相关申请的交叉参考
本申请要求以下文献的权益，即2009年11月13日提交的标题为 “WRIST ARTICULATION BY LINKED TENSION MEMBERS”的美 国临时申请号61/260,903（代理人案号ISRG02320PROV）；2009年 11月13日提交的标题为“DOUBLE UNIVERSAL JOINT”的美国临 时申请号61/260,910（代理人案号ISRG02340PROV）；以及2009年 11月13日提交的标题为“SURGICAL TOOL WITH A TWO DEGREE OF FREEDOM WRIST”的美国临时申请号61/260,915（代理人案号 ISRG02350PROV），其全部公开包括在此以供参考。本申请涉及2009 年11月13日提交的标题为“END EFFECTOR WITH REDUNDANT CLOSING MECHANISMS”的美国临时申请号61/260,907（代理人案 号ISRG02330PROV）；以及2009年11月13日提交的标题为“MOTOR INTERFACE FOR PARALLEL DRIVE SHAFTS WITHIN AN INDEPENDENTLY ROTATING MEMBER”的美国临时申请号 61/260,919（代理人案号ISRG02360PROV），其全部公开包括在此以 供参考。
背景技术
微创手术技术针对降低诊断或手术程序期间受损的外部组织量，因 此降低患者恢复时间、不适以及有害副作用。因而，使用微创手术技术， 可显著缩短标准手术的住院平均时间长度。同样地，也可通过微创手术， 降低患者恢复时间、患者不适、手术副作用、以及离岗时间。
微创手术的通常形式为内窥镜法，并且内窥镜法的通常形式为腹腔 镜法，后者为腹腔内部的微创检查和/或手术。在标准腹腔镜手术中，向 患者的腹腔吹入气体，并且通过小（大约半英寸或更小）切口穿过套管 袖件，从而为腹腔镜器械提供进入端口。
腹腔镜手术器械通常包括内窥镜（例如，腹腔镜）和工具，前者用 于观察手术野，后者用于在手术点工作。工作工具通常类似于传统（开 放）手术中使用的那些工具，除了每个工具的工作末端或末端执行器都 通过延伸管（也称为，例如器械轴或主轴）而与其把手分离。末端执行 器能够包括，例如，夹钳、抓紧器、剪刀、吻合器、烧灼工具、直线型 切割器、或针托。
为了执行手术程序，外科医生使工作工具穿过套管袖件，到达内部 手术点，并且从腹部外操作工具。外科医生从监控器观察程序，监控器 显示内窥镜拍摄的手术点图像。类似的内窥镜技术例如用于关节镜、后 腹膜腔镜、盆腔镜、肾镜、膀胱镜、仿真内镜（cisternoscopy）、内视镜、 子宫镜、尿道镜等等。
开发微创远程手术机器人系统，从而当在内部手术点上工作时提高 外科医生的灵敏度，以及允许外科医生从远处（无菌区之外）对患者进 行手术。在远程手术系统中，通常在控制台为外科医生提供手术点的图 像。在观察适当的观察期或屏幕上的手术点的三维图像的同时，外科医 生通过操作控制台的主输入或控制装置，而对患者实施手术程序。每个 主输入装置都控制机械伺服致动/铰接手术器械的运动。在手术程序期 间，远程手术系统能够提供多种手术器械或工具的机械致动或控制。许 多远程手术工具有这样的钳夹或其他可铰接末端执行器，其为外科医生 执行各种功能，例如，响应主输入装置的操作，而支持或驱动针、抓握 血管、解剖组织等等。具有远腕部接头的工具允许外科医生在内部手术 点内定向工具，很大程度提高外科医生能够实时与组织相互作用（并且 处理）的自由度。
发现外科医生在更多种治疗中应用远程手术系统。新工具将有助于 继续该增长，并且尤其是这样的工具，诸如吻合器、直线型切割器等等 （其能够对内部组织施加有效的夹紧和其他力）。不幸地，通过已知的 工具腕部传送期望的远程手术末端执行器力具有挑战性，特别是同时保 持远程手术任务期望的工具中的响应时间、精度、灵活性和可靠性尤其 如此。
例如，已在许多不同的手术程序中使用包括直线型夹紧、切割和吻 合装置的非机器人手术工具。能够使用该工具，从而从胃肠道切除癌变 或异常组织。不幸地，许多已知的手术工具，包括已知的直线型夹紧、 切割和吻合工具，都缺乏穿过紧凑铰接腕部传递期望的扭矩（例如，组 织夹紧扭矩）或力（例如，吻合加热力）的能力，这可降低手术工具的 效力。具有轴驱动夹紧机构的可替换工具也不能提供模仿外科医生手腕 的自然运动的末端执行器的转动运动。
因为上述原因，期望提供改进的手术和/或机器人腕部结构。也期望 提供这样的改进微创手术工具，其包括模仿外科医生的自然运动的腕部 机构，而同时允许适用于远程手术控制的改进末端执行器力和响应时 间。
发明内容
提供具有两个自由度的腕部的手术工具，以及相关方法。当在微 创手术中使用时，公开的手术工具可特别有益。在许多实施例中，中 间腕部构件被枢轴耦合器械轴的远端，以便关于/绕（about）与该轴垂 直的第一轴线旋转，并且末端执行器主体被枢轴耦合至中间构件，以 便关于与第一轴线垂直的第二轴线旋转。能够使用该两个自由度的腕 部，从而以模仿外科医生腕部的自然运动的方式，铰接末端执行器主 体，因此为末端执行器主体提供期望量的机动性。在许多实施例中， 中间构件具有细长形状。细长形状允许这样的邻近区域，其自由路由 致动组件，例如，相对于器械轴铰接末端执行器主体的致动组件，以 及相对于末端执行器主体，铰接一个或更多末端执行器部件的执行器 部件（例如，控制缆索、驱动轴）。在许多实施例中，两个自由度的 腕部包括引导控制缆索的内部通道。能够配置该内部通道，从而在关 于第一和第二轴枢轴旋转期间，抑制改变控制缆索张力。
例示性实施例提供通过连接张力构件的腕部铰接。在许多实施例 中，末端执行器被通过两个自由度的接头而耦合细长轴的远端，以便 允许在内部手术空间内定向末端执行器。在例示性实施例中，张力构 件的相对运动相对于轴成角度地定向末端执行器，并且张力构件和末 端执行器之间的滑动接口表面/界面关于末端执行器的定向，而改变张 力构件的位置，从而抑制张力构件中张力的不良变化。通过抑制张力 构件中张力的该变化，当将张力构件用作连接对，例如通过共用公共 直线型驱动机构（例如，马达驱动绞盘）的相对张力构件时，就可避 免有害的控制缆索松弛和/或手术工具组件超负载。致动连接对中的张 力构件可提供末端执行器相对于轴的平滑和响应铰接。也可使用经连 接张力构件的腕部铰接而缩短轴的手术工具远端的长度，这可改善狭 小身体空间中的接触，接触身体结构的角度，以及身体结构的可见度。
也提供用于通过某一角度传递扭矩的机构、包括用于通过某一角 度传递扭矩的机构的微创手术工具。能够使用公开的机构，从而向手 术末端执行器的轴驱动致动机构传递扭矩，该末端执行器被通过两个 自由度的腕部而安装至器械轴。在许多手术应用（例如，许多微创手 术应用）中，使用包括被通过两个自由度的腕部而安装至器械轴的远 端的手术末端执行器的手术工具可有益，以便模仿外科医生的腕部的 自然运动（通常相对快）。例如，能够使用该轴驱动机构，从而铰接 末端执行器的夹紧钳夹，以便产生高夹紧力。例示性实施例能够使用 以下系统而通过微创手术工具的带角度腕部而传递足够的扭矩，该系 统为相对简单的双球状关节系统，其中将球状末端耦合在一起，从而 约束插座角度，并且其中，穿过插座的销件传递扭矩。该简单布置使 其自身例如在用于手术器械时最小化。该简单布置也可提高工具的可 靠性，该工具通过大于60度的角传递扭矩，因此允许相对于器械轴充 分再定位末端执行器。在许多实施例中，驱动轴和驱动轴的转动比充 分相对，即使该驱动轴和该驱动轴不平行也如此，这可有助于通过该 角度平稳传递扭矩。
在第一方面，提供微创手术工具。该手术工具包括：管状器械轴， 其具有近端和远端，在其之间有孔；末端执行器，其包括末端执行器 主体；中间腕部构件，其被枢轴耦合轴的远端，并且枢轴耦合末端执 行器主体；以及致动系统，其通过轴的孔在远端延伸，以便定向末端 执行器主体和致动末端执行器。器械轴具有器械轴线。相对于轴枢轴 旋转中间主体，关于/绕（about）第一轴线相对于轴定向中间构件。相 对于中间构件枢轴旋转末端执行器主体，关于第二轴线相对于中间构 件定向末端执行器主体。第一轴线垂直于轴的轴线。第二轴线垂直于 第一轴线。中间构件具有沿第一轴线的外部宽度，以及沿第二轴线的 外部长度。长度与宽度显著不同，以便中间构件具有细长横截面。一 部分致动系统与轴和末端执行器主体之间的中间构件的细长横截面横 向分离。
中间构件能够包括一个或更多另外的特性和/或特征。例如，中间 构件的宽度能够小于中间构件的长度的四分之一。第一轴线和第二轴 线能够共面，处于2mm之内。第一轴线和第二轴线能够共面。中间构 件能够包括内部通道，其用于在器械轴和末端执行器主体之间引导执 行器系统的控制缆索。
手术工具能够包括一个或更多另外的特性和/或特征。例如，手术 工具能够包括第一接头以及第二接头，前者将轴枢轴耦合至中间构件， 后者将中间构件枢轴耦合至末端执行器主体。第一接头能够包括单枢 轴（pivot shaft），其在中间构件的宽度内，沿第一轴线延伸，以便将 第一接头设置在无致动系统的横向分离部分的轴和末端执行器主体之 间的中心区域。第二接头能够包括第一和第二同轴枢轴，其被沿第二 轴线分离。中间构件能够包括内部通道，其用于在器械轴和末端执行 器主体之间，以及在第二接头的同轴枢轴之间引导致动系统的控制缆 索。手术工具能够包括支撑构件，其被固定地耦合器械轴，并且枢轴 耦合中间构件，用于关于第一轴线旋转。支撑构件能够包括内部通道， 用于引导在器械轴的孔和末端执行器主体之间路由的执行器系统的控 制缆索。引导表面能够约束控制缆索，以便关于第一和第二轴枢轴旋 转期间，抑制缆索张力变化。
致动系统能够包括一个或更多另外的特性和/或特征。例如，致动 系统的横向分离部分能够包括第一可旋转驱动轴，用于驱动末端执行 器的第一致动机构。能够将第一驱动轴路由在末端执行器主体和孔之 间，以便穿过邻近的中间构件的第一侧。致动系统的横向分离部分能 够包括第二可旋转驱动轴，其用于驱动末端执行器的第二致动机构。 能够将第二驱动轴路由在末端执行器主体和孔之间，以便邻近中间构 件的第二侧穿过，第二侧相对于第一侧。能够操作致动系统的定向部 分，从而关于第一和第二轴线，相对于器械轴变化末端执行器主体的 定向。能够反向驱动定向部分，以便被施加至末端执行器主体从而改 变其定向的力由致动系统，通过孔近端传递。末端执行器的致动能够 包括末端执行器接头的铰接。
另一方面，提供制造微创手术工具的方法。该方法包括：将中间 构件枢轴耦合至器械轴，用于关于不平行于器械轴的细长方向定向的 第一轴线旋转；将末端执行器枢轴耦合至中间构件，用于关于不平行 于第一轴线和细长方向定向的第二轴线旋转；以及耦合致动机构和末 端执行器。致动机构可操作，从而在二维改变相对于细长方向的末端 执行器的定向。至少一部分致动机构被路由在末端执行器和器械轴的 孔之间，以便穿到中间构件的至少一侧的外部，并与其分离。
在操作微创手术工具的方法中，被耦合至器械轴，并且末端执行 器与其耦合的中间构件能够包括一个或更多另外的特性和/或特征。例 如，第一轴线能够垂直于第二轴线。第一轴线和第二轴线至少其中之 一能够垂直于器械轴的细长方向。中间构件能够在第一轴线方向具有 外部宽度，并且在第二轴线方向具有最大外部长度，其比在第一轴线 方向的宽度大。中间构件能够在第一轴线方向具有最大外部宽度，其 小于外部长度的三分之一。在中间构件中能够包括内部通道，其用于 引导被路由/布置（route）在末端执行器和器械轴的孔之间的控制缆索。 引导表面能够约束控制缆索，以便在关于第一和第二轴枢轴旋转期间， 抑制控制缆索张力变化。
本方法包括进一步步骤。例如，本方法能够进一步包括通过中间 构件内部通道路由末端执行器控制缆索。本方法能够进一步包括通过 改变末端执行器相对于器械轴的定向，而反向驱动致动机构，以便被 施加至末端执行器以便改变其定向的力能够被通过致动系统，通过孔 近端传递。末端执行器的致动能够包括铰接末端执行器的接头。
另一方面，提供微创手术方法。本方法包括：经微创孔或天然孔 将工具的手术末端执行器插入内部手术点；关于第一接头，相对于工 具的轴，枢轴旋转工具的中间构件，以便相对于支撑末端执行器的工 具的轴，关于第一轴线定向中间构件；关于第二接头，相对于中间构 件，枢轴旋转末端执行器，以便相对于中间构件，关于第二轴线定向 末端执行器；以在孔和横向偏移中心接头的末端执行器之间的致动系 统组件，机械致动末端执行器。第一接头和第二接头其中之一包括中 心接头，其是设置在工具的横截面的中心部分内的位于中心的接头。 在该方法中，末端执行器的致动能够包括铰接末端执行器的接头。
另一方面，提供微创手术工具。手术工具包括细长第一链接、第 二链接、设置在第二链接上的四个附接部件、以及四个张力构件。细 长第一链接具有远端、近端、以及其中限定的第一链接轴线。第一链 接具有轴向孔。第二链接被枢轴耦合第一链接的远端，以便关于第一 轴线和第二轴线定向第二链接。第一轴线和第二轴线不平行于第一链 接轴线。第一轴线不平行于第二轴线。四个张力构件从第一链接的孔 内远端延伸至附接部件，以便张力构件的相对轴向运动相对于第一链 接，关于第一和第二轴线角度定向第二链接。张力构件和附接部件之 间的接口表面改变张力构件相对于第二链接的位置，其关联第二链接 相对于第一链接的角度定向，以便抑制张力构件的张力变化。
第一和第二轴线能够具有一个或更多另外的特征。例如，第一和 第二轴线能够不相交。第一和第二轴线能够分离各种距离，例如2mm 或更小。第一轴线能够垂直于第一链接轴线，并且第二轴线能够垂直 于第一轴线。
每个张力构件都能够与相应的附接部件相互作用，以便选择性地 约束该张力构件的运动。例如，当第二链接关于第一轴线枢轴旋转时， 每个张力构件都能够关于第一关联中心，相对于一个附接部件枢轴旋 转。当第二链接关于第二轴线枢轴旋转时，每个张力构件都能够关于 第二关联中心，相对于一个附接部件枢轴旋转。张力构件能够滑动啮 合附接部件。接口表面能够包括，具有圆柱形横截面和弯曲接口轴的 弯曲圆柱形表面、限定横截面中心的圆形横截面、以及限定曲率中心 的弯曲接口轴线。第一和第二关联中心每个都能够相应于横截面中心 或曲率中心。
附接部件能够包括弯曲部分。例如，每个附接部件都能够包括弯 曲部分。每个张力构件都能够包括附接突缘，其经配置从而滑动接收 一个弯曲部分，以便当第二链接关于第一和第二轴线其中之一枢轴旋 转时，依靠并且沿弯曲部分滑动。每个弯曲部分都能够包括中心线， 其位于垂直于第一轴线或第二轴线的平面内。每个弯曲部分都能够具 有关于其弯曲中心线的第一曲率半径，以及用于其弯曲中心线的固定 曲率中心。每个固定曲率中心都能够位于这样的平面内，其包括第一 轴线或第二轴线至少其中之一。每个弯曲部分中心线都能够与这样的 平面相切，其包括第一轴线或第二轴线至少其中之一。
附接部件能够包括附接突缘。例如，每个附接部件都能够包括附 接突缘。每个张力构件都能够包括弯曲部分，其经配置从而由一个附 接突缘所接收，以便当第二链接关于第一和第二轴线其中之一枢轴旋 转时，弯曲部分在附接突缘内滑动。每个附接突缘都能够具有连接孔 轴线，其被平行于第一轴线或第二轴线定向。每个连接孔轴线都能够 位于这样的平面内，其包括第一轴线或第二轴线至少其中之一。每个 弯曲部分都能够包括弯曲中心线，其位于垂直于第一轴线或第二轴线 的平面内。每个弯曲部分都能够具有关于其弯曲中心线的第一曲率半 径，以及用于其弯曲中心线的固定曲率中心。每个固定曲率中心都能 够位于这样的平面内，其包括第一轴线或第二轴线至少其中之一。每 个弯曲部分中心线都能够与这样的平面相切，其包括第一轴线或第二 轴线至少其中之一。
能够将对角相对张力构件配对在一起，并且共同致动。例如，当 沿第一链接轴线观察时，每个附接部件都能够被从第一和第二轴线偏 移，而当沿第一链接轴线观察时，每个附接部件都被设置在第一和第 二轴线限定的每个象限内。能够由至少一根缆索致动第一对角相对张 力构件对，该缆索从第一对角相对对的第一张力构件延伸至第一对角 相对对的第二张力构件，而该至少一根缆索被关于第一绞盘缠关于。 第一对角相对张力构件对相对于第二链接改变位置能够抑制至少一根 缆索的张力变化，如果将张力构件耦合至具有球形中心接头的附接部 件时，将施加该变化。能够由至少一根缆索致动第二对角相对张力构 件对，该缆索从第二对角相对对的第一张力构件延伸至第二对角相对 对的第二张力构件，而该至少一根缆索被关于第二绞盘缠关于。第二 对角相对张力构件对相对于第二链接改变位置能够抑制至少一根缆索 的张力变化，如果将张力构件耦合至具有球形中心接头的附接部件时， 将施加该变化。第一对角相对张力构件对与第二对角相对张力构件对 不同，并且第二绞盘与第一绞盘不同。
另一方面，提供手术工具。该手术工具包括细长第一链接、多个 控制缆索、第二链接、以及多个接口总成。细长第一链接具有远端、 近端、以及其中限定的第一链接轴。第一链接具有轴向孔。多个控制 缆索在第一链接的孔内，从邻近第一链接的近端设置的控制缆索致动 总成向远端延伸。第二链接被枢轴耦合第一链接的远端，以便关于第 一轴线和第二轴线定向第二链接。第一和第二轴线不平行于第一链接 轴线。第一轴线不平行于第二轴线。每个接口总成都耦合具有第二链 接的一个控制缆索，以便控制缆索的轴向运动相对于第一链接，关于 第一和第二轴线角度定向第二链接。一个界面总成包括一段长度弯曲 部分以及附接突缘，后者具有附接突缘孔，其按尺寸形成，从而滑动 接收弯曲部分。当第二链接关于第一轴线旋转时，附接突缘关于弯曲 部分旋转，并且当第二链接关于第二轴线旋转时，附接突缘依靠并且 沿弯曲部分滑动。
在许多实施例中，多个控制缆索包括四个控制缆索。每个接口总 成都包括一段长度弯曲部分以及附接突缘，后者具有附接突缘孔，其 按尺寸形成，从而滑动接收弯曲部分，以便当第二链接关于第一轴线 旋转时，附接突缘关于弯曲部分旋转，并且当第二链接关于第二轴线 旋转时，附接突缘依靠并且沿弯曲部分滑动。
另一方面，提供制造手术工具的方法。本方法包括：将第二链接 枢轴耦合至第一链接，从而关于被不平行于第一链接的细长方向定向 的第一轴线旋转，并且关于不平行于第一链接的细长方向以及第一轴 线两者定向的第二轴线旋转；将张力构件耦合设置在第二链接上的每 个四个附接部件；以及耦合每个张力构件和致动构件，从而通过致动 张力构件，可操作地控制第二链接相对于第一链接在二维中的角度定 向。当沿第一链接的细长方向观察时，每个附接部件都偏移第一和第 二轴线。当沿第一链接的细长方向观察时，一个附接部件被设置在由 第一和第二轴线限定的每个象限内。每个张力构件都从第一链接的孔 内部向远端延伸至第二链接的一个附接部件，以便张力构件的轴向运 动相对于第一链接，关于轴定向第二链接。张力构件和附接部件之间 的接口表面改变张力构件相对于第二链接的位置，其关联第二链接相 对于第一链接的角度定向，以便抑制张力构件的张力变化。
将每个张力构件耦合致动机构能够包括另外的步骤，例如，耦合 张力构件的第一张力构件和第一控制缆索。能够将张力构件的第二张 力构件耦合第二控制缆索，其中，第二张力构件与第一张力构件对角 相对。第一和第二控制缆索能够被耦合致动机构的第一绞盘。张力构 件的第三张力构件能够被耦合第三控制缆索。张力构件的第四张力构 件能够被耦合第四控制缆索，其中，第四张力构件与第三张力构件对 角相对。第三和第四控制缆索能够被耦合致动机构的第二绞盘。
另一方面，提供手术器械。该手术器械包括：第一链接；第二链 接，其包括附接部件；接头，其耦合第一和第二链接；以及张力构件， 其包括附接突缘。附接部件包括弯曲部分。接头关于第一平面内限定 的第一轴线，以及关于第二平面内限定的第二轴线旋转。第一和第二 平面彼此平行并且偏移。附接突缘被耦合至附接部件。当张力构件关 于第一轴线旋转接头时，附接突缘关于弯曲部分转动。当致动构件关 于第二轴线旋转接头时，附接突缘依靠并且沿弯曲部分滑动。
另一方面，提供通过某一角度传递扭矩的机构。该机构包括：耦 合构件，其包括第一端和第二端，两者之间限定耦合轴线；耦合销件； 驱动轴，其具有驱动轴线和远端；以及从动轴，其具有近端和从动轴 线。耦合构件的第一端包括插座。耦合销件穿过该插座延伸。在插座 中接收驱动轴远端。驱动轴远端包括狭槽，其贯穿轴线和驱动轴线之 间的角度范围，接收耦合销件，以便驱动轴的转动通过该耦合销件产 生耦合构件的转动。从动轴的近端被耦合该耦合构件的第二端，以便 耦合构件关于耦合轴线的旋转产生从动轴关于从动轴线的旋转。驱动 轴被耦合至从动轴，以便在轴的旋转期间，当驱动轴线和从动轴线之 间的角度变化时，保持驱动轴线和耦合轴线之间，以及从动轴线和耦 合轴线之间的相应角度。
用于通过某一角度传递扭矩的机构能够包括一个或更多另外的特 性和/或能够具有一个或更多另外的特征。例如，机构能够包括插销， 从而耦合驱动轴和耦合销件。能够将插销垂直于耦合销件定向并安装， 用于相对于驱动轴旋转。驱动轴远端的外部表面能够包括球形表面。 驱动轴的外部表面能够与耦合构件的插座接口（interface with），以便 在驱动轴和插座之间球形枢轴旋转期间，相对彼此轴向约束驱动轴和 插座。插座能够包括球形表面，其与驱动轴球形表面接口。驱动轴远 端能够包括一组球形齿轮齿，并且从动轴近端能够包括一组球形齿轮 齿，其与驱动轴齿轮齿接口，从而保持驱动轴线和耦合轴线之间、以 及从动轴线和耦合轴线之间的基本相等角度。在许多实施例中，驱动 轴和驱动轴齿轮齿或从动轴和从动轴齿轮齿至少一个整体形成。在许 多实施例中，可操作该机构，从而通过超过60度的角度传递扭矩。
另一方面，提供通过某一角度传递扭矩的机构。该机构包括：驱 动轴，其具有远端和驱动轴线；从动轴，其具有近端和从动轴线；以 及耦合构件，其被耦合至每个驱动轴远端和从动轴近端，以便驱动轴 关于驱动轴线的旋转产生从动轴关于从动轴线的旋转。驱动轴远端或 从动轴近端至少一个包括突出。耦合构件包括管状结构，其限定驱动 插座和从动插座，以及两者之间限定的耦合轴线。驱动插座或从动插 座至少一个包括狭槽，其经配置从而接收该至少一个突出，并且适应 该至少一个突出穿越驱动轴和从动轴之间的角度范围。突出与狭槽相 互作用，以便在驱动轴和从动轴之间传递转动运动。驱动轴远端啮合 从动轴近端，以便在轴的旋转期间，当驱动轴线和从动轴线之间的角 度变化时，保持驱动轴线和耦合轴线之间，以及从动轴线和耦合轴线 之间的相应角度。在许多实施例中，可操作该机构，从而通过超过60 度的角度传递扭矩。
在许多实施例中，驱动轴和从动轴连接耦合构件，以便相对于耦 合构件，约束驱动轴和从动轴。例如，每个驱动轴远端和从动轴近端 都能够包括外表面，其分别与驱动插座和从动插座连接，以便对于每 个轴，都沿轴的轴线和沿耦合轴线轴向固定轴的轴线和耦合轴线之间 限定的交叉点。驱动轴远端和从动轴近端的外表面能够包括球形表面。 驱动插座和从动插座能够包括球形表面。
在许多实施例中，驱动轴远端和从动轴近端包括接口连接齿轮齿。 例如，驱动轴远端能够包括关于驱动轴线延伸的驱动轴齿轮齿表面， 从动轴近端能够包括关于从动轴延伸的从动轴齿轮齿表面，并且驱动 轴齿轮齿表面能够啮合从动齿轮齿表面，以便保持角度之间对应。在 许多实施例中，驱动轴和驱动轴齿轮齿表面或从动轴和从动轴齿轮齿 表面至少一个整体形成。在许多实施例中，驱动轴齿轮齿表面由从驱 动轴线径向延伸的驱动轴齿轮齿轮廓限定，而从动轴齿轮齿表面由从 从动轴线径向延伸的从动轴齿轮齿轮廓限定，并且，驱动轴齿轮齿表 面啮合从动轴齿轮齿表面，以便在驱动/耦合器角度和从动/耦合器角度 之间保持基本相等。在许多实施例中，驱动轴齿轮齿表面包括外卷表 面，其由关于驱动轴线旋转驱动轴齿轮齿轮廓限定，并且，从动轴齿 轮齿表面包括外卷表面，其由关于从动轴线旋转从动轴齿轮齿轮廓限 定。
另一方面，提供微创手术工具。该手术工具包括：器械轴；驱动 轴，其具有远端和驱动轴线；从动轴，其具有近端和从动轴线；耦合 构件，其耦合驱动轴和从动轴，以便当驱动轴线和从动轴线不平行时， 驱动和从动轴的旋转速度基本相等；以及末端执行器，其被耦合器械 轴，以便能够在二维中，相对于器械轴改变末端执行器的定向。安装 驱动轴，用于在器械轴内旋转。末端执行器包括铰接部件，其被耦合 从动轴，以便从动轴关于从动轴线的旋转产生该部件的铰接。
在许多实施例中，驱动轴被轴线和可旋转地耦合该耦合构件，并 且从动轴被轴线和可旋转地耦合该耦合构件，并且驱动轴啮合从动轴。 例如，耦合构件能够包括第一末端和第二末端，以及其中限定的耦合 轴线，并且驱动轴远端能够轴向和可旋转地耦合该耦合构件第一末端， 以便驱动轴关于该驱动轴线的旋转产生耦合构件关于耦合轴线的旋 转。从动轴近端能够轴向和可旋转地耦合该耦合构件第二末端，以便 耦合构件关于耦合轴线的旋转产生从动轴关于从动轴线的旋转。驱动 轴远端能够啮合从动轴近端，以便在轴旋转期间，当驱动轴线和从动 轴线之间的角度变化时，在驱动轴线和从动轴线之间，以及从动轴线 和耦合轴线之间保持相应的角度。驱动轴远端能够包括球形齿轮齿， 并且从动轴近端能够包括球形齿轮齿，其啮合驱动轴齿轮齿。在许多 实施例中，驱动轴和驱动轴齿轮齿或从动轴和从动轴齿轮齿至少一个 整体形成。
在许多实施例中，工具进一步包括耦合销件，其耦合该耦合构件 和驱动轴，以便在驱动轴和耦合构件之间传递转动运动。例如，工具 能够进一步包括：耦合构件第一末端插座；耦合销件，其穿过插座； 驱动轴远端外表面，其与插座接口/连接（interface with）；以及驱动轴 远端狭槽，其在耦合轴线和驱动轴线的角度范围内接收耦合销件。耦 合销件和狭槽之间的相互作用能够耦合驱动轴和耦合构件，以便驱动 轴的旋转产生耦合构件的旋转。机构能够进一步包括插销，从而耦合 驱动轴和耦合销件。能够垂直于耦合销件定向并且安装插销，用于相 对于驱动轴旋转。
在许多实施例中，驱动轴远端或从动轴近端至少一个包括突出。 耦合构件能够包括管状结构，其沿耦合轴线限定驱动插座和从动插座， 并且驱动插座或从动插座至少一个能够包括狭槽，其经配置从而接收 突出，并且容纳突出穿过驱动轴线和从动轴线之间的角度范围。突出 能够与狭槽相互作用，以便在驱动轴或从动轴至少一个和耦合构件之 间传递转动运动。
为了更完整地理解本发明的性质和优点，应参考以下详细说明和 附图。通过下文的附图和详细说明，应明白本发明的其他方面、目标 和优点。
附图说明
图1示出依照许多实施例的，用于执行手术的微创机器人手术系 统的平面图。
图2示出依照许多实施例的，用于机器人手术系统的外科医生控 制台的透视图。
图3示出依照许多实施例的，机器人手术系统电子手推车的透视 图。
图4示出依照许多实施例的，机器人手术系统的简化图。
图5a示出依照许多实施例的，机器人手术系统的患者侧手推车 （手术机器人）的前视图。
图5b示出机器人手术工具的前视图。
图6示出依照许多实施例的，耦合末端执行器主体和器械轴的两 个自由度腕部的透视图。
图7示出依照许多实施例的，图6的两个自由度腕部的透视图， 其示出腕部的中间构件以及腕部的支撑构件之间、以及中间构件和末 端执行器主体之间的旋转自由度。
图8a示出依照许多实施例的，支撑构件索引导表面和中间构件索 引导表面的简化图。
图8b示出依照许多实施例的，中间构件索引导表面的简化图。
图9示出依照许多实施例的，图6和图7的支撑构件的端视图， 其示出用于引导控制缆索的内部通道的进口。
图10示出依照许多实施例的，图6和图7的两个自由度腕部的透 视图，其示出邻近两个自由度腕部的相对侧，路由致动系统组件，以 及通过两个自由度腕部路由控制缆索。
图11a示出依照许多实施例的，限制图6和图7的两个自由度腕 部的中间构件和支撑构件之间的硬接触的角度定向。
图11b示出依照许多实施例的，限制图6和图7的两个自由度腕 部的中间构件和末端执行器主体之间的硬接触的角度定向。
图12示出依照许多实施例的，手术总成的简化图。
图13a示出依照许多实施例的，手术工具的简化图，其具有通过 两个自由度的接头而被耦合第一链接的第二链接，第二链接包括弯曲 部分附接部件，其被耦合至链接张力构件，观察方向平行于两个自由 度接头的第二轴线。
图13b概略示出依照许多实施例的附接部件，其具有弯曲部分， 以及用于其正常中心线的固定曲率中心。
图13c示出图13b的A-A截面。
图13d示出依照许多实施例的，图13a的手术工具的简化视图， 其示出第二链接关于第二轴线旋转。
图13e示出依照许多实施例的，图13a和图13d的手术工具的简 化视图，观察方向平行于两个自由度接头的第一轴线。
图13f示出依照许多实施例的，图13a、图13d和图13e的手术工 具的简化视图，其示出第二链接关于第一轴线旋转。
图13g示出依照许多实施例的，手术工具的透视图，其具有被通 过两个自由度接头而耦合第一链接的第二链接，第二链接包括弯曲部 分附接部件，其耦合链接张力构件。
图13h示出依照许多实施例的，图13g的手术工具的侧视图，其 示出关于两个自由度接头的第一轴线，60度定向第二链接。
图13i示出依照许多实施例的，图13g和图13h的手术工具的侧 视图，其示出关于两个自由度接头的第二轴线，30度定向第二链接。
图14a示出依照许多实施例的，手术工具的简化图，其具有通过 两个自由度的接头而被耦合第一链接的第二链接，第二链接包括附接 突缘，其被耦合具有弯曲部分末端的链接张力构件，观察方向平行于 两个自由度接头的第二轴线。
图14b示出依照许多实施例的，图14a的手术工具的简化概略视 图，其示出第二链接被关于第二轴线旋转。
图14c示出依照许多实施例的，图14a和图14b的手术工具的简 化概略视图，观察方向平行于两个自由度接头的第一轴线。
图14d示出依照许多实施例的，图14a、图14b和图14c的手术 工具的简化概略视图，其示出第二链接被关于第一轴线旋转。
图14e示出依照许多实施例的，手术工具的透视图，其具有被通 过两个自由度接头而耦合第一链接的第二链接，第二链接包括附接突 缘，其耦合具有弯曲部分末端的链接张力构件。
图15示出依照许多实施例的，制造手术工具的方法的简化流程 图。
图16示出依照许多实施例的，手术总成的简化概略视图。
图17示出依照许多实施例的，工具总成的简化概略视图，其具有 通过某一角度传递扭矩的机构。
图18示出依照许多实施例的，机构的侧视图，其用于在驱动轴和 从动轴之间，在内嵌构造中通过某一角度传递扭矩。
图19a示出依照许多实施例的，图18的机构的横截面图，其示出 对于内嵌构造，驱动轴啮合球形齿轮齿和从动轴之间的啮合。
图19b示出依照许多实施例的，图18和图19a的机构的横截面图， 其示出对于成角构造，驱动轴啮合球形齿轮齿和从动轴之间的啮合。
图19c示出依照许多实施例的，替换轴间角约束构造。
图19d示出依照许多实施例的，图18、图19a和图19b的机构的 横截面图，其示出接收驱动轴和从动轴中横向狭槽的销件构造。
图20示出图18、图19a、图19b和图19d的驱动和从动轴的透视 图分类。
图21a示出依照许多实施例的，图18、图19a、图19b和图19c 的机构，沿垂直于耦合销件的观察方向的侧视图。
图21b示出依照许多实施例的，图18、图19a、图19b、图19c 和图21a的机构，沿平行于耦合销件的观察方向的侧视图。
图22a示出依照许多实施例的，驱动和从动轴的透视图，其具有 经配置从而提供轴间角约束的多行球形齿轮齿。
图22b示出图22a的驱动和从动轴的横截面/透视图，其示出齿轮 齿横截面以及齿轮齿的球形布置。
图23a示出依照许多实施例的，机构的侧视图，其用于通过具有 双插销设计的角传递扭矩。
图23b示出图23a的机构的侧视图，其无耦合元件。
图23c示出图23a和图23b的机构的横截面图。
图23d示出图23a、图23b和图23c的驱动和从动轴的透视图， 其示出接收每个驱动和从动轴中孔的插销。
图23e示出图23a、图23b、图23c和图23d的驱动和从动轴的透 视图，其示出接收每个驱动和从动轴中横向狭槽的销件构造。
图24a示出依照许多实施例的，机构的简化概略图，其用于通过 某一角度传递扭矩，其中，与狭槽相互作用的突出在驱动轴和耦合构 件之间，以及在耦合构件和从动轴之间传递转动运动。
图24b示出依照许多实施例的，沿平行于突出的观察方向的图24a 的机构视图。
图24c示出依照许多实施例的，沿垂直于突出的观察方向的图24a 和图24b的机构视图，其示出两块耦合构件的细节。
图24d示出依照许多实施例的，处于成角构造中的图24a、图24b 和图24c的机构。
图25a和图25b示出依照许多实施例的，机构的简化概略视图， 其用于通过某一角度传递扭矩，其中，改进U接头耦合构件在驱动轴 和耦合构件之间，以及耦合构件和从动轴之间传递转动运动。
图26示出依照许多实施例的紧凑腕部设计，其具有两个自由度的 腕部，后者由链接张力构件铰接，以及双通用接头，从而穿过腕部通 过某一角度传递扭矩。
具体实施方式
在以下说明中，将描述本发明的许多实施例。为了解释的目的， 为了提供实施例的完全理解，提出特定构造和细节。然而，本领域技 术人员也应明白，可不通过指定细节实践本发明。此外，为了不模糊 所描述的实施例，可省略或简化广为人知的特征。
提供具有两个自由度腕部机构的手术工具以及相关方法。在许多 实施例中，两个自由度腕部包括细长中间腕部构件，其被枢轴耦合器 械轴的远端和末端执行器两者。中间构件能够被耦合器械轴，从而关 于垂直于器械轴的细长方向的第一轴线旋转。末端执行器主体能够被 枢轴耦合中间构件，以便关于垂直于第一轴线的第二轴线旋转。能够 使用以下方法而在二维相对于器械轴重定向末端执行器主体，即相对 于器械轴关于第一轴线枢轴旋转中间构件，结合相对于中间构件关于 第二轴线枢轴旋转末端执行器主体。能够使用在二维重定向末端执行 器的能力，从而模仿外科医生的自然动作，因此为末端执行器主体提 供期望量的机动性。
在许多实施例中，将两个自由度的腕部有利地集成在微创手术工 具内。例如，中间腕部构件能够具有这样的长度，其大概等于器械轴 的直径，以及这样的宽度，其充分小于该长度，例如，宽度小于长度 的三分之一；宽度常常小于长度的一半，并且在一些情况下，宽度小 于长度的四分之一。在许多实施例中，使用位于中心的枢轴，其提供 中间构件这样的旋转，其相对于轴或末端执行器主体，关于垂直于中 间主体的细长方向定向的轴，并且使用两个同轴位于外围的枢轴，其 提供中间构件这样的旋转，其相对于轴或末端执行器主体，关于平行 于中间主体的细长方向定向的轴。中间构件的尺寸以及结果运动提供 这样的邻近区域，其对不知末端执行器铰接和致动组件开放。有利地， 能够路由铰接组件，以便与第一和第二轴线间隔隔开，而同时处于微 创工具的横截面内，因此允许使用轴向力铰接组件，例如，张力铰接 组件。例示性实施例可使用缆索和旋转驱动轴两者，其偏移中间腕部 构件，而工具（包括，铰接组件，末端执行器，以及腕部接头系统） 的外径将优选小于1英寸，并且常常为大约半英寸。中间腕部构件能 够包括路由提供引导部件，从而通过中间腕部构件路由一个或更多控 制缆索。能够配置腕部，从而穿过腕部传递滚转轴线扭矩（例如，0.33 Nm）。能够使腕部配置有硬制动器，从而限制器械的运动范围，从而 保护其他组件不受由于角超程引起的损害。腕部能够具有紧凑长度， 而倾斜轴线和偏航轴线可被调整低至零偏移。
在许多实施例中，两个自由度的腕部能够包括引导控制缆索的内 部通道。能够配置内部通道，从而在关于第一和第二轴枢轴旋转期间， 抑制控制缆索张力变化。
也提供具有通过链接张力构件腕部铰接的改进手术和/或机器人腕 部结构。在许多实施例中，使用链接张力构件，从而铰接第二链接， 后者被通过两个自由度的接头而耦合第一链接。能够通过被设置在第 二链接上的附接部件，而耦合链接张力构件和第二链接。能够选择两 个自由度腕部、链接张力构件、以及附接部件的外形，以便张力构件 的相对轴向运动相对于第一链接角度定向第二链接，以便抑制张力构 件中的张力变化。在许多实施例中，配对对角相对张力构件，并且由 致动机构对其致动。例如，能够将对角相对张力构件耦合至少一个控 制缆索，并且能够由马达驱动绞盘致动该至少一个控制缆索。
可有利地在这样的手术工具中使用经链接张力构件的公开腕部铰 接，该手术工具具有第二链接，其被通过两个自由度的接头而耦合细 长第一链接。当在微创手术工具中使用时，公开的腕部铰接可特别有 利。期望可靠并且具有平稳运行特征的微创手术工具。通过抑制链接 张力构件的张力变化，可避免工具组件的有害控制缆索松弛和/或超负 载。通过直线驱动机构，例如马达驱动绞盘致动链接张力构件，可提 供平稳运行特征。公开的腕部铰接也使得第一链接远端具有较短长度 的手术工具成为可能，这提高狭窄身体空间的接触、接触身体结构的 角度、以及身体结构的可见性。通过避免在腕部中使用铰合索，公开 的腕部铰接也可提供较高寿命。可使用公开的腕部铰接，从而提供60 度的腕部铰接角度。公开的腕部铰接也能够使用小直径（例如，皮下） 管，其特别有利于可被轻易附接至马达驱动绞盘驱动的柔性索。
在许多实施例中，具有经链接张力构件腕部铰接的微创手术工具 能够包括第二链接，通过两个自由度的接头将其枢轴安装至第一链接。 接头能够具有第一旋转轴线，其垂直于第一链接，以及第二旋转轴线， 其垂直于第一旋转轴线。第二链接能够耦合四个链接张力构件，以便 相对于第一链接铰接第二链接。能够通过以下方法，将四个张力构件 与两个自由度接头的两个轴线间隔隔开，即在两个轴线限定的四个象 限内、而仍处于微创工具的横截面内定位一个张力构件。在例示性例 子中，工具（包括链接张力构件，其他末端执行器致动组件，诸如控 制缆索和驱动轴，末端执行器，以及腕部接头系统）的外径将优选小 于1英寸，并且通常大约为半英寸。
也提供通过某一角度传递扭矩的机构，包括通过某一角度传递扭 矩的机构的微创手术工具，以及相关的方法。该机构具有相对简单的 设计，这可通过降低可能故障点的数目，提高机构的可靠性。例如， 在许多实施例中，与现有机构相比，通过某一角度传递扭矩的机构可 具有较少零件数。
公开的机构可用于角度范围的扭矩平稳传递。在许多实施例中， 可操作通过某一角度传递扭矩的机构，从而通过超过60度的角度传递 扭矩。在许多实施例中，输出轴（例如，从动轴）的旋转速度充分等 于输入轴（例如，驱动轴）的旋转速度，及时输入和输出轴不平行也 是如此，这可通过避免关联非相等旋转速度产生的振动力，而提供通 过某一角度的平稳扭矩传递。机构（包括轴、末端执行器和接头系统） 的外径将优选小于1英寸，常常小于1/2英寸，并且理想地不超过8mm （或者在一些情况下，不超过5mm）。为了允许将多个轴驱动系统固 定在单腕部内，在此描述的驱动轴、从动轴以及机构的耦合器将优选 处于不超过5mm的直径内，并且理想地处于不超过3mm的直径内。 穿过接头传递的扭矩将通常超过0.2Nm，并且理想地超过0.3Nm。为 了在期望的时间内由末端执行器产生期望的工作量，轴和接头系统将 通常可以至少100rpm的速度旋转，并且理想地至少为几千rpm。当以 最大扭矩和腕部角度驱动时，接头将优选具有至少几分钟的操作寿命， 并且理想地为至少几个小时。除了轴自身，对从动轴接头总成的例示 性驱动轴包括少于10个单独制作和/或加工的零件，并且在许多实施例 中，仅为3个独制作和/或加工的零件。
能够使用可用到的材料制作所公开机构的组件。在许多实施例中， 驱动轴、从动轴以及耦合器能够由，例如状态H950的465不锈钢制作。 驱动和从动轴末端能够被集成至该轴。插销能够由例如，30%冷加工的 Nitronic 60不锈钢制作。
当用作部分微创手术工具时，公开的机构可特别有益。如上所述， 通常通过套管袖件，将微创手术工具引入患者体内，该套管袖件约束 工具的直径。所公开机构的相对简单设计能够按尺寸形成，用于在微 创手术工具内使用。相对简单的设计也可降低可能的故障点，该降低 可增加微创手术工具的可靠性。配置公开的机构，从而通过超过60度 角传递扭矩的能力，使得能够在末端执行器和微创手术工具的器械轴 之间使用相对大量的铰接。通过避免可由产生振动运动和/或力引起的 对患者和/或手术工具的损害，通过使用相等转动速度，经某一角度平 稳传递扭矩的公开的能力也可有益。
现在依照许多实施例参考附图，其中，贯穿几幅图，相同的标识 号代表相同的零件。图1至图5b示出微创机器人手术系统的方面，图 6至图12示出两个自由度的腕部的方面，图13a至图16示出经链接张 力构件的腕部铰接的方面，以及图17至图25b示出用于通过某一角度 传递扭矩的机构的方面。应明白，能够单独或结合利用以上部件。例 如，图10、13g、13h、13i以及26示出具有两个自由度腕部的紧凑腕 部设计，其由在此公开的链接张力构件铰接，以及使用双通用接头， 从而穿过两个自由度腕部，经某一角度传递扭矩。
微创机器人手术
图1示出微创机器人手术（MIRS）系统100的平面图，其通常用 于在躺在手术台14上的患者12身上执行微创检查或手术程序。该系 统能够包括外科医生控制台16，其用于外科医生18在手术期间使用。 一个或更多助手20也可参与该程序。MIRS系统10能够进一步包括患 者侧手推车22（手术机器人）、以及电子手推车24。患者侧手推车22 能够通过患者12身体上的微创切口，操作至少一个可拆装耦合工具总 成26（下文中仅称为“工具”），同时，外科医生18通过控制台16 观察手术点。能够通过内窥镜28，例如立体内窥镜获得手术点的图像， 能够由患者侧手推车22操作内窥镜，以便定向内窥镜28。电子手推车 24能够被用于处理手术点的图像，用于继而通过外科医生控制台16向 外科医生18显示。一次使用的手术工具26的数目将通常取决于诊断 或手术程序以及手术室内的空间约束，以及其他因素。如果需要在程 序期间更换正在使用的一个或更多工具26，助手20就可将工具26从 患者侧手推车22移走，并且以来自手术室内的盘子30的另一工具26 将其替换。
图2示出外科医生控制台16的透视图。外科医生控制台16包括 左眼显示器32和右眼显示器34，用于向外科医生18呈现能够深度知 觉的手术点的调整立体图。控制台16进一步包括一个或更多输入控制 装置36，其依次引起患者侧手推车22（图1示出）操作一个或更多工 具。输入控制装置36将提供与其关联的工具26（图1示出）相同的自 由度，以便向外科医生提供输入装置36和工具26集成的远程呈现或 知觉，以便外科医生有直接控制工具26的强烈感觉。为了该目的，可 使用位置、力和触觉反馈传感器（未示出），从而通过输入控制装置 36，将来自工具26的位置、力和触觉感觉反馈给外科医生的手。
外科医生控制台16通常与患者位于相同的房间内，以便外科医生 可直接监控程序，视需要身体出现，或者直接对助手说话，而非通过 电话或其他通信媒体说话。然而，外科医生能够位于允许远程手术程 序（即，在无菌区外操作）的与患者不同的房间、完全不同的建筑、 或其他远程位置。
图3示出电子手推车24的透视图。电子手推车24能够被耦合内 窥镜28，并且能够包括处理器，从而处理经捕捉图像，用于后继显示 给例如外科医生控制台上的外科医生，或在位于本地和/或远程的任何 其他适当的显示器上显示。例如，使用立体内窥镜的情况下，电子手 推车24能够处理经捕捉的图像，以便向外科医生呈现手术点的经调整 立体图。该调整能够包括相对图像的一致，并且能够包括调整立体内 窥镜的立体工作距离。作为另一个例子，图像处理能够包括使用预定 相机校准参数，以便补偿图像捕捉装置的成像误差，例如光学像差。
图4概略示出机器人手术系统50（例如图1的MIRS系统10）。 如上所述，能够由外科医生使用外科医生控制台52（例如图1中的外 科医生控制台16），从而在微创程序期间，控制患者侧手推车（手术 机器人）54（例如图1中的患者侧手推车22）。患者侧手推车54能够 使用成像装置，例如立体内窥镜，从而捕捉手术点的图像，并且向电 子手推车56（例如图1中的电子手推车24）输出该捕捉图像。如上所 述，电子手推车56能够在任何后续显示之前，以多种方式处理捕捉图 像。例如，在通过外科医生控制台52向外科医生显示组合图像之前， 电子手推车56能够以虚拟控制界面覆盖捕捉图像。患者侧手推车54 能够输出捕捉图像，用于在电子手推车56外部处理。例如，患者侧手 推车54能够将捕捉图像输出到处理器58，后者能够用于处理捕捉图像。 也能够由电子手推车56和处理器58的组合处理该图像，能够将电子 手推车56和处理器58耦合在一起，以便共同、继续、和/或其组合地 处理捕捉图像。一个或更多独立显示器60也能够耦合处理器58和/或 电子手推车56，用于本地和/或远程显示图像，例如手术点的图像，或 任何其他相关图像。
图5a和图5b分别示出患者侧手推车22和手术工具62。手术工具 62为手术工具26的例子。示出患者侧手推车22用于操作三个手术工 具26和成像装置28，例如用于捕捉手术点图像的立体内窥镜。由具有 许多机器人接头的机器人机构提供该操作。能够通过患者身体上的切 口定位和操作成像装置28和手术工具26，以便最小化切口尺寸。手术 点图像能够包括手术工具26的远端图像，当后者被定位在成像装置28 的视野内时如此。
两个自由度的腕部
图6示出依照实施例的，耦合末端执行器主体72与器械轴74的 两个自由度腕部70的透视图。腕部70包括支撑构件76、第一铰链点 78、中间构件80、第二铰链点82、以及第三铰链点84。支撑构件76 被通过四个附接部件86（例如，机械紧固件）固定地安装至器械轴74， 以便如图所示，被定位在器械轴74的孔内。中间部件80被枢轴耦合 支撑构件76，用于通过位于中心的第一铰链点78而关于第一轴线88 旋转。末端执行器主体72被枢轴耦合中间构件80，用于通过位于外围 的第二铰链点82，以及位于外围的第三铰链点84而关于第二轴线90 旋转。第二铰链点82以及第三铰链点84同轴并且与第二轴线90对齐。 第二轴线90与中间构件一起关于第一轴线88枢轴旋转。
能够定位第一轴线88和第二轴线90，以便向紧凑两个自由度腕部 提供期望的运动和/或空间特征。例如，第一轴线88和第二轴线90能 够共面，并且因此向紧凑腕部构件提供球窝接头状运动。在许多实施 例中，第一轴线88和第二轴线90被沿器械轴74的细长方向以期望距 离分离。能够使用该分离，从而近似和/或匹配腕部机构的运动和致动 系统组件的运动，其用于通过两个自由度的腕部相对于器械轴74定向 末端执行器主体72。在许多实施例中，第一轴线88和第二轴线90被 沿器械轴74的细长方向以期望距离分离，以便向两个自由度腕部提供 紧凑度和运动的期望组合，其近似匹配致动系统组件的运动，后者用 于相对于器械轴74定向末端执行器主体72。如果第一轴线88和第二 轴线90之间分离4mm将匹配使用的致动系统定向组件的运动，就能 够将两个自由度腕部配置更小的分离（例如，2mm），以便提供更紧 凑的腕部。在许多实施例中，能够使用该分离距离折衷，而不由使用 的致动系统定向组件运动的不精确匹配而引起任何显著的有害操作特 征。能够定向第一轴线88和第二轴线90，从而向紧凑两个自由度腕部 提供期望的空间特征。例如，能够分离第一轴线88和第二轴线90，从 而向致动系统组件和相关的附接部件提供另外的空间。
支撑构架76在器械轴74和第一铰链点78之间提供过渡总成。支 撑构件76包括矩形主部分92和悬臂远端部分100。矩形主部分92具 有小于器械轴孔内部直径的厚度，这提供/留下孔的两个邻近区域，用 于路由铰接和/或致动组件（未示出）。支撑构件主部分92包括两个内 部通道94，其能够用于引导路由在器械轴孔内的末端执行器控制缆索。 将中间通道94路由在主部分92的近端96和主部分92的远端98之间， 并且将其大致与器械轴74的细长方向对齐。如下文将进一步讨论，在 许多实施例中，配置内部通道94，从而结合中间构件的索引导表面工 作，从而通过保持控制缆索路径长度不变，抑制关于第一和第二轴线 枢轴旋转期间的控制缆索张力变化。悬臂远端部分100具有附接突缘， 其接收第一铰链点78的单枢轴。使用单枢轴仅为例示性的，并且能够 使用其他枢轴接头组件代替第一铰链点78，例如能够使用在相同轴线 上对齐的两个枢轴销件。能够配置支撑构件76，从而在相对于器械轴 74和末端执行器主体72的期望位置放置第一铰链点78（并且因此， 第一轴线88），例如，从而在末端执行器主体72和器械轴74之间提 供净空，其为相对于器械轴74，期望范围重定向末端执行器72所需。
中间构件80提供第一铰链点78、第二铰链点82、以及第三铰链 点84之间的过渡总成。中间构件80包括细长矩形主部分，其具有小 于器械轴孔内部直径的厚度（例如，类似于主部分92的厚度），这提 供孔的两个邻近区域，用于路由铰接和/或致动组件（未示出）。中间 构件80包括中心狭槽102，其经配置，从而接收支撑构件远端部分100 的附接突缘。配置中心狭槽102，从而贯穿关于第一轴线88的一系列 中间构件80的转动，都适应远端部分100的附接突缘。也能够配置中 心狭槽102，从而适应通过支撑构件内部通道94传送的末端执行器控 制缆索（未示出）。中心狭槽102也能够包括表面，其经配置从而引 导末端执行器控制缆索。如以下将进一步讨论，在许多实施例中，配 置中心狭槽索引导表面，从而通过充分保持控制缆索路径长度不变， 在关于第一和第二轴线枢轴旋转期间，抑制控制缆索张力变化。在许 多实施例中，中心狭槽索引导表面与内部通道94结合工作，从而在关 于第一和第二轴线枢轴旋转期间，保持控制缆索路径长度不变。中心 狭槽102也提供相对附接凸缘，其接收第一铰链点78的单枢轴。第二 铰链点82包括从中间构件80一端悬出的枢轴。第三铰链点84包括从 中间构件80的相对第二端悬出的枢轴。使用悬臂枢轴仅为例示性的， 并且能够使用其他适当的枢轴接头。在许多实施例中，选择第二和第 三铰链点82、84的位置和定向（以及因此第二轴线90的位置和定向）， 从而提供相对于第一轴线88的第二轴线90的期望位置和定向。例如， 在一些实施例中，第一和第二轴线不共面。在一些实施例中，第一和 第二轴线共面。在一些实施例中，选择第二轴线90相对于第一轴线88 的位置和/或定向，以便提供相对于器械轴74的末端执行器主体72动 作的期望运动。
图7示出依照实施例的，图6的两个自由度腕部70的透视图，其 示出关于第一轴线88，在中间构件80和支撑构件76之间的旋转自由 度，以及关于第二轴线90，在末端执行器主体（未示出）和中间构件 80之间的旋转自由度。将支撑构件76安装至器械轴74，以便远离器 械轴74的端，在期望位置定位第一铰链点78，从而在末端执行器主体 和器械轴之间提供净空，以便为末端执行器的铰接提供空间。中间构 件中心狭槽102对邻近末端执行器主体的中间构件80侧开放，以便容 纳/适合路由末端执行器控制缆索（未示出）。从图7的观察方向，可 见支撑构件76的一个内部通道94，并且不可见其他内部通道94。在 许多实施例中，通过两个内部通道94中的每个路由控制缆索。这些两 个控制缆索中的每个都被进一步通过中间构件中心狭槽102路由，在 第一轴线88的每侧上有一个。
图8a示出腕部70的概略横截面图，其通过第二轴线90截取，并 且垂直于第一轴线88，并且其示出例示性支撑和中间构件缆索引导表 面。支撑构件远端100包括第一滑轮表面104，其具有弯曲弧形状，以 便弯曲弧形状的中心线对齐第一轴线88。中间构件狭槽102的内部表 面限定第二滑轮表面106以及第三滑轮表面108，其具有弯曲弧形状， 以便弯曲弧形状的中心线（第二滑轮中心线110和第三滑轮中心线112） 偏移并且平行于第一轴线88。虽然示出的滑轮表面具有常曲率，但是 这仅为例示性的，并且能够使用其他适当的表面。第一滑轮表面104、 第二滑轮表面106以及第三滑轮表面108提供平滑缆索引导表面，其 能够引导控制缆索，用于关于第一轴线88旋转中间主体80（并且因此， 用于关于第一轴线88旋转末端执行器主体）。在许多实施例中，第一 滑轮表面104、第二滑轮表面106以及第三滑轮表面108通过保持控制 缆索路径长度不变，在关于第一轴线枢轴旋转期间，抑制控制缆索张 力变化。在许多实施例中，第一滑轮表面104、第二滑轮表面106以及 第三滑轮表面108与内部通道94协同工作，从而在关于第一轴线枢轴 旋转期间，保持控制缆索路径长度不变。
图8b示出依照许多实施例的，另外的中间构件缆索引导表面的简 化概略图。图8b示出图8a的横截面AA。中间构件狭槽102的内部表 面进一步限定第四滑轮表面114和第五滑轮表面116，其具有弯曲弧形 状，后者具有偏移并且平行于第二轴线的弯曲弯曲形状的中心线（第 四滑轮中心线118和第五滑轮中心线120）。虽然示出的滑轮表面具有 常曲率，但是这仅为例示性的，并且能够使用其他适当的表面。第四 滑轮表面114和第五滑轮表面116提供平滑缆索引导表面，其能够引 导控制缆索，用于相对于中间主体80，关于第二轴线90旋转末端执行 器主体。在许多实施例中，第四滑轮表面114和第五滑轮表面116通 过充分保持控制缆索路径长度不变，在关于第二轴线枢轴旋转期间， 抑制控制缆索张力变化。在许多实施例中，第四滑轮表面114和第五 滑轮表面116与内部通道94协同工作，从而在关于第二轴线枢轴旋转 期间，保持控制缆索路径长度不变。
图9示出依照实施例的，图6和图7的支撑构件76的近端视图， 其示出用于引导致动系统的控制缆索的内部通道94的进口。能够使用 支撑构件内部通道94，从而在器械轴的远端，约束控制缆索的横截面 位置。
图10示出依照许多实施例的，图6、7和8的两个自由度腕部70 的透视图，其示出沿两个自由度腕部70的两侧的例示性致动系统组件 路由，以及通过两个自由度腕部70路由控制缆索122、124。两个自由 度腕部的大致平面构造，以及腕部在对其支撑的轴内的中心定位，允 许用于路由该致动系统组件的开放区域。在图解实施例中，这些致动 系统组件包括：第一驱动轴总成126，其被路由/布置（route）在腕部 之上；第二驱动轴总成128，其被路由在腕部之下；末端执行器铰接拉 杆130、132、134、以及136，其被路由在腕部之上和之下；以及控制 缆索122、124，如上所述，其被通过腕部，经支撑构件的内部通道以 及中间构件狭槽102路由。
两个自由度腕部70包括这样的部件，其为以下两种转动提供角定 向限制硬接触，即关于第一轴线88（通过第一接头78）的转动，以及 关于第二轴线90（通过第二接头82和第三接头84）的转动。该角定 向限制硬接触用于保护腕部穿越组件不受角超程引起的损害。图11a 示出两个自由度腕部70的中间构件80和支撑构件76之间的角定向限 制硬接触，其用于关于第一轴线88（通过第一接头78）旋转。当中间 构件80在关于第一接头78的相反方向旋转时，类似的角定向限制硬 接触在中间构件80和支撑构件76之间发生。图11b示出两个自由度 腕部70的中间构件80和末端执行器主体72之间的角定向限制硬接触， 用于关于第二轴线90旋转（通过第二接头82和第三接头84）。当末 端执行器72在关于第二轴线90的相反方向旋转时，类似的角定向限 制硬接触在中间构件80和末端执行器主体72之间发生。
图12示出依照许多实施例的，具有两个自由度腕部70的工具总 成140的简化概略图。工具总成140包括近端致动总成142、主轴144、 末端执行器146的铰接末端执行器基础、以及两个自由度的腕部70。 在许多实施例中，近端致动总成142被可操作地耦合末端执行器基础， 以便在二维中，相对于主轴144选择性地重定向末端执行器基础，并 且可操作地耦合末端执行器146，以便相对于末端执行器基础，铰接一 个或更多末端执行器部件。能够使用多个致动组件，从而耦合致动总 成142和末端执行器146，例如，控制缆索、缆索/海波管组合、驱动 轴、拉杆、以及推杆。在许多实施例中，通过主轴144的孔，将致动 组件路由在致动总成142和末端执行器146之间。
能够配置工具总成140，用于在许多应用中使用，例如手持式装置， 其具有在近端致动机构142中使用的手动和/或自动致动。同样地，工 具总成140能够具有微创机器人手术之外的应用，例如，非机器人微 创手术、非微创机器人手术、非机器人非微创手术、以及其他应用， 其中使用两个自由度的腕部将有益。
通过链接张力构件的腕部铰接
图13a示出依照许多实施例的，具有通过链接张力构件的腕部铰 接的手术工具170的简化概略图。手术工具170包括第二链接172，其 被通过两个自由度接头而枢轴耦合第一链接174。该接头用于关于第一 轴线176和第二轴线178的第二链接172和第一链接174之间的旋转 运动。第一轴线176相对于第一链接174固定，并且第二轴线178相 对于第一链接172固定。四个附接部件180、182、184、186被设置在 第二链接172上。每个附接部件180、182、184、186都分别耦合张力 构件188、190、192、194。通过第一链接174的孔路由张力构件188、 190、192、194，并且通过控制缆索198、200、202、204耦合致动机 构196。在许多实施例中，配置张力构件188、190、192、194，从而 在操作负载下最小化拉伸，并且从而降低成本（例如，17英寸长，0.04 英寸外径，0.02英寸内径；15.2英寸长，0.06英寸外径，0.02英寸内 径）。在许多实施例中，配置附接部件180、182、184、186、张力构 件188、190、192、194、第一轴线176、以及第二轴线178，以便张力 构件的相对轴向运动相对于第一链接174角定向第二链接172，以便抑 制张力构件中的张力变化。在示出的实施例中，致动机构196包括第 一马达驱动绞盘206和第二马达驱动绞盘208。将第一对角相对控制缆 索对（例如，控制缆索198、202）缠关于第一马达驱动绞盘206，以 便第一马达驱动绞盘206的顺时针转动将等量缩回控制缆索202和延 伸控制缆索198，并且第一驱动绞盘206的逆时针转动将等量缩回控制 缆索198和延伸控制缆索202。同样地，将第二对角相对控制缆索对（例 如，控制缆索200、204）缠关于第二马达驱动绞盘208，以便第二马 达驱动绞盘208的顺时针转动将等量缩回控制缆索200和延伸控制缆 索204，并且第二驱动绞盘208的逆时针转动将等量缩回控制缆索204 和延伸控制缆索200。
图13b和图13c概略示出一个附接部件180、182、184、186。附 接部件180、182、184、186具有弯曲部分210，其具有用于其弯曲正 常中心线214的固定曲率中心212，以及关于其弯曲正常中心线214的 第一曲率半径216。每个固定曲率中心都能够位于包括第二轴线178的 两维平面内。弯曲正常中心线能够位于垂直于第二轴线178定向的两 维平面内。四个弯曲正常中心线能够正切包括第一轴线176的两维平 面。每个张力构件188、190、192、194都能够具有附接突缘218、220、 222、224，其具有垂直于张力构件长度定向的孔轴线。附接突缘孔按 尺寸形成，从而滑动接收相应的附接部件弯曲部分。配置附接突缘， 从而在相对于第一链接174铰接第二链接172期间，关于弯曲部分旋 转，和/或沿弯曲部分滑动。
当第二链接172关于第二轴线178旋转时，附接突缘218、220、 222、224沿附接部件180、182、184、186的相应弯曲部分滑动。图 13d示出依照许多实施例的，图13a的手术工具170的简化概略图，其 示出关于第二轴线178旋转的第二链接172。每个附接突缘218、220、 222、224都沿相应的附接部件弯曲部分滑动，以便每个张力构件都对 齐用于其相应的附接部件弯曲部分段的固定曲率中心。结果，上部张 力构件190、194延伸的量与下部张力构件188、192收缩的量相同（与 图13a中所示的中间第二链接定向相比）。通过张力构件的该平衡延 伸/收缩，能够由公共致动机构链接和致动一个或更多对张力构件。例 如，对角相对张力构件能够耦合至少一个控制缆索，并且能够由马达 驱动绞盘致动至少一个控制缆索。能够使用马达驱动绞盘（例如伺服 控制），从而同时（以及相等地）延伸耦合第一对张力构件的一段控 制缆索，以及收缩耦合第二对张力构件的一段控制缆索。该控制缆索 的同时和相等延伸/收缩能够抑制链接张力构件中的张力变化，这可帮 助避免任何有害控制缆索松弛和/或工具组件超载。
图13e示出依照许多实施例的，从平行于两个自由度接头的第一 轴线176的观察方向的图13a和图13d的手术工具170。如上所述，附 接部件180、182、184、186包括弯曲部分段，其具有正常中心线和固 定的曲率中心。每个中心线都与包括两个自由度接头的第一轴线176 的平面相切。每个固定曲率中心都位于包括两个自由度接头的第二轴 线178的平面内。
当第二链接172关于第一轴线176旋转时，附接突缘218、220、 222、224关于相应的附接部件弯曲部分正常中心线旋转。图13f示出 依照许多实施例的，图13a、图13d以及图13e的手术工具170的简化 概略图，其示出关于第一轴线176旋转的第二链接172。每个附接突缘 218、220、222、224都关于附接部件180、182、184、186的相应弯曲 部分正常中心线旋转，以便每个张力构件都对齐相应的中心线。结果， 上部张力构件188、190延伸的量与下部张力构件192、194收缩的量 相同（与图13e中所示的中间第二链接定向相比）。如上所述，通过 张力构件的该平衡延伸/收缩，能够由公共致动机构链接和致动一个或 更多对张力构件。例如，能够由第一马达驱动绞盘致动包括两个对角 相对张力构件188、194的第一对四个张力构件，并且能够由第二马达 驱动绞盘致动包括剩余两个对角相对张力构件190、192的第二对四个 张力构件。能够使用第一和第二马达驱动绞盘，从而在用于两个自由 度接头的定向范围内，相对于第一链接174铰接第二链接172。
图13g示出依照许多实施例的，手术工具230的透视局部视图， 其具有通过两个自由度接头而耦合第一链接234的第二链接232。示出 的两个自由度接头包括中间构件236，其被枢轴耦合，从而相对于支撑 构件238关于第一轴线旋转。第二链接232被枢轴耦合中间构件236， 以便相对于中间构件236，关于第二轴线旋转。第二链接包括四个附接 部件240、242、244、（246，从视图中隐藏），其包括弯曲部分段。 四个张力构件248、250、252、（254，从视图中隐藏）耦合四个附接 部件240、242、244、246。
示出的手术工具230经配置，类似于上述和图13a、13d、13e和 13f中所示的手术工具170。因此，将上述关于手术工具170的讨论应 用于图13g中所示的手术工具230，其进一步示出通过链接张力构件的 腕部铰接。图13h示出依照许多实施例的，图13g的手术工具的侧视 图，其示出关于两个自由度接头的第一轴线的第二链接232的60度定 向。从图13g所示的对齐定向到图13h所示的定向，已将张力构件附 接突缘关于弯曲部分段的正常中心线枢轴旋转，因此保持张力构件和 弯曲部分段的正常中心线之间的对齐。图13i示出依照许多实施例的， 图13g的手术工具230的侧视图，其示出关于两个自由度的接头的第 二轴线的第二链接的30度定向。从图13g所示的对齐定向到图13h所 示的定向，已将张力构件附接突缘沿附接部件的弯曲部分段滑动，因 此保持张力构件和弯曲部分段的固定曲率中心之间的对齐。
图14a示出依照许多实施例的，具有通过链接张力构件的腕部铰 接的手术工具260的简化概略图。手术工具260包括第二链接262，其 被通过两个自由度的接头而枢轴耦合第一链接264。接头用于关于第一 轴线266和第二轴线268，在第二链接262和第一链接264之间的转动 运动。第一轴线266被相对于第一链接264固定，并且第二轴线268 被相对于第二链接262固定。在第二链接262上设置四个附接部件270、 272、274、276。每个附接部件270、272、274、276都分别耦合张力 构件278、280、282、284。通过第一链接264的孔路由张力构件278、 280、282、284，并且将其耦合致动机构（未示出；例如，关联致动上 述远程机器人手术系统中的远程操作手术器械的致动机构）。在许多 实施例中，配置附接部件270、272、274、276、张力构件278、280、 282、284、第一轴线266、以及第二轴线268，以便张力构件的相对轴 向运动相对于第一链接264，角定向第二链接262，从而抑制张力构件 中的张力变化。
每个附接部件270、272、274、276都包括附接突缘，其具有平行 于第二轴线268定向的孔轴线。每个张力构件278、280、282、284都 能够包括一段弯曲部分，其具有关于其正常中心线的第一曲率半径， 以及用于其弯曲中心线的固定曲率中心。弯曲正常中心线能够位于垂 直于第一轴线266定向的两维平面内。附接部件突缘孔按尺寸形成， 从而滑动接收张力构件弯曲部分。配置附接部件突缘，从而在相对于 第一链接264铰接第二链接262期间，关于张力构件弯曲部分旋转和/ 或沿张力构件弯曲部分滑动。
当第二链接262关于第二轴线268旋转时，张力构件的每个弯曲 部分都在相应的附接部件突缘上滑动。图14b示出依照许多实施例的， 图14a的手术工具260的简化概略图。张力构件的每个弯曲部分都在 相应的附接部件突缘上滑动。结果，上部张力构件280、282延伸的量 与下部张力构件278、282收缩的量相同（与图14a中所示的中间第二 链接定向相比）。类似于上述手术工具170，这提供张力构件的该平衡 延伸/收缩。因此，上述关于手术工具170的该张力构件的平衡延伸/ 收缩的另外方面和益处应用于手术工具260，并且不再此处重复。
图14c示出依照许多实施例的，图14a和图14b的手术工具260， 其来自两个自由度接头的第二轴线268的平行观察方向。如上所述， 每个附接部件270、272、274、276都包括附接突缘，其具有平行于第 二轴线268定向的孔轴线。每个张力构件都包括弯曲部分，其具有正 常中心线，以及固定曲率中心。
当第二链接262关于第二轴线268旋转时，张力构件弯曲部分在 附接部件突缘内枢轴旋转。图14d示出依照许多实施例的，图14a、图 14b以及图14c的手术工具260的简化概略图，其示出关于第二轴线 268旋转的第二链接262。张力构件的每个弯曲部分都在相应的附接部 件突缘孔内枢轴旋转，以便每个张力构件都保持与相应的附接部件突 缘孔对齐。结果，上部张力构件278、280延伸的量与下部张力构件282、 284收缩的量相同（与图14c中所示的中间第二链接定向相比）。如上 所述，通过张力构件的该平衡延伸/收缩，能够由公共致动机构链接和 致动一个或更多对张力构件。因此，上述关于手术工具170的该张力 构件的平衡延伸/收缩的另外方面和益处应用于手术工具260，并且不 再此处重复。
图14e示出依照许多实施例的，手术工具290的局部透视图，其 具有通过两个自由度的接头而耦合第一链接（未示出）的第二链接292。 示出的两个自由度的接头包括中间构件294，其被枢轴耦合，从而相对 于支撑构件296关于第一轴线旋转。枢轴耦合第二链接292，从而相对 于中间构件294关于第二轴线旋转。第二链接292包括四个附接部件 298、300、302、（304从视图中隐藏），每个都包括附接突缘。四个 附接部件298、300、302、304耦合四个附接部件306、308、310、312。 四个附接部件306、308、310、312每个都包括弯曲部分段，其可由相 应的附接部件突缘滑动接收。类似于上述以及图14a、14b、14c以及 14d中所示的手术工具260，配置示出的手术工具290。因此，关于手 术工具260的上述讨论应用于图14e所示的手术工具290，其进一步示 出经链接张力构件的腕部铰接。
图15示出依照许多实施例的，用于制造手术工具的方法320的简 化流程图。在过程322中，第二链接被耦合第一链接，从而关于第一 和第二轴线旋转。例如，能够使用两个自由度接头机构，从而将第二 链接耦合至第一链接。两个自由度接头能够包括中间构件，其被枢轴 耦合第二链接，从而关于第一轴线，相对于第一链接旋转。第二链接 能够被耦合中间构件，从而关于第二轴线，相对于中间构件旋转。第 一链接能够具有远端、近端、以及其中限定的第一链接轴线。第一链 接能够具有轴向孔。第一和第二轴线能够不平行于第一链接轴。第一 轴线能够不平行于第二轴线。第二链接能够包括四个附接部件。当沿 第一链接轴线观察时，每个附接部件都能够偏移第一和第二轴线。当 沿第一链接轴线观察时，每个附接部件都能够被设置在第一和第二轴 线限定的每个象限内。
在过程324，张力构件被耦合每个第二链接附接部件。每个张力构 件都能够从第一链接孔内，向远端延伸至第二链接的一个附接部件， 以便张力构件的轴向运动相对于第一链接，关于轴线角度定向第二链 接。张力构件和附接部件之间的接口界面能够改变张力构件相对于第 二链接的位置，其关联相对于第一链接的第二链接的角度定向，以便 抑制张力构件中的张力变化。
在进程326，每个张力构件被耦合致动机构，其可操作，从而通过 致动张力构件，在二维中相对于第一链接控制第二链接的角度定向。 例如，第一四个张力构件能够耦合第一控制缆索，并且第二四个张力 构件能够耦合第二控制缆索。第一和第二张力构件能够为对角相对张 力构件。第一和第二控制缆索能够耦合致动机构的第一绞盘。第三四 个张力构件能够耦合第三控制缆索，并且第四四个张力构件能够耦合 第四控制缆索。第三和第四张力构件能够为对角相对张力构件。第三 和第四控制缆索能够耦合致动机构的第二绞盘。
图16示出依照许多实施例的，工具总成330的简化概略图，其具 有经链接张力构件铰接的腕部。工具总成330包括近端致动总成332、 主轴334、末端执行器336的铰接末端执行器基础、两个自由度的腕部 338。在许多实施例中，近端致动总成332被可操作地耦合末端执行器 基础，以便如以上关于手术工具170和260所述，通过链接张力构件， 在二维中相对于主轴334选择性地重定向末端执行器基础，并且被可 操作地耦合末端执行器336，以便相对于末端执行器基础，铰接一个或 更多末端执行器部件。能够使用许多致动组件，从而耦合致动总成332 和末端执行器，例如控制缆索、驱动轴、以及上述链接张力构件和相 应的末端执行器基础附接部件。在许多实施例中，通过主轴334孔， 在致动总成332和末端执行器336之间路由致动组件。
能够配置工具总成330，用于在许多应用中使用，例如手持式装置， 其具有在近端致动机构332中使用的手动和/或自动致动。同样地，工 具总成330能够具有微创机器人手术之外的应用，例如，非机器人微 创手术、非微创机器人手术、非机器人非微创手术、以及其他应用， 其中使用由链接张力构件铰接的两个自由度接头将有益。
用于经某一角度传递扭矩的机构
图17示出依照许多实施例的，工具总成340的简化概略图，其具有 用于经某一角度传递扭矩的机构372。工具总成370包括近端扭矩源 374、主轴376、末端执行器378的铰接末端执行器基础、以及扭矩传递 机构372。扭矩传递机构372包括驱动轴380、从动轴382、以及耦合构 件384，其耦合驱动轴380和从动轴382两者，以便驱动轴380的转动产 生从动轴382的相应旋转。在许多实施例中，安装驱动轴380，用于相 对于主轴376旋转，并且被通过主轴376的孔（中心线或便宜）路由。 在许多实施例中，配置扭矩传递机构372，以便从动轴382的旋转速度 在轴之间的任何相对角定向，都充分匹配驱动轴380的旋转速度。操作 中，近端扭矩源374旋转驱动轴380，其旋转耦合构件384，后者旋转从 动轴382，因此通过主轴376和末端执行器378之间的某一角度传递扭 矩。在许多实施例中，从动轴382致动末端执行器378的轴驱动机构。 例如，末端执行器轴驱动机构能够相对于铰接末端执行器基础铰接夹 爪，和/或能够致动手术装置（例如，吻合装置、切割器装置、烧灼装 置）。该轴驱动机构仅为例示性的。能够使用从动轴，从而致动其他 适当的轴驱动机构。另外，虽然示出工具总成370具有一个扭矩传递机 构372，但是这仅为例示性的。能够使用一个或更多扭矩传递机构372， 例如从而从近端扭矩源374将扭矩传递至相应的一个或更多末端执行 器机构。
能够配置工具总成370，用于在许多应用中使用，例如手持式装置， 其具有在近端扭矩源374中使用的手动和/或自动致动。同样地，工具总 成370能够具有微创机器人手术之外的应用，例如，非机器人微创手术、 非微创机器人手术、非机器人非微创手术、以及其他应用，其中使用 通过某一角度传递扭矩的公开机构将有益。
图18示出依照许多实施例的，通过某一角度传递扭矩的机构390的 侧视图。扭矩传递机构390包括驱动轴392、耦合构件394、从动轴396、 第一耦合销件398、以及第二耦合销件400。图18示出处于内嵌构造中 的扭矩传递机构390。
驱动轴392被轴向和转动耦合该耦合构件394。驱动轴392具有远端 402，其被在耦合构件394的第一插座404内接收。驱动轴远端402包括 横向狭槽406。第一耦合销398匹配耦合构件394，以便穿过第一插座 404。第一耦合销件398被驱动轴横向狭槽406接收。驱动轴远端402和 耦合构件第一插座404能够具有互补形状的接口表面，例如，球形表面。 第一耦合销件398和驱动轴横向狭槽404之间的相互作用轴向和可旋转 地耦合驱动轴392和耦合构件394。另外，驱动轴远端402的接口表面和 耦合构件第一插座404之间的相互作用能够进一步相对于耦合构件394 约束驱动轴392。
类似地，从动轴396被轴向和转动耦合该耦合构件394。从动轴396 具有近端408，其被在耦合构件394的第二插座410内接收。从动轴近端 408包括横向狭槽412。第二耦合销400匹配耦合构件394，以便穿过第 二插座410。第二耦合销件400被从动轴横向狭槽412接收。从动轴近端 408和耦合构件第二插座410能够具有互补形状的接口表面，例如，球 形表面。第二耦合销件400和从动轴横向狭槽412之间的相互作用轴向 和可旋转地耦合从动轴396和耦合构件394。另外，从动轴近端408的接 口表面和耦合构件第二插座410之间的相互作用能够进一步相对于耦 合构件394约束从动轴396。
图19a示出依照许多实施例的，图18的扭矩传递机构390的横截面 图，其示出驱动轴392的球形齿轮齿414和从动轴396的匹配球形齿轮齿 416之间的啮合。齿轮齿被加术语“球形”，是因为其一般形式为球形 表面上的几何小圆。示出的横截面分别包括驱动轴392、从动轴396以 及耦合构件394的中心线，并且沿平行于第一耦合销件398和第二耦合 销件400的观察方向截取。在所示内嵌构造中，耦合构件394、驱动轴 392、以及从动轴396对齐。耦合构件394关于耦合构件轴线418旋转。 耦合构件轴线418为两个插座404、410之间的纵向中心线。驱动轴392 关于驱动轴线420旋转。从动轴396关于从动轴线422旋转。约束驱动轴 392，从而关于第一耦合销件398枢轴旋转（并且因此受约束，从而相 对于耦合构件394枢轴旋转）。同样地，约束从动轴396，从而关于第 二耦合销件400枢轴旋转（并且因此受约束，从而相对于耦合构件394 枢轴旋转）。驱动轴齿轮齿414和从动轴齿轮齿416之间的啮合提供的 驱动轴392和从动轴396之间的另外约束连接以下两种相对角定向，即 驱动轴392和耦合构件394之间的相对角定向，以及从动轴396和耦合构 件394之间的相对角定向。
图19a也示出驱动轴外球形表面424，其与耦合构件第一插座404的 内部球形表面426接口/连接（interface with）。类似地，从动轴外球形 表面428与耦合构件第二插座410的内部球形表面430接口/连接。如上所 述，第一耦合销件398提供的约束轴向和可旋转地耦合驱动轴392和耦 合构件394，并且第二耦合销件400提供的约束轴向和可旋转地耦合从 动轴396和耦合构件394。另外，接口球形表面提供的约束能够进一步 相对于耦合构件394约束驱动轴392和从动轴396。
图19b示出依照许多实施例的，图18和图19a的扭矩传递机构390的 横截面图，其示出用于成角构造的驱动轴齿轮齿414和从动轴齿轮齿 416之间的啮合。示出的横截面包括驱动轴线420、从动轴线422、以及 耦合构件轴线418，并且沿平行于第一耦合销件398和第二耦合销件400 的观察方向截取。
在示出的成角构造中，驱动轴422偏离驱动轴线420为70度。驱动 轴齿轮齿414和从动轴齿轮齿416之间的啮合提供的约束引起70度相等 地分布于以下两者，即驱动轴线420和耦合轴线418之间的35度偏离， 以及耦合轴线418和从动轴线422之间的35度偏离。通过约束耦合构件， 从而将其在相对于驱动轴和从动轴相等的角度导向，当将耦合构件的 转动传递至从动轴时，就有效消除驱动轴和耦合构件之间的任何旋转 速度差异，因此基本消除驱动轴和从动轴之间的任何旋转速度差异。
将驱动轴齿轮齿414和从动轮齿轮齿416球形定向，以便在驱动轴 392和从动轴396之间提供上述约束，用于扭矩传递机构390的任何角度 定向。对于成角度构造，驱动轴392的转动以及从动轴396的相应转动 引起驱动轴远端402和从动轴近端408的不同部分被耦合轴线418分割。 使用球形齿轮齿允许轴的该运动，而同时仍提供相对于驱动轴定向耦 合构件所需的角约束。
能够使用其他适当的轴间角约束构造。例如，如图19c所示，驱动 轴部件（例如，包括从驱动轴远端悬出的球形表面432的部件）能够耦 合从动轴部件（例如，包括接收该包括从驱动轴远端悬出的球形表面 的悬出驱动轴部件的圆柱形孔434的部件）。虽然使用一些轴间角约束 可引起驱动轴420和耦合轴线418之间的相对角度，以及耦合轴线418和 从动轴线422之间的相对角度之间的一定水平的变动，但是在一些应用 中，驱动轴392和从动轴396之间的结果旋转速度变动可接受。
能够使用其他球形齿轮齿，从而提供适当的轴间角约束。例如， 驱动轮远端402能够包括齿轮齿表面，其关于驱动轴420延伸，并且从 动轴近端408能够包括互补齿轮齿表面，其关于从动轴422延伸，以便 驱动轴齿轮齿表面啮合从动轴齿轮齿表面，以便提供轴间角约束。驱 动轴齿轮齿表面能够由驱动轴齿轮齿轮廓限定，后者从驱动轴420径向 延伸，并且从动轴齿轮齿表面能够由从动轴齿轮齿轮廓限定，后者从 驱动轴422径向延伸，以便提供轴间角约束，其在驱动/耦合器角度和从 动/耦合器角度之间保持充分等值。驱动轴齿轮齿表面能够包括外卷表 面，其由将驱动轴齿轮齿轮廓关于驱动轴线420旋转限定，并且从动轴 齿轮齿表面能够包括外卷表面，其由将从动轴齿轮齿轮廓关于从动轴 线422旋转限定。例如，在图19c中，悬出的球形表面432包括齿轮齿轮 廓（其圆形横截面），其从驱动轴线径向延伸，以及外卷表面，其由 关于驱动轴线420旋转其齿轮齿轮廓限定。圆柱形孔表面434包括互补 齿轮齿表面（其直线横截面），其从从动轴线422径向延伸，以及外卷 表面，其由关于驱动轴线422旋转其齿轮齿轮廓限定。能够以类似方式 配置其他齿轮齿轮廓，例如，图19a所示的齿轮齿轮廓以及图19c所示 的齿轮齿轮廓之间的处于中间形状的齿轮齿轮廓，
图19d示出依照许多实施例的，图18、19a和19b的扭矩传递机构390 的横截面图，其示出驱动轴横向狭槽406和类似的从动轴横向狭槽412 的构造。配置驱动轴横向狭槽406，从而贯穿驱动轴线420和耦合轴线 418之间的角度范围，都适应第一耦合销件398。同样地，配置从动轮 横向狭槽412，从而贯穿从动轴线422和耦合轴线418之间的角度范围， 都适应第二耦合销件400。当在成角度构造中操作扭矩传递机构390时， 驱动轴横向狭槽406内的第一耦合销件398的位置对于驱动轴392的每 个360度旋转，都将经历单摆动周期。同样地，从动轴横向狭槽412内 的第二耦合销件400的位置对于从动轴396的每个360度旋转，也都将经 历单摆动周期。
图20呈现驱动轴392和从动轴396的透视图分类。这些透视图从不 同的观察方向示出驱动和从动轴的细节，例如驱动轴392的球形齿轮齿 414、从动轴396的球形齿轮齿416、驱动轴横向狭槽406、从动轴横向 狭槽412、驱动轴外部球形表面424、以及从动轴外部球形表面428。
能够参考图21a和图21b描述横向狭槽406、412内的耦合销件398、 400的摆动。图21a示出在沿垂直于耦合销件398、400的观察方向的扭 矩传递机构390的视图。图21b示出在沿平行于耦合销件398、400的观 察方向的扭矩传递机构390的视图。在图21a和图21b中，耦合构件394 透明，从而示出机构组件之间的相互作用。在图21a所示的位置中，为 了适应驱动轴392和耦合构件394之间的角度，第一耦合销件398在驱动 轴横向狭槽内倾斜（能够通过结合图21a中所示的轴间角度，考虑图19d 中所示的狭槽形状形象化）。在图21b中，耦合构件394具有这样的角 度定向，其与图21a的耦合构件定向成90度，因此对齐耦合销398、400 和观察方向。对于图21b所示的定向。耦合销398、400能够在横向狭槽 406、412内倾斜（类似于图19d）。在扭矩传递机构390的360度旋转期 间，横向狭槽406、412内的耦合销件398、400的位置将完成一个摆动 周期。
在扭矩传递机构390中，关于彼此，旋转轴及其耦合件每个都具有 关于关联的销件的纵向中心线的“偏航”自由度（DOF），以及关于 垂直于销件的纵向中心线的直线的“倾斜”DOF。两个“偏航”轴线 平行，并且“倾斜”轴线受旋转轴之间的啮合约束，从而每个都为驱 动和从动轴之间总角度的一半。
能够使用多行球形齿轮齿，从而耦合驱动和从动轴，以便提供轴 间角约束。例如，图22a示出多行接口连接球形齿轮齿。图22b示出图 22a的齿轮齿的横截面轮廓和球形布置。
图23a示出依照许多实施例的，用于通过某一角度传递扭矩的机构 440的侧视图。扭矩传递机构440类似于上述机构390，但是具有双插销 构造。例如，机构440使用和机构390相同的耦合构件394和相同的耦合 销件398、400，但是包括驱动轴插销442，从而耦合驱动轴444和耦合 销件398，以及从动轴插销446，从而耦合从动轴448和耦合销件400。 在图23a中，示出“看穿”耦合构件394，从而更好地示出双插销构造 的细节。
图23b示出具有机构440，其中移除耦合机构394，其具有“看穿” 从动轴448，从而更好地示出从动插销446。在从动轴448的孔内接收从 动轴插销446，并且可在从动轴孔内旋转。在从动轴插销446内接收耦 合销件400。从动轴448和耦合构件394关于耦合销400的中心线之间的 相对旋转，通过相对于耦合构件394旋转耦合销件400，和/或相对于从 动轴插销446旋转耦合销件400发生。类似地，在驱动轴444的孔内接收 驱动轴插销442，并且其可在驱动轴孔内旋转。在驱动轴插销442的孔 内接收耦合销件398。驱动轴444和耦合构件394关于耦合销件398的中 心线之间的相对旋转，通过相对于耦合构件394旋转耦合销件398，和/ 或相对于驱动轴插销442旋转耦合销件398发生。
图23c示出沿耦合销件398、400的中心线截取的图23a和图23b的机 构440的横截面图。配置驱动轴横向狭槽406，从而贯穿驱动轴444和耦 合构件394之间角度范围容纳耦合销件398，其通过相对于驱动轴插销 442的中心线旋转驱动轴444发生。类似地，配置从动轴横向狭槽412， 从而贯穿从动轴448和耦合构件394之间角度范围容纳耦合销件400，其 通过相对于从动轴插销446的中心线旋转从动轴448发生。如通过比较 图23c和图19d可见，与机构390的单插销构造相比，机构440的双插销 构造沿驱动和从动轴提供较少机构空转。该较少空转可在驱动轴齿轮 齿414和从动轴齿轮齿416之间提供更多一致耦合。
图23d示出驱动轴444的插销接收孔450，以及从动轴448的类似插 销接收孔452。图23e示出驱动轴横向狭槽406以及从动轴横向狭槽412。
图24a示出依照许多实施例的，机构460的简化概略图，其用于通 过某一角度传递扭矩，其中轴突出与耦合构件狭槽相互作用，从而传 递转动运动。扭矩传递机构460包括驱动轴462、耦合构件464、以及从 动轴466。
配置驱动轴462，从而轴向和可转动地耦合该耦合构件464。驱动 轴462具有近端468、远端470、以及其中限定的驱动轴472。驱动轴462 包括第一圆柱形突出474，其从驱动轴远端470突出，以及第二圆柱形 突出476，其从驱动轴远端470的相对侧突出。驱动轴远端470具有球形 表面478和球形齿轮齿480。
类似地，配置从动轴466，从而轴向和可转动地耦合该耦合构件 464。从动轴466具有远端482、近端484、以及其中限定的从动轴486。 从动轴466包括第三圆柱形突出488，其从从动轴近端484突出，以及第 四圆柱形突出490，其从驱动轴远端484的相对侧突出。从动轴近端484 具有球形表面492和球形齿轮齿494。
耦合构件464被配置成轴向耦合驱动轴远端470和从动轴近端484 两者。耦合构件464具有限定驱动插座496的管状结构、从动插座498、 以及其中限定的耦合轴线500。驱动插座496按形状形成，从而与驱动 轴远端470接口/连接（interface with），以便在驱动轴远端470和驱动插 座496之间产生球窝接头约束。例如，驱动插座496能够包括一个或更 多表面，其经配置，从而连接驱动轴远端球形表面478。在许多实施例 中，驱动插座496包括球形表面502，其经配置从而连接驱动轴远端球 形表面478。类似地，从动插座498按形状形成，从而连接从动轴近端 484，以便在从动轴近端484和从动插座498之间产生球窝接头约束。例 如，从动插座498能够包括一个或更多表面，其经配置，从而接口/连接 （interface with）从动轴近端球形表面492。在许多实施例中，从动插 座498包括球形表面504，其经配置从而连接从动轴近端球形表面492。 如下更详细所述，耦合构件464能够包括一个或更多单独的块，例如两 个块。
耦合构件464还被配置成可旋转耦合驱动轴远端470和从动轴近端 484两者。耦合构件第一插座496包括第一狭槽506和第二狭槽508。配 置第一狭槽506和第二狭槽508，从而分别接收第一突出474和第二突出 476，并且贯穿驱动轴462和从动轴466之间的角度范围，容纳突出474、 476（如图24d所示）。类似地，耦合构件第二插座498包括第三狭槽510 和第四狭槽512。配置第三狭槽510和第四狭槽512，从而分别接收第三 突出488和第四突出490，并且贯穿驱动轴462和从动轴466之间的角度 范围，容纳突出488、490。驱动轴突出474、476和第一插座狭槽506、 508之间的相互作用，将转动运动从驱动轴462传递至耦合构件464。类 似地，第二插座狭槽510、512和从动轴突出488、490之间的相互作用， 将转动运动从耦合构件464传递至从动轴466。
扭矩传递装置460使用驱动轴远端470和从动轴近端484之间的啮 合，从而控制驱动轴462、耦合构件464以及从动轴466之间的相对角度 定向。能够使用啮合部件，例如球形齿轮齿480、494，从而控制驱动 轴462、耦合构件464以及从动轴466之间的相对定向。虽然在扭矩传递 机构460中，通过啮合球形齿轮齿480、494提供驱动轴462以及从动轴 466之间的轴间角约束，但是使用球形齿轮齿仅为例示性的。也能够使 用其他适当的轴间角约束，也能够在扭矩传递机构460中，使用上述用 于扭矩传递机构390的轴间角约束。另外，适用于上述扭矩传递机构390 的齿轮齿定义也可应用于扭矩传递机构460。
图24b示出依照许多实施例的，沿平行于突出的观察方向的图24a 的扭矩传递机构460的视图。隐藏线示出第一狭槽506内的第一突出 474，以及第三狭槽510内的第三突出488。狭槽的细长形状使得驱动轴 462和从动轴466能够相对于耦合构件464枢轴旋转，而同时在驱动轴 462和耦合构件464之间、以及耦合构件464和从动轴466之间提供转动 运动的传递。
图24c示出依照许多实施例的，沿垂直于突出的观察方向的图24a 和图24b的扭矩传递机构460的视图，其示出两块耦合构件464的细节。 耦合构件464包括第一块514和第二块516。第一块514和第二块516包括 附接法兰518，其具有用于附接紧固件（未示出）的紧固件孔。虽然示 出耦合构件464包括第一块514和第二块516，示出两者被经附接法兰 518结合，但是该方法仅为例示性的，并且能够使用其他适当的方法。 例如，能够将耦合构件464切为中心管状块和两个邻接末端帽件，在将 驱动轴462和从动轴466相对于中心管状块定位后，能够将帽件装配至 中心管状块。
图24d示出依照许多实施例的，处于成角度构造的图24a、24b和24c 的扭矩传递机构460。球形齿轮齿480、494，结合驱动轴远端470和耦 合构件第一插座496之间的接口提供的位置约束，以及从动轴近端484 和耦合构件第二插座498之间的接口提供的位置约束，约束扭矩传递机 构460，以便驱动轴线472和耦合轴线500之间的角度充分等于耦合轴线 500和从动轴线486之间的角度。操作中，关于驱动轴线472旋转驱动轴 462通过以下相互作用而产生关于耦合轴线500的耦合构件464的旋转， 即第一突出474和第一狭槽506之间的相互作用，以及第二突出476和第 二狭槽508之间的相互作用。操作中，突出474、476的位置在狭槽506、 508内以下列方式振荡，其类似于上述参考图18至图21b的扭矩传递机 构390的耦合销件398、400的振荡。类似地，耦合构件464关于耦合轴 线500的旋转产生关于从动轴线486的从动轴466的旋转。
图25a和图25b示出依照许多实施例的，用于通过某一角度传递扭 矩的机构520的简化概略图，其中，改进U接头耦合构件在驱动轴和耦 合构件之间，以及在耦合构件和从动轴之间传递转动运动。扭矩传递 机构520包括驱动轴522、第一改进U接头耦合524、耦合构件526、第二 改进U接头耦合528、以及从动轴530。与上述实施例一样，扭矩传递机 构520使用驱动轴和从动轴啮合部件（例如，球形齿轮齿532、534）， 从而约束驱动轴522、耦合构件526以及从动轴530的相对定向。
改进U接头耦合524、528轴向和可旋转地分别将驱动轴522耦合至 耦合构件526，将耦合构件526耦合至从动轴530。第一改进U接头耦合 524包括第一销件536和第二销件538。安装第一销件536，用于关于第 一销件轴线540相对于耦合构件526旋转。将第二销件538垂直于第一销 件536定向，并且耦合第一销件536。驱动轴522被耦合第二销件538， 从而关于第二销件轴线542旋转。第二销件轴线542自身关于第一销件 轴线540旋转。驱动轴522包括开口544，其经配置从而容纳第一销件 536。类似地，第二改进U接头耦合528包括第三销件546和第四销件548。 安装第三销件546，用于关于第三销件轴线550相对于耦合构件526旋 转。将第四销件548垂直于第三销件546定向，并且被耦合第三销件546。 从动轴530被耦合第四销件548，从而关于第四销件轴线552旋转。第四 销件轴线552自身关于第三销件轴线550旋转。从动轴530包括开口554， 其经配置从而容纳第三销件546。耦合构件526能够包括开口556，其用 于安装第二销件538和第四销件548。
操作中，扭矩传递机构520其类似于上述扭矩传递机构390、460的 作用。驱动轴和从动轴啮合部件（例如，球形齿轮齿532、534）约束 驱动轴522、耦合构件526以及从动轴530的相对定向，以便驱动轴522 和耦合构件526之间，以及耦合构件526和从动轴530之间的相对角度基 本相等。操作中，驱动轴522的旋转通过第一改进U接头耦合524产生耦 合构件526的旋转。类似地，耦合构件526的旋转通过第二改进U接头耦 合528产生耦合构件526的旋转。
组合部件
图26示出紧凑腕部600，其具有由在此公开的链接张力构件铰接的 两个自由度的腕部，以及使用在此公开的双通用接头，从而穿过两个 自由度的腕部，经某一角度传递扭矩。紧凑腕部600集成两个自由度的 腕部、经链接张力构件的腕部铰接、以及通过双通用接头经某一角度 的扭矩传递。虽然在紧凑腕部600中包括所有三个这些方面，但是腕部 能够单独利用在此公开的任何方面，或任何适当的组合。这些三个组 合方面的益处在于，通过具有大角度位移能力（例如在任何方向高达 大约60度）和相对短距离的两个自由度的腕部传递偏离中心线的扭矩。 在微创手术环境（例如，肠手术）中，该短距离腕部机构允许这样的 手术末端执行器，其要求用于手术的传递扭矩被在紧密空间机动（倾 斜、偏航、滚转），以便铰接末端执行器和支撑轴的远端之间的横向 距离最小化。上述说明已关注描述的特殊方面和特点。然而，应理解， 实施时，可组合该各种方面和特点。也就是说，可将上述参考一个实 施例的特殊方面和部件包括在一个或更多实施例中，即使未特别示出 该替换实施例也是如此。
应理解，在此描述的例子和实施例仅用于例示性目的，并且本领 域技术人员应想起基于此的各种更改或改变，并且将其包括在本申请 的精神和范围以及附加权利要求的保护范围之内。可能有许多不同的 组合，并且应将该组合视为本发明的部分。