CN105188592A - 超灵巧型手术*** - Google Patents

Abstract

提供了一种超灵巧型手术***，其包括能够联接至固定物并构造成支承一个或更多个手术工具的一个或更多个手术臂。该***可以包括配置成与机器人手术工具电通信的电子控制***。该控制***可以对手术工具的操作进行电气控制。该***可以包括便携式手持控制器，便携式手持控制器能够由外科医生致动以使一个或更多个控制信号经由电子控制***传送至所述一个或更多个手术工具从而操作手术工具。便携式手持控制器可以从操作区的多个位置来提供所述控制信号，从而允许外科医生在外科手术期间能够移动以及根据操作区的不同位置来远程操作手术工具。

Description

超灵巧型手术***

对所有优先权申请的参引并入

本申请根据35U.S.C§119(e)要求于2013年3月15日提交的美国临时申请No.61/791248、于2013年11月20日提交的美国临时申请No.61/906802、于2013年11月26日提交的美国临时申请No.61/908888、于2013年12月12日提交的美国临时申请No.61/915403以及于2014年2月5日提交的美国临时申请No.61/935966的优先权权益，所有这些申请的全部内容通过参引而并入本文并且应当被视为本说明书的一部分。

技术领域

手术机器人允许外科医生以微创的方式给病人动手术。本申请涉及手术***和方法，更具体地涉及一种具有一个或更多个超灵巧手术臂和一个或更多个超灵巧手术工具的手术***，以及操作该手术***的方法。

背景技术

目前，外科医生必须在利用了许多技术的微创外科手术的独立模式之间做选择。腹腔镜手术通常分为两类：使用手动工具的腹腔镜手术和使用机器人工具的腹腔镜手术。在使用手动工具的腹腔镜手术中，通常通过小的切口来实施手术。手动工具可以关于支点平移、旋转和/或移动。对于绕支点旋转的手动工具，外科医生抓握工具的把手。当外科医生沿一个方向移动把手时，工具的远端沿另一方向移动。由此产生的工具的远端相对于工具的近端的运动的运动可能并非是自然的，从而需要外科医生练习这种技术。

腹腔镜工具的运动通过腹腔镜相机捕捉。腹腔镜相机具有就像手动工具一样通过切口***到身体中的长轴。腹腔镜相机定位成观察手动工具的远端并拍摄工具的远端的运动。显示器通常显示工具相对于相机的参照系的运动。对于绕支点旋转的手动工具，工具基于腹腔镜相机的图像而在可能并不明显的极坐标***中移动。

另一腹腔镜手术的模式为机器人手术。在市售的机器人手术***中，大型机器人臂控制机器人工具。工具***到小的切口中。机器人工具的远端通常包括用于在病人身体内进行手术的端部执行器(例如，抓握器、吻合器等)。端部执行器在机器人臂的能力的限制内的空间中平移。外科医生通常从远离病人的沉浸式控制台控制机器人臂。机器人工具构造成很好地完成某些手术任务，但并不很适合其他的手术任务。

在市售的外科手术机器人***中，机器人工具的运动通常由机器人相机拍摄。机器人相机的运动通过机器人臂控制，机器人相机的运动还在外科医生的控制之下，就像控制机器人工具的机器人臂一样。外科医生可以将其手部的运动在相机的参照系中映射到机器人工具的运动。外科医生的手部的运动在机器人相机的参照系内被映射到机器人工具的远端执行器。参照系因此限于由相机提供的视角。显示器通常显示机器人工具的远端相对于相机的参照系的运动。外科医生因此必须通过由相机提供的有限的信息来创建解剖体的心理模型以根据特殊任务的需要控制机器人工具。由于外科医生的较远位置，其无法获得对病人的额外视角以加深他对手术空间的理解。这种操作模式会对如下运动造成限制：大范围的运动，或者相对于病人体外的参照系进行移动会更自然的运动。因此，相对于机器人相机参照系来控制机器人工具的远端使得外科手术的某些方面与利用手动工具的腹腔镜手术相比更加自然。例如，可能更容易在缝合任务中操纵持针器。然而，机器人相机的有限的参照系使得手术的某些其他方面不大自然。例如，使得从腹部的一个象限至另一象限的大范围运动——特别是涉及相机扫过包括病人的人体中线的弧的运动——非常有挑战性。这些相同的运动可以根据病人体外的参照系通过手动工具以自然的方式实现。

市售的***具有控制工具例如控制工具的旋转和平移的复杂机构。在某些现有机器人***中，工具的平移利用复杂的一大串嵌套的线性滑道来实现。为了使工具轴的整个长度能够用于手术，滑道附接至工具的最近端。结果，在除了工具全部伸入到身体中之外的任何情况下，平移机构远离病人的身体延伸。在该位置中，平移机构受到机器人臂的其他部件或其他机器人臂的干扰。旋转和平移机构的尺寸不允许相邻机器人臂的靠近定位，因此在某些情况下，机器人工具被进一步分开布置。平移机构在工具通过俯仰和横摆而移动时给予机器人臂大的惯性载荷，从而需要较大较有力的臂。旋转和平移机构增加了机器人臂的远端的重量。连接部段和用以控制连接部段的马达因此必须较大，以移动控制机器人工具的复杂的旋转和平移机构。每个额外的部段和每个额外的马达都增加了重量，而这种重量又加重了这种问题。机器人臂的远端较重并且不得不由越来越有力的近端接合部支承以保持足够的刚度水平。

因此，机器人臂体积大并且占据了病人周围的空间。在使用多个机器人臂来进行外科手术的情况下，臂必须被小心地协调以避免碰撞。另外，要采取许多额外的步骤来重新定位机器人臂，以避免机器人臂的部件之间的碰撞。另外，由于***的角度、机器人臂和机器人工具的尺寸和设计、以及其他因素，机器人臂可能无法达到特定的位置——所谓的死区。机器人臂的大尺寸迫使手术人员围绕机器人臂规划手术。对于外科手术而言这导致了较低的灵活性和较低的效率。此外，市售的机器人臂较重。机器人***的这种设计需要为了机器人***的使用而设置的特别设计的操作台。因而操作空间的设置方面的灵活性有限。

外科医生在使用市售的机器人手术***时距病人较远，通常坐或站在远程控制台处。通常，外科医生通过提供沉浸式体验的指示器来观察手术部位和工具。在某些情况下，外科医生与辅助人员之间的交流由于外科医生的越过控制台的位置而受到限制或阻碍。由于外科医生远离病人并且无法与工作人员直接交流，因此执行机器人手术的团队需要训练有素且经验丰富。这要花费数周——某些情况下要花费数年——的练习来达到执行机器人手术情况下的高效率。这使得难以更换团队的成员。此外，从该远程位置(控制台处)，外科医生无法在控制机器人臂的同时使用手动工具。

某些任务例如执行机器人工具从病人身体中的一个手术部位向另一手术部位的大范围运动由于机器人臂的部件的干扰而变得更加困难。某些容易用手动工具执行的任务用机器人工具来执行会更复杂的或者是不可能的。例如，在某些情况下，机器人仅是不具有能够完成任务的端部执行器。某些需要触觉反馈的任务如触诊无法通过外科医生操作机器人臂来完成。更确切地说，操作机器人臂的外科医生需要助手或外科医生在手术台旁以帮助进行这些类型的任务。

市售的机器人臂通常具有2个自由度。通常，这2个自由度来自俯仰机构和侧倾机构。机器人工具通常具有四个自由度。机器人工具通常可以平移和旋转。机器人工具通常可以在腕关节处俯仰和横摆。因此，市售的***通常具有六个自由度，包括来自机器人臂和机器人工具的自由度。

某些机器人臂使用的平移机构无法绕轴轴线旋转。为了实现旋转，这些***仅使工具轴独立于平移机构而旋转。关节连接端部执行器的电缆在旋转期间扭绕，因而导致电缆的摩擦和缠绕。这种缠绕导致电缆长度的改变，这种改变必须由***中的弹力或松弛部分来补偿。这种缠绕还导致了对旋转范围的限制，旋转范围通常限于大约+/-270°的旋转。

上面所讨论的微创手术的当前模式的一个缺点在于这些模式是独立的。对于外科医生而言，为了在手术台处使用手动工具，他或她无法在远程控制台控制机器人臂。对于外科医生而言，为了在远程控制台控制机器人臂，他或她无法在手术台处使用手动工具。外科医生无法同时控制机器人工具和手动工具两者。

当前的微创手术的模式的另一缺点在于这些模式的微创手术为外科医生提供了有限的信息。通常，这种信息受限于机器人相机的视角。外科医生未被提供有关于额外限制因素的信息，例如，病人、外科医生或工具的相对于来自相机的图像的位置。外科医生未被提供有用以在不需要移动工具和/或移动机器人臂的情况下理解相机的参照系的信息。通过移动工具和观察图像，外科医生可以创建病人体内的工作空间和操作区的心理模型。

市售的机器人手术***的另一缺点在于这些机器人手术***使外科医生无法在手术期间改变他或她自己的位置。外科医生必须留在沉浸式控制台处操纵机器人工具以用机器人工具的端部执行器来执行手术任务。

市售的机器人手术***的另一缺点在于这些机器人手术***通常锚定至地面并且没有遵循手术过程期间病人的方位。机器人臂和/或床的位置在机器人臂处于使用中时无法改变。通常，机器人臂安装至水平表面(例如，锚定至地板)并且病人被置于水平表面(例如，床)上。在某些手术中，有利的可能是基于要进行的手术而使病人的身体相对于水平表面成角度(例如，倾斜)(例如，降低病人的头部以使内脏向病人的头部移动)。

市售的机器人臂的另一缺点在于接近工作空间可能需要机器人臂通过非常大范围的运动而移动。这种移动可能会在针对单一手术使用多个机器人臂时受到限制。多个机器人臂之间或单个机器人臂的部件之间的碰撞的机会增大。挑战是：在使病人体外自由空间最大化的同时使身体内的工作空间最大化，同时还要保持机器人臂小且紧凑。

发明内容

需要一种下述的手术***：该手术***克服了市售机器人手术***的上述缺陷并为外科医生在进行外科手术时提供了灵活性。

下文所述的超灵巧型手术***克服了上述缺陷中的许多缺陷并且提供了优于市售机器人手术***的优点。该超灵巧型手术***的一个优点在于该超灵巧型手术***是小且紧凑的，并且因此能够以多种方式安装至各种固定物。超灵巧型手术***的一个优点在于超灵巧手术臂可以安装成遵循外科手术期间病人的方位，例如，当病人的身体倾斜成有助于进行特殊的外科手术时(例如，倾斜成以提供更好地进入所需的组织或器官的方式移动内脏)。超灵巧型手术***的一个优点是外科医生在为病人动手术的同时同时地使用超灵巧手术工具和手动工具的能力。超灵巧型手术***的另一优点在于其是模块化的，并且因此提供了在手术之前或手术期间如何设置手术区方面的灵活性，以及允许使病人上方的自由空间最大化。该***的又一优点在于其允许外科医生在进行手术期间移动以及允许外科医生在外科手术期间在仅使用手动工具、使用手动工具和超灵巧手术工具、与仅使用超灵巧手术工具之间无缝地移动。该***的另一优点在于其为外科医生提供了使超灵巧手术工具的操作更自然的额外信息。又一优点在于该超灵巧型手术***为外科医生提供了使他或她的位置在手术期间变化以执行靠近病人的特殊手术任务的能力。例如，在外科手术过程期间，外科医生可能需要根据要进行的手术从不同位置操纵工具，或者因抓握手动工具所需的方式而需要改变他或她的位置。该***的又一优点在于，超灵巧手术工具的端部执行器可以从单一进入点到达病人体内的不同位置，使得病人体内的工作空间被最大化。例如，在腹部手术中，可能需要从单一进入点进入腹部的所有四个象限。超灵巧型手术***的其他优点在文中所提供的描述中将变得明显。

根据另一方面，超灵巧手术臂可以联接至固定物(例如，手术台、病床、检测台、墙壁、地板、顶棚、桌子、推车或台车)。超灵巧手术臂可以由支承臂支承。支承臂可以被移动以对超灵巧手术臂进行定位。支承臂可以被移动以对远程中心进行定位。超灵巧手术臂可以由水平位置调节机构支承。超灵巧手术臂可以由竖向位置调节机构支承。水平位置调节机构和/或竖向位置调节机构可以被移动以对远程中心进行定位。

根据另一方面，超灵巧型手术***使所述一个或更多个超灵巧手术臂能够成角度(例如，倾斜)成遵循手术过程期间病人的方位。通常，病人被放置在水平面(例如，床)上。在某些手术中，可能有利的是根据要进行的手术使病人的身体相对于水平表面成角度(例如，倾斜)(例如，降低病人的头部以使内脏离开手术部位向病人的头部移动从而改善对手术部位的接近)。超灵巧型手术***因而使得使用中实现用超灵巧手术臂进行手术期间超灵巧手术臂能够成角度(例如，从水平位置倾斜)。

根据一个方面，超灵巧型手术***适合由操作者如外科医生同时使用手动工具和超灵巧手术工具。可以在病人体内的同一工作空间中实现手动工具和超灵巧手术工具的同时使用。操作者可以用一只手控制手动工具并用另一只手控制超灵巧手术工具。

超灵巧手术工具可以包括工具轴、腕关节和端部执行器。该工具可以具有位于工具的轴的近端处或位于沿工具的轴的任意点处的马达组。马达组可以包括多个马达，所述多个马达致动工具中的驱动机构运动以影响端部执行器的运动。在一个实施方式中，马达组可以是可移除的。

根据另一方面，超灵巧型手术***使操作者能够在操作超灵巧手术工具的同时从包括病人床边——即，手术台——的多个位置与病人互动。超灵巧型手术***使操作者能够在使其位置靠近病人的同时在病人的床边控制一个或更多个超灵巧手术工具，或同时控制超灵巧手术工具和手动工具。

根据另一方面，超灵巧型手术***使操作者能够在手术期间在操作区周围移动。这种移动允许外科医生找到绕病人的用以进行外科手术的最佳位置以及允许外科医生根据需要在手术过程期间改变他或她自己的位置。超灵巧型手术***因此使操作者能够从多个位置——包括从病人的床边和/或从分开的遥控台——控制超灵巧手术工具。操作者可以重新定位于用以操纵手动工具和/或超灵巧手术工具的更佳的位置。

根据另一方面，超灵巧型手术***是模块化的，从而使能够实现在相对于病人布置超灵巧型手术***的一个或更多个超灵巧手术臂方面的灵活性和多功能性。由超灵巧型手术***提供的这种灵活性允许超灵巧手术臂的有利的隔开。这种灵活性还允许在开始外科手术之前将操作区设置成符合病人或环境，以及允许在外科手术期间通过根据需要增加或移除超灵巧手术臂来修改操作区。由超灵巧型手术***的模块化方面提供的灵活性还使能够实现病人周围的更多的自由空间，更多的自由空间限制了一个或更多个超灵巧手术臂之间的碰撞。所述自由空间允许外科医生更好地接近病人，例如，允许外科医生从各种位置操纵手动工具(例如，同时用超灵巧手术工具)或在手术期间例如当需要在病人身上进行急救手术时改变他或她自己相对于病人的位置。由超灵巧型手术***提供的所述自由空间还允许定位额外的超灵巧手术臂，以及允许超灵巧手术臂的更大的运动范围。

根据另一方面，超灵巧手术臂的尺寸和/或重量被最小化。超灵巧手术工具的旋转/平移机构的尺寸和/重量被最小化，这允许支承超灵巧手术工具的超灵巧手术臂的尺寸和/或重量被最小化。使超灵巧手术臂的尺寸和重量最小化允许使用体积不太大的驱动机构如马达来影响超灵巧手术臂的移动。另外，为超灵巧手术臂的驱动机构提供动力所需的动力的量被减小。另外，超灵巧手术臂的较小的尺寸和/或重量允许超灵巧手术臂安装至固定物方面的灵活性。由于超灵巧型手术***所占的空间更小，操作者可以有利地具有手术区周围的更大的自由空间。

根据另一方面，超灵巧型手术***通过增加外科医生对超灵巧手术工具的定位的理解而有助于外科医生对超灵巧手术工具的运动的自然理解。超灵巧型手术***提供了关于手动工具和超灵巧手术工具在病人身体内的工作空间内的定位的信息。例如，超灵巧型手术***可以为外科医生提供帮助外科医生理解超灵巧手术工具相对于外科医生的取向和位置的视觉提示，从而使外科医生理解超灵巧手术工具在被外科医生致动时将移动的方式。超灵巧型手术***使能够基于操作者的偏好对要调节的超灵巧手术工具进行控制。超灵巧型手术***使呈现给操作者的信息能够基于操作者的偏好而被调节。

根据另一方面，超灵巧型手术***减小了死区、身体内的由超灵巧手术工具不能接近的区域。超灵巧手术臂可以定位成使得死区能够远离病人的身体布置。超灵巧型手术***可以设计成使得容易实现将超灵巧手术臂安装成使死区最小化。超灵巧型手术***可以设计成使得超灵巧手术臂的中间位置和/或零点位置使死区最小化。

根据另一方面，超灵巧手术臂可以具有冗余自由度。冗余自由度可以允许超灵巧手术臂以多种所需姿势布置。冗余自由度使能够实现病人周围的更大的自由空间。冗余自由度使能够实现更多超灵巧手术臂(例如，多个超灵巧手术臂)在病人上方的空间内的布置和使用。另外，冗余自由度使能够实现病人体内的更大的工作空间。冗余自由度可以限制自碰撞(单个超灵巧手术臂的部件之间)和其他碰撞(超灵巧手术臂之间、超灵巧手术臂与病人之间)的数目。

根据一个方面，超灵巧手术臂可以具有3个自由度。超灵巧手术臂与市售***相比可以具有一个冗余自由度。超灵巧手术臂可以具有两个侧倾轴线。这两个侧倾轴线中的一个侧倾轴线可以是冗余的侧倾轴线。超灵巧手术臂可以具有冗余侧倾机构。超灵巧手术工具和旋转/平移机构可以具有4个自由度。超灵巧手术工具可以旋转和平移。另外，超灵巧手术工具可以俯仰和侧倾(例如，经由腕关节)。超灵巧手术臂、超灵巧手术工具和旋转/平移机构可以一起提供7个自由度。在一个实施方式中，超灵巧手术臂、超灵巧手术工具和旋转/平移机构可以一体提供多于7个自由度。超灵巧手术臂与市售***相比可以具有多于一个冗余自由度。冗余自由度可以允许超灵巧手术臂以各种所需的姿势布置。另外，冗余自由度可以允许超灵巧手术工具经由超灵巧手术臂的各种姿势以所需的取向定位。

超灵巧手术臂可以定位成建立远程中心。远程中心是进入身体时所在的位置。对于超灵巧型手术***，远程中心是空间中超灵巧手术臂的各侧倾机构和俯仰机构的旋转轴线与超灵巧手术工具的轴线相交的位置。远程中心可以位于病人的切口处。肩部侧倾机构可以布置在远程中心下方以将死区定位在病人体外。

根据另一方面，超灵巧手术臂可以包括俯仰机构、第一侧倾机构和第二侧倾机构。第一侧倾机构的轴线和第二侧倾机构的轴线可以穿过远程中心。另外，联接至超灵巧手术臂的超灵巧手术工具的轴线可以穿过远程中心。超灵巧手术臂可以布置成使得第二侧倾机构的竖向位置可以位于所有轴线所穿过的远程中心处或远程中心下方。第二侧倾机构为冗余侧倾机构。

超灵巧手术臂可以布置成使得第二侧倾机构可以从初始位置旋转至少+/-90°。在某些实施方式中，超灵巧手术臂可以布置成使得第二侧倾机构可以从初始位置旋转多于+/-90°。第二侧倾机构可以有利地到达用具有仅俯仰机构和一个侧倾机构的市售机器人臂不能接近或难以达到的目标。

由于俯仰机构、第一侧倾机构和第二侧倾机构的布置，超灵巧手术臂可以采取各种姿势。可以在保持远程中心的同时通过改变俯仰机构、第一侧倾机构和/或第二侧倾机构的取向来接近目标位置。

根据另一方面，超灵巧型手术***包括旋转/平移机构，旋转/平移机构可以给予超灵巧手术工具旋转和/或平移。超灵巧手术臂可以布置成使得旋转/平移机构定位成接近远程中心(例如，3英寸至5英寸内、2英寸至6英寸内、1英寸至7英寸内、小于7英寸、小于6英寸、小于5英寸、小于4英寸、小于3英寸、小于2英寸、小于1英寸)。旋转/平移机构可以布置成对超灵巧手术臂的旋转惯性矩的贡献有限。旋转/平移机构可以布置成限制相邻的超灵巧手术臂移动期间的干扰。旋转/平移机构可以布置成使得其直接作用在超灵巧手术工具的轴上。旋转/平移机构可以布置成使得其适应超灵巧手术工具的不同尺寸的轴。与市售***相比，旋转/平移机构可以具有更小的宽度，从而允许相邻超灵巧手术臂的超灵巧手术工具紧密定位在一起。

旋转/平移机构可以布置成使得用于旋转和平移的机械能输入可以是不同的，从而使得通过这两个机械能输入的组合运动实现了旋转和/或平移。用于旋转和平移的机械能输入可以是不同的，使得施加到机构的动力为这两个输入马达的组合动力。旋转/平移机构可以布置成使得其在超灵巧型手术***的无菌部件与超灵巧型手术***的非无菌部件之间保持有屏障。旋转/平移机构可以布置成使得超灵巧手术工具的轴位置通过病人体外的轴长度的电阻或电容而在轴上被直接测量。

根据另一方面，超灵巧型手术***可以包括控制***。超灵巧手术臂可以由输入装置控制。超灵巧手术工具可以由输入装置控制。输入装置的位置和取向可以被追踪。输入装置可以是无线的或有线的。超灵巧型手术***可以包括一个或更多个输入装置(例如，两个输入装置、三个输入装置、四个输入装置、五个输入装置、六个输入装置等)。

输入装置可以控制一个或更多个控制点。控制点是具有执行某些动作的能力的位置。一个或更多个控制点可以位于超灵巧手术臂上。一个或更多个控制点可以位于超灵巧手术工具上。输入装置的移动至一个或更多个控制点的移动的转换可以独立于其他控制点的移动。输入装置的移动至一个或更多个控制点的转换可以与其他控制点的移动同步。操作者可以同时控制一个或更多个控制点。

受控物可以从包括一个或更多个超灵巧手术工具和/或一个或更多个超灵巧手术臂的组中选择。超灵巧型手术***的控制***根据一个或更多个显示器上所显示的图像放大系数而将输入装置的移动转换成受控物的移动。

控制***可以包括在所述一个或更多个输入装置与所述一个或更多个受控物之间应用限制条件。控制***可以设置成使得限制条件为测定量，如诸如距离、速度、力和张力等的位置或者导出参数。控制***可以设置成使得限制条件对于每个受控物而言是不同的。控制***可以设置成使得限制条件对于一组受控物而言是相同的。一组中的每个超灵巧手术工具均可以具有独立的限制条件。限制条件可以是一个或更多个超灵巧手术工具可以与单个输入装置一起***纵。

超灵巧型手术***可以包括电子控制***，电子控制***与所述一个或更多个超灵巧手术臂和/或一个或更多个超灵巧手术工具通信。超灵巧型手术***可以包括向控制***传送信号的一个或更多个输入装置。来自输入装置的信号可以在操作区内被传输。例如，来自输入装置的信号可以从病人的床边传输，从而允许操作者从病人的床边控制超灵巧手术臂。控制***可以从操作区内的各个位置向所述一个或更多个超灵巧手术臂和/或一个或更多个超灵巧手术工具传送信号。

根据另一方面，超灵巧型手术***使能够实现在彼此对准、彼此部分对准或彼此独立的参照系中对超灵巧手术工具和手动工具的控制。超灵巧型手术***使能够实现在彼此对准、彼此部分对准或彼此独立的参照系中对一个或更多个超灵巧手术工具的控制。超灵巧型手术***向操作者提供了关于参照系的信息。

根据另一方面，超灵巧型手术***使超灵巧手术工具的移动被锁定至单个工具的移动。超灵巧型手术***使一个或更多个超灵巧手术工具的移动被锁定至单个超灵巧手术工具的移动。超灵巧型手术***使一个或更多个超灵巧手术工具的移动被锁定至单个手动工具的移动。

根据另一方面，超灵巧型手术***能够通过机构使一个或更多个超灵巧手术工具以及能通过机构而使所述一个或更多个超灵巧手术工具不运动。该机构可以是离合器。机构的操作可以建立用于超灵巧手术工具的参照系。机构的操作使操作者能够在参照系的最初建立之后建立新的参照系。超灵巧型手术***可以设置成使得参照系可以与操作者的操作输入装置的手部的腕关节或前臂相关联。超灵巧型手术***可以设置成使得参照系可以与操作者的操作手动工具的手部的腕关节或前臂相关联。操作者可以在与所述一个或更多个手动工具的参照系的独立的参照系中操纵一个或更多个超灵巧手术工具。

根据另一方面，超灵巧型手术***有助于对参照系的理解。超灵巧型手术***可以包括可视化***，可视化***聚集来自一个或更多个源的信息并向外科医生提供一个或更多个图像。信息可以是外科医生、病人、超灵巧手术臂、超灵巧手术工具和/或手动工具的位置信息。信息可以是控制点的位置信息。图像可以***纵成反映外科医生的视角。图像可以被更新以反映外科医生移至另一位置时外科医生的视角。

可视化***所呈现的信息可以是来自相机的实时数据、来自术前MRI、CT、超声波或其他成像形式的数据以及器官模型和人体的其他部分。可视化***可以设置成使得图像可以随相机接收数据而实时更新。可视化***可以设置成使得图像可以为来自各种源的信息的融合。信息的融合以及要融合的信息的类型可以取决于放大系数。图像可以被更新以显示与信息相关的警告(例如，非实时的、非精确校正模式、低分辨率数据)。

可视化***可以在一个或更多个显示器上呈现图像。每个显示器上所显示的图像可以是不同的。每个显示器可以呈现不同的图像(例如，病人的位置、控制点的位置)。可视化***可以设置成使得图像可以根据正执行的操纵的类型而被自动调整。可视化***可以设置成使得图像根据外科医生的位置而被旋转和定向。可视化***可以布置成使得在放大操作期间，图像可以被融合成在放大图像与缩小图像之间平滑过渡。图像可以由用户输入装置控制。

附图说明

图1A示意性地示出了互动连续过程。

图1B示意性地示出了互动连续过程中的场景。

图2示意性地示出了超灵巧型手术***的一个实施方式。

图3A至图3C示意性地示出了互动连续过程中的场景。

图4示意性地示出了联接至床的超灵巧手术臂。

图5示意性地示出了支承臂的实施方式。

图6示意性地示出了图4的超灵巧手术臂的多个自由度。

图7示意性地示出了具有远程中心和复数个旋转轴线的超灵巧手术臂的实施方式。

图8示意性地示出了图7的超灵巧手术臂的实施方式的自由度。

图9示意性地示出了超灵巧手术工具的零点位置、初始位置，以及目标位置。

图10示意性地示出了超灵巧手术工具由于超灵巧手术臂的俯仰部段与其他部分之间的干扰而无法到达目标位置。

图11示意性地示出了肩部侧倾部段可以如何被激活以达到图10的相同目标点。

图12示意性地示出了超灵巧手术臂的死区的位置。

图13A示意性地示出了超灵巧手术臂的达到目标位置的布置。

图13B示意性地示出了超灵巧手术臂的达到图13A的目标位置的另一布置。

图14示意性地示出了超灵巧手术臂的实施方式。

图15示意性地示出了超灵巧手术臂的实施方式。

图16示意性地示出了超灵巧手术臂的实施方式。

图17示意性地示出了不对称的旋转/平移机构的实施方式。

图18示意性地示出了图17的不对称的旋转/平移机构的俯视图。

图19示意性地示出了图17的不对称的旋转/平移机构的侧视图，其中箭头表示超灵巧手术工具的平移。

图20示意性地示出了图17的不对称的旋转/平移机构的俯视图，其中箭头表示超灵巧手术工具的平移。

图21示意性地示出了图17的不对称的旋转/平移机构的侧视图，其中箭头表示超灵巧手术工具的旋转。

图22示意性地示出了图17的不对称的旋转/平移机构的俯视图，其中箭头表示超灵巧手术工具的旋转。

图23示意性地示出了对称的旋转/平移机构的实施方式。

图24示意性地示出了图23的对称的旋转/平移机构的侧视图，其中，该侧视图示出了图23的线性传送带和滚子。

图25示意性地示出了图23的对称的旋转/平移机构的侧视图，其中箭头表示超灵巧手术工具的平移。

图26示意性地示出了图示出图23的对称的旋转/平移机构的线性传送带和滚子的侧视图，其中箭头表示超灵巧手术工具的平移。

图27示意性地示出了图23的对称的旋转/平移机构的侧视图，其中箭头表示超灵巧手术工具的旋转。

图28示意性地示出了具有连续带驱动机构的旋转/平移机构的实施方式。

图29示意性地示出了宽度调节机构的实施方式。

图30示意性地示出了处于新位置的图29的宽度调节机构的侧视图。

图31示意性地示出了图30的滚子的新位置的俯视图。

图32A为输入装置的实施方式。

图32B为输入装置的实施方式。

图33A至图33B示意性地示出了虚拟抓握。

图34示意性地示出了超灵巧型手术***的控制***的实施方式。

图35示意性地示出了控制***的框图。

图36示意性地示出了显示器的屏幕截图的实施方式。

图37示意性地示出了显示器的屏幕截图。

图38A至图38B示意性地示出了以恒定张力保持组织的方法。

图39示意性地示出了同时使用超灵巧手术工具和手动工具的方法。

图40示意性地示出了显示器的屏幕截图。

图41A示意性地示出了以同样的方式定向的两个参照系。

图41B示意性地示出了由置于图41A中规定的位置处的观察者感知到的运动。

图41C示意性地示出了没有以相同方式定向的两个参照系。

图41D示意性地示出了由置于图41C中规定的位置处的观察者感知到的运动。

图42A示意性地示出了控制超灵巧手术工具和手动工具的操作者。

图42B示意性地示出了显示器的屏幕截图。

图42C示意性地示出了控制超灵巧手术工具的操作者。

图43示意性地示出了显示器的屏幕截图。

图44A至图44C示意性地示出了呈现在显示器上的不同图像。

图45示意性地示出了显示器的屏幕截图。

具体实施方式

术语“超灵巧”是“超级”和“灵巧”的通常含义的组合；超级意味着超过或优于，并且灵巧意味着手或身体的使用方面的熟练或灵活。如下文中进一步描述的，文中所使用的超灵巧型手术***使外科医生与病人之间能够在互动连续过程中互动，并且提供关于能够进行的外科手术的增强的多功能性。超灵巧型手术***提高了外科医生与病人互动的能力并且包括若干特征，这些特征组合产生了更自然、更具互动性且更多功能的手术***。超灵巧型手术***的多功能性通过该***的各个方面示出，例如：超灵巧型手术***的模块性，该模块性允许使用一个或更多个超灵巧手术臂并允许将超灵巧手术臂移开以仅利用手动手术工具；超灵巧型手术***使外科医生能够在外科手术期间在手术区中移动；以及超灵巧型手术***使外科医生能够同时地操作超灵巧手术工具和手动工具，同时能够在病人的多个床边位置之间移动至针对特殊手术任务的最佳位置。通过这种特征，并且通过下面要描述的其他特征，超灵巧型手术***具有了比市售的纯“机器人”手术***更强的多功能性。

超灵巧型手术***的性质除了其他方式还通过如下方式来说明：为外科医生提供(例如，经由显示器)允许外科医生容易地理解超灵巧手术工具相对于病人的定位从而自然地理解工具在被致动时将如何移动的各种信息。超灵巧型手术***的互动性质除了其他方面外还通过如下方面来说明：外科医生通过用户输入装置来选择性地控制多个超灵巧手术工具的能力以及在外科手术期间在不同的参照系之间(例如，在病人身体内的沉浸式参照系与病人体外的参照系之间)移动从而允许外科医生在手术期间改变他自己或她自己的位置同时始终知道工具相对于外科医生的位置和取向的能力。

介绍

文中所描述的超灵巧型手术***提供了一种与现有的市售机器人手术***从根本上不同的概念框架，其不同之处在于，除其他方面外，文中所描述的超灵巧型手术***使外科医生能够在本人的床边处时同时地使用手动手术工具和超灵巧手术工具。在病人床边即在手术台旁边的这种能力提供了若干优点：改善了与手术团队的交流；直接监控病人；有助于工具的交换(例如，手动手术工具与超灵巧手术工具之间的交换)。此外，如下文所讨论的，超灵巧型手术***包括若干子***，这些子***一起提供了灵活的、更自然且更具互动性的***，该***有利地允许外科医生在互动连续过程中根据外科医生的需要或者根据手术任务的需要在仅使用超灵巧手术工具、同时使用手动手术工具和超灵巧手术工具的组合、与仅使用手动工具之间无缝地进行外科手术。

该超灵巧型手术***的一个有利方面是超灵巧手术臂的尺寸，该超灵巧手术臂比市售***的超灵巧手术臂更小且更紧凑，并且该超灵巧手术臂使臂相对于病人如何安装方面的灵活性增强——安装在推车上或是安装在台车上、或是安装在手术室的墙壁或顶棚上、或是直接安装到病人的床上。超灵巧手术臂的更小的尺寸还允许超灵巧型手术***是模块化的，其中，所使用的超灵巧手术臂的数目可以依据手术要求根据外科医生的需要而变化。超灵巧手术臂的小尺寸额外的提供了病人上方的增大的自由空间，该自由空间有助于外科医生的从床边位置工作的能力。实际上，如上文所指出的，超灵巧型手术***的创造性方面在于其允许外科医生在互动连续过程中操作，并且在一种情境中，外科医生可以将超灵巧手术臂移开并仅使用手动工具。使自由空间最大化的这种能力(例如，将超灵巧手术臂移开，臂的小尺寸)通过为超灵巧手术臂有利地提供包括冗余的侧倾的三个自由度而得到提高，如下文更详细讨论的。另外，超灵巧手术臂的冗余的侧倾被有利地定位成确保用于超灵巧手术工具的死区位于病人的体外，从而允许增大超灵巧手术工具进入身体中的工作空间内的范围。

另外，用于超灵巧手术工具的旋转和平移机构有利地促进了超灵巧手术臂的小尺寸，如下文讨论的。实际上，旋转/平移***比用于市售***的给予旋转和平移的机构在直径方面更小、更轻且更紧凑，从而允许支承旋转/平移机构的超灵巧手术臂更小。

超灵巧型手术***的另一优点和相关方面是其使外科医生能够自由走动并使他或她自己能够位于靠近病人的最佳位置的能力。这种能力由超灵巧型手术***以若干方式提供，包括允许外科医生用一个或更多个手持便携式输入装置来控制超灵巧手术臂，手持便携式输入装置将外科医生的手部的运动通信至控制超灵巧手术臂和超灵巧手术工具的操作的控制***。在一个实施方式中，手持便携式输入装置是无线的。超灵巧型手术***有利地提供了对手持便携式输入装置的追踪以及用以防止因外科医生的移动而导致的超灵巧手术臂和超灵巧手术工具的意外运动的特征(例如，离合器)。

超灵巧型手术***的又一优点和相关部分是控制***，控制***将外科医生的命令通信(例如，经由用户输入装置)至超灵巧手术工具和超灵巧手术臂并且有助于外科医生与外科手术工具和外科手术臂的互动。该***的另一优点和相关部分是可视化***，可视化***帮助外科医生根据各种参照系(例如，沉浸式的、病人体外的鸟瞰)在病人体内操纵超灵巧手术工具。控制***和可视化***可以一起工作以通过提供允许外科医生自然地认识到超灵巧手术工具和手动工具的定位的各种信息(例如，视觉提示)来提高外科医生执行外科手术的能力。

超灵巧型手术***的部件或子***中的每个部件或子***均具有优于市售***中的对应部件的优点。另外，将这些部件和子***放在一起提供了一种下述的超灵巧型手术***：该超灵巧型手术***对于外科手术而言提供了完全不同的范例，其提高了外科医生与病人以更自然的、更具互动性的且更灵活的方式进行互动的能力。现在将更详细地描述超灵巧型手术***。

图1A示出了超灵巧型手术***的互动连续过程。该连续过程的右端示出了外科医生的身体与病人的身体之间的物理互动。该连续过程的极右端包括外科医生用手移动组织。手动工具如手术刀的使用与用手移动组织相比具有较少物理互动性。腹腔镜工具如手术刀的使用与用手移动组织相比具有较少的物理互动性。该连续过程的左端示出了使用超灵巧手术臂来控制端部执行器。在该连续过程中，操作者可以以各种组合使用手动工具和/或超灵巧工具。超灵巧型手术***使操作者1如外科医生在连续过程中能够在任何位置工作。

在该连续过程的右端，外科医生紧密靠近病人以物理地操纵组织。外科医生能够直接触摸和感觉手术部位的组织。在该连续过程的左端，外科医生通过操纵用作用于实际工具的代理装置的用户输入装置来与病人远程地互动。外科医生通过操纵用户输入装置来操纵端部执行器如抓握器。许多情境出现在互动连续过程中。

文中的实施方式描述了能够由操作者使用的超灵巧型手术***的用途。操作者可以是外科医生、医疗助理、工作人员、体检医生或操作超灵巧型手术***的任何其他人员。操作者不限于有资格进行手术的医学专业人员，而是包括被训练操作超灵巧型手术***的任何操作者。

图1B以更详细的方式复制了图1A的互动连续过程。图1B示出了使用超灵巧型手术***如图2中示出的超灵巧型手术***100的各种方法。在图1B的右侧上，操作者1可以用手动工具350执行手术步骤。在该情境中，超灵巧型手术***100的超灵巧手术臂200可以移动离开工作空间。操作者1可以参考提供了手术的图像的显示器702。在图1B的左侧上，操作者1与输入装置500互动以控制超灵巧手术臂200。操作者1可以参考提供了手术的图像的显示器600。

在该连续过程的中间，会出现不同的情境。一种情境在图1B中示出为情境1。在该情境中，操作者1可以同时使用一个或更多个超灵巧手术工具300和一个或更多个手动工具350(例如，同时，在相同工作空间中)。外科医生可以用输入装置500中的一个或更多个输入装置来操纵超灵巧手术工具300中的一个或更多个超灵巧手术工具。操作者1可以参考提供了手术的图像的显示器702。另一情境在图1B中示出为情境2。在该情境中，操作者1可以通过手来操纵超灵巧手术臂200。该情境可能会例如在执行超灵巧手术臂200的大范围运动时出现。尽管图1B示出了仅一个超灵巧手术臂200，但超灵巧型手术***100可以具有多个超灵巧手术臂200，如图2中所示。

在未示出的另一情境中，操作者1可以将手动工具350***到由超灵巧手术臂200支承的套管针302(图2中示出)中。其中***了手动工具350的套管针302可以通过手来操纵。第三种情境在难以仅用手来操控手动工具350时会是有用的。可能会遇到这种情况的一些示例为当病人过胖时或进入病人的角度不便的情况。在这种情况下，保持套管针302的超灵巧手术臂200可以用作用以定位手动工具350的动力辅助。换句话说，保持套管针302的超灵巧手术臂200可以抵抗由病人的身体施加在手动工具350上的力，并且可以提高手动工具350的可操作性。超灵巧型手术***100的多功能性有利地允许所有这种组合。

图3A至图3C示出了操作者1选择要在外科手术中使用的工具的类型的情境。图3B类似于情境1，而图3C类似于图1B中示出的连续过程的左侧。这些图示出了在对病人2进行外科手术期间使用超灵巧型手术***100的三维描绘。

在图3A中，超灵巧型手术***100包括两个超灵巧手术臂200，每个超灵巧手术臂均联接至超灵巧手术工具300。操作者1通过握在其右手中的输入装置500来控制超灵巧手术臂200。操作者1通过握在其左手中的输入装置500来控制另一超灵巧手术臂200。输入装置500响应于操作者1的移动而移动超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300。超灵巧型手术***100包括显示器600。显示器600可以允许操作者1建立应用于超灵巧型手术***100的限制条件。例如，显示器600可以允许操作者1建立输入装置500与受控物(例如，超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300)之间的关联(配对)。显示器600可以提供手术的图像。

在图3B中，超灵巧型手术***100包括联接至超灵巧手术工具300的超灵巧手术臂200。操作者1通过握在其右手中的输入装置500来控制超灵巧手术臂200。输入装置500响应于操作者1的移动而移动超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300。操作者1通过其左手来控制手动工具350。如图3B中所示并如文中所讨论的，超灵巧型手术***100有利地使操作者1(例如，外科医生)能够同时控制超灵巧手术工具300和手动工具350。

在图3C中，超灵巧型手术***100包括两个超灵巧手术臂200，每个超灵巧手术臂均联接至超灵巧手术工具300。操作者1可以通过一个或更多个输入装置500来控制超灵巧手术臂200。输入装置500可以是图3A中示出的输入装置。输入装置500可以是图3C中示出的控制器。所述一个或更多个输入装置500可以安装或以其他方式固定在显示器600附近。在另一实施方式中，所述一个或更多个输入装置500可以是手持便携式输入装置，例如图3A中示出的那些装置，并且操作者1可以在站立或坐在座上并操作手持便携式输入装置的同时将他或她的臂支承在座的支承杆或休息把上。像图3A中示出的输入装置500一样，图3C中示出的所述一个或更多个输入装置500响应于操作者1的移动而移动超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300。

***概述

超灵巧型手术***100可以包括许多部件，这些部件可以一起工作以实现文中所描述的益处，例如通过提供更自然、更具互动性且更多功能的手术***来提高外科医生与病人互动的能力。超灵巧型手术***100可以包括一个或更多个超灵巧手术臂200，并且每个超灵巧手术臂200均可以操纵超灵巧手术工具300。超灵巧型手术***100包括控制***和显示器600、702，显示器600、702为操作者提供了帮助外科医生控制所述一个或更多个超灵巧手术工具300和手动工具350的操作的视觉提示。操作者如外科医生可以在操作区的不同位置处可选地同时操纵超灵巧手术工具300和手动工具350。

图2示出了超灵巧型手术***100的一个实施方式。超灵巧型手术***100包括一个或更多个超灵巧手术臂200。每个超灵巧手术臂200均可以支承超灵巧手术工具300(例如，经由套管针302)。超灵巧型手术***100可以包括一个或更多个手动工具350。手动工具350可以与超灵巧手术工具300一起由操作者(例如，外科医生)同时使用。超灵巧手术工具300可以通过输入装置500来控制。输入装置500可以采取许多形式，包括夹钳502(参见图32A)和控制器514。

超灵巧型手术***100可以包括用以将来自输入装置500的运动转换成超灵巧手术臂200和超灵巧手术工具300的运动的控制***。操作者1可以选择哪个输入装置500控制超灵巧手术工具300，哪个输入装置500控制超灵巧手术臂200。控制***400可以包括计算机402、一条或更多条电缆406、以及/或者电源404。

超灵巧手术臂200可以与固定物(例如，手术台、病床、检查台、墙壁、地板、顶棚、桌子、推车、台架)联接。在固定物为推车或台架的一个实施方式中，固定物可以被(例如，暂时地)锚定至地板。超灵巧型手术***100可以包括将超灵巧手术臂200联接或保持至固定物的机构。在图2的实施方式中，固定物是床或手术台102。

超灵巧手术臂200和超灵巧手术工具300可以通过控制***400来控制，控制***400的示意图在图34至图35中示出。指导该控制***的算法和/或由控制***执行的任何计算指令可以由计算机402存储。控制***400可以将用户命令转换成超灵巧手术臂200的运动和/或超灵巧手术工具300的运动。计算机402可以连接至电源404。计算机402可以连接至可以采用脚踏开关的形式的离合器112。计算机402可以包括将计算机402连接至其他部件的电缆406。

超灵巧型手术***100可以包括一个或更多个输入装置500。输入装置500可以通过有线连接或无线连接而与控制***400通信。如文中的实施方式中所使用的，术语“无线”包含所有形式的无线通信，包括但不限于红外(IR)通信、射频(RF)通信、微波通信和超声波通信。输入装置500可以将控制信号经由控制***400(例如，通过将来自输入装置500中的发射器的信号通信至控制***400的接收器)发送到超灵巧手术臂200和超灵巧手术工具300内的合适的马达。输入装置500可以是有利地允许操作者1如外科医生在手术期间在病人2的床边移动的手持和/或便携式装置。输入装置500可以允许操作者1从一个或更多个位置(例如，多个位置)来控制超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300。这些位置中的某些位置可以在病人2的床边。超灵巧型手术***100可以包括离合器112。离合器112可以用来接合或断开一个或更多个超灵巧手术工具300。离合器112可以是脚踏开关，如图2中所示。

继续参照图2，超灵巧型手术***100可以包括用户界面子***605。用户界面子***605可以包括输入装置(例如，控制器514)。用户界面子***605可以包括平台602，平台602可以包括例如水平休息把603的特征。用户界面子***605可以包括显示器600。显示器600可以包括触摸屏604。显示器600可以具互动性并且接收来自操作者1的输入。显示器600可以用来控制控制***400。显示器600的位置可以远离病人。在某些实施方式中，显示器600安装到平台602上，如图2中所示。在某些实施方式中，显示器600可以附至操作者1如外科医生的身体。

在某些实施方式中，用户界面子***605可以包括输入装置500(例如，有线控制器)。输入装置500可以是安装至平台602的控制器514。用户界面子***605允许操作者1如外科医生控制紧密靠近显示器600的输入装置500，如图2中所示。

显示器600允许操作者1执行许多功能，包括将超灵巧手术工具300与输入装置500配对以使得操作者1可以操作成对的超灵巧手术工具300与输入装置500。显示器600可以允许操作者1用所述一个或更多个输入装置500来控制一个或更多个超灵巧手术工具300。显示器600还允许操作者1如外科医生将超灵巧手术臂200与输入装置500配对以使得操作者1可以操作成对的超灵巧手术臂200与输入装置500。显示器600可以允许操作者1控制一个或更多个超灵巧手术臂200。用户界面600可以示出或说明所述一个或更多个输入装置500和所述一个或更多个受控物如所述一个或更多个超灵巧手术臂200或超灵巧手术工具300的映射。

继续参照图2，可视化***700可以包括一个或更多个显示器702。显示器702可以显示与所述一个或更多个超灵巧手术臂200、所述一个或更多个超灵巧手术工具300、病人、或可能与外科医生或手术团队相关的任何其他信息有关的信息。显示器702可以显示出由相机304(图35中示意性地示出)或其他可视化装置观察到的图像，例如，由超灵巧手术臂200保持的超灵巧手术工具300的图像，或由操作者(例如，外科医生)保持的手动工具350的图像。相机304可以由控制***400控制。相机304可以被当成超灵巧手术工具300并且通过超灵巧机器人臂200来移动。在一个实施方式中，相机304可以由输入装置500经由控制***400来控制，控制***400使操作者1如外科医生能够根据需要来对相机304进行定位。超灵巧型手术***100可以包括定位在整个操作区的不同位置处的多个显示器702。另外，显示器600、702可以显示出相同的信息或不同的信息。

如图2中所示，超灵巧型手术***100可以与一个或更多个手动工具350(例如，多个手动工具350)一起使用。图2中示出了一个手动工具350。手动工具350可以用在与所述一个或更多个超灵巧手术工具300相同的工作空间中。由于超灵巧型手术***100如先前所讨论的有利地允许操作者1站在病人2旁，因此可以使用一个或更多个手动工具350。由于超灵巧手术臂200是紧凑的从而释放了病人2周围的空间，因此可以使用一个或更多个手动工具350。文中所描述的冗余侧倾机构和冗余侧倾机构的布置也使病人2周围的自由空间最大化。因此，操作者1可以在不撞到超灵巧型手术***100的其他部件的情况下同时操纵超灵巧手术工具300和手动工具350。未在图2中示出的操作者1可以站在床边，并且具有选择控制一个或更多个超灵巧手术工具300(例如，经由输入装置500)、一个或更多个手动工具350、或超灵巧手术工具300和手动工具350的任何组合的能力。

如图2中所示，超灵巧手术臂200可以联接至超灵巧手术工具300。因此，***100可以具有超灵巧手术臂200中的一个或更多个超灵巧手术臂(例如，多个超灵巧手术臂)和超灵巧手术工具300中的一个或更多个超灵巧手术工具(例如，多个超灵巧手术工具)。在某些实施方式中，超灵巧手术工具300***到套管针302中。套管针302可以联接至超灵巧手术臂200(例如，附至超灵巧手术臂200、与超灵巧手术臂200一体地形成、由超灵巧手术臂200保持等)。超灵巧手术臂200可以通过套管针302来支承并操纵超灵巧手术工具300。在某些实施方式中，所述一个或更多个超灵巧手术臂200可以将一个或更多个超灵巧手术工具300***穿过病人2中的切口，如图3A至图3C中所示。超灵巧手术臂200和超灵巧手术工具300可以具有位于不同位置的一个或更多个马达(例如，电动马达)，如下文进一步描述的。马达有助于将超灵巧手术工具300适当地布置在病人2体内的手术工作空间中。超灵巧手术臂200和超灵巧手术工具300可以由电源404提供电力。在某些实施方式中，所述一个或更多个超灵巧手术工具300可以是一次性的。在某些实施方式中，超灵巧手术工具300的至少一部份能够被消毒(例如，可重复使用)。

安装超灵巧手术臂

超灵巧型手术***100可以提供用以支承超灵巧手术臂200的安装。这种安装使得能够实现超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300相对于病人的定位。超灵巧手术臂200可以安装至多个能够移动的或被固定的固定物。安装超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300方面的灵活性提供了在设计操作区和病人体外的自由空间方面的多功能性。

图2和图4示出了安装至固定物的超灵巧手术臂200的实施方式。各种部件允许超灵巧手术臂200相对于病人2定位。各种部件还允许超灵巧手术臂200避免与其他超灵巧手术臂200碰撞。超灵巧手术臂200可以定位成有助于进入病人2。超灵巧手术臂200可以定位成允许操作者1同时使用超灵巧手术工具300和手动工具350。包括支承臂106、升降器120和托架130的超灵巧型手术***100的灵活性允许用于超灵巧手术臂200的远程中心250(见图7)的定位。当远程中心250建立时，超灵巧手术臂200可以在保持远程中心250的同时***纵。

如图2中所示，超灵巧型手术***100可以包括多个安装杆104。超灵巧型手术***可以包括任意数目的安装杆104(例如，一个、三个、四个等)，但图2为说明的目的示出了两个。每个安装杆104均可以支承超灵巧手术臂200。图2示出每个安装杆104仅保持一个超灵巧手术臂200，但每个安装杆104可以可选地支承任意数目的超灵巧手术臂200(例如，一个、两个、三个、四个等)。实际上，超灵巧型手术***100有利地为模块化的。这种模块化允许用户如手术团队针对执行的手术类型最有效地构造超灵巧型手术***100。这种模块化还允许团队在手术期间增加或移除安装杆104和/或超灵巧手术臂200。模块化允许超灵巧型手术***100被以各种方式构造。

安装杆104可以由可动固定物(例如，台车、手推车或小推车)支承。安装杆104以及所有相关联的超灵巧手术臂200和支承臂106可以在远离操作区的位置处安装至可动固定物。可动固定物可以在手术之前或手术期间被搬运到操作区中。如果手术期间需要额外的超灵巧手术臂200，则超灵巧手术臂200可以快速且容易地安装到固定物上。在某些实施方式中，如果手术期间需要额外的超灵巧手术臂200，则安装在可动固定物上的额外的超灵巧手术臂200可以被搬运到操作区中。可动固定物和/或安装杆可以锚定至另一固定物(例如，地板)以提高稳定性。安装杆104可以由不活动的固定物(例如，床、地板、墙壁或顶棚)支承。

安装杆104可以附接至夹具108，如图2中所示。夹具108可以连接至固定物。在所示出的实施方式中，固定物为床102，然而如上所述，也可以使用其他合适的固定物。在某些实施方式中，夹具108可以联接至床102的一个或更多个导轨110。其他附接机构也是可以的。安装杆104可以相对于固定物(例如，床102)大致竖向地(例如，以90度)布置。安装杆104可以相对于固定物(例如，床102)以其他角度例如15度、30度、45度、60度来布置。安装杆104可以以基于病人的方位的其他角度来布置。

超灵巧手术臂200可以直接或间接地附接至固定物(例如，床102)。在一个实施方式中，不包括安装杆和/或支承臂106，并且超灵巧手术臂200可以直接联接至安装杆104或固定物(例如，床102)的一部分。在某些实施方式中，超灵巧型手术***100可以从固定物(例如，床102和/或导轨110)上拆下。

参照图4，安装杆104可以联接至允许水平移动(例如，平行于床102)或竖向运动(例如，垂直于床102)的部件。升降器120允许支承臂106和/或超灵巧手术臂200沿着安装杆104的长度的布置。如所示出的，安装杆104可以联接一个或更多个升降器120。每个升降器120均可以连接至额外的支承臂106和/或额外的超灵巧手术臂200。因此，安装杆104可以可选地支承多个支承臂106，每个支承臂106均联接至超灵巧手术臂200。升降器120可以提供在其处超灵巧手术臂200可以联接至安装杆104的供选择的竖向位置。

继续参照图4中所示的实施方式，安装杆104可以联接至托架130。托架130可以联接至承接器132。托架130和承接器132可以形成允许托架130沿着承接器132线性滑动的滑动组件。承接器132可以联接至固定物(例如，床102和/或导轨110)。托架130可以在不需要承接器132的情况下直接联接至固定物(例如，床102和/或导轨110)。托架130和承接器132允许安装杆104、支承臂106和超灵巧手术臂200在大致水平方向上的移动。在某些实施方式中，安装杆104在不需要托架130和/或承接器132的情况下直接联接至固定物(例如，床102和/或导轨110)。安装杆104可以布置成使得安装杆104沿着固定物(例如，床102和/或导轨110)线性滑动。

参照图4，安装杆104可以联接至允许在其他方向上的移动的部件。例如，安装杆可以联接至以与水平和竖向方向正交的方式移动(例如，从固定物向外延伸)的滑动件(未示出)。滑动件可以是安装至固定物的抽屉。例如，在固定物是床102的实施方式中，超灵巧手术臂200可以远离床102的侧边横向地移动(例如，经由可滑动抽屉)。

超灵巧型手术***100可以包括竖直联接或保持超灵巧手术臂200的机构。图2和图4示出了可选地联接至支承臂106的超灵巧手术臂200。支承臂106可以是被动式臂，缺少马达或其他电气特征件。如图5中所示，支承臂106具有第一端部114和第二端部116。第一端部114可以包括可以联接至超灵巧手术臂200的支架118，例如U形支架。也可以使用本领域已知的其他连接件。支架118可以在超灵巧手术臂200的基部、例如靠近下文进一步描述的肩部侧倾机构202(见图7)处联接至超灵巧手术臂200。第二端部116可以联接至升降器120。第二端部116可以关于旋转中心122旋转。

支承臂106可以包括允许支承臂106旋转的一个或更多个旋转中心。图5中所示的支承臂106具有三个旋转中心122。旋转中心122关于箭头方向上的轴线旋转，如图5中所示。支承臂106可以包括允许支承臂106的一部分倾斜的一个或更多个倾斜轴线124。如图5中所示，支承臂106具有一个倾斜轴线124，该倾斜轴线124允许联接至支承臂106的超灵巧手术臂200倾斜。旋转中心122和/或倾斜轴线124允许支承臂106和支架118的所述一个或更多个连接部126旋转和被定位。旋转中心122可以使支承臂106的连接部126在同一平面中、或在不同平面中、或在相同组合的平面中旋转。

支承臂106可以是被动式的。操作者1可以通过手来移动支承臂106以对支承臂106进行定位。操作者1可以通过手来移动支承臂106以建立文中所描述的远程中心250。在某些实施方式中，支承臂106可以是主动式的。在这种实施方式中，支承臂106可以包括用以移动支承臂106的接合部的一个或更多个马达。操作者1可以经由马达来移动支承臂106以建立远程中心250。

超灵巧型手术***100在定位超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300方面提供了灵活性。该灵活性通过支承臂106的旋转中心122和/或倾斜轴线124而被有利地提高，如图5中所示。该灵活性可以通过沿着安装杆104移动(例如，竖向地)升降器120的能力而得到提高。该灵活性可以通过沿着承接器132移动(例如，水平地)托架130的能力而得到提高。

现在参照图6，支承臂106、升降器120和托架130可以有助于超灵巧手术臂200的定位。箭头134、箭头136、箭头138和箭头140展示了支承臂106的旋转中心和倾斜轴线。箭头142展示了大致竖向方向，升降器120可以沿着安装杆104定位在该大致竖向方向上。箭头144展示了大致水平方向，托架130可以沿着承接器132相对于固定物(例如，床102和/或导轨110)在该大致水平方向上移动。在一个实施方式中，安装杆104可以是竖向的，并且承接器132可以是水平的；因此箭头142可以是竖向的，并且箭头144可以是水平的。所有这些箭头或自由度可以以与图6中所示的方式不同的方式构造(例如，支承臂106可以具有更多或更少的旋转中心或倾斜轴线)。

超灵巧型手术***100可以使所述一个或更多个超灵巧手术臂200能够成角度(例如，倾斜)为遵循手术过程期间病人的方位。通常，病人被置于水平面(例如，床)上。在某些手术中，有利的可能是基于要执行的手术而使病人的身体相对于水平面成角度(例如，倾斜)(例如，降低病人的头部以使内脏离开手术部位向病人的头部移动从而改善对手术部位的接近)。超灵巧型手术***100使能够实现超灵巧手术臂200的成角度(例如，从水平位置倾斜)，从而使得超灵巧手术臂200遵循病人2的方位(例如，超灵巧手术臂200安装成遵循病人2的方位)。支承臂106、升降器120、托架130和滑动件(未示出)可以有助于超灵巧手术臂200的倾斜。

超灵巧手术臂200在工作空间中的位置可以被追踪。在某些实施方式中，该位置通过将绝对编码器(未示出)联接至超灵巧手术臂200的每个接合部处来追踪。在某些实施方式中，在超灵巧手术臂200的基部处安装位置传感器(例如，光学追踪器)。该位置传感器可以提供超灵巧手术臂200相对于地面参照点(未示出)的位置。该位置传感器和/或编码器可以被用来追踪超灵巧手术臂200的位置。另外，位置传感器和/或编码器可以被用来追踪超灵巧手术工具300的位置。本领域的技术人员可以利用其他合适的传感器、机构或追踪超灵巧型手术***100的部件的方法。超灵巧型手术***100可以具有追踪超灵巧手术臂200、超灵巧手术工具300以及超灵巧型手术***100的其他组成部分(例如，操作者1、输入装置500)的整体追踪器。

超灵巧手术臂

与超灵巧型手术***100一起使用的超灵巧手术臂200可以具有冗余自由度。该冗余自由度可以有利地允许超灵巧手术臂200布置成多种所需的姿势。另外，冗余自由度可以有利地使能够实现病人周围的更多的自由空间。冗余自由度可以使能够使用更多的超灵巧手术臂200(例如，多个超灵巧手术臂200)。冗余自由度可以使能够将更多的超灵巧手术臂200布置在病人2上方的自由空间内。冗余自由度还可以使能够实现病人体内的更大的工作空间。冗余自由度可以减少自碰撞(单个超灵巧手术臂200的部件之间)和其他碰撞(超灵巧手术臂200之间、超灵巧手术臂200与病人2之间)。

冗余被定义如下：“当操纵器可以通过连杆机构的多于一个构型而达到指定的位置时，操纵器就被称为冗余的。”P.J.KcKerrow，IntroductiontoRobotics(机器人学入门)(Addison-WesleyPublishingCo,Sydney,1991(爱迪生-韦斯利出版有限公司，悉尼，1991))。

图7示出了超灵巧手术臂200的一个实施方式。超灵巧手术臂200可以与文中所描述的超灵巧型手术***100一起使用。超灵巧手术臂200可以具有三个自由度。

与市售手术***有关的冗余自由度可以由肩部侧倾机构202提供。肩部侧倾机构202的位置可以靠近超灵巧手术臂200的底部。该冗余自由度提供了额外的灵活性和优点。冗余自由度所提供的优点在于，超灵巧手术臂200可以进入更大的工作空间并且可以进入具有2个自由度的市售机器人臂所无法到达的额外的解剖目标。冗余自由度允许超灵巧手术臂200在体外重新配置超灵巧手术臂200的部件的同时保持超灵巧手术工具300的稍端位置和远程中心250。这些不同的姿势使超灵巧手术臂200能够避免与病人2、手术区中的其他工具或其他物体碰撞。

在相同的实施方式中，与市售手术***有关的冗余自由度由冗余俯仰机构(未示出)提供。冗余俯仰机构可以位于超灵巧手术臂200上的任何位置。冗余俯仰机构的位置可以靠近超灵巧手术臂200的底部。冗余俯仰机构可以具有与远程中心相交的俯仰轴线，如文所述。由冗余俯仰机构提供的冗余自由度可以具有与文中所述的由冗余侧倾机构202提供的冗余自由度的优点相同的优点。超灵巧手术工具300和旋转/平移机构208可以具有4个自由度(例如，旋转、平移、俯仰、横摆)。旋转/平移机构208可以使工具300旋转和平移。超灵巧手术工具300可以俯仰和侧倾。因此，超灵巧手术臂200和超灵巧手术工具300总共可以具有7个自由度。超灵巧手术臂200和超灵巧手术工具300可以具有多于7个自由度(例如，8个自由度、9个自由度等)。超灵巧手术臂200和超灵巧手术工具可以具有(例如，由端部执行器如抓握器、挠性弯头提供的)额外的自由度。通常，市售的手术机器人***具有带2个自由度(俯仰和侧倾)的机器人臂和带4个自由度(旋转、平移、俯仰、横摆)的工具，使得市售的机器人手术***通常总共具有6个自由度。

继续参照图7，肩部侧倾机构202提供了1个自由度。主要侧倾机构204提供了1个自由度。俯仰机构206提供了1个自由度。旋转/平移机构208和超灵巧手术工具300提供了4个自由度(旋转、平移、俯仰、横摆)。存在有助于超灵巧手术臂的灵巧度的四个机构：(1)肩部侧倾机构202；(2)主要侧倾机构204；(3)俯仰机构206；以及(4)旋转平移机构208。与市售的手术***相比，结合第二侧倾机构、肩部侧倾机构202提供了冗余自由度(例如，7个自由度)。

肩部侧倾机构202具有肩部侧倾轴线244。主要侧倾机构204具有主要侧倾轴线240。俯仰机构206具有俯仰轴线228。机构202、204、206的轴线228、240、244在共同的点处相交。在图7中，该点被称为远程中心250。

参照图8，俯仰机构206允许超灵巧手术臂200将超灵巧手术工具300关于俯仰轴线228旋转。俯仰轴线228穿过远程中心250。箭头230示出了表示超灵巧手术工具300绕俯仰轴线228的路径的弧。俯仰机构206具有三个旋转中心232、234和236。旋转中心232、234和236机械地连接以产生关于俯仰轴线228的运动。

仍参照图8，俯仰机构206具有三个部段：俯仰部段224、俯仰部段226和俯仰部段227。俯仰机构206的俯仰部段224、226和227可以具有许多构型，例如，2杆、3杆或4杆连杆机构，或线缆连杆机构。在某些实施方式中，绑带或带限制了俯仰部段224、226和227之间的相对角度。俯仰部段224和俯仰部段226可以在绕俯仰轴线228旋转超灵巧手术工具300的同时折叠在彼此的顶部上或彼此间具有小的角度。当俯仰部段靠近折叠位置时，可以使主要侧倾机构204和套管针302的近端紧密地在一起。替代性地，俯仰部段224和俯仰部段226也可以伸出或彼此间具有大的角度，以使得主要侧倾机构204与套管针302的近端之间的相隔距离进一步加大。

在图8中示出了侧倾机构202/204的旋转和运动。箭头238示出了主要侧倾机构204关于主要侧倾轴线240的旋转。箭头242示出了肩部侧倾机构202关于肩部侧倾轴线244的旋转。在某些实施方式中，肩部侧倾机构202可以从初始位置至少旋转+/-90°。在其他实施方式中，肩部侧倾机构202可以从初始位置旋转多于+/-90°。主要侧倾轴线240和肩部侧倾轴线244如图8中所示在远程中心250处相交。主要侧倾机构204的主要侧倾部段222和/或肩部侧倾机构202的肩部侧倾部段220可以具有任何尺寸、形状和/或数目的部段。如所示出的，肩部侧倾部段220将肩部侧倾机构202联接至主要侧倾机构204，并且主要侧倾部段222将主要侧倾机构204联接至俯仰部段224。

图7中示出了超灵巧手术臂200的各种部段的布置的一个实施方式。第一部段218的一个端部可以可选地联接至固定物(例如，床102)、支承臂106或操作区内的其他支承物，如上文所讨论的。第一部段218的另一端部与肩部侧倾机构202联接。肩部侧倾机构202通过一个或更多个部段220连接至主要侧倾机构204。一个或更多个部段222、224将主要侧倾机构204与俯仰机构206连接。一个或更多个部段226、227可以将俯仰机构206与套管针302连接。

在典型的微创手术中，在病人身体上开个小切口，工具穿过该小切口进入身体。例如，在腹部手术中，切口被置于腹壁上。为了减小对病人造成伤害的风险，理想的是使包括在进入身体的点处沿着身体表面平移的移动最小化，因为这种类型的移动可能会导致进入点处组织的撕裂。因而在微创手术中，对于工具轴而言理想的是始终穿过不变的点。远程中心可以位于工具进入身体的点处。超灵巧手术工具300可以通过超灵巧手术臂200在不撕裂进入点处的组织的情况下关于该点枢转。超灵巧手术臂200关于病人2的安装可以在切口处建立远程中心250。

轴线的布置允许机构202、204、208在远程中心250的位置保持不变时实现超灵巧手术工具300的所需位置。远程中心250可以与病人身上的切口的位置或超灵巧手术工具300如上所述进入身体中的进入点的位置一致。远程中心250可以有利地保持不变以减小对病人造成伤害或损害的风险。在手术期间，例如，在腹部手术期间，远程中心250可以被置于腹壁处。该位置可以是工具进入腹腔的出入口。由于需要超灵巧手术工具300的不同位置和取向，因此肩部侧倾机构202、主要侧倾机构204和俯仰机构206可以以使得超灵巧手术工具300以容许的自由度绕远程中心250旋转的方式被启动。

远程中心250的位置可能会受到对病人的解剖的限制。超灵巧型手术***100的灵活性有利地允许所述一个或更多个超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300相对于病人、所述一个或更多个操作者1如外科医生、所述一个或更多个助手以及在操作区内发现的其他物体或部件的有效布置。

图9示出了处于文中被称为零点位置246的初始位置中的超灵巧手术臂200。示出了被定为目标的位置的示例，目标工具稍端位置248。在该示例中，目标工具稍端位置248位于主要侧倾机构204的正前方并且与主要侧倾轴线240共线。达到目标稍端位置248的一种方式是如图10中所示将俯仰部段224和俯仰部段226折叠。然而，即使在折叠俯仰部段224、226之后，超灵巧手术工具300也无法到达目标工具稍端位置248(见图10)。这可能例如因为遇到俯仰运动的范围的终止而发生。

肩部侧倾机构202提供了使超灵巧手术臂200能够到达目标工具稍端位置248的冗余自由度，如图11中所示。肩部侧倾机构202为冗余侧倾机构。肩部侧倾机构202与市售的机器人***相比提供了冗余自由度。从目标工具稍端位置248观察超灵巧手术臂200，肩部侧倾部段220被从图9中所示的零点位置246部分地顺时针旋转，并且主要侧倾部段222被从零点位置246部分地逆时针旋转。通过使肩部侧倾机构202和主要侧倾机构204旋转，目标工具稍端位置248现在是可到达的。因而，可以看到，其旋转轴线与另一侧倾机构的旋转轴线相交的第二侧倾机构如图9至图11中所示的肩部侧倾机构202增大了超灵巧手术臂200的灵巧度。肩部侧倾机构202具有旋转轴线244，旋转轴线244与主要侧倾机构204的旋转轴线240相交，如图8中所示，因此增大了超灵巧手术臂200的可操作性和/或灵活度。

奇异点、死区、自由空间、间隙

超灵巧手术臂200的设计为超灵巧型手术***100提供了重大的贡献。旋转中心250相对于超灵巧手术臂200的位置允许死区远离病人布置。超灵巧手术臂200的小尺寸使能够实现病人周围的自由空间的最大化，这有助于手动工具和/或超灵巧手术工具的同时使用。由肩部侧倾机构202提供的冗余自由度由于降低了间隙的影响并改善了超灵巧手术臂200的实际带宽而提高了***在这些区域中的性能。

超灵巧手术臂200可以在操作期间有利地避开奇异点。奇异点被定义为两条或更多条轴线的共线对准。该条件可能会导致超灵巧手术臂200的不可预知的运动和速度。当两条轴线对准时，关于任一条轴线的旋转都不是唯一的。换句话说，失去了沿着1个自由度的运动。

再回来参照图10，俯仰部段224和俯仰部段226相对于彼此折叠。在这种位置，工具轴轴线252和主要侧倾轴线240以锐角对向。如果工具轴轴线252和主要侧倾轴线240对准，则关于主要侧倾轴线240的旋转会与关于工具轴轴线252的旋转相同。在这种位置，关于任一轴线的移动都给予超灵巧手术工具300相同的运动。在这种位置，对端部执行器306的控制不是最佳的，因为失去了1个自由度。图11示出肩部侧倾机构202可以使超灵巧手术臂200旋转以使得工具轴轴线252和主要侧倾轴线240不对准。由肩部侧倾机构202提供的额外的自由度防止了超灵巧型手术***100在轴线对准、大致对准或近乎对准时失去1个自由度。以此方式，超灵巧手术臂200可以设计成在超灵巧手术臂200的操作期间避开奇异点。

超灵巧手术臂200可以有利地使死区最小化。死区被定义为超灵巧手术工具300难以到达的一个或更多个区域。死区254可以由超灵巧手术臂200的部件之间的干扰而产生。例如，如图12中所示，死区254可以因超灵巧手术工具300的近端与肩部侧倾机构202之间的干扰而产生。图12中示出的死区254可以通过使俯仰部段224、226和/或227具有不同尺寸、形状或数目的部段(例如，更长以配装在超灵巧手术工具300的近端周围)来消除。然而，这会增大超灵巧手术臂200的尺寸和/或重量。图12中所示的死区254可以通过使超灵巧手术工具300的近端具有不同的尺寸和形状(例如，更短以配装在肩部侧倾机构202内)来消除。

超灵巧手术臂200可以设计成使得一个或更多个死区254出现病人2的身体外，从而使得死区不限制超灵巧手术臂200的功能性。超灵巧手术臂200因此能够将超灵巧手术工具300定位在病人身体中的工作空间内的任何位置。

参照图12，主要侧倾机构204旋转成使得超灵巧手术工具300现在面向上。肩部侧倾机构202干扰或以其他方式限制超灵巧手术工具300的近端的移动例如以产生死区254。示出死区254的交叉影线区域示出了由于肩部侧倾机构202对超灵巧手术工具300的近端的阻碍而使超灵巧手术工具300的远端无法到达的位置。图12示出了病人2的身体。如所示出的，死区254布置在病人2身体外并远离病人2的身体向上布置。超灵巧手术工具300无法到达图12中所示的死区254内的点将不会影响超灵巧手术工具300在外科手术中的使用。图12中所示的死区254包括不执行手术的位置。

如上文所讨论的，超灵巧手术臂200可以安装(例如，经由支承臂106、安装杆104等)成使得死区出现在身体外。在某些实施方式中，肩部侧倾机构202可以位于远程中心250的下方，如图7中所示。在某些实施方式中，肩部侧倾机构202更靠近安装有超灵巧手术臂200的固定物(例如，病床)，如图12中所示。通过将肩部侧倾机构202相对于远程中心250尽可能低地定向，死区被有利地向上及远离病人2的身体布置。再回来参照图6，肩部侧倾机构202更靠近床102或放置病人2的水平面。通过定位支承臂106、安装杆104、升降器120、托架130和/或承接器132来对超灵巧手术臂200进行定位的能力在死区254的布置方面有利地提供了额外的灵活性。在某些实施方式中，肩部侧倾机构202可以位于远程中心250的上方(例如，由于安装、病人在其一侧上的定位)。

在某些实施方式中，超灵巧手术臂200的尺寸较小。在某些实施方式中，超灵巧手术臂200的重量可以小于10磅、小于8磅、小于6磅、小于4磅、小于3磅。超灵巧手术臂200的长度可以小于24英寸、小于22英寸、小于20英寸、小于16英寸、小于14英寸、小于12英寸。在一个实施方式中，超灵巧手术臂200在处于折叠构型中时可以是紧凑的。

超灵巧手术臂200的小尺寸使能够实现病人2周围的更大的自由空间。该自由空间使外科医生能够从不同的位置操纵手动工具350。该自由空间使外科医生能够在手术期间使他自己位于多个位置。该自由空间使操作者能够使用手动工具350同时使用超灵巧手术臂200。该自由空间允许在需要时更容易地身体上接近病人。

有利地，操作者1能够在使用超灵巧手术臂200控制超灵巧手术工具300的同时使用手动工具350接近病人。操作者1可能喜欢具有用以操纵所需工具或移动至相对于病人2的更优位置的自由空间。超灵巧手术臂200可以在保持远程中心250的同时移动至不同的位置。不同的位置可以允许更好地接近病人。肩部侧倾机构202提供了在保持远程中心的同时将超灵巧手术臂200移动至不同位置的能力。

图13A示出了超灵巧手术臂200的初始位置。该图示出了超灵巧手术工具300的目标工具稍端位置248。在图13B中，超灵巧手术工具300的位置和取向保持相同。超灵巧手术臂200已采用不同的位置。从目标工具稍端位置248观察超灵巧手术臂200。肩部侧倾部段220从图13A中所示的位置部分地逆时针旋转，并且主要侧倾部段222从图13A中所示的位置部分地顺时针旋转。因而与给予沿着工具轴轴线252的平移和旋转的旋转/平移机构206一起，超灵巧手术工具300可能能够通过超灵巧手术臂200的各种姿势而被保持在相同的目标工具稍端位置248处。操作者1可以根据需要将超灵巧手术臂200布置在用于手术的最佳位置中。

肩部侧倾机构202提供了将超灵巧手术臂200移动至不同的位置以避免其他限制条件的能力。限制条件可以由各种因素施加在手术环境中。这些因素包括病人2的身体状态、操作区中物体的基于物理尺寸和可动性的限制、以及其他仪器在工作空间中或附近的出现。肩部侧倾机构202可以帮助处理这些限制。超灵巧手术臂200可以定位成使限制的影响最小化或消除限制的影响。

由肩部侧倾机构202提供的冗余自由度(与市售的***相比)因降低了间隙的影响并改善或增大了***的实际带宽而提高了超灵巧型手术***100在这些区域中的性能。带宽为超灵巧手术工具300准确地遵循输入装置500的运动的能力。较高的带宽可以允许超灵巧手术工具300加快速度。例如，在低带宽***中，如果操作者1快速地或以飞快的速度移动输入装置500，则超灵巧手术工具300可能会无法遵循输入装置500的运动。间隙为机械***中的“游隙”的量。

在具有固定的远程中心250的***中，带宽和间隙大致逆相关。例如，如果超灵巧手术工具300的端部执行器306非常靠近远程中心250，则主要侧倾机构204和/或肩部侧倾机构202就会移动较大量从而引起端部执行器306的较小移动。这种移动加重了超灵巧手术臂200的带宽限制，但从致动器间隙的角度看是有利的。作为另一示例，如果超灵巧手术工具300的轴很大程度地延伸到病人2的身体中并离开任何奇异点，则为了引起端部执行器306的改变，对主要侧倾机构204和/或肩部侧倾机构202的要求更多。带宽是合适的但间隙可能会变得相当大。参数如带宽和尺寸在工作空间内的区域与区域之间可能变化相当大。

最有效部位是在其中超灵巧型手术***100是受控的并且参数如带宽和间隙在可接受的参数范围内的区域。包括带宽、间隙、由***的设计施加的机械限制、奇异点的位置(其中，两个或更多个自由度叠合)的因素会影响***的最有效部位。设计人试图使最有效部位限定对于要执行的任务而言尽可能大的区域。

在某些实施方式中，对于工作空间内的所有区域，带宽和间隙被最佳化。带宽和间隙在奇异点周围不是最佳的。例如，当工具轴轴线252与主要侧倾轴线240对准时，可能存在奇异点，如图10中所示。端部执行器306可能更难控制。肩部侧倾机构202可以通过提供额外的自由度来防止奇异点。肩部侧倾机构202可以提供超灵巧手术臂200的额外姿势并提供布置超灵巧手术臂200的部段的额外的方式。肩部侧倾机构202可以提供更大的工作区，在所述工作区域上带宽和间隙处于可接受的参数范围内。

替代性臂

超灵巧手术臂可以具有许多构型。图14至图16示出了超灵巧手术臂的替代性构型。超灵巧手术臂可以保留远程中心250，如文中所描述的。超灵巧手术臂可以结合到文中所描述的超灵巧型手术***中。超灵巧手术臂可以由使操作者能够移动的输入装置500来控制。

图14示出了超灵巧手术臂2000的实施方式。超灵巧手术臂2000可以包括基部2002，基部2002包括第一滚子滑槽2004和第二滚子滑槽2006。第一滚子滑槽2004可以与第二滚子滑槽2006正交。第一滚子滑槽2004允许第一方向上的(例如，竖向的)移动。第二滚子滑槽2006允许第二方向上的(例如，水平的)移动。滚动滑槽2004可以沿着箭头2010的方向定位偏置臂2008，以及/或者，滚动滑槽2006可以沿着箭头2012的方向定位偏置臂。第一滚子滑槽2004和/或第二滚子滑槽可以是被动式的(例如，不是机动化的)。第一滚子滑槽2004和/或第二滚子滑槽可以是主动式的(例如，机动化的)。

超灵巧手术臂2000包括偏置臂2008。偏置臂2008是偏置的(例如，偏置臂2008的结构不是同中心的，或关于其纵向轴线不对称)。偏置臂2008包括2个自由度(俯仰和侧倾)。偏置臂2008可以包括俯仰机构2024和侧倾机构。俯仰机构2024具有俯仰轴线。偏置臂2008可以使套管针302关于俯仰轴线关于箭头2021旋转。侧倾机构具有侧倾轴线2018。偏置臂2008可以沿箭头2020的方向绕侧倾轴线2018旋转。俯仰轴线和侧倾轴线与远程中心250相交。滚动滑槽2004和滚动滑槽2006还允许仅关于穿过远程中心的轴线的运动。

偏置臂2008的远端可以联接至套管针托架2022。在某些实施方式中，偏置臂2008通过弧形滑槽联接至套管针托架2022。具有圆半径的弧形滑槽将保持固定的旋转中心，如远程中心250。弧的形状可以改变。在某些实施方式中，弧的形状是椭圆形的。通过改变形状，可以使旋转中心的位置沿竖向方向变化。在一个实施方式中，俯仰机构2024至少部分地通过联接至套管针托架2022的滚动滑槽2004来提供。

滚动滑槽2024可以通过在超灵巧手术臂2000的远端与套管针托架2022之间以弯曲的可伸缩方式滚动而从竖向延伸+/-90°(包括+/-15°、+/-30°、+/-45°、+/-60°、+/-75°等)。当滚动滑槽2024是竖向的时，滚动滑槽2024可以在套管针托架2022的轮廓内。这可以使波及体积最小化，从而减小周围组织、其他设备和/或手术室人员的干扰。

俯仰机构2024、侧倾机构、第一滚子滑槽2004和第二滚子滑槽2006可以是被动式的或主动式的。在某些实施方式中，超灵巧手术臂2000的运动可以为主动控制的并且可以由能量源(例如，如电动马达的马达、水力、气力等，未示出)来操纵。

偏置臂2008具有2个自由度(俯仰和侧倾)。滚动滑槽2004和滚动滑槽2006可以通过提供沿着箭头2010和箭头2012的移动而提供2个自由度。超灵巧手术臂2000可以具有四个自由度。

图15示出了超灵巧手术臂2026的实施方式。超灵巧手术臂2026可以包括三个部段：部段2028、部段2030和部段2032。部段2028、2030和2032通过侧倾机构联接至彼此。在其他实施方式中，部段2028、2030、2032经由其他合适的机构联接至彼此。所述三个机构具有旋转轴线2034、2036、2038。这些轴线在远程中心250处相交。超灵巧手术臂2026中的第三侧倾机构提供了冗余自由度。

超灵巧手术臂2026的远端可以联接至超灵巧手术工具2046和/或套管针2048。超灵巧手术臂2026可以包括使工具2046平移和旋转的旋转/平移机构2044。工具2046可以具有2个自由度(俯仰、横摆)。超灵巧手术臂2026、旋转/平移机构2044和超灵巧手术工具2046的组合可以具有7个自由度。工具2046可以具有额外的自由度。

图16示出了替代性俯仰机构的实施方式。图16的臂2050可以与额外的机构(例如，侧倾机构、俯仰机构)组合以提供超灵巧手术臂。臂2050可以保留远程中心250。臂2050可以包括关于侧倾轴线2058旋转的侧倾机构。从动板2054可以关于侧倾轴线2058旋转并且可以由轴承(未示出)支承。臂2050可以以使得臂2050将关于侧倾轴线2058旋转、由轴承(未示出)支承以及由马达(未示出)致动的方式安装至其他机构。

臂2050可以提供关于俯仰轴线旋转的俯仰机构。俯仰机构可以采用多种形式，包括四连杆机构、带或线缆限制的平行机构，或齿轮和凸轮。齿轮和凸轮机构在图16中示出。

从动板2054可以包括型槽2056。从动板2054可以包括可以接合齿轮从动件2062的齿廓2060。齿廓2060可以是非圆形的，并且/或者，齿轮从动件可以是非圆形的。齿轮从动件2062可以驱动线缆线轴2064，线缆线轴2064可以驱动线缆2066。线缆2066可以联接至臂2051。臂2051可以包括与线缆2066相互作用的齿轮或带轮。线缆2066驱动输出带轮2068的旋转。输出带轮2068可以靠近臂2051的远端并且可以联接至套管针2070。臂2051可以滑动穿过线性轴承2072。型槽2056、非圆形的齿廓2060和非圆形的齿轮从动件2062的轮廓会使套管针2070关于俯仰轴线旋转。臂2051的形状可以是直的或者可以如组织间隙所示一样为弯曲的。

臂2050具有由俯仰机构提供的1个自由度。臂2050可以具有由具有侧倾轴线2058的侧倾机构(未示出)提供的1个自由度。可以将额外的冗余自由度加到臂2050以使臂2050成为超灵巧手术臂。超灵巧手术工具(未示出)和旋转/平移机构可以提供4个自由度，相当于总共6个自由度。

俯仰机构和侧倾机构可以是被动式的或主动式的。在某些实施方式中，臂2050的运动可以被主动控制并且可以通过能量源(例如，如电动马达的马达、水力、气力等，未示出)来操纵。操作者1可以安装臂2050以建立旋转中心250。

超灵巧手术工具

超灵巧手术工具300和旋转/平移机构208为超灵巧型手术***100提供了四个自由度。旋转/平移机构208既可以使超灵巧手术工具300旋转又可以使超灵巧手术工具300平移。较小尺寸的旋转/平移机构208有利地使超灵巧手术臂200在尺寸上较小，如先前所讨论的。旋转/平移机构208的小的尺寸使超灵巧手术臂200能够变得更小且重量轻，这除了其他方面之外还使病人2附近能够有更多的自由空间。

超灵巧手术工具300可以通过旋转/平移机构208旋转以及/或者平移。旋转/平移机构208使超灵巧手术工具300与旋转/平移机构208一起旋转。旋转/平移机构208使超灵巧手术工具300平移。旋转/平移机构208可以提供平移和/或旋转的任意组合。旋转/平移机构208可以有利地容纳具有各种直径的工具轴。旋转/平移机构208容纳具有任意长度的工具轴。如图17至图22中所述的与工具轴相互作用的机构不限于特定的旋转次数。因此，机构可以容纳具有任意长度的工具轴，这优于使用在范围上存在固有局限性的伸缩式区段的现有的、市售的平移机构。紧凑型尺寸的旋转/平移机构208可以较轻，从而允许使用较小的超灵巧手术臂。

端部执行器提供了两个自由度(俯仰、横摆)，并且可以提供额外的自由度(夹持动作、夹紧)。返回参照图10，超灵巧手术工具300包括布置在长形轴的稍端处的端部执行器306，例如抓握器、持针器、吻合器、烧灼工具。超灵巧手术工具300可以穿过身体(例如，病人2的身体)中的小切口而被引入。

图7示出了超灵巧手术臂200和旋转/平移机构208。旋转/平移机构208为超灵巧型手术***100提供了两个自由度(旋转、平移)。在由旋转/平移机构给予的自由度当中为超灵巧手术工具300绕工具轴轴线252的旋转以及超灵巧手术工具300沿工具轴轴线252的线性平移(见图10)。超灵巧手术工具300可以在不需要使远程中心250移动的情况下进行旋转或平移。旋转/平移机构208将旋转和/平移直接传递到由超灵巧手术臂200支承的超灵巧手术工具300上。

旋转/平移机构208的旋转转化成超灵巧手术工具300的旋转。旋转/平移机构208的平移转化成超灵巧手术工具300的平移。滑轮、齿轮或旋转/平移机构208的其他接合机构的方向和速度导致了超灵巧手术工具300的不同类型的运动。

尺寸较小的旋转/平移机构208可以确保超灵巧手术臂200可以在尺寸上较小。较小的尺寸可以减少与超灵巧型手术***100的其他部件(例如，其他超灵巧手术臂200、其他区段)碰撞的机会。超灵巧手术工具300的较小尺寸的近端部段可以确保超灵巧手术工具300遇到较少的运动限制。较小重量的超灵巧手术工具300允许使用的诸如马达之类的驱动机构的体积较小。此外，可以减少对大且强力的马达的需求。

较小尺寸的旋转/平移机构208使得病人2附近能够有更多的自由的空间。自由空间使得外科医生能够从各种位置同时地操纵手动工具350和超灵巧手术工具300。自由空间使得外科医生能够在手术期间将他自己重新定位至多个位置。自由空间使得操作者能够在使用超灵巧手术臂200的同时使用手动工具350。自由空间允许在需要时更易于身体上接近病人。

由于由超灵巧型手术***100占用的空间较小，因此操作者1——例如外科医生或外科手术团队成员——可以有利地使病人附近能够有更多的自由空间。自由空间使操作者1能够易于接近病人。

图17至图22示出了旋转/平移机构208的一个实施方式。将在下面讨论两种不同类型的旋转/平移机构208——不对称的旋转/平移机构258和对称的旋转/平移机构2500。还可能存在其他类型的旋转/平移机构208。对称或不对称的差动构型中的旋转/平移机构258、2500可以使用滚子、齿轮、皮带轮、摩擦表面等。还可以与超灵巧手术工具结合，以使***的离散部件的数目最小化以及提高使用和安装的便利性。不对称的旋转/平移机构258可以包括至少两个皮带轮，皮带轮260和皮带轮262。不对称的旋转/平移机构258具有穿过皮带轮260、262的中心定位的中央壳体264。皮带轮260可以联接至中央壳体264。皮带轮262可以绕中央壳体264旋转。超灵巧手术工具300可以***穿过中央壳体264。

皮带轮260可以包括至少两个滚子，滚子266和滚子268。现在参照图18，滚子266具有滚轮270和滚筒272。滚子268具有滚轮274和滚筒276。滚筒272、276的直径可以比滚轮270、274的直径小。滚轮270具有凹表面278并且滚轮274具有凹表面280。凹表面278、280可以与超灵巧手术工具300的形状一致，并且凹表面278、280有助于滚子266、268穿过中央壳体264中的狭槽来夹紧或接合超灵巧手术工具300。尽管滚轮270和滚轮274被示出为具有凹表面，但是可以使用各种其他表面来接合超灵巧手术工具300的工具轴的表面，各种其他表面包括但不限于纹理表面、齿轮齿和带。

皮带轮260包括至少两个额外的滚子，滚子282和滚子284。滚子282、284附接至皮带轮260的下侧。图17示出了附接至皮带轮260的下侧的滚子282。

超灵巧手术工具300的平移过程被示出在图19和图20中。如图19中所示，马达286驱动皮带轮260并且马达288驱动皮带轮262。如先前所提到的，超灵巧手术工具300可以***穿过中央壳体264。如果马达288被驱动成使得皮带轮262沿箭头1的方向旋转，则滚子282将沿箭头2的方向旋转。转到示出了如图19中所示的相同运动的俯视图的图20，滚子282被示出为沿箭头2的方向旋转。

滚子284未被示出在图19中。转到示出了如图19中所示的相同运动的俯视图的图20；滚子284被示出为沿箭头3的方向旋转。滚子282、284的旋转将导致滚筒272和滚筒276旋转。滚筒272、276的旋转将导致滚轮270和滚轮274旋转。包括滚轮270和滚筒272的滚子266的旋转由箭头4示出。包括滚轮274和滚筒276的滚子268的旋转由箭头5示出。

滚子266的滚轮270的旋转和滚子268的滚轮274的旋转使***到中央壳体264中的超灵巧手术工具300平移。然而，超灵巧手术工具300一定被允许与中央壳体264断开联接，以允许使用不同的超灵巧手术工具300。超灵巧手术工具300沿箭头6的方向平移，这在图19中示出。箭头6未示出在图20中，这是因为箭头6是垂直的而在图的平面之外。为了使超灵巧手术工具300沿向下方向平移，马达288仅需沿与箭头1相反的相反方向转动。这导致包括滚轮270、274以及滚筒272、276的滚子266、268的运动反向旋转。这导致超灵巧手术工具300沿与图19和图20中示出的方向相反的方向平移。

在图21和图22中示出了超灵巧手术工具300的旋转过程。在图21中，分别通过马达286和马达288使皮带轮260和皮带轮262旋转。皮带轮260、262二者沿由箭头7示出的相同方向旋转。由于马达286、288二者的运动，因此滚子282将不会如图19和图20中所示沿箭头2的方向旋转。由于马达286、288二者的运动，因此滚子284将不会如图20中所示沿箭头3的方向旋转。当皮带轮260、262二者沿相同方向旋转时，滚子282和滚子284不绕它们自己的旋转轴线290、292旋转。随后，滚子266和滚子268不会如图20中所示绕它们自己的旋转轴线294、296旋转。滚子266、268、282、284不会如图22中的箭头8所示与皮带轮260一起旋转。皮带轮260绕中央壳体264旋转。在皮带轮260旋转时，超灵巧手术工具300以如箭头9所示的方式旋转。为了沿其他方向旋转，马达仅需沿与图21中所示的箭头7相反的相反方向转动。

旋转平移258利用诸如滚子或摩擦轮之类的接合机构。可以额外地或替代地使用其他类型的接合机构，其他类型的接合机构包括齿轮、带、锥齿轮或线缆。

图23至图27示出了旋转/平移机构2500的另一实施方式。该机构属于对称的旋转/平移和差动旋转/平移机构的范畴。对称的旋转/平移机构2500可包括锥齿轮2504和锥齿轮2506。在图23中，中央壳体2502大致垂直于锥齿轮2504、2506。锥齿轮2504、2506包括齿，在图24中示出了所述齿。

马达2508(例如，电动马达)包括马达齿轮2510。马达2508和马达齿轮2510驱动锥齿轮2504。锥齿轮2504驱动内置锥齿轮(2512。内置齿轮2512和内置齿轮2526连接至中央壳体2502，但是内置齿轮2512和内置齿轮2526可以绕它们自己的中心旋转轴线旋转。内置锥齿轮2512与中央壳体2502联接。内置锥齿轮2512绕轴2514旋转。该轴2514联接至副齿轮2516。副齿轮2516与正齿轮2518接合。正齿轮2518联接至滚子2520。

马达2522(例如，电动马达)包括马达齿轮2524。马达2522和马达齿轮2524驱动锥齿轮2506。锥齿轮2506驱动内置锥齿轮2526。内置锥齿轮2526与中央壳体2502联接。内置锥齿轮2526绕轴2528旋转。轴2528联接至副齿轮2530。副齿轮2530与正齿轮2532接合。正齿轮2532与滚子2536连接。

图24示出了滚子2520、2536和锥齿轮2504、2506。对称的旋转/平移机构2500包括与滚子2520联接的线性传动带2538以及与滚子2536联接的线性传动带2540。滚子2520放置在线性传动带2538与中央壳体2502之间，使得线性传动带2538绕滚子2520部分缠绕。滚子2536放置在线性传动带2540与中央壳体2502之间，使得线性传动带2540绕滚子2536部分缠绕。线性传动带2538和线性传动带2540可以沿着超灵巧手术工具300的长度至少部分地延伸，并且线性传动带2538和线性传动带2540联接至超灵巧手术工具300的轴。

在图25和图26中示出了超灵巧手术工具300的平移过程。马达2522如所示沿箭头1的方向旋转。这使锥齿轮2506沿箭头2的方向旋转。锥齿轮2506使内置锥齿轮2526沿箭头3的方向旋转。内置锥齿轮2526的旋转使副齿轮2530沿与箭头4相同的方向旋转。副齿轮2530的旋转使正齿轮2532沿箭头5的方向旋转。正齿轮2532的旋转使滚子2536沿箭头6的方向旋转。现在参照图26，滚子2536沿箭头6的方向旋转。

马达2508如所示沿箭头7的方向旋转。这使锥齿轮2504沿箭头8的方向旋转。锥齿轮2504使内置锥齿轮2512沿箭头9的方向旋转。内置锥齿轮2512的旋转使副齿轮2516沿如箭头10的方向旋转。副齿轮2516的旋转使正齿轮2518沿箭头11的方向旋转。正齿轮2518的旋转使滚子2520沿箭头12的方向旋转。现在参照图26，滚子2520沿箭头12的方向旋转。滚子2520接合超灵巧手术工具300的相反侧，如图26中所示。在图23和图25中，滚子2520在中央壳体2502和超灵巧手术工具300后方，并且滚子2520因此以虚线示出。

滚子2520、2536的旋转将使线性带传动器2538、2540沿由图26中的箭头13和箭头14所示的方向平移。线性带传动器2538、2540的运动导致了超灵巧手术工具300的线性平移。线性带传动器2538、2540联接至超灵巧手术工具300的工具轴，并且超灵巧手术工具300平移穿过中央壳体2502。***到中央壳体2502中的超灵巧手术工具300将沿箭头13和箭头14的方向平移。为了使超灵巧手术工具300沿向上方向移动，马达2508、2522将仅需沿相反方向——与图25中的箭头1和箭头7相反的方向——旋转。

在图27和图28中示出了超灵巧手术工具300的旋转过程。线性带传动器下方的马达、马达齿轮、副齿轮、正齿轮以及滚子未被示出。另外，锥齿轮和内置齿轮的齿未被示出。在图27中，锥齿轮2504、2506通过马达(未示出)旋转。锥齿轮2504、2506二者沿由箭头15所示的相同的方向旋转。由于两个马达的运动，内置锥齿轮2512、2526将不会如图22中所示沿箭头3和箭头9的方向旋转。

由于两个马达的运动，滚子2520、2536与锥齿轮2504、2506一起旋转，如图27中的箭头16所示。锥齿轮2504、2506沿相同方向的旋转使中央壳体2502和被捕获的超灵巧手术工具300以相同的速度旋转。在锥齿轮2504、2506旋转时，超灵巧手术工具300以如箭头16所示的方式旋转。为了沿其他方向旋转，马达仅需沿相反方向转动。

由于两个马达2508、2522的运动，内置锥齿轮2512、2526与锥齿轮2504、2506一起旋转。内置锥齿轮2512、2526与中央壳体2502联接。锥齿轮2504、2506以及内置锥齿轮2512、2526的沿相同方向的旋转使中央壳体2502和被捕获的超灵巧手术工具300都以相同的速度旋转。接合机构——例如齿轮、带和锥齿轮——可以在旋转/平移机构208中使用。在其他的实施方式中可以额外或替代地使用其他类型的接合机构，例如滚子、轴承以及线缆。

图28示出了图23至图27的线性带传动器2538、2540以及滚子2520、2536的替代性实施方式。该实施方式包括较小的连续的带传动器2546、2548。带传动器2546围绕两个滚子2550、2552。带传动器2548围绕两个滚子2556、2558。带传动器2546、2548的齿2560、2562放置在带传动器2546、2548的外表面上。带传动器2546、2548的齿2560、2562接合中央壳体2502的外表面上的齿2564、2566，或者带传动器2546、2548的齿2560、2562直接接合在超灵巧手术工具300的工具轴上。尽管带传动器在示出的实施方式中用于接合中央壳体2502或超灵巧手术工具300的工具轴，但是可以使用各种其他适当的机构来接合中央壳体2502或超灵巧手术工具300的工具轴。

旋转/平移机构208可以提供平移或旋转的任意组合。返回来参照图23，假设马达2508的逆时针旋转和马达2522的逆时针旋转被指定为“+”方向，并且马达2508和马达2522的顺时针旋转被指定为“-”方向。此外，还假设中央壳体2502或超灵巧手术工具300的工具轴的沿向下方向的一个平移单位被称为“T+”，并且中央壳体2502的一个顺时针旋转单位被称为“R+”。该命名在不改变原理的情况下可以被颠倒。必须进一步指出的是，一个平移单位可能不与整体的距离单位——例如1cm——相对应。类似地，一个旋转单位可能不与中央壳体2502的完整旋转相对应。这些单位与实际距离或度数的转换取决于所选定的齿轮比率。

假设马达2508的一个旋转单位或“MA+”产生了沿正方向的一个平移单位以及中央壳体2502的沿正方向的一个旋转单位。因而：

MA₊＝T₊+R₊式1

类似地，马达2522的一个旋转单位或MB+产生了沿正方向的一个平移单位以及中央壳体2502的沿负方向的一个旋转单位。因而：

MB₊＝T₊+R_-式2

例如，为了得到沿正方向的两个平移单位：

MA₊+MB₊＝2T₊式3

为了得到沿负方向的一个旋转单位：

1/2MA_-+1/2MB₊＝R_-式4

因而，任意组合的平移和/或旋转都可以通过结合马达2508、2522的运动来获得，所述任意组合包括其中一个马达不运转的组合。在一些实施方式中，平移和旋转的速度可以利用相同的原理来变化。马达2508、2522的速度可以设定为预定值。在一些实施方式中，通过显示器600，操作者1(例如，外科医生)可能要选择较慢、较敏感的设定，而另一操作者可能更喜欢较不敏感的设定。这类似于计算机鼠标的灵敏度设定，在计算机鼠标的灵敏度设定中，屏幕上的指示器的响应可以遵循基于偏好设定的用户设定。

在一些实施方式中，平移单位和旋转单位可以对应于实际距离和实际旋转度数。转换值可以在超灵巧手术臂200的设计阶段被确定，或者可以经由校准程序来确定。转换值可以存储在控制***400内的存储器中。由于部件中的间隙和其他因素的作用，每个马达2508、2522可能不会产生相同的平移和旋转量。在这种情况下，这些差值可以通过控制***400和以上所述的等式进行计算。

旋转/平移机构208可以有利地容纳各种直径的工具轴。图29至图31示出了联接至文中所描述的不对称的旋转/平移机构258的宽度调节器2600。宽度调节器2600可以联接至对称的旋转/平移机构2500。图29示出了宽度调节器2600的侧视图，该宽度调节器2600联接至中央壳体264。宽度调节器2600可以沿着中心壳体264的长度向上及向下移动。宽度调节器可以具有附接至滚子266、268以及滚子282的多个链杆2602A、2602B、2602C(未示出)、2602D(未示出)。链杆可以附接至滚子284(未示出)。链杆2602A、2602B可以以三角形形状布置。呈大致三角形形状的链杆2602A将宽度调节器2600连接至滚子266和滚子282。呈大致三角形形状的链杆2602B将宽度调节器2600连接至滚子268和滚子282。呈大致三角形形状的链杆2602C将宽度调节器2600连接至滚子266和滚子284(未示出)。呈大致三角形形状的链杆2602D将宽度调节器2600连接至滚子268和滚子284(未示出)。三角形形状为能够配置的形状的一个示例，并且其他形状也是可能的。链杆2602可以是实心件。

链杆2602绕滚子282和滚子284的旋转轴线枢转。链杆2602可以调节滚子266和滚子268的位置。滚子266和滚子268具有沿着其旋转轴线294、296延伸的轴。滚子266和滚子268的轴联接至链杆2602。

宽度调节器2600可以沿着中央壳体264的轴线平移。当宽度调节器2600向下移动时，链杆2602枢转以采取新的位置。链杆绕滚子282、284的轴线290、292枢转。在链杆2602的这个新位置中，滚子266、268采取新的位置，如图31中所示。滚子266’、268’的新位置允许具有更大直径的超灵敏手术工具300***到中央壳体264中。如图30至图31中所示，滚子266、268的旧位置以虚线示出，而滚子266’、268’的新位置以实线示出。处于新位置266’、268’中的滚子之间存在更多的空间。

在另一示例中，对于肥胖病人而言，工具的操纵由于体型的原因而变得困难；在这种情况下，更大或更长的超灵巧手术工具300可以由超灵巧手术臂200支承。宽度调节器2600使得能够使用较大直径的工具。旋转/平移机构208使得能够使用较长的工具。

在本发明的其他方面，通常需要知道超灵巧手术工具300在病人2的身体中插到多远。在手术设定中，超灵巧手术工具300***到病人2的身体——例如病人2的腹部——中。可能有利的是，知道有多少超灵巧手术工具300在病人2的体内以及/或者有多少超灵巧手术工具300在体外。该距离可以通过监测并计算诸如超灵巧手术工具300的在病人2的体外的部段的电阻或电容之类的电参数来确定。

病人2的身体与超灵巧手术工具300的之间的接触在进入点处开始。电路可以在病人体外的超灵巧手术工具300上的设定点与进入点处的超灵巧手术工具300上的接触点之间建成。在超灵巧手术工具300***纵时，设定点与接触点之间的诸如电阻或电容之类的电参数可以改变。这种改变可以被监测并进一步处理(例如，通过控制***400)来计算在病人2体外的工具与在病人2体内的工具的比率。

输入装置

输入装置500控制超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300。输入装置500可以是无线的和/或便携的，以允许操作者在病人2附近移动。输入装置500允许操作者处于操作区内的各种位置(例如，病人的床边处的各种位置)处。输入装置500使操作者能够同时控制超灵巧手术工具300和手动工具350。同时操纵超灵巧手术工具300和手动工具350有利地减少了在操作者控制超灵巧手术工具300时对手术助手操纵手动工具350的需求。本发明的输入装置500可以采取许多形式，包括夹钳502(见图32A)和控制器514(见图2)。

输入装置500可以是无线或有线的。在一些实施方式中，输入装置500是能够由操作者携带的便携式手持装置，从而允许操作者在病人2附近移动并在超灵巧型手术***100的使用期间从各种位置(例如，各种床边位置)对输入装置500进行操作。操作者1因此可以在操作区附近移动并从不同位置对超灵巧手术臂200进行控制，如图3A至图3C中所示。

在一些实施方式中，输入装置500可以联接至操作者1的身体。图32A示出了夹钳502。夹钳502可以有助于操作者1以与借助于拇指和食指来保持超灵巧手术工具300一致的方式控制超灵巧手术工具300。夹钳502可以有助于操作者1在例如工具稍端的控制点处控制超灵巧手术工具300。

操作者1——例如外科医生——戴着夹钳502的两个环504、506。一个环504可以绕操作者1的拇指放置，并且一个环506可以绕操作者1的食指放置。然而，环504、506可以基于夹钳的构型而被戴在其他手指上。可以存在输入装置502的运动与工具稍端或端部执行器306的运动的关联。

夹钳502可以具有各种传感器508，例如位置传感器和陀螺仪。诸如应变传感器之类的额外的传感器510也可以测量夹钳502的两个臂之间的距离。传感器508、510可以将与夹钳502的位置和方位有关的信息提供给控制***400。来自这些传感器508、510的信息用作控制算法的输入，使得操作者1的手、腕关节和手指运动可以转化成控制点的运动。输入装置502的运动可以控制超灵巧手术臂200、超灵巧手术工具300以及/或者超灵巧手术工具300的端部执行器306——例如夹持器——的运动。在一个实施方式中，夹钳502可以包括如钮扣电池之类的电源(未示出)。

在一些实施方式中，可以设置第二对环。所述第二对环可以戴在同一只手的其他手指上。操作者1可以将所述第二对环绕其他手指进行佩戴，使得手的各种动作可以被转化成特定指令。所述第二对环可以戴在同一只手的不同手指上，以控制夹钳502。所述第二对环中的一个环可以绕操作者1的拇指放置并且所述第二对环中的一个环可以绕操作者1的最后的手指放置。作为非限制性示例，第一夹钳502的第一对环504、506可以控制第一超灵巧手术工具300，并且所述第二对环可以控制第二超灵巧手术工具300。作为非限制性示例，所述第二对环以及第一夹钳502的所述第一对环504、506可以控制同一超灵巧手术工具300。

在一些实施方式中，所述第二对环和/或第二夹钳502可以戴在另一只手上。所述第二对环和/或第二夹钳502可以戴在操作者1的与控制第一夹钳502的手不同的手上。作为非限制性示例，第一夹钳502的第一对环504、506可以控制第一超灵巧手术工具300，并且所述第二对环和/或第二夹钳502可以控制第二超灵巧手术工具300。作为非限制性示例，第一夹钳502的所述第一对环504、506以及所述第二对环和/或第二夹钳502可以控制同一超灵巧手术工具300(例如，在不同的控制点处)。

本文所描述的夹钳502的运动可以产生任何控制点的运动。控制点可以控制端部执行器(例如，抓握器运动)。然而，输入装置500不仅需要控制端部执行器306或超灵巧手术工具300的稍端。输入装置500还可以通过将控制点指定在沿着超灵巧手术工具300的任何位置处(例如，经由显示器600)来控制超灵巧手术工具300的任何部分。控制点可以被认为是一个假定的位置，操作者1通过该控制点来控制工具(例如支点)。控制点可以产生在沿着超灵巧手术工具300、超灵巧手术臂200或者超灵巧型手术***100的任何部件的任何位置处。

在一些实施方式中，输入装置500由操作者1保持。图32B示出了输入装置500的另一实施方式。在示出的实施方式中，输入装置500可以是旋钮503。操作者1——例如外科医生——可以借助于手的一个或更多个手指来保持旋钮503。旋钮503可以具有一个或更多个按钮505。超灵巧手术工具300的控制点可以在操作者挤压一个或更多个按钮505中的至少一个按钮505时进行移动或被致动。

在一些实施方式中，输入装置500相对于操作者1固定。在图2中示出了一个实施方式。超灵巧型手术***100可以包括平台602。输入装置500可以联接至平台602。输入装置500可以在操作区内联接至任何固定物。输入装置500可以采取控制器514的形式。控制器514可以是有线或无线的。用户界面子***605允许操作者1——例如外科医生——以紧密靠近显示器600的方式控制有线控制器514，如图2中所示。有线控制器514可以位于该显示器600下方。平台602还可以包括水平搁置台603。

例如，如果操作者1在手术期间决定坐下并控制超灵巧手术工具300，则控制器514将允许他或她那样做。对于某些手术操作，操作者1会发现移动诸如有线控制器514之类的固定的输入装置比移动诸如夹钳502之类的附接至操作者的身体的输入装置500更舒服。例如，操作者1可能是当靠在水平搁置台602上并且/或者坐着时能够更好地控制他或她的运动。操作者的自然的身***置可以使他或她的身体的一部分靠在水平搁置台603上，同时控制有线控制器514。操作者1可以在靠在水平搁置台603上的同时控制其他输入装置500(例如，夹钳502)。

超灵巧型手术***100可以从手术区中的多个位置进行控制。在一些实施方式中，操作者1可以在保持或以其他方式控制一个或更多个输入装置500(例如，夹钳502、有线控制器514)的同时坐着或站着。操作者可以将他或她身体的一部分支承在搁置台603上。各种输入装置500都允许操作者1在附近移动并将他或她自己放置在最佳位置中。

输入装置500控制一个或更多个控制点的运动。控制点为有能力执行某些运动的位置。控制点可以位于超灵巧手术臂200、超灵巧手术工具300或任何其他位置上。超灵巧手术工具300可以通过输入装置500相对于一个或更多个控制点2600进行控制。控制点2600位于有能力移动的超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300上。通过操作者1进行的输入影响连接至控制点2600的一个或更多个部段的运动。

操作者1可以使控制点2600与***纵的输入装置500相关联。移动输入装置500使超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300绕控制点移动。输入装置500的运动将引起所选定的控制点2600的运动。这将引起由超灵巧手术臂200控制的超灵巧手术工具300的运动。显示器600可以用于将输入装置500指定至特定的控制点2600。

超灵巧手术工具300可以通过输入装置500关于一个或更多个虚拟抓握512进行控制。虚拟抓握512可以增加超灵巧手术工具300定位在病人2体内的灵活性。图33A和图33B示出了超灵巧手术工具300。在图33A中，虚拟抓握512放置在超灵巧手术工具300的端部处。如果超灵巧手术工具300将要被约束成在虚拟抓握512的位置附近移动，那么工具稍端和端部执行器306可以仅摆动较小的距离。在图33B中，虚拟抓握512朝向超灵巧手术工具300的中间放置。工具稍端和端部执行器306可以摆动较大的距离。虚拟抓握512允许操作者1如外科医生在精细动作与粗糙动作之间做决定。通过使虚拟抓握512朝向工具稍端移动，操作者可以完成更精细的操纵。在使用多个超灵巧手术工具300的情况下，那么每个工具都可以具有不同的虚拟抓握512。此外，不同的虚拟抓握512可以由不同的输入装置500启动，使得对每个虚拟抓握512都进行独立地控制。例如，左手借助于一个输入装置500可以控制具有靠近端部执行器的虚拟抓握的超灵巧手术工具300，如图33A中所示。右手借助于另一个输入装置500可以控制具有放置在超灵巧手术工具300中间的虚拟抓握512的相同的超灵巧手术工具300，如图33B中所示。

如文中所描述的，操作者1可以通过将虚拟抓握512与工具稍端相关联来控制超灵巧手术工具300。借助于他或她的另一只手，操作者1可以将虚拟抓握512与超灵巧手术工具300的近端(例如，相同的超灵巧手术工具300或不同的超灵巧手术工具300)相关联。近端处的虚拟抓握将允许使用者1以与他或她如何控制腹腔镜工具类似的方式控制超灵巧手术工具300。超灵巧手术工具300的自然控制以此方式可以通过使操作者的手中的每只手与独立的参照系相关联来实现，如文中所述。

输入装置500在空间中的位置可以被跟踪。在一些实施方式中，通过将绝对编码器(未示出)联接至输入装置500来跟踪位置。在一些实施方式中，位置传感器(光学***)安装在输入装置500的基部处。在一些实施方式中，输入装置500通过操作者1戴着的传感器进行跟踪。在一些实施方式中，输入装置500通过平台602上的传感器进行跟踪。位置传感器可以提供输入装置500相对于地面参照点(未示出)的位置。位置传感器和/或编码器可以用于跟踪输入装置500的位置。本领域技术人员可以使用对超灵巧型手术***100的部件进行跟踪的其它合适的传感器、机构或方法。在一些实施方式中，结合使用多于一种(例如，多种、一些)的跟踪技术。冗余跟踪技术可以解决闭塞以及检测故障。冗余跟踪技术可以提高分辨率或带宽。

在一些实施方式中，输入装置500是无菌的或者能够进行灭菌。操作者1需要在操作期间将他的手保持在无菌环境中。在手术期间，操作者1可以操纵一个或更多个手动工具350以及一个或更多个输入装置500。输入装置500可以与接触病人结合使用。例如，操作者1可以控制输入装置500并且同时接触病人2(例如，借助于他们的手或手动工具)。输入装置500必须是无菌的并且能够进行灭菌以保持无菌的操作环境。

在一些实施方式中，输入装置500可以包括与控制***400相互作用的一种或更多种特征。例如，输入装置500可以控制相机304(见图35)，例如放置在病人体内的工作空间中或放置在病人上方的自由空间中的相机。相机304可以被认为是超灵巧手术工具300并且由输入装置500控制。输入装置500可以改变示出在显示器600、702上的图像。图像如下所述可以在显示器600、702上被转化、旋转以及左右翻转，以体现被跟踪的对象——例如操作者1，或者诸如超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300之类的可控对象——的观察点，如下文所描述的。在一些实施方式中，输入装置500包括按钮和滑动件。按钮和滑动件可以通过操作者1致动以将相机304改变成摇摄/俯仰以及/或者缩放。在一些实施方式中，操作者1按下输入装置500上的按钮并利用操作者的身体的另一部分的运动来改变相机参数。例如，操作者1可以按下按钮并利用其眼睛的运动来改变相机参数。在一些实施方式中，操作者1使滑动件移动(例如，借助于手指)以改变相机304的缩放。在一些实施方式中，输入装置500可以接受来自控制***400的信息，这将在下面进行描述。控制***可以将信息——例如产生关于操作者1的触觉反馈的指令——发送至输入装置500。触觉反馈可以经由无线或有线连接而被发送。输入装置500可以集成有模拟利用工具的触觉反馈的传感器。输入装置500可以模拟超灵巧手术工具300的触觉反馈。输入装置500可以模拟手工工具350的触觉反馈。超灵巧型手术***100可以将手动工具350的触觉反馈与通过输入装置500传达的模拟触觉反馈链接。在一些实施方式中，输入装置500可以停留在可以提供触觉反馈的界面(例如，平台602)处。

控制***

超灵巧型手术***100可以包括控制***400，该控制***400将用户输入(例如，经由输入装置500、显示器600)转化成输出(例如控制点的运动、图像)。控制***400可以将特定的用户输入与特定的可控对象配对。当执行各种超灵巧手术工具300的运动时，控制***400可以包括一个或更多个约束。控制***400可以将一种或更多种超灵巧手术工具300锁定至单个工具(例如，超灵巧手术工具300或手动工具350)。有利地，控制***400允许超灵巧型手术***100使得灵活性能够被提供给操作者(例如，外科医生)以用于执行手术操作。例如，如下面更详细地讨论的，控制***400允许外科医生利用各种参照系(例如，安装有沉浸式相机的参照系、世界大地参照系(world-groundedframeofreference))来控制超灵巧手术工具300并且能够在各种参照系之间移动，这有利地允许外科医生在借助于相机安装参照系操作超灵巧手术工具300来执行手术任务之间无缝地移动至世界大地参照系，该世界大地参照系允许外科医生将他或她自己重新定位至另一位置中，同时保持认识到超灵巧手术工具300相对于他自己的位置，并且然后回到相机安装参照系继续手术任务以开始不同的手术任务。另外，控制***400有利地使外科医生切换超灵巧手术工具300的控制(例如，在右边与左边之间)，以允许将外科医生重新定位至最佳位置，并且因此使相机视角旋转。此外，控制***400可以有利地允许对一个或更多个超灵巧手术工具300进行控制，使得所述一个或更多个超灵巧手术工具300与另一工具(例如，与另一超灵巧手术工具300，或与手动工具350)同步移动，这可以使外科医生实际上束缚所述工具并且例如在将工具移动至另一手术部位时使它们同时移动。

图34示出了控制***400的一个实施方式。控制***400构架可以被认为是包括三个部段；接收输入的部段408；负责发送输出的部段410；以及基于包括输入的各种数据来计算输出的部段412。操作者1可以经由输入装置500提供输入。输入可以通过无线或有线的输入装置500来提供。操作者1的位置可以是输入(例如，如通过与控制***400通信的跟踪装置所跟踪的)。额外的部件可以提供输入，额外的部件包括显示器600和离合器112。

控制***400可以接收来自超灵巧手术臂200、超灵巧手术工具300以及/或者手动工具350的位置和方向传感器的输入。控制***400部分地基于各种输入来计算输出。输出可以操纵一个或更多个超灵巧手术工具300以及/或者一个或更多个超灵巧手术臂200。输出可以是由外科医生所感觉到的被发送至输入装置500的触觉信号。输出可以是示出在一个或更多个显示器600、702上的图像。

图35示出了具有计算机402的控制***400一个实施方式。控制***400可以与多个可控对象联接，例如一个或更多个超灵巧手术臂200以及/或者一个或更多个超灵巧手术工具300。

控制***400可以与多个输入装置500联接。箭头表示在控制***400与输入装置500之间的信息流动。控制***可以将信息——例如由箭头示出的触觉反馈——发送到输入装置500。虚线箭头是为了表示无线通信。双箭头指示至控制***的输入以及来自控制***的输出。触觉反馈可以经由无线或有线连接发送。输入装置500可以用于控制一个或更多个超灵巧手术臂200以及/或者一个或更多个超灵巧手术工具300的运动。

除了输入装置500之外，控制***也可能联接至多个输出装置。控制***400可以与多个装置——例如显示器600和显示器702——联接。显示器600也可以是输入。显示器600将信息提供给操作者1并接受来自操作者1的信息。显示600可以是触摸屏显示器604。还可以使用其他类型的显示器600，例如iPad或其他移动电子设备。在一些实施方式中，显示器600是无菌的或能够进行灭菌。显示器600可以与手动工具350结合使用。显示器600可以与接触病人结合使用。操作者1可以同时控制显示器600和手动工具350。操作者可以控制显示器600并且同时接触病人2。

控制***400可以与多个可控对象——例如超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300——联接。控制***400可以与多个输入装置500联接。双箭头表示在计算机402与输入装置500之间的信息流动。离合器112可以给计算机提供输入。

手动工具350(例如，固定到手动工具350的传感器352)可以给计算机提供输入。如早前所描述的，手动工具350还可以与超灵巧型手术***100一起使用。手动工具350上的传感器352可以给计算机402提供输入。手动工具350可以通过诸如位置传感器之类的传感器352进行跟踪。传感器352可以例如通过配装在手动工具350之上的套环或套筒来固定。套环或套筒可包括各种传感器352，所述各种传感器352可以是无线或有线的。在一些实施方式中，传感器352可以与手动工具350一体地形成。手动工具350的跟踪在许多情况下都是有用的，例如在手动工具350不在相机304的视线范围内时。

显示器600可以显示输入装置500与受控对象——例如一个或更多个超灵巧手术臂200以及/或者一个或更多个超灵巧手术工具300——之间的关联(例如，配对)。作为非限制性示例，显示器600可以显示输入装置500以及例如一个或更多个超灵巧手术臂200以及/或者一个或更多个超灵巧手术工具300的受控对象的图标。

图36示出了显示器600的屏幕截图的一个实施方式。在该示例中，操作者1选择输入装置500。如图36所示，可获得两个输入装置500来由操作者1选定。这些输入装置500是两个无线控制器514，但是其他输入装置500也可以被图示在显示器600上(例如，有线控制器)。如图36中所示，可获得五个可控对象来由操作者选定。这些可控对象为五个超灵巧手术工具300，这些可控对象包括一个相机304。相机304可以被认为是超灵巧手术工具300。其他可控对象也可以被图示在显示器600上。操作者1可以选定输入装置图标中的一者。操作者1可以选定可控对象图标中的一者。在一些实施方案中，操作者1选定输入装置图标，并且然后选定序列中的可控对象图标，这将使所选定的输入装置与所选定的可控对象配对并控制所选定的可控对象。在另一实施方式中，操作者1可以使手指在触摸屏604上的输入装置图标与可控对象图标之间轻擦来将它们配对在一起。在另一实施方式中，操作者1可以使用鼠标或指示器来选定两个图标。显示器600可以例如通过显示图标之间的线来表明输入装置500与受控对象之间的关联(例如，配对)。

例如，标记为无线控制器1的一个控制器514可以控制标记为工具3的一个可控对象。标记为无线控制器2的一个控制器514可以控制标记为工具4的一个可控对象。遵循以上所述的选择序列的输入装置与可控对象之间的其他构型也是可能的。图37为在图36中示出的显示器的屏幕截图。例如，标记为无线控制器1的一个控制器514可以控制标记为工具1的一个可控对象。标记为无线控制器2的一个控制器514可以控制标记为工具5的一个可控对象。

控制***400可以使输入装置500的坐标***与例如一个或更多个超灵巧手术臂200以及/或者一个或更多个超灵巧手术工具300的受控对象的坐标***相关联。显示器600可能显示输入装置500与受控对象之间的关联(例如，配对)。输入装置500和受控对象可以在相同的坐标***中移动。输入装置500可以在直线坐标***中移动，该输入装置500也可以使受控对象在直线坐标***中移动。例如，输入装置500在正x轴方向上移动一定距离可以使超灵巧手术工具300在正x轴方向上移动不同距离或相同距离。受控对象和输入装置二者均在直线坐标***中移动。

输入装置500可以绕假想中心线移动，这可以使受控对象绕虚拟抓握512移动。例如，如果超灵巧手术工具300绕支点以圆弧的方式移动，则输入装置500绕假想中心线以圆周运动的方式移动会更自然。该圆周运动相比输入装置500的直线运动会更自然。受控对象和输入装置二者在极坐标***中移动。

输入装置500和受控对象可以在不同的坐标***中移动。输入装置500可以在直角坐标***中移动，这可以使受控对象在极坐标***中移动。对于某些类型的运动，可能更容易地计算以及/或者显示受控对象在替代的坐标***中的移动。组合也是可能的。

操作者可以为超灵巧型手术***100建立某些约束。控制***400可以设置成使得约束为测量量，例如位置或所导出的参数，例如距离、速率、力以及张力。控制***可以设置成使得对于每个受控对象的约束都可以是不同的。

当执行各种超灵巧手术工具300的运动时，控制***400可以保持一个或更多个约束。约束可以是物理或导出的参数，例如距离、速率、力、张力以及/或者半径。控制***400可以将一个或更多个约束施加至一个或更多个超灵巧手术工具300的运动。用于每个受控对象的约束可以不同。例如，锁定至单个工具的超灵巧手术工具300可以经受不同的约束。每个超灵巧手术工具300都可以具有单独的约束。

在一些实施方式中，两个超灵巧手术工具300可以被约束成一起移动。操作者1——例如外科医生——可以将一个或更多个超灵巧手术工具300锁定至单个工具。所有的被锁定的超灵巧手术工具300都将跟随所述单个工具。换句话说，所有的被锁定的超灵巧手术工具300都将在所述单个工具***作者1控制并且从一处向另一处移动时大致一致地(例如同时)移动。从概念上看，该锁步运动可以被认为是使超灵巧手术工具300的相对位置保持恒定并使一组超灵巧手术工具300一致地移动的虚拟束缚。

将一个或更多个超灵巧手术工具300锁定至单个工具的概念同样地适用于单个工具是否是超灵巧手术工具300还是手动工具350。关于一个或更多个超灵巧手术工具300跟随手动工具350，手动工具350可以在用于平移和旋转的空间中被跟踪。这种其中一个或更多个超灵巧手术工具300跟随手动工具350的构型在操作者1——例如外科医生——想要在工作空间内移动大的距离时可能是有用的。锁定的原理还可以有利地避免超灵巧手术工具300、手动工具350以及/或者病人2的人体之间的碰撞。

可以不必将所有的超灵巧手术工具300都锁定至单个工具。在一些实施方式中，操作者1可以选择将超灵巧手术工具300中的一些超灵巧手术工具300(但不是全部)锁定至单个工具并留下一些未锁定的超灵巧手术工具300并就位。例如，相机304可以位于良好的位置，但是例如抓握器的其他超灵巧手术工具300可能需要移动至不同的位置。例如抓握器的其他超灵巧手术工具300可以被锁定，以便跟随单个超灵巧手术工具300，但是相机304可以保持就位。在操作者1需要对身体的远离经受手术介入的当前部段的另一部段进行操作的情况下，可能出现使所有或一些超灵巧手术工具300一致地移动的需求。

在一些实施方式中，一个或更多个超灵巧手术工具可以通过利用显示器600锁定至单个超灵巧手术工具或单个手动工具。图40示出了可以显示在显示器600上的屏幕截图。其他屏幕布局也是可能的。显示器600使操作者1如外科医生能够锁定一个或更多个的超灵巧手术工具300。屏幕截图的顶部示出了输入装置500和例如超灵巧手术工具300的可控对象。图40示出了包括相机304的五个超灵巧手术工具300。手动工具350也被示出。图40示出了两个输入装置500，无线控制器520和无线控制器522。根据包括与控制***400通信的所有超灵巧手术工具300和所有手动工具350的工具，显示器600显示适当的图标。无线控制器520连接至可控对象，工具1。无线控制器522不连接至可控对象。

图40的屏幕截图的底部示出了锁定选项。由输入装置控制的任何可控对象都可以不出现在列表上。例如，由于工具1通过无线控制器520进行控制，因此显示器600不在可以被锁定的一组工具中显示工具1。所选定的可控对象——例如一个或更多个的超灵巧手术工具300——可以由用户选定以被锁定。例如，选定工具2和工具3被锁定，而工具4和工具5是未被选定。显示器600可以加亮所选定的条目，如图40中所示。已被选定成要被锁定的超灵巧手术工具300以白色示出，而其他是以黑色示出。在屏幕截图的底部，显示器600显示了单个工具的选项。一个或更多个锁定的超灵巧手术工具300跟随所述单个工具。例如，手动工具350被选定为单一工具，而由无线控制器522控制的工具1未被选定。显示器600可以加亮所选定的条目，如图40中所示。在该示例中，工具2和工具3被锁定至手动工具350，但是其他构型也是可能的。

在一些实施方式中，单个工具的运动可以通过较小的手势而不是与一组工具相关的较大的运动进行控制。例如，单个工具可以是工具1，该工具1由无线控制器522控制。无线控制器522如上所述可以由操作者1佩戴。例如，操作者的手的一个或更多个手指可具有固定或以其他方式附接的传感器。手或手指的特定运动可以使单个工具移动。被锁定的一个或更多个超灵巧手术工具300如上所述将根据单个工具的运动而移动。

操作者1如外科医生可以使所选定的超灵巧手术工具300与主动地跟随的单个工具接合或断开接合。操作者可以利用离合器112，例如脚踏板。例如，当离合器112被按下时，所选定的超灵巧手术工具300将跟随单个工具。当离合器112被释放时，所选定的超灵巧手术工具300将停止移动并保持就位。该特征可以有利地允许操作者将他或她的臂重新定位，这非常类似于计算机用户通过抬起鼠标并将鼠标放置在更舒适的位置来重新定位计算机鼠标。

以下三个约束提供了可以被施加的额外约束的示例。保持被夹持的物体的恒定张力。手的运动与超灵巧手术工具的运动的比率为1：10，这意味着当手移动10cm时，工具移动1cm。相机工具304绕支点旋转而不是线性平移。

控制***400可以将约束施加至超灵巧手术工具300。例如，控制***400可以调节一个超灵巧手术工具300的位置，以将恒定的张力施加至由一组超灵巧手术工具300保持的组织。这些约束提供了用以控制超灵巧手术工具300的有用的方式。约束也可以相对地施加至手动工具350。除了以上所述的那些约束之外或代替以上所述的那些约束，其他约束也可以被施加。控制***400可以在超灵巧手术工具300与相机304之间施加约束。控制***400可以在一个或更多个超灵巧手术工具300与相机304之间建立位置、速度或力约束。

在图38A至图38B中，诸如夹持器之类的两个超灵巧手术工具300被示出在组织增生的任一侧上。超灵巧手术工具300如图38中所示位于一定距离308处。当增生被移除时，超灵巧手术工具300可能需要进行重新定位。例如，由于增生不再拉动该组织，因此该组织可能需要保持在较高的张力下。超灵巧手术工具300现在位于距离310处，该距离310可以大于距离308。控制***400可以控制超灵巧手术工具300，使得手术的某些参数可以被保持。例如，在该示例中，控制***400可以控制超灵巧手术工具300，使得该组织受恒定的张力。

如果在控制超灵巧型手术***100中使用多个工具，那么任意组的两个或更多个工具可以作为刚体被控制。例如，该组超灵巧手术工具300可以被控制成使得组织作为刚体***纵并且该组织由相机304进行跟踪。刚体效应可以在控制***400计算适当的张力并将适当的张力通过超灵巧手术工具300施加至组织时实现。该计算可以是实时且动态的。这例如在组织部段由于外科医生的控制运动而运动的情况下可以有助于保持刚体效应。

参照系、视觉提示

控制***400有利地允许操作者1自然地控制超灵巧手术工具300和/或手动工具350。存在允许自然控制和有效控制的至少两个互连项：视觉提示以及对于人体来说是自然的并由人脑容易地进行处理的参照系中的移动。大脑可以容易地理解与人的腕关节相关联的参照系。控制***400有利地为操作者1提供与超灵巧手术工具300和/或手动工具350有关的视觉提示，这使得操作者能够更好地理解与超灵巧手术工具300和/或手动工具350相关联的参照系。

参照系

如上所讨论的，人脑可以在参照系耦合至腕关节的情况下容易地理解运动。参照图41A至图41D，大脑理解的是：为了到达对象，腕关节必须朝向对象移动。大脑基于腕关节的方位而懂得使腕关节沿哪个方向移动。

在图41A和图41C中，示出了操作者1如外科医生的左手和右。在每个图中示出了手的运动方向。每只手均朝向对象移动。左手从位置1朝向对象A移动至位置2。右手从位置1朝向对象B移动至位置2。参照系被放置在每个腕关节上。参照系的取向由表示参照系的图标的尖端表示。假想观察器802将位于参照系图标的中间的圆中。换句话说，假想观察器802将沿着图标的尖端的方向、沿着箭头的方向观看。

图41A和图41C表明了每只手的运动和参照系。图41B和图41D表明了由如上所解释的进行放置的假想观察器802感知的运动是怎样的。左手从位置1朝向对象A移动至位置2。右手从位置1朝向对象B移动至位置2。参照系被放置在每个腕关节上。

在图41A中，两只手都以相同的方式定向，因此两只手必须向前移动以到达对象。在图41A中，每个假想观察器802(在每个腕关节上)的参照系都以相同的方式定向。换句话说，参照系是对准的。

图41B示出了对象将如何出现到假想观察器802中。两个假想观察器802看到了大致相同的图像。在位置1处，对象A和对象B——圆和三角——远离假想观察器802。在位置2处，对象A和对象B——圆和三角——更靠近假想观察器802。右腕关节上的假想观察器802更接近为三角的对象B。左腕关节上的假想观察器802更接近为圆的对象A。

在图41C中，左手垂直于右手。右手必须向前移动以到达对象。左手必须朝向左边移动以到达对象。在图41C中，每个假想观察器802(每个腕关节上各一个)的参照系不以相同的方式定向。左手的参照系相对于右手上的参照系旋转90°。尽管图41C示出了彼此旋转90°的参照系，但是在三维空间中的任何其他取向也是可能的。

图41D示出了对象将如何出现到这些假想观察器802中。两个假想观察器802看到了不同的图像。对于右腕关节上的假想观察器而言，对象A和对象B在查看器的前方。对于左腕关节上的假想观察器而言，对象A和对象B在查看器的左方。在位置1处，对象A和对象B——圆和三角——远离假想观察器802。在位置2处，对象A和对象B——圆和三角——更靠近假想观察器802。

在图41A至图41D中，为操作人员提供视觉提示。操作者可以看到对象A和对象B。操作者1可以看到他的手。当操作者1在病人体内操纵超灵巧手术工具300和/或手动工具350时，操作者1可以受益于接收与操纵超灵巧手术工具300和/或手动工具350有关的视觉提示。视觉提示可以使得操作者能够更好地理解与超灵巧手术工具300的运动相关联的参照系。如文中所提到的，超灵巧型手术***100使得操作者1能够同时控制超灵巧手术工具300和手动工具350。例如，作为非限制性示例，操作者1能够用左手控制诸如夹持器之类的超灵巧手术工具300并用右手控制诸如吻合器之类的手动工具350。控制***400可以允许操作者1以单独的参照系800来操纵每个工具。控制***400可以包括用以将操作者的运动(例如，控制输入装置500的运动)转化成正确的参照系的移动的控制算法。

现在参照图42A，操作者1在病人体内操纵超灵巧手术工具300和手动工具350。图42A示出了操作者1用他或她的左手来控制超灵巧手术工具300并用他或她的右手来控制手动工具350。超灵巧手术工具300和/或手动工具350二者都在体内并且从操作者的视角来看被遮住。

手动工具350可以指示操作者1相对于病人2的位置。手动工具350的设计将指示控制手动工具350的手的位置。操作者1可能想要借助于他或她的另一只手从大致相同的位置来控制超灵巧手术工具300。

与控制超灵巧手术工具300的操作者的左手相关联的参照系可以相对于与控制手动工具的操作者的右手相关联的参照系旋转。如图42A中所示，右手的参照系相对于左手的参照系旋转90°(与图41A中示出的构型相反)。

参照系放置在每个腕关节上。两个正交的一对箭头被示出在每个腕关节上用以示出对象将如何出现到假想观察器802中。在右腕关节上，字母“RR”表示该方向为操作者的右腕关节的右侧，或者出现到假想观察器802的右侧的东西。字母“LR”表示操作者的左腕关节的右侧，或者出现到假想观察器802的右侧的东西。两个假想观察器802观看不同的图像。相机304(其中镜头在体内)观看在体内的手动工具350和超灵巧手术工具300二者。

为了操纵手动工具350，操作者1可以移动右手并且可以以如所示的参照系使用右腕关节。右手被示出为与右臂成90°角，并且与左手成90°角。操作者可以以单独的参照系来操纵每个工具。手动工具350可以相对于与右腕关节相关联的参照系进行操纵，并且超灵巧手术工具300可以相对于左腕关节进行操纵。

图42A示出了固定至左手的输入装置500。操作者1可以使用输入装置500来控制诸如抓握器之类的超灵巧手术工具300。相机304(其中，镜头在体内)将在显示器702上显示抓握器和/或抓握器的端部执行器的运动。在示出的实施方式中，操作者1面向病人2站在病人2的旁边，并且他或她的头部面向显示器702(例如，沿着箭头B径直地面向前)。控制***400可以在屏幕上显示出了手术的自然视角。例如，左手的向右运动可以示出为如呈现在显示器702上的超灵巧手术工具300的向右运动。控制***400可以利用输入装置500的位置、相机304的位置、操作者1的位置以及/或者超灵巧手术工具300的位置来将图像定向在显示器600、702上。控制***400可以计算抓握器的端部执行器的运动。控制***400可以将相机304的图像定位在显示器600、702上。例如，控制***400可以将图像定向成使得左腕关节的向右运动看起来是超灵巧手术工具300的向右运动。

借助于操作者的右手对手动工具350的控制可以在与操作者的右腕关节相关联的参照系中进行。借助于操作者的左手对超灵巧手术工具300的控制可以在与操作者的左腕关节相关联的参照系中进行。该左腕关节的参照系可以是独立于右腕关节的参照系的参照系。不管操作者的右腕关节与右手的角度如何，人脑都可以识别相对于右腕关节和右手向右、向左、向上及向下。

所述两个参照系可以完全独立、部分对准或完全对准。在一些实施方式中，超灵巧手术工具300可以在与手术目标对准的参照系中移动。手动工具350和超灵巧手术工具300二者都可以相对于手术目标移动，以使手动工具350和超灵巧手术工具300的运动一致。要注意的是，在所有的这些示例中，手动工具350的参照系可以或可以不与超灵巧手术工具300的参照系对准。每种情况都将在如何对超灵巧手术工具300和手动工具350进行控制方面有其独特的优点。

当在单独的参照系中控制多个工具时，可以使用工具的不同组合。操作者可以控制超灵巧手术工具300和手动工具350，或者两个或更多个超灵巧手术工具300，或者两个或更多个手动工具350。操作者1可以借助于每只手来操纵一个或更多个超灵巧手术工具300，这与如上所述的控制手动工具350和超灵巧手术工具300相反。

人脑还能够容易地理解并协调超灵巧手术工具300与手动工具350，以便一起使用所述两个工具。尽管参照系不同，大脑仍然能够协调运动。在图42A中，操作者1通过右手保持诸如吻合器之类的手动工具350并且通过左手保持输入装置500。

视觉提示

人类大脑能够通过足够的信息来确定如何移动手动工具350和超灵巧手术工具300。这种信息应使得用户能够自然地了解超灵巧手术工具300的运动。控制***400例如通过将呈现给操作者的图像定向或者改变所述图像中所提供的信息(例如，示出病人2的身体的至少一部分以有助于操作者了解工具的取向)来有利地给操作者1(例如，外科医生)提供了这种视觉提示，以有助于超灵巧手术工具300的自然控制。以此方式，控制***400可以使得能够从操作者1的任何位置对超灵巧手术工具300进行自然控制。

图42B示出了显示器702的视图。显示器702可以提供由图42A中所示的相机304捕获的图像。在图42A中示出了左手的沿着箭头A的方向的向右运动。工具的相对取向可以增加操作者1的对工作空间的了解。显示器702可以将手动工具350和超灵巧手术工具300呈现在同一环境中。然而，除了相机图像之外的图像——例如病人相对于工具300、350的方位的图像——可以增加操作者1的对超灵巧手术工具300和/或手动工具在病人体内的运动的了解。

控制***400可以将相机图像定向在显示器600、702上。显示器600、702可以显示手动工具350和超灵巧手术工具300二者。控制***400可以相对于操作者的腕关节的参照系对相机图像进行定向。控制***400可以确定相对于操作者的腕关节的运动方向并呈现沿相同方向的运动的图像。例如，在图42A中，操作者1使他的左手沿箭头A移动。操作者使他的左手向右移动。

如图42B中所示，控制***400可以将相机304的图像定向成使得成呈现在显示器702上的图像与运动的方向相匹配。超灵巧手术工具300的运动在被呈现在显示器702上时是沿着初始方向向右的。从相机的视角看，该运动可以是向左的或成角度的。控制器***400可以显示超灵巧手术工具300的运动，使得操作者1能够自然地了解该运动。通过查看显示器702，操作者1可以协调输入装置500的向右运动与超灵巧手术工具300的向右运动。

图像在显示器600、702上的取向可以有助于使用绕支点旋转的超灵巧工具或手动工具。手动工具350的远端(离手最远的部段)的运动可以相对于手沿相反方向移动。换句话说，如果右手绕支点操纵吻合器，那么吻合器的柄部的向右运动将转化成吻合器的远端的向左运动。通过提供视觉提示，超灵巧型手术***100可以使得能够自然使用绕支点旋转的超灵巧工具或手动工具。

控制***400可以使得能够如文中所讨论的经由呈现给操作者1的图像从操作者1的任何位置来自然地控制超灵巧手术工具300。在操作期间，操作者1可能需要在操作区域附近移动。手动工具350可以指示操作者1的位置。而不管操作者的位置如何，控制***400可以基于操作者1的视角来呈现图像。

操作者1的位置可以被跟踪。图像可以被更新成与操作者1的视角一致。图像可以基于操作者1的位置来进行计算，特别是在缩小视图中。操作者1的跟踪可以通过利用例如但不限于将传感器固定至操作者1的各种技术中的一种技术来实现，或者通过利用光学定位***来实现。超灵巧型手术***可以具有对操作者1进行跟踪的整体***。

操作者1的位置可以输入到控制***400中。控制***400计算并呈现出从操作者1的角度来看的图像。换句话说，显示器600、702可以显示操作者1将从该位置看到什么解剖体或工具。在操作者1在附近移动时，呈现在显示器600、702上的图像将以操作者1的位置为基础。基于操作者的位置的图像的计算和呈现可以增加操作者的对解剖体的了解，并使操作者更易于与手动工具350和超灵巧手术工具300相互作用。

坐标变换可以与近端(例如，腹腔镜工具)或远端(例如，端部执行器)相关联。控制***400可以呈现出超灵巧手术工具300和手动工具350在单独的坐标***中的图像。如先前所提到的，输入装置500的坐标***可以与超灵巧手术工具300的坐标***不同。显示器600、702上的图像可以示出超灵巧手术工具300在超灵巧手术工具300的坐标***中的运动。

图42C示出了工具、显示器702以及操作者1的布置的另一示例。显示器702被示出为离操作者1的左方不远。操作者1面向病人2站在病人2的旁边，但是他或她的头部转向显示器702(沿着箭头C)。每个超灵巧手术工具300的参照系都与操作者1的每个腕关节相关联。控制***400可以使得能够从显示器702的任何位置自然地控制超灵巧手术工具300。显示器702可以呈现出视觉提示以使得操作者能够了解超灵巧手术工具300和手动工具的运动。不管显示器702的取向如何，控制***可以对该图像进行定向，以增加操作者的了解。控制***400可以在显示器702上示出手术的自然视角，而不管显示器702的定位如何。参照系与腕关节相关联保持了控制的直观性。

显示器600、702可以显示相同的图像或不同的图像。显示器600如文中所述可以给***提供输入。显示器600、702可以在单个屏幕上显示多个图像。

显示器600、702可以显示输入装置500的运动与超灵巧手术工具300的运动之间的不同类型的关联。在一些实施方式中，可以在手运动、工具运动与示出在显示器上的运动之间存在1:1的关系。其他关系也是可能的。显示器600，702可以显示关于手运动和工具运动的逆向运动，使得运动被逆向示出。显示器600、702可以显示与手运动和工具运动的方向成角度歪斜的运动。显示器600、702可以显示相对于与腕关节相关的参照系的任何取向。

腕关节仅作为其中可以与参照系相关联的对象的一个示例。参照系可以固定至操作者的身体、病人、工作空间中的物体、操作区中的物体、显示器、超灵巧手术工具、相机、超灵巧手术臂或任何其他物体的任何部分。然而，将参照系固定至操作者的身体的部段——包括前臂、腕关节、手和头部——可以有助于以自然的方式控制超灵巧手术工具300。

如文中所讨论的，超灵巧型手术***100有利地允许操作者1通过各种参照系来控制超灵巧手术工具300。例如，操作者1可以通过工作空间中的、体内的相机304的参照系来控制超灵巧手术工具300。操作者1可以将其手的运动映射至超灵巧手术工具在相机304的参照系中的运动。该视图对于大的移动或相对于病人体外的参照系进行运动会更自然的运动而言是有限制性的。因此，超灵巧型手术***100允许操作者将参照系动态地改变到另一视图。操作者1可以切换到用于一个或更多个超灵巧手术工具300的世界大地参照系(例如，操作区和病人的视图)。世界大地参照系如文中所述对于大的运动以及/或者在一个或更多个超灵巧手术工具300被锁定至单个工具时可能是有用的。世界大地参照系在将一个或更多个超灵巧手术工具300相对于病人移动至新的位置时可能是有用的。世界大地参照系在操作者1将他自己相对于病人重新定位以及/或者基于他的新位置切换用于控制输入装置500的手时可能是有用的。操作者1可以控制相机304并将图像呈现在世界大地参照系的显示器600、702上。超灵巧型手术***100允许操作者将参照系动态地变回相机304的参照系。

在一些实施方式中，参照系可以是运动的。作为非限制性示例，参照系可以附接至可能处于被移动的过程中的手动工具350。控制***400可以将一个或更多个超灵巧手术工具300附接至手动工具350，使得这组工具一起移动。文中对锁定原理进行了描述。显示器600、702可以显示与移动的工具相关联的参照系，并且可以确保该组工具如所打算的作为整体进行移动。

在离合器112开始接合时，参照系可以基于操作者1的位置而被建立。当离合器112接合时，输入装置500可以控制一个或更多个超灵巧手术工具300。当离合器112断开接合时，控制***400可以存储该参照系。当离合器112再次接合时，一个或更多个超灵巧手术工具300相对于早前建立的同一参照系移动。

在一些实施方式中，当离合器112再次接合时，基于操作者1的新位置而建立了新的参照系。操作者1可以决定使用由于先前的离合器112接合而建立的参照系还是使用新的参照系。离合器112的接合可以建立一个或更多个参照系。如果操作者1仅使用一个输入装置500，则控制***400可以仅建立一个参照系。然而，如果操作者1使用两个输入装置500，那么两个参照系可以由离合器112建立。参照系可以与每个腕关节相关联并且参照系可以是对准、部分对准或单独的。

操作者1的右手和左手可以操纵两个不同参照系中的对象。所述对象在尺寸、形状或功能方面可以不同。超灵巧型手术***100允许同时控制手动工具350和超灵巧手术工具300。操作者1提供有关于手动工具350和/或超灵巧手术工具300上的约束的足够的提示，以使得能够进行该同步控制。操作者1提供有关于手动工具350和/或超灵巧手术工具300的参照系的足够的提示，以使得能够进行该同步控制。超灵巧型手术***100的控制***400有利地允许超灵巧手术工具300和/或手动工具在各种参照系中运动。这种能力在结合使用手动工具350和超灵巧手术工具300期间可能是非常有用的。

视觉提示源

一个信息源为如由操作者1或者通过观察操作区或显示器600、702所看到的视觉提示。额外的信息可以增加操作者的对超灵巧手术工具300和手动工具350的运动的了解。视觉提示可以由控制***提供并示出在显示器600、702上。

一个信息源为如由操作者1通过观察操作区所看到的视觉提示。通过操作者的位置，操作者可以看到操作区的设置。操作者1可以看到他的身体——包括他的手——相对于病人的方位。操作者1可以看到工具进入身体的位置。换句话说，外科医生可以使用在他或她附近的诸如床102、病人2、他或她的手之类的对象作为提示来了解工具300、350相对于解剖体的位置。外科医生可以以与了解内容相一致的方式操纵超灵巧手术工具300或手动工具350。

一个信息源为呈现在显示器600、702上的图像的视觉提示。控制***400可以计算并呈现出与操作者的对操作过程的了解有关的图像。所述图像可以使得操作者1能够看到超灵巧手术工具300、手动工具350以及/或者病人的解剖体。所述图像可以源自超灵巧型手术***100的一个或更多个可视化部件。这些部件包括一个或更多个相机304，所述一个或更多个相机304可以由控制***400控制。相机304可以被认为是超灵巧手术工具300并由超灵巧机械臂200移动，以给操作者1提供图像。例如，可以配置多个相机304。每个相机304都可以获得解剖体的不同部段的图像。在一些实施方式中，在每个套管针的稍端上设置毫米级的相机304。在一些实施方式中，控制***400和/或可视化部件执行关于病人2的体内和体外二者的实时的3D环境重建。控制***400和/或可视化部件可以集成病人的现有的图像，例如现有的X射线和CT扫描。来自源的信息可以被结合以给操作者1以更完整的信息。可视化***700可以给操作者1提供用以通过各种源来观察工作空间的自由。

图像可以在一个或更多个显示器600、702上被观察到。显示器600如文中所述可以构造成接收来自操作者1的反馈。图像可以在一个或更多个沉浸式控制台704上被观察到。超灵巧型手术***100允许操作者1在附近移动并将他自己或她自己相对于病人2放置在进行操作的最佳位置中。在操作期间，操作者1(例如，外科医生)可以重新定位他自己或她自己。一个或更多个显示器600、702允许操作者1从多个位置观察超灵巧手术工具300、手动工具350和/或病人的解剖体。显示器600、702上的图像可以基于操作者1的位置而被更新。

显示在显示器600、702上的图像可以取决于被执行的操作类型。例如，如果操作者1正在做精细缝合，则可以在显示器600、702上示出解剖体以及工具的放大视图。该视图可以通过相机304直接获得。如果操作者现在想要移动至身体的不同部分，则需要进行所述工具粗大运动，可以在显示器600、702上显示缩小视图。换句话说，缩放因子能够适用于该运动。可以通过控制***400至少部分地基于所执行的运动类型来自动完成缩放功能。缩放功能还可以通过操作者1发起。缩放等级可以利用输入装置500——例如通过使用手势来放大或缩小——来改变。改变缩放等级的其他方式也是可能的，例如将诸如拇指轮之类的手动装置附接在输入装置500上，其中，操作者可以移动拇指轮来改变缩放等级。其他方式包括在显示器702或显示器600上设置按钮或滑动件。

在缩放操作期间，图像之间的过渡可以是平滑且无缝的。在图像缩小时，可以显示较少的解剖细节。控制***可以改变图像供给，将例如来自病人1内部的相机304变成来自安装在病人体外的相机304的供给。将在下面对用于缩小视图的其他数据源进行讨论。

在一些实施方式中，可以创建虚拟相机706(见图43)，因而使得能够从各个视角实现目标可视化。虚拟相机706从任何角度产生图像。虚拟相机706可以与呈现在工作空间附近的多个可控对象的任何可控对象的视角相关联。虚拟相机706可以与操作者1如外科医生的视角相关联。在操作者1在附近移动时，可视化***700调节为操作者的当前视角。虚拟相机706如文中所述可以利用多个源来产生图像。

在一些实施方式中，虚拟相机706可以与相机工具304相关联。操作者1如外科医生可以选择在手术期间调节相机304的位置，因此调节虚拟相机706。因此，显示器600、702将在相机304移动时被更新。

图43示出了在手术期间如何可以由操作者1如外科医生来调节虚拟相机706。如果操作者1带有跟踪装置，那么可以跟踪操作者1。如果相机304的视图被转化为操作者1的视图，则控制***400可以识别操作者1的位置并将虚拟相机706转化在显示器600、702上，以更好地体现操作者1的视角。在操作者1移动成与相机304对准时，控制***400可以识别操作者1的位置并体现相机304的真实图像。图像可以在显示器600、702上被转化、旋转以及左右翻转，以体现诸如操作者1之类的被跟踪的对象或者诸如超灵巧手术臂200和/或超灵巧手术工具300之类的可控对象的视角。作为另一示例，显示器600可以显示用于改变虚拟相机706的位置的滑动件或按钮，使得操作者1如外科医生可以选择最合适的视图。

各种相机参数可以被控制并调整以增强来自虚拟相机706的图像。作为非限制性示例，缩放功能可以被调节。例如，如果需要大规模的运动，则显示器600、702上的图像可以被缩小。在操作者1如外科医生操纵工具进行大规模运动时，显示器600、702上的图像可以被放大及缩小以观察工作空间。这可以自动完成。例如在虚拟相机706由输入装置500控制的情况下，诸如角度和缩放之类的相机参数可以通过手动调节。输入装置——例如附接至手或无线控制器的传感器——使高级可视化***700识别运动模式并执行诸如改变虚拟角度和缩放之类的功能。

超灵巧型手术***100可以具有多个显示器600、702。根据缩放等级，控制***400可以在每个显示器600、702上显示不同的图像，每个显示器都具有不同的参数，例如不同的相机角度。这可以使操作者1——例如外科医生和/或手术助手——同时对病人进行操作，并且每个操作者都参照呈现出手术工作空间相对于每个人的位置的最自然的视角的显示器600、702。这可能在例如助手靠近病人的腿并且主外科医生在病人的一侧的情况下是有用的。助手的显示器702将显示来自助手的视角的解剖体和工具，并且外科医生的显示器702将显示来自医生的视角的解剖体和工具。

示出在每个显示器600、702中的诸如相机角度和视图视角之类的参数可以取决于一个或更多个参数，所述一个或更多个参数包括病人2的位置和方向、显示器600、702的位置和方向、诸如操作者1之类的图像观察者的位置和方向。这意味着控制***400了解各种对象——例如显示器600、显示器702、操作者1以及病人2——的位置和方向。如果这种了解是不可获得的，例如不知道操作者1的位置在哪，则控制***400将在没有参数的情况下计算出图像。

在站在床边的操作者1看着病人2并随后向上看或看向显示器600、702时，他或她会发现以缩小视图的方式操纵解剖体或工具是有用的。缩小视图可以通过来自各种源的数据来创建。这些源可以包括来自附接在超灵巧型手术***100附近的一个或多个位置中以及/或者附接至一个或更多个超灵巧手术工具300的相机304的实时数据。这些源可以包括手术前图像数据，例如MRI(磁共振)数据或CT数据或解剖模型。例如，缩小的过程可以从显示如由相机304所看到的详细的内部解剖体的图像开始，该相机304可以穿过端口放置在病人体内。在缩放因子减小(即相机镜头拉远)时，整个器官被显示。在缩放因子进一步减小时，视角可以移动到体外并且可以显示混有内部器官的透视图的病人的体外。该原理被示出在图44中。

以图44A开始，示出了食道以及进入胃的入口的部段(胃-食道开口)的放大视图。这是关于减肥手术的典型部位，其中胃被忽略。在图44B中，胃以及某部分食道的轮廓被示出。示出在图44B中的图像相对于图44A视野被放大。在图44C中，结合整个身体示出了胃、食道。缩放等级可以调节成使得外科医生能够了解如何最好地操纵超灵巧手术工具300和/或手动工具350。如果操作者1仅需要例如用于精确且小的运动而使端部执行器可视化，那么例如图44A中的“放大”图像可能是有用的。如果操作者1想要重新定位的工具并利用通往解剖体的不同角度，那么例如图44C中的图像在重新定位的过程中可能是有用的。

超灵巧型手术***100使得用户能够从病人体内的放大视图移动至病人外部的缩小视图。外科医生可以在图像为缩小视图时移动到新的位置时。操作者1可以发现在缩小视图中更容易将他自己相对于病人进行重新定位。从该位置，操作者1能够缩小视野观察体内的工具，如从他的新位置所观察到的。在一些实施方式中，操作者1可以在他重新定位他自己之前与输入装置500断开接合。操作者1可以在他重新定位他自己之后与输入装置500接合。在一些实施方式中，操作者1可以基于新的位置来切换哪只手来控制输入装置500。

内部器官的呈现可以是各种数据源的组合。这些源包括如由相机或其他可视化装置看到的实际的、实时图像。这些源可以包括在手术过程中通过立体腹腔镜相机馈送产生的器官的三维模型数据。这些源可以包括来自MRI、CT或其他成像设备的手术前数据。该模型可以在来自诸如相机304之类的实时源的新数据可获得时被校正并加强。然后可以显示校正后的模型。

控制***400可以将数据分类为各种种类，例如但不限于实时数据(来自相机304)、模型数据、术前数据、旧数据(具体为在当前时刻之前获取的来自相机304的数据)。每种类型的数据都可以以不同的方式显示在混合图像中。例如，旧数据在其出现在图像中时，旧数据可以与少许黄色阴影混合，用于表示在使用该特定部分的数据时必须要小心。在另一示例中，模型数据在其出现在图像中时，模型数据可以与少许红色阴影混合，用于表示在使用特定数据时要相当小心。这种类型的分类和显示可以用于在对外科医生看着显示器600、702上的图像的同时操纵病人体内的工具时对外科医生进行的警告和提醒。

在缩放因子和/或视角被调节时，控制***400可以改变操作者1的运动(控制运动)与超灵巧手术工具300的运动(受控运动)之间的关系。作为示例，在放大视图中，控制***400可以在手的大的运动的情况下将手的运动缩放成仅有小且精确的运动。在图像缩小时，控制运动与受控运动之间的缩放比例可以改变，例如，在一些实施方式中，所述两者之间存在1:1的关系。其他方面——例如虚拟抓握和控制点的位置——也可以根据缩放因子而被改变。

图45示出了显示器702上的作为视图的图像。显示器600和/或显示器702可以显示操作区的特征。显示器600和/或显示器702可以描绘一个或更多个超灵巧手术臂200、一个或更多个超灵巧手术工具300、一个或更多个手动工具350、病人2、固定物(例如，床)、操作者1等的图像。显示器600和/或显示器702可以描绘超灵巧型手术***100的控制点。

显示器600和/或显示器702可以显示超灵巧型手术***100的约束。例如，显示器600、702可以显示手动工具350的支点的位置。显示600、702可以呈现出约束以增加操作者的了解。例如，显示器600、702可以显示超灵巧手术工具300的虚拟抓握512的位置。显示器600、702可以呈现出约束以增加操作者的了解。

显示器600和/或显示器702可以超灵巧型手术***100的控制点。控制点2600位于有能力移动的超灵巧手术臂200和超灵巧手术工具200上。控制***400可以基于操作者1的输入或约束而产生绕控制点2600的移动。例如，由操作者1进行的输入产生了连接至控制点2600的一个或更多个部段的运动。移动控制点2600使超灵巧手术臂200的连接至控制点2600的一个或更多个部段移动。

控制点2600可以经由输入装置500移动。输入装置500的运动将产生所选定的控制点2600的运动。这将使由超灵巧手术臂200控制的超灵巧手术工具300运动。显示器600可以用于将输入装置500指定至特定控制点2600。

控制点2600可以以包括但不限于颜色、十字线、其他图标的各种方式表示在显示器上。超灵巧手术臂200在显示器600、702上的图像可以是来自手术位置附近的一个或许多相机302的实际相机图像。超灵巧手术臂200在显示器600、702上的图像可以是图画。

手术方法的实施方式

在一些实施方式中，一个或更多个手动工具350与在同一工作空间中的一个或更多个超灵巧手术工具300结合使用。手动工具350的一个示例为吻合器354，见图39。吻合器354可以与超灵巧手术工具300结合使用。在图39中示出了当在结肠切除手术操作中使用两种工具时的工作流程，这示出了方法5。图39示出了使用超灵巧手术工具300和手动工具350的一种方法。该方法涉及将结肠保持在特定位置并将吻合线放置成穿过结肠。该***包括第一抓握器312、第二抓握器314、相机304和吻合器354。该***包括两个输入装置500，第一控制器516和第二控制器518。

在步骤10中，操作者1可以通过使用任何输入装置500来定位相机304。在一些实施方式中，操作者1将诸如相机304之类的可控对象的图标连接输入装置500的图标。

然后，在步骤20中，操作者1使用由操作者的一只手控制的第一控制器516来使诸如第一抓握器312之类的可控对象移动。操作者使用第一抓握器312来定位并保持结肠部段。操作者使用离合器112来使可控对象——第一抓握器312——断开接合。第一抓握器312将保持就位。操作者1可以放下第一控制器516。

此外，在步骤30中，操作者1可以用一只手拿起手动吻合器354用一只手。操作者1可以定位手动吻合器354并将手动吻合器354移动至如由所定位的相机304看到的目标位置。在步骤40中，操作者1使用第二控制器518，第二控制器518由不保持吻合器354的手控制。第二控制器518移动诸如第二抓握器314之类的第二可控对象。操作者1使用第二抓握器314来定位并保持结肠部段。然后，在步骤50中，操作者1操纵吻合器354和第二抓握器314以将结肠定位在用以接纳吻合器的最佳位置中。最后，在步骤60中，操作者1操作手动吻合器354，并且吻合器被递送到目标位置。该方法说明了如何可以在同一工作空间中由同一操作者1使用一个或更多个手动工具350以及一个或更多个超灵巧手术工具300。操作者1可以在该操作期间在任何时间都站在病人旁边(例如，位于一个或更多个床边位置处，例如多个床边位置处)。在一些实施方式中，操作者1可以例如通过远离病人的控制器514远程地执行前两个步骤，步骤10和步骤20。

通常难以通过超灵巧手术工具300传达接触的感觉。外科医生有时利用触觉来得到关于解剖体的更好的信息。然而，许多外科医生在某些情况下喜欢触摸病人。在一些实施方式中，手动工具350可以用于与组织接触。这通常通过常规的手术来完成。通过使用手动工具350提供的感觉输入可以引导外科医生的对超灵巧手术工具300的操纵。诸如力传感器和载荷单元之类的代理装置可以将压力或接触的感觉通过复杂的机构传达至超灵巧手术工具300。由灵巧手术工具300传达至操作者的压力(经由一个或更多个输入装置500，例如通过将来自控制***400的发送器的信号传递至输入装置500的接收器)有助于对病人2的解剖体的理解。

手动工具350可以结合超灵巧手术工具300在其他方法中使用。例如，超灵巧手术臂200可以保持套管针302，如图2中所示。手动工具350或超灵巧手术工具300可以***穿过套管针302。这种使用方法例如在外科医生操纵其他工具的同时需要通过手动工具350来使组织保持就位时可能是有益的。在另一示例中，在肥胖病人中，工具的操纵由于体型而变得困难；在这些情况下，手动工具或超灵巧手术工具300可以通过超灵巧手术臂200来保持或支承以减轻操作者1的身体压力。

本文中的实施方式中，超灵巧型手术***被描述为联接至固定物。超灵巧型手术***可以联接至床、病床、手术台、检查台、平台、底板、墙壁、推车或台架。在固定物为手拉车或手推车的情况下，固定物可以锚定至地板。固定物可以位于医疗办公室、医疗检查办公室、医院、医生办公室、临床办公室或适于使用超灵巧型手术***的任何其他位置。

尽管关于手术操作已经在某些实施方式中进行了描述，但是超灵巧型手术***可以以任何适当的方式使用。超灵巧型手术***可以在操纵关于经皮***的超灵巧手术工具的方法中使用。文中所描述的超灵巧型手术***可以操作在非经皮操作(例如，不涉及产生切口并以经皮的方式***超灵巧手术工具的操作)中。例如，超灵巧型手术***可以用于取皮肤活体组织切片。超灵巧型手术***可用于任何手术。超灵巧型手术***可以在任何适当的医疗操作中使用。超灵巧型手术***可以与活的病人(例如，手术)或尸体(例如，尸检)结合使用。文中所描述的实施方式可以以任何适当的方式使用。超灵巧手术臂可以在产品的制造或组装中(例如，在组装线上、在洁净室中)使用。

尽管已经在某些实施方式和示例的上下文中对本公开进行了描述，但是将由本领域技术人员理解的是，本公开扩展至超出特定公开的实施方式的其他替代性实施方式以及/或者使用以及其明显的修改和等同替代。另外，尽管已经详细地示出并描述了本公开的实施方式的一些变型，但是在本公开的范围内的其他改型对于本领域技术人员来说将是显而易见的。还可以设想，可以对实施方式的具体特征和方面进行各种组合或子组合，并且所述各种组合或子组合仍然落入本公开的范围内。例如，结合一个实施方式的以上所述的特征可以与文中所描述的不同的实施方式一起使用，并且该组合仍然落入本公开的范围内。应当理解的是，所公开的实施方式的各种特征和方面可以互相结合或替代，以形成本公开的实施方式的各种模式。因而，意在本公开的范围不应受以上所述的特定实施方式限制。因此，除非另有说明，或者除非明确地不相容，否则本发明的每个实施方式都可以包括除文中所述描述的基本特征之外的文中通过本文公开的发明的每个其他实施方式所描述的一个或更多个特征。

结合特别的方面、实施方式或示例描述的特征、材料、特性或群组将理解为可应用于在该部分或另外该说明书中描述的任何其他方面、实施方式或示例，除非这些方面不兼容。在本说明书中公开的所有特征(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)以及/或者公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合的方式被组合，除非在组合中，这些特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤互相排斥。保护范围不受限于任何前述实施方式的细节。保护范围扩展至在该说明书(包括所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的特征或任何新颖的组合，或扩展至公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。

此外，在独立的实施例的环境下本公开内容中描述的某些特征还可以在单一的实施例中以组合的方式实施。相反，在单一的实施例中的环境下描述的各种特征也可以独立的或以任何合适的子组合的方式在多种实施例中实施。此外，尽管上文特征可以描述为作用在特定的组合中，要求保护的组合的一个或更多个特征在一些情况下可以从组合去除，并且组合可以作为子组合或子组合的变型被要求保护。

此外，虽然以特定的顺序在附图中描绘的或在说明书中描述操作，但这种操作不需要以示出的特定的顺序或以相继的顺序执行，或不需要执行所有的操作以实现所需的结果。未描绘或描述的其他操作可以结合在示例方法和过程中。例如，在所描述的操作中的任何操作之前、之后、同时地或在其之间可以执行一个或更多个附加的操作。此外，操作可以在其他实施例中被重新布置或重新定顺序。本领域的技术人员将理解的是，在一些实施方式中，图示的和/或公开的过程中采用的实际步骤与附图中所示的步骤不同。根据实施方式，上文描述的步骤中的一些步骤可以被去除，另外的步骤可以被添加。此外，上文公开的特定实施方式的特征和性质可以以不同的方式组合以形成附加的实施方式，所有这些实施方式落入本公开内容的范围内。而且，在上文描述的实施例中的多种***部件的分离应当不被理解为在所有的实施例中需要这种分离，并且应理解的是，所描述的部件和***可以总体上一起集成在单一产品中或被封装成多个产品。

出于本公开的目的，文中描述了特定方面、优点和新颖特征。非必要的是，根据任何特定实施方式可以实现所有这些优点。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本公开内容可以以实现了如文中教示的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不需要实现如文中教示或提到的其他优点。

条件词，比如“能够(can)”“可能(could)”“可以(might)”“可(may)”——除非另有具体说明，或另外地在如使用的环境中所理解的——总体上用于表达特定的实施方式包括特定的特征、元件和/步骤，然而其他实施方式不包括这些特定的特征、元件和/或步骤。因而，这种条件词总体上不用于暗示：一个或更多个实施方式无论如何都特征、元件和/或步骤，或一个或更多个实施方式需要包括如下逻辑：在有使用者输入或激励或者没有使用者输入或激励的情况下用于确定这些特征、元件和/或步骤是否在特定的实施方式中被包括或被执行。

连词，比如短语“X、Y和Z中的至少一个”，除非另有说明，除根据所使用的环境理解之外，一般理解为表达的是，项目、条件等可以是X、Y或者Z。因此，这种连词一般不用于暗示：特定的实施方式需要存在X中的至少一个X、Y中的至少一个Y以及Z中的至少一个Z。

文中所使用的程度词，比如文中所使用的术语“近似”“大约”“总体上”以及“基本上”表示值、量或特性靠近仍然执行所需的功能或实现所需的结果的设定值、量或特性。例如，术语“近似”“大约”“总体上”以及“基本上”可以涉及下述量：该量在低于设定量的10％内、在低于设定量的5％内、在低于设定量的1％内、低于设定量的0.1％内以及在低于设定量的0.01％内。作为另一示例，在特定的实施方式中，术语“总体上平行”和“基本上平行”指的是，偏离绝对平行的值、量或特性为小于或等于15度、10度、5度、3度、1度、0.1度或另外的值。

本公开内容的范围不意在受到在本说明书中的本部分或其他部分中的优选的实施方式的特定的公开内容的限制，并且可以由权利要求限定，如在本说明书中的本部分或其他部分中呈现的或如在未来呈现的。权利要求的语言基于在权利要求中采用的语言被广义地解释并且不限于本说明书中描述的或在实施本应用期间的示例，这些示例被理解为非排他性的。

Claims (30)

1.一种手术***，包括：

能够联接至固定物的一个或更多个电动机械臂；

一个或更多个电动机械工具，所述一个或更多个电动机械工具由所述一个或更多个电动机械臂支承以限定一个或更多个电动机械臂同工具的组件；

电子控制***，所述电子控制***配置成与所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件电通信，所述控制***配置成控制所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件的操作；以及

一个或更多个便携式手持控制器，所述一个或更多个便携式手持控制器能够致动成将一个或更多个控制信号经由所述电子控制***传送至所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件以操作所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件，

其中，所述一个或更多个便携式手持控制器配置成从操作区的多个位置来提供所述一个或更多个控制信号，从而允许外科医生能够在外科手术期间移动以及从所述操作区的不同位置操作所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件。

2.根据权利要求1所述的手术***，其中，所述多个位置中的一个位置在病人的手术台的旁边。

3.根据权利要求1所述的手术***，其中，所述多个位置中的一个位置是远程控制台。

4.根据权利要求2所述的手术***，其中，所述一个或更多个便携式手持控制器能够从所述手术台的旁边进行操作，从而允许外科医生同时地用一只手操作手动工具并经由所述一个或更多个便携式手持控制器用另一只手操作电动机械臂和工具组件。

5.根据权利要求4所述的***，其中，所述电动机械臂同工具的组件以及所述手动工具独立于彼此操作或以彼此同步的方式操作。

6.根据权利要求4所述的***，其中，所述电动机械臂同工具的组件以及所述手动工具在彼此对准、彼此部分对准或彼此独立的参照系中操作。

7.根据权利要求1所述的手术***，其中，所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件能够在相同的手术工作空间中同时操作。

8.根据权利要求1所述的手术***，其中，所述一个或更多个便携式手持控制器中的至少一个便携式手持控制器是无线的并且以无线的方式传送所述一个或更多个控制信号。

9.根据权利要求1所述的手术***，其中，所述固定物联接至手术台。

10.根据权利要求1所述的***，其中，所述一个或更多个电动机械臂中的每个电动机械臂均包括3个自由度。

11.根据权利要求1所述的***，其中，所述一个或更多个便携式手持控制器在所述操作区内的位置被追踪。

12.根据权利要求1所述的***，还包括可视化***，所述可视化***配置成接收来自一个或更多个源的输入信号，其中所述一个或更多个源包括一个或更多个相机，所述可视化***配置成在外科医生视线内的一个或更多个监视器上显示手术工作空间的图像。

13.根据权利要求1所述的***，其中，所述一个或更多个便携式手持控制器配置成选择性地操作所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件。

14.根据权利要求13所述的***，还包括离合器，所述离合器能够致动成使所述一个或更多个便携式手持控制器与所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件选择性地接合及断开，从而选择性地操作所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件。

15.根据权利要求1所述的手术***，还包括用户界面，所述用户界面能够操作成使所述一个或更多个便携式手持控制器中的一个便携式手持控制器在操作不同的电动机械臂同工具的组件之间切换。

16.根据权利要求15所述的手术***，其中，所述用户界面为显示器。

17.一种手术***，包括：

能够联接至固定物的一个或更多个电动机械臂；

一个或更多个电动机械工具，所述一个或更多个电动机械工具由所述一个或更多个电动机械臂支承以限定一个或更多个电动机械臂同工具的组件；

电子控制***，所述电子控制***配置成与所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件电通信，所述控制***配置成控制所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件的操作；以及

可视化***，所述可视化***配置成与所述电子控制***通信，所述可视化***配置成接收来自一个或更多个源的输入信号，其中所述一个或更多个源包括一个或更多个相机，并且所述可视化***配置成在外科医生的视线内的一个或更多个监视器上显示手术工作空间的一个或更多个图像，

其中，所述控制***配置成在多个参照系中电子地控制所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件，以及配置成在用于所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件以及所述一个或更多个相机的不同参照系之间动态地切换，从而允许外科医生在外科手术期间移动至相对于病人的不同方位以及从所述不同方位控制所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件。

18.根据权利要求17所述的手术***，其中，所述控制***配置成在所述手术工作空间中的相机的参照系中控制所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件，从而为外科医生提供所述手术工作空间的沉浸式视角。

19.根据权利要求17所述的手术***，其中，所述控制***配置成在病人体外的参照系中控制所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件。

20.根据权利要求18所述的手术***，其中，所述控制***配置成在所述相机的所述参照系与病人体外的参照系之间动态地切换的同时控制所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件。

21.根据权利要求17所述的手术***，其中，所述控制***配置成对由外科医生保持的一个或更多个便携式手持控制器在所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件之间的映射进行切换，从而允许外科医生将他或她自己的位置改变至相对于所述病人的不同视角。

22.根据权利要求17所述的手术***，其中，所述可视化***在遵循外科医生的参照系中显示所述手术工作空间中的一个或更多个图像。

23.一种手术***，包括：

能够联接至固定物的一个或更多个电动机械臂，所述一个或更多个电动机械臂中的每个电动机械臂均具有3个自由度且包括接近所述电动机械臂的基部的冗余侧倾机构；

一个或更多个电动机械工具，所述一个或更多个电动机械工具由所述一个或更多个电动机械臂支承以限定一个或更多个电动机械臂同工具的组件；以及

电子控制***，所述电子控制***配置成与所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件电通信，所述控制***配置成控制所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件的操作，

其中，当所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件联接至所述固定物时，所述冗余侧倾机构竖向地定位在被限定为接近病人身上的切口点的远程中心的下方，从而在所述病人的体外限定了所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件的死区，从而允许所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件进入所述病人体内的手术工作空间的所有四个象限以及使所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件的所述手术工作空间最大化。

24.根据权利要求23所述的手术***，还包括一个或更多个便携式手持控制器，所述一个或更多个便携式手持控制器能够由外科医生从操作区的多个位置致动以经由所述电子控制***将一个或更多个控制信号传送至所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件，从而从所述操作区的不同位置操作所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件。

25.根据权利要求24所述的手术***，其中，所述多个位置中的一个位置在病人的手术台的旁边。

26.根据权利要求25所述的手术***，其中，所述一个或更多个便携式手持控制器能够从所述手术台的旁边操作，从而允许外科医生同时地用一只手操作手动工具并经由所述一个或更多个便携式手持控制器用另一只手操作电动机械臂同工具的组件。

27.根据权利要求23所述的手术***，其中，所述一个或更多个电动机械臂中的每个电动机械臂均具有与所述3个自由度相关联的三条轴线，其中，所述三条轴线在所述远程中心处相交。

28.一种手术***，包括：

能够联接至固定物的一个或更多个电动机械臂；

一个或更多个电动机械工具，所述一个或更多个电动机械工具由所述一个或更多个电动机械臂支承以限定一个或更多个电动机械臂同工具的组件；以及

电子控制***，所述电子控制***配置成与所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件电通信，所述控制***配置成控制所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件的操作，

其中，所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件构造成以模块化的方式联接至所述固定物，从而允许在外科手术期间根据所述外科手术的需要使用所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件的多种组合，从而允许外科手术期间病人体外的工作空间增大。

29.根据权利要求28所述的手术***，其中，所述一个或更多个电动机械臂中的每个电动机械臂均具有3个自由度且包括接近所述电动机械臂的基部的冗余侧倾机构，从而允许将所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件在所述外科手术期间移动远离病人，由此增大所述病人体外的所述工作空间。

30.根据权利要求28所述的手术***，其中，所述一个或更多个电动机械臂同工具的组件中的每个电动机械臂同工具的组件均构造成经由所述一个或更多个电动机械臂的两个不同的姿势获得所述一个或更多个电动机械工具所需位置，从而使得更好地接近病人身上的位置。