CN103889360A - 用于机器人外科手术器械末端执行器的夹持力控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种控制机器人控制的外科手术器械的末端执行器的夹持力的方法。该方法包括：接收表示控制末端执行器的从动夹持力的主控夹持输入机构处的高夹持水平输入的第一输入信号；接收表示使用者准备好操作外科手术器械以执行外科手术程序的第二输入信号；以及响应于一起接收到第一输入信号和第二输入信号而输出致动信号，以便在外科手术程序期间将从动夹持力从第一水平增加至高于第一水平的第二水平。

Description

用于机器人外科手术器械末端执行器的夹持力控制
相关申请的交叉引用
本申请要求美国临时申请US61/550,356（2011年10月21号提交；标题为“GRIP FORCE CONTROL FOR ROBOTIC SURGICAL INSTRUMENTEND EFFECTOR”）的优先权益。
技术领域
本公开大体涉及控制外科手术器械末端执行器。更具体地，本公开的各方面涉及控制用于机器人控制的外科手术器械的末端执行器的夹持力。
背景技术
微创外科手术技术通常试图执行外科手术程序，同时最小化对健康组织的损伤。机器人控制的外科手术器械能够被用来远程地执行各种微创外科手术程序。在这类系统中，外科医生操纵外科医生控制台处的各种输入装置（在本文中有时被称为主控输入）。外科医生控制台处的输入被传送给与一个或更多个机器人控制的外科手术器械接口连接的病人侧推车，其中发生外科手术器械的远程操作的/远程机器人的操纵，以便对病人执行外科手术和/或其他程序。
微创机器人控制的外科手术器械可以在多种操作中使用，并且可以具有各种配置。许多这样的器械包括被安装在长轴的远端处的外科手术末端执行器，其中所述长轴被配置为通过开口（例如，体壁切口、自然孔口）（例如，以腹腔镜方式或胸腔镜方式）插入，以到达病人体内遥远的外科手术部位。在一些器械中，铰接式腕机构被安装到器械的轴的远端，以支撑末端执行器并改变末端执行器相对于轴的纵向轴线的取向（例如，俯仰和/或偏摆）。
远程机器人控制的末端执行器可以被配置为执行各种功能，包括通常在开放或手动微创外科手术程序中执行的多种外科手术程序中的任一种。示例包括但不限于封闭、切割、烧灼、消融、缝合、吻合（stapling）等。在当例如在组织的封闭（例如，通过烧灼）或切割期间执行某一程序时需要抓紧并保持组织的情况下，末端执行器可以包括夹持装置，诸如夹钳或刀片。在一些实例中，通过来自外科医生控制台处的外科医生的主控夹持输入，进行外科手术器械末端执行器的夹持装置的控制。为控制末端执行器的运动，伺服致动器（例如，伺服马达）能够被用来将力或扭矩传递给各部件，其中力或扭矩从与病人侧操纵器接口连接的传动机构沿轴向下传递并最终传递至末端执行器。
在一些情况下，当使用包括具有夹持装置的末端执行器的外科手术器械时，可能期望通过用夹持装置夹持外科手术部位处的组织和/或其他物质而使用夹持装置移动该组织和/或其他物质。当以这样的方式使用夹持装置时，可能期望使用比实现诸如封闭和/或切割的另一外科手术程序所期望的夹持力更少的夹持力。例如，当使用夹持装置移动组织和/或其他身体部分/附近物质时，较低的夹持力可能是期望的，以便最小化对同一组织和/或其他身体部分/附近物质造成损伤的风险。另一方面，当将夹持装置用于其他程序时，较高的夹持力可能是期望的。例如，如果在诸如切割的程序期间夹持力不是足够高的，那么用来横向通过组织切割的平移刀片可能向远侧推动组织，而非完全通过组织切割。同样，例如，如果在诸如封闭（例如，烧灼）的程序期间夹持力不是足够高的，则不能实现用于封闭组织表面（例如，血管的相对壁部分）的有效接触。
使用者可以例如通过挤压控制末端执行器处的夹持力的夹持输入机构，指示将要使用较高的夹持力。使用者可能无意地过于猛烈地挤压夹持输入机构，从而在不期望较高夹持力的末端执行器的操作期间导致末端执行器处的较高夹持力。例如，在执行需要较高夹持力的程序（诸如封闭或切割）之前或之后，使用者可以足够猛烈地挤压夹持输入机构以导致末端执行器处的较高夹持力。在不需要较高夹持力的操作期间（诸如当使用者在执行封闭或切割程序之前或之后操纵组织时）使用较高的夹持力会导致不期望的和/或无意的运动。例如，当末端执行器滚动时，可能发生不期望的俯仰或偏摆运动。此外，由于通过腕的俯仰/偏摆、轴的滚动和/或沿轴的平移中的一个的移动，可能在高夹持力动作期间发生末端执行器的无意的和/或不稳定的移动。末端执行器的这种移动不稳定性会消极地影响期望的外科手术程序。
因此，存在对提供外科手术器械末端执行器夹持装置的夹持力控制的需要，以便解决在通过这样的末端执行器执行依赖于相对高的夹持力的机器人控制的外科手术程序时面临的各种问题。
发明内容
本公开解决一个或更多个上述问题和/或说明一个或更多个上述期望的特征。参考以下描述，其他特征和/或优点会变得明显。
根据至少一个示例性实施例，本指导预期一种控制机器人控制的外科手术器械的末端执行器的夹持力的方法。该方法包括：接收表示控制末端执行器的从动夹持力的主控夹持机构处的高夹持水平输入的第一输入信号；接收表示使用者准备好操作外科手术器械以执行外科手术程序的第二输入信号；以及响应于一起接收到第一输入信号和第二输入信号而输出致动信号，以便在外科手术程序期间将从动夹持力从第一水平增加至高于第一水平的第二水平。
另外的目的和优点将会在以下的描述中部分地进行阐述，并且参考描述部分地显而易见的，或可以通过本公开和/或权利要求的实施而获知。这些目标和优点中的至少一些可以通过在所附权利要求中具体指出的元件及其组合而实现和获得。
应理解，前述的总体描述和以下的具体实施方式仅是示例性和说明性的，并且不限制所公开或所要求保护的本发明。权利要求应当被赋予其充分宽的范围（包括等同物）。
附图说明
单独或结合附图参考下面的具体实施方式，能够理解本公开。附图被包括以提供对本公开的进一步理解，并且被并入在本说明中并构成本说明的一部分。被并入在本说明中并构成本说明的一部分的附图例举了本公开的一个或更多个实施例，与说明一起用于解释某些原理与操作。在附图中，
图1A是根据至少一个示例性实施例描述用于机器人控制的外科手术器械的夹持力控制方案的状态图；
图1B是根据另一示例性实施例描述用于机器人控制的外科手术器械的夹持力控制方案的状态图；
图2是根据至少一个示例性实施例描述用于机器人控制的外科手术器械的夹持力控制方案的状态图；
图3是根据至少一个示例性实施例描述用于机器人控制的外科手术器械的夹持力控制方案的状态图；
图4是根据至少一个示例性实施例描述用于机器人控制的外科手术器械的夹持力控制方案的状态图；
图5是根据至少一个示例性实施例描述用于机器人控制的外科手术器械的夹持力控制方案的状态图；
图6是根据至少一个示例性实施例的机器人控制的外科手术器械的立体图；
图7是根据示例性实施例对应于图6的外科手术器械的一部分的示例性末端执行器的详细视图；
图8是根据至少一个示例性实施例被配置为操作机器人控制的外科手术器械的示例性机器人外科手术系统的示意图；
图9A是根据示例性实施例处于打开位置的主控夹持输入机构的侧视图；以及
图9B是根据示例性实施例处于闭合位置的主控夹持输入机构的侧视图。
具体实施方式
本说明书和附图例举了示例性实施例，并且不应当被理解为限制性的，其中权利要求限定了本公开的范围（包括等同物）。可以进行各种机械的、组成的、结构的、电气的以及操作的改变，而不偏离本说明书和所要求保护的发明的范围（包括等同物）。在一些实例中，众所周知的结构和技术未被详细示出或描述，以便不会模糊本公开。在两个或更多个附图中的相似的数字表示相同的或类似的元件。此外，无论何时实践时，参考一个实施例详细描述的元件及其相关的方面可以被包括在未具体显示或描述他们的其他实施例中。例如，如果参考一个实施例详细描述了某一元件，但并未参考第二实施例描述所述元件，尽管如此所述元件还是可以被要求包括在第二实施例中。而且，本文中的描述仅用于示范的目的，并不一定反映系统或电外科手术器械的实际形状、大小或尺寸。
注意到，如在本说明书以及所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”以及任何单数使用的任何单词包括复数指示对象，除非特意且明确地限于一个指示对象。如在本文中所使用的，术语“包括”及其语法变体意图是非限制性的，从而使得列表中列出的项目不排除能够替代或增加至所列项目的其他类似的项目。
根据各种示例性实施例，本公开考虑到控制机器人控制的外科手术器械末端执行器夹持装置，从而使得可以通过夹持装置施加相对较低的或较高的夹持力，这取决于涉及如通过在外科医生控制台处接收到的输入所指示的应用。例如，对于诸如在外科手术部位处抓紧以及移动组织和/或其他物质（例如，身体结构）的程序而言，可以控制末端执行器夹持装置施加相对较低的夹持力，以便允许在不必要对组织造成损伤的情况下抓紧和移动组织。另一方面，对于诸如例如封闭或切割的程序而言，可以控制末端执行器夹持装置施加足以相对牢固地保持组织的较高夹持力，以便有效地执行通过相对高的夹持力实施的期望的外科手术程序。因此，各种示例性实施例提供了末端执行器夹持装置的自动控制技术，在适当的程序期间将夹持力提升并保持在相对较高的水平，而在不需要并且可能不期望高夹持力的其他程序期间将夹持力提升并保持在相对较低的水平。
此外，为了避免由于在使用者夹持主控夹持输入机构时发生的较高夹持力超过夹持力阈值而引起的外科手术器械末端执行器的不稳定性，各种示例性实施例限制较高的夹持力在未执行需要较高夹持力的操作时发生。具体地，根据各种示例性实施例，为了将较高的夹持力仅约束在需要较高夹持力的程序，控制末端执行器的夹持力的方法基于来自外科医生的两个输入提供较高的夹持力，其中第一输入表示外科医生主控夹持输入处的使用者的较高夹持水平输入，而第二输入表示使用者准备好操作外科手术器械以执行使用相对较高的末端执行器的夹持力的外科手术程序。根据各种示例性实施例，通过改变或限制病人侧推车处的电动马达（例如，伺服马达）的扭矩，控制末端执行器的夹持力（从动夹持力），所述马达与外科手术器械相关联的传动机构的驱动输入接口连接。
此外，各种示例性实施例提供了在某些外科手术程序期间锁定（即，防止致动）末端执行器的一个或更多个自由度以便在所述程序正在被执行时提供更高水平的稳定性的方法。
尽管下面的示例性实施例和描述主要集中于在封闭与切割程序期间控制外科手术器械的夹持力，但示例性实施例的原理能够应用于其他外科手术程序，包括但不限于例如夹紧血管或其他中空的身体结构、利用末端执行器的转动刀片切割组织、外科手术上吻合组织和/或可能期望相对高的夹持力的其他程序。对于这些器械以及相关联的程序中的一些而言，通过比通常被用来操作其他有夹钳的器械（诸如外科手术剪刀、组织抓紧器、针驱动器等）的最高马达扭矩更高的伺服马达扭矩产生相对高的末端执行器夹持力。
参考图6，描述了机器人控制的外科手术器械600的示例性实施例。图6是外科手术器械600的立体图，而图7是图6中表示的外科手术器械600可以包括的对应部分的示例性的非限制性实施例的详细视图。方向“近侧”和“远侧”在本文中用来限定如图6所示的方向，其中远侧通常为在器械600的预期操作使用（例如，用于执行外科手术程序）中进一步沿运动臂或更靠近外科手术工作部位的方向。在图6上标记了本文中所使用的“近侧”和“远侧”方向。如图6所示，器械600通常包括在其近端处的力/扭矩驱动传动机构602、安装在传动机构602上的器械轴604以及设置在轴604的远端处的末端执行器606。在图6所示的示例性实施例中，外科手术器械600还包括安装在轴604的远端处的可选铰接式腕机构608，以支撑末端执行器606并改变其相对于轴604的纵向轴线的取向，在图7中更详细地示出了外科手术器械600的一部分。
在示例性实施例中，器械600被配置为安装在微创机器人外科手术系统上并且与其一起使用，在示例性实施例中，微创机器人外科手术系统包括病人侧推车800、外科医生控制台802以及电子/操纵控制台804，如图8的示意图所示（注意到，图8中的系统部件未被显示在任何特定的位置中，并且能够按照需要进行布置，其中相对于病人来布置病人侧推车以便实现对病人的外科手术）。可以使用器械600的机器人外科手术系统的非限制性的示例性实施例是由加利福尼亚州森尼维尔市（Sunnyvale）的直观外科手术公司（Intuitive Surgical,Inc.）商品化的
Figure BDA0000493740930000071
（型号No.IS3000）。
机器人外科手术系统被用来通过与各种外科手术器械接口连接并控制各种外科手术器械而执行微创机器人外科手术，各种外科手术器械是如本领域技术人员通常熟悉的那些。病人侧推车800包括用于保持、定位以及操纵各种工具的各种臂810。如图8所示，一个臂810被配置为与包括末端执行器606的机器人控制的外科手术器械600接口连接并控制该外科手术器械600。一般而言，外科医生控制台802接收来自外科医生通过各种输入装置（包括但不限于主控夹持输入机构806和脚踏板808等的夹持输入杆900a、900b）的输入，并且用作主控制器，通过该主控制器，病人侧推车800充当实现与其连接的外科手术器械（多个外科手术器械）（例如，器械600）的期望动作并相应执行期望的外科手术程序的从动装置。病人侧推车800可以包括多个接合的臂810，其被配置为保持各种工具，例如包括但不限于具有末端执行器的外科手术器械（例如，外科手术器械600）以及内窥镜（未示出）。电子数据处理系统可以接收并处理来自外科医生控制台802的输入，并且基于在外科医生控制台802处接收的输入控制在病人侧推车800处的外科手术器械600的操纵，其中电子数据处理系统包括处理装置并且可以被提供在外科医生控制台802、电子设备/操纵控制台804以及病人侧推车800中的一个或更多个处。然而，本公开不限于在外科医生控制台802处接收输入，并且可以在导致外科手术器械600的末端执行器的操纵的任何装置处接收输入。由于从使用者（例如，外科医生）接收的输入，外科手术器械600可以在病人侧推车800处操纵，或者可替代地，可以与任何其他类型的外科手术器械支撑装置结合操纵或与支撑装置完全分开地操纵。
在各种示例性实施例中，来自外科医生控制台802或来自外科医生以其他方式可访问的输入单元的输入可以经由各种主控输入装置提供给控制器（多个控制器），主控输入装置诸如，例如一个或更多个踏板808以及一个或更多个手持式夹持输入杆900a、900b。在本文中所描述的各种示例性实施例中，踏板808可以被用来发送信号以执行机器人控制的外科手术器械600的封闭和/或切割操作，而手持式夹持输入杆900a、900b可以被用来发送信号以控制腕608的运动（例如，俯仰/偏摆运动）、器械轴604（例如，滚动和/或平移）的运动和/或末端执行器夹持装置（例如，夹钳或刀片）的打开以及闭合（夹持）动作。本领域技术人员熟悉用于提供来自在外科医生控制台处的外科医生的输入以便最终实现与病人侧推车接口连接的外科手术器械的操作的这种远程操作的机器人外科手术系统的一般用途。
基于外科医生控制台802处的主控输入，病人侧推车800能够与外科手术器械600的传动机构602接口连接，以便定位并致动器械600，从而执行期望的医疗程序。例如，基于来自外科医生控制台802的主控输入，传动机构602能够将输入转换为最终致动（驱动）整个器械600的各种力和/或扭矩，从而执行外科手术程序，其中传动机构602包括被配置为经由与病人侧推车800相关联的远程操作的伺服致动器（例如，马达）驱动的（例如，驱动盘的形式）各种扭矩/驱动输入机构。例如，来自外科医生控制台802的主控输入能够在病人侧推车800处通过传动机构602转换，以使轴604滚动、使腕608相对于轴铰接（例如，以俯仰和/或偏摆的形式），和/或从而打开以及闭合夹持装置700（参见图7）。
电子设备/操纵控制台804（例如，其可以包括电外科手术处理单元）从病人侧推车800和外科医生控制台802接收各种控制信号并且向病人侧推车800和外科医生控制台802传输各种控制信号，并且能够并且处理（例如，来自病人侧推车800处的内窥镜的）图像用于显示在诸如外科医生控制台802处的显示器812和/或在与电子设备/操纵控制台804相关联的显示器814上。本领域技术人员通常熟悉这类机器人控制的外科手术系统的电子设备/操纵控制台。
病人侧推车800被设置在病人附近，并且外科手术器械600被用来通过使用远程致动的末端执行器606在病人体内的工作部位执行各种外科手术程序。例如，末端执行器606能够执行的示例性外科手术程序包括但不限于夹紧血管或其他中空的身体结构、利用末端执行器的转动刀片切割组织和/或可能期望相对高的夹持力的其他程序。
现在参考图7，尽管示出了器械600的末端执行器606的示例性实施例，但末端执行器606不限于此，并且可以是被配置为用于执行使用夹持力的外科手术程序的任何末端执行器。末端执行器606可以提供有被提供在末端执行器606处的夹持装置700，诸如，例如对置的夹具701a、701b或夹持刀片（例如，类似于剪刀）。夹钳701a、701b被配置为在打开位置与闭合位置之间来回移动。在闭合位置时，夹钳701a、701b能够夹持诸如组织等的物质。在示例性实施例中，夹钳701a、701b能够例如经由提供在夹钳701a、701b的对置面上的电极输送足以将组织封闭（例如，烧灼）在一起的电外科手术能量。此外，末端执行器606还可以包括被附连至电缆704的短切割刀片702形式的切割元件。切割刀片702可以被接收在底部夹钳701b的凹槽706中，并且可操作为沿夹钳701a、701b的长度在近侧与远侧方向上来回移动，从而执行切割操作。尽管图7示出了可以在夹持力控制方法的操作期间使用的末端执行器的示例，但本领域技术人员应理解，可以使用在诸如切割或封闭的外科手术程序的实施期间使用相对高的夹持力的任何类型的末端执行器。至于关于可以实现根据本公开的夹持力控制的外科手术器械以及末端执行器的示例性实施方式的更多细节，请参考美国临时专利申请61/491,698（2011年5月31号提交；标题为“surgical instrument with motor”），其整体内容被并入本文以供参考。
现在参考图1A-1B和图2-4，示出了基于事件的状态图，其图示说明控制外科手术器械600的末端执行器606的夹持力的示例性方法。状态图图示说明元素S0-Sn（其中n=1，2，3，...）。元素S0-Sn图示说明事件的发生，并且不一定意图对应于时间段。取决于各个状态图，元素S0-Sn在每个状态图中不一定对应于相同的事件的发生，并且被相互独立阅读。然而，本领域技术人员应当理解，元素S0-Sn可以与每个事件发生的时间有关。在S0处，在使用者（例如，外科医生）将致动力施加在外科医生控制台802处的主控夹持输入机构806的主控夹持输入杆900a、900b上之前，主控夹持输入信号100处于“关闭”状态。同样，在S0处，夹持装置701的夹持力（例如，从动夹持102）处于“关闭”状态。如上所述，在示例性实施例中，因此没有由控制夹钳701a、701b的打开/闭合（夹持）的远程操作伺服马达提供的扭矩。另外，未接收到表示引起在外科手术器械600的末端执行器606处执行依赖于相对高的夹持力的外科手术程序（例如，封闭或切割）的使用者命令的程序输入104，并且因此封闭或切割程序输入104在图1A的状态图中被指示为关闭状态。
当外科医生控制台802处的使用者准备好利用夹持装置700（例如，夹钳701a、701b）执行程序时，在S1处，使用者操纵外科医生控制台802处的主控夹持输入机构806。例如，外科医生可以将夹持杆900a、900b挤压在一起。然而，主控夹持输入不限于此，并且可以是除了将夹持杆900a、900b挤压在一起之外提供来自使用者（例如，外科医生）的使用者期望在末端执行器处有高从动夹持力的指示的输入。在示例性实施例中，例如，主控夹持输入可以是使用者按压一个或更多个踏板808。
在各种示例性实施例中，如在图9A和9B的示意图中所描述的，所谓的“缓冲”机构可以被用来增加当使两个夹持杆900a、900b更靠近在一起时使用者经历的抵抗将杆900a、900b挤压在一起的阻力。如图9A和9B所示，当使夹持杆900a、900b更靠近地接触时，偏置转变/过渡机构为使用者提供触觉反馈，从而提供抵抗第一水平阻力的挤压的指示，其中例如偏置转变机构包括：第一偏置机构，诸如，例如第一螺旋弹簧902（在图9A-9B中示出）、磁铁等；和第二偏置机构，诸如，例如第二螺旋弹簧904、磁铁等。第一偏置机构902的压缩可以表示较低的夹持输入范围，而第二偏置机构904的压缩可以表示更高的夹持输入范围。在示例性实施例中，例如第二螺旋弹簧904（参见图9A-9B）的第二偏置机构可以具有比例如第一弹簧902的第一偏置机构更大的刚度。在可替代的示例性实施例中，偏置系统可以依赖于单个可变刚性弹簧而非图9A和9B所示的两个不同的弹簧，其中所述可变刚性弹簧的一些部分对应于第一偏置机构和第二偏置机构。关于偏置机构的示例，请参考美国专利US6,594,552（2003年7月15号发布；标题为“GRIP STRENGTH WITHTACTILE FEEDBACK FOR ROBOTIC SURGERY”），其整体内容被并入本文以供参考。
偏置转变机构能够为使用者提供末端执行器的夹持装置正在从相对较低的夹持力转变为相对较高的夹持力的反馈。当在S1处开始主控夹持输入100并且产生主控夹持输入信号时，最终控制对应的夹持装置700（诸如夹钳701a、701b）的夹持力（从动夹持102）的马达扭矩开始增加，以便为夹持装置700提供夹持力。在另一实施例中，马达可以致动离合器机构，这会致动末端执行器的夹持。当主控夹持输入信号100在S1至S2之间增加时，从动夹持102的对应力从S1处的零夹持力增加至S2处的低夹持力。
在S2处，主控夹持输入信号100到达对应于主控夹持输入机构806处的预定的高夹持水平的挤压力阈值。在各种示例性实施例中，挤压力阈值可以对应于诸如例如致动主控夹持输入机构806的夹持杆900a、900b在主控夹持处的超过一些致动阈值水平（例如，超过夹持杆900a、900b朝向彼此的运动的阈值范围）的任何输入，其可以表示在末端执行器606处期望较高的从动夹持力。在另一示例性实施例中，当诸如图9A-9B中的机构被用于为使用者提供触觉反馈时，压缩量可以对应于在较高的夹持力输入范围内的压缩量，例如，应用于第二偏置机构的大约80%压缩或应用于对应于第二偏置机构的那部分可变刚性弹簧的80%压缩。即，例如可以通过第二偏置机构（诸如第二弹簧904）到表示应用较高夹持的使用者意图的位置的压缩而非使用者夹持的重新定位或改变来表示致动阈值。例如，第二偏置机构到完全闭合/致动位置的80%至100%的位置的压缩可以表示使用者的意图压缩。应当理解，致动阈值范围是示例性的，并且具体范围可以基于程序的类型、所使用的夹持的类型、偏置机构的类型以及其他因素选择。
本领域技术人员应认识到，本公开不限于所描述的偏置机构，并且可以使用各种偏置装置或夹持水平指示器中的任一种。无论偏置机构的配置如何，当主控夹持输入机构806包括偏置机构时，主控夹持输入机构806（诸如夹持杆900a、900b）为使用者提供指示较低夹持输入水平以及较高夹持输入水平的反馈。此外，如上所述，当到达主控夹持输入机构806处的挤压力阈值时，并且此时主控夹持输入信号100处于相对高的夹持输入水平，系统识别出达到较高的夹持输入水平。
将挤压力阈值设定为对应于第二偏置机构的相对高的压缩量，能够例如通过为使用者提供反馈，帮助确保使用者意图提供主控夹持输入机构806的较高水平的夹持。这能够提供额外的安全特征，以便当使用者不打算使用那样的水平时，辅助防止使用者将主控夹持力以及因此的从动夹持力增加至过高的水平。
如图1A所示，根据一些实施例，响应于使用者致动主控夹持输入机构806（例如，夹持杆），马达扭矩（以及因此的从动夹持力102）也增加，由此增加夹持装置的夹持力，如通过S1处的零从动夹持力增加至在S2处的低夹持力所表示的。在其他实施例中，马达致动力/扭矩驱动传动机构602处的离合器机构，这引起从动夹持力。在S2处，相对低的从动夹持力被输出。在各种示例性实施例中，例如，在S2处相对低的末端执行器夹持致动扭矩输出可以是大约0.3Nm（牛米）。
从S0至S2，例如封闭、切割或吻合程序的程序输入104未被接收，并且程序输入处于关闭状态。在S3处，接收表示末端执行器606执行依赖于相对高的夹持力的外科手术程序的使用者期望的输入，在状态图中表示为程序输入104正从关闭状态转变为开启状态。例如，将要执行的外科手术程序可以是封闭程序、切割程序等中的一个或更多个。然而，应理解，这些程序只意味着是示例性的，并且利用末端执行器夹持装置的高夹持力能够实施的任何其他类型的程序可以通过输入装置（诸如踏板808）的致动表示。
在S3处，当主控夹持输入信号100已经到达挤压力阈值水平时，并且在外科医生控制台802处的程序输入装置（诸如一个或更多个踏板808）处已经接收表示将要执行高夹持力程序的附加输入，即，程序输入104处于开启状态，然后马达扭矩和对应的从动夹持力102从在S2与S3之间所示的相对低的水平增加至在S3处所描述的相对较高水平。在各种示例性实施例中，最终引起末端执行器夹持的致动的伺服马达的高扭矩水平（其导致相对较高的夹持力）可以是大约1.5Nm。将马达的相对高的扭矩水平和末端执行器夹持装置700的相对高的夹持力至少维持到诸如封闭程序、切割程序等程序的完成。注意，取决于期望的从动夹持力，可以改变末端执行器处的较低夹持力0.3Nm和末端执行器处的较高夹持力1.5Nm。在另一实施例中，伺服马达可以致动被提供在力/扭矩驱动传动机构602处的离合器机构，这会致动末端执行器，从而将末端执行器处的夹持力增加至较高的夹持力。
在一些示例性实施例中，夹持力扭矩控制机构可以与伺服马达接口连接，以便最终控制扭矩力的输送，从而致动末端执行器。
关于使用传动装置后端中的弹簧组件传输并控制输送至末端执行器的来自伺服马达的扭矩的血管封闭和切割器械的示例性实施例，请参考美国临时申请US61/491,804（2011年5月31号提交；标题为“GRIP FORCECONTROL IN A ROBOTIC SURGICAL INSTRUMENT”），其整体内容被并入本文以供参考。本领域技术人员应认识到，本文中所描述的控制技术可以与这种传动系统结合使用。
外科手术程序（诸如封闭或切割）可以在附加输入（诸如一个或更多个踏板808的按压）被致动时进行，并且主控夹持输入杆900a、900b处的挤压力被维持在挤压力阈值或在挤压力阈值之上。在S4处，系统感测期望程序的完成以及如此给外科医生控制台802处的使用者的信号或如此给在向使用者提供这类指示的任何位置处的使用者的信号，此后可以通过例如释放夹持杆900a、900b提示使用者停止主控夹持输入。外科手术程序（诸如封闭、切割或吻合）因此在S4处结束，如通过状态图中的关闭状态所表示的。通过结束封闭、切割或吻合输入装置的致动（例如，释放踏板808中的一个），例如通过识别出组织已经被切割或通过识别出组织已经被封闭（例如，通过分析组织的电导率）等，可以指示外科手术程序。
外科手术程序可以在使用者（例如，外科医生）释放附加输入装置（诸如，例如一个或更多个踏板808）时结束。在另一实施例中，执行外科手术程序，直至处理装置（诸如，在例如电子设备/操纵控制台804处的电外科手术处理单元）基于来自组织的检测信息而感测所述程序已经被完成。例如，当例如在封闭程序之后确定组织更不导电时，可以感测所述程序已经被完成。在另一示例中，切割元件位置可以被用来指示所述程序（诸如切割程序）完成。本领域技术人员应当认识到，所述程序可以只有当输入装置被致动时执行，或可以在输入装置的致动时执行，并且在处理装置确定所述程序可以结束（诸如，例如当夹持的组织已经被完全切割时，在自外科手术程序开始已经逝去指定量的时间之后等）之后结束。
在图1A所示的示例性实施例中，在外科手术程序在S4处结束之后，主控夹持输入信号100被维持在开启状态。主控夹持输入信号100能够被维持在开启状态，例如，直至在主控夹持输入机构806的主控夹持杆900a、900b处感测到释放阈值。释放阈值可以是主控夹持杆900a、900b释放的超过特定释放量的释放量，并且可以提供安全机构，以确保使用者意图停止使用相对高的夹持力的程序。释放阈值可以是主控夹持输入机构806处的主控夹持杆900a、900b的释放量的大约20%或更多。在示例性实施例中，释放阈值可以是当夹持杆900a、900b在S5处被释放时的主控夹持输入机构806的第二偏置机构的释放的大约20%。即，例如，可以通过第二偏置机构（诸如图9A-9B所示的第二弹簧904、缓冲器等）到表示使用者释放夹持的意图的位置的释放而非重新定位或改变使用者的夹持来表示释放阈值。例如，第二偏置机构到远离完全闭合/致动位置的20%至40%的位置的释放可以通过使用者的意图释放来表示。应当理解，释放范围是示例性的，并且具体范围可以基于所述程序的类型、所使用的夹持的类型、所使用的偏置机构的类型以及其他因素选择。如果使用者（例如，外科医生）释放外科医生控制台802处的主控夹持输入机构806的主控夹持输入杆900a、900b，当处理装置识别出夹持杆900a、900b在S5处已被释放超过释放阈值，从动夹持力102在S5处从表示高夹持的高扭矩水平降低。从动夹持力102可以从较高的扭矩水平降低至较低的扭矩水平，或在可替代的实施例中，可以从表示高夹持力的较高扭矩水平降低至没有扭矩。
在可替代的实施例中，如图1B所示，当外科手术程序完成时，但在到达释放阈值之前，马达扭矩和对应的从动夹持力102能够自动下降至相对低的水平，而不是在外科手术程序在S4处结束之后保持在相对高的水平。
尽管图1A和1B示出了封闭或切割操作，但本领域技术人员应当理解，组合的封闭与切割操作的可以发生。
图2是根据另一示例性实施例用于控制执行切割程序之前的封闭程序的机器人控制的外科手术器械末端执行器的夹持力的方法的状态图。图2类似于图1，在S0-S4处，涉及主控夹持输入100、从动夹持力102（例如，其可以基于马达扭矩）以及附加的封闭输入200。然而，根据这个实施例，在封闭程序在S3-S4处被执行之后，马达扭矩和从动夹持力102在S4处返回至相对低的扭矩水平，直至随后的操作（诸如对应于使用者准备好执行切割程序的装备操作）在S5处发生。在可替代的实施例中，如图3所示，从动夹持力102从S4至S5保持在相对高的扭矩水平。
为了提供额外的安全特征，以防止外科医生无意地执行切割程序，直至外科医生打算使所述程序发生，在S5处，使用者提供第二附加输入202，例如通过输入装置（诸如一个或更多个踏板808（例如，其可以是与用于附加的封闭输入200的踏板不同的踏板））的致动，以表示准备好致动外科手术器械600以执行切割程序，即，“装备”外科手术器械。“装备（arming）”状态在状态图中表示为在切割程序的预期中正从在S4处的关闭状态转变为S5处的开启状态的装备/切割输入202。当在S5处已接收到装备输入202时，如果马达扭矩和从动夹持力102处于相对低的水平，如图2所示，它们会在S5处的“装备”操作期间增加至相对高的水平。在使用者的装备输入之后，输出信号能够被输出，从而为使用者提供表示使用者已经“装备”外科手术器械600的反馈。
在可替代的实施例中，如果马达扭矩和从动夹持力102未分别在S3与S5处的封闭与装备阶段之间降低，那么相对高的水平能够被维持。在末端执行器606的装备在S5处发生之后，高马达扭矩和对应的从动夹持力102能够被维持。状态图中的从S5处的开启状态转变为S6处的关闭状态的装备/切割输入202表示“装备”外科手术器械600的输入已经结束。
在“装备”外科手术器械600之后，第二附加输入装置（例如，外科医生控制台802处的一个或更多个的踏板808）处的使用者在S7处提供开始切割程序的另一输入，其在状态图中被表示为从S6处的关闭状态转变为S7处的开启状态的装备/切割输入206。在切割程序结束之后，如通过装备/切割输入202在S8处返回至关闭状态所表示的，马达扭矩可以被维持在相对高的扭矩水平，直至在S9处到达释放阈值（如图2所示），或者马达扭矩可以紧随切割操作之后下降至相对低的扭矩水平或没有扭矩。
至于关于在执行切割操作之前装备外科手术器械的其他细节，请参考美国临时专利申请US61/491,647（2011年5月31号提交的；标题为“POSITIVE CONTROL OF ROBOTIC SURGICAL INSTRUMENT ENDEFFECTOR”），其整体内容被并入本文以供参考。
应理解，尽管图2的示例性实施例显示马达扭矩和从动夹持力102从S5处装备输入的起始至S7处的切割操作的开始被维持在相对高的扭矩水平，但在可替代的实施例中，它们可以在S6处的装备输入的结束与S7处的切割操作的开始之间从高扭矩水平降低至低扭矩水平。在另一实施例中，能够从S4处的封闭操作的结束至S7处的切割操作的开始维持相对低的扭矩和从动夹持力水平。在另一实施例中，马达扭矩可以在S4处的封闭操作之后被降低至低扭矩水平，在S5处的装备操作期间的被升高至高扭矩水平，在S6处的装备操作结束之后被降低至低扭矩水平，然后在S7处的切割操作期间被最终升高至高扭矩水平。本领域技术人员应理解，除了需要较高夹持力以及因此的较高扭矩水平的封闭或切割程序之外，在这些程序的待定过程中可以应用扭矩与从动夹持力水平的任何组合。
此外，如图3所示，马达扭矩和从动夹持力102可以从S3处的封闭操作的开始至少至S8处的切割操作的结束被维持在相对高的水平，并且可选地直至在S9处到达释放阈值。
如图4所示，在示例性实施例中，可以不执行封闭程序，并且可以仅执行装备以及随后的切割程序。例如，通过马达扭矩控制的从动夹持力102可以在S3处的装备操作期间被增加至相对高的水平，并且被保持在高水平直到S6处的切割操作的待定或直至在S7处到达释放阈值。
如上所述，在各种示例性实施例中，当执行各种外科手术程序时，可能期望控制外科手术器械（例如，腕和/或轴）的DOF运动。例如，为了在需要高夹持力的程序期间提供稳定性和/或对外科手术器械的其他控制，这类控制可能是期望的。因此，各种示例性实施例预期到，依据外科手术器械的状态以及通过外科手术器械正在执行的特定程序而锁定和解除（即，允许或阻止）外科手术器械的一个或更多个DOF运动。
现在转向图5，描述了这样的状态图，该状态图描述了示例性控制方法，包括对外科手术器械的DOF运动的控制。例如，依据所涉及的操作而锁定或解锁通过病人侧推车800的铰接臂810控制的外科手术器械的自由度（DOF），诸如，通过腕机构606的俯仰与偏摆、通过轴604的滚动以及器械600沿X、Y和Z方向的移动。为了简便的目的，从动夹持力102已经被省略，因为DOF500的解锁与锁定独立于从动夹持力102的操作而发生。
在S3处，当接收到封闭输入并且主控夹持输入超过夹持力阈值时，DOF500被锁定，其通过从S2处的关闭状态到S3处的开启状态的转变所表示。当封闭程序在S4处结束时，DOF500可以被解除锁定，以允许例如外科医生能够操纵外科手术器械以移动组织等。在可替代的实施例中，DOF500可以在S4处的封闭程序之后被维持在锁定状态。返回至图5，当在S5处接收到表示外科手术器械的装备状态的输入时，如果DOF500已经被解锁，则DOF500在装备操作期间被锁定。DOF500可以被锁定直到S6处的装备的结束，直到S7处的切割的开始，直到S8处的切割的结束，并且直到在S9处已到达释放阈值。
在可替代的实施例中，从S4处的封闭程序之后直到S7处的切割程序的开始，DOF500可以被解锁，之后DOF500被锁定，即，DOF500在装备程序期间是解锁的。在另一可替代的实施例中，DOF500可以在每个程序之间（例如，在S4与S5之间，以及在S6与S7之间）被解锁。另外，DOF500可以紧随S8处的切割程序之后被解锁。此外，一个或更多个DOF500可以在例如封闭或切割程序的程序和/或例如装备操作的操作之间、或在所述程序或操作期间被选择性地锁定或解锁。
尽管DOF500的解锁与锁定独立于末端执行器处的较高和较低的从动夹持力而发生，但当较高的夹持力在末端执行器处发生时，DOF500通常被锁定，而当较低的夹持力或零夹持力在末端执行器处发生时，DOF500通常被解锁。
尽管诸如封闭和切割的程序已经被公开，但本领域技术人员应当认识到，本公开不限于所描述的封闭和切割程序，并且利用外科手术器械的各种程序中的任一种（例如，吻合等）也可以被使用。
因此，根据本公开的各种示例性实施例能够提供当接收到表示夹持水平增加和外科手术程序开始的两个输入时将末端执行器夹持装置的夹持力增加至较高水平的夹持力控制方案。另外，在外科手术程序期间，即使当使用相对高的夹持力时，通过依据外科手术器械的操作状态锁定和解锁各种器械DOF运动，本公开的各种示例性实施例也能够提高外科手术器械的稳定性和控制。
所述实施例能够在计算硬件（计算设备）中和/或软件（诸如（在非限制性示例中）能够存储、检索、处理和/或输出数据和/或与其他计算机通信的任何计算机）中被实施。产生的结果能够被显示在计算硬件的显示器上。包含实现根据本公开的各种示例性实施例的各种响应以及信号处理的算法的一个或更多个程序/软件能够通过电子设备/操纵控制台804（诸如上述的电外科手术处理单元）的处理器或结合电子设备/操纵控制台804而被执行，并且可以记录在的包括计算机可读的记录和/或存储介质的计算机可读介质上。计算机可读的记录介质的示例包括磁记录设备、光盘、磁光盘和/或半导体存储器（例如，RAM、ROM等）。磁记录设备的示例包括硬盘装置（HDD）、软盘（FD）和磁带（MT）。光盘的示例包括DVD（数字多功能光盘）、DVD-RAM、CD-ROM（只读光盘存储器）和CD-R（可记录）/RW。
如上所述，根据各种示例性实施例的方法和系统能够结合外科手术器械使用，其中该外科手术器械具有被配置为通过经由器械的近端处的传动机构致动的部件执行多个外科手术程序的末端执行器。另外，根据实施例的一方面，能够提供所描述的特征、功能和/或操作的任何组合。
通过考虑本公开的说明与实践以及本文中的权利要求，本发明的其他实施例对本领域技术人员而言是显而易见的。意图是，说明和示例被认为仅是示例性的，本发明的实际范围和精神由所附权利要求表明。

Claims (28)

1.一种控制机器人控制的外科手术器械的末端执行器的夹持力的方法，所述方法包含：
接收表示控制所述末端执行器的从动夹持力的主控夹持输入机构处的高夹持水平输入的第一输入信号；
接收表示使用者准备好操作所述外科手术器械以执行第一外科手术程序的第二输入信号；以及
响应于一起接收到所述第一输入信号和所述第二输入信号而输出第一致动信号，以便在所述第一外科手术程序期间将所述从动夹持力从第一水平增加至高于所述第一水平的第二水平。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包含：
响应于一起接收到所述第一输入信号和所述第二输入信号而输出锁定信号，以便在所述第一外科手术程序期间锁定所述外科手术器械的一个或更多个自由度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述主控夹持输入机构处的输入超过挤压力阈值时，输出表示所述高夹持水平的所述第一输入信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述挤压力阈值是所述主控夹持输入机构处的压缩量的大约80%或更多。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述主控夹持机构包含偏置转变机构，所述偏置转变机构包括第一偏置机构和第二偏置机构，并且其中所述第一偏置机构为使用者提供表示抵抗第一水平阻力的挤压的指示较低夹持力的触觉反馈，而所述第二偏置机构为使用者提供表示抵抗第二水平阻力的挤压的指示较高夹持力的触觉反馈。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述挤压力阈值是所述第二偏置机构的压缩量的大约80%或更多。
7.根据权利要求1所述的方法，其还包含输出第二致动信号以降低所述末端执行器的所述从动夹持力。
8.根据权利要求7所述的方法，其中输出所述第二致动信号包含，响应于所述主控夹持输入机构的释放超过释放阈值而输出所述第二致动信号以降低所述从动夹持力。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述释放阈值是所述主控夹持输入机构处的释放量的大约20%或更多。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述主控夹持机构包含偏置转变机构，所述偏置转变机构包括第一偏置机构和第二偏置机构，并且其中所述第一偏置机构为使用者提供表示抵抗第一水平阻力的挤压的指示较低夹持力的触觉反馈，而所述第二偏置机构为使用者提供表示抵抗第二水平阻力的挤压的指示较高夹持力的触觉反馈。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述释放阈值是所述第二偏置机构的释放量的大约20%或更多。
12.根据权利要求8所述的方法，其中输出所述第二致动信号包含，当超过所述释放阈值时，输出所述第二致动信号以将所述从动夹持力从所述第二夹持力水平降低至零夹持力水平。
13.根据权利要求7所述的方法，其中输出所述第二致动信号包含，响应于所述外科手术程序将要结束的指示或所述第一外科手术程序已经结束的指示中的一个或更多个而输出所述第二致动信号以降低所述从动夹持力。
14.根据权利要求13所述的方法，其中输出所述第二致动信号以降低所述从动夹持力包含，输出所述第二致动信号以将所述从动夹持力从所述第二夹持力水平降低至所述第一夹持力水平。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二输入信号的中止表示所述外科手术程序将要结束。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一外科手术程序已经结束的指示是根据从组织检测的信息、所述末端执行器的原元件的位置以及自所述外科手术程序开始所逝去的时间中的一个或更多个而确定的。
17.根据权利要求1所述的方法，其中接收所述第二输入信号包含接收表示装备操作的装备输入信号，所述装备输入信号表示所述使用者准备好执行切割程序。
18.根据权利要求17所述的方法，其还包含，在所述装备输入信号表示所述切割程序将要开始之后，接收切割输入信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其还包含，输出第二致动信号，以便在所述装备操作与所述切割操作之间降低所述末端执行器的所述从动夹持力。
20.根据权利要求18所述的方法，其中在所述装备操作与所述切割操作之间维持所述第二夹持力水平。
21.根据权利要求1所述的方法，其还包含，接收表示使用者准备好操作所述外科手术器械以执行随后的外科手术程序的第三输入信号，其中在所述第一外科手术程序与所述随后的外科手术程序之间维持所述第二夹持力水平。
22.根据权利要求1所述的方法，其还包含：
接收表示使用者准备好操作所述外科手术器械以执行随后的外科手术程序的第三输入信号；以及
输出第二致动信号，以在所述第一外科手术程序与所述随后的外科手术程序之间降低所述末端执行器的所述从动夹持力。
23.一种控制机器人控制的外科手术器械的末端执行器的方法，所述方法包含：
接收表示控制所述末端执行器的从动夹持力的主控夹持输入机构处的高夹持水平输入的第一输入信号；
接收表示使用者准备好操作所述外科手术器械以执行第一外科手术程序的第二输入信号；以及
响应于一起接收到所述第一输入信号和所述第二输入信号而输出锁定信号，以在所述第一外科手术程序期间锁定所述外科手术器械的一个或更多个自由度。
24.根据权利要求23所述的方法，其还包含：
接收表示使用者准备好操作所述外科手术器械以执行随后的外科手术程序的第三输入信号；以及
输出解锁信号，以在所述第一外科手术程序与所述随后的外科手术程序之间解锁所述外科手术器械的一个或更多个自由度。
25.根据权利要求24所述的方法，其中接收所述第二输入信号包含接收表示装备操作的装备输入信号，所述装备输入信号表示所述使用者准备好执行切割程序。
26.根据权利要求25所述的方法，其还包含，在所述装备输入信号表示所述切割程序将要开始之后，接收切割输入信号。
27.根据权利要求26所述的方法，其还包含，输出解锁信号，以在所述装备操作与所述切割操作之间解锁所述外科手术器械的一个或更多个自由度。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述外科手术器械的所述自由度在所述装备操作与所述切割操作之间被维持锁定。
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