具有高力器械的机器人医疗系统

本申请要求于2018年6月7日提交的美国临时申请62/682049号的优先权。

技术领域

本申请涉及机器人医疗系统，并且具体地讲，涉及具有高力器械的机器人医疗系统。

背景技术

医学规程诸如腹腔镜手术可涉及进入患者的内部区域并使患者的内部区域可视化。在腹腔镜检查规程中，医疗器械可通过腹腔镜式入口插入内部区域中。

在某些规程中，机器人使能的医疗系统可用于控制器械及其端部执行器的插入和/或操纵。机器人使能的医疗系统可包括机器人臂或其他器械定位装置。机器人使能的医疗系统还可包括用于在规程期间控制器械的控制器。

发明内容

在第一方面，机器人系统包括器械，该器械包括端部执行器。该器械包括：第一滑轮，该第一滑轮被构造成围绕滑轮轴旋转；第一钳口构件，该第一钳口构件通过第一驱动销连接到第一滑轮；第二滑轮，该第二滑轮被构造成围绕滑轮轴旋转；第二钳口构件，该第二钳口构件通过第二驱动销连接到第二滑轮；以及连接件，该连接件提供第一枢转点和第二枢转点，第一钳口构件能够围绕第一枢转点枢转，第二钳口构件能够围绕第二枢转点枢转。

该机器人系统还可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)机器人臂，该机器人臂耦接到器械；(b)其中第一滑轮的旋转引起第一驱动销围绕滑轮轴的旋转，从而进一步引起第一钳口构件围绕第一枢转点枢转，并且第二滑轮的旋转引起第二驱动销围绕滑轮轴的旋转，从而进一步引起第二钳口构件围绕第二枢转点枢转；(c)齿轮约束部，该齿轮约束部被构造成约束第一钳口构件和第二钳口构件的运动，使得第一钳口构件和第二钳口构件中的一者的运动引起第一钳口构件和第二钳口构件中的另一者的基本上对应的运动；(d)其中齿轮约束部包括摆线约束部，该摆线约束部包括形成在第一钳口构件和第二钳口构件中的一者上的齿，以及形成在第一钳口构件和第二钳口构件中的另一者上的凹口；(e)其中齿轮约束部包括销，该销沿着轴延伸穿过第一钳口构件和第二钳口构件，其中该销被构造成骑跨在形成于第一钳口构件和第二钳口构件中的至少一者中的狭槽内；(f)狭槽约束部，该狭槽约束部被构造成在第一驱动销和第二驱动销对齐时防止或降低端部执行器围绕第一驱动销和第二驱动销旋转的风险；(g)其中狭槽约束部包括：第一耳部；第二耳部，该第二耳部与第一耳部间隔开以在第一耳部与第二耳部之间形成狭槽；以及销，该销沿着滑轮轴延伸并定位在狭槽内；(h)其中第一耳部和第二耳部各自耦接到连接件；(i)齿轮约束部，该齿轮约束部被构造成约束第一钳口构件和第二钳口构件的运动，使得第一钳口构件和第二钳口构件中的一者的运动引起第一钳口构件和第二钳口构件中的另一者的基本上对应的运动，以及狭槽约束部，该狭槽约束部被构造成在第一驱动销和第二驱动销对齐时防止或降低端部执行器围绕第一驱动销和第二驱动销旋转的风险；(j)其中第一滑轮和第二滑轮能够旋转到第一驱动销和第二驱动销对齐的位置；(k)其中，在第一滑轮和第二滑轮的旋转期间，第一驱动销能够旋转经过第二驱动销；(l)其中连接件包括外壳，该外壳包括与第二支承表面间隔开的第一支承表面，第一钳口构件包括第一沟槽，该第一沟槽被构造成在第一支承表面上枢转以形成第一枢转点，并且第二钳口构件包括第二沟槽，该第二沟槽被构造成在第二支承表面上枢转以形成第二枢转点；(m)其中端部执行器被构造为抓握器、切割器或夹持器；(n)其中第一连接件包括滑轮轴与由缠绕在第一滑轮上的缆线施加输入力的点之间的第一距离，第二连接件包括滑轮轴与第一驱动销的轴线之间的第二距离，第三连接件包括第一驱动销的轴线与第一枢转点的轴线之间的第三距离，第四连接件包括第一枢转点的轴线与第一钳口构件的远侧端部之间的第四距离；(o)其中第一连接件的第一距离介于3mm和4mm之间，第二连接件的第二距离介于2mm和3mm之间，第三连接件的第三距离介于7mm和8mm之间，并且第四连接件的第四距离介于17mm和23mm之间；(p)其中第一连接件的第一距离为约3.35mm，第二连接件的第二距离为约2.5mm，第三连接件的第三距离为约7.3mm，并且第四连接件的第四距离为约20mm；(q)其中第二连接件的第二距离与第一连接件的第一距离之间的第一比率介于0.5和1.25之间，第三连接件的第三距离与第一连接件的第一距离之间的第二比率介于1.5和3.5之间，并且第四连接件的第四距离与第一连接件的第一距离之间的第三比率介于1.5和20之间；以及/或者(r)其中第二连接件的第二距离与第一连接件的第一距离之间的第一比率为约0.75，第三连接件的第三距离与第一连接件的第一距离之间的第二比率为约2.18，并且第四连接件的第四距离与第一连接件的第一距离之间的第三比率为约6。

在另一方面，机器人系统包括医疗器械，该医疗器械包括被构造成在医疗规程期间插入患者体内的端部执行器。该医疗器械包括：第一滑轮；第一钳口构件，该第一钳口构件连接到第一滑轮；第二滑轮；第二钳口构件，该第二钳口构件连接到第二滑轮；连接件，该连接件提供第一枢转点和第二枢转点，第一钳口构件能够围绕第一枢转点枢转，第二钳口构件能够围绕第二枢转点枢转；以及齿轮约束部和狭槽约束部中的至少一者。

该机器人系统还可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中端部执行器连接到机器人臂并且由系统的处理器控制；(b)其中端部执行器以及医疗器械的至少一部分被构造成适配穿过小于14mm的患者开口；(c)其中端部执行器以及医疗器械的至少一部分被构造成适配穿过小于10mm的患者开口；(d)其中端部执行器以及医疗器械的至少一部分被构造成适配穿过小于10mm的患者开口；(e)其中端部执行器通过具有至少两个自由度的腕部连接到医疗器械的远侧端部；(f)连接到第一滑轮的一根或多根缆线，其中牵拉连接到第一滑轮的一根或多根缆线致使第一滑轮旋转；以及连接到第二滑轮的一根或多根缆线，其中牵拉连接到第二滑轮的一根或多根缆线致使第二滑轮旋转；(g)其中连接到第一滑轮的一根或多根缆线和连接到第二滑轮的一根或多根缆线延伸穿过该医疗器械，该医疗器械附接到器械驱动机构，并且该器械驱动机构被构造成牵拉连接到第一滑轮的一根或多根缆线以及连接到第二滑轮的一根或多根缆线以致动端部执行器；(h)其中端部执行器包括齿轮约束部，其中该齿轮约束部包括摆线约束部，该摆线约束部被构造成约束第一钳口构件和第二钳口构件的运动，使得第一钳口构件和第二钳口构件中的一者的运动引起第一钳口构件和第二钳口构件中的另一者的基本上对应的运动；(i)其中齿轮约束部包括形成在第一钳口构件和第二钳口构件中的一者上的齿，以及形成在第一钳口构件和第二钳口构件中的另一者上的凹口；(j)其中端部执行器包括狭槽约束部，其中该狭槽约束部被构造成在第一驱动销和第二驱动销对齐时防止端部执行器围绕第一驱动销和第二驱动销旋转；以及/或者(k)其中端部执行器包括狭槽约束部和齿轮约束部。

在另一方面，一种方法包括将机器人控制的医疗器械插入患者体内。该器械包括端部执行器。该端部执行器包括：(i)耦接到第一滑轮的第一钳口构件，(ii)耦接到第二滑轮的第二钳口构件，(iii)连接第一钳口构件和第二构件的连接件，以及(iv)齿轮约束部和狭槽约束部中的至少一者；以及基于牵拉连接到第一滑轮或第二滑轮的至少一根缆线以引起第一滑轮或第二滑轮的旋转来致动端部执行器，其中第一滑轮或第二滑轮的旋转打开或闭合端部执行器的第一钳口构件和第二钳口构件。

该方法还可以任何组合包括以下特征中的一个或多个特征：(a)其中致动端部执行器包括引起第一滑轮和第二滑轮的旋转，使得将第一滑轮连接到第一钳口构件的第一驱动销与将第二滑轮连接到第二驱动件的第二驱动销重叠；(b)其中第一驱动销和第二驱动销的重叠增加在端部执行器处的力放大；(c)其中端部执行器包括齿轮约束部，并且其中该齿轮约束部被构造成约束第一钳口构件和第二钳口构件的运动，使得第一钳口构件和第二钳口构件中的一者的运动引起第一钳口构件和第二钳口构件中的另一者的基本上对应的运动；(d)其中齿轮约束部包括摆线约束部，该摆线约束部包括形成在第一钳口构件和第二钳口构件中的一者上的齿，以及形成在第一钳口构件和第二钳口构件中的另一者上的凹口；(e)其中端部执行器包括狭槽约束部，其中该狭槽约束部被构造成在第一驱动销和第二驱动销对齐时防止端部执行器围绕第一驱动销和第二驱动销旋转；以及/或者(f)其中端部执行器包括狭槽约束部和齿轮约束部。

附图说明

下文将结合附图描述所公开的方面，该附图被提供以说明而非限制所公开的方面，其中类似的标号表示类似的元件。

图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人系统的实施方案。

图2描绘了图1的机器人系统的另外方面。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的图1的机器人系统的实施方案。

图4示出了被布置用于血管规程的图1的机器人系统的实施方案。

图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图6提供了图5的机器人系统的替代视图。

图7示出了被构造成收起机器人臂的示例性系统。

图8示出了被构造用于输尿管镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图9示出了被构造用于腹腔镜检查规程的基于台的机器人系统的实施方案。

图10示出了图5至图9的具有俯仰和倾斜调节的基于台的机器人系统的实施方案。

图11提供了图5至图10的台和基于台的机器人系统的柱之间的接口的详细图示。

图12示出了示例性器械驱动器。

图13示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。

图14示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。

图15示出了根据示例实施方案的框图，该框图示出了估计图1至图10的机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如图13和图14的器械的位置)的定位系统。

图16A示出了高力器械的侧视图。

图16B示出了图16A的高力器械的远侧部分的详细视图，其示出了高力器械的腕部和端部执行器的附加细节。

图17A示出了处于打开位置的高力器械的实施方案。

图17B示出了图17A的处于闭合位置的高力器械。

图18A示出了处于打开位置的高力器械的另一个实施方案。

图18B示出了图18A的处于闭合位置的高力器械。

图19A示出了处于打开位置的高力器械的另一个实施方案。

图19B示出了图19A的处于闭合位置的高力器械。

图20A、图20B、图20C和图20D示出了高力器械的各种实施方案的部件的视图，并且还示出了可如何改变几何形状以调节高力器械的机械增益。

图21示出用牵拉线缠绕的滑轮的实施方案的透视图。

图22A、图22B和图22C示出了包括被构造成基于销的摆线约束部的齿轮约束部的高力器械的实施方案的视图。

图23示出了包括被构造成基于销的摆线约束部的齿轮约束部的高力器械的另一个实施方案的视图。

图24A至图24H示出了包括两个约束部的高力器械的实施方案的视图。图24A为处于打开位置的器械的前视图，图24B为器械的分解图，图24C为器械的侧视图，图24D为处于打开位置的器械的后视图，并且图24E为器械的底部剖视图。图24F、图24G和图24H示出了当器械从打开位置移动到闭合位置时交叉的驱动销。

图25A至图25H示出了包括两个约束部和单件式连接件的高力器械的实施方案的视图。图25A和图25B分别示出了处于打开构型和闭合构型的器械的视图。图25C示出了用作器械的连接件的外壳的实施方案。图25D示出了器械的第一钳口构件或第二钳口构件的视图。图25E、图25F、图25G和图25H示出了在器械的示例性组装过程期间的阶段。

图26A和图26B为示出如何确定高力器械的机械增益的示意图。

图27为描绘高力器械的一个实施方案的力分布曲线的曲线图。

具体实施方式

本公开的各方面可集成到机器人使能的医疗系统中，该机器人使能的医疗系统能够执行多种医学规程，包括微创规程诸如腹腔镜检查，以及非侵入规程诸如内窥镜检查两者。在内窥镜检查规程中，系统可能能够执行支气管镜检查、输尿管镜检查、胃镜检查等。

除了执行广泛的规程之外，系统可以提供附加的益处，诸如增强的成像和指导以帮助医师。另外，该系统可以为医师提供从人体工程学方位执行规程的能力，而不需要笨拙的臂运动和方位。另外，该系统可以为医师提供以改进的易用性执行规程的能力，使得系统的器械中的一个或多个器械可由单个用户控制。

出于说明的目的，下文将结合附图描述各种实施方案。应当理解，所公开的概念的许多其他实施方式是可能的，并且利用所公开的实施方式可实现各种优点。标题包括在本文中以供参考并且有助于定位各个节段。这些标题并非旨在限制相对于其所述的概念的范围。此类概念可在整个说明书中具有适用性。

机器人使能的医疗系统可以按多种方式构造，这取决于特定规程。图1示出了被布置用于诊断性和/或治疗性支气管镜检查的基于推车的机器人使能的系统10的实施方案。在支气管镜检查期间，系统10可包括推车11，该推车具有一个或多个机器人臂12，以将医疗器械诸如可操纵内窥镜13(其可以是用于支气管镜检查的规程特定的支气管镜)递送至自然孔口进入点(即，在本示例中定位在台上的患者的口)，以递送诊断和/或治疗工具。如图所示，推车11可被定位在患者的上躯干附近，以便提供到进入点的通路。类似地，可以致动机器人臂12以相对于进入点定位支气管镜。当用胃镜(用于胃肠道(GI)规程的专用内窥镜)执行GI规程时，也可利用图1中的布置。图2更详细地描绘了推车的示例性实施方案。

继续参考图1，一旦推车11被正确定位，机器人臂12就可以机器人地、手动地或以其组合将可操纵内窥镜13插入患者体内。如图所示，可操纵内窥镜13可包括至少两个伸缩部分，诸如内引导件部分和外护套部分，每个部分耦接到来自一组器械驱动器28的单独的器械驱动器，每个器械驱动器耦接到单独的机器人臂的远侧端部。有利于将引导件部分与护套部分同轴对准的器械驱动器28的这种线性布置产生“虚拟轨道”29，该“虚拟轨道”可以通过将一个或多个机器人臂12操纵到不同角度和/或方位而在空间中被重新定位。本文所述的虚拟轨道在附图中使用虚线描绘，并且因此虚线未描绘系统的任何物理结构。器械驱动器28沿着虚拟轨道29的平移使内引导件部分相对于外护套部分伸缩，或者使内窥镜13从患者推进或回缩。虚拟轨道29的角度可以基于临床应用或医师偏好来调整、平移和枢转。例如，在支气管镜检查中，如图所示的虚拟轨道29的角度和方位代表了在向医师提供到内窥镜13的通路同时使由内窥镜13弯曲到患者的口中引起的摩擦最小化之间的折衷。

在插入之后，内窥镜13可以使用来自机器人系统的精确命令向下导向患者的气管和肺，直到到达目标目的地或手术部位。为了增强通过患者的肺网络的导航和/或到达期望的目标，内窥镜13可被操纵以从外部护套部分伸缩地延伸内引导件部分，以获得增强的关节运动和更大的弯曲半径。使用单独的器械驱动器28还允许引导件部分和护套部分彼此独立地被驱动。

例如，内窥镜13可被导向以将活检针递送到目标，诸如患者肺内的病变或结节。针可沿工作通道向下部署，该工作通道延伸内窥镜的长度以获得待由病理学家分析的组织样本。根据病理结果，可沿内窥镜的工作通道向下部署附加工具以用于附加活检。在识别出结节是恶性的之后，内窥镜13可以通过内窥镜递送工具以切除潜在的癌组织。在一些情况下，诊断和治疗处理可能需要在单独的规程中递送。在这些情况下，内窥镜13也可用于递送基准以“标记”目标结节的位置。在其他情况下，诊断和治疗处理可在相同的规程期间递送。

系统10还可包括可移动塔30，该可移动塔可经由支撑缆线连接到推车11以向推车11提供控制、电子、流体、光学、传感器和/或电力的支持。将这样的功能放置在塔30中允许可以由操作医师和他/她的工作人员更容易地调整和/或重新定位的更小形状因子的推车11。另外，在推车/台和支撑塔30之间划分功能减少了手术室混乱并且有利于改善临床工作流程。虽然推车11可被定位成靠近患者，但是塔30可以在远程位置中被收起以在规程过程期间不挡道。

为了支持上述机器人系统，塔30可包括基于计算机的控制系统的部件，该基于计算机的控制系统将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质诸如永磁存储驱动器、固态驱动器等内。无论执行是发生在塔30中还是发生在推车11中，这些指令的执行都可以控制整个系统或其子系统。例如，当由计算机系统的处理器执行时，指令可致使机器人系统的部件致动相关托架和臂安装件，致动机器人臂，并且控制医疗器械。例如，响应于接收到控制信号，机器人臂的关节中的马达可将臂定位成特定姿势。

塔30还可包括泵、流量计、阀控制器和/或流体通路，以便向可通过内窥镜13部署的系统提供受控的冲洗和抽吸能力。这些部件也可使用塔30的计算机系统来控制。在一些实施方案中，冲洗和抽吸能力可通过单独的缆线直接递送到内窥镜13。

塔30可包括电压和浪涌保护器，该电压和浪涌保护器被设计成向推车11提供经滤波和保护的电力，从而避免在推车11中放置电力变压器和其他辅助电力部件，从而得到更小、更可移动的推车11。

塔30还可包括用于在整个机器人系统10中部署的传感器的支撑设备。例如，塔30可包括用于在整个机器人系统10中检测、接收和处理从光学传感器或相机接收的数据的光电设备。结合控制系统，此类光电设备可用于生成实时图像，以用于在整个系统中部署的任何数量的控制台中显示(包括在塔30中显示)。类似地，塔30还可包括用于接收和处理从部署的电磁(EM)传感器接收的信号的电子子系统。塔30还可用于容纳和定位EM场发生器，以便由医疗器械中或医疗器械上的EM传感器进行检测。

除了系统的其余部分中可用的其他控制台(例如，安装在推车顶部上的控制台)之外，塔30还可包括控制台31。控制台31可包括用于医师操作者的用户界面和显示屏，诸如触摸屏。系统10中的控制台通常设计成提供机器人控制以及规程的术前信息和实时信息两者，诸如内窥镜13的导航和定位信息。当控制台31不是医师可用的唯一控制台时，其可由第二操作者(诸如护士)使用以监测患者的健康状况或生命体征和系统10的操作，以及提供规程特定的数据，诸如导航和定位信息。在其他实施方案中，控制台30容纳在与塔30分开的主体中。

塔30可通过一个或多个缆线或连接件(未示出)耦接到推车11和内窥镜13。在一些实施方案中，可通过单个缆线向推车11提供来自塔30的支撑功能，从而简化手术室并消除手术室的混乱。在其他实施方案中，特定功能可耦接在单独的布线和连接中。例如，尽管可以通过单个缆线向推车提供电力，但也可以通过单独的缆线提供对控制、光学、流体和/或导航的支持。

图2提供了来自图1所示的基于推车的机器人使能的系统的推车的实施方案的详细图示。推车11通常包括细长支撑结构14(通常称为“柱”)、推车基部15以及在柱14的顶部处的控制台16。柱14可包括一个或多个托架，诸如用于支持一个或多个机器人臂12(图2中示出三个)的部署的托架17(另选地为“臂支撑件”)。托架17可包括可单独构造的臂安装件，该臂安装件沿着垂直轴线旋转以调整机器人臂12的基部，以相对于患者更好地定位。托架17还包括托架接口19，该托架接口允许托架17沿着柱14竖直地平移。

托架接口19通过狭槽诸如狭槽20连接到柱14，该狭槽定位在柱14的相对侧上以引导托架17的竖直平移。狭槽20包含竖直平移接口以将托架17相对于推车基部15定位并保持在各种竖直高度处。托架17的竖直平移允许推车11调整机器人臂12的到达范围以满足各种台高度、患者尺寸和医师偏好。类似地，托架17上的可单独构造的臂安装件允许机器人臂12的机器人臂基部21以多种构型成角度。

在一些实施方案中，狭槽20可补充有狭槽盖，该狭槽盖与狭槽表面齐平且平行，以防止灰尘和流体在托架17竖直平移时进入柱14的内部腔以及竖直平移接口。狭槽盖可通过定位在狭槽20的竖直顶部和底部附近的成对弹簧卷轴部署。盖在卷轴内盘绕，直到在托架17竖直地上下平移时被部署成从盖的盘绕状态延伸和回缩。当托架17朝向卷轴平移时，卷轴的弹簧加载提供了将盖回缩到卷轴中的力，同时在托架17平移远离卷轴时也保持紧密密封。可使用例如托架接口19中的支架将盖连接到托架17，以确保在托架17平移时盖的适当延伸和回缩。

柱14可在内部包括诸如齿轮和马达之类的机构，其被设计成使用竖直对准的导螺杆以响应于响应用户输入(例如，来自控制台16的输入)生成的控制信号来以机械化方式平移托架17。

机器人臂12通常可包括由一系列连杆23分开的机器人臂基部21和端部执行器22，该一系列连杆由一系列关节24连接，每个关节包括独立的致动器，每个致动器包括可独立控制的马达。每个可独立控制的关节表示机器人臂12可用的独立自由度。机器人臂12中的每个机器人臂可具有七个关节，并且因此提供七个自由度。多个关节导致多个自由度，从而允许“冗余”的自由度。具有冗余自由度允许机器人臂12使用不同的连接件方位和关节角度将其相应的端部执行器22定位在空间中的特定方位、取向和轨迹处。这允许系统从空间中的期望点定位和导向医疗器械，同时允许医师将臂关节移动到远离患者的临床有利方位，以产生更大的接近，同时避免臂碰撞。

推车基部15在地板上平衡柱14、托架17和机器人臂12的重量。因此，推车基部15容纳较重的部件，诸如电子器件、马达、电源以及使得推车11能够移动和/或固定的部件。例如，推车基部15包括允许推车11在规程之前容易地围绕房间移动的可滚动的轮形脚轮25。在到达适当方位之后，脚轮25可以使用轮锁固定，以在规程期间将推车11保持在适当方位。

定位在柱14的竖直端部处的控制台16允许用于接收用户输入的用户界面和显示屏(或两用装置，诸如触摸屏26)两者向医师用户提供术前和术中数据两者。触摸屏26上的潜在术前数据可以包括从术前计算机化断层摄影(CT)扫描导出的术前计划、导航和标测数据和/或来自术前患者面谈的记录。显示器上的术中数据可以包括从工具、传感器提供的光学信息和来自传感器的坐标信息以及重要的患者统计，诸如呼吸、心率和/或脉搏。控制台16可以被定位和倾斜成允许医师从柱14的与托架17相对的侧面接近控制台。从该方位，医师可以在从推车11后面操作控制台16的同时观察控制台16、机器人臂12和患者。如图所示，控制台16还包括用以帮助操纵和稳定推车11的柄部27。

图3示出了被布置用于输尿管镜检查的机器人使能的系统10的实施方案。在输尿管镜规程中，推车11可被定位成将输尿管镜32(被设计成横穿患者的尿道和输尿管的规程特定的内窥镜)递送到患者的下腹部区域。在输尿管镜检查中，可以期望输尿管镜32直接与患者的尿道对准以减少该区域中的敏感解剖结构上的摩擦和力。如图所示，推车11可以在台的脚部处对准，以允许机器人臂12定位输尿管镜32，以用于直接线性进入患者的尿道。机器人臂12可从台的脚部沿着虚拟轨道33将输尿管镜32通过尿道直接插入患者的下腹部中。

在插入尿道中之后，使用与支气管镜检查中类似的控制技术，输尿管镜32可以被导航到膀胱、输尿管和/或肾中以用于诊断和/或治疗应用。例如，可以将输尿管镜32引导到输尿管和肾中以使用沿输尿管镜32的工作通道向下部署的激光或超声碎石装置来打碎积聚的肾结石。在碎石完成之后，可以使用沿输尿管镜32向下部署的篮移除所得的结石碎片。

图4示出了类似地布置用于血管规程的机器人使能的系统的实施方案。在血管规程中，系统10可以被构造成使得推车11可将医疗器械34(诸如可操纵导管)递送至患者的腿部的股动脉中的进入点。股动脉呈现用于导航的较大直径以及到患者的心脏的相对较少的迂回且曲折的路径两者，这简化了导航。如在输尿管镜规程中，推车11可以被定位成朝向患者的腿和下腹部，以允许机器人臂12提供直接线性进入患者的大腿/髋部区域中的股动脉进入点的虚拟轨道35。在插入动脉中之后，可通过平移器械驱动器28来导向和插入医疗器械34。另选地，推车可以被定位在患者的上腹部周围，以到达另选的血管进入点，诸如肩部和腕部附近的颈动脉和臂动脉。

机器人使能的医疗系统的实施方案还可结合患者的台。结合台通过移除推车减少了手术室内的资本设备的量，这允许更多地接近患者。图5示出了被布置用于支气管镜检查规程的这样的机器人使能的系统的实施方案。系统36包括用于将平台38(示出为“台”或“床”)支撑在地板上的支撑结构或柱37。与基于推车的系统非常相似，系统36的机器人臂39的端部执行器包括器械驱动器42，其被设计成通过或沿着由器械驱动器42的线性对准形成的虚拟轨道41来操纵细长医疗器械，诸如图5中的支气管镜40。在实践中，用于提供荧光镜成像的C形臂可以通过将发射器和检测器放置在台38周围而定位在患者的上腹部区域上方。

图6提供了用于讨论目的的没有患者和医疗器械的系统36的另选视图。如图所示，柱37可包括在系统36中示出为环形的一个或多个托架43，一个或多个机器人臂39可基于该托架。托架43可以沿着沿柱37的长度延伸的竖直柱接口44平移，以提供不同的有利点，机器人臂39可以从这些有利点被定位以到达患者。托架43可以使用定位在柱37内的机械马达围绕柱37旋转，以允许机器人臂39进入台38的多个侧面，诸如患者的两侧。在具有多个托架的实施方案中，托架可单独地定位在柱上，并且可独立于其他托架平移和/或旋转。虽然托架43不需要环绕柱37或甚至是圆形的，但如图所示的环形形状有利于托架43围绕柱37旋转，同时保持结构平衡。托架43的旋转和平移允许系统36将医疗器械诸如内窥镜和腹腔镜对准到患者身上的不同进入点中。在其他实施方案(未示出)中，系统36可包括具有可调式臂支撑件的病人检查台或病床，该可调式臂支撑件呈在病人检查台或病床旁边延伸的杆或导轨的形式。一个或多个机器人臂39(例如，经由具有肘关节的肩部)可附接到可调式臂支撑件，该可调式臂支撑件可被竖直调节。通过提供竖直调节，机器人臂39有利地能够紧凑地存放在病人检查台或病床下方，并且随后在规程期间升高。

机器人臂39可通过包括一系列关节的一组臂安装件45安装在托架上，该关节可单独地旋转和/或伸缩地延伸以向机器人臂39提供附加的可构造性。另外，臂安装架45可定位在托架43上，使得当托架43适当地旋转时，臂安装架45可定位在台38的同一侧上(如图6所示)、台38的相对侧上(如图9所示)或台38的相邻侧上(未示出)。

柱37在结构上为台38提供支撑，并且为托架43的竖直平移提供路径。在内部，柱37可配备有用于引导托架的竖直平移的导螺杆，以及用以机械化基于导螺杆的托架的平移的马达。柱37还可将功率和控制信号传送到托架43和安装在其上的机器人臂39。

台基部46具有与图2所示的推车11中的推车基部15类似的功能，容纳较重的部件以平衡台/床38、柱37、托架43和机器人臂39。台面基部46还可结合刚性脚轮以在规程期间提供稳定性。从台基部46的底部部署的脚轮可以在基部46的两侧沿相反方向延伸，并且当系统36需要移动时回缩。

继续图6，系统36还可以包括塔(未示出)，该塔使系统36的功能在台与塔之间进行划分以减小台的形状因子和体积。如在先前所公开的实施方案中，塔可以向台提供各种支持功能，诸如处理、计算和控制能力、电力、流体和/或光学以及传感器处理。塔还可以是可移动的，以远离患者定位，从而改善医师的接近并且消除手术室的混乱。另外，将部件放置在塔中允许在台基部46中有更多的储存空间，以用于机器人臂39的潜在收起。塔还可以包括主控制器或控制台，其提供用于用户输入的用户界面(诸如键盘和/或挂件)以及用于术前和术中信息(诸如实时成像、导航和跟踪信息)的显示屏(或触摸屏)两者。在一些实施方案中，塔还可包含用于待用于注气的气罐的夹持器。

在一些实施方案中，台基部可以在不使用时收起和储存机器人臂。图7示出了在基于台的系统的实施方案中收起机器人臂的系统47。在系统47中，托架48可以竖直平移到基部49中以使机器人臂50、臂安装件51和托架48收起在基部49内。基部盖52可以平移和回缩打开以围绕柱53部署托架48、臂安装件51和机器人臂50，并且关闭以收起该托架、臂安装件和机器人臂，以便在不使用时保护它们。基部盖52可以用膜54沿着其开口的边缘密封，以防止在关闭时灰尘和流体进入。

图8示出了被构造用于输尿管镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。在输尿管镜检查中，台38可以包括用于将患者定位成与柱37和台基部46成偏角的旋转部分55。旋转部分55可以围绕枢转点(例如，位于患者的头部下方)旋转或枢转，以便将旋转部分55的底部部分定位成远离柱37。例如，旋转部分55的枢转允许C形臂(未示出)定位在患者的下腹部上方，而不与台38下方的柱(未示出)竞争空间。通过围绕柱37旋转托架35(未示出)，机器人臂39可以沿着虚拟轨道57将输尿管镜56直接插入患者的腹股沟区域中以到达尿道。在输尿管镜检查中，镫58也可以固定至台38的旋转部分55，以在规程期间支撑患者的腿的方位，并且允许完全通向患者的腹股沟区域。

在腹腔镜检查规程中，通过患者的腹壁中的小切口，可将微创器械插入患者的解剖结构中。在一些实施方案中，微创器械包括用于进入患者体内解剖结构的细长刚性构件，诸如轴。在患者腹腔充气之后，可以引导器械执行外科或医疗任务，诸如抓握、切割、消融、缝合等。在一些实施方案中，器械可以包括镜，诸如腹腔镜。图9示出了被构造用于腹腔镜检查规程的机器人使能的基于台的系统的实施方案。如图9所示，系统36的托架43可以被旋转并且竖直调整，以将成对的机器人臂39定位在台38的相对侧上，使得可以使用臂安装件45将器械59定位成穿过患者两侧上的最小切口以到达他/她的腹腔。

为了适应腹腔镜检查规程，机器人使能的台系统还可将平台倾斜到期望的角度。图10示出了具有俯仰或倾斜调整的机器人使能的医疗系统的实施方案。如图10所示，系统36可以适应台38的倾斜，以将台的一部分定位在比另一部分距底板更远的距离处。另外，臂安装件45可以旋转以匹配倾斜，使得机器人臂39与台38保持相同的平面关系。为了适应更陡的角度，柱37还可以包括伸缩部分60，该伸缩部分允许柱37的竖直延伸以防止台38接触地板或与台基部46碰撞。

图11提供了台38与柱37之间的接口的详细图示。俯仰旋转机构61可以被构造成以多个自由度改变台38相对于柱37的俯仰角。俯仰旋转机构61可以通过将正交轴线1、2定位在柱台接口处来实现，每条轴线由单独的马达3、4响应于电俯仰角命令而致动。沿着一个螺钉5的旋转将使得能够在一条轴线1中进行倾斜调整，而沿着另一个螺钉6的旋转将使得能够沿着另一个轴线2进行倾斜调节。在一些实施方案中，可使用球形关节来在多个自由度上改变台38相对于柱37的俯仰角。

例如，当试图将台定位在头低脚高位(即，将患者的下腹部定位在比患者的上腹部距地板更高的方位)以用于下腹部手术时，俯仰调整特别有用。头低脚高位致使患者的内部器官通过重力滑向他/她的上腹部，从而清理出腹腔以使微创工具进入并且执行下腹部外科或医疗规程，诸如腹腔镜前列腺切除术。

系统的机器人臂的端部执行器包括：(i)器械驱动器(另选地称为“器械驱动机构”或“器械装置操纵器”)，其结合了用于致动医疗器械的机电装置；以及(ii)可移除或可拆卸的医疗器械，其可以没有诸如马达的任何机电部件。该二分法可能是由以下所驱动的：对医学规程中使用的医疗器械进行灭菌的需要；以及由于昂贵的资本设备的复杂机械组件和敏感电子器件而不能对昂贵的资本设备进行充分灭菌。因此，医疗器械可以被设计成从器械驱动器(以及因此从系统)拆卸、移除和互换，以便由医师或医师的工作人员单独灭菌或处置。相比之下，器械驱动器不需要被改变或灭菌，并且可以被覆盖以便保护。

图12示出了示例性器械驱动器。定位在机器人臂的远侧端部处的器械驱动器62包括一个或多个驱动单元63，其以平行轴线布置以经由驱动轴64向医疗器械提供受控扭矩。每个驱动单元63包括用于与器械相互作用的单独的驱动轴64，用于将马达轴旋转转换成期望扭矩的齿轮头65，用于生成驱动扭矩的马达66，用以测量马达轴的速度并且向控制电路提供反馈的编码器67，以及用于接收控制信号并且致动驱动单元的控制电路68。每个驱动单元63被独立地控制和机动化，器械驱动器62可以向医疗器械提供多个(如图12所示为四个)独立的驱动输出。在操作中，控制电路68将接收控制信号，将马达信号传输至马达66，将由编码器67测量的所得马达速度与期望速度进行比较，并且调制马达信号以生成期望扭矩。

对于需要无菌环境的规程，机器人系统可以结合驱动接口，诸如连接至无菌覆盖件的无菌适配器，其位于器械驱动器与医疗器械之间。无菌适配器的主要目的是将角运动从器械驱动器的驱动轴传递到器械的驱动输入部，同时保持驱动轴与驱动输入部之间的物理分离并且因此保持无菌。因此，示例性无菌适配器可以包括旨在与器械驱动器的驱动轴和器械上的驱动输入部配合的一系列旋转输入部和旋转输出部。连接到无菌适配器的由薄的柔性材料(诸如透明或半透明塑料)组成的无菌覆盖件被设计成覆盖资本设备，诸如器械驱动器、机器人臂和推车(在基于推车的系统中)或台(在基于台的系统中)。覆盖件的使用将允许资本设备被定位在患者附近，同时仍然位于不需要灭菌的区域(即，非无菌区)。在无菌覆盖件的另一侧上，医疗器械可以在需要灭菌的区域(即，无菌区)与患者对接。

图13示出了具有成对器械驱动器的示例性医疗器械。与被设计成与机器人系统一起使用的其他器械类似，医疗器械70包括细长轴71(或细长主体)和器械基部72。由于其用于由医师进行的手动交互的预期设计而也被称为“器械柄部”的器械基部72通常可以包括可旋转驱动输入部73(例如，插座、滑轮或卷轴)，该驱动输入部被设计成与延伸通过机器人臂76的远侧端部处的器械驱动器75上的驱动接口的驱动输出部74配合。当物理连接、闩锁和/或耦接时，器械基部72的配合的驱动输入部73可以与器械驱动器75中的驱动输出部74共享旋转轴线，以允许扭矩从驱动输出部74传递到驱动输入部73。在一些实施方案中，驱动输出部74可以包括花键，其被设计成与驱动输入部73上的插座配合。

细长轴71被设计成通过解剖开口或内腔(例如，如在内窥镜检查中)或通过微创切口(例如，如在腹腔镜检查中)递送。细长轴71可以是柔性的(例如，具有类似于内窥镜的特性)或刚性的(例如，具有类似于腹腔镜的特性)，或者包含柔性部分和刚性部分两者的定制组合。当被设计用于腹腔镜检查时，刚性细长轴的远侧端部可以连接到端部执行器，该端部执行器从由具有至少一个自由度的连接叉形成的关节腕和外科工具或医疗器械(例如，抓握器或剪刀)延伸，当驱动输入部响应于从器械驱动器75的驱动输出部74接收到的扭矩而旋转时，该外科工具可以基于来自腱的力来致动。当设计用于内窥镜检查时，柔性细长轴的远侧端部可包括可操纵或可控制的弯曲节段，该弯曲节段以基于从器械驱动器75的驱动输出74接收到的扭矩而进行关节运动和弯曲。

使用沿着细长轴71的腱沿着细长轴71传递来自器械驱动器75的扭矩。这些单独的腱(例如，拉线)可以单独地锚定至器械柄部72内的单独的驱动输入部73。从柄部72，沿着细长轴71的一个或多个牵拉腔向下引导腱并且将其锚定在细长轴71的远侧部分处，或者锚定在细长轴的远侧部分处的腕部中。在外科手术诸如腹腔镜式、内窥镜式或混合手术期间，这些腱可以耦接到远侧安装的端部执行器，诸如腕部、抓握器或剪刀。在这样的布置下，施加在驱动输入部73上的扭矩将张力传递到腱，从而致使端部执行器以某种方式致动。在一些实施方案中，在外科手术期间，腱可以致使关节围绕轴线旋转，从而致使端部执行器沿一个方向或另一个方向移动。另选地，腱可以连接到细长轴71的远侧端部处的抓握器的一个或多个钳口，其中来自腱的张力致使抓握器闭合。

在内窥镜检查中，腱可以经由粘合剂、控制环或其他机械固定件耦接到沿着细长轴71定位(例如，在远侧端部处)的弯曲或关节运动节段。当固定地附接到弯曲节段的远侧端部时，施加在驱动输入部73上的扭矩将沿腱向下传递，从而致使较软的弯曲节段(有时称为可关节运动节段或区域)弯曲或进行关节运动。沿着不弯曲节段，可以有利的是，使单独的牵拉腔螺旋或盘旋，该牵拉腔沿着内窥镜轴的壁(或在内部)导向单独的腱，以平衡由牵拉线中的张力引起的径向力。为了特定目的，可以改变或设计螺旋的角度和/或其间的间隔，其中更紧的螺旋在负载力下表现出较小的轴压缩，而较低的螺旋量在负载力下引起更大的轴压缩，但限制弯曲。在另一种情况下，可以平行于细长轴71的纵向轴线来导向牵拉腔以允许在期望的弯曲或可关节运动节段中进行受控关节运动。

在内窥镜检查中，细长轴71容纳多个部件以辅助机器人规程。轴71可以在轴71的远侧端部处包括用于部署外科工具(或医疗器械)、对手术区域进行冲洗和/或抽吸的工作通道。轴71还可以容纳线和/或光纤以向远侧末端处的光学组件/从远侧末端处的光学组件传递信号，该光学组件可以包括光学相机。轴71也可以容纳光纤，以将来自位于近侧的光源(例如，发光二极管)的光载送到轴71的远侧端部。

在器械70的远侧端部处，远侧末端还可以包括用于递送用于诊断和/或治疗的工具、对手术部位进行冲洗和抽吸的工作通道的开口。远侧末端还可以包括用于相机(诸如纤维镜或数码相机)的端口，以捕获内部解剖空间的图像。相关地，远侧末端还可以包括用于光源的端口，该光源用于在使用相机时照亮解剖空间。

在图13的示例中，驱动轴轴线以及因此驱动输入部轴线与细长轴71的轴线正交。然而，该布置使细长轴71的滚动能力复杂化。在保持驱动输入部73静止的同时沿着其轴线使细长轴71滚动会引起当腱从驱动输入部73延伸出去并且进入到细长轴71内的牵拉腔时，腱的不期望的缠结。所得到的这样的腱的缠结可能破坏旨在在内窥镜规程期间预测柔性细长轴71的移动的任何控制算法。

图14示出了器械驱动器和器械的另选设计，其中驱动单元的轴线平行于器械的细长轴的轴线。如图所示，圆形器械驱动器80包括四个驱动单元，其驱动输出81在机器人臂82的端部处平行对准。驱动单元和它们各自的驱动输出81容纳在由组件83内的驱动单元中的一个驱动单元驱动的器械驱动器80的旋转组件83中。响应于由旋转驱动单元提供的扭矩，旋转组件83沿着圆形轴承旋转，该圆形轴承将旋转组件83连接到器械驱动器的非旋转部分84。可以通过电接触将电力和控制信号从器械驱动器80的非旋转部分84传送至旋转组件83，该电接触可以通过电刷滑环连接(未示出)的旋转来维持。在其他实施方案中，旋转组件83可以响应于集成到不可旋转部分84中的单独的驱动单元，并且因此不平行于其他驱动单元。旋转机构83允许器械驱动器80允许驱动单元及其相应的驱动输出81作为单个单元围绕器械驱动器轴线85旋转。

与先前所公开的实施方案类似，器械86可以包括细长轴部分88和器械基部87(出于讨论的目的，示出为具有透明的外部表层)，该器械基部包括被配置成接收器械驱动器80中的驱动输出部81的多个驱动输入部89(诸如插座、滑轮和卷轴)。与先前公开的实施方案不同，器械轴88从器械基部87的中心延伸，该器械基部的轴线基本上平行于驱动输入部89的轴线，而不是如图13的设计中那样正交。

当耦接到器械驱动器80的旋转组件83时，包括器械基部87和器械轴88的医疗器械86与旋转组件83组合地围绕器械驱动器轴线85旋转。由于器械轴88被定位在器械基部87的中心处，因此当附接时器械轴88与器械驱动器轴线85同轴。因此，旋转组件83的旋转致使器械轴88围绕其自身的纵向轴线旋转。此外，当器械基部87与器械轴88一起旋转时，连接到器械基部87中的驱动输入部89的任何腱在旋转期间都不缠结。因此，驱动输出部81、驱动输入部89和器械轴88的轴线的平行允许轴在不会使任何控制腱缠结的情况下旋转。

传统的内窥镜检查可以涉及使用荧光透视(例如，如可以通过C形臂递送的)和其他形式的基于辐射的成像模态，以向操作医师提供腔内指导。相比之下，本公开所设想的机器人系统可以提供基于非辐射的导航和定位装置，以减少医师暴露于辐射并且减少手术室内的设备的量。如本文所用，术语“定位”可以指确定和/或监测对象在参考坐标系中的方位。诸如术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据的技术可以单独地或组合地使用以实现无辐射操作环境。在仍使用基于辐射的成像模态的其他情况下，可以单独地或组合地使用术前标测、计算机视觉、实时EM跟踪和机器人命令数据，以改进仅通过基于辐射的成像模态获得的信息。

图15是示出根据示例实施方案的估计机器人系统的一个或多个元件的位置(诸如器械的位置)的定位系统90的框图。定位系统90可以是被配置成执行一个或多个指令的一组一个或多个计算机装置。计算机装置可以由上文讨论的一个或多个部件中的处理器(或多个处理器)和计算机可读存储器来体现。通过示例而非限制，计算机装置可以位于图1所示的塔30、图1至图4所示的推车、图5至图10所示的床等中。

如图15所示，定位系统90可以包括定位模块95，该定位模块处理输入数据91-94以生成用于医疗器械的远侧末端的位置数据96。位置数据96可以是表示器械的远侧端部相对于参考系的位置和/或取向的数据或逻辑。参考系可以是相对于患者解剖结构或已知对象(诸如EM场发生器)的参考系(参见下文对于EM场发生器的讨论)。

现在更详细地描述各种输入数据91-94。术前标测可以通过使用低剂量CT扫描的集合来完成。术前CT扫描被重建为三维图像，该三维图像被可视化，例如作为患者的内部解剖结构的剖面图的“切片”。当总体上分析时，可以生成用于患者的解剖结构(诸如患者肺网络)的解剖腔、空间和结构的基于图像的模型。可以从CT图像确定和近似诸如中心线几何形状的技术，以形成患者解剖结构的三维体积，其被称为模型数据91(当仅使用术前CT扫描生成时也称为“术前模型数据”)。中心线几何形状的使用在美国专利申请号14/523760中有所讨论，其内容全文并入本文中。网络拓扑模型也可以从CT图像中导出，并且特别适合于支气管镜检查。

在一些实施方案中，器械可以配备有相机以提供视觉数据(或图像)92。定位模块95可处理视觉数据以实现一个或多个基于视觉的(或基于图像的)位置跟踪模块或特征部。例如，术前模型数据可以与视觉数据92结合使用，以实现对医疗器械(例如，内窥镜或推进通过内窥镜的工作通道的器械)的基于计算机视觉的跟踪。例如，使用术前模型数据91，机器人系统可以基于内窥镜的行进预期路径根据模型生成预期内窥镜图像的库，每个图像连接到模型内的位置。在外科手术进行时，机器人系统可以参考该库，以便将在相机(例如，在内窥镜的远侧端部处的相机)处捕获的实时图像与图像库中的那些图像进行比较，以辅助定位。

其他基于计算机视觉的跟踪技术使用特征跟踪来确定相机的运动，并且因此确定内窥镜的运动。定位模块95的一些特征可以识别术前模型数据91中的与解剖腔对应的圆形几何结构并且跟踪那些几何结构的变化以确定选择了哪个解剖腔，以及跟踪相机的相对旋转和/或平移运动。拓扑图的使用可以进一步增强基于视觉的算法或技术。

光流(另一种基于计算机视觉的技术)可以分析视觉数据92中的视频序列中的图像像素的位移和平移以推断相机移动。光流技术的示例可以包括运动检测、对象分割计算、亮度、运动补偿编码、立体视差测量等。通过多次迭代的多帧比较，可以确定相机(以及因此内窥镜)的移动和位置。

定位模块95可以使用实时EM跟踪来生成内窥镜在全局坐标系中的实时位置，该全局坐标系可以被配准到由术前模型表示的患者的解剖结构。在EM跟踪中，包括嵌入在医疗器械(例如，内窥镜工具)中的一个或多个位置和取向中的一个或多个传感器线圈的EM传感器(或跟踪器)测量由定位在已知位置处的一个或多个静态EM场发生器产生的EM场的变化。由EM传感器检测的位置信息被存储为EM数据93。EM场发生器(或发射器)可以靠近患者放置，以产生嵌入式传感器可以检测到的低强度磁场。磁场在EM传感器的传感器线圈中感应出小电流，可以对该小电流进行分析以确定EM传感器与EM场发生器之间的距离和角度。这些距离和取向可以在手术中“配准”到患者解剖结构(例如，手术前模型)，以确定将坐标系中的单个位置与患者的解剖结构的手术前模型中的方位对准的几何变换。一旦配准，医疗器械的一个或多个方位(例如，内窥镜的远侧末端)中的嵌入式EM跟踪器可以提供医疗器械通过患者的解剖结构的进展的实时指示。

机器人命令和运动学数据94也可以由定位模块95使用以提供用于机器人系统的方位数据96。可以在术前校准期间确定从关节运动命令得到的装置俯仰和偏。在手术中，这些校准测量可以与已知的插入深度信息结合使用，以估计器械的方位。另选地，这些计算可以结合EM、视觉和/或拓扑建模进行分析，以估计医疗器械在网络内的方位。

如图15所示，定位模块95可以使用多个其他输入数据。例如，尽管在图15中未示出，但是利用形状感测纤维的器械可以提供定位模块95可以用来确定器械的位置和形状的形状数据。

定位模块95可以组合地使用输入数据91-94。在一些情况下，这样的组合可以使用概率方法，其中定位模块95向根据输入数据91-94中的每个输入数据确定的位置分配置信度权重。因此，在EM数据可能不可靠(如可能存在EM干扰的情况)的情况下，由EM数据93确定的位置的置信度可能降低，并且定位模块95可能更重地依赖于视觉数据92和/或机器人命令和运动学数据94。

如上所讨论的，本文讨论的机器人系统可以被设计成结合以上技术中的一种或多种技术的组合。位于塔、床和/或推车中的机器人系统的基于计算机的控制系统可以将计算机程序指令存储在例如非暂态计算机可读存储介质(诸如永久性磁存储驱动器、固态驱动器等)内，该计算机程序指令在执行时致使系统接收并且分析传感器数据和用户命令，生成整个系统的控制信号并且显示导航和定位数据，诸如器械在全局坐标系内的方位、解剖图等。

机器人使能的医疗系统(诸如上述系统)可包括如本节所述的高力器械。如本文所用，高力器械可指包括端部执行器(诸如抓握器、抓持器、切割器等)的器械，该端部执行器被构造成产生机械增益，由此输入被器械的结构放大以产生放大的输出。在一些实施方案中，力输入被放大以产生大于力输入的力输出。例如，在一些实施方案中，高力器械包括被构造为抓握器的端部执行器，并且该高力器械被构造成使得输入力(例如，施加在器械的牵拉线上的力)被放大，使得在抓握器的钳口处的输出力大于输入力。在一些实施方案中，高力器械包括新型结构，该新型结构提供机械增益，该机械增益可实现比没有机械增益时甚至更大的输出。在一些实施方案中，高力器械是如上所述的机器人控制的器械。

在本文所述的许多示例中，高力器械的端部执行器用牵拉线致动。牵拉线可缠绕在器械内的滑轮周围。在一些实施方案中，高力器械能够比腕部构型中的简单滑轮驱动器输出更高的力。例如，高力器械可提供二至一、三至一、四至一、五至一或十至一的机械增益。其他机械增益也是可能的。

在下文所述和附图所示的许多实施方案中，高力器械为高力抓握器。然而，本文所述的被构造成获得高力的机构也可应用于其他类型的器械，包括夹持器械和切割器械等等。

图16A示出了高力器械100的实施方案的侧视图。如下文将讨论的，器械100可被构造成提供机械增益，该机械增益可例如放大输入力以产生增大的输出力。在例示的实施方案中，器械100包括细长轴102和柄部104。细长轴102在远侧端部与近侧端部之间延伸。在例示的实施方案中能够被构造为抓握器的端部执行器108可定位在细长轴102的远侧端部处。在一些实施方案中，例如，如图所示，端部执行器108通过腕部106连接到细长轴102的远侧端部。腕部106可被构造成允许器械100的一个或多个自由度。例如，腕部106可以是双自由度腕部。例如，双自由度腕部可允许端部执行器108围绕俯仰轴和偏航轴枢转或旋转。在一些实施方案中，腕部106可以是固定的，以便提供零自由度。在一些实施方案中，腕部106可允许一个、两个、三个或更多个自由度。腕部106和端部执行器108的示例性实施方案在下文进一步描述的图16B中更详细地示出。

如图16A所示，在一些实施方案中，器械100包括柄部104。该柄部104可被构造成连接到器械驱动机构，例如，如图13和图14所示，它们已在上文中进行了描述。如前所述，器械100可包括在端部执行器108与柄部104之间沿着细长轴102延伸(例如，穿过细长轴或在细长轴上延伸)的一个或多个腱、缆线或牵拉线。柄部104可包括一个或多个驱动输入部，这些驱动输入部被构造成接合器械驱动机构(参见图14)上的允许器械驱动机构致动(例如，张紧或牵拉)牵拉线的一个或多个驱动输出部。致动牵拉线可引起端部执行器108的运动，以允许远程操纵和控制端部执行器108。例如，在一些实施方案中，牵拉线的致动可被构造成致使端部执行器108的钳口打开和闭合以及/或者允许端部执行器108围绕俯仰轴或偏航轴旋转。如上所述，器械驱动机构可定位在机器人臂上。在一些实施方案中，机器人臂可被控制以定位、滚动、推进以及/或者回缩器械100。

如图16A所示，在一些实施方案中，细长轴102延伸穿过柄部104。在这种实施方案中，细长轴102可被构造成相对于柄部104推进或回缩。在一些实施方案中，器械驱动机构被构造成致使细长轴102相对于柄部104推进或回缩。这可允许例如当细长轴102和端部执行器108在规程期间推进到患者体内时，柄部104保持静止。在一些实施方案中，细长轴102的近侧端部附接到柄部104，使得细长轴102仅在端部执行器108与柄部104之间延伸。

图16B示出了器械100的远侧端部的详细视图，并且示出了腕部106和端部执行器108的实施方案。在例示的实施方案中，端部执行器108被构造为抓握器或抓持器，但其他类型的端部执行器(例如，切割器或剪刀)也是可能的。端部执行器108包括第一抓持件或钳口构件118和第二抓持件或钳口构件120。钳口构件118、120之间的角度可被控制以操作端部执行器108。例如，钳口构件118、120可打开和闭合。

在例示的实施方案中，腕部106为双自由度腕部，但如上所述，腕部106在其他实施方案中可提供其他数量的自由度。所示的双自由度腕部106被构造成允许端部执行器108围绕第一轴110和第二轴112枢转。在所示的构型中，第二轴112延伸到页面内和页面外。第一轴110和第二轴112可以是正交的。在一些实施方案中，第一轴110可为器械100的俯仰轴，并且第二轴112可为偏航轴。

在一些实施方案中，器械100包括滑轮114和滑轮116。在一些实施方案中，滑轮114和/或滑轮116可被认为是器械100的一部分、腕部106的一部分和/或端部执行器108的一部分。如图所示，滑轮114被构造成围绕第一轴110旋转，并且滑轮116被构造成围绕第二轴112旋转。尽管未示出，但沿细长轴102延伸的牵拉线可定位成与滑轮114和滑轮116接合。端部执行器108可根据牵拉线中的哪一个被致动而被控制(例如，打开、闭合、围绕第一轴110旋转和/或围绕第二轴112旋转)。

在一些实施方案中，细长轴102、腕部106和端部执行器108可被构造成在微创规程(诸如腹腔镜检查规程或内窥镜检查规程)期间插入患者体内。例如，在一些实施方案中，细长轴102、腕部106和端部执行器108被构造成通过直径或长度为约14mm或更小、约12mm或更小、或约10mm或更小的小切口或其他外科端口插入。因此，在一些实施方案中，细长轴102、腕部106和端部执行器108的最大直径或厚度可为约或小于14mm、12mm或10mm。其他尺寸也是可能的。本文所述的高力器械还可用于非微创规程，诸如开放手术。

由于细长轴102、腕部106和端部执行器108的窄度(例如，以便可用于微创手术)，可能难以提供将器械100构造成提供机械增益的结构。例如，小直径或厚度可限制力矩臂，力可通过这些力矩臂被传递到远侧抓持、夹持和切割装置。在力矩臂有限的情况下，可能难以获得放大的输出和机械增益。然而，如将在下文(例如，参考图17A至图20D)更详细地描述的，本文所述的器械100可被构造成有利地提供机械增益，同时保持适于微创规程。例如，器械100可包括远侧力放大机构，该远侧力放大机构可在较低致动力处允许较高的抓持力和切割力，同时保持器械100的小的总直径。现在将参考图17A至图20D描述将器械100构造成提供机械增益的器械100的各种特征结构。

图17A和图17B示出了被构造成提供机械增益的高力器械100的实施方案的部件。图17A示出了处于打开位置的器械100，并且图17B示出了处于闭合位置的器械100。在该实施方案中，器械100包括被布置成提供机械增益的第一钳口构件118、第二钳口构件120、第一滑轮122、第二滑轮124(在第一滑轮122后面)以及连接件126。第一滑轮122和第二滑轮124可为上述滑轮116。

如图所示，第一钳口构件118的近侧端部连接到第一滑轮122。第一钳口构件118的近侧端部可通过第一驱动销128连接到第一滑轮122。第一驱动销128可与第一钳口构件118或第一滑轮122一体形成，或者可为单独的部件(例如，延伸穿过第一钳口构件118和第一滑轮122两者中的开口的杆)。尽管在图17A和图17B中不可见，第二钳口构件120的近侧端部连接到第二滑轮124。第二钳口构件120的近侧端部可通过第二驱动销130(在图17A和图17B中不可见，但在例如图24F至图24H中可见)连接到第二滑轮124。类似于第一驱动销128，第二驱动销130可与第二钳口构件120或第二滑轮124一体形成，或者可为单独的部件(例如，延伸穿过第二钳口构件120和第二滑轮124两者中的开口的杆)。第一驱动销128和第二驱动销130可允许第一钳口构件118和第二钳口构件120分别相对于第一滑轮122和第二滑轮124旋转。

与近侧端部相对，第一钳口构件118和第二钳口构件120的远侧端部可各自被构造为端部执行器108的部件。例如，第一钳口构件118和第二钳口构件120的远侧端部可各自被构造为抓持钳口构件、抓握钳口构件、切割钳口构件、夹持钳口构件等。在一些实施方案中，端部执行器108可包括起到多种功能(例如抓持和切割)的组合端部执行器。在一些实施方案中，当器械100的端部执行器108被致动时，第一钳口构件118和第二钳口构件120的远侧端部可在端部执行器108闭合时彼此相互作用(例如，接触)以提供端部执行器功能(例如，抓持或切割)。

器械100可包括连接件126。在一些实施方案中，连接件126可被认为是约束部(例如，连接件约束部或杆约束部)。连接件126可被构造成提供第一枢转点(例如，在第一连接件销132处)和第二枢转点(例如，在第二连接件销134处)，第一钳口构件118可围绕第一枢转点枢转，第二钳口构件120可围绕第二枢转点枢转，以允许端部执行器108打开和闭合。在一些情况下，第一枢转点和第二枢转点可被称为双枢轴或双枢转点。在例示的实施方案中，连接件126包括在第一钳口构件118与第二钳口构件120之间延伸的杆，但在其他实施方案中，连接件126可具有不同的构型(例如，在图25A至图25H所示的实施方案中，连接件126包括外壳190，该外壳包括提供枢转点的支承表面192、194)。

在例示的实施方案中，连接件126在第一端部上通过第一连接件销132连接到第一钳口构件118。第一连接件销132可与第一钳口构件118或连接件126一体形成，或者可为单独的部件(例如，延伸穿过第一钳口构件118和连接件126两者中的开口的杆)。第一连接件销132可被构造成允许第一钳口构件126相对于连接件126旋转。类似地，连接件126在第二端部上通过第二连接件销134连接到第二钳口构件120。第二连接件销134可与第二钳口构件120或连接件126一体形成，或者可为单独的部件(例如，延伸穿过第二钳口构件120和连接件126两者中的开口的杆)。第二连接件销134可被构造成允许第二钳口构件126相对于连接件126旋转。因此，在例示的实施方案中，连接件126在第一连接件销132处提供第一枢转点，并且在第二连接件销134处提供第二枢转点。

连接件126可在第一钳口构件118和第二钳口构件120的近侧端部和远侧端部之间(例如，通过第一连接件销132和第二连接件销134)连接到第一钳口构件118和第二钳口构件120。如下将讨论的，可以调节连接件126的位置以及第一枢转点与第二枢转点之间的距离，以改变由器械100提供的机械增益(参见例如图20A至图20D，如下所述)。

如图17A和图17B所示，对于一些实施方案，第一滑轮122被构造成围绕滑轮轴112(其可以是图16B的第二轴112)旋转。在一些实施方案中，滑轮轴112为中心轴。在例示的实施方案中，滑轮轴112延伸到页面内和页面外。类似地，第二滑轮124被构造成围绕滑轮轴112旋转。在一些实施方案中，第一滑轮122和第二滑轮124的轴可基本上对齐。第一滑轮122和第二滑轮124可被构造成使得每个滑轮可自由旋转。即，第一滑轮122的旋转可与第二滑轮124的旋转无关。例如，第一滑轮122可旋转(例如，顺时针或逆时针)，而第二滑轮124保持静止(或反之亦然)，或者第一滑轮122可沿第一方向旋转(例如，顺时针或逆时针)，而第二滑轮124沿第二方向旋转(例如，顺时针或逆时针中的另一个)。

第一驱动销128可在距滑轮轴112的半径或距离136(在图17A中以虚线示出)处连接到或定位在第一滑轮122上。尽管在图17A和图17B中不可见，第二驱动销130可在距滑轮轴112的半径或距离136处连接到或定位在第二滑轮124上。在一些实施方案中，第一滑轮122的距离136可等于第二滑轮124的距离136，尽管并非在所有实施方案中都需要如此。如下将讨论的，可以调节距离136以改变由器械100提供的机械增益(参见例如图20A至图20D，如下所述)。

一根或多根牵拉线可与第一滑轮122接合，该牵拉线可被致动(例如，牵拉)以引起第一滑轮122围绕滑轮轴112沿顺时针或逆时针方向旋转。类似地，一根或多根牵拉线可与第二滑轮124接合，该牵拉线可被致动(例如，牵拉)以引起第二滑轮124围绕滑轮轴112沿顺时针或逆时针方向旋转。在一些实施方案中，第一滑轮122和第二滑轮124用牵拉线缠绕成α-缠绕构型，如例如图21所示(如下所述)。

如上所述，牵拉线可被牵拉或张紧以致动器械100的端部执行器108。例如，首先考虑第一滑轮122和第一钳口构件118，可致动与第一滑轮122接合的牵拉线以使第一滑轮122围绕滑轮轴112旋转。第一滑轮122的旋转通过第一驱动销128传递到第一钳口构件118。例如，考虑图17A，当第一滑轮122沿顺时针方向旋转时，第一驱动销128致使第一钳口构件118的近侧端部向左运动(例如，朝向图17B所示的位置)。当第一钳口构件118的近侧端部通过第一滑轮122的旋转而运动时，第一钳口构件118围绕由连接件126提供的第一枢转点枢转，该连接件在例示的实施方案中为第一连接件销132。继续讨论第一滑轮122沿顺时针方向旋转的示例，第一钳口构件118的这种运动致使第一钳口构件118的远侧端部朝向第二钳口构件的远侧端部运动(例如，闭合器械100的端部执行器108到例如图17B所示的位置)。相反地，第一滑轮122沿逆时针方向的旋转致使第一钳口构件118的近侧端部向右运动，这使第一钳口构件118围绕第一枢转点沿相反方向旋转，从而致使第一钳口构件118的远侧端部远离第二钳口构件120的远侧端部运动(打开器械100的端部执行器108)。

第二滑轮124和第二钳口构件120可在第二滑轮124旋转时提供类似的运动。在许多情况下，第二滑轮124沿与第一滑轮122相反的方向旋转，但并非总是如此。例如，与第二滑轮124接合的牵拉线可被致动以致使第二滑轮124围绕滑轮轴112旋转。第二滑轮124的旋转通过第二驱动销130传递到第二钳口构件120。例如，当第二滑轮124沿逆时针方向旋转时，第二驱动销130致使第二钳口构件120的近侧端部向右运动。当第二钳口构件120的近侧端部通过第二滑轮124的旋转而运动时，第二钳口构件120围绕由连接件126提供的第二枢转点枢转，该连接件在例示的实施方案中为第二连接件销134。继续讨论第二滑轮124沿逆时针方向旋转的示例，第二钳口构件120的这种运动致使第二钳口构件120的远侧端部朝向第一钳口构件118的远侧端部运动(例如，闭合器械100的端部执行器108到例如图17B所示的位置)。相反地，第二滑轮124沿顺时针方向的旋转致使第二钳口构件120的近侧端部向右运动，这使第二钳口构件120围绕第二枢转点沿相反方向旋转，从而致使第二钳口构件120的远侧端部远离第一钳口构件118的远侧端部运动(打开器械100的端部执行器108)。

第一钳口构件118、第二钳口构件120、第一滑轮122、第二滑轮124和连接件126的布置可为器械100提供机械增益。例如，考虑到第一钳口构件118和第一滑轮122，可如图17A所示通过牵拉与第一滑轮122接合的牵拉线来施加输入力F

力矩臂L1、L2、L3和L4在图17A中示出。力矩臂L1可等于滑轮轴112与从缆线张力施加力F

在一些实施方案中，为了增加抓持强度(例如，输出力F

如图17A和图17B中例示的实施方案所示，第一滑轮122和第二滑轮124可定位在第一钳口构件118与第二钳口构件120的近侧端部之间。然而，并非在所有实施方案中都需要如此。例如，图18A至图18B示出了第一钳口构件118和第二钳口构件120均定位在第一滑轮122与第二滑轮124之间的实施方案。图18A示出了处于打开位置的器械100的该实施方案，并且图18B示出了处于闭合位置的器械100的该实施方案。

在一些实施方案中，通过将第一滑轮122和第二滑轮124放置在第一钳口构件118与第二钳口构件120之间(例如，如图17A和图17B所示)，第一滑轮122和第二滑轮124可被制成具有较大的直径，这在一些情况下可产生较大的机械增益。这可至少部分地因为滑轮直径可由沿滑轮平面的圆的弦长限定。当你将滑轮移动得更靠近圆的中心时，弦长增加最多至圆的直径。

在图17A、图17B、图18A和图18B所示的器械100的实施方案中，连接件126定位在第一滑轮122和第二滑轮124上方(相对于所示取向)。并非在所有实施方案中都需要如此。例如，图19A和图19B示出了包括定位在第一滑轮122和第二滑轮124下方的连接件126的器械100的实施方案。图19A示出了处于打开位置的器械100的该实施方案，并且图19B示出了处于接近闭合位置的器械100的该实施方案。在第一滑轮122和第二滑轮124下方而不是第一滑轮122和第二滑轮124上方的机构有更多空间的情况下，这种布置方式可能是有利的。在一些实施方案中，器械100包括轴和腕部，该腕部具有足够大的直径，以提供空间来装配部件，诸如连接件126。需注意，图19A和图19B中的实施方案的优点在于，抓持件或钳口构件118、120能够在末端处以较小的角度打开相同的打开距离，从而产生更平行的闭合，这对于一些器械诸如血管密封器可能是有利的。

在图19A和图19B所示的器械100的实施方案中，器械100可包括如图所示布置的第一钳口构件118、第二钳口构件120、第一滑轮122、第二滑轮124(在第一滑轮122后面)和连接件126。在该实施方案中，第一钳口构件118在定位在第一钳口构件118的近侧端部与第一钳口构件118的远侧端部之间的位置处通过第一驱动销128连接到第一滑轮122。第一钳口构件118的近侧端部通过第一连接件销132连接到连接件126，使得连接件126定位在第一滑轮122下方(例如，在第一滑轮122的与第一钳口构件118的远侧端部相对的一侧上)。类似地，第二钳口构件120在定位在第二钳口构件120的近侧端部与第二钳口构件120的远侧端部之间的位置处通过第二驱动销130(不可见)连接到第二滑轮124。第二钳口构件120的近侧端部通过第二连接件销134连接到连接件126，使得连接件126定位在第二滑轮124下方(例如，在第二滑轮124的与第二钳口构件120的远端相对的一侧上)。类似于图17A至图18B所示的器械100，图19A和图19B的器械100也可提供机械增益。

如上所述，可改变高力器械100的各种部件的尺寸以提供不同的机械增益。另外，可调节用于枢转L2/L3的起点以在抓持件打开和闭合时增加或减少抓持件的线性运动，如图20A至图20D所示。图20A和图20B示出了被构造用于高线性运动和低反向驱动的器械100的实施方案，而图20C和图20D示出了被构造用于低线性运动的器械100的实施方案。当L2/L3枢转点在端部处增加时，由于以圆周运动驱动，你能获得机械杠杆作用。图20A和图20B在极端情况下示出了这一点，其中两个L2/L3枢转点直接横跨直径。在这种情况下，试图反向驱动抓持件的任何力通过滑轮的半径来解决，并且不需要来自缆线的张力来保持该点。类似地，当你在闭合期间接近该点时，机械杠杆作用增加至无穷大。因此，器械100的部件的尺寸可被设计成提供低线性运动和高机械增益的最佳折衷。

在一些实施方案中，第一连接件L1的第一距离可以介于3mm和4mm之间，第二连接件L2的第二距离可以介于2mm和3mm之间，第三连接件L3的第三距离可以介于7mm和8mm之间，并且第四连接件L4的第四距离可以介于17mm和23mm之间。例如，在一个实施方案中，第一连接件L1的第一距离为约3.35mm，第二连接件L2的第二距离为约2.5mm，第三连接件L3的第三距离为约7.3mm，并且第四连接件L4的第四距离为约20mm。在一些实施方案中，第二连接件L2的第二距离与第一连接件L1的第一距离之间的第一比率介于0.5和1.25之间，第三连接件L3的第三距离与第一连接件L1的第一距离之间的第二比率介于1.5和3.5之间，并且第四连接件L4的第四距离与第一连接件L1的第一距离之间的第三比率介于1.5和20之间。例如，在一个实施方案中，第二连接件L2的第二距离与第一连接件L1的第一距离之间的第一比率为约0.75，第三连接件L3的第三距离与第一连接件L1的第一距离之间的第二比率为约2.18，并且第四连接件L4的第四距离与第一连接件L1的第一距离之间的第三比率为约6。连接件L1、L2、L3和L4的其他尺寸以及连接件之间的其他比率也是可能的。

图21示出了与两根缆线或牵拉线138、140接合的滑轮(例如，第一滑轮122或第二滑轮124)的示例，所述两根缆线或牵拉线与处于α-缠绕构型的滑轮接合。在一些实施方案中，牵拉线138、140实际上是缆线或牵拉线段138、140，其是由中间压接件分开的单根缆线或线的一部分。如图所示，在α-缠绕构型中，第一牵拉线138在滑轮的第一侧(例如，图中的右侧)上方、滑轮的顶部上方以及滑轮的第二侧(例如，图中的左侧)下方延伸，然后终止于压接凹坑146。在压接凹坑146内，第一牵拉线138的端部经由中间压接件连接或以其他方式固定到滑轮。由于第一牵拉线138在终止于压接凹坑146之前几乎一直围绕滑轮，这使得可通过牵拉牵拉线138来实现大量旋转。例如，牵拉线138可致使滑轮沿顺时针方向从所示位置一直旋转，直到压接凹坑146定位在滑轮的第一侧处。在一些实施方案中，这可允许例如约或大于270度的旋转。

第二牵拉线140类似地围绕滑轮缠绕，但方向相反。如图所示，第二牵拉线140在滑轮的第二侧(例如，图中的左侧)上方、滑轮的顶部上方以及滑轮的第一侧(例如，图中的骑行侧)下方延伸，然后终止于压接凹坑146处。因此，第二牵拉线140可类似地允许滑轮沿逆时针方向进行大的旋转(例如，约或大于270度)。

在一些实施方案中，第一牵拉线138和第二牵拉线140是围绕滑轮连续缠绕并固定在压接凹坑146中的滑轮的单根牵拉线。

如图21所示的α-缠绕构型在本文所述的高力器械100中可为有利的，因为这些器械100的机械增益将较大的滑轮旋转转换成较高的力。因此，滑轮可被构造成允许较大的旋转，这在一些情况下可适应器械的较大运动范围。

图21还示出滑轮122、124可包括被构造成接纳滑轮围绕其旋转的销的镗孔142，以及被构造成接纳驱动销128、130的驱动销镗孔144。

在一些实施方案中，高力器械100可包括一个或多个约束部。如下所述，约束部可有助于确保高力器械100的运动(例如，打开和闭合第一钳口构件118和第二钳口构件120)是一致且准确的和/或稳定器械100。在某些情况下，高力器械100的一些实施方案可表现出不期望的平行四边形运动，除非将附加的约束部结合到设计中。例如，在一些实施方案中，如果没有约束部，则第一钳口构件118和第二钳口构件120可相对于彼此移位(例如，第一钳口构件118可沿向上方向移位并且第二钳口构件120可沿向下方向移位)而不是根据需要打开和闭合。在一些实施方案中，这种不期望的运动是由具有两个枢转点的多连接件系统(例如，四个连接件)引起的。包括一个或多个约束部可消除、帮助防止或减少这种不期望的运动，从而稳定高力器械100。例如，可结合防止第一钳口构件118和第二钳口构件120相对于彼此滑动的附加的约束部。各种类型的约束部是可能的并且在下文中进一步详细描述。

图22A至图22C示出了包括由约束销148和约束狭槽150形成的约束部的高力器械100的实施方案的视图。图22A示出了高力器械100的该实施方案的前视图，图22B示出了高力器械100的该实施方案的后视图，并且图22C示出了高力器械100的该实施方案的侧透视图。需注意，在图22A中，滑轮124和约束杆或连接件126的一部分不可见。图22A至图22C的器械100包括如图所示布置的第一钳口构件118、第二钳口构件120、第一滑轮122、第二滑轮124和连接件126。在例示的实施方案中，连接件126定位在第一滑轮122和第二滑轮124下方。第一钳口构件118通过第一驱动销128连接到第一滑轮122。第二钳口构件120通过第二驱动销130连接到第二滑轮124。第一滑轮122和第二滑轮124围绕滑轮轴112旋转。

如图所示，器械100还包括约束销148和约束狭槽150。约束销148形成在(或连接到)抓持件或钳口构件(例如，120)中的一个上，并且延伸穿过形成在另一个抓持件或钳口构件(例如，118)中的约束狭槽150，从而在钳口构件118、120之间提供齿轮运动。如图所示，第一钳口构件118通过第一连接件销132连接到连接件126。约束狭槽150可形成为曲线或摆线(例如，以恒定半径形成)。在一些实施方案中，当钳口构件118、120在一定运动范围内打开或闭合时，由抓持件或钳口构件118中的约束销148所追踪的路径形成摆线曲线，从而保持钳口构件与中间平面之间的对称角度。当形成这种摆线曲线时，有利地约束钳口构件118、120的运动。换句话讲，当第一钳口构件118和第二钳口构件120对称地移动以打开和闭合时，摆线曲线可匹配约束销148的路径。约束销148和约束狭槽150可防止第一钳口构件118和第二钳口构件120以平行运动移位，从而保持围绕中间平面的对称角度。例如，当第一钳口构件118围绕第一连接件销132枢转时，这可允许约束销148移动穿过约束狭槽150。即，约束狭槽150可在第一钳口构件118与第二钳口构件120之间提供附加连接，同时仍允许第一钳口构件118相对于连接件126围绕第一连接件销132枢转。在一些实施方案中，这可有助于防止上述不期望的移位并且可稳定器械100的运动。

虽然在本实施方案中，约束销148从钳口构件120延伸并且延伸到形成于钳口构件118中的约束狭槽150中，但在其他实施方案中，约束销148从钳口构件118延伸并且延伸到形成于钳口构件120中的约束狭槽150中。

另外，对于一些实施方案，约束销148和约束狭槽150可将第一钳口构件118的运动约束为第二钳口构件120的运动。即，这些约束部可引起第一钳口构件118的运动，从而引起第二钳口构件120的对应运动(或反之亦然)。例如，如果第一钳口构件118打开五度，则这些约束部引起第二钳口构件120打开五度。在一些实施方案中，第二钳口构件120的对应运动不完美，使得其将不精确地对应于第一钳口构件118的运动(例如，如果第一钳口构件118打开五度，则这些约束部可引起第二钳口构件120打开5.5度)。

在一些实施方案中，这些约束部(例如，约束销148和约束狭槽150)可被认为是基于销的摆线约束部。在一些实施方案中，这些约束部可被认为是齿轮约束部，因为它们将第一钳口构件118的运动齿轮传动成第二钳口构件120的运动。

图22A还示出，在一些实施方案中，器械100可包括滑轮轴间隙狭槽152。滑轮轴间隙狭槽152可有助于为第一钳口构件118在滑轮驱动销上方的运动提供间隙，使得第一钳口构件118将打开并且不限制在其运动范围内。尽管不可见，但第二钳口构件120也可包括类似的滑轮轴间隙狭槽。

图23示出了高力器械100的另一个实施方案的前视图，该高力器械包括约束销148和约束狭槽150(类似于上述那些)，并且进一步被构造成使得驱动销128、130被定位成使得它们永远不会移动到它们重叠的位置。在一些实施方案中，已观察到，如果驱动销128、130移动到它们重叠的位置，则第一钳口构件118和第二钳口构件120可围绕对齐的驱动销128、130一起旋转或枢转。使驱动销128、130在径向距离、角距离或两者上保持分开可有助于防止这种运动。

图23的器械100包括如图所示布置的第一钳口构件118、第二钳口构件120、第一滑轮122、第二滑轮124和连接件126。在例示的实施方案中，连接件126定位在第一滑轮122和第二滑轮124上方。第一钳口构件118通过第一驱动销128连接到第一滑轮122，并且第二钳口构件120通过第二驱动销130连接到第二滑轮124。第一滑轮122和第二滑轮124如上所述围绕滑轮轴112旋转。另外，器械100包括如上所述的约束销148和约束狭槽150。尽管在该实施方案中，连接件126定位在滑轮122、124上方。

此外，在该实施方案中，驱动销128、130中的每个驱动销被定位成使得它们从不移动到重叠位置。例如，器械100被示出为处于闭合位置(其中第一钳口构件118接触第二钳口构件120)，并且在该位置中，驱动销128、130如图所示定位。因为第一钳口构件118接触第二钳口构件120，所以防止第一驱动销128沿顺时针方向进一步旋转，并且防止第二驱动销130沿逆时针方向进一步旋转。从该位置，第一驱动销128和第二驱动销130只能在图中沿箭头指示的方向旋转。即，当器械100打开时，第一驱动销128可仅沿逆时针方向旋转，并且第二驱动销130可仅沿顺时针方向旋转。因此，第一驱动销128和第二驱动销130被定位成在运动的任何部分期间不重叠，这可改善器械100的稳定性。

在一些实施方案中，通过使驱动销128、130保持分开(例如，防止重叠)，可限制第一钳口构件118和第二钳口构件120的运动范围。这是因为防止驱动销128、130重叠减少了可用于第一滑轮122和第二滑轮124中的每一个的总旋转量。这可减少可从输入传递到输出的功(以及因此力)的总量。因此，包括不重叠的驱动销128、130(如图23的器械100)的一些实施方案折衷钳口运动或力放大以获得稳定性。在考虑本公开时，本领域的技术人员将会知道，可选择该折衷以便针对给定情况最大化器械100的性能。

在一些实施方案中，即使具有基于销的摆线约束部(诸如由图22A和图23中的约束销148和约束狭槽150形成的约束部)，由于制造公差叠加，器械100仍可表现出不期望的不稳定性。在一些实施方案中，可通过用基于齿的摆线约束部替换基于销的摆线约束部来消除或减少这种不稳定性。类似于基于销的摆线约束部，基于齿的摆线约束部可被认为是齿轮约束部的类型。利用基于齿的摆线约束部，一个钳口构件形成有延伸到另一个钳口构件的凹口中的齿，从而有助于防止钳口构件在使用期间发生不期望的移位。如下所述的图24A至图24H和图25A至图25H所示的器械100的实施方案包括基于齿的摆线约束部的示例。

在一些实施方案中，为了解决与防止驱动销128、130重叠而不是限制驱动销128、130重叠和交叉的能力相关联的缺点，器械100可包括狭槽约束部。即使当驱动销128、130重叠时，狭槽约束部也可防止或降低器械100中的不稳定性。如下文将更详细地描述，狭槽约束部可形成为两个耳部之间的槽或狭槽。当驱动销128、130重叠成对齐和交叉时，狭槽约束部的耳部可邻接并接触滑轮122、124的中心销，从而防止第一钳口构件118和第二钳口构件120的不期望的旋转。由于驱动销能够交叉，因此这些设计可包括独特的特征部，因为它们能够获得比限制或防止驱动销128、130交叉的设计更大的力优势。此外，这些设计可提供独特的力分布曲线，其中当抓持件闭合时抓持力最高(参见下面的图27和对应的描述)。图24A至图24H示出了包括狭槽约束部的实施方案。

图24A至图24H示出了包括齿轮约束部(被构造为基于齿的摆线约束部)和狭槽约束部的高力器械100的实施方案的视图。图24A为处于打开位置的器械100的前视图，图24B为器械100的分解图，图24C为器械100的侧视图，图24D为处于打开位置的器械100的后视图，并且图24E为穿过中心销的器械100的底部剖视图。图24F至图24H示出了当器械100从打开位置移动到闭合位置时交叉的驱动销128、130。

如图24B的分解图中最佳地示出，器械100包括第一钳口构件118，该第一钳口构件可如图所示进行构造。例如，第一钳口构件118可包括定位在第一钳口构件118的近侧端部处的第一驱动销128。另选地，第一驱动销128可形成为第一滑轮122的一部分或形成为如上所述的单独的件。第一钳口构件118还可包括孔或开口166，该孔或开口提供通向第一连接件销132和开口162(下文所讨论)的接合部的位点线，使得如果需要，可将组件激光焊接在一起。可在第一钳口构件118的内表面上形成附加的孔、开口、凹槽或凹坑(未示出)以接合销132。第一钳口构件118也可包括由上表面172和下表面170形成的凹口171。如将在下文所述，形成第一凹口的上表面172和下表面170将与第二钳口构件120上的对应特征结构接合以形成齿轮约束部或基于齿的摆线约束部(参见例如图24A)。第一钳口构件118还可包括狭槽186。狭槽186可被构造成接纳连接件126的第一件153的端部。

第二钳口构件120可包括定位在第二钳口构件120的近侧端部处的第二驱动销130。另选地，第二驱动销130可形成为第二滑轮124的一部分或形成为如上所述的单独的件。第二钳口构件120还可包括被构造成接纳第二连接件销134的开口168。第二钳口构件120也可包括具有上表面174和下表面176的齿175。如将在下文所述，齿174的上表面174和下表面176将与第一钳口构件118上的对应特征结构接合以形成齿轮约束部或基于齿的摆线约束部(参见例如图24A)。第二钳口构件120还可包括狭槽188。狭槽188可被构造成接纳连接件126的第二件154的端部。在一些实施方案中，齿175包括可呈现为三角形翅片的延伸部或突出部。在其他实施方案中，齿175包括呈另一种形状诸如钉形的延伸部或突出部。接纳齿175的凹槽或凹口171足够大，以在钳口构件118、120打开和闭合时为齿175提供间隙。在一些实施方案中，形成摆线约束部，使得在钳口构件的打开和闭合期间，凹口171的下表面170保持与齿175的下表面174接触，而凹口172的上表面保持与齿175的上表面176接触。

第一滑轮122可包括滑轮轴开口178。滑轮轴开口被构造成安装在滑轮销160上。滑轮销160可与滑轮轴112(如上所述)对齐。第一滑轮122围绕滑轮销160旋转。第一滑轮122还可包括用于接纳第一驱动销128的孔180。类似地，第二滑轮124可包括滑轮轴开口182，该滑轮轴开口被构造成安装在滑轮销160上以允许第二滑轮124围绕滑轮销160旋转。第二滑轮124还可包括用于接纳第二驱动销130的孔184。

在图24A至图24H的实施方案中，连接件126由第一件153和第二件154形成。第一件153包括用于接纳穿过其中的第一连接件销132的开口162。第一件153的包括开口162的部分可被构造成接纳在第一钳口构件118的狭槽186中，使得第一连接件销132可延伸穿过第一件中的开口162并进入或穿过第一钳口构件118中的开口166。如图24B所示，连接件126的第一件153还可包括第二连接件销134。在一些实施方案中，第二连接件销134与第一件153一体形成。在其他实施方案中，第二连接件销134可为单独的件或与第二钳口构件120一体形成。连接件126的第一件153还包括如图所示的耳部156。耳部156可形成为向下的突起部或突出部。如下将讨论的，当组装时，耳部156的内表面可接触滑轮销160，以防止或降低当驱动销128、130对准时器械100中的不稳定性。

如上所述，连接件126可由第一件153和第二件154形成。第二件154可包括用于接纳穿过其中的第二连接件销134的开口164。第二件154的包括开口164的部分可被构造成接纳在第二钳口构件120的狭槽188中，使得第二连接件销134可延伸穿过第二件154中的开口164并进入或穿过第二钳口构件120中的开口168。如图24B所示，连接件126的第二件154还可包括第一连接件销132。在一些实施方案中，第一连接件销132与第二件154一体形成。在其他实施方案中，第一连接件销132可为单独的件或与第一钳口构件118一体形成。连接件126的第二件154还包括如图所示的耳部158。耳部158可形成为向下的突起部或突出部。如下将讨论的，当组装时，耳部158的内表面可接触滑轮销160，以防止或降低当驱动销128、130对准时器械100中的不稳定性。

如例如图24A所示，当组装时，第二钳口构件120的齿175被接纳在第一钳口构件118的沟槽或凹口171中。第一钳口构件118与第二钳口构件120之间的这种相互作用为器械100提供齿轮约束部或基于齿的摆线约束部。该约束部可将第一钳口构件118的运动约束到第二钳口120，这类似于上文参考图22A和图23所述的基于销的摆线约束部。该约束部还可通过例如防止或减少第一钳口构件118与第二钳口构件120之间的平行运动来改善器械100的稳定性。在一些实施方案中，该约束部的优点在于，其可能比其他类型的约束部(诸如基于销的摆线约束部)更不易受到制造公差误差的影响。在其他实施方案中，可在第一钳口构件与第二钳口构件之间提供多于一个齿(例如，第一齿和第二齿)以提供基于齿的齿轮约束部。

另外，当组装时，器械100可包括狭槽约束部，该狭槽约束部被构造成在驱动销128、130对齐时防止不稳定性。这可意味着图24A至图24H的实施方案可有利地用于允许驱动销128、130重叠或交叉的设计中。通过使驱动销128、130重叠或交叉，滑轮可以执行更多的工作，从而产生期望的更大的力输出。如图24A、图24D和图24E所示，滑轮销160被接纳在第一钳口构件118与连接件126的第一件153的耳部156之间。类似地，滑轮销160也被接纳在第二钳口构件120与连接件126的第二件154的耳部158之间。在一些实施方案中，连接件126的第一件153和第二件154的耳部156、158形成狭槽或通道。滑轮销160在器械100的运动期间骑在该通道内并接触该通道。该接触提供增加的稳定点，这可在驱动销128、130重叠时稳定器械100。

图24F至图24H示出了当驱动销128、130在器械100的运动期间重叠和交叉时狭槽约束部(由耳部156、158和滑轮销160形成)稳定器械100的功能。图24F至图24H示出了器械100的闭合运动期间的各个阶段。如图24F所示，第一钳口构件118和第二钳口构件120处于打开位置，并且第一驱动销128位于第二驱动销130的右侧(相对于图中所示的取向)。器械100处于相对稳定的位置，因为驱动销128、130是间隔开的。通过滑轮销160与耳部156、158之间形成的狭槽的附加接触来进一步稳定该位置。

当器械100进一步闭合到图24G所示的位置时，驱动销128、130开始重叠和交叉。具体地，第一驱动销128已从图24F中的位置顺时针旋转到图24G中所示的位置，并且第二驱动销130已从图24F中的位置逆时针旋转到图24G中所示的位置。在该位置(图24G)，在驱动销128、130如图所示重叠的情况下，器械100将处于相对不稳定的位置，而没有由滑轮销160和耳部158、156形成的狭槽约束部。即，在不存在狭槽约束部的情况下，器械100可趋于围绕对齐的驱动销128、130的轴旋转。然而，狭槽约束部有利地使器械100稳定而不发生这种运动。例如，滑轮销160与耳部156之间的接触防止器械沿顺时针方向旋转，并且滑轮销160与耳部158之间的接触防止器械沿逆时针方向旋转。

如图24H所示，当器械100进一步闭合时，驱动销128、130旋转经过彼此。例如，第一驱动销128现在定位在第二驱动销130的左侧。同样，该位置是相对稳定的，因为驱动销128、130是分开的，并且狭槽约束部提供附加的稳定性。

考虑滑轮销160的位置，其中狭槽形成于图24F至图24H中的耳部156、158之间，可以看出的是，在一些实施方案中，滑轮销160在器械100的运动期间沿狭槽移动。

图24A至图24H所示的器械100的实施方案通过包括齿轮约束部(例如，基于齿的摆线约束部)和狭槽约束部两者扩展了上文参考先前实施方案所述的力放大和约束概念。在一些情况下，这两个约束部可对其滑轮运动范围具有限制，但有利的是，此类限制可以不同角度发生。这两个约束部可以一起实现，因此可以具有包括两个约束部(如图24A至图24H所示)的器械。通过使用两个约束部，可以将滑轮122、124的运动范围延伸到限制驱动销交叉的实施方案的运动范围的几乎两倍。这继而增加了对于给定运动范围可递送的力的量。具有这两个约束部可将不稳定性降低至大约任一角度处的任一约束部的最小值。

图25A至图25H示出了器械100的实施方案，该器械包括如上所述的两个约束部，但减少了器械100中的部件的总数目。这种实施方案可有利地简化器械100的制造和组装。图25A和图25B分别示出了处于打开构型和闭合构型的器械100的视图。图25C示出用作器械100的连接件126的外壳190的实施方案。图25D示出了第一钳口构件118或第二钳口构件120的视图。图25E至图25H示出了器械100的示例性组装过程期间的阶段。

如图25A和图25B所示，并且在图25C中单独示出，器械100包括形成为单个外壳190的连接件126。如在图25C中最佳所见，外壳190可包括第一支承表面192和第二支承表面194。第一支承表面192和第二支承表面194中的每一个可形成为延伸跨过外壳190的杆或圆柱体。如将在下文所述，支承表面192、194提供枢转点，第一钳口构件118和第二钳口构件120可在该枢转点上枢转。在一些方面，在前述实施方案中，第一支承表面和第二支承表面代替第一连接件销132和第二连接件销134。

外壳190还可包括如图所示的狭槽195。狭槽195可被构造成接合滑轮销160以形成上述狭槽约束部。当驱动销128、130对齐时，狭槽约束部可为器械100提供稳定性。

在一些实施方案中，外壳190有利地提供与图24A至图24H的实施方案的连接件126的第一件153和第二件154相同的功能。这可有利地降低设计的复杂性。

图25D示出了钳口构件(第一钳口构件118或第二钳口构件120)的实施方案。在图25D中，所述特征结构被编号两次以描述第一钳口构件118和第二钳口构件120两者。如图所示，钳口构件118、120包括齿175，该齿被构造成接合相对的钳口构件上的对应凹槽171。齿175与凹槽171之间的相互作用提供如上所述的齿轮约束部(或基于齿的摆线约束部)。

钳口构件118、120还包括沟槽196、198。沟槽196、198被构造成接纳外壳190的支承表面192、194。例如，当组装时(图25A和图25B)，第一钳口构件118的沟槽196接纳第一支承表面192以允许第一钳口构件118围绕第一支承表面192枢转。类似地，第二钳口构件120的沟槽198接纳第二支承表面194以允许第二钳口构件120围绕第二支承表面194枢转。

如图25A和图25B所示，齿175和凹槽171提供齿轮约束部(或基于齿的摆线约束部)，并且狭槽195和滑轮销160提供狭槽约束部。因此，图25A至图25H的器械100的实施方案可提供与如上述图24A至图24H的器械100的实施方案相同的优点。另外，图25A至图25H的器械100的实施方案的部件总数减少。

图25E至图25F示出了器械100的示例性组装过程。如图所示，第一钳口构件118和第二钳口构件120可定位在外壳190上方(图24E)。第一钳口构件118和第二钳口构件120可落入外壳190中并旋转，如图25F所示。如图25G所示，第一钳口构件118和第二钳口构件120可随后进一步下降，使得形成于第一钳口构件118和第二钳口构件120的后部中的沟槽196、198与外壳的支承表面192、194同心。第一钳口构件118和第二钳口构件120从该位置进一步旋转到图25H的位置，使得它们由外壳190保持在适当位置。尽管未示出，但组件还可包括附加步骤，诸如附接滑轮122、124和附接到腕部106等。

返回图25A和图25B，在一些实施方案中，第一钳口构件118在整个运动范围期间由第二钳口构件120和外壳190的支承表面192、194约束。一旦组件安装在腕部106的远侧连接叉中，运动范围就可限制在可小于拆开所需的角度的工作运动范围。

图25A至图25B所示的器械100具有部件更少的优点，并且可以制造得比其他实施方案更小。在一些情况下，本实施方案的另一个优点是，当狭槽195在钳口的每一侧处与销160的任一侧接合时，狭槽195可通过公差问题提供更大的稳定性，这防止腕部具有扭转斜率。一般来讲，其他组装方法需要附加的部件或附加的机加工操作，以确保抓持件保持在其正确的枢轴中，之后进行型锻或激光焊接工艺以将它们接合在一起。该器械100将钳口构件约束在机构所使用的运动范围内的正确位置，但允许在钳口构件过度旋转时组装部件。这在外科器械顶端中具有益处，因为当连接件126为单件式外壳190时，其可被制成比其他实施方案小。因此，在一些实施方案中，连接件126可以更坚固并且具有更高的公差，因为它是单个结构。减少的部件数量和缩短的组装时间可降低成本。即使连接件126由多个件制成，仍然可以实现这些益处中的一些。

上述任何实施方案中的齿不需要是摆线。在一些实施方案中，齿可包括一些其他轮廓，包括渐开线。

本节讨论了如何能够确定上述高力器械100的机械增益。在高水平下，放大率是输入运动范围与输出运动范围之间的比率。对于上述器械100，输入运动范围可与滑轮的几何形状和尺寸相关，并且输出运动范围可与钳口构件的几何形状和尺寸相关。

当确定这些机器人控制的高力器械100的机械增益和放大率时，要考虑的一个度量是有效滑轮直径。高力器械100可被抽象为由经由牵拉线或缆线施加的张力在一对钳口构件上产生输出扭矩的机构。在该对钳口构件上产生输出扭矩的最简单方式是将钳口构件直接且刚性地附接到滑轮。然而，该架构在其可由滑轮的直径提供的扭矩大小方面受到限制，该滑轮可适配在其穿过的轴/管的直径中。因此，希望具有一种可提供优于简单滑轮的机械增益的机构。

机械增益可通过计算滑轮直径来确定，该滑轮直径将必须用于产生等效抓持(输出)扭矩。这被称为有效直径d

其中d

τ

因此，有效直径可由公式3确定：

其中F

图27示出了能够具有使驱动销交叉的高力器械100的一个实施方案的代表性力分布曲线(例如，类似于图24A至图24H和图25A至图25H的实施方案)。所示的力分布曲线是针对具有8mm腕部和6.7mm驱动滑轮的器械100。

力分布曲线示出了器械100的有效滑轮直径随抓持件打开角度的变化。如图所示，当抓持件(钳口构件)几乎闭合(0度打开角度)时，有效滑轮直径为约26mm。由于驱动滑轮的直径为6.7mm，因此我们能够实现利用简单的杠杆和滑轮系统所能实现的力的3.88倍(26mm/6.7mm)的机械增益。随着抓持角度增大(例如，增大到40度)，有效滑轮直径减小，使得在40度处，机械增益为利用简单杠杆和滑轮系统可实现的力的约3.28倍(22mm/6.7mm)。因此，我们能够实现的机械增益是利用简单的滑轮和杠杆系统可实现的力的至少3倍或更大。此外，力分布曲线示出了我们的双驱动销设计是独特的，因为其允许驱动销交叉，使得抓持件可以在闭合角度(零度的抓持打开角度)处最难抓持。

本文所公开的实施方式提供了用于机器人使能的医疗系统的系统、方法和设备。本文所述的各种实施方式包括具有高力器械的机器人使能的医疗系统。

应当指出的是，如本文所用，术语“耦接(couple)”、“耦接(coupling)”、“耦接(coupled)”或词语耦接的其他变型形式可以指示间接连接或直接连接。例如，如果第一部件“耦接”到第二部件，则第一部件可经由另一个部件间接连接到第二部件或直接连接到第二部件。

本文所述的位置估计和机器人运动致动功能可作为一个或多个指令存储在处理器可读或计算机可读的介质上。术语“计算机可读介质”是指可由计算机或处理器访问的任何可用介质。通过示例而非限制，这样的介质可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器、致密盘只读存储器(CD-ROM)或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置，或可以用于存储呈指令或数据结构的形式的期望的程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。应当指出的是，计算机可读介质可为有形的和非暂态的。如本文所用，术语“代码”可以指可由计算装置或处理器执行的软件、指令、代码或数据。

本文所公开的方法包括用于实现所述方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离权利要求的范围的情况下，方法步骤和/或动作可彼此互换。换句话讲，除非正在描述的方法的正确操作需要步骤或动作的特定顺序，否则可以在不脱离权利要求的范围的情况下修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

如本文所用，术语“多个”表示两个或更多个。例如，多个部件指示两个或更多个部件。术语“确定”涵盖多种动作，并且因此，“确定”可包括计算、运算、处理、导出、调查、查找(例如，在表格、数据库或另一种数据结构中查找)、查明等。另外，“确定”可包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。另外，“确定”可包括解析、选择、挑选、建立等。

除非另有明确指明，否则短语“基于”并不意味着“仅基于”。换句话讲，短语“基于”描述“仅基于”和“至少基于”两者。

如本文所用，术语“大约”或“约”是指长度、厚度、数量、时间段或其他可测量值的测量范围。此类测量范围涵盖相对于指定值的+/-10％或更小、优选地+/-5％或更小、更优选地+/-1％或更小、并且还更优选地+/-0.1％或更小的变化，只要此类变化是适当的以便在所公开的装置、系统和技术中起作用。

提供对所公开的具体实施的前述具体实施方式以使得本领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。对这些具体实施的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文所定义的一般原理可应用于其他具体实施。例如，应当理解，本领域的普通技术人员将能够采用多个对应的替代和等同的结构细节，诸如紧固、安装、耦接或接合工具部件的等同方式、用于产生特定致动运动的等同机构、以及用于递送电能的等同机构。因此，本发明并非旨在限于本文所示的具体实施，而是被赋予符合本文所公开的原理和新颖特征的最广范围。