CN106572889B - 机器人控制的具有机械优势的夹持 - Google Patents

机器人控制的具有机械优势的夹持 Download PDF

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Abstract

手术工具的末端执行器可以包括壳体、钳夹支撑轴、钳夹构件、关节式运动构件和凸轮滑轮。所述钳夹构件可以支撑在支撑轴上，并且可以绕枢转轴线能枢转。所述关节式运动构件可以具有槽，并且包括从其延伸的、联接到钳夹构件的关节式运动销。所述槽可适于接收钳夹支撑轴以将关节式运动构件支撑在所述钳夹构件之间。所述关节式运动构件可绕钳夹支撑轴能旋转，以使钳夹构件相对于纵向轴线关节式运动。所述凸轮滑轮可以安装到壳体并且联接到钳夹构件。所述凸轮滑轮可以绕枢转轴线能旋转，以使所述一对钳夹构件在打开状态和闭合状态之间枢转。

Description

机器人控制的具有机械优势的夹持
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年8月13日提交的美国临时专利申请第62/036,923号的权益和优先权，其全部的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及机器人技术，并且更具体地涉及一种用于执行手术操作的机器人手术设备和/或***及其使用方法。
背景技术
机器人手术***已经用于微创医疗操作中。一些机器人手术***包括支撑机器人臂的控制台以及安装到机器人臂上的至少一个末端执行器，诸如镊子或抓取工具。在医疗操作期间，末端执行器被***到患者的小切口(经由插管)或自然孔口内，以将末端执行器定位在患者体内的工作部位。
线缆从机器人控制台延伸，穿过机器人臂并且连接到末端执行器的腕和/或钳夹组件。在一些情况下，线缆由处理***控制的电动机致动，处理***具有用户界面，使外科医生或临床医生能够控制包括机器人臂、腕组件和/或钳夹组件在内的机器人手术***。
在一些情况下，腕组件具有用于使用若干线缆来使钳夹组件运动的多个自由度。例如，对于抓取或切割末端执行器，腕组件通过允许改变钳夹组件的俯仰、偏转或打开和闭合而提供了运动自由度。
随着对较小末端执行器的需求增加，设备制造商继续开发具有较小横截面面积的末端执行器，诸如抓取和切割末端执行器。这些较小横截面面积减小了可以施加在末端执行器的钳夹之间的总力。此外，设计支持多个运动自由度的末端执行器需要若干线缆。所需的每个附加线缆进一步限制了减小这些末端执行器的横截面面积的能力。
存在对能够在末端执行器的两个钳夹之间提供更大的力同时提供多个运动自由度的具有小横截面面积的末端执行器的需要。
发明内容
手术工具的末端执行器可以包括具有近端和远端的壳体。所述壳体可以限定延伸穿过所述近端和远端的纵向轴线。所述末端执行器可以包括钳夹支撑轴、一对钳夹构件、关节式运动构件和一对凸轮滑轮。
所述钳夹支撑轴可以限定延伸穿过其中的枢转轴线。所述枢转轴线可以横向于所述壳体的所述纵向轴线。在实施例中，所述钳夹支撑轴可以安装到所述壳体。
所述一对钳夹构件可以支撑在所述钳夹支撑轴上并且可以绕所述枢转轴线能枢转。所述一对钳夹构件中的每个可以限定穿过其中的弓形槽。每个弓形槽可以适于接收所述钳夹支撑轴。所述钳夹支撑轴可以适于沿所述一对钳夹构件的所述弓形槽滑动以使所述一对钳夹构件能够绕所述枢转轴线枢转。
所述关节式运动构件可以限定穿过其中的槽。所述槽可以适于接收所述钳夹支撑轴以将所述关节式运动构件支撑在所述一对钳夹构件之间。所述关节式运动构件可以包括从其延伸并联接到所述一对钳夹构件的一对关节式运动销。在一些实施例中，所述一对关节式运动销中的至少一个的至少一部分可以位于所述枢转轴线近侧。在实施例中，所述一对关节式运动销中的至少一个的至少一部分可以位于所述枢转轴线远侧。所述关节式运动构件可绕所述钳夹支撑轴能旋转，以使所述一对钳夹构件相对于所述纵向轴线关节式运动。在一些实施例中，所述钳夹支撑轴的所述枢转轴线可以纵向地偏离所述一对关节式运动销。
所述一对关节式运动销可以适于联接到所述一对钳夹构件。所述一对钳夹构件中的每个钳夹构件可以限定关节式运动销开口，所述关节式运动销开口适于接收所述一对关节式运动销中的一个，以将所述关节式运动构件联接到所述一对钳夹构件。在一些实施例中，所述一对钳夹构件可以适于响应于所述关节式运动构件绕所述钳夹支撑轴的旋转而相对于所述壳体的所述纵向轴线关节式运动到约90度的偏转角。所述一对钳夹构件可在相对于所述纵向轴线处于关节式运动位置的同时绕所述枢转轴线能枢转。
所述一对凸轮滑轮可以安装到所述壳体并且联接到所述一对钳夹构件。所述一对凸轮滑轮可以绕所述枢转轴线能旋转，以使所述一对钳夹构件在打开状态和闭合状态之间枢转。在实施例中，所述一对钳夹构件可以适于响应于所述一对凸轮滑轮中的至少一个的旋转而枢转到约60度的钳夹角。
所述一对凸轮滑轮中的每个凸轮滑轮可以联接到至少一根第一线缆，并且所述关节式运动构件可以联接到至少一根第二线缆。所述至少一根第一线缆和所述至少一根第二线缆可以联接到至少一个电动机，使得所述至少一个电动机的致动使所述一对钳夹构件关节式运动和/或枢转。
在本公开的一个方面中，可以提供一种用于机器人手术***的机器人臂且连接到机器人手术***的机器人臂的末端执行器，其中所述末端执行器可以由从所述机器人手术***的控制设备的电动机延伸的至少一根线缆来控制。
根据又一方面，可以提供一种致动机器人手术***的末端执行器的方法。所述方法可以包括：旋转被固定到一对钳夹构件的凸轮滑轮，以绕枢转轴线打开或闭合所述一对钳夹构件；和旋转位于所述一对钳夹构件之间的关节式运动构件，以利用从所述关节式运动构件延伸的一对关节式运动销来使所述一对钳夹构件相对于所述末端执行器的纵向轴线关节式运动，其中，所述一对关节式运动销中的至少一个可以至少部分地纵向地偏离所述枢转轴线。
根据再一方面，可以提供一种手术工具的末端执行器。所述末端执行器可以包括壳体、钳夹支撑轴、一对钳夹构件和一对凸轮滑轮。
所述一对钳夹构件中的每个可以限定穿过其中的支撑轴槽，并且可以包括从其延伸的滑轮销和钳夹销。在实施例中，所述一对钳夹构件中的每个的所述支撑轴槽可以是弯曲的。所述一对钳夹构件中的每个可以限定钳夹销槽，所述钳夹销槽适于接收所述一对钳夹构件中的相对的一个钳夹销。在实施例中，钳夹销槽可以是弯曲的。
所述一对凸轮滑轮可以安装到所述钳夹支撑轴并且联接到所述一对钳夹构件。所述一对凸轮滑轮可绕所述枢转轴线能旋转，以使所述一对钳夹构件绕钳夹支撑轴枢转。所述一对凸轮滑轮中的每个可以包括滑轮销槽。滑轮销槽可以适于接收所述一对钳夹构件中的相应的一个钳夹构件的滑轮销。至少一根线缆可以固定到所述一对凸轮滑轮。所述至少一根线缆可以是能移动的以旋转所述一对凸轮滑轮中的至少一个，以使所述一对钳夹构件中的至少一个绕所述枢转轴线枢转。
在实施例中，至少一根第一线缆可以联接到所述一对凸轮滑轮中的第一凸轮滑轮，并且至少一根第二线缆可以联接到所述一对凸轮滑轮中的第二凸轮滑轮。所述一对凸轮滑轮中的所述第一凸轮滑轮和所述一对凸轮滑轮中的所述第二凸轮滑轮可以联接到至少一个电动机，使得所述至少一个电动机的致动实现以下中的至少一个：(1)关节式运动，或(2)所述一对钳夹构件的枢转运动。
在一个方面中，可以提供一种用于机器人手术***的机器人臂且连接到机器人手术***的机器人臂的末端执行器。所述末端执行器可以由从机器人手术***的控制设备的至少一个电动机延伸的至少一根线缆来控制。所述末端执行器可以包括壳体、钳夹支撑轴、一对钳夹构件和一对凸轮滑轮。
所述一对凸轮滑轮可绕所述枢转轴线能旋转，以实现以下中的至少一个：(1)关节式运动，或(2)所述一对钳夹构件绕所述钳夹支撑轴的枢转运动。
在实施例中，所述至少一根线缆可以包括可以联接到所述一对凸轮滑轮中的第一凸轮滑轮的至少一根第一线缆以及可以联接到所述一对凸轮滑轮中的第二凸轮滑轮的至少一根第二线缆。所述一对凸轮滑轮中的所述第一凸轮滑轮和所述一对凸轮滑轮中的所述第二凸轮滑轮联接到所述至少一个电动机。
下面参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例的进一步的细节和方面。
附图说明
附图并入本说明书中并且构成本说明书的一部分，附图示出了本公开的实施例，并且与上文给出的本公开的一般描述以及下文给出的实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理，其中：
图1A是根据本公开的医疗工作站和操作控制台的示意图；
图1B是图1A的医疗工作站的控制设备的电动机的示意性立体图；
图2是根据本公开的实施例的在图1A的医疗工作站中使用的末端执行器的立体图，图示了其钳夹组件处于未关节式运动且打开状态的一个实施例；
图3是部件分离的、图2的钳夹组件的立体图；
图4是图2的末端执行器的侧视图，为清楚起见，钳夹组件的一部分被移除和/或以虚线示出，钳夹组件被图示为处于未关节式运动且闭合状态；
图5是图2的末端执行器的侧视图，为清楚起见，钳夹组件的一部分被移除和/或以虚线示出，钳夹组件被图示为处于已关节式运动且闭合状态；
图6是图2的末端执行器的侧视图，为清楚起见，钳夹组件的一部分被移除和/或以虚线示出，钳夹组件被图示为处于另一未关节式运动且打开状态；
图7是图2的末端执行器的侧视图，为清楚起见，钳夹组件的一部分被移除和/或以虚线示出，钳夹组件被图示为处于已关节式运动且打开状态；
图8是部件分离的、钳夹组件的另一个实施例的立体图；以及
图9是部件分离的、钳夹组件的又一实施例的立体图。
具体实施方式
根据本公开的机器人控制的末端执行器实现了紧凑的钳夹组件的线缆驱动运动，用于增强机械优势的抓取。文中所述的末端执行器包括关节式运动构件，关节式运动构件提供了相应的钳夹组件从末端执行器的纵向轴线高达大约90度的双侧关节式运动。这些末端执行器的至少一个凸轮滑轮可以经旋转以将其钳夹构件定位在打开状态，使得钳夹构件将钳夹角限定成高达大约60度。
现在参照附图详细描述当前公开的末端执行器的实施例，其中在若干视图中的每个中，相同的附图标记指示相同或相应的元件。如文中所使用的术语“远侧”是指末端执行器的更远离使用者的那部分，而术语“近侧”是指末端执行器的更靠近使用者的那部分。
首先参照图1A和图1B，医疗工作站一般性地示出为工作站1，并且一般可以包括多个机器人臂2、3；控制设备4；以及与控制设备4联接的操作控制台5。操作控制台5可以包括显示设备6，其可以尤其被设置为显示三维图像；以及手动输入设备7、8，原则上，如对本领域技术人员已知的，借助该手动输入设备7、8，人(未示出)(例如外科医生)能够在第一操作模式下遥控操纵机器人臂2、3。
如下文将更详细描述的，根据文中所公开的若干实施例中的任一个，机器人臂2、3中的每个可以包括通过关节所连接的多个构件以及可以附接有(例如)支撑末端执行器100的手术工具“ST”的附接设备9、11。
机器人臂2、3可以由连接到控制设备4的电驱动器(未示出)驱动。控制设备4(例如，计算机)可以被设置成尤其借助计算机程序启动驱动器，使得机器人臂2、3、其附接设备9、11由此以及手术工具(包括末端执行器100在内)根据借助手动输入设备7、8所限定的运动来执行期望的运动。控制设备4也可以设置为使得其调节机器人臂2、3和/或驱动器的运动。
医疗工作站1可以被配置为用于躺在患者台12上待借助末端执行器100以微创方式治疗的患者13。医疗工作站1还可以包括多于两个的机器人臂2、3,附加的机械人臂同样连接到控制设备4并且能借助操作控制台5遥控操纵。医疗器械或手术工具(包括末端执行器100在内)也可附接到附加的机械人臂。医疗工作站1可以包括存储有例如来自生物体13和/或解剖图谱的术前数据的数据库14，尤其是与控制设备4耦合的数据库。
对于医疗工作站1的构造和操作的详细论述，可以参考2011年11月3日提交的名称为“Medical Workstation(医疗工作站)”的美国专利公开第2012/0116416号，其全部的内容通过引用并入本文。
控制设备4可以控制多个电动机(电动机1...n)，每个电动机被配置成卷起或释放穿过每个机械人臂而延伸到手术工具的末端执行器100的一段长度的线缆“C”(图1B)。在使用时，随着线缆“C”被卷起并释放，线缆“C”实现了手术工具的每个末端执行器100的操作和/或运动。控制设备4可以协调各个电动机(电动机1...n)的启动来协调卷起或释放一段长度的相应的线缆“C”，以协调相应的末端执行器的操作和/或运动。尽管图1B示出了由单个电动机卷起或释放的单根线缆“C”，但在一些情况下，可以由单个电动机卷起或释放两根或更多根的线缆或单根线缆的两端。例如，在一些情况下，两根线缆或线缆端可以以相反的方向联接到单个电动机，使得可以随着电动机在第一方向上被启动，线缆中的一根卷起而另一根线缆释放。在不同的实施例中可以使用其他的线缆配置。
用于连接到机器人臂2、3和用于由控制设备4操纵的末端执行器一般性地表示为100。如从图2所见，末端执行器100可以包括腕组件110和枢转地连接到腕组件110的钳夹组件120。腕组件110可以包括限定第一纵向轴线“X1-X1”的具有向远侧延伸的U形夹的形式的腕壳体112。腕壳体112限定与第一纵向轴线“X1-X1”取向成正交的第一枢转轴线“A-A”。在实施例中，第一枢转轴线“A-A”可以延伸穿过第一纵向轴线“X1-X1”。具有U形夹的形式的腕壳体112可以包括第一枢转轴线“A-A”延伸所穿过的一对间隔开的、相对的直立支撑部112a、112b。每个相对的直立支撑部112a、112b限定多个开口112c。
腕组件110还可以包括第一支撑轴114a和第二支撑轴114b，支撑轴114a和第二支撑轴114b中的每个固定在相对的直立支撑部112a、112b的多个开口112c中的纵向对齐的一对开口之内并在相对的直立支撑部112a、112b的多个开口112c中的纵向对齐的一对开口之间延伸。第一支撑轴114a可以设置在沿第一纵向轴线“X1-X1”的、可以与第二支撑轴114b纵向地间隔开的位置处。每个支撑轴114a、114b支撑一个或多个凸轮滑轮116。每个凸轮滑轮116限定穿过其中的接收第一支撑轴114a和/或第二支撑轴114b中的一个的开口116a。一个或多个凸轮滑轮116可以可旋转地安装到或牢固地固定到第一支撑轴114a和/或第二支撑轴114b中的一个。可以理解，第一支撑轴114a和/或第二支撑轴114b可以支撑具有任何合适的形状或尺寸的任何数目的凸轮滑轮116。
现在转到图3，钳夹组件120的一个实施例可以包括钳夹壳体130、关节式运动构件140、一对钳夹构件150、一对凸轮滑轮160和钳夹支撑轴170。
可以为U形夹的形式的钳夹壳体130限定了延伸穿过其中的纵向轴线“X2-X2”。钳夹壳体130具有主体130a，主体130a限定穿过其中的开口132，开口132适于且尺寸设定成接收第二支撑轴114b以将钳夹组件120枢转地连接到腕组件110。特别地，主体130a可在第一支撑轴114b上定位在一对凸轮滑轮116之间。主体130a可以包括从主体130a向远侧延伸的相对的直立支撑部134、136。相对的直立支撑部134、136间隔开并且在其两者之间包括具有鞍座(saddle)138的形式的内表面。内表面138可以限定U形开口138a，该U形开口138a适于接收关节式运动构件140、一对钳夹构件150、一对凸轮滑轮160和钳夹支撑轴170中的至少一部分。相对的直立支撑部134、136中的每个限定了穿过其中的轴开口134a，轴开口134a适于且尺寸设定成接收钳夹支撑轴170，以使支撑轴170能够支撑关节式运动构件140、一对钳夹构件150和一对凸轮滑轮160。相对的直立支撑部134、136的轴开口134a可以彼此纵向地对齐。
如从图2和图3所见，延伸穿过相对的直立支撑部134、136(例如，穿过轴开口134a)的第二枢转轴线“B-B”可以取向为与第一枢转轴线“A-A”正交并且与第一纵向轴线“X1-X1”正交。在一些实施例中，第一纵向轴线“X1-X1”可以与第二纵向轴线“X2-X2”平行(例如，钳夹组件120可以相对于第一纵向轴线“X1-X1”处于纵向对齐的方位)，并且第二枢转轴线“B-B”延伸穿过第一纵向轴线“X1-X1”。
再次参照图3，关节式运动构件140可以被接收在鞍座138的U形开口138a中，并且可以包括具有三角形构造的主体142。可以理解，主体142可以具有任何合适的形状和/或尺寸。主体142可以包括底表面142a、可以是平面的一对侧表面142b、以及向远侧地朝向峰部(peak)142d成锥形的顶表面142c。细长槽144可以被限定穿过主体142且在一对侧表面142b之间。细长槽144可以包括近端144a和远端144b。一对关节式运动销146a、146b在邻近细长槽144的近端144a的位置处从一对侧表面142b延伸。一对关节式运动销146a、146b中的每个关节式运动销146a、146b可以与一对关节式运动销146a、146b中的另一个关于细长槽144以镜像关系布置。一对关节式运动销146a、146b中的关节式运动销146a可以沿与一对关节式运动销146a、146b中的关节式运动销146b相反的方向侧向向外延伸。一对关节式运动销146a、146b可以固定在关节式运动构件140上，使得一对关节式运动销146a、146b中的一者或两者的至少一部分保持位于靠近钳夹组件120的第二枢转轴线“B-B”(下面更详细地描述)，第二枢转轴线“B-B”可以与钳夹支撑轴170的中心长轴线170a对齐，同时钳夹支撑轴170可以位于细长槽144内，包括细长槽144的近端和远端144a、144b两处的位置在内。
参照图1A、图1B以及图2和图3，使用任何已知的紧固技术，一根或多根线缆“C”可以固定到滑轮160，以使滑轮160能够绕第二枢转轴线“B-B”沿顺时针和/或逆时针方向旋转运动，以便于钳夹组件120相对于第一纵向轴线“X1-X1”绕腕组件110的双侧关节式运动(下面更详细地描述)。例如，单根线缆“C”可以沿沟道(channel)166至少部分地缠绕(例如，至少180度)到单个滑轮160上和/或固定到单个滑轮160。在一些情况下，代替单根线缆“C”缠绕到滑轮160上，诸如线缆“C1”和“C2”的第一对线缆的远端可以在任何合适的位置处固定到滑轮160的不同侧，以允许滑轮160经由线缆顺时针旋转和逆时针旋转。包括线缆“C1”和“C2”在内的这些线缆“C”中的任何线缆具有近端，该近端可以延伸穿过机器人臂2或3并且可以与控制设备4的相应的第一电动机和/或至少一个第二电动机(未示出)操作性地关联。
再次参照图3，一对钳夹构件150可以包括第一钳夹构件150a和第二钳夹构件150b。一对钳夹构件150中的每个具有基部152和从基部152向远侧延伸的钳夹部154。弓形槽156可以限定为贯通基部152，并且可以适于并且尺寸设定成接收穿过其中的钳夹支撑轴170。弓形槽156可以适于并且尺寸设定成：随着第一钳夹构件150a和第二钳夹构件150b相对于第二枢转轴线“B-B”绕支撑轴170枢转，使钳夹支撑轴170能够在弓形槽156的近端156a与远端156b之间滑动。关节式运动销开口158a和凸轮销开口158b被限定为穿过每个基部152。钳夹部154可以在其抓取表面上包括多个齿154a。
一对凸轮滑轮160可以包括第一凸轮滑轮160a和第二凸轮滑轮160b，凸轮滑轮160a和第二凸轮滑轮160b中的每个可以是大致盘形的。一对凸轮滑轮160中的每个限定了穿过其中的轴开口162，轴开口162适于并且尺寸设定成接收支撑轴170。凸轮销164从一对凸轮滑轮160中的每个延伸。每个凸轮销164可以被接收在一对钳夹构件的凸轮销开口158b中的一个中。一对凸轮滑轮160中的每个在其外表面中限定了一个或多个沟道166。一个或多个沟道166适于并且尺寸设定成固定到诸如线缆“C3”和/或“C4”的一根或多根线缆，以便于凸轮滑轮160的旋转运动和钳夹构件150在打开状态和闭合状态之间的枢转运动(下文更详细地描述)。可以理解，线缆“C3”和“C4”可以使用诸如上文针对线缆“C1”和“C2”描述的任何合适的紧固技术缠绕于和/或固定到一对凸轮滑轮160中的一个。与线缆“C1”和“C2”类似，线缆“C3”和“C4”具有近端，该近端可以延伸穿过机器人臂2或3，并且可以与控制设备4的相应的第一电动机和/或至少一个第二电动机(未示出)操作性地关联。此外，包括线缆“C1”、“C2”、“C3”和“C4”在内的任何当前描述的线缆“C”可以至少部分地缠绕于一个或多个凸轮滑轮116上。凸轮滑轮116可以用作任何当前描述的线缆“C”的线缆引导件。
在操作时，控制设备4可以启动与其连接的一个或多个电驱动器或电动机，以将末端执行器100沿顺时针或逆时针方向绕第一纵向轴线“X1-X1”旋转到任何合适的径向取向(例如，360度)，如图4中“α”指示的线所示。为了使一对钳夹构件150绕第一枢转轴线“A-A”关节式运动同时单独的钳夹构件150a、150b处于任何径向取向，缠绕于滑轮160a或160b中的一个的一根或多根线缆(例如，线缆“C1”和“C4”或线缆“C2”和“C3”)的近端可以沿近侧方向被拉动，同时可以松弛缠绕于滑轮160b或160a中的另一个的其他线缆的近端。绕第一枢转轴线“A-A”的关节式运动的方向取决于被选择而使其近侧线缆端沿近侧方向被拉动的滑轮160a、160b。
关于枢转轴线“B-B”的关节式运动可以通过拉动每个相应的滑轮160a和160b的沿相同方向旋转每个滑轮160a、160b的线缆(例如，线缆“C1”和“C2”或线缆“C3”和“C4”)的近端同时释放其他的线缆端来实现。经由滑轮160a、160b上的凸轮销164和关节式运动构件140上的关节式运动销146与钳夹构件150的基部152上的相应的销开口158接合，旋转每个滑轮160a、160b引起钳夹构件150旋转。这些销164和146以及销开口158的位置可以在不同实施例中改变或更改。例如，销164可以以不同位置固定到基部构件152，并且相应的销开口158可以设置在滑轮160上。随着关节式运动构件140枢转，一对关节式运动销146在位于一对钳夹构件150的关节式运动销开口158a中的同时将一对钳夹构件150与关节式运动构件140一同驱动，以使一对钳夹构件150相对于第一纵向轴线“X1-X1”关节式运动。在实施例中，一对钳夹构件150中的单独的钳夹构件150a、150b可以沿双侧方向(即，两个相对的侧向)关节式运动。如在图5中描绘的角度“β”所示，在一些情况下，可以使一对钳夹构件150关节式运动到边界线“L”(例如，最大偏转角)，其可以沿双侧向中的每个方向相对于第一纵向轴线“X1-X1”成约90度角(例如，总共约180度)。在实施例中，边界线“L”可以与第一枢转轴线“A-A”共面。
另外，在操作时，为了使末端执行器100的一对钳夹构件150中的一者或两者绕钳夹组件120的第二枢转轴线“B-B”在闭合状态(图4)与打开状态(图6和图7)之间枢转，由于来自控制设备4的输入启动第三电动机(未示出)并且选择地启动第四电动机(未示出)，线缆“C3”和“C4”的近端中的一个沿向近侧方向被拉动，而释放了线缆“C3”和“C4”的近端中的另一个，或者反之亦然。依据线缆“C3”和“C4”的近端中的哪一个沿向近侧方向被拉动，将确定绕第二枢转轴线“B-B”的哪个枢转方向可通过凸轮销164传递来支撑凸轮滑轮160a、160b从而枢转第一钳夹构件150a和第二钳夹构件150b。
在实施例中，第一钳夹构件150a可以分离并独立于第二钳夹构件150b枢转，并且反之亦然。另外地和/或可替代地，随着第一钳夹构件150a和第二钳夹构件150b在闭合状态与打开状态之间枢转，第一钳夹构件150a和第二钳夹构件150b可以同时朝向彼此枢转和/或远离彼此枢转。在实施例中，如图6所描绘的，第一钳夹构件150a和第二钳夹构件150b可枢转达到约60度的最大钳夹角“θ”。如从图4、图6和图7所见，随着第一钳夹构件150a和第二钳夹构件150b在打开状态与闭合状态之间运动，关节式运动构件140在其近端156a与远端156b之间沿弓形槽156滑动。例如，在闭合状态下(图4)，钳夹支撑轴170可以设置在细长槽144的近端144a和一对钳夹构件150的弓形槽156的近端中，而在打开状态之一下(图6和图7)，钳夹支撑轴170可以设置在细长槽144的远端144b和一对钳夹构件150的弓形槽156的远端。关于这点，一对钳夹构件150枢转运动到它们的打开状态之一使一对钳夹构件150和关节式运动构件140能够沿第一纵向轴线“X1-X1”在向近侧方向上(朝腕组件110)相对于线“L”、钳夹支撑轴170和/或一对凸轮滑轮160轴向地平移，并且反之对于一对钳夹构件150朝闭合状态的枢转运动亦然。可以理解，末端执行器100的一个或多个部件可以同时地(和/或分离地/独立地)旋转、关节式运动和/或枢转。
现在转到图8，根据本公开的另一个实施例的用于连接到机器人臂2、3的末端执行器并且用于由控制设备4操纵的钳夹组件一般性地标记为220。钳夹组件220可以大致类似于钳夹组件120，因此将仅对其详细描述到对描述与钳夹组件120在构造和/或操作上不同的必要程度。特别地，钳夹组件220可以包括钳夹壳体130、关节式运动构件240、一对钳夹构件250、一对凸轮滑轮160和钳夹支承轴170。
关节式运动构件240可以包括从其相对的侧表面延伸的一对关节式运动销242，并且限定穿过其中的细长槽244，细长槽244适于且尺寸设定成可滑动地接收钳夹支撑轴170。如从图8所见，一对关节式运动销242中的每个可以位于细长槽244远侧，因此位于钳夹支撑轴170的中心长轴线170a远侧，如上所述在与腕组件110联接时钳夹支撑轴170的中心长轴线170a可以与第二枢转轴线“B-B”(参见图2)对齐。
一对钳夹构件250可以包括第一钳夹构件250a和第二钳夹构件250b。一对钳夹构件250中的每个限定了穿过其中的弓形槽252，弓形槽252可以适于并且尺寸设定成接收钳夹支撑轴170。弓形槽252可以适于并且尺寸设定成：随着第一钳夹构件250a和第二钳夹构件250b相对于支撑轴170的中心长轴线170a(例如，以及第二枢转轴线“B-B”，参见图2)绕支撑轴170枢转，使钳夹支撑轴170能够在弓形槽252的近端与远端之间滑动。关节式运动销开口254和凸轮销开口256被限定为穿过一对钳夹构件250中的每个。每个关节式运动销开口254可以位于一对钳夹构件250中的一个上，以接收关节式运动构件240的关节式运动销242中的一个，并且使关节式运动构件240能够使一对钳夹构件250类似于上面针对关节式运动构件140所描述的那样能够相对于第一纵向轴线“X1-X1”关节式运动。每个凸轮销开口256可以位于一对钳夹构件250中的一个上，以接收凸轮滑轮160的凸轮销164中的一个，并且使凸轮滑轮160能够使一对钳夹构件250类似于上面针对一对钳夹构件150描述的那样在打开状态与闭合状态之间枢转。
现在转到图9，根据本公开的又一个实施例的用于连接到机器人臂2、3的末端执行器并且用于由控制设备4操纵的钳夹组件可以一般性地标记为320。钳夹组件320可以大致类似于钳夹组件120、220，并且因此将仅对其详细描述到对描述与钳夹组件120、220在构造和/或操作上不同所必要的程度。
一般地，钳夹组件320可以包括壳体330、钳夹支撑轴170、一对凸轮滑轮340和一对钳夹构件350。
一对凸轮滑轮340可以包括第一凸轮滑轮340a和第二凸轮滑轮340b。一对凸轮滑轮340中的每个可以安装到钳夹支撑轴170并且具有限定中心孔342a和滑轮销槽342b的主体342。每个滑轮340的中心孔342可以适于接收穿过其中的钳夹支撑轴170。每个滑轮340的主体342还限定了线缆沟道344，线缆沟道344可以适于在其中接收一根或多根线缆，该一根或多根线缆可以至少部分地缠绕于沟道344上和/或固定到沟道344上/内。例如，第一线缆“C1”可以缠绕于第一凸轮滑轮340a上，并且第二线缆“C2”可以缠绕于第二凸轮滑轮340b上。在一些情况下，代替单根线缆缠绕于滑轮340上，可以替代地使用终点设定在滑轮340上的两根单独的线缆。该一根或多根线缆可以是可移动的(例如，经由电动机移动，参见图1B)，以使一对凸轮滑轮340a、340b中的一者或两者绕钳夹支撑轴170旋转或枢转。
一对钳夹构件350可以包括第一钳夹构件350a和第二钳夹构件350b。一对钳夹构件350中的每个限定穿过其近侧部的支撑轴槽352，并且可以包括在其相对侧表面上从近侧部延伸的滑轮销354和钳夹销356。支撑轴槽352可以适于并且尺寸设定成接收钳夹支撑轴170并且使钳夹支撑轴170能够在其中滑动运动。在实施例中，支撑轴槽352可以相对于一对钳夹构件350中的一者或两者的近侧部的中心偏心布置。一对钳夹构件350中的一者或两者的支撑轴槽352可以是弯曲的并且可以包括至少一个小块(nub)352a。一对钳夹构件350中的每个限定钳夹销槽358，钳夹销槽358适于可滑动地接收一对钳夹构件350的相对的一个钳夹销356。钳夹销槽358可以是弯曲的，以在滑轮角(例如，一对滑轮中的一者或两者的旋转角)与钳夹角(例如，一对钳夹构件中的一者或两者的旋转角)之间提供非线性关系。
在实施例中，槽352和/或槽358中的一个或多个可以经成形为随着一对凸轮滑轮350中的一者或两者被致动而支配一对钳夹构件150中的一者或两者的比率和运动轮廓。槽352和/或358中的一个或多个可以具有任何合适的轮廓(例如，细长形的、圆形的、椭圆形的、c形的、s形的，等等)，以适应在滑轮角与钳夹角之间的任何合适的关系(例如，线性的、非线性的)。
在操作时，一根或多根线缆被致动以使一对凸轮滑轮340中的一者或两者绕钳夹支撑轴170旋转，使得钳夹销356在钳夹销槽358中滑动，并且钳夹构件350b中的至少一个经由支撑轴槽352绕钳夹支撑轴170滑动地枢转。
另外，在操作时，依据一对凸轮滑轮350中的一者或两者的旋转的方向(例如，顺时针/逆时针)和/或旋转位移量，一对凸轮滑轮340中的一者或两者的运动(例如，枢转)赋予一对钳夹构件350绕钳夹支撑轴170的枢转和/或关节式运动。可以理解，一对钳夹构件350可以类似于上面针对一对钳夹构件150所描述的那样而适于在打开状态与闭合状态之间枢转。第一凸轮滑轮350a和第二凸轮滑轮350b可以相对于彼此在相同和/或相反的方向上旋转，以赋予一对钳夹构件350的枢转和/或关节式运动。在实施例中，第一凸轮滑轮350a和第二凸轮滑轮350b可以以相同和/或不同的量旋转移位，以赋予一对钳夹构件350的枢转和/或关节式运动。
支撑轴槽352的形状和尺寸可使一对钳夹构件350能够绕钳夹支撑轴170可滑动地枢转/旋转，使得第一钳夹构件350a和第二钳夹构件350b以大致平行的关系彼此接近(例如，朝闭合状态)。沿着一对钳夹构件350的组织接合表面350c的负荷分布可以取决于支撑轴槽352的形状以及一对钳夹构件350的合成角度和位置而局部地变化。
可以理解，当前描述的钳夹组件中的任何钳夹组件利用用于改进的抓取的其力倍增特征(例如，销、槽、线缆和/或其组合)提供了增强的机械优势。特别地，针对施加在一根或多根线缆的近端处的等效的或基本等效的张力，滑轮角相对于钳夹角的倍增放大了在钳夹构件的末端(例如，远端)处的力。这种增强的机械优势使使用者能够通过产生更大的抓取力同时最小化线缆中的张力和/或减小末端执行器的各个部件(例如，线缆、滑轮等)上的机械应力来操纵厚且重的组织。在一个实施例中，当一个或多个滑轮旋转了80度时，力倍增特征使一对钳夹构件中的一者或两者能够打开40度。
本领域技术人员将理解，本文所具体描述和附图中所示的结构和方法是非限制性的示例性实施例，并且该描述、公开和附图应当仅被解释为特定实施例的示例。本公开不限于所描述的精确的实施例，并且在不偏离本公开的范围或精神的情况下，本领域技术人员可以实现各种其他改变和变型。另外，在不偏离本公开的范围的情况下，可以与某些其他实施例的元件和特征组合，与某些实施例一起示出或描述该元件和特征，并且这样的变型和变化也包括在本公开的范围内。相应地，本公开的主题不限于已经具体示出和描述的内容。

Claims (21)

1.一种手术工具的末端执行器，所述末端执行器包括：
壳体，所述壳体具有近端和远端，所述壳体限定延伸穿过所述近端和远端的纵向轴线；
钳夹支撑轴，所述钳夹支撑轴限定延伸穿过其中的枢转轴线；
一对钳夹构件，所述一对钳夹构件支撑在所述钳夹支撑轴上并且能绕所述枢转轴线枢转；
关节式运动构件，所述关节式运动构件限定穿过其中的槽，并且包括从其延伸并联接到所述一对钳夹构件的一对关节式运动销，所述槽适于接收所述钳夹支撑轴以将所述关节式运动构件支撑在所述一对钳夹构件之间，所述关节式运动构件能绕所述钳夹支撑轴旋转，以使所述一对钳夹构件相对于所述纵向轴线关节式运动；以及
一对凸轮滑轮，所述一对凸轮滑轮安装到所述壳体并且联接到所述一对钳夹构件，所述一对凸轮滑轮能绕所述枢转轴线旋转，以使所述一对钳夹构件在打开状态和闭合状态之间枢转。
2.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述一对关节式运动销中的至少一个的至少一部分位于所述枢转轴线近侧。
3.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述一对关节式运动销中的至少一个的至少一部分位于所述枢转轴线远侧。
4.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述一对钳夹构件中的每个限定穿过其中的弓形槽，每个弓形槽适于接收所述钳夹支撑轴，其中，所述钳夹支撑轴适于沿所述一对钳夹构件的所述弓形槽滑动以使所述一对钳夹构件能够绕所述枢转轴线枢转。
5.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述一对钳夹构件中的每个钳夹构件限定关节式运动销开口，所述关节式运动销开口适于接收所述一对关节式运动销中的一个，以将所述关节式运动构件联接到所述一对钳夹构件。
6.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述一对钳夹构件适于响应于所述一对凸轮滑轮中的至少一个的旋转而枢转到60度的钳夹角。
7.根据权利要求6所述的末端执行器，其中所述一对钳夹构件适于响应于所述关节式运动构件绕所述支撑轴的旋转而相对于所述纵向轴线关节式运动到90度的偏转角。
8.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述一对凸轮滑轮中的每个凸轮滑轮联接到至少一根第一线缆，并且所述关节式运动构件联接到至少一根第二线缆。
9.根据权利要求8所述的末端执行器，其中，所述至少一根第一线缆和所述至少一根第二线缆联接到至少一个电动机，使得所述至少一个电动机的致动使所述一对钳夹构件关节式运动。
10.根据权利要求8所述的末端执行器，其中，所述至少一根第一线缆和所述至少一根第二线缆联接到至少一个电动机，使得所述至少一个电动机的致动使所述一对钳夹构件枢转。
11.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述枢转轴线横向于所述纵向轴线。
12.根据权利要求1所述的末端执行器，其中，所述一对钳夹构件能在相对于所述纵向轴线处于关节式运动位置的同时绕所述枢转轴线枢转。
13.一种用于机器人手术***的机器人臂且连接到机器人手术***的机器人臂的末端执行器，其中所述末端执行器由从所述机器人手术***的控制设备的电动机延伸的至少一根线缆来控制，所述末端执行器包括：
壳体，所述壳体具有近端和远端，所述壳体限定延伸穿过所述近端和远端的纵向轴线；
钳夹支撑轴，所述钳夹支撑轴安装到所述壳体并限定延伸穿过其中的枢转轴线；
一对钳夹构件，所述一对钳夹构件支撑在所述钳夹支撑轴上并且能绕所述枢转轴线枢转；
关节式运动构件，所述关节式运动构件限定穿过其中的槽，并且包括从其延伸的一对关节式运动销，所述一对关节式运动销适于联接到所述一对钳夹构件，所述槽适于接收所述钳夹支撑轴以将所述关节式运动构件支撑在所述一对钳夹构件之间，所述钳夹支撑轴的所述枢转轴线纵向地偏离所述一对关节式运动销中的至少一个，所述关节式运动构件能绕所述钳夹支撑轴旋转，以使所述一对钳夹构件相对于所述纵向轴线关节式运动；以及
一对凸轮滑轮，所述一对凸轮滑轮安装到所述壳体并且联接到所述一对钳夹构件，所述一对凸轮滑轮能绕所述枢转轴线旋转，以使所述一对钳夹构件在打开状态和闭合状态之间枢转。
14.根据权利要求13所述的末端执行器，其中，所述一对关节式运动销中的至少一个的至少一部分位于所述枢转轴线近侧。
15.根据权利要求13所述的末端执行器，其中，所述一对关节式运动销中的至少一个的至少一部分位于所述枢转轴线远侧。
16.根据权利要求13所述的末端执行器，其中，所述一对钳夹构件中的每个限定穿过其中的弓形槽，每个弓形槽适于接收所述支撑轴，其中，所述钳夹支撑轴适于沿所述一对钳夹构件的弓形槽滑动，以使所述一对钳夹构件能够绕所述枢转轴线枢转。
17.根据权利要求13所述的末端执行器，其中，所述一对钳夹构件适于响应于所述一对凸轮滑轮中的至少一个的旋转而枢转到60度的钳夹角。
18.根据权利要求17所述的末端执行器，其中，所述一对钳夹构件适于响应于所述关节式运动构件绕所述钳夹支撑轴的旋转而相对于所述纵向轴线关节式运动到90度的偏转角。
19.根据权利要求13所述的末端执行器，其中，所述枢转轴线横向于所述纵向轴线。
20.根据权利要求13所述的末端执行器，其中，所述一对钳夹构件能在相对于所述纵向轴线处于关节式运动位置的同时绕所述枢转轴线枢转。
21.一种致动机器人手术***的末端执行器的方法，包括：
旋转固定到一对钳夹构件的凸轮滑轮，以绕枢转轴线打开或闭合所述一对钳夹构件；以及
旋转位于所述一对钳夹构件之间的关节式运动构件，以利用从所述关节式运动构件延伸的一对关节式运动销来使所述一对钳夹构件相对于所述末端执行器的纵向轴线关节式运动，其中，所述一对关节式运动销中的至少一个至少部分地纵向地偏离所述枢转轴线。
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