CN116669650A - 具有轴平移和滚动的力感测单元的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种外科器械，其包括支撑结构、轴、包括轴滚动载体的轴平移托架、轴滚动驱动组和力传感器单元。轴包括近端和远端，并且轴的轴线由近端和远端限定。轴通过轴滚动载体联接到支撑结构。轴滚动驱动组被配置为使轴围绕轴的轴线旋转，并且包括轴滚动驱动器、轴滚动驱动接收器和轴滚动驱动联轴器。当轴沿着轴的轴线平移时，轴滚动驱动接收器沿着轴的轴线相对于轴滚动驱动器平移。力传感器单元被配置为产生与沿着轴的轴线施加到轴的力的量相关联的信号。

Description

具有轴平移和滚动的力感测单元的设备和方法
相关申请的交叉引用
本专利申请要求美国临时专利申请第63/126,770号(于2020年12月17日提交)(题为“用于带轴平移和滚动的力感测单元的设备和方法”)的优先权和申请日权益，该申请通过引用整体并入本文。
本申请涉及美国临时专利申请第63/077,833号(于2020年9月14日提交)(题为“用于紧凑、冗余感应力传感器的设备和方法”)，该申请通过引用整体并入本文。
本申请还涉及美国临时专利申请第62/901,729号(于2019年9月17日提交)(题为“紧凑型差分同轴感应力传感器”)和PCT国际专利申请号PCT/US2020/050696(于2020年9月14日提交)(题为“紧凑型差分同轴感应力传感器”)，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
本文所描述的实施方式涉及力感测机械结构，更具体地涉及并入力感测机械结构的医疗设备，并且仍更具体地，涉及用于微创手术并且并入力感测机械结构的器械。更具体地，本文描述的实施方式涉及包括力传感器单元的医疗设备，该力传感器单元联接到医疗设备的机械结构并且用于测量在外科手术过程中施加到医疗设备的末端执行器的轴向力。本文描述的医疗设备还提供测量轴向力，同时还允许医疗设备的轴的平移和旋转运动。
已知的微创医疗干预技术使用可以手动控制或者可以通过手持或机械接地的远程操作医疗系统控制的器械，该远程操作医疗系统利用至少部分计算机辅助(“远程手术系统”)进行操作，从而对患者组织起到治疗和诊断功能。许多已知的医疗器械包括安装在轴远端的任选腕部机构上的治疗或诊断末端执行器(例如，钳子、切割工具、烧灼工具或成像设备)。在医疗程序中，将末端执行器、腕部机构和轴的远端插入患者的小切口或自然孔口中，以将末端执行机构定位在患者体内的工作部位。任选的腕部机构可用于改变末端执行器相对于轴的位置和取向，以在工作部位执行所需的程序。在已知的器械中，器械作为整体的运动为末端执行器的移动提供机械自由度(DOF)，并且腕部机构通常为末端执行器相对于器械的轴的移动提供所需的DOF。例如，对于钳子或其他紧握工具，已知的腕部机构能够改变末端执行器相对于轴的俯仰和偏转。腕部可以任选地为末端执行器提供滚动DOF，或者末端执行器的滚动DOF可以通过滚动轴来实现。末端执行器可以任选地具有额外的机械DOF，例如抓握或刀片运动。在一些情况下，腕部和末端执行器机械DOF可以组合。例如，美国专利第5,792,135号(1997年5月16日提交)公开了一种将腕部和末端执行器抓握DOF组合在一起的机构。
为了实现腕部机构和末端执行器的期望移动，已知的器械包括延伸穿过器械的轴并将远侧腕部机构连接到近侧机械结构的机械连接器(例如线缆)，该近侧机械结构用于移动连接器以操作腕部机构。对于远程手术系统，机械结构通常由电机驱动并且可操作地联接到计算机处理系统，以为临床用户(例如外科医生)提供用户界面，从而控制器械(作为整体)以及器械的部件和功能。
力感测外科器械是已知的，并且与相关联的远程手术系统一起在医疗程序中向临床用户产生相关联的触觉反馈，这为执行该程序的临床医生带来了更好的用户沉浸感、真实感和直观性(即，更有效的远程呈现)。为了有效的触觉渲染和准确性，力传感器被放置在医疗器械上。一种方法是包括附接到和/或并入在医疗器械的近侧机械结构内的力传感器单元，该力传感器单元可用于测量施加在医疗器械末端执行器上的轴向力。这些力测量是在器械轴处或附近测量的，并且用于在主控制设备的输入处产生触觉反馈力，以向用户提供由医疗器械施加到例如患者组织的力的指示。也就是说，由器械施加在诸如组织或缝合线之类的物体上的力由器械上的这些物体的相应反作用力指示，并且感测到的反作用力作为触觉传递给用户。
力传感器系统的增强导致了更精确的力测量，这又导致了更准确的触觉反馈。例如，包括多个传感器来测量单个力参数(例如，施加在末端执行器上的轴向力)可以提高测量精度(例如，通过产生平均测量值或通过允许减去共模)，并允许在一个传感器发生故障时进行操作。然而，额外传感器的纳入竞争由于微创医疗器械所需的机械结构和整体器械尺寸限制而存在的有限空间。力传感器系统不仅必须尽可能有效，而且必须符合受力物体(如医疗器械)的空间设计约束。此外，用于测量施加在末端执行器上的轴向力的力传感器系统还必须能够适应轴相对于机械结构的平移(例如，沿着轴的轴线)和旋转(例如，滚动DOF)。
因此，存在对改进的力感测能力的需求，该能力又可以改进触觉反馈，特别是在微创外科器械的空间约束内。还需要在提供医疗设备的轴的平移和旋转运动方面的改进。
发明内容
本发明内容介绍本文所描述的实施方式的某些方面以提供基本理解。本发明内容不是本发明主题的广泛概述，并且其不旨在鉴定关键或极其重要的元件或描绘本发明主题的范围。在一些实施方式中，外科器械包括支撑结构、轴、轴平移托架、轴滚动托架、轴滚动驱动组和力传感器单元。轴平移托架可以包括轴滚动托架。轴包括近端和远端，并且轴的轴线由近端和远端限定。轴通过轴滚动托架连接到支撑结构。轴滚动驱动组被配置为使轴围绕轴的轴线旋转，并且包括联接到支撑结构的轴滚动驱动器、联接到轴的轴滚动驱动接收器、以及联接在轴滚动驱动器和轴滚动驱动接收器之间的轴滚动驱动联轴器。当轴沿着轴的轴线平移时，轴滚动驱动接收器沿着轴的轴线相对于轴滚动驱动器平移。力传感器单元被配置为产生与沿着轴的轴线施加到轴的力的量相关联的信号。
在一些实施方式中，轴平移托架被构造成将相对于支撑结构的轴平移约束为沿着轴的轴线的平移，并且轴滚动托架被构造为将相对于支撑结构的轴滚动约束为围绕轴的轴线滚动。在一些实施方式中，轴平移托架包括弹性件(resiliency)，该弹性件将轴沿着轴的轴线推动到限定的最低能量位置。在一些这样的实施方式中，弹性件包括联接在支撑结构和轴平移托架之间的一个或多个弹簧。在一些这样的实施方式中，弹性件是轴平移托架中固有的。
在一些实施方式中，轴平移托架包括弹簧，并且弹簧被配置为与沿轴的轴线的方向上施加至轴的力成比例地位移。在一些实施方式中，力传感器单元还包括传感器，并且当轴沿着轴的轴线平移时，由传感器产生的信号与轴的线性位移相关联。
在一些实施方式中，力传感器单元包括感应传感器和微处理器，感应传感器被配置为当轴沿着轴的轴线平移时产生与轴的位置相关联的信号，并且微处理器被配置为接收信号。在一些实施方式中，轴滚动驱动联轴器包括线缆。
在一些实施方式中，外科器械包括轴，轴包括近端和远端，以及由近端和远端限定的轴的轴线。外科器械还包括用于响应于施加在轴的远端处的力而约束轴沿轴的轴线平移的装置、用于在轴沿轴的轴线平移而发生位移时驱动轴围绕轴的轴线旋转的装置，以及用于确定沿轴的轴线施加在轴的远端处的力的量的装置。
在一些实施方式中，用于确定力的量的装置包括用于感测轴沿着轴的轴线的位移的量的装置。在一些实施方式中，外科器械还包括用于沿着轴的轴线将轴推动到最低能量位置的装置。在一些实施方式中，外科器械还包括用于为轴沿着轴的轴线的平移提供弹性的装置。
在一些实施方式中，外科器械还包括支撑结构，并且轴联接到基座。用于向轴提供弹性的装置包括联接在轴和支撑结构之间的一个或多个弹簧。在一些实施方式中，外科器械还包括轴平移托架，并且轴联接到轴平移托架。用于响应于施加在轴的远端处的力而约束轴沿轴的轴线平移的装置包括轴平移托架，并且用于为轴沿着轴的轴线平移提供弹性的装置是轴平移托架中固有的。
在一些实施方式中，用于在轴沿轴的轴线平移而发生位移时驱动轴围绕轴的轴线旋转的装置包括轴滚动驱动器、联接到轴的轴滚动驱动接收器、以及联接在轴滚动驱动器和轴滚动驱动接收器之间的轴滚动驱动联轴器。在一些实施方式中，轴滚动驱动联轴器包括线缆。
在一些实施方式中，外科器械还包括用于在轴沿着轴的轴线平移时产生与轴的线性位移相关联的信号的装置。在一些实施方式中，用于驱动轴旋转的装置包括线缆。
在一些实施方式中，外科器械包括机械结构、包括近端部分和远端部分的轴、力传感器单元、联接到轴的近端部分的轴滚动驱动接收器、以及联接到轴滚动驱动接收器的轴滚动驱动器。轴的轴线在轴的近端部分和远端部分之间延伸，并且力传感器单元被配置为产生与在沿着轴的轴线的方向上施加到轴的力相关联的信号。轴滚动驱动接收器和轴沿着轴的轴线平移，并且轴滚动驱动器使轴滚动驱动接收器旋转，并且轴滚动驱动接收器使轴围绕轴的轴线旋转。
在一些实施方式中，轴滚动驱动器包括联接到轴滚动驱动接收器的轴滚动驱动联轴器，并且轴滚动驱动联轴器包括线缆。在一些实施方式中，外科器械还包括联接到机械结构和轴的轴滚动托架，轴滚动驱动托架可与轴一起沿着轴的轴线移动，并且当轴围绕轴的轴线旋转时，轴滚动驱动载体(carrier)保持静止。
在一些实施方式中，外科器械还包括轴平移托架，并且轴平移托架包括弹簧。弹簧被配置为在沿着轴的轴线的方向上与施加到轴的力成比例地位移。在一些实施方式中，力传感器单元还包括传感器；并且当轴沿着轴的轴线平移时，由传感器产生的信号与轴的线性位移相关联。在一些实施方式中，力传感器单元包括感应传感器和通信地联接到感应传感器的微处理器，感应传感器被配置为当轴沿着轴的轴线移动时产生与轴的位置相关联的信号，并且微处理器接收该信号。
附图说明
图1是根据实施方式的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任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单元的透视图。
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前视图。
图5是根据实施方式的包括力传感器单元的医疗设备的示意图。
图6A是根据实施方式的以第一配置示出的医疗设备的一部分的示意图。
图6B是根据实施方式的以第二配置示出的医疗设备的一部分的示意图。
图6C是根据实施方式的医疗设备的一部分的示意图。
图7是根据实施方式的医疗设备的透视图。
图8是图7A的医疗设备的远端部分的放大透视图。
图9是图7的医疗设备的机械结构的俯视图。
图10是图7的医疗设备的一部分的透视图。
图11是图7的医疗设备的一部分的透视图，其中为了说明的目的移除了选择部件。
图12是图7的医疗设备的一部分的侧视图，其中为了说明的目的移除了选择部件。
图13是图7的医疗设备的轴平移托架的透视图。
图14是图7的医疗设备的力传感器单元的弯曲部(flexure)的透视图。
图15是图7的医疗设备的一部分的侧视图，其中选择部件被移除并且示出了医疗设备的滚动接收器和滚动驱动器。
图16是图15的滚动接收器、滚动驱动器和轴的侧视图。
图17是根据实施方式的医疗设备的一部分的侧视图。
图18是图17的医疗设备的机械结构的透视图，其中为了说明的目的移除了选择部件。
图19是图17的医疗设备的机械结构和轴的侧视图，其中为了说明的目的移除了选择部件。
图20是图17的医疗设备的连接件和轴的侧视图，其中为了说明的目的移除了选择部件。
图21是图20的连接件和轴的部分分解视图。
图22和23分别是图17的医疗设备的机械结构的不同透视图，其中为了说明的目的移除了选择部件。
图24是图17的医疗设备的力传感器单元的连杆的透视图。
图25是图17的医疗设备的机械结构的侧视图，其中为了说明的目的移除了选择部件，并且示出了处于第一中性位置的弹簧和轴。
图26和27分别是图17的医疗设备的机械结构的侧视图，其中为了说明的目的移除了选择部件，并且示出了处于第二上部位置(图26)和第三下部位置(图27)的轴。
图28是联接到图17的医疗设备的滚动接收器和滚动载体的轴的透视图。
图29是联接到图28的医疗设备的滚动接收器和滚动载体的轴的分解透视图。
图30是图17的医疗设备的机械结构的侧视图，其中为了说明的目的移除了选择部件，并且示出了联接到滚动接收器的轴。
图31是图17的医疗设备的力传感器单元的线圈组件的侧视图。
图32是根据实施方式的力传感器单元的一部分的示意图。
具体实施方式
本文描述的实施方式可以有利地用于各种力传感器应用，例如用于紧握、切割和操纵与微创手术相关的操作。本文描述的实施方式也可用于各种非医疗应用，例如，用于搜索和救援的远程操作系统、遥控潜水设备、空中设备和汽车等。本申请的医疗器械或设备能够实现三个或更多个机械自由度(DOF)中的运动。例如，在一些实施方式中，医疗器械的末端执行器可以在三个机械DOF中相对于器械的主体移动，例如，俯仰、偏转和滚动(轴滚动)。在末端执行器本身中也可以有一个或多个机械DOF，例如，两个钳口，每个钳口相对于U形夹(clevis)旋转(2个DOF)，和相对于近侧U形夹旋转的远侧U形夹(一个DOF)。因此，在一些实施方式中，本申请的医疗器械或设备能够实现六个DOF中的运动。本文描述的实施方式还可用于确定在使用过程中施加在器械远端部分上(或由器械远端部分施加)的力。
在一些实施方式中，本文描述的医疗器械包括支撑结构、轴、轴平移托架、轴滚动托架、轴滚动驱动组和力传感器单元。轴滚动驱动组被配置为使轴围绕轴的轴线旋转，并且包括联接到支撑结构的轴滚动驱动器、联接到轴的轴滚动驱动接收器、以及联接在轴滚动驱动器和轴滚动驱动接收器之间的轴滚动驱动联轴器。当轴沿着轴的轴线平移时，轴滚动驱动接收器沿着轴的轴线相对于轴滚动驱动器平移。轴平移托架也沿着轴的轴线平移，并且被构造为将相对于支撑结构的轴平移约束为沿着轴的轴线的平移。轴滚动驱动器被配置为使轴滚动驱动接收器和轴相对于支撑结构旋转，但是轴平移托架不随着轴滚动驱动接收器和轴一起旋转。力传感器单元被配置为产生与沿着轴的轴线施加到轴的力的量相关联的信号。
如本文所用，当与参考数字指示一起使用时，术语“大约”是指参考数字指示加上或减去该参考数字指示的10％。例如，语言“大约50”涵盖了45到55的范围。同样，语言“大约5”涵盖了4.5到5.5的范围。
与零件(如机械结构、部件或部件组件)相关的术语“柔性的”应作广义解释。从本质上讲，该术语意味着零件可以反复弯曲并恢复到原始形状，而不会对零件造成伤害。某些柔性部件也可以是弹性的。例如，如果部件(例如弯曲部)在弹性变形时具有吸收能量的能力，然后在卸载时释放储存的能量(即返回其原始状态)，则称其为有弹性的。由于材料特性的原因，许多“刚性的”物体具有轻微的固有弹性“弯曲性”，但是这些物体不被认为是如本文所用的术语“柔性的”。
如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单词“远侧”指的是朝向工作部位的方向，而单词“近侧”指远离工作部位的方向。因此，例如，工具的最靠近目标组织的端部将是工具的远端，而与远端相对的端部(即，由使用者操纵或联接到致动轴的端部)将是工具的近端。
此外，选择用于描述一个或多个实施方式和任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，例如“下方”、“以下”、“下部”、“上方”、“上部”、“近侧”、“远侧”等，可用于描述一个元件或特征与另一元件或特征的关系，如图所示。除了图中所示的位置和取向之外，这些空间相对术语旨在包括在使用或操作中的设备的不同位置(即，平移放置)和取向(即，旋转放置)。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为其他元件或特征“以下”或“下方”的元件将被描述为其他元件或功能的“上方”或“上面”。因此，术语“下方”可以包括上方和下方的位置和取向。设备可以以其他方式取向(例如，旋转90度或以其他取向)，并且在此使用的空间相对描述词被相应地解释。同样，对沿着(平移)和围绕(旋转)各种轴的移动的描述包括各种空间设备位置和取向。身体的位置和取向的组合限定身体的姿势。
同样，几何术语，如“平行”、“垂直”、“圆形”或“方形”，并不旨在要求绝对的数学精度，除非上下文另有说明。相反，这样的几何术语允许由于制造或等效功能而产生的变化。例如，如果一个元件被描述为“圆形”或“大体圆形”，那么不是精确圆形的部件(如，稍微椭圆形或多边的多边形的部件)仍然包含在本描述中。
此外，除非上下文另有说明，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”也应包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“具有”等规定了所述特征、步骤、操作、元件、部件等的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件或组。
除非另有说明，否则术语“设备”、“医疗设备”、“器械”及其变体可以互换使用。
本发明的各个方面主要以使用da 外科系统的实现进行描述，该系统由加利福尼亚州森尼维尔市的直观外科公司(Intuitive Surgical，Inc.)商业化。此类外科系统的示例包括da Vinci/>外科系统(IS4000型)和da Vinci/>外科系统(IS4200型)。然而，技术人员将理解，本文公开的发明方面可以以各种方式体现和实现，包括计算机辅助的、非计算机辅助的以及手动和计算机辅助的实施方式和实现的混合组合。在da/>外科系统(例如，IS4000型、IS4200型)上的实施方式仅作为示例呈现，并且它们不应被认为限制本文公开的发明方面的范围。在适用的情况下，本发明的方面可以在相对较小的手持、手操作设备和具有来自机械基础的附加机械支撑的相对较大的系统中体现和实现。
图1是计算机辅助远程操作系统的平面图说明。所示的是医疗设备，其为微创机器人外科(MIRS)系统1000(在本文中也称为微创远程操作外科系统-远程外科系统)，用于对躺在手术台1010上的患者P执行微创治疗或诊断手术。该系统可以具有任意数量的部件，例如供外科医生或其他熟练临床医生S在手术期间使用的用户控制单元1100。MIRS系统1000还可以包括操纵器单元1200(通常称为外科机器人)和任选的辅助仪器单元1150。操纵器单元1200可以包括臂组件1300和可移除地联接到臂组件的工具组件。操纵器单元1200可以操纵至少一个可移除地联接的器械1400通过患者P的身体或自然孔口中的微创切口，同时外科医生S观察外科部位并通过控制单元1100控制器械1400的移动。外科部位的图像通过诸如立体内窥镜的内窥镜(未示出)获得，该内窥镜可以由操纵器单元1200操纵以取向内窥镜。辅助仪器单元1150可以用于处理外科部位的图像，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的数量通常取决于外科程序和手术室内的空间限制等因素。如果在程序期间需要更换正在使用的器械1400中的一个或多个，则助手从操作器单元1200移除器械1400，并用手术室中的托盘1020中的另一器械1400替换器械1400。尽管显示为与器械1400一起使用，但是本文所述的任何器械都可以与MIRS 1000一起使用。
图2是控制单元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，用于向外科医生S呈现能够实现深度感知的外科部位的协调立体视图。用户控制单元1100还包括一个或多个输入控制设备1116，其进而使操纵器单元1200(如图1所示)操纵一个或多个工具。输入控制设备1116提供与它们相关联的器械1400至少相同的自由度，以向外科医生S提供远程呈现，或者输入控制设备1116与器械1400集成(或直接连接)的感觉。以这种方式，用户控制单元1100为外科医生S提供了直接控制器械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)来通过输入控制设备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中被示出为与患者在同一个房间中，使得外科医生S可以直接监控该程序，如果需要的话可以亲自在场，并且直接与助手交谈，而不是通过电话或其他通信介质。然而，在其他实施方式中，用户控制单元1100和外科医生S可以在不同的房间、完全不同的建筑物或与患者相距较远的其他位置，从而允许进行远程外科程序。
图3是辅助仪器单元1150的透视图。辅助仪器单元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拍摄的图像以用于随后的显示，例如经由用户控制单元1100，或者在位于本地和/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，辅助仪器单元1150可以处理所拍摄的图像，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。这种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拍摄设备的成像误差，例如光学像差。
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、连接件、电机、传感器等)和用于拍摄手术部位的图像的成像设备(未示出)，例如立体内窥镜。具体地，器械1400和成像设备可以通过具有多个关节的远程操作机构来操纵。此外，器械1400和成像设备通过患者P中的切口或自然孔口以使得软件和/或运动学远程运动中心保持在切口或孔口处的方式定位和操纵。以这种方式，切口尺寸可以被最小化。
图5是根据实施方式的医疗设备2400的示意图。在一些实施方式中，医疗设备2400或其中的任何部件任选地是执行外科手术的外科系统的部件，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动连接件、一系列套管等。医疗设备2400(以及本文所述的任何器械)可用于任何合适的外科系统，例如上文所示和所述的MIRS系统1000。医疗设备2400包括近侧机械结构2700、联接到机械结构2700或包括在机械结构2700内的力传感器单元2800、联接到机械结构2700或包括在机械结构2700内的轴平移托架2852、联接到机械结构2700或包括在机械结构2700内的滚动驱动组2744、联接到机械结构2700的轴2410、联接到轴2410的横杆2810以及联接在横杆2810的远端部分处的末端执行器2460。末端执行器2460可以包括联接到连杆2510的例如可铰接的钳口或另一合适的外科工具。在一些实施方式中，连杆2510可以包括在具有多个铰接连杆的腕部组件内。轴2410包括联接到横杆2810的近端部分的远端部分。在一些实施方式中，轴2410的远端部分经由另一联接部件(例如未示出的锚固件或联接器)联接到横杆2810的近端部分2822。轴2410还在近端部分可移动地联接到机械结构2700。机械结构2700可以包括配置为移动外科器械的一个或多个部件的部件，例如末端执行器2460。机械结构2700可以类似于下面参照医疗设备5400更详细描述的机械结构5700。
通常，在医疗程序中，末端执行器2460接触解剖组织，这可能导致X、Y或Z方向的力被施加在末端执行器246上(参见图5中的末端执行器参考框架)，并且这可能导致力矩，例如如图5中所示的围绕Y-方向轴线的力矩MY。在一些实施方式中，可以是电应变计或光学应变计的一个或多个应变传感器(未示出)可以联接到横杆2810以测量横杆2810中的应变。测量的横杆应变可用于确定在X轴线和Y轴线方向上施加在末端执行器2460上的力。这些X轴线和Y轴线力与Z轴线(与横杆AB的中心轴线平行或共线)横向(例如，垂直)。在一些实施方式中，医疗设备2400没有横杆2810和用于确定沿X轴线和Y轴线的力的传感器。在这样的实施方式中，连杆2510和/或末端执行器2460可以直接联接到轴2410。
横向于轴的Z轴线的X轴线和Y轴线力(见图5中的轴参考框架)在轴的参考框架内被感测。例如，向近侧(即，经由安装在器械2400的近端的一个或多个传感器)感测Z轴线力，向远侧(即，经由安装在仪器2400的近端的一个或者多个传感器)感测X轴线力和Y轴线力，但是轴参考框架不改变。因此，当末端执行器2460与轴2410轴向对准时，施加在末端执行器2460上的轴向力将与施加在轴2410上的轴向力相同。否则，施加在末端执行器2460上的轴向力将在轴2410上引起X轴线和Y轴线力。在一些情况下，当轴2410上的X、Y和Z轴线力是已知的时，由于末端执行器2460相对于轴2410的位置和取向是已知的，所以可以推断出末端执行器2460上的力信息。在一些情况下，在用户输入控制处感测到的力是沿着轴2410的Z轴线力以及横向于轴2410的X和Y轴线力。
力传感器单元2800(以及本文所述的任何力传感器单元)可用于测量施加在轴2410上的轴向力(一个或多个)(即，在平行于横杆中心轴线AB的Z轴线方向上)。例如，在Z轴线的方向上施加到末端执行器2460的轴向力FZ可以导致轴2410在沿着轴的中心轴线的方向(基本上平行于横杆的中心轴线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产生的反应力)，或者其可以在远侧方向上(如，由拉动用末端执行器紧握的组织产生的反应力)。如本文所述，轴2410可以经由偏置机构(例如，未示出的连接件或弹簧加载的联轴器)联接到机械结构2700，使得轴2410相对于机械结构2700的行进量可以与施加到末端执行器2460的轴向力FZ的大小相关。以这种方式，测量轴2410相对于机械结构2700移动所经过的距离可以用于确定轴向力FZ。
轴平移托架2852可以是任何合适的机构，其以使得轴移动量可以与施加的轴向力FZ相关联的方式相对于机械结构2700可移动地联接轴2410。在一些实施方式中，该系统是弹簧偏置的，使得使轴平移托架2852(并因此使轴2410)移动经过给定距离所需的轴向力的量与弹簧力相关。类似地，在一些实施方式中，提供了可将轴2410保持在沿着轴的轴线的限定位置处的弹性件。换言之，沿着轴的轴线(或沿着支撑结构参考框架的Z轴线(参见例如图6C))存在轴趋向的最低能量位置，并且在远离该最低能量位置的任一方向上的轴平移导致弹性件将轴2410推回至最低能量位置。结果，轴2410沿着支撑结构参考框架的Z轴线漂浮在限定的位置。因此，弹性件(例如，弹簧)被配置为在沿着轴的轴线的方向上与施加到轴2410的力成比例地位移，并且弹性件抵消施加在轴2410的远端处的力。弹性件可以通过任何合适的布置来产生。例如，在一些实施方式中，弹性件可以包括联接在机械结构2700的支撑结构2725和轴平移托架2852之间的一个或多个弹簧，或者被设置为轴平移托架2852的一部分。支撑结构2725可以包括基座和顶板(每个在图5中未示出)。在其他实施方式中，任选地可以使用各种支撑结构，例如底盘、框架、床、机械结构的一体式环绕外部主体等。例如，在一些实施方式中，弹性件可以包括提供+Z力和-Z力的单个弹簧，或者弹性件可以包括两个或更多个弹簧，每个弹簧提供+Z或-Z力。在一些实施方式中，弹性件是在轴平移托架2852中固有的。例如，轴平移托架2852可以包括提供活动铰链以允许轴平移托架2852弯曲旋转的部件。参考以下描述的医疗设备7400来示出和描述这样的实施方式。
以这种方式，对于给定量的轴向力FZ，轴2410沿着轴的轴线的行进量部分取决于包括在提供如上所述的弹性件的医疗设备2400内的弹簧(或其他结构)的刚度。因此，轴平移托架被校准以在轴向力的预期范围内提供轴2410的期望运动范围。这种布置可以用于将施加的轴向力转换(或关联)为位移信号。
在一些实施方式中，轴平移托架2852被配置为将轴相对于机械结构2700的移动约束为沿着轴的轴线平移。类似地，在一些实施方式中，轴平移托架2852被配置为防止轴的倾斜或“离轴”运动。这可以使用任何合适的结构来实现。例如，在一些实施方式中，轴平移托架2852包括在机械结构2700内联接在一起或联接到其上的两个连杆和两个平移弯曲部(图5中未示出)。平移弯曲部可以在轴平移托架2852内提供弹性。例如，在一些实施方式中，轴平移托架2852可以包括联接到轴2410的第一连杆(其用作本文所述的轴滚动载体)、固定到机械结构2700的第二连杆、以及联接到第一连杆和第二连杆的两个平移弯曲部。第一连杆(图5中未示出)配置为将相对于机械结构2700的轴平移约束为沿着轴的轴线平移。第一连杆还被构造成将相对于机械结构的轴滚动约束为围绕轴的轴线滚动。这两个平移弯曲部提供与第一连杆相关联的弹性，如上所述并且如下面参照具体实施方式更详细地描述的。
在一些实施方式中，医疗设备可以包括轴平移托架2852，该轴平移托架2852包括在机械结构2700内联接在一起或联接到机械结构2700的四个连杆(图5中未示出)。例如，联接到轴2410的第一连杆和包括弹簧或联接到弹簧的第二连杆、分别枢转地联接到第一连杆和第二连杆的第三连杆和第四连杆，如下面参照连接件5850更详细地描述的。四棒连接件(four bar linkage)配置允许轴平移托架2852将轴相对于机械结构2700的移动约束为沿着轴的轴线平移。本领域技术人员将理解，对于沿着轴的Z轴线的小平移，轴的同时横向位移将非常小并且可以被忽略。
轴平移托架2852的部件保持医疗设备内的连接器张力(例如，用于移动末端执行器和腕部组件的连接器，在下文中更详细地描述)，并且当力轴向施加在医疗设备2400的远端处时提供轴2410的线性移动。轴平移托架2852还约束Z轴线上的移动并分离Z轴线中的力。如下所述，力传感器单元2800测量轴的Z轴线移动，该Z轴线移动从位置测量转换为力测量。对于给定量的轴向力FZ，轴2410的行进量部分取决于包括在连接件内的弹性件(例如弹簧)的刚度。
滚动驱动组2744被配置为使轴2410围绕轴的轴线旋转以产生滚动DOF。在一些实施方式中，滚动驱动组2744包括轴滚动驱动器、轴滚动驱动接收器和轴滚动驱动联轴器(每个在图5中未示出)。轴滚动驱动器联接到机械结构2700，并且利用轴滚动驱动联轴器可操作地联接到轴滚动驱动接收器。轴滚动驱动联轴器可以是例如线缆。轴滚动驱动器是电机驱动构件，其产生轴滚动驱动接收器的旋转，并进而产生轴2410的旋转。轴滚动驱动接收器联接到轴2410，使得当轴沿着轴的轴线平移时，轴滚动驱动接收器也相对于轴滚动驱动器沿着轴的轴线(例如，Z轴线)平移。轴平移托架2852的第一连杆也与轴2410一起沿着轴的轴线平移，并且被构造成将轴2410相对于机械结构2700的支撑结构2725的平移约束为沿着轴的轴线的平移。换句话说，轴2410以限制轴2410相对于第一连杆沿Z轴线移动的方式联接到第一连杆。轴滚动驱动器被配置为使轴滚动驱动接收器旋转，这进而使轴2410(联接到其上)相对于机械结构2700的基座旋转，但是轴平移托架2852的第一连杆不与轴滚动驱动接收器和轴2410一起旋转。换言之，轴平移托架2852的第一连杆与轴2410一起沿着轴的轴线平移，但不随轴2410旋转。轴滚动驱动接收器可以由轴滚动驱动联轴器(例如，线缆、带、绳索或其他合适的连接器(未示出))致动，该轴滚动驱动联轴器联接到轴滚动驱动器并且缠绕在轴滚动驱动接收器的一部分上，如下文参考医疗设备7400更详细地描述的。这种布置允许轴2410相对于机械结构2700围绕Z轴线移动(这允许轴向力的测量)，同时还允许轴2410围绕Z轴线旋转。
轴平移托架2832可以包括任何合适的部件以隔离轴2410的轴向运动(即，约束轴，使得测量的移动仅由轴向力FZ而不是沿X和Y轴线的横向力引起)，并限制与轴2410移动相反的摩擦力(这可能在确定轴向力FZ时引起误差)。力传感器单元2800可以包括任何合适类型的轴平移传感器，例如各种类型的应变计，包括但不限于传统的箔型电阻计、半导体应变计、使用布拉格光栅或法布里-珀罗技术的光纤型应变计、感应线圈力传感器、电磁传感器或光学传感器(例如，飞行时间(TOF))或其他，例如应变感测表面声波(SAW)设备。光纤布拉格光栅(FBG)传感器可能是有利的，因为两个感测元件可以以已知的间隔沿着一根光纤定位，从而为八个测量计只需要沿着器械轴提供四根光纤。在一些实施方式中，力传感器单元2800被并入在机械结构2700内或联接到机械结构2700。箔型电阻计可能是有利的，因为相对低的成本和对温度变化的稳固性——例如在外科手术期间。箔型电阻计的实例在国际申请PCT/US2020/060636(于2020年11月15日提交)(公开“Spread Bridge XY Sensor”)中找到，该申请通过引用整体并入本文。
如本文所述，力传感器单元2800测量轴沿Z轴线的位移，然后将其转换为力测量。在一些实施方式中，力传感器单元2800可以包括轴平移传感器和微处理器(每个都未在图5中示出)，轴平移传感器包括力弯曲部和与其联接的光纤传感器。轴平移传感器可以是例如光纤布拉格光栅(FBG)光纤传感器或本文所述的其他类型的力传感器。轴平移传感器联接到力传感器弯曲部并且可操作地联接到轴平移信息接收器(图5中未示出)，该轴平移信息接收器可以接收轴平移信息并且可以发送该信息用于进一步处理以产生触觉感觉力。轴平移信息接收器可以并入医疗设备2400或与其联接并可以与轴平移传感器通信。力传感器弯曲部经由轴平移托架的第一连杆联接到轴2410，使得当轴沿着Z轴线平移时，力传感器弯曲部弯曲与施加在轴2410上的力的量相关的量，如本文更详细描述的。
更具体地，在使用医疗设备2400期间，当力在Z方向上施加在轴2410上时，轴2410将沿着Z轴线行进，这又导致轴平移托架2852的一部分沿着Z轴线平移。力传感器弯曲部和光纤传感器联接到轴平移托架2852的部分，使得当轴2410由于施加在医疗设备2400的远端上的力而轴向移动时，力传感器弯曲部将偏转或弯曲与轴2410沿着Z轴线已经行进的距离相对应的量。光纤传感器联接到力传感器弯曲部，使得力传感器弯曲部上的弯曲量由光纤传感器感测，其可以转换为Z轴线力测量。微处理器接收来自光纤传感器的信号，该信号与轴沿着轴的中心轴线(例如，沿着Z轴线)的线性位移相关。微处理器被配置为执行指令以确定沿着轴的中心轴线作用在轴上的力的测量值。
在可选实施方式中，力传感器单元2800可以包括感应线圈轴平移传感器和微处理器(每个都未在图5中示出)。在这样的实施方式中，感应线圈轴平移传感器包括线圈组件，该线圈组件可以包括两个感应线圈，每个感应线圈缠绕在由非导电材料(例如PEEK)形成的圆柱体周围。这两个线圈可以彼此并排定位，并且联接到机械结构2700或在机械结构2700内。在每个线圈内是杆，该杆在线圈的内部可移动并且联接到医疗设备2400的轴2410。例如，杆可以包括芯体，芯体具有联接到芯体的磁体，该芯体在相应线圈内随杆移动。芯体可以是例如玻璃芯体、不锈钢芯体或由另一种合适材料形成的芯体。磁体和本文所述的任何磁体可以是例如铁氧体磁珠、EMI抑制磁珠、镍锌磁珠或任何其他合适的材料。因此，应该理解，本文中使用的术语“磁体”可以指联接到芯体的任何部件或材料，当杆和芯体在相应线圈内移动时，这些部件或材料可以用来提供指示芯体在线圈内的位置的信号。杆可操作地联接到轴2410，使得当轴2410由于施加在医疗设备2400的远端上的力而轴向移动时，杆与轴2410一起并且在线圈内移动。当杆在感应线圈内移动时，每个线圈的电感都会发生变化，这可用于测量器械轴的位置的变化。如上所述，轴2410的位置变化可以转换为Z轴线力测量。
在使用具有感应线圈传感器的医疗设备2400期间，当力在Z方向上施加在轴2410上时，轴2410将沿着Z轴线行进，这又导致杆沿着Z轴线移动。当杆在相应线圈内移动时，每个线圈产生与杆的磁体在相应线圈中的位置相关联的信号。微处理器接收来自线圈的信号。例如，在一些实施方式中，每个线圈产生与轴沿着轴的中心轴线(例如，沿着Z轴线)的线性位移相关联的信号。在一些实施方式中，来自线圈的信号可以包括来自第一线圈的具有第一频率的第一信号和来自第二线圈的具有第二频率的第二信号。微处理器被配置为执行指令以根据第一频率和第二频率确定沿着轴的中心轴线作用在轴上的力的测量值。
图6A和6B是医疗设备的另一个实施方式的示意图，该医疗设备具有力传感器单元和滚动驱动组以使轴能够围绕轴的轴线旋转。在一些实施方式中，医疗设备3400或其中的任何部件任选地是执行外科程序的外科系统的部件，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动连接件、一系列套管等。医疗设备3400(以及本文所述的任何器械)可用于任何合适的外科系统，例如上文所示和所述的MIRS系统1000。医疗设备3400包括机械结构3700、力传感器单元3800、联接到机械结构3700和力传感器单元3800的轴3410、轴平移托架3852、滚动驱动组3744、以及联接在医疗设备3400的远端部分处的末端执行器3460。如上所述，末端执行器3460可以包括例如可铰接的钳口或另一合适的外科工具，并且可以联接到连杆(未示出)。在一些实施方式中，连杆可以包括在具有多个铰接连杆的腕部组件内。机械结构3700包括器械支撑结构3725，该器械支撑结构包括基座和顶板(未示出)。在其他实施方式中，任选地可以使用各种支撑结构，例如底盘、框架、床、机械结构的一体式环绕外部主体等。
轴3410限定轴的轴线C1并且包括联接到末端执行器3460的远端部分。在一些实施方式中，轴3410的远端部分通过可用于测量施加到其上的横向力的横杆(例如，类似于横杆2810)联接到末端执行器。在其他实施方式中，轴3410可以直接联接到连杆、腕关节(未示出)或末端执行器3460。轴3410在近端部分可移动地联接到机械结构3700。因此，施加到末端执行器3460的轴向力将产生轴3410相对于机械结构3700(包括支撑结构3725)的移动，这可以使用力传感器单元3800来测量，如本文所述。机械结构3700可以包括配置为移动外科器械的一个或多个部件的部件，例如末端执行器3460。机械结构3700可以类似于下面参照医疗设备7400和5400更详细描述的机械结构6700和5700。
轴平移托架3852可以是任何合适的机构，其以使得轴移动量可以与施加的轴向力FZ相关的方式相对于机械结构3700的支撑结构3725可移动地联接轴3410。如图所示，轴平移托架3852包括第一连杆3821(其起到轴滚动载体的作用)和一个或多个平移弯曲部(在图6A和6B中未示出)，它们在机械结构3700内联接在一起或联接到其上。轴平移托架3852还可以包括第二连杆(未示出)，该第二连杆固定到机械结构3700(其用作轴平移托架3852的基础)。第一连杆3821配置为将相对于机械结构3700的支撑结构的轴平移约束为沿着轴的轴线平移。类似地，第一连杆3821被配置为防止轴3410的倾斜或“离轴”移动。第一连杆3821还被构造将相对于机械结构3700的支撑结构3725的轴滚动约束为围绕轴的轴线C1滚动。
一个或多个平移弯曲部提供与第一连杆3821相关联的弹性件，弹性件将轴推动到沿着轴的轴线C1的限定的最低能量位置。因此，平移弯曲部(在图6A和6B中未示出)可以将轴3410保持在沿着轴的轴线C1的限定位置处。换言之，沿着轴的轴线C1(或相对于支撑结构3725的Z轴线方向)存在轴趋向的最低能量位置，并且轴在远离该最低能量位置的方向上的平移导致弹性件将轴3410推向最低能量位置。结果，轴3410沿着Z轴线漂浮在限定的位置处。弹性件(例如，平移弯曲部或弹簧)被配置为在沿着轴的轴线C1的方向上与施加到轴3410的力成比例地位移，并且弹性件抵消施加在轴3410远端处的力。尽管被描述为由一个或多个平移弯曲部产生，但是弹性件可以通过任何合适的布置产生。例如，在一些实施方式中，弹性件可以包括一个或多个弹簧，该弹簧联接在基座3770和轴平移托架3852之间或者被设置为轴平移托架3852的一部分。例如，在一些实施方式中，弹性件可以包括提供+Z力和-Z力的单个弹簧，或者分别提供+Z或-Z力的两个弹簧。在一些实施方式中，弹性件是轴平移托架3852中固有的。例如，轴平移托架3852可以包括提供活动铰链以允许轴平移托座3852弯曲旋转的部件。参考以下描述的医疗设备7400来示出和描述这样的实施方式。
对于给定量的轴向力FZ，轴3410的行进量部分取决于包括在如上所述提供轴3410偏置的医疗设备3400内的弹性件(例如，弹簧、平移弯曲部等)的刚度。因此，力传感器单元3800被校准以在轴向力的预期范围内提供轴3410的期望运动范围。弹性件可以用于将施加的轴向力转换成位移信号。
滚动驱动组3744配置为使轴3410围绕轴的轴线C1旋转，并且包括轴滚动驱动器3750、轴滚动驱动接收器3738和轴滚动驱动联轴器3746。轴滚动驱动器3750联接到机械结构3700的支撑结构3725，并且经由轴滚动驱动联轴器3746可操作地联接到轴滚动驱动接收器3738。轴滚动驱动联轴器3746可以是例如线缆、皮带或齿轮。轴滚动驱动器3750是电机驱动的构件，其产生轴滚动驱动接收器3738的旋转，进而产生轴3410的旋转。轴滚动驱动接收器3738也联接到轴3410，使得当轴3410沿着轴的轴线C1平移时，轴滚动驱动接收器3738相对于轴滚动驱动器3750沿着轴的轴线C1(例如，Z轴线)平移。轴平移托架3852的第一连杆3821也沿着轴的轴线C1平移，并且被构造成将轴3410相对于机械结构3700的支撑结构的平移约束为沿着轴的轴线C1的平移。换句话说，轴3410以限制轴3410相对于第一连杆3821沿Z轴线移动的方式联接到第一连杆3821。轴滚动驱动器3750被配置为使轴滚动驱动接收器3738旋转，这又使轴3410(连接到其上)相对于机械结构3700的支撑结构3725旋转。然而，轴平移托架3852的第一连杆3821不与轴滚动驱动接收器3738和轴3410一起旋转。换言之，轴平移托架3852的第一连杆3821与轴3410一起沿着轴的轴线C1平移，但不随轴3410旋转。轴滚动驱动接收器3738可以由联接到轴滚动驱动器3750的轴滚动驱动联轴器3746(例如，线缆、带、绳索、齿轮或其他合适的连接器)致动。在一些实施方式中，轴滚动驱动联轴器3746是缠绕在轴滚动驱动接收器3738的一部分上的线缆，如下文参考医疗设备7400更详细地描述的。这种布置允许轴3410相对于机械结构3700围绕Z轴线移动(这允许轴向力的测量)，同时还允许轴3410围绕Z轴线旋转。
图6A图示了在将Z轴线力FZ施加在轴3410上之前的医疗设备3400，而图6B图示了当将Z轴线力FZ施加到医疗设备3400的远端部分上时的医疗设备3400。如图所示，当力FZ施加在轴3410上时，轴3410在沿着轴的轴线C1的方向上移动，并且包括第一连杆3821的轴平移托架3852也在相同的方向上移动，并且轴平移托架3852中的弹性件允许轴平移托架3852移动(或弯曲)与轴3410的位移成比例的量。如图6B所示，轴滚动驱动接收器3738联接到轴3410，使得当轴3410沿着轴的轴线C1平移时，轴滚动传动接收器3738与轴3410一起移动。
轴平移托架3832包括任何合适的部件以隔离轴3410的轴向运动(即，约束轴，使得测量的移动仅由轴向力FZ而不是沿X和Y轴线的横向力引起)，并限制与轴3410移动相反的摩擦力(这可能在确定轴向力FZ时引起误差)。力传感器单元3800可以包括任何合适类型的轴平移传感器，例如各种类型的应变计，包括但不限于传统的箔型电阻计、半导体应变计、使用布拉格光栅或法布里-珀罗技术的光纤型应变计、感应线圈力传感器、电磁传感器或光学传感器(例如，飞行时间(TOF))或其他，例如应变感测表面声波(SAW)设备。在一些实施方式中，力传感器单元3800并入在机械结构3700内或联接到机械结构3700。力传感器单元3800的轴平移传感器测量轴3410沿Z轴线的位移，然后将其转换为力测量。轴平移传感器可以联接到轴平移信息接收器(在图6A和6B中未示出)，轴平移信息接收器可以接收轴平移信息3857(图6B)并且可以发送该信息用于进一步处理以产生触觉感觉力。轴平移信息接收器可以被并入到医疗设备3400中或者被联接到医疗设备3400，并且可以与力传感器通信。
在一些实施方式中，力传感器单元3800包括联接到力传感器弯曲部(每个未在图6A和6B中示出)的轴平移传感器，该力传感器弯曲部通过轴平移托架3852的第一连杆3821联接到轴3410，使得当轴3410沿Z轴线平移时，力传感器弯曲部弯曲与施加在轴3410上的力的量相关的量，如本文中更详细描述的。力传感器单元3800还可以包括微处理器(图6A和6B中未示出)，其接收来自轴平移传感器的信号，该信号与轴3410沿着轴的轴线C1(例如，沿着Z轴线)的线性位移相关。微处理器被配置为执行指令以确定沿着轴的轴线作用在轴上的力的测量值。在可选实施方式中，力传感器单元3800可以包括感应线圈传感器、连接件(如上所述)和微处理器(每个都未在图6A和6B中示出)。
图6C是医疗设备4400的另一个实施方式的示意图，其具有力传感器单元和滚动驱动组以使轴能够围绕轴的轴线旋转，同时还允许轴平移以测量施加在末端执行器上的力。在一些实施方式中，医疗设备4400或其中的任何部件任选地是执行外科程序的外科系统的部件，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动连接件、一系列套管等。医疗设备4400(以及本文所述的任何器械)可用于任何合适的外科系统，例如上文所示和所述的MIRS系统1000。医疗设备4400包括机械结构4700、力传感器单元4800、联接到机械结构4700并且至少可操作地联接到力传感器单元4800的轴4410、轴平移托架4852、滚动驱动组4744、以及联接在医疗设备4400的远端部分处的末端执行器4460。如上所述，末端执行器4460可以包括例如可铰接的钳口或另一合适的外科工具，并且可以联接到连杆(未示出)。在一些实施方式中，连杆可以包括在具有多个铰接连杆的腕部组件内。机械结构4700包括器械支撑结构4725，该器械支撑结构可以包括例如基座和顶板(每个未在图6C中示出)。如图所示，支撑结构4725限定了支撑结构参考框架，其被示为支撑结构4725内的X、Y和Z轴线。
轴4410限定轴的轴线C1并且包括联接到末端执行器4460的远端部分。在一些实施方式中，轴4410的远端部分通过可用于测量施加到其上的横向力的横杆(未示出)(例如，类似于横杆2810)联接到末端执行器。在其他实施方式中，轴4410可以直接联接到连杆、腕关节(未示出)或末端执行器4460。轴4410在近端部分可移动地联接到机械结构4700。因此，施加到末端执行器4460的轴向力将产生轴4410相对于机械结构4700(以及支撑结构参考框架)的移动，这可以使用力传感器单元4800来测量，如本文所述。机械结构4700可以包括配置为移动外科器械的一个或多个部件的部件，例如末端执行器4460。机械结构3700可以类似于下面参照医疗设备7400和5400更详细描述的机械结构6700和5700。
轴平移托架4852可以是任何合适的机构，其以使得轴移动量可以与施加的轴向力FZ相关的方式相对于机械结构4700的支撑结构4725可移动地联接轴4410。轴平移托架4852包括弹性件4858，并且可以参考图6C中表示为4859的支撑结构4725提供轴平移自由度(DOF)。如上所述，弹性件4858可以以联接在机械结构4700的支撑结构4725和轴平移托架4852之间的一个或多个弹簧、一个或多个弯曲部的形式提供，或者可以作为轴平移托架485的一部分(或者作为这些的任意组合)提供。弹性件4858可以将轴4410保持在沿着轴的轴线的限定位置处。换言之，沿着轴的轴线C1(或沿着支撑结构参考框架的Z轴线)存在轴趋向的最低能量位置，并且轴在远离该最低能量位置的方向上的平移导致弹性件4858将轴4410推回至最低能量位置。结果，轴4410沿着支撑结构参考框架的Z轴线漂浮在限定的位置。因此，弹性件4858(例如，弹簧、弯曲部等)被配置为与沿轴的轴线C1的方向上施加给轴4410的力成比例地位移，并且弹性件4858抵消施加在轴4410远端处的力FZ。可以使用各种弹簧布置来提供弹性件4858。例如，单个弹簧提供+Z力和-Z力，或者两个弹簧分别提供+Z或-Z力。在一些实施方式中，弹性件4858是在轴平移托架4852中固有的。例如，轴平移托架4852可以包括提供活动铰链以允许轴平移托架4852弯曲旋转的部件。参考以下描述的医疗设备7400来示出和描述这样的实施方式。
如上所述，对于给定量的轴向力FZ，轴4410的行进量部分取决于弹性件4858(例如，弹簧、弯曲部等)的刚度。因此，轴平移托架4852被校准以在轴向力FZ的预期范围内提供轴4410的期望运动范围。这种布置可以用于将施加的轴向力转换(或关联)为位移信号。
在一些实施方式中，轴平移托架4852包括第一连杆4821(其用作轴滚动载体)。轴平移托架4852被配置为将相对于机械结构4700的支撑结构的轴平移约束为沿着轴的轴线C1平移。更具体地，如轴平移自由度(DOF)4859所示，轴平移托架4852被配置为约束轴4410，以防止轴4410在由于轴向力FZ而移动时倾斜或“离轴”移动。轴平移托架4852还被构造成将相对于机械结构4700的支撑结构4725的轴滚动约束为围绕轴的轴线C1滚动。
滚动驱动组4744被配置为使轴4410围绕轴的轴线C1旋转，并且包括轴滚动驱动器4750、轴滚动驱动接收器4738和轴滚动驱动联轴器4746。轴滚动驱动器4750联接到机械结构4700的支撑结构4725，并且经由轴滚动驱动联轴器4746可操作地联接到轴滚动驱动接收器4738。轴滚动驱动联轴器4746例如可以是线缆、皮带、齿轮等。轴滚动驱动器4750是产生轴滚动驱动接收器4738的旋转并进而产生轴4410的旋转的电机驱动构件。轴滚动驱动接收器4738也联接到轴4410，使得当轴4410沿着轴的轴线C1平移时，轴4410可以相对于轴滚动驱动器4750沿着轴的轴线C1(例如，Z轴线)平移。轴平移托架4852的一部分也沿着轴的轴线C1平移，并且被构造成将轴4410相对于机械结构4700的支撑结构的平移约束为沿着轴的轴线C1平移。换句话说，轴4410以限制轴4410相对于轴平移托架4852沿Z轴线移动的方式联接到轴平移托架4852。轴滚动驱动器4750被配置为使轴滚动驱动接收器4738旋转，这又使轴4410(联接到其上)相对于机械结构4700的支撑结构4725旋转。然而，轴平移托架4852和第一连杆4821不与轴滚动驱动接收器4738和轴4410一起旋转。换言之，第一连杆4821与轴4410一起沿着轴的轴线C1平移，但不与轴4410一起旋转。轴滚动驱动接收器4738可以由轴滚动驱动联轴器4746(例如，联接到轴滚动驱动器4750的线缆、带、绳索或其他合适的连接器)致动。在一些实施方式中，轴滚动驱动联轴器4746可以是缠绕在轴滚动驱动接收器4738的一部分上的线缆，如下面参考医疗设备7400更详细地描述的。这种布置允许轴4410相对于机械结构4700围绕Z轴线移动(这允许轴向力的测量)，同时还允许轴4410围绕Z轴线旋转。
轴平移托架4852包括用于产生轴平移自由度(DOF)4859的任何合适的部件。类似地，轴平移托架4852包括任何合适的部件以隔离轴4410的轴向运动(即，约束轴，使得测量的移动仅由轴向力FZ而不是沿X和Y轴线的横向力引起)，并且限制与轴4410的移动相反的摩擦力(这可能导致确定轴向力FZ的误差)。力传感器单元4800可以包括任何合适类型的轴平移传感器4851，例如各种类型的应变计，包括但不限于传统的箔型电阻计、半导体应变计、使用布拉格光栅或法布里-珀罗技术的光纤型应变计、感应线圈力传感器、电磁传感器、或光学传感器(例如，飞行时间(TOF))或其他，例如应变感测表面声波(SAW)设备。光纤布拉格光栅(FBG)传感器可能是有利的，因为两个传感元件可以以已知的间隔沿着一根光纤定位，从而为八个测量计只需要沿着器械轴提供四根光纤。在一些实施方式中，力传感器单元4800并入在机械结构4700内或联接到机械结构4700。
力传感器单元4800的轴平移传感器4851测量轴4410沿Z轴线的位移，然后将其转换为力测量。在一些实施方式中，轴平移传感器4851可以是例如光纤布拉格光栅(FBG)光纤传感器或本文所述的其他类型的力传感器。轴平移传感器4851可以联接到轴平移信息接收器4856，轴平移信息接收器4856可以接收轴平移信息4857并且可以发送该信息以进行进一步处理以产生触觉感觉力。轴平移信息接收器4856可以被并入到医疗设备4400中或者被联接到医疗设备4400，并且可以与轴平移传感器4851通信。
在一些实施方式中，力传感器单元4800包括轴平移传感器4851，该轴平移传感器4851经由轴平移托架4852联接到轴4410的力传感器弯曲部(图6C中未示出)，使得当轴4410沿着Z轴线平移时，力传感器弯曲部弯曲与施加在轴4410上的力的量相关的量。力传感器单元4800还可以包括微处理器(图6C中未示出)，其接收来自轴平移传感器4851的信号，该信号与轴4410沿着轴的轴线C1(例如沿着Z轴线)的线性位移相关联。微处理器被配置为执行指令以确定沿轴的轴线作用在轴上的力的测量值。在可选的实施方式中，力传感器单元4800可以包括感应线圈传感器(图6C中未示出)，如上所述。
对于给定量的轴向力FZ，轴4410的行进量部分取决于包括在轴平移托架4852内的弹性件4858的刚度。因此，如上针对先前实施方式所述，力传感器单元4800被校准以在轴向力的预期范围内提供轴4410的期望运动范围。弹簧可以将施加的轴向力转换成位移信号。
图7-16是根据实施方式的医疗设备7400及其部件的各种视图。在一些实施方式中，医疗设备7400或其中的任何部件任选地是执行外科程序的外科系统的部件，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动连接件、一系列套管等。医疗设备7400(以及本文所述的任何器械)可用于任何合适的外科系统，例如上文所示和所述的MIRS系统1000。医疗设备7400包括位于医疗设备7400的近端部分处的机械结构7700、外轴7910、轴7410(在本实施方式中用作内轴)、力传感器单元7800、轴平移托架7852、轴滚动驱动组7744(见图15和16)、以及包括腕部组件7500和末端执行器7460的远端机构。尽管未示出，但是医疗设备7400还可以包括一个或多个连接器，该一个或多个连接器将机械结构7700联接到腕部组件7500和末端执行器7460，并且用作致动末端执行器7460的张力构件。在一些实施方式中，连接器可以是线缆、带或类似物。器械7400被配置为使得连接器的选择移动产生腕部组件7500围绕第一旋转轴线A1(见图8)的旋转(即俯仰旋转)(其用作俯仰轴线；术语俯仰是任意的)、末端执行器7460围绕第二旋转轴线A2(见图8)的偏转旋转(其用作偏转轴线；术语偏转是任意的)、末端执行器7460的工具构件围绕第二转动轴线A2的切割旋转、或这些移动的任意组合。改变器械7400的俯仰或偏转可以通过以类似于美国专利US8,821,480B2(2008年7月16日提交)中所述的方式操纵连接器来执行，该专利题为“具有固体表面线缆通道的四线缆腕部”，该专利通过引用整体并入本文。因此，下面不描述每个连接器实现所需动作的具体移动。
图8和10-12示出了外轴7910被移除以清楚地示出内轴7410。轴7410包括联接到机械结构7700的近端7411和经由锚固件7925联接到横杆7810的远端7412(见图8)。横杆7810可以包括一个或多个应变传感器(未示出)或与其联接，以测量在外科程序中在X和Y方向上施加在外科器械上的力。因此，横杆7810可以是力传感器单元的一部分，类似于题为“力传感器单元上的应力/应变隔离的设备和方法”的共同未决的美国临时专利申请第63/026321号(2020年5月18日提交)中所示和描述的那些，其公开内容通过引用整体并入本文。尽管在该实施方式中示出并描述了具有X-Y传感器的横杆7810，但是在其他实施方式中，可以不包括横杆7810和X-Y传感器。轴7410的近端以允许轴7410沿着轴7410(如图8所示)的轴线C1相对于机械结构7700移动的方式联接到机械结构7700。更具体地，在该实施方式中，轴7410延伸穿过机械结构7700的基座7770中的开口(未示出)，并且联接到轴平移托架7852的第一连杆7821，其允许轴7410在Z轴线方向上平移并且也旋转，如下文更详细地描述的。如本文所述，允许轴7410在Z方向上“浮动”有助于测量沿Z轴线的力。轴7410还限定管腔(未示出)和/或多个通道，连接器和其他部件(例如，电线、接地线等)可以通过该管腔和/或通道从机械结构7700发送到腕部组件7500。锚固件7925可以至少部分地接收在轴7410的管腔内，并且可以通过粘合剂、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上并且包括可以联接到机械结构7700的近端7911和远端7912。外轴7910在近端7911和远端7912之间限定管腔。轴7410在外轴7910的管腔内延伸并且可以相对于外轴7910移动。例如，轴7410可以相对于外轴7910旋转和/或可以在平行于轴7410的轴线C1的方向(即，Z方向)上纵向平移。
参照图8，腕部组件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，该远侧部分在关节处联接到第二连杆7610的近侧部分，使得第二连杆7610能够相对于第一连杆7510围绕第一旋转轴线A1(其用作俯仰轴线，术语俯仰是任意的)旋转。近侧第一连杆7510包括近侧部分，该近侧部分联接到横杆7810，如本文中更详细描述的。
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能够围绕第二旋转轴线A2(见图8)(其用作偏转轴线)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7462具有配置为在外科程序中接合或操纵目标组织的接触部分7464。例如，在一些实施方式中，接触部分7464可以包括接合表面，该接合表面起到夹持器、切割器、组织操纵器等的作用。在其他实施方式中，接触部分7464可以是用于烧灼或电外科手术的通电工具构件。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相对于轴7410围绕第一旋转轴线A1旋转。以这种方式，工具构件7462的接触部分7464可以被致动以在外科程序中接合或操纵目标组织。工具构件7462(或本文所述的任何工具构件)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可以包括协同执行抓握或剪切功能的两个工具构件。在其他实施方式中，末端执行器可以包括两个以上的工具构件。
机械结构7700包括用于产生连接器(未示出)的移动以在腕部组件7500处产生期望的移动(俯仰、偏转或抓握)的部件。具体地，机械结构7700包括部件和控制装置，以在近侧方向上移动一些连接器(即，拉入某些连接器)，同时允许其他连接器以相等长度远侧移动(即，释放或“放出(paying out)”)。以这种方式，机械结构7700可以在连接器内保持期望的张力，并且在一些实施方式中，可以确保在腕部组件7500的整个运动范围内保持连接器的长度(即，以相等的量移动)。然而，在其他实施方式中，不需要保持连接器的长度。
在一些实施方式中，机械结构7700可以包括产生连接器的一部分的平移(线性运动)的一个或多个机构。这样的机构可以包括，例如，万向节、杠杆或任何其他合适的机构，以直接拉动(或释放)任何连接器的端部。例如，在一些实施方式中，机械结构7700可以包括在美国专利申请公开号US20157/0047454A1(于2014年8月15日提交)，题为“杠杆驱动的万向节板”，或美国专利号US 6,817,974 B2(于2001年6月28日提交)，题为“具有可正向定位的肌腱驱动的多盘腕关节的外科工具”，其每一篇均通过引用整体并入本文。
如图9和图10所示，机械结构7700包括四个绞盘7510、7720、7730和7740(其用作致动器输入件)，以及包括基座7770和顶板(未示出)的器械支撑结构7725，以及电路板(未示出)。在其他实施方式中，任选地可以使用各种支撑结构，例如底盘、框架、床、机械结构的一体式环绕外部主体等。绞盘7710、7720、7730、7740是电机驱动的辊，其旋转或“卷绕”连接器的一部分(未示出)以产生期望的连接器移动，因此产生腕部组件7500和末端执行器7460的期望移动。在一些实施方式中，机械结构7700可以构造为与题为“使用驱动线缆进行电子通电的医疗器械”的美国专利US 9,204,923 B2(2008年7月16日提交)中描述的机械结构(称为后端组件或致动器)或其中的部件相同或相似，其全文通过引用并入本文。
轴平移托架7852以使得轴移动量可以与施加的轴向力FZ相关的方式相对于机械结构7700的支撑结构7725可移动地联接轴7410。轴平移托架7852包括部件以隔离轴7410的轴向移动(即，约束轴，使得测量的移动仅由轴向力FZ而不是沿X和Y轴线的横向力引起)，并限制与轴7410移动相反的摩擦力(这可能在确定轴向力FZ时引起误差)。轴平移托架7852包括将轴7410保持在沿着轴的轴线C1的限定位置处的弹性件。换言之，沿着轴的轴线(或沿着Z轴线，其可以在支撑结构7725的参考框架处限定)存在轴趋向的最低能量位置，并且轴在远离该最低能量位置的方向上的平移导致弹性件将轴7410推回至最低能量位置。结果，轴7410在外轴7910内沿着支撑结构参考框架的Z轴线的限定位置处浮动。弹性件(即，轴平移托架7852的一部分)被配置为与沿轴的轴线的方向上施加到轴7410的力成比例地位移，并且弹性件抵消施加在轴7410远端处的力。尽管弹性件在下文中被描述为由第一平移弯曲部7853和第二平移弯曲部7854(它们具有活动铰链7866)产生，但是在其他实施方式中，可以使用各种弹簧布置来提供弹性件。例如，一些实施方式可以包括提供+Z力和-Z力的单个弹簧(未示出)，或者两个弹簧，每个弹簧提供+Z或-Z力。
对于给定量的轴向力FZ，轴7410的行进量部分地取决于包括在医疗设备7400内的弯曲部和活动铰链的刚度，以提供如上所述的弹性件。因此，轴平移托架7852被校准以在轴向力的预期范围内提供轴7410的期望运动范围。该布置可用于将所施加的轴向力转换(或关联)为与所施加的轴力FZ相关联的位移。因此，位移信号(来自力传感器单元7800)可以与施加的轴向力相关。
在该实施方式中，轴平移托架7852包括在机械结构7700内联接在一起的第一连杆7821(其用作轴滚动载体)、第一平移弯曲部7853、第二平移弯曲部7854和第二连杆7823。第二连杆7823固定到机械结构7700(其用作轴平移托架7852的基础)。第一连杆7821被配置为将相对于机械结构7700的支撑结构的轴平移约束为沿着轴的轴线平移。第一连杆7821还被构造成将相对于机械结构7700的支撑结构7725的轴滚动约束为围绕轴的轴线C1滚动。两个平移弯曲部7853和7854提供与第一连杆7821和平移托架7852相关联的弹性件，该弹性件将轴7410推动到沿着轴的轴线C1的限定的最低能量位置。例如，如图9-13所示，第一弯曲部7853和第二弯曲部7854中的每一个都包括在所示的顶部和底部上的活动铰链7866。活动铰链7866是当轴7410(和第一连杆7821)沿着轴的轴线C1在Z轴线方向上移动时变形(从而导致第一弯曲部7853和第二弯曲部7854变形)的薄的材料部分。
滚动驱动组7744被配置为使轴7410围绕轴的轴线C1旋转，并且包括轴滚动驱动器7750、轴滚动驱动接收器7738和轴滚动驱动联轴器7746。轴滚动驱动器7750联接到机械结构7700的支撑结构7725，并且经由轴滚动驱动联轴器7746可操作地联接到轴滚动驱动接收器7738(参见例如图15和图16)。轴滚动驱动联轴器7746例如可以是缆线。轴滚动驱动器7750是产生轴7410的旋转的电机驱动构件。例如，轴滚动驱动器7750包括齿轮7751，该齿轮7751接合电机驱动的致动绞盘7760的齿轮7761(例如，参见图12和图15)。当由致动绞盘7760致动时，轴滚动驱动器7750旋转，这又导致轴滚动驱动接收器7738经由轴滚动驱动联轴器7746旋转，并且轴滚动驱动接收器7738的旋转导致轴7410相对于机械结构7700的支撑结构7725旋转。例如，轴滚动驱动接收器7738由轴滚动驱动联轴器7746(例如，如图15和16所示，连接到轴滚动驱动器7750并缠绕在轴滚动驱动接收器7738的一部分上的线缆、带、绳索或其他合适的连接器)致动。
轴滚动驱动接收器7738联接到轴7410，使得当轴7410沿着轴的轴线C1(例如，Z轴线)平移时，轴滚动驱动接收器7738也相对于轴滚动驱动器7750沿着轴的轴线C1平移。轴滚动驱动接收器7738包括轴承7759(参见例如图15和图16)，该轴承7759接合第一连杆7821的内壁，使得当轴滚动驱动接收器7738与轴7410一起平移时，第一连杆7821也沿着轴的轴线C1平移。换言之，轴平移托架7852的第一连杆7821联接到轴滚动驱动接收器7738并联接到轴7410，使得第一连杆7831也可以与轴7410一起沿着轴的轴线C1平移。
第一连杆7821被构造成将轴7410相对于机械结构7700的支撑结构的平移约束为沿着轴的轴线C1平移。换句话说，轴7410以限制轴7410相对于第一连杆7821沿Z轴线平移移动的方式联接到第一连杆7821。因此，轴平移托架7852和第一连杆7821配置为约束轴7410，以防止轴7410由于轴向力FZ而移动时的倾斜或“离轴”移动。如上所述，轴滚动驱动器7750被配置为使轴滚动驱动接收器7738旋转，这又使轴7410(联接到其上)相对于机械结构7700的支撑结构7725旋转，但是轴平移托架7852的第一连杆7821不与轴滚动驱动接收器7738和轴7410一起旋转。换言之，轴平移托架7852的第一连杆7821与轴7410一起沿着轴的轴线C1平移，但不随轴7410旋转。这种布置允许轴7410相对于机械结构7700沿着Z轴线平移(这允许轴向力的测量)，同时还允许轴7410围绕Z轴线旋转。
如上所述，由第一弯曲部7853和第二弯曲部7854的活动铰链7866提供的弹性件可以将轴7410保持在沿着轴的轴线的限定位置。弹性件被配置为在沿着轴的轴线的方向上与施加到轴7410的轴向力FZ成比例地位移，并且弹性件抵消施加在轴7410远端处的轴向力FZ。因此，例如，当轴7410沿着Z轴线在朝向机械结构7700的方向上平移时，第一弯曲部7853和第二弯曲部7854上的活动铰链7866允许弯曲部7853和7854弯曲或旋转，从而允许第一连杆7821与轴7410一起平移。如图13所示，弯曲部7853和7854中的每一个的端部联接到第二连杆7823，并且因此相对于机械结构7700的支撑结构7725保持静止。弯曲部7853和7854中的每一个的相对端部联接到沿着Z轴线移动的第一连杆7821。因此，弯曲部7853和7854弯曲以允许第一连杆7821移动，而第二连杆7823保持固定。活动铰链的特性(例如，厚度、材料特性)可以进行调整，以产生所需的弹性量。
力传感器单元7800的轴平移传感器测量轴7410沿Z轴线的位移，然后将其转换为力测量值。在该实施方式中，力传感器单元7800包括以光纤传感器(未示出)形式的轴平移传感器，该光纤传感器联接到力传感器弯曲部7860。光纤传感器可以是例如光纤布拉格光栅(FBG)光纤传感器。例如，如图14所示，力传感器弯曲部7860限定凹槽7861，光纤传感器可以设置在凹槽7861中。如图12中所示，力传感器弯曲部7860的第一端部7867经由滑动件7855联接到轴平移托架7852的第一连杆7821，并且力传感器弯曲部7860的第二端部7868(直接或间接)联接到静止的第二连杆7823。因此，当轴7410沿着Z轴线平移时，第一连杆7821沿着Z轴线平移，这又导致力传感器弯曲部7860弯曲与施加在轴7410上的力的量相关的量。凹槽7861内的光纤传感器可以精确地测量由于传感器内的光信号的变化而引起的力传感器弯曲部7860的偏转的大小。偏转量与轴7410沿Z轴线的平移相关，因此也与施加的轴向力FZ的大小相关。力传感器单元7800还可以包括微处理器，该微处理器从轴平移传感器接收信号，其与轴7410沿着轴的轴线C1(例如，沿着Z轴线)的线性位移相关联。微处理器被配置为执行指令以确定沿轴的轴线作用在轴上的力的测量值。
在使用医疗设备7400期间，当力在Z方向上施加在轴7410上时，轴7410将沿着Z轴线行进，这又导致轴平移托架的第一连杆7821沿着Z轴线平移。力传感器弯曲部7860的第一端部7867和光纤传感器联接到第一连杆7821，使得当轴7410由于施加在医疗设备7400的远端上的力而轴向移动时，力传感器弯曲部7860将偏转或弯曲与轴7410沿Z轴线已经行进的距离相对应的量。光纤传感器联接到力传感器弯曲部7860，使得力传感器弯曲部7860上的弯曲量由光纤传感器感测，其可以转换为Z轴线力测量值。微处理器接收来自光纤传感器的信号，该信号与轴沿着轴的轴线(例如，沿着Z轴线)的线性位移相关。微处理器被配置为执行指令以确定沿轴的轴线作用在轴上的力的测量值。
尽管示出为包括光纤传感器，但在其他实施方式中，力传感器单元7800(或本文所述的任何力传感器单元)可以包括本文所述任何其他合适类型的力传感器。例如，在其他实施方式中，力传感器单元7800可以包括各种类型的应变计，包括但不限于传统的箔型电阻计、半导体应变计、感应线圈力传感器、电磁传感器或光学传感器(例如，飞行时间(TOF))或其他，例如应变感测表面声波(SAW)设备。轴平移传感器可以联接到轴平移信息接收器(未示出)，轴平移信息接收器可以接收轴平移信息(未示出)并且可以发送该信息用于进一步处理以产生触觉感觉力。轴平移信息接收器可以被并入到医疗设备7400中或者被联接到医疗设备，并且可以与力传感器通信。
图17-30是根据一个实施方式的医疗设备5400及其部件的各种视图。在一些实施方式中，医疗设备5400或其中的任何部件任选地是执行外科程序的外科系统的部件，并且该外科系统可以包括操纵器单元、一系列运动连接件、一系列套管等。医疗设备5400(以及本文所述的任何器械)可用于任何合适的外科系统，例如上文所示和所述的MIRS系统1000。医疗设备5400包括位于医疗设备5400的近端部分的机械结构5700、外轴5910、轴5410(在本实施方式中用作内轴)、力传感器单元5800和远端机构(未示出)，该远端机构可包括腕部组件和末端执行器，如上文针对先前实施方式所述。尽管未示出，器械5400还可以包括一个或多个连接器，该一个或多个连接器将机械结构5700联接到腕部组件和末端执行器，并且用作致动末端执行器的张力构件。在一些实施方式中，连接器可以是线缆、带等。器械5400被配置为使得连接器的选择移动产生腕部组件围绕第一旋转轴线A1(参见图8)的旋转(即俯仰旋转)(其用作俯仰轴线，术语俯仰是任意的)、末端执行器围绕第二旋转轴线A2(参见图8)的偏转旋转(其用作偏转轴线；术语偏转是任意的)、末端执行器5460的工具构件围绕第二旋转轴线A2的切割旋转或这些移动的任何组合。改变器械5400的俯仰或偏转可以通过以类似于美国专利US 8821480 B2(2008年7月16日提交)中所述的方式操纵连接器来执行，该专利题为“具有固体表面线缆通道的四线缆腕部”，该专利通过引用整体并入本文。因此，下面不描述每个连接器实现所需动作的具体移动。
轴5410包括联接到机械结构5700的近端5411，以及以与针对医疗设备7400所描述的类似方式联接到横杆(未示出)的远端。轴5410的近端以允许轴5410沿着轴的轴线C3(轴的轴线C3类似于图8中所示的轴的轴线C1)相对于机械结构5700移动的方式联接到机械结构5700。更具体地，在该实施方式中，轴5410延伸穿过机械结构5700的基座5770中的开口(未示出)，并且联接到连接件5850的第一连杆5821，其允许轴5410在Z轴线方向上平移并且也旋转，如下面更详细地描述的。如本文所述，允许轴5410在Z方向上“浮动”有助于测量沿Z轴线的力。轴5410还限定管腔(未示出)和/或多个通道，连接器和其他部件(例如，电线、接地线等)可以通过该管腔和/或通道从机械结构5700发送到腕部组件。
外轴5910可以是任何合适的细长轴，其可以设置在轴5410上并且包括可以联接到机械结构5700的近端5911和远端(未示出)。外轴5910在近端5911和远端之间限定管腔。轴5410在外轴5910的管腔内延伸并且可以相对于外轴5910移动。例如，轴5410可以相对于外轴5910旋转和/或可以在平行于轴5410的轴线C3的方向(即，Z方向)上纵向平移。在该实施方式中，外轴5910的近端5911联接到锁定手柄5919，该锁定手柄5919固定地联接到机械结构5700，如图17所示。锁定手柄5919可用于使外轴5910相对于轴5410移动，并将外轴5910锁定在相对于轴5410沿着Z轴线方向的位置上。以这种方式，外轴5910可以相对于轴5410缩回(即，向近侧移动)，以暴露医疗设备5400的远侧部分(例如，力传感器横杆)，以便于清洁横杆或与其连接的任何传感器。在一些实施方式中，锁定手柄5919可以被构造为与共同未决的国际申请PCT/US2020/055794(于2020年10月15日提交)中所示和描述的外轴安装管组件970相同或相似，并且起到与其相同或相似的作用，该申请题为“具有嵌套轴管的外科手术工具”，其公开内容通过引用整体并入本文。在其他实施方式中，外轴5910或其部分可以相对于机械结构5700移动(例如，外轴5910可以是伸缩轴)。
机械结构5700包括用于产生连接器(未示出)的移动的部件，以在腕部组件(未示出，但其可以类似于本文所述的腕部组件7500)处产生期望的移动(俯仰、偏转或抓握)。具体地，机械结构5700包括部件和控制装置，以在近侧方向上移动一些连接器(即，拉入某些连接器)，同时允许其他连接器以相等长度远侧移动(即，释放或“放出”)。以这种方式，机械结构5700可以在连接器内保持期望的张力，并且在一些实施方式中，可以确保在腕部组件的整个运动范围内保持连接器的长度(即，以相等的量移动)。然而，在其他实施方式中，不需要保持连接器的长度。
在一些实施方式中，机械结构5700可以包括产生连接器的一部分的平移(线性运动)的一个或多个机构。这样的机构可以包括，例如，万向节、杠杆或任何其他合适的机构，以直接拉动(或释放)任何连接器的端部。例如，在一些实施方式中，机械结构5700可以包括在美国专利申请公开号US20157/0047454A1(于2014年8月15日提交)，题为“杠杆驱动的万向节板”，或美国专利号US 6,817,974 B2(于2001年6月28日提交)，题为“具有可正向定位的肌腱驱动的多盘腕关节的外科工具”，其每一篇均通过引用整体并入本文。
如图17-18所示，机械结构5700包括三个绞盘5720、5730和5740(它们用作致动器输入件)，以及滚动驱动器5750，它们各自用作操作输入件。绞盘5720、5730、5740是电机驱动辊，其旋转或“卷绕”连接器的一部分(未示出)以产生期望的连接器移动，因此产生腕部组件和末端执行器的期望移动。如下所述，滚动驱动器5750是产生轴5410的旋转(称为“滚动”)的电机驱动构件。在一些实施方式中，机械结构5700可以构造为与题为“使用驱动线缆进行电子通电的医疗器械”的美国专利US 9,204,923 B2(2008年7月16日提交)中描述的机械结构(称为后端组件或致动器)或其中的部件相同或相似，其全文通过引用并入本文。机械结构5700还包括器械支撑结构5725，该器械支撑结构5725包括基座5770和顶板5762、电路板5765和共模扼流圈5763(下面参照图32更详细地讨论)。在其他实施方式中，任选地可以使用各种支撑结构，例如底盘、框架、床、机械结构的一体式环绕外部主体等。
机械结构5700围绕(或联接到)力传感器单元5800，力传感器单元5800包括线圈组件5815、连接件5850(其用作轴平移托架或可移动四棒连接件)和微处理器(见图32中的示例微处理器)。连接件5850包括联接到机械结构5700的四个连杆。更具体地，如图20和21中最佳地示出的，连接件5850包括联接到轴5410的第一连杆5821(其用作滚动载体)、联接到第一连杆5821并联接到支撑底座5841的第二连杆5827(参见例如图22)。支架5839联接到第一连杆5821的端部，并且用于将线圈组件5815的杆联接到第一连杆5821，如下面更详细描述的。如图22所示，第二连杆5827包括弹簧元件5829，其联接到支撑底座5841或由支撑底座5841支撑。连接件5850还包括联接到第一连杆5821的第三连杆5825和联接到第二连杆5827和第三连杆5825的第四连杆5823。第四连杆5823是静止的，并充当其他三个连杆的“基础”，当轴5410沿着其轴线C-A移动时，其他三个连杆移动。连接件5850的四个连杆可以保持医疗设备5400内的连接器张力，并且当力轴向施加在医疗设备5400的远端时提供轴5410的线性移动。连接件5850还可以约束Z轴线上的移动并隔离Z轴线上的力。
轴5410经由连接件5850联接到机械结构5700，使得轴5410相对于机械结构5700的行进量可以与施加到末端执行器5460的轴向力的大小相关。以这种方式，测量轴5410相对于机械结构5700移动所经过的距离可以用于确定施加到轴5410的远端(例如，在末端执行器处)的轴向力(例如，Z方向上的力)。如本文所述，连接件5850隔离轴5410的轴向运动(即，约束轴移动，使得测量的移动仅由轴向力而不是沿X和Y轴线的横向力引起)，限制与轴5410移动相反的摩擦力，并为同轴布置的线圈提供合适的结构，如下所述。
更具体地，轴5410经由滚动接收器5738(参见例如图28-29)联接到连接件5850的第一连杆5821，使得当轴5410沿着Z轴线方向移动时，第一连杆5820与轴5410一起沿着Z轴线方向移动。换句话说，轴5410以限制轴5410相对于第一连杆5821沿Z轴线移动的方式联接到第一连杆5821。然而，滚动接收器5738允许轴5410也相对于第一连杆5821旋转(例如，当轴5410围绕Z轴线旋转时，第一连杆5821不旋转)。滚动接收器5738可以由联接到滚动驱动器5750的线缆(带、绳索或其他合适的连接器(未示出))致动，并且如以上针对医疗设备7400所描述的那样缠绕在滚动接收器5738的一部分上。这种布置允许轴5410相对于机械结构5700围绕Z轴线移动(这允许轴向力的测量)，同时还允许轴5410围绕Z轴线旋转。
第二连杆5827的弹簧5829提供与第一连杆5821相关联的弹性件，该弹性件沿着轴的轴线C3将轴5410推动到限定的最低能量位置。因此，弹簧5829可以将轴5410保持在沿着轴的轴线C3的限定位置处。换言之，沿着轴的轴线C3(或相对于基座5770的Z轴线方向)存在轴趋向的最低能量位置，并且在远离该最低能量位置的方向上的轴平移导致弹簧5829将轴5410推回至最低能量位置。结果，轴5410在外轴5910内沿着Z轴线的限定位置处浮动。弹簧5829配置为在沿着轴的轴线C3的方向上与施加到轴5410的力成比例地位移，并且抵消施加在轴5410远端处的力。弹簧5829可以由比第二连杆5827的剩余部分更柔性的材料形成，从而产生具有期望刚度的弹簧。轴5410在Z轴线方向上的行进量部分取决于第二连杆5827的弹簧5829的刚度。例如，如果弹簧5829非常硬，则当轴向力施加到末端执行器(未示出)时，轴5410将仅移动短距离。相反地，如果弹簧5829的刚性较小，则相同的轴向力将产生轴5410的更大的移动。因此，弹簧5829可以被选择为具有期望的刚度，使得轴5410在要施加的轴向力的预期范围上的总行程将在力传感器单元5800的动态范围内。尽管弹簧5829被示为板簧，但是在其他实施方式中，连接件5850可以包括任何合适类型的弹簧(例如，盘簧或扭转弹簧)。
图25示出了当第二连杆5827和轴5410处于中性位置(例如未致动)时第二连杆5827的位置。在使用医疗设备5400期间，当轴沿着Z轴线方向移动时，第一连杆5821将与轴5410一起移动，并且联接到第一连杆5821的第二连杆5827将围绕枢转关节5742枢转。例如，图26图示了相对于中性位置在Z轴线方向上向近侧平移的轴5410，并且图27图示了相对中性位置在Z轴线方向上远侧平移的轴5410(第一连杆5821为了图示的目的而被移除)。第二连杆5827(和弹簧5829)在图26中向下成角度，并且枢转关节5742与基准线L相距距离D1。在该配置中(例如，轴5410的近侧移动)，轴5410暴露于第一力F1。第二连杆5827(和弹簧5829)在图27中向上成角度，并且枢转关节5742与基准线L相距距离D2，该距离小于距离D1。在该配置中(例如，轴5410的远侧运动)，轴暴露于第二力F2，该第二力F2在该示例中小于第一力F1。通过测量距离D1，可以确定第一力F1的大小，并且通过测量距离D2，可以确定第二力F2。
如图31所示，线圈组件5815包括第一线圈5812、第二线圈5814、第一杆5816、第二杆5818、第一磁体5831、第二磁体5833和安装支架5837。安装支架5837固定在机械结构5700内，并且经由布线5835电联接到电路板5765。第一线圈5812和第二线圈5814各自安装在安装支架5837内并且彼此并排定位。第一线圈5812和第二线圈5814各自是缠绕在由非导电材料(例如PEEK)形成的圆柱体上的感应线圈。第一线圈5812和第二线圈5814形成为具有相同的特性，例如线圈长度(或高度)、宽度和线圈导线的厚度。
因此，因为第一连杆5821在Z轴线上固定地联接到轴5410，所以第一杆5816和第二杆5818各自固定地联接至轴5410并且可以与轴5410和第一连杆5821一起在Z轴线方向上移动。在一些实施方式中，线圈组件5815联接到机械结构5700，使得轴5410的轴线C3在第一杆5816的轴线C1和第二杆5818的轴线C2之间，如图19所示。在一些实施方式中，轴5410的轴线C3分别平行于第一杆5816和第二杆5816的中心轴线C1和C2。在一些实施方式中，轴5410的轴线C3在第一杆5816的轴线C2和第二杆5818的轴线C1之间居中。
在使用医疗设备5400期间，当力在Z方向上施加在轴5410上时，轴5410将沿着Z轴线行进，这又导致杆5816和5816沿着Z轴线(沿着它们各自的中心轴线)平移。当杆5816和5818(以及磁体5831和5833)在相应的线圈5812和5814内移动时，线圈5812和5816中的每一个都产生与磁体5831和5833在相应的在线圈5812和5834内的位置相关联的信号。微处理器(可以类似于图32中所示的微处理器6852)从线圈5812和5814接收这些信号。如上所述，线圈5812和5814中的每一个产生与轴5410沿着轴5410的轴线C3(例如，沿着Z轴线)的线性位移相关联的单独信号。在一些实施方式中，来自线圈的信号可以包括来自第一线圈5812的具有第一频率的第一信号和来自第二线圈5814的具有第二频率的第二信号。微处理器被配置为执行指令以根据第一频率和第二频率确定沿着轴5410的轴线C3作用在轴5410上的力的测量值。
如上所述，力传感器单元5800测量由于轴的Z轴线移动(即，沿着轴4410的轴线C3)引起的线圈内的电感的变化，该变化从位置测量转换为力测量。如上所述，具有弹簧5829的第二连杆5827和线圈组件5815被接地到机械结构5700的同一刚性部件(例如，基座5770)，使得可以避免由于不同接地部件中的偏转差异而产生的假力信号。
图32是力传感器单元6800的实施方式的一部分的框图，该力传感器单元6800可以被实现为测量施加到器械轴(例如轴5410)的轴向力。力传感器单元6800可以实现为如上所述的用于医疗设备5400(包括力传感器单元5800)的感应Z轴线力传感器单元。如上所述，作用在器械轴上的轴向力导致器械轴6410的轴向移动，这可以由力传感器单元6800检测到。力传感器单元6800可以包括如本文所述的线圈组件6815，其包括一对线圈6812和6814，其中杆6816和杆6818分别可移动地定位在线圈6812和6814内。杆6816可以具有与其联接的磁体6831，杆6818可以具有与其联接的磁体6833。
线圈6812可以通过电容器C联接到多通道频率检测6865，电容器C可以与线圈6812形成电感器/电容器(LC)电路，其具有基于杆6816和磁体6831在线圈6812内移动的距离的电感贡献。线圈6814可以通过电容器C联接到多通道频率检测6865，电容器C可以与线圈6814形成LC电路，该LC电路具有基于杆6818和磁体6833在线圈6814内移动的距离的电感贡献。与线圈6812和6814相关联的LC电路可以用不同的电容来实现，其中这种差异被考虑
多通道频率检测6865可以被实现为测量电感的精确的双电感传感器。在电容器C与线圈6812形成LC电路输入到多通道频率检测6865的情况下，多通道频率检测6865可以输出与该电路的频率相关联的第一信号，例如频率与已知参考频率的比率。在电容器C与线圈6814形成LC电路输入到多通道频率检测6865的情况下，多通道频率检测器6865可以输出与该电路的频率相关联的第二信号，例如频率与已知参考频率的比率。多通道频率检测6865可以向微处理器6852输出N个数字信号。对于两个LC电路，多通道频率检测6865可以向微处理器6870输出两个数字信号。
微处理器6852可以包括或可以访问EEPROM 6872或其他存储设备，其可以包括用于在线圈6812内实现磁体6831和在线圈6814内实现磁体6833的校准值。在器械轴上的轴向力的测量中，可以访问校准值，以基于从多通道频率检测6865接收的频率来确定每个磁体6831和6833移动的距离。频率差可以作为电感差存储在EEPROM 6872中，作为距离函数。这种距离差可以与参考位置和电感差相关联。对于从测量的电感差中选择的距离，该距离可以与存储在EEPROM 6872中的弹簧常数一起使用，其中弹簧常数是弹簧(例如，如上所述的弹簧5829)的特性，通过该弹簧，器械轴6410联接到支撑结构，力传感器单元6800可以部署在该支撑结构上。
力传感器单元6800可以包括其他部件。例如，微处理器6852可以包括通用异步接收器/发送器(UART)接口6874或其它通信接口，以发送(TX)数字输出和接收(RX)数字信号。接收到的信号可以用于更新微处理器6852的EEPROM 6872中的校准值。共模扼流圈6763(例如共模扼流圈5863)可用于减少与力传感器单元6800部署在其上的支撑结构的其它板的干扰。任选地，力传感器单元6800可以包括在共模扼流器6763和微处理器6852之间的磁性结构6862。磁性结构6862可以被插入以帮助减少电磁干扰(EMI)辐射。磁性结构6862可以被实现为铁氧体磁珠。对于磁性结构6862，可以实现其他磁性材料格式。
机器可读存储设备可以包括用于以机器可读的形式存储信息的任何非瞬态机构，例如，被指派执行特定功能的计算机或微处理器。例如，机器可读存储设备可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存设备以及其他存储设备和介质。在本文所述的具有力传感器单元的医疗设备的各种实施方式中，非瞬态机器可读介质可以包括指令，当指令由一组处理器执行时，可以使系统执行包括以下的操作：接收由与第一磁体相对于第一线圈的位置相关联的第一线圈产生的第一信号，以及由与第二磁体相对于第二线圈的位置相关联的第二线圈产生的第二信号；并且其中来自第一线圈的第一信号和来自第二线圈的第二信号与轴沿着轴的轴线的线性位移相关联。力传感器单元可以包括微处理器，该微处理器被联接以接收第一和第二信号。在各种实施方式中，非瞬态机器可读介质可以包括指令，当指令由一组处理器执行时，使得系统执行如此操作，该操作包括执行与本文所述的各种实施方式相关联的功能的方法。
尽管以上已经描述了各种实施方式，但应当理解，它们仅通过示例而非限制的方式呈现。在上述方法和/或示意图指示以特定顺序发生的特定事件和/或流动模式的情况下，可以修改特定事件和(或)操作的顺序。虽然已经特别地示出和描述了实施方式，但是应当理解，可以在形式和细节上进行各种改变。
例如，本文所述的任何器械(以及其中的部件)任选地是执行微创外科程序的外科组件的部件，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动连接件、一系列套管等。因此，本文所述的任何器械都可以用于任何合适的外科手术系统，例如上文所示和所述的MIRS系统1000。此外，本文所示和描述的任何器械都可以用于在外科程序中操纵目标组织。这些目标组织可以是癌症细胞、肿瘤细胞、病变、血管闭塞、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。所提供的目标组织的示例不是详尽的列表。此外，目标结构还可以包括身体内或与身体相关联的人造物质(或非组织)，例如支架、人造管的一部分、身体内的紧固件等。
例如，本文所述的外科器械的任何部件都可以由任何材料构成，例如医用级不锈钢、镍合金、钛合金等。此外，本文所述的连杆、工具构件、横杆、轴、连接器、线缆或其他部件中的任何一个都可以由随后连接在一起的多个件构成。例如，在一些实施方式中，可以通过将单独构建的部件连接在一起来构建连杆。然而，在其他实施方式中，本文所述的任何连杆、工具构件、横杆、轴、连接器、线缆或部件都可以是整体构造的。
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部构件的旋转轴线(例如轴线A1)，但是在其他实施方式中，本文所述的任何器械都可以包括工具构件的旋转轴线，该旋转轴线从腕部组件的旋转轴线偏移任何合适的角度。
尽管各种实施方式已经被描述为具有特定特征和/或部件的组合，但是其他实施方式也可能具有来自如上所述的任何实施方式的任何特征和/或者部件的组合。已经在医疗设备的一般上下文中描述了各方面，并且更具体地，在外科器械中描述了各个方面，但是本发明的各方面不一定限于在医疗设备中使用。

Claims (25)

1.一种外科器械，其包括：
支撑结构、轴、包括轴滚动载体的轴平移托架、轴滚动驱动组和力传感器单元；
其中所述轴包括近端和远端，并且轴的轴线由所述近端和所述远端限定；
其中所述轴通过所述轴滚动载体联接到所述支撑结构；
其中所述轴滚动驱动组被配置为使所述轴围绕所述轴的轴线旋转，并且包括联接到所述支撑结构的轴滚动驱动器、联接到所述轴的轴滚动驱动接收器、以及联接在所述轴滚动驱动器和所述轴滚动驱动接收器之间的轴滚动驱动联轴器，使得当所述轴沿着所述轴的轴线平移时，所述轴滚动驱动接收器沿着所述轴的轴线相对于所述轴滚动驱动器平移；和
其中所述力传感器单元被配置为产生与沿着所述轴的轴线施加到所述轴的力的量相关联的信号。
2.根据权利要求1所述的外科器械，其中：
所述轴平移托架被构造成将相对于所述支撑结构的轴平移约束为沿着所述轴的轴线平移；和
所述轴滚动载体被构造成将相对于所述支撑结构的轴滚动约束为围绕所述轴的轴线滚动。
3.根据权利要求1或2所述的外科器械，其中：
所述轴平移托架包括弹性件，所述弹性件沿着所述轴的轴线将所述轴推动到限定的最低能量位置。
4.根据权利要求3所述的外科器械，其中：
所述弹性件包括联接在所述支撑结构和所述轴平移托架之间的一个或多个弹簧。
5.根据权利要求3所述的外科器械，其中：
所述弹性件是所述轴平移托架中固有的。
6.根据权利要求1或2所述的外科器械，其中：
所述轴平移托架包括弹簧；和
所述弹簧被配置为与在沿着所述轴的轴线的方向上施加给所述轴的力成比例地位移。
7.根据权利要求1或2所述的外科器械，其中：
所述力传感器单元还包括传感器；
当所述轴沿着所述轴的轴线平移时，所述传感器产生的信号与所述轴的线性位移相关联。
8.根据权利要求1或2所述的外科器械，其中：
所述力传感器单元包括感应传感器和微处理器；
所述感应传感器被配置为当所述轴沿着所述轴的轴线平移时产生与所述轴的位置相关联的信号，
所述微处理器被配置为接收所述信号。
9.根据权利要求1或2所述的外科器械，其中：
所述轴滚动驱动联轴器包括线缆。
10.一种外科器械，其包括：
轴，所述轴包括近端和远端，所述近端和所述远端限定轴的轴线；
用于响应于施加在所述轴的远端处的力而约束所述轴沿所述轴的轴线平移的装置；
用于在所述轴沿所述轴的轴线平移而发生位移时驱动所述轴围绕所述轴的轴线旋转的装置；和
用于确定沿所述轴的轴线施加在所述轴的远端处的力的量的装置。
11.根据权利要求10所述的外科器械，其中：
用于确定力的量的所述装置包括用于感测所述轴沿着所述轴的轴线的位移量的装置。
12.根据权利要求10或11所述的外科器械，其中：
所述外科器械还包括用于沿着所述轴的轴线将所述轴推动到最低能量位置的装置。
13.根据权利要求10或11所述的外科器械，其中：
所述外科器械还包括用于为所述轴沿着所述轴的轴线的平移提供弹性件的装置。
14.根据权利要求13所述的外科器械，其中：
所述外科器械还包括支撑结构；
所述轴联接到所述支撑结构；和
用于向所述轴提供弹性件的装置包括联接在所述轴和所述支撑结构之间的一个或多个弹簧。
15.根据权利要求13所述的外科器械，其中：
所述外科器械还包括轴平移托架；
所述轴联接到所述轴平移托架；
用于响应于施加在所述轴的远端处的力而约束所述轴沿所述轴的轴线平移的装置包括所述轴平移托架；和
用于为所述轴沿着所述轴的轴线的平移提供弹性件的装置是所述轴平移托架中固有的。
16.根据权利要求10或11所述的外科器械，其中：
用于在所述轴沿所述轴的轴线平移而发生位移时驱动所述轴围绕所述轴的轴线旋转的装置包括轴滚动驱动器、联接到所述轴的轴滚动驱动接收器、以及联接在所述轴滚动驱动器和所述轴滚动驱动接收器之间的轴滚动驱动联轴器。
17.根据权利要求16所述的外科器械，其中：
所述轴滚动驱动联轴器包括线缆。
18.根据权利要求10或11所述的外科器械，其中：
所述外科器械还包括用于在所述轴沿着所述轴的轴线平移时产生与所述轴的线性位移相关联的信号的装置。
19.根据权利要求10或11所述的外科器械，其中：
用于驱动所述轴旋转的装置包括线缆。
20.一种外科器械，其包括：
机械结构、包括近端部分和远端部分的轴、力传感器单元、联接到所述轴的近端部分的轴滚动驱动接收器和联接到所述轴滚动驱动接收器的轴滚动驱动器；
其中轴的轴线在所述轴的近端部分和远端部分之间延伸；
其中所述力传感器单元被配置为产生与在沿着所述轴的轴线的方向上施加到所述轴的力相关联的信号；
其中所述轴滚动驱动接收器和所述轴沿着所述轴的轴线平移；和
其中所述轴滚动驱动器使所述轴滚动驱动接收器旋转，并且所述轴滚动驱动接收器使所述轴围绕所述轴的轴线旋转。
21.根据权利要求20所述的外科器械，其中：
所述轴滚动驱动器包括联接到所述轴滚动驱动接收器的轴滚动驱动联轴器；和
所述轴滚动驱动联轴器包括线缆。
22.根据权利要求20所述的外科器械，其中：
所述外科器械还包括联接到所述机械结构和所述轴的轴滚动载体；
所述轴滚动驱动载体与所述轴一起沿着所述轴的轴线可移动；和
当所述轴围绕所述轴的轴线旋转时，所述轴滚动驱动载体保持静止。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的外科器械，其中：
所述外科器械还包括轴平移托架；
所述轴平移托架包括弹簧；和
所述弹簧被配置为与沿所述轴的轴线的方向上施加给所述轴的力成比例地位移。
24.根据权利要求20所述的外科器械，其中：
所述力传感器单元还包括传感器；和
当所述轴沿着所述轴的轴线平移时，所述传感器产生的信号与所述轴的线性位移相关联。
25.根据权利要求20所述的外科器械，其中：
所述力传感器单元包括感应传感器和可通信地联接到所述感应传感器的微处理器；
所述感应传感器被配置为当所述轴沿着所述轴的轴线移动时产生与所述轴的位置相关联的信号；和
所述微处理器接收所述信号。
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