发明领域本发明总体上提供了改进的机器人和/或医疗(包括外科手术)设备、系统和方法。概述机器人设备系统可以用于在工作现场执行任务。例如，机器人系统可以包括机器人操纵器，以操纵用于执行任务的器械。机器人操纵器可包括通过一个或多个关节耦合在一起的两个或多个连杆。关节可以是主动移动和控制的主动关节。关节也可以是遵循主动关节的移动或外部操纵的被动关节。这样的主动关节和被动关节可以是转动关节或棱柱形关节/平移关节(prismatic joint)。然后，可以通过机器人操纵器的关节的定位和定向，以及通过机器人操纵器的结构(例如机器人操纵器的连杆的设计)，来确定机器人操纵器的配置。示例机器人系统包括工业机器人系统和娱乐机器人系统。例如，机器人系统还包括用于诊断、非外科手术治疗、外科手术治疗等程序中的医疗机器人系统。作为一个具体示例，机器人系统包括微创机器人远程外科手术系统，在该系统中，外科医生可以在床旁或远程位置对患者进行手术。远程外科手术通常是指使用外科手术系统进行的外科手术，其中外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构)来操纵外科手术器械的移动，而不是直接用手握住和移动器械。可用于远程外科手术或其他远程医疗程序的机器人医疗系统可包括远程可控的机器人操纵器。操作员可以远程地控制远程可控的机器人操纵器的运动。操作员还可以手动将机器人医疗系统的各个部分移动到其环境内的定位或定向。机器人系统可以配备有可互换的工具。可能期望在执行机器人程序的同时以简单的方式有效地更换这些工具。例如，考虑使用机器人系统执行外科手术的场景。典型的外科手术采用许多不同的外科手术工具或器械。当在外科手术期间需要不同的工具时，通常将外科手术工具从外科手术部位撤回，以便可以将其从其相关联的操纵器臂移除，并用具有所需末端执行器的工具替换。然后将所需的外科手术工具插入外科手术部位。也可以出于替换末端执行器之外的其他原因从外科手术部位撤回外科手术工具。例如，夹子在用于固定组织的施夹器中的加载通常发生在患者体外。每次需要一个新的夹子时，都会从外科手术部位移除施夹器以加载夹子，然后将其重新引入患者体内以应用夹子。继续描述机器人执行的外科手术的示例，机器人系统的工具更换需要时间。此外，在工具改变操作之后，可能难以手动将新工具带入视野。操作员还可能误判插入深度，并将工具放置在外科手术部位太深，这可能导致工具与患者解剖结构之间的意外接触。为了避免这种接触，操作员可能会非常缓慢地将新工具移入外科手术部位。这些因素使工具改变操作成为一个耗时的过程。由于这些和其他原因，提供用于机器人应用(包括工业应用、娱乐应用、医疗应用和其他机器人应用)的改进的设备、系统和方法将是有利的。
背景技术：
技术实现思路
1、总的来说，在一个方面，一个或多个实施例涉及一种计算机辅助医疗系统，该系统包括：操纵器臂；以及控制器，其包括计算机处理器，并且被配置为确定运动学配置，运动学配置是在将替换工具安装在操纵器臂上之前，并且运动学配置是操纵器臂和附接至操纵器臂的先前工具的运动学配置，并且其中先前工具的末端执行器位于插入位置。控制器进一步被配置为：确定运动学配置中先前工具的参考几何形状，基于参考几何形状确定替换工具的插入轨迹，并且通过根据插入轨迹控制替换工具移动来促进替换工具朝向插入轨迹的目标位置的插入。
2、总的来说，在一个方面，一个或多个实施例涉及一种计算机辅助医疗系统，该系统包括：操纵器臂；以及控制器，其包括计算机处理器，并被配置为：确定运动学配置，运动学配置在将替换工具安装在操纵器臂上之前，并且运动学配置是操纵器臂和附接至操纵器臂的先前工具的运动学配置，并且其中先前工具的末端执行器位于插入位置。控制器进一步被配置为：确定运动学配置中的先前工具的参考几何形状，检测替换工具在操纵器臂上的安装，替换工具和操纵器臂形成物理操纵器组件，基于参考几何形状确定虚拟操纵器组件的约束轨迹，其中虚拟操纵器组件在运动学上对应于物理操纵器组件。控制器还被配置为通过以下步骤基于插入位置来促进替换工具朝向目标位置的插入：确定虚拟操纵器组件的当前运动学配置，当前运动学配置跟踪物理操纵器组件并在约束轨迹上，以及使用虚拟操纵器组件的当前运动学配置来控制物理操纵器组件。
3、总的来说，在一个方面，一个或多个实施例涉及一种用于操作医疗系统的方法，该方法包括：确定运动学配置，运动学配置是操纵器臂和附接至操纵器臂的先前工具的运动学配置，并且其中先前工具的末端执行器插入在插入位置。该方法进一步包括：确定运动学配置中的先前工具的参考几何形状；检测先前工具从操纵器臂的移除；检测替换工具在操纵器臂上的安装；基于参考几何形状确定替换工具的插入轨迹；以及通过根据插入轨迹控制替换工具移动来促进替换工具朝向插入轨迹的目标位置的插入。
4、总的来说，在一个方面，一个或多个实施例涉及一种用于操作医疗系统的方法，该方法包括：确定运动学配置，运动学配置是操纵器臂和附接至操纵器臂的先前工具的运动学配置，并且其中先前工具的末端执行器位于插入位置。该方法进一步包括：确定运动学配置中的先前工具的参考几何形状；检测先前工具从操纵器臂的移除；检测替换工具在操纵器臂上的安装，替换工具和操纵器臂形成物理操纵器组件；基于参考几何形状确定虚拟操纵器组件的约束轨迹，其中虚拟操纵器组件在运动学上对应于物理操纵器组件。另外，该方法包括通过以下步骤基于插入位置来促进替换工具朝向目标位置的插入：确定虚拟操纵器组件的当前运动学配置，当前运动学配置跟踪物理操纵器组件并在约束轨迹上，使用虚拟操纵器组件的当前运动学配置来控制物理操纵器组件。
5、通过以下描述和所附权利要求，本发明的其他方面将变得显而易见。
1.一种计算机辅助医疗系统，其包括：
2.根据权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中，所述控制器进一步被配置为：
3.根据权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中，所述先前工具和所述替换工具是相同的工具。
4.根据权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中，所述插入位置是所述先前工具的工具尖端在所述运动学配置中的位置，并且其中，所述目标位置基于所述插入位置。
5.根据权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中，所述控制器进一步被配置为阻止所述替换工具的进一步插入越过所述目标位置。
6.根据权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中，所述控制器进一步被配置为响应于所述替换工具到达所述目标位置而阻止所述替换工具的移动。
7.根据权利要求1所述的计算机辅助医疗系统，其中，所述操纵器臂和所述替换工具共同具有多个自由度，并且其中，控制所述替换工具根据所述插入轨迹移动导致除了插入自由度之外的所述多个自由度中的至少一个自由度的致动。
8.根据权利要求7所述的计算机辅助医疗系统，其中，所述至少一个自由度的致动包括在所述替换工具的轴和末端执行器之间的腕部的屈曲。
9.根据权利要求8所述的计算机辅助医疗系统，其中，所述控制器进一步被配置为：
10.根据权利要求7所述的计算机辅助医疗系统，其中，所述至少一个自由度的致动包括所述操纵器臂的一部分的枢转。
