CN116981411A - 具有内部的关节连接自由度的腹腔镜手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供了用于执行腹腔镜手术的系统、方法和介质，其在一个或多个腹腔镜手术操作期间具有在受试者的体腔内部的关节连接自由度。一种用于执行腹腔镜手术的系统可以包括机器人臂，机器人臂包括一个或多个腕部元件。一个或多个腕部元件可以配置成插入到受试者的体腔中，以在其中执行一个或多个腹腔镜手术操作。机器人臂可以配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔中的一个或多个关节连接自由度。

Description

具有内部的关节连接自由度的腹腔镜手术机器人系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年10月28日提交的申请号为63/106,688的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

外科医生可以通过在患者的体腔(例如腹部)中形成一个或多个小的切口来执行腹腔镜手术，通过这些小的切口可以插入小的手术工具和相机以便执行手术程序。这样的微创手术技术可能比非腹腔镜手术具有优势，诸如疼痛减少、失血减少、疤痕减少、后续护理和住院时间减少、以及恢复时间更快。腹腔镜手术可以使用手术机器人来执行，手术机器人使用计算机控制设备来操纵手术器械和相机，从而提供增加的精确度和/或增大的范围的运动和/或视野。

发明内容

在本文中提供了一种用于执行腹腔镜手术的系统，所述系统包括：一组机器人臂，所述一组机器人臂中的每一者包括至少一个端部执行器和至少一个相机，其中，至少一个内部端部执行器和所述至少一个相机具有足够的位置调节自由度和足够的方位调节自由度，以在插入到受试者的体腔(例如腹部)中时提供用于执行所述腹腔镜手术的全部范围的操作运动和视角方位。在一些实施例中，所述全部范围的操作运动和视角方位包括前向、后向、侧向、向上、向下、向左或向右方向的操作运动或视角方位，或者其间的任何方向的操作运动或视角方位。在一些实施例中，所述全部范围的操作运动和视角方位包括在操作运动或视角方位的任何两个位置或方向之间调整90度的能力。在一些实施例中，所述系统进一步包括外部自由度，所述外部自由度使得内部自由度能够围绕所述受试者的所述体腔(例如腹部)平移。

本公开的机器人系统可以包括一个或多个拟人机器人臂仪器和一个或多个相机(例如，机器人相机，其可以一起作为立体相机(诸如可致动的立体相机)工作)。在一些实施例中，所述机器人系统可以包括两个拟人机器人臂仪器和一个可致动的立体相机。每个臂器械和相机可以通过插入部位和套管针一个接一个地插入到患者的腹部。每个器械臂可以具有至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个内部自由度(加上用于所述端部执行器的一个内部自由度)。此外，所述立体相机内部可以具有至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个自由度。例如，所述臂的七个自由度可以从近端开始按以下顺序排列：一起模仿人类肩部运动的旋转致动器和铰链致动器、旋转致动器、模仿人类肘部运动的铰链致动器、以及旋转致动器、后面跟着一起模仿人类腕部运动的两个类似铰链的致动器。附着到所述腕部的可以是端部执行器。具有足够运动范围的多个自由度可以使臂的腕部能够以大量可能的方位(例如，前方、后方、两侧、上下、左右等)到达大量可能的位置，从而允许所述手术机器人系统的用户能够在在患者的体腔(例如腹部)内部进行手术操作(例如腹腔镜手术)期间在任何位置和任何观察方位观察和/或操作所述手术机器人系统。

在一些实施例中，所述一组机器人臂中的每一者包括：具有第一对称轴线的第一轴；具有第二对称轴线的第二轴；具有第三对称轴线的第三轴；端部执行器，用于插入到受试者的体腔中以在其中执行腹腔镜手术操作；第一致动器，围绕第一主轴线相对于所述第一轴旋转所述第二轴；第二致动器，围绕第二主轴线相对于所述第二轴旋转所述第二轴；以及第三致动器，围绕第三主轴线相对于所述第三轴旋转所述端部执行器。

在一些实施例中，所述一组机器人臂在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少一个关节连接(articulation)自由度。在一些实施例中，所述一组机器人臂在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，所述系统进一步包括至少一个相机，所述至少一个相机用于插入所述受试者的所述体腔中以可视化所述腹腔镜手术。在一些实施例中，所述系统进一步包括相机定位臂和相机致动器，所述相机致动器使所述至少一个相机围绕相机主轴线相对于所述相机定位臂旋转。在一些实施例中，所述至少一个相机配置成在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少一个关节连接自由度。在一些实施例中，所述至少一个相机配置成在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，所述至少一个相机包括至少一个立体相机。在一些实施例中，所述至少一个立体相机包括至少一个可致动的立体相机。在一些实施例中，所述系统提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度，所述关节连接自由度选自：插入自由度、滚转(roll)自由度、俯仰(pitch)自由度和偏航(yaw)自由度。在一些实施例中，所述相机包括闪光灯、镜头、闪光灯、灯或其任何组合。在一些实施例中，所述相机包括立体相机、红外相机、光学相机或其任何组合。在一些实施例中，所述端部执行器是钳子、抓钳、针驱动器、镊子或其任何组合。在一些实施例中，所述相机致动器进一步使所述相机围绕垂直于所述相机主轴线的相机副轴线相对于所述相机定位臂旋转。在一些实施例中，所述相机主轴线和所述相机副轴线垂直于所述相机定位臂的对称轴线。在一些实施例中，所述第一致动器进一步围绕垂直于所述第一主轴线的第一副轴线相对于所述第一轴旋转所述第二轴。在一些实施例中，所述第二致动器进一步围绕垂直于所述第二主轴线的第二副轴线相对于所述第二轴旋转所述第三轴。在一些实施例中，所述第三致动器进一步围绕垂直于所述第三主轴线的第三副轴线相对于所述第三轴旋转所述端部执行器。在一些实施例中，所述系统进一步包括套管针，并且其中，所述相机定位臂、所述两个或更多个臂中的一者或多者的所述第一轴、或两者可以相对于所述套管针平移。

本文中提供的另一方面是一种用于执行腹腔镜手术的方法，包括：将一组机器人臂的至少一部分插入到受试者的体腔中以在其中执行腹腔镜手术操作，所述一组机器人臂中的每一者包括至少一个端部执行器和至少一个相机，其中，所述至少一个内部端部执行器和所述至少一个相机具有足够的位置调节自由度和足够的方位调节自由度，以在插入到受试者的体腔中时提供用于执行所述腹腔镜手术的全部范围的操作运动和视角方位。

在一些实施例中，所述体腔是所述受试者的腹部。在一些实施例中，所述全部范围的操作运动和视角方位包括前向、后向、侧向、向上、向下、向左或向右方向的操作运动或视角方位，或者其间的任何方向的操作运动或视角方位。在一些实施例中，所述全部范围的操作运动和视角方位包括在操作运动和视角方位的任何两个位置或方向之间调整90度的能力。在一些实施例中，所述一组机器人臂和/或所述至少一个相机包括外部自由度，所述外部自由度使得内部自由度能够围绕所述受试者的所述体腔平移。

在一些实施例中，所述一组机器人臂中的每一者包括：具有第一对称轴线的第一轴；具有第二对称轴线的第二轴；具有第三对称轴线的第三轴；端部执行器，用于插入到受试者的体腔中以在其中执行腹腔镜手术操作；第一致动器，围绕第一主轴线相对于所述第一轴旋转所述第二轴；第二致动器，围绕第二主轴线相对于所述第二轴旋转所述第二轴；以及第三致动器，围绕第三主轴线相对于所述第三轴旋转所述端部执行器。

在一些实施例中，所述一组机器人臂包括至少两个机器人臂。在一些实施例中，所述一组机器人臂在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少一个关节连接自由度。在一些实施例中，所述一组机器人臂在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，所述一组机器人臂进一步包括至少一个相机，所述至少一个相机用于插入所述受试者的所述体腔中以可视化所述腹腔镜手术。在一些实施例中，所述一组机器人臂进一步包括相机定位臂和相机致动器，所述相机致动器使所述至少一个相机围绕相机主轴线相对于所述相机定位臂旋转。在一些实施例中，所述至少一个相机配置成在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少一个关节连接自由度。在一些实施例中，所述至少一个相机配置成在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，所述至少一个相机包括至少一个立体相机。在一些实施例中，所述至少一个立体相机包括至少一个可致动的立体相机。在一些实施例中，所述系统提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度，所述关节连接自由度选自：插入自由度、滚转自由度、俯仰自由度和偏航自由度。在一些实施例中，所述相机包括闪光灯、镜头、闪光灯、灯或其任何组合。在一些实施例中，所述相机包括立体相机、红外相机、光学相机或其任何组合。在一些实施例中，所述端部执行器是钳子、抓钳、针驱动器、镊子或其任何组合。在一些实施例中，所述相机致动器进一步使所述相机围绕垂直于所述相机主轴线的相机副轴线相对于所述相机定位臂旋转。在一些实施例中，所述相机主轴线和所述相机副轴线垂直于所述相机定位臂的对称轴线。在一些实施例中，所述第一致动器进一步围绕垂直于所述第一主轴线的第一副轴线相对于所述第一轴旋转所述第二轴。在一些实施例中，所述第二致动器进一步围绕垂直于所述第二主轴线的第二副轴线相对于所述第二轴旋转所述第三轴。在一些实施例中，所述第三致动器进一步围绕垂直于所述第三主轴线的第三副轴线相对于所述第三轴旋转所述端部执行器。在一些实施例中，所述一组机器人臂进一步包括套管针，并且其中，所述相机定位臂、所述两个或更多个臂中的一者或多者的所述第一轴、或两者可以相对于所述套管针平移。

本文中提供的另一方面是一种平台，所述平台包括：本文中的系统，向所述系统提供动力的马达；以及耦接到所述马达的台架。

在一些实施例中，所述马达向以下各者中的一者或多者提供动力：所述相机致动器；所述第一致动器；所述第二致动器；以及所述第三致动器。在一些实施例中，所述台架通过可旋转耦接和可平移耦接中的一者或多者与所述马达耦接。在一些实施例中，所述平台进一步包括手术台。在一些实施例中，所述平台进一步包括从所述相机接收图像的显示器。在一些实施例中，所述显示器是头戴式显示器。在一些实施例中，所述平台进一步包括向马达提供致动命令的输入。

从下面的详细描述中，本发明的其他方面和优点对于本领域技术人员来说将变得显而易见，其中，仅示出并描述了本发明的说明性实施例。如将认识到的，本公开能够有其他和不同的实施例，并且其若干细节能够在各种明显的方面进行修改，所有这些都不脱离本公开。因此，附图和描述本质上被认为是说明性的，而不是限制性的。

通过引用并入

本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请都通过引用并入本文，就好像每个单独的出版物、专利或专利申请都被具体且单独地指出以通过引用并入一样。只要通过引用并入的出版物和专利或专利申请与本说明书中包含的公开内容相矛盾，本说明书旨在取代和/或优先于任何此类矛盾的材料。

附图说明

本专利申请文件包含至少一幅彩色附图。专利局将应要求并支付必要的费用，提供本专利申请公开的彩色附图副本。

在所附权利要求中具体阐述了本发明的新颖特征。通过参考以下阐述说明性实施例的详细描述和附图(本文中也称为“图(figure)”和“图(FIG)”)，将获得对本发明的特征和优点的更好理解，在说明性实施例中利用了本发明的原理，其中：

图1示出了包括定位元件、腕部元件、支撑管和套管针的机器人臂的一个示例。

图2示出了具有8个自由度的机器人臂的一个示例，该机器人臂包括定位元件(包括关节J0、J1、J2和J3)和腕部元件(包括关节J4、J5、J6和J7)。

图3示出了为360度可视化和延伸而配置的机器人臂的一个示例，该机器人臂能够从单个切口在球形区域中观察并操作。

图4A至图4C示出了配置成向前和左右操作的机器人臂的一个示例，如右向操作配置(图4A)、前向操作配置(图4B)和左向操作配置(图4C)所示。

图5A至图5C示出了配置成向前、向上、向下和向后操作的机器人臂的一个示例，如向上操作配置(图5A)、前向操作配置(图5B)和向下操作配置(图5C)所示。

图6A至图6C示出了配置成向上和向后操作的机器人臂的一个示例，如向上操作配置(图6A)、从向上操作配置到向后操作配置的转变(图6B)和后向操作配置(图6C)所示。

图7示出了机器人支撑系统(RSS)的一个示例，该机器人支撑系统(RSS)包括轴线和围绕受试者腹部的平移定位元件。

图8A至图8D示出了RSS的各种轴线的一个示例，包括插入轴线的侧视图(图8A)、滚转轴线的侧视图(图8B)、俯仰轴线的侧视图(图8C)和偏航轴线的俯视图(图8D)。

图9A至图9B示出了使用机器人臂通过调整偏航轴线和插入轴线以及定位元件的相对位置从两侧(左侧：图9A；右侧：图9B)接近手术目标的一个示例。这些图示出了机器人臂相对于套管针的前向视图和侧向视图。

图10A至图10B示出了使用机器人臂通过调整偏航轴线和插入轴线以及定位元件的相对位置从两侧(左侧：图10A；右侧：图10B)接近手术目标的一个示例。这些图示出了机器人臂相对于套管针的后向视图(朝向切口)。

图11A至图11D示出了使用机器人臂通过调整偏航轴线和插入轴线以及定位元件中的一些定位元件的相对位置从单个切口横穿受试者的腹部的一个示例。这些图示出了机器人臂相对于套管针的前向视图和侧向视图。

图12示出了计算机系统1201的一个示例，该计算机系统被编程或以其他方式配置成指导本文中所述的设备或系统的操作，包括设备或系统的部件的移动和/或使用设备或系统执行手术程序。

具体实施方式

腹腔镜手术(例如，手动腹腔镜手术和机器人腹腔镜手术)在确保切口和套管针相对于受试者(例如，患者)的体腔(例如，腹部)的适当放置方面可能会遇到重大挑战，器械插入穿过该体腔并交换手术材料。例如，如果外科医生希望在患者的腹部的一侧上进行手术，则典型地切口可以穿过腹部的相对的一侧放置。这可能是由于腹腔镜器械和手术相机的直杆性质。此外，如果外科医生希望在腹部内不紧邻第一区域的后续区域上进行手术，则可能需要形成额外的切口来容纳新的手术部位。即使有机器人腹腔镜手术的带腕的直杆器械并且大多数腹腔镜具有可调节性，切口和套管针的位置也可以直接影响并限制外科医生能够工作和观察的位置。

腹腔镜器械和相机的这些局限性可能是由于大多数关节连接和关节连接自由度可能出现在患者的腹部的外部的事实所致。每个器械(例如，相机)可以在外部用大而有力的致动器通过关节连接进行控制(articulated)，然后可以穿过支点(例如，切口部位)，这两者都对患者体内可能的关节连接设置了限制。

鉴于这些挑战，需要改进腹腔镜手术的系统和方法，其提供增加的关节连接自由度，从而减少在确保切口和套管针在患者的腹部中的正确放置方面的限制和挑战。认识到需要提供增加的关节连接自由度的腹腔镜手术的改进系统和方法，本公开提供了用于机器人手术的系统和方法，其提供了在患者的体腔(例如腹部)内部的关节连接自由度。通过将具有足够关节连接自由度和运动范围的手术机器人插入在患者的腹部内的机器人臂中，以及在患者的腹部内使用具有足够关节连接自由度和运动范围的可视化系统，能够实现机器人手术的改进形式，有利地为外科医生提供充分的自由度来调整他或她在患者的腹部上的位置，在该位置他或她在全球形包络内工作并观察。

虽然本文中示出并描述了各种实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，这些实施例仅作为示例提供。应该理解的是，采用了本文中的实施例的各种替代方案。

如在本文中所用，单数形式“一/一个(a)”、“一/一个(an)”和“该/所述(the)”包括复数引用，除非上下文另有明确指示。除非另有说明，否则在本文中对“或”的任何引用旨在包含“和/或”。

外科医生可以通过在患者的体腔(例如腹部)中形成一个或多个小切口来执行腹腔镜手术，通过这些小切口可以插入小手术工具和相机以执行手术程序。这样的微创手术技术可能比非腹腔镜手术具有优势，诸如疼痛减少、失血减少、疤痕减少、后续护理和住院时间减少、以及恢复时间更快。腹腔镜手术可以使用手术机器人来执行，手术机器人使用计算机控制设备来操纵手术器械和相机，从而提供增加的精确度和/或运动和/或视觉的范围。

腹腔镜手术(例如，手动腹腔镜手术和机器人腹腔镜手术)在确保切口和套管针相对于受试者(例如，患者)的体腔(例如，腹部)的适当放置方面可能会遇到重大挑战，通过其插入器械并交换手术材料。例如，如果外科医生希望在患者的腹部的一侧上进行手术，则典型地切口可以穿过腹部的相对的一侧放置。这可能是由于腹腔镜器械和手术相机的直杆性质。此外，如果外科医生希望在腹部内不紧邻第一区域的后续区域上进行手术，则可能需要形成额外的切口来容纳新的手术部位。即使有机器人腹腔镜手术的带腕的直杆器械并且大多数腹腔镜具有可调节性，切口和套管针的位置也可能直接影响并限制外科医生能够工作和观察的位置。

腹腔镜器械和相机的这些局限性可能是由于大多数关节连接和关节连接自由度可能出现在患者的腹部的外部的事实所致。每个器械(例如，相机)可以在外部用大而有力的致动器通过关节连接进行控制，然后可以穿过支点(例如，切口部位)，这两者都对患者体内可能的关节连接设置了限制。

鉴于这些挑战，需要改进腹腔镜手术的系统和方法，其提供增加的关节连接自由度，从而减少在确保切口和套管针在患者的腹部中的正确放置方面的限制和挑战。认识到需要提供增加的关节连接自由度的腹腔镜手术的改进系统和方法，本公开提供了用于机器人手术的系统和方法，其提供了在患者的体腔(例如腹部)内部的关节连接自由度。通过将具有足够关节连接自由度和运动范围的手术机器人插入在患者的腹部内的机器人臂中，以及在患者的腹部内使用具有足够关节连接自由度和运动范围的可视化系统，能够实现机器人手术的改进形式，有利地为外科医生提供充分的自由度来调整他或她在患者的腹部上的位置，在该位置他或她在全球形包络内工作并观察。

在一个方面，本公开提供了一种用于执行腹腔镜手术的系统，所述系统包括：包括一个或多个腕部元件的机器人臂，其中，一个或多个腕部元件配置成插入到受试者的体腔中以在其中执行一个或多个腹腔镜手术，其中，机器人臂配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。

在一些实施例中，机器人臂配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，机器人臂配置成使用以下各者中的一者或多者来提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度：一起模仿人类肩部运动的旋转致动器和铰链致动器、旋转致动器、模仿人类肘部运动的铰链致动器、以及旋转致动器、后面跟着一起模仿人类腕部运动的两个类似铰链的致动器。

在一些实施例中，系统进一步包括一个或多个相机(例如，机器人相机)，一个或多个相机配置成插入到受试者的体腔中以可视化一个或多个腹腔镜手术操作。在一些实施例中，一个或多个相机配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个相机配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个相机(例如，机器人相机)配置成使用旋转致动器和铰链状致动器中的一者或多者来提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个相机包括一个或多个相机模块或传感器(例如，立体相机)。在一些实施例中，一个或多个相机模块或传感器包括可致动的立体相机。在一些实施例中，一个或多个相机模块或传感器可以一起工作以形成一个或多个立体相机。

在一些实施例中，一个或多个腕部元件配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个腕部元件配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。

在一些实施例中，机器人臂包括一个或多个定位元件，一个或多个定位元件配置成允许控制一个或多个腕部元件的定位。在一些实施例中，一个或多个定位元件配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个定位元件配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个定位元件配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少4个关节连接自由度。

在一些实施例中，机器人臂、一个或多个腕部元件、一个或多个定位元件、一个或多个相机(例如，机器人相机)中的至少一者配置成提供在受试者的体腔内部的关节连接自由度，关节连接自由度选自插入自由度、滚转自由度、俯仰自由度和偏航自由度。

在另一方面，本公开提供了一种用于执行腹腔镜手术的方法，该方法包括：将机器人臂的一个或多个腕部元件插入到受试者的体腔中，以在其中执行一个或多个腹腔镜手术操作，其中，机器人臂配置成在一个或多个腹腔镜手术期间提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。

在一些实施例中，机器人臂配置成在一个或多个腹腔镜手术期间提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，机器人臂配置成使用以下各者中的一者或多者来提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度：一起模仿人类肩部运动的旋转致动器和铰链致动器、旋转致动器、模仿人类肘部运动的铰链致动器、以及旋转致动器、后面跟着一起模仿人类腕部运动的两个类似铰链的致动器。

在一些实施例中，该方法进一步包括将一个或多个相机(例如，机器人相机)插入到受试者的体腔中，以可视化一个或多个腹腔镜手术操作。在一些实施例中，一个或多个相机配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个相机配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个相机配置成使用旋转致动器和铰链状致动器中的一者或多者来提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个相机包括一个或多个立体相机。在一些实施例中，一个或多个立体相机包括可致动的立体相机。

在一些实施例中，一个或多个腕部元件配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个腕部元件配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。

在一些实施例中，机器人臂包括一个或多个定位元件，一个或多个定位元件配置成允许控制一个或多个腕部元件的定位。在一些实施例中，一个或多个定位元件配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个定位元件配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，一个或多个定位元件配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少4个关节连接自由度。

在一些实施例中，机器人臂、一个或多个腕部元件、一个或多个定位元件、一个或多个相机(例如，机器人相机)中的至少一者配置成提供在受试者的体腔内部的关节连接自由度，关节连接自由度选自插入自由度、滚转自由度、俯仰自由度和偏航自由度。

在另一方面，本公开提供了一种包括机器可执行代码的非暂时性计算机可读介质，该机器可执行代码在由一个或多个计算机处理器执行时实施用于执行腹腔镜手术的方法，该方法包括：控制机器人臂的一个或多个腕部元件插入到受试者的体腔中以在其中执行一个或多个腹腔镜手术，其中，机器人臂配置成在一个或多个腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的一个或多个关节连接自由度。

在本文中还描述了一种包括机器可执行代码的非暂时性计算机可读介质，该机器可执行代码在由一个或多个计算机处理器执行时，实现以上或在本文中其他地方的任何方法。

在本文中还描述了一种包括一个或多个计算机处理器和与其耦接的计算机存储器的系统。计算机存储器包括机器可执行代码，该机器可执行代码在由一个或多个计算机处理器执行时，实现以上或在本文中其他地方的任何方法。

本公开的机器人系统可以包括一个或多个拟人机器人臂仪器和一个或多个相机(例如，机器人相机，其可以一起作为立体相机(诸如可致动的立体相机)工作)。在一些实施例中，所述机器人系统可以包括两个拟人机器人臂仪器和一个可致动的立体相机。每个臂器械和相机可以通过插入部位和套管针一个接一个地插入到患者的腹部中。每个器械臂可以具有至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个内部自由度(加上用于所述端部执行器的一个内部自由度)。此外，所述立体相机内部可以具有至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个自由度。例如，所述臂的七个自由度可以从近端开始按以下顺序排列：一起模仿人类肩部运动的旋转致动器和铰链致动器、旋转致动器、模仿人类肘部运动的铰链致动器、以及旋转致动器、后面跟着一起模仿人类腕部运动的两个类似铰链的致动器。附着到所述腕部的可以是端部执行器。具有足够运动范围的多个自由度可以使臂的腕部能够以大量可能的方位(例如，前方、后方、两侧、上下、左右等)到达大量可能的位置，从而允许所述手术机器人系统的用户能够在在患者的体腔(例如腹部)内部进行手术操作(例如腹腔镜手术)期间在任何位置和任何观察方位观察和/或操作所述手术机器人系统。此外，通过使用具有至少3个自由度的相机，每个自由度都具有足够的运动范围，相机能够在任何方向上调整其视野(horizon)(例如，前方、后方、两侧、上下、左右等)，并为观看者调整图像的水平线。相比之下，只有2个自由度的相机可能能够在任何方向上调整其视野，但缺乏调整水平线的能力。

在一些实施例中，相机的自由度从近端开始按以下顺序排列：旋转致动器、铰链状致动器和旋转致动器。总的来说，这些内部自由度使得外科医生能够根据他或她的判断调整机器人的工作部位，直到并包括非常接近插入部位和套管针。因此，本公开的系统和方法提供了在腹腔镜手术中实现前所未有的灵活性和能力的手术机器人途径。

机器人臂可以包括一个或多个定位元件和腕部元件，这两者对于从单个切口在患者的腹部的任何地方进行高灵活性的手术操纵都是必要的。定位元件可以包括具有至少4个自由度的系统。这些定位元件的目的可以是使端部执行器能够定位在相对于切口部位的任何地方，并粗略地方位端部执行器。具有大于4个自由度使得端部执行器的定位更加灵活，并且端部执行器的方位性更好。

在一些实施例中，机器人臂包括耦接到近端旋转关节的支撑管，近端旋转关节然后耦接到远端铰链关节，远端铰链关节然后耦接到远端旋转关节，远端旋转关节然后耦接到远端铰链关节。机器人臂的这种配置可以允许机器人臂在切口部位周围具有高的位置和方位自由度。

在一些实施例中，机器人臂包括远离第四关节的第五关节，该第五关节包括允许调节端部执行器的滚转的旋转关节。

在一些实施例中，机器人臂包括耦接到近端旋转关节的支撑管，近端旋转关节然后在远侧耦接到铰链关节，铰链关节然后在远侧耦接到与前一个关节正交的铰链关节，该与前一个关节正交的铰链关节然后在远侧耦接到与再前一个关节正交的铰链关节。

在一些实施例中，机器人臂包括耦接到近端旋转关节的支撑管，近端旋转关节然后在远侧耦接到球关节(具有2个自由度)，球关节然后在远侧耦接到铰链关节或另一个球关节。

在一些实施例中，机器人臂包括耦接到近侧旋转关节的支撑管，近侧旋转关节然后耦接到具有超过3个自由度的蛇形机器人。

在一些实施例中，对关节的旋转在患者体外，并且旋转通过支撑管经由切口部位传递到内部关节。这些实施例可以使操作者能够定位并大致方位端部执行器，以在切口部位处相对于套管针向前、向上、向下、向左、向右和向后工作。系统的可操纵性可能受到连杆长度和每个关节的运动范围的限制，并且可能表现为存在一个太靠近而不能定位机器人的区域和另一个太远而不能定位机器人的区域。

对机器人定位能力的这些限制可以通过增加额外的外部自由度来增加和减轻，这些自由度从患者体外相对于患者和手术部位移动定位元件。这些自由度可以类似于手动腹腔镜手术的某些途径或一些机器人手术中使用的自由度，并且使得能够对定位元件在患者的解剖结构内的位置进行粗略且大的调整。可能的自由度中的一些自由度如下：围绕切口部位的插入、滚转、偏航和俯仰。

插入自由度可以是定位元件经由支撑管沿着套管针的纵长轴线的线性平移，或者更深地进入患者体内或者远离患者缩回。这可以使定位元件能够从手术部位的一个位置横穿到另一个位置。

滚转自由度可以是定位元件经由支撑管围绕套管针的纵长轴线(或另一平行轴线)的旋转。这可以使定位元件的方位能够被调节到操作者所希望的舒适程度。

偏航自由度可以是定位元件经由支撑管围绕垂直于套管针纵长轴线且典型地垂直于地面的轴线的旋转。这可以使定位元件能够左右横穿(相对于套管针)并稍微调整它们的方位。

俯仰自由度可以是定位元件经由支撑管围绕垂直于套管针纵长轴线且典型地平行于地面的轴线的旋转。这可以使定位元件能够上下横穿(相对于套管针)并稍微调整它们的方位。如同在手动腹腔镜检查和机器人腹腔镜检查中一样，偏航和俯仰自由度都可能涉及套管针相对于患者的旋转，导致患者的腹壁和周围组织的一些暂时拉伸。

在一些实施例中，偏航、俯仰和滚转自由度的轴线都穿过位于沿着套管针纵长轴线某处的单个点，该单个点可以称为套管针枢转点或虚拟中心。在这个实施例中，该单个部位于患者的腹壁的中间，使得患者的组织的暂时拉伸的幅度最小化。

在一些实施例中，外部自由度仅包括偏航、俯仰和插入。在这个实施例中，滚转的缺少可以通过系统的定位元件的自由度来补偿，同时对端部执行器的内部定位能力造成一些损失。

在一些实施例中，外部自由度仅包括偏航和插入。在这个实施例中，滚转和俯仰的缺少可以通过系统的定位元件的自由度来补偿，但对端部执行器的内部定位能力造成一些损失。

腕部元件可以位于定位元件的远端。腕部元件可以包括端部执行器和至少两个自由度。腕部元件可以对端部执行器的方位进行精细控制，并为端部执行器提供动力。为了实现方位的最佳可调性和最高的灵活性，两个自由度的轴线可以彼此非常接近并且彼此垂直。两轴线之间的距离越大，在试图调整腕部的方位时发生的平移就越多。这种平移典型地是不希望的，并且必须通过定位元件来补偿，导致整体运动质量和敏捷度下降。

在一些实施例中，可以并置两个自由度的轴线，以便最小化不希望的平移。在一些实施例中，腕部元件包括具有2个自由度的球形关节，端部执行器附接在球形关节的远端。在一些实施例中，腕部元件包括铰链关节，另一个铰链关节在远侧耦接到该铰链关节，另一个铰链关节的轴线垂直于近侧铰链的轴线，端部执行器在远侧耦接到另一个铰链关节。

在一些实施例中，机器人臂包括第三个更近侧的关节，第三个更近侧的关节包括提供围绕其纵长轴线旋转的旋转关节。这个额外的旋转自由度可以使端部执行器能够围绕其纵长轴线滚转，类似于人类前臂的旋前或旋后如何允许人类腕部或手指滚转。在一些实施例中，这个额外的旋转关节增强了定位元件，该定位元件能够在其远端处提供围绕其纵长轴线的一些旋转，以使腕部(滚转自由度)具有更高的敏捷度。在一些实施例中，当定位元件不能在其远端处提供对围绕纵长轴线的旋转的充分控制时，额外的旋转关节能够实现腕部滚转的高敏捷度的控制。

在一些实施例中，端部执行器包括一组钳口，一组钳口的轴线并置，并且一组钳口被设计成夹紧诸如组织、缝线或针的物体。在一些实施例中，端部执行器被设计成作为电烙术系统的一部分向组织输送电流。端部执行器可以包括执行所需手术程序所需的任何东西。

本公开的系统可以有利地组合一组定位元件、额外的外部自由度和一组腕部元件，从而使得能够围绕患者的整个腹腔移动，使得机器人臂能够将其自身定位并方位在操作者希望的任何位置，以便提供成功且容易地执行手术程序所需的高敏捷度。

图1示出了包括定位元件、腕部元件、支撑管和套管针的机器人臂的一个示例。

用于执行腹腔镜手术的系统

根据图2、图4A和图4B，在本文中提供的是一种用于执行腹腔镜手术的系统500。在一些实施例中，系统500包括一组机器人臂200 300。在一些实施例中，系统500包括第一机器人臂200和第二机器人臂300。

在一些实施例中，一组机器人臂200 300中的每一者包括第一轴210、第一致动器220、第二轴230、第二致动器240、第三轴250、第三致动器260和端部执行器270。在一些实施例中，第一轴210具有第一对称轴线211。在一些实施例中，第二轴230具有第二对称轴线231。在一些实施例中，第三轴250具有第三对称轴线251。

在一些实施例中，第一致动器220、第二致动器240、第三致动器260或其任何组合致动大约1个自由度。在一些实施例中，第一致动器220、第二致动器240、第三致动器260或其任何组合致动大约2个自由度。在一些实施例中，第一致动器220、第二致动器240、第三致动器260或其任何组合致动大约3个自由度。在一些实施例中，第一致动器220、第二致动器240和第三致动器260配置成受控，以便提供足以使系统500能够在腹腔镜手术中提供手术操作(例如，烧灼、夹紧、切割、操纵组织、缝合、制作切口等)的关节连接自由度。

在一些实施例中，第一致动器220围绕第一主轴线221相对于第一轴210旋转第二轴230。在一些实施例中，第二致动器240绕第二主轴线241相对于第二轴230旋转第二轴230。在一些实施例中，第三致动器260围绕第三主轴线261相对于第三轴250旋转端部执行器270。在一些实施例中，第一致动器220进一步围绕垂直于第一主轴线221的第一副轴线相对于第一轴210旋转第二轴230。在一些实施例中，第二致动器240进一步围绕垂直于第二主轴线241的第二副轴线相对于第二轴230旋转第三轴250。在一些实施例中，第三致动器260进一步围绕垂直于第三主轴线261的第三副轴线相对于第三轴250旋转端部执行器270。在一些实施例中，系统500进一步包括套管针，并且其中，相机400定位臂、两个或更多个臂200、300中的一者或多者的第一轴210、或两者可以相对于套管针平移。

在一些实施例中，端部执行器270配置成用于插入到受试者的体腔中，以在其中执行腹腔镜手术操作。

在一些实施例中，一组机器人臂200 300在腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少一个关节连接自由度。在一些实施例中，一组机器人臂200 300在腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，系统500提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度，所述关节连接自由度选自：插入自由度、滚转自由度、俯仰自由度和偏航自由度。

在一些实施例中，系统500进一步包括至少一个相机400，至少一个相机400用于插入到受试者的体腔中以可视化腹腔镜手术操作。在一些实施例中，系统500进一步包括相机定位臂410和相机致动器411，相机致动器411围绕相机主轴线相对于相机定位臂410旋转至少一个相机400。在一些实施例中，至少一个相机400配置成在腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少一个关节连接自由度。在一些实施例中，至少一个相机400配置成在腹腔镜手术操作期间提供在受试者的体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。在一些实施例中，至少一个相机400包括至少一个立体相机。在一些实施例中，至少一个立体相机包括至少一个可致动的立体相机。在一些实施例中，相机400包括闪光灯、镜头、闪光灯、灯或其任何组合。在一些实施例中，相机400包括立体相机、红外相机、光学相机或其任何组合。在一些实施例中，端部执行器270是钳子、抓钳、针驱动器、镊子或其任何组合。在一些实施例中，相机致动器411进一步围绕垂直于相机主轴线的相机副轴线相对于相机400定位臂旋转相机400。在一些实施例中，相机主轴线和相机次轴线垂直于相机定位臂410的对称轴线。

在一些实施例中，机器人臂包括套管针，套管针可以是配置成在腹腔镜手术操作期间插入到受试者的体腔(例如腹部)中的刚性医疗设备。套管针可以包括尖锐点(例如三角形尖锐点)，尖锐点配置成刺穿受试者的体腔和/或插入到受试者的体腔中，从而提供腹内通路。可替代地，套管针可以支撑包括一个或多个尖锐点(例如三角形尖锐点)的腕部元件，一个或多个尖锐点配置成穿刺受试者的体腔和/或插入到受试者的体腔中，从而提供腹内通路。

在一些实施例中，机器人臂包括支撑管，支撑管可以通过套管针插入(例如，沿着套管针的纵向轴线)。支撑管可以配置成向套管针和定位元件以及腕部元件提供机械和结构支撑。支撑管可以配置成(例如，经由电缆)向定位元件和腕部元件提供电力或电控制信号。

在一些实施例中，机器人臂包括一个或多个定位元件，一个或多个定位元件可以配置成在腹腔镜手术操作期间将腕部元件定位在希望的位置处。定位元件可以配置成给腕部元件提供足够的关节连接自由度。

在一些实施例中，机器人臂包括一个或多个腕部元件，一个或多个腕部元件可以配置成提供手术操作，诸如烧灼、夹紧、切割、操纵组织、缝合、制作切口等。

图3示出了为360度可视化和延伸而配置的机器人臂的一个示例，该机器人臂能够从单个切口在球形区域中观察并操作。可以通过机器人臂的定位元件和/或腕部元件来实现360度可视化和延伸，机器人臂的定位元件和/或腕部元件配置成受控，以便在腹腔镜手术操作期间提供足以执行手术操作的关节连接自由度。

图4A至图4C示出了配置成向前和左右操作的机器人臂的一个示例，如右向操作配置(图4A)、前向操作配置(图4B)和左向操作配置(图4C)所示。在一些实施例中，机器人臂包括定位元件和/或腕部元件，定位元件和/或腕部元件配置成受控，以便在腹腔镜手术操作期间提供足以执行手术操作的关节连接自由度。在一些实施例中，为360度可视化和延伸而配置机器人臂，该机器人臂能够从单个切口在球形区域中观察并操作。

图5A至图5C示出了配置成向前、向上、向下和向后操作的机器人臂的一个示例，如向上操作配置(图5A)、前向操作配置(图5B)和向下操作配置(图5C)所示。在一些实施例中，机器人臂包括定位元件和/或腕部元件，定位元件和/或腕部元件配置成受控，以便在腹腔镜手术操作期间提供足以执行手术操作的关节连接自由度。在一些实施例中，为360度可视化和延伸而配置机器人臂，该机器人臂能够从单个切口在球形区域中观察并操作。

图6A至图6C示出了配置成向上和向后操作的机器人臂的一个示例，如向上操作配置(图6A)、从向上操作配置到后向操作配置的转变(图6B)和后向操作配置(图6C)所示。在一些实施例中，机器人臂包括定位元件和/或腕部元件，定位元件和/或腕部元件配置成受控，以便在腹腔镜手术操作期间提供足以执行手术操作的关节连接自由度。在一些实施例中，为360度可视化和延伸而配置机器人臂，该机器人臂能够从单个切口在球形区域中观察并操作。

图7示出了机器人支撑系统(RSS)的一个示例，该机器人支撑系统(RSS)包括轴线和围绕由手术台支撑的受试者(例如患者)的腹部的平移定位元件。RSS可以便于在腹腔镜手术操作期间在套管针枢转点处将机器人臂(例如，包括支撑管、套管针、定位元件和腕部元件)定位并插入到受试者(例如，患者)的体腔(例如，腹部)中。RSS可以包括马达单元，马达单元配置成控制支撑管的移动(例如，沿着RSS插入轴线和/或RSS滚转轴线线)，以便在腹腔镜手术操作期间将机器人臂插入到患者的腹部中。插入可以由插入轨道引导，插入轨道的移动可以由RSS进行控制(例如，沿着RSS俯仰轴线和/或RSS偏航轴线)。

图8A至图8D示出了RSS的各种轴线的一个示例，包括插入轴线的侧视图(图8A)、滚转轴线的侧视图(图8B)、俯仰轴线的侧视图(图8C)和偏航轴线的俯视图(图8D)。图8A提供了插入轴线的侧视图，插入轴线包括内部插入轴线(在患者的体腔内部)和外部插入轴线(在患者的体腔外部)。图8B提供了侧倾轴线的侧视图，侧倾轴线包括内部侧倾轴线(在受试者的体腔内部)和外部侧倾轴线(在受试者的体腔外部)。图8C提供了俯仰轴线的侧视图，俯仰轴线包括内部俯仰轴线(在受试者的体腔内部)和外部俯仰轴线(在受试者的体腔外部)。图8D提供了偏航轴线的俯视图，偏航轴线包括内部偏航轴线(在受试者的体腔内部)和外部偏航轴线(在受试者的体腔外部)。

图9A至图9B示出了使用机器人臂通过调整偏航轴线和插入轴线以及定位元件的相对位置从两侧(左侧：图9A；右侧：图9B)接近手术目标的一个示例。这些图示出了机器人臂相对于套管针的前向视图和侧向视图。可以为360度可视化和延伸而配置机器人臂，该机器人臂能够从单个切口在球形区域中观察并操作。可以通过机器人臂的定位元件和/或腕部元件来实现360度可视化和延伸，机器人臂的定位元件和/或腕部元件配置成受控，以便在腹腔镜手术操作期间提供足以执行手术操作的关节连接自由度。

图10A至图10B示出了使用机器人臂通过调整偏航轴线和插入轴线以及定位元件的相对位置从两侧(左侧：图10A；右侧：图10B)接近手术目标的一个示例。这些图示出了机器人臂相对于套管针的后向视图(朝向切口)。可以为360度可视化和延伸而配置机器人臂，该机器人臂能够从单个切口在球形区域中观察并操作。可以通过机器人臂的定位元件和/或腕部元件来实现360度可视化和延伸，机器人臂的定位元件和/或腕部元件配置成受控，以便在腹腔镜手术操作期间提供足以执行手术操作的关节连接自由度。

图11A至图11D示出了使用机器人臂通过调整偏航轴线和插入轴线以及定位元件中的一些定位元件的相对位置从单个切口穿过受试者的腹部的一个示例。这些图示出了机器人臂相对于套管针的前向视图和侧向视图。可以为360度可视化和延伸而配置机器人臂，该机器人臂能够从单个切口在球形区域中观察并操作。可以通过机器人臂的定位元件和/或腕部元件来实现360度可视化和延伸，机器人臂的定位元件和/或腕部元件配置成受控，以便在腹腔镜手术操作期间提供足以执行手术操作的关节连接自由度。

图12示出了计算机系统1201的一个示例，该计算机系统被编程或以其他方式配置成指导本文中所述的设备或系统的操作，包括设备或系统的部件的移动和/或使用设备或系统执行手术程序。计算机系统1201调节本公开的系统、方法和介质的各个方面，例如，(a)一个或多个设备或系统部件的移动，(b)一个或多个定位元件、一个或多个腕部元件、和/或一个或多个相机的操作，(c)一个或多个设备或系统部件(例如，一个或多个定位元件、一个或多个腕部元件、和/或一个或多个相机)的一个或多个参数的调整，(d)对设备或系统的一个或多个测量的计算评估，以及(e)对各种参数，包括输入参数、测量的结果、或它们的任何组合的显示。

在一些实施例中，计算机系统1201是用户的电子设备(例如，智能手机、膝上型电脑)，或者在一些实施例中，相对于电子设备位于远程。在一些实施例中，电子设备是移动电子设备。

计算机系统1201包括中央处理单元(CPU，本文中也称为“处理器”和“计算机处理器”)1205，在一些实施例中，CPU 1205是单核处理器或多核处理器，或者用于并行处理的多个处理器。计算机系统1201还包括存储器或存储器位置1210(例如，随机存取存储器、只读存储器、闪存)、电子存储单元1215(例如，硬盘)、用于与一个或多个其他系统通信的通信接口1220(例如，网络适配器)、以及外围设备1225，诸如高速缓存、其他存储器、数据存储和/或电子显示适配器。存储器1210、存储单元1215、接口1220和外围设备1225通过诸如主板的通信总线(实线)与CPU 1205通信。存储单元1215配置成作为用于存储数据的数据存储单元(或数据储存库)。借助于通信接口1220，计算机系统1201可操作地耦接到计算机网络(“网络”)1230。网络1230是互联网、因特网和/或外联网、或者与互联网通信的内联网和/或外联网。在一些实施例中，网络1230是电信和/或数据网络。网络1230包括一个或多个计算机服务器，一个或多个计算机服务器实现分布式计算，诸如云计算。在一些实施例中，网络1230在计算机系统1201的帮助下实现对等网络，这使得耦接到计算机系统1201的设备能够充当客户端或服务器。

CPU 1205配置成执行一系列机器可读指令，这些指令体现在程序或软件中。指令存储在存储器位置，诸如存储器1210。指令被引导到CPU 1205，CPU 1205随后被编程或以其他方式配置CPU 1205以实施本公开所述的方法。由CPU 1205执行的操作的示例包括获取、解码、执行和写回。

CPU 1205是电路(诸如集成电路)的一部分。在电路中包括系统1201的一个或多个其他部件。在一些实施例中，电路是专用集成电路(ASIC)。

存储单元1215存储文件，诸如驱动程序、库和保存的程序。存储单元1215存储用户数据，例如，用户偏好和用户程序。在一些实施例中，计算机系统1201包括在计算机系统1201外部的一个或多个额外的数据存储单元，诸如位于通过内联网或互联网与计算机系统1201通信的远程服务器上。

计算机系统1201通过网络1230与一个或多个远程计算机系统通信。例如，计算机系统1201与用户的远程计算机系统(例如，第二计算机系统、服务器、智能电话、iPad或其任何组合)通信。远程计算机系统的示例包括个人计算机(例如，便携式PC)、板型(slate)或平板PC(例如，iPad、/>Galaxy Tab)、电话、智能电话(例如，/>iPhone、支持安卓系统的设备、/>)、或个人数字助理。用户经由网络1230访问计算机系统1201。

本文中描述的方法通过存储在计算机系统1201的电子存储位置上(诸如，例如，存储在存储器1210或电子存储单元1215上)的机器(例如，计算机处理器)可执行代码来实施。机器可执行或机器可读代码以软件的形式提供。在使用期间，代码由处理器1205执行。在一些实施例中，从存储单元1215中检索代码，并将其存储在存储器1210中，以备处理器1205访问。在一些情况下，排除了电子存储单元1215，并且机器可执行指令存储在存储器1210上。

机器可读介质(诸如计算机可执行代码)采取多种形式，包括但不限于有形存储介质、载波介质、或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光盘或磁盘，诸如用于实施数据库等的任何计算机等中的任何存储设备，如附图所示。易失性存储介质包括动态存储器，诸如这样的计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴电缆；铜导线和光纤，包括构成计算机系统内总线的导线。载波传输介质采用电信号或电磁信号、声波或光波的形式，诸如在射频(RF)和红外(IR)数据通信期间产生的那些声波或光波。因此，计算机可读介质的常见形式包括例如：软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其他光学介质、穿孔卡纸带、具有孔图案的任何其他物理存储介质、RAM、ROM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储芯片或盒、传输数据或指令的载波、传输这样的载波的电缆或链路、或计算机从中读取程序代码和/或数据的任何其他介质。许多这些形式的计算机可读介质涉及将一个或多个指令的一个或多个序列传送到处理器以供执行。

在一些实施例中，计算机系统1201包括电子显示器1235或与电子显示器1235通信，电子显示器1235包括用户界面(UI)1240，UI 1240用于提供例如腹腔镜手术操作期间机器人臂操作的图形表示或其他可视化(例如，图像数据或视频数据)、由用户或控制器输入或调整的一个或多个参数或其任何组合。UI的示例包括但不限于图形用户界面(GUI)和基于网络的用户界面。

在一些实施例中，本公开的方法和系统通过一个或多个算法来实现。在一些实施例中，算法在由中央处理单元1205执行时通过软件实施。算法可以例如调节本公开的系统、方法和介质的各个方面，例如，(a)一个或多个设备或系统部件的移动，(b)一个或多个定位元件、一个或多个腕部元件、和/或一个或多个相机的操作，(c)一个或多个设备或系统部件(例如，一个或多个定位元件、一个或多个腕部元件、和/或一个或多个相机)的一个或多个参数的调整，(d)对设备或系统的一个或多个测量的计算评估，以及(e)对各种参数，包括输入参数、测量的结果、或它们的任何组合的显示。

虽然本文中已经示出并描述了本发明的优选实施例，但是对于本领域技术人员来说，显然这些实施例仅仅是作为示例提供的。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替代。应当理解，在实践本发明时，采用了本文中所述的本发明实施例的各种替代方案。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并且由此覆盖这些权利要求及其等同物范围内的方法和结构。

Claims (55)

1.一种用于执行腹腔镜手术的系统，包括：

一组机器人臂，所述一组机器人臂中的每一者包括至少一个端部执行器和至少一个相机，

其中，所述至少一个内部端部执行器和所述至少一个相机具有足够的位置调节自由度和足够的方位调节自由度，以在插入到受试者的体腔中时提供用于执行所述腹腔镜手术的全部范围的操作运动和视角方位。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述体腔是所述受试者的腹部。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述全部范围的操作运动和视角方位包括前向、后向、侧向、向上、向下、向左或向右方向的操作运动或视角方位。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述全部范围的操作运动和视角方位包括在操作运动或视角方位的任何两个位置或方向之间调整90度的能力。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述一组机器人臂和/或所述至少一个相机包括外部自由度，所述外部自由度使得内部自由度能够围绕所述受试者的所述体腔平移。

6.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述一组机器人臂中的每一者包括：

(i)具有第一对称轴线的第一轴；

(ii)具有第二对称轴线的第二轴；

(iii)具有第三对称轴线的第三轴；

(iv)端部执行器，用于插入到受试者的体腔中以在所述体腔中执行腹腔镜手术操作；

(v)第一致动器，使所述第二轴围绕第一主轴线相对于所述第一轴旋转；

(vi)第二致动器，使所述第二轴围绕第二主轴线相对于所述第二轴旋转；以及

(vii)第三致动器，使所述端部执行器围绕第三主轴线相对于所述第三轴旋转。

7.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述一组机器人臂包括至少两个机器人臂。

8.如权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述一组机器人臂在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少一个关节连接自由度。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所述一组机器人臂在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。

10.如权利要求1至9中任一项所述的系统，进一步包括相机定位臂和相机致动器，所述相机致动器使所述至少一个相机围绕相机主轴线相对于所述相机定位臂旋转。

11.如权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述至少一个相机配置成在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少一个关节连接自由度。

12.如权利要求11所述的系统，其中，所述至少一个相机配置成在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。

13.如权利要求1至12中任一项所述的系统，其中，所述至少一个相机包括至少一个立体相机。

14.如权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个立体相机包括至少一个可致动的立体相机。

15.如权利要求1至14中任一项所述的系统，其中，所述系统提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度，所述关节连接自由度选自：插入自由度、滚转自由度、俯仰自由度和偏航自由度。

16.如权利要求1至15中任一项所述的系统，其中，所述至少一个相机包括闪光灯、镜头、闪光灯、灯或其任何组合。

17.如权利要求1至16中任一项所述的系统，其中，所述至少一个相机包括立体相机、红外相机、光学相机或其任何组合。

18.如权利要求1至17中任一项所述的系统，其中，所述端部执行器是钳子、抓钳、针驱动器、镊子或其任何组合。

19.如权利要求10所述的系统，其中，所述相机致动器进一步使所述相机围绕垂直于所述相机主轴线的相机副轴线相对于所述相机定位臂旋转。

20.如权利要求10所述的系统，其中，所述相机主轴线和所述相机副轴线垂直于所述相机定位臂的对称轴线。

21.如权利要求6至20中任一项所述的系统，其中，所述第一致动器进一步使所述第二轴围绕垂直于所述第一主轴线的第一副轴线相对于所述第一轴旋转。

22.如权利要求6至21中任一项所述的系统，其中，所述第二致动器进一步使所述第三轴围绕第二副轴线相对于所述第二轴旋转，所述第二副轴线垂直于所述第二主轴线。

23.如权利要求6至22中任一项所述的系统，其中，所述第三致动器进一步使所述端部执行器围绕第三副轴线相对于所述第三轴旋转，所述第三副轴线垂直于所述第三主轴线。

24.如权利要求6至23中任一项所述的系统，进一步包括套管针，并且其中，所述相机定位臂、所述两个或更多个臂中的一者或多者的所述第一轴、或所述相机定位臂以及所述第一轴两者可以相对于所述套管针平移。

25.一种用于执行腹腔镜手术的方法，包括：将一组机器人臂的至少一部分插入到受试者的体腔中以在所述体腔中执行腹腔镜手术操作，所述一组机器人臂中的每一者包括至少一个端部执行器和至少一个相机，其中，所述至少一个内部端部执行器和所述至少一个相机具有足够的位置调节自由度和足够的方位调节自由度，以在插入到受试者的体腔中时提供用于执行所述腹腔镜手术的全部范围的操作运动和视角方位。

26.如权利要求25所述的方法，其中，所述体腔是所述受试者的腹部。

27.如权利要求25所述的系统，其中，所述全部范围的操作运动和视角方位包括前向、后向、侧向、向上、向下、向左或向右方向的操作运动或视角方位。

28.如权利要求25所述的方法，其中，所述全部范围的操作运动和视角方位包括在操作运动或视角方位的任何两个位置或方向之间调整90度的能力。

29.如权利要求25所述的方法，其中，所述一组机器人臂和/或所述至少一个相机包括外部自由度，所述外部自由度使得内部自由度能够围绕所述受试者的所述体腔平移。

30.如权利要求25至29中任一项所述的方法，其中，所述一组机器人臂中的每一者包括：

(i)具有第一对称轴线的第一轴；

(ii)具有第二对称轴线的第二轴；

(iii)具有第三对称轴线的第三轴；

(iv)端部执行器，用于插入到受试者的体腔中以在所述体腔中执行腹腔镜手术操作；

(v)第一致动器，使所述第二轴围绕第一主轴线相对于所述第一轴旋转；

(vi)第二致动器，使所述第二轴围绕第二主轴线相对于所述第二轴旋转；以及

(vii)第三致动器，使所述端部执行器围绕第三主轴线相对于所述第三轴旋转。

31.如权利要求25至30中任一项所述的方法，其中，所述一组机器人臂包括至少两个机器人臂。

32.如权利要求25至31中任一项所述的方法，其中，所述一组机器人臂在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少一个关节连接自由度。

33.如权利要求32所述的方法，其中，所述一组机器人臂在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。

34.如权利要求25至33中任一项所述的方法，其中，所述一组机器人臂进一步包括相机定位臂和相机致动器，所述相机致动器使所述至少一个相机围绕相机主轴线相对于所述相机定位臂旋转。

35.如权利要求25至34中任一项所述的方法，其中，所述至少一个相机配置成在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少一个关节连接自由度。

36.如权利要求35所述的方法，其中，所述至少一个相机配置成在所述腹腔镜手术操作期间提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度。

37.如权利要求25至36中任一项所述的方法，其中，所述至少一个相机包括至少一个立体相机。

38.如权利要求37所述的方法，其中，所述至少一个立体相机包括至少一个可致动的立体相机。

39.如权利要求25至38中任一项所述的方法，其中，所述系统提供在所述受试者的所述体腔内部的至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12或多于12个关节连接自由度，所述关节连接自由度选自：插入自由度、滚转自由度、俯仰自由度和偏航自由度。

40.如权利要求25至39中任一项所述的方法，其中，所述相机包括闪光灯、镜头、闪光灯、灯或其任何组合。

41.如权利要求25至40中任一项所述的方法，其中，所述相机包括立体相机、红外相机、光学相机或其任何组合。

42.如权利要求25至41中任一项所述的方法，其中，所述端部执行器是钳子、抓钳、针驱动器、镊子或其任何组合。

43.如权利要求34所述的方法，其中，所述相机致动器进一步使所述相机围绕垂直于所述相机主轴线的相机副轴线相对于所述相机定位臂旋转。

44.如权利要求34所述的方法，其中，所述相机主轴线和所述相机副轴线垂直于所述相机定位臂的对称轴线。

45.如权利要求30至44中任一项所述的方法，其中，所述第一致动器进一步使所述第二轴围绕垂直于所述第一主轴线的第一副轴线相对于所述第一轴旋转。

46.如权利要求30至45中任一项所述的方法，其中，所述第二致动器进一步使所述第三轴围绕垂直于所述第二主轴线的第二副轴线相对于所述第二轴旋转。

47.如权利要求30至求46中任一项所述的方法，其中，所述第三致动器进一步使所述端部执行器围绕第三副轴线相对于所述第三轴旋转，所述第三副轴线垂直于所述第三主轴线。

48.如权利要求30至47中任一项所述的方法，其中，所述一组机器人臂进一步包括套管针，并且其中，所述相机定位臂、所述两个或更多个臂中的一者或多者的所述第一轴、或所述相机定位臂以及所述第一轴两者可以相对于所述套管针平移。

49.一种平台，包括：

(a)根据权利要求1至24中任一项所述的系统；

(b)向所述系统提供动力的马达；以及

(c)耦接到所述马达的台架。

50.如权利要求49所述的平台，其中，所述马达向以下各者中的一者或多者提供动力：

(a)相机致动器；

(b)第一致动器；

(c)第二致动器；以及

(d)第三致动器；

51.如权利要求49或50所述的平台，其中，所述台架通过可旋转耦接和可平移耦接中的一者或多者耦接到所述马达。

52.如权利要求49至51中任一项所述的平台，进一步包括手术台。

53.如权利要求49至52中任一项所述的平台，进一步包括从所述相机接收图像的显示器。

54.如权利要求53所述的平台，其中，所述显示器是头戴式显示器。

55.如权利要求49至54中任一项所述的平台，进一步包括向所述马达提供致动命令的输入。