包括用于关节运动和校准的对抗控制的关节运动的制作方法

包括用于关节运动和校准的对抗控制的关节运动


背景技术：

1.由于术后恢复时间减少且瘢痕形成最小化，因此微创外科手术(mis)器械通常优于传统的开放式外科装置。最常见的mis手术可以是内窥镜式手术，并且内窥镜式手术的最常见形式是腹腔镜式外科手术，在该手术中，在患者的腹部中形成一个或多个小切口，并且通过切口插入套管针以形成进入腹腔的通路。套管针用于将各种器械和工具引入腹腔中，而且提供注气使腹壁升高到器官上方。器械可用于以多种方式接合和/或处理组织以达到诊断或治疗效果。
2.每个外科工具通常包括布置在其远侧端部处的端部执行器。示例性端部执行器包括夹钳、抓紧器、剪刀、缝合器和针保持器，并且类似于在常规(开放式)外科手术中使用的那些，不同的是每个工具的端部执行器通过约12英寸长的轴与其柄部分离。通常还将相机或图像捕获装置诸如内窥镜引入腹腔中，以使外科医生能够在操作期间观察外科手术视野和端部执行器的操作。外科医生能够通过与图像捕获装置通信的视觉显示器实时观察手术。
3.外科缝合器是一种类型的能够切割并同时缝合(紧固)所横切的组织的端部执行器。外科缝合器另选地被称为“直线切割器”，其包括能够打开和闭合以抓持和释放组织的相对钳口。一旦组织被抓持或夹持在相对的钳口之间，端部执行器就可被“击发”以朝远侧推进切割元件或刀以横切所抓持的组织。随着切割元件推进，容纳在端部执行器内的钉被渐进地部署以密封所横切的组织的相对侧。
4.外科工具包括能够进行关节运动的腕部，其被构造成能够允许端部执行器成角度进入期望取向。因此，需要一种能够进行关节运动的腕部，该腕部具有提供高自由度的接头。还需要一种系统，该系统用于对能够进行关节运动的腕部提供功率，使得其可以平滑地运动穿过组织，这在腕部上提供外部负载，并且保持其在经受此类外部负载时已进行关节运动的位置。此外，需要用于使外科手术的驱动输入部归位的系统，该系统在机器人操纵器中安装外科工具时，将能够进行关节运动的腕部重新定位成非关节运动取向，使得它可以通过套管针插入腹腔中。
附图说明
5.以下附图包括在内以示出本公开的某些方面，并且不应被视为排他性实施方案。在不脱离本公开的范围的情况下，本发明所公开的主题能够具有形式和功能上的大量修改、改变、组合和等同物。
6.图1是可结合本公开的一些或全部原理的示例性机器人外科系统的框图。
7.图2是图1的主控制台中的一个主控制台的示例性实施方案。
8.图3是根据一个或多个实施方案的图1的机器人操纵器的一个示例。
9.图4是可结合本公开的一些或全部原理的示例性外科工具的等轴侧视图。
10.图5示出了其中图4的腕部能够进行关节运动(枢转)的潜在自由度。
11.图6是根据一个或多个实施方案的图4的驱动外壳的底视图。
12.图7a和图7b是根据一个或多个实施方案的图4的驱动外壳的内部的暴露等轴视图。
13.图8a和图8b是描绘图7a至图7b的外科工具内的示例性齿轮系的暴露等轴视图。
14.图9a和图9b是图4的外科工具的暴露底视图。
15.图10a示出了根据本公开的一个或多个实施方案的可用于图9a和图9b的外科工具中的示例性能够进行关节运动的腕部。
16.图10b是根据本公开的一个或多个实施方案的图10a的能够进行关节运动的腕部的分解图。
17.图11a至图11c示出了根据本公开的各种实施方案的可编程到图6的计算机系统中以控制图6的驱动器的操作的各种示例性算法。
18.图12示出了一组曲线图，示出根据本公开的一个或多个实施方案的示例性归位系统的示例性操作。
19.图13示出了图10a至图10b中的腕部的示例性接头的暴露视图。
20.图14是根据本公开的一个或多个实施方案的用于控制图13的接头的关节运动的示例性方法的示意图。
21.图15a和图15b是图13的腕部的顶部暴露视图，示出了图14的方法的示例性操作。
22.图16是根据本公开的一个或多个实施方案的用于控制图13的接头的关节运动的另一种示例性方法的示意图。
23.图17a和图17b是示出根据本公开的一个或多个实施方案的用于致动腕部的示例性差分控制的曲线图。
24.图18示出了根据本公开的一个或多个实施方案的示例性闭合系统的力对比距离曲线。
具体实施方式
25.本公开涉及机器人外科手术，并且更具体地，涉及能够进行关节运动的腕部或接头、用于使能够进行关节运动的腕部归位的系统、以及用于确保腕部的准确定位的系统，所述能够进行关节运动的腕部用于当经受外部负载时将外科工具的端部执行器定位到用于使腕部关节运动到期望位置的系统，并且当经受负载时维持所述位置。
26.图1至图3示出了示例性机器人外科系统及其相关联的部件的结构和操作。虽然适用于机器人外科系统，但应当注意，在不脱离本公开的范围的情况下，本公开的原理可等同地或另选地应用于非机器人外科系统。
27.图1是可结合本公开的一些或全部原理的示例性机器人外科系统100的框图。如图所示，系统100可包括至少一个主控制台102a和至少一个机器人操纵器104。机器人操纵器104可以机械方式和/或电方式联接到一个或多个机器人臂106或以其他方式包括一个或多个机器人臂。在一些实施方案中，机器人操纵器104可安装到运输车(另选地被称为“臂车”)，该运输车使得机器人操纵器104和相关联的机器人臂106能够运动。每个机器人臂106可包括并以其他方式提供工具驱动器，其上可安装一个或多个外科器械或工具108，以对患者110执行各种外科手术任务。机器人臂106、对应的工具驱动器和相关联的工具108的操作可由临床医生112a(例如，外科医生)从主控制台102a进行指导。
28.在一些实施方案中，由第二临床医生112b操作的第二主控制台102b(以虚线示出)还可与第一临床医生112a一起帮助指导机器人臂106和工具108的操作。在此类实施方案中，例如，每个临床医生112a、112b可控制不同的机器人臂106，或者在一些情况下，机器人臂106的完全控制可在临床医生112a、112b之间传递。在一些实施方案中，可在外科手术期间对患者110使用具有附加机器人臂的附加机器人操纵器，并且这些附加机器人臂可由主控制台102a、102b中的一者或多者控制。
29.机器人操纵器104和主控制台102a、102b可经由通信链路114彼此通信，该通信链路可以是被配置成能够根据任何通信协议携带合适类型的信号(例如，电信号、光信号、红外信号等)的任何类型的有线或无线通信链路。通信链路114可以是实际物理链路，或者它可以是使用一个或多个实际物理链路的逻辑链路。当链路为逻辑链路时，物理链路的类型可以是数据链路、上行链路、下行链路、光纤链路、点对点链路，例如，如计算机网络领域中所熟知的用于指代连接网络节点的通信设施的那些。因此，临床医生112a、112b能够经由通信链路114远程控制机器人臂106，从而使得临床医生112a、112b能够远程对患者110进行手术。
30.图2是可用于控制图1的机器人操纵器104的操作的主控制台102a的一个示例性实施方案。如图所示，主控制台102a可包括支撑件202，临床医生112a、112b(图1)可将他/她的前臂搁置在该支撑件上，同时抓持一个或多个用户输入装置203，每只手一个。用户输入装置203可包括例如物理控制器，诸如但不限于操纵杆、外骨骼手套、主操纵器等，并且能够在多个自由度上运动以控制外科工具108(图1)的位置、取向和操作。在一些实施方案中，主控制台102a还可包括一个或多个脚踏板204，这些脚踏板能够由临床医生112a、112b接合以改变外科系统的构型和/或生成附加控制信号以控制外科工具108的操作。
31.当临床医生112a、112b(图1)经由视觉显示器206观察手术时，可操纵用户输入装置203和/或脚踏板204。在视觉显示器206上显示的图像可从内窥镜相机或“内窥镜”获得。在一些实施方案中，视觉显示器206可包括或以其他方式结合力反馈计或“力指示器”，该力反馈计或“力指示器”为临床医生112a、112b提供外科工具(即，切割器械或动态夹持构件)所采取的力的量值及所处方向的视觉指示。如将理解的那样，可采用其他传感器布置为主控制台102a提供其他外科工具度量的指示，诸如例如钉仓是否已加载到端部执行器中或砧座是否在击发之前已运动到闭合位置。
32.图3示出了根据一个或多个实施方案的可用于操作多个外科工具108的机器人操纵器104的一个示例。如图所示，机器人操纵器104可包括支撑竖直延伸的柱304的基座302。多个机器人臂106(示出了三个)可在滑架306处操作地联接到柱304，可选择性地调节滑架以改变机器人臂106相对于基座302的高度，如箭头a所示。
33.机器人臂106可包括能够手动进行关节运动的连杆，另选地被称为“装置关节”。在例示的实施方案中，外科工具108安装到设置在每个机器人臂106上的对应工具驱动器308。每个工具驱动器308可包括用于与外科工具108的对应的一个或多个驱动输入部相互作用的一个或多个驱动器或马达(有时称为驱动器610a-610f)，并且驱动输入部的致动致使相关联的外科工具108操作。
34.外科工具108中的一个外科工具可包括图像捕获装置310，诸如内窥镜，其可包括例如腹腔镜、关节镜、子宫镜，或者可另选地包括一些其他成像模态，诸如超声、红外、荧光
镜、磁共振成像等。图像捕获装置310具有位于细长轴的远侧端部处的观察端部，这允许观察端部通过入口插入患者身体的内部外科部位中。图像捕获装置310可以可通信地耦合到视觉显示器206(图2)并且能够实时传输图像以显示在视觉显示器206上。
35.其余的外科工具可以可通信地耦合到由临床医生112a、112b(图1)在主控制台102a(图2)处保持的用户输入装置。机器人臂106和相关联的外科工具108的运动可由临床医生112a、112b操纵用户输入装置来控制。如下文所详述，外科工具108可包括或以其他方式结合安装在对应的能够进行关节运动的腕部上的端部执行器，该腕部枢转地安装在相关联的细长轴的远侧端部上。细长轴允许端部执行器通过入口插入患者身体的内部外科部位中，并且用户输入装置还控制端部执行器的运动(致动)。
36.在使用中，将机器人操纵器104定位成靠近需要外科手术的患者，然后通常使其保持静止，直到完成待执行的外科手术。机器人操纵器104通常具有轮子或脚轮以使其能够运动。机器人臂106的横向定位和竖直定位可由临床医生112a、112b(图1)设定，以有利于通过入口将外科工具108的细长轴和图像捕获装置310传递到相对于外科部位的期望位置。当外科工具108和图像捕获装置310如此定位时，机器人臂106和滑架306可锁定就位。
37.图4是可结合本公开的一些或全部原理的示例性外科工具400的等轴侧视图。外科工具400可与图1和图3的外科工具108相同或类似，因此，可与机器人外科系统诸如图1的机器人外科系统100结合使用。如图所示，外科工具400包括细长轴402、端部执行器404、将端部执行器404联接到轴402的远侧端部的能够进行关节运动的腕部406(另选地被称为“腕部关节”)以及联接到轴402的近侧端部的驱动外壳408。在外科工具400与机器人外科系统结合使用的应用中，驱动外壳408可包括将外科工具400可释放地联接到机器人外科系统的联接特征部。然而，本公开的原理同样适用于非机器人的并且以其他方式能够手动操纵的外科工具。
38.术语“近侧”和“远侧”在本文中相对于机器人外科系统定义，该机器人外科系统具有被构造成能够将外科工具400(例如，驱动外壳408)以机械方式和电方式耦合到机器人操纵器的接口。术语“近侧”是指元件的更靠近机器人操纵器的位置，并且术语“远侧”是指元件的更靠近端部执行器404且因此更远离机器人操纵器的位置。此外，诸如上方、下方、上、下、向上、向下、左、右等的方向术语相对于示例性实施方案如它们在图中所示进行使用，向上或上方向朝向对应附图的顶部，向下或下方向朝向对应附图的底部。
39.外科工具400可具有能够执行一种或多种外科功能的多种构型中的任一种构型。在例示的实施方案中，端部执行器404包括被构造成能够切割并缝合(紧固)组织的外科缝合器，另选地被称为“直线切割器”。如图所示，端部执行器404包括被构造成能够在打开位置和闭合位置之间运动(关节运动)的相对的钳口410、412。然而，相对的钳口410、412可另选地形成其他类型的具有钳口的端部执行器的一部分，诸如但不限于组织抓紧器、外科剪刀、高级能量血管密封器、施夹器、针驱动器、包括一对相对的抓紧钳口的babcock钳、双极钳口(例如，双极maryland抓紧器、夹钳、有孔抓紧器等)等。钳口410、412中的一者或两者可被构造成能够枢转，以在打开位置和闭合位置之间致动端部执行器404。
40.在例示的实施方案中，第一钳口410可被表征为或以其他方式被称为“仓”钳口，并且第二钳口412可被表征为或以其他方式被称为“砧座”钳口。更具体地讲，第一钳口410可包括容纳或支撑钉仓的框架，并且第二钳口412相对于第一钳口410被枢转地支撑并且限定
作为砧座操作以形成在操作期间从钉仓射出的钉的表面。在使用中，第二钳口412能够在打开的松开位置与闭合的夹持位置之间旋转。然而，在其他实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，第一钳口410可相对于第二钳口412运动(旋转)。
41.腕部406使得端部执行器404能够相对于轴402进行关节运动(枢转)，并由此将端部执行器404定位在相对于外科部位的期望取向和位置处。图5示出了腕部406能够进行关节运动(枢转)的潜在自由度。腕部406可具有多种构型中的任一种构型。通常，腕部406包括被构造成能够允许端部执行器404相对于轴402的枢转运动的关节。腕部406的自由度由三个平移变量(即，进退、起伏和摇摆)以及三个旋转变量(即，欧拉角或滚转、俯仰和偏航)表示。平移变量和旋转变量描述了外科系统的部件(例如，端部执行器404)相对于给定参考笛卡尔坐标系的位置和取向。如图5所示，“进退”是指向前和向后的平移运动，“起伏”是指上下的平移运动，并且“摇摆”是指左右的平移运动。关于旋转术语，“滚转”是指左右倾斜，“俯仰”是指向前和向后倾斜，并且“偏航”是指左右转动。
42.枢转运动可包括围绕腕部406的第一轴线(例如，x轴线)的俯仰运动、围绕腕部406的第二轴线(例如，y轴线)的偏航运动以及它们的组合，以使得端部执行器404围绕腕部406进行360
°
旋转运动。在其他应用中，枢转运动可被限于在单个平面中的运动，例如，仅围绕腕部406的第一轴线的俯仰运动或仅围绕腕部406的第二轴线的偏航运动，使得端部执行器404仅在单个平面上运动。
43.再次参见图4，外科工具400可包括形成致动系统的一部分的多个驱动构件等(在图4中被遮挡)，该致动系统被配置成能够有利于腕部406的关节运动和端部执行器404的致动(操作)(例如，夹持、击发、旋转、关节运动、能量递送等)。一些驱动构件可延伸到腕部406，并且这些驱动构件的选择性致动致使端部执行器404在腕部406处相对于轴402进行关节运动(枢转)。端部执行器404在图4中示出为处于非关节运动位置，在该位置处，端部执行器404的纵向轴线a2与轴402的纵向轴线a1基本上对齐，使得端部执行器404相对于轴402成基本上为零的角度。在关节运动位置，纵向轴线a1、a2将彼此成角度地偏移，使得端部执行器404相对于轴402成非零角度。
44.其他驱动构件可延伸到端部执行器404，并且这些驱动构件的选择性致动可致使端部执行器404致动(操作)。在例示的实施方案中，致动端部执行器404可包括相对于第一钳口410闭合和/或打开第二钳口412(或反之亦然)，从而使得端部执行器404能够抓持(夹持)到组织上。此外，一旦组织被抓持或夹持在相对的钳口410、412之间，致动端部执行器404还可包括“击发”端部执行器404，这可指致使切割元件或刀(不可见)在限定于第二钳口410中的狭槽414内朝远侧推进。随着其朝远侧运动，切割元件可横切抓持在相对的钳口410、412之间的任何组织。此外，随着切割元件朝远侧推进，包含在钉仓内(即，容纳在第一钳口410内)的多个钉可被推压(做凸轮运动)成与设置在第二钳口412上的对应砧座表面(例如，凹坑)变形接触。所部署的钉可形成密封所横切的组织的相对侧的多行钉。
45.在一些实施方案中，外科工具400可被构造成能够向组织施加能量，诸如射频(rf)能量。在此类情况下，致动端部执行器404还可包括向抓持或夹持在两个相对钳口之间的组织施加能量以烧灼或密封所捕获的组织，之后可横切组织。
46.在一些实施方案中，外科工具400还可包括用户能够在驱动外壳408的外部触及的手动闭合装置416。如图所示，手动闭合装置416可包括可由用户抓持的旋钮。手动闭合装置
416可以操作地联接到驱动外壳408内的各种齿轮和/或驱动构件，以允许临床医生手动打开和闭合钳口410、412。在一些情况下，临床医生能够用手动闭合装置416完全夹持和完全松开钳口410、412。当外科工具400与外科机器人分离时，手动闭合装置416对于临床医生可能特别有用，因为具有打开和闭合钳口410、412的能力可消除对内部驱动构件或部件施加意外应力的需要。在临床医生想要在外科工具400仍附接到外科机器人时手动打开钳口410、412的情况下，临床医生可旋转手动闭合装置416以尝试打开端部执行器404。
47.图6示出了根据一个或多个实施方案的驱动外壳408的底视图。如图所示，驱动外壳408可包括用于将驱动外壳408操作地联接到工具驱动器604的工具安装部分602。工具驱动器604可以与图3的工具驱动器308相同或类似，并且因此可以与图1和图3的机器人操纵器104结合操作。将驱动外壳408安装到工具驱动器604会将驱动外壳408放置成与计算机系统606通信，该计算机系统可以与主控制器102a、102b(图1)的一部分通信或以其他方式形成主控制器的一部分。计算机系统608经由工具驱动器604的操作监测和引导驱动外壳408的操作，从而使得用户(例如，图1的临床医生112a、112b)能够通过主控制器102a、102b的工作来控制驱动外壳408的操作。
48.工具安装部分602包括并以其他方式提供将驱动外壳408以机械方式、磁方式和/或电方式耦合到工具驱动器604的接口。在至少一个实施方案中，工具安装部分602经由无菌阻隔件(未示出)将驱动外壳408联接到工具驱动器604。如图所示，工具安装部分602的接口可包括并支撑多个输入部，如驱动输入部608a、608b、608c、608d、608e和608f所示。每个驱动输入部608a-608f可包括可旋转盘或圆盘，该可旋转盘或圆盘被构造成能够与工具驱动器604的对应驱动器610a、610b、610c、610d、610e和610f对齐(配合)并联接。每个驱动输入部608a-608f和对应的驱动器610a-610f分别提供或限定一个或多个能够匹配的表面特征612和614，所述表面特征被配置成能够促进相对的表面特征612、614之间的配合接合，使得给定驱动器610a-610f的运动(旋转)对应地使相关联的驱动输入部608a-608f运动(旋转)。
49.工具驱动器604的每个驱动器610a-610f可包括或以其他方式包括被构造成能够致动对应驱动器610a-610f的马达616，并且给定驱动器610a-610f的致动对应地引起配合的驱动输入部608a-608f的致动，这有利于驱动外壳408的机构的操作。更具体地，马达616的致动可以引起对应驱动器610a-610f的旋转运动，这继而使相关联的驱动输入部608a-608f旋转。每个马达616可以与计算机系统606通信，并且基于由用户(例如，外科医生)提供的输入信号，计算机系统606可以选择性地使马达616中的任一个马达致动并由此驱动相应的驱动器610a-610f。
50.在一些实施方案中，第一驱动输入部608a经由第一驱动器610a的致动可控制轴402围绕其纵向轴线a1的旋转。根据第一驱动输入部608a的旋转方向，轴402可顺时针或逆时针旋转，从而对应地使端部执行器404(图4)沿相同方向旋转。第二驱动输入部608b和第三驱动输入部608c分别经由第二驱动器610b和第三驱动器610c的致动可控制端部执行器404在腕部406(图4)处的关节运动。第四驱动输入部608d和第五驱动输入部608e分别经由第四驱动器610d和第五驱动器610e的致动可致使轴402的外部部分(在本文中被称为“闭合管”)推进和回缩，从而闭合和打开钳口410、412(图4)。最后，第六驱动输入部608f经由第六驱动器610f的致动可致使端部执行器404击发，这可能需要远侧部署切割元件以横切由钳
口410、412抓持的组织并且同时部署容纳在钉仓内的钉，该钉仓被容纳在第一钳口410内。
51.工具安装部分602还可包括一个或多个电连接器618(示出为两个)，该电连接器被构造成能够与由工具驱动器604提供的对应电连接件620(示出为两个)配合以有利于驱动外壳408与工具驱动器604之间的通信。另选地，驱动外壳408可以诸如通过近场通信连接与工具驱动器604无线通信。驱动外壳408还可容纳或以其他方式包括内部计算机622，该内部计算机可包括存储器624和/或微处理器626。存储器624可包括一个或多个数据库或文库，该数据库或文库存储与驱动外壳408并且更具体地与外科工具400(图4)相关的数据。在一些实施方案中，存储器624可包括非暂态计算机可读介质，诸如只读存储器(rom)，其可以是prom、eprom、eeprom等。将驱动外壳408配合到工具驱动器604会将内部计算机622放置成与计算机系统606通信。
52.计算机系统606可被编程并且以其他方式被配置成能够使用各种传感器和/或机电装置(在本文中统称为“监测装置”)监测外科工具400(图4)的操作。每个监测装置可被设计成监测外科工具400的一个或多个操作参数，并将测量的操作参数报告到计算机系统606以进行处理。计算机系统606例如可以与一个或多个扭矩传感器628和/或一个或多个旋转编码器630通信，其中每一者可被表征为监测装置，该监测装置被设计成监测外科工具400的操作参数。扭矩传感器628例如可被配置成能够监测扭矩，并且旋转编码器630可被配置成能够监测运动(旋转或线性)。
53.扭矩传感器628和旋转编码器630可以结合到驱动器610a-610f中的一些或全部驱动器的马达616中，但是可以另选地操作地联接到驱动输入608a-608f中的一个或多个驱动输入部。扭矩传感器628可被配置成能够测量马达616上的实时扭矩负载，其对应于驱动器610a-610f和/或驱动输入608a-608f所假定的扭矩负载。旋转编码器630可以测量马达616的旋转运动或输出，其对应于驱动器610a-610f和/或驱动输入部608a-608f的旋转运动。监测马达616的扭矩负载和旋转运动可以有助于确定外科工具400是否根据由计算机系统606提供的命令进行操作。
54.参见图7a和图7b以及图8a和图8b，示出了根据一个或多个实施方案的驱动外壳408的内部的暴露等轴视图。图7a至图7b中省略了驱动外壳408的上部部分以允许观察内部工作部件和零件，并且图8a至图8b中省略了驱动外壳408的上部部分和下部部分以允许观察内部工作部件和零件。此外，图7a至图7b和图8a至图8b中省略了原本将包括在驱动外壳408内的若干组成部件，以简化附图并使得能够讨论所描绘的组成部件。
55.首先参见图7a，第一驱动轴702a联接到第一驱动输入部608a(图6)，使得第一驱动输入部608a的致动和旋转对应地使第一驱动轴702a旋转。螺旋驱动齿轮704联接到第一驱动轴702a并且随着第一驱动轴702a旋转而旋转。螺旋驱动齿轮704与螺旋从动齿轮706相互啮合，该螺旋从动齿轮操作地联接到轴402，并且更具体地联接到形成轴402的一部分的内接地构件或轴708。内接地轴708在本文称为“闭合管”的轴402的外部部分内同心地延伸。因此，第一驱动输入部608a的致动驱动第一驱动轴702a并且对应地驱动内接地轴708以使轴402围绕纵向轴线a1旋转。
56.第二驱动轴702b可联接到第二驱动输入部608b(图6)，使得第二驱动输入部608b的致动和旋转对应地使第二驱动轴702b旋转。在一些示例中，可以提供驱动系或传动装置以调节来自机器人操纵器(未示出)的一个或多个马达的机械增益输出。例如，如果第二驱
动器610b(图6)输出相对低的扭矩，可以利用一个或多个相互啮合的齿轮来增加由驱动轴702b上的第二驱动器610b赋予的扭矩。如在图8a至图8b中最佳例示，正齿轮709a附接并键合到第二驱动轴702b，使得正齿轮709a与驱动轴702b一致地旋转。而且，复合小齿轮710a可旋转地附接到第二驱动轴702b，使得复合小齿轮710a能够围绕并相对于第二驱动轴702b旋转。如图所示，复合小齿轮710a包括第一小齿轮711a和第二小齿轮713a，该第一小齿轮和第二小齿轮刚性地连接在一起，使得它们围绕第二驱动轴702b一起旋转。复合小齿轮710a中的第二小齿轮713a与第一从动齿条712a相互啮合，使得随着复合小齿轮710a在第一旋转方向上旋转，第一从动齿条712a对应地在第一纵向方向上平移；并且，随着复合小齿轮710a在第二旋转方向上旋转，第一从动齿条712a对应地在与第一纵向方向相反的第二纵向方向上平移。
57.此外，提供惰轮组件715a(图8a至图8b)以将第二驱动轴702b的旋转传递到复合小齿轮710a，并由此实现第一从动齿条712a在第一或第二纵向方向上的平移。在例示的示例中，惰轮组件715a是具有第一惰轮717a和第二惰轮719a的复合齿轮，该第二惰轮刚性地连接到第一惰轮717a，使得它们一致地一起旋转。在此，第一惰轮717a与键合到第二驱动轴702b的正齿轮709a啮合，并且第二惰轮719a与复合小齿轮710a中的第一小齿轮711a啮合，从而驱动第一从动齿条712a。因此，第二驱动器610b(图6)使第二驱动输入部608b旋转，这继而使第二驱动轴702b和连接到其的正齿轮709a旋转。正齿轮709a为惰轮组件715a中的第一惰轮717a赋予旋转，这继而还在第二惰轮719a键合到第一惰轮717a时对该第二惰轮赋予旋转。惰轮组件715a中的第二惰轮719a对复合小齿轮710a的第一小齿轮711a赋予旋转，这继而还在复合小齿轮710a中的第二小齿轮713a键合到第一小齿轮711a时对该第二小齿轮赋予旋转。如上所述，第二小齿轮713a的此类旋转引起第一驱动齿条712a的平移。
58.在第二驱动器610b(图6)与第一从动齿条712a之间传递功率的所示驱动系被构造成具有累积齿轮齿数比，该累积齿轮齿数比增加了复合小齿轮710a施加在第一驱动齿条712a上的扭矩，超出第二驱动器610b初始施加到驱动输入608b的扭矩。具体地，因为正齿轮709a比其所啮合的第一惰轮717a更小(即，更少的齿)，并且因为第二惰轮719a比其所啮合的第一小齿轮711更小(即，更少的齿)，作用于驱动第一驱动齿条712a的复合小齿轮710a上的扭矩显著大于经由第二驱动器610b初始施加在第二驱动轴702b上的扭矩。
59.第一从动齿条712a包括能够与第一关节运动轭716a配合的第一叉714a。更具体地，第一叉714a被构造成能够接纳在限定于第一关节运动轭716a中的环形狭槽718a(图7a和图8b)内，这允许第一关节运动轭716a随着内接地轴708旋转而围绕纵向轴线a1旋转。此外，在受到第二驱动轴702b的旋转的作用时，第一叉714a与环形狭槽718a之间的接合允许第一从动齿条712a沿纵向轴线a1(朝远侧或朝近侧)驱动第一关节运动轭716a。第一关节运动轭716a可联接到第一驱动构件720a，该第一驱动构件朝远侧延伸到腕部406(图4)。如图所示，第一驱动构件720a被布置在限定于内接地轴708中的对应狭槽内，使得在内接地轴708和第一驱动构件720a一起朝远侧延伸到腕部406(图8)时引导第一驱动构件。第一关节运动轭716a沿纵向轴线a1的轴向运动对应地使第一驱动构件720a运动，这导致腕部406和端部执行器404(图4)进行关节运动。
60.第三驱动轴702c联接到第三驱动输入部608c(图6)，使得第三驱动输入部608c的致动和旋转对应地使第三驱动轴702c旋转。类似于对联接到第二驱动输入部608b的第二驱
动轴702b的描述，可以提供驱动系或传动装置以调节机械增益，并且因此改变由第三驱动器610c(图6)初始施加到第三驱动轴702c的扭矩或速度。在例示的示例中，正齿轮709b附接并键合到第三驱动轴702c，使得正齿轮709b与第三驱动轴702c一致地旋转。复合小齿轮710b可旋转地附接到第三驱动轴702c，使得复合小齿轮710b可以围绕并相对于第三驱动轴702c旋转。如图所示，复合小齿轮710b包括第一小齿轮711b和第二小齿轮713b，该第一小齿轮和第二小齿轮刚性地连接在一起，使得它们围绕第三驱动轴702c一起旋转。复合小齿轮710b中的第二小齿轮713b与第二从动齿条712b相互啮合，使得在第一旋转方向上旋转复合小齿轮710b对应地在第一纵向方向上平移第二从动齿条712b。在第二旋转方向上旋转复合小齿轮710b对应地在与第一纵向方向相反的第二纵向方向上平移第二从动齿条712b。
61.此外，提供惰轮组件715b以将第三驱动轴702c的旋转传递到复合小齿轮710b，并由此实现第二从动齿条712b在第一或第二纵向方向上的平移。在例示的示例中，惰轮组件715b是具有第一惰轮717b和第二惰轮719b的复合齿轮，该第二惰轮刚性地连接到第一惰轮717b，使得它们一致地一起旋转。在此，第一惰轮717b与键合到第三驱动轴702c的正齿轮709b啮合，并且第二惰轮719b与复合小齿轮710b中的第一小齿轮711b啮合，从而驱动第二从动齿条712b。因此，第三驱动器610c(图6)使第三驱动输入部608c旋转，这继而使第三驱动轴702c和连接到其的正齿轮709b旋转。正齿轮709b为惰轮组件715b中的第一惰轮717b赋予旋转，这继而还在第二惰轮719b键合到第一惰轮717b时对该第二惰轮赋予旋转。惰轮组件715b中的第二惰轮719b对复合小齿轮710b中的第一小齿轮711b赋予旋转，这继而还在复合小齿轮710b中的第二小齿轮713b键合到第一小齿轮711b时对该第二小齿轮赋予旋转。如上所述，第二小齿轮713b的此类旋转引起第一驱动齿条712b的平移。在第三驱动器610c与第二从动齿条712b之间传递功率的所示驱动系被构造成具有累积齿轮齿数比，该累积齿轮齿数比导致作用于复合小齿轮710b上并由此施加在第二驱动齿条712b上的输出扭矩增加，超出第三驱动器610c初始施加到第三驱动输入部608c的扭矩。
62.第二从动齿条712b包括能够与第二关节运动轭716b配合的第二叉714b。更具体地讲，第二叉714b被构造成能够接纳在限定于第二关节运动轭716b中的环形狭槽718b内，这允许第二关节运动轭716b随着内接地轴708旋转而围绕纵向轴线a1旋转。此外，在受到第三驱动轴702c的旋转的作用时，第二叉714b与环形狭槽718b之间的接合允许第二从动齿条712b沿纵向轴线a1(朝远侧或朝近侧)驱动第二关节运动轭716b。第二关节运动轭716b可联接到第二驱动构件720b(图7a)，该第二驱动构件朝远侧延伸到腕部406(图4)。第二驱动构件720b被布置在限定于内接地轴708中的对应狭槽内，使得内接地轴708和第二驱动构件720b一起朝远侧延伸到腕部406(图8)时引导第二驱动构件。第二关节运动轭716b沿纵向轴线a1的轴向运动对应地使第二驱动构件720b运动，这导致腕部406和端部执行器404(图4)进行关节运动。
63.因此，第一关节运动轭716a和第二关节运动轭716b沿纵向轴线a1的轴向运动协作地致动驱动构件720a、720b，并由此使端部执行器404进行关节运动，如本文参考图9a至图9b和图10a至图10b进一步所述。在至少一个实施方案中，第一关节运动轭716a和第二关节运动轭716b主导地操作，使得关节运动轭716a、716b中的一者朝近侧拉动驱动构件720a、720b中的一者件，而另一个关节运动轭716a、716b朝远侧推动另一个驱动构件720a、720b。然而，在一些实施方案中，第一关节运动轭716a和第二关节运动轭716b可以独立地操作而
另一者不进行操作(受影响)，例如，它们可以在一个减小另一个的力效应的情况下对抗地操作。在对抗操作中，关节运动轭716a、716b中的一者用第一力朝近侧(或朝远侧)拉动(或推动)与其相关联的驱动构件720a、720b，而关节运动轭716a、716b中的另一者用第二力朝近侧(或朝远侧)拉动(或推动)与其相关联的驱动构件720a、720b，其中第一力大于第二力，使得第一力可以克服第二力，以及装置的内部损失(即，摩擦)和经由外部环境对端部执行器404赋予的负载，从而确保提供第一力的关节运动轭716a、716b朝近侧(或朝远侧)运动，而提供第二力的关节运动轭716a、716b朝远侧(或朝近侧)运动。如下所述，计算机系统606(图6)可被配置成能够控制驱动器610b、610c(图6)，该驱动器驱动驱动输入部608b-608c和互连驱动轴702b-702c，从而使关节运动轭716a、716b的致动同步。
64.第四驱动轴702d(图7a)和第五驱动轴702e(图7b)可分别联接到第四驱动输入部608d和第五驱动输入部608e(图6)，使得第四驱动输入608d和第五驱动输入部608e的致动和旋转对应地使第四驱动轴702d和第五驱动轴702e旋转。第四驱动轴702d和第五驱动轴702e的旋转可致使轴402的一部分推进或回缩。更具体地讲，轴402的外部部分可包括闭合管722，该闭合管轴向平移以使钳口410、412(图4)在打开位置和闭合位置之间运动。如图所示，每个驱动轴702d、702e具有附接到其上的正齿轮724，并且两个正齿轮724被定位成与安装到闭合轭726的主驱动齿轮725啮合。
65.闭合轭726可旋转地安装到闭合管722，但轴向地固定到其上。这允许闭合管722随着内接地轴708旋转而旋转，但也允许闭合轭726推进或回缩闭合管722。突起部727(图8a)从闭合轭726延伸或以其他方式联接到该闭合轭，并且突起部与限定于主驱动齿轮725内的凸轮表面或狭槽相互作用以有利于闭合轭726的轴向运动。因此，旋转正齿轮724导致主驱动齿轮725旋转，这对应地导致闭合轭726和互连的闭合管722轴向平移。
66.主驱动齿轮725也可以操作地联接到布置在驱动外壳408的外部上的手动闭合装置416。如图所示，手动闭合装置416可包括与安装到主驱动齿轮725的从动齿轮729相互啮合的驱动齿轮728。因此，用户可抓持并旋转手动闭合装置416以对应地使主驱动齿轮725旋转并由此抵靠从动齿轮729驱动驱动齿轮728，以使闭合轭426朝远侧和朝近侧运动，从而闭合和打开钳口410、412(图4)，如上文一般性地所述。在一个示例中，主驱动齿轮725在正齿轮724之间相互啮合，并且包括中心孔，该中心孔能够将主驱动齿轮725相对于正齿轮724旋转地安装在驱动外壳408(图7a至图7b)内。螺旋凸轮槽限定于主驱动齿轮725中，并且闭合轭726(图7a至图7b)的突起部727(图8a)被接纳在其中。在受到正齿轮724的作用时，主驱动齿轮725能够围绕延伸穿过中心孔的轴线旋转。随着主驱动齿轮725旋转，突起部跟随螺旋凸轮槽，并且螺旋凸轮槽的曲率迫使互连的闭合轭726相对于主驱动齿轮725纵向平移。当闭合轭726朝远侧运动时，闭合管722(图7a至图7b)对应地在远侧方向上运动并致使钳口410、412(图4)闭合。相比之下，当闭合轭726朝近侧运动时，闭合管722对应地在近侧方向上运动并致使钳口410、412打开。
67.图9a和图9b示出了根据一个或多个实施方案的外科工具400的暴露底视图。上文所述的大部分传动装置和致动机构被示出，但图9a至图9b中省略了轴402的整个驱动外壳408和闭合管722，以允许观察用于使驱动构件720a、720b和腕部406进行关节运动的内部工作部件和零件。此外，这些附图中省略了原本将被包括在驱动外壳408内的若干组成部件，以简化附图并使得能够讨论所描绘的组成部件。
68.参考图9a，内接地轴708在轴402内朝远侧延伸并且连接到腕部406。驱动构件720a、720b在限定于内接地轴708内的对应狭槽802a、802b内朝向腕部406朝远侧延伸。对应的狭槽802a、802b可设置在内接地轴708的相对侧上，或者可以在其他示例中围绕内接地轴708限定于其他位置。如下所述，驱动构件720a、720b的运动使腕部406进行关节运动。而且，内接地轴708被构造成能够实现腕部406围绕纵向轴线a1的旋转，即使当腕部406相对于纵向轴线a1关节运动到角度偏移位置时。
69.在例示的示例中，锁定或接地凹陷部(在视图中被遮挡)被形成到内接地轴708的远侧端部的底侧中，并且接地凹陷部限定一对锁定接片804a、804b，该一对锁定接片被构造成能够与腕部406的其他部件互锁。在此，腕部406的基座806经由锁定接片804a、804b整体地固定在内接地轴708的接地凹陷部内，使得在致动第一驱动输入部608a时内接地轴708在围绕纵向轴线a1旋转时承载腕部406。此外，狭槽802a、802b延伸穿过接地凹陷部和锁定接片804a、804b，其中狭槽802a、802b的下边界由基座806的上表面限定，如下所述。
70.腕部406还包括关节运动构件808，端部执行器404可以安装到该关节运动构件上关节运动构件808联接到基座806和驱动构件720a、720b，使得驱动构件720a、720b的运动使关节运动构件808相对于基座806进行关节运动。因此，腕部406和从其朝远侧延伸的端部执行器404可经由驱动构件720a、720b的运动成角度地偏移。
71.在图9b中，已移除内接地轴708。如图所示，驱动构件720a、720b在其远侧端部处经由第三连杆构件互连，该第三连杆构件如本文参考图10b描述并且在本文中被称为“远侧连接件”。因此，驱动构件720a、720b和远侧连接件一起构成连杆装置，该连杆装置被构造成能够在平行于纵向轴线a1的平面中使关节运动构件808相对于基座806进行关节运动。利用这种构型，驱动构件720a、720b沿纵向轴线a1在其对应的狭槽802a、802b(图9a)内进行对抗平移，使得当第一驱动构件720a朝远侧运动时，第二驱动构件702b朝近侧运动，反之亦然。更具体地，第一驱动构件720a的远侧运动作用于关节运动构件808，并且使关节运动构件808顺时针旋转并由此朝近侧推动第二驱动构件720b。因此，当第二驱动构件720b朝近侧运动时，第一驱动构件720a朝远侧运动，从而使腕部406在平面中进行关节运动，使得其相对于内接地轴708以非零角度成角度地偏移。如上所述，腕部406还被构造成能够与内接地轴708一起围绕纵向轴线a1旋转，并由此使其中关节运动构件808进行关节运动(围绕纵向轴线a1360
°
)的平面旋转。
72.图10a示出了根据一个或多个实施方案的腕部406的底视图。如图所示，基座806附接到内接地轴708并且被布置在闭合管722内。在此，闭合管722包括具有一对孔1004的远侧连接叉1002。此外，提供具有一对销1008、1010的闭合连接件1006，并且当基座806和内接地轴708被布置在闭合管722内时，闭合连接件1006的第一销1008被接纳在远侧连接叉1002中的孔1004中的一个孔内。闭合连接件1006用于围绕关节运动接头传递闭合动作。例如，闭合连接件1006可以将闭合管722的闭合负载或平移传递到闭合环(未示出)，该闭合环可联接到闭合连接件1006的第二销1010，该第二销拉动或推动上钳口(砧座)打开或闭合。而且，关节运动构件808能够围绕关节运动轴线a3旋转，在例示的示例中，该关节运动轴线被示出为延伸穿过闭合连接件1006的第二销1010。
73.图10b示出了图10a的腕部406的分解等轴视图。如所提及，接地构件708包括接地凹陷部，该接地凹陷部被构造成能够将基座806刚性地固定到其上。如图所示，内接地轴708
包括形成于内接地轴708的远侧端部中的一对接地凹陷部1012、1014。如图所示，接地凹陷部1012、1014限定或提供锁定接片804a、804b，该锁定接片被构造成能够接合基座806并且抑制其间的相对旋转。在例示的示例中，基座806包括一对凹口1016a和1016b，该一对凹口被构造成能够接纳锁定接片804a、804b，并且一对凹口1016a、1016b限定被构造成能够在组装时被接纳在接地凹陷部1014内的近侧锁定凸缘1018。当基座806被组装在内接地轴708上，并且锁定接片804a、804b延伸到凹口1016a、1016b中并且近侧锁定凸缘1018延伸到接地凹陷部1014中时，基座806将如上所述与内接地轴708一起旋转。
74.而且，狭槽802a、802b被示出为沿内接地轴708纵向延伸。狭槽802a、802b各自由内接地轴708的上表面1020和内接地轴708的下表面1022限定或界定。在例示的示例中，上表面1020沿内接地轴708的长度是基本上连续的，但下表面1022由于接地凹陷部1012、1014而不连续或断开。如图所示，下表面1022沿与接地凹陷部1012相对应的内接地轴708的远侧部分不存在，并且接地凹陷部1014插入下表面1022的近侧部分和下表面1022的沿锁定接片804a、804b延伸的远侧部分。
75.然而，基座806包括下表面1024，该下表面在与接地凹陷部1012、1014相对应的位置处限定或界定狭槽802a、802b的部分。如图所示，基座806的下表面1024沿基座806的近侧锁定凸缘1018延伸，但不连续且经由凹口1016a、1016b断开，然后从其朝远侧延伸。因此，当基座806被组装在内接地轴708上时，狭槽802a、802b由内接地轴708的上表面1020和下表面1022沿其近侧部分并沿锁定接片804a、804b界定；而狭槽802a、802b在沿与接地凹陷部1012、1014相对应的内接地轴708的位置处由内接地轴708的上表面1020和基座806的下表面1024界定。
76.基座806具有上部部分1026和下部部分1028。如图所示，下表面1024限定基座806的下部部分1028的上表面，并由此将上部部分1026与下部部分1028分开。基座806还包括位于基座806的远侧端部处的关节运动部分1030。关节运动部分1030被构造成能够接纳关节运动构件808并且允许关节运动构件808相对于基座806旋转。如图所示，关节运动部分1030包括从基座806的上部部分1026朝远侧延伸的延伸构件1032和被定向在关节运动轴线a3上以接纳关节运动构件808的枢轴1034。如图所示，枢轴1034从上部部分1026朝向下部部分1028向下延伸。此外，关节运动部分1030包括被形成到基座806的远侧端部处的下部部分1028中的凹陷部1036，该凹陷部被构造成能够接纳关节运动构件808并且允许其在凹陷部1036内旋转。如图所示，枢轴1034向下延伸到凹陷部1036中，并且下部部分1028的远侧面1038包括与关节运动构件808的曲率相对应的曲率，如下所述。
77.此外，凹陷部1040被形成到延伸构件1032的远侧端部中以用于接纳与驱动构件720a、720b互连的远侧连接件，如下所述。凹陷部1040由远侧连接件可在其上滑动的滑动表面1042和远侧连接件可在其上进行关节运动或枢转的延伸构件1032的上远侧面1044限定，并且上远侧面1044可包括与远侧连接件的曲率相对应的曲率。而且，在例示的示例中，延伸构件1032的下远侧面1046包括与关节运动构件808的曲率相对应的曲率。
78.关节运动构件808包括位于其远侧端部处的端部执行器安装部分1050和从端部执行器安装部分1050朝近侧延伸的联接部分1052。端部执行器安装部分1050被构造成能够接纳端部执行器，例如图4所示的外科工具400的端部执行器404。联接部分1052被构造成能够被接纳并可旋转地联接在基座806的远侧端部中的凹陷部1036内，使得其可以在由驱动构
件720a、720b致动时相对于基座806进行关节运动。
79.关节运动构件808包括延伸穿过联接部分1052的孔1054。孔1054被构造成能够接纳基座806的枢轴1034，并且因此当关节运动构件808被组装在基座806上时沿着关节运动轴线a3定向。当基座806和关节运动构件808与延伸穿过孔1054的枢轴1034组装在一起时，关节运动构件808的联接部分1052被设置在限定于基座806的下部部分1028中的凹陷部1036内，使得关节运动构件808可以围绕关节运动轴线a3相对于基座806旋转。在此，联接部分1052的近侧面1056邻接基座806的远侧面1038，并且因此包括与下部部分1028的远侧面1038的曲率相对应的曲率，如上所述。而且，当关节运动构件808被组装在基座806上时，端部执行器安装部分1050的近侧面1058邻接延伸构件1032的下远侧面1046。因此，近侧面1058包括与延伸构件1032的下远侧面1046的曲率相对应的曲率，并且在一些示例中，近侧面1058的曲率由等于延伸构件1032延伸超过关节运动轴线a3的扫掠距离(即，关节运动轴线a3与下远侧面1046之间的距离)的半径限定。
80.关节运动构件808包括被构造成能够由驱动构件720a、720b接合的一对驱动销1060a、1060b。在此，驱动销1060a、1060b从联接部分1052的上表面1062向上延伸。当基座806和关节运动构件808组装在一起，并且联接部分1052可旋转地设置在凹陷部1036内并且枢轴1034延伸穿过孔1054时，联接部分1052的上表面1062与基座806的下表面1024基本上对齐或呈平面，使得驱动构件720a、720b可以在其上无阻碍地滑动。而且，驱动销1060a、1060b从联接部分1052的上表面1062向上延伸足够的距离，使得它们当骑在狭槽802a、802b中时可以由驱动构件720a、720b接合。
81.在例示的示例中，驱动销1060a、1060b从上表面1062向上延伸，并且各自终止于销端部1064a、1064b处。在此，销端部1064a、1064b是从驱动销1060a、1060b向上延伸的圆柱形构件，并且从驱动销1060a、1060b的它们从其同轴延伸处具有减小的直径。销端部1064a、1064b各自限定表面1066，该表面与基座806的延伸到其延伸构件1032上的上表面1068基本上对齐或呈平面。因此，当基座806和关节运动构件808被组装在一起时，驱动销1060a、1060b从滑动表面1042向上延伸，并且销端部1064a、1064b从驱动销1060a、1060b向上延伸，使得销端部1064a、1064b的表面1066与基座806的上表面1068平行定向。然而，在其他示例中，驱动销1060a、1060b和/或销端部1064a、1064b可以在不同高度处向上延伸，并且在一些示例中，驱动销1060a、1060b不包括销端部1064a、1064b，使得驱动销1060a、1060b是具有均匀直径的圆柱形构件。
82.图10b还示出了驱动构件720a、720b，其中每一者提供分别被构造成能够接合关节运动构件808的远侧端部1070a和1070b。驱动销孔1072被设置在每个驱动构件720a、720b的远侧端部1070a、1070b处，并且被构造成能够在关节运动构件808被组装在基座806上时接纳关节运动构件808的驱动销1060a、1060b，并且在驱动构件720a、720b被致动以使腕部406进行关节运动时允许驱动销1060a、1060b在对应的孔1072内横向平移。驱动销孔1072可具有各种几何形状，例如矩形或正方形几何形状。在例示的示例中，驱动销孔1072具有带圆角的大致矩形的形状，其允许驱动销1060a、1060b在关节运动期间相对平移。无论其形状如何，驱动销孔1072的尺寸被设定成接纳驱动销1060a、1060b或驱动销1060a、1060b的至少一部分。
83.而且，驱动构件720a、720b的远侧端部1070a、1070b经由远侧连接件1074被约束在
一起。如上所述，驱动构件720a、720b和远侧连接件1074一起构成连杆，该连杆使关节运动构件808进行关节运动。远侧连接件1074包括与驱动构件720a、720b的远侧端部1070a、1070b相对应的一对翼部1076a和1076b，并且每个翼部1076a、1076b包括被构造成能够接纳驱动销1060a、1060b中的一者或其一部分的孔1078。在例示的示例中，孔1078为被构造成能够接纳驱动销1060a、1060b的销端部1064a、1064b的圆形孔。在驱动销1060a、1060b不包括直径减小的销端部1064a、1064b的示例中，孔1078可以是尺寸被设定成接纳驱动销1060a、1060b的圆形孔。然而，孔1078也可具有各种其他形状。在一些示例中，孔1078被成形为与驱动构件720a、720b的驱动销孔1072相对应。此外，远侧连接件1074包括将翼部1076a、1076b互连的桥接部分1080，并且桥接部分1080包括内部枢轴表面1082，该内部枢轴表面被构造成能够在(基座806的)延伸构件1032的上远侧面1044上接合和枢转。在此，枢轴表面1082包括与上远侧面1044的曲率相对应的曲率。
84.当组装时，驱动销1060a、1060b将驱动构件720a、720b联接到远侧连接件1074。例如，驱动构件720a、720b沿下表面1022、1024在狭槽802a、802b中朝远侧延伸，并且远侧端部1070a、1070b在关节运动构件808的联接部分1052上方延伸，其中驱动销1060a、1060b的下部部分向上延伸到驱动构件720a、720b中的孔1072中。而且，远侧连接件1074被布置在基座806的凹陷部1042中，其中桥接部分1080被设置在滑动表面1042上，并且枢转表面1082邻接上远侧面1044，使得驱动销1060a、1060b的销端部1064a、1064b向上延伸穿过远侧连接件1074的孔1078。驱动构件720a、720b的平移推动和拉动关节运动构件808的驱动销1060a、1060b，从而使关节运动构件808围绕关节运动轴线a3旋转。因此，关节运动构件808可以围绕关节运动轴线a3旋转，从而经由接合驱动输入部608b、608c(图6)的驱动器610b、610c(图6)的激活使腕部406进行关节运动。
85.再次参见图7a和图7b，第六驱动轴702f联接到第六驱动输入部608f(图6)，使得第六驱动输入部608f的致动和旋转对应地使第六驱动轴702f旋转。旋转第六驱动轴702f可推进和回缩延伸穿过轴402到达端部执行器404(图4)的击发杆(未示出)。击发杆的远侧端部操作地联接到切割元件(刀)，使得击发杆的轴向运动对应地使切割元件朝远侧或朝近侧运动以横切抓持在钳口410、412之间的组织(图4)。在一些实施方案中，击发杆的远侧运动也部署钉，如上所述。
86.正齿轮730联接到第六驱动轴702f，使得第六驱动轴702f的旋转对应地使正齿轮730旋转。正齿轮730与附接到第一传送驱动轴734的第二正齿轮732相互啮合。第三正齿轮(不可见)联接到第一传送驱动轴734并且与附接到第二传送驱动轴738的第四正齿轮736相互啮合。最后，输出小齿轮740(图7a)联接到第二传送驱动轴738并且与击发构件744的齿条传动装置742相互啮合，使得输出小齿轮740的旋转致使击发构件744轴向平移。击发构件744可联接到上述击发杆(未示出)。因此，第六驱动轴702f的旋转将驱动击发构件744轴向平移，这对应地在相同方向上驱动击发杆以推进和回缩端部执行器404处的切割元件(图4)。
87.如上所述，工具驱动器604(图6)包括被构造成能够致动对应的驱动输入部608a-608f(图6)的一个或多个驱动器610a-610f(图6)，并且每个驱动器610a-610f可以由对应的马达616(图6)提供功率。驱动器610a-610f与对应的驱动输入部608a-608f之间的配合接合允许驱动器610a-610f被激活以向从驱动输入部608a-608f延伸的对应的驱动轴702a-f赋
予旋转。如所提及，腕部406通过驱动第二驱动输入部608b和第三驱动输入部608c来进行关节运动，该第二驱动输入部和第三驱动输入部可以一次一个地由第二驱动器610b和第三驱动器610c驱动。然而，为了增加可用扭矩，驱动输入部608b、608c可以同时由两个驱动器610b、610c对抗驱动。
88.当用驱动器610b、610c控制腕部406的关节运动会增加潜在扭矩以实现腕部406的期望关节运动时，同时操作驱动器610b、610c会带来过度约束机制的可能性，从而损害外科工具400的操作。因此，机器人外科系统100可包括计算机系统600(图6)，该计算机系统被配置成能够控制和同步驱动器610b、610c(或图6的驱动器610a-610f中的任何两个或更多个驱动器)的操作，使得它们更有效地作为单个输入(即，用作单个驱动器)操作。这可以有助于防止过度约束与其联接的驱动部件，诸如驱动输入部608b、608c(图6)、驱动轴702b、702c(图7a至图7b)、关节运动轭716a、716b(图7a至图7b)等。
89.图11a至图11c示出了根据本公开的各种实施方案的可编程到图6的计算机系统600中以控制第二驱动器610b和第三驱动器610c(图6)的操作的各种示例性算法。每个算法识别并操作对应于驱动器610b、610c中的一者的“主马达”，以及对应于驱动器610b、610c中的另一者的“从马达”。如上所述，第二驱动器610b和第三驱动器610c操作地联接到驱动输入部608b、608c(图6)，以引起对应的驱动轴702b、702c的旋转。本文所述的算法可包括编程到计算机系统600中的软件代码指令，以有助于防止驱动外壳408内联接到驱动器610b、610c的内部驱动机构的机械结合。
90.应当指出的是，虽然本文相对于驱动器610b、610c引起驱动轴702b、702c的旋转的操作来描述示例性算法，但是也可以相对于驱动器610a-610f(图6)中的任何其他驱动器利用一个或多个算法。例如，这些算法中的一个或多个算法可以另选地(或除此之外)被配置成能够控制操作地联接到第五驱动轴702e和第六驱动轴702d的第五驱动器610e和第六驱动器610f，以引起钳口410、412(图4)的夹持。
91.在图11a中，第一算法1100a可被配置成能够使用反馈控制“主马达”的位置以实现由临床医生112a设置的装置目标。更具体地，第一算法1100a可被配置成能够基于主电流而直接控制从电流。在此，目标从电流等于输出到“主马达”的实际主电流。在例示的示例中，第二驱动器610b被指定为“主马达”，并且第三驱动器610c被指定为“从马达”。临床医生112a可以夹紧或操纵用户输入装置203以实现腕部406关节运动成期望的取向或腕部角度。因此，临床医生112经由用户输入装置203的操纵将腕部406的期望取向或腕部角度输入到计算机系统600(图6)中。类似地，临床医生112a可以夹紧或操纵用户输入装置203以实现钳口410、412(图4)中的任一者或两者运动进入期望的取向或闭合角度，并由此将钳口410、412的期望取向或闭合角度输入到计算机系统606中。通过应用算法1100a，计算机系统606然后使用用于机构运动或定位腕部406(和/或钳口410、412等)的式将腕部406的期望取向或腕部角度(和/或钳口410、412的期望取向或闭合角度、端部执行器404位置目标等)转换为主马达位置目标。在一个示例中，所述式为：
92.[0093][0094]
在这些式中，“销半径”为(基座806的)枢轴1034的中心轴线与(关节运动构件808的)销1060a、1060b中的一者的中心轴线之间的距离，如在腕部406进行关节运动的平面中所评估，其中“齿轮半径”为复合小齿轮710a、710b中的第二小齿轮713a、713b的半径，并且“齿轮齿数比”为正齿轮709a、709b、惰轮组件715a、715b和第一小齿轮711a、711b的组合齿轮齿数比。
[0095]
经由算法1100a，计算机系统606(图6)可连续地监测“主马达”相对于主马达位置目标的实际位置(例如，角位置)，然后从主马达目标位置中减去主马达实际位置以得到主位置误差。基于算法1100a，计算机系统606然后可根据主位置误差、主位置误差的变化和/或主位置误差随时间的累积而通过主或主要控制回路向“主马达”供应电压。同时，主控制回路的主位置误差被馈送到“从马达”的辅助或从控制回路。
[0096]
在一些实施方案中，算法1100a可以利用查找表将主位置误差转换为从马达目标电流，并且从控制回路的反馈控制器监测从马达实际电流并调节供应到“从马达”的电压以实现从马达目标电流。在这样做时，“主马达”用于实现目标马达位置(与腕部406的期望取向或腕部角度和/或钳口410、412的期望闭合角度相对应)，其中“从马达”通过帮助在与“主马达”所驱动的相同方向上推动或拉动内部驱动部件来协同操作，而不是在与“主马达”所驱动的相反方向上抵抗或推动此类内部驱动部件。例如，在第二驱动器610b引起驱动轴702b旋转以朝远侧平移第一驱动构件720a并由此使腕部406进行关节运动时，第三驱动器610c将通过使第三驱动轴702c旋转来帮助实现此类期望的关节运动，并由此使第二驱动构件720b朝近侧运动。因此，两个驱动器610b、610c可以协同工作以互补地引起腕部406的关节运动(即，主导地)，而不是在驱动器610b、610c中的一者可能抵消另一者输出的力的情况下使驱动器610b、610c中的仅一者独立地操作(即，对抗地)。
[0097]
图11b是可被编程到图6的计算机系统606中的另一算法1100b的示意图。第二算法1100b可被配置成能够基于主电流的比例来控制从电流。在此，目标从电流等于输出到“主马达”的实际主电流的比例。
[0098]
图11c是可被编程到图6的计算机系统606中的第三算法1100c的示意图。第三算法1100c可被配置成能够基于在“主马达”中感测到的主电流和方向变化的比例来控制从电流。更具体地，“主马达”方向变化被感测为正值或负值之间的主电流变化(反之亦然)，并且每个此类方向变化产生衰减电流峰值，该衰减电流峰值被添加到输出到“主马达”的实际主电流的比例。除了成比例的主电流之外，还使用在“主马达”的每个方向变化之后生成的指数衰减电流峰值有助于“从马达”赶上“主马达”。
[0099]
如本文所述，图6的驱动器610a-610f被配置成能够与对应驱动输入部608a-608f(图6)配合以引起连接到其的相关联的驱动轴702a-f(图7a至图7b)的旋转，这导致端部执行器404(图4)和/或腕部406(图4)的各种运动。每个驱动输入部608a-608f可具有中间或非关节运动位置，在该中间或非关节运动位置中，它们不会向端部执行器404和/或腕部406赋予对应的运动，但是驱动输入部608a-608f有时可以在工具400(图6)联接到工具驱动器604之前从中间位置运动。在一些情况下，例如，驱动输入部608a-608f可能先前已从其中间位置被致动，以在先前使用期间引起端部执行器404和/或腕部406中的运动。在其他情况下，
或除此之外，驱动输入部608a-608f中的一者或多者可以在消毒或清洁期间旋转出其中间位置。
[0100]
然而，重要的是能够在使用期间或之前快速且准确地将驱动输入部608a-608f返回到中间位置。为了确保驱动器610a-610f不命令驱动输入部608a-608f到达可能对外科工具400造成损坏的位置，可以提供系统以准确地使外科工具400或外科工具400的一个或多个子系统“归位”。例如，驱动输入部608a-608f可具有与端部执行器404和/或腕部406的已知位置相对应的起始位置，并且使外科工具400归位可以将驱动器610a-610f以及相关地连接到其的驱动输入部608a-608f的角位置与端部执行器404和/或腕部406的已知位置相关联。不仅可以利用该关系来抑制原本可能对外科工具400造成损坏的驱动输入部608a-608f的过度致动(或过度旋转)，而且该关系还可用于建立端部执行器404和/或腕部406在空间中的实际位置。
[0101]
常规的归位系统通常利用机械限制开关并且紧密地监测驱动器610a-610f输出的扭矩以找到驱动输入部608a-608f的起始位置。然而，为此，驱动器610a-610f必须缓慢旋转以便能够在碰到硬停止之前检测扭矩峰值并潜在地破坏与限制开关相关联的部件。这可以为归位序列增加大量时间，尤其是当利用具有高齿轮齿数比的外科工具时。
[0102]
根据本公开的实施方案，机器人外科系统100(图1)可包括归位系统，该归位系统被配置成能够使驱动输入部608a-608f快速返回到其中间位置。外科工具400(图4)可被制造为安装在机器人操纵器的无菌阻隔件上，使得驱动输入部608a-608f的旋转位置是已知的。例如，当处于某一旋转位置时，驱动输入部608a-608f可以各自键合以联接到其对应的驱动器610a-610f。这允许归位系统在外科工具400联接到工具驱动器604(图6)时识别驱动输入部608a-608f的相对旋转(角)位置，并且将驱动输入部608a-608f的相对旋转位置与归位系统已知的驱动器610a-610f的特定累积马达位置相关联。
[0103]
在制造期间，外科工具400被校准以确定驱动输入部608a-608f中的每一者处于其起始位置(例如，180
°
)时的绝对旋转值，并且当外科工具400联接到工具驱动器604(图6)时，这些已知校准的起始位置存储在外科工具400的存储器中并且能够由外科系统100访问。窗口或“慢区”是驱动输入部608a-608f可处于起始位置(例如，180
°±
40
°
)时围绕已知校准的起始位置的一系列旋转位置，可以在已知校准的起始位置周围构建并且类似地存储在外科工具400的存储器(例如，图6的计算机系统606)中。归位系统可以与旋转编码器630(图6)通信，以确定每个驱动输入部608a-608f的角位置和/或旋转位置。当基于如通过对应的旋转编码器630所测量的驱动器610a-610f的绝对马达位置，驱动输入部608a-608f在对应的“慢区”附近旋转时，归位系统可被编程为减小驱动器610a-610f使驱动输入部608a-608f旋转的速度。
[0104]
图12示出了根据一个或多个实施方案的示出被配置成能够基于驱动器610a-610f和/或操作性地联接到其的驱动输入部608a-608f的旋转位置智能地调节外科工具400(图4)的归位速度的示例性归位系统的操作的上图、中间图和下图。在例示的示例中，外科工具400被制造成使得驱动输入部608a-608f中的一者的起始位置发生在180
°
的绝对角位置处，并且外科工具400被校准以确定驱动输入部608a-608f可以从该起始位置旋转(顺时针或逆时针)六(6)个整圈，直到达到极限。驱动输入部608a-608f的中间位置位于总范围的中点处。子系统在中间位置之前的位置将为负；而子系统在中间位置之后的位置将为正。在该示
例中，外科工具400具有一定齿轮齿数比，使得驱动输入部608a-608f中的一者的三(3)次旋转导致端部执行器404的一(1)次旋转。此信息可以存储在外科工具400中，诸如计算机系统606(图6)或内部计算机622(图6)的存储器624(图6)中。将驱动外壳408配合到工具驱动器604会将内部计算机622放置成与计算机系统606通信。而且，80
°
的“慢区”被设计成涵盖驱动输入部608a-608f的绝对角位置，从而提供范围在180
°
的绝对角位置之前和之后的40
°
缓冲区(例如，180
°±
40
°
)，其可以与处于起始位置的驱动输入部608a-608f相对应，并且该信息也存储在外科工具400中。
[0105]
在图12中，上图示出了以度为单位的端部执行器404的角位置对比以度为单位的相对子系统位置。在该示例中，外科工具400在从起始位置的最大六(6)个整圈开始归位程序。该图示出了子系统在其位置的负极端处开始，朝向中间位置运动，并且在该方向上继续，直到到达其正极端。
[0106]
图12中的中间图示出了驱动输入部608a-608f中的一者的旋转位置的以度为单位的绝对角测量对比以度为单位的相对子系统位置。该图示出了驱动输入部608a-608f中的一者在达到360
°
之后返回到0
°
的绝对角位置，因为其显示驱动输入部608a-608f的绝对位置而不是增量位置。该图示出了在键合到已知相对子系统位置的180
°
的绝对角位置处发生的潜在中间位置，以及驱动器610a-610f如何使驱动输入部608a-608f旋转六(6)个整圈，直到达到实际中间位置。此外，该图示出了围绕驱动输入部608a-608f中的一者的绝对角位置构建的80
°“
慢区”，以及“慢区”如何键合到驱动器610a-610f的已知累积位置。
[0107]
图12中的下图示出了归位系统可如何基于以度为单位的相对子系统位置来调节驱动器610a-610f驱动驱动输入部608a-608f的速度。在此，下图示出了驱动器610a-610f在驱动输入部608a-608f未在“慢区”内旋转地定向时使驱动输入部608a-608f以第一速度旋转，然后当驱动输入部608a-608f在“慢区”内旋转地定向时将速度逐步降低到小于第一速度的第二速度。
[0108]
图13示出了根据本公开的一个或多个实施方案的用于帮助促进腕部406的关节运动的关节运动接头1300。如上所述，腕部406可通过对抗地致动连杆组件而在平面内进行关节运动。更具体地，腕部406可通过推动第一驱动构件720a同时拉动第二驱动构件720b而顺时针旋转，并且腕部406可通过拉动第一驱动构件720a同时推动第二驱动构件720b而逆时针旋转。因此，接头1300可经由第一驱动构件720a和第二驱动构件720b的对抗平移而旋转，并且如先前所述，驱动构件720a、720b分别通过第二驱动输入部608b和第三驱动输入部608c(图4)的操作来致动，这继而分别由第二驱动器610b和第三驱动器610c(图4)驱动。
[0109]
然而，在外科手术期间，端部执行器404和腕部406可设置在体腔内并潜在地邻接患者组织。在这种情况下，关节运动接头1300可能潜在地需要使相邻组织运动。因此，为了使腕部406运动到期望的取向，机器人外科系统100可被配置成能够使得第二驱动器610b和第三驱动器610c(图4)使驱动构件720a、720b以足以克服在手术期间由组织施加的任何外部负载的力平移，并且即使在经受这种外部负载时也保持或维持该期望的取向。
[0110]
图14是根据一个或多个实施方案的可用于经由图13的接头1300控制腕部406的关节运动的示例性控制方案1400的示意图。在例示的示例中，控制方案1400利用允许关节运动接头1300的平滑且连续的关节运动的算法，锁定关节运动接头1300，使得其不能被外部负载运动，并且在关节运动接头1300关节运动到期望角度时主动对抗任何外部负载起作
用。
[0111]
在例示的示例中，控制方案1400开始于起始点1402。控制方案1400首先确定使接头1300进行关节运动的机构是否正确归位，如在节点1404处。如果接头1300未正确归位，则控制方案1400启动归位序列或归位过程，如在1406处。在1406的归位过程期间，通过将驱动构件720a、720b同样对抗地关节运动(即，分别拉动和推动)到对应驱动器610b、610c的规定扭矩或电流来消除接头1300机构中的任何松弛，从而使接头1300归位；使接头1300进行关节运动(顺时针或逆时针)并记录角度极限以找到驱动器610b、610c的起始位置；以及使接头1300关节运动到驱动器610b、610c处于其起始位置处，其中驱动构件720a、720b分别处于张紧和压缩下。
[0112]
如果接头1300正确归位，临床医生112a可以指引或命令机器人将接头1300关节运动到期望的关节运动角度。更具体地，如果控制方案1400确定接头1300的机构正确归位，则可以向控制方案1400提供关节运动命令输入，如在1408处。关节运动命令输入可以指示临床医生112a期望的接头1300的关节运动角度。控制方案1400通过将接头1300的新关节运动命令(即，“新关节运动角度命令”)与接头1300的旧关节运动命令(即，“旧关节运动命令”)进行比较来继续进行操作，如在1410处。在此，控制方案1400可以确定接头1300的新关节运动命令是否小于、大于或等于接头1300的旧关节运动命令。根据新的和旧的关节运动命令的相对值，控制方案1400启动单独的关节运动过程，如本文中关节运动过程1412a、1412b和1412c所描绘。
[0113]
而且，新的和旧的关节运动命令的相对值指示临床医生112a是否希望使腕部406运动。例如，临床医生112a可能希望以顺时针运动或逆时针运动使接头1300进行关节运动或者将接头1300维持在特定位置。如果临床医生112a命令接头1300以顺时针运动使腕部406进行关节运动，则控制方案1400启动第一关节运动过程，如在1412a处。如果临床医生112a命令接头1300以逆时针运动使腕部406进行关节运动，则控制方案1400启动第二关节运动过程，如在1412b处。如果临床医生112a不命令接头1300使腕部406进行关节运动，这意味着腕部406将维持其位置，则控制方案1400启动第三关节运动过程，如在1412c处。
[0114]
在例示的示例中，如果控制方案1400在决策节点1410处确定新关节运动命令小于旧关节运动命令，这意味着接头1300将顺时针运动，则控制方案1400启动第一关节运动过程1412a。在此，第一关节运动过程1412a将与第一驱动构件720a相关联的第二驱动器610b置于其位置模式下并将第三驱动器610c以规定的速度极限致动到命令角度，并且第一关节运动过程1412a同时将与第二驱动构件720b相关联的第三驱动器610c置于扭矩(或电流)模式下以将规定的扭矩(或电流)施加到第三驱动器610c，使得其以恒定力拉动第二驱动构件720b。
[0115]
在例示的示例中，如果控制方案1400在决策节点1410处确定新关节运动命令大于旧关节运动命令，这意味着接头1300将逆时针运动，则控制方案1400启动第二关节运动过程1412b。在此，第二关节运动过程1412b将与第一驱动构件720a相关联的第二驱动器610b置于扭矩(或电流)模式下以将规定的扭矩(或电流)施加到第二驱动器610b，使得其以恒定力拉动第一驱动构件720a，并且第二关节运动过程1412b同时将第三驱动器610c置于其位置模式下并将第三驱动器610c以规定的速度极限致动到命令角度。
[0116]
在例示的示例中，如果控制方案1400在决策节点1410处确定新关节运动命令等于
旧关节运动命令，这意味着关节运动命令没有变化，接头1300将保持静止，则控制方案1400启动第三关节运动过程1412c。在此，第三关节运动过程1412c等待第二驱动器610b或第三驱动器610c中的处于位置模式下的那一者运动到其命令角度，然后将第二驱动器610b和第三驱动器610c置于位置模式下以将接头1300保持或维持在与腕部406的期望关节运动角度相对应的位置处。
[0117]
此外，第三关节运动过程1412c可以调节第二驱动器610b或第三驱动器610c中的一者的最终命令角度或位置，其跟随第二驱动器610b或第三驱动器610c中的另一者的运动，使得驱动构件720a、720b中的最终预张紧将等于驱动构件720a、720b中的初始预张紧，因为由驱动构件720a、720b中的每一者施加到接头1300的扭矩的量根据接头1300的角度而变化。具体地，关节运动子系统的腕部406初始通过使第二驱动器610b和第三驱动器610c运动来归位，使得在驱动构件720a、720b中存在一定量的预张紧，然后第二驱动器610b响应于临床医生112a输入的新关节运动命令而运动。在第二驱动器610b运动，由此拉动与其对应的驱动构件720a时，另一马达(即，第三驱动器610c)可被禁用(即，闲置)或被置于电流模式下并且向其施加最小电流。在此，当第二驱动器610b运动以实现其中接头1300运动到与关节运动命令相对应的角位置的其最终目的地时，第三驱动器610c被置于位置模式下并且被设置为目标位置，并且目标位置随关节运动命令而变化，使得驱动构件720a、720b的张紧将等于初始施加到驱动构件720a、720b的预张紧量。因此，第二驱动器610b与第三驱动器610c之间的角距离可以随接头1300的关节运动角度而变化。例如，如果第二驱动器610b和第三驱动器610c初始相隔五十度(50
°
)以具有0.1nm的预张紧扭矩，然后接头1300关节运动到十度(10
°
)的角度，则第二驱动器610b和第三驱动器610c将运动，使得它们相隔六十度(60
°
)以在驱动构件720a、720b中具有相等的预张紧。
[0118]
图15a和图15b示出了图14的控制方案1400的示例性操作。具体地，图15a示出了在控制驱动器610b、610c以使接头1300沿顺时针方向进行关节运动时的第一关节运动过程1412a的施加，并且图15b示出了在控制驱动器610b、610c以使接头1300沿逆时针方向进行关节运动时的第二关节运动过程1412b的施加。在图15a中，控制方案1400已将第二驱动器610b置于位置模式下，该位置模式下控制方案1400监督(监测)平移第一驱动构件720a的第二驱动器610b的运动，并且位置模式下控制方案1400允许第三驱动器610c控制第二驱动构件720b以有限的马达扭矩进行拉动。此外，控制方案1400已将第三驱动器610c置于扭矩(或电流)模式下，在该模式下第三驱动器610c向第二驱动构件720b施加恒定的拉动(或推动)力。
[0119]
在图15b中，控制方案1400已将第三驱动器610c置于位置模式下，其中控制方案1400监督(监测)引起第二驱动构件720b的平移(运动)的第三驱动器610c的运动，并且其中控制方案1400允许第二驱动器610b控制第一驱动构件720a以有限的马达速度进行拉动。此外，控制方案1400已将第二驱动器610b置于扭矩(或电流)模式下，其中第二驱动器610b向第一驱动构件720a施加恒定的拉动(或推动)力。
[0120]
通常期望使接头1300尽可能快地进行关节运动，从而增强外科工具400(图4)的响应性。然而，接头1300可关节运动的量存在物理限制，并且当使接头1300以高速进行关节运动时，如果接头1300以升高的速度关节运动到其极限，则外科工具400的内部部件可能被损坏。例如，由接头1300以高速达到其极限导致的冲击可能会破坏关节运动构件808(图9a至
图9b和图10a至图10b)的驱动销1060a、1060b(图10b)和/或驱动构件720a、720b。因此，本文公开了用于控制接头1300并且防止其以升高的速度达到其物理极限并由此最小化或避免对于使接头1300和腕部406进行关节运动的基础机构的冲击的系统和方法。
[0121]
图16是根据一个或多个实施方案的用于快速控制腕部406的关节运动同时防止图13的接头1300以高速达到其物理极限的另选示例性控制方法或方案1600的示意图。在例示的示例中，控制方案1600允许驱动器610b、610c引起驱动构件720a、720b的平移(运动)以及由此接头1300的关节运动，以在基于与驱动器610b、610c的位置的反馈而估计或测量的接头1300的瞬时角度在限定的安全极限内时以最大速度运动。当确定接头1300的瞬时角度在限定的安全极限之外时，控制方案1600在接头1300以接近接头1300的物理极限的角度进行关节运动时减慢驱动器610b、610c的速度。
[0122]
接头1300具有已知的关节运动范围，其限定腕部406在沿轴402的纵向轴线a1笔直延伸时可以从其非关节运动位置成角度的量。例如，接头1300可被构造成能够在达到其物理极限之前相对于纵向轴线a1(图4)顺时针或逆时针进行关节运动六十度(60
°
)。因此，在该示例中，接头1300的关节运动范围将与纵向轴线a1成
±
六十度(
±
60
°
)，使得接头1300在从纵向轴线a1的任一方向上在六十度(60
°
)处具有物理极限，并由此提供具有总共一百二十度(120
°
)的关节运动的接头1300。安全极限可以在关节范围内的任何点处限定。例如，安全极限可以限定在与纵向轴线a1成
±
五十五度(
±
55
°
)处，使得接头1300在从纵向轴线a1的任一方向上在五十五度(55
°
)处具有安全极限，并由此提供在安全极限之间具有一百一十度(110
°
)的关节运动范围的接头1300。
[0123]
在该示例中，控制方案1600在接头1300以与纵向轴线a1成小于
±
五十五度的瞬时角度∠a(∠a《
±
55
°
)进行关节运动时以第一速度操作驱动器610b、610c，然后在接头1300的瞬时角度∠a大于或等于五十五度(∠a≥
±
55
°
)时降低驱动器610b、610c的速度。因此，控制方案1600在接头1300的瞬时角度∠a接近或靠近物理极限(例如，
±
60
°
》∠a≥
±
55
°
)时减慢驱动器610b、610c，并且在接头1300的瞬时角度∠a在安全极限内(例如，∠a介于-55
°
和55
°
之间)时加速驱动器610b、610c。
[0124]
当控制方案1600确定接头1300的瞬时角度∠a超出安全极限(例如，-60
°
≥∠a≥-55
°
或55
°
≤∠a≤60
°
)时，控制方案1600减慢驱动器610b、610c。在一个示例中，控制方案1600将驱动器610b、610c减慢到第二速度，该第二速度小于驱动器610b、610c在接头1300的瞬时角度∠a在安全极限内时操作的第一速度。然而，在其他示例中，控制方案1600在接头1300接近物理极限时连续地降低驱动器610b、610c的速度，使得控制方法1600在接头1300的瞬时角度∠a时超出安全极限时以降低速度的范围操作驱动器610b、610c。例如，控制方案1600可以在接头1300的瞬时角度∠a处于安全极限时减慢驱动器610b、610c，然后在接头1300的瞬时角度∠a进一步接近物理极限时进一步减慢驱动器610b、610c。
[0125]
因此，在初始化控制方案1600之后，如图16中的起始点1602所表示，控制方案1600被配置成能够接收指示接头1300将关节运动的角度的命令关节运动角度，如在1604处。更具体地，控制方案1600包括来自临床医生112a的输入，该输入表示临床医生112a期望运动腕部406的角度。在经由输入部1604接收到命令关节运动角度输入时，控制方案1600启动用于基于速度控制算法调节命令关节运动角度的过程，如在1606处。
[0126]
过程初始化后，控制方案1600接收指示驱动器610b、610c的位置的反馈1608，如在
1608处。然后，控制方案1600使用反馈信息来估计接头1300进行关节运动的当前角度，如在1610处。然后，控制方案1600确定接头1300的关节运动角度是否接近接头1300的物理极限，如在1612处。如果接头1300的关节运动角度不接近或在极限之前的范围内，则控制方案1600启动不改变接头1300的命令关节运动角度(即，维持命令关节运动角度)的指令，如在1614处。控制方案1600可以在此时结束，如停止点1616所表示。可以在停止点1616之后启动各种其他系统或控制方案。例如，控制方案1600的停止点1616可以与上文详述的控制方案1400的起始点1402相对应。因此，机器人外科系统100可被配置成能够连续运行控制方案1600和控制方案1400。
[0127]
如果接头1300的关节运动角度接近(或在极限之前的范围内)，则控制方案1600启动导致接头1300在到达停止点1616之前以规定或允许的速度运动的指令，如在1618处。因此，指令将使得驱动器610b、610c将接头1300快速运动到期望的关节运动角度或接头1300的物理极限，达到期望的关节运动角度在接头1300的允许运动范围内的程度。在例示的示例中，1618处的指令连续地将当前的命令关节运动角度与先前的命令关节运动角度进行比较，以确定驱动器610b、610c的马达位置何时靠近接头1300的物理极限。所述指令可以计算驱动器610b、610c基于接头1300有多接近其物理极限或基于接头1300在紧邻接头1300的物理极限之前的安全区内的位置来操作以使接头1300进行关节运动的允许速度。
[0128]
控制方案1600可被配置成能够基于接头1300与其物理极限的接近度在接头1300在其物理极限之间进行关节运动时改变马达130a、130b的速度。例如，1618处的指令可以在接头1300接近物理极限时将驱动器610b、610c(例如，线性或非线性)的速度从最大速度缩放到最小速度。在一个示例中，指令命令驱动器610b、610c以等于当前的命令关节运动角度与先前的命令关节运动角度之间的差值除以这两个测量值之间的时间步长的命令速度(即，命令速度＝(当前的命令关节运动角度
–
先前的命令关节运动角度)/时间步长)操作。如果命令速度小于由控制方案1600计算的允许速度，则指令1618不需要改变命令关节运动角度。但是，如果命令速度大于或等于由控制方案1600计算的允许速度，则指令1618改变命令关节运动角度，使得命令速度将等于允许速度。
[0129]
图1的机器人外科系统100可被配置成能够使外科工具400(图4)按照临床医生112a(图1)的指引准确地响应。然而，可能存在(或在使用期间存在)损害或抑制外科工具400准确响应来自临床医生112a的输入的各种条件。例如，外科工具400的准确度可能受诸如机械磨损、摩擦变化、用户滥用、使用损坏等的条件影响，并且这些条件可以在使用期间改变。为了确保外科工具400的操作与临床医生112a的输入的命令相关(即，位置准确度)，机器人外科系统100可包括稳健的错误检测系统，以补偿在使用外科工具400期间可能改变的各种条件。此类错误检测系统可用于确保外科工具400的各种功能的准确性，包括归位序列、腕部406的关节运动、钳口410、412等的闭合和/或抓紧。因此，本文公开了用于通过基于在制造期间记录在外科工具400上的位置值来检测外科工具400的位置的误差来确保外科工具400的准确性的控制系统和方案。
[0130]
在一些实施方案中，外科工具400可包括将端部执行器404(图4)和/或腕部406(图4)的各种运动限制到预定义运动范围的物理特征部(或止动件)。这些特征部可以在其制造期间被设置或校准到外科工具400中以对应于端部执行器404和/或腕部406的各种运动或位置。例如，特征部可以在制造期间设置以与端部执行器404的完全前进位置、腕部406的完
全关节运动位置、腕部406的起始位置或任何其他期望位置相关。
[0131]
如上所述，外科工具400可包括内部计算机622(图4)，该内部计算机可包括存储器624(图4)，并且设置物理特征部的位置可存储在存储器624中并用作目标以确定其是否准确操作。例如，外科工具400可以在制造期间校准以确定给定驱动输入部608a-608f(图6)需要多少转来使端部执行器404和/或腕部406运动到期望位置并且确定驱动输入部608a-608f在处于期望位置时定向的特定角度，并且该信息可存储在存储器624中。此外，每个外科工具400可以在其制造期间校准以测量驱动输入部608a-608f在每个方向上从起始位置完全旋转时其上呈现的扭矩，并且该扭矩信息可记录在存储器624中。而且，在驱动输入部608a-608f中的两者或更多者用于使端部执行器404和/或腕部406运动的情况下，驱动输入部608a-608f的相对位置可以记录在存储器624中。在存储器中存储有任何或所有信息时，准确性控制系统可以提供特定于接合在机器人操纵器中的特定外科工具400的馈送。
[0132]
在各种示例中，准确性控制系统可用于使驱动输入部608a-608f中的一者或多者(图6)归位。在驱动输入部608a-608f中的两者或更多者被致动以引起外科工具400(图4)的特定运动的示例中，驱动输入部608a-608f在处于起始位置时的实际角位置和驱动输入部608a-608f在处于起始位置时的相对位置(即，它们之间的角度差)在制造期间存储在外科工具400的机载存储器624(图6)中。然后，当外科工具400安装在机器人操纵器上时，该准确性控制系统在“起始”方向上旋转时读取驱动输入部608a-608f中的一者的位置，同时经由存储在存储器624中的相对位置数据计算相关联的驱动输入部608a-608f的位置，直到所有相关联的驱动输入部608a-608f在一定误差内达到记录于存储器中的位置。
[0133]
在驱动输入部608a-608f中仅一者用于引起外科工具400的特定运动的示例中，驱动输入部608a-608f中的特定一者的起始位置存储在存储器624(图6)中，并且准确性控制系统可以通过将驱动输入部608a-608f的实际角位置与当外科工具400安装在机器人操纵器中时存储在存储器中的“原”位置进行比较，确定在对应驱动器610a-610f(图6)在“原”方向上旋转特定驱动输入部608a-608f时所述特定驱动输入部是否处于“起始位置”。在这些示例中，如果特定驱动器610a-610f使对应的驱动输入部608a-608f旋转小于360
°
，则准确性控制系统可以在外科工具400安装在机器人操纵器上时建立驱动输入部608a-608f的起始位置。在一些示例中，如果驱动输入部608a-608f中的任一者的行进大于360
°
，则记录在存储器624中的“起始”位置可与如本文所述的其他归位控制方案组合用作确认检查。因此，准确性控制系统可以基于存储在机载存储器624中的信息检查驱动输入部608a-608f是否处于其起始位置。
[0134]
在一些示例中，准确性控制系统可被扩展以交叉检查驱动输入部608a-608f的其他非起始位置。例如，准确性控制系统可用于通过将在操作期间实现的外科工具400的实际或瞬时位置与存储在存储器624(图6)中的设定值进行比较，准确地旋转驱动输入部608a-608f(图6)中的一者或多者以实现外科工具400(图4)的期望运动或位置。在这些示例中，外科工具400在制造期间被校准，其中端部执行器404(图4)和/或腕部406(图4)的位置与各种驱动输入部608a-608f的位置和经由对应驱动器610a-610f(图6)施加到其上的扭矩相关，并且此类校准信息存储在外科工具400的存储器624中。例如，与端部执行器404的完全前进位置(例如，完全扩张的钳口410、412)相对应的驱动输入部608a-608f中的任一者的旋转位置和/或扭矩、腕部406的全角度位置以及/或端部执行器404和/或腕部406的起始位置等可
记录在存储器624中。该存储信息提供对于安装在机器人操纵器中的特定外科工具400特定或唯一的目标。如果机器人外科系统100(图1)将驱动器610a-610f中的一者或多者驱动到特定位置，并且外科工具400的端部执行器404和/或腕部406的实际实现位置与存储在存储器624中的位置信息不相关，则准确性控制系统将报告位置的误差。
[0135]
在一些示例中，准确性控制系统与驱动输入部608a-608f中的两者或更多者(图6)相结合。例如，准确性控制系统可以与控制腕部406(图4)的驱动输入部608b、608c一起使用，并且/或者与控制钳口410、412(图4)的驱动输入部608d、608e一起使用。在这些示例中，在制造外科工具400期间，当外科工具400处于设定的期望位置(即，端部执行器404和/或腕部406的期望位置)时，读取驱动输入部608a-608f中的两者或更多者的绝对角位置并存储在存储器624(图6)中，并且与外科工具400的设定位置相对应的驱动输入部608a-608f之间的相对角位置(即，驱动输入部608a-608f之间的角度差)也记录在存储器624中。驱动输入部608a-608f的绝对角度对应于随时间推移并且在机器人-功率循环内一致的全局一致角度。例如，可以在驱动输入部608a-608f上提供图形箭头，使得可以确定当此类图形箭头与机器人的工具驱动器604上的对应图形箭头对齐时，驱动输入部608a-608f的角度为“绝对零”。当外科工具400安装在机器人操纵器中并且临床医生112a输入将外科工具400运动到期望位置的命令时，如果与临床医生112a的期望运动相对应的驱动输入部608a-608f的实际位置与存储在存储器624中的位置信息不匹配，则准确性控制系统将报告误差。
[0136]
在其他示例中，准确性控制系统与驱动输入部608a-608f中的仅一者相结合。在这些示例中，与外科工具400的设定期望位置相对应的驱动输入部608a-608f中的一者的绝对位置将在制造或校准期间存储在其存储器624中，并且在使用期间，准确性控制系统可以检查外科工具400是否处于期望位置。
[0137]
在一些示例中，准确性控制系统可被配置成能够检测钳口410、412(图4)的闭合错误，其中与钳口410、412被闭合相对应的驱动输入部608a-608f(图6)的实际位置与制造期间设定的驱动输入部608a-608f的完全闭合位置不匹配。在一些示例中，准确性控制系统可被配置成能够检测钳口410、412的打开错误，其中与钳口410、412完全打开相对应的驱动输入部608a-608f的实际位置与制造期间设定的驱动输入部608a-608f的完全打开位置不匹配。在一些示例中，准确性控制系统可被配置成能够检测钳口410、412的抓紧错误，其中与钳口410、412相对于彼此在设定位置处抓紧相对应的驱动输入部608a-608f的实际位置与制造期间设定的驱动输入部608a-608f的抓紧位置不匹配。在一些示例中，准确性控制系统可被配置成能够在使用外科工具400的情况下监测上述位置中的任一个位置的变化，并且如果它们改变指定量(或更多)，则准确性控制系统可被配置成能够报告磨损错误。
[0138]
机器人外科系统100(图1)还可包括或结合使驱动构件720a、720b同步运动的控制方案，这意味着工具驱动器604(图6)的第二驱动器610b(图6)引起第一驱动构件720a的平移，并且第三驱动器610c引起第二驱动构件720b的相等且相反的平移。例如，腕部406(图4)的左手关节运动通过使第一驱动构件720a朝近侧运动距离“x”同时使第二驱动构件720b朝远侧运动距离
“‑
x”而实现。机器人外科系统100命令驱动器610b、610c(接合驱动输入部608b、608c)分别以“x”和
“‑
x”的距离旋转到引起驱动构件720a、720b的平移所需的马达位置。因此，可基于来自临床医生112a的输入(即，关节运动角度命令)计算驱动器位置命令r3和r4以同步平移驱动构件720a、720b。驱动器位置命令r3、r4可以使用以下公式计算：
[0139][0140][0141]
该控制方案将来自临床医生112a的输入(即，关节运动角度命令)转换为驱动器610b、610c的旋转。在该控制方案中，未直接计算值“x”和
“‑
x”，因为来自临床医生112a的输入是运动腕部406的期望角度，并且由该输入，控制方案输出驱动器610b、610c的旋转输入或控制(即，驱动器位置命令r3、r4)。若要计算“x”，式将为x＝r3*齿轮齿数比*2*π*齿轮半径，并且
“‑
x”可以类似地计算。前述式包括外科工具400的物理部件的数学表示，其中销半径为从枢轴1034的中心到驱动销1060a、1060b的中心的距离，齿轮齿数比为从正齿轮709a、709b通过惰轮组件715a、715b(即，复合齿轮)到复合小齿轮710a、710b产生的比率，齿轮半径为与驱动齿条712a、712b相互作用的(复合小齿轮710a、710b的)第二小齿轮713a、713b的半径。
[0142]
然而，该同步控制方案可能无法将腕部406准确地关节运动到临床医生112a命令的期望的关节运动角度。例如，尽管临床医生112a输入45
°
的期望关节运动角度，但由于磨损而产生的摩擦可能导致腕部406仅关节运动40度。除了降低关节的准确性之外，该同步控制方案可能会导致机械增益减小，因为腕部406随时间推移以增加的角度关节运动。
[0143]
因此，机器人外科系统100可包括被配置成能够增强腕部406的关节运动的改进控制方案。在一些示例中，机器人外科系统100包括用于控制驱动构件720a、720b的运动的差分控制方案，以更准确地将腕部406关节运动到由临床医生112a输入的期望腕部位置。在各种示例中，差分控制方案还可以增加腕部406可以关节运动的最大角度并增加腕部406的机械增益(即，其可以关节运动的力)。
[0144]
差分控制方案是利用上文所述的式并通过常数α或数学函数进行修饰的计算驱动器位置命令r3、r4的被动控制，通过所述命令使驱动构件720a、720b运动。例如，差分控制方案通过经由第一马达命令r3使第一驱动构件720a运动距离“x”同时经由第二马达命令r4使第二驱动构件720b运动距离
“‑
x-α”来实现腕部406的左手关节运动。因此，关节运动系统的一侧可以比另一侧运动更多(或更少)。在所述的该示例中，如果几何形状是完美的，并且没有摩擦力，则常数α将增加系统中的张力。如果常数α是恒定的，则仅当命令的关节运动角度大于(或小于)0时才应用张力增加。然而，常数α可被描述为随着命令的关节运动角度而增加或减少，并且如下所述，常数α可以是凭经验确定的值并且/或者基于数学函数。
[0145]
在一些示例中，常数α可以凭经验确定。在这些示例中，常数α可以在外科工具400的测试、制造和/或校准期间凭经验确定，并且因此常数α可以是对于每个外科工具400唯一的。在此，常数α可以在标称条件和考虑了摩擦和磨损(例如，驱动构件720a、720b的拉伸)的实际条件之间充当控制腕部406的齿轮/连杆机构的校正因子。在一个示例中，在制造期间每个外科工具400被放置在测试设备中，该测试设备在旋转驱动输入部608b、608c的同时感测腕部406的关节运动角度。常数α可被调节以最小化腕部406的实际测量关节运动角度与腕部406的预期关节运动角度之间的误差，然后是常数α的值可以保存在外科工具400的存储器上，以在操作期间供机器人外科系统100利用。当腕部406的实际测量关节运动角度被
最小化时，常数α的值将闪存到外科工具400，使得机器人外科系统100可以使用。
[0146]
在其他示例中，常数α可以是由函数修改的值。在这些示例中，可以为常数α分配值，或者可以如上所述凭经验确定值。无论如何，常数α可以由临床医生112a输入的期望角度的各种函数来修改(即，命令的关节运动角度)，诸如线性函数、正弦函数、指数函数、多项式函数或它们的任何组合。因此，计算驱动位置命令r3、r4以基于来自临床医生112a的输入(即，命令的关节运动角度)减去校正因子将驱动构件720a、720b平移一距离(即，“x”或
“‑
x”)，其中从距离推导的校正因子为命令的关节运动角度的函数乘以常数α。
[0147]
在一个示例中，校正因子为修改常数α的正弦函数。在此，常数α为一个值乘以临床医生112a输入的期望角度(即，命令的关节运动角度)的正弦值，使得驱动器位置命令r3、r4用以下公式计算。
[0148]
如果命令的关节运动角度》0：
[0149][0150][0151]
如果命令的关节运动角度《0：
[0152][0153][0154]
在另一个示例中，校正因子为常数α的线性函数。在此，常数α为一个值乘以线性因子m(即，斜率)乘以临床医生112a输入的期望角度(即，命令的关节运动角度)加b(即，截距)，使得驱动器位置命令r3、r4用以下公式计算。
[0155]
如果命令的关节运动角度》0：
[0156][0157][0158]
如果命令的关节运动角度《0：
[0159][0160][0161]
在其他示例中，校正因子为常数α的多项式函数。例如，多项式函数(其中a、b和c为常数)可以如下。
[0162]
如果命令的关节运动角度》0：
[0163]
[0164][0165]
如果命令的关节运动角度《0：
[0166][0167][0168]
在其他示例中，校正因子为常数α的指数函数。例如，指数函数(其中e为常数)可以如下。
[0169]
如果命令的关节运动角度》0：
[0170][0171][0172]
如果命令的关节运动角度《0：
[0173][0174][0175]
图17a和图17b是示出据一个或多个实施方案的利用前述公式的驱动输入部608b、608c(图6)中的每一者的实际角位置输出对比期望角输入的图形表示。具体地，图17a绘制了在当前控制方案、正弦控制方案和线性控制方案下由临床医生112a输入的每个期望角位置(即，命令的关节运动角度)获得的第二驱动输入部608b的实际角位置。类似地，图17b绘制了在当前控制方案、正弦控制方案和线性控制方案下由临床医生112a输入的每个期望角位置(即，命令的关节运动角度)获得的第三驱动输入部608c的实际角位置。因此，在端部执行器404(从中心)向右运动时，右驱动输入部的角位移以比左驱动输入部更大的速率增加，并且当端部执行器404(从中心)向左运动时，左驱动输入部的角位移以比右驱动输入部更大的速率增加。
[0176]
本文所描述和示出的外科工具400(图4)被配置为“旋转外科工具”，因为其在机器人操作器上包括旋转驱动输入部608a-608f(图6)，所述旋转驱动输入部各自由对应驱动器610a-610f(图6)旋转。然而，在其他示例中，外科工具400可被不同地配置成使得其可以由被配置成能够赋予不同类型的机械能的驱动器致动。例如，外科工具400可被配置为具有如美国专利申请公布号2018/0168745中所述的一个或多个线性驱动输入部的线性驱动工具，所述专利申请公布的内容据此以引用方式并入。在一些示例中，外科工具400可包括旋转和线性驱动输入部两者的组合。
[0177]
在一些实施方案中，机器人外科系统100(图1)可包括闭合控制系统，该闭合控制系统被配置成能够优化闭合管722(图7a至图7b和8a至图8b)的闭合冲程。闭合控制系统可以在钳口410、412的闭合期间监测冲程距离和施加到闭合管722的力，以确定闭合管722沿
纵向轴线a1(图4、图6和图7a至图7b)平移太远(即，过度行进)的拐点。因此，闭合控制系统可以限制驱动输入部(例如，图6的第四驱动输入部608d和第五驱动输入部608e)的致动，以将闭合管722平移在特定应用中闭合钳口410、412所需的最小冲程距离。闭合控制系统可以由此通过根据需要限制高力的施加来增加外科工具400的可靠性。例如，当操纵较厚的组织时，通常将向闭合管722施加增加的力；而当操纵具有较小厚度的组织时，将施加较少量的力。此外，在钳口410、412的闭合期间，闭合管722将不会经受过度闭合事件。此外，当机构对机械变化和/或公差不太敏感时，闭合控制系统减小闭合管722的最大闭合冲程。因此，代替将闭合管722平移到所需的最大可能值(取决于组织变化和/或机械变化)的机构，所述机构仅需要使闭合管722平移足够的量以实现拐点。
[0178]
图18示出了根据一个或多个实施方案的示例性闭合控制系统的力-距离曲线图。在该示例中，闭合控制系统被配置成能够通过致动与适当的驱动输入部(例如，图6的第四驱动输入部608d和第五驱动输入部608e)相对应的对应驱动器(例如，图6的第四驱动器610d和第五驱动器610e)来延伸闭合管722(图7a至图7b和图8a至图8b)。记录驱动驱动器所需的电流，并利用存储在外科工具400的存储器624(图6)中的常数来转换为力。而且，记录驱动器的角位置，并经由存储在存储器624中的机构依赖性常数来转换为行进量。当闭合管722被闭合时，闭合控制系统计算力相对于距离的导数，并且利用低通滤波器去除由噪声引起的曲线中的峰值。然后，当过滤的力相对于距离的导数超过存储在外科工具400的存储器中的机构依赖性阈值时，闭合控制系统将停止闭合管722和/或其他闭合机构的进一步行进，并且报告外科工具400被完全夹持。在接收到外科工具400完全夹持的报告后，机器人外科系统100(图1)可以指引外科工具400击发，从而横切并将钉施加到夹持在其中的组织。
[0179]
本文所公开的实施方案包括：
[0180]
a.一种外科工具，所述外科工具包括驱动外壳、从所述驱动外壳延伸的轴、布置在所述轴的端部处的腕部以及连杆组件，所述连杆组件能够致动以使所述腕部在平面中进行关节运动，并且包括在所述轴内从所述驱动外壳延伸并且操作地连接到所述腕部的第一驱动构件，以及在所述轴内从所述驱动外壳延伸并且操作地连接到所述腕部的第二驱动构件。其中所述第一驱动构件和所述第二驱动构件在所述轴内在相反轴向方向上的致动使所述腕部在所述平面中进行关节运动。
[0181]
b.一种使机器人外科工具的可旋转驱动输入部归位的方法，所述方法包括将所述驱动输入部的起始位置记录在所述机器人外科工具的存储器中，建立涵盖远离所述起始位置的已知角度幅度的慢区，并且使所述驱动输入部朝向所述起始位置旋转，并且在到达所述慢区时减慢所述驱动输入部的旋转速度。
[0182]
c.一种用于控制由机器人操纵器驱动的外科工具中的接头的关节运动的系统，所述外科工具具有第一驱动构件和第二驱动构件，所述第一驱动构件和所述第二驱动构件操作地联接到所述接头并且被布置成在由所述机器人操纵器的相应的第一驱动器和第二驱动器致动时在相反方向上平移，其中，在接收到用于在第一旋转方向上旋转所述接头的命令时，所述第一驱动器致动并由此朝远侧推动所述第一驱动构件，并且同时所述第二驱动器致动并由此朝近侧拉动所述第二驱动构件，从而使所述接头在所述第一旋转方向上旋转，其中，在接收到用于在与所述第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转所述接头的命令时，所述第二驱动器致动并由此朝远侧推动所述第二驱动构件，并且同时所述第一驱动
器致动并由此朝近侧拉动所述第一驱动构件，从而使所述接头在所述第二旋转方向上旋转。
[0183]
d.一种用于控制外科工具中的一对驱动构件的对抗平移的系统，所述外科工具能够安装到机器人操纵器上，所述机器人操纵器具有能够操作以平移所述第一驱动构件的第一驱动器和能够操作以平移所述第二驱动构件的第二驱动器，其中，在接收到期望的关节运动角度输入时，所述系统确定第一驱动器位置命令和第二驱动器位置命令，在所述第一驱动器位置命令和第二驱动器位置命令处所述第一驱动器和所述第二驱动器将分别引起所述第一驱动构件和所述第二驱动构件的平移，以实现所述期望的关节运动角度输入，其中所述第一驱动器命令使所述第一驱动构件在近侧方向上平移一距离，并且所述第二驱动器命令使所述第二驱动构件在远侧方向上平移所述距离，并且其中所述距离通过校正因子来修改。
[0184]
实施方案a、b、c和d中的每一者可具有任何组合的以下附加要素中的一者或多者：要素1：其中所述腕部包括基座和关节运动构件，所述关节运动构件在受到所述第一驱动构件和所述第二驱动构件的作用时能够相对于所述基座旋转。要素2：其中所述基座包括枢轴，所述枢轴设置在所述关节运动构件的孔内，所述枢轴限定关节运动轴线，所述关节运动构件围绕所述关节运动轴线旋转。要素3：其中所述第一驱动构件联接到所述关节运动构件的第一驱动销，并且所述第二驱动构件联接到所述关节运动构件的第二驱动销。要素4：其中所述连杆组件还包括远侧连接件，所述远侧连接件将所述第一驱动构件和所述第二驱动构件的远侧端部联接在所述腕部处。要素5：其中所述关节运动构件的所述第一驱动销设置在所述远侧连接件的第一孔内，并且所述关节运动构件的所述第二驱动销设置在所述远侧连接件的第二孔内。要素6：其中所述基座连接到在所述轴内朝近侧延伸的内接地轴。要素7：其中所述第一驱动构件和所述第二驱动构件分别布置在限定于所述内接地构件内的第一狭槽和第二狭槽内。要素8：其中所述第一狭槽和所述第二狭槽的至少一部分限定在所述内接地构件的上表面与所述基座的下表面之间。要素9：还包括第一驱动轴，所述第一驱动轴可旋转地安装在所述驱动外壳内并且操作地联接到所述第一驱动构件，使得所述第一驱动轴的旋转引起所述第一驱动构件的轴向运动，以及第二驱动轴，所述第二驱动轴可旋转地安装在所述驱动外壳内并且操作地联接到所述第二驱动构件，使得所述第二驱动轴的旋转引起所述第二驱动构件的轴向运动。要素10：其中所述第一驱动轴经由具有大于或小于1:1的齿轮齿数比的第一齿轮布置操作地联接到所述第一驱动构件，并且所述第二驱动轴经由具有大于或小于1:1的齿轮齿数比的第二齿轮布置操作地联接到所述第二驱动构件。要素11：还包括第一关节运动轭和第二关节运动轭，所述第一关节运动轭围绕所述内接地轴布置并且操作地联接到所述第一驱动构件的近侧端部，所述第二关节运动轭围绕所述内接地轴布置并且操作地联接到所述第二驱动构件的近侧端部，其中所述第一关节运动轭和所述第二关节运动轭的轴向平移分别引起所述第一驱动构件和所述第二驱动构件的轴向平移。要素12：其中所述第一关节运动轭和所述第二关节运动轭围绕所述内接地轴布置，使得它们与所述内接地轴一起旋转。要素13：其中所述第一驱动轴经由第一驱动齿条操作地联接到所述第一驱动构件，所述第一驱动齿条具有能够与操作地联接到所述第一驱动构件的近侧端部的第一关节运动轭接合的第一轭，并且其中所述第二驱动轴经由第二驱动齿条操作地联接到所述第二驱动构件，所述第二驱动齿条具有能够与操作地联接到所述第二驱
动构件的近侧端部的第二关节运动轭接合的第二轭。
[0185]
要素14：还包括用旋转编码器测量所述驱动输入部的旋转位置。要素15：还包括当所述驱动输入部到达所述起始位置时，用一个或多个扭矩传感器检测扭矩峰值。
[0186]
要素16：其中所述机器人操纵器的所述第一驱动器和所述第二驱动器在所述第一驱动构件和所述第二驱动构件中维持相等的张紧或压缩，直到命令在所述第一旋转方向或所述第二旋转方向上旋转所述接头。要素17：其中由所述第一马达和所述第二马达施加的所述张紧或压缩取决于所述接头的关节运动角度。
[0187]
要素18：其中所述校正因子是所述外科工具的凭经验确定的常数。要素19：其中所述校正因子是常数和函数的乘积，并且其中所述函数选自由线性函数、正弦函数、指数函数、多项式函数以及它们的任何组合组成的组。
[0188]
作为非限制性示例，适用于a、b、c和d的示例性组合包括：要素1与要素2；要素1与要素3；要素3与要素4；要素4与要素5；要素1与要素6；要素6与要素7；要素7与要素8；要素9与要素10；要素7与要素11；要素11与要素12；要素10与要素13；以及要素16与要素17。
[0189]
因此，本发明所公开的系统和方法非常适于获得所提到的结果和优点以及其中固有的结果和优点。上文所公开的具体实施方案仅是示例性的，因为本公开的教导内容可以受益于本文教导内容且对于本领域的技术人员而言显而易见的不同但等价的方式进行修改和实施。此外，除了在以下权利要求中描述的之外，对于本文所示的构造或设计的细节没有限制。因此显而易见的是，可改变、组合或修改上文所公开的具体示例性实施方案，并且所有这些改变都被视为在本公开的范围内。本文例示性地公开的系统和方法可适当地在缺少本文未具体公开的任何元件和/或本文公开的任何可选元件的情况下实施。虽然根据“包括”、“含有”或“包含”各种部件或步骤描述了组成和方法，但是该组成和方法也可“基本上由各种部件或步骤组成”或“由各种部件或步骤组成”。上文所公开的所有数值和范围可改变一些量。每当公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数值和任何包括的范围。具体地，本文所公开的每种值范围(形式为“约a至约b”或等效形式“大约a至b”或等效形式“从大约a-b”)应被理解为列出更广泛的值范围内涵盖的每个数值和范围。而且，权利要求中的术语具有其普通的一般含义，除非专利权人另有明确和清楚的定义。此外，权利要求中使用的不定冠词“一”或“一个”在本文中被定义为表示其引入的一个或多个元件而不是一个元件。如果本说明书中的词语或术语的使用与可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件存在任何冲突，则应采用与本说明书一致的定义。
[0190]
如本文所用，在一系列项目(用术语“和”或“或”来隔开项目中的任一个)之前的短语
“…
中的至少一个”将整体修饰列表，而不是列表的每个成员(即，每个项目)。短语
“…
中的至少一个”允许意指包括项目中的任何一个的至少一个，和/或项目的任何组合中的至少一个，和/或项目中的每一个的至少一个。作为示例，短语“a、b和c中的至少一个”或“a、b或c中的至少一者”各自是指：仅a、仅b或仅c；a、b和c的任何组合；以及/或者a、b和c中的每一者的至少一者。