CN114224494A - 施加用于外科手术器械的预载荷张力的系统和相关方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开施加用于外科手术器械的预载荷张力的系统和相关方法。一种外科手术系统包括用于张紧元件的动态预加载张力特征，其致动外科手术器械的远端部件。外科手术器械包括位于外科手术器械的近端的底架，安装在底架中的驱动部件，位于外科手术器械的远端的远端部件，耦接在驱动部件中的第一驱动部件和远端部件之间的柔性张紧元件，以及安装在底架中并且耦接到驱动部件中的第二驱动部件的动态预加载张紧器。柔性张紧元件沿路径延伸。动态预加载张紧器被配置成由驱动部件中的第二驱动部件驱动以相对于底架移动，并且被定位成在动态预加载张紧器相对于底架移动时改变柔性张紧元件的路径。

Description

施加用于外科手术器械的预载荷张力的系统和相关方法

本申请是国际申请日为2017年10月13日、进入国家阶段日为2019年04月12日的名称为“施加用于外科手术器械的预载荷张力的系统和相关方法”的中国专利申请201780063196.0(PCT/US2017/056506)的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年10月14日提交的美国临时申请No.62/408,242的权益。在先申请的公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并且通过引用并入本申请的公开内容中。

技术领域

本说明书涉及施加用于外科手术器械(特别是用于外科手术器械的柔性张紧元件)的预加载张力的系统和方法。

背景技术

在一些情况下，外科手术器械的线缆中的松弛(slack)或低张力可能致使外科手术器械的末端执行器的跳动或不可预测的运动。确保在整个外科手术器械的设计寿命期间存在足够的线缆张力的一种方法是以足够高的张力预加载线缆以抵抗一些预加载的线缆张力降低，特别是当末端执行器可用于推拉、夹紧、夹持或遇到阻力的其他动作时。然而，线缆中的张力预载荷可以增加驱动系统必须施加以操作外科手术器械的力。预载荷可以增加线缆沿着外科手术器械的表面行进的摩擦。预载荷还可以致使其中线缆接触线缆穿过的开口的弯曲表面的摩擦。

发明内容

在一个方面，一种计算机辅助外科手术系统包括外科手术器械。外科手术器械包括位于外科手术器械的近端的底架，安装在底架中的驱动部件，位于外科手术器械的远端的远端部件，耦接在驱动部件中的第一驱动部件和远端部件之间的柔性张紧元件以及安装在底架中并耦接到驱动部件中的第二驱动部件的动态预加载张紧器。柔性张紧元件沿路径延伸。动态预加载张紧器被配置成由驱动部件中的第二驱动部件驱动以相对于底架移动并且被定位成在动态预加载张紧器相对于底架移动时改变柔性张紧元件的路径。

在另一方面，一种方法包括移动外科手术器械的动态预加载张紧器以增加外科手术器械的柔性张紧元件中的张力。该方法还包括在保持动态预加载张紧器的位置的同时驱动外科手术器械的柔性张紧元件以移动外科手术器械的远端部件。

在一些实施方式中，该系统包括操纵器，外科手术器械安装在该操纵器上。操纵器包括例如第一驱动输出和第二驱动输出，第一驱动输出被定位成驱动外科手术器械的驱动部件中的第一驱动部件，第二驱动输出被定位成驱动外科手术器械的驱动部件中的第二驱动部件。

在一些实施方式中，该系统还包括存储器和计算机处理器，计算机处理器被配置成执行存储在存储器中的指令以执行操作。

操作包括例如驱动驱动部件中的第二驱动部件以将动态预加载张紧器从第一位置移动到第二位置。该方法包括，例如，移动动态预加载张紧器包括驱动驱动部件中的第一驱动部件以将动态预加载张紧器从第一位置移动到第二位置。在一些情况下，当处理器接收到指示器械安装到操纵器的信息时，驱动驱动部件中的第二驱动部件。在一些情况下，操作还包括驱动驱动部件中的第二驱动部件，直到处理器接收到指示达到柔性张紧元件中的预定义张力的信息。该方法包括，例如，在接收到指示达到柔性张紧元件中的预定义张力的信息之后驱动驱动部件中的第二驱动部件。在一些情况下，指示柔性张紧元件中的预定义张力的信息基于驱动第二驱动输出的致动器的扭矩。

在一些实施方式中，操作和/或方法包括响应于确定柔性张紧元件中的张力已经达到预定义张力而保持动态预加载张紧器的位置。操作和/或方法包括例如在移动动态预加载张紧器的同时检测柔性张紧元件中的张力。保持动态预加载张紧器的位置包括例如响应于检测到的张力达到预定义张力而保持动态预加载张紧器的位置。在一些情况下，移动动态预加载张紧器包括操作致动器以致使动态预加载张紧器移动。检测柔性张紧元件中的张力包括例如检测由致动器施加的扭矩。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括操作外科手术器械的多个驱动部件中的第二驱动部件。方法和/或操作还包括，例如，操作驱动部件中的第一驱动部件以驱动柔性张紧元件从而移动外科手术器械的远端部件。在一些情况下，操作驱动部件中的第一驱动部件以驱动柔性张紧元件包括操作驱动部件中的第一驱动部件，同时保持动态预加载张紧器的位置。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括将动态预加载张紧器从第一位置移动到第二位置，在第一位置中，柔性张紧元件中存在第一张力，在第二位置中，柔性张紧元件中存在第二张力。在一些实施方式中，在动态预加载张紧器的第一位置处，在柔性张紧元件中存在第一张力。在动态预加载张紧器的第二位置处，例如，在柔性张紧元件中存在第二张力。第二张力例如大于第一张力。在一些情况下，第一张力为零。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括移动动态预加载张紧器，使得可调节的预载荷被施加到柔性张紧元件。在一些实施方式中，动态预加载张紧器被定位成在动态预加载张紧器相对于底架移动时致使可调节的预载荷被施加到柔性张紧元件。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括移动动态预加载张紧器以改变外科手术器械的多个柔性张紧元件中的每一个的路径。在一些实施方式中，该系统包括多个柔性张紧元件，每个柔性张紧元件耦接到安装在底架中的驱动部件。动态预加载张紧器相对于底架可移动，例如，以改变多个柔性张紧元件中的每一个的路径。

在一些实施方式中，柔性张紧元件由聚合物材料形成。

在一些实施方式中，动态预加载张紧器包括轴向可移动的张紧鼓，使得张紧鼓在张紧鼓旋转时接合柔性张紧元件。在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括旋转张紧鼓以致使张紧鼓轴向移动以接合柔性张紧元件。在一些情况下，动态预加载张紧器包括张紧齿轮，该张紧齿轮安装到底架并且沿着斜坡可旋转。在一些情况下，斜坡由底架定义。在一些情况下，张紧鼓耦接到张紧齿轮，使得当张紧齿轮沿着斜坡旋转到外科手术器械的底架时张紧鼓轴向移动。在一些情况下，动态预加载张紧器包括与张紧鼓接合的弹簧，使得静态预载荷被施加到柔性张紧元件。在一些情况下，张紧鼓可移动以压缩弹簧，使得当路径改变时弹簧的线圈彼此接触。

在一些实施方式中，方法和/或操作包括在移动动态预加载张紧器之前将静态预载荷施加到柔性张紧元件。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括压缩弹簧，使得当柔性张紧元件中的张力达到预定义张力时弹簧的线圈彼此接触。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括旋转外科手术器械的导螺杆以增加柔性张紧元件中的张力。在一些实施方式中，动态预加载张紧器包括导螺杆和耦接到导螺杆的臂。在一些情况下，旋转导螺杆包括纵向移动外科手术器械的臂以增加柔性张紧元件中的张力。在一些情况下，臂沿着导螺杆纵向可移动，以在导螺杆旋转时改变路径。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括相对于外科手术器械的底架移动外科手术器械的细长主体以增加柔性张紧元件中的张力。在一些实施方式中，外科手术器械包括从底架向远侧延伸的细长主体。细长主体的远端例如耦接到远端部件。细长主体包含例如柔性张紧元件的路径的至少一部分。动态预加载张紧器例如被配置成相对于底架移动细长主体，以在动态预加载张紧器相对于底架移动时改变路径。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括旋转凸轮以接合柔性张紧元件从而增加柔性张紧元件中的张力。在一些实施方式中，动态预加载张紧器包括相对于底架可旋转的凸轮。凸轮的表面例如被配置成接合柔性张紧元件以在凸轮旋转时改变路径。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括将动态预加载张紧器移动到多个离散位置中的一个，以将多个离散预载荷中的一个施加到柔性张紧元件。保持动态预加载张紧器的位置包括例如将动态预加载张紧器锁定到多个离散位置中的一个。在一些实施方式中，动态预加载张紧器可锁定到多个离散位置中的一个，以将多个离散预载荷中的一个施加到柔性张紧元件。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括操作外科手术器械的驱动输出，外科手术器械安装到该驱动输出。在一些实施方式中，该系统还包括器械驱动单元，以可释放地支撑外科手术器械。器械驱动单元包括例如可操作地连接到动态预加载张紧器的驱动输出，使得当驱动输出被激活时动态预加载张紧器相对于底架移动。在一些情况下，操作驱动输出包括扭转柔性张紧元件。在一些情况下，方法和/或操作还包括接收指示外科手术器械安装到外科手术操纵器的信息。在一些情况下，驱动输出可操作以接合动态预加载张紧器，使得柔性张紧元件被扭转以改变柔性张紧元件的路径。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括移动安装到外科手术器械的底架的销。在一些实施方式中，动态预加载张紧器包括销，该销可移动地安装到底架并且可与柔性张紧元件接合，以在销相对于底架移动时改变柔性张紧元件的路径。

在一些实施方式中，移动动态预加载张紧器包括枢转安装到外科手术器械的底架的板。在一些实施方式中，动态预加载张紧器包括可枢转地安装到底架的张紧板，以在张紧板相对于底架旋转时改变路径。

在一些实施方式中，该系统还包括可手动操作的张紧工具。

前述的优点可包括但不限于下文和本文其他地方所描述的那些优点。柔性张紧元件，使得能够将载荷从第一端传递到第二端，可能需要初始载荷，这使得柔性张紧元件拉紧。当柔性张紧元件拉紧时，它能够将额外的载荷从其第一端传递到第二端。可以调节柔性张紧元件的路径以将预载荷施加到柔性张紧元件。具有预载荷的柔性张紧元件可以朝向其远端传递更大比例的输入载荷，以驱动柔性张紧元件物理耦接的远端部件。在这方面，输入载荷不是用于拉动柔性张紧元件，而是用于使柔性张紧元件耦接到的远端部件转向。

当外科手术器械的状况改变时，柔性张紧元件的可调节路径可以进一步改善外科手术器械的适应性。在一些情况下，在外科手术器械的制造期间，柔性张紧元件设置有初始预载荷，以在外科手术中使用之前抑制外科手术器械的部件相对于彼此的运动。随着外科手术器械的制造完成和外科手术期间外科手术器械的操作之间的时间流逝，初始预负荷可随着时间的推移而减小，例如，由于器械老化、蠕变、应力松弛、器械部件之间的相对运动，以及可以减少初始预载荷的其他机制。可以调节柔性张紧元件的路径，使得可以精确地控制柔性张紧元件中的预载荷，例如，将预载荷保持在期望的范围内，将预载荷保持在预定义阈值以上等。可以调节预载荷以便抑制柔性张紧元件和承受柔性张紧的表面之间的过度摩擦，同时抑制柔性张紧元件在外科手术器械操作期间变得松懈的可能性。

另外，因为可以在完成外科手术器械的制造之后调节预载荷，所以在制造期间设定的初始预载荷可以较小，因为在制造完成之后可以进一步调节(例如增加)预载荷。当初始预载荷较小时，柔性张紧元件的材料变化的可能性(例如，由于蠕变或应力松弛)可较低。

在附图和以下描述中阐述了本说明书中描述的主题的一个或多个实施方式的细节。根据说明书、附图和权利要求，其他潜在的特征、方面和优点将变得明显。

附图说明

图1是包括动态张紧器的外科手术器械的示意性侧视图。

图2是安装到操纵器的外科手术器械的侧视图。

图3A是外科手术器械的侧视图。

图3B是图3A的外科手术器械的传动单元的透视图。

图4是操作动态张紧器的过程。

图5A是动态张紧器的顶部透视图。

图5B是图5A的动态张紧器的顶视图。

图5C是图5A的动态张紧器的张紧鼓的顶部透视图。

图5D是图5C的动态张紧器的张紧鼓的顶部透视分解图。

图5E是图5A的动态张紧器的侧视示意图，包括处于展开位置的弹簧。

图5F是图5E的动态张紧器的侧视示意图，其中弹簧处于压缩位置。

图6是动态张紧器的示例的顶部透视图。

图7A是动态张紧器的侧剖视图。

图7B是图7A的动态张紧器的可旋转构件处于第一位置中和第二位置中的侧视示意图。

图7C是图7A的动态张紧器的可旋转构件的示例。

图8是动态张紧器的示例的顶视图。

图9A和图9B分别是动态张紧器的示例的左右透视侧视图。

图10是动态张紧器的示例的侧视示意图。

图11A是处于第一位置中的动态张紧器的顶部示意图。

图11B是图11A的动态张紧器处于第二位置中的顶部示意图。

图12A-图12E是耦接到柔性张紧元件的驱动部件的图。

图13A和图13B是动态张紧器和柔性张紧元件的图。

各附图中相同的附图标记和名称表示相同的元件。

具体实施方式

外科手术器械的柔性张紧元件(例如，线缆、线缆-海波管(hypotube)组合等)包括预加载张力，该预加载张力使得输入张力载荷能够通过柔性张紧元件从第一端传递到第二端。当加载另一个柔性张紧元件使得柔性张紧元件松弛时，预加载张力还可以抑制柔性张紧元件变得松懈。预加载张力对应于例如存在于没有为驱动耦接到柔性张紧元件的远端部件的输入张力载荷时柔性张紧元件中的张力、在施加输入张力载荷以驱动远端部件之前存在于柔性张紧元件中的张力、存在于柔性张紧元件中的用于减少柔性张紧元件的松懈的张力等。如本文所述，预加载张力可以例如在外科手术器械的制造完成之后进行调节，以提高外科手术器械的可操作性和适应性。

如本文所述，器械张紧元件最初经历第一预加载张力，其可以是零或足以在运输、存储等期间保持器械的机械完整性的另一值。在器械操作之前或期间，控制器增加器械张紧元件的第一预加载张力到大于第一预加载张力的第二预加载张力。在操作期间，张紧元件将经历两种形式的张力-第二预加载张力和用于驱动张紧元件耦接到的器械远端部件的致动张力载荷。在操作之后，器械张紧元件的第二预加载张力可选地减小到小于第二预加载张力的值，诸如第一预加载张力。预加载张力的减小可以由控制器控制，或者在操作之后从其器械托架移除器械时可以手动或机械地控制。在一个或多个后续器械操作或使用期间，可以可选地重复动态增加和减小器械张紧元件的预加载张力的循环。因此，除了施加用于移动远端部件或允许远端部件移动的致动张力载荷变化之外，器械张紧元件经历至少部分地由控制器控制的预加载张力的动态变化。

图1描绘了包括外科手术器械101的外科手术系统100的示例，外科手术器械101包括底架102，驱动部件104a，104b，柔性张紧元件106和远端部件108。驱动部件104b例如是动态预加载张紧器驱动部件，其被驱动以操纵动态预加载张紧器116。驱动部件104a例如是柔性张紧元件驱动部件，其被驱动以驱动柔性张紧元件106。底架102位于外科手术器械101的近端部分110处，并且远端部件108位于外科手术器械101的远端部分111处。驱动部件104a，104b安装在底架102中，即，在外科手术器械101的近端部分110附近或在外科手术器械101的近端部分110处。驱动部件104a，104b包括例如承受来自驱动系统112的机械载荷的机械部件。驱动部件104a，104b例如是当由驱动系统112驱动时移动的被驱动部件。柔性张紧元件106耦接在驱动部件104a和远端部件108之间。柔性张紧元件106沿着路径延伸，例如，在驱动部件104a和远端部件108之间延伸。驱动部件104a将施加到驱动部件104a的致动载荷传递到柔性张紧元件106。

外科手术器械101还包括动态预加载张紧器116。在一些情况下，动态预加载张紧器116安装在底架102中。在一些实施方式中，动态预加载张紧器116至少部分地安装在底架102中和/或完全包含在底架102内。动态预加载张紧器116耦接到驱动部件104b。在一些情况下，驱动部件104a耦接到驱动机构，以将施加到驱动部件104b的载荷传递到柔性张紧元件106。动态预加载张紧器116被配置成由驱动部件104b驱动以相对于底架102移动。在这方面，动态预加载张紧器116可控制地被定位以在动态预加载张紧器116相对于底架102移动时改变柔性张紧元件106的路径。

在一些实施方式中，在驱动部件104a被驱动的情况下，驱动部件104a将轴向(例如，长度方向)致动载荷施加到柔性张紧元件106。轴向载荷的轴线例如平行于柔性张紧元件106中的张力的轴线。在驱动部件104b被驱动的情况下，驱动部件104b操作动态预加载张紧器116以向柔性张紧元件106施加横向(例如，交叉方向)载荷。例如，横向载荷以在柔性张紧元件106中引起张力的方式弯曲柔性张紧元件106。在这方面，当驱动部件104b未被驱动以操作动态预加载张紧器116时，在柔性张紧元件106内存在第一张力。驱动部件104b在被驱动时引起第二张力存在于柔性张紧元件中。第一张力对应于没有动态预加载张紧器116的操作时柔性张紧元件106中的预加载张力，并且第二张力对应于在驱动部件104b被操作之后柔性张紧元件106中的预加载张力。由于动态预加载张紧器116的操作，第二张力大于第一张力。

尽管在图1中描述和示出了单个柔性张紧元件106，但是本文描述的示例适用于具有动态预加载张紧器的外科手术器械，该动态预加载张紧器同时改变一个柔性张紧元件的路径和另一个柔性张紧元件的路径。两个柔性张紧元件例如耦接到相同的驱动部件，例如驱动部件104a，或者柔性张紧元件耦接到可独立操作的驱动部件。

图12A至12E描绘了驱动柔性张紧元件1202a，1202b的驱动部件的配置的各种示例。当驱动柔性张紧元件1202a时，柔性张紧元件1202a所连接的远端部件以第一方向自由度移动。当驱动柔性张紧元件1202b时，柔性张紧元件1202b也连接到的远端部件以第二方向自由度移动。在这方面，柔性张紧元件1202a，1202b被以精确控制例如远端部件在所述自由度的双向运动的方式驱动。

图12A至图12C描绘了其中柔性张紧元件1202a，1202b由单独的驱动部件驱动的机构。在一些实施方式中，如图12A所示，驱动系统112将力施加到驱动部件1204a，1204b。第一驱动部件和第二驱动部件被配置成在将力施加到它们时平移，例如以向柔性张紧元件1202a，1202b施加张力的方式平移。例如，驱动系统112平移第一驱动输入以将力1206a施加到柔性张紧元件1202a，并平移第二驱动输入以将力1206b施加到柔性张紧元件1202b。通过施加力1206a，驱动系统112驱动驱动部件1204a向近侧移动以向柔性张紧元件1202a施加张力。通过施加力1206b，驱动系统112驱动驱动部件1204b向近侧移动以向柔性张紧元件1202b施加张力。驱动系统112以控制远端部件的运动的方式施加力1206a，1206b，例如施加力1206a以使远端部件以第一方向自由度移动，并施加力1206b以使远端部件以第二方向自由度移动。

在一些情况下，如图12B所示，驱动部件1208a，1208b不是由于由驱动系统112施加的力而平移，而是响应于由驱动系统112施加的力而分别绕旋转中心1210a，1210b旋转。驱动部件1208a，1208b例如是分别可绕旋转中心1210a，1210b旋转的杆。柔性张紧元件1202a，1202b分别附接到驱动部件1208a，1208b，使得施加到杆的向远侧指向的力1211a，1211b导致向近侧指向的力(例如，张力)分别被施加到柔性张紧元件1202a，1202b。当驱动部件1208a旋转时，例如，如图12B所示，绕旋转中心1210a逆时针旋转时，驱动部件1208a将张力1212a施加到柔性张紧元件1202a。驱动部件1208a响应于由驱动系统112施加的力1211a而旋转，并因此施加张力1212a。当驱动部件1208b旋转时，例如，如图12B所示，绕旋转中心1210b顺时针旋转时，驱动部件1208b将张力1212b施加到柔性张紧元件1202b。驱动部件1208b响应于由驱动系统112施加的力1211b而旋转，并因此施加张力1212b。

在一些情况下，如图12C所示，驱动系统112施加扭矩1216a，1216b以分别旋转驱动部件1218a，1218b，而不是施加力以旋转驱动部件。驱动部件1218a，1218b例如是可旋转的绞盘，柔性张紧元件1202a，1202b附接到该绞盘。当由于扭矩1216a，1216b旋转时，绞盘分别将张力1219a，1219b施加到柔性张紧元件1202a，1202b。驱动部件1218a响应于驱动系统112施加扭矩1216a而旋转，并且驱动部件1218b响应于驱动系统112施加扭矩1216b而旋转。当驱动部件1218a，1218b旋转时，柔性张紧元件1202a，1202b缠绕在驱动部件1218a，1218b周围，使得张力1219a，1219b被施加到柔性张紧元件1202a，1202b。

在柔性张紧元件1202a，1202b附接到单独的驱动部件的一些情况下，例如，如关于图12A-图12C所描述的，为了使远端部件在第一方向上移动，驱动部件中的一个被驱动以将张力施加到柔性张紧元件中的一个上，而驱动部件中的另一个以保持柔性张紧元件中的另一个的最小张力的方式操作。最小张力被施加到柔性张紧元件中的另一个上以避免松懈。张力被施加到柔性张紧元件以使远端部件在第一方向上移动。此外，使柔性张紧元件中的另一个松弛，以避免阻碍远端部件在第一方向上的运动。另一方面，为了使远端部件在第二方向上移动，驱动柔性张紧元件中的另一个。使柔性张紧元件松弛以避免阻碍远端部件在第二方向上的运动。

在一些实施方式中，柔性张紧元件不是附接到单独的驱动部件，而是附接到相同的驱动部件。这些示例在图12D和图12E中示出。在一些情况下，如图12D所示，驱动系统112将力1220a，1220b施加到单个驱动部件1222，以将张力施加到附接到驱动部件1222的柔性张紧元件1202a，1202b。当驱动部件1222由力1220a，1220b驱动时，从而响应于力1220a在第一方向上旋转并且响应于力1220b在第二方向上旋转，驱动部件1222绕旋转中心1223旋转。力1220a驱动柔性张紧元件1202b并松弛柔性张紧元件1202a，并且力1220b驱动柔性张紧元件1202a并使柔性张紧元件1202a松弛。驱动部件例如是柔性张紧元件1202a，1202b附接的杆，柔性张紧元件1202a，1202b附接到该杆的相对杆臂，例如，沿相反的方向远离旋转中心1223延伸的杆臂。

在一些情况下，如图12E所示，驱动系统112将扭矩1224施加到单个驱动部件1226以驱动柔性张紧元件1202b，而不是施加力以移动驱动部件。扭矩1224致使柔性张紧元件1202a松弛。驱动系统112在扭矩1224的相反方向上将扭矩施加到驱动部件1226，以驱动柔性张紧元件1202a。这种扭矩致使柔性张紧元件1202b松弛。例如，单个驱动部件1226是可旋转的绞盘。

返回参照图1，如果驱动部件104a耦接到多个柔性张紧元件，则当驱动部件104a在第一方向上被驱动时，驱动部件104a将致动张力载荷施加到柔性张紧元件中的一个以使远端执行器在第一方向上移动。在一些情况下，柔性张紧元件中的另一个松弛。当驱动部件104a在第二方向上被驱动时，驱动部件104a将致动张力载荷施加到柔性张紧元件中的另一个，以使远端执行器在第二方向上移动。两个柔性张紧元件例如围绕驱动部件104a在相反方向上缠绕。在一些实施方式中，柔性张紧元件在被驱动时施加载荷以在关节处移动远端部件，从而使远端部件以夹紧运动、俯仰运动、横摆运动、滚转运动等移动。

当柔性张紧元件中的一个被驱动而另一个松弛时，为了防止松弛的柔性张紧元件经受不可接受的低张力或松懈，柔性张紧元件可以预加载张力，使得器械操作期间张紧元件上总是存在可接受的最小张力。例如，可接受的最小张力等于或大于在远端部件的转向期间在柔性张紧元件中使用的最小张力。结果，当一个柔性张紧元件中的致动张力被施加时，另一个柔性张紧元件松弛relax但由于在相对的张紧元件上施加的致动张力而不会变得松懈slack。

在一些示例中，外科手术系统100包括控制器117。控制器117被配置成执行存储在存储器119上的指令以执行操作，例如，以控制驱动系统112。控制器117操作动态预加载张紧器116，使得动态预加载张紧器116例如相对于底架102移动，以调节柔性张紧元件106的路径。路径调节，即路径长度的增加，调节柔性张紧元件106中的张力。在一些情况下，控制器117操作驱动系统112的致动器以移动动态预加载张紧器116。驱动系统112将载荷施加到驱动部件104b，驱动部件104b又将载荷施加到动态预加载张紧器116。在由驱动部件104b施加的载荷下，动态预加载张紧器116相对于底架102移动。

柔性张紧元件106例如是线缆、线缆和海波管组合、线、细丝、一束细丝、编织细丝、细线、绳、加捻细丝或其中张力可以存在的其他元件。在一些情况下，柔性张紧元件106易受蠕变、应力松弛或柔性张紧元件106的材料特性的其他变化的影响。柔性张紧元件106由例如金属或聚合物形成。在柔性张紧元件106由聚合物形成的情况下，柔性张紧元件106例如是聚乙烯、液晶聚合物、聚酯等。

在一些实施方式中，远端部件108位于附接到底架102的管状构件115的远侧部分处。管状构件115例如是微创外科手术器械的轴。管状构件115例如是细长主体，柔性张紧元件106延伸穿过该细长主体。管状构件115从底架102向远侧延伸。管状构件115的远端耦接到远端部件108。管状构件115包含柔性张紧元件106的路径的至少一部分。例如，当柔性张紧元件106从底架102延伸到远端部件108时，管状构件115包含柔性张紧元件106。在一些情况下，当载荷被施加到柔性张紧元件106以使远端部件108转向时，管状构件115支撑远端部件108以相对于底架102固定远端部件108的位置。

在一些实施方式中，动态预加载张紧器116可在第一位置118(在图1中以实线示出)和第二位置120(在图1中以虚线示出)之间移动。动态预加载张紧器116例如可移动到第一位置118和第二位置120之间的位置范围中的任何位置。在一些情况下，第一位置118对应于动态预加载张紧器116的初始位置，例如，在完成外科手术器械101的制造之后动态预加载张紧器116的位置，不存在动态预加载张紧器116的操作时动态预加载张紧器116的位置。在动态预加载张紧器116的第一位置118处，在柔性张紧元件106中存在第一预加载张力。在动态预加载张紧器116的第二位置120处，在柔性张紧元件106中存在第二预加载张力。第二预加载张力大于第一预加载张力。在一些情况下，第一张力为零。并且在一些情况下，第一张力对应于在外科手术器械101的制造期间设定的初始预加载张力。例如，第一张力是在动态预加载张紧器116被操作以导致第二张力之后存在于柔性张紧元件106中的预加载张力的一部分。

在一些实施方式中，在动态预加载张紧器116移动以调节柔性张紧元件106的路径时，动态预加载张紧器116被定位以将可调节的预加载张力施加到柔性张紧元件106。如果柔性张紧元件106中存在初始预加载张力，则施加到柔性张紧元件106的可调节预加载张力导致柔性张紧元件106中的总预加载张力，其对应于例如柔性张紧元件106中的可调节的预加载张力和初始预加载张力部分之和。

参照图2，在一些实施方式中，外科手术器械101安装到操纵器200。操纵器200例如是可远程控制的操纵器，其可由外科医生在远离操纵器200的位置处操作。例如，外科医生在与操纵器200通信的控制台上操作控制输入，并且控制台产生用于操纵器200的驱动系统的控制信号，以控制操纵器200的关节(例如，关节202)的运动。例如，控制信号选择性地激活操纵器200的驱动系统的致动器。这种外科手术系统结构是已知的并且可以在例如由加利福尼亚森尼维耳市的Intuitive Surgical，Inc.商业化的da

外科手术系统以及在各种专利中看到，这些专利诸如美国专利号US 6,246,200 B1(1999年8月3日提交)，US6,331,181 B1(1999年10月15日提交)和US 6,788,018 B1(2001年12月20日提交)，其中全部通过引用并入本文。

操纵器200包括例如可以安装外科手术器械101的器械托架204。器械托架204例如可释放地支撑外科手术器械101。器械托架204包括作为操纵器200的驱动系统的一部分的一个或多个致动器。例如，器械托架204是将操纵器200的驱动系统连接到外科手术器械的被驱动部件的机械接口。在一些情况下，当外科手术器械101安装到器械托架204时，操纵器200的驱动系统与外科手术器械101的驱动部件104a，104b接合，使得驱动系统的激活驱动驱动部件104a，104b。例如，操纵器200的驱动系统包括多个可独立控制的驱动输出，其连接到外科手术器械101的驱动部件104a，104b。在一些示例中，当外科手术器械101安装到器械托架204时，一个驱动输出被定位成驱动驱动部件104a，并且驱动输出中的另一个被定位成驱动驱动部件104b。

在一些示例中，操纵器200的驱动系统对应于关于图1描述的驱动系统112。结果，操纵器200的驱动系统可与驱动部件104a，104b一起操作以施加载荷到柔性张紧元件106和/或致使动态预加载张紧器116移动。例如，操纵器200的驱动系统的驱动输出可操作地连接到动态预加载张紧器116，使得动态预加载张紧器116在驱动输出被激活时相对于底架102移动。

图3A描绘了可以安装到操纵器200的外科手术器械300的另一示例。外科手术器械300包括从动接口组件302，例如，将外科手术器械300的驱动部件304与操纵器200的驱动系统机械地耦接的机械接口。外科手术器械300的驱动部件304包括例如外科手术器械300的从动盘，其可通过操纵器200的驱动系统旋转。

外科手术器械300还包括传动单元306、管状构件308(例如，器械轴)、关节310和远端部件312。传动单元306传递由操纵器200的驱动系统施加的载荷，以移动远端部件312。远端部件312例如是在外科手术期间操作的末端执行器。关节310例如是腕关节，其可移动以控制远端部件312的取向。

在一些实施方式中，外科手术器械300包括柔性张紧元件，其耦接到安装在外科手术器械300的底架313中的驱动部件304。如利用图1的柔性张紧元件106所描述的，柔性张紧元件各自沿着在驱动部件和远端部件之间的路径延伸。在一些情况下，多个柔性张紧元件从单个驱动部件延伸到远端部件312，以控制远端部件312沿着自由度的运动。

外科手术器械300包括一个或多个动态张紧器。在一些实施方式中，外科手术器械包括单个动态张紧器。驱动部件304中的一个耦接到动态张紧器，并且驱动部件中的另一个耦接到柔性张紧元件，例如柔性张紧元件的近端。在外科手术器械包括多个柔性张紧元件的实施方式中，单个动态张紧器可相对于底架313移动，以改变柔性张紧元件中的一个、一些或全部的路径。

在其他实施方式中，外科手术器械包括多个动态张紧器。在这些实施方式中，外科手术器械包括例如用于外科手术器械300的每个柔性张紧元件的动态张紧器。可替代地或另外地，外科手术器械包括与每个驱动部件相关联的动态张紧器。每个动态张紧器在其相关的驱动部件被驱动时调节其相关联的柔性张紧元件的路径。例如，一个单独的动态张紧器被定位成可控地改变第一柔性张紧元件中的张力，并且第二单独动态张紧器被定位成可控制地改变第二柔性张紧元件中的张力。

如图13A所示，在一些实施方式中，第一动态张紧器1302a被定位成接合柔性张紧元件1304a，并且第二动态张紧器1302b被定位成接合柔性张紧元件1304b。柔性张紧元件1304a，1304b被驱动以沿着单个自由度移动远端部件1307，例如，如果柔性张紧元件1304a被驱动，则沿第一方向自由度移动；并且如果柔性张紧元件1304b被驱动，则沿第二方向自由度移动。例如，第一动态张紧器1302a和第二动态张紧器1302b被独立驱动，例如由不同的驱动部件1306a，1306b操作，并且由驱动系统112的不同致动器驱动。在这方面，施加到第一柔性张紧元件1304a的预加载张力可以独立于施加到第二柔性张紧元件1304b的预加载张力的方式被设定。相反，在如图13B所示的一些实施方式中，单个动态张紧器1308被定位成接合柔性张紧元件1304a，1304b两者。动态张紧器1308由单个驱动部件(未示出)操作，并且由驱动系统112的单个致动器驱动。在这方面，驱动系统112操作单个动态张紧器1308以将预加载张力施加到柔性张紧元件1304a，1304b。

传动单元306包括机械部件，例如齿轮、杆、万向节、线缆等，以将载荷从外科手术器械300的驱动部件304传递到远端部件312。传动单元306的机械部件，例如，在外科手术器械300的近端部分中形成机构，其将外科手术器械300的柔性张紧元件与从动接口组件302的驱动部件304机械地耦接。

在一些实施方式中，机械部件将柔性张紧元件的近端与驱动部件中的一个(例如，图1的驱动部件104a)机械地耦接。可替代地或另外地，机械部件机械地耦接在柔性张紧元件的远端和近端之间的柔性张紧元件的一部分以及驱动部件中的一个，例如，图1的驱动部件104b。在这种情况下，驱动部件在被驱动时移动动态张紧器以(例如，通过在柔性张紧元件上施加横向载荷)调节柔性张紧元件的路径。

如果驱动部件304包括从动绞盘，则从动绞盘的旋转在柔性张紧元件上施加张力载荷，例如拉动柔性张紧元件。然后，柔性张紧元件在远端部件312中的机械连杆上施加载荷，以移动远端部件312，例如，以重新定位或重新定向远端部件312的连杆。

在一些情况下，管状构件308是刚性的。在一些实施方式中，管状构件308可相对于传动单元306弯曲。管状构件308例如可弹性弯曲，使得管状构件308在移除使管状构件308弯曲的力时恢复其原始形状。然而，在其他情况下，管状构件是柔性的，但在折曲之后不会恢复到其初始形状，直到控制器向操纵器产生命令以使管状构件恢复到初始形状。

图4描绘了例如由控制器117执行以操作动态张紧器的过程400的流程图。例如，控制器117结合参照图1描述的外科手术系统100执行过程400。

在操作402处，控制器117移动外科手术器械(例如，外科手术器械101)的动态张紧器(例如，动态预加载张紧器116)，以增加外科手术器械的柔性张紧元件(例如，柔性张紧元件106)中的张力。

在操作404处，控制器117驱动柔性张紧元件以移动远端部件，例如远端部件108，同时保持动态张紧器的位置。

在一些实施方式中，在移动动态张紧器以增加张力之前，控制器117接收指示外科手术器械已被安装的信息。例如，该信息指示外科手术器械已经安装到操纵器上。在一些示例中，当控制器117接收到指示外科手术器械已被安装的信息时，控制器117移动动态张紧器。在一些实施方式中，控制器117接收指示预定义张力的信息，例如，柔性张紧元件中的张力的目标值。在一些情况下，控制器117确定柔性张紧元件中的张力何时达到预定义张力。控制器117响应于确定柔性张紧元件中的张力已达到预定义张力而保持动态张紧器的位置。

在一些实施方式中，控制器117通过命令驱动系统112驱动相应的驱动部件(例如，驱动部件104b)来移动外科手术器械的动态张紧器，以将动态张紧器从第一位置移动到第二位置。响应于确定柔性张紧元件106中的张力已达到预定义张力，控制器117保持动态预加载张紧器116的位置，使得柔性张紧元件106中的张力保持在预定义张力处或高于预定义张力。如果控制器117驱动驱动部件以移动动态张紧器，则控制器117驱动驱动部件，直到控制器117接收到指示达到预定义张力的信息。

可替代地或另外地，控制器117移动外科手术器械的动态张紧器，同时监测柔性张紧元件中的张力。例如，控制器117通过在动态预加载张紧器116的运动期间监测柔性张紧元件106的张力来确定柔性张紧元件106的张力。在一些实施方式中，为了监测柔性张紧元件中的张力，控制器117接收指示柔性张紧元件中的张力的信息。该信息例如从用于在柔性张紧元件中测量的传感器接收。传感器例如是与驱动驱动部件以驱动动态张紧器的致动器相关联的扭矩传感器。扭矩传感器产生指示由致动器施加的扭矩的信号，并且在一些情况下，控制器117基于扭矩确定柔性张紧元件中的张力。在一些情况下，传感器是与驱动驱动部件以驱动柔性张紧元件的致动器相关联的扭矩传感器。在一个示例中，当控制器117驱动第一驱动部件以移动动态张紧器从而增加柔性张紧元件中的张力时，控制器117确定何时由与被配置成驱动柔性张紧元件的第二驱动部件相关联的扭矩传感器测量扭矩。在确定由扭矩传感器测量的扭矩指示柔性张紧元件中的张力达到预定义张力之后，控制器保持第一驱动部件的位置。各种其他传感器(诸如，安装在与柔性张紧元件相关联的驱动系中的相应驱动部件或其他部件上的各种类型的应变或扭矩传感器)可以用于感测柔性张紧元件中的张力。

在一些实施方式中，控制器117通过驱动驱动部件(例如，驱动部件104a)来驱动柔性张紧元件。在这方面，在一些情况下，控制器117驱动一个驱动部件以移动动态张紧器并驱动第二驱动部件以驱动柔性张紧元件从而移动远端部件。

图5A-图11B描绘了动态张紧器的各种示例，其在操作时改变外科手术器械的柔性张紧元件的路径。在这些示例和本文所述的其他示例中的每一个中，柔性张紧元件的路径通过经由控制器操作动态张紧器而改变。在一些情况下，动态张紧器在柔性张紧元件上施加横向载荷，该横向载荷调节柔性张紧元件的路径。在一些情况下，动态张紧器引起轴向载荷被施加到柔性张紧元件，以调节柔性张紧元件的路径。该轴向载荷与被施加到柔性张紧元件上以使远端部件转向的轴向载荷无关。柔性张紧元件的路径变化导致柔性张紧元件经受张力，例如预加载张力。动态张紧器可操作以在柔性张紧元件上产生可调节的预加载张力，使得可以施加或可以释放预加载张力。当可调节的预加载张力达到期望的水平时，可以锁定预加载张力以将可调节的动态预加载张力保持在期望的水平，同时驱动柔性张紧元件以使远端部件转向。这种张力锁定可以通过在张紧元件中建立所需的预加载张力值后将动态预加载张紧器保持在适当位置，或者通过主动感测张紧元件中的张力并继续动态调节动态张紧器以保持所需的预加载张力来完成。

如关于图1的示例所描述的，改变柔性张紧元件的路径以将预加载张力施加到柔性张紧元件上。在一些实施方式中，通过纵向延伸路径的一部分来延长路径。在一些实施方式中，通过调节路径的第一部分和路径的第二部分之间的角度来延长路径。在一些实施方式中，通过在路径中添加弯曲(例如通过弯曲柔性张紧元件)来延长路径。

图5A和图5B描绘了用于外科手术器械的动态张紧器500的示例，该动态张紧器包括被定位成接合柔性张紧元件504a的张紧鼓502。张紧鼓502可轴向移动，使得其接合柔性张紧元件504a并改变柔性张紧元件504a的路径。在一些示例中，张紧鼓502可相对于外科手术器械的底架轴向移动。张紧鼓502例如是可沿其中心轴线移动的圆柱形构件，并且被定位成在其沿中心轴线移动时接合柔性张紧元件504a。

在一些实施方式中，为了改变柔性张紧元件504a的路径，当张紧鼓502移动以接合柔性张紧元件504a时，张紧鼓502重新定向柔性张紧元件504a的路径。柔性张紧元件504a沿其路径的第一部分从驱动部件506延伸到张紧鼓502。然后，柔性张紧元件504a抵靠张紧鼓502，例如张紧鼓502的顶表面508，使得柔性张紧元件504a的路径被重新定向。特别地，该路径被重新定向为朝向外科手术器械的远端部件。在一些情况下，张紧鼓502包括孔510，柔性张紧元件504a穿过该孔510。柔性张紧元件504a的路径从驱动部件506朝向孔510延伸，然后穿过孔510，同时柔性张紧元件504a抵靠张紧鼓502的顶表面508。柔性张紧元件504a的路径然后朝向远端部件的关节延伸。

当张紧鼓502轴向移动时，张紧鼓502(例如，张紧鼓502的顶表面508)接合柔性张紧元件504a并致使柔性张紧元件504a与张紧鼓502一起移动。因为柔性张紧元件504a抵靠张紧鼓502，所以张紧鼓502的移动导致柔性张紧元件504a的路径改变。在一些实施方式中，张紧鼓502的移动通过重新定位路径的弯曲点(例如，柔性张紧元件504a的路径被重新定向的点)来引起路径改变。

在一些实施方式中，为了移动张紧鼓502，动态张紧器500包括驱动机构512，当被驱动时，驱动机构512引起张紧鼓502的轴向移动。驱动机构512包括由例如操纵器200的驱动系统驱动的驱动部件506。驱动部件506通过齿轮系统传递载荷。在一些示例中，当驱动部件506被驱动以旋转时，耦接到驱动部件506的齿轮516被驱动以使齿轮518旋转，齿轮518又使张紧齿轮520旋转。张紧齿轮520在旋转时驱动张紧鼓502相对于张紧齿轮520轴向移动。齿轮516、齿轮518和张紧齿轮520均可旋转地安装到外科手术器械的底架上。

参照图5C和图5D，例如，张紧齿轮520抵靠由外科手术器械的底架限定的斜坡522，例如，在外科手术器械的底架的表面524上形成的斜面。斜坡522在顺时针方向上相对于表面524的高度增加，如图5D所示。例如，斜坡522的顶表面遵循远离底架的表面524延伸的螺旋路径。当张紧齿轮520沿斜坡522旋转时，张紧齿轮520遵循该螺旋路径。张紧鼓502耦接到张紧齿轮520，使得当张紧齿轮520沿外科手术器械的底架的斜坡522旋转时张紧鼓502轴向移动。

在一些实施方式中，张紧鼓502被固定(keyed)到底架，使得张紧鼓502在张紧齿轮520旋转时不旋转。参照图5D，张紧鼓502被固定到底架的锁定元件525，锁定元件525与张紧鼓502的底表面上的相应锁定元件接合。锁定元件525例如是延伸穿过张紧齿轮520并与张紧鼓502的底表面上的相应钻孔接合的突出部。可替代地，锁定元件525是与张紧鼓502的底表面上的相应突出部接合的钻孔。锁定元件525和张紧鼓502上的相应锁定元件之间的接合抑制底架和张紧鼓502的相对旋转，使得当张紧齿轮520旋转时，张紧鼓502不旋转。相反，当张紧齿轮520旋转时，张紧齿轮520和张紧鼓502都轴向移动。

张紧鼓502相对于底架的表面524的轴向位置取决于张紧齿轮520相对于底架的表面524的旋转位置。当张紧齿轮520在第一方向526上旋转时，柔性张紧元件504a的路径的长度增加并且存在于柔性张紧元件504a中的张力增加。由于斜坡522的斜面抵靠张紧齿轮520，所以当张紧齿轮520在第一方向上旋转时，张紧齿轮520和张紧鼓502远离底架的表面524轴向移动。相反，当张紧齿轮520在第二方向528上旋转时，张紧鼓502和张紧齿轮520朝向底架的表面524轴向移动。在这方面，当张紧齿轮520在第二方向528上旋转时，存在于柔性张紧元件504a中的张力减小。

虽然根据单个柔性张紧元件504a进行描述，但在一些实施方式中，如图5A和图5B所示，张紧鼓502被定位成与多个柔性张紧元件504a-504d接合。在这方面，张紧鼓502的轴向移动改变了每个柔性张紧元件504a-504d的路径。在一些实施方式中，如图5A所示，除了被驱动以操作动态张紧器500的驱动部件506之外，驱动部件530被驱动以将载荷施加到柔性张紧元件504a，例如，以使远端部件转向。如本文所述，远程可控操纵器的驱动系统可以驱动驱动部件530。在一些情况下，驱动部件530耦接到多个柔性张紧元件，例如柔性张紧元件504a，504b。当驱动部件530被驱动时，驱动部件530将张力施加到柔性张紧元件504a，504b中的一个上，同时释放柔性张紧元件504a，504b中的另一个上的张力。施加到柔性张紧元件504a，504b的载荷例如控制远端部件沿着单个自由度的运动。在一些示例中，驱动部件530驱动柔性张紧元件504b，使得在柔性张紧元件504b被驱动时柔性张紧元件504a松弛，并且使得在柔性张紧元件504a被驱动时柔性张紧元件504b松弛。由动态张紧器500施加到柔性张紧元件504a，504b的预加载张力足够大，使得柔性张紧元件504a，504b在驱动部件506的操作期间松弛但不会变松懈。

驱动部件506例如是可通过操纵器的驱动系统的致动器旋转的绞盘。在一些实施方式中，例如通过控制器117基于施加到致动器以使绞盘旋转的电流来确定绞盘上的扭矩。控制器117进而确定由张紧鼓502施加在柔性张紧元件504a上的力。

在动态张紧器的一些示例中，动态张紧器包括弹簧，以将静态预加载张力施加到柔性张紧元件。静态预加载张力例如是施加到柔性张紧元件的不可调节的预加载张力，其保持外科手术器械的部件的相对位置，例如机械完整性。在外科手术期间，动态张紧器被操作以为柔性张紧元件设定可调节的预加载张力，该预加载张力是除了由弹簧引起的预加载张力之外的预加载张力。在一些实施方式中，弹簧被配置成使得来自柔性张紧元件的动态张紧器上的力(例如由于施加到柔性张紧元件以使远端部件转向的载荷)不会被弹簧吸收。当致动张力载荷被施加到柔性张紧元件以使远端部件转向时，柔性张紧元件上的致动载荷不是被弹簧吸收，而是被传递到远端部件，例如，被传递以移动远端部件。在一些情况下，动态张紧器在操作时压缩弹簧以致使弹簧的线圈彼此接触，使得当使用动态张紧器施加可调节的预加载张力时，弹簧不能进一步吸收在远端部件的转向期间由柔性张紧元件施加的力。同样地，在一些情况下，动态张紧器在操作时致使弹簧从动态张紧器的一部分(例如，抵靠柔性张紧元件的部分)脱离，使得在动态张紧器的该部分上的柔性张紧元件的力不会通过弹簧的压缩而被吸收。

参照图5E，在包括张紧鼓502的动态张紧器500的示例中，在一些示例中，动态张紧器500包括施加静态预加载张力的弹簧532。图5E示出了处于展开位置的弹簧532，其中弹簧532将静态预加载张力施加到柔性张紧元件。例如，弹簧532被定位在张紧鼓502和张紧齿轮520之间。当张紧齿轮520旋转时，张紧齿轮520朝向张紧鼓502前进以压缩弹簧532。参见图5F，示出了弹簧532处于压缩位置，在移动张紧鼓502的过程中，张紧齿轮520将弹簧532压缩超过线性弹性范围，例如使得弹簧532的线圈彼此接触。当弹簧532以这种方式被压缩时，由弹簧532引起的柔性张紧元件504a中的静态预加载张力不会因为张紧鼓502轴向移动以增加可调节的预加载张力而增加。当弹簧532的线圈彼此接触时，张紧鼓502移动以改变柔性张紧元件504a的路径。

参考图6中所示的动态张紧器600的示例，在一些实施方式中，动态张紧器600包括可旋转以调节柔性张紧元件的路径的导螺杆602。动态张紧器600包括臂604，臂604具有被接合到导螺杆602的第一端606。臂604的第一端606例如可沿导螺杆602的纵向轴线移动。可沿导螺杆602轴向移动的螺母607将导螺杆602耦接到臂604的第一端606。臂604的第二端608包括引导件610，引导件610包括孔612，柔性张紧元件延伸穿过孔612。臂604在销616处可枢转地安装到外科手术器械的底架614。

例如，导螺杆602耦接到驱动部件，以由外科手术器械安装到的操纵器的驱动系统驱动。施加到导螺杆602的输入载荷(例如，扭矩)使臂604相对于底架旋转，例如使得臂604绕底架上的销616枢转。当被驱动时，导螺杆602旋转。在一些实施方式中，螺母607在导螺杆602旋转时轴向移动，从而使臂604的第一端606绕销616旋转。臂604的枢转运动然后移动臂604的第二端608。特别地，第二端608旋转，使得调节穿过引导件610的柔性张紧元件(未示出)的路径。引导件610例如抵靠柔性张紧元件，使得引导件610的移动导致柔性张紧元件的路径被调节。旋转导螺杆602以调节柔性张紧元件的路径，从而增加柔性张紧元件中的张力。在一些情况下，臂604向柔性张紧元件施加张力，该张力随着施加到导螺杆602的扭矩而非线性地增加。

柔性张紧元件例如附接到驱动部件603a。在一些情况下，多个柔性张紧元件附接到驱动部件603a并且穿过引导件610上的孔612。臂604在被枢转时使得引导件610枢转并且远离远侧部件向近侧移动，从而调节每个柔性张紧元件的路径。当被旋转时，导螺杆602通过操纵引导件610向每个柔性张紧元件施加预加载张力。在一些实施方式中，另一组柔性张紧元件附接到驱动部件603b。当被枢转时，引导件610调节每个柔性张紧元件的路径。在一些情况下，附接到驱动部件603a的第一组柔性张紧元件控制远端部件在一个自由度内的移动，并且附接到驱动部件603b的第二组柔性张紧元件控制远端部件在另一个自由度内的移动。

在动态张紧器的一些示例中，动态张紧器由驱动部件驱动，该驱动部件在操作时引起远端部件沿着自由度的运动。例如，驱动部件是多功能驱动部件，其可驱动以施加可调节的预加载张力并且还可驱动以施加载荷以使远端部件转向。在这种情况下，外科手术器械安装到的操纵器不需要与使远端部件在外科手术器械上转向的驱动输入无关的驱动动态张紧器的驱动输入。

图7A描绘了将外科手术器械的管状构件704安装到外科手术器械的底架(例如，将管状构件115安装到底架102)上的组件。该组件包括容纳动态预加载张紧器700的示例的组件壳体701。在一些情况下，组件壳体701是外科手术器械的底架的一部分。动态张紧器700与用于控制远端部件沿滚转自由度的运动(例如，远端部件绕管状构件704的纵向轴线710的旋转)的机构相关联。在一些示例中，外科手术器械的滚动驱动机构包括齿轮702，当被驱动时，齿轮702旋转耦接到远端部件的管状构件704。远端部件响应于管状构件704的旋转而旋转，例如绕管状构件704的纵向轴线710滚转。齿轮702由驱动部件驱动，该驱动部件例如耦接到操纵器的驱动系统。

还参照图7B，动态张紧器700包括可旋转构件706。当齿轮702旋转到预定义取向时，齿轮702接合可旋转构件706，使得可旋转构件706相对于组件壳体701旋转，例如，绕管状构件704的纵向轴线710旋转。当可旋转构件706相对于组件壳体701旋转时，可旋转构件706沿着纵向轴线710移动。当可旋转构件706旋转时，齿轮702和管状构件704轴向移动。当管状构件704轴向移动时，远端部件轴向移动。

如本文所述，管状构件704支撑远端部件并且包含耦接到远端部件的柔性张紧元件707的路径的一部分。在这方面，当管状构件704轴向向远侧移动时，柔性张紧元件707的路径改变，例如，路径的长度增加。特别地，响应于管状构件704的轴向移动，远端部件远离组件壳体701移动，从而延长柔性张紧元件707的路径。特别地，组件壳体701和远端部件之间的柔性张紧元件707的路径的一部分的长度由于管状构件704的轴向运动而延伸。因此可旋转构件706在旋转时引起张力被施加到柔性张紧元件707。

在一些实施方式中，当可旋转构件706旋转时，其遵循斜坡708(例如，螺旋路径)，使得可旋转构件706沿着纵向轴线710移动。在一些示例中，斜坡708形成在组件壳体701中的定界构件712上。可旋转构件706可相对于定界构件712旋转。定界构件712包括定界部分709，该定界部分709在与可旋转构件706接合时抑制可旋转构件706的进一步旋转。可旋转构件706沿着斜坡708绕纵向轴线710旋转，并且然后接触定界部分709，这抑制可旋转构件706的进一步旋转。因为可旋转构件706由被驱动以使远端部件滚转的齿轮702旋转，所以定界部分709在与可旋转构件706接合时，抑制齿轮702的旋转，并因此抑制远端部件的进一步翻转运动，例如远端部件绕管状构件704的纵向轴线710的旋转。

在一些实施方式中，可旋转构件706可在第一轴向位置714和第二轴向位置716之间移动。当可旋转构件706从第一轴向位置714(近侧)移动到第二轴向位置716(远侧)时，管状构件704轴向移动。管状构件704到第二轴向位置716的轴向移动延伸柔性张紧元件707的路径。在一些实施方式中，当可旋转构件706处于第一轴向位置714时，初始预加载张力被施加到柔性张紧元件707，并且当可旋转构件706处于第二轴向位置716时，大于初始预加载张力的操作预加载张力被施加到柔性张紧元件707。操作预加载张力例如是便于致动张力载荷从柔性张紧元件707的近端到柔性张紧元件707的远端(例如，到远端部件)的一对一传递的预加载张力。

在一些情况下，可旋转构件706可锁定到定界构件712。当可旋转构件706移动到第二轴向位置716时，可旋转构件706例如可锁定到定界构件712。可旋转构件706包括例如，锁定部分715，其接合定界器构件712的相应锁定部分717。当可旋转构件706的锁定部分715接合定界构件712上的相应锁定部分717时，可旋转构件706被锁定到定界构件712，使得可旋转构件706的进一步旋转被抑制。虽然描述了第一位置和第二位置，但在其他实施方式中，可旋转构件706可锁定到多个离散位置中的一个。在这方面，取决于可旋转构件706的所选离散位置，将多个离散预加载张力中的一个施加到柔性张紧元件707。

在一些实施方式中，齿轮702可在第一预定义范围内旋转以滚转远端部件。齿轮702也可旋转超过第一预定义范围到第二预定义范围。当齿轮702旋转到第二预定义范围内时，齿轮702接合可旋转构件706以使可旋转构件706相对于定界构件712旋转。在这方面，当齿轮702在第一预定义范围内旋转时齿轮702不旋转可旋转构件706。第一预定义范围例如是180度，例如，齿轮702从其初始位置沿顺时针方向旋转达到90度和沿逆时针方向旋转达到90度。第二预定义范围例如是超出第一预定义范围20至40度。例如，当齿轮702在第二预定义范围内旋转时，齿轮702旋转超过第一预定义范围20至40度。

在一些情况下，第一预定义范围是控制器强制范围。在一些情况下，控制器(例如，控制器117)在齿轮702旋转之后抑制齿轮702移动超过第一预定义范围，使得可旋转构件706被锁定在第二轴向位置716以施加预加载张力。

在可旋转构件706可锁定到定界构件712的一些实施方式中，当可旋转构件706被锁定到定界构件712时，齿轮702从第二预定义范围移回到第一预定义范围，使得齿轮702可以被驱动以滚转远端部件。结果，齿轮702可被驱动以引起远端部件的滚转运动，同时预加载张力被施加到柔性张紧元件707。

参照图7C，在一些实施方式中，齿轮702接触可旋转构件706的第一横向部分718，以使可旋转构件706从第一位置朝向其第二位置旋转。齿轮702接触可旋转构件706的第二横向部分720，以使可旋转构件706从第二位置朝向第一位置返回旋转。在这样的示例中，齿轮702接合可旋转构件706以将可旋转构件706朝向第二位置重新定位，以将操作预加载张力施加到柔性张紧元件707。齿轮702还能够接合可旋转构件706以移动旋转构件朝向第一位置返回，使得释放预加载张力。

图8描绘了动态预加载张紧器800的另一示例。动态张紧器800包括可旋转凸轮802。可旋转凸轮802例如耦接到外科手术器械的驱动部件，使得可旋转凸轮802在驱动部件被驱动时旋转。在一些情况下，可旋转凸轮802相对于外科手术器械的底架旋转。当可旋转凸轮802旋转时，可旋转凸轮802的表面804接合柔性张紧元件806b以改变柔性张紧元件806b的路径。在一些实施方式中，当可旋转凸轮802旋转时，可旋转凸轮802的表面804接合多个柔性张紧元件806a-806d中的每一个(即，对于凸轮的任何旋转角度，接合元件806a和806d的凸轮表面的形状导致与由与接合元件806b和806c的凸轮表面的形状引起的路径长度变化相同的路径长度变化)。可旋转凸轮802在柔性张紧元件806a-806d上施加横向载荷以使柔性张紧元件806a-806d偏转，从而调节柔性张紧元件806a-806d的路径。在一些情况下，可旋转凸轮802的表面804是椭圆形的。

图9描绘了动态预加载张紧器900的示例，其包括可枢转地安装到外科手术器械的底架904的张紧板902。张紧板902例如可绕底架904上的销905旋转。当张紧板902相对于底架904旋转时，柔性张紧元件的路径改变。

在一些实施方式中，柔性张紧元件从万向节910向内并穿过张紧板902中的孔，然后进入管状构件912到达外科手术器械的远端部件。柔性张紧元件抵靠张紧板902中的孔的侧面，并且当张紧板902向上旋转时，张紧元件抵靠孔的侧面的点向上移动，因此柔性张紧元件的路径被调节。

在一些实施方式中，柔性张紧元件穿过万向节。在这方面，万向节在其旋转时改变路径长度，并因此向所需的张紧元件施加致动张力。

在一些实施方式中，不是穿过万向节910，而是将柔性张紧元件连接到万向节910。在这方面，当万向节910旋转时，柔性张紧元件的近端远离远端部件移动，从而增加用于致动远端部件的所需张紧元件的路径的长度。

无论柔性张紧元件是穿过万向节910还是连接到万向节910，动态预加载张紧器900都可以被操作以调节柔性张紧元件的路径并调节张紧元件上的预加载张力。为了围绕销905旋转张紧板902，动态张紧器900包括，例如，如图9B所示，接合张紧板902的可旋转构件914。当可旋转构件914旋转时，在可旋转构件914上形成的斜坡接合张紧板902，使得张紧板902绕销905枢转，从而延长柔性张紧元件的路径。在一些情况下，外科手术器械的驱动部件915由操纵器的驱动系统驱动，以旋转可旋转构件914。

在一些实施方式中，为了使远端部件转向，例如操纵器的驱动系统操作导螺杆916a、916b和916c。当被操作时，导螺杆916a、916b、916c分别旋转臂918a、918b、918c，使得万向节910相对于底架904枢转。当万向节910枢转时，万向节910抵靠柔性张紧元件以调节柔性张紧元件的路径，从而使柔性张紧元件经受张力。多个柔性张紧元件可由导螺杆916a、916b、916c驱动，以使远端部件以多个自由度移动。可替代地或另外地，驱动系统驱动齿轮系统920以滚转远端部件。

已经描述了数个实施方式。然而，应该理解，可以进行各种修改。

在一些实施方式中，在外科手术期间控制施加到柔性张紧元件的预加载张力。例如，当在外科手术期间通过使用操纵器的驱动系统的驱动输出的子集来使远端部件转向时，另一个驱动输出可操作以调节施加到柔性张紧元件的预加载张力而不使远端部件转向。外科手术器械包括例如本文所描述的动态预加载张紧器中的一个，并且在远端部件被转向以进行外科手术之前施加预加载张力。

在一些实施方式中，当施加到远端部件的载荷在外科手术期间变化时，在外科手术期间调节预加载张力。例如，当远端部件上的载荷由于与患者组织接触而增加时，增加预加载张力。在远端部件上的载荷较低的情况下，例如，当远端部件在没有与患者组织接触的情况下在空间中被转向时，动态可调节的预加载张力减小。在一些实施方式中，外科手术器械是外科手术缝合器系统，并且当要夹紧缝合器系统时，动态可调节的预加载张力增加。

在一些实施方式中，用于柔性张紧元件的动态预加载张紧器包括驱动部件，该驱动部件可操作以通过使用柔性张紧元件来使远端部件转向。柔性张紧元件例如被扭转以改变柔性张紧元件的路径。在图10所示的示例中，动态预加载张紧器1000包括第一部分1004和第二部分1006。动态张紧器1000例如是可旋转的绞盘，其中第一部分1004具有第一直径，并且第二部分1006具有第二直径，第一直径小于第二直径。在远端处，柔性张紧元件1008附接到远端部件。在近端处，柔性张紧元件1008附接到动态张紧器1000，使得其可以由动态张紧器1000驱动并且使得其可以选择性地缠绕在不同部分1004,1006周围。动态张紧器1000包括驱动部件1010，例如驱动部件104a，其可以被驱动以向柔性张紧元件1008施加张力以使柔性张紧元件1008耦接到的远端部件转向。

当驱动部件1010由例如操纵器的驱动系统驱动时，动态张紧器1000旋转。为了使远端部件转向，动态张紧器1000旋转以向柔性张紧元件1008施加张力。为了将可调节的预加载张力施加到柔性张紧元件1008，柔性张紧元件1008缠绕在绞盘的选定部分周围。当柔性张紧元件1008缠绕在第二部分1006周围时，调节柔性张紧元件1008的路径，使得预加载张力被施加到柔性张紧元件1008。在一些情况下，在外科手术器械的初始状态下，柔性张紧元件1008缠绕在第一部分1004周围。为了向柔性张紧元件添加预加载张力，柔性张紧元件1008缠绕在第二部分1006周围。在一些情况下，为了向柔性张紧元件1008添加预加载张力，柔性张紧元件1008从其围绕第一部分1004缠绕的初始状态移动到其围绕第一部分1004和第二部分1006两者缠绕的操作状态。在一些实施方式中，如果驱动柔性张紧元件1008以沿着自由度在第一方向上移动远端执行器，并且驱动另一个柔性张紧元件以沿着自由度在第二方向上移动远端执行器，则另一个柔性张紧元件附接到单独的驱动部件和动态张紧器。

如图11A和图11B所示，在一些实施方式中，动态预加载张紧器1100包括具有椭圆体轮廓、卵形轮廓和/或非圆形轮廓的水平部分1102，而不是含有具有不同直径的多个部分。动态张紧器1100安装到外科手术器械的底架上，使得动态张紧器1100可绕旋转中心1104旋转。驱动部件(未示出)可由如上所述的外科手术操纵器的驱动系统驱动以旋转动态预加载张紧器1100。水平部分1102包括例如第一区域1106和第二区域1108。第一区域1106具有与旋转中心1104的距离沿其长度变化的轮廓。例如，第二区域1108具有圆形轮廓，该轮廓在轮廓与水平部分1102的旋转中心1104之间具有恒定距离。

柔性张紧元件1110附接到动态张紧器1100，使得其缠绕在绞盘的水平部分1102周围。为了向柔性张紧元件1110添加预加载张力，柔性张紧元件1110缠绕在第一区域1106周围。当柔性张紧元件1110缠绕在第一区域1106周围时，柔性张紧元件1110的路径改变，例如，路径的长度减小。在初始动作中，柔性张紧元件1110缠绕在第一区域1106周围，以将预加载张力从第一值增加到第二值。在已经将预加载张力添加到柔性张紧元件1110的操作状态下，柔性张紧元件1110缠绕在第一区域1106和第二区域1108两者周围。柔性张紧元件1110在第二区域1108处开始远离动态张紧器1100延伸，使得缠绕在动态张紧器1100上的柔性张紧元件1110的长度量与动态张紧器1100的旋转量成比例。相反，当柔性张紧元件1110从第一区域处开始远离动态张紧器1100延伸时，在给定动态张紧器1100的旋转量的情况下，将更大长度量的柔性张紧元件缠绕到动态张紧器1100上。动态张紧器1100旋转以驱动柔性张紧元件从初始状态到操作状态。在一些实施方式中，如果驱动柔性张紧元件1110以沿着自由度在第一方向上移动远端执行器，并且驱动另一个柔性张紧元件以沿着自由度在第二方向上移动远端执行器，则另一个柔性张紧元件附接到单独的驱动部件和动态张紧器。

虽然操纵器的驱动系统已被描述为操作动态预加载张紧器，但是在一些实施方式中，例如由护士、临床医生或外科医生操作可手动操作的预加载张紧工具以操作动态张紧器。张紧工具例如是外科手术器械的底架的外表面上的开关、旋钮或其他装置，操作者手动操作动态张紧器以调节柔性张紧元件的路径。当被操作时，张紧工具可锁定在适当位置，使得由柔性张紧元件的可调节路径提供的预加载张力得以保持。在一些情况下，张紧工具耦接到本文示例中描述的用于动态张紧器的机构。例如，张紧工具代替驱动部件，使得通过张紧工具的手动操作而不是通过耦接到驱动部件的致动器的操作来添加预加载张力。

在一些实施方式中，动态预加载张紧器包括销，该销可移动地安装到底架并且可与柔性张紧元件接合，以在销相对于底架移动时改变柔性张紧元件的路径。例如，销在柔性张紧元件上施加横向载荷，该横向载荷使柔性张紧元件在销接触柔性张紧元件的位置处弯曲。柔性张紧元件的弯曲改变了柔性张紧元件的路径，例如，增加了路径长度。因此，路径变化向柔性张紧元件添加了预加载张力。

本文呈现的示例表明动态张紧器在一些情况下是可锁定的，使得可以保持使用动态张紧器添加的预加载张力。在一些实施方式中，动态张紧器可锁定在若干离散位置中的一个位置。例如，动态张紧器包括棘轮机构，当棘轮机构前进时，该棘轮机构将预加载张力添加到柔性张紧元件。在一些情况下，棘轮机构可重置以减小柔性张紧元件上的预加载张力。

在一些实施方式中，动态预加载张紧器使管状构件相对于底架旋转。例如，返回参考图1，替代的动态张紧器使管状构件115相对于底架102围绕管状构件115和底架102连接的点旋转。在柔性张紧元件106进入管状构件115的位置处，外科手术器械101包括例如当管状构件115相对于底架102旋转时柔性张紧元件106接合的支承表面。在支承表面和柔性张紧元件106之间的接合改变柔性张紧元件106的路径，例如，增加路径长度。

在一些实施方式中，仅当外科手术器械安装到操纵器时，才将预加载张力添加到柔性张紧元件。例如，控制器仅在检测到外科手术器械已经安装到操纵器时才操作操纵器的驱动系统。在一些情况下，操纵器的从动接口组件与外科手术器械上的致动杆接合。致动杆在被致动时激活动态预加载张紧器以将预加载张力添加到柔性张紧元件。在一些实施方式中，操纵器的从动接口组件包括用于检测与外科手术器械的接合的传感器。在检测到操纵器的从动接口组件与外科手术器械的接合时，传感器将信号发送到控制器，控制器进而操作致动器以驱动耦接到动态张紧器的驱动部件。

虽然已经关于一些实施方式描述了锁定机构和技术，但是在一些情况下，操纵器的控制器操作驱动输出以维持动态张紧器的位置并因此保持柔性张紧元件中的预加载张力。在动态张紧器耦接到由操纵器的驱动输出驱动的驱动部件的情况下，控制器锁定致动器以抑制驱动部件的旋转。例如，控制器响应于确定柔性张紧元件中的张力高于预定义阈值而锁定致动器。

因此，其他实施方式在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种计算机辅助外科手术系统，其包括外科手术器械，所述外科手术器械包括：

底架，其位于所述外科手术器械的近端处；

驱动部件，其安装在所述底架中；

远端部件，其位于所述外科手术器械的远端处；

柔性张紧元件，其耦接在所述驱动部件中的第一驱动部件和所述远端部件之间，其中所述柔性张紧元件沿路径延伸；以及

动态预加载张紧器，其安装在所述底架中并且耦接到所述驱动部件中的第二驱动部件，所述动态预加载张紧器被配置成由所述驱动部件中的所述第二驱动部件驱动以相对于所述底架移动，并且被定位以在所述动态预加载张紧器相对于所述底架移动时改变所述柔性张紧元件的所述路径。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

操纵器，所述外科手术器械被安装在所述操纵器上，

其中，所述操纵器包括：第一驱动输出，其被定位成驱动所述外科手术器械的所述驱动部件中的所述第一驱动部件；以及第二驱动输出，其被定位成驱动所述外科手术器械的所述驱动部件中的所述第二驱动部件。

3.根据权利要求2所述的系统，还包括：

存储器；以及

计算机处理器，其被配置成执行在所述存储器中存储的指令以执行包括驱动所述驱动部件中的所述第二驱动部件以将所述动态预加载张紧器从第一位置移动到第二位置的操作。

4.根据权利要求3所述的系统，其中当所述处理器接收到指示所述外科手术器械被安装到所述操纵器的信息时，驱动所述驱动部件中的所述第二驱动部件。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述操作还包括驱动所述驱动部件中的所述第二驱动部件，直到所述处理器接收到指示达到所述柔性张紧元件中的预定义张力的信息。

6.根据权利要求5所述的系统，其中指示所述柔性张紧元件中的所述预定义张力的所述信息基于驱动所述第二驱动输出的致动器的扭矩。

7.根据权利要求1所述的系统，其中：

在所述动态预加载张紧器的第一位置处，在所述柔性张紧元件中存在第一张力；以及

在所述动态预加载张紧器的第二位置处，在所述柔性张紧元件中存在第二张力，所述第二张力大于所述第一张力。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一张力为零。

9.根据权利要求1所述的系统，其中当所述动态预加载张紧器相对于所述底架移动时，所述动态预加载张紧器被定位成致使可调节的预载荷被施加到所述柔性张紧元件。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述柔性张紧元件由聚合物材料形成。

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