传送机器人外科工具的闭合力的制作方法

传送机器人外科工具的闭合力


背景技术：

1.由于术后恢复时间减少且瘢痕形成最小化，因此微创外科手术(mis)器械通常优于传统的开放式外科装置。最常见的mis手术可以是内窥镜式手术，并且内窥镜式手术的最常见形式是腹腔镜手术，在该手术中，在患者的腹部中形成一个或多个小切口，并且通过切口插入套管针以形成进入腹腔的通路。套管针用于将各种器械和工具引入腹腔中，而且提供注气使腹壁膨胀并由此抬高到器官上方。器械可用于以多种方式接合和/或处理组织以达到诊断或治疗效果。
2.每个外科工具通常包括布置在其远侧端部处的端部执行器。示例性端部执行器包括夹钳、抓紧器、剪刀、缝合器和针保持器，并且类似于在常规(开放式)外科手术中使用的那些，不同的是每个工具的端部执行器通过约12英寸长的轴与其柄部分离。通常还将相机或图像捕获装置诸如内窥镜引入腹腔中，以使外科医生能够在操作期间观察外科手术视野和端部执行器的操作。外科医生能够通过与图像捕获装置通信的视觉显示器实时观察手术。
3.外科缝合器是一种类型的能够切割并同时缝合(紧固)所横切的组织的端部执行器。外科缝合器有时被称为“直线切割器”，其包括能够打开和闭合以抓持和释放组织的相对的钳口。一旦组织被抓持或夹持在相对的钳口之间，端部执行器就可被“击发”以朝远侧推进切割元件或刀以横切所抓持的组织。随着切割元件推进，容纳在端部执行器内的钉被渐进地部署以密封所横切的组织的相对侧。
4.技术进步已经允许外科工具(诸如外科缝合器)用于机器人外科系统中。在机器人外科手术中，外科工具被安装到机器人操纵器的机器人臂，并且外科医生能够从与机器人操纵器通信的主控制台远程操作该外科工具。主控制台包括一个或多个用户输入装置，该一个或多个用户输入装置可由外科医生抓持(例如，每只手一个)并且在空间中物理地操纵以使对应的外科工具按照外科医生的需要移动、关节运动和致动。
5.然而，经由机器人系统操作外科工具的一个缺点是手动操作外科工具在手术期间提供给外科医生的触觉反馈的普遍损失。使用机器人外科系统，外科医生无法直接感受到抓持到组织上所需的物理力，这可以作为确认组织厚度和钉尺寸的有用度量。所需要的是一种向操作机器人外科器械的外科医生提供机器人用于抓持组织的力的反馈的方法。
附图说明
6.以下附图包括在内以示出本公开的某些方面，并且不应被视为排他性实施方案。在不脱离本公开的范围的情况下，本发明所公开的主题能够具有形式和功能上的大量修改、改变、组合和等同物。
7.图1是可结合本公开的一些或全部原理的示例性机器人外科系统的框图。
8.图2是图1的主控制台中的一个主控制台的示例性实施方案。
9.图3是根据一个或多个实施方案的图1的机器人操纵器的一个示例。
10.图4是可结合本公开的一些或全部原理的示例性外科工具的等轴侧视图。
11.图5示出了其中图4的腕部能够进行关节运动(枢转)的潜在自由度。
12.图6是根据一个或多个实施方案的图4的驱动器外壳的底视图。
13.图7a和图7b示出了根据一个或多个实施方案的示例性用户输入装置的渐进式操作。
14.图8是由图6的计算机系统基于扭矩和旋转角度测量值生成的示例性曲线图。
15.图9示出了根据一个或多个实施方案的可以以图形方式显示以供操作者参考的示例性测量仪。
16.图10示出了图6的计算机系统的示例性实施方案。
具体实施方式
17.本公开涉及一种机器人外科系统，并且更具体地，涉及计算用于在组织上抓持机器人外科工具的功并将抓持功传送给用户以供考虑的系统和方法。一个示例性方法包括抓持与机器人外科系统的外科工具通信的用户输入装置，该外科工具包括具有相对的钳口的端部执行器。然后可以挤压该用户输入装置，这使得马达致动和由此闭合钳口并且夹紧外科部位处的组织。计算机系统可以被编程或以其它方式被配置成计算由马达闭合钳口并夹紧组织完成的功，并且可以进一步被编程为当由马达完成的功达到或超过对应于马达的操作的一个或多个预定功增量时生成一个或多个力指示符。可以使用任何形式的感官反馈(如听觉反馈、触觉反馈、视觉反馈或它们的任何组合)向操作者提供力指示符。如将理解的，这可以为操作者提供一致且可靠的触觉反馈替代对于手动操作的外科工具常见的但机器人外科工具中却没有的触觉反馈。
18.图1至图3示出了示例性机器人外科系统及其相关联的部件的结构和操作。虽然适用于机器人外科系统，但应当注意，在不脱离本公开的范围的情况下，本公开的原理可另选地应用于非机器人外科系统。
19.图1是可结合本公开的一些或全部原理的示例性机器人外科系统100的框图。如图所示，系统100可包括至少一个主控制台102a和至少一个机器人操纵器104。机器人操纵器104可以机械方式和/或电方式联接到一个或多个机器人臂106或以其它方式包括一个或多个机器人臂。在一些实施方案中，机器人操纵器104可安装到运输车(另选地被称为“臂车”)，该运输车使得机器人操纵器104和相关联的机器人臂106能够运动。每个机器人臂106可包括并以其他方式提供工具驱动器，其上可安装一个或多个外科器械或工具108，以对患者110执行各种手术任务。机器人臂106、对应的工具驱动器和相关联的工具108的操作可由临床医生112a(例如，外科医生)从主控制台102a进行指导。
20.在一些实施方案中，由第二临床医生112b操作的第二主控制台102b(以虚线示出)还可与第一临床医生112a一起帮助指导机器人臂106和工具108的操作。在此类实施方案中，例如，每个临床医生112a、112b可控制不同的机器人臂106，或者在一些情况下，机器人臂106的完全控制可在临床医生112a、112b之间传递。在一些实施方案中，可在外科手术期间对患者110使用具有附加机器人臂的附加机器人操纵器，并且这些附加机器人臂可由主控制台102a、102b中的一个或多个主控制台控制。
21.机器人操纵器104和主控制台102a、102b可经由通信链路114彼此通信，该通信链路可以是被配置成能够根据任何通信协议携带合适类型的信号(例如，电信号、光信号、红
外信号等)的任何类型的有线或无线通信链路。通信链路114可以是实际物理链路，或者它可以是使用一个或多个实际物理链路的逻辑链路。当链路为逻辑链路时，物理链路的类型可以是数据链路、上行链路、下行链路、光纤链路、点对点链路，例如，如计算机网络领域中所熟知的用于指代连接网络节点的通信设施的那些。因此，临床医生112a、112b可以能够经由通信链路114远程控制机器人臂106的操作，从而使得临床医生112a、112b能够远程对患者110进行手术。
22.图2是可用于控制图1的机器人操纵器104的操作的主控制台102a的一个示例性实施方案。如图所示，主控制台102a可包括支撑件202，临床医生112a、112b(图1)可将其前臂搁置在支撑件上，同时抓持两个用户输入装置(未示出)，每只手一个。用户输入装置可包括例如物理控制器，诸如但不限于手持式致动器模块、操纵杆、外骨骼手套、主操纵器等，并且能够在多个自由度上运动以控制外科工具108(图1)的位置和操作。主控制台102a还可包括一个或多个脚踏板204，这些脚踏板能够由临床医生112a、112b接合以改变外科系统的构型和/或生成附加控制信号以控制外科工具108的操作。
23.当临床医生112a、112b(图1)经由视觉显示器206观察手术时，可操纵用户输入装置和/或脚踏板204。在视觉显示器206上显示的图像可从内窥镜相机或“内窥镜”获得。在一些实施方案中，如下面更详细所述，视觉显示器206可包括或以其它方式结合力反馈计或“力指示符”，该力反馈计或“力指示符”为临床医生112a、112b提供外科工具(即，切割器械或动态夹持构件)所采取的力的量值及所处方向的视觉指示。如将理解的那样，可采用其他传感器布置为主控制台102a提供其他外科工具度量的指示，诸如例如钉仓是否已加载到端部执行器中或砧座是否在击发之前已运动到闭合位置。
24.图3示出了根据一个或多个实施方案的可用于操作多个外科工具108的机器人操纵器104的一个示例。如图所示，机器人操纵器104可包括支撑竖直延伸的柱304的基座302。多个机器人臂106(示出了三个)可在滑架306处操作地联接到柱304，可选择性地调节滑架以改变机器人臂106相对于基座302的高度，如箭头a所示。
25.机器人臂106可包括能够手动进行关节运动的连杆，另选地被称为“装置关节”。在例示的实施方案中，外科工具108安装到设置在每个机器人臂106上的对应工具驱动器308。每个工具驱动器308可包括用于与外科工具108的对应的一个或多个驱动输入部相互作用的一个或多个驱动器或马达，并且驱动输入部的致动致使相关联的外科工具108操作。
26.外科工具108中的一个外科工具可包括图像捕获装置310，诸如内窥镜，其可包括例如腹腔镜、关节镜、子宫镜，或者可另选地包括一些其他成像模态，诸如超声、红外、荧光镜、磁共振成像等。图像捕获装置310具有位于细长轴的远侧端部处的观察端部，这允许将观察端部通过入口插入患者身体的内部外科部位中。图像捕获装置310能够通信地联接到视觉显示器206(图2)并且能够实时传输图像以显示在视觉显示器206上。
27.剩余的外科工具能够通信地联接到由临床医生112a、112b(图1)在主控制台102a(图2)处保持的用户输入装置。机器人臂106和相关联的外科工具108的运动可由临床医生112a、112b通过操纵用户输入装置来控制。每个外科工具108可包括或以其它方式结合安装在对应的能够进行关节运动的腕部上的端部执行器，该腕部枢转地安装在相关联的细长轴的远侧端部上。细长轴允许端部执行器通过入口插入患者身体的内部外科部位。端部执行器的操作(致动)还可以通过操纵用户输入装置由临床医生112a、112b控制。
28.在使用中，将机器人操纵器104定位成靠近需要外科手术的患者，通常使其保持静止，直到已完成要执行的外科手术。机器人操纵器104通常具有轮子或脚轮以使其能够运动。机器人臂106的侧向定位和竖直定位可由临床医生112a、112b(图1)设定，以有利于通过入口将外科工具108的细长轴和图像捕获装置310传递到相对于外科部位的期望位置。当外科工具108和图像捕获装置310如此定位时，机器人臂106和滑架306可锁定就位。
29.图4是可结合本公开的一些或全部原理的示例性外科工具400的等轴侧视图。外科工具400可与图1和图3的外科工具108中的至少一者相同或类似，因此，可与机器人外科系统诸如图1的机器人外科系统100结合使用。如图所示，外科工具400包括细长轴402、端部执行器404、将端部执行器404联接到轴402的远侧端部的能够进行关节运动的腕部406(另选地被称为“腕部关节”)以及联接到轴402的近侧端部的驱动器外壳408。在外科工具400与机器人外科系统结合使用的应用中，驱动器外壳408可包括将外科工具400可释放地联接到机器人外科系统的联接特征部。然而，本公开的原理同样适用于非机器人的并且以其他方式能够手动操纵的外科工具。
30.术语“近侧”和“远侧”在本文中相对于机器人外科系统定义，该机器人外科系统具有被构造成能够将外科工具400(例如，驱动装置外壳408)以机械方式和电方式联接到机器人操纵器的接口。术语“近侧”是指元件的更靠近机器人操纵器的位置，并且术语“远侧”是指元件的更靠近端部执行器404且因此更远离机器人操纵器的位置。此外，诸如上方、下方、上、下、向上、向下、左、右等的方向术语相对于示例性实施方案如它们在图中所示进行使用，向上或上方向朝向对应附图的顶部，向下或下方向朝向对应附图的底部。
31.外科工具400可具有能够执行一种或多种外科功能的多种构型中的任一种构型。在例示的实施方案中，端部执行器404包括被构造成能够同时切割并缝合(紧固)组织的外科缝合器，另选地被称为“直线切割器”。如图所示，端部执行器404包括被构造成能够在打开位置和闭合位置之间运动(关节运动)的相对的钳口410、412。然而，相对的钳口410、412可另选地形成其他类型的包括钳口的端部执行器的一部分，诸如但不限于组织抓紧器、外科剪刀、高级能量血管密封器、施夹器、针驱动器、包括一对相对的抓紧钳口的babcock钳、双极钳口(例如，双极maryland抓紧器、夹钳、有孔抓紧器等)等。钳口410、412中的一者或两者可被构造成能够枢转，以在打开位置和闭合位置之间致动端部执行器404。在例示的示例中，第二钳口412能够相对于第一钳口410旋转(可枢转)以在打开、未夹紧位置与闭合、夹紧位置之间运动。然而，在其他实施方案中，在不脱离本公开的范围的情况下，第一钳口410可相对于第二钳口412运动(旋转)。
32.在例示的示例中，第一钳口410可被表征为或以其它方式被称为“仓”钳口，并且第二钳口412可被表征为或以其它方式被称为“砧座”钳口。更具体地，第一钳口410可包括容纳或支撑钉仓的框架，该钉仓容纳钉，并且第二钳口412相对于第一钳口410被枢转地支撑并且表面，该表面限定作为砧座操作以部署在操作期间从钉仓射出的钉。
33.腕部406使得端部执行器404能够相对于轴402进行关节运动(枢转)，并由此将端部执行器404定位在相对于外科部位的期望取向和位置处。图5示出了腕部406能够进行关节运动(枢转)的潜在自由度。腕部406可具有多种构型中的任一种构型。通常，腕部406包括被构造成能够允许端部执行器404相对于轴402的枢转运动的关节。腕部406的自由度由三个平移变量(即，进退、起伏和摇摆)以及三个旋转变量(即，欧拉角或滚转、俯仰和偏航)表
示。平移变量和旋转变量描述了外科系统的部件(例如，端部执行器404)相对于给定参考笛卡尔坐标系的位置和取向。如图5所示，“进退”是指向前和向后的平移运动，“起伏”是指上下的平移运动，并且“摇摆”是指左右的平移运动。关于旋转术语，“滚转”是指左右倾斜，“俯仰”是指向前和向后倾斜，并且“偏航”是指左右转动。
34.枢转运动可包括围绕腕部406的第一轴线(例如，x轴线)的俯仰运动、围绕腕部406的第二轴线(例如，y轴线)的偏航运动以及它们的组合，以使得端部执行器404围绕腕部406进行360
°
旋转运动。在其他应用中，枢转运动可被限于在单个平面中的运动，例如，仅围绕腕部406的第一轴线的俯仰运动或仅围绕腕部406的第二轴线的偏航运动，使得端部执行器404仅在单个平面上运动。
35.再次参见图4，外科工具400可并入或包括致动系统，该致动系统被设计成有利于腕部406的关节运动和端部执行器404的致动(操作)(例如，夹持、击发、旋转、关节运动、能量递送等)。致动系统可以包括从驱动器外壳408延伸到腕部406的多个驱动构件等(在图4中被遮挡)，并且这些驱动构件的选择性致动使端部执行器404相对于轴402在腕部406处进行关节运动(枢转)。端部执行器404在图4中被示出为处于非关节运动位置，在该位置，端部执行器404的纵向轴线a2与轴402的纵向轴线a1基本上对准，使得端部执行器404相对于轴402成基本上为零的角度。在关节运动位置，纵向轴线a1、a2将彼此成角度地偏移，使得端部执行器404相对于轴402成非零角度。
36.其他驱动构件可延伸到端部执行器404，并且这些驱动构件的选择性致动可致使端部执行器404致动(操作)。致动端部执行器404可包括相对于第一钳口410闭合和/或打开第二钳口412(或反之亦然)，从而使得端部执行器404能够抓持(夹持)到组织上。一旦组织被抓持或夹持在相对的钳口410、412之间，致动端部执行器404可进一步包括“击发”端部执行器404，这可指致使切割元件或刀(不可见)在限定于第二钳口410中的狭槽414内朝远侧推进。随着其朝远侧运动，切割元件可横切抓持在相对的钳口410、412之间的任何组织。此外，随着切割元件朝远侧推进，包含在钉仓内(例如，容纳在第一钳口410内)的多个钉可被推压(做凸轮运动)成与设置在第二钳口412上的对应砧座表面(例如，凹坑)变形接触。所部署的钉可形成密封所横切的组织的相对侧的多行钉。
37.在一些应用中，外科工具400还可被构造成能够向组织施加能量，诸如射频(rf)能量。在此类情况下，致动端部执行器404还可包括向抓持或夹持在两个相对的钳口之间的组织施加能量以烧灼或密封所捕获的组织，之后可横切组织。
38.图6是根据一个或多个实施方案的驱动器外壳408的底视图。如图所示，驱动器外壳408可包括用于将驱动器外壳408操作地联接到工具驱动器604的工具安装部分602。工具驱动器604可以与图3的工具驱动器308相同或类似，并且因此可以与图1和图3的机器人操纵器104结合操作。将驱动器外壳408安装到工具驱动器604使得将驱动器外壳408放置成与计算机系统606通信，该计算机系统可以与主控制器102a、102b(图1)的一部分通信或以其它方式形成主控制器102a、102b的一部分。计算机系统608经由工具驱动器604的操作监测和引导驱动器外壳408的操作，从而使得用户(例如，图1的临床医生112a、112b)能够经由通过主控制器102a、102b功来控制驱动器外壳408的操作。
39.工具安装部分602包括并以其它方式提供将驱动器外壳408以机械方式、以磁方式和/或以电方式耦接到工具驱动器604的接口。在至少一个实施方案中，工具安装部分602经
由无菌阻隔件(未示出)将驱动器外壳408耦接到工具驱动器604。如图所示，接口可包括并支撑多个驱动输入部，显示为驱动输入装部608a、608b、608c、608d、608e和608f。每个驱动输入部608a-608f可包括可旋转盘，该可旋转盘被构造成能够与工具驱动器604的相应驱动器610a、610b、610c、610d、610e和610f对准和匹配。每个驱动输入部608a-608f和对应的驱动器610a-610f分别提供或限定一个或多个可匹配的表面特征部612和614，被构造成能够促进相对的表面特征部612、614之间的配合接合，使得给定驱动器610a-610f的运动(旋转)相应地使相关联的驱动输入部608a-608f运动(旋转)。
40.每个驱动器610a-610f可包括或以其它方式包括被配置成能够致动对应的驱动器610a-610f的马达616，并且给定驱动器610a-610f的致动相应地引起配合驱动输入部608a-608f的致动，这有助于驱动器外壳408的内部机构的操作。更具体地，马达616的致动可以引起对应驱动器610a-610f的旋转运动，这又使相关联的驱动输入部608a-608f旋转。每个马达616可以与计算机系统606通信，并且基于由用户(例如，外科医生)提供的输入信号，计算机系统606可以选择性地使马达616中的任一者致动并由此驱动对应的驱动器610a-610f以操作工具。
41.在一些实施方案中，经由第一驱动器610a致动第一驱动输入部608a可控制轴402围绕其纵向轴线a1的旋转。取决于第一驱动输入部608a的旋转方向，轴402可顺时针旋转或逆时针旋转，从而对应地使端部执行器404在相同的方向上旋转(图4)。分别经由第二驱动器610a和第三驱动器610b驱动第二驱动输入部608b和第三驱动输入部608c可控制端部执行器404在腕部406处的关节运动(图4)。经由第四驱动器610d和第五驱动器610e驱动第四驱动输入部608d和第五驱动输入部608e可致使轴402的外部部分(在本文中被称为“闭合管”)推进和回缩，从而闭合和打开钳口410、412(图4)。最后，经由第六驱动器610f致动第六驱动输入部608f可致使端部执行器404击发，这可能需要远侧部署切割元件以横切由钳口410、412抓持的组织并且同时部署容纳在第一钳口410内的钉仓内的钉。
42.工具安装部分602可以进一步包括一个或多个电连接器618(示出两个)，该电连接器被配置成能够与由工具驱动器604提供的对应的电连接620(示出两个)配合，以有利于驱动器外壳408与工具驱动器604之间的通信。另选地，驱动器外壳408可以例如通过近场通信连接与工具驱动器604无线通信。驱动器外壳408可以进一步容纳或以其它方式包括内部计算机622，该内部计算机可包括存储器624和/或微处理器626。存储器624可包括存储与驱动器外壳408相关的数据的一个或多个数据库或库，并且更具体地，可包括与外科工具400(图4)相关的数据。在一些实施方案中，存储器624可包括非暂时性计算机可读介质，例如只读存储器(rom)，其可以是prom、eprom、eeprom等。将驱动器外壳408与工具驱动器604配合使内部计算机622与计算机系统606通信。
43.计算机系统606可以被编程或以其它方式被配置成能够使用各种传感器和/或机电装置(本文中统称为“监测装置”)监控外科工具400(图4)的操作。每个监测装置可以被设计成监测外科工具400的一个或多个操作参数，并将测量的操作参数报告给计算机系统606以进行处理。例如，计算机系统606可以与一个或多个扭矩传感器628和/或一个或多个旋转编码器630通信，其中的每一者可以被表征为监测装置，该监测装置被设计成监测外科工具400的操作参数。例如，扭矩传感器628可以被配置成能够监测扭矩，并且旋转编码器630可以被配置成能够监测运动(旋转或线性)。
44.扭矩传感器628和旋转编码器630可以结合到驱动器610a-610f中的一些或全部驱动器的马达616中，但是可以另选地操作地耦合到驱动输入部608a-608f中的一者或多者。扭矩传感器628可以被配置成能够测量马达616上的实时扭矩负载，其对应于驱动器610a-610f和/或驱动输入部608a-608f所承受的扭矩负载。旋转编码器630可以测量马达616的旋转运动或输出，其对应于驱动器610a-610f和/或驱动输入部608a-608f的旋转运动。监测马达616的扭矩负载和旋转运动可以帮助确定外科工具400是否根据计算机系统606所提供的命令来操作。
45.根据本公开的实施方案，基于由扭矩传感器628和/或旋转编码器630获取的测量值，计算机系统606可以被编程并且以其它方式被配置成能够计算用于用端部执行器404(图4)的钳口410、412(图4)抓持组织所需的功或力。计算机系统606可以进一步被编程并且以其它方式被配置成能够以力指示符的形式传送完成到操作者(例如，外科医生)的实时抓持功(力)的量。可以使用任何形式的感觉反馈(诸如例如听觉反馈、触觉反馈、视觉反馈或它们的任何组合)向操作者提供力指示符。提供实时的力指示符可以为操作者提供一致且可靠的触觉反馈替代对于手动操作的外科工具常见的但机器人外科工具中却没有的触觉反馈。通过实时接收力指示符，操作者可以基于由计算机系统606提供的力指示符重复地抓持组织以获得潜在目标组织的一般“感觉”。
46.在一些情况下，关于抓持马达指示符的力指示符的量值(例如，听觉或触觉反馈或视觉反馈形状)可以指示组织特性。例如，健康组织的视觉力指示符轮廓可能会急剧上升，然后稳定到最终值。患病组织的视觉力指示符轮廓可以逐渐上升到与健康组织相同的最终值。健康组织样品和患病组织样品可以包括例如器官的相同部分的样品(来自不同患者)、经辐照的组织对比未经辐照的组织、有疤痕组织对比无疤痕组织等。除了量值之外，所得视觉力指示符轮廓还可以指示组织特性。
47.图7a和图7b示出了根据一个或多个实施方案的示例性用户输入装置702的渐进式操作，该实施方案用于使外科工具400(图4)和/或端部执行器404(图4)运动、关节运动和/或致动。如上所述，可以在机器人外科系统中使用的示例性用户输入装置可以包括手持式致动器模块、操纵杆、外骨骼手套、主操纵器或它们的任何组合。在例示的实施方案中，用户输入装置(uid)702包括一种类型的手持式致动器模块，其可以有线或无线地耦接到主控制台102a(图2)。由操作者(例如，外科医生)对uid 702的任何物理操纵将被主控制台102a识别，并且导致外科工具400和/或端部执行器404的运动、关节运动和/或致动。
48.如图所示，uid 702可用操作者的手704抓持，例如在手704的食指和拇指之间。当由操作者的手704抓持时，uid 702可以多个自由度运动以控制端部执行器404相对于外科部位的位置(图4)。此外，操作者可以能够挤压(压缩)uid 702以引起端部执行器404的致动，例如用钳口410、412(图4)夹紧(图4)。更具体地，在手704的食指和拇指(或手704的任何其它部分)之间挤压uid 702可以生成发送到计算机系统606的对应信号(图6)以引起第四驱动器610d和第五驱动器610e(图6)的操作(例如，旋转)，其分别驱动第四驱动输入部608d和第五驱动输入部608e(图6)，以闭合和打开钳口410、412(图4)。
49.在至少一个实施方案中，机器人在钳口410、412处施加的所得闭合和抓持力将取决于操作者挤压uid 702的力度有多大。例如，在图7a中，uid 702被示出为在手704的食指和拇指之间被第一力f1挤压，该第一力f1等于机器人外科系统施加在钳口410、412(图4)处
的成比例的力。在图7b中，uid 702用大于第一力f1的第二力f2挤压，该第二力f2等于机器人外科系统施加在钳口410、412处的更大比例的力。
50.再次参考图6，在一些实施方案中，当操作者操纵(挤压)uid 702(图7)时，扭矩传感器628和旋转编码器630分别测量实时操作第四驱动器610d和第五驱动器610e的马达616的扭矩和旋转角度，并且将这些测量值实时报告给计算机系统606。基于分别由扭矩传感器628和旋转编码器630提供的扭矩测量值和旋转角度测量值，然后计算机系统606可以被编程并且以其它方式被配置成能够计算由马达616在闭合钳口410、412时完成的功(图4)。然后可以生成指示由钳口410、1412完成的抓持功的量的一个或多个实时力指示符并将其传送给操作者(例如，外科医生)。
51.图8是由计算机系统606(图6)基于分别由扭矩传感器628(图6)和旋转编码器630(图6)获得的扭矩和旋转角度测量值生成的示例性曲线图800。更具体地，曲线800示出了区域802，该区域表示在将钳口410、412(图4)抓持在组织上时在马达616(图6)上测量的扭矩与旋转角度的关系。通过对区域802的上边界803进行积分，可以确定(计算)由马达616完成的功804，并以线的形式在曲线图800上表示。
52.可以设置对应于马达616的操作的一个或多个预定功增量(图6)。如果所测量的功804达到或超过预定的功增量，则计算机系统606(图6)可以被编程为将相应的功指示符实时传送给操作者，指示完成的抓持功的量。在例示的实施方案中，例如，预定功增量806包括设定量值为0.25焦耳的功增量，其在曲线图800上指示为预定功增量806a、806b、806c、806d、806e和806f。由于由马达616完成的功804达到或超出(超过)预定功增量806a-806f中的任一者，计算机系统606(图6)可以实时将对应的力指示符传送给操作者以指示抓持功的量已经达到特定预定功增量806a-806f。如将理解的，在不脱离本公开的范围的情况下，设定量值的功增量可以是任何量值。
53.在一些实施方案中，预定功增量806a-806f可另选地包括马达616(图6)完全闭合钳口410、412(图4)并抓住组织可能需要的总功的百分比。举例来说，如果抓持和完全闭合钳口410、412，则马达616需要15弧度的角运动，并且可以使用多达0.5nm的扭矩，然后钳口410、412完全闭合和抓住组织的可能需要的总功为7.5焦耳。在此类实施方案中，预定功增量806a-806f可以以7.5焦耳的5％、10％、15％等的增量或任何其他期望的倍数百分比来设置。当由马达616完成的功804达到或超出(超过)作为预定功增量806a-806f的任何设定百分比时，计算机系统606(图6)可以将相应的力指示符传送给操作者。
54.在一些实施方案中，功804可以仅在马达616行进的一个角度方向上增加(图6)。在此类实施方案中，马达616在相反的角方向上的行进可以重置对所计算的功804的计算。如将理解的，在马达616反转时重置对所计算的功804的计算防止将针对第一抓持事件计算的功与第二抓持事件的功结合。
55.力指示符可以可以被操作者的至少一种感觉识别的感官反馈的形式提供给操作者。在一些实施方案中，例如，力指示符可以包括可由操作者听到的听觉(可听)反馈。在此类实施方案中，在由马达616(图6)完成的功804达到或超过预定功增量806a-806f时，可以产生可听噪音或声音。在一个或多个实施方案中，可听噪声可以包括操作者可以听到的简短声音，例如音调或“咔哒”声(本文统称为“声音”)。在一些实施方案中，声音或音调的音高可以随着在操作期间达到或超过的每个连续的预定功增量806a-806f而增加。因此，在此类
实施方案中，随着声音的音高增加，这向操作者表明钳口410、412(图4)的闭合力相应地增加。
56.在其它实施方案中，力指示符可以包括可由操作者物理感知的触觉反馈。在此类实施方案中，例如，uid 702(图7)可以在由马达616(图6)完成的功804达到或超过预定功增量806a-806f时产生短暂的振动。在一些实施方案中，振动的振幅(强度)或持续时间可以随着达到或超过的每个后续的预定功增量806a-806f而增加。因此，在此类实施方案中，随着uid 702中感觉到的振动的强度或持续时间增加，这向操作者表明钳口410、412(图4)的闭合力相应地增加。在一些实施方案中，力指示符可以包括听觉反馈和触觉反馈的组合，诸如同时产生并传送给操作者的振动和咔哒声或声音。
57.在其它实施方案中，力指示符可以包括由操作者可以看到(查看)的视觉反馈。可以以多种方式将视觉反馈提供给操作者。在一个或多个实施方案中，例如，由马达616(图6)完成的功804的图形、动画或其他视觉表示可以提供在视觉显示器206(图2)上以在功804达到或超过预定功增量806a-806f时视觉上向操作员指示。可以实时传递力指示符反馈，并且任何视觉反馈将不会使操作者在视觉显示器206(图2)上可视的外科区域变得模糊。在一些实施方案中，力指示符可以包括听觉、触觉和视觉反馈或它们的任何组合。
58.在至少一个实施方案中，视觉反馈可以采取呈现为叠加在视觉显示器206(图2)上的测量仪的动画的形式。在此类实施方案中，动画测量仪可以包括例如具有类似于转速计的图形显示的扭矩计。在其它实施方案中，可视化测量仪还可以图形方式显示在历史操作期间为端部执行器404(图4)获得的功804的先前值的范围。
59.例如，图9示出了根据一个或多个实施方案的可以以图形方式显示以供操作者参考的示例性测量仪902。测量仪902可以呈现为叠加在视觉显示器206(图2)上，并且如图所示，以图形方式示出了在致动端部执行器402(图4)的钳口410、412(图4)时可由马达616完成的功804(图8)的最小值904a和最大值904b(图6)。在例示的实施方案中，与针对端部执行器404获得的功804的当前值相比，测量仪902以图形方式示出了在其历史操作期间针对端部执行器404获得的功804的先前值的范围。
60.以图形方式描绘功804的当前值和先前值(图8)可以证明有利于帮助操作者了解被抓持的组织的类型。例如，如果操作者已经多次抓住给定组织，则可以计算这样做所需的功并将其以图形方式显示在测量仪902上。当前的抓持功也以图形方式显示在测量仪902中，并且在例示的实施方案中，示出高于抓持组织的先前尝试。这可以指示当前由操作者抓持的组织比先前抓持的组织更厚或需要更大的抓持力。
61.在一些实施方案中，当抓持特定类型的组织(例如，胃组织、肠、肺等)时，测量仪902可以以图形方式显示适用于端部执行器404(图4)和钳口410、412(图4)的所有历史功值。该历史数据可以从数据库中检索，例如端部执行器404的内部计算机622(图6)中包括的存储器624(图6)，或者可以替代地从基于云的数据库中检索，该数据库存储在端部执行器404的历史操作期间获得的所有历史测量值。
62.图10示出了图6的计算机系统606的示例性实施方案。如图所示，计算机系统606包括可以控制计算机系统606的操作的一个或多个处理器1002。“处理器”在本文还称为“控制器”。一个或多个处理器1002可包括任何类型的微处理器或中央处理单元(cpu)，包括可编程通用或专用微处理器和/或多种专有或可商购获得的单处理器系统或多处理器系统中的
任一种。计算机系统606还可包括一个或多个存储器1004，该一个或多个存储器可为将由一个或多个处理器1002执行的代码或者为从一个或多个使用者、存储装置和/或数据库获取的数据提供临时存储。存储器1004可包括只读存储器(rom)、闪存存储器、一种或多种随机存取存储器(ram)(例如，静态ram(sram)、动态ram(dram)或同步dram(sdram))和/或存储器技术的组合。
63.计算机系统606的各种元件可联接到总线系统1006。所说明的总线系统1006是抽象概念，其表示通过适当的桥接器、适配器和/或控制器连接的任何一个或多个单独的物理总线、通信线路/接口和/或多点或点对点连接。计算机系统606还可包括一个或多个网络接口1008、一个或多个输入/输出(io)接口1010以及一个或多个存储装置1012。
64.一个或多个网络接口1008可使得计算机系统606能够通过网络与远程装置(例如，其它计算机系统)通信，并且对于非限制性实施例，可为远程桌面连接接口、以太网适配器、和/或其它局域网(lan)适配器。一个或多个io接口1010可包括一个或多个接口部件，以将计算机系统606与其它电子仪器连接。对于非限制性示例，一个或多个io接口1010可包括高速数据端口，诸如通用串行总线(usb)端口、1394端口、wi-fi、蓝牙等。另外，计算机系统606可为人类用户可访问的，并且因此一个或多个io接口1010可包括显示器、扬声器、键盘、指向设备和/或各种其他视频、音频或包括文字与数字的接口。一个或多个存储装置1012可包括用于以非易失性和/或非暂态性方式存储数据的任何常规介质。因此，一个或多个存储装置1012可将数据和/或指令保持在持久状态，即，尽管中断对计算机系统606的供电，仍保留一个或多个值。一个或多个存储设备1012可包括一个或多个硬盘驱动器、闪存驱动器、usb驱动器、光盘驱动器、各种介质卡、磁盘、光盘和/或它们的任何组合，并且可直接连接到计算机系统606或者远程(诸如通过网络)连接到该计算机系统。在示例性实施方案中，一个或多个存储设备1012可包括被配置成能够存储数据的有形或非暂态计算机可读介质，例如硬盘驱动器、闪存驱动器、usb驱动器、光盘驱动器、介质卡、磁盘、光盘等。
65.图10中所示的元件可为单个物理机器的元件中的一些或全部。另外，并非所绘示的所有元件都需要位于同一物理机器之上或之中。示例性计算机系统包括传统台式计算机、工作站、小型计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字助理(pda)、移动电话等。
66.计算机系统606可包括web浏览器，该web浏览器用于：检索网页或其他标记语言流，(在视觉上、听觉上或以其它方式)呈现这些页面和/或流，在这些页面/流上执行脚本、控件和其他代码，接受关于这些页面/流的用户输入(例如，出于完成输入字段的目的)，发布关于这些页面/流或其他方面的超文本传输协议(http)请求(例如，用于从完成的输入字段中提交服务器信息)等等。网页或其它标记语言可以是超文本标记语言(html)或其它传统形式，包括嵌入式可扩展标记语言(xml)、脚本、控件等。计算机系统606也可包括用于生成网页和/或将网页递送到客户端计算机系统的web服务器。
67.在示例性实施方案中，计算机系统606可作为单个单元提供，诸如，作为单个服务器、作为单个塔、容纳在单个外壳内等。单个单元可为模块化的，使得其各种方面可根据需要换入和换出，例如升级、替换、维护等，而不会中断系统的任何其他方面的功能。因此，单个单元也可以是可扩展的，具有作为附加模块添加的能力和/或期望和/或改善现有模块的附加功能。
68.计算机系统606还可包括多种其他软件和/或硬件组件中的任一种，包括(作为非
限制性示例)操作系统和数据库管理系统。尽管本文描绘和描述了示例性计算机系统，但应当理解，这是出于普遍性和方便性的原因。在其他实施方案中，计算机系统的架构和操作可与这里示出和描述的不同。
69.本文所公开的实施方案包括：
70.a.一种方法，该方法包括抓持与机器人外科系统的外科工具通信的用户输入装置，该外科工具包括具有相对的钳口的端部执行器；挤压该用户输入装置，并且由此致动马达，该马达闭合钳口和夹紧外科部位处的组织；用与该外科工具通信的计算机系统计算由马达闭合该钳口并夹紧组织完成的功；当由马达完成的功达到或超过对应于马达的操作的一个或多个预定功增量时，用计算机系统生成一个或多个力指示符，并且将该一个或多个力指示符传送给操作者。
71.b.一种方法，该方法包括抓持与机器人外科系统的外科工具通信的用户输入装置，该外科工具包括具有相对的钳口的端部执行器；操纵该用户输入装置以致动马达，该马达打开和闭合钳口；用与该外科工具通信的计算机系统计算由马达完成的功以闭合该钳口并夹紧组织；用计算机系统生成指示由马达完成的功的一个或多个力指示符，以及将该一个或多个力指示符传送给操作者。
72.实施方案a和b中的每一者可以任何组合具有以下附加要素中的一者或多者：要素1：其中计算由马达完成的功包括：用扭矩传感器测量由马达承受的扭矩，用旋转编码器测量马达的旋转角度，以及基于所测量的扭矩和旋转角度计算由马达完成的功。元素2：其中一个或多个力指示符包括听觉反馈，并且将该一个或多个力指示符传送给操作者包括：当由马达完成的功达到或超过该一个或多个预定功增量时，产生操作者可听的声音。元素3：还包括在达到或超过该一个或多个预定功增量的后续预定功增量时提高声音的音高。元素4：其中该一个或多个力指示符包括触觉反馈，并且将该一个或多个力指示符传送给操作者包括：在用户输入装置中产生振动。元素5：还包括在达到或超过该一个或多个预定功增量的后续预定功增量时增加振动的振幅或持续时间。元素6：其中该一个或多个力指示符包括视觉反馈，并且将该一个或多个力指示符传送给操作者包括：生成操作者可视的图形动画。
73.元素7：其中该用户输入装置选自由手持式致动器模块、操纵杆、外骨骼手套、主操纵器以及它们的任何组合组成的组。元素8：其中操纵该用户输入装置以致动马达包括：通过操纵该用户输入装置来生成发送到计算机系统的信号，以及基于该信号引起该马达的操作，从而用马达驱动该外科工具的驱动输入部以打开或闭合钳口。要素9：其中计算由马达完成的功包括：用扭矩传感器测量由马达承受的扭矩，用旋转编码器测量马达的旋转角度，以及基于所测量的扭矩和旋转角度计算由马达完成的功。元素10：其中生成该一个或多个力指示符包括设置对应于该马达的操作的一个或多个预定功增量，以及当由马达完成的功达到或超过该一个或多个预定功增量时，实时地生成并传送一个或多个力指示符。元素11：其中该一个或多个预定功增量包括设定量值的功增量。元素12：其中该一个或多个预定功增量包括对马达完全闭合钳口可能需要的总功的增量百分比。元素13：其中该一个或多个力指示符包括听觉反馈，并且将该一个或多个力指示符传送给操作者包括：产生操作者可听的声音。元素14：还包括在达到或超过该一个或多个预定功增量的后续预定功增量时提高声音的音高。元素15：其中该一个或多个力指示符包括触觉反馈，并且将该一个或多个力指示符传送给操作者包括：在用户输入装置中产生振动。元素16：还包括在达到或超过该一
个或多个预定功增量的后续预定功增量时增加振动的振幅或持续时间。元素17：其中该一个或多个力指示符包括视觉反馈，并且将该一个或多个力指示符传送给操作者包括：生成图形动画。元素18：其中该图形动画包括呈现为叠加在视觉显示器上并且结合当前功值以图形方式显示为该端部执行器获得的先前功值的范围的测量仪。
74.作为非限制性示例，适用于a和b的示例性组合包括：要素2与要素3；要素4与要素5；要素8与要素9；要素11与要素12；要素13与要素14；要素15与要素16；以及要素17与要素18。
75.因此，本发明所公开的系统和方法非常适于获得所提到的结果和优点以及其中固有的结果和优点。上文所公开的具体实施方案仅是示例性的，因为本公开的教导内容可以受益于本文教导内容且对于本领域的技术人员而言显而易见的不同但等价的方式进行修改和实施。此外，除了在以下权利要求中描述的之外，对于本文所示的构造或设计的细节没有限制。因此显而易见的是，可改变、组合或修改上文所公开的具体示例性实施方案，并且所有这些改变都被视为在本公开的范围内。本文例示性地公开的系统和方法可适当地在缺少本文未具体公开的任何元件和/或本文公开的任何可选元件的情况下实施。虽然根据“包括”、“含有”或“包含”各种部件或步骤描述了组成和方法，但是该组成和方法也可“基本上由各种部件或步骤组成”或“由各种部件或步骤组成”。上文所公开的所有数值和范围可改变一些量。每当公开具有下限和上限的数值范围时，具体公开了落入该范围内的任何数值和任何包括的范围。具体地，本文所公开的每种值范围(形式为“约a至约b”或等效形式“大约a至b”或等效形式“从大约a-b”)应被理解为列出更广泛的值范围内涵盖的每个数值和范围。而且，权利要求中的术语具有其普通的一般含义，除非专利权人另有明确和清楚的定义。此外，权利要求中使用的不定冠词“一”或“一个”在本文中被定义为表示其引入的一个或多个元件而不是一个元件。如果本说明书中的词语或术语的使用与可以引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件存在任何冲突，则应采用与本说明书一致的定义。
76.如本文所用，在一系列项目(用术语“和”或“或”来隔开项目中的任一个)之前的短语
“…
中的至少一个”将整体修饰列表，而不是列表的每个成员(即，每个项目)。短语
“…
中的至少一个”允许意指包括项目中的任何一个的至少一个，和/或项目的任何组合中的至少一个，和/或项目中的每一个的至少一个。作为示例，短语“a、b和c中的至少一个”或“a、b或c中的至少一者”各自是指：仅a、仅b或仅c；a、b和c的任何组合；以及/或者a、b和c中的每一者的至少一者。