CN110215280A - 遥控操作的外科手术器械的控制输入准确度 - Google Patents

遥控操作的外科手术器械的控制输入准确度 Download PDF

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Abstract

本申请题为遥控操作的外科手术器械的控制输入准确度。具有患者侧推车的外科手术系统，患者侧推车具有至少一个遥控外科手术操作的器械，该器械包括具有多个执行器部件的外科手术末端执行器。变速器耦接至马达。传动系包括至少第一执行器传动系和第二执行器传动系。控制器包括用于控制变速器的至少一个处理器。控制器执行方法，该方法为：锁定第二执行器传动系的输出齿轮；旋转凸轮轴以将马达的耦接从第一执行器传动系转换至第二执行器传动系；确定输出齿轮通过使用第一扭矩驱动锁定的输出齿轮而被对准；确定输出齿轮通过使用第二扭矩驱动锁定的输出齿轮而被恰当地制动；从输出齿轮分离锁定；并且使用马达驱动第二执行器传动系。

Description

遥控操作的外科手术器械的控制输入准确度
本申请是于2015年3月31日提交的名称为“遥控操作的外科手术器械的控制输入准确度”的中国专利申请201580017377.0(PCT/US2015/023629)的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请涉及并且要求于2014年4月1日由Brisson等人提交的名为“CONTROL INPUTACCURACY FOR TELEOPERATED SURGICAL INSTRUMENT”的美国临时专利申请No.61/973,822的优先权，其内容以其全文通过引用并入本文并且用于所有目的。
背景技术
微创医疗技术旨在减小在诊断或外科手术过程期间损坏的无关组织的量，由此减少患者恢复时间、不适和有害的副作用。微创外科手术的一个效果是例如减少术后医院恢复时间。因为标准外科手术的平均留院时间通常明显长于类似的微创外科手术的平均留院时间，所以微创技术使用的增加可以节省每年数百万美元的医院成本。尽管在美国每年进行的许多外科手术可以潜在地以微创方式进行，但是由于微创外科手术器械和涉及掌握这些器械的额外的外科手术训练的限制，只有一部分现有外科手术使用这些有利的技术。
微创遥控外科手术系统已经发展成为用于提升外科医生的灵活性和避免传统微创外科技术上的一些限制。在遥控外科手术中，外科医生使用一些形式的远程控制(例如伺服机构或类似物)以操纵外科手术器械运动，而不是直接用手握住和移动这些器械。在遥控外科手术系统中，外科医生可以被提供在外科手术工作站的外科手术部位的图像。当在显示器上观察外科手术部位的两维或三维图像时，该外科医生通过操纵主控装置而在患者身上进行外科手术过程，主控装置进而控制伺服机械操作的器械的运动。
用于遥控外科手术的伺服机构将常常接受来自两个主控制器(外科医生的每一只手使用一个主控制器)的输入并且可以包括两个或更多个机械臂，在每个机械臂上安装有外科手术器械。主控制器和关联的机械臂以及器械组件之间的操作通信通常通过控制系统实现。控制系统通常包括至少一个处理器，该至少一个处理器将来自主控制器的输入命令传输给关联的机械臂和器械组件并且在例如力反馈等情况下将输入命令从器械和臂组件返回至关联的主控制器。机器人外科手术系统的一个示例是可从美国加利福尼亚州森尼韦尔市(Sunnyvale)的直观外科手术操作公司(Intuitive Surgical,Inc.)获得的DA VINCI 系统。
在机器人外科手术期间，可以使用多种结构配置以支撑外科手术部位处的外科手术器械。从动连杆或“从属装置”通常称为机器人外科手术操纵器，并且在微创机器人外科手术期间用作机器人外科手术操纵器的示例性连杆配置在美国专利No.7,594,912；6,758,843；6,246,200；以及5,800,423中描述，这些专利通过引用并入本文。这些连杆通常利用平行四边形配置以固持具有轴的器械。这种操纵器结构可以约束器械的运动，使得该器械围绕操纵的远程中心而枢转，所述远程中心定位在沿刚性轴的长度的空间中。通过将操纵的远程中心与到内部外科手术部位的切口点对准(例如，在腹腔镜外科手术期间，在腹壁处使用套管针(trocar)或套管)该外科手术器械的末端执行器可以通过使用操纵器连杆而移动轴的近端而被安全地定位，而不会对该腹壁施加潜在危险力。可替代的操纵器结构被描述，例如在美国专利申请No.7,763,015；6,702,805；6,676,669；5,855,583；5,808,665；5,445,166；以及5,184,601中，这些专利通过引用并入本文。
在机器人外科手术过程中，也可以使用多种结构布置以支撑和定位机器人外科手术操纵器和外科手术部位处的外科手术器械。支撑连杆机构(有时称为设置关节或者设置关节臂)常常用于将每一个操纵器与患者身体内的对应切口点定位和对准。该支撑连杆机构便于将外科手术操纵器与期望的外科手术切口点和目标解剖结构对准。示例性支撑连杆机构在美国专利No.6,246,200和6,788,018中描述，这些专利文件通过引用并入本文。
尽管新的遥控外科手术系统和装置已经证明是高效和有利的，但是仍然期望进一步的改进。一般而言，期望的是改进的微创机器人外科手术系统。通常，开发新的外科手术器械以用于现有的遥控外科手术系统平台上。因此，要求该器械适应遥控外科手术系统，因为用于具体的外科手术应用的新的遥控外科手术系统的开发在成本上是不允许的。然而，当现有的遥控外科手术平台不具有用于具体外科手术器械的所有机构所要求的马达输出量时，将产生问题。因而，有必要将新的外科手术装置适配至现有的遥控外科手术系统中，而不限制外科手术能力并且不要求对现有遥控外科手术系统的修改。
发明内容
许多实施例涉及外科手术工具，该外科手术工具包括具有近端和远端的长形轴。外科手术执行器围绕远端定位。该外科手术执行器可以包括多个执行器机构，每个执行器机构具有一个或多个自由度(DOF)。执行器本体也可以定位在近端。该执行器本体可以包括用于驱动多个执行器机构的多个马达接口。例如，该多个马达接口可以包括第一马达接口。变速器可以耦接在执行器本体与外科手术执行器之间。变速器可以被配置为用于转换在多个执行器机构中的仅一部分和关联的DOF之间的第一马达接口的耦接。
许多实施例涉及外科手术系统，该外科手术系统具有患者侧推车，该患者侧推车具有至少一个遥控外科手术操作的器械。该至少一个遥控外科手术操作的器械包括具有多个执行器机构的外科手术执行器。提供变速器以用于将多个执行器机构耦接至马达。该传动系包括至少第一执行器传动系和第二执行器传动系。控制器被提供并且包括用于控制变速器的至少一个处理器。该控制器被配置为通过锁定第二执行器传动系的输出齿轮而执行方法。然后旋转凸轮轴以将马达的耦接从第一执行器传动系转换至第二执行器传动系。确定的是，该输出齿轮是通过使用第一扭矩驱动锁定的输出齿轮而被对准的。然后确定的是，该输出齿轮通过使用第二扭矩驱动锁定的输出齿轮而被恰当制动。该输出齿轮然后可以被解锁，并且该第二执行器传动系可以通过使用马达而被驱动。
在许多实施例中，第一扭矩相对地低于第二扭矩。
在许多实施例中，确定输出齿轮被对准包括确定输出齿轮的运动是否在第一扭矩下停止。
在许多实施例中，如果输出齿轮的运动在第一扭矩下停止，那么确定该输出齿轮被对准。
在许多实施例中，如果输出齿轮的运动没有在第一扭矩下停止，那么确定该输出齿轮未被对准，并且中止转换该变速器。
在许多实施例中，确定该输出齿轮被恰当制动包括确定由马达施加的第二扭矩是否是饱和值。
在许多实施例中，如果第二扭矩达到饱和值，那么该输出齿轮被恰当地制动。
在许多实施例中，如果相对高的扭矩没有达到饱和值，那么该输出齿轮就没有被恰当制动，并且中止转换该变速器。
附图说明
图1是根据许多实施例的用来进行外科手术的微创遥控外科手术控制的外科手术系统的平面图。
图2是根据许多实施例的用于遥控外科手术控制的外科手术系统的外科医生的控制台的透视图。
图3是根据许多实施例的遥控外科手术控制的外科手术系统电子装置推车的透视图。
图4图解地示出了根据许多实施例的遥控外科手术控制的外科手术系统。
图5A是根据许多实施例的遥控外科手术控制的外科手术系统的患者侧推车的局部视图。
图5B是根据许多实施例的遥控外科手术操作的外科手术工具的主视图。
图6是根据许多实施例的遥控外科手术控制的外科手术系统的外科系统的简化示意图。
图7A-7C是根据许多实施例的遥控外科手术操作的外科手术工具的变速器组件的纵向和轴向截面。
图8示出了根据许多实施例的遥控外科手术操作的外科手术工具的变速器组件的操作的凸轮状态图。
图9示出了根据许多实施例的用于转换遥控外科手术操作的外科手术工具的变速器组件的操作模式的高级流程图。
图10示出了根据许多实施例的用于在第一操作模式和第二操作模式之间转换遥控外科手术操作的外科手术工具的变速器组件的操作模式的流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，将描述本发明的不同实施例。出于解释的目的，阐述了具体的配置和细节以便提供对这些实施例的全面理解。然而，对于本领域的技术人员同样显然的是，可以不使用这些具体细节来实施本发明。进而，可以省略或简化公知的特征以便不混淆所描述的实施例。
I.微创遥控辅助的外科手术系统
现在参考附图，贯穿若干视图，相同的附图标记代表相同的部件，图1为微创机器人外科手术(MIRS)系统10的平面图图示，通常用于对躺在操作台14上的患者12进行微创诊断或外科手术过程。该系统可以包括在所述过程期间由外科医生18使用的外科医生的控制台16。一个或多个助手20也可以参与该过程。MIRS系统10还可以包括患者侧推车22(外科手术机器人)和电子装置推车24。患者侧推车22可以通过在患者12身体内的微创切口操纵至少一个可移除地耦接的工具组件26(以下简称“工具”)，同时外科医生18通过控制台16观察该外科手术部位。外科手术部位的图像可通过内窥镜28(诸如立体内窥镜)获得，该内窥镜可由患者侧推车22操纵以取向内窥镜28。电子装置推车24可用于处理外科手术部位的图像以便通过外科医生的控制台16随后显示给外科医生18。一次使用的外科手术工具26的数量将通常取决于诊断或外科手术过程和手术室内的空间限制(等其他因素)。如果必须改变在过程中使用的一个或多个工具26，助手20可以从患者侧推车22移除工具26，并且将其替换成手术室中的盘30中的另一个工具26。
图2是外科医生的控制台16的透视图。外科医生的控制台16包括左眼显示器32和右眼显示器34，这些显示器用于为外科医生18呈现外科手术部位的协调的立体视图，其能够实现深度感知。控制台16还包括一个或多个输入控制装置36，进而引起患者侧推车22(如图1所示)操纵一个或多个工具。输入控制装置36可提供与它们的相关联的工具26(如图1所示)相同的自由度以便为外科医生提供远程呈现或提供输入控制装置36与工具26一体化的感知，使得外科医生具有直接控制工具26的强烈感觉。为此，可采用位置、力和触觉反馈传感器(未示出)来通过输入控制装置36将位置、力和触觉感知从工具26传输回到外科医生的手。
外科医生的控制台16通常位于与患者同样的房间中，使得外科医生可以直接监视过程，必要时可以亲自出现，并且直接与助手说话而不是通过电话或其他通信介质。然而，外科医生可以位于不同的房间、完全不同的建筑物或距离允许远程外科手术过程的患者的其他远程位置。
图3是电子装置推车24的透视图。电子装置推车24可与内窥镜28耦接并且可包括处理器以处理所捕获的图像以用于在外科医生的控制台上或在本地和/或远程定位的另一个合适的显示器上后续显示给诸如外科医生。例如，在使用立体内窥镜的情况下，电子装置推车24可处理所捕获的图像以将外科手术部位的协调的立体图像呈现给外科医生。这种协调可以包括相对的图像之间的对准并且可以包括调整立体内窥镜的立体工作距离。作为另一个示例，图像处理可包括将先前确定的摄像机校准参数用来补偿图像捕获装置的成像误差，诸如光学像差(optical aberration)。
图4图解地示出了机器人外科手术系统50(如图1的MIRS系统10)。如上所述，外科医生的控制台52(如图1中的外科医生的控制台16)可以被外科医生用于在微创过程中控制患者侧推车(外科手术机器人)54(如图1中的患者侧推车22)。患者侧推车54可以使用成像装置(如立体内窥镜)捕获过程部位的图像并且输出所捕获的图像给电子装置推车56(如图1的电子装置推车24)。如以上所讨论的，电子装置推车56可以在任意随后的显示之前用多种方式处理所捕获的图像。例如，电子装置推车56可以在将组合的图像经由外科医生的控制台52显示给外科医生之前使用虚拟控制界面覆盖所捕获的图像。患者侧推车54可以输出所捕获的图像以用于在电子装置推车56外部进行处理。例如，患者侧推车54可以输出所捕获的图像给处理器58，该处理器可以用于处理所捕获的图像。所述图像也可以通过电子装置推车56和处理器58的组合而被处理，该电子装置推车和该处理器可以耦接在一起以共同、顺序地和/或其组合而处理所捕获的图像。一个或多个单独显示器60也可以与处理器58和/或电子装置推车56耦接以用于本地和/或远程显示图像，诸如过程部位的图像或其他相关图像。
图5A和5B分别示出了患者侧推车22和外科手术工具62。外科手术工具62是外科手术工具26的示例。所示出的患者侧推车22提供了操纵三个外科手术工具26和成像装置28(诸如用于捕获过程的部位的图像的立体内窥镜)。操纵由具有多个机器人关节的机器人机构提供。成像装置28和外科手术工具26可通过患者体内的切口被定位和操纵，使得运动远程中心保持在切口处以最小化切口的尺寸。当外科手术工具定位在成像装置28的视场内时，外科手术部位的图像可以包括外科手术工具26的远端的图像。每个工具26从相应的器械固持器31上可拆卸并且由相应的器械固持器31承载，该器械固持器位于一个或多个机器人关节的远端。器械固持器31提供了可移动平台，该可移动平台用于经由机器人关节的运动而相对于患者侧推车22移动整个工具26。器械固持器31也提供动力以使用一个或多个机械和/或电接口操作工具26。这种支架组件的示例发现于美国专利公开No.US 2013/0325034(律师卷号No.ISRG04330/US)中，其通过引用并入。
图6是遥控外科手术控制的外科手术系统的外科系统100的简化示意图。外科手术系统100包括外科医生控制台102，其例如可以是外科医生的控制台52。外科医生控制台102驱动患者侧推车104，其例如可以是患者侧推车22。患者侧推车104包括器械固持器106，其例如可以是器械固持器31。
器械固持器106包括两个可拆卸的平台，第一个是马达单元108并且第二个是工具110。马达单元108是固持五个马达的支架组件。在一些实施例中，只有五个马达被使用，而在其他实施例中，可以使用多于或少于五个马达。在此，马达单元108包括多个马达，这些马达可以被分配给不同的机构/部件。在此，马达单元108包括变速器马达112、转换器马达114、俯仰马达116、偏转马达118和小力(low-force)抓取马达120，尽管取决于所附接的器械，这些马达可以用于不同目的。一般而言，每个马达是与器械固持器的相应输入机械耦合且电耦合的电动马达。
工具110例如可以是如上所述的工具26。可用作工具110的工具的示例是国际公开号WO 2011/060318(律师卷号No.:ISRG02360/PCT)的专利申请，其通过引用并入。在此，工具110为长形执行器单元122，该长形执行器单元包括三个分立的输入端，每个分立的输入端通过器械固持器106与俯仰马达116、偏转马达118以及小力抓取马达120机械耦接。工具110还包括变速器124，该变速器与变速器马达112和转换器马达114机械耦接。
外科手术末端执行器126被定位在执行器单元122的远端。外科手术末端执行器126和执行器单元122通过可移动的腕部连接。这种腕的示例显示在美国专利公开No.US2011/0118709(律师案号No.ISRG02350/US)中，其通过引用并入本文。用简单的术语说，该外科手术末端执行器可以特征在于多个分立但是相互关联的部件，其中每个部件提供外科手术末端执行器126的自由度(DOF)。如在此所使用的，DOF为一个或多个相互关联的部件，这些部件用于影响相应的运动。DOF赋予外科手术末端执行器126以不同操作模式，这些操作模式可以同时或分立地操作。例如，腕部使外科手术末端执行器126能够相对于器械固持器106俯仰和偏转，并且因此包括俯仰DOF 128和偏转DOF 130。外科手术末端执行器126还包括滚动DOF 132，其围绕长形轴线旋转外科手术末端执行器。
外科手术末端执行器126可以包括夹持和切削机构，例如外科手术吻合器。这种夹持机构的示例显示在2010年11月12日(律师卷号No.ISRG02330/US)提交的美国专利公开No.US 12/945,541中，其通过引用并入。该夹持机构可以根据两种模式抓取，并且因此包括两个DOF。小力DOF 132(例如线缆致动机构)操作以用小力切换夹持件从而温和地操纵组织。小力DOF 132对进行用于切割或吻合操作的外科手术末端执行器是有用的。大力(high-force)DOF 134(例如丝杆致动机构)操作以进一步用相对大的力打开或关闭组织上的夹持件，例如，以止血组织以便准备切割或吻合操作。一旦被夹持，则外科手术末端执行器126使用工具致动DOF 138进一步影响该组织，例如吻合、切割和/或烧灼装置。
如所示出的，俯仰马达116、偏转马达118和小力抓取马达120分别驱动俯仰DOF128、偏转DOF 130和小力抓取DOF 139。因此，俯仰DOF 128、偏转DOF 130和小力抓取DOF139中的每一个与马达分立地配对，并且可以相对于其他DOF独立且同时操作。
然而，大力DOF 126、滚动DOF 132和工具致动DOF 138通过变速器与变速器马达112共享单个输入。因此，同一时间仅可以操作大力DOF 126、滚动DOF 132和工具致动DOF138中的一个，因为与变速器马达的耦接分立地发生。转换器马达114被致动以在大力DOF126、滚动DOF 132和工具致动DOF 138之间转换变速器马达112的输出。因此，变速器124有利地允许比每个马达专用于单个DOF的布置更大量的DOF。
II.示例性变速器
本发明的实施例涉及用于控制吻合器器械的六个自由度(6DOF)的系统和方法，该吻合器器械可允许来自马达支架的五个输入。五个输入中的一个用作转换器，然后允许另一个输入被选择性地接合到三个不同的吻合器DOF。吻合器器械的六个DOF可以包括腕部滚动、腕部俯仰、腕部偏转、小力抓取(切换)、大力抓取(夹持)和工具致动(吻合器射击(stapler fire))。腕部俯仰、偏转和小力抓取可以是线缆致动的，而滚动、夹持和射击由独立的同轴齿轮组驱动。在使用中，变速器可以包括三个主要模式：滚动、夹持/不夹持和射击。腕部旋转、俯仰、偏转和小力抓取均在主动伺服控制之下，并且大力抓取和射击DOFS被耦接至滚动轴。
在许多实施例中，从动输入选择性地耦合至腕部滚动、夹持和/或射击。这是通过使用怠速齿轮实现的，怠速齿轮可以被旋转进入与适当的吻合器DOF的接合或旋转脱离与适当的吻合器DOF的接合。此外，具有通过使用杠杆臂将每个DOF锁定至地面的方法。这些杠杆臂由转换输入控制，该转换输入可以是具有合适数量和形状的叶片的凸轮轴。在腕部的滚动运动期间，夹持件和射击输入环有必要连同滚动齿轮一起旋转。因为这种限制，在器械输入和输入环和滚动齿轮之间的齿轮比均是相同的。这样，在以下状态期间，所有的环/齿轮被接合，并且因此一起旋转，使得射击和大力抓取驱动轴不会相对于该腕部转动。该系统可以被配置成使得所有的过渡一次仅移动一个功能。以这种方式，所有的过渡均可测试安全性。当过渡脱离跟随(out of following)时，该滚动齿轮被锁定。为了避免腕部需要被定位使得该滚动齿轮与锁定臂的齿对准的必要性，在该DOF上具有辅助摩擦锁。
图7A和7B分别示出了变速器组件140的纵向和轴向截面。该变速器包括用于大力DOF 126、滚动DOF 132和工具致动DOF 138中的每个的齿轮系。
A.第一齿轮系
注意图7A，第一齿轮系142位于变速器组件140的近端处。第一齿轮系142通过轴向旋转主轴144来驱动滚动DOF 132。主轴144包括用于将控制线缆输送至外科手术末端执行器126的轴向通路146。主轴144通过驱动近端齿轮148的外齿轮齿147而被直接旋转。
B.第二齿轮系
第二齿轮系150定位为在变速器组件140的中部处直接与第一齿轮系142相邻。第二齿轮系150通过中间轴152相对于主轴144的旋转驱动大力抓取DOF 126。中间轴152被主轴144固持，并且因此与主轴144一起旋转。换成另一种方式，中间轴152的旋转轴线可以以围绕主轴144的旋转轴线的轨道运转。
中间轴152直接连接到中间内部齿轮154，中间内部齿轮154进而被中间齿轮156的内部齿轮齿(此图中未示出)驱动。中间齿轮156也包括外齿轮齿158，该外齿轮齿用于最终通过变速器马达112的方式直接驱动中间齿轮156。中间齿轮156的外齿轮齿158被相同地配置于近端齿轮148的外齿轮齿147。因此，如果同步被驱动，假设相同的输入齿轮，则在中间齿轮156与近端齿轮148之间没有相对运动，并且因此，中间轴152没有被驱动。
主轴144的外部通过轴承的方式固持中间齿轮156。在第二齿轮系150的第一分离状态下，当中间齿轮156和近端齿轮148两者同步与变速器马达112接合时，中间齿轮156(与如下描述的远端齿轮166一起)可以被配置成与主轴144同步旋转。在第一分离状态下，中间齿轮156的旋转不会引起中间内部齿轮154的旋转，因为中间齿轮156不允许相对于主轴144滚动。换成另一种方式，在第一分离状态下，中间齿轮156与主轴144时钟同步，并且从而不能相对于主轴144异步移动以移动中间轴152。如以下进一步讨论的，第二齿轮系150包括第二分离状态，在该状态下，中间齿轮156从变速器马达112实体地分离，并且被实体锁定，并且从而不能旋转不能驱动中间内部齿轮154。
在第二齿轮系150(与变速器马达112)的接合状态下，近端齿轮148与主轴144被锁定并且因此不能旋转。从而，中间内部齿轮154的旋转轴线不能以围绕主轴144的旋转轴线的轨道运转。然而，中间内部齿轮154可以绕其自身的旋转轴线旋转。因此，在接合状态下，中间齿轮144相对于主轴144旋转，并且由此最终通过变速器马达112的方式以驱动中间内部齿轮154。
C.第三齿轮系
第三齿轮系160位于变速器组件140的远端部分，并且很大程度上以与第二齿轮系150相同的方式被配置。第三齿轮系160通过远端轴162相对于主轴144的旋转而驱动工具致动DOF 138。远端轴162被主轴144固持，并且因此与主轴144一起旋转。在与第二齿轮系150相同的一般方式中，远端轴162的旋转轴线可以以围绕主轴144的旋转轴线的轨道运转。
远端轴162直接连接到远端内部齿轮164，远端内部齿轮164进而由远端齿轮166的内部齿轮齿(此图中未示出)驱动。远端齿轮166也包括外齿轮齿168，该外齿轮齿用于最终通过变速器马达112的方式直接驱动远端齿轮166。远端齿轮162的外部齿168以与近端齿轮148的外齿轮齿147相同的方式配置，并且中间齿轮156的外齿轮齿158也以与近端齿轮148的外齿轮齿147相同的方式配置。因此，当被同步驱动时，在远端齿轮166、中间齿轮156和近端齿轮148之间没有相对运动。
通过轴承的方式，主轴144的外部固持远端齿轮166。在第三齿轮系160的第一分离状态下，当远端齿轮166和近端齿轮148两者均与变速器马达112同步接合时，远端齿轮166(与中间齿轮156一起)可以被配置成与主轴144同步旋转。在第一分离状态下，远端齿轮166的旋转不会引起远端内部齿轮164的旋转，因为远端齿轮166不被允许相对于主轴144滚动。换另一种说法，在第一分离状态下，远端齿轮166与主轴144时钟同步，并且从而不能相对于主轴144异步移动以移动远端轴162。如以下进一步讨论的，第三齿轮系160包括第二分离状态，其中远端齿轮166与变速器马达112实体分离并且被实体锁定，并且从而不能旋转不能驱动远端内部齿轮164。
在第三齿轮系160(通过变速器马达112)的接合状态下，近端齿轮148和主轴144被锁定并且因此不能转动。以此方式，远端内部齿轮164的旋转轴线不能以围绕主轴144的旋转轴线的轨道运转。然而，远端内部齿轮164可以围绕其自身的旋转轴线旋转。因此，在接合状态下，远端齿轮166相对于主轴144旋转，并且因此最终通过变速器马达112的方式驱动远端内部齿轮164。
D.齿轮系构造
注意图7B，示出的是第二齿轮系150的代表性截面。第一齿轮系142和第三齿轮系160以相同的方式被配置，因此，以下描述适用于此类。然而，第一齿轮系142的近端齿轮148不包括所示出的内部齿轮齿和内部齿轮，因为近端齿轮148转动主轴144。
外科手术工具110的更大的壳体170固持变速器组件140。变速器马达112驱动第一输入齿轮172，该第一输入齿轮被每个齿轮系共享。第一输入齿轮172与怠速齿轮174啮合，怠速齿轮174进而和与中间齿轮156啮合的第二输入齿轮176啮合。第二输入齿轮176在臂(未示出)上，该臂围绕第一输入齿轮172旋转。如所示出的，第二输入齿轮176定位在轨迹的上部，并且从而与中间齿轮156啮合。第二输入齿轮176可以被移动以将第二输入齿轮176从中间齿轮156分离。输入弹簧176加载在第二输入齿轮176和壳体170之间以将第二输入齿轮176抵靠中间齿轮156偏置。
凸轮轴180沿着齿轮系设置。凸轮轴180一般在每个驱动链中包括两个凸轮叶片。所述叶片旋转以便使DOF机构与齿轮系接合和分离。
第一凸轮叶片182旋转以接合摇臂184的表面183。摇臂184围绕摇臂枢轴186是可移动的。摇臂184在摇臂的钩形部185处延伸以接合第二输入齿轮176。当第一凸轮叶片182的下部与摇臂184接合时，第二输入齿轮176与所示出的中间齿轮156接合。
当第一凸轮叶片182的高部与摇臂184的表面183接合时，摇臂184围绕摇臂枢轴186向下移动。由于摇臂184与第二输入齿轮176的接合，这种向下运动将第二输入齿轮176从中间齿轮156分离。因此，在第一凸轮叶片182的这个位置中，应用到第一输入齿轮的动力没有平移到中间齿轮156。
第二凸轮叶片186旋转以接合锁扣臂188的表面187，该锁扣臂围绕锁扣臂枢轴190枢转。锁扣臂188包括齿形部192，该齿形部可以移动以将齿形部192与中间齿轮156啮合。锁扣弹簧194加载在锁扣臂188与壳体170之间以将齿形部192偏置离开中间齿轮156。
当第二凸轮叶片186的下部与锁扣臂188的表面187接合时，如所示的，齿形部192从中间齿轮156移开。因此，在该位置中，中间齿轮156被解锁并且被允许旋转。
在系统故障的情况下，当吻合器被夹持在组织上时，提供了手动去夹持特征。在一些实施例中，如以下描述的，这可以通过使用者手动旋转凸轮轴180至大力抓取DOF状态而完成。如图7C所示，互锁凸轮190可移动至高状态以移动互锁标记192，互锁标记192可旋转且连接至单向离合器194，单向离合器194最终与中间轴152结合。在夹持状态下，互锁标记192借助单向离合器194提供给使用者接入以在仅允许爪被去夹持的方向上驱动中间轴152。
III.变速器转换方法
当第二凸轮叶片186的高部与锁扣臂188的表面187接合时，齿形部192被移动以接合中间齿轮156。该位置将中间齿轮156与锁扣臂188锁定，并且因此，中间齿轮156不能移动。锁定中间齿轮156的一个目的是将大力抓取DOF的最后位置锁定到锁定状态中。一般地，每个齿轮系以类似方式被锁定，从而产生不期望的运动。
凸轮轴180被配置成和谐地操作齿轮系，这通过凸轮轴正时实现。图8示出了用于操作变速器140的凸轮状态图表。如之前讨论的，齿轮系共享相同的凸轮轴，其例如为图7B所示的凸轮轴180。凸轮轴180提供给每一个齿轮系至少两个叶片，例如第一凸轮叶片182和第二凸轮叶片186与第二齿轮系150一起操作。然而，一些齿轮系可以包括更多个叶片。例如，在一些实施例中，该第一齿轮系包括用于操作摩擦锁的第三叶片。并且如图7C所示，可以包括额外的叶片作为安全机构以便在系统故障的情况下反向驱动DOF。
一般地，对于每个齿轮系，一个凸轮叶片可操作为控制动力接合，并且另一个凸轮叶片可操作为锁定该齿轮系。因此，每个齿轮系由动力凸轮和锁扣凸轮操作。用简单的术语说，每个凸轮具有低状态和高状态，之间具有过渡斜坡。每一个低状态和高状态的持续时间基于被提升的物体(例如锁扣臂188和摇臂184)的操作的期望的持续时间。
A.用于第一变速器模式的凸轮状态
凸轮状态图表示出了针对每个凸轮的360度旋转的低状态和高状态。在0度和360度的旋转中，变速器140被配置成为操作滚动DOF 132提供动力。如所示出的，用于每个齿轮系的动力凸轮处于高状态并且用于每个齿轮系的锁扣臂处于低状态。因此，第一齿轮系142被解锁并且与变速器马达112接合。以此方式，第一齿轮系142的锁扣臂从近端齿轮148分离并且第二输入齿轮与近端齿轮148接合。第二齿轮系150和第三齿轮系160也被解锁，并且中间齿轮156和远端齿轮166与变速器马达保持接触。
如以上所描述的，在滚动DOF 132的接合期间，中间齿轮156和远端齿轮166被要求与近端齿轮148同步旋转，因为中间内部齿轮154和远端内部齿轮164被固持在轴144内并且与轴144一起旋转。以这种方式，避免了在中间齿轮156/中间内部齿轮154和远端齿轮166/远端内部齿轮164之间的相对运动，从而避免了中间轴152和远端轴162的操作。相应地，尽管中间齿轮156和远端齿轮166保持与变速器马达112接合，并且因此在滚动操作中被转动，但是第二齿轮系150和第三齿轮系160没有操作相应的DOF。
B.针对第二DOF的凸轮状态
在凸轮轴180的大致120度的旋转处，变速器被配置成为大力抓取DOF 136提供动力。在此，第一齿轮系142和第三齿轮系160的动力凸轮处于低状态处，而第二齿轮系150的动力凸轮处于高状态处。以这种方式，第一齿轮系142和第三齿轮系160的第二输入齿轮分别从近端齿轮148和远端齿轮166分离，同时第二齿轮系150的第二输入齿轮与中间齿轮156接合。因此，只有中间齿轮156接收来自变速器马达112的动力。第一齿轮系142和第三齿轮系160的锁扣臂处于高状态处，并且第二齿轮系150的动力凸轮处于低状态处。以这种方式，第一齿轮系142和第三齿轮系160的锁扣臂分别与近端齿轮148和远端齿轮166接合，同时第二齿轮系150的锁扣臂从中间齿轮156分离。另外，互锁凸轮被驱动至高状态，如以上参考图7C所描述的。这允许使用者接入互锁标记以便在系统故障的情况下手动反向驱动第二齿轮系。
C.针对第三DOF的凸轮状态
在凸轮轴180的大致240度的旋转处，变速器被转换以提供动力给工具致动DOF138。在此，第一齿轮系142和第二齿轮系150的动力凸轮处于低状态并且第三齿轮系160的动力凸轮处于高状态。以此方式，第一齿轮系142和第二齿轮系150的第二输入齿轮分别从近端齿轮148和中间齿轮156分离，同时第三齿轮系160的第二输入齿轮与远端齿轮166接合。从而，只有远端齿轮166接收来自变速器马达112的动力。第一齿轮系142和第二齿轮系150的锁扣凸轮处于高状态并且第三齿轮系160的锁扣凸轮处于低状态。以此方式，第一齿轮系142和第二齿轮系150的锁扣臂分别与近端齿轮148和中间齿轮156接合，同时第三齿轮系160的锁扣臂从远端齿轮166分离。因而，只有远端齿轮166自由转动。
图9示出了变速器140的不同操作模式的高级图表，即在第一齿轮系142(滚动模式)、第二齿轮系150(抓取模式)和第三齿轮系160(工具致动模式)之间转换输出。在每一种模式之间，转换算法专用于每一种具体的模式到模式的转换。对于一些外科手术器械，在模式之间的过渡相对于该器械的长形轴的滚动位置可以是关键的，因为该滚动位置影响外科手术器械整体的位置。有时，在吻合器器械传动中在齿轮中具有后冲。随着时间推移，小后冲运动引起滚动/夹紧/射击取向/位置从其基准点漂移。为了补偿轻微后冲运动，可以将初始滚动位置定义为抵靠齿轮的一侧。作为转换算法的一部分，这些齿轮被偏置(移动)至这个位置，使得滚动位置参考齿轮中的后冲是一致的。这有助于改善转换准确位置，并且也可以针对其他输出轴完成。凸轮轴180必须管理用于滚动、抓取和工具致动功能的制动。重要的是，在启用这些特征之前，凸轮轴180处于针对滚动、抓取和工具致动的正确的位置。在一些实施例中，具有与凸轮轴180接合的滚动编码器，该滚动编码器允许软件监测凸轮位置，并且滚动、抓取和工具致动模式仅仅在凸轮被感测处于其正确取向时才被使能。从抓取模式转换至滚动模式的示例在图10中示出。然而，这种方法相对通用，并且适用于在变速器140的其他模式之间转换。
在操作1002处，控制器(例如患者侧推车104的处理器)接收命令(例如从外科医生控制台102)以从抓取模式(第二齿轮系150接合至变速器马达112)转换至滚动模式(第一齿轮系接合至变速器马达112)。因此，在操作1004处，控制器驱动转换器马达114以移动凸轮轴180并且从而将近端齿轮148与变速器马达112接合。在此操作期间，控制器等待凸轮轴180移动并且定期检查以确定所述移动是完成还是由于例如齿轮齿错位而已经停止。如果确定该操作已经停止，那么中止该转换。
在控制器已经确定近端齿轮148被锁定之后，控制器在操作1006处进行对准测试。对于对准测试，近端齿轮148使用变速器马达112被抵靠锁扣臂驱动以确定近端齿轮148和凸轮轴180被恰当对准，即在预定停靠位置处。在此操作中，变速器马达112被使用相对低的扭矩驱动以在相对低扭矩下尝试停止近端齿轮148的运动。如果该运动被停止，那么控制器确定近端齿轮148被恰当对准。如果运动没有停止，即过度运动而没有停止，则控制器确定近端齿轮148没有被恰当对准，并且中止转换。
在控制器已经确定近端齿轮148被对准之后，控制器在操作1008处进行制动测试以检查在允许使用前近端齿轮148是否被恰当制动。为了致动测试，近端齿轮148使用相对高扭矩抵靠锁扣臂被驱动以确定变速器马达112是否在施加的载荷下变为磁性饱和。如果是，这指示近端齿轮被恰当制动。如果变速器马达112在该扭矩下是不饱和的，那么停止该制动测试并且中止转换。
在操作1010处，控制器驱动转换器马达114以移动凸轮轴180并且从而解锁近端齿轮148。在此操作期间，控制器等待凸轮轴180移动并且定期检查以确定该移动是完成还是已经停止。如果确定操作已经停止，那么中止转换。如果操作没有停止，那么近端齿轮148被解锁并且能够用于操作1012。在一些情况下，尽管滚动模式是被许可的，但是不期望滚动该轴。因而，马达112的输出可以转换至不同的齿轮系，其基本上重复方法1000。
其他变体在本发明的精神范围内。因此，尽管本发明可适合于不同的修改和替代结构，但在这些附图中示出了特定的说明性实施例，并在上文中进行详细描述。然而，应理解，并不存在将本发明限制为所公开的一种或多种特定形式的意图，但相反，其意图在于覆盖所有落入本发明的精神和范围内的修改、替代构造和等价物，如由所附权利要求书限定的。
在描述本发明的上下文中(尤其在所附权利要求的上下文中)使用术语“一个”、“一种”以及“所述”和类似指代词试图覆盖单数和复数形式二者，除非在文中另有指明或清楚地与上下文相悖。术语“包括”、“具有”以及“包含”被视为开放式术语(即意为“包括但不限于”)，除非另有指明。术语“连接”应解释为部分或全部包含在内，附接到或结合在一起，尽管具有一些干预。在此叙述数值的范围仅旨在用作个别参考该范围内的每个单独数值的简写方法，除非在此另外指示，并且将每个单独数值并入说明书中，如同它在本文中被个别引用一样。在此描述的所有方法可以任何适合的顺序进行，除非在此另外指示或明显地与上下文矛盾。在此提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地描述本发明的实施例并且不对本发明的范围构成限制，除非另外指示。本说明书中的任何语言均不应解释为指示任何未要求保护的元件作为实施本发明的必要特征。
在此描述了本发明的多个优选实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。在阅读前述说明后，对本领域的普通技术人员而言，这些优选实施例的变化可以变得显而易见。本发明人预期技术人员可以在适当时采用这些变化，并且本发明人意图使本发明以与在此具体描述的方式不同的方式被实践。因此，本发明包括如可适用法律允许的所附权利要求书中列举的主题的所有修改和等同物。另外，除非本文另外指出或者明显地与上下文矛盾，否则上述元素在其所有可能的变型中的任何组合都被本发明包括在内。
在本文引用的所有参考文件，包括公开文件、专利申请和专利，都通过引用结合在此，并且其程度就如同单独地且确切地指明每个参考文件是通过引用而结合在此并以其全文在此提出。

Claims (20)

1.一种外科手术系统，包括：
患者侧推车；
马达；以及
遥控外科手术操作的器械，所述遥控外科手术操作的器械耦接至所述患者侧推车并且包括变速器和具有多个末端执行器部件的外科手术末端执行器，所述变速器由所述马达驱动并且包括：
第一执行器传动系，其包括：
第一齿轮；
第一输入齿轮；和
第一锁扣臂；以及
凸轮轴，其限定纵向轴线，所述凸轮轴包括：
第一动力凸轮；和
第一锁扣凸轮，
其中所述马达被配置成驱动所述凸轮轴至多个旋转状态，所述凸轮轴被配置成围绕所述凸轮轴的所述纵向轴线旋转，以及
其中在所述多个旋转状态的第一旋转状态中，所述第一动力凸轮被配置成使所述第一输入齿轮与所述第一齿轮接合，并且所述第一锁扣凸轮被配置成使所述第一锁扣臂从所述第一齿轮分离。
2.如权利要求1所述的外科手术系统，其中所述变速器还包括：
主输入齿轮，其被配置成与所述第一执行器传动系接合；和
怠速齿轮，其被配置成与所述主输入齿轮和所述第一输入齿轮接合。
3.如权利要求1所述的外科手术系统，其中在所述第一旋转状态中，所述第一动力凸轮和所述第一锁扣凸轮围绕所述凸轮轴的所述纵向轴线旋转120度。
4.如权利要求1所述的外科手术系统，其中所述变速器还包括：
第二执行器传动系，其包括：
第二齿轮；
第二输入齿轮；和
第二锁扣臂。
5.如权利要求4所述的外科手术系统，其中所述凸轮轴还包括：
第二动力凸轮；和
第二锁扣凸轮，
其中在所述第一旋转状态中，所述第二动力凸轮被配置成使所述第二输入齿轮与所述第二齿轮接合，并且所述第二锁扣凸轮被配置成使所述第二锁扣臂从所述第二齿轮分离。
6.如权利要求5所述的外科手术系统，其中所述变速器还包括：
第三执行器传动系，其包括：
第三齿轮；
第三输入齿轮；和
第三锁扣臂。
7.如权利要求6所述的外科手术系统，其中所述凸轮轴还包括：
第三动力凸轮；和
第三锁扣凸轮，
其中在所述第一旋转状态中，所述第三动力凸轮被配置成使所述第三输入齿轮与所述第三齿轮接合，并且所述第三锁扣凸轮被配置成使所述第三锁扣臂从所述第三齿轮分离。
8.如权利要求7所述的外科手术系统，其中在所述多个旋转状态的第二旋转状态中：
所述第一动力凸轮被配置成使所述第一输入齿轮从所述第一齿轮分离；
所述第一锁扣凸轮被配置成使所述第一锁扣臂与所述第一齿轮接合；
所述第二动力凸轮被配置成使所述第二输入齿轮与所述第二齿轮接合；
所述第二锁扣凸轮被配置成使所述第二锁扣臂从所述第二齿轮分离；
所述第三动力凸轮被配置成使所述第三输入齿轮从所述第三齿轮分离；以及
所述第三锁扣凸轮被配置成使所述第三锁扣臂与所述第三齿轮接合。
9.如权利要求8所述的外科手术系统，其中在所述多个旋转状态的第三旋转状态中：
所述第一动力凸轮被配置成使所述第一输入齿轮从所述第一齿轮分离；
所述第一锁扣凸轮被配置成使所述第一锁扣臂与所述第一齿轮接合；
所述第二动力凸轮被配置成使所述第二输入齿轮从所述第二齿轮分离；
所述第二锁扣凸轮被配置成使所述第二锁扣臂与所述第二齿轮接合；
所述第三动力凸轮被配置成使所述第三输入齿轮与所述第三齿轮接合；以及
所述第三锁扣凸轮被配置成使所述第三锁扣臂从所述第三齿轮分离。
10.一种外科手术系统，包括：
患者侧推车；
马达；
遥控外科手术操作的器械，所述遥控外科手术操作的器械耦接至所述患者侧推车并且包括变速器和具有多个末端执行器部件的外科手术末端执行器，所述变速器由所述马达驱动并且包括：
第一执行器传动系，其包括第一齿轮、第一输入齿轮和第一锁扣臂；和
凸轮轴，其限定纵向轴线，所述凸轮轴包括第一动力凸轮和第一锁扣凸轮；以及
控制器，其包括用于控制所述变速器的至少一个处理器，其中所述控制器被配置为：
驱动所述凸轮轴至多个旋转状态的第一旋转状态，其中所述凸轮轴围绕所述凸轮轴的所述纵向轴线旋转；
在所述第一旋转状态中，使所述第一输入齿轮经由所述第一动力凸轮与所述第一齿轮接合；以及
在所述第一旋转状态中，使所述第一锁扣臂经由所述第一锁扣凸轮从所述第一齿轮分离。
11.如权利要求10所述的外科手术系统，其中：
所述变速器还包括第二执行器传动系，所述第二执行器传动系包括第二齿轮、第二输入齿轮和第二锁扣臂，
所述凸轮轴还包括第二动力凸轮和第二锁扣凸轮，以及
所述控制器还被配置为：
在所述第一旋转状态中，使所述第二输入齿轮经由所述第二动力凸轮与所述第二齿轮接合；以及
在所述第一旋转状态中，使所述第二锁扣臂经由所述第二锁扣凸轮从所述第二齿轮分离。
12.如权利要求11所述的外科手术系统，其中：
所述变速器还包括第三执行器传动系，所述第三执行器传动系还包括第三齿轮、第三输入齿轮和第三锁扣臂，
所述凸轮轴还包括第三动力凸轮和第三锁扣凸轮，以及
所述控制器还被配置为：
在所述第一旋转状态中，使所述第三输入齿轮经由所述第三动力凸轮与所述第三齿轮接合；以及
在所述第一旋转状态中，使所述第三锁扣臂经由所述第三锁扣凸轮从所述第三齿轮分离。
13.如权利要求12所述的外科手术系统，其中在所述第一旋转状态中，所述马达驱动所述第一齿轮、所述第二齿轮和所述第三齿轮。
14.如权利要求13所述的外科手术系统，其中所述第一执行器传动系还包括限定纵向轴线的第一轴，并且其中所述第一齿轮、所述第二齿轮和所述第三齿轮围绕所述第一轴的所述纵向轴线同步旋转。
15.如权利要求12所述的外科手术系统，其中所述控制器还被配置为：
驱动所述凸轮轴至所述多个旋转状态的第二旋转状态；
在所述第二旋转状态中，使所述第一输入齿轮经由所述第一动力凸轮从所述第一齿轮分离；
在所述第二旋转状态中，使所述第一锁扣臂经由所述第一锁扣凸轮与所述第一齿轮接合；
在所述第二旋转状态中，使所述第二输入齿轮经由所述第二动力凸轮与所述第二齿轮接合；
在所述第二旋转状态中，使所述第二锁扣臂经由所述第二锁扣凸轮从所述第二齿轮分离；
在所述第二旋转状态中，使所述第三输入齿轮经由所述第三动力凸轮从所述第三齿轮分离；以及
在所述第二旋转状态中，使所述第三锁扣臂经由所述第三锁扣凸轮与所述第三齿轮接合。
16.如权利要求15所述的外科手术系统，其中在所述第二旋转状态中，所述马达仅驱动所述第二齿轮。
17.如权利要求16所述的外科手术系统，其中所述第二执行器传动系还包括限定纵向轴线的第二轴，并且其中所述第二齿轮围绕所述第二轴的所述纵向轴线旋转。
18.如权利要求15所述的外科手术系统，其中所述控制器还被配置为：
驱动所述凸轮轴至所述多个旋转状态的第三旋转状态；
在所述第三旋转状态中，使所述第一输入齿轮经由所述第一动力凸轮从所述第一齿轮分离；
在所述第三旋转状态中，使所述第一锁扣臂经由所述第一锁扣凸轮与所述第一齿轮接合；
在所述第三旋转状态中，使所述第二输入齿轮经由所述第二动力凸轮从所述第二齿轮分离；
在所述第三旋转状态中，使所述第二锁扣臂经由所述第二锁扣凸轮与所述第二齿轮接合；
在所述第三旋转状态中，使所述第三输入齿轮经由所述第三动力凸轮与所述第三齿轮接合；以及
在所述第三旋转状态中，使所述第三锁扣臂经由所述第三锁扣凸轮从所述第三齿轮分离。
19.如权利要求18所述的外科手术系统，其中在所述第三旋转状态中，所述马达仅驱动所述第三齿轮。
20.如权利要求19所述的外科手术系统，其中所述第三执行器传动系还包括限定纵向轴线的第三轴，并且其中所述第三齿轮围绕所述第三轴的所述纵向轴线旋转。
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