[发明专利]多关节医疗器械的致动中的张力控制

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微创医疗程序通常采用借助于计算机或通过计算机接口控制的器械。例如，图1示出具有被简化以用于图示一些当前自动控制的医疗器械的基本工作原理的结构的自动控制器械100。（本文中使用的术语“机器人”或“自动”等包括遥控操作装置或遥控机器人方面。）器械100包括在细长轴或主管120远端处的工具或末端执行器110。在图示的示例中，末端执行器110是颚式工具，诸如具有分离的夹片112和114的钳子或剪刀，并且至少夹片112可移动从而相对于夹片114打开或闭合。在医疗程序期间的使用中，主管120远端上的末端执行器110可以通过病人身体中的小切口插入并且定位在病人身体内的工作部位。然后，例如，在执行手术任务期间，夹片112可以打开和闭合，因此必须进行精确控制夹片以便仅执行期望的移动。除了打开和闭合夹片112和114之外，实际医疗器械一般将需要许多运动自由度，以便执行医疗程序。

主管120的近端附连至传动或驱动机构130，传动或驱动机构有时被称为后端机构130。腱122和124，可以是多股绞线、杆、管或这种结构的组合，其从后端机构130延伸通过主管120并附连至末端执行器110。典型的手术器械还将包括将后端机构130连接到末端执行器110的其他致动构件、腕机构（未示出）或主管120中的致动椎骨的额外的腱，以便后端机构130可以操纵腱以操作器械100的末端执行器110和/或其他致动元件。图1示出了具有提供夹片112的单运动自由度的枢接结构116的夹片112。两个键122和124附连至夹片112和后端机构130中的滑轮132，以便滑轮132的转动引起夹片112转动。

滑轮132附连至驱动马达140，驱动马达可以位于机械臂（未示出）的末端，控制系统150电控制驱动马达140。控制系统150一般包括计算系统以及适当的软件、固件和外围硬件。除了其他功能，控制系统150一般还为外科医生或其他系统操作人员提供工作部位和末端执行器110的图像（例如，立体视图），并且提供控制装置或操纵器，外科医生可以操作控制装置或操纵器来控制末端执行器110的移动。用于解释控制装置的用户操纵和生成引起夹片112的对应移动的马达信号所需的软件或固件在实际机器人医疗器械中一般是复杂的。为了考虑控制任务的一部分，用于驱动马达140的控制信号的生成一般利用夹片112的角度或位置与驱动马达140或后端机构130中的滑轮132的角度或位置之间的关系。如果腱122和124是刚性的（例如，如果腱的拉伸可以忽略不计），则控制系统150在确定按照外科医生的指示移动夹片112所需的控制信号时，可以利用驱动马达140的角位置与夹片112的角位置之间的直接关系，其由器械100的几何结构限定。腱122和124例如在工作负载下的微小拉伸可以通过马达位置和执行器位置相关的某些数学模型处理。然而，如果包括末端执行器110、腱122和124以及后端机构130的机械结构具有高度的柔度，那么马达140（或滑轮132）的角位置与夹片112的角位置之间的关系很难或不可能以足够准确度对医疗器械建模。因此，这些系统需要不依赖于应用的致动器控制信号和致动元件的位置之间的固定关系的控制过程。

应当注意，在下面，医疗器械的关节可以是枢接结构或者是为器械尖端提供一个或多个运动自由度的结构。例如，关节可以是连续挠性部段或者是近似连续挠性部段的枢转关节或不完全旋转但也提供滚动接合的单个旋转关节的组合。例如参见Cooper等人的标题为“Flexible Wrist for Surgical Tool”的美国专利US7,320,700和Cooper等人的标题为“Surgical Tool Having a Positively Positionable Tendon-Actuated Multi-disk Wrist Joint”的美国专利US6,817,974。

还应当注意，在医疗机器人器械控制的领域的状态中，致动器位置是伺服控制的，从而产生期望的器械尖端运动或定位。实际上只要致动器和器械关节之间的传动系统是刚性的，这种方法就是有效的。例如参见标题为“Camera Referenced Control in a Minimally Invasive Surgical Apparatus”的美国专利US6,424,885。如果可以准确地建模传动系统的挠性，该方法也可以是有效的，模型包括在控制器中，这在Barbagli等人的标题为“Robotic Instrument Control System”的美国专利申请No.2009/0012533A1中进行描述。

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