将工具轴与缆绳驱动负载解除联接

优先权的申明

本申请要求2018年11月15日提交的美国临时专利申请第62/767,885号的优先权的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

微创医疗技术旨在减少诊断性或外科手术期间受损组织的量，从而减少患者恢复时间、不适和有害副作用。使用机器人辅助技术的远程操作外科手术系统可用于克服手动腹腔镜手术和开放手术的局限性。远程呈现系统的进步为外科医生提供患者体内的视野、外科手术工具的运动度的增加的数量以及进行远距离外科手术协作的能力。在手动微创手术中，外科医生经由长轴感觉工具与患者之间的相互作用，这消除了触觉提示并掩盖了力提示。

在远程操作手术系统中，由于外科医生不再直接操纵工具，所以消除了自然力反馈。确切地说，在长轴的远端处的末端执行器由在轴内延伸的控制缆绳致动。轴的近端部分处的传感器可用于测量由于末端执行器和患者组织之间的接触而在医疗手术期间施加到患者组织的临床力。

不幸的是，由在轴内延伸的控制缆绳施加的力可显著大于由于末端执行器和患者接触组织之间的接触而产生的临床力。因此，需要将临床力与缆绳力隔离。

附图说明

根据当与附图一起阅读时的以下详细描述可以最好地理解本公开的各方面。需强调，根据行业中的标准实践，各种特征未按比例绘制。实际上，为了清楚起见，可以任意地增加或减小各种特征的尺寸。另外，本公开可以在各个示例中重复附图标记和/或字母。此重复是出于简单和清楚的目的且其本身并不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。

图1是用于对躺在手术台上的患者执行微创诊断性或外科手术的微创远程操作外科手术系统的图解平面图。

图2是外科医生的控制台的透视图。

图3是微创远程操作外科手术系统的操纵器单元的透视图。

图4是联接到工具滑架的外科手术工具的图解侧视图。

图5A-5B是图解示意图，其表示处于中间位置(图5A)和处于轴向位移位置(图5B)的可操作地联接到工具轴的近侧部分和竖直传感器的四连杆机构，在中间位置，没有竖直力被施加到轴，在轴向位移位置，竖直力被施加到轴。

图5C是示出包括差分同轴感应位移传感器和弹簧力传感器的替代示例四连杆机构的图解示意图。

图6A-6C是示例中间(图6A)、降低(图6B)和升高(图6C)的四连杆机构的实施例的图解侧视图，其中后端底盘和轴组件经联接以充当连杆。

图7是图6的传感器的实施例的图解示意性侧视截面图。

图8是示出根据一些实施例的安装到图6A-6C的四连杆机构实施例的转向导向滑轮、瀑布式导向滑轮和缆绳驱动构件的布局的图解简化俯视图。

图9是示出图8的第一组和第二组转向导向滑轮以及第一组和第二组瀑布式导向滑轮的布置的图解局部透视图。

图10是图6A-6C的下面的第二侧连杆以及挠性梁和传感器组件的第一实施例的图解透视图。

图11是图6A-6C的下面的第二侧连杆以及挠性梁和传感器组件的第二实施例的图解局部透视图。

图12是图6A-6C的下面的第二侧连杆以及挠性梁和传感器组件的第三实施例的图解透视图。

具体实施方式

远程操作外科手术系统

图1是用于对躺在手术台14上的患者12执行微创诊断性或治疗性外科手术的微创远程操作外科手术系统10的图解平面图。该系统包括用户控制单元16，以供外科医生18在手术期间使用。一个或多个助手20也可以参与该手术。微创远程操作外科手术系统10还包括一个或多个操纵器单元22和辅助单元24。在外科医生18通过用户控制台16观察外科手术部位时，操纵器单元22能够通过患者12的身体上的微创切口或自然身体孔口来操纵至少一个外科手术器械26。能够通过内窥镜28(诸如立体内窥镜)获得外科手术部位的图像，可以使用操纵器单元22对该内窥镜进行定位。位于辅助单元24上的计算处理器可以用于处理外科手术部位的图像，以随后通过用户控制台16显示给外科医生18。计算机处理器能够包括逻辑单元以及存储由逻辑单元执行的指令的存储器。在一些实施例中，可以捕获立体图像，其允许在外科手术期间感知深度。一次使用的外科手术器械26的数量通常将取决于诊断性或治疗性手术以及手术部位内的空间约束以及其他因素。如果有必要更换在手术期间使用的一个或多个外科手术器械26，则助手20可以将外科手术器械26从操纵器单元22上移除，并用手术室中的托盘30上的另一个外科手术器械26替换它。辅助单元24处的示例计算机处理器能够被配置为处理指示在外科手术器械处施加的力的信号。示例计算机处理器能够在外科医生的控制台16上产生与这些施加的力相对应的触觉反馈。

图2是用户控制台16的透视图。外科医生的控制台16包括观察者显示器31，观察者显示器31包括左眼显示器32和右眼显示器34，用于向外科医生18呈现外科手术部位的协调立体图，其实现深度感知。用户控制台16还包括一个或多个手动控制输入装置36、38，以接收大规模的手动控制移动。安装用于在一个或多个对应操纵器单元22上使用的一个或多个从外科手术器械26以相对较小规模的距离移动，所述距离与外科医生18对所述一个或多个主控制输入件36、38的较大规模的操纵相匹配。主控制输入装置36、38可提供与其相关联的外科手术器械26相同的机械自由度，以为外科医生18提供远程呈现或主控制输入装置36与从外科手术器械26成一体的感知，从而使外科医生具有直接控制器械26的敏锐感觉。为此，可以采用位置、力和触觉反馈传感器(未显示)，以通过控制输入装置36、38将来自外科手术器械26的位置、力和触摸感觉传递到外科医生的手中，外科医生的手受制于通信延迟约束。基于在器械26处的力传感器(未示出)处检测到的力而调制的信号(可选地是光学的或电子的)可以由辅助单元推车24处的处理器处理，以在控制输入装置36处产生指示所检测到的力的触觉反馈。

图3是根据一些实施例的示例性微创远程操作外科手术系统10的操纵器单元22的透视图。操纵器单元22包括四个操纵器支撑结构72。每个操纵器支撑结构72包括端对端枢转地安装的铰接的支撑结构73和枢转地安装的支撑翼梁74。相应的外科手术器械滑架75(其包括用于控制器械运动的马达)安装在每个支撑翼梁74处。另外，每个操纵器支撑结构72能够可选地包括在铰接的支撑结构73的结合处以及在与翼梁74的结合处的一个或多个(例如，无动力的和/或可锁定的)装配接头。滑架75能够沿着翼梁74移动，以将滑架75定位在沿着翼梁74的不同位置处。因此，翼梁74能够用于将附接的外科手术器械滑架75相对于患者12定位以用于手术。每个外科手术器械26可拆卸地连接到滑架75。虽然操纵器单元22被示为包括四个操纵器支撑结构72，但是能够使用更多或更少的操纵器支撑结构72。通常，外科手术器械中的至少一个将包括视觉系统，其通常包括用于捕获视频图像的内窥镜相机器械以及用于显示所捕获的视频图像的、联接到滑架75之一的一个或多个视频显示器。

在一方面中，滑架75容纳多个远程操作致动器(例如马达(未示出))，其向包括驱动轴和绞盘(未示出)中的一个或多个的张紧构件(例如缆绳驱动元件)施加运动，该张紧构件又驱动缆绳运动，外科手术器械26将所述缆绳运动转换成外科手术器械26的末端执行器部分的各种移动。在一些实施例中，滑架75中的远程操作致动器将运动施加到外科手术器械26的各个部件，举例来说，例如末端执行器腕部移动或钳爪移动。

外科医生操纵主控制输入装置36、38以控制器械末端执行器。由外科医生或其他医务人员提供给控制输入装置36或38的输入(“主”命令)通过致动一个或多个远程马达由外科手术器械26转换为对应的动作(对应的“从”响应)。基于柔性线缆的力传递机构或诸如此类被用于将远程定位的远程操作马达中的每一个的运动传递到位于器械滑架75处的对接相应器械的致动器输出装置。在一些实施例中，机械适配器接口76将器械26机械地联接到器械滑架内的致动器443，以控制器械26内部的运动。外科手术器械26可以机械地联接到第一致动器(未示出)，第一致动器可以控制外科手术器械的第一运动，例如纵向(z轴)旋转。外科手术器械26可以机械地联接到第二致动器(未示出)，第二致动器可以控制外科手术器械的第二运动，例如平面二维(x,y)运动。外科手术器械26可以机械地联接到第三致动器，第三致动器可以控制外科手术器械的第三运动，举例来说，例如末端执行器的钳爪的打开和闭合。

图4是联接到滑架75的外科手术工具26的示意性侧视图。工具26包括细长中空圆柱形管状轴410，轴410具有远端部分450和近端部分456，远端部分450包括用于插入患者体腔中的末端执行器454，近端部分456被固定到近侧工具控制器440。该轴的内壁限定圆柱形中空孔。轴410包括在近侧部分和远侧部分之间的纵向中心轴线411(“轴中心轴线”)。如本文所使用的，术语“近(侧)”表示在外科手术工具上更靠近操纵器臂的位置，而术语“远(侧)”表示在外科手术工具上距操纵器臂更远的位置。近侧工具控制器440包括壳体441(被示为透明的，由虚线指示)，壳体441封装安装多个缆绳驱动元件460的后端底盘442，所述多个缆绳驱动元件460例如可以包括一个或多个绞盘和驱动轴，它们被配置为将由滑架75内的一个或多个致动器443施加的驱动力联接到在轴410内延伸的与该轴的轴线411平行对准的缆绳。根据一些实施例中，2018年11月15日提交的共同未决的美国临时专利申请第62/767,895号公开了驱动构件460，该专利的全部内容通过引用明确地并入本文。缆绳470在轴内、在驱动构件460和末端执行器454之间延伸。

末端执行器454可以包括功能上的机械自由度，例如，打开或闭合的钳爪或者沿着路径平移的刀或者可以沿x方向和y方向移动的腕部452。美国专利第6,394,998号示出具有多个机械自由度的末端执行器的示例。工具26的远侧部分450能够提供各种不同种类的末端执行器454中的任一个，例如钳子、针驱动器、烧灼装置、切割工具、成像装置(例如，内窥镜或超声探头)或诸如此类。

缆绳470可经操作地联接，使得缆绳的移动可以将运动施加到末端执行器454，举例来说，例如以打开或闭合钳爪、驱动腕部运动或操作其他远端执行器部件。因此，通过使在近侧工具控制器440的壳体441内的驱动构件460将控制力施加到在轴410内延伸、平行于该轴的轴线411的在驱动构件460和末端执行器454之间的缆绳470上，位于滑架75处的靠近轴410的近端部分456的致动器443(例如马达)控制在轴410的远端部分450处的末端执行器454的移动。

将竖直临床力与横向缆绳致动力解除联接

图5A-5B是表示可操作地联接到滑架75的近侧部分和传感器562的四连杆机构502的图解示意图。如图5A所示，连杆机构502处于中间位置，其中没有轴向力施加到轴410。如图5B所示，连杆机构502被位移，因为轴410处于轴向位移位置，其中轴向力F

传感器562能够被配置为偏转传感器，以测量由于轴向力F

更具体地，四连杆机构502包括上部第一侧连杆504、下部第二侧连杆506、端部第三框架连杆508和端部第四联接器连杆510，它们全部以双摇杆构造被联接在一起。工具滑架75的一部分或者可选地联接到滑架75的另一部件可以形成框架连杆508。而且，轴410的一部分或者可选地联接到轴410的另一部件可以形成联接器连杆510。在一些实施例中，四连杆机构502由诸如塑料、铝、钛、不锈钢的刚性材料或诸如碳填充塑料的复合材料形成。具有第一枢轴接头轴线513的第一枢轴接头512将第一侧连杆504的近侧第一端部部分504p枢转地联接到框架连杆508的近侧部分。具有第二枢轴接头轴线515的第二枢轴接头514将第二侧连杆506的近侧第一端部部分506p枢转地联接到框架连杆508的远侧部分。具有第三枢轴接头轴线517的第三枢轴接头516将第一侧连杆504的远侧第二端部部分504d枢转地联接到联接器连杆510的近侧部分。具有第四枢轴接头轴线519的第四枢轴接头518将第二侧连杆506的远侧第二端部部分506d枢转地联接到联接器连杆510的远侧部分。框架连杆相对于第一连杆、第二连杆和第四连杆在空间中具有固定位置，当轴410沿轴中心轴线411横向平移时，所述连杆相对于框架连杆移动。第一枢转轴线、第二枢转轴线、第三枢转轴线和第四枢转轴线彼此平行。

第一侧连杆504的在第一枢轴接头轴线513和第三枢轴接头轴线517之间的第一侧连杆长度(“侧面横向长度”或“S

中空轴410的近端部分固定在联接器连杆510的远侧部分处。因此，中空轴410(平行于该轴的轴线411)的竖直向上和竖直向下的轴向移动引起四连杆机构502的四个连杆504、506、508、510围绕四个枢轴接头512、514、516、518的旋转运动，这导致第一侧连杆504和第二侧连杆506的摇摆运动。更具体地，通过轴410的轴向移动而施加到联接器连杆510的运动使第一枢轴接头512和第三枢轴接头516引导第一侧连杆504的远侧第二端部部分504d的相应运动跟随轴440的轴向运动。同样地，通过轴440的轴向移动施加到联接器连杆510的运动使第二枢轴接头514和第四枢轴接头518引导第二侧连杆506的远侧第二端部部分506d的相应运动跟随轴440的轴向运动。在联接器连杆510的这种运动以及第一侧连杆504和第二侧连杆506的相应摇摆移动的整个过程中，第一侧连杆504和第二侧连杆506的纵向轴线504A、506A彼此平行地连续延伸，并且框架连杆508和联接器连杆510的纵向轴线508A、510A彼此平行地连续延伸。

第一组远侧瀑布式导向滑轮520W和第二组远侧瀑布式导向滑轮522W可旋转地安装到联接器连杆510。相应的第一组近侧后端转向导向滑轮530S和第二组近侧后端转向导向滑轮532S可旋转地安装到框架连杆508。在示例四连杆机构组件502中，瀑布式导向滑轮520W、522W和转向滑轮530S、532S布置成彼此垂直旋转。每个瀑布式滑轮520W、522W具有平行于四连杆机构枢轴接头的轴线延伸的瀑布式滑轮旋转轴线521、523。每个转向导向滑轮530S、532S具有垂直于瀑布式滑轮轴线并且平行于框架508的轴线508A延伸的转向导向滑轮旋转轴线531、533。相应的第一组缆绳驱动构件540D和第二组缆绳驱动构件542D分别利用垂直于瀑布式滑轮轴线521、523延伸的旋转轴线541、543被可旋转地安装到框架连杆508。将理解的是，一旦缆绳离开四连杆机构，可以使用其他执行器沿不同方向(未示出)驱动所述缆绳。为了简化附图和说明，仅示出每组中的一个瀑布式导向滑轮、一个转向导向滑轮和一个驱动构件。将理解的是，为了方便起见，术语“瀑布式”用于表示位于联接器连杆510处的远侧导向滑轮的位置以及缆绳如何绕远侧导向滑轮传送并进入轴。此外，将理解的是，为了方便起见，术语“转向”用于表示位于框架连杆508处的近侧导向滑轮的位置，并且如上所述，这些近侧导向滑轮上的缆绳能够用于末端执行器致动。

如图所示，第一组瀑布式导向滑轮520W和第二组瀑布式导向滑轮522W的旋转中心轴线521、523位于在第三枢轴接头516和第四枢轴接头518之间的联接器连杆510处。第一组瀑布式滑轮520W和第二组瀑布式滑轮522W的旋转中心轴线521、523彼此竖直地偏离滑轮竖直偏离量P

同样如图所示，第一组瀑布式滑轮520W和第二组瀑布式滑轮522W的旋转中心轴线521、523彼此横向偏离滑轮横向偏离量P

第一组后端转向导向滑轮530S和第二组后端转向导向滑轮532S在彼此竖直地偏离滑轮竖直偏离量P

多根缆绳550、552在中空轴410内平行于轴的轴线411延伸。缆绳550、552中的每一根在近端处被锚固至相应的缆绳驱动构件540D、542D并且在远端处被锚固至末端执行器454。缆绳550、552中的每一根接合相应的转向滑轮530S、532S和相应的瀑布式滑轮520W、522W。在一些实施例中，举例来说，缆绳由诸如不锈钢、钛或钨的材料或诸如聚乙烯或聚苯并恶唑(PBO)的合成材料形成。更具体地，每根缆绳550S、552S包括缠绕在其相关联的转向滑轮530S、532S的周边接合表面上的缆绳部分，并且每根缆绳缠绕在其相关联的在联接连杆510处的瀑布式滑轮520W、522W的周向接合表面上。因此，每根缆绳550S、552S分别在缆绳的相关联的转向滑轮530S、532S的相应轴线531、533与缆绳的相关联的瀑布式滑轮520W、522W的相应轴线521、523之间延伸。为了简化附图和说明，仅示出两根缆绳550、552，但是在一些实施例中，可以使用四根、六根或多于六根缆绳。

第一组瀑布式滑轮520W和第二组瀑布式滑轮522W以及第一组转向滑轮530S和第二组转向滑轮532S被配置为当四连杆机构在中间位置处于静止时以及当四连杆机构在其摇摆运动中位移时这两种情况下均保持多根缆绳550、552中的每一根平行于第一侧连杆504和第二侧连杆506对准。根据一些实施例，用0.5-5lbf的力预张紧第一缆绳550和第二缆绳552。第一缆绳550的中间缆绳段具有在第一组瀑布式滑轮520W的中心轴线521与第一组转向滑轮530S的中心轴线531之间的与侧面横向长度匹配的长度。同样地，第二缆绳552的中间缆绳段具有在第二组瀑布式滑轮522W的中心轴线523与第二组转向滑轮532S的中心轴线533之间的与侧面横向长度匹配的长度。第一组转向滑轮530S和第二组转向滑轮532S可旋转地安装在框架连杆508处的位置处，并且第一组瀑布式滑轮520W和第二组瀑布式滑轮522W可旋转地安装在联接连杆510处的位置处，使得当四连杆机构502处于静止时并且当四连杆机构502随着轴410竖直移动而经历摇摆运动时，这些转向滑轮和瀑布式滑轮导向第一缆绳550和第二缆绳552的中间缆绳段以平行于第一侧连杆504和第二侧连杆506延伸。因此，举例来说，即使在第一侧连杆504和第二侧连杆506响应于轴440的竖直运动而摇摆期间，第一缆绳550和第二缆绳552的中间缆绳段持续平行于第一侧连杆504和第二侧连杆506延伸。

挠性梁560包括远侧第一端部部分560d和近侧第二端部部分560p。挠性梁的远侧第一端部部分560d联接到第二侧连杆506的近侧第一端部部分506p。挠性梁的近侧第二端部部分560p可操作地联接到传感器562。更具体地，挠性梁560被可操作地联接以将连杆力F

在一些实施例中，挠性梁560可选地由诸如铝、不锈钢或钛的材料形成，或者其可选地由诸如碳填充塑料的复合材料形成。挠性梁560被配置为在平行于轴410的轴中心轴线411的方向上具有比四连杆机构502的连杆机构的弯曲刚度小的弯曲刚度。四连杆机构502的连杆机构具有足够高的弯曲刚度，使得它们不会响应于缆绳驱动构件540D、542D施加的缆绳力而弯曲。同样地，四连杆机构502的连杆具有足够高的弯曲刚度，使得它们在响应于轴410的轴向运动而正常摇摆运动期间不会弯曲。器械轴410的插入刚度在5-50N/mm的范围内。在一些实施例中，总缆绳力可以在约100lbf的范围内。相比之下，挠性梁560的弯曲刚度足够小，以在四连杆机构502响应于轴410的轴向运动而正常摇摆运动期间挠曲。更具体地，在一些实施例中，挠性梁560具有足够低的弯曲刚度，以响应于在轴410的轴向运动期间施加到联接器连杆510的某些轴力而挠性地弯曲，而不会遭受诸如断裂之类的损坏。在一些实施例中，举例来说，轴力是由轴向临床力引起，轴向临床力由于末端执行器接触解剖组织而被施加到在轴410的远端部分处的末端执行器454。在一些实施例中，这样的临床力可以在约20N的范围内。

将瀑布式滑轮520W、522W和转向滑轮530S、532S配置为始终(包括在四连杆机构502的整个摇摆运动中)保持中间缆绳段与第一侧连杆机构504和第二侧连杆机构506的纵向轴线504A、506A平行对准使四连杆机构502处的缆绳力与由于轴410的运动而施加在四连杆机构502处的力解除联接。沿平行于第一侧连杆504和第二侧连杆506的纵向轴线504A、506A的方向将较大的缆绳力施加到中间缆绳段。可以沿垂直于第一侧连杆504和第二侧连杆506的纵向轴线504A、506A的方向将施加到轴的小得多的临床力施加到联接器连杆510。因此，驱动末端执行器454且被施加到四连杆机构502的作用在缆绳550、552上的缆绳力F

图5C是示出包括差分同轴线圈感应位移传感器552和弹簧力传感器554的替代示例四连杆机构的图解示意图。在各个实施例中，双线圈距离位移力传感器552可以结合挠曲件554使用，以测量施加在器械轴410上的轴向力。轴向方向被看做是平行于中心轴线411的方向。示例位移传感器552包括传感器轴558、近侧环形线圈560和远侧环形线圈562。近侧线圈和远侧线圈位于固定位置处并与传感器轴558同轴对准。传感器轴558以及近侧线圈560和远侧线圈562布置成允许传感器轴558在插入到线圈560、562内时轴向移动。磁性材料结构566位于传感器轴558上，传感器轴558被固定到工具轴410，使得工具轴410和传感器轴558轴向一致地移动。施加到在工具轴410的远端处的末端执行器454的使工具轴410轴向位移的轴向方向力导致作用在传感器轴558上的相应轴向力以及传感器轴558的位移。

当“处于静止”时，在没有轴向方向力被施加在工具轴410上的情况下，传感器轴558可以轴向定位，使得磁性材料结构566部分地位于环形近侧线圈560和环形远侧线圈562中的每一个内。在没有轴向方向力被施加在工具轴410上的情况下，磁性材料结构566的相等部分可以位于线圈560、562中的每一个内。每个线圈可以联接到独立LC电路(未示出)中，其中线圈用作电感器(L)并且其中电感随包含在相应线圈中的磁性材料的量而变化。每个电路的谐振频率随相应电路的电感的改变而变化。

当轴向力引起工具轴410和传感器轴558的轴向移动时，在近侧线圈560和远侧线圈560中的每一个内的磁性材料结构566的比例改变。所述线圈中的一个的电感增大，而另一个的电感减小。结果，近侧线圈560和远侧线圈562具有不匹配的电感值。独立LC电路用于测量线圈的电感差异，这提供了传感器轴558的轴向位移距离的指示。

挠曲件554具有固定到下部第二侧连杆506的近端部分的一部分并且具有固定到框架连杆508的相反端部。挠曲件554具有已知刚度，该刚度能够用于基于挠曲件的位移来施加力。基于对近侧线圈560和远侧线圈562的电感值的测量结果的传感器轴558的位移测量用于确定传感器轴位移距离。感应线圈560、562可用于测量轴位移。挠曲件554可用于测量相应的轴向力；挠曲件具有已知刚度，并且挠曲件位移的量表示施加到末端执行器并由侧连杆506传递到挠曲件554的轴向力的大小。因此，可以将轴位移校准为挠曲件位移，并且挠曲件刚度可用于确定对应于轴位移的轴向力。在2019年9月17日提交的美国专利申请第62/901,729号中提供了使用与弹簧力传感器一起使用的差分同轴感应位移传感器进行力测量的示例，该专利申请的全部内容通过引用明确地并入本文。

图6A-6C是四连杆机构602的实施例的图解侧视图，其中后端底盘442和轴组件601经联接以分别用作框架连杆和联接器连杆。如上所述，近侧工具控制器440包括后端底盘442。图6A示出在中间位置的四连杆机构602，其中上侧杆604和下侧杆606水平对准。图6B示出，当轴410设置在轴向下部位置时，上侧杆604和下侧杆606稍微向下旋转。图6C示出，当轴设置在轴向竖直较高位置时，上侧杆604和下侧杆606稍微向上旋转。

四连杆机构包括上部第一连杆604和下部第二侧连杆606、框架连杆608、联接器连杆610。后端底盘442充当框架连杆608。轴组件601充当联接器连杆610。省略了瀑布式滑轮和转向滑轮，以简化附图并避免隐藏四连杆机构602的细节。

上部第一侧连杆604的近端部分在第一枢轴接头612处可旋转地联接到框架连杆608。下部第二侧连杆506的近端部分在第二枢轴接头614处可旋转地联接到框架连杆608。上部第一侧连杆604的远端部分在第三枢轴接头616处可旋转地联接至框架连杆610。下部第二侧连杆606的远端部分在第四枢轴接头616处可旋转地联接至框架连杆610。沿着上部第一侧连杆的在第一枢轴接头和第三枢轴接头之间的侧面横向长度(S

第一瀑布式滑轮安装座626和第二瀑布式滑轮安装座628设置在联接器连杆610处，以围绕平行于第一至第四枢轴接头612-618的旋转轴线延伸的第一和第二瀑布式滑轮轴线安装第一和第二组瀑布式滑轮(未示出)。第一瀑布式滑轮安装座626和第二瀑布式滑轮安装座628彼此横向偏离滑轮横向偏离量P

挠性梁660被固定不动地固定以与第二侧连杆606一致地围绕第二枢轴接头614旋转。更具体地，挠性梁的远端部分660d联接到下部第二侧连杆606的远端部分，而近端部分可操作地联接到传感器662。轴组件沿箭头“U”的方向的向上运动引起挠性梁660的近端部分660p沿箭头“D”的方向的向下运动。为了简化附图，在图6B-6C中未示出挠性梁和传感器。

图7是图6A-6C的传感器662的实施例的图解侧视截面图。在一些实施例中，传感器是膜片力传感器，其包括薄的环形的基本平面的膜片702和设置为向膜片702施加垂直力的直立传感器梁704。膜片702包括逆向面向的平面的第一表面706和第二表面708。应变仪710设置在第二表面708上。挠性梁660的近端部分660p经可操作地联接，以响应于下部第二侧连杆606围绕第二枢轴接头614的旋转而向直立传感器梁704施加垂直连杆力F

图8是图解简化俯视图，其示出根据一些实施例的安装到图6A-6C的四连杆机构实施例的转向导向滑轮730S、732S、瀑布式导向滑轮720W、7222W和缆绳驱动元件850的布局。省略或简化了各种细节，以免模糊滑轮的布局。第一组转向滑轮730S和第二组转向滑轮732S可旋转地安装到充当框架连杆608的底盘442。第一组瀑布式滑轮720W和第二组瀑布式滑轮722W安装到充当联接器连杆610的轴组件(未示出)。在一些实施例中，缆绳驱动元件850可包括安装到底盘442上的绞盘，其充当缆绳驱动元件850。第一组转向滑轮730A和第二组转向滑轮732A的旋转轴线横向偏离并垂直于第一组瀑布式滑轮720W和第二组瀑布式滑轮722W的旋转轴线。第一组转向滑轮730S的旋转轴线和第一组瀑布式滑轮720W的旋转轴线之间的横向偏离为第一枢轴接头612和第三枢接接头616之间的侧面横向长度(S

图9是图解局部透视图，其示出图8的第一组转向导向滑轮730S和第二组转向导向滑轮732S以及第一组瀑布式导向滑轮720W和第二组瀑布式导向滑轮722W的布置。转向滑轮730S、732S的旋转轴线垂直于瀑布式滑轮720W、722W的旋转轴线。转向滑轮730S、732S用于将可操作地联接到驱动元件(未示出)的缆绳852导向至相关联的瀑布式滑轮720W、722W，所述滑轮将缆绳852导向成与轴(未示出)轴向对准。

图10是图6A-6C的下部第二侧连杆606以及挠性梁660和传感器662组件的第一实施例的图解透视图。侧连杆606的远端部分606d包括远侧叉头1010，其具有面向内的枢轴接头销1011，用于枢转地安装轴(未示出)。侧连杆606的近端部分606p包括近侧叉头1012，其具有面向外的枢轴接头销1013，用于可旋转地安装在上述第二枢轴接头614处。挠性梁660包括第一刚性臂1020和第二刚性臂1022，每个臂分别具有联接到远侧叉头1012的臂中的不同的一个臂的远端。挠性梁660包括横梁1024，横梁1024整体地固定到第一臂1020和第二臂1022的相应近端。第一臂1020和第二臂1022具有矩形横截面。横梁1024可操作地联接到固定的直立传感器梁704。在一些实施例中，沿着直立传感器梁704的轴线的轴向刚度基于挠性梁660的弯曲刚度、传感器膜片702的刚度和挠性梁660的长度来确定。在一些实施例中，挠性梁660和膜片702可以被配置为提供沿着直立梁704的轴线的轴向刚度，使得器械沿着轴线411的有效刚度以这种方式被调节，即，使得其在存在力反馈的情况下改善器械的远程操作的稳定性。对于设计具有力反馈和控件的系统远程操作的本领域技术人员而言，当与环境相互作用时，末端执行器的有效刚度对系统稳定性的影响将显而易见。这种配置提供了沿着轴线411调节刚度的能力，而不会损害将缆绳力与施加在末端执行器454上的力F

图11是图6A-6C的下部第二侧连杆606以及挠性梁660和传感器662组件的第二实施例的图解局部透视图。挠性梁具有平面轮廓并且被安装成使得挠性梁的平面穿过第二枢轴接头轴线515。挠性梁具有与第二枢轴接头轴线共线的横向轴线1015并具有纵向轴线(未示出)，当挠性梁处于静止位置时，纵向轴线与第二侧连杆纵向轴线506A对准，使得当近侧工具控制器440的竖直运动引起柱704的最小左右偏转时。膜片传感器662被设计为测量704在竖直方向上的偏转，因此就膜片传感器必须拒绝的侧向偏转/负载的大小而言，使704的左右偏转最小化是有利的。此实施例示出实现该对准并降低零件和可制造性的复杂性的替代方式。

图12是图6A-6C的下部第二侧连杆606以及挠性梁660和传感器662组件的第三实施例的图解透视图。第一刚性臂1020和第二刚性臂1022具有圆形横截面。第三实施例具有与上述第二实施例相同的优点。

呈现以上描述以使本领域的任何技术人员能够创建和使用具有轴的外科手术工具，该轴具有从工具控制器悬吊下来的近端部分并且具有固定到其远端部分的末端执行器。轴在工具控制器处被可枢转地固定到四连杆机构结构，以引导被施加到在轴内延伸的在工具控制器和末端执行器之间的缆绳的缆绳力，同时将缆绳力与由于轴和解剖组织之间的接触而施加到轴的临床轴向力解除联接。对实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。

根据本文的描述，可以看出，执行四连杆机构功能的任何机械装置都能够代替四连杆机构。例如，可以使用在底盘和轴之间的抵抗缆绳力的单个摇摆连杆，只要该轴被约束为沿轴中心轴线移动并且只要缆绳长度不随轴相对于工具底盘移动而改变即可。

而且，根据本文中的描述，可以看出，可以使用其他可选的弹簧布置来在近侧方向、远侧方向或者在近侧方向及远侧方向上沿着轴中心轴线411在轴410上提供必要的竖直弹性力。例如，一个或多个弹簧可以直接联接到轴，使得轴被保持在中间位置并且期望的近侧、远侧或近侧及远侧弹性力被施加到轴。

而且，进一步根据本文的描述，可以看出，力传感器可以相对于四连杆机构(或其等同物)的侧连杆处于各种位置。例如，如本文所述，底部侧连杆和力传感器梁一起充当1级杠杆，但是在可选实施例中，它们可以被定位为2级杠杆。而且，在其他可选实施例中，力传感器梁可以联接到四连杆机构的顶部侧连杆。

而且，进一步根据本文的描述，可以看出，缆绳可以可选地由绞盘之外的驱动器输入件来驱动。例如，可选的线性驱动构件可以联接到缆绳的近端，并且此类线性驱动构件可以由导螺杆驱动或与对应的线性致动器直接接合。

在前面的描述中，出于解释的目的阐述了许多细节。然而，本领域普通技术人员将意识到，可以在不使用这些具体细节的情况下实践本公开中的实施例。在其他情况下，以框图形式示出公知的过程，以免不必要的细节使本发明的描述不清楚。相同附图标记可用于表示不同附图中相同或类似物件的不同视图。因此，根据本发明的实施例的前述描述和附图仅是对本发明原理的说明。因此，将理解，在不背离由随附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对实施例进行各种修改。