用于機器人外科手術器械末端執行器的夾持力控制的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種控制機器人控制的外科手術器械的末端執行器的夾持力的方法。該方法包括：接收表示控制末端執行器的從動夾持力的主控夾持輸入機構處的高夾持水平輸入的第一輸入信號；接收表示使用者準備好操作外科手術器械以執行外科手術程序的第二輸入信號；以及響應于一起接收到第一輸入信號和第二輸入信號而輸出致動信號，以便在外科手術程序期間將從動夾持力從第一水平增加至高于第一水平的第二水平。
【專利說明】用于機器人外科手術器械末端執行器的夾持力控制
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求美國臨時申請US61/550，356 (2011年10月21號提交；標題為“GRIPFORCE CONTROL FOR ROBOTIC SURGICAL INSTRUMENTEND EFFECTOR”)的優先權益。
【技術領域】
[0003]本公開大體涉及控制外科手術器械末端執行器。更具體地，本公開的各方面涉及控制用于機器人控制的外科手術器械的末端執行器的夾持力。
【背景技術】
[0004]微創外科手術技術通常試圖執行外科手術程序，同時最小化對健康組織的損傷。機器人控制的外科手術器械能夠被用來遠程地執行各種微創外科手術程序。在這類系統中，外科醫生操縱外科醫生控制臺處的各種輸入裝置(在本文中有時被稱為主控輸入)。外科醫生控制臺處的輸入被傳送給與一個或更多個機器人控制的外科手術器械接口連接的病人側推車，其中發生外科手術器械的遠程操作的/遠程機器人的操縱，以便對病人執行外科手術和/或其他程序。
[0005]微創機器人控制的外科手術器械可以在多種操作中使用，并且可以具有各種配置。許多這樣的器械包括被安裝在長軸的遠端處的外科手術末端執行器，其中所述長軸被配置為通過開口(例如，體壁切口、自然孔口)(例如，以腹腔鏡方式或胸腔鏡方式)插入，以到達病人體內遙遠的外科手術部位。在一些器械中，鉸接式腕機構被安裝到器械的軸的遠端，以支撐末端執行器并改變末端執行器相對于軸的縱向軸線的取向(例如，俯仰和/或偏擺)。
[0006]遠程機器人控制的末端執行器可以被配置為執行各種功能，包括通常在開放或手動微創外科手術程序中執行的多種外科手術程序中的任一種。示例包括但不限于封閉、切害I]、燒灼、消融、縫合、吻合(stapling)等。在當例如在組織的封閉(例如，通過燒灼)或切割期間執行某一程序時需要抓緊 并保持組織的情況下，末端執行器可以包括夾持裝置，諸如夾鉗或刀片。在一些實例中，通過來自外科醫生控制臺處的外科醫生的主控夾持輸入，進行外科手術器械末端執行器的夾持裝置的控制。為控制末端執行器的運動，伺服致動器(例如，伺服馬達)能夠被用來將力或扭矩傳遞給各部件，其中力或扭矩從與病人側操縱器接口連接的傳動機構沿軸向下傳遞并最終傳遞至末端執行器。
[0007]在一些情況下，當使用包括具有夾持裝置的末端執行器的外科手術器械時，可能期望通過用夾持裝置夾持外科手術部位處的組織和/或其他物質而使用夾持裝置移動該組織和/或其他物質。當以這樣的方式使用夾持裝置時，可能期望使用比實現諸如封閉和/或切割的另一外科手術程序所期望的夾持力更少的夾持力。例如，當使用夾持裝置移動組織和/或其他身體部分/附近物質時，較低的夾持力可能是期望的，以便最小化對同一組織和/或其他身體部分/附近物質造成損傷的風險。另一方面，當將夾持裝置用于其他程序時，較高的夾持力可能是期望的。例如，如果在諸如切割的程序期間夾持力不是足夠高的，那么用來橫向通過組織切割的平移刀片可能向遠側推動組織，而非完全通過組織切割。同樣，例如，如果在諸如封閉(例如，燒灼)的程序期間夾持力不是足夠高的，則不能實現用于封閉組織表面(例如，血管的相對壁部分)的有效接觸。
[0008]使用者可以例如通過擠壓控制末端執行器處的夾持力的夾持輸入機構，指示將要使用較高的夾持力。使用者可能無意地過于猛烈地擠壓夾持輸入機構，從而在不期望較高夾持力的末端執行器的操作期間導致末端執行器處的較高夾持力。例如，在執行需要較高夾持力的程序(諸如封閉或切割)之前或之后，使用者可以足夠猛烈地擠壓夾持輸入機構以導致末端執行器處的較高夾持力。在不需要較高夾持力的操作期間(諸如當使用者在執行封閉或切割程序之前或之后操縱組織時)使用較高的夾持力會導致不期望的和/或無意的運動。例如，當末端執行器滾動時，可能發生不期望的俯仰或偏擺運動。此外，由于通過腕的俯仰/偏擺、軸的滾動和/或沿軸的平移中的一個的移動，可能在高夾持力動作期間發生末端執行器的無意的和/或不穩定的移動。末端執行器的這種移動不穩定性會消極地影響期望的外科手術程序。
[0009]因此，存在對提供外科手術器械末端執行器夾持裝置的夾持力控制的需要，以便解決在通過這樣的末端執行器執行依賴于相對高的夾持力的機器人控制的外科手術程序時面臨的各種問題。

【發明內容】

[0010]本公開解決一個或更多個上述問題和/或說明一個或更多個上述期望的特征。參考以下描述，其他特征和/或優點會變得明顯。
[0011]根據至少一個示例性實施例，本指導預期一種控制機器人控制的外科手術器械的末端執行器的夾持力的方法。該方法包括:接收表示控制末端執行器的從動夾持力的主控夾持機構處的高夾持水平輸入的第一輸入信號；接收表示使用者準備好操作外科手術器械以執行外科手術程序的第二輸入信號；以及響應于一起接收到第一輸入信號和第二輸入信號而輸出致動信號，以便在外科手術程序期間將從動夾持力從第一水平增加至高于第一水平的第二水平。
[0012]另外的目的和優點將會在以下的描述中部分地進行闡述，并且參考描述部分地顯而易見的，或可以通過本公開和/或權利要求的實施而獲知。這些目標和優點中的至少一些可以通過在所附權利要求中具體指出的元件及其組合而實現和獲得。
[0013]應理解，前述的總體描述和以下的【具體實施方式】僅是示例性和說明性的，并且不限制所公開或所要求保護的本發明。權利要求應當被賦予其充分寬的范圍(包括等同物)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]單獨或結合附圖參考下面的【具體實施方式】，能夠理解本公開。附圖被包括以提供對本公開的進一步理解，并且被并入在本說明中并構成本說明的一部分。被并入在本說明中并構成本說明的一部分的附圖例舉了本公開的一個或更多個實施例，與說明一起用于解釋某些原理與操作。在附圖中，
[0015]圖1A是根據至少一個示例性實施例描述用于機器人控制的外科手術器械的夾持力控制方案的狀態圖；[0016]圖1B是根據另一示例性實施例描述用于機器人控制的外科手術器械的夾持力控制方案的狀態圖；
[0017]圖2是根據至少一個示例性實施例描述用于機器人控制的外科手術器械的夾持力控制方案的狀態圖；
[0018]圖3是根據至少一個示例性實施例描述用于機器人控制的外科手術器械的夾持力控制方案的狀態圖；
[0019]圖4是根據至少一個示例性實施例描述用于機器人控制的外科手術器械的夾持力控制方案的狀態圖；
[0020]圖5是根據至少一個示例性實施例描述用于機器人控制的外科手術器械的夾持力控制方案的狀態圖；
[0021]圖6是根據至少一個示例性實施例的機器人控制的外科手術器械的立體圖；
[0022]圖7是根據示例性實施例對應于圖6的外科手術器械的一部分的示例性末端執行器的詳細視圖；
[0023]圖8是根據至少一個示例性實施例被配置為操作機器人控制的外科手術器械的示例性機器人外科手術系統的示意圖；
[0024]圖9A是根據示例性實施例處于打開位置的主控夾持輸入機構的側視圖；以及
[0025]圖9B是根據示例性實施例處于閉合位置的主控夾持輸入機構的側視圖。
【具體實施方式】
[0026]本說明書和附圖例舉了示例性實施例，并且不應當被理解為限制性的，其中權利要求限定了本公開的范圍(包括等同物)。可以進行各種機械的、組成的、結構的、電氣的以及操作的改變，而不偏離本說明書和所要求保護的發明的范圍(包括等同物)。在一些實例中，眾所周知的結構和技術未被詳細示出或描述，以便不會模糊本公開。在兩個或更多個附圖中的相似的數字表示相同的或類似的元件。此外，無論何時實踐時，參考一個實施例詳細描述的元件及其相關的方面可以被包括在未具體顯示或描述他們的其他實施例中。例如，如果參考一個實施例詳細描述了某一元件，但并未參考第二實施例描述所述元件，盡管如此所述元件還是可以被要求包括在第二實施例中。而且，本文中的描述僅用于示范的目的，并不一定反映系統或電外科手術器械的實際形狀、大小或尺寸。
[0027]注意到，如在本說明書以及所附權利要求中所使用的，單數形式“一”、“一個”和“所述”以及任何單數使用的任何單詞包括復數指示對象，除非特意且明確地限于一個指示對象。如在本文中所使用的，術語“包括”及其語法變體意圖是非限制性的，從而使得列表中列出的項目不排除能夠替代或增加至所列項目的其他類似的項目。
[0028]根據各種示例性實施例，本公開考慮到控制機器人控制的外科手術器械末端執行器夾持裝置，從而使得可以通過夾持裝置施加相對較低的或較高的夾持力，這取決于涉及如通過在外科醫生控制臺處接收到的輸入所指示的應用。例如，對于諸如在外科手術部位處抓緊以及移動組織和/或其他物質(例如，身體結構)的程序而言，可以控制末端執行器夾持裝置施加相對較低的 夾持力，以便允許在不必要對組織造成損傷的情況下抓緊和移動組織。另一方面，對于諸如例如封閉或切割的程序而言，可以控制末端執行器夾持裝置施加足以相對牢固地保持組織的較高夾持力，以便有效地執行通過相對高的夾持力實施的期望的外科手術程序。因此，各種示例性實施例提供了末端執行器夾持裝置的自動控制技術，在適當的程序期間將夾持力提升并保持在相對較高的水平，而在不需要并且可能不期望高夾持力的其他程序期間將夾持力提升并保持在相對較低的水平。
[0029]此外，為了避免由于在使用者夾持主控夾持輸入機構時發生的較高夾持力超過夾持力閾值而引起的外科手術器械末端執行器的不穩定性，各種示例性實施例限制較高的夾持力在未執行需要較高夾持力的操作時發生。具體地，根據各種示例性實施例，為了將較高的夾持力僅約束在需要較高夾持力的程序，控制末端執行器的夾持力的方法基于來自外科醫生的兩個輸入提供較高的夾持力，其中第一輸入表示外科醫生主控夾持輸入處的使用者的較高夾持水平輸入，而第二輸入表示使用者準備好操作外科手術器械以執行使用相對較高的末端執行器的夾持力的外科手術程序。根據各種示例性實施例，通過改變或限制病人側推車處的電動馬達(例如，伺服馬達)的扭矩，控制末端執行器的夾持力(從動夾持力)，所述馬達與外科手術器械相關聯的傳動機構的驅動輸入接口連接。
[0030]此外，各種示例性實施例提供了在某些外科手術程序期間鎖定(即，防止致動)末端執行器的一個或更多個自由度以便在所述程序正在被執行時提供更高水平的穩定性的方法。
[0031]盡管下面的示例性實施例和描述主要集中于在封閉與切割程序期間控制外科手術器械的夾持力，但示例性實施例的原理能夠應用于其他外科手術程序，包括但不限于例如夾緊血管或其他中空的身體結構、利用末端執行器的轉動刀片切割組織、外科手術上吻合組織和/或可能期望相對高的夾持力的其他程序。對于這些器械以及相關聯的程序中的一些而言，通過比通常被用來操作其他有夾鉗的器械(諸如外科手術剪刀、組織抓緊器、針驅動器等)的最高馬達扭矩更高的伺服馬達扭矩產生相對高的末端執行器夾持力。
[0032]參考圖6，描述了 機器人控制的外科手術器械600的示例性實施例。圖6是外科手術器械600的立體圖，而圖7是圖6中表示的外科手術器械600可以包括的對應部分的示例性的非限制性實施例的詳細視圖。方向“近側”和“遠側”在本文中用來限定如圖6所示的方向，其中遠側通常為在器械600的預期操作使用(例如，用于執行外科手術程序)中進一步沿運動臂或更靠近外科手術工作部位的方向。在圖6上標記了本文中所使用的“近側”和“遠側”方向。如圖6所示，器械600通常包括在其近端處的力/扭矩驅動傳動機構602、安裝在傳動機構602上的器械軸604以及設置在軸604的遠端處的末端執行器606。在圖6所示的示例性實施例中，外科手術器械600還包括安裝在軸604的遠端處的可選鉸接式腕機構608，以支撐末端執行器606并改變其相對于軸604的縱向軸線的取向，在圖7中更詳細地示出了外科手術器械600的一部分。
[0033]在示例性實施例中，器械600被配置為安裝在微創機器人外科手術系統上并且與其一起使用，在不例性實施例中，微創機器人外科手術系統包括病人側推車800、外科醫生控制臺802以及電子/操縱控制臺804，如圖8的示意圖所示(注意到，圖8中的系統部件未被顯示在任何特定的位置中，并且能夠按照需要進行布置，其中相對于病人來布置病人側推車以便實現對病人的外科手術)。可以使用器械600的機器人外科手術系統的非限制性的示例性實施例是由加利福尼亞州森尼維爾市(Sunnyvale)的直觀外科手術公司(IntuitiveSurgical, Inc.)商品化的 daVinci? Si (型號 N0.1S3000)。
[0034]機器人外科手術系統被用來通過與各種外科手術器械接口連接并控制各種外科手術器械而執行微創機器人外科手術，各種外科手術器械是如本領域技術人員通常熟悉的那些。病人側推車800包括用于保持、定位以及操縱各種工具的各種臂810。如圖8所示，一個臂810被配置為與包括末端執行器606的機器人控制的外科手術器械600接口連接并控制該外科手術器械600。一般而言，外科醫生控制臺802接收來自外科醫生通過各種輸入裝置(包括但不限于主控夾持輸入機構806和腳踏板808等的夾持輸入桿900a、900b)的輸入，并且用作主控制器，通過該主控制器，病人側推車800充當實現與其連接的外科手術器械(多個外科手術器械)(例如，器械600)的期望動作并相應執行期望的外科手術程序的從動裝置。病人側推車800可以包括多個接合的臂810，其被配置為保持各種工具，例如包括但不限于具有末端執行器的外科手術器械(例如，外科手術器械600 )以及內窺鏡(未示出)。電子數據處理系統可以接收并處理來自外科醫生控制臺802的輸入，并且基于在外科醫生控制臺802處接收的輸入控制在病人側推車800處的外科手術器械600的操縱，其中電子數據處理系統包括處理裝置并且可以被提供在外科醫生控制臺802、電子設備/操縱控制臺804以及病人側推車800中的一個或更多個處。然而，本公開不限于在外科醫生控制臺802處接收輸入，并且可以在導致外科手術器械600的末端執行器的操縱的任何裝置處接收輸入。由于從使用者(例如，外科醫生)接收的輸入，外科手術器械600可以在病人側推車800處操縱，或者可替代地，可以與任何其他類型的外科手術器械支撐裝置結合操縱或與支撐裝置完全分開地操縱。
[0035]在各種示例性實施例中，來自外科醫生控制臺802或來自外科醫生以其他方式可訪問的輸入單元的輸入可以經由各種主控輸入裝置提供給控制器(多個控制器)，主控輸入裝置諸如，例如一個或更多個踏板808以及一個或更多個手持式夾持輸入桿900a、900b。在本文中所描述的各種示例性實施例中，踏板808可以被用來發送信號以執行機器人控制的外科手術器械600的封閉和/或切割操作，而手持式夾持輸入桿900a、900b可以被用來發送信號以控制腕608的運動(例如，俯仰/偏擺運動)、器械軸604 (例如，滾動和/或平移)的運動和/或末端執行器夾持裝置(例如，夾鉗或刀片)的打開以及閉合(夾持)動作。本領域技術人員熟悉用于提供來自在外科醫生控制臺處的外科醫生的輸入以便最終實現與病人側推車接口連接的外科手術器械的操作的這種遠程操作的機器人外科手術系統的一般用途。
[0036]基于外科醫生控制臺802處的主控輸入,病人側推車800能夠與外科手術器械600的傳動機構602接口連接，以便定位并致動器械600，從而執行期望的醫療程序。例如，基于來自外科醫生控制臺802的主控輸入，傳動機構602能夠將輸入轉換為最終致動(驅動)整個器械600的各種力和/或扭矩，從而執行外科手術程序，其中傳動機構602包括被配置為經由與病人側推車800相關聯的遠程操作的伺服致動器(例如，馬達)驅動的(例如，驅動盤的形式)各種扭矩/驅動輸入機構。例如，來自外科醫生控制臺802的主控輸入能夠在病人側推車800處通過傳動機構602轉換，以使軸604滾動、使腕608相對于軸鉸接(例如，以俯仰和/或偏擺的形式)，和/或從而打開以及閉合夾持裝置700 (參見圖7)。
[0037]電子設備/操縱控制臺804 (例如，其可以包括電外科手術處理單元)從病人側推車800和外科醫生控制臺802接收各種控制信號并且向病人側推車800和外科醫生控制臺802傳輸各種控制信號，并且能夠并且處理(例如，來自病人側推車800處的內窺鏡的)圖像用于顯示在諸如外科醫生控制臺802處的顯示器812和/或在與電子設備/操縱控制臺804相關聯的顯示器814上。本領域技術人員通常熟悉這類機器人控制的外科手術系統的電子設備/操縱控制臺。
[0038]病人側推車800被設置在病人附近，并且外科手術器械600被用來通過使用遠程致動的末端執行器606在病人體內的工作部位執行各種外科手術程序。例如，末端執行器606能夠執行的示例性外科手術程序包括但不限于夾緊血管或其他中空的身體結構、利用末端執行器的轉動刀片切割組織和/或可能期望相對高的夾持力的其他程序。
[0039]現在參考圖7，盡管示出了器械600的末端執行器606的示例性實施例，但末端執行器606不限于此，并且可以是被配置為用于執行使用夾持力的外科手術程序的任何末端執行器。末端執行器606可以提供有被提供在末端執行器606處的夾持裝置700，諸如，例如對置的夾具701a、701b或夾持刀片(例如，類似于剪刀)。夾鉗701a、701b被配置為在打開位置與閉合位置之間來回移動。在閉合位置時，夾鉗701a、701b能夠夾持諸如組織等的物質。在示例性實施例中，夾鉗701a、701b能夠例如經由提供在夾鉗701a、701b的對置面上的電極輸送足以將組織封閉(例如，燒灼)在一起的電外科手術能量。此外，末端執行器606還可以包括被附連至電纜704的短切割刀片702形式的切割元件。切割刀片702可以被接收在底部夾鉗701b的凹槽706中，并且可操作為沿夾鉗701a、701b的長度在近側與遠側方向上來回移動，從而執行切割操作。盡管圖7示出了可以在夾持力控制方法的操作期間使用的末端執行器的示例，但本領域技術人員應理解，可以使用在諸如切割或封閉的外科手術程序的實施期間使用相對高的夾持力的任何類型的末端執行器。至于關于可以實現根據本公開的夾持力控制的外科手術器械以及末端執行器的示例性實施方式的更多細節，請參考美國臨時專利申請61/491，698 (2011年5月31號提交；標題為“surgical instrumentwith motor”)，其整體內容被并入本文以供參考。
[0040]現在參考圖1A-1B和圖2-4，示出了基于事件的狀態圖，其圖示說明控制外科手術器械600的末端執行器606的夾持力的示例性方法。狀態圖圖示說明元素SO-Sn (其中n=l，2，3，...)。元素SO-Sn圖示說明事件的發生，并且不一定意圖對應于時間段。取決于各個狀態圖，元素SO-Sn在每 個狀態圖中不一定對應于相同的事件的發生，并且被相互獨立閱讀。然而，本領域技術人員應當理解，元素SO-Sn可以與每個事件發生的時間有關。在SO處，在使用者(例如，外科醫生)將致動力施加在外科醫生控制臺802處的主控夾持輸入機構806的主控夾持輸入桿900a、900b上之前，主控夾持輸入信號100處于“關閉”狀態。同樣，在SO處，夾持裝置701的夾持力(例如，從動夾持102)處于“關閉”狀態。如上所述，在示例性實施例中，因此沒有由控制夾鉗701a、701b的打開/閉合(夾持)的遠程操作伺服馬達提供的扭矩。另外，未接收到表示引起在外科手術器械600的末端執行器606處執行依賴于相對高的夾持力的外科手術程序(例如，封閉或切割)的使用者命令的程序輸入104，并且因此封閉或切割程序輸入104在圖1A的狀態圖中被指示為關閉狀態。
[0041]當外科醫生控制臺802處的使用者準備好利用夾持裝置700 (例如，夾鉗701a、701b)執行程序時，在SI處，使用者操縱外科醫生控制臺802處的主控夾持輸入機構806。例如，外科醫生可以將夾持桿900a、900b擠壓在一起。然而，主控夾持輸入不限于此，并且可以是除了將夾持桿900a、900b擠壓在一起之外提供來自使用者(例如，外科醫生)的使用者期望在末端執行器處有高從動夾 持力的指示的輸入。在示例性實施例中，例如，主控夾持輸入可以是使用者按壓一個或更多個踏板808。[0042]在各種示例性實施例中，如在圖9A和9B的示意圖中所描述的，所謂的“緩沖”機構可以被用來增加當使兩個夾持桿900a、900b更靠近在一起時使用者經歷的抵抗將桿900a、900b擠壓在一起的阻力。如圖9A和9B所示，當使夾持桿900a、900b更靠近地接觸時，偏置轉變/過渡機構為使用者提供觸覺反饋，從而提供抵抗第一水平阻力的擠壓的指示，其中例如偏置轉變機構包括:第一偏置機構，諸如，例如第一螺旋彈簧902(在圖9A-9B中示出)、磁鐵等；和第二偏置機構，諸如，例如第二螺旋彈簧904、磁鐵等。第一偏置機構902的壓縮可以表示較低的夾持輸入范圍，而第二偏置機構904的壓縮可以表示更高的夾持輸入范圍。在示例性實施例中，例如第二螺旋彈簧904(參見圖9A-9B)的第二偏置機構可以具有比例如第一彈簧902的第一偏置機構更大的剛度。在可替代的示例性實施例中，偏置系統可以依賴于單個可變剛性彈簧而非圖9A和9B所示的兩個不同的彈簧，其中所述可變剛性彈簧的一些部分對應于第一偏置機構和第二偏置機構。關于偏置機構的示例，請參考美國專利 US6, 594，552(2003 年 7 月 15 號發布;標題為“GRIP STRENGTH WITH TACTILE FEEDBACKFOR ROBOTIC SURGERY”)，其整體內容被并入本文以供參考。
[0043]偏置轉變機構能夠為使用者提供末端執行器的夾持裝置正在從相對較低的夾持力轉變為相對較高的夾持力的反饋。當在SI處開始主控夾持輸入100并且產生主控夾持輸入信號時，最終控制對應的夾持裝置700(諸如夾鉗701a、701b)的夾持力(從動夾持102)的馬達扭矩開始增加，以便為夾持裝置700提供夾持力。在另一實施例中，馬達可以致動離合器機構，這會致動末端執行器的夾持。當主控夾持輸入信號100在S1至S2之間增加時，從動夾持102的對應力從SI處的零夾持力增加至S2處的低夾持力。
[0044]在S2處，主控夾持輸入信號100到達對應于主控夾持輸入機構806處的預定的高夾持水平的擠壓力閾值。在各種示例性實施例中，擠壓力閾值可以對應于諸如例如致動主控夾持輸入機構806的夾持桿900a、900b在主控夾持處的超過一些致動閾值水平(例如，超過夾持桿900a、900b朝向彼此的運動的閾值范圍)的任何輸入，其可以表示在末端執行器606處期望較高的從動夾持力。在另一示例性實施例中，當諸如圖9A-9B中的機構被用于為使用者提供觸覺反饋時，壓縮量可以對應于在較高的夾持力輸入范圍內的壓縮量，例如，應用于第二偏置機構的大約80%壓縮或應用于對應于第二偏置機構的那部分可變剛性彈簧的80%壓縮。即，例如可以通過第二偏置機構(諸如第二彈簧904)到表示應用較高夾持的使用者意圖的位置的壓縮而非使用者夾持的重新定位或改變來表示致動閾值。例如，第二偏置機構到完全閉合/致動位置的80%至100%的位置的壓縮可以表示使用者的意圖壓縮。應當理解，致動閾值范圍是示例性的，并且具體范圍可以基于程序的類型、所使用的夾持的類型、偏置機構的類型以及其他因素選擇。
[0045]本領域技術人員應認識到，本公開不限于所描述的偏置機構，并且可以使用各種偏置裝置或夾持水平指示器中的任一種。無論偏置機構的配置如何，當主控夾持輸入機構806包括偏置機構時，主控夾持輸入機構806 (諸如夾持桿900a、900b)為使用者提供指示較低夾持輸入水平以及較高夾持輸入水平的反饋。此外，如上所述，當到達主控夾持輸入機構806處的擠壓力閾值時,并且此時主控夾持輸入信號100處于相對高的夾持輸入水平,系統識別出達到較高的夾持輸入水平。
[0046]將擠壓力閾值設定為對應于第二偏置機構的相對高的壓縮量，能夠例如通過為使用者提供反饋，幫助確保使用者意圖提供主控夾持輸入機構806的較高水平的夾持。這能夠提供額外的安全特征，以便當使用者不打算使用那樣的水平時，輔助防止使用者將主控夾持力以及因此的從動夾持力增加至過高的水平。
[0047]如圖1A所示，根據一些實施例，響應于使用者致動主控夾持輸入機構806 (例如，夾持桿)，馬達扭矩(以及因此的從動夾持力102)也增加，由此增加夾持裝置的夾持力，如通過SI處的零從動夾持力增加至在S2處的低夾持力所表示的。在其他實施例中，馬達致動力/扭矩驅動傳動機構602處的離合器機構,這引起從動夾持力。在S2處,相對低的從動夾持力被輸出。在各種示例性實施例中，例如，在S2處相對低的末端執行器夾持致動扭矩輸出可以是大約0.3Nm (牛米)。
[0048]從SO至S2，例如封閉、切割或吻合程序的程序輸入104未被接收，并且程序輸入處于關閉狀態。在S3處,接收表不末端執行器606執行依賴于相對高的夾持力的外科手術程序的使用者期望的輸入，在狀態圖中表示為程序輸入104正從關閉狀態轉變為開啟狀態。例如，將要執行的外科手術程序可以是封閉程序、切割程序等中的一個或更多個。然而，應理解，這些程序只意味著是示例性的，并且利用末端執行器夾持裝置的高夾持力能夠實施的任何其他類型的程序可以通過輸入裝置(諸如踏板808)的致動表示。
[0049]在S3處，當主控夾持輸入信號100已經到達擠壓力閾值水平時，并且在外科醫生控制臺802處的程序輸入裝置(諸如一個或更多個踏板808)處已經接收表示將要執行高夾持力程序的附加輸入，即，程序輸入104處于開啟狀態，然后馬達扭矩和對應的從動夾持力102從在S2與S3之間所示的相對低的水平增加至在S3處所描述的相對較高水平。在各種示例性實施例中，最終引起末端執行器夾持的致動的伺服馬達的高扭矩水平(其導致相對較高的夾持力)可以是大約1.5Nm。將馬達的相對高的扭矩水平和末端執行器夾持裝置700的相對高的夾持力至少維持到諸如封閉程序、切割程序等程序的完成。注意，取決于期望的從動夾持力，可以改變末端執行器處的較低夾持力0.3Nm和末端執行器處的較高夾持力1.5Nm。在另一實施例中，伺服馬達可以致動被提供在力/扭矩驅動傳動機構602處的離合器機構，這會致動末端執行器，從而將末端執行器處的夾持力增加至較高的夾持力。
[0050]在一些示例性實施例中，夾持力扭矩控制機構可以與伺服馬達接口連接，以便最終控制扭矩力的輸送，從而致動末端執行器。
[0051]關于使用傳動裝置后端中的彈簧組件傳輸并控制輸送至末端執行器的來自伺服馬達的扭矩的血管封閉和切割器械的示例性實施例，請參考美國臨時申請US61/491，804(2011 年 5 月 31 號提交；標題為 “GRIP FORCE CONTROL IN A ROBOTIC SURGICALINSTRUMENT”)，其整體內容被并入本文以供參考。本領域技術人員應認識到，本文中所描述的控制技術可以與這種傳動系統結合使用。
[0052]外科手術程序(諸如封閉或切割)可以在附加輸入(諸如一個或更多個踏板808的按壓)被致動時進行，并且主控夾持輸入桿900a、900b處的擠壓力被維持在擠壓力閾值或在擠壓力閾值之上。在S4處，系統感測期望程序的完成以及如此給外科醫生控制臺802處的使用者的信號或如此給在向使用者提供這類指示的任何位置處的使用者的信號，此后可以通過例如釋放夾持桿900a、900b提示使用者停止主控夾持輸入。外科手術程序(諸如封閉、切割或吻合)因此在S4處結束，如通過狀態圖中的關閉狀態所表示的。通過結束封閉、切割或吻合輸入裝置的致動(例如，釋放踏板808中的一個)，例如通過識別出組織已經被切割或通過識別出組織已經被 封閉(例如，通過分析組織的電導率)等，可以指示外科手術程序。[0053]外科手術程序可以在使用者(例如，外科醫生)釋放附加輸入裝置(諸如，例如一個或更多個踏板808)時結束。在另一實施例中，執行外科手術程序，直至處理裝置(諸如，在例如電子設備/操縱控制臺804處的電外科手術處理單元)基于來自組織的檢測信息而感測所述程序已經被完成。例如，當例如在封閉程序之后確定組織更不導電時，可以感測所述程序已經被完成。在另一示例中，切割元件位置可以被用來指示所述程序(諸如切割程序)完成。本領域技術人員應當認識到，所述程序可以只有當輸入裝置被致動時執行，或可以在輸入裝置的致動時執行，并且在處理裝置確定所述程序可以結束(諸如，例如當夾持的組織已經被完全切割時，在自外科手術程序開始已經逝去指定量的時間之后等)之后結束。
[0054]在圖1A所示的示例性實施例中，在外科手術程序在S4處結束之后，主控夾持輸入信號100被維持在開啟狀態。主控夾持輸入信號100能夠被維持在開啟狀態，例如，直至在主控夾持輸入機構806的主控夾持桿900a、900b處感測到釋放閾值。釋放閾值可以是主控夾持桿900a、900b釋放的超過特定釋放量的釋放量，并且可以提供安全機構，以確保使用者意圖停止使用相對高的夾持力的程序。釋放閾值可以是主控夾持輸入機構806處的主控夾持桿900a、900b的釋放量的大約20%或更多。在示例性實施例中，釋放閾值可以是當夾持桿900a、900b在S5處被釋放時的主控夾持輸入機構806的第二偏置機構的釋放的大約20%。即，例如，可以通過第二偏置機構(諸如圖9A-9B所示的第二彈簧904、緩沖器等)到表示使用者釋放夾持的意圖的位置的釋放而非重新定位或改變使用者的夾持來表示釋放閾值。例如，第二偏置機構到遠離完全閉合/致動位置的20%至40%的位置的釋放可以通過使用者的意圖釋放來表示。應當理解，釋放范圍是示例性的，并且具體范圍可以基于所述程序的類型、所使用的夾持的類型、所使用的偏置機構的類型以及其他因素選擇。如果使用者(例如，外科醫生)釋放外科醫生控制臺802處的主控夾持輸入機構806的主控夾持輸入桿900a、900b，當處理裝置識別出夾持桿900a、900b在S5處已被釋放超過釋放閾值，從動夾持力102在S5處從表示高夾持的高扭矩水平降低。從動夾持力102可以從較高的扭矩水平降低至較低的扭矩水平，或在可替代的實施例中，可以從表示高夾持力的較高扭矩水平降低至沒有扭矩。
[0055]在可替 代的實施例中，如圖1B所示，當外科手術程序完成時，但在到達釋放閾值之前，馬達扭矩和對應的從動夾持力102能夠自動下降至相對低的水平，而不是在外科手術程序在S4處結束之后保持在相對高的水平。
[0056]盡管圖1A和IB示出了封閉或切割操作，但本領域技術人員應當理解，組合的封閉與切割操作的可以發生。
[0057]圖2是根據另一示例性實施例用于控制執行切割程序之前的封閉程序的機器人控制的外科手術器械末端執行器的夾持力的方法的狀態圖。圖2類似于圖1，在S0-S4處，涉及主控夾持輸入100、從動夾持力102 (例如，其可以基于馬達扭矩)以及附加的封閉輸入200。然而，根據這個實施例，在封閉程序在S3-S4處被執行之后，馬達扭矩和從動夾持力102在S4處返回至相對低的扭矩水平，直至隨后的操作(諸如對應于使用者準備好執行切割程序的裝備操作)在S5處發生。在可替代的實施例中，如圖3所示，從動夾持力102從S4至S5保持在相對高的扭矩水平。
[0058]為了提供額外的安全特征，以防止外科醫生無意地執行切割程序，直至外科醫生打算使所述程序發生，在S5處，使用者提供第二附加輸入202，例如通過輸入裝置(諸如一個或更多個踏板808 (例如，其可以是與用于附加的封閉輸入200的踏板不同的踏板))的致動，以表示準備好致動外科手術器械600以執行切割程序，即，“裝備”外科手術器械。“裝備(arming)”狀態在狀態圖中表示為在切割程序的預期中正從在S4處的關閉狀態轉變為S5處的開啟狀態的裝備/切割輸入202。當在S5處已接收到裝備輸入202時，如果馬達扭矩和從動夾持力102處于相對低的水平，如圖2所示，它們會在S5處的“裝備”操作期間增加至相對高的水平。在使用者的裝備輸入之后，輸出信號能夠被輸出，從而為使用者提供表示使用者已經“裝備”外科手術器械600的反饋。
[0059]在可替代的實施例中，如果馬達扭矩和從動夾持力102未分別在S3與S5處的封閉與裝備階段之間降低，那么相對高的水平能夠被維持。在末端執行器606的裝備在S5處發生之后，高馬達扭矩和對應的從動夾持力102能夠被維持。狀態圖中的從S5處的開啟狀態轉變為S6處的關閉狀態的裝備/切割輸入202表示“裝備”外科手術器械600的輸入已
經結束。
[0060]在“裝備”外科手術器械600之后，第二附加輸入裝置(例如，外科醫生控制臺802處的一個或更多個的踏板808)處的使用者在S7處提供開始切割程序的另一輸入，其在狀態圖中被表示為從S6處的關閉狀態轉變為S7處的開啟狀態的裝備/切割輸入206。在切割程序結束之后，如通過裝備/切割輸入202在S8處返回至關閉狀態所表示的，馬達扭矩可以被維持在相對高的扭矩水平，直至在S9處到達釋放閾值(如圖2所示)，或者馬達扭矩可以緊隨切割操作之后下降至相對低的扭矩水平或沒有扭矩。
[0061]至于關于在執行切割操作之前裝備外科手術器械的其他細節，請參考美國臨時專利申請 US61/491，647 (2011 年 5 月 31 號提交的；標題為“POSITIVE CONTROL OF ROBOTICSURGICAL INSTRUMENT END EFFECTOR”)，其整體內容被并入本文以供參考。
[0062]應理解，盡管圖2的示例性實施例顯示馬達扭矩和從動夾持力102從S5處裝備輸入的起始至S7處的切割操作的開始被維持在相對高的扭矩水平，但在可替代的實施例中，它們可以在S6處的裝備輸入的結束與S7處的切割操作的開始之間從高扭矩水平降低至低扭矩水平。在另一實施例中，能夠從S4處的封閉操作的結束至S7處的切割操作的開始維持相對低的扭矩和從動夾持力水平。在另一實施例中，馬達扭矩可以在S4處的封閉操作之后被降低至低扭矩水平，在S5處的裝備操作期間的被升高至高扭矩水平，在S6處的裝備操作結束之后被降低至低扭矩水平，然后在S7處的切割操作期間被最終升高至高扭矩水平。本領域技術人員應理解，除了需要較高夾持力以及因此的較高扭矩水平的封閉或切割程序之外，在這些程序的待定過程中可以應用扭矩與從動夾持力水平的任何組合。
[0063]此外，如圖3所示，馬達扭矩和從動夾持力102可以從S3處的封閉操作的開始至少至S8處的切割操作的結束被維持在相對高的水平，并且可選地直至在S9處到達釋放閾值。
[0064]如圖4所示，在示例性實施例中，可以不執行封閉程序，并且可以僅執行裝備以及隨后的切割程序。例如，通過馬達扭矩控制的從動夾持力102可以在S3處的裝備操作期間被增加至相對高的水平，并且被保持在高水平直到S6處的切割操作的待定或直至在S7處到達釋放閾值。
[0065]如上所述，在各種示例性實施例中，當執行各種外科手術程序時，可能期望控制外科手術器械(例如，腕和/或軸)的D OF運動。例如，為了在需要高夾持力的程序期間提供穩定性和/或對外科手術器械的其他控制，這類控制可能是期望的。因此，各種示例性實施例預期到，依據外科手術器械的狀態以及通過外科手術器械正在執行的特定程序而鎖定和解除(即，允許或阻止)外科手術器械的一個或更多個DOF運動。
[0066]現在轉向圖5，描述了這樣的狀態圖，該狀態圖描述了示例性控制方法，包括對外科手術器械的DOF運動的控制。例如，依據所涉及的操作而鎖定或解鎖通過病人側推車800的鉸接臂810控制的外科手術器械的自由度(DOF)，諸如，通過腕機構606的俯仰與偏擺、通過軸604的滾動以及器械600沿X、Y和Z方向的移動。為了簡便的目的，從動夾持力102已經被省略，因為D0F500的解鎖與鎖定獨立于從動夾持力102的操作而發生。
[0067]在S3處，當接收到封閉輸入并且主控夾持輸入超過夾持力閾值時，D0F500被鎖定，其通過從S2處的關閉狀態到S3處的開啟狀態的轉變所表示。當封閉程序在S4處結束時，D0F500可以被解除鎖定，以允許例如外科醫生能夠操縱外科手術器械以移動組織等。在可替代的實施例中，D0F500可以在S4處的封閉程序之后被維持在鎖定狀態。返回至圖5，當在S5處接收到表示外科手術器械的裝備狀態的輸入時，如果D0F500已經被解鎖，則D0F500在裝備操作期間被鎖定。D0F500可以被鎖定直到S6處的裝備的結束，直到S7處的切割的開始，直到S8處的切割的結束，并且直到在S9處已到達釋放閾值。
[0068]在可替代的實施例中，從S4處的封閉程序之后直到S7處的切割程序的開始，D0F500可以被解鎖，之后D0F500被鎖定，即，D0F500在裝備程序期間是解鎖的。在另一可替代的實施例中，D0F500可以在每個程序之間(例如，在S4與S5之間，以及在S6與S7之間)被解鎖。另外，D0F500可以緊隨S8處的切割程序之后被解鎖。此外，一個或更多個D0F500可以在例如封閉或切割程序的程序和 /或例如裝備操作的操作之間、或在所述程序或操作期間被選擇性地鎖定或解鎖。
[0069]盡管D0F500的解鎖與鎖定獨立于末端執行器處的較高和較低的從動夾持力而發生，但當較高的夾持力在末端執行器處發生時，D0F500通常被鎖定，而當較低的夾持力或零夾持力在末端執行器處發生時，D0F500通常被解鎖。
[0070]盡管諸如封閉和切割的程序已經被公開，但本領域技術人員應當認識到，本公開不限于所描述的封閉和切割程序，并且利用外科手術器械的各種程序中的任一種(例如，吻合等)也可以被使用。
[0071]因此，根據本公開的各種示例性實施例能夠提供當接收到表示夾持水平增加和外科手術程序開始的兩個輸入時將末端執行器夾持裝置的夾持力增加至較高水平的夾持力控制方案。另外，在外科手術程序期間，即使當使用相對高的夾持力時，通過依據外科手術器械的操作狀態鎖定和解鎖各種器械DOF運動，本公開的各種示例性實施例也能夠提高外科手術器械的穩定性和控制。
[0072]所述實施例能夠在計算硬件(計算設備)中和/或軟件(諸如(在非限制性示例中)能夠存儲、檢索、處理和/或輸出數據和/或與其他計算機通信的任何計算機)中被實施。產生的結果能夠被顯示在計算硬件的顯示器上。包含實現根據本公開的各種示例性實施例的各種響應以及信號處理的算法的一個或更多個程序/軟件能夠通過電子設備/操縱控制臺804 (諸如上述的電外科手術處理單元)的處理器或結合電子設備/操縱控制臺804而被執行，并且可以記錄在的包括計算機可讀的記錄和/或存儲介質的計算機可讀介質上。計算機可讀的記錄介質的示例包括磁記錄設備、光盤、磁光盤和/或半導體存儲器(例如，RAM、ROM等)。磁記錄設備的示例包括硬盤裝置(HDD)、軟盤(FD)和磁帶(MT)。光盤的示例包括DVD (數字多功能光盤)、DVD-RAM、CD-ROM (只讀光盤存儲器)和CD-R (可記錄)/鼎。
[0073]如上所述，根據各種示例性實施例的方法和系統能夠結合外科手術器械使用，其中該外科手術器械具有被配置為通過經由器械的近端處的傳動機構致動的部件執行多個外科手術程序的末端執行器。另外，根據實施例的一方面，能夠提供所描述的特征、功能和/或操作的任何組合。
[0074]通過考慮本公開的說明與實踐以及本文中的權利要求，本發明的其他實施例對本領域技術人員而言是顯而易見的。意圖是，說明和示例被認為僅是示例性的，本發明的實際范圍和精神由所 附權利要求表明。
【權利要求】
1.一種控制機器人控制的外科手術器械的末端執行器的夾持力的方法，所述方法包含: 接收表示控制所述末端執行器的從動夾持力的主控夾持輸入機構處的高夾持水平輸入的第一輸入信號； 接收表示使用者準備好操作所述外科手術器械以執行第一外科手術程序的第二輸入信號；以及 響應于一起接收到所述第一輸入信號和所述第二輸入信號而輸出第一致動信號，以便在所述第一外科手術程序期間將所述從動夾持力從第一水平增加至高于所述第一水平的第二水平。
2.根據權利要求1所述的方法，其還包含: 響應于一起接收到所述第一輸入信號和所述第二輸入信號而輸出鎖定信號，以便在所述第一外科手術程序期間鎖定所述外科手術器械的一個或更多個自由度。
3.根據權利要求1所述的方法，其中當所述主控夾持輸入機構處的輸入超過擠壓力閾值時，輸出表示所述高夾持水平的所述第一輸入信號。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述擠壓力閾值是所述主控夾持輸入機構處的壓縮量的大約80%或更多。
5.根據權利要求3所述的方法，其中所述主控夾持機構包含偏置轉變機構，所述偏置轉變機構包括第一偏置機構和第二偏置機構，并且其中所述第一偏置機構為使用者提供表示抵抗第一水平阻力的擠壓的指示較低夾持力的觸覺反饋，而所述第二偏置機構為使用者提供表示抵抗第二水平阻力的擠壓的指示較高夾持力的觸覺反饋。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述擠壓力閾值是所述第二偏置機構的壓縮量的大約80%或更多。
7.根據權利要求1所述的方法，其還包含輸出第二致動信號以降低所述末端執行器的所述從動夾持力。
8.根據權利要求7所述的方法，其中輸出所述第二致動信號包含，響應于所述主控夾持輸入機構的釋放超過釋放閾值而輸出所述第二致動信號以降低所述從動夾持力。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述釋放閾值是所述主控夾持輸入機構處的釋放量的大約20%或更多。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述主控夾持機構包含偏置轉變機構，所述偏置轉變機構包括第一偏置機構和第二偏置機構，并且其中所述第一偏置機構為使用者提供表示抵抗第一水平阻力的擠壓的指示較低夾持力的觸覺反饋，而所述第二偏置機構為使用者提供表示抵抗第二水平阻力的擠壓的指示較高夾持力的觸覺反饋。
11.根據權利要求10所述的方法，其中所述釋放閾值是所述第二偏置機構的釋放量的大約20%或更多。
12.根據權利要求8所述的方法，其中輸出所述第二致動信號包含，當超過所述釋放閾值時，輸出所述第二致動信號以將所述從動夾持力從所述第二夾持力水平降低至零夾持力水平。
13.根據權利要求7所述的方法，其中輸出所述第二致動信號包含，響應于所述外科手術程序將要結束的指示或所述第一外科手術程序已經結束的指示中的一個或更多個而輸出所述第二致動信號以降低所述從動夾持力。
14.根據權利要求13所述的方法，其中輸出所述第二致動信號以降低所述從動夾持力包含，輸出所述第二致動信號以將所述從動夾持力從所述第二夾持力水平降低至所述第一夾持力水平。
15.根據權利要求13所述的方法，其中所述第二輸入信號的中止表示所述外科手術程序將要結束。
16.根據權利要求13所述的方法，其中所述第一外科手術程序已經結束的指示是根據從組織檢測的信息、所述末端執行器的原元件的位置以及自所述外科手術程序開始所逝去的時間中的一個或更多個而確定的。
17.根據權利要求1所述的方法，其中接收所述第二輸入信號包含接收表示裝備操作的裝備輸入信號，所述裝備輸入信號表示所述使用者準備好執行切割程序。
18.根據權利要求17所述的方法，其還包含，在所述裝備輸入信號表示所述切割程序將要開始之后，接收切割輸入信號。
19.根據權利要求18所述的方法，其還包含，輸出第二致動信號，以便在所述裝備操作與所述切割操作之間降低所述末端執行器的所述從動夾持力。
20.根據權利要求18所述的方法，其中在所述裝備操作與所述切割操作之間維持所述第二夾持力水平。
21.根據權利要求1所述的方法，其還包含，接收表示使用者準備好操作所述外科手術器械以執行隨后的外科手術程序的第三輸入信號，其中在所述第一外科手術程序與所述隨后的外科手術程序 之間維持所述第二夾持力水平。
22.根據權利要求1所述的方法，其還包含: 接收表示使用者準備好操作所述外科手術器械以執行隨后的外科手術程序的第三輸入信號；以及 輸出第二致動信號，以在所述第一外科手術程序與所述隨后的外科手術程序之間降低所述末端執行器的所述從動夾持力。
23.—種控制機器人控制的外科手術器械的末端執行器的方法,所述方法包含: 接收表示控制所述末端執行器的從動夾持力的主控夾持輸入機構處的高夾持水平輸入的第一輸入信號； 接收表示使用者準備好操作所述外科手術器械以執行第一外科手術程序的第二輸入信號；以及 響應于一起接收到所述第一輸入信號和所述第二輸入信號而輸出鎖定信號，以在所述第一外科手術程序期間鎖定所述外科手術器械的一個或更多個自由度。
24.根據權利要求23所述的方法，其還包含: 接收表示使用者準備好操作所述外科手術器械以執行隨后的外科手術程序的第三輸入信號；以及 輸出解鎖信號，以在所述第一外科手術程序與所述隨后的外科手術程序之間解鎖所述外科手術器械的一個或更多個自由度。
25.根據權利要求24所述的方法，其中接收所述第二輸入信號包含接收表示裝備操作的裝備輸入信號，所述裝備輸入信號表示所述使用者準備好執行切割程序。
26.根據權利要求25所述的方法，其還包含，在所述裝備輸入信號表示所述切割程序將要開始之后，接收切割輸入信號。
27.根據權利要求26所述的方法，其還包含，輸出解鎖信號，以在所述裝備操作與所述切割操作之間解鎖所述外科手術器械的一個或更多個自由度。
28.根據權利要求26所述的方法，其中所述外科手術器械的所述自由度在所述裝備操作與所述切割操作 之間被維持鎖定。
【文檔編號】B25J13/00GK103889360SQ201280051637
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年10月19日 優先權日:2011年10月21日
【發明者】G·F·里士曼, G·S·居塔爾 申請人:直觀外科手術操作公司