CN115768372A - 用于力传感器单元上的应力/应变隔离的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种医疗装置包括轴，该轴包括近端部分和远端部分。梁具有近端部分、远端部分和中间部分，并且一个或多个应变传感器位于中间部分上。梁的近端部分匹配地联接到轴的远端部分以形成界面。梁包括界面和梁的中间部分之间的非连续部。在一些实施例中，医疗装置包括连杆，并且梁的远端部分匹配地联接到连杆以形成第二界面。第二非连续部在第二界面和梁的中间部分之间。在一些实施例中，锚联接到轴，并且梁的近端部分匹配地联接到锚。

Description

用于力传感器单元上的应力/应变隔离的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求在2020年5月18日提交的题为“用于力传感器单元上的应力/应变隔离的装置和方法”的美国临时专利申请号63/026,321的优先权和权益，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本文描述的实施例涉及医疗装置，更具体地涉及内窥镜工具。更具体地，本文描述的实施例涉及在悬臂梁上包括应变传感器的装置，该悬臂梁联接到末端执行器，该末端执行器用于测量在医疗程序期间施加到末端执行器的力。
背景技术
用于微创外科手术(MIS)的已知技术采用器械来操纵组织，该器械可以手动控制，也可以经由计算机辅助的远程操作来控制。许多已知的MIS器械包括治疗或诊断性末端执行器(例如，钳子，切割工具或烧灼工具)，该末端执行器安装在轴的远端处的腕机构上。在MIS手术中，可以将末端执行器、腕机构和轴的远端插入患者的小切口或自然孔中，以将末端执行器放置在患者体内的工作部位处。可选的腕机构可用于改变末端执行器相对于轴的取向，以在工作部位处执行期望的手术。在已知的器械中，器械作为整体的运动为末端执行器的运动提供机械自由度(DOF)，并且腕机构通常为末端执行机构相对于器械的轴的运动提供期望的自由度(DOF)。例如，对于镊子或其他抓握工具，已知的腕机构通常能够相对于轴改变末端执行器的俯仰和偏转。腕可以可选地为末端执行器提供侧倾自由度，或者可以通过滚动轴来实现侧倾自由度。末端执行器可以可选地具有其他机械自由度，诸如握力或刀片运动。在某些情况下，腕和末端执行器机械自由度可以结合使用。例如，美国专利号5,792,135(1997年5月16日提交)公开了一种机构，在该机构中腕和末端执行器夹持自由度结合在一起。
为了实现腕机构和末端执行器的期望运动，已知的器械包括延伸穿过器械的轴并将腕机构连接到可用于移动线缆以操作腕机构的机械结构的线缆。对于机器人系统，机械结构通常由电机驱动并可操作地联接到处理系统，以为临床用户(例如外科医生)提供用户界面以控制器械。
患者受益于不断努力改善MIS方法和工具的有效性。例如，减小轴和腕机构的尺寸和/或操作占地面积可允许较小的进入切口并减少手术部位的空间需求，从而减少手术的负面影响，诸如疼痛、疤痕和不良的愈合时间。但是，生产实现微创手术的临床期望功能的小型医疗器械具有挑战性。具体地，通过“按比例缩小”部件来简单地减小已知腕机构的尺寸将不会产生有效的解决方案，因为所需的部件和材料特性不会按比例缩放。例如，腕机构的有效实施方式很复杂，因为必须小心地使线缆穿过腕机构布设，以在腕机构的整个运动范围内保持线缆张力，并使一个旋转轴线对另一个旋转轴线的相互作用(或联接效应)最小化。此外，通常需要滑轮和/或轮廓表面以减小线缆摩擦，并且这种减少的线缆摩擦延长了器械寿命并允许在没有过多的施加到腕机构中的线缆或其他结构的力的情况下操作。由较小的结构(包括线缆和腕机构的其他部件)引起的局部力增大会导致在储存和使用过程中线缆出现不希望的加长(例如，“拉伸”或“蠕变”)、缩短线缆寿命等情况。
一些已知的系统包括在MIS手术期间的力感测和相关的触觉反馈，这为执行手术的外科医生带来更好的沉浸感、真实感和直观性。为了有效的触觉渲染和准确性，力传感器被放置在手术器械上，并且尽可能接近解剖组织的交互作用。一种方法是在手术器械轴的远端包括具有电应变传感器(例如应变计)的力传感器，以测量给予手术器械的应变。
力传感器单元的一个示例包括附接在器械远侧尖端部件(例如，在某些情况下，U形夹或其他腕或末端执行器部件)和器械轴之间的悬臂梁，该悬臂梁延伸回机械结构。应变传感器位于梁上，并用于感测X和Y方向(彼此正交且与梁和器械轴的纵向轴线正交的任意笛卡尔方向)的应变。例如，应变传感器可以包括全惠斯通电桥(全电桥)。应变传感器桥电路是这样一种电路，其中两个电路分支(通常彼此并联)由连接在前两个分支之间的第三个分支在沿着它们的某个中间点处桥接。在梁的两个相邻正交侧面中的每一个上形成两个全桥，以测量在X和Y方向上与梁的纵向轴线正交的力。在某些情况下，应变传感器分为两组，一组位于梁的远端，另一组位于梁的近端，以拒绝共模。因为梁被固定到器械轴的远侧部分，所以应变传感器感测梁的平行于轴的纵向轴线的表面上的应变。例如，这些应变可以由正交于轴的纵向轴线施加的力引起。正交于梁的侧面施加的力(即，X或Y力)通过减去由梁的侧面的近端和远端部分处的全桥确定的应变测量值来确定。
应变传感器可以承受各种不同的应变源，包括：待测量的正交力、力矩、离轴力、离轴力矩、压缩/拉伸、扭转、环境温度和梯度温度。每一个全桥都抵消了以下应变：温度、扭转、离轴力和离轴力矩。因此，每个单独的全桥输出指示由于力、力矩和压缩/拉伸引起的应变。从一个侧面上的远侧全桥产生的输出值减去同一侧面上形成的近侧全桥所产生的输出，消除了力矩和压缩/拉伸，从而产生了表示待测正交力的输出值。两组应变传感器(即梁远端的应变传感器和梁近端的应变传感器)之间的间隔确定了力传感器单元的灵敏度，并且间隔越大，灵敏度越好。梁的总长度及其横截面面积受到器械轴内部可用空间和装置刚度要求的约束。因此，减小整个器械尺寸的努力可致使应变传感器之间的间隔减小。
此外，应力集中区、应变过载区和沿梁长度的非线性应力分布出现在梁和与梁联接的部件(即器械轴和U形夹或末端执行器)之间的界面处。因此，应变传感器需要放置在这些区域之外，以便正确地执行力感测并避免应变传感器因应变过载而损坏。因此，力传感器单元的设计需要满足两个相互竞争的要求-(i)将应变传感器定位得离梁端部的界面足够远，以及(ii)最大化两组应变传感器之间的间隔。
当器械轴滚动360度时，力传感器单元还需要以一致的方式执行力感测。这意味着X和Y应变计的输出信号应在整个滚动运动范围内遵循相同的正弦分布。这种对一致力感测的需求对悬臂梁的横截面形状提出了一些特定要求。
因此，需要改进的内窥镜工具，其具有力感测能力，并且能够解决与在梁与梁所连接的部件之间的界面处发生的应力集中、应变过载和力的非线性分布相关的上述问题。
发明内容
该发明内容介绍了本文描述的实施例的某些方面以提供基本的理解。该发明内容不是本发明主题的广泛概述，并且不旨在标识关键或重要元素或描绘本发明主题的范围。在一些实施例中，医疗装置包括轴和梁。轴包括近端部分和远端部分。梁具有近端部分、远端部分以及在梁的近端部分与梁的远端部分之间的中间部分。一个或多个应变传感器位于梁的中间部分上。梁的近端部分匹配地联接到轴的远端部分以形成界面。梁包括界面和梁的中间部分之间的非连续部。
在一些实施例中，医疗装置进一步包括联接到轴的远端部分的锚。锚包括联接部分，并且梁的近端部分匹配地联接到锚的联接部分，以将梁的远端部分联接到轴的远端部分。
在一些实施例中，非连续部是第一非连续部，界面是第一界面，并且医疗装置进一步包括连杆。梁的远端部分匹配地联接到连杆以形成第二界面，并且梁包括第二界面和梁的中间部分之间的第二非连续部。在一些实施例中，第一非连续部包括具有第一横截面面积的梁的中间部分和具有第二横截面面积的梁的近端部分，其中第一横截面面积不同于第二横截面面积。第二非连续部包括具有第三横截面面积的远端部分，其中第一横截面面积不同于第三横截面面积。
在一些实施例中，第一非连续部包括是锥形的梁的近端部分，并且锥形的近端部分是用于将梁沿着轴的中心轴线对准锚的引导件。在一些实施例中，第二非连续部包括是锥形的梁的远端部分，并且锥形远端部分是用于将梁沿着轴的中心轴线对准连杆的引导件。在一些实施例中，第一非连续部包括在梁的中间部分和梁的近端部分之间的第一凹陷区域，并且第二非连续部包括在梁的中间部分和梁的远端部分之间的第二凹陷区域。
在一些实施例中，梁的近端部分包括仅以一个取向被接收在具有第一对应形状的锚的开口内的形状，并且梁的远端部分包括仅以一个取向被接收在具有第二对应形状的连杆的开口内的形状。在一些实施例中，当梁联接到锚时，梁的中间部分的近端面与锚的远端面间隔开，当梁联接到连杆时，梁的中间部分的远端面与连杆的近端面间隔开。
在一些实施例中，医疗装置包括轴、梁、锚和连杆。轴包括近端部分和远端部分，以及在近端部分与远端部分之间延伸的中心轴线。梁具有近端部分、远端部分以及在近端部分和远端部分之间的中间部分。梁的近端部分具有第一横截面面积，梁的中间部分具有第二横截面面积并且梁的远端部分具有第三横截面面积。第一横截面面积不同于第二横截面面积和第三横截面面积。一个或多个应变传感器位于梁的中间部分上。锚联接到轴的远端部分，并包括联接部分。梁的近端部分匹配地联接到锚的联接部分。连杆包括联接部分，梁的远端部分匹配地联接到连杆的联接部分。
在一些实施例中，锚的联接部分是被构造为接收梁的近端部分的开口，而连杆的联接部分则是被构造为接收梁的远端部分的开口。在一些实施例中，梁的近端部分是锥形的，而梁的远端部分是锥形的。近端部分是用于将梁沿着轴的中心轴线对准锚的引导件，而远端部分是用于将梁沿着轴的中心轴线对准连杆的引导件。
在一些实施例中，梁的近端部分包括仅以一个取向被接收在具有第一对应形状的锚的开口内的形状，并且梁的远端部分包括仅以一个取向被接收在具有第二对应形状的连杆的开口内的形状。在一些实施例中，梁的近端部分包括D形，并且被构造为被接收在锚的对应D形开口内。在一些实施例中，梁的远端部分包括D形，并且被构造为被接收在连杆的对应D形开口内。在一些实施例中，梁的近端部分焊接到锚，而梁的远端部分焊接到连杆。
在一些实施例中，医疗装置进一步包括外轴，并且所述轴在外轴的内腔内延伸。在一些实施例中，轴可相对于外轴移动。在一些实施例中，外轴沿着中心轴线相对于轴和梁纵向平移。在一些实施例中，轴可以相对于外轴旋转。
在一些实施例中，一个或多个应变传感器包括在梁的中间部分上的第一位置处位于梁的中间部分上的第一应变传感器，以及在梁的中间部分上的第二位置处的第二应变传感器，该第二应变传感器与第一应变传感器间隔开纵向距离。
在一些实施例中，梁的中间部分的第一横截面面积具有限定第一外表面、第二外表面、第三外表面和第四外表面的长度和宽度。第一外表面和第二外表面垂直于第三外表面和第四外表面定向，并且第一应变传感器位于第一表面上，而第二应变传感器位于第一表面上。
在一些实施例中，医疗装置包括轴、连杆、梁和一个或多个传感器。轴包括近端部分和远端部分。轴的远端部分限定第一匹配开口，而连杆限定第二匹配开口。梁具有近端部分、远端部分以及在近端部分和远端部分之间的中间部分。梁的近端部分是锥形的，并联接在第一匹配开口内。梁的远端部分是锥形的，并联接在第二匹配开口内。一个或多个传感器位于梁的中间部分上。在一些实施例中，一个或多个传感器是一个或多个应变传感器。
在一些实施例中，上述医疗装置进一步包括外轴，并且所述轴在外轴的内腔内延伸并且可相对于外轴移动。在一些实施例中，外轴相对于轴和梁纵向平移。在一些实施例中，轴可以相对于外轴旋转。在一些实施例中，一个或多个传感器是一个或多个应变传感器，并且包括在梁的中间部分上的第一位置处位于梁的中间部分上的第一应变传感器，以及在梁的中间部分上的第二位置处的第二应变传感器，该第二应变传感器与第一应变传感器间隔开纵向距离。
附图说明
图1是根据一个实施例的被用于执行诸如外科手术的医疗程序的微创远程操作医疗系统的平面图。
图2是图1所示的微创远程操作手术系统的可选辅助单元的透视图。
图3是图1所示的微创远程操作手术系统的用户控制台的透视图。
图4是图1所示的微创远程操作手术系统的包括多个器械的操纵器单元的正视图。
图5是根据实施例的包括力传感器单元的医疗装置的一部分的示意图。
图6A-6D分别是力传感器单元的不同实施例的示意图。
图7是根据实施例的医疗装置的透视图。
图8A是图7的医疗装置的远端部分的放大透视图。
图8B是图7的医疗装置的远端部分的放大透视图，其中移除了外轴。
图9A是图7的医疗装置的远侧部分的透视图。
图9B是图7的医疗装置的轴和锚的透视远端视图。
图10是图7的医疗装置的梁、远侧连杆和锚的侧视图。
图11和图12分别是图10的梁、远侧连杆和锚的分解视图，示出了远侧透视图(图11)和近侧透视图图(图12)。
图13A和图13B是图7的医疗装置的梁的侧视图(图13A)和透视图(图13B)。
图14是图7的医疗装置的梁的透视图，该图示出了安装在其上的应变传感器。
图15是图11的梁的近端部分的放大透视图。
图16A是示出根据实施例的由医疗装置的计算机模型生成的应力与梁的长度的关系的曲线图。
图16B和图16C是图16A的曲线图的左侧部分(图16B)和右侧部分(图16C)的放大视图。
图17A是根据另一实施例的医疗装置的一部分的侧视图。
图17B是图17A的医疗装置的一部分的侧视图，其中为了说明目的移除了外轴。
图18A是图17A的医疗装置的梁的侧视图。
图18B是图18A的梁的横截面视图。
图19和图20分别是图17B的医疗装置的远侧部分的不同透视图，其中移除了外护套。
图21A和图21B分别是图17A的医疗装置的梁和近侧U形夹的不同分解透视图。
图22是图17A的医疗装置的梁的近端的透视图。
图23是图17A的医疗装置的梁的透视图。
具体实施方式
本文描述的实施例可以有利地用于与微创手术相关的各种抓握、切割和操纵操作。本申请的医疗器械或装置能够在三个自由度(例如，围绕俯仰轴线、偏转轴线和抓握轴线)上运动。本文所述的实施例进一步可用于确定在使用期间施加在器械远端部分(或由其施加)上的力。
本文所述的医疗器械可以包括具有悬臂梁和梁上的一个或多个应变传感器的力传感器单元。梁可以在放置应变传感器的梁的有源部分与梁和连接的匹配部件之间的至少一个界面之间具有非连续部。此外，一个或多个界面可以移到梁的有源部分之外，同时保持悬臂的总长度。梁的有源部分(带有传感器)和梁的界面部分(梁连接到匹配部件的位置)之间的非连续部可以将梁与由与其他匹配部件的机械相互作用引起的不期望的应力/应变隔离。结果，施加在梁上的应力沿着梁的长度保持基本上线性分布，并且任何应力集中或应变过载都移动到梁的有源部分之外的梁的一部分。
如本文所述，这种非连续部可以通过沿梁的长度改变梁的横截面面积来形成，特别是，为梁的有源部分提供与有源部分之外的梁的部分不同的横截面面积。例如，在一些实施例中，梁可以设置有至少一个端部，该端部具有不同于梁的有源部分的横截面面积的横截面面积。该端部可以将梁联接到医疗器械的匹配部件，诸如远端部件(例如，连杆、末端执行器等)。梁的界面部分(例如，在远端部分处)现在成为梁与其他匹配部件之间的接触界面，从而使应力提升和可能的应变过载将朝向梁的界面部分移动而不是在梁的有源部分上移动。
非连续部可以以各种不同的方式形成。例如，在一些实施例中，非连续部由是锥形的梁的一个或多个界面端形成，锥形端可以联接到匹配部件，诸如远端部件或连杆。在这样的实施例中，锥形端还可用于在组装期间帮助对准匹配部件。例如，在一些实施例中，锥形端可以被接收在梁将与其联接的匹配部件中的对应开口中。端部的锥形形状有助于引导将梁的端部插入开口中。因此，锥形端可以确保梁的中心轴线与器械轴的中心轴线对准，从而提高力测量值的精度。
在一些实施例中，可以通过在梁的有源部分和梁的界面部分之间提供凹陷区域来形成非连续部。例如，梁的界面部分可以包括横截面面积小于梁的有源部分的截面，并且还包括与匹配部件(例如，近端上的器械轴或远端上的远侧部件)联接的界面部分(例如，远端或近端部分)。该联接部分可以具有与梁的有源部分相同或不同的横截面面积。
在一些实施例中，在梁的近端和远端两者处提供非连续部。例如，梁可以包括近侧界面部分和远侧界面部分，该近侧界面部分联接到例如手术器械的内轴(或手术器械的另一部件)，该远侧界面部分联接到手术器械的远端部件。在一些实施例中，近端界面部分和远端界面部分都具有与梁的有源部分的横截面面积不同的横截面面积。在一些实施例中，近端界面部分和远端界面部分都是锥形的。在一些实施例中，一个或两个界面端部具有与梁的有源部分相同的形状(例如，圆形、方形、矩形、三角形等)，但具有与梁的有源部分不同的横截面面积。在一些实施例中，梁的近端部分可以具有与梁的远端部分相同的形状和/或横截面面积。在一些实施例中，梁的近端部分可以具有与梁的远端部分不同的形状和/或不同的横截面面积。例如，在一些实施例中，梁的远端部分可以是锥形的，而近端部分可以不是锥形的，而是具有与梁的中间部分具有不同横截面面积的部分。
在一些实施例中，梁的有源部分与一个或多个界面部分(例如，近侧界面端部和/或远侧界面端部)一体或整体地形成。在一些实施例中，一个或多个界面部分可形成为单独的部件并联接到梁的有源部分。例如，一个或多个界面部分可以焊接到梁的有源部分。
在一些实施例中，为了在整个器械滚动范围内实现均匀的信号输出，梁的横截面形状围绕其中心轴线每旋转90度都是相同的。在具有锥形界面的实施例中，界面可用于不仅提供应力隔离，而且还用于改善梁与其匹配零件之间的同心度(轴向对准)，如下文更详细描述的。
如本文所使用的，术语“约”当与参考标号指示结合使用时，是指参考标号指示加减该参考标号指示的高达百分之十。例如，语言“约50”涵盖45到55的范围。同样，语言“约5”涵盖4.5到5.5的范围。
与诸如机械结构/部件或部件组件的零件相关联的术语“柔性”应该被广义地解释。本质上，该术语表示零件可以反复弯曲并恢复为原始形状而不会损坏零件。某些柔性部件也可以为弹性的。例如，如果部件(例如，弯曲部分)具有在弹性变形时吸收能量然后在卸载时释放存储的能量(即返回其原始状态)的能力，则该部件具有弹性。由于材料特性，许多“刚性”物体具有轻微的固有弹性“弯曲度”，尽管在本文中使用该术语时，这些物体不被认为是“柔性的”。
如本说明书和所附权利要求书中所使用的，词语“远侧”是指朝向工作部位的方向，而词语“近侧”是指远离工作部位的方向。因此，例如，最接近靶组织的工具的端部将是工具的远端，而与远端相反的端部(即，由用户操纵或联接至致动轴的端部)将是该工具的近端。
此外，选择用来描述一个或多个实施例以及可选元件或特征的特定词语并不旨在限制本发明。例如，空间相对术语，诸如“在...下方”、“在下面”、“下部”、“在...上方”、“上部”、“近侧”、“远侧”等，可用于描述一个元件或特征与图中所示的另一个元件或特征的关系。这些在空间上相对的术语除了图中所示的位置和取向之外，还旨在涵盖使用或操作中的装置的不同位置(即平移放置)和取向(即旋转放置)。例如，如果图中的装置被反转，则被描述为在其他元件或特征“下面”或“下方”的元件将在其他元件或特征“上面”或“上方”。因此，术语“在下面”可以包括在上面和在下面的姿势和取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他取向)，并且相应地说明本文使用的空间相对描述符。同样，沿着(平移)和围绕(旋转)各种轴线的运动的说明包括各种空间装置位置和取向。身体的位置和取向的组合定义了身体的姿势。
类似地，除非上下文另外指出，否则诸如“平行”、“垂直”、“圆形”或“正方形”的几何术语并不旨在要求绝对的数学精度。相反，这样的几何术语允许由于制造或等效功能而引起的变化。例如，如果一个元件被描述为“圆形”或“大致圆形的”，则该描述仍然包括并非精确地为圆形的部件(例如，稍微长圆形或为多边的多边形的部件)。
另外，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“具有”等规定了所述特征、步骤、操作、元件和/或部件等的存在，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件或组的存在或添加。
除非另有说明，否则术语“器械”、“医疗装置”、“器械”及其变体可以互换使用。
本发明的各方面主要根据使用da
Figure GDA0004053543790000101
手术系统的实施方式来描述，该手术系统由加利福尼亚州桑尼维尔的Intuitive Surgical公司出售。此类手术系统的示例为daVinci
Figure GDA0004053543790000102
手术系统(型号为IS4000)、da Vinci
Figure GDA0004053543790000103
手术系统(型号为IS4200)和da Vinci
Figure GDA0004053543790000104
手术系统(型号为IS3000)。然而，有知识的人将理解，可以以各种方式来实施和实现本文公开的各发明方面，包括计算机辅助的、非计算机辅助的以及手动的和计算机辅助的实施例和实施方式的混合组合。关于da
Figure GDA0004053543790000105
手术系统(例如，型号为IS4000，型号为IS3000，型号为IS2000，型号为IS1200)的实施方式仅作为示例呈现，并且不应视为限制本文公开的各发明方面的范围。如适用，各发明方面可以在相对较小的、手持的、手动操作的装置以及具有附加机械支撑的相对较大的系统中实施和实现。
图1为计算机辅助远程操作系统的平面图示。示出了一种医疗装置，该医疗装置为微创机器人手术(MIRS)系统1000(在本文中也称为微创远程操作手术系统)，该系统用于对躺在手术台1010上的患者P进行微创诊断或外科手术。该系统可以具有任何数量的部件，诸如在手术过程中由外科医生或其他熟练的临床医生S使用的用户控制单元1100。MIRS系统1000可以进一步包括操纵器单元1200(通常称为外科手术机器人)和可选的辅助设备单元1150。操纵器单元1200可包括臂组件1300和可移除地联接至臂组件的工具组件。当外科医生S观察手术部位并通过控制单元1100控制器械1400的运动时，操纵器单元1200可以通过在患者P的身体中的微创切口或自然孔口来操纵至少一个可移除地联接的器械1400(在本文中也称为“工具”)。手术部位的图像由诸如立体内窥镜的内窥镜(未示出)获得，该内窥镜可由操纵器单元1200操纵以使内窥镜定向。辅助设备单元1150可以用于处理手术部位的图像，以便随后通过用户控制单元1100显示给外科医生S。一次使用的器械1400的数量通常将取决于诊断或手术程序以及手术室内的空间限制以及其他因素。如果有必要在手术过程中更换一个或多个正在使用的器械1400，则助手将器械1400从操纵器单元1200中取出，并用另一种器械1400从手术室中的托盘1020更换它。尽管示出为与器械1400一起使用，但是本文描述的任何器械都可以与MIRS 1000一起使用。
图2为控制单元1100的透视图。用户控制单元1100包括左眼显示器1112和右眼显示器1114，其用于向外科医生S呈现能够进行深度感知的手术部位的协调立体图。用户控制单元1100进一步包括一个或多个输入控制装置1116，其继而使操纵器单元1200(图1所示)操纵一个或多个工具。输入控制装置1116提供至少与与其相关联的器械1400相同的自由度，从而为外科医生S提供远程呈现，或者输入控制装置1116与器械1400成一体(或直接连接至器械1400)的感知。以这种方式，用户控制单元1100为外科医生S提供直接控制器械1400的强烈感觉。为此，可以采用位置、力、应变和/或触觉反馈传感器(未示出)，以通过输入控制装置1116将位置、力和触觉从器械1400传输回外科医生的手。
用户控制单元1100在图1中被示为与患者在同一房间中，以便外科医生S可以直接监测手术，必要时可以物理存在，并且可以直接与助手通话，而不是通过电话或其他通信介质。然而，在其他实施例中，用户控制单元1100和外科医生S可以位于与患者不同的房间、完全不同的建筑物或其他远离患者的位置，从而允许远程手术程序。
图3为辅助设备单元1150的透视图。辅助设备单元1150可以与内窥镜(未示出)联接，并且可以包括一个或多个处理器以处理捕获的图像以用于后续显示，诸如经由用户控制单元1100，或者显示在位于本地和/或远程的另一合适的显示器上。例如，在使用立体内窥镜的情况下，辅助设备单元1150可以处理所捕获的图像，以经由左眼显示器1112和右眼显示器1114向外科医生S呈现手术部位的协调立体图像。这样的协调可以包括相对图像之间的对准，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，图像处理可以包括使用先前确定的相机校准参数来补偿图像捕获装置的成像误差，诸如光学像差。
图4示出了操纵器单元1200的前透视图。操纵器单元1200包括用于操纵器械1400的部件(例如，臂，连杆机构，马达，传感器等)和用于捕获手术的部位的图像的成像装置(未示出)，诸如立体内窥镜。具体地，可以通过具有多个关节的远程操作机构来操纵器械1400和成像装置。此外，器械1400和成像装置通过患者P中的切口或自然孔口以使得软件和/或运动的运动学远程中心保持在切口或孔口处的方式定位和操纵。以这种方式，切口尺寸可以最小化。
图5是根据实施例的医疗器械2400的远端部分的一部分的示意图。手术器械2400包括轴2410、包括梁2810的力传感器单元2800、沿着梁2810安装在表面上的一个或多个应变传感器(例如，应变计)2830以及联接在手术器械2400的远端部分处的末端执行器2460。末端执行器2460可以包括例如可铰接的钳爪或联接到连杆2510的另一合适的手术工具。在一些实施例中，连杆2510可以包括在具有多个铰接连杆的腕组件内。轴2410包括远端部分，该远端部分联接到梁2810的近端部分2822以形成第一界面2832。在一些实施例中，轴2410的远端部分经由另一联接部件(诸如锚或联接器，未示出)联接到梁的近端部分2822。轴2410还可以在近端部分处联接到机械结构(图5中未示出)，该机械结构被构造为移动手术器械的一个或多个部件，诸如例如末端执行器2460。机械结构可以类似于下面参考医疗器械7400更详细描述的机械结构7700。
梁2810包括中间部分2820(其用作梁的有源部分)、近端部分2822和远端部分2824。梁2800限定了梁中心轴线AB，其可以在器械轴2410的中心轴线内对齐。如图所示，应变传感器2830联接到梁2810的中间部分2820。因此，中间部分2820用作梁2810的有源部分，以感测施加到器械2400的远端部分的力。尽管示出为仅包括一个应变传感器2830，但在其他实施例中，梁2810可以包括如本文所述的任何布置中的任何数量的应变传感器。梁2810的远端部分2824经由连杆2510联接到末端执行器2460。具体地，远端部分2824匹配地联接到连杆2510以形成第二界面2834。在一些实施例中，连杆2510可以是例如末端执行器2460的U形夹。在该实施例中，在梁2800的远端部分2824和连杆2510之间的第二界面2834处形成非连续部D。在其他实施例中，可以在第一界面2832处形成非连续部。在其他实施例中，可以在第一界面2832和第二界面2834两者处形成非连续部。非连续部D可以将梁2810的中间部分2820与由与连杆2510的匹配联接引起的机械相互作用所引起的不期望的应力/应变隔离，如下面更详细描述的。
通常，在医疗手术期间，末端执行器2460接触解剖组织，这可能产生给予末端执行器2460的X、Y或Z方向的力，并且可能产生力矩，诸如绕Y方向轴线的力矩MY，如图5所示。可以是应变计的一个或多个应变传感器2830可以用于产生由X、Y和Z方向上的力引起的信号。信号可用于测量梁2810中的应变，梁2810可用于确定在X和Y轴方向上给予末端执行器2460的力。例如，可以从近侧应变传感器组2830的信号中减去远侧应变传感器组2830的信号。由Z方向力引起的任何信号在两组应变传感器上都是相同的，并且在减去之后将被消除。X轴和Y轴力横向于(例如，垂直于)Z轴(与中心轴线AB平行或共线)。作用在末端执行器2460上的这种横向力可以引起梁2810的轻微弯曲(围绕X轴或Y轴中的一个或两个)，这可以产生给予梁2810一侧的拉伸应变和给予梁2810另一侧的压缩应变。梁2810上的应变传感器2830可以测量这种拉伸应变和压缩应变。
在一些实施例中，器械2400(或本文所述的任何器械)可以包括额外的力传感器，以测量给予末端执行器2460的一个或多个轴向力(即，在平行于梁中心轴线AB的Z轴方向上)。示例手术器械中的轴向力传感器可以包括响应于力而偏转的可偏转平面隔膜传感器。可替代地，例如，可以使用电感线圈内的铁氧体磁芯或光纤内形成的光纤布拉格光栅。其他轴向力传感器设计可用于感测轴2410的弹性轴向位移(例如，相对于近侧安装的机械结构，未示出)。给予末端执行器2460的轴向力FZ可以引起轴2410在沿着轴的中心轴线的方向(基本上平行于梁中心轴线AB)上的轴向位移。轴向力FZ可以在近侧方向上(例如，由用末端执行器推压组织而产生的反作用力)，或者可以在远侧方向上(如，由拉动用末端执行器抓握的组织所产生的反作用力)。
如上所述，给予末端执行器2460的X和Y力可产生梁2810与其匹配部件(在本实施例中包括轴2410和连杆2510)之间的界面处的应力集中和应变过载。类似地，梁2810的远端2824和连杆2510之间的联接的缺陷和非均匀性(其由部件间的可变性、正常制造公差等引起)可产生非线性应力。这种应力继而会导致应变传感器的错误应变读数。如上所述，提供非连续部D以在远端部分2824和连杆2510之间的第二界面2834处将梁2810的中间部分2820(即，有源部分)之外的任何这种应力集中和应变过载转移到远端部分2824。换句话说，非连续部D用于将中间部分2820与由第二界面2834处的联接引起的不期望的应力/应变隔离。在该实施例中，非连续部D由形成在梁2800的中间部分2820和远端部分2824之间的凹陷区域提供。换句话说，远端部分2824包括具有比梁2800的中间部分2820的横截面面积小的第一横截面面积的第一截面和联接到连杆2510的界面部分。界面部分可以包括与梁2810的中间部分2820相同或不同的横截面面积。因此，在梁2810的中间部分2820和远端部分2824之间形成了沿梁2810长度的横截面面积的非连续部。
图6A-6C是可包括在本文描述的任何手术器械中的力传感器单元的替代实施例的示意图。图6A示出了力传感器单元3800，其包括梁3810，梁3810具有中间部分3820(其用作梁的有源部分)、近端部分3822和远端部分3824。虽然未示出，但是一个或多个应变传感器可以联接到中间部分3820。近端部分3822可以联接到例如本文所述的手术器械的轴(例如，轴2410或轴7410)。远端部分3824可以联接到例如手术器械的远侧部件，诸如例如末端执行器、末端执行器的连杆、远侧工具等。例如，远端部分3822可以联接到连杆2510或连杆7510。在该实施例中，在梁3810的近端部分3822和梁3810的中间部分3820之间形成第一非连续部D1，在梁3810的远端部分3824和中间部分3820之间形成第二非连续部D2。
在该实施例中，非连续部D1和非连续部D2分别以形成在近端部分3822和中间部分3820之间以及远端部分3824和中间部分3820之间的凹陷区域的形式设置。如上所述，为了形成凹陷区域，近端部分3822和远端部分3824可以分别包括第一截面3825和3827，其第一横截面面积分别小于梁3810的中间部分3820的横截面面积，并且小于联接到匹配部件的第二部分(其用作界面部分)3826和3828的横截面面积。在该实施例中，近端部分3822和远端部分3824的第二部分3826和3828分别具有与梁3810的中间部分3820基本相同的横截面面积。
在其他实施例中，第二部分的横截面面积(或尺寸)可以不同于中间部分的横截面面积(或尺寸)。例如，图6B示出了力传感器单元4800，其包括梁4810，梁4810具有中间部分4820(其用作梁的有源部分)、近端部分4822和远端部分4824。虽然未示出，但是一个或多个应变传感器可以联接到中间部分4820。近端部分4822可以联接到例如如本文所述的手术器械的轴(例如，轴2410或轴7410)。远端部分4824可以联接到例如手术器械的远侧部件，诸如例如末端执行器、末端执行器的连杆、远侧工具等(例如，连杆2510或连杆7510)。在该实施例中，在梁4810的近端部分4822和梁4810的中间部分4820之间形成第一非连续部D1，在梁4810的远端部分4824和中间部分4820之间形成第二非连续部D2。
在该实施例中，非连续部D1和非连续部D2分别以形成在近端部分4822和中间部分4820之间以及远端部分4824和中间部分4820之间的凹陷区域的形式设置。如上所述，为了形成凹陷区域，近端部分4822和远端部分4824可以分别包括第一截面4825和4827，其第一横截面面积分别小于梁4810的中间部分4820的横截面面积，并且小于联接到匹配部件的第二部分(其用作界面部分)4826和4828的横截面面积。在该实施例中，近端部分4822和远端部分4824的第二部分4826和4828分别具有不同于梁4810的中间部分4820的横截面面积。
图6C示出了力传感器单元5800，其包括梁5810，梁5810具有中间部分5820(其用作梁的有源部分)、近端部分5822和远端部分5824。虽然未示出，但是一个或多个应变传感器可以联接到中间部分5820。近端部分5822可以联接到例如如本文所述的手术器械的轴(例如，轴2410或轴7410)。远端部分5824可以联接到例如手术器械的远侧部件，诸如例如末端执行器、末端执行器的连杆、远侧工具等(例如，连杆2510或连杆7510)。在该实施例中，在梁5810的近端部分5822和梁5810的中间部分5820之间形成第一非连续部D1，在梁5810的远端部分5824和中间部分5820之间形成第二非连续部D2。
在该实施例中，非连续部D1由具有与中间部分5820的横截面面积不同(即，更小)的横截面面积的近端部分5822提供。非连续部D2由具有与中间部分5820的横截面面积不同(即，更小)的横截面面积的远端部分5824提供。
图6D示出了力传感器单元6800，其包括梁6810，梁6810具有中间部分6820(其用作梁的有源部分)、近端部分6822和远端部分6824。虽然未示出，但是一个或多个应变传感器可以联接到中间部分6820。近端部分6822可以联接到例如如本文所述的手术器械的轴(例如，轴2410或轴7410)。远端部分6824可以联接到例如手术器械的远侧部件，诸如例如末端执行器、末端执行器的连杆、远侧工具等(例如，连杆2510或连杆7510)。在该实施例中，在梁6810的近端部分6822和梁6800的中间部分6820之间形成第一非连续部D1，在梁6810的远端部分6824和中间部分6820之间形成第二非连续部D2。
在该实施例中，非连续部D1由具有与中间部分6820的横截面面积不同(即，更小)的横截面面积的近端部分6822提供。非连续部D2由具有与中间部分6820的横截面面积不同(即，更小)的横截面面积的远端部分6824提供。此外，在该实施例中，远端部分6824沿其长度具有恒定的横截面面积，而近端部分6822是锥形的(即，具有沿其长度以恒定速率单调减小的横截面)。近端部分6822的锥形形状可以有助于梁6810与其匹配部件(例如器械轴)的对准。例如，锥形近端部分6822可以匹配地联接在轴的一部分内，并且可以有助于梁6810的中心轴线和轴的中心轴线的对准。
图7-15是根据实施例的医疗器械7400的各种视图。在一些实施例中，器械7400或其中的任何部件可选地为手术系统的执行外科手术程序的零件，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动学连杆机构、一系列套管等。器械7400(以及本文所述的任何器械)可用于任何合适的手术系统，诸如上文所示和描述的MIRS系统1000。器械7400包括机械结构7700、外轴7910、轴7410(参见图8B和图9，其在本实施例中用作内轴)、包括梁7810的力传感器单元7800、腕组件7500和末端执行器7460。尽管未示出，器械7400还可以包括将机械结构7700联接到腕组件7500和末端执行器7460的多个线缆。器械7400被构造为使得线缆的选择运动产生腕组件7500围绕第一旋转轴线A1(参见图8A)(其用作俯仰轴线，术语俯仰是任意的)的旋转(即，俯仰旋转)、末端执行器7460围绕第二旋转轴线A2(参见图8A)(其用作偏转轴线，术语偏转是任意的)的偏转旋转、末端执行器7460的工具构件围绕第二旋转轴线A2的切割旋转或这些运动的任意组合。改变器械7400的俯仰或偏转可以通过以类似于以下所述的方式操纵线缆来执行：例如，题为“带固体表面线缆通道的四线缆腕”的美国专利号US 8,821,480 B2(2008年7月16日提交)和题为“用于微创电外科应用的手术工具”的美国专利号US6,394,998 B1(1999年9月17日提交)，其全部内容通过引用并入本文。因此，下面不描述每个线缆的用以实现期望的运动的特定运动。
轴7410包括联接到机械结构7700的近端(未示出)和经由锚7925联接到梁7810的远端7412(参见图8B和图9)。在一些实施例中，轴7410的近端以允许轴7410沿着轴7410的中心轴线C-A相对于机械结构7700运动的方式联接到机械结构770(图8B所示)。允许轴7410在Z方向上“浮动”有助于测量沿Z轴的力，如本文所述。在一些实施例中，轴7410的近端可以经由题为“带传感器对准线缆导向器的手术器械”的国际专利申请号PCT/US2019/061883(2019年11月15日提交)中所示和描述的类型的四杆连杆机构可移动地联接到机械结构7700，该国际专利申请的全部内容通过引用并入本文。衬套7914设置在轴7410的邻近锚7925的远端7412处。衬套7914位于内轴7410的外部，因此设置在轴7410和外轴7910之间。轴7410还限定了内腔(未示出)和/或多个通道，线缆和其他部件(例如电线、地线等)可以通过这些通道从机械结构7700路由到腕组件7500。锚7925可以至少部分地被接收在轴7410的内腔内，并且可以经由粘合剂粘结、焊接或任何其他永久联接机构(即，在正常使用期间不打算移除的联接机构)固定地联接到轴7410。
外轴7910可以是任何合适的细长轴，其可以设置在轴7410上方并且包括可以联接到机械结构7700和远端7912的近端7911。外轴7910限定近端7911和远端7912之间的内腔。轴7410在外轴7910的内腔内延伸，并且可以相对于外轴791移动。例如，轴7410可以相对于轴7910旋转和/或可以在平行于轴7410的中心轴线C-A的方向上纵向平移。例如，在一些实施例中，外轴7910的近端7911固定地联接到机械结构7700，并且轴7410联接成相对于机械结构7701移动。在其他实施例中，外轴7910或其部分可以相对于机械结构7700移动(例如，外轴7920可以是可伸缩轴)。因此，在一些实施例中，外轴7910可操作地联接到机械结构7700，并且可以在平行于中心轴线C-A的方向上相对于轴7410纵向移动或平移。
机械结构7700产生线缆(未示出)的运动，以在腕组件7500处产生期望的运动(俯仰、偏转或抓握)。具体地，机械结构7700包括部件和控制器，以在近侧方向上移动一些线缆(即，拉入某些线缆)，同时允许其他线缆以相等长度向远侧移动(即，释放或“放出”)。以这种方式，机械结构7700可以保持线缆内的期望张力，并且在一些实施例中，可以确保线缆的长度在腕组件7500的整个运动范围内被保持(即，以相等的量移动)。然而，在其他实施例中，不需要保持线缆的长度。
在一些实施例中，机械结构7700可以包括一个或多个机构，其产生线缆的一部分的平移(线性运动)。这样的机构可以包括例如万向节、杠杆或任何其他合适的直接拉动(或释放)任何线缆的端部的机构。例如，在一些实施例中，机械结构7700可以包括题为“杠杆致动的万向板”的美国专利申请公开号US 20157/0047454A1(2014年8月15日提交)或题为“具有主动定位肌腱致动多盘腕关节的手术工具”的美国专利号US 6,817,974 B2(2001年6月28日提交)中描述的任何机械结构(称为后端组件或致动器)或部件，其中每一个专利申请均通过引用并入本文。然而，在其他实施例中，机械结构7700可以包括绞盘或其他马达驱动的辊，其旋转或“缠绕”任何带的一部分以产生期望的带运动。例如，在一些实施例中，机械结构7700可以包括题为“使用驱动线缆对医疗器械进行电子激励”美国专利号US 9,204,923 B2(2008年7月16日提交)中描述的任何机械结构(称为后端组件或致动器)或部件，该专利通过引用将其全部内容并入本文。
参考图8A，腕组件7500包括近侧第一连杆7510和远侧第二连杆7610。第一连杆7510包括远侧部分，该远侧部分在接头处联接到第二连杆7610的近侧部分，使得第二连杆7610绕第一旋转轴线A1(其用作俯仰轴线，术语俯仰是任意的)相对于第一连杆7510旋转。近侧第一连杆7510包括联接到梁7810的近侧部分，如下面更详细描述的。近侧第一连杆7510沿着其长度的一部分限定多个狭槽7513(例如，参见图8A、图9A、图10-12)，用于致动腕组件7500和末端执行器7460的线缆延伸穿过该狭槽。狭槽7513还可用于引入流体以实现器械7400的清洁。例如，当外轴7910移动到覆盖梁7810并邻接近侧第一连杆7510的远侧位置时，狭槽7513的远端部分暴露或可接近，使得清洁流体可以通过狭槽7512的远端部分引入。当外轴7910向近侧移动时，狭槽7513和其中的线缆也可接近以用于清洁目的。
远侧第二连杆7610的远端联接到末端执行器7460，使得末端执行器7460可以围绕第二旋转轴线A2(参见图8A)(其用作偏转轴线(术语偏转是任意的))旋转。末端执行器7460可以包括至少一个工具构件7462，该工具构件具有接触部分7464，接触部分7464被构造为在外科手术期间接合或操纵目标组织。例如，在一些实施例中，接触部分7464可以包括用作夹持器、切割器、组织操纵器等的接合表面。在其他实施例中，接触部分7464可以是用于烧灼或电外科手术的激励工具构件。末端执行器7460可操作地联接到机械结构7700，使得工具构件7462围绕第一旋转轴线A1相对于轴7410旋转。以此方式，工具构件7462的接触部分7464可被致动以在外科手术期间接合或操纵目标组织。工具构件7462(或本文描述的任何工具构件)可以是任何合适的医疗工具构件。此外，尽管如图所示，仅标识出一个工具构件7462，但是器械7400可以包括两个协同执行夹持或剪切功能的工具构件。在其他实施例中，末端执行器可以包括两个以上的工具构件。
梁7810包括近端部分7822、中间部分7820(其用作梁7810的有源部分)和远端部分7824。梁7810具有沿梁7810的长度限定的中心轴线AB(参见图10)。一个或多个应变传感器7830(参见图13A和图14)安装在梁7810的中间部分7820上。仅出于说明目的而在一些图中未示出应变传感器7830。应变传感器7830可以是例如应变计，并且可以用于测量在外科手术期间给予手术器械的力，如下面更详细描述的。在该实施例中，中间部分7820限定了四个彼此垂直设置的侧表面，应变传感器7830可以安装在该侧表面上(参见图14)。这种布置也在PCT申请号PCT/US18/61113中描述和示出，该申请通过引用并入本文。在该实施例中，中间部分7820的横截面大致为正方形。因此，中间部分7820的横截面形状对于每90度旋转是相同的。以这种方式，来自应变传感器7830(其仅设置在中间部分2820的四个侧面中的两个)的输出将在轴7410的整个滚动范围内(即，轴7410围绕中心轴线AB的旋转)保持一致。如图14所示，出于冗余目的，在梁7810的中间部分7820的近端部分和远端部分处的给定侧表面上有多个应变传感器7820。在一些实施例中，在梁7810的中间部分7820的近端部分和远端部分中的每一个的给定侧表面上可以仅存在单个应变传感器7830。
在该实施例中，梁7810的远端部分7824和近端部分7822都是锥形的，但每个都具有与另一个不同的横截面形状和尺寸。如上所述，在替代实施例中，近端部分7822和远端部分7824可以具有相同的横截面形状和尺寸。在该实施例中，近端部分7822限定用于制造目的的端部切口区域7821(参见图15)，并且还为设置在轴7410和锚7925内的电气部件(未示出)的路由提供间隙。近端部分7822还限定了侧切口区域7823(参见图15)，该侧切口区域提供进入轴7410的内腔的入口(经由锚中的切口7927)以允许到应变传感器7830的的电气布线(未示出)的路由。例如，电气布线可以从器械7400的近端延伸穿过轴7410、离开切口7927并沿着梁7810延伸到应变传感器7830。
梁7810经由锚7925联接到轴7410的远端部分7412，并联接到腕组件7500的近侧连杆7510(参见例如图8B-10)。更具体地，锚7925限定开口7926(参见图11)，该开口7926可以匹配地接收梁7810的锥形近端部分7822。锚7925还限定了切口7927，导线可以通过该切口7927布线。近端部分7822可以通过例如焊接、粘合剂或其他合适的联接方法联接到锚7925。类似地，近侧连杆7510限定开口7515(参见图12)，该开口7515可以匹配地接收梁7810的远端部分7824。远端部分7824可以通过例如焊接、粘合剂或其他合适的联接方法联接到连杆7510。
在使用中，末端执行器7460接触解剖组织，这可能产生给予末端执行器7450的X、Y或Z方向的力(参见图8B)，并且这也可能产生围绕各个轴线的力矩。如上文针对器械2400所述，应变传感器7830(参见图13A和图14)可用于产生由X、Y和Z方向上的力引起的信号，并且该信号可用于测量梁7810中的应变，该应变继而可用于确定在X和Y轴方向上给予末端执行器7460的力。例如，可以从近侧应变传感器组7830的信号中减去远侧应变传感器组7830的信号。由Z方向力引起的任何信号在两组应变传感器上都是相同的，并且在减去之后将被消除。因此，应变传感器7830可用于确定给予末端执行器7460的力，该力横向于(例如，垂直于)梁7810的中心轴线AB，因为这些力在X和Y方向上传递到梁7810(参见图8B)。具体地，作用在末端执行器7460上的横向力可以引起梁7810的轻微弯曲，这可以产生给予梁7810一侧的拉伸应变和给予梁7810另一侧的压缩应变。应变传感器7830联接到梁7810以测量这种拉伸应变和压缩应变。
如上所述，这种X和Y力可导致梁7810与其匹配部件之间的界面处的应力集中和应变过载。这种应力集中和应变过载会导致力传感器7830处的读数不准确。如本文所述，为了提高力测量的精度并减少或消除这种问题，在梁7810和梁7810与其匹配部件之间的连接界面之间形成非连续部。在该实施例中，分别通过锥形远端部分7824和锥形近端部分7822，通过将梁7810连接到连杆7510和锚7925来产生该非连续部。更具体地，如上所述，远端部分7824具有与其上安装有力传感器的梁7810的中间部分7820的横截面面积不同的横截面面积。这在远端部分7824和中间部分7820之间产生第一非连续部，并提供将被传递到远端部分7824联接到连杆7510所在的远侧界面的应力集中或应变过载。类似地，近端部分7822具有与梁7810的中间部分7820的横截面面积不同的横截面面积，这在近端部分7822和中间部分782之间产生第二非连续部，并提供将被传递到近端部分7822联接到锚7925所在的近侧界面的应力集中或应变过载。
图16A是示出作为器械7400的计算机模型的梁长度的函数的梁应力的曲线图。图16B是示出梁的远端7824处的应力的曲线图的放大视图，图16C是示出梁的近端7822处的应力的曲线图的放大视图。如图16A所示，希望沿中间部分(有源部分)7820施加在梁7810上的应力载荷沿梁7810的长度基本上是线性的。如图16B和16C最佳所示，在梁的近端部分和远端部分处，可能发生应力的非线性分布。在该示例中，图16B示出了梁的锥形远端部分7824中的非线性行为，包括锥形端处的应力的非线性增加。在该示例中，图16C示出了梁的近端部分7822处的非线性行为和显著的应力过载。因此，通过包括第一非连续部和第二非连续部，非线性行为和应力过载与力感测梁7810的有源部分隔离。
图17A-23是根据实施例的医疗器械8400的各种视图。在一些实施例中，器械8400或其中的任何部件可选地为手术系统的执行外科手术程序的零件，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动学连杆机构、一系列套管等。器械8400(和本文描述的任何器械)可以用在任何合适的手术系统中，诸如以上示出和描述的MIRS系统1000。器械8400包括可与机械结构7700相同或相似的机械结构(未示出)、外轴8910、在本实施例中用作内轴的轴8410、力传感器单元8800(包括梁8810)、腕组件8500和末端执行器8460。尽管未示出，器械8400还可以包括将机械结构联接到腕组件8500和末端执行器8460的多个线缆。器械8400被构造为使得线缆的选择运动产生腕组件8500围绕第一旋转轴线A1(参见图19)(其用作俯仰轴线，术语俯仰是任意的)的旋转(即，俯仰旋转)、末端执行器8460围绕第二旋转轴线A2(参见图19)(其用作偏转轴线，术语偏转是任意的)的偏转旋转、末端执行器8460的工具构件围绕第二旋转轴线A2的切割旋转或这些运动的任意组合。改变器械8400的俯仰或偏转可以通过以类似于以下所述的方式操纵线缆来执行：例如，题为“带固体表面线缆通道的四线缆腕”的美国专利号US 8,821,480 B2(2008年7月16日提交)和题为“用于微创电外科应用的手术工具”的美国专利号US 6,394,998B1(1999年9月17日提交)，其全部内容通过引用并入本文。因此，下面不描述每个线缆的用以实现期望的运动的特定运动。
轴8410包括联接到机械结构的近端(未示出)和经由梁8810的锚8925联接到梁8810的远端8412(参见图19和图20)。在一些实施例中，轴8410的近端以允许轴8410沿着轴8410的中心轴线C-A相对于机械结构运动的方式联接到机械结构770(图19所示)。允许轴8410在Z方向上“浮动”有助于测量沿Z轴的力，如本文所述。在一些实施例中，轴8410的近端可以经由题为“带传感器对准线缆导向器的手术器械”的国际专利申请号PCT/US2019/061883(2019年11月15日提交)中所示和描述的类型的四杆连杆机构可移动地联接到机械结构，该国际专利申请的全部内容通过引用并入本文。轴8410还限定了内腔(未示出)和/或多个通道，线缆和其他部件(例如电线、地线等)可以通过这些通道从机械结构路由到腕组件8500。在该实施例中，轴8410的远侧部分至少部分地被接收在锚8925的内部区域8931内，并且可以经由粘合剂粘结、焊接或任何其他永久联接机构(即，在正常使用期间不打算移除的联接机构)固定地联接到锚8925。
外轴8910可以是任何合适的细长轴，其可以设置在轴8410上方并且包括可以联接到机械结构和远端8912的近端(未示出)。外轴8910在近端和远端8912之间限定内腔。轴8410在外轴8910的内腔内延伸，并且内轴8410可以相对于彼此移动。例如，轴8410可以相对于外轴8910旋转和/或可以在平行于轴8410的中心轴线C-A的方向上纵向平移。例如，在一些实施例中，外轴8910的近端固定地联接到机械结构，并且轴8410联接成相对于机械结构移动。在其他实施例中，外轴8910或其部分可以相对于机械结构移动(例如，外轴8910可以是可伸缩轴)。因此，在一些实施例中，外轴8910可操作地联接到机械结构，并且可以在平行于中心轴线C-A的方向上相对于轴8410纵向移动或平移。
机械结构产生线缆(未示出)的运动，以在腕组件8500处产生期望的运动(俯仰、偏转或抓握)。具体地，机械结构包括部件和控制器，以在近侧方向上移动一些线缆(即，拉入某些线缆)，同时允许其他线缆以相等长度向远侧移动(即，释放或“放出”)。以这种方式，机械结构可以保持线缆内的期望张力，并且在一些实施例中，可以确保线缆的长度在腕组件8500的整个运动范围内被保持(即，以相等的量移动)。然而，在其他实施例中，不需要保持线缆的长度。
在一些实施例中，机械结构可以包括一个或多个机构，其产生线缆的一部分的平移(线性运动)。这样的机构可以包括例如万向节、杠杆或任何其他合适的直接拉动(或释放)任何线缆的端部的机构。例如，在一些实施例中，机械结构可以包括题为“杠杆致动的万向板”的美国专利申请公开号US20157/0047454A1(2014年8月15日提交)或题为“具有主动定位肌腱致动多盘腕关节的手术工具”的美国专利号US 6,817,974 B2(2001年6月28日提交)中描述的任何机械结构(称为后端组件或致动器)或部件，其中每一个专利申请均通过引用并入本文。然而，在其他实施例中，机械结构可以包括绞盘或其他马达驱动的辊，其旋转或“缠绕”任何带的一部分以产生期望的带运动。例如，在一些实施例中，机械结构可以包括题为“使用驱动线缆对医疗器械进行电子激励”美国专利号US 9,204,923 B2(2008年7月16日提交)中描述的任何机械结构(称为后端组件或致动器)或部件，该专利通过引用将其全部内容并入本文。
腕组件8500包括近侧第一连杆8510和远侧第二连杆8610。第一连杆8510包括远侧部分，该远侧部分在接头处联接到第二连杆8610的近侧部分，使得第二连杆8610绕第一旋转轴线A1(其用作俯仰轴线，术语俯仰是任意的)相对于第一连杆8510旋转。近侧第一连杆8510包括联接到梁8810的近侧部分，如下面更详细描述的。
远侧第二连杆8610的远端联接到末端执行器8460，使得末端执行器8460可以围绕第二旋转轴线A2(其用作偏转轴线(术语偏转是任意的))旋转。末端执行器8460可以包括至少一个工具构件8462，该工具构件具有接触部分，该接触部分被构造为在外科手术期间接合或操纵目标组织。例如，在一些实施例中，接触部分可以包括用作夹持器、切割器、组织操纵器等的接合表面。在其他实施例中，接触部分可以是用于烧灼或电外科手术的激励工具构件。末端执行器8460可操作地联接到机械结构，使得工具构件8462围绕第一旋转轴线A1相对于轴8410旋转。以此方式，工具构件8462的接触部分可被致动以在外科手术期间接合或操纵目标组织。工具构件8462(或本文描述的任何工具构件)可以是任何合适的医疗工具构件。此外，尽管如图所示，仅标识出一个工具构件8462，但是器械8400可以包括两个协同执行夹持或剪切功能的工具构件。在其他实施例中，末端执行器可以包括两个以上的工具构件。
梁8810包括近端部分8822、中间部分8820(其用作梁8810的有源部分)和远端部分8824。梁8810限定了沿着梁8810的长度限定的中心轴线AB(参见图18A)。一个或多个应变传感器8830(如图18A所示)安装在梁8810的中间部分8820上。仅出于说明目的而在一些图中未示出应变传感器8830。在该实施例中，应变传感器8830是箔应变计。应变传感器8830可用于测量在外科手术期间给予手术器械的力，如下文更详细描述的。在该实施例中，中间部分8820限定了彼此垂直设置的四个侧表面，应变传感器8830安装在其中一个侧表面上。在该实施例中，中间部分8820的横截面大致为正方形。因此，中间部分8820的横截面形状对于每90度旋转是相同的。以这种方式，来自应变传感器8830的输出将在轴8410的整个滚动范围内(即，轴8410围绕中心轴线AB的旋转)保持一致。
在该实施例中，梁8810包括位于梁8810的近端部分8822处的锚8925和位于梁881的远端部分8824附近的套环8840。因此，在该实施例中，梁8810与锚8925和套环8840一体形成。远端部分8824是锥形的，近端部分8822延伸穿过锚8925。梁8810的中间部分8820包括舌片8844和8845，该舌片用作梁8810的中间部分和应变传感器8830之间的对准的引导件。在一些实施例中，套环8840和锚8925中的一者(或两者)可以单独制造，然后稍后联接到梁8810的中间部分8820。
如上所述，梁8810经由锚8925联接到轴8410的远端部分8412。梁8810经由梁8810的远端部分8824联接到腕组件8500的近侧连杆8510。在该实施例中，套环8840限定了与套环8840的远侧上的开口8846流体连通的多个狭槽8842，该狭槽类似于用于医疗器械7400的狭槽7513。狭槽8842接收穿过其的用于致动腕组件8500和末端执行器8460的线缆(未示出)。例如，线缆可以从腕组件8500延伸，穿过近侧连杆8510的开口8517(参见图21A)，穿过开口8846和狭槽8842。
狭槽8842还可用于引入流体以实现器械8400的清洁。例如，当外轴8910移动到覆盖梁8810并邻接近侧套环8840的远侧位置时，狭槽8842的远端部分暴露或可接近，使得清洁流体可以通过狭槽8842的远端部分引入。当外轴8910向近侧移动时，狭槽8842和其中的线缆也可接近以用于清洁目的。套环8840还限定切口部分8843和中心开口8515。套环8840的切口部分8843与近侧连杆8510的突起8519(参见图21B)匹配地联接，并且当梁8810联接到近侧连杆8510时，梁8810的远端部分8824被接收在中心开口8515内。远端部分8824可以通过例如一个或多个焊接或粘合剂或其他合适的联接方法固定地联接到中心开口8515内的近侧连杆8510。切口部分8843与突起8519的联接防止近侧连杆8510和梁8810的远端部分8824在组装期间相对于彼此旋转。
锚8925限定多个开口8929，该开口8929接收穿过其中的电气布线(例如，用于为末端执行器的烧灼工具供电)和/或从套环8840延伸的用于致动腕组件8500和执行器8460的线缆。例如，较大的开口8929可用于电气布线，而较小的开口8929可用于线缆。锚8925还限定狭槽8927，用于一个或多个传感器8830的布线可以通过该狭槽8927路由。例如，布线可以从梁8810上的一个或多个传感器8830延伸穿过狭槽8927、穿过轴8410的内腔并延伸到医疗器械8400的近端处的机械结构。
在使用中，末端执行器8460接触解剖组织，这可能产生给予末端执行器8460的X、Y或Z方向的力(参见图19)，并且这也可能产生围绕各个轴线的力矩。如上文针对器械2400所述，应变传感器8830(参见图13A和图14)可用于拾取由X、Y和Z方向上的力引起的信号，并且该信号可用于测量梁8810中的应变，该应变继而可用于确定在X和Y轴方向上给予末端执行器8460的力。因此，应变传感器8830可用于确定给予末端执行器8460的力，该力横向于(例如，垂直于)梁8810的中心轴线AB，因为这些力在X和Y方向上传递到梁8810(参见图19)。具体地，作用在末端执行器8460上的横向力可以引起梁8810的轻微弯曲，这可以产生给予梁8810一侧的拉伸应变和给予梁8810另一侧的压缩应变。应变传感器830联接到梁8810以测量这种拉伸应变和压缩应变。
如上所述，这种X和Y力可导致梁8810与其匹配部件(近侧连杆8510)之间的界面处的应力集中和应变过载。这种应力集中和应变过载会导致力传感器8830处的读数不准确。如本文所述，为了提高力测量的精度并减少或消除这种问题，在梁8810和梁8810与其匹配部件之间的连接界面之间形成非连续部。在该实施例中，通过梁8810与连杆8510的连接产生了非连续部，但由于锚8925与梁8810是一体的，因此不需要在梁8810的近端部分8822处产生非连续部。更具体地，如上所述，远端部分8824具有与其上安装有力传感器8830的梁8810的中间部分8820的横截面面积不同的横截面面积。这在远端部分8824和中间部分8820之间产生非连续部，并提供将被传递到远端部分8824联接到连杆8510所在的远侧界面的应力集中或应变过载。
尽管上面已经描述了各种实施例，但是应当理解，它们仅是示例性的，而非限制性的。在上述方法和/或示意图指示以某些顺序发生的某些事件和/或流模式的情况下，可以修改某些事件和/或操作的顺序。尽管已经具体示出和描述了实施例，但是应当理解，可以进行形式和细节上的各种改变。
例如，本文所述的任何器械(及其中的部件)可选地为执行微创外科手术程序的手术组件的一部分，并且可以包括操纵器单元、一系列运动学连杆机构、一系列套管，等等。因此，本文描述的任何器械都可以用在任何合适的手术系统中，诸如以上示出和描述的MIRS系统1000。此外，本文示出和描述的任何器械都可以在外科手术程序过程中用于操纵靶组织。这样的靶组织可以为癌细胞、肿瘤细胞、病变、血管阻塞、血栓形成、结石、子宫肌瘤、骨转移、子宫腺肌病或任何其他身体组织。呈现的靶组织的示例不是详尽的清单。此外，靶结构还可以包括在人体内部或与人体相关联的人造物质(或非组织)，诸如例如，支架，人造管的一部分，人体内部的紧固件等。
例如，本文所述的手术器械的任何部件都可以由任何材料，诸如医用级不锈钢、镍合金、钛合金等构造。此外，本文所述的连杆、工具构件、梁、轴、线缆或其他部件中的任一者都可以由随后接合在一起的多个部件构成。例如，在一些实施例中，可以通过将单独构造的部件连接在一起来构造连杆。然而，在其他实施例中，本文所述的连杆、工具构件、梁、轴、线缆或部件中的任一者都可以整体构造。
尽管器械通常被示出为具有工具构件的旋转轴线(例如轴线A2)，该旋转轴线垂直于腕构件的旋转轴线(例如轴线A1)，但是在其他实施例中，本文所述的任何器械都可以包括与腕组件的旋转轴线偏移任何合适角度的工具构件旋转轴线。
尽管已经将各种实施例描述为具有特定特征和/或部件的组合，但是其他实施例也可以具有来自如上所述的任何实施例的任何特征和/或部件的组合。虽然已经在医疗装置，更具体地说是手术器械的一般背景下描述了方面，但是本发明方面不必限于在医疗装置中使用。

Claims (26)

1.一种医疗装置，包括：
包括近端部分和远端部分的轴；
梁，包括近端部分、远端部分以及在所述梁的所述近端部分与所述梁的所述远端部分之间的中间部分；
在所述梁的所述中间部分上的一个或多个应变传感器；
其中，所述梁的所述近端部分与所述轴的所述远端部分匹配地联接以形成界面；以及
所述梁包括所述界面和所述梁的所述中间部分之间的非连续部。
2.根据权利要求1所述的医疗装置，其中：
所述界面是第一界面，并且所述非连续部是第一非连续部；
所述医疗装置包括连杆；
所述梁的所述远端部分匹配地联接到所述连杆以形成第二界面；以及
所述梁包括在所述第二界面和所述梁的所述中间部分之间的第二非连续部。
3.根据权利要求2所述的医疗装置，其中：
所述梁的所述中间部分在所述第一非连续部处具有第一横截面面积；
所述梁的所述近端部分在所述第一非连续部处具有第二横截面面积；
所述梁的所述远端部分在所述第二非连续部处具有第三横截面面积；以及
所述第一横截面面积不同于所述第二横截面面积和所述第三横截面面积。
4.根据权利要求2所述的医疗装置，其中：
所述轴的中心轴线被限定在所述轴的所述近端部分和所述轴的所述远端部分之间；
所述梁的所述近端部分包括锥形引导件，以用于沿着所述轴的所述中心轴线将所述梁对准所述轴的所述远端部分；以及
所述梁的所述远端部分包括锥形引导件，以用于沿所述轴的所述中心轴线将所述梁对准所述连杆。
5.根据权利要求2所述的医疗装置，其中：
所述第一非连续部包括在所述梁的所述中间部分和所述梁的所述近端部分之间的第一凹陷区域；以及
所述第二非连续部包括在所述梁的所述中间部分和所述梁的所述远端部分之间的第二凹陷区域。
6.根据权利要求1所述的医疗装置，其中：
所述轴的所述远端部分包括锚；
所述锚包括联接部分；以及
所述梁的所述近端部分匹配地联接到所述锚的所述联接部分，以将所述梁的所述远端部分联接到所述轴的所述远端部分。
7.根据权利要求6中的任一项所述的医疗装置，其中：
所述锚包括开口；
所述开口包括形状；以及
所述梁的所述近端部分包括仅以一个取向被接收在所述锚的所述开口内的形状。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的医疗装置，其中：
所述梁的所述中间部分包括近端面和远端面；
所述锚包括远端面；
所述连杆包括近端面；
其中，当所述梁联接到所述锚时，所述梁的所述中间部分的所述近端面与所述锚的所述远端面间隔开；并且
其中，当所述梁联接到所述连杆时，所述梁的所述中间部分的所述远端面与所述连杆的所述近端面间隔开。
9.一种医疗装置，包括：
轴，包括近端部分、远端部分以及在所述近端部分和所述远端部分之间延伸的中心轴线；
梁，包括近端部分、远端部分以及在所述近端部分和所述远端部分之间的中间部分，
所述梁的所述近端部分具有第一横截面面积，
所述远端部分具有与所述第一横截面面积不同的第二横截面面积，以及
所述梁的所述中间部分具有不同于所述第一横截面面积的第三横截面面积；
在所述梁的所述中间部分上的一个或多个应变传感器；
联接到所述轴的所述远端部分的锚，
所述锚包括联接部分，以及
所述梁的所述近端部分匹配地联接到所述锚的所述联接部分；以及
连杆，所述连杆包括联接部分，所述梁的所述远端部分匹配地联接到所述连杆的所述联接部分。
10.根据权利要求9所述的医疗装置，其中：
所述锚的所述联接部分包括被构造为接收所述梁的所述近端部分的开口；以及
所述连杆的所述联接部分包括被构造为接收所述梁的所述远端部分的开口。
11.根据权利要求9所述的医疗装置，其中：
所述梁的所述近端部分是锥形近端部分，并且所述梁的所述远端部分是锥形远端部分；
所述锥形近端部分是用于使所述梁沿着所述轴的所述中心轴线与所述锚对准的引导件；以及
所述锥形远端部分是用于使所述梁沿着所述轴的所述中心轴线对准所述连杆的引导件。
12.根据权利要求9所述的医疗装置，其中：
所述锚包括开口；
所述连杆包括开口；
所述梁的所述近端部分包括仅以一个取向被接收在所述锚的所述开口内的形状；以及
所述梁的所述远端部分包括仅以一个取向被接收在所述连杆的所述开口内的形状。
13.根据权利要求9所述的医疗装置，其中：
所述锚包括D形开口；
所述连杆包括D形开口；
所述梁的所述近端部分包括被构造为被接收在所述锚的所述D形开口内的D形形状；以及
所述梁的所述远端部分包括被构造为被接收在所述连杆的所述D形开口内的D形形状。
14.根据权利要求9所述的医疗装置，其中：
所述梁的所述近端部分被焊接到所述锚；以及
所述梁的所述远端部分被焊接到所述连杆。
15.根据权利要求9所述的医疗装置，其中：
所述医疗装置包括外轴；
所述外轴包括内腔；
所述轴在所述外轴的所述内腔内延伸；以及
所述轴相对于所述外轴可移动。
16.根据权利要求15所述的医疗装置，其中，所述外轴相对于所述轴和所述梁沿着所述中心轴线纵向平移。
17.根据权利要求15所述的医疗装置，其中，所述轴或所述外轴中的至少一个相对于所述轴和所述外轴中的另一个旋转。
18.根据权利要求9所述的医疗装置，其中：
所述一个或多个应变传感器包括第一应变传感器和第二应变传感器；
所述第一应变传感器在所述梁的所述中间部分上的第一位置处位于所述梁的所述中间部分上；以及
所述第二应变传感器在所述梁的所述中间部分上的第二位置处位于所述梁的所述中间部分上，所述第二应变传感器在沿着所述梁的长度的方向上与所述第一应变传感器间隔开。
19.根据权利要求18所述的医疗装置，其中：
所述梁的所述中间部分的所述第一横截面面积具有限定第一外表面、第二外表面、第三外表面和第四外表面的长度和宽度；
所述第一外表面和所述第二外表面垂直于所述第三外表面和所述第四外表面定向；
所述第一应变传感器和所述第二应变传感器均位于所述第一外表面上。
20.一种医疗装置，包括：
轴，包括近端部分、远端部分和限定在所述轴的所述远端部分中的第一匹配开口；
连杆，第二匹配开口被限定在该连杆中；
梁，包括近端部分、远端部分以及在所述近端部分和所述远端部分之间的中间部分；以及
在所述梁的所述中间部分上的一个或多个传感器；
其中，所述梁的所述近端部分是锥形的并且联接在所述第一匹配开口内；并且
其中，所述梁的所述远端部分是锥形的并且联接在所述第二匹配开口内。
21.根据权利要求20所述的医疗装置，其中，所述一个或多个传感器是一个或多个应变传感器。
22.根据权利要求20所述的医疗装置，其中：
所述医疗装置包括外轴；
所述外轴包括内腔；
所述轴在所述外轴的所述内腔内延伸；以及
所述轴相对于所述外轴可移动。
23.根据权利要求22所述的医疗装置，其中，所述外轴相对于所述轴和所述梁纵向平移。
24.根据权利要求22所述的医疗装置，其中，所述轴或所述外轴中的至少一个相对于所述轴和所述外轴中的另一个旋转。
25.根据权利要求20所述的医疗装置，其中，所述连杆是腕组件的一部分。
26.根据权利要求20所述的医疗装置，其中：
所述一个或多个传感器包括第一应变传感器和第二应变传感器；
所述第一应变传感器在所述梁的所述中间部分上的第一位置处位于所述梁的所述中间部分上；以及
所述第二应变传感器在所述梁的所述中间部分上的第二位置处位于所述梁的所述中间部分上，所述第二应变传感器在沿着所述梁的长度的方向上与所述第一应变传感器间隔开。
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