CN110650691A - 用于微创手术的液压器械驱动系统 - Google Patents

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Abstract

一种机器人手术系统包括液压驱动系统和可移除地定位成与所述液压驱动系统可操作接合的手术器械。

Description

用于微创手术的液压器械驱动系统
本申请要求下列美国临时申请的权益：2017年1月31日提交的US 62/452,953；2017年1月31日提交的U.S.62/452,950；以及2017年11月14日提交的U.S.62/585,655。
发明人：Alexander John Maret,Anthony Fernando,Matthew R.Penny,KevinHufford,Nicholas J.Bender,Paul Schnur,Sevan Abashian,Dustin Vaughan
技术领域
本发明总体涉及手术器械和系统的领域。特别地，本发明涉及手术器械或其末端执行器的流体致动和/或移动。
背景技术
用于机器人辅助手术或机器人手术的手术系统采用机电驱动器来驱动手术装置在体腔内的移动，通常是响应于当用户移动用户输入装置时产生的信号。手术装置可以是具有末端执行器的手术器械和/或其可以是适于接收这种手术器械的可操纵的腔装置。
机器人辅助微创手术的好处之一是其使外科医生能够以最少的精力和体力控制更复杂和高度灵巧的器械。在机器人手术中，外科医生操纵在外科医生控制台处的主输入装置以远程操作在患者体内的器械。来自输入装置的信号由机器人控制系统解释并且用于驱动移动器械的机构。
器械的粗大运动通常是由机器人操纵臂实现的，该机器人操纵臂在空间中移动整个器械组件。为了补充这种粗大运动，通过内置于器械本身中的机构来输送器械的精细运动。在这样的系统中，期望避免对容纳马达和电子器件的组件进行杀菌的需要。相反地，现有技术的手术系统提供驱动器(其容纳马达和一些电子器件)作为在操纵臂上的组件，其在外科手术室中可以覆盖有无菌盖布。要由驱动器驱动的手术器械是单独的无菌组件，其以一种方式可移除地安装在无菌盖布的上方，使得允许无菌盖布在驱动器和手术装置之间保持无菌屏障。提供了用于将驱动器中的马达的机械输出传递到手术装置中的致动元件的特征，使得马达的致动引起手术装置在患者体腔内的期望移动。
一些现有技术的系统为此目的使用旋转耦合器，以传输来自操纵臂上的机器人发动机的运动，使其通过覆盖手臂的无菌盖布并且进入手术器械上的接收耦合器中。在这些系统中，在器械内部的机构将这种旋转运动转换成器械的末端执行器的移动(夹爪的打开和关闭、铰接等)，这通常使用诸如腕关节、铰接椎骨等的特征。在用于单孔手术的高度灵巧的器械，诸如高自由度的腕式器械和完全铰接式器械中，经由耦合器将末端执行器的运动中的甚至更大的部分传输通过所述器械。
在一些情况下，马达内置于器械本身中以控制器械的致动，并且使用经由盖布中的电触点接收的电力来驱动。
通过引用并入的共同拥有的WO2016/057989(‘989申请)描述了一种手术系统，其通过消除对通过盖布的旋转耦合的需要来克服了现有技术的系统的挑战。本申请描述了一种系统，其在支撑件上包括驱动单元。驱动单元包括马达或其他致动器和多个输出元件，输出元件被布置成使得每个驱动单元的操作线性平移输出元件中的相应的一个。手术装置具有延伸通过细长轴到远侧铰接部分的致动元件，以及在轴的近端处承载的输入子系统。输入子系统的线性可平移输入元件或活塞各自与致动元件中相应的一个相关联。输入和输出元件被定位成使得致动器的操作线性平移输出元件，从而引起相应的输入元件的线性平移和致动元件的接合。无菌盖布可定位在输入元件和输出元件之间。因此，所描述的系统允许使用无菌盖布，而不需要特殊的适配器或旋转耦合器来传递运动。由外科医生操作的输入装置允许外科医生向系统提供输入，以便驱动马达以移动手术装置。
现在将给出‘989中描述的系统的一些细节，这是因为该类型的系统可以被配置为使用本申请中描述的类型的液压系统来驱动手术器械。图14示出了在‘989申请中讨论的类型的手术器械。手术器械12被设计成通过切口(直接地或通过套管针或外套管进行)插入并且定位在患者的体内以用于进行手术。手术器械可以是具有可转向、铰接和/或致动(例如，夹爪的打开和关闭)的末端执行器23a的手术器械，然而其也可以用适于可移除地接收这种手术器械的可操纵的腔装置来代替。手术器械包括致动元件，当被推动和/或拉动时，致动元件在患者体内的手术装置的远侧部分处引起主动弯曲和/或铰接。致动元件延伸通过轴并且定位成随着致动元件上的张力变化而引起相应的可主动弯曲的部分的主动弯曲/矫直，或在接头或枢轴处的铰接。致动元件是细长元件(例如，丝、杆、缆、线、细丝等)，其具有锚固到轴的远侧部分和联接到致动机构的近侧部分，致动机构改变在致动元件上的力(张力或压缩)或致动元件的位置。致动元件通常在近侧方向和远侧方向之间延伸。
图14中描绘的手术器械包括细长轴16，其具有刚性近侧部分。朝向其远端，存在有一个或多个可主动弯曲或“可操纵”的部分18a、18b，其响应于致动元件的移动而弯曲。例如，可操纵部分18a可以使用终止于可操纵部分的远端的转向致动元件(例如，三个或四个这样的元件)在两个自由度上进行操纵，并且可操纵部分18b可以在至少一个自由度上进行操纵以使用致动元件在一个自由度上横向向外或向内移动轴的远端，并且致动元件可以额外地在第二自由度上移动。可主动弯曲和接合的铰接部分、自由度和致动元件的数量和组合可以与所示的不同。
图15示出了与马达驱动器14间隔开的器械12。马达驱动器14容纳马达，其输出用于驱动用于可操纵和/或铰接部分和/或用于打开/关闭器械夹爪的致动元件(如果适用的话)。马达驱动器14优选地支撑在支撑臂、机器人操纵臂或替代支撑件(未示出)上。
马达驱动器14包括马达(未示出)和输出元件26，其在图中采用销或柱的形式。当组装马达驱动器14和手术装置12时，每个这样的输出元件26与手术装置12的相应的输入元件28接触、联接或接合，或以其他方式定位以使每个输入元件28根据其相应的输出元件26移动。在优选的配置中，输入和输出元件位于覆盖马达驱动器14和机器人臂的无菌盖布的相对侧上，其中器械12可移除地定位在马达驱动器上。这允许在外科手术期间将器械12与其他无菌器械进行互换，同时保持手术区域的无菌性。
可以设置系统，使得输出元件26响应于马达致动而推动输入元件28，和/或使得输出元件拉动输入元件28。输入元件中的每一个对应于手术器械的一个自由度的运动或末端执行器的致动。机器人系统控制器响应于输入装置处的外科医生的输入而激活马达驱动器14的马达，以引起输出元件26的移动，以便产生器械的期望移动、铰接或夹爪致动。
共同拥有的申请W0/2017/181153描述了线性驱动器可用于实现器械的轴向滚动的方式。
附图说明
图1示意性地示出了液压手术末端执行器驱动系统的子系统。
图2是示意性地示出采用图1的液压手术末端执行器驱动系统的机器人手术系统的组件的框图。
图3示意性地示出了图1的输入压力系统的元件。
图4至6给出了可以用于图1的系统的输入压力系统的泵配置的示例。
图7示出了并入至手术机器人系统中的液压手术末端执行器驱动系统的一种配置。
图8至12示出了使用液压装置通过手术盖布传递力和运动的配置。
图13示出了使用液压装置传递力和运动以实现器械滚动的配置。
图14示出了用于机器人辅助手术系统的现有技术的手术器械。
图15以分解图示出了图14的器械，其具有用于致动手术器械的移动的马达驱动器。
具体实施方式
本申请描述了一种机器人辅助手术系统，其并入有液压手术末端执行器驱动系统10(HSEEDS)，该系统中流体被用于将运动和力传递到器械的末端执行器。通常，这种概念使用加压流体(气体或液体)来在器械的末端执行器上赋予运动和力。可以理解，这种概念既适用于单部位手术机器人，也适用于多孔应用。本申请讨论了一种系统，其中流体子系统是手术器械的一部分，并且还讨论了一种概念，其中流体子系统是用于向手术器械提供输入力和运动的驱动系统的一部分。由于本公开涵盖了这两个子系统，HSEEDS发明由完整的驱动系统组成，其中使用流体实现了一个或两个子系统以传递力。
本公开中讨论的实施例集中于传输线性运动的机构，诸如在‘989申请中所描述的，但是应该理解，本发明也将适用于类似的机构，其利用也由流体压力驱动的旋转运动(例如，使用旋转液压致动器)。驱动系统可以通过直接控制流体压力，通过直接控制输入驱动机构(诸如，输入活塞)的位置，或通过监测和控制位置和压力来控制机构的运动。为了简化讨论，本申请将这个系统称为“液压”器械驱动系统，应该理解在系统中使用的流体可以是液体或气体。液体系统和气体系统之间的系统设计和分析复杂性中存在有一些差异，在本申请的最后将对此进行简要讨论。
HSEEDS 10由三个子系统组成，即输入压力系统(IPS)12、机械传递系统(MTS)14和器械末端执行器输出系统16(IEEOS)，如图1中示意性描绘的。在系统10中，使用流体系统驱动IPS 12和/或IEEOS 16。一个可以是机械的或机电的，但至少一个是液压驱动的。在流体IPS的情况下，IPS输送和调节被输送到MTS的每个输入机构的流体压力。然后，MTS将此流体压力和运动传递到IEEOS的输入侧，并且IEEOS将这些输入力和运动转换为器械末端执行器顶端的运动和力。本公开中提及的IPS可以按多种不同的方式进行设计和构建，但是下面只讨论了两种可能的实施例。
系统可以并入至如图2中示意性描绘的机器人手术系统中。外科医生经由用户输入控制台向系统提供输入。机器人控制系统基于用户输入生成指令，以便控制机器人操纵臂以进行某些类型的器械移动，诸如器械的粗大运动，以及控制实现器械的较精细的运动(诸如轴铰接或弯曲，末端执行器的腕式运动，夹爪致动等)的HSEEDS系统。
输入压力系统(IPS)
IPS的第一个实施例包括各个电动和受控的动态泵(诸如，离心泵或轴流泵或等同物)，以向MTS的每个自由度提供压力。例如，每个泵可以专用于操纵线性推-推器械驱动机构(诸如WO 2016/057989中所描述的)的MTS的一个输入。如果需要足够的推力和拉力，则MTS的每个自由度可能需要两个泵，因此双作用活塞可用于推动和拉动。如果使用诸如阀门的机构将加压流引导至双作用活塞的任一侧，则也可以用单个泵来实现这一点。而且，在本公开中描述的推-推系统中，不需要拉力，并且因此单作用活塞就足够了。双作用活塞将成为MTS的一部分，并且在下面的MTS部分中进行讨论。IPS子系统可以由主流体贮存器或罐、液压蓄能器、一个或多个过滤器组件、电液伺服阀或比例阀、泵、减压阀、流量计、温度传感器、热交换器等组成。在一个实施例中，每个泵可以从主输入贮存器抽取流体并且将加压输出流体供给至MTS输入。至MTS的流动的压力、流速和位置可以由使用伺服阀、比例阀等的机器人控制系统控制。替代地，可以使用流量控制阀、减压阀、流量计、温度传感器、压力传感器等来控制和监测从IPS提供给MTS的这些流动条件。流体可以通过柔性或刚性配管、管道或内部通路从IPS传递到MTS。
液压IPS的替代概念使用机电致动器和马达(或等同物)来驱动正排量泵(诸如，活塞或柱塞)，以控制MTS的每个自由度的位置和压力。这将共享第一个实施例的许多益处，但取决于在所述的第一种概念中使用的动态泵的类型，可以用更少的液压组件，液压驱动器更熟悉的机电输入系统和的可能更少的噪声和功率消耗来实现。具有由机电致动器驱动的正排量泵的这种IPS仍然可以使用压力换能器、温度传感器等输入至控制系统中。此外，如果传感器或控制系统中存在故障，减压阀则可能作为故障安全措施集成至泵的输出侧中以避免过大的压力。对于这种类型的系统而言，可以直接命令活塞(或正排量泵)的输入位置来控制MTS的输入的位置。因为这不是动态泵并且系统的液压部分可能“关闭”(不具有第一系统的贮存器)，则必须存在有效的密封以防止泄露和/或贮存器必须与用于在使用期间或在两次使用之间在管线中保持或重新填充流体的机构共存。
使用液压IPS可提供优于现有技术的系统的一些优点。首先，柔性配管可通过将IPS定位在机器人手术系统中的更有利的位置中来实现改进的形状因子设计，而不需要在邻近MTS处构建驱动系统。例如，在先前的推-推系统设计中，马达组、传动装置和线性致动器都沿销轴线串联安装。这导致在机器人操纵臂的末端处的器械附近出现机构的显著重量和体积。使用液压IPS作为该HSEEDS发明的一部分使得IPS可能定位在机器人操纵器推车的基部中，而不是安装到操纵器本身。液压柔性配管可通过机器人臂的中心确定路线。这将使得更小、更轻的操纵臂能够在手术部位周围占据更少的空间。额外地，将泵或驱动发动机移动到手臂的基部中使得热量移除更加简单，并且使得能够在更佳的操作点处使用更大的马达。这应该减少整体发热，简化冷却并使用较少的功率。
使用液压IPS的另一个优点是能够获得触觉信息，触觉信息可用于向外科医生提供反馈，而无需集成单独和昂贵的称重传感器。在IPS的输出侧的配管中使用压力换能器，控制系统可监测压力，并且因此监测施加到器械机构的力或扭矩。IPS的每个自由度上的压力将告诉控制系统在至MTS的每个输入机构上的力。假定具有相对低摩擦和可反向驱动的MTS设计，这些测量的力则将与施加到器械自由度的力成比例。因此，在IPS处测量的压力可用于计算手术力，诸如夹爪打开-关闭，在X、Y、Z中的力以及围绕X、Y、Z的力矩，这取决于所使用的器械的自由度。
机械传递系统(MTS)
接受IPS的输出是MTS，许多不同的机构都可以用于MTS。在本公开中，MTS被描述为用于以有用的方式将液压输入力和运动从IPS传递到器械输入机构的机械系统。基本上，MTS将流体的压力和运动转换为可由器械接收的运动。如前面所讨论的，本公开集中于用于推-推器械机构的轴向运动，但是液压系统也可实行旋转运动或其他运动。
第一种概念使用通过流体压力沿轴线致动的活塞，并且利用滑动密封界面以在活塞移动时保持流体压力。在这种设计中，MTS的速度和力与IPS中的泵产生的速度和力之间的关系可通过MTS中的活塞的压力区域来控制。这与纯机械系统中的齿轮比非常相似。考虑第二种IPS概念。如果MTS活塞的面积比IPS中柱塞的面积大2倍，则施加在MTS上的力将是施加到IPS的柱塞的力的2倍。此外，如果IPS柱塞移动一定距离(在恒定压力下)，MTS活塞将移动该距离的1/2。可在机械设计中控制这些比率，以优化输入力和速度与输出力和速度之间的关系。还可以设计更复杂的机构，其可以动态地改变活塞中的一个或多个的压力区域，这使得控制系统能够基于所使用的器械的类型或外科医生、应用或条件的需求来修改输入/输出关系。这种类型的传输系统可以设计成具有不连续的步骤或几乎连续的比率。这种活塞系统的另一个考虑是可能需要使用双作用活塞来实现在负载下操纵器械的末端执行器所需要的所需推力和拉力。使用这些双作用活塞，对于MTS的每个自由度而言，具有两个泵可能是有用的，一个用于在机构的一侧上施加压力，并且一个用于在另一侧上施加压力。替代地，可在活塞中使用弹簧以当IPS消减压力时提供拉力。这将使得针对MTS中的每个自由度有IPS中的单个泵成为可能。此外，使用推-推系统，不需要拉力，这是因为每个销仅用于推动。
第二种概念使用柔性膜，诸如波纹管，以在压力下沿轴线延伸，其将完全闭合并且因此在MTS中不需要任何滑动密封件。在这种设计中，来自IPS的压力对波纹管的内部加压，波纹管随后轴向扩张以移动并在器械的输入机构上施加力。类似于双作用活塞的概念，波纹管的概念可应用于通过为在IPS中具有2个输入泵以用于MTS的每个自由度的双波纹管概念来施加更高的推力和拉力。一个波纹管进行加压以用于推动，并且一个用于拉动。替代地，通过将标称弹簧力设计到波纹管系统中以当在IPS处减小压力时施加拉力，可实行单个波纹管。
器械末端执行器输出系统(IEEOS)
IEEOS将运动从MTS传递到器械末端执行器。在现有技术中，这通常是用缆或杆来实现的，缆或杆是通过在机器人操纵臂的末端处从机动化机器人发动机赋予至器械的旋转或轴向运动进行致动的。HSEEDS发明可以用现有技术的机械器械系统或用液压IEEOS来实现。在这种液压IEEOS中，来自MTS的输入运动通过在器械内的液压管线传输到末端执行器。用于液压致动的流体包含在器械配管内并且是完全密封的。
除了前面部分中所提供的，这种概念不需要太多的解释。对于液压IEEOS而言，MTS的力和位移为器械内的液压管线提供了输入，液压管线转而将这种能量传递到器械末端执行器。在IEEOS的输入侧上，可以使用活塞或波纹管与MTS接合，并且将MTS的运动和力传递给液压管线的运动和压力。在器械末端执行器的输出侧上，机构用于将每个液压管线的这种压力和运动再次转换成器械末端执行器的自由度的机械运动(诸如，腕夹爪打开-关闭等)。根据末端执行器的期望运动，可以使用多种机构来将液压输入变换成机械输出，诸如活塞、波纹管、旋转液压致动器等。这些机构随后可以直接连接到器械末端执行器或连接到最终将运动赋予至器械顶端的缆或杆。类似于液压IPS的描述，液压IEEOS提供了优于现有技术的优点，诸如进一步分离器械的输入和输出机构的能力(即，因此其不必物理在线)，并且使用输入和输出压力区域比率作为缩放在输入和输出力和位置之间的关系的方法。也许甚至更重要的是，液压IEEOS能够比现有技术系统具有明显更高的力，这是因为流体的压缩可以承受比细丝缆中的张力更大的负载。这对于更复杂的器械，诸如吻合器而言或在需要强夹爪力，诸如缝合的应用中，这可能是有用的。再者，压力换能器可用于测量在IEEOS的每条管线中的压力，以给出要用于触觉反馈的力信息，如在前面部分中更详细描述的。最后，液压IEEOS可包括故障安全措施，其减少了灾难性故障的机会。通过包括减压阀，可以通过确保在一定最大水平下从管线释放流体并且释放压力来限制过大的力。为了防止污染，这可以很容易地通过阀门释放到内部贮存器中以防止在器械盒的外部发生泄露。这对于防止在使用期间发生不可逆的故障以及可能需要用户向器械供给过强的力以将其移动到另一个姿势的紧急情况而言可能是有用的。此外，如果过载故障是流体压力的损失，则可能进行器械维护，从而使得更长的寿命以及每个器械更多的使用次数成为可能。释放的流体可简单地进行更换以重新填充液压管线并且重新获得如器械是新的时候的性能，而不是缆屈服并需要进行更换(这使得器械当今要设置在搭接器械中)。这可以通过提高可靠性和重用计数来降低每个手术的成本。
气体与液体
如前所述，这种概念可以用气体管线(例如，空气)或液体管线(例如，水、矿物油、液压流体等)来实现。本公开中的先前讨论主要集中于液体系统，但是相同的原理适用于气体的情况。由于OR中的可用性充足，对于这些应用而言，空气可能似乎是有吸引力的选择。如果不需要过滤或未在系统入口处进行过滤，则可能不需要主贮存器，并且系统泄露不太可能对系统中的其他组件造成损坏或在OR中产生新的危险。然而，其他风险、分析挑战和机械设计困难抵消了这些最初感知的益处。
气体系统的最大问题是可压缩性。气体比液体更具有可压缩性，并且因此当推动活塞时，与液体系统相比，系统将需要显著地进一步行进以在气体系统中施加相同的压力。这对机械设计带来了额外的挑战，这是因为系统必须适应更多的行程，并且气动系统中的低效率需要更高的输入力来实现相当的输出力。对于气动系统而言，泵通常必须持续运行以保持压力和位置，而液压系统则不这样。结果，与相当的液压系统相比，气动装置导致更低效率的操作，从而导致更难的机械设计约束，诸如更高的力、更多的发热、更大的泵以及更大的机构。为了使机械系统进一步复杂化，空气具有更高的体积模量，如果在高压下存在故障，这可能是危险的。由于该模量和可压缩性，高压故障具有显著的势能，这在设计不当的系统的中会导致爆炸性故障。因此，必须采取额外的措施以确保在某些类型的气动系统中的安全设计和操作。
可压缩性和低效率也使机器人的控制系统复杂化。由于这些系统损失，输入力/运动与输出力/运动之间的关系变为非线性的。这使得可预测且精确的控制系统的设计变得更加困难，并且可能还将导致对机械系统的更复杂的感测要求。例如，在相对低的压力下，可假定液压系统是近似不可压缩的。这种简化使得压力和位置之间能够分离。然而，在具有可压缩气体的气动装置中，系统必须知道压力以确定末端执行器的位置，这是因为气体的密度是可变的。这些复杂性使得通过长气动管线传输运动和力比液压管线更加困难，并且与现有技术相比减少了本发明的益处中的一些。
结果，由于明显的优点，本公开的重点在于真正的液压手术末端执行器驱动系统(HSEEDS)。然而，应该理解气动装置也是可行的。
接下来将描述适于与上述系统一起使用的子系统的非限制性示例。
图4示出了可用作所公开系统的IPS的齿轮泵。齿轮泵使用啮合正齿轮G1、G2以经由入口I将流体从贮存器拉入压缩体积中。齿轮G1是由马达驱动的，而齿轮G2则是由齿轮G1的齿移动的。低压区域L将流体从贮存器拉出，并且高压区域H对流体体积加压以执行一些期望的任务。如果需要的话，可监测两个区域中的压力以提供力反馈信息。
在这个应用中，加压体积经由出口O和液压管线连接到MTS，MTS可以是驱动活塞，驱动活塞将在可通过在盖布的相对侧上的相应的从动活塞接收线性运动的盖布处传输线性运动。当马达将流体推入加压体积中时，驱动活塞通过朝向MTS延伸而响应较高的压力。当活塞遇到力时，加压体积中的压力将增加。这种增加的压力可以通过压力传感器检测并且传送给用户，以指示，例如，当手术器械通过由活塞运动而产生的运动移动时，手术器械所遇到的力(例如，在移动期间与组织相接触的器械，关闭夹爪的力)。力反馈的表示可以包括视觉或听觉反馈，或作为外科医生用于引起手术器械移动的控制手柄上的力反馈进行输送。
应该注意的是，在这个实施例中，选择液压流体以具有足够高的粘度，使得其不会在啮合齿轮齿的周围渗出或从其溢出。额外地，马达可以设计成允许在一定水平以上的压力来反向驱动马达的位置，并且因此线性平移销/活塞。
IPS的第二个示例利用斜盘的配置，如图5中所示。
当马达转动斜盘(由箭头A表示)时，斜盘推动和拉动其汽缸内的活塞。在活塞上拉动产生真空，真空由低压贮存器中的流体填充，并且推动活塞将该流体发送到高压区域以朝向器械施加力。例如，MTS可以使用该力来驱动在‘098申请中所述类型的驱动活塞。
图6中所示的第三个实施例包括泵，其使用由柔性或刚性流体通道限定的腔室100中的封闭流体体积。马达(未示出)的旋转被转换成线性运动，例如用线性致动器102的滚珠螺杆进行。在腔室100内通过O形环密封件106密封的销104在腔室内往复运动，从而来回推动和拉动封闭的流体体积，这使得在盖布界面处用作输出销(MTS)的第二销104b移位。
泵定位
在优选的实施例中，系统被配置为使得来自MTS的输出位于机器人臂的远端处。然后，用无菌盖布覆盖手臂的远端，并且将可移除的手术器械安装到手臂，使得可以通过MTS的操作元件来通过盖布驱动器械的用于铰接、致动等的输入元件。
并入有液压系统的系统可以将泵定位在相对于在盖布处的驱动组件和器械的从动组件之间传递运动的部位的各种位置处。图7中示出了一个选项，其示出了支撑手臂112(诸如，用于手术器械的机器人和/或可手动移动的支撑臂)的基部110。基部可以是位于地板上的推车，或其可以安装到手术床，手术室的天花板等。在更传统的手术系统中，马达将由手臂承载，诸如在壳体或区域114(在本申请中也称为“发动机”)中，这给手臂增加了显著的重量。
在这个实施例中，液压管线116从基部110或推车中的一系列泵延伸至壳体或区域114，其中MTS，诸如由泵驱动的活塞115a(或旋转元件)通过盖布(未示出)将运动传递到在盖布的另一侧上的相关联的从动组件115b。这些组件115b从手术器械120的近侧壳体118延伸。
在其他实施例中，液压泵在远侧地设置在手臂上，诸如在壳体114内，从而允许使用比在前一个实施例中描述的更短的液压管线。例如，较短的柔性液压管线可以将泵连接到线性驱动销。替代地，液压管线可以是歧管中的模制路径或机加工路径。优选的歧管被配置为使得能够相对于设置在盖布处的线性平移活塞进行马达的最佳放置，使得发动机的整体尺寸和质量最小化。
可经由压力传感器来监测所包含的流体体积内的压力，并且该信息被反馈到用户界面以通知外科医生施加到组织的力。液压管线的长度、直径和形状优选地是相等的，使得通过一个管线的流体流等同于在所有其他管线中的流体流。
液压盖布歧管
参考图8，在一些实施例中，用于力和运动传递的一些MTS特征可以构建至位于器械和发动机之间的盖布中。这将使马达运动能够发生在远离器械致动器的位置中。盖布将包括一个歧管的液压管线122，每个液压管线具有近端124和远端126。近端和远端是可压缩和可延伸的，使得由来自通过系统的驱动器131驱动的活塞115a的输出所产生的近端124的压缩(即，该驱动器是如上所述的IPS或如在‘989申请中所讨论的更传统的马达系统)产生了远端126的延伸。远端126的延伸驱动可操作地联接到器械118的致动器的活塞115b。以这种方式，发动机可在一个位置中对盖布施加压缩，并且使流体所承载的至盖布中的另一个位置的运动驱动器械中的机构。液压管线的这些运动耦合特征124、126的可压缩性/可延伸性可以来自材料和/或可扩张机械特征，诸如波纹管的弹性特性。
图9示出了前一个实施例的修改版本，其中盖布歧管包括第三个可压缩位置，其中在将器械装载到机器人系统上的期间的动作将在盖布歧管的运动耦合特征124、126和在液压管线的末端的相应的发动机驱动销/活塞和从动器械活塞之间产生物理接合。例如，运动耦合特征可以定形为捕获相应的销并且一旦其已扩张则牢固地保持销。在所示的示例中，驱动器销和器械销各自具有置于其外表面中的凹部，如图所示，使得在器械插入期间，发动机和器械销可以与盖布歧管的可压缩/可延伸部分嵌套。当歧管在第三个位置中(诸如，通过图9中的柱134)被压缩时，流体被驱动到歧管124、126的可压缩可延伸部分，使其扩张并且因此使其与器械和发动机销接合。
这在推动/拉动应用中特别有用，即，其中在向内和向外的方向上主动驱动从动销以用于器械操作，使得一个驱动销/活塞可以推动和拉动器械(输入销)销的从动活塞以产生期望的动作。这种接合推动和拉动的方法的优点是由于液压装置与销形状的一致性而导致的接合的零背隙性质。例如，这可以消除由于部件公差引起的背隙。
在图10中示出了类似的实施例，除了在这个实施例中，液压盖布歧管能够在盖布界面处进行旋转运动之外-其中来自驱动器的旋转运动(例如，来自马达的旋转输出)被传递至在运动输入处的旋转运动以用于手术器械。在这个示例中，液压盖布歧管是盖布中的环形流体填充元件136(或“环形件”)。环形元件134具有径向开口136，其坐落在采用擦拭器115a的形式的发动机输出机构或致动器的周围。器械以这样的方式附接到驱动组件(在盖布上方)，以使第二擦拭器115b与环形件对齐，器械的擦拭器相对于发动机擦拭器致动器旋转地偏移。这种器械附接可按一种方式约束流体填充的盖布环形件的形状，以便不允许环形件的尺寸的任何扩张。因此，如果盖布环形件不能扩张，由于在两个叶片之间的受约束的流体体积，驱动器擦拭器115a围绕盖布环形件的旋转移动将导致器械附接的擦拭器115b的移动。由于在任一方向上的叶片之间的受约束的流体体积，可在顺时针或逆时针方向上传递运动。
参考图11和12，与环形件类似的实施例可以由流体填充的环形通道组成，流体填充的环形通道是由非弹性材料形成的。通道与用于液压流体的入口和出口回路流体联接。在这个实施例中，没有驱动器擦拭器致动器，而是液压泵与入口和出口的回路流体联接，但却位于物理上远程位置中(这可以是关于图6讨论的位置中的一个)。器械擦拭器115b位于径向开口136中。被泵至通道的一侧中的流体将使器械擦拭器115b移位，使其在第一方向上以旋转运动移动。被泵至通道的相对侧中的流体将在相反的方向上移动擦拭器。
在替代的实施例中，液压歧管被构造至盖布中并且流体联接到位于远离盖布处的液压泵。这种歧管可以包括运动耦合特征，诸如流体驱动的活塞，或上述类型的可压缩/可扩张的盖布特征，其与手术器械的输入销或其他输入特征接合或联接。
如上面所讨论的，液压系统可以用作器械本身内的致动器。在一个实施例中，液压管线沿器械轴延伸到末端执行器(例如，夹爪)。推动或拉动在液压管线内的水柱可以使夹爪打开或关闭。
在另一个实施例中，也可以实施液压驱动器以用于轴向旋转(或“滚动”)器械。在这个实施例中，手术器械固定到受紧密约束的齿轮或花键轴140，其非常类似于图4实施例中描述的旋转泵。参见图13。在这个实施例中，在花键轴的一侧推动流体将导致花键在施加压力的方向上旋转。例如，按图13中的箭头A1推动的流体将导致花键的顺时针旋转以及器械轴在第一方向上的相应旋转。在相对侧(A2)上推动流体将导致花键和器械轴的反向旋转。如果在器械轴处没有用于皮带或齿轮的空间来传递来自器械致动界面的旋转运动，这则可能是特别有用的。液压装置在该体积中占用更少的空间，但仍能够向辊轴施加相同的扭矩。额外地，液压装置可以是相对于线性平移输入缩放旋转的机构。例如，活塞的直径可以相对于在从动小齿轮上的翅片或齿轮齿之间捕获的流体的体积来确定尺寸，使得活塞上的10mm行程在小齿轮上产生大于360度的旋转。替代地，10mm的行程可以是180度旋转或720度。活塞直径与小齿轮的直径和捕获体积之间的关系用于确定该系统的力和位移特性。
应当理解，尽管在机器人手术器械的背景下描述了各种实施例，但是应当理解，所描述的用于实现手术器械的运动的概念也可以用于不是机器人手术系统的一部分的器械，诸如，手用器械。
本文提及的所有现有专利和申请，包括用于优先权的均通过引用并入本文。

Claims (34)

1.一种机器人辅助手术系统，其包括：
手臂；
可移除地安装到所述手臂的手术器械，所述手术器械具有：
末端执行器，所述末端执行器被配置为用于至少第一运动类型，以及
器械末端执行器输出系统(IEEOS)；
输入压力系统(IPS)；以及
机械传递系统(MTS)；
所述IPS、MTS和IEEOS被布置成使得所述MTS从所述IPS的输出接收流体或机械输入，并且将相应的流体或机械输入输送到所述IEEOS的输入以引起所述末端执行器的移动；
其中所述IPS和IEEOS中的至少一个可使用流体系统操作；以及
用户输入装置，其中所述IPS和IEEOS可响应于至所述用户输入装置的用户输入操作以引起所述末端执行器的运动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一运动类型选自滚动、铰接、弯曲、夹爪致动或线性平移所组成的组。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述IPS和所述IEEOS各自可使用流体系统操作。
4.根据权利要求1所述的系统，其还包括用于检测在所述IPS的所述输出侧上的压力、用于基于所述检测到的压力确定在所述末端执行器上的力、并且用于将在外科医生输入处的相应的触觉反馈输送至所述用户的构件。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述IPS包括IPS泵。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述IPS泵是动态泵。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述IPS泵是正压泵。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述MTS将流体压力和运动从所述IPS输送到所述IEEOS。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述末端执行器被配置为用于至少第一和第二运动类型，并且所述IEEOS包括对应于所述第一和第二运动类型的第一和第二IEEOS输入；
所述IPS包括第一和第二IPS输出；
所述MTS包括：
分别用于从所述第一和第二IPS输出接收流体或机械输入的第一和第二MTS输入，以及
分别用于将流体或机械输入传递至所述IEEOS第一和第二输入的第一和第二MTS输出。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一和第二运动类型选自滚动、铰接、弯曲、夹爪致动或线性平移所组成的组。
11.根据权利要求9所述的系统，其中所述IPS包括第一和第二IPS泵。
12.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一和第二IEEOS输入从所述第一和第二MTS输出接收液压输入，并且将所述液压输入转换成所述末端执行器的机械运动。
13.一种操作手术机器人系统的方法，其包括：
将手术器械定位在手臂上，所述手术器械包括末端执行器；
操作用户输入装置以产生对应于所述末端执行器的移动的外科医生输入指令；
响应于所述外科医生输入指令，使用流体系统驱动所述末端执行器的运动。
14.根据权利要求14所述的方法，其中使用所述流体系统驱动所述末端执行器的运动包括使用所述流体系统驱动所述末端执行器的夹爪致动、滚动、铰接、弯曲或线性平移中的至少一种。
15.根据权利要求14所述的方法，其还包括检测在所述流体系统中的压力，基于所述检测到的压力确定在所述末端执行器上的力，并且将在外科医生输入处的相应的触觉反馈输送至所述用户。
16.根据权利要求14所述的方法，其还包括响应于外科医生输入指令以一个或多个自由度来驱动所述手臂的运动。
17.根据权利要求17所述的方法，其中机电地驱动所述手臂的运动，并且使用所述流体系统驱动所述末端执行器的运动。
18.根据权利要求17所述的方法，其中使用流体系统驱动所述手臂的运动。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，
所述手术器械包括器械末端执行器输出系统(IEEOS)；
所述手术系统包括输入压力系统(IPS)和机械传递系统(MTS)；
并且驱动所述末端执行器的运动的所述步骤包括使所述MTS从所述IPS的输出接收流体或机械输入，并且将相应的流体或机械输入输送到所述IEEOS的输入以引起所述末端执行器的移动。
20.根据权利要求1或20所述的方法，其中所述IPS包括流体贮存器，其不是远侧地定位在所述手臂上。
21.根据权利要求21所述的方法，其中所述流体贮存器设置在所述手臂的基部中。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述流体贮存器是与所述手臂分开定位的。
23.一种手术系统，其包括：
手臂；
在所述手臂上的驱动模块，所述驱动模块包括多个液压驱动的第一活塞；
手术器械，所述手术器械包括多个第二活塞，每个第二活塞与所述第一活塞中相应的一个线性对齐，使得第一活塞的液压驱动平移导致所述相应的第二活塞的平移，以实现所述手术器械中的一部分的运动。
24.根据权利要求24所述的系统，其中所述运动选自滚动、铰接、弯曲、夹爪致动或线性平移所组成的组。
25.根据权利要求24所述的系统，其还包括设置在所述第一活塞和所述第二活塞之间的盖布。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述驱动活塞和所述从动活塞都不延伸通过所述盖布。
27.一种手术系统，其包括：
手臂；
在所述手臂上的驱动模块，所述驱动模块包括多个液压驱动的旋转元件；
手术器械，所述手术器械包括多个旋转元件，每个第二旋转元件与所述第一旋转元件中相应的一个可操作地相关联，使得第一旋转元件的液压驱动旋转导致所述相应的第二旋转元件的平移，以实现所述手术器械中的一部分的运动。
28.根据权利要求28所述的系统，其中所述运动选自滚动、铰接、弯曲、夹爪致动或线性平移所组成的组。
29.一种用于覆盖手术系统的非无菌组件的手术屏障，其包括：
手术盖布，所述手术盖布包括覆盖手术系统的非无菌组件的可定位的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；所述手术盖布包括至少一个流体路径，所述流体路径可流体连接至液压驱动系统和手术器械，使得致动所述液压驱动系统引起所述手术器械的移动。
30.一种用于覆盖手术系统的非无菌组件的手术屏障，其包括：
手术盖布，所述手术盖布包括覆盖手术系统的非无菌组件的可定位的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；所述手术盖布包括至少一个流体路径，设置在所述路径内的流体，以及在所述流体路径的相对端处的运动耦合特征，所述运动耦合特征被布置成使得所述第一运动耦合特征的压缩朝向所述第二运动耦合特征驱动流体，从而引起所述第二耦合特征的扩张，所述手术盖布可定位使得所述第一运动耦合特征可由来自驱动致动器的输出压缩，以及使得所述第二运动耦合特征的扩张驱动手术器械的机械输入。
31.根据权利要求30所述的屏障，其中所述第一运动耦合特征可接合至驱动致动器的机械输出，并且所述第二运动耦合特征可接合至手术器械的机械输入的机械输出。
32.一种用于覆盖手术系统的非无菌组件的手术屏障，其包括：
手术盖布，所述手术盖布包括覆盖手术系统的非无菌组件的可定位的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
手术器械，所述手术器械具有与所述手术盖布接触的可定位的至少一个机械器械致动器；
所述手术盖布包括至少一个流体路径和设置在所述路径内的流体，所述流体路径成形为使得在第一流体方向上驱动流体通过所述路径使所述手术盖布变形以在第一致动器方向上驱动与所述盖布接触的所述机械器械致动器，以及使得在第二流体方向上驱动流体通过所述路径使所述手术盖布变形以在第二致动器方向上驱动所述机械器械致动器。
33.一种用于覆盖手术系统的非无菌组件的手术屏障，其包括：
手术盖布，所述手术盖布包括覆盖手术系统的非无菌组件的可定位的第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
手术器械，所述手术器械具有与所述手术盖布接触的可定位的至少一个机械器械致动器；
所述手术盖布包括至少一个流体路径和设置在所述路径内的流体，所述流体路径成形为使得在第一流体方向上驱动流体通过所述路径使所述手术盖布变形以驱动与所述机械器械致动器接触的输出构件以在第一致动器方向上推进所述致动器，以及使得在第二流体方向上驱动流体通过所述路径使所述手术盖布变形以驱动所述输出构件在第二致动器方向上推进所述机械器械致动器。
34.一种液压驱动的手术器械，其包括：
壳体，所述壳体具有流体路径，流体在所述流体路径内，
在所述流体路径的一端中的第一活塞以及在所述流体路径的第二端中的第二活塞，
定位在所述流体路径中的可旋转元件，所述可旋转花键元件联接到手术器械的致动器，使得推进所述第一活塞在第一方向上驱动所述可旋转元件，从而引起所述致动器在第一方向上的运动，并且推进所述第二活塞在第二方向上驱动所述可旋转元件，从而引起所述致动器在第二方向上的运动，其中选择所述活塞的直径以及在所述花键元件的翅片之间捕获的流体体积以实现输入活塞行程与所述花键元件的旋转输出的期望比率。
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