亦或彼此远离）可以通过网络连接在一起从而使 得两个外科医生可以同时观察和控制手术部位的工具。
[0079] 图IC是da Vinci?手术系统的视觉推车部件140的前向正视图。图像推车140容 纳手术系统的中央电子数据处理单元142和视觉设备144。该中央电子数据处理单元包括 用于操作手术系统的许多数据处理。然而，在各种其他实现方式中，可以将电子数据处理分 配到外科医生控制台和病人侧推车中。视觉设备包括用于立体内窥镜112的左侧和右侧图 像捕获功能的摄像机控制单元。该视觉设备还包括提供照明用以成像手术部位的照明设备 (例如，氙气灯）。如图IC中所示，该视觉推车包括一个任选的24英寸触摸屏监视器146， 该监视器可以安装在其他地方，例如在病人侧推车100上。图像推车140进一步包括用于 任选的辅助手术设备（例如电子手术单元和吹入器）的空间148。该病人侧推车和外科医 生控制台通过光纤通信链路耦合到该视觉推车上，从而使得三个部件一起充当单个的远程 操作的微创手术系统，该手术系统为外科医生提供直观的远程呈现。并且，如上所述，可以 包括第二外科医生控制台，从而使得第二外科医生可以例如监督该第一外科医生的工作。
[0080] 图2A是示例性器械臂106的侧面正视图。为了清楚的目的省略掉在手术期间正 常使用的无菌帘和相关的机构。该臂是由一系列连杆和将这些连杆耦连在一起的关节构成 的。该臂被分成两个部分。第一部分是"建立（set-up)"部分202,其中未通电的关节耦连 这些连杆。将第二部分通电，即支撑和移动该手术器械的机器人操纵器部分204 (病人侧操 纵器；"PSM"）。在使用期间，移动建立部分202从而将操纵器部分204放置在适当位置用 来执行希望的手术任务。然后建立部分关节被锁定（例如，用制动机构）从而防止该臂的 这个部分运动。
[0081] 图2B是安装有示意性器械110的PSM 204的透视图。PSM 204包括偏转伺服致动 器206、俯仰伺服致动器208以及插入和抽出（"I/O"）致动器210。示出的示意性手术器 械110安装在器械安装托架212上。示出的示意性直套管214安装到套管支座216。器械 110的轴218延伸穿过套管214。PSM 204被机械地限制从而它围绕沿着该器械轴定位的一 个固定的远程运动中心220来移动器械110。偏转致动器206提供绕远程中心220的偏转 运动222,俯仰致动器208提供绕远程中心220的俯仰运动224,并且I/O致动器210提供 通过远程中心220的插入和抽出运动226。建立部分202 -般被定位用来在手术期间将远 程运动中心220放置在病人体壁中的切口处，并且用来允许可以得到足够的偏转和俯仰运 动来进行预期的手术任务。本领域技术人员将理解的是绕远程运动中心的运动还可以仅通 过使用软件而不是通过机械组件所限定的物理限制进行限制。
[0082] 安装托架212中的匹配力传递圆盘和器械力传递组件230耦合来自PSM 204中致 动器232的致动力，从而移动器械110的各个部分以便定位、定向和操作器械末端执行器 234。这类致动力一般可以转动器械轴218 (因此提供通过该远程中心的另一个DOF)，操作 提供偏转和俯仰DOF的腕部236,以及操作可移动的工件或各种末端执行器的抓握夹爪（例 如，（能烧灼或不够烧灼的）剪刀、解剖器、抓握器、针驱动器、电烙术钩子、牵引器、施夹器 等）。
[0083] 图2C是安装有示例性摄像机112的摄像机臂108的一部分的侧面正视图。类似 于器械臂106,摄像机臂108包括建立部分240和操纵器部分242 (内窥镜摄像机操纵器； "ECM")。ECM 242类似于PSM 204配置并且包括偏转运动致动器244,俯仰运动致动器246 和I/O运动致动器248。内窥镜112安装在托架组件250上并且内窥镜套管252安装在摄 像机套管支座254上。ECM 242移动内窥镜112使其环绕并且穿过远程运动中心256。
[0084] 在使用参考图1A-2C描述的机器人手术系统的典型手术程序期间，在病人身体中 形成至少两个切口（通常使用套针用来放置相关联套管）。一个切口用于内窥镜摄像机器 械，并且其他切口用于必要的手术器械。有时这类切口被称为"端口"，即还可以表示用于这 样的切口中的一件设备的术语（如下详细说明）。在一些手术程序中，为了提供所需要的进 入以及对手术部位成像，若干器械和/或摄像机端口是必要的。虽然与常规开放式手术所 使用的较大切口相比较，这些切口是较小的，但仍需要并期望进一步减少切口的数量从而 进一步减少病人创伤并且用于提高美观性。
[0085] 单端口手术是一种技术，其中用于微创手术的所有器械通过该病人体壁中的一个 单个切口，或在一些情况下穿过一个单个自然开口。这类方法可以通过各种术语来提及， 例如单端口入路手术（SPA)、腹腔镜内镜单部位手术（LESS)、单切口腹腔镜手术（SILS)、单 端口脐部手术（OPUS)、利用单端口无切口常规设备手术（SPICES)、单入路部位手术内窥镜 (SASSE)或自然孔道经脐手术（NOTUS)。使用手动器械亦或机器人手术系统（例如上述之 一）可以完成单端口的使用。然而，使用这样的技术产生困难，因为单端口限制了手术器械 可以进入手术部位的角度。例如，将两个器械并排靠近地布置，并且因此难以在手术部位实 现有利的三角测量（三角测量是能够沿着一个三角形的两条边来定位两个手术器械的远 端以便在手术部位以该三角形的顶点来有效地工作）。另外，因为这些器械和内窥镜通过同 一个切口进入，直的器械轴易于模糊大部分内窥镜视场。并且，另外地，如果使用机器人手 术系统，则由于它们的尺寸和它们的移动，多个操纵器可能彼此干扰，这也限制了可供外科 医生使用的末端执行器运动的量。
[0086] 图3图示说明针对单端口手术使用多臂机器人手术系统的困难。图3是穿过体壁 插入从而抵达手术部位300的多套管和相关联器械的图解视图。如图3中所示，摄像机套 管302延伸穿过摄像机切口 304,第一器械套管306延伸穿过第一器械切口 308,并且第二 器械套管310延伸穿过第二器械切口 312。可以看出如果这些套管302、306、310中每一个 延伸穿过同一个（稍微扩张的）端口 304,由于要求每一个绕远程运动中心运动并且还由于 将这些套管夹持在安装固定件302a、306a、310a上的上述操纵器的体积和移动，那么末端 执行器的非常小的移动是可能的，并且这些套管和器械轴可能模糊该内窥镜视场中的手术 部位。为了保留这些器械在手术部位的一些三角测量，已经进行了尝试来交叉这些器械轴 并使用这些器械腕部来提供某种有限的三角测量，但这种配置产生"向后（backwards) "控 制方案（在内窥镜的视野中右侧主控器控制左侧从动器械，并且反之亦然），这是非直观的 并且因此损失了直观的远程机器人控制的一些强大益处。腕部为直轴的手动器械同样要求 外科医生以双手交叉或跨视线的"向后的"方式来移动器械。并且此外，对于腹腔镜手术， 由于穿过单个切口放置的多个器械/套管，难以维持恰当的气腹。
[0087] 对于使用手动器械的单端口手术而言，已经尝试使用刚性的弯曲器械轴来改善三 角测量。这类弯曲轴典型地具有复杂的"S"弯曲，该"S"弯曲在体内允许它们弯曲离开该 切口然后返回该手术部位，并且在体外弯曲离开该切口从而为器械手柄和外科医生的手提 供间隙。这些弯曲的器械看起来比直轴手动器械甚至更难以使用，因为这些弯曲轴进一步 限制了外科医生通过移动该轴亦或通过使用手动操作的腕部机构精确地移动器械末端执 行器的能力。例如，使用这类刚性弯曲轴器械进行缝线看起来是极其困难的。此外，因为它 们的形状，外科医生直接地在切口和手术部位之间插入并且抽出这类弯曲轴器械的能力受 到限制。并且，由于它们的形状，转动刚性的弯曲器械可能引起该器械轴的一部分接触并且 有可能损害组织（在外科医生不知道的情况下）。
[0088] 对于使用机器人手术系统的单端口手术而言，提出了多种方法用来为手术器械提 供增加的可控的自由度。例如，已经提出使用远程机器人控制的"蛇状"器械以及相关联的 可控制的引导管作为通过单个切口进入手术部位的方法。类似地，提出使用具有小型机械 平行运动机构的器械。参见，例如，美国专利申请公开号US 2008/0065105A1 (2007年6月 13日提交）（描述一种微创手术系统）。当这类器械最终可能是有效的时，它们通常在机械 上是复杂的。并且，由于它们增加的DOF致动要求，这类器械不可能与现有机器人手术系统 兼容。
[0089] 弯曲的套管系统
[0090] 图4A是病人侧机器人操纵器的一部分的示意图，该部分支撑并且移动弯曲的套 管和被动柔性手术器械的组合。如图4A中所示，远程机器人操作的手术器械402a包括力 传递机构404a、被动柔性轴406a和末端执行器408a。器械402a安装在PSM 204a的器械 托架组件212a上（为了清楚的目的示意地绘制上述部件）。接口圆盘414a耦合来自PSM 204a中伺服致动器的致动力，从而移动器械402a部件。末端执行器408a示例性地操作单 个DOF(例如，关闭夹爪）。用来提供一个或多个末端执行器DOF的腕部（例如，俯仰、偏转； 参见例如美国专利US 6, 817, 974(2002年6月28日提交的）（公开了 "具有主动可定位式 腱致动的多圆盘式腕关节的手术工具（Surgical Tool Having Positively Positionable Tendon-Actuated Multi-Disk Wrist Joint)"，该专利通过引用被并入本文）是任选的并 且未示出。许多器械实现方式不包括这样的腕部。省略腕部简化了 PSM 204a和器械402a 之间致动力接口的数量，并且这种省略还减少了近端力传递机构404a与远端致动件之间 必要的力传递元件的数量（并且因此降低器械复杂性并减小尺寸）。
[0091] 图4A进一步示出弯曲套管416a，该套管具有近端418a、远端420a以及在近端 418a与远端420a之间延伸的中心通道422a。在一个实现方式中，弯曲套管416a是刚性的 单件套管。如图4A中所绘制的，弯曲套管416a的近端418a被安装在PSM 204a的套管支座 216a上。在使用期间，器械402a的柔性轴406a延伸穿过柔性套管416a的中心通道422a， 从而使得柔性轴406a的远端部分和末端执行器408a延伸超过套管416a的远端420a从而 到达手术部位424。如上所述，PSM 204a的机械限制（或可替代地，PSM 204a的控制系统 中预编程的软件限制）导致器械402a和弯曲套管416a以俯仰和偏转的形式围绕沿着套管 416a定位的远程运动中心426移动，该套管一般布置在病人体壁中的切口处。由托架212a 提供的PSM 204a的1/0致动将器械402a穿过套管416a插入和抽出从而移入和移出末端 执行器408a。下面讨论器械402a、套管416a以及对这两个部件进行控制的详细情况。
[0092] 图4B是示出第二病人侧机器人操纵器的示意图，该操纵器支撑和移动第二弯曲 套管和被动型柔性手术器械组合（加入图4A视图中）。第二PSM 204b、器械402b和弯曲 套管416b的部件基本上类似于图4A中所述的那些部件，并且与它们基本上功能相似。然 而，弯曲套管416b在与弯曲套管416a弯曲方向相反的方向上弯曲。因此图4B图示说明了 以相反方向弯曲的两个弯曲套管和相关器械被定位成延伸通过病人体壁430中单个切口 428从而到达手术部位424。每个弯曲套管最初成角度地远离该切口与手术部位之间的直 线，然后朝向该直线弯曲返回从而将该延伸的器械引导至手术部位。通过以俯仰偏转方式 操作PSM的204a和204b，因此弯曲套管的远端420a和420b移动，并且因此器械末端执行 器404a和404b相对于手术部位移动（并且结果是，相对于内窥镜视场移动）。可以看出 虽然这两个弯曲套管和柔性器械组合的远程运动中心不相同，但是它们彼此足够接近（紧 邻），从而使得可以将它们两者定位在单个切口 428处。
[0093] 图4C是示出内窥镜摄像机操纵器的示意图，该操纵器支撑内窥镜（该示意图被加 在图4B视图上）。为了清楚的目的，一些前面使用的参考数字被省略掉。如图4C中所示， ECM 242夹持了内窥镜112从而使得内窥镜112连同两个弯曲的套管和柔性器械组合一起 延伸穿过单个切口 428。内窥镜112延伸穿过被套管支座254支撑的常规的套管252。在 一些实现方式中，套管252提供通往体腔的吹入法。ECM 242被定位以便将内窥镜112的远 程运动中心安置在切口 428处。如上，可以看出这两个弯曲套管和器械组合以及内窥镜112 的这些远程运动中心不完全相同，但是它们可以被定位为充分接近从而允许它们都能延伸 穿过该单个切口 428而无需形成过大的切口。在一个示例性实现方式中，这三个远程中心 可以大致地定位在一条直线上（如图4C中图示说明）。在其他实现方式中，例如下述的那 些，这些远程中心不是线性对齐的，而是足够接近成组的。
[0094] 图4C还示意性地图示说明了 PSM的204a和204b，并且ECM 242可以被定位从而 使得每个PSM具有充分改善的体积，在该体积下以俯仰和偏转方式移动而不彼此干扰。即， 如果使用直轴器械，则PSM必须总体上保持在彼此邻近的位置中从而将这些轴保持在接近 平行的关系中以便通过单个切口有效工作。然而，在使用弯曲套管的情况下，PSM可以被彼 此更加远离地安置，并且这样与直轴器械相比较，每个PSM总体上可以在相对较大体积中 移动。此外，图4C图示说明了弯曲套管416如何为这些手术器械提供改进的三角测量，从 而使得在内窥镜112的视场430中手术部位426是相对清楚的。
[0095] 图4C进一步图示说明了端口构件432可以安置在切口 428中。套管416a、416b 和252各自延伸穿过端口构件432。这类端口构件可以具有各种配置（如下面详细说明）。
[0096] 图5是与弯曲套管一起使用的示意性柔性器械500的图解视图。器械500包括近 端力传递机构502、远端手术末端执行器504以及親合力传递机构502和末端执行器504的 轴506。在一个实现方式中，轴506约43cm长。在一些实现方式中，轴506是被动柔性的并 且包括三个区段：近端区段506a、远端区段506c以及位于近端区段506a和远端区段506c 之间的中间区段506b。
[0097] 在一些实现方式中，这些区段506a、506b、506c各自的特征可以体现在它们的不 同硬度。区段506a是轴506从力传递机构502朝向弯曲套管延伸的部分，其中轴506的其 他区段延伸穿过该弯曲套管。结果，与其他区段506b、506c相比较，区段506a是相对刚性 的。在一些实现方式中，区段506a可以是有效刚性的。与其他两个区段506a、506c相比， 区段506b是相对更柔性的。在手术程序期间区段506b的大部分位于该弯曲套管内，并且 这样区段506b被做成相对柔性的从而减少与弯曲套管内壁的摩擦力，但它的柔性没有被 做成使得在手动或伺服控制操作下在插入期间使它翘曲。与区段506b相比，区段506c是 相对更硬的，因为区段506c从该弯曲套管的远端延伸。因此，区段506c被做成足够柔性使 得可以将它插入穿过该弯曲套管的弯头，然而它的刚性足以向末端执行器504提供足够的 悬臂支撑。
[0098] 然而，在一些实现方式中，轴区段506a_506c各自具有相同的物理结构-每个区段 由相同的（一种或多种）材料构成，并且选择该（一种或多种）材料以便具有各区段可接 受的弯曲硬度-因此这些区段具有相同的硬度。这样的器械轴总体上具有更低的成本，因 为例如它们具有更少的零件并且更容易组装。
[0099] 对于需要通过轴滚动的末端执行器滚动DOF器械来说，所有三个区段506a_506c 的抗扭刚性（torsionally rigid)足以将滚动运动从器械的近端传递至远端手术末端执行 器504。下面参考图8A-8D对多个实例进行说明。
[0100] 在一些实现方式中，该器械轴（或至少该轴在套管内移动的部分）的硬度接近于 机器人可以插入和滚动的最大值，其中选择一种外部材料来合理地最小化在套管内的轴摩 擦。这样的插入和滚动力基本大于人可以合理控制的力，并且因此可以使得该器械从套管 远端延伸的远端区段的硬度高于手操作的器械轴的硬度（对于类似的但手动致动的弯曲 套管系统而言）。这个特征使得能够在如下情况下使用弯曲套管机器人手术系统，其中穿 过弯曲套管而动作的手操作的器械可以最低限度地起作用的或不起作用（例如，手操作的 轴的硬度太低而不能使该器械在手术部位有效地工作）。并且在一些实现方式中，"调谐" 该器械（例如，通过选择一种或多种特殊材料和/或通过使用选定的（多种）材料进行不 同的轴构造）以便（i)以适当硬度的轴来有效使用该机器人的插入和滚动驱动能力，同时 (ii)不允许这样的适当硬度的轴与特殊的套管曲线尺寸之间的摩擦来抵消该机器人的驱 动能力的益处。因此某些器械可以具有一种硬度的柔性轴，用于与具有一个曲率半径和/ 或内直径的套管一起使用，并且其他器械可以具有另一种硬度的轴，用于与具有另一曲率 半径和/或内直径的套管一起使用。例如，对于特定的轴直径而言并且假定套管的曲率半 径和套管-轴的摩擦相反地变化，则被设计用于与具有较大曲率半径的套管一起使用的器 械的轴硬度可以大于被设计用于与具有较小曲率半径的套管一起使用的器械的轴硬度。在 不同的方面，该轴的横向（弯曲）硬度是在从约1镑每平方英寸（lb-in 2) (PSIX英寸4) 至约41b-in2的范围内，并且在一个实现方式中，该轴的横向硬度是约2. 01b-in2。在不同 的方面，该轴的旋转硬度是大于约lllb-in2,并且在一个实现方式中，该轴的旋转硬度是约 22. 01b-in2。对于具有在约l-41b-in2范围内的横向硬度的轴的实现方式中，旋转硬度的实 际范围是在约lllb-in 2至约661b-in2的范围内。
[0101] 主要由于摩擦力，当弯曲套管的弯曲半径减小时，器械轴的硬度必须也降低。如果 将各向同性的材料用于该器械轴，如结合图8C和8D所图示说明的，则从该套管远端延伸的 轴部分的硬度也降低。在某一点处，轴的延伸的远端的硬度亦或在传递机构与套管之间的 轴部分的硬度可能变成低得不可接受。因此，如以上描述的，可以针对具有固定尺寸的各向 同性的材料的轴来限定硬度范围，这取决于套管的弯曲半径和内直径。
[0102] 被布置在柔性轴器械的远端处的手术器械末端执行器具有两种通用类型。第一类 型的末端执行器没有移动部件。这样的不移动的末端执行器可以包括例如：抽吸/冲洗尖 端、电烙术钩子或刀片、探针、钝的解剖器、摄像机、牵引器等。第二种类型的末端执行器具 有在机器人控制下被致动的至少一个移动部件。这样的移动部件式末端执行器包括例如： 抓握器、针驱动器、移动的烧灼术钩子、施夹器、（非烧灼的和烧灼的）剪切机等等。
[0103] 该一个或多个移动式末端执行器部件能够以不同方式被致动。在一个方面，可以 使用两个拉伸元件来致动一个末端执行器部件。在这样的"拉动"式设计中，一个拉伸元件 使该末端执行器部件以一个方向运动，而第二个拉伸元件使该部件以相反方向运动。在另 一方面，使用单个的压缩/拉伸元件来移动该末端执行器部件。在这样的"推拉"式设计中， 拉动（拉伸）用于使该部件以一个方向运动，并且推动（压缩）用于使该部件以相反方向 运动。在一些实现方式中，拉伸力用于在要求最大力的方向上致动该末端执行器部件（例 如，关闭夹爪）。
[0104] 图6A是图示说明拉动式器械设计的多个方面的图解视图。如图6A中所示，器械 的力传递机构602通过柔性轴主体606被耦合至抓握型末端执行器604上。拉伸元件608 延伸穿过该轴主体606并且将末端执行器604中的可