阅读说明：本技术 用于定位机器人操纵器的控制模式和过程 (Control modes and processes for positioning a robotic manipulator ) 是由 周仁斌 于浩然 科萨里 S.尼亚 O.J.瓦哈里亚 B.F.K.萧 A.基特克斯 于 2017-12-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于控制机器人外科手术系统中的机器人臂的方法,所述方法包括：在机器人臂的预先确定参考位置处限定参考平面,其中所述机器人臂包括多个关节；以及驱动所述多个关节中的至少一个以引导所述机器人臂通过基本上约束在所述参考平面内的一系列预先确定姿势。(The present invention provides a method for controlling a robotic arm in a robotic surgical system, the method comprising: defining a reference plane at a predetermined reference position of a robotic arm, wherein the robotic arm comprises a plurality of joints; and driving at least one of the plurality of joints to guide the robotic arm through a series of predetermined poses substantially constrained within the reference plane.)

用于定位机器人操纵器的控制模式和过程

技术领域

本发明整体涉及机器人外科手术系统的领域，并且更具体地讲，涉及用于控制机器人外科手术系统的系统和方法。

背景技术

微创外科手术(MIS)诸如腹腔镜式外科手术涉及旨在外科规程期间减少组织损伤的技术。例如，腹腔镜式规程通常涉及在患者内(例如，在腹腔中)产生多个小切口，并且通过切口将一个或多个器械(例如，一个或多个工具、至少一个相机等)引入到患者体内。然后，通过使用所引入的工具和由相机提供的可视化辅助来执行外科规程。一般来讲，MIS提供多种有益效果，诸如减少患者瘢痕、减轻患者疼痛、缩短患者恢复期并且降低与患者恢复相关联的医疗费用。

MIS可以使用非机器人或机器人系统来执行。传统的机器人系统可包括基于来自操作者的命令操纵器械的机器人臂，可以在减少对外科医生的需求的同时提供微创手术的许多益处。这种机器人系统的控制可能需要用户(例如，外科医生或其他操作者)经由一个或多个用户接口设备进行控制输入，该一个或多个用户接口设备将用户的操纵或命令转化为对机器人系统的控制。此类用户界面装置可以使得外科医生或其他用户能够从远程位置操作机器人系统(例如，在远程操作中)。

机器人MIS系统的设置(例如，在外科手术规程之前)可能是复杂的过程，因为这种系统包括需要协调以进行正确设置的许多部件。类似地，出于类似的原因，将机器人MIS系统(例如，在外科手术规程之后)“拆卸”或恢复为存储或运输模式可能是复杂的。因此，期望具有用于辅助和简化机器人外科手术系统的术前设置和术后拆卸的控制模式和过程。

发明内容

一般来讲，在一些变型中，用于控制机器人外科手术系统中的机器人臂的方法包括：在机器人臂的预先确定参考位置处限定参考平面，其中机器人臂包括多个关节；以及驱动(例如，通过一个或多个致动器)多个关节中的至少一个以引导机器人臂通过基本上约束在参考平面内的一系列预先确定姿势。该系列预先确定姿势可以包括例如以下的有序序列：逐渐展开的预先确定姿势(例如，用于机器人臂的术前定位、或用于使机器人臂从存储姿势转变)或逐渐折叠的预先确定姿势(例如，用于机器人臂的术后定位、或用于使机器人臂转变到存储姿势)。又如，该系列预先确定姿势可以在机器人臂的术中定位中实现。

在一些变型中，方法可以包括将机器人臂从存储姿势引导到参考平面。在这些变型中，该系列预先确定姿势可以包括逐渐展开的预先确定姿势的有序序列。在又一些其他变型中，该方法可以除此之外或另选地包括将机器人臂引导到参考平面以转变到存储姿势。在这些变型中，该系列预先确定姿势可以包括逐渐折叠的预先确定姿势的有序序列。在驱动多个关节中的至少一个以引导机器人臂通过预先确定姿势的有序序列时，至少一个关节可以被向前和/或向后驱动通过有序序列的至少一部分。

可以提供针对机器人臂的引导的不同变型。在一些变型中，当驱动多个关节中的至少一个以在参考平面内引导机器人臂时，可以响应于机器人臂上的外力(诸如在用户手动操纵机器人臂时的用户施加力)而驱动多个关节中的至少一个。例如，可以驱动多个关节中的至少一个以施加重力补偿扭矩和/或摩擦补偿扭矩。在一些变型中，当驱动多个关节中的至少一个以在参考平面内引导机器人臂时，可以驱动多个关节中的至少一个以施行在参考平面处限定的任务空间虚拟夹具，以便将机器人臂(或该机器人臂的所选择的点)基本上约束在参考平面内。其他引导过程包括：施行关节空间虚拟夹具，因为可以驱动多个关节中的至少一个以在至少一个关节上施行单向关节空间虚拟夹具，以及/或者生成关节空间虚拟夹具中的至少一个关节处的虚拟吸引力，以朝向参考平面偏置机器人臂并将机器人臂(或该机器人臂的所选择的点)基本上约束在参考平面内。此外，在一些变型中，该方法可以包括根据预先确定轨迹驱动机器人臂中的至少一个关节通过该系列预先确定姿势。

一般来讲，在一些变型中，机器人外科手术系统包括：包括多个关节的至少一个机器人臂；以及被配置为通过以下方式在外科手术规程之前或之后控制机器人臂的移动的处理器：在预先确定参考位置处限定参考平面，以及驱动多个关节中的至少一个以引导机器人臂通过基本上约束在参考平面内的一系列预先确定姿势。

与上述方法类似，在一些变型中，序列可以包括逐渐展开的预先确定姿势的有序序列(例如，用于术前过程)，而在一些变型中，序列可以包括逐渐折叠的预先确定姿势的有序序列(例如，用于术后过程)。

在这些变型中，处理器可以被配置为驱动机器人臂的多个关节中的至少一个以便以各种方式中的任何一种来引导机器人臂。例如，处理器可以被配置为根据任务空间虚拟夹具和/或关节空间虚拟夹具来驱动(例如，通过一个或多个致动器)关节中的至少一个。又如，处理器可以被配置为响应于机器人臂上的外力(例如，由手动操纵机器人臂的用户施加)而驱动至少一个关节，并且/或者向至少一个关节提供重力补偿和摩擦补偿中的至少一个以辅助机器人臂的移动。再如，处理器可以被配置为根据预先确定轨迹驱动至少一个关节通过该系列预先确定姿势。

附图说明

图1A示出具有机器人外科手术系统和外科医生控制台的操作室布置的示例。图1B是在机器人臂操纵器上的器械驱动器的一个示例性变型的示意图。

图2A是联接到患者台的机器人臂操纵器上的器械驱动器的另一个示例性变型的示意图。图2B是用于控制机器人臂的一种示例性变型的关节模块的致动的示例性控制系统设置的概要示意图。

图3A是用于控制机器人外科手术系统中的机器人臂的方法的示例性变型的流程图。图3B和图3C是用于在关节水平上控制机器人臂的关节空间虚拟夹具的示例性变型的示意图。

图4A是机器人外科手术系统的在外科手术规程之前的示例性工作流程的流程图。图4B是机器人外科手术系统的在外科手术规程之后的示例性工作流程的流程图。

图5A和图5B分别是在患者台下面的存储姿势的示例性变型中的机器人臂的示意性侧视图和顶视图。

图6A和图6B分别是在示例性参考位置处移动到台脱离姿势的示例性变型的机器人臂的示意性侧视图和顶视图。图6C是旋转到示例性参考平面上的机器人臂的示意性侧视图。

图7A和图7B是可移动到示例性参考平面内的不同姿势的机器人臂的示意性侧视图。

图8A至图8C是示例性参考平面内的不同平面上姿势的示例性变型。图8D是用无菌盖布覆盖的机器人臂的覆盖姿势的示意图。

图9是示出针对机器人臂实现轨迹跟随模式的控制系统的示例性变型的图。

图10A和图10B是示出针对机器人臂实现虚拟夹具的组合的控制系统的示例性变型的图。

具体实施方式

本文描述了本发明的各个方面和变型的非限制性示例并且在附图中示出。

机器人外科手术系统概述

一般来讲，如图1A所示，机器人系统150可以包括位于外科手术平台(例如，台、床、推车等)处的一个或多个机器人臂160，其中端部执行器或外科手术工具附接到机器人臂160的远侧端部以用于执行外科手术规程。例如，如图1B的示例性示意图所示，机器人系统150可以包括联接到外科手术平台的至少一个机器人臂160，以及通常附接到机器人臂160的远侧端部的器械驱动器170。联接到器械驱动器170的端部的套管180可以接收和引导外科手术器械190(例如，端部执行器、相机等)。此外，机器人臂160可以包括多个连接件，这些连接件被致动以便对器械驱动器170进行定位和取向，该器械驱动器致动外科手术器械190。可以将无菌盖布152或其他无菌屏障插置在非无菌部件(例如，机器人臂160和器械驱动器170)与无菌部件(例如，套管180)之间以帮助维持患者的无菌区域(例如，以防止来自非无菌部件的污染)。

用户(诸如外科医生或其他操作者)可以使用用户控制台100来远程操纵机器人臂160和/或外科手术器械(例如，远程操作)。用户控制台100可与机器人系统150位于相同的操作室中，如图1A所示。在其他实施方案中，用户控制台100可以位于相邻的或附近的房间中，或者从不同的建筑物、城市或国家等的远程位置进行远程操作。

在一个示例中，用户控制台100包括座位110、用脚操作的控件120、一个或多个手持用户界面装置122和至少一个用户显示器130，该用户显示器被配置为显示例如在患者内的外科手术部位的视图。例如，如示于图1C中的示例性用户控制台中所示，位于座位110中并且观看用户显示器130的用户可操纵用脚操作的控件120和/或手持用户界面装置来远程地控制机器人臂160和/或外科手术器械。在一些变型中，用户控制台还可以包括一个或多个臂支撑件140(例如，左侧臂支撑件和右侧臂支撑件)，其通常可以被配置为在外科手术规程期间向位于座位110中的用户的臂提供支撑。例如，臂支撑件140可以为用户的臂提供人体工程学搁置表面，由此减小疲劳。臂支撑件140的其他示例性功能在本文中的其他地方描述。

在示例性规程或外科手术期间，患者准备就绪并且以无菌方式被覆盖，并且实现麻醉。可以执行初始进入外科手术部位(例如，通过患者体内的切口)。一旦完成进入，可以执行机器人系统的初始定位和/或准备(例如，如本文中进一步描述)。在外科手术规程期间，用户控制台100中的外科医生或其它用户可利用用脚操作的控件120和/或用户界面装置122来操纵各种端部执行器和/或成像系统以执行规程。还可由着无菌手术服的人员在操作台处提供手动协助，这些人员可执行的任务包括但不限于使器官回缩，或者执行涉及一个或多个机器人臂160的手动重新定位或工具更换。还可以存在非无菌人员以在用户控制台100处协助外科医生。当规程或外科手术完成时，机器人系统150和/或用户控制台100可以被配置或设置为处于某状态以便于一个或多个操作后规程，包括但不限于机器人系统150清洁和/或灭菌、和/或诸如经由用户控制台100来进行的保健记录输入或打印输出(无论是电子的还是硬拷贝的)。

在图1A中，机器人臂160被示出为具有桌上安装系统，但在其它实施方案中，机器人臂可被安装在手推车、天花板或侧壁、或其它合适的支撑表面中。在机器人系统150、用户控制台100与任何其它显示器之间的通信可经由有线和/或无线连接。任何有线连接可任选地内置于地板和/或墙壁或天花板中。在用户控制台100与机器人系统150之间的通信可以是有线和/或无线的，并且可以是专有的和/或使用各种数据通信协议中的任何一种来执行的。在另外的其它变型形式中，用户控制台100不包括集成显示器130，但是可提供可以连接到一个或多个通用显示器的输出的视频输出，包括可经由互连网或网络访问的远程显示器。视频输出或馈送还可以被加密以确保隐私，并且全部或部分视频输出可以被保存到服务器或电子保健记录系统。

在其它示例中，可提供附加用户控制台100，例如以控制附加外科手术器械，和/或控制在主用户控制台处的一个或多个外科手术器械。例如，这将允许外科医生在外科手术规程期间与医学生和培训医师接管或说明技术，或者在需要多个外科医生同时或以协调方式进行的复杂手术期间进行协助。

台和机器人臂

一般来讲，如上所述，机器人外科手术系统中的一个或多个机器人臂可以位于外科手术平台(诸如台、床、推车等)处。例如，如图2A所示，机器人臂200的一个示例性变型可以经由联接布置260联接到台250。联接布置260可以使得机器人臂200能够相对于台250的表面横向地枢转或移动(进出页面，如图2A的取向所示)。联接布置260可以例如包括联接到台250的销252，以及可旋转地联接到销252以形成枢转关节或销关节的联接连接件L0。联接布置260还可以包括致动器(例如，马达和齿轮系)，该致动器被配置为经由围绕销252的可致动关节来实现机器人臂200相对于台250的动力式移动。联接布置260可以包括至少一个位置传感器(诸如联接到联接布置260中的致动器的编码器或另一个合适的角度传感器)，该至少一个位置传感器被配置为测量机器人臂200相对于台250的位置或取向。此外，在一些变型中，在联接布置260中可以包括一个或多个制动器以便选择性地阻止机器人臂200相对于台250的相对移动。

尽管在本文中主要将机器人臂200描述为经由可枢转联接布置联接到台250，但应当理解，在其他变型中，机器人臂200可以除此之外或另选地通过其他种类的机构联接到患者台，这些机构包括但不限于促进纵向或横向移动的机构，诸如轨道、槽内销、或其他合适机构。

机器人臂200可以包括多个连接件(臂区段)，以及驱动或调节相邻连接件之间的相对移动的多个致动式关节模块。每个关节模块可以包括致动器、齿轮系(例如，谐波驱动)、编码器、扭矩传感器，和/或用于移动臂连接件的其他合适致动器、传动装置等，和/或用于检测位置和/或扭矩反馈的合适传感器。例如，这种反馈可以用于向操作机器人臂的控制方案提供输入。一个或多个关节模块可以包括一个或多个制动器(例如，鼓式制动器)，这些制动器可以阻止相邻连接件的相对移动和/或保持或锁定相邻连接件的相对位置，诸如用于将机器人臂保持在特定姿势或配置中。

例如，如图2A所示，机器人臂200可以包括致动机器人臂200中的关节J1-J7的至少七个关节模块，其中J1-J7包括枢轴关节和/或侧倾关节。J1可以实现第一连接件L1和第二连接件L2之间的相对枢转移动。J2可以实现第二连接件L2和第三连接件L3之间的相对侧倾移动。J3可以实现第三连接件L3和第四连接件L4之间的相对枢转移动。J4可以实现第四连接件L4和第五连接件L5之间的相对侧倾移动。J5可以实现第五连接件L5和第六连接件L6之间的相对枢转移动。J6可以实现第六连接件L6和第七连接件L7之间的相对侧倾移动。J7可以实现第七连接件L7和第八连接件L8之间的相对枢转移动。例如，在一些变型中，枢轴关节J1、J3、J5和J7与侧倾关节J2、J4和J6的组合可以实现具有至少七个自由度并且可移动成各种姿势(包括本文所述的那些)的机器人臂。然而，应当理解，图2所示的机器人臂仅是示例性的，并且本文描述的方法可以用于控制任何合适种类的机器人臂。

在一些变型中，机器人臂可以由管理机器人臂的动作的控制系统控制。如果机器人辅助的外科手术系统包括多于一个机器人臂，则控制系统可以控制多个机器人臂。例如，如图2B所示，该控制系统可以包括一个或多个处理器220(例如，微处理器、微控制器、专用集成电路、现场可编程门阵列和/或其他逻辑电路)。处理器220可以物理地位于机器人臂本身上、位于车载单元或其他合适的结构中，可以能够通信的方式链接到用户控制台210(例如，用户界面)。处理器220可以例如被配置为执行用于执行本文描述的方法的方面的任何组合的指令。控制系统还可以包括一组多个马达控制器(例如，230a-230g)，每个马达控制器以能够通信的方式联接到处理器220并专用于控制和操作在机器人臂的相应关节模块中的至少一个致动器(例如，240a-240g)。

在一些变型中，可以使用一种或多种各种控制模式来操作机器人臂。例如，可以重力补偿控制模式来操作机器人臂，在该模式中机器人臂将其自身保持在特定姿势，不会由于重力而向下偏移。在重力补偿模式下，控制系统确定作用在机器人臂中的连接件的至少一部分上的重力。作为响应，控制系统致动至少一个关节模块以抵消所确定的重力，使得机器人臂可以保持当前姿势。为了确定重力，例如，控制器可以基于测量的相邻连接件之间的关节角度、机器人臂和器械驱动器的已知运动学和/或动力学性质、和/或致动器的已知特性(例如齿轮比、马达扭矩常数)、关节上检测的一个或多个力等执行计算。此外，机器人臂可以包括至少一个加速度计或被配置为确定施加到臂上的重力的方向的一个或多个其他合适传感器。基于这些计算，控制器可以在算法上确定需要在每个关节模块处施加什么力才能补偿作用在该关节模块上的重力。例如，控制器可以利用正向运动学算法、逆向动力学算法或任何合适的算法。控制器然后可以生成一组命令以向关节模块中的致动器提供将机器人臂保持在相同姿势的适当水平的电流。例如，在各种情况下，诸如在本文所述的术前和/或术后过程期间，重力补偿模式可以例如单独使用或与其他控制模式(例如，下文描述的摩擦补偿模式)结合使用。

又如，可以摩擦补偿模式或主动反向驱动模式来操作机器人臂。例如，在一些情况中，用户可能想要直接操纵(例如，拉动或推动)一个或多个臂连接件以将机器人臂布置成特定姿势。这些动作反向驱动机器人臂的致动器。然而，由于机械方面的摩擦，诸如关节模块中的高齿轮比，在一些变型中，用户必须施加相当大的力才能克服摩擦并成功地移动机器人臂。为了解决这个问题，摩擦补偿模式使得机器人臂能够通过沿着实现用户期望的姿势所需的方向主动地反向驱动适当的关节模块，来帮助用户移动机器人臂的至少一部分。因此，用户可以用更不容易感知的摩擦或者具有明显的“轻量”感觉来手动操纵机器人臂。在一些变型中，控制器还可以结合预定义的参数(例如，力的持续时间)以帮助区分偶然的运动(例如，臂的短暂颠簸)和臂位置中的突然预期变化，然后在运动被确定为偶然的情况下校正或者重新确定臂位置。

在摩擦补偿模式下，控制系统可以确定作用在至少一个关节模块上的用户施加的力的存在和方向(直接地或间接地作为一个或多个臂连接件上的力)以反向驱动该关节模块中的致动器。作为响应，控制系统可以与用户施加的力相同的方向致动该关节模块，以帮助用户克服静摩擦或动摩擦。为了确定用户施加的力的存在、大小和方向，控制系统可以监测关节模块或机器人连接件的速度和/或位置(例如，利用力或扭矩传感器、加速度计等)。此外，当处于摩擦补偿模式时，控制系统可以将抖动电流信号发送到(例如以零为中心的正弦波或方波，频率为约0.5Hz至1.0Hz或其他合适的频率，并且幅值处于两个方向上的摩擦带内)一个或多个关节模块，使得关节模块准备好接近但不完全克服任一致动器方向上的摩擦。响应于确定用户施加的力的存在和方向，控制系统然后可以生成一组命令以向关节模块中的致动器提供合适的电流水平，从而以更高的响应性来克服摩擦。例如，在各种情况下，诸如在本文所述的术前和/或术后过程期间，摩擦补偿模式可以单独使用或与其他模式(例如，重力补偿模式)结合使用。

用于引导机器人臂的方法

一般来讲，本文提供了用于引导机器人臂的移动的方法。例如，如图3A所示，用于引导机器人外科手术系统中的机器人臂的移动的方法300可以包括：在机器人臂的参考位置处限定参考平面310，其中机器人臂包括多个关节，以及驱动(例如，用一个或多个致动器)该多个关节中的至少一个320以引导机器人臂通过基本上约束在参考平面内的一系列预先确定姿势。例如，如下所述，可以通过在任务空间和/或关节空间中驱动多个关节中的至少一个来引导机器人臂。在一些变型中，驱动多个关节中的至少一个320可以响应于对机器人臂的手动操纵以便辅助用户重新定位或重新放置机器人臂，如本文进一步所述。

在一些变型中，方法300可以辅助分别在外科手术规程之前和之后的术前和/或术后过程(例如，“设置”和“拆卸”规程)中定位机器人臂。例如，术前过程可以使机器人臂从存储姿势转变，并且术后过程可以将机器人臂转变为存储姿势。在一些变型中，方法300可以在外科手术规程期间辅助在手术中定位机器人臂。在一个方面，通过如本文进一步描述的控制模式，方法可以与临床工作流程兼容的一致和可预测的方式促进机器人臂姿势之间的移动。在另一个方面，用户限定和/或预先确定的机器人臂姿势可以通过以受控方式组织和/或约束机器人臂的移动的虚拟构造(诸如参考平面)链接或捆绑在一起。例如，如本文进一步所述，参考平面可以被配置为虚拟夹具，该虚拟夹具通常使用预定义规则来限制机器人臂的移动，由此增加对机器人臂移动方式的可预测性。例如，机器人臂的这种可预测性和/或约束可以帮助减小相邻机器人臂之间的意外碰撞、机器人臂的不同连接件之间的自碰撞、机器人臂与患者台和/或其他附近障碍物之间的碰撞等。在一些变型中，参考平面可以是预先确定的(例如，空间中的预先计算或预定义的位置，该位置被存储在存储器中并被接收以用于在术前和/或术后过程中使用)。例如，特定参考平面(例如，相对于患者台)可以是适合于不同范围的情况的总***置，或者可以与特定外科手术类型、特定患者类型、特定用户(例如，基于外科医生的偏好)、特定设备(诸如患者台的类型)等相关联。在其他变型中，参考平面可以存储在存储器中(例如，相对于机器人臂的一个或多个连接件的当前位置)以用于在术前和/或术后过程期间使用。

方法300可以引导机器人臂在各种姿势(包括用户期望的姿势和/或预先确定姿势)之间的移动，由此辅助用户(例如，外科医生或外科手术助手)以适合于各种情况的灵活方式操纵机器人臂。在一些变型中，方法300可以通过供用户在外科手术规程之前、期间和/或之后操纵机器人臂的方便界面来提供此类益处。

在一些变型中，一般的术前和术后工作流程可以合并多个机器人臂姿势，或者与存储环境和外科手术规程环境之间的转变相关的姿势。机器人臂姿势中的一些可以处于平面上即在参考平面内，其中参考平面可以帮助引导机器人臂在平面上机器人臂姿势之间移动。在一些变型中，“平面上”姿势可以是其中整个机器人臂或至少机器人臂上的关键点(例如，机器人臂的某些关节)基本上位于参考平面内的姿势。附加地，机器人臂姿势中的一些可以处于平面外即在参考平面的外部，其中参考平面可以提供机器人臂可返回以在术前或术后工作流程中继续的参考点或一般“原点”位置。

如下进一步详细描述的，在一些变型中，机器人臂可以至少部分地经由用户输入装置来引导，诸如通过手持通信装置进行远程命令，该手持通信装置被配置为从机器人臂(和/或将机器人臂联接到患者台的台适配器)发送和/或接收信号，或通常通过患者台、机器人臂等上的按钮或其他输入机构在本地进行。在其他变型中，机器人臂可以附加地或替代地至少部分地通过直接在机器人臂上的外力(诸如由直接手动地操纵机器人臂的用户施加的力)来引导。在这些变型中，可以驱动机器人臂中的多个关节中的至少一个以实现机器人臂的命令移动和/或向用户对机器人臂的操作提供辅助，以便引导机器人臂通过预先确定姿势。

尽管本文中描述的方法主要是参考单个机器人臂进行讨论的，但应当理解，在其中机器人外科手术系统包括多个机器人臂的变型中，可以类似方式通过术前和/或术后工作流程同时控制多个机器人臂中的至少一些。在其他变型中，可以通过术前和/或术后工作流程顺序地(例如，一次一个地)控制多个机器人臂中的至少一些。此外，可以通过相应术中工作流程同时或独立地控制机器人臂中的至少一些。

此外，尽管本文描述的方法包括对联接到患者台的机器人臂的引用，但应当理解，在一些变型中，可以相对于安装到任何合适支撑表面(例如，推车、天花板、侧壁等)的机器人臂来执行方法。

任务空间中的引导

一般来讲，在一些变型中并且在至少一些情况下，可以通过生成任务空间虚拟夹具并将其施加到机器人臂来控制机器人臂。任务空间虚拟夹具可以是例如三维空间(例如，在笛卡尔空间或其他合适的空间坐标中限定)中的直线或曲线、平面或曲面、体积或其他构造。例如，控制系统一般来讲可以将机器人臂上的一个或多个控制点(例如，机器人臂上的任何合适的虚拟点)的运动限制到虚拟夹具上或虚拟夹具内的位置。任务空间虚拟夹具可以是预先确定的(例如，空间中的预先计算或预定义的位置，该位置被存储在存储器中并被接收以用于在术前和/或术后过程中使用)。例如，特定任务空间虚拟夹具可以是适合于不同范围的情况的通用虚拟夹具，或者可以与特定外科手术类型、特定患者类型、特定用户(例如，基于外科医生的偏好)、特定设备(诸如患者台的类型)相关联。在一些变型中，任务空间虚拟夹具可以存储在存储器中(例如，相对于机器人臂的一个或多个连接件的当前位置)以用于在术前、术中和/或术后过程期间使用。

在一些变型中，如本文所述，可以在机器人臂的参考平面上限定虚拟夹具，使得机器人臂(或该机器人臂上的所选择的点)的移动基本上被约束到参考平面。例如，用户可以在由重力补偿和/或摩擦补偿控制模式提供的致动式辅助下手动操纵和定位机器人臂。虚拟夹具通常可以允许机器人臂在参考平面内进行这种用户操纵的运动，同时基本上防止或阻止参考平面外的运动。例如，可以通过递送与垂直于参考平面的一个或多个力分量(倾向于致使机器人臂的一部分移到参考平面之外的任何力分量)相反的一组一个或多个阻力关节扭矩来抵抗参考平面外的运动。控制系统可以驱动机器人臂中的一个或多个关节以根据虚拟夹具递送阻力关节扭矩。

可以根据等式(1)将阻力关节扭矩τ的期望虚拟力F计算为笛卡尔力(例如，X-Y-Z分量)，作为虚拟弹簧力和虚拟阻尼力的总和：

F＝K*Δx+D*v_x (1)

其中F＝笛卡尔分量力(3×1向量)，K＝弹簧常数(3×3对角矩阵)，Δx＝穿透深度(3×1向量)，D＝阻尼比(3×3对角矩阵)，并且v_x＝速度(3×1向量)。在一些变型中，虚拟力F可以省略虚拟弹簧力(具有弹簧常数K的分量)或虚拟阻尼力(具有阻尼比D的分量)。虚拟力F可以用于根据等式(2)确定机器人臂的关节J上的阻力关节扭矩τ：

τ＝J^T*[F，O]^T (2)

其中τ＝阻力关节扭矩(关节数量n×1向量)，F＝力(3×1向量)，并且O＝零(3×1向量)。每个阻力关节扭矩可以通过机器人臂中的相应关节模块的致动来实现或施加，使得驱动机器人臂的相关关节以反对机器人臂的至少一部分的尝试到平面外的移动。尽管等式(1)和(2)中的矩阵的大小被配置用于笛卡尔力，但应当理解，但在其他变型中，矩阵可以是用于在其他种类的坐标系(例如，球坐标系)中表达力和扭矩的任何合适大小。

在一些变型中，如果施加到机器人臂的足够外力超过阈值，则机器人臂(或该机器人臂上的所选择的点)可以移动到参考平面(虚拟夹具)的外部。例如，上述虚拟力F可以在阈值处饱和，或者具有最大预先确定值，使得如果用户尝试用足够的力移动机器人臂以克服最大虚拟力F，则机器人臂的至少一部分可能被迫到参考平面的外部。虚拟力F的最大值或饱和值可以作为系统设置(例如，系统模式)进行调整。在一些示例中，虚拟力F的最大值可以是可变的，并且可以基于其他状况，诸如要执行的外科手术规程的类型、机器人臂的移动速度、机器人臂的模式或姿势(例如，与设置和/或拆卸过程的特定步骤相关联)等。一旦机器人臂在参考平面的外部，在一些变型中，可以通过重力补偿和/或摩擦补偿来主动地辅助机器人臂在参考平面外部的移动。此外，机器人臂可以例如经由如下所述的关节空间中的引导而恢复到参考平面上以及虚拟夹具的约束中。

尽管上面主要相对于平面虚拟夹具描述了任务空间中的导航，但应当理解，可以类似地实现其他虚拟夹具形状(例如，直线或曲线、曲面、三维体积等)。

关节空间中的引导

一般来讲，在一些变型中并且在至少一些情况下，可以通过生成并施加一个或多个关节空间虚拟夹具来控制机器人臂，这些关节空间虚拟夹具以逐关节水平跨机器人臂的一个或多个关节施加。类似于上述任务空间虚拟夹具，关节空间虚拟夹具可以是例如三维空间(例如，在笛卡尔空间或其他合适的空间坐标中限定)中的直线或曲线、平面或曲面、体积或其他构造。例如，控制系统一般来讲可以将机器人臂上的一个或多个控制点(例如，机器人臂上的任何合适的虚拟点)的运动限制到虚拟夹具上或虚拟夹具内的位置。像上述任务空间虚拟夹具一样，关节空间虚拟夹具可以是预先确定的(例如，空间中的预先计算或预定义的位置，该位置被存储在存储器中并被接收以用于在术前和/或术后过程中使用)。例如，特定关节空间虚拟夹具可以是适合于不同范围的情况的通用虚拟夹具，或者可以与特定外科手术类型、特定患者类型、特定用户(例如，基于外科医生的偏好)、特定设备(诸如患者台的类型)等相关联。在一些变型中，关节空间虚拟夹具可以存储在存储器中(例如，相对于机器人臂的一个或多个连接件的当前位置)以用于在术前、术中和/或术后过程期间使用。

在一些变型中，可以在机器人臂的关节上或周围限定至少一个关节空间虚拟夹具。此外，可以在机器人臂的多个相应关节上或周围限定多个关节空间虚拟夹具，使得机器人臂的移动基本上被约束到参考平面或其他虚拟构造。例如，用户可以在由重力补偿和/或摩擦补偿控制模式提供的致动式辅助下手动操纵和定位机器人臂。关节空间虚拟夹具一般来讲可以允许机器人臂在参考平面内进行运动，同时基本上防止或阻止参考平面外的运动。

不同种类的关节空间虚拟夹具是可能的。在图3B中示出了关节空间虚拟夹具的一个变型。图3B示出了侧倾关节(例如，如图2A的示例性机器人臂中示出的侧倾关节J2、J4、J6)的旋转运动的范围。可以在目标旋转角度350下建立虚拟夹具(例如，该虚拟夹具可以与参考平面对准)。控制系统可以在角度(A)和(B)之间以及目标旋转角度350周围限定吸引区域。当相邻连接件的相对旋转位置经由侧倾关节进入吸引区域(AB)时，虚拟力(例如，类似于上面的等式1的虚拟弹簧力和/或虚拟阻尼力)可以朝向目标旋转角度350吸引相对旋转位置。虚拟力可以用于确定一个或多个吸引性关节扭矩，这些扭矩可以通过机器人臂中的关节模块的致动来实现或施加，使得驱动机器人臂的相关关节以将臂连接件吸引到特定目标旋转角度中，并且从而鼓励机器人臂进入特定姿势(例如，在参考平面内)。例如，在一些变型中，可以使用等式3来确定由关节模块施加在特定关节上的吸引性关节扭矩：

τ＝k*Δθ+d*v_θ (3)

其中τ＝关节扭矩，k＝弹簧常数，Δθ＝穿透角，d＝阻尼比，并且v_θ＝关节速度。

根据关节空间虚拟夹具，吸引区域(AB)例如可以允许操纵侧倾关节的用户感觉到相邻连接件“卡扣”或“锁定”到特定相对旋转位置中。在一些变型中，吸引区域(AB)可以扫掠约10度和约50度之间、约25度和35度之间或约10度的角度。吸引区域(AB)可以围绕目标旋转角度350对称地取向，使得目标旋转角度350基本上将吸引区域(AB)二等分。另选地，吸引区域(AB)可以围绕目标旋转角度350不对称地取向，使得目标旋转角度350更靠近吸引区域的一端(与另一端相比)。

在一些变型中，如果施加到机器人臂的足够外力超过阈值，则机器人臂可以移动到吸引区域的外部。例如，虚拟力可以在阈值处饱和，或者具有最大预先确定值，使得如果用户试图用足够的力旋转机器人臂以克服最大虚拟力，则侧倾关节可能被迫到吸引区域的外部。在吸引区域(AB)的外部，控制系统可以避免施加上述虚拟力和吸引性关节扭矩。

在图3C中示出了关节空间虚拟夹具的另一个变型。像图3B一样，图3C示出了侧倾关节的旋转运动的范围，并且可以相对于目标旋转角度350建立虚拟夹具(例如，该虚拟夹具可以与参考平面对准)。控制系统可以限定“单面”或单侧虚拟夹具，该虚拟夹具允许关节沿一个方向朝向目标旋转角度350的旋转，但通过主动地阻止移动来防止关节沿相反方向远离目标旋转角度350的旋转。控制系统可以引起一个或多个关节的致动以根据单侧关节空间虚拟夹具防止旋转。在一些变型中，单侧虚拟夹具的许可方向可以总是沿相同方向取向(例如，仅允许一个连接件相对于相邻连接件的顺时针移动)。在其他变型中，单侧虚拟夹具的许可方向可以变化，这取决于哪个移动方向将会更快地将相邻连接件定位在目标旋转角度350。例如，如果当前连接件位置C通过沿顺时针方向行进而更接近目标旋转角度350，则单侧虚拟夹具可以基本上仅允许连接件的顺时针移动。又如，如果当前连接件位置通过沿逆时针方向行进而更接近目标旋转角度350，则单侧虚拟夹具可以基本上仅允许逆时针运动。此外，在一些变型中，可以经由致动辅助(例如，摩擦补偿)来辅助沿许可方向的移动。

在一些变型中，如果施加到机器人臂的足够外力超过阈值，则机器人臂可以与单侧虚拟夹具的许可方向相反地移动。例如，如果用户试图用足够的力旋转机器人臂以克服阈值，则侧倾关节可能被迫沿与单侧虚拟夹具的方向相反的方向。

在一些变型中，可能以任何合适的方式组合多个虚拟夹具。例如，在一个变型中，控制系统可以被配置为在至少一个关节上实现：“单面”单侧虚拟夹具(例如，类似于以上相对于图3C所述的夹具)，或具有吸引区域的“双面”虚拟夹具(例如，类似于以上相对于图3B所述的夹具)，这取决于关节相对于目标旋转角度的当前旋转位置。

例如，如图10A所示，如果当前关节位置q_curr与目标关节位置q_tar之间的差异大于预先确定阈值q_threshold(例如，大于5度、大于10度、大于15度等)，则可以实现单面单侧虚拟夹具。仅在当前关节位置q_curr与先前关节位置q_prev之间的差异指示关节正远离目标关节位置q_tar移动时，单侧虚拟夹具才可以施加虚拟夹具力F_v以限制或反对移动。例如，如图10A所示，在框1010处，当用户朝向目标位置q_tar移动臂时(在单侧虚拟夹具的许可方向上，如至少部分地由当前关节位置q_curr与先前关节位置q_prev之间的差异确定)，控制系统可以用大于零的辅助力F_ass来提供致动辅助(例如，摩擦补偿)以辅助臂朝目标位置的移动，并且单侧虚拟夹具可以不施加虚拟夹具力F_v来限制或反对这种臂移动。相反，如图10A所示，在框1020处，当用户远离目标位置q_tar移动臂时(在单侧虚拟夹具的限制方向上，如至少部分地由当前关节位置q_curr与先前关节位置q_prev之间的差异确定)，控制系统可以使用约等于零的辅助力F_ass而不提供任何致动辅助，并且单侧虚拟夹具可以施加虚拟夹具力F_v以基本上防止或抵抗臂远离目标位置的移动。因此，单侧虚拟夹具可以促进关节朝向目标关节位置的运动，并且反对关节远离目标关节位置的运动。

此外，如图10B所示，如果当前关节位置q_curr与目标关节位置q_tar之间的差异小于预先确定阈值q_threshold(例如，小于5度、小于10度、小于15度等)，则可以实现具有吸引区域的“双面”虚拟夹具。例如，控制系统可以围绕目标关节位置q_tar在预先确定角度范围内限定吸引区域。在一些变型中，也可以将吸引区域限定为目标关节位置的两侧上的预先确定阈值q_threshold之间，但可以相对于任何合适的角度范围来限定吸引区域。当围绕关节的相邻连接件的相对旋转位置进入吸引区域时，虚拟夹具力(例如，类似于上面的等式3的虚拟弹簧力和/或虚拟阻尼力)可以将连接件吸引到目标关节位置。因此，如果关节被推动或拉开一点(例如，沿任一方向在q_threshold内)，则两面虚拟夹具可以使得相邻连接件能够根据关节空间虚拟夹具而“卡扣”或“锁定”到特定相对旋转位置中。在一些变型中，如果在任何时候，当前关节位置q_curr与目标关节位置q_tar之间的差异再次变为大于预先确定阈值q_threshold，则控制系统可以恢复为实现如图10A所示的单面虚拟夹具。

此外，应当理解，在一些变型中，“单面”和“双面”虚拟夹具的组合可以类似地由控制系统通过上面进一步详细描述的基于任务的虚拟夹具来实现。例如，可以相对于与上述参考平面类似的参考平面和/或任何合适种类的虚拟夹具形状来限定单侧虚拟夹具和/或具有吸引区域的两面虚拟夹具。

尽管主要相对于侧倾关节描述了关节空间虚拟夹具，但应当理解，可以附加地或另外地为机器人中的其他种类的关节(例如，俯仰、偏航)类似地实现吸引性虚拟夹具和/或单侧虚拟夹具，以在机器人臂的其他合适部分上施加关节空间引导。

可以组合不同种类的关节空间虚拟夹具。例如，在一些变型中，机器人臂中的相邻连接件之间的关节可以主要经由如关于图3C所描述的单侧虚拟夹具来引导，并且当连接件的相对旋转位置接近目标旋转角度350时，该连接件可以进入如相对于图3B所述的吸引区域，使得吸引力以目标旋转角度350将关节卡扣或锁定到位。此外，在一些变型中，经由任务空间虚拟夹具的引导可以与经由一个或多个种类的关节空间虚拟夹具的引导组合。

利用轨迹的引导

在又一些其他变型中，可以轨迹跟随模式引导机器人臂的至少一部分的移动。在轨迹跟随模式中，机器人臂可以移动以遵循一系列的一个或多个轨迹(例如，笛卡尔轨迹)命令。轨迹命令可以包括例如速度命令(根据线性和/或角度移动而构建)或目标姿势命令(根据连接件和关节模块的最终目标位置和取向而构建)。如果命令是需要大量连接件移动才能从当前姿势转变到目标姿势的目标姿势，则控制系统可以生成定义必要的连接件移动的轨迹。如果该命令涉及与当前姿势相同的目标姿势，则控制系统可以有效地生成轨迹命令，从而导致符合命令的“保持”位置。例如，轨迹可以基于输入，包括：符合命令的速度或姿势(例如，变换矩阵、旋转矩阵、3D矢量、6D矢量等)；待控制的臂连接件；测量的关节参数(角度、速度、加速度等)；工具参数(类型、重量、尺寸等)；和环境参数(例如，臂连接件被阻止或禁止进入的预定义区域等)。然后控制系统可以使用一个或多个算法来生成固件的符合命令的关节参数(位置、速度、加速度等)的输出和/或作为固件的电流前馈的符合命令的马达电流。用于确定这些输出命令的合适的算法包括基于正向运动学、逆向运动学、逆向动力学、和/或碰撞避免(例如，臂连接件之间的碰撞、机器人臂的不同实例之间的碰撞、臂与环境之间的碰撞等)。

术前工作流程

在一些变型中，如上所述，方法300可以用于在外科手术规程之前帮助设置机器人外科手术系统(例如，以使机器人臂从存储姿势、另一个合适的开始姿势转变，或以其他方式准备在外科手术规程期间使用)。在图4A中示出了术前工作流程设置中的方法400的示例性变型的方面。例如，方法400可以包括辅助机器人臂从存储位置(其中机器人臂可以处于存储姿势，诸如如下所述的折叠存储姿势410)移动到参考位置(其中机器人臂可以处于如下所述的台脱离姿势420，或者在一个位置处于另一个合适姿势，当机器人臂从折叠存储姿势410展开时，该位置充分地减小与附近对象碰撞的风险)。为了进一步设置机器人外科手术系统，可以驱动机器人臂中的关节中的至少一个，以引导机器人臂通过一系列展开的预先确定姿势或在参考位置处限定的参考平面内的姿势。可以在此类平面上姿势430(例如，低停放姿势、高停放姿势、覆盖姿势)中引导机器人臂，并且随后经由通过任务空间虚拟夹具的引导、通过关节空间虚拟夹具的引导、通过轨迹的引导等将其引导至对接位置450以用于联接到套管(例如，放置在患者上的端口中的套管)。此外，机器人臂可以移动到参考平面的外部，诸如移动到一个或多个平面外姿势440中，并且可以被引导回朝向一个或多个平面上姿势430和/或对接位置450。一旦处于对接位置450，机器人臂就可以被定位以用于接收外科手术器械(例如，由机器人臂上的器械驱动器驱动的端部执行器)和/或以其他方式进行准备以用于在外科手术规程期间使用。

存储姿势

在一些变型中，如图4A所示，该方法可以包括辅助机器人臂从存储姿势410移动。储存姿势410可以例如用于在不使用机器人外科手术系统时(例如，在外科手术规程之间)定位机器人臂，和/或用于在运输期间、手术室之间等运输机器人外科手术系统。一般来讲，当处于存储姿势410时，机器人臂可以处于紧凑姿势并且位于合适的存储位置，诸如在患者台下面或附近。存储姿势410的紧凑姿势和/或存储位置可以是预先确定的，并且与机器人臂的存储模式或状态相关联，如存储在存储器装置中并被接收用于在术前和/或术后过程期间供机器人臂使用。在一些变型中，如果在设置开始时机器人臂处于不同姿势408，而不是处于指定存储姿势和/或存储位置，则机器人系统可以向用户指示错误(即机器人臂不处于存储姿势460)和/或将机器人臂移动或以其他方式引导到存储姿势460。

例如，如图所示，在图5A和图5B中，紧凑姿势通常可以是折叠姿势，其中机器人臂200的连接件有效地抵靠彼此包装以使得机器人臂能够占据最小体积。例如，如图5B所示，机器人臂200可以包括可相对于彼此移动(例如，可枢转地联接)的第一部分200a和第二部分200b，并且当机器人臂200处于存储姿势时，第二部分200b可以被收缩到第一部分200a上或邻近该第一部分嵌套。机器人臂200的附加部分(诸如在第二部分200b更远侧的部分)可以被类似地收缩到机器人臂的更近侧部分上或邻近其嵌套。在一些变型中，当处于存储姿势410时，机器人臂200可以在指定存储位置中在患者台下方处于紧凑姿势。在机器人外科手术系统包括多个机器人臂的变型中，多个机器人臂通常可能以对称方式在患者台下面或周围以其存储姿势布置(或可能以任何合适的方式布置)。

当机器人臂200处于存储姿势410时，机器人臂的至少一部分可以被锁定在存储姿势410中，诸如经由将一个或多个制动器接合在机器人臂中的至少一个关节中。例如，可以接合机器人臂中的所有制动器(和/或将机器人臂联接到台的联接布置)以将机器人臂保持在存储姿势410中，直到机器人臂准备好转变到预先确定的参考位置。

尽管图5A和图5B示出了通常在患者台下面的存储姿势，但应当理解，在一些变型中，存储姿势可以在推车内部、天花板下方或上方、邻近侧壁或在侧壁内部、或抵靠任何其他合适的安装表面折叠。例如，臂可以处于与图5A和图5B所示的折叠姿势类似的折叠姿势，位于存储隔室内(例如，折叠在推车内、在天花板内、在侧壁内)或抵靠支撑表面嵌套(例如，抵靠推车、天花板或侧壁折叠)。

台脱离姿势

如图4A所示，机器人臂可以从存储姿势410转变到台脱离姿势420，或者在参考位置中的另一个合适姿势，该姿势适合于允许机器人臂展开而不会与台和/或其他附近对象碰撞。例如，如图6A和图6B所示，至少机器人臂的第一部分200a可以从台250向外枢转以便使得机器人臂的第二部分200b能够脱离台250以便展开等。例如，参考图2，当机器人臂转变到台脱离姿势时，连接件L0和L1可以相对于台250经由销252向外枢转，使得机器人臂的更多远侧连接件(例如，L2-L7和机器人臂的其他远侧部分)可以展开和/或以其他方式重新配置而不会与台碰撞。机器人臂和/或联接布置中的一个或多个制动器可以被去接合以促进机器人臂从存储姿势410到参考位置的这种移动。

在一些变型中，台脱离姿势420的参考位置可以被描述为机器人臂的至少指定部分相对于患者台的角度(或角度范围)。例如，参考图6B，参考位置可以至少部分地由在机器人臂的近侧部分200a与患者台250的边缘之间测量的角度α限定。例如，角度α可以是至少45度、至少60度、至少75度、或至少90度。在其他示例性变型中，角度α可以在约30度和约90度之间、在约45度和约75度之间。在又一些其他变型中，参考位置可以是将机器人臂从患者台250下方向外定位并允许臂展开的任何合适角度，这可以至少部分取决于例如机器人臂设计(例如，臂连接件的长度或直径、臂连接件的数量等)。

应当理解，在其他变型中，其他种类的机构可以附加地或替代地使得机器人臂以一些方式转变到台脱离姿势，诸如通过纵向平移(例如，在纵向轨道上滑动)和/或横向平移(例如，在横向轨道上滑动)，作为枢转的补充或替代。

在一些变型中，可以响应于移动命令(例如，经由来自手持通信装置或其他接口的远程命令)而将机器人臂引导到参考位置，诸如通过轨迹跟随模式。在一些变型中，可以通过用户对机器人臂的操纵(例如，通过重力补偿和/或摩擦补偿)、通过一个或多个任务空间虚拟夹具的引导、和/或通过一个多个关节空间虚拟夹具的引导，将机器人臂引导到参考位置。

可以在机器人臂的预先确定参考位置处限定参考平面。在一些变型中，参考平面可以被限定为大体垂直于机器人臂的近侧部分的平面。例如，参考图2A，参考平面可以是与机器人臂连接件L1正交的垂直平面。一旦机器人臂已经转变到台脱离姿势420，就可以引导机器人臂来准备在参考平面内展开和/或进行其他重新定位。例如，如图6C所示，机器人臂200(仍处于大体折叠或收缩的姿势)可以侧倾，使得第一臂部分200a和第二臂部分200b都位于参考平面610上。在机器人臂200侧倾到参考平面610上之后，机器人臂200可以通过参考平面610内的各种折叠和展开姿势重新配置自身，如下进一步描述的(例如，低停放姿势、高停放姿势、覆盖姿势)。

在一些变型中，仅第一部分200a可以旋转以致使机器人臂200侧倾到参考平面上，而第二部分200b和机器人臂的其他部分相对于第一部分200a保持相同取向。在其他变型中，机器人臂的其他部分可以附加地在机器人臂200侧倾到参考平面上时移动。例如，第二部分200b可以包括用户在系统的整个设置中可理想地容易访问的触摸屏、显示器、按钮和/或其他用户界面元件(未示出)。当机器人臂200处于台脱离姿势时(例如，如图6B所示)，第二部分200b可以被取向为使得用户界面元件是面朝上的并且用户可对其进行访问。当第一部分200a沿顺时针方向旋转(如图6C所示)时，第二部分200b可以附加地以相同或类似速率沿逆时针方向旋转，以便使用户界面元件在机器人臂到参考平面上的整个转变中保持面朝上。

尽管在上面主要将机器人臂在存储姿势(例如，图5A和图5B)与初始平面姿势(例如，图6C)之间的转变描述为具有台脱离姿势(例如，图6A和图6B)作为不连续中间步骤的过程，但应当理解，在一些变型中，在存储姿势之间的转变可以省略这种离散中间姿势。例如，在一些变型中，机器人臂可以基本上同时向外枢转并侧倾到参考平面上，由此将以上相对于存储姿势与台脱离姿势之间、以及台脱离姿势与初始平面上姿势之间的转变描述的移动混合在一起。更进一步地，在一些变型中，机器人臂可以基本上同时向外枢转并侧倾到参考平面上，从而成为下文描述的平面上姿势中的一个，由此省略了图6C所示的初始平面上姿势。

平面上姿势

在一些变型中，如图4A所示，一旦机器人臂已经被定位在位于参考位置处的参考平面内，机器人臂就可以被引导通过一系列平面上姿势430，或者基本上约束在参考平面内的一个或多个姿势。例如，在一些变型中，基本上约束在参考平面内的姿势可以是机器人臂(或该机器人臂上的所选择的关键位置或关键点)位于参考平面内的姿势。可以去接合机器人臂中的一个或多个制动器以允许机器人臂的静止。例如，在施加外力时(诸如用户开始手动操纵机器人臂，和/或按钮、机构或机器人臂上的控制点上的其他表面的接合)，可以触发这种制动器去接合。

例如，图7A和图7B示出了基本上约束在参考平面710内的机器人臂的一个姿势。图7A和图7B所示的机器人臂可以基本上类似于图2A所示的机器人臂。一般来讲，可以基于侧倾关节J2、J4和/或J6的特定旋转角度来限定或设置参考平面的角度或取向。侧倾关节J2、J4和J6中的任何一个的移动促进机器人臂的平面外移动(或者另选地，导致在侧倾关节之间共享的平面的角度或取向的变化)。此外，枢轴关节J1、J3、J5和J7位于参考平面710上，并且关节J1、J3、J5和/或J7的移动有利于机器人臂的不同平面上姿势。

在规程前的设置过程中，基本上约束在参考平面内的一系列姿势可以例如包括在参考平面内的逐渐展开的预先确定姿势的有序序列。在一些变型中，可以致动机器人臂中的一个或多个关节以向前和向后驱动机器人臂通过有序序列的至少一部分。例如，机器人臂可以被驱动以通过姿势序列部分地展开，至少部分地重新折叠，然后完全展开。通过在术前规程(诸如展开)期间将机器人臂基本上约束在参考平面内，可以减小机器人臂与附近对象之间的意外碰撞(以及自碰撞)。将机器人臂定位成预先确定姿势可以进一步限制碰撞的风险，因为在为外科手术规程准备机器人臂时，机器人臂将以可预测且一致的方式移动。

在一些变型中，可以通过引入关节限制来减小机器人臂的连接件之间的碰撞(诸如自碰撞)。例如，机器人臂中的一个或多个关节可能被约束于特定运动范围内的移动，使得在组合上，多个关节不能够旋转到会致使臂连接件碰撞的程度。关节限制可以是“软性的”，因为可以通过向关节施加(例如，手动)超过阈值力的力来克服关节限制。在一些变型中，类似于上述关节空间夹具，可以用虚拟夹具施加此类关节限制。

如图4A所示，一些示例性平面上姿势430包括低停放姿势432、高停放姿势434和覆盖姿势436。如图8A所示，处于低停放姿势432的机器人臂可以被部分地展开，其中机器人臂中的至少一些定位在患者台250下方。例如，低停放姿势432可以用于将机器人臂保持在中间姿势，该中间姿势并非存储，而是处于不妨碍操纵其他机器人臂或人员(例如，外科手术助手)围绕患者台取向等的已知位置。

如图8B所示，处于高停放姿势434的机器人臂可以比低停放姿势432更展开，但包括折叠且紧凑的远侧部分。在高停放姿势434中，机器人臂可以处于台脱离姿势420和覆盖姿势436之间的中间位置。高停放姿势434可以是并非存储但处于不妨碍的已知位置的另一个中间姿势。

如图8C所示，处于覆盖姿势436的机器人臂甚至可以比高停放姿势434更展开。例如，如图8D所示，在覆盖姿势436中，机器人臂可以充分地展开以使得能够以允许臂连接件在无菌盖布820下方关节运动的方式将无菌盖布820共同地围绕臂连接件放置。例如，在用户将机器人臂移动成覆盖姿势436之后，在用户将无菌盖布放置在机器人臂上方时，机器人臂可以在重力补偿的辅助下保持覆盖姿势。在临床工作流程的一些变型中，可以在机器人臂处于覆盖姿势时(例如，紧接在以无菌盖布覆盖机器人臂之前或之后)覆盖患者。

在一些变型中，逐渐展开的预先确定姿势的有序序列包括低停放姿势432、高停放姿势434和覆盖姿势436。有序序列的其他变型可以省略这些姿势中的一个或多个，以及/或者包括其他合适的姿势(例如，通常在这些姿势、这些姿势的修改版本等中的任何两个之间的姿势)。

可以通过自动驱动机器人臂中的多个关节中的至少一个来引导预先确定姿势之间的移动。各种引导过程可以引导机器人臂通过这些姿势。例如，当用户手动操纵机器人臂时，响应于用户施加在机器人臂上的力，可以驱动一个或多个关节以促进重力补偿和/或摩擦补偿以便帮助引导机器人臂的移动。除此之外或另选地，可以驱动一个或多个关节以通过根据一个或多个任务空间虚拟夹具和/或一个或多个关节空间虚拟夹具的移动来引导机器人臂。

在施行一个或多个关节空间虚拟夹具时，可以特定顺序致动不同关节以便有效地将机器人臂移动通过逐渐展开的姿势的有序序列(例如，用于避免其自身臂连接件之间的自碰撞，以在机器人臂展开时扫略较小体积等)。例如，在一些变型中，更近侧关节可以被偏置以在机器人臂中的更远侧关节之前展开，以便减小机器人臂在展开姿势的序列期间扫掠的总体积。相对于图2A所示的机器人臂的示例性变型，为了引导机器人臂通过各种平面上姿势，该方法可以包括在J2上的第一关节空间虚拟夹具、在J4上的第二关节空间虚拟夹具、以及在J6上的第三关节空间虚拟夹具，其中第一、第二和第三关节空间虚拟夹具按该顺序施行。

在一些变型中，可以驱动机器人臂的一个或多个关节以促进自动轨迹跟随模式，其中机器人臂遵循预先确定的规定移动命令。例如，可以在机器人臂的关节水平上预先计算出展开轨迹，以用于命令关节(例如，参考图2A所示的机器人臂变化为J1-J7)中的每一个逐渐将机器人臂从台脱离姿势420转变到平面上姿势430。在一些变型中，监督轨迹的执行的控制系统可以遵循图9所示的一组规则。一般来讲，当执行命令的轨迹q_cmd时，关节位置控制器可以具有软增益，并且可以前馈方式通过预先计算的关节扭矩来补偿。当轨迹跟随模式有效时，可以通过机器人臂中的传感器(例如，通过编码器)检测关节的实际位置，并且在控制系统中将该实际位置用作q_status。有助于预先计算的关节扭矩的前馈项可以包括为实现关节的移动而计算的关节扭矩和重力补偿所需的关节扭矩(如上所述)。关节上的软增益和前馈重力项可以允许机器人臂遵循预先确定的轨迹，还遵从意外的外力(例如，由于与附近对象的碰撞、机器人臂自身连接件之间的干扰等)。例如，可检测的跟踪错误(|q_cmd-q_status|)可以指示机器人臂何时由于碰撞而受阻等，并且软增益将防止机器人臂中的命令扭矩的潜在危险的积聚。此外，在一些变型中，如果跟踪错误(|q_cmd-q_status|)超过特定阈值，则轨迹跟随模式可以被暂停或放弃(即，以停止轨迹的执行)。

一个引导过程可以用于在整个系列的预先确定姿势中移动机器人臂。另选地，不同引导过程可以用于该系列的预先确定姿势的不同部分。例如，轨迹跟随模式可以将机器人臂从台脱离姿势引导到初始平面上姿势，任务空间或关节空间虚拟夹具可以在初始平面上姿势与低停放姿势之间引导机器人臂，并且只有重力和摩擦补偿模式才能在高停放姿势和覆盖姿势之间引导机器人臂。在其他变型中，整个设置中的引导过程的其他组合和排列可以是可能的。例如，可以将系统设置为基于用户对轨迹遵循、任务空间或关节空间虚拟夹具、或通过重力和/或摩擦补偿的手动操作的特定偏好进行操作。这种用户对特定引导过程的偏好可以适用于整个系列的姿势，或者适用于特定姿势之间的转变。又如，可以将系统设置为基于患者特定、规程特定、设备特定和/或房间特定的参数进行操作。例如，不同患者(例如，不同患者大小)、不同人员、不同外科手术规程、或不同手术室环境可以建立不同空间约束或可使某些种类的引导过程比其他引导过程更适合的其他约束。仅作为例示性示例，床侧助手可能太短以至于无法通过重力和摩擦补偿在所有姿势中手动操纵机器人臂，因此在此类情况下，轨迹跟随模式可以是更合适的。

在一些变型中，虚拟夹具(例如，提供软弹簧力和/或阻尼力)和/或制动器可以帮助维持连接件中的至少一些的姿势，而机器人臂中的其余连接件移动。例如，从低停放姿势到高停放姿势的转变(或台脱离姿势后的另一个初始平面上姿势到高停放姿势)可能涉及虚拟夹具和/或制动器以基本上阻止机器人臂的远侧连接件之间的相对移动，当用户拉动机器人臂以将机器人臂在低停放姿势与高停放姿势之间展开时，这可以帮助维持远侧连接件的折叠姿势。例如，参考图2A所示的示例性机器人臂，当用户将机器人臂拉动或以其他方式操纵成高停放姿势时，可以将机器人的远侧部分附近的关节J6和J7锁定在一起以使相邻连接件保持在折叠姿势。

如图4A所示，机器人臂此外可以选择性地移动成平面外姿势440或不在参考平面中的姿势。例如，机器人臂可以从平面上姿势430移动到平面外姿势440(例如，通过用足够的力脱离虚拟夹具)。例如，在机器人臂必须快速移开以提供对患者的立即床侧接近的紧急情况下，平面外姿势可以是期望的。除此之外或另选地，可以通过从任何位置(包括台脱离姿势420)移动的机器人臂来实现一个或多个平面外姿势430。在一些变型中，可以与上述平面上姿势之间的移动基本类似的方式来引导机器人臂往返于平面外姿势的移动。例如，任务空间虚拟夹具和/或关节空间虚拟夹具可以帮助朝向参考平面向后偏置机器人臂(例如，低停放姿势432、高停放姿势434、覆盖姿势436、或其他合适的平面上姿势430)。

对接

一旦用无菌盖布覆盖机器人臂，机器人臂就可以移动到姿势450以对接到放置在患者体内的套管，以便提供通过其可将外科手术器械***患者体内的通道。例如，可以移动机器人臂(例如，在重力补偿和/或摩擦补偿下由用户手动操纵)，使得机器人臂的远侧端部更靠近已放置套管。设置在机器人臂的远侧端部上的器械驱动器可以联接到套管，使得机器人臂在姿势450中对接到套管。例如，覆盖姿势450可以指示准备机器人臂以用于在使用与机器人臂相关联的外科手术器械(例如，联接到器械驱动器并穿过套管进入患者体内)的外科手术规程期间使用。

术后工作流程

在一些变型中，如上所述，方法300可以用于在外科手术规程之后帮助“拆卸”机器人外科手术系统。在图4B中示出了术后工作流程设置中的方法的示例性变型的方面。一般来讲，在图4B中概述的术后工作流程可以类似于图4C中概述的术前工作流程，不同之处在于术后工作流程可以包括与术前工作流程相比以相反顺序的过程。

取消对接

在外科手术规程之后(或在将机器人臂从患者部位移除的其他情况下)，机器人臂可以与套管分离并移动成取消对接姿势460。取消对接姿势460可以是机器人臂移动远离患者的任何合适姿势(例如，在患者周围的预定义边界之外，诸如远离患者至少几英尺)。例如，用户可以在重力补偿和/或摩擦补偿的辅助下(或者另选地通过轨迹跟随等)手动操纵机器人臂，使机器人臂远离患者并进入取消对接姿势460。在一些变型中，取消对接姿势460可以是平面上姿势430(例如，在参考平面上)，但另选地取消对接姿势460可以是不在参考平面内的任何合适姿势。

平面上姿势，台脱离姿势

如图4B所示，在从套管取消对接之后，机器人臂可以朝向参考平面上的平面上姿势430移动。在术后工作流程期间，在一些变型中，可以按照以上针对术前工作流程描述的一种或多种方式来引导机器人臂朝向平面上姿势430和/或参考平面内的其他姿势移动并在其间移动(例如，通过任务空间虚拟夹具和/或关节空间虚拟夹具等进行引导)。

在施行一个或多个关节空间虚拟夹具时，可能以特定顺序致动不同关节以便有效地将机器人臂移动通过逐渐折叠的姿势的有序序列(例如，用于避免其自身臂连接件之间的自碰撞，以在机器人臂展开时扫略较小体积等)。例如，在一些变型中，更远侧关节可以被偏置以在机器人臂中的更近侧关节之前折叠，以便减小机器人臂在折叠姿势的序列期间扫掠的总体积。相对于图2A所示的机器人臂的示例性变型，为了引导机器人臂通过各种平面上姿势，该方法可以包括在J6上的第一关节空间虚拟夹具、在J4上的第二关节空间虚拟夹具、以及在J2上的第三关节空间虚拟夹具，其中第一、第二和第三关节空间虚拟夹具按该顺序施行。

又如，可以通过外力(例如，用户操纵)将机器人臂引导朝向覆盖姿势436，其中可以将无菌盖布从机器人臂移除。从覆盖姿势436，机器人臂可以被引导朝向高停放姿势434和/或低停放姿势432。随后，机器人臂可以在参考平面或参考位置处被引导朝向台脱离姿势420(例如，基本上折叠成紧凑姿势)。

此外，类似于针对术前工作流程所描述的，在一些变型中，机器人臂可以***纵为不在参考平面中的一个或多个平面外姿势440，并且随后经由虚拟夹具等朝向参考平面向后偏置。

存储姿势

在一些变型中，如图4B所示，机器人臂可以从参考位置或参考平面处的台脱离姿势420转变到存储姿势410。在一些变型中，可以响应于移动命令(例如，经由来自手持通信装置或其他接口的远程命令)而将机器人臂引导到存储姿势410，诸如通过轨迹跟随模式。在一些变型中，可以通过用户对机器人臂的操纵(例如，通过重力补偿和/或摩擦补偿)、通过一个或多个任务空间虚拟夹具的引导、和/或通过一个或多个关节空间虚拟夹具的引导，将机器人臂引导到存储姿势。与上述相似，一般来讲，当处于存储姿势410时，机器人臂可以处于与该机器人臂的存储模式或状态相关联的紧凑姿势(例如，在患者台下面或附近)。在一些变型中，如果在设置开始时机器人臂处于不同姿势408，而不是处于指定存储姿势和/或存储位置，则机器人系统可以向用户指示错误(即机器人臂不处于存储姿势460)和/或将机器人臂移动或以其他方式引导到存储姿势460。

示例

在一个示例性变型中，机器人臂的近侧端部可以经由联接布置联接到患者处于的患者台。联接布置可以包括用于致动横向枢转关节的致动器，以及用于阻止横向枢转关节的移动的一个或多个制动器。在示例性术前工作流程中，机器人臂可以位于患者台下面的存储姿势开始，其中机器人臂可以处于折叠的紧凑姿势。可以接合机器人臂中的制动器和联接布置中的制动器以将机器人臂的存储姿势保持在台下方。可以启用轨迹跟随模式，并且可以将用于将机器人臂从存储姿势移动到台脱离模式的轨迹从存储器装置加载到控制系统中。可以去接合联接布置中的制动器，并且可以根据加载的轨迹来致动横向枢转关节，使得折叠的机器人臂在横向远离患者台至少45度的参考位置处横向枢转到台脱离姿势。

用户可以拉动或者以其他方式手动操纵机器人臂，以使机器人臂从台脱离姿势展开到在参考位置处基本上位于参考平面上的姿势，其中参考平面垂直于机器人臂的近侧连接件。通过这些手动操作，可以根据任务空间虚拟夹具和/或关节空间虚拟夹具来驱动机器人臂的一个或多个关节以通过一个或多个致动器来辅助这些运动，这可以基本上引导或约束机器人臂在参考平面内的移动。当用户移动(例如，推动或拉动)机器人臂时，可以启用摩擦补偿模式以帮助用户克服摩擦并使得用户能够更容易地移动机器人臂。此外，当用户放开机器人臂时，由于以重力补偿模式致动一个或多个关节，机器人臂可以维持其当前姿势。一般来讲，用户可以在参考平面内的引导运动下手动地将机器人臂移动通过各种姿势，包括高停放姿势和覆盖姿势。当机器人臂处于覆盖姿势时，机器人臂可以由于重力补偿而保持静止，并且用户可以用无菌盖布覆盖机器人臂的至少一部分以便将非无菌机器人臂与无菌环境隔离。

用户可以在重力补偿和摩擦补偿的辅助下，朝向放置在患者台上的患者体内的适当位置中的套管进一步手动操纵已覆盖的机器人臂。例如，用户可以将器械驱动器(在机器人臂的远侧端部上)拉向***患者体内的期望位置中的套管，并且将器械驱动器和机器人臂联接(对接)到套管。在该对接位置中，器械驱动器准备好接收将要穿过套管的外科手术器械(例如，内窥镜相机、端部执行器等)，并且机器人臂准备好在机器人外科手术规程期间使用。

在完成机器人外科手术规程之后，示例性术后工作流程包括基本上相反地执行的与术前工作流程类似的步骤。器械驱动器可以从套管分离(取消对接)，并且在重力补偿和摩擦补偿的辅助下，机器人臂由用户手动地操纵远离患者。机器人臂可以移动成足够远离患者以进入与术前工作流程期间相同或类似的参考平面，并且可以被重新定位到基本上约束在参考平面内的各种姿势，包括覆盖姿势。如前所述，当机器人臂处于覆盖姿势时，机器人臂可由于重力补偿而保持静止，并且用户可以从机器人臂移除无菌盖布。一般来讲，用户可以继续在引导运动下手动移动机器人臂以将机器人臂从覆盖姿势折叠到高停放姿势，并且折叠到其中机器人臂被折叠成紧凑姿势的台脱离姿势(或接近该姿势)。在这些移动中，可以根据任务空间虚拟夹具和/或关节空间虚拟夹具来驱动机器人臂的一个或多个关节以通过一个或多个致动器来辅助这些运动，以便基本上引导或约束机器人臂在参考平面内的移动。

从台脱离姿势，可以启用轨迹跟随模式，并且可以将用于将机器人臂从台脱离姿势移动到存储姿势的轨迹从存储器装置加载到控制系统中。可以致动横向枢转关节以将折叠的机器人臂从台脱离姿势移动到存储姿势。可以接合联接布置中和机器人臂内的制动器以将机器人臂保持在存储姿势(例如，直到要为另一个外科手术规程准备机器人臂)。

为了便于解释，上文的描述使用了特定的命名法来提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，为了实施本发明，不需要具体细节。因此，对本发明的特定实施方案的以上描述是出于举例说明和描述的目的而提供。它们并非旨在穷举或将本发明限于所公开的精确形式；显然，鉴于上述教导内容，许多修改和变型形式都是可能的。选择和描述实施方案以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明以及具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施方案。预期的是，以下权利要求及其等同物限定本发明的范围。