包括机器人远程操纵器和集成的腹腔镜检查的外科手术机器人系统的制作方法

包括机器人远程操纵器和集成的腹腔镜检查的外科手术机器人系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年7月8日提交的美国专利申请序列号16/505,585的优先权的权益，该专利申请是2019年2月6日提交的美国专利申请序列号16/269,383的继续，该美国专利申请序列号16/269,383现在是美国专利号10,413,374，其要求2019年1月5日提交的美国临时专利申请序列号62/788,781和2018年2月7日提交的美国临时专利申请序列号62/627,554的优先权的权益，上述每一个的全部内容通过引用并入本文。本技术还要求于2019年2月6日提交的pct/ib2019/050961且公开为wo2019/155383的优先权的权益，该pct/ib2019/050961要求于2019年1月5日提交的美国临时专利申请序列号62/788,781和2018年2月7日提交的美国临时专利申请序列号62/627,554的优先权的权益，上述每一个的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本技术总体涉及具有机器人远程操纵器的远程致动外科手术机器人系统。


背景技术：

4.多种环境和应用要求利用远程操作的外科手术设备进行远程致动。这些应用包括执行精细操纵，在密闭空间中操纵，在危险或受污染的环境中、在洁净室或无菌环境中以及在外科手术环境中(无论是开场还是微创的)操纵的能力。尽管这些应用以及参数(诸如精确的公差和最终用户的技能水平)都在变化，但每个应用都需要远程操作系统的许多相同的功能，诸如以高精度执行灵巧操纵的能力。
5.在下面的公开中将更详细地讨论外科手术应用，作为远程操作设备系统的应用示例，其中存在已知设备，但是在先前已知的系统和方法中存在明显的缺点。
6.对于许多外科手术例程，开放式外科手术仍然是优选的方法。它已经被医学界使用了数十年，并且通常需要在腹部或身体的其他区域做长切口，通过该切口插入传统的外科手术工具。由于这种切口，这种极具侵入性的方法导致在外科手术期间大量失血，并且通常在医院环境中进行漫长而痛苦的休养期。
7.腹腔镜检查是一种微创技术，其被开发以克服开放式外科手术的某些缺点。代替了大的穿壁切口，在患者身上开了若干小开口，通过小开口插入了细长的外科手术器械和内窥镜相机。腹腔镜检查例程的微创特性减少失血和疼痛并缩短住院时间。当由经验丰富的外科医生执行时，腹腔镜检查技术可以获得类似于开放式外科手术的临床效果。然而，尽管有上述优点，但腹腔镜检查仍需要高的技术程度才能成功地操纵这种例程中使用的刚性且长的器械。通常，进入切口充当旋转点，从而减小了在患者体内定位和定向器械的自由度。外科医生的手绕该切口点的移动相对于器械尖端被颠倒并按比例放大(“支点效应”)，这降低了灵活性和灵敏度，并放大了外科医生的手的任何震颤。另外，长而直的器械迫使外科医生以手、臂和身体不舒服的姿势工作，这在长时间的例程期间会非常累人。因此，由于
腹腔镜检查器械的这些缺点，微创技术主要限于在简单的外科手术中使用，而只有极少数的外科医生能够在复杂的例程中使用这种器械和方法。
8.为了克服先前已知系统的前述局限性，开发了外科手术机器人系统以为复杂的微创外科手术提供易于使用的方法。借助于计算机化的机器人接口，这些系统使得能够执行远程腹腔镜检查，其中外科医生坐在操纵台上，操纵两个主操纵器以通过若干小切口执行操作。像腹腔镜检查一样，机器人方法也是微创的，在减轻疼痛、失血和恢复时间方面，与开放式外科手术相比具有上述优势。此外，与开放式和腹腔镜检查技术相比，它还为外科医生提供了更好的人体工程学，提高了灵活性，精确度和震颤抑制能力，并消除了支点效应。尽管从技术上讲比较容易，但机器人外科手术仍存在若干缺陷。先前已知的机器人外科手术系统的一个主要缺点涉及这种系统的极高复杂性，该系统包含用于代替外科医生和助手的手的四到五个机器人臂、集成的内窥镜成像系统、以及执行远程外科手术的能力，导致购置和维护的巨额资金成本，并且限制了全球大多数外科手术部门的承受能力。这些系统的另一个缺点是先前已知的外科手术机器人的体积大，它们在手术室环境中竞争宝贵的空间并且显著增加了准备时间。因此可能会妨碍患者的进入，这引起了安全隐患。
9.例如，da 外科手术系统(可由美国加利福尼亚州桑尼维尔的直观外科公司(intuitive surgical,inc.)提供)是一种允许外科医生执行远程腹腔镜检查的机器人外科手术系统。然而，da 外科手术系统是非常复杂的机器人系统，每个系统的每个机器人的成本约为200万美元，每年的维修费用为15万美元，并且外科手术器械的每个手术费用为2000美元。da外科手术系统还需要在手术室中留出大量空间，使得该外科手术系统很难在手术室中移动到期望位置附近，并且很难在前向外科手术工作空间和反向外科手术工作空间(也称为作为多象限外科手术)之间切换。
10.此外，由于外科医生的操作控制台通常远离外科手术部位定位，因此外科医生和操作控制台不在手术室的无菌区域内。如果外科医生的操作控制台不是无菌的，则在必要时不允许外科医生在未经另外的灭菌例程的情况下看护患者。在某些外科手术操作期间，外科医生可能需要立即进行干预，并且当前笨重的机器人系统可能阻止外科医生以及时救生的方式快速接近患者身上的外科手术部位。
11.madhani的wo97/43942、cooper的wo98/25666和burbank的美国专利申请公开no.2010/0011900各自公开了一种机器人远程操作外科手术器械，其设计用于复制外科医生的手在患者体内的移动。通过计算机化的机器人接口，该器械能够执行远程腹腔镜检查，其中坐在控制台上并操纵两个操纵杆的外科医生通过若干小切口执行操作。这些系统没有自治权或人工智能，本质上是由外科医生完全控制的复杂工具。控制命令通过复杂的计算机控制的机电一体化系统在机器人主部分和机器人从部分之间传输，该系统的生产和维护成本极高，并且需要医院工作人员进行大量培训。
12.beira的wo2013/014621(其全部内容通过引用并入本文)描述了一种用于远程操纵的机械远程操作设备，其包括主
‑
从配置，该主
‑
从配置包括由运动学等效主单元驱动的从单元，使得从单元的每个部分模仿主单元的对应部分的移动。典型的主
‑
从远程操纵器提供七个自由度的移动。具体地，这些自由度包括三个平移宏移动(例如向内/向外、向上/向下和向左/向右自由度)以及四个微移动，包括一个旋转自由度(例如，旋前旋后(pronosupination))、两个铰接自由度(例如偏航和俯仰)，以及一个致动自由度(例如打
开/关闭)。尽管该出版物中描述的机械传动系统非常适合该设备，但是从手柄通过整个运动链到器械的缆线的低摩擦布线昂贵、复杂、笨重，并且需要精确的校准以及谨慎的处理和维护。
13.另外，先前已知的纯机械解决方案不提供手腕对准、低设备复杂性、低质量和惯性、高外科手术量以及良好的触觉反馈。例如，对于纯机械远程操作设备，为了执行器械的纯旋前旋后/滚转移动，外科医生通常必须执行他的手/前臂的组合的旋前旋后/滚转移动以及利用他的手腕的弯曲路径上的平移移动。这种移动复杂到不能正确执行，并且如果执行不当，则末端执行器的俯仰和偏航创建不期望的寄生移动。
14.此外，通过机械远程操纵器的铰接和致动自由度缆线的布线可能限制远程操纵器连杆和关节结构的各个关节的角度范围的灵活性。这进而限制了患者体内可使用的器械的可用外科手术量。在机械远程操纵器快速移动期间，远程操纵器的惯性也可能干扰并导致目标超调和外科医生的手疲劳。该质量的一部分可以归因于路由致动和铰接自由度所需的零件和部件。
15.因此，期望提供一种具有机器人远程操纵器的远程致动外科手术机器人系统，该机器人远程操纵器非常适合外科医生使用，无缝地集成到手术室中，允许外科医生以无菌方式在机器人和患者之间工作，成本相对低，和/或允许集成的腹腔镜检查。
16.进一步期望提供一种具有机械和/或机电远程操纵器的远程致动外科手术机器人。


技术实现要素：

17.本发明通过提供具有机器人远程操纵器的远程致动外科手术机器人系统，克服了先前已知系统的缺点，该机器人远程操纵器优选地非常适合外科医生使用，可无缝地集成到手术室中，允许外科医生在整个外科手术过程中以无菌方式在机器人和患者之间工作，成本相对低，和/或允许集成的腹腔镜检查。
18.本领域普通技术人员将理解，本文使用的术语“主”是指由外科医生控制的部件并且可以称为“外科医生”，并且本文使用的术语“从”是指与经历外科手术的患者交互的部件并且可以称为“患者”。例如，术语“主控制台”和“外科医生控制台”可互换，并且术语“从控制台”和“患者控制台”可互换，等等。用于远程操纵的外科手术机器人系统包括：主控制台，其具有多个主连杆；以及手柄，其耦接到主控制台，使得施加在手柄处的移动使多个主连杆中的至少一个移动。主控制台可以设计成在外科手术期间保持无菌。根据一个方面，手柄可以可移除地耦接到主控制台，使得手柄在外科手术期间是无菌的，并且在移除以进行另外的外科手术时是可灭菌的。例如，手柄可以经由例如夹持附接或螺纹附接可移除地耦接到主控制台。可移除手柄可以是纯机械的，而没有诸如电路、传感器或电耦接按钮之类的电子器件，以促进在从主控制台移除手柄时在外科手术之间的灭菌。以这种方式，在外科手术期间，主控制台可以是无菌的(例如，除了手柄处以外均覆盖有无菌的盖布)，同时允许外科医生具有从直接接触机器人的手柄可获得的触觉反馈。
19.外科手术机器人系统还包括具有多个从连杆的从控制台。根据一个方面，从控制台的远端可以绕多个从连杆中的成角从连杆的阿尔法轴线旋转，使得从控制台的远端能够以允许用户从主控制台移动以便对正在经历外科手术的患者手动执行腹腔镜检查例程的
方式定位。
20.另外，该系统包括耦接到从控制台的末端执行器，其中该末端执行器响应于施加在手柄处的移动和响应于从控制台处的移动而移动以执行外科手术。例如，从控制台可以包括多个致动器，例如马达，其可操作地耦接到末端执行器，该致动器在响应于手柄处的致动而被激活时，在宏同步状态期间将平移宏移动施加到多个从连杆，但在不同步宏状态中不施加平移宏移动，并且在微同步状态期间将微移动施加到末端执行器，但在不同步微状态中不施加微移动。此外，外科手术机器人系统可以包括具有近端和远端的器械，该近端具有设计成耦接到从控制台的远端的器械毂，并且远端具有末端执行器。
21.手柄可以包括响应于手柄的致动而移动的可伸缩活塞。因此，主控制台的至少一个传感器被设计为感测可伸缩活塞的移动，以使多个致动器在末端执行器处进行对应的微移动。根据本发明的一个方面，除非至少一个传感器至少感测到预定量的可伸缩活塞，否则从控制台不响应主控制台处的移动。此外，耦接到手柄的至少一个传感器可以被设计为感测手柄的致动模式，该致动模式将机器人从不同步微状态转变为微同步状态。例如，在不同步微状态中，由多个传感器感测的手柄处的移动不使末端执行器引起对应的微移动，直到由于至少一个传感器感测到手柄的致动模式而将机器人转变为微同步状态。
22.主控制台可以包括机械约束，该机械约束被设计为约束多个主连杆中的至少一个主连杆的移动，并且还可以包括离合器，该离合器在被致动时防止多个主连杆的平移宏移动。外科手术机器人系统还可以包括耦接到主控制台的显示器，该显示器允许用户在远程操纵器的操作期间可视化末端执行器。另外，该系统可以包括可移除切口指示器，该切口指示器允许从控制台的远端与定位在经历外科手术的患者体内的套管针对准。
23.此外，从控制台的基座可以经由多个从关节中的近侧从关节耦接到多个从连杆中的近侧从连杆，使得多个从连杆和关节绕近侧从关节可移动，以便在执行外科手术之前将从控制台的远端定位在期望水平方位，同时从控制台的基座保持静止。另外，从控制台的基座可以包括可调节竖直柱，该竖直柱耦接到多个从连杆中的近侧从连杆。可调节竖直柱可以在操作远程操纵器之前调节多个从连杆和关节的高度，以将从控制台的远端定位在期望竖直方位。
24.根据本技术的一个方面，多个从连杆和关节中的在多个从关节的贝塔关节远侧的从连杆和关节被设计为相对于贝塔关节移动以在前向外科手术工作空间和反向外科手术工作空间之间翻转从控制台的远端，同时多个从连杆中的在贝塔关节近侧的从连杆以及从控制台的基座保持静止。
25.外科手术机器人系统还可以包括控制器，该控制器可操作地耦接到多个致动器，使得多个致动器响应于由控制器执行的指令而将移动施加到从控制台的多个从连杆。例如，控制器可以执行指令以使多个致动器将从控制台的多个从连杆移动到原位配置，其中在该原位配置中，多个从连杆缩回使得末端执行器可定位在插入经历外科手术的患者体内的套管针内。另外，控制器可以执行指令以使多个致动器将多个从连杆中的成角从连杆移动到一个角度，使得该成角从连杆和从控制台中的在该成角从连杆近侧的从连杆在远程操纵器的操作期间保持静止。因此，在成角从连杆的角度下，从控制台的远端允许末端执行器在半球形外科手术工作空间中执行外科手术，该半球形外科手术工作空间以基本上平行于成角从连杆的角度的角度倾斜。
26.根据本发明的另一方面，主控制台具有主控制器，并且从控制台具有从控制器，使得主控制器可以基于在手柄处感测到的移动来执行指令，并且基于移动将信号传输到从控制器。因此，从控制器可以接收信号并且基于从主控制器传输的信号来执行指令以移动多个从连杆中的至少一个和/或末端执行器。例如，从控制台可以包括右从远程操纵器、右从控制器、左从远程操纵器和左从控制器，并且主控制台可以包括右主远程操纵器、左主远程操纵器和主控制器，使得在前向外科手术工作空间配置中，主控制器与右从控制器通信，以使右从远程操纵器响应于右主远程操纵器的移动而移动，并且主控制器与左从控制器通信，以使左从远程操纵器响应于左主远程操纵器的移动而移动。另外，根据一些实施例，在反向外科手术工作空间配置中，主控制器与左从控制器通信，以使左从远程操纵器响应于右主远程操纵器的移动而移动，并且主控制器与右从控制器通信，以使右从远程操纵器响应于左主远程操纵器的移动而移动。
27.相应地，右从远程操纵器的远端可以绕多个右从连杆中的右成角从连杆的阿尔法轴线旋转，并且左从远程操纵器的远端可以绕多个左从连杆中的左成角从连杆的阿尔法轴线旋转，使得右从远程操纵器和左从远程操纵器的远端能够以允许用户从主控制台移动以对经历外科手术的患者手动执行腹腔镜检查例程的方式定位。另外，右手柄可以可移除地耦接到右主远程操纵器，并且左手柄可以可移除地耦接到左主远程操纵器。
28.根据本发明的又一方面，提供了一种用于远程操纵以执行外科手术的系统。该系统包括患者控制台和外科手术器械，该患者控制台具有耦接到基座的多个患者连杆，并且该外科手术器械耦接到患者控制台。外科手术器械的远侧区域可以在外科手术部位插入患者体内以执行机器人外科手术。该系统还包括控制器，该控制器执行指令以：在外科手术模式中，响应于施加在可操作地耦接到患者控制台的外科医生控制台的手柄处的移动，使多个患者连杆中的至少一个移动，从而移动外科手术器械以执行机器人外科手术，并且使患者控制台从外科手术模式转变为腹腔镜检查模式，在腹腔镜检查模式中，多个患者连杆从患者缩回，同时患者控制台的基座保持静止以暴露外科手术部位，以允许外科医生在外科手术部位执行非机器人外科手术而不受多个患者连杆的干扰。
29.此外，控制器还可以执行指令以确定已经在外科手术部位从患者移除外科手术器械，使得控制器仅在外科手术器械已经被移除的情况下，才使患者控制台从外科手术模式转变为腹腔镜检查模式。例如，控制器可以通过确定外科手术器械已经与患者控制台解耦来确定已经从患者移除外科手术器械。此外，控制器可以响应于在患者控制台处接收到的用户输入而使患者控制台从外科手术模式转变为腹腔镜检查模式。此外，手柄可以可移除地耦接到外科医生控制台，使得手柄在外科手术期间是无菌的并且在为附加外科手术而被移除时是可灭菌的。该系统还可以包括耦接到外科医生控制台的显示器，以允许外科医生在系统的操作期间可视化外科手术器械。
30.此外，控制器还可以执行指令以，在外科手术模式中，响应于以比例缩放程度施加在外科医生控制台的手柄处的移动，使多个患者连杆中的至少一个移动。例如，控制器可以执行指令以，在外科手术模式中，响应于施加在外科医生控制台的手柄处的对应移动，引起微自由度下的外科手术器械处的比例缩放的微移动。施加在外科手术器械处的微移动对于微自由度中的每一个可以是可独立比例缩放的，使得微自由度下的比例缩放的微移动与第二微自由度下的外科手术器械处的第二比例缩放的微移动处于不同的比例缩放。此外，外
科医生控制台可以包括离合器，用于当离合器被致动时防止响应于施加在外科医生控制台的手柄处的微移动而引起外科手术器械处的微移动。
31.根据本发明的另一方面，提供了一种用于远程执行外科手术的方法。该方法可以包括：将外科手术器械耦接到患者控制台，该患者控制台包括耦接到基座的多个患者连杆；在外科手术部位将外科手术器械的远侧区域插入患者体内以执行机器人外科手术；在外科手术模式中，响应于施加在可操作地耦接到患者控制台的外科医生控制台的手柄处的移动，移动多个患者连杆中的至少一个，从而移动外科手术器械以执行机器人外科手术；以及使患者控制台从外科手术模式转变为腹腔镜检查模式，在腹腔镜检查模式中，多个患者连杆从患者缩回，同时患者控制台的基座保持静止以暴露外科手术部位，以允许外科医生在外科手术部位执行非机器人外科手术而不受多个患者连杆的干扰。
32.根据本发明的又一方面，提供了另一种用于远程操纵以执行外科手术的系统。该系统可以包括患者控制台和外科手术器械，该患者控制台具有对准关节和耦接到基座的多个患者连杆，并且该外科手术器械耦接到患者控制台。外科手术器械的远侧区域可以在外科手术部位插入患者体内以执行机器人外科手术。该系统还可以包括控制器，该控制器执行指令以：基于对准关节和外科手术部位的对准设置虚拟运动中心；并且响应于施加在可操作地耦接到患者控制台的外科医生控制台的手柄处的移动，使多个患者连杆中的至少一个移动，从而移动外科手术器械以执行机器人外科手术，其中外科手术器械的移动被限制在虚拟远程运动中心附近，以在外科手术期间维持患者关节与外科手术部位对准。
33.该系统还可以包括切口指示器，该切口指示器可以可移除地耦接到对准关节以允许对准关节和外科手术部位对准。例如，切口指示器可以经由磁性附接件可移除地耦接到对准关节。此外，该系统可以包括在外科手术部位定位在患者体内的套管针，使得基于对准关节和套管针的对准来设置虚拟运动中心。
34.根据本发明的另一方面，提供了另一种用于远程执行外科手术的方法。该方法可以包括：将患者控制台的多个患者关节中的一个患者关节与套管针插入部位对准，多个患者关节由多个患者连杆互连，患者控制台可操作地耦接到外科医生控制台并且被配置为响应于施加在外科医生控制台的手柄处的移动而移动；基于患者关节与套管针插入部位的对准来设置虚拟远程运动中心；以及响应于施加在手柄处的移动，移动多个患者连杆中的至少一个，以移动耦接到患者控制台的外科手术器械以执行外科手术，其中外科手术器械的移动被限制在虚拟远程运动中心附近，以在外科手术期间维持患者关节与套管针插入部位对准。
35.根据本发明的又一方面，提供了另一种用于远程操纵以执行外科手术的系统。该系统可以包括患者控制台和外科手术器械，该患者控制台具有对准关节和耦接到基座的多个患者连杆，并且外科手术器械耦接到患者控制台。外科手术器械的远侧区域可以在外科手术部位插入患者体内以执行机器人外科手术。该系统还可以包括控制器，该控制器在外科手术模式中，响应于施加在外科医生控制台的手柄处的对应移动，引起微自由度下的外科手术器械处的比例缩放的微移动，其中微自由度下的外科手术器械处的比例缩放的微移动大于施加在外科手术控制台的手柄处的对应移动。施加在外科手术器械处的微移动对于微自由度中的每一个可以是可独立比例缩放的，使得第一微自由度下的比例缩放的微移动与第二微自由度下的外科手术器械处的第二比例缩放的微移动处于不同的比例缩放。
36.此外，外科医生控制台可以包括离合器，当离合器被致动时，所述离合器防止响应于施加在外科医生控制台的手柄处的微移动而引起外科手术器械处的微移动。例如，外科医生可以经由手柄将器械末端执行器铰接(articulate)到某个位置(例如，使用末端执行器的滚转、俯仰和/或偏航自由度)，然后致动离合器，将手柄移动回到更符合人体工程学的位置，同时器械末端执行器保持静止，并且然后释放离合器以继续从手柄到器械末端执行器的相对微移动。
附图说明
37.图1示出了具有根据本发明的原理构造的机器人远程操纵器的示例性远程致动外科手术机器人系统。
38.图2a示出了根据本发明的原理构造的示例性主控制台。
39.图2b示出了根据本发明的原理构造的示例性显示器。
40.图2c示出了根据本发明的原理构造的另一示例性主控制台。
41.图3a示出了处于坐姿配置的图2a的主控制台，并且图3b和图3c示出了处于站立配置的图2a的主控制台。
42.图4示出了根据本发明的原理构造的示例性主控制台手柄。
43.图5a示出了根据本发明的原理构造的示例性手柄握把。图5b和图5c示出了根据本发明的原理的与图4a的主控制台手柄可移除地耦接的图5a的手柄握把。
44.图5d
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图5f示出了根据本发明的原理的经由夹持附接与主控制台手柄可移除地耦接的示例性手柄握把。
45.图5g示出了根据本发明的原理的耦接到主控制台手柄的示例性无菌盖布盖。
46.图6示出了根据本发明的原理的经由螺纹附接与主控制台手柄可移除地耦接的示例性手柄握把。
47.图7a
‑
图7c示出了根据本发明的原理的图5a的手柄握把的致动步骤。
48.图7d和图7e是耦接到主控制台手柄的图5a的手柄握把的横截面图。
49.图8a示出了根据本发明的原理构造的另一示例性主控制台手柄。
50.图8b和图8c示出了根据本发明的原理的图8a的主控制台手柄的手柄握把的移动。
51.图8d和图8e是图8a的主控制台手柄的内部视图。
52.图8f和图8g示出了根据本发明的原理的示例性无菌盖布接口。
53.图9a
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图9c示出了根据本发明的原理的图8a的手柄握把与图8a的主控制台手柄可移除地耦接。
54.图9d
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图9f示出了根据本发明的原理的图8a的手柄握把与图8a的主控制台手柄解耦。
55.图10a
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图10c示出了根据本发明的原理构造的又一示例性主控制台手柄。
56.图11a和图11b示出了根据本发明的原理构造的示例性从控制台。
57.图12示出了根据本发明的原理构造的左从控制台。
58.图13a示出了远程致动的外科手术机器人系统的示例性控制器。
59.图13b示出了远程致动的外科手术机器人系统的另一示例性控制器。
60.图14a
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图14e示出了根据本发明的原理的从控制台的scara(斯卡拉)移动。
61.图15a
‑
图15c示出了根据本发明的原理的从控制台的竖直调节。
62.图16示出了根据本发明的原理的处于原位配置的从控制台。
63.图17a
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图17d示出了在从控制台的零度成角期间以前向配置耦接到从控制台的示例性平移器械接口的移动。
64.图18a
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图18d示出了图17a
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图17d的前向外科手术工作空间。
65.图18e是图18a
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图18d的从控制台的前向外科手术工作空间的后视图。
66.图19a
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图19c示出了在从控制台的二十度成角期间以前向配置耦接到从控制台的示例性器械的前向外科手术工作空间。
67.图20a
‑
图20c示出了在从控制台的四十度成角期间以前向配置耦接到从控制台的示例性器械的前向外科手术工作空间。
68.图21a
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图21j示出了根据本发明的原理的从控制台在前向配置和反向配置之间的翻转。
69.图21k和图21l分别是根据本发明的原理的在前向配置和反向配置期间的主控制台和从控制台的示意图。
70.图22a
‑
图22c示出了分别在从控制台的零度、二十度和四十度成角期间以反向配置耦接到从控制台的示例性平移器械接口。
71.图23a
‑
图23c示出了图22a
‑
图22c的反向外科手术工作空间。
72.图24a
‑
图24d示出了根据本发明的原理的用于集成的腹腔镜检查的从控制台的调节。
73.图25是图示了根据本发明的原理的图1的远程致动的外科手术机器人系统的使用的流程图。
74.图26是图示了根据本发明的原理的图25的外科医生控制台定位步骤的流程图。
75.图27是图示了根据本发明的原理的图25的准备步骤的流程图。
76.图28是图示了根据本发明的原理的图25的器械预备步骤的流程图。
77.图29是图示了根据本发明的原理的图25的操作预备步骤的流程图。
78.图30是图示了根据本发明的原理的图25的操作步骤的流程图。
79.图31a和图31b示出了具有根据本发明的原理构造的混合远程操纵器的示例性远程致动的外科手术机器人系统。
80.图32a和图32b示出了图31a和图31b的外科手术机器人系统的局部分解透视图。
81.图33示出了根据本发明的原理构造的示例性机械传动系统的局部分解俯视图。
82.图34a和图34b示出了根据本发明的原理构造的示例性主单元的侧透视图。
83.图34c和图34d示出了适合与图34a和图34b所描绘的主单元一起使用的手柄的替代实施例。
84.图35a和图35b示出了根据本发明的原理构造的示例性从单元的侧透视图。
85.图36a和图36b分别示出了示例性从毂的端部截面图和侧面内部透视图。
86.图36c和图36d分别是根据本发明的原理构造的从器械的侧面透视图和末端执行器的详细内部视图。
87.图36e是示例性末端执行器的替代实施例的详细视图。
88.图37示出了图示用于识别所选末端执行器的运动学的示例性方法步骤的流程图。
89.图38示出了本发明的远程致动的外科手术机器人系统的替代示例性实施例。
90.图39示出了图38的远程致动的外科手术机器人系统的主单元的内侧透视图。
91.图40a和图40b是图38的远程致动外科手术机器人系统的从单元的前向透视图和后向透视图。
92.图40c和图40d示出了根据本发明的原理构造的另一示例性切口指示器。
93.图41a和图41b是适用于本发明的外科手术机器人系统的控制系统的替代示意图。
94.图1，描述了具有机器人远程操纵器的示例性远程致动的外科手术机器人系统10。外科手术机器人系统10包括主控制台20，主控制台20经由例如电缆电耦接并可操作地耦接到从控制台50。如下面进一步详细描述的，外科手术机器人系统10包括宏同步状态和微同步状态，在该宏同步状态中，耦接到从控制台50的多个致动器(例如，优选地是马达)响应于经由处理器驱动的控制系统施加在主控制台20处的移动而将平移宏移动施加到从控制台50的末端执行器，在微同步状态中，耦接到从控制台50的多个致动器(例如，优选地是马达)响应于经由处理器驱动的控制系统施加在主控制台20的手柄处的移动而将微移动施加到从控制台50的末端执行器。
95.控制系统可以包括可操作地耦接到主控制台20的右主远程操纵器22a和左主远程操纵器22b的主控制器2，以及分别可操作地耦接到从控制台50的右从远程操纵器51a和左从远程操纵器51b的从控制器4a和4b。例如，主控制器2可以包括其上存储有指令的非暂时性计算机可读介质，例如存储器，该指令在由主控制器2的一个或多个处理器执行时允许主控制台20的操作。类似地，从控制器4a和4b可以各自包括其上存储有指令的非暂时性计算机可读介质，例如存储器，该指令在由相应的从控制器4a、4b的一个或多个处理器执行时允许从控制台50的操作。主控制器2经由诸如缆线的通信链路(如图所示)或经由无线通信部件可操作地耦接到从控制器4a和从控制器4b。
96.主控制器2可以可操作地耦接到主控制台20的一个或多个传感器，并且从控制器4a、4b可以可操作地耦接到从控制台50的一个或多个致动器，使得主控制器2可以通过主控制台20的一个或多个传感器接收指示施加在主控制台20处的移动的信号，并且执行存储在其上的指令以执行用以激活从控制台50的一个或多个致动器所必需的坐标变换，将处理后的信号发送到相应的从控制器4a、4b，从控制器4a、4b执行存储在其上的指令，以基于处理后的信号以对应于主控制台20的移动的方式移动从控制台50。例如，一个或多个致动器可以包括一个或多个马达。可替代地，主控制器2可以从主控制台20的一个或多个传感器接收信号，处理该信号，并且将处理后的信号传输到相应的从控制器4a、4b，从控制器4a、4b执行存储在其上的指令，以基于处理后的信号执行坐标变换，并且执行指令以激活从控制台50的一个或多个致动器，以便基于经变换的处理后的信号以对应于主控制台20的移动的方式移动从控制台50。优选地，从控制台50的从连杆和关节以这样的方式移动，该方式使得末端执行器/器械尖端复制施加在主控制台20的手柄处的移动，而在外科手术机器人系统10的操作期间不偏离远程运动中心，如下面进一步详细描述的。因此，平移自由度(例如，向左/向右、向上/向下、向内/向外)、铰接自由度(例如，俯仰和偏航)、致动自由度(例如，打开/关闭)和旋转自由度(例如，旋前旋后)经由传感器、致动器和控制系统以机电方式复制，如下文进一步详细描述的。
97.根据本发明的一个方面，从控制台50的从连杆和关节可以以响应于施加在主控制
台20的手柄处的移动的方式而移动，使得外科手术器械以比例缩放程度再现施加在主控制台20的手柄处的移动。例如，主控制器2可以从主控制台20的一个或多个传感器接收信号，处理信号，并将处理后的信号传输到相应的从控制器4a、4b，从控制器4a、4b执行存储在其上的指令以基于处理后的信号执行坐标变换以生成指示对应比例缩放的移动的信号，并且执行指令以激活从控制台50的一个或多个致动器以便基于经变换的比例缩放的处理后的信号以对应于主控制台20的移动的比例缩放方式移动从控制台50。因此，外科医生可以向主控制台20的手柄施加例如30度的微滚转移动，使得从控制台50的致动器使从控制台50的外科手术器械以例如60度的比例缩放程度执行微滚转移动，从而导致从控制台50响应于主控制台20处的移动而进行比例缩放的移动(例如，1:2)。优选地，微比例缩放在末端执行器处引起比发生在手柄处更大的微移动。宏自由度中的每一个(例如平移)以及微自由度中的每一个(例如铰接、致动和旋转)可以独立地按比例缩放，使得与外科医生在主控制台20处施加的移动相比，对指定自由度下的从控制台50处的对应移动进行可选择的比例缩放。例如，旋转微自由度可以被编程具有在第一缩放比例(1:2)下的主从之间的对应比例缩放的移动，而致动和/或铰接微自由度可以被编程具有不同于第一缩放比例的第二缩放比例(2:3)下的主从之间的对应比例缩放的移动。第三比例缩放可以用于第三微自由度。如本领域普通技术人员将理解的，比例缩放的比率可以是例如3:1、2.5:1、2:1、1.5:1、1:1.5、1:2、1:2.5、或1:3，并且可以因自由度而异。有利地，当微比例缩放要求在末端执行器处比在手柄处更大的比例缩放的移动时，外科医生不需要在主控制台20的手柄上施加大移动来实现从控制台50的外科手术器械进行的期望的大移动。这允许机器人外科手术(例如，缝合)的更有效方面，伴随减少外科医生的手/腕/臂上的负担。
98.主控制台20可以定位在手术室中(例如外科医生等用户可以位于该手术室内)，并且靠近从控制台50(经历外科手术的患者可以位于该从控制台50处，例如无菌区域)，因此如果必要，用户可以在外科手术期间在主控制台20和从控制台50之间快速移动以手动执行腹腔镜检查。因此，从控制台50被设计成有效地缩回至允许外科医生接近患者上的外科手术部位的配置，如下面进一步详细描述的。主控制台20可以覆盖有无菌盖布，并且可以包括可移除手柄，该手柄可以在外科手术之间被移除并且可灭菌，使得手柄在外科手术期间是无菌的，并且在手柄和外科医生的手之间没有物理障碍，因此改善了外科医生的控制和执行。可移除手柄可以是纯机械的，而没有诸如电路、传感器或电耦接按钮之类的电子器件，使得可移除手柄在外科手术之间可容易地灭菌。以这种方式，在外科手术期间，主控制台可以是无菌的，同时允许外科医生具有从直接接触机器人的手柄可获得的触觉反馈。
99.如图1所示，主控制台20包括右主远程操纵器22a和左主远程操纵器22b。右主远程操纵器22a和左主远程操纵器22b可以定位在单个主控制台上，使得当外科医生位于主控制台20处时，右主远程操纵器22a可以由外科医生的右手操纵，并且左主远程操纵器22b可以由外科医生的左手操纵。因此，主控制台20可以包括用于在手术室内的流动性的车轮，以及可以被致动以将远程操纵器锁定在适当位置(例如，在存储期间或外科手术期间由外科医生使用期间)的车轮锁。另外，右主远程操纵器22a和左主远程操纵器22b可以例如由外科医生的右手和左手同时且彼此独立地操作。优选地，外科手术机器人系统10优选用于外科手术例程。
100.如图1进一步所示，从控制台50包括可操作地耦接到右主远程操纵器22a的右从远
程操纵器51a，和可操作地耦接到左主远程操纵器22b的左从远程操纵器51b。右从远程操纵器51a和左从远程操纵器51b可以位于分开的控制台上，使得右从远程操纵器51a可以位于经历外科手术的患者的右侧，并且左从远程操纵器可以位于患者的左侧。因此，左从远程操纵器51a和右从远程操纵器51b可以各自包括用于在手术室内的流动性的车轮，以及可以被致动以将远程操纵器锁定在适当的位置(例如，在存储期间)或锁定到患者附近(在外科手术期间)的地板锁止器。另外，左从远程操纵器51a和右从远程操纵器51b可以各自包括用于在手术室内推动和拉动远程操纵器的拉杆。
101.此外，相机系统可以与外科手术机器人系统10一起使用。例如，由位于从控制台50处的助手操纵的相机(例如内窥镜)可以在从控制台50处操作和/或保持在适当位置。因此，相机系统可以包括显示器21，该显示器21安装在主控制台20上的在外科手术例程期间外科医生容易观察到的位置。显示器21可以在外科手术机器人系统10上显示状态信息，和/或向外科医生实时显示由内窥镜相机捕获的外科手术部位。
102.现在参考图2a，描述了示例性主控制台20。如上所述，主控制台20包括右主远程操纵器22a和左主远程操纵器22b。由于左主远程操纵器22b可以是如图所示的右主远程操纵器22a的结构镜像版本，因此右主远程操纵器22a的以下描述也适用于左主远程操纵器22b。
103.主远程操纵器22a包括多个主连杆，例如，第一主连杆26、第二主连杆28、第三主连杆30和第四主连杆(例如，导向主连杆)32，其通过多个主关节互连，例如，第一主关节25、第二主关节27、第三主关节29、第四主关节31和第五主关节34。如图1所示，手柄部分35经由关节34连接到主远程操纵器22a，并且包括通过多个手柄关节互连的多个手柄连杆，以用于操作主远程操纵器22a。另外，主远程操纵器22a包括具有套管式基座23a和23b的基座部分，以及固定在套管式基座23a和23b顶上的基座盖24。连杆26经由关节25可旋转地耦接到基座盖24。因此，连杆26以及相应地在连杆26远侧的所有主关节和连杆可以在关节25处相对于基座盖24绕轴线δ1旋转。如图1所示，连杆28以及相应地在连杆28远侧的所有主关节和连杆可以在关节27处相对于连杆26绕轴线δ2旋转，连杆30以及相应地在连杆30远侧的所有主关节和连杆可以在关节29处相对于连杆28绕轴线δ3旋转，并且导向主连杆32以及相应地在导向主连杆32远侧的所有主关节和连杆可以在关节31处相对于连杆30绕轴线δ4旋转。
104.主控制台20包括定位在主远程操纵器22a内的多个传感器，使得可以感测施加到任何主连杆和关节的任何移动并将其传输到控制系统，然后该控制系统将执行指令以使耦接到从控制台50的一个或多个致动器在从远程操纵器51a的对应的从连杆和关节上复制该移动，如下面参考图12更详细地描述的。
105.仍然参考图2a，主远程操纵器22a包括机械约束33，其包括连杆26内的开口，该开口的尺寸和形状被设计成允许导向主连杆32穿过其中定位，从而约束主远程操纵器22a绕主远程操纵器22a处的枢轴点的移动。例如，机械约束33确保当主远程操纵器22a被致动时，导向主连杆32沿着纵向轴线δ5平移。此外，机械约束33使得导向主连杆32能够绕彼此垂直的轴线δ1和δ6旋转，从而创建一个平面，该平面在静止枢轴点p与纵向轴线δ5相交，而与导向主连杆32的取向无关。作为结果，从远程操纵器产生对应的移动，从而实际上将主远程操纵器的枢轴点保持在例如患者上的固定切口点处，其中套管针在该切口点处进入患者的腹部。
106.当外科手术机器人系统10被定位成使得远程运动中心v与患者切口对准时，施加
到手柄部分35的平移移动被设置在患者体内的末端执行器复制。因为末端执行器复制了施加到手柄部分35的移动，所以该布置有利地消除了手柄与末端执行器之间的支点效应。
107.另外，主控制台20可以包括臂支撑件12，例如，其耦接到基座盖24，该臂支撑件12的尺寸和形状设计成允许外科医生在主控制台20的操作期间将外科医生的臂靠在臂支撑件上。相应地，在主远程操纵器22a的操作期间，臂支撑件12保持静止。主控制台20还可以包括离合器11，例如脚踏板，该离合器11在被致动时防止外科手术机器人系统10的宏同步和/或微同步，如下面进一步详细描述的。因此，主控制台20允许宏离合和微离合。
108.现在参考图2b，描述了显示器21。显示器21可以具有不使用文本，仅利用可见的图形元素和led(例如白灯、黄灯和红灯)的简单设计。例如，白光表示部件正在正常运行，黄灯表示外科医生采取了不适当的动作，并且红灯表示部件存在错误。如图2b所示，显示器21以图形方式显示从控制台50的各种部件及其状态。图标21a对应于系统的启动，图标21b对应于系统警告，图标21h对应于已达到的工作极限，而图标21j对应于从控制台50的相应从远程操纵器是处于前向外科手术工作空间中还是反向外科手术工作空间中，所有这些图标在不亮时可能都是不可见的，而所有其他图标即使在不亮时也具有可见的图形元素。图标21c对应于从控制台50的归位，例如原位配置，图标21d对应于器械82的状态，图标21e对应于平移器械接口81的无菌接口，图标21f对应于宏同步，图标21g对应于微同步，而图标21i对应于从控制台50的车轮是被锁定还是被解锁，所有这些图标的功能将在下面进一步详细描述。如本领域普通技术人员将理解的，显示器21可以是本领域中已知的可以将信息传达给外科医生的任何显示器。
109.图2c示出了类似于图2a中所示的另一示例性主控制台，不同之处在于图2c中的主控制台20还包括附加离合器11’，例如附加脚踏板。以这种方式，离合器11的致动允许主/从在一种类型的同步/去同步(例如，用于宏移动)之间转变，并且离合器11’的致动允许主/从在另一种类型同步/去同步(例如，用于微移动、用于微移动和宏移动两者)之间转变，如下面进一步详细描述的。因此，允许可独立致动的宏离合和微离合。替代地或附加地，离合器11和/或离合器11’处的不同预定致动模式(例如，在预定时间内多次按压踏板与在预定时间内一次按压踏板)可以用于可独立致动的宏离合和微离合。
110.现在参考图3a
‑
图3c，主控制台20可以经由套管式基座23a和23b在坐姿配置和站立配置之间进行调节。例如，如图3a所示，主控制台20可以被调节为坐姿配置，使得套管式基座23a和23b具有竖直高度d1。在这种坐姿配置中，外科医生可以在主控制台20的操作期间坐下。如图3b和图3c所示，主控制台20可以被调节为站立配置，使得套管式基座23a和23b具有竖直高度d2。在这种配置中，外科医生可以在主控制台20的操作期间站立。此外，套管式基座23a和23b的竖直高度可以经由定位在主控制台20上(例如主连杆26上)的致动器来调节。例如，致动器可以包括向上按钮和向下按钮，当被致动时，这些按钮分别使套管式基座23a和23b的竖直高度增加或减小。如本领域普通技术人员将理解的，套管式基座23a和23b的竖直高度可以根据外科医生的期望调节到d1和d2之间的任何竖直高度。
111.现在参考图4，描述了主控制台手柄部分35。主控制台手柄部分35包括多个手柄连杆，例如手柄连杆36和手柄连杆38，其通过多个手柄关节互连，例如手柄关节37和手柄关节39。如图4所示，手柄连杆36经由关节34可旋转地耦接到导向主连杆32，并且因此可以相对于导向主连杆32绕轴线δ7旋转。另外，手柄连杆38经由手柄关节37可旋转地耦接到手柄连
杆36，并且因此可以相对于手柄连杆36绕轴线δ8旋转。此外，手柄握把40可以在关节39处可移除地耦接到主控制台手柄部分35，使得手柄握把40可以相对于手柄连杆37绕轴线δ9旋转。如图4所示，手柄握把40可以包括用于与外科医生的手指(例如拇指和食指)接合的指带41。
112.手柄部分35的向内/向外移动使导向主连杆32沿着纵向轴线δ5向内/向外移动，导向主连杆32的移动被耦接到主远程操纵器22a的一个或多个传感器感测并且被传输到控制系统，该控制系统然后执行指令以使耦接到从远程操纵器51a的一个或多个致动器使对应的从连杆复制绕虚拟纵向轴线ω9的向内/向外移动。类似地，手柄部分35的向上/向下移动使导向主连杆沿着纵向轴线δ6向上/向下移动，导向主连杆的移动被耦接到主远程操纵器22a的一个或多个传感器感测并且被传输到控制系统，该控制系统然后执行指令以使耦接到从远程操纵器51a的一个或多个致动器使对应的从连杆复制绕虚拟纵向轴线ω
10
的向上/向下移动。最后，手柄部分35的向左/向右移动使导向主连杆沿着纵向轴线δ1向左/向右移动，导向主连杆的移动被耦接到主远程操纵器22a的一个或多个传感器感测并且被传输到控制系统，该控制系统然后执行指令以使耦接到从远程操纵器51a的一个或多个致动器使对应的从连杆复制绕虚拟纵向轴线ω5的向左/向右移动。
113.仍然参考图4，施加在主远程操纵器22a的手柄部分35处的移动经由传感器、致动器和控制系统以机电方式致动铰接自由度(例如，俯仰和偏航)、致动自由度(例如，打开/关闭)，以及旋转自由度(例如，旋前旋后)。主远程操纵器22a优选地包括耦接到手柄部分35的一个或多个传感器，以检测手柄部分35的运动。可以理解，传感器可以是被设计为检测旋转移动的任何传感器，诸如基于磁的旋转传感器，其在一侧包括磁体并且在另一侧包括传感器，以通过测量角度和位置来测量旋转。传感器耦接到控制系统，以用于生成指示由传感器测量的旋转的信号，并且将该信号传输到耦接到从控制台50的一个或多个致动器，该致动器可以将施加在手柄部分35上的移动再现到末端执行器。例如，电缆可以从手柄部分35延伸到控制系统，例如，包含控制电子器件的单元以及另外的电缆可以从控制系统延伸到耦接到从控制台50的一个或多个致动器。
114.如图5a所示，手柄握把40包括触发器41a、41b，触发器41a、41b偏向打开配置。因此，触发器41a、41b可以被致动以生成经由控制系统传输的信号，该控制系统执行指令，该指令使耦接到从控制台50的致动器致动末端执行器打开/关闭。
115.再次参考图4，手柄握把40可以绕手柄轴线δ9旋转，使得手柄握把40的旋转被传感器检测，该传感器生成信号并且经由控制系统传输信号，该控制系统执行指令，该指令使耦接到从控制台50的致动器引起末端执行器在旋前旋后自由度下的旋转。
116.手柄部分35还绕手柄轴线δ8可旋转，使得绕手柄轴线δ8的旋转被传感器检测，该传感器生成信号并且经由控制系统传输信号，该控制系统执行指令，该指令使耦接到从控制台50的致动器引起末端执行器在偏航自由度下的移动。另外，手柄部分35可以绕手柄轴线δ7旋转，使得手柄部分35绕手柄轴线δ7的旋转被传感器检测到，该传感器生成信号并且经由控制系统传输信号，该控制系统执行指令，该指令使耦接到从控制台50的致动器引起末端执行器在俯仰自由度下的移动。
117.如图5b和图5c所示，手柄握把40可以经由关节39可移除地耦接到主远程操纵器22a的手柄部分35。因此，可以在多个外科手术之间移除手柄握把40以进行灭菌，并且刚好
在一个外科手术之前将手柄握把40重新连接到主远程操纵器22a。因此，由于在外科手术机器人系统10的操作期间整个主控制台20都可以被无菌盖布覆盖，所以手柄握把40将是无菌的并且可以在无菌盖布的外部连接到主控制台20。这允许外科医生直接接触手柄握把40，而在两者之间没有物理障碍，从而改善了触觉反馈和整体性能。
118.现在参考图5d
‑
图5f，手柄握把40可以经由夹持附接件可移除地耦接到主控制台20的手柄部分35。如图5d
‑
图5f所示，弹簧43可以连接到手柄部分35的关节39和手柄握把40的夹持部分42，以预加载附接件以消除固定间隙。
119.如图5g所示，根据本发明的原理，无菌盖布盖13可以可移除地耦接到主控制台手柄部分35。如上所述，主控制台20可以在外科手术期间用无菌盖布14覆盖，同时允许外科医生通过与机器人手柄的直接接触可获得触觉反馈。无菌盖布接口14包括在无菌盖布接口14内限定开口14b的无菌盖布环14a，以及耦接到无菌盖布环14a的无菌盖布14c。当手柄握把未附接到主控制台20时，例如在灭菌和/或清洁期间，无菌盖布盖13可以临时耦接到无菌盖布环14a和主控制台手柄部分35，以避免临床医生意外接触到主控制台手柄接口的内部。例如，无菌盖布盖13可以适配在主控制台手柄部分35上方并经由本领域已知的方法(包括但不限于磁体、摩擦力、维可牢尼龙搭扣表面、匹配几何形状、钩等的系统)保持在适当位置。当手柄握把准备好耦接到主控制台手柄部分35时，可以移除并丢弃无菌盖布盖13。无菌盖布环14a优选地由刚性材料(例如金属)形成，并且被设计成当手柄握把耦接到主控制台时夹在主控制台20(例如，在主控制台手柄部分35处)和手柄握把之间。这提供了使用可移除手柄将无菌盖布14c牢固地耦接到主控制台。此外，当手柄握把被移除以便为进一步外科手术进行灭菌时，可以容易地从主控制台移除无菌盖布接口14。无菌盖布接口14的开口14b允许响应于外科医生通过无菌盖布接口14的开口14b进行致动而使手柄的部件移动到主控制台中，而不会干扰无菌盖布14c。这确保了无菌外科手术，同时允许可移除手柄和主控制台之间的交互。
120.根据本发明的另一方面，如图6所示，手柄握把40’可以经由螺纹附接件可移除地耦接到主控制台20的手柄部分35’。如图6所示，具有内螺线部分44a的手柄握把40’的螺纹部分42’可以在手柄部分35’的关节39’处与外螺线部分44b接合，使得手柄握把40’被拧到手柄部分35’上。
121.现在参考图7a
‑
图7c，描述了手柄握把40的致动步骤。如图7b和图7c所示，手柄握把40包括定位在手柄握把40的中心腔内的可伸缩活塞45。可伸缩活塞45分别经由连接器46a、46b机械地耦接到手柄握把40的触发器41a、41b。如图7a所示，当触发器41a、41b处于松弛状态时，例如，偏向打开配置时，可伸缩活塞45完全在手柄握把40的中心腔内。如图7b和图7c所示，当手柄握把40被致动时，例如，将触发器41a、41b朝向彼此按压时，连接器46a、46b使可伸缩活塞45伸出手柄握把40的中心腔。可伸缩活塞45超出手柄握把40的中心腔的移动可以被手柄部分35内的传感器感测。
122.例如，如图7d和图7e所示，主控制台的在手柄握把40可移除地耦接到手柄部分35处附近的部分可以包括一个或多个传感器47，以用于感测手柄部分35处的移动。因此，一个或多个传感器47可以将指示可伸缩活塞45的移动的信号传输到控制系统，并且该控制系统可以执行指令以使一个或多个致动器通过末端执行器引起移动。这可以用作故障保险装置(fail
‑
safe)，因为在没有传感器47感测可伸缩活塞45的移动的情况下，控制系统将不指示
致动器通过末端执行器引起移动。例如，当手柄握把40的触发器41a、41b处于松弛状态时，不会由于触发器41a、41b的小的偶然移动而感测到移动，直到触发器41a、41b被外科医生有目的地致动。因此，触发器41a、41b可能必须被致动至少预定量，以使可伸缩活塞45伸出超过手柄握把40的中心腔。另外，如图7d和图7e所示，手柄部分35可以包括弹簧48，弹簧48用于推靠在可伸缩活塞45上，以经由连接器46a、46b将触发器41a、41b偏置在打开配置中。
123.现在参考图8a
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图8g，提供了另一示例性手柄握把。手柄握把71构造成在无菌盖布接口14处耦接到主控制台手柄部分35(例如，通过将无菌盖布环14a夹在主控制台手柄部分35和可移动外凸缘之间以将部件夹在一起)。手柄握把71包括触发器72a和72b，它们被偏置成打开配置。例如，如图8b所示，当临床医生没有对触发器72a、72b施加任何力时，触发器72a、72b可以偏置成分开例如150
‑
160度，或优选地155度。在任何时候，当临床医生释放触发器72a、72b时，触发器72a、72b将返回到预定的打开配置。触发器72a、72b可以经由弹簧偏置到打开配置，如上文参考触发器41a、41b所述。与手柄握把40一样，手柄握把71的触发器72a、72b可能必须在控制系统执行指令以使一个或多个致动器引起外科手术器械处的移动之前被按压成彼此隔开第一预定角度。例如，如图8c所示，致动器将不会引起多个从连杆和从关节或末端执行器的移动，直到触发器72a、72b被按压使得触发器71a、72b在第一预定角度内为止，例如相隔90度或更小。这可以用作故障保险装置以防止触发器72a、72b的小的偶然移动被末端执行器复制，直到触发器72a、72b被外科医生有目的地致动为止。例如，在多个从连杆和从关节响应于多个主连杆和主关节中的至少一个的移动而移动之前，触发器72a、72b必须被按压到相隔90度以内(或另一预设角度)。如果外科医生释放触发器72a、72b，则从控制台将停止响应于主控制台处的移动而移动。以这种方式，外科医生可以将多个主连杆和主关节重新调节到不同的期望配置，而不会在任何从连杆或关节处引起对应移动。这允许外科医生在不移动从控制台的情况下将主控制台重新调节到更舒适的位置。一旦触发器72a、72b重新接合到第一预定角度或更小，控制器将响应于手柄处的移动而引起从控制台处的对应移动。手柄握把71还包括手掌延伸部72c，其在外科医生的手掌的方向上从触发器延伸，使得外科医生的手掌可以在执行外科手术时接触手掌延伸部72c，以用于人体工程学目的。
124.此外，尽管控制器将不在从控制台处引起移动，除非外科医生以预定方式接合手柄(例如，触发器72a、72b朝向彼此移动到第一预定角度内或更小)，但控制器也将不在末端执行器处引起微移动，除非外科医生以第二预定方式接合手柄。例如，第二预定方式可以是将触发器72a、72b朝向彼此移动第二预定角度(例如，相隔30度)或更小，其中第二预定角度小于第一预定角度。以这种方式，从控制台将不响应于手柄/主控制台处的移动而移动，除非控制器在手柄处感测到第一致动模式(例如，触发器72a、72b朝向彼此移动到第一预定角度内或更小)，并且末端执行器将不打开/关闭，除非控制器在手柄处感测到第二致动模式(例如，触发器72a、72b朝向彼此移动到第二预定角度内或更小)。
125.现在参考图8d和图8e，描述了手柄握把71的内部部件。如图8d和图8e所示，手柄握把71具有释放握把76，其耦接到同轴缩回管74，使得释放握把76的缩回引起缩回管74缩回11。缩回管74具有与多个钩73对应的多个孔口75，使得当释放握把76和缩回管74处于松弛状态时，每个钩73突出穿过每个孔口75。例如，手柄握把71可以具有一个、两个、三个或四个钩。钩73具有成角度表面，例如，与手柄握把71耦接到主控制台的方向成角度分开，使得当
缩回管74经由释放握把76缩回时，孔口75的边缘在钩73的成角度表面上方移动，引起钩73朝向缩回管74的中心轴线径向向内弯曲。当释放握把76被释放时，释放握把76和缩回管74都返回到它们的松弛状态，从而允许孔口75与钩73重新对准，使得钩73突出穿过孔口75。
126.主控制台手柄部分35包括角取向约束件80b，其具有与手柄握把71的角取向约束件80a对应的几何形状，使得缩回管74可以以特定的旋转取向插入到角取向约束件80b的腔内。如图8e所示，角取向约束件80b在其内表面上包括一个或多个凹槽77，其具有与钩73对应的几何形状，使得当缩回管插入角取向约束件80b的腔内并且钩73突出穿过孔口75时，钩73将与凹槽77接合。可以存在与多个钩73对应的多个凹槽，或者凹槽77可以沿着角取向约束件80b的内表面周向地完全延伸。此外，手柄握把71可以包括致动杆78，致动杆78的尺寸被设计成装配在预加载间隔件86的腔内并且与主控制台的致动杆79交互。例如，致动杆79可以在预加载间隔件86内延伸预定距离以推靠手柄握把71的致动杆78，用于将触发器72a、72b偏置在打开配置，如上所述。
127.预加载间隔件86可以耦接到预加载弹簧85，使得当手柄握把71与主控制台手柄部分35接合时，预加载间隔件推靠手柄握把71。因此，当钩73与凹槽77接合时，预加载间隔件86推靠手柄握把71以保持钩73定位在凹槽77内并消除任何间隙。具体地，钩73的后缘被推靠到凹槽77的后缘以防止当手柄握把71被接合时手柄握把71相对于主控制台手柄部分35的横向移动。
128.如图8f所示，释放握把76可以具有纹理表面，以便在将手柄握把71与主控制台手柄部分35耦接和解耦时，临床医生容易缩回释放握把76。如图8f和图8g所示，当手柄握把71与主控制台手柄部分35接合时，释放握把76与无菌盖布接口14接合，使得手柄握把71仍可以自由旋转。如图8f所示，无菌盖布接口14(其具有与无菌盖布环14a耦接的无菌盖布14c)的无菌盖布环14a卡扣到主控制台手柄部分35上，使得无菌盖布14c在操作期间维持主控制台的无菌。
129.现在参考图9a
‑
图9c，示出了将手柄握把71耦接到主控制台的步骤。图9a示出了处于松弛状态的手柄握把71的释放握把76，其中钩73突出穿过缩回管74的孔口75。图9b示出了当孔口75的边缘使钩73径向向内移动使得缩回管74可以插入到角取向约束件80b的腔内时，释放握把76的缩回。当缩回管74完全插入角取向约束件80b的腔内时，释放握把76可以被释放，如图9c所示，以在松弛状态下允许钩73突出穿过缩回管74的孔口75并与凹槽77接合。图9c示出了耦接到主控制台手柄部分35的手柄握把71。
130.现在参考图9d
‑
图9f，示出了将手柄握把71与主控制台解耦的步骤。图9d示出了释放握把76被缩回，使得孔口75的边缘使钩73径向向内移动并与凹槽77脱离。一旦脱离，手柄握把71就可以从主控制台移除，如图9e所示。当手柄握把71与主控制台解耦时，释放握把71可以被释放并返回到其松弛状态，其中钩73突出穿过缩回管74的孔口75。
131.根据本发明的另一方面，如图10a
‑
图10c所示，手柄握把40”可以可移除地耦接到主远程操纵器22a的手柄部分35。例如，手柄握把40”可以具有包括手柄和触发器49的手枪形状，以用于执行期望外科手术任务。如本领域普通技术人员将理解的，各种形状的手柄握把可以可移除地耦接到主远程操纵器，以通过从远程操纵器的末端执行器致动期望移动。因此，手柄握把可以具有集成的标识符元件，例如rfid标签，使得控制系统检测标识符元件并且识别手柄握把是否被授权与外科手术机器人系统10一起使用。
132.现在参考图11a和图11b，描述了从控制台50。如图11a所示，从控制台50包括右从远程操纵器51a和左从远程操纵器51b。由于左从远程操纵器51b可以是如图所示的右从远程操纵器51a的结构镜像版本，因此右从远程操纵器51a的以下描述也适用于左从远程操纵器51b。
133.如图12所示，从远程操纵器51a包括多个从连杆，例如，第一从连杆55、第二从连杆57、第三从连杆59、第四从连杆(例如，成角连杆)61、第五从连杆63、第六从连杆65、第七从连杆67和第八从连杆(例如，从毂)69，其通过多个从关节互连，例如，第一从关节(例如，近侧scara关节)54、第二从关节(例如，中位scara关节)56、第三从关节(例如，远侧scara关节)58、第四从关节(例如，成角关节)60、第五从关节(例如，阿尔法关节)62、第六从关节(例如，贝塔关节)64、第七从关节(例如，伽玛关节)66和第八从关节(例如西塔关节68)。如图12所示，平移器械接口81经由西塔关节68耦接到从远程操纵器51a。
134.平移器械接口81可以如转让给本技术的受让人的chassot的美国专利申请公开no.2018/0353252中所述来构造，该公开的全部内容通过引用并入本文。例如，平移器械接口81包括从毂69和外科手术器械。如图11b所示，从毂69可以固定到从远程操纵器51a的连杆67。外科手术器械包括设置在外科手术器械的轴的远端处的末端执行器，并且可以耦接到从毂69。例如，末端执行器可以可移除地耦接到从毂69。无菌接口可以定位在从毂69和外科手术器械之间。另外，平移器械接口81包括平移传动系统，该平移传动系统从定位在从毂69内的一个或多个致动器延伸到末端执行器的部件。例如，末端执行器包括通过多个末端执行器关节互连的多个末端执行器连杆，这些末端执行器关节耦接到平移器械接口81的平移传动系统，使得由一个或多个致动器致动平移传动系统经由多个末端执行器连杆和关节引起末端执行器的移动。
135.另外，从远程操纵器51a包括具有可调节柱的基座部分52和固定在可调节柱顶部的从支撑件53。连杆55经由近侧scara关节54可旋转地耦接到从支撑件53。因此，连杆55以及相应地在连杆55远侧的所有从关节和连杆可以在近侧scara关节54处相对于从支撑件53绕轴线ω1旋转。如图12所示，连杆57以及相应地在连杆57远侧的所有从关节和连杆可以在中位scara关节56处相对于连杆55绕轴线ω2旋转，连杆59以及相应地在连杆59远侧的所有从关节和连杆可以在远侧scara关节58处相对于连杆57绕轴线ω3旋转，成角连杆61以及相应地在成角连杆61远侧的所有从关节和连杆可以在成角关节60处相对于连杆59绕轴线ω4旋转，连杆63以及相应地在连杆63远侧的所有从关节和连杆可以在阿尔法关节62处相对于成角连杆61绕阿尔法轴线ω5旋转，连杆65以及相应地在连杆65远侧的所有从关节和连杆可以在贝塔关节64处相对于连杆63绕贝塔轴线ω6旋转，连杆67以及相应地在连杆67远侧的所有从关节和连杆可以在伽马关节66处相对于连杆65绕伽马轴线ω7旋转，并且从毂69以及(当平移器械接口81耦接到从毂69时)相应地平移器械接口81可以在西塔关节68处相对于连杆67绕西塔轴线ω8旋转。
136.集成到从支撑件53中的柱包含致动器，例如电动马达，其允许使柱伸展和缩回，从而调节在从支撑件53远侧的所有连杆相对于地面的高度。可替代地，代替集成到从支撑件53中的柱，从支撑件53可以包括机械线性导向系统，该机械线性导向系统具有基于配重的配衡系统和用以阻止竖直移动的电制动器。因此，当释放电制动器时，可以调节在从支撑件53远侧的所有连杆相对于地面的竖直高度。近侧scara关节54、中位scara关节56和远侧
scara关节58各自包含电制动器，当接合相应的制动器时，该电制动器可以阻止对应的关节的移动，并且当释放相应的制动器时，该电制动器允许相应的关节的手动移动。成角关节60包括致动器，例如电磁马达，其允许调节连杆61绕连杆59的角位置。阿尔法关节62、贝塔关节64、伽马关节66和西塔关节68各自链接到专用的电磁马达和制动器对，使得控制系统可以通过向相应的马达施加位置命令来调节每个关节的角位置，并且通过激活相应的制动器来停止关节的任何移动。
137.如本领域普通技术人员将理解的，从控制台50可以包括多个传感器，并且主控制台20可以包括多个致动器，使得施加在从控制台50处的移动可以引起施加在主控制台20处的移动，从而提供触觉反馈。
138.现在参考图13a，描述了控制器70。控制器70可以是可操作地耦接到外科手术机器人系统10的控制系统的远程控制器或图形用户界面，或者是分别集成到左远程操纵器51a和右远程操纵器51b中的一系列致动器。因此，控制器70可以包括多个致动器，例如按钮或触摸屏界面，由此用户可以经由触摸来选择多个选项。例如，控制器70可以向用户提供选项来选择以下命令中的至少一个：scara制动器接合和释放70a、驻停位置配置70b、从前向档翻转到反向档或从反向档翻转到前向档70c、从控制台的竖直调节70d、竖直柱制动器释放70e、腹腔镜检查配置70f、原位配置70g、以及增加和减小前向成角70h。控制器70可操作地耦接到从控制器和/或主控制器中的一个或两个。如图13a所示，控制器70可以被集成到从控制台本身的连杆中。例如，控制器70被集成到左从远程操纵器51b的第三从连杆59’中以响应于用户输入来控制该从远程操纵器的某个功能，并且具有相同功能的第二控制器被集成到从连杆(例如，第三从连杆)以响应于用户输入来控制该从远程操纵器(例如右从远程操纵器51a)的某个功能。
139.例如，当用户致动scara制动器接合和释放70a接口时，控制器将使scara制动器从接合转变为释放，反之亦然。当用户致动驻停位置配置70b接口时，控制器将使从远程操纵器移动到适合运输和存储的位置。当用户致动从前向档翻转到反向档或从反向档翻转到前向档70c时，控制器将使从远程操纵器在前向外科手术工作空间和反向外科手术工作空间之间移动。当用户致动从控制台的竖直调节70d时，控制器将引起从远程操纵器的竖直调节。当用户致动竖直柱制动器释放70e时，控制器将使竖直柱制动器从接合转变为释放，反之亦然，以分别防止或允许从远程操纵器的竖直调节。当用户致动腹腔镜检查配置70f、原位配置70g时，控制器将使从毂移离正在经历外科手术的患者，以便外科医生可以快速安全地从主控制台移动到患者的外科手术部位以对患者手动执行腹腔镜检查例程。当用户致动增加和减小前向成角70h时，控制器将引起从远程操纵器的前向成角的调节。响应于控制器70处的用户输入，相应的从控制器执行存储在其上的指令以执行由用户输入的以下解释的(一个或多个)命令。每个从控制台可以包括其自己的专用控制器70，或者公共控制器70可以用于两个从控制台。
140.现在参考图13b，描述了控制器70’。控制器70’的构造类似于控制器70，不同之处在于控制器70’是与从控制台分离并且由有线或无线连接供电的远程控制器。因此，为了临床医生和/或操作者的方便，控制器70’可以被移除并且在远离从控制台一定距离处操作。
141.例如，如图14a
‑
图14e所示，控制器70可以允许用户释放近侧scara关节54、中位scara关节56和远侧scara关节56中的制动器，以便外科医生可以通过抓住、保持和推动/拉
动在近侧scara关节54远侧的从臂连杆来水平地手动重新定位从臂，同时从远程操纵器的从支撑件53保持静止。具体地，在scara移动期间，可以允许从连杆55、57、59在关节54、56和58处绕轴线ω1、ω2、ω3移动，同时从远程操纵器的从支撑件53保持静止，并且同时从连杆59远侧的从关节和连杆相对于从连杆59固定。因此，用户可以将从远程操纵器的远端(例如从毂69)调节到经历外科手术的患者上方的期望位置。
142.如图15a
‑
图15c所示，控制器70可以允许用户选择从控制台命令的竖直调节，由此控制系统将执行指令以使耦接到从支撑件53中的柱的致动器(例如，马达)伸展或缩回。具体地，在从远程操纵器的竖直调节期间，可以调节从连杆55与从远程操纵器的基座部分52的顶表面之间的相对距离。例如，如图15a所示，从连杆55与从远程操纵器的基座部分52的顶表面之间的竖直距离为h1，如图15b所示，从连杆55与从远程操纵器的基座部分52的顶表面之间的竖直距离为h2，并且如图15c所示，从连杆55与从远程操纵器的基座部分52的顶表面之间的竖直距离为h3。因此，用户可以将从连杆55与从远程操纵器的基座部分52的顶表面之间的相对距离调节到经历外科手术的患者上方的期望高度。在从控制台包括具有基于配重的配衡系统的机械线性导向系统的实施例中，控制器70可以允许用户选择从控制台命令的竖直调节，由此控制系统将执行指令以使柱中的电制动器将被释放，使得机械配衡线性导向系统可以向上或向下移动，从而将从连杆55与从远程操纵器的基座部分52的顶表面之间的相对距离调节到经历外科手术的患者上方的期望高度。
143.如图16所示，控制器70可以允许用户选择原位配置命令，由此控制系统将执行指令以使耦接到贝塔关节64、伽马关节66和西塔关节68的致动器将从连杆和关节移动到缩回位置，使得从远程操纵器的从毂69处于期望位置，以将平移器械接口81的轴定位在经历外科手术的患者体内的套管针内。在原位位置，从毂69将相对于患者体内的套管针定位，使得可以将器械82插入并耦接到从毂69，使得器械尖端84将滑入但不穿过套管针，因此允许外科医生安全地插入器械，而无需在内窥镜的帮助下检查套管针的远端。
144.另外，控制器70可以允许用户选择成角命令，由此控制系统将执行指令以使耦接到成角关节60的致动器将成角连杆61在成角关节60处绕轴线ω4的成角调节到相对于从远程操纵器51a的基座52的期望成角角度，例如在0度和45度之间。具体地，当致动成角命令时，成角连杆61以及相应地在成角连杆61远侧的所有从连杆和关节将在成角关节60处绕轴线ω4旋转，同时从连杆59和在从连杆59近侧的所有从连杆和关节以及从远程操纵器的基座部分52保持静止。通过调节从远程操纵器的成角角度，将调节从远程操纵器的外科手术工作空间的角度，从而经由平移器械接口81提供外科医生到患者的更多通道。
145.例如，图17a
‑
图17d示出了在从控制台的零度成角期间耦接到从远程操纵器51a的平移器械接口81的移动。如图17a至图17d所示，成角连杆61以及相应的成角轴线ω5与从远程操纵器51a的基座52的纵向轴线平行，并且与地面地板垂直。在从远程操纵器51a的操作期间，控制系统仅执行指令以使耦接到从控制台20的致动器向成角连杆61远侧的从连杆和关节施加移动。因此，如图18a
‑
图18d所示，从远程操纵器51a的平移器械接口81具有前向外科手术工作空间fsw，例如，在从控制台的零度成角期间，在前向配置中，平移器械接口81可以达到的程度。图18e是图18a
‑
图18d的从控制台的前向外科手术工作空间fsw的后视图。
146.图19a
‑
图19c示出了在从控制台的20度成角期间耦接到从远程操纵器51a的平移器械接口81的移动。如图19a所示，成角连杆61以及相应的成角轴线ω5相对于从远程操纵
器51a的基座52的纵向轴线被调节为20度角。在从远程操纵器51a的操作期间，控制系统仅执行指令以使耦接到从控制台20的致动器向成角连杆61远侧的从连杆和关节施加移动。因此，如图19b所示，从远程操纵器51a的平移器械接口81具有前向外科手术工作空间fsw，例如，在从控制台的20度成角期间，在前向配置中，平移器械接口81可以达到的程度。图19c是在从控制台的20度成角期间图19b的从控制台的前向外科手术工作空间fsw的后视图。
147.图20a
‑
图20c示出了在从控制台的40度成角期间耦接到从远程操纵器51a的平移器械接口81的移动。如图20a所示，成角连杆61以及相应的成角轴线ω5相对于从远程操纵器51a的基座52的纵向轴线被调节为40度角。在从远程操纵器51a的操作期间，控制系统仅执行指令以使耦接到从控制台20的致动器向成角连杆61远侧的从连杆和关节施加移动。因此，如图20b所示，从远程操纵器51a的平移器械接口81具有前向外科手术工作空间fsw，例如，在从控制台的40度成角期间，在前向配置中，平移器械接口81可以达到的程度。图20c是在从控制台的40度成角期间图19b的从控制台的前向外科手术工作空间fsw的后视图。
148.如图21a
‑
图21j所示，控制器70可以允许用户选择翻转命令，由此控制系统将执行指令以使耦接到从控制台的多个致动器在从前向外科手术工作空间和反向外科手术工作空间之间移动从远程操纵器51a。例如，控制系统可以使耦接到从控制台的多个致动器将从远程操纵器51a从前向外科手术工作空间反转为反向外科手术工作空间，反之亦然。具体地，在致动翻转命令期间，连杆65以及相应地在连杆65远侧的所有从连杆和从关节绕从远程操纵器51a的贝塔关节64旋转。另外，当连杆65绕贝塔关节64旋转时，连杆67相对于连杆65在伽马关节66处旋转，并且从毂69相对于连杆67绕西塔关节68旋转，直到从远程操纵器51a处于反向外科手术工作空间配置中。如图22b
‑
图22h所示，在致动翻转命令之前，从从毂69移除平移器械接口81，以防止平移器械接口81伤害患者。由于通过简单地移除平移器械接口81并且致动翻转命令而无需解锁从远程操纵器51a并将其绕手术室移动，并且无需致动scara制动器释放命令或从控制台的竖直调节命令，从远程操纵器51a就能够在前向外科手术工作空间和反向外科手术工作空间之间翻转，因此用户将节省大量时间，并且能够在不同外科手术工作空间中快速继续对患者进行操作。
149.现在参考图21k和图21l，提供了分别具有前向外科手术工作空间和反向外科手术工作空间的主控制台和从控制台的示意图。如图21k所示，当从控制台50的远程操纵器具有前向外科手术工作空间时，主控制台20的主控制器2被编程，使得右主远程操纵器22a与右从远程操纵器51a通信，并且左主远程操纵器22b与左从远程操纵器51b通信。因此，主控制器2可以通过主控制台20的一个或多个传感器接收指示施加在右主远程操纵器22a处的移动的信号，并且执行存储在其上的指令以执行用以激活从控制台50的一个或多个致动器所必需的坐标变换，将处理后的信号发送到相应的从控制器4a，从控制器4a执行存储在其上的指令，以基于处理后的信号以对应于右主远程操纵器22a的移动的方式移动右从远程操纵器51a。类似地，主控制器2可以通过主控制台20的一个或多个传感器接收表示施加在左主远程操纵器22b处的移动的信号，并且执行存储在其上的指令以执行用以激活从控制台50的一个或多个致动器所必需的坐标变换，将处理后的信号发送到相应的从控制器4b，从控制器4b执行存储在其上的指令，以基于处理后的信号以对应于左主远程操纵器22b的移动的方式移动左从远程操纵器51b。
150.如图21l所示，当从控制台50的远程操纵器具有反向外科手术工作空间时，主控制
台20的主控制器2充当交换板并且被编程，使得右主远程操纵器22a与左从远程操纵器51b通信，并且左主远程操纵器22b与右从远程操纵器51a通信。这是必要的，以便定位在主控制台20处并经由显示器21观看外科手术部位的外科医生可以利用右主远程操纵器22a操作外科医生看来是“右”从远程操纵器(在反向外科手术工作空间中的左从远程操纵器51b)的远程操纵器，并且利用左主远程操纵器22a操作外科医生看来是“左”从远程操纵器(在反向外科手术工作空间中的右从远程操纵器51a)的远程操纵器。因此，主控制器2可以通过主控制台20的一个或多个传感器接收指示施加在右主远程操纵器22a处的移动的信号，并且执行存储在其上的指令以执行用以激活从控制台50的一个或多个致动器所必需的坐标变换，将处理后的信号发送到相应的从控制器4b，从控制器4b执行存储在其上的指令，以基于处理后的信号以对应于右主远程操纵器22a的移动的方式移动左从远程操纵器51b。类似地，主控制器2可以通过主控制台20的一个或多个传感器接收表示施加在左主远程操纵器22b处的移动的信号，并且执行存储在其上的指令以执行用以激活从控制台50的一个或多个致动器所必需的坐标变换，将处理后的信号发送到相应的从控制器4a，从控制器4a执行存储在其上的指令，以基于处理后的信号以对应于左主远程操纵器22b的移动的方式移动右从远程操纵器51a。
151.因此，在前向外科手术工作空间配置中，主控制器2与右从控制器4a通信，以使右从远程操纵器51a响应于右主远程操纵器22a处的移动而移动，并且主控制器2与左从控制器4b通信，以使左从远程操纵器51b响应于左主远程操纵器22b处的移动而移动。另外，在反向外科手术工作空间配置中，主控制器2与左从控制器4b通信，以使左从远程操纵器51b响应于右主远程操纵器22a的移动而移动，并且主控制器2与右从控制器4a通信，以使右从远程操纵器51a响应于左主远程操纵器22b处的移动而移动。
152.图22a示出了在从控制台的零度成角期间处于反向配置的从远程操纵器51a，图22b示出了在从控制台的20度成角期间处于反向配置的从远程操纵器51a，而图22c示出了在从控制台的40度成角期间处于反向配置的从远程操纵器51a。此外，如图23a
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图23c所示，从远程操纵器51a的平移器械接口81具有反向外科手术工作空间rsw，例如，分别在从控制台的零度成角、20度成角和40度成角期间，在反向配置中，平移器械接口81可以达到的程度。
153.如图24a
‑
图24d所示，控制器70可以允许用户选择腹腔镜检查配置命令，由此控制系统将执行指令以使耦接到从控制台的多个致动器将从毂69从外科手术模式移动到腹腔镜检查模式，在外科手术模式中，多个从连杆响应于施加在主控制台的手柄处的移动而移动，从而移动外科手术器械以执行机器人外科手术，在腹腔镜检查模式中，从毂69远离经历外科手术的患者定位，以便外科医生可以快速安全地从主控制台20移动到患者上的外科手术部位，以对患者执行腹腔镜检查任务。因此，在腹腔镜检查模式中，在从毂69近侧的多个从连杆从患者缩回，同时从控制台50的基座52保持静止以暴露外科手术部位，以允许外科医生在外科手术部位执行非机器人外科手术而不受多个从连杆和从毂69的干扰。具体地，腹腔镜配置命令的致动使连杆63以及相应地在连杆63远侧的所有从连杆和关节在关节62处绕阿尔法轴线ω5旋转，同时成角连杆61以及相应地在成角连杆61近侧的所有从连杆和关节(包括从远程操纵器51a的基座52)保持静止，直到从毂69背向患者，如图24d所示。
154.因此，在优选实施例中，在外科手术模式和腹腔镜检查模式两者中，从控制台的至
少一个连杆(例如，成角连杆61和/或连杆63)的纵向轴线都保持与远程运动中心对准，以允许在多个模式之间来回无缝转变。例如，在从外科手术模式到腹腔镜检查模式的转变期间，阿尔法轴线ω5可以保持与从控制台50的远程运动中心对准。有利地，这允许外科医生在外科手术模式和腹腔镜检查模式之间移动从控制台50，从而在转变回外科手术模式时不必将成角连杆61和阿尔法轴线ω5与从控制台50的远程运动中心(并且因此，患者的身体的切口点)重新对准。根据本发明的另一方面，在致动腹腔镜检查配置命令后，从控制台50的远侧从连杆可以围绕除阿尔法轴线ω5之外的轴线从患者缩回，同时从控制台50的基座52保持静止以暴露外科手术部位，使得在从外科手术模式到腹腔镜检查模式的转变期间，阿尔法轴线ω5不保持与从控制台50的远程运动中心对准。例如，从控制台50的远侧从连杆可以围绕例如轴线ω4、轴线ω3、轴线ω2、或轴线ω1旋转，同时从控制台50的基座52保持静止以暴露外科手术部位。
155.此外，控制系统将执行指令以确定平移器械接口81是否已经与从控制台50的从毂69解耦，并且因此在外科手术部位处与患者解耦，使得腹腔镜检查配置命令不能被致动，除非控制系统确定平移器械接口81不耦接到从毂69。因此，在通过用户将从控制台从外科手术模式转变为腹腔镜检查模式来致动腹腔镜配置命令之前，必须从从毂69移除平移器械接口81。
156.现在参考图25
‑
图30，描述了用于经由控制系统使用外科手术机器人系统10的示例性方法90。如本领域的技术人员将理解的，本文描述的方法的步骤可以由控制系统的一个或多个处理器(例如，在主控制器、第一从控制器和/或第二从控制器处)执行，该处理器响应用户输入而执行存储在一个或多个存储器部件中的指令。如图25所示，在步骤91处，系统10通电。在步骤92处，准备从控制台50，以预备对经历外科手术的患者进行操作，如图27进一步所示，并且在步骤93处，在操作期间将主控制台20定位到外科医生的期望配置，如图26进一步所示。
157.例如，图26示出了将主控制台20定位到外科医生的期望配置的步骤93。在车轮被解锁时，主控制台20可以经由其基座处的车轮绕手术室移动。一旦到达手术室内的期望方位，就激活车轮锁以将主控制台20保持在适当位置。如图26所示，在步骤93a处，主远程操纵器静止，并且套管式基座23a、23b具有初始高度。然后，在步骤93b处，可操作地耦接到主控制台20的控制器(例如按钮)可以被致动以调节套管式基座23a、23b的高度，例如，以增加或减小套管式基座23a、23b的高度，直到主控制台20处于外科医生的期望高度。例如，可以将主控制台20调节为坐姿配置或站立配置，在坐姿配置中，外科医生可以在主控制台20的操作期间坐下，在站立配置中，外科医生可以在主控制台20的操作期间站立。因此，可以致动控制器，以将主控制台20返回到初始高度，例如用于存储目的。
158.现在参考图27，描述了准备从控制台50的步骤92。如图27所示，在步骤92a处，使从远程操纵器的车轮锁脱离，使得从控制台50可以绕手术室移动到相对于患者的期望方位。仅当没有将器械82插入从毂69中时，才能脱离车轮锁，以避免伤害患者。由于可以使用多个从远程操纵器，因此在步骤92a期间定位每个从远程操纵器。当从控制台50在手术室内处于邻近经历外科手术的患者的期望位置时，从控制台50的车轮锁在步骤92b处被激活，使得防止从控制台50经由其车轮绕手术室进一步移动。因此，如果需要将从控制台50移动到不同的期望位置，则在步骤92a处，可以再次使车轮锁脱离。
159.在步骤92c处，尚未致动scara制动器释放命令，并且从控制台50的scara制动器接通。在步骤92d处，用户可以致动scara制动器释放命令，以将从远程操纵器的远端(例如，连杆59远侧的从连杆)定位在经历外科手术的患者上方的期望位置。具体地，在致动scara制动器释放命令后，允许从连杆55、57、59在关节54、56和58处绕轴线ω1、ω2、ω3移动，同时从远程操纵器的从支撑件53保持静止，并且从连杆59远侧的从关节的连杆相对于从连杆59固定。当从远程操纵器的远端处于患者上方的期望位置时，在步骤92c，停止scara制动器释放命令的致动。另外，如以上参考图15a
‑
图15c所述，可以调节从远程操纵器的竖直高度，使得从远程操纵器的远端相对于患者体内的套管针处于期望高度。只有在从毂69中没有器械82时，才能启用scara制动器释放命令，以避免伤害患者。
160.再次参考图27，在步骤92e处，从远程操纵器的成角连杆61相对于从连杆59静止。例如，从远程操纵器最初可以具有零度的成角角度。在步骤92f处，可以致动成角命令以将成角连杆61在成角关节60处绕轴线ω4的成角调节到相对于从远程操纵器51a的基座52的期望成角角度，例如在零度和45度之间。具体地，在致动成角命令后，成角连杆61以及相应地在成角连杆61远侧的所有从连杆和关节将在成角关节60处绕轴线ω4旋转，同时从连杆59和在从连杆59近侧的所有从连杆和关节以及从远程操纵器的基座部分52保持静止。当实现了从远程操纵器的期望成角角度时，在步骤92e处停止成角命令的致动，使得从远程操纵器的成角连杆61相对于从连杆59静止。该成角命令可以具有两个按钮，一个按钮增加成角并且另一个减小成角。
161.在步骤92g处，从远程操纵器具有前向外科手术工作空间，或者可替代地，在步骤92h处，从远程操纵器具有反向外科手术工作空间。在步骤92g和92h两者期间，器械82不能处于从毂69中。如果在步骤92g处从远程操纵器具有前向外科手术工作空间，并且用户期望反向外科手术工作空间，则可以致动翻转命令以将从远程操纵器51a从前向外科手术工作空间反转为反向外科手术工作空间。具体地，在致动翻转命令后，连杆65以及相应地在连杆65远侧的所有从连杆和从关节绕从远程操纵器51a的贝塔关节64旋转。另外，当连杆65绕贝塔关节64旋转时，连杆67相对于连杆65在伽马关节66处旋转，并且从毂69相对于连杆67绕西塔关节68旋转，直到从远程操纵器51a处于反向外科手术工作空间配置。类似地，如果在步骤92h处从远程操纵器具有反向外科手术工作空间，并且用户期望前向外科手术工作空间，则可以致动翻转命令以将从远程操纵器51a从前向外科手术工作空间反转为反向外科手术工作空间。
162.在步骤92i处，平移器械接口81不耦接到从远程操纵器的从毂69。在步骤92j处，可以将临时切口指示器可移除地耦接到从远程操纵器。例如，临时切口指示器可移除地耦接到从远程操纵器，使得其指向位于轴线ω5上的预定点处的虚拟远程运动中心v，使得可以使虚拟远程运动中心v与外科手术切口点一致，减少了对患者的创伤并改善了外科手术的美容效果。如果需要，可以在安装平移器械接口81之前将临时切口指示器移除。在准备步骤92期间，器械82不应耦接到从远程操纵器的从毂69。因此，如果器械82被耦接到从远程操纵器的从毂69，则在步骤92k处，控制系统将阻止进一步的动作，直到移除了平移器械接口81。
163.在步骤92l处，从远程操纵器的连杆61远侧的从连杆和关节可以处于任何位置。因此，在步骤92m处，可以致动原位配置命令以将从连杆和关节移动到缩回位置，使得从远程操纵器的从毂69处于期望位置，以将器械尖端84定位在经历外科手术的患者体内的套管针
内。在步骤92n处，从远程操纵器处于原位位置，其中从毂69相对于患者体内的套管针定位，使得器械82可以插入并耦接到从毂69，并且器械尖端84将滑入但不穿过套管针。
164.在步骤92o处，可以致动腹腔镜检查配置命令以将从毂69移离经历外科手术的患者，以便外科医生可以快速安全地从主控制台20移动到患者上的外科手术部位以对患者手动执行腹腔镜检查任务。具体地，在致动腹腔镜检查配置命令后，连杆63以及相应地在连杆63远侧的所有从连杆和关节在关节62处绕阿尔法轴线ω5旋转，同时成角连杆61以及相应地在成角连杆61近侧的所有从连杆和关节(包括从远程操纵器51a的基座52)保持静止，直到从毂69背向患者。在步骤92p处，从毂69处于缩回位置。
165.在步骤92q处，平移器械接口81的无菌接口不耦接到从远程操纵器的从毂69。在步骤92r处，将无菌接口耦接到从毂，并且控制系统例如通过读取集成到无菌接口中的rfid标签来确定无菌接口是否被识别。如果未识别出无菌接口，则在步骤92s处，控制系统等待无菌接口的移除，直到在步骤92q将无菌接口与从毂69解耦。如果识别出无菌接口，则在步骤92t处成功安装无菌接口。
166.在步骤92u处，可以致动驻停位置命令以将从远程操纵器51b移动到适合于运输和存储的位置。具体地，在致动驻停位置命令后，从支撑件53中的竖直柱缩回到最小高度，释放scara制动器以将scara臂折叠到折叠位置，成角返回零度成角，并且关节62远侧的关节移动以将从臂折叠到紧凑位置。如果需要，可以在步骤92之后将外科手术机器人系统10断电。
167.如果在步骤92之后外科手术机器人系统10没有断电，则在步骤94处，控制系统确定无菌接口是否已被成功安装以及地板锁是否被激活。如果确定未成功安装无菌接口或地板锁被脱离，则外科手术机器人系统10必须返回到准备步骤92以纠正上述情况。如果在步骤94确定已经成功安装了无菌接口并且地板锁被激活，则外科手术机器人系统10可以行进至步骤95。
168.在步骤95处，外科手术机器人系统为器械82进行预备，如图28所示。例如，在步骤95a处，从控制台50的控制系统等待器械82，直到器械82耦接到从远程操纵器的从毂69。因此，器械82被选择并且被插入从毂69内。为了确保器械不会从从毂中掉落，用户可以通过旋转器械的近端将器械机械锁定在从毂69中。从毂69具有集成的传感器，以检测器械是否被锁定。在步骤95b处，定位在从毂69内的传感器读出与所选器械集成的标识符元件，例如rfid标签，其中rfid标签包含所选器械的识别信息。在步骤95c处，控制系统基于rfid标签的检测来确定所选器械是否被授权。如果所选器械未被授权，则在步骤95d处，控制系统等待直到将其移除。当未授权的器械被移除时，步骤95d返回到步骤95a。如果在步骤95e处所选器械被授权并且被锁定在从远程操纵器的从毂69内，则方法90可以行进到步骤96。如果在步骤95期间的任何时间，无菌接口被移除、地板锁脱离、翻转命令被致动、scara制动器释放命令被致动、原位配置命令被致动、或者切口指示器被插入，则方法90可以返回到准备步骤92。
169.在步骤96处，外科手术机器人系统10为操作进行预备。如图29所示，在步骤96a处，控制系统验证器械82是否耦接到从远程操纵器的从毂69。在步骤96b处，控制系统检测外科医生何时抓住手柄部分35的手柄握把40。如图9a和图9b所示，手柄内的传感器可以检测到外科医生已经抓住手柄。在步骤96c处，离合器11被致动以准备控制系统用于宏同步，如步
骤97a所述。
170.如图30所示，外科手术机器人系统10现在可以被操作。例如，在步骤97a处，外科手术机器人系统10处于宏同步状态，但不是微同步状态。在宏同步状态中，施加在主控制台20处的平移宏移动将被感测并且被传输到控制系统，该系统指示耦接到从控制台50的致动器使对应的从连杆和关节以一种方式移动，该方式使得器械尖端84的宏移动(即上/下、左/右、内/外)对应于主控制台20上的手柄的宏移动。然而，在不同步宏状态中，控制系统不使施加在主控制台20处的宏移动以对应的方式在从控制台50处进行。例如，在不同步宏状态中，主控制台20处的宏移动，无论有意或无意，都将允许主控制台20的主连杆移动，但不会导致从控制台50处的任何对应移动。
171.在微同步状态中，施加在主控制台20的手柄部分35处的微移动将被感测并且被传输到控制系统，该控制系统指示耦接到从控制台50的致动器使器械尖端84以对应于施加在主控制台20的手柄部分35处的那些微移动的方式移动。然而，在不同步微状态中，控制系统不使施加在主控制台20/手柄部分35处的微移动以对应的方式在从控制台50/末端执行器处进行。因此，在步骤97a处，平移宏移动被复制，但是微移动不同步。在步骤97b处，离合器11可以被致动以将外科手术机器人系统10转变为不同步宏状态，在该状态下，主控制台20可以防止平移宏移动，并且因此从控制台50不能复制该平移宏移动。例如，离合器11可以是脚踏板，当踩上脚踏板时，该脚踏板将外科手术机器人系统10保持在不同步宏状态。在释放离合器11后，外科手术机器人系统10返回到在步骤97a处的宏同步状态。因此，例如，外科医生可以在同步宏状态下向手柄部分35施加宏移动，例如，向内/向外移动手柄部分35，从而引起外科手术器械上的向内/向外移动，然后致动离合器11以将外科手术系统从同步宏状态转变为不同步宏状态，将手柄部分移回其原始位置或其他更舒适的位置，这将不导致外科手术器械的宏移动，释放离合器11以将外科手术系统从不同步宏状态转变为同步宏状态，并且继续向手柄部分35施加附加宏移动，这将导致外科手术器械处的对应宏移动。有利地，这将允许外科医生重新调节主控制台20以便舒适，同时从控制台50保持在期望位置。在另一个示例中，离合器11的致动使外科手术系统在针对宏移动和微移动两者的同步状态和不同步状态之间转变。
172.此外，控制系统可以被编程为检测手柄部分35的致动模式，使得除非控制系统检测到致动模式，否则末端执行器不复制手柄部分35处的微移动。例如，致动模式可以包括手柄握把40的快速双致动。因此，当用户在步骤97c处重复两次按压手柄握把40时，控制系统检测到致动模式，并且外科手术机器人系统10处于微同步状态，在该状态中，手柄部分35处的微移动将被末端执行器复制。当从不同步微状态转变为微同步状态时，控制系统执行指令以使器械尖端84的微位置相对于器械轴82具有的空间取向与手柄部分35相对于主远程操纵器22a的对应连杆32的空间取向相同。在步骤97d处，外科手术机器人系统10完全处于宏同步状态和微同步状态，例如，当末端执行器处于操作的目标位置时，并且外科医生可以使用外科手术机器人系统10执行外科手术任务。在致动离合器11后，在步骤97e处，外科手术机器人系统10处于微同步状态，但是处于不同步宏状态。
173.根据本发明的另一方面，如图2c所示，主控制台20可以具有第二离合器11’，用于与离合器11结合使用以致动外科手术机器人系统10的宏同步状态和/或微同步状态。例如，离合器11的致动可以使外科手术机器人系统10在同步宏状态和不同步宏状态之间转变，并
且离合器11’的致动可以使外科手术机器人系统10在同步微状态和不同步微状态之间转变。因此，例如，外科医生可以在同步宏状态下对手柄部分35施加微移动，例如，滚转手柄部分35从而引起外科手术器械上的滚转移动，然后致动离合器11’以将外科手术系统从同步微状态转变到不同步微状态，将手柄部分移回其原始位置或其他更舒适的位置，这将不导致外科手术器械的微移动，但如果外科手术系统处于同步宏状态，则可以导致外科手术器械的宏移动，释放离合器11’以将外科手术系统从不同步微状态转变为同步微状态，并且继续向手柄部分35施加附加微移动，这将导致外科手术器械处的对应微移动。有利地，这将允许外科医生重新调节主控制台20以便舒适，同时从控制台50保持在期望位置。
174.外科医生可以选择性地选择外科手术机器人系统10的同步和不同步宏状态和微状态的任何组合。根据本发明的又一方面，离合器11的致动可以使外科手术机器人系统10在不同步宏状态和同步宏状态之间以及不同步微状态和同步微状态之间转变；而离合器11’的致动仅使外科手术机器人系统10在不同步微状态和同步微状态之间转变。可替代地，离合器11的致动可以使外科手术机器人系统10在不同步宏状态和同步宏状态之间以及不同步微状态和同步微状态之间转变；而离合器11’的致动仅使外科手术机器人系统10在不同步宏状态和同步宏状态之间转变。
175.根据本发明的另一方面，本文描述了具有根据本发明的原理构造的混合远程操纵器的远程致动外科手术机器人系统，该混合远程操纵器可以在微创外科手术例程或其他应用中使用。
176.参考图31a和图31b，描述了具有混合远程操纵器的示例性远程致动的外科手术机器人系统100。外科手术机器人系统100示例性地固定在可移动推车101的顶部，混合远程操纵器也可安装到该可移动推车101，以用于在手术室中的流动性且易于运输。外科手术机器人系统100包括主区域400和靠近无菌区的远程从区域500，外科医生可以位于该主区域400中以操作系统100，要进行外科手术的患者可以定位在该远程从区域500中。如图31b中所示，操作的外科医生优选地坐下，预备进入主区域400，而另一位外科医生或助手可以位于定位在患者上方的附近从区域500。在图31a和图31b的实施例中，主区域400定位为横向上与从区域500相邻。此外，相机系统102可以与外科手术机器人系统100一起使用，例如，由位于从区域500处的助手操纵的内窥镜可以被操作和/或保持在适当的位置，如图31b所示。相机系统102还可以包括显示器103，以用于将由相机102捕获的外科手术部位实时显示给外科医生。显示器103可以安装到主区域400，或者靠近主区域400的在外科手术例程期间由外科医生容易观察到的任何地方。
177.再次参考图31a，系统100包括两个混合远程操纵器104和105，包括由外科医生的左手操纵的左混合远程操纵器104和由外科医生的右手操纵的右混合远程操纵器105。混合远程操纵器104和105可以例如通过外科医生的左手和右手同时且彼此独立地操作。优选地，远程致动的远程外科手术机器人系统100被优化用于外科手术例程。
178.每个混合远程操纵器向主
‑
从配置提供输入，在该配置中，由多个刚性从连杆和从关节构成的从单元被由多个刚性主连杆和主关节构成的主单元进行运动学驱动。例如，左混合远程操纵器104包括主单元401和对应的从单元501，并且右混合远程操纵器105包括主单元402和对应的从单元502。主单元401和402设置在系统100的主区域400内，而从单元501和502在系统100的从区域500内。优选地，从单元501和502分别模仿主单元401和402的对应
部分的移动，而无需在设备的操作期间偏离远程运动中心，如下面进一步详细描述的。
179.仍参考图31a，具有末端执行器107的远程操作外科手术器械106(例如，平移器械接口)耦接到从单元501的远端，并且手柄耦接到主单元401的远端，使得施加到手柄的移动经由处理器驱动的控制系统诱导末端执行器107的对应的微移动。例如，控制系统可以通过耦接到手柄的一个或多个传感器接收指示施加在手柄处的移动的信号，并且执行用以激活可操作地耦接到末端执行器107的一个或多个致动器以复制末端执行器的对应移动所需的坐标变换。平移器械接口的从器械106可以可移除地附接到从单元501并由该从单元501操作，使得平移自由度(例如，向左/向右、向上/向下、向内/向外)通过直接机械耦接来致动，而铰接自由度(例如，俯仰和偏航)、致动自由度(例如，打开/关闭)和旋转自由度(例如，旋前旋后)经由传感器、致动器和控制系统以机电方式复制，如下面将进一步详细描述的。
180.现在参考图32a和图32b，示出了具有混合远程操纵器的示例性远程致动的外科手术机器人系统100的机构，为清楚起见，其中省略了图31中描绘的外盖。在图32a和图32b中，机械传动系300布置成将从单元501与主单元401直接耦接，使得施加到主单元401的多个主关节的平移宏移动被从单元501的多个从关节的对应的相应关节复制。同样，机械传动系300也将从单元502与主单元402直接耦接，使得施加到主单元402的多个主关节的平移宏移动被从单元502的多个从关节的对应的相应关节复制。传动系300说明性地包括经由一个或多个滑轮从主单元401路由到从单元501的一根或多根缆线301，以及经由一个或多个滑轮从主单元402路由到从单元502的一根或多根缆线303，以用于控制从单元501和502的四个自由度中的一个。主单元401的机械约束200通过移除运动自由度来约束主单元401的移动，从而将移动限制在三个平移自由度中，例如，向左/向右、向上/向下、向内/向外。
181.例如，一根或多根缆线301可以形成一个或多个闭合环路，该闭合环路开始于耦接到主单元401的滑轮p1，并延伸通过滑轮p2、p3、p4、p5、p6、张紧系统302、滑轮p7和耦接到从单元501的环绕滑轮p8，并且向回延伸通过滑轮p7、张紧系统302、滑轮p6、p5、p4、p3、p2，并终止于滑轮p1。因此，滑轮p1的顺时针或逆时针旋转使一根或多根缆线301中的缆线旋转滑轮p8，从而以四个自由度中的一个致动从单元501。然而，主单元401的机械约束200通过移除一个运动自由度来约束主单元401的移动，从而将从单元501的移动限制为三个平移自由度，例如，向左/向右、向上/向下、向内/向外。滑轮p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7和p8中的每一个可以包括一定数量的单独的滑轮，该数量对应于主单元401可致动从单元501的运动自由度的数量。类似地，一根或多根缆线301可以包含一定数量的闭合缆线环路，该数量对应于主单元401可致动从单元501的运动自由度的数量。
182.类似地，一根或多根缆线303可以形成一个或多个对应的闭合环路，该闭合环路从耦接到主单元402的滑轮p9开始，并且并延伸通过张紧系统304、滑轮p10、p11、p12、p13、p14，和耦接到从单元502的环绕滑轮p15，并且向回延伸通过滑轮p14、p13、p12、p11、p10、张紧系统304，并终止于滑轮p9。以这种方式，滑轮p9的顺时针或逆时针旋转可以使一根或多根缆线303中的缆线旋转滑轮p15，从而以四个自由度中的一个自由度来致动从单元502。主单元402的机械约束201(参见图32a)同样通过移除运动自由度来约束主单元402的移动，从而将从单元502的移动限制为三个平移自由度，例如，向左/向右、向上/向下、向内/向外。滑轮p9、p10、p11、p12、p13、p14和p15中的每一个可以包括一定数量的单独的滑轮，该数量对应于主单元402可致动从单元502的运动自由度的数量。类似地，一根或多根缆线303可以包
含一定数量的闭合缆线环路，该数量对应于主单元402可致动从单元502的运动自由度的数量。
183.如本领域普通技术人员将理解的，用于在滑轮p1和p8之间路由缆线301的滑轮p2
‑
p7的数量以及用于在滑轮p9和p15之间路由缆线303的滑轮p10
‑
p14的数量将分别取决于右混合远程操纵器和左混合远程操纵器的构造。
184.现在参考图33，机械传动系300的一根或多根缆线301穿过张紧系统302，并且一根或多根缆线303穿过张紧系统304。张紧系统302设计为向缆线301施加预定张紧力，而张紧系统304被设计为向缆线303施加预定张紧力。例如，张紧系统302可以包括经由张紧连杆305耦接到滑轮p17的滑轮p16，以及经由张紧连杆306耦接到滑轮p19的滑轮p18。张紧连杆305绕延伸穿过轮轴307的竖直轴线可调节地并且可旋转地耦接到张紧连杆306，使得预定张紧力通过滑轮p16、p17、p18和p19施加到缆线301。另外，张紧系统302可以用于校准机械传动系300，从而确保对应的主关节和从关节的角度相同。张紧系统304的结构可以与张紧系统302相同。
185.同样在图33中，右混合远程操纵器的机械传动系的滑轮p11、p12和p13耦接到从连杆308，从连杆308经由从连杆309可旋转地耦接到定位系统310。定位系统310可以是例如液压设备，其制约从单元502相对于从单元501沿着单个平面的移动。例如，滑轮p8的位置可以被固定，使得p15的位置相对于p8沿着水平面(x方向和y方向)可移动。
186.现在参考图34a和图34b，描述了系统100的示例性主单元的部件。由于主单元401的结构分别与主单元402相同，因此主单元401的以下描述也适用于主单元402。
187.主单元401包括通过多个主关节互连的多个主连杆，例如，第一主连杆405a、第二主连杆405b、第三主连杆405c和第四主连杆(例如，导向主连杆)404。手柄403经由导向主连杆404(例如，主杆)连接到主单元401的远端，并且包括通过多个手柄关节互连的多个手柄连杆，以操作混合远程操纵器。例如，施加在手柄403上的平移宏移动引起多个主关节经由多个主连杆进行对应的移动，该移动经由机械传动系300传输到从单元501的对应的从关节，从而在从单元501处复制平移宏移动。手柄403的平移移动使导向主连杆404经由第一主连杆405a、第二主连杆405b和第三主连杆405c将运动传输到滑轮p1，从而使从单元501经由机械传动系300模仿平移移动。第一主连杆405a、第二主连杆405b、第三主连杆405c和导向主连杆404经由传动系统耦接到滑轮p1，该传动系统包括例如经由一个或多个滑轮407路由的一个或多个齿形带406。可替代地，将滑轮p1与主单元501的多个主连杆和关节耦接的传动系统可以包括缆线与滑轮的系统，和/或刚性传动链。
188.在图34a和图34b中，主单元401上的机械约束408包括可枢转地耦接到套筒的轭，该套筒在导向主连杆404上滑动并且将从单元501的远端的移动约束为与远程运动中心一致，该远程运动中心与患者上的切口点(例如，套管针进入患者腹部的点)对准。例如，机械约束408确保当混合远程操纵器被致动时，主单元401的导向主连杆404沿着纵向轴线θ1平移，使得从单元501的对应的从连杆(例如，耦接到从单元501的远端的平移器械接口)也沿着平行于导向主连杆404的纵向轴线θ1的虚拟轴线θ4在远程操纵附近平移，如图35a和图35b所描绘的。另外，机械约束408使导向主连杆404能够绕彼此垂直的第二轴线θ2和第三轴线θ3旋转。仍然参考图34a和图34b，轴线θ3与滑轮p1的轴线同轴。由导向主连杆404的纵向轴线θ1和第二轴线θ2限定的平面在静止单点409处与第三轴线θ3相交，而与主连杆404的取向无关。
此配置允许从单元501的对应的从连杆绕彼此垂直的第五虚拟轴线θ5和第六虚拟轴线θ6旋转。对应的从连杆的纵向轴线θ4与第五虚拟轴线θ5和第六虚拟轴线θ6始终在患者切口附近的虚拟静止单点509(例如远程运动中心)处彼此相交。
189.当外科手术机器人系统100被定位成使得远程运动中心509与患者切口对准时，施加到手柄403的平移移动被设置在患者体内的末端执行器复制。因为末端执行器完美地复制了施加到手柄403的移动，所以这种布置有利地消除了手柄与末端执行器之间的支点效应，并且确保器械始终穿过远程运动中心。尽管在先前已知的外科手术机器人中，在外科手术器械穿过患者切口时维持其固定的移动点需要复杂的控制电子器件，但在本发明的系统中，机械约束408在主单元401和从单元501之间提供平移复制，这确保器械始终穿过远程运动中心509。
190.图34a和图34b的实施例的手柄403的向内/向外移动使第一主连杆405a、第二主连杆405b、第三主连杆405c和导向主连杆404沿着导向主连杆404的纵向轴线θ1向内/向外移动。该运动经由多个主连杆传输到滑轮p1，使从单元501经由机械传动系300和多个从连杆、关节和正时带复制绕纵向轴线θ4的向内/向外移动。类似地，手柄403的向上/向下移动使第一主连杆405a、第二主连杆405b、第三主连杆405c和导向主连杆404绕第二轴线θ2向上/向下旋转。该运动经由多个主连杆传输到滑轮p1，进而使从单元501经由机械传动系300和多个从连杆、关节和正时带复制绕第五轴线θ5的向上/向下移动。最后，手柄403的向左/向右移动使第一主连杆405a、第二主连杆405b、第三主连杆405c和导向主连杆404绕第三轴线θ3向左/向右旋转。该运动经由多个主连杆传输到滑轮p1，使从单元501经由机械传动系300和多个从连杆、关节和正时带复制绕第六轴线θ6的向左/向右移动。
191.仍然参考图34a和图34b，施加在主单元401的手柄403处的移动经由传感器、马达和控制系统以机电方式致动铰接自由度(例如，俯仰和偏航)、致动自由度(例如，打开/关闭)以及旋转自由度(例如，旋前旋后)。主单元401优选地包括经由电路板411耦接到手柄403的一个或多个传感器410，以用于检测手柄403的运动。如将理解的，传感器410可以是被设计为用以检测旋转移动的任何传感器，诸如基于磁的旋转传感器，其在一侧包括磁体并且在另一侧包括传感器，以通过测量角度和位置来测量旋转。电路板411耦接到控制系统，以用于生成指示由传感器410测量的旋转的信号，并且将该信号传输至耦接到从单元501的一个或多个马达，该马达可以将施加到手柄403的移动再现至末端执行器。例如，电缆可以从手柄403延伸到控制系统，例如，包含控制电子器件的单元，并且另外的缆线可以从控制系统延伸到耦接到从单元501的一个或多个马达。
192.手柄403的触发器412的致动生成信号，该信号经由控制系统传输至耦接到从单元501的马达，从而致动耦接到从单元501的平移器械接口的平移传动系统，进而致动平移器械接口的末端执行器以打开/关闭。
193.手柄403还可以包括滚珠413，该滚珠413被设计成易于被外科医生抓握，并且使外科医生的手腕与主单元401对准。滚珠413可以绕手柄轴线θ7旋转，使得滚珠413的旋转被传感器检测到，该传感器生成信号，并且经由控制系统将信号传输至耦接到从单元501的马达。在从单元处自控制系统接收的信号引起耦接到从单元501的平移器械接口的旋转，从而使平移器械接口的末端执行器以旋前旋后自由度旋转。
194.手柄403还绕手柄轴线θ8可旋转，使得绕手柄轴线θ8的旋转被传感器检测到，该传
相对应的纵向轴线θ4在远程操纵附近平移。另外，机械约束408允许末端执行器512绕彼此垂直的第五虚拟轴线θ5和第六虚拟轴线θ6旋转。耦接到从单元501的平移器械接口503的纵向轴线θ4以及第五虚拟轴线θ5和第六虚拟轴线θ6始终在远程操纵附近在虚拟静止单点509处彼此相交。在微创外科手术例程期间，虚拟静止点509与外科手术切口点对准，从而减少了对患者的创伤并改善了外科手术的美容效果。
201.手柄403在向内/向外方向上的移动使耦接到从单元501的末端执行器512经由机械传动系300和将滑轮p9与从单元501的多个从连杆和关节耦接的传动系统来复制绕纵向轴线θ4的向内/向外移动。手柄403的向上/向下移动使耦接到从单元501的末端执行器512经由机械传动系300和将滑轮p9与从单元501的多个从连杆和关节耦接的传动系统来复制绕纵向轴线θ5的向上/向下移动。手柄403的向左/向右移动使耦接到从单元501的末端执行器512经由机械传动系300和将滑轮p9与从单元501的多个从连杆和关节耦接的传动系统来复制绕纵向轴线θ6的向左/向右移动。
202.此外，施加在主单元401的手柄403处的移动经由传感器、马达和控制系统以机电方式致动平移器械接口503的末端执行器的铰接自由度(例如，俯仰和偏航)、致动自由度(例如，打开/关闭)和旋转自由度(例如，旋前旋后)。可以如转让给本技术的受让人的授予chassot的美国专利公开no.2018/0353252中所描述的那样构造平移器械接口503，该专利的全部内容通过引用并入本文。例如，平移器械接口503包括从毂510和外科手术器械511。从毂510可以固定到从单元501的远端504。外科手术器械511包括设置在外科手术器械511的轴的远端处的末端执行器512，并且可以可移除地耦接到从毂510。无菌接口可以定位在从毂510和外科手术器械511之间。此外，平移器械接口503包括平移传动系统，其从定位在从毂510内的一个或多个马达延伸到末端执行器512的部件。例如，末端执行器512包括通过多个末端执行器关节互连的多个末端执行器连杆，该末端执行器关节耦接到平移器械接口503的平移传动系统，使得一个或多个马达对平移传动系统的致动使末端执行器512经由多个末端执行器连杆和关节移动。
203.关于从毂510的部件和操作的进一步细节参考图36a和图36b进行描述。固定到从单元501的平移器械接口503的从毂510包括一个或多个马达，例如第一马达601a、第二马达601b、第三马达601c和第四马达601d，其经由电路板602与控制系统可操作地耦接(例如经由电线)。马达601a
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601d接收指示测量的移动的信号并且触发手柄403的致动，如耦接到手柄403的一个或多个传感器410测量的。这些信号由控制系统处理，该控制系统进而将信号提供到马达，该马达致动平移器械接口503，以复制与手柄403处的那些输入相对应的微移动。第一马达601a、第二马达601b和第三马达601c直接耦接到平移器械接口503的平移传动系统603，以用于以打开/关闭、俯仰和偏航自由度致动末端执行器512。平移传动系统603包括多个传动元件，例如缆线和/或导螺杆，使得多个传动元件中的每一个在一端耦接到第一马达601a、第二马达601b和第三马达601c，并且在相对端耦接到第一末端执行器连杆、第二末端执行器连杆和第三末端执行器连杆，以使末端执行器以打开/关闭、俯仰和偏航自由度移动。平移传动系统603可以包括多个导螺杆和/或闭合缆线环路。第四马达601d经由旋前旋后正时带513致动从器械503的旋转。本领域普通技术人员将理解，从毂510可以包括马达601a
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601d的任何组合，例如，当使用非铰接器械时，仅包括用于以打开/关闭自由度致动末端执行器512的一个或多个马达，和用于以旋前旋后自由度旋转末端执行器512的马达。
204.电路板602还可以包括一个或多个传感器，这些传感器设计成检测平移器械接口503的不期望的移动，并且与第一马达601a、第二马达601b、第三马达601c和第四马达601d电通信以抵抗这种不期望的移动。
205.根据本发明的一个方面，控制系统可以通过读出标识符元件516(例如，与器械集成的rfid令牌)来识别平移器械接口503的末端执行器512的运动学，如图36c所示，其中rfid令牌包含关于器械的运动学配置的信息。特别地，基于从标识符元件516读取的信息，控制系统可以将与平移器械接口503对接的一个或多个马达的操作配置为不同地操作(例如，同时顺时针转动，或一个顺时针转动并且另一个逆时针转动)，以引起末端执行器元件的致动。例如，在图36d中，描述了具有并行
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串行器械运动学的钳型末端执行器。对于该配置，第一马达601a可以经由平移传动系统的传动元件514a可操作地耦接到末端执行器512’的第一连杆，例如第一叶片，使得第一马达601a使末端执行器512’的第一连杆向外/向内移动。第二马达601b可以经由平移传动系统的传动元件514b可操作地耦接到末端执行器512’的第二连杆，例如第二叶片，使得第二马达601b使末端执行器512’的第二连杆向外/向内移动。因此，控制系统可以基于手柄403的触发器412的致动而指示第一马达601a经由传动元件514a向外移动末端执行器512’的第一连杆，同时指示第二马达601b经由传动元件514b向外移动末端执行器512’的第二连杆，从而使末端执行器512’打开。相反，控制系统可以基于手柄403的触发器412的致动而指示第一马达601a经由传动元件514a向内移动末端执行器512’的第一连杆，同时指示第二马达601b经由传动元件514b向内移动末端执行器512’的第二连杆，从而使末端执行器512’关闭。因此，第一马达601a和第二马达601b可以使末端执行器512’以打开/关闭自由度移动。
206.控制系统可以基于手柄403绕手柄轴线θ9的旋转而指示第一马达601a经由传动元件514a向外移动末端执行器512’的第一连杆，同时指示第二马达601b经由传动元件514b向内移动末端执行器512’的第二连杆，从而使末端执行器512’向上俯仰。相反，控制系统可以基于手柄403绕手柄轴线θ9的旋转而指示第一马达601a经由传动元件514a向内移动末端执行器512’的第一连杆，同时指示第二马达601b经由传动元件514b向外移动末端执行器512’的第二连杆，从而使末端执行器512’向下俯仰。因此，第一马达601a和第二马达601b可以使末端执行器512’以俯仰自由度移动。
207.第三马达601c可以经由平移传动系统的传动元件514c可操作地耦接到末端执行器512’的第三连杆，使得第三马达601c基于手柄403绕手柄轴线θ8的旋转使末端执行器512’以偏航自由度移动。第四马达601d可以经由可旋转的旋前旋后正时带513可操作地耦接到第一马达601a、第二马达601b、第三马达601c和外科手术器械511，使得第四马达601d基于手柄403的滚珠413的旋转使第一马达601a、第二马达601b、第三马达601c和外科手术器械511(以及因此末端执行器512’)以旋前旋后自由度旋转。
208.现在参考图36e，描述了具有串行
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串行器械运动学的末端执行器。例如，第一马达601a可以经由平移传动系统的传动元件515a可操作地耦接到末端执行器512”的第一连杆，使得第一马达601a基于手柄403的触发器412的致动使末端执行器512”以打开/关闭自由度移动。第二马达601b可以经由平移传动系统的传动元件515b可操作地耦接到末端执行器512”的第二连杆，使得第二马达601b基于手柄403绕手柄轴线θ9的旋转使末端执行器512”以俯仰自由度移动。第三马达601c可以经由平移传动系统的传动元件515c可操作地耦接到
末端执行器512”的第三连杆，使得第三马达601c基于手柄403绕手柄轴线θ8的旋转使末端执行器512”以偏航自由度移动。第四马达601d可以经由可旋转的旋前旋后正时带513可操作地耦接到第一马达601a、第二马达601b、第三马达601c和外科手术器械511，使得第四马达601d基于手柄403的滚珠413的旋转使第一马达601a、第二马达601b、第三马达601c、外科手术器械511(以及因此末端执行器512”)以旋前旋后自由度旋转。
209.根据本发明的一个方面，控制系统可以读取存储在标识符元件516(例如，rfid令牌)上的信息，该标识符元件与器械集成以识别平移器械接口503的末端执行器512的运动学/运动学性质(kinematics)，如在图37中列举的方法步骤700中概述的。在步骤701处，用户选择具有末端执行器的外科手术器械，以与混合远程操纵器一起使用。例如，外科手术器械可以具有末端执行器，该末端执行器具有如图36d所示的并行
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串行器械运动学或如图36e所示的串行
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串行器械运动学。然后，可以将外科手术器械耦接到混合远程操纵器的从单元。在步骤702处，控制系统检测用于所选末端执行器的运动学配置的信息。例如，控制系统可以读出与外科手术器械511集成的rfid令牌，该rfid令牌包含有关所选末端执行器的运动学配置的信息，例如，所选末端执行器是具有并行
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串行器械运动学还是串行
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串行器械运动学。rfid令牌可以是例如包含识别信息的感应读取的微芯片，该识别信息可以由设置在从毂上并且可操作地耦接到控制系统的读取器进行扫描。可替代地，标识符元件516的功能可以由例如光学标签(诸如，条形码、qr码、datamatrix、aztec码或sema码)提供，该光学标签设置在由从毂读取的外科手术器械511上。如果外科手术器械尚未耦接到混合远程操纵器的从单元，则在步骤702之后，外科手术器械可以耦接到混合远程操纵器的从单元。
210.在步骤703处，控制系统基于在步骤702处检测到的信息来识别所选末端执行器的运动学，以确定哪种类型的末端执行器被耦接到混合远程操纵器的从单元。在步骤704处，控制系统基于所选末端执行器的身份来调节其参数，使得可以适当地致动混合远程操纵器。例如，如果末端执行器具有并行
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串行器械运动学，则控制系统将包括以下参数，即该参数指示第一马达601a和第二马达601b同时致动第一末端执行器连杆和第二末端执行器连杆以便以打开/关闭自由度和俯仰自由度移动末端执行器，如上所述。如果末端执行器具有串行
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串行器械运动学，则控制系统将包括以下参数，即该参数指示第一马达601a以打开/关闭自由度致动末端执行器，并且指示第二马达601b以俯仰自由度致动末端执行器，如上所述。
211.参考图38，描述了远程致动的外科手术机器人系统的替代示例性实施例，其中所有自由度均通过机电方式控制。尽管所有七个自由度(例如，向内/向外、向上/向下、向左/向右、偏航、俯仰、打开/关闭和旋前旋后)都是经由传感器系统、马达和控制系统以机电方式进行控制，但是系统800在主单元上保持如上所述的机械约束元件，从而在从单元处创建单个虚拟静止点，例如远程运动中心。因此，系统800不需要坐标变换和复杂的控制系统来使从单元1001与切口对准。机械约束和对应的远程运动中心确保该设计比使用通用机器人臂更为简单和安全。
212.现在参考图39，主单元901的构造类似于图34a和图34b的主单元401，不同之处在于，代替耦接到滑轮p1的机械传动系的多个缆线和滑轮的是，主单元901包括可操作地耦接到滑轮p1的四个滑轮中的每个的一个或多个传感器，例如传感器902a、传感器902b、传感器902c和传感器902d。响应于经由多个主连杆、关节和缆线施加到主单元901的手柄903的移
动，传感器902a
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902d通过测量滑轮p1的角度和位置来测量旋转移动。四个传感器中的每个传感器经由滑轮p1的四个滑轮中的每个滑轮测量主单元901的关节的移动，从而测量主单元901以四个运动自由度的移动。然而，机械约束通过移除一个运动自由度来约束主单元901的移动，从而引起从单元1001以三个运动自由度(例如，向内/向外、向上/向下和向左/向右)的移动。
213.手柄903的构造类似于图34a和图34b的手柄403。例如，手柄903包括一个或多个传感器410和电路板411，使得施加在手柄903处的微移动可以经由一个或多个传感器410以及耦接到从单元1001的末端执行器的一个或多个马达传输到从单元1001的末端执行器，以便以打开/关闭、俯仰、偏航和旋前旋后自由度移动末端执行器。
214.关于宏移动的传输，传感器902a、传感器902b、传感器902c和传感器902d生成指示由相应的传感器测量的滑轮p1的旋转的信号，并且经由控制系统将该信号传输至耦接到从单元1001的一个或多个马达，从而复制施加在耦接到主单元901的手柄903处的平移宏移动。例如，电缆可以从主单元901延伸到控制系统，例如，包含控制电子器件的单元，并且另外的电缆可以从控制系统延伸到耦接到从单元1001的一个或多个马达。
215.关于图40a和图40b，从单元1001的构造类似于图35a和图35b的从单元501。例如，从单元1001包括可操作地耦接到从单元1001的末端执行器的第一马达601a、第二马达601b、第三马达601c和第四马达601d，使得施加在手柄903处的微移动可以经由一个或多个传感器410以及第一马达601a、第二马达601b、第三马达601c和第四马达601d被传输到从单元1001的末端执行器，以便以打开/关闭、俯仰、偏航和旋前旋后自由度移动末端执行器。从单元1001与从单元501的不同之处在于，代替耦接到滑轮p8的机械传动系的多个缆线和滑轮的是，从单元1001包括可操作地耦接到滑轮p8的四个滑轮中的每个的一个或多个马达，例如，第一马达1002a、第二马达1002b、第三马达1002c和第四马达1002d。一个或多个马达耦接到电路板以接收信号，该信号指示传感器902a、传感器902b、传感器902c和传感器902d响应于施加到主单元901的手柄903的移动而测量的滑轮p1的旋转，从而经由多个从连杆、关节、正时带和/或缆线与滑轮系统致动滑轮p8以在从单元1001处复制施加在耦接到主单元901的手柄903上的平移宏移动。例如，第一马达1002a可操作地耦接到第一从连杆505a并控制其移动，第二马达1002b可操作地耦接到第二从连杆505b并控制其移动，第三马达1002c可操纵地耦接到第三从连杆505c并控制移动，并且第四马达1002d经由滑轮p8和多个从关节、正时带和/或缆线与滑轮系统可操作地耦接到平移器械接口503并控制其移动。
216.由于主单元901的机械约束将主单元901的移动限制为三个自由度的移动，例如向内/向外、向上/向下和向左/向右，因此分别由第一马达1002a、第二马达1002b、第三马达1002c和第四马达1002d引起的从单元1001的第一从连杆505a、第二从连杆505b、第三从连杆505c和平移器械接口503的移动被约束为绕虚拟静止点1005(例如，远程运动中心)的三个自由度的移动，例如，向内/向外、向上/向下和向左/向右。
217.从单元1001可以包括临时切口指示器1004，该临时切口指示器1004指向由主单元1001处的机械约束创建的虚拟静止点1005，例如远程运动中心，使得可以使虚拟静止点1005与外科手术切口点一致，从而减少对患者的创伤并改善外科手术的美容效果。临时切口指示器1004可移除地耦接到从单元1001的关节使得临时切口指示器1004指向虚拟静止点1005，并且可以在外科手术机器人系统800的操作之前被移除。
218.现在参考图40c和图40d，提供了切口指示器的替代示例性实施例，该切口指示器与本文图1
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图30中所示和描述的系统一起使用。与切口指示器1004一样，切口指示器1004’可以可移除地耦接到从单元1001的关节(例如，上述连杆63的远端)，使得临时切口指示器1004指向虚拟运动中心，例如，虚拟静止点1005，从而识别外科手术器械的远程运动中心。例如，切口点1004’可以使用包括但不限于磁体、摩擦力、维可牢尼龙搭扣表面、匹配几何形状、钩等的结构可移除地耦接到从控制台。切口指示器1004’可以由铁素体不锈钢制成并且说明性地包括在切口指示器的近端处的磁头1006，用于与从控制台处的对应表面(例如，从单元1001的关节处的接受器)磁性耦接。
219.如图40c所示，磁头1006可以具有凸球形表面，其中心与切口指示器1004’的远侧尖端对准。因此，从单元1001的关节处的接受器可以具有对应的凹球形表面，用于与切口指示器1004’的凸球形表面接合。本领域普通技术人员将理解，切口指示器1004’的磁头1006可以具有凹球形表面，并且从单元1001的关节处的接受器可以具有凸球形表面。切口点1004’可以在具有或没有安装在从单元1001上的无菌盖布的情况下起作用。图40e示出了插入套管针1007内的切口指示器1004’，使得切口指示器1004’的远侧尖端与患者的体壁(例如，器械将围绕其旋转的虚拟静止点1005)对准。在外科手术器械被插入之后，在外科手术机器人系统的操作之前，可以将切口指示器1004’从在从单元1001的关节处的接受器移除。
220.根据本发明的一个方面，切口指示器1004’可以可移除地耦接到从单元1001的关节，例如在连杆63处，并且临床医生可以移动从单元1001的关节，并且因此，移动相邻的多个从连杆和从关节，直到切口指示器1004’的远侧尖端对准并指向患者的身体上的期望方位，例如患者的身体上的切口部位。一旦从单元1001的关节和切口指示器1004’正指向期望方位，临床医生就可以基于从单元1001的关节的对准，经由控制系统将期望方位设置为虚拟静止点1005。因此，在外科手术机器人系统的操作期间，从控制台对外科手术器械的所有移动将始终围绕虚拟静止点1005旋转，即使在主控制台处没有机械约束的情况下，如下面参考图43进一步详细描述的。以这种方式，系统的控制器确保外科手术器械不会引起远离虚拟静止点1005的平移移动，以便通过套管针进行安全外科手术。在外科手术期间，对准的连杆(例如，连杆63)优选地总是指向外科手术部位(例如，通过套管针的开口)，使得外科手术器械的移动被限制在虚拟静止点附近。
221.因此，系统的控制器可以执行指令以基于连杆63和患者的身体上的期望位置在外科手术部位处对准来设置虚拟静止点1005，使得外科手术器械的移动被限制在虚拟静止点1005附近，以在外科手术期间维持连杆63(及其纵向轴线ω5)与切口部位对准。
222.现在参考图41a和图41b，描述了外科手术机器人系统的控制系统的替代实施例。可以与系统100集成的图41a的控制系统1100包括非暂时性计算机可读介质，例如存储器1101，其上存储有指令，当由控制系统1100的处理器1102执行时，该指令允许混合远程操纵器的操作。另外，控制系统1100可以无线地或使用电缆与从单元501的标识符元件读取器517通信，使得存储器1101可以存储从标识符元件516读取的末端执行器的运动学配置的身份，使得当由处理器1102执行时，该指令使得用于以打开/关闭和俯仰自由度控制末端执行器的马达根据所选末端执行器的类型运转。控制系统1100无线地或使用电缆电耦接到主单元401的电路板，从而电耦接到一个或多个传感器410，用于接收指示施加在手柄403处的微移动的信号。另外，控制系统1100无线地或使用电缆电耦接到从单元501的电路板，从而电
耦接到第一马达601a、第二马达601b、第三马达601c和第四马达601d，以用于致动末端执行器的微移动，例如以打开/关闭、俯仰、偏航和旋前旋后自由度。
223.可以与系统800集成的图41b的控制系统1110包括非暂时性计算机可读介质，例如存储器1111，其上存储有指令，当由控制系统1110的处理器1112执行时，该指令允许混合远程操纵器的操作。另外，控制系统1110可以无线地或使用电缆与从单元1001的标识符元件读取器517通信，并且存储器1111可以存储从标识符元件516读取的末端执行器的运动学配置的身份，使得当由处理器1112执行时，该指令使得马达用于以打开/关闭和俯仰自由度控制末端执行器以根据所选末端执行器的类型运转。控制系统1110无线地或使用电缆电耦接到主单元901的电路板，从而电耦接到一个或多个传感器410，用于接收指示施加在手柄903处的微移动的信号，并且耦接到传感器902a、传感器902b、传感器902c和传感器902d，用于接收指示施加在手柄903处的宏移动的信号。另外，控制系统1110无线地或使用电缆电耦接到从单元501的电路板，从而耦接到第一马达601a、第二马达601b、第三马达601c和第四马达601d，以用于致动末端执行器的微移动，例如以打开/关闭、俯仰、偏航和旋前旋后自由度，并且耦接到第一马达1002a、第二马达1002b、第三马达1002c和第四马达1002d，以用于致动末端执行器的宏移动，例如以向内/向外、向上/向下和向左/向右自由度。
224.现在参考图42a和图42b，本发明的原理的替代应用可以应用于替代的远程操纵器设计。例如，可以将图42a中描绘的如授予beira的美国专利no.9,696,700中所述的构造的远程操纵器进行修改，使其包括手柄和平移器械接口，以便以机电方式控制末端执行器的微移动，例如打开/关闭、俯仰、偏航和旋前旋后自由度，而通过机械传动系统机械地控制末端执行器的平移宏移动，例如向上/向下、向内/向外和向左/向右自由度。远程致动的外科手术机器人系统1200包括直接机械耦接到从单元1202的主单元1201、耦接到主单元1201的手柄1203、耦接到从单元1202的平移器械接口1204以及机械约束1205。手柄1203的构造类似于图34a和图34b的手柄403，并且平移工具接口1204的构造同样类似于图35a和图35b的平移器械接口503。例如，手柄1203包括一个或多个传感器，使得施加在手柄1203处的微移动可以经由一个或多个传感器以及耦接到从单元1202的末端执行器的一个或多个马达被传输到平移器械接口1204的末端执行器，以便以打开/关闭、俯仰、偏航和旋前旋后自由度移动末端执行器。因此，由于机械约束1203，平移器械接口1204将以三个自由度(例如，向内/向外、向上/向下和向左/向右)复制施加在手柄1201处的平移宏移动。可替代地，远程致动外科手术机器人系统1200可以具有机电致动的七个自由度。
225.关于图42b，描述了替代的远程操纵器。例如，可以将如授予beira的美国专利no.2017/0245954中所述的构造的远程操纵器进行修改，使其包括手柄和平移器械接口，以便以机电方式控制末端执行器的微移动，例如打开/关闭、俯仰、偏航和旋前旋后自由度，同时通过机械传动系统机械地控制末端执行器的平移宏移动，例如向上/向下、向内/向外和向左/向右自由度。远程致动的外科手术机器人系统1210包括机械耦接到从单元1212的主单元1211、耦接到主单元1211的手柄1213、耦接到从单元1212的平移器械接口1214以及机械约束1215。手柄1213的构造类似于图34a和图34b的手柄403，并且平移工具接口1214的构造类似于图35a和图35b的平移器械接口503。例如，手柄1213包括一个或多个传感器，使得施加在手柄1213处的微移动可以经由一个或多个传感器以及耦接到从单元1212的末端执行器的一个或多个马达被传输到平移器械接口1214的末端执行器，以便以打开/关闭、俯
仰、偏航和旋前旋后自由度移动末端执行器。因此，由于机械约束1213，平移器械接口1214将以三个自由度(例如，向内/向外、向上/向下和向左/向右)复制施加在手柄1213处的平移宏移动。可替代地，远程致动的外科手术机器人系统1210可以具有七个机电致动的自由度。
226.现在参考图43，提供了根据本发明的原理构造的另一示例性主控制台。主控制台20’的构造类似于图2a的主控制台20，不同之处在于主控制台20’的主远程操纵器不包括如上所述被设计为约束多个主连杆中的至少一个主连杆的移动的机械约束。例如，主控制台20’的主远程操纵器包括基座部分，其具有套管式基座1008和1009以及基座盖1010，该套管式基座1008和1009用于调节主远程操纵器的竖直高度，并且该基座盖1010固定在套管式基座1008和1009的顶上并经由关节25可旋转地耦接到连杆26。
227.与图2a的主控制台20不同，主控制台20’的主远程操纵器包括连杆1014和连杆1016，该连杆1014经由关节1013耦接到连杆1012，并且该连杆1016经由连杆1015耦接到连杆1014并且进一步经由关节1017耦接到手柄部分1018。如图43所示，连杆1014或1016中没有一个通过连杆1012。相反，一旦虚拟静止点(例如，远程运动中心)被控制系统设置，如上面参考图40c
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图40e所描述的，由外科医生施加到主远程操纵器的移动将由从控制台的从连杆和从关节以对应方式围绕虚拟静止点进行。
228.有利地，主控制台20允许外科医生从上向下(而不是像其他外科手术机器人那样从下向上或水平地)接近手柄部分1018的手柄握把。此外，主控制台20与外科医生的臂共享相同的取向，使得主臂的基座位于外科医生的身体的侧面，而不是在主控制台20的中央支柱区域的前方。由于在该配置中主控制台20的无菌主臂定位得离地更远，因此在外科手术系统的使用期间更好地维持主控制台20的无菌。此外，这种配置减少了外科医生控制台的深度，从而节省了宝贵的手术室地面空间。
229.进一步地，如图43所示，主控制台20’可以包括主臂断裂释放按钮1019和高度调节按钮1020。例如，主臂断裂释放按钮1019的致动将允许用户重新调节多个主连杆和主关节，直到主远程操纵器处于外科医生使用的期望配置中，高度调节按钮1020的致动将允许用户经由套管式基座1008和1009调节主远程操纵器的竖直高度，例如向上或向下。
230.尽管上面描述了本发明的各种说明性实施例，但是对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的情况下，可以在其中进行各种改变和修改。所附权利要求书旨在覆盖落入本发明的真实范围内的所有此类改变和修改。