磁锚定机器人系统

摘要

一种机器人致动器，所述机器人致动器包括内部锚定器和器械。内部锚定器适用于经由入口端口被插入到身体中，定位在身体内，并且与定位在身体外的外部锚定器磁耦合。器械适用于经由入口端口被插入到身体中，并且被固定到内部锚定器。所述器械包括端部执行器以及多个致动器，端部执行器具有通过多个轴的多个运动度，多个致动器提供所述多个运动度。手术系统包括操纵器、可植入致动器以及控制器。操纵器包括多个集成的传感器/致动器。传感器/致动器的传感器适用于检测围绕多个运动轴的运动。可植入致动器包括提供多个运动轴的多个关节。控制器被配置来接收来自多个传感器/致动器的指示操纵器围绕多个轴的运动的信息，并且被配置来使得致动器的关节沿着对应运动轴运动。操纵器的每个传感器/致动器检测围绕对应于所述致动器的关节中的类似一个的运动轴的运动。

权利要求

1.一种机器人致动器，所述机器人致动器包括：

内部锚定器，所述内部锚定器适用于经由入口端口被插入到身体中，定位在身体内，并且与定位在身体外的外部锚定器磁耦合；以及器械，所述器械适用于经由所述入口端口被插入到身体中，其中所述器械被固定到所述内部锚定器，所述器械包括：端部执行器，当被固定到所述内部锚定器时所述端部执行器自身具有通过多个轴的多个运动度，以及分布在所述器械上的多个致动器，所述多个致动器用于提供所述端部执行器关于至少一个多轴机器人关节的所述多个运动度，并且其中所述多个致动器包括：第一致动器，所述第一致动器提供相对于所述内部锚定器围绕所述器械的轴的运动，第二致动器，所述第二致动器提供相对于所述器械的本体围绕所述端部执行器的轴的运动，以及第三致动器，所述第三致动器提供围绕所述器械的所述本体的延伸/回缩的轴的运动。

2.如权利要求1所述的机器人致动器，其中所述多个致动器每个具有定向于相同方向的旋转轴。

3.如权利要求2所述的机器人致动器，其中所述多个致动器沿着所述旋转轴分布。

4.如权利要求3所述的机器人致动器，其中所述第一致动器邻近内部锚定器，所述第二致动器邻近所述端部执行器，并且所述第三致动器设置在所述第一致动器和第二致动器之间。

5.如权利要求1所述的机器人致动器，还包括第四致动器，所述第四致动器提供相对于所述内部锚定器围绕所述器械的第二轴的运动。

6.如权利要求5所述的机器人致动器，其中所述第一和第四致动器彼此相邻。

7.如权利要求5所述的机器人致动器，还包括第五致动器，所述第五致动器提供相对于所述器械的所述本体围绕所述端部执行器的第二轴的运动。

8.如权利要求7所述的机器人致动器，还包括第六致动器，所述第六致动器提供相对于所述器械的所述本体围绕所述端部执行器的第三轴的运动。

9.如权利要求8所述的机器人致动器，其中所述第二、第五和第六致动器彼此相邻。

10.如权利要求8所述的机器人致动器，其中

所述第六致动器耦合到锥齿轮，并且

所述第二和第五致动器每个耦合到蜗轮。

11.如权利要求1所述的机器人致动器，还包括耦合在所述第二致动器和所述端部执行器之间的机械元件，所述机械元件提供减速或力倍增到所述第二致动器。

12.如权利要求11所述的机器人致动器，其中所述机械元件为行星齿轮。

13.如权利要求11所述的机器人致动器，还包括耦合在所述机械元件和所述端部执行器之间的滑轮。

14.如权利要求13所述的机器人致动器，还包括耦合在所述滑轮和所述端部执行器之间的第二机械元件，所述第二机械元件具有齿轮传动比，所述齿轮传动比增加由所述第二致动器施加到所述端部执行器的转矩。

15.如权利要求1所述的机器人致动器，其中所述第三致动器耦合到螺纹杆，所述螺纹杆在其上接合有承载件，当所述第三致动器输出旋转时，所述承载件沿所述螺纹杆行进。

16.如权利要求15所述的机器人致动器，其中所述第三致动器包括一个或更多个线性致动器。

17.如权利要求1所述的机器人致动器，其中所述第一致动器耦合到蜗轮。

18.如权利要求17所述的机器人致动器，其中所述蜗轮耦合到齿轮。

19.如权利要求18所述的机器人致动器，其中所述蜗轮和所述齿轮通过大约90度相交耦合。

20.如权利要求1所述的机器人致动器，其中所述机器人致动器基本上为圆柱形的形状。

21.如权利要求20所述的机器人致动器，其中圆柱的直径为21mm或更少。

22.如权利要求21所述的机器人致动器，其中所述圆柱的长度为200mm或更少。

23.如权利要求1所述的机器人致动器，其中所述器械和所述内部锚定器适用于在通过所述入口端口插入身体之前被耦合在一起。

24.如权利要求23所述的机器人致动器，其中所述器械在通过所述入口端口插入身体之前被固定到所述内部锚定器。

25.如权利要求1所述的机器人致动器，还包括电路板。

26.如权利要求25所述的机器人致动器，其中所述电路板包括驱动电路。

27.如权利要求25所述的机器人致动器，其中所述电路板包括网络接口。

28.如权利要求25所述的机器人致动器，其中所述电路板是柔性的。

29.如权利要求25所述的机器人致动器，其中所述电路板邻近所述器械的壳体的内壁设置。

说明书

磁锚定机器人系统

[0001] 相关申请的交叉引用：本申请要求2012年4月26日递交的、序号为No.61/638,828的美国临时申请和2012年10月25日递交的、序号为No.61/718,252的美国临时申请的优先权，这些申请中的每个特此通过引用被整体并入本文。本申请涉及2013年3月15日递交的、序号为No.13/835,653的美国申请和2013年3月15日递交的、序号为No.13/835,680的美国申请。

背景技术

[0002] 外科医生传统上依赖于来自手术室光照的外部照明和足够的暴露来获得良好的手术视野。这通常需要大的切口（尤其是如果外科医生的手比较大的话）来提供用于进行手术的进入通路。现代内窥镜中的光纤的引入使得外科医生可以在体腔内部的良好照明下清楚地查看，而不必切开大切口。微创手术（MIS）现在已取代了大多数常规的开放性外科手术。计算机辅助技术或者机器人技术进一步推动了MIS的发展，因为机器人机器的计算机传感器能够可靠地且灵敏地将外科医生的手指和手腕的运动转变为体腔内部的从动腹腔镜器械的运动。这些发展允许在小的密闭空间中对用于精细重建性手术的手术器械进行良好的灵巧性和精度控制。

[0003] 然而，MIS方法需要多个切口来插入摄像机和各种腹腔镜器械。过去几年里，单孔腹腔镜（LESS）手术技术已变为可以使用，但是这些极大地受到摄像机与工作器械之间缺乏适当的三角剖分的影响，摄像机与工作器械之间的适当的三角剖分对于良好的手术人体工学（因此，手术的简易性和成功）是重要的。

[0004] 经自然腔道内镜手术（NOTES）是开腹手术的替代方案，NOTES使用内窥镜技术，以完全避免对外部腹壁切口的需要。理论上，NOTES通过使进入创伤和与外部切口相关联的各种并发症（包括伤口感染、疼痛、疝形成、难看的腹部疤痕和粘连）最小来提供益处。

[0005] 然而，NOTES方法受到大量缺点的影响，包括手术器械的适当的三角剖分的不足（因此，工作中人体工学不佳）、不能施加离轴力以及难以将多个器械传递到腹腔中以进行适当的手术操纵。

发明内容

[0006] 在实施方案中，机器人致动器包括内部锚定器和器械。内部锚定器适用于经由入口端口被插入到身体中，定位在身体内，并且与定位在身体外的外部锚定器磁耦合。器械适用于经由入口端口被插入到身体中，并且被固定到内部锚定器。所述器械包括端部执行器以及多个致动器，所述端部执行器具有通过多个轴的多个运动度，所述多个致动器提供所述多个运动度。

[0007] 在实施方案中，手术系统包括操纵器、可植入致动器以及控制器。操纵器包括多个集成的传感器/致动器。传感器/致动器的传感器适用于检测围绕多个运动轴的运动。传感器/致动器的致动器适用于提供触觉反馈。可植入致动器包括提供多个运动轴的多个关节。控制器被配置来接收来自多个传感器/致动器的指示操纵器围绕多个轴的运动的信息，并且被配置来使得致动器的关节沿着对应运动轴运动。操纵器的每个传感器/致动器检测围绕对应于致动器的关节中的类似一个（similar one）的运动轴的运动。

[0008] 在另一实施方案中，用于手术系统的操作者界面包括操纵器和控制器。操纵器包括多个集成的传感器/致动器，所述传感器/致动器检测围绕多个运动轴的运动。运动轴每个对应于可植入致动器的关节的相应运动轴。控制器被配置来接收来自所述多个传感器/致动器的指示所述操纵器围绕所述多个轴的运动的信息，并且被配置来使得所述致动器的所述关节沿着对应运动轴运动。所述操纵器的每个传感器检测围绕对应于所述致动器的关节中的类似一个的运动轴的运动。

[0009] 在另一实施方案中，方法包括：提供具有多个传感器/致动器的操纵器，所述多个传感器/致动器检测围绕多个运动轴的运动；使用所述传感器/致动器的传感器中的一个检测围绕对应的运动轴的运动；以及围绕对应于由所述传感器检测的运动轴的运动轴移动可植入致动器的至少一部分。

附图说明

[0010] 图1是示例性手术机器人系统的一般性示意图。

[0011] 图1A和图1B是示例性人机界面的前视图。

[0012] 图2A和图2B是示例性入口端口的立体视图。

[0013] 图3是示例性外科医生控制台的立体视图。

[0014] 图4A是示例性外科医生控制台的侧视图。

[0015] 图4B是示例性外科医生操纵器的侧视图。

[0016] 图4C是示例性微型机器人操纵器的侧视图。

[0017] 图4D是示例性外科医生操纵器的立体视图。

[0018] 图4E是图4D的示例性外科医生操纵器在延伸位置的立体视图。

[0019] 图4F是图4D的示例性外科医生操纵器的分解视图。

[0020] 图4G是示例性外科医生控制台的侧视图。

[0021] 图5是示例性病人检查台（patient table）的侧视图。

[0022] 图6A和图6B是示出示例性微形机器人操纵器的7轴运动的侧视图。

[0023] 图7A和图7B是示出示例性微型机器人操纵器的7轴运动的侧视图。

[0024] 图8A是微型机器人操纵器的示例性可折叠围板的端视图，图8B是该示例性可折叠围板的侧视图。

[0025] 图9是示出示例性2D微型机器人摄像机的2轴运动的侧视图。

[0026] 图10是示出示例性2D微型机器人摄像机的2轴运动的侧视图。

[0027] 图11A是微型机器人2D摄像机的示例性可折叠围板的端视图，图11B是该示例性可折叠围板的侧视图。

[0028] 图12是示出示例性3D微型机器人摄像机的2轴运动的侧视图。

[0029] 图13是示出示例性3D微型机器人摄像机的2轴运动的侧视图。

[0030] 图14A是微型机器人3D摄像机的示例性可折叠围板的端视图，图14B是该示例性可折叠围板的侧视图。

[0031] 图15是示例性3D微型机器人摄像机的立体视图。

[0032] 图16A是处于折叠结构的示例性微型机器人致动器的端视图。

[0033] 图16B是处于折叠结构的示例性微型机器人致动器的侧视图。

[0034] 图16C是处于展开结构的示例性微型机器人致动器的端视图。

[0035] 图16D是处于展开结构的示例性微型机器人致动器的侧视图。

[0036] 图17是处于折叠态的示例性微型机器人致动器的立体视图。

[0037] 图18是在壳体被移除的情况下处于折叠态的示例性微型机器人致动器的立体视图。

[0038] 图19是示例性微型机器人致动器的分解视图。

[0039] 图20是示例性端部执行器的分解视图。

[0040] 图21是处于展开态的示例性微型机器人致动器的立体视图。

[0041] 图22是在壳体被移除的情况下处于展开态的示例性微型机器人致动器的立体视图。

[0042] 图23是示例性微型机器人操纵器在体内环境下的侧视图。

[0043] 图24A和图24B是示例性微型机器人操纵器在体内环境下的侧视图。

[0044] 图25是包括细金属丝的示例性手术机器人系统的示意图。

[0045] 图26A和图26B是示例性人机界面的前视图。

[0046] 图27是示出插入示例性细金属丝的侧视图。

[0047] 图28是示出将示例性细金属丝锁固到小型机器人的侧视图。

[0048] 图29是示出细金属丝的拉紧力的示例的侧视图。

[0049] 图30是示出在有细金属丝的情况下微型机器人操纵器向左边的示例性X-Y运动的侧视图。

[0050] 图31是示出在有细金属丝的情况下微型机器人操纵器向右边的示例性X-Y运动的侧视图。

[0051] 图32是示出在没有细金属丝的情况下微型机器人操纵器向左边的示例性X-Y运动的侧视图。

[0052] 图33是示出在没有细金属丝的情况下微型机器人操纵器向右边的示例性X-Y运动的侧视图。

[0053] 图34是示例性腹内机械框架的侧视图。

具体实施方式

[0054] 磁锚定的机器人系统（MRS）允许使用多个独立的体内小型机器人进行计算机辅助的微创手术，所述小型机器人可以具有在不同轴上运动的全部七个自由度（注意的是，除了以下讨论的小型机器人的运动自由度之外，还有两个自由度可以通过沿着腹壁平移小型机器人而为可获得的）。腹内手术可以在外科医生通过外部计算机控制台的远程控制下、在体内转动摄像机的监控下进行。小型机器人器械、摄像机和其他装置中的每个可以经由单个切口（例如，通过脐）或者通过自然腔道被插入到腹腔中，并且可以被腹壁外的、选定地点处的外部电磁锚定和定位装置固定到位，以提供手术人体工学以及摄像机与器械之间的三角剖分。根据病人的情况和病情，腹腔内的这样的小型机器人系统的控制可以例如经由有线通信或者有线通信和无线通信的混合组合。在一些布置中，电力将通过一对导体传送到小型机器人器械（执行器），而电力的控制信号可以通过有线或者无线地传送。

[0055] 摄像机以及所有腹腔镜器械可以通过单个切口或者通过自然腔道被插入到腹腔中。腹腔镜器械然后可以通过置于腹壁外的外部电磁体被锚定和定位。MRS因此可以允许MIS在具有以下二者益处的情况下进行：计算机辅助手术或者机器人手术以及仅使用单个切口或者通过自然腔道。示例性MRS可以包括：

[0056] （i）一个或者更多个外部安装的电磁锚定和定位装置；

[0057] （ii）多个内部电磁锚定装置，每个内部电磁锚定装置与能够具有例如经由多个轴运动的七个自由度的独立小型机器人手术器械配合；以及

[0058] （iii）提供手术控制和操纵的外科医生的计算机控制台。

[0059] 因而，可以实现示例性优点，包括最小进入创伤、提供器械在腔体内的无约束的或者约束较少的、更灵巧的运动以及使得能够为了最佳的或者改进的操作工效学而对器械进行适当的或者改进的三角剖分。

[0060] 参照图1，所述系统可以包括置于外腹壁上的、与身体内的远程控制的机器人操纵器（一个或多个）2相关联的一个或者更多个磁或者电磁定位装置（一个或多个）1（以下，统称为电磁定位装置1，除非另有明确排除，否则电磁定位装置1包括这样的实施例，其中包括永磁体/非电磁体）。电磁定位装置1可以包括伺服机构，该伺服机构被远程控制以控制内部电磁锚定装置的位置。因此可以通过外部提供的磁场与内部电磁锚定装置一起来移动和定位人体内的机器人操纵器，所述磁场与包括在电磁定位装置1中的一个或者更多个永磁体或者电磁体相互作用。如图24所示，这样的外部提供的磁场可以被X-Y伺服机构移动到指定位置，从而将机器人臂24重新定位到该指定位置，然后再次重新固定。作为另一个实施例，图23所示的电磁定位装置23可以是腹壁外的线性感应定子的形式，以使得当合适频率的交变电流施加于腹壁外的定子时，内侧翼部24将悬浮并且向前移动。当以脉冲形式施加这样的交变电流时，内侧翼部24将以小步进向前移动。这样的控制也可以由控制计算机提供。

[0061] 出于图示说明的目的，每个定位装置与一个机器人操纵器一起被示出；然而，对于一个定位装置，可以存在多个机器人操纵器，或者对于一个机器人操纵器，可以存在多个定位装置。例如，每个装置可以检测人体内的对应的多轴微型机器人操纵器2的端部执行器的当前位置。身体内的多轴微型机器人操纵器2可以检测端部执行器的当前位置。微型机器人操纵器2可以包括各种端部执行器，比如，分别用于执行给定处理和使体内环境可视化的抓取装置16（例如，如图6所示的）以及成像装置3。

[0062] 操纵器2可以被折叠并且通过入口端口7被插入到体腔中，入口端口7为中空圆柱体的形式，被安装在病人的微创开口等上。它可以与穿过入口端口7的柔性电缆4连接，并且经由电线5或者无线地连接到中央控制计算机8。入口端口7的直径在一些实施例中在1.5-2cm的范围内，但是可以变化。1.5-2cm的范围是有利的，因为它大到足以使设备（操纵器等）穿过并且小到足以被大多数自然腔道容纳。

[0063] 参照图2A和图2B，入口端口207′和207″可以被成形为以允许多个操纵器2通过同一个入口端口207插入的方式容纳柔性电缆204′和204″。入口端口207′和207″（包括207″）的内壁包括具有与导线204′和204″互补的形状的一个或更多个凹陷。

[0064] 在图2A所示的实施例中，入口端口207′的内壁中的凹陷208′是槽形，并且包括容纳扁平电缆204′的平坦的表面。在一些实施例中，内壁的截面可以为多面体的形状，该多面体具有与相邻凹陷208′直接相接的凹陷208′。在其他实施例中，凹陷208′可以围绕入口端口207′的内表面周向分布。凹陷208′可以围绕入口端口207′的内表面相等地或者不等地分布。

[0065] 在图2B所示的实施例中，入口端口207″的内壁中的凹陷208″被倒圆以容纳圆形电缆204″。在一些实施例中，凹陷208″与相邻凹陷208″直接相接。在其他实施例中，凹陷208″可以围绕入口端口207″的内表面周向分布。凹陷208″可以围绕入口端口207″的内表面相等地或者不等地分布。

[0066] 将意识到，上述形状本质上是示例性的，并且可以根据具体实现方式从各种各样的其他形状进行选择。提供凹陷208考虑通过下述方式来对许多操纵器2使用同一入口端口，即，在电缆204的入口端口207的开口留出空隙以使得另一个操纵器2可通过。以这样的方式，与入口端口、套管针等的插入相关联的创伤可以通过对几个或者全部操纵器2重复利用同一个入口端口来最小化。

[0067] 根据应用，远程控制的微型机器人操纵器2与中央控制计算机8之间的信号传输可以通过有线连接（例如，通过导电电缆或者光学电缆经由入口端口7）或者无线连接（例如，经由与包括在定位装置中（如所示的装置1a中）的拾波线圈的感应耦合）来执行。用于操纵器2的电力还可以无线地通过腹壁、经由定位装置1来供给。还可以使用比如有线电源和无线控制信号的混合。

[0068] 此外，在电磁定位装置1可由中央控制计算机8控制的情况下，可以提供从中央控制计算机8到电磁定位装置1的有线或无线连接。可替换地，或者另外，电磁定位装置1可以与微型机器人操纵器2进行无线通信，以提供电磁定位装置1与中央控制计算机8之间的通信，微型机器人操纵器2通过有线连接（例如，经由入口端口7）与中央控制计算机8连接。中央控制计算机8可以控制电磁定位装置1的定位伺服机构以及启动/停用定位控制。定位控制可以是例如启动电磁定位装置1中的电磁体。定位控制不必是离散的开/关控制，而可以是可变的。

[0069] 中央控制计算机8可以通过触发器单元10b、11b的对应运动来彼此独立地调整操纵器2的位置和动作，触发器单元10b、11b由操作者通过人机界面9进行控制，人机界面9经由电缆6与控制器连接。界面9可以包括显示屏幕10a、11a和一对触发器单元10b、11b，它可以是不同的类型，比如，图1A所示的远程操作类型10和图1B所示的多轴端部执行器模拟器类型11。在多轴端部执行器模拟器类型11中，触发器单元11b具有多轴机器人关节（joint），该多轴机器人关节可以提供操纵器2的具有几个自由度的端部执行器的精细位置控制。运动控制还可以包括力反馈。

[0070] 此外，插入的小型机器人的数量不限于一个操作者通过人机界面9可以控制的数量。如果手术需要的话，第二人机界面可以被提供给辅助操作者来同样控制小型机器人。

[0071] 参照图3，主外科医生100控制一对控件102，而在同一外科医生控制台106或者另一个外科医生控制台上工作的辅助员104则控制附加的控件108。主外科医生100和/或辅助员104还可以控制各种摄像机。主外科医生100和辅助员104可以查看同一显示器110，或者他们可以查看分开的例如示出病人的不同视图的显示器。显示器110可以是2D显示器、3D显示器、肉眼3D显示器或者其他类型的合适显示器。辅助员104可以同时操作和辅助手术。两个或者更多个操作者可以有利地同时对同一病人进行操作，同时彼此保持对话。将意识到，尽管描述了主外科医生和辅助外科医生，但是控制台106一般地可以被任何一个或者两个（或者更多个）操作者操作。

[0072] 参照图3和图4A，外科医生控制台106可以从人体工学意义上被布置为包括脚踏板114、臂架116和座位118中的一个或者更多个。脚踏板114可以包括用于切换控件102（和/或控件108）来控制摄像机而不是操纵器/机器人的开关，反之亦然。脚踏板114还可以包括用于控制摄像机（一个或多个）的手动聚焦的控件。脚踏板114、臂架116、控件102、控件108和/或它们的任何组合可以包括用于检测操作者的存在以便启用/禁用机器人系统的传感器/致动器。

[0073] 外科医生控制台106还可以被布置为避免光反射。例如，显示器110可以被安放为使得至少一部分在外科医生所位于的桌120的高度以下。显示器110还可以成这样的角度，使得反射不被传递到桌120处的观察者或者到达桌120处的观察者的反射被减少。还可以提供遮光器122来减小可能引起反射的周围照明。

[0074] 触觉反馈可以被提供给主外科医生100和/或辅助员104。阻力可以被体内的机器人操纵器2测量，例如，经由搭载的（onboard）传感器（比如，测压单元）。阻力还可以从操纵器2使用的能源（例如，电压、电流或者功率）的量来估计。基于阻力的力反馈可以分别经由操纵器102和108被提供给主外科医生100和/或辅助员104。

[0075] 例如，参照图4B和图4D-4F，外科医生的操纵器102可以包括电机/编码器402、404、406、408、410、412以及414。电机/编码器402可以检测倾斜（pitch）并且提供倾斜的触觉反馈。例如，电机/编码器402可以耦合到关节元件403，在这二者间具有套管/衬垫405。因此，电机/编码器可以检测相对于关节元件403的旋转并且提供触觉反馈到该运动轴。电机/编码器404可以检测摇摆（sway）并且提供摇摆的触觉反馈。电机/编码器406可以检测腕部偏摇（wrist yaw）并且提供腕部偏摇的触觉反馈。电机/编码器408可以检测延伸/回缩并且提供延伸/回缩的触觉反馈。例如，电机/编码器408可以耦合到直线导轨409。当直线导轨由外科医生/操作者延伸/回缩时，电机/编码器408旋转。因此，电机/编码器408可以检测延伸/回缩并且提供触觉反馈到该运动轴。电机/编码器410和412可以检测抓取并且提供抓取的触觉反馈。电机/编码器414可以检测腕部倾斜（wrist pitch）并且提供腕部倾斜的触觉反馈。电机/编码器404、406、410、412以与上面结合电机/编码器402所描述的类似的方式来布置。

[0076] 操纵器端部420、422对应于机器人致动器的操纵器端部。操纵器端部420、422包括接触部分424、426（例如，圆柱）来提供相对的表面，通过该相对的表面便利由外科医生在各方向上实现的操纵器端部的运动。操纵器420、422分别耦合到电机/编码器410、412。操纵器420、422可以被定位为彼此邻近，其中电机/编码器410、412以不同的（在某些情况中，为相对的）方向延伸离开操纵器420、422。电机/编码器410、412的相对的端部可以被固定到框架
428，框架428可以为C形的。

[0077] 框架428可以通过框架构件430被固定到电机编码器414。框架构件430可以在框架428的中心位置（central point）被固定到框架428，从而旋转轴居中。电机/编码器414也可以耦合到框架构件432。因此，电机/编码器414可以检测框架构件430相对于框架构件432的旋转运动，由此检测包括操纵器端部420、422以及电机/编码器410和412在内的整个组件的旋转运动。

[0078] 框架构件432可以耦合到电机/编码器406并且可以包括弯曲部分（例如，大约90度）。由此，电机/编码器406可以检测包括操纵器端部420、422以及电机/编码器410、412和414在内的整个组件的旋转运动。

[0079] 电机/编码器406例如通过框架构件436可以固定到直线导轨409的第一部分434，直线导轨409包括第一部分434、支架（carriage）435和第二部分438。如上面所论述的，电机/编码器408通过在第二部分（例如，齿条）438上运转的齿轮耦合到直线导轨409来检测第一部分（例如，滑动直线导轨）434的运动，以检测第一部分434相对于支架435的运动，支架435是固定的，安装到框架构件441。由此，电机/编码器408可以检测包括操纵器端部420、
422以及电机/编码器406、410、412和414在内的整个组件的延伸/回缩。

[0080] 电机/编码器404可以通过弯曲框架构件441耦合到电机/编码器408，弯曲框架构件441可以弯曲大约90度。由此，电机/编码器404可以检测包括操纵器端部420、422以及电机/编码器406、408、410、412和414在内的整个组件的旋转运动。电机/编码器402可以通过关节元件403耦合到电机/编码器404。关节元件403可以为在其不同的面处耦合电机/编码器402和404的框架构件或块状件。套管/衬垫（例如，405）可以被提供在电机/编码器402和404以及关节403之间。电机/编码器402可以固定到框架构件442，框架构件442可以是弯曲的，例如弯曲90度。框架构件442可以提供基座440。由此，电机/编码器402可以检测整个组件相对于基座440的旋转运动。

[0081] 当操纵器端部420、422的位置被外科医生改变时，电机/编码器402、404、406、408、410、412以及414可以检测如上面所描述的沿着操纵器102的不同轴的运动。该运动可以与沿着体内机器人操纵器的相应的轴的运动直接相关。例如，直线导轨409的延伸可以直接对应于机器人操纵器围绕轴308的延伸；电机/编码器414的旋转可以直接对应于围绕轴314的旋转等。具体地，旋转的程度可以以这样的方式受限，该方式对应于机器人操纵器的运动自由。因此，除了操纵器端部相对于基座的相对位置外，外科医生可以容易地控制整个机器人致动器的精确设置。这允许机器人操纵器的优良控制。

[0082] 所描述的触觉反馈可以具有阻抗、振动的形式或者为其他形式的反馈。电机/编码器还可以能够将操纵器102设定到指定的位置。例如，在操作开始时，操纵器102可以被驱动到对应于相应机器人操纵器的位置的开始位置。就这一点而言，电机/编码器可以具有确定绝对位置（例如，通过电位计）或相对位置（例如，通过数字旋转分段输入）的能力。

[0083] 电机/编码器402、404、406、408、410、412以及414可以基于一对一方式直接对应于图4C中所示的微型机器人致动器350的运动轴302、304、306、308、310、312以及314。因此，外科医生的操纵器可以准确地模仿对应的体内机器人臂的每个轴。这允许具有诸如控制的良好感觉和为外科医生提供的人机工学等优点。

[0084] 参照图4C，机器人操纵器350的基座340一般地被附连到腹壁内侧，通常手术将会在腹壁内侧上进行。操纵器端部在向下的方向上从机器人操纵器的基座延伸的这种布置可以通过以下方式来仿真：将外科医生的操纵器102的锚定点（anchor point）440定位在如图4G所示的结构中。外科医生的操纵器的锚定点440可以固定到具有垂直构件的框架，垂直构件将锚定构件442定位在臂架116上。因此，外科医生的操纵器以这样的定向被提供，该定向在手术过程期间对应于机器人操纵器340的定向。在外科医生的操纵器和机器人操纵器之间具有直接对应关系的该定向使得对于外科医生来说对每个运动轴的直接的且精确的触觉反馈是可能的。

[0085] 参照图5，示出了示例性病人检查台130。多个电磁定位装置1可以与臂132耦合。臂132可以固定到或者耦合到台架134，台架134固定到或者耦合到检查台130。因而，整个系统可以与病人同时移动。这顾及在手术过程中改变在检查台附近的病人的位置，而无需从检查台分离机器人系统，并且使在外科手术过程期间需要改变病人位置的操作便利。此外，臂
132可以被伺服驱动，以用于重新定位或者调整电磁定位装置1的定向。

[0086] 参照图6A和图6B，微型机器人操纵器2的运动轴可以具有几种不同类型的结构。在图6A和图6B所示的实施例中，示出了7轴运动。关节13可以沿着轴I和II旋转，臂14可以沿着方向III平移。腕部15可以沿着轴IV旋转，沿着轴V弯曲，并且沿着轴VI弯曲。抓取器/端部执行器16还可以沿着轴VII打开和关闭，这可以包括旋转和/或平移运动。微型机器人操纵器2的具有以下关节的一部分为方便起见而被称为类型A，并且是非限制性的，该关节具有类似于关节13旋转轴的旋转轴以及如图6所示的轴I和2。

[0087] 图7A和图7B示出操纵器2的7轴运动的另一种结构，在该结构中，关节13在另一个方向上沿着轴I旋转。微型机器人操纵器2的具有以下关节的一部分为方便起见而被称为类型B，并且是非限制性的，该关节具有类似于关节13旋转轴的旋转轴以及图7所示的轴I和II。

[0088] 操纵器2的外壳可以便于将操纵器插入到身体中，并且在插入期间保护操纵器内的机器人臂和端部执行器。它可以包括基座21和在基座21的两侧的一对可折叠的翼部17。作为非限制性实施例，翼部17在折叠结构中可以具有18mm的最大直径。18mm的最大直径是有利的，因为它可以与大小适用于大多数自然腔道的入口端口一起很好地工作。

[0089] 在初始状态或者插入期间，翼部17如图8所示那样折叠。在部署机器人臂或者端部执行器之前，可以通过从对应的电磁定位装置1触发的磁力来展开翼部17。

[0090] 翼部17的展开可以通过腹壁的热、外部辐射或者外部供给的电力而被触发。例如，基座21可以包括通过供给电流或者通过从包括在电磁定位装置1中的发射机接收辐射能量而启动的加热装置。在从身体移除期间，可以通过冷却来重新折叠翼部17。冷却可以通过移除电流或者供给到加热装置的所发射的辐射和/或使操纵器2与腹壁分离来实施。加热和冷却还可以通过其他方法（比如，热电加热器/冷却器、热导管等等）来实现。这个操作可以反过来，其中折叠由加热触发，展开由冷却触发。

[0091] 可替换地或者另外，翼部17可以是具有不同热膨胀系数的两种材料的层压件。因而，当翼部17被加热和冷却时，所述材料以不同的速率膨胀和收缩，从而使翼部17折叠和展开。所述材料可以是金属合金。翼部17可以由形状记忆合金构成。

[0092] 可替换地或者另外，在所述操作之后，可以通过使用另一个操纵器操纵翼部17来重新折叠翼部17。

[0093] 可替换地或者另外，翼部17可以具有帮助打开或者闭合翼部以及保持折叠的翼部的弹簧效应。例如，翼部17可以具有弹簧效应，其中所得力趋向于折叠翼部17。在存在定位装置1时，弹簧效应的强度不足以保持折叠的翼部17，并且翼部17通过磁力展开。当定位装置1被移除时，弹簧效应可以使翼部17折叠。

[0094] 根据腹壁的状况，翼部17的平移运动可以由翼部17（例如，如图24中的翼部24所示）上的、可磁性切换的或者可电致动的辊提供。

[0095] 操纵器2的平移运动可以通过电磁悬浮来提供。例如，可以使操纵器2与电磁定位装置1之间的吸引力减弱或者反向，以允许相对于腹壁的移动。电磁定位装置1然后可以通过伺服运输装置或者磁性运输装置（类似于图24中所示的电磁定位装置26和基座25）来在腹壁上移动。

[0096] 在磁性运输装置的情况下，磁体可以设置在电磁定位装置1中。外部提供的磁场被供给来与电磁定位装置1或26的磁体相互作用，以使电磁定位装置1在X-Y方向上运动并且被相对于腹壁重新定位。

[0097] 根据操纵器在操作期间的目的，操纵器2的端部执行器可以改装为抓取装置16、成像装置（比如，2D摄像机18或者3D立体摄像机19）或者其他装置。在2D摄像机或者3D摄像机的情况下，摄像机可以沿着两个垂直轴旋转，以获取不同定向的2D平面视图或者3D立体视图。在图9和图12（类型A）以及图10和图13（类型B）中示出具有两种不同类型的结构的实施例。摄像机的外壳可以便于将操纵器插入到身体中并且在插入期间保护操纵器内的2D摄像机或者3D摄像机。在初始状态或者插入2D摄像机或3D摄像机期间，翼部分别如图11和图14所示那样折叠。作为非限制性实施例，翼部可以具有18mm的最大直径。18mm的最大直径是有利的，因为它与大小适用于大多数自然腔道的入口端口一起很好地工作。在部署2D摄像机之前，翼部17通过从对应的远程控制的电磁定位装置1触发的磁力而展开。如图14A所示，对于3D摄像机，可以包括加载弹簧的（spring loaded）旋转关节20。

[0098] 图15是示例性3D摄像机150的立体视图。摄像机150可以包括3个部分：摄像机本体152、可延伸连杆154以及可折叠的磁性锚定设备156。摄像机本体150可以包括转动头158和两个摄像机镜头160。摄像机镜头160可以沿着转动头158的主轴分隔开，并且提供3D图像。
转动头的主轴在它的折叠结构中可以与摄像机150的纵轴一致。沿着纵轴或者“侧向”分隔摄像机镜头在可植入装置中可获得的有限直径中容纳两个摄像机镜头160，从而提供3D影像（否则不大可能）。当需要前看视图时，转动头158可以摆动大约90度（或者更多），以使得“侧”看的摄像机可向前看。

[0099] 柔性连接件162与本体部分164连接，柔性连接件162可以是铰链，本体部分164可以是管体或者管状控制单元。本体部分164经由柔性连接件166与可延伸连杆154连接，柔性连接件166可以是铰链。可延伸连杆154延伸和回缩，以允许将摄像机本体152安放在手术区域附近。可延伸连杆154的相对端例如通过2轴柔性连接件168a和168b与可折叠的磁性锚定设备156连接，并且在一些情况下，被锁固到可折叠的磁性锚定设备156。柔性连接件162、166、168a和168b可以被伺服驱动。可折叠的磁性锚定设备156可以被固定在腹壁/体壁上，例如通过激活外部磁体或者将永磁体定位在腹壁外。

[0100] 柔性连接件162和166允许摄像机150在被锚定设备156固定的同时在困难的密闭空间中弯曲和定位。可折叠的磁性锚定设备156还可以随腹壁处的旋转中心稍微地转动（例如通过转动外部磁性锚定器），来便于摄像机的轻微的侧向运动，以用于更清楚地显现感兴趣的区域。

[0101] 图16示出具有7个自由度和由关节172、174、178和180提供的多个运动轴的示例性微型机器人致动器170。

[0102] 附加的锚定力可以被提供给电磁定位装置1。例如，对于腹壁厚（例如，50mm厚或者更厚）的肥胖病人，可能难以将电磁定位装置1充分地固定到操纵器2以用于外科手术过程期间的精确运动。重要的是提供用于牢固地锚定小型机器人的稳定平台。此外，可用于容纳小外形的操纵器2的空间是有限的。因而，提供外部致动可以是符合期望的，来在外科手术期间抓取和移动器官或者组织时为全部七个运动轴提供充分的力矩。

[0103] 图17示出处于折叠态的包括壳体1002的示例性微型机器人致动器1000。图18示出处于折叠态的没有壳体1002的示例性微型机器人致动器1000。图19示出微型机器人致动器1000的分解视图。图20示出微型机器人致动器1000的端部执行器1004的分解视图。图21示出处于展开态的微型机器人致动器1000。图22示出处于展开态的不具有壳体1002的微型机器人致动器1000。除非另有说明，下面的论述基本上是参照图17-22的。

[0104] 微型机器人致动器1000包括致动器/电机1006、1008、1010、1012、1014、1016以及1018。致动器/电机1006、1008、1010、1012、1014、1016以及1018以整个包装尺寸提供针对自由度（例如，七个）的体内力生成，所述尺寸适合于通过单个入口端口容易地插入人类身体。
例如，处于折叠结构的微型机器人致动器1000可以一般地为圆柱形的，具有18mm或更少的直径以及200mm或更少的长度。

[0105] 在示例性微型机器人致动器1000中并且还参照图16B和图16D，致动器/电机1006可以提供围绕关节172处的轴II的旋转；致动器/电机1008可以提供关于关节174处的轴I的旋转；致动器/电机1010可以提供围绕关节177处的轴IV的旋转；致动器/电机1012可以提供沿着关节175处的轴III的延伸和回缩；致动器/电机1014可以提供沿着关节180a处的轴V的抓取动作；致动器/电机1016可以提供沿着关节180b处的轴VI的抓取动作；以及致动器/电机1018可以提供围绕关节178处的轴VII的旋转。

[0106] 例如，与行星变速箱（planetary gearbox）耦合的DC伺服电机、正齿轮以及90度相交蜗轮可以被安装在靠近操纵器基座的关节172和174处。靠近关节提供伺服电机允许生成更大的力。例如，两个电机可以被置于靠近微型机器人致动器的基座，来提供围绕基座处的两个运动度的运动，一个电机可以证实为处于微型机器人致动器的中心部分，从而提供延伸/回缩，并且三个电机可以置于两个基座电机的远侧并且邻近端部执行器来提供围绕微型机器人致动器的操纵器端部处的三个运动度的运动。

[0107] 在某些实施例中，可以生成用于沿着轴I和II加载力的1-2Nm转矩。针对镊子（forceps）和针驱动器的抓取力大致分别为～10N和～20N，可以通过安装在关节178和180附近的压电致动器和小型DC伺服电机的组合来生成。该转矩和力足够来执行外科手术所需的各种操纵。操纵器的延伸和旋转可以由分别安装在关节175和177处的压电致动器和DC伺服电机来控制。

[0108] 致动器/电机1006可以通过齿轮组件1020耦合到致动器/电机1008。齿轮组件1020可以包括耦合到致动器/电机1006的蜗轮1022和齿轮1024。致动器/电机1006输出的旋转则可以提供围绕齿轮1024的旋转，来提供围绕关节172处的轴II的旋转。齿轮组件1020还可以包括耦合到致动器/电机1006的蜗轮1028和齿轮1028。致动器/电机1008输出的旋转则可以提供围绕齿轮1026的旋转，来提供围绕关节174处的轴I的旋转。齿轮1024和齿轮1028可以通过齿轮1030来耦合，齿轮1030可以固定到壳体1002。90度相交齿轮1024和1030的使用是简单、紧凑且轻量的方式来提供沿着轴I和II方向的X-Y摆动运动。集成的蜗轮蜗杆机构可以提供围绕轴I和II的增加的转矩（例如，1-2Nm）。

[0109] 致动器/电机1008和1010可以直接固定在一起或者通过壳体1002固定在一起。致动器/电机1010的输出可以耦合到齿轮1032（齿轮1032可以固定到壳体1002），来提供围绕关节177处的轴IV的旋转。

[0110] 致动器/电机1012可以通过齿轮系统1040耦合到螺纹杆1036和1038。承载件1042可以固定到壳体1002的部分1003。当致动器/电机1012的输出旋转时，固定到部分1003的承载件1042沿着螺纹杆1036和1038行进，由此导致壳体1002的部分1003和1005相对于彼此延伸或回缩。

[0111] 在某些实施例中，致动器/电机1012可以具有DC伺服电机的形式或者是沿着机器人臂的外周的多个压电电机的形式。在这样的实施例中，可以不包括螺纹杆1036和1038。

[0112] 致动器/电机1014可以耦合到蜗轮1050。蜗轮1050可以耦合到齿轮1052，齿轮1052通过滑轮系统1056耦合到操纵器端部1054，滑轮系统1056包括线或带1058。致动器/电机1016可以耦合到蜗轮1060。蜗轮1060可以耦合到齿轮1062，齿轮1062通过滑轮系统1066耦合到操纵器端部1064，滑轮系统1066包括线或带1068。分别位于滑轮1070和1072处的滑轮系统1056和1066端部共用公共轴杆1074。滑轮1070和1072各自围绕公共轴杆1074自由旋转。滑轮1070和1072可以通过允许操纵器端部1054和1064围绕公共轴杆1076旋转的齿轮齿耦合到操纵器端部1054和1064，来提供沿着关节180a和180b处的轴V和VI的抓取动作。

[0113] 齿轮1052和1062可以是行星变速箱来提供致动器/电机1014和1016的输出的减速和力倍增（force multiplication）。耦合到行星变速箱的滑轮系统1056和1066的灵活性提供机械优点和运动自由。到操纵器端部1054和1064的最终连接可以被调节来增加操纵器末端处的抓取力。行星变速箱和操纵器端部处的齿轮装置的齿轮传动比（gear ratio）可以是不同的。此外，双蜗轮（1050和1060）和双致动器/电机（1014和1016）的使用允许在最小距离的情况下增加转矩。由此，可以实现增加的抓取力（例如，10-20N）。

[0114] 致动器/电机1018可以耦合到齿轮1080，齿轮1080耦合到齿轮1082。齿轮1082可以固定到壳体1002的部分1007，来提供围绕关节178处的轴VII的旋转。齿轮1080可以是成斜角的并且以大约九十度的角与齿轮1082相交。

[0115] 微型机器人致动器1000可以包括电路板1090和1092。电路板1090和1092可以是柔性的（例如，柔性PCB电路）来与壳体1002的形状一致，例如圆柱，并且可以沿着壳体1002的内壁被设置。电路板1090和1092可以包括电子驱动器和/或集成联网能力。在微型机器人致动器1000中包括电子驱动器和/或集成联网能力允许将外部电缆减少为导线束中的更少的导电件或者整体上更少的导线束。

[0116] 参照图25-图27，柔韧的（flexible）或者半柔韧的磁性片材22可以通过入口端口7被插入到体腔中。当被插入时，磁性片材22可以卷起或者折叠。一旦被插入，它就可以展开或者铺开，并且被沿着腹壁定位。磁性片材22可以通过机械机制被展开/铺开，或者它可以通过使它经受磁场（可以由外部电磁体提供）来被展开/铺开，和/或通过凭借供给的能量进行加热或者冷却来被展开/铺开。

[0117] 磁性片材22可以被提供为足以覆盖大面积的内部腹壁的单个大片材。磁性片材还可以由一个或者更多个小号尺寸或者中等尺寸的片材提供，以提供对腹壁的某一区域的覆盖。

[0118] 腹内机械框架（例如，图34所示的腹内机械框架27）可以通过下述方式来构造，即，将各个磁性片材与可延伸杆连接来提供供小型机器人操作的稳定平台。该腹内机械框架在一些情况下可以在不需要使用覆盖腹部的大部分的大的柔韧磁性片材的情况下，提供与这样的大片材的锚定支撑类似的锚定支撑。

[0119] 磁性片材22的位置可以被外部电磁体1b固定。磁性片材22提供供微型机器人操纵器2附连的稳定平台。磁性片材22可以提供聚集磁通量的介质，并且提供微型机器人操纵器（比如，微型机器人操纵器2）的牢固锚定。提供这样的聚集通量的介质的示例性材料包括铁基材料和硅铁基材料。将意识到，该牢固锚定可以被提供给任何微型机器人操纵器以及其他相关装置（比如，摄像机）。还将意识到，磁性片材可以与所描述的实施例（包括图1和图23-34的那些实施例）中的任何一个一起使用，但是不是这些实施例中的任何一个所必需的。

[0120] 为了提供附加锚定力，可以包括细丝28。细丝28（可以是金属丝）从外部电磁体1b延伸，并且可以经由细针或者以细针的形式通过腹壁引入。为了便于经由针或者皮下注射器引入细金属丝28，丝28可以具有1mm的最大直径。1mm的最大直径是优选的，以使得刺孔保持远低于将被认为是切口的大小并且不留下明显的可见疤痕。将意识到，其他材料（比如，柔性纤维或者刚性纤维、生物相容性聚合物/塑料以及可以包括金属或者可以不包括金属的多材料复合物）可以代替金属用于丝28。

[0121] 作为实施例，细金属丝28可以从外部电磁体1b经由圆形通孔、槽或者电磁体1b中的另一个孔径提供。孔、槽或者其他孔径可以设置在电磁体1b的中心处。

[0122] 锁固机构（比如，一对间隔小于细丝28或者其末端的厚度的倾斜金属舌）可以被提供来将微型操纵器2可释放地锁固在细丝28的末端上。在使用金属舌的锁固机构的实施例中，金属舌可以经受偏置力（比如，弹簧），以使细丝28保持被锁固在微型机器人操纵器2中。移除偏置力或者提供反力可以允许细丝28被释放。细丝28的释放可以由远程控制的电致动器或者通过腹部内的例如内窥镜的机械动作来提供。

[0123] 参照图28，金属丝28的末端可以被可释放的止回机构锁固。细丝28的末端可以被扩大来提供更牢固的锁固。

[0124] 参照图29，当细丝28在外部电磁体1b的基座处被拉紧时，外部电磁体1b和小型机器人2从相对侧压抵腹壁，以使得附加锁固力被提供给微型机器人操纵器2以附连到稳定平台。因此，在进行外科手术时提供微型机器人操纵器2的可靠的且稳定的运动。

[0125] 孔径可以被提供在外部电磁体1b中，细丝28穿过外部电磁体1b。孔径可以是槽、十字形、大的单个开口或者另一种形状的形式。提供孔径顾及在细丝28被插入在腹壁中之后重新定位微型机器人操纵器2，而无需重新插入细丝28。因而，丝可以被弄松以使得外部电磁体1b和微型机器人操纵器2可移动，并且随后被重新拉紧以顾及重新定位微型机器人操纵器2。

[0126] 除了提供附加锚定力之外，细丝28还可以被用来提供电力或者将信号提供至微型机器人操纵器2/提供来自微型机器人操纵器2的信号。

[0127] 参照图30-33，当小型机器人与电磁体紧密地耦合时，微型机器人操纵器2的运动可以由外部电磁体1b的转动动作引起。例如，运动中心可以被安置在腹壁的中间点处。

[0128] 外部致动可以补充微型致动器在微型机器人操纵器2上的X-Y运动。由于杠杆效应，电磁体1b的小的角运动将导致微型机器人操纵器2的大的二维X-Y运动。在不紧密耦合的情况下，以这种方式移动微型机器人操纵器2的尝试将可能导致微型机器人操纵器2和外部电磁体1b的分离，并且将不会实现X-Y运动。

[0129] 尽管已在微型机器人操纵器和外部磁体的上下文中描述了以上描述的附加锚定力的提供，但是将意识到，这仅仅是示例性的应用，并且所描述的设备和方法还可以应用于期望锚定到体腔内的稳定平台上的任何各种各样的其他器械。

[0130] 尽管以上已描述了根据公开的原理的各种实施方案，应理解这些实施方案仅以示例的方式被提出，而非限制性的。因此，所述发明（一个或多个）的宽度和范围不应受任何上述的示例性实施方案限制，而应仅根据本公开公布的权利要求以及它们的等同形式来限定。而且，以上优点和特征在所描述的实施方案中提供，但不应将这些公布的权利要求的应用限制为实现以上优点的任一或全部的方法和结构。具体地讲，除非另外阐述，所描述的实施方案的各个特征和方面可以分开使用和/或以任何组合的方式可互换地使用，并且不限于上述布置。

[0131] 此外，本文的段落标题是被提供来与37CFR 1.77的建议一致，或者用于提供本文的结构线索。这些标题不应限制或特征化可以从本公开公布的任何权利要求中所阐述的发明（一个或多个）。具体地并且以举例的方式，“背景技术”中的技术的描述不是要被解读为承认本技术是本公开中的任何发明（一个或多个）的现有技术。“发明内容”也不是要被认为是在公布的权利要求中所阐述的发明（一个或多个）的特征描述。另外，该公开中对单数的“发明”的任何引用不应被用于证明在该公开中仅有一个新颖点。多个发明可以根据从本公开公布的多个权利要求的限定来进行阐述，并且这些权利要求相应地定义了由其保护的发明（一个或多个）及其等同形式。在所有例子中，这些权利要求的范围根据本公开按照这些权利要求本身的实质来考虑，而不应被本文所陈述的标题限制。