CN109843207B - 计算机辅助的远程操作外科手术系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请描述了用于微创计算机辅助的远程外科手术的系统和方法。例如，本公开提供了用于计算机辅助的远程操作外科手术的外科手术器械和器械驱动系统，该外科手术器械和器械驱动系统被构造和被操作以抵消外科手术器械内的线缆拉伸的影响。

Description

计算机辅助的远程操作外科手术系统和方法

相关申请

本申请要求美国临时专利申请No.62/379,112(2016年8月24日提交)和No.62/379,114(2016年8月24日提交)的优先权，这两个专利申请均通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于微创计算机辅助的远程操作外科手术的装置和方法。例如，本公开涉及用于计算机辅助的远程操作外科手术的外科手术器械，其被构造成抵消线缆拉伸的影响。

背景技术

远程操作外科手术系统(由于使用机器人技术，因此通常称为“机器人”外科手术系统)和其他计算机辅助的装置通常包括用以操纵用于在外科手术工作部位执行任务的器械的一个或多个器械操纵器和用于支撑捕获外科手术工作部位的图像的图像捕获装置的至少一个操纵器。操纵器臂包括通过一个或多个主动控制关节耦接在一起的多个连杆。在多个实施例中，可以提供多个主动控制关节。机器人臂还可以包括一个或多个被动关节，该一个或多个被动关节不被主动控制，但是符合主动控制关节的移动。这种主动关节和被动关节可以是各种类型的，包括旋转关节或棱柱形关节。操纵器臂及其相关联器械或图像捕获装置的运动学姿势可以通过关节的方位以及连杆的结构和耦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外科手术系统，以增加外科医生的灵活性，并允许外科医生从远程位置对患者进行操作。远程外科手术是其中外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构等)来操纵外科手术器械移动而不是用手直接握持和移动器械的外科手术系统的总称。在这种远程外科手术系统中，外科医生在远程位置处被提供外科手术部位的图像。在观察通常在合适的观察者或显示器上提供深度错觉的外科手术部位的立体图像的同时，外科医生通过操纵主控制输入装置(进而控制相应的远程操作器械的运动)对患者执行外科手术程序。远程操作外科手术器械可以通过小的微创外科手术孔或天然孔口插入，以治疗患者体内外科手术部位的组织，通常避免了通常与通过开放外科手术技术进入外科手术工作部位相关联的创伤。这些计算机辅助的远程操作系统可以以足够的灵活性移动外科手术器械的工作端(末端执行器)以执行相当复杂的外科手术任务，通常通过在微创孔处枢转器械的轴，使轴轴向滑动穿过孔，旋转孔内的轴等。

发明内容

本公开提供了使用计算机辅助的远程操作外科手术装置进行微创机器人外科手术的装置和方法。例如，本公开涉及用于计算机辅助的远程操作外科手术的外科手术器械，其被构造成抵消线缆拉伸的影响。本文提供的装置和方法可以与计算机辅助的远程操作外科手术系统(在本文中也称为“机器人外科手术系统”)结合使用，该系统使用硬件约束的远程运动中心或软件约束的远程运动中心。

在一个方面，医疗装置包括外科手术器械和用于外科手术器械的驱动单元。驱动单元中的第一致动器与器械的第一接合构件非扣合接合，并且驱动单元中的第二致动器与器械的第二接合构件非扣合接合。器械的第一接合构件和第二接合构件耦接到器械的末端执行器，使得末端执行器随着第一接合构件和第二接合构件的移动而移动。在另一方面，驱动单元包括器械轴致动器，器械包括轴致动器接合构件，并且器械轴致动器和轴致动器接合构件可以非扣合接合或扣合接合。

在一个方面，外科手术器械包括末端执行器、耦接到末端执行器的第一接合构件，以及耦接到末端执行器的第二接合构件。第一接合构件和第二接合构件被配置成与用于外科手术器械的驱动单元的相应的第一致动器和第二致动器非扣合接合。在另一方面，该器械包括轴致动器接合构件，该轴致动器接合构件被配置成与驱动单元的相应的器械轴致动器非扣合接合或扣合接合。

在一个方面，本公开涉及一种用于计算机辅助的远程操作外科手术系统的外科手术器械。外科手术器械包括：近端部；从近端部延伸的器械轴(器械轴包括与近端部相对的远端部)；耦接到远端部的末端执行器(末端执行器至少具有第一自由度，由此末端执行器相对于器械轴可移动)；耦接到末端执行器并沿器械轴延伸的第一张紧构件；以及耦接到末端执行器并沿器械轴延伸的第二张紧构件。第二张紧构件终止于第二致动器接合构件。第二致动器接合构件可移动地耦接到近端部。器械轴限定外科手术器械的纵向轴线。第一张紧构件终止于第一致动器接合构件。第一致动器接合构件可移动地耦接到近端部。向近侧移动第一致动器接合构件使第二致动器接合构件向远侧移动并使末端执行器相对于器械轴以第一方式移动。第一方式包括由第一自由度促进的移动。向近侧移动第二致动器接合构件使第一致动器接合构件向远侧移动并使末端执行器相对于器械轴以第二方式移动。第二方式由第一自由度促进，并与第一方式相反。第一致动器接合构件和第二致动器接合构件沿着外科手术器械的纵向轴线可定位在相同的纵向位置处。

这种外科手术器械可以可选地包括下列特征中的一个或多个。近端部可以包括手柄，该手柄被配置成便于手动夹持和操纵外科手术器械。手柄可以相对于近端部的其他部分从纵向轴线径向延伸。手柄可以包括用于存储与外科手术器械有关的信息的RFID芯片。手柄可以包括标识外科手术器械的类型的标记。外科手术器械还可以包括耦接到近端部的器械轴致动器接合构件。器械轴致动器接合构件可以包括闩锁机构。第一致动器接合构件和第二致动器接合构件均可以可滑动地耦接到近端部。外科手术器械还可以包括张紧第一张紧构件和第二张紧构件的一个或多个预加载张紧构件。一个或多个预加载张紧构件均可以包括弹簧。第一张紧构件和第二张紧构件均可以包括线缆。末端执行器可以至少具有第二自由度。外科手术器械还可以包括：第三张紧构件，其耦接到末端执行器并沿器械轴延伸(第三张紧构件可以终止于第三致动器接合构件并且可以可移动地耦接到近端部)；以及第四张紧构件，其耦接到末端执行器并沿器械轴延伸(第四张紧构件可以终止于第四致动器接合构件并可以可移动地耦接到近端部)。向近侧移动第三致动器接合构件可以使第四致动器接合构件向远侧移动并且可以使末端执行器相对于器械轴以第三方式移动(第三方式包括由第二自由度促进的移动)。向近侧移动第四致动器接合构件可以使第三致动器接合构件向远侧移动并且可以使末端执行器相对于器械轴以第四方式移动(第四方式由第二自由度促进并且与第三方式相反)。在一些实施例中，(i)第一致动器接合构件，(ii)第二致动器接合构件，(iii)第三致动器接合构件，以及(iv)第四致动器接合构件中的每一个沿外科手术器械的纵向轴线可定位在相同的纵向位置处。第三致动器接合构件和第四致动器接合构件均可以可滑动地耦接到近端部。

在另一方面，本公开涉及一种用于计算机辅助的远程操作外科手术系统的外科手术器械。外科手术器械包括：近端部；从近端部延伸的器械轴(器械轴包括与近端部相对的远端部，并限定外科手术器械的纵向轴线)；耦接到远端部的末端执行器(末端执行器至少具有第一自由度，由此末端执行器可相对于器械轴移动)；第一张紧构件，其耦接到末端执行器并沿器械轴延伸(第一张紧构件终止于第一致动器接合构件，第一致动器接合构件可移动地耦接到近端部)；第二张紧构件，其耦接到末端执行器并沿器械轴延伸(第二张紧构件终止于第二致动器接合构件，第二致动器接合构件可移动地耦接到近端部)；以及器械轴致动器接合构件，其耦接到近端部。向近侧移动第一致动器接合构件使第二致动器接合构件向远侧移动并使末端执行器相对于器械轴以第一方式移动。第一方式包括由第一自由度促进的移动。向近侧移动第二致动器接合构件使第一致动器接合构件向远侧移动并使末端执行器相对于器械轴以第二方式移动。第二方式由第一自由度促进，并与第一方式相反。第一致动器接合构件和第二致动器接合构件均被配置成响应于接收向近侧指向的力而促进末端执行器的移动，并且均不被配置成响应于接收向远侧指向的力而促进末端执行器的移动。器械轴致动器接合构件被配置成响应于接收向远侧指向的力而促进整个外科手术器械向远侧移动。

这种外科手术器械可以可选地包括下列特征中的一个或多个。近端部可以包括手柄，该手柄被配置成便于手动夹持和操纵外科手术器械。手柄可以相对于近端部的其他部分从纵向轴线径向延伸。手柄可以包括用于存储与外科手术器械有关的信息的RFID芯片和用于标识外科手术器械地类型的标记。器械轴致动器接合构件可以被配置成响应于接收向近侧指向的力而促进整个外科手术器械向近侧移动。器械轴致动器接合构件可以包括闩锁机构。第一致动器接合构件和第二致动器接合构件均可以可滑动地耦接到近端部，并且均可定位在沿外科手术器械的纵向轴线的相同纵向位置处。外科手术器械还可以包括一个或多个预紧张紧构件，该一个或多个预紧张紧构件张紧第一张紧构件和第二张紧构件。一个或多个预加载张紧构件均可以包括弹簧。末端执行器可以至少具有第二自由度。外科手术器械还可以包括：第三张紧构件，其耦接到末端执行器并沿器械轴延伸(第三张紧构件可以终止于第三致动器接合构件，第三致动器接合构件可以可移动地耦接到近端部)；以及第四张紧构件，其耦接到末端执行器并沿器械轴延伸(第四张紧构件可以终止于第四致动器接合构件，第四致动器接合构件可以可移动地耦接到近端部)。向近侧移动第三致动器接合构件可以使第四致动器接合构件向远侧移动并且可以使末端执行器相对于器械轴以第三方式移动。第三方式可以包括由第二自由度促进的移动。向近侧移动第四致动器接合构件可以使第三致动器接合构件向远侧移动并且可以使末端执行器相对于器械轴以第四方式移动。第四方式可以通过第二自由度来促进，并且可以与第三方式相反。第三致动器接合构件和第四致动器接合构件均可以被配置成响应于接收向近侧指向的力而移动末端执行器，并且均可以被配置成响应于接收向远侧指向的力而不移动末端执行器。在一些实施例中，(i)第一致动器接合构件，(ii)第二致动器接合构件，(iii)第三致动器接合构件，以及(iv)第四致动器接合构件中的每一个可以沿外科手术器械的纵向轴线可定位在相同的纵向位置处。

在另一方面，本公开涉及一种外科手术器械和器械驱动系统，该器械驱动系统被配置成通过沿着纵向轴线向远侧移动外科手术器械以与器械驱动系统可释放地接合而选择性地与外科手术器械耦接。外科手术器械包括：近端部；从近端部延伸的器械轴(器械轴包括与近端部相对的远端部，并限定外科手术器械的纵向轴线)；安装到远端部的末端执行器(末端执行器至少具有第一自由度，由此末端执行器可相对于器械轴移动)；第一张紧构件，其耦接到末端执行器并沿器械轴延伸；以及第二张紧构件，其耦接到末端执行器并沿器械轴延伸。该器械驱动系统包括：第一致动器，其用于以第一张力张紧第一张紧构件，该第一张力可以相对于器械轴以第一方式移动末端执行器(第一方式包括由第一自由度促进的移动)；第二致动器，其用于以第二张力张紧第二张紧构件，该第二张力可以相对于器械轴以第二方式移动末端执行器(第二方式由第一自由度促进并且与第一方式相反)；以及轴致动器，其用于向器械轴施加力(施加到器械轴的力与第一张力和第二张力方向相反)。

这种外科手术器械系统可以可选地包括下列特征中的一个或多个。近端部可以包括手柄，该手柄被配置成便于手动夹持和操纵外科手术器械。手柄可以从纵向轴线径向延伸，并且当外科手术器械与器械驱动系统耦接时，手柄可以比器械驱动系统的相邻部分径向延伸得更远。通过器械驱动系统可滑动地接收沿着纵向轴线向远侧移动地外科手术器械，可以促进器械驱动系统和外科手术器械的选择性耦接。外科手术器械还可以包括器械轴致动器接合构件，轴致动器可释放地耦接到该器械轴致动器接合构件。器械轴致动器接合构件可以包括闩锁机构。闩锁机构可以从纵向轴线径向延伸，并且当外科手术器械与器械驱动系统耦接时，闩锁机构可以比器械驱动系统的相邻部分径向延伸得更远。第一张紧构件可以终止于第一致动器接合构件，第一致动器接合构件可滑动地耦接到近端部。第二张紧构件可以终止于第二致动器接合构件，第二致动器接合构件可滑动地耦接到近端部。第一致动器可以选择性地与第一致动器接合构件可耦接。第二致动器可以选择性地与第二致动器接合构件可耦接。第一张力和第二张力可以沿器械轴平行并指向近端。可以沿着器械轴朝向远端部指向到器械轴的力。当第一张力大于第二张力时，末端执行器可以相对于器械轴以第一方式移动。当第二张力大于第一张力时，末端执行器可以以第二方式移动，该第二方式可以与第一方式相反。当到器械轴的力大于第一张力加上第二张力的总和时，器械轴可以相对于器械驱动系统向远侧移动。当到器械轴的力小于第一张力加上第二张力的总和时，器械轴可以相对于器械驱动系统向近侧移动。末端执行器可以至少具有第二自由度。外科手术器械还可以包括：第三张紧构件，其耦接到末端执行器并沿器械轴延伸；第三致动器，其用于以第三张力张紧第三张紧构件，该第三张力可以相对于器械轴以第三方式移动末端执行器(第三方式可以包括由第二自由度促进的移动)；第四张紧构件，其耦接到末端执行器并沿器械轴延伸；以及第四致动器，其用于以第四张力张紧第四张紧构件，该第四张力可以相对于器械轴以第四方式移动末端执行器(第四方式可以通过第二自由度来促进并且可以与第三方式相反)。当第三张力大于第四张力时，末端执行器可以相对于器械轴以第三方式移动。当第四张力大于第三张力时，末端执行器可以以与第三方式相反的第四方式移动。当到器械轴的力大于第一张力加第二张力加第三张力加第四张力的总和时，器械轴可以相对于器械驱动系统向远侧移动。当到器械轴的力小于第一张力加第二张力加第三张力加第四张力的总和时，器械轴可以相对于器械驱动系统向近侧移动。外科手术器械系统还可以包括一个或多个预加载张紧构件，当第一致动器和第二致动器没有正在分别张紧第一张紧构件和第二张紧构件时，该一个或多个预加载张紧构件张紧第一张紧构件和第二张紧构件。一个或多个预加载张紧构件均可以包括弹簧。外科手术器械系统还可以包括：第一力传感器，其用于检测第一张力；第二力传感器，其用于检测第二张力；以及器械轴力传感器，其用于检测到器械轴的力。第一致动器、第二致动器和轴致动器中的每一个可以是包括导螺杆的线性致动器。在一些实施例中，整个外科手术器械系统被配置为围绕纵向轴线滚动。

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多个。在一些情况下，本文提供的远程操作外科手术器械有利地构造成抵消线缆拉伸的影响。常规远程操作外科手术器械内的线缆在制造期间被预张紧，但是张力可能随着时间的推移而趋于减小，因为线缆可能随着器械的使用而伸展。在某些情况下，这种张力减小可能有助于降低远程操作外科手术器械的控制精度。另外，使用热和湿度对远程操作外科手术器械进行高压消毒可以加剧线缆拉伸和线缆张力的损失。本文提供的远程操作外科手术器械有利地补偿线缆拉伸而不损失器械的控制精度。另外，虽然本文提供的远程操作外科手术器械未被使用，但是线缆上的张力有利地小于器械操作期间的张力。此外，本文提供的远程操作外科手术器械有利地补偿了与线缆张力有关的制造公差。结果，器械的制造过程可以简化并且更具成本效益。

另外，本文提供的远程操作外科手术器械有利地构造成与紧凑的器械驱动系统接合，并且具有相对低的质量和惯性。另外，质量分布基本上是恒定的，使得惯性基本上恒定并因此可预测。

更进一步地，在一些实施例中，本文提供的远程操作外科手术器械有利地构造成以可易于拆卸的方式与器械驱动系统接合。例如，在一些实施例中，仅通过致动闩锁机构并将器械向近侧缩回而不与驱动系统接合，可以将外科手术器械从器械驱动系统上拆下。外科手术器械和器械驱动系统之间的这种易于拆卸的接合可以提供诸如在紧急情况下快速移除器械以及在从一个外科手术器械到另一个外科手术器械的一般改变期间的用户便利性的优点。

在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施例的细节。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外科手术系统的示例患者侧单元的透视图。

图2是计算机辅助的远程操作外科手术系统的示例外科医生控制单元的前视图。

图3是计算机辅助的远程操作外科手术系统的示例操纵器臂组装件的侧视图。

图4是另一种类型的患者侧计算机辅助的远程操作外科手术系统的透视图。

图5是处于第一姿势的示例外科手术器械的远端部的透视图。

图6是处于第二姿势的图5的外科手术器械的远端部的透视图。

图7是处于第三姿势的图5的外科手术器械的远端部的透视图。

图8是根据一些实施例的示例远程操作外科手术器械的简化示意图。

图9是根据一些实施例的与示例器械驱动系统耦接的图8的远程操作外科手术器械的示意图。

图10是关于图9的器械和驱动系统的力图。

图11是具有以示例姿势定向的末端执行器的图9的器械和驱动系统的示意图。

图12是具有相对于驱动系统向远侧伸展的器械而末端执行器保持示例姿势定向的图11的器械和驱动系统的示意图。

图13是具有相对于驱动系统向近侧缩回的器械而末端执行器保持示例姿势定向的图11的器械和驱动系统的示意图。

图14是示出用于检测诸如线缆张力之类的力的力传感器的示例位置的图11的器械和驱动系统的一部分的示意图。

图15是根据图9的示意图配置的示例外科手术器械的透视图。

图16是图15的外科手术器械的近端部的透视图。

图17是图15的外科手术器械的另一透视图。

图18是图15的外科手术器械的近端视图。

图19根据一些实施例描绘了图15的外科手术器械可以如何与示例器械驱动系统耦接。

各种附图中的相同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、实施方式或应用的该说明书和附图不应被视为限制限定了所保护的发明的权利要求。在不脱离本说明书和权利要求的精神和范围的情况下，可以进行各种机械、组成、结构、电气和操作变化。在某些情况下，没有详细示出或描述公知的电路、结构或技术，以免模糊本发明。两个或更多个图中的相同数字表示相同或相似的元件。

此外，选择用于描述一个或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，空间相对术语(诸如“之下”、“下方”、“下面”、“上方”、“之上”、“近侧”、“远侧”等)可以用于描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系，如图中所示。这些空间相对术语旨在涵盖图中所示的位置和取向之外的使用或操作中的装置的不同的位置(即，平移放置)和取向(即，旋转放置)。例如，如果图中的装置被翻转，则描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”的元件将在其他元件或特征“上方”或“上面”。因此，示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方的位置和取向。装置可以以其他方式取向(例如，旋转90度或处于其他取向)，并且相应地解释本文使用的空间相对描述符。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。主体的位置和取向的组合定义了主体的姿势。

类似地，除非上下文另有说明，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”，则该描述仍涵盖不是精确圆形的组分(例如，略呈椭圆形或是多边形的组分)。词语“包括”或“具有”意味着包括但不限于。

应该理解的是，虽然这种描述足够清晰、简洁和准确，但严格和详尽的语言精确度并不总是可行或可取的，因为说明书应保持合理的长度，并且技术人员将理解背景和相关联的技术。例如，考虑到视频信号，技术人员将理解，被描述为显示信号的示波器不显示信号本身而是显示信号的表示，并且被描述为显示信号的视频监视器不显示信号本身而是显示信号携带的视频信息。

另外，除非上下文另有说明，否则单数形式“一”、“一个”、“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，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或组。并且，除非另有说明，否则一个或多个单独列出的项目中的每一个应被认为是可选的，以便描述项目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。

在实践中，参考一个实施例、实施方式或应用详细描述的元件可选地可以被包括在没有具体示出或描述这些元件的其他实施例、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，并且没有参考第二实施例描述该元件，然而该元件可以被要求保护为包括在第二实施例中。因此，为了避免以下描述中不必要的重复，除非另有特别说明，否则与一个实施例、实施方式或应用相关联的显示和描述的一个或多个元件可以并入其他实施例、实施方式或方面，除非一个或多个元件将使得一个实施例或实施方式不起作用，或者除非两个或多个元件提供冲突的功能。

被描述为耦接的元件可以电或机械直接耦接，或者它们可以通过一个或多个中间部件间接耦接。

与诸如机械结构、部件或部件组装件等零件相关联的术语“柔性”应该被广泛地解释。本质上，该术语意味着该零件可以反复弯曲并恢复到原始形状而不会损坏该零件。许多“刚性”物体由于材料特性具有轻微的固有弹性“弯曲”，然而这些物体不被认为是在本文中使用的“柔性”。柔性零件可以具有无限自由度(DOF)。这种零件的示例包括封闭的、可弯曲的管(由例如镍钛合金(NITINOL)、聚合物、软橡胶等制成)、螺旋形螺旋弹簧等，其可以弯曲成各种简单或复合曲线，通常没有明显的横截面形变。其他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DOF零件，这些部件类似于连续“椎骨”的蛇状布置。在这种椎骨布置中，每个部件是运动学链中的短连杆，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)可以允许连杆之间的相对运动的一个(例如，俯仰)或者两个(例如，俯仰和偏转)DOF。简短、柔性零件可以作为并且被建模为在运动学链中的两个连杆之间提供一个或多个DOF的单个机械约束(关节)，即使柔性零件本身可以是由多个耦接连杆构成的运动学链。本领域技术人员将理解，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(诸如机械结构、部件或部件组装件)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，一个或多个肌腱可以沿着零件并且偏离零件的纵向轴线纵向布线，使得一个或多个肌腱上的张紧力导致零件或零件的一部分弯曲。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(更一般地，“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，或者它可以具有趋向于将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联力驱动时，其可以是被动柔性的。单个零件可以由一个或多个串联的主动柔性零件和被动柔性零件制成。

远程操作外科手术系统的示例是由加利福尼亚州桑尼维尔(Sunnyvale)的直观外科手术公司商业化的

外科手术系统。发明方面与计算机辅助的远程操作外科手术系统相关联。本领域技术人员将理解，本文公开的发明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，发明方面可以在相对较小的手持式手动操作装置和具有附加机械支撑的相对较大的系统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。另外，发明方面与包括自主而非远程操作动作的计算机辅助的外科手术系统的进步相关联，并且因此包括远程操作外科手术系统和自主外科手术系统两者，即使描述集中于远程操作系统。

计算机是遵循编程指令以对输入信息执行数学或逻辑功能以产生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，以及存储编程指令、输入信息和输出信息的存储器。术语“计算机”和类似术语(诸如“处理器”或“控制器”)涵盖集中式单一位置和分布式实施方式。

本公开提供了改进的外科手术和远程外科手术装置、系统和方法。本发明构思特别有利于与远程外科手术系统一起使用，其中多个外科手术工具或器械在外科手术程序期间安装在相关联的多个远程操作操纵器上并由其移动。远程操作外科手术系统将通常包括远程机器人、远程外科手术和/或远程呈现系统，该系统包括被配置为主-从控制器的处理器。通过提供采用处理器的远程操作外科手术系统，该处理器被适当配置为通过具有相对大量自由度的铰接连杆移动操纵器组装件，可以定制连杆的运动以用于通过微创进入部位工作。大量的自由度也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涉或碰撞等。

本文所述的操纵器组装件将通常包括远程操作操纵器和安装在其上的工具(在外科手术版本中，该工具通常包括外科手术器械)，然而术语“操纵器组装件”也将涵盖其上没有安装工具的操纵器。术语“工具”涵盖通用或工业机器人工具和专用机器人外科手术器械，后者结构通常包括适于操纵组织、组织治疗、组织成像等的末端执行器。工具/操纵器接口将通常是快速断开工具保持器或耦接器，允许快速移除工具和使用替代工具替换工具。操纵器组装件将通常具有在远程外科手术程序的至少一部分期间空间固定的基部，并且操纵器组装件可以包括基部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(诸如夹持装置的钳口的打开或闭合、激励电外科手术踏板等)通常将与这些操纵器组装件的自由度分离，并且附加于这些操纵器组装件的自由度之外。

末端执行器通常将在工作空间中以两个到六个自由度移动。如本文所用，术语“方位”涵盖位置和取向两者。因此，末端执行器的方位的改变(例如)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(一个或多个)零件(例如，一个或多个(钳口)等)的取向或方位的功能(例如，“腕部”功能、平行运动功能)。

当操纵器组装件被用于微创远程操作外科手术时，操纵器组装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限制为通过微创外科手术进入部位或其他孔的安全运动。这种运动可以包括，例如，轴穿过孔部位的轴向插入、轴绕其轴线的旋转，以及轴围绕邻近进入部位的枢轴点的枢转运动，但是通常会阻止轴的过度横向运动，否则可能会撕裂孔邻近的组织或无意中扩大进入部位。可以使用抑制不正确运动的机械操纵器关节连杆施加对进入部位处的操纵器运动的这些约束中的一些或全部，或者可以使用机器人数据处理和控制技术部分或全部施加对进入部位处的操纵器运动的这些约束中的一些或全部。因此，操纵器组装件的这种微创孔约束运动可以采用操纵器组装件的零个到三个自由度。

本文描述的许多示例性操纵器组装件将具有比在外科手术部位内定位和移动末端执行器所需的更多自由度。例如，可以通过微创孔以六个自由度定位在内部外科手术部位处的外科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)加上符合进入部位约束的三个自由度)，但通常具有十个或更多个自由度。具有比给定末端执行器定位所需的更多自由度的高度可配置的操纵器组装件可以被描述为具有或提供足够的自由度以允许一系列关节状态用于末端执行器在工作空间中的方位。例如，对于给定的末端执行器方位，操纵器组装件可以占据一系列替代操纵器联动装置方位中的任何一个(并在其间被驱动)。类似地，对于给定的末端执行器速度矢量，操纵器组装件可以具有用于操纵器组装件的各种关节的一系列不同的关节移动速度。

参见图1和图2，用于微创计算机辅助的远程外科手术(在本文中称为“微创机器人外科手术”)的系统可以包括患者侧单元100和外科医生控制单元40。远程外科手术是具有以下特征的外科手术系统的总称，其中外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构等)通过使用机器人技术来操纵外科手术器械移动，而不是用手直接握持和移动器械。机器人可机械操纵的外科手术器械可以通过小的微创外科手术孔插入，以治疗患者体内外科手术部位的组织，避免与进入开放外科手术相关联的创伤。这些机器人系统可以以足够的灵活性移动外科手术器械的工作端以执行相当复杂的外科手术任务，这通常通过在微创孔处枢转器械的轴、使轴通过孔轴向滑动、使轴在孔内旋转等。

在所描绘的实施例中，患者侧单元100包括基部110、第一机器人操纵器臂组装件120、第二机器人操纵器臂组装件130、第三机器人操纵器臂组装件140和第四机器人操纵器臂组装件150。如图所示，基部110包括搁置在地板上的部分、竖直柱和水平吊杆(boom)，并且可以可选地使用使患者侧单元机械地接地的其他基部配置。每个机器人操纵器臂组装件120、130、140和150可枢转地耦接到基部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装件作为患者侧单元100的一部分。虽然在所描绘的实施例中，基部110包括脚轮，以允许易于移动，但是在一些实施例中，患者侧单元100固定地安装到地板、天花板、手术台、结构框架等。

在典型的应用中，机器人操纵器臂组装件120、130、140或150中的两个保持外科手术器械，并且第三个保持立体内窥镜。剩余的机器人操纵器臂组装件可用，以便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装件可以用于将第二内窥镜或另一图像捕获装置(诸如超声换能器)引入工作部位。

机器人操纵器臂组装件120、130、140和150中的每一个通常由耦接在一起并通过可致动关节操纵的连杆形成。机器人操纵器臂组装件120、130、140和150中的每一个包括设置臂和装置操纵器。设置臂定位其保持的装置，使得在其进入患者的进入孔处产生枢轴点。然后，装置操纵器可以操纵其保持的装置(工具；外科手术器械)，使得其可以绕枢轴点枢转、插入进入孔并从进入孔缩回，并绕其轴线旋转。

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的立体相机捕获的图像以立体视觉观看外科手术工作部位。左目镜46和右目镜47设置在立体视觉显示器45中，使得用户可以分别用用户的左眼和右眼观看显示器45内的左显示屏和右显示屏。在合适的观察者或显示器上通常观察外科手术部位的图像的同时，外科医生通过操纵主控制输入装置进而控制机器人器械的运动以对患者执行外科手术程序。

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以便优选地以六个自由度(“DOF”)操纵由患者侧推车100的机器人操纵器臂组装件120、130、140和150保持的装置(例如，外科手术器械)。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，使得用户可以控制与脚踏板相关联的装置的移动和/或致动。可以经由一个或多个其他输入(诸如按钮、触摸板、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中提供处理器43以用于控制和其他目的。处理器43执行医疗机器人系统中的各种功能。由处理器43执行的一个功能是转变和传递输入装置41、42的机械运动，以致动其相关联的机器人操纵器臂组装件120、130、140和150中的其各自的关节，使得外科医生可以有效地操纵诸如外科手术器械的装置。处理器43的另一个功能是实现本文描述的方法、交叉耦合控制逻辑和控制器。

尽管处理器43被描述为处理器，但是应当理解，处理器43可以通过硬件、软件和固件的任何组合来实现。此外，其在此描述的功能可以由一个单元执行或者在多个子单元之间划分，每个子单元可以依次通过硬件、软件和固件的任何组合来实现。此外，尽管处理器43被示为外科医生控制单元40的一部分或物理上邻近外科医生控制单元40，但处理器43也可以作为子单元分布到整个远程外科手术系统。因此，本文提到的控制方面经由处理器43以集中或分布的形式实现。

还参见图3，机器人操纵器臂组装件120、130、140和150可以操纵诸如外科手术器械的装置以执行微创外科手术。例如，在所描绘的布置中，机器人操纵器臂组装件120可枢转地耦接到器械保持器122。套管180和外科手术器械200进而可释放地耦接到器械保持器122。套管180是管状构件，其在外科手术期间定位于患者接口部位。套管180限定管腔，外科手术器械200的细长轴220可滑动地设置在管腔中。如下面进一步描述的，在一些实施例中，套管180包括具有体壁牵开器构件的远端部。

器械保持器122可枢转地耦接到机器人操纵器臂组装件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装件120的远端之间的可枢转耦接是从外科医生控制台40和处理器43可致动的机动关节。

器械保持器122包括器械保持器框架124、套管夹具126和器械保持器支架128。在所描绘的实施例中，套管夹具126固定到器械保持器框架124的远端。套管夹具126可被致动以与套管180耦接或从套管180脱开。器械保持器支架128可移动地耦接到器械保持器框架124。更具体地，器械保持器支架128可沿器械保持器框架124线性平移。在一些实施例中，器械保持器支架128沿器械保持器框架124的移动是可由处理器43致动/控制的机动平移运动。

外科手术器械200包括传动组装件210、细长轴220和末端执行器230。传动组装件210与器械保持器支架128可释放地耦接。轴220从传动组装件210向远侧延伸。末端执行器230设置在轴220的远端。

轴220限定纵向轴线222，纵向轴线222与套管180的纵向轴线一致。当器械保持器支架128沿器械保持器框架124平移时，外科手术器械200的细长轴220沿纵向轴线222移动。以这种方式，末端执行器230可以插入患者体内的外科手术工作空间和/或从患者体内的外科手术工作空间缩回。

还参见图4，用于微创计算机辅助的远程操作外科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装件162和第二机器人操纵器臂组装件164，第一机械人操纵器臂组装件162和第二机器人操纵器臂组装件164中的每个均安装到手术台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装件162和164，但应该理解，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)的机器人操纵器臂组装件。

在一些情况下，手术台10可以在外科手术期间移动或重新配置。例如，在一些情况下，手术台10可以围绕各种轴线倾斜、升高、降低、枢转、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外科手术进入的方位。在一些情况下，手术台10的这种移动可以集成为计算机辅助的远程操作外科手术系统的一部分，并由系统控制。

还参见图5至图7，可以使用不同类型的各种替代的计算机辅助的远程操作外科手术器械和不同末端执行器230，其中至少一些操纵器的器械在外科手术程序期间被移除和替换。这些末端执行器中的一些(包括例如DeBakey Forceps 56i、microforceps 56ii以及Potts scissors 56iii)包括第一末端执行器元件56a和第二末端执行器元件56b，第一末端执行器元件56a和第二末端执行器元件56b相对于彼此枢转，以便限定一对末端执行器钳口。其他末端执行器(包括手术刀和电灼探针)具有单个末端执行元件。对于具有末端执行器钳口的器械，通常将通过挤压输入装置41、42的夹持构件来致动钳口。

在一些情况下，计算机辅助的远程操作外科手术器械包括多个自由度，诸如但不限于滚动、俯仰、偏转、插入深度、钳口的打开/闭合、主要输送的致动、电子烧灼的激活等。至少一些这样的自由度可以由器械驱动系统致动，外科手术器械可以选择性地耦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外科手术器械包括具有两个可单独移动的部件的末端执行器，诸如但不限于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移动时，第二个可单独移动的部件保持大致静止或以相反的方式移动，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、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一种俯仰或偏转移动。因此，在具有两个可单独移动的部件(诸如钳口)的末端执行器的一些外科手术器械实施例中，该布置可提供两个自由度(例如，俯仰/偏转移动和打开/关闭移动)。

细长轴220允许末端执行器230和轴220的远端通过微创孔(经由套管180)(通常穿过体壁(例如，腹壁)等)向远侧插入外科手术工作部位。在一些情况下，套管180的远端上的体壁牵开器构件可以用于支撑体壁，从而增加外科手术工作空间的尺寸。在一些情况下，可以对外科手术工作部位吹气，并且将通常至少部分地通过使器械200围绕轴220穿过微创孔的位置枢转来实现末端执行器230在患者体内的移动。换句话说，机器人操纵器臂组装件120、130、140和150将使传动组装件210移动到患者体外，使得轴220延伸通过微创孔位置，以帮助提供末端执行器50的期望移动。因此，机器人操纵器臂组装件120、130、140和150在外科手术程序期间经常会在患者体外经历显著的移动。

参见图8，示意性地描绘了可以用作计算机辅助的远程操作外科手术系统的一部分的示例外科手术器械300。外科手术器械300包括器械轴302(类似于轴220、640)，械轴302具有近(远离外科手术部位)端部310和远(朝向外科手术部位)端部320，远端部320与近端部310相对。外科手术器械300还包括末端执行器330(类似于末端执行器230、650)。在该示意图中，末端执行器330被描绘为相对于器械轴302具有单个自由度(即，以旋转或枢转方式偏转末端执行器330的自由度)。然而，应该理解的是，本文所述的外科手术器械的末端执行器330可以具有多于一个的自由度(例如，两个、三个、四个、五个、六个或多于六个自由度)。此外，应该理解的是，在末端执行器330的单个自由度的上下文中描述的概念可以扩展到外科手术器械300和用于计算机辅助的远程操作外科手术系统的其他类型的外科手术器械的多个自由度的每个自由度。

示例外科手术器械300还包括第一张紧构件340、第一致动器接合构件350、第二张紧构件360和第二致动器接合构件370。第一张紧构件340耦接到末端执行器330并且沿器械轴302延伸，其中第一张紧构件340终止于第一致动器接合构件350。类似地，第二张紧构件360耦接到末端执行器330并且沿器械轴302延伸，其中第二张紧构件360终止于第二致动器接合构件370。第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370可移动地耦接到外科手术器械的近端部310。在一些实施例中，第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370可滑动地耦接到外科手术器械的近端部310。

虽然所描绘的实施例包括滑动致动器接合构件350和370，但是在一些实施例中，在外科手术器械300中可以包括一个或多个其他类型的致动器接合构件。例如，在一些实施例中，包括可旋转的致动器接合构件。这种可旋转的致动器接合构件可以耦接到与张紧构件340和360接合的绞盘或滑轮。可旋转的致动器接合构件的旋转可以施加或减轻相应的张紧构件340和360上的张紧力。因此，可以经由可旋转的致动器接合构件来控制末端执行器330的移动和张紧构件340和360的张紧。

在一些实施例中，第一张紧构件340和第二张紧构件360的一些或所有部分包括柔性线缆(例如，但不限于，绞合钨线缆、不锈钢线缆等)。在一些实施例中，第一张紧构件340和第二张紧构件360是单个连续线缆的不同部分。在一些实施例中，第一张紧构件340和第二张紧构件360是单独的线缆。第一张紧构件340和第二张紧构件360可以附加地或替代地包括其他部件，诸如但不限于，海波管(hypo-tubes)。

第一张紧构件340和第二张紧构件360均耦接到末端执行器330。在所描绘的实施例中，第一张紧构件340和第二张紧构件360各自经由滑轮332(其可以是绞盘、曲柄臂、旋转驱动构件等)耦接到末端执行器330。因此，第一致动器接合构件350的近侧移动使第二致动器接合构件370向远侧移动，并使末端执行器330相对于器械轴302以第一方式移动。相反，第二致动器接合构件370的近侧移动使第一致动器接合构件350向远侧移动，并使末端执行器330相对于器械轴302以第二方式移动。以这种方式，可以以受控的方式促进末端执行器330的期望移动。此外，如下面进一步描述的，当使用致动器接合构件350和370控制末端执行器330的移动和/或姿势时，可以同时控制张紧构件340和360中的张紧力。实际上，可以根据本文描述的装置和方法同时控制外科手术器械300的两个自由度(例如，末端执行器330方位和张紧构件340和360张紧)。

本文将外科手术器械300描绘为与器械驱动系统分离。因此，在一些实施例中，第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张紧力可以小于在外科手术器械300的操作期间使用的张紧力。在一些情况下，在外科手术器械300不使用时，在第一张紧构件340和第二张紧构件360中具有相对低的张紧力可能是有利的(例如，减少线缆拉伸的可能性)。在一些实施例中，预加载张紧构件(例如，弹簧，未示出)可以被包括在外科手术器械300中，以在外科手术器械300与器械驱动系统分离时维持第一张紧构件340和第二张紧构件360中的最小张紧力。这种最小的预张紧可以帮助确保第一张紧构件340和第二张紧构件360根据期望保持在外科手术器械300内定向。

虽然外科手术器械300被描绘为具有单个自由度，但是应该理解，这是简化的示意图，并且外科手术器械300可以具有两个或更多个自由度。本文参考外科手术器械300的单个自由度(如图所示)描述的概念可以外推到本文提供的外科手术器械的两个或更多个自由度。例如，当末端执行器330包括两个可单独移动的部件，诸如设计用于如上所述的抓握或剪切的相对的钳口时，该布置提供两个自由度(例如，当部件同步移动时的俯仰/偏转移动和当部件异步移动或以相反的方式移动时的打开/关闭移动)。将关于外科手术器械300描述的概念扩展到这样的末端执行器将导致器械具有四个致动器接合构件和四个张紧构件以致动两个自由度。

参见图9，外科手术器械300可以选择性地与器械驱动系统400耦接。也就是说，外科手术器械300可以与器械驱动系统400耦接，以作为计算机辅助的远程操作外科手术系统的一部分进行操作。另外，外科手术器械300可以与器械驱动系统400脱离(例如，用于由另一种类型的外科手术器械替换、用于外科手术器械300的消毒等)。

在一些实施例中，器械驱动系统400可以安装到操纵器组装件，操纵器组装件进而可以安装到另一个结构或基部。在一些情况下，器械驱动系统400可以可互换地安装到操纵器组装件。也就是说，在一些实施例中，器械驱动系统400被设计成便于从操纵器组装件分离，使得其可易于与另一个器械驱动系统互换。因此，器械驱动系统400也可以称为吊舱(pod)400。如本文所使用的，术语“吊舱”表示一些器械驱动系统相对于操纵器组装件的可互换方面，即，一个吊舱可以从操纵器组装件移除并且用相同、相似或不同配置的第二吊舱替换。在一些实施例中，器械驱动系统400以这样的方式固定到操纵器组装件，使得器械驱动系统400不容易可拆卸或者可互换。

在一些实施例中，外科手术器械300可滑动地与器械驱动系统400耦接。也就是说，外科手术器械300可以相对于器械驱动系统400可滑动地向远侧延伸以及可滑动地向近侧缩回。

在所描绘的实施例中，器械驱动系统400包括第一致动器410、第二致动器420和轴致动器430。第一致动器410与第一致动器接合构件350可释放地耦接。因此，第一致动器410可以在第一张紧构件340中引起张力。第二致动器420与第二致动器接合构件370可释放地耦接。因此，第二致动器420可以在第二张紧构件360中引起张力。致动器410、420被示出为与相应的致动器接合构件350、370非扣合接合。可选地，致动器410、420与相应的致动器接合构件350、370(例如闩锁)扣合接合。在扣合接合中，两个物体被固定在一起(可释放地或以其他方式)，使得当一个物体移动时，另一个物体相应地移动。在非扣合接合中，两个物体没有固定在一起，使得如果一个物体朝向另一个物体移动，则另一个物体移动，但如果一个物体远离另一个物体移动，则另一个物体将不移动。

根据如上所述的外科手术器械300与器械驱动系统400的第一致动器410和第二致动器420之间的布置，可以设想分别从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的协调调制可以导致末端执行器330以其自由度进行受控运动。此外，还可以设想(如下面进一步描述的)，第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张紧力也可以通过分别从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的协调调制来控制。此外，还可以设想，第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张紧力可以通过分别从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的协调调制来控制，同时从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的协调调制也同时引起末端执行器330的期望移动。更简单地说，第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张紧力可以被控制到期望的张力量，同时根据期望进行末端执行器330的移动。这个概念在本文可以称为“动态张紧力控制”或“动态张紧力和方位控制”。

仍然参见图9，器械驱动系统400还包括轴致动器430，轴致动器430与外科手术器械上的相应的轴致动器接合构件以非扣合或扣合接合的方式接合。非扣合接合的示例是与远端部310的一部分接合，该远端部310用作轴致动器接合构件，如图所示。扣合接合的示例是用闩锁接合，如下所述。对于扣合和非扣合接合两者，轴致动器430与器械轴302可释放地耦接。

在一些实施例中，轴致动器430使用闩锁机构与器械轴302(或耦接到器械轴302的结构)可释放地耦接。因此，在一些这样的实施例中，当轴致动器430被闩锁到器械300时，轴致动器430能够施加向远侧指向的力或向近侧指向的力以根据期望相对于器械驱动系统400向远侧伸展或向近侧缩回器械300。应该理解的是，并不是在所有实施例中都需要这种用于将轴致动器430耦接到器械轴302的闩锁机构。此外，在一些实施例中，轴致动器430被配置成仅向器械300施加向远侧指向的力(即，不施加向近侧指向的力)。当轴致动器430被配置为仅向器械300施加向远侧指向的力时，仍然可以执行本文描述的动态张紧力和方位控制概念。

致动器410、420和430可以是各种类型的致动器。在一些实施例中，第一致动器410、第二致动器420和轴致动器430各自包括电动马达，该马达耦接到导螺杆，该导螺杆线性地驱动导螺杆的螺纹上的螺母构件。在一些实施例中，外科手术器械300的整个组装件结合器械驱动系统400可以一起被驱动以产生末端执行器的期望运动，诸如围绕外科手术器械300的纵向轴线的滚动运动。

还参见图10，力图500可用于进一步描述外科手术器械300结合器械驱动系统400的结构和操作。主体301代表外科手术器械300。力f₁表示由第一致动器410施加到第一接合构件350的力。力f₂表示由第二致动器420施加到第二接合构件370的力。力f_s表示由轴致动器430施加到器械轴302的力。

力f_s在方向上与力f₁和力f₂相反。因此，在静态环境中，力f_s等于力f₁和力f₂的总和。在动态环境中，如果力f_s大于力f₁和力f₂的总和，则主体301将在力f_s的方向上移动。相反，如果力f_s小于力f₁和力f₂的总和，则主体301将在力f₁和力f₂的方向上移动。

将上述关于力图500的原理应用于外科手术器械300结合器械驱动系统400的类似布置，可以设想以下概念。当外科手术器械300与器械驱动系统400处于恒定的空间关系时(即，在静态环境中)，从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的总和相等于从轴致动器430施加到器械轴302的力。另外，当从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的总和大于从轴致动器430施加到器械轴302的力时，外科手术器械300将相对于器械驱动系统400向近侧移动。此外，当从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的总和小于从轴致动器430施加到器械轴302的力时，外科手术器械300将相对于器械驱动系统400向远侧移动。

为清楚起见，引起外科手术器械300相对于器械驱动系统400的近侧移动和远侧移动的来自致动器410、420和430的力的组合涉及从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的总和。因此，可以设想，从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力可以彼此相等，或者可以彼此不同，而总和仍然是适于在外科手术器械300和器械驱动系统400之间产生期望的远侧/近侧移动和/或取向的总量。例如，在从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力彼此不同的情况下，将产生末端执行器330的移动，并且在从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力彼此相等的情况下，末端执行器330将相对于器械轴302静止。同样，应该理解的是，使用本文提供的结构和操作概念，外科手术器械300相对于器械驱动系统400的远侧/近侧移动可以与末端执行器300相对于器械轴302的移动同时进行。此外，这两种运动可以同时进行，同时第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张紧力维持在期望的张力水平(例如，在期望张力的目标范围内)。

应当理解，致动器430施加的力可以是主要移动力，使得器械330的插入和抽出由致动器430直接控制，并且致动器410、420施加足够的力以维持张紧元件340、360中的张紧力，并当致动器430插入和抽出器械时，维持或改变末端执行器330的取向。并且因此，在一个方面，致动器430控制器械300的插入和抽出位置，而致动器410、420在位置改变时作出反应以控制张紧元件340、360上的张紧力。例如，当致动器430稍微增加力以插入器械轴时，感测到张紧元件340、360中的轻微张紧力增加，并且因此致动器410、420减小力以使张紧元件340、360返回到期望值。替代地，通过致动器410、420、430一致地工作以控制张紧元件340、360上的张紧力，张紧元件340、360进而控制器械300的插入和抽出位置，从而控制器械330的插入和抽出，并且同时通过致动器410、420一起工作以控制张紧元件340、360之间的相对张紧力来维持或改变末端执行器330的取向。例如，当致动器430略微增加力以插入器械轴时，致动器410、420同时减小力以将张紧元件340、360中的张紧力维持在期望值。可以理解的是，这两个张紧力控制方面适用于相反的情况，在该相反的情况中，致动器410、420一起作用以施加用于插入/抽出的主移动力，致动器430控制张紧构件中的张紧力。并且，可以理解的是，这些张紧力控制方面适用于其中器械轴在插入/抽出时移动并且末端执行器以一个或多个自由度移动的更复杂的移动。

还参见图11至图13，可以通过使用相对于器械驱动系统400处于各种方位的外科手术器械300的图示的示例来进一步描述上述概念。

在第一示例中，可以通过将由第一致动器410施加到第一致动器接合构件350的力相比于由第二致动器420施加到第二致动器接合构件370的力暂时增大，同时保持两个力的总和等于由轴致动器430施加到器械轴302的力，将图9的布置转换为图11的布置。结果，末端执行器330将相对于器械轴302移动，同时外科手术器械300相对于器械驱动器400维持恒定的空间关系(即，没有远侧移动和近侧移动)。可以在第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张紧力维持在期望的张力水平(例如，在期望的张力的目标范围内)的同时进行这种移动。

在第二示例中，可以通过将由第一致动器410施加到第一致动器接合构件350的力相比于由第二致动器420施加到第二致动器接合构件370的力暂时增大，同时两个力的总和暂时小于由轴致动器430施加到器械轴302的力，将图9的布置转换为图12的布置。结果，末端执行器330将相对于器械轴302移动，并且外科手术器械300将相对于器械驱动器400向远侧伸展。可以在第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张紧力维持在期望的张力水平(例如，在期望张力的目标范围内)的同时进行这种移动。

在第三示例中，可以通过将由第一致动器410施加到第一致动器接合构件350的力相比于由第二致动器420施加到第二致动器接合构件370的力相比暂时增大，同时两个力的总和暂时大于由轴致动器430施加到器械轴302的力，将图9的布置转换为图13的布置。结果，末端执行器330将相对于器械轴302移动，并且外科手术器械300将相对于器械驱动器400向近侧缩回。可以在第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力维持在期望的张力水平(例如，在期望张力的目标范围内)的同时进行这种移动。

在第四示例中，可以通过维持由第一致动器410施加到第一致动器接合构件350的力与第二致动器420施加到第二致动器接合构件370的力相等，同时两个力的总和暂时大于由轴致动器430施加到器械轴302的力，将图12的布置转换为图13的布置。结果，末端执行器330将不会相对于器械轴302移动，并且外科手术器械300将相对于器械驱动器400向近侧缩回。可以在第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张紧力维持在期望的张力水平(例如，在期望张力的目标范围内)的同时进行这种移动。

在第五示例中，可以通过维持由第一致动器410施加到第一致动器接合构件350的力与由第二致动器420施加到第二致动器接合构件370的力相等，同时两个力的总和暂时小于由轴致动器430施加到器械轴302的力，将图13的布置转换为图12的布置。结果，末端执行器330将相对于器械轴302移动，并且外科手术器械300将相对于器械驱动器400向远侧伸展。可以在第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张紧力维持在期望的张力水平(例如，在期望张力的目标范围内)的同时进行这种移动。

到目前为止的示例已经示出了驱动单元的第一致动器和第二致动器对其相应的第一致动器接合构件和第二致动器接合构件施加近侧压缩力，并且驱动单元的轴致动器对器械轴施加远侧压缩力。但是，在另一方面，这些力的取向是相反的，使得驱动单元的第一致动器和第二致动器对其相应的第一致动器接合构件和第二致动器接合构件施加远侧压缩力，并且驱动单元的轴致动器对器械轴施加近侧压缩力。在该方面，张紧构件可以通过滑轮布线，使得致动器接合构件的远侧移动引起相应的张紧构件中的张力和相关联的末端执行器移动。或者，张紧构件可以用压缩构件(诸如耦接到末端执行器的推杆)代替，使得致动器接合构件的远侧移动引起相应的压缩构件中的压缩和相关联的末端执行器移动。

参见图14，在一些实施例中，可以通过使用一个或多个力检测装置来检测由致动器410、420和/或430施加到外科手术器械300的力。这种力检测装置的(一个或多个)输出可以用于控制致动器410、420和/或430(即，控制外科手术器械300的移动和/或控制第一张紧构件340和第二张紧构件360的张紧力)。

在第一非限制性示例中，所描绘的布置包括设置在第一致动器410和第一致动器接合构件350之间的接合点处或附近的力传感器类型的测压元件(load cell)510。在另一个示例中，所描绘的布置包括设置在器械驱动系统400的第一致动器410和结构构件401之间的连接点附近的力传感器类型的测压元件520。在一些实施例中，器械驱动系统400可以是吊舱(即，相对于安装在操纵器组装件上可易于互换)。

在一些实施例中，其他传感器和/或其他装置可以用于检测由致动器410、420和/或430施加到外科手术器械300的力。例如，在一些实施例中，应变计可以位于致动器接合构件上，例如，第一致动器接合构件350。在另一个实施例中，可以测量由致动器410、420和/或430的电动马达汲取的电流并将其用作由致动器410、420和/或430施加到外科手术器械300的力的指示。在一些实施例中，可以使用这些力检测装置和技术的组合。

参见图15至图18，可以用作计算机辅助的远程操作外科手术系统的一部分的示例外科手术器械600包括近端部610、器械轴640和末端执行器650。外科手术器械600是根据上述示意图(例如，图8、图9和图11至图14)配置的外科手术器械的示例。因此，外科手术器械600可以根据上述示意图起作用。

器械轴640从近端部610向远侧延伸。器械轴640包括与末端执行器650耦接的远端部。器械轴640限定外科手术器械600的纵向轴线602，器械沿着该纵向轴线插入患者体内并从患者体内抽出。

本文描述的外科手术器械的末端执行器(例如，末端执行器650)可以是任何类型的外科手术末端执行器(例如，抓握器、切割器、烧灼器械、吻合器、镊子、相机等)。本文描述的外科手术器械的末端执行器(例如，末端执行器650)可以具有一个或更多个自由度(例如，两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或多于八个自由度)。此外，应该理解的是，本文在末端执行器的单个自由度的上下文中描述的概念可以扩展到外科手术器械600和用于计算机辅助的远程操作外科手术系统的其他类型的外科手术器械的多个自由度的每个自由度。

在所描绘的实施例中，近端部610包括手柄612、多个致动器接合构件(本文描绘为沿着纵向轴线602设置在相同纵向位置的组630中)，以及器械轴致动器接合构件620。多个致动器接合构件630可移动地耦接到近端部610。在所描绘的实施例中，多个致动器接合构件630可滑动地耦接到近端部610，使得多个致动器接合构件630可以平行于纵向轴线602平移。器械轴致动器接合构件620耦接到近端部610。在所描绘的实施例中，器械轴致动器接合构件620可枢转地耦接到近端部610。

手柄612从纵向轴线602径向延伸。在所描绘的实施例中，手柄612是近端部610和整个外科手术器械600的径向延伸得最远的部分。手柄612被配置成便于手动夹持和操纵外科手术器械600。

在一些实施例中，手柄612包括标识外科手术器械600的类型的标记。例如，在所描绘的实施例中，手柄612包括可见标记，其为图标614，其描绘了外科手术器械600是抓握器装置。在一些实施例中，手柄612包括机器可读标记，诸如RFID芯片或NFC标签，其可以用于存储和传送关于外科手术器械600的信息。例如，关于外科手术器械600的这种信息可以包括但不限于独特的标识或序列号、器械的类型、器械已经用于一个或多个外科手术程序的次数等。

在一些实施例中，手柄612可选地包括一个或多个磁体，器械驱动系统可以使用该磁体来感测安装在器械驱动系统中的外科手术器械600的存在。

近端部610包括多个致动器接合构件。如所描绘的，致动器接合构件沿纵向轴线602设置在共同纵向位置处的组630中。可选地，它们可以沿着纵向轴线602位于两个或更多个纵向位置处，使得第一耦接的致动器接合构件对处于第一纵向位置，并且第二耦接的致动器接合构件对处于第二纵向位置，或者耦接对的每个致动器接合构件位于不同的纵向位置。致动器接合构件被配置成与致动器可释放地接合，致动器驱动致动器接合构件和末端执行器650的相应的移动，如上文参见图8至图14所述。如图所示，各个致动器接合构件在近端部610中的相应的各个纵向槽中纵向地滑动。然而，在其他可选方面，各个致动器接合构件可以具有不同的配置(例如，杠杆、诸如盘或齿轮的旋转件、凸轮表面等)。如图所示，所有各个致动器接合构件径向向外延伸略微超出近端部610的外周界，使得相关联的致动器不延伸到近端部610中。替代地，一个或多个各个致动器接合构件可以不延伸到或超出近端部的外周界(例如，它们略微位于近端部610内)，因此它们不易于损坏或不会钩住物体。在该替代配置中，相关联的致动器略微延伸到近端部610中以接合器械的致动器接合构件。所有致动器接合构件可以具有相同的配置，或者可以在单个器械中使用两个或更多个致动器接合构件配置，只要致动器接合构件符合参见图8至图14描述的操作原理即可。在所描绘的实施例中，包括以下示例致动器接合构件：632a、632b、634a、634b、636a、636b和638。在一些实施例中可以包括更多或更少的致动器接合构件。

致动器接合构件(例如，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638)耦接到张紧构件(例如，包括可以在小半径滑轮(例如，2mm-10mm刻度)上布线的柔性线缆、不能在小半径滑轮上布线的半柔性线缆、刚性海波管、拉杆等)，该张紧构件沿着器械轴640延伸并且可移动地耦接到末端执行器650。因此，致动器接合构件的移动导致末端执行器650的移动。

在一些情况下，致动器接合构件是成对的(例如，致动器接合构件632a和632b、致动器接合构件634a和634b，以及致动器接合构件636a和636b)，使得向近侧移动一对中的一个致动器接合构件导致该对中的另一个致动器接合构件的相应的远侧移动。例如，向近侧移动致动器接合构件632a导致致动器接合构件632b的相应的远侧移动，并且向近侧移动致动器接合构件632b导致致动器接合构件632a的相应的远侧移动。换句话说，致动器接合构件对彼此相对地移动。

当外科手术器械600的结构包括耦接到柔性张紧线缆的致动器接合构件(例如，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638)时，可以设想致动器接合构件的远侧移动(而没有成对致动器接合构件的相应的近侧移动)将不会移动末端执行器650。相反，附接到致动器接合构件的向远侧移动的柔性张紧线缆将简单地变得松弛(由于柔性张紧线缆的有限的裂断强度/刚度)。因此，可以说，在一些实施例中，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638被配置成响应于接收向近侧指向的力而移动末端执行器650，并且被配置为响应于接收向远侧指向的力而不移动末端执行器650。然而，在一些实施例中，致动器接合构件中的一个或多个致动器接合构件(例如，不与另一个致动器接合构件成对的致动器接合构件638)被配置成以两种方式(近侧和远侧)移动末端执行器650。也就是说，这种致动器接合构件可选地以类似于鲍丁(Bowdin)线缆操作的方式驱动柔性或半柔性构件，或以类似于推/拉杆操作的方式驱动刚性构件。例如，在一些实施例中，致动器接合构件638可以被配置成操作末端执行器650的刀片或者在末端执行器650包括吻合器的情况下被配制成操作夹具。在刀片的示例中，致动器接合构件638与弹簧相反地工作(在驱动下切割、弹回)。在吻合器的示例中，致动器接合构件638向远侧移动以驱动击发序列，同时夹紧-打开致动使致动器接合构件638向近侧返回。

仍然参见图15至图18，在所描绘的外科手术器械600的布置中，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638都沿着外科手术器械的纵向轴线602定位在相同的纵向位置处。然而，在使用外科手术器械600期间，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638沿着外科手术器械的纵向轴线602移动到各种纵向位置。以下示例进一步描述了这一点。

当外科手术器械600与器械驱动系统耦接时，器械驱动系统的致动器将与致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638可释放地耦接。例如，致动器将通过向近侧移动直到感测到指示接合的反作用力，从而接合致动器接合构件。对于成对的致动器接合构件632a和632b，第一致动器向近侧移动直到致动器接合构件632a被接合，并且第二致动器向近侧移动直到致动器接合构件632b被接合。然后，第一致动器和第二致动器可以调节相应的致动器接合构件632a和致动器接合构件632b的纵向方位，以在耦接到远端部件的相应的成对的张紧构件中设定期望的张力，使得所有的松弛或间隙(backlash)从致动器接合构件和相应的远端部件之间的传动系统移除，并且致动器接合构件的移动导致相应的远端部件的立即移动。也就是说，一个或多个器械驱动系统致动器接合相应的一个或多个器械致动器接合构件，并且在一个或多个致动器接合构件和相应的器械远端部件(例如，腕部或末端执行器部件)之间的一个或多个器械张紧构件中设定动态预加载张紧力(其可以是下面描述的静态预加载张紧力的补充)。

然后，响应于输入(诸如来自图2的外科医生控制台40)，器械驱动系统的致动器相应地向近侧移动一些或所有致动器接合构件(例如，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a和/或636b)，以启动末端执行器650或其他远端部件的期望移动。例如，对于成对的致动器接合构件632a和632b，器械驱动系统的第一致动器可以向近侧移动致动器接合构件632a。与致动器接合构件632a的近侧移动一致，器械驱动系统的第二致动器可以抵抗致动器接合构件632b的远侧移动，从而保持致动器接合构件632b的相应的张紧构件上的张紧力，但仍允许致动器接合构件632b向远侧移动。第二致动器对致动器接合构件632b的远侧移动的阻力被调制，以在对应于致动器接合构件632a和632b的张紧构件中保持期望张紧力。该操作根据上面参见图8至图14描述的动态张紧概念来执行。

在一个方面，当张紧构件移动相应的末端执行器时，控制系统控制成对的张紧构件中的每一个的张紧力相等。然而，在另一方面，控制系统控制张紧构件中的张紧力，以在加载的张紧构件中产生所需的加载力，并在未加载的张紧构件上维持最小的张紧力。

为了通过示例解释该差动力方面，考虑成对的致动器接合构件632a和632b。当它们的相关联的末端执行器处于中立方位(例如，以器械的纵向轴线为中心而不与另一个物体接合)，没有移动，并且没有经历加载时，控制系统可以对致动器接合构件632a和632b施加相等的力。该相等的力等于或高于从末端执行器和致动器接合构件之间的张紧构件连接处消除间隙以进行有效控制所需的最小力。但是，相等的力保持为低，以减少导致机械磨损的摩擦和张紧负载。

为了移动相关联的末端执行器，控制系统使致动器接合构件632a和632b沿相反方向移动。由致动器接合构件632a的近侧运动引起的末端执行器移动可以不受抵抗(例如，末端执行器自由移动)或受抵抗(例如，末端执行器抵靠组织或末端执行器的另一部分移动，诸如在夹紧时钳口抵靠另一钳口移动)。传动系统中的摩擦还可能导致需要比将末端执行器保持在中立方位处的有效控制所需的更大的力施加到致动器接合构件632a进行加载。因此，与致动器接合构件632a相关联的致动器必须增加其抵靠致动器接合构件632的力，以继续移动相应的末端执行器或维持相应的末端执行器抵抗阻力的力。然而，在这种情况下，不需要与成对的致动器接合构件632b相关联的致动器在致动器接合构件632b上施加与施加在致动器接合构件632a上的力相同的力。所需要的是施加在致动器接合构件632b上的力等于或高于使相关联的张紧构件保持不变松弛或不偏离其路径(例如通过离开滑轮)所需的最小阈值。

作为进一步说明，如果控制系统使致动器接合构件632a从其相关联的驱动单元致动器接收最大可允许力，以便在相应的末端执行器处产生最大力(例如，以产生最大可能的末端执行器夹紧力)，则控制系统可以使致动器接合构件632b仅接收所需的最小力，以确保其相关联的张紧构件不会松弛并且不会脱离其正确的布线，或者接收该最小力与施加到致动器接合构件632a的力之间的力。并且，尽管该方面适用于施加到致动器接合构件632a的最大力，但是当施加较小的力时它也适用，从而使由抵靠致动器接合构件632b的力引起的冲突张紧力再次最小化。应当理解，如果使末端执行器随后沿相反方向移动，则将所需的加载力施加到致动器接合构件632b，并且将所需的张紧维持力施加到致动器接合构件632a。还应当理解，如果使用压缩代替张紧来移动末端执行器，则应用该差动力方面，从而减小或最小化任何不必要的压缩力。

在外科手术器械600的一些实施例中，可以包括预加载张紧构件(例如，弹簧633)，以在外科手术器械600与器械驱动系统分离时维持张紧构件中的最小张紧力-静态预加载张紧力。这种最小的预张紧可以帮助确保张紧构件根据期望在外科手术器械600内保持取向并布线。在所描绘的实施例中，压缩弹簧633向致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638施加向近侧指向的力，以在外科手术器械600与器械驱动系统分离时维持张紧构件中的最小张紧力。在一些实施例中，可以使用其他类型的预加载张紧构件，诸如但不限于，作为轴640或近端部610的一部分形成的挠曲、拉伸弹簧、扭转弹簧、钢板弹簧等。此外，在结合压缩构件代替张紧构件的实施例中，类似于这些预加载张紧构件的预加载压缩构件可以用于消除致动器接合构件和末端执行器之间的传动系统中的机械间隙。

仍然参见图15至图18，近端部610包括器械轴致动器接合构件620。器械轴致动器接合构件620用于将近端部610可释放地耦接到器械驱动系统的致动器。由于器械轴640刚性地耦接到近端部610，器械轴致动器接合构件620还将器械轴640可释放地耦接到器械驱动系统的致动器。以上通过示意图及其描述(例如，通过图9，其包括可以与器械轴302可释放地耦接的轴致动器430)介绍了使用器械轴致动器接合构件620将致动器耦接到近端部610和器械轴640的概念。因此，器械轴致动器接合构件620在与器械驱动系统的致动器耦接时用于使整个外科手术器械600相对于器械驱动系统向近侧和/或向远侧移动。另外(如参考图10的力图所描述的)，器械轴致动器接合构件620在与器械驱动系统的致动器耦接时用于平衡由致动器施加到致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638的向近侧指向的力。

在所描绘的实施例中，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638被配置成接收来自器械驱动系统的致动器的向近侧指向的力，但是不被配置成接收来自器械驱动系统的致动器的向远侧指向的力。换句话说，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638与器械驱动系统的致动器非扣合(非不可移动地耦接；非扣合接合)。换句话说，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638均被配置成响应于从相应的致动器接收向近侧指向的力而直接促进(引起)末端执行器650的移动，并且均不被配置成响应于从相应的致动器接收向远侧指向的力而直接促进末端执行器650的移动。相反，在所描绘的实施例中，器械轴致动器接合构件620被配置成响应于接收向近侧指向的力而直接促进整个外科手术器械600向近侧移动，并且被配置成响应于接收向远侧指向的力而直接促进整个外科手术器械600向远侧移动。就是这样，因为器械轴致动器接合构件620被配置成可释放地扣合到器械驱动系统的致动器。例如，在所描述的实施例中，器械轴致动器接合构件620是闩锁机构，其可以用于将近端部610和器械轴640可释放地扣合到器械驱动系统的致动器。应当理解，并非在所有实施例中都需要使用用于器械轴致动器接合构件620的闩锁机构，并且可以使用器械上不同位置处的其他合适的耦接机构。

此外，在一些实施例中，器械轴致动器接合构件620被配置成使得器械驱动系统仅向外科手术器械600施加向远侧指向的力(即，不施加向近侧指向的力)。本文描述的动态张紧力和方位控制概念仍然可以在以下情况下执行，其中器械轴致动器接合构件620被配置为仅接收来自器械驱动系统的向远侧指向力。在这方面，器械的轴致动器接合构件上的向远侧指向的力与器械的致动器接合构件上的向近侧指向的力平衡。

特别参见图18，在一些实施例中，外科手术器械600配置有一个或多个连接器或触点，以用于向末端执行器650输入能量(例如，用于烧灼的能量)。例如，在一些实施例中，外科手术器械可以被配置为使用单极RF、双极RF或另一种能量形式。在这种情况下，在一些实施例中，一个或多个连接器位于手柄612的近侧区域613上。这样的位置可以允许一个或多个连接器易于接近以与供应能量的一个或多个线缆连接。当外科手术器械600与器械驱动系统耦接时，这样的位置还可以允许连接形成和/或断开。

参见图19，外科手术器械600可以选择性地与兼容的器械驱动系统700(也称为吊舱700)耦接，该兼容的器械驱动系统700限定了被配置为接收外科手术器械600的空间的纵向轴线702。根据计算机辅助的远程操作外科手术的典型实施方式，器械驱动系统700可以耦接到具有多个自由度的操纵器组装件800。在一些实施例中，吊舱700可易于从操纵器组装件800拆卸，使得吊舱700可以便于与另一个吊舱互换。操纵器组装件800可以附接到各种类型的支撑结构(例如，参见图3和图4)。器械轴640可以可滑动地延伸穿过套管740，套管740可选地可释放地安装到操纵器组装件800或器械驱动系统700。

在所描绘的实施例中，通过将外科手术器械600向远侧移动到器械驱动系统700的近端704处的开口中，外科手术器械600可以与器械驱动系统700可释放地耦接。特别地，外科手术器械600的纵向轴线602可以首先与器械驱动系统700的纵向轴线702对齐。然后，外科手术器械600可以相对于器械驱动系统700向远侧滑动，直到器械轴接合构件620与器械驱动系统700耦接。

当外科手术器械与器械驱动系统耦接时，手柄612和器械轴接合构件620的至少一部分比器械驱动系统700的相邻部分径向延伸得更远，使得手柄612突出到吊舱700外。因此，手柄612和器械轴接合构件620对于用户的手可接近。这种可接近性可有利地促进外科手术器械600与器械驱动系统700的准备解耦。

虽然不可见，但是器械驱动系统700包括多个致动器(在图9和图11至图14中示意性地描绘)，当外科手术器械600与器械驱动系统700耦接时，该致动器与致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638可释放地耦接。在一些实施例中，致动器是线性致动器，其包括导螺杆和导螺杆螺母构件，并且可以使用其他合适的线性致动器(例如，链、带、液压、气动、电磁等)。在一些实施例中，可以使用诸如旋转致动器的非线性致动器，或者线性致动器和非线性致动器的组合，以产生所描述的对抗力方面。在一些实施例中，一个或多个力传感器被包括在器械驱动系统700中，通过该力传感器可以确定施加到致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和/或638的力并将其反馈到处理器43(图2)。

在一些实施例中，耦接到器械驱动系统700的整个外科手术器械600可以作为单个单元围绕纵向轴线602和纵向轴线702旋转或滚动。器械致动器接合构件620在经由器械轴插入/抽出致动器耦接到吊舱700或直接耦接到吊舱700时用于在其随着吊舱700围绕其纵向轴线702旋转而围绕纵向轴线602滚动期间固定器械轴。另外，手柄612可以提供针对用于滚动的吊舱700的额外支撑。在吊舱700的远端处的马达(在吊舱700内或操纵器800的一部分内)旋转吊舱700和器械600的组装件。因此，器械轴和远侧末端执行器可以同时插入/抽出和滚动。

虽然本说明书包含许多具体的实施方式细节，但这些不应被解释为对任何发明或可以要求保护的范围的限制，而是作为特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。在本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分开地或以任何合适的子组合在多个实施例中实现。此外，虽然本文可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声明，但是在某些情况下可以从组合中去除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变化。

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连续顺序执行这些操作，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，多任务处理和并行处理可能是有利的。此外，本文描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包装成多个产品。

已经描述了主题的特定实施例。其他实施例在以下权利要求的范围内。例如，权利要求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连续顺序来实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务和并行处理可能是有利的。

Claims (35)

1.一种医疗装置，其包括：

外科手术器械驱动单元，其包括：

第一器械驱动单元致动器，

第二器械驱动单元致动器，以及

第一器械驱动单元轴致动器；以及

外科手术器械，其可拆卸地耦接到所述外科手术器械驱动单元，并且所述外科手术器械包括：

近端部，

器械轴，其从所述近端部延伸，所述器械轴包括与所述近端部相对的远端部，

末端执行器，其耦接到所述远端部，所述末端执行器具有一个或多个自由度的第一自由度，其中所述末端执行器相对于所述器械轴可移动，

第一致动器接合构件，其可移动地耦接到所述近端部，

第二致动器接合构件，其可移动地耦接到所述近端部，以及

器械轴致动器接合构件，其耦接到所述近端部，

其中所述第一致动器接合构件经由所述末端执行器耦接到所述第二致动器接合构件，使得所述第一致动器接合构件的近侧移动使所述末端执行器以所述第一自由度移动并且使所述第二致动器接合构件向远侧移动，

其中所述第一致动器接合构件被配置成以第一非扣合接合的方式与所述第一器械驱动单元致动器接合，

其中所述第二致动器接合构件被配置成以第二非扣合接合的方式与所述第二器械驱动单元致动器接合，并且

其中所述第一器械驱动单元轴致动器被配置成与所述器械轴致动器接合构件接合并且施加力以使所述外科手术器械相对于所述外科手术器械驱动单元向远侧延伸。

2.根据权利要求1所述的医疗装置，

其中所述器械轴致动器接合构件被配置成以非扣合接合的方式与所述第一器械驱动单元轴致动器接合。

3.根据权利要求2所述的医疗装置，

其中所述外科手术器械的纵向轴线被限定为延伸穿过所述近端部和所述远端部；并且

其中所述第一器械驱动单元轴致动器被配置成使所述外科手术器械沿着所述纵向轴线相对于所述外科手术器械驱动单元向远侧延伸。

4.根据权利要求2所述的医疗装置，

其中所述外科手术器械的纵向轴线被限定为延伸穿过所述近端部和所述远端部；

其中所述第一非扣合接合包括在所述纵向轴线的第一方向上的在所述第一器械驱动单元致动器和所述第一致动器接合构件之间的第一非零压缩力；

其中所述第二非扣合接合包括在所述纵向轴线的所述第一方向上的在所述第二器械驱动单元致动器和所述第二致动器接合构件之间的第二非零压缩力；并且

其中所述第一器械驱动单元轴致动器和所述器械轴致动器接合构件之间的所述非扣合接合包括在与所述纵向轴线的所述第一方向相对的所述纵向轴线的第二方向上的在所述第一器械驱动单元轴致动器和所述器械轴致动器接合构件之间的非零压缩力。

5.根据权利要求2所述的医疗装置，

其中所述第一致动器接合构件和所述第二致动器接合构件各自在所述近端部上纵向滑动；

其中所述第一非扣合接合包括在所述第一器械驱动单元致动器和所述第一致动器接合构件之间的在近侧方向上的第一非零压缩力；

其中所述第二非扣合接合包括在所述第二器械驱动单元致动器和所述第二致动器接合构件之间的在所述近侧方向上的第二非零压缩力；并且

其中所述第一器械驱动单元轴致动器和所述器械轴致动器接合构件之间的所述非扣合接合包括在所述第一器械驱动单元轴致动器和所述器械轴致动器接合构件之间的非零远侧压缩力。

6.根据权利要求1所述的医疗装置，

其中所述器械轴致动器接合构件被配置成以扣合接合的方式与所述第一器械驱动单元轴致动器接合。

7.根据权利要求6所述的医疗装置，

其中所述外科手术器械的纵向轴线被限定为延伸穿过所述近端部和所述远端部；并且

其中所述第一器械驱动单元轴致动器被配置成使所述外科手术器械沿着所述纵向轴线向远侧延伸和向近侧缩回。

8.根据权利要求6所述的医疗装置，

其中所述外科手术器械的纵向轴线被限定为延伸穿过所述近端部和所述远端部；并且

其中所述第一器械驱动单元轴致动器被配置成围绕所述纵向轴线滚动所述外科手术器械。

9.根据权利要求6所述的医疗装置，

其中所述外科手术器械的纵向轴线被限定为延伸穿过所述近端部和所述远端部；

其中所述第一非扣合接合包括在所述纵向轴线的第一方向上的在所述第一器械驱动单元致动器和所述第一致动器接合构件之间的第一非零压缩力；

其中所述第二非扣合接合包括在所述纵向轴线的所述第一方向上的在所述第二器械驱动单元致动器和所述第二致动器接合构件之间的第二非零压缩力；并且

其中所述第一器械驱动单元轴致动器和所述器械轴致动器接合构件之间的所述扣合接合包括在与所述纵向轴线的所述第一方向相对的所述纵向轴线的第二方向上的在所述第一器械驱动单元轴致动器和所述器械轴致动器接合构件之间的非零压缩力。

10.根据权利要求6所述的医疗装置，

其中所述第一致动器接合构件和所述第二致动器接合构件各自在所述近端部上纵向滑动；

其中所述第一非扣合接合包括在所述第一器械驱动单元致动器和所述第一致动器接合构件之间的在近侧方向上的第一非零压缩力；

其中所述第二非扣合接合包括在所述第二器械驱动单元致动器和所述第二致动器接合构件之间的在所述近侧方向上的第二非零压缩力；并且

其中所述第一器械驱动单元轴致动器和所述器械轴致动器接合构件之间的所述扣合接合包括在所述第一器械驱动单元轴致动器和所述器械轴致动器接合构件之间的非零远侧压缩力。

11.根据权利要求1所述的医疗装置，

其中所述第一致动器接合构件和所述第二致动器接合构件各自在所述近端部上纵向滑动；

其中所述第一非扣合接合包括在所述第一器械驱动单元致动器和所述第一致动器接合构件之间的第一非零压缩力；并且

其中所述第二非扣合接合包括在所述第二器械驱动单元致动器和所述第二致动器接合构件之间的第二非零压缩力。

12.根据权利要求1所述的医疗装置，

其中所述第一致动器接合构件和所述第二致动器接合构件各自在所述近端部上向近侧和远侧滑动；

其中当所述第一器械驱动单元致动器向近侧移动时，所述第一非扣合接合包括在所述第一器械驱动单元致动器和所述第一致动器接合构件之间的第一非零压缩力；并且

其中当所述第二器械驱动单元致动器向远侧移动时，所述第二非扣合接合包括在所述第二器械驱动单元致动器和所述第二致动器接合构件之间的第二非零压缩力。

13.根据权利要求4、5、9或10所述的医疗装置，

其中所述医疗装置进一步包括传感器；并且

其中所述传感器被定位成感测所述第一非零压缩力。

14.根据权利要求13所述的医疗装置，

其中所述传感器被定位在所述第一器械驱动单元致动器和所述第一致动器接合构件之间的接合点处或其附近。

15.根据权利要求13所述的医疗装置，

其中所述传感器被定位在所述第一器械驱动单元致动器中。

16.根据权利要求13所述的医疗装置，

其中所述传感器被定位在所述第一致动器接合构件中。

17.根据权利要求13所述的医疗装置，

其中所述外科手术器械驱动单元包括马达和结构构件；并且

其中所述传感器被定位在所述马达和所述结构构件之间。

18.根据权利要求1所述的医疗装置，

其中所述外科手术器械驱动单元进一步包括第三器械驱动单元致动器和第四器械驱动单元致动器；并且

其中所述外科手术器械进一步包括：

第三致动器接合构件，其可移动地耦接到所述近端部，以及

第四致动器接合构件，其可移动地耦接到所述近端部，

其中所述末端执行器具有所述一个或多个自由度的第二自由度，

其中所述第三致动器接合构件经由所述末端执行器耦接到所述第四致动器接合构件，使得所述第三致动器接合构件的近侧移动使所述末端执行器以所述第二自由度移动并且使所述第四致动器接合构件向远侧移动，

其中所述第三致动器接合构件被配置成以第三非扣合接合的方式与所述第三器械驱动单元致动器接合，并且

其中所述第四致动器接合构件被配置成以第四非扣合接合的方式与所述第四器械驱动单元致动器接合。

19.一种用于计算机辅助的远程操作外科手术系统的外科手术器械，所述外科手术器械包括：

近端部；

器械轴，其从所述近端部延伸，所述器械轴包括与所述近端部相对的远端部；

末端执行器，其耦接到所述远端部，所述末端执行器具有一个或多个自由度的第一自由度，其中所述末端执行器相对于所述器械轴可移动；

第一致动器接合构件，其可移动地耦接到所述近端部；

第二致动器接合构件，其可移动地耦接到所述近端部；以及

器械轴致动器接合构件，其耦接到所述近端部；

其中所述第一致动器接合构件经由所述末端执行器耦接到所述第二致动器接合构件，使得所述第一致动器接合构件的近侧移动使所述末端执行器以所述第一自由度移动并且使所述第二致动器接合构件向远侧移动；

其中所述第一致动器接合构件被配置成以第一非扣合接合的方式与第一器械驱动单元致动器接合；

其中所述第二致动器接合构件被配置成以第二非扣合接合的方式与第二器械驱动单元致动器接合；并且

其中所述器械轴致动器接合构件被配置成与第一器械驱动单元轴致动器接合。

20.根据权利要求19所述的外科手术器械，其中所述器械轴致动器接合构件被配置成以非扣合接合的方式与所述第一器械驱动单元轴致动器接合。

21.根据权利要求19所述的外科手术器械，其中所述器械轴致动器接合构件被配置成以扣合接合的方式与所述第一器械驱动单元轴致动器接合。

22.根据权利要求21所述的外科手术器械，其中所述器械轴致动器接合构件包括手动操作的闩锁。

23.根据权利要求19所述的外科手术器械，其中所述第一致动器接合构件和所述第二致动器接合构件位于所述外科手术器械的所述近端部上的共同纵向位置处。

24.根据权利要求19所述的外科手术器械，

其中所述外科手术器械的纵向轴线被限定为延伸穿过所述近端部和所述远端部；并且

其中所述近端部包括从所述纵向轴线径向向外延伸的手柄。

25.根据权利要求24所述的外科手术器械，其中所述手柄包括所述器械轴致动器接合构件，并且其中所述器械轴致动器接合构件被配置成以非扣合接合的方式与所述第一器械驱动单元轴致动器接合。

26.根据权利要求24所述的外科手术器械，其中所述手柄包括所述器械轴致动器接合构件，并且其中所述器械轴致动器接合构件被配置成以扣合接合的方式与所述第一器械驱动单元轴致动器接合。

27.根据权利要求26所述的外科手术器械，其中所述器械轴致动器接合构件包括手动操作的闩锁。

28.根据权利要求24所述的外科手术器械，其中所述手柄包括标识所述外科手术器械的标记。

29.根据权利要求19所述的外科手术器械，其中所述第一致动器接合构件和所述第二致动器接合构件各自在所述近端部上纵向滑动。

30.根据权利要求19所述的外科手术器械，进一步包括：

第一张紧构件，其耦接到所述末端执行器，沿着所述器械轴延伸，并且终止于所述第一致动器接合构件；以及

第二张紧构件，其耦接到所述末端执行器，沿着所述器械轴延伸，并且终止于所述第二致动器接合构件；

第一预加载张紧构件，其被定位为张紧所述第一张紧构件；以及

第二预加载张紧构件，其被定位为张紧所述第二张紧构件。

31.根据权利要求19所述的外科手术器械，进一步包括：

第一压缩构件，其耦接到所述末端执行器，沿着所述器械轴延伸，并且终止于所述第一致动器接合构件；以及

第二压缩构件，其耦接到所述末端执行器，沿着所述器械轴延伸，并且终止于所述第二致动器接合构件；

第一预加载压缩构件，其被定位为压缩所述第一压缩构件；以及

第二预加载压缩构件，其被定位为压缩所述第二压缩构件。

32.根据权利要求19所述的外科手术器械，进一步包括：

第三致动器接合构件，其可移动地耦接到所述近端部；以及

第四致动器接合构件，其可移动地耦接到所述近端部；

其中所述末端执行器具有所述一个或多个自由度的第二自由度；

其中所述第三致动器接合构件经由所述末端执行器耦接到所述第四致动器接合构件，使得所述第三致动器接合构件的近侧移动使所述末端执行器以所述第二自由度移动并且使所述第四致动器接合构件向远侧移动；

其中所述第三致动器接合构件被配置成以第三非扣合接合的方式与第三器械驱动单元致动器接合；并且

其中所述第四致动器接合构件被配置成以第四非扣合接合的方式与第四器械驱动单元致动器接合。

33.根据权利要求32所述的外科手术器械，其中所述第一致动器接合构件和所述第二致动器接合构件位于所述外科手术器械的所述近端部上的第一共同纵向位置处，并且所述第三致动器接合构件和所述第四致动器接合构件位于所述外科手术器械的所述近端部上的第二共同纵向位置处。

34.根据权利要求32所述的外科手术器械，其中所述第一致动器接合构件、所述第二致动器接合构件、所述第三致动器接合构件和所述第四致动器接合构件位于所述外科手术器械的所述近端部上的共同纵向位置处。

35.根据权利要求32所述的外科手术器械，其中所述第一致动器接合构件、所述第二致动器接合构件、所述第三致动器接合构件和所述第四致动器接合构件各自在所述近端部上纵向滑动。

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