CN108697475B - 能够围绕侧倾轴线大幅旋转的用于机器人手术系统的输入装置手柄 - Google Patents

Abstract

一种用于控制机器人系统的输入装置手柄包括主体和筒体。所述主体限定可旋转地接纳所述筒体的开口。所述筒体限定侧倾轴线，使得所述筒体相对于所述主体围绕所述侧倾轴线的旋转被配置成使机器人的工具围绕由所述工具限定的第一轴线旋转。

Description

能够围绕侧倾轴线大幅旋转的用于机器人手术系统的输入装 置手柄

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年3月3日提交的美国临时申请第62/302,866号的权益和优先权，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

背景技术

机器人手术系统已用于微创医疗程序中。在医疗程序期间，机器人手术系统由与用户界面交互的外科医生控制。用户界面允许外科医生操控作用于患者的末端执行器。用户界面包括可由外科医生移动来控制机器人手术系统的输入控制器或手柄。

机器人手术系统通常使用缩放因子来按比例减少外科医生手部的运动以确定末端执行器在患者体内的期望位置，使得外科医生可以更精确地移动在患者体内的末端执行器。然而，缩放因子越大，外科医生就不得不将输入装置手柄移动得越远以将末端执行器移动相同距离。由于输入装置手柄具有固定运动范围，因此这意味着对于更大缩放因子，外科医生可已经更频繁地到达输入手柄的运动范围末端。

另外，在医疗程序期间，外科医生可需要使末端执行器围绕侧倾轴线旋转。举例来说，在缝合程序期间，可需要末端执行器的大幅旋转。这类大幅旋转通常需要输入装置手柄的多个离合事件或输入装置手柄的不自然旋转。

需要能够处理围绕侧倾轴线大幅旋转的用于机器人手术系统的输入装置手柄。

发明内容

本公开大体上涉及输入装置手柄，其包括主体和相对于主体可旋转的筒体。筒体的旋转被配置成实现工具的旋转，使得工具可在临床医生手臂不侧倾的情况下旋转。通过允许工具在临床医生手臂不侧倾的情况下旋转，工具可在用户界面不离合或不受临床医生的身体结构极限限制的情况下连续地侧倾。

在本公开的一方面中，用于控制机器人的输入装置手柄包括主体和筒体。主体限定可旋转地接纳筒体的开口。筒体限定侧倾轴线，使得筒体相对于主体围绕侧倾轴线的旋转被配置成使机器人的工具围绕由工具限定的第一轴线旋转。筒体围绕侧倾轴线的旋转可按比例缩放成工具围绕第一轴线的旋转。

在各方面中，筒体摩擦地接合主体，使得在主体围绕侧倾轴线旋转时，筒体围绕侧倾轴线旋转。主体围绕侧倾轴线的旋转可被配置成使机器人的工具围绕第一轴线旋转。替代地，主体围绕侧倾轴线的旋转可被配置成使支撑工具的轴围绕由轴限定的第二轴线旋转。第一和第二轴线可与彼此重合。

在一些方面中，主体可包括限定开口的连接部分。连接部分可被配置成耦合到用户界面的平衡架的输入轴。

在某些方面中，输入装置手柄包括可枢转地联接到主体并且被配置成致动工具的夹钳的致动控制件。主体可包括被配置成控制工具的功能的按钮。

在特定方面中，筒体包括接合特征。接合特征可为交替的凸条和凹槽。另外或替代地，接合特征可为纹理化表面。

在本公开的另一方面中，机器人系统包括机器人和用户界面。机器人包括臂和支撑在臂的末端处的工具。工具限定第一轴线。用户界面与机器人可操作通信以控制工具。用户界面包括控制臂、平衡架和输入轴。平衡架由控制臂支撑并且具有输入轴。输入装置手柄联接到输入轴并且限定侧倾轴线。输入装置手柄包括主体和筒体。主体限定可旋转地接纳筒体的开口。筒体安置在限定在主体中的开口内并且可围绕侧倾轴线旋转，使得筒体相对于主体围绕侧倾轴线的旋转使工具围绕第一轴线旋转。

在各方面中，筒体围绕侧倾轴线的旋转使工具围绕第一轴线旋转。主体围绕侧倾轴线的旋转可使工具围绕第一轴线旋转。

在一些方面中，机器人包括支撑工具并且限定第二轴线的轴。主体围绕工具轴线的旋转可使轴围绕第二轴线旋转。

在特定方面中，平衡架包括被配置成检测输入轴相对于平衡架的旋转的第一传感器。第一传感器可安置在输入轴内。输入装置手柄可包括被配置成检测筒体相对于主体的旋转的第二传感器。

在本公开的另一方面中，使用用户界面的输入装置手柄来操控机器人的工具的方法包括使输入装置手柄的筒体相对于输入装置手柄的主体围绕由用户界面的输入轴限定的侧倾轴线旋转，以使机器人的工具围绕由工具限定的第一轴线旋转。

在各方面中，方法进一步包括使主体围绕侧倾轴线旋转以使工具围绕第一轴线旋转。方法可包括使主体围绕侧倾轴线旋转以使支撑工具的轴围绕由轴限定的第二轴线旋转。方法可包括在使筒体旋转之前，使工具相对于轴关节式连接。使工具相对于轴关节式连接可包括使第一轴线相对于第二轴线关节式连接。

本公开的示例性实施例的另外细节和方面在下文参考附图更详细地描述。

附图说明

下文中参考附图描述本公开的各种方面，所述附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，在附图中：

图1为根据本公开的用户界面和机器人系统的示意性图解；

图2为支撑在图1的用户界面的控制臂的末端上的输入装置手柄的透视图；

图3为患者体腔的剖视图，示出插入在体腔中的图1的机器人手术系统的工具；

图4为图2的输入装置手柄的侧透视图；和

图5为图3的工具的透视图。

具体实施方式

现在参考附图详细描述本公开的实施例，其中在若干附图中的每一个中，相同参考标号指定相同或对应元件。如本文所用，术语“临床医生”是指医生、护士或任何其它医护人员且可包括辅助人员。贯穿本说明书，术语“近侧”指装置或其组件最靠近临床医生的部分，而术语“远侧”指装置或其组件最远离临床医生的部分。另外，如本文所用，术语“中性”应理解成意指未经按比例缩放。

本公开大体上涉及与用户界面一起使用以控制机器人系统的输入装置手柄。输入装置手柄包括与机器人系统的工具的一个或多个侧倾轴线相关联的旋转控制件。旋转控制件包括能够相对于输入装置手柄的主体围绕用户界面的平衡架的侧倾轴线旋转的筒体。筒体可与工具围绕限定在工具的夹钳之间的工具轴线的旋转相关联。另外，输入装置手柄的主体围绕平衡架的侧倾轴线的旋转可与围绕工具轴线旋转相关联。替代地，工具可相对于支撑工具的轴关节式连接，并且输入装置手柄的主体围绕平衡架的侧倾轴线的旋转可与围绕由轴限定的轴轴线的旋转相关联。

参考图1，根据本公开的机器人手术系统1大体上示出为机器人系统10、处理单元30和用户界面40。机器人系统10大体上包括联动机构12和机器人底座18。联动机构12可移动地支撑配置成作用于组织的末端执行器或工具20。联动机构12可呈臂的形式，每个臂具有末端14，所述末端支撑被配置成作用于组织的末端执行器或工具20。另外，臂12的末端14可包括用于为手术部位“S”成像的成像装置16。用户界面40通过处理单元30与机器人底座18通信。

用户界面40包括被配置成显示三维图像的显示装置44。显示装置44显示手术部位“S”的三维图像，所述三维图像可包括通过位于臂12的末端14上的成像装置16捕捉的数据，且/或包括通过位于手术台周围的成像装置(例如，位于手术部位“S”内的成像装置、位于邻接患者“P”的成像装置、位于成像臂52的远侧末端处的成像装置56)捕捉的数据。成像装置(例如，成像装置16、56)可捕捉手术部位“S”的视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热像和/或任何其它已知的实时图像。成像装置将所捕捉的成像数据传输到处理单元30，所述处理单元实时地根据成像数据创建手术部位“S”的三维图像，并且将所述三维图像传输到显示装置44进行显示。

用户界面40还包括支撑在控制臂43上的平衡架42，所述平衡架允许临床医生操控机器人系统10(例如，移动臂12、臂12的末端14和/或工具20)。平衡架42中的每一个与处理单元30通信，从而向处理单元30传输控制信号以及从处理单元30接收反馈信号。另外或替代地，平衡架42中的每一个可包括输入装置手柄100(图2)，所述输入装置手柄允许外科医生操控(例如，夹持、握紧、起动、打开、闭合、旋转、推进、移除等)支撑在臂12的末端14处的工具20。

另外参考图2，输入装置手柄100中的每一个可移动通过预定义工作空间以使臂12的末端14在手术部位“S”内移动。如在显示装置44上观看到的，将显示装置44上的三维图像定向成使得输入手柄42的移动使臂12的末端14移动(作为输入装置手柄100的移动的结果)。将了解，显示装置44上的三维图像的定向可相对于患者“P”的俯视图成镜像或旋转。另外，应了解，显示装置44上的三维图像的大小可按比例缩放为比手术部位的实际结构更大或更小，从而准许临床医生更好地观看手术部位“S”内的结构。在移动输入装置手柄100时，工具20在手术部位“S”内移动，如下详述。如本文详述，工具20的移动还可包括支撑工具20的臂12的末端14的移动。

对于机器人手术系统1的构造和操作的详细论述，可参考美国专利第8,828,023号，所述专利全部内容以引用的方式并入本文中。

参考图2和3，输入装置手柄100支撑在平衡架42的连接臂46上。连接臂46限定用户界面40的侧倾轴线“R”。应了解，连接臂46围绕侧倾轴线“R”的旋转使工具20围绕工具轴侧倾轴线“RS”旋转，如图3中所示。

参考图4，根据本公开的输入装置手柄100包括主体110、致动控制件120、一个或多个控制按钮132-136和旋转控制件140。主体110包括连接部分112和从连接部分112向近侧延伸的手柄116。连接部分112限定可旋转地接纳旋转控制件140的开口114。致动控制件120可呈可枢转地联接到主体110的触发器的形式。使致动控制件120在第一位置和第二位置之间枢转可在第一或打开配置和第二或闭合配置之间致动工具20的夹钳22、24(图3)。按钮132-136与处理单元30(图1)可操作通信以选择性地控制工具20的功能。举例来说，按钮132可固定夹钳22、24相对于彼此的配置，按钮134可通过夹钳22、24中的一个起动紧固件(未示出)，并且按钮136可通过夹钳22、24致动刀(未示出)。另外或替代地，按钮132-136中的一个可启动电外科能量源，使得电外科能量经由工具20递送到组织。

旋转控制件140包括联接颈142、端盖144和筒体146。联接颈142围绕平衡架42的连接臂46安置以将输入装置手柄100联接到连接臂46。联接颈142可旋转地固定到连接臂46和筒体146，使得筒体146的旋转使连接臂46围绕平衡架42的侧倾轴线“R”旋转。筒体146可旋转地安置在主体110的开口114内，使得筒体146可相对于主体110旋转。筒体146可摩擦地与主体110接合，使得筒体146响应于主体110围绕平衡架42的侧倾轴线“R”旋转而随主体110旋转。筒体146可包括可通过临床医生接合以使筒体146相对于主体110旋转的接合特征148。设想可通过临床医生抓持手柄114的拇指来接合筒体146。如图4中所示，接合特征148可为交替的凸条和凹槽。另外或替代地，接合特征148可包括纹理化表面或增强临床医生手指与筒体146接合的任何已知的表面或特征。

通过在支撑输入装置手柄100的连接臂46中的旋转传感器，如旋转编码器152测量筒体146的旋转。设想旋转编码器152可安置在连接臂46内和/或在平衡架42内以检测连接臂46围绕侧倾轴线“R”的旋转。另外，筒体146相对于输入装置手柄100的旋转位置还可使用在主体110中的第二传感器或编码器154来测量，这可允许改进输入装置手柄100的重力补偿和其它更先进的控制功能。如上所述，可通过使整个输入装置手柄100旋转并且允许筒体146和输入装置手柄100之间的摩擦力使筒体146旋转来实现筒体146的旋转，或输入装置手柄100可保持固定并且筒体146可通过临床医生拇指而相对于输入装置手柄100旋转。在两种情况下，筒体146围绕平衡架42的侧倾轴线“R”的旋转被测量并且用于控制器械20的侧倾运动。

通过提供可相对于输入装置手柄100的主体110旋转的筒体146，可借助手柄116围绕平衡架42的侧倾轴线“R”的最小旋转或无旋转而允许工具20围绕工具侧倾轴线“RT”(图5)的大幅旋转，来提高临床医生的灵巧性。

另外参考图5，工具20可包括可枢转地支撑在工具轴26的末端处的第一夹钳22和第二夹钳24。第一夹钳22和第二夹钳24限定穿过在第一夹钳22和第二夹钳24之间的中心线的工具侧倾轴线“RT”，并且工具轴26限定轴侧倾轴线“RS”。在这类实施例中，筒体146和/或手柄116围绕平衡架42的侧倾轴线“R”的旋转使第一夹钳22和第二夹钳24围绕工具侧倾轴线“RT”旋转。替代地，筒体146围绕平衡架42的侧倾轴线“R”的旋转可使第一夹钳22和第二夹钳24围绕工具侧倾轴线“RT”旋转，并且手柄116围绕平衡架42的侧倾轴线“R”的旋转可使工具20围绕轴侧倾轴线“RS”旋转。

预期筒体146和/或手柄116围绕侧倾轴线“R”的旋转可以正、中性或负方式按比例缩放成工具侧倾轴线“RT”和/或轴侧倾轴线“RS”的旋转。对于按比例缩放旋转的详细论述，可参考2015年12月10日提交的题为“具有独立的侧倾、俯仰和偏摆按比例缩放的机器人手术系统(ROBOTIC SURGICAL SYSTEMS WITH INDEPENDENT ROLL,PITCH,AND YAW SCALING)”的美国临时专利申请第62/265,457号，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

应了解，在手术程序期间输入装置手柄100的俯仰和偏摆运动作仍然正确地映射到如在显示器44上观看到的工具俯仰轴线“PT”和工具偏摆轴线“YT”。举例来说，如果临床医生使用筒体146使第一夹钳22和第二夹钳24围绕工具侧倾轴线“RT”旋转，那么使输入装置手柄100向下俯仰将继续使工具20相对于工具俯仰轴线“PT”向下俯仰。

设想筒体146可用于控制除使工具20围绕工具侧倾轴线“RT”侧倾以外的系统的功能或特征。举例来说，筒体146可用于使与筒体相关联的相机侧倾、通过显示器44上的图形用户界面(GUI)进行导航、致动工具20的功能(例如，通过第一夹钳22或第二夹钳24中的一个来使钉起动)等。

如上文详述和图1中所示，用户界面40与机器人系统10可操作通信以对患者“P”执行手术程序；然而，设想用户界面40可与手术模拟器(未图示)可操作通信来在模拟环境下虚拟致动机器人系统和/或工具。举例来说，手术机器人系统1可具有联接用户界面40来致动机器人系统10的第一模式和将用户界面40联接到手术模拟器来虚拟致动机器人系统的第二模式。手术模拟器可为独立单元或集成到处理单元30中。手术模拟器通过将视觉、听觉、力和/或触觉反馈通过用户界面40提供给临床医生来虚拟地响应于与用户界面40交互的临床医生。举例来说，在临床医生与输入装置手柄100交互时，手术模拟器移动在模拟手术部位处虚拟地作用于组织的代表性工具。设想手术模拟器可允许临床医生在对患者执行手术程序之前练习手术程序。另外，手术模拟器可用于训练临床医生的手术程序。此外，手术模拟器可模拟所提议手术程序期间的“并发症”，从而准许临床医生计划手术程序。

虽然已在附图中示出本公开的数个实施例，但并不意图将本公开限于这些实施例，因为意图在于使本公开具有如本领域将允许的广泛范围且对说明书的理解也是如此。还设想以上实施例的任何组合，且所述组合处于所附权利要求书的范围内。因此，上文的描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为特定实施例的例证。所属领域的技术人员将能设想在本文中所附权利要求书的范围内的其它修改。

Claims (16)

1.一种用于控制机器人的输入装置手柄，所述输入装置手柄包含：

主体，所述主体限定开口；和

筒体，所述筒体能够旋转地安置在所述开口内并且限定侧倾轴线，其中所述筒体相对于所述主体围绕所述侧倾轴线的旋转被配置成使所述机器人的工具围绕由所述工具限定的第一轴线旋转，

其中所述主体围绕所述侧倾轴线的旋转被配置成使支撑所述工具的轴围绕由所述轴限定的第二轴线旋转。

2.根据权利要求1所述的输入装置手柄，其中所述筒体摩擦地接合所述主体，使得在所述主体围绕所述侧倾轴线旋转时，所述筒体围绕所述侧倾轴线旋转。

3.根据权利要求1所述的输入装置手柄，其中所述主体围绕所述侧倾轴线的旋转被配置成使所述机器人的所述工具围绕所述第一轴线旋转。

4.根据权利要求1所述的输入装置手柄，其中所述主体包括限定所述开口的连接部分，所述连接部分被配置成联接到用户界面的平衡架的输入轴。

5.根据权利要求1所述的输入装置手柄，其进一步包含枢转地联接到所述主体并且被配置成致动所述工具的夹钳的致动控制件。

6.根据权利要求1所述的输入装置手柄，其中所述主体包括被配置成控制所述工具的功能的按钮。

7.根据权利要求1所述的输入装置手柄，其中所述筒体包括接合特征。

8.根据权利要求7所述的输入装置手柄，其中所述接合特征为交替的凸条和凹槽。

9.根据权利要求7所述的输入装置手柄，其中所述接合特征为纹理化表面。

10.根据权利要求1所述的输入装置手柄，其中所述筒体围绕所述侧倾轴线的旋转被按比例缩放成所述工具围绕所述第一轴线的旋转。

11.一种机器人系统，其包含：

机器人，所述机器人包括臂和支撑在所述臂的末端处的工具，所述工具限定第一轴线；和

用户界面，所述用户界面与所述机器人能够操作通信以控制所述工具，所述用户界面包括控制臂、由所述控制臂支撑并且具有输入轴的平衡架，和联接到所述输入轴的输入装置手柄，所述输入轴限定侧倾轴线，所述输入装置手柄包括：

主体，所述主体限定开口；和

筒体，所述筒体能够旋转地安置在所述开口内并且能够围绕所述侧倾轴线旋转，其中所述筒体相对于所述主体围绕所述侧倾轴线的旋转使所述工具围绕所述第一轴线旋转，

其中所述机器人包括支撑所述工具并且限定第二轴线的轴，

其中所述主体围绕所述侧倾轴线的旋转使所述轴围绕所述第二轴线旋转。

12.根据权利要求11所述的机器人系统，其中所述筒体围绕所述侧倾轴线的旋转使所述工具围绕所述第一轴线旋转。

13.根据权利要求11所述的机器人系统，其中所述主体围绕所述侧倾轴线的旋转使所述工具围绕所述第一轴线旋转。

14.根据权利要求11所述的机器人系统，其中所述平衡架包括用于检测所述输入轴相对于所述平衡架的旋转的第一传感器。

15.根据权利要求14所述的机器人系统，其中所述第一传感器安置在所述输入轴内。

16.根据权利要求14所述的机器人系统，其中所述输入装置手柄包括用于检测所述筒体相对于所述主体的旋转的第二传感器。

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