機器人手術器械中的夾持力控制的制作方法

相關申請的交叉參考

本申請要求2011年5月31日提交的題為“機器人手術器械中的夾持力控制”的美國臨時申請第61/491,804號的權益，其全部內容通過引用并入本文。

發明背景

微創手術技術目的是減少在診斷或手術期間損壞的體外組織的量，從而減少病人恢復時間、不適和有害的副作用。因此，標準手術住院期的平均長度可以通過采用微創手術技術而大大縮短。此外，采用微創手術也可以減少病人恢復時間、病人不適、手術副作用和離開工作的時間。

微創手術的一種常見形式是內窺鏡檢查術，而內窺鏡檢查術的一種常見形式是腹腔鏡檢查術，其是腹腔內的微創檢查和手術。在標準腹腔鏡檢查手術中，病人腹部被充入氣體，然后插管套管通過小的(約半英寸或更小)切口來為腹腔鏡檢查器械提供入口。

腹腔鏡檢查手術器械一般包括用于查看手術區的內窺鏡(例如，腹腔鏡)和在手術部位操作的工具。操作工具通常類似于傳統(開放式)手術中使用的那些，除了每個工具的操作端或末端執行器通過伸縮管(也稱為，例如，器械軸或主軸)與其手柄隔開。所述末端執行器可以包括例如，夾鉗、抓緊器、剪刀、吻合器(stapler)、燒灼工具、線切削器(linear cutter)或持針器。

為了進行手術操作，外科醫生通過插管套管將操作工具傳遞到內部手術部位，并從腹部外面操縱它們。外科醫生從顯示由內窺鏡拍下的手術部位的圖像的監視器查看操作。例如，在關節鏡檢查術、后腹腔鏡檢查術、盆腔鏡檢查術、腎鏡檢查術、膀胱鏡檢查術、腦池鏡檢查術(cisternoscopy)、竇鏡檢查術、子宮鏡檢查術、尿道鏡檢查術等中采用類似的內窺鏡技術。

正在開發微創遙控手術機器人系統(minimally invasive telesurgical robotic systems)，以增加外科醫生在內部手術部位上操作時的靈巧，以及允許外科醫生從(在無菌區以外的)遠程位置在病人身上做手術。在遙控手術系統中，常常在操作臺向外科醫生提供手術部位的圖像。當在適當查看器或顯示器上查看該手術部位的三維圖像時，外科醫生通過操縱該操作臺的主輸入或控制設備在病人身上進行手術操作。每個所述主輸入設備控制伺服機械致動/鉸接的手術器械的運動。在手術操作過程中，遙控手術系統可以為外科醫生提供具有執行各種功能的末端執行器的多種手術器械或工具的機械致動和控制，例如，響應于主輸入設備的操縱，夾持或驅動針、抓住血管、解剖組織等。

在許多不同的手術操作中已經采用了非機器人直線夾緊、切割和吻合設備。例如，這樣的設備可以用來切除胃腸道的癌組織或異常組織。許多已知手術設備，包括已知的直線夾緊、切割和吻合設備，往往具有用來操縱病人組織的對置夾鉗。

對于具有對置夾鉗的已知設備，大量的機械動力必須傳送到末端執行器，以有效地例如，夾緊組織、吻合組織、切割組織等。必要量的機械動力的傳送可以涉及具有高機械優點的機構，以將高運動低力致動輸入轉換成高夾緊力。這樣的機構通常是相對剛性的，且能夠產生過量的夾緊力。因此，這樣的高機械優點機構的使用可能在一些情況下導致損壞被夾緊組織的過大夾緊力的施加。

因此，認為需要一種以可控的方式可操作產生夾緊力的手術組件。

技術實現要素：

公開了控制組織夾持力的手術組件、器械和相關方法。所公開的組件、器械和相關方法采用具有預載彈簧的機構，所述預載彈簧在傳送到夾緊機構的力/轉矩低于預定水平時使該機構的構件(components)一起偏置和在所傳送的力/轉矩高于預定水平時允許構件之間的分離。所公開的組件、器械和方法可以用于任何適合的應用。例如，本文所公開的手術組件、器械和/或方法可以在用于開放式或微創(單端口或多端口)操作的手動或電動、手持式或機器人式、直接控制或遙控操作的其他手術器械中使用。當在微創機器人手術組件、器械和操作中采用時，所公開的組件、器械和方法可以是特別有利的。

因此，在第一個方面，提供微創機器人手術組件。所述手術組件包括包含可操作以夾持病人組織的夾鉗的末端執行器和彈簧組件。所述彈簧組件包括與所述夾鉗驅動地耦合的輸出連桿、驅動地耦合到鉸接源的輸入連桿和與所述輸入和輸出連桿耦合以將鉸接力從所述輸入連桿轉移到所述輸出連桿的彈簧。所述彈簧被預載，以便當所轉移的鉸接力低于預定水平時抑制所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動，和以便當所轉移的鉸接力高于所述預定水平時允許所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動。

在所述手術組件的許多實施例中，所轉移的鉸接力誘導所述夾鉗的夾持力。當所轉移的鉸接力處于或高于所述預定水平時進一步關閉所述夾鉗的所述輸入連桿的運動誘導與所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動相關聯的彈簧的變形，以便當變形彈簧將所述鉸接力從所述輸入連桿轉移到所述輸出連桿時控制轉移的鉸接力的增加。

所述彈簧組件的彈簧可以是拉伸彈簧。所述輸出連桿相對于所述末端執行器的直線運動可以用來誘導所述夾鉗的鉸接。

在所述手術組件的許多實施例中，所述彈簧組件的彈簧包括扭力彈簧。并且，所述輸出連桿相對于所述末端執行器的旋轉運動可以用來誘導所述夾鉗的鉸接。所述輸入和輸出連桿可以旋轉地安裝到底座，以圍繞共同旋轉軸線旋轉。例如，所述輸出連桿可以固定地連接到中心軸，和所述輸入連桿可以旋轉地安裝到該中心軸。可選擇地，所述輸入連桿可以固定地連接到中心軸，和所述輸出連桿可以旋轉地安裝到該中心軸。當所述彈簧包括扭力彈簧時，所述扭力彈簧可以由所述輸入連桿的外表面或所述輸出連桿的外表面中的至少一個容納和約束。

在所述手術組件的許多實施例中，所述彈簧組件進一步包括旋轉地安裝到所述底座以圍繞共同旋轉軸線旋轉的一個或多個接合元件。所述一個或多個接合元件和所述彈簧的組合在所轉移的鉸接力低于所述預定水平時抑制所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動，和在所轉移的鉸接力高于所述預定水平時允許所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動。所述一個或多個接合元件中的至少一個可以具有凸部，其被定形以在所轉移的鉸接力低于所述預定水平時與所述輸入連桿或所述輸出連桿中至少一個的互補定形的凸部接合。

在另一方面，提供了一種控制機器人手術器械中的夾持力的方法。該方法包括：致動彈簧組件的輸入連桿；將致動力從所述輸入連桿轉移到所述彈簧組件的輸出連桿；當所轉移的致動力低于所述彈簧組件的預載彈簧的預定水平時，抑制所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動；當所轉移的致動力增加至高于所述預定水平時，通過使所述彈簧組件的預載彈簧變形，相對于所述輸出連桿移動所述輸入連桿；和經由所述輸出連桿致動夾持機構，以便夾持病人組織。

該方法的動作可以以各種合適的方式完成。例如，所述輸入連桿的致動可以包括相對于所述夾持機構平移所述輸入連桿。所述輸入連桿的致動可以包括相對于所述夾持機構旋轉所述輸入連桿。所述致動力的轉移可以包括通過預載彈簧轉移所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的力。所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動的抑制可以包括用預載彈簧使輸入和輸出彈簧相對于彼此約束。并且，所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動的抑制可以包括接合所述輸入連桿與接合連桿及接合所述接合連桿與所述輸出連桿，所述輸入和輸出連桿通過預載彈簧與所述接合連桿保持接觸。所述輸入連桿、所述輸出連桿和所述接合連桿可以被約束以圍繞共同旋轉軸線旋轉。所述預載彈簧可以包括在所述輸入連桿和所述輸出連桿之間耦合的扭力彈簧。

在另一方面，提供了一種與微創手術系統的機器人機械手(manipulator)一起使用的手術器械，所述機器人機械手具有夾具。所述手術器械包括：在遠端和近端之間延伸的器械軸；由所述遠端支撐并包括可操作以夾持病人組織的夾鉗的末端執行器；與所述夾鉗驅動地耦合的驅動元件；和設置在所述近端處的底架。所述底架包括支撐所述器械軸的框架、彈簧組件和輸入耦合器。所述彈簧組件包括：與所述驅動元件驅動地耦合的輸出連桿；輸入連桿；和與所述輸入和輸出連桿耦合以將鉸接力從所述輸入連桿轉移到所述輸出連桿的彈簧。所述彈簧被預載，以便當所轉移的鉸接力低于預定水平時抑制所述輸入連桿和輸出連桿之間的相對運動，和以便當所轉移的鉸接力高于所述預定水平時允許所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動。所述輸入耦合器是與所述輸入連桿驅動地耦合，并經配置與所述機器人機械手的相應輸出耦合器驅動地接合。

在所述手術器械的許多實施例中，所轉移的鉸接力誘導所述夾鉗的夾持力。并且，當所轉移的鉸接力處于或高于所述預定水平時進一步關閉所述夾鉗的輸入連桿的運動誘導與所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動相關聯的彈簧的變形，以便當變形彈簧將所述鉸接力從所述輸入連桿轉移到所述輸出連桿時控制轉移的鉸接力的增加。

在所述手術器械的許多實施例中，所述驅動元件包括與所述夾持機構旋轉地耦合的驅動軸。所述輸入連桿和所述輸出連桿可以旋轉地安裝到所述框架，以圍繞共同旋轉軸線旋轉。并且，所述預載彈簧可以包括扭力彈簧。

在所述手術器械的許多實施例中，所述彈簧組件進一步包括旋轉地安裝到所述底座以圍繞共同旋轉軸線旋轉的一個或多個接合元件。所述一個或多個接合元件和所述彈簧的組合在所轉移的鉸接力低于所述預定水平時抑制所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動，和在所轉移的鉸接力高于所述預定水平時允許所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動。所述一個或多個接合元件中的至少一個可以具有凸部，其被定形以在所轉移的鉸接力低于所述預定水平時與所述輸入連桿或所述輸出連桿中至少一個的互補定形的凸部接合。

為了更完全地理解本發明的性質和優點，應該參考隨后的詳細描述和附圖。從下面的附圖和詳細描述看，本發明的其他方面、目的和優點將是明顯的。

附圖說明

圖1是根據許多實施例的用來進行手術的微創機器人手術系統的平面圖。

圖2是根據許多實施例的用于機器人手術系統的外科醫生的操作臺的透視圖。

圖3是根據許多實施例的機器人手術系統電子推車的透視圖。

圖4示意地示出了根據許多實施例的機器人手術系統。

圖5A是根據許多實施例的機器人手術系統的病人側推車(手術機器人)的前視圖。

圖5B是根據許多實施例的機器人手術工具的前視圖。

圖6A是根據許多實施例的包括具有對置夾鉗的末端執行器的機器人手術工具的透視圖。

圖6B是圖6A的末端執行器的特寫透視圖。

圖7是圖6A的末端執行器的分解透視圖，其示出用來將驅動軸的旋轉運動轉換成對置夾鉗的鉸接的機構。

圖8A和圖8B是根據許多實施例的具有對置夾鉗的末端執行器和用來將驅動軸的旋轉運動轉換成對置夾鉗的鉸接的機構的透視圖。

圖9是示出根據許多實施例的控制手術器械中的夾緊力的方法的簡化示意圖。

圖10以圖表形式示出根據許多實施例的控制手術器械中的夾緊力的方法。

圖11以圖表形式示出根據許多實施例的在控制手術器械中的夾緊力的方法中使用的拉伸彈簧的工作范圍。

圖12A是根據許多實施例的用來控制手術器械中的夾緊力的旋轉機構的橫截面視圖。

圖12B是簡化示意圖，其示出當通過旋轉機構傳送的轉矩小于預定水平時圖12A的旋轉機構的構件的配置。

圖12C是簡化示意圖，其示出當通過旋轉機構傳送的轉矩大于預定水平時圖12A的旋轉機構的構件的配置。

圖13以圖表形式示出根據許多實施例的在控制手術器械中的夾緊力的方法中使用的扭力彈簧的工作范圍。

圖14是機器人手術工具的近端底架的透視圖，其示出根據許多實施例的用于控制轉移到用來致動末端執行器的夾鉗的驅動軸的轉矩的旋轉機構。

圖15A是根據許多實施例的用于控制轉移到用來致動末端執行器的夾鉗的驅動軸的轉矩的旋轉機構的透視圖。

圖15B是圖15A的旋轉機構的分解透視圖。

圖15C示出在圖15A的旋轉機構中用于將扭力彈簧耦合到輸入連桿的輸入連桿的細節。

圖16示出根據許多實施例的控制手術器械中的夾持力的方法的動作。

具體實施方式

在下列描述中，將描述本發明的各種實施例。為了說明的目的，闡釋具體配置和細節，以便提供對實施例的完全理解。然而，對本領域技術人員也將明顯的是，本發明可以在無具體細節的情況下實踐。此外，可能省略或簡化熟知的特征，以便不遮掩正在描述的實施例。

微創機器人手術

現在參考附圖，其中貫穿若干視圖，相同參考標號表示相同部件，圖1是示出微創機器人手術(MIRS)系統10的平面圖，該系統通常用于對躺在手術臺14上的病人12進行微創診斷或手術操作。該系統可以包括由外科醫生18在操作過程中使用的外科醫生的操作臺16。一個或多個助手20也可以參與操作。所述MIRS系統10可以進一步包括病人側推車22(手術機器人)和電子推車24。當外科醫生18通過操作臺16查看手術部位時，病人側推車22可以通過病人12的身體內的微創切口操縱至少一個可拆卸耦合的工具組件26(以下簡稱為“工具”)。手術部位的圖像可以由內窺鏡28如立體內窺鏡獲得，可以由病人側推車22操縱以便定向內窺鏡28。電子推車24可以用來處理隨后通過外科醫生的操作臺16顯示給外科醫生18的手術部位的圖像。同時使用的手術工具26的數量一般將取決于診斷或手術操作以及手術室內的空間限制及其他因素。如果有必要改變在操作過程中使用的一個或多個所述工具26，助手20可以從病人側推車22移除工具26，并用手術室中來自托盤30的另一工具26將其替換。

圖2是外科醫生的操作臺16的透視圖。外科醫生的操作臺16包括用于給外科醫生18呈現能夠深度感知的手術部位的協調立體圖的左眼顯示器32和右眼顯示器34。所述操作臺16進一步包括一個或多個輸入控制設備36，其進而導致(圖1中所示的)病人側推車22操縱一個或多個工具。所述輸入控制設備36可以提供與(圖1中所示的)其關聯工具26相同的自由度，以便向外科醫生提供遠程監控或者所述輸入控制設備36與所述工具26是一個整體的感知，這樣外科醫生具有直接控制所述工具26的強烈感覺。為此，可以采用位置、力和觸覺反饋傳感器(未示出)，以通過所述輸入控制設備36將位置、力和觸覺感受從所述工具26傳送回到外科醫生的雙手。

外科醫生的操作臺16通常位于與病人相同的房間內，以便外科醫生可以直接監控操作，如果有必要親自到場，并直接而不是通過電話或其他通信媒介對助手講話。然而，外科醫生可以位于不同的房間、完全不同的建筑物或允許遠程手術操作的遠離病人的其他位置。

圖3是電子推車24的透視圖。所述電子推車24可以與所述內窺鏡28耦合，并可以包括處理器，以處理隨后顯示的捕獲圖像，如在外科醫生的操作臺上或在本地和/或遠程位置的另一合適顯示器上隨后顯示給外科醫生的捕獲圖像。例如，在使用立體內窺鏡的情況下，電子推車24可以處理捕獲的圖像，以便向外科醫生呈現手術部位的協調立體圖。這樣的協調可以包括對置圖像之間的對準，且可以包括調整所述立體內窺鏡的立體工作距離。作為另一示例，圖像處理可以包括先前確定的攝像機校準參數的使用，以便補償該圖像捕獲設備的成像誤差，如光學像差。

圖4示意地示出機器人手術系統50(如圖1的MIRS系統10)。如上面所討論的，外科醫生的操作臺52(如圖1中的外科醫生的操作臺16)可以由外科醫生使用來在微創手術操作過程中控制病人側推車(手術機器人)54(如圖1中的病人側推車22)。所述病人側推車54可以使用成像設備，如立體內窺鏡，以捕獲操作部位的圖像，并輸出捕獲的圖像到電子推車56(如圖1中的電子推車24)。如上面所討論的，所述電子推車56可以在任何隨后顯示之前以各種方式處理捕獲的圖像。例如，所述電子推車56可以在經由外科醫生的操作臺52顯示組合的圖像給外科醫生之前用虛擬控制界面覆蓋捕獲的圖像。所述病人側推車54可以輸出用于在電子推車56的外面處理的捕獲圖像。例如，所述病人側推車54可以輸出捕獲的圖像到處理器58，處理器58可以用來處理捕獲的圖像。所述圖像也可以由電子推車56和處理器58的組合加以處理，所述電子推車56和處理器58可以耦合在一起，以便共同地、相繼地和/或其組合地處理捕獲的圖像。一個或多個單獨的顯示器60也可以與所述處理器58和/或所述電子推車56耦合，用于圖像的本地和/或遠程顯示，如手術操作部位的圖像或其他相關圖像。

圖5A和圖5B分別示出病人側推車22和手術工具62。所述手術工具62是手術工具26的一個示例。所示的病人側推車22提供了三個手術工具26和一個成像設備28的操縱，該成像設備28如用于操作部位的圖像捕獲的立體內窺鏡。由具有多個機器人接頭的機器人機構提供操縱。所述成像設備28和所述手術工具26可以通過病人的切口被定位和操縱，以便運動遠程中心保持在該切口處以最小化該切口的大小。該手術部位的圖像可以包括當位于所述成像設備28的視場內時所述手術工具26的遠端圖像。

組織夾持末端執行器

圖6A示出了手術工具70，其包括近側底架72、器械軸74和具有可以鉸接以夾持病人組織的夾鉗78的遠端執行器76。所述近側底架包括經配置與病人側推車22的輸出耦合器接合并由其驅動的輸入耦合器。所述輸入耦合器與彈簧組件80的輸入連桿驅動地耦合。所述彈簧組件80安裝到所述近側底架72的框架82，并包括與設置在所述器械軸74內的驅動軸驅動地耦合的輸出連桿。所述驅動軸與所述夾鉗78驅動地耦合。圖6B提供所述末端執行器76的夾鉗78的特寫視圖。

圖7是圖6A的末端執行器76的分解透視圖，其示出用來將驅動軸84的旋轉運動轉換成所述末端執行器76的對置夾鉗的鉸接的夾緊機構。所述末端執行器包括上夾鉗86、下夾鉗88、框架90、用于樞轉地安裝上夾鉗86和下夾鉗88到框架90的銷92和與所述驅動軸84驅動地耦合的導螺桿機構94。所述導螺桿機構94包括導螺桿96和經由所述導螺桿96的旋轉沿所述框架90內的狹槽100推進和縮回的配合移動螺母98。所述移動螺母98包括與在上夾鉗86中的狹槽102和下夾鉗88中的狹槽104接合的相對延伸的凸部，從而導致在所述移動螺母98沿所述狹槽100推進或縮回時上夾鉗86和下夾鉗88圍繞所述銷92的鉸接。

圖8A和圖8B示出與圖7的夾緊機構類似的一個夾緊機構的操作。在所示的方向上旋轉所述驅動軸84導致移動螺母98向樞軸銷92進行遠側推進，所述下夾鉗88和所述上夾鉗86通過該樞軸銷92樞轉地安裝到末端執行器的框架90。如圖8B中所示，移動螺母98的凸部嚙合在所述上夾鉗86中的狹槽102。所述移動螺母98向所述樞軸銷92的遠側推進導致所述上夾鉗在所示的方向上旋轉，并導致所述下夾鉗88在相反方向上旋轉，從而打開該夾鉗。同樣地，所述移動螺母98遠離所述樞軸銷92的近側推進導致該夾鉗關閉。因此，該夾鉗可以鉸接以夾持病人組織。

圖7、圖8A和圖8B中顯示的導螺桿型的夾緊機構提供顯著的機械優勢，其將由所述驅動軸傳送的相對低的轉矩轉換成相對高的夾緊力。為了避免經由具有這樣的顯著機械優勢的機構使組織遭受過大夾緊力，可以控制由所述驅動軸傳送到所述夾緊機構的轉矩。

致動力/轉矩的控制

圖9示意地示出用于控制傳送到末端執行器的夾鉗的夾緊力的量的彈簧組件110。所述彈簧組件110包括由輸入耦合器(也稱為“針盤傳動滑輪(dog)”)驅動的輸入連桿112、與所述末端執行器夾鉗驅動地耦合的輸出連桿114和在所述輸入連桿112和所述輸出連桿114之間耦合的預載拉伸彈簧116。參照圖9，當所述輸入連桿112由所述輸入耦合器向右驅動時，所述拉伸彈簧116向右拉動所述輸出連桿114，從而導致所述末端執行器的夾鉗關閉。隨著該夾鉗開始夾持組織，進一步關閉該夾鉗所需的力開始增加。為了進一步關閉該夾鉗，傳送到該夾鉗的夾緊力增加。隨著該夾鉗繼續關閉，傳送到該夾鉗的漸增的夾緊力到達等于所述預載拉伸彈簧116中的力的水平。在該點處，所述輸入連桿112的進一步向右運動導致所述預載拉伸彈簧116開始拉伸，從而允許所述輸入連桿和所述輸出連桿開始分離。此后，所產生的傳送到該夾鉗的夾緊力受所述彈簧剛度(spring rate)和所述拉伸彈簧116的總撓度(deflection)的組合限制。

圖10示意地示出隨著所述輸入耦合器從其中所述夾鉗不夾持組織的初始位置(P(i))移動到其中所述夾鉗開始夾持組織的接觸位置(P(c))，再移動到其中通過所述彈簧組件110傳送的力到達其中所述預載拉伸彈簧116開始拉伸的點的中間位置(P(sep))，以及最后移動到最終位置(P(f))，通過所述彈簧組件110傳送到所述末端執行器夾鉗的夾緊力(也稱為“夾持力”)。當所述輸入耦合器在初始位置(P(i))至接觸位置(P(c))之間移動時，通過所述彈簧組件110傳送的力118保持為低，因為所述末端執行器夾鉗尚未開始夾持組織。一旦所述末端執行器夾鉗開始夾持組織(當所述輸入耦合器到達接觸位置(P(c))時)，所述輸入耦合器的進一步向右運動導致通過所述彈簧組件110傳送的力118以取決于由夾持的組織提供的阻力的速率增加。當通過所述彈簧組件傳送的力到達預定水平(G_F(i))時，所述預載拉伸彈簧116開始拉伸，從而隨著所述輸入耦合器在中間位置(P(sep))和最終位置(P(f))之間繼續向右移動，控制通過所述彈簧組件110傳送的力118的量。在沒有彈簧組件110的情況下，所述輸入耦合器在中間位置(P(sep))和最終位置(P(f))之間的進一步運動將產生未受控制的夾緊力120，其超過在所述輸入耦合器到達最終位置(P(f))時通過所述彈簧組件110傳送的最大控制夾緊力(G_F(f))。

圖11示意地示出在所述輸入耦合器在初始位置(P(i))和最終位置(P(f))之間的運動過程中所述預載拉伸彈簧116中的力。在所述拉伸彈簧116的零撓度(L(0))處，所述拉伸彈簧產生零彈簧力。在所述彈簧組件110中，所述拉伸彈簧116處于預載狀態，從而由于傳送的轉矩小于和等于所述預定水平而將所述輸入連桿和所述輸出連桿偏置在一起。因此，在所述輸入耦合器在初始位置(P(i))和中間位置(P(sep))之間的運動過程中，未發生所述拉伸彈簧116的拉伸(即所述彈簧撓度保持恒定L(i))和所產生的彈簧力在F(i)處保持恒定)。隨著所述輸入耦合器從中間位置(P(sep))移動到最終位置(P(f))，所述拉伸彈簧116的彈簧撓度從L(i)增加到L(f)，從而導致所述彈簧力從F(i)增加到F(f)。因此，當所述輸入耦合器從中間位置(P(sep))移動到最終位置(P(f))時傳送到所述夾鉗的力是彈簧預載力(F(i))、拉伸彈簧116的彈簧剛度和拉伸彈簧116從L(i)到L(f)的撓曲量的函數。

圖12A示意地示出用于控制傳送到末端執行器的夾鉗的夾緊力的量的扭力彈簧組件130。所述扭力彈簧組件130包括：與輸入耦合器(也稱為“針盤傳動滑輪”)旋轉地耦合的輸入連桿132；與驅動軸旋轉地耦合的輸出連桿134，所述驅動軸與所述末端執行器夾鉗驅動地耦合；接合元件136；和在所述輸入連桿132和所述輸出連桿134之間耦合的扭力彈簧138。所述輸出連桿134固定地連接到中心軸140(或與中心軸140是整體)。所述扭力彈簧組件130經由軸承142旋轉地安裝到所述近端底架72的框架82。所述輸入連桿132和所述接合元件136經安裝以圍繞所述中心軸140的中心軸線144旋轉。在所述輸入連桿132和所述輸出連桿134之間耦合的扭力彈簧138處于預載狀態。

在操作中，所述扭力彈簧組件130將轉矩從所述輸入連桿132傳送到所述輸出連桿134。參照圖12B，當傳送的轉矩146低于預定水平(即所述扭力彈簧138中預載的轉矩)時，所述扭力彈簧138中的預載水平足以偏置所述輸出連桿134以與所述接合元件136接觸，所述接合元件136進而被偏置以與所述輸入連桿132接觸。參照圖12C，當傳送的轉矩146超過所述預定水平時，所述扭力彈簧138中的預載水平不足以保持在所述輸出連桿134、所述接合元件136和所述輸入連桿132之間的接觸，因此發生所述扭力彈簧138的額外旋轉變形。并且，當傳送的轉矩146超過所述預定水平時，通過所述扭力彈簧組件130傳送的轉矩是通過所述扭力彈簧138傳送的。

所述接合元件136用于若干目的。對于小于所述預定水平的通過所述扭力彈簧組件130傳送的轉矩，所述接合元件136和所述輸入和輸出連桿132、134之間的接觸保持所述輸入連桿132和所述輸出連桿134之間的相對成角定向。對于超過所述預定水平的通過扭力彈簧組件130傳送的轉矩，所述接合元件136也用于增加可以發生在所述輸入連桿132和所述輸出連桿134之間的可能角偏轉量。例如，通過將所述輸入和輸出連桿配置有提供類似于由所述接合元件(例如，所述接合元件136可以與所述輸入連桿132制成整體，或所述接合元件136可以與所述輸出連桿134制成整體)提供的接觸的輸入和輸出連桿之間的直接接觸的特征，可以配置沒有接合元件的所述扭力彈簧組件130。在沒有接合元件136的這種實施例中，可以存在于所述輸入連桿132和所述輸出連桿134之間的可能角偏轉量可限于略小于360度(例如，約345度)。在具有可以圍繞所述中心軸線144旋轉的接合元件136的情況下，可以存在于所述輸入連桿132和所述輸出連桿134之間的可能角偏轉量可以較大(例如，約690度)。可以使用任何合適數量的接合元件136(例如，0、1、2、3或更多個等)，適用于所述輸入連桿132和所述輸出連桿134之間所需的可能角偏轉量。

所述扭力彈簧組件130，如同所述拉伸彈簧組件110，經配置以控制在一個方向(即在對應于所述末端執行夾鉗關閉的方向)傳送的轉矩/力的量。對于在對應于所述末端執行器夾鉗打開的方向傳送的轉矩/力，所傳送的轉矩/力的方向進一步增加至預載彈簧力，防止所述輸入連桿132和所述輸出連桿134之間的相對運動。為了實現雙向控制，可以與所述扭力彈簧組件130串聯地添加相對配置的扭力彈簧組件(即控制在對應于所述末端執行器夾鉗打開的方向的轉矩的扭力彈簧組件)。

返回參照圖10和相關討論，圖13示意地示出在初始角定向(對應于圖10中的P(i))和最終角定向(對應于圖10中的P(f))之間的輸入耦合器旋轉過程中所述扭力彈簧138的轉矩。在所述扭力彈簧138的零角撓度(角度(O))處，所述扭力彈簧產生零彈簧轉矩。在所述扭力彈簧組件130中，所述扭力彈簧138處于預載狀態，從而對于小于和等于預定水平的傳送轉矩而言將所述輸入連桿和所述輸出連桿偏置在一起。因此，在初始角定向和中間角定向(對應于圖10中的P(sep))之間的輸入耦合器旋轉過程中，未發生所述扭力彈簧138的角偏轉(即所述彈簧角撓度保持恒定角度(i)，且所產生的彈簧轉矩在T(i)保持恒定)。隨著所述輸入耦合器從中間角定向移動到最終角定向(對應于圖10中的P(f))，所述扭力彈簧138的角撓度從角度(i)增加到角度(f)，從而將所述彈簧轉矩從T(i)增加到T(f)。因此，當所述輸入耦合器從中間位置移動到最終位置時傳送到所述夾鉗的轉矩是彈簧預載轉矩(T(i))、扭力彈簧138的彈簧剛度和從角度(i)到角度(f)的扭力彈簧138的角偏轉量的函數。

圖14示出所述機器人手術工具70的近側底架72。所述近側底架72包括所述框架82和與圖5A中所示的手術機器人的相應輸出耦合器驅動地接合的輸入耦合器(未示出)。安裝到所述框架82的是控制經傳送以致動所述末端執行器夾鉗的轉矩的量的扭力彈簧組件150。所述扭力彈簧組件150經由與相應的一個所述輸入耦合器驅動地耦合的輸入驅動軸152接收輸入轉矩，和經由輸出小齒輪154傳送輸出轉矩，該輸出小齒輪154與所述末端執行器夾鉗經由與支撐所述末端執行器76的器械軸74的管腔一起設置的內驅動軸驅動地耦合。

圖15A單獨地示出所述扭力彈簧組件150。并且，圖15B示出所述扭力彈簧組件150的構件的分解視圖。所述扭力彈簧組件150包括安裝到所述近側底架72的所述框架82的殼體156。所述殼體156支撐所述扭力彈簧組件150的子組件，包括輸入小齒輪子組件158和轉矩控制子組件160。

所述輸入小齒輪子組件158包括將從所述輸入驅動軸152接收的轉矩轉移到所述轉矩控制子組件160的輸入小齒輪162。所述輸入小齒輪162由銷164支撐。所述銷164具有扁平外部166，和所述輸入小齒輪162具有被定形以與所述銷164和該銷的扁平外部166接合的孔168，以便與所述銷164一起旋轉。所述銷164經由軸承170、172安裝到所述殼體。

所述轉矩控制子組件160包括輸入連桿174、接合元件176、輸出連桿178、支撐軸180、扭力彈簧182、支撐軸承184、186、188和輸出小齒輪190。所述支撐軸180被安裝，以經由所述軸承184、188相對于所述殼體156旋轉。所述輸出小齒輪190由所述支撐軸180支撐，且包括其被定形以防止所述輸入小齒輪190相對于所述支撐軸180旋轉的孔192，從而使得所述輸出小齒輪190與所述支撐軸180一起旋轉。所述輸出連桿178由所述支撐軸180支撐。所述支撐軸180具有凸狀部分194。所述輸出連桿178具有孔196，其被定形以與所述支撐軸180及其凸狀部分194接合，以便與所述支撐軸180一起旋轉。所述輸出連桿178具有圓柱形外表面198，其被設定尺寸以容納和支撐所述扭力彈簧182。所述輸出連桿178也具有四個凸部200，其經配置以與所述扭力彈簧182的端部202接合，以旋轉地耦合所述扭力彈簧182和所述輸出連桿178。所述輸入連桿174由所述支撐軸180支撐，以相對于所述支撐軸180旋轉。所述輸入連桿174具有圓柱形外表面204，其被設定尺寸以容納和支撐所述扭力彈簧182。所述接合元件176由所述支撐軸180支撐，以相對于所述支撐軸180旋轉。所述接合元件176包括與所述輸入和輸出連桿的內部突出部分接合的縱向凸部208。所述扭力彈簧182以預載配置安裝，從而當通過所述轉矩控制子組件160傳送的轉矩小于所述扭力彈簧182的預載轉矩時旋轉地偏置所述輸入和輸出連桿以與所述接合元件176的縱向凸部208接觸。

圖15C示出所述輸入連桿174如何經配置以與所述扭力彈簧182耦合。如截面C-C中所示，所述輸入連桿174具有孔206，其接收所述扭力彈簧182的彎曲端，從而耦合所述扭力彈簧182的該端與所述輸入連桿174。

在操作中，所述轉矩控制組件160通過采用圖12A、12B和12C的扭力彈簧組件130所用的相同方法經由所述輸出小齒輪190控制轉移到所述末端執行器夾鉗的轉矩水平。例如，對于小于所述扭力彈簧182的預載轉矩的傳送轉矩，所述輸出連桿178以與所述輸入連桿174相同的速率旋轉。當傳送轉矩超過所述扭力彈簧182的預載轉矩時，傳送轉矩的任何額外增加導致所述扭力彈簧182的額外角偏轉，這允許所述輸出連桿178以比所述輸入連桿174更慢的速率旋轉，從而控制傳送到所述末端執行器夾鉗的轉矩量，進而控制所述末端執行器夾鉗的夾持力的量。

應用

本文公開的手術組件和器械可以在任何合適的應用中使用。例如，本文公開的手術組件可以在用于開放式或微創(單端口或多端口)操作的手動或電動、手持式或機器人式、直接控制或遙控操作的其他手術器械中使用。

控制手術器械中的夾持力的方法

圖16示出根據許多實施例的用于控制手術器械中的夾持力的方法210的動作。方法210可以例如通過使用本文公開的手術組件和器械中的任何一個進行實踐。

方法210包括致動彈簧組件的輸入連桿(動作212)。例如，輸入連桿的致動可以包括相對于手術器械的夾持機構平移所述輸入連桿。作為另一示例，輸入連桿的致動可以包括相對于手術器械的夾持機構旋轉所述輸入連桿。

方法210進一步包括將致動力從所述輸入連桿轉移到所述彈簧組件的輸出連桿(動作214)。所述致動力的轉移可以包括通過所述彈簧組件的預載彈簧轉移所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的力。

方法210進一步包括當所轉移的致動力低于所述彈簧組件的預載彈簧的預定水平時，抑制所述輸入連桿和所述輸出連桿之間的相對運動(動作216)。所述相對運動的抑制可以包括用預載彈簧使所述輸入連桿和所述輸出連桿相對于彼此約束。并且，所述相對運動的抑制可以包括接合所述輸入連桿與接合連桿以及接合所述接合連桿與所述輸出連桿，所述輸入和輸出連桿通過所述預載彈簧與所述接合連桿保持接觸。在許多實施例中，所述輸入連桿、所述輸出連桿和所述接合連桿被約束以圍繞共同旋轉軸線旋轉，并且所述預載彈簧包括在所述輸入連桿和所述輸出連桿之間耦合的扭力彈簧。

方法210進一步包括當所轉移的致動力增加至高于所述預定水平時通過使所述預載彈簧變形而相對于所述輸出連桿移動所述輸入連桿(動作218)。并且，方法210進一步包括經由所述輸出連桿致動夾持機構(動作220)。在許多實施例中，致動所述夾持機構，以便夾持病人組織。

方法應用

本文公開的方法可以在任何合適的應用中使用。例如，本文公開的方法可以在用于開放式或微創(單端口或多端口)操作的手動或電動、手持式或機器人式、直接控制或遙控操作的手術器械中使用。這樣的手術器械的示例包括微創機器人手術器械，如本文所公開的那些。

其他變化是在本發明的精神內。因此，雖然本發明可以容許各種修改和替代結構，但某些其示出的實施例在附圖中顯示且已在上文詳細地描述。然而，應該理解的是，無意圖將本發明限制到具體形式或所公開的形式，但相反，意圖是涵蓋落入本發明的精神和范圍內的所有修改、替代結構和等同物，如在所附權利要求書中所限定的那樣。

術語“力”被解釋為包括力和轉矩(特別是在所附權利要求書的背景下)，除非本文另有說明外，或與上下文明顯相矛盾。術語“一(a)”和“一個(an)”和“該(the)”及在描述本發明的背景下(特別是在所附權利要求書的背景下)的類似指代被解釋為涵蓋單數和復數，除非本文另有說明或與上下明顯相矛盾。術語“包含”、“具有”、“包括”和“含有”被解釋為開放式術語(即，指“包括但不限于”)，除非另有說明。術語“連接”被解釋為部分或全部被包含在其中、附著于其或結合在一起，即使有一些事物介于其間。本文中的各值的范圍的敘述僅意圖充當分別指代落在該范圍內的每個單獨值的簡化方法，除非本文另有明確指出，并且每個單獨的值包含在本說明書內，如同其被本文單獨敘述。本文描述的所有方法可以以任何合適的順序執行，除非本文另有明確指出或與上下文明顯相矛盾。本文提供的任何和所有示例或示例性語言(例如，“如”)的使用僅意圖更好地闡明本發明的實施例，并不限制本發明的范圍，除非另有要求。本說明書中的語言不應被解釋為將任何非要求的元件指示是對本發明的實踐必不可少的。

本文描述了本發明的優選實施例，包括用于實施本發明的發明人已知的最佳方式。在閱讀上述說明時，對于本領域的普通技術人員來說那些優選實施例的變化可能變得明顯。本發明人預期熟練的技術人員適當地采用這樣的變化，且本發明人意圖在本文具體描述以外實踐本發明。因此，本發明包括適用法律所允許的所附權利要求書中敘述的主題的所有修改和等同物。此外，本發明包含上述元件在其所有可能變化中的任何組合，除非本文另有明確指出或與上下文明顯相矛盾。

本文引用的所有參考文獻，包括出版物、專利申請和專利，通過引用并入本文，達到與如果每個參考文獻單獨地和特別地指出通過引用而并入以及在本文中全部闡述的相同的程度。