CN109788994A - 计算机辅助的远程操作手术系统和方法 - Google Patents

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Abstract

计算机辅助的远程操作手术系统包括一个或更多个操纵器装置和其他部件。一种操纵器装置包括第一连杆、联接到第一连杆的远端的第二连杆、联接到第二连杆的第三连杆以及联接到第三连杆的器械致动器。将第二连杆联接到第一连杆的接头限定偏转轴线。将第三连杆联接到第二连杆的接头限定俯仰轴线。器械致动器限定插入轴线。偏转轴线、俯仰轴线和插入轴线被相对于彼此固定并且在远程运动中心处相交。器械致动器可以沿着插入轴线滚动插入手术器械并且可以围绕插入轴线滚动手术器械。第一连杆的近端可以被联接到可重新定位的装配结构，该可重新定位的装配结构可以可选地被机械地接地到手术室桌子。用户控制单元包括用作控制器的处理器，并且用户控制单元处的用户输入经由控制器远程操作操纵器装置。

Description

计算机辅助的远程操作手术系统和方法
版权声明
本专利文件的公开内容的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人对专利文件或专利公开内容进行传真复制，因为它出现在专利与商标局专利文件或记录中，但在其他方面保留所有版权。
相关申请的交叉引用
本申请要求(于2016年10月18日提交的)美国临时专利申请No.62/409,625的优先权的权益，该专利申请通过引用并入本文。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用。
技术领域
本公开涉及用于微创计算机辅助的远程操作手术的装置和方法。例如，本公开提供用于计算机辅助的远程操作手术系统的操纵器装置。
背景技术
远程操作手术系统(由于使用机器人技术，远程操作手术系统通常被称为“机器人”手术系统)和其他计算机辅助的装置通常包括一个或更多个器械操纵器以操纵用于在手术工作部位处执行任务的器械和用于支撑捕获手术工作部位的图像的图像捕获装置的至少一个操纵器。操纵器臂包含通过一个或更多个主动控制的接头联接在一起的多个连杆。在许多实施例中，可以提供多个主动控制的接头。机器人臂还可以包括一个或更多个被动接头，这些被动接头不是主动控制的，但依从主动控制的接头的运动。这种主动接头和被动接头可以是各种类型，包括回转接头(revolute joints)或平移接头/棱柱型接头(prismatic joints)。操纵器臂及其相关器械或图像捕获装置的运动学姿势可以通过接头的位置和连杆的结构与联接的知识以及已知运动学计算的应用来确定。
正在开发用于外科手术的微创远程手术系统，以增加外科医生的灵活性并允许外科医生从远程位置给患者动手术。远程手术是外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构等)来操纵手术器械移动而不是用手直接握持和移动器械的手术系统的总称。在这种远程手术系统中，在远程位置处向外科医生提供手术部位的图像。通常在合适的浏览器或显示器上查看手术部位的立体图像(其提供深度的错觉)时，外科医生通过操纵主控制输入装置对患者进行外科手术，主控制输入装置进而控制对应的远程操作器械的运动。远程操作手术器械能穿过小的微创手术孔或天然孔口被插入以治疗患者体内手术部位处的组织，通常避免了一般与由开腹手术技术进入手术工作部位相关的创伤。这些计算机辅助的远程操作系统能够以足够的灵活性移动手术器械的工作末端(末端执行器)，以通常通过在微创孔处枢转器械的轴、使所述轴轴向滑动穿过所述孔、在所述孔内旋转所述轴以及诸如此类来执行相当复杂的手术任务。
发明内容
本公开提供了使用计算机辅助的远程操作手术装置进行微创机器人手术的装置和方法。例如，本公开提供了用于计算机辅助的远程操作手术系统的操纵器装置。在一些实施例中，操纵器装置包括与装配结构联接的第一连杆、被可旋转地联接到第一连杆的第二连杆以及被可枢转地联接到第二连杆的第三连杆。第三连杆被配置成接收手术器械致动器，该手术器械致动器进而能够接收手术器械。手术器械限定插入轴线。在一些这样的实施例中，使第三连杆相对于第二连杆枢转引起插入轴线的扫掠运动，该扫掠运动跟踪锥形表面的一部分。在一些这样的实施例中，操纵器装置具有硬件约束的远程运动中心(RCM)。RCM是空间中的一个点，围绕该点进行操纵器装置的滚动、俯仰和偏转运动。当操纵器装置用于微创计算机辅助的远程操作手术时，操纵器组件的移动被限制为通过微创手术进入部位或与RCM基本上重合的其他孔的安全运动。因此，操纵器装置的运动将防止体壁进入插管的过度横向运动，否则该过度横向运动可能会撕裂邻近孔的组织或者无意地扩大进入部位。
在一个方面，本公开涉及一种计算机辅助的远程操作手术操纵器装置，其包括：第一连杆，其被配置成可释放地与计算机辅助的远程操作手术系统的装配结构联接；第二连杆，其被可旋转地联接到第一连杆，使得第二连杆可相对于第一连杆绕第一轴线旋转；以及第三连杆，其被可枢转地联接到第二连杆，使得第三连杆可相对于第二连杆绕第二轴线枢转。第三连杆被配置成可释放地与患者体壁进入插管联接，所述患者体壁进入插管限定手术器械的插入轴线。第一轴线、第二轴线和插入轴线在第二连杆相对于第一连杆的整个旋转和第三连杆相对于第二连杆的整个枢转中始终在空间中的特定固定点处相交。第三连杆相对于第二连杆的枢转扫掠(sweep)插入轴线以跟踪锥形表面的一部分。
这种计算机辅助的远程操作手术操纵器装置可以可选地包括以下特征中的一个或更多个。第二连杆可包括导螺杆、用于旋转导螺杆的马达以及可螺纹联接到导螺杆的螺母。螺母可以被联接到在与第二轴线间隔开的位置处可枢转地联接到第三连杆的联动装置。导螺杆的旋转可以使第三连杆相对于第二连杆枢转。第三连杆可以与计算机辅助的远程操作手术器械致动器可释放地联接。第三连杆可包括用于驱动计算机辅助的远程操作手术器械致动器围绕插入轴线的旋转的马达。第一连杆可包括驱动第二连杆相对于第一连杆的旋转的马达。在一些实施例中，在第二连杆相对于第一连杆的整个旋转和第三连杆相对于第二连杆的整个枢转中，第二轴线可以保持与插入轴线不正交。在一些实施例中，在使用计算机辅助的远程操作手术操纵器装置的手术期间以及在第三连杆相对于第二连杆的所有位置处，第二连杆可相对于第一连杆旋转通过至少120度的弧度，而在操纵器装置与包括空间中的特定固定点的平面之间没有接触。在特定实施例中，在使用计算机辅助的远程操作手术操纵器装置的手术期间，第一轴线相对于包括空间中的特定固定点的平面可以呈小于30度的角度。
在另一方面，本公开涉及一种计算机辅助的远程操作手术操纵器装置，其包括：第一连杆，其被配置成可释放地与计算机辅助的远程操作手术系统的装配结构联接；第二连杆，其被可旋转地联接到第一连杆，使得第二连杆可相对于第一连杆绕第一轴线旋转，第二连杆包括导螺杆和可螺纹联接到导螺杆的螺母；和第三连杆，其被可枢转地联接到第二连杆，使得第三连杆可相对于第二连杆绕第二轴线枢转。第三连杆被配置成可释放地与患者体壁进入插管联接，所述患者体壁进入插管限定手术器械的插入轴线。第一轴线、第二轴线和插入轴线在第二连杆相对于第一连杆的整个旋转和第三连杆相对于第二连杆的整个枢转中始终在空间中的特定固定点处相交。螺母被联接到联动装置，所述联动装置在与第二轴线间隔开的位置处被可枢转地联接到第三连杆，并且其中导螺杆的旋转使得第三连杆相对于第二连杆枢转。
这种计算机辅助的远程操作手术操纵器装置可任选地包括以下特征中的一个或更多个。当第三连杆相对于第二连杆枢转时，插入轴线可以跟踪锥形表面的一部分。第三连杆可以与计算机辅助的远程操作手术器械致动器可释放地联接。第三连杆可包括用于驱动计算机辅助的远程操作手术器械致动器围绕插入轴线的旋转的马达。第一连杆可包括驱动第二连杆相对于第一连杆的旋转的马达。在第二连杆相对于第一连杆的整个旋转和第三连杆相对于第二连杆的整个枢转中，第二轴线可以保持与插入轴线不正交。在使用计算机辅助的远程操作手术操纵器装置的手术期间以及在第三连杆相对于第二连杆的所有位置处，第二连杆可相对于第一连杆旋转通过至少120度的弧度，而在操纵器装置与包括空间中的特定固定点的平面之间没有接触。在一些实施例中，在使用计算机辅助的远程操作手术操纵器装置的外科手术期间，第一轴线相对于包括空间中的特定固定点的平面成小于30度的角度。
在另一方面，本公开涉及一种计算机辅助的远程操作手术系统，其包括：可释放地与框架联接的装配结构；操纵器装置；和计算机辅助的远程操作手术器械致动器，其可释放地与第三连杆联接。操纵器装置包括：第一连杆，其被配置成可释放地与计算机辅助的远程操作手术系统的装配结构联接；第二连杆，其被可旋转地联接到第一连杆，使得第二连杆可相对于第一连杆绕第一轴线旋转；和第三连杆，其被可枢转地联接到第二连杆，使得第三连杆可相对于第二连杆绕第二轴线枢转。第三连杆被配置成可释放地与患者体壁进入插管联接，所述患者体壁进入插管限定手术器械的插入轴线。第一轴线、第二轴线和插入轴线在第二连杆相对于第一连杆的整个旋转和第三连杆相对于第二连杆的整个枢转中始终在空间中的特定固定点处相交。第三连杆相对于第二连杆的枢转扫掠插入轴线以跟踪锥形表面的一部分。第三连杆包括滚动调节马达，该滚动调节马达驱动手术器械致动器绕插入轴线的旋转。
这种计算机辅助的远程操作手术系统可任选地包括以下特征中的一个或更多个。整个器械致动器可由滚动调节马达可旋转地驱动。该系统还可以包括可由手术器械致动器接收的计算机辅助的远程操作手术器械。第二连杆可包括导螺杆、用于旋转导螺杆的马达以及可螺纹联接到导螺杆的螺母。螺母可以被联接到联动装置，该联动装置在与第二轴线间隔开的位置处可枢转地联接到第三连杆。导螺杆的旋转使得第三连杆相对于第二连杆枢转。在一些实施例中，在使用计算机辅助的远程操作手术操纵器装置的手术期间以及在第三连杆相对于第二连杆的所有位置处，第二连杆可相对于第一连杆旋转通过至少120度的弧度，而在操纵器装置与包括空间中的特定固定点的平面之间没有接触。
本文描述的一些或所有实施例可以提供以下优点中的一个或更多个。在一些情况下，本文提供的远程操作手术操纵器装置被有利地配置为具有低轮廓，即，在空间上紧凑和/或能够以低角度(例如，在约15°至约30°的范围内)针对患者取向。这种紧凑配置的优点在于由患者上方的远程操作手术操纵器占据的工作空间被最小化，从而允许增强手术团队的患者进入。另外，通过紧凑的操纵器工作空间促进了患者的更大可视化和手术团队成员之间的沟通。
此外，减小操纵器工作空间的尺寸可以减小操纵器之间的碰撞的可能性。结果，减轻了对操纵器的冗余自由度的需求。因此，在某些情况下可以降低操纵器的复杂性。
在一些情况下，本文提供的远程操作手术操纵器装置的紧凑尺寸还可以有利地便于将操纵器安装到手术台/手术桌子的轨道。在这种情况下，当操纵手术台以增强手术进入时，安装在台上的操纵器装置固有地跟随。因此，有利地减少或消除了对响应于手术台的移动而重新定位操纵器的需要。
另外，本文提供的远程操作手术操纵器装置被有利地构造为具有相对低的质量和惯性。另外，质量分布基本上是恒定的，使得惯性基本上是恒定的，且因此是可预测的。
在附图和以下描述中阐述了一个或更多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，其他特征、目的和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是计算机辅助的远程操作手术系统的示例患者侧推车的透视图。
图2是计算机辅助的远程操作手术系统的示例外科医生控制台的主视图。
图3是计算机辅助的远程操作手术系统的示例机器人操纵器臂组件的侧视图。
图4是另一类型的患者侧计算机辅助的远程操作手术系统的透视图。
图5是示例手术器械的远端部分处于第一配置的透视图。
图6是图5的手术器械的远端部分处于第二配置的透视图。
图7是图5的手术器械的远端部分处于第三配置的透视图。
图8是描绘根据一些实施例的与手术器械致动舱/手术器械致动荚(actuationpod)联接的手术器械的透视图，该手术器械致动舱被安装到示例计算机辅助的远程操作手术操纵器装置。
图9是根据一些实施例的示例手术器械致动舱的透视图。
图10根据一些实施例的示例计算机辅助的远程操作手术操纵器装置的透视图。
图11是图10的操纵器装置的另一透视图。
图12是图10的计算机辅助的远程操作手术操纵器装置的俯视图。该操纵器装置的第一连杆被透明地示出。
图13是图10的计算机辅助的远程操作手术操纵器装置的仰视图，其中第一连杆被透明地示出。
图14是处于第一取向的图10的计算机辅助的远程操作手术操纵器装置相对于体壁的透视图。
图15是处于第二取向的图10的计算机辅助的远程操作手术操纵器装置相对于体壁的透视图。
图16是图10的计算机辅助的远程操作手术操纵器装置的另一透视图。该操纵器装置的第二连杆被透明地示出。
图17是图10的计算机辅助的远程操作手术操纵器装置的另一透视图，其中第二连杆被透明地示出。
图18是处于第三取向的图10的计算机辅助的远程操作手术操纵器装置相对于体壁的透视图。
图19是处于第四取向的图10的计算机辅助的远程操作手术操纵器装置相对于体壁的透视图。
各附图中的同样的附图标记表示相同元件。
具体实施方式
图示说明发明方面、实施例、实施方式或应用的本说明书和附图不应被视为限制性的，权利要求书限定了所保护的发明。在不脱离本说明书和权利要求书的精神和范围的情况下，可进行各种机械、组成、结构、电气和操作改变。在一些情况下，尚未详细示出或描述公知的电路、结构或技术以免模糊本发明。两个或更多个附图中的同样的数字表示相同或相似的元件。
此外，选择用于描述一个或更多个实施例和可选元件或特征的特定词语不旨在限制本发明。例如，空间相关术语——例如“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”、“近侧”、“远侧”等——可用于描述如附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了附图中所示的位置和取向之外，这些空间相关术语意在涵盖装置在使用或操作中的不同位置(即平移放置)和取向(即旋转放置)。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或特征“下方”或“下面”的元件将是在所述其它元件或特征“上方”或“上面”。因此，示例性术语“下方”能够涵盖上方和下方的位置和取向两者。装置可以以其它方式被取向(例如，旋转90度或以其它取向旋转)并且本文使用的空间相关描述符被相应地解释。同样地，沿着(平移)和围绕(旋转)各种轴线的移动的描述包括各种特殊装置位置和取向。身体的位置和取向的组合定义了身体的姿势。
类似地，除非上下文另有指示，否则诸如“平行”、“垂直”、“圆形”或“方形”的几何术语不旨在要求绝对数学精度。相反，这种几何术语允许由于制造或等效功能而引起的变化。例如，如果元件被描述为“圆形”或“大致圆形”，则不是精确圆形的部件(例如，略呈椭圆形或多边形的部件)仍被本说明书涵盖。词语“包括”或“具有”意味着包括但不限于。
应当理解，尽管本说明书足够清楚、简洁和准确，但是严格和详尽的语言精确度并不总是可能或期望的，因为说明书应该保持合理的长度并且熟练的读者将理解背景和相关技术。例如，考虑到视频信号，熟练的读者将理解，被描述为显示该信号的示波器不显示该信号本身但显示该信号的表示，并且被描述为显示该信号的视频监视器不显示该信号本身但显示该信号携带的视频信息。
另外，除非上下文另有指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该/所述”旨在也包括复数形式。而且，术语“包含”、“包括”、“具有”等指定所述特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。并且，除非另有说明，否则一个或更多个单独列出的项中的每一个应当被认为是可选的，以便描述项的各种组合而无需每种可能组合的详尽列表。辅助动词“可以”同样暗示特征、步骤、操作、元件或部件是可选的。
如果可行，参考一个实施例、实施方式或应用详细描述的元件可以可选地包括在未具体示出或描述它们的其他实施例、实施方式或应用中。例如，如果参考一个实施例详细描述了元件而未参考第二实施例描述该元件，但仍然可以声称该元件被包括在第二实施例中。因此，为了避免在以下描述中不必要的重复，除非一个或更多个元件将使实施例或实施方式失去功能，或者除非两个或更多个元件提供矛盾功能，否则结合一个实施例、实施方式或应用示出和描述的一个或更多个元件可以被并入其他实施例、实施方式或方面中，除非另外特别描述。
被描述为联接的元件可以被电或机械直接联接，或者它们可以通过一个或更多个中间部件被间接联接。
与零件(例如，机械结构、部件或部件组件)相关联的术语“柔性的”应该被广义地解释。实质上，该术语意味着该零件能够被反复弯曲并恢复到原始形状而不会损坏该零件。虽然许多“刚性的”物体不被认为是“柔性的”(如该术语在本文中使用)，但是由于材料特性这些物体具有轻微的固有弹性“弯曲”。柔性零件可具有无限自由度(DOF)。这种零件的示例包括封闭的可弯曲管(由诸如镍钛诺(NITINOL)、聚合物、软橡胶等制成)、螺旋线圈弹簧等，其能够被弯曲成各种简单或复合曲线，通常没有明显的横截面变形。另一些柔性零件可以通过使用一系列紧密间隔的部件来近似这样的无限自由度零件，所述紧密间隔的部件类似于连续“椎骨”的蛇状布置。在这种椎骨布置中，每个部件是运动链中的短连杆，并且每个连杆之间的可移动机械约束(例如，销铰链、杯和球、活动铰链等)可允许连杆之间的相对运动的一个(例如，俯仰)或两个(例如，俯仰和偏转)DOF。一个短的柔性零件可以用作并被建模为单一的机械约束(接头)，其提供运动链中的两个连杆之间的一个或更多个DOF，即使柔性零件本身可能是由多个联接连杆构成的运动链。知识渊博的人会理解，零件的柔性可以用其刚度来表达。
除非在本说明书中另有说明，否则柔性零件(例如，机械结构、部件或部件组件)可以是主动或被动柔性的。可以通过使用与零件本身固有相关联的力来弯曲主动柔性零件。例如，一个或更多个肌腱可以沿着零件纵向地引导并且偏离零件的纵向轴线，使得一个或更多个肌腱上的张力导致该零件或该零件的一部分弯曲。主动弯曲主动柔性零件的其他方式包括但不限于使用气动或液压动力、齿轮、电活性聚合物(更通常地，“人造肌肉”)等。通过使用零件外部的力(例如，施加的机械力或电磁力)来弯曲被动柔性零件。被动柔性零件可以保持其弯曲形状直到再次弯曲，或者它可以具有易于使零件恢复到原始形状的固有特性。具有固有刚度的被动柔性零件的示例是塑料杆或弹性橡胶管。当主动柔性零件不由其固有的相关力致动时，主动柔性零件可以是被动柔性的。单个零件可以由一个或更多个串联的主动和被动柔性零件制成。
远程操作手术系统的示例是加利福尼亚州森尼维耳市的直观外科手术操作公司(Intuitive Surgical,Inc.of Sunnyvale,California)商业化的达芬奇(da)手术系统。创造性方面与计算机辅助的手术系统相关联。知识渊博的人将理解，本文公开的创造性方面可以以各种方式体现和实现，包括计算机辅助的以及手动和计算机辅助的实施例和实施方式的混合组合。如果适用的话，创造性方面可以在相对较小的手持式手动操作装置和具有额外机械支撑的相对较大的系统两者中，以及在计算机辅助的远程操作医疗装置的其他实施例中体现和实现。此外，创造性方面与计算机辅助的手术系统的进步(包括自主而非远程操作动作)相关联，因此包括了远程操作手术系统和自主手术系统两者，即使是集中描述了远程操作系统。
计算机是遵循经编程的指令以对输入信息执行数学或逻辑功能以产生经处理的输出信息的机器。计算机包括执行数学或逻辑功能的逻辑单元，以及存储经编程的指令、输入信息和输出信息的存储器。术语“计算机”和类似术语(例如，“处理器”或“控制器”)包括集中式单一位置和分布式实施方式两者。
本公开提供了改进的手术和远程手术装置、系统和方法。本发明构思特别有利于与远程手术系统一起使用，其中多个手术工具或器械将在外科手术过程中安装在相关联的多个远程操作操纵器上并由其移动。远程操作手术系统通常包含远程机器人、远程手术和/或远程呈现系统，其包括被配置为主-从控制器的处理器。通过提供采用处理器的远程操作手术系统，能够定制联动装置的运动以通过微创进入部位进行工作，所述处理器被适当配置为用具有相对大量自由度的铰接联动装置(articulated linkages)来移动操纵器组件。大量的自由度还可以允许处理器定位操纵器以抑制这些移动结构之间的干扰或碰撞等。
本文所述的操纵器组件通常包括远程操作操纵器和安装在其上的工具(该工具通常包含手术版本的手术器械)，但是术语“操纵器组件”也将涵盖其上未安装工具的操纵器。术语“工具”涵盖通用或工业机器人工具和专用机器人手术器械两者，其中后者的这些结构通常包括适于组织操纵、组织治疗、组织成像等的末端执行器。工具/操纵器接口通常是快速断开工具保持器或联接器，从而允许使用替代工具快速移除和更换工具。操纵器组件通常具有在远程手术的至少一部分期间固定在空间中的基座，并且操纵器组件可包括在基座和工具的末端执行器之间的多个自由度。末端执行器的致动(例如，夹持装置的钳口的打开或闭合、给电外科手术板通电等)通常将与这些操纵器组件自由度分离，并且除了这些操纵器组件自由度之外。
末端执行器通常将在工作空间中以2到6个自由度移动。如本文所用，术语“位置”涵盖位置和取向两者。因此，(例如)末端执行器的位置的改变可涉及末端执行器从第一位置到第二位置的平移、末端执行器从第一取向到第二取向的旋转，或这两者的组合。如本文所使用的，术语“末端执行器”因此包括但不限于改变其最远侧的(一个或更多个)零件(例如，(一个或更多个)钳口以及类似物)的取向或位置的功能(例如，“腕”功能、平行运动功能)。
当用于微创远程操作手术时，操纵器组件的移动可以由系统的处理器控制，使得工具或器械的轴或中间部分被约束成安全运动穿过微创手术进入部位或其他孔。这种运动可以包括，例如，轴穿过孔部位的轴向插入、轴围绕其轴线的旋转以及轴围绕邻近进入部位的枢转点的枢转运动，但是通常会阻止轴的过度横向运动，否则可能会撕裂孔附近的组织或无意中扩大进入部位。对进入部位处的操纵器运动的这种约束的一些或全部可以使用抑制不正确运动的机械操纵器接头联动装置来施加，或者可以使用机器人数据处理和控制技术部分地或完全地施加。因此，操纵器组件的这种微创孔约束的运动可以采用操纵器组件的零到三个自由度之间的自由度。
本文所述的许多示例性操纵器组件将具有比在手术部位内定位和移动末端执行器所需的更多的自由度。例如，能够以六个自由度定位在穿过微创孔的内部手术部位处的手术末端执行器在一些实施例中可以具有九个自由度(六个末端执行器自由度——三个用于位置并且三个用于取向——加上三个自由度以依从进入部位约束)，但通常会有十个或更多个自由度。具有比给定末端执行器位置所需的更多的自由度的高度可配置的操纵器组件能够被描述为具有或提供足够的自由度以允许工作空间中的末端执行器位置的一系列接头状态。例如，对于给定的末端执行器位置，操纵器组件可占据一系列替代操纵器联动装置位置中的任何一个位置(并在该位置之间被驱动)。类似地，对于给定的末端执行器速度矢量，操纵器组件可以具有用于操纵器组件的各种接头的一系列不同的接头移动速度。
参考图1和图2，用于微创计算机辅助的远程手术(本文也称为“微创机器人手术”)的系统能够包括患者侧单元100和外科医生控制单元40。远程手术是外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构等)来通过使用机器人技术来操纵手术器械移动而不是用手直接握持和移动器械的手术系统的总称。机器人可操纵的手术器械能够穿过小的微创手术孔被插入，以治疗患者体内手术部位处的组织，从而避免与用于开腹手术的进入相关联的创伤。这些机器人系统能够以足够的灵活性移动手术器械的工作末端，以通常通过在微创孔处枢转器械的轴、使所述轴轴向滑动穿过所述孔、在所述孔内旋转所述轴及/或诸如此类来执行相当复杂的手术任务。
在所描绘的实施例中，患者侧单元100包括基座110、第一机器人操纵器臂组件120、第二机器人操纵器臂组件130、第三机器人操纵器臂组件140以及第四机器人操纵器臂组件150。如图所述，基座110包括搁置在地板上的部分、竖直立柱和水平悬臂，并且可任选地使用机械地使患者侧单元接地的其他基座配置。每个机器人操纵器臂组件120、130、140和150可枢转地联接到基座110。在一些实施例中，可以包括少于四个或多于四个的机器人操纵器臂组件作为患者侧单元100的一部分。虽然在所描绘的实施例中，基座110包括脚轮以便于移动，但是在一些实施例中，患者侧单元100被固定地安装到地板、天花板、手术台或结构框架等。
在典型的应用中，机器人操纵器臂组件120、130、140和150中的两个握持手术器械，而第三个握持立体内窥镜。剩余的机器人操纵器臂组件可供使用，使得可以在工作部位处引入另一个器械。替代地，剩余的机器人操纵器臂组件可用于将第二内窥镜或另一图像捕获装置(例如超声换能器)引入到工作部位。
机器人操纵器臂组件120、130、140和150中的每一个通常由联接在一起并通过可致动接头操纵的连杆形成。机器人操纵器臂组件120、130、140和150中的每一个包括装配臂和装置操纵器。装配臂定位其握持的装置，使得在其进入患者的进入孔处出现枢转点。然后，装置操纵器可以操纵其握持的装置(工具；手术器械)，使得它可以围绕枢转点枢转，被插入进入孔并从进入孔缩回，并围绕其轴心线旋转。
在所描绘的实施例中，外科医生控制台40包括立体视觉显示器45，使得用户可以从由患者侧推车100的立体摄像机捕获的图像以立体视觉查看手术工作部位。左眼目镜46和右眼目镜47设置在立体视觉显示器45中，使得用户可以用用户的左眼和右眼分别查看显示器45内的左显示屏和右显示屏。当通常在合适的浏览器或显示器上查看手术部位的图像时，外科医生通过操纵主控制输入装置对患者进行外科手术，主控制输入装置进而控制机器人器械的运动。
外科医生控制台40还包括左输入装置41和右输入装置42，用户可以分别用他/她的左手和右手抓握左输入装置41和右输入装置42，以操纵由患者侧推车100的机器人操纵器臂组件120、130、140和150以优选地六个自由度(“DOF”)握持的装置(例如，手术器械)。具有脚趾和脚跟控制的脚踏板44设置在外科医生控制台40上，因此用户可以控制与脚踏板相关联的装置的移动和/或致动。可以通过一个或更多个其他输入(例如按钮、触摸板和语音等)对系统进行附加输入，如输入49所示。
在外科医生控制台40中设置有处理器43以用于控制和其他目的。处理器43在医疗机器人系统中执行各种功能。由处理器43执行的一个功能是平移和传递输入装置41、42的机械运动，以致动在它们的相关联的机器人操纵器臂组件120、130、140和150中其各自的接头，使得外科医生能够有效地操纵装置(诸如手术器械)。处理器43的另一个功能是实现本文所述的方法、交叉联接控制逻辑和控制器。
尽管被描述为处理器，但应认识到，处理器43可由硬件、软件和固件的任何组合来实现。而且，本文所述的其功能可以由一个单元执行或者分给若干子单元，每个子单元可以进而通过硬件、软件和固件的任何组合来实现。此外，尽管被示为外科医生控制单元40的一部分或与其物理上相邻，但处理器43也可以作为子单元分布在整个远程手术系统中。因此，本文提到的控制方面通过处理器43以集中式或分布式形式实现。
还参考图3，机器人操纵器臂组件120、130、140和150能够操纵诸如手术器械的装置以执行微创手术。例如，在所描绘的布置中，机器人操纵器臂组件120被可枢转地联接到器械保持器122。插管180和手术器械200进而被可释放地联接到器械保持器122。插管180是管状构件，其在手术期间位于患者接口部位处。插管180限定内腔，手术器械200的细长轴220可滑动地设置在内腔中。如下面进一步描述的，在一些实施例中，插管180包括具有体壁牵开器构件的远端部分。
器械保持器122可枢转地联接到机器人操纵器臂组件120的远端。在一些实施例中，器械保持器122和机器人操纵器臂组件120的远端之间的可枢转联接是机动化的接头，该接头可由外科医生控制台40和处理器43致动。
器械保持器122包括器械保持器框架124、插管夹具126和器械保持器托架128。在所描绘的实施例中，插管夹具126被固定到器械保持器框架124的远端。能够致动插管夹具126以与插管180联接或分离。器械保持器托架128可移动地联接到器械保持器框架124。更具体地，器械保持器托架128可沿器械保持器框架124线性平移。在一些实施例中，器械保持器托架128沿器械保持器框架124的移动是可由处理器43致动/控制的机动化的平移移动。
手术器械200包括传动组件210、细长轴220和末端执行器230。传动组件210可释放地与器械保持器托架128联接。轴220从传动组件210向远侧延伸。末端执行器230设置在轴220的远端处。
轴220限定纵向轴线222，纵向轴线222与插管180的纵向轴线重合。当器械保持器托架128沿着器械保持器框架124平移时，手术器械200的细长轴220沿着纵向轴线222移动。以这种方式，末端执行器230能够从患者体内的手术工作空间被插入和/或缩回。
还参考图4，用于微创计算机辅助的远程操作手术的另一示例患者侧系统160包括第一机器人操纵器臂组件162和第二机器人操纵器臂组件164，第一机器人操纵器臂组件162和第二机器人操纵器臂组件164均被安装到手术台10。在一些情况下，患者侧系统160的这种配置可以用作图1的患者侧单元100的替代。虽然仅描绘了两个机器人操纵器臂组件162和164，但是应当理解，在一些配置中可以包括多于两个(例如，三个、四个、五个、六个和多于六个)。
在一些情况下，手术期间可以移动或重新配置手术台10。例如，在一些情况下，手术台10可以绕各种轴线倾斜、升高、降低、枢转及旋转等。在一些情况下，通过操纵手术台10的取向，临床医生可以利用重力的作用将患者的内部器官定位在便于增强手术进入的位置。在一些情况下，手术台10的这种移动可以被集成为计算机辅助的远程操作手术系统的一部分并且由该系统控制。
还参考图5-图7，可以使用各种不同类型的替代计算机辅助的远程操作手术器械和不同的末端执行器230，其中至少一些操纵器的器械在外科手术过程中被移除和更换。这些末端执行器中的数个(包括例如德贝基(DeBakey)钳56i、微型外科镊56ii和波茨(Potts)剪刀56iii)包括第一末端执行器元件56a和第二末端执行器元件56b，它们相对于彼此枢转，以便限定一对末端执行器钳口。另一些末端执行器(包括手术刀和电烙术探针)具有单个末端执行器元件。对于具有末端执行器钳口的器械而言，通常通过挤压输入装置41、42的抓手构件来致动钳口。
在一些情况下，计算机辅助的远程操作手术器械包括多个自由度，例如但不限于滚动、俯仰、偏转、插入深度、钳口的打开/闭合、缝合钉递送的致动和电烙的激活等。至少一些这样的自由度可以由器械驱动系统来致动，手术器械可以被选择性地联接到该器械驱动系统。
在一些实施例中，计算机辅助的远程操作手术器械包括具有两个可单独移动的部件的末端执行器，所述两个可单独移动的部件例如但不限于被设计用于抓握或剪切的相对的钳口。当第一个可单独移动的部件被移动而第二个可单独移动的部件保持大致静止或以相反的方式被移动时，末端执行器可以执行有用的运动，诸如打开和关闭以用于抓握、剪切和释放等。当两个部件以相同的方向、速度和距离同步移动时，所产生的运动是末端执行器的俯仰或偏转运动类型。因此，在具有带有两个可单独移动的部件(例如钳口)的末端执行器的一些手术器械实施例中，该布置可提供两个自由度(例如，俯仰/偏转运动和打开/关闭运动)。
细长轴220允许末端执行器230和轴220的远端向远侧(经由插管180)插入手术工作部位穿过微创孔，通常穿过体壁(例如腹壁)或诸如此类。在一些情况下，插管180的远端上的体壁牵开器构件可用于固定体壁，从而增加手术工作空间的尺寸。在一些情况下，可以向手术工作部位吹气，并且通常将通过使器械200围绕轴220穿过微创孔的位置枢转，至少部分地实现末端执行器230在患者体内的移动。换句话说，机器人操纵器臂组件120、130、140和150将使传动组件210在患者体外移动，使得轴220延伸穿过微创孔位置，以便帮助提供末端执行器50的期望移动。因此，机器人操纵器臂组件120、130、140和150在外科手术过程中经常会在患者体外经历明显的移动。
参考图8，示出了与模拟的患者体壁20的一部分相关的示例计算机辅助的远程操作手术系统500(“远程手术系统”)。系统500包括装配结构172、操纵器装置800，操纵器装置800是包括手术器械致动器700、手术器械600和插管900的组件。
装配结构172可以被可调节地安装到基座或框架(即，机械基础(mechanicalground))，例如但不限于手术室桌子的底座轨道。操纵器装置组件800可释放地且可调节地与装配结构172联接。在一些实施例中，装配结构172和操纵器装置组件800可以相对于患者的体壁20被手动地调节且然后被锁定成多种可能姿势中的期望姿势。例如，可以手动调节装配结构172和操纵器装置组件800，使得插管900与手术进入位置22对齐。这种调节可以在开始手术前或在手术期间进行。
操纵器装置组件800包括可释放地联接的兼容的手术器械致动器700(在本文中也称为“手术器械致动舱”或简称为“舱”)。在一些实施例中，舱700可容易地从操纵器组件800拆卸，使得舱700可方便地与另一个舱互换。舱700限定插入轴线702，手术器械沿着插入轴线702被插入和撤回。在一些实施例中，操纵器装置组件800能够可旋转地驱动整个舱700(以及与舱700联接的手术器械600)以在回转滚动接头处围绕插入轴线702旋转，如箭头704所示。这样的运动可以称为滚动运动或简称为“滚动”。
当手术器械600与舱700联接时，手术器械600的轴640可滑动地延伸穿过插管900，插管900可释放地与操纵器组件800联接。在使用中，插管900可以在手术进入位置22(其可以由套管针、端口、切口和天然身体孔口等限定)处延伸穿过患者的体壁20。手术器械600包括末端执行器650，末端执行器650由执行计算机辅助的远程操作手术的外科医生控制。
舱700限定被配置为接收手术器械600的空间。当手术器械600与舱700联接时，舱700可以整体地致动末端执行器650和手术器械600的运动。例如，舱700可以沿着舱700的纵向插入轴线702致动手术器械600的平移移动。也就是说，舱700可以相对于患者更深地(向远侧)和更浅(向近侧)插入和缩回手术器械600。因此，纵向轴线702有时也称为插入轴线702。
还参考图9，示例手术器械致动器舱700被示为与手术器械600和操纵器装置组件800隔离。舱700包括近端704和远端706。舱700的近端和远端限定纵向轴线702，可以沿着该纵向轴线702安装手术器械(或诸如内窥镜摄像机的其他装置)。
在所描绘的实施例中，舱700包括近端板705、远端板707和壳体710。壳体710在近端704和远端706之间延伸。
在所描绘的实施例中，近端板705是C形板，而远端板707是限定开口中心的完全圆周板。近端板705中的开口与由壳体710限定的槽开口712对齐。当手术器械600与器械驱动系统700联接时，槽开口712和C形近端板705中的开口为手术器械600的手柄612提供间隙以从壳体710径向突出。
在所描绘的实施例中，舱700还包括滚动从动齿轮708。该舱的滚动从动齿轮708被定位成当舱700与操纵器装置组件800的器械致动器联接器840联接时与滚动驱动齿轮847啮合并由滚动驱动齿轮847驱动(参考图10至图12和图16)，滚动驱动齿轮847被联接到操纵器装置组件800的第三连杆830的滚动驱动(滚动调节)马达846(图11)。由马达846驱动的滚动驱动齿轮847与滚动从动齿轮708啮合，并且马达846和滚动驱动齿轮847是可以使用的各种滚动驱动组件的图示。当滚动从动齿轮708被如此驱动时，整个舱700围绕插入轴线702旋转或滚动(如图8的箭头704所示)。当手术器械600与舱700接合时，随着滚动从动齿轮708被器械致动器联接器840的滚动驱动齿轮847驱动，手术器械600也相应地围绕插入轴线702旋转或滚动。因此，插入轴线702还起细长轴640(图8)围绕其滚动的器械滚动轴线的作用。
还参考图10和图11，这里示出了操纵器装置组件800的一部分与计算机辅助的远程操作手术系统500的其他装置隔离。操纵器装置组件800包括第一连杆810、第二连杆820和第三连杆830。第一连杆810和第二连杆820可旋转地联接。也就是说，如下面进一步描述的，第二连杆820可以相对于第一连杆810旋转。第二连杆820和第三连杆830在枢轴处被可旋转地联接。也就是说，如下面进一步描述的，第三连杆830可以相对于第二连杆820枢转。
第一连杆810被配置为可释放地与装配结构172联接。因此，在所示实施例中，第一连杆包括从第一连杆810的近端延伸的球811。球811被配置为被接收在装配结构172的窝173中。球811和窝173之间的球窝连接(球形接头)允许在操纵器装置组件800和装配结构172之间的取向可调节性。当已经获得操纵器装置800和装配结构172之间的期望取向时，球811和窝173之间的球窝连接可以被可释放地夹紧在固定取向上。此后，第一连杆810相对于装配结构172保持静止，直到二者未被夹紧并被重新调节为止。
球窝连接仅仅是可以在操纵器装置组件800和装配结构172之间使用的机械连接类型中的一个非限制性示例。例如，铰接接头和x-y-z调节机构等及其组合可以被使用。操纵器装置组件800和装配结构172之间的连接可以是被动的(可手动调节的)或主动的(动力可调节的或动力辅助可调节的)。
第三连杆830被配置为可释放地与患者体壁进入插管900联接，所述患者体壁进入插管900与插入轴线702同轴。插管900限定一内腔，所述内腔沿着插入轴线702可滑动地接收手术器械600(或诸如但不限于内窥镜的其他装置)的轴640。如图8所示，插管900经由手术进入位置22从第三连杆830向远侧延伸穿过患者的体壁20。
如本文进一步所述，为了便于手术器械600的(并且尤其是末端执行器650的)移动，操纵器装置组件800的连杆810、820和830的相对配置响应于输入(例如，使用如参考图2所述的外科医生控制台40和处理器43的外科医生输入)主动地调节。因此，可以说，操纵器装置组件800被配置为响应于致动输入而整体地致动手术器械600的俯仰、滚动和偏转运动。此外，如本文进一步描述的，操纵器装置组件800被配置为致动手术器械600的这种俯仰、滚动和偏转运动而不会产生体壁进入插管900的过度横向运动，体壁进入插管900的过度横向运动可能易于压迫或撕裂邻近手术进入位置22的组织或无意中扩大进入部位。
在所描绘的实施例中，操纵器装置组件800被设计有硬件约束的远程运动中心(RCM)902，使得手术器械600的整体的俯仰、滚动和偏转运动可以通过操纵器装置800实现而不会产生体壁进入插管900的过度横向运动。RCM 902是空间中的一个点，围绕该点进行上述的滚动、俯仰和偏转运动。在所示实施例中，RCM 902是插入轴线702上的一个点，该点沿着插管900被固定在特定纵向位置处。随着操纵器装置组件800的连杆810、820和830的相对配置响应于用户输入主动地调节，RCM 902在空间中保持固定。因此，虽然手术器械600的整体的俯仰、滚动和偏转运动由操纵器装置800实现，但是可能易于压迫或撕裂邻近手术进入位置22的组织或无意中扩大进入部位的体壁进入插管900的过度横向运动得以避免。在一些实施例中，RCM可以位于其他点处(例如，在远离插入轴线702的特定距离处)。在一些实施例中，操纵器装置组件800可以使用软件约束的RCM来实现而不是硬件约束的RCM，或者除了硬件约束的RCM之外，还可以使用软件约束的RCM来实现。
参考图10-图13，可以看出第一连杆810具有近端810a和远端810b。第一连杆810的直的纵向轴线821延伸穿过其近端和远端并且由其近端和远端限定。可以进一步看出，第二连杆820具有近端820a和远端820b。第二连杆820还具有致动器壳体部分820c，致动器壳体部分820c向近侧延伸超过近端820a到近侧致动器壳体部分端部820d。
仍然参考图10-图13，第一连杆810的远端810b在回转接头815处被可旋转地联接到第二连杆820的近端820a。回转接头815的旋转轴线限定第二连杆820的纵向轴线。如图所示，第一连杆和第二连杆的纵向轴线重合，并且这些重合轴线由轴线821图示。因此，第二连杆820可以相对于第一连杆810围绕由旋转接头815限定的轴线旋转，旋转接头815可以被认为是偏转接头(术语“偏转”是任意的并且不表示独特的坐标系)。可以看出，当第二连杆820相对于第一连杆810旋转时，第二连杆820的壳体部分820c及其远端820d围绕第一连杆810绕轨道运行。可以进一步看到，穿过壳体部分近端820d和第二连杆远端820b的轴线沿着锥形表面的一部分扫掠，该锥形表面具有与第二连杆820的纵向轴线重合的轴线。
第二连杆820在回转枢转接头825处被可旋转地联接到第三连杆830，该回转枢转接头825可以被认为是俯仰接头(术语“俯仰”是任意的并且不表示独特的坐标系)。因此，第三连杆830可以相对于第二连杆820围绕由回转枢转接头825限定的轴线枢转。在连杆810、820和830之间的相对取向和连杆810、820和830的运动的任何组合下，RCM 902在空间中保持固定，这是因为操纵器装置组件800被设计有硬件约束的RCM。
参考图12和图13，这里的第一连杆810被透明地示出，使得第二连杆820可通过其相对于第一连杆810旋转的机构可以被可视化。在所示实施例中，马达812被包括在第一连杆810中。驱动齿轮814被固定到马达812的驱动轴。因此，马达812的旋转使驱动齿轮814旋转。如图所示，马达812从驱动齿轮814向近侧(即，从接头815向近侧)延伸。
驱动齿轮814与从动齿轮822啮合。从动齿轮822被固定到第二连杆820。因此，从动齿轮822的旋转运动导致第二连杆820的相应旋转运动。马达812和驱动齿轮814是可以使用的各种偏转驱动组件的图示。如图所示，马达812的旋转轴线相对于第一连杆820的纵向轴线821是非平行的、非交叉的，并且是浅锐角。在另一些实施方式中，马达812的旋转轴线可以例如与纵向轴线821平行或重合。
因为第一连杆810相对于装配结构(例如，装配结构172，图8)受到约束，所以驱动齿轮814的旋转使得从动齿轮822绕其轴线821旋转。因为从动齿轮822被固定到第二连杆820，所以从动齿轮绕轴线821的旋转使得整个第二连杆820绕轴线821旋转。
第一连杆810还包括轴承816。轴承816的外环以固定关系被捕获到第一连杆810的壳体。轴承816的内环与(从第二连杆820突出的)短轴(stub shaft)联接，从动齿轮822也被联接到该短轴。因此，当马达812被致动时，整个第二连杆820相对于第一连杆810绕轴线821旋转。在所示实施例中，轴线821由轴承816限定并且与从动齿轮822同轴。轴线821突出穿过RCM 902(图10和图11)并且起操纵器组件的器械偏转轴线的作用。
还参考图14和图15，这里相对于患者体壁20的模拟部分示出了操纵器装置组件800。图14和图15之间的差异是第二连杆820相对于第一连杆810的旋转取向。如上所述，第二连杆820可相对于第一连杆810绕轴线821旋转，如箭头804所示。在一些情况下，轴线821也可以被称为偏转轴线821，并且第二连杆820相对于第一连杆810的旋转可以被称为偏转运动，或者被简称为“偏转”。偏转轴线821突出穿过RCM 902。
操纵器装置组件800的一个有利特征是：其被设计成在不接触患者身体(例如，不接触表面23，表面23例如可以是皮肤表面，或者不与包括RCM 902并且垂直于器械插入轴线702的平面相交)的情况下促进大范围的偏转运动。通常，偏转运动范围受到第二连杆820在一个极端/极限(extreme)处到表面23的接近度(参考例如图15)和第三连杆830在另一个极端处到表面23的接近度(参考例如图14)的限制。例如，在一些实施例中，第二连杆820可以相对于第一连杆810旋转通过一弧形(如箭头804所示)，该弧形在约90°至约110°(100°±10°)、或约100°至约120°(110°±10°)、或约110°至约130°(120°±10°)、或约120°至约140°(130°±10°)、或约130°至约150°(140°±10°)、或约110°至约120°(115°±5°)、或约115°至约125°(120°±5°)、或约120°至约130°(125°±5°)的范围内，而不接触患者身体和/或不与包括RCM 902的平面相交。还应当理解，第二连杆820相对于第一连杆810的这些旋转运动范围可以在第三连杆830在枢转接头825处枢转时相对于第二连杆820的整个所有可能的旋转取向上来实现。
操纵器装置组件800的另一个有利特征是：其对于计算机辅助的远程操作手术的操作可用性，同时相对于表面23以低角度定位。这种低角度定位可以提供诸如增强的手术团队的患者进入、患者的更大可视化以及便于手术团队成员之间的沟通(因为他们可以更容易地看到对方)的优点。例如，在一些实施例中，操纵器装置组件800可以被取向成使得偏转轴线821和表面23之间的角度(或者，例如，在偏转轴线821和包括RCM 902的平面之间)的角度在约10°至约30°(20°±10°)、或约20°至约40°(30°±10°)、或约30°至约50°(40°±10°)、或约15°至约25°(20°±5°)、或约20°至30°(25°±5°)、或约25°至约35°(30°±5°)、或约30°至约40°(35°±5°)之间的范围内。此外，操纵器装置组件800可以以这些低角度进行取向，同时还允许第二连杆820相对于第一连杆810旋转通过上述弧度范围而不与患者身体相交(或者与包括RCM 902的平面相交)。
参考图16和图17，第二连杆820被透明地示出，使得第三连杆830可通过其相对于第二连杆820旋转的机构可以被可视化。在所示实施例中，马达824被包括在第二连杆820中。导螺杆826被联接到马达824的驱动轴。因此，马达824的旋转使导螺杆826旋转。
螺母828可螺纹联接到导螺杆826。螺母828相对于第二连杆820的壳体的旋转被阻止。因此，当马达824驱动导螺杆826的旋转时，引起螺母828沿着导螺杆826的纵向轴线平移。
俯仰驱动连杆829具有被可枢转地联接到螺母828的第一端和在枢转接头832处被可枢转地联接到第三连杆830的第二端。枢转接头832与枢转接头825间隔开。因此，当马达824驱动导螺杆826的旋转时，引起螺母828沿导螺杆826的纵向轴线平移，并且连杆829引起第三连杆830绕枢转接头825相对于第二连杆820枢转。第三连杆830相对于第二连杆820的枢转运动由箭头806表示。当马达824被致动时，整个第三连杆830相对于第二连杆820围绕轴线831枢转。在所示实施例中，轴线831由枢转接头825(其用作第二连杆820和第三连杆830之间的铰链)限定。轴线831突出穿过RCM 902并且起操纵器组件的器械俯仰轴线的作用。
马达824、导螺杆826和螺母828是可以使用的各种线性致动器的图示，包括滚珠丝杠、链条、皮带、液压、气动和电磁等。这种线性致动器和俯仰驱动连杆829是可用于围绕俯仰轴线831旋转第三连杆830的各种俯仰驱动组件的图示。
应当理解，在操纵器装置组件800的情况下，第一连杆810和第二连杆820之间的旋转运动是与第二连杆820和第三连杆830之间的旋转运动不同的运动类型。第三连杆830相对于第二连杆820枢转，因为连杆在枢转关节825(其起到铰链的作用)处被结合在一起，并且因此第三连杆830通常围绕轴线831绕轨道运行。第二连杆820相对于第一连杆810旋转是因为连杆在旋转接头815处被结合在一起，这样允许第二连杆820相对于大致围绕轴线821共线/同轴(in-line)的第一连杆810旋转。
还参考图18和图19，相对于患者体壁20的模拟部分示出了操纵器装置组件800。图18和图19之间的差别是第三连杆830相对于第二连杆820的旋转取向。如上所述，第三连杆830可相对于第二连杆820绕轴线831枢转，如箭头806所示。在一些情况下，轴线831也可以被称为俯仰轴线831，并且第三连杆830相对于第二连杆820的枢转运动可以被称为俯仰运动，或者简称为“俯仰”。俯仰轴线831突出穿过RCM 902。
在所描绘的实施例中，俯仰轴线831与插入轴线702不正交。俯仰轴线831在第二连杆820围绕偏转轴线821相对于第一连杆810的整个所有旋转取向、第三连杆830围绕俯仰轴线831相对于第二连杆820的整个所有旋转取向及其整个所有的组合上保持与插入轴线702不正交。在一些实施例中，俯仰轴线831与插入轴线702之间的角度在约10°至约30°、或约20°至约40°、或约30°至约50°、或约15°至约25°、或约为20°至25°、或约25°至约35°、或约30°至约40°、或约25°至约30°、或约30°至约35°之间的范围内。
可以看出，当第三连杆830相对于第二连杆820枢转时，插入轴线702扫过在RCM902处具有顶点的锥形表面的一部分。还可以看到，在第三连杆830围绕俯仰轴线831相对于第二连杆820的独特旋转取向上，器械插入轴线702将垂直于偏转轴线821。因此，在围绕俯仰轴线831的这个独特旋转取向上，第二连杆820围绕偏转轴线821相对于第一连杆810的旋转扫掠器械插入轴线702越过在RCM 902处具有中心的圆形扇形表面。还可以看出，在第三连杆830围绕俯仰轴线831相对于第二连杆820的除了围绕俯仰轴线831的该独特旋转取向之外的旋转取向上，第二连杆820围绕偏转轴线821相对于第一连杆810的旋转扫掠器械插入轴线702越过在RCM 902处具有顶点的锥形表面的一部分。器械插入轴线702通过围绕偏转轴线821旋转扫过的锥形表面的部分和通过围绕俯仰轴线831旋转扫过的锥形表面的部分彼此不同。
因此，可以看出，RCM 902受到操纵器装置组件800的硬件的约束，并且它由插入轴线702、偏转轴线821和俯仰轴线831的交叉点限定。当外科医生命令器械末端执行器650通过移动主输入装置42在手术部位处沿各个方向移动时，由处理器43所示的控制器相应地控制整个器械沿着轴线702、围绕轴线821和围绕轴线831的旋转，以将末端执行器放置在手术部位处的空间中的期望位置处。类似地，控制器通过控制围绕轴线702的旋转，并且通过相对于器械轴640以俯仰和偏转移动末端执行器来控制末端执行器650的取向。操纵器装置组件800提供一种紧凑、低轮廓、大运动范围的远程操作操纵器以在手术期间使用。
在一些实施例中，为了各种有利目的，操纵器装置组件800可包括电子传感器等。例如，编码器可以被联接到机动化的俯仰、滚动和/或偏转驱动(调节)机构的传动系。在一些实施例中，可以使用位置传感器，其可以积极地识别操纵器装置800的可移动部件的位置。
虽然本说明书包含许多具体实施方式细节，但这些不应被解释为对任何发明或可要求保护的事项的范围的限制，而是作为针对于特定发明的特定实施例的特征的描述。在单独实施例的情况下在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反地，在单个实施例的情况下描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，虽然本文中可将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声明，但是在某些情况下来自所要求保护的组合的一个或更多个特征可以从该组合中去除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或按先后顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理会是有利的。此外，本文所述的实施例中的各种系统模块和部件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序部件和系统通常可以一起集成在单个产品中或者被打包进多个产品。
已经描述了本主题的具体实施例。其他实施例在其后的权利要求书的范围内。例如，权利要求书中记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。作为一个示例，附图中描绘的过程不一定需要所示的特定顺序或先后顺序来实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务和并行处理会是有利的。

Claims (20)

1.一种远程操作手术系统，其包括：
细长的第一连杆，其包括近端、远端和限定在所述第一连杆的所述近端和所述远端之间的纵向轴线；
第二连杆，其在回转偏转接头处被可旋转地联接到所述第一连杆，所述回转偏转接头具有限定与所述第一连杆的所述纵向轴线重合的器械偏转轴线的旋转轴线；
第三连杆，其在回转俯仰接头处被可旋转地联接到所述第二连杆，所述回转俯仰接头具有限定器械俯仰轴线的旋转轴线；
手术器械致动器，其包括近端、远端和限定在所述器械致动器的所述近端和所述远端之间的器械插入轴线，其中所述手术器械致动器在所述手术器械致动器的所述远端处被联接到所述第三连杆；
其中所述偏转轴线、所述俯仰轴线和所述器械插入轴线被相对于彼此固定并且在所述第一连杆、所述第二连杆和所述第三连杆的组件的远程运动中心处相交；并且
其中所述第三连杆围绕所述俯仰轴线相对于所述第二连杆的旋转将所述器械插入轴线扫过在所述远程运动中心处具有顶点的第一锥形表面的一部分。
2.根据权利要求1所述的远程操作手术系统，其中：
在所述第三连杆围绕所述俯仰轴线相对于所述第二连杆的独特的第一旋转取向上，所述第二连杆围绕所述偏转轴线相对于所述第一连杆的旋转将所述器械插入轴线扫过在所述远程运动中心处具有中心的圆形扇形表面；并且
在所述第三连杆围绕所述俯仰轴线相对于所述第二连杆的除了所述第一旋转取向之外的旋转取向上，所述第二连杆围绕所述偏转轴线相对于所述第一连杆的旋转将所述器械插入轴线扫过在所述远程运动中心处具有顶点的第二锥形表面。
3.根据权利要求1所述的远程操作手术系统，其还包括：
回转滚动接头；
其中所述手术器械致动器经由所述滚动接头被联接到所述第三连杆，所述滚动接头限定与所述器械插入轴线重合的旋转轴线，并且所述手术器械致动器在所述滚动接头处相对于所述第三连杆围绕所述器械插入轴线旋转。
4.根据权利要求3所述的远程操作手术系统，其中：
在所述第三连杆围绕所述俯仰轴线相对于所述第二连杆的独特的第一旋转取向上，所述第二连杆围绕所述偏转轴线相对于所述第一连杆的旋转将所述器械插入轴线扫过在所述远程运动中心处具有中心的圆形扇形表面；并且
在所述第三连杆围绕所述俯仰轴线相对于所述第二连杆的除了所述第一旋转取向之外的旋转取向上，所述第二连杆围绕所述偏转轴线相对于所述第一连杆的旋转将所述器械插入轴线扫过在所述远程运动中心处具有顶点的第二锥形表面。
5.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述第二连杆包括俯仰驱动组件；
所述俯仰驱动组件包括线性致动器和联接到所述线性致动器的俯仰驱动连杆；并且
所述俯仰驱动组件被联接在所述第二连杆和所述第三连杆之间并且驱动所述第三连杆围绕所述俯仰轴线的旋转。
6.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其还包括：
偏转驱动组件，其被联接到所述第二连杆；
其中所述偏转驱动组件与所述第一连杆接合并且驱动所述第二连杆围绕所述偏转轴线的旋转。
7.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其还包括：
滚动驱动组件，其被联接到所述第三连杆；
其中所述滚动驱动组件与所述手术器械致动器接合并且驱动所述手术器械致动器围绕所述器械插入轴线的旋转。
8.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述远程操作手术操纵器被配置成沿着所述手术器械插入轴线插入手术器械。
9.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述远程操作手术操纵器被配置成在手术期间具有围绕所述偏转轴线至少100°的运动范围。
10.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述远程操作手术操纵器被配置成在手术期间具有围绕所述偏转轴线至少120°的运动范围。
11.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述远程操作手术操纵器被配置成在手术期间具有围绕所述偏转轴线至少140°的运动范围。
12.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述远程操作手术操纵器被配置成在手术期间操作，其中所述偏转轴线相对于由所述远程运动中心限定的平面和垂直于所述器械插入轴线的平面成30°。
13.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述远程操作手术操纵器被配置成在手术期间操作，其中所述偏转轴线相对于由所述远程运动中心限定的平面和垂直于所述器械插入轴线的平面成20°。
14.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述远程操作手术操纵器被配置成在手术期间操作，其中所述偏转轴线相对于由所述远程运动中心限定的平面和垂直于所述器械插入轴线的平面成10°。
15.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述第一连杆的所述近端被配置成与非远程操作装配结构联接。
16.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述第三连杆被配置成与器械插管可移除地联接，所述器械插管与所述插入轴线对齐。
17.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其中：
所述手术器械致动器被可释放地联接到所述第三连杆并且可容易地从所述第三连杆拆卸，使得所述手术器械致动器能够方便地与第二手术器械致动器互换。
18.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其还包括：
装配结构，其具有近端和远端；
其中所述装配结构的所述远端被直接联接到所述第一连杆的所述近端；并且
其中所述装配结构的所述近端被直接联接到机械基础。
19.根据权利要求17所述的远程操作手术系统，其中：
所述机械基础包括手术室桌子。
20.根据权利要求1、2或3所述的远程操作手术系统，其还包括：
用户控制单元，其包括用户输入装置和控制器；
其中所述第一连杆、所述第二连杆、所述第三连杆和所述手术器械致动器一起包括远程操作手术操纵器；并且
其中在所述用户输入装置处的用户输入经由所述控制器远程操作所述操纵器以相对于所述偏转轴线、所述俯仰轴线和所述器械插入轴线移动手术器械。
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