CN110868953B - 用于外科机器人的平移器械接口和包括该接口的外科机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本文提供了用于外科机器人中的外科器械。器械优选地是平移器械接口的一部分，并且可移除地耦接到外科机器人。一方面，平移器械接口具有安装在从动单元的远端上的从动毂、可插入在从动毂内的无菌护罩，以及具有用于接触可插入无菌护罩内的组织的末端执行器的器械。该器械在单次使用后可以是一次性的。外科机器人的手柄优选地耦接到平移器械接口，使得手柄处的致动引起末端执行器的移动以进行外科手术。

Description

用于外科机器人的平移器械接口和包括该接口的外科机器人 系统
相关申请的交叉参考
本申请要求2017年5月11日提交的美国临时申请序列号62/505,018的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及远程致动外科机器人和用于其的一次性器械。
背景技术
许多环境和应用要求使用遥控外科装置进行远程致动。这些应用包括在组装任务中的精细操纵、在狭窄地方的操纵、在危险或受污染的环境中的操纵、在无尘室或无菌环境中的操纵以及在外科手术环境中的操纵，无论是开放式领域还是微创的。尽管这些应用会随参数(诸如精确的公差和典型的最终用户)的变化而变化，但每个应用都需要远程操作系统提供许多相同的特征，诸如执行具有高刚度和精确度以及力反馈的灵巧操纵的能力。
现在将更详细地讨论外科手术应用，作为用于遥控装置系统的应用的代表性示例，其中存在已知的装置，但是在当前的现有技术中显著的缺点是明显的。
对于大多数外科程序来说，开放外科手术仍然是标准技术。它已经被医学界使用了几十年，并且包括通过在腹部或身体其他区域中形成长切口来执行外科手术任务，通过该切口插入传统的外科手术工具。但是，由于切口较长，这种方法对患者具有极强的侵害性，导致手术期间大量失血，并且通常会导致医院恢复期长且痛苦。
为了减少开放手术的侵入性，开发了腹腔镜检查法，一种微创技术。代替单个长切口，在患者体内制成若干个小切口，通过该小切口插入细长的外科器械和内窥镜相机。由于该过程具有微创性，该技术减少失血和疼痛并缩短住院时间。当由经验丰富的外科医生进行手术时，该技术可达到类似于开放手术的临床效果。然而，尽管具有上述优点，腹腔镜检查仍需要非常先进的外科技术来操纵刚性且长的器械。进入切口用作旋转点，从而降低了在患者体内放置和定向器械的自由度。相对于器械尖端，外科医生的手绕该切口的移动被颠倒并按比例放大(“支点效应”)，这降低了灵活性和灵敏度，并放大了外科医生的手的震颤。另外，长且直的器械迫使外科医生以手、手臂和身体不舒服的姿势工作，这在手术若干小时内会非常累。因此，由于腹腔镜器械的这些缺点，这些微创技术主要限于在简单手术中使用，而只有极少数的外科医生能够在复杂的过程中使用它们。
为了克服这些限制，开发了外科机器人系统以提供用于复杂的微创手术的易于使用的方法。借助计算机化的机器人接口，这些系统实现执行远程腹腔镜检查，其中外科医生坐在操纵台处，操纵两个主操纵器以通过若干个小切口进行手术。与腹腔镜检查一样，机器人方法也是微创的，在疼痛、失血和恢复时间方面，与开放手术相比具有上述优势。此外，与开放式和腹腔镜技术相比，它还为外科医生提供了更好的人体工程学。但是，尽管从技术上讲比较容易，但是机器人手术带来了若干负面影响。这些系统的主要缺点与现有机器人装置的极高复杂性有关，这些机器人装置具有复杂的机电系统，导致巨额的购置和维护成本，而这对于全球大多数外科部门而言都是无法承受的。这些系统的另一个缺点来自以下事实：当前的外科机器人很大，争夺了手术室环境中宝贵的空间，并且大大增加了准备时间。因此损害了对患者的接近，这与普遍缺乏力反馈一起增加了安全隐患。机器人系统的另一个潜在缺点是，任何计算机错误都可能导致外科手术末端执行器工具在患者身体上或患者体内发生不希望的漂移或移动。对于末端执行器在三个平移自由度(即，左/右、上/下、内/外)中的任一个的宏动作，此类计算机错误将尤其成问题，在外科手术期间末端执行器定位在患者身上或患者体内时这可以产生灾难性的破坏。
Madhani的WO97/43942、Cooper的WO98/25666和Burbank的美国专利申请公开号2010/0011900公开了一种机器人遥控外科器械，其设计用于在患者体内复制外科医生的手部移动。借助计算机化的机器人接口，该器械可以进行远程腹腔镜检查，其中外科医生坐在控制台处，操纵两个操纵杆以通过若干个小切口进行手术。但是，该系统没有自主性或人工智能，本质上是由外科医生完全控制的复杂工具。控制命令通过复杂的计算机控制的机电系统在机器人主设备和机器人从设备之间传输，这对于生产和维护而言非常昂贵，并且对于医院工作人员来说难以使用。
Beira的WO2013/014621(其全部内容通过引用并入本文)描述了一种用于远程操纵的机械遥控装置，其包括主从配置，该主从配置包括由运动学上等效的主单元驱动的从单元，使得从单元的每个部分模仿主单元每个对应部分的移动。尽管机械传动系统非常适合该装置，但是从手柄通过整个运动链到器械的缆线的低摩擦布线昂贵、复杂，并且需要精确的校准以及仔细的处理和维护。
另外，当前的遥控外科器械利用驱动单元和外科器械之间的各个自由度的旋转耦接或旋转和平移耦接的组合。例如，Karguth的美国专利申请公开号2016/0151115描述了一种耦接机构，其具有用于平移尖端移动的平移元件和用于旋转器械尖端移动的旋转元件。另外，Hares的WO2016/189284描述了具有组合的平移和旋转接合的驱动机构，并且Tierney的美国专利申请公开号2002/0072736描述了具有可驱动自由度的旋转耦接的接口。
由于利用自由度的旋转耦接的机器人遥控外科器械和复杂的机械遥控外科器械的高制造成本，因此此类器械必须在多个外科手术中重复使用，从而增加了复杂可靠性、再处理和性能要求。
因此，期望提供一种具有简单的可互换远侧器械的遥控装置。还期望具有设计用于外科手术环境的器械，使得可互换的远侧器械将是外科器械。
发明内容
本发明通过提供可移除地耦接到外科机器人的外科器械，克服了先前已知系统的缺点。有利地，在外科手术期间接触组织的相对低成本的外科器械是可移除的并且可以是一次性的，而外科机器人的更复杂、昂贵的部件是可重复使用的。外科机器人优选地包括一个或两个遥控外科手术臂，每个经由接口(诸如无菌护罩)可移除地耦接到外科器械。以这种方式，在整个外科手术过程中保持无菌状态。
外科机器人的(多个)手柄被机械地和/或电地耦接到平移器械接口。在优选实施例中，平移器械接口包括具有多个驱动单元的从动毂(从动毂安装在从动单元的远端)、可插入从动毂内的无菌护罩，以及具有末端执行器并可插入无菌护罩内的外科器械。单次使用后无菌罩可以是一次性的，并且可以预先消毒。在(多个)手柄处的致动以一个或多个自由度致动外科器械的末端执行器的移动。
根据一方面，该器械包括细长轴，该细长轴具有近侧区域、远侧区域以及在其之间延伸的内腔。该器械具有设置在远侧区域中的具有一个或多个自由度的末端执行器，以及设置在近侧区域中的致动器。致动器可以经由多个力传递元件耦接到末端执行器，力传递元件例如缆线和滑轮，或基于杆的力传递链，其设置在管腔中并被构造成与外科机器人的无菌护罩可释放地接合，并响应致动器处的平移移动来移动末端执行器。该器械在单次使用后可以是一次性的，并且可以被预先消毒。该器械还可以包括布置在近侧区域中的器械头部，该器械头部具有可旋转部分和锁定销。可旋转部分和锁定销允许器械接合无菌护罩。器械头部还可包括将器械与无菌护罩轴向对准的键。该器械还可以包括耦接至致动器的至少一个张力缆线，使得该至少一个张力缆线在多个力传递元件上提供张力。
根据一个方面，致动器包括一对接合器，该对接合器的尺寸和形状设计成可释放地耦接到从动毂的相应容器，使得多个驱动单元中的一个的移动在该对接合器中的第一接合器处引起第一方向上的平移移动，并且在该对接合器中的第二接合器处引起相反方向上的对应的平移移动，从而使末端执行器在多个自由度中的第一自由度上移动。响应于在外科机器人的无菌护罩处的平移移动，每对接合器优选地沿近侧区域处的路径平行于细长轴的纵向轴线移动。致动器还可包括第二对和第三对接合器，每对接合器响应于外科机器人的无菌护罩处的平移移动而独立地移动，以分别致动第二自由度和第三自由度上的移动。第一对、第二对和第三对接合器分别经由第一、第二和第三力传递元件优选地耦接到末端执行器。以这种方式，在每对接合器处的平移移动致动末端执行器在自由度上的移动。在一个实施例中，每对接合器包括一对钩，其被构造成将无菌护罩处的对应容器接合到外科机器人。
本文中还提供了从动毂，该从动毂被安装到遥控外科手术臂的从动单元。根据一个方面，从动毂具有开口，该开口的尺寸和形状被设置成接收无菌护罩和器械的细长轴。无菌护罩在外科器械与从动毂以及遥控外科手术臂之间提供了无菌屏障。因此，无菌护罩可包括被构造成通过从动毂的开口接收的近侧部件，以及被构造成当近侧部件设置在从动毂的开口内时与近侧部件接合的远侧部件。近侧部件或远侧部件可以具有不对称形状，该不对称形状使近侧部件或远侧部件相对于从动毂中的开口定向。从动毂可以围绕从动单元的轴线旋转，使得末端执行器也围绕该轴线旋转。
根据一个方面，从动毂包括可释放地与致动器相互接合的容器，其中，当相互接合时，容器和致动器的平移运动经由力传递元件来致动末端执行器。从动毂还可以包括至少一个张力缆线，该张力缆线耦接到容器，使得当没有器械插入时，至少一根张力缆线在容器上提供张力。驱动单元可以是例如电动机、液压元件或其他机械装置，其可操作地耦接到容器以引起容器和致动器的平移。例如，电动机的旋转运动可经由缆线和滑轮的系统或齿轮系、丝杠和丝杠螺母在致动器处引起平移运动。因此，无菌护罩包括耦接在致动器和容器之间的滑动元件。优选地，滑动元件使容器与致动器自动对准。
遥控外科器械可以包括耦接到多个驱动单元的控制系统。另外，器械可以包括识别标签，使得控制系统从识别标签检测关于器械的信息。例如，识别标签可以对器械类型、序列号、校准数据、运动范围数据、末端执行器运动学或控制偏移中的一个进行编码。控制系统也可以耦接到可以感测器械未对准的传感器。因此，控制系统可以响应于传感器感测到的器械未对准而生成警报。
根据本发明的一个方面，包括具有末端执行器的外科器械的平移器械接口被构造成可移除地耦接到遥控外科器械，该遥控外科器械可以是纯机械的、纯机电的或是机械和机电的组合。在一个示例中，外科器械末端执行器处的微观移动在三个自由度上被机电致动，例如，打开/关闭、俯仰、横摆，而在末端执行器的三个平移自由度(即，左/右、上/下、内/外)上的宏观移动由遥控外科器械机械地控制。在该示例中，可以机电地或机械地控制第七自由度，即转动(pronosupination)。优选地，外科器械被设计为可移除地耦接到遥控外科器械的从动单元。在一个实施例中，遥控外科器械包括具有力传递元件的主单元，例如，多个刚性主连杆和/或缆线和滑轮，以及主关节和手柄，以及具有力传递元件的从动单元，例如，多个刚性从动连杆和/或缆线和滑轮，以及从动关节。主单元可以经由主单元和从动单元两者的多个力传递元件运动地连接到从动单元，使得主单元的移动将在从动单元处再现，并且在此移动期间主单元的每个刚性连杆保持平行于从动单元的对应刚性连杆。
附图说明
图1A示出了根据本发明的原理构造的示例性遥控外科机器人。
图1B示出了可由图1A的手柄控制的末端执行器的四个自由度。
图1C和图1D示出了具有图1A的平移器械接口的其他示例性遥控外科机器人。
图2示出了根据本发明的原理构造的示例性平移器械接口的局部视图。
图3示出了图2的平移器械接口的示例性从动毂。
图4示出了图2的平移器械接口的示例性无菌护罩。
图5A-C示出了图4的无菌护罩插入图3的从动毂中。
图6A示出了图2的示例性器械，图6B-C示出了图6A的器械头部，并且图6D示出了图6A的末端执行器。
图7A-C示出了将图6A的器械插入在图3的从动毂内的图4的无菌护罩中。
图8示出了根据本发明的原理构造的另一示例性平移器械接口。
图9A-9D示出了根据本发明的原理构造的又一示例性平移器械接口。
图10A和图10B示出了另一示例性从动毂，其中七个自由度被机械致动。
图10C示出了用于将图10A和图10B的从动毂附接到遥控外科器械的附接接口。
图11A示出了附接接口，该附接接口用于将从动毂附接到具有机械致动的四个自由度和机电致动的三个自由度的遥控外科器械。
图11B示出了附接接口，该附接接口用于将从动毂附接到具有机械致动的三个自由度和机电致动的四个自由度的遥控外科器械。
图12描绘了根据示例性实施例的平移器械接口的平移移动。
具体实施方式
本文描述了根据本发明的原理构造的可以在微创外科手术中或在其他应用中使用的遥控外科器械。参照图1A，示出了示例性的遥控外科器械10，其具有平移器械接口200，该平移器械接口200包括具有末端执行器506的可拆卸外科器械500。遥控外科器械10被设计成主-从配置，其中由多个刚性从动连杆和从动关节制成的从动单元30通过由多个刚性主连杆和主关节制成的主单元20在运动学上驱动。优选地，从动单元30的每个部分模仿主单元20的每个对应部分的移动，而在该装置的操作期间不偏离远程运动中心(RCM)。如本领域的技术人员将理解的，两个相同的遥控外科器械可以同时且彼此独立地操作，例如，一个用于外科医生的左手，并且另一个用于外科医生的右手。优选地，遥控外科器械被优化用于外科手术。
如图1A所示，从动单元30具有多个从动关节和多个力传递从动元件，例如，刚性连杆、缆线和滑轮和/或基于杆的力传递链，并且主单元20具有多个主关节和多个力传递主元件，例如刚性连杆、缆线和滑轮和/或基于杆的力传递链。从动单元30的从动关节和主单元20的主关节可以经由在主单元20的多个主关节和从动单元30的多个从动关节之间延伸的多个力传递主从元件而耦接，使得主单元20的力由从动单元30再现。例如，主单元20经由手柄100的移动可以控制从动单元30的远端40的定位以及外科器械500在患者体内的平移移动。在一个实施例中，刚性连杆用于在三个平移自由度上的平移移动，使得主单元20的每个刚性连杆在这种移动期间保持与从动单元30的对应刚性连杆平行。在Beira的WO2016/162752中概念性地描述了图1A的示例性主-从配置，该专利的全部内容通过引用并入本文。
如图1A所示，遥控外科器械10包括手柄100和平移器械接口200。手柄100优选包括经由多个力传递元件运动地连接到从动单元30的多个刚性手柄连杆和手柄关节，该多个力传递元件例如刚性连杆、缆线和滑轮，和/或基于杆的力传递链，它们在手柄100的手柄关节和从动单元30的从动关节之间延伸，以使手柄100的移动由平移器械接口200再现。例如，手柄100的移动可能会引起平移器械接口200的末端执行器506在三个平移自由度(例如，向左/向右、向上/向下、向内/向外)上移动，因为施加到手柄100的刚性连杆的力在主单元30的多个刚性连杆上施加力，这在从动单元20的多个刚性连杆上施加力，并且在末端执行器506上施加力。如图1A所示，手柄100在左方向21上的移动引起平移器械接口200的末端执行器506在左方向31上移动，并且手柄100在右方向22上的移动引起平移器械接口200的末端执行器506在右方向32上移动。手柄100在向上方向23上的移动引起平移器械接口200的末端执行器506在向上方向33上移动，并且手柄100在向下方向24上的移动引起平移器械接口200的末端执行器506在向下方向34上移动。手柄100在向外方向25上的移动引起平移器械接口200的末端执行器506在向外方向35上移动，并且手柄100在向内方向26上的移动引起平移器械接口200的末端执行器506在向内方向36上移动。另外，手柄100可以旋转，引起器械500转动，例如，器械500绕器械500的纵向轴线旋转。
手柄100可以电耦接到平移器械接口200，并且包括用户接口，例如，多个传感器、触觉元件、按钮、开关、触发器等，其在被致动时，在第一关节自由度(例如俯仰)和第二关节自由度(例如，偏航)上致动平移器械接口200的末端执行器506的移动，以提供类人手腕般的灵巧性，并且在第三致动自由度(例如打开或关闭)上致动。例如，手柄100可以经由从手柄100延伸通过主单元20和从动单元30到平移器械接口200的电线耦接到平移器械接口200。
有利地，可以将遥控外科器械10设计成使得在3个自由度(例如，打开/关闭、俯仰、偏航)上在末端执行器处的微观移动被机电致动，而末端执行器的三个平移自由度，即，左/右、向上/向下、向内/向外，例如经由多个刚性连杆机械地控制。在该示例中，可以机电地或机械地控制第七自由度，即转动。以这种方式，遥控外科器械10提供了机电控制的微观移动的优点和机械控制的宏观移动的优点。
如图1B所示，手柄100沿方向42绕轴线43的移动引起平移器械接口200的末端执行器506沿方向52绕轴线53偏航。手柄100沿方向44绕轴线45的移动引起平移器械接口200的末端执行器506沿方向54绕轴线55俯仰。手柄100的致动，例如在方向46上拉动手柄100的扳机，引起平移器械接口200的末端执行器506沿方向56打开或关闭。在一个实施例中，手柄100可具有接口，该接口在例如沿着轴向方向41被致动时，在第四旋转自由度(例如，转动)上致动平移器械接口200的末端执行器506沿着轴向51的移动。接口可以包括例如按钮、开关、触发器等。
如本领域的普通技术人员将容易理解的那样，平移器械接口200可以与其他遥控外科器械一起操作，例如机电的和/或机械的。另外，如下面进一步详细描述的，平移器械接口200可以是机电的，例如经由电动机致动的，或者是机械的，例如经由平移刚性连杆驱动的变速器、液压缸和/或气动元件致动的。例如，当平移器械接口200是机电的时，平移器械接口200可以被附接到机械遥控外科器械例如遥控外科器械10并由其操作，使得平移自由度例如左/右、向上/向下、向内/向外被械地致动，而关节自由度，例如俯仰和偏航，以及致动自由度，例如打开/关闭被机电致动。作为另一示例，当平移器械接口200是机械的，例如经由平移的刚性连杆驱动的变速器、液压缸或气动元件致动时，平移自由度例如左/右、向上/向下、向内/向外被机械致动，并且关节自由度，例如俯仰和偏航，以及致动自由度，例如打开/关闭被机械致动。另外，可经由在手柄100和平移器械接口200之间延伸的一根或多根缆线和滑轮机电地或机械致动旋转自由度，例如转动。因此，在各种示例中，具有平移器械接口200的遥控外科器械10具有(i)机械致动的七个自由度，(ii)机械致动的四个自由度和机电致动的三个自由度，或(iii)机械致动的三个自由度和机电驱动四个自由度。
如图1C所示，平移器械接口200′可以附接到机械式遥控外科器械11并由其操作。图1C的平移器械接口200′与图1A的平移器械接口200类似地构造。图1C的示例性主-从配置在Beira的美国专利申请公开号2014/0195010中进行了描述，其全部内容通过引用并入本文，并且先前并入Beira的WO2016/162752。类似于遥控外科器械10，遥控外科器械11的平移自由度(例如左/右、向上/向下、向内/向外)的宏观移动被机械致动，而关节自由度(例如俯仰和偏航)上的微观移动，以及平移器械接口200′的致动自由度(例如打开/关闭)上的微观移动被机电致动。作为另一示例，平移器械接口200′是机械的，例如，经由平移的刚性连杆驱动的变速器、液压缸或气动元件致动，使得平移自由度(例如，左/右、向上/向下、向内/向外)被机械致动，并且关节自由度(例如俯仰和偏航)以及致动自由度(例如打开/关闭)被机械致动。另外，可以经由在手柄100′和平移器械接口200′之间延伸的一根或多根缆线和滑轮，机电地或机械致动遥控外科器械11的旋转自由度(例如转动)。因此，在各种示例中，具有平移器械接口200′的遥控外科器械11具有(i)机械致动的七个自由度，(ii)机械致动的四个自由度和机电致动的三个自由度，或者(iii)机械致动的三个自由度和机电致动的四个自由度。在遥控外科器械11具有机械致动的三个平移自由度和机电致动的三个关节/致动自由度的示例中，遥控外科器械11提供了机电控制的微观移动的优点和机械控制的宏观移动的优点。。
如图1D所示，可将平移器械接口200″附接到机电遥控外科器械的机器人从动单元12并由其操作。如本领域的技术人员将理解的，机器人从动单元12可以例如经由从机器人从动单元12延伸的电线电耦接到具有手柄(未示出)的机电远程外科器械的主单元。图1D的平移器械接口200″的构造类似于图1A的平移器械接口200。因此，平移自由度(例如，左/右、向上/向下、向内/向外)、关节自由度(例如俯仰和偏航)、致动自由度(例如打开/关闭)以及旋转自由度(例如转动)被机电致动。因此，在各种示例中，具有平移器械接口200″的遥控外科器械12具有机电致动的七个自由度。
现在参考图2，描述了根据本发明的一个方面构造的示例性平移器械接口。平移器械接口200被设计成安装到遥控外科器械10的从动单元30的远端40。平移器械接口200示例性地包括从动毂300、无菌护罩400和器械500。如图2所示，无菌护罩400被插入从动毂300的内腔内，并且器械500被插入无菌护罩400的内腔内，使得无菌护罩400在从动毂300和器械500之间提供无菌的机械连接。无菌护罩400被可移除地耦接到从动毂300，并且器械500可移除地耦接到无菌护罩400。以这种方式，无菌护罩400和器械500可被插入到从动毂300中以及从其移除，以在外科手术期间插入和更换器械500，并分别在外科使用之前和之后插入和移除无菌护罩400。以这种方式，可以将使用过的外科器械移除并更换成未使用的外科器械，以用于现在通过未使用的外科器械一起进行另一次手术。
现在参考图3，描述了根据本发明的一个方面构造的示例性从动毂。从动毂300可以安装到从动单元30的远端，诸如本文所述的遥控外科器械的那些，使得从动毂300可以绕其纵向轴线旋转，例如，转动。从动毂300优选地包括内腔302，该内腔的尺寸和形状设计成接收无菌护罩400，以及用于在一个或多个自由度上致动器械500的末端执行器506的移动的驱动单元304。
驱动单元304例示性地包括三个单独的驱动单元，每个驱动单元用于控制三个自由度中的一个。在末端执行器506的串联运动学的示例中，一个驱动单元可以致动末端执行器以打开和/或关闭，另一驱动单元可以铰接该末端执行器的俯仰，而另一个驱动单元可以铰接该末端执行器的偏航。在末端执行器506的串并联运动的示例中，一个驱动单元可将末端执行器铰接成偏航，并且各自控制末端执行器506的一个叶片的两个驱动单元可致动末端执行器以执行俯仰铰接运动。在一个实施例中，驱动单元304包括第四驱动单元，该第四驱动单元铰接末端执行器的转动。假定各个驱动单元在结构和功能上是相同的，并且由于所致动的自由度取决于末端执行器的部件的布置，因此以下描述将以驱动单元304代表每个各个驱动单元。
在图3中，从动毂300包括上板301和下板303，使得驱动单元304从上板301的上侧(在上板301和下板303之间)延伸到下板303的相对侧。驱动单元304包括电动机306和耦接到容器310的线性指示器308。电动机306优选地经由例如电线和控制系统电耦接到手柄100，使得经由其用户接口致动手柄100使电动机306能够根据本发明的原理进行操作。例如，电动机306可以通过使驱动滑轮314旋转来使线性指示器308沿着杆312平移移动，其中驱动滑轮314经由缆线316，例如柔性元件诸如金属或聚合物缆线或半刚性元件诸如金属带运动学地耦接到线性指示器308。驱动单元304可包括滑轮318，滑轮318用于将由于驱动滑轮314的轴向旋转而引起的缆线316的运动转换成平移运动，以平移移动线性指示器308。
线性指示器308可具有两个单独的线性指示器，使得每个线性指示器经由各自的缆线或带和滑轮在运动学上耦接到驱动器滑轮314，并且其中每个线性指示器在彼此相反的方向上运动，例如当驱动器滑轮314使一个线性指示器在一个方向上移动时，另一线性指示器在相反方向上等量移动。在一个实施例中，两个线性指示器经由单根缆线耦接到驱动器滑轮314。因此，每个驱动单元可以经由线性指示器308的两个线性指示器来致动两个容器的移动。线性指示器308被设计成响应于电动机306的致动而沿着杆312线性地移动。在一个实施例中，线性指示器是线性移动的液压或气动活塞。
在将器械500插入从动毂300的内腔302内的无菌护罩400的内腔之前，从动毂300可以保持最小的“停用”张力，以将缆线316保持在其适当的路径中并防止散开。例如，可通过经由缆线320(例如，金属或聚合物缆线)和滑轮322向线性指示器308施加力来闭合缆线316的环，从而获得最小的“停用”张力。可设置滑轮322在下板303的相对侧上，使得缆线320从线性指示器中的一个通过滑轮322延伸到衬里指示器308的另一个线性指示器，从而使线性指示器308朝下板303偏置。
当将器械500插入从动毂300的内腔302内的无菌护罩400中时，如下面进一步详细描述的，从动毂300可以具有“使用中”张力，使得平移器械接口200可以具有足够的刚度以确保力可以从从动毂300传递到器械500。“使用中”张力可比最小的“停用”张力高得多。该“使用中”张力可以由设置在上板301的一侧上的在上板301和驱动板305之间的弹簧324提供。例如，在将器械500插入从动毂300的内腔302内的无菌护罩400的内腔之前，弹簧324可以处于释放、未压缩状态。在将器械500插入无菌护罩400的内腔中时，器械500的接合器与线性指示器308接触，在下板303的方向上向驱动单元304施加力。该力压缩弹簧324，从而在适当的张力和对准下设定从动毂300的缆线316和器械500的力传递元件。
现在参考图4，描述了根据本发明的一个方面构造的示例性无菌护罩。无菌护罩400的尺寸和形状设置成在无菌环境中将非无菌从动毂300与无菌器械500隔离开，并且可以具有上部件404和下部件406。以这种方式，器械500在整个外科手术过程中保持无菌，并然后可以单次使用后被重新处理或处置。无菌护罩400也可以在单次使用后是一次性的，尽管无菌护罩400可以在外科手术之后被重新消毒并重新使用。有利地，在外科手术期间与组织接触的遥控外科器械的部分(优选仅器械500)是一次性的，而遥控外科器械的更复杂、昂贵的部件可重复使用。
无菌护罩400包括内腔402，该内腔的尺寸和形状设计成在其中容纳器械500。上部件404可以由从动毂300的管腔302的上端接收，例如，靠近上板301。下部件406可以由从动毂300的管腔302的下端接收，例如，靠近下板303。上部件404被成形为与下部件406接合以形成无菌屏障。上部件404可包括内腔402内的狭缝408，其形状和大小被设置成允许器械500和无菌护罩400之间的锁定接合。例如，狭缝408的尺寸和形状可被设置成允许器械500的锁定销进入并随器械500的旋转而旋转，使得锁定销沿着狭缝408行进，以将器械500固定在无菌护罩400的内腔402内，并产生允许压缩弹簧324的机械优势，使得缆线处于“使用中”张力，如上所述。
无菌护罩400例示性地包括可移动滑块410，以在从动毂300的容器310与器械500的对应致动器之间提供机械连接，这将在下面进一步详细描述。可移动滑块410可取决于从从动毂300传递至器械500的机械力而沿着平行于无菌护罩400的纵向轴线的路径412(例如，在狭槽中)平移移动。可移动滑块410优选地包括一定量的个体滑动元件，其对应于从动毂300的容器的数量。例如，当从动毂300具有三个驱动单元，每个驱动单元耦接到两个线性指示器时，从动毂300具有六个容器，并且相应地，无菌护罩400具有六个滑动元件。无菌护罩400也可以集成在无菌套筒414上，从而为整个从动单元30或整个遥控外科器械10创建无菌屏障。
现在参考图5A-C，描述了无菌护罩400插入从动毂300中。如图5A中所示，无菌护罩400的上部件404可被插入通过从动毂300的管腔302的上端，例如，靠近上板301，使得上部件404定位在从动毂300的管腔302内。从动毂300的管腔302和上部件404可具有对应的不对称形状，例如水滴或非对称三角形，使得上部件404可仅以特定的轴向定向穿过管腔302插入。
如图5B所示，当无菌护罩400的上部件404定位在从动毂300的管腔302内时，容器310与可移动滑块410的一侧(例如底侧)接合。如图5B所示，可移动滑块410和容器310可具有使从容器310到可移动滑块410的机械力的传递最大化的横截面形状，例如，容器310可具有钩形，而可移动滑块410可具有S形横截面以在一侧上与容器310接合，并且在另一侧上与器械500的对应致动器接合，如下面进一步详细描述。如本领域技术人员将理解的那样，可移动滑块410和容器310可具有其他横截面形状，以最大化从容器310到可移动滑块410的机械力传递。因此，当线性指示器308沿从动毂300的杆312移动时，容器310将在可移动滑块410上施加机械力，以使可移动滑块410和容器310都将沿无菌护罩400的路径410平移。
如图5C所示，无菌护罩400的下部件406可通过从动毂300的内腔302的下端插入，例如靠近下板303，使得下部件406定位在从动毂300的内腔302内并且与上部件404接合。例如，下部件406可卡入上部件404中以产生无菌屏障。在另一个示例中，下部件406可以旋转成上部件404，从而与上部件404形成锁定接合，使得上部件404不能相对于从动毂300的管腔302旋转。因此，在将器械500插入无菌护罩400的管腔402中时，如在下面进一步详细描述的，使锁定销沿着狭缝408行进以将器械500固定在管腔402内所需的器械500的旋转不会引起无菌护罩402的上部件404旋转。从动毂300的管腔302和下部件406可具有对应的不对称形状、水滴或不对称三角形，使得下部件406可仅以特定的轴向定向穿过内腔302插入。
现在参考图6A，描述了根据本发明的一个方面构造的示例性器械。如图6A所示，器械500例示性地包括在器械500的近侧区域处的头部502、在器械500的远侧区域处的末端执行器506和在其间延伸的优选伸长的杆504。器械500还可以包括穿过头部502和轴504延伸的内腔508。在一个实施例中，内腔508仅延伸穿过轴504。器械500的尺寸和形状设计成插入穿过无菌护罩400的内腔402，并与从动毂300线性接合，使得将从动毂300的力平移地传递到器械500，以致动末端执行器506在一个或多个自由度(例如一个、两个、三个或四个自由度)上的移动。器械500可以是可重复使用的，但是优选在单次使用后是一次性的。器械500在末端执行器506例如电外科手术中使用的单极钩处可不需要任何自由度。
现在参考图6B-6C，进一步详细描述头部502。如图6B所示，头部502包括延伸穿过其中的内腔508。当末端执行器506具有电外科器械时，管腔508的尺寸和形状可以被设置成接收电耦接到电外科发生器的缆线。头部502可具有可旋转部分510和固定部分512。例如当将器械500定位在无菌护罩400的管腔402内时，可旋转部分510相对于固定部分512绕器械500的纵向轴线旋转。可旋转部分510可包括锁定销514，其尺寸和形状被设计成进入无菌护罩400的上部件404的狭缝408，使得可旋转部分的旋转510致使锁定销514进入狭缝408并在无菌护罩400内固定器械500。如本领域技术人员将理解的，锁定销514可以具有可以将器械500有效地固定在无菌护罩400内的任何形状。可旋转部分510可以沿着可旋转部分510的表面具有凹槽516，使得遥控外科器械10的操作者可以实现增强的抓握，并使可旋转部分510更容易旋转。
头部502可以包括键518，例如普卡轭，其形状和尺寸使得确保器械500在无菌护罩400内的适当的轴向对准。因此，无菌护罩400的管腔402包括用于当器械500插入无菌护罩400内时接收键518的通道。
在一个实施例中，头部502具有识别标签，例如RFID或条形码，其被构造成存储关于器械500的信息，例如器械类型、序列号、校准数据、运动范围，诸如自由度的数量和类型的末端执行器运动学，所述自由度包括包括串行-串行、串行-并行、偏航-俯仰-致动、俯仰-偏航-致动、横滚-俯仰-偏航-致动、俯仰-横滚-致动等，或控制偏移。可以通过扫描识别标签和/或将遥控外科器械电耦接到器械500，经由遥控外科器械的控制系统从识别标签中检测此类器械信息。
头部502优选地包括致动器520，其被允许响应于在该遥控外科器械的手柄处的用户输入而平移移动，以在多个自由度上在末端执行器处致动移动。优选地，致动器520例如经由无菌护罩400耦接到从动毂300，并且从动毂300处的平移移动引起致动器520处的平移移动。例如，致动器520可以包括多个接合器521，其响应于由在遥控外科器械的手柄处的用户输入引起的在耦接到接合器(例如经由护罩400的对应滑块410)的从动毂300的对应容器310处的平移移动而独立地沿着对应线性路径522(例如，在轴的近侧区域中的狭槽)平移移动。致动器520的尺寸和形状设计成在与从动毂300的容器310的一侧相对的一侧上接触无菌护罩400的可移动滑块410。例如，致动器520可具有钩形或本领域中理解的任何其他形状以最大化容器310和致动器520之间的力传递。致动器520可经由设置在轴504的内腔508内的多个力传递元件被耦接到末端执行器506，如在下面进一步详细描述。当被致动时，致动器520经由(多个)力传递元件将力施加到末端执行器506，以使末端执行器506在至少一个自由度上移动。例如，致动器520可以以平移的方式移动，例如，在平行与细长轴504的纵向轴线的方向上，细长轴504继而经由在其间耦接的力传递元件来移动末端执行器506。
根据本发明的一方面，器械头部502可具有一种标准尺寸/直径，而器械轴504和末端执行器506具有一定范围的直径。具体地，器械头部502的直径可以为10mm，而器械轴504和末端执行器506的直径可以为3mm、5mm、8mm或10mm。因此，从动毂300和无菌护罩400的尺寸和形状可以被设定为接收具有不同直径的器械。临床上，根据过程，可以使用一定范围的工具。
如图6C所示，致动器520可以在一端耦接到力传递元件524，例如，诸如钢、复合或聚合物棒之类的刚性元件，诸如钨、钢、聚合物或迪尼玛(Dyneema)缆线、丝或绳索之类的柔性元件，或半刚性元件诸如金属带，其中力传递元件524在其另一端耦接到末端执行器506的部件，以便致动器520在三个自由度中的一个上致动末端执行器506的移动。如上所述，致动器520还可以包括多个接合器521。例如，致动器520可以包括第一接合器、第二接合器和第三接合器，该第一接合器经由第一力传递元件耦接到末端执行器506的第一部件，以使末端执行器506响应于施加在第一接合器处的力在第一自由度上移动(例如打开和关闭)，该第二接合器经由第二力传递元件耦接到第二部件末端执行器506，以使末端执行器506响应于施加在第二接合器处的力在第二自由度上移动(例如俯仰)，该第三接合器经由第三力传递元件耦接到末端执行器506的第三部件，以使末端执行器506响应于施加在第三接合器处的力在第三自由度上移动(例如偏航)。响应于在手柄100处的用户输入，可以例如经由从动毂的第一、第二或第三液压和/或第一、第二或第三电动机施加被施加到致动器520的第一、第二和第三接合器的力。在一个实施例中，致动器520包括第四接合器，该第四接合器经由第四力传递元件耦接到末端执行器506的第四部件，以响应于施加在第四接合器处的力(例如经由第四液压、从平移器械接口200延伸到手柄100的一个或多个缆线和滑轮，和/或在手柄100处电耦接到用户接口的第四电动机)在第四自由度(例如转动)上移动末端执行器506。
根据一个方面，每个接合器521可响应于施加在外科机器人的手柄100处的用户输入而独立地致动。例如，用户响应于例如通过移动三维操纵杆在手柄100处的用户接口处施加的用户输入来致动致动器520，这继而激活从动毂300处的对应电动机以沿器械500的近端(例如平行于轴504的纵向轴线)平移移动接合器521。接合器521的此种平移移动使耦接到其的力传递元件524移动，这使末端执行器506在自由度上移动。
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，尽管针对每个自由度描述了单个接合器，但是每个接合器可以包括一对接合器，如图所示。例如，三对接合器可用于控制三个自由度，每对接合器控制一个自由度。每对接合器经由将控制各自的自由度的一个或多个力传递元件524在运动学上连接至末端执行器506的相应部件。一对接合器中的每个单独接合器在彼此相反的方向上移动，例如，当容器向接合器施加力使接合器在一个方向上移动时，该对接合器中的对应接合器将以等量在相反方向上移动。因此，从动毂300的每个驱动单元可以经由耦接到线性指示器308的两个容器来致动一对接合器的移动。
在将器械500插入无菌护罩400中之前，器械500可以保持最小的“停用”张力，以将力传递元件524保持在其适当的路径中并防止松散。例如，可以通过经由缆线526(例如金属或聚合物缆线)和设置在头部502内的滑轮528向致动器520施加力来闭合力传递元件524的环来实现最小的“停用”张力。滑轮528可以朝向头部502的可旋转部分510设置，使得缆线526从接合器中的一个通过滑轮528延伸到致动器520的一对接合器中的另一个接合器。
现在参考图6D，描述了示例性的末端执行器。平移器械接口200可以电耦接到手柄100，以将末端执行器506的多个自由度上的移动连接至手柄100的对应自由度上的移动可控制性，使得当遥控外科器械10被操作时末端执行器506复制手柄100的移动。如上所述，致动器520的每个接合器521可以耦接到末端执行器506的相应部件，该末端执行器506将经由相应的一对力传递元件524来控制相应自由度。例如，第一接合器可以经由力传递元件524的元件而耦接到末端执行器506的偏航部件530，使得第一接合器的致动将铰接末端执行器506的偏航自由度；第二接合器可以经由力传递元件524的元件耦接到末端执行器506的俯仰部件532，使得第二接合器的致动将铰接末端执行器506的俯仰自由度；并且第三接合器可以经由力传递元件524的元件耦接到末端执行器506的打开和关闭部件534，使得第三接合器的致动将致动末端执行器506的打开和关闭自由度。可以经由遥控外科器械10的主-从配置来致动末端执行器506的转动自由度，使得手柄100的旋转引起从动单元30例如经由从手柄100延伸到从动毂300的一根或多根缆线和滑轮旋转从动毂300并且有效地旋转末端执行器506。在一个实施例中，第四接合器可以经由力传递元件524的元件耦接到末端执行器506的转动部件，使得第四接合器的致动将铰接末端执行器506的转动自由度。
现在参考图7A-C，描述了将器械500插入从动毂300内的无菌护罩400中。如图7A所示，器械500可插入无菌护罩400的管腔402内。如上所述，器械头部502可包括键518(未示出)，使得器械500可在无菌护罩400内适当地对准，例如，如图7B所示，致动器520的每个接合器521与从动毂300的对应容器310和无菌护罩400的可移动滑块410接合。当无菌护罩400定位在从动毂300的内腔302内时，容器310的至少一个容器可以不与对应的可移动滑块410接触。然而，当器械500插入无菌护罩400的内腔402内时，对应致动器520将接触可移动滑块410，并沿路径412平移推动可移动滑块410，使得可移动滑块410的另一侧接触对容器310，从而确保致动器520、可移动滑块410和容器310的正确和自动对准。
在一个实施例中，容器310、可移动滑块410和致动器520可以被布置为使得它们共同允许器械500反向插入无菌护罩400内。例如，器械500可以首先被插入套管针内，然后向后拉动以在从远侧到近侧的方向上插入无菌护罩400，例如从下部件406向上部件404。
遥控外科器械10可具有与设置在遥控外科器械10上的一个或多个传感器通信的控制系统，以及警报系统。例如，如果手柄100的致动使容器310处于当将器械500插入无菌护罩400内时的位置，则致动器520试图(例如由于器械的固有设计或与套管针的潜在碰撞)引起末端执行器506的不期望铰接，当插入器械时末端执行器仍位于套管针管腔内时，一个或多个传感器中的至少一个可检测到未正确对准，例如，扭矩传感器集成在驱动单元304内或通过测量电动机306的电流，并且控制系统可以基于传感器的检测经由警报系统生成警报。可选地，控制系统可以使驱动单元304在改善对准的方向上移动容器310。
如图7C所示，当将器械500定位在无菌护罩400内时，器械500的可旋转部分510可经由凹槽516旋转，使得锁定销514进入无菌护罩400的狭缝408，以将器械500固定在无菌护罩400中。
现在参考图8，描述了根据另一方面构造的另一示例性平移器械接口。平移器械接口600类似于图2的平移器械接口200构造，使得器械602对应于平移器械接口200的器械500，并且无菌接口604对应于平移器械接口200的无菌护罩400。平移器械接口600不同于平移器械接口200，因为驱动单元606具有一对单作用液压缸608a和608b而不是电动机304。液压缸608a和608b响应于在遥控外科器械的手柄处的机械移动而被致动。液压缸608a和608b中的每个分别直接耦接到第一线性指示器610a和第二线性指示器610b，其中第一线性指示器610a和第二线性指示器610b中的每个耦接到第一容器612a和第二容器612b(未示出)，第一容器612a和第二容器612b以与平移器械接口200相同的方式耦接到器械602的末端执行器，使得液压缸608a和608b可以致动器械602的末端执行器的运动。这样，平移器械接口200可以被耦接到纯机械遥控外科机器人的从动单元，其中手柄不包括任何电子器械，使得通过从末端执行器经由外科机器人的主从配置延伸到手柄的力传递元件来驱动器械602的末端执行器。在另一个实施例中，驱动单元包括气动驱动元件而不是液压缸。
现在参考图9A，描述了根据另一方面构造的另一示例性平移器械接口。平移器械接口700的构造类似于图2的平移器械接口200，使得器械702与平移器械接口200的器械500对应，并且无菌接口704与平移器械接口200的无菌护罩400对应。平移器械接口700不同于平移器械接口200，因为驱动单元706经由丝杠和齿轮的系统而不是缆线和滑轮将线性运动传递到器械702。例如，如图9A和图9B所示，驱动单元706包括耦接到电动机齿轮710的电动机708。电动机齿轮710与第一致动器齿轮712a和第二致动器齿轮712b可操作地接合。如图所示，电动机齿轮710与第一致动器齿轮712a和第二致动器齿轮712b可操作地接合，使得电动机齿轮710在例如顺时针方向上的旋转将引起相邻的第一致动器齿轮712a在相反方向上例如逆时针旋转，这将引起第二致动器齿轮712b在与第一致动器齿轮712a相反的方向上例如顺时针旋转。因此，第一致动器齿轮712a和第二致动器齿轮712b将在相反方向上移动。
第一致动器齿轮712a和第二致动器齿轮712b中的每个分别耦接到第一丝杠714a和第二丝杠714b，它们继而分别与第一丝杠螺母716a和第二丝杠螺母716b可操作地接合。例如，当电动机708经由电动机齿轮710和第一致动器齿轮712a使第一丝杠714a旋转时，第一丝杠螺母716将根据第一丝杠714a的旋转方向沿着第一丝杠714a的纵向轴线平移向上或向下移动。如图9B所示，每个驱动单元706可以包括第一线性传感器722a和第二线性传感器722b，用于分别感测第一丝杠螺母716a和第二丝杠螺母716b的线性位置。例如，第一丝杠螺母716a和第二丝杠螺母716b中的每个可分别包括耦接在其上的第一传感器标签726a和第二传感器标签726b，使得第一线性传感器722a和第二线性传感器722b基于第一传感器标签726a和第二传感器标签726b的感测位置来感测第一丝杠螺母716a和第二丝杠螺母716b的线性位置。另外，第一线性传感器722a和第二线性传感器722b可与遥控外科器械10的控制系统电连通，以传输指示末端执行器部件的位置的信息。
再次参考图9A，第一丝杠螺母716a和第二丝杠螺母716b中的每个分别耦接到第一容器718a和第二容器718b，它们分别如上所述地耦接到器械702的致动器。因此，当第一致动器齿轮712a和第二致动器齿轮712b在相反方向上移动时，容器718a和718b将在相反方向上平移移动，例如，当丝杠螺母716a向上移动时，丝杠螺母716b将向下移动，反之亦然。另外，第一容器718a和第二容器718b防止第一丝杠螺母716a和第二丝杠螺母716b绕着第一丝杠714a和第二丝杠714b的纵向轴线旋转，使得仅允许沿着第一丝杠714a和第二丝杠714b的纵向轴线平移移动。例如，第一容器718a和第二容器718b分别经由第一无菌接口滑块724a(未示出)和第二无菌接口滑块724b耦接到器械702的致动器，如图9C所示，第一无菌接口滑块724a和第二无菌接口滑块724b与第一容器718a和第二容器718b接合以防止其旋转。图9D示出了耦接到器械702的致动器728的第二容器718b，其中为清楚起见省略了第二无菌接口滑块724b。
如本领域普通技术人员将理解的，平移器械接口700可包括一个以上的驱动单元，每个驱动单元设计成将平移运动传递至器械702，从而在如上所述的对应自由度上致动器械的末端执行器702。例如，平移器械接口700可以包括三个驱动单元，使得以机电方式在末端执行器处在三个自由度上致动微观移动，例如打开/关闭、俯仰和偏航。第七自由度，即转动，可以经由转动滑轮720机电地或机械地进行控制。例如，可以经由缆线和滑轮的系统或多个刚性连杆，或者经由耦接到平移器械接口700(例如经由缆线)的第四电动机来致动转动滑轮720。
现在参考图10A，描述了示例性的从动毂，其中七个自由度被机械致动。从动毂800的构造类似于图3的从动毂300。例如，驱动滑轮808a、808b和808c与驱动滑轮312对应。从动毂800与从动毂300的不同之处在于，代替引起从动毂800的驱动滑轮旋转的一个或多个电动机，驱动滑轮808a、808b和808c中的每个分别耦接到行星齿轮803a、803b和803c，每个行星齿轮专用于在相应自由度(例如打开/关闭、偏航和俯仰)上致动耦接到从动毂800的器械的末端执行器。因此，行星齿轮803a、803b和803c的致动会引起驱动滑轮808a、808b和808c旋转，从而将线性运动传递到从动毂800的线性指示器，从而致动末端执行器的三个自由度中的一个。行星齿轮803a、803b和803c中的每个都耦接到围绕从动毂800悬置的致动滑轮802a、802b或802c中的一个，该致动滑轮继而分别经由804、804b、804c耦接到滑轮对806a、806b、806c中的一个。滑轮对806a、806b、806c中的每对滑轮中的对应滑轮在彼此相反的方向上以相等的量旋转，从而旋转相应的致动滑轮和驱动滑轮。另外，从动毂800包括用于致动第七旋转自由度(转动)的转动滑轮802d。例如，转动滑轮802d可以固定到从动毂800，使得其经由缆线804d和滑轮对806d的旋转引起从动毂800旋转，从而引起遥控外科器械并且因此末端执行器旋转。
如图10B所示，致动滑轮802a的旋转引起行星齿轮803a的旋转，这引起驱动滑轮808a的旋转。驱动滑轮808a的旋转引起线性指示器308a和308b如上所述在相反方向上以相等的量平移地向上或向下移动，从而平移移动容器310a和310b以将移动传递到遥控外科器械以在第一自由度上致动末端执行器。
再次参考图10A，致动滑轮802a、802b和802c以及转动滑轮802d中的每个分别经由一对滑轮806a、806b、806c和806d以及缆线804、804b、804c和804d可操作地耦接到一对驱动滑轮810a、810b、810c和810d。多对驱动滑轮810a、810b、810c和810d可操作地耦接到遥控外科器械，使得遥控外科器械的手柄处的移动被传递到平移器械接口801，并最终传递到末端执行器。例如，从动毂800可以经由附接接口801附接到远程外科器械，如图10C所示。如本领域普通技术人员将理解的，更多或更少的滑轮和缆线可被耦接到致动滑轮802a、802b和802c，以及转动滑轮802d，以通过遥控外科器械来致动它们。
如上所述，在各种示例中，具有平移器械接口的遥控外科器械可以具有(ⅰ)机械致动的四个自由度和机电致动的三个自由度，(ⅱ)机械致动的三个自由度和机电致动的四个自由度，或(iii)机械致动的七个自由度。现在参考图11A，描述了用于将例如从动毂300附接到具有机械致动的四个自由度和机电致动的三个自由度的遥控外科器械的附接接口900。附接接口900被耦接到该遥控外科器械的远端，并且其尺寸和形状设计成接收从动毂300。如图11A所示，从动毂300包括转动滑轮902，其用于在旋转自由度上移动从动毂300。转动滑轮902经由转动缆线904可操作地耦接到第一致动滑轮906a和第二致动滑轮906b。当第一致动滑轮906a和第二致动滑轮906b在相反方向上以相等的量旋转时，转动缆线904使转动滑轮902旋转从动毂300。如本领域普通技术人员将理解的，本文描述的任何从动毂或平移器械接口可以耦接到附接接口900，例如平移器械接口600或平移器械接口700。
现在参考图11B，描述了用于将例如从动毂300附接到具有机械致动的三个自由度和以机电方式致动的四个自由度的遥控外科器械的附接接口1000。附接接口1000类似于附接接口900，除了代替用于致动转动滑轮902的第一致动滑轮906a和第二致动滑轮906b之外，附接接口1000还包括电动机1002和致动滑轮1006。例如，电动机1002通过旋转致动滑轮1006使转动滑轮902旋转，致动滑轮1006经由转动缆线1004可操作地耦接到转动滑轮902。本领域普通技术人员将理解，本文所述的任何从动毂或平移器械接口均可耦接到附接接口1000，例如，平移器械接口600或平移器械接口700。
如图12所示，由电动机306引起的容器310的移动α将有效地平移传递到致动器520，从而在末端执行器506处引起对应的移动β。
尽管上面描述了本发明的各种例示性实施例，但是对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的情况下，可以在其中进行各种改变和修改。所附权利要求书旨在涵盖落入本发明的真实范围内的所有此类改变和修改。

Claims (23)

1.一种用于与外科机器人一起使用的器械，其具有被构造成耦接到包括多个驱动单元的从动毂的接口，每个驱动单元耦接到一对钩形容器，所述器械包括：
具有近侧区域、远侧区域与在近侧区域、远侧区域之间延伸的内腔的细长轴；
布置在所述远侧区域中的末端执行器，所述末端执行器被构造成在多个自由度上移动；以及
设置在所述近侧区域中的致动器，所述致动器经由设置在所述内腔中的多个力传递元件耦接到所述末端执行器，所述致动器包括一对钩形接合器，每个钩形接合器被构造成可释放地耦接到所述一对钩形容器中的相应钩形容器，使得所述多个驱动单元中的单个驱动单元的致动在所述一对钩形接合器中的第一接合器处在第一方向上引起平移移动，并且在所述一对钩形接合器中的第二接合器处在相反方向上引起平移移动，从而使所述末端执行器在所述多个自由度中的第一自由度上移动。
2.根据权利要求1所述的器械，其中所述器械在单次使用后是一次性的。
3.根据权利要求1所述的器械，还包括设置在所述近侧区域中的器械头部，所述器械头部具有可旋转部分和锁定销，所述可旋转部分和所述锁定销被构造成将所述器械接合至所述接口。
4.根据权利要求3所述的器械，其中所述器械头部还包括键，所述键使所述器械与所述接口轴向对准。
5.根据权利要求1所述的器械，还包括耦接到所述致动器的至少一根张力缆线，使得所述至少一根张力缆线在所述多个力传递元件上提供张力。
6.根据权利要求1所述的器械，其中所述一对钩形接合器被构造成响应于所述外科机器人的所述接口处的平移移动而沿着所述近侧区域处的路径平行于所述细长轴的纵向轴线移动。
7.根据权利要求6所述的器械，其中所述致动器还包括第二对钩形接合器和第三对钩形接合器，每对钩形接合器可分别响应于所述外科机器人的所述接口处的平移移动而独立地移动，以在所述多个自由度中的第二自由度和第三自由度上致动移动。
8.一种被构造用于与根据权利要求1所述的器械一起使用的系统，其中所述接口包括无菌护罩，所述无菌护罩在单次使用之后是一次性的并且被预先消毒。
9.一种被构造用于与根据权利要求1所述的器械一起使用的系统，还包括从动毂，所述从动毂具有开口，所述开口被构造成接收所述器械的所述接口和所述细长轴，所述从动毂包括：
所述一对钩形容器，所述一对钩形容器被构造成可释放地与所述致动器的所述一对钩形接合器相互接合，其中当相互接合时，所述一对钩形容器和所述致动器的平移移动经由所述多个力传递元件致动所述末端执行器；以及
驱动单元，其耦接到所述一对钩形容器以引起所述一对钩形容器和所述致动器的平移。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述接口还包括：
被构造成通过所述从动毂的所述开口接收的近侧部件；
被构造成当所述近侧部件设置在所述从动毂的所述开口内时与所述近侧部件接合的远侧部件；以及
被构造成耦接在所述致动器的所述一对钩形接合器和所述一对钩形容器之间的一对滑动元件。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述近侧部件或所述远侧部件中的至少一个包括非对称形状，所述非对称形状使所述近侧部件或所述远侧部件中的所述至少一个相对于所述从动毂中的所述开口定向。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述一对滑动元件被构造成使所述一对钩形容器与所述致动器自动对准。
13.根据权利要求9所述的系统，其中所述从动毂包括耦接到所述一对钩形容器的至少一根张力缆线，使得所述至少一根张力缆线在所述一对钩形容器上提供张力。
14.根据权利要求9所述的系统，其中所述从动毂腔的所述开口包括轴线，并且所述从动毂被构造成围绕所述轴线旋转，使得所述末端执行器也围绕所述轴线旋转。
15.根据权利要求9所述的系统，还包括耦接到所述驱动单元的控制系统。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述器械还包括识别标签，并且所述控制系统被构造成从所述识别标签检测关于所述器械的信息。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述识别标签编码以下中的一个：器械类型、序列号、校准数据、运动范围数据、末端执行器运动学或控制偏移。
18.根据权利要求15所述的系统，还包括传感器，所述传感器被构造成感测所述器械的未对准，其中所述控制系统被构造成响应于所述传感器感测所述器械的未对准而生成警报。
19.根据权利要求9所述的系统，其中所述驱动单元是电动机。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述电动机的旋转移动经由缆线和滑轮的系统在所述致动器处引起平移移动。
21.根据权利要求19所述的系统，其中所述电动机的旋转移动经由齿轮、丝杠和丝杠螺母的系统在所述致动器处引起平移移动。
22.根据权利要求9所述的系统，其中所述驱动单元包括可操作地耦接到所述一对钩形容器的液压元件。
23.一种被构造用于与根据权利要求1所述的器械一起使用的系统，其中所述外科机器人还包括：
耦接到所述从动毂的从动单元，所述从动单元包括多个从动连杆和从动关节；
包括手柄和多个主连杆和主关节的主单元，所述主单元可操作地耦接到所述从动单元，使得所述主单元的移动在所述从动单元处再现，并且所述手柄的移动由所述末端执行器再现。
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