CN111386085A - 至主控制器的末端执行器力反馈 - Google Patents

Abstract

本申请公开提供了一种远程操作外科手术系统，其包括外科手术器械，该外科手术器械包括安装成可围绕从动枢转轴线旋转的末端执行器；主控制输入装置包括安装构件，可旋转地固定在安装构件上以绕主枢转轴线旋转的第一和第二主握持件；产生传感器信号的传感器，该信号表示围绕从动枢转轴线的从动握持反作用力；一个或多个马达，其将垂直于主枢转轴线的剪切力施加到安装构件；一个或多个处理器，其将传感器信号转换为马达控制信号，以使马达将反馈剪切力施加给第一和第二主握持构件。

Description

至主控制器的末端执行器力反馈

相关申请

本申请要求享有于2017年10月2日提交的美国临时专利申请序列号62/567,005的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

背景技术

微创医疗技术旨在减少诊断或外科手术程序期间受损的组织量，从而减少患者的恢复时间、不适和有害的副作用。使用机器人技术的远程操作外科手术系统(所谓的外科手术机器人系统)可以用于克服手动腹腔镜手术和开放式手术的局限性。远程呈现系统的进步为外科医生提供患者体内的视野、增加数量的外科手术器械的运动度以及远距离外科手术协作的能力。在手动微创外科手术中，外科医生经由长轴感觉到器械与患者的互动，这消除触觉提示并且掩盖力提示。在远程外科手术系统中，由于外科医生不再直接操纵器械，因此自然力反馈被大大消除。动觉或力反馈系统通常测量或估计由外科手术器械施加给患者的力。

发明内容

在一个方面，提供了一种远程操作外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术器械，其包括轴；末端执行器，其包括被安装成可绕设置在轴的远端部分处的从动枢转轴线旋转的第一悬臂梁。主控制输入装置包括安装构件和第一主握持构件，该第一主握持构件安装在安装构件上，用于导向相对于安装构件的沿第一路径的移动。传感器被配置为感测产生从动悬臂梁力的大小。一个或多个致动器可配置为向安装构件施加力。一个或多个处理器被配置为使一个或多个致动器向安装构件施加反馈力，该反馈力的大小指示从动悬臂梁力的大小，并且该反馈力具有沿着与第一路径分开的第二路径的移动方向。

在另一方面，提供了一种方法，该方法在主控制输入装置处提供对安装在外科手术器械轴的远端上的从动末端执行器部分处的握持力的指示，其中主控制输入装置包括安装构件和第一主握持构件，该第一主握持构件被安装用于导向沿第一路径的移动。该方法包括产生指示绕末端执行器的从动枢转轴线的握持力矩的大小的传感器信号，以及在安装构件处产生反馈力，该反馈力具有基于传感器信号的大小并且具有沿着与第一路径分开的第二路径的移动方向。

附图说明

当与附图一起阅读时，根据以下详细描述可以充分地理解本公开的各方面。要强调的是，根据行业中的标准实践，各种特征未按比例绘制。实际上，为了清楚起见，各种特征的尺寸可以任意增加或减小。另外，本公开可以在各个示例中重复参考数字和/或字母。该重复是出于简单和清楚的目的，并且其本身并不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。

图1是根据一些实施例的微创远程操作外科手术系统的说明性平面图。

图2是图1系统的外科医生控制台的透视图。

图3是图1的系统的患者侧推车的透视图。

图4是根据一些实施例的外科手术器械的透视图。

图5是示出根据一些实施例的主控制输入装置的细节的说明性透视图，该主控制输入装置安装在图2的外科医生控制台16内的万向节组件上。

图6是根据一些实施例的图4的外科手术器械的末端执行器的说明性侧视截面局部透视图。

图7是根据一些实施例的从支撑梁悬挂的图4的外科手术器械的底架的说明性侧视图。

图8是示出根据一些实施例作用在图5的主控制输入装置的握持构件上和外科医生的手指上的说明性自由体受力图(free body diagram)。

图9是根据一些实施例的表示梁反作用力到反馈力的转换的说明性控制系统流程图。

具体实施方式

远程操作手术系统

图1是用于对躺在手术台14上的患者12执行微创诊断或外科手术程序的微创远程操作外科手术系统10的示意性平面图。该系统包括由外科医生18在程序期间使用的外科医生控制台16。一个或多个助手20也可以参与该程序。微创远程操作外科手术系统10进一步包括一个或多个患者侧推车(PSC)22和电子设备推车24。患者侧推车22可以通过患者12体内的微创切口来操纵至少一个外科手术器械26，而外科医生18通过外科医生的控制台16观察手术部位。可以通过内窥镜28(诸如立体内窥镜)获取手术部位的图像，该内窥镜28可以由患者侧推车22操纵以定向内窥镜28。位于电子设备推车24上的计算机处理器可以用于处理手术部位的图像，以便随后通过外科医生的控制台16显示给外科医生18。在一些实施例中，立体图像可以被捕获，这允许在外科手术程序期间的深度感知(depth perception)。一次使用的外科手术器械26的数量通常将取决于诊断或外科手术程序以及手术部位内的空间限制以及其他因素。如果有必要更换在程序期间正使用的一个或多个手术器械26，则助手20可以将手术器械26从患者侧推车22移除，并且用手术室内托盘30中的另一个手术器械26代替。

图2是外科医生控制台16的透视图。外科医生控制台16包括观察者显示器31，该观察者显示器31包括左眼显示器32和右眼显示器34，用于向外科医生18呈现手术部位的协调立体图，从而实现深度感知。控制台16还包括一个或多个手动控制输入装置36，用于接收较大比例的手动控制移动。被安装以用于患者侧推车22的一个或多个手术器械以较小比例的距离移动，该较小比例的距离对应于外科医生18对一个或多个控制输入装置36的较大比例的操纵。控制输入装置36可以提供与其相关联外科手术器械26相同的机械自由度，从而为外科医生18提供远程呈现/临场感，或者这样的感知，即控制输入装置36与器械26成为一体从而使外科医生具有直接控制器械26的强烈感觉。为此，位置传感器、力传感器和触觉反馈传感器(未示出)可以被用于将来自外科手术器械26的位置感、力感和触感通过控制输入装置36传递回外科医生的手，但受到通信延迟约束。

图3是根据一些实施例的微创远程操作外科手术系统10的患者侧推车22的透视图。患者侧推车22包括四个机械支撑臂72。外科手术器械操纵器73被安装在每个支撑臂组件72的端部，该外科手术器械操纵器73包括诸如马达的致动器以控制器械运动。另外，每个支撑臂72可以可选地包括一个或多个设置关节(例如，无动力的和/或可锁定的)，其用于相对于患者定位附连的外科手术器械操纵器73以进行外科手术。尽管患者侧推车22被示出为包括四个外科手术器械操纵器73，但是可以使用更多或更少的外科手术器械操纵器73。远程操作外科手术系统通常将包括视觉系统，该视觉系统通常包括用于捕获视频图像的内窥镜摄像机器械28和用于显示捕获的视频图像的一个或多个视频显示器。

在一方面中，例如，各个外科手术器械26和套管27被可移除地耦连至操纵器73，而外科手术器械26通过套管27插入。操纵器73的一个或多个远程操作致动器马达整体上移动外科手术器械26，以便将其相对于患者12定位。每个支撑臂组件都包括一个器械支架75。外科手术器械26被可拆卸地连接到器械支架75。在一方面中，器械支架75在内部容纳一个或多个远程操作的致动器马达(未示出)，该致动器马达提供了许多控制器运动，外科手术器械26将这些控制器运动转化为在外科手术器械26的远端处的末端执行器的各种移动。因此，器械托架75内的远程操作致动器马达移动外科手术器械26的各个部件，而不是整体移动该器械。用于控制整个器械或器械部件的输入装置使得由外科医生或其他医务人员提供给控制输入装置36的输入(“主”命令)由外科手术器械末端执行器转换为相应的动作(“从动”响应)。基于线缆的力传递机构或类似物被用于将每个远程定位的远程操作致动器马达的运动传递到位于器械支架75上的对应的器械接口致动器输出。在一些实施例中，外科手术器械26被机械地耦连到第一致动器马达，该第一致动器马达控制外科手术器械的第一运动，诸如纵向(z轴线)旋转。外科手术器械26被机械地耦连至第二致动器，该第二致动器控制外科手术器械的第二运动，诸如二维(x，y)运动。外科手术器械26被机械地耦连至第三致动器，该第三致动器控制外科手术器械的第三运动，例如，诸如末端执行器的夹具的打开和闭合。

图4是根据一些实施例的外科手术器械26的透视图。外科手术器械26包括具有中心线纵向轴线411的细长的中空管状轴410。轴410包括用于插入患者体腔中的远端部分450和机械地固定至底架440的近端部分456，底架440安装马达驱动的驱动元件458，该驱动元件458将力施加到在轴内延伸的被耦连以致动外科手术末端执行器454的缆绳(未示出)。缆绳驱动机构458例如可以包括马达驱动的主轴(未示出)。例如，致动器马达445、447可以安装在底架440本身上或在器械支架75上。末端执行器454通过腕部452耦连至轴410的远端部分450。优选地，腕部452提供至少两个自由度。在一些实施例中，腕部452绕中心线纵向轴线411可旋转，从而为患者12体腔内部的手术部位处的手术末端执行器454提供三个定向自由度。例如，马达驱动的驱动元件458在缆绳上施加力以将运动施加到末端执行器454，诸如夹具的打开或闭合以及腕部的(x，y)旋转运动。例如，用于替代工具的多种替代末端执行器(诸如镊子、剪刀和施夹器)可以被安装在轴410的远端部分450处，远端部分450包括相对于彼此枢转以例如限定一对末端执行器夹具的第一和第二末端执行器悬臂梁462、464。例如，诸如手术刀和电灼探针的其他末端执行器可以具有单个末端执行器元件。

图5是示出根据一些实施例的安装在图2的外科医生控制台16内的万向节组件528上的控制输入装置36的细节的说明性透视图。控制输入装置36(也称为主工具操纵器(MTM))包括配置为手柄530的安装构件以及安装在手柄530上的第一和第二可铰接握持构件530a、530b。该手柄用作安装构件，用于安装第一和第二握持构件530a、530b；第一握持构件530a和第二握持构件530b从手柄530的相对侧倾斜地竖立。第一握持构件和第二握持构件相对于手柄530倾斜，其远端间隔较近并且其近端间隔较远。第一握持构件和第二握持构件在它们的远端之间具有角度α，该角度α可以根据外科医生施加的力而变化。在一些实施例中，角度α是锐角。第一握持构件530a和第二握持构件530b被固定到手柄，以相对于安装构件530铰接。更具体地，根据一些实施方式，第一握持构件530a和第二握持构件530b被固定到手柄以绕主枢转轴线536枢转以跟随第一路径(未显示)。偏置构件(未示出)将握持构件530a、530b推开。外科医生可以握持该握持构件530a、530b，并施加力以沿第一路径推动它们，从而使它们朝彼此靠近移动，或者使偏置构件沿第一路径以相反的方向推动它们，以使它们移动分开。安装构件手柄530可以包括握持致动传感器(未示出)，诸如霍尔效应装置，以感测握持构件沿第一路径的移动。手指环可以被附连到手柄，以避免从握持构件滑落。握持构件530a、530b通过运动学被可操作地耦连，例如，以响应于握持构件530a、530b沿着第一路径的运动来控制在外科手术器械轴410的远端部分450处的从动末端执行器454的运动。从动末端执行器454可以包括第一悬臂梁462和第二悬臂梁464，该悬臂梁响应于例如外科医生引起的第一握持构件530a和第二握持构件530b靠近在一起和远离分开的相应移动而打开和关闭。

更具体地，在一些实施例中，四自由度万向节528允许可致动安装构件手柄530绕三个轴线(轴线534a、轴线534b和轴线534c)旋转。手柄530通过第一枢轴接头16耦连到第一肘形连杆514。第一连杆532通过枢轴接头520耦连到第二肘形连杆537。第二连杆537通过枢轴接头524枢转地耦连到第三肘形连杆538。在一些实施例中，臂538和万向节528的马达能够向安装构件手柄530主动施加定位的和定向的力，从而向外科医生提供触觉反馈。特别地，万向节马达可以通过控制信号配置成沿着与第一路径分开的第二路径施加反馈力F_Z，MTM。在图5的说明性实施例中，在朝向角的顶点的方向上平行于手柄530的轴线531施加反馈力F_Z，MTM，该轴线531被导向成垂直于主枢转轴线536，使得外科医生的手指在每个握持构件530a，530b上均等地感觉到反馈力。万向节528包括连杆532、537、538。万向节528被安装到平台540以便绕轴线534d旋转，并且连杆532、537、538限定另外的轴线534a，534b和534c。手柄530通过主动驱动的接头安装到万向节528，以绕轴线534d运动。因此，万向节528提供了四个驱动的定向自由度，包括冗余的取向自由度。万向节528、臂538和用于这些接头的驱动马达在标题为“Master Having Redundant Degrees of Freedom”的美国专利No.6,714,839中被更详细地描述，该专利的全部公开内容明确地通过引用结合于此。

安装构件手柄530的握持构件530a和530b绕主枢转轴线536被动地枢转，而没有提供用于从动件的反馈以控制其枢转的驱动马达。在示例性实施例中，致动器545被安装以产生主握持信号，该主握持信号指示握持构件530a和530b之间的角度间隔。在一些实施例中，致动器545包括在握持构件之一中的霍尔效应换能器以及在另一握持构件中安装的磁体，使得手柄530产生指示握持构件530a和530b之间的角度间隔的主握持信号。偏置系统将握持构件530a和530b推开，并且握持构件可以包括Velcro^TM的环或类似物，以相对于系统操作者的拇指和手指更牢固地定位握持构件。在本公开的范围内可以使用各种各样的握持构件结构，包括任何外科手术器械手柄，可选地包括例如用于拇指和/或手指的刚性或柔性环。在题为“Grip Strength with Tactile Feedback for Robotic Surgery”的美国专利No.6,594,552中更详细地说明了握持构件和从动末端执行器夹具之间的控制关系，该专利的全部公开内容明确地结合于此作为参考。

图6是根据一些实施例的图4的外科手术器械26的末端执行器454的示意性侧视截面局部透视图。末端执行器454包括设置在外科手术器械26的轴410的远端450处的第一悬臂梁462和第二悬臂梁464。第一悬臂梁462被安装为绕从动枢轴线602旋转。末端执行器454被安装在细长轴410的远端部分450处。第一和第二悬臂梁462、464用作第一夹具和第二夹具，第一夹具和第二夹具可以被打开以捕获它们之间的解剖组织603，并且可以被闭合以握持它们之间的解剖组织603。第一悬臂梁462可以充当第一夹具。第二悬臂梁464可以充当第二夹具。在一些实施例中，第一悬臂梁462绕从动枢转轴线602可旋转，并且第二悬臂梁464在轴的远端处具有固定位置，使得用作第一夹具的第一悬臂梁462相对于用作第二夹具的第二悬臂梁462相对移动。在替代实施例中(未示出)，例如，第一悬臂梁462和第二悬臂梁464均可以绕从动枢转轴线602旋转。第一悬臂梁462整体地固定到第一滑轮604，第一滑轮604可旋转地安装到U形夹(clevis)606(由虚线表示)以围绕从动枢转轴线602一致地旋转。第一缆绳608在中空轴410内纵向延伸。第一缆绳608的近端(未示出)可操作地耦连至致动器马达，以在缆绳上施加第一缆绳力F_C1，以使第一梁462朝向第二梁464旋转以“闭合”夹具。第一缆绳的远端部分缠绕在第一滑轮604的周边凹槽部分上。锚定件610(诸如第一缆绳608中的压接)将第一缆绳606的远端固定至第一悬臂梁，使得沿近侧方向施加在第一缆绳608的近端上的第一缆绳力F_C1将力施加在第一缆绳的远端上，可旋转安装的第一悬臂梁462将力转换为在垂直于从动枢转轴线602的方向上施加在第一悬臂梁462的工作/组织接合表面612处的旋转力F_C1，以促使第一悬臂梁462在朝向第二梁464的方向上旋转以闭合夹具。

在中空轴410内纵向延伸的第二缆绳614的远端部分缠绕第二滑轮(未示出)的周边凹槽部分，该第二滑轮与第一滑轮604平行地安装在U形夹606上。第二缆绳614的近端(未示出)可操作地耦连到致动器马达，以在第二缆绳614上施加第二缆绳力F_C2，以使第一梁462远离第二梁464旋转以“打开”夹具。第二缆绳614的远端被固定到第一悬臂梁462，使得施加在第二缆绳614上的近侧方向第二缆绳力F_C2使可旋转安装的第一悬臂梁462沿远离第二梁464的方向旋转以打开夹具。在一些实施例中，第一缆绳608和第二缆绳614包括具有细长管的中心段和具有线材的末端段。

在握持解剖组织603期间，例如，上述的缆绳驱动机构458使第一缆绳608将第一缆绳力F_C轴向地施加在第一缆绳608上，以将旋转力施加到第一悬臂梁462，从而平衡由握持的组织603施加到第一悬臂梁462的工作表面612的从动握持反作用力F_grip。握持反作用力F_grip平衡第一梁力和第一缆绳力F_C。平衡的第一缆绳力F_C和握持力F_grip各自产生绕从动枢转轴线的握持力矩M_grip，用以下公式表示。

M_grip＝F_grip·L＝F_c·l (1)

其中，L代表施加从动握持力F_grip的点到从动枢转轴线的距离，并且l代表第一缆绳锚定件610到从动枢转轴线602的距离，其中第一缆绳608被固定到第一悬臂梁462。因此，在解剖组织603的握持期间，第一缆绳力F_C具有平衡从动握持力F_grip的大小。

图7是根据一些实施例的从支撑梁702悬挂的图4的外科手术器械26的底架440的说明性侧视图。底架440被固定到外科手术器械26的轴410的近端部分456。支撑梁702的第一端部704被固定到底架440，并且支撑梁702的第二端部706被固定到机械地面708。支撑梁具有在其第一端704和第二端706之间延伸的纵向轴线710(梁轴线)。在一些实施例中，机械支撑臂72用作机械地面708。中空管410的中心轴线411垂直于支撑梁轴线710。

应变传感器712接触支撑梁702并且被配置为测量施加到支撑梁702的应变。在一些实施例中，应变传感器包括电阻应变仪、光纤布拉格光栅、压电传感器。应变是由于施加的力导致的诸如支撑梁和应变传感器702的物体的变形量的量度。更具体地说，应变可以被定义为长度的分数变化。机械地面708用作固定参考结构，该固定参考结构不会由于缆绳力F_C或从动握持力F_grip而产生应变。

第三滑轮714可旋转地固定到底架440。第一缆绳608的近端部分缠绕在第三滑轮714的周边凹槽部分上。第一缆绳驱动机构458a固定在机械地面708上，并配置为向第一缆绳608施加第一力F_C。在一些实施例中，第一缆绳驱动机构458a包括机械耦连至第一缆绳608的近端部分的马达驱动的可旋转主轴。第三滑轮714和第一缆绳驱动机构458a相对于支撑梁轴线702以彼此竖直偏移的方式设置，使得在它们之间的第一缆绳608的近侧段608a与支撑梁轴线710以偏移角θ延伸。第一缆绳驱动机构458a可以将第一缆绳力F_C施加到角度偏移的第一缆绳段608a以闭合夹具。施加到偏移的第一缆绳段608a的第一缆绳力F_C在支撑梁702上产生平行于轴的轴线411且垂直于支撑梁轴线710的第一缆绳偏移力分量F_Csinθ，并且在支撑梁702上产生垂直于轴的轴线411并且平行于梁轴线710的第一缆绳偏移力分量F_Ccosθ。响应于第一缆绳力分量，支撑梁702产生反作用的法向梁力R_X和平行梁力R_Z。反作用梁力R_Z在本文中称为F_z，PSC——即在系统侧测得的z力——用作施加在支撑梁702的第一端704的应变力。应变力F_Z被以垂直于支撑梁轴线的方向施加。

应当理解，由轴内的第一缆绳在垂直于支撑梁轴线710的方向上施加的第一缆绳力F_C由相等且相反的近侧方向末端执行器力F_C'平衡，由于施加在轴内的第一缆绳段上的力而导致在梁上的合力为零。然而，在轴的外部，成角度偏移的第一缆绳段608a施加垂直于支撑梁的合力F_Csinθ，并且作为响应，支撑梁产生相反的反作用力F_Z。

第四滑轮716被固定到底架440。第二缆绳614的近端部分缠绕在第四滑轮716的周边凹槽部分上。第二缆绳驱动机构458b固定到机械地面708，并且被配置成在第二缆绳614上施加第二缆绳力F_C2以打开夹具。在一些实施例中，第二缆绳驱动机构458b包括机械耦连到第二缆绳614的近端部分的马达驱动的可旋转主轴。第四滑轮716和第二缆绳驱动机构458b彼此水平设置并且它们之间没有相对于支撑梁702的竖直偏移，因此在第四滑轮716和第二缆绳驱动机构458b之间延伸的水平的第二缆绳段614a不施加法向合力。支撑梁702由于成角度偏移的第一缆绳段608a而承受的应变力F_Z是施加的反作用力，其平衡施加到支撑梁702的第一缆绳合力F_Csinθ。应变力F_Z施加应变到支撑梁702和应变传感器712。法向合力F_Csinθ和施加给应变传感器702的应变力F_Z之间的关系由以下公式(2)表示。

应变传感器产生传感器信号S_S，该传感器信号S_S的大小指示应变力F_Z，PSC的大小，该应变力的大小又与绕从动枢转轴线M_grip的握持力矩M_grip的大小成比例。在一些实施例中，信号可以是由应变仪上的电阻变化产生的惠斯通电桥(未示出)上的电压变化。

图8是根据一些实施例的示意性自由体受力图，以示出作用在主控制输入装置的握持构件和外科医生的手指上的力。在外科手术程序期间，外科医生的手指放在第一和第二握持构件530a、530b的外侧握持表面上。第一和第二握持构件530a、530b具有近端530ap、530bp和远端530ad、530bd。第一和第二握持构件的远端530ad，530bd可枢转地安装以绕主枢转轴线536枢转并且彼此偏移角度α。外科医生的手指802a、802b可以将指尖力施加到第一和第二握持构件530a、530b，以使它们沿第一路径850绕主枢转轴线536移动，以使它们一起靠近移动或使它们分开更远，以命令末端执行器454的第一和第二悬臂梁462、464的对应移动。具体来说，例如，沿着第一路径850的方向移动第一和第二握持构件530a、530b的近端530ap、530bp使他们拉近减小了它们之间的角度α，导致第一悬臂梁462和第二悬臂梁464一起移动得更近，从而关闭末端执行器夹具。相反，例如，沿第一路径850的相反方向移动第一和第二握持构件530a、530b的近端530ap、530bp以使它们彼此分开得更远增加了它们之间的角度α，导致第一和第二悬臂梁移动分开更远，从而打开末端执行器的夹具。美国专利No.6,594,552根据一些实施例解释末端执行器的握持构件控制，其通过引用整体结合于此。因此，第一和第二握持构件的远端530ad、530bd之间的角度α确定末端执行器处的对应的第一和第二悬臂梁的位置。

更具体地，诸如偏置弹簧804的偏置构件提供偏置力F_spring以促使第一和第二握持构件530a、530b彼此远离。外科医生可以施加力-F_N，该力垂直于第一和第二握持构件530a、530b的纵向轴线806a、806b。外科医生施加的力-F_N使第一和第二握持构件沿第一路径850绕主枢转轴线533旋转，以使它们的近端部分530ap、530bp靠近在一起，从而减小它们之间的角度α，并命令施加第一缆绳力F_C使得末端执行器454处的第一悬臂梁462和第二悬臂梁464移动靠近在一起。另外，外科医生的手指802a、802b可以施加与外科医生施加的法向力-F_N组合的与第一和第二握持构件530a、530b的表面平行的表面力-μsF_N。

第一和第二握持构件530a、530b响应于外科医生施加的法向力-F_N而向外科医生的手指802a、802b施加相反方向的法向力F_N。第一和第二握持构件530a、530b还响应于外科医生施加的表面力-μsF_N而施加相反方向的表面力μsF_N。

因此，根据一些实施例，第一和第二悬臂梁462、464对应于第一和第二握持主构件530a、530b。由外科医生的手指施加给主构件530a、530b的较大比例的运动被转换为第一和第二悬臂梁462、464的对应较小比例的运动。特别地，根据一些实施例，例如，主构件530a、530b绕主枢转轴线536的旋转被转换成第一和第二悬臂梁462、464围绕从动枢转轴线602的对应旋转。在一些实施例中，例如，主构件530a、530b的移动的平移转化为第一和第二悬臂梁462、464的对应移动，使得主构件530a、530b之间围绕主枢转轴线536的角度α匹配第一和第二悬臂梁462、464之间关于从动枢转轴线602的角α。注意，在常规操作期间，外科医生施加的力和握持构件反作用力是平衡的。在常规操作期间，在握持构件530a、530b处的摩擦力是静摩擦，刚好足以匹配由外科医生的手指802a、802b在握持构件处施加的平行表面力。应当意识到，反作用表面力μsFN小于最大允许表面摩擦力F_fr，在该最大允许表面摩擦力F_fr处，握持构件530a、530b开始在外科医生的手指802a、802b中滑动，从而导致外科医生的手指失去握持，此时，外科医生可能需要施加增加的法向力以增加表面摩擦力以停止滑动。表面力μsF_N与最大允许F_fr之间的关系由以下公式表示。

F_fr,max＝μ_sF_N (3)

在操作中，外科医生18在距主枢转轴线536的距离D处施加的力矩等于偏置弹簧804在距枢转轴线536的距离d处施加的力矩并被其平衡。如果假定扭转弹簧具有公式中标明的弹簧力。

F_spring＝k(α₀-α) (4)

其中k是弹簧常数。

如果假设α₀是初始角度位置，则法向力F_N通过以下公式的力矩平衡与角度α直接相关。

F_ND＝F_springd＝k(α₀-α)d (5)

因此，

鉴于等式(6)，将理解的是，在不改变α的情况下不能直接调节法向力F_N以向外科医生显示握持力，这将对性能有害，因为它将影响末端执行器454处的第一和第二悬臂梁462、464的握持角度。然而，发明人在此认识到，反馈表面力F_z，MTM可以被调节以增加施加到手指802a、802b的表面反馈力，从而显示末端执行器454处的握持力力矩M_grip大小的指示，其中所述反馈表面力F_z，MTM被施加到安装构件530上，并通过安装构件传递给其上安装的第一和第二握持构件530a、530b，并沿着第二路径852在朝向枢转轴线533和朝向外科医生手的手掌808的方向上。

反馈力F_z，MTM的上限取决于通过克服静摩擦力使握持构件相对于外科医生的手指滑动所需的力的量：

F_z，MTM≤2·(F_Nsinα+F_fr，maxcosα)＝2·(F_Nsinα+μ_sF_Ncosα) (7)

由于右边的所有值都是已知的(静摩擦系数除外，其可以估算)，因此可以提供能被命令的F_z，MTM上限。可以沿着第二路径852以垂直于主枢转轴线536的方向朝向握持构件530a、530b施加主侧反馈力F_Z，MTM，以指示传感器信号S_S的大小，该传感器信号S_S的大小指示从动末端执行器454处的握持力矩M_grip。沿着与第一路径850分开的第二路径852提供主侧反馈力，确保向使用者提供可区别于由弹簧804提供的偏置力的从力的大小的指示。此外，在垂直于主枢转轴线536的方向上提供主侧反馈力确保了相等的反馈力被施加给它们，因为根据一些实施例，握持板530a被约束为对称的。更具体地讲，控制万向节组件528的马达可以被控制以将反馈力F_Z，MTM施加到手柄530，在手柄530上安装有第一握持构件530a和第二握持构件530b，外科医生可以通过手指802a、802b感测到该反馈力，并该反馈力提供从握持力F_grip的指示。此外，可以根据传感器信号S_S的大小来调节反馈力F_Z，MTM的大小，该传感器信号S_S的大小指示握持力矩M_grip和从握持力F_grip的大小。

在一些实施例中，传递到手指802a、802b的表面反馈力的大小是该力的摩擦分量：

F_z,MTM＝2·(F_Nsinα+F_frcosα) (9)

对于给定的角度α，在手指802a，802b处感受到的摩擦力F_fr与反馈表面力F_z，MTM成线性，因此，反馈力F_Z，MTM可以被线性调节以控制外科医生感觉到的表面反馈力F_Z，MTM的表面反馈摩擦分量F_fr，并且将反馈摩擦分量F_fr的大小限制到小于使握持构件530a、530b相对外科医生的手指滑动所需的大小。将反馈力保持在上限内确保不会发生手指打滑，并且可以导致握持构件530a、530b围绕主枢转轴线536枢转移动，而该枢转运动可转换为悬臂梁462、464围绕从动枢转轴线602的移动。换句话说，剪切力上限确保了反馈力成为向外科医生显示的反馈力，并且末端执行器454处的从动握持力的大小的反馈力不会引起末端执行器454处的悬臂梁462、464的旋转位置发生变化。

图9是根据一些实施例的表示反作用梁力到反馈力的转换的说明性控制系统流程图900。反作用梁力F_Z，PSC施加应变到传感器712，该传感器产生传感器信号S_S，该信号的大小与反作用梁力F_Z，PSC的大小成比例，该力与握持力矩M_grip和从动握持力F_grip成比例。转换块902将传感器信号S_S转换为反馈力主控制信号S_S，MTM。在一些实施例中，转换块902产生的S_S，MTM信号具有与传感器信号S_S的大小成线性函数的大小。马达控制块904被配置为响应于S_S，MTM信号而产生一个或多个马达控制信号S_M，以控制马达906，马达906产生力F_M以控制万向节组件528的运动以施加反馈力F_Z，MTM，该反馈力F_Z，MTM的大小与S_S，MTM信号的大小成比例并且被限制为避免第一主握持构件530a和第二主握持构件530b在外科医生的手指中滑动。在一些实施例中，位于电子设备推车24上的计算机处理器被配置为将S_S，MTM信号确定为S_S信号的线性函数。此外，在一些实施例中，位于电子设备推车24上的计算机处理器被配置为基于S_S，MTM信号来产生一个或多个马达控制信号S_M。在各种其他实施例中，马达控制信号S_M可以在主设备上引起振荡(例如，振动)反馈力F_MTM(未示出)，该反馈力F_MTM具有第二路径，该第二路径是与第一路径分开的振荡路径，并且具有与S_S，MTM信号的大小成比例的参数(例如，力F_MTM的振荡振幅或频率)。

尽管已经示出和描述了说明性实施例，但是在前述公开中设想了各种各样的修改、改变和替换，并且在一些情况下，可以采用实施例的一些特征而没有相应地使用其他特征。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。例如，尽管出于示例性目的描绘和描述了机械支撑主设备，但是在各种实施例中，主设备可以是无线的或仅通过电线(“未接地”)连接到系统。在一个替代实施例中，例如，主设备可以包括安装到安装构件上的操纵杆握持构件，该操纵杆握持构件无线地耦连以响应于操纵杆的移动来控制从动末端执行器。在另一替代实施例中，例如，主设备可以包括手枪式扳机握持构件(pistol triggergrip member)，其中将扳机握持构件安装到手枪形的安装构件，其无线地耦连以响应于扳机的运动来控制从动末端执行器。因此，本公开的范围应仅由所附权利要求书来限制，并且适当的是，以与本文公开的实施例的范围一致的方式广义地解释权利要求书。呈现以上描述以使本领域的任何技术人员能够创建和使用具有末端执行器力的外科手术系统，该末端执行器力被耦连以提供相应的主控制器反馈力。对实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。在前面的描述中，出于解释的目的阐述了许多细节。然而，本领域普通技术人员将意识到，可以在不使用这些特定细节的情况下实践本发明。在其他实例中，以框图形式示出了公知的过程，以免不必要的细节使本发明的描述不清楚。相同的附图标记可用于表示不同附图中相同或相似项目的不同视图。因此，根据本发明的实施方式的前述描述和附图仅是对本发明原理的说明。因此，将理解，本领域技术人员可以对实施例进行各种修改，而不背离由所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (34)

1.一种远程操作外科手术系统，包括：

外科手术器械，包括

细长轴，其包括远端部分和近端部分，以及

末端执行器，其包括从动悬臂梁，所述从动悬臂梁安装成可围绕从动枢转轴线旋转，并设置在所述轴的远端部分；

一个或多个致动器，其配置成将围绕所述从动枢转轴线的旋转力施加到所述从动悬臂梁；

传感器，其配置为感测围绕所述从动枢转轴线的从动悬臂梁反作用力的大小；

主控制输入装置，包括

安装构件；

第一主握持构件，其耦连至所述安装构件，以允许所述第一主握持构件沿第一路径运动；

反馈发生器，其提供反馈力，所述反馈力基于围绕所述从动枢转轴线的所述从动悬臂梁反作用力的感测大小，并具有沿着与所述第一路径分开的第二路径的方向。

2.根据权利要求1所述的远程操作外科手术系统，

其中，所述反馈生成器包括：

一个或多个致动器；和

一个或多个处理器，被配置为使所述一个或多个致动器将所述反馈力施加到所述安装构件。

3.一种外科手术系统，包括：

外科手术器械，包括末端执行器，其中所述末端执行器包括第一夹具和第二夹具，所述第二夹具绕第一轴线枢转地耦连至所述第一夹具；

传感器，其被配置为确定在所述第一夹具和所述第二夹具之间经历的握持力；

主控制器，包括第一输入构件、第二输入构件和反馈发生器，所述第二输入构件绕第二轴线枢转地耦连到所述第一输入构件，

其中所述第二输入构件绕所述第二轴线朝向所述第一输入构件枢转导致所述第二夹具绕所述第一轴线朝向所述第一夹具枢转，以及

其中，所述反馈发生器在与所述第二轴线不相交的方向上产生与所述握持力成比例的反馈力。

4.一种远程操作外科手术系统，包括：

外科手术器械，包括

细长轴，其包括远端部分和近端部分，以及

末端执行器，其包括第一悬臂梁，所述第一悬臂梁安装成围绕从动枢转轴线旋转并设置在所述轴的所述远端部分处；

主控制输入装置，包括

安装构件，

第一主握持构件和第二主握持构件，其远端可旋转地固定在所述安装构件上以绕主枢转轴线旋转，以及

偏置构件，其设置成促使所述第一主握持构件和第二主握持构件的近端彼此分开；

传感器，其配置为产生指示围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力的传感器信号；

一个或多个马达，其可配置成在垂直于所述主枢转轴线的方向上向所述安装件施加反作用反馈力；

一个或多个处理器，其被配置为将所述传感器信号转换为一个或多个马达控制信号，以使所述一个或多个马达将所述反馈力传递给所述第一主握持构件和第二主握持构件。

5.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，

其中所述一个或多个处理器被配置为使所述一个或多个马达将所述反馈力限制为小于使所述主握持构件相对外科医生的手指滑动所需的大小。

6.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，

其中所述一个或多个处理器被配置为基于围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力以及所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的角度间隔来确定所述反馈力。

7.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，

其中所述偏置构件包括弹簧，所述弹簧包括弹簧常数；和

其中所述一个或多个处理器被配置为基于围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力、所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的角度间隔以及所述弹簧常数来确定所述反馈力。

8.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，

其中所述主控制输入装置包括致动器，以产生指示所述主握持构件之间的角度间隔的主握持信号；和

其中所述一个或多个处理器被配置为基于围绕所述从动枢转轴线的所述从动握持反作用力以及所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的所述角度间隔来确定所述反馈力。

9.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，还包括：

万向节组件；

其中所述主控制输入装置被安装至所述万向节组件。

10.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，其中，

其中所述末端执行器还包括：

第二悬臂梁，其安装成围绕所述从动枢转轴线旋转，并设置在所述轴的远端部分。

11.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，还包括：

机械地面；

支撑梁，所述支撑梁垂直于所述细长轴延伸并且具有固定以支撑所述外科手术器械的第一端部分，并且包括固定至所述机械地面的第二端部分；

其中，所述传感器被配置为通过感测所述支撑梁内的应变来产生指示围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力的所述传感器信号。

12.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，其中所述外科手术器械还包括：

远侧滑轮，其安装在所述轴的所述远端部分，以绕所述从动枢转轴线旋转，

固定在所述轴的所述近端部分上的底架，

可旋转地安装在所述底架处的近侧滑轮，以及

第一缆绳，其远端部分缠绕所述远侧滑轮并固定以向所述远侧滑轮施加旋转力，并且其近端缠绕在所述近侧滑轮；进一步包括：

缆绳驱动机构，其固定到所述近端以在所述第一缆绳上施加垂直于所述轴的纵向轴线的力分量；

其中所述传感器被配置为基于垂直于所述轴的所述纵向轴线施加在所述第一缆绳上的所述力分量产生指示围绕所述从动枢转轴线的所述从动握持反作用力的所述传感器信号。

13.一种远程操作外科手术系统，包括：

机械地面；

外科手术器械，包括

细长轴，其包括远端部分和近端部分，以及

末端执行器，所述末端执行器包括第一悬臂梁，所述第一悬臂梁安装成可围绕从动枢转轴线旋转，并设置在所述轴的所述远端部分；

远侧滑轮，其安装在所述轴的所述远端部分以绕所述从动枢转轴线旋转，

固定在所述轴的所述近端部分上的底架，

可旋转地安装在所述底架上的近侧滑轮，以及

第一缆绳，其具有远端部分和近端部分，其远端部分缠绕所述远侧滑轮并固定以向所述远侧滑轮施加旋转力，其近端缠绕在所述近侧滑轮上；

支撑梁，其垂直于所述细长轴延伸，并且具有被固定以支撑所述底架的第一端部分，并且包括固定至所述机械地面的第二端部分；

主控制输入装置，包括

安装构件，

第一主握持构件和第二主握持构件，所述第一主握持构件和所述第二主握持构件具有可旋转地固定在所述安装构件处以绕主枢转轴线旋转的远端，以及

偏置构件，其设置成促使所述第一主握持构件和第二主握持构件的近端彼此分开；

传感器，所述传感器配置成基于垂直于所述轴的纵向轴线施加在所述第一缆绳上的力分量产生指示围绕所述从动枢转轴线的所述从动握持反作用力的传感器信号；

一个或多个马达，其可配置成在垂直于所述主枢转轴线的方向上向所述安装构件施加反作用反馈力；

一个或多个处理器，其被配置为将所述传感器信号转换为一个或多个马达控制信号，以使所述一个或多个马达在垂直于所述主枢转轴线的方向上将所述反馈力施加到所述第一主握持构件和第二主握持构件。

14.根据权利要求13所述的远程操作外科手术系统，还包括：

缆绳驱动机构，其固定在所述第一缆绳的所述近端，以在所述第一缆绳上施加垂直于所述轴的所述纵向轴线的力分量。

15.根据权利要求13所述的远程操作外科手术系统，

其中所述一个或多个处理器被配置为使所述一个或多个马达将所述反馈力限制为小于使所述主握持构件相对外科医生的手指滑动所需的大小。

16.根据权利要求13所述的远程操作外科手术系统，

其中所述一个或多个处理器被配置为基于围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力以及所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的角度间隔来确定所述反馈力。

17.一种在主控制输入装置处提供从动末端执行器部分处的握持力的指示的方法，所述从动末端执行器部分可旋转地安装在外科手术器械轴的一端的从动枢转轴线，其中所述主控制输入装置包括安装构件、远端可旋转地固定在所述安装构件处以绕主枢转轴线旋转的第一和第二主握持构件，以及设置成促使所述第一主握持构件和所述第二主握持构件的近端彼此分开的偏置构件，所述方法包括：

产生指示围绕所述末端执行器的所述从动枢转轴线的握持反作用力的大小的传感器信号；

在所述第一主握持构件和所述第二主握持构件处产生反馈力，其中所述反馈力具有基于所述传感器信号的大小，并且具有垂直于所述主枢转轴线的方向。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，

其中产生所述反馈力包括产生这样的反馈力，所述反馈力的大小小于使所述主握持构件相对外科医生的手指滑动所需的大小。

19.根据权利要求17所述的方法，

其中产生所述反馈力包括基于围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力以及所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的角度间隔来产生所述反馈力。

20.根据权利要求17所述的方法，

其中产生所述传感器信号包括：

将所述外科手术器械支撑在支撑梁上，

响应于所述从动末端执行器处的所述握持力，在与在所述外科手术器械轴内延伸的缆绳平行的方向上施加缆绳力，以及

将所述缆绳力的垂直于所述轴的轴线的分量施加到所述支撑梁。

21.根据权利要求17所述的方法，

其中产生所述传感器信号包括：

将所述外科手术器械支撑在支撑梁上，

响应于从动末端执行器处的所述握持力，在与在所述外科手术器械轴内延伸的缆绳平行的方向上施加缆绳力，以及

将所述缆绳力的垂直于所述轴的轴线的分量施加到所述支撑梁；

其中产生所述反馈力包括产生小于使所述主握持构件相对外科医生的手指滑动所需大小的反馈力。

22.根据权利要求17所述的方法，

其中产生所述传感器信号包括：

将所述外科手术器械支撑在支撑梁上，

响应于从动末端执行器处的所述握持力，在与所述外科手术器械轴内延伸的缆绳平行的方向上施加缆绳力，以及

将所述缆绳力的垂直于所述轴的轴线的分量施加到所述支撑梁；

其中产生所述反馈力包括基于围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力以及所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的角度间隔来产生所述反馈力。

23.根据权利要求17所述的方法，

其中产生所述传感器信号包括：

将所述外科手术器械支撑在支撑梁上，

响应于从动末端执行器处的所述握持力，在与所述外科手术器械轴内延伸的缆绳平行的方向上施加缆绳力，以及

将所述缆绳力的垂直于所述轴的轴线的分量施加到所述支撑梁；进一步包括：

产生指示所述主握持构件之间的角度间隔的主握持信号；

其中产生所述反馈力包括基于围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力以及所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的角度间隔产生所述反馈力。

24.一种包括主控制输入装置的外科手术控制系统，所述主控制输入装置包括：

第一主握持构件；

第二主握持构件，其可铰接地耦连到所述第一主握持构件以允许所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的沿着第一路径的相对运动；

反馈发生器，其在与所述第一路径分开的第二路径上的主控制输入装置处提供反馈力。

25.根据权利要求24所述的外科手术控制系统，其中所述反馈发生器包括：

与所述主控制输入装置耦连的支撑联动装置；和

产生所述反馈力的致动器。

26.根据权利要求25所述的外科手术控制系统，其中所述致动器铰接所述支撑联动装置。

27.根据权利要求25所述的外科手术控制系统，其中所述致动器在不铰接所述支撑联动装置的情况下产生所述反馈力。

28.根据权利要求24所述的外科手术控制系统，其中所述主控制输入装置未接地。

29.根据权利要求24所述的外科手术控制系统，还包括电子设备柜，所述电子设备柜包括用于接收感测到的力信号并产生用于所述反馈发生器的反馈控制信号的处理器。

30.根据权利要求29所述的外科手术控制系统，其中所述反馈力与感测到的力大小成比例，所述感测到的力大小与感测到的力信号相关联。

31.根据权利要求30所述的外科手术控制系统，其中所述反馈力与所述感测到的力大小连续成比例。

32.根据权利要求30所述的外科手术控制系统，其中所述反馈力是振荡力。

33.根据权利要求30所述的外科手术控制系统，其中所述感测到的力信号是从外科手术器械接收的。

34.根据权利要求30所述的外科手术控制系统，其中所述感测到的力信号是从模拟环境内的虚拟外科手术器械产生的。

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