上，并且腫222或224的一部分附连至第二引导表面上并骑 跨在其上。每个凸轮238的引导表面一般为附连的缆绳237W及附连的腫222或224的行 为提供不同的力矩臂，并且被成型为使得在放出或拉进一定长度的腫222或224改变附连 弹黃236施加的力时，腫222或224中的张力保持恒定。每个凸轮238的每个表面可W是 延伸一圈或更多圈的螺旋面，从而提供期望范围的腫222和224的移动，同时维持腫222或 224中的恒定张力。
[0036] 每个驱动系统232控制对应弹黃236的近端位置，因而影响对应弹黃236中的基 准拉伸量和附连的腫222或224中的张力。在操作中，如果弹黃系统235中的驱动系统232 拉动附连的弹黃236,那么弹黃236开始拉伸，并且如果元件210和附连至弹黃系统235的 腫222或224保持固定，那么弹黃236施加到凸轮238的力增加，因此附连的缆绳222或224 中的张力增加。因此，腫222和224中的张力线性地（根据胡克定律，凸轮238的力矩臂和 弹黃236的弹黃常数）取决于各弹黃236的近端的移动，但是每个弹黃系统235表现得不 对称，即响应于移动腫222或224的外部力或远端力W恒定力起作用。恒压弹黃234和驱 动系统232可W可替换地W多种方式实施，例如W上参考的美国专利申请No. 12/494, 797 进一步描述的那些方式。
[0037] 关节元件210具有单个运动自由度（例如，绕轴线的旋转），并且关节元件210通 常在驱动马达242或244旋转驱动系统232W改变由附连的恒压弹黃238施加的力时移 动。然而，该驱动机构是柔性的，W便在没有驱动系统232的对应旋转的情况下外部力可W 移动元件210。因此，关节元件210的位置或取向与驱动系统232或驱动马达242的位置之 间没有固定关系。根据本发明一方面，控制系统250使用传感器260测量元件210的取向。 传感器260可W是例如形状传感器，其可W沿着包括元件210的器械200的长度感测关节 元件210的形状。形状传感器的一些示例被描述在（2006年7月20日提交的）Larkin等 人白勺t示题为"RoboticSurgerySystemIncludin邑PositionSensorsUsin邑FiberBra邑邑 Gratings"的美国专利申请公开US2007/0156019A1和Gius巧peM.Prisco的标题为"Fiber opticshapesensor"的（2008年6月30日提出申请的）美国专利申请US12/164, 829,两 个申请并入本文作为参考。然而，可W可替换地使用能够测量关节元件210的角位置的任 何传感器。W下进一步描述的控制过程使用运种测量计算操纵关节元件210所需的施加 力。
[0038] 当后端机构230与马达单元脱离时，器械200具有"逆驱动"能力，恒压弹黃235仍 防止腫222和224松弛，并且允许器械远端部分被手动地布置（或摆姿势），而不会损害后 端机构230或不会使腫222或224中出现松弛。该"逆驱动"能力通常是医疗器械的期望 性能，特别是具有晓性主管的器械，在器械插入期间可W弯曲或操纵主管，同时器械不在控 制系统250的主动控制下。例如，器械200可W被手动地摆姿势，主轴内的腫不会经历不适 当的张力或松弛。
[0039] 图3A中示出医疗器械中关节的柔性传动系统的另一个示例。图3A示出医疗器械 300的示例性实施例，器械300使用允许在器械操作期间驱动马达空转/凭惯性转动或驱 动腫相对于驱动马达滑动的致动过程，如在标题为"化ssivePreloadandCapstanDrive forSurgicalInstruments"的美国专利申请US12/286, 644中描述的，其整体内容被并入 本文作为参考。医疗器械300具有在主管320末端处的末端执行器310,后端机构330操纵 延伸通过主管320的腫322和324,W控制末端执行器310的运动自由度。在所示实施例 中，腫322和324附连至末端执行器310中的机械构件，W便腫322和324中的张力倾向于 引起末端执行器310关于枢轴关节结构W相反的方向转动。
[0040] 图3A的关节结构仅仅是示例，在本发明的可替换实施例中，可W使用响应于施加 到一对腫的张力而提供单个运动自由度的其他关节机构。例如，图3B示出一个实施例，其 中诸如一般在用于胃肠道、结肠和支气管的导管、内窥镜中；引导线中；或用于组织采样的 诸如抓紧器和针的其他内窥镜器械中看到关节310。
[0041] 其能够响应于通过腫322和324施加的力而伸缩或弯曲。导管关节可W只包括响 应于腫322和324中的张力差而弯曲的塑料材料的压制品。在一个配置中，腫322和324 延伸穿过导管内的腔并且附连至图3C中所示的导管末端。因此，腫322和324中的力可W 用于朝着对应于具有更大张力的腫322或324的方向弯曲导管。导管的弯曲可W用于，例 如在插入期间操控导管。在图3B的实施例中，远端传感器360可W测量导管远端部分的弯 曲角度，从而测量或计算"关节"角度和速度。在一个特定实施例中，弯曲角度可W限定为 导管关于导管的远端晓性部分底部的尖端取向。图3B的导管关节310的后端和控制结构 可W与图3A的实施例的结构相同，除了测量的关节角度和速度可W通过与致动器缆绳内 腔和远端晓性部分中屯、之间的距离相乘而被转换成腫位置和速度之外。
[0042] 附连至主管320近端的后端机构330作为将驱动马达342和344施加的扭矩转换 成相应的腫322和324中的张力和施加到末端执行器310中的致动关节的力或扭矩的传动 系。在所示的实施例中，驱动马达324和344可W是直接驱动电动马达，电动马达直接禪连 至绞盘332和334,相应的腫322和324绕绞盘332和334缠绕。特别地，腫322绕对应的 绞盘332缠绕一个设置接触角（wrappingangle)(可W小于一整圈或者等于一圈或多圈）， 并且腫322具有不固定于绞盘332但从绞盘332延伸到被动预加载系统333的末端。相似 地，腫324绕对应的绞盘334缠绕一个设置接触角，并且具有从绞盘334延伸到被动预加载 系统335的末端。由于腫332和324不需要永久地附连于绞盘332和334,所W腫322和 324能够相对于绞盘332和334滑动并且相对于分别禪连至绞盘332和334的驱动马达342 和344的轴滑动。
[0043] 腫322和324的近端附连至相应的被动预加载系统333和335,每个被动预加载系 统在图3A中实现为凸轮和胡克定律弹黃，凸轮和胡克定律弹黃共同作为恒压弹黃。被动预 加载系统333和335被偏压，W便在器械300的整个运动范围系统332和334将非零力或 张力施加到腫322和324。利用该配置，当绞盘332和334凭惯性转动时，被动预加载系统 333和335控制腫322和324中的张力，并且通过拉进或放出所需长度的腫322和324避免 腫322和324中出现松弛。当后端机构330脱离马达342和344时，被动预加载系统333 和335仍防止腫322和324松弛，并且允许末端执行器310与主管320 (当晓性时）被手动 布置（或摆姿势），而不会损害后端机构330或不会在腫322或324中产生松弛。因此，器 械300还具有与上述的图2的器械200相似的"逆驱动"能力。
[0044] 在控制系统350和人类输入的主动控制（例如，主从伺服控制系统中的主控制输 入）下利用驱动马达342和344操作末端执行器310。例如，当马达342拉动腫322时，马 达扭矩被转移作为腫322的远端部分中的施加的张力。（绞盘332可W施加到腫322近端 部分的最大张力取决于腫322开始相对于绞盘332滑动时的张力，但是一般来说，实际使用 的最大张力可W被选择，从而防止腫322和324滑到绞盘332和334上。）与此同时，当切 断提供给马达344的功率时，允许马达344和绞盘334凭惯性转动/空转，腫324可W保持 在其最小张力，该最小张力是被动预加载系统335通过绞盘334施加到腫324近端的恒定 力。然后，腫322中的更大张力倾向于引起末端执行器310W图3A中的逆时针方向旋转。 相似地，切断提供给马达342的功率并为马达344提供动力W将力通过腫324施加于末端 执行器310倾向于引起末端执行器310W图3A中的顺时针方向旋转。马达342和344凭 惯性转动的同时腫322和324处于张力下和接受腫322与324在绞盘332和334上滑动的 能力，不允许控制系统350依赖于马达340的角位置和末端执行器310的角位置之间的固 定关系。然而，控制系统350可W使用传感器360测量末端执行器310相对于通过腫322 和324致动的关节的角位置。
[0045] 图2、图3A和图3B的器械可W具有在致动器与致动的关节之间的传动系统，其提 供对具有晓性主管的器械来说特别期望的柔度。然而，具有柔度的传动系统还可W出现在 更传统的器械中。例如，图1的已知器械可W在弯曲的器械部段中使用链装电缆或鲍登缆 绳，并在直部段中使用杆状元件。杆状元件可W减少干扰致动器和关节位置的直接关系的 拉伸。然而，期望的是在某些应用中使用更柔初的材料的腫（例如，期望电绝缘或最小摩擦 力的聚合物腫），但是运类腫可能引入不可接受的拉伸量，因为控制过程取决于致动器和关 节位置之间的直接关系。实屯、钢牵引线还可W用在传动系统中或作为传动系统。
[0046] 根据本发明一方面，图2、图3A和图3B的医疗器械或另外具有柔性传动系统的器 械的控制过程可W使用机械关节的位置的远程测量来确定施加的用W驱动机械关节的张 力。控制过程还可W用于具有刚性传动系统的器械。图4示意性示出具有机械关节410的 医疗器械400的概况，其中机械关节410具有对应于角度或位置0的运动自由度。本文中 广泛使用术语位置，其包括机械系统自由度结构的笛卡尔坐标位置、角位置或其他表示。传 感器（未示出）测量在远处关节410处位置0，并且提供测量的位置0给控制系统450， 例如通过从器械400远端处的传感器延伸经过器械400的主管（未示出）的信号线（未示 出）提供到器械近端处的控制系统450。传感器可W额外地测量关节410运动的速度占，或 者速度#可W根据位置0的两个或多个测量结果W及测量结果之间的时间来确定。
[0047] 关节410通过传动系统420连接到致动器440,W便关节410远离致动器440,例 如关节410可W在器械的远端处，而致动器440在器械的近端处。在所示的实施例中，传动 系统420连接关节410,W便致动器440施加到传动系统420的张力T倾向于W顺时针方向 转动关节410。一般地，传动系统420包括用于将来自致动器440的力传递到关节410的整 个机构，致动器440可W将力或扭矩施加到传动系统420,运导致在缆绳或传动系统420的 其他部件中出现张力。然而，运种张力一般与施加的力或扭矩成比例，因此使用术语张力是 为了在此处不失一般性地表明力或扭矩。还应当注意，传动系统420可能是（但是不需要 是）柔性的，W至于关节410的位置和致动器440的位置之间的直接关系对于控制关节410 不够准确。例如，传动系统420可W拉伸，W便在施加于传动系统420的最小张力和最大张 力T之间，传动系统420的有效长度的差可W对应于45°的关节较接。相比之下，为了能够 基于致动器位置准确地建模关节位置，典型的医疗器件允许对应于不超过几度的关节较接 的拉伸。应当理解，在一般情况中，柔度不限于弹黃结构的简单的胡克定律拉伸。例如，传 动系统420可W包括图2的实施例中的腫222和至少一部分后端机构230,或图3A的实施 例中的腫332和至少一部分后端机构330。一般地，传动系统420对于传动系统420近端 处施加的张力T或施加于关节410的外部力或沿着传动系统420的长度施加的外部力的响 应，很难建模。 W48] 可W包括图2或图3A的驱动马达242或342的致动器440将张力T施加到传动 系统420的近端，并且通过传动系统4