柔性机器人式外科手术器械
阅读：957发布：2020-05-15
专利汇可以提供柔性机器人式外科手术器械专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 机器人 式外科手术器械包括轴、联接部段和驱动机构。联接部段从轴延伸并且在联接部段的远端处终止于前端。前端具有用于末端操纵器的附接件。驱动机构通过柔性驱动元件驱动联接部段，从而改变前端相对于轴的 角 度定向。驱动机构被控制来将联接部段从任何一种构造驱动到任何其他构造时，始终在至少一个延伸方向上完全压缩联接部段，其中，在延伸方向上联接部段连接前端和轴。驱动机构限制联接部段的运动以允许前端以两个旋转 自由度 运动并且没有相对于轴的平移自由度。，下面是柔性机器人式外科手术器械专利的具体信息内容。
1.一种机器人式外科手术器械，包括：
轴；
联接部段，其从所述轴延伸并且在所述联接部段的远端处终止于前端，所述前端具有用于末端操纵器的附接件；和
驱动机构，其构造成通过柔性驱动元件驱动所述联接部段，从而改变所述前端相对于所述轴的角度定向，其中，所述驱动机构构造成被控制来将所述联接部段从任何一种构造驱动到任何其他构造时，始终在至少一个延伸方向上完全压缩所述联接部段，其中，在所述延伸方向上所述联接部段连接所述前端和所述轴，其中，所述驱动机构限制所述联接部段的运动以允许所述前端以两个旋转自由度运动并且没有相对于所述轴的平移自由度。
2.根据权利要求1所述的机器人式外科手术器械，其中，所述驱动机构限制所述联接部段的运动，以允许所述前端围绕横向于所述轴的纵向轴线的平面中的轴线旋转。
3.根据前述权利要求中任一项所述的机器人式外科手术器械，其中，所述柔性驱动元件延伸穿过所述轴、与所述联接部段接合并且终止于所述前端。
4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人式外科手术器械，其中，所述驱动机构构造为始终将至少一个所述柔性驱动元件保持为处于完全张紧状态。
5.根据前述权利要求中任一项所述的机器人式外科手术器械，其中，在所述前端的纵向轴线与所述轴的纵向轴线共线的构造中，所述驱动机构构造成将所有所述柔性驱动元件保持为处于张紧状态。
6.根据前述权利要求中任一项所述的机器人式外科手术器械，其中，在所述前端的纵向轴线与所述轴的纵向轴线不共线的构造中，驱动机构构造成仅将一个所述柔性驱动元件保持为处于完全张紧状态。
7.根据权利要求6所述的机器人式外科手术器械，其中，在所述构造中，所述驱动机构构造成将至少一个其他所述柔性驱动元件保持为处于压缩状态。
8.根据前述权利要求中任一项所述的机器人式外科手术器械，其中，所述柔性驱动元件抵抗压缩力和张力。
9.根据前述权利要求中任一项所述的机器人式外科手术器械，包括至少三个所述柔性驱动元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的机器人式外科手术器械，其中，所述联接部段包括通过所述柔性驱动元件彼此连接的一系列环形环。
11.根据权利要求10所述的机器人式外科手术器械，其中，所述环形环通过所述柔性驱动元件连接到所述轴和所述前端。
12.根据权利要求10或11所述的机器人式外科手术器械，其中，在所述前端的纵向轴线与所述轴的纵向轴线共线的构造中，所述环形环堆叠成使得它们的中心位于与所述轴的纵向轴线和所述前端的纵向轴线共线的轴线上。
13.根据权利要求12所述的机器人式外科手术器械，其中，在所述构造中，相邻的所述环形环的相对表面完全接触。
14.根据权利要求10或11所述的机器人式外科手术器械，其中，在所述前端的纵向轴线从所述轴的纵向轴线成角度地偏移的构造中，相邻的所述环形环的相对表面仅在一个点处相互接触。
15.根据权利要求10至12中任一项所述的机器人式外科手术器械，其中，所述环形环彼此分开地弹起。
16.根据权利要求1至9中任一项所述的机器人式外科手术器械，其中，所述联接部段包括单头螺旋分离弹簧。
17.根据权利要求1至9中任一项所述的机器人式外科手术器械，其中，所述联接部段包括多头螺旋分离弹簧。
18.根据前述权利要求中任一项所述的机器人式外科手术器械，还包括应变仪，每一个所述应变仪构造成测量相应的所述柔性驱动元件上的张力。
19.根据权利要求18所述的机器人式外科手术器械，其中，所述驱动机构构造成使所述柔性驱动元件移动直到所述柔性驱动元件具有期望的张力。
20.根据权利要求19所述的机器人式外科手术器械，其中，所述驱动机构构造成从控制器接收期望的张力，根据所述前端的当前定向和期望定向的模型和所述柔性驱动元件的张力确定所述期望的张力。
21.根据权利要求10至14中任一项所述的机器人式外科手术器械，还包括用于检测相邻的所述环形环的相对表面之间接触的接触式传感器。
22.根据权利要求21所述的机器人式外科手术器械，其中，所述驱动机构构造成使柔性驱动元件移动直到通过所述接触式传感器在相邻的所述环形环的相对表面之间检测到接触。
23.一种基本上参照本文的附图6、7a、7b和7c所描述的机器人式外科手术器械。
柔性机器人式外科手术器械
背景技术
[0001] 使用机器人以辅助和进行手术是已知的。通常，外科手术机器人由底座、手臂和器械组成。底座支撑机器人，并且本身被刚性地附接到例如手术室地板、手术室天花板或手推车上。手臂在底座和器械之间延伸。通常，手臂具有多个关节，这些关节用于将外科手术器械定位在相对于患者的期望位置。外科手术器械附接到机器人手臂的远端。外科手术器械在端口处穿入患者的身体以进入外科手术部位。
[0002] 图1示出了用于进行机器人式腹腔镜手术的典型外科手术器械100。该外科手术器械包括底座101，外科手术器械通过底座101连接到机器人手臂。轴102在底座101和联接部分103之间延伸。联接部分103终止于末端操纵器104中。在图1中，将一对锯齿状钳口作为末端操纵器104示出。联接部分103允许末端操纵器104相对于轴102运动。希望通过联接部分为末端操纵器104的运动提供至少两个自由度。
[0003] 图2示出了已知的外科手术器械200的示例，其中允许末端操纵器104通过俯仰关节201和偏转关节202相对于轴102运动。关节201使末端执操纵器104能够围绕俯仰轴线203旋转。关节202使末端操纵器104能够围绕偏转轴线204旋转。联接部分需要许多精密制造的元件。联接部分的每个关节还需要两根缆绳，并且缆绳需要联接末端操纵器以使末端操纵器完全适于在联接部分内，而不会在联接部分和末端操纵器的任何构造中彼此卡住。以这种方式使用滑轮(例如滑轮205)来管理缆绳。为了适应联接部分的内部元件的数量和尺寸，轴的外径是8mm。希望减小轴的外径以使穿过患者皮肤的切口的尺寸和患者体内的破裂最小化。
[0004] 图3示出了已知的外科手术器械300的另外示例，其中允许末端操纵器104通过联接部分103相对于轴102运动。联接部分103是柔性部段，在该柔性部段中，末端操纵器104在使用四个关节301、302、303和304的过程中能够具有两个自由度。每个关节都由一对缆绳独立地控制。柔性部分103比图2中的柔性部分更紧凑，因此与图2相比，轴的外径减小。然而，柔性部分103需要许多精密制造的非常小的元件。另外，需要五对缆绳联接柔性部分的关节和末端操纵器104。更青睐不那么复杂的联接。
[0005] 图4示出了已知的外科手术器械400的另外示例，其中联接部分103是柔性的。末端操纵器104在使用四根电缆的柔性部段的过程中能够具有两个自由度。这不如图3中的联接复杂。然而，这种构造不是精确可控的，如将参考图5a、5b和5c进行解释。图5a、5b和5c示出了一端连接到轴102并且另一端连接到器械前端501的联接部段103。示出了两根缆绳502和503。这些缆绳能够使器械前端围绕一个轴线进行致动。为了便于显示，此处未示出使得器械前端围绕另外轴线被致动的另外两根缆绳。缆绳501和502与柔性部段接合。当将缆绳502处于张力下并且缆绳503被释放时，器械前端501弯曲到如图5b所示一侧。因此，该联接部段布置能够联接器械前端。但是，器械前端没有被精确地控制。例如，图5c示出了缆绳502和
503两者具有相同长度的情形，然而器械前端501不与器械轴102共线。
503两者具有相同长度的情形，然而器械前端501不与器械轴102共线。
[0006] 已知通过使联接部段弹起来解决图5c中的错位问题。与图5a的对齐构造相比，图5c的错位配置在能量上是不利的。因此，通过使联接部段弹起，图4的外科手术器械的柔性部段变得更加可控。然而，可靠地控制联接部段所需的弹簧力的大小取决于施加到外科手术器械上的载荷的大小和方向。与非弹簧关节相比，通常需要两倍或者三倍的力来致动关节。
发明内容
发明内容
[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种机器人式外科手术器械，包括：轴；联接部段，其从轴延伸并且在联接部段的远端处终止于前端，前端具有用于末端操纵器的附接件；和驱动机构，其构造成通过柔性驱动元件驱动联接部段，从而改变前端相对于轴的角度定向，其中，驱动机构构造成被控制来将联接部段从任何一种构造驱动到任何其他构造时，始终在至少一个延伸方向上完全压缩联接部段，其中，在延伸方向上联接部段连接前端和轴，以及其中，驱动机构限制联接部段的运动以允许前端以两个旋转自由度运动并且没有相对于轴的平移自由度。
[0008] 驱动机构可以限制联接部段的运动，以允许前端围绕横向于轴的纵向轴线的平面中的轴线旋转。
[0009] 柔性驱动元件可以延伸穿过轴、与联接部段接合并且终止于前端。
[0010] 驱动机构可以构造为始终将至少一个柔性驱动元件保持为处于完全张紧状态。
[0011] 适当地，在前端的纵向轴线与轴的纵向轴线共线的构造中，驱动机构构造成将所有柔性驱动元件保持为处于张紧状态。
[0012] 适当地，在前端的纵向轴线与轴的纵向轴线不共线的构造中，驱动机构构造成仅将一个柔性驱动元件保持为处于完全张紧状态。适当地，在该构造中，驱动机构构造成将至少一个其他柔性驱动元件保持为处于压缩状态。
[0014] 适当地，机器人式外科手术器械包括至少三个柔性驱动元件。
[0015] 适当地，联接部段包括通过柔性驱动元件彼此连接的一系列环形环。环形环通过柔性驱动元件连接到轴和前端。适当地，在前端的纵向轴线与轴的纵向轴线共线的构造中，环形环堆叠成使得它们的中心位于与轴的纵向轴线和前端的纵向轴线共线的轴线上。在该构造中，相邻的环形环的相对表面完全接触。
[0016] 在前端的纵向轴线从轴的纵向轴线成角度地偏移的构造中，相邻的环形环的相对表面仅在一个点处相互接触。
[0017] 环形环可以彼此分开地弹起。
[0018] 联接部段包括单头螺旋分离弹簧。联接部段可以包括多头螺旋分离弹簧。
[0019] 机器人式外科手术器械还可以包括应变仪，每一个应变仪构造成测量相应的柔性驱动元件上的张力。
[0020] 驱动机构可以构造成使柔性驱动元件移动直到柔性驱动元件具有期望的张力。驱动机构可以构造成从控制器接收期望的张力，根据前端的当前定向和期望定向的模型和柔性驱动元件的张力确定期望的张力。
[0023] 现在将参照附图通过示例描述本发明。在附图中：
[0024] 图1示出了已知的机器人式外科手术器械；
[0025] 图2示出了具有两个分开的关节的已知机器人式外科手术器械；
[0026] 图3示出了具有带有独立控制关节的柔性部段的已知机器人式外科手术器械；
[0027] 图4示出了具有联合控制的柔性部段的已知机器人式外科手术器械；
[0028] 图5a、5b和5c示出了机器人式外科手术器械的柔性部段的不同构造；
[0029] 图6示出了外科手术器械的远端；
[0030] 图7a、图7b和图7c示出了图6的外科手术器械的不同构造；以及
[0031] 图8示出了另外的外科手术器械的远端。
具体实施方式
[0032] 图6示出了外科手术器械的远端。该外科手术器械在整体上具有如图1所示的一般形式。换言之，该外科手术器械包括底座101，外科手术器械通过底座101连接到外科手术机器人手臂。器械底座与外科手术机器人手臂的终端协同设计，使得器械底座可拆卸地附接到机器人手臂的终端。轴102在底座101和联接部段103之间延伸。联接部段103在其近端处连接到轴102，并且在其远端连接到器械前端601。器械前端601具有适于附接末端操纵器104的附接件602。轴102、联接部段103和器械前端601都是中空的。这允许元件在这些部段上方通过以致动末端操纵器104。这也减少了外科手术器械的重量。
[0034] 联接部段103是柔性的。适当地，联接部段103可以不弹起。或者，联接部段103可轻微弹起。图6的联接部段103包括一组环形环603、604、605和驱动元件611、612和613。
[0035] 图6中示出了三个环形环，然而可以理解的是，可以使用更少或更多的环形环。环形环不是彼此刚性地附接。将环形环堆叠使得当器械处于如图6所示的前端与轴共线的直线构造时，环形环的中心位于器械的纵向轴线606上。每一个环形环包括：第一表面607，其由环形件的内同心环和外同心环界定；第二表面608，其与第一表面相对并且也由环形件的内同心环和外同心环界定；内表面609，其由环形件的内同心环界定并垂直于第一表面和第二表面；和外表面610，其由该环形件的外同心环界定并且也垂直于第一表面和第二表面。环形环的外表面与轴的外表面以及前端的外表面对齐。环形环的外表面与轴的外表面和前端的外表面齐平。对于每一个环形环而言，其第一表面面向在该环形环的一侧上堆叠的相邻环形环的第二表面，并且其第二表面面向在该环形环的另一侧上堆叠的相邻环形环的第一表面。例外的是在联接部段103的两端处的环形环，其中一个环形环面向轴102的终端上的环形环614，另一个环形环面向器械前端601的近端上的环形环615。
[0036] 图6所示的环形环的内同心环和外同心环是圆形的。内环和外环可以具有非圆形轮廓。例如，它们可以是卵形或椭圆形。适当地，环形环的外环与轴的外侧的轮廓匹配。因此，如果轴的横截面为圆形，则环形环的外环与轴的外环的形状和大小匹配。这为器械提供了光滑的外部轮廓，其不太可能被在外科手术部位卡住或阻塞。
[0037] 环形环通过驱动元件彼此连接。每一个驱动元件与每个环形环接合。在图6所示的布置中，每一个驱动元件穿过每一个环形环中的开口。该开口垂直于第一表面和第二表面穿过环形环的第一表面和第二表面而穿过环形环。环形环不固定在驱动元件上。环形环可以沿驱动元件自由地滑动。但是，每一个环形环的运动受到穿过它的驱动元件的限制。因此，驱动元件防止环形环从外科手术器械上脱离。环形环通过驱动元件连接到轴和前端。每一个驱动元件在轴的远端处穿过环形环614、穿过在柔性部段中的每一个环形环、并且穿过在器械前端601的近端处的环形环615。驱动元件的近端连接到外科手术器械的底座中的驱动机构。驱动元件延伸穿过轴102、穿过柔性部段103并且进入器械前端601。驱动元件的远端被固定到器械前端。
[0038] 驱动元件是柔性的。每一个驱动元件是细长的。每一个驱动元件在闲置(at rest)时都是线性的。换言之，当没有外力施加于驱动元件时，每一个驱动元件在非拉伸状态下是线性的。每一个驱动元件可以相对于其主要延伸方向侧向地弯曲。换言之，每一个驱动元件可以横向于其纵向轴线弯曲。每一个驱动元件沿其主要延伸方向不是柔性的。每一个驱动元件抵抗在其纵向轴线的方向上作用的压缩力和张力。
[0039] 因此，驱动元件能够将驱动从器械的底座传递到器械前端。驱动元件可以是杆。例如，驱动元件可以是推杆/拉杆。驱动元件可以是缆绳。驱动元件可以由弹簧钢制成。可替换地，驱动元件可以由复合材料(例如碳纤维)制成。
[0040] 驱动元件以其可以处于张紧状态、以及可选地还处于压缩状态的方式固定在器械的底座中。例如，驱动元件可以固定到板上。螺钉螺纹地穿过板。电机动驱动螺钉旋转。通过拧紧螺钉，板朝向器械的近端(即，朝向机器人手臂)运动，由此拉动驱动元件。通过松开螺钉，板朝向器械的远端(即，朝向器械前端)运动，由此推动驱动元件。作为另外的示例，驱动元件每一者可以固定到卷轴上。电动机驱动卷轴旋转。通过使卷轴沿一个方向旋转，驱动元件围绕卷轴缠绕，从而缩短了驱动元件在轴和联接部分中的长度。换言之，这个动作提供在驱动元件上的张紧力或拉力。通过沿另一方向转动卷轴，驱动元件围绕卷轴展开，从而增加了驱动元件在轴和联接部分中的长度。换言之，这个动作提供在驱动元件上的压缩力或推力。
[0041] 当朝向器械底座拉动驱动元件时，由于驱动元件固定到器械前端，所以驱动元件沿施加张力的方向拉动器械前端。换言之，驱动元件朝向器械底座拉动器械前端。这导致联接部段103在该驱动元件的区域中进行压缩。在图6的示例中，轴和器械前端是刚性的并且长度固定，但是环形环可以沿着驱动元件滑动。因此，当拉动驱动元件时，该驱动元件滑动穿过与其接合的环形环，从而一起拉动穿过其的环形环。由此压缩驱动元件穿过的环形环的堆叠。
[0042] 当推动驱动元件远离器械基座时，由于驱动元件被固定到器械前端，所以驱动元件在施加压缩的方向推动器械前端。换言之，驱动元件推动器械前端远离器械底座。这导致联接部段103在该驱动元件的区域中延伸。在图6的示例中，当推动驱动元件时，该驱动元件滑动穿过与其接合的环形环，从而推动穿过其的环形环彼此分开。由此驱动元件穿过的环形环的叠层延伸。
[0043] 图6示出了具有三个驱动元件的外科手术器械，所述三个驱动元件与联接部段103和器械前端601接合以使器械前端定向。可替换地，可以使用四个驱动元件。还可以使用另外的驱动元件。使用至少三个驱动元件以使器械前端相对于轴102以两个旋转自由度定向。图7a、图7b和图7c示出了引起器械前端的三个不同定向的驱动元件的三种布置。
[0044] 图7a示出了外科手术器械的直线构造。在该构造中，器械前端的纵向轴线701与轴的纵向轴线702共线。在这种构造中，器械底座的驱动机构将所有驱动元件保持在完全张紧状态。因此，在图7a的示例中，拉动全部三个驱动元件611、612和613。这导致联接部段103进行完全压缩。环形环在彼此的顶部堆叠在一起。环形环的中心位于与器械前端701的纵向轴线和轴702的纵向轴线共线的轴线703上。相邻的环形环的相对的表面完全接触。换言之，对于每一个环形环而言，其第一表面在其整个第一表面上接触相邻的环形环的第二表面。类似地，对于相邻的那个环形环，其第二表面在其整个第二表面上接触相邻的环形环的第一表面。对于联接部段的轴端处的环形环而言，其面向轴表面614的表面与轴表面614完全接触。对于在联接部段的前端处的环形环而言，其面向前端表面615的表面与前端表面615完全接触。
[0045] 图7b示出了外科手术器械的第一弯曲构造。在该构造中，器械前端的纵向轴线701不与轴的纵向轴线702共线。器械前端的纵向轴线701从轴的纵向轴线702成角度地偏移。器械底座中的驱动机构仅保持一个驱动元件处于完全张紧状态。在图7b中，该完全张紧的驱动元件是驱动元件611。拉动驱动元件611，这导致联接部段103在该驱动元件的区域中进行完全压缩。相邻环形环的相对表面仅在一个接触点704处接触。该接触点位于相邻环形环的相对表面的与处于张紧状态的驱动元件最接近的外边缘处。环形环的相对表面不再如图7a中那样在它们的表面上等距地隔开。环形环的相对表面不再是如图7a所示的彼此相互平行。相邻环形环的相对表面之间的间隔从接触点704处的没有间隔增加到相对的外边缘处的较大间距705。由此，器械前端定向成所示的第一弯曲构造。环形环的中心位于均匀曲线706上，该曲线706将器械前端的纵向轴线701结合到轴的纵向轴线702。
[0046] 其他驱动元件可以不受到驱动机构的力。可替换地，其他驱动元件中的一个或多个可以由驱动机构推动。除了将驱动元件611保持张紧之外，通过将一个或多个其它驱动元件612、613保持为处于压缩状态，使得联接部段和器械前端的构造更具有刚性。这为末端操纵器的位置提供了额外的稳定性。如果要使外科手术器械承受压力，例如，如果将载荷施加到末端操纵器上，则末端操纵器的位置中的额外的安全性和稳定性是有用的。
[0047] 图7c示出了外科手术器械的第二弯曲构造。在该构造中，器械前端弯曲到与图7b所示的相反的一侧。适用与以上关于图7b所讨论的相同的原理。这里只有驱动元件613处于完全张紧状态。相邻环形环的相对的面仅在接触点707处接触。接触点707位于相邻环形环的相对表面的与驱动元件613最接近的外边缘处。
[0048] 相邻环形环的相对表面可以由轻质弹簧分开。例如，轻质弹簧可以具有在0.1N/mm和1N/mm之间的弹簧常数。这些轻质弹簧确保当联接部段弯曲成如图7b或7c所示的构造时，环形环在联接部段上均匀地隔开。轻质弹簧自身不足以防止形成图5c的够造。
[0049] 在图7a、图7b和图7c所示的构造中，通过以受控的方式张紧和(可选地)压缩驱动元件，驱动机构将器械前端定向到期望的位置。驱动机构始终保持至少一个驱动元件处于完全张紧状态。这导致联接部段103始终沿着连接器械前端和轴的至少一个延伸方向被完全压缩。该完全压缩是在联接部段的沿着与完全张紧的驱动元件最接近的那部分的外边缘处。因此，对于器械前端和轴之间的给定角度关系而言，联接部段的长度沿着至少一个延伸方向被最小化。联接部段的长度是轴614的头部和器械前端615的底座的间隔。联接部段的长度沿着环形环接触的方向最小化。无论器械前端在哪个方向，联接部段始终具有在一个延伸方向上的相同的最小长度。这是因为联接部段始终被完全压缩，以及由此导致在至少一个延伸方向上的最短的长度。当处于诸如图7a、图7b和图7c中所示的构造时以及还有当从一个构造运动到另一个构造时，联接部段始终沿弯曲的内边缘完全压缩。
[0050] 因此，驱动机构使联接部段能够运动，从而允许器械前端相对于轴以两个旋转自由度运动。因此，器械前端可以由驱动机构通过联接部段控制，以围绕横向于轴的纵向轴线的平面中的轴线旋转。三个驱动元件能够实现该旋转。驱动机构限制联接部段的运动，从而不允许器械前端相对于轴自由地平移地运动。因此，驱动机构限制联接部段的运动，使得在联接部段的轮廓中不会有多种曲线。因此，不会出现图5c中的错位构造。通过控制驱动元件611、612、613的长度，控制器械前端的位置和方向。如果驱动元件的长度全部相同，则联接部段为图7a中所示的构造，其中器械前端601的纵向轴线701与轴102的纵向轴线702共线。
器械前端601的这种控制在不需要弹起联接部段的驱动元件或环形环的情况下实现。如果环形环轻微地弹起，则当处于诸如图7b或图7c的弯曲构造时，这仅仅是为了保持环形环的均匀分离。轻质弹簧不提供足够的弹簧力来防止发生图5c中的错位构造。
器械前端601的这种控制在不需要弹起联接部段的驱动元件或环形环的情况下实现。如果环形环轻微地弹起，则当处于诸如图7b或图7c的弯曲构造时，这仅仅是为了保持环形环的均匀分离。轻质弹簧不提供足够的弹簧力来防止发生图5c中的错位构造。
[0051] 相应的应变仪可以附接到每个驱动元件。每一个应变仪测量所附接的驱动元件上的张力。可选地，还可以将一个或多个应变仪附接到器械轴。应变仪将测量的张力输出到控制器。控制器维护器械系统的模型。控制器是基于计算机的装置，其包括处理器和非瞬时计算机可读介质(例如用于存储计算机可执行指令的存储器)。处理器处理计算机可执行指令以控制器械的驱动机构的操作。控制器存储器械前端的当前位置和方向以及每一个驱动元件的测量张力，以及可选地器械轴的测量的张力。控制器接收器械前端的期望位置。这可以例如从用户输入接收。控制器确定施加到驱动元件的张力，以将器械前端的方向改变到期望的位置。控制器参考将驱动元件的张力映射到器械前端的位置的模型进行上述确定。由控制器确定的施加到驱动元件上的张力是为了保持器械轴处于压缩状态并且保持至少一个驱动元件处于完全压缩状态。
[0052] 将驱动元件的期望的张力信号传输给器械底座中的驱动机构。控制器可以向驱动机构发送驱动元件的实际期望的张力的信号。或者，控制器可以发送驱动元件的期望张力的信号的指示。例如，控制器可以发送使电动机将卷轴卷绕一定量的控制信号。作为另外的示例，控制器可以发送使电动机将螺钉卷绕一定量的控制信号。驱动机构接收信号，并执行指令。这导致驱动元件张紧和压缩控制器确定的量。
[0053] 控制器可以向驱动机构发送张紧驱动元件的信号，但是没有指定张紧量。驱动机构接收到该信号，并拉动驱动元件。附接到该驱动元件上的应变仪测量该驱动元件的张力并将其输出到控制器。在确定已经达到驱动元件的期望张力时，控制器可以向驱动机构发送保持在驱动元件上的当前张力的信号。作为响应，驱动机构停止向驱动元件进一步施加张力，并保持驱动元件上的当前张力。
[0054] 通过根据所存储的器械远端模型来控制驱动元件的运动，确保了联接部段在沿着连接器械前端和轴的至少一个延伸方向上的完全压缩。
[0055] 通过直接感测联接部段的相邻环形环的相对表面之间的接触，可以确保联接部段在沿着连接器械前端和轴的至少一个延伸方向上的完全压缩。位于联接部段上的接触式传感器感测到该接触，并将感测到的接触输出到控制器。控制器可以向驱动机构发送信号以移动驱动元件。驱动机构接收该信号，并按照指示使驱动元件移动。当控制器接收来自接触式传感器的验证联接部段是否被完全压缩的输出时，向驱动机构发送信号以保持驱动元件上的当前张力。作为响应，驱动机构停止向驱动元件进一步施加张力，并保持驱动元件上的当前张力。
[0056] 附接件602可以刚性地附接到器械前端601。可替换地，附接件602可以通过滚压关节连接到器械前端601。在这种情况下，滚压关节的控制件(例如，柔性杆或缆绳)向上穿过轴102的内部和联接部段103的内部。用于末端操纵器的控制件(例如，柔性杆或缆绳)也向上穿过轴102的内部和联接部段103的内部。
[0057] 联接部段103可以以不同的方式实施。例如，联接部段103可以包括分离弹簧。分离弹簧可以是单头或多头的。图8示出了作为多头螺旋分离弹簧803的联接部段103。弹簧的一端连接到轴102的端部，另一端连接到器械前端801。弹簧的外轮廓与轴的外表面和前端的外表面对齐。弹簧的外轮廓与轴的外表面和前端的外表面齐平。弹簧的内侧是中空的，以使缆绳能够穿过轴102到器械前端801。轴102、器械前端801、附接件802和驱动元件811、812和813进行与关于如图6、7a、7b和7c的相应部件描述的布置和操作。将弹簧构造为压缩和膨胀。弹簧在一侧可以比另一侧压缩更多。因此，弹簧使得器械前端801能够以与图7b和图7c所示的方式相对应的方式相对于轴102成角度地位移。
[0058] 图6、7a、7b、7c和8所描述的器械使得在手腕中可以有两个自由度，其中由于联接部段103被限制运动所以手腕中的两个自由度是可控的。实现这个运动只需要三个驱动元件。联接柔性部段包括环形环或弹簧，这些环形环或弹簧没有图3中的柔性部段的内部部件那么复杂、那么小、并且不需要精密地制造。因此，器械的外径可以做成5mm。不需要作用在联接部段上的弹簧力来实现所描述的控制。
[0059] 该器械可以用于非外科手术目的。例如，它可以用于美容手术。
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