CN116234665A - 用于在可植入外科手术机器人系统中交换外科手术工具的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种形成外科手术机器人系统的部分的机器人手臂的末端执行器区域设备，该末端执行器区域设备包括工具基座部分以及第一滑轮元件和第二滑轮元件，该工具基座部分通过连接器耦接到机器人手臂的末端部分，该第一滑轮元件和该第二滑轮元件能旋转地耦接到工具基座部分。该设备还包括第一工具元件和第二工具元件，第一工具元件和第二工具元件耦接在一起并且可以能移除且能更换地安装到滑轮元件。

Description

用于在可植入外科手术机器人系统中交换外科手术工具的系 统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年11月10日提交的序列号为63/111,950、名称为“用于在可植入外科手术机器人系统中交换外科手术工具的系统和方法”的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用并入本文。

背景技术

自1990年代初创立以来，微创外科手术领域迅速发展。虽然微创外科手术极大地改善了患者的预后，但这种改善是以外科医生不能精确且轻松地操作为代价的。在传统的腹腔镜手术过程中，外科医生通常通过患者腹壁上的多个小切口插入腹腔镜器械。工具穿过腹壁插入的性质限制了腹腔镜器械的运动，因为器械无法在不损伤腹壁的情况下左右移动。标准腹腔镜器械在运动上也受到限制，并且通常限于四个运动轴线。这四个运动轴线是器械进出套管针的移动(轴线1)、器械在套管针内的旋转(轴线2)以及在保持套管针进入腹腔的枢转点的同时套管针在两个平面内的角位移(轴线3和轴线4)。二十多年来，大多数微创外科手术都是在只有这四个运动度的情况下进行的。此外，如果外科手术需要处理腹腔内的多个不同位置，则现有系统需要多个切口。

现有的机器人外科手术设备试图解决这些问题中的许多问题。一些现有的机器人外科手术设备复制非机器人腹腔镜手术，并在器械末端增加了自由度。然而，即使对外科手术过程进行了许多代价高昂的改变，现有的机器人外科手术设备也未能在使用它们的大多数过程中提供改善的患者预后。此外，现有的机器人设备增大了外科医生和外科手术末端效应器之间的间距。由于外科医生对机器人设备施加的运动和力的误解，这种增大的间距导致受伤。由于人类操作员不熟悉许多现有机器人设备的自由度，因此外科医生在对患者进行手术之前需要就机器人模拟器进行广泛的培训，以最大程度地减少造成意外伤害的可能性。

为了控制现有的机器人设备，外科医生通常坐在控制台前并用他或她的手和/或脚控制操纵器。此外，机器人相机保持在半固定位置，并通过外科医生的脚和手的组合运动来移动。这些半固定相机提供有限的视野，通常会导致手术区域难以可视化。

其他机器人设备有两个机器人操纵器通过单个切口插入。这些设备将所需的切口数量减少到单个切口，单个切口通常在脐部中。然而，现有的单切口机器人设备由于其致动器设计而存在重大缺陷。现有的单切口机器人设备包括体内机器人内的伺服马达、编码器、齿轮箱和所有其他致动设备，这导致插入患者体内的机器人单元相对较大。这种尺寸在移动和执行各种过程的能力方面严重限制了机器人单元。此外，这种大型机器人通常需要通过大切口部位插入，通常接近开腹手术的大小，因此增加了感染、疼痛和一般发病率的风险。

此外，在腹腔镜和机器人外科手术中，需要多种工具和夹持器来完成外科手术过程。最初将外科手术机器人系统使用的所有必要工具一次插入患者体内会导致患者的风险增加，这是由于可能使用过多的切口部位以及在外科手术过程中安全存放和操作工具的固有复杂性增加。因此，目前的外科手术通常依赖于在整个外科手术过程中移除和更换工具。这种移除和更换过程延长了外科手术的时间，由于工具被完全移除并且新的工具被插入到患者体内而增加了外科手术并发症的可能性，，并且增加了外科手术所需的材料量，因此增加了外科手术的潜在成本。

发明内容

本发明的目的是能够以一种简单而有效的方式调换构成本发明机器人手臂末端效应器的工具。能够容易调换工具允许用户(诸如外科医生)仅移除和更换机器人手臂的末端执行器部分，而不是更换整个机器人手臂，机器人手臂通常具有附接到其上的专用工具。工具元件的移除和更换可以在患者体内或体外完成。由于不需要更换整个机器人手臂，本发明的机器人手臂减少了成本和浪费，因为用户不需要使用整套机器人手臂。

本发明包括末端执行器部分，该末端执行器部分包括一对相对的工具交换基座段、滑轮元件、电接触元件和工具元件，示出为一对夹持器元件。通过将滑轮元件的一部分插入形成在工具基座段中的凹部中，将滑轮元件安装到它们各自的工具基座段，来组装工具基座。然后，末端执行器部分可以通过一对连接凸缘和耦接销耦接到机器人手臂组件，该对连接凸缘和耦接销中的每一者具有形成在其中的开口。开口可以耦接到形成在机器人手臂组件末端部分的合适的连接器上。滑轮元件可以采用表面特征，诸如凸台，其在形状上与形成在工具元件的主体中或主体上的表面特征互补。当滑轮元件的凸台和形成在工具元件中的开口定向在选定位置(例如，打开的工具交换位置)时，则工具元件可以容易地安装在其上或从工具基座部分移除。工具元件可以设置在打开的工具交换位置，在该位置夹持器部分(例如，工作表面)彼此分开预定的设定角度，诸如例如大约180度。这允许工具元件容易地在滑轮元件的表面特征上滑动。一旦安装好，滑轮元件可以由合适的线缆致动，以便将工具元件移动到一个或多个使用位置，在该位置，工作表面彼此分开小于180度。使用位置将工具元件紧固在一起，同时伴随地将工具元件紧固到工具基座部分。为了从工具基座移除工具元件，工具元件可以再次设置在打开的工具交换位置。

本发明涉及一种用于将形成工具器械的一个或多个工具元件从外科手术机器人系统中的机器人手臂的腕部移除和插入到其上的方法。该方法包括：提供耦接到机器人手臂的末端部分的工具基座部分，将第一滑轮元件和第二滑轮元件能旋转地耦接到工具基座部分，用轴元件将第一滑轮元件和第二滑轮元件紧固到工具基座部分，提供耦接在一起的第一工具元件和第二工具元件，以及将第一工具元件和第二工具元件配置成定位到打开的工具交换位置，以便能够安装在工具基座部分上或从工具基座部分移除。工具基座部分可以配置成包括第一工具基座段和第二工具基座段，并且第一滑轮元件能旋转地耦接到第一工具基座段，并且第二滑轮元件能旋转地耦接到第二工具基座段。这样，当设置在打开的工具交换位置时，第一工具元件和第二工具元件能移除且能更换地耦接到工具基座部分。

本发明的方法还包括将第一滑轮元件配置成具有形成在其上的第一滑轮表面特征，并将第二滑轮元件配置成具有形成在其上的第二滑轮表面特征，并将第一工具元件配置成具有形成在其上的第一表面特征，该第一表面特征在形状上与第一滑轮元件的第一滑轮表面特征互补，并将第二工具元件配置成具有形成在其上的第二表面特征，该第二表面特征在形状上与第二滑轮元件的第二滑轮表面特征互补。当第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和第二滑轮元件的第二滑轮表面特征对齐时，并且当第一工具元件的第一表面特征和第二工具元件的第二表面特征在设置在打开的工具交换位置时对齐时，第一工具元件和第二工具元件可以分别能移除且能更换地安装在第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和第二滑轮元件的第二滑轮表面特征上。

根据一个实施例，该方法还包括:提供可以与第二工具元件耦接在一起的第一工具元件；将第一工具元件配置成具有形成在其上的第一连接表面特征；以及将第二工具元件配置成具有形成在其上的第二连接表面特征，该第二连接表面特征在形状上与第一连接表面特征互补，使得第一连接表面特征和第二连接表面特征在对齐时能够使第一工具元件和第二工具元件耦接在一起。第一连接表面特征可以包括凹槽，并且第二连接表面特征可以包括突出的导轨状元件。第一连接表面特征和第二连接表面特征组合起来形成燕尾榫接头连接(dove-tail joint connection)。此外，在组装第一工具元件和第二工具元件时，该方法包括：通过第一滑轮元件和第二滑轮元件中的一者或多者的旋转移动，选择性地将第一工具元件和第二工具元件中的一者或多者旋转出打开的工具交换位置并旋转到一个或多个使用位置，从而将第一工具元件和第二工具元件锁定在一起。这使得本发明的设备能够在设置在选定位置，诸如例如打开的工具交换位置时，容易地从工具基座部分移除和更换不同类型的工具元件，同时通过将工具元件从打开的工具交换位置移动到一个或多个不同的使用位置而将工具元件锁定在一起并锁定到工具基座部分。使用位置对应于在执行外科手术期间工具元件将被放置的位置。根据一种实践，在使用期间，工具元件不需要分开接近或超过180度的角距离。

本发明的方法还包括：提供耦接到第一滑轮元件的第一导电弹簧元件和耦接到第二滑轮元件的第二导电弹簧元件，以及提供耦接到第一工具元件的第一导电接触元件和耦接到第二工具元件的第二导电接触元件。该方法还包括：在使用期间，保持导电弹簧元件的一部分和导电接触元件的一部分之间的直接接触，并且独立于第一滑轮元件和第二滑轮元件的旋转位置。

本发明还涉及外科手术机器人系统中的机器人手臂的末端执行器区域设备，其包括：通过连接器耦接到机器人手臂的末端部分的工具基座部分、能旋转地耦接到工具基座部分的第一滑轮元件、能旋转地耦接到工具基座部分的第二滑轮元件、以及与第二工具元件耦接在一起的第一工具元件，其中，第一滑轮元件和第二滑轮元件通过轴元件紧固到工具基座部分。第一工具元件和第二工具元件配置成定位到打开的工具交换位置，以便能够安装在工具基座部分上或从工具基座部分移除。根据一个实施例，工具基座部分可以包括第一工具基座段和第二工具基座段，并且第一滑轮元件能旋转地耦接到第一工具基座段，并且第二滑轮元件能旋转地耦接到第二工具基座段。当设置在打开的工具交换位置时，第一工具元件和第二工具元件能移除且能更换地耦接到工具基座部分。

第一滑轮元件具有形成在其上的第一滑轮表面特征，并且第二滑轮元件具有形成在其上的第二滑轮表面特征，并且第一工具元件具有形成在其上的第一表面特征，该第一表面特征在形状上与第一滑轮元件的第一滑轮表面特征互补，第二工具元件具有形成在其上的第二表面特征，该第二表面特征在形状上与第二滑轮元件的第二滑轮表面特征互补。第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和第二滑轮元件的第二滑轮表面特征被对齐，并且第一工具元件的第一表面特征和第二工具元件的第二表面特征在它们被设置在打开的工具交换位置时被对齐。在这个位置，第一工具元件和第二工具元件可以分别能移除且能更换地安装在第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和第二滑轮元件的第二滑轮表面特征上。

此外，第一工具元件具有形成在其上的第一连接表面特征，并且第二工具元件具有形成在其上的第二连接表面特征，该第二连接表面特征在形状上与第一连接表面特征互补，使得第一连接表面特征和第二连接表面特征在对齐时能够使第一工具元件和第二工具元件耦接在一起。第一连接表面特征包括凹槽，并且第二连接表面特征包括突出的导轨状元件。第一连接表面特征和第二连接表面特征可以配置成形成燕尾榫接头连接。

更进一步地，在组装第一工具元件和第二工具元件时，通过第一滑轮元件和第二滑轮元件中的一者或多者的旋转移动，第一工具元件和第二工具元件中的一者或多者选择性地旋转出打开的工具交换位置并旋转到一个或多个使用位置，从而将第一工具元件和第二工具元件锁定在一起。

本发明的设备还可以包括耦接到第一滑轮元件的第一导电弹簧元件和耦接到第二滑轮元件的第二导电弹簧元件，以及耦接到第一工具元件的第一导电接触元件和耦接到第二工具元件的第二导电接触元件。当组装在一起时，在使用期间，导电弹簧元件的一部分连续且直接地接触导电接触元件的一部分，并且独立于第一滑轮元件和第二滑轮元件的旋转位置。

本发明还涉及一种形成外科手术机器人系统的机器人单元的一部分的机器人手臂的腕部，该腕部包括：工具基座部分，工具基座部分通过连接器耦接到机器人手臂的末端部分；第一滑轮元件，第一滑轮元件能旋转地耦接到工具基座部分，其中，第一滑轮元件具有主体，主体具有形成在其上的第一滑轮表面特征；第二滑轮元件，第二滑轮元件能旋转地耦接到工具基座部分，其中，第二滑轮元件具有主体，主体具有形成在其上的第二滑轮表面特征；第一工具元件，第一工具元件具有主体，主体具有形成在其上的第一表面特征，第一表面特征在形状上与第一滑轮元件的第一滑轮表面特征互补；以及第二工具元件，第二工具元件具有主体，主体具有形成在其上的第二表面特征，第二表面特征在形状上与第二滑轮元件的第二滑轮表面特征互补。在设置在第一打开的工具交换位置时，第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和第二滑轮元件的第二滑轮表面特征彼此对齐。在这个位置，第一工具元件和第二工具元件可以分别能移除且能更换地安装在第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和第二滑轮元件的第二滑轮表面特征上。根据一个实施例，工具基座部分包括第一工具基座段和第二工具基座段，并且第一滑轮元件能旋转地耦接到第一工具基座段，并且第二滑轮元件能旋转地耦接到第二工具基座段。此外，当第一工具元件和第二工具元件能移除地安装在第一滑轮元件和第二滑轮元件上时，第一工具元件的第一表面特征与第一滑轮元件的第一滑轮表面特征配合并安置在其上，并且第二工具元件的第二表面特征与第二滑轮元件的第二滑轮表面特征配合并安置在其上。根据一个实施例，第一滑轮表面特征和第二滑轮表面特征中的每一者被成形和配置成凸台元件，并且第一表面特征和第二表面特征中的每一者包括槽。

本发明的工具基座段还具有主体，该主体在一端具有延伸部分，在相对端具有凸缘部分。延伸部分具有内表面和相对的外表面，并具有形成在其中的孔口。延伸部分的内表面具有形成在其中的凹部。第一工具基座段和第二工具基座段中的每一者的凸缘部分具有形成在其中的开口，用于安置连接器。此外，第一滑轮元件和第二滑轮元件中的每一者具有主体，该主体具有内表面和相对的外表面，该外表面具有形成在该外表面上并从该外表面上向外突出的连接元件。滑轮表面特征形成在主体的内表面上。第一滑轮元件和第二滑轮元件中的每一者的主体具有形成在其中的多个孔，并且多个孔的至少一部分的尺寸设计并配置安置控制线缆的一部分。更进一步地，第一滑轮元件的连接元件安置并被保持在形成于第一工具基座段的内表面中的凹部内，并且第二滑轮元件的连接元件安置并被保持在形成于第二工具基座段的内表面中的凹部内。

腕部还包括连接到第一滑轮元件的第一导电弹簧元件和连接到第二滑轮元件的第二导电弹簧元件。第一导电弹簧元件和第二导电弹簧元件中的每一者包括主体，该主体具有中央线圈元件、耦接到线圈元件一端的顶部凸片部分和耦接到线圈元件另一端的底部凸片部分。底部凸片部分耦接到容纳在工具基座部分内的电导线，并且线圈元件耦接到滑轮元件的外表面，并且顶部凸片部分的至少一部分耦接到滑轮元件的内表面。在使用期间，中央线圈元件配置成基于顶部凸片部分的移动而膨胀和收缩。

根据本发明，腕部可以包括耦接到第一工具元件的工作表面的第一导电接触元件，以及耦接到第二工具元件的工作表面的第二导电接触元件。此外，第一导电接触元件和第二导电接触元件的至少一部分配置成当分别安装到第一工具元件和第二工具元件时，分别接触第一导电弹簧元件和第二导电弹簧元件的顶部凸片部分的至少一部分。此外，在使用期间，第一导电接触元件和第二导电接触元件中的每一者的接触部分保持与第一导电弹簧元件和第二导电弹簧元件的相应部分的连续电接触。

附图说明

通过参考以下结合附图的详细描述，将更全面地理解本发明的这些和其他特征和优点，在附图中，相同的附图标记在不同的视图中指代相同的元件。附图示出了本发明的原理，并且虽然没有按比例绘制，但是示出了相对尺寸。

图1是实施本发明的机器人末端执行器的示例性外科手术机器人系统的示意图。

图2A和图2B是根据本发明教导的机器人单元的机器人手臂的透视图。

图3和图4是根据本发明第一实施例的机器人手臂的末端执行器部分的分解透视图。

图5是根据本发明教导的机器人手臂的末端执行器部分的一部分的局部组装视图。

图6是根据本发明教导的机器人手臂的完全组装的末端执行器部分的透视图。

图7A至图7D是根据本发明教导的末端执行器部分的工具基座部分和选定的末端执行器工具的透视图。

图8A是本发明的末端执行器部分的透视图，其示出了在使用期间安装在选定位置的安装好的工具元件。

图8B和图8C是本发明的末端执行器部分的透视图，其示出了处于打开的工具交换位置的安装好的工具元件，在打开的工具交换位置，工具元件可以安装在工具基座部分上或从其上移除。

图8D是组装时本发明的工具基座部分的透视图。

图9是本发明的末端执行器部分的局部透视图，其示出了处于打开的工具交换位置的安装好的工具元件，在打开的工具交换位置，工具元件可以安装在工具基座部分上或从其上移除。

图10A至图10C是本发明的末端执行器部分的局部透视图，其示出了在使用期间安装在选定位置的安装好的工具元件。

图11是根据本发明教导的工具基座部分的透视图。

图12A至图12C是工具基座部分的选定部件的局部透视图，其示出了用于驱动本发明的滑轮元件的线缆。

图13A是根据本发明第二实施例的机器人手臂的末端执行器部分的侧面透视图。

图13B是根据本发明教导的图13A的机器人手臂的末端执行器部分的前透视图。

图14A至图14E是根据本发明教导的末端执行器部分的分解视图。

图15是根据本发明教导的末端执行器部分的分解透视图。

图16A至图16C分别是根据本发明教导的机器人手臂的末端执行器部分的滑轮元件的前视图、侧视图和后视图。

图17A是根据本发明教导的末端执行器部分的导电弹簧元件的前视图。

图17B是根据本发明教导的末端执行器部分的导电弹簧元件的侧视图。

图17C是根据本发明教导的处于第一示例性操作位置的导电弹簧元件的前视图。

图17D是根据本发明教导的处于第二示例性操作位置的导电弹簧元件的前视图。

图18A是根据本发明教导的具有耦接到其上的导电弹簧元件的滑轮元件的前视图。

图18B是根据本发明教导的具有耦接到其上的导电弹簧元件的滑轮元件的后视图。

图19A是机器人手臂的末端执行器部分的局部剖视图，其示出了根据本发明教导的导电弹簧元件和内部电线的连接。

图19B是机器人手臂的末端执行器部分的特写局部剖视图，其示出了根据本发明教导的导电弹簧元件和内部电线的连接。

图20A和图20B是本发明的工具元件的前侧透视图，其示出了用于将工具元件耦接在一起的配合表面特征。

图21是根据本发明教导的当安装在相应滑轮元件上的工具元件中的一者的透视图。

图22A和图22B是根据本发明教导的耦接在一起时工具元件的透视图。

图23A是根据本发明教导的当安装到滑轮元件的凸台元件时工具元件的前透视图。

图23B是根据本发明教导的当安装到滑轮元件的凸台元件上时工具元件的后透视图。

图23C是根据本发明教导的当安装到滑轮元件的凸台元件上时工具元件的侧视图。

图24A是根据本发明教导的当安装到滑轮元件时工具元件和相关联的导电接触元件的前透视图。

图24B是根据本发明教导的当安装到滑轮元件时工具元件和相关联的导电接触元件的后透视图。

图25是根据本发明的安装到滑轮元件上时工具元件的侧面透视图。

图26A是根据本发明教导的当安装到滑轮元件上的工具元件的后透视图。

图26B是根据本发明教导的当安装到相应滑轮元件上的工具元件的前透视图。

具体实施方式

在下面的描述中，阐述了关于本发明的系统和方法以及该系统和方法可以运行的环境的许多具体细节，以提供对所公开的主题的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，所公开的主题可以在没有这些具体细节的情况下实践，并且本领域众所周知的某些特征未被详细描述以避免复杂化并且提高所公开主题的清楚性。此外，应当理解，下文提供的任何示例仅是说明性的，不应被解释为限制性方式，并且本发明人预期可以采用其他系统、装置和/或方法来实现或补充本发明的教导并被认为在本发明的范围内。

虽然本发明的系统和方法可以设计为与采用作为虚拟现实手术系统的一部分的一个或多个手术机器人系统一起使用，但是本发明的机器人系统可以结合任何类型的手术系统被采用，这些手术系统包括例如机器人外科手术系统、直杆式外科手术系统和腹腔镜系统。此外，本发明的系统可以用于其他非外科手术系统，其中用户需要访问大量信息，同时控制设备或装置。

本发明采用机器人子系统，该机器人子系统包括外科手术机器人单元，该外科手术机器人单元可以通过套管针经由单个切口点或部位插入患者体内。该机器人单元足够小以在体内外科手术部位调动，并且在插入时具有足够的可操作性以能够在体内移动，从而在多个不同的点或部位执行各种外科手术。外科手术机器人单元包括多个独立的机器人手臂，这些机器人手臂可以沿着不同的或独立的轴线在患者体内调动。此外，外科手术相机组件也可以沿着单独的轴线调动。因此，外科手术机器人单元采用多个不同的部件，诸如一对机器人手臂和外科手术或机器人相机组件，它们中的每一者可以沿着不同的轴线调动，并且可以单独操作、操纵和移动。可以沿着分离的和可操作的轴线设置的机器人手臂和相机组件在本文中被称为分离手臂(SA)架构。SA架构被设计成简化并提高机器人外科手术器械通过单个套管针在单个插入部位插入的效率，同时伴随地帮助将外科手术器械调动成外科手术准备状态以及随后通过套管针取出外科手术器械。举例来说，外科手术器械可以通过套管针插入，以进入并在患者的腹腔内进行体内外科手术。在一些实施例中，可以使用各种外科手术器械，包括但不限于机器人外科手术器械，以及本领域已知的其他外科手术器械。

本文公开的系统和方法可以与例如专利号为10,285,765的美国专利和序列号为PCT/US20/39203的PCT专利申请中公开的机器人外科手术设备和相关联系统、和/或与公开号为2019/0076199的美国公开中公开的相机组件和系统结合和利用，其中，所有前述专利、专利申请和公开的内容和教导均通过引用并入本文。构成本发明一部分的外科手术机器人单元可以构成外科手术机器人系统的一部分，该外科手术机器人系统包括外科医生工作站、用户工作站和机器人支持系统(RSS)，外科医生工作站包括适当的传感器和显示器，机器人支持系统(RSS)用于与本发明的机器人子系统交互并支持机器人子系统。机器人子系统包括马达单元和外科手术机器人单元，外科手术机器人单元包括一个或多个机器人手臂和一个或多个相机组件。机器人手臂和相机组件可以形成单支撑轴线机器人系统的一部分，或者可以形成分手臂(SA)架构机器人系统的一部分。机器人支撑系统可以提供多个自由度，使得机器人单元可以在患者体内被操纵到单个位置或多个不同位置。在一个实施例中，机器人支撑系统可以直接安装到外科手术台或手术室的地板或天花板。在另一个实施例中，通过各种紧固装置实现安装，紧固装置包括但不限于夹具、螺钉或其组合。在其他实施例中，结构可以是独立式的。机器人支撑系统可以安装耦接到外科手术机器人单元的马达组件，该外科手术机器人单元包括机器人手臂和相机组件。马达组件可以包括齿轮、马达、传动系统、电子设备等，它们用于为外科手术机器人单元的部件提供动力。

机器人手臂和相机组件能够多自由度移动。根据一种实践，当机器人手臂和相机组件通过套管针插入患者体内时，它们能够至少在轴向、偏转、俯仰和滚动方向上移动。机器人手臂组件被设计成结合并利用多自由度移动机器人手臂，该机器人手臂具有安装在其远端的末端执行器，末端执行器对应于用户的手腕区域或关节。在其他实施例中，机器人手臂的工作(例如，末端执行器端)被设计成结合并利用其他机器人外科手术器械，诸如例如在美国公开号2018/0221102中提出的外科器械，其内容通过引用并入本文。

图1是根据本发明教导的外科手术机器人系统10的示意框图描述。系统10包括显示设备或单元12、虚拟现实(VR)计算单元14、感测和跟踪单元16、计算单元18和机器人子系统20。显示单元12可以是任何选定类型的显示器用于显示由VR计算单元14、计算单元18和/或机器人子系统20生成的信息、图像或视频。显示单元12可以包括或形成例如头戴式显示器(HMD)、屏幕或显示器、三维(3D)屏幕等的一部分。显示单元还可以包括可选的传感器和跟踪单元16A，例如可以在市售的头戴式显示器中找到。感测和跟踪单元16和16A可以包括一个或多个传感器或检测器，该传感器或检测器耦接到系统的用户，诸如例如护士或外科医生。传感器可以耦接到用户的手臂，如果不使用头戴式显示器，则附加传感器也可以耦接到用户的头部和/或颈部区域。这种排布中的传感器由传感器和跟踪单元16表示。如果用户采用头戴式显示器，则眼睛、头部和/或颈部传感器和相关联的跟踪技术可以内置或采用于该设备内，并因此形成可选的传感器和跟踪单元16A的一部分。耦接到外科医生手臂的传感器和跟踪单元16的传感器可以优选地耦接到手臂的选定区域，诸如例如肩部区域、肘部区域、腕部或手部区域，并且如果需要的话可以耦接到手指。根据一种实践，传感器耦接到由外科医生操纵的一对手控制器。传感器生成指示用户所选部分的位置的位置数据。感测和跟踪单元16和/或感测和跟踪单元16A可以用于控制相机组件44和机器人子系统20的机器人手臂42的移动。由传感器和跟踪单元16的传感器生成的位置数据34可以被传送到计算单元18以供处理器22处理。计算单元20可以根据位置数据34确定或计算外科医生手臂的每个部分的位置和/或定向，并将该数据传送到机器人子系统20。根据替代实施例，感测和跟踪单元16可以采用耦接到外科医生的躯干或任何其他身体部位的传感器。此外，感测和跟踪单元16除了传感器之外还可以采用具有例如加速度计、陀螺仪、磁力计和运动处理器的惯性动量单元(IMU)。附加磁力计是该领域的标准做法，因为磁航向可以减少传感器绕竖直轴线的漂移。替代实施例还包括放置在诸如手套、外科手术洗消液或外科手术罩衣的外科手术材料中的传感器。传感器可以是可重复使用的或一次性的。此外，传感器可以布置在用户的外部，诸如在固定位置，诸如手术室的房间中。外部传感器可以生成外部数据36，该外部数据36可以由计算单元处理并因此被系统10采用。在其他实施例中，有传感器位于用户操作的机械联动装置上。传感器产生信号，该信号用作将由计算单元处理的输入。根据另一个实施例，当显示单元12是采用相关联的传感器和跟踪单元16A的头戴式设备时，该设备生成由VR计算单元14接收并处理的跟踪和位置数据34A。此外，如果需要，传感器和跟踪单元16可以包括手部控制器。显示器、传感和跟踪单元、VR计算单元等可以形成外科医生或远程工作站的一部分。

在显示器是HMD的实施例中，显示单元12可以是虚拟现实头戴式显示器，诸如例如Oculus Rift、Varjo VR-1或HTC Vive Pro Eye。HMD可以为用户提供耦接或安装到用户头部的显示器、允许显示器的聚焦视图的透镜、以及提供显示器的位置和定向跟踪的传感器和/或跟踪系统16A。位置和定向传感器系统可以包括例如加速度计、陀螺仪、磁力计、运动处理器、红外跟踪、眼睛跟踪、计算机视觉、交变磁场的发射和感测，以及跟踪位置和定向中的至少一个或其任何组合的任何其他方法。众所周知，HMD可以将来自相机组件44的图像数据提供给外科医生的右眼和左眼。为了保持外科医生的虚拟现实体验，传感器系统可以跟踪外科医生头部的位置和定向，然后将数据中继到VR计算单元14，如果需要，还可以中继到计算单元18。计算单元18还可以进一步调节机器人的相机组件44的摇摄(pan)和倾斜以便跟随用户头部的移动。

由传感器生成的传感器或位置数据34A如果与HMD相关联，诸如例如与显示单元12和/或跟踪单元16A相关联，则可以直接或经由VR计算单元14传送到计算单元18。同样，由系统中的其他传感器生成的跟踪和位置数据34，例如来自可以与用户的手臂和手部相关联的感测和跟踪单元16的跟踪和位置数据34可以被传送到计算单元18。跟踪和位置数据34、34A可由处理器22处理并可存储在例如存储单元24中。跟踪和位置数据34、34A也可由控制单元26使用，其作为响应可生成控制信号用于控制机器人子系统20的一个或多个部分的移动。机器人子系统20可以包括用户工作站、机器人支撑系统(RSS)、马达单元40和可植入外科手术机器人单元50，其包括一个或多个机器人手臂42和一个或多个相机组件44。根据一个实施例，马达单元40可以形成机器人支撑系统的一部分。可植入机器人手臂42和相机组件44可以形成单支撑轴线机器人单元的一部分，诸如在美国专利No.10,285,765中公开和描述的，或者可以形成分手臂(SA)架构机器人系统的一部分，诸如在PCT专利申请号PCT/US20/39203所公开或描述的。

控制单元26生成的控制信号可以被机器人子系统20的马达单元40所接收。马达单元40可以包括一系列伺服马达和齿轮，它们配置成单独地驱动机器人单元50的机器人手臂42和相机组件44。可以控制机器人手臂42以跟随由相关联的传感器感测到的外科医生手臂的按比例缩小的移动或运动。机器人手臂42可具有可与用户的肩、肘和腕关节以及手指相关联的移动相关联的部分或区域。例如，机器人肘关节可以跟随人手肘的位置和定向，机器人手腕关节可以跟随人手腕的位置和定向。机器人手臂42还可以具有与其相关联的端部区域，该端部区域可以终止于跟随用户的一个或多个手指的移动的末端效应器或抓取器，诸如例如当用户将食指和拇指捏在一起时的食指。当机器人的手臂跟随用户的手臂移动时，机器人的肩膀固定在适当的位置。在一个实施例中，从用户手臂的位置和定向中减去用户躯干的位置和定向。这种减法允许用户在机器人手臂不移动的情况下移动他或她的躯干。

机器人相机组件44配置成向外科医生提供图像数据48，例如操作或手术部位的实况视频馈送，以及使外科医生能够致动和控制形成相机组件44一部分的相机。相机组件44优选地包括一对相机，其光轴轴向地间隔开选定的距离，称为相机间距离，以提供手术部位的立体视图或图像。外科医生可以通过头戴式显示器的移动或经由耦接到外科医生头部的传感器，或通过使用跟踪用户头部或手臂运动的手控制器或传感器来控制相机的移动，从而能使外科医生以直观和自然的方式获得所需的手术部位视图。相机可在多个方向上移动，包括例如在偏航、俯仰和滚动方向上，如所知的那样。立体相机的部件可以配置成提供感觉自然和舒适的用户体验。在一些实施例中，可以修改相机之间的轴间距离以调节用户感知的操作部位的深度。

根据一个实施例，相机组件44可以通过外科医生头部的移动而致动。例如，在手术过程中，如果外科医生希望观察位于当前视野(FOV)上方的物体，则外科医生会向上看，这会导致立体相机从用户的视角绕俯仰轴向上旋转。由相机组件44生成的图像或视频数据48可以显示在显示单元12上。如果显示单元12是头戴式显示器，则显示器可以包括内置跟踪和传感器系统16A，其获得用于HMD的偏航、俯仰和滚动方向的原始定向数据以及HMD的笛卡尔空间(x,y,z)中的位置数据。然而，可替代的跟踪系统可以用于提供显示器的补充位置和定向跟踪数据，以代替或补充HMD的内置跟踪系统。

由相机组件44生成的图像数据48可以被传送到虚拟现实(VR)计算单元14并可以由VR或图像渲染单元30处理。图像数据48可以包括静止照片或图像数据以及视频数据。VR渲染单元30可以包括合适的硬件和软件，用于处理图像数据，接着渲染图像数据以供显示单元12显示，如本领域已知的那样。此外，VR渲染单元30可以将从相机组件44接收的图像数据与相机组件中相机的位置和定向相关联的信息以及与外科医生头部的位置和定向相关联的信息组合起来。利用该信息，VR渲染单元30可以生成输出视频或图像渲染信号并将该信号传输到显示单元12。也就是说，VR渲染单元30渲染手控制器的位置和定向读数以及头部位置外科医生的信息用于在显示单元中显示，诸如例如在外科医生佩戴的HMD中。

VR计算单元14还可以包括虚拟现实(VR)相机单元38，用于生成一个或多个虚拟现实(VR)相机以在显示单元12中显示的VR世界中使用或放置。VR相机单元38可以在虚拟世界中生成一个或多个虚拟相机，并且系统10可以采用它来渲染头戴式显示器的图像。这确保了VR相机始终呈现与佩戴头戴式显示器的用户看到的立方体贴图相同的视图。在一个实施例中，可以使用单个VR相机，而在另一实施例中，可以采用单独的左眼和右眼VR相机来渲染到显示器中单独的左眼和右眼立方体贴图上，以提供立体视图。VR相机的FOV设置可以自行配置成相机组件44发布的FOV。除了为实时相机视图或图像数据提供上下文背景外，立方体贴图还可以用于在虚拟物体上生成动态反射。这种效果允许虚拟物体上的反射表面从立方体贴图上拾取反射，使这些物体在用户看来就像它们实际上在反射真实世界的环境一样。

机器人子系统20可以采用可沿不同或分开的轴线展开的多个不同的机器人手臂42。此外，可以采用多个不同的相机元件的相机组件44也可以沿公共分离轴线展开。因此，手术机器人单元采用多个不同的部件，诸如一对分开的机器人手臂和相机组件44，它们可沿不同的轴线展开。此外，机器人手臂42和相机组件44是可分开操纵、可调动的和可移动的。包括机器人手臂和相机组件的机器人子系统20可以沿着分离的可操纵轴线设置以形成SA架构。SA架构被设计成通过单个套管针在单个插入点或位置简化和提高机器人外科手术器械的插入效率，同时协助将手术器械调动到手术准备状态，以及随后的通过套管针的手术器械的移除。举例来说，手术器械可以通过套管针插入以进入患者的体腔并在体内进行操作。在一些实施例中，可以使用各种手术器械，包括但不限于机器人外科手术器械，以及本领域已知的其他手术器械。

在一些实施例中，本发明的机器人子系统20由具有多个自由度的结构支撑，使得机器人手臂42和相机组件44(例如，机器人单元50)可以在患者体内被调动到单个位置或多个不同的位置。在一些实施例中，机器人子系统20可以直接安装到手术台或手术室内的地板或天花板，或任何其他类型的支撑结构。在其他实施例中，安装通过各种紧固装置实现，包括但不限于夹具、螺钉或其组合。在更进一步的实施例中，支撑结构可以是独立的。支撑结构在本文中被称为机器人支撑系统(RSS)。RSS可以形成整个手术机器人系统10的一部分，该系统可以包括允许外科医生在患者体内执行虚拟手术的虚拟站。

在一些实施例中，手术机器人系统10的RSS可以可选地包括马达单元40，该马达单元40在一端耦接到机器人单元50并且在相对端耦接到可调节的支撑构件或元件。可替代地，如本文所示，马达单元40可以形成机器人子系统20的一部分。马达单元40可以包括齿轮、一个或多个马达、动力传动系统、电子设备等，用于为机器人手臂和相机组件(例如，机器人单元50)的一个或多个部件提供动力和驱动。机器人单元50可以选择性地耦接到马达单元40。根据一个实施例，RSS可以包括支撑构件，该支撑构件具有耦接到其远端的马达单元40。马达单元40又可以耦接到相机组件44和每个机器人手臂42。支撑构件可以配置和被控制为线性地，或者在任何其他选择的方向或定向上移动机器人单元50的一个或多个部件。

马达单元40还可以向机器人单元50提供机械动力、电力、机械通信和电子通信，并且还可以包括可选的控制器，用于处理来自一个或多个系统组件(例如，显示器12、感测和跟踪单元16、机器人手臂42、相机组件44等)，并响应于此生成控制信号。马达单元40还可以包括用于存储数据的存储元件。可替代地，马达单元40可以由计算单元18控制。马达单元40因此可以生成用于控制一个或多个马达的信号，接着可以控制和驱动机器人手臂42(包括例如每个机器人手臂的每个铰接关节的位置和定向)以及相机组件44。马达单元40可以进一步提供平移或线性自由度，其首先用于通过合适的医疗设备插入和移除机器人单元50的每个部件，例如套管针108。当通过套管针108插入到患者100时，马达单元40也可以用于调节每个机器人手臂42的插入深度。

本发明的目的是能够以简单有效的方式调换形成本发明的机器人手臂的末端执行器的工具。能够容易调换工具允许用户(诸如外科医生)仅移除和更换机器人手臂的末端执行器部分，而不是更换通常附接有专用工具的整个机器人手臂。工具元件的移除和更换可以在患者体内或体外完成。由于不需要更换整个机器人手臂，本发明的机器人手臂减少了成本和浪费，因为用户不需要使用整套机器人手臂和相关联的工具。

图2A和图2B示出了根据本发明第一实施例的外科手术机器人单元50的机器人手臂42的选定部件的总体设计，其允许用户更换机器人手臂的末端执行器，而不需要更换整个机器人手臂。这样，本发明的机器人手臂的末端执行器区域提供了易于使用的高功能机械连接，其允许工具的容易移除和更换。为了简单起见，仅示出了单个机器人手臂，尽管第二个机器人手臂或随后的机器人手臂在形式和功能上可以相似或相同。图示的机器人手臂42可以包括一系列铰接段52，这些关节段52形成对应于人手臂关节的关节区段。这样，铰接段52可以构造和组合以提供旋转和/或铰接移动，从而模仿人手臂的不同部分，诸如例如肩关节或区域、肘关节或区域以及腕关节或区域58。机器人手臂42的铰接段52配置成提供线缆驱动的旋转移动，例如，但是在合理的旋转极限的范围内。铰接段52配置成以最小的尺寸提供最大的扭矩和速度。铰接段52机械耦接在一起，并终止于末端执行器部分或段54。末端执行器部分54包括工具基座部分56，该工具基座部分56可以在其中结合要使用的任何选定的外科手术工具，以便执行期望的或选定的外科手术。例如，工具基座部分56安装一对工具元件80、82。在当前示例中，工具元件是夹持器，尽管本领域普通技术人员将容易认识到可以使用任何选定类型的外科手术工具。如图2B所示，末端执行器部分54和相邻的手臂段52形成机器人手臂的腕部或关节58。末端执行器部分54在例如图3至图12C中详细示出。

如图2A至图6所示，末端执行器部分54包括相对的工具基座段60和62、滑轮元件70和滑轮元件72以及工具元件80和工具元件82，工具元件80和工具元件82示出为一对夹持器或夹持器元件。工具基座部分56通过经由突起(诸如柱)将滑轮元件70安装到工具基座段60来被组装。类似地，滑轮元件72经由类似的柱安装到工具基座段62。在一些实施例中，工具元件80经由机械干涉连接安装或耦接到滑轮元件70，以便最小化反冲并形成更紧密的连接，诸如例如通过如图5、图7A至图7D、图9和图10A至图10C所示的互锁设备。类似地，工具元件82经由类似的布置安装到滑轮元件72。带有工具元件80、82的组装好的工具基座如图6所示。工具基座段10、62中的每一者可以分别包括连接凸缘64、66，连接凸缘64、66中的每一者具有形成在其中的开口。该开口可以耦接到形成在机器人手臂42的末端部分处的合适的连接器。

如图所示，工具基座部分56可以包括两个独立驱动的旋转滑轮元件70、72。当滑轮元件设置成使得将工具元件打开到比外科手术中需要的角度更宽的角度(例如，打开的工具交换位置)时，滑轮元件上的机械特征对齐并允许工具元件容易地从其移除，诸如通过滑离而移除，或者通过根据选定的打开的几何形状将工具轻轻推离工具基座。具体地，可旋转滑轮元件70、72中的每一者具有形成在其上的凸台元件，该凸台元件配置成与形成在相应工具元件80、82中的互补形状的凹槽或切口接合。当工具元件被放置在空的工具交换基座(图11)上时，在由滑轮元件的凸台元件和工具元件的切口形成的机械接口与漏斗状斜面(图4和图10)自对齐，以便能够以销状对齐的方式精确地定位在基座内。这种漏斗和销的组合形状允许不太精确的放置，从而总是导致工具元件在远离打开的工具交换位置的任何小的驱动移动之后自紧固或安装在工具基座内。这种精确的机械对齐也可以对齐任何需要的电触点，而不需要任何额外的工作或复杂性，因此允许工具元件能够立即被致动并使用。

当工具元件(例如夹持器)过度延伸到打开的工具交换位置时，通过使用在正常工具移动期间使用的相同致动运动来释放工具，增加了工具元件互锁特征，而不需要任何额外的致动线缆或马达。通过使每个工具元件以机械方式互锁，可以将工具的两侧定向到特定位置，以便释放工具。因此，当前的工具安装设计允许工具元件在闭合或部分闭合位置仍然在整个运动范围内移动，这些是外科医生在外科手术期间需要使用工具的位置。

传统的外科手术机器人系统需要将相关联的手臂或腹腔镜工具完全从患者体内取出，以便在外科手术期间用另一个工具调换。如果需要，本发明允许在患者体内进行这种调换，而不需要手臂的额外自由度或限制工具的可用范围。工具调换可以通过将工具导引器插入患者体内以调动合适的工具调换器械来进行。根据另一种实践，工具元件可以通过使用相对的机器人手臂或者通过允许工具元件在工具移除期间滑落来移除。通过在患者体内移动工具调换设备，外科手术过程可以变得更快、更自动化，并且材料消耗更少。可替代地，工具交换或调换也可以在患者体外进行。

图7A至图7D示出了相对于彼此设置在不同位置的工具元件80、82。例如，如图7A所示，工具元件80、82可以相对于彼此定位到打开的工具交换位置，使得工具元件的机械特征(例如，槽或楔形元件)与相应滑轮元件70、72的相应表面特征(例如，凸台)对齐。当设置在打开的工具交换位置时，工具元件可以分开预定的角距离。根据一个实施例，角距离大约为180度，尽管也可以使用其他或不同的角距离。当设置在打开的工具交换位置时，工具元件之间的角距离优选地不模拟或者类似于在外科手术使用期间工具元件之间的正常或典型的角间距。工具元件80、82因此可以容易地滑入正确的安装位置。图7B和图7C示出了安装期间工具元件和滑轮元件的匹配特征。当工具元件80、82向下滑动或推动到相应的滑轮元件70、72上时，槽和凸台的漏斗状匹配自动地将工具元件接合和对齐到初始打开的工具交换位置，如图所示。图7D示出了，当工具元件80、82通过滑轮元件开始朝向彼此移动时，工具元件由于销状顶部对齐特征和工具元件中的共用轴(例如，柱或销)而锁定就位。

图8A至图8D、图9、图10A至图10C和图11示出了在末端执行器段作为本发明的机器人手臂42的一部分使用期间工具元件80、82的移动和操作。具体来说，图8A和图10A至图10C示出了处于许多不同操作位置中的一个位置的工具元件80、82，其中，示出为夹持器的工具元件80、82锁定在工具基座部分56中，并且可以作为机器人手臂的一部分用于在外科手术期间抓住、拉动或推动患者体内的任何选定的设备或组织。如图8B、图8C和图9所示，当需要将不同的工具元件附接到工具基座部分时，滑轮元件可以将工具元件驱动到完全打开的工具交换位置(图7A)以便允许或使得工具元件能够从基座移除。如上所述，通过使用由工具导引器定位在患者体内的单独的工具器械或者通过使用相对的机器人手臂，可以在患者体内进行工具交换。当正确配置时，诸如如图7B和图8B所示，工具元件80、82可以通过简单地相对于基座提起元件来移除，并且工具元件可以根据需要储存在外科手术部位或从患者体内移除。图8D和图11示出了移除工具元件时或安装工具元件之前的工具基座。这样，工具基座部分56准备好在其中接收工具元件。

图12A至图12C示出了与工具基座部分56的滑轮元件70、72相关联的致动机构，用于移动工具元件80、82。如图所示，单个滑轮元件由致动机构驱动，致动机构可以包括一对线缆90、92。线缆90、92从底部进入滑轮，缠绕滑轮的选定部分以便驱动滑轮，然后继续缠绕在滑轮内部以产生更大的摩擦。最后，线缆每一者以结或其他方式终止(如直径增大的区域所示)，并且任何剩余的尾部都被塞入袋中。图12B示出了图12A的滑轮的另一侧。图12C示出了工具基座部分56，该工具基座部分56具有所有四根驱动线缆(每侧有一对相对的驱动线缆)，并耦接到相应的滑轮元件。

图13A和图13B示出了根据本发明第二实施例的外科手术机器人单元50的机器人手臂42的选定部件的总体设计。在各个视图中，相同的附图标记表示相同的零件。为了简单起见，仅示出了单个机器人手臂，尽管第二个机器人手臂或随后的机器人手臂在形式和功能上可以相似或相同。类似于前述实施例，机器人手臂42可以包括一系列铰接段52，这些铰接段52形成对应于人手臂关节的关节部分。这样，铰接段52可以构造和组合以提供旋转和/或铰接移动，从而模仿人手臂的不同部分，诸如例如肩关节或区域、肘关节或区域以及腕关节或区域58。例如，机器人手臂42的铰接段构造成提供线缆驱动的旋转移动，但是在合理的旋转限制的范围内。铰接段配置成以最小的尺寸提供最大的扭矩和速度。铰接段可以机械耦接在一起，并终止于末端执行器部分或段54。末端执行器部分54包括工具基座部分56，该工具基座部分56可以在其中结合要使用的任何选定的外科手术工具，以便执行期望的或选定的外科手术。例如，工具基座部分56安装一对工具元件102、104。在当前示例中，工具元件是夹持器或抓取器，尽管本领域普通技术人员将容易认识到可以使用任何选定类型的外科手术工具。如图13B所示，末端执行器部分54和相邻的手臂段52形成机器人手臂的腕部或关节58。末端执行器部分54在例如图14A至图26B中详细示出。

图14A和图14B是根据本发明教导的机器人手臂42的末端执行器部分54的分解视图。图示的末端执行器部分54包括工具基座部分54，该工具基座部分54包括可以通过轴或轴元件110连接在一起的一对工具基座段106、108。轴元件可以由任何选定的材料形成，并且优选地由非导电材料(诸如陶瓷)形成。末端执行器部分54还包括一对滑轮元件120、122，它们分别耦接到工具基座段106、108。末端执行器部分54还包括一对导电弹簧元件，该对导电弹簧元件用于经由一对导电接触元件160、162将电外科手术能量耦接到工具元件102、104。导电接触元件160、162分别耦接到工具元件102、104。

如图15所示，图示的工具基座部分56包括相对的一对工具基座段106、108。工具基座段中的每一者包括主体112A、112B，主体112A、112B包括凸缘部分114A、114B，凸缘部分114A、114B可以配置成耦接到机器人手臂42的相邻手臂段52。主体具有从相应的凸缘部分114A、114B向上延伸的延伸部分118A、118B。凸缘部分中的每一者具有形成在其中的凹部204，用于接收滑轮元件120、122的相应部分。具体地，滑轮元件120、122的连接元件132安置于凹部204内。延伸部分118A、118B还分别包括孔口206A、206B，用于接收和安置轴元件110。此外，凸缘部分114A、114B具有形成在其中的开口208，用于连接到机器人手臂的终端部分。

图16A至图16C示出了本发明的末端执行器部分54的滑轮元件120。为了简单起见，我们在本文中仅描述滑轮元件120，因为滑轮元件122具有相同的特征。滑轮元件120具有主体124，主体124具有内表面126A和相对的外表面126B。主体124具有用于安置轴元件110的中央孔口128，以及用于安置相应线缆90、92的一部分的多个孔136，线缆90、92用于控制滑轮元件的圆环形移动或旋转移动。孔136可以具有相同或不同的形状，并且可以具有不同的尺寸。内表面126A具有形成在其上的表面特征，并且优选为凸起或突出的凸台元件130。凸台元件130可以具有任何选定的形状或配置，并且可以具有任何选定的尺寸。如本文所述，凸台元件130优选以与工具元件中的一者的接收部分互补的方式成形。滑轮元件的外表面126B也具有形成在其上的表面特征，并且优选地形成为凸起或突出的连接元件132。连接元件132可以具有任何选定的形状或尺寸，并且优选地具有圆形或圆环形形状。连接元件132可以包括较窄的基座部分，该较窄的基座部分耦接到外表面126B，以便形成凹槽134。凹槽134配置用于接收线缆90、92的远侧末端的一部分，以便在使用期间储存线缆的远侧末端部分。连接元件132适于安置在主体204内。主体124还包括槽138，该槽138配置成用于安置导电弹簧元件140的一部分，以便将弹簧元件紧固到其上。滑轮元件120、122为线缆驱动的部件，其可以基于线缆位置来控制工具元件102、104的定向或旋转位置。

导电弹簧元件140例如在图17A至图19B中示出。为了简单起见，我们在本文中仅描述导电弹簧元件140，因为导电弹簧元件142具有相同的特征。图示的导电弹簧元件140具有主体144，主体144具有中央线圈元件146，中央线圈元件146具有耦接到顶部凸片部分150的一个线圈末端148A和耦接到相对的或底部凸片部分152的相对的线圈末端148B。中央线圈元件146可以根据一个或多个凸片部分的位置膨胀和收缩。底部凸片部分152具有弯曲的末端部分154，如图17B。顶部凸片部分150包括用于耦接到滑轮元件120的连接元件156。中央线圈元件146安置于滑轮元件120的外表面126B的中央部分内，图18B，并且顶部凸片部分150穿过形成在滑轮元件120的主体124中的中央槽158到达滑轮元件的内表面126A。然后，凸片部分150沿着内表面126A通过，直到连接元件156安置于槽138内。底部凸片部分152的弯曲部分154接触并连接到工具基座段106的一部分。底部凸片部分152还连接到穿过机器人手臂42到达腕部58的电源线170的终端。凸片部分152可以通过任何已知的方式，诸如例如通过焊接或通过已知的电线连接器，紧固到电线170。底部凸片部分152因此相对于主体204设置在固定位置。突出部分150与滑轮元件120一起旋转。此外，当凸台元件130设置在打开的工具交换位置时，例如如图16A和图18A所示，工具元件102可以在凸起元件130上滑动并滑离凸起元件130。在这个位置，顶部凸片部分和底部凸片部分152沿着相反的方向定向，并且分开大约180度设置，如图17C所示。当滑轮元件120被线缆90、92旋转远离打开的工具交换位置时，顶部凸片部分150相对于固定的底部凸片部分152移动。当滑轮元件120以及因此凸台元件130从打开的工具交换位置旋转大约90度时，则顶部凸片部分152也进一步旋转90度，并且相对于底部凸片部分152成直角设置，如图17D所示。导电弹簧元件140可以由任何导电材料(诸如例如金属)制成。导电弹簧元件140允许不同类型的电能(例如单极和双极电能)与工具元件电连接或通信，诸如在电外科手术和电灼式手术的过程中。

图示的工具元件102、104在图20A至图25中更详细地示出。图示的工具元件可以具有任何选定的形状和尺寸，并且可以包括例如抓取器或夹持器、缝合设备、剪刀等。图示的工具元件102、104配置成被连接以形成组合的外科手术工具。工具元件102例如包括主体180，该主体180具有用于与另一设备或组织接合的接合末端182，以及用于将工具元件102紧固到相应的滑轮元件(诸如例如滑轮元件120)的紧固末端184。接合末端182可以包括任何选定类型的表面，并基于工具的预期用途和目的提供任何选定类型的功能。例如，在当前的示例中，抓取器可以包括滚花或锯齿状的工作表面116A，以增强工具的抓取能力。此外，如果需要，接合末端182可以可选择地安装导电接触元件160，用于向外科手术部位提供外科手术能量。紧固末端184包括形成在其中的表面特征，诸如例如与形成在滑轮元件120的内表面126A上的凸台元件130形状互补的槽186。槽186和凸台元件130的连接和配合接合将工具元件102能旋转地紧固到滑轮元件120。工具元件102、104可以通过任何选择的连接技术紧固或耦接在一起，并且优选地使用燕尾榫接头配置耦接在一起。燕尾榫接头将工具元件102、104以这样的一种难以将工具元件拉开的方式紧固在一起，因为接头具有相对较高的抗拉强度。例如，工具元件102具有表面特征，该表面特征形成在紧固末端184的第一内表面188A上。紧固末端184还包括相对的面向外的表面188B。该表面特征可以包括例如凹槽或插座190，其尺寸设计并配置成接收导轨或尾部。凹槽190具有底切配置，以便适当地安置相应的导轨部分。凹槽190还包括一个或多个加宽区段192，加宽区段192安置导轨部分的相应部分。

类似地，工具元件104包括主体180，主体180具有接合末端182和紧固末端184，接合末端182用于在外科手术部位与另一个设备或组织接合，紧固末端184用于将工具元件104紧固到相应的滑轮元件，诸如例如紧固到滑轮元件122。紧固末端184还具有形成在其中的表面特征，诸如例如与形成在滑轮元件122的内表面126A上的凸台元件130形状互补的槽186。槽186和凸台元件130的连接和配合接合将工具元件104能旋转地紧固到滑轮元件122。图示的工具元件104还具有形成在紧固末端184的第一面向内的表面188A上的表面特征。该表面特征可以包括例如导轨或尾部196，导轨或尾部196的尺寸设计并配置成安置在凹槽190中。导轨部分196还包括一个或多个加宽部分或区段198，加宽部分或区段198在形状和尺寸上与凹槽190的加宽区段192互补。如图22A和图22B所示，可以通过将凹槽190的加宽区段192与导轨196的加宽区段198对齐而将工具元件102和104固定在一起。在这个初始配置中，接合末端182、182相对于彼此设置成使得它们形成大于180度的角度，如图所示。接合末端的这个初始位置使它们远远超过打开的工具交换位置180度，这样，工具元件102、104彼此紧固。当对齐时，导轨196可以插入到凹槽190中，然后旋转，以便将加宽部分198移动到凹槽190中。例如，工具接合末端182、182可以移动到正常关闭位置，如图22B所示。

图23A至图25示出了工具元件102、104在滑轮元件上的安装，诸如例如在滑轮元件120上的安装。图23A至图23C示出了工具元件102、104相对于滑轮元件120的凸台元件130的定位，使得槽186与凸台元件130对齐，然后工具元件102、104滑入安装或接合位置。同样，图24A和图24B示出了通过已知技术紧固到工具元件102的导电接触元件160。例如，导电接触元件160可以通过焊料、胶水或机械紧固技术(诸如通过卷边)紧固到工具元件。形成在紧固末端184中的槽186与凸台元件130对齐，然后工具元件102滑动或压入安装或接合位置。在接合位置，导电接触元件160的接触部分164被放置为与导电弹簧元件140的顶部凸片部分150电接触。此外，轴元件110将末端执行器部分56的各种部件锁定或紧固在一起。当工具元件从凸台元件移除时，凸片部分150和接触部分164摩擦式接合，并用于清洁相应的接触表面。

在组装时，线缆90和92连接到滑轮元件120和122中的每一者。线缆元件90、92有助于在任何选定的旋转方向上移动滑轮元件中的每一者。这样，形成在滑轮元件的内表面126A上的凸台元件130又在相反的旋转方向上旋转。末端执行器部分54的工具基座部分56可以通过将滑轮元件120的连接元件132压入沿着工具基座段106的内表面形成的相应凹部中来组装。同样，可以将滑轮元件122的连接元件132压入沿着工具基座段108的内表面形成的相应凹部中。工具元件102、104可以通过将导轨196设置在工具元件的凹槽190中而耦接在一起，从而形成燕尾榫接头。工具元件可以使用其他已知的连接方法连接在一起，这些方法对工具元件相对于彼此的移动提供轴向和径向机械约束。工具元件102、104的接合末端182、182可以定位成使得它们分开大约180度进入打开的工具交换位置。在这个位置，槽186、186对齐。滑轮元件120、122的凸台元件130也可以对齐并定位成使得当被设置在打开的工具交换位置时，安置在工具元件的槽186、186中。这个位置是工具元件的接合末端182、182之间在使用期间允许的最大角距离或间距。线缆90、92可以致动成使得独立地旋转每个滑轮元件120、122。工具元件的接合末端182、182可以单独或分开地移动到随后的旋转位置，使得接合末端相对于彼此分开的角度小于当工具元件处于打开的工具交换位置时的180度位置。这样，每个滑轮元件移动安装在其上的相应工具元件。例如，滑轮元件120旋转或移动工具元件102，并且滑轮元件122旋转或移动工具元件104。因此，滑轮元件是控制工具元件的旋转位置或定向的线缆驱动部件。只有当凸台元件130、130类似地对齐时，诸如当设置在打开的更换工具位置时，工具基座部分56才能接收或释放工具元件102、104。当凸台元件130、130移动到彼此不对齐时，施加到工具元件上的竖直向外设置的移动力不会将工具元件从工具基座部分56移开或移除，因此工具元件不会从滑轮元件120、122移开或移除。

在操作中，机器人手臂42可以在患者体内抑或患者体外配备外科手术工具，诸如抓取器、钩、剪刀等。不管工具交换位置在哪里，通过将滑轮元件120、122的凸台元件130、130对齐在对齐的装载位置，然后对齐工具元件的槽186、186，工具元件102、104可以安装或耦接到工具基座56。当工具元件的槽对齐时，在一些实施例中，工具元件的接合末端182、182分开选定的角距离，诸如例如大约180度，从而将末端并因此将工具元件置于打开的工具交换位置。角距离可以是任何选定的角量，只要它不是在外科手术或常规使用中通常使用或实现的即可。然后，工具元件的槽186、186滑动或压在滑轮元件120、122的凸台130、130上，如图21、图23A和图24A所示。滑轮元件120、122然后可以被线缆驱动以将工具元件102、104移动到一个或多个外科手术使用位置，在外科手术使用位置，工具元件被分开小于180度的角度。许多外科手术使用位置中的一者的示例例如在图26A和图26B中所示，其中工具元件102、104分开小于180度的角度量或距离。此外，一旦滑轮元件120、122中的一者或多者将它们相应的凸台元件130旋转远离竖直装载位置，如图所示，则工具元件102、104就不能从凸台元件并因此从工具基座56上滑离或移除。

此外，导电接触元件160、162分别连接到工具元件102、104。导电接触元件能够将能量(诸如电)传导至任何材料，诸如例如接触导电接触元件的任何暴露部分的组织或设备。导电接触元件优选覆盖工具元件102、104的工作表面116A、116B的选定部分。例如，工具元件的工作表面116A、116B可以安装导电接触元件。导电接触元件经由导电弹簧元件140、142的顶部凸片部分150和导电接触元件的接触部分164、164之间的连续且持久的接触电耦接到导电弹簧元件。导电弹簧元件140、142的底部凸片部分152则被设置成与电源线170接触。计算单元18可以将电源线170耦接到单极电源，该单极电源向导电接触元件提供相对高电压的单极电灼术能量或动力。可替代地，计算单元18可以将电源线170耦接到双极能量源，该双极能量源向导电接触元件提供相对高安培数的双极电灼术能量或动力。

滑轮元件120、122可以由线缆90、92独立驱动和旋转。当滑轮元件120、122的凸台元件从加载位置移动时，如图22B所示，则导电弹簧元件140的顶部凸片部分150相对于固定的底部凸片部分152移动。中央线圈元件146可以膨胀和收缩，以便允许或实现凸片部分150、152之间的相对移动，而不会损坏或破坏导电弹簧元件。此外，即使工具元件在各种旋转位置之间旋转，凸片元件的安装布置也在顶部凸片部分150和导电接触元件之间以及底部凸片部分152和电源线170之间形成静态电外科手术连接。这种静态安装配置降低了触点之间产生电弧的风险。

滑轮元件能够彼此独立驱动，这为当前的机器人手臂提供了额外的自由度。具体地，由于每个滑轮元件可以由线缆单独且独立地驱动，因此滑轮提供了额外的两个自由度。

本领域普通技术人员将容易认识到，机器人手臂的腕部或关节可以以不同的方式形成，从而具有不同的机械配置。具体地，机器人手臂的工具基座部分可以具有任何选定的配置。根据一个替代实施例，机器人手臂的工具基座部分可以配置成形成球窝接头。

Claims (42)

1.一种用于将一个或多个工具元件从外科手术机器人系统中的机器人手臂的腕部移除和插入到其上的方法，所述方法包括

提供耦接到所述机器人手臂的末端部分的工具基座部分，

将第一滑轮元件能旋转地耦接到所述工具基座部分，

将第二滑轮元件能旋转地耦接到所述工具基座部分，

用轴元件将所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件紧固到所述工具基座部分，

提供能与第二工具元件耦接在一起的第一工具元件，以及

将所述第一工具元件和所述第二工具元件配置成定位到打开的工具交换位置，以便能够安装在所述工具基座部分上或从所述工具基座部分移除。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括

将所述工具基座部分配置成包括第一工具基座段和第二工具基座段，

将所述第一滑轮元件能旋转地耦接到所述第一工具基座段，以及

将所述第二滑轮元件能旋转地耦接到所述第二工具基座段。

3.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括将所述第一工具元件和所述第二工具元件配置成在设置在所述打开的工具交换位置时能移除且能更换地耦接到所述工具基座部分。

4.如权利要求2所述的方法，所述方法还包括

将所述第一滑轮元件配置成具有形成在其上的第一滑轮表面特征，并且将所述第二滑轮元件配置成具有形成在其上的第二滑轮表面特征，以及

将所述第一工具元件配置成具有形成在其上的第一表面特征，所述第一表面特征在形状上与所述第一滑轮元件的第一滑轮表面特征互补，并且将所述第二工具元件配置成具有形成在其上的第二表面特征，所述第二表面特征在形状上与所述第二滑轮元件的第二滑轮表面特征互补，

其中当所述第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和所述第二滑轮元件的第二滑轮表面特征对齐时，并且当所述第一工具元件的第一表面特征和所述第二工具元件的第二表面特征在设置在所述打开的工具交换位置时对齐时，所述第一工具元件和所述第二工具元件能分别能移除且能更换地安装在所述第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和所述第二滑轮元件的第二滑轮表面特征上。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述提供能与第二工具元件耦接在一起的第一工具元件的步骤还包括

将所述第一工具元件配置成具有形成在其上的第一连接表面特征，以及

将所述第二工具元件配置成具有形成在其上的第二连接表面特征，所述第二连接表面特征在形状上与所述第一连接表面特征互补，使得所述第一连接表面特征和所述第二连接表面特征在对齐时使得所述第一工具元件和所述第二工具元件能够耦接在一起。

6.如权利要求5所述的方法，所述方法还包括将所述第一连接表面特征配置成包括凹槽，并将所述第二连接表面特征配置成包括突出的导轨状元件。

7.如权利要求5所述的方法，所述方法还包括将所述第一连接表面特征和所述第二连接表面特征配置成形成燕尾榫接头连接。

8.如权利要求5所述的方法，所述方法还包括，在组装所述第一工具元件和所述第二工具元件时，通过所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件中的一者或多者的旋转移动，选择性地将所述第一工具元件和所述第二工具元件中的一者或多者旋转出所述打开的工具交换位置并旋转到一个或多个使用位置，从而将所述第一工具元件和所述第二工具元件锁定在一起。

9.如权利要求5所述的方法，所述方法还包括

提供耦接到所述第一滑轮元件的第一导电弹簧元件和耦接到所述第二滑轮元件的第二导电弹簧元件，以及

提供耦接到所述第一工具元件的第一导电接触元件和耦接到所述第二工具元件的第二导电接触元件。

10.如权利要求9所述的方法，所述方法还包括在使用期间，保持所述导电弹簧元件的一部分和所述导电接触元件的一部分之间的直接接触，并且独立于所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件的旋转位置。

11.一种外科手术机器人系统中的机器人手臂的末端区域设备，所述末端区域设备包括

工具基座部分，所述工具基座部分通过连接器耦接到所述机器人手臂的末端部分，

第一滑轮元件，所述第一滑轮元件能旋转地耦接到所述工具基座部分，

第二滑轮元件，所述第二滑轮元件能旋转地耦接到所述工具基座部分，其中，所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件通过轴元件紧固到所述工具基座部分，以及

第一工具元件，所述第一工具元件与第二工具元件耦接在一起，

其中，所述第一工具元件和所述第二工具元件配置成定位到打开的工具交换位置，以便能够安装在所述工具基座部分上或从所述工具基座部分移除。

12.如权利要求11所述的设备，其中，所述工具基座部分包括第一工具基座段和第二工具基座段，并且其中，所述第一滑轮元件能旋转地耦接到所述第一工具基座段，并且所述第二滑轮元件能旋转地耦接到所述第二工具基座段。

13.如权利要求11所述的设备，其中，所述第一工具元件和所述第二工具元件在设置在所述打开的工具交换位置时能移除且能更换地耦接到所述工具基座部分。

14.如权利要求11所述的设备，其中，所述第一滑轮元件具有形成于其上的第一滑轮表面特征，并且所述第二滑轮元件具有形成于其上的第二滑轮表面特征，并且其中，所述第一工具元件具有形成于其上的第一表面特征，所述第一表面特征在形状上与所述第一滑轮元件的第一滑轮表面特征互补，并且所述第二工具元件具有形成于其上的第二表面特征，所述第二表面特征在形状上与所述第二滑轮元件的第二滑轮表面特征互补，

其中，当所述第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和所述第二滑轮元件的第二滑轮表面特征对齐时，并且当所述第一工具元件的第一表面特征和所述第二工具元件的第二表面特征在设置在所述打开的工具交换位置时对齐时，所述第一工具元件和所述第二工具元件能分别能移除且能更换地安装在所述第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和所述第二滑轮元件的第二滑轮表面特征上。

15.如权利要求14所述的设备，其中，所述第一工具元件具有形成于其上的第一连接表面特征，并且所述第二工具元件具有形成于其上的第二连接表面特征，所述第二连接表面特征在形状上与所述第一连接表面特征互补，使得所述第一连接表面特征和所述第二连接表面特征在对齐时使得所述第一工具元件和所述第二工具元件能够耦接在一起。

16.如权利要求15所述的设备，其中，所述第一连接表面特征包括凹槽，并且所述第二连接表面特征包括突出的导轨状元件。

17.如权利要求15所述的设备，其中，所述第一连接表面特征和所述第二连接表面特征配置成形成燕尾榫接头连接。

18.如权利要求15所述的设备，其中，在组装所述第一工具元件和所述第二工具元件时，通过所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件中的一者或多者的旋转移动，选择性地将所述第一工具元件和所述第二工具元件中的一者或多者旋转出所述打开的工具交换位置并旋转到一个或多个使用位置，从而将所述第一工具元件和所述第二工具元件锁定在一起。

19.如权利要求14所述的设备，所述设备还包括

耦接到所述第一滑轮元件的第一导电弹簧元件和耦接到所述第二滑轮元件的第二导电弹簧元件，以及

耦接到所述第一工具元件的第一导电接触元件和耦接到所述第二工具元件的第二导电接触元件。

20.如权利要求19所述的设备，其中，在使用期间，所述导电弹簧元件的一部分连续并直接接触所述导电接触元件的一部分，并且独立于所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件的旋转位置。

21.一种形成外科手术机器人系统的机器人单元的部分的机器人手臂的腕部，所述腕部包括

工具基座部分，所述工具基座部分通过连接器耦接到所述机器人手臂的末端部分，

第一滑轮元件，所述第一滑轮元件能旋转地耦接到所述工具基座部分，其中，所述第一滑轮元件具有主体，所述第一滑轮元件的主体具有形成在其上的第一滑轮表面特征，

第二滑轮元件，所述第二滑轮元件能旋转地耦接到所述工具基座部分，其中，所述第二滑轮元件具有主体，所述第二滑轮元件的主体具有形成在其上的第二滑轮表面特征，

第一工具元件，所述第一工具元件具有主体，所述第一工具元件的主体具有形成在其上的第一表面特征，所述第一表面特征在形状上与所述第一滑轮元件的第一滑轮表面特征互补，以及

第二工具元件，所述第二工具元件具有主体，所述第二工具元件的主体具有形成在其上的第二表面特征，所述第二表面特征在形状上与所述第二滑轮元件的第二滑轮表面特征互补，

其中，当所述第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和所述第二滑轮元件的第二滑轮表面特征在设置在第一打开的工具交换位置时彼此对齐时，所述第一工具元件和所述第二工具元件能分别能移除且能更换地安装在所述第一滑轮元件的第一滑轮表面特征和所述第二滑轮元件的第二滑轮表面特征上。

22.如权利要求21所述的腕部，其中，所述工具基座部分包括第一工具基座段和第二工具基座段，并且其中，所述第一滑轮元件能旋转地耦接到所述第一工具基座段，并且所述第二滑轮元件能旋转地耦接到所述第二工具基座段。

23.如权利要求22所述的机器人手臂的腕部，其中，当所述第一工具元件和所述第二工具元件能移除地安装在所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件上时，所述第一工具元件的第一表面特征与所述第一滑轮元件的第一滑轮表面特征配合并安置在其上，并且所述第二工具元件的第二表面特征与所述第二滑轮元件的第二滑轮表面特征配合于并安置在其上。

24.如权利要求23所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一滑轮表面特征和所述第二滑轮表面特征中的每一者成形且配置成凸台元件，并且其中，所述第一表面特征和所述第二表面特征中的每一者包括槽。

25.如权利要求23所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一工具基座段和所述第二工具基座段中的每一者具有在一端具有延伸部分并且在相对端具有凸缘部分的主体，其中，所述延伸部分具有内表面和相对的外表面并具有形成于其中的孔口，并且其中，所述延伸部分的内表面具有形成于其中的凹部。

26.如权利要求25所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一工具基座段和所述第二工具基座段中的每一者的凸缘部分具有形成于其中的开口，所述开口用于安置所述连接器。

27.如权利要求25所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件中的每一者具有主体，所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件中的每一者的主体具有内表面和具有形成在其上并从其向外突出的连接元件的相对的外表面，其中，所述滑轮表面特征形成在所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件中的每一者的主体的内表面上。

28.如权利要求27所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件中的每一者的主体中具有形成在其中的多个孔，并且其中，所述多个孔的至少一部分的尺寸设计并配置成安置控制线缆的一部分。

29.如权利要求27所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一滑轮元件的连接元件安置并保持在形成于所述第一工具基座段的内表面中的凹部内，并且其中，所述第二滑轮元件的连接元件安置并保持在形成于所述第二工具基座段的内表面中的凹部内。

30.如权利要求29所述的机器人手臂的腕部，所述腕部还包括耦接到所述第一滑轮元件的第一导电弹簧元件和耦接到所述第二滑轮元件的第二导电弹簧元件。

31.如权利要求30所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一导电弹簧元件和所述第二导电弹簧元件中的每一者包括主体，所述第一导电弹簧元件和所述第二导电弹簧元件中的每一者主体具有中央线圈元件、耦接到所述线圈元件的一端的顶部凸片部分和耦接到所述线圈元件的另一端的底部凸片部分。

32.如权利要求31所述的机器人手臂的腕部，其中，所述底部凸片部分耦接到容纳在所述工具基座部分内的电导线，并且其中所述线圈元件耦接到所述滑轮元件的外表面，并且所述顶部凸片部分的至少一部分耦接到所述滑轮元件的内表面。

33.如权利要求32所述的机器人手臂的腕部，其中，在使用期间，所述中央线圈元件配置成基于所述顶部凸片部分的移动而膨胀和收缩。

34.如权利要求32所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一工具元件和所述第二工具元件中的每一者具有用于接触工件的工作表面，所述腕部还包括

耦接到所述第一工具元件的工作表面的第一导电接触元件，以及

耦接到所述第二工具元件的工作表面的第二导电接触元件，

其中所述第一导电接触元件和所述第二导电接触元件的至少一部分配置成在分别安装到所述第一工具元件和所述第二工具元件时分别接触所述第一导电弹簧元件和所述第二导电弹簧元件的顶部凸片部分的至少一部分。

35.如权利要求34所述的机器人手臂的腕部，其中，在使用期间，所述第一导电接触元件和所述第二导电接触元件中的每一者的部分与所述第一导电弹簧元件和所述第二导电弹簧元件的相应部分保持连续的电接触。

36.如权利要求34所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一工具元件具有主体，所述第一工具元件的主体具有外表面和具有与其相关联的第一工具表面特征的相对的内表面，并且其中，所述第二工具元件具有主体，所述第二工具元件的主体具有外表面和具有与其相关联的第二工具表面特征的相对的内表面，其中，所述第二工具表面特征在形状上与所述第一工具表面特征互补。

37.如权利要求36所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一工具元件的第一工具表面特征是凹槽，并且所述第二工具元件的第二工具表面特征是突起。

38.如权利要求37所述的机器人手臂的腕部，其中，所述凹槽和所述突起配置成形成燕尾榫接头。

39.如权利要求37所述的机器人手臂的腕部，其中，所述凹槽和所述突起中的每一者具有选定的宽度，并且其中，所述凹槽和所述突起中的每一者具有一个或多个窄宽度区段和一个或多个加宽宽度区段。

40.如权利要求39所述的机器人手臂的腕部，其中，通过将所述第一工具元件和所述第二工具元件相对于彼此布置成使得所述第一工具元件和所述第二工具元件的工作表面分开大于约180度的角距离，使得所述突起的加宽宽度区段与所述凹槽的加宽宽度区段对齐，从而将所述第一工具元件和所述第二工具元件组装在一起，并且当所述突起插入所述凹槽中并且所述第一工具元件和所述第二工具元件相对于彼此旋转时，所述第一工具元件和所述第二工具元件彼此连接。

41.如权利要求21所述的机器人手臂的腕部，所述腕部还包括

耦接到所述第一滑轮元件的第一导电弹簧元件，

耦接到所述第二滑轮元件的第二导电弹簧元件，

耦接到所述第一工具元件的第一导电接触元件，以及

耦接到所述第二工具元件的第二导电接触元件。

42.如权利要求41所述的机器人手臂的腕部，其中，所述第一工具基座段和所述第二工具基座段、所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件以及所述第一工具元件和所述第二工具元件中的每一者具有形成于其中的开口，当对齐在一起时，所述开口用于安置轴元件，所述轴元件用于将所述第一工具基座段和所述第二工具基座段、所述第一滑轮元件和所述第二滑轮元件以及所述第一工具元件和所述第二工具元件紧固在一起。

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