CN110123459B - 机器人手术组件及其适配器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人手术组件及其适配器组件。本发明的用于安装马达的扭矩传感器包括安装凸缘、马达凸缘、主体和应变仪。安装凸缘配置成将扭矩传感器固定到固定结构。马达凸缘配置为固定到马达。主体将安装凸缘和马达凸缘互连。主体限定了围绕主体的纵向轴线的通道，并且被配置为响应于安装凸缘和马达凸缘响应于马达的扭矩而相对于彼此旋转而弯曲。应变仪位于主体上以测量主体的弯曲。

Description

机器人手术组件及其适配器组件

相关申请的交叉引用

本申请是2016年8月5日提交的美国专利申请序列号15/116,903的部分继续申请，该美国专利申请要求2015年2月5日提交的国际申请PCT/US2015/014542的权益和优先权，该国际申请要求2014年5月2日提交的美国临时专利申请序列号61/987,893和2014年2月7日提交的美国临时专利申请序列号61/937,044的权益和优先权。上述每个申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

机器人手术系统已用于微创医疗手术。在这种医疗过程期间，机器人手术系统由与用户界面连接的外科医生控制。用户界面允许外科医生操纵作用于患者的末端执行器。用户界面包括输入控制器或手柄，其可由外科医生移动以控制机器人手术系统。

机器人手术系统的末端执行器位于机器人臂的末端。每个末端执行器由器械驱动单元(IDU)操纵。IDU包括驱动马达，该驱动马达与末端执行器相关联，以使末端执行器围绕相应的轴线移动或执行末端执行器的特定功能(例如，末端执行器接近钳口、枢转钳口等)。IDU可包括多个驱动马达，每个驱动马达与末端执行器的相应自由度或功能相关联。

IDU的每个驱动马达可以通过驱动机构(例如，驱动缆线、驱动杆和/或驱动螺杆)与末端执行器的一个或多个相应自由度相关联。为了精确地控制末端执行器的自由度，可以预张紧相应的驱动机构。

一直需要预张紧和限制驱动缆线所经受的力。此外，一直需要精确和准确地测量由驱动马达施加的力，以便预期和预测驱动马达和驱动机构的预期寿命。

发明内容

本公开一般涉及扭矩传感器，其精确且准确地测量由驱动马达施加的力。扭矩传感器可以测量在驱动马达使用和闲置时的扭矩，使得扭矩传感器可以测量驱动缆线中的预张力，并且可以用于限制驱动缆线所经受的力。可以设想，扭矩传感器可以用于提供用于手术装置的驱动马达的控制的增加的保真度或精度以及用于手术装置的驱动马达的控制中的反馈，手术装置包括但不限于吻合器、扭动或线缆控制的装置、基于能量的装置、谐波装置、杆致动装置、抓紧器、刀具、剪刀、解剖器、钻头、锯(线性或轨道式)，敲钉器、疝锚和夹子装置以及活检装置。还可以想到，扭矩传感器可以是用于驱动内窥镜旋转、内窥镜操纵、线性驱动机构、螺旋驱动机构、绞盘驱动的线缆张力机构、线性驱动的线缆张力机构、齿轮驱动机构和皮带驱动机制的无菌接口模块(SIM)的一部分。应当理解，SIM保持无菌接口，同时能够在驱动机构和从动机构之间传输旋转和/或平移力以及传输电信号(例如功率、控制、反馈等)。

增加的保真度或精确控制和反馈对于控制手术装置的功能可能是有利的，包括但不限于限制由系统引起或驱动的关节运动或位置负荷限制；限制由系统引起或驱动的方向过载；限制由系统引起或驱动的夹紧压力、载荷或方向；限制由系统引起或驱动的扭转运动或方向负载；旋转装置、装置轴或末端执行器，包括驱动带驱动的旋转齿轮马达；通过一致的装载或反向驱动来收回负载以确认正常功能；识别终点站和远端限位；限制驱动器启动或负载阈值；通过验证形成和形成质量，击发包括钉、平头钉或夹子的植入物；确定解剖或钳口扩张/张开负荷；通过机械冲击或重载偏压或阈值确定碰撞；没有重新装载或植入(钉、平头钉或夹子)；激活刀具或切割机构后向驱动；锁定装置防止在没有植入物的情况下击发；通过与装置重载长度或行程相对应的力斜率增加来确定吻合器长度；从SIM后向驱动扭矩，退出设备激活，在一个或多个目标驱动器上产生额外的阻力；设定钉或切割载荷限制，以防止对不期望的组织、骨骼、韧带、管钉线或其他装置或植入物造成损坏或弄脏；激活谐波装置；监测不期望的振动或不一致或不规则的后驱动负载，以及用仪器和设备校准插管。增加的保真度或精度控制和反馈可用于各种配置以执行各种功能，包括但不限于确认驱动器通过弹簧加载的SIM联接器中的轴向负载正确耦合；识别机械特征或凸起的远端极限的装置或方法；监控驱动效率的下降，以控制或限制设备寿命；限制负载尖峰以延长设备寿命；为触觉反应力或最终用户控制的振动反馈提供额外的保真度；防止设备或末端执行器上的不良负载；限制皮带和电缆的张力，以延长疲劳寿命；初始化、归位、校准、测试或确认马达驱动电流反馈、旋转编码器、线性编码器、线性负载传感器、线性开关或位置传感器的设备类型；监测振动或抵抗，以确定驱动联接器的磨损和退化；通过监控抵抗范围、皮带张力反向驱动或皮带张力振动来管理寿命终止；监测末端执行器上引起的后驱动负载或设备的重新加载；以及监控由最终用户或通过与患者或其他设备施加的负载上的冲突驱动的末端执行器负载来允许反馈给最终用户或者如果接近或超过负载限制则停止系统。

根据本公开的一个方面，一种用于安装马达的扭矩传感器包括安装凸缘、马达凸缘、主体和应变仪。安装凸缘配置成将扭矩传感器固定到固定结构。马达凸缘配置为固定到马达。主体将安装凸缘和马达凸缘互连。主体限定了围绕主体的纵向轴线的通道，并且被配置为响应于安装凸缘和马达凸缘响应于马达的扭矩而相对于彼此旋转而弯曲。应变仪位于主体上以测量主体的弯曲。

在一些方面，主体具有高应变区域，其被配置为响应于给定扭矩增大弯曲。主体可以在每个安装凸缘和马达凸缘附近具有低应变区域。高应变区域可以设置在低应变区域之间。

在一些方面，安装凸缘包括环，该环被配置为相对于固定结构定位扭矩传感器。马达凸缘可以限定凹部，该凹部构造成相对于马达定位扭矩传感器。

在本公开的另一方面，器械驱动单元包括安装板、第一马达和第一扭矩传感器。第一马达具有朝向安装板延伸的驱动轴。第一扭矩传感器包括安装凸缘、马达凸缘、主体和应变仪。马达凸缘固定在第一马达上，安装凸缘固定在安装板上。主体将安装凸缘和马达凸缘互连。主体限定了围绕主体纵向轴线的通道。主体被配置为响应于安装凸缘和马达凸缘响应于第一马达的扭矩而相对于彼此旋转而弯曲。第一马达的驱动轴延伸到通道中。应变仪定位在主体上以计算由第一马达施加的来自主体弯曲的扭矩。

在一些方面，第一扭矩传感器配置成以约10KHz至约50KHz范围中的速率对第一马达的扭矩进行采样。第一扭矩传感器可以配置成在第一马达通电时和第一马达断电时测量第一马达的扭矩。

在一些方面，第一扭矩传感器的安装凸缘包括围绕通道设置的环。环可以朝向安装板延伸，使得安装板接收环以将第一扭矩传感器相对于安装板定位。马达凸缘可以围绕通道限定凹槽。第一马达可以容纳在凹槽中，以相对于第一扭矩传感器定位第一马达。

在某些方面，器械驱动单元具有马达组件，其包括所述第一马达、通过第二扭矩传感器固定到安装凸缘的第二马达、通过第三扭矩传感器固定到安装凸缘的第三马达、和通过第四扭矩传感器固定在安装凸缘的第四马达。器械驱动单元可包括从安装凸缘向近侧延伸的笼组件。笼组件围绕马达组件设置，使得马达组件的每个马达通过扭矩传感器中的相应一个悬挂在马达组件内，使得每个马达围绕相应的纵向马达轴线的旋转除了通过相应的一个扭矩传感器是不受限制的。

本公开的示范性实施例的其它细节和方面将在下文参考附图更详细地描述。

附图说明

在本文中参考附图描述本公开的实施例，在附图中：

图1是根据本公开的包含机器人手术组件的机器人手术系统的示意图；

图2A是图1的手术组件的侧视透视图，其包括手术器械支架、IDU、适配器组件和手术器械；

图2B是图1的手术组件的侧视透视图，其包括手术器械支架、IDU、适配器组件和内窥镜；

图3是沿图2的剖面线3-3截取的图2的器械驱动单元的剖视图；

图4是图2的器械驱动单元的透视图，其中移除了外壳；

图5是图4的器械驱动单元的部件的分解视图；

图6是图5的器械驱动单元的部件的局部组装视图；

图7是沿图6的剖面线7-7的剖视图；

图8是图5的扭矩传感器的后透视图；

图9是图5的扭矩传感器的前透视图；

图10是图8的扭矩传感器上的应变仪的示意图；

图11是图8的应变仪的传感器电路的示意图；和

图12是根据本公开提供的另一扭矩传感器。

具体实施方式

本发明公开的包含手术器械支架、器械驱动单元(IDU)、适配器组件和内窥镜及其方法的实施例参考附图详细地描述，其中在若干视图中的每一个中相似附图标记指代相同或对应元件。如本文中所使用，术语“远侧”是指手术器械支架、适配器组件和/或内窥镜的更接近患者的部分，而术语“近侧”是指手术器械支架、适配器组件和/或内窥镜的更远离患者的部分。

首先参考图1，手术系统，例如机器人手术系统1，大体上包含：具有机器人手术组件100的多个手术机器人臂2、3，所述机器人手术组件100包含可移除地联接到手术机器人臂2、3的滑轨40的手术器械200A(图2A)或例如内窥镜200B(图2B)；控制装置4；和与控制装置4联接的操作控制台5。

操作控制台5包含：显示装置6，其特别地设置成显示三维图像；和手动输入装置7、8，借助于所述手动输入装置7、8，人员(未示出)例如外科医生能够在第一操作模式下遥控机器人臂2、3，此原则上为所属领域的技术人员所知。机器人臂2、3中的每一个可由通过接头连接的多个构件构成。机器人臂2、3可由连接到控制装置4的电驱动器(未示出)来驱动。控制装置4(例如，计算机)可设置成特别地借助于计算机程序激活驱动器，其方式为使得机器人臂2、3、附接的机器人手术组件100和因此手术器械200A或内窥镜200B根据借助于手动输入装置7、8限定的移动执行期望的移动。控制装置4还可被设置成使得其调节机器人臂2、3的移动。

机器人手术系统1配置成对躺在手术台“ST”上待借助于手术器械200A或内窥镜200B以微创方式治疗的患者“P”使用。机器人手术系统1还可包含多于两个机器人臂2、3，额外机器人臂同样连接到控制装置4且借助于操作控制台5遥控。手术器械200A或者例如内窥镜200B也可以附接到另外的机器人臂。

控制装置4可控制多个马达，例如马达(马达1..n)，其中每个马达被配置成在多个方向上驱动机器人臂2、3的移动。此外，控制装置4可以控制机器人手术组件100的IDU 400的单独马达420(图2B)，其致动适配器组件120的驱动组件160以实现手术器械200A或内窥镜200B的旋转。另外，控制装置4可控制例如手术器械支架102的筒形马达“M”(图2B)的旋转马达的操作，所述旋转马达被配置成驱动IDU 400的马达组件410，进而适配器组件120和内窥镜200的相对旋转，如下文将详细地描述。在实施例中，IDU 400的每一马达可配置成致动驱动杆/线缆或杠杆臂以实现机电手术器械200A的操作和/或移动。

关于机器人手术系统的结构和操作的详细论述，可参考2011年11月3日提交的名称为“医疗工作站(Medical Workstation)”的美国专利第8,828,023号，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。

参考图1、2A和2B，机器人手术系统1包含与机器人臂2或3联接或联接到机器人臂2或3的机器人手术组件100。机器人手术组件100包括手术器械支架102、IDU 400、适配器组件120和手术器械200A或内窥镜200B。IDU 400将来自其马达420的动力和致动力传递到适配器组件120的驱动组件(未明确示出)，以驱动手术器械200A或内窥镜200B绕其纵轴线“X”旋转至少约180度。通过致动在手术器械支架102中支撑的马达“M”，手术器械200A或内窥镜200B可以旋转至少另外180度，这将其旋转运动传递到适配器组件120并且进而传递到手术器械200A或内窥镜200B。这样，手术组件100提供两个机械路径以调节手术器械200A或内窥镜200B的旋转位置，每个机械路径导致手术器械200A或内窥镜200B的不同旋转速率，如下所述。

参考图2B，手术组件100的手术器械支架102用于支撑IDU 400并且致动IDU 400的马达组件410的旋转。手术器械支架102包含靠背构件或托架104和从托架104的末端横向(例如垂直)延伸的外部构件或外壳106。在一些实施例中，外壳106可相对于托架104以各种角度且从托架104的各部分延伸。托架104具有第一侧108a和与第一侧108a相对的第二侧108b。托架104的第一侧108a可以选择性地连接或永久地连接到机器人臂2的轨道40，还可以设想，托架104可以仅由现场技术人员等从机器人臂2的轨道40移除以进行维护或者修理目的。手术器械支架102沿着机器人臂2的轨40滑动或平移。托架104的第二侧108b构造成不可旋转地支撑IDU 400的壳体或外壳402。

手术器械支架102的托架104在其中支撑或容纳马达，例如筒形马达“M”。马达“M”从控制装置4接收控制和电力，以最终使IDU 400的内部马达组件410旋转。在一些实施例中，托架104可包括与马达“M”电连通的印刷电路板(未示出)，以控制托架104的马达“M”的操作。托架104具有可旋转的驱动轴(未示出)，该驱动轴从马达“M”延伸并纵向穿过托架104。托架104的驱动轴具有齿轮或联接构件(未示出)，该齿轮或联接构件构造成可与IDU400的马达组件410的齿轮或联接构件(未示出)可操作地接合，以从手术器械支架102的马达“M”传递旋转至IDU 400的马达组件410，如下面将详细描述的。在一些实施例中，手术器械支架102的马达“M”可以通过任何合适的驱动机构驱动IDU 400的马达组件410的旋转，例如，齿轮组件、齿条和小齿轮、皮带轮摩擦驱动、液压、气动、电缆、皮带等。

手术器械支架102的壳体106限定了穿过其中的通道(未示出)，该通道构造成可旋转地接收和支撑其中的IDU 400。壳体106具有大致椭圆形的半圆形形状，但是在一些实施例中，壳体106可呈现各种形状，例如C形、U形、V形、钩形等。

继续参考图2B，手术组件100的IDU 400包含外部壳体402和可旋转地安置在外部壳体402内的内部壳体或马达组件410。外部壳体402接合到手术器械支架102的托架104的第二侧108b且容纳IDU 400的各种组件，如下面更详细描述。在一些实施例中，外壳402可永久地或可移除地附接到托架104的第二侧108b。IDU 400的外壳402具有大致矩形的构造，但是在一些实施例中，外壳402可呈现多种构造，例如圆柱形、方形、细长形、管形等。

IDU 400的外壳402可以配置和定尺寸为可滑动地在其中接收马达组件410、马达组等。考虑马达组件410可以不可从IDU 400移除。在将IDU 400联接到手术器械支架102时，手术器械支架102的驱动组件(未示出)可操作地接合IDU 400的马达组件410，使得手术器械支架102的马达“M”的致动实现马达组件410在IDU 400的外壳402内的旋转。例如，可以设想，从手术器械支架102的马达“M”延伸的驱动轴(未示出)的齿轮可与马达组件410的带齿的内表面或外表面(未示出)可操作地接合，使得附接到手术器械支架102的马达“M”的齿轮的旋转使马达组件410旋转。在一些实施例中，手术器械支架102可具有滑轮系统，该滑轮系统将由手术器械支架102的马达“M”输出的旋转力传递为马达组件410的旋转。可以设想，可以提供任何合适的机构以将由手术器械支架102的马达“M”输出的旋转力传递为马达组件410的旋转。

另外参考图3，马达组件410可包括四个马达420、430、440、450，每个马达具有驱动轴422、432、442、452，驱动轴具有非圆形横截面轮廓(例如基本上为D形，或类似形状)。在一些实施例中，驱动轴可具有圆形横截面轮廓。四个马达420、430、440、450布置成矩形形式，使得其各自的驱动轴422、432、442、452全部彼此平行并且全部沿共同方向延伸。马达组件410的马达420的驱动轴422具有驱动联接器，例如，冠齿轮424，其构造成可操作地联接到适配器组件120的驱动组件(未明确示出)。当马达组件410的马达420被致动时，马达420的驱动轴422的旋转被传递到适配器组件120的驱动组件160，以最终使内窥镜200围绕其纵向轴线“X”旋转。

对于示例性内窥镜的构造和操作的详细讨论，可以参考XX提交的名称为“ROBOTICSURGICAL ASSEMBLIES AND ADAPTERASSEMBLIES”的美国专利申请序列号XX/XXX,XXX[代理人案卷号356414(203-10901)]，其全部内容通过引用结合到本文中。

参考图3-6，根据本公开详细描述了IDU 400。IDU 400包括外壳402、马达组件410、控制组件460、旋转组件470和冷却单元480。IDU 400可以由无菌覆盖物或盖布490覆盖，以防止在手术过程中污染IDU 400。马达组件410和控制组件460可以集成在壳体内，该壳体将被盖布490覆盖，并且仅暴露于擦拭清洁而不需要暴露于高压灭菌器灭菌或暴露于浸入式洗涤器或自动洗涤器。考虑壳体可以是密封的或未密封的。整个IDU 400或包括马达组件410和/或控制组件460的IDU 400的部分可以配置成具有在约10℃至约65℃范围内的操作温度并且能够存储在温度范围约-10℃至约55℃。整个IDU 400或包括马达组件410和/或控制组件460的IDU 400的部分可以配置成在大约10％至大约85％的相对湿度范围内并且在范围为约70kPA至约110kPA的大气压力下操作和存储。

如下所述，旋转组件470构造成限制马达组件410和控制组件460围绕外壳402内的IDU 400的纵向轴线的旋转。

马达组件410构造成接合适配器组件120(图2B)以控制手术器械(例如内窥镜200B)的各个方面。马达组件410包括近侧笼414，中央隔离器416，远侧隔离器417，远侧笼418，马达420、430、440、450和扭矩传感器424、434、444、454。远侧笼418包括IDU 400的安装板404，其在其远侧面404b上联接到适配器组件120的近侧壳体122，如上所述。马达420、430、440、450中的每一个以基本上将马达420、430、440、450与除了由相应马达420、430、440、450产生的扭矩之外的外力隔离的方式固定在马达组件410内。

如下所述，每个扭矩传感器424、434、444、454构造成以结构稳固的方式将相应的马达安装到安装板404。扭矩传感器424、434、444、454的设计还可以最小化马达的质量和惯性的影响，并且最小化或消除IDU 400中的其他传感器的扭转和/或轴向应变。此外，扭矩传感器424、434、444、454中的每一个被配置为当暴露于极端操作温度和重负载循环时提供准确且可重复的扭矩读数。另外，扭矩传感器424、434、444、454中的每一个被设计成在暴露于极端温度时每个周期和/或随着时间以一致的方式降级和/或疲劳。

另外参考图7-9，详细描述了将马达420安装到扭矩传感器424以将马达420固定在马达组件410内。应当理解，其他马达430、440、450中的每一个以类似的方式与扭矩传感器434、444、454中的相应一个安装在马达组件410内。扭矩传感器424、434、444、454可以是定制的集成扭矩传感器，以在封装和设计参数的调整方面提供灵活性，以实现设计的输出响应。可以设想，使用这种集成扭矩传感器可能具有成本优势。可以设想，这些扭矩传感器可以针对特定应用进行专门调整，而不会显著增加成本。与传统的扭矩传感器相比，扭矩传感器424、434、444、454的设计可以允许更紧密的填充或减小扭矩传感器424、434、444、454的尺寸。如下文详述的，扭矩传感器424、434、444、454的架构最小化了马达质量、惯性和重量对由扭矩传感器424、434、444、454测量的扭矩的动态和静态影响。

扭矩传感器424包括安装凸缘510、马达凸缘530和在它们之间的主体520。安装凸缘510联接到安装板404的近侧面404a。安装凸缘510包括定位特征或环512，其向远侧延伸超过安装板404的近侧面404a，以相对于安装板404放置或定位扭矩传感器424。安装凸缘510通过多个紧固件405a固定到安装板404。定位特征或环512可以允许紧固件405a的高间隙和公差。马达凸缘530联接到马达420的远侧部分，以将马达520固定在马达组件410内。马达凸缘530通过多个紧固件405b固定到马达420。马达凸缘530可以限定定位特征或凹部532，其接收马达420的远侧部分以相对于马达凸缘530放置或定位马达420。扭矩传感器424的主体520限定了围绕主体520的中心纵向轴线的通道522，并且包括用于确定马达420的扭矩的传感器组件524，如下面更详细描述的。马达420包括驱动轴422，其从马达420向近侧延伸，穿过扭矩传感器424的通道522，以及安装板404。驱动轴422可包括驱动联接器或齿轮426，其与适配器组件120的驱动组件160的输入164接合，如上所述。轴承427(图3)可以设置在驱动联接器426和前板404之间，以相对于前板404定位驱动联接器426。

在与连接到安装板404的马达420、430、440、450组装期间，中央隔离器416围绕每个马达420、430、440、450的中心部分设置，以使马达420、430、440、450相对于彼此间隔开，同时允许每个马达420、430、440、450围绕由相应马达420、430、440、450的驱动轴422、432、442、452限定的轴线旋转。近侧笼414定位在马达420、430、440、450上方，直到近侧笼414的远侧凸缘415邻接中央隔离器416。紧固件415a穿过远侧凸缘415、中央隔离器416并进入远侧笼418，以将近侧笼414固定到远侧笼418，其中中央隔离器416位于其间。

控制组件460围绕马达组件410设置。控制组件460包括控制板462a-d，近侧隔离器466和保持板468。控制板462a-d沿着马达组件410的侧面定位，所述马达组件410沿着近侧和远侧笼414、418的侧面设置。每个控制板462a-d电耦合到马达420、430、440、450中的一个或多个，以响应于控制信号致动或旋转马达420、430、440、450。控制板462a-d每个都电耦合到连接器464，以接收来自控制装置4(图1)的控制信号。保持板468联接到马达组件410的近侧笼414，以将控制板462a-d固定到马达组件410，其中近侧隔离器466设置在保持板468和控制组件460之间。控制组件460可以通过“夹在”远侧隔离器417和近侧隔离器466之间来固定。将控制板462a-d定位在扭矩传感器424、434、444、454附近可以使得扭矩传感器424、434、444、454由于减少的或更短的电缆要求而不易受到电磁和射频感应噪声的影响。考虑连接器464可用于测试、校准和鉴定最终的IDU组件。

旋转组件470包括线轴板472、内杯476和旋转限制器478。线轴板472围绕旋转限制器478设置，旋转限制器478围绕保持板468设置，以限制IDU 400的旋转。内杯476接合保持板468，并因此接合马达组件410，以使马达组件410围绕IDU 400的中心轴线旋转。线轴板472包括内部连接器473a，其连接到控制组件460的连接器464，以将控制信号传输到马达420、430、440、450。近侧线轴板472还包括外部连接器473b，其接收来自控制装置4的控制信号并且经由控制板462a-d电耦合到马达420、430、440、450。

冷却单元480安装到线轴板472并且配置成使冷却流体循环通过IDU 400以冷却内部机械部件(例如马达420、430、440、450)和内部电气部件(例如电路板162a-d)。冷却单元480可包括风扇，该风扇从IDU400内抽吸空气或迫使空气通过IDU 400。

对于控制组件460、旋转组件470和冷却单元480的其他细节，可参考2016年5月26日提交的美国临时专利申请序列号62/341,714(现在为PCT申请号：PCT/US17/33899，2017年5月23日提交)，其名称为“ROBOTIC SURGICAL ASSEMBLIES”，其全部内容通过引用结合于此。

如上所述，扭矩传感器424被配置为反作用扭矩传感器，以与传统扭矩传感器相比提供由马达420传递的扭矩的改进的精确实时测量。传统的扭矩传感器通过测量输送到马达的电流以给定速度旋转马达并根据已知值计算扭矩来测量由马达(例如马达420)传递的扭矩。因此，传统的扭矩传感器需要给马达通电(例如，将电流输送到马达)以测量马达的扭矩，而扭矩传感器424能够在马达420通电或不通电时测量马达420的扭矩。应当理解，IDU400可以包括传统的扭矩传感器，以验证扭矩传感器424的扭矩测量值在预期范围内，或者在扭矩传感器424出现意外读数的情况下用作安全关闭。在2016年6月15日提交的题为“ROBOTIC SURGICAL SYSTEM TORQUE TRANSDUCTIONSENSING”的国际专利申请PCT/US16/37478中公开了与反作用扭矩传感器结合使用的传统扭矩传感器的示例，其全部内容通过引用并入本文。

通过将扭矩传感器424集成到IDU 400中，直接测量马达420的扭矩，与传统的扭矩测量相比，这可以降低测量的扭矩中的噪声。例如，已经示出本文详述的扭矩传感器具有±2mNM的可重复精度。另外，将扭矩传感器424安装在马达420的远端处并且在驱动轴422上方可以提供测量的扭矩中的噪声的额外减少。此外，如本文详述的，与传统扭矩测量的大约50至大约100Hz(例如大约0.01到大约0.05秒)相比，扭矩传感器424的构造允许以大约10KHz至大约50KHz(例如大约0.000008秒至大约0.00004秒)的速率对扭矩测量进行采样。增加的采样率可以允许更快的动态响应速率来改变马达420的扭矩。增加的采样率可以向控制IDU40的临床医生提供实时反馈(例如视觉、听觉或触觉反馈)的增加的准确性。

通过允许更快的动态响应速率，可以增加IDU 400的每个马达(例如马达420、430、440、450)的驱动转矩的管理精度。这种增加的精度转化为由IDU 400驱动的手术器械的更精确的控制参数，包括但不限于电缆张力、杆张力和轴的角度旋转。增加的精度可以减轻负载造成的损害，从而增加手术器械的使用寿命和可靠性。此外，提高精度可以提高扭力的精度，从而简化校准并设置硬限位和驱动器和电缆的绑定的限制。此外，增加的精度可用于监测电缆位移与负载参数，以检测疲劳、拉伸或降级，以监控驱动电缆的寿命终止。

参见图8-11，扭矩传感器424被配置为反作用扭矩传感器，以测量马达420的扭矩。如上所述，扭矩传感器424包括安装凸缘510、主体520和马达凸缘530。主体520通常是圆柱形的并且限定中心纵向轴线或传感器轴线T-T并且围绕传感器轴线T-T限定通道522。安装和马达凸缘510、530构造成最小化或防止围绕传感器轴线T-T的扭转偏转。另外，安装凸缘510通过多个紧固件固定到安装板404，并且马达凸缘530固定到马达420的远端部分，以最小化或防止扭转偏转。安装凸缘510和/或马达凸缘530可分别固定到安装板404和马达420。

主体520被配置为响应于马达420的扭矩而扭曲或偏转。主体520可包括与安装和马达凸缘510、530互连的低应变区域526和高应变区域528。低应变区域526是围绕传感器轴线T-T的邻接环，并且高应变区域528限定围绕传感器轴线T-T的开口或间隙，使得高应变区域528与低应变区域526相比时响应于马达420的相同扭矩具有增加的偏转(例如，经历额外的应变)。另外，开口或间隙可允许接近驱动器以接合紧固件405a、405b以固定扭矩传感器424。考虑高应变区域528可以是由不同材料构成的邻接环或者具有与低应变区域526不同的材料特性，使得高应变区域528与低应变区域526相比时响应于扭矩具有增加的偏转。高应变区域528可以是支柱529的形式，其在安装和马达凸缘510、530之间延伸。

扭矩传感器424包括设置在高应变区域528上或中的应变仪540。应变仪540可以设置在高应变区域528的内表面529a或外表面529b上，或者可以蚀刻到高应变区域528中。应变仪540定位在高应变区域528的一部分上，当扭矩施加到扭矩传感器424时，受到最大的弯曲或偏转。应变仪540包括有效应变传感器542和校准应变传感器544。有效应变传感器542被定向为响应于围绕传感器轴线T-T施加到扭矩传感器424的扭矩来测量高应变区域528的偏转或弯曲，因此有效应变传感器542测量高应变区域528的径向应变。校准应变传感器544垂直于有效应变传感器542对准，使得校准应变传感器544经受围绕传感器轴线T-T的高应变区域528的很小的径向偏转或者没有径向偏转。校准应变传感器544响应于除径向偏转(例如主体520的热膨胀)之外的因素来测量高应变区域528的应变。考虑校准应变传感器544可用于检测轴向张力或压缩力。另外，校准应变传感器544可用于监测联接器206、208的不正确使用、线性驱动推力负载和/或应变负载条件。此外，应变仪540可以包括集成电子器件(例如EEPROM或微处理器)，以监测寿命、规格、冷启动、负载限制、序列化、热限制和校准偏移，其可以被读取并用于优化和控制应变仪540的寿命。

特别参考图11，测量电路550根据应变仪540测量的应变确定马达420的反作用力矩。测量电路550包括应变仪540、电压源552、滤波器554、放大器556和控制器558。应变仪540包括有效应变传感器542和校准应变传感器544，作为包括两个电阻器R₁、R₂的桥接电路的一部分。扭矩传感器424的主体520的应变被测量为应变仪440的电压变化，由此每个应变传感器542、544的电阻响应于主体520的弯曲而变化。测量的电压从应变仪540传递到滤波器554。如图所示，由于将校准应变传感器544定位成与有效应变传感器542相邻并且与有效应变传感器542正交对准，所以测量的电压考虑了除了主体520的弯曲之外的因素。滤波器554是低通滤波器，以从测量的电压中去除噪声。滤波器554将滤波后的电压发送到放大器556，放大器556将放大的电压发送到控制器558。控制器558检测放大电压的变化并计算扭矩传感器424的主体520的应变。根据扭矩传感器424的主体520的应变，控制器558计算主体520的弯曲。考虑到主体520的已知特性和尺寸，控制器558根据扭矩传感器424的主体520的弯曲来计算马达420的反作用扭矩。控制器558将计算出的马达420的反作用力矩传递给控制装置4(图1)。测量电路550的采样率可以大于约3kHz。

控制装置4分析马达420的反作用扭矩，以确定IDU 60施加到适配器160的力。控制装置4可以响应于施加到末端执行器20的力来调节供应到马达420的能量。附加地或替代地，控制装置4可以响应于马达420的反作用力矩通过操作控制台5向用户提供反馈。反馈可以是视觉、听觉或触觉。

应变仪540包括延伸到测量电路550的引线(未明确示出)。主体520可包括按扣或环氧树脂以将引线固定到主体520并为引线提供应变消除。

现在参考图12，根据本公开公开了另一扭矩传感器600。扭矩传感器600包括安装凸缘610、马达凸缘630和将安装和马达凸缘610、630互连的主体620。安装凸缘610由一圈径向突起613形成，每个径向突起限定紧固件孔614，用于接收紧固件以将安装凸缘610固定到固定板(例如安装板404)。安装凸缘610在每个径向突起613之间限定凹槽616。凹槽616可用于将线布线到应变仪640或IDU 400和适配器120之间。附加地或替代地，凹槽616可以提供驱动器进入马达凸缘630的紧固件。安装凸缘610可包括定位特征或环612，其向远侧延伸以相对于安装板404放置或定位扭矩传感器600。马达凸缘630基本上类似于上面详述的马达凸缘530，并且出于简洁的原因将不再进一步讨论。

主体620类似于上面详述的扭矩传感器424的主体520，因此这里仅详细说明不同之处。主体620通常是圆柱形的并且由多个支柱628形成，支柱628在安装和马达凸缘610、630之间延伸，以限定穿过主体620的通道622。支柱628被配置为响应于围绕传感器轴线T-T施加的扭矩而偏转或弯曲。支柱包括与安装和马达凸缘610、630中的每一个相邻的低应力区域624和在低应力区段626之间的高应力区域626。主体620包括应力计640，其设置在支柱628中的至少一个的高应力区域中。应力计640类似于上面详述的应力计540。

主体520、620的重量可以最小化，同时其尺寸适合于将马达420、430、440、450安装在IDU 400内并且能够承受马达420、430、440、450的操作扭矩而没有主体520、620的永久性变形的。在一些应用中，扭矩传感器424、434、444、454、600中的每一个可具有约±14mNm的轻使用扭矩范围和约±350mNm的重使用扭矩范围，两者都具有高分辨率精度。在特定应用中，每个扭矩传感器424、434、444、454、600的预期峰值扭矩可以是大约±700mNm，使得扭矩传感器424、434、444、454、600可以设计成能够承受约±1400mNm的瞬时扭矩而没有主体520、620的永久变形，这种永久变形可能产生较低分辨率精度。在某些应用中，主体520、620可以配置成承受±22N的轴向载荷而不会经历塑性变形。扭矩传感器424、434、444、454、600的工作循环可以对于轻使用定为100％，对于重使用定为50％，以及在峰值扭矩处或接近峰值扭矩时定为小于5％。

使用扭矩传感器600为例，主体620的外径可小于约17.5mm，例如约9.5mm，并且安装和马达凸缘610、630可具有小于约22mm的直径，例如约17mm。定位环612可具有约9mm的外径。

本文详述的扭矩传感器(例如扭矩传感器424、434、444、454、600)可以是单件式设计，其利用低疲劳寿命材料或合金，其可包括但不限于钢、不锈钢、钛、铝或其合金。或者，本文详述的扭矩传感器可以是上述材料之一或其组合的多件式结构。例如，扭矩传感器424、434、444、454、600可以由17-4不锈钢和/或2024-T351铝构成。当扭矩传感器424、434、444、454、600由铝或铝合金构成时，扭矩传感器424、434、444、454、600可根据军用规格进行阳极氧化，例如，MIL-A-8625FII型1级，或涂有保护涂层，例如Alodine 5200非铬转化涂层。还可以设想，扭矩传感器424、434、444、454、600可以通过钝化处理来增强，以改善防锈和耐腐蚀性。

应理解，可对本文中所公开的实施例作出各种修改。因此，上文的描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为各种实施例的例证。本领域的技术人员将想到在本文所附的权利要求书的范围和精神内的其它修改。

Claims (10)

1.一种用于安装马达的扭矩传感器，其包括：

安装凸缘，其配置用于将所述扭矩传感器固定到固定结构；

马达凸缘，其配置用于固定在马达上；

将安装凸缘和马达凸缘互连的主体，所述主体限定围绕主体的纵向轴线的通道，所述主体被配置为响应于安装凸缘和马达凸缘响应于所述马达的扭矩而相对于彼此旋转而弯曲；和

应变仪，其位于所述主体上以测量所述主体的弯曲，

其中所述主体具有高应变区域，其被配置为响应于给定扭矩增大弯曲，

其中所述主体具有邻近所述安装凸缘和马达凸缘的每一个的低应变区域，所述高应变区域布置在所述低应变区域之间，

其中所述高应变区域是由不同材料构成的邻接环，使得所述高应变区域与所述低应变区域相比时响应于扭矩具有增加的偏转。

2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述安装凸缘包括环，所述环配置成相对于固定结构定位所述扭矩传感器。

3.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述马达凸缘限定凹槽，其配置用于相对于马达定位所述扭矩传感器。

4.一种器械驱动单元，其包括：

安装板；

第一马达，其具有朝向所述安装板延伸的驱动轴；和

第一扭矩传感器，其将第一马达固定到所述安装板上，第一扭矩传感器包括：

马达凸缘，其固定在第一马达上；

安装凸缘，其固定在所述安装板上；

将安装凸缘和马达凸缘互连的主体，所述主体限定围绕主体的纵向轴线的通道，所述主体被配置为响应于安装凸缘和马达凸缘响应于第一马达的扭矩而相对于彼此旋转而弯曲，所述第一马达的所述驱动轴延伸进入所述通道中；和

应变仪，其定位在所述主体上以计算由第一马达施加的来自所述主体的弯曲的扭矩，

其中所述主体具有高应变区域，其被配置为响应于给定扭矩增大弯曲，

其中所述主体具有邻近所述安装凸缘和马达凸缘的每一个的低应变区域，所述高应变区域布置在所述低应变区域之间，

其中所述高应变区域是由不同材料构成的邻接环，使得所述高应变区域与所述低应变区域相比时响应于扭矩具有增加的偏转。

5.根据权利要求4所述的器械驱动单元，其中第一扭矩传感器配置成以约10KHz至约50KHz范围中的速率对第一马达的扭矩进行采样。

6.根据权利要求4所述的器械驱动单元，其中第一扭矩传感器配置成在第一马达通电时和第一马达断电时测量第一马达的扭矩。

7.根据权利要求4所述的器械驱动单元，其中所述安装凸缘包括围绕所述通道并朝向安装板延伸的环，所述安装板接收所述环以相对于所述安装板定位第一扭矩传感器。

8.根据权利要求4所述的器械驱动单元，其中所述马达凸缘限定围绕所述通道的凹槽，所述第一马达被接收在所述凹槽中以相对于所述第一扭矩传感器定位所述第一马达。

9.根据权利要求4所述的器械驱动单元，其进一步包括马达组件，所述马达组件包括：

所述第一马达；

第二马达，其通过第二扭矩传感器固定到所述安装凸缘上；

第三马达，其通过第三扭矩传感器固定在所述安装凸缘上；和

第四马达，其通过第四扭矩传感器固定到所述安装凸缘上。

10.根据权利要求9所述的器械驱动单元，还包括从所述安装凸缘向近侧延伸的笼组件，所述笼组件围绕所述马达组件设置，所述马达组件的每个马达通过所述扭矩传感器中的相应一个悬挂在所述马达组件内，使得每个马达围绕相应的纵向马达轴线的旋转除了通过相应的一个扭矩传感器是不受限制的。