CN105392439A - 机器人手术站 - Google Patents

Abstract

描述了一种机器人手术站。该机器人手术站具有基座、环形结构以及远程控制单元，其中基座配置为固定至地面，病床和多个机械臂分别在第一安装座和第二安装座处被约束在环形结构上，远程控制单元可被外科医生用来给病人实施手术。

Description

机器人手术站

相关申请交叉引用

本申请要求2013年6月13日提交的美国临时申请61/834504的优先权，该申请以全文引用的方式纳入文本。

技术领域

本公开总体涉及外科手术机器人，具体涉及机器人手术站。

背景技术

目前，手术室主要按照19世纪前机械化时代前的条件布置。随着腹腔镜手术的引入以及随后与机器人结合，外科手术室结构的新时代正在兴起。

存在着已知的手术机器人，如由直觉外科手术股份有限公司开发的机器人外科手术系统“达芬奇”。“达芬奇”机器人外科手术系统包括外科手术机器人，外科手术机器人设有与手术器械连接在一起的多个机械臂或末端执行器。机器人放置于手术台边上，由外科医生通过控制站进行远程控制，控制站包括特殊的手柄和踏板，手柄和踏板允许外科医生可选择性地驱动机械臂和外科手术器械。

本领域中已知的其他机器人外科手术系统，如美国2013/0178870公开的机器人外科手术系统，该系统用于支撑病人和机器人手术机械手。该机器人外科手术系统包括基座、立柱和连接结构，该立柱的第一端与基座连接并向上垂直延伸至相反的第二端，该连接结构连接于该立柱的第二端。病人检查台连接至该连接结构。机器人支撑臂具有与该连接结构连接的第一端。机器人支撑臂可以从第一端垂直向上延伸至第二端。机器人支撑臂可以进一步在病人检查台上方水平延伸以支撑机器人手术机械手。该机器人手术机械手从机器人支撑臂朝向由病人检查台支撑的病人大致向下延伸，从而将机器人手术机械手的末端执行器放置到病人身上的手术部位附近。

病人检查台可以相对于地面倾斜，从而获得患者内部器官的重力位置，这对于某些外科手术可能是需要的。

U.S.2013/085510公开了一种类似的机器人手术系统，其中机械手臂和病人检查台被约束在一个立柱上，该立柱又安装在基座上。病人检查台可操作地连接到机器人和关联控制器中。病人的位置可以通过机器人远程控制。控制器可以识别病人相对于手术室和各种机器人组件的位置和方向。这样的系统可以保持病人与手术机器人的一个或多个末端执行器之间固定的参照坐标系，消除由于病人移动产生的系统重新校准需求。

尽管可提供机器人手术系统，不断增长的改善手术室环境质量的需求仍然存在，尤其是进一步改善和开发机器人手术系统的需求，其中机械手和手术台形成一个单一集成的外科手术站，这是本文公开的实施例的一个目的。

发明内容

本公开涉及到一种机器人手术站，该机器人手术站包括基座、环形结构以及远程控制单元，其中基座配置为固定至地面，病床和多个机械臂分别在对应的第一安装座和第二安装座处被约束在环形结构上，远程控制单元可被外科医生用来给病人实施手术。环形结构可绕着滚动轴线相对于所述基座旋转，所述滚动轴线平行于地面且穿过所述环形结构的中心。

机器人手术站可绕俯仰轴线相对于基座旋转，该俯仰轴线平行于地面且与所述的滚动轴线垂直。

环形结构的第一和第二安装座可以有伸缩结构，由此允许调整病床和机械臂之间的相互位置。

根据本公开的一实施例，机械臂可组装在环形结构的不同位置，以允许外科医生基于具体的手术需求布置机械臂。为达到这一目的，环形结构的第二安装座包含具有中空结构的环形框架，其中电线电缆布置在该中空结构中且并联地连接于多个插座，这些插座配置成允许对应数量的机械臂进行机械和电气装配。

与已知的机器人手术系统有预先确定数量的机械臂不同的是，根据本公开的一实施例，附连到机器人手术站的环形框架上的机械臂的数量可以变化(也就是“开放平台”)，这取决于外科手术的具体需求。因此，例如对于前列腺，肺部等手术中，可以实现手术台不同且最优化的设置。

根据本公开的一实施例，第一和第二安装座可围绕与地面、滚动轴线和俯仰轴线垂直的偏航轴线旋转，使得病床和/或机械臂可相对于环形结构旋转，例如，为了简化病人做手术的准备或简化机械臂和相关手术工具的设置。

根据本公开的另一实施例，病床配置为可拆卸地安装在第一安装座上。由此，病人在进入手术室之前可被安置在病床上并为外科手术做准备，其中外科手术床连接到手术站。此外，可移动的病床允许将病人舒适地带回到病房而不需将他/她转移到另一张床。

对本领域的技术人员来说，根据本公开的机器人手术站的进一步优势和特点将从如下参考附图的实施例的详细且非限制性的描述中变得更清晰。

附图简要说明

图1是根据本发明的机器人手术站的一实施例的立体图。

图2到图4分别示出了图1的机器人手术站的俯视图，主视图和侧视图。

图5示出了机器人手术站的主视图，其中环形结构处在默认位置，病床大体上平行于地面。

图6是出了机器人手术站的主视图，其中环形结构逆时针旋转了90度。

图7和图8分别示出了支撑环形结构的立柱的弧形构件的装配图和分解图。

图9和图10分别示出了支撑环形结构的立柱之一的装配图和分解图。

图11和图12示出了环形结构绕着俯仰轴线顺时针或逆时针旋转的图。

图13是示出了环形结构的一部分的细节图，其中第一安装座装配在该部分。

图14是示出了环形结构的一部分的细节图，其中第二安装座装配在该部分。

图15是示出了被引导穿过第二安装座和固定到该第二安装座的环形结构的线缆的剖视图。

图16是示出了被引导穿过弧形构件之一和环形结构的立柱之一的线缆的剖视图。

图17是分解立体图，示出了病床和各自的安装座及它们的配合装置。

图18和19分别是示出了与机器人手术站的病床关联的真空系统的俯视图和剖视图。

具体实施方式

本公开的机器人手术台包含基座100、环形结构300，基座100配置为固定在地面上，病床700和多个机器人臂600约束在并可操作地连接于环形结构300。机器人手术站进一步包含一个远程控制单元800，其可被外科医生用来对病人实施外科手术。

参照图1～4，本文公开的一个实施例中的机器人手术站的基座100包含一对垂直立柱100A和100B，其垂直于地面延伸。每个立柱100A，100B包括弧形构件200A和200B，弧形构件200A和200B沿横向从而立柱伸出。立柱100A和100B被布置成使得弧形构件200A和200B面向彼此。弧形构件200A，200B是中空体，其中环形结构300可滑动安装。环形结构300设有第一安装座400和第二安装座500，第一安装座400配置为支撑病床700，第二安装座500用于支撑框架506，框架506配置用于多个机械臂600的装配。机械臂600可由外科医生从一个远程控制单元800进行控制。第一安装座400和第二安装座500沿着环形结构300的直径方向彼此相对布置。

图1～4中示出了，第一安装座400和第二安装座500沿垂直方向对齐，也就是它们的轴实质上垂直于地面。这是机器人手术站的默认配置，其中病床700大体上平行于地面。

根据本公开的一实施例，环形结构300可相对于基座100绕滚动轴线R旋转，该滚动轴线R平行于地面且穿过环形结构300的中心。如图5和图6所示，环形结构300可绕滚动轴线R顺时针或者逆时针旋转90度，从而将病床700从大体上平行于地面的第一个位置(对应于传统的手术台静止位置)移到大体上垂直于地面第二个位置，第二位置经常用于腹腔镜检查外科手术，用于利用重力移动病人的内部器官，以便于为外科手术仪器更好地移动创建空间。

通过以上描述的机器人手术站的配置，环形支撑结构300的旋转同时决定了装配在第一安装座400上的病床700和约束在第二安装座500上的机械臂600的旋转。换而言之，机械臂600可以与病床700做同步机械移动，因为他们都安装在同样的环形支撑结构300上。与已知的集成外科手术台的机器人手术站所不同的是，其中机械臂配置为当病床相对于地面移动的时候自动地跟随病床移动。本公开的一实施例的机器人手术台中，在整个外科手术期间，病床和机械臂可以同步移动保持最初的相互位置设置。

这种配置方式与已存在的机器人手术系统相比的优势在于病床与机械臂之间的同步是由整个外科手术系统的设计固有地确定的。无需存在线连接，因为无线连接可能会引起元件，即床和机械臂移动的故障以及外科手术过程的中断，这可能危及病人。根据本发明的一实施例，通过驱动容纳在弧形构件200A，200B中的滚子来实现环形结构300的旋转。

图7和图8分别示出了弧形构件200A的装配图和分解图。滚子由附图标记226标示，对应的齿轮电机由附图标记224标示。图示的实施例中示出了4个滚子226和4个对应的齿轮电机，但是也可能采用不同数量的滚子和电机。

仍然参照图7和图8，根据本公开的一实施例，弧形构件200A包括含有一对半壳202A和202B的外壳。所述外壳还包括上盖206A和下盖206B。

弧形构件200A进一步包括一个放置在外壳内的内壳204。滚子226和它们的电机224装配在内壳204中。所述外壳包括圆形孔，该圆形孔形成在半壳202A和202B中，其中安装有皮带轮214，相关的转子212以及轴承218A和218B。这些元件允许将弧形构件200A可旋转地约束到其立柱100A，接下来会进行描述。弧形构件200B包含与弧形构件200A同样的元件。

根据本公开的一优选实施例，环形结构300也可以绕着平行于地面且垂直于滚动轴线R的俯仰轴线旋转。为了实现这个目的，弧形构件200A和200B可旋转地约束至基座100的立柱100A和100B，且可例如通过有齿带可操作连接到容纳于立柱100A和100B内的对应电机。

图9和图10分别示出了立柱100A的装配图和分解图。立柱100A包含结构支撑件102和保护罩，该保护罩例如由前护盖罩104和后护罩106组成。保护罩还包含基座构件112，基座构件112布置在立柱100A的底部且配置为允许例如通过螺钉114约束到地面。保护罩还可包括检查护罩108和110，检查护罩108和110例如可拆卸连接到后护罩106。齿轮电机120布置在结构支撑件102的底部。该电机包含皮带轮118驱动有齿带116，该有齿带配置成连接至弧形构件200A的带轮214，如图7和图8所示。结构支撑件102包含一个安装件124，该安装件形成于结构支撑件的顶部并且适合接收弧形构件200A的皮带轮214。立柱100B包含与立柱100A相同的元件。

图11和图12示意性示出了环形结构300如何可以例如绕俯仰轴线顺时针或者逆时针旋转90度。

通过根据本公开的一个实施例的机器人手术站的这种配置，病床700和机械臂600可绕着两个水平轴线，即滚动轴线R和俯仰轴线P同时旋转，与此同时保持他们的初始相互位置设置。这使得外科医生可以根据两个旋转自由度相对于地面移动病人。

根据本公开的一实施例，第一安装座400和第二安装座500有利地可以具有可伸缩结构，以允许尤其在初始设置阶段调整病床700和机械臂600之间的相对距离。

图13是一个详细视图，示出了环形结构300的一部分，该部分安装有第一安装座400。为简单起见，病床没有在图13示出。

第一安装座400有一个可伸缩结构，该可伸缩结构包含一个外筒402和一个可滑动安装在外筒402内的内筒404。内筒404的自由端包含一个法兰406，病床700装配在法兰406上。

以上描述的第一安装座400可配置为液压线性执行机构或者电动机械线性执行机构。电动机械线性执行机构例如包含一个与形成在外筒402内的螺纹轮廓相配合的齿轮电机。

图14是示出了环形结构300的一部分的细节图，其中组装有第二安装座500。为了简单起见，图14只示出了一个机械臂600。

第二安装座500具有一个可伸缩结构，该可伸缩结构包含外筒502和可滑动安装在外筒502内的内筒504。内筒504的自由端包含允许装配机械臂600的环形框架506。环形框架506通过径向构件508约束到内筒上。

与第一可伸缩安装座400类似，以上描述的第二可伸缩安装座500可配置为液压线性执行结构或者电动机械线性执行结构。电动机械线性执行机构例如包含一个与形成在外筒502内的螺纹轮廓相配合的齿轮电机。

根据本公开的一优选实施例，环形框架506配置为允许机械臂600装配在不同的操作位置。这种配置方式是有利的，因为这允许基于外科医生在特定的外科手术介入框架下的需求来装配机械臂。为了达到预期的目的，环形框架506配置为中空结构，其中电线电缆506A沿着该中空结构的内周布置且并联地连接于多个插座506B，这些插座配置用来允许机械臂600电装配。如可以看见的，机械臂600可例如通过各自的夹子600A以卡扣安装方式安装在环形框架506上。机械臂600的电插头600B可安装在各自的插座506B中。因此，可以用简单，快速且有效的方式完成机械臂600的机械和电气连接。

如图15所示，电线通过形成于环形结构300中的第一通道310和与第二安装座500同轴形成的第二通道510到达环形框架。电线电缆506A可以有利地通过容纳在第一通道310和第二通道510的锚链512进行引导。

如图16所示，锚链512贯穿环形结构300的通道310，且从该环形结构300出来穿过弧形构件200A，200B之一，例如穿过弧形构件200A，例如与皮带轮214同轴地穿过，且锚链512例如沿着相关的立柱100A，例如沿着外壳后护罩106进一步被引导。

根据本公开的一实施例，第一安装座400和第二安装座500均绕垂直于地面并垂直于滚子和俯仰轴线的偏航轴线Y旋转。多亏这一特征，外科手术站可以有三个旋转自由度，即绕滚子，俯仰轴线和偏航轴线旋转。

为达到该目的，齿轮电机可例如布置于安装座400的内筒404和安装座500的内筒504内，且相关的齿条可形成于法兰406的内周和环形框架506的连接构件514的内周。

根据本公开的一实施例的这一特性允许相对于环形结构300平行于地面旋转病床700和机械臂600，这取决于外科医生的具体需求。因此可实现病床700和/或机械臂600的最优定位。

类似于外科手术站的其他运动，病床700和机械臂600绕着偏航轴线Y的旋转可以是同时的，由此允许保持相互的定位设置。病床700和机械臂600绕着偏航轴线Y的旋转也可以是不同时的，例如为了允许准备病人手术或将病人从手术站移到医院病床上以运输到医院病房。

根据本公开的一实施例，病床可有利地配置为可拆卸地安装到第一安装座400。

为达到这一目的，病床700包含法兰702，法兰702布置在与表面700A相对的表面处，表面700A旨在接收病人且设有配合装置，该配合装置配置为可拆卸地安装对应的配合装置，该对应的配合装置设置在形成于第一安装座400的自由端的法兰406上。

现参考图17，各配合装置可以例如是蘑菇状柱704，该蘑菇状柱704设置在病床法兰702上并与形成于第一安装座400的法兰406上的对应的槽408配合。

病床700有利地可设有生命支撑单元，该生命支撑单元配置为病人提供麻醉气体、氧气等。可通过对应的供应管道将各种气体提供给生命支撑单元，这些供应管道与第一安装座400同轴布置并沿着环形结构300。这些管道通过立柱100A和100B中的一个离开环形结构300。如图17所示，第一安装座400中的法兰406可设置阀，该阀允许将供气管道连接到旨在服务病人的对应管子。病床700的法兰702中设有相应的阀连接器710。

病床700有利地可设有允许监控病人生命体征的仪器。电线电缆可与第一安装座400同轴地并沿着环形结构300布置。各管道可通过立柱100A和100B中的一个离开环形结构300。电连接器412可布置于旁法兰406中在阀410的旁边。病床700的法兰702中设有相应的电连接器712。

根据本公开的一优选实施例，病床由独立的可移动的各部分组成，允许根据必须要实施的外科手术的需要将病人安排在最适合的位置。如图1所示，病床700例如包含独立可移动的臂和腿部分，这些臂和腿部分可绕各自的水平轴线相对床框架枢转，这些水平轴线平行于床框架并平行于垂直于床框架的垂直轴线。

病床700有利地可以设有集成的执行机构，允许可选择地移动这些部分。这种执行机构可以是电动机械的或液压驱动的执行机构。驱动这些执行结构所需的电线电缆可与第一安装座400同轴地且沿着环形结构300布置。电线电缆可通过立柱100A和100B中的一个离开环形结构300。

根据本公开的进一步实施例，外科手术站可配备与病床关联的真空系统，该真空系统允许在不借助于传统的条带和紧固件的情况下将病人约束在病床上。

参照图18和19，病床700的旨在接纳病人的表面700A上形成多个孔720，且在所述孔720的下方布置对应的腔722。腔722分别连接到吸管724网络，吸管724网络形成于病床结构中并允许通过孔720吸气。

吸管724连接到沿着病床700一侧布置的共同抽吸端口726，该共同抽吸端口又连接到设置于手术室的远程抽吸单元。

通过操作远程抽吸单元，可以通过吸气将平躺在表面700A的病人约束在表面700A上而不借助于传统的条带和紧固件。

由于病人不能覆盖整个病床表面700A且事实上每个病人有不同的体型，有利地将真空系统配置成使得只在表面700A的被病人实际覆盖的部分处起作用。为达到这一目的，每个孔720处设置了可选择性操作的关闭装置。如图19的剖视图示意性示出，插头728装在布置于对应孔720下方的每个腔722内。插头728装在对应的腔722中且通过弹性装置730压靠在对应的孔720上，以封闭这些孔。在所示的实施例中，这种装置例如由弹性聚合材料制成的圆顶形弹簧形成。有利地，弹簧一体形成于形成病床表面700A的层中，其中真空系统的孔720，腔722和吸管724形成在层中。

多亏了以上所描述的配置，当在病床700的表面700A没有病人时，所有的孔720关闭。当病人被安排在表面700A处时，多个插头728在病人的体重下压下，以至于对应数量的孔720，相关的腔722和吸管724打开，且空气可吸入其中。由此，真空系统的有效部分配置成由躺在表面700A上的病人直接且准确地确定。

在所示实施例中，病床表面700A有多层架构且吸气系统在上层758中形成。病床表面700A也包含一个支撑上层758的背衬层。

应理解，以上的详细描述仅仅是说明性的且不应被用来限制本公开的实施例的范围，该范围仅由所附的权利要求和它们的等同物来限定。已公开的实施例的各种变化和修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

Claims (13)

1.一种机器人手术站，包含：

基座，所述基座配置为固定至地面；

环形结构，病床和多个机械臂分别在第一安装座和第二安装座处被约束到所述环形结构；以及

远程控制单元，所述远程控制单元可被外科医生用于对病人实施外科手术，

其中所述环形结构可绕着滚动轴线相对于所述基座旋转，所述滚动轴线配置为平行于地面且穿过所述环形结构的中心。

2.根据权利要求1所述的机器人手术站，其特征在于，所述基座包含配置为垂直延伸至地面的一对垂直立柱，每个立柱包含沿横向从所述立柱伸出的弧形构件，以及所述立柱布置成使得所述弧形构件彼此相面对，所述弧形构件为中空的，所述环形结构安装在所述弧形构件中。

3.根据权利要求2所述的机器人手术站，进一步包含容纳在所述弧形构件中的电动滚子；所述电动滚子与所述环形结构接触以便于允许所述环形结构旋转。

4.根据权利要求1所述的机器人手术站，其特征在于，所述环形结构的第一安装座和第二安装座沿着所述环形结构的直径方向彼此相对地布置。

5.根据权利要求1所述的机器人手术站，其特征在于，所述环形结构还可围绕俯仰轴线相对于所述基座旋转，所述俯仰轴线配置为平行于地面且垂直于所述滚动轴线。

6.根据权利要求5所述的机器人手术站，其特征在于，所述弧形构件可旋转地约束至所述立柱上，以及所述弧形构件通过有齿带可操作地连接到容纳于所述立柱内部的对应电机上。

7.根据权利要求1所述的机器人手术站，其特征在于，所述第一安装座和所述第二安装座具有可伸缩结构。

8.根据权利要求7所述的机器人手术站，其特征在于，所述第一安装座和所述第二安装座是液压或者电动机械线性执行机构。

9.根据权利要求1所述的机器人手术站，与所述第二安装座关联的框架是中空结构，其中电线电缆沿中空结构的内周布置且并联地连接于多个插座，所述插座配置为允许实现相应数量的机械臂的机械和电气装配。

10.根据权利要求1所述的机器人手术站，其特征在于，所述第一安装座和所述第二安装座都可围绕偏航轴线旋转，所述偏航轴线配置为垂直于地面并垂直于所述滚子和所述俯仰轴线。

11.根据权利要求1所述的机器人手术站，其特征在于，所述病床配置为可拆卸地安装在所述第一安装座上，其中所述病床包含法兰，所述法兰设有配合装置，该配合装置配置为安装形成于所述第一安装座的自由端的法兰上的相应配合装置。

12.根据权利要求1所述的机器人手术站，进一步包含真空系统，所述真空系统允许将病人约束到病床上并包含形成于所述病床的表面上的孔和布置于所述孔下方的对应的腔，所述孔旨在接纳病人，所述腔分别连接到吸管网络，所述吸管形成于所述病床结构中且允许通过所述孔吸气。

13.根据权利要求12所述的机器人手术站，其特征在于，每一个布置于对应的所述孔下方的所述腔安装有插头，其中所述插头容纳于对应的腔中且通过弹性装置压靠对应的孔以关闭所述孔。