弯曲万向节连杆几何构型

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年3月26日提交的题为“弯曲万向节几何构型”的美国临时专利申请第63/000,247号的优先权和利益，其公开内容通过引用全部并入本文。

技术领域

本文所描述的实施例涉及控制输入设备，更具体地，涉及主控制器，该主控制器可由用户用于指导机器人的移动，特别是指导机器人外科手术器械或工具的移动。

背景技术

控制器机构，例如控制输入设备，允许用户控制各种类型的机构、器械和工具的功能。例如，在至少部分计算机辅助下操作的遥控外科手术设备(“遥控外科手术系统”)可使用各种类型的医疗器械执行微创外科手术，以减少对患者健康组织的损伤。医疗器械可连接到从属设备，诸如可被操纵以执行外科手术的从属臂。可在一个或多个主控制设备(例如，在远程操作员终端或工作站处)和/或使用手控设备向操作员提供对附接到从属设备的医疗器械的控制。从属设备的致动器可由主控制设备控制，以引起医疗器械、相机或从属设备处的与患者操作部位相互作用的其他末端执行器的运动或启动另一功能。在一些示例中，操作员站处的主控制设备可由操作员在一个或多个自由度上物理地操纵，以控制末端执行器与控制设备的操纵相协调地移动，例如，在操作部位以对应的自由度移动。

主控制设备的一个自由度可包括主控制设备手柄的旋转自由度。例如，在一些遥控外科手术系统中，主控制设备可包括附接到一个或多个万向节连杆的手柄，该万向节连杆由操作员经由手柄旋转以控制末端执行器在三维空间中的对应运动。已知的系统使用具有多个连杆的万向节组件来提供与相关联器械和器械末端执行器相关联的期望自由度(DOF)。例如，当操作员移动手柄时，一个或多个万向节连杆内的致动器检测到旋转(或平移)位置的变化，然后可平移该变化以启动末端执行器中的对应位置变化。致动器还可施加扭矩或力以向用户提供与末端执行器处的行为一致的阻力反馈。

由于手柄在主控制设备处的移动用于在末端执行器处产生对应的移动，因此期望手柄经由万向节组件的移动是平稳的(即，不会受到可察觉的高摩擦力、可察觉的运动中的不规则性、或不期望的扣合或其他不可预测的触觉)。此外，为了有效地控制，期望主控制设备手柄的操作对操作员来说是无重量的(即，无重力的)。这种明显的失重使手柄在空间中保持静止，以防止不必要的移动或对操作员的不必要的触觉反馈。因此，当操作员在空间中移动每个单独的万向节连杆时，并且当重力在每个移动连杆上施加变化的力时，必须向每个万向节连杆施加相关联的变化扭矩，以补偿来自重力的扭矩。但另外，由于操作员的万向节连杆移动是动态和快速的，因此必须施加大的重力补偿惯性矩，以在操作员移动万向节连杆时维持手柄的失重感。

相关技术中抵消与一个或多个万向节连杆相关联的惯性的技术包括采用致动器或其他平衡机构抵消操作员观察到和感觉到的质量。此外，增强型外科手术设备(例如，具有更重或更大的末端执行器)可能需要主控制设备中更强大的致动器，以确保在主设备中产生的期望反馈力和扭矩准确地模仿末端执行器处存在的力扭矩。但是，在万向节组件中增加更大功率的马达会增加万向节连杆的质量，这进而增加每个连杆的惯性，必须抵消这些惯性。由于主控制设备操作的动态性质，以及由于每个万向节连杆的重量和惯性增加，操作员可能难以将手柄从一个位置流体地移动到下一个位置，同时还要应对致动器和/或平衡系统的可变输出。

因此，需要一种改进的主控制输入设备的万向节组件，以向操作员提供更少的限制和更多的流体输入控制和触觉反馈输出，更具体地，需要将每个万向节连杆的更强大的致动器有效地结合到用于遥控外科手术系统的主控制输出设备的万向节组件中。

发明内容

本概述介绍了本文所描述的实施例的某些方面，以提供基本理解。本概述不是对本发明主题的广泛概述，并且其不旨在标识关键或重要元件或描绘本发明主题的范围。

在一些实施例中，控制组件包括输入手柄、第一连杆、第二连杆和致动器。输入手柄绕第一旋转轴线可旋转，并且包括手柄输入轴。第一连杆包括第一连杆第一端部分、与第一连杆第一端部分相反的第一连杆第二端部分以及绕垂直于第一旋转轴线的第二旋转轴线可旋转并联接到第一连杆第二端部分的接头轴。第一连杆第一端部分联接到输入手柄，使得手柄输入轴在第一连杆内延伸。第二连杆包括第二连杆第一端部分、第二连杆第二端部分和第二连杆壳体。第二连杆壳体从第二连杆第一端部分延伸到第二连杆第二端部分。致动器安装在第二连杆壳体内，并且被配置为绕致动器轴线在第一连杆的接头轴上施加扭矩，使得致动器轴线和第二旋转轴线限定大于0度且小于90度的偏移角。

在一些实施例中，偏移角度在约30度和60度之间。在一些实施例中，万向节中心点被限定在第一旋转轴线和第二旋转轴线的交点处。万向节半径由万向节中心点和第二连杆的第一端部分之间的距离限定，并且第二连杆壳体的至少一部分是弯曲的。第二连杆壳体的一部分的曲率半径在万向节半径的约0.5至1.5倍之间。在一些实施例中，万向节中心点被限定在第一旋转轴线和第二旋转轴线的交点处。万向节半径由万向节中心点和第二连杆的第一端部分之间的距离限定。万向节包络线被限定为绕万向节中心点的球形体积并以万向节半径为特征，并且第二连杆壳体包括万向节包络线内的弯曲部分。在一些实施例中，万向节中心点被限定在第一旋转轴线和第二旋转轴线的交点处。万向节半径由万向节中心点和第二连杆的第一端部分之间的距离限定。第二连杆壳体限定至少部分地沿着致动器轴线延伸的偏移万向节表面，并且偏移万向节面与由万向节半径限定的弧相交。

在一些实施例中，致动器是马达，并且马达包括沿着致动器轴线延伸并可操作地联接接头轴的马达轴。在一些实施例中，控制输入组件包括安装在第二连杆壳体内的致动器传动机构。致动器传动机构包括一个或多个齿轮，并且马达轴经由致动器传动机构的一个或多个齿轮可操作地联接到接头轴。在一些实施例中，致动器传动机构的一个或多个齿轮包括伞齿轮和正齿轮，并且伞齿轮和直齿轮安装到齿轮轴。

在一些实施例中，万向节中心点限定在第一旋转轴线和第二旋转轴线的交点处。万向节半径由万向节中心点和第二连杆的第一端部分之间的距离限定。致动器是第一致动器，致动器轴线是第一致动器轴线，接头轴是第一接头轴，并且偏移角是第一偏移角。第二连杆包括绕第三旋转轴线可旋转并联接到第二连杆的第二连杆第二端部分的第二接头轴。控制输入组件还包括第三连杆和第二致动器。第三连杆包括经由第二连杆的第二接头轴联接到第二连杆第二端部分的第三连杆第一端部分、与第三连杆第一端部分相反的第三连杆第二端部分以及从第三连杆第一端部分延伸到第三连杆第二端部分的第三连杆壳体。第二致动器安装在第三连杆壳体内，并且被联接以绕第二致动器轴线在第二连杆的第二接头轴上施加扭矩，使得第二致动器轴线和第二接头轴的第三旋转轴线限定大于0度且小于90度的第二偏移角。

在一些实施例中，万向节半径是第一万向节半径且第二万向节半径由万向节中心点和第三连杆第一端部分之间的距离限定。第二连杆壳体包括弯曲部分，该弯曲部分的曲率半径在第一万向节半径的约0.5至1.5倍之间。第二连杆包括弯曲部分，该弯曲部分的曲率半径在第二万向节半径的约0.5至1.5倍之间。

在一些实施例中，控制输入组件包括输入手柄、第一连杆、第二连杆和致动器。输入手柄包括绕第一旋转轴线可旋转的手柄输入轴。第一连杆包括第一连杆第一端部分、与第一连杆第一端部分相反的第一连杆第二端部分和接头轴。第一连杆第一端部分联接到输入手柄，使得手柄输入轴在第一连杆内延伸。第一连杆第二端部分联接到接头轴。接头轴限定第二旋转轴线，并且第二旋转轴线垂直于第一旋转轴线。第一旋转轴线和第二旋转轴线的交点限定万向节中心点。第二连杆包括第一端部分、第二端部分以及在第一端部分和第二端部分之间的中间部分。第二连杆第一端部分经由接头轴联接到第一连杆第二端部分。万向节半径限定在万向节中心点和第二连杆第一端部分之间。万向节包络线被限定为绕万向节中心点的球形体积，其特征在于万向节半径和中间部分是曲线的且完全在万向节包络线内。致动器安装在第二连杆内并可操作地联接以在第一连杆的接头轴上施加扭矩。

在一些实施例中，致动器是电动马达，并且电动马达包括可操作地联接到第一连杆的接头轴的马达轴。在一些实施例中，控制输入组件还包括安装在第二连杆壳体内的致动器传动机构。致动器传动机构包括一个或多个齿轮，并且马达轴经由致动器传动机构的一个或多个齿轮可操作地联接到第一连杆的接头轴。在一些实施例中，一个或多个齿轮包括驱动齿轮和从动齿轮。驱动齿轮包括第一数目的齿轮齿。从动齿轮包括第二数目的齿轮齿，并且第二数目的齿轮齿大于第一数目的齿轮齿。在一些实施例中，从动齿轮与驱动齿轮的传动比在约5:1至7:1之间。在一些实施例中，致动器传动机构包括传动轴。一个或多个齿轮包括第一伞齿轮、第二伞齿轮、正齿轮和输出齿轮。马达轴包括端部分，并且第一伞齿轮安装到马达轴的端部分。第一伞齿轮被联接以驱动第二伞齿轮。第二伞齿轮和正齿轮联接到传动轴，使得第二伞齿、正齿轮和传动轴以共同的转速旋转。正齿轮被联接以驱动输出齿轮，输出齿轮被联接到接头轴，使得正齿轮驱动接头轴的旋转。

在一些实施例中，致动器传动机构包括传动轴。电动马达的马达轴绕致动器轴线可旋转。传动轴绕传动轴线可旋转。传动轴线和致动器轴线限定约30度和60度之间的偏移角。在一些实施例中，第二连杆中间部分的曲率半径是万向节半径的约0.75至1.25倍。

在一些实施例中，控制输入组件包括输入手柄、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第一致动器和第二致动器。输入手柄包括绕第一旋转轴线可旋转的手柄输入轴。第一连杆包括第一连杆第一端部分、第一连杆第二端部分和绕垂直于第一旋转轴线的第二旋转轴线可旋转的第一接头轴。第一连杆第一端部分联接到输入手柄，使得手柄输入轴在第一连杆内延伸。第一连杆第二端部分联接到第一接头轴。第二连杆包括第二连杆第一端部分、与第二连杆第一端部分相反的第二连杆第二端部分、及第二接头轴以及在第二连杆第一端部分和第二连杆第二端部分之间延伸的第二连杆中间部分。第二连杆第一端部分经由第一接头轴联接到第一连杆第二端部分。第二连杆中间部分在第一方向上延伸。第一方向包括平行于第一旋转轴线的分量和平行于第二旋转轴线的分量。第一致动器联接到第二连杆并可操作地联接以在第一连杆的第一接头轴上施加扭矩。第一致动器的至少一部分在第二连杆中间部分内延伸。第三连杆包括第三连杆第一端部分、第三连杆中间部分、第三连杆第二端部分。第三连杆中间部分在第三连杆第一端部分和第三连杆第二端部分之间延伸。第三连杆第一端部分经由第二接头轴联接到第二连杆第二端部分。第三连杆中间部分在第二方向上延伸。第二方向包括平行于第二旋转轴线的分量和平行于第三旋转轴线的分量。第二致动器联接到第三连杆并可操作地联接以在第二连杆第二接头轴上施加扭矩。第二致动器的至少一部分在第三连杆中间部分内延伸。

在一些实施例中，第一致动器驱动绕第一致动器轴旋转，并且第二致动器驱动绕第二致动器轴旋转。第一致动器轴线和第二旋转轴线限定大于0度且小于90度的第一偏移角。第二致动器轴线和第三旋转轴线限定大于0度且小于90度的第二偏移角。在一些实施例中，第一偏移角在约25度和65度之间，并且第二偏移角在约15度和75度之间。

在一些实施例中，控制输入组件包括万向节连杆、传动机构壳体、齿轮轴、输出齿轮、致动器、输入齿轮和接头轴。万向节连杆包括第一端部分和第二端部分，传动机构壳体安装到万向节连杆的第一端部分。万向节轴由万向节连杆的第一端部分可旋转地支撑。传动机构壳体包括齿轮轴支撑部分和致动器支撑部分。齿轮轴由传动机构壳体的齿轮轴支撑部分可旋转地支撑，以绕齿轮轴线旋转。输出齿轮安装在齿轮轴上。致动器包括马达、马达本体和绕致动器轴线可旋转的马达轴。马达本体的至少一部分安装到传动机构壳体的致动器支撑部分。输入齿轮安装在马达轴上并与输出齿轮啮合，以将扭矩传递至接头轴。齿轮轴线和致动器轴线限定大于0度且小于90度的偏移角。

在一些实施例中，偏移角在约45度和85度之间。在一些实施例中，输入齿轮包含第一数目的齿轮齿，输出齿轮包含第二数目的齿轮，并且第二数目的齿轮齿大于第一数目的齿轮齿。在一些实施例中，输出齿轮与输入齿轮的齿轮比在约5:1至7:1之间。在一些实施例中，输出齿轮与输入齿轮的传动比约为6.9:1。

在一些实施例中，控制输入组件包括第一万向节连杆、第二万向节连杆和马达。第一万向节连杆包括远侧端部分。第二万向节连杆包括联接到第一万向节连杆的远侧端部分的近侧端部分，以相对于第一万向节连杆绕万向节连杆旋转轴线旋转。马达安装在第一万向节连杆或第二万向节连杆中的一个上。马达包括马达轴，该马达轴被联接以绕万向节连杆旋转轴线驱动第二万向节连杆。马达轴绕马达轴旋转轴线旋转，马达轴轴线相对于万向节连杆旋转轴线成锐角。在一些实施例中，第一万向节连杆包含弯曲部分，并且马达安装在第一万向节连杆的弯曲部分内。第一万向节连杆包括近侧端部分，并且第一万向节连杆的弯曲部分在第一万向节连杆的近侧端部分和远侧端部分之间延伸。

在一些实施例中，第二万向节连杆包括弯曲部分，并且马达安装在第二万向节连杆的弯曲部分内。第二万向节连杆包括远侧端部分，并且第二万向节连杆的弯曲部分在第二万向节连杆的近侧端部分和远侧端部分之间延伸。在一些实施例中，控制输入组件包括联接到第二万向节连杆的操作员手柄。在一些实施例中，控制输入组件体现在遥控外科手术系统的控制单元中。

在审查以下附图和详细描述后，根据实施例的其他控制输入设备、相关部件、医疗设备系统和/或方法对于本领域技术人员而言将显而易见或变得显而易见。本说明书中包括的所有这类附加控制输入设备、相关部件、医疗设备系统和/或方法均在本公开的范围内。

附图说明

图1是根据一个实施例的微创遥控医疗系统的平面图，该医疗系统用于执行诸如外科手术的医疗手术。

图2是图1所示的微创遥控外科手术系统的用户控制台的透视图。

图3是图1所示的微创遥控外科手术系统的辅助单元的透视图。

图4是图1所示的微创遥控外科手术系统的包括多个器械的操纵器单元的前视图。

图5是根据一个实施例的输入控制设备的示意图。

图6是根据一个实施例的输入控制设备的示意图。

图7是根据一个实施例的输入控制设备的前透视图。

图8是图7的输入控制设备的前视图。

图9是图7的输入控制设备的前视图，其中手柄和第一连杆被隐藏。

图10是图7的输入控制设备在第一取向上的后透视图。

图11是图7的输入控制设备在第二取向上的后透视图。

图12是图11的输入控制设备的后透视图，其中壳体盖被隐藏。

图13是图7的输入控制设备的万向节连杆的侧视图。

图14是图13所示的万向节连杆的分解图。

图15是图13所示的万向节连杆的一部分的俯视图。

图16是图14所示的万向节连杆的传动机构壳体的俯视图。

图17是图13所示的万向节连杆的致动器和传动装置的透视图。

具体实施方式

本文所描述的实施例可有利地用于各种遥控外科手术系统，并且允许用户控制各种类型的机构、器械和工具的功能。

如本文所用，术语“约”在与参考数字指示一起使用时，意指参考数字指示加上或减去该参考数字指示的10％。例如，语言“约50”涵盖45到55的范围。类似地，语言“约5”涵盖4.5至5.5的范围。

如本说明书和所附权利要求书中所用，词语“远侧”是指朝向工作地点的方向，并且词语“近侧”是指向远离工作地点的位置。因此，例如，工具最靠近目标组织的端部将是工具的远侧端部，而与远侧端部相反的端部(即，由用户操纵或联接到致动轴的端部)将是工具近侧端部。

此外，为描述一个或多个实施例及任选元件或特征而选择的特定词语并不旨在限制本发明。例如，空间相对术语——诸如“下面(beneath)”、“下方(below)”、“下部(lower)”、“上方(above)”、“上部(upper)”、“近侧(proximal)”、“远侧(distal)”等——可用于描述一个元件或特征与另一个元件或者特征的关系，如图所示。除了图中所示的位置和取向之外，这些空间相对术语旨在涵盖设备在使用或操作中的不同位置(即，平移位置)和取向(即，旋转位置)。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将在其他元件或特征的“上方”或“上面”。因此，术语“下方”可涵盖上方和下方的位置和取向。设备可按其他方式定向(例如，旋转90度或以其他定向)，并且本文所使用的空间相对描述符被相应地解释。同样，沿着(平移)和绕(旋转)各种轴线的移动的描述包括各种空间设备位置和取向。身体的位置和取向的组合限定了身体的姿势。

类似地，几何术语，诸如“平行”、“垂直”、“圆形”或“正方形”，并且不要求绝对的数学精度，除非上下文另有说明。相反，这类几何术语允许由于制造或等效功能而发生变化。例如，如果一个元件被描述为“圆形”或“大致圆形”，则这一描述仍然涵盖了一个不是精确圆形的部件(例如，一个略呈椭圆形或者是多角形的部件)。

此外，单数形式“a/an(一个)”和“该(the)”也包括复数形式，除非上下文另有说明。术语“包含(comprise)”、“包括(include)”、“具有(having)”等规定所述特征、步骤、操作、元件、部件等的存在，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件或组的存在或添加。

除非另有说明，术语装置、医疗设备、器械及其变体可互换使用。

本发明的各个方面主要根据使用da

图1是计算机辅助遥控系统的平面图。所示为医疗设备，其为微创机器人外科手术(MIRS)系统500(本文中也称为微创遥控外科手术系统)，用于对躺在手术台505上的患者P执行微创诊断或外科手术。该系统可具有任意数目的部件，诸如供外科医生或其他熟练的临床医生S在手术期间使用的用户控制单元900。MIRS系统500还可包括操纵器单元530(可称为手术机器人)和任选的辅助设备单元520。操纵器单元530可包括臂组件540和可移除地联接到臂组件540的工具组件。当外科医生S查看外科手术部位并通过用户控制单元900控制器械550的移动时，操纵器单元530可通过患者P的身体或自然孔口中的微创切口操纵至少一个可移除地联接的器械550(本文中也称为“工具”)。外科手术部位的图像由内窥镜(未示出)获得，诸如立体内窥镜，其可由操纵器单元530操纵以定向内窥镜。辅助设备单元520可用于处理外科手术部位的图像，以便随后通过用户控制单元900显示给外科医生S。一次使用的器械550的数目一般取决于诊断或外科手术以及手术室内的空间限制等因素。如果在手术期间需要更换一个或多个正在使用的器械550，则助手从操纵器单元530移除器械550并用手术室中托盘510上的另一器械550替换。尽管所示为与器械550一起使用，但本文所描述的任何器械均可与MIRS500一起使用。例如，器械550可为但不限于夹具、抓握器、剪刀、手术刀、刀片、缝合器、钩、抽吸冲洗工具、施夹器、针夹、电烙设备等。

图2是用户控制单元900的透视图。用户控制单元900包括具有左眼显示器912和右眼显示器914的观看者，用于向外科医生S呈现能够实现深度感知的外科手术部位的协调立体视图。用户控制单元900还包括一个或多个输入控制设备1000(也称为主控制器)，其进而使操纵器单元530(图1所示)操纵一个或多个工具。输入控制设备1000提供与它们相关联的器械550至少相同的自由度，以向外科医生S提供临场感，或者提供输入控制设备100与器械550集成(或直接连接)的感觉。例如，每个输入控制设备1000包括手柄1120，该手柄可由外科医生S抓握和重新定位。手柄1120附接到第一万向节连杆1040、第二万向节连杆1060和第三万向节连杆1080。手柄1120绕轴线A

在一些实施例中，手柄1120还包括一个或多个按钮(未示出)，用于控制器械550的功能，诸如抓握或切割功能。为此，位置、力和触觉反馈传感器(未示出)可用于通过输入控制设备1000将来自器械550的位置、力和触觉反馈回外科医生的手。在一些实施例中，用户控制单元900包括位于输入控制设备1000下方的一个或多个脚踏控件920。当外科医生S坐在用户控制单元900后面时，脚踏控件920可被用户的脚按压、滑动和/或以其他方式操纵以向遥控系统输入各种命令。

用户控制设备900在图1中示出为与患者P在同一房间内，以便外科医生S可直接监控手术过程，必要时亲自到场，并且直接与助手交谈，而不是通过电话或其他通信媒介。在一些实施例中，用户控制单元900和外科医生S可位于与患者不同的房间、完全不同的建筑物或其他远离患者的位置，从而允许远程外科手术。

图3是辅助设备单元520的透视图。辅助设备单元520可与内窥镜(未示出)联接，并且可包括一个或多个处理器，以处理捕获的图像以供后续显示，诸如经由用户控制单元900，或者在位于本地和/或远程的另一合适显示器上显示。例如，在使用立体内窥镜的情况下，辅助设备单元520可处理捕获的图像，以通过左眼显示器912和右眼显示器914向外科医生S呈现外科手术部位的协调立体图像。这类协调可包括相对图像之间的对准，并且可包括调整立体内窥镜的立体工作距离。作为另一示例，图像处理可包括使用先前确定的相机校准参数来补偿图像捕获设备的成像误差，诸如光学像差。

图4示出了操纵器单元530的前透视图。操纵器单元530包括用于操纵器械550和成像设备(未示出)的部件(例如，臂、连杆、马达、传感器等)。例如，成像设备是立体内窥镜，用于捕获外科手术部位的图像。具体地，器械550和成像设备可由具有多个接头的遥控机构操纵。此外，器械550和成像设备通过患者P体内的切口或自然孔口以这样的方式被定位和操纵，使得软件和/或运动学远程运动中心维持在切口或孔口处。以这种方式，切口尺寸可最小化。

图5是根据实施例的输入控制设备2000的示意图。输入控制设备2000包括输入手柄2120、第一连杆2040(用作第一万向节连杆)、第二连杆2060(用作第二万向节连杆)和基座部分2130。输入手柄2120包括手柄部分2121、第一手柄输入端2122、第二手柄输入端2123和手柄输入轴2124。手柄输入轴2124限定第一旋转轴线A

第一连杆2040包括第一端部分2041、第二端部分2042和第一接头轴2045。第二连杆2060包括第一端部分2061、第二端部分2062和第二接头轴2065。第一连杆2040的第二端部分2042经由第一接头轴2045可旋转地联接到第二连杆2060的第一端部分2061。类似地，第一连杆2040的第二端部分2042联接到第二连杆2060的第一端部分2061，使得第一接头轴2045在第二连杆2060内延伸。第一接头轴2045限定第二旋转轴线A

第二连杆2060还包括在第一端部分2061和第二端部分2062之间延伸的连杆壳体2063。第二连杆2060经由第二接头轴2065可旋转地联接到基座部分2130。类似地，第二连杆2060联接到基座部分2130，使得第二接头轴2065在基座部分2130内延伸。第二接头轴2065限定第三旋转轴线A

在一些实施例中，输入控制设备2000包括安装在连杆壳体2063内的第二连杆2060中的致动器2150。致动器2150限定致动器轴线A

在一些实施例中，马达轴2152沿着致动器轴线A

在使用中，用户(诸如外科医生S)可操纵输入控制设备2000，以控制手术器械(如本文所描述的器械550)。当外科医生S绕第一旋转轴线A

如图5所示，重力F

为了进一步改进主控制器的动态特性，输入控制设备处的质量和惯性矩(I＝m·r

在一些实施例中，第二连杆2060的连杆壳体2063相对于第二旋转轴线A

在一些实施例中，输入控制设备的连杆可包括弯曲部分。例如，图6是根据实施例的输入控制设备3000的示意图。输入控制设备3000包括输入手柄3120、第一连杆3040、第二连杆3060、第三连杆3080和基座部分3130。输入手柄3120包括手柄部分3121、第一手柄输入端3122、第二手柄输入端3123和手柄输入轴3124。手柄输入轴3124限定第一旋转轴线A

第一连杆3040包括第一端部分3041、第二端部分3042和第一接头轴3045。第二连杆3060包括第一端部分3061、第二端部分3062和第二接头轴3065。第三连杆3080包括第一端部分3081、第二端部分3082和第三接头轴3085。第一连杆3040的第二端部分3042经由第一接头轴3045可旋转地联接到第二连杆3060的第一端部分3061。类似地，第一连杆3040的第二端部分3042联接到第二连杆3060的第一端部分3061，使得第一接头轴在第二连杆4060内延伸。第一接头轴3045限定第二旋转轴线A

第二连杆3060还包括在第一端部分3061和第二端部分3062之间延伸的第二连杆壳体3063。第二连杆3060的第二端部分3062经由第二接头轴3065可旋转地联接到第三连杆3080的第一端部分3081。类似地，第二连杆3060联接到第三连杆3080，使得第二接头轴3065在第三连杆3080内延伸。第二接头轴线3065限定第三旋转轴线A

第三连杆3080还包括在第一端部分3081和第二端部分3082之间延伸的第三连杆壳体3083。第三连杆3080的第二端部分3082经由第三接头轴3085可旋转地联接到基座部分3130。类似地，第三连杆3080联接到基座部分3130，使得第三接头轴3085在基座部分3130内延伸。第三接头轴线3085限定第四旋转轴线A

在一些实施例中，如图6所示，第二旋转轴线A

在一些实施例中，输入控制设备3000包括安装在第二连杆壳体3063内的第二连杆3060中的第一致动器3150。第一致动器3150被配置为在第一接头轴3045上施加扭矩或从第一接头轴304接收扭矩。在一些实施例中，第一致动器3150是包括马达轴3152的马达3151(例如，电动马达)。马达轴3152可操作地联接到第一接头轴3045。输入控制设备3000包括安装在第二连杆3060内的第一致动器传动机构3153。如图所示，第一致动器传动机构3153联接到第二连杆3060的第一端部分3061。在一些实施例中，第一致动器传动机构3153包括驱动构件和从动构件(未示出)。在一些实施例中，驱动构件固定到马达轴3152，并且被配置为与马达轴3152一起旋转。从动构件可被配置为与驱动构件接合并由驱动构件驱动，驱动构件进而驱动第一接头轴3045。

在一些实施例中，输入控制设备3000包括第二致动器3160。第二致动器3160安装在第三连杆壳体3083内的第三连杆3080中。第二致动器3160被配置为在第二接头轴3065上施加扭矩或从第二节轴3065接收扭矩。在一些实施例中，第二致动器3160是包括马达轴3162的马达3161。马达轴3162可操作地联接到第二接头轴3065。输入控制设备3000包括安装在第三连杆3080内的第二致动器传动机构3163。如图所示，第二致动器传递装置3163联接到第三连杆3080的第一端部分3081。在一些实施例中，第二致动器传动机构3163包括驱动构件和从动构件(未示出)。在一些实施例中，驱动构件固定到马达轴3162，并且被配置为与马达轴3162一起旋转。从动构件可被配置为与驱动构件接合并由驱动构件驱动，驱动构件进而驱动第二接头轴3065。

如图6所示，如果重力F

如本文所述，通过减少输入控制设备的总重量和惯性矩，可改进主控制器的动态性能。如图6所示，第二连杆壳体3063是弯曲的并在第二端部分3062的第一端部分3061之间延伸。在一些实施例中，第二连杆壳体3063的曲率半径在第一万向节半径R

如图所示，第三连杆壳体3083是弯曲的，并且在第二端部分3082的第一端部分3081之间延伸。在一些实施例中，第三连杆壳体3083的曲率半径在第二万向节半径R

图7-13示出了根据实施例的输入控制设备4000的视图。输入控制设备4000包括第一连杆4040(用作第一万向节连杆)、第二连杆4060(用作第二万向节连杆)、第三连杆4080(用作第三万向节连杆)和输入手柄4120。输入控制设备4000安装到基座部分4130，基座部分4130可为用户控制单元的一部分，诸如本文所描述的用户控制单元900。输入手柄4120包括手柄部分4121、第一手柄输入端4122、第二手柄输入端4123和手柄输入轴4124。如图10和图11大体所示，手柄输入轴4124限定第一旋转轴线A

如图10-12所示，第一连杆4040包括第一端部分4041、第二端部分4042和第一连接轴4045。第二连杆4060包括第一端部分4061、第二端部分4062和第二接头轴4065。第三连杆4080包括第一端部分4081、第二端部分4082和第三接头轴4085。第一连杆4040的第二端部分4042经由第一接头轴4045可旋转地联接到第二连杆4060的第一端部分4061。类似地，第一连杆4040的第二端部分4042联接到第二连杆4060的第一端部分4061，使得第一接头轴在第二连杆4160内延伸。第一接头轴4045限定第二旋转轴线A

第二连杆4060还包括在第一端部分4061和第二端部分4062之间延伸的第二连杆壳体4063。第二连杆4060的第二端部分4062经由第二接头轴4065可旋转地联接到第三连杆4080的第一端部分4081。类似地，第二连杆4060联接到第三连杆4080，使得第二接头轴4065在第三连杆4080内延伸。第二接头轴4065限定了第三旋转轴线A

第三连杆4080还包括在第一端部分4081和第二端部分4082之间延伸的第三连杆壳体4083。第三连杆4080的第二端部分4082经由第三接头轴4085可旋转地联接到基座部分4130。类似地，第三连杆4080联接到基座部分4130，使得第三接头轴4085在基座部分4130内延伸(参见例如图7和图12)。第三接头轴4085限定第四旋转轴线A

在一些实施例中，并且在某些方向上，如图8-10所示，第二旋转轴线A

如图12-14所示，输入控制设备4000包括第一致动器4150。第一致动器4150安装在第二连杆壳体4063内的第二连杆4060中。第一致动器4150限定第一致动器轴线A

如图12所示，输入控制设备4000包括第二致动器4160。第二致动器4160安装在第三连杆壳体4083内的第三连杆4080中。第二制动器4160限定第二致动器轴线(未示出)。第二致动器4160被配置为在第二接头轴4065上施加扭矩或从第二接头轴4065接收扭矩。在该实施例中，第二致动器4160是包括马达轴4162的马达4161。马达轴4162可操作地联接到第二接头轴4065。在一些实施例中，输入控制设备4000包括安装在第三连杆4080内的第二致动器传动机构4163。第二致动器传递装置4163安装到第三连杆4080的第一端部分4081。在一些实施例中，如图12大体所示，第二致动器传动机构4163包括驱动齿轮和从动齿轮，它们可按与第一致动器传动机构4153类似的方式布置。在一些实施例中，第二致动器传动机构4163的驱动齿轮可固定到马达轴4162，并且被配置为与马达轴4162一起旋转。从动齿轮可被配置为与驱动齿轮啮合并由驱动齿轮驱动，驱动齿轮进而驱动第二接头轴4065。

如图10和图11所示，如果重力F

如上所述，通过减少输入控制设备的总重量和惯性矩，可改进主控制器的动态性能。如图8-11所示，连杆壳体4063是弯曲的，并且在第一端部分4061和第二端部分4062之间延伸。在一些实施例中，第二连杆壳体4063的曲率半径在第一万向节半径R

如图所示，第三连杆壳体4083是弯曲的，并且在第二端部分4082的第一端部分4081之间延伸。在一些实施例中，第三连杆壳体4083的曲率半径在第二万向节半径R

如图12和图13所示，马达4151安装在第二连杆壳体4063中。马达4151的第一致动器轴线A

如图14-16所示，第一致动器传动机构4153包括传动机构壳体4170，以便于以提供齿轮的期望接口的方式将第一致动器传动4153安装在第二连杆4060内。传动机构壳体4170包括基座部分4171、齿轮支撑部分4172和致动器支撑部分4173。齿轮支撑部分4172经由一个或多个紧固件(未示出)可移除地固定到基座部分4171。基座部分4171包括轴支撑件(未示出)，并且齿轮支撑部分4172包括轴支撑孔4178。轴支撑孔4178是被配置为可旋转地支撑齿轮轴4181的孔。在其他实施例中，基座部分4171的轴支撑件和/或齿轮支撑部分4172被配置为支撑轴承或衬套构件，齿轮轴4181通过该轴承或衬套构件被支撑在其上。传动机构壳体4170包括多个安装孔4174，齿轮支撑部分包括用于经由一个或多个紧固件(未示出)将齿轮支撑部分固定到传动机构壳体4170的多个安装孔4177。例如，紧固件可包括但不限于螺钉、螺栓、铆钉、焊缝和粘合剂。

基座部分4171包括第一安装元件4175和第二安装元件4176。第一安装元件4175和第二安装元件4176是通孔，其被配置为接收紧固件，以将传动机构壳体4170固定到第二连杆4060的第一端部分4061。在一些实施例中，第一安装元件4175是圆形通孔，并且第二安装元件4176是细长通孔。如图15所示，第二连杆4060的第一端部分4061包括安装部分4066。在一些实施例中，安装部分4066具有第一安装表面4066a和第二安装表面4066b。第一安装表面4066a包括第一紧固件接收器4067a和第二紧固件接收器4068a。第二安装表面4066b包括第一紧固件接收器4067b和第二紧固件接收器4068b。

在一些实施例中，第一紧固件接收器4067a、4067b是螺纹螺孔。在一些实施例中，第二紧固件接收器4068a、4068b是椭圆形通孔。如图14和图15所示，通过首先将第一安装元件4175和第二安装元件4176对准第一紧固件接收器4067a、4067b上方，将传动机构壳体4170的基座部分4171安装到安装部分4066。通过向下穿过第一安装元件4175并进入第一紧固件接收器4067a插入和固定第一紧固件，诸如螺钉，将传动机构壳体4170固定到安装部分4066。第二紧固件可通过第二安装元件4176向下插入并固定到第一紧固件接收器4067b中。由于第二安装元件4175中的椭圆形通孔的细长形状，传动机构壳体4170绕第一紧固件接收器4067a可旋转，以调整传动机构壳体4170相对于第二连杆4060的第一端部分4061的位置。通过便于调整传动机构壳体4170和由传动机构壳体4170支撑的齿轮轴4181的位置，可在制造期间或维修期间设定和调整齿轮的间隙。维持传动机构齿轮之间的期望间隙允许提高效率和平稳操作。

如图13、图14和图16所示，马达4151安装到致动器支撑部分4173。马达4151轴向可旋转地固定到致动器支撑部分4173。在一些实施例中，马达4151通过粘合剂固定到致动器支撑部分4173。在一些实施例中，马达4151使用一个或多个紧固件固定到致动器支撑部分4173。

如图13和图14所示，齿轮轴4181限定传动轴线A

在一些实施例中，如图17所示，第一致动器传动机构4153包括具有输入齿轮4182和输出齿轮4183的减速齿轮系统。输入齿轮4182安装到齿轮轴4181，并且被配置为以与从动齿轮4155相同的角速度旋转。输出齿轮4183安装到第一接头轴4045，并且被配置为与输入齿轮4182啮合并由其驱动。减速齿轮系统被配置为减少施加在马达4151上的负载并增加经由输出齿轮4183传递到第一接头轴4045的扭矩。

在一些实施例中，输入齿轮4182包括第一数目的齿，输出齿轮4183包括第二数目的齿，并且第二数目的齿大于第一数目的齿。在一些实施例中，输出齿轮4183与输入齿轮4182的齿轮比约为5:1至约7:1。在一些实施例中，输出齿轮4183与输入齿轮4182的传动比设定为约6.9:1。如图所示，输入齿轮4182和输出齿轮4183是正齿轮。尽管示出了直接驱动的齿轮，但应理解，可采用滑轮和皮带系统、齿轮和链条系统或其他传动系统。

如图所示，驱动齿轮4154被配置为与从动齿轮4155啮合。在一些实施例中，从动齿轮4155与驱动齿轮4154的传动比约为5:1至约7:1。因此，输出齿轮4183与驱动齿轮4154之间的有效传动比约为25:1至49:1。在一些实施例中，输出齿轮4183和驱动齿轮4154之间的有效传动比设定为约48.2:1。与行星齿轮系统或其他相关齿轮系统相比，直接驱动齿轮的组合提供了有效的动力传递，同时维持了紧凑的设计。本文所描述的紧凑且轻量化的齿轮系统减小了输入控制设备4000的总质量，并且由于减速齿轮系统提供的扭矩转换，使得能够使用更小的致动器。

如上所述，传动机构壳体4170可操作以绕第一紧固件接收器4067a旋转。在一些实施例中，传动机构壳体4170可被旋转和调整以设定输入齿轮4182和输出齿轮4183之间的齿轮间隙。

尽管图14-17所示的传动机构壳体4170和相关联部件与第一致动器4150和第二连杆4060相关联，但第二致动器4160和第三连杆4080也可采用类似布置。在其他实施例中，传动机构壳体4170可与第二连杆4060或第三连杆4080一体形成。例如，壳体4170可整体地形成在第二连杆4060的第一端部分4061上。

尽管上面已经描述了各种实施例，但应理解，这些实施例仅以示例的方式呈现，而非限制。在上述方法和/或示意图指示以特定顺序发生的特定事件和/或流动模式的情况下，可修改特定事件和/或操作的顺序。尽管已经具体地示出和描述了实施例，但应理解，可进行形式和细节上的各种改变。

例如，本文所描述的任何器械(以及其中的部件)任选地是执行微创外科手术的外科手术组件的一部分，并且可包括操纵器单元、一系列运动连杆、一系列套管等。因此，本文所描述的任何器械均可用于任何合适的外科手术系统，诸如上文所示和描述的MIRS系统1000。

尽管已经将各种实施例描述为具有特定特征和/或部件组合，但其他实施例也可具有上述任何实施例的任何特征和/或者部件组合。例如，在一些实施例中，第二致动器传动机构4163可包括与第一致动器传动机构4153相同的部件。在一些实施例中，输入控制设备4000仅包括一个致动器和传动机构(例如，仅第一致动器4150和第一致动器传动4153，或者仅第二致动器4160和第二致动器传动机构4163)。已经在医疗设备的一般背景下描述了各方面，并且更具体地是外科手术器械，但是本发明的各方面不一定局限于在医疗设备中使用。