CN110662506B - 联合器械的致动中的张力控制 - Google Patents

Abstract

一种医疗器械系统包括致动器、医疗器械以及可操作地连接到致动器的控制系统。该医疗器械包括末端部分和传动系统，每个传动系统将末端部分耦合到多个致动器中的一个致动器，使得致动器可操作以驱动传动系统移动末端部分。该控制系统被配置为执行操作，这些操作包括确定末端部分的当前配置与末端部分的期望配置之间的差异，以及基于该差异并基于恒定偏移张力来操作致动器以将张力施加到传动系统。恒定偏移张力独立于传动系统承受的当前张力。

Description

联合器械的致动中的张力控制

相关申请的交叉参考

本申请要求2017年11月10日提交的美国临时专利申请号62/584,608的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

机器人程序通常采用借助于计算机或通过计算机接口进行控制的器械，这些器械可能包括一个或多个可铰接的部分(例如关节)，并通过使用张力承载元件进行控制。

发明内容

在一方面，一种医疗器械系统包括致动器、医疗器械以及可操作地连接到致动器的控制系统。该医疗器械包括末端部分和传动系统，其中每个传动系统将末端部分耦合到多个致动器中的一个致动器，使得致动器可操作以驱动传动系统移动末端部分。该控制系统被配置为执行操作，这些操作包括确定末端部分的当前配置与末端部分的期望配置之间的差异，以及基于该差异并基于恒定偏移张力来操作致动器以将张力施加到传动系统。恒定偏移张力独立于由传动系统承受的当前张力。

在另一方面，一种操作器械的方法包括确定器械的末端部分的当前配置与期望配置之间的差异，以及操作致动器以将张力施加到传动系统。传动系统被耦合以移动末端部分。张力基于差值和恒定偏移张力。恒定偏移张力独立于由传动系统承受的当前张力。

在另一方面，一种器械系统包括致动器、器械以及可操作地连接至致动器的控制系统。该器械包括末端部分和传动系统，每个传动系统将末端部分耦合到这些致动器中的一个致动器，使得致动器可操作以驱动传动系统移动末端部分。控制系统被配置为执行操作，这些操作包括确定末端部分的当前配置与末端部分的期望配置之间的差异，并基于该差异确定施加到传动系统的张力。这些张力中的一个张力保持在最大张力，并且其余张力不大于最大张力。

在另一方面，描述了存储可由处理装置执行的指令的一个或多个非暂时性计算机可读介质。在执行指令后，处理装置执行操作，这些操作包括确定器械的末端部分的当前配置与器械的末端部分的期望配置之间的差异，基于该差异确定要应用于传动系统的第一张力，以及操作致动器以向传动系统施加第二张力。第二张力基于第一张力和恒定偏移张力。恒定偏移张力独立于由传动系统承受的当前张力。

前述的优点可以包括以下和本文其他地方所描述的那些内容。

根据本发明的一个方面，用于具有多个自由度的器械的控制系统和方法使用器械的当前配置/速度与器械的期望配置/速度之间的差异来确定和控制近侧致动器通过一组传动系统施加到器械的力。即使器械的传动系统在近侧致动器和远程致动元件之间具有不可忽略的依从性，使用所施加的力和指示医疗器械的最终配置的反馈也允许医疗器械的机器人控制。反馈方法尤其允许精确的器械操作，即使当无法从近侧致动器的位置直接推断出器械的配置时也是如此。

在本发明的一个实施例中，测量或以其他方式确定末端执行器或尖端的配置，并且将尖端的当前配置与期望配置之间的差异用于确定所要求的关节扭矩和实现所期望的尖端配置所需的施加力。此控制方法的实施例可以允许选择尖端的动态行为，例如用以促进器械与组织的相互作用，同时允许器械的其他部分的灵活性。

在本发明的另一个实施例中，对器械中每个关节的配置进行测量，并且当前关节配置与期望关节配置之间的差异被用于确定将所有关节移动到期望配置所需的致动器力。

本发明的一个特定实施例是一种医疗系统，其包括多个关节、致动器和传动系统。传动系统具有分别耦合到致动器的近端，并且每个传动系统具有附接到关节中的相关联的一个关节的远端，以允许传递相关联关节的铰接力。医疗系统中的传感器生成测量值，该测量值指示关节或器械尖端的配置，并且控制系统操作致动器以将力施加到传动系统，从传感器接收配置测量值，并使用配置测量值来确定施加到传动系统的致动力。

尽管本文描述的一些示例经常涉及医疗程序和医疗器械，但是所公开的技术也适用于非医疗程序和非医疗器械。例如，本文描述的器械、系统和方法可以用于非医疗目的，包括工业用途、通用机器人用途、非组织工件的操纵和/或美容改进。其他非手术应用包括在从人或动物解剖结构去除的组织上使用(不返回人或动物解剖结构)或在人或动物尸体上使用。

附图说明

图1示出了机器人控制的医疗器械的特征。

图2示出了可以使用根据本发明的实施例的控制过程来操作的医疗器械，该控制过程控制通过顺应性(compliant)传动系统施加的力以控制器械的铰接椎骨。

图3A示出了医疗器械，其中根据本发明的实施例的控制过程可以通过具有最小和最大力传递的传动系统进行操作以操作机械关节。

图3B示出了本发明的实施例，其中关节包括连续柔性结构。

图3C示出了用于控制图3B的关节中的单个运动自由度的一对筋束(tendon)的位置。

图4示意性地示出了机器人医疗系统，并且特别地示出了在本发明的实施例中使用的量(quantity)，这些量控制通过顺应性传动系统连接至致动器的远程关节。

图5A是根据本发明的实施例的控制过程的流程图。

图5B是用于确定与致动器速度和关节速度之间的差异相关联的张力校正的过程的流程图。

图5C是用于确定与操纵同一关节的致动器的速度之间的差异相关联的张力校正的过程的流程图。

图5D示出了用于控制最大和最小施加张力的功能。

图6示意性地示出了机器人医疗系统，并且特别示出了在本发明的实施例中使用的控制多关节器械的量。

图7A是根据本发明的实施例的一个过程的流程图，该过程基于测量的关节构造和期望的关节构造之间的差异来选择施加的张力。

图7B是根据本发明的实施例的一个过程的流程图，该过程基于测量的尖端配置和期望的尖端配置之间的差异来选择施加的张力。

图8A是根据本发明的实施例的可使用驱动力控制来操作以控制具有平行致动轴线的关节的多关节器械的一部分的侧视图。

图8B和图8C分别示出了具有根据本发明的实施例的可使用驱动力控制来操作的具有垂直致动轴线的关节的多关节器械的一部分的侧视图和端视图。

图9A示出了本发明的实施例，其中关节包括提供两个运动自由度的连续柔性结构。

图9B和图9C示出了分别采用四个和三个筋束来控制图9A的关节中的两个运动自由度的本发明的实施例。

图9D示出了两关节医疗器械的实施例，其中每个关节包括连续柔性结构并且提供两个运动自由度。

图9E示出了本发明的实施例，其采用六个筋束来控制由图9D的器械中的两个关节提供的四个运动自由度。

图10示意性地示出了机器人医疗系统，并且特别地示出了在本发明的另一实施例中使用的控制多关节器械的量。

图11是示出根据本发明的实施例的一个过程的流程图，该过程通过对多关节器械中的关节进行顺序评估来确定张力。

图12A是根据一些实施例的医疗器械系统的简化图。

图12B是根据一些实施例的具有扩展医疗工具的医疗器械的简化图。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，可以经由由致动器驱动的传动系统来控制医疗器械，以重新定位医疗器械的关节，从而移动医疗器械的末端部分。人类系统操作者(例如，外科医生)可以指示医疗器械的当前期望配置和/或当前期望速度，而器械的实际配置/速度可以例如通过传感器的测量来确定或估计。在一些情况下，实际配置和/或实际速度可以使用传感器来测量，该传感器生成指示实际配置和/或实际速度的测量值。然后可以根据期望配置和测量配置来选择力、张力或扭矩，并通过传动系统来施加以使器械朝其期望配置移动。如果事先选择的施加的力、张力或扭矩导致关节过冲(overshooting)或无法到达期望位置，则可以更改施加的力、张力或扭矩的选择标准。

例如，图1示出了机器人控制的器械100，其具有简化的结构以示出一些机器人操作的器械的基本工作原理。(如本文中所用，术语“机器人”或“机器人方式”等包括涉及远程操作或非远程操作的方面。)器械100在细长轴或主管120的远端处包括工具或末端执行器110。在所示的示例中，末端执行器110是诸如钳子或剪刀的钳口工具，其具有分开的钳口112和114，并且至少钳口112可移动以相对于钳口114打开或关闭。在医疗过程期间使用中，主管120的远端上的末端执行器110可以通过患者的小切口插入并定位在患者体内的工作部位处。然后，例如在执行外科手术任务期间，随后可以打开和关闭钳夹112，并且因此必须精确地控制钳口112以仅执行期望的运动。器械100的一些实施方式除了打开和关闭钳口112和114以帮助执行过程之外，还具有许多移动自由度。

主管120的近端附接到有时被称为后端机构130的传动或驱动机构130。筋束122和124从后端机构130穿过主管120延伸并附接到末端执行器110。筋束(例如，筋束122、124)可以包括多股线缆、杆、金属带、管或此类结构的组合。

一些器械(包括诸如外科器械之类的医疗器械)包括将后端机构130连接到末端执行器110的其他致动构件的附加筋束(图1中未示出)、腕机构(未示出)或主管120中的致动椎骨；此类架构后端机构130可以操纵筋束以操作末端执行器110和/或器械100的其他致动元件。

图1示出了钳口112具有销关节结构116，该销关节结构116为钳口112的移动提供了单个自由度。两个筋束122和124附接到钳口112以及后端机构130中的滑轮132，从而滑轮132的旋转促使钳口112旋转。

滑轮132附接到驱动马达140，驱动马达140可以在机械臂(未示出)的末端处，并且控制系统150电控制驱动马达140。在一些实施方式中，器械100包括控制系统150的一部分或全部。在一些实施方式中，控制系统150与器械100部分或完全分离。在一些实施方式中，控制系统150包括计算系统以及合适的软件、固件和外围硬件。除了其他功能外，在一些实施方式中，控制系统150还向用户(例如，系统操作者、医务人员或外科医生(如果是医疗系统的话))提供工作部位和末端执行器110的图像，并提供外科医生可操作以控制末端执行器110的移动的控制装置或操纵器。可以以单视、立体等方式提供工作部位的图像。

解释控制装置的用户操纵以及生成引起钳口112c的相应移动的马达信号所需的软件或固件可能是复杂的，并且在实际的机器人医疗器械中通常是复杂的。为了考虑控制任务的一部分，用于驱动马达140的控制信号的生成通常采用钳口112的角度或位置与后端机构130中的驱动马达140或滑轮132的角度或位置之间的关系。如果筋束122和124是刚性的(例如，如果筋束的拉伸可忽略不计)，则控制系统150可使用如由器械100的几何形状所定义的驱动马达140的角位置与钳口112的角位置之间的直接关系，以用于在外科医生指示时确定移动钳口112所需的控制信号。例如，在工作负荷下，筋束122和124的较小拉伸可以通过将马达位置与执行器位置相关联的一些数学模型来处理。然而，如果包括末端部分致动器110、筋束122和124以及后端机构130的机械结构具有较高程度的顺应性，则马达140(或滑轮132)的角位置与钳口112的角位置之间的关系可能难以为医疗器械建立足够准确的模型。

应当注意，在下文中，医疗器械的关节可以是销关节结构或向器械尖端提供一个或多个运动自由度的结构。例如，关节可以是连续柔性节段，也可以是近似于连续柔性节段的销关节的组合，也可以是不纯粹回转的而是提供一些滚动关节的单个旋转关节。参见例如Cooper等人的标题为“Flexible Wrist for Surgical Tool”的美国专利号7,320,700以及Cooper等人的标题为“Surgical Tool Having a Positively Positionable Tendon-Actuated Multi-disk Wrist Joint”的美国专利号6,817,974。

还应该注意的是，可以对致动器位置进行伺服控制，以产生期望的器械尖端运动或位置。只要致动器和器械关节之间的传动系统对于所有实际目的都是刚性的，这种方法就可能是有效的。参见例如标题为“Camera Referenced Control in a MinimallyInvasive Surgical Apparatus”的美国专利6,424,885。如果传动系统的灵活性可以被精确地建模并且可以是控制器中包括的模型，则这种方法也可以是有效的，如在Barbagli等人的标题为“Robotic Instrument Control System”的美国专利申请公布号2009/0012533A1中所描述。

尽管本文描述的一些示例经常涉及医疗程序和医疗器械，但是所公开的技术也适用于非医疗程序和非医疗器械。例如，本文描述的器械、系统和方法可以用于非医疗目的，包括工业用途、通用机器人用途、非组织(tissue)工件的操纵和/或美容改进。其他非手术应用包括在从人或动物解剖结构去除的组织上使用(不返回人或动物解剖结构)或在人或动物尸体上使用。

图2示出了可被实现为顺应性医疗器械的器械200的一部分。器械200具有传动系统。除了本文描述的传动系统的示例之外，传动系统的示例在标题为“Compliant SurgicalDevice”的美国专利号12/494,797中被进一步描述，其全部内容通过引用并入本文。器械200包括通过控制筋束222和224中的相应张力来操纵的接合元件210。通常，器械200可以包含类似于接合元件210的许多机械关节，并且每个关节都可以使用类似于筋束222和224的筋束来控制。在示例性实施例中，器械200是进入引导件(entry guide)，其可以被操纵以跟随患者体内的自然管腔。进入引导件通常会包括柔软的外部护套(未示出)，该护套围绕椎骨(包括元件210)并提供一个或多个中心管腔，其他医疗器械可通过该中心管腔插入以便进入工作部位。特别期望进入引导件中有顺应性以防止进入引导件的作用或反作用伤害可能移动或压向进入引导件的周围组织。然而，其他类型的医疗器械也可以从图2所示类型的顺应性驱动机构中受益。

器械200包括后端机构230，该后端机构包括一个或多个传动系统，该传动系统将末端部分(例如接合元件210)连接到一个或多个致动器。例如，筋束222和224提供了顺应性传动系统，该顺应性传动系统连接到接合元件210以驱动马达242和244。具体地，后端机构230包括附接到筋束222和224以及驱动马达242和244的弹簧系统235。图2中的每个弹簧系统235包括机械驱动系统232和恒力弹簧234。每个驱动系统232耦合马达242或244并将驱动马达242或244的旋转运动转换为线性运动，这改变了由相关联的恒力弹簧234施加到筋束222或224的恒定力。在所示实施例中，每个恒力弹簧234包括常规的胡克定律弹簧236和凸轮238。每个弹簧236连接到相关联的驱动系统232，从而驱动系统232的线性运动移动弹簧236的近端。每个凸轮238具有第一引导表面和第二引导表面，附接到相关联的弹簧236的远端的线缆237附接并搁置在第一引导表面上，筋束222或224的一部分附接并搁置在第二引导表面上。每个凸轮238的引导表面通常提供不同的力矩臂，以用于所附接的线缆237和所附接的筋束222或224的动作，并且被成形为使得当拉伸或牵引一段长度的筋束220或224而改变由附接的弹簧236施加的力时，筋束222或224中的张力保持恒定。每个凸轮238的每个表面可以是延伸用于一次或多次回转的螺旋表面，便提供筋束222和224的期望运动范围，同时在筋束222或224中保持恒定的张力。

每个驱动系统232控制对应弹簧236的近端的位置，从而影响对应弹簧236中的基线拉伸量以及所附接的筋束222或224中的张力。在操作中，如果弹簧系统235中的驱动系统232拉动附接的弹簧236，则弹簧236开始拉伸，并且如果附接到弹簧系统235的元件210和筋束222或224保持固定，则弹簧236施加到凸轮238的力增加，因此附接的筋束222或224中的张力增加。筋束222和224各自可以包括线缆或线缆的一部分。因此，筋束222和224中的张力线性地依赖于(根据胡克定律，凸轮238的力矩臂和弹簧236的弹簧常数)相应弹簧236的近端的移动，但每个弹簧系统235的行为是不对称的。例如，每个弹簧系统235响应于使筋束222或224移动的外部力或远侧力而以恒定的力起作用。恒力弹簧234和驱动系统232可以可替代地以各种方式来实现，诸如在美国专利申请号12/494,797中进一步描述的那些方式。

接合元件210具有单个运动自由度(例如，绕轴线的旋转)，并且通常在驱动马达242或244旋转驱动系统232以改变由附接的恒力弹簧234施加的力时进行移动。控制系统250可以使用传感器260来测量元件210的取向。下面进一步描述的控制过程使用此类测量值来计算操纵接合元件210所需的施加力或驱动马达242或244操纵接合元件210的施加扭矩。

在一些情况下，驱动机构可以是顺应性的，使得外力可以在没有驱动系统232的对应旋转的情况下移动元件210。结果，接合元件210的位置或取向与驱动系统232或驱动马达242的位置之间的关系可以是不固定的。传感器260可以是例如形状传感器，其可以沿着包括元件210的器械200的长度来感测接合元件210的形状。形状传感器的一些示例在Larkin等人的(2007年5月20日提交的)标题为“Robotic Surgery System Including PositionSensors Using Fiber Bragg Gratings”的美国专利申请公布号US 2007/0156019 A1以及Giuseppe M.Prisco的(2008年6月30日提交的)标题为“Fiber Optical Shape sensor”的美国专利申请号12/164,829中描述，这两个专利的全部内容通过引用并入本文。在一些实施方式中，可以可替代地使用能够测量关节元件210的角位置的任何传感器。例如，在一些情况下，传感器可以对应于与器械200的驱动机构(例如，驱动系统232、驱动马达242或驱动马达244)相关联的传感器。传感器可以包括编码器、转速计或其他合适的传感器以测量机构的位置或速度。基于接合元件210的位置和速度与驱动机构的位置和速度之间的运动学关系，测量的位置或测量的速度可以用于确定接合元件210的位置和速度。

当将后端机构230从马达组件包上拆下时，器械200具有“向后驱动”能力，弹簧系统235仍使筋束222和224不松弛，并且允许手动布置(或摆放)器械的远侧部分而不会损坏后端机构230或在筋束222或224中产生松弛。这种“向后驱动”能力通常是外科手术器械的期望性质，尤其是具有柔性主管的器械，在器械未受到控制系统250的主动控制时，该柔性主管在器械插入期间可能会弯曲或被操纵。例如，可以手动摆放器械200，并且主轴内的筋束不会受到不适当的拉力或松弛。

在图3A中示出了用于医疗器械中的关节的顺应性传动系统的另一示例。图3A示出了医疗器械300的示例性实施例，该医疗器械使用致动过程，该致动过程允许驱动马达在器械操作期间相对于驱动马达自由滑行或驱动筋束相对于驱动马达滑动，如标题为“PassivePreload and Capstan Drive for Surgical Instruments”的美国专利申请号12/286,644所述，其全部内容通过引用并入本文。医疗器械300的末端部分可以被操纵。例如，末端部分可以对应于可通过医疗器械300的致动过程控制的末端执行器、尖端或其他设备中的一个。在图3A所示的示例中，医疗器械300具有在主管320的末端处的末端执行器310，并且后端机构330操纵穿过主管320的筋束322和324，以控制末端执行器310的运动自由度。在所示的实施例中，筋束322和324附接到末端执行器310中的机械构件，使得筋束322和324中的张力趋向于使末端执行器310围绕枢轴关节结构在相反方向上旋转。

图3A中的器械300的末端部分的关节结构仅是示例，并且在本发明的可替代实施例中可以采用用于器械的末端部分的其他关节机构，其响应于施加到一对筋束的张力而提供单个运动自由度。例如，图3B示出了一个实施例，其中末端执行器310包括：诸如在导管、胃肠道内窥镜、结肠和支气管中常见的关节；引导线；或其他内窥镜器械，诸如用于组织取样的抓取器和针头。

主管320可以包括能够响应于通过筋束322和324施加的力而挠曲或弯曲的导管。导管关节可以简单地包括塑性材料的挤出件，该塑性材料的挤出件响应于筋束322和324中的张力差异而弯曲。在一种配置中，如图3C所示，筋束322和324延伸穿过导管内的管腔并附接到导管的末端。相应地，筋束322和324中的力可以用于使导管在对应于具有更大张力的筋束322或324的方向上弯曲。例如，可以在插入期间使用导管的弯曲来操纵导管。在一些示例中，远侧传感器360可以测量导管远侧部分的弯曲角度以测量或计算“关节”角度和速度。在一个特定实施例中，弯曲角度可以定义为导管相对于导管的远侧柔性部分的基部的尖端取向。除了所测量的关节角度和速度可以通过乘以致动器线缆管腔和远侧柔性部分的中心之间的距离而转换为筋束的位置和速度之外，图3B的末端执行器310的导管关节的后端和控制架构可以与图3A的实施例的后端和控制架构相同。

附接到主管320的近端的后端机构330用作传动，其将由驱动马达342和344施加的扭矩转换成相应筋束322和324中的张力以及施加到末端执行器310中的致动关节的力或扭矩。在所示的实施例中，驱动马达342和344可以是直接耦合到绞盘332和334的直接驱动电马达，相应的筋束322和324缠绕在绞盘332和334周围。特别地，筋束322以设定的包角(其可以小于完整的一圈或大至一个或多个圈)在对应的绞盘332周围缠绕，并且其一端不附连到绞盘332，而是从绞盘332延伸到被动预加载系统333。类似地，筋束324以一组包角围绕对应的绞盘334缠绕，并且具有从绞盘334延伸到被动预加载系统335的末端。由于不需要将筋束322和324永久地附接到绞盘332和334，筋束322和324能够相对于绞盘332和334并且相对于分别耦合到绞盘332和334的驱动马达342和344的轴滑动。

筋束322和324的近端附接到相应的被动预加载系统333和335，每个被动预加载系统在图3A中被实现为凸轮和弹簧，其共同作用为恒力弹簧。该弹簧可以是通常可用胡克定律建模的弹簧。被动预加载系统333和335受到偏置，使得绞盘332和334在器械300的整个运动范围内对筋束322和324施加非零的力或张力。借助于该配置，当绞盘332和334自由旋转时，被动预加载系统333和335控制筋束322和324中的张力，并通过拉入或放出所需长度的筋束322和324来避免筋束322和324松弛。当后端机构330脱离马达342和344时，被动预加载系统333和335仍然防止筋束322和324松弛，并且允许末端执行器310和主管320(当柔性时)被手动布置(或摆放)而不会损坏后端机构330或在筋束322或324中产生松弛。因此，器械300还具有类似于以上针对图2的器械200所描述的“反向驱动”能力。

末端执行器310可以在控制系统350的主动控制和人工输入(例如，主从伺服控制系统中的主控制输入)的控制下使用驱动马达342和344进行操作。例如，当马达342拉动筋束322时，马达扭矩作为在筋束322的远侧部分中施加的张力被传递。(绞盘332可以施加到筋束322的近侧部分的最大张力取决于筋束322开始相对于绞盘332滑动的张力，但通常，可以选择实际使用的最大张力以防止筋束322和324在绞盘332和334上滑动。)同时，当关闭马达344的电源时，允许马达344和绞盘334靠惯性滑动，筋束324可以被保持在其最小张力，该最小张力是被动预加载系统335通过绞盘334施加到筋束324的近端的恒定力。然后，筋束322中的较大张力趋向于导致末端执行器310在图3A中逆时针旋转。类似地，关闭马达342的电源并向马达344供电以通过筋束324向末端致动器310施加力趋向于使末端部分致动器310在图3A中顺时针旋转。当筋束322和324受到张力并且在绞盘332和334上接受筋束322和324的滑动时马达342和344靠惯性滑动的能力不允许控制系统350依赖马达340和末端执行器310的角位置之间的固定关系。然而，控制系统350可以使用传感器360来测量末端执行器310相对于通过筋束322和324致动的关节的角位置。

图2、图3A和图3B的器械可以在致动器和被致动的关节之间具有传动系统，这提供了合乎需要的顺应性，特别是对于具有柔性主管的器械而言。具有顺应性的传动系统也可出现在更传统的器械中。例如，图1的已知器械可以在弯曲的器械节段中使用护套或鲍登(Bowden)线缆，并且在直节段中使用杆件。杆件可以减小拉伸，该拉伸干扰致动器和关节位置的直接关系。在一些应用中可能期望使用更具柔性的材料的筋束(例如，其中需要电绝缘或最小摩擦的聚合物筋束)。依赖于致动器和关节位置之间的直接关系，此类筋束可能在控制过程中引入不可接受的拉伸量。实心钢拉线也可以用于传动系统或用作传动系统。

根据本发明的一方面，用于图2、图3A和图3B的医疗器械或以其他方式具有顺应性传动系统的器械的控制过程可以采用机械关节的位置的远程测量值来确定要施加以驱动机械关节的张力。在另一方面，用于图2、图3A和图3B的医疗器械或以其他方式具有顺应性传动系统的器械的过程可以采用器械致动器的位置的测量值来确定要施加以驱动机械关节的张力。该控制过程也可以用于具有刚性传动系统的器械。该控制过程也可以用于具有刚性传动系统的器械。图4示意性地示出了具有机械关节410的医疗器械400的概括，该机械关节410具有与角度或位置θ对应的运动自由度。术语“位置”在本文中广泛地用于包括笛卡尔位置、角位置或机械系统的自由度的配置的其他指示。

关节410通过传动系统420连接到致动器440，使得关节410远离致动器440，例如，关节410可以在器械400的远端处，而致动器440在器械400的近端处。就此而言，关节410形成器械400的末端部分的一部分。在所示的实施例中，传动系统420连接关节410，使得由致动器440施加到传动系统420的张力T趋向于使关节410沿顺时针方向旋转。通常，传动系统420包括用于将力从致动器440传递到关节410的整个机构，并且致动器440可以向传动系统420施加力或扭矩，这引起传动系统420的线缆或其他部件中的张力。此张力通常可以与施加的力或扭矩成比例，因此此处使用的术语“张力”不失一般性，也指示力或扭矩。

传动系统420可以是(但不是必须)顺应性的，以至于关节410的位置与致动器440的位置之间的直接关系对于控制关节410而言将不够准确。就此而言，在一些示例中，传动系统420可以是顺应性的，但是直接关系足够准确以用于控制关节410。在一些情况下，传动系统420可以拉伸，使得在施加到传动系统420的张力T的最小值和最大值之间，传动系统420的有效长度上的差异可以对应于45°的关节活动度。相反，典型的医疗装置允许拉伸对应于不超过几个关节活动度，以便能够基于致动器位置准确地对关节位置进行建模。应该理解的是，在一般情况下，顺应性不限于弹簧结构的简单胡克定律拉伸。例如，在图2的实施例中，传动系统420可以包括筋束222和后端机构230的至少一部分，或者在图3A的实施例中，传动系统420可以包括筋束322和后端机构330的至少一部分。通常，传动系统420对施加于传动系统420的近端处的张力T以及施加于关节410或沿传动系统420的长度施加的外力的响应可能难以建模。

传感器(未示出)测量远程关节410处的位置θ并将测量的位置θ提供给控制系统450。传感器可以另外测量关节410的移动的速度

或者可以从位置θ的两个或更多个测量值和测量之间的时间来确定速度/>

传感器可以包括远侧传感器，其中测量的位置θ通过信号线(未示出)被提供给控制系统450，该信号线从器械400的远端处的传感器穿过器械400的主管(未示出)延伸到器械的近端处的控制系统450。信号线可以是电线、光纤或其他能够传输信号的信号线。

可替代地或附加地，致动器440的位置可以足够准确以用于控制关节410。传感器可以包括与致动器440相关联的传感器，例如编码器、转速计或其他传感器以测量致动器440的位置或速度。

可以包括图2或图3A的驱动马达242或342的致动器440将张力T施加到传动系统420的近端，并且通过传动系统420将力或扭矩施加到关节410。在一些情况下，其他力和扭矩也可以被施加到关节410。例如，一个或多个其他传动系统420可以连接到关节410，并共同施加趋向于引起关节410旋转的净张力或力。在图4的所示实施例中，传动系统422连接到关节410和致动器442，因此传动系统422中的张力趋向于与施加的张力T相反，并在图4中逆时针旋转关节410。附加的传动系统422或连接到关节410的传动系统可以是除了传动系统422或多个传动系统连接到关节410的差异之外与传动系统420相同。

控制系统450可以是执行程序的通用计算机或者被接线以生成驱动信号的电路，该驱动信号控制致动器440施加到传动系统420的张力T。当致动器440是电动马达时，该驱动信号可以是控制从致动器440输出的扭矩的驱动电压或电流，并且张力T等于马达扭矩除以有效力矩臂，在该力矩臂处张力T被施加到传动系统420。如下面进一步所述，控制系统450可以使用关节410的期望位置θ_D、期望速度

来计算张力T或马达扭矩的幅值。该计算可以进一步基于当前时间和先前时间的关节410的位置θ的一个或多个测量值，或致动器440的位置θ_A的一个或多个测量值。就此而言，关节410的位置θ可以对应于基于关节410的位置θ的直接测量值或基于致动器440的位置θ_A的一个或多个测量值而确定的位置。用户(例如，控制包括诸如器械400之类的器械的系统的外科医生)可以通过操纵控制器460来提供期望的位置θ_D和速度/>

控制系统460的精确配置对本发明不是关键的，除了控制器460能够提供信号，从该信号可以确定期望的位置θ_D和速度/>

的值。适用于复杂医疗器械的手动控制器通常提供指示用于移动医疗器械的许多同时指令的信号，并且此类移动可能涉及器械中的多个关节。例如，在可从Intuitive Surgical公司获得的da Vinci Surgical System的主控制器中提供用作控制器460的合适操纵器。

在时间间隔Δt中将关节410从其当前位置θ移动到期望位置θ_D所需的张力T将通常取决于许多因素，包括：抵抗所施加张力T的关节410的有效惯性；施加张力T的致动器440或者耦合到关节410并施加净有效力的任何其他传动系统422的惯性；施加于关节410的外力；与关节410的致动或传动系统的移动相反的内部和外部摩擦力；关节410的当前速度

以及内部和外部阻尼力。这些因素中的许多因素可能会根据器械400的工作环境而变化，并可能难以测量或建模。然而，可以基于系统在力学或经验上为医疗器械中的特定关节开发模型。在一个特定实施例中，控制系统450根据远侧关节误差(θ_D-θ)和/>

确定张力T，这些误差分别是关节410的确定位置和期望位置之间的差异以及关节410的确定速度和期望速度之间的差异。

图5A是用于控制具有图4的器械400的基础结构的医疗器械的过程500的流程图。过程500通过确定关节410的位置θ的当前值并确定关节速度

的当前值在步骤510中开始。例如，关节410的位置θ的当前值和关节速度/>

的当前值可以根据由传感器获得的测量值来确定。可以使用当前位置θ、先前位置θ’、测量之间的时间间隔Δt直接测量或确定或近似得到速度/>

例如，在假定恒定速度(例如/>

)的情况下或在假定恒定加速度(给定先前的速度确定)的情况下。例如，在一些实施方式中，不是直接测量关节410的位置θ的当前值，而是基于致动器440的位置θ_A的测量值来确定位置θ的当前值。就此而言，在步骤510处，在每个时间间隔Δt对致动器440的位置θ_A进行测量，然后基于所测量的致动器440的位置θ_A来确定位置θ的当前值。类似地，可以使用致动器440的位置θ_A的测量来确定速度/>

的当前值。可替代地，可以使用致动器440的速度/>

的测量值来确定速度/>

的当前值。

在步骤510之后，步骤515随后获取关节410的期望位置θ_D和期望速度

并且步骤520计算所测量的位置和期望位置之间的差异或误差(θ_D-θ)以及所测量的速度和期望速度之间的差异或误差/>

在步骤520中计算出的位置误差可以指示末端部分(例如，关节410)的当前配置与末端部分(例如，关节410)的期望配置之间的差异。可以使用位置误差和速度误差来确定关节410到达期望位置θ_D所需的张力T。本文描述的张力未必应用于传动系统。本文描述的张力可以指施加到传动系统420的张力或者被确定或检测并用于选择另一张力以施加到传动系统420的张力。在图5A的实施例中，施加的张力T可以包括多个贡献，并且主要贡献是远侧张力T_DIST，它被确定为位置误差(θ_D-θ)和速度误差

的函数f₁。远侧张力T_DIST可以独立于致动器的位置，例如独立于马达轴的角度，即使在关节410的位置与致动器440的位置之间不存在直接关系的情况下，也允许确定远侧张力T_DIST。

在一个特定实施例中，函数f₁具有下面的方程1的形式，其中g₁和g₂是增益因子，C是常数或几何相关参数，并且T_sign是符号，即±1。符号T_sign与由传动系统420中的张力T产生的关节410的移动相关联，并且可以例如在传动系统420中的张力T倾向于增大位置坐标θ的情况下是正的(例如+1)，并且可以是在传动系统420中的张力T倾向于减小位置坐标θ的情况下是负的(例如-1)。在另一实施例中，函数f₁对力施加下限，例如以便使力总是正的并且足以避免传动系统中的松弛。参数C可以是根据由系统的其他部分施加到关节410的已知力或建模力选择的常数。例如，参数C可以是被选择以平衡由向关节410施加力的其他传动系统引起的扭矩的常数或者可以考虑预期摩擦或外力。然而，参数C并不需要严格是常数，而是可以包含非常数项，以补偿可以有效建模的诸如重力或机构刚度之类的性质，并且因此参数C可以取决于所确定的关节位置或速度。可以根据所期望的关节410的刚度和阻尼来选择增益因子g₁和g₂。特别是，当将关节410用作静态抓握器时，施加到组织的净抓握力或扭矩取决于方程1的项g₁(θ_D-θ)。例如，在一些实施方式中，抓取器获得的力或扭矩取决于该项g₁(θ_D-θ)和命令位置。一些实施方式还对可以实现的最大扭矩或力施加了限制。通常，可以根据关节410的期望的刚度和阻尼或响应性或者根据误差的累积来选择增益因子g₁和g₂以及常数C。例如，当插入器械400以跟随患者体内的自然管腔时，可以将增益因子g₁设置为较低值，以使关节410表现得柔软并防止关节410伤害周围的组织。在插入后，可以将增益因子g₁设置为较高的值，其允许外科医生用该器械执行精确的外科手术任务。

方程1：

方程1的项

可以用于近似地确定在给定时间Δt内使用传动系统420旋转关节410以到达期望位置θ_D时在关节410处当前所需的扭矩、张力或力。在一些实施方式中，所施加的扭矩、张力或力不会在给定的时间Δt内将关节410移动到期望位置θ_D，而是关节410渐近地接近期望位置θ_D而没有达到期望位置θ_D。力矩和力或张力相关，因为力矩是力和有效力矩臂R的乘积，有效力矩臂R由传动系统420到关节410的连接与关节410的旋转轴之间的垂直距离定义。有效力矩臂R可以被吸收到增益因子g₁和g₂和常数C中，或用于将计算的远侧张力T_DIST转换成计算的扭矩。

通过适当选择函数f₁(例如，适当选择方程1中的参数g₁、g₂和C)，远侧张力T_DIST可以近似致动器440以响应于由手动控制器460的操作人员操纵的方式移动关节410所需施加的力。然而，在一些条件下，步骤530、535、540和550提供了可选的校正。特别地，可选步骤530和535分别计算了位置误差(θ_D-θ)的饱和总和(saturated sum)或饱和积分I并且算出积分张力T_INT。积分张力T_INT可以是正的、零或负的，可以被添加作为对在步骤525中计算出的远侧张力T_DIST的校正。积分张力T_INT被计算为饱和积分I的函数f₂，并可以仅是积分I与增益因子的乘积。在步骤530中计算出的饱和积分I可以仅是过去N个位置误差间隔(θ_D-θ)的总和或者间隔末尾的测量位置与要达到的期望位置之间的差(θ_D，i-θ_D，i-1)。总和中包含的间隔数量N可以不受限制，并且积分I可能会饱和，因为不允许积分的量值超过最大饱和值。通常会选择饱和值来限制积分张力T_INT的最大值或最小值。然而在计算函数f₂的值时也可以可替代地限制积分张力T_INT的最小值和最大值。

可选步骤540计算在本文中被称为近侧张力T_PROX的另一种校正，其可以是正的、零或负的。近侧张力T_PROX可以被添加到在步骤525中计算的远侧张力T_DIST。图5B是用于实施步骤540以计算近侧张力T_PROX的示例过程的流程图。用于实施步骤540的该示例过程通过读取致动器440的速度

的当前值在步骤542中开始。速度/>

可以通过附接到致动器440的基部的标准转速计、编码器或其他合适的传感器来测量。为了改善计算效率，还可以安排步骤542在图5A的步骤510和515之间运行。然后步骤544计算近侧速度差或误差/>

其被定义为基于关节410的期望速度/>

计算的期望速度与基于当前致动器速度/>

计算的当前速度之间的差异或误差。在一个特定实施例中，期望速度可以是有效力矩臂R、符号T_sign和关节410的期望速度/>

的乘积，而当前速度可以是致动器440的有效力矩臂与致动器速度/>

的乘积。在图5B的实施例中，将近侧张力T_PROX确定为近侧速度误差/>

的函数f₄。在一个特定实施例中，函数f₄可以仅是近侧速度误差/>

与增益因子的乘积。可以选择增益因子以提供对传动系统420的附加阻尼效果。

图5A的可选步骤550计算成对张力(pair tension)T_PAIR，其可以是对在步骤525中计算出的远侧张力T_DIST的正校正、零校正或负校正。图5C是用于实现步骤550以便计算成对张力T_PAIR的示例过程的流程图。在步骤552中，通过读取致动器440的速度

的当前值和与关节410相关联的所有其他致动器的速度值，开始用于实施步骤550的该示例过程550。在图4的系统中，存在耦合到关节410的两个致动器440和442以及两个致动器速度/>

和/>

可以安排步骤552在图5A的步骤510和515之间运行以改善计算效率。然后，步骤556计算成对速度差或误差/>

其可以被定义为当致动器440和442基本相同(例如具有相同的有效力矩臂以便在相应传动系统420和422上操作)时，与关节410相关联的致动器440和442的当前速度/>

和/>

之间的差异或误差。在一个特定实施例中，当前速度误差/>

可以是差

与致动器440和442的有效力矩臂的乘积。在图6的实施例中，成对张力T_PAIR被确定为成对速度误差/>

的函数f₅。在一个特定实施例中，函数f₅可以仅是成对速度误差

与增益因子的乘积。可以选择增益因子以向传动系统420提供附加的阻尼效果。

在图5A的步骤560中，将张力T确定为远侧张力T_DIST、近侧张力T_PROX、成对张力T_PAIR和积分张力T_INT的总和的函数f₃。在一些情况下，可以对张力T的最大值和最小值施加约束。例如，在图5D的实施例中，函数f₃限制了张力T的最大值和最小值。最大张力T_MAX和最小张力T_MIN可以在控制系统450的编程中(例如，在软件中)设置。致动器440、442被可操作地连接到控制系统450，并且因此可以由控制系统450控制，使得张力T不超过最大张力T_MAX，并且使得张力T不降到最小张力T_MIN以下。可以设置最大张力T_MAX以避免因较大的力而损坏器械，并且可以设置最小张力T_MIN以抑制传动系统420和422中的筋束的松弛。这可以确保传动系统420和422中的筋束不会变得脱轨或纠缠。在一些情况下，最大张力T_MAX和最小张力T_MIN中的仅一个由控制系统450强制执行，而在其他情况下，两者都被强制执行。

当器械400耦合到致动器440、442时，控制系统450可以启动最大张力T_MAX、最小张力T_MIN或最大张力T_MAX和最小张力T_MIN两者的强制执行。特别地，最大张力T_MAX和最小张力T_MIN可以在致动器440、442耦合到传动系统420、422时被强制执行。可以配置器械400，使得在传动系统420、422上没有任何外力的情况下传动系统420、422的筋束松弛。就此而言，当传动系统420、422的筋束从致动器440、442解耦时，筋束可以松弛。当传动系统420、422耦合到致动器440、442时，可能检测到传动系统420、422中的在最小张力T_MIN以下的张力，从而使控制系统450强制执行最小张力T_MIN并以使得张力T等于或大于最小张力T_MIN的方式操作致动器440、442。可以施加张力T以强制执行最小张力T_MIN并获得期望的位置θ_D和/或期望的速度

在一些情况下，通过在后端机构中采用适当的设计而不是在软件中进行设置，顺应性传动系统本身可能具有最小或最大张力。例如，图3A中所示的传动系统具有最小张力T_MIN，该最小张力T_MIN在马达/致动器342或344惯性滑行时由预加载系统333或335的设置控制，并且该传动系统具有当耦合马达342或344的扭矩超过筋束322或324在绞盘332或334上滑动时的点引起的滑动产生的最大张力T_MAX。

图5A的步骤565生成使致动器440施加在步骤560中计算出的张力T的控制信号。例如，当致动器440是直接驱动电动马达时的控制信号可以是被控制成与计算出的张力T成比例的驱动电流。控制系统450在步骤570中使致动器440在一段时间间隔Δt内施加并保持计算出的张力T，在此期间，关节410朝当前期望位置θ_D移动。当改变张力T时，全张力T的施加将延迟一段时间，该时间取决于致动器440的惯性。优选地，致动器440的惯性相对较小以快速响应。例如，用作致动器440的驱动马达的惯性将优选小于关节410的惯性的五倍。在时间Δt之后，过程500分支回到步骤510，以重复测量关节位置，获取目标位置和速度以及计算要在下个时间间隔期间施加的张力T。通常，时间Δt应该足够小，以提供对器械操作者来说显得平滑的运动，并且该运动不会在器械中引起不希望的振动。例如，每秒250次或更多地计算和设置张力T，将提供对人眼看似平滑的移动，并且将提供响应于人类命令(例如，对控制器460的人工操纵)的器械操作。张力T的计算中的误差的使用通常会导致关节410收敛在期望位置上，无论是否计算积分张力T_INT并且无需对器械或外部环境进行详细建模或测量。然而，如上所述，在计算施加的张力T中使用的参数(诸如增益g₁和g₂)可以针对特定器械进行调谐，并在使用中进行进一步调谐以补偿器械的外部环境的变化。

还可以使用图5A的控制过程500来控制致动器442施加到传动系统422的张力，并且基于与致动器440和传动系统420相比时的致动器442和传动系统422的相似性和差异，在过程500中用于致动器442和传动系统422的参数可以与用于致动器440和传动系统420的参数可以相同或不同。特别地，在图4的配置中的致动器442的符号值T_sign将与致动器440的符号值T_sign相反，因为传动系统422和420在相反方向上连接到旋转关节410。因此，对于一个致动器440或442，在步骤525中计算的主要张力贡献T_DIST通常为负。计算施加的张力T的步骤560可以将负张力总和T_DIST+T_PROX+T_PAIR+T_INT设置为如图5D所示的最小张力T_MIN。因此，通常可以基于另一致动器将施加最小张力T_MIN的假设来选择步骤525中的远侧张力T_DIST的计算。

上述用于控制医疗器械中的单个关节的原理也可以用于同时控制器械中的多个关节。图6示意性地示出了多关节医疗器械600以及在器械600的控制过程中使用的一些量。器械600包括L个关节610-1至610-L，在本文中统称为关节610。如下面进一步所述，每个关节610提供相邻机械构件的相对位置或取向的范围，并通常具有一个或两个运动自由度。器械600的关节610提供总共N个自由度，其中自由度的数量N大于或等于关节610的数量L，并且可以使用N分量或向量θ描述关节610的自由度的配置。N分量速度向量

与向量θ相关联。使关节610-1至610-L移动的扭矩τ₁至τ_N分别与向量θ的N分量相对应，因为扭矩τ₁至τ_N趋向于引起向量θ的相应分量改变。

使用M个传动系统620-1至620-M(在本文中统称为传动系统620)和M个致动器640-1至640-M(在本文中统称为致动器640)致动关节610。传动系统620和致动器640可以与上面参考图4描述的传动系统420和致动器440类似或相同。通常，传动系统620和致动器640的数量M大于自由度的数量N，但是M和N之间的关系取决于具体的医疗器械和器械中的关节的力学。例如，可以使用两个传动系统620来致动提供单个运动自由度的关节610，并且可以使用三个或四个传动系统620来致动提供两个自由度的关节610。自由度和致动传动系统之间的其他关系是可能的。控制系统650操作致动器640-1至640-M以选择致动器640-1至640-M分别施加到传动系统620-1至620-M的相应张力T₁至T_M。

器械600的控制系统650可以使用代表位置向量θ和速度向量

的一个或多个测量值，以确定位置向量θ和速度向量/>

例如估计位置向量θ和速度向量/>

在一些情况下，器械600的控制系统650可以使用一个或多个传感器来确定与关节610相关联的位置向量θ和速度向量/>

一个或多个传感器可以包括远侧传感器(未示出)以确定与关节610相关联的位置向量θ和速度向量/>

(位置和速度在这里用于包括线性坐标或角坐标的值和移动。)可替代地，控制系统650可以使用与致动器640相关联的一个或多个近侧传感器来确定位置向量θ和速度向量/>

每个致动器640可以包括对应的近侧传感器以生成指示位置向量θ和速度向量/>

的测量值。近侧传感器可以包括例如要与致动器640耦合的编码器、转速计和其他合适的传感器。在一些情况下，近侧传感器是器械600的传感器。可替代地，近侧传感器与致动器640相关联。

控制系统650还确定关节610的期望配置。期望配置可以指示关节610的期望位置向量θ_D和速度向量

如下文进一步描述的，期望位置向量θ_D和速度向量/>

取决于来自可由外科医生使用器械600操纵的手动控制器660的输入。通常，期望位置向量θ_D和速度向量

将进一步取决于标准或约束，例如，指示传动系统620中的最小张力的一组值，指示传动系统620中的最大张力的一组值，等等，这些值在使用控制系统650实施的控制过程中定义。

图7示出了根据本发明的一个实施例的用于控制诸如图6的器械600的多关节器械的控制过程700。过程700通过从一个或多个传感器(例如，与器械相关联或与致动器640耦合)确定关节位置向量θ而在步骤710中开始。例如，还可以使用关节移动的直接测量或通过计算两次之间的位置测量量的变化来确定速度向量

在一些示例中，致动器640的位置可以被认为机械地耦合到关节610的位置。在步骤710中，可以基于具有与致动器640的各个位置对应的元素的致动器位置向量θ_A来确定位置向量θ。使用方程2确定针对从1到N的索引i的每个位置分量θ_i，该方程2定义了方程组，该方程组定义了致动器位置和关节位置之间的关系。在方程2中，在铰接关节610的M个致动器640中，θ₁至θ_N分别是关节610的位置向量θ的分量，并且θ_A1至θ_AM分别是位置向量θ_A的分量。针对索引I＝1到N和索引J＝1到M的每个系数b_IJ通常对应于致动器J和关节I之间的耦合常数。例如，对于给定的I和给定的J，b_IJ的单位耦合常数指示关节I的位置被视为与致动器J的位置成正比。具有分量b_IJ的矩阵可以被称为耦合矩阵C。

方程2：

控制系统650在步骤715中接收外科医生的指令。外科医生的指令可以指示器械的期望配置，例如，指定器械的特定工作部分的位置和速度。例如，外科医生通过操纵手动控制660可以指示器械的远侧尖端或末端执行器的期望位置、速度、取向和旋转，诸如在标题为“Aspects of a Control System of a Minimally Invasive Surgical Apparatus”的美国专利号6,493,608中所述，其通过引用并入本文。

然后，步骤720将来自手动控制器660的指令转换成关节610的期望位置向量θ_D和速度向量

例如，在给定图6的器械600的远侧尖端的期望位置、取向、速度和角速度的情况下，控制系统650可以计算期望的关节位置向量θ_D和速度向量/>

其将实现期望的尖端配置。转换步骤720可以通过众所周知的技术来实现，诸如“Modeling and Control of RobotManipulators”，L.Sciavicco和B.Siciliano，Springer，2000年，第104-106页以及“Springer Handbook of Robotics”，Bruno Siciliano和OussamaKhatib，Springer，2008年，第27-29页所述的差分运动倒置，这些文献通过引用并入本文。标题为“Aspects of aControl System of a Minimally Invasive Surgical Apparatus”的上文引用的美国专利号6,493,608也描述了用于确定期望关节位置向量θ_D和速度向量/>

并且将实现期望的尖端配置的技术。应当注意，对于具有运动学冗余的器械，也就是说，如果由关节610提供的运动自由度的数量大于由手动控制器660指定的运动命令的自由度的数量，则可以使用诸如在Yoshihiko Nakamura，“Advanced Robotics：Redundancy and Optimization”，Addison-Wesley(1991)中描述的标准技术来解决冗余问题。

还应该理解的是，当针对器械的期望命令求解逆运动学问题时，也可以在器械的关节之间强制实施软件强制约束，例如，可以强制将两个关节的关节位置和速度命令设为相同或相反或具有给定的比例，以有效地在关节之间实现虚拟凸轮机构。软件强制约束可以包括器械的传动系统中的软件强制最小张力、器械的传动系统中的最大张力等。可以在外科手术过程期间动态地强制实行软件强制约束。随着期望位置、期望速度、测量位置和测量速度变化，软件强制约束可以变化。

步骤725计算位置误差向量(θ_D-θ)和速度误差向量

并且步骤730使用误差向量(θ_D-θ)和/>

的分量来计算相应的扭矩分量τ₁至τ_N。在一个特定实施例中，使用方程3确定针对从i至N的索引i的每个扭矩分量τ_i。在方程3中，g1_i和g2_i是增益因子，并且C_i是常数或与几何相关参数，其可以根据系统的其他部分施加到关节的已知力或建模力进行选择。然而，参数C_i不需要严格地是常数，而是可以包括非常数项，其补偿可以有效建模的诸如重力或机构刚度之类的属性，并且因此C_i可以取决于扭矩τ_i作用于其上的关节610-i的测量位置或速度。通常，可以根据关节的期望刚度、阻尼或响应性或根据误差累积来选择增益因子g1_i和g2_i以及常数C_i。例如，当将器械600被插入患者体内的自然管腔中时，可以将增益因子g1_i设置为低值，以使关节动作平缓并防止关节动作伤害周围组织。在插入后，可以将增益因子g1_i设置为更高值，其允许外科医生用该器械执行精确的外科手术任务。在确定扭矩时可以采用其他方程或对方程3的修正。例如，计算出的扭矩可以包括与关节位置的当前测量值和期望关节位置之间的差的饱和积分成正比的校正，以前施加的扭矩旨在实现该期望关节位置。使用饱和积分进行的此校正可以确定为如上文针对图5A的单关节控制过程所述，并且具体地由图5A的步骤530和535示出。

方程3：

步骤735使用在步骤730中计算出的扭矩来确定远侧张力T_DIST。远侧张力T_DIST是与传动系统620-1至620-M和致动器640-1至640-M对应的M分量向量。远侧张力的确定取决于器械关节和传动系统之间的几何形状或力学原理。特别是在多个关节的情况下，每个关节不仅会受到附接到关节的传动系统直接施加的力的影响，还会受到连接到更接近器械远侧的关节的传动系统的影响。医疗器械中的扭矩和张力通常可以使用方程4形式的方程来建模。在方程4中，τ₁至τ_N是扭矩向量的分量，而T₁至T_M分别是与关节610铰接的M个传动系统620中的远侧张力。针对索引I＝1至N和索引J＝1至M的每个系数a_IJ通常对应于针对与扭矩τ_I对应的关节和旋转轴线的张力T_J的有效力矩臂。

方程4：

因此，步骤735中的计算对应于求解M个变量T₁至T_M的N个方程。由于M通常大于N，所以解不是唯一的，因此可以选择不等式约束，诸如所有张力均大于一组最小值的约束条件，并且最佳条件(诸如选择一组最低最大值的张力的条件)可以应用于提供具有期望特性(诸如在所有或所选关节中始终保持在期望阈值以上的最小张力)的唯一解。方程4的具有不等式和最优约束(诸如最小张力约束)的矩阵逆问题可以通过一些众所周知的技术来解决，诸如线性规划的SIMPLEX方法。(例如，参见“Linear Programming 1：Introduction”，GeorgeB.Dantzig和Mukund N.Thapa，Springer-Verlag，1997，通过引用将其全部内容并入本文。)根据本发明的另一方面，可以使用以下过程确定远侧张力：顺序评估从最远侧关节开始的关节，并基于几何参数和先前为更多远侧关节计算出的张力来求解连接到每个关节的传动系统中的张力。

在一些情况下，要施加的远侧张力T₁至T_M与要由致动器640施加的致动器扭矩τ_A1至τ_AN成正比。就此而言，在一些情况下，在步骤735处，确定致动器扭矩τ_A1至τ_AN。在方程5(τ_A＝Dτ)中，针对索引I＝1至N和索引J＝1至M的耦合矩阵D的每个系数d_JI通常对应于关节I和致动器J之间的扭矩耦合。如果关节610的位置向量θ是基于方程2确定的，则可以基于耦合矩阵C确定要由致动器640施加的扭矩τ₁至τ_N(由扭矩向量τ表示)和扭矩τ_A1至τ_AM(由扭矩向量τ_A表示)之间的关系。与扭矩向量τ和扭矩向量τ_A相关的耦合矩阵D可以等于耦合矩阵C的转置。利用方程5，在步骤735处，可以在给定关节扭矩τ₁至τ_N的情况下确定要施加到致动器640的扭矩τ_A1至τ_AM，例如使用方程3计算。

方程5：

过程700的一个实施例中的控制系统650激活致动器640。如关于步骤735所述，可以确定要施加到传动系统620的远侧张力或要施加到致动器640的扭矩。致动器640可以被激活以将在步骤735中计算的远侧张力或扭矩施加到相应的传动系统620。

可替代地，可以如步骤740和745所示来确定对远侧张力的校正。特别地，步骤740计算校正张力T_PROX，其取决于基于期望关节速度

计算的期望传动速度向量/>

与基于当前致动器速度/>

计算的当前传动速度向量/>

之间的差异。在一个特定实施例中，期望传动速度可以是方程4中的耦合矩阵A的转置与期望关节速度/>

的乘积，而当前传动速度可以是致动器速度/>

和致动器640的相应力矩臂的乘积。校正张力T_PROX可以补偿致动器640和连接的关节610之间的惯性或其他作用，并且在一个实施例中是差/>

的函数，诸如差

与增益因子的乘积。步骤745计算校正张力T_PAIR，其取决于致动同一关节的致动器的速度之间的一个或多个差。例如，在关节提供一个运动自由度并由通过一对传动系统连接到关节的一对致动器致动的情况下，可以根据两个致动器的速度之间的差来确定校正张力T_PAIR。(参见如上所述例如图5A的步骤550。)与校正张力T_PAIR类似的校正可以被推广到其中三个或更多个传动系统和致动器致动具有两个运动自由度的关节的情况。

步骤750组合远侧张力T_DIST和任何校正T_PROX或T_PAIR来确定由致动器施加的组合张力T。通常，如果计算的远侧张力T_DIST与校正T_PROX和T_PAIR之和大于或小于所期望的最大值或最小值(如上参考图5D所述)，则可以限制组合张力T的每个分量T₁至T_M在最大张力T_MAX或最小张力T_MIN下饱和。结果，所有张力T₁至T_M不小于张力T_MIN或不大于最大张力T_MAX。然后，在过程700返回到步骤710并读取新的关节位置之前，步骤755和760激活致动器640以在时间间隔Δt内施加并保持组合的张力T。在大约4ms或更短的间隔内(其对应于250Hz或更高的频率)保持张力可以为医疗过程提供器械的平稳移动。在一些实施方式中，时间间隔Δt为0.1ms至4ms，例如，0.1ms至1ms、1ms至2ms、2ms至3ms、或3ms至4ms。

医疗器械通常要求器械的工作尖端或末端执行器具有操作者诸如外科医生可控制的位置和取向。另一方面，每个关节的特定位置和取向通常对于正在执行的过程不是至关重要的，除非器械延伸穿过的管腔要求关节位置或取向。

根据本发明的一个方面，一种用于控制多关节器械的方法是使用器械末端部分(例如，诸如末端执行器、尖端或其他可移动装置)的当前配置和期望配置之间的差异来选择通过筋束施加的张力。例如，器械末端部分的测量位置、取向、速度和角速度与器械末端部分的期望位置、取向、速度和角速度之间的差异可以控制施加到医疗器械的筋束的张力。图7B示出了根据本发明的一个实施例的控制过程700B。

过程700B采用与过程700相同的步骤中的一些，并且这些步骤在图7A和图7B中具有相同的附图标记。过程700B在步骤710中例如从一个或多个传感器确定关节位置θ和关节速度

如本文所描述，一个或多个传感器可以包括远侧传感器或近侧传感器。在步骤712中，过程700B读取或确定器械的尖端的位置、取向、速度和角速度。此处的尖端指的是器械中的特定机械结构，并且可以是器械的远端上的末端执行器，诸如镊子、剪刀、手术刀或烧灼装置。在一些示例中，器械的末端部分包括尖端。通常，尖端具有六个运动自由度，并具有可由六个分量值定义的配置，例如，尖端上的特定点的三个笛卡尔坐标和指示尖端的俯仰、侧倾和偏航的三个角度。与配置坐标随时间变化相关联的速度可以被直接测量或使用不同时间处的测量值来计算。考虑到关节位置θ和速度/>

以及对器械600的运动学模型的先验知识，可以同时建立正向和差分运动学模型，其允许计算尖端相对于器械600的参考系的笛卡尔位置、取向、平移速度和角速度。运动链的正向和差分运动学模型可以容易地根据已知方法来构造。例如，可以使用John J.Craig，“Introduction to Robotics：Mechanics andControl”，Pearson Education Ltd.(2004)描述的过程，该文献通过引用并入本文。步骤715确定期望的尖端位置、取向、平移速度和角速度，其可以以上述方式执行。可以使用运动学模型来计算期望的尖端位置、取向、平移速度和角速度，该运动学模型类似于本文关于计算器械600的配置所描述的那些。

在另一实施例中，可以使用传感器(例如，形状传感器)来直接测量笛卡尔位置和取向，如Giuseppe M.Prisco的标题为“Fiber optic shape sensor”的美国专利申请公布号20090324161中所述，其通过引用并入本文。与配置坐标随时间的变化相关联的平移速度可以使用在不同时间处的测量值来计算。与平移速度不同，由于量的角度性质，不能简单地通过微分方法来计算角速度。然而，计算与取向变化相关的角速度的方法是本领域已知的，并且例如由L.Sciavicco和B.Siciliano，“Modelling and Control of RobotManipulators”，Springer 2000，第109-111页描述。

过程700B在步骤722中计算尖端误差。尖端误差指示尖端的当前配置与尖端的期望配置之间的差异。在一个实施例中，步骤722包括计算尖端的期望笛卡尔坐标与尖端的当前笛卡尔坐标之间的位置误差或差异e_POS、尖端的期望平移速度与尖端的当前平移速度之间的平移速度误差或e_VT、尖端的期望取向坐标与尖端的当前取向坐标之间的取向误差或差异e_ORI，以及尖端的期望角速度和尖端的当前角速度之间的角速度误差或差异e_VA。与位置误差e_POS不同，由于量的角度性质，不能简单地通过微分方法来计算取向误差e_ORI。然而，计算取向变化的方法在本领域中是已知的，并且可以在机器人技术文献中找到，例如L.Sciavicco和B.Siciliano，“Modelling and Control of Robot Manipulators”，Springer，2000年，第109-111页。

在步骤724中，过程700B确定旨在将尖端从当前配置移动到期望配置的尖端力F_TIP和尖端扭矩τ_TIP。在本发明的该实施例中，尖端力F_TIP取决于误差e_POS和e_VT。例如，可以使用方程6计算尖端力F_TIP的每个分量F_X、F_Y或F_Z，其中g_pi和g_vi是增益因子并且C_fi是常数。尖端扭矩τ_TIP可以以类似的方式确定，其中尖端扭矩τ_i的每个分量为误差e_ORI和e_VA与另一组增益因子和常数g_orii、g_vai和C_τi的函数，如方程7所示。通常，与不同力或扭矩分量F_i和τ_i相关联的增益因子g_pi和g_vi可以不同。尖端力F_TIP和尖端扭矩τ_i的每个分量具有独立的增益因子和常数在指定末端执行器或器械尖端的动态行为方面提供了灵活性，从而增强了器械与组织的有效相互作用。例如，当将器械导航到小管腔时，可以将垂直于插入方向的尖端力的增益因子设置为低值，而沿插入方向的增益因子设置为高值。这样一来，该器械对于插入具有足够的刚度，同时对组织的侧向阻力低，从而防止了对周围组织的损害。另一个示例，当使用器械沿一定方向在组织中打孔时，使尖端扭矩的增益因子以及沿尖端力插入方向的增益因子的值为高，这将有助于打孔任务。

方程6：F_igp_i*e_POS+gv_i*e_VT+Cf_i

方程7：τ_i＝gori_i*e_ORI+gva_i*e_VA+Cτ_i

步骤732确定将提供在步骤724中确定的尖端力F_TIP和尖端扭矩τ_TIP的一组关节扭矩。关节扭矩向量τ、尖端力F_TIP和尖端扭矩τ_TIP之间的关系是有据可查的，并且通常如方程8所述，其中J^T是器械的运动链的众所周知的雅可比矩阵J的转置。

方程8：

雅可比矩阵J取决于器械的几何形状以及在步骤710中确定的当前关节位置，并且可以使用已知方法进行构造。例如，John J.Craig，“Introduction to Robotics：Mechanics and Control”，Pearson Education Ltd.(2004)(其通过引用并入本文)描述了可用于构造机器人机构的雅可比矩阵的技术。在一些情况下，如果在医疗器械中提供了额外或冗余的运动自由度(例如，多于尖端的六个运动自由度)，则提供尖端力F_TIP和尖端扭矩τ_TIP的一组关节扭矩不是唯一的，并且可以使用约束条件来选择一组具有期望属性的关节扭矩，例如，选择一组关节扭矩，其防止关节在运动范围或支撑负载范围内达到其机械关节极限，或在操作过程中对器械的任何特定关节施加额外的效用。例如，可以通过选择最小化与雅可比矩阵J^T转置相关的零距离与中程关节位置的偏差的一组关节扭矩来防止关节达到其机械关节极限。该组关节扭矩可以根据方程9进行选择。在方程9中，P(θ)是定义将由解提供的加法工具的势函数，

是梯度算子，N()是零空间投影算子，它可以从雅可比矩阵的转置J^T的零空间中选择一组关节扭矩(与其输入相关联)。在一个实施例中，当关节位于其运动范围的中心时，关节位置的二次函数势能P(θ)最小。势函数的梯度/>

选择一组关节扭矩，使关节朝其运动范围的中心移动，而零空间投影算子N()强制执行所选择的提供所期望的尖端力和尖端扭矩的一组关节扭矩也满足附加效用。在提供冗余运动自由度的机器人系统中使用约束的技术在本领域中是已知的，并且可以在机器人技术文献中找到。例如，参见Yoshihiko Nakamura，“Advanced Robotics：Redundancy and Optimization”，Addison-Wesley(1991)和Oussama Khatib，“Operational Space Framework”，JSMEInternational Journal，第36卷，第3号，1993。

方程9：

步骤732之后的过程700B以与上述过程700相同的方式进行。特别地，基于在步骤732中确定的关节扭矩，步骤735确定张力T_DIST。步骤740和745确定对张力T_DIST的校正T_PROX和T_PAIR，并且步骤750确定组合的张力向量T。然后，步骤755和760将组合的张力向量T的分量施加并保持在传动系统上，以在时间间隔Δt期间致动医疗器械。

图7A和图7B的过程700和700B需要确定将产生一组特定关节扭矩的张力。用于单个隔离关节的筋束张力可以简单地通过将关节扭矩除以施加张力处的力矩臂而根据关节扭矩来确定。在多关节的情况下，由于传动系统的几何形状以及致动线缆中的线缆布线和冗余性，问题在于求解具有约束的方程组。在一个特定实施例中，在求解方程组时可以施加非负的筋束张力约束(或最小张力约束)，以防止传输系统中的线缆或其他筋束松弛。问题的输入是所确定的每个关节的关节扭矩，而线缆布线的几何形状则定义了方程组(或方程4的耦合矩阵A)。需要适当的筋束张力才能满足方程4且大于最小张力约束。

在一些示例中，可以使用称为SIMPLEX方法的标准优化方法来处理具有不等式和最优性约束的该矩阵逆问题。SIMPLEX方法可能需要相对较长的计算时间并可能不利于实时应用。此外，SIMPLEX方法不能保证在关节扭矩变化时解的连续性。为了加快计算效率并提供连续输出解，可以考虑依赖耦合矩阵A的三角性质的迭代方法。图8A、图8B、图8C、图9A、图9B、图9C、图9D和图9E示出了多关节器械中的关节的几个特定示例，并在本文中用于说明方程4中的耦合矩阵A的一些属性。

使用本文描述的优化方法可以强制执行各种约束。如果致动器的数量M大于关节的数量N，则可以利用器械600的冗余自由度中的一个来强制执行最小张力T_MIN。在一些示例中，可以强制执行最小张力T_MIN，以使得每个传动系统620中的张力大于或等于最小张力T_MIN。可以选择要施加的扭矩τ_A1至τ_AM以在每个传动系统620中强制执行最小张力T_MIN。就此而言，致动器扭矩τ_A1至τ_AM均可以被一定量的张力偏置以实现高于最小张力T_MIN的此类张力。致动器640可以被控制为基于位置和速度误差两者并且基于偏移张力而将张力施加到传动系统620，该偏移张力使施加的张力不小于最小张力T_MIN。这可以例如在外科手术过程期间抑制传动系统620中的松弛，从而改善器械600的响应性。

在一些示例中，由独立于关节610的位置的参数来提供偏移张力，使得参数的变化不影响关节610上的净扭矩，并因此不影响关节610的定位。该参数取决于关节610的位置。结果，致动器640可以被驱动以保持参数的特定值或参数的特定值范围而不会影响关节扭矩。如果基于所确定的扭矩τ_A1至τ_AM来控制致动器640，则可以选择偏置参数τ_BIAS以偏移由致动器640施加的扭矩，从而偏移施加到传动系统620的张力。偏置参数τ_BIAS因此提供了施加到传动系统620的偏移张力。在缺乏偏置参数τ_BIAS(例如，当偏置参数τ_BIAS等于零时)的情况下，施加到传动系统620的所得基线张力仅基于关节610的位置误差，而不基于偏移张力或其他基于约束的张力。在偏置参数τ_BIAS为非零值的情况下，施加到传动系统620的所得张力基于关节610的位置误差并且基于偏移张力。

选定的偏置参数τ_BIAS可以为张力T₁至T_M中的每一个提供对应的偏移张力。例如，在一些情况下，多个偏移张力彼此相等。可替代地或附加地，多个偏移张力彼此不同。在一些情况下，所有偏移张力彼此相等，并且在其他情况下，所有偏移张力彼此不相等。

举例来说，偏置参数τ_BIAS可以形成方程组的一部分以提供偏移张力。该方程组(包括与关节位置和致动器位置有关的方程)被扩展以包括附加方程，该附加方程用作对传动系统620的张力T₁至T_M的约束。该附加方程提供了偏移张力，其将施加的张力T₁至T_M偏置为不小于最小张力T_MIN。例如，该附加方程由表示张力自由度的θ_T(在下面的方程2A中)与致动器位置θ_A1至θ_AM之间的关系来定义。尽管θ₁至θ_N对应于关节610的物理位置，但是θ_T不对应于关节的物理位置，而是对应于张力自由度θ_T，其可调节以引起传动系统620中的对应张力。方程2A(θ＝Cθ_A)对应于由可用于强制执行最小张力T_MIN的附加方程扩展的方程2，如由系数b_T1至b_TM和变量θ_T表示。矩阵C对应于方程2的完整矩阵，其具有张力自由度θ_T的附加系数b_T1至b_TM。选择矩阵C的分量，使得至少一个列与其他列线性独立，例如，对应于张力自由度θ_T的列。这种线性独立性可以确保最小张力约束的强制执行不会引起关节位置或施加到关节的净扭矩的对应变化。例如，线性独立性确保响应于张力自由度θ_T的变化而位置θ₁至θ_N保持不变。

方程2A：

待施加的致动器扭矩τ_A1至τ_AM与关节扭矩τ₁至τ_N之间的关系可以由方程5A表示。如上所述，可以通过采用方程2A的耦合矩阵C的转置来确定具有针对索引I＝1至N并且针对索引J＝1至M的系数d₁₁至d_MN的矩阵D。可以选择偏置参数τ_BIAS以提供偏移张力，该偏移张力使得要施加的致动器扭矩τ_A1至τ_AM中的每一个都大于最小扭矩τ_MIN(例如，对应于最小张力T_MIN)。

如方程5A所示，施加的致动器扭矩τ_A1至τ_AM可以等于基线扭矩和偏置扭矩之和。基线扭矩对应于在没有最小张力约束的情况下要施加到致动器640的扭矩。基线扭矩和所施加的致动器扭矩τ_A1至τ_AM两者都引起施加到传动系统620的张力，这些张力减小了当前配置与期望配置之间的差异。换句话说，基线扭矩和致动器扭矩τ_A1至τ_AM在施加时在关节610处生成期望的净扭矩。偏置扭矩对应于要施加到致动器640的附加扭矩，以确保致动器扭矩τ_A1至τ_AM均大于最小扭矩τ_MIN。偏置扭矩不会影响当前配置。换句话说，当偏置扭矩施加到传动系统620时，其向传动系统620提供偏移张力并且在关节610处生成零净扭矩。偏置扭矩向传动系统620提供偏移张力，以使得保持由传动系统620经历的张力的平均值。因此，关节610上的净扭矩不受偏移张力影响。

在一些示例中，在使用方程5A时，偏置参数τ_BIAS可以是使得扭矩τ_A1至τ_AM中的每个大于最小扭矩τ_MIN所需要的最小值。在选择偏置参数τ_BIAS的最小值的过程的示例中，对于每个致动器扭矩τ_A1至τ_AM，确定添加到基线扭矩的偏移扭矩。对于每个致动器扭矩τ_A1至τ_AM，确定对应的偏移扭矩，以使致动器扭矩大于最小扭矩τ_MIN。这些附加扭矩中的最大值被用于确定偏置参数τ_BIAS，以使扭矩τ_A1至τ_AM中的每个都大于最小扭矩τ_MIN。这确保了偏置参数τ_BIAS是其最小要求值，以强制执行最小张力和扭矩约束。结果，通过强制执行最小扭矩τ_MIN，扭矩τ_A1至τ_AM中的一个或多个等于最小扭矩τ_MIN，并且扭矩τ_A1至τ_AM的剩余扭矩大于最小扭矩τ_MIN。在一些情况下，扭矩τ_A1至τ_AM中的多个扭矩等于最小扭矩τ_MIN。特别地，选择扭矩τ_A1至τ_AM以抑制所有传动系统620中的松弛并且将传动系统620中的张力保持在最小张力T_MIN以上。

方程5A：

在一些实施方式中，由于关节610和致动器640的期望位置和测量位置、速度和/或扭矩中的变化导致达到不小于最小张力T_MIN的张力所需的偏置扭矩变化，因此在外科手术过程中动态地改变偏置参数τ_BIAS。就此而言，偏置参数τ_BIAS可以在每个测量间隔变化。当偏置参数τ_BIAS动态变化时，虽然传动系统620中的张力可以在测量间隔之间变化，但是传动系统620中的张力的平均值(例如，传动系统620中的张力的均值)在不同的测量间隔之间被保持。偏置扭矩向传动系统620提供偏移张力，使得由传动系统620经历的张力的平均值被保持。

通过偏置参数τ_BIAS调节的扭矩τ_A1至τ_AM被施加以在传动系统620中生成对应的张力T₁至T_M。由于偏置参数τ_BIAS的增加，张力T₁至T_M中的每个的值可以增加。结果，使用偏置参数τ_BIAS调节致动器扭矩τ_A1至τ_AM会导致更高的张力T₁至T_M。即使偏置参数τ_BIAS被选择为其最小要求值，偏置参数τ_BIAS也可能由于一个传动系统中的松弛而继续增加，从而引起其他传动系统的张力的高值。例如，为了实现关节610的期望配置，可以将传动系统620中的第一传动系统驱动至较高的张力值，而将传动系统620中的第二传动系统释放至较低的张力值。第二传动系统620中的张力可以减小到在动态地控制偏置参数τ_BIAS的实施方式中增加偏置参数τ_BIAS以将第二传动系统620中的张力保持在最小张力T_MIN以上的程度。结果，由于偏置参数τ_BIAS的增加，第一传动系统620可能经历张力的增加。

在此针对图11描述其中动态改变偏移张力的示例过程1100。此外，在此针对图11的过程1100描述了对传动系统强制执行额定张力而不是最小张力T_MIN的进一步示例。在这些示例中，偏置参数τ_BIAS可以用于强制执行额定张力。

在外科手术的一部分期间或在整个外科手术期间，可以静态地控制偏置参数τ_BIAS，而不是动态地控制偏置参数τ_BIAS，从而即使一个或多个传动系统620中的张力减小到低于最小张力T_MIN的值，也可以将偏置参数τ_BIAS保持在特定的期望值。例如，可以静态地控制偏置参数τ_BIAS以避免传动系统620中的大张力，该大张力可能增加损坏传动系统620的可能性。

静态控制的偏置参数τ_BIAS提供恒定偏移张力，这些恒定偏移张力与传动系统620的当前张力无关，并且也与关节610的当前位置无关。所得的偏移张力可以使传动系统620的张力偏移不同量或相同量。例如，在一些情况下，恒定偏移张力中的两个或更多个彼此相等。在一些情况下，恒定偏移张力中的两个或更多个彼此不同。恒定偏移张力中的一些可以彼此相等，而恒定偏移张力中的一些可以彼此不同。

在此类示例中，不是动态地改变偏置参数τ_BIAS以使得偏置参数τ_BIAS在每个测量间隔变化，而是针对特定的测量间隔选择偏置参数τ_BIAS，并且将选择的偏置参数τ_BIAS应用于一个或多个后续测量间隔。在一个或多个后续测量间隔中，偏置参数τ_BIAS仍设置为在特定测量间隔处选择的初始值。因此即使当前张力T₁至T_M中的一个或多个降到最小张力T_MIN以下，由选择的偏置参数τ_BIAS提供的偏移张力在一个或多个后续测量间隔期间也保持不变。尽管当前张力T₁至T_M可以响应于实现关节610的期望配置而增加或减小，但是强制执行最小张力T_MIN的约束仅引起在特定测量间隔期间而不是在一个或多个后续测量间隔期间改变张力T₁至T_M。

可替代地，为整个外科手术选择并保持偏置参数τ_BIAS。在一些示例中，基于器械600的使用次数来选择偏置参数τ_BIAS。如果器械600是多次使用的器械，则器械600的每次使用可以改变传动系统620的特性。例如，如果器械600包括弹簧或其他机械装置以向传动系统620提供偏移张力，则这些机械装置可以在器械600的多次使用中放松。由偏移参数τ_BIAS提供的软件强制偏移张力可以在每次使用之后响应于硬件强制偏移张力的放松而增加。

在一些示例中，基于医疗操作期间器械600的扭矩范围或医疗操作期间关节610的运动范围来选择偏置参数τ_BIAS。例如，对于较小的扭矩范围或较小的运动范围(例如，小于关节610的整个运动范围的50％、小于40％或小于30％)，可选择偏置参数τ_BIAS以提供较大的恒定偏移张力，从而可以更容易地实现关节610的较小操纵。特别地，更大的恒定偏移张力可以提高传动系统620的响应性，并因此允许由致动器640提供的扭矩更容易地传递至关节610。

在一些实施方式中，并不是对整个外科手术进行静态或动态控制，而是可以以混合方式来控制偏置参数τ_BIAS，其中对于外科手术的一部分静态地控制偏置参数τ_BIAS，并且对于外科手术的另一部分动态地控制偏置参数τ_BIAS。例如，当张力T₁至T_M均小于或等于预定阈值张力时，可以根据本文关于方程5A描述的过程来动态地控制偏置参数τ_BIAS。当张力T₁至T_M中的一个或多个大于或等于预定阈值张力时，可以静态地控制偏置参数τ_BIAS。例如，当张力T₁至T_M中的一个或多个大于或等于预定阈值张力时，将偏置参数τ_BIAS保持在恒定的预定值。在这种情况下，当传动系统620中的张力均小于或等于阈值张力时，偏置参数τ_BIAS是可变的，当传动系统620中的一个或多个中的张力大于或等于阈值张力时，偏置参数τ_BIAS是固定的。特别地，当偏置参数τ_BIAS可变时，偏置参数τ_BIAS根据传动系统620中的张力而变化，并且当偏置参数τ_BIAS固定时，不管传动系统620中的张力值如何，偏置参数τ_BIAS均被固定为预定值。在这种混合方法中，在较低的张力下，偏置参数τ_BIAS的动态控制可以抑制传动系统620中的一个或多个变得松弛。在较高的张力下，偏置参数τ_BIAS的静态控制可以减小张力T₁至T_M增加到可能损坏传动系统620的水平的可能性。

可替代地，当以混合方式控制时，当张力T₁至T_M均大于或等于预定阈值张力时，可以根据本文关于方程5A描述的过程来动态地控制偏置参数τ_BIAS。如本文所述，偏置参数τ_BIAS可以用于强制执行额定张力而不是最小张力T_MIN。例如，额定张力可以是最大张力T_MAX。当张力T₁至T_M中的一个或多个小于或等于预定阈值张力时，可以静态地控制偏置参数τ_BIAS。例如，当张力T₁至T_M中的一个或多个小于或等于阈值张力时，将偏置参数τ_BIAS保持在恒定的预定值。在此类情况下，当传动系统620中的张力均大于或等于阈值张力时，偏置参数τ_BIAS是可变的，当传动系统620中的一个或多个中的张力小于或等于阈值张力时，偏置参数τ_BIAS是固定的。在这种混合方法中，在较高的张力下，偏置参数τ_BIAS的动态控制可以抑制传动系统620中的一个或多个超过某个最大张力T_MAX。在较低的张力下，偏置参数τ_BIAS的静态控制可以通过施加恒定偏移张力来增加传动系统的刚度。

在一些实施方式中，监测用于强制执行最小扭矩τ_MIN、最小张力T_MIN或其他额定张力的参数以进行误差检测。例如，该参数可以对应于偏置常数τ_BIAS或张力自由度θ_T。在监视张力自由度θ_T以进行误差检测的示例中，张力自由度θ_T的变化可以指示与一个或多个传动系统620相关联的一个或多个故障。例如，因为该参数取决于致动器640的位置，但是独立于关节610的位置，如果传动系统620有故障并且没有将力从致动器640传递到关节610，则致动器640的位置可以变化而没有对应的关节610的位置变化。因此，张力自由度θ_T大于或等于预定阈值可以指示与传动系统620相关联的故障。例如，该故障可以对应于一个或多个传动系统620包括断裂的筋束或其他有故障的力传递构件。当传动系统620出现故障时，张力自由度θ_T可以增加到大于或等于预定阈值的值。例如，在使用编码器确定关节610的位置的情况下，不会直接测量关节610的位置，而将致动器640的位置用于确定关节610的位置。结果当传动系统620出现故障时，致动器640被重新定位以驱动传动系统620，即使致动器640的这种重新定位不会引起关节610重新定位。因此，致动器640被重新定位以驱动传动系统620，而不会引起在传动系统620正常运行时预期发生的关节610的位置的对应变化。致动器640继续被驱动以试图实现期望配置，并且由于不能实现期望配置，因此致动器640被驱动以使得张力自由度θ_T继续增加。

响应于张力自由度θ_T大于或等于预定阈值，控制系统650控制用户输出装置(例如，扬声器、显示器、振动装置或可提供听觉、视觉或触觉反馈的其他装置)以生成警报以向操作者提供反馈。另外，控制系统650可以停止驱动致动器640，直到解决了传动系统620的故障。

在一些实施方式中，控制系统650不是响应于张力自由度θ_T的值大于或等于预定阈值而发出警报，而是响应于张力自由度θ_T的变化率大于或等于预定阈值而发出警报。当传动系统620损坏时，该变化率可以迅速增加，因为传动系统620在损坏时不提供致动器640为了重新定位关节610将必须驱动抵顶的阻力。此外，因为关节610不能在致动器640被驱动时实现期望配置，所以控制系统650可以继续驱动致动器640，从而使张力自由度θ_T的值和变化率增大。监视这些值并在它们大于或等于预定值时提供警报可以确保能够检测到与传动系统620相关的故障。

虽然与方程5A相关联的过程基于致动器640的位置和关节610的位置来控制偏置扭矩，但是在一些实施方式中，基于阻尼函数来选择致动器扭矩τ_A1至τ_AM和传动系统张力T₁至T_M。致动器640的当前速度中的一个或多个被确定。基于一个或多个当前速度，阻尼函数被确定。阻尼函数由一个或多个参数(诸如阻尼系数、固有频率或其他可用于对致动器640和关节610的移动提供阻尼作用的适当参数)来定义。选择阻尼函数以抑制致动器640的位置的突然改变，并因此抑制关节610的移动的突然改变。当致动器640以高速操作时，可以引入阻尼函数以减小张力。例如，在致动器640在一个方向上被驱动并且然后在不同方向上被快速驱动或者被驱动以使得传动系统620的刚度被快速减小的情况下，致动器运动的快速变化会导致传动系统620的线缆或筋束松弛。这可能导致线缆或筋束从致动器640松开。可以引入阻尼函数以防止这种情况发生。

例如，图8A示出了包含多个机械关节810、820和830的器械的一部分。每个关节810、820或830提供单个自由度，该自由度对应于围绕关节的轴线z1、z2或z3的旋转。在图8A中，筋束C1和C2连接到关节810以致动关节810。筋束C3和C4穿过关节810并连接到关节820以致动关节820。筋束C5和C6穿过关节810和820并连接到关节830以致动关节830。可以通过诸如图2或图3A所示的顺应性传动系统将筋束C1至C6的近端(未示出)连接至相应的驱动马达或其他致动器。器械的控制系统控制致动器以在筋束C1、C2、C3、C4、C5和C6中施加相应的张力T1、T2、T3、T4、T5和T6。

在所示的实施例中，关节830位于器械的远端处，并且可以使用诸如上文参考图5A、图5B、图5C和图5D所述的单关节过程来控制关节830的致动。然而，关节820上的总扭矩不仅取决于线缆C3和C4中的张力，还取决于由连接到关节830的筋束C5和C6施加的扭矩。类似地，关节810上的总扭矩不仅取决于筋束C1和C2中的张力，还取决于由连接到更靠近远端的关节820和830的筋束C3、C4、C5和C6施加的扭矩。可以开发基于器械的几何或运动学特性的模型来将关节810、820和830上的扭矩τ1、τ2和τ3与筋束中的张力T1、T2、T3、T4、T5和T6相关联。方程4A示出了一个此类数学模型，并提供了上面方程4的特定示例。在方程4A中，τ₁、τ₂和τ₃是关节810、820和830上的相应致动扭矩，r1、r2和r3是筋束C1、C3和C5附接的有效力矩臂，并且T1、T2、T3、T4、T5和T6是相应筋束C1、C2、C3、C4、C5和C6中的张力。引出方程4A的模型应用于包括关节810、820和830的器械的一组特定几何或机械特性，包括：旋转轴线z1、z2和z3平行并且位于同一平面中；筋束C1和C2、C3和C4或C5和C6分别附接在有效力矩臂r1、r2或r3处；并且筋束C1、C3和C5分别在与筋束C2、C4和C6的操作相反的旋转方向上在相应关节810、820和830上操作。

方程4A：

图8B和图8C示出了医疗器械的特性，该医疗器械包括具有彼此垂直的相应旋转轴线z1和z2的关节810和820。通常，每个关节810和820处的净扭矩取决于穿过关节到远端的筋束中的张力以及相对于关节的致动轴线与筋束相关联的有效力矩臂。图8C示出了关节810的底视图以说明典型示例，其中每个筋束C1、C2、C3和C4在不同力矩臂处绕轴线z1和z2进行操作。将关节810和820视为隔离系统或器械远端上的最后两个致动关节，关节810和820上的净扭矩τ₁和τ₂与相应的筋束C1、C2、C3和C4中的张力T1、T2、T3和T4有关，如方程4B所指示。特别地，关节820承受净扭矩τ₂，该净扭矩τ₂取决于筋束C3中的张力T3和相对于轴线z2的力矩臂a32(在该力矩臂a32处筋束C3附接到关节820)，并且取决于筋束C4中的张力T4和相对于轴线z2的力矩臂a42(在该力矩臂a42处筋束C4附接到关节820)。关节810上的扭矩τ₁取决于附接到关节810的筋束C1和C2中的张力T1和T2、附接到关节820的筋束C3和C4中的张力T3和T4，以及力矩臂a11、a21、a31和a41。力矩臂a21和a41被分配负号，因为牵拉筋束C2和C4在与关节810上的扭矩τ₁的约定定义的正方向相反的方向上产生了旋转。出于相同的原因，力矩臂a31也被分配负号，因为牵拉筋束C3引起了与关节820的正向旋转方向相反的旋转。

方程4B：

应当理解的是，当关节轴线彼此既不平行也不垂直，而是处于任意相对取向时，可以采用类似的方法来计算方程4中的矩阵A，方法是相应地计算每个筋束相对于每个关节轴线的力矩臂。

图9A示出了器械的一部分900，该器械包括连续柔性关节910，诸如在医疗导管、用于胃肠道、结肠和支气管的内窥镜、导丝以及一些其他内窥镜器械(诸如用于组织取样的抓紧器和针头)中常见的柔性关节910。关节910类似于上面参考图3B所描述的柔性结构。然而，通过使用三个或更多个筋束920操纵关节910，以提供具有两个运动自由度的关节。例如，图9B示出了一个实施例的底视图，其中在图9B中标记为c1、c2、c3和c4的四个筋束920连接至柔性关节910的末端。筋束c1和c2中的张力差可以在第一方向上转动关节910，例如引起绕X轴的旋转，并且筋束c3和c4中的张力差可以在正交于第一方向的第二方向上转动关节910，例如引起绕Y轴的旋转。趋向于使关节910弯曲的净扭矩的分量τ_X和τ_Y可以分别根据方程4C中指示的筋束c1、c2、c3和c4中的张力T1、T2、T3和T4确定。如从方程4C可见，扭矩分量τ_X和τ_Y的方程没有耦合，因为分量τ_X仅取决于张力T1和T2并且分量τ_Y仅取决于张力T3和T4。

方程4C：

图9C示出了使用三个筋束920(在图9C中被标记为c1、c2和c3)来致动关节910的实施例的底视图。在这种配置下，趋向于使关节910弯曲的净扭矩的分量τ_X和τ_Y可以分别根据筋束c1、c2和c3中的张力T1、T2和T3来确定，如方程4D所指示，其中ra是绕X轴的筋束c1的力矩臂，-rb是绕X轴的筋束c2和c3的力矩臂，并且rc和-rc是绕Y轴的筋束c2和c3的相应力矩臂。按惯例，绕X轴的c2和c3筋束的力矩臂被分配负号，因为牵拉筋束c2和c3将使关节910在与拉动筋束c1使关节910绕X轴弯曲的方向相反的方向上弯曲。出于同样的原因，筋束c3的绕Y轴的力矩臂按惯例被分配负号。

方程4D：

图9D示出了一个实施例，其中柔性器械950(例如，柔性导管)包含两个关节。通过筋束920致动关节910以提供两个运动自由度，并且通过筋束930致动关节940以提供另外两个运动自由度。图9E示出了在特定情况下的关节940的基部，其使用三个筋束920(在图9E中标记为c1、c2和c3)用于关节910，并且使用三个筋束930(在图9E中标记为c4、c5和c6)用于关节940。可以使用上面的方程4D对最远侧关节910中的扭矩和力之间的关系进行建模。但是，关节940中的扭矩取决于穿过关节940的所有筋束920和930中的张力。在该示例中，关节940是使用柔性节段实现的。因此，在一个特定的示例中，如方程4E所示，器械950中的扭矩和张力可能相关。在方程4E中，τ1_X和τ1_Y是关节910中的扭矩分量，并且τ2_X和τ2_Y是关节940中的扭矩分量，ra、rb和rc是力矩臂的量值，T1、T2和T3是筋束920中的张力，并且T4、T5和T6是筋束930中的张力。

方程4E：

方程4A至4E示出了在许多医疗器械中可以独立于系统中的其他张力来解决寻找在最远侧关节中提供特定扭矩的张力的问题。更具体地，每个关节的关节扭矩取决于连接到该关节的筋束中的张力以及施加到更远侧关节的张力。因此，可以使用以下过程来执行图7A和图7B的过程700和700B的步骤735：从器械的远端朝向器械的近端按顺序迭代地分析关节，以确定产生一组给定关节扭矩的一组张力。

图10示出了一个实施例，其中器械1000包括三个关节1010-1、1010-2、1010-3(统称为关节1010)。每个关节1010通过四个筋束1020-1、1020-2、1020-3、1020-4(统称为筋束1020)来致动以提供运动自由度。将致动器1040-1、1040-2、1040-3、1040-4(统称为致动器1040)耦合到筋束1020使得施加到致动器1040的扭矩τA1和τA4通过筋束1020向远侧传输到关节1010。扭矩τA1至τA4在筋束1020中生成张力T₁至T₄。每个关节1010耦合到筋束1020中的每一个，使得在任何一根筋束1020由对应的致动器1040致动时，每个关节1010的位置被调节。扭矩τ₁至τ₃可以对应于俯仰扭矩、偏航扭矩和抓握扭矩。俯仰扭矩在图10中被描绘为生成垂直于偏航扭矩的运动平面的运动。当致动器1040施加扭矩τ_A1至τ_A4时，扭矩τ₁至τ₃被施加到关节1010。

控制系统1050可以操作致动器1040以在筋束1020中生成张力。控制系统1050可以强制执行最小张力T_MIN，使得筋束1020中的每一个中的张力超过所选的最小张力T_MIN。结果，可以使用方程2A推导出致动器位置与自由度之间的关系，其中致动器的数量M等于4，并且运动自由度的数量N等于3。就此而言，致动器位置θ_A1至θ_A4与自由度θ₁至θ₃和θ_T之间的关系可以使用下面的方程2B来建模(θ＝Cθ_A)。在该实施例中，θ₁至θ₃对应于运动自由度，例如，俯仰自由度、偏航自由度和抓握自由度。θ_T对应于用于将筋束1020中的张力约束为大于或等于最小张力T_MIN的张力自由度。选择索引I＝1至4和索引J＝1至4的系数b_IJ，使得与张力自由度θ_T相关联的列线性地独立于其他自由度。系数b_IJ进一步表示致动器位置和关节位置之间的耦合。

方程2B：

方程5A可用于推导出致动器扭矩和关节扭矩之间的关系。特别地，致动器扭矩τ_A1和τ_A4与关节扭矩τ₁至τ₃和τ_BIAS之间的关系可以使用下面的方程5B来建模(τ_A＝D[τ₁，τ₂，τ₃，0]^T+D[0，0，0，τ_BIAS])。方程5B的矩阵D可以通过对方程2B的耦合矩阵C进行转置来确定。可以使用关于方程5A描述的过程来确定偏置参数τ_BIAS。方程5B可用于确定要施加到致动器1040的致动器扭矩。

方程5B：

参考图11，过程1100是用于计算产生给定的一组关节扭矩的张力的迭代过程。过程1100可以使用与针对方程5A所描述的过程类似的过程，以抵消由致动器施加的扭矩，并且由此抵消施加到传动系统的张力。特别地，可选择τ_BIAS以提供实现特定的额定或目标张力的偏移张力。

在图11所示的示例中，过程1100开始于对最后或最远侧关节的张力确定，然后以朝向第一或最近侧关节的顺序循序确定关节的张力。步骤1110初始化索引j，其标识用于分析的关节并且被初始设置为关节数L。然后，步骤1120获取第j个关节的扭矩τ_j。例如，可以按照如上所述的过程700的步骤730或过程700B的步骤732确定关节扭矩τ_j，并且该关节扭矩τ_j可以具有用于提供单个运动自由度的关节的单个非零分量，或者可以具有用于提供两个运动自由度的关节的两个非零分量。

然后，步骤1130计算通过附接到第j个关节的联动装置直接施加到第j个关节的张力，以便产生例如在图7A或图7B的步骤730或732中计算出的净扭矩。在图11的示例中，步骤1130的计算是在直接施加的张力之一是目标张力或额定张力的约束下进行的。额定张力可以但不需要为零，以便释放传动系统中的张力，或者可替代地，额定张力可以是确保传动系统中的筋束不变松弛的最小张力T_MIN。额定张力可以但不需要与释放致动器力的情况对应，例如，图6的致动器640靠惯性滑动，在这种情况下，张力可取决于所采用的传动系统的类型。

在医疗器械中的第j个关节提供单个运动自由度并直接耦合到两个筋束或传动系统的特定情况下，关节扭矩具有通过方程4中的单个方程与张力相关联的单个分量。然后针对第L个关节或最远侧关节的步骤1130涉及求解将关节扭矩与耦合到最远侧关节的两个张力相关联的线性方程。对于涉及两个未知张力的单个线性方程，应用一个张力为额定张力的约束保证了另一张力的唯一解。具体地，另一张力可以根据最远侧关节上的扭矩和耦合矩阵A的相关系数来唯一地确定。可替代地，如果第L个关节提供两个运动自由度并耦合到三个筋束或传动系统，则关节扭矩具有两个分量，并且对应于方程4中表示的方程组中的两个方程。这两个方程涉及三个张力，因此，在张力之一等于额定张力的约束下，可以根据关节扭矩的分量和耦合矩阵A的相关分量唯一地确定另外两个张力。应当注意的是，所提出的方法在某种意义上是通用的，即以类似方式，如果m个筋束(其中m大于3)连接到提供两个自由度的同一关节，则(m-2)个张力可以同时被约束为等于额定张力，而其余两个张力将根据关节扭矩的分量和耦合矩阵A的相关分量唯一地确定。

初始针对最远侧关节(即，j＝L)执行步骤1130。步骤1130的子步骤1132初始选择附接到最远侧关节的传动系统之一，并且子步骤1134将张力设置为最小允许张力T_MIN以用于子步骤1136中的试算。子步骤1136初始计算附接到关节的其他传动系统的张力(或多个张力)，并且所计算的张力仅取决于所计算的关节扭矩和直接施加到最远侧关节的其他张力。子步骤1138确定是否所有计算的张力都大于或等于最小允许张力T_MIN。如果不是，则步骤1140在重复子步骤1134和1136时选择直接耦合到关节的传动系统中的另一个作为具有额定张力的传动系统。一旦步骤1140确定所计算的一个或多个张力都大于或等于最小允许张力T_MIN，则最远侧关节的张力的确定完成，并且在过程1100从步骤1160分支返回以重复步骤1120之前，步骤1150递减关节索引j。

在关节连接到两个传动系统并提供一个运动自由度的情况下，针对第j个关节的步骤1130涉及评估来自方程5A表示的方程组的单个方程。如上所述，耦合矩阵A的性质使得针对第j个关节的方程仅涉及直接耦合到第j个关节的张力和耦合到更多远侧关节的张力。因此，如果已经确定了更多个远侧关节的张力，则与第j个关节相关联的方程仅涉及两个未知数，它们是直接连接到该关节的传动系统中的张力。张力之一是额定张力的约束允许唯一地确定大于或等于额定张力的另一张力。第j个关节连接到三个传动系统并提供两个运动自由度的情况涉及评估与关节扭矩的两个分量相关联的两个方程。如果已经确定了更多远侧关节的张力，则与第j个关节相关联的方程仅涉及三个未知数，它们是直接连接到关节的筋束中的张力。张力之一是额定张力的约束允许唯一确定大于或等于额定张力的其他两个张力。

因此，图11的过程1100可以使用以从器械的远端起的关节顺序进行的张力确定来生成一组完整的远侧张力，当步骤1160确定已经评估了最近侧关节时在步骤1170中输出该组完整的远侧张力。可以使用计算机或进行操作以便实时确定张力的其他计算系统来有效地实现过程1100，该张力的变化速率为医疗程序提供足够平稳的运动，例如变化速率高达250Hz或更高。此外，每个关节在目标值或额定值处具有至少一个直接施加的张力的约束提供了以连续时间确定的张力之间的连续性。

虽然子步骤1134被描述为将所选传动系统中的张力设置为最小张力T_MIN，并且子步骤1138被描述为确定所有张力是否都高于最小张力T_MIN，但在其他实施方式中，子步骤1134的额定张力不同于子步骤1138的阈值张力。额定张力可以是至少一个传动系统的目标张力，并且阈值张力可以是传动系统中所计算的张力不超过或不低于的张力。就此而言，如果阈值张力是最大张力T_MAX，则阈值张力可以大于或等于额定张力，或者如果阈值张力是最小张力T_MIN，则阈值张力可以小于或等于额定张力。

尽管关于实现高于(非零)最小张力T_MIN的张力描述了步骤1130，但是在一些实施方式中，额定张力是最大允许张力T_MAX或者在最小张力T_MIN与最大张力T_MAX之间的某个其他张力。子步骤1138不是确定所有计算的张力是否都大于或等于最小允许张力T_MIN，而是确定所有计算的张力是否都小于或等于最大允许张力T_MAX。在其他实施方式中，当额定张力在最大允许张力T_MAX与最小允许张力T_MIN之间时，所有计算的张力都大于或等于额定张力，或者所有计算的张力都小于或等于额定张力。

在一些实施方式中，结合过程500的一个或多个步骤来执行过程1100。例如，本文所述的校正中的任一个(诸如但不限于步骤530、535、540、550、740和745提供的那些校正)可以应用于过程1100。这些校正可以超控(override)作为步骤1130的一部分计算的张力。就此而言，可以超控在步骤1130、1150、1160中计算的张力，使得所施加的远侧张力可以与计算的张力不同。例如，如果额定张力是计算张力不会低于的最小张力T_MIN或某个其他额定张力，则所计算的张力可能会以最大张力T_MAX饱和，以防止传动系统因过大的张力而损坏。如果额定张力是计算张力不会超过的最大张力T_MAX或某个其他额定张力，则所计算的张力可能会以最小张力T_MIN饱和，以防止传动系统松弛。可以使用可存储在计算机可读介质(诸如，电子存储器或磁盘或光盘)上的软件来实现或控制本公开的上述和其他部分的过程，以便由通用计算机执行。可替代地，可以使用专用硬件或电子装置植入在上述过程中采用的控制或计算。

尽管已经参考特定实施例描述了本发明，但是该描述仅是本发明的应用的示例并且不应被视为限制。例如，可以控制的器械的类型在各实施方式中有所不同。图12A是根据一些实施例的医疗器械系统1200的另一示例的简化图。在一些实施例中，医疗器械系统1200可以用作在用远程操作或非远程操作医疗系统执行的图像引导医疗程序中的医疗器械。在一些示例中，医疗器械系统1200可以用于非远程操作探索程序或用于涉及传统手动操作医疗器械的程序，诸如内窥镜检查。可选地，医疗器械系统1200可以用于收集(即，测量)与诸如患者P的患者的解剖通道内的位置对应的一组数据点。

医疗器械系统1200包括耦合到驱动单元1204的细长装置1202。细长装置1202包括具有近端1217和远端1218的柔性主体1216(当远端包括尖端的一部分时也被称为“尖端部分1218”)。在一些实施例中，柔性主体1216具有大约3mm的外径。其他柔性主体的外径可以更大或更小。

医疗器械系统1200进一步包括跟踪系统1230，以便使用一个或多个传感器和/或成像装置来确定远端1218处的柔性主体1216和/或沿着柔性主体1216的一个或多个区段1224的位置、取向、速度、速率、姿势和/或形状，如下文进一步详细描述。柔性主体1216在远端1218和近端1217之间的整个长度可以被有效地划分成区段1224。跟踪系统1230可以可选地被实现为与一个或多个计算机处理器交互或以其他方式由其执行的硬件、固件、软件或其组合，该计算机处理器可以包括图1中的控制系统150的处理器。

跟踪系统1230可以可选地使用形状传感器1222跟踪远端1218和/或一个或多个区段1224。形状传感器1222可以可选地包括与柔性主体1216对准的光纤(例如，提供在内部通道内(未示出)或在外部安装)。在一个实施例中，该光纤具有约为1200μm的直径。在其他实施例中，尺寸可以更大或更小。形状传感器1222的光纤形成用于确定柔性主体1216的形状的光纤弯曲传感器。在一种替代方式中，包括光纤布拉格光栅(FBG)的光纤被用于提供一维或多维结构中的应变测量。用于监控光纤在三维中的形状和位置的各种系统和方法在以下文献中描述：美国专利申请号11/180,389(2005年7月13日提交)(公开“Fiber opticposition and shape sensing device and method relating thereto”)；美国专利申请号12/047,056(2004年7月16日提交)(公开“Fiber-optic shape and relative positionsensing”)；以及美国专利号6,389,187(1998年6月17日提交)(公开“Optical Fibre BendSensor”)，通过引用将这些文献的全部内容并入本文。在一些实施例中，传感器可以采用其他合适的应变感测技术，诸如瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射和荧光散射。在一些实施例中，可以使用其他技术来确定柔性主体1216的形状。例如，柔性主体1216的远端姿势的历史可以用于在时间间隔上重建柔性主体1216的形状。在一些实施例中，跟踪系统1230可以可选地和/或另外使用位置传感器系统1220来跟踪远端1218。位置传感器系统1220可以是EM传感器系统的部件，其中位置传感器系统1220包括一个或多个导电线圈，这些导电线圈可以经受外部生成的电磁场。然后，包括位置传感器系统1220的EM传感器系统的每个线圈产生感应的电信号，该感应的电信号的特性取决于线圈相对于外部生成的电磁场的位置和取向。在一些实施例中，位置传感器系统1220可以被配置和定位成测量六个自由度(例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰、偏航和侧倾的三个取向角)，或者测量五个自由度(例如，三个位置坐标X、Y、Z和指示基点的俯仰和偏航的两个取向角)。在1999年8月11日提交的题为“Six-Degree of Freedom Tracking System Having a Passive Transponder onthe Object Being Tracked”的美国专利号6,380,732中提供了位置传感器系统的进一步描述，该专利的全部内容通过引用并入本文。

在一些实施例中，跟踪系统1230可以可替代地和/或额外地依赖于随着交替运动(诸如呼吸)的循环为器械系统的已知点存储的历史姿势、位置或取向数据。该存储的数据可以用于产生关于柔性主体1216的形状信息。在一些示例中，可以沿着柔性主体1216定位一系列位置传感器(未示出)，诸如类似于位置传感器系统1220中的传感器的电磁(EM)传感器，然后用于形状感测。在一些示例中，在程序期间获取的来自这些传感器中的一个或多个传感器的数据的历史可以用于表示细长装置1202的形状，特别是在解剖学通道通常是静态的情况下。

柔性主体1216包括通道1221，该通道的尺寸和形状被设计成接收医疗器械1226。图12B是根据一些实施例的具有延伸的医疗器械1226的柔性主体1216的简化图。在一些实施例中，医疗器械1226可以用于诸如手术、活检、消融、照明、冲洗或抽吸的程序。可以通过柔性主体1216的通道1221来部署医疗器械1226，并且可以在解剖结构内的目标位置处使用医疗器械1226。医疗器械1226可以包括例如图像捕获探针、活检器械、激光消融纤维和/或其他手术、诊断或治疗工具。医疗工具可以包括具有单个工作构件的末端执行器，诸如手术刀、钝刀、光纤、电极等。其他末端执行器可以包括例如镊子、抓紧器、剪刀、施夹器等。其他末端执行器可以进一步包括电激活的末端执行器，诸如电外科电极、换能器、传感器等。在各种实施例中，医疗器械1226是活检器械，其可以用于从目标解剖位置去除样本组织或细胞取样。医疗器械1226可以与也在柔性主体1216内的图像捕获探针一起使用。在各种实施例中，医疗器械1226可以是图像捕获探针，其包括在柔性主体1216的远端1218处或附近的带有立体或单镜相机的远侧部分，用于捕获图像(包括视频图像)，所述图像由可视化系统1231处理以用于显示和/或提供给跟踪系统1230以支持远端1218和/或区段1224中的一个或多个的跟踪。图像捕获探针可以包括耦接到相机的线缆，以便传输所捕获的图像数据。在一些示例中，图像捕获器械可以是耦合到可视化系统1231的光纤束，诸如纤维镜。图像捕获器械可以是单谱或多谱的，例如捕获可见光谱、红外光谱和/或紫外光谱中的一个或多个光谱中的图像数据。可替代地，医疗器械1226本身可以是图像捕获探针。医疗器械1226可以从通道1221的开口前进以执行该程序，然后在该程序完成时缩回到该通道中。可以从柔性主体1216的近端1217或沿着柔性主体1216从另一可选的器械端口(未示出)移除医疗器械1226。

医疗器械1226可以另外容纳在其近端和远端之间延伸的线缆、联动装置或其他致动控件(未示出)，以可控制地弯曲医疗器械1226的远端。可转向器械在提交于2005年10月4日的题为“Articulated Surgical Instrument for Performing Minimally InvasiveSurgery with Enhanced Dexterity and Sensitivity”的美国专利号7,316,681以及提交于2008年9月30日的题为“Passive Preload and Capstan Drive for SurgicalInstruments”的美国专利申请号12/286,644中有详细描述，这些专利文献的全部内容通过引用并入本文。

柔性主体1216还可以容纳在驱动单元1204和远端1218之间延伸的线缆、联动装置或其他转向控件(未示出)，以例如如远端1218的虚线描绘1219所示可控制地弯曲远端1218。在一些示例中，至少四根线缆被用于提供独立的用于控制远端1218的俯仰的“上-下”转向和用于控制远端1281的偏航的“左-右”转向。提交于2011年10月14日的题为“Catheterwith Removable Vision Probe”的美国专利申请号13/274,208中详细描述了可转向导管，该申请的全部内容通过引用并入本文。在其中医疗器械系统1200由远程操作组件致动的实施例中，驱动单元1204可以包括驱动输入，这些驱动输入可移除地耦合到远程操作组件的驱动元件(诸如致动器)并从其接收动力。在一些实施例中，医疗器械系统1200可以包括抓握特征、手动致动器或用于手动控制医疗器械系统1200的运动的其他部件。伸长装置1202可以是可转向的，或者可替代地，该系统可以是不可转向的，其没有用于操作者控制远端1218弯曲的集成机构。在一些示例中，在柔性主体1216的壁中限定了一个或多个管腔，通过这些管腔可以在目标手术位置处部署和使用医疗器械。

在一些实施例中，医疗器械系统1200可以包括用于检查、诊断、活检或治疗肺部的柔性支气管器械，诸如支气管镜或支气管导管。医疗器械系统1200还适用于在各种解剖系统(包括结肠、肠、肾脏和肾结石、大脑、心脏、包括脉管系统的循环系统等)中的任一个中经由自然或手术创建的连接通道导航和治疗其他组织。

来自跟踪系统1230的信息可以被发送到导航系统1232，在此它与来自可视化系统1231的信息和/或术前获得的模型相组合，以向医师、临床医生或外科医生或其他操作者提供实时位置信息。在一些示例中，实时位置信息可以被显示在显示系统1210上以用于控制医疗器械系统1200。在一些示例中，控制系统可以利用位置信息作为用于对医疗器械系统1200进行定位的反馈。在2011年5月13日提交的题为“Medical System Providing DynamicRegi stration of a Model of an Anatomic Structure for Image-Guided Surgery”的美国专利申请号13/107,562中提供了使用光纤传感器来配准和显示具有手术图像的外科器械的各种系统，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

在一些示例中，医疗器械系统1200可以是远程操作的。在一些实施例中，远程操作操纵器组件1233可以由直接操作者控件来代替。在一些示例中，直接操作者控件可以包括用于器械的手持操作的各种手柄和操作者界面。

所公开的实施例的特征的各种修改和组合在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (48)

1.一种医疗器械系统，包括：

多个致动器；

医疗器械，包括：

末端部分，以及

多个传动系统，每个传动系统将所述末端部分耦合到所述多个致动器中的致动器，使得所述多个致动器可操作以驱动所述多个传动系统移动所述末端部分；以及

可操作地连接到所述多个致动器的控制系统，所述控制系统被配置为执行操作，所述操作包括：

确定所述末端部分的当前配置与所述末端部分的期望配置之间的差异，以及

基于所述差异并基于恒定偏移张力来操作所述多个致动器以将多个张力施加到所述多个传动系统，所述恒定偏移张力独立于所述多个传动系统经历的当前张力。

2.根据权利要求1所述的器械系统，其中：

当施加到所述多个传动系统时，所述多个张力在所述末端部分处生成期望的净扭矩，以及

当施加到所述多个传动系统时，所述恒定偏移张力在所述末端部分处生成零净扭矩。

3.根据权利要求1所述的器械系统，其中所述恒定偏移张力中的至少两个偏移张力是相等的。

4.根据权利要求1所述的器械系统，其中所述恒定偏移张力中的至少两个偏移张力是不同的。

5.根据权利要求1所述的器械系统，其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：

操作所述多个致动器以使得保持所述多个张力的平均值。

6.根据权利要求1所述的器械系统，其中所述操作进一步包括基于所述医疗器械的使用次数、所述医疗器械在医疗操作期间的扭矩范围或所述末端部分在所述医疗操作期间的运动范围来确定所述恒定偏移张力。

7.根据权利要求1或权利要求2至6中任一项所述的器械系统，其中：

操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：当所述当前张力中的一个或多个大于或等于预定张力时，操作所述多个致动器以施加所述多个张力，以及

所述操作进一步包括：

当所述当前张力中的一个或多个小于所述预定张力时，基于所述差异并基于最小张力，操作所述多个致动器以将多个第二张力施加到所述多个传动系统，所述多个第二张力中的一个第二张力不小于所述最小张力。

8.根据权利要求7所述的器械系统，其中所述多个第二张力中的所述第二张力等于所述最小张力。

9.根据权利要求7所述的器械系统，其中操作所述多个致动器以施加所述多个第二张力包括操作所述多个致动器以抑制所述传动系统中的所有传动系统中的松弛。

10.根据权利要求7所述的器械系统，其中所述多个第二张力中的所有张力均不小于所述最小张力。

11.根据权利要求7所述的器械系统，其中所述多个第二张力中的每个第二张力不小于一组最小张力中的对应的最小张力，其中所述一组最小张力包括所述最小张力。

12.根据权利要求7所述的器械系统，进一步包括：

确定取决于所述多个致动器的位置并独立于所述末端部分的位置的参数的值，以及

当所述参数的所述值大于或等于预定义阈值时，生成警报。

13.根据权利要求7所述的器械系统，进一步包括：

确定取决于所述多个致动器的位置并独立于所述末端部分的位置的参数的变化率，以及

当所述参数的所述变化率大于或等于预定义阈值时，生成警报。

14.根据权利要求7所述的器械系统，其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：

基于所述期望配置确定基线扭矩，

调节所述基线扭矩，使得所述传动系统的所述多个张力均高于所述最小张力，以及

将经调节的基线扭矩施加到所述多个致动器。

15.根据权利要求14所述的器械系统，其中调节所述基线扭矩包括：

确定偏置扭矩以调节所述传动系统中的一个传动系统中的基线扭矩，使得所述传动系统中的所述一个传动系统中的张力高于所述最小张力，所述偏置扭矩是用于调节所述传动系统的所述基线扭矩的多个偏置扭矩中的最大值，使得所述传动系统中的所述张力均高于所述最小张力，以及

基于所述偏置扭矩调节所述基线扭矩中的每一个。

16.根据权利要求1或权利要求2至6中任一项所述的器械系统，其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：

操作所述多个致动器，使得所述多个张力中的一个张力保持在最大张力，并且所述多个张力中的其余张力不大于所述最大张力。

17.根据权利要求1或权利要求2至6中任一项所述的器械系统，其中所述操作进一步包括：

确定所述多个致动器中的一个致动器的当前速度，以及

基于所述多个致动器中的所述致动器的所述当前速度和期望速度确定阻尼函数，

其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括基于所述阻尼函数操作所述多个致动器以施加所述多个张力。

18.根据权利要求1或权利要求2至6中任一项所述的器械系统，进一步包括：

多个传感器，每个传感器耦合到所述多个致动器中的对应致动器并被配置为测量所述对应致动器的位置，

其中所述操作进一步包括：

基于所述多个致动器的测量位置确定所述末端部分的所述当前配置。

19.根据权利要求18所述的器械系统，其中所述多个传感器包括可操作地耦合到所述多个致动器的多个编码器。

20.根据权利要求1或权利要求2至6中的任一项所述的器械系统，其中当所述多个传动系统与所述多个致动器解耦时，所述多个传动系统被配置为是松弛的。

21.根据权利要求1或权利要求2至6中的任一项所述的器械系统，其中所述多个致动器中的每个致动器耦合到所述多个传动系统中的单个传动系统。

22.根据权利要求21所述的器械系统，其中当所述多个传动系统与所述多个致动器解耦时，所述多个传动系统被配置为是松弛的。

23.根据权利要求22所述的器械系统，其中所述操作进一步包括：

响应于所述多个传动系统耦合到所述多个致动器，操作所述多个致动器以抑制所述多个传动系统中的松弛。

24.根据权利要求1或权利要求2至6中的任一项所述的器械系统，其中所述多个致动器中的每个致动器可操作以便以多个运动自由度移动所述末端部分。

25.根据权利要求1或权利要求2至6中任一项所述的器械系统，进一步包括形状传感器，所述形状传感器被配置为测量所述末端部分的所述当前配置。

26.一种操作器械的方法，所述方法包括：

确定所述器械的末端部分的当前配置与期望配置之间的差异；以及

操作多个致动器以将多个张力施加到多个传动系统，所述传动系统被耦合以移动所述末端部分，所述张力基于所述差异和恒定偏移张力，所述恒定偏移张力独立于由所述多个传动系统经历的当前张力。

27.根据权利要求26所述的方法，其中：

当施加到所述多个传动系统时，所述多个张力在所述末端部分处生成期望的净扭矩，以及

当施加到所述多个传动系统时，所述恒定偏移张力在所述末端部分处生成零净扭矩。

28.根据权利要求26所述的方法，其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：

操作所述多个致动器，使得保持所述多个张力的平均值。

29.根据权利要求26或权利要求27至28中任一项所述的方法，其中：

操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：当所述当前张力中的一个或多个大于或等于预定张力时，操作所述多个致动器以施加所述多个张力，以及

所述方法进一步包括：

当所述当前张力中的一个或多个小于所述预定张力时，基于所述差异并基于最小张力，操作所述多个致动器以将多个第二张力施加到所述多个传动系统，所述多个第二张力中的一个第二张力不小于所述最小张力。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述多个第二张力中的每个第二张力不小于一组最小张力中的对应最小张力，其中所述一组最小张力包括所述最小张力。

31.根据权利要求29所述的方法，其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：

基于所述期望配置确定基线扭矩，

调节所述基线扭矩，使得所述传动系统的所述多个张力均高于所述最小张力，以及

将经调节的基线扭矩施加到所述多个致动器。

32.根据权利要求26或权利要求27至28中任一项所述的方法，进一步包括：

确定取决于所述多个致动器的位置并独立于所述末端部分的位置的值，所述值包括参数的大小或所述参数的变化率，以及

当所述参数的所述值大于或等于预定义阈值时，生成警报。

33.根据权利要求26或权利要求27至28中任一项所述的方法，其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：

操作所述多个致动器，使得所述多个张力中的一个张力保持在最大张力，并且所述多个张力中的其余张力不大于所述最大张力。

34.根据权利要求26或权利要求27至28中任一项所述的方法，进一步包括：

确定所述多个致动器中的一个致动器的当前速度，以及

基于所述多个致动器中的所述致动器的所述当前速度和期望速度确定阻尼函数，

其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括基于所述阻尼函数操作所述多个致动器以施加所述多个张力。

35.一种非暂时性计算机可读介质，其存储能够由处理装置执行的指令，并且所述指令在此种执行时促使所述处理装置执行操作器械的方法，所述方法包括：

确定所述器械的末端部分的当前配置与期望配置之间的差异；以及

操作多个致动器以将多个张力施加到多个传动系统，所述传动系统被耦合以移动所述末端部分，所述张力基于所述差异和恒定偏移张力，所述恒定偏移张力独立于由所述多个传动系统经历的当前张力。

36.根据权利要求35所述的计算机可读介质，其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：

操作所述多个致动器，使得保持所述多个张力的平均值。

37.根据权利要求35或36所述的计算机可读介质，其中：

操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：当所述当前张力中的一个或多个大于或等于预定张力时，操作所述多个致动器以施加所述多个张力，以及

所述方法进一步包括：

当所述当前张力中的一个或多个小于所述预定张力时，基于所述差异并基于最小张力，操作所述多个致动器以将多个第二张力施加到所述多个传动系统，所述多个第二张力中的一个第二张力不小于所述最小张力。

38.根据权利要求35或36所述的计算机可读介质，其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括：

操作所述多个致动器，使得所述多个张力中的一个张力保持在最大张力，并且所述多个张力中的其余张力不大于所述最大张力。

39.根据权利要求35或36所述的计算机可读介质，进一步包括：

确定所述多个致动器中的一个致动器的当前速度，以及

基于所述多个致动器中的所述致动器的所述当前速度和期望速度确定阻尼函数，

其中操作所述多个致动器以施加所述多个张力包括基于所述阻尼函数操作所述多个致动器以施加所述多个张力。

40.一种器械系统，包括：

多个致动器；

器械，其包括：

末端部分，以及

多个传动系统，每个传动系统将所述末端部分耦合到所述多个致动器中的一个致动器，使得所述多个致动器可操作以驱动所述多个传动系统以移动所述末端部分；

可操作地连接到所述多个致动器的控制系统，所述控制系统被配置为执行操作，所述操作包括：

确定所述末端部分的当前配置与所述末端部分的期望配置之间的差异，以及

通过以下操作确定施加到所述多个传动系统的多个张力：

将所述多个张力中的张力设置在最大张力，并且

基于所述差异并且基于所述多个张力中的其余张力不大于所述最大张力来确定所述多个张力中的其余张力。

41.根据权利要求40所述的器械系统，其中所述多个张力中的所有张力均不小于非零的最小张力。

42.根据权利要求40或41所述的器械系统，其中所述操作进一步包括：

确定所述多个致动器中的一个致动器的当前速度，

基于所述多个致动器中的所述致动器的所述当前速度和期望速度确定阻尼参数，以及

基于所述阻尼参数操作所述多个致动器以施加所述多个张力。

43.一种操作器械的方法，所述方法包括：

确定所述器械的末端部分的当前配置与所述器械的所述末端部分的期望配置之间的差异；

通过将多个张力中的一个张力设置在最大张力以及基于所述差异并且基于所述多个张力中的其余张力不大于所述最大张力来确定所述多个张力中的其余张力，确定施加到多个传动系统的所述多个张力；以及

操作多个致动器以将所述多个张力施加到所述多个传动系统，其中所述多个传动系统被耦合以移动所述末端部分。

44.根据权利要求43所述的方法，其中所述多个张力中的所有张力均不小于非零的最小张力。

45.根据权利要求43或44所述的方法，其进一步包括：

确定所述多个致动器中的一个致动器的当前速度，

基于所述多个致动器中的所述致动器的所述当前速度和期望速度确定阻尼参数，以及

基于所述阻尼参数操作所述多个致动器以施加所述多个张力。

46.一种或多种非暂时性计算机可读介质，其存储能够由处理装置执行的指令，并且所述指令在此种执行时使所述处理装置实施操作，所述操作包括：

确定器械的末端部分的当前配置与所述器械的所述末端部分的期望配置之间的差异，

通过将多个张力中的一个张力设置在最大张力以及基于所述差异并且基于所述多个张力中的其余张力不大于所述最大张力来确定所述多个张力中的其余张力，确定施加到多个传动系统的所述多个张力，以及

操作多个致动器以将多个张力施加到多个传动系统，其中所述传动系统被耦合以移动所述末端部分。

47.根据权利要求46所述的一种或多种非暂时性计算机可读介质，其中所述多个张力中的所有张力均不小于非零的最小张力。

48.根据权利要求46或47所述的一种或多种非暂时性计算机可读介质，其中所述操作进一步包括：

确定所述多个致动器中的一个致动器的当前速度，

基于所述多个致动器中的所述致动器的所述当前速度和期望速度确定阻尼参数，以及

基于所述阻尼参数操作所述多个致动器以施加所述多个张力。

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