背景技术

多种环境和应用要求利用远程操作的外科手术设备进行远程致动。这些应用包括执行精细操纵，在密闭空间中操纵，在危险或受污染的环境中、在洁净室或无菌环境中以及在外科手术环境中(无论是开场还是微创的)操纵的能力。尽管这些应用以及参数(诸如精确的公差和最终用户的技能水平)都在变化，但每个应用都需要远程操作系统的许多相同的功能，诸如以高精度执行灵巧操纵的能力。

在下面的公开中将更详细地讨论外科手术应用，作为远程操作设备系统的应用示例，其中存在已知设备，但是在先前已知的系统和方法中存在明显的缺点。

对于许多外科手术例程，开放式外科手术仍然是优选的方法。它已经被医学界使用了数十年，并且通常需要在腹部或身体的其他区域做长切口，通过该切口插入传统的外科手术工具。由于这种切口，这种极具侵入性的方法导致在外科手术期间大量失血，并且通常在医院环境中进行漫长而痛苦的休养期。

腹腔镜检查是一种微创技术，其被开发以克服开放式外科手术的某些缺点。代替了大的穿壁切口，在患者身上开了若干小开口，通过小开口插入了细长的外科手术器械和内窥镜相机。腹腔镜检查例程的微创特性减少失血和疼痛并缩短住院时间。当由经验丰富的外科医生执行时，腹腔镜检查技术可以获得类似于开放式外科手术的临床效果。然而，尽管有上述优点，但腹腔镜检查仍需要高的技术程度才能成功地操纵这种例程中使用的刚性且长的器械。通常，进入切口充当旋转点，从而减小了在患者体内定位和定向器械的自由度。外科医生的手绕该切口点的移动相对于器械尖端被颠倒并按比例放大(“支点效应”)，这降低了灵活性和灵敏度，并放大了外科医生的手的任何震颤。另外，长而直的器械迫使外科医生以手、臂和身体不舒服的姿势工作，这在长时间的例程期间会非常累人。因此，由于腹腔镜检查器械的这些缺点，微创技术主要限于在简单的外科手术中使用，而只有极少数的外科医生能够在复杂的例程中使用这种器械和方法。

为了克服先前已知系统的前述局限性，开发了外科手术机器人系统以为复杂的微创外科手术提供易于使用的方法。借助于计算机化的机器人接口，这些系统使得能够执行远程腹腔镜检查，其中外科医生坐在操纵台上，操纵两个主操纵器以通过若干小切口执行操作。像腹腔镜检查一样，机器人方法也是微创的，在减轻疼痛、失血和恢复时间方面，与开放式外科手术相比具有上述优势。此外，与开放式和腹腔镜检查技术相比，它还为外科医生提供了更好的人体工程学，提高了灵活性，精确度和震颤抑制能力，并消除了支点效应。尽管从技术上讲比较容易，但机器人外科手术仍存在若干缺陷。先前已知的机器人外科手术系统的一个主要缺点涉及这种系统的极高复杂性，该系统包含用于代替外科医生和助手的手的四到五个机器人臂、集成的内窥镜成像系统、以及执行远程外科手术的能力，导致购置和维护的巨额资金成本，并且限制了全球大多数外科手术部门的承受能力。这些系统的另一个缺点是先前已知的外科手术机器人的体积大，它们在手术室环境中竞争宝贵的空间并且显著增加了准备时间。因此可能会妨碍患者的进入，这引起了安全隐患。

例如，da 外科手术系统(可由美国加利福尼亚州桑尼维尔的直观外科公司(Intuitive Surgical,Inc.)提供)是一种允许外科医生执行远程腹腔镜检查的机器人外科手术系统。然而，da 外科手术系统是非常复杂的机器人系统，每个系统的每个机器人的成本约为200万美元，每年的维修费用为15万美元，并且外科手术器械的每个手术费用为2000美元。da外科手术系统还需要在手术室中留出大量空间，使得该外科手术系统很难在手术室中移动到期望位置附近，并且很难在前向外科手术工作空间和反向外科手术工作空间(也称为作为多象限外科手术)之间切换。

此外，由于外科医生的操作控制台通常远离外科手术部位定位，因此外科医生和操作控制台不在手术室的无菌区域内。如果外科医生的操作控制台不是无菌的，则在必要时不允许外科医生在未经另外的灭菌例程的情况下看护患者。在某些外科手术操作期间，外科医生可能需要立即进行干预，并且当前笨重的机器人系统可能阻止外科医生以及时救生的方式快速接近患者身上的外科手术部位。

Madhani的WO97/43942、Cooper的WO98/25666和Burbank的美国专利申请公开No.2010/0011900各自公开了一种机器人远程操作外科手术器械，其设计用于复制外科医生的手在患者体内的移动。通过计算机化的机器人接口，该器械能够执行远程腹腔镜检查，其中坐在控制台上并操纵两个操纵杆的外科医生通过若干小切口执行操作。这些系统没有自治权或人工智能，本质上是由外科医生完全控制的复杂工具。控制命令通过复杂的计算机控制的机电一体化系统在机器人主部分和机器人从部分之间传输，该系统的生产和维护成本极高，并且需要医院工作人员进行大量培训。

Beira的WO2013/014621(其全部内容通过引用并入本文)描述了一种用于远程操纵的机械远程操作设备，其包括主-从配置，该主-从配置包括由运动学等效主单元驱动的从单元，使得从单元的每个部分模仿主单元的对应部分的移动。典型的主-从远程操纵器提供七个自由度的移动。具体地，这些自由度包括三个平移宏移动(例如向内/向外、向上/向下和向左/向右自由度)以及四个微移动，包括一个旋转自由度(例如，旋前旋后(pronosupination))、两个铰接自由度(例如偏航和俯仰)，以及一个致动自由度(例如打开/关闭)。尽管该出版物中描述的机械传动系统非常适合该设备，但是从手柄通过整个运动链到器械的缆线的低摩擦布线昂贵、复杂、笨重，并且需要精确的校准以及谨慎的处理和维护。

另外，先前已知的纯机械解决方案不提供手腕对准、低设备复杂性、低质量和惯性、高外科手术量以及良好的触觉反馈。例如，对于纯机械远程操作设备，为了执行器械的纯旋前旋后/滚转移动，外科医生通常必须执行他的手/前臂的组合的旋前旋后/滚转移动以及利用他的手腕的弯曲路径上的平移移动。这种移动复杂到不能正确执行，并且如果执行不当，则末端执行器的俯仰和偏航创建不期望的寄生移动。

此外，通过机械远程操纵器的铰接和致动自由度缆线的布线可能限制远程操纵器连杆和关节结构的各个关节的角度范围的灵活性。这进而限制了患者体内可使用的器械的可用外科手术量。在机械远程操纵器快速移动期间，远程操纵器的惯性也可能干扰并导致目标超调和外科医生的手疲劳。该质量的一部分可以归因于路由致动和铰接自由度所需的零件和部件。

因此，期望提供一种具有机器人远程操纵器的远程致动外科手术机器人系统，该机器人远程操纵器非常适合外科医生使用，无缝地集成到手术室中，允许外科医生以无菌方式在机器人和患者之间工作，成本相对低，和/或允许集成的腹腔镜检查。

进一步期望提供一种具有机械和/或机电远程操纵器的远程致动外科手术机器人。