CN108969104A - 外科工具腕 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外科工具腕。本发明提供了各种示例性外科工具腕。通常，外科工具可包括细长轴和将端部执行器联接到该轴的远侧端部的腕。外科工具可包括多个细长构件，该细长构件被构造成能够单独运动或作为两个或更多个细长构件的组运动，以引起端部执行器相对于所述轴的运动。外科工具的细长构件中的每一个可被构造成能够沿螺旋路径延伸。细长构件中的每一个可从其相关联的螺旋路径朝近侧延伸到所述腕处的滑轮。螺旋路径可被构造成能够引导细长构件以基本上零角度接近并接合其各自的滑轮。
Description
技术领域
本公开整体涉及外科工具腕。
背景技术
由于术后恢复时间缩短和瘢痕最小化，微创外科手术(MIS)器械通常优于传统的开放式外科装置。腹腔镜手术是一种MIS手术，其中在腹部形成一个或多个小切口并且通过切口插入套管针以形成进入腹腔的通路。套管针用于将各种器械和工具引入腹腔中，以及用于提供注气以使腹壁升高至器官的上方。这些器械和工具可用于通过多种方式接合和/或处理组织以达到诊断或治疗效果。内窥镜手术是另一种MIS手术，其中细长的柔性轴通过自然腔道引入体内。
已经开发了各种机器人系统来辅助MIS手术。机器人系统可通过保持自然的手眼轴来实现更直观的手部动作。机器人系统还可通过在器械上包括“腕”关节来实现更大的运动自由度，从而产生更自然的类手关节运动。然而，机器人系统的一个缺点是延伸通过手腕的用于移动器械的端部执行器的缆线随着时间推移会经历磨损。磨损会导致缆线失效和/或缆线能力降低，从而在缆线承受外部负载时产生引起端部执行器运动所需的力。
因此，仍然需要改进的外科工具腕。
发明内容
总体而言，提供了外科工具腕。
在一个方面，提供了一种外科工具，在一个实施方案中，其包括细长轴和联接到该细长轴的远侧端部的端部执行器。端部执行器包括第一通道和第二通道。每个通道沿螺旋路径延伸。该外科工具还包括第一细长柔性构件和第二细长柔性构件，第一细长柔性构件安置在第一通道中并且被构造成选择性地运动以引起端部执行器的运动，第二细长柔性构件安置在第二通道中并且被构造成选择性地运动以引起端部执行器的运动。
该外科工具可具有任何数量的变型。例如，端部执行器可围绕第一枢转接头运动，端部执行器可包括可围绕第二枢转接头相对于彼此运动的第一钳口和第二钳口，第一细长柔性构件和第二细长柔性构件可被构造成选择性地运动以使第一钳口和第二钳口分别围绕第二枢转接头运动。第一钳口可具有形成在其中的第一通道，第二钳口可具有形成在其中的第二通道，第一钳口可包括第三通道，第二钳口可包括第四通道，并且第三通道和第四通道可各自沿着螺旋路径延伸。该外科工具可包括安置在第三通道中的第三细长柔性构件和安置在第四通道中的第四细长柔性构件，第一细长柔性构件和第三细长柔性构件可被构造成选择性地运动以引起第一钳口围绕第二枢转点的运动，并且第二细长柔性构件和第四细长柔性构件可被构造成选择性地运动以引起第二钳口围绕第二枢转点的运动。第一通道可具有大于第三通道直径的直径，第一细长柔性构件和第三细长柔性构件可具有基本上相同的直径，第二通道可具有大于第四通道直径的直径，并且第二细长柔性构件和第四细长柔性构件可具有基本上相同的直径。第一细长柔性构件、第二细长柔性构件、第三细长柔性构件和第四细长柔性构件可被构造成选择性地被致动以使端部执行器围绕第一枢转点进行关节运动。
又如，端部执行器可在腕处联接到细长轴，该腕包括与第一细长柔性构件操作地接合的第一滑轮和与第二细长柔性构件操作地接合的第二滑轮。第一细长柔性构件能够相对于第一滑轮的平面以基本上零角度接近并操作地接合第一滑轮，并且第二细长柔性构件能够相对于第二滑轮的平面以基本上零角度接近并操作地接合第二滑轮。
再例如，第一细长柔性构件和第二细长柔性构件中的每一个可包括缆线、丝和绞合线中的一种。
又再例如，该外科工具可包括联接到细长轴的近侧端部的外壳。外壳可被构造成联接到外科机器人的驱动器，该驱动器被构造成控制第一细长柔性构件和第二细长柔性构件的运动。
在另一个实施方案中，提供了一种外科工具，其包括细长轴，联接到该细长轴并具有第一钳口和第二钳口的端部执行器，以及形成在端部执行器和细长轴之间的腕。腕包括第一滑轮和第二滑轮，并且腕被构造成允许端部执行器相对于细长轴进行关节运动。该外科工具还包括与第一滑轮和第一钳口操作地接合的第一细长柔性构件，以及与第二滑轮和第二钳口操作地接合的第二细长柔性构件。第一细长柔性构件的运动能够有效地引起端部执行器的运动，并且第一细长柔性构件在端部执行器的整个关节运动范围内与第一滑轮具有基本上零偏离角。第二细长柔性构件的运动能够有效地引起端部执行器的关节运动，并且第二细长柔性构件在端部执行器的整个关节运动范围内与第二滑轮具有基本上零偏离角。
该外科工具可以任意种方式变化。例如，第一细长柔性构件和第二细长柔性构件各自能够在端部执行器的整个关节运动范围内相对于端部执行器的纵向轴线以非零角度从端部执行器朝它们各自相关联的第一滑轮和第二滑轮朝近侧延伸。
又如，第一钳口可具有形成于第一钳口中的第一螺旋沟槽，该第一螺旋沟槽安置第一细长构件并将第一细长构件从第一钳口朝近侧引导，并且第二钳口可具有形成于第二钳口中的第二螺旋沟槽，该第二螺旋沟槽安置第二细长构件并将第二细长构件从第二钳口朝近侧引导。
再如，第一滑轮可具有沿第一滑轮的周边形成的第一沟槽，以将第一细长柔性构件安置在第一沟槽中，无论端部执行器是否相对于细长轴的纵向轴线进行关节运动，第一细长柔性构件可与第一滑轮具有基本上零偏离角，第二滑轮可具有沿第二滑轮的周边形成的第二沟槽，以将第二细长柔性构件安置在第二沟槽中，无论端部执行器是否相对于细长轴的纵向轴线进行关节运动，第二细长柔性构件可与第二滑轮具有基本上零偏离角。第一滑轮和第二滑轮可各自具有限定基本上平行于细长轴的纵向轴线的平面的面。
又如，外科工具可包括与第一钳口操作地接合的第三细长柔性构件，以及与第二钳口操作地接合的第四细长柔性构件。第三细长柔性构件可有效地引起端部执行器的运动，腕可包括与第三细长柔性构件操作地接合的第三滑轮，并且第三细长柔性构件可在端部执行器的整个关节运动范围内与第三滑轮具有基本上零偏离角。第四细长柔性构件可有效地引起端部执行器的运动，腕可包括与第四细长柔性构件操作地接合的第四滑轮，并且第四细长柔性构件可在端部执行器的整个关节运动范围内与第四滑轮具有基本上零偏离角。
再如，第一细长柔性构件和第二细长柔性构件中的每一个可包括缆线、丝和绞合线中的一种。
又再如，该外科工具可包括联接到细长轴的近侧端部的外壳。外壳可被构造成联接到外科机器人的驱动器，该驱动器被构造成控制第一细长柔性构件和第二细长柔性构件的运动。
在另一方面，提供了一种外科方法，在一个实施方案中，该外科方法包括引起第一细长柔性构件的运动，该第一细长柔性构件安置在形成于外科工具的端部执行器中的第一通道中。第一细长柔性构件的运动引起端部执行器相对于在远侧端部具有该端部执行器的细长轴运动。第一通道沿螺旋路径延伸，并且第一细长柔性构件从第一通道朝近侧延伸，以便以基本上零偏离角操作地接合外科工具的第一滑轮。
所述外科方法可以任一种方式变化。例如，该方法还可包括引起第二细长柔性构件的运动，该第二细长柔性构件安置在形成于端部执行器中的第二通道中。第二细长柔性构件的运动可引起端部执行器相对于细长轴的运动。第二通道可沿螺旋路径延伸，并且第二细长柔性构件可从第二通道朝近侧延伸，以便以基本上零偏离角操作地接合外科工具的第二滑轮。
又如，第一细长柔性构件能够周边可动地安置在沿第一滑轮的周边形成的第一沟槽中，并且第二细长柔性构件能够可动地安置在沿第二滑轮的形成的第二沟槽中。第一细长柔性构件的运动可引起第一细长柔性构件沿第一轴线在第一沟槽中运动，该第一轴线基本上平行于细长轴的纵向轴线。第二细长柔性构件的运动可引起第二细长柔性构件沿第二轴线在第二沟槽中运动，该第二轴线基本上平行于细长轴的纵向轴线。
附图说明
通过以下结合附图所作的详细描述，将更充分地理解本发明，在附图中：
图1为外科工具的一个实施方案的侧面视示意图；
图2为与六自由度相关的术语的图形表示；
图3为具有腕的外科工具的一个实施方案的透视图；
图4为图1的外科工具的远侧部分的侧面局部透明视图；
图5为图1的外科工具的远侧部分的另一侧视图；
图6为图1的外科工具的第一钳口的侧视图；
图7为图6的第一钳口的另一侧视图；
图8为图6的第一钳口的端视图；
图9为图1的外科工具的第二钳口的侧视图；
图10为图9的第二钳口的另一侧视图；
图11为图9的第二钳口的端视图；
图12为图1的外科工具的远侧部分的侧视图，其中为清楚起见已省略外科工具的轴；
图13为图12的外科工具的远侧部分的另一侧视图；
图14为图12的外科工具的远侧部分的又一侧视图；
图15为图12的外科工具的远侧部分的又一侧视图；
图16为图1的外科工具的一部分的透视图，其中为清楚起见已省略外科工具的轴和端部执行器；
图17为具有腕的外科工具的另一个实施方案的透视图，其中外科工具的端部执行器未进行关节运动且处于闭合位置；
图18为图17的外科工具的远侧部分的侧视图，其中为清楚起见已省略外科工具的轴的远侧部分；
图19为图18的外科工具的远侧部分的另一侧视图；
图20为图18的外科工具的远侧部分的又一侧视图；
图21为图18的外科工具的远侧部分的又一侧视图；
图22为图17的外科工具的远侧部分的透视图，其中端部执行器未进行关节运动且处于打开位置；
图23为图22的外科工具的远侧部分的侧视图，其中为清楚起见已省略外科工具的轴的远侧部分；
图24为图17的外科工具的远侧部分的透视图，其中端部执行器以一个自由度进行关节运动且处于闭合位置，并且为清楚起见已省略外科工具的轴的远侧部分；
图25为图24的外科工具的远侧部分的侧视图；
图26为图24的外科工具的远侧部分的另一侧视图；
图27为图17的外科工具的远侧部分的透视图，其中端部执行器以两个自由度进行关节运动且处于闭合位置，并且为清楚起见已省略外科工具的轴的远侧部分；
图28为图27的外科工具的远侧部分的侧视图；
图29为图27的外科工具的远侧部分的另一侧视图；
图30为具有腕的外科工具的又一个实施方案的透视图，其中外科工具的端部执行器未进行关节运动且处于闭合位置；
图31为机器人外科系统的一个实施方案的示意图，该机器人外科系统被构造成能够由用户操作并且在对患者进行外科手术期间使用；
图32为在对患者进行外科手术期间使用的图31的机器人外科系统的一个实施方案的示意图；
图33为在对患者进行外科手术期间使用的图32的机器人外科系统的透视图；并且
图34为计算机系统的一个实施方案的示意图。
具体实施方式
现在将描述某些示例性实施方案，以从整体上理解本文所公开的装置和方法的结构、功能、制造和用途原理。这些实施方案的一个或多个示例已在附图中示出。本领域的技术人员将会理解，本文具体描述并在附图中示出的装置和方法是非限制性的示例性实施方案，本公开的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施方案进行图解说明或描述的特征可与其他实施方案的特征进行组合。此类修改和变型旨在包括在本发明的范围之内。
此外，在本公开中，各实施方案中名称相同的部件通常具有相似的特征，因而在一个具体实施方案中，不一定完整地详细说明每个名称相同的部件的每个特征。另外，就使用线性或圆形尺寸来描述本发明所公开的系统、装置和方法而言，此类尺寸并非旨在限制可结合此类系统、装置和方法使用的形状的类型。本领域的技术人员将认识到，可容易针对任何几何形状确定此类线性和圆形尺寸的等效尺寸。系统和装置及其部件的大小和形状可至少取决于系统和装置将用于其中的受治疗者的解剖结构、系统和装置将与其一起使用的部件的大小和形状、以及系统和装置将用于其中的方法和手术。
本文所用的术语并非旨在限制本发明。例如，空间相关的术语如“上”、“下”、“下方”、“之下”、“下部”、“上方”、“上部”、“向后”、“向前”等可用于描述图中所示的一个元件或特征结构与另一个元件或特征结构的关系。这些空间相关的术语旨在涵盖设备在使用或操作中的除了图中所示的位置和取向之外的不同位置和取向。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为“低于”其他元件或特征结构或“在其下方”的元件将“高于”其他元件或特征结构或“在其上方”。同样，对沿各轴和围绕各轴的运动的描述包括各种特殊的设备位置和取向。如本领域技术人员将理解的，对所述特征结构、步骤、操作、元件和/部件的存在的说明不排除本文所述的一个或多个其他特征结构、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。另外，被描述为已联接的部件可直接联接，或者它们可通过一个或多个中间部件间接联接。
提供了各种示例性外科工具腕。通常，外科工具可包括细长轴和将端部执行器联接到该轴的远侧端部的腕。腕可被构造成便于端部执行器相对于轴的运动。外科工具可包括多个细长构件(例如，缆线、丝等)，其被构造成单独运动或作为两个或更多个细长构件的组运动，以引起端部执行器相对于轴的运动。端部执行器的运动可包括关节运动以及打开/闭合。在示例性实施方案中，端部执行器被构造成进行关节运动并且打开/闭合，尽管端部执行器可被构造成仅进行关节运动或仅打开/闭合。关节运动通常指端部执行器在基本上零角度的非关节运动位置与关节运动位置之间的运动，在非关节运动位置，端部执行器与轴基本上纵向对齐，在关节运动位置，端部执行器相对于轴成角度地取向。本领域的技术人员将会理解，角度可能不精确地为零，但是由于诸如制造公差和测量装置的精度之类的任何数量的因素而被认为基本上为零。打开/闭合通常指端部执行器在打开位置和闭合位置之间的运动，在打开位置，端部执行器的相对的钳口打开，在闭合位置，钳口闭合。
外科工具的每个细长构件可被构造成沿螺旋路径延伸。换句话讲，细长构件可各自沿与端部执行器的纵向轴线成角度偏移的路径延伸。每个细长构件可从其相关联的螺旋路径朝近侧延伸到腕处的滑轮，该滑轮可被构造成便于其相关联的细长构件的平滑受控运动。螺旋路径可被构造成引导细长构件以基本上零角度接近并接合它们各自的滑轮，无论端部执行器是否进行关节运动并且无论端部执行器是处于打开位置还是闭合位置。换句话讲，螺旋路径可被构造成使细长构件和它们各自的滑轮之间的偏离角最小化。以基本上为零的角度接近并接合它们各自的滑轮(例如以基本上为零的偏离角)的每个细长构件可使细长构件和它们各自的滑轮之间的摩擦最小化，从而有助于减少细长构件上的磨损并因此增加它们的有效工作寿命。
图1示出了外科工具10的一个实施方案，其包括细长轴(在本文中也称为“轴”)12、端部执行器14、将端部执行器14在轴12的远侧端部联接到轴12的腕16，以及联接到轴12的近侧端部的工具外壳18。端部执行器14被构造成在腕16处相对于轴12运动(例如通过在腕16处枢转)以在工具10使用期间将端部执行器14定位在相对于手术部位的期望位置处。外壳18包括被构造成控制与端部执行器14相关联的各种特征结构的操作(例如，夹紧、击发、旋转、关节运动、能量递送等中的任何一者或多者)的各种部件。在至少一些实施方案中，轴12以及因此联接到其的端部执行器14被构造成围绕轴12的纵向轴线A1旋转。在此类实施方案中，外壳18的各种部件被构造成控制轴12的旋转运动。在至少一些实施方案中，如在所示实施方案中，外科工具10被构造成可释放地联接到机器人外科系统，并且工具外壳18可包括被构造成允许工具10可释放地联接到机器人外科系统的联接特征结构。轴12、端部执行器14、腕16和外壳18中的每一者将在下面进一步讨论。
外科工具10可具有多种构型中的任一种。通常，外科工具10可被构造成执行至少一个外科功能并且可包括例如夹钳、抓紧器、针驱动器、剪刀、施加能量的电烙工具、缝合器，施夹器、抽吸工具、冲洗工具、成像设备(例如，内窥镜或超声探头)等中的任何一者。在至少一些实施方案中，外科工具10被构造成向组织施加能量(例如射频(RF)能量)，而在其他实施方案中，工具10未被构造成向组织施加能量。
轴12可具有多种构型中的任一种。通常，轴12是细长构件，其从外壳18朝远侧延伸并且具有穿过其延伸的至少一个内腔。轴12固定到外壳18，但是在其他实施方案中，轴12能够可释放地联接到外壳18，使得轴12可与其他轴互换。这可允许单个外壳18适用于具有不同端部执行器的各种轴。
端部执行器14可具有多种尺寸、形状和构型。该图示实施方案中的端部执行器14包括组织抓紧器，该组织抓紧器具有一对相对的钳口20,22，该抓紧器被构造成在打开位置和闭合位置之间运动，钳口20,22中的一个或两个被构造成在腕16处枢转以使端部执行器14在打开位置和闭合位置之间运动。端部执行器14可具有其他构型，例如，包括一对相对的切割钳口的剪刀、包括一对相对的抓持钳口的巴布科克钳、牵开器等。
腕16可具有多种构型中的任一种。外科工具的腕的示例性实施方案在2014年3月13日提交的名称为“Compact Robotic Wrist”的国际专利公布No.WO 2014/151952、2014年3月13日提交的名称为“Hyperdexterous Surgical System”的国际专利公布No.WO 2014/151621，以及2016年7月1日提交的名称为“Methods,Systems,And Devices ForInitializing A Surgical Tool”的美国专利申请No.15/200,283中有所描述，这些专利全文以引用方式并入本文。通常，腕16可包括被构造成允许端部执行器14相对于轴12运动的接头，诸如可供钳口20,22枢转地附接的枢转接头。在一些实施方案中，枢转运动可包括围绕腕16的第一轴线(例如，X轴)的俯仰运动、围绕腕16的第二轴线(例如，Y轴)的偏航运动以及它们的组合，以允许端部执行器14围绕腕16的360°旋转运动。在其他实施方案中，枢转运动可限于单个平面中的运动，例如，仅围绕腕16的第一轴线的俯仰运动或仅围绕腕16的第二轴线的偏航运动，使得端部执行器14仅在单个平面中运动。图2示出了由三个平移或位置变量(例如，进退、升沉、摇摆)以及由三个旋转或取向变量(例如，欧拉角或滚转、俯仰和偏航)表示的系统的自由度，其描述外科系统部件相对于给定的参考笛卡尔坐标系的位置和取向。如本文所用，并且如图2所示，术语“进退”是指前后运动，术语“升沉”是指上下运动，术语“摇摆”是指左右运动。关于旋转术语，“滚转”是指左右倾斜，“俯仰”是指前后倾斜，并且“偏航”是指左右转动。
外科工具10包括被构造成实现端部执行器14相对于轴12的运动的多个细长构件(在图1中被遮挡)。细长构件可操作地联接到工具外壳18，沿轴12延伸，延伸穿过腕16，并且与端部执行器14可操作地接合。在示例性实施方案中，细长构件在轴12的内腔内沿轴12从工具外壳18朝远侧延伸。可选择性地致动细长构件以引起端部执行器14(例如，钳口20,22中的一个或两个)相对于轴12运动(例如，枢转)。对细长构件的选择性致动可使细长构件中的任何一个或多个运动(例如纵向平移)以引起端部执行器14的运动。平移的一个或多个细长构件取决于所请求的运动，例如，细长构件中的适当的一个或多个细长构件纵向平移以引起端部执行器14进行关节运动(例如，两个钳口20,22在相同方向上成角度)，以使得端部执行器14打开(例如，钳口20,22中的一个或两个远离钳口20,22中的另一个运动)，或者使得端部执行器14闭合(例如，钳口20,22中的一个或两个朝钳口20,22中的另一个运动)。可采用多种方式中的任一种来实现致动，诸如通过致动可操作地联接到工具外壳18的致动器，如下面进一步讨论。通常，致动在近侧方向上向一个或多个细长构件施加张力，使得这一个或多个细长构件平移，从而使得端部执行器14相对于轴12运动。换句话讲，致动将一个或多个细长构件朝近侧拉动。当钳口20,22两者都被构造成运动以打开和闭合端部执行器14时，细长构件中的至少一个能够可操作地联接到钳口20中的一个以移动该钳口20，并且柔性构件中的至少另一个能够可操作地联接到钳口22中的另一个以移动该钳口22。当钳口20,22中只有一个被构造成运动以打开和闭合端部执行器14时，细长构件中的至少一个能够可操作地联接到钳口20,22中的一个以移动钳口20,22中的这一个。
多个细长构件可具有多种构型，例如缆线、丝或绞合线。细长构件可由多种材料中的任一种制成，诸如金属(例如，钨、不锈钢等)。在示例性实施方案中，细长构件均是柔性的。外科工具的细长构件的示例性实施方案在前面提到的2014年3月13日提交的名称为“Compact Robotic Wrist”的国际专利公布No.WO 2014/151952和2014年3月13日提交名称为“Hyperdexterous Surgical System”的国际专利公布No.WO 2014/151621中描述。
由一个或多个柔性构件的运动引起的端部执行器14的运动包括端部执行器14在非关节运动位置与关节运动位置之间的运动，在非关节运动位置，端部执行器14与轴12基本上纵向对齐(例如，端部执行器14的纵向轴线A2与轴12的纵向轴线A1基本上对齐，使得端部执行器14相对于轴12成基本上零角度)，并且在关节运动位置，端部执行器14相对于轴12成角度地取向(例如，端部执行器14的纵向轴线A2相对于轴12的纵向轴线A1成角度，使得端部执行器14相对于轴12成非零角度)。本领域的技术人员将理解，端部执行器14可不与轴12精确对齐(例如，可不相对于该轴成精确为零的角度)，但是由于许多因素，诸如制造公差和测量装置的精度，其仍然被认为与轴12基本上对齐(例如，以基本零角度)。图1中端部执行器14被示为处于非关节运动位置。
工具10包括位于腕16处的多个滑轮(在图1中被遮挡)，这些滑轮定位在端部执行器14的近侧。每个滑轮与细长柔性构件中的一个操作地接合。每个细长柔性构件以相对于端部执行器纵向轴线A1的非零的角度从端部执行器14朝近侧延伸，以基本上零角度接近并接合与其相关联的一个滑轮，无论端部执行器14是否进行关节运动，并且无论端部执行器14是打开还是闭合。换句话讲，无论端部执行器14是否进行关节运动，并且无论端部执行器14是打开还是闭合，细长柔性构件与其相关联的滑轮之间的偏离角可基本上为零。与它们各自的滑轮具有基本上零偏离角的细长柔性构件可帮助减小细长柔性构件上的摩擦和相应应力，因为它们以一致的最佳角度接近并接合其各自的滑轮，减小了两个接合元件之间的摩擦。
工具外壳18可具有多种构型中的任一种。通常，工具外壳18可包括至少部分地设置在其中的一个或多个致动机构，这些致动机构被构造成引起多个细长构件的运动，从而引起端部执行器14围绕腕16的运动。这一个或多个致动机构可包括例如可操作地联接到多个柔性构件的一个或多个运动机构，诸如被构造成运动以引起细长构件平移的一个或多个滑轮。工具外壳18被构造成可释放地附接到机器人外科系统(在本文中也称为“机器人”或“外科机器人”)，以便将工具10可释放地附接到该机器人。如本领域技术人员将理解的，工具外壳18可被构造成以多种方式中的任一种可释放地附接到机器人，诸如通过夹紧到其上、夹到其上或与其可滑动地配合。如本领域技术人员将理解的，一个或多个运动机构被构造成由机器人控制，诸如通过机器人包括可操作地联接到工具外壳18的一个或多个输入的一个或多个马达，这些输入可操作地联接到一个或多个运动机构。机器人包括计算机系统，该计算机系统可接收用户输入并且可响应于用户输入来控制一个或多个马达，并因此控制细长构件的运动，由此控制端部执行器14的运动。
工具外壳18被构造成可拆卸且可替换地与之联接的工具驱动器可具有多种构型中的任一种。被构造成可拆卸且可替换地联接到外科工具诸如图1的外科工具10的工具驱动器的示例性实施方案以及本文所述的外科工具的其他实施方案在2016年7月1日提交的名称为“Methods,Systems,And Devices For Initializing A Surgical Tool”的前述美国专利申请No.15/200,283中描述。此外，包括一个或多个致动机构并且被构造成可释放地附接到机器人外科系统的外科工具的工具外壳的示例性实施方案在前面提到的2014年3月13日提交的名称为“Compact Robotic Wrist”的国际专利公布No.WO2014/151952和2014年3月13日提交的名称为“Hyperdexterous Surgical System”的国际专利公布No.WO 2014/151621中描述。机器人外科系统的示例性实施方案在2013年7月15日提交的名称为“Patient-Side Surgeon Interface For A Teleoperated Surgical Instrument”的美国专利No.8,831,782中描述，该专利全文以引用方式并入本文，并且在前面提到的2014年3月13日提交的名称为“Compact Robotic Wrist”的国际专利公布No.WO 2014/151952和2014年3月13日提交的名称为“Hyperdexterous Surgical System”的国际专利公布No.WO2014/151621中描述。
在其他实施方案中，代替被构造成可释放地联接到机器人外科系统，工具外壳18可被构造成在工具10使用期间由使用者手持。在这些实施方案中，工具外壳18可包括触发器、杠杆或其他致动器，其被构造成手动或电子操纵以引起柔性细长构件的运动，如本领域技术人员将理解的。
图3示出了外科工具100的示例性实施方案，其包括细长轴102、包括一对相对钳口112,114的端部执行器104、在轴102的远侧端部将端部执行器104联接到轴102的腕106、多个细长柔性构件108a,108b,110a,110b、腕206处的第一多个滑轮116a,116b,118a,118b(参见图4)、腕106处的第二多个滑轮120a,120b,122a,122b(参见图4)。工具100通常可与图1的工具10类似地构造和使用。图3示出了处于非关节运动位置并且钳口112,114闭合的端部执行器104。图3中仅示出了工具100的远侧部分。工具100可包括联接到轴102的近侧端部的工具外壳(未示出)。如本文所讨论的，工具外壳可被构造成可释放地且可替换地联接到控制工具100的运动的外科机器人，或者工具外壳可被构造成被手持和手动控制以控制工具100的运动。
在该图示实施方案中，柔性构件108a,108b,110a,110b呈缆线的形式，但如上所述，柔性构件108a,108b,110a,110b可具有其他构型(丝、绞合线等)。为清楚起见，在图中仅示出了柔性构件108a,108b,110a,110b的远侧部分。柔性构件108a,108b,110a,110b从端部执行器104朝近侧延伸到工具外壳，该工具外壳被构造成便于柔性构件108a,108b,110a,110b的运动，如本文所讨论。轴102包括穿过其延伸的内腔，该内腔将柔性构件108a,108b,110a,110b接收在其中。该内腔可以是单个内腔，或者可包括多个独立的管腔，每个管腔接收柔性构件108a,108b,110a,110b中的一个。或者，柔性构件108a,108b,110a,110b可沿其外侧的轴102延伸，诸如在轴102的外表面中形成的纵向通道中延伸。
工具100包括四个柔性构件108a,108b,110a,110b，一对操作地联接到钳口112,114中的每一个，但是在其他实施方案中可使用另外数量的柔性构件。例如，具有不包括一对钳口的端部执行器的外科工具可包括两个柔性构件，这两个柔性构件被构造成运动以引起端部执行器的关节运动。
如图3和图5所示，工具100具有第一枢转轴线P1，钳口112,114被构造成围绕该第一枢转轴线相对于彼此枢转以使端部执行器104在打开位置和闭合位置之间运动，并且钳口112,114被构造成围绕该第一枢转轴线一起运动以使端部执行器104进行关节运动。第一枢转轴线P1基本上垂直于端部执行器104的纵向轴线A3。本领域的技术人员将理解，轴线可能并非彼此精确地垂直，但是由于许多因素诸如制造公差和测量装置的精度，它们被认为基本上垂直。工具100在第一枢转轴线P1处具有两个接头，钳口112,114中的每一个具有一个接头。换句话讲，第一钳口112被构造成在两个接头中的一个处围绕第一枢转轴线P1枢转，并且第二钳口114被构造成在两个接头中的另一个处绕第一枢转轴线P1枢转。具有两个接头允许钳口112,114各自相对于彼此运动。柔性构件108a,108b,110a,110b的致动被构造成使得第一钳口112在其相关联的接头处在第一枢转轴线P1处运动，并且使得第二钳口114在其相关联的接头处在第一枢转轴线P1处运动。在示例性实施方案中，钳口112,114被构造成在它们相应的接头处一前一后地枢转。换句话讲，在钳口112,114打开期间，钳口112,114中的每一个在其相关联的接头处旋转，并且在钳口112,114闭合期间，钳口112,114中的每一个在其相关联的接头处旋转。
如图4所示，工具100在腕106处具有第二枢转轴线P2，端部执行器104(例如，钳口112,114)被构造成围绕该第二枢转轴线相对于轴102进行关节运动。柔性构件108a,108b,110a,110b的致动被构造成使得腕106在第二枢转轴线P2处运动，并因此引起端部执行器104的关节运动，如本文所讨论的。因此，端部执行器104被构造成以多个自由度进行关节运动，例如，通过围绕第一枢转轴线P1进行关节运动而具有某个自由度，并且通过围绕第二枢转轴线P2进行关节运动而具有另一自由度。在该示出的实施方案中，腕106被构造成例如以俯仰和偏航中的一者在单个平面中围绕第二枢转轴线P2枢转。在该示出的实施方案中，端部执行器104被构造成例如以俯仰和偏航中的另一者在单个不同的平面中围绕第一枢转轴线P1枢转。
如图4至图11所示，端部执行器104具有形成于端部执行器中的多个沟槽126a,126b,128a,128b，每个沟槽将柔性构件108a,108b,110a,110b中的一个安置在其中。图6至图8示出了作为独立元件的第一钳口112，并且图9至图11示出了作为独立元件的第二钳口114。第一钳口112具有形成在其中的用于安置第一柔性构件108a和第二柔性构件108b的第一对沟槽126a,126b，并且第二钳口114具有形成在其中的用于安置第三柔性构件110a和第四柔性构件110b的第二对沟槽128a,128b。
沟槽126a,126b,128a,128b中的每一个限定螺旋路径。由于每个沟槽具有螺旋形状，因此路径是螺旋形的。螺旋结构各自围绕第一枢转轴线P1旋转。由于第一枢转轴线P1基本垂直于端部执行器104的纵向轴线A3，因此沟槽126a,126b,128a,128b分别与端部执行器的纵向轴线A3成角度地偏移，而与端部执行器104是否进行了关节运动无关，并且如果端部执行器104相对于轴的纵向轴线A4以非零角度进行关节运动，则与端部执行器104进行关节运动的非零角度无关。如图3所示，当端部执行器104未进行关节运动时，端部执行器的纵向轴线A3与轴的纵向轴线A4对齐，因此，当端部执行器104未进行关节运动时，沟槽126a,126b,128a,128b也分别与轴的纵向轴线A4成角度地偏移。另外，每个沟槽126a,126b,128a,128b不在与端部执行器的纵向轴线A3平行的单个纵向平面中，这是由于它们的基本上垂直于端部执行器的纵向轴线A3延伸的螺旋形状。图6示出了第一沟槽126a的角度G1和第二沟槽126b的角度G2，每个沟槽从端部执行器的纵向轴线A3以非零角度偏移。角度G1、G2基本上彼此相同。类似地，图9示出了第三沟槽128a的角度G3和第四沟槽128b的角度G4，每个沟槽从端部执行器的纵向轴线A3以非零角度偏移。角度G3、G4基本上彼此相同。
如图4、图5和图12至图16所示，柔性构件108a,108b,110a,110b中的每一个从端部执行器104沿着其相应沟槽126a,126b,128a,128b的螺旋路径朝近侧延伸到腕106和轴102。换句话讲，沟槽126a,126b,128a,128b沿着由沟槽126a,126b,128a,128b的螺旋形状限定的螺旋路径引导柔性构件108a,108b,110a,110b远离端部执行器104。因此，柔性构件108a,108b,110a,110b各自从端部执行器104沿着与端部执行器的纵向轴线A3成角度地偏移的路径朝近侧延伸，而与端部执行器104是否进行了关节运动无关，并且如果端部执行器104相对于轴的纵向轴线A4以非零角度进行关节运动，则与端部执行器104进行关节运动的非零角度无关。
在示例性实施方案中，形成在第一钳口112中的两个沟槽126a,126b具有彼此不同的直径，并且安置在其中的柔性构件108a,108b具有彼此基本相同的直径。柔性构件108a,108b可具有各种直径中的任何一种，例如0.019mm。第一钳口的沟槽126a,126b的不同直径可反映分别位于第一沟槽126a和第二沟槽126b中的第一柔性构件108a和第二柔性构件108b可经历不同的负载或张力。在示例性实施方案中，每个沟槽126a,126b的直径大约等于安置在其中的每个柔性构件108a,108b的直径，这可通过限制柔性构件108a,108b在其相应的沟槽126a,126b内的侧向运动来帮助减少摩擦。本领域的技术人员将会理解，所述直径可能不是精确地相等，但是由于诸如制造公差和测量装置的精度之类的任何数量的因素而被认为是大约相等的。
如图7所示，在其中安置第一柔性构件108a的第一钳口的第一沟槽126a具有直径R3，该直径小于在其中安置第二柔性构件108b的第一钳口的第二沟槽126b的直径R4。当闭合端部执行器104并且/或者当端部执行器104将组织和/或其他材料夹持在其钳口112,114之间时，由于第二柔性构件108b用于将第一钳口112朝向第二钳口114牵拉，并且必须提供足够的力以牢固地夹持钳口112,114之间的组织和/或其他材料，第二柔性构件108b通常比第一柔性构件108a承受更高的负载或张力。图12示出了这种布置，其中第二柔性构件108b通过其相对于第一钳口112和第二钳口114的位置通常在近侧方向上被牵拉，其张力大于第一柔性构件108a经受的张力，以便迫使第一钳口112朝向第二钳口114运动。
类似于第一钳口的沟槽126a,126b，在示例性实施方案中，形成在第二钳口114中的两个沟槽128a,128b具有彼此不同的直径，并且安置在其中的柔性构件110a,110b具有彼此基本相同的直径。如图10所示，在其中安置第三柔性构件110a的第二钳口的第一沟槽128a具有直径R5，该直径大于在其中安置第四柔性构件110b的第二钳口的第二沟槽128b的直径R6。如图4和图13所示，当闭合端部执行器104并且/或者当端部执行器104将组织和/或其他材料夹持在其钳口112,114之间时，由于第三柔性构件110a用于将第二钳口114朝向第一钳口112牵拉并且必须提供足够的力以牢固地夹持钳口112,114之间的组织和/或其他材料，第三柔性构件110a通常比第四柔性构件110b承受更高的负载或张力。在另一个示例性实施方案中，在外科工具的端部执行器中形成并且构造成将细长柔性构件安置在其中的沟槽可分别具有相同的直径。
沿螺旋路径引导柔性构件108a,108b,110a,110b中的每一个的沟槽126a,126b,128a,128b允许柔性构件108a,108b,110a,110b以基本上零角度接近并接合它们相应的滑轮116a,116b,118a,118b。因此，可以实现这种基本上零角度的接近和接合，而与端部执行器104是否进行了关节运动无关，并且如果端部执行器104相对于轴的纵向轴线A2以非零角度进行关节运动，则与端部执行器104进行关节运动的非零角度无关。如上所述，柔性构件108a,108b,110a,110b以基本上零角度接近和接合它们相应的滑轮116a,116b,118a,118b，使得偏离角基本为零，这可使柔性构件108a,108b,110a,110b和它们相应的滑轮116a,116b,118a,118b之间的摩擦最小化，从而有助于减少柔性构件108a,108b,110a,110b上的磨损，并且从而增加它们的有效工作寿命。安置第二柔性构件108b的第二沟槽126b的较大直径R4和安置第三柔性构件110a的第三沟槽128a的较大直径R5可允许第二柔性构件108b和第三柔性构件110a在其相应沟槽116b,118a中侧向运动，并且从而在端部执行器的关节运动的整个范围内(例如，当端部执行器104位于多至并包括其最大倾斜位置的任何角度位置时)，有助于保持第二柔性构件108b和第三柔性构件110a及其相关联的滑轮116b,118a之间的基本上零偏离角。
柔性构件108a,108b,110a,110b如缆线通常由许多单独的细丝形成，每个细丝可由于与其相关联的滑轮116a,116b,118a,118b的摩擦而分别磨损和/或断裂，并且因此导致柔性构件上的整体磨损。通过保持基本上零偏离角，较少的细丝将磨损和/或断裂，从而提高整体柔性构件寿命。
滑轮116a,116b,118a,118b中的每一个具有围绕其周边延伸的通道，该通道被构造成将柔性构件108a,108b,110a,110b中的与其相关联的一个可动地安置在其中。柔性构件108a,108b,110a,110b被构造成在被移动时在它们相应的滑轮通道中运动，以使端部执行器104打开、闭合或进行关节运动。滑轮116a,116b,118a,118b中的每一个的面限定了一个平面，该平面与轴102的纵向轴线A4基本上对齐，并且当端部执行器104未进行关节运动时，与端部执行器104的纵向轴线A3基本上对齐。因此，通道分别与轴102的纵向轴线A4基本上对齐，并且当端部执行器104未进行关节运动时，与端部执行器104的纵向轴线A3对齐。因此，柔性构件108a,108b,110a,110b可沿着轴102延伸到外壳而不会彼此缠绕。
滑轮116a,116b,118a,118b中的每一个可在至少其安置柔性构件108a,108b,110a,110b的通道上具有表面光洁度，以减小滑轮116a,116b,118a,118b的摩擦系数，从而进一步减小滑轮116a,116b,118a,118b与其相关联的柔性构件108a,108b,110a,110b之间的摩擦。
柔性构件108a,108b,110a,110b从它们的第一多个滑轮116a,116b,118a,118b中的相应的一个线性地并朝近侧地延伸到第二多个滑轮120a,120b,122a,122b中的相应的一个。第二多个滑轮120a,120b,122a,122b的取向类似于第一多个滑轮116a,116b,118a,118b，例如，其面和通道相对于轴102类似地对齐。因此，沟槽126a,126b,128a,128b被构造成类似地以基本上零角度将柔性构件108a,108b,110a,110b引导至其第二多个滑轮120a,120b,122a,122b中的相应的一个。
柔性构件108a,108b,110a,110b中的每一个的远侧端部位于相对于其操作地联接的钳口112,114的固定位置中。如图4、图5和图14至图16所示，第一钳口112联接有第一双筒元件130，该第一双筒元件通过将远侧端部压接在第一双筒元件130中的相应孔中而将第一柔性构件108a和第二柔性构件108b的远侧端部保持在相对于第一钳口112的固定位置中。类似地，第二钳口114联接有第二双筒元件132，该第二双筒元件通过将远侧端部压接在第二双筒元件132中的相应孔中而将第三柔性构件110a和第四柔性构件110b的远侧端部保持在相对于第二钳口114的固定位置中。尽管双筒元件130,132压接柔性构件的远侧端部，但柔性构件的远侧端部能够以其他方式固定到其上，诸如通过使用粘合剂、焊接等。此外，无需使用双筒元件130,132，并且柔性构件的远侧端部能够以其他方式相对于其相应的钳口112,114固定，诸如通过使用粘合剂将远侧端部直接粘附到钳口112,114，将远侧端部直接焊接到钳口112,114等。
引导柔性构件108a,108b,110a,110b的沟槽126a,126b,128a,128b以及安置柔性构件108a,108b,110a,110b的滑轮116a,116b,118a,118b可分别有助于最大化腕106处的机械增益。通常，最大化腕106处的机械增益可在端部执行器104(例如，其钳口112,114)承受诸如通过压在端部执行器104外表面上的组织和/或其他物质施加到其外部的外部负载时，有助于端部执行器104(例如，其钳口112,114)对钳口112,114之间的组织和/或其他材料施加足够量的抓持或压缩力。尽管抓持或压缩力和外部负载量可变化，但是在一个示例中，抓持或压缩力可以是大约4磅，并且外部负载可以是大约2磅。
四个参数可影响腕106处的机械增益，如下面参照图4和图5所讨论的。第一参数是在端部执行器104的远侧末端124与第一枢转轴线P1之间延伸的第一距离D1。最小化第一距离D1提高了机械增益，例如，较小的第一距离D1对应于钳口112,114的枢转运动的较小的曲率半径，与较大曲率半径相比，所需的力更小。端部执行器104应该具有足够的长度以有效地接合组织并且在外科手术使用期间是可见的，因此距离D1不能是零，并且考虑到这些约束，在为了提高机械增益时可能较难进行优化。
第二参数是在第一枢转轴线P1和第二枢转轴线P2之间延伸的第二距离D2。最小化第二距离D2提高了机械增益，例如，较小的第二距离D2对应于端部执行器104的关节运动的较小的曲率半径，与较大曲率半径相比，所需的力更小。两个枢转轴线P1、P2之间具有距离，否则它们将是同轴的并且仅产生一个枢转轴线而不是两个，因此距离D2不能为零，并且考虑到这些约束，在为了提高机械增益时可能较难进行优化。
第三参数是直接接触端部执行器104的柔性构件108a,108b,110a,110b中的每一个的长度。最大化这些长度提高了机械增益，例如，移动端部执行器104所需的力可沿着柔性构件108a,108b,110a,110b中的更多者分布。柔性构件108a,108b,110a,110b在其相应的沟槽126a,126b,128a,128b中直接接触端部执行器104，使得直接接触端部执行器104的柔性构件108a,108b,110a,110b中的每一个的长度对应于安置在其相应沟槽126a,126b,128a,128b中的柔性构件108a,108b,110a,110b中的每一个的长度。与安置柔性构件的非螺旋沟槽相比，螺旋形的沟槽126a,126b,128a,128b可增加直接接触端部执行器104的柔性构件108a,108b,110a,110b中的每一个的长度，从而提高机械增益。另外，沟槽126a,126b,128a,128b的螺旋形状限定直径。因此，第三参数也可表示为由沟槽126a,126b,128a,128b限定的直径。因此最大化这些直径提高了机械增益。作为示例，图4示出了由将第三柔性构件110a安置在其中的第三沟槽128a限定的直径R1，以及将第四柔性构件110b安置在其中的第四沟槽128b限定的直径R2。
第四参数是随着柔性构件108a,108b,110a,110b从其相应的沟槽126a,126b,128a,128b从端部执行器104朝近侧延伸而与柔性构件108a,108b,110a,110b分别接近和接合的滑轮116a,116b,118a,118b的直径。最大化这些滑轮直径提高了机械增益，例如，移动端部执行器104所需的力可沿着柔性构件108a,108b,110a,110b的更长的长度分布。螺旋形沟槽126a,126b,128a,128b可允许柔性构件108a,108b,110a,110b在端部执行器的关节运动范围内以基本上零角度接近并接合它们相应的滑轮116a,116b,118a,118b，这可允许更大尺寸的滑轮116a,116b,118a,118b，因为在滑轮116a,116b,118a,118b附近不需要存在柔性构件108a,108b,110a,110b的间隙空间。换句话讲，滑轮116a,116b,118a,118b不需要包含非零偏离角。
图17示出了外科工具200的另一个示例性实施方案，其包括细长轴202、包括一对相对钳口212,214的端部执行器204、在轴202的远端处将端部执行器204联接到轴202的腕206、多个细长柔性构件208a,208b,210a,210b、第一双筒构件230和第二双筒构件232、腕206处的第一多个滑轮216a,216b,218a,218b(参见图18至图21)、腕206处的第二多个滑轮220a,220b,222a,222b(参见图18至图21)。工具200通常与图3的工具100类似地构造和使用。工具200可包括联接到轴202的近侧端部的工具外壳(未示出)。工具200具有第一枢转轴线P3，钳口212,214被构造成围绕该第一枢转轴线相对于彼此枢转以使端部执行器204在打开位置和闭合位置之间运动，并且钳口212,214被构造成围绕该第一枢转轴线一起运动以使端部执行器204进行关节运动。工具200在腕206处还具有第二枢转轴线P4，端部执行器204(例如，钳口212,214)被构造成围绕该第二枢转轴线相对于轴202进行关节运动。
在该示出的实施方案中，柔性构件208a,208b,210a,210b呈缆线的形式，但如上所述，柔性构件208a,208b,210a,210b可具有其他构型。为清楚起见，在图中仅示出了柔性构件208a,208b,210a,210b的远侧部分。
如图18和图19所示，端部执行器204具有形成在其中的多个沟槽226a,226b,228a,228b，每个沟槽限定了螺旋路径并且在其中安置柔性构件208a,208b,210a,210b中的一个。沟槽226a,226b,228a,228b被构造成以基本上零偏离角将它们相应的柔性构件208a,208b,210a,210b引导到滑轮216a,216b,218a,218b中的相应多个，而与端部执行器204是否进行了关节运动无关，并且如果端部执行器204相对于轴的纵向轴线以非零角度进行关节运动，则与端部执行器204进行关节运动的非零角度无关。在该示出的实施方案中，柔性构件208a,208b,210a,210b在其第一多个滑轮216a,216b,218a,218b中的相应多个处弯曲，以弯曲到端部执行器204的相对侧，以接合位于第一多个滑轮216a,216b,218a,218b近侧的第二多个滑轮220a,220b,222a,222b中的一个。将柔性构件208a,208b,210a,210b弯曲到工具200的相对侧可有助于在端部执行器204进行关节运动时保持柔性构件与第二多个滑轮220a,220b,222a,222b基本上零角度接近和接合。
图18至图21示出了端部执行器204未进行关节运动且处于闭合位置，例如，钳口212,214闭合到一起。图22和图23示出了端部执行器204未进行关节运动且处于打开位置，例如，钳口212,214彼此间隔开。图22和图23示出了在钳口212,214打开的情况下，柔性构件208a,208b,210a,210b以基本上零角度接近并接合其滑轮216a,216b,218a,218b,220a,220b,222a,222b中的相应多个。图24至图26示出了端部执行器204处于闭合位置并且以一个自由度进行关节运动。端部执行器204围绕第二枢转轴线P4进行关节运动(例如，俯仰运动)，并且围绕第一枢转轴线P3未进行关节运动(例如，没有偏航运动)。图24至图26示出了在钳口212,214以一个自由度进行关节运动的情况下，柔性构件208a,208b,210a,210b以基本上零角度接近并接合其滑轮216a,216b,218a,218b,220a,220b,222a,222b中的相应多个。端部执行器204以一个自由度进行关节运动并且处于打开位置将导致类似的柔性构件接近和接合。图27至图29示出了端部执行器204处于闭合位置并且以两个自由度进行关节运动。端部执行器204围绕第二枢转轴线P4进行关节运动(例如，俯仰运动)，并且围绕第一枢转轴线P3进行关节运动(例如，偏航运动)。图27至图29示出了在钳口212,214以两个自由度进行关节运动的情况下，柔性构件208a,208b,210a,210b以基本上零角度接近并接合其滑轮216a,216b,218a,218b,220a,220b,222a,222b中的相应多个。端部执行器204如此进行关节运动并且处于打开位置将导致类似的柔性构件接近和接合。
图30示出了外科工具500的又一示例性实施方案，该外科工具包括细长轴502、包括一对相对钳口512,514的端部执行器504、在轴502的远侧端部处将端部执行器504联接到轴502的腕506、多个细长柔性构件508a,508b,510a(第四细长柔性构件在图30中被遮挡)、第一双筒构件530和第二双筒构件532、腕506处的第一多个滑轮516a,516b(第一多个滑轮中的两个或更多个在图30中被遮挡)，以及腕506处的第二多个滑轮520a,520b(第二多个滑轮中的两个或更多个在图30中被遮挡)。工具500通常与图3的工具100类似地构造和使用。工具500可包括联接到轴502的近侧端部的工具外壳(未示出)。工具500在第一枢转轴线P5处具有两个接头，钳口512,514的每一个具有一个接头。在该示出的实施方案中，联接到钳口512,514的联接构件518延伸到接头中的每一个，这与未延伸至枢转轴线处的接头的联接构件形成对比，其中所述钳口被构造成围绕该枢转轴线枢转，诸如图3和图5所示的未延伸到枢转轴线P1处的接头的工具100的联接构件134。延伸到接头的联接构件518可帮助提供钳口运动的稳定性，和/或可以改善整体端部执行器504稳定性。
图31和图32示出了机器人外科系统406的一个实施方案，该机器人外科系统被构造成便于在患者P上执行外科手术并且可释放地联接到本文公开的外科工具的任何实施方案。机器人外科系统406包括采用机电臂形式的臂400。机电臂400包括一个或多个机械构件402，所述机械构件被构造成响应于电子输入而运动。可形成臂的机械构件的示例包括细长轴、构造成将外科器械可移除和可替换地联接到臂的联接机构(例如，夹具、磁体、搭扣配合机构、被构造成通过过盈配合或压力配合将器械安置在其中的成形构件、夹钳、被构造成安置在形成于外科器械中相应凹部中的突起部、被构造成在其中接收从外科器械延伸的对应突起部的凹部等)和接头(例如，铰链、万向节等)。臂400还包括相邻机械构件402之间的多个接头，以及被构造成可移除和可替换地联接到外科器械I的联接机构404，所述外科器械可包括本文公开的外科工具中的一者。在该示出的实施方案中，臂400包括五个机械构件402和四个接头，但是臂可具有任何数量的机械构件和相关的接头。
图33示出了使用中的系统406的一个实施方案。系统406包括：用户界面子系统408，其包括被构造成在其上向用户U显示信息的至少一个显示器410、被构造成接收用户输入以控制臂400的运动的至少一个用户输入装置412、包括被构造成在其上显示正在使用系统406执行的外科手术的一个或多个图像的至少一个显示器416的可视化系统414；被构造成接收用户输入以控制臂400的运动并且被构造成由用户U自由移动(例如，手持并且在手术室内或附近的任何空间移动等)的可自由移动的用户输入装置418(在该示出的实施方案中示为钳子)；类似于臂400构造和使用的附加臂422；以及被构造成根据需要通过将用户在用户输入装置412,418上的输入(例如，用户输入装置的手动移动、由触摸屏上的触摸指示的移动等)转换至臂400,422中的一个或两个以便于控制臂400,422的控制系统426。该示出的实施方案中的系统406包括两个臂400,422，但是它可包括另外数量的臂，例如三个、四个等。用户界面子系统408的至少一个显示器410可被构造成用户输入装置，例如，被构造成在其上接收用户触摸输入的触摸屏。用户界面子系统408可与患者P在同一房间中，或者可在不同的房间中。
控制系统426包括至少一个计算机系统428、一个或多个缆线432以及至少一个电源430。计算机系统428包括至少一个处理器(未示出)。控制系统的至少一些实施方案可为至少部分无线的，在这种情况下，缆线432中的至少一些无需存在。机器人外科系统406包括至少一个脚踏开关434，其经由缆线432中的一个耦接到计算机系统428，这可允许脚踏开关434用作用户输入装置。机器人外科系统406可包括至少一个膝盖控件(未示出)，其经由缆线432中的一个连接到计算机428，类似于缝纫机的膝盖控件，其允许膝盖控件用作用户输入装置。
机器人外科系统406包括用于臂400,422中的每一个的框架424。在所示实施方案中的框架424分别安装到手术台426，但框架424可安装在别处。在所示实施方案中的框架424包括可动地联接到安装至手术台426的导轨的垂直延伸部。垂直延伸部被构造成沿导轨运动，从而便于臂400,422相对于患者P定位。
一个或多个手动操作的外科器械420(例如，不受机器人外科系统406控制的器械)也用于执行对患者P执行的外科手术。在其他实施方案中，不使用手动器械420。
在2014年3月13日提交的名称为“Hyperdexterous Surgical System”的前述国际专利公布No.WO 2014/151621中进一步描述了机器人外科系统406的各方面。
可使用一个或多个计算机系统来实现本文公开的系统、装置和方法。可在数字电子电路、集成电路、定制设计的专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)计算机硬件、固件、软件和/或它们的组合中实现本文描述的主题的一个或多个方面或特征。这些不同方面或特征可包括在可编程系统(包括至少一个可编程处理器)上可执行和/或可解释的一个或多个计算机程序中的具体实施，该具体实施可以是特殊的或通用的，被耦接以从存储系统、至少一个输入装置和至少一个输出装置接收数据和指令并且向其传输数据和指令。可编程系统或计算机系统可包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系借助在各自计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而建立。
计算机程序(也可称为程序、软件、软件应用程序、应用程序、部件或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且可用高级过程语言、面向对象的编程语言、功能编程语言、逻辑编程语言和/或汇编/机器语言实现。如本文所用，术语“机器可读介质”是指用于为可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、设备和/或装置，例如磁盘、光盘、存储器和可编程逻辑装置(PLD)，所述可编程处理器包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”是指用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。机器可读介质可非暂态地存储此类机器指令，例如就像非瞬态固态存储器或磁性硬盘驱动器或任何等同的存储介质将会存储的那样。机器可读介质可另选地或除此之外以瞬态方式存储此类机器指令，例如就像处理器高速缓存或与一个或多个物理处理器核相关联的其他随机存取存储器将会存储的那样。
为了提供与用户的交互，本文所述主题的一个或多个方面或特征可在具有显示装置的计算机系统上实现，例如用于为用户显示信息的阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)监视器，以及用户可用以向计算机提供输入的键盘和输入设备，例如鼠标、轨迹球、手跟踪器、手势识别装置(例如，Kinect)等。其他类型的装置也可用于提供与用户的交互。例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感觉反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且可以任何形式接收来自用户的输入，包括但不限于声学、语音或触觉输入。其他可能的输入装置包括但不限于触摸屏或其他触敏装置例如单点或多点电阻式或电容式触控板、语音识别硬件和软件、光学扫描仪、光学指针、数字图像捕获装置和相关联的解释软件等。
图34示出了计算机系统300的一个示例性实施方案。如图所示，计算机系统300可包括一个或多个处理器302，所述处理器可控制计算机系统300的操作。“处理器”在本文中也被称为“控制器”。处理器302可包括任何类型的微处理器或中央处理单元(CPU)，包括可编程通用或专用微处理器和/或各种专有或可商购获得的单处理器系统或多处理器系统中的任一种。计算机系统300还可包括一个或多个存储器304，所述存储器可为待由一个或多个处理器302执行的代码提供临时存储，或者为从一个或多个用户、存储装置和/或数据库获取的数据提供临时存储。存储器304可包括只读存储器(ROM)、闪存存储器、一种或多种随机存取存储器(RAM)(例如，静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)或同步DRAM(SDRAM))和/或存储器技术的组合。
计算机系统300的各种元件可联接到总线系统312。图示的总线系统312是抽象的，其表示通过适当的桥接器、适配器和/或控制器连接的任何一个或多个单独的物理总线、通信线路/接口和/或多点或点对点连接。计算机系统300还可包括一个或多个网络接口306、一个或多个输入/输出(IO)接口308以及一个或多个存储装置310。
一个或多个网络接口306可使计算机系统300能够通过网络与远程装置例如其他计算机系统通信，并且对于非限制性示例，可以是远程桌面连接接口、以太网适配器和/或其他局域网(LAN)适配器。一个或多个IO接口308可包括一个或多个接口部件，以将计算机系统300与其他电子设备连接。对于非限制性示例，一个或多个IO接口308可包括高速数据端口，例如通用串行总线(USB)端口、1394端口、Wi-Fi、蓝牙等。另外，计算机系统300可以是人类用户可访问的，因此一个或多个IO接口308可包括显示器、扬声器、键盘、指向装置和/或各种其他视频、音频或字母数字接口。一个或多个存储装置310可包括用于以非易失性和/或非瞬态方式存储数据的任何常规介质。因此，一个或多个存储装置310可将数据和/或指令保持在持久状态，即，尽管中断对计算机系统300的供电但仍保留值。一个或多个存储装置310可包括一个或多个硬盘驱动器、闪存驱动器、USB驱动器、光盘驱动器、各种介质卡、磁盘、光盘和/或它们的任何组合，并且可直接连接到计算机系统300或远程连接至其，诸如通过网络连接。在一个示例性实施方案中，一个或多个存储装置可包括被构造成存储数据的有形或非暂态计算机可读介质，例如硬盘驱动器、闪存驱动器、USB驱动器、光学驱动器、媒体卡、软盘、光盘等。
图34所示的元件可以是单个物理机器的元件中的一些或全部。另外，并非所有示出的元件都需要位于同一物理机器之上或之中。示例性计算机系统包括传统台式计算机、工作站、小型计算机、膝上型计算机、平板电脑、个人数字助理(PDA)、移动电话等。
计算机系统300可包括web浏览器，用以检索网页或其他标记语言流，呈现那些页面和/或流(在视觉上、听觉上或其他方面)，在那些页面/流上执行脚本、控件和其他代码，接受关于那些页面/流的用户输入(例如，出于完成输入字段的目的)，发出关于那些页面/流或其他的超文本传输协议(HTTP)请求(例如，用于提交来自完成的输入字段的服务器信息)等等。网页或其他标记语言可以是超文本标记语言(HTML)或其他传统形式，包括嵌入式可扩展标记语言(XML)、脚本、控件等。计算机系统300还可包括用于生成网页和/或将网页传送到客户端计算机系统的web服务器。
在示例性实施方案中，计算机系统300可作为单个单元提供，例如作为单个服务器、作为单个塔、包含在单个外壳内等。单个单元可以是模块化的，使得其各个方面可根据需要换入和换出，例如升级、更换、维护等，而不会中断系统的任何其他方面的功能。因此，单个单元也可被扩展为当需要和/或改进附加模块和/或现有模块的附加功能时具有被添加的能力。
计算机系统还可包括各种其他软件和/或硬件部件中的任一种，作为非限制性示例，包括操作系统和数据库管理系统。虽然本文描绘和描述了示例性计算机系统，但应当理解，这是为了通用性和便利性。在其他实施方案中，计算机系统可具有与本文示出和描述的那些不同的架构和操作。
本文所公开的装置也可设计为单次使用后丢弃，或者它们可设计为供多次使用。然而无论是哪种情况，该器械都可在至少使用一次后经过修复再行使用。修复可包括拆卸装置、清洁或更换具体部件以及后续重新组装的其中任意几个步骤的组合。具体地，所述装置可拆卸，而且可以任意组合选择性地更换或移除所述装置的任意数目的特定零件或部件。在清洁和/或替换特定部件后，可对所述装置进行重新组装，以便随后在修复设施处使用或就在外科手术之前由手术团队使用。本领域的技术人员将会理解，修复装置可利用各种技术来进行拆卸、清洁/替换和重新组装。此类技术的使用以及所得的修复装置均在本申请的范围内。
优选地，本文所述的本发明的部件将在使用之前处理。首先，获取新的或用过的器械，并根据需要进行清洁。然后可对器械进行灭菌。在一种灭菌技术中，将所述器械放置在密闭且密封的容器(诸如，塑料或TYVEK袋)中。然后将容器和器械放置在可穿透该容器的辐射场诸如γ辐射、X射线或高能电子中。辐射杀死器械上和容器中的细菌。然后可将经灭菌的器械储存在无菌容器中。密封容器使器械保持无菌，直到其在医疗设施中被打开。
通常，对该装置进行灭菌。这以通过本领域的技术人员已知的任何多种方式来完成，包括β辐射或γ辐射、环氧乙烷、蒸汽以及液浴(例如冷浸)。在2008年2月8日提交的名称为“System And Method Of Sterilizing An Implantable Medical Device”的美国专利No.8,114,345中更详细地描述了对包括内部电路的装置进行灭菌的示例性实施方案。优选的是，如果植入的话，将装置气密密封。这可通过本领域技术人员已知的任何数量的方式而完成。
根据上述实施方案，本领域的技术人员将会认识到本发明的另外的特征和优点。因此，本发明不应受到已具体示出和描述内容的限制，除非所附权利要求有所指示。本文引用的所有出版物和参考文献全文明确地以引用方式并入本文中。
Claims (21)
1.一种外科工具，包括：
细长轴；
端部执行器，所述端部执行器联接到所述细长轴的远侧端部，所述端部执行器包括第一通道和第二通道，每个通道沿螺旋路径延伸；
第一细长柔性构件，所述第一细长柔性构件安置在所述第一通道中并且被构造成能够选择性地运动以引起所述端部执行器的运动；和
第二细长柔性构件，所述第二细长柔性构件安置在所述第二通道中并且被构造成能够选择性地运动以引起所述端部执行器的运动。
2.根据权利要求1所述的工具，其中所述端部执行器能够围绕第一枢转接头运动，所述端部执行器包括第一钳口和第二钳口，所述第一钳口和所述第二钳口能够围绕第二枢转接头相对于彼此运动，并且所述第一细长柔性构件和所述第二细长柔性构件被构造成能够选择性地运动以引起所述第一钳口和所述第二钳口分别围绕所述第二枢转接头的运动。
3.根据权利要求2所述的工具，其中所述第一钳口具有形成于所述第一钳口中的所述第一通道，所述第二钳口具有形成于所述第二钳口中的所述第二通道，所述第一钳口包括第三通道，所述第二钳口包括第四通道，并且所述第三通道和所述第四通道各自沿螺旋路径延伸。
4.根据权利要求3所述的工具，还包括：
第三细长柔性构件，所述第三细长柔性构件安置在所述第三通道中，所述第一细长柔性构件和所述第三细长柔性构件被构造成能够选择性地运动以引起所述第一钳口围绕所述第二枢转点的运动；和
第四细长柔性构件，所述第四细长柔性构件安置在所述第四通道中，所述第二细长柔性构件和所述第四细长柔性构件被构造成能够选择性地运动以引起所述第二钳口围绕所述第二枢转点的运动。
5.根据权利要求4所述的工具，其中所述第一通道具有大于所述第三通道的直径的直径，所述第一细长柔性构件和所述第三细长柔性构件具有基本上相同的直径，所述第二通道具有大于所述第四通道的直径的直径，并且所述第二细长柔性构件和所述第四细长柔性构件具有基本上相同的直径。
6.根据权利要求4所述的工具，其中所述第一细长柔性构件、所述第二细长柔性构件、所述第三细长柔性构件和所述第四细长柔性构件被构造成能够被选择性地致动以使所述端部执行器围绕所述第一枢转点进行关节运动。
7.根据权利要求1所述的工具，其中所述端部执行器在腕处联接到所述细长轴，所述腕包括与所述第一细长柔性构件操作地接合的第一滑轮和与所述第二细长柔性构件操作地接合的第二滑轮。
8.根据权利要求7所述的工具，其中所述第一细长柔性构件能够相对于所述第一滑轮的平面以基本上零角度接近并操作地接合所述第一滑轮，并且所述第二细长柔性构件能够相对于所述第二滑轮的平面以基本上零角度接近并操作地接合所述第二滑轮。
9.根据权利要求1所述的工具，其中所述第一细长柔性构件和所述第二细长柔性构件中的每一个选自由以下项组成的组：缆线、丝和绞合线。
10.根据权利要求1所述的工具，还包括联接到所述细长轴的近侧端部的外壳，所述外壳被构造成能够联接到外科机器人的驱动器，所述驱动器被构造成能够控制所述第一细长柔性构件和所述第二细长柔性构件的运动。
11.一种外科工具，包括：
细长轴；
端部执行器，所述端部执行器联接到所述细长轴并具有第一钳口和第二钳口；
腕，所述腕在所述端部执行器与所述细长轴之间形成，所述腕包括第一滑轮和第二滑轮，并且所述腕被构造成能够允许所述端部执行器相对于所述细长轴进行关节运动；
第一细长柔性构件，所述第一细长柔性构件与所述第一滑轮和所述第一钳口操作地接合，所述第一细长柔性构件的运动有效地引起所述端部执行器的运动，并且所述第一细长柔性构件在所述端部执行器的整个关节运动范围内与所述第一滑轮具有基本上零偏离角；
第二细长柔性构件，所述第二细长柔性构件与所述第二滑轮和所述第二钳口操作地接合，所述第二细长柔性构件的运动有效地引起所述端部执行器的关节运动，并且所述第二细长柔性构件在所述端部执行器的所述整个关节运动范围内与所述第二滑轮具有基本上零偏离角。
12.根据权利要求11所述的工具，其中所述第一细长柔性构件和所述第二细长柔性构件各自在所述端部执行器的所述整个关节运动范围内相对于所述端部执行器的纵向轴线以非零角度从所述端部执行器朝其各自相关联的第一滑轮和第二滑轮朝近侧延伸。
13.根据权利要求11所述的工具，其中所述第一钳口具有形成于所述第一钳口中的第一螺旋沟槽，所述第一螺旋沟槽安置所述第一细长构件并将所述第一细长构件从所述第一钳口朝近侧引导，并且所述第二钳口具有形成于所述第二钳口中的第二螺旋沟槽，所述第二螺旋沟槽安置所述第二细长构件并将所述第二细长构件从所述第二钳口朝近侧引导。
14.根据权利要求11所述的工具，其中所述第一滑轮具有沿所述第一滑轮的周边形成的第一沟槽，以将所述第一细长柔性构件安置在所述第一沟槽中，无论所述端部执行器是否相对于所述细长轴的纵向轴线进行关节运动，所述第一细长柔性构件都与所述第一滑轮具有基本上零偏离角；并且
所述第二滑轮具有沿所述第二滑轮的周边形成的第二沟槽，以将所述第二细长柔性构件安置在所述第二沟槽中，无论所述端部执行器是否相对于所述细长轴的所述纵向轴线进行关节运动，所述第二细长柔性构件都与所述第二滑轮具有基本上零偏离角。
15.根据权利要求14所述的工具，其中所述第一滑轮和所述第二滑轮各自具有限定平面的面，所述平面基本上平行于所述细长轴的所述纵向轴线。
16.根据权利要求11所述的工具，还包括与所述第一钳口操作地接合的第三细长柔性构件，所述第三细长柔性构件有效地引起所述端部执行器的运动，所述腕包括与所述第三细长柔性构件操作地接合的第三滑轮，并且所述第三细长柔性构件在所述端部执行器的所述整个关节运动范围内与所述第三滑轮具有基本上零偏离角；和
第四细长柔性构件，所述第四细长柔性构件与所述第二钳口操作地接合，所述第四细长柔性构件有效地引起所述端部执行器的运动，所述腕包括与所述第四细长柔性构件操作地接合的第四滑轮，并且所述第四细长柔性构件在所述端部执行器的所述整个关节运动范围内与所述第四滑轮具有基本上零偏离角。
17.根据权利要求11所述的工具，其中所述第一细长柔性构件和所述第二细长柔性构件中的每一个包括缆线、丝和绞合线中的一种。
18.根据权利要求11所述的工具，还包括联接到所述细长轴的近侧端部的外壳，所述外壳被构造成能够联接到外科机器人的驱动器，所述驱动器被构造成能够控制所述第一细长柔性构件和所述第二细长柔性构件的运动。
19.一种外科方法，包括：
引起第一细长柔性构件的运动，所述第一细长柔性构件安置在形成于外科工具的端部执行器中的第一通道中，所述第一细长柔性构件的所述运动使所述端部执行器相对于在远侧端部处具有所述端部执行器的细长轴运动，所述第一通道沿螺旋路径延伸，并且所述第一细长柔性构件从所述第一通道朝近侧延伸，以便以基本上零偏离角操作地接合所述外科工具的第一滑轮。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括引起第二细长柔性构件的运动，所述第二细长柔性构件安置在形成于所述端部执行器中的第二通道中，所述第二细长柔性构件的所述运动使所述端部执行器相对于所述细长轴运动，所述第二通道沿螺旋路径延伸，并且所述第二细长柔性构件从所述第二通道朝近侧延伸，以便以基本上零偏离角操作地接合所述外科工具的第二滑轮。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一细长柔性构件可动地安置在沿所述第一滑轮的周边形成的第一沟槽中，所述第一细长柔性构件的运动使所述第一细长柔性构件沿第一轴线在所述第一沟槽中运动，所述第一轴线基本上平行于所述细长轴的纵向轴线；并且
所述第二细长柔性构件可动地安置在沿所述第二滑轮的周边形成的第二沟槽中，所述第二细长柔性构件的运动使所述第二细长柔性构件沿第二轴线在所述第二沟槽中运动，所述第二轴线基本上平行于所述细长轴的所述纵向轴线。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: The United States Guaynabo in Puerto Rico Applicant after: ETHICON LLC Address before: Guainavo, Puerto Rico Applicant before: ETHICON ENDO-SURGERY, LLC |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181211 |