CN116158859A - 计算机辅助远程操作手术系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及计算机辅助远程操作手术系统和方法。描述了用于微创计算机辅助远程手术的系统和方法。计算机辅助远程操作手术系统包括远程操作器械致动舱。手术器械致动舱包括围绕手术器械布置的多个线性致动器。线性致动器与器械上的致动器接合构件接合，从而驱动器械上的可移动零件。致动舱安装在远程操作操纵器上。器械舱质量接近于远程操作的操纵器，以使该舱对操纵器的惯性、动量和重力影响最小化。

Description

计算机辅助远程操作手术系统和方法

本申请是国际申请日为2017年9月15日、进入国家阶段日为2019年3月14日的名称为“计算机辅助远程操作手术系统和方法”的中国专利申请2017800565047(PCT/US2017/051846)的分案申请。

版权声明

本专利文件的公开内容的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对专利文件或专利公开中任何一个的传真复制，因为它出现在美国专利和商标局的专利文件或记录中，但在其他方面保留所有版权。

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请第62/395,095号(2016年9月15日提交)的优先权，该临时专利申请通过引用合并于此。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用。

背景技术

远程操作手术系统(由于使用机器人技术通常被称为“机器人”手术系统)和其他计算机辅助装置通常包括一个或多个器械操纵器以操纵用于在手术工作部位执行任务的器械以及用于支持捕获手术工作部位的图像的图像捕获装置的至少一个操纵器。操纵臂包括通过一个或多个主动控制关节耦接在一起的多个连杆。在许多实施例中，可以提供多个主动控制关节。机器人臂还可以包括一个或多个被动关节，其不被主动控制但是符合主动控制关节的运动。这种主动关节和被动关节可以是各种类型，包括旋转关节或棱柱关节。操纵臂及其相关器械或图像捕获装置的运动姿态可以通过关节的方位和结构的知识和连杆的耦接和已知运动学计算的应用来确定。

正在开发用于手术的微创远程手术系统，以增加外科医生的灵活性，并允许外科医生从远程位置对患者进行操作。远程手术是手术系统的总称，其中外科医生使用某种形式的远程控制(例如伺服机构等)来操纵手术器械运动而不是用手直接握持和移动器械。在这种远程手术系统中，在远程位置处向外科医生提供手术部位的图像。在观察通常在合适的观察器或显示器上提供深度假象的手术部位的立体图像的同时，外科医生通过操纵主控制输入装置对患者执行手术程序，该主控制输入装置进而控制相应的远程操作器械的运动。远程操作手术器械可以通过小的微创手术开口或天然孔口插入，以治疗患者体内的手术部位处的组织，通常避免通常与通过开放手术技术进入手术工作部位相关联的创伤。这些计算机辅助远程操作系统可以以足够的灵活性移动手术器械的工作端(末端执行器)以执行相当复杂的手术任务，这通常通过在微创开口处枢转器械的轴、使轴穿过开口轴向滑动、使轴在开口内旋转等来实现。

发明内容

以下发明内容介绍了本发明主题的某些方面，以便提供基本的理解。该发明内容不是对本发明主题的广泛概述，并且不旨在识别关键或重要元素或描绘本发明主题的范围。尽管该发明内容包含与本发明主题的各个方面和实施例相关的信息，但是其唯一目的是以一般形式呈现一些方面和实施例作为下面更详细描述的序言。

在一个方面，一种远程手术系统包括致动舱(pod)和安装在致动舱中的器械。致动舱具有纵向轴线，并且器械的轴与该舱的纵向轴线重合。该舱具有线性致动器(例如，马达、导螺杆和旋拧在每个导螺杆上的螺母)。线性致动器各自接合器械上的致动器输入构件。在另外的方面，舱部件被布置成将舱的质心放置在舱的纵向轴线上并且向远侧朝向患者，使得当操纵器以俯仰和偏航来定向该舱上的纵向轴线时，惯性、动量和重力对该舱的影响被最小化。

更一般地，本公开提供了使用计算机辅助远程操作手术装置进行微创机器人手术的装置和方法。例如，本公开提供了用于计算机辅助远程操作手术系统的手术器械致动舱。在一些实施例中，手术器械致动舱包括多个螺纹螺母，这些螺纹螺母可沿着舱的纵向轴线同时定位在共同方位。一些实施例包括多个防旋转轴，并且每个防旋转轴与两个且不超过两个螺纹螺母可滑动地耦接。

在一个方面，本公开涉及一种用于计算机辅助远程操作手术系统的手术器械致动舱。这种手术器械致动舱包括：多个马达；多个导螺杆，每个导螺杆由相应的一个马达可旋转地驱动；以及多个螺纹螺母，每个螺纹螺母与相应的一个导螺杆螺纹耦接并且可释放地附接到手术器械的相应致动器接合构件。该舱限定纵向轴线。所有螺纹螺母可沿纵向轴线同时定位在共同方位处。

这种手术器械致动舱可任选地包括下列特征中的一个或多个。手术器械致动舱还可包括框架，该框架包括：远端板；近端板；以及在近端板和远端板之间延伸的多个防旋转轴。每个导螺杆可以可旋转地耦接到远端板和近端板。远端板可包括全周向环形板，该全周向环形板限定用于接收手术器械的轴的开口中心。近端板可包括C形板。每个马达可以安装到远端板，而没有马达安装到近端板。每个防旋转轴可以与不超过两个螺纹螺母可滑动地耦接。相邻的螺纹螺母对可以与相应的一个防旋转轴可滑动地耦接。所有马达可以围绕纵向轴线同心布置。

在另一方面，本公开涉及一种用于计算机辅助远程操作手术系统的手术器械致动舱。这种手术器械致动舱包括：多个马达；多个导螺杆，每个导螺杆由相应的一个马达可旋转地驱动；多个螺纹螺母，每个螺纹螺母与相应的一个导螺杆螺纹耦接并且可释放地附接到手术器械的相应致动器接合构件；以及多个防旋转轴。每个防转轴可滑动地与两个且不超过两个螺纹螺母耦接。

这种手术器械致动舱可任选地包括下列特征中的一个或多个。该舱限定纵向轴线，并且每个螺纹螺母可以沿纵向轴线同时定位在共同方位处。该舱还可包括远端板和近端板。多个防旋转轴可以在近端板和远端板之间延伸。远端板可包括全周向环形板，该全周向环形板限定用于接收手术器械的轴的开口中心。近端板可包括C形板。每个马达可以安装到远端板，而没有马达安装到近端板。多个马达可以围绕纵向轴线同心布置。每个螺纹螺母可以仅与一个防旋转轴可滑动地耦接。

在另一方面，本公开涉及一种用于计算机辅助远程操作手术系统的手术器械和手术器械致动舱系统。该手术器械和手术器械致动舱系统包括手术器械和手术器械致动舱。该手术器械包括：近端部分；从近端部分延伸的器械轴，该器械轴包括与近端部分相对的远端部分；耦接到远端部分的末端执行器，该末端执行器相对于器械轴可移动；以及可移动地与近端部分耦接的多个致动器接合构件。该舱包括：远端板，其包括全周向环形板，所述全周向环形板限定用于接收器械轴的开口中心；近端板，其包括C形板；多个防旋转轴，其在近端板和远端板之间延伸；多个马达，其安装到远端板；多个导螺杆，每个导螺杆由相应的一个马达可旋转地驱动；以及多个螺纹螺母。每个螺纹螺母与相应的一个导螺杆螺纹耦接并且可释放地附接到相应的一个致动器接合构件。

这种手术器械和手术器械致动舱系统可任选地包括下列特征中的一个或多个。多个致动器接合构件可包括耦接到沿器械轴延伸的第一张紧构件的第一致动器接合构件和耦接到沿器械轴延伸的第二张紧构件的第二致动器接合构件。第一和第二张紧构件可各自耦接到末端执行器，使得向近侧移动第一致动器接合构件将会向远侧移动第二致动器接合构件并使末端执行器相对于器械轴以第一方式移动。向近侧移动第二致动器接合构件可以向远侧移动第一致动器接合构件并使末端执行器相对于器械轴以第二方式移动(第二方式与第一方式相反)。所述舱限定纵向轴线，并且当手术器械与该舱耦接时，每个螺纹螺母可以同时可定位在沿纵向轴线的共同方位处。每个防旋转轴可以与两个且不多于两个螺纹螺母可滑动地耦接。每个螺纹螺母可以与单个防旋转轴可滑动地耦接。所述舱限定纵向轴线，并且多个马达可以围绕纵向轴线同心布置。手术器械的近端部分可包括手柄，该手柄被配置为便于手动抓握和操纵手术器械。当手术器械与所述舱耦接时，手柄可以比所述舱的相邻部分径向延伸得更远。

本文描述的一些或所有实施例可以提供以下优点中的一个或多个。在一些情况下，本文提供的远程操作手术器械致动舱有利地构造成抵消手术器械线缆拉伸的影响。传统的远程操作手术器械内的线缆在制造期间被预张紧，但是张力可能随着时间的推移而趋于减小，因为线缆可能随着器械的使用而伸展。在某些情况下，这种张力减小可能有助于降低远程操作手术器械的控制精度。另外，使用热和湿度对远程操作手术器械进行高压灭菌可能加剧线缆伸展和线缆张力的损失。本文提供的远程操作手术器械致动舱有利地补偿了手术器械线缆伸展而不损失器械的控制精度。

另外，本文提供的远程操作手术器械致动舱有利地构造成是紧凑的并且具有相对低的质量和惯性。另外，质量分布基本上是恒定的，使得惯性基本上是恒定的并且因此是可预测的。

更进一步地，在一些实施例中，本文提供的远程操作手术器械致动舱有利地构造成以易于拆卸的方式与手术器械接合。例如，在一些实施例中，仅通过致动闩锁机构并使器械向近侧缩回而不与驱动系统接合，就可以将手术器械从器械驱动系统上拆下。手术器械和器械驱动系统之间的这种易于拆卸的界面/接口可以提供诸如在紧急情况下快速移除器械以及在一个手术器械一般换到另一个手术器械期间的用户便利性的优点。

在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，其他特征、目的和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是计算机辅助远程操作手术系统的示例性患者侧单元的透视图。

图2是计算机辅助远程操作手术系统的示例性外科医生控制单元的前视图。

图3是计算机辅助远程操作手术系统的示例性操纵臂组件的侧视图。

图4是另一种类型的患者侧计算机辅助远程操作手术系统的透视图。

图5是处于第一姿势的示例性手术器械的远端部分的透视图。

图6是处于第二姿势的图5的手术器械的远端部分的透视图。

图7是处于第三姿势的图5的手术器械的远端部分的透视图。

图8是根据一些实施例的示例性远程操作手术器械的简化示意图。

图9是根据一些实施例的与示例性器械驱动系统耦接的图8的远程操作手术器械的示意图。

图10是关于图9的器械和驱动系统的力图。

图11是具有以示例姿势定向的末端执行器的图9的器械和驱动系统的示意图。

图12是图11的器械和驱动系统的示意图，其中器械相对于驱动系统向远侧延伸，而末端执行器保持以示例姿势定向。

图13是图11的器械和驱动系统的示意图，其中器械相对于驱动系统向近侧缩回，而末端执行器保持以示例姿势定向。

图14是图11的器械和驱动系统的一部分的示意图，其示出了用于检测诸如线缆张力的力的力传感器的示例位置。

图15是根据图9的示意图配置的示例性手术器械的透视图。

图16是图15的手术器械的近端部分的透视图。

图17是图15的手术器械的另一个透视图。

图18是图15的手术器械的近端视图。

图19描绘了根据一些实施例的图15的手术器械如何能够与示例性器械驱动系统耦接。

图20是手术器械致动舱的透视图。

图21-25是移除了其覆盖壳体的手术器械致动舱的透视图。

图26是安装在致动舱中的手术器械的剖视图。

图27-29是安装在致动舱中并定位在各种插入深度处的手术器械的透视图。

具体实施方式

阐述创造性方面、实施例、实施方式或应用的该说明书和附图不应被视为是限制的，因为权利要求限定了受保护的发明。在不脱离本说明书和权利要求的精神和范围的情况下，可以进行各种机械、组成、结构、电气和操作变化。在某些情况下，没有详细示出或描述公知的电路、结构或技术，以免模糊本发明。两个或更多个图中的相同数字表示相同或相似的元素。

此外，被选择用于描述一个或多个实施例和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“下方”、“下面”、“下部”、“上方”、“上面”、“近侧”、“远侧”等)可用于描述图中所示的一个元素或特征与另一个元素或特征的关系。除了图中所示的位置和取向之外，这些空间相对术语旨在还涵盖使用或操作中的装置的不同位置(即平移布置)和取向(即旋转部置)。例如，如果图中的装置被翻转，则描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将在其他元件或特征的“上方”或“上面”。因此，示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方的位置和取向。装置可以以其他方式定向(例如，旋转90度或处于其他取向)，并且相应地解释在此使用的空间相对描述符。同样地，沿着(平移)和围绕(旋转)各种轴线的运动的描述包括各种特殊装置位置和取向。主体的位置和取向的组合定义了主体的姿势。

类似地，除非上下文另有说明，否则诸如“平行”、“垂直”、“圆形”或“方形”的几何术语不旨在要求绝对数学精度。相反，这样的几何术语允许由于制造或等效功能带来的变化。例如，如果元件被描述为“圆形”或“大致圆形”，则本说明书仍涵盖不是精确圆形的组件(例如，略呈椭圆形或多个边的多边形的组件)。词语“包括”或“具有”意味着包括但不限于。

应该理解的是，虽然已经使得本说明书足够清晰、简洁和准确，但严格和详尽的语言精确度并不总是可行或可取的，因为说明书应保持合理的长度，并且熟练的读者将理解背景和相关的技术。例如，考虑到视频信号，熟练的读者将理解，被描述为显示信号的示波器不显示信号本身，而是显示信号的表征(representation)，并且被描述为显示信号的视频监视器不显示信号本身，而是显示信号携带的视频信息。

另外，除非上下文另有说明，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。而且，术语“包含”、“包括”、“具有”等指定所述特征、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作、元素、部件和/或群组。而且，除非另有说明，否则一个或多个单独列出的项目中的每一个应被认为是可选的，以便描述项目的各种组合而无需每种可能组合的详尽列表。辅助动词“可/可以”同样暗示特征、步骤、操作、元素或部件是可选的。

在实践中，参考一个实施例、实施方式或应用详细描述的元件可选地可以被包括在其中没有具体示出或描述它们的其他实施例、实施方式或应用中。例如，如果参考一个实施例详细描述了一个元件，并且没有参考第二实施例描述该元件，则该元件仍然可以被要求保护为包括在第二实施例中。因此，为了避免在以下描述中不必要的重复，除非另有明确说明、除非一个或多个元件将使实施例或实施方式不起作用、或者除非两个或更多个元件提供冲突的功能，否则结合一个实施例、实施方式或应用示出和描述的一个或多个元件可以被合并到其他实施例、实施方式或方面中。

被描述为耦接的元件可以是电气或机械直接耦接的，或者它们可以经由一个或多个中间部件间接耦接。

与零件(例如，机械结构、部件或部件组件)相关联的术语“柔性”应该被广泛地解释。本质上，该术语意味着该零件可以反复弯曲并恢复到原始形状而不会损坏该零件。许多“刚性”物体由于材料特性而具有轻微的固有弹性“弯曲度”，尽管这些物体在本文中使用该术语时不被认为是“柔性的”。柔性零件可具有无限自由度(DOF)。这种零件的示例包括封闭的可弯曲的管(由例如镍钛诺(NITINOL)、聚合物、软橡胶等制成)、螺旋形线圈弹簧等，其可弯曲成各种简单曲线或复合曲线，通常没有明显的横截面形变。其他柔性零件可以通过使用一系列紧密间隔的部件来近似这样的无限DOF零件，所述部件类似于连续“椎骨”的蛇状布置。在这种椎骨布置中，每个部件都是运动链中的短连杆、并且每个连杆之间的可移动机械约束(例如，销铰链、球窝和球、活动铰链等)可以允许连杆之间的相对运动的一个(例如，俯仰)或者两个(例如，俯仰和偏航)DOF。一个短小灵活的零件可以作为单一的机械约束(关节)起作用并被建模，该机械约束在运动链中的两个连杆之间提供一个或多个DOF，即使柔性零件本身可以是由若干耦接的连杆制成的运动链。本领域技术人员将会理解，零件的灵活性可以用其刚度来表达。

除非在本说明书中另有说明，否则柔性零件(例如机械结构、部件或部件组合件)可以是主动或被动柔性的。可以通过使用与零件本身固有相关联的力来弯曲主动柔性零件。例如，一个或多个肌腱可以沿着零件在长度方向上排布并且偏离零件的纵向轴线，使得一个或多个肌腱上的张力导致零件或零件的一部分弯曲。主动弯曲主动柔性零件的其他方式包括但不限于使用气动或液压动力、齿轮、电活性聚合物(更一般地，“人造肌肉”)等。通过使用零件外部的力(例如，施加的机械力或电磁力)来弯曲被动柔性零件。被动柔性零件可以保持其弯曲形状直到再次弯曲，或者它可以具有趋向于将零件恢复到原始形状的固有特性。具有固有刚度的被动柔性零件的示例是塑料杆或弹性橡胶管。主动柔性零件在不被其固有的相关力驱动时可以是被动柔性的。单个零件可以由一个或多个串联的主动和被动柔性零件制成。

远程操作手术系统的一个示例是由加利福尼亚州桑尼维尔的直观外科公司商售的da

手术系统。创造性方面与计算机辅助远程操作手术系统相关。本领域技术人员将理解，本文公开的创造性方面可以以各种方式体现和实现，包括计算机辅助的实施例和实施方式以及手动和计算机辅助的实施例和实施方式的混合组合。如果适用，创造性方面可以在相对较小的手持式手动操作装置和具有附加机械支撑的相对较大的系统中以及在计算机辅助远程操作医疗装置的其他实施例中体现和实施。另外，创造性方面与包括自主而非远程操作动作的计算机辅助手术系统的进步相关联，因此包括远程操作手术系统和自主手术系统两者，尽管描述集中于远程操作系统。

计算机是遵循编程指令对输入信息执行数学或逻辑功能以产生处理的输出信息的机器。计算机包括执行数学或逻辑功能的逻辑单元，以及存储编程指令、输入信息和输出信息的存储器。术语“计算机”和类似术语(例如，“处理器”或“控制器”)包括集中式单一位置实施方式和分布式实施方式。

本公开提供了改进的手术和远程手术装置、系统和方法。本发明构思特别有利于与远程手术系统一起使用，其中多个手术工具或器械安装在相关联的多个远程操作操纵器上并且在手术过程中由这些远程操作操纵器移动。远程操作手术系统通常包括远程机器人系统、远程手术系统和/或远程呈现系统，这些系统包括配置为主-从控制器的处理器。通过提供采用适当配置的处理器来借助于具有相对大量自由度的铰接联动装置移动操纵器组件的远程操作手术系统，可以通过微创进入部位来调节联动装置的运动。大量的自由度还可以允许处理器定位操纵器以避免这些移动结构之间的干扰或碰撞等。

本文所述的操纵器组件通常包括远程操作操纵器和安装在其上的工具(该工具通常包括在手术情况中的手术器械)，但是术语“操纵器组件”也涵盖不带有安装于其上的工具的操纵器。术语“工具”涵盖通用或工业机器人工具和专用机器人手术器械，其中这些后者结构通常包括适用于组织操纵、组织治疗、组织成像等的末端执行器。工具/操纵器接口通常是快速断开工具保持器或耦接器，以允许快速移除并使用替代工具来更换工具。操纵器组件通常具有在远程手术过程的至少一部分期间固定在空间中的基部，并且操纵器组件可以在基部和工具的末端执行器之间包括多个自由度。末端执行器的致动(诸如夹持装置的钳口的打开或闭合、给电手术板提供能量等)通常将与这些操纵器组件的自由度分离，并且附加于其上。

末端执行器通常将在工作空间中以2到6个自由度移动。如本文所用，术语“方位(position)”包括位置(location)和取向(orientation)。因此，(例如)末端执行器的方位的改变可以涉及末端执行器从第一位置到第二位置的平移、末端执行器从第一取向到第二取向的旋转，或两者的组合。如本文所用，术语“末端执行器”因此包括但不限于改变其最远侧零件或多个零件(例如，钳口等)的取向或方位的功能(例如，“手腕”功能、平行运动功能)。

当用于微创远程操作手术时，操纵器组件的移动可以由系统的处理器控制，使得工具或器械的轴或中间部分被约束到通过微创手术进入部位或其他孔口的安全运动。这种运动可以包括例如轴穿过孔口部位的轴向插入，轴绕其轴线的旋转，以及轴围绕靠近进入部位的枢转点的枢转运动，但是通常会阻止轴的过度横向运动，否则可能会意外撕裂孔口附近的组织或扩大进入部位。可以使用抑制不正确运动的机械操纵器关节联动装置来施加对进入部位处的操纵器运动的这些约束中的一些或全部，或者可以使用机器人数据处理和控制技术来部分或全部施加此类约束。因此，操纵器组件的这种微创孔约束运动可以采用操纵器组件的零到三个自由度。

本文描述的许多示例性操纵器组件将具有比在手术部位中定位和移动末端执行器所需的更多自由度。例如，可以通过微创孔在内部手术部位处以六个自由度定位的手术末端执行器在一些实施例中可以具有九个自由度(六个末端执行器自由度(三个用于位置，三个用于取向)加上三个自由度以符合进入部位约束)，但通常会有十个或更多个自由度。具有比给定末端执行器方位所需的更多自由度的高度可配置的操纵器组件可被描述为具有或提供足够的自由度以允许针对工作空间中的末端执行器方位的一系列关节状态。例如，对于给定的末端执行器方位，操纵器组件可占据(并在其间被驱动)一系列可替代操纵器联动装置方位中的任何一个。类似地，对于给定末端执行器速度矢量，操纵器组件可以具有用于操纵器组件的各种关节的一系列不同的关节运动速度。

参见图1和图2，用于微创计算机辅助远程手术(在本文中被称为“微创机器人手术”)的系统可包括患者侧单元100和外科医生控制单元40。远程手术是手术系统的通用术语，其中外科医生使用某种形式的遥控器(例如，伺服机构等)通过使用机器人技术来操纵手术器械运动，而不是用手直接握住和移动器械。可机器人操作的手术器械可以通过小的微创手术孔口插入以治疗患者体内的手术部位处的组织，避免与进入开放手术(opensurgery)相关的创伤。这些机器人系统可以以足够的灵活性移动手术器械的工作端以执行相当复杂的手术任务，这通常通过在微创孔处枢转器械的轴、使轴在轴向上穿过孔口滑动、在孔口内旋转该轴和/或类似动作来实现。

在所示实施例中，患者侧单元100包括基部110、第一机器人操纵臂组件120、第二机器人操纵臂组件130、第三机器人操纵臂组件140和第四机器人操纵臂组件150。如图所示，基部110包括搁置在地板上的部分、竖直立柱和水平吊杆，并且可任选地使用机械地安置(ground)患者侧单元的其他基部配置。每个机器人操纵臂组件120、130、140和150可枢转地耦接到基座110。在一些实施例中，可以包括少于四个或多于四个的机器人操纵臂组件作为患者侧单元100的一部分。虽然在所示实施例中，基部110包括脚轮以便于移动，但在一些实施例中，患者侧单元100被固定地安装到地板、天花板、手术台、结构框架等。

在典型的应用中，机器人操纵臂组件120、130、140或150中的两个保持手术器械，而第三个保持立体内窥镜。剩余的机器人操纵臂组件是可用的，以便可以在工作部位处引入另一个器械。可替代地，剩余的机器人操纵臂组件可用于将第二内窥镜或另一图像捕获装置(例如超声换能器)引入工作部位。

机器人操纵臂组件120、130、140和150中的每一个通常由耦接在一起并通过可致动关节操纵的连杆形成。机器人操纵臂组件120、130、140和150中的每一个包括装配臂(setup arm)和设备操纵器。装配臂定位其保持的装置，使得在其进入患者体内的进入孔口处出现枢转点。然后，装置操纵器可以操纵其保持的装置(工具；手术器械)，使得其可以绕枢转点枢转，插入进入孔口和从进入孔口缩回，以及绕其轴杆轴线旋转。

在所示实施例中，外科医生控制台40包括立体视觉显示器45，使得用户可以从由患者侧推车100的立体摄像机捕获的图像以立体视觉观看手术工作部位。左眼目镜46和右眼目镜47被提供在立体视觉显示器45中，使得用户可以分别用用户的左眼和右眼观看显示器45内的左显示屏和右显示屏。通常在合适的观察器或显示器上观察手术部位的图像的同时，外科医生通过操纵主控制输入装置对患者执行手术程序，该主控制输入装置进而控制机器人器械的运动。

外科医生控制台40还包括左输入装置41和右输入装置42，用户可以分别用他/她的左手和右手抓握左输入装置41和右输入装置42，以便以优选六个自由度(“DOF”)操纵由患者侧推车100的机器人操纵臂组件120、130、140和150保持的装置(例如，手术器械)。具有脚趾和脚跟控件的脚踏板44被提供在外科医生控制台40上，因此用户可以控制与脚踏板相关联的装置的运动和/或致动。可以通过一个或多个其他输入件(例如，按钮、触摸板、语音等)对系统进行附加输入，如输入49所示。

在外科医生控制台40中提供处理器43以用于控制和其他目的。处理器43在医疗机器人系统中执行各种功能。由处理器43执行的一个功能是平移和传递输入装置41、42的机械运动，以在它们相关联的机器人操纵臂组件120、130、140和150中致动它们各自的关节，使得外科医生可以有效地操纵装置(例如，手术器械)。处理器43的另一功能是实现本文描述的方法、交叉耦接控制逻辑和控制器。

尽管被描述为处理器，但是应当理解，处理器43可以通过硬件、软件和固件的任何组合来实现。此外，其如本文所描述的功能可以由一个单元执行或者在多个子单元之间划分，每个子单元进而可以通过硬件、软件和固件的任何组合来实现。此外，尽管被示出为外科医生控制单元40的一部分或物理上邻近外科医生控制单元40，但处理器43也可以作为子单元分布在整个远程手术系统中。因此，这里提到的控制方面通过处理器43以集中或分布的形式实现。

还参考图3，机器人操纵臂组件120、130、140和150可以操纵诸如手术器械的装置以执行微创手术。例如，在所示布置中，机器人操纵臂组件120可枢转地耦接到器械保持器122。套管180和手术器械200进而可释放地耦接到器械保持器122。套管180是管状构件，其在手术期间位于患者接口部位处。套管180限定内腔，手术器械200的细长轴220可滑动地设置在内腔中。如下面进一步描述的，在一些实施例中，套管180包括具有体壁牵开器构件的远端部分。

器械保持器122可枢转地耦接到机器人操纵臂组件120的远端。在一些实施例中，器械保持器122和机器人操纵臂组件120的远端之间的可枢转耦接器是从外科医生控制台40和处理器43可致动的机动关节。

器械保持器122包括器械保持器框架124、套管夹126和器械保持器托架128。在所示实施例中，套管夹126被固定到器械保持器框架124的远端。套管夹126可被致动以与套管180耦接或从套管180脱开。器械保持器托架128可移动地耦接到器械保持器框架124。更具体地，器械保持器托架128可沿器械保持器框架124线性平移。在一些实施例中，器械保持器托架128沿器械保持器框架124的运动是可由处理器43致动/控制的机械化平移运动。

手术器械200包括传动组件210、细长轴220和末端执行器230。传动组件210可以可释放地与器械保持器托架128耦接。轴220从传动组件210向远侧延伸。末端执行器230设置在轴220的远端处。

轴220限定纵向轴线222，纵向轴线222与套管180的纵向轴线重合。当器械保持器托架128沿器械保持器框架124平移时，手术器械200的细长轴220沿纵向轴线222移动。以此方式，末端执行器230可以插入患者体内的手术工作空间和/或从该手术工作空间缩回。

还参考图4，用于微创计算机辅助远程操作手术的另一示例性患者侧系统160包括第一机器人操纵臂组件162和第二机器人操纵臂组件164，每个机器人操纵臂组件均安装到手术台10。在一些情况下，患者侧系统160的这种配置可以用作图1的患者侧单元100的替代例。虽然仅描绘了两个机器人操纵臂组件162和164，但应该理解，在一些配置中可以包括多于两个(例如，三个、四个、五个、六个和多于六个)机器人操纵臂组件。

在一些情况下，手术台10可在手术期间被移动或重新配置。例如，在一些情况下，手术台10可以围绕各种轴倾斜、升高、降低、枢转、旋转等。在一些情况下，通过操纵手术台10的取向，临床医生可以利用重力的作用将患者的内部器官定位在便于增强手术进入的位置。在一些情况下，手术台10的这种运动可以被集成作为计算机辅助远程操作手术系统的一部分，并由该系统控制。

还参考图5-7，可以使用不同类型的各种可替代的计算机辅助远程操作手术器械和不同的末端执行器230，其中至少一些操纵器的器械在手术过程中被移除和更换。这些末端执行器中的一些(包括例如DeBakey镊56i、微型镊56ii和Potts剪刀56iii)包括第一末端执行器元件56a和第二末端执行器元件56b，这些元件相对于彼此枢转以便限定一对末端执行器钳口。包括手术刀和电烙术探针的其他末端执行器具有单个末端执行器元件。对于具有末端执行器钳口的器械，通常通过挤压输入装置41、42的握持构件来致动钳口。

在一些情况下，计算机辅助远程操作手术器械包括多个自由度，例如但不限于滚转、俯仰、偏航、插入深度、钳口的打开/闭合、钉输送的致动、电烙术的激活等。此类自由度中的至少一些可以由器械驱动系统致动，手术器械可以选择性地耦接到该器械驱动系统。

在一些实施例中，计算机辅助远程操作手术器械包括具有两个可单独移动的部件的末端执行器，例如但不限于设计用于抓取或剪切的相对的钳口。当第一个可单独移动的部件移动而第二个可单独移动的部件保持大致静止或以相反的方式移动时，末端执行器可以执行有用的运动，例如打开和闭合，以用于抓取、剪切、释放等。当两个部件以相同的方向、速度和距离同步移动时，所产生的运动是末端执行器的一种俯仰或偏航运动。因此，在具有带有两个可单独移动的部件(例如钳口)的末端执行器的一些手术器械实施例中，该布置(arrangement)可提供两个自由度(例如，俯仰/偏航运动和打开/闭合运动)。

细长轴220允许末端执行器230和轴220的远端通过微创孔(经由套管180)向远侧插入手术工作部位，通常穿过体壁(例如，腹壁)等。在一些情况下，套管180的远端上的体壁牵开器构件可用于支撑体壁，从而增加手术工作空间的尺寸。在一些情况下，可以对手术工作部位充气，并且通常通过使器械200围绕轴220穿过微创孔的位置枢转来至少部分地实现末端执行器230在患者体内的运动。换句话说，机器人操纵臂组件120、130、140和150将在患者体外移动传动组件210，使得轴220延伸通过微创孔位置，以帮助提供末端执行器50的期望运动。因此，机器人操纵臂组件120、130、140和150在手术程序过程中经常会在患者体外经历显著的运动。

参考图8，其示意性地描绘了可用作计算机辅助远程操作手术系统的一部分的示例性手术器械300。手术器械300包括器械轴302(类似于轴220、640)，器械轴302具有近(远离手术部位)端部分310和与近端部分310相反的远(朝向手术部位)端部分320。手术器械300还包括末端执行器330(类似于末端执行器230、650)。在该示意图中，末端执行器330被描绘为相对于器械轴302具有单个自由度(即，以旋转或枢转方式偏航末端执行器330的自由度)。然而，应该理解的是，本文所述的手术器械的末端执行器330可以具有多于一个自由度(例如，两个、三个、四个、五个、六个或多于六个自由度)。此外，应该理解的是，在末端执行器330的单个自由度的背景中描述的概念可以扩展到手术器械300和用于计算机辅助远程操作手术系统的其他类型的手术器械的多个自由度中的每个自由度。

示例性手术器械300还包括第一张紧构件340、第一致动器接合构件350、第二张紧构件360和第二致动器接合构件370。第一张紧构件340耦接到末端执行器330并且沿着器械轴302延伸，在那里它终止于第一致动器接合构件350。类似地，第二张紧构件360耦接到末端执行器330并且沿着器械轴302延伸，在那里它终止于第二致动器接合构件370。第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370可移动地耦接到手术器械的近端部分310。在一些实施例中，第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370可滑动地耦接到手术器械的近端部分310。

虽然所示实施例包括滑动致动器接合构件350和370，但是在一些实施例中，一个或多个其他类型的致动器接合构件可被包含在手术器械300中。例如，在一些实施例中，包含有可旋转致动器接合构件。这种可旋转致动器接合构件可以耦接到与张紧构件340和360接合的绞盘或滑轮。可旋转致动器接合构件的旋转可施加或减轻相应的张紧构件340和360上的张力。因此，末端执行器330的运动和张紧构件340和360的张紧可以通过可旋转致动器接合构件来控制。

在一些实施例中，第一张紧构件340和第二张紧构件360的一些或所有部分包括柔性线缆(例如但不限于绞合钨线缆、不锈钢线缆等)。在一些实施例中，第一张紧构件340和第二张紧构件360是单个连续线缆的不同部分。在一些实施例中，第一张紧构件340和第二张紧构件360是分离的缆线。第一张紧构件340和第二张紧构件360可以附加地或替代地包括其他部件，例如但不限于海波管(hypo-tube)。

第一张紧构件340和第二张紧构件360均耦接到末端执行器330。在所示实施例中，第一张紧构件340和第二张紧构件360均经由滑轮332(其可以是绞盘、曲柄臂、旋转驱动构件等)耦接到末端执行器330。因此，第一致动器接合构件350的近侧移动使第二致动器接合构件370向远侧移动，并使末端执行器330相对于器械轴302以第一方式移动。相反，第二致动器接合构件370的近侧移动使第一致动器接合构件350向远侧移动，并使末端执行器330相对于器械轴302以第二方式移动。以此方式，可以以受控的方式促进末端执行器330的期望运动。此外，如下面进一步描述的，当使用致动器接合构件350和370控制末端执行器330的运动和/或姿势时，可以同时控制张紧构件340和360中的张力。实际上，可以根据本文描述的装置和方法同时控制手术器械300的两个自由度(例如，末端执行器330的位置和张紧构件340和360的张力)。

这里将手术器械300描绘为与器械驱动系统分离。因此，在一些实施例中，第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力可以小于在手术器械300的操作期间使用的张力。在一些情况下，在手术器械300不使用时在第一张紧构件340和第二张紧构件360中具有相对低的张力可能是有利的(例如，减少线缆拉伸的可能性。在一些实施例中，预加载张紧构件(例如，未示出的弹簧)可以被包含在手术器械300中，以在手术器械300与器械驱动系统分离时保持第一张紧构件340和第二张紧构件360中的最小张力。这种最小的预张紧可以帮助确保第一张紧构件340和第二张紧构件360根据需要保持在手术器械300内定向。

虽然手术器械300被描绘为具有单个自由度，但是应该理解，这是简化的示意图，并且手术器械300可以具有两个或更多个自由度。本文参考手术器械300的单个自由度(如图所示)描述的概念可以外推到本文提供的手术器械的两个或更多个自由度。例如，当末端执行器330包括两个可单独移动的部件(例如，如上所述被设计用于抓取或剪切的相对的钳口)时，这种布置提供两个自由度(例如，当部件同步移动时的俯仰/偏航运动以及当组件异步移动或以相反方式移动时的打开/闭合运动)。将参考手术器械300描述的概念扩展到这样的末端执行器将导致器械具有四个致动器接合构件和四个张紧构件以致动两个自由度。

参考图9，手术器械300可以选择性地与器械驱动系统400耦接。也就是说，手术器械300可以与器械驱动系统400耦接，以作为计算机辅助远程操作手术系统的一部分进行操作。另外，手术器械300可以与器械驱动系统400解耦(例如，用于由另一类型的手术器械替换、用于手术器械300的消毒等)。

在一些实施例中，器械驱动系统400可以被安装到操纵器组件，该操纵器组件进而可以被安装到另一结构或基座。在一些情况下，器械驱动系统400可以可互换地安装到操纵器组件。也就是说，在一些实施例中，器械驱动系统400被设计成便于从操纵器组件拆卸，使得它可以容易地与另一器械驱动系统互换。因此，器械驱动系统400也可以被称为舱(pod)400。如本文所用，术语“舱”表示一些器械驱动系统相对于操纵器组件的可互换方面——即一个舱可从操纵器组件移除并且用具有相同、相似或不同配置的第二舱替换。在一些实施例中，器械驱动系统400以使得器械驱动系统400不容易拆卸或互换的方式附接到操纵器组件。

在一些实施例中，手术器械300可与器械驱动系统400可滑动地耦接。也就是说，手术器械300可以相对于器械驱动系统400向远侧可滑动地延伸并且向近侧可滑动地缩回。

在所示实施例中，器械驱动系统400包括第一致动器410、第二致动器420和轴致动器430。第一致动器410可以可释放地与第一致动器接合构件350耦接。因此，第一致动器410可以在第一张紧构件340中引起张力。第二致动器420可以可释放地与第二致动器接合构件370耦接。因此，第二致动器420可以在第二张紧构件360中引起张力。致动器410、420被示出与相应的致动器接合构件350、370处于非扣留的接合。可选地，致动器410、420与相应的致动器接合构件350、370(例如闩锁)处于扣留接合。在扣留接合中，两个物体被(可释放地或以其他方式)固定在一起，使得当一个物体移动时，另一个物体相应地移动。在非扣留接合中，两个物体未被固定在一起，因此如果一个物体朝向另一个物体移动，则另一个物体移动，但如果一个物体远离另一个物体移动，则另一个物体将不移动。

鉴于如上所述的手术器械300与器械驱动系统400的第一致动器410和第二致动器420之间的布置，可以设想的是，从第一致动器410和第二致动器420分别施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的协调调制可以导致末端执行器330在其自由度上的受控运动。此外，还可以设想的是(如下面进一步描述的)，第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力也可以通过从第一致动器410和第二致动器420分别施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的协调调制来控制。更进一步地，还可以设想的是，第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力可以通过从第一致动器410和第二致动器420分别施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的协调调制来控制，同时从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的协调调制也同时引起末端执行器330的期望运动。更简单地说，第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力可以被控制到期望的张力量，同时根据需要进行末端执行器330的运动。这一概念在这里可以被称为“动态张力控制”或“动态张力和方位控制”。

仍然参考图9，器械驱动系统400还包括轴致动器430，轴致动器430与手术器械上的相应的轴致动器接合构件以非扣留或扣留接合的方式接合。如图所示，非扣留接合的示例是与用作轴致动器接合构件的远端部分310的一部分接合。扣留接合的一个示例是如下所述的与闩锁接合。轴致动器430可释放地与器械轴302耦接，以用于扣留和非扣留接合。

在一些实施例中，轴致动器430使用闩锁机构可释放地与器械轴302(或耦接到器械轴302的结构)耦接。因此，在一些这样的实施例中，当轴致动器430被锁定到器械300时，轴致动器430能够施加指向远侧的力或指向近侧的力以使器械300如期望的那样相对于器械驱动系统400向远侧延伸或向近侧缩回。应该理解的是，这种用于将轴致动器430耦接到器械轴302的闩锁机构在所有实施例中都不是必需的。此外，在一些实施例中，轴致动器430被配置为仅向器械300施加指向远侧的力(即没有指向近侧的力)。在轴致动器430被配置为仅向器械300施加指向远侧的力的同时，仍然可以实现本文描述的动态张力和方位控制概念。

致动器410、420和430可以是各种类型的致动器。在一些实施例中，第一致动器410、第二致动器420和轴致动器430各自包括电动马达，这些电动马达耦接到导螺杆，这些导螺杆线性地驱动导螺杆的螺纹上的螺母构件。在一些实施例中，手术器械300的整个组件与器械驱动系统400的组合可以一起被驱动以产生末端执行器的期望运动，例如围绕手术器械300的纵向轴线的滚转运动。

还参考图10，力图500可用于结合器械驱动系统400进一步描述手术器械300的结构和操作。主体301代表手术器械300。力f₁表示由第一致动器410施加到第一接合构件350的力。力f₂表示由第二致动器420施加到第二接合构件370的力。力f_s表示由轴致动器430施加到器械轴302的力。

力f_s的方向与力f₁和f₂相反。因此，在静态环境中，力f_s等于力f₁和f₂的总和。在动态环境中，如果力f_s大于力f₁和f₂的总和，则主体301将在力f_s的方向上移动。相反，如果力f_s小于力f₁和f₂的总和，则主体301将在力f₁和f₂的方向上移动。

通过将上述关于力图500的原理应用于手术器械300结合器械驱动系统400的类似布置，可以设想以下概念。当手术器械300与器械驱动系统400处于恒定的空间关系时(即在静态环境中)，从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的总和等于从轴致动器430施加到器械轴302的力。另外，当从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的总和大于从轴致动器430施加到器械轴302的力时，手术器械300将相对于器械驱动系统400向近侧移动。此外，当从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的总和小于从轴致动器430施加到器械轴302的力时，手术器械300将相对于器械驱动系统400向远侧移动。

为清楚起见，导致手术器械300相对于器械驱动系统400的近侧和远侧运动的来自致动器410、420和430的力的组合涉及从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力的总和。因此，可以设想的是，从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力可以彼此相等，或者可以彼此不同，而总和仍然是适于在手术器械300和器械驱动系统400之间产生期望的远侧/近侧运动和/或取向的总量。例如，在从第一致动器410和第二致动器420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力彼此不同的情况下，将产生末端执行器330的运动，而在从第一致动器410和第二致动器410和420施加到第一致动器接合构件350和第二致动器接合构件370的力彼此相等的情况下，末端执行器330将相对于器械轴302静止。同样，应该理解的是，使用本文提供的结构和操作概念，手术器械300相对于器械驱动系统400的远侧/近侧运动可以与末端执行器300相对于器械轴302的运动同时进行。而且，这两种运动可以同时进行，同时第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力保持在期望的拉力水平(例如，在期望拉力的目标范围内)。

应当理解，由致动器430施加的力可以是主要移动力，从而器械330的插入和撤出由致动器430直接控制，并且致动器410、420施加足以在致动器430插入和撤出器械时维持张力元件340、360中的张力并保持或改变末端执行器330的取向的力。因此，在一个方面，致动器430控制器械300的插入和撤出位置，而致动器410、420在位置改变时作出反应以控制张力元件340、360上的张力。例如，当致动器430稍微增加力以插入器械轴时，张力元件340、360中的轻微张力增加被感测到，因此致动器410、420减小力以使张力元件340、360返回到期望值。可替代地，器械330的插入和撤出由致动器410、420、430控制，致动器410、420、430协同工作以控制张紧元件340、360上的张力，张紧元件340、360进而控制器械300的插入和撤出位置，同时通过致动器410、420一起工作来控制张紧元件340、360之间的相对张力，从而保持或改变末端执行器330的取向。例如，当致动器430稍微增加力以插入器械轴时，致动器410、420同时减小力以将张力元件340、360中的张力保持在期望值。可以理解的是，这两个张力控制方面适用于相反的情况，其中致动器410、420一起作用以施加用于插入/撤出的主要移动力，其中致动器430控制张紧构件中的张力。而且，可以理解的是，这些张力控制方面适用于更复杂的运动，其中器械轴被移动以插入/撤出以及末端执行器以一个或多个自由度移动。

还参考图11-13，可以通过使用相对于器械驱动系统400处于各种位置的手术器械300的图示的示例来进一步描述上述概念。

在第一示例中，可以通过以下方式将图9的布置转换为图11的布置：与第二致动器420施加到第二致动器接合构件370的力相比，暂时增加第一致动器410施加到第一致动器接合构件350的力，同时保持两个力的总和等于轴致动器430施加到器械轴302的力。结果，末端执行器330将相对于器械轴302移动，同时手术器械300相对于器械驱动器400保持恒定的空间关系(即没有远侧和近侧运动)。可以在第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力维持在期望的拉力水平(例如，在期望拉力的目标范围内)的同时进行这种运动。

在第二示例中，可以通过以下方式将图9的布置转换为图12的布置：与第二致动器420施加到第二致动器接合构件370的力相比，暂时增加第一致动器410施加到第一致动器接合构件350的力，同时两个力的总和暂时小于轴致动器430施加到器械轴302的力。结果，末端执行器330将相对于器械轴302移动，并且手术器械300将相对于器械驱动器400向远侧延伸。可以在第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力维持在期望的拉力水平(例如，在期望拉力的目标范围内)的同时进行这种运动。

在第三示例中，可以通过以下方式将图9的布置转换为图13的布置：与第二致动器420施加到第二致动器接合构件370的力相比，暂时增加第一致动器410施加到第一致动器接合构件350的力，同时两个力的总和暂时大于轴致动器430施加到器械轴302的力。结果，末端执行器330将相对于器械轴302移动，并且手术器械300将相对于器械驱动器400向近侧缩回。可以在第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力维持在期望的拉力水平(例如，在期望拉力的目标范围内)的同时进行这种运动。

在第四示例中，可以通过以下方式将图12的布置转换为图13的布置：保持第一致动器410施加到第一致动器接合构件350的力和第二致动器420施加到第二致动器接合构件370的力相等，同时两个力的总和暂时大于轴致动器430施加到器械轴302的力。结果，末端执行器330将不会相对于器械轴302移动，并且手术器械300将相对于器械驱动器400向近侧缩回。可以在第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力维持在期望的拉力水平(例如，在期望拉力的目标范围内)的同时进行这种运动。

在第五示例中，可以通过以下方式将图12的布置转换为图13的布置：保持第一致动器410施加到第一致动器接合构件350的力和第二致动器420施加到第二致动器接合构件370的力相等，同时两个力的总和暂时小于轴致动器430施加到器械轴302的力。结果，末端执行器330将相对于器械轴302移动，并且手术器械300将相对于器械驱动器400向远侧延伸。可以在第一张紧构件340和第二张紧构件360中的张力维持在期望的拉力水平(例如，在期望拉力的目标范围内)的同时进行这种运动。

到目前为止的示例已经示出了驱动单元的第一致动器和第二致动器对其相应的第一致动器接合构件和第二致动器接合构件施加近侧压缩力，并且驱动单元的轴致动器对器械轴施加远侧压缩力。但是，在另一方面，这些力的取向是相反的，使得驱动单元的第一致动器和第二致动器对其相应的第一致动器接合构件和第二致动器接合构件施加远侧压缩力，并且驱动单元的轴致动器对器械轴施加近侧压缩力。在这方面，张紧构件可以在滑轮之上排布，使得致动器接合构件的远侧运动引起相应的张紧构件中的张力和相关联的末端执行器运动。或者，张紧构件可以用压缩构件(例如，耦接到末端执行器的推杆)代替，使得致动器接合构件的远侧运动引起相应的压缩构件中的压缩和相关联的末端执行器运动。

参考图14，在一些实施例中，可以通过使用一个或多个力检测装置来检测由致动器410、420和/或430施加到手术器械300的力。这种力检测装置的(多个)输出可用于控制致动器410、420和/或430(即，控制手术器械300的运动和/或控制第一张紧构件340和第二张紧构件360的张力)。

在第一非限制性示例中，所示布置包括设置在第一致动器410和第一致动器接合构件350之间的接合点(juncture)处或附近的测压元件(load cell)510类型的力传感器。在另一个示例中，所示布置包括设置在第一致动器410和器械驱动系统400的结构构件401之间的连接点附近的测压元件520类型的力传感器。在一些实施例中，器械驱动系统400可以是舱(即相对于安装在操纵器组件上可容易地互换)。

在一些实施例中，其他传感器和/或其他装置可用于检测由致动器410、420和/或430施加到手术器械300的力。例如，在一些实施例中，应变计可以位于致动器接合构件上，例如第一致动器接合构件350上。在另一实施例中，可以测量由致动器410、420和/或430的电动马达汲取的电流并将其用作致动器410、420和/或430施加到手术器械300的力的指示。在一些实施例中，可以使用此类力检测装置和技术的组合。

参见图15-18，可用作计算机辅助远程操作手术系统的一部分的示例性手术器械600包括近端部分610、器械轴640和末端执行器650。手术器械600是根据上述示意图(例如，图8、图9和图11-14)配置的手术器械的示例。因此，手术器械600可以根据上述示意图起作用。

器械轴640从近端部分610向远侧延伸。器械轴640包括末端执行器650耦接到的远端部分。器械轴640限定手术器械600的纵向轴线602，器械沿着该纵向轴线插入患者体内并从患者体内撤出。

本文描述的手术器械的末端执行器(例如，末端执行器650)可以是任何类型的手术末端执行器(例如，抓取器、切割器、烧灼器械、吻合器、镊子、摄像机等)。本文描述的手术器械的末端执行器(例如，末端执行器650)可以具有一个或多个自由度(例如，两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或多于八个自由度)。此外，应该理解的是，本文在末端执行器的单个自由度的背景下描述的概念可以扩展到手术器械600和用于计算机辅助远程操作手术系统的其他类型的手术器械的多个自由度中的每个自由度。

在所示实施例中，近端部分610包括手柄612、多个致动器接合构件(这里描绘为沿着纵向轴线602设置在相同纵向位置处的组630中)以及器械轴致动器接合构件620。多个致动器接合构件630可移动地耦接到近端部分610。在所描绘的实施例中，多个致动器接合构件630可滑动地耦接到近端部分610，使得多个致动器接合构件630可平行于纵向轴线602平移。器械轴致动器接合构件620耦接到近端部分610。在所示实施例中，器械轴致动器接合构件620可枢转地耦接到近端部分610。

手柄612从纵向轴线602径向延伸。在所示实施例中，手柄612是近端部分610和整个手术器械600的径向延伸最远的部分。手柄612被配置为便于手动夹持和操纵手术器械600。

在一些实施例中，手柄612包括识别手术器械600的类型的标记。例如，在所示实施例中，手柄612包括可见标记，该标记是图标614，其描绘了手术器械600是抓取器装置。在一些实施例中，手柄612包括机器可读标记，例如RFID芯片或NFC标签，其可被用于存储和传递关于手术器械600的信息。例如，关于手术器械600的这种信息可以包括但不限于唯一的标识或序列号、器械的类型、器械已被用于一个或多个手术程序的次数等。

在一些实施例中，手柄612可选地包括一个或多个磁体，器械驱动系统可以使用这些磁体来感测安装在器械驱动系统中的手术器械600的存在。

近端部分610包括多个致动器接合构件。如图所示，致动器接合构件在沿纵向轴线602的共同纵向位置处被设置在分组630中。可选地，它们可以位于沿着纵向轴线602的两个或更多个纵向位置处，使得致动器接合构件的第一耦接对处于第一纵向位置，并且致动器接合构件的第二耦接对处于第二纵向位置，或者耦接对的每个致动器接合构件位于不同的纵向位置。如上文参考图8-14所述，致动器接合构件被配置为可释放地与致动器接合，这些致动器驱动致动器接合构件和末端执行器650的相应运动。如图所示，每个单独的致动器接合构件在近端部分610中的相应的单独纵向狭槽中纵向滑动。然而，在其他可选方面，各个致动器接合构件可以具有不同的构造(例如，杠杆、诸如盘或齿轮的旋转件、凸轮表面等)。如图所示，所有单独的致动器接合构件径向向外略微延伸超出近端部分610的外周边，使得相关联的致动器不延伸到近端部分610中。可替代地，一个或多个单独的致动器接合构件可以不延伸到或超出近端部分的外周边(例如，它们略微位于近端部分610内)，因此它们不易于损坏或不会钩住物体。在该替代配置中，相关联的致动器略微延伸到近端部分610中以接合器械的致动器接合构件。所有致动器接合构件可以具有相同的配置，或者可以在单个器械中使用两个或更多个致动器接合构件配置，只要致动器接合构件符合参照图8-14描述的操作原理即可。在所示实施例中，包括以下示例性致动器接合构件：632a、632b、634a、634b、636a、636b和638。在一些实施例中可以包括更多或更少的致动器接合构件。

致动器接合构件(例如，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638)耦接到沿着器械轴640延伸并且可移动地耦接到末端执行器650的张紧构件(例如，包括可以在小半径滑轮之上布线的柔性线缆(例如，2-10毫米尺度)、不能在小半径滑轮之上布线的半柔性线缆、刚性海波管、拉杆等)上。因此，致动器接合构件的运动导致末端执行器650的运动。

在一些情况下，致动器接合构件被配对(例如，致动器接合构件632a和632b，致动器接合构件634a和634b，以及致动器接合构件636a和636b)，使得向近侧移动一对致动器接合构件中的一个致动器接合构件导致该对中的另一个致动器接合构件的相应远侧移动。例如，向近侧移动致动器接合构件632a导致致动器接合构件632b的相应远侧移动，并且向近侧移动致动器接合构件632b导致致动器接合构件632a的相应远侧运动。换句话说，致动器接合构件对彼此相对地移动。

当手术器械600的结构包括耦接到柔性张紧线缆的致动器接合构件(例如，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638)时，可以设想致动器接合构件的远侧移动且没有配对的致动器接合构件的相应近侧运动将不会移动末端执行器650。相反，附接到正向远侧移动的致动器接合构件的柔性张紧线缆将简单地变得松弛(由于柔性张紧线缆的有限的柱强度/刚度)。因此，可以说，在一些实施例中，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638被配置为响应于接收到近侧定向力而移动末端执行器650，并且被配置为响应于接收到远侧定向力而不移动末端执行器650。然而，在一些实施例中，致动器接合构件中的一个或多个(例如，不与另一致动器接合构件配对的致动器接合构件638)被配置为在双程上(近侧和远侧)移动末端执行器650。也就是说，这种致动器接合构件可选地以类似于Bowdin缆线操作的方式驱动柔性或半柔性构件，或者以类似于推/拉杆操作的方式驱动刚性构件。例如，在一些实施例中，致动器接合构件638可被配置成操作末端执行器650的刀片或在末端执行器650包括吻合器的情况下操作夹具。在刀片的示例中，致动器接合构件638与弹簧相反地工作(在驱动下切割、弹回)。在吻合器的示例中，致动器接合构件638向远侧移动以驱动击发序列，而抓握打开致动使致动器接合构件638向近侧返回。

仍然参考图15-18，在所示的手术器械600的布置中，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638都沿着手术器械的纵向轴线602定位在相同的纵向位置处。然而，在使用手术器械600期间，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638沿着手术器械的纵向轴线602移动到各种纵向位置。以下示例进一步描述了这一点。

当手术器械600与器械驱动系统耦接时，器械驱动系统的致动器将可释放地与致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638耦接。例如，致动器将通过向近侧移动直到感测到指示接合的反作用力而接合致动器接合构件。对于成对的致动器接合构件632a和632b，第一致动器向近侧移动直到致动器接合构件632a被接合，并且第二致动器向近侧移动直到致动器接合构件632b被接合。然后，第一致动器和第二致动器可以调节相应的致动器接合构件632a和632b的纵向位置，以在耦接到远端部件的相应成对的张紧构件中设定期望的张力，使得从致动器接合构件和相应的远端构件之间的驱动系移除所有的松弛或后冲/间隙(backlash)，并且致动器接合构件的运动导致相应的远端构件的立即运动。也就是说，一个或多个器械驱动系统致动器接合相应的一个或多个器械致动器接合构件，并在一个或多个致动器接合构件和相应的器械远端部件(例如，腕部或末端执行器部件)之间的一个或多个器械张紧构件中设定动态预载张力(其可以是下面描述的静态预载张力的补充)。

然后，响应于输入(例如来自图2的外科医生控制台40)，器械驱动系统的致动器相应地向近侧移动一些或所有致动器接合构件(例如，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636a和/或636b)，以启动末端执行器650或其他远端部件的期望运动。例如，对于成对的致动器接合构件632a和632b，器械驱动系统的第一致动器可以向近侧移动致动器接合构件632a。与致动器接合构件632a的近侧移动一致，器械驱动系统的第二致动器可抵抗致动器接合构件632b的远侧移动，从而保持致动器接合构件632b的相应张紧构件上的张力，但仍允许致动器接合构件632b向远侧移动。第二致动器对致动器接合构件632b的远侧移动的阻力被调节，以在对应于致动器接合构件632a和632b的张紧构件中保持期望张力。该操作根据上面参考图8-14描述的动态张紧概念来执行。

在一个方面，当张紧构件移动相应的末端执行器时，控制系统控制成对的张紧构件中的每个张紧构件中的张力相等。然而，在另一方面，控制系统控制张紧构件中的张力，以在加载的张紧构件中产生所需的载荷力，并在未加载的张紧构件上保持最小的张力。

为了通过示例解释该差动力方面，考虑成对的致动器接合构件632a和632b。当它们的相关末端执行器处于中立位置(例如，以器械的纵向轴线为中心而不与另一个物体接合)、不移动并且没有经历负载时，控制系统可以促使对致动器接合构件632a和632b施加相等的力。该相等的力等于或高于从末端执行器和致动器接合构件之间的张紧构件连接处消除后冲/间隙(backlash)所需的最小力，以进行有效控制。但是，相等的力保持较低，以减少导致机械磨损的摩擦和拉伸载荷。

为了移动相关联的末端执行器，控制系统使致动器接合构件632a和632b沿相反方向移动。由致动器接合构件632a的近侧运动引起的末端执行器运动可以是不受抵抗的(例如，末端执行器自由移动)或受抵抗的(例如，末端执行器抵靠组织或末端执行器的另一部分移动，例如在抓握时一个钳口抵靠另一个钳口移动)。传动系中的摩擦还可能导致这样一种负载，该负载需要比将末端执行器保持在中立位置处的有效控制所需的更大的力被施加到致动器接合构件632a。因此，与致动器接合构件632a相关联的致动器必须增加其抵靠致动器接合构件632的力，以继续移动相应的末端执行器或保持相应的末端执行器抵抗阻力的力。然而，在这种情况下，不需要与成对的致动器接合构件632b相关联的致动器在致动器接合构件632b上施加与施加在致动器接合构件632a上的力相同的力。所需要的是施加在致动器接合构件632b上的力等于或高于使相关联的张紧构件保持不松弛或不偏离其路径(例如离开滑轮)所需的最小阈值。

作为进一步说明，如果控制系统使致动器接合构件632a从其相关联的驱动单元致动器接收最大可允许力，以便在相应的末端执行器处产生最大力(例如，以产生最大可能的末端执行器夹持力)，则控制系统可以使致动器接合构件632b仅接收所需的最小力，以确保其相关联的张紧构件不会松弛并且不会脱离其正确的路线，或者接收该最小力与施加到致动器接合构件632a的力之间的力。而且，尽管该方面适用于施加到致动器接合构件632a的最大力，但是当施加较小的力时它也适用，从而使由针对致动器接合构件632b的力引起的冲突张力同样最小化。应该理解的是，如果随后使末端执行器沿相反方向移动，则将所需的负载力施加到致动器接合构件632b，并且将所需的张紧保持力施加到致动器接合构件632a。还应该理解，如果使用压缩而不是张紧来移动末端执行器，则该差动力方面仍然适用，从而减小或最小化任何不必要的压缩力。

在手术器械600的一些实施例中，可以包括预加载张紧构件(例如，弹簧633)，以在手术器械600与器械驱动系统分离时保持张紧构件中的最小张力——静态预加载张力。这种最小的预张紧可以帮助确保张紧构件根据需要保持在手术器械600内的定向和布线。在所示实施例中，压缩弹簧633向致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638施加近侧定向力，以在手术器械600与器械驱动系统分离时保持张紧构件中的最小张力。在一些实施例中，可以使用其他类型的预加载张紧构件，例如但不限于，形成为轴640或近端部分610的一部分的挠曲部、拉伸弹簧、扭转弹簧、板簧等。此外，在包含有代替张紧构件的压缩构件的实施例中，类似于这些预加载张紧构件的预加载压缩构件可用于消除致动器接合构件与末端执行器之间的传动系中的机械后冲/间隙(backlash)。

仍然参考图15-18，近端部分610包括器械轴致动器接合构件620。器械轴致动器接合构件620用于将近端部分610可释放地耦接到器械驱动系统的致动器。由于器械轴640被刚性地耦接到近端部分610，因此器械轴致动器接合构件620也可释放地将器械轴640耦接到器械驱动系统的致动器。以上通过示意图及其描述(例如，通过图9，其包括可以与器械轴302可释放地耦接的轴致动器430)介绍了使用器械轴致动器接合构件620将致动器耦接到近端部分610和器械轴640的这种概念。因此，器械轴致动器接合构件620在与器械驱动系统的致动器耦接时用于相对于器械驱动系统向近侧和/或向远侧移动整个手术器械600。另外(如参考图10的力图所描述)，器械轴致动器接合构件620在与器械驱动系统的致动器耦接时用于平衡由致动器施加到致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638的近侧定向力。

在所示实施例中，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638被配置为接收来自器械驱动系统的致动器的近侧定向力，但是未被配置为接收来自器械驱动系统的致动器的远侧定向力。换句话说，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638未被扣留(不是不可移动地耦接；非扣留地接合)到器械驱动系统的致动器。换句话说，致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638均被配置为响应于从相应的致动器接收到近侧定向力而直接促进(引起)末端执行器650的运动，并且每个都未被配置为响应于从相应的致动器接收到远侧定向力而直接促进末端执行器650的运动。相反，在所示实施例中，器械轴致动器接合构件620被配置为响应于接收到近侧定向力而直接促进整个手术器械600向近侧移动，并且被配置为响应于接收到远侧定向力而直接促进整个手术器械600向远侧移动。情况就是这样，因为器械轴致动器接合构件620被配置为被可释放地扣留在器械驱动系统的致动器上。例如，在所示实施例中，器械轴致动器接合构件620是闩锁机构，其可用于将近端部分610和器械轴640可释放地扣留在器械驱动系统的致动器上。应当理解，并不是在所有实施例中都需要使用用于器械轴致动器接合构件620的闩锁机构，并且可以使用在器械上不同位置处的其他合适的耦接机构。

此外，在一些实施例中，器械轴致动器接合构件620被配置为使得器械驱动系统仅向手术器械600施加远侧定向力(即，不是近侧定向力)。在器械轴致动器接合构件620被配置为仅接收来自器械驱动系统的远侧定向力的情况下仍然可以执行本文描述的动态张力和方位控制概念。在这方面，器械的轴致动器接合构件上的远侧定向力与器械的致动器接合构件上的近侧定向力平衡。

特别参考图18，在一些实施例中，手术器械600被配置有一个或多个连接器或触点，用于向末端执行器650输入能量(例如，用于烧灼的能量)。例如，在一些实施例中，手术器械可以被配置为使用单极RF、双极RF或另一种能量形式。在这种情况下，在一些实施例中，一个或多个连接器位于手柄612的近侧区域613上。这样的位置可以允许易于接近一个或多个连接器以便与供应能量的一个或多个线缆连接。当手术器械600与器械驱动系统耦合时，这样的位置还可以允许实现连接和/或断开。

参考图19，手术器械600可以选择性地与兼容的器械驱动系统700(也被称为舱700)耦接，该器械驱动系统700限定了被配置为接收手术器械600的空间的纵向轴线702。根据计算机辅助远程操作手术的典型实施方式，器械驱动系统700可以耦接到具有多个自由度的操纵器组件800。在一些实施例中，舱700可以容易地从操纵器组件800拆卸，使得舱700可以方便地与另一个舱互换。操纵器组件800可以附接到各种类型的支撑结构(例如，参见图3和图4)。器械轴640可以可滑动地延伸穿过套管740，套管740可选地可释放地安装到操纵器组件800或器械驱动系统700。

在所示实施例中，通过将手术器械600向远侧移动到器械驱动系统700的近端704处的开口中，手术器械600可以可释放地与器械驱动系统700耦接。特别地，手术器械600的纵向轴线602可以首先与器械驱动系统700的纵向轴线702对齐。然后，手术器械600可以相对于器械驱动系统700向远侧滑动，直到器械轴接合构件620与器械驱动系统700耦接。

当手术器械与器械驱动系统耦接时，手柄612和器械轴接合构件620的至少一些部分比器械驱动系统700的相邻部分径向延伸得更远，使得手柄612突出到舱700外。因此，手柄612和器械轴接合构件620可由用户的手触及。这种可接近性可以有利地促进手术器械600与器械驱动系统700容易地解耦。

虽然不可见，但是器械驱动系统700包括多个致动器(在图9和图11-14中示意性地示出)，这些致动器在手术器械600与器械驱动系统700耦接的同时可释放地与致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和638耦接。在一些实施例中，致动器是线性致动器，其包括导螺杆和导螺杆螺母构件，并且可以使用其他合适的线性致动器(例如，链条、皮带、液压、气动、电磁等)。在一些实施例中，诸如旋转致动器的非线性致动器或者线性和非线性致动器的组合可以用于产生所描述的对抗力方面。在一些实施例中，一个或多个力传感器被包括在器械驱动系统700中，通过这些力传感器可以确定施加到致动器接合构件632a、632b、634a、634b、636a、636b和/或638的力并将其反馈到处理器43(图2)。

在一些实施例中，耦接到器械驱动系统700的整个手术器械600可以作为单个单元围绕纵向轴线602和702旋转或滚转。器械致动器接合构件620在经由器械轴插入/撤出致动器耦接到舱700或直接耦接到舱700时用于在舱700围绕其纵向轴线702旋转时围绕纵向轴线602滚转期间固定器械轴。另外，手柄612可以提供对用于滚转的舱700的额外支撑。在舱700的远端处的马达(在舱700内或操纵器800的一部分内)旋转舱700和器械600的组件。因此，器械轴和远端执行器可以被同时插入/撤出和滚转。

参考图20，手术器械致动舱700被示出为与手术器械600和操纵器组件800隔离。舱700包括近端704和远端706。舱700限定纵向轴线702，手术器械(或诸如内窥镜摄像机的其他装置)可以沿着纵向轴线702安装。

在所示实施例中，舱700包括近端板705、远端板707和壳体710。壳体710在近端704和远端706之间延伸。

在所示实施例中，近端板705是C形板，而远端板707是限定开放中心区域的完全环周板。近端板705中的C形开口与由壳体710限定的狭槽开口712对齐。狭槽开口712和C形近端板705中的开口为手术器械600的手柄612提供间隙，以在手术器械600与器械驱动系统700耦接时从壳体710径向突出。

如下面进一步描述的，近端板705和远端板707是舱700的框架的结构部件。然而，可选地，端板可以与壳体或其他舱部件集成在一起，作为框架的一部分或者与框架分开。在所示实施例中，框架还包括位于远端706处的舱旋转齿轮708。当舱700与操纵器组件800耦接时，舱旋转齿轮708与操纵器组件800的驱动齿轮啮合并由其驱动。当舱旋转齿轮708被驱动时，整个舱700围绕纵向轴线702旋转，该纵向轴线702是舱的滚转轴线。当手术器械600与舱700接合时，其与该滚转轴线对齐，因此当舱旋转齿轮708由操纵器组件800的驱动齿轮驱动时，手术器械600也绕纵向轴线702旋转或滚转。也就是说，围绕其纵向轴线滚转该舱将旋转该器械轴，这进而将滚转引入器械末端执行器。这样一来，当器械被安装在舱中时，舱的纵向轴线702与器械轴的滚转轴线重合，并且当器械相对于舱插入患者体内和从患者体内撤出时，舱的纵向轴线702也与器械的插入和撤出轴线重合。

参考图21，手术器械致动舱700的分解视图提供容纳在壳体710内的舱的部件的可视化。如将更详细描述的，舱700包括多个马达720、多个导螺杆730、多个螺纹螺母740和多个防旋转轴750。在整个说明书中，舱实施例通常被描述为包括马达、导螺杆和螺纹螺母，但是应该理解，该组件是可产生所需线性运动的任何等效线性致动器的图示，例如马达驱动的滚珠丝杠、线性致动器、压电马达等。因此，马达、导螺杆和螺母组件是线性致动器的示例，其与手术器械的致动接合构件接合以如上所述起作用。

在所示实施例中，多个马达720被安装在舱的远端处并且围绕纵向轴线702同心布置。如图所示，马达720可选地安装到远端板707。在所示实施例中，没有马达安装在舱的近端处，例如安装到近端板705上。

多个导螺杆730中的每个导螺杆由多个马达720中相应的一个马达驱动。导螺杆730围绕器械所位于的中心在舱中向远侧或向近侧延伸。在所示的实施例中，导螺杆730在其近端处可旋转地耦接到近端板705，并且在其远端处可旋转地耦接到远端板707。可选地，导螺杆耦接到马达的相应近端，或者耦接到舱中的另一个大致远侧结构支撑件。

多个螺纹螺母740中的每个螺纹螺母与多个导螺杆730中相应的一个导螺杆螺纹接合。因此，当多个导螺杆730由多个马达720可旋转地驱动时，多个螺纹螺母740平行于纵向轴线702平移。

多个防旋转轴750在近端板705和远端板707之间延伸，并且它们与多个螺纹螺母740可滑动地接合。因此，当多个导螺杆730旋转时，多个防旋转轴750约束多个螺纹螺母740不旋转。结果，当导螺杆旋转时，每个螺母沿其相应的导螺杆平移。

用于舱700的操作的一个或多个电子电路板(未示出)可以被包含在壳体710内。例如，这种电路板可以被安装到端板707和/或705上。在一些实施例中，一个或多个电路板可以恰好位于一个或多个马达720的上方。壳体710内的电路板的这些位置不应被视为是限制性的，并且一个或多个电路板可以附加地或替代地位于壳体710内的各种其他位置。可替代地，一个或多个电路板可以位于舱的外部，并且一个或多个板与舱马达之间的电子连接适应于舱旋转。

参见图22-25，所示实施例包括八个马达720a、720b、720c、720d、720e、720f、720g和720h。所示实施例还包括八个导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h。每个马达720a、720b、720c、720d、720e、720f、720g和720h耦接到驱动齿轮722(图23)，驱动齿轮722与耦接到相应导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h的相应从动齿轮732(图23和图25)啮合。因此，马达720a、720b、720c、720d、720e、720f、720g和720h中的每一个可以使其相应的导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h之一双向旋转。也就是说，马达720a可以双向旋转导螺杆730a；电机720b可以双向旋转导螺杆730b；马达720c可以双向旋转导螺杆730c；马达720d可以双向旋转导螺杆730d；马达720e可以双向旋转导螺杆730e；马达720f可以双向旋转导螺杆730f；马达720g可以双向旋转导螺杆730g；马达720h可以双向旋转导螺杆730h。

尽管所示实施例包括八个马达和导螺杆对，但是一些实施例包括多于八个或少于八个的马达和导螺杆对，这取决于要安装在用于手术的舱中的各种器械所需的控制输入的数量。例如，在一些实施例中，器械致动舱中包括两个、三个、四个、五个、六个、七个、九个、十个、十一个、十二个或多于十二个马达和导螺杆对。所有这些变化都在本公开的范围内。

在一些实施例中，舱700还包括一个或多个马达，这些马达驱动舱700相对于操纵器组件800的旋转运动，即上述围绕纵向轴线702的滚转。替代地或附加地，在一些实施例中，用于驱动舱700相对于操纵器组件800的滚转运动的一个或多个马达可以被安装到操纵器组件800。

将马达向远侧定位在舱内有利地将舱的质心定位成靠近支撑该舱的操纵器。另外，其他舱部件(齿轮、负载轴承、控制电路、传感器等)有利地向远侧布置，使得舱的质心靠近支撑操纵器。通过保持质心靠近操纵器，惯性被最小化。结果，与将质心定位成更远离操纵器的情况相比，安装在舱中的器械的操纵器控制可以更快、更平滑且更精确。另外，可以使用用于操纵器的更小的致动器马达。

每个导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h具有与其螺纹耦接的螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h。也就是说，导螺杆730a螺纹耦接到螺纹螺母740a；导螺杆730b螺纹耦接到螺纹螺母740b；导螺杆730c螺纹耦接到螺纹螺母740c；导螺杆730d螺纹耦接到螺纹螺母740d；导螺杆730e螺纹耦接到螺纹螺母740e；导螺杆730f螺纹耦接到螺纹螺母740f；导螺杆730g螺纹耦接到螺纹螺母740g；并且导螺杆730h螺纹耦接到螺纹螺母740h。

例如，如图22所示，所有螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h可沿纵向轴线702同时定位在一个或多个共同方位处。当使用舱700时，各个螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h的方位将平行于纵向轴线702纵向平移，以便响应于外科医生的输入来移动手术器械及其部件(例如，上述手术器械600)。因此，螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h将不总是共享(但可以共享)沿纵向轴线702的共同纵向方位。

在所示实施例中，舱700还包括四个防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f和750g-h。如图所示，防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f和750g-h向近侧延伸，例如在近端板705和远端板707之间延伸。在一些实施例中，防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f和750g-h被附接到近端板705和远端板707，使得防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f和750g-h用作舱700的纵向延伸的结构框架构件。

在所示实施例中，每个防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f和750g-h与螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h中的两个可滑动地耦接。更具体地，在所示实施例中，每个防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f和750g-h与螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h中相邻的一对螺纹螺母可滑动地耦接。也就是说，防旋转轴750a-b与螺纹螺母740a和740b可滑动地耦接；防旋转轴750c-d与螺纹螺母740c和740d可滑动地耦接；防旋转轴750e-f与螺纹螺母740e和740f可滑动地耦接；并且防旋转轴750g-h与螺纹螺母740g和740h可滑动地耦接。在所示实施例中，每个防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f和750g-h与螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h中的不超过两个螺纹螺母可滑动地耦接。此外，在所示实施例中，螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h中的每个螺纹螺母仅与防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f或750g-h中的一个防旋转轴可滑动地耦接。

防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f和750g-h防止螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h的旋转，同时允许螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h的纵向平移。因为防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f和750g-h与螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h可滑动地耦接，所以导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h的旋转将导致螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h沿着导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h的纵向轴线纵向平移。

如上所述，在所示实施例中使用四个防旋转轴(每两个螺纹螺母有一个防旋转轴)，以便将舱的质心尽可能地保持在最远侧。然而，可以使用防旋转轴与螺纹螺母的更小比例。并且尽管所示实施例使用防旋转轴750a-b、750c-d、750e-f和750g-h来响应于导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h的旋转而确保螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h的纵向平移，但在一些实施例中使用其他机构。例如，在一些替代实施例中，壳体710(图20和图21)包括从壳体710的内径径向向内延伸并与螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h可滑动地接合的突起。这种突起机械地限制螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h的旋转，否则可能导致对导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h的旋转做出响应。

现在，还参考图9-14的示意图，致动器410、420和430对应于(在舱700的上下文中)以下各项的组合：(i)马达，(ii)相应的驱动齿轮，(iii)相应的从动齿轮，(iv)相应的导螺杆，和(v)相应的螺纹螺母。也就是说，在所示实施例中，舱700包括八个致动器，每个致动器至少包括马达、导螺杆和螺纹螺母。

如参考图14所述，在一些实施例中，可以通过使用一个或多个力检测装置来检测由各个致动器施加到手术器械的力。这种力检测装置的(多个)输出可用于控制致动器，致动器进进而控制手术器械的运动并控制手术器械的张紧构件的张力。

在所示实施例中，测压元件被用于检测导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h上的纵向力。例如，耦接到远端板707的测压元件位于各个导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h的远端处。由此可以使用这种测压元件检测各个导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h的远侧定向力。当手术器械与舱700耦接时，各个导螺杆730a、730b、730c、730d、730e、730f、730g和730h的远侧定向力实质上等于手术器械的相应张紧构件的张力。替代地或附加地，在一些实施例中，一个或多个测压元件可以耦接到近端板705。例如，在一些实施例中，耦接到近端板705的测压元件被用于检测与手术器械600的插入相关联的力(如下面参考图27-29进一步描述的)。应该记得，如上所述，根据器械设计，致动器可以在近侧或远侧方向上致动它们的部件螺母，因此测压元件布局考虑了施加到器械上用于张紧或压缩的致动力方向。

不需要在所有实施例中使用测压元件。在一些实施例中，可以使用其他传感器和/或其他装置来检测由致动器施加到手术器械的力。例如，在一些实施例中，应变计可以位于致动器接合构件上或其他位置。在一些实施例中，可以测量由致动器的电动马达汲取的电流并将其用作由致动器施加到手术器械的力的指示。在一些实施例中，这种力检测装置和技术的组合可用于增强用于器械控制的力感测以及相关张力或压缩感测的稳健性和冗余度。

在一些实施例中，装置和技术被用于检测致动器(例如，螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h和/或马达720a、720b、720c、720d、720e、720f、720g和720h)的方位。例如，在所示实施例中，编码器被耦接到远端板707并且耦接到马达720a、720b、720c、720d、720e、720f、720g和720h中的各个马达。此外，在一些实施例中，可以包括用于螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h的行程终点传感器(例如，光学传感器、接近度传感器等)。在一些实施例中，螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h的行程终点方位可以通过监控测马达720a、720b、720c、720d、720e、720f、720g和720h的电流消耗来检测(当螺纹螺母740a、740b、740c、740d、740e、740f、740g和740h处于其行程终点极限时，该电流消耗增加)。

图26示出了与手术器械致动舱700耦接的手术器械600的局部纵向剖面，并且因此描绘了用于舱700的螺纹螺母与手术器械600的致动器接合构件之间的接合的示例性布置。特别地，在所示实施例中，致动器接合构件634a包括横向延伸的突起，该突起与由螺纹螺母740e限定的互补插座接合。在这种布置中，来自螺纹螺母740e的近侧定向力可以被施加在致动器接合构件634a上(例如，以张紧耦接到致动器接合构件634a的张紧构件)。然而，由于在该实施例中螺纹螺母740e没有固定或锁定到致动器接合构件634a(即非扣留接合)，因此螺纹螺母740e不能向致动器接合构件634a施加远侧定向力。因此，致动器接合构件634a将容易地与螺纹螺母740e解耦(例如，当手术器械600相对于舱700向近侧平移以将手术器械600与舱700解耦时)。可以回想起，在替代实施例中，螺纹螺母的一部分横向向内延伸，以接合器械中的相应致动器接合构件。

虽然并非在所有实施例中都需要，但在所示实施例中，螺纹螺母740a和器械轴接合构件620之间的接合不同于其他螺纹螺母和其他致动器接合构件之间的接合。也就是说，在所示实施例中，器械轴接合构件620可释放地锁定到螺纹螺母740a(即，扣留接合)。因此，来自螺纹螺母740a的近侧定向力和远侧定向力都可以被施加到器械轴接合构件620(例如，相对于该舱700沿着纵向轴线702平移地插入和/或缩回手术器械600)。

参见图27-29，与手术器械致动舱700处于完全耦接布置的手术器械600以三个不同的插入深度示出。在图27中，手术器械600相对于舱700处于浅(最近侧)插入深度。在图28中，手术器械600相对于舱700处于中间插入深度。在图29中，手术器械600相对于舱700处于深(最远侧)插入深度。

手术器械600的插入深度的变化可以通过如上所述的线性致动器(这里部分地示出为舱700的螺纹螺母740a)的运动来致动。当螺纹螺母740a向近侧和远侧移动以调节手术器械600的插入深度时，其他螺纹螺母740(这里统称为螺纹螺母740)和致动器接合构件同样向近侧和远侧移动(借助于舱700的致动)。如果在调节手术器械600的插入深度时末端执行器650的姿势保持恒定，则其他螺纹螺母740向近侧和远侧移动与螺纹螺母740a移动的距离相同的距离。如果末端执行器650的姿势和手术器械600的插入深度同时改变，尽管相邻的成对的螺纹螺母(以及相应的成对的致动器接合构件)的平均方位向近侧和远侧移动与螺纹螺母740a移动的距离相同的距离，但成对的螺纹螺母(和相应的成对的致动器接合构件)相对于彼此向近侧和远侧差动地移动。如上所述，成对的螺纹螺母(以及相应的成对的致动器接合构件)的这种差动运动调节末端执行器650沿着末端执行器650的一个或多个自由度的姿势。通过使用本文描述的动态张力和方位控制概念，所有这些运动(即，改变末端执行器650的姿势和/或改变整个器械600的插入深度，这进而改变末端执行器的插入深度)可以被致动，同时控制手术器械600的张紧构件的张力达到期望的拉力量。

在一些实施例中，耦接到器械驱动系统700(或舱700)的手术器械600的组件围绕纵向轴线702旋转或滚转。从图21-29中可以看出，多个马达、导螺杆和防旋转轴通常围绕安装在舱中的手术器械定位。通过将这些部件定位在器械周围(例如，与纵向轴线等距的马达和导螺杆)，舱相对于其纵向轴线的惯性有利且有效地独立于其围绕舱的纵向轴线的取向。因此，如果通过围绕纵向轴线滚转舱来改变末端执行器滚转取向，同时通过俯仰和/或偏航纵向轴线来改变末端执行器方位，则俯仰和偏航控制不需要考虑取决于舱滚转取向的惯性变化。因此，一些创造性方面包括这样的实施例，其中舱部件被布置成沿着舱的纵向轴线(舱围绕其滚转的轴线)定位舱的质心。另外，一些创造性方面包括这样的实施例，其中舱部件有利地尽可能靠近纵向轴线定位，同样在操纵器(参见例如图19，操纵器组件800)改变舱的取向(例如，改变舱的纵向轴线的俯仰或偏航)时使惯性最小化。并且如上所述，舱部件被布置成沿着舱的纵向轴线向远侧(在一些情况下尽可能远地)定位质心，以便使舱的重心对操纵器对围绕操纵器滚转轴线的舱的纵轴取向的控制的影响最小化。

虽然本说明书包含许多具体的实施细节，但这些不应被解释为对任何发明或可能要求保护的范围的限制，而是作为具体针对特定发明的特定实施例的特征的描述。在本说明书中的独立实施例的上下文中描述的某些功能也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合形式在多个实施例中实现。此外，虽然本文可能将特征描述为以某些组合方式起作用并且甚至最初如此声明，但是在某些情况下可以从组合中切除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或按顺序执行这些操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。而且，本文描述的实施例中的各种系统模块和部件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的程序部件和系统通常可以一起集成在单个产品中或打包成多个产品。

已经描述了主题的特定实施例。其他实施例在随附的权利要求的范围内。例如，权利要求中记载的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。作为一个示例，附图中描绘的过程不一定需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务和并行处理可能是有利的。

Claims (10)

1.一种远程手术系统，包括：

致动舱，包括：

近端，

远端，

在所述致动舱的所述近端和所述远端之间限定的纵向轴线，

多个线性致动器，其布置在所述致动舱的所述纵向轴线周围并平行于所述致动舱的所述纵向轴线延伸；以及

手术器械，包括：

轴；和

多个致动器接合构件；

其中所述手术器械的所述轴被定位成与所述致动舱的所述纵向轴线重合；以及

其中所述多个致动器接合构件中的每个致动器接合构件与所述多个线性致动器中的相应线性致动器接合。

2.根据权利要求1所述的远程手术系统，其中所述多个线性致动器包括：

多个导螺杆，其被布置在所述致动舱的所述纵向轴线周围并平行于所述致动舱的所述纵向轴线延伸；以及

多个马达，所述多个马达中的每个马达被耦接以驱动所述多个导螺杆中的相应导螺杆。

3.根据权利要求2所述的远程手术系统，其中所述多个马达与所述致动舱的所述纵向轴线等距。

4.根据权利要求2所述的手术系统，其中所述多个马达在远侧定位于所述致动舱中。

5.根据权利要求1所述的远程手术系统，其中所述多个线性致动器包括：

多个导螺杆，其被布置在所述致动舱的所述纵向轴线周围并平行于所述致动舱的所述纵向轴线延伸；以及

多个螺母，所述多个螺母中的每个螺母与所述多个导螺杆中的相应导螺杆接合，并且所述多个螺母中的每个螺母与所述多个致动器接合构件中的相应致动器接合构件接合。

6.根据权利要求2或5所述的远程手术系统，其中所述多个导螺杆与所述致动舱的所述纵向轴线等距。

7.根据权利要求2或5所述的远程手术系统，其中所述多个导螺杆从所述致动舱的所述远端延伸到所述致动舱的所述近端。

8.根据权利要求1所述的远程手术系统，其中所述多个线性致动器与所述致动舱的所述纵向轴线等距。

9.根据权利要求1所述的远程手术系统，其中所述致动器舱还包括平行于所述致动舱的所述纵向轴线延伸的手术器械插入线性致动器，其中所述手术器械插入线性致动器与所述手术器械接合。

10.根据权利要求9所述的远程手术系统，其中所述多个线性致动器和所述手术器械插入线性致动器与所述致动舱的所述纵向轴线等距。

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