CN109381263B - 机器人手术系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人手术系统，其包括：承载柱；多个操纵器臂；吊杆，吊杆在其一个端部上与承载柱连接并且在其另一端部上具有用于将操纵器臂与对应于操纵器臂的数量的、多个针对操纵器臂(9)的联接装置联接的机构。根据相应的操纵器臂在吊杆上的位置，将第一部分数量的操纵器臂经由具有第一联接机构的第一联接装置与吊杆连接，将第二部分数量的操纵器臂经由具有第二联接机构的第二连接装置与吊杆连接，第一联接机构由第一转动铰接件构成，以及第二联接机构由第二转动铰接件、第三转动铰接件和传动件构成，第二转动铰接件和第三转动铰接件具有彼此平行而置的旋转轴线，并且借助传动件在沿着旋转轴线的方向上以及在垂直于旋转轴线的方向上彼此间隔开。

Description

机器人手术系统

技术领域

本发明涉及一种机器人手术系统。这种手术系统包括选择性高度可调节的承载柱、多个操纵器臂和一个吊杆，该吊杆在其一端连接到承载柱，并且在其另一端具有用于联接操纵器臂的装置。机器人手术系统还包括用于控制机器人手术系统的控制装置，特别是用于在手术之前预先定位操纵器臂。

背景技术

在机器人手术系统中，手术人员、外科医生操纵一个或多个由机器人控制的、保持器械的臂，以便执行手术的各个步骤。外科医生通过操纵控制台或通过借助适当联接机构的相应运动来控制系统的操纵器臂，联接机构将外科医生的手的运动转换成相应器械的运动。操纵器臂是多部件系统，其中，各个部件通过铰接件彼此连接。一部分部件用于将操纵器臂相对于同一机器人系统的其他操纵器臂定位，使得操纵器臂不会相互阻碍。这部分部件也称为调整装置。所描述的定位在手术之前实现，因此也称为预定位。另一部分部件的用于将工具在物体上定位和引导，也就是例如将外科器械或内窥镜定位在患者的组织罩中的开口的区域中。这部分部件也称为器械载体设备。臂部件在运动学意义上作为开放式运动链彼此连接，因为在最后的部件上设置的不是另一个铰接件，而是工具。所有其他部件以链的方式借助铰接件彼此连接。

在没有保持器械的链条末端上，链条通过联接装置连接到载体装置，也包括承载柱和吊杆。载体装置尤其用于保持各个操纵器臂，但是用于向操纵器臂供电并控制操纵器臂的电线也在其中被引导。器械载体装置本身与器械一起在要保持无菌的区域中操作，在其上不允许暴露线路。

操纵器臂单独得到操控，但是连接到共同的载体装置，使得外科医生或医疗助理也继续容易接近被治疗的患者。由于臂的质量，如果载体装置支承在地面上的话，则载体装置的尺寸必须相应较大，以便针对操纵器臂产生足够的对重。另一方面，外科手术系统也应保持尽可能紧凑，以便例如当外科手术系统必须移动时，保证对患者的良好可接近性和外科手术系统的容易操作。

为了使手术系统的操纵器臂的最大可移动性成为可能，操纵器臂理想地应该彼此独立地悬挂，然而，这在实践中太复杂并且带来其他缺点。例如，四个操纵器臂可以布置在手术台上的固定位置。然而，这使得人员难以接近患者。因此，在实践中总是使用将大多是四个操纵器臂共同悬挂的方式，但是在某些情况下，这可能导致操纵器臂彼此阻碍，或者不能像所希望的最佳地执行治疗的情况那样调整。

在现有技术中，对于操纵器臂的悬挂，已知各种装置，即实现了以不同方式连接操纵器臂的装置。

在具有四个操纵器臂的DE102013004459A1中公开的手术系统中，操纵器臂通过相同的联接装置连接到具有T形或横向载体式结构的吊杆，并且可以绕横向载体的纵向轴线枢转。横向载体本身具有铰接件，该铰接件允许相对于横向载体的纵向轴线倾斜大约30°。然而，这可能会导致手术过程中手臂之间的碰撞。形成运动链的封闭端的操纵器臂部件总是在与载体装置的联接点的区域中，关于横向载体的纵向轴线沿着该纵向轴线均匀地间隔开。

US 6,837,883B2描述了一种机器人手术系统，其中四个操纵器臂分别安装到立方柱的四个侧面，这些臂可单独调节高度。因此，这里的四个臂不固定在共同的吊杆上，而是单独地固定在承载柱上，臂可以单独地调节高度。因此，承载柱整体上不需要高度可调节。在此，后臂具有另一臂分段，以便补偿与患者的更大距离。为了能够实现预定位的功能，臂分段必须相对较长，因此整个装置非常笨重，这使得难以操作。

在US2014/0052153A1中描述了另一种机器人手术系统。这里的承载柱是高度可调节的，沿水平伸出的吊杆安装在承载柱上，并且以其一侧与承载柱固定连接，例如US2014/0052153A1的图8中所示。所谓的定向平台布置在吊杆的自由侧上。在定向平台上，沿水平方向、确切来讲在平台的平面中伸出地布置有四个臂吊杆，其可以在平面中个别枢转并且能够在长度方面匹配。另外，定向平台本身也可绕竖向旋转轴旋转。最后，机器人手术系统的操纵器臂固定在臂吊杆的自由端部上，其中，连接到相应臂吊杆的第一臂部件以其纵向轴线在竖直方向上定向并围绕纵向轴线能够旋转地连接到臂吊杆。此外，定向平台相对于水平基本平面可倾斜，这导致刚刚描述的旋转轴、臂吊杆、定向和臂方向的位置变化。尽管这种结构提供了许多调整可能性，但它以非常复杂的方式构造，这首先需要技术上复杂且昂贵的生产，其次由于许多可能的设置而需要操作者长的熟悉期。

发明内容

因此，本发明的目的是，开发一种开头所述类型的机器人手术系统，使得通过用于操纵器臂的、尽可能简单地设计的联接装置，仍实现针对臂的足够大的运动自由度，其不妨碍外科医生并防止在手术过程中发生碰撞。在此，该系统尽可能紧凑地构建，从而使得它在使用中需要很小的空间。

该目的是针对开头所述类型的机器人手术系统以如下方式实现，使得根据相应的操纵器臂在吊杆上的位置，将第一部分数量的操纵器臂经由具有第一联接机构的第一联接装置连接到吊杆，将第二部分数量的操纵器臂经由具有第二联接机构的第二连接装置连接到吊杆。因此，不同的操纵器臂可以通过不同的联接装置联接到吊杆。在此，根据相应的操纵器臂在吊杆上的位置来实现在每种情况下使用的联接装置的选择。通过不对所有操纵器臂使用相同的连接装置(如现有技术中的情况)，获得了更大的灵活性。然而，由于联接装置被限制在相对小的安装空间中，因为它们都连接到吊杆上，这种灵活性的增加不以牺牲紧凑性为代价。

这里的联接装置接在吊杆与操纵器臂之间，也就是连接吊杆和操纵器臂。在此，第一联接装置中的第一联接机构由第一转动铰接件构成。在紧凑型制造方案中，在吊杆与通过第一联接装置联接到其上的操纵器臂之间，存在垂直于第一转动铰接件的旋转轴线的滑动平面，但是间距也可以更大，使得吊杆的结构尽可能少地阻碍操纵器臂的运动。第二联接机构包括第二转动铰接件、第三转动铰接件和传动件，传动件将第二和第三转动铰接件彼此连接。第二转动铰接件和第三转动铰接件的旋转轴线彼此平行而置，而且借助于传动件，两个旋转轴线之间的间距一方面与其垂直地产生，即借助于传动件，第二和第三转动铰接件的旋转轴线进而还有两个转动铰接件在垂直于旋转轴线的方向上彼此间隔开。另一方面，通过传动件也实现了，转动铰接件在沿着旋转轴线的方向上产生间距，即，通过传动件，两个转动铰接件也在沿着旋转轴线的方向上彼此间隔开。

第二转动铰接件将吊杆连接到传动件，第三转动铰接件将传动件连接到操纵器臂。两个转动铰接件沿着平行于旋转轴线的方向相对于彼此的偏移由传动件产生，从而使得围绕第二和第三转动铰接件的旋转可以彼此独立地实现并且在特别是原则上不受彼此影响。在设计为铰链的两个转动铰接件的情况下，传动件精确地定位在其间，使得原则上围绕两个铰接件的旋转不会相互阻碍。然而，在实践中，运动自由度受到吊杆尺寸和其他操纵器臂的限制。然而，由传动件产生的二和第三转动铰接件相对于彼此的垂直偏移是重要的，从而使得安装在传动件的操纵器臂尽可能地获得运动自由度。

第二联接机构的传动件例如可以设计成例如棒状或板状体。其有利地具有彼此对置的两个侧面，这两个侧面沿着第二或第三转动铰接件的旋转轴线间隔开；所述侧面在不对普适性构成限制的情况下，也称为上下两侧。第二和第三转动铰接件的旋转轴线也穿过传动件延伸并分别贯穿上侧和下侧。在此，两个旋转轴之间的间距应该适当地选择为尽可能大，以便获得最大的运动和调整可能性。第二转动铰接件将两个相对侧中的一个上的传动件连接到吊杆。第三转动铰接件将两个相对侧中的另一个上的传动件连接到操纵器臂。

哪个操纵器臂与吊杆上的哪个联接装置联接，取决于联接装置在吊杆上的位置。例如当联接装置以一排的方式布置在吊杆上时，例如在可选的横向载体上成排布置，则有利的是，至少在该行的两个末端位置上，操纵器臂通过第二联接装置连接到吊杆。以这种方式，特别是稍微远离治疗部位的靠外的臂获得更大的运动自由度。

然而，在远离承载柱的端部处，吊杆优选地不形成一排地、例如具有横向载体地构成，而是形成为双叉的、Y形叉状结构，其中在叉状件上，特别优选地在其自由或松散的端部上，分别将操纵器臂通过第二连接装置连接到吊杆。由此，靠外的操纵器臂更靠近治疗部位地定位，并且不必围绕内臂嵌接。因此可以实现更紧凑的结构。

通过操纵器臂围绕第一、第二和第三枢转关节的旋转轴线的旋转，实现对用于手术的操纵器臂的预定位，从而使得随后只有器械载体装置在该手术期间移动。为此目的，有利的是，转动铰接件是马达驱动的并且可以全部以马达方式调节和固定，特别是如果在第二联接机构的情况下，第三转动铰接件相对于第二转动铰接件的位置可以借助马达调整和/或可以通过优选能够以马达调整的制动器固定。

如现有技术中通常的那样，承载柱可以是地面安装的，但在特别优选的实施例中，承载柱安装在天花板上，即承载柱从天花板垂下。这显着改善了医务人员接近患者的可能性。

吊杆可以与承载柱围成直角，但是它也可以至少部分呈弧形地设计，由弧形围成的角度优选地同样为90°。弧形也有助于实现更紧凑的结构。特别地，当吊杆从承载柱伸出地构成时，则可以有利的是，吊杆在其长度方面也是可调节的，以便能够将操纵器臂更靠近患者定位，而不干扰承载柱结构。

不言而喻的是，上面提到的特征和下面还要说明的特征不仅能够适用于所述组合，而且适用于其他组合或单独应用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

下面，例如借助也公开了本发明的关键特征的附图详细阐述本发明。其中：

图1a)示出针对机器人手术系统的承载结构的示例结构，

图1b)示出载体结构的部件结构，

图1c)示出第二联接机构，

图1d)示出针对载体结构的改变的部件结构，

图2示出针对机器人手术系统的载体结构的截段图的透视图，

图3示出图2中所示的系统的俯视图，

图4示出不带器械载体装置的操纵器臂的与载体结构相联接的部件，

图5示出带有器械载体装置的示例的操纵器臂，

图6a)示出机器人操作系统的控制装置，以及

图6b)示出带有手术台的机器人操作系统。

具体实施方式

图1a)示出了用于机器人手术系统的示例性载体结构。载体结构包括：底座1，底座可以通过重物在内部加重和/或也可以拧到地面上或以其他方式连接到地面上。承载柱2从基座1升起，承载柱在其高度方面有利地可调节。在承载柱2的上端，吊杆3从承载柱以90°的角度伸出地设计。当然，其他角度同样是可能的。在这里，吊杆3直线式地设计并且在其长度方面是可调节的。在其背向支柱2的自由端上，吊杆3设计为双叉的Y形叉状结构4。吊杆3在该端部上具有用于将操纵器臂与对应于操纵器臂的数量的多个针对操纵器臂的联接装置联接的机构。未示出用于控制机器人手术系统的控制装置，但其仍然形成系统的组成部件。作为叉状结构4的形成的替代方案，吊杆3在其自由端部上还可以具有横向载体式结构、横梁，在横梁上成排设置有联接装置。

根据相应的操纵器臂在吊杆3上的位置，多个操纵器臂的第一部分通过具有第一联接机构的第一连接装置连接到吊杆3。多个操纵器臂的第二部分通过具有第二联接机构的第二连接装置连接到吊杆3。第一联接机构由第一转动铰接件5构成，这里相应地由虚线表示。第二联接机构由第二转动铰接件6和第三转动铰接件7以及连接两个转动铰接件6，7的传动件8构成。所有联接装置可以包括用于第一、第二和/或第三转动铰接件5、6、7的马达式的调整驱动装置。第二和第三转动铰接件6、7的旋转轴线彼此平行并且通过传动件8在垂直于旋转轴线的方向上彼此间隔开。此外，传动件8负责使第二转动铰接件6和第三转动铰接件7也在旋转轴线的方向上彼此间隔开，即沿着旋转轴线彼此间隔开，从而绕第二和第二转动铰接件和第三转动铰接件6、7的旋转运动原则上不会相互阻碍。

这是抽象的，并且为了清楚表达再次在图1b)中示出，这里省略了加装件，并且仅示出了针对可以影响到联接装置的运动的部件结构。为了便于理解，选择了与图1a)中相同的附图标记，但是其在这里应以抽象的方式理解。在这里，第一转动铰接件5布置在与第二转动铰接件6相同的高度处，而在图1a)所示的变型中第一转动铰接件被布置在与第三转动铰接件7相同的高度处，从而使得所有的机械臂在同一高度上联接。

图1c)更详细地解释了第二联接机构。吊杆3通过第二转动铰接件6连接到传动件8。传动件8自身通过第三转动铰接件7连接到操纵器臂9。一方面，传动件8负责使第二转动铰接件6和第三转动铰接件7的旋转轴线在垂直于旋转轴线的方向上彼此间隔开。另一方面，传动件8还负责沿着旋转轴线、在第二转动铰接件6与第三转动铰接件7之间引入偏移，这种偏移使得：两个铰接件的旋转运动原则上互不妨碍，也就是说，操纵器臂9绕第三转动铰接件7的旋转轴线的旋转不受传动件8绕第二转动铰接件6的旋转轴线的旋转所阻碍，只要不受到吊杆3等的尺寸所阻碍即可。

图1c)中，传动件8形成为具有两个彼此对置的侧面(这里是上侧10和下侧11)的三维体。原则上，传动件8也可以设计为平板状形体，只要其能够承受由于操纵器臂9的质量而施加于其上的载荷即可。吊杆3在传动件8的上侧10上通过第二转动铰接件6连接到所述传动件，操纵器臂在传动件8的下侧11上通过第三转动铰接件7连接到该传动件。在这里所示的紧凑结构中，在吊杆3与传动件8之间以及在传动件8与操纵器臂9之间分别存在气隙。在更紧凑的设计中，气隙也可以设计为第一和第二滑动平面。两个滑动平面通过传动件8的尺寸沿着转动铰接件6、7的旋转轴线彼此间隔开。传动件也可以呈棒状地设计为具有圆形横截面。于是，上侧和下侧对应于相应的上弧形表面和下弧形表面，分别在横截面上的角度为180°。任意的中间形状和其他形状同样是可行的，两个相反的侧面也可以形成为几乎一维的线状结构，例如在板状体的情况下，其大表面具有垂直于旋转轴的法线方向。

图1d)示出了相对于图1a)和图1b)略微修改的配置。如图1和图2所示的配置对称地呈如下形式：使得在这种情况下，形成多个操纵器臂9的第二部分的两个操纵器臂9布置在外侧，并且其余的操纵器臂9布置在内侧，使得在图1d)中所示的配置对应于可替换的结构，其中第一数量的操纵器臂9中的一个操纵器臂9仅布置在第二数量的操纵器臂9的操纵器臂9旁边。此外，第一和第二数量的操纵器臂9的其他可能的布置也是可行的，例如与图1a)，b)互补的布置，也就是说，第一数量的操纵器臂9布置在外侧和第二数量的操纵器臂布置在内侧的这样的结构。机器人手术系统包括的操纵器臂9越多，第一和第二数量的操纵器臂9的布置的可行方案越多，直至达到统计上的或作为计算过程的结果被作为特别有利的、操纵器臂9的运动相互阻碍程度最低的结构。

图2示出了与图1a)类似的实施例，但是这里吊杆3的长度不可调节。图2示出了载体系统的截段图，这里未示出基座。此外，这里示出了总线系统12的输出端，输出端用于接入操纵器臂的控制器。第三转动铰接件7相对于第二转动铰接件6的位置和所有机械臂9的位置可以通过控制器以马达方式调节，作为补充，第三转动铰接件7的相对位置能够通过可以马达方式调整的制动器加以固定。

图3以俯视图示出了图2中的载体系统。这里，传动件8以两个极限位置示出，以便说明运动可能性。第二转动铰接件6的位置和第三转动铰接件7的当前位置由十字表示。

最后，图4示出了机器人手术系统的一部分，其载体结构示于图2和3中，这里具有联接的操纵器臂9的部分。这里示出的操纵器臂9的部分用于预定位，器械载体装置尚未连接到所述部件。

为了完整起见，图5中示出了完整的操纵器臂9。该臂是多部件系统，该系统相当于松散的运动链。一部分部件形成定位装置13，由图中左侧的花括号括起，另一部分部件形成器械载体装置14，带有与其联接的器械支架15。

最后，图6a)、图b)以整体视图示出了机器人手术系统。机器人手术系统的载体结构在图6b)中示出，其类似于图1a)地包括：基座1、承载柱2，承载柱带有从其上伸出的吊杆3和位于吊杆3的自由端的叉状结构4。在具有叉状结构4的吊杆3上，总共布置有四个带有器械保持器15的操纵器臂9，操纵器臂中的靠外部的两个再次形成第二数量的操纵器臂9。这些操纵器臂在这里处于停用位置中并且是尚未针对手术进行定位。在具有器械支架15的操纵器臂9下方，手术台16布置在台面底座17上，待手术的人18位于处在手术台上。手术台16能够可旋转地支承在台面底座17上。此外，机器人手术系统的载体结构和手术台16也可以有利地相对于彼此平移运动。

机器人手术系统还具有用于对其进行控制的控制装置19，其在图6a)中示出并且同样相对于载体结构能够运动，在这里是能够行驶。控制装置由受过专门训练的外科医生操作，并且外科医生在控制装置19的手柄20上的运动被传递到操纵器臂9上或保持在器械保持器15中的器械上。在此，外科医生可以借助于观察装置21来监控手术区域。

上述机器人手术系统可以构造得紧凑并且基于其用于操纵器臂的联接结构而与传统手术系统相比需要更少的空间，但是仍然使外科医生能够在没有碰撞的情况下定位操纵器臂。

附图标记列表

1 底座

2 承载柱

3 吊杆

4 叉状结构

5 第一转动铰接件

6 第二转动铰接件

7 第三转动铰接件

8 传动件

9 操纵器臂

10 上侧

11 下侧

12 总线系统

13 定位装置

14 器械载体装置

15 器械支架

16 手术台

17 台面底座

18 人员

19 控制装置

20 手柄

21 观察装置

Claims (10)

1.一种机器人手术系统，包括：

承载柱(2)；

多个操纵器臂(9)，其中每一个操纵器臂(9)被配置为开放式的运动链；

吊杆(3)，吊杆在其一个端部上与承载柱(2)连接并且在其另一端部上具有用于将操纵器臂(9)与对应于操纵器臂(9)的数量的、多个针对操纵器臂(9)的联接装置相联接的机构；以及

控制装置(19)，用于控制机器人手术系统，其特征在于，

根据相应的操纵器臂(9)在吊杆(3)上的位置，将第一部分数量的操纵器臂(9)经由具有第一联接机构的第一联接装置与吊杆(3)连接，将第二部分数量的操纵器臂(9)经由具有第二联接机构的第二联接装置与吊杆(3)连接，

每一个操纵器臂(9)仅经由第一联接装置或者仅经由第二联接装置与吊杆(3)联接，其中，至少一个操纵器臂(9)仅经由第一联接装置与吊杆(3)联接并且至少一个操纵器臂(9)仅经由第二联接装置与吊杆(3)联接，

第一联接机构由第一转动铰接件(5)构成，以及

第二联接机构由第二转动铰接件(6)、第三转动铰接件(7)和将第二转动铰接件(6)与第三转动铰接件(7)连接的传动件(8)构成，其中，第二转动铰接件(6)和第三转动铰接件(7)具有彼此平行而置的旋转轴线，并且借助传动件(8)在沿着旋转轴线的方向上以及在垂直于旋转轴线的方向上彼此间隔开。

2.根据权利要求1所述的机器人手术系统，其特征在于，第二联接机构的传动件(8)具有两个彼此对置的侧面，这两个侧面沿第二转动铰接件(6)和第三转动铰接件(7)的旋转轴线彼此间隔开，第二转动铰接件(6)在两个彼此对置的侧面中的一个上将传动件(8)与吊杆(3)连接，并且第三转动铰接件(7)在两个彼此对置的侧面中的另一个上将传动件(8)与操纵器臂(9)连接。

3.根据权利要求1或2所述的机器人手术系统，其特征在于，联接装置成排地布置在吊杆(3)上，并且在所述排的两个端部位置上，操纵器臂(9)借助第二联接装置与吊杆(3)连接。

4.根据权利要求1或2所述的机器人手术系统，其特征在于，吊杆(3)在其背向承载柱(2)的端部上设计为双叉的、Y形叉状结构(4)，并且在叉状件上分别将操纵器臂(9)通过第二联接装置与吊杆连接。

5.根据权利要求4所述的机器人手术系统，其特征在于，在叉状件的自由端部上分别将操纵器臂(9)通过第二联接装置与吊杆连接。

6.根据权利要求1或2所述的机器人手术系统，其特征在于，在第二联接机构中，第三转动铰接件(7)关于第二转动铰接件(6)的相对位置能够以马达调整和/或借助能够以马达调整的制动器加以固定。

7.根据权利要求1或2所述的机器人手术系统，其特征在于，承载柱(2)安装在天花板上。

8.根据权利要求1或2所述的机器人手术系统，其特征在于，吊杆(3)至少部分地呈弧形构造，其中，由弧围成的角度为90°。

9.根据权利要求1或2所述的机器人手术系统，其特征在于，吊杆(3)设计为从承载柱(2)以90°的角度伸出。

10.根据权利要求1或2所述的机器人手术系统，其特征在于，吊杆(3)在其长度方面能够调整。