机器人和配置为控制机器人的方法

摘要

一种机器人，包括：基座；柔性臂，其从基座延伸并且具有多个关节，由此能够更改臂的配置，多个驱动器布置成驱动关节移动，多个传感器用于感测每个关节的位置，以及附接结构用于附接工具至臂，关节允许附接结构相对于基座的角度姿态变化；以及控制单元，其配置为控制驱动器以及从传感器接收输入，并且能够以校准模式操作，在校准模式中当工具附接至附接结构并且捕获在端口中时，控制单元：(i)控制驱动器以便通过施加至臂的外力的作用允许重新配置臂；(ii)在存在施加至臂以及通过工具传递至端口的外力的情况下监控臂的配置以便引起更改附接结构对基座的姿态；由此能够估计端口的位置。

权利要求

1.一种机器人，包括：

基座；

柔性臂，该柔性臂从所述基座延伸并且具有：多个关节，由此能够更改所述臂的配置，多个驱动器布置成驱动所述关节移动，多个传感器配置为感测每个所述关节的位置，以及附接结构配置为附接工具至所述臂，所述关节允许所述附接结构相对于所述基座的角度姿态变化；以及控制单元，该控制单元配置为控制所述驱动器以及接收来自所述传感器的指示所述关节的位置的输入，并且能够以校准模式操作，在所述校准模式中，当工具附接至所述附接结构并且捕获在端口中时，所述控制单元：(i)控制所述驱动器以便通过施加至所述臂的外力的作用允许重新配置所述臂；

(ii)根据所述传感器的指示所述关节的位置的输入，在存在施加至所述臂以及通过所述工具传递至所述端口的多个外力中的各外力的情况下监控所述臂的配置以便引起更改所述附接结构对所述基座的姿态；以及(iii)根据所监控的臂的配置来将所述端口的自然旋转中心估计为在存在各外力的情况下维持相对于附接点以恒定角度姿态延伸的直线所通过的点。

2.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制单元配置为存储估计出的所述端口的自然旋转中心。

3.根据权利要求2所述的机器人，所述控制单元能够以从动模式操作，在所述从动模式中，当工具附接至所述附接结构时，所述控制单元接收指示所述工具的一部分的期望位置的命令信号，计算所述臂的配置，在该配置中，所述工具的所述一部分将处于期望位置并且所述工具与所述端口的自然旋转中心交叉，并且所述控制单元控制所述驱动器，使得所述臂采用计算出的配置。

4.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制单元配置为在所述校准模式中控制所述驱动器以便抵抗重力的作用，从而引起所述臂维持通过独立于重力作用的各外力施加的配置。

5.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制单元配置为在所述校准模式中控制所述驱动器以便对在独立于重力的作用的各外力下的重新配置提供有限阻力。

6.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制单元配置为在所述校准模式中当所述臂移动以便增加所述附接结构相对于所述基座自中立值的姿态偏差时，控制所述驱动器以便对在各外力下的重新配置提供增加的阻力。

7.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制单元配置为在所述校准模式中控制所述驱动器以便抵抗超出附接至所述臂的工具的预定阈值的角度。

8.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制单元配置为在所述校准模式中控制所述驱动器以便抵抗沿离开附接至所述臂的工具和所述臂之间的界面的方向超出所述工具的预定阈值的平移。

9.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述臂包括配置为感测施加在所述关节周围的力的多个力传感器，并且所述控制单元配置为在所述校准模式中根据所述力传感器的输出来控制所述驱动器。

10.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述控制单元包括处理器以及内存，所述内存配置为非瞬时存储能够由所述处理器执行以用于实现所述校准模式的一组指令。

11.根据权利要求1所述的机器人，该机器人包括附接至所述附接结构的工具，所述工具是手术工具。

12.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述机器人是手术机器人。

13.一种配置为控制机器人的方法，所述机器人包括：基座；柔性臂，该柔性臂从所述基座延伸并且具有：多个关节，由此能够更改所述臂的配置，多个驱动器，所述多个驱动器布置成驱动所述关节移动，多个传感器，所述多个传感器配置为感测每个所述关节的位置，以及附接结构，该附接结构配置为附接工具至所述臂，所述关节允许所述附接结构相对于所述基座的角度姿态变化；当工具附接至所述附接结构并且捕获在端口中时，所述方法包括：控制所述驱动器以便通过施加至所述臂的外力的作用允许重新配置所述臂；

根据所述传感器的指示所述关节的位置的输入，在存在施加至所述臂以及通过所述工具传递至所述端口的多个外力中的各外力的情况下监控所述臂的配置以便引起更改所述附接结构对所述基座的姿态；以及根据所监控的臂配置来将所述端口的自然旋转中心估计为在存在各外力的情况下维持相对于附接点以恒定角度姿态延伸的直线所通过的点。

说明书

机器人和配置为控制机器人的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及在机器的运动上的表征机械约束，该机器诸如是机器人，尤其是手术机器人。

背景技术

[0002] 图1图示了手术机器人1，其处于在患者9上执行侵入性医疗程序的过程。机器人包括臂2，臂2借助多个柔性关节3沿着其长度被铰接。在臂的远端4是手术工具。手术工具具有薄的细长轴5，细长轴5在其远端具有用于在医疗程序中接合的装置6。该装置能够是例如切割、抓取或者成像装置。手术工具经由臂的腕关节关节3a附接至臂。腕关节关节可配置为调节方向，轴5沿该方向延伸而臂2的大部分保持静止。手术工具通过手术端口7插入患者的身体。端口具有中空管8，当工具插入及移除以及当机器人操纵在患者的身体内的工具时，中空管8穿过患者的外部组织以助于限制对其他组织的干扰。

[0003] 为了降低对患者的外部组织的干扰，对机器人来说优选的是，操纵工具以使工具不因对端口施加的显著横向力而加压于这些组织。对于机器人的操作员来说实现这一目的的一种方式是人工地控制机器人的腕关节7的配置，使得无论腕关节定位在哪里，工具都从腕关节被定向为穿过端口的中心。但是，为了与腕关节的移动协调以该方式人工地控制工具的姿态，给操作员施加高工作负荷并且要求高度的技术。机器人的控制系统优选自动干预以帮助操作员保持将工具定位通过端口的自然位置。为了实现该功能，控制系统必须知道端口相对于机器人的位置。由于端口的位置在不同患者之间会变化，因此要求控制系统在每个程序开始时获悉端口的位置。

[0004] 获悉端口的位置的一种方式是技术人员测量在程序开始时端口自机器人上的基准点的偏移和方向，并且向机器人的控制系统提供该信息。该方案是不方便的并且在数据输入过程中有误差风险。对技术人员来说另一方案是将具有已知长度的测量工具附接至机器人，并且人工地控制机器人直到工具的末端触及端口。如果机器人装备有能够感测其每个关节的状态的传感器，那么该信息与关节之间的距离以及测量工具的长度一起能够自动地几何结合，以便确定端口相对于机器人上基准点的位置。该过程能够具有的优势是允许自动进行测量。但是，这会需要技术人员的某种程度的人工操作。

[0005] 此外，这些方案都涉及测量端口的外部的位置。实践中，端口的管将延伸一段距离，例如50至100mm，穿过患者的外部组织。为了降低这些组织上的总体横向应力，优选的是机器人辅助操作员以保持工具不对准端口的最外部而是对置端口的自然旋转中心，端口的自然旋转中心可能在身体内的一定深度处。

发明内容

[0006] 根据本发明提供了一种机器人，其包括：基座；柔性臂，其从基座延伸并且具有多个关节，由此能够更改臂的配置；多个驱动器，其布置成驱动关节移动；多个传感器；其用于感测每个关节的位置；以及附接结构，其用于附接工具至臂；关节，其允许附接结构相对于基座的呈角度姿态变化；以及控制单元，其配置为控制驱动器以及从传感器接收输入，并且在校准模式中可操作，在校准模式中，当工具附接至附接结构以及捕获在端口中时，控制单元：(i)控制驱动器以便通过施加至臂的外力的作用允许重新配置臂；(ii)在存在施加至臂以及通过工具传递至端口的外力的情况下监控臂的配置以便引起更改附接结构对基座的姿态；由此能够估计端口的位置。

[0007] 在所述步骤(ii)之后，控制单元可以操作以根据所监控的配置来估计端口的位置。控制单元能够配置为将端口的位置估计为在存在外力的情况下维持相对于附接点以恒定角度姿态延伸的直线所通过的点。控制单元能够配置为存储估计的位置。

[0008] 控制单元可以以从动模式操作，在从动模式中当工具附接至附接结构时，其接收指示工具的一部分的期望位置的命令信号，计算工具的一部分将位于期望位置并且工具与端口的位置交叉时臂的配置，并且控制驱动器，因此臂采用计算出的配置。

[0009] 控制单元可以配置为在所述校准模式中控制驱动器以便抵抗重力的作用，从而引起臂维持通过独立于重力作用的外力施加的配置。

[0010] 控制单元可以配置为在所述校准模式中控制驱动器，以便对在独立于重力作用的外力下的重新配置呈现有限阻力。

[0011] 控制单元能够配置为在所述校准模式中，当臂移动以便增加附接结构相对于基座自中立值的姿态偏差时，控制驱动器以便对在外力下的重新配置呈现增加的阻力。

[0012] 控制单元能够配置为在所述校准模式中控制驱动器以便抵抗超出附接至臂的工具的预定阈值的角度。

[0013] 控制单元能够配置为在所述校准模式中控制驱动器以便抵抗沿离开工具和臂之间的界面的方向超出附接至臂的工具的预定阈值的平移。

[0014] 臂可以包括多个位置传感器，其用于感测施加在关节周围的力。控制单元能够配置为在所述校准模式中根据力传感器的输出来控制驱动器。

[0015] 控制单元可以包括处理器以及内存，内存存储能够由处理器执行的一组非瞬时指令以用于实现校准模式。

[0016] 机器人可以包括附接至附接结构的工具，该工具是手术工具。

[0017] 机器人可以是手术机器人。

[0018] 根据本发明的第二方案提供了一种用于控制机器人的方法，机器人包括：基座；柔性臂，其从基座延伸并且具有多个关节，由此能够更改臂的配置；多个驱动器，其布置成驱动关节移动；多个传感器，其用于感测每个关节的位置；以及附接结构，其用于附接工具至臂；所述关节允许附接结构相对于基座的呈角度姿态变化；当包括一附接至附接结构并捕获在端口中的工具时，该方法包括：控制驱动器以便允许臂通过施加至臂的外力的作用重新配置；在存在施加至臂以及通过工具传递至端口的外力的情况下监控臂的配置以便引起更改附接结构对基座的姿态；以及从而估计端口的位置。

[0019] 除了驱动器，例如，外力能够通过用户人工地推动而施加在臂上。

附图说明

[0020] 参考附随权利要求，现在将通过示例描述本发明，其中：

[0021] 图1示出了执行手术程序的手术机器人。

[0022] 图2示出了手术机器人。

具体实施方式

[0023] 手术机器人可以具有臂以及附接至臂的工具。臂能够具有一系列柔性关节，柔性关节允许臂重新配置以及还允许更改工具的方向。机器人可以能够感测其关节的配置。对于手术程序来说，端口能够位于患者体内。当需要校准端口的位置的机器人知识时，臂上的工具能够插入端口。然后臂能够大致横向移动至工具轴，引起端口将横向力施加在工具轴上。通过监控当其以该方式移动时臂经受的力，和/或通过监控臂响应于通过端口施加的横向力而采用的配置，能够估计端口的位置，尤其其自然旋转中心的位置。然后该位置能够用作例如测角点，用于由机器人执行后续程序。

[0024] 图2示出了手术机器人的例子。机器人包括基座10，当执行手术程序时其固定在适当位置。机器人具有一系列刚性臂构件11、12、13、14、15、16、17。近侧臂构件11通过第一转动关节20结合至基座10。串联的每个其他臂构件通过相应的关节21、22、23、24、25、26结合至前一臂构件。关节21、22、23、24和26是转动关节。关节25由两个转动关节组成，它们轴线如在虎克关节或者万向关节中时彼此正交。不同于图2的臂，臂能够被接合。例如，关节23能够被省略和/或关节25能够允许绕单个轴线旋转。臂能够包括这样一些关节，这些关节可以允许除了关节的相应侧之间的旋转之外的运动，例如通过关节可使附接工具相对于臂的更近侧部分线性滑动。

[0025] 关节配置为使得它们向臂提供柔性，允许机器人臂的远端30移动至大致图示在31的三维工作空间中的任意点。实现此的一种方式为关节具有图示于图2的布置。

[0026] 其中，臂包括以下关节：

[0027] 最远侧关节20，其具有大致垂直的旋转轴线，

[0028] 后续关节21，其具有横向于关节20的轴线的旋转轴线，

[0029] 后续关节22，其具有横向于关节21的轴线的旋转轴线并且位于关节21和关节23之间，

[0030] 后续关节23，其具有横向于关节22的轴线的旋转轴线，

[0031] 后续关节24，其具有横向于关节23的轴线的旋转轴线并且位于关节23和关节25之间，

[0032] 后续关节25，其具有两个相互横向的旋转轴线，一个旋转轴线横向于关节24的轴线，以及

[0033] 后续关节26，其具有横向于关节25的另一轴线的旋转轴线。

[0034] 关节的其他组合和配置能够实现至少在区域31内的类似运动范围。能够有更多或者更少的刚性臂构件。

[0035] 机器人臂的远端具有附接件32，手术工具33借助附接件32能够可释放地附接至臂的远端。手术工具在轴的远端具有线性刚性轴34和作业末端35。作业末端包括用于在医疗程序中接合的装置，例如切割、抓取或者成像装置。能够有延伸超出工具附接位置的臂的额外部分。工具和/或附接件32可以配置为使得工具平行于臂的终端关节26的旋转轴线线性延伸。在该例子中工具沿着与关节26的旋转轴线重合的轴线延伸。

[0036] 机器人的关节24、25配置为，使得在臂的远端保持在作业空间31中任意位置处时，手术工具33能够指向圆锥内的任意方向。这种圆锥总体图示为36。实现该配置的一种方式是臂的终端部分包括一对关节24、25，关节24、25的轴线如上所述相互布置。其他机构能够实现类似结果。例如，如果工具延伸得不平行于关节26的轴线，那么关节26能够影响工具的姿态。

[0037] 臂包括一系列电动机40、41、42、43、44、45、46、47。除了由两个电动机服务的复合关节25，每个电动机布置成驱动绕臂的相应关节的旋转。电动机被控制单元50控制。控制单元包括处理器51和内存52。内存以非瞬时方式存储软件代码，软件代码能够被处理器执行以引起处理器以本文描述的方式控制电动机40-47。臂还包括一系列传感器48、49。方便地，这些传感器包括：用于每个关节的位置传感器48，其用于感测关节的位置状态；以及力传感器49，其用于感测绕关节的旋转轴线施加的转矩。复合关节25具有两对传感器。用于关节的一对或者两对位置和转矩传感器可以与电动机整合而用于该关节。传感器的输出传递至控制单元，在此形成用于处理器51的输入。此外，处理器从控制面板53接收输入，控制面板53允许选择臂的操作状态，以及从三维控制器54接收输入，三维控制器54允许例如当执行操作时操作员发送臂需要的三维移动的信号至控制面板。

[0038] 能够在两个模式中控制臂的运动。在第一从动模式中，根据从三维控制器54接收的输入来设定臂的配置。在该模式中，操作员使用三维控制器发送工具末端35和/或臂的端部30的期望位置的信号。处理器51确定将导致工具末端和/或臂端部放置在该位置的臂的关节的配置。存在将导致工具末端和/或臂端部放置在期望位置的臂的多个配置。处理器可以基于算法在这些配置中选择，该算法寻求避免臂和处理器已知的将靠近臂的其他物体之间的碰撞，或者寻求最小化关节到达新配置的移动量。一旦处理器已经选择一种新配置，其发送信号至关节20-26以采用需要的状态以使臂进入该配置。以该方式，在从动模式中操作员能够发送信号至臂端部和/或工具末端以移动至期望位置。

[0039] 在第二顺从模式(compliant mode)，处理器控制臂以维持一借助直接施加至臂的力所放置的位置。为了实现这一点，处理器从该位置和力传感器48、49接收输入。处理器从位置传感器获知臂的当前配置。内存52为臂的每个元件以及工具存储其质量、其质心与臂的前一关节的距离以及质心和用于前一关节的关节传感器的位置输出之间的关系。使用该信息，处理器对重力对用于臂的当前配置的臂的元件的影响进行建模，并且估计由于重力对臂的每个关节的转矩。处理器然后驱动每个关节的电动机以施加转矩，该转矩将准确地抵抗计算出的重力矩。利用该控制策略，操作员能够直接推动或者拉动臂的任何部分至期望位置，并且尽管有重力对该部分的影响以及对从该部分下垂的任何部分的影响，该部分仍将停留在该位置。臂上的力可以导致绕多个关节的转矩。控制器能够被编程以决定用于中和转矩需要优先考虑的某些关节。在顺从模式中控制器可以自动控制臂以维持由独立于重力作用的外力施加的配置，对在独立于重力作用的外力下的重新配置呈现有限阻力，和/或控制臂的驱动器以便当臂移动时对在该外力下的重新配置呈现增加的阻力，以便增加附接结构相对于基座自中立值的姿态偏差。

[0040] 在顺从模式中一些关节将不经受重力矩。用于这些关节的电动机可以被断电。更典型地，可以控制每个电动机以响应于在相应的关节周围测量的转矩。当由于重力调节关节处的测量转矩时，任何剩余转矩代表由于对臂或工具的上推动引起的力所施加的转矩。响应于该转矩，控制器可以控制相应的电动机以沿一个方向移动关节以便降低测量的转矩，并且以取决于该测量转矩的量值的速度移动关节，使得臂提供了对移动的感测，该移动是自由的但是具有响应于所施加力的一些阻力。

[0041] 正如以上讨论的，对机器人有利的是知道手术端口的位置，穿过该手术端口其将操纵工具。图2示出了手术端口60，其插入患者的腹壁63中。端口包括外板61以及导管62，外板61从穿过腹壁的切口径向向外延伸以防止端口被推动地太远而进入腹腔室，导管62从板61向内延伸。通道延伸穿过端口从板进入管的内端部。当工具33处于患者身上的用于执行程序的适当位置时，工具的轴34插入穿过通道而进入腹腔室，如图2图示的。

[0042] 方便地，存在一个或多个靠近臂的终端端部的关节，这允许工具绕一个或多个横向于其伸长的主方向的轴线旋转。

[0043] 当机器人在顺从模式中时借助操纵机器人臂，当前机器人能够计算端口的位置，尤其是端口的自然旋转中心的位置。首先，通过将端口插入患者的身体(例如腹壁)中的合适位置，患者准备手术，并且患者位于手术室中机器人可达到的固定位置。然后，利用在顺从模式中的机器人，操作员能够抓取机器人臂和工具33的一个或者两者，并且将它们推入一个配置，使得工具的轴34的细长轴线对准端口中的通道。然后操作员能够推动机器人臂和/或工具，使得该工具平行于其细长轴线移动并且通过而进入端口中的通道。在该阶段，工具能够方便地仅局部插入端口，使得工具的末端35仍在端口的通道62内。

[0044] 现在，在工具或者仪器33位于端口的通道62中的情况下，操作员能够沿大致横向于工具轴34的方向(例如总体由64指示)移动机器人臂的远端30。该运动将引起端口对穿过端口的工具轴施加横向力，结果是工具将施加转矩至臂的关节。在该情况下关节24和25的轴线横向于工具轴轴线。由于机器人在顺从模式中操作，因此转矩将被绕关节24、25的运动收纳。当操作员横向移动机器人臂的远端时，控制器50接收指示关节位置的输入。该信息允许控制器估计：(a)机器人的远端相对于基座的位置，以及(b)工具轴相对于机器人的远端的向量。由于工具轴穿过端口的通道，因此端口的通道必须沿着该向量放置。当移动机器人臂的远端时，控制器能够计算多对远端位置和工具轴向量。这些向量将从它们的相应远端位置汇聚在端口的通道的位置上。通过收集一系列这些数据对，然后求出工具轴向量汇聚的平均位置，机器人控制器能够估计端口相对于基座的位置。

[0045] 为了辅助控制器50估计端口位置，控制器已经获知机器人臂的终端构件17的姿态和工具轴34的方向之间的关系。凭借臂和标准化的工具之间的界面32，该关系能够是独立于工具恒定的。可替换地，不同工具能够从终端构件以不同的角度延伸，在该情形下操作员可以通知控制器装配至机器人臂的工具的类型，或者控制器可以借助存储在内存52中的关于工具和附接件之间的关系的信息来自动检测工具的类型以及配置其端口检测算法。可替换地，当在校准处理期间操作员摇动机器人臂的终端构件时，控制器能够检测机器人臂的终端构件的姿态和工具轴的通过关节(例如关节24和25)的运动的方向之间的关系。方便地，工具轴是直的并且沿已知方向从机器人臂的端部构件32延伸。

[0046] 实践中，机器人能够设置有安装在附近以及最方便地安装在臂上的用户输入，诸如按钮55。控制器响应于操作员，按压该按钮而进入校准模式，在校准模式中其是顺从的并且重复地成对算出机器人的远端的位置和工具轴向量的方向。可以不规则地或者以预定间隔(例如每0.5秒)执行这些计算。一旦已经执行足够对的计算，能够利用满意的精度估计端口位置，控制器就估计端口位置。然后其借助可以再次位于臂上或者靠近臂的用户输出(诸如灯56或者音响器)向用户发送信号，使得用户知道估计端口位置的处理完成。控制器然后将端口的位置以非瞬时形式存储在内存52中用于之后的使用。

[0047] 控制器可以使得臂自动在所选择的校准模式上进入或者保留在顺从模式中。

[0048] 以可接受精度估计端口的位置所需的数据对的数量将取决于各种因素，诸如臂的位置传感器的准确度以及在校准处理期间操作员横向移动臂的程度。一旦已经收集足够相干测量(使用随后测量推出的位置的估计之间的变化已经降低至预定水平之下)，控制器可以确定出位置已被适当估计。一旦获得了多于两组的臂关节数据用于工具穿过端口中测角点的配置，在位置估计之间将存在计算差。控制器能够采集数据，直到该误差估计已经降低至预定水平之下。常规过滤以及统计方法能够用以进行误差估计。

[0049] 对于沿两个尺寸移动的机器人臂的头部30，能够辅助估计端口位置，两个尺寸例如为(i)与横向于工具轴的方向(例如方向64)平行的分量，还有(ii)正交于该方向但横向于工具轴的分量。这能够通过使操作员不停地旋转头部30而易于完成，例如绕大致对准端口中通路62的自然轴线的点旋转。

[0050] 因而，操作机器人的一个方式如下：

[0051] 1.将端口放置在患者体内，患者位于机器人的作业范围内，机器人和患者在它们用于手术程序的位置。

[0052] 2.例如通过使用控制面板53，操作员将机器人置于顺从模式。

[0053] 3.利用处于顺从模式中的机器人，操作员将工具定位在端口中。

[0054] 4.操作员向控制器发送信号以通过按压按钮55进入校准模式。

[0055] 5.操作员轻轻摇动机器人臂的头部，引起工具轴的方向改变，同时轴继续穿过端口。

[0056] 6.机器人控制器50的处理器51执行存储在内存52中的代码以将端口的位置估计为工具轴向量汇聚的位置。一旦以足够精度估计出端口的位置，控制器就将估计出的位置存储在内存(例如内存52)中，退出校准模式并且使用灯56向用户发送信号，使得用户知道要停止摇动机器人臂的头部。

[0057] 当在从动模式中操作机器人时，一旦已经测量出端口位置，就可以将该位置用来辅助于控制臂的配置。当执行一个程序时，控制器50可以允许操作员使用输入装置54指示工具末端35的位置，控制器然后可以自动将臂的关节移动至末端将处于期望位置的配置。借助存储在内存52中的软件可以配置控制器，以选择臂的配置，对该配置来说，(i)工具末端位于期望位置，以及(ii)工具的轴穿过估计出的端口位置，并且将臂移动至该配置。以该方式，工具末端能够设置在期望位置，但是对患者的外部组织来说具有较小干扰。

[0058] 端口的位置还可以用来辅助将工具插入患者。一旦工具已经附接至臂并且将插过端口，控制器能够自动控制臂采用一种配置，在该配置中工具大致对准端口通路(例如，基于初始化配置模式的初始位置)并且工具末端位于靠近端口但是在端口外侧处。然后操作员能够通过物理地操纵处于顺从模式的机器人臂或者通过使用输入装置54控制从动模式的臂，将工具插入通过端口。

[0059] 端口的位置还可以用来助于避免因工具末端的错误运动而伤害患者。患者内的作业区域37可以参考端口的位置而限定。然后控制器可以抵抗或者防止工具末端在作业区域外侧的运动。作业区域可以由操作员在进行侵入性程序之前限定。通过在控制器将允许工具末端去到预定作业区域外侧之前要求操作员进行额外输入以覆盖作业区域保护或者通过如果工具末端去到作业区域外侧则对操作员呈现警报，使得控制器能够抵抗工具末端到作业区域外侧运动。

[0060] 当执行校准程序时，工具的角度发生变化，因此端口62将相对于患者稍微旋转。其结果是，校准程序估计端口的自然旋转中心的位置，而不是像先前方法中估计端口的外部的位置。端口的自然旋转中心将取决于端口穿过的患者的外部组织的顺从。由于此，如果在后续程序期间控制器维持工具轴穿过该自然旋转中心，则相比于其他方法能够降低对患者的外部组织的损伤。

[0061] 如果机器人臂的远端在校准程序期间在横向上过度移动，那么这会导致端口的过度角度，因此导致对患者不必要的损伤。这能够通过训练操作员旋转机器人臂的远端适当量而被限制。但是，控制器50还可以在校准处理期间约束头部的运动。在开始校准处理时，能够假设机器人臂的远端处于大致对准端口的轴线的中立位置。在校准处理期间控制器知道机器人的远端从校准被初始化开始已经横向于工具轴移动的距离。如果该距离超过预定阈值，那么控制器能够控制臂的电动机以通过抵抗机器人臂的远端离开中立位置的进一步运动来降低臂的顺从。随着控制器进行测量对，并且建立对端口的位置的至少一个粗糙估计，控制器为此对中立位置的估计能够被精确化。

[0062] 如果机器人臂的远端在校准程序期间在纵向上过度移动更远而进入患者，那么这会导致工具过度行进而进入患者的身体，潜在引起患者的损伤。这能够通过训练操作员主要在横向感测中旋转机器人臂的远端而被限制。但是，控制器50还可以在校准处理期间约束头部的纵向运动。在校准处理的开始，能够假设工具对准端口并且插入端口可接受的量。在校准处理期间，控制器知道机器人的远端从校准被初始化开始已经平行于工具轴以及离开工具的近侧端部移动的距离。如果该距离超过预定阈值，那么控制器就能够控制臂的电动机以通过抵抗机器人臂的远端离开中立位置的进一步运动而降低臂的顺从。该预定阈值可以是零。

[0063] 除了图2示出的手术机器人，上述原理适用于其他类型手术机器人。例如，机器人的基座能够是地板安装的，天花板安装的或者能够安装至床、推车或者桌子。机器人臂的关节和构件能够以任何合适的方式设置。机器人的终端元件能够设置有滑动轨道，借助该滑动轨道工具能够插入通过端口。机器人能够用于除了手术的其他目的。例如，端口能够是制造的物件诸如汽车发动机中的检查端口，机器人能够控制观察工具，用于观察发动机的内部。

[0064] 设置在工具末端上的装置能够用于任何适当的手术或者其他程序，例如切割、保持、观察、照射、照明或者结合。工具能够是这样的工具，其具有非功能末端并且旨在简单地用于校准程序。在上文给定的例子中工具的轴是直的，端口中的通路也是直的。该特性辅助工具插入通过端口并且更容易进行对端口位置的计算，但是工具轴和端口通路能够以共同的半径弯曲。

[0065] 三维控制器54能够是距机器人远程的。控制器50能够在程序化控制下操作机器人臂。

[0066] 位置传感器能够例如是电位计、光学位置编码器、超声波或者无线距离传感器。力传感器能够例如是阻力基应变仪、压电应变仪或者半导体应变仪。用于驱动机器人的关节移动的驱动器能够是旋转或者线性电动机，或是除了电动机的部件：例如液压或者气压冲头。

[0067] 当检测端口的位置时，电动机能够是不活动的，因此它们甚至不抵抗重力。如果臂是整体柔性的，那么能够省略力传感器。但是，这会使操作员更难以操纵臂，而工具不会向患者施加过度负荷。

[0068] 由此申请人单独公开了此处描述的各个单个特征以及两个或多个这种特征的组合，达到这种特征或组合基于作为整体的本说明书根据本领域技术人员的公知常识能够执行的程度，而无论这种特征或者特征的组合是否解决此处公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的方案能够由任何这种单独特征或者特征的组合构成。鉴于前述说明书，对本领域技术人员来说显而易见的是，能够在本发明的范围内进行各种修改。