動(dòng)關(guān)節(jié)基本上處于或接近它們相應(yīng)的參考狀態(tài)。該方法可防止或減少可發(fā)生在裝配結(jié)構(gòu)的近側(cè)關(guān)節(jié)中的大量的反作用扭矩，所述裝配結(jié)構(gòu)的近側(cè)關(guān)節(jié)是多個(gè)機(jī)器人臂，所述多個(gè)機(jī)器人臂被允許在來回期間擺振作為剛性主體，使操作平臺(tái)或裝配結(jié)構(gòu)的其它連桿的移動(dòng)交替。利用關(guān)節(jié)狀態(tài)傳感器或扭矩傳感器，能夠確定所感測(cè)的力和力矩的大小。當(dāng)感測(cè)的力和/或力矩處于最小閾值或在該最小閾值之上時(shí)，關(guān)節(jié)制動(dòng)器的釋放導(dǎo)致相關(guān)聯(lián)的增加的慣性，其實(shí)現(xiàn)較大的和/或較快的被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)。替代地，如果感測(cè)的力在最大閾值之上，通過施加關(guān)節(jié)制動(dòng)器，能夠避免過度的或不必要地快的被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)。在一些方面中，通過感測(cè)被動(dòng)關(guān)節(jié)上的反作用扭矩，響應(yīng)于力和/或力矩，系統(tǒng)確定被動(dòng)關(guān)節(jié)的速度和/或加速度。

通過將特定的裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)控制到某些參考狀態(tài)，通常是裝配關(guān)節(jié)的位置和/或取向，可實(shí)現(xiàn)上面的示例配置(展開的、無菌收起的和完全收起的)中的每一個(gè)。雖然某些實(shí)施例涉及一個(gè)或更多個(gè)裝配關(guān)節(jié)，但是應(yīng)當(dāng)理解，本文所描述的方面中的任何一個(gè)能夠被應(yīng)用到具有能夠提供被動(dòng)移動(dòng)的關(guān)節(jié)的任何連桿，并且能夠用于控制這種關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)期望的狀態(tài)(例如，位置、取向、速度和/或加速度)。如本文所描述的，雖然一個(gè)或更多個(gè)從動(dòng)關(guān)節(jié)通常更接近被控制的被動(dòng)關(guān)節(jié)，但是應(yīng)當(dāng)理解，被動(dòng)關(guān)節(jié)的更遠(yuǎn)側(cè)的一個(gè)或更多個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)可引起被動(dòng)關(guān)節(jié)中的反作用力，其足以控制被動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)(例如，諸如在擺振抽吸型機(jī)構(gòu)中)；但是，利用被動(dòng)關(guān)節(jié)的近側(cè)的一個(gè)或更多個(gè)從動(dòng)關(guān)節(jié)以引起更遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié)的猛推型運(yùn)動(dòng)一般更有效，更遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié)的猛推型運(yùn)動(dòng)的慣性通過選擇性制動(dòng)被使用，從而將被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)到期望狀態(tài)。

為了進(jìn)一步說明上面描述的概念，在下面的示例中進(jìn)一步詳細(xì)地描述某些方面。

圖10A示出到裝配關(guān)節(jié)上的取向平臺(tái)的簡(jiǎn)化的2-D圖，裝配關(guān)節(jié)的位置和取向通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)控制。裝配關(guān)節(jié)是能夠提供被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)的被動(dòng)關(guān)節(jié)并且是能夠部分地或完全地選擇性地制動(dòng)被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)的關(guān)節(jié)制動(dòng)器。當(dāng)關(guān)節(jié)制動(dòng)器被施加到裝配關(guān)節(jié)時(shí)，隨著取向平臺(tái)移動(dòng)，裝配關(guān)節(jié)聯(lián)接件作為剛性主體與取向平臺(tái)一起平移和旋轉(zhuǎn)。當(dāng)關(guān)節(jié)制動(dòng)器被釋放時(shí)，通過裝配關(guān)節(jié)聯(lián)接件的慣性參數(shù)(m和J)、取向平臺(tái)的加速度以及在裝配關(guān)節(jié)處的摩擦，管理裝配關(guān)節(jié)聯(lián)接件的運(yùn)動(dòng)。

圖10B示出關(guān)節(jié)制動(dòng)器被釋放的情況下的圖10A的裝配關(guān)節(jié)聯(lián)接件的自由主體圖。如果為了簡(jiǎn)化省略在關(guān)節(jié)處的摩擦，那么加速坐標(biāo)系(acceleration of the frame)分別產(chǎn)生與平移和旋轉(zhuǎn)項(xiàng)(term)成比例的力和力矩，并且某種意義上是相反的。在關(guān)節(jié)制動(dòng)器被釋放的情況下，連桿上的力矩可總結(jié)為與關(guān)節(jié)相關(guān)，以確定被動(dòng)加速度。加速的平移分量提供扭矩ma(t)Lsin(θ(t))，并且旋轉(zhuǎn)加速度分量提供J(α_b(t))。

在一個(gè)方面中，關(guān)節(jié)制動(dòng)器被電動(dòng)地致動(dòng)，諸如通過電壓信號(hào)輸入。關(guān)節(jié)可被配置成與電壓輸入的大小成比例地部分地接合。該配置允許制動(dòng)器的電壓控制通過使用使制動(dòng)力和電壓相關(guān)成扭矩(牛頓-米)的已知曲線來確定，因此制動(dòng)器能夠以與僅能夠在一個(gè)扭矩方向被控制的扭矩馬達(dá)類似的方式被利用。另外，因?yàn)閼T性力可足以提供足夠的扭矩，以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)至參考狀態(tài)的期望的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)循環(huán)的移動(dòng)，更近側(cè)的連桿(例如，取向平臺(tái)連桿)可被來回驅(qū)動(dòng)，使得當(dāng)引起的扭矩是合適的大小和方向時(shí)，制動(dòng)器能夠被選擇性地釋放以在每個(gè)循環(huán)中實(shí)現(xiàn)被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)朝向參考狀態(tài)，直到關(guān)節(jié)處于參考狀態(tài)。因此，通過選擇性制動(dòng)沿運(yùn)動(dòng)鏈的一個(gè)或更多個(gè)被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的從動(dòng)移動(dòng)來控制關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)。

圖11示意性地示出用于通過驅(qū)動(dòng)帶有一個(gè)或更多個(gè)從動(dòng)關(guān)節(jié)的相關(guān)聯(lián)的裝配結(jié)構(gòu)來控制機(jī)器人臂的裝配關(guān)節(jié)(SUJ)的移動(dòng)的示例方法。響應(yīng)于接收來自用戶的用來實(shí)現(xiàn)期望的裝配關(guān)節(jié)狀態(tài)的命令，系統(tǒng)進(jìn)入裝配關(guān)節(jié)控制模式，該期望的裝配關(guān)節(jié)狀態(tài)通常對(duì)應(yīng)于機(jī)器人臂的期望的姿勢(shì)或配置。系統(tǒng)確定裝配關(guān)節(jié)的當(dāng)前狀態(tài)，諸如通過使用關(guān)節(jié)狀態(tài)傳感器，并且如果裝配關(guān)節(jié)不在期望的狀態(tài)，則計(jì)算裝配結(jié)構(gòu)移動(dòng)，其可用來通過被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)的控制將裝配關(guān)節(jié)移動(dòng)到期望的狀態(tài)。例如，如果裝配關(guān)節(jié)沿一個(gè)或更多個(gè)自由度根據(jù)(from)期望的狀態(tài)被移位，那么裝配結(jié)構(gòu)的移動(dòng)可沿對(duì)應(yīng)的自由度被計(jì)算，以便將力和/或力矩傳遞到與裝配關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的連桿，能夠被利用該與裝配關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的連桿將被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)移動(dòng)到參考狀態(tài)。然后，通過驅(qū)動(dòng)支撐裝配結(jié)構(gòu)的一個(gè)或更多個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)，裝配結(jié)構(gòu)根據(jù)計(jì)算的移動(dòng)被驅(qū)動(dòng)。在這個(gè)移動(dòng)期間，當(dāng)裝配關(guān)節(jié)中的任何一個(gè)的被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)(如果允許移動(dòng))朝向期望的參考狀態(tài)時(shí)，然后通過部分地或完全地釋放用于那些特定的裝配關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)制動(dòng)器，允許關(guān)節(jié)浮動(dòng)。如果在裝配結(jié)構(gòu)移動(dòng)期間，裝配關(guān)節(jié)中的任何一個(gè)的被動(dòng)移動(dòng)(如果允許移動(dòng))是零或者被引導(dǎo)遠(yuǎn)離期望的狀態(tài)，那么關(guān)節(jié)被制動(dòng)。裝配關(guān)節(jié)的接合狀態(tài)被再次評(píng)估，并且如果裝配關(guān)節(jié)中的任何一個(gè)仍然不在期望的狀態(tài)，則針對(duì)任何這種關(guān)節(jié)重復(fù)該過程，直到系統(tǒng)確定所有的裝配關(guān)節(jié)處于期望的狀態(tài)，在該點(diǎn)結(jié)束控制模式。在許多此類實(shí)施例中，諸如在本文描述的操縱器結(jié)構(gòu)中，這整個(gè)過程發(fā)生少于一分鐘，通常大約10秒或更少。但是，根據(jù)特定系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)，以及加速度和相關(guān)聯(lián)的關(guān)節(jié)位移，其中該過程發(fā)生的時(shí)間毫無疑問地改變。在一個(gè)方面中，圖11中的方法可以包括第二執(zhí)行路徑，使得一個(gè)用于SUS，且另一個(gè)用于SUJ，這最后同步。在兩個(gè)SUS和SUJ之間，扭矩需求被傳遞到SUS以幫助平滑(smooth out)其運(yùn)動(dòng)，并且SUS加速度被傳輸回到SUJ以確定是否釋放或施加制動(dòng)器以及何時(shí)釋放或施加制動(dòng)器。

在某些實(shí)施例中，如果所有的裝配關(guān)節(jié)在執(zhí)行所述方法的一定時(shí)間段內(nèi)，諸如大約20秒內(nèi)沒有到達(dá)它們相關(guān)聯(lián)的參考狀態(tài)，那么可結(jié)束方法?？上蛴脩籼峁┎皇撬械年P(guān)節(jié)不在期望的參考狀態(tài)的通知，并且任選地可識(shí)別哪個(gè)關(guān)節(jié)保持從它們相關(guān)聯(lián)的參考狀態(tài)被移位。然后，用戶可將裝配關(guān)節(jié)手動(dòng)地鉸接到相關(guān)聯(lián)的參考狀態(tài)，或者可驅(qū)動(dòng)操縱器或裝配結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或更多個(gè)到另一個(gè)配置，并且重新進(jìn)入模式，以及再次經(jīng)歷該過程。在一些系統(tǒng)中，可存在某些配置，該配置可抑制某些裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)，諸如由于缺少操縱器之間的間隙或碰撞。在此類情況下，其中這些配置能夠被識(shí)別的情況下，方法可包括在嘗試如本文所述的被動(dòng)關(guān)節(jié)的受控制的移動(dòng)之前，自動(dòng)地驅(qū)動(dòng)裝配結(jié)構(gòu)或一個(gè)或多個(gè)操縱器遠(yuǎn)離這些配置。

在某些方面中，可在一個(gè)或更多個(gè)模式中利用所述方法以將一個(gè)或更多個(gè)機(jī)器人臂的一個(gè)或更多個(gè)關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)控制到期望的參考狀態(tài)，該期望的參考狀態(tài)對(duì)應(yīng)于操縱器或裝配結(jié)構(gòu)的一個(gè)或更多個(gè)期望的布置。參考狀態(tài)通常對(duì)應(yīng)于機(jī)器人臂的期望的配置。例如，當(dāng)特定的機(jī)器人臂在期望的配置(例如，展開的、收起的、無菌收起的)時(shí)，該臂的每個(gè)被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)具有特定的參考狀態(tài)(例如，位置)。另外，當(dāng)關(guān)節(jié)移動(dòng)到其期望狀態(tài)的位置時(shí)，每個(gè)關(guān)節(jié)的參考狀態(tài)可包括參考速度和/或加速度。在沒有附加的輸入或用戶的手動(dòng)操縱的情況下，通過按壓按鈕來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的自動(dòng)移動(dòng)以及將關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)控制到期望的參考狀態(tài)，可進(jìn)入每個(gè)模式。

圖12A示意性地示出用于驅(qū)動(dòng)取向平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)與工具170相關(guān)聯(lián)的第一操縱器和與工具172相關(guān)聯(lián)的第二操縱器82的每一個(gè)的裝配關(guān)節(jié)78的移動(dòng)的方法。每個(gè)裝配關(guān)節(jié)的參考狀態(tài)對(duì)應(yīng)于操縱器的位置和相應(yīng)的工具，所述相應(yīng)的工具通過機(jī)器人系統(tǒng)的裝配關(guān)節(jié)的受控制的被動(dòng)移動(dòng)而被收縮到一個(gè)位置(虛線示出的)，該位置允許相應(yīng)的操縱器之間更多的間隙。應(yīng)當(dāng)理解，裝配關(guān)節(jié)的參考狀態(tài)可對(duì)應(yīng)于操縱器的任何數(shù)量的配置，以及裝配關(guān)節(jié)本身關(guān)于工作空間或關(guān)于特定的操縱器的各種其它關(guān)節(jié)的或操縱器之間的各種位置、速度、和/或加速度。在一個(gè)方面中，系統(tǒng)包括各種模式，其中本文所述方法能夠用于控制裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)，從而將裝配關(guān)節(jié)移動(dòng)到任何數(shù)量的參考狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)操縱器或相關(guān)聯(lián)的裝配結(jié)構(gòu)的期望的移動(dòng)、配置或姿勢(shì)。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“操縱器”指的是機(jī)器人臂，其可用來操作手術(shù)器械，或者可包括各種其它的機(jī)器人臂，諸如可在內(nèi)窺鏡中使用，或用于各種其它工具。

取向平臺(tái)移動(dòng)命令的計(jì)算

在一個(gè)方面中，裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)通過由裝配結(jié)構(gòu)的移動(dòng)傳遞到連桿的慣性力和/或移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，裝配結(jié)構(gòu)的移動(dòng)通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(通常是在裝配關(guān)節(jié)上游的關(guān)節(jié))來實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)方面中，如在下面的示例中進(jìn)一步詳細(xì)的描述，通過在一個(gè)自由度中的取向平臺(tái)的計(jì)算的移動(dòng)，通常是取向平臺(tái)124通過使用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圍繞豎直轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的來回的樞轉(zhuǎn)移動(dòng)，提供裝配結(jié)構(gòu)的移動(dòng)。在另一個(gè)方面中，因?yàn)榉椒ɡ帽粍?dòng)關(guān)節(jié)的有利的關(guān)節(jié)移動(dòng)，并且抑制不利的移動(dòng)，以便實(shí)現(xiàn)被動(dòng)關(guān)節(jié)的期望的參考狀態(tài)，取向平臺(tái)的移動(dòng)不需要根據(jù)操縱器的任何特定的配置進(jìn)行定制。有利地，取向平臺(tái)的完全自動(dòng)的移動(dòng)(例如，來回加速取向平臺(tái)的來回旋轉(zhuǎn))能夠在本文所述的方法的任何一個(gè)中使用，控制被動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)朝向期望的參考狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)任何數(shù)量的操縱器或裝配結(jié)構(gòu)配置。

圖12B至圖12C描繪用于取向平臺(tái)124的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其允許裝配結(jié)構(gòu)沿x軸線、y軸線和z軸線的移動(dòng)。通過移動(dòng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)以產(chǎn)生沿沿x軸線、y軸線、z軸線和θ軸線的一個(gè)或更多個(gè)方向速度和/或加速度，能夠?qū)崿F(xiàn)與裝配關(guān)節(jié)198相關(guān)聯(lián)的連桿的對(duì)應(yīng)的移動(dòng)，與裝配關(guān)節(jié)198相關(guān)聯(lián)的連桿的對(duì)應(yīng)的移動(dòng)引起裝配關(guān)節(jié)198的被動(dòng)移動(dòng)。與通過諸如上述那些的安裝手推車的裝配結(jié)構(gòu)支撐的取向平臺(tái)一起，可利用具有一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)自由度的吊頂安裝的裝配結(jié)構(gòu)190和其它驅(qū)動(dòng)機(jī)器人連桿。因此，雖然參考一些示例性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)描述可描述系統(tǒng)，但是控制技術(shù)可很好地應(yīng)用到具有冗余自由度和/或大量關(guān)節(jié)的其它機(jī)器人系統(tǒng)的范圍，并且在考慮到具有主動(dòng)關(guān)節(jié)和被動(dòng)關(guān)節(jié)的混合的這種系統(tǒng)時(shí)尤其引人關(guān)注：具有在裝配期間被驅(qū)動(dòng)的一組關(guān)節(jié)和在手術(shù)期間被驅(qū)動(dòng)的另一不同組的關(guān)節(jié)(具有或不具有一些重疊的構(gòu)件)的系統(tǒng)；其中各個(gè)操縱器控制器僅僅交換有限的狀態(tài)信息的系統(tǒng)；等等。

在一個(gè)方面中，為了在裝配期間使用系統(tǒng)的機(jī)器人能力，機(jī)器人系統(tǒng)的處理器可包括實(shí)施一種模式的軟件，在該模式中，在本文所述的被動(dòng)關(guān)節(jié)控制模式期間，機(jī)器人結(jié)構(gòu)被驅(qū)動(dòng)接近(toward)并且/或者維持取向平臺(tái)和操縱器遠(yuǎn)程中心之間的期望的關(guān)系或姿勢(shì)。當(dāng)激活時(shí)，該算法將取向平臺(tái)和操縱器遠(yuǎn)程中心之間實(shí)際的和期望的關(guān)系作為其輸入，并且將實(shí)際的姿勢(shì)驅(qū)動(dòng)到期望的姿勢(shì)，任選地不需要干擾操縱器遠(yuǎn)程中心的位置和取向。換句話說，當(dāng)被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)時(shí)，激活的軸線可任選地以這種方式沿循，以便實(shí)現(xiàn)或維持具體的機(jī)器人姿勢(shì)。

在另一個(gè)方面中，其中被動(dòng)關(guān)節(jié)的移動(dòng)如本文所述受控制的模式可包括多個(gè)子模式，或這些概念如何基于系統(tǒng)的一個(gè)或更多個(gè)變量或?qū)傩员粦?yīng)用的變化。例如，當(dāng)被動(dòng)關(guān)節(jié)處于距期望的參考狀態(tài)的大的位移時(shí)(例如，F(xiàn)AR模式)，被動(dòng)移動(dòng)可根據(jù)特定的方法被控制，并且當(dāng)被動(dòng)關(guān)節(jié)足夠靠近期望的參考狀態(tài)時(shí)(例如，NEAR模式)，被動(dòng)移動(dòng)可根據(jù)另一個(gè)方法被控制。例如，當(dāng)關(guān)節(jié)從大于預(yù)定位移的它們相應(yīng)的參考狀態(tài)移位時(shí)，可使用允許較大和/或較快的被動(dòng)移動(dòng)的取向平臺(tái)連桿的較大的移動(dòng)或較快的加速度。進(jìn)而，當(dāng)裝配關(guān)節(jié)足夠靠近它們期望的狀態(tài)時(shí)，可使用取向平臺(tái)連桿的較小的移動(dòng)或較慢的速度和加速度，從而允許更精細(xì)調(diào)整的被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)，并且避免支撐裝配結(jié)構(gòu)的更近側(cè)關(guān)節(jié)上的過度的反作用扭矩。

在一個(gè)方面中，擺振FAR模式下用于裝配關(guān)節(jié)的“參考”或“目標(biāo)”位置指的是沒有SUS的擺振運(yùn)動(dòng)的情況下的參考關(guān)節(jié)位置。想法是在沒有鎖定的情況下懸停(rover)靠近最終目標(biāo)位置。如果參考是原始(raw)關(guān)節(jié)位置，則控制器將在SUS的每個(gè)擺振循環(huán)期間高效地來回追逐(chase)該位置。在一個(gè)方法中，由SUS引起的關(guān)節(jié)誤差能夠被以濾除在正弦運(yùn)動(dòng)的頻率處的凹口有效地移除。但是，應(yīng)當(dāng)理解，該影響可以各種其它方式實(shí)現(xiàn)。相比之下，在擺振NEAR模式下，當(dāng)我們想準(zhǔn)確地瞄準(zhǔn)特定的關(guān)節(jié)配置處時(shí)，關(guān)節(jié)位置可以在沒有任何補(bǔ)償?shù)那闆r下被瞄準(zhǔn)。

圖13示出利用兩個(gè)此類子模式的欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)控制模式，其基于裝配關(guān)節(jié)距參考狀態(tài)(FAR模式和NEAR模式)的位移而不同。如圖13中所示，在用戶按壓按鈕以實(shí)現(xiàn)完全收起的配置之后，通過從動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)，通用的手術(shù)操縱器(USM)中的每一個(gè)移動(dòng)到適于被收起的配置。沿豎直軸線(SUJ-Z)的裝配關(guān)節(jié)被致動(dòng)到其范圍的最高位置。然后系統(tǒng)感測(cè)裝配關(guān)節(jié)(SUJ)的關(guān)節(jié)狀態(tài)，并且確定系統(tǒng)是否需要通過取向平臺(tái)的交替移動(dòng)來移動(dòng)SJU關(guān)節(jié)，該取向平臺(tái)的交替移動(dòng)在本文稱為“擺振”。如果不需要擺振，那么裝配結(jié)構(gòu)(SUS)被完全地收起(通常通過朝在基部處的豎直支撐柱縮回水平吊桿來完成)。如果系統(tǒng)確定SUS關(guān)節(jié)需要被調(diào)整，那么SUS展開到擺振位置。當(dāng)展開SUS以擺振時(shí)，取向平臺(tái)將被定位，使得操縱器具有距系統(tǒng)的基部上的更近側(cè)支撐柱的充足的間隙，但是不比必要的延伸更遠(yuǎn)，以避免在擺振移動(dòng)期間更近側(cè)關(guān)節(jié)上的過度的反作用扭矩。SUJ制動(dòng)器被施加，使得取向平臺(tái)的擺振移動(dòng)通過操縱器和作為剛性主體的裝配關(guān)節(jié)連桿傳遞力和/或力矩，因此當(dāng)關(guān)節(jié)隨后被釋放時(shí)，慣性力和/或力矩是充足的，從而以有效的方式將裝配關(guān)節(jié)猛推或移動(dòng)到參考狀態(tài)。然后，SUS開始擺振，并且引起的SUJ的被動(dòng)移動(dòng)通過每個(gè)SUJ的選擇性制動(dòng)被控制，如本文所描述的，直到所有的SUJ都在距它們相關(guān)聯(lián)的參考狀態(tài)的閾值位移內(nèi)。然后，系統(tǒng)切換到接近模式，其中SUS擺振具有較小的加速度或者較小的交替的關(guān)節(jié)位移，因?yàn)樾枰猄UJ的較小的移動(dòng)以達(dá)到期望的參考狀態(tài)。當(dāng)SUJ達(dá)到它們相應(yīng)的參考狀態(tài)時(shí)，這允許更精細(xì)調(diào)整的移動(dòng)，在這之后，鎖定SUJ制動(dòng)器，并且結(jié)束SUS擺振。當(dāng)SUJ關(guān)節(jié)現(xiàn)在被鎖定在它們相應(yīng)的參考狀態(tài)處時(shí)，通過吊桿的水平縮回，SUS能夠被完全地收起。

在一個(gè)方面中，提供被動(dòng)移動(dòng)的關(guān)節(jié)的制動(dòng)器由關(guān)節(jié)制動(dòng)器控制器控制，以便以與典型的馬達(dá)扭矩控制器類似的方式施加關(guān)節(jié)中通過被動(dòng)移動(dòng)引起的感測(cè)的扭矩。通過修改關(guān)節(jié)制動(dòng)器的控制特征部，諸如通過附加的軟件，該方法是有利的，因?yàn)槠淇稍诰哂谐Ｒ?guī)的馬達(dá)扭矩控制器，諸如比例微分控制器的系統(tǒng)中被利用。在圖14A、圖14B(圖14A中的方框A的細(xì)節(jié))和圖14C(圖14B中示出的方框B的細(xì)節(jié))中進(jìn)一步詳述該方法。

圖14A示出反饋控制環(huán)路，其中裝配關(guān)節(jié)的被動(dòng)移動(dòng)利用比例微分控制器(PD控制器)控制，類似于其在常規(guī)的機(jī)動(dòng)化的關(guān)節(jié)控制環(huán)路中的使用。B_m是用于配置的極限的最大制動(dòng)器扭矩/力，而ε是速度閾值，在該速度閾值之下，制動(dòng)器應(yīng)該被保持釋放。通過將參考狀態(tài)與其實(shí)際的位置進(jìn)行比較，系統(tǒng)確定裝配關(guān)節(jié)的誤差(e)，該誤差(e)被輸入到PD控制器中，然后該P(yáng)D控制器計(jì)算控制信號(hào)(u)，以實(shí)現(xiàn)取得參考狀態(tài)所需要的關(guān)節(jié)扭矩。在常規(guī)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)中，“u”信號(hào)將被輸入到馬達(dá)關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)控制中，以便利用必要的扭矩將相關(guān)聯(lián)的關(guān)節(jié)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)到參考狀態(tài)。但是，在被動(dòng)關(guān)節(jié)中，關(guān)節(jié)不能被驅(qū)動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)鏈的各種其它連桿的移動(dòng)，傳遞到與被動(dòng)關(guān)節(jié)相關(guān)聯(lián)的連桿的力和/或力矩產(chǎn)生被動(dòng)關(guān)節(jié)內(nèi)的扭矩，被動(dòng)關(guān)節(jié)內(nèi)的扭矩可用于實(shí)現(xiàn)將關(guān)節(jié)移動(dòng)到期望的參考狀態(tài)的被動(dòng)移動(dòng)。

圖14B示出制動(dòng)器控制環(huán)路，其模擬常規(guī)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)中的馬達(dá)/關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)(圖14A中方框A的細(xì)節(jié))，用于通過關(guān)節(jié)制動(dòng)器的選擇性施加來控制被動(dòng)移動(dòng)。在圖14B中的制動(dòng)器控制環(huán)路中，馬達(dá)扭矩控制信號(hào)與裝配關(guān)節(jié)中感測(cè)的實(shí)際扭矩進(jìn)行比較，然后被積分以獲得隨時(shí)間的脈沖，應(yīng)用估計(jì)速度(v)的方向或正負(fù)號(hào)(sign)的邏輯(正負(fù)號(hào)(u)＝-正負(fù)號(hào)(v))，并且如果(v)的正負(fù)號(hào)在朝著參考的方向，那么通過經(jīng)過一段時(shí)間的關(guān)節(jié)制動(dòng)器的釋放或部分釋放消耗關(guān)節(jié)中存在的扭矩。因?yàn)橛捎诒粍?dòng)移動(dòng)所引起的關(guān)節(jié)中存在的扭矩可(并且通常是)小于將關(guān)節(jié)移動(dòng)到參考狀態(tài)所需要的扭矩，所以通過關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，利用取向平臺(tái)的每個(gè)循環(huán)，該環(huán)路可被重復(fù)多次。通過在相反的方向來回地連續(xù)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)連桿的關(guān)節(jié)(諸如通過使用正弦信號(hào)輸入)實(shí)現(xiàn)的該取向平臺(tái)的循環(huán)可被稱為“擺振”移動(dòng)，使得取向平臺(tái)在正向位移和負(fù)向位移之間加速地來回移動(dòng)。上述關(guān)節(jié)制動(dòng)器控制環(huán)路利用借助取向平臺(tái)的每個(gè)循環(huán)或擺振通過被動(dòng)移動(dòng)在裝配關(guān)節(jié)中產(chǎn)生的扭矩，直到裝配關(guān)節(jié)達(dá)到參考狀態(tài)，在該點(diǎn)，施加制動(dòng)器以將裝配關(guān)節(jié)鎖定在適當(dāng)位置。應(yīng)當(dāng)理解，在具有多個(gè)裝配關(guān)節(jié)的系統(tǒng)中，如上所述，每個(gè)裝配關(guān)節(jié)具有用來控制被動(dòng)移動(dòng)的相關(guān)聯(lián)的關(guān)節(jié)制動(dòng)器控制器，在取向平臺(tái)的移動(dòng)期間，在一個(gè)方向，某些裝配關(guān)節(jié)可以是浮動(dòng)的，而某些其它的關(guān)節(jié)可以被制動(dòng)。

圖14C示出在根據(jù)本發(fā)明的方面的示例中的圖14B中的方框B的細(xì)節(jié)。方框B包括考慮關(guān)節(jié)速度確定物理可實(shí)現(xiàn)的制動(dòng)(單側(cè)的)的方框，以及抵抗可利用的制動(dòng)力來削減力或扭矩請(qǐng)求的另一方框。需注意，期望的脈沖除以Ts，控制系統(tǒng)的采樣率(例如，0.75ms)以發(fā)現(xiàn)將滿意一個(gè)控制環(huán)路中整個(gè)脈沖的力或扭矩。極限Bm可以是最大制動(dòng)器摩擦，但是通常被調(diào)諧到較小的值，以減小傳遞到SUS上的負(fù)載。每當(dāng)關(guān)節(jié)速度小時(shí)，ε閾值迫使制動(dòng)力為零，從而防止關(guān)節(jié)鎖定在擺振FAR模式。

在某些方面中，被應(yīng)用以確定制動(dòng)力的施加的邏輯可沿長(zhǎng)達(dá)最大制動(dòng)值的連續(xù)譜施加選擇性制動(dòng)或可變制動(dòng)。施加可變制動(dòng)允許關(guān)節(jié)制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)更受控制的被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)的移動(dòng)。例如，如圖14D的圖中所示，其描述制動(dòng)力隨裝配關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)狀態(tài)的變化，當(dāng)被動(dòng)裝配關(guān)節(jié)中引起的扭矩在支撐取向平臺(tái)的來回?cái)[振期間在方向上改變時(shí)，變化的制動(dòng)力允許被動(dòng)關(guān)節(jié)移動(dòng)時(shí)被動(dòng)關(guān)節(jié)以基本上恒定的速度移動(dòng)。另外，邏輯可施加可變制動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)各種其它受控制的移動(dòng)，諸如在朝參考狀態(tài)移動(dòng)且裝配關(guān)節(jié)充分地接近參考狀態(tài)(例如，在閾值位置內(nèi))時(shí)提供裝配關(guān)節(jié)的恒定的減速度。在某些實(shí)施例中，當(dāng)裝配關(guān)節(jié)位移在位移閾值(t)之上時(shí)，恒定的速度控制特征部在“擺振遠(yuǎn)模式”下被使用，并且當(dāng)裝配關(guān)節(jié)距參考的位移在閾值內(nèi)時(shí)，恒定的減速控制特征部被使用，如圖14D中所示。

圖14D示出在根據(jù)本發(fā)明的方面的示例中的擺振接近模式的階段。正弦誤差是當(dāng)用虛線繪制時(shí)的相對(duì)于目標(biāo)位置的無制動(dòng)軌線。在點(diǎn)1和點(diǎn)2處，切線往后在任何點(diǎn)處不與x軸線相交，所以沒有恒定的減速度曲線。在點(diǎn)3處，會(huì)聚到目標(biāo)的恒定的減速度小于期望的，并且將在可控制的制動(dòng)力水平之下。在點(diǎn)4處，會(huì)聚的恒定的減速度匹配軟件中的可調(diào)諧的期望值，并且制動(dòng)器施加開始。然后制動(dòng)器被調(diào)制以在目標(biāo)處停止——這顯著地提供平滑的拋物線軌跡，其中當(dāng)控制器調(diào)制制動(dòng)時(shí)，它的頂點(diǎn)在零處并且偏差在該軌跡之上和之下。在這個(gè)圖中控制器做出的這個(gè)決定在一個(gè)點(diǎn)處提供制動(dòng)，在該點(diǎn)允許利用舒適的減速度停止，并且調(diào)制制動(dòng)器以在期望的位置處停止。

其它變型在本發(fā)明的精神內(nèi)。因此，雖然本發(fā)明易受各種修改和替代構(gòu)造影響，但是在附圖中示出并且已經(jīng)在上面詳細(xì)描述其某些示出的實(shí)施例。但是，應(yīng)當(dāng)理解，并不旨在將本發(fā)明限制為具體的形式或公開的形式，相反，意圖是涵蓋落入如隨附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、替代構(gòu)造和等效物。

除非本文另外指出，或與上下文明顯矛盾，在描述本發(fā)明的上下文中(尤其是在隨附的權(quán)利要求的上下文中)的術(shù)語(yǔ)“一”和“一個(gè)/種”和“該”和類似的指代詞被理解為涵蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)兩者。除非另外指出，術(shù)語(yǔ)“包含”、“具有”、“包括”和“含有”被理解為是開放式的術(shù)語(yǔ)(即，意思是“包括但不限于”)。即使存在一些干涉，術(shù)語(yǔ)“連接”被理解為部分地或者全部地包含在內(nèi)、附接到或者接合在一起。除非在本文另外指出，本文的數(shù)值的范圍敘述僅僅旨在用作單獨(dú)地提及落入該范圍的每個(gè)單獨(dú)的值的速記法，并且每個(gè)單獨(dú)的數(shù)值被結(jié)合到說明書中，如同本文中單獨(dú)地引用一樣。除非本文另有說明或者上下文清楚地相反指示，本文所述的所有方法能夠以任何合適的順序進(jìn)行。除非另外要求，本文提供的任何一個(gè)或所有示例或示例性語(yǔ)言(例如，“諸如”)的使用僅僅旨在更好地說明本發(fā)明的實(shí)施例，并且不限制本發(fā)明的范圍。說明書中的任何語(yǔ)言均不應(yīng)理解為將任何未要求保護(hù)的元素作為實(shí)踐本發(fā)明的必要特征。

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在本文被描述，其包括發(fā)明人已知的進(jìn)行本發(fā)明的最佳模式。在閱讀前述說明書之后，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，那些優(yōu)選實(shí)施例的變化可變得明顯。發(fā)明人希望本領(lǐng)域技術(shù)人員適當(dāng)使用這些改變，并且發(fā)明人期望本發(fā)明可以本文具體描述之外的其它方式來實(shí)施。因此，如可適用的法律所允許的，本發(fā)明包括隨附權(quán)利要求中所述主題的所有修改和等價(jià)物。此外，除非在本文另外指出或與上下文明顯矛盾，本發(fā)明包括其所有可能變化中上述元素的任何組合。

包括本文引用的公布、專利申請(qǐng)以及專利的所有參考文獻(xiàn)都以引用方式并入本文，其程度等同于每個(gè)參考文獻(xiàn)被單獨(dú)地、明確地指示，從而以引用方式并入本文，并且其全部?jī)?nèi)容在本文中進(jìn)行闡述。