CN114901188A - 动态滑轮系统 - Google Patents

Abstract

某些方面涉及用于机器人医疗器械系统的系统和技术。该医疗系统可包括被构造用于插入患者体内的细长轴。该系统还可包括沿该细长轴延伸的牵拉线。该牵拉线可以是能够被致动的以使该细长轴进行关节运动。该医疗系统可包括联接到该牵拉线的动态滑轮，该动态滑轮被构造成在旋转期间在第一方向上塌缩并且在旋转期间在与该第一方向相反的第二方向上展开。

Description

动态滑轮系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年12月31日提交的美国临时申请62/956,001的权益，该美国临时申请据此全文以引用方式并入。

技术领域

本文所公开的系统和方法涉及医疗器械系统，并且更具体地涉及用于机器人医疗规程的动态滑轮系统。

背景技术

医疗规程诸如内窥镜检查可涉及出于诊断和/或治疗目的而进入患者的解剖结构的内部并使其可视化。例如，胃肠病学、泌尿病学和支气管病学涉及允许医师检查患者管腔诸如输尿管、胃肠道和气道(支气管和细支气管)的医疗规程。在这些规程期间，将细的柔性管状工具或器械诸如内窥镜或导管穿过孔口(诸如自然孔口)插入患者体内并且将其朝向识别用于后续诊断和/或治疗的组织部位推进。医疗器械可以是可控制的和可关节运动的以有利于导航通过解剖结构。

附图说明

下文将结合附图描述所公开的方面，该附图被提供以说明而非限制所公开的方面，其中类似的标号表示类似的元件。

图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人系统的实施方案。

图2描绘了图1的机器人系统的另外方面。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方案。

图4示出了被布置用于血管规程的图1的机器人系统的实施方案。

图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图6提供了图5的机器人系统的另选视图。

图7示出了被构造成收起机器人臂的示例性系统。

图8示出了被配置用于输尿管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图9示出了被构造用于腹腔镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图10示出了图5至图9的具有俯仰和倾斜调节的基于台的机器人系统的实施方案。

图11提供了图5至图10的台与基于台的机器人系统的柱之间的接口的详细图示。

图12示出了基于台的机器人系统的另选实施方案。

图13示出了图12的基于台的机器人系统的端视图。

图14示出了其上附接有机器人臂的基于台的机器人系统的端视图。

图15示出了示例性器械驱动器。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。

图18示出了具有基于器械的插入架构的器械。

图19示出了示例性控制器。

图20描绘了根据示例性实施方案的框图，该框图示出了估计图1至图10的机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如图16至图18的器械的位置)的定位系统。

图21A示出了具有以第一构型联接在一起的两个滑轮的动态滑轮系统。

图21B示出了图21A的动态滑轮系统的两个滑轮以第一构型并排定位。

图22A示出了图21A的动态滑轮系统的两个可展开滑轮以第二构型联接在一起。

图22B示出了图21A至图22A的动态滑轮系统以第二构型并排定位。

图23示出了动态滑轮系统的透视前视图。

图24示出了图23的动态滑轮系统的透视后视图。

图25示出了图23至图24的动态滑轮系统的前视图。

图26示出了图23至图25的动态滑轮系统的后视图。

图27示出了图23至图26的动态滑轮系统的叶片的透视顶视图。

图28示出了图27的叶片的透视侧视图。

图29示出了图23的动态滑轮系统的透视前视图，其中线在叶片上方延伸并且叶片处于展开构型。

图30示出了图29的动态滑轮系统的透视前视图，其中线在叶片上方延伸并且叶片处于塌缩构型。

图31示出了图23的动态滑轮系统的透视侧视图，其中一对线在叶片上方延伸。

图32示出了具有带四个滑轮的动态滑轮系统的医疗器械。

具体实施方式

1.概述。

本公开的各方面可集成到机器人使能的医疗系统中，该机器人使能的医疗系统能够执行多种医疗规程，包括微创规程诸如腹腔镜检查，以及非侵入规程诸如内窥镜检查两者。在内窥镜检查规程中，系统可能能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。

除了执行广泛的规程之外，系统可以提供附加的益处，诸如增强的成像和指导以帮助医师。另外，该系统可以为医师提供从人体工程学方位执行规程的能力，而不需要笨拙的臂运动和位置。另外，该系统可以为医师提供以改进的易用性执行规程的能力，使得系统的器械中的一个或多个器械可由单个用户控制。

出于说明的目的，下文将结合附图描述各种实施方案。应当理解，所公开的概念的许多其他具体实施是可能的，并且利用所公开的具体实施可实现各种优点。标题包括在本文中以供参考并且有助于定位各个节段。这些标题并非旨在限制相对于其所述的概念的范围。此类概念可在整个说明书中具有适用性。

A.机器人系统-推车。

机器人使能的医疗系统可以按多种方式配置，这取决于特定规程。图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人使能的系统10的实施方案。在支气管镜检查期间，系统10可包括推车11，该推车具有一个或多个机器人臂12，以将医疗器械诸如可操纵内窥镜13(其可以是用于支气管镜检查的规程特定的支气管镜)递送至自然孔口进入点(即，在本示例中定位在台上的患者的口)，以递送诊断和/或治疗工具。如图所示，推车11可被定位在患者的上躯干附近，以便提供到进入点的通路。类似地，可以致动机器人臂12以相对于进入点定位支气管镜。当利用胃镜(用于胃肠道(GI)规程的专用内窥镜)执行GI规程时，也可利用图1中的布置。图2更详细地描绘了推车的示例性实施方案。

继续参考图1，一旦推车11被正确定位，机器人臂12就可以机器人地、手动地或以其组合将可操纵内窥镜13插入患者体内。如图所示，可操纵内窥镜13可包括至少两个伸缩部分，诸如内引导件部分和外护套部分，每个部分耦合到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器耦合到单独的机器人臂的远侧端部。有利于将引导件部分与护套部分同轴对准的器械驱动器28的这种线性布置产生“虚拟轨道”29，该“虚拟轨道”可以通过将一个或多个机器人臂12操纵到不同角度和/或位置而在空间中被重新定位。本文所述的虚拟轨道在附图中使用虚线描绘，并且因此虚线未描绘系统的任何物理结构。器械驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导件部分相对于外护套部分伸缩，或者使内窥镜13从患者推进或回缩。虚拟轨道29的角度可以基于临床应用或医师偏好来调节、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，如图所示的虚拟轨道29的角度和方位代表了在向医师提供到内窥镜13的通路同时使由内窥镜13弯曲到患者的口中引起的摩擦最小化之间的折衷。

在插入之后，内窥镜13可以使用来自机器人系统的精确命令向下导向患者的气管和肺，直到到达目标目的地或手术部位。为了增强通过患者的肺网络的导航和/或到达期望的目标，内窥镜13可被操纵以从外部护套部分伸缩地延伸内引导件部分，以获得增强的关节运动和更大的弯曲半径。使用单独的器械驱动器28还允许引导件部分和护套部分彼此独立地被驱动。

例如，内窥镜13可被导向以将活检针递送到目标，诸如患者肺内的病变或结节。针可沿工作通道向下部署，该工作通道延伸内窥镜的长度以获得待由病理学家分析的组织样本。根据病理结果，可沿内窥镜的工作通道向下部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，诊断和治疗处理可在单独的规程中递送。在这些情况下，内窥镜13也可用于递送基准以“标记”目标结节的位置。在其他情况下，诊断和治疗处理可在相同的规程期间递送。

系统10还可包括可运动塔30，该可运动塔可经由支撑缆线连接到推车11以向推车11提供控制、电子、流体、光学、传感器和/或电力的支持。将这样的功能放置在塔30中允许可以由操作医师和他/她的工作人员更容易地调节和/或重新定位的更小形状因子的推车11。另外，在推车/台和支撑塔30之间划分功能减少了手术室混乱并且有利于改善临床工作流程。虽然推车11可被定位成靠近患者，但是塔30可以在远程位置中被收起以在规程过程期间不挡道。

为了支持上述机器人系统，塔30可包括基于计算机的控制系统的部件，该基于计算机的控制系统将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质诸如永磁存储驱动器、固态驱动器等内。无论执行是发生在塔30中还是发生在推车11中，这些指令的执行都可以控制整个系统或其子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可致使机器人系统的部件致动相关托架和臂安装件，致动机器人臂，并且控制医疗器械。例如，响应于接收到控制信号，机器人臂的接头中的马达可将臂定位成特定姿势。

塔30还可包括泵、流量计、阀控制器和/或流体通路，以便向可通过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗和抽吸能力。这些部件也可使用塔30的计算机系统来控制。在一些实施方案中，冲洗和抽吸能力可通过单独的缆线直接递送到内窥镜13。

塔30可包括电压和浪涌保护器，该电压和浪涌保护器被设计成向推车11提供经滤波和保护的电力，从而避免在推车11中放置电力变压器和其他辅助电力部件，从而得到更小、更可运动的推车11。

塔30还可包括用于在整个机器人系统10中部署的传感器的支撑设备。例如，塔30可包括用于在整个机器人系统10中检测、接收和处理从光学传感器或相机接收的数据的光电设备。结合控制系统，此类光电设备可用于生成实时图像，以用于在整个系统中部署的任何数量的控制台中显示(包括在塔30中显示)。类似地，塔30还可包括用于接收和处理从部署的电磁(EM)传感器接收的信号的电子子系统。塔30还可用于容纳和定位EM场发生器，以便由医疗器械中或医疗器械上的EM传感器进行检测。

除了系统的其余部分中可用的其他控制台(例如，安装在推车顶部上的控制台)之外，塔30还可包括控制台31。控制台31可包括用于医师操作者的用户界面和显示屏，诸如触摸屏。系统10中的控制台通常设计成提供机器人控制以及规程的术前信息和实时信息两者，诸如内窥镜13的导航和定位信息。当控制台31不是医师可用的唯一控制台时，其可由第二操作者(诸如护士)使用以监测患者的健康状况或生命体征和系统10的操作，以及提供规程特定的数据，诸如导航和定位信息。在其他实施方案中，控制台30被容纳在与塔30分开的主体中。

塔30可通过一个或多个缆线或连接件(未示出)耦合到推车11和内窥镜13。在一些实施方案中，可通过单根缆线向推车11提供来自塔30的支撑功能，从而简化手术室并消除手术室的混乱。在其他实施方案中，特定功能可耦合在单独的布线和连接中。例如，虽然可以通过单个缆线向推车11提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控件、光学器件、流体和/或导航的支持。

图2提供了来自图1所示的基于推车的机器人使能的系统的推车11的实施方案的详细图示。推车11通常包括细长支撑结构14(通常称为“柱”)、推车基部15以及在柱14的顶部处的控制台16。柱14可包括一个或多个托架，诸如用于支持一个或多个机器人臂12(图2中示出三个)的部署的托架17(另选地为“臂支撑件”)。托架17可包括可单独配置的臂安装件，该臂安装件沿垂直轴线旋转以调节机器人臂12的基部，以相对于患者更好地定位。托架17还包括托架接口19，该托架接口允许托架17沿着柱14竖直地平移。

托架接口19通过狭槽诸如狭槽20连接到柱14，该狭槽定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包括竖直平移接口以将托架17相对于推车基部15定位并保持在各种竖直高度处。托架17的竖直平移允许推车11调节机器人臂12的到达范围以满足各种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独配置的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种配置成角度。

在一些实施方案中，狭槽20可补充有狭槽盖，该狭槽盖与狭槽表面齐平且平行，以防止灰尘和流体在托架17竖直平移时进入柱14的内部腔以及竖直平移接口。狭槽盖可通过定位在狭槽20的竖直顶部和底部附近的成对弹簧卷轴部署。盖在卷轴内盘绕，直到在托架17竖直地上下平移时被部署成从盖的盘绕状态延伸和回缩。当托架17朝向卷轴平移时，卷轴的弹簧加载提供了将盖回缩到卷轴中的力，同时在托架17平移远离卷轴时也保持紧密密封。可使用例如托架接口19中的支架将盖连接到托架17，以确保在托架17平移时盖的适当延伸和回缩。

柱14可在内部包括诸如齿轮和马达之类的机构，其被设计成使用竖直对准的导螺杆以响应于响应用户输入(例如，来自控制台16的输入)生成的控制信号来以机械化方式平移托架17。

机器人臂12通常可包括由一系列连杆23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，该一系列连杆由一系列接头24连接，每个接头包括独立的致动器，每个致动器包括可独立控制的马达。每个可独立控制的接头表示机器人臂12可用的独立自由度。机器人臂12中的每个机器人臂可具有七个接头，并且因此提供七个自由度。多个接头导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。具有冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连接件位置和接头角度将其相应的端部执行器22定位在空间中的特定方位、取向和轨迹处。这允许系统从空间中的期望点定位和导向医疗器械，同时允许医师使臂关节运动到远离患者的临床有利方位，以产生更大的接近，同时避免臂碰撞。

推车基部15在地板上平衡柱14、托架17和机器人臂12的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，诸如电子器件、马达、电源以及使得推车11能够运动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车11在规程之前容易地围绕房间运动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当方位之后，脚轮25可以使用轮锁固定，以在规程期间将推车11保持在适当方位。

定位在柱14的竖直端部处的控制台16允许用于接收用户输入的用户界面和显示屏(或两用装置，诸如例如触摸屏26)两者向医师用户提供术前和术中数据两者。触摸屏26上的潜在术前数据可以包括从术前计算机化断层摄影(CT)扫描导出的术前计划、导航和标测数据和/或来自术前患者面谈的记录。显示器上的术中数据可以包括从工具、传感器提供的光学信息和来自传感器的坐标信息以及重要的患者统计，诸如呼吸、心率和/或脉搏。控制台16可以被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧面进入控制台16。从该方位，医师可以在从推车11后面操作控制台16的同时观察控制台16、机器人臂12和患者。如图所示，控制台16还包括用以帮助操纵和稳定推车11的柄部27。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的机器人使能的系统10的实施方案。在输尿管镜规程中，推车11可被定位成将输尿管镜32(被设计成横穿患者的尿道和输尿管的规程特定的内窥镜)递送到患者的下腹部区域。在输尿管镜检查中，可以期望输尿管镜32直接与患者的尿道对准以减少该区域中的敏感解剖结构上的摩擦和力。如图所示，推车11可以在台的脚部处对准，以允许机器人臂12定位输尿管镜32，以用于直接线性进入患者的尿道。机器人臂12可从台的脚部沿着虚拟轨道33将输尿管镜32通过尿道直接插入患者的下腹部中。

在插入到尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，输尿管镜32可以被导航到膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断和/或治疗应用。例如，可以将输尿管镜32引导到输尿管和肾中以使用沿输尿管镜32的工作通道向下部署的激光或超声碎石装置来打碎积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用沿输尿管镜32向下部署的篮移除所得的结石碎片。

图4示出了类似地布置用于血管规程的机器人使能的系统10的实施方案。在血管规程中，系统10可被配置成使得推车11可将医疗器械34(诸如可操纵导管)递送至患者的腿部的股动脉中的接入点。股动脉呈现用于导航的较大直径以及到患者的心脏的相对较少的迂回且曲折的路径两者，这简化了导航。如在输尿管镜规程中，推车11可以被定位成朝向患者的腿部和下腹部，以允许机器人臂12提供直接线性进入患者的大腿/髋部区域中的股动脉接入点的虚拟轨道35。在插入到动脉中之后，可通过平移器械驱动器28来导向和插入医疗器械34。另选地，推车可以被定位在患者的上腹部周围，以到达另选的血管进入点，诸如肩部和腕部附近的颈动脉和臂动脉。

B.机器人系统-台。

机器人使能的医疗系统的实施方案还可结合患者的台。结合台通过移除推车减少了手术室内的资本设备的量，这允许更多地接近患者。图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的这样的机器人使能的系统的实施方案。系统36包括用于将平台38(示出为“台”或“床”)支撑在地板上的支撑结构或柱37。与基于推车的系统非常相似，系统36的机器人臂39的端部执行器包括器械驱动器42，其被设计成通过或沿着由器械驱动器42的线性对准形成的虚拟轨道41来操纵细长医疗器械，诸如图5中的支气管镜40。在实践中，用于提供荧光镜成像的C形臂可以通过将发射器和检测器放置在台38周围而定位在患者的上腹部区域上方。

图6提供了用于讨论目的的没有患者和医疗器械的系统36的另选视图。如图所示，柱37可包括在系统36中示出为环形的一个或多个托架43，一个或多个机器人臂39可基于该托架。托架43可以沿着沿柱37的长度延伸的竖直柱接口44平移，以提供不同的有利点，机器人臂39可以从这些有利点被定位以到达患者。托架43可以使用定位在柱37内的机械马达围绕柱37旋转，以允许机器人臂39进入台38的多个侧面，诸如患者的两侧。在具有多个托架的实施方案中，托架可单独地定位在柱上，并且可独立于其他托架平移和/或旋转。虽然托架43不需要环绕柱37或甚至是圆形的，但如图所示的环形形状有利于托架43围绕柱37旋转，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移允许系统36将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者上的不同接入点中。在其他实施方案(未示出)中，系统36可包括具有可调式臂支撑件的病人检查台或病床，该可调式臂支撑件呈在病人检查台或病床旁边延伸的杆或导轨的形式。一个或多个机器人臂39(例如，经由具有肘接头的肩部)可附接到可调式臂支撑件，该可调式臂支撑件可被竖直调节。通过提供竖直调节，机器人臂39有利地能够紧凑地存放在病人检查台或病床下方，并且随后在规程期间升高。

机器人臂39可通过包括一系列接头的一组臂安装件45安装在托架43上，该接头可单独地旋转和/或伸缩地延伸以向机器人臂39提供附加的可配置性。另外，臂安装件45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装件45可定位在台38的同一侧上(如图6所示)、台38的相对侧上(如图9所示)或台38的相邻侧上(未示出)。

柱37在结构上为台38提供支撑，并且为托架43的竖直平移提供路径。在内部，柱37可配备有用于引导托架的竖直平移的导螺杆，以及用以机械化基于导螺杆的托架43的平移的马达。柱37还可将功率和控制信号传送到托架43和安装在其上的机器人臂39。

台基部46具有与图2所示的推车11中的推车基部15类似的功能，容纳较重的部件以平衡台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台基部46还可结合刚性脚轮以在规程期间提供稳定性。从台基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两侧沿相反方向延伸，并且当系统36需要运动时回缩。

继续图6，系统36还可以包括塔(未示出)，该塔使系统36的功能在台与塔之间进行划分以减小台的形状因子和体积。如在先前所公开的实施方案中，塔可以向台提供多种支持功能，诸如处理、计算和控制能力、电力、流体和/或光学以及传感器处理。塔还可以是可运动的，以远离患者定位，从而改善医师的接近并且消除手术室的混乱。另外，将部件放置在塔中允许在台基部46中有更多的储存空间，以用于机器人臂39的潜在收起。塔还可以包括主控制器或控制台，其提供用于用户输入的用户界面(诸如键盘和/或挂件)以及用于术前和术中信息(诸如实时成像、导航和跟踪信息)的显示屏(或触摸屏)两者。在一些实施方案中，塔还可包括用于待用于注气的气罐的夹持器。

在一些实施方案中，台基部可以在不使用时收起和储存机器人臂。图7示出了在基于台的系统的实施方案中收起机器人臂的系统47。在系统47中，托架48可以竖直平移到基部49中以使机器人臂50、臂安装件51和托架48收起在基部49内。基部盖52可以平移和回缩打开以围绕柱53部署托架48、臂安装件51和机器人臂50，并且闭合以收起该托架、臂安装件和机器人臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可以利用膜54沿着其开口的边缘密封，以防止在闭合时灰尘和流体进入。

图8示出了被配置用于输尿管镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。在输尿管镜检查中，台38可以包括用于将患者定位成与柱37和台基部46成偏角的旋转部分55。旋转部分55可以围绕枢转点(例如，位于患者的头部下方)旋转或枢转，以便将旋转部分55的底部部分定位成远离柱37。例如，旋转部分55的枢转允许C形臂(未示出)定位在患者的下腹部上方，而不与台38下方的柱(未示出)竞争空间。通过围绕柱37旋转托架35(未示出)，机器人臂39可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可以固定至台38的旋转部分55，以在手术期间支撑患者的腿部的方位，并且允许完全通向患者的腹股沟区域。

在腹腔镜检查规程中，通过患者的腹壁中的一个或多个小切口，可将微创器械插入患者的解剖结构中。在一些实施方案中，微创器械包括用于进入患者内的解剖结构的细长刚性构件，诸如轴。在患者腹腔充气之后，可以引导器械执行外科或医疗任务，诸如抓握、切割、消融、缝合等。在一些实施方案中，器械可以包括镜，诸如腹腔镜。图9示出了被配置用于腹腔镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。如图9所示，系统36的托架43可以被旋转并且竖直调整，以将成对的机器人臂39定位在台38的相对侧上，使得可以使用臂安装件45将器械59定位成穿过患者两侧上的最小切口以到达他/她的腹腔。

为了适应腹腔镜检查规程，机器人使能的台系统还可将平台倾斜到期望的角度。图10示出了具有俯仰或倾斜调整的机器人使能的医疗系统的实施方案。如图10所示，系统36可以适应台38的倾斜，以将台的一部分定位在比另一部分距底板更远的距离处。另外，臂安装件45可以旋转以匹配倾斜，使得机器人臂39与台38保持相同的平面关系。为了适应更陡的角度，柱37还可以包括伸缩部分60，该伸缩部分允许柱37的竖直延伸以防止台38接触地板或与台基部46碰撞。

图11提供了台38与柱37之间的接口的详细图示。俯仰旋转机构61可以被配置成以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。俯仰旋转机构61可以通过将正交轴线1、2定位在柱台接口处来实现，每条轴线由单独的马达3、4响应于电俯仰角命令而致动。沿着一个螺钉5的旋转将使得能够在一条轴线1中进行倾斜调整，而沿着另一个螺钉6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调节。在一些实施方案中，可使用球形接头来在多个自由度上改变台38相对于柱37的俯仰角。

例如，当试图将台定位在头低脚高位(即，将患者的下腹部定位在比患者的上腹部距地板更高的方位)以用于下腹部手术时，俯仰调节特别有用。头低脚高位致使患者的内部器官通过重力滑向他/她的上腹部，从而清理出腹腔以使微创工具进入并且执行下腹部外科或医疗规程，诸如腹腔镜前列腺切除术。

图12和图13示出了基于台的外科机器人系统100的另选实施方案的等轴视图和端视图。外科机器人系统100包括可被构造成相对于台101支撑一个或多个机器人臂(参见例如图14)的一个或多个可调式臂支撑件105。在例示的实施方案中，示出了单个可调式臂支撑件105，但是附加的臂支撑件可设置在台101的相对侧上。可调式臂支撑件105可被构造，使得其可相对于台101运动，以调节和/或改变可调式臂支撑件105和/或安装到该可调式臂支撑件的任何机器人臂相对于台101的方位。例如，可调式臂支撑件105可相对于台101被调节一个或多个自由度。可调式臂支撑件105为系统100提供高灵活性，包括容易地将一个或多个可调式臂支撑件105和附接到其的任何机器人臂收起在台101下方的能力。可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面下方的方位。在其他实施方案中，可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面上方的方位。

可调式臂支撑件105可提供若干自由度，包括提升、侧向平移、倾斜等。在图12和图13的例示实施方案中，臂支撑件105被构造成具有四个自由度，这些自由度在图12中用箭头示出。第一自由度允许在z方向上(“Z提升”)调节可调式臂支撑件105。例如，可调式臂支撑件105可包括托架109，该托架被配置成沿或相对于支撑台101的柱102向上或向下运动。第二自由度可允许可调式臂支撑件105倾斜。例如，可调式臂支撑件105可包括旋转接头，该旋转接头可允许可调式臂支撑件105在头低脚高位与床对准。第三自由度可允许可调式臂支撑件105“向上枢转”，这可用于调节台101的一侧与可调式臂支撑件105之间的距离。第四自由度可允许可调式臂支撑件105沿台的纵向长度平移。

图12和图13中的外科机器人系统100可包括由安装到基部103的柱102支撑的台。基部103和柱102相对于支撑表面支撑台101。地板轴线131和支撑轴线133在图13中示出。

可调式臂支撑件105可安装到柱102。在其他实施方案中，臂支撑件105可安装到台101或基部103。可调式臂支撑件105可包括托架109、杆或导轨连接件111以及杆或导轨107。在一些实施方案中，安装到轨道107的一个或多个机器人臂可相对于彼此平移和运动。

托架109可通过第一接头113附接到柱102，该第一接头允许托架109相对于柱102运动(例如，诸如沿第一轴线或竖直轴线123上下运动)。第一接头113可向可调式臂支撑件105提供第一自由度(“Z提升”)。可调式臂支撑件105可包括第二接头115，该第二接头为可调式臂支撑件105提供第二自由度(倾斜)。可调式臂支撑件105可包括第三接头117，该第三接头可为可调式臂支撑件105提供第三自由度(“向上枢转”)。可提供附加接头119(在图13中示出)，该附加接头机械地约束第三接头117以在导轨连接件111围绕第三轴线127旋转时保持导轨107的取向。可调式臂支撑件105可包括第四接头121，该第四接头可沿第四轴线129为可调式臂支撑件105提供第四自由度(平移)。

图14示出了根据一个实施方案的具有安装在台101的相对侧上的两个可调式臂支撑件105A、105B的外科机器人系统140A的端视图。第一机器人臂142A附接到第一可调式臂支撑件105B的杆或导轨107A。第一机器人臂142A包括附接到导轨107A的基部144A。第一机器人臂142A的远侧端部包括可附接到一个或多个机器人医疗器械或工具的器械驱动机构146A。类似地，第二机器人臂142B包括附接到导轨107B的基部144B。第二机器人臂142B的远侧端部包括器械驱动机构146B。器械驱动机构146B可被构造成附接到一个或多个机器人医疗器械或工具。

在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者包括具有七个或更多个自由度的臂。在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者可包括八个自由度，包括插入轴线(包括插入的1个自由度)、腕部(包括腕部俯仰、偏航和滚动的3个自由度)、肘部(包括肘部俯仰的1个自由度)、肩部(包括肩部俯仰和偏航的2个自由度)以及基部144A、144B(包括平移的1个自由度)。在一些实施方案中，插入自由度可由机器人臂142A、142B提供，而在其他实施方案中，器械本身经由基于器械的插入架构提供插入。

C.器械驱动器和接口。

系统的机器人臂的端部执行器可包括：(i)器械驱动器(另选地称为“器械驱动机构”或“器械装置操纵器”)，该器械驱动器结合了用于致动医疗器械的机电装置；以及(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，该医疗器械可以没有任何机电部件，诸如马达。该二分法可能是由以下所驱动的：对医疗规程中使用的医疗器械进行灭菌的需要；以及由于昂贵的资本设备的复杂机械组件和敏感电子器件而不能对昂贵的资本设备进行充分灭菌。因此，医疗器械可以被设计成从器械驱动器(以及因此从系统)拆卸、移除和互换，以便由医师或医师的工作人员单独灭菌或处置。相比之下，器械驱动器不需要被改变或灭菌，并且可以被覆盖以便保护。

图15示出了示例器械驱动器。定位在机器人臂的远侧端部处的器械驱动器62包括一个或多个驱动单元63，该一个或多个驱动单元以平行轴线布置以经由驱动轴64向医疗器械提供受控扭矩。每个驱动单元63包括用于与器械相互作用的单独的驱动轴64，用于将马达轴旋转转换成期望扭矩的齿轮头65，用于生成驱动扭矩的马达66，用以测量马达轴的速度并且向控制电路提供反馈的编码器67，以及用于接收控制信号并且致动驱动单元的控制电路68。每个驱动单元63被独立地控制和机动化，器械驱动器62可向医疗器械提供多个(例如，如图15所示为四个)独立的驱动输出。在操作中，控制电路68将接收控制信号，将马达信号传输至马达66，将由编码器67测量的所得马达速度与期望速度进行比较，并且调制马达信号以生成期望扭矩。

对于需要无菌环境的规程，机器人系统可以结合驱动接口，诸如连接至无菌覆盖件的无菌适配器，其位于器械驱动器与医疗器械之间。无菌适配器的主要目的是将角运动从器械驱动器的驱动轴传递到器械的驱动输入部，同时保持驱动轴与驱动输入部之间的物理分离并且因此保持无菌。因此，示例性无菌适配器可以包括旨在与器械驱动器的驱动轴和器械上的驱动输入部配合的一系列旋转输入部和旋转输出部。连接到无菌适配器的由薄的柔性材料(诸如透明或半透明塑料)组成的无菌覆盖件被设计成覆盖资本设备，诸如器械驱动器、机器人臂和推车(在基于推车的系统中)或台(在基于台的系统中)。覆盖件的使用将允许资本设备被定位在患者附近，同时仍然位于不需要灭菌的区域(即，非无菌区)。在无菌覆盖件的另一侧上，医疗器械可以在需要灭菌的区域(即，无菌区)与患者对接。

D.医疗器械。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括细长轴71(或细长主体)和器械基部72。由于其用于由医师进行的手动交互的预期设计而也被称为“器械柄部”的器械基部72通常可以包括可旋转驱动输入部73(例如，插座、滑轮或卷轴)，该驱动输入部被设计成与延伸通过机器人臂76的远侧端部处的器械驱动器75上的驱动接口的驱动输出部74配合。当物理连接、闩锁和/或耦合时，器械基部72的配合的驱动输入部73可以与器械驱动器75中的驱动输出部74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出部74传递到驱动输入部73。在一些实施方案中，驱动输出部74可以包括花键，其被设计成与驱动输入部73上的插座配合。

细长轴71被设计成通过解剖开口或内腔(例如，如在内窥镜检查中)或通过微创切口(例如，如在腹腔镜检查中)递送。细长轴71可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性细长轴的远侧端部可以连接到端部执行器，该端部执行器从由具有至少一个自由度的连接叉形成的接头腕和外科工具或医疗器械(诸如例如，抓握器或剪刀)延伸，当驱动输入部响应于从器械驱动器75的驱动输出部74接收到的扭矩而旋转时，该外科工具可以基于来自腱的力来致动。当设计用于内窥镜检查时，柔性细长轴的远侧端部可包括可操纵或可控制的弯曲节段，该弯曲节段以基于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而进行关节运动和弯曲。

使用沿着细长轴71的腱沿着细长轴71传递来自器械驱动器75的扭矩。这些单独的腱(例如，牵拉线)可以单独地锚定至器械柄部72内的单独的驱动输入部73。从柄部72，沿着细长轴71的一个或多个牵拉腔向下引导腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处，或者锚定在细长轴的远侧部分处的腕部中。在外科手术诸如腹腔镜、内窥镜或混合手术期间，这些腱可以耦合到远侧安装的端部执行器，诸如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入部73上的扭矩将张力传递到腱，从而引起端部执行器以某种方式致动。在一些实施方案中，在外科手术期间，腱可以致使接头围绕轴线旋转，从而致使端部执行器沿一个方向或另一个方向运动。另选地，腱可以连接到细长轴71的远侧端部处的抓握器的一个或多个钳口，其中来自腱的张力致使抓握器闭合。

在内窥镜检查中，腱可以经由粘合剂、控制环或其他机械固定件耦合到沿着细长轴71定位(例如，在远侧端部处)的弯曲或关节运动节段。当固定地附接到弯曲节段的远侧端部时，施加在驱动输入部73上的扭矩将沿腱向下传递，从而引起较软的弯曲节段(有时称为可关节运动节段或区域)弯曲或进行关节运动。沿着不弯曲节段，可以有利的是，使单独的牵拉腔螺旋或盘旋，该牵拉腔沿着内窥镜轴的壁(或在内部)导向单独的腱，以平衡由牵拉线中的张力引起的径向力。为了特定目的，可以改变或设计螺旋的角度和/或它们之间的间隔，其中更紧的螺旋在负载力下表现出较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但限制弯曲。在另一种情况下，可以平行于细长轴71的纵向轴线来导向牵拉腔以允许在期望的弯曲或可关节运动节段中进行受控关节运动。

在内窥镜检查中，细长轴71容纳多个部件以辅助机器人规程。轴71可以在轴71的远侧端部处包括用于部署外科工具(或医疗器械)、对手术区域进行冲洗和/或抽吸的工作通道。轴71还可以适应线和/或光纤以向远侧末端处的光学组件/从远侧末端处的光学组件传递信号，该光学组件可以包括光学相机。轴71也可以适应光纤，以将来自位于近侧的光源(诸如，发光二极管)的光载送到轴71的远侧端部。

在器械70的远侧端部处，远侧末端还可以包括用于递送用于诊断和/或治疗的工具、对手术部位进行冲洗和抽吸的工作通道的开口。远侧末端还可以包括用于相机(诸如纤维镜或数码相机)的端口，以捕获内部解剖空间的图像。相关地，远侧末端还可以包括用于光源的端口，该光源用于在使用相机时照亮解剖空间。

在图16的示例中，驱动轴轴线以及因此驱动输入部轴线与细长轴71的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚动能力复杂化。在保持驱动输入部73静止的同时沿着其轴线使细长轴71滚动会引起当腱从驱动输入部73延伸出去并且进入细长轴71内的牵拉腔时，腱的不期望的缠结。所得到的这样的腱的缠结可能破坏旨在在内窥镜规程期间预测柔性细长轴71的运动的任何控制算法。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。如图所示，圆形器械驱动器80包括四个驱动单元，其驱动输出81在机器人臂82的端部处平行对准。驱动单元和它们各自的驱动输出81容纳在由组件83内的驱动单元中的一个驱动单元驱动的器械驱动器80的旋转组件83中。响应于由旋转驱动单元提供的扭矩，旋转组件83沿着圆形轴承旋转，该圆形轴承将旋转组件83连接到器械驱动器80的非旋转部分84。可以通过电接触将电力和控制信号从器械驱动器80的非旋转部分84传送至旋转组件83，该电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来保持。在其他实施方案中，旋转组件83可以响应于集成到不可旋转部分84中的单独的驱动单元，并且因此不平行于其他驱动单元。旋转机构83允许器械驱动器80允许驱动单元及其相应的驱动输出81作为单个单元围绕器械驱动器轴线85旋转。

与先前所公开的实施方案类似，器械86可以包括细长轴部分88和器械基部87(出于讨论的目的，示出为具有透明的外部表层)，该器械基部包括被配置成接收器械驱动器80中的驱动输出部81的多个驱动输入部89(诸如插座、滑轮和卷轴)。与先前公开的实施方案不同，器械轴88从器械基部87的中心延伸，该器械基部的轴线基本上平行于驱动输入部89的轴线，而不是如图16的设计中那样正交。

当耦合到器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83组合地围绕器械驱动器轴线85旋转。由于器械轴88被定位在器械基部87的中心处，因此当附接时器械轴88与器械驱动器轴线85同轴。因此，旋转组件83的旋转致使器械轴88围绕其自身的纵向轴线旋转。此外，当器械基部87与器械轴88一起旋转时，连接到器械基部87中的驱动输入部89的任何腱在旋转期间都不缠结。因此，驱动输出部81、驱动输入部89和器械轴88的轴线的平行允许轴在不会使任何控制腱缠结的情况下旋转。

图18示出了根据一些实施方案的具有基于器械的插入架构的器械。器械150可耦合到上文所述的器械驱动器中的任一个器械驱动器。器械150包括细长轴152、连接到轴152的端部执行器162和耦合到轴152的柄部170。细长轴152包括管状构件，该管状构件具有近侧部分154和远侧部分156。细长轴152沿着其外表面包括一个或多个通道或凹槽158。凹槽158被配置成接纳通过该凹槽的一根或多根线或缆线180。因此，一根或多根缆线180沿着细长轴152的外表面延伸。在其他实施方案中，缆线180也可穿过细长轴152。所述一根或多根缆线180的操纵(例如，经由器械驱动器)使得端部执行器162的致动。

器械柄部170(也可称为器械基部)通常可包括附接接口172，该附接接口具有一个或多个机械输入件174，例如插孔、滑轮或卷轴，所述一个或多个机械输入件被设计成与器械驱动器的附接表面上的一个或多个扭矩耦合器往复地配合。

在一些实施方案中，器械150包括使得细长轴152能够相对于柄部170平移的一系列滑轮或缆线。换句话讲，器械150本身包括基于器械的插入架构，该架构适应器械的插入，从而使对机器人臂的依赖最小化以提供器械150的插入。在其他实施方案中，机器人臂可以很大程度上负责器械插入。

E.控制器。

本文所述的机器人系统中的任一个机器人系统可包括用于操纵附接到机器人臂的器械的输入装置或控制器。在一些实施方案中，控制器可与器械(例如，通信地、电子地、电气、无线地和/或机械地)耦合，使得控制器的操纵例如经由主从控制而致使器械对应操纵。

图19是控制器182的实施方案的透视图。在本实施方案中，控制器182包括可具有阻抗和导纳控制两者的混合控制器。在其他实施方案中，控制器182可仅利用阻抗或被动控制。在其他实施方案中，控制器182可仅利用导纳控制。通过作为混合控制器，控制器182有利地在使用时可具有较低的感知惯性。

在例示的实施方案中，控制器182被配置成允许操纵两个医疗器械，并且包括两个柄部184。柄部184中的每个柄部连接到万向支架186。每个万向支架186连接到定位平台188。

如图19所示，每个定位平台188包括通过棱柱接头196联接到柱194的SCARA臂(选择顺应性装配机器人臂)198。棱柱接头196被配置成沿着柱194(例如，沿着导轨197)平移，以允许柄部184中的每个柄部在z方向上平移，从而提供第一自由度。SCARA臂198被构造成允许柄部184在x-y平面中运动，从而提供两个附加自由度。

在一些实施方案中，一个或多个负荷传感器定位在控制器中。例如，在一些实施方案中，负荷传感器(未示出)定位在万向支架186中的每个万向支架的主体中。通过提供负荷传感器，控制器182的部分能够在导纳控制下操作，从而在使用时有利地减小控制器的感知惯性。在一些实施方案中，定位平台188被配置用于导纳控制，而万向支架186被配置用于阻抗控制。在其他实施方案中，万向支架186被配置用于导纳控制，而定位平台188被配置用于阻抗控制。因此，对于一些实施方案，定位平台188的平移自由度或方位自由度可依赖于导纳控制，而万向支架186的旋转自由度依赖于阻抗控制。

F.导航和控制。

传统的内窥镜检查可以涉及使用荧光透视(例如，如可以通过C形臂递送的)和其他形式的基于辐射的成像模态，以向操作医师提供腔内指导。相比之下，本公开所设想的机器人系统可以提供基于非辐射的导航和定位装置，以减少医师暴露于辐射并且减少手术室内的设备的量。如本文所用，术语“定位”可以指确定和/或监测对象在参考坐标系中的方位。诸如术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据的技术可以单独地或组合地使用以实现无辐射操作环境。在仍使用基于辐射的成像模态的其他情况下，可以单独地或组合地使用术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据，以改进仅通过基于辐射的成像模态获得的信息。

图20是示出根据示例实施方案的估计机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如器械的位置)的定位系统90的框图。定位系统90可以是被配置成执行一个或多个指令的一组一个或多个计算机装置。计算机装置可以由上文讨论的一个或多个部件中的处理器(或多个处理器)和计算机可读存储器来体现。通过示例而非限制，计算机装置可以位于图1所示的塔30、图1至图4所示的推车11、图5至图14所示的床等中。

如图20所示，定位系统90可包括定位模块95，该定位模块处理输入数据91-94以生成用于医疗器械的远侧末端的位置数据96。位置数据96可以是表示器械的远侧端部相对于参考系的位置和/或取向的数据或逻辑。参考系可以是相对于患者解剖结构或已知对象(诸如EM场发生器)的参考系(参见下文对于EM场发生器的讨论)。

现在更详细地描述各种输入数据91-94。术前标测可以通过使用低剂量CT扫描的集合来完成。术前CT扫描被重建为三维图像，该三维图像被可视化，例如作为患者的内部解剖结构的剖面图的“切片”。当总体上分析时，可以生成用于患者的解剖结构(诸如患者肺网络)的解剖腔、空间和结构的基于图像的模型。可以从CT图像确定和近似诸如中心线几何形状的技术，以形成患者解剖结构的三维体积，其被称为模型数据91(当仅使用术前CT扫描生成时也称为“术前模型数据”)。中心线几何形状的使用在美国专利申请14/523,760中有所讨论，其内容全文并入本文中。网络拓扑模型也可以从CT图像中导出，并且特别适合于支气管镜检查。

在一些实施方案中，器械可以配备有相机以提供视觉数据(或图像数据)92。定位模块95可处理视觉数据92以实现一个或多个基于视觉的(或基于图像的)位置跟踪模块或特征部。例如，术前模型数据91可以与视觉数据92结合使用，以实现对医疗器械(例如，内窥镜或推进通过内窥镜的工作通道的器械)的基于计算机视觉的跟踪。例如，使用术前模型数据91，机器人系统可以基于内窥镜的行进预期路径根据模型生成预期内窥镜图像的库，每个图像连接到模型内的位置。在外科手术进行时，机器人系统可以参考该库，以便将在相机(例如，在内窥镜的远侧端部处的相机)处捕获的实时图像与图像库中的那些图像进行比较，以辅助定位。

其他基于计算机视觉的跟踪技术使用特征跟踪来确定相机的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以识别术前模型数据91中的与解剖腔对应的圆形几何结构并且跟踪那些几何结构的变化以确定选择了哪个解剖腔，以及跟踪相机的相对旋转和/或平移运动。拓扑图的使用可以进一步增强基于视觉的算法或技术。

光流(另一种基于计算机视觉的技术)可以分析视觉数据92中的视频序列中的图像像素的位移和平移以推断相机运动。光流技术的示例可以包括运动检测、对象分割计算、亮度、运动补偿编码、立体视差测量等。通过多次迭代的多帧比较，可以确定相机(以及因此内窥镜)的运动和位置。

定位模块95可以使用实时EM跟踪来生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该全局坐标系可以被配准到由术前模型表示的患者的解剖结构。在EM跟踪中，包括嵌入在医疗器械(例如，内窥镜工具)中的一个或多个位置和取向中的一个或多个传感器线圈的EM传感器(或跟踪器)测量由定位在已知位置处的一个或多个静态EM场发生器产生的EM场的变化。由EM传感器检测的位置信息被存储为EM数据93。EM场发生器(或发射器)可以靠近患者放置，以产生嵌入式传感器可以检测到的低强度磁场。磁场在EM传感器的传感器线圈中感应出小电流，可以对该小电流进行分析以确定EM传感器与EM场发生器之间的距离和角度。这些距离和取向可以在外科手术进行时“配准”到患者解剖结构(例如，术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的术前模型中的方位对准的几何变换。一旦配准，医疗器械的一个或多个方位(例如，内窥镜的远侧末端)中的嵌入式EM跟踪器可以提供医疗器械通过患者的解剖结构的进展的实时指示。

机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用以提供用于机器人系统的方位数据96。可以在术前校准期间确定从关节运动命令得到的装置俯仰和偏航。在外科手术进行时，这些校准测量可以与已知的插入深度信息结合使用，以估计器械的方位。另选地，这些计算可以结合EM、视觉和/或拓扑建模进行分析，以估计医疗器械在网络内的方位。

如图20所示，定位模块95可使用多个其他输入数据。例如，尽管在图20中未示出，但是利用形状感测纤维的器械可以提供形状数据，定位模块95可以使用该形状数据来确定器械的位置和形状。

定位模块95可以组合地使用输入数据91-94。在一些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中定位模块95向根据输入数据91-94中的每个输入数据确定的位置分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠(如可能存在EM干扰的情况)的情况下，由EM数据93确定的位置的置信度可能降低，并且定位模块95可能更重地依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。

如上所讨论的，本文讨论的机器人系统可以被设计成结合以上技术中的一种或多种技术的组合。位于塔、床和/或推车中的机器人系统的基于计算机的控制系统可以将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质(诸如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等)内，该计算机程序指令在执行时引起系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统的控制信号并且显示导航和定位数据，诸如器械在全局坐标系内的方位、解剖图等。

2.多线输入的动态张紧。

本公开的示例涉及用于机器人医疗器械的系统和技术。在一些方面，机器人医疗器械可与机器人使能的医疗系统(诸如上文参考图1至图20所述的那些)一起使用。医疗器械的示例可包括被构造成由机器人臂控制的器械，诸如柔性内窥镜或导管。在一些方面，医疗器械可包括用手腕致动的医疗工具、相机(例如，具有光纤)、夹持器工具、装篮工具、刀片工具、激光工具(例如，具有光纤)和/或本文所述的其他器械。在一些方面中，医疗器械可被配置用于内窥镜检查规程。例如，医疗器械可被构造用于输尿管镜检查、胃镜检查、支气管镜检查或其他内窥镜检查规程。在一些示例中，医疗器械可被构造用于腹腔镜检查规程或其他类型的医疗规程(例如，开腹规程)。

医疗器械可进行关节运动以导航通过患者的解剖结构，从而经由各种器官(诸如对于输尿管镜检查为肾)的孔口和管腔进入、可视化和诊断和/或治疗各种器官中的病状。为了导航通过各种器官(诸如肾)的孔口和管腔，医学器械应是柔性的并且可在一个或多个方向上偏转。医疗器械还可以是细长的，使得其可到达患者解剖结构中的期望目标区域。

医疗器械可附接到定位在机器人臂或其他器械定位装置的端部上的器械驱动机构。器械驱动机构可包括接合一个或多个机器人驱动输入部或驱动轴以机器人式控制医疗器械的一个或多个机器人驱动输出部。医师可使用控制器(例如，如图19所示)来控制机器人使能的系统。

在一些方面，医疗器械可包括具有腕部的工具并且该腕部可被致动以控制和操纵工具。在一些方面，医疗器械可包括器械柄部，该器械柄部可包括一个或多个旋转驱动输入部或驱动轴。驱动轴可用一个或多个展开滑轮来致动一根或多根牵拉线。一根或多根牵拉线可被致动以使工具的细长轴或腕部进行关节运动。

医疗器械可包括细长轴和器械柄部(或器械基部)。细长轴可被构造用于在医疗规程期间插入患者的解剖结构中。在一些方面，细长轴穿过自然孔口插入患者的解剖结构中。在一些方面，细长轴穿过切口或其他外科开口插入患者的解剖结构中。细长轴可以是柔性的。细长轴可以是可关节运动的和可控制的。这可允许操作者(诸如医师)控制细长轴的关节运动，以便导航和操控医疗器械通过患者的解剖结构。控制细长轴的关节运动可以包括偏转或弯曲细长轴的可关节运动部分，以及在某些实施方案中，使细长轴围绕轴的纵向轴线滚动或旋转。

在一些方面，可关节运动部分可以是细长轴的远侧部分。可关节运动部分可以以一个或多个自由度进行关节运动。自由度可以是线性自由度或旋转自由度。例如，第一自由度可以是沿第一轴线的平移，第二自由度可以是沿垂直于第一轴线的第二轴线的平移，并且第三自由度可以是沿垂直于第一轴线和第二轴线的第三轴线的平移。可存在另外的或另选的自由度，诸如围绕第一轴线、第二轴线和/或第三轴线中的一者或多者旋转，和/或在第一平面、第二平面和/或第三平面内旋转。可以在器械基部处控制细长轴的致动。

器械基部或柄部可诸如在细长轴的近侧部分或远侧部分处连接到细长轴。器械基部可包括一个或多个旋转驱动输入部或驱动轴。细长轴可联接到驱动输入部以控制细长轴的一个或多个部分的关节运动。细长轴可包括沿细长轴的长度延伸的一根或多根牵拉线。一根或多根牵拉线可以是能够被致动的以使细长轴进行关节运动。通过一根或多根牵拉线联接到一个或多个可展开滑轮的一个或多个驱动输入部可被构造成在各个方向上诸如在远侧端部处使轴弯曲。医疗器械可包括驱动输入部，其也可被称为旋转驱动输入部、输入部、驱动轴、旋转驱动轴或轴。驱动输入部可位于医疗器械的柄部中。

在一些方面，驱动输入部中的一个驱动输入部被构造成向医疗器械的细长轴提供双向偏转控制。双向偏转控制可允许细长轴在两个方向上偏转。在一些实施方案中，这两个方向可以是相反方向，诸如上和下或左和右。这也可称为单个平面(诸如上下平面或左右平面)中的双向偏转控制。方向术语(例如，上、下、左、右等)广义地用于指示相对于医疗器械的取向的不同方向。因为医疗器械可在各种取向上不断地重新定位，所以方向术语不应被解释为限制性的。例如，被称为上、下、左和右的方向可根据器械的取向而变化。在一些方面，沿第一方向控制或操作手动或机器人驱动输入部致使细长轴沿第一方向(例如，上)偏转，并且沿第二方向操纵手动或机器人驱动输入部致使细长轴沿第二方向(例如，下)偏转。在一些方面，医疗器械可包括被构造成允许进行附加双向偏转控制的附加驱动输入部。例如，第一驱动输入部可允许沿相反方向(诸如上和下)进行双向偏转控制，并且第二驱动输入部可允许沿左方向和右方向进行双向偏转控制。又如，第一驱动输入部可允许沿任意两个方向(诸如上和左)进行双向偏转控制，并且第二驱动输入部可允许沿其他两个方向(诸如下和右)进行双向偏转控制。这将允许使用两个驱动输入部来对细长轴进行四向偏转控制。

在一些方面，驱动输入部被构造成允许进行四向偏转控制。在一些方面，四向偏转控制允许细长轴沿四个不同方向进行关节运动。在一些方面，这些方向可以是四个正交方向，诸如上、下、左和右。在一些方面，被构造用于四向偏转控制的驱动输入部可包括两个机器人驱动输入部。这两个驱动输入部可被构造成与器械驱动机构上的两个对应驱动输出部接合。每个驱动输入部可沿两个相反方向(例如顺时针和逆时针)旋转。两个驱动输入部中的第一个驱动输入部沿一个方向(例如，顺时针方向)的旋转可允许沿四个方向中的一个方向(例如，上)进行关节运动。两个驱动输入部中的第一个驱动输入部沿相反方向(例如，逆时针方向)的旋转可允许沿四个方向中的另一个方向(例如，下)进行关节运动。两个驱动输入部中的第二个驱动输入部沿一个方向(例如，顺时针方向)的旋转可允许沿四个方向中的另一个方向(例如，右)进行关节运动。并且两个驱动输入部中的第二个驱动输入部沿相反方向(例如，逆时针方向)的旋转可允许沿四个方向中的另一个方向(例如，左)进行关节运动。因此，可使用两个驱动输入部来实现四向偏转控制。在一些方面，驱动输入部被构造成提供其他数量的方向偏转控制，诸如双向偏转控制、三向偏转控制等。

如上所述(例如参考图15至图18)，在一些方面，医疗器械可包括沿细长轴延伸(例如，在细长轴的至少一部分上延伸或延伸穿过细长轴的至少一部分)的一根或多根牵拉线。牵拉线可附接到器械柄部内的致动机构，诸如一个或多个可展开滑轮。致动机构可继而连接到驱动输入部，使得驱动输入部的致动操作致动机构以牵拉这些牵拉线，以便引起细长轴的关节运动。在一些方面，驱动输入部中的一个或多个驱动输入部各自连接到器械柄部内的同一致动机构(例如，滑轮、绞盘和/或滑轮组件)，使得驱动输入部可用于致动同一致动机构。

医生可通过控制或操作医疗器械的驱动输入部或驱动轴来控制医疗器械。可能有利的是在单个驱动轴上布线和控制两根线或缆线，然后可驱动双向控制。这可能是有利的，因为它更有效并且释放其他驱动轴以用于其他目的(例如，为了控制其他类型的关节运动或功能)。使医疗器械进行关节运动的挑战之一是牵拉线或控制线围绕滑轮或绞盘的松弛管理。两根牵拉线中的每一根牵拉线可附接到滑轮。两个滑轮可各自联接到同一单个驱动轴。两个滑轮可由单个驱动轴驱动，从而允许单个驱动轴控制关节运动或偏转的两个方向。然而，在单个驱动轴上布线的两根线(经由两个滑轮)的挑战可能导致过度松弛，这可能导致过度的关节运动响应滞后，从而在用户尝试导航内部解剖结构时这产生不合格的机器人驾驶体验。例如，随着滑轮旋转，线中的一根线处于张紧状态，而另一根未张紧的线变得松弛。当滑轮的旋转反向时，该未张紧的线中的松弛可造成上述不期望的滞后。

控制线可用于器械或用于使细长轴(诸如导管)进行关节运动。在这些用途中的任一种用途中，希望使用单个滑轮控制单个驱动轴上的两根控制线，但这可能导致不期望的滞后。因此，甚至更希望在单个驱动轴上驱动两个滑轮，每个滑轮联接到两根控制线中的一根控制线，这可减少松弛并最小化响应滞后。

图21A至图21B以及图22A至图22B示出了具有两个可展开滑轮210、220的动态滑轮系统200的示例性实施方案。图21A示出了具有以第一构型联接在一起的两个可展开滑轮210、220的动态滑轮系统200。图21B示出了动态滑轮系统200的两个展开滑轮210、220分隔开并以第一构型并排定位。图22A示出了图22A至图22B的动态滑轮系统200的两个可展开滑轮210、220以第二构型联接在一起。图22B示出了图22A的动态滑轮系统200的两个展开滑轮210、220以第一构型并排定位。动态滑轮系统200也可被视为具有两个侧210、220的单个滑轮，其中滑轮的每一侧分别接合单独的牵拉线212、222。图21A至图22B的动态滑轮系统200可用于控制可连接到并致动如上所述的导管或工具的牵拉线212、222。图21A至图22B的动态滑轮系统200的两个可展开滑轮210、220可致动连接到导管或工具的牵拉线212、222。

在由驱动轴致动的双向驱动期间，每个附接的滑轮210、220可展开和收缩以在每根牵拉线212、222上保持最小张力，由此管理和防止沿每个滑轮210、220的路径的任何过度松弛。第一滑轮210和第二滑轮220被构造成展开或塌缩以解决响应滞后的问题，由单个驱动轴驱动多根线可能发生响应滞后。诸如当驱动轴改变方向时，第一滑轮210和第二滑轮220可展开以动态地张紧并在每根相应的牵拉线212、222上保持最小张力并拉紧任何松弛。

第一展开滑轮210可包括在一个方向诸如逆时针方向240上缠绕在第一展开滑轮210周围的第一牵拉线212。第二展开滑轮220可包括在另一个方向诸如顺时针方向230上缠绕在第二展开滑轮220周围的第二牵拉线222。

第一展开滑轮210被构造成当第一展开滑轮210在第一方向(例如逆时针方向240)上旋转时展开并且当第一展开滑轮210在第二方向(例如顺时针方向230)上旋转时塌缩。第二展开滑轮220被构造成当第二展开滑轮220在第一方向(例如逆时针方向240)上旋转时塌缩并且当第二展开滑轮220在第二方向(例如顺时针方向230)上旋转时展开。第一方向对应于第一展开滑轮210推动或释放第一牵拉线212上的张力的方向，并且第二方向对应于第一展开滑轮210拉动或增大第一牵拉线212上的张力的方向。关于第二展开滑轮220，第一方向对应于第二展开滑轮220拉动或增大第二牵拉线222上的张力的方向，并且第二方向对应于第二展开滑轮220推动或释放第二牵拉线222上的张力的方向。第一展开滑轮210可从展开构型在第二方向(例如顺时针230)上旋转以增大第一牵拉线212中的张力。随着第一展开滑轮210旋转并对第一牵拉线212施加张力，第一展开滑轮210塌缩。与此同时，第二展开滑轮220可从塌缩构型减小第二牵拉线222中的张力。随着第二展开滑轮220旋转并释放第二牵拉线222上的张力，第二展开滑轮220可展开以拉紧第二牵拉线222上的松弛。

图21A至图21B示出了在第一方向(诸如逆时针方向240)上旋转的动态滑轮系统200。图22A至图22B示出了在第二方向(诸如顺时针方向230)上旋转的动态滑轮系统200。第二方向(例如顺时针方向230)可与第一方向(例如逆时针方向240)相反。

如图21A和图22A所示，第一滑轮210和第二滑轮220可被定位成使滑轮的中心穿过滑轮的中心对齐。驱动轴260(如图21A和图22A所示)可联接到第一滑轮210和第二滑轮220。驱动轴260可类似于如图15所示的一个或多个驱动轴64。如图15所示，驱动单元63可包括可被布置成具有平行轴线的一个或多个驱动轴64。一个或多个驱动轴64可连接到一个或多个滑轮，以经由驱动轴64向医疗器械提供受控扭矩。驱动轴64可于是通同时旋转第一滑轮210和第二滑轮220。如图21A至图21B所示，随着驱动轴260在第一方向240上旋转，第一滑轮210展开并且第二滑轮220塌缩。如图22A至图22B所示，随着驱动轴260在第二方向230上旋转，第一滑轮210塌缩并且第二滑轮220展开。

图21A至图21B示出了处于第一构型的滑轮系统200，其中第一滑轮210处于展开构型210A，其中展开的第一滑轮的直径(“D1”)展开或延伸。第一滑轮210被构造成当第一滑轮210在第一方向(诸如逆时针方向240)上旋转时展开。图21A至图21B示出了处于第一构型的滑轮系统200，其中第二滑轮220处于塌缩构型220A，其中塌缩的第二滑轮的直径(“D2”)收缩或塌缩。第二滑轮220被构造成当第二滑轮220在第一方向(诸如逆时针方向240)上旋转时收缩。第一展开滑轮210可从如图21A所示的展开构型210A通过在第二方向230上旋转来增大第一牵拉线212中的张力或向第一牵拉线施加张力。随着第一展开滑轮210旋转并对第一牵拉线212施加张力，第一展开滑轮210塌缩，如图22A至图22B所示。第二展开滑轮220可从如图21A所示的塌缩构型220A通过在第二方向230上旋转来减小或释放第二牵拉线222中的张力。随着第二展开滑轮220旋转并释放第二牵拉线222上的张力，第二展开滑轮220可如图22A至图22B所示展开以拉紧第二牵拉线222上的松弛。

图22A至图22B示出了处于第二构型的滑轮系统200，其中第一滑轮210处于塌缩构型210B，其中塌缩的第一滑轮的直径(“D1”)塌缩或收缩。第一滑轮210被构造成当第一滑轮210在第二方向(诸如顺时针方向230)上旋转时塌缩。图22A至图22B示出了处于第二构型的滑轮系统200，其中第二滑轮220处于展开构型220B，其中展开的第二滑轮220B的直径(“D2”)展开。第二滑轮220被构造成当第二滑轮220在第二方向(诸如顺时针方向230)上旋转时展开。第一展开滑轮210可从如图22A至图22B所示的塌缩构型210B通过沿第一方向240旋转来减小或释放第一牵拉线212中的张力。第二展开滑轮220可从如图22A至图22B所示的展开构型220B通过在第一方向240上旋转来增大第二牵拉线222中的张力或向第二牵拉线施加张力。

在一些方面，第一牵拉线212和第二牵拉线222可沿细长轴(未示出)延伸，诸如从细长轴的远侧端部延伸到近侧端部。第一牵拉线212和第二牵拉线222可被构造成在两个相反的方向上使轴弯曲。两个相反的方向可以是左和右或前和后。两个相反的方向也可以是上和下或低和高。在一些方面，第一牵拉线212和第二牵拉线222可在任意两个方向上使轴弯曲，诸如上和右或下和左。一个或多个驱动输入部还可被构造成使细长轴绕其纵向轴线旋转或线性平移。器械基部可包括两个驱动输入部。每个驱动输入部可接纳包括两个展开滑轮的动态张紧滑轮系统。每个动态滑轮可联接到一根牵拉线。驱动输入部中的每个驱动输入部可在两个方向上控制细长轴并使细长轴进行关节运动。因此，两个驱动输入部可控制四根牵拉线，从而控制细长轴的四向关节运动。例如，第一滑轮和第二滑轮可联接到第一驱动输入部，而第三滑轮和第四滑轮可联接到第二驱动输入部。第一牵拉线212和第二牵拉线222也可在其他环境中被致动，诸如联接到腕部的工具(例如，夹钳、夹持器、切割器或任何其他工具)。

如上所述，动态滑轮系统可包括一个或多个被构造成展开或收缩的滑轮。可使用各种机构来展开和收缩滑轮的直径。例如，在某些方面，一个或多个滑轮可由可压缩的或可变形的材料制成。在一些示例中，滑轮的外表面由一个或多个弹簧支撑。图23示出了利用可变形叶片来改变动态滑轮系统的至少一部分的直径的动态滑轮系统的示例。如所述的那样，由于动态滑轮被构造成抵靠牵拉线塌缩或展开，因此动态滑轮可动态地张紧一根或多根牵拉线。展开滑轮的动态张紧可由围绕展开滑轮径向定位的可变形叶片产生，该叶片也可称为翼片或突片。

图23示出了动态滑轮系统的透视前视图。图25示出了图23的动态滑轮系统的前视图。动态滑轮系统的前侧可被视为第一滑轮300。在一些方面，动态滑轮系统的前侧可被视为单个滑轮的第一侧300。第一滑轮或第一侧300包括具有中心或中央孔310的中心毂320。中心孔310可被成形并构造成接纳驱动轴(未示出)。在一些方面，中心孔310可包括对应于驱动轴形状的一系列凹槽或凹陷部，使得驱动轴在被放置在中心孔310中时可致动第一滑轮300的旋转。

第一滑轮300包括一系列叶片350，该叶片也可被称为突片或翼片。每个叶片350可从毂320向外延伸。尽管第一滑轮300包括如图23和图25所示的四个叶片350，但第一滑轮300包括任意数量的叶片350，诸如1个、2个、3个、4个、5个、6个或更多个。一系列叶片350中的每个叶片可附接到毂320的各个点或紧邻毂320的点。

毂320可包括用作止动件以限制每个突片350的旋转范围的一系列突出表面322、324。例如，第一突出表面322用作止动件以限制突片350在第一方向240上的旋转，并且第二突出表面324用作止动件以限制突片350在第二方向230上的旋转。

尽管图23和图25示出一系列叶片350定位在第一滑轮300的一侧上，但叶片350可定位在第一滑轮300上的任何地方，诸如定位在第一滑轮300的与所示出的相反的一侧上或被定位成完全围绕第一滑轮300。第一滑轮300还可包括固定部分380。固定部分380的外表面或远侧表面可以是弯曲的以匹配第一滑轮300的外圆周并且与缠绕在第一滑轮300周围的线接合。

叶片350附接到毂320或与毂相邻的附接点326限定叶片350的旋转轴线或枢轴点。叶片350可多种方式诸如用销附接到毂320或与毂320相邻。叶片350围绕由附接点326限定的该旋转轴线或枢轴点旋转。每个叶片350具有从叶片350附接到毂320的点326至叶片350的最外侧部分的长度。

每个叶片350可在展开位置和塌缩位置之间移动。叶片350可与毂320形成铰链。在一些方面，随着叶片350围绕附接点326旋转，叶片350可作为铰链旋转。叶片350可接纳弹簧330以将叶片350偏置在展开位置。弹簧330可以是扭转弹簧330。弹簧330的一部分可抵靠第一突出表面322定位。弹簧330的另一部分可接纳在叶片350的凹陷部内。

图24示出了动态张紧滑轮系统的透视后视图。图26示出动态滑轮系统的后视图。动态滑轮系统的后侧可被视为第二滑轮400。在一些方面，第二滑轮400可固定或联接到第一滑轮300。在一些方面，第二滑轮400可与第一滑轮300成一体。在一些方面，第一滑轮300和第二滑轮400可背对背定位。在一些方面，第一滑轮300和第二滑轮400可背对背定位并且定位在同一驱动输入部上。在一些方面，动态滑轮系统的后侧可被视为单个滑轮的被定位成与单个滑轮的第一侧300相反的第二侧400。

类似于第一滑轮300，第二滑轮400包括具有中心孔410的中心毂420。第二滑轮400包括从毂420向外延伸的一系列叶片450。类似于第一滑轮300，第二滑轮400可包括固定部分480。叶片450可与中心毂420形成铰链。叶片450可接纳弹簧430以将叶片450偏置在展开位置。如本文所述，第二滑轮400可以是第一滑轮300的大致镜像。当第一滑轮300和第二滑轮400背对背定位时，第二滑轮400的中心孔410可与第一滑轮300的中心孔310对准。

图27至图28示出了第一滑轮300的叶片350。叶片350可包括近侧部分或径向内部部分354和远侧部分或径向外部部分356。叶片350的直径可从近侧部分354到远侧部分356增大。近侧部分354可被视为最内侧部分，而远侧部分356可被视为最外侧部分。近侧部分354可以是窄的，而远侧部分356可以是宽的。远侧部分356可在一侧上延伸，使得叶片350不对称并具有总体“L”形状。远侧部分356可包括倾斜或有斜度的外边缘。叶片350的远侧外部可在第一方向(诸如第一旋转方向240)上径向向内倾斜。

倾斜的外边缘可包括可接纳牵拉线(也可被称为线或缆线)的一部分的远侧凹陷部或凹槽360。这样，线可与叶片350的最外侧部分356接合。近侧部分354可包括孔352，以在附接点326处(诸如与中心毂320相邻，如图23和图25所示)将叶片350附接或锚定到滑轮300。近侧部分354可包括可接纳弹簧330的至少一部分(如图23和25图所示)的近侧凹陷部或凹槽358。近侧凹槽358可位于叶片350的第一侧上。远侧凹槽360可定位在叶片350的与第一侧相反的第二侧上。远侧凹槽360可从叶片350的第二侧(如图27所示)延伸到叶片350的远侧端部(如图28所示)。

如本文所述，第二滑轮400可以是第一滑轮300的镜像。第二滑轮400的叶片450(如图24和图26所示)可与叶片350(如图23、图25、图27和图28所示)基本上类似但为镜像。这样，叶片450的外部可在第二方向(诸如滑轮300的第二旋转方向230)上径向向内倾斜。

图29示出了动态滑轮系统的透视前视图，其中线500联接到处于展开构型的叶片350。图30示出了动态滑轮系统的透视前视图，其中线500联接到处于塌缩构型的叶片350。随着动态滑轮系统旋转并且滑轮增大线上的张力，叶片350随后将塌缩。随着动态滑轮系统在不同方向上旋转，滑轮减小线500上的张力，并且叶片350随后将展开以拉紧线500中的松弛。

线500可联接到滑轮300并围绕一个或多个叶片350延伸。线500的一个端部可在终止点处附接到滑轮300。滑轮300还可包括可被构造成预张紧线500的棘轮370。棘轮370可接纳线500的一个端部。线500的一个端部可终止于棘轮370，使得棘轮370可被视为终止点。线500从终止点围绕一系列叶片350的最外侧部分356延伸。线500可随后沿联接到医疗器械的工具的细长轴或腕部延伸，如前所述。线500可随后能够被致动以使医疗器械的工具的细长轴或腕部进行关节运动。

如本文所述，一系列叶片350可各自具有远侧凹槽360以接纳线500。当线500被接纳在叶片350的远侧凹槽360中时，线500被构造成挤压叶片350的边缘以使叶片350塌缩。叶片将在线500的张力下塌缩，其中张力随着滑轮300旋转而增大。叶片350可被偏置成展开构型(例如，用弹簧)，使得由于随着滑轮300旋转而减小或释放张力，叶片350将展开。在一系列叶片350围绕中心毂320径向定位的情况下，远侧部分356的延伸部分的方向性可彼此对准并且可各自指向一个旋转方向，诸如逆时针方向240。线500可在第二旋转方向(诸如顺时针方向230)上缠绕在一系列叶片350周围。

如图15所示，驱动单元63可包括可被布置成具有平行轴线的一个或多个驱动轴64。一个或多个驱动轴64可连接到一个或多个滑轮，以经由驱动轴64向医疗器械提供受控扭矩。如本文所述，驱动轴64可插入第一滑轮300的中心孔310中。驱动轴64可随后驱动态滑轮300的旋转以在第一方向和第二方向上旋转，诸如逆时针方向240和顺时针方向230。在各种其他构型中，可在驱动轴64与滑轮之间使用齿轮系或任何其他机械联接，使得驱动轴可驱动态滑轮的旋转。如本文所述，每个叶片350可从毂320向外延伸并且可从展开位置和塌缩位置移动。叶片350可为能够在展开位置和塌缩位置之间旋转的。如本文所述，叶片350可围绕叶片350附接到滑轮300的附接点326枢转。该系列叶片350被构造成在旋转过程中在第一方向上塌缩并且在旋转过程中在第二方向上展开，第二方向与第一方向相反。例如，第一方向可以是逆时针方向240并且第二方向可以是顺时针方向230。

如图29中的展开位置所示，叶片350的最外侧部分356被定位成离中心毂320最远。如图30中的塌缩位置所示，叶片350的最外侧位置356被定位成最靠近中心毂320。

叶片350可被构造成随着滑轮旋转而朝向展开位置径向向外展开。叶片350可被构造成随着滑轮在不同方向上旋转而朝向塌缩位置径向向内塌缩。当叶片350连接到毂320上的点326时，随着叶片350围绕毂320上的点326在展开位置和塌缩位置之间旋转，叶片350作为铰链旋转。这样，由于一系列叶片350可围绕滑轮300定位并且一系列叶片350能够在展开位置和塌缩位置之间移动，滑轮300可被视为展开和塌缩的。

当叶片350联接到线500时，叶片350被构造成随着滑轮300旋转而抵靠线500展开。一系列叶片350中的每个叶片被构造成随着滑轮300旋转而抵靠线500展开。每个叶片350被构造成展开以将线从毂320推开，从而拉紧线500中的松弛部分。

滑轮300的叶片350可被偏置成展开构型(诸如用弹簧330)。随着滑轮300旋转，一个或多个叶片350可与线500接触。随着滑轮300旋转以拉动和致动线500，叶片350将随后并顺序地塌缩。因此，当叶片350中的一个或多个叶片处于展开位置时，叶片350中的一个或多个叶片可处于完全或部分塌缩位置。在一些实施方案中，滑轮可被构造成将线500“切换”到一个或多个叶片。在此类实施方案中，在给定时间，至少一个叶片350与线500接触并且至少一个叶片350不与线500接触。随着滑轮旋转，当已经接触的叶片进一步与滑轮一起旋转时，滑轮可使非接触叶片与线接触，并且可能开始塌缩。这样的切换顺序可能有助于随着滑轮旋转而为线500的致动提供平滑响应。随着滑轮300在拉动线500的方向(例如，逆时针方向240)上旋转，一系列叶片350中的至少一个叶片塌缩并且一系列叶片350中的至少另一个叶片与线500接触。

固定部分380可被视为固定叶片或月牙形轮廓。固定部分380可增大第一滑轮300的直径。增大的直径可导致较小的松弛产生并减小滑轮300的所需旋转。当一系列叶片350已塌缩时，固定部分380可与线500接触。随着滑轮300继续旋转，叶片350可随后将线500切换或转移到滑轮300的固定部分380，使得固定部分380的外边缘现在与线500接触。在一些实施方案中，滑轮300可被构造成使得当叶片350未完全塌缩时发生从叶片350到固定部分380的切换。线500从一系列叶片350到固定部分380的切换减轻了叶片350在线500下方的较高张力下过早塌缩的问题。随着每个叶片350塌缩，保持展开并与线500接触的剩余叶片350经受线500下方的增大张力。当滑轮300旋转使得固定部分380与线500接触时，来自线500的张力可随后分布到固定部分380并减少或减轻叶片350的过早塌缩问题。

在一些实施方案中，在滑轮300的旋转期间，线500的切换可发生在叶片350与固定部分380之间，如上所述。在其他实施方案中，在滑轮300的旋转期间，线500的切换也可发生在叶片350之间，因为一些叶片350与线500接触而一些叶片350不接触线500。例如，随着每个叶片350在来自线500的张力下塌缩，线500可从一个叶片350传递到另一个叶片350，并且处于偏置展开构型的下一个叶片350与线500接触。随着滑轮300在拉动线500的方向上旋转，展开的叶片350将随着其他叶片350开始塌缩而与线500接触。在一些实施方案中，不存在线500的切换。

第二滑轮400可以是第一滑轮300的镜像。第二滑轮400可被构造成以与滑轮300类似的方式但在相反方向上操作。图31示出了动态滑轮系统的透视侧视图，其中某些部件被示出为透明的，以显示第一系列叶片350和第二系列叶片450。第一滑轮300可联接到或堆叠在第二滑轮400的顶部上。第一滑轮300可与第二滑轮400背对背。当第一滑轮300和第二滑轮400背对背定位时，相应的中心孔310、410可对准。单个旋转驱动输入部(诸如如上所述的同一驱动轴64)可穿过第一滑轮300和第二滑轮400的对齐的中心孔310、410。旋转驱动输入部可联接到滑轮300和第二滑轮400以同时一起驱动第一滑轮300和第二滑轮400。如本文所述，旋转驱动输入部可在第一方向240和第二方向230上驱动第一滑轮300和第二滑轮400。

如本文所述，系统也可被视为具有两个侧300、400的单个滑轮。第一系列叶片350附接到滑轮的第一侧300，还包括固定到滑轮的第二侧400的第二系列叶片450。第一系列叶片350中的每个叶片的外部在第一旋转方向240上倾斜。线500可终止于滑轮300并且在第二旋转方向230上缠绕在叶片350的最外侧部分356周围。第二系列突片450中的每个突片的外部在与第一旋转方向240相反的第二旋转方向230上倾斜。第二线600可终止于第二滑轮400并且在第一旋转方向240上缠绕在第二系列叶片450的最外侧部分456周围。

第一滑轮300可在第一旋转方向240上旋转以拉动联接到第一滑轮300的第一线500。第一滑轮300可在与第一旋转方向相反的第二旋转方向230上旋转。当第一滑轮300在第二旋转方向230上旋转时，第一滑轮300可展开。随着第一滑轮300在第二旋转方向230上旋转，第一滑轮300的展开拉紧线500中的松弛。第一滑轮300可包括第一系列叶片或翼片350。当第一滑轮300展开时，第一系列翼片350可在展开位置移动。当滑轮300在第一旋转方向240上旋转时，第一系列翼片350可在塌缩位置移动。

第二滑轮400可联接到第一滑轮300。由于第二滑轮400是第一滑轮300的镜像，因此第二滑轮400可以类似方式在展开和塌缩中操作，但在与第一滑轮300相反的方向上操作。

第二滑轮400可在第二旋转方向230上旋转以拉动联接到第二滑轮400的第二线600。第二滑轮400可在与第二旋转方向相反的第一旋转方向240上旋转。当第二滑轮400在第一方向240上旋转时，第二滑轮400可展开。随着第二滑轮400在第一旋转方向240上旋转，第二滑轮400的展开拉紧第二线600中的松弛。第二滑轮400可包括第二系列叶片或翼片450。当第二滑轮400展开时，第二系列翼片450可在展开位置移动。当滑轮400在第二旋转方向230上旋转时，第二系列翼片450可在塌缩位置移动。

图32示出了连接到牵拉线的多个动态滑轮，这些牵拉线连接到器械或关节运动构件1100。器械或关节运动构件1100可由四根牵拉线500、600、900、1000致动。四根牵拉线500、600、900、1000可被致动以使器械1100进行关节运动。两根牵拉线500、600可由第一滑轮300和第二滑轮400控制和致动，如图31所述和所示。另外两根牵拉线900、1000可由第三滑轮700和第四滑轮800控制和致动。第三滑轮700和第四滑轮800可具有与第一滑轮300和第二滑轮400相同的结构并以相同方式操作。尽管不一定在图32的示意图中示出，但联接到公共滑轮组的每对牵拉线可以与图31中所示类似的方式从滑轮组的相对侧退出滑轮组。因此，一对牵拉线500、600可从第一滑轮300和第二滑轮400的相对侧或相对方向退出第一滑轮和第二滑轮(例如，一根牵拉线顺时针退出而另一根牵拉线逆时针退出)，而一对牵拉线900、1000可从第三滑轮700和第四滑轮800的相对侧或相对方向退出第三滑轮和第四滑轮(例如，一根牵拉线顺时针退出而另一根牵拉线逆时针退出)。如上所述，在图15中，驱动单元63可包括多个平行布置的驱动轴64。虽然一个驱动轴64可如上所述地驱动第一滑轮300和第二滑轮400，但第三滑轮700和第四滑轮800可由平行于第一驱动轴64的第二驱动轴64旋转。

3.实施系统和术语。

本文所公开的实施方式提供了与用于能够机器人式控制的医疗器械的动态滑轮相关的系统、方法和设备。

应当指出的是，如本文所用，术语“耦合”、“联接”、“耦合接”或词语耦合的其他变型形式可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“耦合”到第二部件，则第一部件可经由另一个部件间接连接到第二部件或直接连接到第二部件。

本文所述的特定处理器实现功能可作为一个或多个指令存储在处理器可读或计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”是指可由计算机或处理器访问的任何可用介质。通过示例而非限制，这样的介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器、致密盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可以用于存储呈指令或数据结构的形式的期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。应当指出的是，计算机可读介质可为有形的和非暂态的。如本文所用，术语“代码”可以指可由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。

本文所公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可彼此互换。换句话讲，除非正在描述的方法的正确操作需要步骤或动作的特定顺序，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

如本文所用，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件指示两个或更多个部件。术语“确定”涵盖多种动作，并且因此，“确定”可包括计算、运算、处理、导出、调查、查找(例如，在表格、数据库或另一种数据结构中查找)、查明等。另外，“确定”可包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。另外，“确定”可包括解析、选择、挑选、建立等。

除非另有明确指明，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话讲，短语“基于”描述“仅基于”和“至少基于”两者。

提供对所公开的具体实施的前述描述以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。对这些具体实施的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所定义的一般原理可应用于其他具体实施。例如，应当理解，本领域的普通技术人员将能够采用多个对应的替代和等同的结构细节，诸如紧固、安装、耦合或接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机构、以及用于递送电能的等同机构。因此，本发明并非旨在限于本文所示的具体实施，而是被赋予符合本文所公开的原理和新颖特征的最广范围。

Claims (21)

1.一种医疗系统，包括：

细长轴，所述细长轴被构造用于插入患者体内；

沿所述细长轴延伸的牵拉线，所述牵拉线能够被致动以使所述细长轴进行关节运动；以及

联接到所述牵拉线的动态滑轮，所述动态滑轮被构造成在旋转期间在第一方向上塌缩并且在旋转期间在与所述第一方向相反的第二方向上展开。

2.根据权利要求1所述的医疗系统，还包括：

连接到所述细长轴的近侧端部的器械基部，所述器械基部包括：

旋转驱动输入部，

其中所述旋转驱动输入部联接到所述滑轮并且驱动所述滑轮在所述第一方向和所述第二方向上的旋转。

3. 根据权利要求1所述的医疗系统，还包括：

沿所述细长轴延伸的第二牵拉线，所述第二牵拉线能够被致动以使所述细长轴进行关节运动；以及

联接到所述第二牵拉线的第二动态滑轮，所述第二动态滑轮被构造成在旋转期间在所述第二方向上塌缩并且在旋转期间在所述第一方向上展开，

其中所述动态滑轮和所述第二动态滑轮由单个旋转驱动输入部控制，并且

其中所述牵拉线和所述第二牵拉线被构造成在两个方向上使所述细长轴弯曲。

4.根据权利要求3所述的医疗系统，其中所述两个方向是相反的方向。

5. 一种滑轮系统，包括：

滑轮，所述滑轮包括毂和从所述毂向外延伸的突片，所述突片能够在展开位置和塌缩位置之间移动；以及

线，所述线联接到所述滑轮并且围绕所述突片延伸，

其中所述突片被构造成当所述滑轮旋转时朝向所述展开位置径向向外展开。

6.根据权利要求5所述的滑轮系统，还包括一系列突片，其中所述突片是所述一系列突片中的一个突片，并且其中所述一系列突片中的每个突片被构造成在所述滑轮旋转时抵靠所述线展开。

7.根据权利要求5所述的滑轮系统，其中所述突片具有从所述突片在其处附接到所述毂的点至所述突片的最外侧部分的长度，其中所述线与所述突片的所述最外侧部分接合，并且其中所述突片在其处附接到所述毂的点限定所述突片的旋转轴线。

8.根据权利要求6所述的滑轮系统，其中所述线的一个端部在终止点处附接到所述滑轮，并且其中所述线从所述终止点围绕所述一系列突片的最外侧部分延伸。

9.根据权利要求6所述的滑轮系统，其中所述一系列突片中的每个突片的外部在第一旋转方向上径向向内倾斜。

10.根据权利要求9所述的滑轮系统，其中所述一系列突片附接到所述滑轮的第一侧，其中所述滑轮系统还包括附接到所述滑轮的第二侧的第二系列突片，并且其中所述第二系列突片中的每个突片的外部在与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向上倾斜。

11.根据权利要求5所述的滑轮系统，其中所述线被构造成挤压所述突片的边缘以使所述突片塌缩。

12.根据权利要求6所述的滑轮系统，其中所述一系列突片中的每个突片被构造成展开以将所述线从所述毂推开，从而拉紧所述线中的松弛部分。

13.根据权利要求6所述的滑轮系统，其中所述一系列突片中的至少一个突片被构造成接触所述线以向所述线提供张力，而所述一系列突片中的至少另一个突片不与所述线接触。

14.根据权利要求6所述的滑轮系统，其中当所述滑轮在拉动所述线的方向上旋转时，所述一系列突片中的至少一个突片塌缩并且使得所述一系列突片中的至少另一个突片与所述线接触。

15.根据权利要求5所述的滑轮系统，其中所述突片与所述毂形成铰链，其中所述突片包括弹簧以将所述突片偏置到所述展开位置。

16.根据权利要求5所述的滑轮系统，其中所述突片连接到所述毂上的点，其中所述突片围绕所述毂上的所述点在所述展开位置和所述塌缩位置之间旋转。

17.根据权利要求5所述的滑轮系统，其中所述毂被构造成由驱动轴在所述第一旋转方向或所述第二旋转方向上驱动。

18.根据权利要求5所述的滑轮系统，其中所述滑轮还包括被构造成预张紧所述线的棘轮。

19.一种方法，包括：

使滑轮在第一旋转方向上旋转以拉动联接到所述滑轮的线；

使所述滑轮在与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转；以及

在使所述滑轮在所述第二旋转方向上旋转的同时展开所述滑轮，其中在所述滑轮在所述第二旋转方向上旋转时，所述滑轮的展开拉紧所述线中的松弛部分。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述滑轮包括一系列翼片，所述方法还包括：当展开所述滑轮时，将所述一系列翼片移动到展开位置。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括当所述滑轮在所述第一旋转方向上旋转时，将所述一系列翼片移动到塌缩位置。

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