CN116997305A

CN116997305A - 机器人手术***

Info

Publication number: CN116997305A
Application number: CN202280019711.6A
Authority: CN
Inventors: 莫德海·雪勒夫
Original assignee: Human Xtensions Ltd
Current assignee: Human Xtensions Ltd
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2023-11-03
Also published as: US20240138944A1; EP4308031A1; JP2024509591A; WO2022195588A1

Abstract

一种手术***，具有带有可由一外科医生的一手控制的一集成用户界面的一手术装置、用于将所述手术装置的所述集成用户界面连接到一机械臂的一适配器以及用于当连接到所述机械臂时远程操作所述手术装置的一控制单元。

Description

机器人手术***

相关申请

本申请主张2021年3月15日提交的第63/160,965号美国临时专利申请的优先权，所述申请的整体内容通过引用参考的方式并入本文。

技术领域与背景技术

本发明涉及用于机器人手术的一种***，更特别地涉及一种可与一机械臂耦合并可通过一远程控制单元操作的一手持手术装置。

机器人装置越来越多地被用于在外科手术中协助外科医生。此类机器人装置的设计目的不是取代外科医生，而是作为协作机器人。

协作机器人(collaborative robots,Cobots)通常包括一可移动的手臂(机械臂)，其具有一可操纵远端，手术器械可附接到所述可操纵远端。一操作员可将所述臂及所述附接的手术器械精确定位在一解剖学部位，以执行一医疗或外科手术。达芬奇***是人们较为熟悉的协作机器人之一，所述***配有多个机械臂及多个高科技摄像头，以在手术过程中协助外科医生。所述达芬奇的多个臂能将外科医生的手部运动转化为更小、更精确的运动，从而实现创伤更小的手术。

机械臂的精确控制对医疗手术的安全及成功至关重要。典型的机器人***具有三种控制模式中的一种：手动操作机器人的被动控制、机器人根据一预先编程的轨迹自主地移动的主动控制以及由一远程操作员控制机器人的远程控制。

使用一机器人***的一个好处是，***手臂与外科医生的手臂及手不同，不会出现肌肉劳损或神经抽搐等动作。因此，使用一医疗机器人***可以稳住器械，或以更高的准确度沿着一定义的路径移动所述器械。

虽然机器人手术***提供许多优点，但手术步骤，如广泛或复杂的缝合，往往需要在人工及机器人手术之间切换。

因此，仍然需要一种机器人手术***，使外科医生能够在机器人及人工手术之间无缝且快速地切换，从而在适当的时候及适当的地方利用每种方法的优势。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种手术***，包括：一手术装置，具有一集成用户界面，所述集成用户界面是可通过外科医生的手控制的；一适配器，用于将所述手术装置连接到所述集成用户界面；以及一控制单元，用于远程操作所述手术装置及所述机械臂，其中对所述手术装置的远程控制支配所述机械臂的运动。

根据本发明的实施例，当所述适配器连接到所述手术装置时，所述集成用户界面转换为所述机械臂的一被动耦合器。

根据本发明的实施例，当所述适配器耦合到所述集成用户界面时，所述被动耦合器为所述机械臂提供方向信息。

根据本发明的实施例，当所述适配器连接到所述集成用户界面时，所述手术装置末端执行器的一控制转移到所述远程控制单元。

根据本发明的实施例，所述适配器是可连接到所述机械臂的，或所述适配器与所述机械臂集成。

根据本发明的实施例，所述杆装配到所述集成用户界面中的一槽中，所述槽位于所述集成用户界面的一旋转中心。

根据本发明的实施例，将所述杆装配到所述槽中激活一开关以将所述集成用户界面的控制转移到所述控制单元。

根据本发明的实施例，所述适配器外部地连接到所述集成用户界面。

根据本发明的实施例，所述适配器配置成在一无菌帘布上附接到所述集成用户界面。

根据本发明的实施例，当所述适配器连接到所述手术装置时，所述集成用户界面机械地锁定。

根据本发明的一个方面，提供一种医疗装置，包括一控制单元，所述控制单元包括一集成用户界面，所述集成用户界面具有一手掌界面，所述手掌界面安装在一枢轴支撑件上，所述枢轴支撑件附接到所述控制单元的一外壳，所述手掌界面可倾斜以操作所述医疗装置，所述手掌界面配置成附接到一机械臂，使得当附接时，所述手掌界面锁定在一中心位置并且不能操作所述医疗装置。

根据本发明的实施例，所述枢轴支撑件是安装有万向关节的(gimbaled)。

根据本发明的实施例，所述医疗装置包括一轴，所述轴具有一可转向部分，以及其中所述手掌界面的手动倾斜使所述医疗装置的所述可转向部分偏转。

根据本发明的实施例，所述手掌界面包括一槽，用于接收附接到所述机械臂的一杆。

根据本发明的实施例，所述槽是钥匙形的以用于定向。

除非另有定义，本文所用的所有技术及科学术语均与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同。尽管与本文所述方法及材料类似或等效的方法及材料可用于本发明的实践或测试，但下文将介绍合适的方法及材料。如有冲突，以专利说明书(包括定义)为准。此外，材料、方法及示例仅为说明性的，而不旨在构成限制。

本发明方法及***的实施包括手动地、自动地或两者结合执行或完成选定的任务或步骤。此外，根据本发明方法及***优选实施例的实际仪器及设备，数个选定步骤可通过硬件或任何固件的任何操作***上的软件或其组合来实现。例如，作为硬件，本发明的选定步骤可以一芯片或一电路实现。作为软件，本发明的选定步骤可以由使用任何合适操作***的一计算机执行的多个软件指令来实现。在任何情况下，本发明方法及***的选定步骤都可以描述为由一数据处理器执行，例如用于执行多个指令的一计算平台。

附图说明

本文仅以举例的方式，参照附图对本发明进行描述。现在具体参考附图的细节，需要强调的是，所显示的细节只是举例说明，仅供对本发明的优选实施例进行说明性讨论之用，其目的是对本发明的原理及概念方面提供最有用及最容易理解的描述。在这方面，没有试图对本发明的结构细节进行比对本发明的基本理解所需的更详细的说明，本说明与附图一起使本领域的技术人员清楚地了解本发明的几种形式在实践中是如何体现的。

在附图中：

图1显示具有可由用户的手控制的集成用户界面的手持手术器械。

图2显示根据本发明教导配置的附接到机械臂的图1的手持手术器械。

图3A至图3B显示机械臂(图3A)及用于连接到手持手术器械的适配器部分(图3B)。

图4更详细地显示手持手术器械的集成用户界面，显示集成用户界面的内部组件及适配器连接部位。

图5显示机械臂的适配器与集成用户界面之间的连接。

图6显示适配器与集成用户界面的连接以及当与机械臂连接时维持集成用户界面居中的杆。

图7A至图7E显示通过集成用户界面手动地操作手持手术器械(图7A)及通过远程用户界面远程地操作手持手术器械(图7B至图7E)时手持手术器械及其可偏转尖端的运动。

图7F显示外科医生在屏幕上观察到的运动方向。

图8A至图8B显示由远程用户界面及机械臂操作的手术工具前进及后退运动。

图9A至图9B显示在运动通过集成用户界面(图9A)及远程用户界面及机械臂(图9B)致动时用于控制手术器械的处理步骤。

图10显示作为通过远程用户界面控制机械臂的反馈的多个传感器的测量结果。

图11显示外科医生通过单一的远程界面控制数个机械臂及附接的手术装置。

图12A至图12F显示适于将机械臂连接到悬挂手持装置的多个适配器配置。

具体实施方式

本发明是一种可用于人工及机器人手术的***。具体而言，本发明可用于为外科医生提供使用单一的手术***进行人工及机器人手术的能力。

参考附图及附带说明，可以更好地理解本发明的原理及操作。

在详细解释本发明的至少一实施例之前，应理解本发明的应用并不局限于以下描述中的细节。本发明还可以有其他实施例，或以各种方式实施或执行。此外，应当理解的是，本文所使用的措辞及术语仅用于描述目的，不应被视为限制性的。

典型的机器人***具有三种控制模式中的一种：手动操作机器人的被动控制、机器人根据一预先编程的轨迹自主地移动的主动控制以及由一远程操作员控制机器人的远程控制。

虽然机器人手术***允许精确控制手术，并提高医疗程序的安全性及成功率，但它们通常是专用***，其中手术器械是特别为附接到机械臂或与机械臂集成而设计的，因此在***故障时，或当外科医生希望在手术器械未连接到机械臂时操作手术器械时，无法手动使用手术器械。

在将本发明付诸实践的同时，本发明人设计了一种能够同时提供机器人及人工操作模式的手术***。

因此，根据本发明的一个方面，提供一种可用于开放式或微创手术的手术***。所述手术***包括一手术装置，所述手术装置具有可由外科医生的手控制的一集成用户界面，以及一适配器，用于通过所述集成用户界面将所述手术装置连接到一机械臂。具有一集成用户界面的所述手术装置可通过手控制其集成用户界面进行手动操作，但当通过所述适配器连接到所述机械臂时，所述手术装置通过一远程用户界面(例如，附接到外科医生的用户界面)进行控制。因此，适配器耦合有效地将集成用户界面转换为一被动耦合器。所述远程用户界面(以类似于集成用户界面的方式)控制所述手术装置，从而支配所述机械臂的运动。对所述手术装置的所述末端执行器的操作的远程控制(例如：操作装置铰接、附接到其的一抓取器的操作等)不通过所述手术装置的所述集成用户界面中继，而是直接转移到所述装置控制器，并利用集成到所述手术装置或所述适配器中的位置/力传感器。对所述手术装置的空间位置的远程控制通过机械臂中继，并利用集成到所述机械臂、适配器中的位置/力传感器，以及可选地集成到所述手术装置中的位置/力传感器。

本***的这种配置及功能使外科医生能够在所述手术装置自所述机械臂分离时手动地操作所述手术装置，而在同一器械附接到所述机械臂时机器人地控制同一器械，其方式与开放式手术类似，无需使用支点。

如此，具有手动地控制手术装置的经验的外科医生就能很快地适应通过一机械臂设置操作同一装置。

所述适配器可以形成所述机械臂(或所述集成用户界面)的一部分。在任何情况下，所述适配器可以包括一杆(或销)，所述杆或销与一外壳相连，所述外壳优选地与所述集成用户界面的旋转中心共同对准，从而将所述集成用户界面锁定在一设定位置。将所述杆连接到所述外壳上激活限位开关，将控制从所述手术装置的所述集成用户界面转移到所述控制单元。

所述机械臂可以是任何类型的臂，具有一个、两个、三个或更多个关节，能够在一个或多个平面上运动。

在目前的机器人手术应用中，机器人与人类的接触是隔离的。与此不同，协作机器人(或Cobots)的设计目的是在密闭空间内与人类协作工作，因此其设计是安全的并具有轻质结构、圆角边缘、固有的速度及力量限制，同时利用传感器及软件确保安全的操作。

当人类及协作机器人都在运动时，所述协作机器人及人类可同时在同一区域工作，并且所述协作机器人可对人类运动做出实时响应。

一典型的协作机器人臂包括通过关节相互连接的数个独立臂部分。每个臂可包括多个电机、一制动***及多个传感器。所述关节及臂连接到一中央控制***，用于控制每个关节的所述多个电机及所述制动***，以及接收及处理多个传感器信号。每个关节包括带有输入及输出部件的一外壳。

关节外壳的所述输入部件连接到接近所述关节的一链接的所述远端。所述外壳的所述输出部件可通过安装在所述外壳中的所述电机相对于所述外壳旋转。所述关节外壳还可以包含一安全制动器。所述安全制动器通常包括安装在所述电机轴上的一环形部件，所述环形部件可相对于所述电机轴旋转，但所述环形部件与所述电机轴之间存在摩擦力。所述制动机构还可以包括一电磁阀，当所述制动器激活时，所述电磁阀将一棘轮移至与所述环形部件啮合，以减慢所述电机轴相对于所述外壳的旋转。

所述关节外壳还可以包括两个编码器，作为所述多个传感器的一部分。第一个编码器感测所述输出部件相对于所述外壳的一角方向，第二个编码器感测所述电机轴相对于所述关节外壳的所述角方向或旋转。

每个协作机器人臂***还包括可连接到一推车、一工作表面或一夹具的一近端基座及一远端连接器。所述远端连接器允许附接末端执行器、摄像头或其他传感器，这些其他传感器配置成特别地用于一协作机器人。

一中央控制电路可以与所述协作机器人臂***集成为一体，或者可以放置在一外部盒子中。

市场上有多种类型的商用协作机器人。所述协作机器人***在尺寸、重量、伸展范围、一般运动范围、功耗、负载、准确度、噪音以及对不同环境条件(如灰尘、湿度及温度)的适应性等方面各不相同。

例如：用于轻型装配任务及自动化工作台场景的一小型协作台式协作机器人(如UR3e)可能重11千克(kg)，有效载荷为3千克(kg)，伸展范围为0.5米，且所有腕关节±360度旋转，以及末端关节无限旋转。

重型协作机器人(如UR16e)适用于重型机械操作、材料处理、包装以及螺钉及螺母驱动等应用，重量为33千克(kg)，有效载荷为16千克(35.3磅)，伸展范围为0.9米，且所有腕关节±360度旋转，以及末端关节无限旋转。

在腹腔镜手术领域，所述协作机器人可以承载至少1千克的有效载荷，伸展范围至少为0.4米。所述机械臂可以有至少3个机动自由度，重量不超过15千克。一协作机器人可以固定或夹在手术台上，也可以附接到推车上。

可以改装用于本发明的协作机器人包括KINOVA-MICO2：一种6轴协作机器人，可承载2.1千克的有效载荷，伸展范围为0.7米，重量为4.6千克；UNIVERSAL ROBOTS-UR3：一种6轴协作机器人，可承载3千克的有效载荷，伸展范围为0.5米，重量为11千克；或UNIVERSALROBOTS制造的UR3协作机器人。

所述手术装置可以是通过手臂及手的动作手动地操作的任何类型的机动装置。此类装置可通过一访问端口(套管)配置用于微创手术。所述手术装置可以包括一控制单元，所述控制单元附接到具有一末端执行器(抓取器、切割器、摄像头等)的一轴。所述用户界面可以控制轴偏转/铰接(通过缆线或电机及缆线/齿轮)以及末端执行器(如抓取器)的操作。所述手术装置的空间定位(上/下、边对边)可由臂运动控制。本***配置使用的一手术装置示例如下所述。

所述远程用户界面的功能可与所述集成用户界面类似，因为它可对轴偏转及执行器末端操作进行类似的控制，同时还可为空间定位(由所述机械臂执行)提供用户控制。与本***配置使用的一远程用户界面的一示例如下所述。

现参照附图，图1及图2分别地显示可手动操作的一手术装置及装配有手术装置的一机械臂。

所述手术装置(以下简称装置10)包括附接到一轴14上的一控制单元22。

控制单元22包括一外壳16，其中包含一驱动单元18、电路20及一集成用户界面22(以下简称界面22)，其中界面22安装在外壳16的一近端24上。外壳16及界面22可以用一聚合物及/或合金，使用机械加工、3D打印及/或铸造/模塑制造方法制成。外壳16的直径可为40至60毫米(mm)，高度约为60至150毫米(mm)。界面22也如图4至图5所示。

轴14可以包括一可转向部分24及远端安装的一末端执行器末端/器械(图示为抓取器26)。轴14可以使用本领域已知的材料及方法制造。

轴14包括沿其长度设置的多根缆线，用于将力从驱动单元18传递到可转向部分的末端28及钳口26。

轴14的长度可以是20至40公分(cm)，直径可以是3至16毫米(mm)，可以是空心的，也可以是实心的。一空心轴14可以在内部布线，一实心轴14可以通过专用导轨在轴14的外部表面布线。

轴14的所述可转向部分可以由具有多个切口(例如US4911148中所示的切口)的一管子或多个链接(例如US7682307、US6817974)制成，控制缆线穿过所述管子或所述多个链接中形成的多个导轨。可替换地，还可以按照本发明人的第61/765,745号美国临时专利申请中的描述来制造所述可转向部分，所述申请的教导完全地并入本文。

轴14的近端30连接到外壳16的一远端32，轴14的控制及致动缆线/杆穿过外壳32附接到驱动单元18。驱动单元18可以包括杠杆及齿轮，用于将用户界面22的运动转化为控制缆线及/或驱动缆线的拉动。这种转换可以是机械(手动)的，也可以是机动的。

外科医生的手50以这样的方式放置：用户的手背位于约束52的下方，而用户的三个手指可以自由地抓住一手掌界面54，拇指及食指与一手指界面56接合。

约束52可弹性变形，以符合外科医生的手背，同时对其施加一向下力。

手掌界面54可枢转地附接到一基座上，基座包括多个传感器，用于通过测量手掌表面54相对于所述基座的方向来测量用户的手的空间方向。

手指界面56连接到手掌界面54。此外，手指界面56的桨叶58(图中示出两个)是可移动的(向内捏，向外释放)及可旋转的(顺时针，逆时针)，用以控制装置10的一执行器末端(例如抓取器等手术工具)。

如图2所示，装置10可通过界面22连接到一机械臂100(在此统称为***70)。机械臂100包括用于将机械臂100连接到一床、桌子或类似物的基座102，以及通过关节(112、114)相互连接的3个分段(106、108、110)。一关节116通过一适配器将机械臂100连接到装置10(下文将进行描述)。

图3A至图3B展示机械臂100及带有杆124的适配器120，用于通过界面22将机械臂100连接到手术装置10。

图3A是机械臂100的总视图，适配器120位于所述远端链接110的远端。在此配置中，机械臂100包括3个链接：相对于基座102围绕其纵轴旋转的垂直链接106、通过关节112(电机外壳的一部分)连接到分段106的分段108，以及通过关节114(电机外壳的一部分)连接到分段108的远端分段110。分段108及110可围绕关节112及114的纵轴旋转。应该注意的是，在图3A中，机械臂100具有最少数量的臂及关节，使机械臂100能够将适配器120空间定位在任何期望的位置。市场上有各种机械臂及协作机器人，提供不同数量的分段及关节。机械臂100可以通过改装市售的协作机器人来制造，以包括远端适配器120。夹具104可用于将机械臂100连接到推车或手术台。分段108及110的长度可为20至40公分，伸展范围为40至80公分。

图3B更详细地显示适配器120。适配器120将机械臂100的链接110的远端优选地连接到装置10的用户界面22的旋转中心。适配器120通过环形适配器116连接到臂110的远端。杆124从环形适配器116中伸出，并带有一钥匙孔(不对称形状)，允许与装置10的界面22的单一方向连接。当杆124完全连接到用户界面22时，会按下杆124的远端上的限位开关122。凸起126与用户界面22的外部表面54接合，在机械臂100携带装置10时作为一支撑。

图4是一剖视图，更详细地显示用户界面22的内部结构以及通过适配器120与机械臂100连接的连接器外壳132。限位开关140位于装置10的用户界面22上。限位开关140的杠杆142指示适配器120的杆124是否卡入连接器外壳132。用户界面22包括覆盖一球形基座136的手掌界面54，允许用户围绕球形基座136的中心，相对于装置10的主体16倾斜用户界面22。球形基座136通过框架144连接到手掌界面54。手掌界面54包括一开口134，其允许适配器120的杆124在其一中心位置与球形基座136机械地连接。当杆124固定到外壳132上时，限位开关140的杆142压下，表明机械臂100连接到手持装置10。

图5是一剖视图，显示所述机械臂100的适配器120与装置10的用户界面22之间的连接。杆124连接到外壳132，而与链接110的纵轴共同对准的杆124的中心线148指向球形基座136的旋转中心148(如虚线圆68所示)。当杆124卡入外壳132时，开关122(如图3B所示)压在外壳132上，且限位开关140的杆142被杆124压住。

图6更详细地显示机械臂100的适配器120与装置10的用户界面22之间的连接。适配器120的杆124(穿过钥匙孔形开口134)卡入位于界面22中的外壳132，从而将开关122压向外壳132，同时限位开关140的杆142被杆124压下；凸起126支撑界面22的盖子130。

正如下文对图9A至图10的进一步描述，当限位开关122及140都压下时，手持机动装置10及机械臂100的分别的控制***在一单一控制电路下联合起来，使外科医生能够同时控制手持机动装置10及机械臂100的所述末端执行器26。

图12A至图12F显示一适配器，适用于将一机械臂连接到一悬挂装置。

如果装置10是悬挂的(出于无菌原因)，则需要一外部适配器配置，以便将机械臂100连接到装置10。适配器300包括臂302，其抓握界面22的外部表面。当界面22是悬挂的，臂302紧紧地抓住界面22，而不会中断悬挂提供的无菌屏障。适配器300可以包括一限位开关122，用于指示适配器310是否连接到界面22。

如图12A至图12C所示，适配器300可以与界面22的旋转中心共同对准(如上文关于图3A至图6所述)。适配器可以可替换地通过一斜角连接器312连接到远端臂110(图12D至图12F)。

当机械臂100连接到装置10时，另一种可以用来锁定界面22的选项是利用装置10的一界面锁定机构。装置10可以包括一机动制动机构，当外科医生手动使用时，所述机动制动机构锁定/解锁界面22。当机械臂100连接到装置10(在悬挂物上)时，此一机构可以打开。这锁定手掌界面的万向机构(在任何期望的位置，例如中心)，并允许装置10与机械臂一起使用。

图7A显示外科医生手50握持集成界面22时对装置10的手动定位。外科医生可以将装置10相对于支点60倾斜到任何期望的方向，如方向箭头80所示，并沿着线性箭头82的方向通过支点60将装置10的轴滑入及滑出。

图7B至图7E显示远程用户界面200(以下简称界面200)对装置10的远程控制。在此配置中，集成界面22作为机械臂100与装置10的主体及轴24之间的被动耦合器，允许机械臂100对装置10的定位及定向。

通过界面200的机器人控制的影响如下。装置10通过适配器120及杆122连接到机械臂100，同时界面22被停用并(通过杆124)啮合到一中心位置，将界面22的功能改变为一被动万向耦合器，位于机械臂100的远端链接110的纵轴的末端的已知点，如图5的中心线148所示。

装置10连接到机械臂100后，位于球形基座136上的多个传感器将作为多个组合控制电路(220、222、224)的俯仰及偏摆测量传感器，下文将参考图9A至图10进行描述。

图7B至图7C显示当装置10附接到机械臂100时对末端执行器定位的远程控制。应当注意的是，外科医生通过一二维屏幕(图7F)查看手术过程，因此，如图7F所示，末端执行器位置被视为按左、右、上、下方向运动。

当外科医生希望将装置10的末端执行器26向左移动时(如箭头62所示)，同时轴24通过支点60定位时，外科医生将远程控制200的尖端向左移动(箭头72)，命令机器人***100相对于支点60按顺时针方向(CW)将装置10向右倾斜，从而使轴24沿方向62绕支点60逆时针(CCW)旋转，导致尖端26向左移动。

如图7C所示，当外科医生希望将装置10的末端执行器26向右移动时(方向64)，外科医生将远程控制200的尖端向右移动(箭头74)，命令机器人***100相对于支点60顺时针将装置10向左倾斜，从而围绕支点60旋转轴24，导致尖端26向右移动。

图7D至图7E显示在操作机器人***时对末端执行器定位的上及下的远程控制。

当外科医生希望将装置10的末端执行器26向下移动时(箭头66)，外科医生将远程控制200的尖端向下移动(箭头76)，如图7D所示，命令机器人***100相对于支点60将装置10向上倾斜，迫使尖端26向下移动。

当外科医生希望将装置10的末端执行器26向上移动时(箭头68)，外科医生将远程控制200的尖端向上移动(箭头78)，如图7E所示，命令机器人***100相对于支点68将装置10向下倾斜，迫使尖端26向上移动。

图8A至图8B显示在使用机器人***进行操作时对末端执行器26定位的进出远程控制。

当外科医生希望将装置10的末端执行器26向内移动时(箭头84，图8A)，外科医生将远程控制200的尖端210滑离远程控制基座202(箭头94)，命令机器人***100通过支点60将装置10的轴24滑入患者体内，使尖端26在体腔内向深处移动。

当外科医生希望将装置10的末端执行器26向外移动时(箭头86，图8B)，外科医生将远程控制200的尖端滑向远程控制基座202(箭头96)，命令机器人***100将轴24及尖端26滑出体腔。

图9A至图9B显示通过用户界面22(图9A)、远程控制200及机械臂100(图9B)致动而运动时控制手术器械的处理步骤。

图9A是一流程图，解释如何使用界面22控制装置10的末端执行器26。为了使用装置10进行操作，外科医生通过用户界面22握持装置10，同时将末端执行器26放置在患者体内，将轴滑过切口，并以切口为支点。当外科医生将装置移动到期望的位置时，外科医生可以通过相对于装置10的主体16倾斜界面22来控制末端执行器方向。铰接的方向由位于用户界面22的方向传感器(CI)控制。中央处理单元利用来自方向传感器的读数计算期望的铰接角度，并将其转化为对操作末端执行器26的铰接的电机的指令。末端执行器机构的控制由类似的控制流程执行。例如，如果末端执行器是一抓取器，那么按下及松开手指界面的踏板控制钳口的打开及关闭运动，且旋转踏板控制抓取器钳口的旋转。

图9B是一流程图，解释如何使用遥控器150(将被定制用于控制机器人手术***70的远程控制200所取代)控制机械臂100的远端连接器120。为了将位于机械臂100的远端的适配器120的尖端移动到一期望的位置，用户将遥控器150的手柄沿一期望的方向或向一期望的位置移动(取决于用于控制的算法)。机械臂100的中央处理单元计算将远端适配器120的尖端移动到所述期望的位置所需的指令，并将其转化为电机指令，从而使尖端运动到一期望的位置。

图10是一流程图，概述一手术机器人***70的中央处理单元220所处理的信号及控制。当装置10的界面22连接到机械臂100时，限位开关122及140都压下，向处理单元220指示界面22已转换为一被动万向节，用于测量装置10的主体16相对于机械臂100的远端链接110的方向。由于装置10的几何尺寸已知，中央处理单元220可以计算出轴14的方向及末端执行器26的位置。

当压下杠杆142时，装置10的控制电路不会将装置10的界面22的俯仰及偏摆传感器的读数用作控制铰接的输入，也不会读取手指界面56的传感器的读数。在限位开关122及142都被释放之前，控制铰接及末端执行器运动的指令仅由远程控制200生成。

当机械臂100移动装置10时，必须确保装置10的运动是安全的，不会对患者造成伤害，例如对切口部位施力。

因此，本***使外科医生能够通过将末端执行器26***套管来校准相对于末端执行器26及轴24的切口点位置。当末端执行器26位于所述套管的旋转点中时，外科医生按下一校准按钮/由于机械臂100的分段及关节的尺寸以及分段之间的角度是已知的，而且装置10的尺寸及其由界面22的俯仰及偏摆传感器测量的方位也是已知的，因此可以计算出切口点的准确位置，并可以确定支点，从而使***70的控制电路能够相对于切口部位安全地定向及滑动装置10。如果校准过程执行不正确或不准确，界面22(作为一被动耦合器)也将作为一安全机制，并可以补偿一不准确的校准过程。

在初始校准之后，当机械臂100移动装置10时，可以持续执行重新校准。当***70的控制电路沿一计算的路径移动装置10时，控制电路也会计算用户界面22的角度。此外，还可以执行连续的在线校准：在执行一路径时，控制电路可以读取来自用户界面22的俯仰及偏摆传感器的信号，并将其与预先计算的值进行比较。如果误差大于一期望值，控制***会为切口点计算新的值，将误差减小到一可接受的值。

当所述轴通过所述切口部位滑入及滑出时，可以执行相同的校正过程。

为装置10添加一惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)器件还可以减少定位误差并且确保装置10平稳运动。

用户界面22还可以作为一安全机制，将从用户界面22获取的信号与传感器的预计算值进行比较。例如，如果末端执行器与体腔内的组织非预期地碰撞，那么所述机械臂将继续其预定的计算路径，而来自用户界面22的测量信号将与这些预计算值不匹配。所述控制***将计算并观察测量值与预期的预计算值之间不断增大的差值，直到达到一不可接受的阈值，从而停止或减慢运动。

来自连接到装置10的IMU的读数及来自界面22的传感器的信号的结合也可以用于以与上述相同的方式提高***70的安全级别。

当使用超过一个的机械臂100(每个机械臂100附接到一专用装置10)时，可在校准每个机械臂100之后执行一第二个校准过程。中央控制***将使用所述第二校准过程来避免机械臂100之间的碰撞或装置10的多个轴之间的碰撞。

为了执行所述第二校准过程，所述用户可以将两个装置10的末端执行器26互相附接，然后按下控制单元200上的一第二校准按钮。由于两个机械臂100的尺寸都是已知的，因此可以计算出每个机械臂100相对于另一个机械臂100的原点。所述第二校准过程允许控制***计算每个机器人***的每个链接、装置及轴的空间定位，并消除它们之间的碰撞。需要注意的是，用户可以以一相反的顺序执行所述两个校准过程，即先校准机械臂之间，然后校准切口点。此外，机械臂之间的校准可在患者体外或体内进行，并且在必要时重复校准。

界面200可以通过一物理缆线或无线连接(如蓝牙、Wi-Fi或一专用射频协议)与装置10及机械臂100通信。

界面200包括可连接到一物件或外科医生(如在腰带位置)的一基座202。基座202通过一万向关节206连接到一第一臂204。一第二臂208可伸缩地连接到第一臂204并可相对其前后移动及旋转。第二臂208的远端通过铰链211与一手指界面210连接，铰链211允许手指界面210相对于第二臂208枢转。手指界面210可以用于通过臂208相对于臂204的旋转来旋转一执行器端(例如抓取器)，通过桨叶213的打开及关闭功能来打开/关闭抓取器钳口，以及通过在铰链211的运动来偏转轴14。

界面200通过第一机械臂204相对于基座202的运动(通过万向关节206)来控制机械臂100的运动。如图7B至图7D所示，手臂204相对于基座202向左倾斜转化为装置10向右倾斜(由机械臂100致动)，而手臂204相对于基座202向右倾斜转化为装置10向左倾斜(由机械臂100致动)。同样，手臂204相对于基座202向上倾斜转化为装置10向后倾斜(由机械臂100致动)，手臂204相对于基座202向下倾斜转化为装置10向前倾斜(由机械臂100驱动)。此类对装置10的位置的控制相似于对一开放式手术中使用的一手术装置的控制，其中所述手术装置的所述末端执行器与外科医生的手的移动方向相同。

图11显示在一腹腔镜手术中使用三个***70的典型设置。

当外科医生3决定使用***70时，机械臂10a至10c可以通过手术台70旁的推车定位，并夹在位于手术台7侧边的导轨71上。然后将手持装置10a至10b连接到机械臂100a至100b，并将腹腔镜摄像头连接到机械臂100c。

装置10a至10b分别从切口60a至60b***，并且腹腔镜11从切口60c***。

如上所述，对装置10a至10b及腹腔镜11执行一两步校准过程。为了执行外科手术，外科医生3握持远程用户界面200a至200b的手指界面，以同时控制两个手持装置10a至10b。为了定位所述腹腔镜摄像头，外科医生3将控制权从界面200a或200b之一切换到摄像头控制权。所述腹腔镜摄像头也可由使用一附加远程用户界面200的助手(未图示)控制。在手术过程中的任何时候，外科医生及工作人员可以断开装置10a至10c之一的连接，并且另一名外科医生或助手可以手动地操作装置10a至10c中的一个或多个，而所述外科医生则远程控制连接到机械臂100a至100c的装置。由于机械臂100a至100c包括安全协议(如上所述)，因此在远程控制的机械臂附近工作的助手不会有任何潜在风险。此外，任何机械臂100a至100c都可以由不在手术室的外科医生操作(例如远程操作)。随着手术的继续，手持装置可以重新连接到机械臂，如果没有引入设置更改，则不需要额外的校准。

此处使用的术语“大约”是指±10％。

可以理解的是，为了清楚起见，本发明的某些特征在分别的实施例中进行了描述，但也可以在单一的实施例中组合提供。反之，为简明起见，在单一的实施例中描述的本发明的各种特征也可以分别地提供或以任何合适的子组合提供。

尽管本发明已结合其具体实施例进行了描述，但对于本领域的技术人员来说，许多替代方案、修改及变化显然是显而易见的。因此，本发明旨在涵盖属于所附权利要求的精神及广阔范围内的所有此类替代方案、修改及变化。

申请人的意图是将本说明书中提及的所有公开物、专利及专利申请整体通过引用参考的方式全部并入本说明书中，如同在引用每份单独的公开物、专利或专利申请时都特别地且单独地注明其通过引用参考的方式并入本说明书中一样。此外，在本申请中引用或指明任何参考文献不应被解释为承认所述参考文献是本发明的现有技术。在使用章节标题的情况下，不应将其理解为必要的限制。此外，本申请的任何优先权文件整体均以引用参考的方式全部并入本申请。

Claims

1.一种手术***，其特征在于，包括：

(a)一手术装置，具有一集成用户界面，所述集成用户界面是可通过外科医生的手控制的；

(b)一适配器，用于将所述手术装置连接到所述集成用户界面；以及

(c)一控制单元，用于远程操作所述手术装置及所述机械臂，其中对所述手术装置的远程控制支配所述机械臂的运动。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，当所述适配器连接到所述手术装置时，所述集成用户界面转换为所述机械臂的一被动耦合器。

3.如权利要求2所述的***，其特征在于，当所述适配器耦合到所述集成用户界面时，所述被动耦合器为所述机械臂提供方向信息。

4.如权利要求1所述的***，其特征在于，当所述适配器连接到所述集成用户界面时，所述手术装置末端执行器的一控制转移到所述远程控制单元。

5.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述适配器是可连接到所述机械臂的，或所述适配器与所述机械臂集成。

6.如权利要求5所述的***，其特征在于，所述杆装配到所述集成用户界面中的一槽中，所述槽位于所述集成用户界面的一旋转中心。

7.如权利要求6所述的***，其特征在于，将所述杆装配到所述槽中激活一开关以将所述集成用户界面的控制转移到所述控制单元。

8.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述适配器外部地连接到所述集成用户界面。

9.如权利要求8所述的***，其特征在于，所述适配器配置成在一无菌帘布上附接到所述集成用户界面。

10.如权利要求2所述的***，其特征在于，当所述适配器连接到所述手术装置时，所述集成用户界面机械地锁定。

11.一种医疗装置，其特征在于，包括一控制单元，所述控制单元包括一集成用户界面，所述集成用户界面具有一手掌界面，所述手掌界面安装在一枢轴支撑件上，所述枢轴支撑件附接到所述控制单元的一外壳，所述手掌界面可倾斜以操作所述医疗装置，所述手掌界面配置成附接到一机械臂，使得当附接时，所述手掌界面锁定在一中心位置并且不能操作所述医疗装置。

12.如权利要求11所述的医疗装置，其特征在于，所述枢轴支撑件是安装有万向关节的。

13.如权利要求12所述的医疗装置，其特征在于，所述医疗装置包括一轴，所述轴具有一可转向部分，以及其中所述手掌界面的手动倾斜使所述医疗装置的所述可转向部分偏转。

14.如权利要求12所述的医疗装置，其特征在于，所述手掌界面包括一槽，用于接收附接到所述机械臂的一杆。

15.如权利要求14所述的医疗装置，其特征在于，所述槽是钥匙形的以用于定向。