虚拟现实手术装置的制作方法
本申请是申请日为2015年5月5日、国家申请号为201580023222.8(pct申请号为pct/us2015/029247)、名称为“虚拟现实手术装置”的中国专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求在美国法律第35部第119(e)节下于2014年5月5日提交的名称为“methodfornaturalhuman-likemotionandhumaninterfaceinsurgicalrobotics(在手术机器人中用于类似自然人运动和人机接口的方法)”的美国临时专利申请号61/988498和于2015年3月23日提交的名称为“virtualrealitysurgicaldevice(虚拟现实手术装置)”的临时专利申请号62/136883的受益权，上述专利申请的全部内容通过参引在此结合。
本申请大致涉及最小侵入手术和虚拟现实系统。
背景技术：
自从在二十世纪九十年代初最小侵入手术领域发端以来，其经历了快速成长。虽然最小侵入手术大大地提高了患者的治疗量，但是这种提高以外科医生的精确和顺畅的操作能力为前提。在腹腔镜检查期间，外科医生外科医生必须通过患者腹壁中的小切口插入腹腔镜仪器。由于腹腔镜仪器不能在不损伤腹壁的情况下左右运动，工具通过腹壁的自然插入限制了腹腔镜仪器的运动。标准腹腔镜仪器受限于四个运动轴线。这四个运动轴线为仪器进出套针的运动(轴线1)、仪器在套针内的旋转(轴线2)以及在保持套针的入口的枢转点进入腹腔内的同时套针在两个平面中的角运动(轴线3和4)。在过去的二十多年中，已经通过仅这四个运动自由度进行大多数最小侵入手术。
现有机器人手术装置试图解决这些问题中的一些。一些现有机器人手术装置在仪器的端部利用另外的自由度重现非机器人腹腔镜手术。然而，即使对手术过程做出许多高成本变化，但是现有机器人手术装置在其被采用的大多数手术过程中没有提供提高的患者治疗量。另外，现有机器人装置形成外科医生与手术末端执行器之间增加的分离。这种增大的分离由于外科医生对由机器人装置施加的运动和力的误解而引起伤害。由于许多现有机器人装置的自由度对于操作人员来说是不熟悉的，因此外科医生在针对患者进行操作之前必须在机器人模拟器上进行大量训练，以便使引起非故意伤害可能性最小。
为了控制现有机器人装置，外科医生坐在操作台上并且利用其双手和双脚控制操纵器。另外，自动照相机保持在半固定位置中，并且通过外科医生的组合的手脚动作来运动。具有有限观察区域的这些半固定摄像机导致观察操作区域的困难。
其他机器人装置具有通过单个切口插入的两个机器人操纵器。这些装置将所需的切口数目减少至单个切口，通常在脐点中。然而，现有单切口机器人装置具有由其致动器设计引起的显著的堵塞缺陷。现有单切口机器人装置包括伺服电机、编码器、齿轮箱以及体内机器人内的所有其他致动装置。在患者的身体内包括电机和齿轮箱的这一决定导致具有受限性能的较大机器人。这种较大机器人必须通过大的切口插入，因此增加了疝形成风险、感染风险、疼痛以及一般发病。对于一些现有装置所需的切口尺寸在1.5英寸与2英寸之间——类似开放手术的切口尺寸。另外，这些装置的尺寸由于体内装置内的电机、齿轮等等内含物而未必能够显著地减小。这种增大的切口尺寸导致对患者的显著增大的伤害并且大大地降低现有装置的实用性。
现有单切口装置也具有有限的自由度。这些自由度中的一些对于人类来说是非直观的，例如臂在手术过程期间的延长。这些自由度需要外科医生必须做出类似于现有多切口装置的运动的非直观学习运动的用户接口。
类人机器人
数个人员之前已提出设计成重现人臂的自由度的手术机器人的思想。然而，所有现有设计包括均设置在机器人臂内的非常复杂的齿轮箱和齿轮传动系。由于这些齿轮箱和齿轮传动系，现有类人臂均难以制造、尺寸较大并且速度较低。另外，没有类人机器人的在前发明人描述设计成完全利用类人机器人的优势的人机接口。没有适当的人机接口，类人臂相对于可替代机器人设计几乎不提供优势。
技术实现要素：
在一个实施例中，本发明包括用于手术的系统，用于手术的系统包括：中心体；操作地连接至中心体的可视化系统，可视化系统包括至少一个摄像机；扫视系统和倾斜系统中的至少一者；用于基于来自至少一个摄像机的信息生成图像的视频渲染系统；显示从摄像机接收的图像的头戴式显示器；传感器系统，其追踪头戴式显示器相对于参考点的空间位置和头戴式显示器相对于参考点的空间定向中的至少一者，其中，扫视系统和倾斜系统中的至少一者构造成响应于来自传感器系统的关于头戴式显示器相对于参考点的空间位置和空间定向中的至少一者的变化的信息来调整摄像机的视野；以及操作地连接至中心体的机器人装置。在手术系统中，视频渲染系统还构造成用于基于来自传感器系统的信息调整所生产的图像的视野。手术系统还可以包括第二摄像机。在包括两个摄像机的手术系统中，由视频渲染系统生成的图像还可以包括基于来自第一和第二摄像机的信息的立体图像。
手术系统还可以包括多个摄像机。在包括多个摄像机的手术系统中，视频渲染系统还可以基于交织来自多个摄像机的信号信息的软件生成图像。
手术系统还可以包括测量摄像机的位置和定向中的至少一者的至少一个传感器。手术系统包括两个摄像机，在插入配置中，可视化系统在垂直于插入轴线的平面中的横截面尺寸小于第一摄像机与第二摄像机之间沿着插入轴线的中心距离。
手术系统的机器人装置还可以包括用于使机器人装置的一部分相对于机器人装置的另一部分旋转的第一旋转致动器，以及用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的操作地联接至第一旋转致动器的另一部分之间的角度的第一铰接致动器。机器人装置还可以包括用于改变机器人装置相对于中心体的位置的位置致动器，使得机器人装置可以用于中心体的第一侧或第二侧上。
在其他实施例中，手术系统的机器人装置还可以包括用于使机器人装置的一部分相对于机器人装置的另一部分旋转的第一旋转致动器，用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的操作地联接至第一旋转致动器的另一部分之间的角度的第一铰接致动器，用于使机器人装置的一部分相对于机器人装置的操作地联接至第一铰接致动器的另一部分旋转的第二旋转致动器，用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的操作地联接至第二旋转致动器的另一部分之间的角度第二铰接致动器，用于使机器人装置的一部分相对于机器人装置的操作地联接至第二铰接致动器的另一部分旋转第三旋转致动器，用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的操作地联接至第三旋转致动器的另一部分之间的角度的第三铰接致动器，以及操作地联接至第三铰接致动器的手术末端执行器。
在进一步的其他实施例中，手术系统还可以包括第二机器人装置，第二机器人装置包括用于使机器人装置的一部分相对于机器人装置的另一部分旋转的第四旋转致动器，以及用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的操作地联接至第四旋转致动器的另一部分之间的角度的第四铰接致动器，用于使机器人装置的一部分相对于机器人装置的操作地联接至第四铰接致动器的另一部分旋转的第五旋转致动器，用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的操作地联接至第五旋转致动器的另一部分之间的角度的第五铰接致动器，用于使机器人装置的一部分相对于机器人装置的操作地联接至第五铰接致动器的另一部分旋转的第六旋转致动器，用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的另一部分之间的角度，用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的操作地联接至第六旋转致动器的另一部分之间的角度的第六铰接致动器，以及操作地联接至第六铰接致动器手术末端执行器。
在另一个方面中，本发明包括机器人手术装置，机器人手术装置包括用于使机器人装置的一部分相对于机器人装置的另一部分旋转的第一电缆驱动旋转致动器，用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的操作地联接至第一电缆驱动旋转致动器的另一部分之间的角度的第一电缆驱动铰接致动器，用于使机器人装置的一部分相对于机器人装置的操作地联接至第一电缆驱动铰接致动器的另一部分旋转的第二电缆驱动旋转致动器，用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的操作地联接至第二电缆驱动旋转致动器的另一部分之间的角度的第二电缆驱动铰接致动器，用于使机器人装置的一部分相对于机器人装置的操作地联接至第二电缆驱动铰接致动器的另一部分旋转的第三电缆驱动旋转致动器，第二电缆驱动铰接致动器用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的另一部分之间的角度，用于改变机器人装置的一部分与机器人装置的操作地联接至第三旋转致动器的另一个电缆驱动部分之间的角度的第三电缆驱动铰接致动器，以及操作地联接至第三电缆驱动铰接致动器的手术末端执行器。在一些实施例中，机器人装置部分地设置在患者的身体内。在其他实施例中，机器人装置完全设置在患者的身体内。
在仍然另一方面中，本发明包括机器人致动器，机器人致动器包括：第一本体，第一本体包括将机器人致动器联接至近端系统的近端连接部件和第一轴承表面；第二本体，第二本体包括将机器人致动器联接至远端系统的远端连接部件和与第一轴承表面形成轴承的第二轴承表面，在此轴承在至少一个自由度相对于第二本体的运动限制第一本体的运动；与第一本体或第二本体操作地联接的滑轮或绞盘；构造成致动滑轮或绞盘的致动器电缆，以及由机器人致动器限定并且形成成型路径的至少一个成型表面，以允许多个另外的电缆穿过从联接至近端连接部件的系统到联接至远端连接部件的系统的路径，其中，该路径的形状和位置使得另外的电缆的长度对于使用机器人致动器的基本整个运动范围保持基本恒定。
本发明还包括机器人致动器，机器人致动器包括：包括近端连接部件的第一本体；包括远端连接部件的第二本体；轴承系统，其在除围绕垂直于机器人致动器的远端-近端轴线的一个轴线旋转之外的全部自由度上限制第一本体相对于第二本体的运动；与第一本体或第二本体操作地联接的滑轮或绞盘；构造成致动滑轮或绞盘的致动器电缆，以及由机器人致动器限定并且形成成型路径的至少一个成型表面，以允许多个另外的电缆穿过从联接至近端连接部件的系统到联接至远端连接部件的系统的路径，其中，该路径的形状和位置使得另外的电缆的长度对于使用机器人致动器的基本整个运动范围保持基本恒定。
本发明还包括机器人致动器，机器人致动器包括：包括近端连接部件的第一本体；包括远端连接部件的第二本体；轴承系统，其在除围绕机器人致动器的远端-近端轴线的旋转之外的全部自由度上限制第一本体相对于第二本体的运动；与第一本体或第二本体操作地联接的滑轮或绞盘；构造成致动滑轮或绞盘的致动器电缆，以及由所述机器人致动器限定的孔，所述孔具有至少三倍于所述致动器电缆的直径的内径，所述孔构造成使得另外的电缆可以穿过从联接至所述近端连接部件的系统到联接至所述远端连接部件的系统的孔，其中，所述孔的形状和位置使得所述另外的电缆的长度对于使用所述机器人致动器的基本整个运动范围保持基本恒定。
本发明的另一方面包括手术抓握器，手术抓握器包括主抓握器本体；操作地联接至抓握器本体的第一抓握器夹颚；操作地联接至抓握器本体的第二抓握器夹颚；致动电缆，以及连杆机构，其使第一抓握器夹颚和第二抓握器夹颚中的至少一者与致动电缆联接，其中，连杆响应于致动电缆的运动提供第一抓握器夹颚或第二抓握器夹颚的远端部的非线性运动。手术抓握器还可以包括固定在主抓握器本体、第一抓握器夹具颚、第二抓握器夹颚、致动电缆和连杆机构中的至少一者上的应变计，在此，通过应变计测量的应变可被用于计算第一抓握器夹颚的远端部和第二抓握器夹颚的远端部之间的力。在另一个实施例中，手术抓握器还可以包括与第一抓握器夹颚和第二抓握器夹颚中的至少一者操作地联接的至少一个弹簧。在另一实施例中，手术抓握器可以进一步包括用于控制抓握器夹颚的力和抓握器夹颚的位置中的至少一者的软件控制环和硬件控制环中的至少一者。在另一实施例中，手术抓握器可以还包括与致动电缆操作地联接的至少一个伺服电机。在另一实施例中，手术抓握器可以进一步包括至少一个位置传感器，在此位置传感器测量第一抓握器夹颚和第二抓握器夹颚中的至少一者的位置。
该手术抓握器还可以包括提供触觉反馈的装置，在此计算的力用于确定触觉反馈力。
附图说明
注意到编码项目在整个附图中保持一致。利用相同附图标记编号的项目为同一项目或项目的相同拷贝。利用不同附图标记编号的项目为具有不同设计的零件，或者为用于不同目的的偶然相同零件。
图1a是构造用于使用的双臂机器人手术装置的一个实施例的正面立体图。
图1b是构造用于使用的双臂机器人手术装置的一个实施例的后部立体图。
图2a是一个实施例中的机器人手术装置的右臂的分解立体图。
图2b是具有定向在第一位置中的第一致动器的双臂机器人手术装置的一个实施例的示图。
图2c是具有定向在第二位置中的第一致动器的双臂机器人手术装置的一个实施例的示图。
图3a是构造成用于通过套针插入的双臂机器人手术装置的一个实施例的立体图。
图3b是根据一个实施例的双臂机器人手术装置完全插入的套针的立体图。
图3c是在一个实施例中具有内套筒的套针的示图。
图3d是示出专利管腔的套针的一个实施例的示图。
图4是示出插入本体的可替代实施例的立体图。
图5a是根据一个实施例的具有摄像机的套针套管的立体图。
图5b是根据一个实施例的在通过套针插入期间的套针套管的立体图。
图5c是根据一个实施例的在使用期间具有就位的摄像机的套针套管的立体图。
图6a是根据一个实施例的构造用于使用的摄像机的主视图。
图6b是根据一个实施例的构造成用于插入腹部内的摄像机的主视图。
图7a是根据一个实施例的中心连接部件的立体图。
图7b是根据一个实施例的中心连接主视图的分解视图。
图7c是根据一个实施例的中心连接后视图的分解视图。
图8a是根据一个实施例的铰链致动器的立体图。
图8b是根据一个实施例的铰链致动器的分解图。
图9a是被致动至0度的铰链致动器的截面的一个实施例的示图。
图9b是被致动至30度的铰链致动器的截面的一个实施例的示图。
图10a是根据一个实施例的旋转致动器第一侧的侧视图。
图10b是根据一个实施例的旋转致动器第二侧的侧视图。
图10c是根据一个实施例的旋转致动器的分解图。
图10d是根据一个实施例的旋转致动器的截面图。
图11a是根据一个实施例的抓握器的立体图。
图11b是根据一个实施例的抓握器的分解图。
图11c是根据一个实施例的关闭时的抓握器的截面。
图11d是根据一个实施例的打开时的抓握器的截面。
图12a是示出根据一个实施例的打开抓握器的示图。
图12b是示出根据一个实施例的关闭抓握器的示图。
图13是根据一个实施例的延伸节段的立体图。
图14a是根据一个实施例的四臂机器人手术系统的立体图。
图14b是根据一个实施例的四臂机器人手术套针的立体图。
图15是示出根据一个实施例的将mems传感器放置在穿戴虚拟现实头戴式视图器的使用者上的示图。
图16是虚拟现实机器人系统的一个实施例的框图。
图17是根据一个实施例的具有单独的机器人和摄像机系统的装置的主视图。
具体实施方式
虽然当前系统设计用于由外科医生在腹腔内使用，但是该装置的可替代使用是可能的。例如，使用者可以是医师助理、护士、手术助手或任何其他手术人员。另外，该装置可以布置在患者的身体的任何部分内，将来的实施例可以设计成非常小以便允许在患者的身体的更小区域内使用。更小和更大的装置可被制造用于比如为鼻窦、结肠、胃或人体内的任何其他区域的区域中。利用mems或其他装置的微加工可以允许装置被定位在比如为人类血管的极小区域内。可替代地，该系统可被用于获得优良的机敏性和可视化，即使在装置部分地或完全地定位在人体外部的打开过程期间。
在其他实施例中，该装置被用于非手术或非医疗任务，比如零件的微加工组装、炸弹拆除或需要精细动作技能的任何其他任务。装置的可替代实施例可以利用人类尺寸或甚至巨大的臂来制造，允许人类执行由于其太小、太弱或者不能而不能执行的任务。明显地，在这些实施例中，使用者可以没必要是外科医生。
以下定义详细说明书和权利要求中使用的单词：
外科医生：装置的使用者
腹腔：装置插入其内的任何封闭或半封闭区域
腹壁：部分地或完全地封闭上述腹腔的壁
套针：用于通过上述腹壁插入装置的管
远端：更靠近机器人臂的末端执行器
近端：更远离机器人臂的末端执行器
总体装置设计
图1a示出布置在患者的腹腔内的我们的装置的一个实施例的立体图。该装置包括连接至中心体101的管道100。中心体布置在患者的腹部内。管道包括横穿腹壁的中空管，由此将电力、信号、控制电缆、冲洗剂、真空和任何其他系统从患者的身体外部的系统导向患者的身体内部。在一些实施例中，管道100包括多个管腔以分离各个系统和电缆并且提供独立的流体通道。在其他实施例，该管道包括多个连锁节段，使得管道是柔性的，同时所有控制电缆是松弛的，而在向管道内的控制电缆施加张力时变成刚性的。该设计将以与具有由电缆联结的连锁节段的露营帐篷支承柱相似的方式运行。当张紧电缆并且节段一起运动时，其形成刚性柱。在又一个实施例中，管道是弯曲成非线性形状的刚性管。
图1a还示出附连至中心体101的右机器人臂103和左机器人臂104。这些机器人臂中的每一个包括连接以形成类人机器人臂的多个致动器。每个机器人臂的致动器组装以形成机器人肩部105、机器人肘部106、机器人手腕107和手术末端执行器109。
图1b示出附连至中心体101的摄像机组件102。该摄像机机体定位使其大致居中地定位在机器人肩部105之间并且稍微在机器人肩部以上。摄像机机体定位成使得以下比值保持成立。
虽然该比值对于一般人来说大致等于2，可以理解的是该比值可以因人而异。在一个实施例中，该装置可被制造成准确地匹配外科医生的比值，同时在另一个实施例中一般比值保持为一般外科医生的大致比例。在另一个实施例中，该比值能够在使用期间或者在插入患者之前进行调整。可替代地，该比值可以有意地增大以便减小装置在使用期间的整体垂直高度。这种减小用于增大患者的腹腔内的工作区域。对于初始装置最大通用性而言，一个实施例设计有大致4的比值，包括对于增大的装置通用性的类人感觉。假设具有在1与4之间的比值的装置将保持对于外科医生的足够类人的视图。
根据上述比值，摄像机组件被设置在给予机器人臂的自然、类人视图的位置中。在具有仅一个类人机器人臂的装置的可替代实施例中，摄像机仍被设置成使其在臂上保持类人透视图。另外在另一个可替代实施例中，摄像机向前运动使得由摄像机组件102和两个机器人肩部105形成的平面垂直于由中心体101和两个机器人肩部形成的平面。可替代地，摄像机变焦可以给使用者摄像机已被放置得更加向前的印象，或致动器可以使摄像机机体具有在手术期间前进的能力。
在其他实施例中，右机器人臂103、左机器人臂104和摄像机组件102中的任一者均不附连至中心体101。在这些实施例中，系统的独立部件单独地插入患者的腹腔内。这些部件可以通过单个套针或通过许多套针插入。部件可以在腹腔内组装。可替代地，部件可以保持分离，然而可定位成使得类人机器人与自然类人可视化同步工作。一个这种实施例包括单独地插入并且由其自身的管道234支承的摄像机系统，如图17所示。
机器人臂设计
图2a示出右机器人臂103(图1a)的立体图。该臂包括多个机器人关节。第一致动器110(图2a)连接至中心体101(图1a)。在一个实施例中，第一致动器用于允许外科医生在装置的任一侧上操作，以及伸直装置用于插入腹腔和从腹腔去除。图2b示出左臂和右臂的第一致动器，其定向使得机器人臂定位成在装置的一侧上操作。类似地，图2c示出第一致动器的左臂和右臂，其定向成使得手术臂定位成在装置的第二侧上操作。当在装置的第二侧上操作时，右臂变成左臂，左臂变成右臂。这种改变在控制装置的软件中实现。
另外，摄像机组件102(图1a)能够回转180度以上。该活动范围允许外科医生将装置放置在患者的腹腔中的任何位置并且从任何方向观察腹部。例如，为了在患者的胆囊上操作，外科医生可以将装置放置在患者的左侧上并且将臂和摄像机定向成面向患者的右侧。可替代地，对于在胃上操作而言，外科医生可以将装置放置在患者的右侧上，使臂和摄像机定向成面向患者的左侧。这种通用性允许一个装置被用于许多不同的手术。
图2a另外示出连接至第一致动器110的第二致动器111和连接至第二致动器的第三致动器112。第二致动器提供围绕沿着臂的中心的轴线的旋转致动。第三致动器利用围绕垂直于第二致动器的轴线的轴线的旋转提供铰接致动。共同地，第二致动器和第三致动器提供具有模仿人类肩部的球窝关节的自由度的两个自由度的机器人肩部105(图1a)。这些运动自由度模仿人类肩部外展内收和人类臂屈曲/伸长。在可替代实施例中，其他致动器类型可以允许包括球窝关节致动器的肩部自由度。
图2a另外示出第四致动器113和第五致动器114。第四致动器连接第三致动器和第五致动器并且提供围绕沿着臂的中心的轴线的旋转致动。第四致动器的旋转致动模仿人类臂向外/向内旋转的运动。第五致动器连接至第四致动器并且形成机器人肘部106(图1a)。第五致动器利用围绕垂直于第四致动器的轴线的轴线的旋转提供铰接致动。第五致动器的铰接致动器模仿人类肘部屈曲/伸长的运动。
图2a另外示出第六致动器115和第七致动器116。第六致动器连接第五致动器和第七致动器并且提供围绕沿着臂的中心的轴线的旋转致动。第六致动器的旋转致动模仿人类手掌向上/向下的运动。第七致动器连接至第六致动器并且形成机器人手腕。第七致动器利用围绕垂直于第六致动器的轴线的轴线的旋转提供铰接致动。第七致动器的铰接致动器模仿手腕伸长和屈曲的运动。手术末端执行器109连接至第七致动器。在一个实施例中，手术末端执行器向外科医生提供具有类似于姆指和食指(第一和第二手指)的挤压的运动的机器人抓握器。
根据如上所述的致动器的组合，机器人臂具有模仿人类臂的自由度。因此，臂能够几乎准确地重现人类臂运动。如下所述的旋转致动器和肘部致动器的特定设计使得这种多自由度机器人臂能够模仿人类运动和通过标准12mm套针配合。
在一个实施例中，旋转致动器并非提供无限制地连续旋转。因此，臂不能无限制地完美模仿人类肩部的所有运动。当反复多次时，一些运动将使得第二致动器达到其硬限制。为了克服该限制，在一个实施例中计算机控制算法限制肩关节的运动，由此不需要连续旋转。软件防止外科医生将机器人肘部运动经过虚平面。只要虚平面设置用于每个机器人臂使得每个第二致动器的轴线与其相应的臂的平面重合，就从不需要连续旋转。该平面可以根据每个手术的需要不同地定向。例如，当完全在装置以下操作时，用于两个臂的平面可以平行于地面，使得机器人肘部可以从不通过机器人肩部的高度以上。可替代地，对于装置前面的外部手术而言，平面可以垂直于地面设置。
在一个实施例中，机器人装置不包括模仿桡侧屈/尺侧屈的自由度。虽然人类臂具有该自由度，但是我们实验已发现该自由度对于装置运行并非关键。然而，装置的可替代实施例提供该自由度。
装置的插入和去除
图3a示出构造成用于插入患者的腹腔内以及从患者的腹腔去除的双臂机器人手术装置的一个实施例。对于插入，所有铰链关节沿直线方向定位，如图3a所示。在一个实施例中，通过去除线缆上的力使铰链关节伸直，由此允许所有铰链关节变得松弛。松弛的关节按照需要手动地伸直。在可替代实施例中，致动器被驱动至直线位置。在一些实施例中，致动器可以继续被提供动力，仍然利用通过阻尼模拟自由运动致动器的阻尼算法进行控制。在另一个实施例中，关节被致动至非线性方向，用于如下所述地穿过弯曲套针。
在一些实施例中，机器人手术装置可以通过套针117插入腹部内。在一个实施例中，套针在插入期间设计有类似于装置的横截面轮廓的横截面轮廓。在插入期间，装置以最小间隙穿过套针以允许患者的腹壁中的最小可能的切口。在可替代实施例中，该装置可以通过标准商业套针插入。
图3b示出装置已经插入的套针。图3c和图3d示出套针和套针内套管118。一旦插入，管道100(图3b)占用非圆形套针117的部分119(图3d)。在一个实施例中，套针内套筒118设置成将管道保持就位，由此在套针中保留12mm的圆形开口120。在一些实施例中，该内套筒相对于套针形成气封。在其他实施例中，内套筒包含橡胶止回阀以帮助保持用于手术注入的气封。在一个替代实施例中，套针是柔性和/或弯曲的。这种灵活性将允许弯曲装置或管道穿过套针。
在一些实施例中，内套筒包含连接患者外部的气体端口和患者的腹部的内部的管。该管和气体端口允许向腹腔注入。可替代地，套针117可以包含这种管和气体端口以允许注入。在一些实施例中，套针包含止回阀以在机器人装置插入之前保持注入压力。在其他实施例中，可移除塞阻塞套针的用于利用去除的机器人装置进行注入的开口。
图4示出定位在插入本体121内的装置的一个实施例。该插入本体允许装置容易地运动到患者的腹部内。该装置可以在插入本体内输送，以防止对于外科医生来手动地伸直装置的铰链关节的需要。外科医生仅使插入本体122的远端滑动通过套针。插入本体的远端形成为软的和圆形的，以免在插入期间伤害组织。外科医生使插入本体滑动到患者的腹腔内，直到他或她遇到阻力，表明与腹壁或器官接触。在接触时，外科医生使插入本体缩回，同时使装置前进。当装置脱离插入本体的保护时，松驰的铰链关节弯曲以允许装置在腹部内卷曲。在一些实施例中，插入本体远端122包括传感器，以利用任何标准感测装置(电容、电阻、电导率、压力等等)检测与腹壁接触和/或接近腹壁。在其他实施例中，整个插入本体是柔性的和/或弯曲的。
插入本体还可以帮助装置的拆除。助理可以通过套针放置插入本体。外科医生可以使最靠近插入本体的臂运动到插入本体内，因此从腹部去除插入本体时插入本体在整个装置上滑动。
图5a示出另外的套针内套筒123。该套管极薄，并且一旦套针横穿腹壁定位则套管被插入套针内。摄像机124附装到套针内套筒的端部，使其不堵塞套针的开口。图5b示出在其通过套针插入时的另外的套针内套筒。图5c示出就位并且完全插入套针中的另外的套针内套筒。一旦插入，摄像机提供腹腔的可视化并且辅助装置向腹腔的安全插入和从腹腔安全去除装置。该摄像机还可以包括光源以及在手术期间辅助和获取数据的其他传感器。该摄像机另外可以包括提供腹部内的多个视图的多个摄像机。
摄像机和可视化系统
图6a示出构造成在患者的腹腔内使用的摄像机和可视化系统。图6b示出构造成用于通过套针插入的摄像机和可视化系统。通过致动铰链关节126和球窝关节127使摄像机系统在图6a所示的使用位置与图6b所示的插入位置之间运动。在图7c中最佳地观察铰链关节126。可以利用包括电缆、电机、磁体、电磁体等等的任何标准致动装置致动铰链关节和球窝关节。在一个实施例中，可以利用将摄像机致动至图6a所示的使用位置内的弹簧致动铰链关节。当装置通过套针缩回时，通过套针的端部施加的力的方向迫使弹簧致动的铰链关节运动到图6b所示的插入位置内，位置以允许其配合在套针或插入管内。
图6a所示的摄像机系统包括布置在摄像机机体125内、靠近摄像机机体125或布置在摄像机机体125的顶部上的第一摄像机128和第二摄像机129。摄像机机体通过球窝关节127的致动以两个自由度枢转。这种两个自由度的运动形成摄像机的扫视系统和倾斜系统。扫视系统沿扫视轴线调整摄像机的视界，同时倾斜系统沿倾斜轴线调整摄像机的视界。在可替代实施例中，利用两个铰链关节或旋转关节和铰链关节替换球窝关节。在又一个实施例中，旋转关节使摄像机机体围绕竖直轴线旋转，同时通过数字地调整摄像机视界来提供倾斜运动。位置传感器准确地测量使摄像机机体运动的每个关节的位置。位置传感器可以包括霍尔传感器、光学编码器、电阻位置传感器或测量位置的任何其他标准装置中的任一者。
在另一实施例中，摄像机在摄像机机体内运动，使得通过摄像机在摄像机机体内的运动提供扫视调整和倾斜调整中的一者或两者。该调整可以与摄像机机体运动结合使用，或替代摄像机机体运动。摄像机可以一起运动或单独运动。可以通过马达致动、缆线致动或任何其他标准致动装置使摄像机运动。可替代地，摄像机可以以两个自由度自由地旋转并且在由包围摄像机的电磁线圈产生的磁场的引导下运动。
在一些实施例中，通过数字扫视和倾斜调整提供扫视运动和倾斜运动两者。通过修剪数字摄象机图像提供数字调整。修剪图像自动地调整，使得在需要扫视运动或倾斜运动时，显示给使用者的图像的部分变化，由此产生摄影机移动的错觉。在另一实施例中，采用数字机械和机械调整的组合，使得数字扫视和倾斜调整实现微小和快速调整，同时机械扫视和倾斜调整允许较大扫视和倾斜运动。
在另一实施例中，摄像机组件作为与装置的其余部分分离的单元被插入腹部内。该分离的摄像机组件可以在腹腔的内部与装置可拆除地联接，或者其可以用作单独的单元。
在一些实施例中，摄像机具有允许操作区域的宽幅可视化的宽角度透镜。在其他实施例中，摄像机具有允许具有窄水平视界的宽幅竖直视界的非球面镜头。利用数字调整去除失真。这种宽幅竖直视界允许仅利用数字技术提供倾斜运动。在又一个实施例中，摄像机机体125包括进一步增大视野的多个摄像机装置。摄像机视界数字地交错以形成具有全景视界的一个大图像。本领域已知的标准数字技术被用于交织图像。在另一个实施例中，摄像机机体另外包括感测压力、电容、温度、红外、紫外中的任一者的其他传感器或任何其他传感器装置。
在一个实施例中，摄像机机体125还包括定位在第一摄像机128与第二摄像机129之间的一排led。这些led用于照亮操作区域。这些led经由送进到本体的外部的导线供电。热在摄像机机体内从led散失。在一些实施例中，少量无菌盐水或其他生物相容流体可以流过摄像机机体以冷却摄像机机体。其他实施例还包括温度传感器以确保摄像机机体保持在安全温度范围内。在另一实施例中，led设置在装置的提供用于不同角度光以及更大热沉本体的其他本体内。
被认为腹部还可以经由光纤或另一个光源照亮。光纤可以利用致动电缆或通过另一个切口供给到身体内。在一个实施例中，光纤通过比如为21口径血管导管旋拧到腹部内。纤维可以与腹部内部的装置匹配，或者可以用于在不与装置匹配的情况下提供照明。这种照明系统将用于以减少的热量提供增强的光，但是以整个系统的增加的复杂性为代价。
摄像机机体被插入以使其视野垂直于通过套针插入的方向。这允许将摄像机放置在摄像机机体125上或摄像机机体125中(图6a)，使得中间摄像机距离130超过装置通过其插入的切口的尺寸。根据增大的中间摄像机距离，摄像机系统已经提高了观察视差量和允许使用者感知深度的能力。中间摄像机距离被选择为保持自然和类人系统，使得
人与装置相互作用
自然人机接口(hmi)被设计成最佳地利用类人机器人装置和自然可视化系统。一个实施例允许外科医生利用其自身手臂的运动控制装置。外科医生穿戴一系列弹性带；每个带将传感器紧固至外科医生的臂。在一个实施例中，该传感器是mpu-6050传感器。mpu-6050包括mems陀螺仪、加速度计和数字运动处理器以计算传感器的定向。
参照图15-a，在一个实施例中，外科医生穿戴八根弹性带226和227。这些带将八个mpu-6050传感器固定至外科医生的臂，如图15所示。一个带设置在左右食指224、手背223、远端前臂背侧222和远端上臂背侧221中的每一者上。包含每个上臂传感器的外壳另外包含微控制器、电池和蓝牙模块。利用i2c协议沿着导线225收集来自远端传感器的数据并且通过蓝牙传输至中央计算机。
根据来自八个mpu-6050传感器的数据，中央计算机能够计算外科医生的臂的每个部分的位置和定向。未来的解决方案包括追踪外科医生的躯干或任何其他身体部分。另外，可替代实施例包括添加具有每个加速度计、陀螺仪和运动处理器单元的mems磁强计。比如为mpu-9250的mems芯片使所有上述部件位于单个封装中。由于磁头允许围绕竖直轴线的传感器偏移减小，因此磁强计的添加在本领域是常规作法。可替代实施例还包括设置在比如为手套、手术刷或手术服的手术材料内。这些传感器可是可再用的或一次性的。
又一个实施例包括添加追踪外科医生的臂和身体的位置的传感器。这种传感器类似于xbox
根据追踪外科医生的臂的能力，中央计算机内的控制环驱动控制该装置的类人机器人臂的伺服电机。这可以在图16的框图中看到。臂被控制以跟随外科医生的臂的缩小比例的运动。机器人肘部跟随人类肘部的位置和定向。机器人手腕跟随人类手腕的位置和定向。当外科医生将其食指和姆指紧压在一起时，手术末端执行器跟随外科医生的食指的运动。
随着装置的臂跟随外科医生的臂的运动，装置的肩部固定就位。在一个实施例中，从外科医生的臂的位置和定向减去外科医生的躯干的位置和定向。这种减去允许外科医生在臂不运动的情况下使其躯干运动。可替代实施例包括具有垫片的椅子，以鼓励外科医生将其肩部保持固定就位。通过防止外科医生使其肩部运动，外科医生避免做出装置所不能重现的运动，由此提高装置的自然感觉。
外科医生穿戴虚拟现实头戴式显示器220(图15)以便最佳地观察装置。比如为oculusrift的适当的头戴式显示器向使用者提供头戴式显示器、允许聚焦显示器的视界的透镜以及提供显示器的位置和定向追踪的传感器系统。位置和定向传感器系统可以包括加速度计、陀螺仪、磁强计、运动处理器、红外线跟踪、计算机视觉、追踪位置和定向中的至少一者的任何其他方法或其任何组合。随着许多显示器在市场上出现，重要的是选择用于我们的系统的最佳显示器。一般引起用于我们的系统的改进的装置功能的显示器特征包括增大视野、减小等待时间、降低持续性、提高分辨率、减小重量、增加舒适性以及改进的显示位置和定向追踪。
通过头戴式显示器，计算机如图16的框图所示地处理从装置的可视化系统收集的视频。在一个实施例中，来自第一摄像机128和第二摄像机129(图6a)的视频如稍后在该部分中说明地收集和处理。来自一个摄像机128的处理的视频显示给外科医生的右眼。类似地，来自一个摄像机129的处理的视频显示给外科医生的左眼。来自在腹腔中间隔开的独立摄像机的左右眼视界的组合向外科医生提供立体影象。
为了保持完全的虚拟现实体验，传感器系统追踪外科医生的头戴式显示器的位置和定向。该传感器系统实时将数据中继至中央计算机。中央计算机尽快地调整装置的摄像机系统的扫视和倾斜，以跟随使用者的头部的运动。由于难以足够快速地调整摄像机的扫视和倾斜，使得外科医生不能感知延迟，软件稍微调整摄像机视界以补偿摄像机位置与外科医生的头部位置之间的任何差别。
虽然一些实施例仅向外科医生提供视觉反馈，但是替代实施例提供许多另外的反馈系统。在一个实施例中，外科医生保持装置以提供触觉反馈。这种装置可以与连接至两个构件的小伺服电机一样简单。当外科医生在构件之间挤压时，伺服电机抵制运动。由于提供触觉反馈的伺服电机以及在机器人抓握器中进行感测的位置和力，标准力控制算法可被用于使得外科医生能够“感受”由抓握器施加的力。
在可替代实施例中，外科医生具有类似外骨骼装置以穿戴在其臂中的每一只上。这种装置将包含用于机器人臂的每个致动器的伺服系统并且将允许外科医生体验用于每个机器人致动器的触觉反馈。在又一个实施例中，外科医生利用今天市售的已知的标准触觉相互作用装置与装置相互作用。
在一个实施例中，外科医生的臂的运动利用仅直接比例转换成装置的臂的运动。然而，其他实施例可以包括运动的可调整比例。在一个实施例中，运动还缩小比例使得外科医生肘部的10度的运动引起装置的肘部的5度的相似运动。该比例允许提高的机敏以换取装置的降低的自然感觉。另一个实施例包括可调整比例，其中比例因子与运动的速度有关。例如，如果外科医生的肘部以10度每秒运动10度，则装置的肘部运动3度。如果外科医生的肘部以50度每秒运动10度，则装置的肘部运动15度。
图16的框图提供显示装置作为整体如何收集和利用信息的总体图。传感器229追踪外科医生身体的运动并且向中央计算机传达该信息。中央计算机包含控制环230以及视频执行和扩编软件和硬件231。关于外科医生的臂和身体位置的信息用于计算预定机器人致动器位置。控制环利用所需的机器人致动器位置与来自伺服电机、编码器、伺服电机转矩、装置编码器和任何其他相关系统的处理值相结合计算对伺服电机232的功率输出。这些控制环可以使用标准调谐的比例积分微分“pid”控制来确定对伺服电机的功率输出。可替代地，可以采用定制控制环。伺服电机如本申请中随后说明的与患者内部的装置233连接。
患者内部的装置收集来自摄像机系统的视频信号并且将这些信号传输至中央计算机的视频执行和增强系统231。该系统将关于摄像机的位置和定向、视频信号以及外科医生的头部位置和定向的信息进行组合。根据该信息，视频执行和扩编系统产生视频信号并且将该信号传输至外科医生的虚拟现实显示器228。应注意到，该框图大致描述了该装置，可替代实施例具有另外的传感器和元件以及框图部分之间的另外的连接，允许系统内的数据的更加复杂的处理和使用。
现实增强
为了进一步提高外科医生的操作能力，可以增加现实性以向外科医生提供增强的信息。现实性的这种增强用于通过添加至虚拟现实体验来进一步提高外科医生的操作能力。例如，在一个实施例中，装置的摄像机具有图像放大功能。由于外科医生自身的眼睛不能根据指令变焦，对于外科医生而言在操作期间使用该图像放大功能将是不自然的。然而，利用动画，外科医生可以选择放大镜或接目放大镜，并且在使用期间使玻璃位于其实际眼睛之前。该增强的现实性允许外科医生感觉似乎其使得焦距增大，由此保持外科医生与装置之间的自然虚拟现实连接。
在另一实施例中，外科医生能够将增强的现实性元件放置在患者的腹部内。例如，为了观察患者的射线照相扫描，外科医生可以选择将虚拟计算机监视器放置在患者的腹腔内(可能在手术区的外部的区域中)。该虚拟现实监视器允许外科医生在不离开操作虚拟现实的情况下浏览图像。
在另一实施例中，计算机追踪机器人臂在外科医生的视野内的位置。如果外科医生施加过大的力，则计算机增加机器人臂的颜色以在外科医生的视界内出现红色。类似地，机器人臂或手术末端执行器可被设定成在外科医生能够在烧灼器械上烧灼时改变颜色。
中心连接系统
图7a和图7b示出中心连接系统。中心连接系统用作多个目的，包括臂的支承、摄像机组件102的支承以及电缆和电力系统的布线。中心连接系统包括连接至管道100的主中心体131。该连接经由为本领域技术人员已知的任何标准附连方法实现，比如花键、压配合、胶合、焊接或任何其他现有附连方式。图7b示出用于具有随后所述的四个臂的实施例中的连接导线的电缆轨道137。前盖133将电缆保持在轨道内。
在管道内进入患者的身体的电缆经由如图7c的分解图中所示的滑轮系统132走线至适当的致动器。这些滑轮捕获v形槽135内的电缆，使得电缆即使在松弛的情况下仍保持就位。用于滑轮的轴136被加工就位或装配到预钻削孔内。后盖134通过旋拧到锥形孔138内的螺栓旋拧固定就位。
虽然如用于一个实施例的中心连接系统允许整个系统通过一个套针插入，但是可替代实施例允许多个单臂单元通过单独的套针插入。例如，三个套针可被用于引入两个类人机器人操纵器和虚拟现实摄像机。这种配置将在不需要中心连接系统的情况下完成相同的虚拟现实手术。然而，这将增加患者所需的切口的数目并且一旦插入减小了装置的机动性。
铰链致动器设计
第一致动器110(图2a)、第三致动器112、第五致动器114和第七致动器116是铰链致动器。在一个实施例中，铰链致动器是电缆驱动的，以便在最小可能的空间中提供适当的转矩和速度。该小致动器设计允许通过非常小的切口插入。图8a和图8b示出铰链致动器的透视图。该铰链致动器包括具有多个螺栓孔140的两个凹形部件139，螺栓孔140用于将凹形部件附连至另一个致动器或其他装置元件。该附连形成近端连接部件。可替代设计包括与其他已知装置的附连。这些方式可以包括凹形铰链部件和作为单体的近端附连部件的制造。凹形部件间隔开，保留用于致动器的凸形部件的区域。每个凹形部件包括用于使弦线、电缆导线和其他系统穿过致动器从近端连接系统到达远端致动器的多个弦线导向孔142。在可替代设计中，弦线导向孔由槽或单个孔替代以允许系统相似地穿过。另外，每个凹形铰链部件包括凹形轴承表面141。在一个实施例中，凹形轴承表面包括光滑加工表面。然而，可替代设计包括滚珠轴承、滚针轴承、液压轴承或任何其他轴承型式。
图8a和图8b进一步示出主铰链体143。该主铰链体包括远端连接部件，远端连接部件在其远端部包括用于连接至另外的致动器或系统的多个凸起部144。这些凸起部包括多个螺纹孔145以允许远端系统附连至致动器凸起部。虽然一个实施例包括利用螺栓附连，但是任何附连装置可以是适当的，包括将远端附连部件与主铰链体制造为单体。主铰链体包括用于使弦线、电缆导线和其他系统穿过致动器从近端连接系统到达远端致动器的多个弦线导向孔153。这些弦线导向孔以与凹形部件的弦线导向孔142相同的方式起作用。主铰链体还包括滑轮或绞盘146。该绞盘通过其致动铰链关节的装置。两个致动电缆从近端附连体中的管道149内沿着路径147延伸至滑轮。电缆继续围绕滑轮缠挠并且在电缆终端位置148处终止。
在一个实施例中，通过将电缆夹紧在刚性表面与设置在螺纹孔150中的定位螺钉之间来终止电缆。可替代地，可以利用本领域已知的任何适当的方式终止电缆。例如，聚合物光缆可以利用捆扎在电缆中的结点终止，或者金属光缆可以通过压接连接终止。在一个实施例中，两个致动方向中的每一个均设置有围绕滑轮沿相反方向螺旋绕制的独立电缆。可替代设计包括经由第一致动电缆管道孔149进入、围绕滑轮缠挠一次或多次并且经由第二电缆管道孔引出的单个电缆。虽然该设计消除了对致动器内的电缆终端的需要，但是其允许电缆相对于滑轮滑动。任一实施例依据特殊应用可以是适当的。在另一实施例中，单芯电缆沿一个方向致动铰链致动器，同时弹簧或其他储能装置提供沿相反方向的致动。
图8a和图8b还示出制造成主铰链体143的两个侧面的成型轮廓表面152。该成型轮廓允许致动器电缆、导线和任何其他系统从近端致动器和装置穿过铰链关节到达远端致动器和装置。图9a和图9b示出展示外形路径的功能的剖视图。该路径成型为使得贯穿电缆和系统158(图9a和图9b)的中心轴线始终保持在大致相同长度。在主铰链体143相对于凹形铰链部件旋转的同时，上述长度是相对不变的。利用对穿过致动器的电缆的cad分析制造该成型形状。在一个实施例中，调整该外形形状，直到电缆在所有致动位置处剩余其起始长度的大约1％。在当前实施例中，成型表面为铝制样式。聚合物光缆沿着表面通过。可替代设计包括为低摩擦材料(或涂敷有低摩擦材料)形式的表面、涂敷有低摩擦材料的电缆或为耐磨材料形式的表面中的任一种。另外，表面可以进一步包括多个捕获辊、球或滑轮，以进一步减小表面与电缆之间的摩擦。
随着成型表面152的添加，铰链致动器可以在不随之发生地致动远端系统的情况下通过宽幅角度范围致动。成型表面允许许多电缆在没有联接运动的情况下穿过铰链致动器。这允许多个电缆驱动致动器在不具有致动器之间的任何显著联接运动的情况下远端地附连至铰链致动器。今天最多用于手术的可替代致动器设计允许数根电缆在具有缓和联接运动的情况下通过。该成型表面允许与多根电缆的几乎完全分离的运动，由此允许七个自由度的机器人臂穿过12mm套针配合。
在一些实施例中，在致动器运动通过110度的运动范围时，致动器电缆在致动器内的长度的改变小于大约10％。在其他实施例中，长度的改变小于大约9％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约8％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约7％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约6％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约5％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约4％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约3％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约2％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约1％。
每个铰链致动器还包括两个凸形铰链体154，如图8b所示。每个凸形铰链体具有弯曲轮廓表面152，弯曲轮廓表面152具有与主铰链体143的弯曲轮廓表面相同的轮廓。该轮廓表面提供与主铰链体的轮廓表面相同的功能。另外，每个凸形铰链体包括用于将凸形铰链体附连至主铰链体的多个螺栓孔157。螺栓旋拧进主铰链体上的螺纹孔151内，将凸形铰链体半永久地固定至主铰链体。凸形铰链体还包括作用为用于铰链关节的铰链销的凸形凸起部155。沿着凸形凸起部的轴承表面156与凹形铰链部件139上的轴承表面141结合作用。这些表面提供用于铰链关节的轴承。轴承联合作业以形成轴承系统。如同凹形轴承表面一样，凸形轴承表面可以是圆柱形加工表面，或可替代地可以包括座圈和比如为球、针、流体等等任何类型的轴承。
虽然一个实施例利用多个螺栓将凸形铰链体154紧固至主铰链体143，但是任何可替代紧固方法均可以是可接受的。一个替代设计通过粘合剂紧固本体。在另一个设计中，本体制造为单体，由此消除对紧固装置的需要。制造为一个部分将增加制造操作的复杂性，同时减低组件的复杂性。
在一个实施例中，所有铰链致动器设计成是相同的，然而可替代实施例包括不同的铰链致动器以满足第一、第三、第五和第七致动器的特定需要。例如，第一致动器可能需要从负50度至正50度的运动范围。由此，如当前设计的致动器将理想地起作用。然而，第五致动器(表示肘关节)可能需要从大约0度至160度的运动范围。由此，具有适当的运动范围的改进的致动器对于该关节将是理想的。
另外，可替代实施例可以包括显著不同于一个实施例的致动器的铰链型致动器。致动器可以包括电机、齿轮箱、活塞或关节致动的任何其他装置。
在另一实施例中，致动器还包括用于测量关节处的位置的编码器。利用类似于amsag的as5055的霍尔效应编码器获得测量值。这种编码器容易地装配在铰链关节内，并且提供位置的12位分辨率的实时测量值。可替代地，可以采用测量位置的任何装置，包括光学和电阻编码器。数据经由导线传递至腹腔外部的系统。在一些实施例中，数据是无线传送的。在其他实施例中，利用作为导线的导电致动器电缆传送数据。致动器电缆或其单独的绞合线涂覆有电绝缘体，允许电缆除传递机械功率之外还传递电功率和数据中的至少一者。
可替代实施例还包括固定在在铰链关节的负载期间经受应变的构件上的至少一个应变计。这种应变计允许测量由致动器经受的力。
旋转致动器设计
一个实施例的第二致动器111、第四致动器113和第六致动器115(图2a)是旋转型致动器。图10a、图10b和图10c示出一个实施例的旋转致动器的视图。如同用于一个实施例中的铰链致动器一样，旋转致动器是电缆驱动的。致动器设计成利用最小尺寸提供最大转矩和速度。
旋转致动器包括旋转凹形本体160。旋转凹形本体具有近端连接部件，近端连接部件包括各自具有多个螺栓孔172的多个近端连接凸起部179。螺栓将近端连接凸起部固定至近端致动器或结构。虽然一个实施例利用螺栓作为紧固装置，各种可替代紧固装置是可接受的。在一个可替代设计中，旋转凹形本体及其紧固其上的近端结构制造为单体。
旋转凸形本体159插入旋转凹形本体160内。旋转凸形本体具有包括远端连接凸起部180(图10a和图10b)的远端连接部件，远端连接凸起部180各自具有多个分接孔168(图10c)。旋拧进分接孔内的螺栓用于连接远端系统与旋转凸形本体。再次，任何可替代附连装置可以是适当的。
通过包括两个滚珠轴承、小滚珠轴承161和大滚珠轴承162(图10a和图10b)的轴承系统相对于旋转凹形本体限制旋转凸形本体。这些滚珠轴承作用为通过在图10d的截面图上最佳地看到的v形轴承座圈173和174支承轴向载荷和径向载荷两者。通过v形座圈，轴承能够基本承受轴向和径向载荷，但是轴承不再是完美的滚动元件轴承。在轴承滚珠181(图10c)沿着轴承座圈滚动时经历少量滑动，但是该滑动通过非常小的滚珠最小化。在一个实施例中，轴承滚珠的直径大致为1mm。由于装置的低rpm因此相关磨损很小。
为了使装置的尺寸最小化，滚珠轴承建立在装置内。大滚珠轴承162具有两个轴承座圈173。一个座圈形成到旋转凹形本体的远端表面内，同时另一个座圈形成到大轴承座圈环163内。虽然一个实施例包括形成到单独的环内的轴承座圈以便降低制造成本，可替代实施例包括直接形成到旋转凸形本体内的轴承座圈。该可替代设计增加了制造的复杂性，同时减小了装置尺寸。
小滚珠轴承161设置在致动器的近端部处。该小轴承用于在旋转凹形本体160内将旋转凸形本体159限制在旋转致动器的近端侧上。该小滚珠轴承小于大滚珠轴承162以便装配在近端连接凸起部179之间。小滚珠轴承包括形成到小滚珠轴承座圈环164内和花键滚珠轴承座圈环165内的v形凹槽座圈。花键滚珠轴承座圈在其内表面上具有花键，该花键与形成在旋转凸形本体的近端部的表面上的花键匹配。最后，螺母166旋拧在旋转凸形本体的近端表面上。该螺母挤压小滚珠轴承和大滚珠轴承两者，并且用于利用通过使螺母旋转施加的预紧力将旋转凹形本体夹持在两个轴承之间。该预紧力在除预定的致动轴线之外的所有自由度上将旋转凸形本体限制至旋转凹形本体。
另外，旋转凸形本体与花键滚珠轴承座圈环165之间的花键表面防止花键滚珠轴承座圈环在使用期间相对于旋转凸形本体旋转。这消除了可能随着时间而使螺母松动的螺母上的任何转矩在可替代实施例中螺母利用螺纹锁定器胶合剂开口销或任何其他装置保持就位。在又一个可替代实施例中，螺母通过e形夹片或其他附连装置替代，旋转凸形本体可以在附连期间拉紧以提供轴承的预紧。在又一个实施例中，去除小轴承座圈环和花键轴承座圈环中的一者或两者，轴承座圈由螺母和旋转凹形本体中的一个或更多个形成。该改变减小了装置的总长度和装置部件的数量。
应注意到，虽然旋转电缆致动器中的小滚珠轴承和大滚珠轴承两者均为v形座圈滚珠轴承，但是可以采用能够支承适当的负载的任何类型的轴承。例如，可替代实施例利用四个滚珠轴承，每两个用于止推和轴向载荷。另一个可替代实施例利用用于轴向载荷的滑动轴承和用于推力载荷的滚动元件轴承。又一个实施例仅利用用于轴向和推力载荷的滑动轴承。虽然滑动轴承具有增大的摩擦力，但是其减小的尺寸和复杂性在一些应用中是有利的。另一个实施例包括锥形滚针轴承，这种轴承对于在旋转电缆致动器内所经受的类型的载荷在理论上是理想的，但是其制造更加困难和昂贵。
由于旋转凸形本体159固定在旋转凹形本体160内，因此致动电缆从近端附连的致动器沿着路径延伸。这些电缆被供给到旋转凸形本体与旋转凹形本体之间的空间内。图10d示出旋转电缆致动器的截面图。在该截面图中，容易观察到形成在旋转凹形本体160内的电缆分离隆脊175。分离隆脊用于形成用于围绕旋转凸形本体159缠挠的每个致动器电缆的几乎完全封闭的凹穴176。
致动电缆中的每一个沿着成型路径169和177延伸至致动器(图10a和图10b)。这些路径允许致动器电缆进入封闭凹穴176内(图10d)。路径形成在旋转凹形本体160内并且成型为使得电缆沿着光滑路径延伸到封闭凹穴内并且包围旋转凸形本体。重要的是，注意到两个致动器电缆中的每一个围绕旋转凸形本体沿相反方向缠挠。因此，旋转凸形本体形成两个滑轮，一个用于沿每个旋转方向的致动。每根致动电缆围绕旋转凸形本体缠挠多次，允许多次致动回转。在围绕旋转凸形本体缠挠之后，致动电缆经由电缆终端孔171进入旋转凸形本体并且通过设置在螺纹孔内的定位螺钉刚性地附连至旋转凸形本体。旋转凹形本体中的孔170允许扳手接近定位螺钉。
旋转致动器的可替代实施例包括端接致动电缆与任何适当的可替代装置的附接。例如，可以利用捆扎在电缆中的结点终止电缆。其他可替代终端装置包括胶合剂、压接连接、夹管、绞盘、焊接以及任何其他适当的方式。可替代地，致动电缆可以完全不终止。单个致动电缆可以从致动器的一侧插入，围绕旋转凸形本体做多次缠绕，并且从致动器的另一侧引出。这种旋转致动器将允许连续旋转，然而也将允许电缆沿着旋转凸形本体的滑动。
旋转凸形本体的中心是中空的形式。这形成穿过致动器的孔178。该孔在图10d的截面图中最佳地看到，而在图10c中也是可见的。由于孔允许电缆和其他系统从近端致动器和系统穿过旋转致动器到达远端致动器和系统，因此孔对于装置的功能来说是关键的。倒角167通过在电缆穿过孔时去除锐缘减小电缆上的磨损。通过提供直线通过旋转致动器的中心的路径，当旋转致动器改变位置时电缆以长度几乎没有改变的方式穿过。由于几乎使远端致动器与旋转致动器的运动完全分离，因此这是非常重要的。应注意到，由于穿过孔178的电缆的扭转会出现一定量的耦合运动，但是该扭转对于一个完整旋转(360度)内的致动提供可忽略的效应并且对于两个完整旋转内的致动提供微乎其微的效应。当然，由于穿过孔的一个以上的电缆，旋转致动器由于电缆束的扭转而不能执行无限旋转。
电缆驱动旋转致动器内的孔178的内含物使得多自由度装置能够通过12mm套针装配。通过提供具有允许电缆以接近分离的运动穿过致动器的装置的小型电缆驱动致动器，多个旋转致动器可被串联地应用在机器人臂内。来自远端附连的旋转致动器以及任何远端附连的系统的电缆可以仅穿过孔178，由此允许致动器的具有足够的分离运动的菊花链。
在一些实施例中，在致动器运动通过360度的运动范围时，致动器电缆在致动器内的长度的改变小于大约20％。在其他实施例中，长度的改变小于大约19％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约18％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约17％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约16％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约15％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约14％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约13％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约12％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约11％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约10％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约9％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约8％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约7％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约6％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约5％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约4％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约3％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约2％。在更进一步的实施例中，长度的改变小于大约1％。
抓握器设计
为了允许装置的最大效用，一个实施例的末端执行器设计成实现多项任务。在非机器人最小侵入手术期间，外科医生能够仅去除器械并且插入另一个器械。但是，根据如在一个实施例中描述的我们的手术装置，拆除装置以改变末端执行器可能是不切实际的。出于这种原因，通用末端执行器结合在一个实施例中。
在一般手术过程期间，外科医生必须抓握软组织和硬仪器两者。例如，外科医生可能想要使肠管的两个柔软部分一起运动，然后利用小的硬针缝合。抓握肠管需要能够精密操作的抓握器，同时抓握针需要较大的力。为了使单个末端执行器的能力最大化，一个实施例的抓握器设计成利用可变力抓握。
图11a示出一个实施例中的抓握器的透视图。图11a另外示出附连的远端铰链关节，第七致动器116(图2a)具有与装置中的其他铰链关节的凹形铰链部件相同的凹形铰链部件139。抓握器包括设计成提供足够长度用于通用组织操作的两个夹颚187和188。在一个实施例中，抓握器夹颚具有脊状齿189以允许额外的抓握附着力。可替代地，抓握器可以设计有本领域已知的任何适当的表面。
夹颚在凸形抓握器本体185和凹形抓握器本体186以及弯曲夹紧本体182和183之间保持就位。凸形抓握器本体、凹形抓握器本体和弯曲夹紧本体共同形成主抓握器本体。可替代实施例包括主抓握器本体，主抓握器本体包括单个本体、几个本体或更多个本体。这些本体将部件支承在抓握器内，并且用于形成铰链关节的包括第七致动器116的远端部分。为了提供抓握器夹颚与第七致动器之间的最小可能距离，铰链关节的远端部形成为凸形抓握器本体185和凹形抓握器本体186。在可替代实施例中，采用单独的铰链关节，抓握器本体替代地包括附连位点以将抓握器本体的近端部紧固至铰链关节的远端部。
在一个实施例中，凸形抓握器本体185经由匹配特征198以及旋拧在螺纹孔内的多个螺栓紧固至凹形抓握器本体186。在可替代实施例中，本体可以经由比如为粘合剂的方式紧固在一起，或者可以使零件制造为一体。除容纳抓握器外，组装在凸形抓握器本体和凹形抓握器本体与凸形铰链本体184一起形成铰链的远端部。该铰链关节以与系统中说明的其他铰链关节相同的方式起作用。
图11b示出抓握器的分解图。在抓握器的中心处是抓握器夹颚187和188。这些夹颚经由销199、200、201和202联接至凸形抓握器本体185和凹形抓握器本体186。这些销滑动装配到抓握器夹颚中的孔197内。在一个实施例中，销不延伸至抓握器夹颚的中心，由此在抓握器夹颚的中心内保持开口切除槽207。
销203形成在每个抓握器夹颚187和188的端部内(图11b)。这些销滑动装配到连杆构件190和191的孔204内，形成铰链连接。每个连杆构件使抓握器夹颚销203与形成在每个滑轮192和193的本体内的滑轮销205之一连接。另外，滑轮销210在形成于凸形抓握器本体185和凹形抓握器本体186内的槽内运动。在图11a中清楚地看到形成在凸形抓握器本体内的槽206。相同的槽(未示出)形成在凹形抓握器本体内。
由上述抓握器部件形成的连杆机构形成连杆，使得每个滑轮192和193被限制于以沿远端←→近端方向的直线运动。致动电缆从围绕每个滑轮的主抓握器本体延伸至在主抓握器本体内近端地定位的终端位置。当张紧每个致动器电缆，其沿近端方向牵拉其相应的滑轮。用于每个连杆的滑轮经由滑轮组机构提供2-1机械增益。可替代实施例包括可替代滑轮装置或对于1-1机械增益时完全无滑轮。在一个实施例中，电缆通过定位螺钉夹紧在螺纹孔中。在其他实施例中，电缆可以通过本领域已知的任何方式终止，比如结点、弯曲夹管或粘合剂。
在一个实施例中，具有两个滑轮，远端滑轮192和近端滑轮193。当抓握器夹颚运动时，滑轮沿相反方向运动。相关连杆能够在图11c和图11d的横截面中看到。如图12a和图12b中的连杆示图所示出的，当抓握器尖端分离时滑轮分离。当抓握器尖端一起运动时滑轮一起运动。当第一电缆如由箭头211所示地张紧时，其沿近端方向牵拉近端滑轮。力通过近端连杆214传递，这接着使得抓握器夹颚尖端208如在图12a中所描绘的沿箭头209的方向分离。当第二电缆如由箭头212所示地张紧时，其沿近端方向牵拉远端滑轮。力通过远端连杆213传递，这接着导致抓握器夹颚尖端208如在图12b中所描绘的沿箭头210的方向一起运动。其当前实施例中的抓握器机构在致动器电缆的运动与抓握器夹颚尖端的运动之间具有非线性关系。当夹颚关闭时，该非线性运动提供最高的机械增益。这具有以下有益效果，使得抓握器能够处理其在比如为针的小工具的操作期间所遇到的高负载，同时还在抓握比如为组织的较大目标时提供更小的力。
在可替代实施例中，单个连杆和滑轮用于使抓握器尖端沿两个方向运动。一根电缆从近端方向牵拉，一根电缆从远端方向牵拉。虽然一个实施例的双连杆允许两个电缆从近端方向牵拉由此简化电缆布线，但是其具有增加的复杂性和更多零件。在另一实施例中，弹簧或其他储能装置沿一个方向提供致动，同时单个致动电缆提供沿相反方向的致动。
在一个实施例中，夹颚187和188(图11b)以及所有连接的连杆和滑轮被插入组装的凸形抓握器本体和凹形抓握器本体内。如前所述，这些零件通过形成在弯曲的夹紧本体182和183内的销固定就位。保持一个抓握器夹颚187的销199和200刚性地附装到弯曲夹紧本体上。但是，保持第二抓握器188的销201和202并非刚性地固定到弯曲夹紧本体上。弯曲部分194和195将销201和202联接至其相应的弯曲夹紧本体。
当力施加于抓握器尖端上时，其提供作用为使销199、200、201和202的位置移动的力。虽然销199和200保持刚性地固定，当弯曲部分弹性地变形时，销201和202在负载作用下稍微移动。可以通过固定在弯曲部分上以及定位在应变计凹穴196内的应变计测量弯曲部分的准确位移(图11a)，另一个相似的凹穴位于装置的另一侧上，在附图中不可见。标准技术可被用于获取信息以及计算弯曲应变和抓握器力。
弯曲部分的尺寸选择成使得应变计能够测量适于施加的力。如果抓握器力超过弯曲部分的弹性变形范围，则弯曲部分接触应变计凹穴的两侧并且被急停。
利用弯曲部分的尺寸和机械特性，连续地计算作用在抓握器夹颚的端部处的力。力可以经由比如为触觉反馈的各种方式或经由控制台上的目视标志反馈给外科医生。另外，力控制算法可以提供抓握器力的闭环控制。软件限制能够阻止通过施加不可接受的力对组织造成破坏。这些限制可以在手术期间通过人工方式或自动方式改变。
可替代实施例包括在系统中设置在其它地方的应变计，比如设置在连接连杆或抓握器自身上。真实负载单元可以设计在抓握器的元件内，由此提供提高的准确度和测量的重复性。
臂长调整
在一个实施例中，机器人臂103和104(图1a)构造有延伸节段108以增加臂长。该增加的臂长允许在腹腔内的增大的到达距离。延长部用于允许在不改变致动器设计的情况下对臂长进行调整。例如，用于儿科应用的装置的实施例可能需要对于更小腹腔内的灵敏性的更小的臂。这种装置可以通过去除臂延长部来实现。具有非常显著的长度变化的替代实施例需要改进摄像机位置和肩部宽度以便保持类似人的比例。
图13示出用于一个实施例中的延伸节段的视图。这种延伸节段由具有近端部和远端部的整片金属形成，以允许在近端连接位置215处连接至现有近端致动器并且在远端连接位置216处连接至远端致动器。另外，形成在装置中的中心通道217允许电缆从近端致动器穿过延伸部到达远端致动器。
复杂手术通常需要一个以上的外科医生进行操作。据此，我们设计了用于由两个外科医生使用的四臂实施例的装置。图14a示出四臂实施例的装置。这种装置具有四个臂和两个摄像机，全部通过单个套针插入。该四臂实施例允许两个外科医生一起工作。在四臂实施例中，类似于一个实施例的装置的两个装置单独地插入腹腔内，由此允许两个外科医生利用双机器人装置。
图14a示出构造成用于两个外科医生沿着装置的一侧工作的四臂实施例。在该定向中，犹如一个外科医生站在另一个外科医生的后面。利用每个双臂装置的如前所述的在装置的两侧上操作的能力，外科医生可以选择采用四臂实施例的区域。外科医生可以将两个双臂系统定向成在四臂装置的两侧上操作(其中两个双臂装置面向同一方向)。可替代地，外科医生可以将两个双臂装置定向成彼此面对，以在两个装置之间的区域中操作。外科医生甚至可以彼此背对，以在患者的两侧独立地操作。
根据腹腔中的两个装置，可选择的连接连杆218允许两个装置刚性地互连。该连杆机构与两个机器人装置依次插入腹部内。例如，外科医生可以全部通过一个套针插入一个机器人装置，然后插入连接连杆，随后插入第二机器人装置。连接连杆机构还可以包括可选择的中心支承219。该支承用于通过患者的腹壁中的第二切口将连接连杆以及由此将机器人装置刚性地固定至外部空间。除每个管道100的支承之外的该第二支承允许增加装置的刚性。非常薄的中心支承可以经由类似于血管导管的设置有针的导管穿过腹壁。该小导管几乎完全消除了由腹壁的中心支承的行程所引起的对患者的伤害。
在一个设计中，另外的电缆穿过每个管道100(图7b)并且进入每个主中心体131内。这些电缆继续穿过路径137并且通过中心支承中的至少一个电缆终端延伸至连接连杆218的每个构件(图14a)。所述电缆被给予显著的松弛，用于使装置和全部零件插入腹腔内。一旦全部装置零件插入腹腔内，则外科医生可以在电缆的端部上牵拉，由此一起牵拉连接连杆的全部构件。该组装过程以与其中帐篷支柱节段通过绳索保持附连的露营帐篷的组装类似的方式起作用。施加至这些电缆的恒定机械力可以用于在使用期间将连接连杆坚固地固定在一起。
可替代地，外科医生可以去除连接连杆或在不提供连接连杆的情况下使用。在不需要连接连杆的单个手术期间可以采用一个实施例中说明的两个装置。四臂系统的一些实施例设计成用于通过单个四臂套针插入，单个四臂套针具有如图14b所示用于两个管道构件的空间。其他实施例通过两个标准双臂套针设置。一些实施例允许软件控制互连，使得外科医生可以使用软件指令切换其控制哪个臂，甚至在腹部内选择用于控制的臂中任一只或两只。当不在外科医生的控制之下时，臂可以可选择地利用软件锁定就位，允许单个外科医生在多个装置的控制之间交替。
除本发明的以下要求保护的方面之外，本发明还包括以下方面和实施例。本发明的系统可以包括将两个双臂机器人装置联接在一起的系统。本发明的系统还可以包括用于插入和支承机器人装置的套针、用于支承装置管道的套针套筒以及具有摄像机和照明系统的套针套管。用于采集外科医生的臂和手的活动的传感器结构也被视为本发明的一部分。本发明还被视为包括用于虚拟现实机器人手术的装置，其中机器人致动器不与用于虚拟现实机器人手术的摄像机系统和装置永久地联接，其中，机器人致动器不与腹腔内的摄像机系统联接。本发明还包括用于小零件组装、炸弹的扩散、封闭空间内的检修以及虚拟现实机器人的任何其他用途的虚拟现实机器人装置。
本发明的其他方面包括类似于人眼相对于人臂的定位的相对于机器人致动定位的虚拟现实摄像机以及具有摄像机之间的距离与机器人臂的尺寸的类似人的比例的虚拟现实摄像机。本发明的进一步的方面是机器人运动的计算机限制。另外具有创造力的是利用插入本体插入装置，插入本体包括检测与患者的身体接触或接近的传感器。关于用于虚拟现实手术系统的摄像机，创造性方面包括在摄像机机体内的摄像机运动、具有结合有计算机图像调整和修正的非球面镜头的摄像机、具有广角镜头的摄像机、具有结合有计算机图像调整和修正的广角镜头的摄像机以及具有数字变焦或经由机械方式变焦能力的摄像机。显示放大镜或接目放大镜以允许自然类人变焦和在腹部内设置增强现实装置的现实增强、观察腹部内的虚拟计算机监视器和经由增强现实反馈至外科医生以及显示机器人臂或相关装置也是本发明的方面。系统的另一个创造性方面是交织来自多台摄像机的图像以形成单个图像。
利用盐水对系统的冷却也是本发明的一部分。本发明的另一个方面是提供光和通过多个小切口插入的光纤。创造性系统的还一部分是通过恒定比例因子标定外科医生的臂与机器人装置之间的运动、通过使用者可配置比例因子标定外科医生的臂与机器人装置之间的运动以及通过基于外科医生的臂的位置的变化率调整的比例因子标定外科医生的臂与机器人装置之间的运动。系统的更进一步的创造性方面包括使用单个滚珠轴承以提供用于轴向和径向载荷支承，具有超过所需运动的运动范围以允许装置在第一侧和第二侧上操作的致动器，以及使用霍耳效应编码器以自腹腔内部获取位置数据。关于抓握器的创造性方面包括使用滑轮以提供用于抓握器内的机械增益，抓握器内的双连杆机构以允许两根致动电缆能够利用打开抓握器的一个电缆和关闭抓握器的第二电缆从抓握器的近端侧牵拉，利用附连至抓握器夹颚的枢转销的弯曲部分以允许通过利用沿着弯曲部分设置的应变计精确测量抓握器力，以及利用设计成抓握器的连杆的负载单元。
本文中公开的技术和系统可以具有实施为用于计算机系统或计算机化电子装置的计算机程序产品的一些控制部件。这种实施方式可以包括一系列计算机指令或逻辑，计算机指令或逻辑固着在比如为计算机可读介质(例如软盘、cd-rom、rom、闪速存储器或其他存储器或固定盘)的有形介质上，或者经由比如为通过介质连接至网络的通信转接器的调制解调器或其他接口装置传送至计算机系统或装置。
介质可以是有形介质(例如光或模拟通信线)或者利用无线技术实施的介质(例如wi-fi、蜂窝、微波、红外或其他传输技术)。一系列计算机指令包括在此关于系统所述的功能的至少一部分。本领域技术人员将理解的是，这种计算机指令能够以用于多个计算机结构或操作系统的多种程序语言编写。
此外，这种指令可以存储在任何有形存储装置中，比如半导体、磁、光或其他存储装置，并且可以利用任何通信技术传输，比如光、红外、微波或其他传输技术。
预期这种计算机程序产品可以作为可移动介质散布，可移动介质具有随附的印刷或电子文档(例如压缩打包软件)、利用计算机系统预加载(例如预加载在系统rom或固定盘上)，或者从服务器或电子公告板散布到网络上(例如因特网或万维网)。当然，本发明的一些实施例可以实施为软件(例如计算机程序产品)和硬件两者的组合。本发明的进一步的其他实施例实施为完全硬件或完全软件(例如计算机程序产品)。
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