用于紧凑型冗余感应力传感器的设备和方法与流程

用于紧凑型冗余感应力传感器的设备和方法
1.相关申请
2.本专利申请要求(2020年9月14日提交)题为“devices and method for compact,redundant inductive force sensor(用于紧凑型冗余感应力传感器的设备和方法)”的美国临时专利申请号63/077,833的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
3.本专利申请与(2020年9月14日提交的)题为“compact,differential,coaxial inductive force sensor(紧凑型差动同轴感应力传感器)”的pct国际专利申请号pct/us2020/050696和(2019年9月17日提交的)题为“compact,differential,coaxial inductive force sensor”的美国临时专利申请第62/901,729号相关，其每篇公开内容均通过引用整体并入本文。
技术领域
4.本文描述的实施例涉及力感测机械结构，更具体地涉及医疗设备，并且更具体地涉及用于微创外科手术的器械。更具体地，本文描述的实施例涉及包括力传感器单元的医疗设备，该力传感器单元耦连到医疗设备的机械结构并且用于测量在外科手术程序期间施加到医疗设备的末端执行器的轴向力。


背景技术：

5.用于微创医疗干预的已知技术采用器械来操纵组织，这些器械可以被手动控制或经由通过至少部分计算机辅助操作的手持式或机械接地的远程操作医疗系统(“远程手术系统”)来控制。许多已知的医疗器械包括治疗或诊断末端执行器(例如，镍子、切割工具或烧灼工具)，其安装在轴的远端处的可选腕部机构上。在医疗程序中，末端执行器、腕部机构和轴的远端被插入到患者的小切口或自然孔口，以将末端执行器定位在患者体内的工作部位。可选的腕部机构可以用于改变末端执行器相对于轴的位置和取向，以在工作部位处执行期望的程序。在已知器械中，器械的整体运动为末端执行器的移动提供机械自由度(dof)，并且腕部机构通常为末端执行器相对于器械的轴的移动提供期望的dof。例如，对于镊子或其他抓取工具，已知的腕部机构能够改变末端执行器相对于轴的俯仰和偏航。腕部可以可选地为末端执行器提供滚动dof，或者可以通过滚动轴来实现滚动dof。末端执行器可以可选地具有额外的机械dof，诸如夹爪或刀片运动。在某些情况下，腕部和末端执行器的机械dof可以被结合。例如，(1997年5月16日提交的)美国专利第us5,792,135号公开了一种结合了腕部和末端执行器夹爪dof的机构。
6.为了使腕部机构和末端执行器能够进行期望的移动，已知器械包括机械连接器(例如，电缆)，其延伸穿过器械的轴并且将远侧腕部机构连接到用于移动连接器以操作腕部机构的近侧机械结构。对于远程手术系统，机械结构通常由电机驱动并且可操作地耦连到处理系统，以为临床用户(例如，外科医生)提供用户界面，以控制整个器械以及器械的部件和功能。
7.力感测外科手术器械是已知的，并且与相关联的远程手术系统一起在医疗程序中
向临床用户产生相关联的触觉反馈，这为执行该程序的临床医生带来更好的沉浸感、真实感和直观性。为了有效的触觉渲染和准确性，力传感器被放置在医疗器械上。一种方法是包括力传感器单元，该力传感器单元被附连到医疗器械的近侧机械结构和/或并入其内并且可以用于测量施加在医疗器械的末端执行器上的轴向力。这些力测量是在器械轴处或附近测量的，并且用于在主控制设备的输入端产生触觉反馈力，以向用户提供医疗器械施加到例如患者组织的力的指示。也就是说，器械施加在诸如组织或缝合线的对象上的力通过器械上来自这些对象的相应反作用力来指示，并且感测到的反作用力作为触觉感觉传送给用户。
8.对力传感器系统的改进导致更准确的力测量，这反过来导致更准确的触觉反馈。例如，包括多个传感器来测量单个力参数(例如，施加在末端执行器上的轴向力)可以提高测量精度(例如，通过产生平均测量值或通过允许减去公共模式)并允许在一个传感器失效的情况下进行操作。然而，由于微创医疗器械所需的机械结构和整体器械尺寸限制，因此包含额外的传感器会争夺有限的空间。力传感器系统不仅必须尽可能有效，而且必须符合受力对象(诸如医疗器械)的空间设计约束。
9.因此，存在对改进的力感测能力的需求，这种能力反过来可以改进触觉反馈，尤其是在微创手术器械的空间约束内。


技术实现要素：

10.本概要介绍了本文所述实施例的某些方面以提供基本理解。该概要不是本发明主题的详尽概述，并且它不旨在识别关键或至关重要的要素或描绘本发明主题的范围。
11.在一些实施例中，一种装置包括机械结构和耦连到机械结构的力传感器单元。力传感器单元包括安装支架、第一棒、第二棒、第一磁体、第二磁体、耦连到安装支架的第一线圈和耦连到安装支架的第二线圈。第一棒包括远侧部分和近侧部分，并且第一棒的中心轴线被限定在第一棒的近侧部分和远侧部分之间。第二棒包括远侧部分和近侧部分，并且第二棒的中心轴线被限定在第二棒的近侧部分和远侧部分之间。第二棒的中心轴线与第一棒的中心轴线不同轴。第一磁体被耦连到第一棒，并且第二磁体被耦连到第二棒。第一磁体在第一线圈内沿第一棒的中心轴线平移，第二磁体在第二线圈内沿第二棒的中心轴线平移。
12.在一些实施例中，该装置还包括耦连到机械结构的轴。轴可操作地耦连到第一棒和第二棒，从而使得轴相对于机械结构的平移移动使第一棒在第一线圈内移动并且使第二棒在第二线圈内移动。在一些实施例中，轴包括近端和远端，并且轴的中心轴线被限定在轴的近端和远端之间。轴可操作地耦连到第一棒和第二棒，从而使得轴可绕轴的中心轴线旋转而不移动第一棒或第二棒。
13.在一些实施例中，该装置还包括耦连到轴的连杆，其中第一棒和第二棒耦连到连杆。连杆包括辊驱动接收器，在辊驱动接收器中轴可相对于连杆旋转而不移动第一棒或第二棒。在一些实施例中，轴包括近端和远端，并且中心轴线被限定在轴的近端和远端之间。第一信号由第一线圈产生并且与第一磁体在第一线圈内的位置相关联，并且第二信号由第二线圈产生并且与第二磁体在第二线圈内的位置相关联。来自第一线圈的第一信号和来自第二线圈的第二信号与轴沿轴的中心轴线的线性位移相关联。在一些实施例中，线性位移与在沿轴的中心轴线的方向上施加到轴的力成比例。
14.在一些实施例中，轴包括近端和远端，并且轴的中心轴线被限定在轴的近端和远端之间。第一线圈和第二线圈各自稳固到安装支架，使得轴的中心轴线在第一棒的中心轴线和第二棒的中心轴线之间居中。在一些实施例中，第一棒的中心轴线和第二棒的中心轴线平行于轴的中心轴线。在一些实施例中，第一线圈具有第一高度，第二线圈具有第二高度，并且第一高度等于第二高度。
15.在一些实施例中，轴包括近端和远端，并且中心轴线被限定在轴的近端和远端之间。该装置还包括耦连到轴和机械结构的联动装置。联动装置包括弹簧，弹簧被配置成与在沿轴的中心轴线的方向上施加到轴的力成比例地位移。
16.在一些实施例中，由第一线圈产生的第一信号与第一磁体在第一线圈内的位置相关联，并且由第二线圈产生的第二信号与第二磁体在第二线圈内的位置相关联。力传感器单元包括被配置为接收第一信号和第二信号的微处理器。在一些实施例中，轴包括近端和远端，并且中心轴线被限定在轴的近端和远端之间。在此类实施例中，第一信号具有第一频率，第二信号具有第二频率，并且微处理器被配置为执行指令以根据第一频率和第二频率确定沿轴的中心轴线的在轴上力的量度(measure)。
17.在一些实施例中，医疗设备包括器械轴和耦连到轴的远端的医疗末端执行器。机械结构被耦连到轴的近端，并且力传感器单元被耦连到机械结构和器械轴。力传感器单元包括绕第一线圈轴线缠绕的第一线圈、绕第二线圈轴线缠绕的第二线圈、第一棒和第二棒。器械轴轴线被限定在器械轴的近端和远端之间，并且器械轴轴线在第一线圈轴线和第二线圈轴线之间延伸。第一棒可操作地耦连到器械轴并且包括第一磁体，该第一磁体被定位成当器械轴沿着器械轴轴线移动时在第一线圈内沿着第一线圈轴线移动，并且第二棒可操作地耦连到器械轴并且包括第二磁体，该第二磁体被定位成当器械轴沿着器械轴轴线移动时沿着第二线圈轴线在第二线圈内移动。
18.在一些实施例中，医疗设备还包括耦连到轴和机械结构的联动装置。联动装置包括弹簧，该弹簧被配置成与在沿轴的中心轴线的方向上施加到轴的力成比例地位移。
19.在一些实施例中，由第一线圈产生的第一信号与第一磁体在第一线圈内的位置相关联，并且由第二线圈产生的第二信号与第二磁体在第二线圈内的位置相关联。力传感器单元包括被配置为接收第一信号和第二信号的微处理器。在一些实施例中，第一信号具有第一频率，第二信号具有第二频率，并且微处理器被配置为执行指令以根据第一频率和第二个频率确定沿着轴的中心轴线的在轴上的力的测量。在一些实施例中，来自第一线圈的第一信号和来自第二线圈的第二信号与轴沿轴的中心轴线的线性位移相关联。
20.在一些实施例中，医疗设备还包括耦连到轴和机械结构的联动装置，并且联动装置包括弹簧。弹簧被配置成与在沿轴的中心轴线的方向上施加到轴的力成比例地位移。在一些实施例中，第一棒的第一中心轴线和第二棒的第二中心轴线平行于轴的中心轴线。
21.在一些实施例中，医疗设备包括器械支撑结构、器械轴和力传感器单元。器械轴包括近端和远端，器械轴轴线被限定在器械轴的近端和远端之间。力传感器单元包括耦连在器械支撑结构和器械轴的近端之间的联动装置、绕第一线圈轴线缠绕的第一线圈、绕不同于第一线圈轴线的第二线圈轴线缠绕的第二线圈、至少部分地在第一线圈内的第一磁体以及至少部分地在第二线圈内的第二磁体。第一线圈、第二线圈、第一磁体和第二磁体被定位在器械支撑结构和力传感器单元的联动装置之间，从而使得器械轴沿着器械轴轴线相对于
器械支撑结构的平移致使第一磁体和第一线圈之间沿着第一线圈轴线的相对移动以及第二磁体和第二线圈之间沿着第二线圈轴线的相对移动。
22.在一些实施例中，第一线圈和第二线圈相对于器械支撑结构固定。在一些实施例中，联动装置包括旋转接头，旋转接头具有与器械轴轴线同轴的旋转轴线，并且器械轴被耦连到力传感器单元的联动装置以在接头处围绕旋转轴线相对于器械支撑结构旋转。
23.在一些实施例中，医疗设备包括近侧机械结构、远端机构和连接器。远端机构被耦连到器械轴的远端并且包括可移动部件。近侧机械结构包括器械支撑结构和被安装成相对于器械支撑结构移动的致动器输入件。连接器被耦连在致动器输入件和远端机构的可移动部件之间。
附图说明
24.图l是根据用于执行诸如外科手术的医疗程序的实施例的微创远程操作手术系统的平面图。
25.图2是图1所示的微创远程操作手术系统的可选辅助单元的透视图。
26.图3是图1所示的微创远程操作手术系统的用户控制台的透视图。
27.图4是图1所示的微创远程操作手术系统的包括多个器械的操纵器单元的前视图。
28.图5是根据实施例的包括力传感器单元的医疗设备的示意图。
29.图6a是根据实施例的医疗设备的一部分的示意图。
30.图6b是图示根据实施例的线圈电感与医疗设备的力传感器单元内的棒的线性范围的曲线图。
31.图6c是根据实施例的医疗设备的一部分的示意图。
32.图7a是根据实施例的医疗设备的透视图。
33.图7b是包括耦连到外轴的锁定手柄的图7a的医疗设备的近侧部分的透视图。
34.图8是图7a的医疗设备的远端部分的放大透视图。
35.图9是图7a的医疗设备的机械结构底部视图。
36.图10是图7b的医疗设备的近侧部分的侧视图。
37.图11是图7a的医疗设备的机械结构的透视图，其中出于说明目的移除了选择部件。
38.图12是图7a的医疗设备的机械结构和轴的侧视图，其中出于说明目的移除了选择部件。
39.图13是图7a的医疗设备的联动装置和轴的侧视图，其中出于说明目的移除了选择部件。
40.图14是图13的联动装置和轴的局部分解图。
41.图15和图16分别是图7a的医疗设备的机械结构的不同透视图，其中出于说明目的移除了选择部件。
42.图17是图7a的医疗设备的力传感器单元的连杆的透视图。
43.图18是图7a的医疗设备的机械结构的侧视图，其中出于说明目的移除了选择部件并显示了处于第一中性位置的弹簧和轴。
44.图19和图20各自是图7a的医疗设备的机械结构的侧视图，其中为了说明的目的移
除了选择部件并且显示了处于第二上部位置(图19)和第三下部位置(图20)的轴。
45.图21是耦连到图7a的医疗设备的辊驱动接收器和辊托架(roll carrier)的轴的透视图。
46.图22是耦连到图21的医疗设备的辊驱动接收器和辊托架的轴的分解透视图。
47.图23是图7a的医疗设备的机械结构的侧视图，其中为了说明的目的移除了选择部件并且显示了耦连到辊驱动接收器的轴。
48.图24是图7a的医疗设备的机械结构的端部透视图，其中出于说明的目的移除了选择部件。
49.图25是图7a的医疗设备的力传感器单元的线圈组件和连杆的分解图。
50.图26和图27是图7a的医疗设备的力传感器单元的线圈组件的侧视图(图26)和透视图(图27)。
51.图28和图29是图7a的医疗设备的力传感器单元的线圈组件的底部透视图(图28)和顶部透视图(图29)。
52.图30是图7a的医疗设备的力传感器单元的线圈组件的底部视图。
53.图31是图7a的医疗设备的力传感器单元的线圈组件的线圈的侧视图。
54.图32是图7a的医疗设备的力传感器单元的线圈组件的棒的侧视图。
55.图33是根据实施例的力传感器单元的一部分的示意图。
具体实施方式
56.本文描述的实施例可以有利地用于各种力传感器应用，诸如用于与微创手术相关的抓取、切割和操纵操作。本文描述的实施例也可以用于各种非医疗应用，诸如，例如用于搜索和救援的远程操作系统、远程控制的潜水设备、空中设备和汽车等。本技术的医疗器械或设备能够以三个或更多个自由度(dof)运动。例如，在一些实施例中，医疗器械的末端执行器可以以三个机械自由度(例如俯仰、偏航和滚动(轴滚动))相对于器械主体移动。末端执行器本身也可能有一个或多个机械dof，末端执行器例如两个夹具(每个夹具都相对于u形夹(2个dof)旋转)和远侧u形夹(其相对于近侧u形夹(一个dof)旋转)。因此，在一些实施例中，本技术的医疗器械或设备能够以六个dof运动。本文所述的实施例还可以用于确定在使用期间作用在器械的远端部分上(或由其作用)的力。
57.本文描述的医疗器械包括力传感器单元，该力传感器单元包括紧凑感应力传感器以测量在z轴方向轴向施加到医疗器械的末端执行器的力。如本文所述，两个感应线圈各自缠绕在聚合物柱体和磁体(例如，铁氧体磁珠、emi(电磁干扰)抑制磁珠、镍锌磁珠等；本文中使用的术语“磁体”在下面更详细地描述)周围，聚合物柱体和磁体由可移动地定位在每个线圈内的棒保持。当磁体在各自的线圈内轴向移动时，每个线圈的电感都会发生变化。每个线圈的电感变化可以用于测量器械轴位置的变化，这可以转化为z轴力测量。本文所述的实施例可以提供增强的线性力输出(例如，在
±
2.0mm(0.080英寸)的范围内)和温度影响的消除。本文所述的紧凑型感应力传感器通过使用并排定位的两个感应线圈来提供力测量的冗余。这种布置还降低了力传感器的整体高度，从而节省了机械结构内的空间。此外，在一些实施例中，线圈和磁体设计(例如，线圈的长度、宽度和线的厚度，连同棒的尺寸和磁体)可以被优化以确保在线圈内部具有磁体的棒居中(例如，在一些实施例中，在线圈的内表面
和具有磁体的棒的外表面之间具有大约1.33mm(0.050英寸)的隙距(gap))。本文所述的实施例还可以产生增加的力传感器的线性行程。此外，为了避免传感器拾取到错误的力信号，在一些实施例中，两个感应线圈作为弹簧元件机械接地在医疗器械的同一刚性部件上，弹簧元件是用于将力转换为位移测量值的联动装置的一部分(在下面更详细地描述)。
58.如本文所用，术语“约”当与参考数字指示结合使用时表示参考数字指示加上或减去该参考数字指示的最多10％。例如，语言“约50”涵盖了45到55的范围。同样，语言“约5”涵盖了4.5到5.5的范围。
59.与零件(诸如机械结构、部件或部件组件)相关联的术语“柔性”应广义解释。从本质上讲，该术语意味着零件可以反复弯曲并恢复到原始形状而不会损坏零件。某些柔性部件也可以是有弹性的。例如，如果部件(例如挠曲件)在弹性变形时具有吸收能量的能力，然后在卸载时释放储存的能量(即恢复到其原始状态)，则称该部件是有弹性的。许多“刚性”对象由于材料特性而具有轻微的固有弹性“弯曲度”，尽管这些对象不被认为是如本文所使用的术语“柔性”的。
60.如在本说明书和所附权利要求中所使用的，词语“远侧”指的是朝向工作部位的方向，而词语“近侧”指的是远离工作部位的方向。因此，例如，工具的最靠近目标组织的一端将是工具的远端，而与远端相对的一端(即，由用户操纵或耦连到致动轴的一端)将是工具的近端。
61.此外，选择用于描述一个或多个实施例和可选元素或特征的特定词语不旨在限制本发明。例如，空间相对术语——诸如“在
…
之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”、“近侧”、“远侧”和诸如此类——可以用于描述如图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。这些空间相对术语旨在除了图中所示的位置和取向之外还涵盖设备在使用或操作中的不同的位置(即，平移放置)和取向(即，旋转放置)。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件将在其他元件或特征“之上”或“上方”。因此，术语“下方”可以包括上方和下方的位置和取向。设备可以以其他方式定向(例如，旋转90度或以其他取向)，并且相应地解释本文使用的空间相关描述符。同样，对沿各种轴线(平移)和绕各种轴线(旋转)的移动的描述包括各种空间设备位置和取向。身体的位置和取向的组合定义了身体的姿势。
62.类似地，几何术语，诸如“平行”、“垂直”、“圆形”或“方形”，无意要求绝对的数学精度，除非上下文另有说明。相反，此类几何术语允许因制造或等效功能而产生的变化。例如，如果元件被描述为“圆形”或“大体上是圆形的”，那么这个描述仍然包含不是精确圆形的部件(例如，稍微长方形或多边形的部件)。
63.此外，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有说明。术语“包括”、“包含”、“具有”和类似描述指定了所陈述的特征、步骤、操作、元素、部件等的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作、元素、部件或组。
64.除非另有说明，否则术语设备、医疗设备、器械及其变体可以互换使用。
65.本发明的各方面主要根据使用由加利福尼亚州桑尼维尔市的直观外科手术公司(intuitive surgical,inc.)商售的da 手术系统的实施方式来描述。此类手术系统的示例是da 手术系统(型号is4000)和da 手术系统(型号is4200)。然而，本领域技术人员将理解，本文公开的发明方面可以以各种方式体现和实现，包括计算机
辅助、非计算机辅助以及手动和计算机辅助的混合组合的实施例和实现方式。da 手术系统(例如型号is4000、型号is3000、型号is2000、型号is1200)的实施方式仅作为示例呈现，并且它们不应被视为限制本文公开的发明方面的范围。当适用时，发明方面可以在相对较小的手持式手动操作设备和具有额外机械支撑(——即，在相对于世界参考框架机械接地或未接地的设备上)的相对较大的系统中体现和实现。
66.图1是计算机辅助远程操作系统的平面图图示。所示为医疗设备，其为微创机器人手术(mirs)系统1000(本文也称为微创远程操作手术系统)，用于对躺在手术台1010上的患者p执行微创诊断或外科手术程序。该系统可以具有任意数量的部件，诸如供外科医生或其他熟练临床医生s在程序期间使用的用户控制单元1100。mirs系统1000还可以包括操纵器单元1200(通常称为手术机器人)和可选的辅助装备单元1150。操纵器单元1200可以包括臂组件1300和可移除地耦连到臂组件的工具组件。操纵器单元1200可以通过患者p身体中的微创切口或自然孔口操纵至少一个可移除耦连的器械1400，同时外科医生s观察手术部位并通过控制单元1100控制器械1400的移动。手术部位的图像通过内窥镜(未示出)(诸如立体内窥镜)获得，内窥镜可以由操纵器单元1200操纵以定向内窥镜。辅助装备单元1150可以用于处理手术部位的图像，以便随后通过用户控制单元1100显示给外科医生s。一次使用的器械1400的数量通常取决于诊断程序或外科手术程序和手术室内的空间限制，以及其他因素。如果在程序期间需要更换一个或多个正在使用的器械1400，助手从操纵器单元1200移除器械1400并且用手术室中的托盘1020中的另一器械1400替换它。虽然显示为与器械1400一起使用，但本文描述的任何器械都可以与mirs 1000一起使用。
67.图2是控制单元1100的透视图。用户控制单元1100包括左眼显示器1112和右眼显示器1114，用于向外科医生s呈现能够进行深度感知的手术部位的协调立体视图。用户控制单元1100进一步包括一个或多个输入控制装置1116，其继而使(图1中所示的)操纵器单元1200操纵一个或多个工具。输入控制设备1116提供至少与它们相关联的器械1400相同的自由度，以向外科医生s提供远程呈现，或者提供输入控制设备1116与器械1400一体(或直接连接到器械1400)的知觉。以这种方式，用户控制单元1100为外科医生s提供了直接控制器械1400的强烈感觉。为此，位置、力、应变和/或触觉反馈传感器(未示出)可以被利用，以通过输入控制装置1116将位置、力和触觉从器械1400传输回外科医生的手。
68.用户控制单元1100在图1显示为与患者在同一个房间，以便外科医生s可以直接监控程序，必要时亲自到场，并且直接而不是通过电话或其他通信介质与助手交谈。然而，在其他实施例中，用户控制单元1100和外科医生s可以在不同的房间、完全不同的建筑物或远离患者的其他远程位置以允许远程外科手术程序。
69.图3是辅助装备单元1150的透视图。辅助装备单元1150可以与内窥镜(未示出)耦连并且可以包括一个或多个处理器来处理捕获的图像以用于随后的显示，诸如通过用户控制单元1100，或位于本地和/或远程的另一合适的显示器上。例如，在使用立体内窥镜的情况下，辅助装备单元1150可以处理捕获的图像以经由左眼显示器1112和右眼显示器1114向外科医生s呈现手术部位的协调立体图像。这种协调可以包括对置图像之间的对准并且可以包括调整立体内窥镜的立体工作距离。作为另一示例，图像处理可以包括使用先前确定的相机校准参数来补偿图像捕获设备的成像误差，诸如光学像差。
70.图4示出了操纵器单元1200的前透视图。操纵器单元1200包括提供器械1400的操
纵的部件(例如，臂、联动装置、马达、传感器和类似物)和用于捕获程序的部位的图像的成像设备(未示出)诸如立体内窥镜。具体来说，器械1400和成像设备可以通过具有多个关节的远程操作机构来操纵。此外，器械1400和成像设备通过患者p中的切口或自然孔口以软件和/或运动学远程运动中心被维持在切口或孔口处的方式而被定位和操纵。以这种方式，切口尺寸可以被最小化。
71.图5是根据实施例的医疗设备2400的示意图。在一些实施例中，医疗设备2400或其中的任何部件可选地是执行外科手术程序的外科手术系统的部分，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动学联动装置、一系列套管或类似物。医疗设备2400(以及本文描述的任何器械)可以用于任何合适的手术系统，诸如上文所示和描述的mirs系统1000。医疗设备2400包括机械结构2700、耦连到机械结构2700或包括在机械结构2700内的力传感器单元2800、耦连到机械结构2700的轴2410、耦连到轴2410的梁2810、以及耦连在梁2810的远端部分的末端执行器2460。末端执行器2460可以包括例如可铰接的夹具或耦连到连杆2510的另一种合适的手术工具。在一些实施例中，连杆2510可以被包括在具有多个铰接连杆的腕部组件内。轴2410包括耦连到梁2810的近端部分的远端部分。在一些实施例中，轴2410的远端部分经由另一耦连部件(诸如锚固件或耦连器，未示出)耦连到梁2810的近端部分2822。轴2410还在近端部分处可移动地耦连到机械结构2700。机械结构2700可以包括被配置为移动手术器械的一个或多个部件的部件，诸如例如末端执行器2460。机械结构2700可以类似于下文参考医疗设备5400更详细描述的机械结构5700。
72.通常，在医疗程序中，末端执行器2460接触解剖组织，这可能导致x、y或z方向的力被施加到末端执行器2460上，并且可能导致力矩，诸如如图5所示大约y方向轴线的力矩my。在一些实施例中，一个或多个应变传感器(未示出)(可以是应变仪)可以耦连到梁2810以测量梁2810中的应变。测得的梁应变可以是用于确定在x轴和y轴方向上施加在末端执行器2460上的力。这些x轴和y轴力横向于(例如，垂直于)z轴(其与梁的中心轴线ab平行或共线)。
73.力传感器单元2800(和本文描述的任何力传感器单元)可以用于测量施加在末端执行器2460上的(一个或多个)轴向力(即，在平行于梁中心轴线ab的z轴的方向上)。例如，在z轴方向上施加到末端执行器2460的轴向力fz可以引起轴2410在沿轴的中心轴线(基本平行于梁中心轴线ab)的方向上的轴向位移。轴向力fz可以在近侧方向(例如，由末端执行器推动组织产生的反作用力)或者它可以在远侧方向(例如，由拉动由末端执行器抓取的组织产生的反作用力)。如本文所述，轴2410可以经由偏压机构(例如，联动装置或弹簧加载耦连器，未示出)耦连到机械结构2700，使得轴2410相对于机械结构2700的行进量可以与施加到末端执行器2460的轴向力fz的大小互相关。以此方式，测量轴2410相对于机械结构2700移动通过的距离可以用于确定轴向力fz。
74.力传感器单元2800可以包括任何合适的部件以隔离轴2410的轴向移动(即，约束轴使得测量的移动仅由轴向力fz而不是沿x-轴和y-轴的横向力引起)，限制与轴2410移动相反的摩擦力(这会导致确定轴向力fz的误差)，并且提供测量轴2410的移动的冗余度。例如，在一些实施例中，力传感器单元2800可以包括线圈组件、联动装置和微处理器(每个都未在图5中示出)。联动装置可以是任何合适的机构，其以使轴移动的量可以与施加的轴向力fz相关联的方式将轴2410可移动地耦连到机械结构2700。例如，联动装置(以及本文所述
的任何联动装置)可以包括在机械结构2700内或与机械结构2700耦连在一起的四个连杆。联动装置包括耦连到轴2410的第一连杆，以及包括或耦连到弹簧的第二连杆，如下文参考联动装置4850或5850更详细地描述。联动装置的四个连杆维持医疗设备内的连接器张力(例如，用于移动末端执行器和腕部组件的连接器下面更详细描述的)，并且当在医疗设备2400的远端处轴向施加力时提供轴2410的线性移动。联动装置还约束z轴上的移动并且隔离z轴上的力。如下所述，力传感器单元2800测量轴的z轴移动，其从位置测量转换为力测量。对于给定量的轴向力fz，轴2410的行进量部分取决于包括在联动装置内的弹簧的刚度。因此，力传感器单元2800，包括联动装置和其中的任何弹簧，被校准以在轴向力的预期范围内提供轴2410的期望运动范围。
75.如本文所述，力传感器单元2800的线圈组件(未示出)测量轴沿z轴的位移，其然后被转换为力测量值。线圈组件可以包括两个感应线圈，每个线圈缠绕在由非导电材料(诸如例如peek)形成的柱体上。两个线圈可以彼此并排定位并且耦连到机械结构2700或在机械结构2700内。在线圈内部内可移动并耦连到医疗设备2400的轴2410的棒在每个线圈内。例如，棒可以包括芯，其具有耦连到芯的磁体，该磁体在相应线圈内与棒一起移动。芯可以是例如玻璃芯、不锈钢芯或由另一种合适的材料形成的芯。磁体和本文所述的任何磁体可以是例如铁氧体磁珠、emi抑制磁珠、镍锌磁珠或任何其他合适的材料。因此，应当理解，本文使用的术语“磁体”可以指代芯的任何部件或材料，或者耦连到芯，其可以用于提供指示当棒和芯在线圈内移动时芯在对应的线圈内的位置的信号。棒可操作地耦连到轴2410，使得当轴2410由于施加在医疗设备2400的远端上的力而轴向移动时，棒与轴2410一起移动并且在线圈内移动。当棒在感应线圈内移动时，每个线圈的电感都会发生变化，这可以用于测量器械轴位置的变化。如上所述，轴2410的位置变化可以被转化为z轴力测量。
76.在医疗设备2400的使用期间，当力在z方向上施加在轴2410上时，轴2410将沿着z轴行进，这又导致棒沿着z轴。当棒在相应线圈内移动时，每个线圈产生与棒的磁体在相应线圈内的位置相关联的信号。微处理器接收来自线圈的信号。例如，在一些实施例中，每个线圈产生与轴沿轴的中心轴线(例如，沿z轴)的线性位移相关联的信号。在一些实施例中，来自线圈的信号可以包括来自第一线圈的具有第一频率的第一信号和来自第二线圈的具有第二频率的第二信号。微处理器被配置为执行指令以根据第一频率和第二频率确定沿轴的中心轴线在轴上的力的量度。关于微处理器的操作和交互的更多细节将在下面参考图33进行描述。
77.图6a是具有使用感应线圈作为力传感器的力传感器单元的医疗设备的另一实施例的示意图。在一些实施例中，医疗设备3400或其中的任何部件可选地是执行外科手术程序的外科手术系统的部分，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动学联动装置、一系列套管或类似物。医疗设备3400(以及本文描述的任何器械)可以用于任何合适的手术系统，诸如上面所示和描述的mirs系统1000。医疗设备3400包括机械结构3700、力传感器单元3800、耦连到机械结构3700和力传感器单元3800的轴3410、以及耦连在医疗设备3400的远端部分的末端执行器3460。如上所述，末端执行器3460可以包括例如可铰接的夹具或另一合适的外科手术工具并且可以耦连到连杆(未示出)。在一些实施例中，连杆可以被包括在具有多个铰接连杆的腕部组件内。
78.轴3410限定了中心轴线c3并且包括耦连到末端执行器3460的远端部分。在一些实
施例中，轴3410的远端部分通过可用于测量施加到其上的横向力的梁(例如，类似于梁2810)来耦连到末端执行器。在其他实施例中，轴3410可以直接耦连到连杆、腕部关节(未示出)或末端执行器3460。轴3410在近端部分处可移动地耦连到机械结构3700。因此，施加到末端执行器3460的轴向力将产生轴3410相对于机械结构3700的移动，这可以使用力传感器单元3800来测量，如本文所述。机械结构3700可以包括配置成移动外科手术器械的一个或多个部件的部件，诸如，例如末端执行器3460。机械结构3700可以类似于下面参考医疗器械5400更详细描述的机械结构5700。
79.力传感器单元3800包括线圈组件3815，线圈组件3815包括第一线圈3812、第二线圈3814、第一棒3816、第二棒3818、第一磁体3831、第二磁体3833和安装支架3837。第一线圈3812和第二线圈3814各自是缠绕在由非导电材料诸如例如peek形成的圆柱体周围的电感线圈。第一线圈3812和第二线圈3814各自稳固到安装支架3837(其耦连到机械结构3700或包括在机械结构3700内)并且彼此以并排关系定位。类似地陈述，第一线圈3812和第二线圈3814以非同轴布置安装在机械结构3700内。线圈3812和3814从安装支架延伸距离或高度h，如图6a所示。线圈的非同轴布置降低了力传感器单元3800的总高度，从而节省了机械结构3700内的空间。尽管两个线圈被示为从安装支架3837延伸相同的距离，但是在其他实施例中，第一线圈3812的高度可以不同于第二线圈3814的高度。
80.第一棒3816耦连到轴3410并且可移动地设置在第一线圈3812内。具体地，第一棒3816限定中心轴线c1，第一棒3816(和第一磁体3831)在第一线圈3812内沿中心轴线c1平移。第二棒3818耦连到轴3410并且可移动地设置在第二线圈3814内。第二棒3818限定中心轴线c2，第二棒3818(和第二磁体3833)沿着该中心轴线c2在第二线圈3814内平移。如图所示，第二棒3818的中心轴线c2与第一棒3816的中心轴线c1不同轴。第一棒3816和第二棒3818可以各自包括由例如玻璃材料或不锈钢形成的芯，磁体耦连到其上。如上文针对先前实施例所述，芯可以是例如玻璃芯、不锈钢芯或由另一种合适的材料形成的芯。磁体3831和3833可以是例如铁氧体磁珠、emi抑制磁珠、镍锌磁珠或任何其他合适的材料或者芯的或耦连到芯的任何部件或材料，其可以被用于提供指示当棒3816和3818以及芯在各自的线圈内移动时芯在相应线圈3812和3814内的位置的信号。更具体地，第一磁体3831耦连到第一棒3816并且第二磁体耦连到第二棒3818，使得第一磁体3831与第一棒3816一起移动并且第二磁体3833与第二棒3818一起移动。如上所述，第一棒3816和第二棒3818耦连到轴3410，使得当轴3410由于施加在医疗设备3400的远端(例如，末端执行器3460处)的力而轴向移动时，棒3816和3818分别在线圈3812和3814内与轴3410一起移动。当棒3816和3818以及磁体3831和3833在感应线圈3812和3814内移动时，每个线圈的电感发生变化，这可以用于测量轴3410的位置变化。轴3410的位置变化可以转化为z轴力测量值。
81.如图所示，第一棒3816(具有与其耦连的磁体3831)在第一线圈3812内被基本定位在中心。因此，第一棒3816的中心轴线c1与第一线圈3812的中心轴线同轴。第一棒3816的外表面和第一线圈3812的内表面之间的间隙(clearance)可以是任何合适的值，以允许棒放置中的公差误差并且减少第一棒316和第一线圈3812之间接触的可能性。这是期望的，因为棒和线圈之间的内部摩擦会导致z轴上的错误力读数。类似地，第二棒3818(具有与其耦连的磁体3833)在第二线圈3814内被基本定位在中心。因此，第二棒3818的中心轴线c2与第二线圈3814的中心轴线同轴。如针对第一线圈3812和第一棒3814所描述的，第二棒3818的外
表面与第二线圈3814的内表面之间的间隙可以是任何合适的值。在一些实施例中，每对线圈/棒的间隙可以是大约1.3mm(0.050英寸)。
82.在一些实施例中，轴3410的中心轴线c3位于第一棒3816的中心轴线c1和第二棒3818的中心轴线c2之间，如图6a所示。在一些实施例中，轴3410的中心轴线c3分别平行于第一棒3816和第二棒3816的中心轴线c1和c2。在一些实施例中，轴3410的中心轴线c3位于第一棒3816的中心轴线c2和第二棒3818的中心轴线c2之间。
83.在一些实施例中，医疗设备3400还可以包括如上文针对医疗设备2400所描述的联动装置和微处理器(每个都未在图6a中示出)。联动装置可以是任何合适的机构，其以使得轴移动的量可以与所施加的轴向力fz互相关的方式将轴3410可移动地耦连到机械结构3700。例如，联动装置(以及本文所述的任何联动装置)可以包括在机械结构3700内或与机械结构3700耦连在一起的四个连杆。联动装置可以包括耦连到轴3410的第一连杆以及包括或耦连到弹簧的第二连杆，如下文参考特定实施例更详细地描述。联动装置的四个连杆维持医疗设备3400内的连接器张力，并且当在医疗设备3400的远端处轴向施加力时，联动装置提供轴3410的线性移动。联动装置还可以将移动约束在z轴上(轴在z轴力感测所涉及的小z轴位移处的轻微横向移动可忽略不计)并且隔离z轴上的力。如上所述，力传感器单元3800测量由于轴的z轴移动(即，沿轴3410的中心轴线c3)引起的线圈内电感的变化，其从位置转换为力。
84.对于给定量的轴向力fz，轴3410的行进量部分地取决于包括在联动装置内的弹簧的刚度。因此，如上文针对先前实施例所述，包括联动装置和其中的任何弹簧的力传感器单元3800被校准以在轴向力的预期范围内提供轴3410的期望运动范围。弹簧可以将施加的轴向力转化为位移信号。如上所述，弹簧和线圈组件3815的连杆可以接地到机械结构3700的同一刚性部件，从而可以避免由于不同接地部件的偏转差异而导致的错误力信号。
85.在医疗设备3400的使用期间，当力沿z轴方向施加在轴3410上时，轴3410将沿z轴行进，这又导致棒3816和3818沿z轴平移(沿着它们各自的中心轴线；同样，在与z轴力感测相关联的轴位移处的任何横向运动可以忽略不计)。当棒3816和3818在各自的线圈(3812和3814)内移动时，线圈3812和3816中的每一个产生与各自线圈3812和3814内的磁体3831和3833的位置相关联的信号。因此，每个线圈产生与轴沿轴3410的中心轴线c3(即，沿z轴)的线性位移相关联的信号。微处理器(未显示)从线圈3812和3814接收这些信号。在一些实施例中，来自线圈的信号可以包括来自第一线圈的具有第一频率的第一信号和来自第二线圈的具有第二频率的第二信号。微处理器被配置为执行指令以根据第一频率和第二频率确定沿轴3410的中心轴线c3在轴3410上的力的大小。
86.在一些实施例中，第一线圈3812和第二线圈3814具有相同的配置(例如，线圈直径、绕组数、线类型、线圈高度等)。线圈3812和3814的并排定位和相同配置提供了完全冗余的感应力传感器，其也可以装配在机械结构3700的受限空间内。有助于实现冗余力传感器配置的能力的参数是线圈长度(或高度)、宽度和线圈线的厚度，以及棒的尺寸，从而使得可以实现线圈的最佳大小和可以增加线圈内的棒的线性范围。线圈3812和3814具有相同的尺寸(例如，高度、线直径、宽度、材料)，分别缠绕，并且耦连到线圈安装支架3837，从而使得它们在医疗设备3400内设置在相同的高度h。以这种方式，每个线圈3812和3814提供单独的信号，可以同时跟踪和比较该信号。因为线圈3812和3814具有相同的尺寸和材料参数，所以线
圈3812和3814可以具有对其环境的相似温度响应。
87.除了提供完全冗余之外，线圈的同轴布置还允许改进棒在线圈内的居中。因此，力传感器单元3800可以在棒3816和3818的期望的(增加的)行程范围内线性地测量力。包括更高的线性测量范围可以允许包括具有更低刚度的联动装置弹簧(未示出)，这由此允许轴3410在轴向力施加到末端执行器3460时移动通过更大的距离。以这种方式，力传感器单元3800提供高动态范围(即，在宽值范围内精确测量轴3410的位移并因此精确测量轴向力的能力)。除了提供棒的更长线性行程范围外，将两个线圈3812和3814定位在相邻配置中允许减小线圈3812和3814的高度h，同时仍然维持期望的电感(可以是，例如，在0-2μh范围内)。
88.在一些实施例中，力传感器单元3800可以在例如
±
2mm(0.080英寸)的范围内线性地测量轴3410的位移。轴3410的位移范围可以例如基于诸如特定配置、轴3410的刚度等因素而变化。类似地陈述，在一些实施例中，力传感器单元3800可以在
±
2mm(0.080英寸)的范围内产生线圈电感和棒3816和3818在线圈3812和3814内的移动之间的线性关系。这部分地通过将棒3816和3818分别耦连在线圈3812和3814内来实现，从而使得棒3816和3818的外表面与线圈3812和3814的内表面之间的隙距约为1.3毫米(0.050英寸)如上所述。这种线性性能如图6b所示，其是说明线圈电感和对应的棒(即，铁氧体磁珠)沿z轴移动的曲线图。线圈和棒的配置使线圈的电感优化为线性，棒行程为
±
2毫米(0.080英寸)，如图6b的曲线图所示。线性表示误差小于1％。这个更长的行程范围允许在四杆联动装置机构中使用可以更不刚硬的弹簧，这可以提高系统稳定性和动态范围(如上所述)。这种配置也更能容忍由于热膨胀、振动和冲击引起的棒位置移位。
89.图6c是具有力传感器单元4800的医疗设备的另一个实施例的示意图，该力传感器单元4800使用两个同轴布置的感应线圈来测量轴4410的移动，从而充当力传感器。在一些实施例中，医疗设备4400或其中的任何部件可选地是执行外科手术程序的外科手术系统的部分，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动学联动装置、一系列套管或诸如此类。医疗设备4400(以及本文描述的任何器械)可以用于任何合适的手术系统，诸如上面所示和描述的mirs系统1000。医疗设备4400包括机械结构4700、力传感器单元4800、耦连到机械结构4700和力传感器单元4800的轴4410、以及耦连在医疗设备4400的远端部分的末端执行器4460。如上所述，末端执行器4460可以包括例如可铰接的夹具或另一合适的外科手术工具并且可以耦连到连杆(未示出)。在一些实施例中，连杆可以被包括在具有多个铰接连杆的腕部组件内。轴4410可以在近端部分处被耦连到机械结构，该机械结构可以被配置为移动手术器械的一个或多个部件，诸如末端执行器4460。机械结构可以类似于下文参考医疗器械5400更详细描述的机械结构5700。
90.力传感器单元4800包括线圈组件4815、联动装置4850和微处理器4852。线圈组件4815包括第一线圈4812、第二线圈4814、第一棒4816、第二棒4818、第一磁体4831、第二磁体4833和安装支架4837。第一线圈4812和第二线圈4814各自是缠绕在由非导电材料(诸如例如peek)形成的柱体周围的感应线圈，它们彼此并排定位(如图6c所示)并且耦连到机械结构，或以非同轴布置耦连在机械结构内。线圈的非同轴布置降低了力传感器单元4800的总高度，从而节省了机械结构4700内的空间。尽管两个线圈被示为从安装支架4837延伸相同的距离，但是在其他实施例中，第一线圈4812的高度可以不同于第二线圈4814的高度。
91.第一棒4816耦连到轴4410并且可移动地设置在第一线圈4812内。具体地，第一棒
4816限定中心轴线c1，第一棒4816(和第一磁体4831)沿中心轴线c1在第一线圈4812内平移。第二棒4818耦连到轴4410并且可移动地设置在第二线圈4814内。第二棒4818限定中心轴线c2，第二棒4818(和第二磁体4833)沿中心轴线c2在第二线圈4814内平移。如图所示，第二棒4818的中心轴线c2与第一棒4816的中心轴线c1不同轴。第一棒4816包括支撑部分4817，并且第二棒4818包括支撑部分4819，每个棒都耦连到轴4410。第一棒4816和第二棒4818可以各自包括具有与其耦连的磁体的芯。如上文针对先前实施例所述，芯可以是例如玻璃芯、不锈钢芯或由另一种合适的材料形成的芯。磁体4831和4833可以是例如铁氧体磁珠、emi抑制磁珠、镍锌磁珠或可以用于提供指示在棒4816和4818以及芯在相应线圈4812和4814内移动时芯在相应线圈4812和4814内的位置的信号的任何其他合适的材料或耦连到芯的任何部件或材料。第一磁体4831耦连到第一棒4816并且第二磁体4833耦连到第二棒4818，使得第一磁体4831与第一棒4816一起移动并且第二磁体4833与第二棒4818一起移动。如上所述，第一棒4816和第二棒4818耦连到轴4410，使得当轴4410由于施加在医疗设备4400的远端(例如，末端执行器4460处)的力而轴向移动时，棒4816和4818与轴4410一起移动并且分别在线圈4812和4814内移动。当棒4816和4818以及磁体4831和4833在感应线圈4812和4814内移动时，每个线圈的电感发生变化，这可以用于测量轴4410的位置变化。轴4410的位置变化可以被转化为z轴力测量值。
92.第一棒4816(具有与其耦连的磁体4831)基本上定位在第一线圈4812内的中心。因此，第一棒4816的中心轴线c1与第一线圈4812的中心轴线同轴。第一棒4816的外表面和第一线圈4812的内表面之间的间隙可以是例如大约1.3mm(0.050英寸)。类似地，第二棒4818(具有与其耦连的磁体4833)基本上定位在第二线圈4814内的中心。因此，第二棒4818的中心轴线c2与第二线圈4814的中心轴线同轴。第二棒4818的外表面和第二线圈4814的内表面之间的间隙可以是例如约1.3mm(0.050英寸)。如上所述，该隙距允许棒放置中的容许误差并且减少摩擦的发生。这是可取的，因为棒和线圈之间的内部摩擦会导致z轴上的错误力读数。
93.第一线圈4812和第二线圈4814各自稳固到安装支架4837并且彼此并排定位。安装支架4837耦连到机械结构4700或被包含在机械结构4700内。在一些实施例中，轴4410的中心轴线c3在第一棒4816的中心轴线c1和第二棒4818的中心轴线c2之间，如图6c所示。在一些实施例中，轴4410的中心轴线c3分别平行于第一棒4816和第二棒4816的中心轴线c1和c2。在一些实施例中，轴4410的中心轴线c3在第一棒4816的中心轴线c2和第二棒818的中心轴线c2之间居中。
94.轴4410经由联动装置4850耦连到机械结构4700，从而使得轴4410相对于机械结构4700的行进量可以与施加到末端执行器4460的轴向力的大小互相关。以此方式，测量轴4410相对于机械结构4700移动通过的距离可以用于确定轴向力。如本文所述，联动装置4850隔离轴4410的轴向移动(即，约束轴移动，使得测量的移动仅由轴向力引起，而不是由沿x和y轴的横向力引起)，限制与轴4410的移动相反的摩擦力，并且为如上所述的同轴布置的线圈提供合适的结构。如图所示，联动装置4850包括在机械结构4700内耦连到一起的或一起耦连到机械结构4700的四个连杆。更具体地，联动装置4850包括耦连到轴4410和线圈组件4815的第一连杆4821、耦连到第一连杆4821并且耦连到支撑座4841的第二连杆4827。第二连杆4827包括(或耦连到)弹簧元件4829，该弹簧元件耦连到支撑座4841或由支撑座
4841支撑，如图6b所示。联动装置4850还包括耦连到第一连杆4821的第三连杆4825和耦连到第二连杆4827和第三连杆4827的第四连杆4823。第四连杆4823是不动的并且充当其他三个连杆的局部机械接地，当轴4410沿其轴线c3移动时，其他三个连杆移动。联动装置4850的四个连杆可以维持医疗设备4400内的连接器张力，并且当在医疗设备4400的远端处轴向施加力时提供轴4410的线性移动。联动装置4850还可以约束z轴上的移动并且隔离z轴上的力。如上所述，力传感器单元4800测量由轴的z轴移动(即，沿轴3410的中心轴线c3)引起的线圈内电感的变化，该变化从位置值被转换为轴向力的大小。
95.棒4816和4818的支撑部分4817和支撑部分4819各自延伸穿过安装支架4837中的开口并且耦连到第一连杆4821，因此它们耦连到轴4410。例如，在一些实施例中，支撑部分4817和4819可以压配合到第一连杆4821。在一些实施例中，如图6c所示，支撑部分4817和4819(例如，压配合或通过另一种合适的耦连方法)耦连到支架4839，支架4839耦连到第一连杆4821。
96.轴4410响应于轴向力的行进量部分取决于第二连杆4827的弹簧4829的刚度。例如，如果弹簧4829非常硬，则当轴向力施加到末端执行器4460时，轴4410将仅移动一小段距离。相反，如果弹簧4829刚度较小，则相同的轴向力将产生轴4410的较大移动。因此，弹簧4829可以被选择为具有期望刚度从而使得轴4410在要施加的轴向力的预期范围内的总行程将在力传感器单元4800的动态范围内。
97.如上所述，在一些实施例中，第二连杆4827(带有弹簧4829)和线圈组件4815可以接地到机械结构4700的同一刚性部件。这种布置减少了由于力传感器单元4800的部件的偏转差异而产生错误力信号的可能性，这可能是由部件的不同接地引起的。
98.在医疗设备4400的使用期间，当力沿z轴方向施加在轴4410上时，轴4410将沿z轴行进，这又导致棒4816和4816沿z轴平移(沿各自的中心轴线)。当棒4816和4818(以及磁体4831和4833)在各自的线圈(4812和4814)内移动时，线圈4812和4816中的每一个产生与磁体4831和4833在各自的线圈4812和4814内的位置相关联的信号。微处理器4852从线圈4812和4814接收这些信号。如上所述，在一些实施例中，线圈4812和4814中的每一个产生与轴沿着轴4410的中心轴线c3(例如，沿着z轴)的线性位移相关联的信号。在一些实施例中，来自线圈的信号可以包括来自第一线圈4812的具有第一频率的第一信号和来自第二线圈4814的具有第二频率的第二信号。微处理器4852被配置为执行指令以根据第一频率和第二频率确定沿轴4410的中心轴线c3在轴4410上的力的大小。
99.如上所述，线圈4812和4814的并排定位和相同配置(例如，线圈直径、绕组数、导线类型、线圈高度等)提供了完全冗余的感应力传感器，其可以也装配在机械结构4700的受限空间，并且可以在棒4816和4818的合适行程范围内线性地测量力。在一些实施例中，线性范围在线圈4812和4814内部的
±
2mm(0.080英寸)内。这部分地通过将棒4816和4818分别耦连在线圈4812和4814内来实现，从而使得棒4816和4818的外表面与线圈4812和4814的内表面之间的间隙隙距(clearance gap)具有合适的量。在一些实施例中，间隙隙距可以是如上所述的大约1.33mm(0.050英寸)。有助于实现冗余力传感器配置的能力的其他参数是线圈线的线圈长度(或高度)、宽度和厚度以及棒的尺寸，使得可以实现线圈的最佳大小并且可以增加线圈内的棒的线性范围。除了提供棒的更长线性行进范围之外，将两个线圈4812和4814定位在相邻配置中允许降低线圈4812和4814的高度h并且将电感维持在0-2μh范围内。
线圈4812和4814具有相同的尺寸(例如，高度、线直径、宽度、材料)并且分开缠绕，并且耦连到线圈安装支架，从而使得它们在医疗设备4400内设置在相同的高度h处。以这种方式，每个线圈4812和4814提供单独的信号，这些信号可以被同时跟踪和比较。因为线圈4812和4814具有相同的尺寸和材料参数，所以线圈4812和4814对其环境可以具有相似的温度响应。因此，通过基于两个信号确定位移，可以减去温度的影响。
100.图7a-图32是根据一个实施例的医疗设备5400及其部件的各种视图。在一些实施例中，医疗设备5400或其中的任何部件可选地是执行外科手术程序的外科手术系统的部分，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动学联动装置、一系列套管或诸如此类。医疗设备5400(以及本文描述的任何器械)可以用于任何合适的外科手术系统，诸如上面显示和描述的mirs系统1000。医疗设备5400包括位于医疗设备5400的近端部分的机械结构5700、外轴5910、轴5410(在本实施例中作为内轴)、力传感器单元5800和包括腕部组件5500和末端执行器5460的远端机构。尽管未示出，但器械5400还可以包括一个或多个连接器，其将机械结构5700耦连到腕部组件5500和末端执行器5460，并且作为张紧构件以致动末端执行器5460。在一些实施例中，连接器可以是缆绳、带或类似物。器械5400被配置为使得连接器的选择移动产生腕部组件5500围绕第一旋转轴线a1(参见图8)(其作为俯仰轴线；术语俯仰是任意)的旋转(即俯仰旋转)、末端执行器5460绕第二旋转轴线a2(参见图8)(其作为偏航轴线；术语偏航是任意的)的偏航旋转、末端执行器5460的工具构件围绕第二旋转轴a2的切割旋转或这些移动的任意组合。改变器械5400的俯仰或偏航可以通过以与例如(2008年7月16日提交的)标题为“four-cable wrist with solid surface cable channels”的美国专利号us8,821,480b2中描述的类似方式操纵连接器来执行，该专利通过引用整体并入本文。因此，下面不描述每个连接器完成期望运动的具体移动。
101.轴5410包括耦连到机械结构5700的近端5411和经由锚固件5925耦连到梁5810的远端5412(参见图8)。梁5810可以包括或已经耦连到一个或多个应变传感器(未示出)以测量在外科手术程序期间在x和y方向上施加在外科手术器械上的力。因此，梁5810可以是力传感器单元的一部分，类似于(2020年5月18日提交的)的标题为“devices and methods for stress/strain isolation on a force sensor unit”的共同未决的美国临时专利申请第63/026,321号中所示和描述的那些力传感器单元，其公开内容通过引用整体并入本文。尽管在该实施例中示出和描述了具有x-y传感器的梁5810，但是在其他实施例中，可以不包括梁5810和x-y传感器。轴5410的近端以允许轴5410沿轴5410的中心轴线c3(图8所示)相对于机械结构5700移动的方式耦连到机械结构5700。更具体地，在该实施例中，轴5410延伸穿过机械结构5700的基座5770中的开口5764(参见图9)并且耦连到允许轴5410沿z轴方向平移和旋转的联动装置5850的第一连杆5821，如下面更详细的描述。允许轴5410在z方向上相对于机械结构5700浮动(即，保持在能量中立但可移位的位置)有助于测量沿z轴的力，如本文所述。轴5410还限定管腔(未示出)和/或多个通道，连接器和其他部件(例如，电线、地线或类似物)可以通过内腔和/或多个通道从机械结构5700布线到腕部组件5500。锚固件5925可以至少部分地被接收在轴5410的管腔内并且可以通过粘合剂结合、焊接或任何其他永久性耦连机制(即，不旨在正常使用期间被移除的耦连机制)固定地耦连到轴5410。
102.外轴5910可以是任何合适的细长轴，其可以被设置在轴5410上并且包括远端5912和可以耦连到机械结构5700的近端5911。外轴5910在近端5911和远端5912之间限定管腔。
轴5410在外轴5910的管腔内延伸并且可以相对于外轴5910移动。例如，轴5410可以相对于外轴5910旋转和/或可以在平行于轴5410的中心轴线c3的方向(即，z方向)纵向平移。在该实施例中，外轴5910的近端5911耦连到锁定手柄5919，锁定手柄5919被固定地耦连到机械结构5700，如图7b所示。锁定手柄5919可以用于使外轴5410相对于轴5410移动并将外轴5910锁定在相对于轴5410沿z轴方向的位置。以这种方式，外轴5910可以相对于轴5410缩回(即，向近侧移动)以暴露梁5810以便于清洁梁5810或与其耦连的任何传感器。在一些实施例中，锁定手柄5919能够以与(2019年10月17日提交的)标题为“surgical tool with nested shafts”的共同未决的美国临时专利申请第62/916,716号所显示和描述的外轴安装管组件970相同或类似的方式构造和起作用，其公开内容通过引用整体并入本文。在其他实施例中，外轴5910或其部分可以相对于机械结构5700移动(例如，外轴5910可以为伸缩轴)。
103.参考图8，腕部组件5500包括近侧第一连杆5510和远侧第二连杆5610。第一连杆5510包括远侧部分，该远侧部分在接头处耦连到第二连杆5610的近侧部分，从而使得第二连杆5610可以相对于第一连杆5510绕第一旋转轴线a1(其作为俯仰轴线，术语俯仰是任意的)旋转。近侧第一连杆5510包括耦连到梁5810的近侧部分，如本文更详细描述的。
104.远侧第二连杆5610的远端耦连到末端执行器5460，从而使得末端执行器5460可以绕第二旋转轴线a2(参见图8)(其作为偏航轴线)旋转。末端执行器5460可以包括至少一个工具构件5462，工具构件5462具有接触部分5464，接触部分5464被配置成在外科手术程序期间接合或操纵目标组织。例如，在一些实施例中，接触部分5464可以包括作为夹持器、切割器、组织操纵器或类似物的接合表面。在其他实施例中，接触部分5464可以是用于烧灼或电外科手术程序的通电工具构件。末端执行器5460可操作地耦连到机械结构5700，从而使得工具构件5462围绕第一旋转轴线a1相对于轴5410旋转。以此方式，工具构件5462的接触部分5464可以被致动以在外科手术程序期间接合或操纵目标组织。工具构件5462(或本文所述的任何工具构件)可以是任何合适的医疗工具构件。此外，虽然仅标识出一个工具构件5462，但如图所示，器械5400可以包括两个工具构件，它们协作地执行夹持或剪切功能。在其他实施例中，末端执行器可以包括多于两个的工具构件。
105.机械结构5700包括用于产生连接器(未示出)的移动以在腕部组件5500处产生期望的移动(俯仰、偏航或夹持)的部件。具体而言，机械结构5700包括部件和控制件以在近侧方向上移动一些连接器(即，拉入某些连接器)同时允许其他连接器在相同长度上的远侧移动(即，释放；放出)。以这种方式，机械结构5700可以在连接器内维持期望的张力，并且在一些实施例中，可以确保在腕部组件5500的整个运动范围内保持连接器的长度(即，等量移动)。然而，在其他实施例中，不需要保持连接器的长度。
106.在一些实施例中，机械结构5700可以包括一个或多个产生连接器的一部分的平移(线性运动)的机构。这样的机构可以包括例如万向节、杠杆或直接拉动(或释放)任何连接器的末端部分的任何其他合适的机构。例如，在一些实施例中，机械结构5700可以包括在(2014年8月15日提交的)标题为“lever actuated gimbal plate”的美国专利申请公开号第20157/0047454a1或(2001年6月28日提交的)标题为“surgical tool having positively positionable tendon-actuated multi-disk wrist joint”的美国专利号us6,817,974b2中描述的任何机械结构(称为后端组件或致动器)或部件，其中每一篇都通
过引用整体并入本文。
107.如图9-图12所示，机械结构5700包括三个绞盘5720、5730和5740(其作为致动器输入件)和辊驱动器5750，每个都作为操作输入件。绞盘5720、5730、5740是马达驱动的辊，其旋转(缠绕)连接器(未显示)的一部分以产生期望的连接器移动，并且因此产生腕部组件5500和末端执行器5460的期望移动。如下所述，辊驱动器5750是产生轴5410的旋转(称为“滚动”)的马达驱动构件。在一些实施例中，机械结构5700可以被构造成与(2008年7月16日提交的)标题为“medical instrument electronically energized using drive cables”的美国专利号us9,204,923b2中描述的机械结构(称为后端组件或致动器)或其中的部件相同或相似，其全部内容通过引用整体并入本文。机械结构5700还包括器械支撑结构，器械支撑结构包括基座5770和顶板5762、电路板5765和共模扼流圈5763(下面参考图33更详细地讨论)。在其他实施例中，可以可选地使用各种支撑结构，诸如底盘、框架、床、机械结构的单元化环绕外体和类似物。
108.机械结构5700围绕(或耦连到)力传感器单元5800，其包括线圈组件5815、联动装置5850(其作为可移动的四杆联动装置)和微处理器(参见图33中的示例微处理器)。联动装置5850包括耦连到机械结构5700的四个连杆。更具体地说，如图13和14最佳显示的，联动装置5850包括耦连到轴5410的第一连杆5821(其作用是支撑轴并允许它滚动；“滚动架”)、耦连到第一连杆5821并耦连到支撑座5841(参见例如图15)的第一连杆5827。支架5839耦连到第一连杆5821的一端并且用于将线圈组件5815的棒耦连到第一连杆5821，如下文更详细地描述。第二连杆5827包括弹簧元件5829，弹簧元件5829耦连到支撑座5841或由支撑座5841支撑，如图15所示。联动装置5850还包括耦连到第一连杆5821的第三连杆5825和耦连到第二连杆5827和第三连杆5825的第四连杆5823。第四连杆5823是不动的，并且充当其他三个连杆的局部机械接地，当轴5410沿其轴线c-a移动时，其他三个连杆移动。联动装置5850的四个连杆可以维持医疗设备5400内的连接器张力，并且在医疗设备5400的远端处轴向施加力时提供轴5410的线性移动。联动装置5850还可以约束z轴上的移动并且隔离z轴上的力。
109.轴5410经由联动装置5850耦连到机械结构5700，从而使得轴5410相对于机械结构5700的行进量可以与施加到末端执行器5460的轴向力的大小互相关。以此方式，测量轴5410相对于机械结构5700移动通过的距离可以用于确定施加在轴5410的远端(例如，在末端执行器5460处)的轴向力。如本文所述，联动装置5850隔离轴5410的轴向移动(即，约束轴移动，从而使得测量的移动仅由轴向力引起，而不是由沿x轴和y轴的横向力引起)，限制与轴5410移动相反的摩擦力，并且为同轴布置的线圈提供合适的结构，如下所述的。
110.更具体地，轴5410经由辊驱动接收器5738(参见例如图21-图22)耦连到联动装置5850的第一连杆5821，从而使得当轴5410沿z轴方向移动时，第一连杆5821与轴5410一起沿z轴方向移动。换句话说，轴5410以限制轴5410相对于第一连杆5821沿z轴的移动的方式耦连到第一连杆5821。然而，辊驱动接收器5738允许轴5410也相对于第一连杆5821旋转(例如，当轴5410绕z轴旋转时，第一连杆5821不旋转)。辊驱动接收器5738可以通过耦连到辊驱动器5750并缠绕在辊驱动接收器5738的一部分上的缆绳(带、绳索或其他合适的连接器(未示出))来致动。这种布置允许轴5410相对于机械结构5700绕z轴移动(这允许测量轴向力)同时还允许轴5410绕z轴旋转。
111.第二连杆5827的弹簧5829可以由比第二连杆5827的其余部分更柔韧的材料形成，
从而产生具有期望刚度的弹簧。轴5410在z轴方向上的行进量部分地取决于第二连杆5827的弹簧5829的刚度。例如，如果弹簧5829非常硬，则当轴向力施加到末端执行器5460时，轴5410将仅移动一短距离。相反，如果弹簧5829刚度较小，则相同的轴向力将产生轴5410的较大移动。因此，弹簧5829可以被选择为具有期望的刚度，从而使得轴5410在要施加的轴向力的预期范围内的总行程将在力传感器单元5800的动态范围内。虽然弹簧5829显示为作为板簧，在其他实施例中，联动装置5850可以包括任何合适类型的弹簧(例如，螺旋弹簧或扭力弹簧)。
112.图18示出了当第二连杆5827和轴5410处于中立位置(例如，未致动)时第二连杆5827的位置。在医疗设备5400的使用期间，当轴沿z轴方向移动时，第一连杆5821将与轴5410一起移动，并且与第一连杆5821耦连的第二连杆5827将绕枢轴接头5742枢转。例如，图19示出了在z轴方向上向近侧平移的轴5410，并且图20示出了沿z轴方向上向远侧平移的轴5410(出于图示目的移除了第一连杆5821)。如图19所示，第二连杆5827向下成角度，并且枢轴接头5742与参考线l的距离为d1。在图19的构造(轴5410的近侧移动)中，轴5410受到第一力f1。如图20所示，第二连杆5827向上成角度，并且枢轴接头5742与参考线l的距离d2小于距离d1。在这个图20的构造(轴5410的远侧移动)中，轴受到小于第一力f1的第二力f2。通过测量距离d1和d2，可以确定第一力f1和第二力f2的大小。
113.如图26-图29所示，线圈组件5815包括第一线圈5812、第二线圈5814、第一棒5816、第二棒5818、第一磁体5831、第二磁体5833和安装支架5837。安装支架5837被稳固在机械结构5700内并且通过布线5835电耦连到电路板5765。第一线圈5812和第二线圈5814各自安装在安装支架5837内并且彼此并排定位。第一线圈5812和第二线圈5814每个都是感应线圈并且每个都例如缠绕在非导电材料诸如peek的柱体周围。第一线圈5812和第二线圈5814具有相同的特性，诸如线圈长度、线圈宽度和线圈线的厚度。
114.如图25所示，第一棒5816被耦连到支架5839并且至少部分地可移动地位于第一线圈5812内。类似地，第二棒5818被耦连到支架5839并且至少部分地可移动地位于第二线圈5814内。更具体地，如图26至图32所示，第一棒5816包括支撑部分5817并且第二棒5818包括支撑部分5819，每个支撑部分经由支架5839连接到第一连杆5821。例如，棒5816和5818的支撑部分5817和支撑部分5819各自延伸通过安装支架5837中的开口并且被耦连至支架5839，从而将棒5816和5818耦连至第一连杆5821和轴5410。例如，在一些实施例中，支撑部分5817和5819可以压配合到支架5839。在可替代实施例中，支撑部分5817和5819可以通过另一种合适的耦连方法(诸如粘合剂或焊接)来耦连到支架5839。
115.因此，由于第一连杆5821在z轴上与轴5410固定耦连，所以第一棒5816和第二棒5818均与轴5410固定耦连并且可以与轴5410和第一连杆5821一起沿z轴方向移动。在一些实施例中，线圈组件5815被耦连到机械结构5700，从而使得轴5410的中心轴线c3在第一棒5816的中心轴线c1和第二棒5818的中心轴线c2之间，如图12所示。在一些实施例中，轴5410的中心轴线c3分别平行于第一棒5816和第二棒5816的中心轴线c1和c2。在一些实施例中，轴5410的中心轴线c3位于第一棒5816的中心轴线c2和第二棒5818的中心轴线c2之间。
116.如图29所示，第一棒5816包括芯5836，第二棒5818包括芯5838。第一磁体5831被耦连到第一棒5816的芯5836，并且第二磁体5833被耦连到第二棒5818的芯5838，从而使得第一磁体5831与第一棒5816一起移动，并且第二磁体5833与第二棒5818一起移动。例如，如上
所述，第一棒5816和第二棒5818被耦连到轴5410，从而使得当轴5410由于施加在医疗设备5400的远端(例如，在末端执行器5460处)的力而轴向移动时，棒5816和5818分别在线圈5812和5814内与轴5410一起移动。当棒5816和5818以及磁体5831和5833在感应线圈5812和5814内移动时，这种移动会导致线圈处的电感发生变化，这可以用于测量轴5410的位置变化，轴5410的位置变化可以被转换为z轴力测量。如上文针对先前实施例所述，芯5836和5838可以各自为例如玻璃芯、不锈钢芯或由另一种合适材料形成的芯。磁体5831和5833每个都可以是例如铁氧体磁珠、emi抑制磁珠、镍锌磁珠或任何其他合适的材料或可以用于当棒5816和5818和芯在各自的线圈5812和5814内移动时提供指示芯在各自的线圈5812和5814内的位置的信号的耦连到各自的芯的任何部件或材料。
117.(具有磁体5831的)第一棒5816基本上定位在第一线圈5812内的中心，在第一棒5816的外表面和第一线圈5812的内表面之间具有间隙隙距g(参见图30中的线圈组件的底视图)。类似地，(具有磁体5833的)第二棒5818基本上定位在第二线圈5814内的中心，在第二棒5818的外表面和第二线圈5814的内表面之间具有间隙隙距g。在一些实施例中，间隙隙距g约为1.33毫米(0.050英寸)。如上所述，该隙距允许棒的放置的容许误差并且减少棒和线圈之间的摩擦损失的可能性。这是可取的，因为棒和线圈之间的内部摩擦会导致z轴方向上的错误力读数。
118.在使用医疗设备5400期间，当力沿z方向施加在轴5410上时，轴5410将沿z轴行进，这又导致棒5816和5816沿z轴(沿它们的各自的中心轴线)平移。当棒5816和5818(以及磁体5831和5833)在相应线圈5812和5814内移动时，线圈5812和5816中的每一个产生与磁体5831和5833在相应线圈5812和5814内的位置相关联的信号。微处理器(其可以类似于图33中所示的微处理器6852)从线圈5812和5814接收这些信号。如上所述，线圈5812和5814中的每一个产生与轴5410沿轴5410的中心轴线c3(例如，沿z轴)的线性位移相关联的单独信号。在一些实施例中，来自线圈的信号可以包括来自第一线圈5812的具有第一频率的第一信号和来自第二线圈5814的具有第二频率的第二信号。微处理器被配置为执行指令以根据第一频率和第二频率确定沿轴5410的中心轴线c3作用在轴5410上的力的量度。
119.如上所述，力传感器单元5800测量由于轴的z轴移动(即，沿着轴4410的中心轴线c3)引起的线圈内电感的变化，其从位置测量被转换为力测量。如上所述，带有弹簧5829的第二连杆5827和线圈组件5815被机械接地到机械结构5700的相同刚性部件(例如，底座5770)，从而可以避免由于不同接地部件中的偏转差异而导致的错误力信号。
120.同样如上所述，线圈5812和5814的并排(非同轴)定位和相同配置提供了完全冗余的感应力传感器，其可以在棒5816和5818的适当行程范围内线性地测量力。在一些实施例中，该布置的线性范围可以在线圈5812和5814内部的
±
2mm(0.080英寸)之间。在其他实施例中，该范围可以根据例如线圈的几何形状和其他性质(诸如线和磁体的材料)而变化。这部分地通过将棒5816和5818分别耦连在线圈5812和5814内来实现，从而使得棒5816和5818的外表面与线圈5812和5814的内表面之间的隙距g是合适量。在一些实施例中，隙距g为约1.33mm(0.050英寸)，如上所述。有助于实现冗余力传感器配置能力的其他参数是线圈长度(高度)、线圈宽度和线圈线的厚度以及棒的尺寸，从而使得可以实现线圈的最佳大小并且可以增加线圈内棒的线性范围。除了提供棒的更长的线性行程范围之外，将两个线圈5812和5814定位成相邻的并排配置使得线圈装配在机械结构5700的约束空间内。例如，线圈
5812和5814可以具有减小的高度h(参见图26)，同时为持0-2μh范围内的电感。线圈5812和5814具有相同的尺寸(例如，高度、线直径、宽度、材料)并且分别缠绕，并且它们被耦连到安装支架5837从而使得它们相对于安装支架5837以相同的高度h位于医疗设备4400内。每个线圈5812和5814提供单独的信号，单独的信号可以被同时跟踪和比较。由于线圈5812和5814具有相同的尺寸和材料参数，线圈5812和5814对其环境具有相似的温度响应。在某些情况下，线圈电感的显着差异可以作为漂移的度量标准。
121.图33是力传感器单元6800的实施例的一部分的框图，该力传感器单元6800可以被实施以测量施加到器械轴(例如，轴5410)的轴向力。力传感器单元6800可以被实现为如上对于任何先前的实施例描述的感应z轴力传感器单元(包括力传感器单元5800)。如上所述，器械轴上的轴向力导致器械轴6410的轴向移动，这可以由力传感器单元6800检测到。力传感器单元6800可以包括如本文所述的线圈组件6815，其包括一对线圈6812和6814，棒6816和棒6818分别可移动地定位在线圈6812和6814内。棒6816可以具有与其耦连的磁体6831并且棒6818可以具有与其耦连的磁体6833。
122.线圈6812可以通过电容器c耦连到多通道频率检测块6865，电容器c可以与线圈6812形成电感器/电容器(lc)电路，电感贡献基于棒6816和磁体6831在线圈6812内移动的距离。线圈6814可以通过电容器c耦连到多通道频率检测块6865，电容器c可以与线圈6814形成lc电路，电感贡献基于棒6818和磁体6833在线圈6814内移动的距离。与线圈6812和6814相关联的lc电路可以在考虑到这种差异的实施方式中用不同的电容来实施。
123.多通道频率检测块6865可以实现为测量电感的精密双电感传感器。电容c与线圈6812组成lc电路输入到多通道频率检测块6865，多通道频率检测块6865可以输出与该电路的频率相关联的第一信号，例如频率的比率具有已知参考频率。电容c与线圈6814组成lc电路输入到多通道频率检测6865，多通道频率检测块6865可以输出与该电路的频率相关联的第二信号，例如频率的比率具有已知的参考频率。多通道频率检测块6865可以输出n个数字信号给微处理器6852。对于两个lc电路，多通道频率检测块6865可以输出两个数字信号给微处理器6870。
124.微处理器6852可以包括或可以访问eeprom 6872或其他存储设备，其可以包括用于实施线圈6812内的磁体6831和线圈6814内的磁体6833的校准值。在测量器械轴上的轴向力时，可以访问校准值以基于从多通道频率检测块6865接收的频率来确定每个磁体6831和6833移动的距离。频率差异可以作为距离函数的电感差异存储在eeprom 6872中。这种距离差异可以与参考位置和电感差异互相关。通过从测得的电感差异中选择的距离，该距离可以与存储在eeprom 6872中的弹簧常数一起使用，其中弹簧常数是弹簧(例如，上述弹簧5829)的性质，器械轴6410通过该弹簧常数被耦连到可以在其上部署力传感器单元6800的支撑结构。
125.力传感器单元6800可以包括其他可选部件。例如，微处理器6852可以包括通用异步接收器/发射器(uart)接口6874或其他通信接口以传输(tx)数字输出和接收(rx)数字信号。接收到的信号可以用于更新微处理器6852的eeprom 6872中的校准值。可以使用共模扼流圈6763(例如共模扼流圈5863)来减少对力传感器单元6800部署在其上的支撑结构的其他电子电路板的干扰。可选地，力传感器单元6800可以包括共模扼流圈6763和微处理器6852之间的磁性结构6862。磁性结构6862可以被插入以帮助减少电磁干扰(emi)辐射。磁性
结构6862可以被实现为铁氧体磁珠。如上所述，可以为磁性结构6862实施其他磁性材料形式。
126.机器可读存储设备可以包括用于以机器可读的形式存储信息的任何非暂时性机构，例如，计算机或负责执行特定功能的微处理器。例如，机器可读存储设备可以包括只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备以及其他存储设备和介质。在本文描述的具有力传感器单元的医疗设备的各种实施例中，非暂时性机器可读介质可以包括指令，当由一个或多个处理器执行时，指令可以使系统执行包括但不限于以下步骤的操作：(i)接收由与第一磁体相对于第一线圈的位置相关联的第一线圈产生的第一信号，(ii)接收由与第二磁体相对于第二线圈的位置相关联的第二线圈产生的第二信号线圈，其中来自第一线圈的第一信号和来自第二线圈的第二信号与轴沿轴的中心轴线的线性位移相关联。力传感器单元可以包括耦连以接收第一和第二信号的微处理器。在各种实施例中，一种非暂时性机器可读介质可以包括指令，当由一个或多个处理器执行时，这些指令使系统执行包括执行与本文描述的各种实施例相关联的功能的方法的操作。
127.虽然上面已经描述了各种实施例，但是应该理解它们仅以示例而非限制的方式呈现。在上述方法和/或示意图指示以特定顺序发生的特定事件和/或流程模式的情况下，可以修改特定事件和/或操作的顺序。虽然已经具体地示出和描述了实施例，但是应当理解可以进行形式和细节的各种改变。
128.例如，本文描述的任何器械(以及其中的部件)可选地是执行微创外科手术程序的远程外科手术系统的部分，并且其可以包括操纵器单元、一系列运动学联动装置、一系列套管或类似物。因此，本文描述的任何器械都可以用于任何合适的外科手术系统，诸如上面显示和描述的mirs系统1000。此外，本文显示和描述的任何器械都可以用于在外科手术程序期间操纵目标组织。这样的目标组织可以是癌细胞、肿瘤细胞、病变、血管阻塞、血栓形成、结石、子宫肌瘤、骨转移瘤、子宫腺肌症或任何其他身体组织。所提供的目标组织示例并非详尽的列表。此外，目标结构还可以包括例如身体内或与身体相关联的人造物质(或非组织)，诸如支架、人造管的一部分、身体内的紧固件或类似物。
129.例如，本文所述的外科手术器械的任何部件都可以由任何材料构成，诸如医疗级不锈钢、镍合金、钛合金或诸如此类。此外，任何连杆、工具构件、梁、轴、连接器、缆绳或本文描述的其他部件都可以由稍后连结在一起的多工件构成。例如，在一些实施例中，连杆可以通过将单独构造的部件连结在一起来构造。然而，在其他实施例中，本文所述的任何连杆、工具、构件、梁、轴、连接器、缆绳或部件可以整体构造。
130.尽管器械通常被显示为具有垂直于腕部构件的旋转轴线(例如，轴线a1)的工具构件的旋转轴线(例如，轴线a2)，但是在其他实施例中，本文描述的任何器械可以包括工具构件旋转轴线，该工具构件旋转轴线偏离腕部组件的旋转轴线任何合适的角度。尽管各种实施例已被描述为具有特定特征和/或部件的组合，但是其他实施例可能具有来自如上所讨论的任何实施例的任何特征和/或部件的组合。已经在医疗设备并且更具体地说是外科手术器械的大体背景下描述了各方面，但是发明方面不一定限于在医疗设备中的使用。

技术特征：
1.一种装置，其包括：机械结构和耦连到所述机械结构的力传感器单元；其中所述力传感器单元包括安装支架、第一棒、第二棒、第一磁体、第二磁体、耦连到所述安装支架的第一线圈以及耦连到所述安装支架的第二线圈；其中所述第一棒包括远侧部分和近侧部分，并且所述第一棒的中心轴线被限定在所述第一棒的所述近侧部分和所述远侧部分之间；其中所述第二棒包括远侧部分和近侧部分，所述第二棒的中心轴线被限定在所述第二棒的所述近侧部分和所述远侧部分之间，并且所述第二棒的所述中心轴线与所述第一棒的所述中心轴线不同轴；其中所述第一磁体被耦连至所述第一棒，并且所述第二磁体被耦连至所述第二棒；并且其中所述第一磁体在所述第一线圈内沿所述第一棒的所述中心轴线平移，并且所述第二磁体在所述第二线圈内沿所述第二棒的所述中心轴线平移。2.根据权利要求1所述的装置，其中：所述装置还包括耦连到所述机械结构的轴；并且所述轴可操作地耦连到所述第一棒和所述第二棒，从而使得所述轴相对于所述机械结构的平移移动使所述第一棒沿着所述第一棒的所述中心轴线移动并且使所述第二棒沿着所述第二棒的所述中心轴线移动。3.根据权利要求2所述的装置，其中：所述轴包括近端和远端；所述轴的中心轴线被限定在所述轴的所述近端和所述远端之间；并且所述轴可操作地耦连至所述第一棒和所述第二棒，从而使得所述轴能够绕所述轴的所述中心轴线旋转而不移动所述第一棒或所述第二棒。4.根据权利要求2所述的装置，其中：所述装置还包括耦连到所述轴的连杆；所述第一棒和所述第二棒被耦连到所述连杆；并且所述连杆包括辊驱动接收器，在所述辊驱动接收器中所述轴能够相对于所述连杆旋转而不移动所述第一棒或所述第二棒。5.根据权利要求2或4所述的装置，其中：所述轴包括近端和远端；所述轴的中心轴线被限定在所述轴的所述近端和所述远端之间；由所述第一线圈产生的第一信号与所述第一磁体相对于所述第一线圈的位置相关联，并且由所述第二线圈产生的第二信号与所述第二磁体相对于所述第二线圈的位置相关联；并且来自所述第一线圈的所述第一信号和来自所述第二线圈的所述第二信号与所述轴沿所述轴的所述中心轴线的线性位移相关联。6.根据权利要求5所述的装置，其中：所述轴的所述线性位移与在沿所述轴的所述中心轴线的方向上施加到所述轴的力成比例。
7.根据权利要求2、4或6所述的装置，其中：所述轴包括近端和远端；所述轴的中心轴线被限定在所述轴的所述近端和所述远端之间；并且所述第一线圈和所述第二线圈被稳固到所述安装支架，从而使得所述轴的所述中心轴线在所述第一棒的所述中心轴线和所述第二棒的所述中心轴线之间居中。8.根据权利要求6所述的装置，其中：所述第一棒的所述中心轴线和所述第二棒的所述中心轴线平行于所述轴的所述中心轴线。9.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中：所述第一线圈具有第一高度，所述第二线圈具有第二高度，并且所述第一高度等于所述第二高度。10.根据权利要求2所述的装置，其中：所述轴包括近端和远端；所述轴的中心轴线被限定在所述轴的所述近端和所述远端之间；所述装置还包括耦连到所述轴和所述机械结构的联动装置；所述联动装置包括弹簧；并且所述弹簧被配置成与在沿所述轴的所述中心轴线的方向上施加到所述轴上的力成比例地位移。11.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中：由所述第一线圈产生的第一信号与所述第一磁体相对于所述第一线圈的位置相关联，并且由所述第二线圈产生的第二信号与所述第二磁体相对于所述第二线圈的位置相关联；并且所述力传感器单元包括耦连成接收所述第一信号和所述第二信号的微处理器。12.根据权利要求1-4、6、8或10中任一项所述的装置，其中：所述轴包括近端和远端；所述轴的中心轴线被限定在所述轴的所述近端和所述远端之间；所述第一信号具有第一频率，并且所述第二信号具有第二频率；并且微处理器被配置为执行指令以根据所述第一频率和所述第二频率确定沿所述轴的所述中心轴线在所述轴上的力的量度。13.根据权利要求12所述的装置，其中：所述装置被体现在医疗设备中。14.一种医疗设备，其包括：包括近端和远端的器械轴；耦连到所述轴的所述远端的医疗末端执行器；耦连到所述轴的所述近端的机械结构；和耦连到所述机械结构和所述器械轴的力传感器单元；其中所述力传感器单元包括绕第一线圈轴线缠绕的第一线圈、绕第二线圈轴线缠绕的第二线圈、第一磁体和第二磁体；其中器械轴轴线被限定在所述器械轴的所述近端和所述远端之间；
其中所述器械轴轴线在所述第一线圈轴线和所述第二线圈轴线之间；其中所述第一磁体可操作地耦连到所述器械轴并且随着所述器械轴沿着所述器械轴轴线移动而沿着所述第一线圈轴线移动；并且其中所述第二磁体可操作地耦连到所述器械轴并且随着所述器械轴沿着所述器械轴轴线移动而沿着所述第二线圈轴线移动。15.根据权利要求14所述的医疗设备，其中：所述医疗设备还包括耦连到所述轴和所述机械结构的联动装置；所述联动装置包括弹簧；并且所述弹簧被配置成与在沿着所述器械轴轴线的方向上施加到所述轴上的力成比例地位移。16.根据权利要求14或15所述的设备，其中：由所述第一线圈产生的第一信号与所述第一磁体相对于所述第一线圈的位置相关联，并且由所述第二线圈产生的第二信号与所述第二磁体相对于所述第二线圈的位置相关联；并且所述力传感器单元包括被配置为接收所述第一信号和所述第二信号的微处理器。17.根据权利要求16所述的医疗设备，其中：所述第一信号具有第一频率并且所述第二信号具有第二频率；所述微处理器被配置为执行指令以根据所述第一频率和所述第二频率确定沿所述器械轴轴线在所述器械轴上的力的量度。18.根据权利要求14所述的医疗设备，其中：由所述第一线圈产生的第一信号与所述第一磁体在所述第一线圈内的位置相关联，并且由所述第二线圈产生的第二信号与所述第二磁体在所述第二线圈内的位置相关联；并且来自所述第一线圈的所述第一信号和来自所述第二线圈的所述第二信号与所述器械轴沿所述器械轴轴线的线性位移相关联。19.根据权利要求14所述的医疗设备，其中：所述医疗设备还包括耦连到所述器械轴和所述机械结构的联动装置；所述联动装置包括弹簧；所述弹簧被配置成与在沿所述器械轴轴线的方向上施加到所述器械轴的力成比例地位移。20.根据权利要求14、18或19所述的医疗设备，其中：所述第一磁体被耦连到第一棒，并且所述第二磁体被耦连到第二棒；所述第一棒具有第一中心轴线，并且所述第二棒具有第二中心轴线，所述第一棒的所述第一中心轴线和所述第二棒的所述第二中心轴线均平行于所述器械轴轴线。21.一种医疗设备，其包括：器械支撑结构、器械轴和力传感器单元；其中所述器械轴包括近端和远端，并且器械轴轴线被限定在所述器械轴的所述近端和所述远端之间；其中所述力传感器单元包括耦连在所述器械支撑结构和所述器械轴的所述近端之间的联动装置、绕第一线圈轴线缠绕的第一线圈、绕不同于所述第一线圈轴线的第二线圈轴
线缠绕的第二线圈、至少部分地在所述第一线圈内的第一磁体以及至少部分地在所述第二线圈内的第二磁体；并且其中所述第一线圈、所述第二线圈、所述第一磁体和所述第二磁体被定位在所述器械支撑结构和所述力传感器单元的所述联动装置之间，从而使得所述器械轴沿所述器械轴轴线相对于所述器械支撑结构的平移致使所述第一磁体和所述第一线圈之间沿着所述第一线圈轴线的相对移动以及所述第二磁体和所述第二线圈之间沿着所述第二线圈轴线的相对移动。22.根据权利要求21所述的医疗设备，其中：所述联动装置包括旋转接头，所述旋转接头具有与所述器械轴轴线同轴的旋转轴线；并且所述器械轴被耦连到所述力传感器单元的所述联动装置，以在所述旋转接头处绕所述旋转轴线相对于所述器械支撑结构旋转。23.根据权利要求21所述的医疗设备，其中：所述医疗装置包括近侧机械结构、远端机构和连接器；所述远端机构被耦连至所述器械轴的所述远端并且包括可移动部件；所述近侧机械结构包括所述器械支撑结构和安装成相对于所述器械支撑结构移动的致动器输入件；并且所述连接器被耦连在所述致动器输入件和所述远端机构的所述可移动部件之间，并且将来自所述致动器输入件的张力、压缩力或者张力和压缩力两者传输到所述远端机构的所述可移动部件。24.根据权利要求21-23中任一项所述的医疗设备，其中：所述第一线圈和所述第二线圈相对于所述器械支撑结构被固定。

技术总结
一种医疗设备包括机械结构和力传感器单元。力传感器单元包括安装支架、第一棒、第二棒、第一磁体、第二磁体、耦连到安装支架的第一线圈和耦连到安装支架的第二线圈。第一棒和第二棒各自具有限定在相应的第一棒和第二棒的近侧部分和远侧部分之间的中心轴线。第二棒的中心轴线与第一棒的中心轴线不同轴。第一磁体被耦连到第一棒并且沿着第一棒的中心轴线在第一线圈内平移。类似地，第二磁体被耦连到第二棒并且沿着第二棒的中心轴线在第二线圈内平移。平移。平移。


技术研发人员：L
受保护的技术使用者：直观外科手术操作公司
技术研发日：2021.09.10
技术公布日：2023/7/12