CN107257669B - 包含导螺杆轨道的器械驱动单元 - Google Patents

包含导螺杆轨道的器械驱动单元 Download PDF

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Abstract

一种用于选择性连接到机械臂的手术***包含器械驱动单元和可拆卸地联接到器械驱动单元的手术器械。器械驱动单元包含第一致动器和第二致动器以及以操作方式与第一致动器联接的第一可平移部件。手术器械包含转接器部分、从转接器部分向远端延伸的细长部件和安装在细长部件的远端上的末端执行器。转接器部分具有以操作方式与第一可平移部件相关联的第一可旋转部件。第一可旋转部件是响应于第一可平移部件的平移而可旋转的。末端执行器以操作方式与第一可旋转部件联接，其中第一可旋转部件的旋转实现末端执行器的第一功能。

Description

包含导螺杆轨道的器械驱动单元
相关申请的交叉参考
本申请主张2015年2月26日递交的第62/121,255号美国临时专利申请的权益和优先权，所述申请的内容以全文引用的方式并入本文中。
背景技术
用于微创医疗程序中的机器人手术***包含支撑机械臂的控制台或车和具有末端执行器的手术器械，所述末端执行器可以包含(例如)镊子、吻合器或抓取工具。机械臂向手术器械提供机械功率以用于其操作和移动。每个机械臂可以包含以操作方式连接到手术器械的器械驱动单元。
在使用机器人***之前或在使用机器人***期间，选择手术器械并且连接到每个机械臂的器械驱动单元。对于待完成的恰当的安装来说，手术器械的某些连接构件必须以配合方式啮合到器械驱动单元的对应的连接构件。一旦这些构件以配合方式啮合，器械驱动单元就可以驱动手术器械的致动。然而，将手术器械连接到器械驱动单元以及从器械驱动单元移除手术器械可能是困难的。
因此，可靠的、精确的并且使得能够容易且有效的附接和移除手术器械的新的机器人装置、***和方法将是人们所期望的。
发明内容
本发明描述了一种机器人装置、***和方法，所述机器人装置、***和方法展示了满足性能要求并且克服了与器械附接和移除相关联的可用性难题的实际方法。一般来说，本发明描述了包含器械驱动单元和联接到器械驱动单元的手术器械支架的机器人手术***。手术器械包含末端执行器，所述末端执行器响应于在器械驱动单元中的致动器的远距离操控而可控制的进行手术。
根据本发明的实施例，提供了一种用于选择性连接到机械臂的手术***。手术***包含器械驱动单元和可拆卸地联接到器械驱动单元的手术器械。器械驱动单元包含第一致动器和以操作方式与第一致动器联接的第一可平移部件。手术器械包含转接器部分、从转接器部分向远端延伸的细长部件和安装在细长部件的远端上的末端执行器。转接器部分具有以操作方式与第一可平移部件相关联的第一可旋转部件。第一可旋转部件是响应于第一可平移部件的平移而可旋转的。末端执行器以操作方式与第一可旋转部件联接，其中第一可旋转部件的旋转实现末端执行器的第一功能。
在一个实施例中，第一致动器的致动可以使得第一可平移部件平移，这继而使得手术器械的转接器部分的第一可旋转部件旋转。
在另一实施例中，手术器械可以进一步包含第一缆线，所述第一缆线具有联接到第一可旋转部件的第一端和以操作方式与末端执行器相关联的第二端。此外，第一可旋转部件可以包含卷轴部分，所述卷轴部分被配置成在第一可旋转部件的旋转之后围绕第一缆线卷绕。此外，第一可旋转部件可以包含具有锯齿的齿轮部分，所述锯齿被配置成与器械驱动的第一可平移部件的锯齿齿合。
在又一实施例中，器械驱动单元可以进一步包含第二致动器，所述第二致动器以操作方式与手术器械的细长部件相关联，使得第二致动器的致动使得细长部件旋转，这继而使得末端执行器旋转。在一个实施例中，可以可滑动地安置第二致动器使得第二致动器可以是在缩回位置与延伸位置之间可转换的，在所述缩回位置中第二致动器以操作方式从细长部件中脱啮，在所述延伸位置中第二致动器以操作方式与细长部件啮合。
在再又另一个实施例中，器械驱动单元的第一致动器和第二致动器可以通过远距离操控来控制。
在再又另一个实施例中，器械驱动单元可以进一步包含第三致动器和以操作方式联接到第三致动器的第二可平移部件。此外，手术器械的转接器部分可以包含以操作方式与第二可平移部件相关联的第二可旋转部件。第二可旋转部件可以响应于第三致动器的致动而旋转。第一可旋转部件和第二可旋转部件可以是独立地可旋转的。
手术器械可以进一步包含第二缆线，所述第二缆线具有联接到第二可旋转部件的第一端和以操作方式与末端执行器相关联的第二端，其中第一可旋转部件和第二可旋转部件的旋转实现末端执行器的第一功能。在一个实施例中，第一可旋转部件和第二可旋转部件可以围绕共用轴旋转。
在另一实施例中，手术***可以进一步包含***在器械驱动单元与手术器械之间的盖层以提供无菌屏障。
在又一实施例中，第一可旋转部件的齿轮部分的锯齿可以穿过无菌屏障啮合器械驱动的第一可平移部件的锯齿。
根据本发明的另一个方面，提供了一种机器人手术组件。机器人手术组件包含机械臂、紧固到机械臂的器械驱动单元和可拆卸地联接到器械驱动单元的手术器械。器械驱动单元包含多个致动器和以操作方式与多个致动器中的相应一个联接的多个可平移部件。手术器械包含转接器部分和细长部件。转接器部分具有以操作方式与多个可平移部件相关联的多个可旋转部件。多个可旋转部件中的每一个可旋转部件可响应于多个致动器中的相应一个的致动而旋转。细长部件从转接器部分向远端延伸，其中多个可旋转部件中的一个的旋转实现末端执行器的第一功能。
附图说明
并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且与上文给出的本发明的一般描述及下文给出的实施例的详细描述一起用以解释本发明的原理，其中：
图1是根据本发明的机器人手术***的示意性说明；
图2是具有安装于其上的手术组件的机械臂的透视图；
图3是以虚线示出手术器械的转接器部分的图2的手术组件的部分透视图；
图4是以虚线示出器械驱动单元的部分和手术器械的转接器部分的图2的手术组件的透视图；
图5是以虚线示出致动器和导螺杆的图4的器械驱动单元的透视图；
图6是具有从器械驱动单元中脱离的手术器械的图2的手术组件的透视图；
图7是与图6的器械驱动单元一起使用的盖层的透视图；以及
图8是具有安装在可旋转转接器上的栓塞的图7的器械驱动单元的主体的透视图。
具体实施方式
参考图式详细地描述本发明的实施例，其中在若干视图中的每一个中，相同参考标号指定相同或对应元件。如本文中所使用，术语“远端”指代与用户相距较远的装置的部分，而术语“近端”指代较接近于用户的装置的部分。
参考图1，提供了机器人手术***1，其包含：多个机械臂2、3；控制装置4；以及与控制装置4联接的操作控制台5。操作控制台5包含显示装置6和手工输入装置7、8，借助于此人员(未示出，例如，外科医生)能够远距离操控机械臂2、3。
多个机械臂2、3中的每一个包含通过接合件连接的多个部件。机器人手术***1还包含连接到机械臂2、3中的每一个的远端的手术组件100。手术组件100包含器械驱动单元300和可拆卸地联接到器械驱动单元300的手术器械200。手术器械200包含末端执行器230。
机械臂2、3可由连接到控制装置4的电力驱动件(未示出)驱动。设置控制装置4(例如，计算机)以激活驱动器(尤其借助于计算机程序)，使得机械臂2、3和它们的手术组件100根据借助于手工输入装置7、8限定的移动执行所需的移动。还可设置控制装置4使得其调节机械臂2、3和/或驱动器的移动。
继续参考图1，机器人手术***1被配置成用于躺在患者检查台12上的将借助于末端执行器230以微创方式得到治疗的患者13。机器人手术***1可以包含两个以上机械臂2、3。额外的机械臂也可连接到控制装置4并且可以借助于操作控制台5远距离操控。一个或多个额外的手术组件100和/或手术器械200也可以附接到额外的机械臂。
控制装置4可以控制多个电机(电机1……n)，其中每个电机被配置成驱动联接到手术器械200的末端执行器230的一个或多个缆线(例如，缆线400a-d(图5))的推动或牵引机。虽然示出和描述了缆线，但是还预期缆线可以被替换为杆或类似物。在使用中，当推动和/或牵引这些缆线400a-d时，缆线400a-d实现手术器械200的末端执行器230的操作和/或移动。构想出控制装置4协调各种电机(电机1……n)的激活以协调一个或多个缆线400a-d的推动或牵引运动，以便协调一个或多个末端执行器230的操作和/或移动。在实施例中，除了一个或多个缆线400a-d以外或代替一个或多个缆线400a-d，每个电机可被配置成致动驱动杆或杠杆臂以实现末端执行器230的操作和/或移动。
控制装置4可包含适用于进行计算和/或根据一组指令操作的任何合适的逻辑控制电路。控制装置4可被配置成通过无线(例如，Wi-FiTM、
Figure BDA0001386604190000051
LTETM、等)和/或有线连接与远程***“RS”通信。远程***“RS”可以包含与机器人手术***1的各种组件、算法和/或操作相关的数据、指令和/或信息。远程***“RS”可以包含任何合适的电子服务、数据库、平台、云端“C”(参见图1)或类似物。控制装置4可以包含可操作地连接到存储器的中央处理单元。存储器可以包含暂时性类型存储器(例如，RAM)和/或非暂时性类型存储器(例如，闪存媒体、磁盘媒体等等)。在一些实施例中，存储器是远程***“RS”的一部分，和/或可操作地联接到远程***“RS”。
控制装置4可以包含与机器人手术***1的组件介接(例如，通过驱动器电路)的多个输入和输出。控制装置4可被配置成接收输入信号和/或产生输出信号以控制机器人手术***1的各种组件(例如，一个或多个电机)中的一个或多个。输出信号可包含算法指令和/或可基于算法指令，所述算法指令可由用户预编程和/或输入。控制装置4可以被配置成从可联接到远程***“RS”的用户界面(例如，操作控制台5的开关、按钮、触摸屏等)中接收多个用户输入。
数据库14可以直接地和/或间接地联接到控制装置4。数据库14可被配置成存储来自活体和/或解剖图谱的手术前数据。数据库14可以包含存储器，所述存储器可以是远程***“RS”的一部分和/或以操作方式联接到远程***“RS”。为了详细论述机器人手术***1的构造及操作，可参考2011年11月3日提交的标题为“医疗工作站(Medical Workstation)”的第2012/0116416号美国专利公开，所述专利公开的全部内容以引用的方式并入本文中。
现转而参考图2到图4，手术组件100包含联接到机械臂2的器械驱动单元300和可拆卸地联接到器械驱动单元300的手术器械200。器械驱动单元300包含主体312，所述主体312具有第一外壳部分302和从第一外壳部分302向远端延伸的第二外壳部分304。确切地说，第二外壳部分304限定了被配置成接收手术器械200的转接器部分202(图3)的切口319(图6)。第二外壳部分304包含横向侧面306(图4)。每个横向侧面306限定被配置成接收转接器部分202的相应的耳片204a、204b(图3)的凹槽306a、306b(图5)。耳片204a、204b可以通过(例如)搭扣配合或摩擦配合配置啮合相应的凹槽306a、306b以将手术器械200可拆卸地联接到器械驱动单元300。以此方式，各种手术器械可以可互换地用于器械驱动单元300。器械驱动单元300的主体312包含被配置成啮合手术器械200的转接器部分202的啮合表面206a、206b(图6)的连接表面308a、308b(图5)。如下文将描述，连接表面308a(图5)限定多个槽沟310a-d(图8)，并且连接表面308b限定钻孔309(图4)。
现在参考图4和图5，器械驱动单元300支撑多个致动器或电机314a-e和以操作方式与相应的电机314a-d联接的多个导螺杆316a-d(图5)。具体地说，电机314e可滑动地安置于第一外壳部分302中，并且联接到可旋转转接器315，所述可旋转转接器315被配置成以操作方式啮合手术器械200的细长部件210。
器械驱动单元300的第一外壳部分302的连接表面308b限定钻孔309(图4)，所述钻孔309被配置成接收穿过其中的可旋转转接器315。第一外壳部分302进一步限定被配置成可滑动地接收杠杆311的槽沟317(图5)。杠杆311被配置成沿着在延伸位置(图5)与缩回位置(图4)之间的纵轴“X-X”(图4)滑动电机314e，在所述延伸位置中可旋转转接器315(图5)延伸穿过连接表面308b的钻孔309，在所述缩回位置中可旋转转接器315(图5)安置于钻孔309的近端。杠杆311可以放置在缩回位置(图4)中以有助于(例如)将手术器械200附接到器械驱动单元300以及从器械驱动单元300中分离手术器械200。
继续参考图5，电机314a-d与相应的导螺杆316a-d联接。每个导螺杆316a-d以可螺纹旋拧方式与非可旋转支撑部件或螺母318相关联(图5中仅示出一个)。通过限定在第二外壳部分304的连接表面308a中的相应的槽沟310a-d(图8)滑动地接收每个支撑部件318。每个支撑部件318与具有锯齿的相应的托架部件320a-d联接。在此配置中，相应的电机314a-d的致动使得相应的导螺杆316a-d伴随的旋转。相应的导螺杆316a-d的旋转使得在相应的槽沟310a-d内的相应的支撑部件318平移，这继而实现相应的托架部件320a-d的平移。电机314a-d的单独的致动使得托架部件320a-d能够单独的平移。
现在参考图5和图6，手术器械200包含转接器部分202、从转接器部分202延伸的细长部件210和在细长部件210远端处的末端执行器230(图2)。转接器部分202包含啮合表面206a、206b(图6)，所述啮合表面206a、206b被配置成相应地啮合和/或对着器械驱动单元300的连接表面308a、308b(图5)。转接器部分202支撑在(例如)共用轴“Y-Y”(图4)上的多个齿轮216a-d(图6)以用于其单独的旋转。确切地说，每个齿轮216a-d具有卷轴部分217a-d(图4)。齿轮216a-d的每个卷轴部分217a-d联接到相应的缆线400a-d(图5)。转接器部分202的啮合表面206b(图6)限定多个孔隙209a-d(图4)。每个齿轮216a-d的至少一部分延伸穿过相应的孔隙209a-d，使得每个齿轮216a-d啮合相应的托架部件320a-d。以此方式，托架部件320a-d的平移使得转接器部分202的相应的齿轮216a-d旋转。
每个缆线400a-d具有联接到相应的齿轮216a-d的相应的卷轴部分217a-d(图4)的第一端和联接到在细长部件210的远端处的末端执行器230的第二端。每个缆线400a-d可以联接到末端执行器230，使得每个缆线400a-d或其组合的致动执行末端执行器230的功能。缆线400a-d中的一个或多个的纵向平移实现末端执行器230或其一部分上的移动(例如，旋转、枢转、铰接、纵向/横向平移等)。举例来说，标题为“具有用于互连机电手术装置和手术负载单元及其手术***的万向节的转接器总成(Adapter Assembly with Gimbal forInterconnecting Electromechanical Surgical devices and Surgical LoadingUnits,and Surgical Systems Thereof)”的2014年4月21日递交的第14/257,063号美国专利申请描述了具有支撑以操作方式联接到可旋转导螺杆以发射手术钉的可向远端推进的滑橇的末端执行器的手术吻合装置，所述专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。细长部件210经尺寸设定以便接收多个缆线400a-d中的每一个并且使得多个缆线400中的每一个能够穿过其中线性地平移。
现在参考图7和图8，器械驱动单元300可以配备有保护屏障或盖层500。举例来说，标题为“用于机器人手术器械的无菌盖层界面(Sterile Drape Interface for RoboticSurgical Instrument)”的第7,886,743号美国专利描述了覆盖机器人手术操控器的至少一部分的无菌盖层。器械驱动单元300在安装手术器械200于其上之前可以覆盖有盖层500。盖层500可以由(例如)柔性材料形成。盖层500可以包含由(例如)刚性聚合物形成的旋转套管510。旋转套管510可以焊接到盖层500上。旋转套管510被配置成接收与电机314e联接的可旋转转接器315。盖层500可以进一步包含由(例如)刚性聚合物薄片形成的强化支架550，以提供托架部件320a-d在其上平移的强化表面。可旋转转接器315可以配备有无菌屏障栓塞330以提供在可互换的旋转零件之间的无菌屏障。
在操作中，手术器械200可拆卸地安装在支撑在机械臂2、3上的器械驱动单元300上，而器械驱动单元300的杠杆311在收缩状态中。转接器部分202的齿轮216a-d啮合相应的托架部件320a-d。此时，器械驱动单元300的杠杆311可以转换到延伸状态，使得与电机314e联接的可旋转转接器315以操作方式啮合手术器械200的细长部件210。
通过以操作方式联接到器械驱动单元300的手术器械200，激活多个电机314a-d中的一个或多个以旋转导螺杆316a-d中的一个或多个。器械驱动单元300的导螺杆316a-d的旋转使得相应的托架部件320a-d平移，这继而使得手术器械200的相应的齿轮216a-d旋转。相应的齿轮216a-d的旋转平移相应的缆线400a-d。缆线400a-d纵向平移或其组合实现末端执行器230或其一部分上的移动(例如，旋转、枢转、铰接、纵向/横向平移等)。此外，电机314e的致动使得以操作方式与手术器械200的细长部件210联接的可旋转转接器315旋转(围绕纵轴“X-X”)。以此方式，电机314e的致动使得手术器械200的细长部件210旋转。
所属领域的技术人员应理解，本文中专门描述的且在附图中示出的结构及方法是非限制性示例性实施例，且应将描述、公开内容及诸图解释为仅为示例性的具体实施例。因此，应理解，本发明不限于所描述的精确实施例，且所属领域的技术人员可在不脱离本发明的范围或精神的情况下进行各种其它改变及修改。另外，可在不脱离本发明的范围的情况下将结合某些实施例所示或所描述的元件及特征与某些其它实施例的元件及特征组合，且此类修改及变化也包含在本发明的范围内。因此，本发明的标的物不受到已具体示出及描述的内容限制。

Claims (19)

1.一种用于选择性连接到机械臂的手术***，所述手术***包括：
器械驱动单元，其包含第一致动器和第二致动器以及以操作方式与相应的所述第一致动器和所述第二致动器联接的第一可平移部件和第二可平移部件；以及
可拆卸地联接到所述器械驱动单元的手术器械，所述手术器械包含：
转接器部分，其具有以操作方式啮合相应的所述第一可平移部件和所述第二可平移部件的第一可旋转部件和第二可旋转部件，所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件可响应于相应的所述第一可平移部件和所述第二可平移部件的平移而旋转，所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件可彼此独立地旋转并且围绕共用轴旋转，所述第一可平移部件和所述第二可平移部件沿所述共用轴的方向并排布置；
细长部件，其从所述转接器部分向远端延伸；以及
末端执行器，其安装在所述细长部件的远端上，所述末端执行器以操作方式与所述第一可旋转部件联接，其中所述第一可旋转部件的旋转实现所述末端执行器的第一功能。
2.根据权利要求1所述的手术***，其中所述第一致动器的致动使得所述第一可平移部件平移，这继而使得所述手术器械的所述转接器部分的所述第一可旋转部件旋转。
3.根据权利要求2所述的手术***，其中所述手术器械进一步包含具有联接到所述第一可旋转部件的第一端和以操作方式与所述末端执行器相关联的第二端的第一缆线。
4.根据权利要求3所述的手术***，其中所述第一可旋转部件包含被配置成在所述第一可旋转部件的旋转之后使得所述第一缆线卷绕其上的卷轴部分。
5.根据权利要求4所述的手术***，其中所述第一可旋转部件包含具有锯齿的齿轮部分，所述锯齿被配置成与所述器械驱动的所述第一可平移部件的锯齿齿合。
6.根据权利要求4所述的手术***，其进一步包括第三致动器，所述第三致动器以操作方式与所述手术器械的所述细长部件相关联，使得所述第三致动器的致动使得所述细长部件旋转，这继而使得所述末端执行器旋转。
7.根据权利要求6所述的手术***，其中可滑动地安置所述第三致动器，使得所述第三致动器可在缩回位置与延伸位置之间转换，在所述缩回位置中所述第三致动器以操作方式从所述细长部件中脱啮，在所述延伸位置中所述第三致动器以操作方式与所述细长部件啮合。
8.根据权利要求7所述的手术***，其中所述器械驱动单元的所述第一致动器、第二致动器和第三致动器通过远距离操控来控制。
9.根据权利要求1所述的手术***，其中所述手术器械进一步包含具有联接到所述第二可旋转部件的第一端和以操作方式与所述末端执行器相关联的第二端的第二缆线，其中所述第一可旋转部件和第二可旋转部件的旋转实现所述末端执行器的所述第一功能。
10.根据权利要求1所述的手术***，其进一步包括***在所述器械驱动单元与所述手术器械之间的盖层以提供无菌屏障。
11.根据权利要求5所述的手术***，其中所述第一可旋转部件的所述齿轮部分的所述锯齿穿过无菌屏障啮合所述器械驱动的所述第一可平移部件的所述锯齿。
12.一种机器人手术组件，其包括：
机械臂；
紧固到所述机械臂的器械驱动单元，所述器械驱动单元包含多个致动器和以操作方式与所述多个致动器中的各自相应一个联接的多个可平移部件；以及
可拆卸地联接到所述器械驱动单元的手术器械，所述手术器械包含：
转接器部分，其具有以操作方式与所述多个可平移部件相关联的多个可旋转部件，所述多个可旋转部件中的每一个可旋转部件可响应于所述多个致动器中的所述各自相应一个的致动而旋转，所述多个可旋转部件可彼此独立地旋转并且围绕共用轴旋转，所述多个可平移部件沿所述共用轴的方向并排布置；以及
从所述转接器部分向远端延伸的细长部件，其中所述多个可旋转部件中的一个的旋转实现末端执行器的第一功能。
13.根据权利要求12所述的机器人手术组件，其中所述器械驱动单元的所述多个致动器通过远距离操控来控制。
14.根据权利要求12所述的机器人手术组件，其中所述多个致动器的第一致动器的致动使得所述多个可平移部件的第一可平移部件平移，这继而使得所述手术器械的所述转接器部分的所述多个可旋转部件中的第一可旋转部件旋转。
15.根据权利要求14所述的机器人手术组件，其中所述手术器械进一步包含具有联接到所述第一可旋转部件的第一端和以操作方式与所述末端执行器相关联的第二端的第一缆线。
16.根据权利要求15所述的机器人手术组件，其中所述第一可旋转部件包含被配置成在所述第一可旋转部件的旋转之后使得所述第一缆线卷绕其上的卷轴部分。
17.根据权利要求12所述的机器人手术组件，其中所述多个致动器是在共用平面上的。
18.根据权利要求12所述的机器人手术组件，其中可滑动地安置所述多个致动器的第二致动器，使得所述第二致动器可在缩回位置与延伸位置之间转换，在所述缩回位置中所述第二致动器以操作方式从所述细长部件中脱啮，在所述延伸位置中所述第二致动器以操作方式与所述细长部件啮合。
19.根据权利要求14所述的机器人手术组件，其中所述手术器械进一步包含具有联接到所述多个可旋转部件的第二可旋转部件的第一端和以操作方式与所述末端执行器相关联的第二端的第二缆线，其中所述第一可旋转部件和第二可旋转部件的旋转实现所述末端执行器的第一功能。
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