CN109414294B - 用于初始化外科工具的方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于初始化外科工具的各种示例性方法、系统和装置。一般来讲，外科工具可包括端部执行器、细长轴和将所述端部执行器联接到所述轴的远侧端部的腕。所述腕可以被构造成能够便于所述端部执行器相对于所述轴的运动。所述外科工具可包括多个柔性构件，所述多个柔性构件被构造成能够单独移动或作为包括任何数量的所述柔性构件的组移动，以通过在所述腕处枢转引起所述端部执行器相对于所述轴的运动。所述端部执行器的运动可包括在未关节运动位置和关节运动位置之间的运动。所述外科工具还可包括一个或多个导航构件，所述一个或多个导航构件被构造成能够选择性地致动以迫使所述端部执行器进入所述未关节运动位置。

Description

用于初始化外科工具的方法、系统和装置

技术领域

本公开整体涉及用于初始化外科工具的方法、系统和装置。

背景技术

由于术后恢复时间减少且瘢痕形成最小化，因此微创外科手术(MIS)器械通常优于传统的开放式外科装置。腹腔镜式外科手术是一种类型的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，而且提供注气使腹壁升高到器官上方。器械和工具可用于以多种方式接合和/或处理组织以达到诊断或治疗效果。内窥镜式外科手术是另一种类型的MIS手术，其中将细长的柔性轴通过自然孔口引入体内。

已开发了多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运动。机器人系统还可通过在仪器上包括“腕”关节、形成更自然的手状关节来实现更大程度的运动自由度。然而，机器人系统的一个缺点是“腕”关节的起始位置随着时间的推移而变化，这是由于用于关节运动的柔性部件的弯曲，随着时间的推移在柔性部件中产生一定程度的松弛。因此，关节运动随着时间的推移变得较不精确地控制，导致器械不能如期望的那样精确定位。

因此，仍然需要用于初始化外科工具的改进的方法、系统和装置。

发明内容

一般来讲，提供了用于初始化外科工具的方法、系统和装置。

在一个方面，提供了一种外科工具，在一个实施方案中，该外科工具包括：工具轴；联接到工具轴的远侧端部的端部执行器；设置在工具轴和端部执行器之间的多轴腕；多个柔性缆线，多个柔性缆线沿着工具轴延伸并可操作地联接到端部执行器，使得选择性地施加到多个柔性缆线中的一个或多个的张力引起端部执行器进行俯仰和偏航运动中的至少一个；以及导航杆，该导航杆被构造成能够相对于端部执行器选择性地移动，以迫使端部执行器相对于工具轴进入基本上零角度位置。

该外科工具可以任意种方式变化。例如，端部执行器可包括第一钳口和第二钳口，并且导航杆可被构造成能够延伸到形成在第一钳口中的凹陷部中。又如，端部执行器可包括第一钳口和第二钳口，并且导航杆可包括第一杆和第二杆，第一杆被构造成能够延伸到形成于第一钳口中的第一凹陷部中，并且第二杆被构造成能够延伸到形成于第二钳口中的第二凹陷部。再如，导航杆可被构造成能够延伸穿过多轴腕中的孔以防止多轴腕运动。再如，端部执行器可包括第一钳口和第二钳口，并且多个柔性缆线可被构造成能够使第一钳口和第二钳口在打开位置和闭合位置之间移动。又如，外科工具可包括联接到端部执行器的近侧端部的外壳，并且该外壳可被构造成能够联接到外科机器人的驱动器，使得驱动器能控制多个柔性缆线的运动。又如，迫使端部执行器进入基本上零角度位置的导航杆可以防止端部执行器从基本上零角度位置移动到非零角度位置。再如，外科工具可包括多个传感器，该多个传感器被配置为能够在端部执行器处于基本上零角度位置时感测多个柔性缆线中的每一个的位置。再如，导航杆的运动可独立于多个柔性缆线的运动。又如，多个柔性缆线的运动可以在近侧方向上，并且刚性杆的运动可以在远侧方向上。

在另一个实施方案中，提供了一种外科工具，该外科工具包括：具有多个输入端的外壳，该外壳被构造成能够联接到外科机器人的工具驱动器上的至少一个马达；从外壳延伸的细长轴；端部执行器，该端部执行器联接到细长轴的远侧端部并且能围绕形成于端部执行器和细长轴之间的至少一个枢转接头枢转地移动；以及多个柔性缆线，该多个柔性缆线联接到外壳中的多个输入端，沿细长轴延伸，并可操作地联接到端部执行器。多个柔性缆线的近侧运动能够有效地引起端部执行器的至少一部分相对于细长轴枢转地运动。外科工具还包括刚性构件，该刚性构件可操作地与端部执行器相关联并且被构造成能够选择性地推进到端部执行器中以迫使端部执行器与细长轴基本上纵向对齐。

该外科工具可以任意种方式变化。例如，外科工具可包括第一致动器，该第一致动器被构造成能够被致动以将刚性构件推进到端部执行器中。第一致动器可包括旋转构件，该旋转构件被构造成能够旋转以纵向平移刚性构件，从而将刚性构件推进到端部执行器中，并且/或者外科工具可包括第二致动器，该第二致动器被构造成能够被致动以朝近侧拉动多个柔性缆线，使多个柔性缆线相对于细长轴移动，从而使端部执行器的至少一部分相对于细长轴枢转。

又如，多个柔性缆线中的每一个被构造成能够相对于细长轴朝近侧移动，以使端部执行器相对于细长轴枢转，并且刚性构件可被构造成能够相对于细长轴朝远侧移动，以迫使端部执行器与细长轴基本上纵向对齐。

再如，端部执行器可包括一对钳口，并且多个柔性缆线可被构造成能够相对于细长轴移动，以选择性地打开和闭合该一对钳口。刚性构件可包括一对刚性构件，并且每个刚性构件可被构造成能够推进到钳口中的一个中。

再如，端部执行器可包括夹钳、抓紧器、针驱动器、剪刀、电烙器工具、缝合器、施夹器、抽吸工具和冲洗工具中的一个。

又如，外科工具可包括多个传感器，该多个传感器被配置成能够在刚性构件被推进到端部执行器中并且端部执行器与细长轴基本上纵向对齐时感测多个柔性缆线中的每一个的位置。外科机器人可包括存储器和控制器，并且控制器可被配置为能够使得多个柔性缆线中的每一个的感测位置被存储在存储器中。控制器可被配置为能够接收用户发起的请求端部执行器相对于细长轴运动的输入，并且通过使多个柔性缆线中的一个或多个参照多个柔性缆线中的每个的存储的感测位置相对于细长轴移动来引起所请求的移动，并且/或者控制器可被配置为能够在感测多个柔性缆线中的每个的位置之前使多个柔性缆线张紧，当多个柔性缆线张紧时，多个传感器感测多个柔性缆线的位置。

在另一个方面，提供了一种外科系统，在一个实施方案中，该外科系统包括外科工具、存储器和控制器。外科工具包括：工具轴；联接到工具轴的远侧端部的端部执行器；设置在工具轴和端部执行器之间的多轴腕；多个柔性缆线，该多个柔性缆线沿着工具轴延伸并可操作地联接到端部执行器，使得选择性地施加到多个柔性缆线中的一个或多个的张力引起端部执行器的至少一部分围绕多轴腕的至少一个轴旋转；刚性杆，该刚性杆被构造成能够相对于端部执行器选择性地移动，以迫使端部执行器相对于工具轴进入基本上零角度位置；以及多个传感器，该多个传感器在端部执行器处于基本上零角度位置时感测多个柔性缆线中的每一个的位置。控制器被配置为能够使得多个柔性缆线中的每一个的感测位置被存储在存储器中。

所述外科系统可以任意种方式变化。例如，控制器可被配置为能够接收用户发起的请求端部执行器相对于工具轴运动的输入，并且通过使多个柔性缆线中的一个或多个参照多个柔性缆线中的每个的存储的感测位置相对于工具轴移动来引起所请求的移动。又如，控制器可被配置为能够在感测多个柔性缆线中的每个的位置之前使多个柔性缆线张紧，当多个柔性缆线张紧时，多个传感器感测多个柔性缆线中的每个的位置。

在另一个方面，提供了一种外科方法，在一个实施方案中，该方法包括致动外科机器人以使得刚性杆迫使端部执行器进入与联接到端部执行器的轴基本上纵向对齐的位置，并且在端部执行器处于基本上纵向对齐的位置时，致动外科机器人以张紧多个柔性缆线中的一个或多个并感测联接到端部执行器的多个柔性缆线的位置。多个柔性缆线的感测位置限定了端部执行器的原始位置。外科方法还包括致动外科机器人以张紧多个柔性缆线中的一个或多个，从而使端部执行器的至少一部分围绕形成于端部执行器和轴之间的至少一个枢转接头相对于轴枢转。

外科方法可具有任何数量的变型。例如，迫使端部执行器进入基本上纵向对齐的位置的刚性杆可阻止端部执行器相对于轴枢转，并且外科方法可包括致动外科机器人以释放刚性杆迫使端部执行器进入基本上纵向对齐的位置，从而允许端部执行器从基本上纵向对齐的位置枢转。又如，迫使端部执行器进入基本上纵向对齐的位置可包括将刚性杆从轴朝远侧推进到端部执行器中。再如，外科方法可包括在外科机器人处接收用户发起的请求端部执行器相对于轴运动的输入，并且通过使多个柔性缆线中的一个或多个参照端部执行器的原始位置相对于轴移动来引起所请求的移动。再如，在对第一患者执行第一外科手术的过程中，可发生致动外科机器人以使刚性杆迫使端部执行器进入基本上纵向对齐的位置、进行感测、和致动外科机器人以张紧多个柔性缆线中的一个或多个，并且该外科方法可包括在对第二患者执行第二外科手术的过程中，执行致动外科机器人以使刚性杆迫使端部执行器进入基本上纵向对齐的位置，以及在端部执行器处于基本上纵向对齐的位置时感测联接到端部执行器的多个柔性缆线的第二位置，感测到的多个柔性缆线的第二位置限定了端部执行器的新的原始位置。

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示意性侧视图；

图1A为与六个自由度相关联的术语的图形表示；

图2为外科工具的另一个实施方案的远侧部分的透视图，其中外科工具的导航构件处于回缩位置；

图3为图2的外科工具的远侧部分的透视图，其中导航构件处于推进位置；

图4为图3的外科工具的远侧部分的另一透视图；

图5为图3的外科工具的远侧部分的又一透视图；

图6为图3的外科工具的远侧部分的再一透视图；

图7为图3的外科工具的远侧部分的侧视图；

图8为图3的外科工具的远侧部分的另一侧视图；

图9为联接到机器人外科系统的工具驱动器和无菌屏障的一个实施方案的外科工具的另一个实施方案的一部分的透视图；

图10为图9的工具驱动器、无菌屏障和外科工具的近侧部分的透视图；

图11为图10的工具驱动器、无菌屏障和外科工具的近侧部分的另一透视图；

图12为图10的工具驱动器、无菌屏障和外科工具的近侧部分的局部分解图；

图13为图10的工具驱动器、无菌屏障和外科工具的近侧部分的透视图，出于示例性目的，移除了外科工具的外壳的外部壳体；

图14为图13的工具驱动器、无菌屏障和外科工具的近侧部分的另一透视图；

图15为图9的工具驱动器和外科工具的近侧部分的透视图，出于示例性目的，移除了外科工具的外壳的外部壳体；

图16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17为在对患者进行外科手术期间使用的图16的机器人外科系统的一个实施方案的示意图；

图18为在对患者进行外科手术期间使用的图7的机器人外科系统的透视图；以及

图19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，以提供对本文所公开的装置和方法的结构、功能、制造和用途的原理全面理解。这些实施方案的一个或多个示例在附图中示出。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示出或描述的特征部可与其它实施方案的特征部进行组合。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类似的特征部，因此在具体实施方案中，不一定完整地阐述每个名称相同的部件的每个特征部。另外，在所公开的系统、装置和方法的描述中使用线性或圆形尺寸的程度上，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，针对任何几何形状可容易地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装置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，沿各轴和围绕各轴的运动的描述包括各种特殊设备位置和取向。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/部组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以直接联接，或者它们可以通过一个或多个中间部件间接联接。

提供了用于初始化或重置外科工具的各种示例性方法、系统和装置。通常，外科工具可以包括细长轴和将端部执行器联接到该轴的远侧端部的腕。腕可以被构造成能够便于端部执行器相对于轴的运动。外科工具可包括多个柔性构件，该多个柔性构件被构造成能够单独弯曲或作为一个组弯曲，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在未关节运动的零角度位置与关节运动位置之间的运动，在未关节运动的零角度位置，端部执行器基本上与轴纵向对齐，在关节运动位置，端部执行器相对于轴成角度地取向。外科工具还可包括一个或多个导航构件，所述一个或多个导航构件优选地为刚性的并且被构造成能够选择性地致动以迫使端部执行器进入未关节运动的零角度位置。因此，端部执行器的关节运动可更精确地控制，因为端部执行器能够更准确地从未关节运动的零角度位置进行关节运动。换句话讲，当致动一个或多个柔性构件以使端部执行器进行关节运动(例如，俯仰、偏航或它们的组合)时，可更准确地知道该运动的量以实现所需的关节运动方向和程度。因此，端部执行器可以在外科手术中更精确地定位在患者体内，并因此允许更有效地执行外科手术，并且/或者可以减少端部执行器移动到非预期位置并因此损坏组织和/或其他物质的机会。

随着外科工具在不同患者的多个外科手术中的每一个中使用，随着时间的推移，多个柔性构件可能由于其重复使用而从其初始状态(例如，他们在制造时或在外科手术中首次使用外科工具时的状态)改变。变化可包括例如长度变化(例如，由于在使用过程中拉伸和/或扭曲而导致的长度增加)、弹性比率变化(例如，由于在使用过程中拉伸和/或扭曲而导致的弹性比率降低)和柔韧性变化(例如，由于在使用过程中拉伸和/或扭曲而导致的柔韧性增加)中的任何一个或多个。随着时间的推移，变化导致端部执行器较不精确地控制关节运动。能够迫使端部执行器进入未关节运动的零角度位置(其是已知位置)的一个或多个导航构件将允许更精确地控制端部执行器的关节运动程度。

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”和“工具轴”)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被构造成能够例如通过在腕部16处枢转来在腕部16处相对于轴12移动，以在使用工具10期间将端部执行器14相对于外科手术部位定位在期望位置处。外壳18包括被构造成能够控制与端部执行器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个或多个)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被构造成能够围绕轴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能够控制轴12的旋转运动。在至少一些实施方案中，如在例示的实施方案中那样，外科工具10被构造成能够可剥离地联接到机器人外科系统，并且工具外壳18可包括联接特征，这些联接特征被构造成能够允许工具10可剥离地联接到机器人外科系统。下面进一步讨论轴12、端部执行器14、腕部16和外壳18中的每一者。

外科工具10可具有多种构型中的任一种。一般来讲，外科工具可被构造成能够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、施加能量的电烙器工具、缝合器、施夹器、抽吸工具、冲洗工具、成像装置(例如，内窥镜或超声探头)等中的任一种。在至少一些实施方案中，外科工具10被构造成能够向组织施加能量(诸如射频(RF)能量)，而在其他实施方案中，外科工具10未被构造成能够向组织施加能量。

轴12可具有多种构型中的任一种。一般来讲，轴12为细长构件，其从外壳18朝远侧延伸并且具有延伸穿过其的至少一个内腔。轴12固定到外壳18，但在其他实施方案中，轴12可以可剥离地联接到外壳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。端部执行器14包括具有一对相对钳口20、22的组织抓紧器，这些钳口被构造成能够在打开位置和闭合位置之间移动，其中钳口20、22中的一个或两个被构造成能够在腕部16处枢转以使端部执行器14在打开位置和闭合位置之间移动。端部执行器14可具有其他构型，例如剪刀、巴布科克钳、牵开器等。

腕部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和2014年3月13日提交名称为“Hyperdexterous Surgical System”的国际专利公布No.WO2014/151621中有所描述，这两篇国际专利公布全文以引用方式并入本文中。一般来讲，腕部16可包括被构造成能够允许端部执行器14相对于轴12运动的接头，诸如钳口20、22枢转地附接在的枢转接头。在一些实施方案中，枢转动作可包括围绕腕部16的第一轴线(例如，X轴线)的俯仰运动、围绕腕部16的第二轴线(例如，Y轴线)的偏航运动以及它们的组合，以允许端部执行器14围绕腕部16的360°旋转运动。在其他实施方案中，枢转动作可限于单个平面上的运动，例如，仅围绕腕部16的第一轴线的俯仰运动或仅围绕腕部16的第二轴线的偏航运动，使得端部执行器14在单个平面上旋转。图1A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、偏航表示的系统的自由度，这些变量描述了外科系统的部件相对于给定笛卡尔参照系的位置和取向。如本文所用，并且如图1A所示，术语“进退”是指向前和向后运动，术语“升沉”是指上下运动，并且术语“摇摆”是指左右运动。关于旋转术语，“滚转”是指左右倾斜，“俯仰”是指向前和向后倾斜，并且“偏航”是指左右转动。

外科工具10包括被构造成能够实现端部执行器14相对于轴12的运动的多个柔性构件(在图1中被遮挡)。该柔性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可操作地联接。在一个示例性实施方案中，柔性构件在轴12的内腔内沿轴12从工具外壳18朝远侧延伸。该柔性构件可选择性地致动以使端部执行器14相对于轴12在腕16处枢转。对柔性构件的选择性致动可以引起使柔性构件中的任何一个或多个移动(例如，纵向平移)以引起关节运动。平移的一个或多个柔性构件取决于所请求的关节运动，例如，适当的一个或多个柔性构件弯曲以使端部执行器14按要求偏航和/或俯仰。可以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柔性构件施加张力，引起这一个或多个柔性构件平移，从而引起端部执行器14相对于轴12关节运动。换句话讲，致动将一个或多个柔性构件朝近侧拉动。柔性构件也可被选择性地致动以打开和闭合钳口20、22，例如，以使端部执行器14在打开位置和闭合位置之间移动。当钳口20、22两者均被构造成能够移动以打开和闭合端部执行器14时，柔性构件中的至少一个可以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可以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能够移动以打开和关闭端部执行器14时，柔性构件中的至少一个可以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。

多个柔性构件可具有多种构型中的任何一种，例如缆线、杆、电线或绞合线。柔性构件可以由多种材料中的任一种制成，诸如金属(例如，钨、不锈钢等)。外科工具的柔性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 RoboticWrist”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.WO 2014/151621中有所描述。

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在未关节运动位置与关节运动位置之间的运动，在未关节运动位置，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成基本上为零的角度)，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会理解，端部执行器14可能不与轴12精确地对齐(例如，可能不相对于轴成精确的零角度)，但由于诸如制造公差和测量装置的精度等任意数量的因素仍然被认为与轴12对齐(例如，基本上成零角度)。端部执行器14被示出为在图1中处于未关节运动位置。

外科工具10包括一个或多个导航构件(在图1中被遮蔽)，所述一个或多个导航构件被构造成能够迫使端部执行器14进入未关节运动的零角度位置。一个或多个导航构件可操作地联接在端部执行器14和工具外壳18之间并沿着轴12延伸。在一个示例性实施方案中，一个或多个导航构件在轴12的内腔内沿轴12从工具外壳18朝远侧延伸。一个或多个导航构件可被构造成能够选择性地致动以迫使端部执行器14与轴12基本上纵向对齐。一个或多个导航构件的选择性致动可以使所有一个或多个导航构件与端部执行器14接合，以迫使端部执行器14进入基本上纵向对齐的取向。可以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的第二致动器。一般来讲，致动使得一个或多个导航构件相对于轴12在远侧方向上移动以接合端部执行器14，并且后续致动使得一个或多个导航构件在近侧方向上移动并脱离端部执行器14。

在示例性实施方案中，一个或多个导航构件被构造成能够在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置，一个或多个导航构件不与端部执行器14接合，并且端部执行器14可在未关节运动位置和关节运动位置之间自由移动，在第二位置，一个或多个导航构件与端部执行器14刚性接合，并且防止端部执行器14在未关节运动位置和关节运动位置之间移动(例如，防止保持端部执行器14的未关节运动位置移动)。在第一位置，一个或多个导航构件位于端部执行器14的近侧并且位于腕16的近侧，以帮助防止一个或多个导航构件干扰端部执行器14围绕腕16的运动。在至少一些实施方案中，处于第一位置的一个或多个导航构件完全靠近端部执行器14和腕16并且完全容纳在轴12内。在第二位置，至少一个或多个导航构件的远侧端部位于轴12的远侧，位于端部执行器14的近侧端部的远侧，并且位于腕16的远侧，以帮助防止端部执行器14围绕腕16移动。

一个或多个导航构件可具有多种构型中的任何一种，例如细长刚性轴/杆或细长刚性管。下文进一步讨论导航构件的实施方案。

一个或多个导航构件可被构造成能够以各种方式中的任何一种选择性地接合端部执行器14。在示例性实施方案中，端部执行器14具有一个或多个接收元件，每个接收元件被构造成能够在其中接收一个或多个导航构件中的一个。因此，端部执行器14具有的接收元件的数量等于导航构件的数量。处于第一位置的一个或多个导航构件未被接收在一个或多个接收构件中以便不与端部执行器14接合，并且处于第二位置的一个或多个导航构件被接收在一个或多个接收构件中以便与端部执行器14接合。

一个或多个接收构件可具有多种构型中的任一种。例如，一个或多个接收构件可包括形成于端部执行器14中的盲孔，该盲孔被构造成能够在其中接收其相关联的一个导航构件的远侧端部。仅以举例的方式，接收元件124在图4中示出。在包括两个导航构件的实施方案中，钳口20、22中的每一个可在其中具有一个盲孔。因此，与端部执行器14接合的导航构件可包括与钳口20、22中的一个接合的每个导航构件。又如，一个或多个接收构件可包括形成于端部执行器14中的开口通道(例如，C形沟槽)，该开口通道被构造成能够在其中接收其相关联的一个导航构件的远侧端部。在包括两个导航构件的实施方案中，钳口20、22中的每一个可在其中具有一个开口通道。因此，与端部执行器14接合的导航构件可包括与钳口20、22中的一个接合的每个导航构件。

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能够引起多个柔性构件的运动，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，诸如被构造成能够移动以引起柔性构件平移的滑轮。工具外壳18被构造成能够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可被构造成能够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，一个或多个移动机构被构造成能够由机器人控制，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移动机构。机器人包括计算机系统，该计算机系统可以接收用户输入并且可以响应于用户输入来控制马达，并因此控制柔性构件的运动，由此控制端部执行器14。工具外壳18的一个或多个输入端也可操作地联接到一个或多个导航构件，以允许机器人控制一个或多个导航构件的移动。

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.WO 2014/151621中描述。此外，包括一个或多个致动机构并且被构造成能够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.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.WO 2014/151621中描述。

在其他实施方案中，代替被构造成能够释放地联接到机器人外科系统，工具外壳18可以被构造成能够在工具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，其被构造成能够手动或电子操纵以引起柔性构件的运动，如本领域技术人员将理解的。在这些实施方案中，工具外壳18还可包括触发器、杠杆或其他致动器，其被构造成能够手动操纵以引起一个或多个导航构件的运动，如本领域技术人员也应当理解的。

外壳工具10可包括多个传感器(在图1中被遮蔽)，所述多个传感器被配置成能够至少在端部执行器14处于未关节运动位置时感测多个柔性构件中的每一个的位置。在一个示例性实施方案中，传感器的数量等于柔性构件的数量，其中每个传感器与柔性构件中的一个相关联并且被配置成能够感测相关联的柔性构件中的一个的位置。传感器可位于工具10上的多个位置中的任一个中。例如，传感器可设置在工具外壳18内。容纳在工具外壳18内的传感器可帮助保护传感器免受意外损坏和/或帮助防止任何外部压力影响传感器的读数。又如，传感器可被附接到端部执行器14。再如，传感器可被附接到腕16。

传感器可具有多种构型中的任一种。例如，传感器中的任何一个或多个可包括扭矩(力)传感器、位置传感器或称重传感器。

传感器被配置为能够与被配置为处理从传感器接收的数据的至少一个处理器进行电子通信。至少一个处理器可位于工具10上，例如，设置在其工具外壳18内，或者可位于其他地方，诸如工具10可释放地附接的机器人外科系统的一部分。由至少一个处理器从传感器接收的数据包括指示当端部执行器14处于未关节运动位置时(例如，当一个或多个导航构件迫使端部执行器14进入未关节运动位置时)每个柔性构件的感测位置的数据。至少一个处理器被配置为当端部执行器14处于未关节运动位置时，使得指示每个柔性构件的感测位置的接收数据存储在存储器中。存储器可位于工具10上，例如，设置在其工具外壳18内，或者可位于其他地方，诸如工具10可释放地附接的机器人外科系统的一部分。

至少一个处理器被配置为当端部执行器14处于未关节运动位置时，使用所接收和存储的指示每个柔性构件的感测位置作为柔性构件的原始位置的数据。响应于致动柔性构件以移动端部执行器14，至少一个处理器可被配置为根据原始位置确定施加到每个柔性构件的力的大小，以实现端部执行器14的所请求的移动。换句话讲，通过获知在原始位置施加到每个柔性构件的力的大小(在力传感器的情况下)或者在原始位置中的每个柔性构件的位置(在位置传感器的情况下)，至少一个处理器可确定张紧每个柔性构件以准确地实现端部执行器14的所需移动的力的大小(例如，拉动每个柔性构件的力的大小)。这样，即使柔性构件随着时间的推移已从初始状态改变，如上所述，原始位置将反映它们的当前状态并且允许柔性构件被精确控制，因此可以精确地控制端部执行器14的运动。

在一个示例性实施方案中，在端部执行器14处于未关节运动位置时感测每个柔性构件的位置之前，将近侧方向上的预先确定大小的张力施加到每个柔性构件，例如，以预先确定大小的张力拉动每个柔性构件。在用传感器感测每个柔性构件的张力之前张紧每个柔性构件允许在柔性构件经历已知大小的张力时确定柔性构件的位置。预先确定的张力的大小可根据多种因素变化，诸如柔性构件的弹性比率、用于实现柔性构件运动的马达的功率输出容量等。预先确定的张力的大小可为例如约5磅。

在至少一些实施方案中，响应于一个或多个导航构件的致动，自动收集原始位置。这样，当已知端部执行器14处于未关节运动位置时，可收集原始位置。在一个示例性实施方案中，在开始使用外科工具10时收集原始位置。例如，在将工具10联接到机器人外科系统之后，可以收集原始位置，从而建立工具10的基线位置或初始位置，使得当任何柔性构件弯曲以实现工具10的所需运动时，柔性构件相对于原始位置弯曲。

在至少一些实施方案中，响应于腕16回缩到套管针(通过该套管针已将工具10推进到患者体内)或其他进入装置中而自动收集原始位置。这种自动收集可帮助最小化与一个或多个导航构件的推进和回缩相关联的时间延迟。端部执行器14将处于未关节运动位置以回缩到套管针中，因此腕16回缩到套管针中将指示端部执行器14处于可以准确地收集原始位置的未关节运动位置。可以任何数量的方式检测回缩到套管针中的腕16，例如通过插入患者体内的观察装置或其他可视化装置“看到”腕16已如此回缩，通过包括被配置为感测轴12的平移运动的运动传感器的工具10指示腕16回缩到套管针中(例如，轴12的近侧平移运动等于轴12的远侧平移运动量的预先确定的阈值量或在该阈值量内，以使轴12推进到患者体内，等等)，等等。

在至少一些实施方案中，响应于腕16朝远侧推进超过套管针(通过该套管针将工具10推进到患者体内)或其他进入装置的远侧端部而自动收集原始位置。这种自动收集可帮助最小化与一个或多个导航构件的推进和回缩相关联的时间延迟。端部执行器14将处于未关节运动位置以被推进穿过套管针，因此腕16被朝远侧推进超过套管针的远侧端部将指示端部执行器14处于可以准确地收集原始位置的未关节运动位置。可以任何数量的方式检测被朝远侧推进超过套管针的远侧端部的腕16，例如通过插入患者体内的观察装置或其他可视化装置“看到”腕16已被如此推进，通过包括被配置为感测轴12的平移运动的运动传感器的工具10指示腕16被完全推进穿过套管针(例如，轴12的远侧平移运动等于已知长度的套管针的预先确定的阈值量或在该阈值量内，等等)，等等。

虽然工具10的原始位置被配置为在端部执行器14处于未关节运动位置时收集，但是在至少一些实施方案中，原始位置可被配置为在端部执行器14相对于轴12以预先确定的角度处于关节运动位置时，附加地或替代地收集。例如，原始位置可被配置为在端部执行器14相对于轴12处于最大关节运动角度时，附加地或替代地收集。当端部执行器关节运动时能够被收集的原始位置可通过允许在工具10在患者中使用并且已使其端部执行器14关节运动时收集原始位置来提供更多的外科医生灵活性。当端部执行器14处于未关节运动位置时可收集的原始位置可允许在外科手术开始时容易地收集原始位置，因为端部执行器14在手术开始时通常是未关节运动的，以便于将端部执行器14插入患者体内。

图2至图8示出了外科工具100的一个示例性实施方案，该外科工具包括细长轴102、包括一对相对的钳口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、联接到轴102的近侧端部的工具外壳(未示出)、多个柔性构件108，以及呈刚性构件形式的一个或多个导航构件110a、110b。工具100与图1的工具10类似地构造和使用。图2至图8仅示出了工具100的远侧部分。图2至图8示出了处于未关节运动位置的端部执行器104。图2示出了处于第一位置的一个或多个导航构件110a、110b，其中一个或多个导航构件110a、110b未与端部执行器104接合，并且端部执行器104可在其未关节运动位置和关节运动位置之间自由移动。图3至图8示出了处于第二位置的一个或多个导航构件110a、110b，其中一个或多个导航构件110a、110b与端部执行器104接合，并且一个或多个导航构件110a、110b防止端部执行器104在未关节运动和关节运动位置之间移动。图2至图8示出了处于闭合位置的端部执行器104。

工具100包括四个柔性构件108，但是可以使用任何数量的柔性构件。为清楚起见，在图2至图8中仅示出了柔性构件108的远侧部分。柔性构件108从端部执行器104朝近侧延伸到工具外壳，如本文所讨论的。如图5中最佳所示，轴12包括形成于其中的多个内腔或孔109，其被构造成能够通过所述多个内腔或孔接收柔性构件108。在图5中可看到两个孔109，其他两个孔109被遮蔽。如图所示，孔109围绕轴102的内腔111径向间隔开。

一个或多个导航构件110a、110b包括在该示出的实施方案中的两个导航构件110a、110b，一个与钳口112、114中的每一个相关联。在所示实施方案中，一个或多个导航构件110a、110b呈细长刚性杆的形式。如下文进一步讨论的，轴102包括在其相对侧上径向地围绕轴的内腔定位并与柔性构件偏置的孔128、130。

工具100包括第一接头114，在该第一接头处，腕106可枢转地联接到轴102。具体地讲，腕106的近侧端部在第一接头114处联接到轴102的远侧端部。轴102和腕106均具有形成在其中的孔，在第一接头114处第一销116定位在该孔中。第一销116包括在该所示实施方案中的在第一接头114的相对侧上的两个销，但第一销116可以是单个销。腕106被构造成能够在第一接头114处围绕第一销116相对于轴102旋转，以引起端部执行器104的运动，尤其是引起端部执行器104相对于轴102的关节运动的运动。柔性构件108的致动被构造成能够使得腕106在第一接头114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。在该示出的实施方案中，腕106被构造成能够例如以俯仰和偏航中的一者在单个平面中围绕第一接头114枢转。

处于第二位置的一个或多个导航构件110a、110b延伸穿过形成在腕106中的一个或多个孔118a、118b。处于第二位置的一个或多个导航构件110a、110b因此防止腕106在第一接头114处枢转。处于第一位置的一个或多个导航构件110a、110b不延伸穿过一个或多个孔118a、118b，因此不会阻止腕106在第一接头114处枢转。

工具100包括第二接头120和第三接头122，所述第二接头和第三接头被构造成能够便于端部执行器104在其闭合位置和打开位置之间移动。第二接头120和第三接头122可以共享公共轴线，并且这可以被认为是单个接头。第一钳口112被构造成能够围绕第二接头120枢转，第二钳口114被构造成能够围绕第三接头122枢转。柔性构件108的致动被构造成能够引起第一钳口112在第二接头120处和第二钳口114在第三关节122处的运动。在示例性实施方案中，钳口112、114被构造成能够在它们相应的接头120、122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120、122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120、122处旋转。

处于第二位置的一个或多个导航构件110a、110b被接收在第一钳口112和第二钳口114的相应接收元件中。处于第二位置的一个或多个导航构件110a、110b因此防止钳口112、114打开和闭合。处于第一位置的一个或多个导航构件110a、110b不固定到接收元件中，因此不限制钳口120、122的打开和闭合。因此，一个或多个导航构件110a、110b被构造成能够在一个或多个导航构件110a、110b处于第二位置时防止在所有三个接头114、120、122处的端部执行器114的移动。

接收元件是形成于端部执行器104的远侧表面中的凹陷部或开口通道的形式，例如，在钳口112、114的远侧表面中。接收元件被构造成能够与形成于腕106中的一个或多个孔118a、118b纵向对齐。这样，一个或多个导航构件110a、110b可延伸穿过一个或多个孔118a、118b并且使其远侧端部固定到接收元件中。每个开口通道均具有锥形形状，其在远侧方向上逐渐变细，使得通道在其近侧端部处比在其远侧端部处更宽。通道的较宽近侧端部可帮助一个或多个导航构件110a、110b迫使端部执行器104进入其未关节运动位置，如果在一个或多个导航构件110a、110b被致动时它尚未处于未关节运动位置，通过帮助将一个或多个导航构件110a、110b的远侧端部引导到它们各自的接收元件中。一个或多个导航构件110a、110b的远侧端部在远侧方向上逐渐变细，这也可帮助将它们引导到它们各自的接收元件中。

轴102具有形成于其中的一个或多个孔128、130，所述一个或多个孔被构造成能够将一个或多个导航构件110a、110b可滑动地安置在其中。轴的一个或多个孔128、130被构造成能够与腕的一个或多个孔118a、118b纵向对齐。因此，接收元件被构造成能够与轴的一个或多个孔128、130纵向对齐。这样，一个或多个导航构件110a、110b可以延伸穿过轴的一个或多个孔128、130并且穿过腕的一个或多个孔118a、118b并且使其远侧端部安置到接收元件中。当一个或多个导航构件110a、110b处于第一位置时，如图2所示，一个或多个导航构件110a、110b不向远侧延伸超过轴的一个或多个孔128、130。因此，一个或多个导航构件128、130可以“隐藏”并且不太可能干扰工具100的任何操作。

在外科工具的另一个实施方案中，工具可与图2至图8的工具100类似地构造和使用，但是不是包括两个导航构件，工具100可包括单个导航构件。单个导航构件可从细长轴的纵向轴线径向偏移。在图2至图8的实施方案中，导航构件110a、110b中的每一个均从轴的纵向轴线径向偏移，并且在该替代实施方案中，工具可仅包括这些径向偏移的导航构件中的一个。工具的腕可具有一个孔，该孔被构造成能够滑动地接收穿过其中的导航构件，并且工具的端部执行器可具有一个接收元件，该接收元件被构造成能够在其中接收一个导航构件。如果端部执行器包括一对相对的钳口，则端部执行器可具有形成于其中一个钳口中的一个接收元件。当致动导航构件以迫使端部执行器进入其未关节运动位置时，一个导航构件将仅迫使钳口中的一个进入其闭合位置。钳口中的另一个可以抵靠受迫使的钳口中的一个而闭合，例如通过致动工具的闭合机构(例如，致动工具的一个或多个柔性构件以闭合钳口)。

在包括单个导航构件的外科工具的另一个实施方案中，该工具可与图2至图8的工具100类似地构造和使用，但单个导航构件可与细长轴的纵向轴线基本上纵向对齐。工具的腕可具有一个孔，该孔被构造成能够滑动地接收穿过其中的导航构件，并且工具的端部执行器可具有一个接收元件，该接收元件被构造成能够在其中接收一个导航构件。

在包括单个导航构件的外科工具的另一个实施方案中，该工具可与图2至图8的工具100类似地构造和使用，但是一个或多个导航构件可以是细长管的形式。细长管可被构造成能够选择性地在工具的腕的至少近侧部分上方移动并且在工具的端部执行器的至少近侧部分上方移动，以迫使端部执行器移动到其未关节运动位置。处其于第二位置(在该位置中其迫使端部执行器移动到未关节运动位置)的细长管可定位在工具的第一接头上方使腕可以围绕第一接头枢转以致动端部执行器，并且可定位在工具的第二接头和第三接头上方使端部执行器的钳口可以围绕第二接头和第三接头枢转以打开和闭合端部执行器。这样，细长管可防止端部执行器的运动，包括打开/闭合和关节运动。当管处于其第一位置时，工具的细长轴可在其中容纳管，在该第一位置，该管不限制端部执行器的运动。

在外科工具的另一个实施方案中，工具可与图2至图8的工具100类似地构造和使用，但是代替可以通过工具的柔性构件移动的一个或多个导航构件，一个或多个导航构件可被构造成能够通过旋转联接移动，如下文进一步讨论的。

图9至图15示出了外科工具200的另一个实施方案，该外科工具包括细长轴202、端部执行器(未示出)、在轴202的远侧端部处将端部执行器联接到轴202的腕(未示出)、联接到轴202的近侧端部的工具外壳204、多个柔性构件(未示出)，以及一个或多个导航构件(未示出)。工具200与图1的工具10类似地构造和使用。图9至图15仅示出了工具200的近侧部分。工具200的该近侧部分可以是图1的工具10的近侧部分或图2至图8的工具100的近侧部分。出于示例性目的，从图13和图14中移除工具外壳204的外部壳体。

图9至图15示出了可释放地联接到机器人外科系统的一个实施方案的工具200。工具外壳204可释放地联接到机器人外科系统的工具驱动器206，其中工具200的轴202从工具外壳204和工具驱动器206向远侧延伸。为清楚起见，图9至图15中仅示出了机器人外科系统的部分部分。出于示例性目的，图12以分解图示出了工具驱动器206的外部壳体。

机器人外科系统还包括无菌屏障208，无菌护罩或盖布(未示出)可附接到该无菌屏障以用于无菌目的，如本领域技术人员应当理解的。将无菌屏障208放置在工具外壳204和工具驱动器206之间可确保工具200和机器人之间的无菌联接点，从而允许从机器人移除工具200以在手术过程中与其他外科工具交换而不损害无菌手术野。

如本领域技术人员将理解的，工具驱动器206可具有各种构造中的任一种。工具驱动器206包括一个或多个马达，用于控制与工具诸如工具200相关联的各种运动和动作，该工具可释放地连接到工具驱动器206，如本领域技术人员将理解的。在该示出的实施方案中，工具驱动器206包括六个马达，四个马达210a、210b、210c、210d用于使用激活特征部驱动运动/动作，一个马达212a、212b用于工具驱动器206的两个旋转联接器的每一个，用于通过旋转运动驱动运动/动作。例如，每个马达210a、210b、210c、210d，212a、212b可以联接到与工具200相关联的激活特征部(例如，齿轮)和/或与之交互，用于控制可由工具200执行的一个或多个动作和运动，例如，工具的柔性构件相对于轴202的运动、工具的一个或多个导航构件相对于轴202的运动、工具的端部执行器的关节运动、轴202围绕其纵向轴线的旋转等。马达210a、210b、210c、210d、212a、212b可通过无菌屏障208的近侧端部接近，并且工具200的工具外壳204被构造成能够安装在无菌屏障208的近侧端部以联接到无菌屏障208和工具驱动器206。马达和马达的运动和动作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日提交的名称为“Hyperdexterous Surgical System”的国际专利公布No.WO 2014/151621中有所描述。

四个马达210a、210b、210c、210d中的每一个经由设置在工具外壳204内的联接构件218a、218b、218c、218d可操作地联接到工具的柔性构件中的一个。因此，柔性构件的运动(例如，沿近侧方向拉动)可由它们相关联的马达210a、210b、210c、210d中的一个独立地控制。因此，马达210a、210b、210c、210d的旋转运动可被构造成能够引起柔性构件的平移运动。

旋转联接器中的一个由马达212a中的一个驱动以使轴202旋转。工具外壳206包括可操作地联接到第一旋转联接器的第一滑轮系统216a，以将马达212a的动力传递到轴202以使其旋转。因此，旋转运动可被构造成能够引起轴202的旋转运动。

另一个旋转联接器由另一个马达212b驱动，以引起一个或多个导航构件的平移运动(例如，推进一个或多个导航构件以迫使端部执行器移动到其未关节运动位置的远侧运动和回缩一个或多个导航构件的近侧运动)。工具外壳206包括可操作地联接到第二旋转联接器的第二滑轮系统216b，以通过导螺杆(在此也称为“驱动螺杆”)将马达212b的动力传递到一个或多个导航构件以使其纵向平移。因此，旋转运动可被构造成能够引起一个或多个导航构件的平移运动。

在另一个实施方案中，与一个或多个导航构件的数量相等数量的马达210a、210b、210c、210d经由设置在工具外壳204内的联接构件220a、220b可操作地联接到工具的一个或多个导航构件。示出了对应于两个导航构件的两个联接构件220a、220b。马达210b、210d可串联地操作以引起一个或多个导航构件的运动(例如，推进一个或多个导航构件以迫使端部执行器移动到其未关节运动位置的远侧运动和回缩一个或多个导航构件的近侧运动)。因此，马达210b、210d可被构造成能够引起一个或多个导航构件的平移运动。

工具驱动器206包括形成于其壁(在该示出的实施方案中为顶壁)中的接收通道214，用于接收工具外壳204的远侧部分和工具200的轴202的近侧部分。在其他实施方案中，工具外壳204和轴202可延伸穿过形成在工具驱动器206中的开口，或者工具200和工具驱动器206可以各种其他方式配合。无菌屏障208还包括形成在其壁中的接收通道216(在该示出的实施方案中为顶壁)，用于接收工具外壳204的远侧部分，但也可以各种其他方式与其配合。轴202的近侧端部位于无菌屏障208的远侧。换句话讲，轴202未朝近侧延伸得足够远以到达无菌屏障208。因此，轴202可被容纳在无菌手术区域内。

工具外壳204包括被构造成能够有助于将工具外壳204可释放地联接到工具驱动器206并且因此用于将工具200联接到机器人外科系统的特征部。工具外壳204包括被构造成能够由马达210a、210b、210c、210d、212a、212b中的一个或多个致动的齿轮和/或致动器。工具外壳204中的齿轮和/或致动器能控制与工具的端部执行器相关联的各种特征部的操作(例如，夹持、击发、旋转、关节运动、能量递送、迫使移动到未关节运动位置等)，以及控制轴202的运动(例如，轴的旋转)。轴202可包括致动器和连接器，该连接器可操作地联接到工具外壳204中的齿轮和/或致动器，并且沿轴202延伸，以帮助控制端部执行器和/或轴202的动作和/或运动。

图16和图17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能够便于在患者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，所述机械构件被配置成响应于电子输入而移动。可形成臂的机械构件的示例包括细长轴、构造成可移除和可替换地将外科器械联接到臂的联接机构(例如，夹具、磁体、搭扣配合机构、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、构造成安置在形成在外科器械中相应凹部中的突起部、构造成在其中接纳从外科器械延伸的相应突起部的凹部等)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之一。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，但是臂可以具有任何数量的机械构件和相关的接头。

图18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，其包括被配置为在其上向用户U显示信息的至少一个显示器410；被配置为接收用户输入以控制臂400的移动的至少一个用户输入装置412；包括配置为在其上显示正在使用系统406执行的外科手术的图像的至少一个显示器416的可视化系统414；被配置为接收用户输入以控制臂400的移动并且被配置为由用户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配置和使用的附加臂422；以及配置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，但是它可以包括另外数量的臂，例如三个、四个等。用户界面子系统408的至少一个显示器410可以被配置为用户输入装置，例如，配置用于在其上接收用户触摸输入的触摸屏。用户界面子系统408可以与患者P在同一房间中，或者可以在不同的房间中。

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以至少部分是无线的，在这种情况下，缆线432的至少一些不需要存在。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中的一个联接到计算机系统428，这可以允许脚踏开关434用作用户输入装置。机器人外科系统406可以包括至少一个膝盖控制(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制，其可以允许膝盖控制用作用户输入装置。

机器人外科系统406包括用于每个臂400、422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包括可移动地联接到安装在手术台426的导轨的垂直延伸部。垂直延伸部被构造成能够沿着导轨移动，从而便于臂400、422相对于患者P的定位。

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日提交的标题为“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。

可以使用一个或多个计算机系统来实现这里公开的系统、装置和方法。可在数字电子电路、集成电路、专门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/或其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一个或多个计算机程序中的具体实施，该一个或多个计算机程序是在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上可执行的和/或可解释的，该至少一个可编程处理器可以是特殊的或通用的，联接以从存储系统、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向它们传输数据和指令。可编程系统或计算机系统可包括客户端和服务器。客户端和服务器一般来讲彼此远程，并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系是借助于在各自计算机上运行的、彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序得到的。

这些计算机程序(也可称为程序、软件、软件应用、应用、组件或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且能够以高级程序语言、面向对象的编程语言、函数编程语言、逻辑编程语言来实现和/或以汇编/机器语言来实现。如本文所用，术语“机器可读介质”是指用来向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、可编程逻辑装置(PLD))，包括接收作为机器可读信号的机器指令的机器可读介质。术语“机器可读信号”是指用来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，例如非瞬时固态存储器或磁性硬盘驱动器或任何等同的存储介质。另选地或除此之外，机器可读介质可以瞬态方式存储此类机器指令，例如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。

为了提供与用户的交互，本文所述的主题的一个或多个方面或特征可以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。也可使用其他类型的装置来提供与用户的交互。例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)；并且可通过任何形式接收来自用户的输入，包括但不限于声音、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，诸如单点或多点电阻性或电容式触控板、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19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，所述处理器能控制计算机系统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，所述存储器可以为待由处理器302执行的代码提供临时存储，或者为一个或多个用户、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、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。

网络接口306可以使计算机系统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。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，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。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，存储装置310可以将数据和/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，仍保留值。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，并且可以直接连接到计算机系统300或远程连接至其，例如通过网络连接。在示例性实施方案中，一个或多个存储装置可包括被配置为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、光盘驱动器、媒体卡、磁盘、光盘等。

图19中示出的元件可以是单个物理机器的一些或所有元件。此外，并非所有例示的元件都需要位于同一物理机器上或同一物理机器中。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、平板计算机、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，呈现这些页面和/或流(在视觉上、听觉上或其他方面)，在这些页面/流上执行脚本、控件和其他代码，接受关于这些页面/流的用户输入(例如，出于完成输入字段的目的)，发布关于这些页面/流或其他的超文本传输协议(HTTP)请求(例如，用于从完成的输入字段提交服务器信息)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还可包括用于生成和/或将网页传送到客户端计算机系统的web服务器。

在一个示例性实施方案中，计算机系统300可以作为单个单元提供，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，使得其各个方面可以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，单个单元也可以是可扩展的，具有作为附加模块添加的能力和/或期望和/或改善现有模块的附加功能。

计算机系统还可包括各种其他软件和/或硬件组件中的任何一种，包括(作为非限制性示例)操作系统和数据库管理系统。尽管本文描绘和描述了示例性计算机系统，但应当理解，这是出于普遍性和方便性的原因。在其他实施方案中，计算机系统的架构和操作可与这里示出和描述的不同。

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，该装置都可在至少使用一次后经过修整再行使用。修整可包括拆卸装置、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替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，以便随后在修整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，修整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整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日提交的且名称为“System And Method Of Sterilizing An Implantable Medical Device”的美国专利公布No.2009/0202387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 (18)

1.一种外科工具，包括：

工具轴；

端部执行器，所述端部执行器联接到所述工具轴的远侧端部；

多轴腕，所述多轴腕设置在所述工具轴和所述端部执行器之间；

多个柔性缆线，所述多个柔性缆线沿所述工具轴延伸并可操作地联接到所述端部执行器，使得选择性地施加到所述多个柔性缆线中的一个或多个的张力引起所述端部执行器的俯仰和偏航运动中的至少一个；以及

导航杆，所述导航杆被构造成能够相对于所述端部执行器从所述导航杆的远端位于所述腕的近侧的位置选择性地运动到迫使所述端部执行器相对于所述工具轴进入基本上零角度位置且所述导航杆的远端不位于所述腕的近侧的位置，其中所述端部执行器包括第一钳口和第二钳口，所述导航杆被构造成能够延伸到形成于所述第一钳口或第二钳口的凹陷部中。

2.根据权利要求1所述的工具，其中，所述导航杆包括第一杆和第二杆，所述第一杆被构造成能够延伸到形成于所述第一钳口的第一凹陷部中，并且所述第二杆被构造成能够延伸到形成于所述第二钳口的第二凹陷部中。

3.根据权利要求1所述的工具，其中，所述导航杆被构造成能够延伸穿过所述多轴腕中的孔以防止所述多轴腕运动。

4.根据权利要求1所述的工具，其中，所述多个柔性缆线被构造成能够使所述第一钳口和所述第二钳口在打开位置和闭合位置之间运动。

5.根据权利要求1所述的工具，还包括联接到所述工具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，使得所述驱动器能控制所述多个柔性缆线的运动。

6.根据权利要求1所述的工具，其中，迫使所述端部执行器进入所述基本上零角度位置的所述导航杆防止所述端部执行器从所述基本上零角度位置运动到非零角度位置。

7.根据权利要求1所述的工具，还包括多个传感器，所述多个传感器被构造为能够在所述端部执行器处于所述基本上零角度位置时感测所述多个柔性缆线中的每一个的位置。

8.一种外科系统，包括：

根据权利要求7所述的外科工具；

存储器；以及

控制器，所述控制器被配置为能够使得所述多个柔性缆线中的每一个的感测位置被存储在所述存储器中。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器被配置为能够接收用户发起的请求所述端部执行器相对于所述工具轴运动的输入，并且通过使所述多个柔性缆线中的一个或多个参照所述多个柔性缆线中的每一个的所述存储的感测位置相对于所述工具轴运动来引起所请求的运动。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述控制器被配置为能够在感测所述多个柔性缆线中的每个的所述位置之前使所述多个柔性缆线张紧，当所述多个柔性缆线张紧时，所述多个传感器感测所述多个柔性缆线中的每一个的位置。

11.一种外科工具，包括：

外壳，所述外壳具有多个输入端，所述外壳被构造成能够联接到外科机器人的工具驱动器上的至少一个马达；

细长轴，所述细长轴从所述外壳延伸；

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并且能围绕形成于所述端部执行器和所述细长轴之间的至少一个枢转接头枢转地运动；

多个柔性缆线，所述多个柔性缆线联接到所述外壳中的所述多个输入端，沿所述细长轴延伸，并可操作地联接到所述端部执行器，其中所述多个柔性缆线的近侧运动有效地引起所述端部执行器的至少一部分围绕所述至少一个枢转接头相对于所述细长轴的枢转运动；以及

刚性构件，所述刚性构件可操作地与所述端部执行器相关联并且被构造成能够选择性地推进到形成于所述端部执行器中的凹陷部中以防止所述端部执行器围绕所述至少一个枢转接头枢转。

12.根据权利要求11所述的工具，还包括第一致动器，所述第一致动器被构造成能够被致动以将所述刚性构件推进到所述端部执行器中。

13.根据权利要求11所述的工具，其中，所述多个柔性缆线中的每一个被构造成能够相对于所述细长轴朝近侧运动，以使所述端部执行器相对于所述细长轴枢转，并且所述刚性构件被构造成能够相对于所述细长轴朝远侧运动，以迫使所述端部执行器与所述细长轴基本上纵向对齐。

14.根据权利要求11所述的工具，其中，所述端部执行器包括一对钳口，并且所述多个柔性缆线被构造成能够相对于所述细长轴运动，以选择性地打开和闭合所述一对钳口。

15.根据权利要求14所述的工具，其中，所述刚性构件包括一对刚性构件，所述刚性构件的每一个被构造成能够推进到所述钳口中的一个中。

16.根据权利要求11所述的工具，其中，所述端部执行器包括夹钳、抓紧器、针驱动器、剪刀、电烙器工具、缝合器、施夹器、抽吸工具和冲洗工具中的一个。

17.根据权利要求11所述的工具，还包括多个传感器，所述多个传感器被配置成能够在所述刚性构件被推进到所述端部执行器中并且所述端部执行器与所述细长轴基本上纵向对齐时感测所述多个柔性缆线中的每一个的位置。

18.根据权利要求17所述的工具，其中，所述外科机器人包括存储器和控制器，所述控制器被配置为能够使得所述多个柔性缆线中的每一个的感测位置被存储在所述存储器中。

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