CN112804933B - 关节运动式医疗器械 - Google Patents

Abstract

某些方面涉及关节运动式医疗器械和对应的系统和技术。关节运动式医疗器械可包括细长轴，该细长轴具有两个轴节段和定位在这两个轴节段之间的弯曲节段。该器械可包括定位在轴的近侧端部处的关节运动柄部以及定位在关节运动柄部内并且被构造成使第一弯曲节段进行关节运动的一个或多个马达。该器械还可包括联接到轴的插入柄部，该插入柄部使得轴能够相对于插入柄部平移。

Description

关节运动式医疗器械

优先权申请

本申请要求2018年9月26日提交的美国临时专利申请62/736,643的优先权，该申请以引用方式并入本文。

技术领域

本文所公开的系统和方法涉及医疗器械，并且更具体地讲，涉及能够被配置用于在机器人医疗规程期间使用的关节运动式医疗器械。

背景技术

医学规程诸如腹腔镜手术可涉及进入患者的内部区域并使患者的内部区域可视化。在腹腔镜检查规程中，医疗器械可通过腹腔镜式入口插入内部区域中。

在某些规程中，机器人使能的医疗系统可用于控制器械及其端部执行器的插入和/或操纵。机器人使能的医疗系统可包括机器人臂或其他器械定位装置。机器人使能医疗系统还可包括用于在规程期间控制器械的定位的控制器。

发明内容

本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，这些创新方面中没有一个独自负责本文所公开的期望属性。

在第一方面，医疗器械包括：细长轴，该细长轴在近侧端部和远侧端部之间延伸；第一弯曲节段，该第一弯曲节段定位在细长轴的近侧端部和远侧端部之间；关节运动柄部，该关节运动柄部定位在轴的近侧端部处；和一个或多个马达，该一个或多个马达定位在关节运动柄部内并且被构造成使第一弯曲节段进行关节运动。

在一些实施方案中，医疗器械还可以任何组合包括以下特征中的一者或多者：(a)联接到轴的插入柄部，其中该插入柄部被构造成致使轴相对于插入柄部平移；(b)其中第一弯曲节段包括多连接件腕部，该多连接件腕部包括两个或更多个连接件，每对连续连接件包括其间的一个或多个关节；(c)其中一个或多个关节中的每个关节包括滚动关节；(d)第一弯曲节段包括近侧俯仰关节和远侧俯仰关节，该近侧俯仰关节和该远侧俯仰关节被构造成允许第一弯曲节段沿俯仰方向进行关节运动，并且关节运动柄部包括近侧俯仰滑轮和远侧俯仰滑轮，该近侧俯仰滑轮通过第一牵拉线连接到近侧俯仰关节，该远侧俯仰滑轮通过第二牵拉线连接到远侧俯仰关节，其中远侧俯仰滑轮的远侧俯仰滑轮半径大于近侧俯仰滑轮的近侧俯仰滑轮半径；(e)第一弯曲节段包括近侧俯仰关节和远侧俯仰关节，该近侧俯仰关节和该远侧俯仰关节被构造成允许第一弯曲节段沿俯仰方向进行关节运动，并且关节运动柄部包括近侧俯仰滑轮和远侧俯仰滑轮，该近侧俯仰滑轮通过第一牵拉线连接到近侧俯仰关节，该远侧俯仰滑轮通过第二牵拉线连接到远侧俯仰关节，其中远侧俯仰滑轮半径不同于近侧俯仰滑轮半径，使得近侧俯仰关节和远侧俯仰关节在该近侧俯仰滑轮和该远侧俯仰滑轮的致动下以基本上相同的速率改变；(f)其中定位在关节运动柄部内的一个或多个马达包括至少一个俯仰马达，该至少一个俯仰马达被构造成驱动近侧俯仰滑轮和远侧俯仰滑轮，使得近侧俯仰滑轮的旋转基本上等于远侧俯仰滑轮的旋转；(g)其中远侧俯仰滑轮半径和近侧俯仰滑轮半径之间的比率使得近侧俯仰关节的关节运动基本上等于远侧俯仰关节的关节运动；(h)其中第一弯曲节段包括近侧偏航关节和远侧偏航关节，该近侧偏航关节和该远侧偏航关节被构造成允许第一弯曲节段沿偏航方向进行关节运动，并且该关节运动柄部包括近侧偏航滑轮和远侧偏航滑轮，该近侧偏航滑轮通过第三牵拉线连接到近侧偏航关节，该远侧偏航滑轮通过第四牵拉线连接到远侧偏航关节，并且其中远侧偏航滑轮的远侧偏航滑轮半径大于近侧偏航滑轮的近侧偏航滑轮半径；(i)其中定位在关节运动柄部内的一个或多个马达包括偏航马达，该偏航马达被构造成驱动近侧偏航滑轮和远侧偏航滑轮，使得近侧偏航滑轮的旋转基本上等于远侧偏航滑轮的旋转；(j)其中远侧偏航滑轮半径和近侧偏航滑轮之间的比率使得近侧偏航关节的关节运动基本上等于远侧偏航关节的关节运动；(k)其中第一弯曲节段包括一个或多个连接件，该一个或多个连接件包括关节运动孔，该关节运动孔被构造成接收延伸穿过其中的牵拉线；(l)其中连接件中的至少一个连接件包括用于接收穿过其中的第一牵拉线的第一关节运动孔和用于接收穿过其中的第二牵拉线的第二关节运动孔，并且该第一关节运动孔和该第二关节运动孔相对于穿过连接件的中心轴线以相同角度形成并且具有从该中心轴线测量的不同半径；(m)其中连接件中的至少一个连接件包括用于接收穿过其中的第一牵拉线的第一关节运动孔和用于接收穿过其中的第二牵拉线的第二关节运动孔，并且该第一关节运动孔和该第二关节运动孔各自具有距俯仰关节运动轴线和偏航关节运动轴线基本上相同的距离；(n)其中第一弯曲节段具有至少四个自由度；(o)其中四个自由度包括近侧俯仰、远侧俯仰、近侧偏航和远侧偏航；(p)其中轴包括至少三个轴节段，并且医疗器械还包括位于该轴节段中的至少两个轴节段之间的第二弯曲节段；(q)其中一对牵拉线从关节运动节段延伸穿过第二弯曲节段并且到达第一弯曲节段；(r)其中该对牵拉线在第二弯曲节段和第一弯曲节段之间彼此交叉；(s)其中医疗器械包括密封架构；(t)其中医疗器械包括内窥镜；以及/或者(u)用于提供在轴的远侧端部处捕获的图像的光学系统。

在另一方面，方法包括将包括细长轴的医疗器械的远侧端部插入患者的治疗区域中；以及通过驱动定位在关节运动柄部内的一个或多个马达来使医疗器械的第一弯曲节段进行关节运动，该关节运动柄部定位在细长轴的近侧端部处。

该方法可以任何组合包括以下特征中的一者或多者：(a)其中该关节运动柄部包括俯仰马达，并且该方法还包括驱动定位在该关节运动柄部内的一个或多个马达，包括使用该俯仰马达来驱动：(i)近侧俯仰滑轮，该近侧俯仰滑轮通过第一牵拉线连接到第一弯曲节段的近侧俯仰关节，和(ii)远侧俯仰滑轮，该远侧俯仰滑轮通过第二牵拉线连接到第一弯曲节段的远侧俯仰关节，并且其中远侧俯仰滑轮的远侧俯仰滑轮半径不同于近侧俯仰滑轮的近侧俯仰滑轮半径；(b)其中该俯仰马达被构造成驱动近侧俯仰滑轮和远侧俯仰滑轮，使得近侧俯仰滑轮的旋转基本上等于该远侧俯仰滑轮的旋转；(c)其中远侧俯仰滑轮半径和近侧俯仰滑轮半径之间的比率使得近侧俯仰关节的关节运动基本上等于远侧俯仰关节的关节运动；(d)其中驱动定位在关节运动柄部内的一个或多个马达还包括利用偏航马达驱动近侧偏航滑轮和远侧偏航滑轮，该近侧偏航滑轮通过第三牵拉线可操作地连接到第一弯曲节段的近侧偏航关节，该远侧偏航滑轮通过第四牵拉线可操作地连接到第一弯曲节段的远侧偏航关节，其中远侧偏航滑轮的远侧偏航滑轮半径不同于近侧偏航滑轮的近侧偏航滑轮半径；(e)其中该偏航马达被构造成驱动该近侧偏航滑轮和该远侧偏航滑轮，使得该近侧偏航滑轮的旋转基本上等于该远侧偏航滑轮的旋转；(f)其中远侧偏航滑轮半径和近侧偏航滑轮半径之间的比率使得近侧偏航关节的关节运动等于远侧偏航关节的关节运动；(g)其中使第一弯曲节段进行关节运动包括牵拉穿过该第一弯曲节段的连接件中的第一关节运动孔的第一牵拉线，以及牵拉穿过第一弯曲节段的连接件中的第二关节运动孔的第二牵拉线，其中第一关节运动孔和第二关节运动孔相对于穿过连接件的中心轴线以相同角度形成，并且具有从中心轴线测量的不同半径；(h)其中牵拉第一牵拉线包括旋转该第一牵拉线卷绕在其上的近侧滑轮，并且牵拉第二牵拉线包括旋转第二牵拉线卷绕在其上的远侧滑轮，其中远侧滑轮的远侧滑轮半径大于近侧滑轮的近侧滑轮半径；(i)其中近侧滑轮和远侧滑轮由同一马达驱动，使得近侧滑轮的旋转等于远侧滑轮的旋转；以及/或者(j)通过驱动定位在关节运动柄部内的一个或多个马达使位于医疗器械的轴上的第二弯曲节段进行关节运动，其中第二弯曲节段定位在第一弯曲节段和近侧端部之间。

在另一方面，医疗器械包括：细长轴，该细长轴在近侧端部和远侧端部之间延伸；第一弯曲节段，该第一弯曲节段定位在该细长轴的该近侧端部和该远侧端部之间；第一柄部，该第一柄部定位在轴的近侧端部处并且被构造成控制第一弯曲节段的关节运动；和第二柄部，该第二柄部联接到轴并且被构造成有利于轴相对于第二柄部平移。

医疗器械还可以任何组合包括以下特征中的一者或多者：(a)其中第一柄部包括被构造用于第一弯曲节段的关节运动的一个或多个马达；(b)其中细长轴包括至少三个轴节段，并且医疗器械还包括定位在轴的两个轴节段之间的第二弯曲节段；(c)其中第一柄部包括位于第一柄部中的一个或多个马达，该一个或多个马达能够使第一弯曲节段和/或第二弯曲节段进行关节运动；(d)其中第二柄部被构造成联接到器械驱动机构；(e)其中第二柄部包括至少一个驱动输入部，该至少一个驱动输入部被构造成接合器械驱动机构上的至少一个驱动输出部；(f)其中医疗器械包括密封架构；(d)其中医疗器械包括内窥镜；以及/或者(h)用于提供在轴的远侧端部处捕获的图像的光学系统。

在另一方面，医疗器械包括在近侧端部和远侧端部之间延伸的细长轴，该轴包括至少两个轴节段；第一弯曲节段，该第一弯曲节段定位在该轴的该至少两个轴节段之间，该第一弯曲节段包括近侧俯仰关节和远侧俯仰关节，该近侧俯仰关节和该远侧俯仰关节被构造成允许该第一弯曲节段沿俯仰方向进行关节运动；关节运动柄部，该关节运动柄部定位在轴的近侧端部处；近侧俯仰滑轮，该近侧俯仰滑轮通过第一牵拉线连接到近侧俯仰关节；以及远侧俯仰滑轮，该远侧俯仰滑轮通过第二牵拉线连接到远侧俯仰关节；其中远侧俯仰滑轮的远侧俯仰滑轮半径不同于近侧俯仰滑轮的近侧俯仰滑轮半径。

医疗器械还可以任何组合包括以下特征中的一者或多者：(a)俯仰马达，该俯仰马达定位在关节运动柄部内；(b)其中远侧俯仰滑轮半径和近侧俯仰滑轮半径之间的比率使得近侧俯仰关节的关节运动等于远侧俯仰关节的关节运动；(c)其中俯仰马达被构造成驱动近侧俯仰滑轮和远侧俯仰滑轮，使得近侧俯仰滑轮的旋转基本上等于远侧俯仰滑轮的旋转；(d)其中第一弯曲节段还包括近侧偏航关节和远侧偏航关节，该近侧偏航关节和该远侧偏航关节被构造成允许第一弯曲节段沿偏航进行关节运动，并且医疗器械还包括近侧偏航滑轮和远侧偏航滑轮，该近侧偏航滑轮通过第三牵拉线连接到近侧偏航关节，该远侧偏航滑轮通过第四牵拉线连接到远侧偏航关节，并且其中远侧偏航滑轮的远侧偏航滑轮半径大于近侧偏航滑轮的近侧偏航滑轮半径；(e)偏航马达，该偏航马达定位在关节运动柄部内；(f)其中远侧偏航滑轮半径和近侧偏航滑轮半径之间的比率使得近侧偏航关节的关节运动基本上等于远侧偏航关节的关节运动；(g)其中偏航马达被构造成驱动近侧偏航滑轮和远侧偏航滑轮，使得近侧偏航滑轮的旋转等于远侧偏航滑轮的旋转；(h)第二弯曲节段，该第二弯曲节段可操作地联接到第一弯曲节段；(i)其中第一牵拉线和第二牵拉线延伸穿过第二弯曲节段到达该第一弯曲节段；(j)其中，在第二弯曲节段中，第一牵拉线距该轴的中线的距离大于第二牵拉线距轴的中线的距离，并且其中在第一弯曲节段中，第一牵拉线距轴的中线的距离小于第二牵拉线距轴的中线的距离；以及/或者(k)插入柄部，该插入柄部联接到轴，其中插入柄部被构造成使轴相对于插入柄部平移。

附图说明

下文将结合附图描述所公开的方面，该附图被提供以说明而非限制所公开的方面，其中类似的标号表示类似的元件。

图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人系统的实施方案。

图2描绘了图1的机器人系统的另外方面。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方案。

图4示出了被布置用于血管规程的图1的机器人系统的实施方案。

图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图6提供了图5的机器人系统的替代视图。

图7示出了被构造成收起机器人臂的示例性系统。

图8示出了被构造用于输尿管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图9示出了被构造用于腹腔镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图10示出了具有俯仰或倾斜调整的图5-图9的基于台的机器人系统的实施方案。

图11提供了图5-图10的基于台的机器人系统的台和立柱之间的接口的详细图示。

图12示出了基于台的机器人系统的另选实施方案。

图13示出了图12的基于台的机器人系统的端视图。

图14示出了其上附接有机器人臂的基于台的机器人系统的端视图。

图15示出了示例性器械驱动器。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。

图18示出了具有基于器械的插入架构的器械。

图19示出了示例性控制器。

图20描绘了根据示例性实施方案的示出定位系统的框图，该定位系统估计图1图10的机器人系统的一个或多个元件的位置，诸如图16-图18的器械的位置。

图21示出了关节运动式医疗器械的实施方案。

图22A-图22C示出了根据实施方案的用于关节运动式医疗器械的关节运动柄部的一些内部部件的透视图。

图23A和图23B分别为关节运动式医疗器械的弯曲节段的实施方案的透视图和俯视图。

图24A和图24B分别为用于关节运动式医疗器械的弯曲节段和相关牵拉线的实施方案的近侧透视图和远侧透视图。

图25示出了包括成比率的滑轮的关节运动柄部的实施方案。

图26A-图26D示出关节运动式医疗器械的弯曲节段的连接件的实施方案中关节运动孔的布置。图26A示出了包括以恒定半径但不同角度形成的关节运动孔的实施方案。图26B-图26D示出了包括以恒定角度但不同半径形成的关节运动孔的实施方案。

图27A和图27B示出了包括两个弯曲节段的关节运动式医疗器械的实施方案。

图28示出了用于图27A和图27B的关节运动式医疗器械的牵拉线的示例布置。

具体实施方式

1.概述。

本公开的各方面可集成到机器人使能的医疗系统中，该机器人使能的医疗系统能够执行多种医学规程，包括微创规程诸如腹腔镜检查，以及非侵入规程诸如内窥镜检查两者。在内窥镜检查规程中，系统可能能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。

除了执行广泛的规程之外，系统可以提供附加的益处，诸如增强的成像和指导以帮助医师。另外，该系统可以为医师提供从人体工程学方位执行规程的能力，而不需要笨拙的臂运动和方位。另外，该系统可以为医师提供以改进的易用性执行规程的能力，使得系统的器械中的一个或多个器械可由单个用户控制。

出于说明的目的，下文将结合附图描述各种实施方案。应当理解，所公开的概念的许多其他实施方式是可能的，并且利用所公开的实施方式可实现各种优点。标题包括在本文中以供参考并且有助于定位各个节段。这些标题并非旨在限制相对于其所述的概念的范围。此类概念可在整个说明书中具有适用性。

A.机器人系统–推车。

机器人使能的医疗系统可以按多种方式构造，这取决于特定规程。图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人使能的系统10的实施方案。在支气管镜检查期间，系统10可包括推车11，该推车具有一个或多个机器人臂12，以将医疗器械诸如可操纵内窥镜13(其可以是用于支气管镜检查的规程特定的支气管镜)递送至自然孔口进入点(即，在本示例中定位在台上的患者的口)，以递送诊断和/或治疗工具。如图所示，推车11可被定位在患者的上躯干附近，以便提供到进入点的通路。类似地，可以致动机器人臂12以相对于进入点定位支气管镜。当用胃镜(用于胃肠道(GI)规程的专用内窥镜)执行GI规程时，也可利用图1中的布置。图2更详细地描绘了推车的示例性实施方案。

继续参考图1，一旦推车11被正确定位，机器人臂12就可以机器人地、手动地或以其组合将可操纵内窥镜13插入患者体内。如图所示，可操纵内窥镜13可包括至少两个伸缩部分，诸如内引导件部分和外护套部分，每个部分联接到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器联接到单独的机器人臂的远侧端部。有利于将引导件部分与护套部分同轴对准的器械驱动器28的这种线性布置产生“虚拟轨道”29，该“虚拟轨道”可以通过将一个或多个机器人臂12操纵到不同角度和/或方位而在空间中被重新定位。本文所述的虚拟轨道在附图中使用虚线描绘，并且因此虚线未描绘系统的任何物理结构。器械驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导件部分相对于外护套部分伸缩，或者使内窥镜13从患者推进或回缩。虚拟轨道29的角度可以基于临床应用或医师偏好来调整、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，如图所示的虚拟轨道29的角度和方位代表了在向医师提供到内窥镜13的通路同时使由内窥镜13弯曲到患者的口中引起的摩擦最小化之间的折衷。

在插入之后，内窥镜13可以使用来自机器人系统的精确命令向下导向患者的气管和肺，直到到达目标目的地或手术部位。为了增强通过患者的肺网络的导航和/或到达期望的目标，内窥镜13可被操纵以从外部护套部分伸缩地延伸内引导件部分，以获得增强的关节运动和更大的弯曲半径。使用单独的器械驱动器28还允许引导件部分和护套部分彼此独立地被驱动。

例如，内窥镜13可被导向以将活检针递送到目标，诸如患者肺内的病变或结节。针可沿工作通道向下部署，该工作通道延伸内窥镜的长度以获得待由病理学家分析的组织样本。根据病理结果，可沿内窥镜的工作通道向下部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，诊断和治疗处理可在单独的规程中递送。在这些情况下，内窥镜13也可用于递送基准以“标记”目标结节的位置。在其他情况下，诊断和治疗处理可在相同的规程期间递送。

系统10还可包括可移动塔30，该可移动塔可经由支撑缆线连接到推车11以向推车11提供控制、电子、流体、光学、传感器和/或电力的支持。将这样的功能放置在塔30中允许可以由操作医师和他/她的工作人员更容易地调整和/或重新定位的更小形状因子的推车11。另外，在推车/台和支撑塔30之间划分功能减少了手术室混乱并且有利于改善临床工作流程。虽然推车11可被定位成靠近患者，但是塔30可以在远程位置中被收起以在规程过程期间不挡道。

为了支持上述机器人系统，塔30可包括基于计算机的控制系统的部件，该基于计算机的控制系统将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质诸如永磁存储驱动器、固态驱动器等内。无论执行是发生在塔30中还是发生在推车11中，这些指令的执行都可以控制整个系统或其子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可致使机器人系统的部件致动相关托架和臂安装件，致动机器人臂，并且控制医疗器械。例如，响应于接收到控制信号，机器人臂的关节中的马达可将臂定位成特定姿势。

塔架30还可包括泵、流量计、阀控制器和/或流体通路，以便向可通过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗和抽吸能力。这些部件也可使用塔30的计算机系统来控制。在一些实施方案中，冲洗和抽吸能力可通过单独的缆线直接递送到内窥镜13。

塔30可包括电压和浪涌保护器，该电压和浪涌保护器被设计成向推车11提供经滤波和保护的电力，从而避免在推车11中放置电力变压器和其他辅助电力部件，从而得到更小、更可移动的推车11。

塔30还可包括用于在整个机器人系统10中部署的传感器的支撑设备。例如，塔30可包括用于在整个机器人系统10中检测、接收和处理从光学传感器或相机接收的数据的光电设备。结合控制系统，此类光电设备可用于生成实时图像，以用于在整个系统中部署的任何数量的控制台中显示(包括在塔30中显示)。类似地，塔30还可包括用于接收和处理从部署的电磁(EM)传感器接收的信号的电子子系统。塔30还可用于容纳和定位EM场发生器，以便由医疗器械中或医疗器械上的EM传感器进行检测。

除了系统的其余部分中可用的其他控制台(例如，安装在推车顶部上的控制台)之外，塔30还可包括控制台31。控制台31可包括用于医师操作者的用户界面和显示屏，诸如触摸屏。系统10中的控制台通常设计成提供机器人控制以及规程的术前信息和实时信息两者，诸如内窥镜13的导航和定位信息。当控制台31不是医师可用的唯一控制台时，其可由第二操作者(诸如护士)使用以监测患者的健康状况或生命体征和系统10的操作，以及提供规程特定的数据，诸如导航和定位信息。在其他实施方案中，控制台30容纳在与塔30分开的主体中。

塔30可通过一个或多个缆线或连接件(未示出)联接到推车11和内窥镜13。在一些实施方案中，可通过单个缆线向推车11提供来自塔30的支撑功能，从而简化手术室并消除手术室的混乱。在其他实施方案中，特定功能可联接在单独的布线和连接中。例如，尽管可以通过单个缆线向推车11提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控件、光学器件、流体和/或导航的支持。

图2提供了来自图1所示的基于推车的机器人使能的系统的推车11的实施方案的详细图示。推车11通常包括细长支撑结构14(通常称为“柱”)、推车基部15以及在柱14的顶部处的控制台16。柱14可包括一个或多个托架，诸如用于支持一个或多个机器人臂12(图2中示出三个)的部署的托架17(另选地为“臂支撑件”)。托架17可包括可单独构造的臂安装件，该臂安装件沿着垂直轴线旋转以调整机器人臂12的基部，以相对于患者更好地定位。托架17还包括托架接口19，该托架接口允许托架17沿着柱14竖直地平移。

托架接口19通过狭槽诸如狭槽20连接到柱14，该狭槽定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包含竖直平移接口以将托架17相对于推车基部15定位并保持在各种竖直高度处。托架17的竖直平移允许推车11调整机器人臂12的到达范围以满足各种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独构造的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种构型成角度。

在一些实施方案中，狭槽20可补充有狭槽盖，该狭槽盖与狭槽表面齐平且平行，以防止灰尘和流体在托架17竖直平移时进入柱14的内部腔以及竖直平移接口。狭槽盖可通过定位在狭槽20的竖直顶部和底部附近的成对弹簧卷轴部署。盖在卷轴内盘绕，直到在托架17竖直地上下平移时被部署成从盖的盘绕状态延伸和回缩。当托架17朝向卷轴平移时，卷轴的弹簧加载提供了将盖回缩到卷轴中的力，同时在托架17平移远离卷轴时也保持紧密密封。可使用例如托架接口19中的支架将盖连接到托架17，以确保在托架17平移时盖的适当延伸和回缩。

柱14可在内部包括诸如齿轮和马达之类的机构，其被设计成使用竖直对准的导螺杆以响应于响应用户输入(例如，来自控制台16的输入)生成的控制信号来以机械化方式平移托架17。

机器人臂12通常可包括由一系列连杆23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，该一系列连杆由一系列关节24连接，每个关节包括独立的致动器，每个致动器包括可独立控制的马达。每个可独立控制的关节表示机器人臂12可用的独立自由度。机器人臂12中的每个机器人臂可具有七个关节，并且因此提供七个自由度。多个关节导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。具有冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连接件方位和关节角度将其相应的端部执行器22定位在空间中的特定方位、取向和轨迹处。这允许系统从空间中的期望点定位和导向医疗器械，同时允许医师将臂关节移动到远离患者的临床有利方位，以产生更大的接近，同时避免臂碰撞。

推车基部15在地板上平衡柱14、托架17和机器人臂12的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，诸如电子器件、马达、电源以及使得推车11能够移动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车11在规程之前容易地围绕房间移动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当方位之后，脚轮25可以使用轮锁固定，以在规程期间将推车11保持在适当方位。

定位在柱14的竖直端部处的控制台16允许用于接收用户输入的用户界面和显示屏(或两用装置，诸如例如触摸屏26)两者向医师用户提供术前和术中数据两者。触摸屏26上的潜在术前数据可以包括从术前计算机化断层摄影(CT)扫描导出的术前计划、导航和标测数据和/或来自术前患者面谈的记录。显示器上的术中数据可以包括从工具、传感器提供的光学信息和来自传感器的坐标信息以及重要的患者统计，诸如呼吸、心率和/或脉搏。控制台16可以被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧面接近控制台16。从该方位，医师可以在从推车11后面操作控制台16的同时观察控制台16、机器人臂12和患者。如图所示，控制台16还包括用以帮助操纵和稳定推车11的柄部27。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的机器人使能的系统10的实施方案。在输尿管镜规程中，推车11可被定位成将输尿管镜32(被设计成横穿患者的尿道和输尿管的规程特定的内窥镜)递送到患者的下腹部区域。在输尿管镜检查中，可以期望输尿管镜32直接与患者的尿道对准以减少该区域中的敏感解剖结构上的摩擦和力。如图所示，推车11可以在台的脚部处对准，以允许机器人臂12定位输尿管镜32，以用于直接线性进入患者的尿道。机器人臂12可从台的脚部沿着虚拟轨道33将输尿管镜32通过尿道直接插入患者的下腹部中。

在插入尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，输尿管镜32可以被导航到膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断和/或治疗应用。例如，可以将输尿管镜32引导到输尿管和肾中以使用沿输尿管镜32的工作通道向下部署的激光或超声碎石装置来打碎积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用沿输尿管镜32向下部署的篮移除所得的结石碎片。

图4示出了类似地布置用于血管规程的机器人使能的系统10的实施方案。在血管规程中，系统10可被构造成使得推车11可将医疗器械34(诸如可操纵导管)递送至患者的腿部的股动脉中的进入点。股动脉呈现用于导航的较大直径以及到患者的心脏的相对较少的迂回且曲折的路径两者，这简化了导航。如在输尿管镜规程中，推车11可以被定位成朝向患者的腿和下腹部，以允许机器人臂12提供直接线性进入患者的大腿/髋部区域中的股动脉进入点的虚拟轨道35。在插入动脉中之后，可通过平移器械驱动器28来导向和插入医疗器械34。另选地，推车可以被定位在患者的上腹部周围，以到达另选的血管进入点，诸如肩部和腕部附近的颈动脉和臂动脉。

B.机器人系统–台。

机器人使能的医疗系统的实施方案还可结合患者的台。结合台通过移除推车减少了手术室内的资本设备的量，这允许更多地接近患者。图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的这样的机器人使能的系统的实施方案。系统36包括用于将平台38(示出为“台”或“床”)支撑在地板上的支撑结构或柱37。与基于推车的系统非常相似，系统36的机器人臂39的端部执行器包括器械驱动器42，其被设计成通过或沿着由器械驱动器42的线性对准形成的虚拟轨道41来操纵细长医疗器械，诸如图5中的支气管镜40。在实践中，用于提供荧光镜成像的C形臂可以通过将发射器和检测器放置在台38周围而定位在患者的上腹部区域上方。

图6提供了用于讨论目的的没有患者和医疗器械的系统36的另选视图。如图所示，柱37可包括在系统36中示出为环形的一个或多个托架43，一个或多个机器人臂39可基于该托架。托架43可以沿着沿柱37的长度延伸的竖直柱接口44平移，以提供不同的有利点，机器人臂39可以从这些有利点被定位以到达患者。托架43可以使用定位在柱37内的机械马达围绕柱37旋转，以允许机器人臂39进入台38的多个侧面，诸如患者的两侧。在具有多个托架的实施方案中，托架可单独地定位在柱上，并且可独立于其他托架平移和/或旋转。虽然托架43不需要环绕柱37或甚至是圆形的，但如图所示的环形形状有利于托架43围绕柱37旋转，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移允许系统36将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者身上的不同进入点中。在其他实施方案(未示出)中，系统36可包括具有可调式臂支撑件的病人检查台或病床，该可调式臂支撑件呈在病人检查台或病床旁边延伸的杆或导轨的形式。一个或多个机器人臂39(例如，经由具有肘关节的肩部)可附接到可调式臂支撑件，该可调式臂支撑件可被竖直调节。通过提供竖直调节，机器人臂39有利地能够紧凑地存放在病人检查台或病床下方，并且随后在规程期间升高。

机器人臂39可通过包括一系列关节的一组臂安装件45安装在托架43上，该关节可单独地旋转和/或伸缩地延伸以向机器人臂39提供附加的可构造性。另外，臂安装件45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装件45可定位在台38的同一侧上(如图6所示)、台38的相对侧上(如图9所示)或台38的相邻侧上(未示出)。

柱37在结构上为台38提供支撑，并且为托架43的竖直平移提供路径。在内部，柱37可配备有用于引导托架的竖直平移的导螺杆，以及用以机械化基于导螺杆的托架43的平移的马达。柱37还可将功率和控制信号传送到托架43和安装在其上的机器人臂39。

台基部46具有与图2所示的推车11中的推车基部15类似的功能，容纳较重的部件以平衡台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台面基部46还可结合刚性脚轮以在规程期间提供稳定性。从台基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两侧沿相反方向延伸，并且当系统36需要移动时回缩。

继续图6，系统36还可以包括塔(未示出)，该塔使系统36的功能在台与塔之间进行划分以减小台的形状因子和体积。如在先前所公开的实施方案中，塔可以向台提供多种支持功能，诸如处理、计算和控制能力、电力、流体和/或光学以及传感器处理。塔还可以是可移动的，以远离患者定位，从而改善医师的接近并且消除手术室的混乱。另外，将部件放置在塔中允许在台基部46中有更多的储存空间，以用于机器人臂39的潜在收起。塔还可以包括主控制器或控制台，其提供用于用户输入的用户界面(诸如键盘和/或挂件)以及用于术前和术中信息(诸如实时成像、导航和跟踪信息)的显示屏(或触摸屏)两者。在一些实施方案中，塔还可包含用于待用于注气的气罐的夹持器。

在一些实施方案中，台基部可以在不使用时收起和储存机器人臂。图7示出了在基于台的系统的实施方案中收起机器人臂的系统47。在系统47中，托架48可以竖直平移到基部49中以使机器人臂50、臂安装件51和托架48收起在基部49内。基部盖52可以平移和回缩打开以围绕柱53部署托架48、臂安装件51和机器人臂50，并且关闭以收起该托架、臂安装件和机器人臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可以用膜54沿着其开口的边缘密封，以防止在关闭时灰尘和流体进入。

图8示出了被构造用于输尿管镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。在输尿管镜检查中，台38可以包括用于将患者定位成与柱37和台基部46成偏角的旋转部分55。旋转部分55可以围绕枢转点(例如，位于患者的头部下方)旋转或枢转，以便将旋转部分55的底部部分定位成远离柱37。例如，旋转部分55的枢转允许C形臂(未示出)定位在患者的下腹部上方，而不与台38下方的柱(未示出)竞争空间。通过围绕柱37旋转托架35(未示出)，机器人臂39可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可以固定至台38的旋转部分55，以在规程期间支撑患者的腿的方位，并且允许完全通向患者的腹股沟区域。

在腹腔镜检查规程中，通过患者的腹壁中的小切口，可将微创器械插入患者的解剖结构中。在一些实施方案中，微创器械包括用于进入患者体内解剖结构的细长刚性构件，诸如轴。在患者腹腔充气之后，可以引导器械执行外科或医疗任务，诸如抓握、切割、消融、缝合等。在一些实施方案中，器械可以包括镜，诸如腹腔镜。图9示出了被构造用于腹腔镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。如图9所示，系统36的托架43可以被旋转并且竖直调整，以将成对的机器人臂39定位在台38的相对侧上，使得可以使用臂安装件45将器械59定位成穿过患者两侧上的最小切口以到达他/她的腹腔。

为了适应腹腔镜检查规程，机器人使能的台系统还可将平台倾斜到期望的角度。图10示出了具有俯仰或倾斜调整的机器人使能的医疗系统的实施方案。如图10所示，系统36可以适应台38的倾斜，以将台的一部分定位在比另一部分距底板更远的距离处。另外，臂安装件45可以旋转以匹配倾斜，使得机器人臂39与台38保持相同的平面关系。为了适应更陡的角度，柱37还可以包括伸缩部分60，该伸缩部分允许柱37的竖直延伸以防止台38接触地板或与台基部46碰撞。

图11提供了台38与柱37之间的接口的详细图示。俯仰旋转机构61可以被构造成以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。俯仰旋转机构61可以通过将正交轴线1、2定位在柱台接口处来实现，每条轴线由单独的马达3、4响应于电俯仰角命令而致动。沿着一个螺钉5的旋转将使得能够在一条轴线1中进行倾斜调整，而沿着另一个螺钉6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调节。在一些实施方案中，可使用球形关节来在多个自由度上改变台38相对于柱37的俯仰角。

例如，当试图将台定位在头低脚高位(即，将患者的下腹部定位在比患者的上腹部距地板更高的方位)以用于下腹部手术时，俯仰调整特别有用。头低脚高位致使患者的内部器官通过重力滑向他/她的上腹部，从而清理出腹腔以使微创工具进入并且执行下腹部外科或医疗规程，诸如腹腔镜前列腺切除术。

图12和图13示出了基于台的外科机器人系统100的另选实施方案的等轴视图和端视图。外科机器人系统100包括可被构造成相对于台101支撑一个或多个机器人臂(参见例如图14)的一个或多个可调式臂支撑件105。在例示的实施方案中，示出了单个可调式臂支撑件105，但是附加的臂支撑件可设置在台101的相对侧上。可调式臂支撑件105可被构造，使得其可相对于台101运动，以调节和/或改变可调式臂支撑件105和/或安装到该可调式臂支撑件的任何机器人臂相对于台101的方位。例如，可调式臂支撑件105可相对于台101被调节一个或多个自由度。可调式臂支撑件105为系统100提供高灵活性，包括容易地将一个或多个可调式臂支撑件105和附接到其的任何机器人臂收起在台101下方的能力。可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面下方的方位。在其他实施方案中，可调式臂支撑件105可从收起方位升高到台101的上表面上方的方位。

可调式臂支撑件105可提供若干自由度，包括提升、侧向平移、倾斜等。在图12和图13的例示实施方案中，臂支撑件105被构造成具有四个自由度，这些自由度在图12中用箭头示出。第一自由度允许在z方向上(“Z提升”)调节可调式臂支撑件105。例如，可调式臂支撑件105可包括托架109，该托架被构造成沿着或相对于支撑台101的柱102向上或向下运动。第二自由度可允许可调式臂支撑件105倾斜。例如，可调式臂支撑件105可包括旋转接头，该旋转接头可允许可调式臂支撑件105在特伦德伦伯格卧位与床对准。第三自由度可允许可调式臂支撑件105“向上枢转”，这可用于调节台101的一侧与可调式臂支撑件105之间的距离。第四自由度可允许可调式臂支撑件105沿着台的纵向长度平移。

图12和图13中的外科机器人系统100可包括由安装到基部103的柱102支撑的台。基部103和柱102相对于支撑表面支撑台101。地板轴线131和支撑轴线133在图13中示出。

可调式臂支撑件105可安装到柱102。在其他实施方案中，臂支撑件105可安装到台101或基部103。可调式臂支撑件105可包括托架109、杆或导轨连接件111以及杆或导轨107。在一些实施方案中，安装到轨道107的一个或多个机器人臂可相对于彼此平移和运动。

托架109可通过第一接头113附接到柱102，该第一接头允许托架109相对于柱102运动(例如，诸如沿第一轴线或竖直轴线123上下运动)。第一接头113可向可调式臂支撑件105提供第一自由度(“Z提升”)。可调式臂支撑件105可包括第二接头115，该第二接头为可调式臂支撑件105提供第二自由度(倾斜)。可调式臂支撑件105可包括第三接头117，该第三接头可为可调式臂支撑件105提供第三自由度(“向上枢转”)。可提供附加接头119(在图13中示出)，该附加接头机械地约束第三接头117以在导轨连接件111围绕第三轴线127旋转时保持导轨107的取向。可调式臂支撑件105可包括第四接头121，该第四接头可沿着第四轴线129为可调式臂支撑件105提供第四自由度(平移)。

图14示出了根据一个实施方案的具有安装在台101的相对侧上的两个可调式臂支撑件105A、105B的外科机器人系统140A的端视图。第一机器人臂142A附接到第一可调式臂支撑件105B的杆或导轨107A。第一机器人臂142A包括附接到导轨107A的基部144A。第一机器人臂142A的远侧端部包括可附接到一个或多个机器人医疗器械或工具的器械驱动机构146A。类似地，第二机器人臂142B包括附接到导轨107B的基部144B。第二机器人臂142B的远侧端部包括器械驱动机构146B。器械驱动机构146B可被构造成附接到一个或多个机器人医疗器械或工具。

在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者包括具有七个或更多个自由度的臂。在一些实施方案中，机器人臂142A、142B中的一者或多者可包括八个自由度，包括插入轴线(包括插入的1个自由度)、腕部(包括腕部俯仰、偏航和翻滚的3个自由度)、肘部(包括肘部俯仰的1个自由度)、肩部(包括肩部俯仰和偏航的2个自由度)以及基部144A、144B(包括平移的1个自由度)。在一些实施方案中，插入自由度可由机器人臂142A、142B提供，而在其他实施方案中，器械本身经由基于器械的插入架构提供插入。

C.器械驱动器和接口。

系统的机器人臂的端部执行器可包括：(i)器械驱动器(另选地称为“器械驱动机构”或“器械装置操纵器”)，该器械驱动器结合了用于致动医疗器械的机电装置；以及(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，该医疗器械可以没有任何机电部件，诸如马达。该二分法可能是由以下所驱动的：对医学规程中使用的医疗器械进行灭菌的需要；以及由于昂贵的资本设备的复杂机械组件和敏感电子器件而不能对昂贵的资本设备进行充分灭菌。因此，医疗器械可以被设计成从器械驱动器(以及因此从系统)拆卸、移除和互换，以便由医师或医师的工作人员单独灭菌或处置。相比之下，器械驱动器不需要被改变或灭菌，并且可以被覆盖以便保护。

图15示出了示例器械驱动器。定位在机器人臂的远侧端部处的器械驱动器62包括一个或多个驱动单元63，该一个或多个驱动单元以平行轴线布置以经由驱动轴64向医疗器械提供受控扭矩。每个驱动单元63包括用于与器械相互作用的单独的驱动轴64，用于将马达轴旋转转换成期望扭矩的齿轮头65，用于生成驱动扭矩的马达66，用以测量马达轴的速度并且向控制电路提供反馈的编码器67，以及用于接收控制信号并且致动驱动单元的控制电路68。每个驱动单元63被独立地控制和机动化，器械驱动器62可向医疗器械提供多个(例如，如图15所示为四个)独立的驱动输出。在操作中，控制电路68将接收控制信号，将马达信号传输至马达66，将由编码器67测量的所得马达速度与期望速度进行比较，并且调制马达信号以生成期望扭矩。

对于需要无菌环境的规程，机器人系统可以结合驱动接口，诸如连接至无菌覆盖件的无菌适配器，其位于器械驱动器与医疗器械之间。无菌适配器的主要目的是将角运动从器械驱动器的驱动轴传递到器械的驱动输入部，同时保持驱动轴与驱动输入部之间的物理分离并且因此保持无菌。因此，示例性无菌适配器可以包括旨在与器械驱动器的驱动轴和器械上的驱动输入部配合的一系列旋转输入部和旋转输出部。连接到无菌适配器的由薄的柔性材料(诸如透明或半透明塑料)组成的无菌覆盖件被设计成覆盖资本设备，诸如器械驱动器、机器人臂和推车(在基于推车的系统中)或台(在基于台的系统中)。覆盖件的使用将允许资本设备被定位在患者附近，同时仍然位于不需要灭菌的区域(即，非无菌区)。在无菌覆盖件的另一侧上，医疗器械可以在需要灭菌的区域(即，无菌区)与患者对接。

D.医疗器械。

图16示出了具有成对器械驱动器的示例医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括细长轴71(或细长主体)和器械基部72。由于其用于由医师进行的手动交互的预期设计而也被称为“器械柄部”的器械基部72通常可以包括可旋转驱动输入部73(例如，插座、滑轮或卷轴)，该驱动输入部被设计成与延伸通过机器人臂76的远侧端部处的器械驱动器75上的驱动接口的驱动输出部74配合。当物理连接、闩锁和/或联接时，器械基部72的配合的驱动输入部73可以与器械驱动器75中的驱动输出部74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出部74传递到驱动输入部73。在一些实施方案中，驱动输出部74可以包括花键，其被设计成与驱动输入部73上的插座配合。

细长轴71被设计成通过解剖开口或内腔(例如，如在内窥镜检查中)或通过微创切口(例如，如在腹腔镜检查中)递送。细长轴71可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性细长轴的远侧端部可以连接到端部执行器，该端部执行器从由具有至少一个自由度的连接叉形成的关节腕和外科工具或医疗器械(例如，抓握器或剪刀)延伸，当驱动输入部响应于从器械驱动器75的驱动输出部74接收到的扭矩而旋转时，该外科工具可以基于来自腱的力来致动。当设计用于内窥镜检查时，柔性细长轴的远侧端部可包括可操纵或可控制的弯曲节段，该弯曲节段以基于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而进行关节运动和弯曲。

使用沿着细长轴71的腱沿着细长轴71传递来自器械驱动器75的扭矩。这些单独的腱(例如，拉线)可以单独地锚定至器械柄部72内的单独的驱动输入部73。从柄部72，沿着细长轴71的一个或多个牵拉腔向下引导腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处，或者锚定在细长轴的远侧部分处的腕部中。在外科手术诸如腹腔镜式、内窥镜式或混合手术期间，这些腱可以联接到远侧安装的端部执行器，诸如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入部73上的扭矩将张力传递到腱，从而致使端部执行器以某种方式致动。在一些实施方案中，在外科手术期间，腱可以致使关节围绕轴线旋转，从而致使端部执行器沿一个方向或另一个方向移动。另选地，腱可以连接到细长轴71的远侧端部处的抓握器的一个或多个钳口，其中来自腱的张力致使抓握器闭合。

在内窥镜检查中，腱可以经由粘合剂、控制环或其他机械固定件联接到沿着细长轴71定位(例如，在远侧端部处)的弯曲或关节运动节段。当固定地附接到弯曲节段的远侧端部时，施加在驱动输入部73上的扭矩将沿腱向下传递，从而致使较软的弯曲节段(有时称为可关节运动节段或区域)弯曲或进行关节运动。沿着不弯曲节段，可以有利的是，使单独的牵拉腔螺旋或盘旋，该牵拉腔沿着内窥镜轴的壁(或在内部)导向单独的腱，以平衡由牵拉线中的张力引起的径向力。为了特定目的，可以改变或设计螺旋的角度和/或其间的间隔，其中更紧的螺旋在负载力下表现出较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但限制弯曲。在另一种情况下，可以平行于细长轴71的纵向轴线来导向牵拉腔以允许在期望的弯曲或可关节运动节段中进行受控关节运动。

在内窥镜检查中，细长轴71容纳多个部件以辅助机器人规程。轴71可以在轴71的远侧端部处包括用于部署外科工具(或医疗器械)、对手术区域进行冲洗和/或抽吸的工作通道。轴71还可以容纳线和/或光纤以向远侧末端处的光学组件/从远侧末端处的光学组件传递信号，该光学组件可以包括光学相机。轴71也可以容纳光纤，以将来自位于近侧的光源(例如，发光二极管)的光载送到轴71的远侧端部。

在器械70的远侧端部处，远侧末端还可以包括用于递送用于诊断和/或治疗的工具、对手术部位进行冲洗和抽吸的工作通道的开口。远侧末端还可以包括用于相机(诸如纤维镜或数码相机)的端口，以捕获内部解剖空间的图像。相关地，远侧末端还可以包括用于光源的端口，该光源用于在使用相机时照亮解剖空间。

在图16的示例中，驱动轴轴线以及因此驱动输入部轴线与细长轴71的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚动能力复杂化。在保持驱动输入部73静止的同时沿着其轴线使细长轴71滚动会引起当腱从驱动输入部73延伸出去并且进入到细长轴71内的牵拉腔时，腱的不期望的缠结。所得到的这样的腱的缠结可能破坏旨在在内窥镜规程期间预测柔性细长轴71的移动的任何控制算法。

图17示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。如图所示，圆形器械驱动器80包括四个驱动单元，其驱动输出81在机器人臂82的端部处平行对准。驱动单元和它们各自的驱动输出81容纳在由组件83内的驱动单元中的一个驱动单元驱动的器械驱动器80的旋转组件83中。响应于由旋转驱动单元提供的扭矩，旋转组件83沿着圆形轴承旋转，该圆形轴承将旋转组件83连接到器械驱动器80的非旋转部分84。可以通过电接触将电力和控制信号从器械驱动器80的非旋转部分84传送至旋转组件83，该电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来维持。在其他实施方案中，旋转组件83可以响应于集成到不可旋转部分84中的单独的驱动单元，并且因此不平行于其他驱动单元。旋转机构83允许器械驱动器80允许驱动单元及其相应的驱动输出81作为单个单元围绕器械驱动器轴线85旋转。

与先前所公开的实施方案类似，器械86可以包括细长轴部分88和器械基部87(出于讨论的目的，示出为具有透明的外部表层)，该器械基部包括被配置成接收器械驱动器80中的驱动输出部81的多个驱动输入部89(诸如插座、滑轮和卷轴)。与先前公开的实施方案不同，器械轴88从器械基部87的中心延伸，该器械基部的轴线基本上平行于驱动输入部89的轴线，而不是如图16的设计中那样正交。

当联接到器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83组合地围绕器械驱动器轴线85旋转。由于器械轴88被定位在器械基部87的中心处，因此当附接时器械轴88与器械驱动器轴线85同轴。因此，旋转组件83的旋转致使器械轴88围绕其自身的纵向轴线旋转。此外，当器械基部87与器械轴88一起旋转时，连接到器械基部87中的驱动输入部89的任何腱在旋转期间都不缠结。因此，驱动输出部81、驱动输入部89和器械轴88的轴线的平行允许轴在不会使任何控制腱缠结的情况下旋转。

图18示出了根据一些实施方案的具有基于器械的插入架构的器械。器械150可联接到上文所述的器械驱动器中的任一个器械驱动器。器械150包括细长轴152、连接到轴152的端部执行器162和联接到轴152的柄部170。细长轴152包括管状构件，该管状构件具有近侧部分154和远侧部分156。细长轴152沿着其外表面包括一个或多个通道或沟槽158。沟槽158被构造成接收穿过该沟槽的一根或多根线材或缆线180。因此，一根或多根缆线180沿着细长轴152的外表面延伸。在其他实施方案中，缆线180也可穿过细长轴152。所述一根或多根缆线180的操纵(例如，经由器械驱动器)使得端部执行器162的致动。

器械柄部170(也可称为器械基部)通常可包括附接接口172，该附接接口具有一个或多个机械输入件174，例如插孔、滑轮或卷轴，一个或多个机械输入件被设计成与器械驱动器的附接表面上的一个或多个扭矩联接器往复地配合。在一些实施方案中，器械150包括使得细长轴152能够相对于柄部170平移的一系列滑轮或缆线。换句话讲，器械150本身包括基于器械的插入架构，该架构适应器械的插入，从而使对机械臂的依赖最小化以提供器械150的插入。在其他实施方案中，机器人臂可以很大程度上负责器械插入。

E.控制器。

本文所述的机器人系统中的任一个机器人系统可包括用于操纵附接到机器人臂的器械的输入装置或控制器。在一些实施方案中，控制器可与器械(例如，通信地、电子地、电气、无线地和/或机械地)联接，使得控制器的操纵例如经由主从控制引起器械的对应操纵。

图19是控制器182的实施方案的透视图。在本实施方案中，控制器182包括可具有阻抗和导纳控制两者的混合控制器。在其他实施方案中，控制器182可仅利用阻抗或被动控制。在其他实施方案中，控制器182可仅利用导纳控制。通过作为混合控制器，控制器182有利地在使用时可具有较低的感知惯性。

在例示的实施方案中，控制器182被构造成允许操纵两个医疗器械，并且包括两个柄部184。柄部184中的每个柄部连接到万向支架186。每个万向支架186连接到定位平台188。

如图19所示，每个定位平台188包括通过棱柱接头196联接到柱194的SCARA臂(选择顺应性装配机械臂)198。棱柱接头196被构造成沿着柱194(例如，沿着导轨197)平移，以允许柄部184中的每个柄部在z方向上平移，从而提供第一自由度。SCARA臂198被构造成允许柄部184在x-y平面中运动，从而提供两个附加自由度。

在一些实施方案中，一个或多个负荷传感器定位在控制器中。例如，在一些实施方案中，负荷传感器(未示出)定位在万向支架186中的每个万向支架的主体中。通过提供负荷传感器，控制器182的部分能够在导纳控制下操作，从而在使用时有利地减小控制器的感知惯性。在一些实施方案中，定位平台188被构造用于导纳控制，而万向支架186被构造用于阻抗控制。在其他实施方案中，万向支架186被构造用于导纳控制，而定位平台188被构造用于阻抗控制。因此，对于一些实施方案，定位平台188的平移自由度或方位自由度可依赖于导纳控制，而万向支架186的旋转自由度依赖于阻抗控制。

F.导航和控制。

传统的内窥镜检查可以涉及使用荧光透视(例如，如可以通过C形臂递送的)和其他形式的基于辐射的成像模态，以向操作医师提供腔内指导。相比之下，本公开所设想的机器人系统可以提供基于非辐射的导航和定位装置，以减少医师暴露于辐射并且减少手术室内的设备的量。如本文所用，术语“定位”可以指确定和/或监测对象在参考坐标系中的方位。诸如术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据的技术可以单独地或组合地使用以实现无辐射操作环境。在仍使用基于辐射的成像模态的其他情况下，可以单独地或组合地使用术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据，以改进仅通过基于辐射的成像模态获得的信息。

图20是示出根据示例实施方案的估计机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如器械的位置)的定位系统90的框图。定位系统90可以是被配置成执行一个或多个指令的一组一个或多个计算机装置。计算机装置可以由上文讨论的一个或多个部件中的处理器(或多个处理器)和计算机可读存储器来体现。通过示例而非限制，计算机装置可以位于图1所示的塔30、图1-图4所示的推车11、图5-图14所示的床等中。

如图20所示，定位系统90可以包括定位模块95，该定位模块处理输入数据91-94以生成用于医疗器械的远侧末端的位置数据96。位置数据96可以是表示器械的远侧端部相对于参考系的位置和/或取向的数据或逻辑。参考系可以是相对于患者解剖结构或已知对象(诸如EM场发生器)的参考系(参见下文对于EM场发生器的讨论)。

现在更详细地描述各种输入数据91-94。术前标测可以通过使用低剂量CT扫描的集合来完成。术前CT扫描被重建为三维图像，该三维图像被可视化，例如作为患者的内部解剖结构的剖面图的“切片”。当总体上分析时，可以生成用于患者的解剖结构(诸如患者肺网络)的解剖腔、空间和结构的基于图像的模型。可以从CT图像确定和近似诸如中心线几何形状的技术，以形成患者解剖结构的三维体积，其被称为模型数据91(当仅使用术前CT扫描生成时也称为“术前模型数据”)。中心线几何形状的使用在美国专利申请号14/523760中有所讨论，其内容全文并入本文中。网络拓扑模型也可以从CT图像中导出，并且特别适合于支气管镜检查。

在一些实施方案中，器械可以配备有相机以提供视觉数据(或图像数据)92。定位模块95可处理视觉数据92以实现一个或多个基于视觉的(或基于图像的)位置跟踪模块或特征部。例如，术前模型数据91可以与视觉数据92结合使用，以实现对医疗器械(例如，内窥镜或推进通过内窥镜的工作通道的器械)的基于计算机视觉的跟踪。例如，使用术前模型数据91，机器人系统可以基于内窥镜的行进预期路径根据模型生成预期内窥镜图像的库，每个图像连接到模型内的位置。在外科手术进行时，机器人系统可以参考该库，以便将在相机(例如，在内窥镜的远侧端部处的相机)处捕获的实时图像与图像库中的那些图像进行比较，以辅助定位。

其他基于计算机视觉的跟踪技术使用特征跟踪来确定相机的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以识别术前模型数据91中的与解剖腔对应的圆形几何结构并且跟踪那些几何结构的变化以确定选择了哪个解剖腔，以及跟踪相机的相对旋转和/或平移运动。拓扑图的使用可以进一步增强基于视觉的算法或技术。

光流(另一种基于计算机视觉的技术)可以分析视觉数据92中的视频序列中的图像像素的位移和平移以推断相机移动。光流技术的示例可以包括运动检测、对象分割计算、亮度、运动补偿编码、立体视差测量等。通过多次迭代的多帧比较，可以确定相机(以及因此内窥镜)的移动和位置。

定位模块95可以使用实时EM跟踪来生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该全局坐标系可以被配准到由术前模型表示的患者的解剖结构。在EM跟踪中，包括嵌入在医疗器械(例如，内窥镜工具)中的一个或多个位置和取向中的一个或多个传感器线圈的EM传感器(或跟踪器)测量由定位在已知位置处的一个或多个静态EM场发生器产生的EM场的变化。由EM传感器检测的位置信息被存储为EM数据93。EM场发生器(或发射器)可以靠近患者放置，以产生嵌入式传感器可以检测到的低强度磁场。磁场在EM传感器的传感器线圈中感应出小电流，可以对该小电流进行分析以确定EM传感器与EM场发生器之间的距离和角度。这些距离和取向可以在外科手术进行时“配准”到患者解剖结构(例如，术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的术前模型中的方位对准的几何变换。一旦配准，医疗器械的一个或多个方位(例如，内窥镜的远侧末端)中的嵌入式EM跟踪器可以提供医疗器械通过患者的解剖结构的进展的实时指示。

机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用以提供用于机器人系统的方位数据96。可以在术前校准期间确定从关节运动命令得到的装置俯仰和偏航。在外科手术进行时，这些校准测量可以与已知的插入深度信息结合使用，以估计器械的方位。另选地，这些计算可以结合EM、视觉和/或拓扑建模进行分析，以估计医疗器械在网络内的方位。

如图20所示，定位模块95可以使用多个其他输入数据。例如，尽管在图20中未示出，但是利用形状感测纤维的器械可以提供形状数据，定位模块95可以使用该形状数据来确定器械的位置和形状。

定位模块95可以组合地使用输入数据91-94。在一些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中定位模块95向根据输入数据91-94中的每个输入数据确定的位置分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠(如可能存在EM干扰的情况)的情况下，由EM数据93确定的位置的置信度可能降低，并且定位模块95可能更重地依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。

如上所讨论的，本文讨论的机器人系统可以被设计成结合以上技术中的一种或多种技术的组合。位于塔、床和/或推车中的机器人系统的基于计算机的控制系统可以将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质(诸如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等)内，该计算机程序指令在执行时致使系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统的控制信号并且显示导航和定位数据，诸如器械在全局坐标系内的方位、解剖图等。

2.关节运动式医疗器械

本节涉及关节运动式医疗器械，以及相关的系统、技术和方法。在一些实施方案中，关节运动式医疗器械可与机器人启用的医疗系统一起使用，诸如上文参考图1-图20中所述的那些以及其他。在本节所述的一些示例中，关节运动式医疗器械被描述为腹腔镜，该腹腔镜被构造成用于在腹腔镜式医疗规程期间使用。然而，本公开的原理可以在其他上下文中应用，并且可以应用于其他类型的医疗器械，诸如内窥镜等。例如，如本专利申请所述的关节运动式医疗器械可被构造成在任何类型的腹腔镜规程、内窥镜规程、开放式医疗规程、微创规程或任何其他医疗规程期间使用。

在本申请中，关节运动式医疗器械被描述为“关节运动式”，因为医疗器械包括如下所述的一个或多个柔性或弯曲部分。在一些实施方案中，一个或多个弯曲部分可包括被构造成允许医疗器械进行关节运动(例如，弯曲、挠曲或以其他方式改变形状或姿势)的弯曲节段。关节运动可有利于其中使用关节运动式医疗器械的医疗过程。例如，关节运动可允许医疗器械被导航穿过或到达目标解剖结构。在本申请的一些实施方案中，关节运动式医疗器械被构造成插入关节运动式医疗器械。插入关节运动式医疗器械被称为“插入”，因为在一些实施方案中，器械包括被构造成插入和回缩医疗器械的插入架构，如上文参考图18所述以及下文进一步描述。在一些实施方案中，插入关节运动式医疗器械的插入架构有利地允许医疗器械的插入和回缩，而不依赖于医疗器械所附接的机器人臂的移动。在一些实施方案中，这可降低规程期间机器人臂碰撞的可能性。在本节段通篇中，对医疗器械的提及旨在是指“关节运动式医疗器械”以及/护着“插入关节运动式医疗器械”，除非上下文另有规定。

在腹腔镜规程期间，通常需要器械工作空间(例如，其中将执行规程的目标解剖区域)的可视化，以便有效地执行规程。传统上，腹腔镜规程涉及使用非关节运动式腹腔镜，该非关节运动式腹腔镜包括相机和至少两个附加器械，该至少两个附加器械能够四处移动并执行任务，同时保持在来自腹腔镜的相机的直视下。腹腔镜通常包括在轴的近侧端部处联接到机器人臂的非关节运动轴(例如，刚性轴)。机器人臂在患者体外移动以操纵腹腔镜的位置以及相机的取向和视图。例如，在医疗规程期间，允许腹腔镜移动穿过患者上方的空间锥，以允许操作者观察解剖结构。

在如本文所述的插入关节运动式医疗器械的情况下，在一些实施方案中，由于医疗器械的插入架构，机器人臂可能不需要那么多的运动范围或不需要到达患者体外。插入架构允许附接到机器人臂的器械柄部或医疗器械的基部保持紧密地定位到患者的身体，而器械的细长轴部分可相对于柄部插入和回缩。此外，医疗器械的弯曲节段可允许改善或增强体内视图，这对于非关节运动式腹腔镜是不可能的。例如，关节运动式医疗器械可通过一系列位置进行关节运动，从而提供更宽的视场。在一些实施方案中，本文所述的关节运动式医疗器械可允许执行比使用非关节运动式腹腔镜更复杂的规程。这还可允许在体内使用更多的医疗器械，因为关节运动式医疗器械不会扫过大的锥体并占据体外的那么多空间。

图21示出了插入关节运动式医疗器械200的实施方案的表示。如图所示，医疗器械包括细长轴202。轴202在近侧端部204和远侧端部206之间延伸。医疗器械200可被构造成使得远侧端部206可在医疗规程期间插入患者体内，而近侧端部204保持在体外。在例示的实施方案中，轴202包括第一轴节段208和第二轴节段210。第一轴节段208可在近侧端部204和关节运动或弯曲节段212之间延伸，这将在下文更详细地描述。第二轴节段210可从弯曲节段212延伸到远侧端部206。在一些实施方案中，轴202的每个轴节段208、210为基本上刚性的，但并非在所有实施方案中都需要如此。尽管在图21的实施方案中示出了第一轴节段208和第二轴节段210，但在其他实施方案中，医疗器械可包括两个以上的轴节段。例如，图27A和图27B示出了包括三个轴节段的示例。此外，尽管图21的实施方案仅包括单个弯曲节段212，但医疗器械可包括不止一个弯曲节段。例如，图27A和图27B示出了包括两个弯曲节段的示例。此外，尽管图21的实施方案示出了小于轴长度的一半的弯曲节段，但在其他实施方案中，可提供长得多的弯曲节段，诸如占据大于轴长度的一半或轴长度的大部分的弯曲节段。

弯曲节段212被构造成允许医疗器械200的关节运动或弯曲。例如，弯曲节段212可允许第一轴节段208和第二轴节段210之间的关节运动。弯曲节段212可被构造成允许在一个、两个或更多个自由度上进行关节运动或弯曲。例如，在一些实施方案中，弯曲节段212被构造成允许在至少两个自由度(例如，俯仰方向和偏航方向)上弯曲。在一些实施方案中，弯曲节段212包括多连接件腕部。在一些实施方案中，多连接件腕部包括蛇形腕部。下面参考图23A和图23B以及图24A和图24B描述蛇形腕部的详细实施方案。在其他实施方案中，弯曲节段212可包括被构造成允许弯曲或关节运动的其他结构，诸如一个或多个铰接关节或基于枢转的弯曲节段。在一些实施方案中，除了机械关节之外或代替机械关节，弯曲节段可包含柔性材料。使用蛇形腕部设计，如图23A-图24B所示，在一些情况下，通过使连接件具有更大的运动范围并直接控制每个连接件，可以比这些其他实施方案更容易以可预测的方式进行控制。

在一些实施方案中，一个或多个工具或端部执行器可定位在细长轴202的远侧端部206处。例如，在一些实施方案中，远侧端部206可包括相机。其他类型的工具或端部执行器也可定位在远侧端部206处，诸如灯、抓紧器、切割器、夹具、烧灼器等。在一些实施方案中，可省略第二轴节段210，并且一个或多个工具或端部执行器可定位在弯曲节段212的远侧端部处。

在轴202的近侧端部204处，医疗器械200可包括关节运动柄部214。关节运动柄部214可包括被构造成引起弯曲节段212的关节运动的一个或多个部件。例如，关节运动柄部113可包括被构造成引起弯曲节段212的关节运动的一个或多个马达216。在例示的实施方案中，关节运动柄部214包括两个马达216，但在其他实施方案中可使用其他数量的马达216。例如，关节运动柄部214可包括一个、两个、三个、四个或更多个马达216。马达216可为电动马达。马达216可被构造成引起也可容纳在关节运动柄部214内的一个或多个滑轮的旋转。在一些实施方案中，缠绕在滑轮上的牵拉线连接到弯曲节段212。滑轮与马达216的旋转可牵拉或张紧牵拉线以引起弯曲节段212的关节运动，如将参考下文的某些实施方案更详细地描述。

在一些实施方案中，因为关节运动柄部214包括马达216，所以关节运动柄部214可有利地用于引起弯曲节段212的关节运动，而不管医疗器械200是否附接到机器人臂。这可例如允许除了机器人之外手动使用医疗器械200。在一些实施方案中，医疗器械200可包括可用于手动控制弯曲节段的关节运动的一个或多个按钮或其他输入部。在一些实施方案中，医疗器械200包括用于将各种电子部件连接到医疗器械200的连接器218。例如，在一些实施方案中，连接器218可被构造成允许功率、光和视觉的连接，使得即使当医疗器械200未连接到机器人臂时，也可使用远侧端部206上的光和相机。除了关节运动柄部214之外，在例示的实施方案中，医疗器械200还包括插入柄部220。插入柄部220可被构造成附接到如上所述的器械驱动机构(IDM)。参见例如上文参考图14所述的IDM 146A、IDM146B。IDM可定位在机器人臂上。在一些实施方案中，IDM包括被构造成驱动关节运动柄部214的部件的一个或多个马达，如上文和下文所述。

插入柄部220可被构造成使得轴202能够相对于插入柄部220插入或回缩。例如，插入柄部220可允许轴202沿插入轴线插入或回缩。这可有利地减少对机器人臂引起器械的插入或回缩的依赖性。例如，如果不存在插入柄部220和对应的插入架构，则可能需要机器人臂移动穿过大范围以便插入或回缩装置。在一些实施方案中，对于插入柄部220，插入柄部220和机器人臂可保持相对静止，而插入柄部220驱动轴202的插入和回缩。在一些实施方案中，插入轴线与第一轴节段208的纵向轴线对齐或平行。插入柄部220可为医疗器械200提供基于器械的插入架构。上文参考图18描述了基于器械的插入架构的实施方案。插入柄部220可包括被构造成驱动一根或多根插入缆线224的一个或多个滑轮222。在一些实施方案中，滑轮222由插入柄部220所附接到的IDM的一个或多个马达驱动。如图所示，插入缆线224的一部分可沿着轴202、在该轴上或在该轴内延伸。驱动滑轮222可使插入柄部220沿轴202运动，从而使轴202相对于插入柄部220推进或回缩。

因此，如图21所示，在一些实施方案中，医疗器械200可被构造用于关节运动和插入。医疗器械200有利地包括两个不同的柄部—一个用于关节运动并且另一个用于插入。关节运动可以由关节运动柄部214中的马达216驱动，使得当医疗器械200附接到IDM时以及当医疗器械200未附接到IDM时，关节运动都是可能的。插入可由插入柄部220所附接到的IDM中的一个或多个马达驱动。IDM中的马达可驱动插入柄部220中的滑轮222，该滑轮使一根或多根插入缆线224卷绕和解绕，以使轴202相对于插入柄部220移动。在一些实施方案中，可省略插入柄部220和相关特征部，使得医疗器械200不被构造具有基于器械的插入架构。

如上所述，即使医疗器械未联接到IDM和/或机器人臂，医疗器械200也可以有利地允许关节运动。这可以是有益的，因为在一些情况下，可期望在切换到机器人控制之前手动使用医疗器械200。例如，在规程的第一部分期间，医疗器械200的远侧端部206可以在医疗器械200附接到IDM或机器人臂之前手动插入患者体内。操作者可使用医疗器械200上的一个或多个按钮或致动器来手动地使弯曲节段212进行关节运动。在包括相机的实施方案中，这可例如允许操作者在切换到机器人控制之前使用医疗器械200在手动控制下四处看。相比之下，在传统的关节运动式机器人器械范例下，当器械附接到IDM或机器人臂时，关节运动由联接到器械的马达驱动。这意味着，在加载器械之前，无法控制关节运动。

在一些实施方案中，医疗器械200有利地包括关节运动柄部214和插入柄部220两者。关节运动柄部214可包括用于引起关节运动的马达216。插入柄部220可以是无马达的，并且可以被构造成与驱动插入的IDM接合。

在关节运动柄部214中包括马达216的情况下，即使在医疗器械200未连接到IDM时，医疗器械200也可以有利地允许控制关节运动。例如，在一些实施方案中，一旦连接器218被连接，关节运动就是可能的。如果该电力和控制信号与和视频信号相同的连接器组合，则每当操作者具有视觉时，操作者将控制关节运动。在一些实施方案中，医疗器械200可以包括电池，使得即使在不连接连接器218的情况下也可以使用它。

在一些实施方案中，一旦医疗器械200获得电力并且直到医疗器械200对接到IDM上为止，医疗器械200的轴202就可以拉直并保持笔直位置。如上所述，作为其延伸，可添加使得操作者能够在医疗器械200不对接IDM的情况下操纵关节运动的关节运动控制按钮。在一些实施方案中，除了可在与换向和/或伺服机构相关的马达转子轴上的任何编码器之外，绝对编码器(诸如例如，磁编码器)可包括在驱动卷轴上，使得一旦医疗器械200接收到电力，弯曲节段212的位置就是已知的。

在一些实施方案中，与其他手动关节运动的腹腔镜或内窥镜相比，医疗器械200能够为操作者提供本能的且可管理的驱动体验。另外，可包括蛇形腕部的弯曲节段212可提供比其他手动装置更确定的驱动体验和更稳定的关节运动。

现在将参考图22A-图28的详细实施方案描述关节运动式(和插入关节运动式)医疗器械的这些和其他特征和优点。这些实施方案以举例的方式提供，并且旨在示出本公开的原理而不限制本公开。

A.示例关节运动柄部

医疗器械200是独特的，因为关节运动柄部214可包括被构造成引起医疗器械的关节运动的马达216。相比之下，在实质等效的装置中，用于关节运动的马达通常位于器械驱动机构或机器人臂本身中。通过在关节运动柄部214中具有马达216，医疗器械200可有利地提供用于使医疗器械200进行关节运动的自由度，即使在与机器人臂分离时也是如此。例如，关节运动柄部214可与机器人臂分离并且作为手动规程的一部分经由一个或多个按钮命令进行关节运动。另外，在马达216容纳在关节运动柄部214中的情况下，医疗器械200可包括密封架构。在一些实施方案中，密封架构可有利于灭菌。在一些实施方案中，这可减少机器人系统中需要密封的部件的总数目。例如，在一些实施方案中，因为医疗器械200包括密封架构，所以机器人臂旋转关节不需要被密封。

图22A为关节运动柄部214的实施方案的内部部件的等轴视图。在图22A中，关节运动柄部214的外壳已被移除，使得可看到内部部件。在例示的实施方案中，关节运动柄部214包括用于驱动关节运动的第一马达216A和第二马达216B(统称为马达216)。在一些实施方案中，齿轮诸如行星齿轮头可组合或安装在第一马达216A和/或第二马达216B上。马达216中的每一者可分别包括驱动轴226A、驱动轴226B(统称为驱动轴226)。在例示的实施方案中，马达齿轮228A、马达齿轮228B(统称为马达齿轮228)安装在每个驱动轴226A、驱动轴226B上。马达216被构造成引起驱动轴226的旋转以引起马达齿轮228的旋转。在一些实施方案中，每个马达216可独立地操作，使得每个马达齿轮228可单独地旋转。

在例示的实施方案中，每个马达齿轮228与轴齿轮230A、轴齿轮230B(统称为轴齿轮230)可操作地接合。每个轴齿轮230可安装在相应的输出轴232A、输出轴232B(统称为输出轴232)上。输出轴232B在图22A中不可见，但在图22B中示出。因此，在例示的实施方案中，马达216的旋转通过马达齿轮228和轴齿轮230传递到输出轴232。用于引起输出轴232旋转的其他系统和构造也是可能的。

在例示的实施方案中，螺旋绞盘或滑轮234安装在输出轴232上。在图22A中，仅安装在第一输出轴232A上的滑轮234A是容易看到的。在例示的示例中，示出了四个滑轮234A。四个滑轮234B(如图22B和图22C所示)也可被包括在第二输出轴232B上。这八个滑轮234在图22A-图22C中具体标识为滑轮234A1-234A4和234B1-234B4，下文将对此进行更详细的描述。一般来讲，安装在输出轴232A上的滑轮234A全部一起旋转，并且安装在输出轴232B上的滑轮234B全部一起旋转。每个滑轮234可与牵拉线236(图22A中未示出，但在图22A-图24B中被示出并具体地标识为牵拉线236A1-236A4和236B1-236B4，下文将对此进行描述)相关联。例如，牵拉线236可缠绕在滑轮234上。因此，对于例示的实施方案，可致动每个马达216以同时控制四根牵拉线236。此外，在一些实施方案中，每个马达216可沿顺时针方向和逆时针方向驱动，以收入和放出牵拉线236。

继续参见图22A，关节运动柄部214还可包括托架238。托架238可被构造成支撑和保持马达216和输出轴232。托架238可包括允许牵拉线236穿过其中的一个或多个开口。在例示的实施方案中，托架238通过夹紧到马达216上而被分开和支撑。一个或多个支撑件或垫片240(例如，用于将滑轮244重新导向，如图22B和图22C所示)可在托架238之间延伸。图22A还示出了马达216的引线242。引线242可连接到电源和驱动马达216的马达控制器。另外，图22A示出了连接器218的示例，如上所述，该连接器可用于在医疗器械200和机器人医疗系统之间进行各种连接(例如，电力、光、视觉等)。如图所示，轴202的近侧端部204可连接到关节运动柄部214。例如，轴202的近侧端部204可连接到托架238中的一者。在一些实施方案中，轴202刚性且固定地附接到关节运动柄部214。

图22B和图22C也示出了图22A所示的关节运动柄部214的实施方案。在图22B中，外壳、马达216、支撑件240和某些托架238已被移除。在图22B中，输出轴232和剩余的托架238也已被移除。在图22C中，关节运动柄部214的附加部件已被移除，以更好地示出滑轮234、牵拉线236和关节运动柄部214的某些其他特征部。此外，在图22B和图22C中，为了清楚起见，滑轮234和对应的牵拉线236已被示出为具有不同的阴影图案。即，如图所示，每根牵拉线236被示出为具有与相关联的滑轮234相同的阴影图案。

如图22B所示，第一滑轮234A1、第二滑轮234A2、第三滑轮234A3和第四滑轮234A4安装在第一输出轴232A上。类似地，第一滑轮234B1、第二滑轮234B2、第三滑轮234B3和第四滑轮234B4安装在第一输出轴232A上。

每个滑轮234与一根牵拉线236相关联。在例示的示例中，第一牵拉线236A1与第一滑轮234A1相关联，第二牵拉线236A2与第二滑轮234A2相关联，第三牵拉线236A3与第三滑轮234A3相关联，并且第四牵拉线236A4与第一输出轴232A的第四滑轮234A4相关联。类似地，第一牵拉线236B1与第一滑轮234B1相关联，第二牵拉线236B2与第二滑轮234B2相关联，第三牵拉线236B3与第三滑轮234B3相关联，并且第四牵拉线236B4与第一输出轴232B的第四滑轮234B4相关联。在一些实施方案中，与滑轮234相关联的牵拉线236意味着牵拉线236缠绕在滑轮234上。

例如，如图所示，在一些实施方案中，每根牵拉线236缠绕在对应的滑轮236上。在一些实施方案中，第一输出轴232A的第一牵拉线236A1和第三拉线236A3沿第一方向(例如，逆时针)缠绕在对应的第一滑轮234A1和第三滑轮234A3上，并且第一输出轴232A的第二牵拉线236A2和第四牵拉线236A4沿与第一方向相反的第二方向(例如，顺时针)缠绕在对应的第二滑轮234A2和第四滑轮234A4上。当第一输出轴232A沿第一方向旋转时，该构造可允许第一滑轮234A1和第三滑轮234A3卷绕第一牵拉线236A1和第三牵拉线236A3，而第二滑轮234A2和第四滑轮234A4解绕第二牵拉线236A2和第四牵拉线236A4。类似地，当第一输出轴232A沿第二方向旋转时，该构造允许第一滑轮234A1和第三滑轮234A3解绕第一牵拉线236A1和第三牵拉线236A3，而第二滑轮234A2和第四滑轮234A4卷绕第二牵拉线236A2和第四牵拉线236A4。

在一些实施方案中，第二输出轴232B的第一牵拉线236B1和第三牵拉线236B3沿第一方向(例如，逆时针)缠绕在对应的第一滑轮234B1和第三滑轮234B3上，并且第二输出轴232B的第二牵拉线236B2和第四牵拉线236B4沿与第一方向相反的第二方向(例如，顺时针)缠绕在对应的第二滑轮234B2和第四滑轮234B4上。当第二输出轴232B沿第一方向旋转时，该构造可允许第一滑轮234B1和第三滑轮234B3卷绕第一牵拉线236B1和第三牵拉线236B3，而第二滑轮234B2和第四滑轮234B4解绕第二牵拉线236B2和第四牵拉线236B4。类似地，当第二输出轴232B沿第二方向旋转时，该构造允许第一滑轮234B1和第三滑轮234B3解绕第一牵拉线236B1和第三牵拉线236B3，而第二滑轮234B2和第四滑轮234B4缠绕第二牵拉线236B2和第四牵拉线236B4。本领域的普通技术人员将会理解，在其他实施方案中，牵拉线236可以其他构造缠绕在滑轮234上。

如图22B所示，插入柄部220可包括多个惰轮244，该多个惰轮被构造成将牵拉线236从滑轮234顺着轴202重新引导。在例示的实施方案中，每根牵拉线236使用两个惰轮244。在其他实施方案中，可使用其他数目的惰轮244。为清楚起见，并非每个惰轮244都在图22B中标出。在一些实施方案中，惰轮244由托架238支撑。

图22C仅包括关节运动柄部214的例示实施方案的滑轮234、牵拉线236和惰轮244，以进一步示出牵拉线236可如何布线。为清楚起见，并非所有惰轮244都被标记。滑轮234和牵拉线236在图22C中的交叉影线与图22B一致。

对于图22A-图22C所示的关节运动柄部214的实施方案，两个马达216驱动两个输出轴232。每个输出轴232与四个滑轮234和四根牵拉线236相关联。马达216可用于旋转滑轮234以卷绕和解绕牵拉线236。如下所述，牵拉线236也与弯曲节段212相关联。卷绕和解绕牵拉线236可用于控制弯曲节段的关节运动。关节运动柄部214的其他实施方案也是可能的。

B.示例弯曲节段

图23A和图23B示出了被构造为蛇形腕部的示例弯曲节段212。图23A是处于非关节运动(例如，直构造)的弯曲节段212的透视图，并且图23B是以关节运动构造示出的弯曲节段212的顶视图。如将在下文中参考图24A和图24B更详细地描述，被构造为蛇形腕部的弯曲节段212可使用上文参考图22A-图22C所述的牵拉线236进行关节运动。然而，首先，将描述例示的蛇形腕部弯曲节段212的结构。

如图23A所示，弯曲节段212可定位在轴202的第一节段208和第二节段210之间。如图所示，弯曲节段212的近侧端部246连接到第一节段208，并且弯曲节段212的远侧端部248连接到第二节段210。如下所述，弯曲节段212可进行关节运动以允许轴202的第一节段208和第二节段210之间的弯曲。在一些实施方案中，第一节段208和第二节段210为刚性的，使得任何显著的弯曲均可仅发生在弯曲节段212处。

如图所示，如在例示的实施方案中被构造为蛇形腕部的弯曲节段212可包括一系列连接件250。在例示的实施方案中，连接件250包括串联布置在近侧端部246和远侧端部248之间的第一连接件250A、第二连接件250B、第三连接件250C、第四连接件250D和第五连接件250E。在例示的实施方案中，关节252形成在每对连接件250之间。如图所示，在五个连接件250之间形成四个关节252。具体地讲，在例示的实施方案中，第一关节252A形成在第一连接件250A与第二连接件250B之间，第二关节252B形成在第二连接件250B与第三连接件250C之间，第三关节252C形成在第三连接件250C与第四连接件250D之间，并且第四关节252D形成在第四连接件250D与第五连接件250E之间。

在例示的实施方案中，关节252被构造成在相邻连接件250的弯曲接触表面254之间形成的滚动关节。如图所示，弯曲接触表面254可为凸形的。

如图23A所示，第二连接件250B、第三连接件250C和第四连接件250D在其每一侧上包括弯曲表面254。在一些实施方案中，一个或多个弯曲表面254可用作具有相关联的摆线齿的滚动枢轴，该摆线齿为滚动枢轴提供齿轮约束。在例示的实施方案中，对于第二连接件250B、第三连接件250C和第四连接件250D中的每一者，一侧上的弯曲表面254与相对侧上的弯曲表面254成90度取向。在一些实施方案中，该构造允许每个连续关节252与前一个关节252成90度形成。换句话讲，该构造允许每个连续关节252允许在与前一个关节252的关节运动方向成90度的方向上进行关节运动。

例如，在例示的实施方案中，第一关节252A被构造成允许在第一自由度(例如，俯仰)上进行关节运动。第二关节252B被构造成允许在与第一自由度成90度取向的第二自由度(例如，偏航)上进行关节运动。第三关节252C被构造成允许在第一自由度(在该示例中，俯仰)上进行关节运动，并且第四关节252D被构造成允许在第二自由度(在该示例中，偏航)上进行关节运动。因此，弯曲节段212被构造成允许在两个自由度上进行关节运动，这两个自由度可为例如俯仰和偏航。换句话说，第一关节252A可以是允许近侧俯仰关节运动的角度的近侧俯仰关节，第二关节252B可以是允许近侧偏航关节运动的角度的近侧偏航关节，第三关节252C可以是允许远侧俯仰关节运动的角度的远侧俯仰关节，并且第四关节252D可以是允许远侧偏航关节运动的角度的远侧偏航关节。

在一些实施方案中，在每个自由度上包括多于一个关节252可增大弯曲节段212在该自由度上的运动范围。例如，图23B的顶视图示出了与自由度相关联的每个关节252的关节运动可为累积的。例如，如图所示，第二关节252B进行关节运动45度(参见例示的角度256)，并且第四关节252D进行关节运动45度(参见例示的角度258)，以使弯曲节段212在一个自由度上进行90度的总关节运动。在一些实施方案中，第二关节252B和第四关节252D的角度基本上相等。在一些实施方案中，第二关节252B和第四关节252D的角度可以略微不同，诸如小3度或小5度。

如将在下文更详细地讨论，在一些实施方案中，可为有利的是近侧俯仰关节运动的角度基本上等于远侧俯仰关节运动的角度。即，对于沿俯仰方向的命令关节运动角度，可期望近侧俯仰关节运动角度和远侧俯仰关节运动角度中的每一者为沿俯仰方向的命令关节运动角度的约一半。类似地，可有利的是，近侧偏航关节运动的角度基本上等于远侧偏航关节运动的角度。即，对于沿偏航方向的命令关节运动角度，可期望近侧偏航关节运动角度和远侧偏航关节运动角度中的每一者为沿偏航方向的命令关节运动角度的约一半。例如，假设临床医生期望90度的俯仰关节运动，则可期望具有45度的近侧俯仰角度和45度的远侧俯仰角度。同样，如果临床医生期望70度的偏航关节运动，则可期望具有35度的近侧偏航角度和35度的远侧偏航角度。通过保持关节运动角度相等或基本上相等，这可有助于降低一个关节252将下降并在另一个关节之前劣化的可能性，从而使弯曲节段212的运动和寿命最大化。下面更详细地描述允许实现这一点的医疗器械200的特征部。

图23B示出在弯曲节段212的关节运动期间俯仰关节或偏航关节的近侧关节运动角度256和远侧关节运动角度258，如刚刚指出的，该弯曲节段的关节运动可有利地保持基本上相等。在一些实施方案中，关节运动角度可被定义为当连接件250被定位成相对于彼此是直的时，连接件250相对于相邻连接件250之间的中心轴线(或中线或中性轴线)进行关节运动的角度。

如将在下文更详细所述，医疗器械200可包括两个独特的配合特征部，这些配合特征部可有助于在使弯曲节段212进行关节运动时保持近侧关节运动角度256和远侧关节运动角度258相等：(i)关节运动柄部214中的成比率的滑轮/绞盘，以及(ii)用于接收关节运动缆线(牵拉线)的关节运动孔，该关节运动缆线在弯曲节段中具有不同半径但具有相同角度。然而，首先，将参考图24A和图24B描述牵拉线236和弯曲节段212之间的关系。

图24A示出了弯曲节段212和牵拉线236的近侧透视图。图24B示出了弯曲节段212和牵拉线236的远侧透视图。牵拉线236的阴影图案与图22B和图22C中所用的阴影图案一致。

在例示的实施方案中，牵拉线236延伸穿过弯曲节段212的远侧端部206并且穿过弯曲节段212的一个或多个连接件250。牵拉线236可延伸穿过连接件250中的关节运动孔260。关节运动孔260的示例更详细地示于图26A-图26C中。在图24A和图24B中，为清楚起见，并未标记每个关节运动孔260。

在例示的实施方案中，第三牵拉线236A3、236B3和第四牵拉线236A4、236B4延伸穿过每个连接件250。具体地讲，第三牵拉线236A3、236B3和第四牵拉线236A4、236B4从弯曲节段212的近侧端部246延伸穿过第一连接件250A、第二连接件250B、第三连接件250C、第四连接件250D和第五连接件250E。在弯曲节段212的远侧端部248处，如图24B所示，第三牵拉线236A3、236B3可利用压接件(crimp)彼此附接，并且第四牵拉线236A4、236B4可利用压接件彼此附接。在一些实施方案中，第三牵拉线236A3、236B3无需彼此附接，并且第四牵拉线236A4、236B4无需彼此附接。例如，在一些实施方案中，第三牵拉线236A3、236B3的远侧端部各自在压接件中结束(并且不彼此附接)，并且第四牵拉线236A4、236B4的远侧端部各自在压接件中结束(并且不彼此附接)。

如图所示，第三牵拉线236A3、236B3定位在弯曲节段212的第一侧面上，并且第四牵拉线236A4、236B4定位在弯曲节段212的与第一侧面相对的第二侧面上。在该构造中，牵拉(卷绕)第三牵拉线236A3、236B3(并且对应地，释放(退绕)第四牵拉线236A4、236B4)导致弯曲节段朝向第一侧面进行关节运动。例如，在一些实施方案中，牵拉第三牵拉线236A3、236B3导致弯曲节段212沿第一方向进行关节运动。类似地，拉动(卷绕)第四牵拉线236A4、236B4(并且相应地，释放(退绕)第三牵拉线236A3、236B3)导致弯曲节段212朝向第二侧面进行关节运动。例如，在一些实施方案中，牵拉第四牵拉线236A4、236B4导致弯曲节段212沿与第一方向相反的第二方向进行关节运动。更具体地讲，在例示的实施方案中，牵拉第三牵拉线236A3、236B3导致第二关节252B和第四关节252D沿第一方向进行关节运动，并且牵拉第四牵拉线236A4、236B4导致第二关节252B和第四关节252D沿第二方向进行关节运动。在该示例中，第一方向和第二方向可以是第一俯仰方向和第二俯仰方向或第一偏航方向和第二偏航方向。

在例示的实施方案中，第一牵拉线236A1、236B1和第二牵拉线236A2、236B2仅延伸穿过连接件250中的一些。具体地讲，第一牵拉线236A1、236B1和第二牵拉线236A2、236B2从弯曲节段212的近侧端部246延伸穿过第一连接件250A、第二连接件250B和第三连接件250C。在第三连接件250C的远侧端部248处，如图24B所示，第一牵拉线236A1、236B1可利用压接件彼此附接。虽然在图24B中不可见，但是在第三连接件250C的远侧端部248处并且在相对侧上，第二牵拉线236A2、236B2可利用压接件彼此附接。在一些实施方案中，第一牵拉线236A1、236B1无需彼此附接，并且第二牵拉线236A2、236B2无需彼此附接。例如，在一些实施方案中，第一牵拉线236A1、236B1的远侧端部各自在压接件中结束(并且不彼此附接)，并且第二牵拉线236A2、236B2的远侧端部各自在压接件中结束(并且不彼此附接)。

如图所示，第一牵拉线236A1、236B1定位在弯曲节段212的第三侧面上，并且第牵二拉线236A4、236B4定位在弯曲节段212的与第一侧面相对的第四侧面上。在该构造中，牵拉(卷绕)第一牵拉线236A1、236B1(并且相应地，释放(退绕)第二牵拉线236A2、236B2)导致弯曲节段212朝向第三侧面进行关节运动。例如，在一些实施方案中，牵拉第一牵拉线236A1、236B1导致弯曲节段212沿第三方向进行关节运动。类似地，牵拉(缠绕)第二牵拉线236A2、236B2(并且对应地，释放(退绕)第一牵拉线236A1、236B2)导致弯曲节段朝向第四侧面进行关节运动。例如，在一些实施方案中，牵拉第三牵拉线236A2、236B2导致弯曲节段212沿与第三方向相反的第四方向进行关节运动。更具体地讲，在例示的实施方案中，牵拉第一牵拉线236A1、236B1导致第一关节252A和第三关节252C沿第三方向进行关节运动，并且牵拉第二牵拉线236A2、236B2导致第一关节252A和第三关节252C沿第四方向进行关节运动。在该示例中，第三方向和第四方向可以是第一俯仰方向和第二俯仰方向或第一偏航方向和第二偏航方向。

如上所述，在一些实施方案中，医疗器械200可包括两个独特的配合特征部，这些配合特征部有助于在使弯曲节段212进行关节运动时保持近侧关节运动角度256和远侧关节运动角度258(参见图23B)相等：(i)关节运动柄部214中的成比率的绞盘或滑轮234，以及(ii)连接件250中的关节运动孔260，以用于接收在弯曲节段212中具有不同半径但具有相同角度的牵拉线234。这些特征部的示例在以下小节中有所描述。

(i)关节运动柄部中的成比率的滑轮/绞盘

在例示的实施方案中，医疗器械200包括滑轮234，例如如图22A-图22C所示。在一些实施方案中，滑轮234可被构造成使得滑轮234中的某些的直径之间的比率被设定成使得在弯曲节段212的关节运动期间近侧关节运动角度256和远侧关节运动角度258(参见图23B)相等或基本上相等。这在本文中称为“成比率的滑轮”。

图25示出滑轮234中的四个：第一滑轮234A1、第二滑轮234A2、第三滑轮234A3和第四滑轮234A4。这些滑轮234与牵拉线236相关联，如图22B和图22C所示。牵拉线236还连接到弯曲节段212，如图24A和图24B所示。如图所示，第一滑轮234A1和第二滑轮234A2各自具有第一直径D1。第三滑轮234A3和第四滑轮234A4各自具有第二直径D2。如图所示，对于一些实施方案，直径D2大于直径D1。滑轮234可被构造成使得D2与D1的比率有利于保持近侧关节运动角度和远侧关节运动角度(例如，俯仰或偏航)相等。

提供成比率的滑轮234的优点在于成比率的滑轮可有助于将缆线或牵拉线路径长度约束到弯曲节段的近侧关节和远侧关节250，使得它们的关节运动角度基本上相等。例如，成比率的滑轮有助于保持近侧关节运动关节与远侧关节运动关节250之间的基本上恒定的关节运动角度。在一些实施方案中，远侧滑轮(即，第三滑轮234A3和第四滑轮234A4)的直径与近侧滑轮(即，第一滑轮234A1和第二滑轮234A2)的直径的比率可大于或等于1.5:1、1.75:1、2:1或2.25:1。

在一些实施方案中，成比率的滑轮234可实现基本上相等的近侧关节运动角度和远侧关节运动角度，因为对于给定旋转，较大的滑轮234与较小的滑轮234相比解绕或卷绕更多的牵拉线236。这允许对于延伸穿过弯曲节段的所有连接件250的牵拉线236比对于仅延伸穿过弯曲节段250的连接件中的一些的牵拉线236更多的牵拉线长度被退绕。因此，成比率的滑轮234有利地帮助保持相等的近侧关节运动角度和远侧关节运动角度(例如，近侧/远侧俯仰和近侧/远侧偏航)。

(ii)具有不同半径但具有相同角度的关节运动孔

在一些实施方案中，医疗器械200进一步被构造成使得牵拉线236穿过弯曲节段212的连接件250的关节运动孔260以不同半径但相同角度(如图26B所示)布置，而不是以恒定半径但不同角度(如图26A所示)布置。例如，在一些实施方案中，为了保持相等的近侧关节运动角度和远侧关节运动角度，可期望将关节运动孔260构造在连接件250上，使得从中线到关节运动孔260的距离的比率在俯仰和偏航方面相同。这可允许彼此相邻延伸的两根牵拉线236之间的协调运动，以便提供纯粹的俯仰或偏航运动。

如上所述，牵拉线对236中的一些终止于中间连接件或第三连接件250C处，而其他对终止于远侧连接件或第五连接件250E处(参见图24A和图24B)。在一些实施方案中，为了保持近侧关节运动和远侧关节运动的恒定角度，牵拉线236被牵拉的距离除以关节运动孔260距弯曲轴线的半径的比率对于进一步终止的牵拉线236与中间终止的牵拉线236可为2:1。这是因为进一步终止的牵拉线236穿过两个角度区段，并且中间终止的牵拉线236仅穿过一个角度区段。在一些实施方案中，可具有挑战性的是满足对俯仰和偏航两者的约束，除非俯仰和偏航轴两者的半径基本上相等，因此使用径向设计。

图26A中示出了具有半径恒定但角度不同的关节运动孔的连接件的实施方案。在该实施方案中，关节运动孔260被标记为：260A，用于与在远侧连接件250E处终止的牵拉线236相关联的孔；以及260B，用于与在中间连接件250C处终止的牵拉线236相关联的孔。如图所示，每个孔260A、260B以相同半径R但以不同角度α1、α2定位在连接件250上。在该实施方案中，由于关节运动孔260A、260B以相同半径R但以不同角度α1、α2定位，因此弯曲节段212可能不会在俯仰方向和偏航方向之间表现出均匀的弯曲。在此类实施方案中，软件可需要补偿俯仰关节运动和偏航关节运动之间的差异。

为了在俯仰方向和偏航方向之间均匀弯曲，同时保持基本上相等的近侧关节运动和远侧关节运动，连接件250可如图26B所示进行构造。连接件250的该实施方案包括关节运动孔260A、260B，这些关节运动孔以相同的角度α但以不同的半径R1、R2形成。结合上述成比率的滑轮234，弯曲节段212的这些连接件250可以表现出期望的弯曲特性。在一些实施方案中，具有不同半径R1、R2但具有相同角度α的关节运动孔260A、260B的优点在于从关节运动中线到关节运动孔260的距离对于俯仰和偏航可以是相同的。

图26C示出了牵拉线236在连接件250的关节运动孔260内的布置的示例，该连接件被构造成具有关节运动孔260A、260B，这些关节运动孔具有不同半径R1、R2但具有相同角度α，如图26B所示。图26C中的颜色编码与图22B和图22C以及图24A和图24B中的颜色编码一致。

图26D示出了具有关节运动孔的图26B中的改进连接件250，该关节运动孔具有不同半径但与样品俯仰关节运动中线和偏航关节运动中线具有相同角度。从该视图中，可以看到通过具有半径不同但角度相同的关节运动孔而获得的优点。在每个象限中，一对关节运动孔260是成直线的、位于相同的角位置θ中，但具有不同的半径。无论弯曲节段212是俯仰还是偏转，关节运动孔260中的每个关节运动孔将具有距俯仰关节运动中线的距离x和距偏航关节运动中线的距离y，由此x和y相等。提供此类关节运动孔260的优点在于，可在彼此紧邻延伸的两个缆线区段之间保持协调运动，以便提供纯粹的俯仰或偏航运动。相比之下，如果关节运动孔260具有相同的半径但具有不同的角度(例如，如图26A所示)，则可能需要使用软件来补偿俯仰关节运动和偏航关节运动之间的差异。

有利的是，图26B-图26D中示出的连接件250设计(该连接件设计包括以相同角度α但以不同半径R1、R2形成的关节运动孔260)可提供比其他装置更确定的驱动体验和更稳定的弯曲节段。

C.关节运动式医疗器械的附加实施方案

上述例示的实施方案中的关节运动式医疗器械200包括具有多个自由度(例如，近侧俯仰、远侧俯仰、近侧偏航、远侧偏航)的腕部，该腕部可使用一个或多个马达216进行关节运动。虽然据信该架构为临床医生提供了足够的灵巧性以在腹腔镜式医疗规程期间实现大多数(如果不是所有的话)观察，但用于关节运动式医疗器械的其他实施方案也是可能的。在一些实施方案中，可以具有包括六自由度连接件架构的器械，该六自由度连接件架构被约束成双自由度的弯曲节段并且由总共四个马达控制。此种实施方案在图27A-图28中示出。

图27A和图27B示出了包括多于一个弯曲节段的医疗器械300的实施方案。例如，如图所示，医疗器械300包括第一弯曲节段312A和第二弯曲节段312B。在一些实施方案中，第二弯曲节段312B可包括在医疗器械300的远侧端部处被约束成双自由度腕部的四自由度连接件区段，并且第一弯曲节段312A可包括被约束成单独双自由度腕部的双自由度区段。利用这种构造，外科医生能够命令医疗器械到一侧，然后能够向后看而不在体外具有大角度(即，图27A所示的位置)。

在一些实施方案中，为了使医疗器械300(该医疗器械具有第一弯曲节段312A(例如，两个自由度)和第二弯曲节段312B(例如，四个自由度))起作用，用于驱动第二弯曲节段312B的牵拉线应以允许第二弯曲节段312B进行关节运动而不影响第一弯曲节段312A的关节运动的方式穿过第一弯曲节段312A，反之亦然。在一些实施方案中，这可通过将朝远侧延伸的牵拉线以一定方式引导穿过第一弯曲节段312a来实现，该方式使得它们的路径长度在关节运动下不改变。在另一个实施方案中，朝远侧延伸的牵拉线可被引导穿过第一弯曲节段312A，使得可补偿路径长度的变化。在一些实施方案中，路径长度的变化可通过与用于驱动312B中的约束相同的比率来补偿。这不仅可通过使用如上所述的具有不同半径但具有相同角度的成比率的滑轮和关节运动孔来实现，而且可通过提供如图28所示的“交叉”牵拉线来实现。

本发明人已经确定，在第二弯曲节段312B的远侧连接件处延伸/终止的牵拉线沿第一弯曲节段312A的连接件的外侧被最佳地引导，然后朝向第二弯曲节段312B的内侧交叉。在第二弯曲节段312B的中间连接件处延伸/终止的牵拉线沿第一弯曲节段312A的连接件的内侧被最佳地引导，然后朝向第二弯曲节段312B的外侧交叉。通过这样做，使实现适当联接所需的距离的比率最小化。这可为期望的，因为目标可为：使用于有效载荷的中腔中的空间量最大化，并且还使牵拉线的半径最大化以实现关节运动下的较高杠杆作用。为此，当第二弯曲节段312B的距离比相等时，中心管腔可被最大化，如第一弯曲节段312A通过的那样。已发现，当这样做时，该比率将为二的平方根。这意味着滑轮直径的比率和半径上的距离的比率将在二的平方根处匹配。图28示出了用二的平方根比率约束的医疗器械300的交叉布线的示意图。需注意，第三组牵拉线(例如，不交叉或改道的牵拉线)终止于近侧关节运动节段处并且驱动这些连接件的关节运动。

此外，在一些实施方案中，插入柄部架构可以用基于枢轴的(即，非蛇形腕部)弯曲节段来实现，而不是如上所述地提供具有滚动蛇形腕部设计的关节运动式医疗器械200。在此类实施方案中，关节运动柄部可在每个输出轴上具有较少的滑轮(例如，2个滑轮)，因为将驱动较少的缆线区段(例如，4个缆线区段)。

3.实施系统和术语。

本文所公开的实施方式提供了与关节运动式医疗器械有关的系统、方法和设备。

应当指出的是，如本文所用，术语“联接(couple)”、“联接(coupling)”、“联接(coupled)”或词语联接的其他变型形式可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“联接”到第二部件，则第一部件可经由另一个部件间接连接到第二部件或直接连接到第二部件。

本文所述的任何处理器实现功能可作为一个或多个指令存储在处理器可读或计算机可读介质上。术语“计算机可读介质”是指可由计算机或处理器访问的任何可用介质。通过示例而非限制，这样的介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器、致密盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可以用于存储呈指令或数据结构的形式的期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。应当指出的是，计算机可读介质可为有形的和非暂态的。如本文所用，术语“代码”可以指可由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。

本文所公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可彼此互换。换句话讲，除非正在描述的方法的正确操作需要步骤或动作的特定顺序，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

如本文所用，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件指示两个或更多个部件。术语“确定”涵盖多种动作，并且因此，“确定”可包括计算、运算、处理、导出、调查、查找(例如，在表格、数据库或另一种数据结构中查找)、查明等。另外，“确定”可包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。另外，“确定”可包括解析、选择、挑选、建立等。

除非另有明确指明，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话讲，短语“基于”描述“仅基于”和“至少基于”两者。

提供对所公开的具体实施的前述具体实施方式以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。对这些具体实施的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所定义的一般原理可应用于其他具体实施。例如，应当理解，本领域的普通技术人员将能够采用多个对应的替代和等同的结构细节，诸如紧固、安装、耦接或接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机构、以及用于递送电能的等同机构。因此，本发明并非旨在限于本文所示的具体实施，而是被赋予符合本文所公开的原理和新颖特征的最广范围。

Claims (43)

1.一种医疗器械，包括：

细长轴，所述细长轴在近侧端部和远侧端部之间延伸并且限定纵向轴线；

多根牵拉线，所述多根牵拉线沿着所述纵向轴线延伸；

第一弯曲节段，所述第一弯曲节段定位在所述细长轴的所述近侧端部和所述远侧端部之间，所述弯曲节段包括连接件，所述连接件具有纵向延伸穿过所述连接件以允许所述多根牵拉线穿过其中的成对的关节运动孔，其中每对关节运动孔包括(i)以不同半径并且(ii)以相同旋转角度与所述纵向轴线间隔开的第一关节运动孔和第二关节运动孔；

关节运动柄部，所述关节运动柄部定位在所述细长轴的所述近侧端部处；和

一个或多个马达，所述一个或多个马达定位在所述关节运动柄部内并且被构造成使所述第一弯曲节段进行关节运动。

2.根据权利要求1所述的医疗器械，还包括插入柄部，所述插入柄部联接到所述细长轴，其中所述插入柄部被构造成使所述细长轴相对于所述插入柄部平移。

3.根据权利要求1所述的医疗器械，其中所述第一弯曲节段包括多连接件腕部，所述多连接件腕部包括两个或更多个连接件，每对连续连接件包括其间的一个或多个关节。

4.根据权利要求3所述的医疗器械，其中所述一个或多个关节中的每个关节包括滚动关节。

5.根据权利要求1所述的医疗器械，其中：

所述第一弯曲节段包括近侧俯仰关节和远侧俯仰关节，所述近侧俯仰关节和所述远侧俯仰关节被构造成允许所述第一弯曲节段沿俯仰方向进行关节运动；并且

所述关节运动柄部包括：

近侧俯仰滑轮，所述近侧俯仰滑轮通过第一牵拉线连接到所述近侧俯仰关节，和

远侧俯仰滑轮，所述远侧俯仰滑轮通过第二牵拉线连接到所述远侧俯仰关节，其中所述远侧俯仰滑轮的远侧俯仰滑轮半径大于所述近侧俯仰滑轮的近侧俯仰滑轮半径。

6.根据权利要求1所述的医疗器械，其中：

所述第一弯曲节段包括近侧俯仰关节和远侧俯仰关节，所述近侧俯仰关节和所述远侧俯仰关节被构造成允许所述第一弯曲节段沿俯仰方向进行关节运动；并且

所述关节运动柄部包括：

近侧俯仰滑轮，所述近侧俯仰滑轮通过第一牵拉线连接到所述近侧俯仰关节，和

远侧俯仰滑轮，所述远侧俯仰滑轮通过第二牵拉线连接到所述远侧俯仰关节，其中远侧俯仰滑轮半径不同于近侧俯仰滑轮半径，使得所述近侧俯仰关节和所述远侧俯仰关节在所述近侧俯仰滑轮和所述远侧俯仰滑轮的致动下以基本上相同的速率改变。

7.根据权利要求5所述的医疗器械，其中定位在所述关节运动柄部内的所述一个或多个马达包括至少一个俯仰马达，所述至少一个俯仰马达被构造成驱动所述近侧俯仰滑轮和所述远侧俯仰滑轮，使得所述近侧俯仰滑轮的旋转基本上等于所述远侧俯仰滑轮的旋转。

8.根据权利要求7所述的医疗器械，其中所述远侧俯仰滑轮半径与所述近侧俯仰滑轮半径之间的比率使得所述近侧俯仰关节的关节运动基本上等于所述远侧俯仰关节的关节运动。

9.根据权利要求5所述的医疗器械，其中：

所述第一弯曲节段包括近侧偏航关节和远侧偏航关节，所述近侧偏航关节和所述远侧偏航关节被构造成允许所述第一弯曲节段沿偏航方向进行关节运动；并且

所述关节运动柄部包括：

近侧偏航滑轮，所述近侧偏航滑轮通过第三牵拉线连接到所述近侧偏航关节，和

远侧偏航滑轮，所述远侧偏航滑轮通过第四牵拉线连接到所述远侧偏航关节，并且

其中所述远侧偏航滑轮的远侧偏航滑轮半径大于所述近侧偏航滑轮的近侧偏航滑轮半径。

10.根据权利要求9所述的医疗器械，其中定位在所述关节运动柄部内的所述一个或多个马达包括偏航马达，所述偏航马达被构造成驱动所述近侧偏航滑轮和所述远侧偏航滑轮，使得所述近侧偏航滑轮的旋转基本上等于所述远侧偏航滑轮的旋转。

11.根据权利要求10所述的医疗器械，其中所述远侧偏航滑轮半径和所述近侧偏航滑轮半径之间的比率使得所述近侧偏航关节的关节运动基本上等于所述远侧偏航关节的关节运动。

12.根据权利要求1所述的医疗器械，其中所述第一弯曲节段的所述连接件中的每个包括四对关节运动孔，所述四对关节运动孔被构造成接收延伸穿过其中的所述多根牵拉线。

13.根据权利要求12所述的医疗器械，其中：

所述四对关节运动孔各自与彼此间隔开90度，并且其中对于所述四对中的每对，所述第一关节运动孔和所述第二关节运动孔相对于穿过所述连接件的中心轴线以相同角度形成，并且包括从所述中心轴线测量的不同半径。

14.根据权利要求12所述的医疗器械，其中：

所述连接件中的至少一个连接件包括用于接收穿过其中的第一牵拉线的第一关节运动孔和用于接收穿过其中的第二牵拉线的第二关节运动孔，并且

所述第一关节运动孔和所述第二关节运动孔各自具有距俯仰关节运动轴线和偏航关节运动轴线的基本上相同的距离。

15.根据权利要求13所述的医疗器械，其中所述第一弯曲节段具有至少四个自由度。

16.根据权利要求15所述的医疗器械，其中所述四个自由度包括近侧俯仰、远侧俯仰、近侧偏航和远侧偏航。

17.根据权利要求1所述的医疗器械，其中所述细长轴包括至少三个轴节段，并且所述医疗器械还包括位于所述轴节段中的至少两者之间的第二弯曲节段。

18.根据权利要求17所述的医疗器械，其中一对牵拉线从所述关节运动柄部延伸穿过所述第二弯曲节段并到达所述第一弯曲节段。

19.根据权利要求18所述的医疗器械，其中所述一对牵拉线在所述第二弯曲节段和所述第一弯曲节段之间彼此交叉。

20.根据权利要求1所述的医疗器械，其中所述医疗器械包括密封架构。

21.根据权利要求1所述的医疗器械，其中所述医疗器械包括内窥镜。

22.根据权利要求1所述的医疗器械，还包括用于提供在所述轴的所述远侧端部处捕获的图像的光学系统。

23.一种医疗器械，包括：

细长轴，所述细长轴在近侧端部和远侧端部之间延伸并且限定纵向轴线；

多根牵拉线，所述多根牵拉线沿着所述纵向轴线延伸；

第一弯曲节段，所述第一弯曲节段定位在所述细长轴的所述近侧端部和所述远侧端部之间，所述弯曲节段包括连接件，所述连接件具有纵向延伸穿过所述连接件以允许所述多根牵拉线穿过其中的成对的关节运动孔，其中每对关节运动孔包括(i)以不同半径并且(ii)以相同旋转角度与所述纵向轴线间隔开的第一关节运动孔和第二关节运动孔；

第一柄部，所述第一柄部定位在所述轴的所述近侧端部处并且被构造成控制所述第一弯曲节段的关节运动；和

第二柄部，所述第二柄部联接到所述轴并且被构造成有利于所述轴相对于所述第二柄部平移。

24.根据权利要求23所述的医疗器械，其中所述第一柄部包括一个或多个马达，所述一个或多个马达被构造用于所述第一弯曲节段的关节运动。

25.根据权利要求23所述的医疗器械，其中所述细长轴包括至少三个轴节段，并且所述医疗器械还包括第二弯曲节段，所述第二弯曲节段定位在所述轴的两个轴节段之间。

26.根据权利要求25所述的医疗器械，其中所述第一柄部包括位于所述第一柄部中的一个或多个马达，所述一个或多个马达能够使所述第一弯曲节段和/或所述第二弯曲节段进行关节运动。

27.根据权利要求23所述的医疗器械，其中所述第二柄部被构造成联接到器械驱动机构。

28.根据权利要求27所述的医疗器械，其中所述第二柄部包括至少一个驱动输入部，所述至少一个驱动输入部被构造成接合位于所述器械驱动机构上的至少一个驱动输出部。

29.根据权利要求23所述的医疗器械，其中所述医疗器械包括密封架构。

30.根据权利要求23所述的医疗器械，其中所述医疗器械包括内窥镜。

31.根据权利要求23所述的医疗器械，还包括用于提供在所述轴的所述远侧端部处捕获的图像的光学系统。

32.一种医疗器械，包括：

细长轴，所述细长轴在近侧端部和远侧端部之间延伸并且限定纵向轴线，所述轴包括至少两个轴节段；

多根牵拉线，所述多根牵拉线沿着所述纵向轴线延伸；

第一弯曲节段，所述第一弯曲节段定位在所述轴的所述至少两个轴节段之间，所述弯曲节段包括连接件，所述连接件具有纵向延伸穿过所述连接件以允许所述多根牵拉线穿过其中的成对的关节运动孔，其中每对关节运动孔包括(i)以不同半径并且(ii)以相同旋转角度与所述纵向轴线间隔开的第一关节运动孔和第二关节运动孔，所述第一弯曲节段包括近侧俯仰关节和远侧俯仰关节，所述近侧俯仰关节和所述远侧俯仰关节被构造成允许所述第一弯曲节段沿俯仰方向进行关节运动；

关节运动柄部，所述关节运动柄部定位在所述轴的所述近侧端部处；

近侧俯仰滑轮，所述近侧俯仰滑轮通过第一牵拉线连接到所述近侧俯仰关节；和

远侧俯仰滑轮，所述远侧俯仰滑轮通过第二牵拉线连接到所述远侧俯仰关节；

其中所述远侧俯仰滑轮的远侧俯仰滑轮半径不同于所述近侧俯仰滑轮的近侧俯仰滑轮半径。

33.根据权利要求32所述的医疗器械，还包括俯仰马达，所述俯仰马达定位在所述关节运动柄部内。

34.根据权利要求33所述的医疗器械，其中所述远侧俯仰滑轮半径和所述近侧俯仰滑轮半径之间的比率使得所述近侧俯仰关节的关节运动等于所述远侧俯仰关节的关节运动。

35.根据权利要求34所述的医疗器械，其中所述俯仰马达被构造成驱动所述近侧俯仰滑轮和所述远侧俯仰滑轮，使得所述近侧俯仰滑轮的旋转基本上等于所述远侧俯仰滑轮的旋转。

36.根据权利要求35所述的医疗器械，其中所述第一弯曲节段还包括近侧偏航关节和远侧偏航关节，所述近侧偏航关节和所述远侧偏航关节被构造成允许所述第一弯曲节段沿偏航进行关节运动，并且所述医疗器械还包括：

近侧偏航滑轮，所述近侧偏航滑轮通过第三牵拉线连接到所述近侧偏航关节；

远侧偏航滑轮，所述远侧偏航滑轮通过第四牵拉线连接到所述远侧偏航关节；并且

其中所述远侧偏航滑轮的远侧偏航滑轮半径大于所述近侧偏航滑轮的近侧偏航滑轮半径。

37.根据权利要求36所述的医疗器械，还包括偏航马达，所述偏航马达定位在所述关节运动柄部内。

38.根据权利要求37所述的医疗器械，其中所述远侧偏航滑轮半径和所述近侧偏航滑轮半径之间的比率使得所述近侧偏航关节的关节运动基本上等于所述远侧偏航关节的关节运动。

39.根据权利要求38所述的医疗器械，其中所述偏航马达被构造成驱动所述近侧偏航滑轮和所述远侧偏航滑轮，使得所述近侧偏航滑轮的旋转等于所述远侧偏航滑轮的旋转。

40.根据权利要求39所述的医疗器械，还包括第二弯曲节段，所述第二弯曲节段可操作地联接到所述第一弯曲节段。

41.根据权利要求40所述的医疗器械，其中所述第一牵拉线和所述第二牵拉线延伸穿过所述第二弯曲节段到达所述第一弯曲节段。

42.根据权利要求41所述的医疗器械，其中在所述第二弯曲节段中，所述第一牵拉线距所述轴的中线的距离大于所述第二牵拉线距所述轴的所述中线的距离，并且其中在所述第一弯曲节段中，所述第一牵拉线距所述轴的所述中线的距离小于所述第二牵拉线距所述轴的所述中线的距离。

43.根据权利要求42所述的医疗器械，还包括插入柄部，所述插入柄部联接到所述轴，其中所述插入柄部被构造成使所述轴相对于所述插入柄部平移。