本申請要求在美國法律第35部第119(e)節(jié)下于2014年5月5日提交的名稱為“Method for Natural Human-Like Motion and Human Interface in Surgical Robotics(在手術(shù)機器人中用于類似自然人運動和人機接口的方法)”的美國臨時專利申請?zhí)?1/988498和于2015年3月23日提交的名稱為“Virtual Reality Surgical Device(虛擬現(xiàn)實手術(shù)裝置)”的臨時專利申請?zhí)?2/136883的受益權(quán)，上述專利申請的全部內(nèi)容通過參引在此結(jié)合。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請大致涉及最小侵入手術(shù)和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自從在二十世紀九十年代初最小侵入手術(shù)領(lǐng)域發(fā)端以來，其經(jīng)歷了快速成長。雖然最小侵入手術(shù)大大地提高了患者的治療量，但是這種提高以外科醫(yī)生的精確和順暢的操作能力為前提。在腹腔鏡檢查期間，外科醫(yī)生外科醫(yī)生必須通過患者腹壁中的小切口插入腹腔鏡儀器。由于腹腔鏡儀器不能在不損傷腹壁的情況下左右運動，工具通過腹壁的自然插入限制了腹腔鏡儀器的運動。標準腹腔鏡儀器受限于四個運動軸線。這四個運動軸線為儀器進出套針的運動(軸線1)、儀器在套針內(nèi)的旋轉(zhuǎn)(軸線2)以及在保持套針的入口的樞轉(zhuǎn)點進入腹腔內(nèi)的同時套針在兩個平面中的角運動(軸線3和4)。在過去的二十多年中，已經(jīng)通過僅這四個運動自由度進行大多數(shù)最小侵入手術(shù)。

現(xiàn)有機器人手術(shù)裝置試圖解決這些問題中的一些。一些現(xiàn)有機器人手術(shù)裝置在儀器的端部利用另外的自由度重現(xiàn)非機器人腹腔鏡手術(shù)。然而，即使對手術(shù)過程做出許多高成本變化，但是現(xiàn)有機器人手術(shù)裝置在其被采用的大多數(shù)手術(shù)過程中沒有提供提高的患者治療量。另外，現(xiàn)有機器人裝置形成外科醫(yī)生與手術(shù)末端執(zhí)行器之間增加的分離。這種增大的分離由于外科醫(yī)生對由機器人裝置施加的運動和力的誤解而引起傷害。由于許多現(xiàn)有機器人裝置的自由度對于操作人員來說是不熟悉的，因此外科醫(yī)生在針對患者進行操作之前必須在機器人模擬器上進行大量訓練，以便使引起非故意傷害可能性最小。

為了控制現(xiàn)有機器人裝置，外科醫(yī)生坐在操作臺上并且利用其雙手和雙腳控制操縱器。另外，自動照相機保持在半固定位置中，并且通過外科醫(yī)生的組合的手腳動作來運動。具有有限觀察區(qū)域的這些半固定攝像機導致觀察操作區(qū)域的困難。

其他機器人裝置具有通過單個切口插入的兩個機器人操縱器。這些裝置將所需的切口數(shù)目減少至單個切口，通常在臍點中。然而，現(xiàn)有單切口機器人裝置具有由其致動器設(shè)計引起的顯著的堵塞缺陷?，F(xiàn)有單切口機器人裝置包括伺服電機、編碼器、齒輪箱以及體內(nèi)機器人內(nèi)的所有其他致動裝置。在患者的身體內(nèi)包括電機和齒輪箱的這一決定導致具有受限性能的較大機器人。這種較大機器人必須通過大的切口插入，因此增加了疝形成風險、感染風險、疼痛以及一般發(fā)病。對于一些現(xiàn)有裝置所需的切口尺寸在1.5英寸與2英寸之間——類似開放手術(shù)的切口尺寸。另外，這些裝置的尺寸由于體內(nèi)裝置內(nèi)的電機、齒輪等等內(nèi)含物而未必能夠顯著地減小。這種增大的切口尺寸導致對患者的顯著增大的傷害并且大大地降低現(xiàn)有裝置的實用性。

現(xiàn)有單切口裝置也具有有限的自由度。這些自由度中的一些對于人類來說是非直觀的，例如臂在手術(shù)過程期間的延長。這些自由度需要外科醫(yī)生必須做出類似于現(xiàn)有多切口裝置的運動的非直觀學習運動的用戶接口。

類人機器人

數(shù)個人員之前已提出設(shè)計成重現(xiàn)人臂的自由度的手術(shù)機器人的思想。然而，所有現(xiàn)有設(shè)計包括均設(shè)置在機器人臂內(nèi)的非常復雜的齒輪箱和齒輪傳動系。由于這些齒輪箱和齒輪傳動系，現(xiàn)有類人臂均難以制造、尺寸較大并且速度較低。另外，沒有類人機器人的在前發(fā)明人描述設(shè)計成完全利用類人機器人的優(yōu)勢的人機接口。沒有適當?shù)娜藱C接口，類人臂相對于可替代機器人設(shè)計幾乎不提供優(yōu)勢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一個實施例中，本發(fā)明包括用于手術(shù)的系統(tǒng)，用于手術(shù)的系統(tǒng)包括：中心體；操作地連接至中心體的可視化系統(tǒng)，可視化系統(tǒng)包括至少一個攝像機；掃視系統(tǒng)和傾斜系統(tǒng)中的至少一者；用于基于來自至少一個攝像機的信息生成圖像的視頻渲染系統(tǒng)；顯示從攝像機接收的圖像的頭戴式顯示器；傳感器系統(tǒng)，其追蹤頭戴式顯示器相對于參考點的空間位置和頭戴式顯示器相對于參考點的空間定向中的至少一者，其中，掃視系統(tǒng)和傾斜系統(tǒng)中的至少一者構(gòu)造成響應于來自傳感器系統(tǒng)的關(guān)于頭戴式顯示器相對于參考點的空間位置和空間定向中的至少一者的變化的信息來調(diào)整攝像機的視野；以及操作地連接至中心體的機器人裝置。在手術(shù)系統(tǒng)中，視頻渲染系統(tǒng)還構(gòu)造成用于基于來自傳感器系統(tǒng)的信息調(diào)整所生產(chǎn)的圖像的視野。手術(shù)系統(tǒng)還可以包括第二攝像機。在包括兩個攝像機的手術(shù)系統(tǒng)中，由視頻渲染系統(tǒng)生成的圖像還可以包括基于來自第一和第二攝像機的信息的立體圖像。

手術(shù)系統(tǒng)還可以包括多個攝像機。在包括多個攝像機的手術(shù)系統(tǒng)中，視頻渲染系統(tǒng)還可以基于交織來自多個攝像機的信號信息的軟件生成圖像。

手術(shù)系統(tǒng)還可以包括測量攝像機的位置和定向中的至少一者的至少一個傳感器。手術(shù)系統(tǒng)包括兩個攝像機，在插入配置中，可視化系統(tǒng)在垂直于插入軸線的平面中的橫截面尺寸小于第一攝像機與第二攝像機之間沿著插入軸線的中心距離。

手術(shù)系統(tǒng)的機器人裝置還可以包括用于使機器人裝置的一部分相對于機器人裝置的另一部分旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)致動器，以及用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的操作地聯(lián)接至第一旋轉(zhuǎn)致動器的另一部分之間的角度的第一鉸接致動器。機器人裝置還可以包括用于改變機器人裝置相對于中心體的位置的位置致動器，使得機器人裝置可以用于中心體的第一側(cè)或第二側(cè)上。

在其他實施例中，手術(shù)系統(tǒng)的機器人裝置還可以包括用于使機器人裝置的一部分相對于機器人裝置的另一部分旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)致動器，用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的操作地聯(lián)接至第一旋轉(zhuǎn)致動器的另一部分之間的角度的第一鉸接致動器，用于使機器人裝置的一部分相對于機器人裝置的操作地聯(lián)接至第一鉸接致動器的另一部分旋轉(zhuǎn)的第二旋轉(zhuǎn)致動器，用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的操作地聯(lián)接至第二旋轉(zhuǎn)致動器的另一部分之間的角度第二鉸接致動器，用于使機器人裝置的一部分相對于機器人裝置的操作地聯(lián)接至第二鉸接致動器的另一部分旋轉(zhuǎn)第三旋轉(zhuǎn)致動器，用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的操作地聯(lián)接至第三旋轉(zhuǎn)致動器的另一部分之間的角度的第三鉸接致動器，以及操作地聯(lián)接至第三鉸接致動器的手術(shù)末端執(zhí)行器。

在進一步的其他實施例中，手術(shù)系統(tǒng)還可以包括第二機器人裝置，第二機器人裝置包括用于使機器人裝置的一部分相對于機器人裝置的另一部分旋轉(zhuǎn)的第四旋轉(zhuǎn)致動器，以及用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的操作地聯(lián)接至第四旋轉(zhuǎn)致動器的另一部分之間的角度的第四鉸接致動器，用于使機器人裝置的一部分相對于機器人裝置的操作地聯(lián)接至第四鉸接致動器的另一部分旋轉(zhuǎn)的第五旋轉(zhuǎn)致動器，用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的操作地聯(lián)接至第五旋轉(zhuǎn)致動器的另一部分之間的角度的第五鉸接致動器，用于使機器人裝置的一部分相對于機器人裝置的操作地聯(lián)接至第五鉸接致動器的另一部分旋轉(zhuǎn)的第六旋轉(zhuǎn)致動器，用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的另一部分之間的角度，用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的操作地聯(lián)接至第六旋轉(zhuǎn)致動器的另一部分之間的角度的第六鉸接致動器，以及操作地聯(lián)接至第六鉸接致動器手術(shù)末端執(zhí)行器。

在另一個方面中，本發(fā)明包括機器人手術(shù)裝置，機器人手術(shù)裝置包括用于使機器人裝置的一部分相對于機器人裝置的另一部分旋轉(zhuǎn)的第一電纜驅(qū)動旋轉(zhuǎn)致動器，用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的操作地聯(lián)接至第一電纜驅(qū)動旋轉(zhuǎn)致動器的另一部分之間的角度的第一電纜驅(qū)動鉸接致動器，用于使機器人裝置的一部分相對于機器人裝置的操作地聯(lián)接至第一電纜驅(qū)動鉸接致動器的另一部分旋轉(zhuǎn)的第二電纜驅(qū)動旋轉(zhuǎn)致動器，用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的操作地聯(lián)接至第二電纜驅(qū)動旋轉(zhuǎn)致動器的另一部分之間的角度的第二電纜驅(qū)動鉸接致動器，用于使機器人裝置的一部分相對于機器人裝置的操作地聯(lián)接至第二電纜驅(qū)動鉸接致動器的另一部分旋轉(zhuǎn)的第三電纜驅(qū)動旋轉(zhuǎn)致動器，第二電纜驅(qū)動鉸接致動器用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的另一部分之間的角度，用于改變機器人裝置的一部分與機器人裝置的操作地聯(lián)接至第三旋轉(zhuǎn)致動器的另一個電纜驅(qū)動部分之間的角度的第三電纜驅(qū)動鉸接致動器，以及操作地聯(lián)接至第三電纜驅(qū)動鉸接致動器的手術(shù)末端執(zhí)行器。在一些實施例中，機器人裝置部分地設(shè)置在患者的身體內(nèi)。在其他實施例中，機器人裝置完全設(shè)置在患者的身體內(nèi)。

在仍然另一方面中，本發(fā)明包括機器人致動器，機器人致動器包括：第一本體，第一本體包括將機器人致動器聯(lián)接至近端系統(tǒng)的近端連接部件和第一軸承表面；第二本體，第二本體包括將機器人致動器聯(lián)接至遠端系統(tǒng)的遠端連接部件和與第一軸承表面形成軸承的第二軸承表面，在此軸承在至少一個自由度相對于第二本體的運動限制第一本體的運動；與第一本體或第二本體操作地聯(lián)接的滑輪或絞盤；構(gòu)造成致動滑輪或絞盤的致動器電纜，以及由機器人致動器限定并且形成成型路徑的至少一個成型表面，以允許多個另外的電纜穿過從聯(lián)接至近端連接部件的系統(tǒng)到聯(lián)接至遠端連接部件的系統(tǒng)的路徑，其中，該路徑的形狀和位置使得另外的電纜的長度對于使用機器人致動器的基本整個運動范圍保持基本恒定。

本發(fā)明還包括機器人致動器，機器人致動器包括：包括近端連接部件的第一本體；包括遠端連接部件的第二本體；軸承系統(tǒng)，其在除圍繞垂直于機器人致動器的遠端-近端軸線的一個軸線旋轉(zhuǎn)之外的全部自由度上限制第一本體相對于第二本體的運動；與第一本體或第二本體操作地聯(lián)接的滑輪或絞盤；構(gòu)造成致動滑輪或絞盤的致動器電纜，以及由機器人致動器限定并且形成成型路徑的至少一個成型表面，以允許多個另外的電纜穿過從聯(lián)接至近端連接部件的系統(tǒng)到聯(lián)接至遠端連接部件的系統(tǒng)的路徑，其中，該路徑的形狀和位置使得另外的電纜的長度對于使用機器人致動器的基本整個運動范圍保持基本恒定。

本發(fā)明還包括機器人致動器，機器人致動器包括：包括近端連接部件的第一本體；包括遠端連接部件的第二本體；軸承系統(tǒng)，其在除圍繞機器人致動器的遠端-近端軸線的旋轉(zhuǎn)之外的全部自由度上限制第一本體相對于第二本體的運動；與第一本體或第二本體操作地聯(lián)接的滑輪或絞盤；構(gòu)造成致動滑輪或絞盤的致動器電纜，以及由所述機器人致動器限定的孔，所述孔具有至少三倍于所述致動器電纜的直徑的內(nèi)徑，所述孔構(gòu)造成使得另外的電纜可以穿過從聯(lián)接至所述近端連接部件的系統(tǒng)到聯(lián)接至所述遠端連接部件的系統(tǒng)的孔，其中，所述孔的形狀和位置使得所述另外的電纜的長度對于使用所述機器人致動器的基本整個運動范圍保持基本恒定。

本發(fā)明的另一方面包括手術(shù)抓握器，手術(shù)抓握器包括主抓握器本體；操作地聯(lián)接至抓握器本體的第一抓握器夾顎；操作地聯(lián)接至抓握器本體的第二抓握器夾顎；致動電纜，以及連桿機構(gòu)，其使第一抓握器夾顎和第二抓握器夾顎中的至少一者與致動電纜聯(lián)接，其中，連桿響應于致動電纜的運動提供第一抓握器夾顎或第二抓握器夾顎的遠端部的非線性運動。手術(shù)抓握器還可以包括固定在主抓握器本體、第一抓握器夾具顎、第二抓握器夾顎、致動電纜和連桿機構(gòu)中的至少一者上的應變計，在此，通過應變計測量的應變可被用于計算第一抓握器夾顎的遠端部和第二抓握器夾顎的遠端部之間的力。在另一個實施例中，手術(shù)抓握器還可以包括與第一抓握器夾顎和第二抓握器夾顎中的至少一者操作地聯(lián)接的至少一個彈簧。在另一實施例中，手術(shù)抓握器可以進一步包括用于控制抓握器夾顎的力和抓握器夾顎的位置中的至少一者的軟件控制環(huán)和硬件控制環(huán)中的至少一者。在另一實施例中，手術(shù)抓握器可以還包括與致動電纜操作地聯(lián)接的至少一個伺服電機。在另一實施例中，手術(shù)抓握器可以進一步包括至少一個位置傳感器，在此位置傳感器測量第一抓握器夾顎和第二抓握器夾顎中的至少一者的位置。

該手術(shù)抓握器還可以包括提供觸覺反饋的裝置，在此計算的力用于確定觸覺反饋力。

附圖說明

注意到編碼項目在整個附圖中保持一致。利用相同附圖標記編號的項目為同一項目或項目的相同拷貝。利用不同附圖標記編號的項目為具有不同設(shè)計的零件，或者為用于不同目的的偶然相同零件。

圖1A是構(gòu)造用于使用的雙臂機器人手術(shù)裝置的一個實施例的正面立體圖。

圖1B是構(gòu)造用于使用的雙臂機器人手術(shù)裝置的一個實施例的后部立體圖。

圖2A是一個實施例中的機器人手術(shù)裝置的右臂的分解立體圖。

圖2B是具有定向在第一位置中的第一致動器的雙臂機器人手術(shù)裝置的一個實施例的示圖。

圖2C是具有定向在第二位置中的第一致動器的雙臂機器人手術(shù)裝置的一個實施例的示圖。

圖3A是構(gòu)造成用于通過套針插入的雙臂機器人手術(shù)裝置的一個實施例的立體圖。

圖3B是根據(jù)一個實施例的雙臂機器人手術(shù)裝置完全插入的套針的立體圖。

圖3C是在一個實施例中具有內(nèi)套筒的套針的示圖。

圖3D是示出專利管腔的套針的一個實施例的示圖。

圖4是示出插入本體的可替代實施例的立體圖。

圖5A是根據(jù)一個實施例的具有攝像機的套針套管的立體圖。

圖5B是根據(jù)一個實施例的在通過套針插入期間的套針套管的立體圖。

圖5C是根據(jù)一個實施例的在使用期間具有就位的攝像機的套針套管的立體圖。

圖6A是根據(jù)一個實施例的構(gòu)造用于使用的攝像機的主視圖。

圖6B是根據(jù)一個實施例的構(gòu)造成用于插入腹部內(nèi)的攝像機的主視圖。

圖7A是根據(jù)一個實施例的中心連接部件的立體圖。

圖7B是根據(jù)一個實施例的中心連接主視圖的分解視圖。

圖7C是根據(jù)一個實施例的中心連接后視圖的分解視圖。

圖8A是根據(jù)一個實施例的鉸鏈致動器的立體圖。

圖8B是根據(jù)一個實施例的鉸鏈致動器的分解圖。

圖9A是被致動至0度的鉸鏈致動器的截面的一個實施例的示圖。

圖9B是被致動至30度的鉸鏈致動器的截面的一個實施例的示圖。

圖10A是根據(jù)一個實施例的旋轉(zhuǎn)致動器第一側(cè)的側(cè)視圖。

圖10B是根據(jù)一個實施例的旋轉(zhuǎn)致動器第二側(cè)的側(cè)視圖。

圖10C是根據(jù)一個實施例的旋轉(zhuǎn)致動器的分解圖。

圖10D是根據(jù)一個實施例的旋轉(zhuǎn)致動器的截面圖。

圖11A是根據(jù)一個實施例的抓握器的立體圖。

圖11B是根據(jù)一個實施例的抓握器的分解圖。

圖11C是根據(jù)一個實施例的關(guān)閉時的抓握器的截面。

圖11D是根據(jù)一個實施例的打開時的抓握器的截面。

圖12A是示出根據(jù)一個實施例的打開抓握器的示圖。

圖12B是示出根據(jù)一個實施例的關(guān)閉抓握器的示圖。

圖13是根據(jù)一個實施例的延伸節(jié)段的立體圖。

圖14A是根據(jù)一個實施例的四臂機器人手術(shù)系統(tǒng)的立體圖。

圖14B是根據(jù)一個實施例的四臂機器人手術(shù)套針的立體圖。

圖15是示出根據(jù)一個實施例的將MEMS傳感器放置在穿戴虛擬現(xiàn)實頭戴式視圖器的使用者上的示圖。

圖16是虛擬現(xiàn)實機器人系統(tǒng)的一個實施例的框圖。

圖17是根據(jù)一個實施例的具有單獨的機器人和攝像機系統(tǒng)的裝置的主視圖。

具體實施方式

雖然當前系統(tǒng)設(shè)計用于由外科醫(yī)生在腹腔內(nèi)使用，但是該裝置的可替代使用是可能的。例如，使用者可以是醫(yī)師助理、護士、手術(shù)助手或任何其他手術(shù)人員。另外，該裝置可以布置在患者的身體的任何部分內(nèi)，將來的實施例可以設(shè)計成非常小以便允許在患者的身體的更小區(qū)域內(nèi)使用。更小和更大的裝置可被制造用于比如為鼻竇、結(jié)腸、胃或人體內(nèi)的任何其他區(qū)域的區(qū)域中。利用MEMS或其他裝置的微加工可以允許裝置被定位在比如為人類血管的極小區(qū)域內(nèi)?？商娲?，該系統(tǒng)可被用于獲得優(yōu)良的機敏性和可視化，即使在裝置部分地或完全地定位在人體外部的打開過程期間。

在其他實施例中，該裝置被用于非手術(shù)或非醫(yī)療任務，比如零件的微加工組裝、炸彈拆除或需要精細動作技能的任何其他任務。裝置的可替代實施例可以利用人類尺寸或甚至巨大的臂來制造，允許人類執(zhí)行由于其太小、太弱或者不能而不能執(zhí)行的任務。明顯地，在這些實施例中，使用者可以沒必要是外科醫(yī)生。

以下定義詳細說明書和權(quán)利要求中使用的單詞：

外科醫(yī)生：裝置的使用者

腹腔：裝置插入其內(nèi)的任何封閉或半封閉區(qū)域

腹壁：部分地或完全地封閉上述腹腔的壁

套針：用于通過上述腹壁插入裝置的管

遠端：更靠近機器人臂的末端執(zhí)行器

近端：更遠離機器人臂的末端執(zhí)行器

總體裝置設(shè)計

圖1A示出布置在患者的腹腔內(nèi)的我們的裝置的一個實施例的立體圖。該裝置包括連接至中心體101的管道100。中心體布置在患者的腹部內(nèi)。管道包括橫穿腹壁的中空管，由此將電力、信號、控制電纜、沖洗劑、真空和任何其他系統(tǒng)從患者的身體外部的系統(tǒng)導向患者的身體內(nèi)部。在一些實施例中，管道100包括多個管腔以分離各個系統(tǒng)和電纜并且提供獨立的流體通道。在其他實施例，該管道包括多個連鎖節(jié)段，使得管道是柔性的，同時所有控制電纜是松弛的，而在向管道內(nèi)的控制電纜施加張力時變成剛性的。該設(shè)計將以與具有由電纜聯(lián)結(jié)的連鎖節(jié)段的露營帳篷支承柱相似的方式運行。當張緊電纜并且節(jié)段一起運動時，其形成剛性柱。在又一個實施例中，管道是彎曲成非線性形狀的剛性管。

圖1A還示出附連至中心體101的右機器人臂103和左機器人臂104。這些機器人臂中的每一個包括連接以形成類人機器人臂的多個致動器。每個機器人臂的致動器組裝以形成機器人肩部105、機器人肘部106、機器人手腕107和手術(shù)末端執(zhí)行器109。

圖1B示出附連至中心體101的攝像機組件102。該攝像機機體定位使其大致居中地定位在機器人肩部105之間并且稍微在機器人肩部以上。攝像機機體定位成使得以下比值保持成立。

雖然該比值對于一般人來說大致等于2，可以理解的是該比值可以因人而異。在一個實施例中，該裝置可被制造成準確地匹配外科醫(yī)生的比值，同時在另一個實施例中一般比值保持為一般外科醫(yī)生的大致比例。在另一個實施例中，該比值能夠在使用期間或者在插入患者之前進行調(diào)整?？商娲?，該比值可以有意地增大以便減小裝置在使用期間的整體垂直高度。這種減小用于增大患者的腹腔內(nèi)的工作區(qū)域。對于初始裝置最大通用性而言，一個實施例設(shè)計有大致4的比值，包括對于增大的裝置通用性的類人感覺。假設(shè)具有在1與4之間的比值的裝置將保持對于外科醫(yī)生的足夠類人的視圖。

根據(jù)上述比值，攝像機組件被設(shè)置在給予機器人臂的自然、類人視圖的位置中。在具有僅一個類人機器人臂的裝置的可替代實施例中，攝像機仍被設(shè)置成使其在臂上保持類人透視圖。另外在另一個可替代實施例中，攝像機向前運動使得由攝像機組件102和兩個機器人肩部105形成的平面垂直于由中心體101和兩個機器人肩部形成的平面?？商娲兀瑪z像機變焦可以給使用者攝像機已被放置得更加向前的印象，或致動器可以使攝像機機體具有在手術(shù)期間前進的能力。

在其他實施例中，右機器人臂103、左機器人臂104和攝像機組件102中的任一者均不附連至中心體101。在這些實施例中，系統(tǒng)的獨立部件單獨地插入患者的腹腔內(nèi)。這些部件可以通過單個套針或通過許多套針插入。部件可以在腹腔內(nèi)組裝。可替代地，部件可以保持分離，然而可定位成使得類人機器人與自然類人可視化同步工作。一個這種實施例包括單獨地插入并且由其自身的管道234支承的攝像機系統(tǒng)，如圖17所示。

機器人臂設(shè)計

圖2A示出右機器人臂103(圖1A)的立體圖。該臂包括多個機器人關(guān)節(jié)。第一致動器110(圖2A)連接至中心體101(圖1A)。在一個實施例中，第一致動器用于允許外科醫(yī)生在裝置的任一側(cè)上操作，以及伸直裝置用于插入腹腔和從腹腔去除。圖2B示出左臂和右臂的第一致動器，其定向使得機器人臂定位成在裝置的一側(cè)上操作。類似地，圖2C示出第一致動器的左臂和右臂，其定向成使得手術(shù)臂定位成在裝置的第二側(cè)上操作。當在裝置的第二側(cè)上操作時，右臂變成左臂，左臂變成右臂。這種改變在控制裝置的軟件中實現(xiàn)。

另外，攝像機組件102(圖1A)能夠回轉(zhuǎn)180度以上。該活動范圍允許外科醫(yī)生將裝置放置在患者的腹腔中的任何位置并且從任何方向觀察腹部。例如，為了在患者的膽囊上操作，外科醫(yī)生可以將裝置放置在患者的左側(cè)上并且將臂和攝像機定向成面向患者的右側(cè)?？商娲?，對于在胃上操作而言，外科醫(yī)生可以將裝置放置在患者的右側(cè)上，使臂和攝像機定向成面向患者的左側(cè)。這種通用性允許一個裝置被用于許多不同的手術(shù)。

圖2A另外示出連接至第一致動器110的第二致動器111和連接至第二致動器的第三致動器112。第二致動器提供圍繞沿著臂的中心的軸線的旋轉(zhuǎn)致動。第三致動器利用圍繞垂直于第二致動器的軸線的軸線的旋轉(zhuǎn)提供鉸接致動。共同地，第二致動器和第三致動器提供具有模仿人類肩部的球窩關(guān)節(jié)的自由度的兩個自由度的機器人肩部105(圖1A)。這些運動自由度模仿人類肩部外展內(nèi)收和人類臂屈曲/伸長。在可替代實施例中，其他致動器類型可以允許包括球窩關(guān)節(jié)致動器的肩部自由度。

圖2A另外示出第四致動器113和第五致動器114。第四致動器連接第三致動器和第五致動器并且提供圍繞沿著臂的中心的軸線的旋轉(zhuǎn)致動。第四致動器的旋轉(zhuǎn)致動模仿人類臂向外/向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的運動。第五致動器連接至第四致動器并且形成機器人肘部106(圖1A)。第五致動器利用圍繞垂直于第四致動器的軸線的軸線的旋轉(zhuǎn)提供鉸接致動。第五致動器的鉸接致動器模仿人類肘部屈曲/伸長的運動。

圖2A另外示出第六致動器115和第七致動器116。第六致動器連接第五致動器和第七致動器并且提供圍繞沿著臂的中心的軸線的旋轉(zhuǎn)致動。第六致動器的旋轉(zhuǎn)致動模仿人類手掌向上/向下的運動。第七致動器連接至第六致動器并且形成機器人手腕。第七致動器利用圍繞垂直于第六致動器的軸線的軸線的旋轉(zhuǎn)提供鉸接致動。第七致動器的鉸接致動器模仿手腕伸長和屈曲的運動。手術(shù)末端執(zhí)行器109連接至第七致動器。在一個實施例中，手術(shù)末端執(zhí)行器向外科醫(yī)生提供具有類似于姆指和食指(第一和第二手指)的擠壓的運動的機器人抓握器。

根據(jù)如上所述的致動器的組合，機器人臂具有模仿人類臂的自由度。因此，臂能夠幾乎準確地重現(xiàn)人類臂運動。如下所述的旋轉(zhuǎn)致動器和肘部致動器的特定設(shè)計使得這種多自由度機器人臂能夠模仿人類運動和通過標準12mm套針配合。

在一個實施例中，旋轉(zhuǎn)致動器并非提供無限制地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此，臂不能無限制地完美模仿人類肩部的所有運動。當反復多次時，一些運動將使得第二致動器達到其硬限制。為了克服該限制，在一個實施例中計算機控制算法限制肩關(guān)節(jié)的運動，由此不需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)。軟件防止外科醫(yī)生將機器人肘部運動經(jīng)過虛平面。只要虛平面設(shè)置用于每個機器人臂使得每個第二致動器的軸線與其相應的臂的平面重合，就從不需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)。該平面可以根據(jù)每個手術(shù)的需要不同地定向。例如，當完全在裝置以下操作時，用于兩個臂的平面可以平行于地面，使得機器人肘部可以從不通過機器人肩部的高度以上。可替代地，對于裝置前面的外部手術(shù)而言，平面可以垂直于地面設(shè)置。

在一個實施例中，機器人裝置不包括模仿橈側(cè)屈/尺側(cè)屈的自由度。雖然人類臂具有該自由度，但是我們實驗已發(fā)現(xiàn)該自由度對于裝置運行并非關(guān)鍵。然而，裝置的可替代實施例提供該自由度。

裝置的插入和去除

圖3A示出構(gòu)造成用于插入患者的腹腔內(nèi)以及從患者的腹腔去除的雙臂機器人手術(shù)裝置的一個實施例。對于插入，所有鉸鏈關(guān)節(jié)沿直線方向定位，如圖3A所示。在一個實施例中，通過去除線纜上的力使鉸鏈關(guān)節(jié)伸直，由此允許所有鉸鏈關(guān)節(jié)變得松弛。松弛的關(guān)節(jié)按照需要手動地伸直。在可替代實施例中，致動器被驅(qū)動至直線位置。在一些實施例中，致動器可以繼續(xù)被提供動力，仍然利用通過阻尼模擬自由運動致動器的阻尼算法進行控制。在另一個實施例中，關(guān)節(jié)被致動至非線性方向，用于如下所述地穿過彎曲套針。

在一些實施例中，機器人手術(shù)裝置可以通過套針117插入腹部內(nèi)。在一個實施例中，套針在插入期間設(shè)計有類似于裝置的橫截面輪廓的橫截面輪廓。在插入期間，裝置以最小間隙穿過套針以允許患者的腹壁中的最小可能的切口。在可替代實施例中，該裝置可以通過標準商業(yè)套針插入。

圖3B示出裝置已經(jīng)插入的套針。圖3C和圖3D示出套針和套針內(nèi)套管118。一旦插入，管道100(圖3B)占用非圓形套針117的部分119(圖3D)。在一個實施例中，套針內(nèi)套筒118設(shè)置成將管道保持就位，由此在套針中保留12mm的圓形開口120。在一些實施例中，該內(nèi)套筒相對于套針形成氣封。在其他實施例中，內(nèi)套筒包含橡膠止回閥以幫助保持用于手術(shù)注入的氣封。在一個替代實施例中，套針是柔性和/或彎曲的。這種靈活性將允許彎曲裝置或管道穿過套針。

在一些實施例中，內(nèi)套筒包含連接患者外部的氣體端口和患者的腹部的內(nèi)部的管。該管和氣體端口允許向腹腔注入?？商娲兀揍?17可以包含這種管和氣體端口以允許注入。在一些實施例中，套針包含止回閥以在機器人裝置插入之前保持注入壓力。在其他實施例中，可移除塞阻塞套針的用于利用去除的機器人裝置進行注入的開口。

圖4示出定位在插入本體121內(nèi)的裝置的一個實施例。該插入本體允許裝置容易地運動到患者的腹部內(nèi)。該裝置可以在插入本體內(nèi)輸送，以防止對于外科醫(yī)生來手動地伸直裝置的鉸鏈關(guān)節(jié)的需要。外科醫(yī)生僅使插入本體122的遠端滑動通過套針。插入本體的遠端形成為軟的和圓形的，以免在插入期間傷害組織。外科醫(yī)生使插入本體滑動到患者的腹腔內(nèi)，直到他或她遇到阻力，表明與腹壁或器官接觸。在接觸時，外科醫(yī)生使插入本體縮回，同時使裝置前進。當裝置脫離插入本體的保護時，松馳的鉸鏈關(guān)節(jié)彎曲以允許裝置在腹部內(nèi)卷曲。在一些實施例中，插入本體遠端122包括傳感器，以利用任何標準感測裝置(電容、電阻、電導率、壓力等等)檢測與腹壁接觸和/或接近腹壁。在其他實施例中，整個插入本體是柔性的和/或彎曲的。

插入本體還可以幫助裝置的拆除。助理可以通過套針放置插入本體。外科醫(yī)生可以使最靠近插入本體的臂運動到插入本體內(nèi)，因此從腹部去除插入本體時插入本體在整個裝置上滑動。

圖5A示出另外的套針內(nèi)套筒123。該套管極薄，并且一旦套針橫穿腹壁定位則套管被插入套針內(nèi)。攝像機124附裝到套針內(nèi)套筒的端部，使其不堵塞套針的開口。圖5B示出在其通過套針插入時的另外的套針內(nèi)套筒。圖5C示出就位并且完全插入套針中的另外的套針內(nèi)套筒。一旦插入，攝像機提供腹腔的可視化并且輔助裝置向腹腔的安全插入和從腹腔安全去除裝置。該攝像機還可以包括光源以及在手術(shù)期間輔助和獲取數(shù)據(jù)的其他傳感器。該攝像機另外可以包括提供腹部內(nèi)的多個視圖的多個攝像機。

攝像機和可視化系統(tǒng)

圖6A示出構(gòu)造成在患者的腹腔內(nèi)使用的攝像機和可視化系統(tǒng)。圖6B示出構(gòu)造成用于通過套針插入的攝像機和可視化系統(tǒng)。通過致動鉸鏈關(guān)節(jié)126和球窩關(guān)節(jié)127使攝像機系統(tǒng)在圖6A所示的使用位置與圖6B所示的插入位置之間運動。在圖7C中最佳地觀察鉸鏈關(guān)節(jié)126?？梢岳冒娎|、電機、磁體、電磁體等等的任何標準致動裝置致動鉸鏈關(guān)節(jié)和球窩關(guān)節(jié)。在一個實施例中，可以利用將攝像機致動至圖6A所示的使用位置內(nèi)的彈簧致動鉸鏈關(guān)節(jié)。當裝置通過套針縮回時，通過套針的端部施加的力的方向迫使彈簧致動的鉸鏈關(guān)節(jié)運動到圖6B所示的插入位置內(nèi)，位置以允許其配合在套針或插入管內(nèi)。

圖6A所示的攝像機系統(tǒng)包括布置在攝像機機體125內(nèi)、靠近攝像機機體125或布置在攝像機機體125的頂部上的第一攝像機128和第二攝像機129。攝像機機體通過球窩關(guān)節(jié)127的致動以兩個自由度樞轉(zhuǎn)。這種兩個自由度的運動形成攝像機的掃視系統(tǒng)和傾斜系統(tǒng)。掃視系統(tǒng)沿掃視軸線調(diào)整攝像機的視界，同時傾斜系統(tǒng)沿傾斜軸線調(diào)整攝像機的視界。在可替代實施例中，利用兩個鉸鏈關(guān)節(jié)或旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和鉸鏈關(guān)節(jié)替換球窩關(guān)節(jié)。在又一個實施例中，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)使攝像機機體圍繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)，同時通過數(shù)字地調(diào)整攝像機視界來提供傾斜運動。位置傳感器準確地測量使攝像機機體運動的每個關(guān)節(jié)的位置。位置傳感器可以包括霍爾傳感器、光學編碼器、電阻位置傳感器或測量位置的任何其他標準裝置中的任一者。

在另一實施例中，攝像機在攝像機機體內(nèi)運動，使得通過攝像機在攝像機機體內(nèi)的運動提供掃視調(diào)整和傾斜調(diào)整中的一者或兩者。該調(diào)整可以與攝像機機體運動結(jié)合使用，或替代攝像機機體運動。攝像機可以一起運動或單獨運動?？梢酝ㄟ^馬達致動、纜線致動或任何其他標準致動裝置使攝像機運動?？商娲?，攝像機可以以兩個自由度自由地旋轉(zhuǎn)并且在由包圍攝像機的電磁線圈產(chǎn)生的磁場的引導下運動。

在一些實施例中，通過數(shù)字掃視和傾斜調(diào)整提供掃視運動和傾斜運動兩者。通過修剪數(shù)字攝象機圖像提供數(shù)字調(diào)整。修剪圖像自動地調(diào)整，使得在需要掃視運動或傾斜運動時，顯示給使用者的圖像的部分變化，由此產(chǎn)生攝影機移動的錯覺。在另一實施例中，采用數(shù)字機械和機械調(diào)整的組合，使得數(shù)字掃視和傾斜調(diào)整實現(xiàn)微小和快速調(diào)整，同時機械掃視和傾斜調(diào)整允許較大掃視和傾斜運動。

在另一實施例中，攝像機組件作為與裝置的其余部分分離的單元被插入腹部內(nèi)。該分離的攝像機組件可以在腹腔的內(nèi)部與裝置可拆除地聯(lián)接，或者其可以用作單獨的單元。

在一些實施例中，攝像機具有允許操作區(qū)域的寬幅可視化的寬角度透鏡。在其他實施例中，攝像機具有允許具有窄水平視界的寬幅豎直視界的非球面鏡頭。利用數(shù)字調(diào)整去除失真。這種寬幅豎直視界允許僅利用數(shù)字技術(shù)提供傾斜運動。在又一個實施例中，攝像機機體125包括進一步增大視野的多個攝像機裝置。攝像機視界數(shù)字地交錯以形成具有全景視界的一個大圖像。本領(lǐng)域已知的標準數(shù)字技術(shù)被用于交織圖像。在另一個實施例中，攝像機機體另外包括感測壓力、電容、溫度、紅外、紫外中的任一者的其他傳感器或任何其他傳感器裝置。

在一個實施例中，攝像機機體125還包括定位在第一攝像機128與第二攝像機129之間的一排LED。這些LED用于照亮操作區(qū)域。這些LED經(jīng)由送進到本體的外部的導線供電。熱在攝像機機體內(nèi)從LED散失。在一些實施例中，少量無菌鹽水或其他生物相容流體可以流過攝像機機體以冷卻攝像機機體。其他實施例還包括溫度傳感器以確保攝像機機體保持在安全溫度范圍內(nèi)。在另一實施例中，LED設(shè)置在裝置的提供用于不同角度光以及更大熱沉本體的其他本體內(nèi)。

被認為腹部還可以經(jīng)由光纖或另一個光源照亮。光纖可以利用致動電纜或通過另一個切口供給到身體內(nèi)。在一個實施例中，光纖通過比如為21口徑血管導管旋擰到腹部內(nèi)。纖維可以與腹部內(nèi)部的裝置匹配，或者可以用于在不與裝置匹配的情況下提供照明。這種照明系統(tǒng)將用于以減少的熱量提供增強的光，但是以整個系統(tǒng)的增加的復雜性為代價。

攝像機機體被插入以使其視野垂直于通過套針插入的方向。這允許將攝像機放置在攝像機機體125上或攝像機機體125中(圖6A)，使得中間攝像機距離130超過裝置通過其插入的切口的尺寸。根據(jù)增大的中間攝像機距離，攝像機系統(tǒng)已經(jīng)提高了觀察視差量和允許使用者感知深度的能力。中間攝像機距離被選擇為保持自然和類人系統(tǒng)，使得

人與裝置相互作用

自然人機接口(HMI)被設(shè)計成最佳地利用類人機器人裝置和自然可視化系統(tǒng)。一個實施例允許外科醫(yī)生利用其自身手臂的運動控制裝置。外科醫(yī)生穿戴一系列彈性帶；每個帶將傳感器緊固至外科醫(yī)生的臂。在一個實施例中，該傳感器是MPU-6050傳感器。MPU-6050包括MEMS陀螺儀、加速度計和數(shù)字運動處理器以計算傳感器的定向。

參照圖15-A，在一個實施例中，外科醫(yī)生穿戴八根彈性帶226和227。這些帶將八個MPU-6050傳感器固定至外科醫(yī)生的臂，如圖15所示。一個帶設(shè)置在左右食指224、手背223、遠端前臂背側(cè)222和遠端上臂背側(cè)221中的每一者上。包含每個上臂傳感器的外殼另外包含微控制器、電池和藍牙模塊。利用I2C協(xié)議沿著導線225收集來自遠端傳感器的數(shù)據(jù)并且通過藍牙傳輸至中央計算機。

根據(jù)來自八個MPU-6050傳感器的數(shù)據(jù)，中央計算機能夠計算外科醫(yī)生的臂的每個部分的位置和定向。未來的解決方案包括追蹤外科醫(yī)生的軀干或任何其他身體部分。另外，可替代實施例包括添加具有每個加速度計、陀螺儀和運動處理器單元的MEMS磁強計。比如為MPU-9250的MEMS芯片使所有上述部件位于單個封裝中。由于磁頭允許圍繞豎直軸線的傳感器偏移減小，因此磁強計的添加在本領(lǐng)域是常規(guī)作法?？商娲鷮嵤├€包括設(shè)置在比如為手套、手術(shù)刷或手術(shù)服的手術(shù)材料內(nèi)。這些傳感器可是可再用的或一次性的。

又一個實施例包括添加追蹤外科醫(yī)生的臂和身體的位置的傳感器。這種傳感器類似于Xbox的傳感器允許追蹤外科醫(yī)生的臂的絕對位置以及追蹤相互之間的臂位置。在一些實施例中，這些附加傳感器被穿戴在外科醫(yī)生的身體上。在其他實施例中，傳感器在室內(nèi)定位在固定位置處。

根據(jù)追蹤外科醫(yī)生的臂的能力，中央計算機內(nèi)的控制環(huán)驅(qū)動控制該裝置的類人機器人臂的伺服電機。這可以在圖16的框圖中看到。臂被控制以跟隨外科醫(yī)生的臂的縮小比例的運動。機器人肘部跟隨人類肘部的位置和定向。機器人手腕跟隨人類手腕的位置和定向。當外科醫(yī)生將其食指和姆指緊壓在一起時，手術(shù)末端執(zhí)行器跟隨外科醫(yī)生的食指的運動。

隨著裝置的臂跟隨外科醫(yī)生的臂的運動，裝置的肩部固定就位。在一個實施例中，從外科醫(yī)生的臂的位置和定向減去外科醫(yī)生的軀干的位置和定向。這種減去允許外科醫(yī)生在臂不運動的情況下使其軀干運動?？商娲鷮嵤├ň哂袎|片的椅子，以鼓勵外科醫(yī)生將其肩部保持固定就位。通過防止外科醫(yī)生使其肩部運動，外科醫(yī)生避免做出裝置所不能重現(xiàn)的運動，由此提高裝置的自然感覺。

外科醫(yī)生穿戴虛擬現(xiàn)實頭戴式顯示器220(圖15)以便最佳地觀察裝置。比如為Oculus Rift的適當?shù)念^戴式顯示器向使用者提供頭戴式顯示器、允許聚焦顯示器的視界的透鏡以及提供顯示器的位置和定向追蹤的傳感器系統(tǒng)。位置和定向傳感器系統(tǒng)可以包括加速度計、陀螺儀、磁強計、運動處理器、紅外線跟蹤、計算機視覺、追蹤位置和定向中的至少一者的任何其他方法或其任何組合。隨著許多顯示器在市場上出現(xiàn)，重要的是選擇用于我們的系統(tǒng)的最佳顯示器。一般引起用于我們的系統(tǒng)的改進的裝置功能的顯示器特征包括增大視野、減小等待時間、降低持續(xù)性、提高分辨率、減小重量、增加舒適性以及改進的顯示位置和定向追蹤。

通過頭戴式顯示器，計算機如圖16的框圖所示地處理從裝置的可視化系統(tǒng)收集的視頻。在一個實施例中，來自第一攝像機128和第二攝像機129(圖6A)的視頻如稍后在該部分中說明地收集和處理。來自一個攝像機128的處理的視頻顯示給外科醫(yī)生的右眼。類似地，來自一個攝像機129的處理的視頻顯示給外科醫(yī)生的左眼。來自在腹腔中間隔開的獨立攝像機的左右眼視界的組合向外科醫(yī)生提供立體影象。

為了保持完全的虛擬現(xiàn)實體驗，傳感器系統(tǒng)追蹤外科醫(yī)生的頭戴式顯示器的位置和定向。該傳感器系統(tǒng)實時將數(shù)據(jù)中繼至中央計算機。中央計算機盡快地調(diào)整裝置的攝像機系統(tǒng)的掃視和傾斜，以跟隨使用者的頭部的運動。由于難以足夠快速地調(diào)整攝像機的掃視和傾斜，使得外科醫(yī)生不能感知延遲，軟件稍微調(diào)整攝像機視界以補償攝像機位置與外科醫(yī)生的頭部位置之間的任何差別。

雖然一些實施例僅向外科醫(yī)生提供視覺反饋，但是替代實施例提供許多另外的反饋系統(tǒng)。在一個實施例中，外科醫(yī)生保持裝置以提供觸覺反饋。這種裝置可以與連接至兩個構(gòu)件的小伺服電機一樣簡單。當外科醫(yī)生在構(gòu)件之間擠壓時，伺服電機抵制運動。由于提供觸覺反饋的伺服電機以及在機器人抓握器中進行感測的位置和力，標準力控制算法可被用于使得外科醫(yī)生能夠“感受”由抓握器施加的力。

在可替代實施例中，外科醫(yī)生具有類似外骨骼裝置以穿戴在其臂中的每一只上。這種裝置將包含用于機器人臂的每個致動器的伺服系統(tǒng)并且將允許外科醫(yī)生體驗用于每個機器人致動器的觸覺反饋。在又一個實施例中，外科醫(yī)生利用今天市售的已知的標準觸覺相互作用裝置與裝置相互作用。

在一個實施例中，外科醫(yī)生的臂的運動利用僅直接比例轉(zhuǎn)換成裝置的臂的運動。然而，其他實施例可以包括運動的可調(diào)整比例。在一個實施例中，運動還縮小比例使得外科醫(yī)生肘部的10度的運動引起裝置的肘部的5度的相似運動。該比例允許提高的機敏以換取裝置的降低的自然感覺。另一個實施例包括可調(diào)整比例，其中比例因子與運動的速度有關(guān)。例如，如果外科醫(yī)生的肘部以10度每秒運動10度，則裝置的肘部運動3度。如果外科醫(yī)生的肘部以50度每秒運動10度，則裝置的肘部運動15度。

圖16的框圖提供顯示裝置作為整體如何收集和利用信息的總體圖。傳感器229追蹤外科醫(yī)生身體的運動并且向中央計算機傳達該信息。中央計算機包含控制環(huán)230以及視頻執(zhí)行和擴編軟件和硬件231。關(guān)于外科醫(yī)生的臂和身體位置的信息用于計算預定機器人致動器位置?？刂骗h(huán)利用所需的機器人致動器位置與來自伺服電機、編碼器、伺服電機轉(zhuǎn)矩、裝置編碼器和任何其他相關(guān)系統(tǒng)的處理值相結(jié)合計算對伺服電機232的功率輸出。這些控制環(huán)可以使用標準調(diào)諧的比例積分微分“PID”控制來確定對伺服電機的功率輸出?？商娲兀梢圆捎枚ㄖ瓶刂骗h(huán)。伺服電機如本申請中隨后說明的與患者內(nèi)部的裝置233連接。

患者內(nèi)部的裝置收集來自攝像機系統(tǒng)的視頻信號并且將這些信號傳輸至中央計算機的視頻執(zhí)行和增強系統(tǒng)231。該系統(tǒng)將關(guān)于攝像機的位置和定向、視頻信號以及外科醫(yī)生的頭部位置和定向的信息進行組合。根據(jù)該信息，視頻執(zhí)行和擴編系統(tǒng)產(chǎn)生視頻信號并且將該信號傳輸至外科醫(yī)生的虛擬現(xiàn)實顯示器228。應注意到，該框圖大致描述了該裝置，可替代實施例具有另外的傳感器和元件以及框圖部分之間的另外的連接，允許系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)的更加復雜的處理和使用。

現(xiàn)實增強

為了進一步提高外科醫(yī)生的操作能力，可以增加現(xiàn)實性以向外科醫(yī)生提供增強的信息?，F(xiàn)實性的這種增強用于通過添加至虛擬現(xiàn)實體驗來進一步提高外科醫(yī)生的操作能力。例如，在一個實施例中，裝置的攝像機具有圖像放大功能。由于外科醫(yī)生自身的眼睛不能根據(jù)指令變焦，對于外科醫(yī)生而言在操作期間使用該圖像放大功能將是不自然的。然而，利用動畫，外科醫(yī)生可以選擇放大鏡或接目放大鏡，并且在使用期間使玻璃位于其實際眼睛之前。該增強的現(xiàn)實性允許外科醫(yī)生感覺似乎其使得焦距增大，由此保持外科醫(yī)生與裝置之間的自然虛擬現(xiàn)實連接。

在另一實施例中，外科醫(yī)生能夠?qū)⒃鰪姷默F(xiàn)實性元件放置在患者的腹部內(nèi)。例如，為了觀察患者的射線照相掃描，外科醫(yī)生可以選擇將虛擬計算機監(jiān)視器放置在患者的腹腔內(nèi)(可能在手術(shù)區(qū)的外部的區(qū)域中)。該虛擬現(xiàn)實監(jiān)視器允許外科醫(yī)生在不離開操作虛擬現(xiàn)實的情況下瀏覽圖像。

在另一實施例中，計算機追蹤機器人臂在外科醫(yī)生的視野內(nèi)的位置。如果外科醫(yī)生施加過大的力，則計算機增加機器人臂的顏色以在外科醫(yī)生的視界內(nèi)出現(xiàn)紅色。類似地，機器人臂或手術(shù)末端執(zhí)行器可被設(shè)定成在外科醫(yī)生能夠在燒灼器械上燒灼時改變顏色。

中心連接系統(tǒng)

圖7A和圖7B示出中心連接系統(tǒng)。中心連接系統(tǒng)用作多個目的，包括臂的支承、攝像機組件102的支承以及電纜和電力系統(tǒng)的布線。中心連接系統(tǒng)包括連接至管道100的主中心體131。該連接經(jīng)由為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何標準附連方法實現(xiàn)，比如花鍵、壓配合、膠合、焊接或任何其他現(xiàn)有附連方式。圖7B示出用于具有隨后所述的四個臂的實施例中的連接導線的電纜軌道137。前蓋133將電纜保持在軌道內(nèi)。

在管道內(nèi)進入患者的身體的電纜經(jīng)由如圖7C的分解圖中所示的滑輪系統(tǒng)132走線至適當?shù)闹聞悠?。這些滑輪捕獲v形槽135內(nèi)的電纜，使得電纜即使在松弛的情況下仍保持就位。用于滑輪的軸136被加工就位或裝配到預鉆削孔內(nèi)。后蓋134通過旋擰到錐形孔138內(nèi)的螺栓旋擰固定就位。

雖然如用于一個實施例的中心連接系統(tǒng)允許整個系統(tǒng)通過一個套針插入，但是可替代實施例允許多個單臂單元通過單獨的套針插入。例如，三個套針可被用于引入兩個類人機器人操縱器和虛擬現(xiàn)實攝像機。這種配置將在不需要中心連接系統(tǒng)的情況下完成相同的虛擬現(xiàn)實手術(shù)。然而，這將增加患者所需的切口的數(shù)目并且一旦插入減小了裝置的機動性。

鉸鏈致動器設(shè)計

第一致動器110(圖2A)、第三致動器112、第五致動器114和第七致動器116是鉸鏈致動器。在一個實施例中，鉸鏈致動器是電纜驅(qū)動的，以便在最小可能的空間中提供適當?shù)霓D(zhuǎn)矩和速度。該小致動器設(shè)計允許通過非常小的切口插入。圖8A和圖8B示出鉸鏈致動器的透視圖。該鉸鏈致動器包括具有多個螺栓孔140的兩個凹形部件139，螺栓孔140用于將凹形部件附連至另一個致動器或其他裝置元件。該附連形成近端連接部件?？商娲O(shè)計包括與其他已知裝置的附連。這些方式可以包括凹形鉸鏈部件和作為單體的近端附連部件的制造。凹形部件間隔開，保留用于致動器的凸形部件的區(qū)域。每個凹形部件包括用于使弦線、電纜導線和其他系統(tǒng)穿過致動器從近端連接系統(tǒng)到達遠端致動器的多個弦線導向孔142。在可替代設(shè)計中，弦線導向孔由槽或單個孔替代以允許系統(tǒng)相似地穿過。另外，每個凹形鉸鏈部件包括凹形軸承表面141。在一個實施例中，凹形軸承表面包括光滑加工表面。然而，可替代設(shè)計包括滾珠軸承、滾針軸承、液壓軸承或任何其他軸承型式。

圖8A和圖8B進一步示出主鉸鏈體143。該主鉸鏈體包括遠端連接部件，遠端連接部件在其遠端部包括用于連接至另外的致動器或系統(tǒng)的多個凸起部144。這些凸起部包括多個螺紋孔145以允許遠端系統(tǒng)附連至致動器凸起部。雖然一個實施例包括利用螺栓附連，但是任何附連裝置可以是適當?shù)模▽⑦h端附連部件與主鉸鏈體制造為單體。主鉸鏈體包括用于使弦線、電纜導線和其他系統(tǒng)穿過致動器從近端連接系統(tǒng)到達遠端致動器的多個弦線導向孔153。這些弦線導向孔以與凹形部件的弦線導向孔142相同的方式起作用。主鉸鏈體還包括滑輪或絞盤146。該絞盤通過其致動鉸鏈關(guān)節(jié)的裝置。兩個致動電纜從近端附連體中的管道149內(nèi)沿著路徑147延伸至滑輪。電纜繼續(xù)圍繞滑輪纏撓并且在電纜終端位置148處終止。

在一個實施例中，通過將電纜夾緊在剛性表面與設(shè)置在螺紋孔150中的定位螺釘之間來終止電纜?？商娲?，可以利用本領(lǐng)域已知的任何適當?shù)姆绞浇K止電纜。例如，聚合物光纜可以利用捆扎在電纜中的結(jié)點終止，或者金屬光纜可以通過壓接連接終止。在一個實施例中，兩個致動方向中的每一個均設(shè)置有圍繞滑輪沿相反方向螺旋繞制的獨立電纜?？商娲O(shè)計包括經(jīng)由第一致動電纜管道孔149進入、圍繞滑輪纏撓一次或多次并且經(jīng)由第二電纜管道孔引出的單個電纜。雖然該設(shè)計消除了對致動器內(nèi)的電纜終端的需要，但是其允許電纜相對于滑輪滑動。任一實施例依據(jù)特殊應用可以是適當?shù)?。在另一實施例中，單芯電纜沿一個方向致動鉸鏈致動器，同時彈簧或其他儲能裝置提供沿相反方向的致動。

圖8A和圖8B還示出制造成主鉸鏈體143的兩個側(cè)面的成型輪廓表面152。該成型輪廓允許致動器電纜、導線和任何其他系統(tǒng)從近端致動器和裝置穿過鉸鏈關(guān)節(jié)到達遠端致動器和裝置。圖9A和圖9B示出展示外形路徑的功能的剖視圖。該路徑成型為使得貫穿電纜和系統(tǒng)158(圖9A和圖9B)的中心軸線始終保持在大致相同長度。在主鉸鏈體143相對于凹形鉸鏈部件旋轉(zhuǎn)的同時，上述長度是相對不變的。利用對穿過致動器的電纜的CAD分析制造該成型形狀。在一個實施例中，調(diào)整該外形形狀，直到電纜在所有致動位置處剩余其起始長度的大約1％。在當前實施例中，成型表面為鋁制樣式。聚合物光纜沿著表面通過?？商娲O(shè)計包括為低摩擦材料(或涂敷有低摩擦材料)形式的表面、涂敷有低摩擦材料的電纜或為耐磨材料形式的表面中的任一種。另外，表面可以進一步包括多個捕獲輥、球或滑輪，以進一步減小表面與電纜之間的摩擦。

隨著成型表面152的添加，鉸鏈致動器可以在不隨之發(fā)生地致動遠端系統(tǒng)的情況下通過寬幅角度范圍致動。成型表面允許許多電纜在沒有聯(lián)接運動的情況下穿過鉸鏈致動器。這允許多個電纜驅(qū)動致動器在不具有致動器之間的任何顯著聯(lián)接運動的情況下遠端地附連至鉸鏈致動器。今天最多用于手術(shù)的可替代致動器設(shè)計允許數(shù)根電纜在具有緩和聯(lián)接運動的情況下通過。該成型表面允許與多根電纜的幾乎完全分離的運動，由此允許七個自由度的機器人臂穿過12mm套針配合。

在一些實施例中，在致動器運動通過110度的運動范圍時，致動器電纜在致動器內(nèi)的長度的改變小于大約10％。在其他實施例中，長度的改變小于大約9％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約8％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約7％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約6％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約5％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約4％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約3％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約2％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約1％。

每個鉸鏈致動器還包括兩個凸形鉸鏈體154，如圖8B所示。每個凸形鉸鏈體具有彎曲輪廓表面152，彎曲輪廓表面152具有與主鉸鏈體143的彎曲輪廓表面相同的輪廓。該輪廓表面提供與主鉸鏈體的輪廓表面相同的功能。另外，每個凸形鉸鏈體包括用于將凸形鉸鏈體附連至主鉸鏈體的多個螺栓孔157。螺栓旋擰進主鉸鏈體上的螺紋孔151內(nèi)，將凸形鉸鏈體半永久地固定至主鉸鏈體。凸形鉸鏈體還包括作用為用于鉸鏈關(guān)節(jié)的鉸鏈銷的凸形凸起部155。沿著凸形凸起部的軸承表面156與凹形鉸鏈部件139上的軸承表面141結(jié)合作用。這些表面提供用于鉸鏈關(guān)節(jié)的軸承。軸承聯(lián)合作業(yè)以形成軸承系統(tǒng)。如同凹形軸承表面一樣，凸形軸承表面可以是圓柱形加工表面，或可替代地可以包括座圈和比如為球、針、流體等等任何類型的軸承。

雖然一個實施例利用多個螺栓將凸形鉸鏈體154緊固至主鉸鏈體143，但是任何可替代緊固方法均可以是可接受的。一個替代設(shè)計通過粘合劑緊固本體。在另一個設(shè)計中，本體制造為單體，由此消除對緊固裝置的需要。制造為一個部分將增加制造操作的復雜性，同時減低組件的復雜性。

在一個實施例中，所有鉸鏈致動器設(shè)計成是相同的，然而可替代實施例包括不同的鉸鏈致動器以滿足第一、第三、第五和第七致動器的特定需要。例如，第一致動器可能需要從負50度至正50度的運動范圍。由此，如當前設(shè)計的致動器將理想地起作用。然而，第五致動器(表示肘關(guān)節(jié))可能需要從大約0度至160度的運動范圍。由此，具有適當?shù)倪\動范圍的改進的致動器對于該關(guān)節(jié)將是理想的。

另外，可替代實施例可以包括顯著不同于一個實施例的致動器的鉸鏈型致動器。致動器可以包括電機、齒輪箱、活塞或關(guān)節(jié)致動的任何其他裝置。

在另一實施例中，致動器還包括用于測量關(guān)節(jié)處的位置的編碼器。利用類似于ams AG的AS5055的霍爾效應編碼器獲得測量值。這種編碼器容易地裝配在鉸鏈關(guān)節(jié)內(nèi)，并且提供位置的12位分辨率的實時測量值?？商娲?，可以采用測量位置的任何裝置，包括光學和電阻編碼器。數(shù)據(jù)經(jīng)由導線傳遞至腹腔外部的系統(tǒng)。在一些實施例中，數(shù)據(jù)是無線傳送的。在其他實施例中，利用作為導線的導電致動器電纜傳送數(shù)據(jù)。致動器電纜或其單獨的絞合線涂覆有電絕緣體，允許電纜除傳遞機械功率之外還傳遞電功率和數(shù)據(jù)中的至少一者。

可替代實施例還包括固定在在鉸鏈關(guān)節(jié)的負載期間經(jīng)受應變的構(gòu)件上的至少一個應變計。這種應變計允許測量由致動器經(jīng)受的力。

旋轉(zhuǎn)致動器設(shè)計

一個實施例的第二致動器111、第四致動器113和第六致動器115(圖2A)是旋轉(zhuǎn)型致動器。圖10A、圖10B和圖10C示出一個實施例的旋轉(zhuǎn)致動器的視圖。如同用于一個實施例中的鉸鏈致動器一樣，旋轉(zhuǎn)致動器是電纜驅(qū)動的。致動器設(shè)計成利用最小尺寸提供最大轉(zhuǎn)矩和速度。

旋轉(zhuǎn)致動器包括旋轉(zhuǎn)凹形本體160。旋轉(zhuǎn)凹形本體具有近端連接部件，近端連接部件包括各自具有多個螺栓孔172的多個近端連接凸起部179。螺栓將近端連接凸起部固定至近端致動器或結(jié)構(gòu)。雖然一個實施例利用螺栓作為緊固裝置，各種可替代緊固裝置是可接受的。在一個可替代設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)凹形本體及其緊固其上的近端結(jié)構(gòu)制造為單體。

旋轉(zhuǎn)凸形本體159插入旋轉(zhuǎn)凹形本體160內(nèi)。旋轉(zhuǎn)凸形本體具有包括遠端連接凸起部180(圖10A和圖10B)的遠端連接部件，遠端連接凸起部180各自具有多個分接孔168(圖10C)。旋擰進分接孔內(nèi)的螺栓用于連接遠端系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)凸形本體。再次，任何可替代附連裝置可以是適當?shù)摹?/p>

通過包括兩個滾珠軸承、小滾珠軸承161和大滾珠軸承162(圖10A和圖10B)的軸承系統(tǒng)相對于旋轉(zhuǎn)凹形本體限制旋轉(zhuǎn)凸形本體。這些滾珠軸承作用為通過在圖10D的截面圖上最佳地看到的V形軸承座圈173和174支承軸向載荷和徑向載荷兩者。通過V形座圈，軸承能夠基本承受軸向和徑向載荷，但是軸承不再是完美的滾動元件軸承。在軸承滾珠181(圖10C)沿著軸承座圈滾動時經(jīng)歷少量滑動，但是該滑動通過非常小的滾珠最小化。在一個實施例中，軸承滾珠的直徑大致為1mm。由于裝置的低RPM因此相關(guān)磨損很小。

為了使裝置的尺寸最小化，滾珠軸承建立在裝置內(nèi)。大滾珠軸承162具有兩個軸承座圈173。一個座圈形成到旋轉(zhuǎn)凹形本體的遠端表面內(nèi)，同時另一個座圈形成到大軸承座圈環(huán)163內(nèi)。雖然一個實施例包括形成到單獨的環(huán)內(nèi)的軸承座圈以便降低制造成本，可替代實施例包括直接形成到旋轉(zhuǎn)凸形本體內(nèi)的軸承座圈。該可替代設(shè)計增加了制造的復雜性，同時減小了裝置尺寸。

小滾珠軸承161設(shè)置在致動器的近端部處。該小軸承用于在旋轉(zhuǎn)凹形本體160內(nèi)將旋轉(zhuǎn)凸形本體159限制在旋轉(zhuǎn)致動器的近端側(cè)上。該小滾珠軸承小于大滾珠軸承162以便裝配在近端連接凸起部179之間。小滾珠軸承包括形成到小滾珠軸承座圈環(huán)164內(nèi)和花鍵滾珠軸承座圈環(huán)165內(nèi)的V形凹槽座圈。花鍵滾珠軸承座圈在其內(nèi)表面上具有花鍵，該花鍵與形成在旋轉(zhuǎn)凸形本體的近端部的表面上的花鍵匹配。最后，螺母166旋擰在旋轉(zhuǎn)凸形本體的近端表面上。該螺母擠壓小滾珠軸承和大滾珠軸承兩者，并且用于利用通過使螺母旋轉(zhuǎn)施加的預緊力將旋轉(zhuǎn)凹形本體夾持在兩個軸承之間。該預緊力在除預定的致動軸線之外的所有自由度上將旋轉(zhuǎn)凸形本體限制至旋轉(zhuǎn)凹形本體。

另外，旋轉(zhuǎn)凸形本體與花鍵滾珠軸承座圈環(huán)165之間的花鍵表面防止花鍵滾珠軸承座圈環(huán)在使用期間相對于旋轉(zhuǎn)凸形本體旋轉(zhuǎn)。這消除了可能隨著時間而使螺母松動的螺母上的任何轉(zhuǎn)矩。在可替代實施例中，螺母利用螺紋鎖定器、膠合劑、開口銷或任何其他裝置保持就位。在又一個可替代實施例中，螺母通過E形夾片或其他附連裝置替代，旋轉(zhuǎn)凸形本體可以在附連期間拉緊以提供軸承的預緊。在又一個實施例中，去除小軸承座圈環(huán)和花鍵軸承座圈環(huán)中的一者或兩者，軸承座圈由螺母和旋轉(zhuǎn)凹形本體中的一個或更多個形成。該改變減小了裝置的總長度和裝置部件的數(shù)量。

應注意到，雖然旋轉(zhuǎn)電纜致動器中的小滾珠軸承和大滾珠軸承兩者均為V形座圈滾珠軸承，但是可以采用能夠支承適當?shù)呢撦d的任何類型的軸承。例如，可替代實施例利用四個滾珠軸承，每兩個用于止推和軸向載荷。另一個可替代實施例利用用于軸向載荷的滑動軸承和用于推力載荷的滾動元件軸承。又一個實施例僅利用用于軸向和推力載荷的滑動軸承。雖然滑動軸承具有增大的摩擦力，但是其減小的尺寸和復雜性在一些應用中是有利的。另一個實施例包括錐形滾針軸承，這種軸承對于在旋轉(zhuǎn)電纜致動器內(nèi)所經(jīng)受的類型的載荷在理論上是理想的，但是其制造更加困難和昂貴。

由于旋轉(zhuǎn)凸形本體159固定在旋轉(zhuǎn)凹形本體160內(nèi)，因此致動電纜從近端附連的致動器沿著路徑延伸。這些電纜被供給到旋轉(zhuǎn)凸形本體與旋轉(zhuǎn)凹形本體之間的空間內(nèi)。圖10D示出旋轉(zhuǎn)電纜致動器的截面圖。在該截面圖中，容易觀察到形成在旋轉(zhuǎn)凹形本體160內(nèi)的電纜分離隆脊175。分離隆脊用于形成用于圍繞旋轉(zhuǎn)凸形本體159纏撓的每個致動器電纜的幾乎完全封閉的凹穴176。

致動電纜中的每一個沿著成型路徑169和177延伸至致動器(圖10A和圖10B)。這些路徑允許致動器電纜進入封閉凹穴176內(nèi)(圖10D)。路徑形成在旋轉(zhuǎn)凹形本體160內(nèi)并且成型為使得電纜沿著光滑路徑延伸到封閉凹穴內(nèi)并且包圍旋轉(zhuǎn)凸形本體。重要的是，注意到兩個致動器電纜中的每一個圍繞旋轉(zhuǎn)凸形本體沿相反方向纏撓。因此，旋轉(zhuǎn)凸形本體形成兩個滑輪，一個用于沿每個旋轉(zhuǎn)方向的致動。每根致動電纜圍繞旋轉(zhuǎn)凸形本體纏撓多次，允許多次致動回轉(zhuǎn)。在圍繞旋轉(zhuǎn)凸形本體纏撓之后，致動電纜經(jīng)由電纜終端孔171進入旋轉(zhuǎn)凸形本體并且通過設(shè)置在螺紋孔內(nèi)的定位螺釘剛性地附連至旋轉(zhuǎn)凸形本體。旋轉(zhuǎn)凹形本體中的孔170允許扳手接近定位螺釘。

旋轉(zhuǎn)致動器的可替代實施例包括端接致動電纜與任何適當?shù)目商娲b置的附接。例如，可以利用捆扎在電纜中的結(jié)點終止電纜。其他可替代終端裝置包括膠合劑、壓接連接、夾管、絞盤、焊接以及任何其他適當?shù)姆绞?。可替代地，致動電纜可以完全不終止。單個致動電纜可以從致動器的一側(cè)插入，圍繞旋轉(zhuǎn)凸形本體做多次纏繞，并且從致動器的另一側(cè)引出。這種旋轉(zhuǎn)致動器將允許連續(xù)旋轉(zhuǎn)，然而也將允許電纜沿著旋轉(zhuǎn)凸形本體的滑動。

旋轉(zhuǎn)凸形本體的中心是中空的形式。這形成穿過致動器的孔178。該孔在圖10D的截面圖中最佳地看到，而在圖10C中也是可見的。由于孔允許電纜和其他系統(tǒng)從近端致動器和系統(tǒng)穿過旋轉(zhuǎn)致動器到達遠端致動器和系統(tǒng)，因此孔對于裝置的功能來說是關(guān)鍵的。倒角167通過在電纜穿過孔時去除銳緣減小電纜上的磨損。通過提供直線通過旋轉(zhuǎn)致動器的中心的路徑，當旋轉(zhuǎn)致動器改變位置時電纜以長度幾乎沒有改變的方式穿過。由于幾乎使遠端致動器與旋轉(zhuǎn)致動器的運動完全分離，因此這是非常重要的。應注意到，由于穿過孔178的電纜的扭轉(zhuǎn)會出現(xiàn)一定量的耦合運動，但是該扭轉(zhuǎn)對于一個完整旋轉(zhuǎn)(360度)內(nèi)的致動提供可忽略的效應并且對于兩個完整旋轉(zhuǎn)內(nèi)的致動提供微乎其微的效應。當然，由于穿過孔的一個以上的電纜，旋轉(zhuǎn)致動器由于電纜束的扭轉(zhuǎn)而不能執(zhí)行無限旋轉(zhuǎn)。

電纜驅(qū)動旋轉(zhuǎn)致動器內(nèi)的孔178的內(nèi)含物使得多自由度裝置能夠通過12mm套針裝配。通過提供具有允許電纜以接近分離的運動穿過致動器的裝置的小型電纜驅(qū)動致動器，多個旋轉(zhuǎn)致動器可被串聯(lián)地應用在機器人臂內(nèi)。來自遠端附連的旋轉(zhuǎn)致動器以及任何遠端附連的系統(tǒng)的電纜可以僅穿過孔178，由此允許致動器的具有足夠的分離運動的菊花鏈。

在一些實施例中，在致動器運動通過360度的運動范圍時，致動器電纜在致動器內(nèi)的長度的改變小于大約20％。在其他實施例中，長度的改變小于大約19％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約18％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約17％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約16％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約15％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約14％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約13％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約12％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約11％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約10％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約9％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約8％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約7％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約6％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約5％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約4％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約3％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約2％。在更進一步的實施例中，長度的改變小于大約1％。

抓握器設(shè)計

為了允許裝置的最大效用，一個實施例的末端執(zhí)行器設(shè)計成實現(xiàn)多項任務。在非機器人最小侵入手術(shù)期間，外科醫(yī)生能夠僅去除器械并且插入另一個器械。但是，根據(jù)如在一個實施例中描述的我們的手術(shù)裝置，拆除裝置以改變末端執(zhí)行器可能是不切實際的。出于這種原因，通用末端執(zhí)行器結(jié)合在一個實施例中。

在一般手術(shù)過程期間，外科醫(yī)生必須抓握軟組織和硬儀器兩者。例如，外科醫(yī)生可能想要使腸管的兩個柔軟部分一起運動，然后利用小的硬針縫合。抓握腸管需要能夠精密操作的抓握器，同時抓握針需要較大的力。為了使單個末端執(zhí)行器的能力最大化，一個實施例的抓握器設(shè)計成利用可變力抓握。

圖11A示出一個實施例中的抓握器的透視圖。圖11A另外示出附連的遠端鉸鏈關(guān)節(jié)，第七致動器116(圖2A)具有與裝置中的其他鉸鏈關(guān)節(jié)的凹形鉸鏈部件相同的凹形鉸鏈部件139。抓握器包括設(shè)計成提供足夠長度用于通用組織操作的兩個夾顎187和188。在一個實施例中，抓握器夾顎具有脊狀齒189以允許額外的抓握附著力?？商娲兀ノ掌骺梢栽O(shè)計有本領(lǐng)域已知的任何適當?shù)谋砻妗?/p>

夾顎在凸形抓握器本體185和凹形抓握器本體186以及彎曲夾緊本體182和183之間保持就位。凸形抓握器本體、凹形抓握器本體和彎曲夾緊本體共同形成主抓握器本體?？商娲鷮嵤├ㄖ髯ノ掌鞅倔w，主抓握器本體包括單個本體、幾個本體或更多個本體。這些本體將部件支承在抓握器內(nèi)，并且用于形成鉸鏈關(guān)節(jié)的包括第七致動器116的遠端部分。為了提供抓握器夾顎與第七致動器之間的最小可能距離，鉸鏈關(guān)節(jié)的遠端部形成為凸形抓握器本體185和凹形抓握器本體186。在可替代實施例中，采用單獨的鉸鏈關(guān)節(jié)，抓握器本體替代地包括附連位點以將抓握器本體的近端部緊固至鉸鏈關(guān)節(jié)的遠端部。

在一個實施例中，凸形抓握器本體185經(jīng)由匹配特征198以及旋擰在螺紋孔內(nèi)的多個螺栓緊固至凹形抓握器本體186。在可替代實施例中，本體可以經(jīng)由比如為粘合劑的方式緊固在一起，或者可以使零件制造為一體。除容納抓握器外，組裝在凸形抓握器本體和凹形抓握器本體與凸形鉸鏈本體184一起形成鉸鏈的遠端部。該鉸鏈關(guān)節(jié)以與系統(tǒng)中說明的其他鉸鏈關(guān)節(jié)相同的方式起作用。

圖11B示出抓握器的分解圖。在抓握器的中心處是抓握器夾顎187和188。這些夾顎經(jīng)由銷199、200、201和202聯(lián)接至凸形抓握器本體185和凹形抓握器本體186。這些銷滑動裝配到抓握器夾顎中的孔197內(nèi)。在一個實施例中，銷不延伸至抓握器夾顎的中心，由此在抓握器夾顎的中心內(nèi)保持開口切除槽207。

銷203形成在每個抓握器夾顎187和188的端部內(nèi)(圖11B)。這些銷滑動裝配到連桿構(gòu)件190和191的孔204內(nèi)，形成鉸鏈連接。每個連桿構(gòu)件使抓握器夾顎銷203與形成在每個滑輪192和193的本體內(nèi)的滑輪銷205之一連接。另外，滑輪銷210在形成于凸形抓握器本體185和凹形抓握器本體186內(nèi)的槽內(nèi)運動。在圖11A中清楚地看到形成在凸形抓握器本體內(nèi)的槽206。相同的槽(未示出)形成在凹形抓握器本體內(nèi)。

由上述抓握器部件形成的連桿機構(gòu)形成連桿，使得每個滑輪192和193被限制于以沿遠端←→近端方向的直線運動。致動電纜從圍繞每個滑輪的主抓握器本體延伸至在主抓握器本體內(nèi)近端地定位的終端位置。當張緊每個致動器電纜，其沿近端方向牽拉其相應的滑輪。用于每個連桿的滑輪經(jīng)由滑輪組機構(gòu)提供2-1機械增益。可替代實施例包括可替代滑輪裝置或?qū)τ?-1機械增益時完全無滑輪。在一個實施例中，電纜通過定位螺釘夾緊在螺紋孔中。在其他實施例中，電纜可以通過本領(lǐng)域已知的任何方式終止，比如結(jié)點、彎曲夾管或粘合劑。

在一個實施例中，具有兩個滑輪，遠端滑輪192和近端滑輪193。當抓握器夾顎運動時，滑輪沿相反方向運動。相關(guān)連桿能夠在圖11C和圖11D的橫截面中看到。如圖12A和圖12B中的連桿示圖所示出的，當抓握器尖端分離時滑輪分離。當抓握器尖端一起運動時滑輪一起運動。當?shù)谝浑娎|如由箭頭211所示地張緊時，其沿近端方向牽拉近端滑輪。力通過近端連桿214傳遞，這接著使得抓握器夾顎尖端208如在圖12A中所描繪的沿箭頭209的方向分離。當?shù)诙娎|如由箭頭212所示地張緊時，其沿近端方向牽拉遠端滑輪。力通過遠端連桿213傳遞，這接著導致抓握器夾顎尖端208如在圖12B中所描繪的沿箭頭210的方向一起運動。其當前實施例中的抓握器機構(gòu)在致動器電纜的運動與抓握器夾顎尖端的運動之間具有非線性關(guān)系。當夾顎關(guān)閉時，該非線性運動提供最高的機械增益。這具有以下有益效果，使得抓握器能夠處理其在比如為針的小工具的操作期間所遇到的高負載，同時還在抓握比如為組織的較大目標時提供更小的力。

在可替代實施例中，單個連桿和滑輪用于使抓握器尖端沿兩個方向運動。一根電纜從近端方向牽拉，一根電纜從遠端方向牽拉。雖然一個實施例的雙連桿允許兩個電纜從近端方向牽拉由此簡化電纜布線，但是其具有增加的復雜性和更多零件。在另一實施例中，彈簧或其他儲能裝置沿一個方向提供致動，同時單個致動電纜提供沿相反方向的致動。

在一個實施例中，夾顎187和188(圖11B)以及所有連接的連桿和滑輪被插入組裝的凸形抓握器本體和凹形抓握器本體內(nèi)。如前所述，這些零件通過形成在彎曲的夾緊本體182和183內(nèi)的銷固定就位。保持一個抓握器夾顎187的銷199和200剛性地附裝到彎曲夾緊本體上。但是，保持第二抓握器188的銷201和202并非剛性地固定到彎曲夾緊本體上。彎曲部分194和195將銷201和202聯(lián)接至其相應的彎曲夾緊本體。

當力施加于抓握器尖端上時，其提供作用為使銷199、200、201和202的位置移動的力。雖然銷199和200保持剛性地固定，當彎曲部分彈性地變形時，銷201和202在負載作用下稍微移動。可以通過固定在彎曲部分上以及定位在應變計凹穴196內(nèi)的應變計測量彎曲部分的準確位移(圖11A)，另一個相似的凹穴位于裝置的另一側(cè)上，在附圖中不可見。標準技術(shù)可被用于獲取信息以及計算彎曲應變和抓握器力。

彎曲部分的尺寸選擇成使得應變計能夠測量適于施加的力。如果抓握器力超過彎曲部分的彈性變形范圍，則彎曲部分接觸應變計凹穴的兩側(cè)并且被急停。

利用彎曲部分的尺寸和機械特性，連續(xù)地計算作用在抓握器夾顎的端部處的力。力可以經(jīng)由比如為觸覺反饋的各種方式或經(jīng)由控制臺上的目視標志反饋給外科醫(yī)生。另外，力控制算法可以提供抓握器力的閉環(huán)控制。軟件限制能夠阻止通過施加不可接受的力對組織造成破壞。這些限制可以在手術(shù)期間通過人工方式或自動方式改變。

可替代實施例包括在系統(tǒng)中設(shè)置在其它地方的應變計，比如設(shè)置在連接連桿或抓握器自身上。真實負載單元可以設(shè)計在抓握器的元件內(nèi)，由此提供提高的準確度和測量的重復性。

臂長調(diào)整

在一個實施例中，機器人臂103和104(圖1A)構(gòu)造有延伸節(jié)段108以增加臂長。該增加的臂長允許在腹腔內(nèi)的增大的到達距離。延長部用于允許在不改變致動器設(shè)計的情況下對臂長進行調(diào)整。例如，用于兒科應用的裝置的實施例可能需要對于更小腹腔內(nèi)的靈敏性的更小的臂。這種裝置可以通過去除臂延長部來實現(xiàn)。具有非常顯著的長度變化的替代實施例需要改進攝像機位置和肩部寬度以便保持類似人的比例。

圖13示出用于一個實施例中的延伸節(jié)段的視圖。這種延伸節(jié)段由具有近端部和遠端部的整片金屬形成，以允許在近端連接位置215處連接至現(xiàn)有近端致動器并且在遠端連接位置216處連接至遠端致動器。另外，形成在裝置中的中心通道217允許電纜從近端致動器穿過延伸部到達遠端致動器。

復雜手術(shù)通常需要一個以上的外科醫(yī)生進行操作。據(jù)此，我們設(shè)計了用于由兩個外科醫(yī)生使用的四臂實施例的裝置。圖14A示出四臂實施例的裝置。這種裝置具有四個臂和兩個攝像機，全部通過單個套針插入。該四臂實施例允許兩個外科醫(yī)生一起工作。在四臂實施例中，類似于一個實施例的裝置的兩個裝置單獨地插入腹腔內(nèi)，由此允許兩個外科醫(yī)生利用雙機器人裝置。

圖14A示出構(gòu)造成用于兩個外科醫(yī)生沿著裝置的一側(cè)工作的四臂實施例。在該定向中，猶如一個外科醫(yī)生站在另一個外科醫(yī)生的后面。利用每個雙臂裝置的如前所述的在裝置的兩側(cè)上操作的能力，外科醫(yī)生可以選擇采用四臂實施例的區(qū)域。外科醫(yī)生可以將兩個雙臂系統(tǒng)定向成在四臂裝置的兩側(cè)上操作(其中兩個雙臂裝置面向同一方向)?？商娲兀饪漆t(yī)生可以將兩個雙臂裝置定向成彼此面對，以在兩個裝置之間的區(qū)域中操作。外科醫(yī)生甚至可以彼此背對，以在患者的兩側(cè)獨立地操作。

根據(jù)腹腔中的兩個裝置，可選擇的連接連桿218允許兩個裝置剛性地互連。該連桿機構(gòu)與兩個機器人裝置依次插入腹部內(nèi)。例如，外科醫(yī)生可以全部通過一個套針插入一個機器人裝置，然后插入連接連桿，隨后插入第二機器人裝置。連接連桿機構(gòu)還可以包括可選擇的中心支承219。該支承用于通過患者的腹壁中的第二切口將連接連桿以及由此將機器人裝置剛性地固定至外部空間。除每個管道100的支承之外的該第二支承允許增加裝置的剛性。非常薄的中心支承可以經(jīng)由類似于血管導管的設(shè)置有針的導管穿過腹壁。該小導管幾乎完全消除了由腹壁的中心支承的行程所引起的對患者的傷害。

在一個設(shè)計中，另外的電纜穿過每個管道100(圖7B)并且進入每個主中心體131內(nèi)。這些電纜繼續(xù)穿過路徑137并且通過中心支承中的至少一個電纜終端延伸至連接連桿218的每個構(gòu)件(圖14A)。所述電纜被給予顯著的松弛，用于使裝置和全部零件插入腹腔內(nèi)。一旦全部裝置零件插入腹腔內(nèi)，則外科醫(yī)生可以在電纜的端部上牽拉，由此一起牽拉連接連桿的全部構(gòu)件。該組裝過程以與其中帳篷支柱節(jié)段通過繩索保持附連的露營帳篷的組裝類似的方式起作用。施加至這些電纜的恒定機械力可以用于在使用期間將連接連桿堅固地固定在一起。

可替代地，外科醫(yī)生可以去除連接連桿或在不提供連接連桿的情況下使用。在不需要連接連桿的單個手術(shù)期間可以采用一個實施例中說明的兩個裝置。四臂系統(tǒng)的一些實施例設(shè)計成用于通過單個四臂套針插入，單個四臂套針具有如圖14B所示用于兩個管道構(gòu)件的空間。其他實施例通過兩個標準雙臂套針設(shè)置。一些實施例允許軟件控制互連，使得外科醫(yī)生可以使用軟件指令切換其控制哪個臂，甚至在腹部內(nèi)選擇用于控制的臂中任一只或兩只。當不在外科醫(yī)生的控制之下時，臂可以可選擇地利用軟件鎖定就位，允許單個外科醫(yī)生在多個裝置的控制之間交替。

除本發(fā)明的以下要求保護的方面之外，本發(fā)明還包括以下方面和實施例。本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括將兩個雙臂機器人裝置聯(lián)接在一起的系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)還可以包括用于插入和支承機器人裝置的套針、用于支承裝置管道的套針套筒以及具有攝像機和照明系統(tǒng)的套針套管。用于采集外科醫(yī)生的臂和手的活動的傳感器結(jié)構(gòu)也被視為本發(fā)明的一部分。本發(fā)明還被視為包括用于虛擬現(xiàn)實機器人手術(shù)的裝置，其中機器人致動器不與用于虛擬現(xiàn)實機器人手術(shù)的攝像機系統(tǒng)和裝置永久地聯(lián)接，其中，機器人致動器不與腹腔內(nèi)的攝像機系統(tǒng)聯(lián)接。本發(fā)明還包括用于小零件組裝、炸彈的擴散、封閉空間內(nèi)的檢修以及虛擬現(xiàn)實機器人的任何其他用途的虛擬現(xiàn)實機器人裝置。

本發(fā)明的其他方面包括類似于人眼相對于人臂的定位的相對于機器人致動定位的虛擬現(xiàn)實攝像機以及具有攝像機之間的距離與機器人臂的尺寸的類似人的比例的虛擬現(xiàn)實攝像機。本發(fā)明的進一步的方面是機器人運動的計算機限制。另外具有創(chuàng)造力的是利用插入本體插入裝置，插入本體包括檢測與患者的身體接觸或接近的傳感器。關(guān)于用于虛擬現(xiàn)實手術(shù)系統(tǒng)的攝像機，創(chuàng)造性方面包括在攝像機機體內(nèi)的攝像機運動、具有結(jié)合有計算機圖像調(diào)整和修正的非球面鏡頭的攝像機、具有廣角鏡頭的攝像機、具有結(jié)合有計算機圖像調(diào)整和修正的廣角鏡頭的攝像機以及具有數(shù)字變焦或經(jīng)由機械方式變焦能力的攝像機。顯示放大鏡或接目放大鏡以允許自然類人變焦和在腹部內(nèi)設(shè)置增強現(xiàn)實裝置的現(xiàn)實增強、觀察腹部內(nèi)的虛擬計算機監(jiān)視器和經(jīng)由增強現(xiàn)實反饋至外科醫(yī)生以及顯示機器人臂或相關(guān)裝置也是本發(fā)明的方面。系統(tǒng)的另一個創(chuàng)造性方面是交織來自多臺攝像機的圖像以形成單個圖像。

利用鹽水對系統(tǒng)的冷卻也是本發(fā)明的一部分。本發(fā)明的另一個方面是提供光和通過多個小切口插入的光纖。創(chuàng)造性系統(tǒng)的還一部分是通過恒定比例因子標定外科醫(yī)生的臂與機器人裝置之間的運動、通過使用者可配置比例因子標定外科醫(yī)生的臂與機器人裝置之間的運動以及通過基于外科醫(yī)生的臂的位置的變化率調(diào)整的比例因子標定外科醫(yī)生的臂與機器人裝置之間的運動。系統(tǒng)的更進一步的創(chuàng)造性方面包括使用單個滾珠軸承以提供用于軸向和徑向載荷支承，具有超過所需運動的運動范圍以允許裝置在第一側(cè)和第二側(cè)上操作的致動器，以及使用霍耳效應編碼器以自腹腔內(nèi)部獲取位置數(shù)據(jù)。關(guān)于抓握器的創(chuàng)造性方面包括使用滑輪以提供用于抓握器內(nèi)的機械增益，抓握器內(nèi)的雙連桿機構(gòu)以允許兩根致動電纜能夠利用打開抓握器的一個電纜和關(guān)閉抓握器的第二電纜從抓握器的近端側(cè)牽拉，利用附連至抓握器夾顎的樞轉(zhuǎn)銷的彎曲部分以允許通過利用沿著彎曲部分設(shè)置的應變計精確測量抓握器力，以及利用設(shè)計成抓握器的連桿的負載單元。

本文中公開的技術(shù)和系統(tǒng)可以具有實施為用于計算機系統(tǒng)或計算機化電子裝置的計算機程序產(chǎn)品的一些控制部件。這種實施方式可以包括一系列計算機指令或邏輯，計算機指令或邏輯固著在比如為計算機可讀介質(zhì)(例如軟盤、CD-ROM、ROM、閃速存儲器或其他存儲器或固定盤)的有形介質(zhì)上，或者經(jīng)由比如為通過介質(zhì)連接至網(wǎng)絡的通信轉(zhuǎn)接器的調(diào)制解調(diào)器或其他接口裝置傳送至計算機系統(tǒng)或裝置。

介質(zhì)可以是有形介質(zhì)(例如光或模擬通信線)或者利用無線技術(shù)實施的介質(zhì)(例如Wi-Fi、蜂窩、微波、紅外或其他傳輸技術(shù))。一系列計算機指令包括在此關(guān)于系統(tǒng)所述的功能的至少一部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，這種計算機指令能夠以用于多個計算機結(jié)構(gòu)或操作系統(tǒng)的多種程序語言編寫。

此外，這種指令可以存儲在任何有形存儲裝置中，比如半導體、磁、光或其他存儲裝置，并且可以利用任何通信技術(shù)傳輸，比如光、紅外、微波或其他傳輸技術(shù)。

預期這種計算機程序產(chǎn)品可以作為可移動介質(zhì)散布，可移動介質(zhì)具有隨附的印刷或電子文檔(例如壓縮打包軟件)、利用計算機系統(tǒng)預加載(例如預加載在系統(tǒng)ROM或固定盤上)，或者從服務器或電子公告板散布到網(wǎng)絡上(例如因特網(wǎng)或萬維網(wǎng))。當然，本發(fā)明的一些實施例可以實施為軟件(例如計算機程序產(chǎn)品)和硬件兩者的組合。本發(fā)明的進一步的其他實施例實施為完全硬件或完全軟件(例如計算機程序產(chǎn)品)。