本申請是于2012年1月13日提交的名稱為“檢測夾緊或發(fā)射失敗的系統(tǒng)”的中國專利申請201280008948.0(pct/us2012/021319)的分案申請。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請是2011年2月15日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/443,148的非臨時申請，并要求其權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用被并入本文。

本申請涉及2010年2月12日提交的名稱為“cutandsealinstrument”的美國申請?zhí)?2/705,418(代理人案號isrg02180/us)；2009年11月13日提交的名稱為“endeffectorwithredundantclosingmechanisms”的美國臨時申請?zhí)?1/260,907(代理人案號isrg02330prov)；2009年11月13日提交的名稱為“wristarticulationbylinkedtensionmembers”的美國臨時申請?zhí)?1/260,903(代理人案號isrg02320prov)，(代理人案號isrg02320/us)；2009年11月13日提交的名稱為“wristarticulationbylinkedtensionmembers”的美國臨時申請?zhí)?1/260,903(代理人案號isrg02320prov)；2009年11月13日提交的名稱為“surgicaltoolwithatwodegreeoffreedomwrist”的美國臨時申請?zhí)?1/260,915(代理人案號isrg02350prov)；和2009年11月13日提交的名稱為“motorinterfaceforparalleldriveshaftswithinanindependentlyrotatingmember”的美國臨時申請?zhí)?1/260,919(代理人案號isrg02360prov)；其中的每個以其全部通過引用被并入本文。

發(fā)明背景

微創(chuàng)外科技術(shù)旨在減少診斷或手術(shù)操作期間受損的外部組織的量，由此減少患者恢復時間、不舒適和有害的副作用。因此，利用微創(chuàng)外科技術(shù)，標準外科手術(shù)的住院期的平均長度可顯著縮短。同時，利用微創(chuàng)手術(shù)還可減少患者恢復時間、患者不舒適、手術(shù)副作用和離開工作的時間。

微創(chuàng)手術(shù)的通常形式是內(nèi)窺鏡檢查，而內(nèi)窺鏡檢查的通常形式是腹腔鏡檢查，其是腹腔內(nèi)微創(chuàng)的檢查和手術(shù)。在標準腹腔鏡手術(shù)中，將氣體吹入患者的腹部，使插管套管通過小的(大約半英寸或更小)切口穿過以提供腹腔鏡器械的進入口。

腹腔鏡外科器械通常包括用于觀察手術(shù)區(qū)的內(nèi)窺鏡(例如，腹腔鏡)和用于在手術(shù)部位操作的工具。該操作工具通常與用于常規(guī)的(開放的)手術(shù)的操作工具相似，除了延伸管(也被稱作，例如，器械軸或主軸)將每個工具的操作末端或末端效應器與其手柄分開。末端效應器可包括，例如，夾子、抓緊器、剪刀、吻合器、燒灼工具、線性切割器或持針器。

為了進行手術(shù)操作，外科醫(yī)生使操作工具通過插管套管到內(nèi)部的手術(shù)部位并從腹部外面操縱它們。外科醫(yī)生通過顯示從內(nèi)窺鏡獲取的手術(shù)部位的圖像的監(jiān)視器來觀察操作。相似的內(nèi)窺鏡技術(shù)用于，例如，關(guān)節(jié)鏡檢查、腹膜后檢查、盆腔鏡檢查、腎鏡檢查、膀胱鏡檢查、腦池檢查(cisternoscopy)、竇鏡檢查、宮腔鏡檢查、尿道鏡檢查等。

正在研發(fā)微創(chuàng)遙控外科機器人系統(tǒng)(minimallyinvasivetelesurgicalroboticsystem)以增加在內(nèi)部手術(shù)部位上操作時外科醫(yī)生的靈巧以及允許外科醫(yī)生從遠距離位置(無菌區(qū)外面)對患者進行操作。在遙控外科系統(tǒng)中，常常提供給外科醫(yī)生在控制臺的手術(shù)部位的圖像。當在合適的觀察器或顯示器上觀察手術(shù)部位的圖像時，外科醫(yī)生通過操縱控制臺的主控端輸入(masterinput)或控制裝置而對患者進行手術(shù)操作。每個主控端輸入裝置均控制伺服機械地(sevo-machanically)致動的/鉸接的外科器械的運動。手術(shù)操作期間，遙控外科系統(tǒng)可提供機械致動和控制多種具有末端效應器的外科器械或工具，該末端效應器響應主控端輸入裝置的操作為外科醫(yī)生執(zhí)行各種功能，例如，持針或推進針、抓緊血管、解剖組織等。

非機器人的線性夾緊、切割和固定裝置(staplingdevice)已用于多種不同的手術(shù)操作。例如，這樣的裝置可用于從胃腸道切除癌性或異常組織。不幸的是，多種已知的外科裝置——包括已知的線性夾緊、切割和固定裝置——具有相對的夾爪，其可產(chǎn)生比期望小的夾緊力，這可減小外科裝置的功效。已發(fā)展了這樣的裝置，其對可應用的手術(shù)操作(例如，組織固定)產(chǎn)生較高水平的夾緊力，然而，用高力夾爪的夾緊周期性(偶爾地，periodically)地失敗。另外，封閉組織的u形釘發(fā)射(推動，firing)可能失敗。然而，檢測夾緊或u形釘發(fā)射的失敗在一些微創(chuàng)外科應用中已證明是困難的，因為外科醫(yī)生可能沒有清楚觀察到正被夾緊或固定的組織，并且插入身體的工具受限于有效的尺寸和空間限制。由于機器人系統(tǒng)中外科醫(yī)生的觸覺反饋可稍微受限，所以當失敗已發(fā)生直到夾緊或發(fā)射操作完成之后，外科醫(yī)生可能都沒有認識到。鑒于上述，期望使外科醫(yī)生能夠在夾緊或失敗發(fā)生時發(fā)現(xiàn)它們，以便操作可暫停(suspend)或改變以減少組織損傷的可能性和/或以允許外科醫(yī)生減輕任何已被損傷的組織的效應?？紤]到與微創(chuàng)外科環(huán)境相關(guān)的限制，期望從身體外部檢測失敗，而無需大量地增加末端效應器的輪廓(profile)。

因此，可檢測失敗和向用戶指示失敗的、而與微創(chuàng)操作的需要一致的方法和系統(tǒng)是期望的。這樣的工具在外科應用，特別是微創(chuàng)外科應用中可以是有益的。

發(fā)明概述

提供檢測和指示夾緊和/或u形釘發(fā)射失敗的改進的系統(tǒng)和方法。要求保護的方法和系統(tǒng)涉及檢測夾爪之間抓住的材料的夾緊或u形釘發(fā)射進夾緊的材料中是否可能失敗。要求保護的系統(tǒng)和方法可檢測夾緊或發(fā)射過程期間夾緊或發(fā)射的失敗，由此減少由于失敗已發(fā)生之后持續(xù)夾緊或發(fā)射u形釘帶來的組織損傷的可能性。要求保護的系統(tǒng)和方法在涉及末端效應器的兩個夾爪之間的身體組織的夾緊和u形釘發(fā)射進夾緊的組織的外科應用中特別有用。多種外科應用要求以足以切割、封閉和/或固定夾緊的組織的夾緊力來夾緊身體組織。由于夾緊和發(fā)射u形釘可需要比組織操作相對更高的力，所以夾緊或發(fā)射的失敗可潛在地引起脆弱組織的損傷。本方法和系統(tǒng)在微創(chuàng)外科應用中特別有利，因為失敗一發(fā)生它們就指示失敗并且允許從身體外部檢測失敗。雖然本文公開的各種實施方式主要對于外科應用來描述，但是這些外科應用僅僅是實例應用，并且公開的末端效應器、工具和方法可用于其它合適的應用——人身體的內(nèi)部和外部，以及非外科應用。

在第一方面，本發(fā)明提供檢測由電動機驅(qū)動的夾爪之間的材料夾緊失敗或檢測u形釘發(fā)射失敗的方法，發(fā)射力由致動器，如電動機驅(qū)動。方法包括在夾緊或發(fā)射力的應用期間監(jiān)測致動器或電動機的驅(qū)動參數(shù)，以及響應監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)，在用戶界面上輸出夾緊或發(fā)射失敗的指示。通常，當監(jiān)測的致動器的驅(qū)動參數(shù)，如電動機的轉(zhuǎn)矩輸出或驅(qū)動機構(gòu)的位移在驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍之外時，夾緊或發(fā)射失敗的指示發(fā)生。該指示還可以指示夾緊或發(fā)射失敗的可能性，其中失敗的可能性落入第一和第二可能性之間的梯度之內(nèi)，第一可能性可能失敗，而第二可能性可能成功。在多種實施方式中，夾緊和固定的材料是身體組織，包括外部皮膚或內(nèi)臟器官，如腸、胃或肺。

在多種實施方式中，方法和系統(tǒng)包括在末端效應器的第一和第二夾爪之間的夾緊期間或u形釘發(fā)射進夾緊的組織期間監(jiān)測驅(qū)動參數(shù)。通常，在外科u形釘行沿著切割線將組織的對側(cè)固定以封閉組織之后，切割夾緊的組織。末端效應器通常是微創(chuàng)機器人外科系統(tǒng)的部分。第一和第二夾爪可包括兩個分開的夾爪或第一夾爪可靠近末端效應器的部分鉸接，在這種情況下，末端效應器的部分包括第二夾爪。一方面，方法包括：一般地響應來自用戶的夾緊或發(fā)射命令，夾緊末端效應器第一和第二夾爪之間的材料或使u形釘發(fā)射進夾緊的材料。系統(tǒng)通過將夾緊力施加到夾子或?qū)l(fā)射力施加到u形釘來實施夾緊或發(fā)射。當夾緊或發(fā)射發(fā)生時，系統(tǒng)監(jiān)測施加夾緊或發(fā)射力的致動器的驅(qū)動參數(shù)。響應監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)，系統(tǒng)在用戶界面上輸出夾緊或發(fā)射失敗或夾緊或發(fā)射成功的指示。

在多種實施方式中，響應監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)——位于致動器的期望驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍，如轉(zhuǎn)矩輸出的范圍之外，提供可能的夾緊或發(fā)射失敗的指示。通常，驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍隨著致動器或電動機的位移而變化，以致于驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍可不同，這取決于末端效應器的構(gòu)型。例如，在致動器或電動機的最初位移(當夾子從打開的構(gòu)型開始時)的驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍可不同于在最后位移(如當夾子處于關(guān)閉/夾緊的構(gòu)型時)的驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍。發(fā)射機構(gòu)的不同的最初構(gòu)型和最后構(gòu)型也是這樣。系統(tǒng)可通過檢測(sense)實現(xiàn)運動的致動器，或致動器通過其實現(xiàn)夾緊或發(fā)射的機構(gòu)的位移來檢測末端效應器的構(gòu)型。夾緊或發(fā)射通過一個或多個將致動器連接到末端效應器和/或u形釘?shù)臋C構(gòu)由驅(qū)動參數(shù)實現(xiàn)。機構(gòu)(一個或多個)可包括纜索、皮下管(海波管，hypotube)或?qū)輻U。在多種實施方式中，可能的夾緊失敗的指示是顯示在用戶界面顯示器上的視覺指示符，但還可以通過音頻信號、視覺信號或其它感覺指示符傳達給用戶。

另一方面，方法或系統(tǒng)可響應夾緊或u形釘發(fā)射失敗或可能的失敗的指示而暫停致動器的驅(qū)動。方法還可包括在指示失敗之后保持驅(qū)動參數(shù)，或在暫停驅(qū)動u形釘發(fā)射的力的同時保持驅(qū)動夾緊的驅(qū)動參數(shù)。在多種實施方式中，夾緊機構(gòu)是非后向可驅(qū)動的(backdriveable)，以便在它被應用或建立后不需要輸入來保持夾緊力。在這樣的情況下，可需要輸入來松開和反轉(zhuǎn)導螺桿的運動。方法可包括反轉(zhuǎn)驅(qū)動力，以在輸出失敗指示之后松開。

在多種實施方式中，系統(tǒng)包括末端效應器、傳感器和用戶界面。末端效應器的第一和第二夾爪連接到致動器以便驅(qū)動致動器產(chǎn)生夾緊力，從而在第一和第二夾爪之間夾緊材料。系統(tǒng)還可包括致動器，如電動機，其可拆地連接到u形釘以便驅(qū)動致動器產(chǎn)生發(fā)射力，從而將u形釘發(fā)射進身體組織。夾緊和發(fā)射致動器可以是單一致動器或可以是分開的致動器。系統(tǒng)可包括用于監(jiān)測將夾緊或發(fā)射力施加到末端效應器的驅(qū)動參數(shù)的傳感器。傳感器可以是分開的傳感器或可并入機器人外科系統(tǒng)，還可監(jiān)測電動機或機構(gòu)的位移。系統(tǒng)還可包括用于比較監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)與期望的驅(qū)動參數(shù)或參數(shù)范圍的處理器。處理器還可確定給定位移的可接受驅(qū)動參數(shù)的范圍。

系統(tǒng)可包括用于分別實現(xiàn)夾緊和發(fā)射的第一和第二致動機構(gòu)。第一和第二致動機構(gòu)可利用與夾緊模式和發(fā)射力模式的力需要相對應的不同的力傳動機構(gòu)。例如，第一夾爪致動機構(gòu)使用的使夾爪從打開位置移動到關(guān)閉位置的力可包括線性力或轉(zhuǎn)矩，而第二夾爪致動機構(gòu)使用的發(fā)射u形釘通過組織的力可包括轉(zhuǎn)矩。在多種實施方式中，第一致動機構(gòu)包括用于高力夾緊模式的導螺桿驅(qū)動機構(gòu)，第二致動機構(gòu)包括用于u形釘發(fā)射的第二導螺桿驅(qū)動機構(gòu)。可選地，夾緊和發(fā)射可利用部分機構(gòu)或相同的機構(gòu)。

對于本發(fā)明的性質(zhì)和優(yōu)勢的更完全的理解，應當參考接下來詳細的說明和附圖。根據(jù)下面的圖和詳細的說明，本發(fā)明的其它方面、目的和優(yōu)勢將是明顯的。

附圖簡述

圖1是根據(jù)多種實施方式用于進行手術(shù)的微創(chuàng)機器人外科系統(tǒng)的平面圖。

圖2是根據(jù)多種實施方式的機器人外科系統(tǒng)的外科醫(yī)生控制臺的透視圖。

圖3是根據(jù)多種實施方式的機器人外科系統(tǒng)電子學手推車的透視圖。

圖4概略地圖解了根據(jù)多種實施方式的機器人外科系統(tǒng)。

圖5a是根據(jù)多種實施方式的機器人外科系統(tǒng)的患者側(cè)手推車(外科機器人)的正視圖。

圖5b是機器人外科手術(shù)工具的正視圖。

圖6a是根據(jù)多種實施方式的具有鉸接的夾爪的末端效應器的透視圖。

圖6b是根據(jù)多種實施方式的圖6a的末端效應器的透視圖(去除了鉸接的夾爪以更好地顯示導螺桿致動機構(gòu)部件)。

圖7a和7b顯示根據(jù)多種實施方式的導螺桿致動機構(gòu)的部件。

圖8a顯示根據(jù)多種實施方式的纜索致動機構(gòu)的部件。

圖8b是根據(jù)多種實施方式的圖8a的末端效應器的透視圖，其中去除了部分鉸接的夾爪以顯示布置在鉸接的夾爪后面的纜索致動機構(gòu)部件。

圖8c至8f顯示圖8a的纜索致動機構(gòu)的對側(cè)部件。

圖9a是顯示根據(jù)多種實施方式的纜索致動機構(gòu)的透視圖，其顯示用于向夾緊的構(gòu)型鉸接夾爪的纜索。

圖9b是顯示圖9a的纜索致動機構(gòu)的透視圖，顯示用于向開放構(gòu)型鉸接夾爪的纜索。

圖10是顯示根據(jù)多種實施方式的導螺桿致動機構(gòu)的部件的橫斷面視圖。

圖11是根據(jù)多種實施方式的工具組件的簡化圖解。

圖12是根據(jù)多種實施方式的安裝到機器人工具機械手的機器人工具的簡化圖解。

圖13是根據(jù)多種實施方式的遙控機器人外科系統(tǒng)的圖解視圖。

圖14a-14b顯示根據(jù)多種實施方式的具有夾緊失敗指示符的用戶界面組件。

圖15a-15b顯示根據(jù)多種實施方式的夾緊失敗指示符的指示符的實例。

圖16a-16b顯示根據(jù)多種實施方式與隨著電動機位移而變化的可接受電動機轉(zhuǎn)矩的范圍相比夾緊期間示例性電動機轉(zhuǎn)矩。

圖17-20顯示根據(jù)多種實施方式的方法。

圖21-22顯示利用根據(jù)多種實施方式的方法的流程圖。

詳細描述

提供與夾緊和/或緊固件發(fā)射有關(guān)的改進的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明涉及提供在夾緊期間給定材料的夾緊是否失敗的指示符。本發(fā)明可用于具有用于夾緊材料或?qū)形釘發(fā)射進夾緊的材料的夾爪部件的系統(tǒng)。要求保護的系統(tǒng)和方法對于微創(chuàng)外科應用特別有用，因為它們允許從身體外部在受限制環(huán)境中檢測失敗。這樣的系統(tǒng)常常包括具有夾爪的末端效應器，該夾爪以相對高的力夾緊身體組織和將u形釘發(fā)射進組織。以高的夾緊力夾緊允許使用者進行需要堅固夾緊的各種操作。例如，醫(yī)師可在切割、封閉或固定組織之前需要堅固的夾緊身體組織。u形釘或其它緊固件的發(fā)射還可需要應用相對高的力以驅(qū)動u形釘通過身體組織。由于夾緊和u形釘發(fā)射利用施加在受限外科區(qū)域中的相對高的力，所以夾緊或發(fā)射失敗可能損傷脆弱組織。要求保護的方法和系統(tǒng)是有利的，因為它們允許從身體外部檢測夾緊或發(fā)射過程期間的夾緊或發(fā)射失敗，而不增加末端效應器的輪廓。這樣的方法和系統(tǒng)使得能力和患者的安全性增加，同時保持微創(chuàng)外科工具的比例減小。雖然本文公開的多種實施方式主要針對外科應用來描述，但是這些外科應用僅僅是實例應用，并且公開的系統(tǒng)和方法可用于其它合適的應用——人身體里面和外面，以及非外科應用。

通常，利用要求保護的發(fā)明的系統(tǒng)包括末端效應器，其具有用于夾緊材料和/或發(fā)射u形釘或緊固件通過夾緊的材料的兩個夾爪。兩個夾爪可包括連接到末端效應器的鉸接的夾爪，以便使鉸接的夾爪向末端效應器的部分移動，第二夾爪是末端效應器的該部分。在多種實施方式中，系統(tǒng)利用兩個獨立的機構(gòu)來鉸接末端效應器的夾爪。第一致動機構(gòu)提供快速反應/小力模式——其改變關(guān)閉的(抓緊的)構(gòu)型和打開的構(gòu)型之間的鉸接的夾爪的位置。在多種實施方式中，第一致動機構(gòu)是后向可驅(qū)動的。例如，在小力模式抓緊模式中，第一致動機構(gòu)可被設計以在第一和第二夾爪尖端之間提供5lbs的夾緊力。第二致動機構(gòu)提供高的夾緊力模式，用于以較高夾緊力夾緊夾爪之間的身體組織。通常，第二致動機構(gòu)是非后向可驅(qū)動的。第二致動機構(gòu)將相對弱的力或轉(zhuǎn)矩(但是具有大的可用位移)轉(zhuǎn)化成相對高的轉(zhuǎn)矩——轉(zhuǎn)動末端效應器夾爪。第二致動機構(gòu)可被設計以在夾緊的夾爪的尖端之間提供，例如，50磅的夾緊力。

通常，在利用要求保護的方法的應用中，外科醫(yī)生以相對高的夾緊力夾緊身體組織，并且一旦夾緊，發(fā)射一系列u形釘通過夾緊的組織，由此封閉組織。周期性地，夾爪可能沒有夾緊組織，潛在地導致對組織的損傷。組織的夾緊可由于多種種原因而失敗，包括太多的組織被抓住或夾爪之間抓住的組織不足，包括來自鄰近的組織如骨的干擾，或組織在夾爪之間滑動。即使夾緊是成功的，但是u形釘或其它緊固件的發(fā)射可由于多種種原因而失敗，包括卡住的u形釘、材料不一致、來自另一種材料的干擾、或夾緊材料的滑動。因此，夾緊或發(fā)射過程期間當夾緊或發(fā)射失敗發(fā)生時可檢測失敗和將這樣的失敗指示給醫(yī)師，由此減小將導致的組織損傷的可能性的系統(tǒng)和方法將是有利的。通過使用要求保護的方法可避免組織損傷的方式包括：已指示失敗之后終止夾緊或發(fā)射過程或允許使用者終止或修改過程。描述的系統(tǒng)和方法檢測夾緊和/或?qū)形釘發(fā)射進夾緊的材料期間這樣的失敗并將失敗或可能的失敗的指示提供給使用者。當處于夾緊位置時，夾爪之間的距離足以進行治療，如發(fā)射u形釘通過夾緊的組織，則夾緊可被認為是成功的。該距離可根據(jù)多種因素，包括組織類型、治療類型或待發(fā)射通過夾緊組織的u形釘?shù)某叽缍淖?。一方面，要求保護的方法和系統(tǒng)通過監(jiān)測驅(qū)動夾緊和/或u形釘發(fā)射的致動器或電動機的驅(qū)動參數(shù)來檢測失敗。在優(yōu)選實施方式中，電動機給機構(gòu)提供驅(qū)動參數(shù)或力輸出，如轉(zhuǎn)矩，以通過末端效應器實現(xiàn)夾緊和/或u形釘?shù)陌l(fā)射。系統(tǒng)可確定驅(qū)動參數(shù)是否在期望驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍內(nèi)。驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍可根據(jù)實現(xiàn)運動的電動機或機構(gòu)的位移而改變。典型地，如果夾緊或發(fā)射失敗，則驅(qū)動電動機的力輸出降到可接受的最小值以下，如在夾緊夾爪之間沒有材料的力輸出，或力輸出可沖到最大可接受力之上，如來自骨上的夾緊或機構(gòu)的卡住的力輸出。在兩者任一的情況下的電動機的持續(xù)驅(qū)動可導致對周圍材料或組織的損傷。通過在材料夾緊和/或發(fā)射進組織期間，監(jiān)測驅(qū)動電動機的力輸出，要求保護的方法和系統(tǒng)檢測在夾緊或發(fā)射期間的失敗或可能的失敗并向使用者輸出這樣的失敗或可能的失敗的指示。另外，提供失敗的指示之后，系統(tǒng)和方法可自動終止夾緊或發(fā)射或等待來自使用者的進一步輸入。理想地，方法包括在夾緊或u形釘發(fā)射期間監(jiān)測驅(qū)動參數(shù)，和響應監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)，提供夾緊或發(fā)射失敗的可能性的指示。

微創(chuàng)機器人外科手術(shù)

現(xiàn)在參考附圖，其中在幾個視圖中，同樣的參考數(shù)字表示同樣的部件，圖1是本發(fā)明實施方式的平面圖圖解。圖1顯示微創(chuàng)機器人外科(mirs)系統(tǒng)10，通常用于在躺在手術(shù)臺14上的患者12上進行微創(chuàng)診斷或手術(shù)操作。該系統(tǒng)可包括操作期間外科醫(yī)生18使用的外科醫(yī)生的控制臺16。一個或多個助手20也可參與操作。mirs系統(tǒng)10可進一步包括患者側(cè)手推車22(外科機器人)和電子學手推車24?；颊邆?cè)手推車22可操縱至少一個可移去的連接工具組件26(在下文中被簡單地稱作“工具”)通過患者12身體中的微創(chuàng)切口，而外科醫(yī)生18通過控制臺16觀察手術(shù)部位。工具組件26包括末端效應器25，該末端效應器具有用于夾緊組織的夾爪和用于發(fā)射u形釘通過夾緊組織的機構(gòu)。手術(shù)部位的圖像可通過內(nèi)窺鏡28，如立體內(nèi)窺鏡獲得，這可通過患者側(cè)手推車22來操作以定向內(nèi)窺鏡28。電子學手推車24可用于處理手術(shù)部位的圖像，用于隨后通過外科醫(yī)生的控制臺16顯示給外科醫(yī)生18。電子學手推車24包括用于監(jiān)測電動機輸出提供給末端效應器的驅(qū)動參數(shù)的處理器27。處理器27可通過比較驅(qū)動參數(shù)與驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍來監(jiān)測驅(qū)動參數(shù)。由于驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍可隨著實現(xiàn)末端效應器運動的電動機或機構(gòu)的位移而變化，所以處理器27還可在夾緊和/或發(fā)射期間接收關(guān)于電動機或末端效應器機構(gòu)位移的位移數(shù)據(jù)，以便處理器27針對任何給定的位移比較監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)與可接受驅(qū)動參數(shù)的范圍。位移數(shù)據(jù)可直接測量或可根據(jù)機器人系統(tǒng)，如機器人患者側(cè)機械手(psm)系統(tǒng)，所獲得的位置數(shù)據(jù)或其衍生數(shù)據(jù)來確定，例如，美國專利申請公開號2007/0005045——其全部內(nèi)容通過引用被并入本文——中描述的。響應監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)，處理器27可輸出夾緊失敗指示到用戶界面。系統(tǒng)10然后將預測指示符傳達給外科醫(yī)生控制臺16上的醫(yī)師，以與向科醫(yī)生傳達夾緊或發(fā)射是否已失敗。

圖2是外科醫(yī)生控制臺16的透視圖。外科醫(yī)生控制臺16包括左眼顯示器32和右眼顯示器34，用于將賦予深度感的手術(shù)部位的協(xié)調(diào)立體視圖呈現(xiàn)給外科醫(yī)生18?？刂婆_16進一步包括一個或多個輸入控制裝置36，其反過來使患者側(cè)手推車22(圖1所示)操縱一個或多個工具。輸入控制裝置36將提供與它們連接的工具26(圖1所示)相同的自由度以提供給外科醫(yī)生遙現(xiàn)(遠程呈現(xiàn)，telepresence)，或輸入控制裝置36與工具26成一體的感覺，以便外科醫(yī)生具有直接控制工具26的強烈感覺。為此，位置、力和觸覺反饋傳感器(未顯示)可用于通過輸入控制裝置36從工具26將位置、力和觸覺傳遞回外科醫(yī)生的手。

外科醫(yī)生控制臺16通常位于與患者相同的房間以便外科醫(yī)生可直接監(jiān)測操作，需要時身體地呈現(xiàn)，并直接與助手說話，而不是通過電話或其它通信媒介。然而，考慮到遠距離手術(shù)操作(即，從無菌區(qū)外面操作)，外科醫(yī)生可位于與患者不同的房間、完全不同的建筑物或其它遠距離的位置。

圖3是電子學手推車24的透視圖。電子學手推車24可與內(nèi)窺鏡28連接并可包括處理器27以監(jiān)測驅(qū)動參數(shù)和響應監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)而確定夾緊失敗的指示。處理器27還可處理捕獲的圖像，用于隨后顯示，如給外科醫(yī)生控制臺上的外科醫(yī)生，或在位于當?shù)睾?或遠處的任何其他合適的顯示器上。

圖4概略地圖解機器人外科系統(tǒng)50(如圖1的mirs系統(tǒng)10)，其中處理器58和顯示器60與電子學手推車56和外科醫(yī)生控制臺52分開描述。如上面所討論的，微創(chuàng)操作期間，外科醫(yī)生控制臺52(如圖1中的外科醫(yī)生控制臺16)可由外科醫(yī)生使用以控制患者側(cè)手推車(外科機器人)54(如圖1中的患者側(cè)手推車22)。在準備發(fā)射u形釘以封閉身體組織過程中，外科醫(yī)生可命令患者側(cè)手推車54的工具在末端效應器的夾爪部件之間夾緊。響應該命令，處理器58可命令系統(tǒng)開始驅(qū)動電動機以接合(engage)機構(gòu)，該機構(gòu)開始使夾爪一起移動并將夾緊力增加到期望的夾緊力。隨著夾爪開始一起移動和夾緊力增加，隨著電動機驅(qū)動夾爪以期望的夾緊力夾緊，處理器58連續(xù)地監(jiān)測電動機的驅(qū)動參數(shù)和比較驅(qū)動參數(shù)與驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍電動機。如果在夾緊期間的任何點，驅(qū)動參數(shù)超過可接受驅(qū)動參數(shù)或降到可接受驅(qū)動參數(shù)以下，那么處理器58可在用戶界面上輸出夾緊失敗的指示。響應夾緊失敗的檢測，處理器58還可控制另外的功能，如暫停電動機的驅(qū)動、阻止u形釘發(fā)射、在檢測到的夾緊失敗的點保持夾緊力、等待用戶輸入和松開組織。相似地，處理器58在發(fā)射u形釘成功通過夾緊組織期間連續(xù)地監(jiān)測驅(qū)動參數(shù)。響應落在期望驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍之外的驅(qū)動參數(shù)，處理器58可在用戶界面上輸出失敗指示。響應檢測到的發(fā)射失敗，處理器58可控制其它功能，如終止發(fā)射、暫停電動機的驅(qū)動、保持組織的夾緊，同時防止發(fā)射、或等待用戶輸入。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，夾緊失敗的指示可包括夾緊失敗可能有多大可能性的指示。例如，處理器58可輸出夾緊失敗的指示——指示失敗的0％可能性到失敗的100％可能性的夾緊失敗的可能性，因此允許使用者在實際的失敗發(fā)生之前基于如失敗指示所指出的失敗可能性的增加而調(diào)整或終止操作。在一些實施方式中，如果監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)處于驅(qū)動參數(shù)的可接受范圍內(nèi)，那么表示失敗可能性的失敗指示符可表示落入0至49％范圍內(nèi)的失敗可能性。在另一個實施方式中，該范圍可被表示為梯度，包括非數(shù)值梯度，如顏色梯度。取決于如失敗指示符所傳達的失敗可能性，外科醫(yī)生可隨后安全地進行身體組織的夾緊或可中止夾緊和夾爪的復位，直到顯示器60指示夾緊或發(fā)射成功的較高可能性。

圖5a和5b分別顯示患者側(cè)手推車22和外科工具62。外科工具62——外科工具26之一——是具有一組用于夾緊組織和發(fā)射u形釘進入夾緊的組織的夾爪部件的末端效應器的實例。顯示的患者側(cè)手推車22提供三個外科工具26和顯像裝置28，如用于捕獲操作部位的圖像立體內(nèi)窺鏡的操作。操作由具有多種機器人關(guān)節(jié)的機器人機構(gòu)提供。顯像裝置28和外科工具26可在患者中定位并且通過切口操作以便將運動學的遠距離中心保持在切口處從而最小化切口尺寸。手術(shù)部位的圖像可包括外科工具26遠端——當它們位于顯像裝置28的視野內(nèi)時——的圖像。

使用獨立的致動機構(gòu)夾緊組織和發(fā)射u形釘

在多種實施方式中，兩個獨立的致動機構(gòu)用于控制末端效應器的鉸接的夾爪的鉸接。第一致動機構(gòu)可用于提供高力夾緊模式，第二致動機構(gòu)可用于提供高力發(fā)射模式。在多種實施方式中，用于提供高的夾緊力和高的發(fā)射力的第一和第二致動機構(gòu)是非后向可驅(qū)動的。第一和第二致動機構(gòu)可包括第一和第二導螺桿。利用獨立的致動機構(gòu)可在一些外科應用，例如，電烙術(shù)封閉、固定等——其在同一操作期間對不同的功能可需要不同的力——中可以是有益的。

在多種實施方式中，以高的夾緊力模式的夾爪致動由包括導螺桿驅(qū)動凸輪的導螺桿致動機構(gòu)提供。當導螺桿驅(qū)動的凸輪在其運動范圍的第一末端時，從動凸輪與鉸接的夾爪上的配合(mating)的凸輪表面界面連接(，interface)以使鉸接的夾爪保持處于關(guān)閉的(夾緊的)構(gòu)型。另外，當導螺桿驅(qū)動的凸輪在其運動范圍的第二末端(相對的末端)時，從動凸輪不限制鉸接的夾爪的運動。換言之，排列配合的凸輪表面以便在一個方向上的導螺桿驅(qū)動的凸輪的運動將引起鉸接的夾爪關(guān)閉，而相反方向上的導螺桿驅(qū)動的凸輪的運動將允許(但不強迫)鉸接的夾爪打開到凸輪表面所提供的限制。通常，導螺桿致動機構(gòu)是非后向可驅(qū)動的。在多種實施方式中，末端效應器的夾爪部件的位置可通過纜索致動機構(gòu)的位置來確定，或者如果由導螺桿驅(qū)動，則由導螺桿的位置來確定。系統(tǒng)可包括雙驅(qū)動電動機——具有用于以夾緊力實現(xiàn)夾緊的驅(qū)動器(drive)和用于以發(fā)射力實現(xiàn)發(fā)射u形釘?shù)尿?qū)動器。電動機可利用現(xiàn)有的電動機或驅(qū)動器或利用另外的驅(qū)動器或電動機，實現(xiàn)u形釘?shù)陌l(fā)射。要求保護的方法和系統(tǒng)監(jiān)測正驅(qū)動夾緊或發(fā)射的任一個電動機或多個電動機的驅(qū)動參數(shù)。另外，當失敗被檢測到時終止或停止電動機的驅(qū)動還可包括實現(xiàn)另一功能的另一驅(qū)動器或電動機的持續(xù)驅(qū)動。例如，如果發(fā)射失敗被指示，那么系統(tǒng)可停止驅(qū)動發(fā)射力，而仍然保持夾緊力的驅(qū)動和等待使用者松開組織。

圖6a是根據(jù)多種實施方式的末端效應器70的透視圖，末端效應器70具有通過兩個獨立的致動機構(gòu)鉸接的夾爪72。末端效應器70包括末端效應器基底74、鉸接的夾爪72和可拆卸的固定夾爪76——其保持u形釘。末端效應器70通過第一驅(qū)動軸78、第二驅(qū)動軸80和兩個致動纜索(未顯示)來致動。第一驅(qū)動軸78轉(zhuǎn)動導螺桿致動機構(gòu)的導螺桿82，導螺桿82位于固定夾爪76內(nèi)。第二驅(qū)動軸80轉(zhuǎn)動可拆卸的固定夾爪76的另一個導螺桿(未顯示)。

在多種實施方式中，第一驅(qū)動軸78和/或第二驅(qū)動軸80由位于近端工具機箱中的驅(qū)動部件驅(qū)動，末端效應器70通過器械軸與其連接。在多種實施方式中，近端工具機箱被配置以能可拆地可安裝到機器人工具機械手。在多種實施方式中，第一驅(qū)動軸78和第二驅(qū)動軸80通過位于近端工具機箱中各自的驅(qū)動部件來致動。在多種實施方式中，這樣的驅(qū)動部件由位于近端工具機箱中的電動機來驅(qū)動。

圖6b是根據(jù)多種實施方式的圖6a的末端效應器70的透視圖(去除了鉸接的夾爪72以更好地顯示導螺桿致動機構(gòu)的部件)。安裝導螺桿82，用于相對于末端效應器基底74轉(zhuǎn)動。導螺桿驅(qū)動凸輪84與導螺桿82連接以便導螺桿82的選擇性轉(zhuǎn)動可用于沿著末端效應器基底74中的凸輪槽86選擇性地平移導螺桿驅(qū)動的凸輪84。末端效應器70包括樞銷88——其用于將鉸接的夾爪72轉(zhuǎn)動地連接到末端效應器基底74。

圖7a至10顯示致動機構(gòu)，末端效應器通過驅(qū)動機構(gòu)以夾緊模式在其夾爪之間夾緊身體組織和發(fā)射u形釘進入夾緊的組織。

圖7a和7b顯示圖6a和6b的導螺桿致動機構(gòu)。導螺桿82具有遠端軸頸表面96和與近端軸承98界面連接的近端軸頸表面。在多種實施方式中，遠端軸頸表面96被容納于位于凸輪槽86遠端的圓柱狀插孔內(nèi)。這樣的導螺桿82的遠端支撐可被配置以使導螺桿82避免過分搖擺，并在遠端軸頸表面96和圓柱狀插孔之間具有相對大的間隙(clearance)(一個或多個)。近端軸承98由末端效應器基底74支撐以支撐導螺桿82近端。近端軸承98可以是球軸承，其可有助于減小摩擦和磨損。遠端軸承(未顯示)可由末端效應器基底74支撐以支撐導螺桿82的遠端，并且遠端軸承可以是球軸承。導螺桿驅(qū)動的凸輪84包括配置為與導螺桿82的外螺紋配合的帶螺紋的鏜孔。導螺桿驅(qū)動的凸輪84包括配置為與凸輪槽86的相應的頂面和底面相互作用的頂面和底面。導螺桿驅(qū)動的凸輪84和凸輪槽86之間的相互作用防止導螺桿驅(qū)動的凸輪84相對于凸輪槽86轉(zhuǎn)動，這引起導螺桿驅(qū)動的凸輪84響應導螺桿的轉(zhuǎn)動沿著凸輪槽86平移。

鉸接的夾爪72包括配合的凸輪表面94，其被配置以便沿著凸輪槽86的導螺桿驅(qū)動的凸輪84的位置確定環(huán)繞樞銷88的鉸接的夾爪72的旋轉(zhuǎn)運動受導螺桿驅(qū)動的凸輪84限制的程度。鉸接的夾爪72包括由中央槽分開的第一近端面100和第二近端面102。當鉸接的夾爪72與末端效應器基底74通過樞銷88連接時，第一和第二近端面布置在末端效應器基底74的相對側(cè)。第一和第二近端面100、102中的每個包括限定配合的凸輪表面94和在導螺桿驅(qū)動的凸輪84和近端面100、102之間提供間隙的凹陷區(qū)。當導螺桿驅(qū)動的凸輪84位于凸輪槽86的近端或接近凸輪槽86的近端(接近圖7a和7b中顯示的其位置)時，在導螺桿驅(qū)動的凸輪84和鉸接的夾爪72的配合的凸輪表面94之間的接觸使鉸接的夾爪保持夾緊的構(gòu)型。當導螺桿驅(qū)動的凸輪84位于凸輪槽86的遠端時，對于夾緊的構(gòu)型(其中導螺桿驅(qū)動的凸輪84和鉸接的夾爪72的配合的凸輪表面94之間存在間隙)和打開構(gòu)型(其中導螺桿驅(qū)動的凸輪84和鉸接的夾爪72的配合的凸輪表面94之間可存在或可不存在間隙)之間的轉(zhuǎn)動位置范圍，鉸接的夾爪環(huán)繞樞銷88的轉(zhuǎn)動位置不受導螺桿驅(qū)動的凸輪84限制。對于凸輪槽86的近端和遠端之間的導螺桿驅(qū)動的凸輪84的位置，非限制的運動的范圍可根據(jù)使用的凸輪表面而改變。

近端面100、102每個中的凹處限定鉸接的夾爪72的配合的凸輪表面94的應用提供多種益處。例如，相對的凹處跨過延伸通過近端面的槽的應用為鉸接的夾爪的近端面100、102提供連續(xù)的外部表面，這較橫向槽開口不太可能在患者組織上粗磨(snag)。缺少橫向槽與具有橫向槽的近端面相比還有助于使近端面100、102變硬，并因此提供增加的夾緊剛度。這樣的近端面100、102可在兩個平面上具有增加的剛度，這可有助于在缺少外部力的情況下保持鉸接的夾爪72的對齊。這樣在兩個平面上增加的剛度在一些外科應用中可以是有利的，例如，在組織固定中，其中它有益于在u形釘和形成u形釘?shù)恼杩诖g保持對齊。另外，凹處而不是橫向槽的應用還提供致動機構(gòu)，其與具有帶有打開的橫向槽的近端面的驅(qū)動機構(gòu)相比不太可能被外部材料卡住。

導螺桿致動機構(gòu)可被配置以在末端效應器的鉸接的夾爪和相對的夾爪之間提供期望的夾緊力以促進組織的切割或封閉。例如，在多種實施方式中，導螺桿致動機構(gòu)被配置以在鉸接的夾爪72的尖端(距樞銷88大約2英寸)提供至少20lbs的夾緊力。在多種實施方式中，導螺桿致動機構(gòu)被配置以在鉸接的夾爪72的尖端提供至少50lbs的夾緊力。在多種實施方式中，為了在鉸接的夾爪72的尖端72產(chǎn)生50lbs的夾緊力，對導螺桿82的輸入轉(zhuǎn)矩是大約0.2nm，并且導螺桿82具有29個轉(zhuǎn)動(turn)。系統(tǒng)可通過檢測導螺桿的位移來檢測電動機的位移、夾緊或發(fā)射機構(gòu)的位移或末端效應器的構(gòu)型電動機。例如，在多種實施方式中，在開始操作之前校準系統(tǒng)以確定夾緊和發(fā)射機構(gòu)的運動范圍和該運動范圍內(nèi)導螺桿的位移。這樣的校準允許系統(tǒng)單獨地通過螺桿的位移確定末端效應器的構(gòu)型或機構(gòu)的位移。

導螺桿致動機構(gòu)可利用可用的材料和部件來制造。例如，導螺桿致動機構(gòu)的多種部件可由可用的不銹鋼(一種或多種)來制造。導螺桿驅(qū)動的凸輪84可被涂層(例如，tin)以減小對它摩擦的表面(例如，導螺桿82；末端效應器基底74；鉸接的夾爪72的近端面100、102)的摩擦。多股絞合的纜索可用于驅(qū)動第一致動機構(gòu)。

圖8a至8f顯示根據(jù)多種實施方式的纜索致動機構(gòu)110的部件。如上面所描述的，導螺桿驅(qū)動的凸輪84可位于凸輪槽86的遠端(即，接近樞銷88)。對于導螺桿驅(qū)動的凸輪84的這樣的遠端位置，如上面所討論的，鉸接的夾爪72圍繞樞銷88的轉(zhuǎn)動位置對于一些鉸接的夾爪72的轉(zhuǎn)動位置時是不受限制的。因此，鉸接的夾爪72圍繞樞銷88的轉(zhuǎn)動位置可由纜索致動機構(gòu)110控制。纜索致動機構(gòu)110是可操作的以在夾緊的構(gòu)型和打開的構(gòu)型之間改變鉸接的夾爪的轉(zhuǎn)動位置。纜索致動機構(gòu)110包括一對牽引纜索112、114。纜索致動機構(gòu)110還包括第一聯(lián)動裝置(linkage)116，其用于圍繞樞銷88向著夾緊的構(gòu)型轉(zhuǎn)動鉸接的夾爪72，和類似的第二聯(lián)動裝置118，其用于圍繞樞銷88向著打開的構(gòu)型轉(zhuǎn)動鉸接的夾爪72。第一聯(lián)動裝置116(圖8a和8b所示)包括旋轉(zhuǎn)鉸鏈120，其通過樞銷122被安裝，用于相對于末端效應器基底74的轉(zhuǎn)動。連接鉸鏈124通過樞銷126和樞銷128將旋轉(zhuǎn)鉸鏈120連接到鉸接的夾爪72。第一聯(lián)動裝置116通過牽引纜索112的牽拉運動而被鉸接。在手術(shù)中，牽引纜索112的牽拉運動以順時針方向圍繞樞銷122轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)鉸鏈120。產(chǎn)生的連接鉸鏈124的運動以逆時針方向圍繞樞銷122向著夾緊的構(gòu)型旋轉(zhuǎn)鉸接的夾爪72。

纜索致動機構(gòu)110的第二聯(lián)動裝置118(圖8c至8f所示)包括與第一聯(lián)動裝置116類似的部件，例如，通過樞銷132安裝的用于相對于末端效應器基底74轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)鉸鏈130，和連接鉸鏈134——其通過兩個樞銷136、138將旋轉(zhuǎn)鉸鏈130連接到鉸接的夾爪72。第二聯(lián)動裝置118通過牽引纜索114的牽拉運動而被鉸接。第二聯(lián)動裝置118被配置，以至于牽引纜索114的牽拉運動圍繞樞銷88向著打開的構(gòu)型轉(zhuǎn)動鉸接的夾爪72。在多種實施方式中，第二聯(lián)動裝置118的連接鉸鏈134和旋轉(zhuǎn)鉸鏈130之間的樞銷136與第一聯(lián)動裝置116的連接鉸鏈124和旋轉(zhuǎn)鉸鏈120之間的樞銷126是180度異相(outofphase)。纜索致動機構(gòu)110的牽拉纜索112、114的協(xié)調(diào)的牽拉和延伸用于在打開的和夾緊的構(gòu)型之間鉸接鉸接的夾爪72。為了最佳地提供相等和相對的纜索運動(并由此在下面描述的絞盤驅(qū)動的系統(tǒng)中保持纜索張力)，用于樞銷122、132的通常的旋轉(zhuǎn)軸被配置，以當鉸接的夾爪72關(guān)閉(或幾乎關(guān)閉)和當鉸接的夾爪72又打開(或幾乎打開)時平放在平面上，該平面含有針對樞銷128、138的旋轉(zhuǎn)的軸。第一和第二聯(lián)動裝置116、118的連接鉸鏈124、134圍繞該同一平面被對稱地相對組裝。樞銷122、126之間的距離與樞銷132、136之間的距離對于第一和第二聯(lián)動裝置116、118是相同的，并且樞銷126、128之間的距離與樞銷136、138之間的距離對于第一和第二聯(lián)動裝置116、118是相同的。

圖9a和9b顯示根據(jù)多種實施方式通過另一個纜索致動機構(gòu)140的鉸接的夾爪72的鉸接。在纜索致動機構(gòu)的實施方式140中，第一牽引纜索142和第二牽引纜索144直接與鉸接的夾爪72的近端連接。第一牽引纜索142繞著第一滑輪146纏繞，以便第一牽引纜索142的牽拉運動使鉸接的夾爪72環(huán)繞樞銷88向著夾緊的構(gòu)型轉(zhuǎn)動。第二牽引纜索144繞著第二滑輪148纏繞，以便第二牽引纜索144的牽拉運動使鉸接的夾爪72環(huán)繞樞銷88向著打開的構(gòu)型轉(zhuǎn)動。因此，纜索致動機構(gòu)140的第一和第二牽拉纜索的協(xié)調(diào)的牽拉和延伸用于在打開的和夾緊的構(gòu)型之間鉸接鉸接的夾爪72。為了最佳地提供相等和相對的纜索運動(并由此在下面描述的絞盤驅(qū)動的系統(tǒng)中保持纜索張力)，纜索142環(huán)繞樞軸88規(guī)定的弧形半徑基本上與纜索144環(huán)繞樞軸88規(guī)定的半徑相同。

雖然機構(gòu)可包括導螺桿、纜索或皮下管，但是交替的機構(gòu)可用于實現(xiàn)夾緊或u形釘發(fā)射。例如，可使用包括推桿/牽拉桿或彈簧的致動機構(gòu)。

圖10是顯示上面討論的導螺桿致動機構(gòu)的部件的橫斷面視圖。顯示的部件包括導螺桿82、導螺桿驅(qū)動的凸輪84、末端效應器基底74中的凸輪槽86、遠端軸頸表面96、末端效應器基底中的圓柱狀插孔154和末端效應器基底74支撐的近端軸承98。

圖11是根據(jù)多種實施方式的工具組件170的簡化圖解。工具組件170包括近端致動機構(gòu)172、具有近端和遠端的延長軸174、配置在軸遠端的工具主體176、在夾緊的構(gòu)型和打開的構(gòu)型之間相對于工具主體176可活動的夾爪178、與夾爪連接的第一致動機構(gòu)和與夾爪連接的第二致動機構(gòu)。第一致動機構(gòu)是可操作的，以在夾緊的構(gòu)型和打開的構(gòu)型之間相對于工具主體改變夾爪的位置。第二致動機構(gòu)具有第一構(gòu)型——其中夾爪保持處于夾緊的構(gòu)型——和第二構(gòu)型——其中夾爪的位置相對于工具主體不受第二致動機構(gòu)的限制。第一致動機構(gòu)可操作地與近端致動機構(gòu)連接。在多種實施方式中，第一致動機構(gòu)包括一對由近端的致動機構(gòu)致動的牽拉纜索。第二致動機構(gòu)可操作地與近端的致動機構(gòu)連接。在多種實施方式中，第二致動機構(gòu)包括位于工具主體中的導螺桿驅(qū)動的凸輪，其由近端的致動機構(gòu)經(jīng)從近端的致動機構(gòu)延伸通過延長軸174164的驅(qū)動軸來驅(qū)動。

工具組件170可被配置用于多種應用。例如，工具組件170可被配置為用于近端的致動機構(gòu)的、具有手動和/或自動致動的手持裝置。工具組件170還可被配置用于外科應用，例如，電烙術(shù)封閉、縫合、固定等。工具組件170可具有微創(chuàng)機器人手術(shù)以外的應用，例如，非機器人微創(chuàng)手術(shù)、非微創(chuàng)機器人手術(shù)、非機器人的非微創(chuàng)手術(shù)以及其它應用——其中公開的多余的夾爪致動的使用將是有益的。

多余的夾爪致動可用于鉸接機器人工具末端效應器的夾爪。例如，圖12示意地顯示利用多余的夾爪致動的機器人工具180。機器人工具180包括近端工具機箱182、驅(qū)動電動機184、器械軸186、遠端末端效應器188、第一致動機構(gòu)部分190和第二致動機構(gòu)192。遠端末端效應器188包括鉸接的夾爪194。當近端工具機箱182安裝到機器人工具機械手196時，近端工具機箱182可拆地安裝到具有第一驅(qū)動器198的機器人工具機械手196，和與機器人工具180的第一致動機構(gòu)部分190可操作地連接的第一致動機構(gòu)部分200。器械軸186具有鄰近工具機箱182的近端，和鄰近末端效應器188的遠端。當工具機箱182安裝到工具機械手196時，第一致動機構(gòu)(包括部分200和部分190)連接第一驅(qū)動器198與鉸接的夾爪194以在打開的構(gòu)型和夾緊的構(gòu)型之間絞接末端效應器188。第二致動機構(gòu)192連接驅(qū)動電動機184與鉸接的夾爪194以將發(fā)射力施加到u形釘以從末端效應器發(fā)射u形釘通過末端效應器的夾爪內(nèi)夾緊的組織。第一致動機構(gòu)可以是導螺桿驅(qū)動機構(gòu)，其提供相對高的力以發(fā)射u形釘通過組織。第二致動機構(gòu)可包括驅(qū)動軸，其連接驅(qū)動電動機184與導螺桿致動機構(gòu)，例如，上面討論的提供高的夾緊力模式的導螺桿致動機構(gòu)。系統(tǒng)180包括夾緊和發(fā)射期間分別用于監(jiān)測第一驅(qū)動器198和驅(qū)動電動機184的驅(qū)動參數(shù)的傳感器193。傳感器193還可檢測第一驅(qū)動器和驅(qū)動電動機的位移以根據(jù)電動機的給定的位移或末端效應器的構(gòu)型來確定期望的驅(qū)動參數(shù)的可接受的范圍。夾緊模式的末端效應器的構(gòu)型可包括打開的構(gòu)型、關(guān)閉的/夾緊的構(gòu)型和其間的任何構(gòu)型。發(fā)射模式的末端效應器的構(gòu)型可包括預發(fā)射構(gòu)型——其中一個或多個u形釘被布置在末端效應器內(nèi)并通過機構(gòu)可釋放地與驅(qū)動電動機184連接，和后發(fā)射構(gòu)型——其中一個或多個u形釘已被發(fā)射通過組織，和通常弄彎以封閉組織，u形釘已從末端效應器釋放。末端效應器的構(gòu)型還可包括預發(fā)射和后發(fā)射模式之間的任何構(gòu)型。通過檢測第一驅(qū)動器或驅(qū)動電動機的位移，傳感器可確定任一模式的末端效應器的給定的構(gòu)型，以更精確地確定驅(qū)動參數(shù)的可接受的范圍和預測夾緊或發(fā)射的失敗。

圖13是結(jié)合本發(fā)明的實施方式的遙控機器人外科系統(tǒng)的圖解視圖。在圖13的實例中，醫(yī)師將命令輸入系統(tǒng)以夾緊組織或發(fā)射u形釘。響應用戶命令，系統(tǒng)開始驅(qū)動電動機210以通過夾緊和/或發(fā)射機構(gòu)240驅(qū)動夾緊或發(fā)射。當機構(gòu)240實現(xiàn)夾緊或發(fā)射時，處理器220監(jiān)測電動機210的驅(qū)動參數(shù)，如轉(zhuǎn)矩輸出。監(jiān)測可包括針對電動機或機構(gòu)的給定的位移比較轉(zhuǎn)矩輸出與轉(zhuǎn)矩輸出的可接受的范圍。處理器220可連接到電動機210、機構(gòu)240或夾緊或發(fā)射期間用于檢測電動機或機構(gòu)的位移的傳感器230中的任何一個或全部。響應落在轉(zhuǎn)矩輸出(或驅(qū)動機構(gòu)的位移)的可接受的范圍外面的監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)，處理器220在用戶界面的顯示器60上輸出失敗指示250，指示夾緊或發(fā)射已失敗，或失敗的可能性。通常，顯示器60包括夾緊或發(fā)射期間末端效應器的圖像。

圖14a-14b顯示可出現(xiàn)在系統(tǒng)10的顯示器60上的失敗指示符250的兩個實例。通常，除了夾緊或發(fā)射失敗的指示符，手術(shù)期間外科工具末端效應器的用戶界面顯示器60圖像和/或視覺表示。手術(shù)操作期間失敗指示符可疊加在用戶界面顯示器上的圖像上以無縫地將要求保護的發(fā)明的特征并入手術(shù)操作。優(yōu)選，失敗指示符只是當外科醫(yī)生已命令系統(tǒng)10夾緊或發(fā)射u形釘進入夾緊的組織時出現(xiàn)。通過監(jiān)測驅(qū)動參數(shù)，操作期間，系統(tǒng)10提供失敗的指示。圖14a描述顯示器60，其中，夾緊失敗指示符250疊加在屏幕的右下區(qū)，其中失敗指示符250指示夾緊成功是可能的，并且系統(tǒng)正繼續(xù)進行夾緊。圖15b描述顯示器60，其中，失敗指示符250疊加在屏幕的右下區(qū)，其中指示符指示夾緊將可能失敗。響應監(jiān)測的在可接受的驅(qū)動參數(shù)的預設范圍外面的驅(qū)動夾緊的驅(qū)動參數(shù)，失敗指示符250被輸出。

圖15a-15b顯示夾緊預測指示符250的另外實例。圖15a描述以梯度顯示夾緊失敗的可能性的失敗指示符的實例，其中在該實例中，可能性被表示為可能性的百分比。例如，實際監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)在預設的驅(qū)動參數(shù)范圍的外面越遠，夾緊失敗的可能性越大。例如，在一個實施方式中，如果實際的監(jiān)測的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩處于預設的靶驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的5％內(nèi)，那么系統(tǒng)將顯示夾緊成功的90％可能性的指示符。當監(jiān)測的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進一步從靶驅(qū)動轉(zhuǎn)矩偏離，可能性以單調(diào)的關(guān)系降低，如從90％夾緊可能性下降到0％?？蛇x地，驅(qū)動參數(shù)可以是驅(qū)動機構(gòu)的位移。在這樣的實施方式中，系統(tǒng)可監(jiān)測驅(qū)動機構(gòu)的位移和當位移處于可接受的位移的預設范圍外面時指示夾緊或發(fā)射失敗。圖15b描述具有在兩種設置之間切換(toggle)的指示符的實施方式。當指示符的等變亮，指示可能的發(fā)射失敗，否則不指示發(fā)射失敗。

圖16a-16b顯示根據(jù)本發(fā)明的多種實施方式監(jiān)測的與期望的驅(qū)動參數(shù)的可接受的范圍相關(guān)的驅(qū)動參數(shù)的圖。該實施方式顯示隨著電動機驅(qū)動系統(tǒng)的夾緊或發(fā)射，系統(tǒng)可僅根據(jù)監(jiān)測電動機的轉(zhuǎn)矩而提供夾緊和/或發(fā)射失敗的指示。如所顯示的，隨著電動機實現(xiàn)末端效應器的運動，轉(zhuǎn)矩的預設的范圍可與電動機的位移相關(guān)而變化。夾緊過程期間系統(tǒng)可使電動機的位移(一個或多個)與末端效應器的位置相關(guān)。例如，夾緊期間，隨著電動機的位移從si運動到sf，末端效應器的夾爪從打開的構(gòu)型運動到關(guān)閉的(夾緊的)構(gòu)型。相似地，電動機位移可用于追蹤u形釘發(fā)射進夾緊的組織期間末端效應器的位置或構(gòu)型。在多種實施方式中，在進行操作之前，系統(tǒng)將末端效應器的夾爪從第一構(gòu)型校準到第二構(gòu)型，如將夾爪從打開的位置校準到關(guān)閉的位置，以使電動機的位移與末端效應器的構(gòu)型相關(guān)聯(lián)。

圖16a顯示可接受的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩(t)——其隨著電動機位移(一個或多個)而變化——的預設的范圍。該范圍由兩個函數(shù)：上邊界t上和下邊界t下劃界。響應與可接受的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的預設范圍相比的監(jiān)測的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩t，系統(tǒng)輸出夾緊失敗的指示。如果電動機的位移達到sf和系統(tǒng)還未指示可能的夾緊或發(fā)射失敗，那么系統(tǒng)可提供成功的夾緊或發(fā)射的指示。在該實例中，圖描述夾緊或發(fā)射期間轉(zhuǎn)矩的可接受的范圍和監(jiān)測的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為t1。如所顯示的，夾緊或發(fā)射期間，t1保持在驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的可接受的范圍內(nèi)，因此系統(tǒng)將輸出夾緊或發(fā)射可能的成功的指示(其可包括缺少失敗的指示)。

圖16b顯示可接受的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩(t)的相似的預設范圍和兩個分開的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩t2和t3(在不同時間出現(xiàn))。如所顯示的，t2落在轉(zhuǎn)矩的可接受的范圍的下邊界t下之下。在組織已滑脫出末端效應器的夾爪，并且由于夾爪之間沒有組織，需要較小的轉(zhuǎn)矩來關(guān)閉夾爪時，這可發(fā)生。在這種情況下，系統(tǒng)將在失敗點f2輸出可能的夾緊失敗的指示，在該點系統(tǒng)可暫停夾緊的驅(qū)動以防止在失敗發(fā)生之后由于繼續(xù)施加夾緊力而造成的任何可能的組織損傷。如果驅(qū)動轉(zhuǎn)矩超過可接受的轉(zhuǎn)矩的范圍的上邊界，失敗也可發(fā)生，如監(jiān)測的轉(zhuǎn)矩t3所顯示的。在夾爪已夾緊到骨上，并且需要過多量的轉(zhuǎn)矩以達到關(guān)閉的/夾緊的構(gòu)型——可潛在地引起對骨或周圍組織的組織損傷——時，這可發(fā)生。在該實例中，監(jiān)測的轉(zhuǎn)矩在失敗點f3超過t上，在該點系統(tǒng)可暫停夾緊或發(fā)射的驅(qū)動以減小組織損傷的可能性。響應失敗的檢測，除了提供失敗的指示以外，系統(tǒng)可暫停驅(qū)動參數(shù)的驅(qū)動或倒轉(zhuǎn)驅(qū)動力，以松開組織，。

圖17-19圖解地顯示要求保護的方法的實施方式。圖17是示例性方法300的簡化表示。方法300包括監(jiān)測驅(qū)動工具夾緊的電動機的驅(qū)動參數(shù)的步驟302和響應監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)在用戶界面上輸出夾緊期間夾緊失敗可能性的指示的步驟304。圖18是示例性方法304的簡化表示。方法304包括監(jiān)測驅(qū)動工具發(fā)射u形釘?shù)綂A緊的材料的電動機的驅(qū)動參數(shù)的步驟305和響應監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)在用戶界面上輸出發(fā)射期間發(fā)射失敗可能性的指示的步驟307。圖19是方法310的簡化表示，其進一步包括響應用戶的夾緊輸入而驅(qū)動電動機以夾緊組織的步驟312、組織夾緊期間監(jiān)測電動機的驅(qū)動參數(shù)的步驟314、響應監(jiān)測的驅(qū)動參數(shù)輸出夾緊期間夾緊失敗的可能性的指示的步驟316和步驟318——如果存在可能的失敗的指示暫停電動機的驅(qū)動或如果沒有可能的失敗的指示繼續(xù)電動機的驅(qū)動。圖20是方法320的簡化表示，其包括響應用戶輸入驅(qū)動電動機夾緊或發(fā)射u形釘?shù)綂A緊的材料的步驟322、夾緊或發(fā)射期間監(jiān)測驅(qū)動參數(shù)的步驟324、在用戶界面上輸出夾緊或發(fā)射期間夾緊或發(fā)射失敗可能性的指示的步驟326。如果沒有可能的失敗的指示，那么方法320進一步包括繼續(xù)驅(qū)動電動機夾緊或發(fā)射的步驟328和當夾緊或發(fā)射完成時輸出成功信息的步驟330。如果存在可能的失敗的指示，那么方法320進一步包括響應指示暫停電動機的驅(qū)動的步驟332和輸出驅(qū)動參數(shù)已被暫停的指示的步驟334。

圖21-22描述顯示要求保護的方法的實施方式的流程圖。圖21是顯示因為將并入微創(chuàng)機器人外科系統(tǒng)而應用到夾緊的要求保護的方法的實施方式的流程圖。圖22是顯示因為將并入圖20的機器人外科系統(tǒng)而應用到u形釘發(fā)射到夾緊的組織的要求保護的方法的實施方式的流程圖。描述的機器人系統(tǒng)可需要用戶輸入，以命令系統(tǒng)夾緊和/或發(fā)射u形釘進入夾緊的組織。

應當理解本文描述的實例和實施方式是用于示例的目的，并且根據(jù)其的各種修改或改變將提示給本領(lǐng)域技術(shù)人員并包括在本申請的精神和范圍內(nèi)和所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。很多不同的組合是可能的，并且這樣的組合被認為是本發(fā)明的部分。