CN116867725A - 用于控制线缆驱动机构的装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种线缆驱动装置(诸如计算机辅助操纵器系统的关节或器械)可以包括绞盘机构以缠绕/退绕线缆。绞盘机构包括绞盘，该绞盘具有在绞盘的外表面中的凹槽，以在绞盘旋转时引导从卷取滑轮布线的线缆卷绕到绞盘上。引导元件与凹槽接合。引导元件相对于卷取滑轮保持平移静止，而绞盘与引导元件和卷取滑轮两者之间存在相对平移。因此，当绞盘旋转时，引导元件与凹槽接合并且迫使绞盘和卷取滑轮相对于彼此平移。当线缆卷绕到绞盘上时，绞盘和卷取滑轮的这种相对平移可以防止线缆的卷取角的偏离。

Description

用于控制线缆驱动机构的装置、系统和方法

技术领域

本公开的各方面总体上涉及例如用于在计算机辅助远程操作操纵器系统的操纵器臂和/或器械中使用的线缆驱动机构、系统和方法。更具体地，本公开的方面涉及用于驱动计算机辅助远程操作医疗操纵器系统的操纵器臂和/或耦接到操纵器臂的器械的运动的线缆驱动机构、系统和方法。

背景技术

计算机辅助操纵器系统(“操纵器系统”)(有时称为机器人辅助系统)可以包括一个或多个操纵器，其可以在电子控制器(例如，计算机)的辅助下操作，以移动和控制可以耦接到操纵器的一个或多个器械的功能。操纵器可以用于将各种力和扭矩传递到器械以执行程序，诸如医疗程序或非医疗程序(例如工业程序)。

例如，一种类型的操纵器系统是医疗操纵器系统，其可以用于执行医疗程序，诸如，例如外科手术程序、诊断程序或治疗程序。例如，医疗操纵器系统可以包括至少部分地在计算机辅助下操作的远程操作外科手术系统，诸如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外科手术系统。在医疗操纵器系统中，耦接到操纵器的器械可以包括医疗器械，诸如治疗器械、诊断器械、外科手术器械和/或成像器械。在一些示例中，医疗器械可以通过自然孔口或切口插入患者。通过来自医疗操纵器系统的驱动力远程控制的这种器械例如在执行微创外科手术程序方面可能是特别有用的。微创外科手术程序可以被设计成例如通过减少医疗器械通过其插入的切口的数量和/或尺寸来减少在外科手术程序期间受损伤的组织的量。

操纵器系统的操纵器臂通常包括通过关节连接的多个机械连杆，并且器械可以耦接到连杆中的一个，通常是多个连杆中的远侧连杆。关节可以可操作为引起连杆相对于彼此移动(即，旋转和/或平移)，从而向操纵器赋予各种自由度以使得操纵器能够继而围绕工作部位移动器械。器械所耦接到的连杆(例如，器械滑架)包括驱动输出端，以与器械的对应驱动输入端对接并将驱动力机械地传递到器械的对应驱动输入端，以控制器械的运动自由度和/或其他功能。这种操纵器系统中的一种类型的关节是棱柱关节，其提供两个连杆相对于彼此的线性平移。例如，棱柱关节可以用于允许器械滑架(器械可以耦接到该器械滑架)相对于操纵器的另一连杆平移。在一些医疗操纵器系统中，医疗器械可以耦接到器械滑架，并且棱柱关节可以沿着医疗器械的插入轴线平移器械滑架，例如以平移所耦接的器械，并且从而将器械的末端执行器插入患者内和/或从患者移除末端执行器。

一些关节由线缆驱动，以引起连杆沿着或围绕关节的相对运动。例如，棱柱关节可以是线缆驱动的。其他类型的关节(包括旋转关节)也可以是线缆驱动的。在一些线缆驱动关节中，一根或多根线缆使用滑轮沿着路径布线，并且线缆驱动系统被提供以使线缆沿着路径移动以驱动关节的运动。另外，操纵器系统的器械还可以包括线缆驱动系统，以引起布线通过器械的轴的线缆沿着路径移动，从而驱动器械的一部分的运动(例如，致动腕部、末端执行器，或以其他方式控制器械的移动自由度)。线缆驱动系统可以包括绞盘，以沿着路径移动线缆从而驱动运动。绞盘可以旋转以围绕绞盘缠绕和展开线缆，从而移动线缆并驱动关节或其他线缆驱动装置的移动。当线缆缠绕到绞盘上时，线缆接合绞盘的沿着绞盘的长度的点改变。在某些情况下，这可能导致线缆和绞盘之间的角度变化，这可能导致诸如引起线缆和/或滑轮上的过度磨损、增加摩擦、引起线缆从滑轮或绞盘中的凹槽中滑出等的问题。此外，线缆可能引起来自其他来源的磨损，并且可能由于工作负载所施加的应力随着时间的推移而疲劳，这可能导致线缆的最终损坏或失效。因此，需要提供解决与磨损和疲劳源相关的问题和/或以其他方式改进线缆驱动关节或其他线缆驱动装置(例如，器械)的性能的线缆驱动系统。

发明内容

本公开的示例性实施例可以解决一个或多个上述问题和/或可以展示一个或多个上述期望特征。根据以下描述，其他特征和/或优点可以变得显而易见。

根据本公开的至少一个实施例，一种绞盘机构包括绞盘、驱动轴和引导辊。绞盘包括外侧表面和围绕绞盘的外侧表面螺旋地盘旋的凹槽。凹槽被配置为接收一根或多根线缆，并且在绞盘旋转时引导一根或多根线缆卷绕到绞盘上。驱动轴可以是耦接到绞盘的花键驱动轴，其中花键驱动轴的旋转引起绞盘的旋转，并且绞盘可沿着花键驱动轴平移地移动。引导辊与凹槽接合，引导辊响应于绞盘的旋转而引起绞盘沿着花键驱动轴平移地移动。

根据本公开的至少一个实施例，一种用于支撑和远程致动器械的操纵器系统包括操纵器。操纵器包括第一连杆、器械滑架和相对于第一连杆耦接器械滑架的棱柱关节。器械滑架被配置为支撑器械。棱柱关节包括行进绞盘机构(traveling capstan mechanism)、一根或多根线缆和一个或多个滑轮，一根或多根线缆耦接到器械滑架，一个或多个滑轮将线缆布线在器械滑架与行进绞盘机构之间。行进绞盘机构包括绞盘、驱动轴和引导辊。绞盘包括外侧表面和围绕绞盘的外侧表面螺旋地盘旋的凹槽。凹槽被配置为接收线缆，并且在绞盘旋转时引导线缆卷绕到绞盘上。驱动轴被耦接到绞盘，驱动轴的旋转引起绞盘的旋转，并且绞盘可沿着驱动轴平移地移动。引导辊与凹槽接合，引导辊响应于绞盘的旋转而引起绞盘沿着驱动轴平移地移动。驱动轴可以是花键轴。

根据本公开的至少一个实施例，一种器械包括轴和器械传动壳体，器械传动壳体耦接到轴。器械传动壳体包括驱动输入端和绞盘机构，驱动输入端被配置为由控制机构的致动器驱动，绞盘机构耦接到驱动输入端。绞盘机构包括绞盘、驱动轴和引导辊。绞盘包括外侧表面和围绕绞盘的外侧表面螺旋地盘旋的凹槽。凹槽被配置为接收一根或多根线缆，并且在绞盘旋转时引导一根或多根线缆卷绕到绞盘上。一根或多根线缆的致动驱动器械的自由度和/或致动器械的末端执行器的功能。驱动轴可以是耦接到绞盘的花键驱动轴，其中花键驱动轴的旋转引起绞盘的旋转，并且绞盘可沿着花键驱动轴平移地移动。引导辊与凹槽接合，引导辊响应于绞盘的旋转而引起绞盘沿着花键驱动轴平移地移动。

附图说明

从以下详细描述中可以单独或与附图一起理解本公开。附图被包括以提供对本公开的进一步理解，并且附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图图示了本教导的一个或多个实施例，并且与说明书一起解释某些原理和操作。在附图中：

图1是计算机辅助操纵器系统的实施例的示意图。

图2A是具有安装到操纵器臂的器械的医疗操纵器系统的实施例的透视图。

图2B是示出图2A的细节2B-2B的内部部件的详细透视图，其图示了耦接到操纵器臂的连杆的器械滑架和耦接到器械滑架的医疗器械。

图3是线缆驱动的棱柱关节的实施例的透视图。

图4A是本文公开的行进绞盘机构的实施例的详细透视图。

图4B是图4A的行进绞盘机构的实施例的另一详细透视图。

图4C是图4A的行进绞盘机构的实施例的又一详细透视图。

图4D是图4A的行进绞盘机构的实施例的剖面透视图，其中剖面是通过横截面4D-4D截取的。

图5A是行进绞盘机构的另一实施例的透视图。

图5B是图5A的行进绞盘机构的实施例的另一透视图。

图5C是图5A的行进绞盘机构的实施例的剖面透视图，其中剖面是通过横截面5C-5C截取的。

图6是线缆驱动的棱柱关节的另一实施例的透视图。

图7是耦接到图6的线缆驱动棱柱关节的实施例的滑架基座的线缆和弹簧的示意图示。

图8A是图6的线缆驱动的棱柱关节的实施例的绞盘机构的透视图。

图8B是单独示出的图8A的绞盘机构的绞盘的透视图。

图9A-图9F是描绘在不同操作状态下的行进绞盘机构的轴向空间要求的示意图示。

图10是图示控制行进绞盘的方法的过程流程图。

图11是图示制造行进绞盘的方法的过程流程图。

图12A是包括行进绞盘机构的器械的实施例的剖面透视图。

图12B是图12B的器械的另一剖面透视图。

具体实施方式

如上所述，线缆驱动系统可以包括一个或多个绞盘，以沿着驱动运动的路径移动线缆。在线缆驱动关节中，线缆可以缠绕到一个或多个绞盘上，绞盘旋转以驱动关节的移动，并且因而驱动一个元件(例如，连杆)相对于另一元件的移动。器械还可以包括缠绕在一个或多个绞盘上的线缆，所述绞盘被旋转以驱动器械的一部分的运动(例如，致动末端执行器或以其他方式控制移动自由度)。沿着绞盘长度的线缆缠绕到绞盘上(或离开绞盘)的位置在下文中称为“卷取/收线(take-up)位置”。绞盘的纵向轴线与在卷取位置处的线缆之间的角度在下文中称为“卷取/收线(take-up)角”。为了说明示例性卷取位置和卷取角，参考图4B，其描绘了卷取位置456和对应的卷取角θ。如上所述，在现有技术的系统中，当线缆缠绕到绞盘上(或从绞盘展开/退绕)时，卷取位置将改变，从而沿着绞盘的轴向长度上下移动。当绞盘旋转并且卷取位置改变时，并且如果绞盘和引导线缆的卷取/收线(take-up)滑轮相对于彼此保持平移固定，则卷取角也将改变。例如，再次考虑图4B所示的系统，如果绞盘441在方向R上旋转，则更多的线缆436a将缠绕到绞盘441上，卷取位置456将沿着绞盘441的长度向右移动(在图4B所示的取向上)，并且因此，假设绞盘441和卷取滑轮442a相对于彼此保持平移固定，则卷取角θ将增加。如果绞盘441在相反的方向上旋转，则将发生相反的情况，即，线缆436a将从绞盘退绕，卷取位置456将向左移动，并且卷取角θ将减小。当卷取角改变时，从绞盘延伸的线缆的部分可以脱离线缆的优选取向，诸如，例如线缆与绞盘的凹槽对准的取向。线缆与优选取向的这种偏离可能引起不期望的效果，诸如引起线缆摩擦滑轮和绞盘凹槽的侧壁，这可能增加摩擦并引起额外的磨损。这种偏离还可能引起线缆从绞盘凹槽中出来或引起线缆从卷取滑轮中出来。此外，随着卷取角θ改变，滑轮和绞盘441之间的线缆路径距离增加。因此，在非恒定的卷取角的情况下，绞盘441的旋转角度和其移动由线缆436驱动的元件的位置之间的关系是非线性的。如果没有其他机构来保持缠绕和展开线缆的总长度恒定，则变化的路径长度也可能引起线缆张力的变化。由于卷取角的变化而引起的上述线缆与期望取向的偏差在本文中可以称为“卷取角偏差”。卷取角偏差越大，发生这些不期望影响的可能性越大和/或影响可能越大。

减轻由卷取角偏差引起的上述问题的一种方法是使卷取滑轮径向远离绞盘移动。尽管这不会阻止卷取角随着绞盘旋转而改变，但是卷取滑轮的这种定位确实减小了卷取角的变化量(即，最大卷取角偏差减小)，这可以减小由卷取角的变化引起的不期望效果的可能性和/或幅度。然而，使卷取滑轮远离绞盘移动增加了驱动系统所占据的空间量，因此这种方法可能不太适合于需要更紧凑设计的情况。

减轻与卷取角偏差相关的问题的另一种方法是，当线缆缠绕到绞盘上或从绞盘上离开时，使绞盘相对于卷取滑轮轴向移动，以便抵消或消除卷取角的变化。例如，当绞盘旋转时，绞盘可以在与卷取位置相对于绞盘改变的方向相反的方向上相对于卷取滑轮轴向移动。如果绞盘每次旋转移动的距离与卷取位置每次旋转移动的距离匹配，则当绞盘旋转时，卷取位置将相对于卷取滑轮保持静止，并且因此卷取角将保持不变。被配置为以这种方式平移的绞盘将被称为“行进绞盘(traveling capstan)”。在图9A-图9C中描绘了实施这种行进绞盘的一种方法，其中螺纹毂792围绕绞盘的驱动轴794附接到绞盘791，并且绞盘791和附接的螺纹毂792以绞盘791和螺纹毂792可以沿着驱动轴794平移的方式附接到驱动轴794。驱动轴794和螺纹毂792穿过支撑结构(其相对于卷取滑轮静止)的螺纹通道793，并且螺纹毂792的螺纹与螺纹通道793的螺纹啮合。因此，当绞盘791旋转时，螺纹毂792也旋转并且其螺纹接合螺纹通道793的螺纹以迫使毂792沿着驱动轴794平移(替代地，通道793可以附粘(affix)到绞盘701，并且螺纹毂792可以是静止的)。通过控制毂792和通道793中的螺纹的节距，绞盘791每单位旋转沿着轴794平移的距离可以被设定为匹配线缆的卷取位置每单位旋转倾向于改变的量，从而在绞盘旋转时保持线缆的卷取角基本恒定。然而，尽管这种方法在减少或甚至消除与卷取角度的变化相关联的问题方面是有效的，但是在某些情况下，这种方法可能存在一些缺点。

这种行进绞盘可能出现的潜在问题是，当驱动轴旋转时，螺纹毂与螺纹通道的接合产生可以抵抗轴旋转的额外摩擦。这种增加的摩擦可能增加驱动旋转所需的功率量、增加所产生的热量、增加部件随时间的磨损和/或降低驱动该轴的驱动元件(例如，马达)的功率效率。在一些情况下，增加的摩擦还可能需要更大和/或更昂贵的驱动元件(例如，马达)来驱动旋转。这种行进绞盘可能出现的另一个潜在问题是，由于螺纹毂的添加，绞盘组件的尺寸(例如，长度)相对大。特别地，螺纹毂可能需要足够长以为绞盘提供期望的平移范围，并且因此在一些情况下可能需要与线缆在其上的缠绕的绞盘部分一样长，使得毂能够在绞盘的整个行程长度上保持与螺纹通道的接合。因此，在轴向方向上允许绞盘和附接的毂组件平移所需的空间量可以相对较大。因此，在需要更紧凑设计的某些情况下，使用行进绞盘方法来维持恒定的卷取角可能不太合适。

为了解决这些问题，本文公开的某些实施例可以提供可以在例如线缆驱动装置的线缆驱动系统中使用的改进的行进绞盘机构。这种线缆驱动装置可以包括机器人辅助操纵器系统的线缆驱动关节或操纵器系统的器械或末端执行器。然而，本文公开的行进绞盘机构不限于此或由此不限于此，并且可以用于其他类型的线缆驱动装置中。本文公开的实施例可以减少、减轻或甚至消除上面提到的与卷取角度偏差相关的问题。此外，本文公开的各种实施例解决了与卷取角度偏差相关联的问题，同时还解决了上面关于其他方法提到的一些问题。具体地，各种实施例提供了线缆驱动的相对紧凑的设计，同时表现出相对低的摩擦量，如下面更详细地解释的。

根据某些实施例，改进的行进绞盘机构可以利用包括引导元件的约束机构，该引导元件与绞盘接合以当绞盘旋转时使绞盘沿着绞盘的驱动轴平移。例如，在各种实施例中，引导元件与绞盘的线缆绕线凹槽(cable spooling groove)接合，并且当绞盘旋转时，引导元件推靠凹槽的侧表面，迫使绞盘沿着驱动轴平移。线缆卷绕凹槽是围绕并沿着绞盘的外侧表面(径向面向外的表面)螺旋形地盘旋的凹槽，并且被配置为接收线缆以在绞盘旋转时将线缆卷绕到绞盘上。因为引导元件遵循线缆缠绕到其上的相同凹槽，所以绞盘每次旋转被迫平移的距离将自动匹配线缆的卷取点每次旋转改变的距离。因此，可以消除卷取角的偏差。

本文公开的行进绞盘机构可以被制造得相对紧凑，尤其是当与上述第一和第二方法相比时。特别地，在一些实施例中，引导元件可以装配到与已经需要被分配用于驱动系统的空间包络相同或仅略大于该空间包络的空间包络中。

此外，本文公开的各种实施例允许绞盘沿着其整个运动范围平移，而不显著增加绞盘机构的总长度。因此，本文公开的示例性实施例可能需要比其他行进绞盘(诸如，上面参考图9A-图9C描述的行进绞盘和毂布置)更少的沿着轴向方向的空间。下面参考图9A-图9F的实施例进一步讨论这种节省空间比较。

另外，在本文公开的行进绞盘机构的各种实施例中，各种部件的摩擦可以保持相对较低。通过采用提供接触表面之间的相对旋转的机构并减少接触表面之间的滑动摩擦量，可以实现相对低的摩擦，如将参考下面的附图进一步解释的。

如上所述，太大的卷取角偏差可能引起线缆上不期望的磨损。然而，即使消除了卷取角偏差，线缆也将不可避免地随着时间的推移而经历一些磨损和疲劳。为了提供更稳固的线缆驱动棱柱关节，各种实施例使用备用线缆方法。提供这样的备用线缆可以允许整个棱柱关节在对应的主线缆损坏的情况下保持操作，从而允许操纵器系统的不间断的正常操作。此外，备用线缆的使用可以增加装置的安全性，并且防止由线缆驱动的机构在主线缆故障的情况下无意和不期望的移动。而且，备用线缆的使用会增加系统维护之间的时间。此外，当使用两根或更多根线缆时，其直径可以比仅使用一个线缆时的直径更小，因为更小直径线缆的组合强度可以等于更大直径线缆的强度。此外，使用更小直径的线缆可以减小线缆在它们围绕滑轮和绞盘盘绕时所经受的弯曲应力。备用线缆可以沿着主线缆布线，并且可以缠绕到与主线缆相同的绞盘上，从而确保在主线缆故障的情况下从主线缆到备用线缆的无缝过渡。此外，在一些实施例中，主线缆和备用线缆可以同等地分担系统的负载力，并且因此在系统的使用期间经受类似的应力。

然而，因为主线缆和备用线缆在系统的使用期间受到类似的力，所以主线缆和备用线缆在一段时间内都可能倾向于经历相同量的磨损和疲劳。

为了解决这个问题，本文公开的一些实施例可以提供一种线缆驱动的棱柱关节，其包括在受到相同力时经受不同应力的主线缆和备用线缆。因此，各种实施例设想了被配置为在使用期间以及当以其他方式经受类似的使用和力时经受比主线缆更小的应力的备用线缆。这种备用线缆的一个实施例利用与备用线缆串联耦接的弹簧。另一实施例利用用于备用线缆的材料，该材料具有比用于主线缆的材料更低的弹性模量。也可以采用这两者的组合。

通过提供被配置为经受比主线缆更小的应力的备用线缆，备用线缆可以在相同的使用周期内保持比主线缆更少的疲劳，从而在对应的主线缆变得损坏并停止正常工作的情况下服务于其预期目的。

如本文和权利要求书中所使用的，术语计算机辅助操纵器系统(“操纵器系统”)应当被理解为广泛地指代包括一个或多个可控运动学结构(“操纵器”)的任何系统，该可控运动学结构包括通过可以被操作为引起运动学结构移动的一个或多个关节耦接在一起的一个或多个连杆。这种系统在本领域中有时可以被称为机器人辅助系统，并且通常被称为机器人辅助系统。操纵器可以具有永久地或可移除地安装到其上的器械，并且可以移动和操作器械。关节可以由驱动元件驱动，该驱动元件可以利用任何方便形式的动力，诸如但不限于电动马达、液压致动器、伺服马达等。操纵器的操作可以由用户(例如通过远程操作)、由计算机自动(所谓的自主控制)或由这些的某种组合来控制。在用户控制操纵器的至少一些操作的示例中，电子控制器(例如，计算机)可以促进或辅助操作。例如，电子控制器可以通过将从用户接收的控制输入转换成致动驱动元件以操作操纵器的电信号、向用户提供反馈、实施安全限制等来“辅助”用户控制的操作。如在“计算机辅助操纵器系统”中使用的术语“计算机”广泛地指代用于控制或辅助用户控制操纵器的操作的任何电子控制装置，并且不旨在限于正式定义为或通俗地称为“计算机”的事物。例如，计算机辅助操纵器系统中的电子控制装置的范围可以从传统的“计算机”(例如，通用处理器加存储用于处理器执行的指令的存储器)到低级专用硬件装置(模拟或数字)(诸如离散逻辑电路或专用集成电路(ASIC))或两者之间的任何事物。此外，操纵器系统可以在各种背景下实施以执行医疗和非医疗的各种程序。因此，尽管本文更详细描述的一些示例可以集中于医疗背景，但是本文描述的装置和原理也适用于其他背景，诸如工业操纵器系统。

现在转到附图，将更详细地描述各种示例实施例。

图1图示了操纵器系统100的实施例。操纵器系统100包括操纵器组件110、控制系统106以及用户输入和反馈系统104。操纵器系统100还可以包括辅助系统108。下面更详细地描述操纵器系统100的这些部件。

操纵器组件110可以包括一个或多个操纵器114。图1图示了三个操纵器114，但是在操纵器系统100中可以包括任何数量的操纵器114。每个操纵器114包括由一个或多个关节116耦接在一起的两个或更多个连杆115的运动学结构。关节116可以向操纵器114赋予各种移动自由度，从而允许操纵器114在工作空间周围移动。例如，一些关节116可以提供连杆115相对于彼此的旋转，其他关节116可以提供连杆115相对于彼此的平移，等等。关节116中的一些或全部可以是动力关节，这意味着动力驱动元件可以通过供应动力来控制关节116的移动。这种驱动元件可以包括例如电动马达、气动或液压致动器等。另外的关节116可以是无动力关节。除了控制关节116的驱动元件之外，操纵器114还可以包括驱动元件(未示出)，该驱动元件驱动器械102的输入端以控制器械的操作，诸如移动器械的末端执行器、打开/闭合夹具、递送通量(例如，电力)等。图1将每个操纵器114图示为具有两个连杆115和一个关节116，但是实际上操纵器可以包括更多的连杆115和更多的关节116，这取决于系统100的需要。包括的连杆115和关节116越多，操纵器114的移动自由度越大。

每个操纵器114可以被配置为支撑和/或操作一个或多个器械102。在一些示例中，器械102可以固定地耦接到操纵器114，而在其他示例中，连杆115中的一个可以被配置为具有可移除地耦接到其上的一个或多个单独的器械102。器械102可以包括任何工具或器械，包括例如工业器械和医疗器械(例如，外科手术器械、成像器械、诊断器械、治疗器械等)。

用户输入和反馈系统104可以包括输入装置，以允许用户输入控制命令来控制操纵器系统100的操作。这样的输入装置可以包括例如远程呈现输入装置、按钮、开关、踏板、操纵杆、轨迹球、数据手套、触发枪、注视检测装置、语音识别装置、身体运动或存在传感器、或用于登记用户输入的任何其他类型的装置。在一些示例中，远程呈现输入装置可以被提供有与它们控制的相关联器械相同的自由度，并且当输入装置由用户移动时，器械被控制为跟随或模仿输入装置的移动，这可以为用户提供直接控制器械的感觉。远程呈现输入装置可以向操作者提供远程呈现，这意味着输入装置与器械为一体的感知。用户输入和反馈系统104还可以包括反馈装置，诸如显示图像(例如，由器械102中的一个捕获的工作地点的图像)的显示装置、触觉反馈装置、音频反馈装置等。

控制系统106可以控制操纵器系统100的操作。特别地，控制系统106可以(例如，通过操纵器114处的驱动接口)将控制信号(例如，电信号)发送到操纵器组件110，以控制关节116的移动并且控制器械102的操作。在一些实施例中，控制系统106还可以控制用户输入和反馈系统104、辅助系统108或系统100的其他部分的一些或所有操作。控制系统106可以包括电子控制器，以控制和/或辅助用户控制操纵器组件110的操作。电子控制器包括配置有用于执行各种操作的逻辑的处理电路。处理电路的逻辑可以包括用于执行各种操作的专用硬件、用于执行各种操作的软件(机器可读和/或处理器可执行指令)或其任何组合。在逻辑包括软件的示例中，处理电路可以包括用于执行软件的处理器和存储软件的存储器装置。处理器可以包括能够执行机器可读指令的一个或多个处理装置，诸如，例如处理器、处理器核、中央处理单元(CPU)、控制器、微控制器、片上系统(SoC)、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)等。在处理电路包括专用硬件的示例中，除了处理器之外或代替处理器，专用硬件可以包括被配置为执行特定操作的任何电子装置，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、离散逻辑电路、硬件加速器、硬件编码器等。处理电路还可以包括专用硬件和处理器加软件的任何组合。

如上所述，不同的操纵器系统100可以具有不同程度的用户控制与自主控制，并且本文公开的实施例可以包括完全用户控制的系统、完全自主控制的系统以及具有用户和自主控制的任何混合的系统。对于用户控制的操作，控制系统106可以响应于接收到经由用户输入和反馈系统104输入的对应的用户输入命令而产生控制信号。例如，如果用户输入“滚动器械”输入命令，则控制系统106可以确定并发送对操纵器组件110的适当控制命令以引起器械102滚动。对于自主控制的操作，控制系统106可以执行预编程逻辑(例如，软件程序)，并且可以基于编程(例如，响应于在编程中指定的检测到的状态或刺激)来确定和发送控制命令。在一些系统中，一些操作可以是用户控制的，而其他操作可以是自主控制的。此外，一些操作可以是部分用户控制的且部分自主控制的——例如，用户输入命令可以引发事件序列的执行，并且然后控制系统106可以执行与该序列相关联的各种操作，而不需要进一步的用户输入。

辅助系统108可以包括可以在操纵器系统100的操作中使用的各种辅助装置。例如，辅助系统108可以包括电源单元、辅助功能单元(例如，可以支持器械的功能的诸如冲洗、排空、能量供应、照明的功能)、传感器、显示装置等。作为一个示例，在用于外科手术环境中的操纵器系统100中，辅助系统108可以包括由帮助程序的医务人员使用的显示装置，而操作输入装置的用户可以利用作为用户输入和反馈系统104的一部分的单独显示装置。作为另一示例，在用于手术环境中的操纵器系统100中，辅助系统108可以包括向器械102(例如，电烙外科手术器械)提供外科手术通量(例如，电功率)的通量供应单元。因此，本文使用的辅助系统108可以包含各种部件，并且不需要作为整体单元提供。

图2A图示了可以在操纵器系统(诸如操纵器系统100)中使用的操纵器组件210的实施例。操纵器组件210适于在医疗背景下使用。特别地，操纵器组件210可以适合于在例如外科手术、远程操作外科手术、诊断、治疗和/或活检程序中使用。可以例如对人类患者、动物患者、人类尸体、动物尸体、以及人类或动物解剖结构的部分执行这样的程序。操纵器组件210还可以用于例如非外科手术诊断、美容程序、人类或动物解剖结构的成像、从人类或动物解剖结构收集数据、训练医疗或非医疗人员以及对从人类或动物解剖结构移除(而不返回到人类或动物解剖结构)的组织的程序。尽管关于医疗背景描述了该示例，但是本文描述的原理、技术、方法和装置也可以应用于非医疗操纵器系统100，诸如工业操纵器系统、一般机器人用途以及感测或操纵非组织工件。在非限制性实施例中，操纵器组件210可以是远程操作外科手术系统的一部分，诸如由加利福尼亚州桑尼维尔市的直观外科手术公司商售的da外科手术系统。例如，本文公开的实施例可以是加利福尼亚州桑尼维尔市的直观外科手术公司商售的作为da/>Xi^TM外科手术系统销售的型号IS4000(或是其一部分)。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，包括机器人和非机器人实施例和实施方式。在da/>外科手术系统(例如，作为da/>X^TM外科手术系统销售的型号IS4000、型号IS4200)上的实施方式仅仅是示例，并且不应被认为是限制本文公开的发明方面的范围。

操纵器组件210包括一个或多个操纵器214。图2A所示的操纵器214是操纵器114的一个实施例。图2A图示了四个操纵器214，但是操纵器组件210可以包括任何数量的操纵器214，包括一个、两个、三个或更多个。每个操纵器214是包括多个连杆215和一个或多个关节216的运动学结构，其中每个关节216将两个相邻的连杆215可移动地耦接在一起。每个关节216可以赋予一个或多个自由度以允许耦接到其的连杆215相对于彼此移动，诸如允许旋转、平移或两者。操纵器214中的一个操纵器的连杆215和关节216在图2A中被标出，并且在下面作为示例更详细地描述。在图2A所示的示例中，操纵器214都具有类似的连杆215和关节216。然而，应当理解，操纵器214不一定需要都具有相同的配置——例如，与操纵器214中的其他操纵器相比，操纵器214中的一个、一些或全部可以具有不同数量和/或类型的连杆215、关节216和器械202。

如上面关于关节116所述，关节216中的一些可以是由驱动元件驱动的动力关节。在一些示例中，可以手动致动关节216的子集(一个或多个)。在一些示例中，耦接到手动致动关节216的连杆215可以被称为设置连杆(setup link)。例如，在一些实施例中，图2A中的设置连杆215a被耦接到手动致动关节216a，并且这些设置连杆215a可以被手动移动到期望的配置中并在程序之前的设置阶段期间锁定就位。此后，耦接到动力关节216的剩余连杆215可以在程序期间在控制系统106的控制下移动。图2A所示的连杆215和关节216的形状、数量和布置仅仅是一个示例，并且在实践中，可以在操纵器214中提供任何数量的连杆215(至少两个)和任何数量的关节216(至少一个)。此外，在一些实施例中，设置连杆215a可以被耦接到动力关节并且可以经由计算机控制移动。

操纵器214可以被耦接到支撑结构211，该支撑结构211相对于地面/地板或相对于操纵器组件210被部署在其中的环境中的一些其他结构支撑操纵器214。在图2A所示的示例中，支撑结构211包括搁置在地面或地板上的基座212、从基座212竖直延伸的竖直柱213、以及耦接到竖直柱213的顶端部分的取向平台217。在一些示例中，基座212可以包括移动部件以利于基座的移动，诸如轮子。在其他示例中，基座212可以缺少这样的移动部件，并且可以搁置在地面/地板或其他结构上。在一些示例中，基座212可以例如经由机械紧固件(诸如螺栓)或经由任何其他紧固机构而被固定地附接到地面/地板或其他结构。竖直柱213可以能够诸如通过竖直伸缩机构来在高度上进行调整。操纵器214可以被耦接到取向平台217，并且取向平台217可以被配置为允许操纵器围绕竖直柱213旋转(在某个限定的运动范围内)。取向平台217还可以包括允许取向平台217从竖直柱213水平移动的伸缩悬臂(telescopingcantilever)218。图2A所示的支撑结构211不是限制性的，并且操纵器214可以以其他方式被支撑。例如，操纵器214可以被锚固到墙壁、天花板、桌子、推车、可移动基座、不可移动基座或任何其他期望的物体。此外，操纵器214可以被耦接到单独的支撑结构211，而不是都耦接到同一支撑结构211。此外，支撑结构211可以具有比图2A所示的移动自由度更多或更少的移动自由度，包括没有自由度。此外，在一些示例中，操纵器214可以直接搁置在地面或地板或其他结构上，或直接耦接到地面或地板或其他结构，在这种情况下，操纵器214的连杆215中的一个连杆可以用作支撑结构。

如图2A和图2B所示，连杆215中的一个或多个可以被配置为器械保持器219，以支撑和驱动耦接到其的器械202。器械保持器219包括可以用作器械保持器框架的连杆215b、将被称为器械滑架220的另一连杆、以及用于安装诸如套管294的附件的附件安装部分295。器械滑架220物理地支撑所安装的器械202，并且具有一个或多个致动器221以向器械202提供驱动力来控制器械202的操作。致动器221可以通过致动驱动输出端222(诸如旋转盘输出端、摇动输出端、线性运动输出端等)来提供驱动力。驱动输出端222可以(直接地，或经由可以是无菌盖布组件的无菌器械适配器(ISA)的一部分的中间驱动输出端)与器械202的对应驱动输入端对接并将驱动力机械地传递到器械202的对应驱动输入端。ISA可以被放置在器械202和器械滑架220之间，以维持器械202和操纵器之间的无菌分离。器械滑架220还可以包括其他接口(未示出)，诸如用于向器械202提供电信号和/或从器械202接收电信号的电接口。

如图2A和图2B所示，器械滑架220通过关节216中的一个关节耦接到连杆215b，关节216中的一个关节在下文中将被称为棱柱关节230。具体地，棱柱关节230引起器械滑架220沿着连杆215b的纵向维度(图2B中的方向T)相对于连杆215b平移。因此，当操作棱柱关节230时，棱柱关节230引起耦接到器械滑架220的器械202相对于连杆215b沿着轴线平移。器械202沿着其平移的轴线可以对应于器械202的器械轴291的中心轴线，这在下面更详细地描述。在一些示例中，器械202可以沿着该轴线平移，以便将器械202插入工作空间(例如，患者)中(或从工作空间移除器械202)，并且因此该轴线可以被称为“插入轴线”。

棱柱关节230包括滑架基座232、轨道231和线缆驱动系统(在图2A和2B中不可见)，该线缆驱动系统包括本文公开的绞盘机构中的一个。器械滑架220被耦接到滑架基座232，滑架基座232被可滑动地耦接到轨道231，并且轨道231被耦接到连杆215b。滑架基座232被线缆驱动系统驱动以沿着轨道231平移，线缆驱动系统的实施例在下面参考图3更详细地描述。滑架基座232沿着轨道231的平移导致器械滑架220相对于连杆215b平移，如上所述。

如图2B所示，器械202包括器械轴291(在本文中也称为轴291)和在器械202的远端部分处附接到轴291的末端执行器293。末端执行器293可以被配置为执行一个或多个操作，诸如抓握、切割、递送通量、吻合等。末端执行器293也可以例如经由腕部机构相对于轴291移动。器械202还可以包括器械传动壳体292，在一些实施例中，器械传动壳体292可以位于器械202的近端部分处。器械传动壳体292被附接到轴291，并且被配置为将器械202耦接到器械滑架220。器械传动壳体292可以包括与器械滑架220的驱动输出端222(直接地或经由诸如ISA的中间体)对接并由驱动输出端222驱动的驱动输入端、以及将驱动输入端的运动转换成驱动器械202的自由度的运动的力传递机构。例如，从器械滑架220赋予的力和运动可以由器械传动壳体292的力传递机构转换成延伸穿过轴291的线缆或杆的移动，其中线缆或杆的运动控制轴291、腕部机构和/或末端执行器293的移动和/或致动。在如下面参考图12A和图12B更详细描述的一些实施例中，器械传动壳体292中的力传递机构可以包括利用本文公开的绞盘机构中的一个或多个绞盘机构的线缆驱动系统。在这样的实施例中，可以通过从器械滑架220的驱动输出端222传递的力来驱动绞盘机构的绞盘旋转，其中绞盘的旋转驱动延伸穿过轴291的线缆的移动，以驱动器械的一部分的致动或移动(例如，以使器械的腕部和/或末端执行器293铰接/关节运动(articulate))。

连杆215b可以例如在连杆215b的远端部分附近包括附件安装部分295。附件安装部分295可以被配置为安装附件，诸如外科手术套管294，如图2B所示。外科手术套管294可以被插入患者的开口内，并且器械202的末端执行器293和轴291可以通过套管294插入患者内。棱柱关节230可以通过沿着轨道231平移器械滑架220来控制器械202通过套管294的插入和移除。在一些示例中，操纵器组件210的远程运动中心(下面更详细地描述)可以被定位成以便与插管294的一部分重合。

操纵器组件210适于在医疗背景下使用，并且因此器械202可以包括医疗器械。医疗器械可以包括外科手术器械(例如，抓握器械、切割器械、电烙器械、吻合器械、缝合器械等)、成像器械(例如，内窥镜)、诊断器械和治疗器械，其可以具有各种配置，例如，具有和不具有末端执行器。在图2A和2B所示的示例中，每个操纵器214具有一个器械202，但是在其他示例中，多个器械202可以被耦接到同一操纵器214。在多个器械202被耦接到同一操纵器214的一些示例中，操纵器214可以具有多个棱柱关节230(例如，每个器械202一个棱柱关节)。在多个器械202被耦接到同一操纵器214的其他示例中，操纵器可以具有驱动多个器械202的棱柱关节230。

在一些示例中，操纵器组件210可以被配置为使得当器械202被操纵器214移动时，相应器械202的运动被约束成使得器械轴291总是穿过固定空间点(或区域)，固定空间点可以被称为远程运动中心。换句话说，操纵器214移动，就好像器械202被器械轴291上的枢转点(即，远程运动中心)约束，其中器械202能够围绕枢转点旋转或沿着穿过枢转点的线平移，但不能远离枢转点移动。例如，在外科手术程序期间，可以使该远程运动中心对应于患者的开口，器械通过该开口插入患者内，使得当器械在程序期间移动时，器械枢转通过开口但不相对于开口横向移动。这可以使得开口能够小于其他情况下将需要的开口，并且可以减少由器械的移动引起的对周围组织的损伤。对操纵器214围绕远程运动中心的运动的这种约束可以由操纵器214本身的结构机械地施加，或它们可以由编程到控制系统106中的逻辑施加。在一些实施例中，远程运动中心与沿着插管294的一部分的位置重合。

图3图示了根据示例性实施例的线缆驱动的棱柱关节330(也称为关节330或棱柱关节330)。关节330可以用于将操纵器的两个连杆耦接在一起，使得两个连杆可以相对于彼此平移。例如，关节330可以用作操纵器组件210的操纵器214的棱柱关节230。在一些实施例中，关节330可以用于将连杆215b与器械滑架220耦接。关节330包括轨道331、可滑动地耦接到轨道331的滑架基座332、耦接到滑架基座332以使滑架基座332沿着轨道331移动的线缆336(例如，线缆336a、336b)、用于使线缆336重定向的滑轮337(例如，滑轮337a、337b)以及用于驱动线缆336的行进绞盘机构340。轨道331可以被耦接到操纵器的一个连杆(诸如连杆215b)，并且滑架基座332可以被耦接到操纵器的另一连杆(诸如器械滑架220)。因此，当滑架基座332沿着轨道331移动时，运动引起两个连杆之间的相对平移(例如，滑架基座332的移动引起器械滑架220相对于连杆215b平移)。

如上所述，滑架基座332被耦接到一根或多根线缆336，线缆336使滑架基座332沿着轨道331移动。可以使用任何数量和布置的线缆336。在图3的实施例中，第一线缆336a被耦接到滑架基座332以在一个方向(例如，远侧方向)上沿着轨道331移动滑架基座332，并且第二线缆336b被耦接到滑架基座332以在相反方向(例如，近侧方向)上沿着轨道331移动滑架基座332。在其他实施例中，线缆336a和336b可以是同一线缆336的两个部分，而不是两个单独的线缆336。例如，线缆336a可以是第一线缆部分，并且线缆336b可以是第二线缆部分，每个线缆部分是同一线缆336的一部分。(一个或多个)线缆336可以经由滑轮337布线通过关节330。例如，如图3所示，第一滑轮337a可以被设置在关节330的远端部分附近，并且第二滑轮337b可以被设置在关节330的近端部分附近(其中在图3的取向上的远侧方向和近侧方向被标出)，其中滑架基座332位于两个滑轮337a、337b之间。第一滑轮337a和第二滑轮337b重定向第一线缆336a和第二线缆336b，使得线缆336a、336b沿着与轨道331的长度大致对准的路径延伸。利用这种布置，缩回第一线缆336a同时延伸第二线缆336b引起滑架基座332沿着轨道331朝向第一滑轮337a向远侧移动，并且缩回第二线缆336b同时延伸第一线缆336a引起滑架基座332沿着轨道331朝向第二滑轮337b向近侧移动。

如上所述，关节330包括行进绞盘机构340(也称为绞盘机构340)以控制(一个或多个)线缆336的缩回和延伸。可以用作绞盘机构340的绞盘机构的实施例在图4A-图5C中更详细地示出并在下面描述。进一步参考图3，行进绞盘机构340包括绞盘341、卷取滑轮342(例如，卷取滑轮342a、342b)和驱动元件345。绞盘341是可以通过旋转绞盘341将线缆336缠绕到其上的装置。当滑架基座332通过使线缆336缠绕到绞盘341上和离开绞盘341而移动时，绞盘341提供线缆336的长度保持。绞盘341可以具有围绕绞盘341定位的多个线缆旋转，以考虑线缆的投入和放出以及随着滑架基座332移动线缆336a、336b的变化的有效长度。在一些实施例中，提供多个绞盘341，例如，为每个线缆336提供单独的一个绞盘。绞盘341可以是大致圆柱形的形状，并且可以在其径向面向外的表面中具有凹槽，以在绞盘旋转时以受控的方式引导线缆336缠绕到绞盘341上。卷取滑轮342重定向(一个或多个)线缆336以缠绕到绞盘341上或从绞盘341退绕。绞盘341可以被耦接到驱动轴，并且驱动轴又可以被耦接到驱动元件345，使得驱动元件345可以驱动绞盘341的旋转。驱动元件345可以是可以将扭矩施加到轴以驱动绞盘341的旋转的任何装置。例如，驱动元件345可以是电动马达、气动或液压旋转致动器、或通过机械耦接从一些其他驱动元件接收力并将力传递和/或转换成绞盘341的旋转的机械力传递机构(例如，旋转盘)等。驱动元件345可以由其中包括关节330的操纵器系统100的控制系统106控制。

在一个方向上旋转绞盘341倾向于将第一线缆336a缠绕到绞盘341上(缩回第一线缆336a)并且将第二线缆336b从绞盘341退绕(延伸第二线缆336b)，并且相反地在相反方向上旋转绞盘341倾向于将第一线缆336a从绞盘341退绕(延伸第一线缆336a)并且将第二线缆336b缠绕到绞盘341上(缩回第二线缆336b)。因此，可以通过控制绞盘341旋转的方向和量来控制滑架基座332沿着轨道331的平移。

行进绞盘机构340被配置为在绞盘341旋转时提供绞盘341和卷取滑轮342之间的相对平移(即，当绞盘341旋转时，绞盘341和卷取滑轮342可以相对于彼此平移)，使得线缆336的卷取角保持恒定。绞盘341和卷取滑轮342的相对平移可以包括当卷取滑轮342相对于参考点保持平移固定时绞盘341相对于某个参考点(例如，诸如绞盘耦接到其上的操纵器的连杆)的平移、或当绞盘341相对于参考点保持平移固定时卷取滑轮342相对于参考点的平移。在绞盘341相对于参考点平移而卷取滑轮342不平移的实施例中，驱动轴(例如，花键轴)可以用于使得绞盘341能够沿着驱动轴平移，同时绞盘341也与驱动轴一起围绕驱动轴的轴线旋转。在卷取滑轮342相对于参考点平移而绞盘341不相对于参考点平移的实施例中，卷取滑轮342附接到其上的支撑结构可以可移动地耦接到轨道或其他机构，以使得卷取滑轮342能够相对于绞盘341平移。

行进绞盘机构340还包括引导元件(在图3中不可见)，该引导元件相对于卷取滑轮342平移地固定，并且接合绞盘341的线缆卷绕凹槽，以在绞盘341旋转时迫使绞盘341和卷取滑轮342之间的相对平移。例如，当绞盘341旋转时，绞盘341可以沿着驱动轴轴向平移。当绞盘341旋转时绞盘341和卷取滑轮342之间的相对平移消除了卷取角偏差，如上所述。引导元件可以是能够接合绞盘341的凹槽以引起绞盘341和卷取滑轮342相对于彼此平移的任何元件。在图4-图6所示的实施例中(下面进一步描述)，引导元件在凹槽中沿着绞盘341的外表面旋转和滚动，并且因此引导元件在下面称为引导辊。在其他实施例中，引导元件不旋转。下面将参考图4-图6更详细地描述行进绞盘机构340的这些和其他方面。

图4A-图4D图示了根据本公开的行进绞盘机构440(也称为绞盘机构440或机构440)的实施例。行进绞盘机构440可以用于关节、器械或其他线缆驱动装置的线缆驱动系统中，以驱动线缆的移动。例如，行进绞盘机构440可以用于关节230的线缆驱动系统中和/或器械202的线缆驱动系统中，如上面参考图2B所描述的。行进绞盘机构440可以用作行进绞盘机构340的实施例。如图4A-图4D所示，行进绞盘机构440包括绞盘441、卷取滑轮442(例如，卷取滑轮442a、442b)、驱动元件445、引导辊446和支撑结构447。如下面更详细描述的，绞盘441被安装到驱动轴443上，并且驱动轴443的旋转由驱动元件445驱动。支撑结构447可以支撑行进绞盘机构440的各个部分，并且可以耦接到操纵器系统的连杆，诸如图2B中的连杆215b。绞盘机构440的卷取滑轮442和驱动轴443可以通过轴承465耦接到支撑结构447，使得卷取滑轮442和轴443可以旋转，但是相对于支撑结构447保持平移静止。另一方面，绞盘441可以沿着驱动轴443相对于支撑结构447平移，如下面更详细地描述的。

线缆436缠绕在绞盘441的径向面向外的表面上。该表面具有形成在其中的线缆卷绕凹槽444(凹槽444)，该线缆卷绕凹槽444围绕绞盘441并沿着绞盘441螺旋地延伸。当绞盘441旋转时，凹槽444引导线缆436以有序的方式卷绕到绞盘441上。凹槽444包括凸起区域(例如，脊)和降低区域(例如，谷)。凹槽444的凸起区域可以类似于并且可以被称为螺纹，并且凹槽444可以类似于并且可以被称为螺纹部分。然而，与一些螺纹不同，凹槽444被配置为卷绕线缆436而不是紧固。

在图4A-图4D所示的示例中，两个线缆436a、436b缠绕在绞盘441上。然而，可以使用任何数量的线缆436。例如，线缆436a、436b可以是同一线缆436的两个部分，而不是两个单独的线缆436。例如，线缆436a可以是第一线缆部分，并且线缆436b可以是第二线缆部分，每个线缆部分是同一线缆436的一部分。第一卷取滑轮442a将第一线缆436a引导到绞盘441上，并且第二卷取滑轮441b将第二线缆436b引导到绞盘441上。两个线缆436可以缠绕到绞盘441的同一凹槽444上，但是每个线缆436可以在任何给定时间占据凹槽444的不同部分。在图4A-图4D所示的状态下，第一线缆436a占据绞盘441的左半部上的凹槽444的绕组，而第二线缆436b占据绞盘441的右半部上的同一凹槽444的绕组。在此背景下，术语“绕组”是指对应于围绕绞盘441的一个回转的凹槽444的节段。随着更多的第一线缆436a被缠绕到绞盘441上，第二线缆463b同时从绞盘441退绕/展开，并且线缆436的卷取位置将沿着绞盘441向右移动。相反，当第一线缆436a从绞盘441退绕时，第二线缆463b同时更多地缠绕到绞盘441上，并且线缆436的卷取位置将沿着绞盘441向左移动。线缆436的这种缠绕和退绕提供了线缆436的长度保持，如上所述。第一线缆436a的卷取位置456在图4B中图示，并且在下面更详细地讨论。在本文中参考图4A-图4D的取向使用左方向和右方向。

如图4D所示，绞盘441还包括穿过绞盘441的纵向中心轴线的孔458。绞盘441的纵向中心轴线与旋转轴线452对准，这在图4A中示出并在下面更详细地描述。驱动轴443可以是穿过孔458并经由孔458耦接到绞盘441的花键轴。驱动轴443是滚珠花键机构460(也称为花键机构460)的一部分，滚珠花键机构460引起驱动轴443驱动绞盘441的旋转(即，绞盘441随着驱动轴443的旋转而旋转)，同时驱动轴443允许绞盘441沿着驱动轴443的轴向长度平移(即，驱动轴443不限制绞盘441相对于驱动轴443的轴向长度的平移)。在图4D所示的一个示例中，滚珠花键机构460包括周向地围绕驱动轴443并且布置在驱动轴443与绞盘441的孔458的内表面(径向面向内的表面)之间的管461。花键管461具有保持滚珠462的开口，其中滚珠462在滚珠462的一侧与驱动轴443接触，并且在滚珠462的另一侧与绞盘441接触。滚珠462为绞盘441提供相对于轴443的滚动轴承，从而允许绞盘441以很小的摩擦沿着轴443轴向平移。滚珠462也部分地设置在驱动轴443中的凹槽463内，并且部分地设置在与凹槽463相对的孔458的表面(包括凹槽464的孔458的表面在本文中也可以称为径向向内面向表面)中的凹槽464中。凹槽463和464约束滚珠462，使得滚珠462只能沿着驱动轴443和孔458的轴向方向移动。该约束在旋转方面相对于彼此锁定绞盘441和轴443。因此，花键机构460引起驱动轴443驱动绞盘441的旋转，同时还允许绞盘441沿着驱动轴443的长度自由平移。图4D所示的花键机构460仅仅是一个非限制性实施例，并且可以使用任何其他类型的机构，诸如带齿花键、渐开线花键、键槽轴、多边形轴(例如，正方形、六边形)、叶形等。例如，花键机构的另一实施例在图5C中图示并且在下面讨论，并且这可以在绞盘机构440中代替花键机构460来使用。

如图4A-图4D所示，行进绞盘机构440还包括引导元件446。如上所述，在该实施例中，引导元件446被配置为沿着绞盘441旋转和滚动，并且因此引导元件446在本文中也称为引导辊446。如图4D所示，引导辊446通过轴450耦接到支撑结构447。轴450穿过引导辊446中的中心孔(图中不可见)并且容纳在支撑结构447中的狭槽499内。轴450约束引导辊446相对于支撑结构447的平移，同时允许引导辊446围绕旋转轴线451旋转，如图4C和图4D所示。轴承表面存在于引导辊446(在中心孔中)的内直径与轴450的外直径之间、以及狭槽499中的支撑结构447的面与辊446的端面之间。如图所示，这些都是滑动接触/平面轴承(plainbearing)，其可以用油脂或机油润滑以减少摩擦。材料组合或表面处理也可以被选择为减少摩擦、磨损或擦伤。可替代地，轴450可以与辊成一体，并且轴可以在支撑结构447内旋转。在任一种情况下，滑动/平面轴承界面可以用其他类型的轴承代替，诸如以下中的任何一种：深沟球轴承、角接触轴承、圆柱滚子轴承、推力轴承、圆锥滚子轴承等。

引导辊446在绞盘441的凹槽444中与绞盘441接触。因此，当绞盘441旋转时，引导辊446可以沿着绞盘441的外径向表面遵循由凹槽444限定的路径滚动。因为凹槽444围绕并沿着绞盘441螺旋地盘旋，并且当绞盘441旋转时引导辊446跟随凹槽444，所以绞盘441的旋转迫使绞盘441和引导辊446相对于彼此轴向平移。引导辊446相对于支撑结构447保持静止，并且因此绞盘441和引导辊446相对于彼此的轴向平移导致绞盘441相对于支撑结构447的轴向平移。换句话说，当绞盘441旋转时，引导辊446迫使绞盘441沿着驱动轴443平移。

如上所述，当绞盘441旋转时，绞盘441沿着驱动轴443的平移可以防止绞盘441和线缆436的卷取位置之间的卷取角偏差。特别地，当绞盘441在一个方向上旋转时，第一线缆436a在卷取位置456处缠绕到绞盘上，并且卷取位置456相对于绞盘441的轴向长度的轴向位置以绞盘441每次旋转时凹槽444的一个绕组的速率移位。然而，当绞盘441旋转时，引导辊446引起绞盘441相对于卷取滑轮442a在相反方向上轴向平移等于绞盘441每次旋转时凹槽444的一个绕组的宽度的距离。因此，绞盘441在一个方向上的平移抵消了卷取位置456沿着绞盘441的长度在相反方向上的平移，导致卷取位置456在绞盘441旋转时相对于卷取滑轮442a保持静止。因为卷取位置456相对于卷取滑轮442a保持静止，所以线缆436a和绞盘441之间的卷取角θ(参见图4B)在绞盘441旋转时保持恒定。绞盘441在相反方向上的旋转也是如此。尽管上述描述集中于线缆436a和卷取滑轮442，但是相同的描述也适用于其他线缆436(例如，436b)及其相关联的卷取滑轮442(例如，442b)。

在一个实施例中，可选地，可能希望控制卷取角θ，使得当线缆436a从绞盘441缠绕和退绕时，线缆436a与凹槽444对准。这可以在线缆436a缠绕到绞盘441上时减少线缆436a的摩擦和磨损，并且降低线缆436a跳出凹槽444的可能性。换句话说，如果凹槽444的螺旋角为则卷取角θ可以设定为等于/>卷取角θ可以被定义为线缆436的卷取轴线457与在卷取位置456处平行于绞盘的旋转轴线452的线454之间的角度。如图4B所示，卷取轴线457是当线缆436在滑轮卷取位置455和绞盘卷取位置456之间延伸时线缆436延伸的方向，其中滑轮卷取位置455是线缆436接合卷取滑轮442的位置，并且绞盘卷取位置456是线缆436a在其处接合绞盘441的沿着绞盘441的位置。凹槽444的螺旋角对应于凹槽444的斜面与绞盘441的法向平面459之间的角度。螺旋角也可以称为“导程角(lead angle)”。绞盘441的法向平面459是垂直于绞盘旋转轴线452的平面。

在实施例中，引导辊446可以相对于绞盘441的旋转轴线452倾斜，使得引导辊446的法向平面453与凹槽444的斜面更紧密地对准。特别地，如图4C所示，引导辊446的旋转轴线451(引导辊轴线451)可以相对于绞盘441的旋转轴线452(绞盘轴线452)倾斜非零角度(即，引导辊轴线451不平行于绞盘轴线452)，这引起辊446的法向平面453相对于绞盘441的法向平面459倾斜角度/>辊446的法向平面453是垂直于辊446的旋转轴线451的平面。通过相对于法向平面459倾斜法向平面453，引导辊446可以与凹槽444的斜面更好地对准，这可以允许引导辊446在凹槽444内在产生的摩擦更少并且引导辊446跳出凹槽444的可能性更低的情况下更平滑地滚动。更具体地，在一些实施例中，角度/>可以期望地等于凹槽444相对于法向平面459的上述螺旋角(也称为导程角)，这导致引导辊与凹槽444的精确对准。螺旋(导程)角由线缆的直径、凹槽的宽度和螺旋起始的数量确定。在图4A-图4D的实施例中，凹槽444的每个绕组一起相对紧密地间隔开以使绞盘的总轴向长度最小化，但是在其他实施例中，绕组可以更远地间隔开，这导致更大的螺旋(导程)角。具有更远地间隔开的绕组可以允许凹槽壁更高，因为在每个凹槽之间留下更多的材料，但是也导致绞盘431具有更长的轴向长度。

驱动轴443可以耦接到驱动元件445。驱动元件445可以向驱动轴443施加力或扭矩以驱动该驱动轴443的旋转，从而驱动绞盘441的旋转。驱动元件445是上面已经描述的驱动元件345的示例，并且因此将省略驱动元件445的重复性描述。

可选地，行进绞盘机构440还可以包括位置传感器448(参见图4A)。位置传感器448可以感测绞盘441的旋转，并且将该信息(例如，感测到的旋转量)馈送回到控制器，诸如图1的控制系统106。控制器可以使用该信息来监测行进绞盘机构440的状态，包括监测绞盘441已经旋转了多少回转以及在哪些方向上旋转。例如，位置传感器448可以包括旋转编码器，该旋转编码器例如经由齿轮耦接到驱动轴443和/或驱动元件445的一些部分，使得轴443的每次旋转引起旋转编码器旋转预定量。作为另一示例，位置传感器448可以是测量绞盘441的轴向位置的平移传感器。由于绞盘441的旋转耦接到其平移，所以可以从绞盘441的平移推断出绞盘441的旋转量。

绞盘441还可以在凹槽444的每个末端处包括凹槽终端449，其可以允许线缆436的末端部分固定到绞盘441，以确保在绞盘441旋转时线缆436相对于绞盘441没有滑动。例如，凹槽终端449可以包括耦接到凹槽444的末端部分的大致管状结构，其中管状结构在第一区域中具有更大的直径或宽度d₁，并且在第二区域中具有更小的直径或宽度d₂。凹槽终端449可以被配置为使得附粘到线缆436的末端的线缆止动件可以装配在第一区域中的凹槽终端449内，但是不能被拉动穿过具有更小直径的第二区域。因此，线缆436被固定到绞盘441。凹槽终端449的管状结构可以用开口周向地部分地封闭，线缆436可以穿过该开口以使线缆436更容易地插入凹槽终端449中。这是凹槽终端449的一个实施例，并且可以替代地使用其他类型的凹槽终端449。例如，线缆436可以经由紧固件(例如，螺钉、夹持件、栓钉等)、通过焊接、通过捆扎、压接等固定到绞盘441。

图5A-图5C图示了行进绞盘机构540(绞盘机构540或机构540)的另一实施例。行进绞盘机构540可以用于关节、器械或其他线缆驱动装置的线缆驱动系统中，以驱动线缆的移动。例如，行进绞盘机构540可以用于关节230的线缆驱动系统中和/或器械202的线缆驱动系统中，如上面参考图2B所描述的。行进绞盘机构540可以用作行进绞盘机构340。行进绞盘机构540具有与上面已经描述的行进绞盘机构440的对应部分类似的各种部分。对机构440的部分的上述描述同样适用于机构540的对应部分，除非另有说明或在逻辑上矛盾，并且因此可以省略这些部分的详细描述以避免重复性描述。

如图5A-图5C所示，与行进绞盘机构440类似，行进绞盘机构540包括绞盘541、卷取滑轮542(例如，卷取滑轮542a、542b)、驱动轴543、引导元件546、支撑结构547、可选的位置传感器548和驱动元件545。此外，与绞盘441类似，绞盘541具有形成在其径向向外面向表面中的线缆卷绕凹槽544，并且可以包括凹槽终端549。在该实施例中，引导元件546可以沿着绞盘541旋转和滚动，并且因此在本文中也称为引导辊546。

行进绞盘机构540与行进绞盘机构440的不同之处在于三个主要方面：第一，引导辊546和卷取滑轮542在绞盘机构540中与引导辊446和卷取滑轮442在绞盘机构440中不同地定位；第二，使用不同的滚珠花键机构560将绞盘541耦接到驱动轴543；并且第三，位置传感器548位于与位置传感器448不同的位置。

如在图5A中可以部分地看到并且在图5B中更清楚地看到(为了提高可视性，在图5B中省略了支撑结构547)，在机构540中，卷取滑轮542A、542B两者均被定位在支撑结构547的同一侧，即，在支撑结构547的顶面597上或上方，并且引导辊546被定位在支撑结构的相对侧，即，在支撑结构的底面上或下方，其中引导辊546位于围绕绞盘541的纵向轴线的周向位置处，该周向位置偏离卷取滑轮542的周向位置。相比之下，在机构440中，卷取滑轮442a、442b被定位在支撑结构447的相对侧上，并且引导辊446在与卷取滑轮442大致相同的周向位置处定位在两个卷取滑轮442之间(参见例如图4C)。图5A-图5C所示的引导辊546和卷取滑轮542的布置在一些情况下可以是有益的，因为这种布置可以为引导辊546提供更多的空间，并且因此可以使用更大直径的引导辊546和/或可以使用更大直径的轴承550。例如，如图5C所示，轴承550可以是滚珠轴承，包括固定地耦接到支撑结构547的轴承轴551、耦接到引导辊546的轴承毂(凸缘)552、以及在轴承轴551和轴承毂552之间的滚珠(未示出)，以允许轴承毂552相对于轴承轴551旋转。更大的引导辊546和/或更大的轴承550可以允许滚动摩擦的减少。另一方面，图4A-图4C所示的引导辊446的布置可以允许更紧凑的设计。在其他实施例中，引导元件(例如，引导辊446或546)被不同地定位。特别地，引导元件(例如，引导辊446或546)可以位于绞盘的圆周周围的任何位置。

如图5C所示，在行进绞盘机构540中使用的滚珠花键机构560包括耦接到驱动轴543的两个滚珠花键单元566。滚珠花键单元566可以是例如经由紧固件567物理地耦接到绞盘541的独立的(self-contained)滚珠花键单元。在图5C中，紧固件567是固位螺钉(setscrew)，但是在其他实施例中，紧固件567可以是任何类型的机械紧固件，诸如螺栓、铆钉等。在一些实施例中，紧固件567被省略，并且绞盘541通过其他紧固装置(诸如粘合剂、键槽、压配合、焊接等)附接到滚珠花键单元566。在一个实施例中，滚珠花键单元566是再循环滚珠花键(在本文中也称为再循环滚珠花键单元)。具有再循环滚珠花键的滚珠花键机构560的使用可以为绞盘541提供更大的平移运动范围。另一方面，滚珠花键机构560可能需要比滚珠花键机构460中更大的孔558直径，并且这与紧固件567的高度一起可以导致绞盘541的整体尺寸(例如，径向宽度)大于绞盘441的整体尺寸。

如图5A和图5B中所见，位置传感器548被定位在轴543的与驱动元件545相对的末端处，而不是如机构440中那样在驱动元件545附近。一个位置传感器548可以直接耦接到轴543，而另一位置传感器548可以经由齿轮耦接到轴543或耦接到另一传感器548。在一些实施例中，包括多个传感器548以利于确定在多个匝内的绝对位置。例如，传感器548可以包括可以被齿轮传动的旋转编码器，使得一个传感器548的编码器不像另一个那样快速地旋转，并且通过计算传感器548的编码器之间的偏移，可以确定在多个匝内的绝对位置。本领域普通技术人员将理解，可以根据需要使用具有各种放置的任何数量的位置传感器，以获得对绞盘的精确控制和/或用于冗余。

行进绞盘机构540的操作原理与上面已经描述的行进绞盘机构440的操作原理相同，并且因此省略了其重复性描述。

行进绞盘机构440和540在本文中被描述为行进绞盘机构340的说明性实施例，但不应被视为限制。本文设想的其他行进绞盘机构包括关于机构440和机构540描述的各种部件和特征的混合。特别地，引导辊446/546和滑轮442/542的定位、所使用的滚珠花键机构460/560的类型、以及位置传感器448/548的定位和数量可以由本领域普通技术人员基于各种因素(诸如总体空间要求、摩擦考虑、成本等)根据需要来进行选择。另外，在类似于机构440和/或540的行进绞盘机构的实施例中可以使用各种其他类型的引导元件来代替引导辊446/546。例如，引导辊446或546可以用不沿着绞盘441/541旋转或滚动的引导元件代替，诸如非旋转盘、楔形件、臂、具有与凹槽441/541类似的螺旋角并且被配置为与凹槽441/541接合(例如，至少部分地配合在凹槽441/541内)的凸螺旋节段、或可以与凹槽441/541接合的任何其他刚性构件。

另外，在一些示例性实施例中，绞盘可以相对于某个参考点(诸如驱动绞盘的驱动元件、绞盘耦接到其上的操纵器的连杆、支撑操纵系统的地面等)平移静止，并且绞盘和卷取滑轮的相对运动可以通过卷取滑轮相对于参考点平移来提供。在这种情况下，引导元件和卷取滑轮可以被安装到可移动子结构，该可移动子结构可相对于绞盘在轴向方向上平移。例如，子结构可以被安装到轨道或其他机构，该轨道或其他机构允许子结构在基本上平行于绞盘的旋转轴线的方向上移动。子结构可以代替上述支撑结构447/547，并且引导元件和卷取滑轮可以以与卷取滑轮442/452耦接到支撑结构447/547相同或类似的方式耦接到子结构。在这些实施例中，引导元件以与上面关于机构440/450描述的相同的方式与绞盘凹槽接合，并且因此当绞盘旋转时，引导元件和凹槽之间的相互作用以与上面描述的相同的方式迫使卷取滑轮和绞盘之间的相对平移，除了在这种情况下，子结构以及因此附接到子结构的卷取滑轮相对于参考点平移。在该示例中，因为绞盘不平移，所以驱动绞盘运动的轴不一定需要是花键轴，并且也可以省略花键元件。在这些实施例中，绞盘机构的其他方面可以类似于上述绞盘机构440/540的那些方面，并且因此省略了这些细节的重复性描述。

如上所述，本文描述的实施例可以减轻卷取角偏差，同时还允许相对紧凑的绞盘机构和相对低的摩擦。现在将更详细地提供实施例如何带来这些益处的解释。

如上所述，在一些实施例中，驱动系统(例如，行进绞盘机构、滑轮等)在径向方向上的尺寸与缺少用于引起绞盘行进的约束机构(例如，引导辊)的类似驱动系统在径向方向上的尺寸相同或仅略大于缺少用于引起绞盘行进的约束机构(例如，引导辊)的类似驱动系统在径向方向上的尺寸。例如，由于约束机构(例如，引导辊)相对小和/或位于在没有这种约束机构的情况下驱动系统中否则未被占据的空间中，这可以被实现。例如，在图4A-图4D的实施例中，引导辊446在否则未被占据的空间区域中在卷取滑轮442a、442b之间径向地邻近绞盘定位，并且因此添加引导辊446不会增加驱动系统在径向方向上的尺寸。而且，即使在约束机构确实增加了驱动系统在径向方向上的大小的实施例中，该增加也可能很小，特别是当与设计用于解决卷取角偏差的其他方法的大小增加相比时。具体地，在上述依赖于使卷取滑轮径向远离绞盘移动的替代方法中，驱动系统的包络可能需要在径向方向上显著增加，以便允许卷取滑轮足够远离绞盘以充分减小卷取角偏差。

另外，在一些实施例中，用于本文描述的行进绞盘机构的驱动系统在轴向方向上的尺寸也小于其他替代方法中的尺寸。例如，图9A-图9F图示了上述替代方法的行进绞盘791与本文公开的行进绞盘741的实施例之间的轴向长度的差异，该行进绞盘791利用螺纹来引起绞盘791的平移。替代方法的行进绞盘791具有与螺纹通道793接合的螺纹毂792，并且沿着轴794行进。卷取滑轮742将线缆引导到绞盘741上。图9A-图9C图示了第二方法的绞盘791行进通过其整个运动范围。根据本文公开的实施例的行进绞盘741包括与绞盘的凹槽接合的引导元件746，并且沿着轴743行进。图9D-图9F图示了本文公开的绞盘741行进通过其整个运动范围。通过比较图9C和图9D可以看出，第二方法中的毂792的长度可以导致组件所需的总轴向长度长于本文公开的绞盘741所需的轴向长度。在一些情况下，长度差ΔL可以几乎与绞盘本身一样长。因此，在一些情况下，与用于解决卷取角度偏差的其他解决方案相比，本文公开的实施例可以在径向尺寸、轴向尺寸或两者上更紧凑。

此外，如上所述，在本文公开的实施例中产生的摩擦可以小于替代方法中产生的摩擦。由引起绞盘和卷取滑轮的相对运动的约束机构产生的一个摩擦源是滑动摩擦，这是由于当绞盘旋转时引导元件的侧表面相对于凹槽的侧表面滑动。然而，引导元件的侧表面和凹槽的侧表面之间的滑动接触区域在任何给定时间都具有相对小的表面积，并且因此由该接触产生的滑动摩擦相对小。通过为引导元件选择相对润滑的材料(诸如PTFE(聚四氟乙烯)、UHMW(超高分子量聚乙烯)、乙缩醛、黄铜或青铜、Nitronic 60或其他类似材料)可以进一步最小化这种滑动摩擦。而且，在引导元件是滚动部件(诸如引导辊446或546)的示例中，引导元件沿着凹槽的滚动动作甚至可以进一步减小所产生的滑动摩擦。滚动部件的旋转可以产生支撑滚动部件的轴承的一些旋转摩擦，但是轴承的这种旋转摩擦可能很小，特别是在使用诸如滚珠轴承或滚子轴承的低摩擦轴承的情况下。因此，由约束机构与绞盘的相互作用产生的总摩擦相对小。相比之下，在上述第二方法中，当轴在相对大的滑动接触面积的情况下并且在没有滚动动作的情况下旋转时，螺纹毂和螺纹通道相对于彼此滑动，并且因此产生更多的摩擦。

图6图示了利用备用线缆的棱柱关节的另一实施例。如上所述，可以包含备用线缆以允许整个棱柱关节在对应的主线缆损坏的情况下维持操作，从而允许操纵器系统的不间断的正常操作。此外，备用线缆的使用可以增加装置的安全性，并且防止由线缆驱动的机构在主线缆失效的情况下无意且不期望的移动。此外，备用线缆的使用会增加系统维护之间的时间。此外，当使用两根或更多根线缆时，可以使其直径比在仅使用一个线缆的情况下更小，因为更小直径线缆的组合强度可以等于更大直径线缆的强度。此外，使用更小直径线缆可以减小线缆在它们围绕滑轮和绞盘盘绕时所经受的弯曲应力。

棱柱关节630是棱柱关节330的一个实施例，并且包括主线缆636(例如，线缆636a、636b)和备用线缆676(例如，线缆676a、676b)。如图所示，第一备用线缆676A与第一主线缆636A并排布线，并且两者都耦接到滑架基座632的第一侧以使滑架基座632在远侧方向上移动。第二备用线缆676b与第二主线缆636b并排布线，并且两者都可以耦接到滑架基座632的第二侧以使滑架基座632在近侧方向上移动。

如上所述，备用线缆676可以被配置为在同时使用时经受比主线缆636更小的应力。在一个实施例中，如图7的示意图所示，这通过将弹簧691与备用线缆676串联耦接来实现。例如，弹簧691a和691b可以分别与备用线缆676a和676b串联耦接。弹簧691可以具有在主线缆636的刚度的50％至1000％的范围内的刚度。在一些实施例中，弹簧691的刚度可以在主线缆636的刚度的50％至400％的范围内。弹簧691的具体位置和配置可以与图6B所示的位置和配置不同。例如，当备用线缆676在主线缆636实际上失效时开始接管全部工作负载时，弹簧691可以偏移以考虑工作负载下的拉伸。将弹簧691与备用线缆676串联耦接减小了备用线缆676经受的应力，因为与主线缆636相比，串联耦接减小了备用线缆676在负载下被拉伸的量(例如，长度的变化量)。特别地，因为备用线缆676和弹簧691串联，所以当施加拉伸载荷时，它们都将经受拉伸，并且备用线缆加弹簧691的组合组件的拉伸总距离是其各自拉伸的总和。换句话说：d_总＝d_备用+d_弹簧，其中d表示拉伸的距离。此外，因为主线缆636和备用线缆和弹簧组件平行布置以分担负载，所以它们必须拉伸相同的量。换句话说，d_主＝d_总＝d_备用+d_弹簧。由此可以看出，备用线缆676被拉伸的距离(d_备用)必须小于主线缆636被拉伸的距离(d_主)，其中差等于弹簧691被拉伸的距离(d_弹簧)。每个线缆在负载下经受的应力与相应线缆被拉伸的距离(连同线缆的其他性质)有关，并且因此，在所有其他条件相同的情况下，备用线缆676经受比主线缆636更小的应力，因为它被拉伸更小的距离。

在另一实施例中，备用线缆676可以具有使它们能够经受比主线缆636更小的应力的材料性质。例如，备用线缆676可以由具有比主线缆636的弹性模量更低的弹性模量的材料制成。示例性材料配对将是由钢合金、不锈钢合金或钴铬合金(都是大约190-230GPa弹性模量)制成的主线缆与由钛或钛合金(大约90-120GPa弹性模量)制成的备用线缆配对。类似地，由钨合金或掺杂钨(大约400GPa弹性模量)制成的主线缆可以与由钢合金、不锈钢合金或钴铬合金制成的备用线缆配对以实现相同的效果。减小备用线缆676与主线缆636相比的弹性模量减小了备用线缆676与主线缆636相比的应力。特别地，每个线缆所经受的应力不仅与其拉伸的距离有关，而且与线缆的弹性模量(以及其他性质)有关。因此，在所有其他条件相同的情况下，具有更低弹性模量的线缆将经受更小的应力。

尽管上面关于棱柱关节和绞盘机构描述了备用线缆676，但是应当理解，备用线缆676可以与使用绞盘机构的任何线缆驱动关节(诸如旋转关节)一起使用。另外，尽管线缆636a、636b、676a和676b被图示为都盘绕在同一绞盘上，但是在一些实施例中，可以为线缆组和/或单独的线缆提供多个绞盘。例如，线缆636a和676a可以被布线到第一绞盘，并且线缆636b和676b可以被布线到第二绞盘。

图8A图示了被设计成卷绕主线缆636和备用线缆676两者的行进绞盘机构640(也称为绞盘机构640或机构640)的实施例。行进绞盘机构640包括绞盘641和卷取滑轮642(例如，卷取滑轮642a和642b)。行进绞盘机构640还具有与绞盘机构440和540的部件类似的附加部件，并且机构640的操作原理可以类似于机构440和540的操作原理，除非下面另有说明。特别地，行进绞盘机构640包括与凹槽644a、644b中的一个接合的引导元件(未示出)，该引导元件可以与引导辊446或546类似地进行配置。此外，在一些实施例中，行进绞盘机构640包括与花键机构460或560类似以允许绞盘641平移的花键机构(未示出)、以及与驱动元件445或545类似以驱动绞盘641旋转的驱动元件。在其他实施例中，绞盘641被平移地固定，并且卷取滑轮642平移，如上所述。行进绞盘机构640的这些部件中的与机构440/540的部件类似的一些部件从图8A中省略以改进可见性，并且这些类似部件及其操作原理的重复性描述也被省略。

机构640包括卷取滑轮642a、642b，其类似于卷取滑轮442或542，除了卷取滑轮642a、642b可以具有两个凹槽以接收主线缆636和备用线缆676两者。在图8A中，卷取滑轮642a、642b被描绘为更远离绞盘641，以便改进图中其他部件的可见性，但是实际上卷取滑轮642a、642b可以被不同地定位。例如，卷取滑轮642a、642b可以分别以与卷取滑轮442a、442b相同的方式布置，或分别以与卷取滑轮542a、542b相同的方式布置。尽管在该示例中，单个卷取滑轮642支持两个线缆636、676的布线，但是在其他示例中，每个主线缆和每个备用线缆可以具有其自己的单独的卷取滑轮。

行进绞盘机构640还包括绞盘641，如图8A和图8B所示。绞盘641类似于绞盘441和绞盘541，除了绞盘641包括两个凹槽644a和644b而不是一个凹槽444、544。两个凹槽644a、644b以双螺旋构造布置，其中凹槽644a、644b围绕并沿着绞盘641螺旋地盘旋，使得凹槽644a、644b的各个绕组645交错或交替。在该背景下，术语“绕组”是指对应于围绕绞盘641的一个回转的凹槽644a或644b的节段。换句话说，如图8B所示，沿着绞盘641的长度从左到右轴向地检查，绕组645在凹槽644a、644b之间交替，使得第一绕组645a_1是凹槽644a的一部分，第二绕组645b_1是凹槽644b的一部分，第三绕组645a_2是凹槽644a的一部分，并且第四绕组645b_2是凹槽644b的一部分，以此类推。

凹槽644a、644b可以终止于与凹槽终端449和549类似的凹槽终端649中。然而，在绞盘641中，存在四个凹槽终端649A-649D，每个凹槽644A、644B两个凹槽终端。在绞盘641的每个末端处，凹槽终端649中的两个彼此布置在绞盘641的相对侧上(即，围绕绞盘641的圆周间隔开180度)。

图10图示了操作操纵器系统的棱柱关节(诸如棱柱关节230或330)的方法800的实施例。方法800可以例如由操纵器系统的控制器执行，该控制器可以例如执行存储的机器可读代码，该机器可读代码包括用于执行该方法的操作的指令。方法800也可以例如由操纵器系统的用户执行。在一些示例中，用户可以借助于不管用户是否“直接”执行各个动作都引起操作被执行的方式操作操纵器系统来执行操作。例如，用户可以借助于在操纵器系统的输入装置处提供输入命令来执行方法800，其中输入命令为使得它引起系统执行操作。

方法800包括通过旋转绞盘以将线缆缠绕到绞盘的线缆卷绕凹槽上来驱动操纵器系统的关节的平移(方框810)。关节可以是任何线缆驱动关节，诸如，例如关节230或330。绞盘可以是具有用于缠绕线缆的线缆卷绕凹槽的任何绞盘，例如，绞盘341、441、541或641中的一个。旋转绞盘可以包括操作驱动元件(诸如马达)以将扭矩施加到耦接到绞盘的驱动轴。在一些实施例中，驱动轴可以是允许绞盘沿着轴轴向平移的花键驱动轴。在其他实施例中，驱动轴不允许绞盘沿着轴轴向平移。驱动元件可以是能够向驱动轴施加扭矩和旋转运动的任何装置，诸如驱动元件345、445或545中的一个。线缆可以附接到关节的可移动元件(诸如滑架基座232、332)，使得线缆缠绕到绞盘上沿着路径拉动可移动元件，从而驱动关节的移动。

方法800还可以包括当绞盘旋转时通过使引导元件与线缆卷绕凹槽接合而引起绞盘相对于卷取滑轮平移，所述卷取滑轮将线缆布线到绞盘上和从绞盘离开(方框820)。在一些实施例中，引导元件是引导辊，并且使引导元件与线缆卷绕凹槽接合包括使引导辊在线缆卷绕凹槽中沿着绞盘的表面滚动。在这样的实施例中，引导辊可以是具有大致轮状或盘状形状的任何可旋转元件，其具有横截面具有大致圆形(例如，圆环形)轮廓的周向滚动表面，其中周向滚动表面的尺寸和形状被设计成使得引导辊可以在线缆卷绕凹槽的凸起部分之间被至少部分地接收在线缆卷绕凹槽内。例如，引导辊可以是引导辊446或546中的一个。在一些示例中，因为引导辊与线缆卷绕凹槽接合，所以绞盘的旋转将由于摩擦而自动地引起引导辊在线缆卷绕凹槽中沿着绞盘的表面滚动。引导辊的滚动不一定是连续的——例如，由于不可避免的公差，引导辊可能偶尔失去与绞盘的接触并在短时间内停止滚动，并且然后在再次与绞盘接触时恢复滚动。在其他实施例中，引导元件不滚动或旋转。引导元件(无论是否滚动)在线缆卷绕凹槽中的接合引起线缆卷绕凹槽的侧表面和引导元件的侧表面彼此推靠，因为线缆卷绕凹槽沿着绞盘的长度轴向向下螺旋。因为引导元件相对于卷取滑轮保持轴向静止，同时发生绞盘和卷取滑轮之间的相对平移，所以引导元件抵靠凹槽的这种推动引起绞盘和卷取滑轮相对于彼此平移。在一些实施例中，绞盘可以沿着其驱动轴轴向平移，并且引导元件和卷取滑轮相对于驱动轴保持平移静止，并且因此在这样的实施例中，绞盘和卷取滑轮的相对移动包括绞盘沿着其轴轴向平移。绞盘可以借助于滚珠花键机构(诸如滚珠花键机构460或560中的一个)而被允许沿着其驱动轴平移。在其他实施例中，绞盘相对于参考点(例如，其驱动轴)平移静止，并且引导元件和卷取滑轮被允许相对于参考点平移，并且因此在这样的实施例中，绞盘和卷取滑轮的相对移动包括卷取滑轮相对于绞盘轴向平移。引导元件和卷取滑轮可以借助于耦接到可相对于绞盘平移的支撑结构而被允许平移。

应当注意，框810和820的操作在本文中是分开描述的，但是这并不意味着它们是因果独立的操作或它们以任何特定的执行顺序来执行。在一些实施例中，框810和820的操作可以同时执行，并且在一些示例中，框810和820的操作可以由相同的底层动作或因果相关动作的集合产生、引起、或是相同的底层动作或因果相关动作的集合的组成部分。例如，旋转绞盘的动作(例如，经由驱动元件的旋转)可以导致框810和框820的操作被同时执行。

图11图示了制造操纵器系统的线缆驱动关节(诸如棱柱关节230或330)的方法900的实施例。方法900包括经由允许绞盘沿着驱动轴平移的滚珠花键机构将绞盘耦接到驱动元件(框910)。绞盘可以是例如绞盘341、441、541或641中的一个。驱动元件可以是能够向驱动轴施加扭矩和旋转运动的任何装置，诸如驱动元件345、445或545中的一个。滚珠花键机构可以是能够驱动绞盘旋转同时还允许绞盘沿着驱动旋转的轴平移的任何滚珠花键机构，诸如滚珠花键机构460或560中的一个。

方法900还包括将引导元件与绞盘的线缆卷绕凹槽接合使得引导元件响应于绞盘的旋转而迫使绞盘沿着驱动轴轴向平移(方框920)。引导元件可以是能够与绞盘的线缆卷绕凹槽接合的任何刚性结构，包括可旋转元件(引导辊)或不可旋转元件。例如，引导元件可以是引导辊446或546中的一个。将引导元件与线缆卷绕凹槽接合可以包括将引导元件耦接到支撑结构并且将绞盘耦接到支撑结构，使得引导元件的表面被至少部分地接收在线缆卷绕凹槽内。引导元件和绞盘可以同时或以任何顺序耦接到支撑结构。在引导元件是可旋转引导辊的示例中，引导辊通过旋转轴承耦接到支撑结构，使得引导辊相对于支撑结构保持轴向静止。绞盘(直接地或经由中间部件间接地)通过驱动轴耦接到支撑结构，驱动轴相对于支撑结构轴向静止。在一些示例中，使引导辊与线缆卷绕凹槽接合还可以包括倾斜引导辊的旋转轴线，以便引导辊的旋转轴线不平行于绞盘的旋转轴线。在一些示例中，引导辊的旋转轴线的倾斜可以为使得所述引导辊与所述线缆螺旋凹槽的上升角对准。换句话说，引导辊的法向平面与绞盘的法向平面之间的角度等于凹槽的上升角。在一些示例中，将引导辊耦接到支撑结构可以包括将引导辊定位成使得它占据耦接到支撑结构的两个卷取滑轮之间以及卷取滑轮和绞盘之间的空间区域。

图12A和图12B图示了包括利用行进绞盘机构的线缆驱动系统的器械1202的实施例。器械1202可以用作器械202或102。在一些实施例中，器械1202是医疗器械，诸如外科手术器械。在其他实施例中，器械1202是非医疗(例如，工业)器械。

器械1202包括器械传动壳体1292、耦接到器械传动壳体1292的轴1291、以及附接到轴1291的远端部分的末端执行器(未示出)。可选地，在一些实施例中，轴1291可以耦接到器械传动壳体1292的近端部分。末端执行器可以被配置为执行一个或多个操作，诸如抓握、切割、递送通量、吻合等。可以使用所期望的任何类型的末端执行器。各种末端执行器是本领域普通技术人员所熟悉的，并且因此本文中未详细说明或描述末端执行器。在一些实施例中，末端执行器或器械的一些其他部分也可以例如经由腕部机构(未示出)相对于轴1291可移动。

器械传动壳体1292包括被配置为将器械1202耦接到操纵器的接口部分1296。例如，在一些实施例中，接口部分1296被配置为将器械1202耦接到器械滑架，诸如上述器械滑架220。器械传动壳体1292还包括与操纵器的驱动输出端(诸如器械滑架220的驱动输出端222)对接并且由操纵器的驱动输出端(诸如器械滑架220的驱动输出端222)驱动的驱动输入端1222。驱动输入端1222可以直接与操纵器的驱动输出端对接，或它们可以经由诸如ISA的中间体与操纵器的驱动输出端对接。ISA可以被放置在接口部分1296和器械滑架220之间，以维持器械1202和操纵器之间的无菌分离。在图12A和图12B中，仅图示了一个驱动输入端1222，但是在实践中，在接口部分1296中也可以包括各种类型的附加驱动输入端1222。

器械传动壳体1292还包括力传递机构，以将由控制机构的致动器(例如，来自操纵器的驱动输出端)驱动的驱动输入端1222的运动转换成驱动器械1202的自由度和/或致动末端执行器的功能的运动。具体地，在图12A和图12B的实施例中，力传递机构包括行进绞盘机构1240，行进绞盘机构1240包括绞盘1241、驱动轴1243、引导元件1246和一个或多个卷取滑轮1242。行进绞盘机构1240可以类似于上述行进绞盘机构340、440、540和640中的任一个，具有如下所述并且对于本领域普通技术人员显而易见的各种修改。行进绞盘机构1240包括绞盘1241。绞盘1241可以类似于上述绞盘341、441、541和641中的任何一个，并且包括一个或多个凹槽，所述一个或多个凹槽围绕绞盘螺旋地盘旋，以在绞盘1241旋转时将线缆1236卷绕在绞盘1241上和从绞盘1241离开。在行进绞盘机构1240中，驱动轴1243耦接到驱动输入端1222并由驱动输入端1222驱动旋转。延伸穿过轴1291的线缆1236经由卷取滑轮1242布线到绞盘1241和从绞盘1241布线。行进绞盘机构1240被配置为响应于绞盘1241的旋转而提供卷取滑轮1242和绞盘1241之间的相对平移。具体地，绞盘机构1240包括引导元件1246，以与绞盘1241中的凹槽接合，并且从而在绞盘1241旋转时引起绞盘1241和卷取滑轮1242之间的相对平移。引导元件1246相对于卷取滑轮1242被平移地固定，同时在引导元件1246和绞盘1241之间存在相对平移。因此，当绞盘1241旋转时引导元件1246与绞盘1241中的凹槽的壁之间的相互作用迫使绞盘1241与卷取滑轮1242之间的相对平移。卷取滑轮1242和引导元件1246可以耦接到支撑结构(未示出)并由该支撑结构支撑。

在所图示的实施例中，绞盘1241和卷取滑轮1242的相对平移包括绞盘1241相对于器械传动壳体1292平移，而卷取滑轮1242相对于器械传动壳体1292保持平移静止。具体地，在所图示的实施例中，卷取滑轮1242和引导元件1246都耦接到器械传动壳体1292并且相对于器械传动壳体1292平移静止，并且因此引导元件1246与绞盘1241的相互作用迫使绞盘相对于器械传动壳体1292平移。在所图示的实施例中，驱动轴1243是驱动绞盘1241的旋转同时允许绞盘1241沿着驱动轴1243轴向平移的花键驱动轴。上述任何驱动轴机构可以用于为绞盘1241提供平移。

在其他实施例中，卷取滑轮1242可以相对于器械传动壳体1292平移，而绞盘1241相对于器械传动壳体1292平移静止。例如，支撑结构(未示出)可以耦接到卷取滑轮1242和引导元件1246，并且支撑结构可以相对于器械传动壳体1292可平移。

线缆1236可以控制器械1202的移动自由度和/或致动器械1202的功能。例如，线缆1236可以由绞盘机构1240移动以引起器械1202的元件的移动，诸如末端执行器的切割刀片的平移、或轴的一部分的移动(例如，伸缩)、和/或腕部或末端执行器的关节运动。

应当理解，一般描述和详细描述两者都提供了本质上是解释性的示例性实施例，并且旨在提供对本公开的理解而不限制本公开的范围。在不脱离该描述和权利要求的精神和范围的情况下，可以进行各种机械、组成、结构、电气和操作改变。在一些情况下，为了不混淆实施例，没有详细示出或描述公知的电路、结构和技术。两个或更多个附图中的相同数字表示相同或类似的元件。

此外，本文中用于描述本发明的各方面的术语(诸如空间和关系术语)被选择为帮助读者理解本发明的示例性实施例，但不旨在限制本发明。例如，空间术语(诸如“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”、“近侧”、“远侧”、“向上”、“向下”和诸如此类)可以在本文中用于描述如附图中所示的方向或一个元件或特征相对于另一元件或特征的空间关系。这些空间术语相对于附图使用，并且不限于现实世界中的特定参考系。因此，例如，附图中的方向“向上”不一定必须对应于世界参考系中的“向上”(例如，远离地球表面)。此外，如果考虑与附图中所示的参考系不同的参考系，则本文使用的空间术语可能需要在该不同的参考系中被不同地解释。例如，相对于附图中的一个被称为“向上”的方向可以对应于相对于从附图的参考系旋转180度的不同参考系被称为“向下”的方向。作为另一示例，如果与装置如何在附图中图示相比，装置在世界参考系中被翻转180度，则在本文中被描述为相对于附图在第二物品“上方”或“上面”的物品将相对于世界参考系在第二物品“下方”或“下面”。因此，取决于正在考虑哪个参考系，可以使用不同的空间术语来描述相同的空间关系或方向。此外，附图中所示的物品的姿态被选择为便于说明和描述，但是在实践的实施方式中，物品可以被不同地摆放姿态。

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”、“包括了”、“包含”等指定所阐述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。除非另外特别指出，否则被描述为耦接的部件可以电气地或机械地直接耦接，或它们可以经由一个或多个中间部件间接地耦接。除非该描述的上下文另有说明，否则数学和几何术语不一定旨在根据其严格定义来使用，因为本领域普通技术人员将理解，例如，以基本上相似的方式起作用的基本上相似的元件可以容易地落入描述性术语的范围内，即使该术语也具有严格的定义。

只要可行，参考一个实施例详细描述的元件及其相关联方面可以包括在没有具体示出或描述它们的其他实施例中。例如，如果元件参考一个实施例详细描述而没有参考第二实施例描述，则该元件仍然可以被要求保护为包括在第二实施例中。

如本文所使用的，“近侧”和“远侧”是基于其与运动学链的两个末端的关系来描述位置或方向的空间/方向术语。“近侧”与更靠近链的基座或支撑件的运动学链的末端相关联，而“远侧”与通常包括器械的末端执行器的运动学链的相对末端相关联。因此，“近侧”位置是相对更靠近运动学链的基座的位置。例如，连杆的“近端部分”是指比连杆的其余部分更靠近运动学链的基座的连杆的部分。相反，“远侧”位置是相对更远离运动学链的基座的位置。例如，连杆的“远端部分”是指比连杆的其余部分更远离运动学链的基座的连杆的部分。上面使用的术语更靠近和更远离是指沿着运动学链的接近度，而不是绝对距离。“近侧”和“远侧”方向分别是大致指向近侧位置或远侧位置的方向。例如，每个连杆可以被描述为具有相关联的近侧和远侧方向，其中连杆的近侧方向通常从其远端周围指向其近端周围，并且其中远侧方向通常从其近端周围指向其远端周围的某处。应当理解，对于给定的运动学链，可以存在可以根据上下文被描述为“近侧”或“远侧”的许多不同的方向，因为可以存在许多连杆以及那些连杆的许多可能姿态。例如，关于一个连杆描述的“远侧”方向可以相对于世界参考系对角地向下指向，而关于与第一连杆成角度的另一连杆描述的“远侧”方向可以相对世界参考系对角地向上指向。此外，如果连杆的姿态改变，则与连杆相关联的近侧方向和远侧方向可以改变。因此，不是存在单个“近侧”或“远侧”方向，而是存在许多可能的“近侧”或“远侧”方向，这取决于上下文。在附接到操纵器的器械的背景下，“近侧”是指附接到操纵器的器械的末端，而“远侧”是指具有末端执行器的器械的相对末端。在外科手术程序的背景下，运动学链的“远”端是插入患者内的末端，并且因此“远侧”也可以用于指代更靠近患者的位置或插入患者内的方向，而“近侧”可以指代更远离患者的位置或从患者移除的方向。

Claims (33)

1.一种绞盘机构，包括：

绞盘，所述绞盘包括外表面；

凹槽，所述凹槽在所述绞盘的所述外表面中，所述凹槽被配置为接收线缆，并且在所述绞盘旋转时引导所述线缆卷绕到所述绞盘上；

卷取滑轮，所述卷取滑轮用于将所述线缆布线到所述绞盘上和从所述绞盘离开；以及

引导元件，所述引导元件与所述凹槽接合，所述引导元件响应于所述绞盘的旋转而引起所述绞盘与所述卷取滑轮之间的相对平移。

2.根据权利要求1所述的绞盘机构，其中：

所述绞盘与所述卷取滑轮之间的所述相对平移包括所述绞盘相对于驱动所述绞盘的旋转的驱动轴平移，同时所述卷取滑轮相对于所述驱动轴平移静止。

3.根据权利要求2所述的绞盘机构，还包括：

支撑结构，所述支撑结构相对于所述驱动轴平移静止，其中所述引导元件和所述卷取滑轮耦接到所述支撑结构并且相对于所述支撑结构平移静止，并且所述绞盘能够相对于所述支撑结构平移移动。

4.根据权利要求3所述的绞盘机构，其中：

所述引导元件是可旋转地耦接到所述支撑结构并且被配置为沿着所述凹槽滚动的引导辊。

5.根据权利要求4所述的绞盘机构，其中：

所述绞盘具有绞盘旋转轴线，

所述引导辊具有引导辊旋转轴线，并且

所述引导辊旋转轴线不平行于所述绞盘旋转轴线。

6.根据权利要求4所述的绞盘机构，其中：

所述凹槽相对于所述绞盘的法向平面以螺旋角围绕所述绞盘螺旋地盘旋，所述绞盘的所述法向平面垂直于所述绞盘旋转轴线，并且

所述引导辊的法向平面与所述绞盘的所述法向平面之间的角度等于所述凹槽的所述螺旋角，所述引导辊的所述法向平面垂直于引导辊旋转轴线。

7.根据权利要求2所述的绞盘机构，还包括：

滚珠花键机构，所述滚珠花键机构包括所述驱动轴和定位在所述驱动轴与所述绞盘之间的滚珠轴承，

其中所述驱动轴是花键驱动轴，并且所述花键驱动轴的旋转引起所述绞盘的旋转，并且所述绞盘能够相对于所述花键驱动轴平移移动。

8.根据权利要求7所述的绞盘机构，其中：

所述滚珠花键机构包括在所述花键驱动轴中的第一凹槽、在所述绞盘的孔的径向向内面向表面中的第二凹槽、以及在所述花键驱动轴与所述绞盘之间的管，所述管被配置为保持所述滚珠轴承，所述滚珠轴承与所述第一凹槽和所述第二凹槽接合。

9.根据权利要求7所述的绞盘机构，其中：

所述滚珠花键机构包括耦接到所述绞盘并且可滑动地耦接到所述花键驱动轴的再循环滚珠花键单元。

10.根据权利要求1所述的绞盘机构，其中：

所述凹槽是围绕所述绞盘的所述外表面螺旋地盘旋的第一凹槽，并且所述绞盘机构还包括围绕所述绞盘的所述外表面螺旋地盘旋的第二凹槽。

11.根据权利要求10所述的绞盘机构，还包括：

一根或多根第一线缆，每根第一线缆在所述第一凹槽的至少一部分中缠绕到所述绞盘上；以及

一根或多根第二线缆，每根第二线缆在所述第二凹槽的至少一部分中缠绕到所述绞盘上。

12.根据权利要求11所述的绞盘机构，其中：

所述一根或多根第二线缆被配置为经受比所述一根或多根第一线缆更小的应力。

13.根据权利要求12所述的绞盘机构，还包括：

一个或多个弹簧，每个弹簧与所述一根或多根第二线缆中的对应一根串联耦接。

14.根据权利要求12所述的绞盘机构，其中：

所述一根或多根第二线缆具有比所述一根或多根第一线缆更低的弹性模量。

15.根据权利要求1所述的绞盘机构，其中：

所述绞盘与所述卷取滑轮之间的所述相对平移包括所述卷取滑轮相对于驱动所述绞盘的旋转的驱动轴平移，同时所述绞盘相对于所述驱动轴平移静止。

16.根据权利要求15所述的绞盘机构，还包括：

支撑结构，其中所述引导元件和所述卷取滑轮耦接到所述支撑结构并且相对于所述支撑结构平移静止，并且所述支撑结构能够相对于所述绞盘平移移动。

17.根据权利要求1所述的绞盘机构，其中：

所述凹槽围绕所述绞盘的所述外表面螺旋地盘旋。

18.一种器械，包括：

轴；以及

器械传动壳体，所述器械传动壳体耦接到所述轴，所述器械传动壳体包括：

驱动输入端，所述驱动输入端被配置为由控制机构的致动器驱动，以及

根据权利要求1至17中任一项所述的绞盘机构，其中所述绞盘机构耦接到所述驱动输入端。

19.一种用于支撑和远程致动器械的操纵器系统，包括：

操纵器，所述操纵器包括第一连杆、器械滑架和相对于所述第一连杆耦接所述器械滑架的关节，其中：

所述器械滑架被配置为支撑器械；

所述关节包括：

绞盘机构；

一根或多根线缆，所述一根或多根线缆耦接到所述器械滑架；以及

一个或多个滑轮，所述一个或多个滑轮将所述线缆布线在所述器械滑架与所述绞盘机构之间，其中所述绞盘机构包括：

绞盘，所述绞盘包括外表面；

凹槽，所述凹槽在所述绞盘的所述外表面中，所述凹槽被配置为接收线缆，并且在所述绞盘旋转时引导所述线缆卷绕到所述绞盘上；

一个或多个卷取滑轮，所述一个或多个卷取滑轮用于将所述一根或多根线缆布线到所述绞盘上和从所述绞盘离开；以及

引导元件，所述引导元件与所述凹槽接合，所述引导元件响应于所述绞盘的旋转而引起所述绞盘与所述一个或多个卷取滑轮之间的相对平移。

20.根据权利要求19所述的操纵器系统，其中：

所述绞盘与所述一个或多个卷取滑轮之间的所述相对平移包括所述绞盘相对于驱动所述绞盘的旋转的驱动轴平移，同时所述一个或多个卷取滑轮相对于所述驱动轴平移静止。

21.根据权利要求20所述的操纵器系统，还包括：

滚珠花键机构，所述滚珠花键机构包括所述驱动轴和在所述驱动轴与所述绞盘之间的滚珠轴承，

其中所述驱动轴是花键驱动轴，所述花键驱动轴的旋转引起所述绞盘的旋转，并且所述绞盘能够相对于所述花键驱动轴平移移动。

22.根据权利要求19所述的操纵器系统，其中：

所述凹槽是围绕所述绞盘的所述外表面螺旋地盘旋的第一凹槽，并且所述绞盘机构还包括围绕所述绞盘的所述外表面螺旋地盘旋的第二凹槽。

23.根据权利要求22所述的操纵器系统，其中所述线缆包括：

一根或多根第一线缆，每根第一线缆在所述第一凹槽的一部分中缠绕到所述绞盘上；以及

一根或多根第二线缆，每根第二线缆在所述第二凹槽的一部分中缠绕到所述绞盘上。

24.根据权利要求23所述的操纵器系统，其中：

所述第二线缆被配置为经受比所述第一线缆更小的应力。

25.根据权利要求24所述的操纵器系统，其中：

一个或多个弹簧，每个弹簧与所述第二线缆中的对应一根串联耦接。

26.根据权利要求19所述的操纵器系统，还包括：

轨道，所述轨道耦接到所述第一连杆；以及

滑架基座，所述滑架基座可移动地耦接到所述轨道并且耦接到所述器械滑架，所述一根或多根线缆耦接到所述滑架基座以使所述滑架基座沿着所述轨道移动。

27.根据权利要求19所述的操纵器系统，其中：

所述凹槽围绕所述绞盘的所述外表面螺旋地盘旋。

28.一种用于控制绞盘的运动的方法，所述方法包括：

经由可旋转驱动轴旋转绞盘，并且引起从卷取滑轮布线的线缆在所述绞盘的凹槽中卷绕到所述绞盘上；以及

将引导元件接合在所述绞盘的所述凹槽中，所述引导元件在所述绞盘旋转时使所述绞盘和所述卷取滑轮相对于彼此平移地移动。

29.根据权利要求28所述的方法，其中：

其中所述引导元件是引导辊，并且将所述引导元件接合在所述凹槽中包括使所述引导辊沿着所述绞盘的外侧表面跟随所述凹槽滚动。

30.根据权利要求28所述的方法，其中：

所述方法还包括通过以下操作来控制器械滑架相对于操纵器组件的连杆的位置：

感测所述绞盘的旋转量，并且

基于感测到的旋转量控制所述绞盘的旋转。

31.根据权利要求28所述的方法，其中：

当所述绞盘旋转时所述引导元件使所述绞盘和所述卷取滑轮相对于彼此平移地移动包括所述引导元件使所述绞盘相对于驱动所述绞盘旋转的驱动轴轴向移动，同时所述卷取滑轮相对于所述驱动轴平移静止。

32.根据权利要求28所述的方法，其中：

当所述绞盘旋转时所述引导元件使所述绞盘和所述卷取滑轮相对于彼此平移地移动包括所述引导元件使所述卷取滑轮相对于驱动所述绞盘旋转的驱动轴轴向移动，同时所述绞盘相对于所述驱动轴平移静止。

33.根据权利要求28所述的方法，其中：

所述凹槽围绕所述绞盘的外表面螺旋地盘旋。