CN110719761B - 用于机器人手术器械的器械接口 - Google Patents

Abstract

一种机器人手术器械，包括：轴；端部执行器元件；关节，其位于轴的远侧端，以用于铰接端部执行器元件的关节，该关节包括第一接头和第二接头，第一接头和第二接头允许端部执行器元件采用相对于轴的纵向轴线的一定范围的配置，第一接头能够由具有第一位置精度要求的第一驱动元件对驱动，并且第二接头能够由具有第二位置精度要求的第二驱动元件对驱动，第二位置精度要求低于第一驱动元件对的位置精度要求；和器械接口，其位于轴的近侧端，器械接口包括底座，该底座通过将第一底座部分附接到第二底座部分而形成，第一底座部分包括轴所安装到的安装表面；其中，第一驱动元件对相对于第一底座部分紧固。

Description

用于机器人手术器械的器械接口

技术领域

本发明涉及一种具有器械接口的机器人手术器械，该器械接口包括附接在一起的第一底座部分和第二底座部分。

背景技术

使用机器人来辅助和进行手术是已知的。图1示出了典型的手术机器人100，其包括基座108、臂102和器械105。基座支撑机器人，并且其自身刚性地附接到例如手术室地板、手术室天花板或推车。臂在基座与器械之间延伸。臂通过多个柔性接头103沿其长度铰接，柔性接头103用于将手术器械相对于患者定位在期望的位置。手术器械附接到机器人臂的远侧端104。手术器械在端口107处刺穿患者101的身体以进入手术部位。在其远侧端，该器械包括用于在医疗过程中接合的端部执行器106。

图2示出了用于进行机器人腹腔镜手术的典型手术器械200。手术器械包括基座201，手术器械通过基座201连接到机器人臂。轴202在基座201与关节203之间延伸。关节203终止于端部执行器204。在图2中，示出了一对锯齿状钳部作为端部执行器204。关节203允许端部执行器204相对于轴202移动。期望通过关节来为端部执行器204的运动提供至少两个自由度。

图3示出了已知手术器械300的示例，其中允许端部执行器204通过俯仰接头301和两个横摆接头302相对于轴202移动。接头301使得端部执行器204能够围绕俯仰轴线303转动。接头302使得端部执行器204的每个钳部能够围绕横摆轴线304转动。这些接头由线缆306、307和308驱动。滑轮305用于引导线缆307和308从其通道越过俯仰接头到达横摆接头。滑轮305偏离于关节203的中心轴线。

在典型的腹腔镜手术中，手术医生利用许多器械，并且因此多次将一个器械更换为另一个器械。因此期望最小化所花费的时间并且最大化将一个器械从机器人臂上拆下和附接不同器械的简易性。另外期望的是，一旦器械已经附接到机器人臂，最小化设置器械以准备好使用所花费的时间。

如此，手术器械300可以在其近侧端通过器械接口附接到机器人臂的远侧端。器械接口可以连接或接合机器人臂的接口。驱动器械的接头(例如接头301和302)的机械驱动器可以经由机器人臂接口和器械接口从机器人臂传递到器械。

发明内容

根据本发明，提供了一种机器人手术器械，其包括：轴；端部执行器元件；关节，其位于轴的远侧端，以用于铰接端部执行器元件，该关节包括第一接头和第二接头，该第一接头和第二接头允许端部执行器元件采用相对于轴的纵向轴线的一定范围的配置，第一接头能够由具有第一位置精度要求的第一驱动元件对驱动，并且第二接头能够由具有第二位置精度要求的第二驱动元件对驱动，第二位置精度要求低于第一驱动元件对的位置精度要求；和器械接口，其位于轴的近侧端，该器械接口包括底座，该底座通过将第一底座部分附接到第二底座部分而形成，第一底座部分包括轴所安装到的安装表面；其中，第一驱动元件对相对于第一底座部分紧固。

第二驱动元件对可以相对于第二底座部分紧固。

该器械还可以包括：

第一接口元件，其用于驱动第一驱动元件对，该第一接口元件与第一驱动元件对固定，使得第一接口元件相对于底座的位移传递到第一驱动元件对；和

第二接口元件，其用于驱动第二驱动元件对，该第二接口元件与第二驱动元件对固定，使得第二接口元件相对于底座的位移传递到第二驱动元件对。

第一接口元件和第二接口元件可以在各自的最大位移范围内线性移位，第一接口元件的最大位移范围小于第二接口元件的最大位移范围。

第一接口元件可以可滑动地安装到第一底座部分。

第二接口元件可以可滑动地安装到第二底座部分。

器械接口还可以包括第一滑轮组，第一驱动元件对被约束为围绕第一滑轮组移动，第一滑轮组可转动地紧固到第一底座部分。

第一滑轮组可以处于包含轴的纵向轴线的器械接口的中心平面上。

器械接口还可以包括第二滑轮组，第二驱动元件对被约束为围绕第二滑轮组移动，第二滑轮组可转动地紧固到第二底座部分。

安装面可以与形成第一底座部分的一部分的远侧安装架部分一体形成，远侧安装架部分与形成第二底座部分的一部分的近侧架部分配合。

安装表面可以横向于轴的纵向方向。

第一驱动元件对可以处于器械接口的中心平面上。

第二驱动元件对可以处于器械接口的中心平面的一侧上。

第一驱动元件对和第二驱动元件对可以穿过轴在器械接口与关节之间延伸。

第一接头可以允许端部执行器元件围绕横向于轴的纵向轴线的第一轴线转动。

当器械处于端部执行器元件与轴对准的直线配置时，第二接头可允许端部执行器元件围绕横向于第一轴线的第二轴线转动。

该手术器械还可以包括第二端部执行器元件，并且该关节可以包括第三接头，该第三接头能够由第三驱动元件对驱动，第三驱动元件对相对于第一底座部分紧固。

第三接头可以允许第二端部执行器元件围绕第二轴线转动。

该器械还可以包括用于驱动第三驱动元件对的第三接口元件，该第三接口元件与第三驱动元件对固定，使得第三接口元件相对于底座的位移传递到第三驱动元件对。

第三接口元件可以可滑动地安装到第一底座部分。

该器械接口还可以包括第三滑轮组，第三驱动元件对被约束为围绕第三滑轮组移动，第三滑轮对可转动地紧固到第一底座部分。

第三驱动元件对可以具有与第二驱动元件对相同的位置精度要求。

驱动元件对可以是线缆。

附图说明

现在将参考附图以示例的方式描述本发明。在附图中：

图1示出了进行手术过程的手术机器人；

图2示出了已知的手术器械；

图3示出了手术器械的铰接端部执行器的已知布置；

图4示出了手术机器人；

图5a和图5b示出了手术器械的远侧端；

图6a和图6b示出了手术器械的远侧端的另一视图；图7示出了处于各种配置的图5a和图5b以及图6a和图6b的手术器械的远侧端的滑轮装置；

图8示出了处于各种非直配置的手术器械的远侧端；

图9示出了驱动元件在器械轴中的布置；

图10a和图10b示出了器械轴的两个剖视图，其示出了驱动元件在轴内的位置；

图11a和图11b示出了包括器械接口的手术器械的两个视图；

图12a示出了器械接口的俯视图；和

图12b示出了器械接口的仰视图。

具体实施方式

本公开涉及一种在其近侧端处具有器械接口的手术机器人器械，该器械接口包括通过附接两个底座部件而形成的底座。该底座可以由两个底座部件形成以辅助器械接口的组装。该底座包括接合部，两个底座部件沿着该接合部配合或连接。该器械还包括附接到底座的安装面的轴。该轴在其远侧端处包括端部执行器元件和用于相对于轴铰接端部执行器元件的关节。驱动元件(例如，线缆)从器械接口延伸穿过轴至关节以驱动关节的接头，从而铰接端部执行器元件。关节的每个接头由相应的驱动元件对驱动。能够控制接头的运动的精度取决于驱动元件的位置精度(即，能够多精确地控制驱动元件的位置)。

例如由于驱动元件在器械接口内移位的方式，和/或由于驱动元件驱动的接头的性质，一个驱动元件对可能具有比另一个驱动元件对更高的位置精度要求。器械接口布置为使得底座部分中的一个包括轴所安装到的整个安装表面，并且具有最高位置精度要求的驱动元件对相对于该底座部分紧固。具有较低位置精度要求的驱动元件对可以相对于另一个底座部分紧固。换句话说，具有最高位置精度要求的驱动元件对沿着还包括用于器械轴的安装表面的底座部分布线。安装表面(并且因此轴)相对于驱动元件对的位置影响这些驱动元件的位置精度。将驱动元件紧固到包括安装表面的同一底座部分有利地使得驱动元件的位置精度最大化。

图4示出了具有从基座401延伸的臂400的手术机器人。该臂包括多个刚性肢状件402。肢状件通过旋转接头403耦接。最近侧肢状件402a通过接头403a耦接到基座。它和其他肢状件通过接头403中的其他接头串联耦接。腕部404由四个单独的旋转接头构成。腕部404将一个肢状件(402b)耦接到臂的最远侧肢状件(402c)。最远侧肢状件402c承载用于手术器械406的附接件405。臂的每个接头403具有一个或多个马达407和一个或多个位置和/或扭矩传感器408，一个或多个马达407可以运行来引起相应接头处的转动运动，一个或多个位置和/或扭矩传感器408提供关于该接头处的当前配置和/或负载的信息。马达可以布置在运动由马达驱动的接头的近侧，以便改善重量分布。为了清楚起见，在图4中仅示出了一些马达和传感器。臂大致可以如我们的共同未决专利申请PCT/GB2014/053523中所述。

臂终止于用于与器械406对接的附接件405中。器械406可以采取关于图2所述的形式。附接件405包括用于驱动器械的关节的驱动组件和用于接合器械406的器械接口的驱动组件接口。驱动组件接口的可移动接口元件机械地接合器械接口的对应可移动接口元件，以便将驱动从机器人臂传递到器械。在典型的运行期间，一个器械可以与另一个器械交换若干次。因此，器械在运行期间可以附接到机器人臂并且可以从机器人臂上拆下。当驱动组件接口和器械接口彼此接合时，驱动组件接口和器械接口的特征可以帮助它们对准，以便降低它们需要由用户对准的精度。

器械406包括用于进行操作的端部执行器。端部执行器可以采用任何合适的形式。端部执行器可以包括一个或多个端部执行器元件。例如，端部执行器元件可以是平滑的钳部、锯齿状的钳部、夹持器、一对剪刀、用于缝合的针、相机、激光器、刀、缝合器、烧灼器、抽吸器。如关于图2所述，器械包括器械轴与端部执行器之间的关节。关节可以包括允许端部执行器相对于器械的轴移动的一个或多个接头。关节中的一个或多个接头由驱动元件(比如线缆)致动。这些驱动元件在器械轴的另一端处紧固到器械接口的接口元件。因此，驱动元件通过器械轴从器械接口延伸到关节的接头。因此，机器人臂如下地将驱动传递到端部执行器：驱动组件接口元件的移动使器械接口元件移动，该器械接口元件使驱动元件移动，驱动元件使关节的接头移动，关节的接头使端部执行器移动。

用于马达、扭矩传感器和编码器的控制器与机器人臂一起分布。控制器经由通信总线连接到控制单元409。控制单元409包括处理器410和存储器411。存储器411以非瞬态方式存储软件，该软件可以由处理器执行来控制马达407的运行，从而使臂400以本文描述的方式运行。具体地，软件可以控制处理器410以使马达(例如经由分布式控制器)根据来自传感器408和来自手术医生命令接口412的输入来驱动。控制单元409耦接到马达407，以用于根据由软件的执行所生成的输出来驱动马达407。控制单元409耦接到传感器408，以用于从传感器接收感应输入，并且耦接到命令接口412，以用于从其接收输入。各个耦接件可以例如分别是电缆或光缆，或者可以通过无线连接来提供。命令接口412包括一个或多个输入设备，用户可以借此以期望的方式请求端部执行器的运动。输入设备可以例如是可以手动运行的机械输入设备(比如控制手柄或操纵杆)或者非接触式输入设备(比如光学姿态传感器)。存储在存储器411中的软件配置为响应于这些输入并且按照预定的控制策略使臂和器械的接头相应地移动。控制策略可以包括响应于命令输入而缓和臂和器械的运动的安全特征。因此，总之，命令接口412处的手术医生可以控制器械406以进行期望的手术过程的方式移动。控制单元409和/或命令接口412可以远离臂400。

图5a和图5b示出了示例性手术器械的远侧端的相对的视图。在图5a和图5b中，端部执行器501包括一对端部执行器元件502、503，其在本示例中绘制为一对相对的锯齿状钳部。将会理解，这仅是为了说明性的目的。端部执行器可以采取任何适当的形式，比如以上所描述的那些。端部执行器501通过关节505连接到器械轴504。关节505包括允许端部执行器501相对于轴504移动的接头。在本示例中，关节505包括三个接头。第一接头506允许端部执行器501围绕第一轴线510转动。第一轴线510横向于轴511的纵向轴线。第一接头506布置为使得轴504在其远侧端处终止于接头506中。第二接头507允许第一端部执行器元件502围绕第二轴线512转动。第二轴线512横向于第一轴线510。第三接头513允许第二端部执行器元件503围绕第二轴线512转动。

第一端部执行器元件502和第二端部执行器元件503可以通过第二接头和第三接头围绕第二轴线512单独地转动。端部执行器元件可以通过第二接头和第三接头在相同方向或不同方向上转动。第一端部执行器元件502可以围绕第二轴线转动，而第二端部执行器元件503不围绕第二轴线转动。第二端部执行器元件503可以围绕第二轴线转动，而第一端部执行器元件502不围绕第二轴线转动。

图5a和图5b示出了端部执行器与轴504对准的手术器械的直线配置。在该定向中，轴511的纵向轴线与关节的纵向轴线以及端部执行器的纵向轴线重合。第一接头、第二接头和第三接头的关节使得端部执行器相对于轴可以采取一定范围的姿势(即配置)。

关节505包括支撑体509。在一端处，支撑体509通过第一接头506连接到轴504。在其另一端处，支撑体509通过第二接头507和第三接头513连接到端部执行器501。因此，第一接头506允许支撑体509围绕第一轴线510相对于轴504转动；并且第二接头507和第三接头513允许端部执行器元件502、503围绕第二轴线512相对于支撑体509转动。

在图中，第二接头507和第三接头513都允许围绕同一轴线512转动。然而，第二接头和第三接头可以替代地允许端部执行器元件围绕不同的轴线转动。端部执行器元件中的一个的转动轴线可以沿轴504的纵向方向偏离于另一个端部执行器元件的转动轴线。端部执行器元件中的一个的转动轴线可以沿横向于轴504的纵向方向的方向偏离于另一个端部执行器元件的转动轴线。一个端部执行器元件的转动轴线可以不平行于另一个端部执行器元件的转动轴线。端部执行器元件502、503的转动轴线可以沿轴的纵向方向和/或沿垂直于轴的纵向方向的方向相对于彼此偏离和/或相对于彼此成角度。由于端部执行器元件是不对称的，因此这可能是期望的。例如，在电气手术元件中，第一端部执行器元件可以被供电，而第二端部执行器元件不被供电并且与第一端部执行器元件绝缘。为了辅助这一点，两个端部执行器元件的转动轴线可以沿垂直于轴的纵向方向的方向偏离。在另一示例中，第一端部执行器元件可以是刀片，而第二端部执行器元件可以是平坦切割表面。为了辅助刀片的使用，两个端部执行器元件的转动轴线可以彼此成角度。

关节505的接头由驱动元件驱动。驱动元件是细长元件，该细长元件从关节中的接头延伸穿过轴504至器械接口。每个驱动元件可以是能够至少在其与关节和器械接口的内部组件接合的那些区域中侧向于其主维度弯曲。换句话说，每个驱动元件可以在特定区域中横向于其纵向轴线弯曲。这种柔性使得驱动元件能够缠绕在器械的内部结构(比如接头和滑轮)周围。驱动元件可以是横向于其纵向轴线完全柔性的。驱动元件可以是沿着其主维度非柔性的。驱动元件可以抵抗沿着其长度施加的压缩力和张力。换句话说，驱动元件可以抵抗在其纵向轴线方向上作用的压缩力和张力。驱动元件可以具有高模量。驱动元件可以在运行时保持拉紧；它们不可以允许变得松弛。因此，驱动元件能够将驱动从器械接口传递到接头。驱动元件例如可以是线缆。

每个接头可以由相应的驱动元件对驱动。参照图5a和图5b，第一接头506由第一驱动元件对A1、A2驱动。第二接头507由第二驱动元件对B1、B2驱动。第三接头由第三驱动元件对C1、C2驱动。因此，器械501的每个接头由其自身的驱动元件对驱动。换句话说，每个接头由专用的驱动元件对驱动。接头可以被单独地驱动。驱动元件对可以构造为单件，如针对图5a和图5b中的第三驱动元件对所示。在这种情况下，单件在一个点处紧固到接头。例如，第三驱动元件对C1、C2包括紧固到第三接头513的球形特征520。这确保了当驱动该驱动元件对时，将驱动转换为接头围绕其轴线的运动。替代地，驱动元件对可以构造为两件。在这种情况下，将每个分开的件紧固到接头。

图5a和图5b的手术器械还包括滑轮装置，第二驱动元件对和第三驱动元件对被约束为围绕该滑轮装置移动。该滑轮装置在图6a和图6b中更好地示出。在图6a和图6b中未示出支撑体509，以便更清楚地示出滑轮装置。该滑轮装置包括第一滑轮组601。第一滑轮组601能够围绕第一轴线510转动。因此，第一滑轮组601围绕与第一接头506相同的轴线转动。该滑轮装置还包括第二滑轮组602。该滑轮装置还包括变向滑轮对603，其在滑轮装置的描述之后更详细地描述。

该滑轮装置也在图7中示出。

第一滑轮组601包括第一滑轮705和第二滑轮706。第一滑轮705和第二滑轮706都围绕第一轴线510转动。第一滑轮组的第一滑轮705和第二滑轮706在轴504的纵向方向上位于第一接头506的相对侧上。第一滑轮705和第二滑轮706位于第一轴线510的相对端上。第一滑轮705和第二滑轮706位于第一驱动元件对A1、A2的相对侧上。第一滑轮组601由U形夹单元508的臂530和531支撑。第一滑轮组的第一滑轮705和第二滑轮706都可转动地安装到U形夹单元。滑轮705安装到臂531，而滑轮706安装到臂530。

第二滑轮组包括第一滑轮701和第二滑轮702。第一滑轮701能够围绕平行于第一轴线510的第三轴线703转动。第三轴线703既沿轴的纵向方向又横向于轴的纵向方向偏离于第一轴线510。第二滑轮702能够围绕平行于第一轴线510的第四轴线704转动。第四轴线704既沿轴的纵向方向又横向于轴的纵向方向偏离于第一轴线510。第三轴线和第四轴线平行但彼此偏离。第三轴线和第四轴线沿接头507和513的转动轴线512的方向彼此偏离。第三轴线703和第四轴线704处于垂直于轴511的纵向方向的同一平面中。

通过偏离第一滑轮701和第二滑轮702，缠绕在每个滑轮周围的驱动元件能够在缠绕在滑轮周围之后沿轴向下延伸。如图6a所示，第二滑轮组602的第一滑轮701和第二滑轮702在轴504的纵向方向上位于第一接头506的相对侧上。第一滑轮701和第二滑轮702位于第一驱动元件对A1、A2的相对侧上。

第二滑轮组位于第一滑轮组与轴的器械接口端之间。适当地，如图中所示，第二滑轮组位于轴内。因此，第二滑轮组602沿着轴511的纵向轴线的方向处于第一滑轮组601的近侧(即，第一滑轮组601处于第二滑轮组602的远侧)。因为两个滑轮组都由U形夹单元508支撑，将会理解，第二滑轮组602与器械和端部执行器的配置无关地处于第一滑轮组的近侧。通过将第二滑轮组定位在轴508的远侧端处，与第二滑轮组位于关节中的替代布置相比，减小了第一接头与第二接头之间的距离，从而减小了维持端部执行器501的精确定位所需的支撑体509的刚度。

上面提到，滑轮装置运行以约束驱动元件的运动。更详细地，第二驱动元件对B1、B2被约束为围绕第一滑轮组601的第一滑轮705和第二滑轮706的相对侧移动。第二驱动元件对B1、B2被约束为围绕第二滑轮组601的第一滑轮701和第二滑轮702的相对侧移动。第二驱动元件对被约束为围绕第一滑轮组601的第一滑轮705和第二滑轮组602的第一滑轮701的相对侧移动。第二驱动元件对被约束为围绕第一滑轮组601的第二滑轮706和第二滑轮组602的第二滑轮702的相对侧移动。

第三驱动元件对C1、C2被约束为围绕第一滑轮组601的第一滑轮705和第二滑轮706的相对侧移动。第三驱动元件对C1、C2被约束为围绕第二滑轮组601的第一滑轮701和第二滑轮702的相对侧移动。第三驱动元件对被约束为围绕第一滑轮组601的第一滑轮705和第二滑轮组602的第一滑轮701的相对侧移动。第三驱动元件对被约束为围绕第一滑轮组601的第二滑轮706和第二滑轮组602的第二滑轮702的相对侧移动。

第二驱动元件对和第三驱动元件对各自被约束为延伸越过第一接头506以便分别到达第二接头和第三接头。因此，第二驱动元件对中的第一驱动元件B1在第一接头轴线510上经过第一滑轮组的第一滑轮705的一侧，并且第二驱动元件对中的第二驱动元件B2在第一接头轴线510上经过第一滑轮组的第二滑轮706的相对侧，使得无论支撑体509围绕第一接头506如何转动，第二驱动元件对B1、B2的长度都维持相同。类似地，第三驱动元件对中的第一驱动元件C1在第一接头轴线510上经过第一滑轮组的第二滑轮706的一侧，并且第三驱动元件对中的第二驱动元件C2在第一接头轴线510上经过第一滑轮组的第一滑轮705的相对侧，使得无论支撑体509围绕第一接头506如何转动，第三驱动元件对C1、C2的长度都维持相同。如果器械接口的布置对于第二驱动元件对B1、B2和第三驱动元件对C1、C2都是对称的，则对于支撑体509围绕第一接头506的所有转动角度，第二驱动元件对的长度与第三驱动元件对的长度都相同。在手术器械的每种配置中，第二驱动元件对和第三驱动元件对保持拉紧。它们从不松弛。因此，当铰接手术器械的任何接头时都不存在反冲。因此，在手术器械的每种配置中都实现了对手术器械的所有三个移动自由度的完全控制。

图7示出了五种不同配置的手术器械的远侧端。配置(c)是先前提及的直线配置，其中端部执行器与器械轴对准。在配置(a)、(b)、(d)和(e)中，已经相对于配置(c)发生了围绕第一接头的转动。在配置(a)、(b)、(d)和(e)中，相对于配置(c)并未发生围绕第二接头或第三接头的转动。从配置(c)开始，拉动驱动元件A2(未示出)以便引起围绕第一轴线510的转动，从而导致配置(b)的布置。进一步拉动驱动元件A2以引起围绕第一轴线510的进一步转动，从而导致配置(a)的布置。从配置(c)开始，拉动驱动元件A1(未示出)以便引起在与配置(a)和(b)中的方向相对的方向上围绕第一轴线510转动，从而导致配置(d)的布置。进一步拉动驱动元件A1以引起围绕第一轴线510的进一步转动，从而导致配置(e)的布置。

端部执行器501围绕第一轴线510的转动由第一驱动元件对A1、A2围绕第一接头506的最大行程界定。配置(a)示出了端部执行器501在一个方向上围绕第一轴线510的最大转动，而配置(e)示出了端部执行器501在相对方向上围绕第一轴线510的最大转动。在两种配置中，相对于轴511的纵向轴线的最大转动角是角

图8示出了器械远侧端的一些另外的配置，其中围绕所有第一接头、第二接头和第三接头的关节已经相对于图5a、图5b、图6a和图6b的直线配置进行驱动。

如上所述，第一、第二和第三驱动元件对A1、A2、B1、B2、C1、C2从连接到关节的轴504的远侧端穿过器械轴延伸到驱动机构的轴的近侧端，驱动机构的轴的近侧端连接到器械接口。图9示出了延伸穿过器械轴504的三个驱动元件对。

图10a和图10b示出了轴的横截面，其描绘驱动元件的位置。

图10的配置(a)示出了轴的远侧端处的轴的横截面。换句话说，配置(a)示出了驱动元件在其刚离开第二滑轮组602时的位置。驱动元件A1和A2在离开第一接头506之后位于轴的相对侧。驱动元件C1和B2在轴的与驱动元件B1和C2相对的一侧上彼此相邻，驱动元件B1和C2也彼此相邻。驱动元件C1和B2围绕轴线1001偏离于驱动元件B1和C2，轴线1001横向于连接驱动元件A1和A2的轴线1002。这是第二滑轮组的两个滑轮的偏离轴线的结果。

图10的配置(b)示出了轴的近侧端处的轴的横截面。换句话说，配置(b)示出了驱动元件在其即将离开轴以进入器械接口时的位置。第一驱动元件对A1和A2以与其在配置(a)中的布置类似的布置位于轴的相对侧上。第一驱动元件对可以更靠近在一起，这是由于第一驱动元件对在其穿过轴的延伸过程中已经朝向彼此稍微移动。在配置(b)中，驱动元件B1位于轴的与其在配置(a)中的位置相对的一侧上。在配置(b)中，驱动元件C1位于轴的与其在配置(a)中的位置相对的一侧上。为了实现这一点，驱动元件B1和驱动元件C1没有沿平行于轴511的纵向轴线的轴向下延伸。相反，驱动元件B1和驱动元件C1在其在轴中伸展期间彼此重叠。由于第二滑轮组602的滑轮具有偏离轴线而导致的驱动元件B1和C1在配置(a)中的偏离位置，在驱动元件B1和C1不碰撞的情况下发生这种重叠。驱动元件B2已经在轴中移动了一点，但是与配置(a)中保持在轴的同一侧上，以便出现在轴的与驱动元件B1相邻的近侧端处。驱动元件C2已经在轴中移动了一点，但是与配置(a)中保持在轴的相一侧上，以便出现在轴的与驱动元件C1相邻的近侧端处。

从图10a和图10b可以看出，第一驱动元件对A1、A2平行于轴的纵向方向延伸。此外，第一驱动元件对处于器械轴的中心平面上。中心平面沿着器械轴的长度将器械轴分叉。

图11a和图11b示出了从器械轴的远侧端处的关节延伸到示例性器械接口1101的第一、第二和第三驱动元件对的两个视图。来自机器人臂的机械驱动被传递到手术器械，以经由器械接口1101和位于机器人臂的远侧端处的驱动组件接口来铰接器械关节的接头。为了驱动器械关节的接头，移动驱动组件接口的接口元件，其移动器械接口1101的机械接合的接口元件。器械接口元件的移动使驱动关节的接头的驱动元件移动。

在图12a和图12b中示出了器械接口1101的更详细的视图。图12a示出了器械接口的俯视图，图12b示出了器械接口的仰视图。

器械接口1101包括底座1200，底座1200支撑用于驱动器械关节的接头的驱动机构(总体以1201表示)。该驱动机构包括驱动元件和将由机器人臂提供的驱动传递到接头的滑轮的装置，这将在下面更详细地描述。

器械接口包括三个接口元件1202、1203和1204。器械接口元件形成器械接口驱动机构1201的一部分。第一器械接口元件1202接合第一驱动元件对A1、A2。第二器械接口元件1203接合第二驱动元件对B1、B2。第三器械接口元件1204接合第三驱动元件对C1、C2。每个驱动元件紧固到其相关联的器械接口元件。换句话说，每个驱动元件与其相关联的器械接口元件固定。每个器械接口元件能够相对于底座移位，以引起其接合的驱动元件对的对应位移。

因此，在图12a和图12b所示的示例中，每个驱动元件对接合器械接口1101中的单个器械接口元件。每个驱动元件接合器械接口中的器械接口元件。换句话说，每个驱动元件接合其自身的器械接口元件。单个器械接口元件驱动驱动元件对。每个驱动元件对由单个器械接口单独驱动。在替代布置中，可以存在复合驱动运动，其中多于一个器械接口元件驱动单个驱动元件对，单个器械接口元件驱动多于一个驱动元件对，或者多个器械接口元件共同驱动多个驱动元件。

器械接口元件1202、1203和1204分散在器械接口的宽度上。在该示例中，器械接口元件1202与轴504的纵向轴线511对准。其他器械接口元件1203和1204位于对准的器械接口元件1202的任一侧上。具体地，每个器械接口元件被约束为沿着平行于轴的纵向轴线的相应线性路径行进，并且器械接口元件1203和1204位于包含轴的纵向轴线和器械接口元件1202的行进路径的平面的任一侧上。因此，器械接口元件1203和1204不与轴504的纵向轴线511对准。

图12b示出了器械接口1101的仰视图。可以看出，器械接口的下侧是突出部的形式。接口元件可以在由底座1200的下侧限定的平面下方突出。每个器械接口元件1202、1203、1204能够接收在驱动组件接口元件的对应插座中。元件和插座的形状可以对应，使得当驱动组件接口元件移位时，这种位移传递到器械接口元件而没有任何滑移。因此，主体可以贴合地装配到插座中。主体可以至少沿着平行于位移方向的尺寸贴合地装配到插座中。以这种方式，插座的位移引起主体在位移方向上的对应位移。器械接口元件可以在与其对应的驱动组件接口元件相同的位移范围内移位。

驱动机构1201还包括滑轮组，每个驱动元件对A1、A2；B1、B2和C1、C2围绕该滑轮组被约束为在器械接口1101内移动。具体地，驱动机构包括第一滑轮组1205、第二滑轮组1206以及第三滑轮组1207，第一驱动元件对A1、A2被约束为围绕第一滑轮组1205移动；第二驱动元件对B1、B2被约束为围绕第二滑轮组1206移动；并且第三驱动元件对C1、C2被约束为围绕第三滑轮组1207移动。这些滑轮组中的每个滑轮由底座1200支撑。滑轮可以例如可转动地安装到底座。

第一滑轮组1205处于器械接口的中心平面上。该中心平面将器械接口沿着其纵向方向平分。因此，第一滑轮组处于平行于轴504的纵向方向的平面上。在图12a所示的特定布置中，第一滑轮组1205处于也包含轴的纵向轴线511的平面上，即第一滑轮组1205和轴的纵向轴线511共面。因此，第一驱动元件组A1、A2处于与滑轮组1205相同的平面上，并且因此也与轴的纵向轴线共面。

第二和第三滑轮组1206和1207处于包含第一滑轮组1205的中心平面的相对侧上。因此，第二滑轮组1206和第三滑轮组1207都不与轴的纵向轴线511共面。

驱动元件对A1、A2；B1、B2和C1、C2在器械接口1101的远侧端处延伸出器械接口1101并进入轴504的近侧端，驱动元件对A1、A2、B1、B2和C1、C2穿过轴504延伸到器械关节的接头。器械接口的底座包括器械轴504所安装到的安装表面1214。安装表面在图12a和图12b中不直接可见，因为其被用于紧固器械轴504的全等凸缘覆盖。在该示例中，安装表面是环形，驱动元件对延伸穿过环形的中心。安装表面横向于轴的纵向方向。安装表面是平面的。安装表面包围(例如环绕)轴的纵向轴线。安装表面形成位于底座的远侧端处的安装架1215的部分。该示例中的安装架具有圆柱形的外部轮廓。安装架可以包括孔，驱动元件对延伸穿过该孔。

因此，概括地说，器械接口1101包括驱动机构1201来将驱动从机器人臂的驱动组件传递到驱动元件对A1、A2；B1、B2和C1、C2，从而驱动器械关节的接头。在器械接口内，驱动元件对A1、A2被约束为围绕滑轮组1205移动并且与第一器械接口元件1202接合。驱动元件对A1、A2驱动关节并因此驱动端部执行器围绕第一轴线510转动(见图5a)。驱动元件对B1、B2被约束为围绕滑轮组1206移动并且与第二器械接口1203接合。驱动元件B1、B2驱动第二接头507转动。驱动元件对C1、C2被约束为围绕滑轮组1207移动并且与第三器械接口1204接合。驱动元件C1、C2驱动第三接头513转动。因此，器械关节的每个接头由相应的驱动元件对驱动，并且每个驱动元件对又由相应的器械接口元件驱动。

每个器械接口元件可以在器械接口1101内移位以驱动其相应的驱动元件对。由于每个器械接口元件与对应的驱动元件对固定，所以器械接口元件的位移转换为驱动元件对的位移。每个器械接口元件可以沿着与其所紧固到的驱动元件对的直线相同的直线移位。每个器械接口元件与机器人臂的对应驱动组件接口元件接合。因此，器械接口元件的位移由机器人臂驱动。以这种方式，机器人臂驱动驱动元件对(并且因此驱动器械关节的接头)。

在该示例中，每个器械接口元件1202、1203和1204能够在器械接口1101内线性移位。接口元件可以沿着平行于轴511的纵向轴线的位移轴线移位。每个器械接口元件安装到轨道以支撑、约束或引导接口元件在器械接口内的运动。因此，轨道可以被称为导杆。轨道/导杆可以是线性的。如图12b中最清楚地示出的，第一器械接口元件1202安装到轨道1208；第二器械接口元件1203安装到轨道1209；以及第三器械接口元件1204安装到轨道1210。接口元件可滑动地安装到轨道以允许轨道与接口元件之间的相对线性运动。即，每个接口元件1202、1203、1204能够沿着其相应的轨道1208、1209、1210滑动。轨道由底座1200支撑并且相对于底座1200固定。导轨可以例如安装或紧固到底座。因此，接口元件可以相对于底座滑动。

每个器械接口元件可以在最小位移位置与最大位移位置之间的位移范围内移位。第一器械接口元件1202能够移位通过d₁的最大距离。第二接口元件1203能够移位通过d₂的最大距离。第三接口元件1204能够移位通过d₃的最大距离。在这里所示的示例中，器械接口布置为使得第一器械接口元件1202的位移范围小于接口元件1203和1204的位移范围。即，d₁<d₂和d₁<d₃。这里，d₂＝d₃。第二和第三接口元件的最大行进距离大于第一接口元件的最大行进距离，以抵消由接头506的运动引起的端部执行器元件502和503围绕轴线512的连带运动。更详细地，从图5a、图5b和图6a、图6b可以看出，驱动元件对B1、B2和C1、C2在俯仰接头506周围穿过。驱动元件1202的位移引起驱动元件对A1、A2驱动接头506，因此能够引起驱动元件对B1、B2和C1、C2的位移，驱动元件对B1、B2和C1、C2驱动接头507和513，从而导致端部执行器元件502和503围绕轴线512的连带运动。因此，当端部执行器元件围绕接头506的轴线510转动时(即，端部执行器元件在俯仰时)，与当端部执行器元件不围绕轴线510转动时(即，当端部执行器元件未俯仰时)相比，需要驱动元件B1、B2和C1、C2的更大的位移范围来实现端部执行器元件围绕轴线512的运动的全部工作范围。驱动元件对B1、B2、C1、C2的该附加位移范围由接口元件1203和1204在器械接口内的附加位移范围来调节，从而使得d₂、d₃>d₁。

因此，接头506的运动由器械接口元件的比接头507和513更短的行程范围控制，这意味着该运动的更高灵敏度是优选的。接头506的运动通过驱动元件A1、A2的移动来控制，并且因此接头506的运动的更大灵敏度又比其他驱动元件B1、B2和C1、C2更强调驱动元件A1、A2的位置精度。因此，驱动元件A1、A2可以说具有比驱动元件B1、B2和C1、C2更高或更大的位置精度要求。

已经领会到，驱动元件对A1、A2的位置精度可以通过器械接口1101的适当布置和组装来优化。这将在下面更详细地解释。

器械接口的底座1200包括第一底座部分1211和第二底座部分1212。这些底座部分在组装期间附接在一起以形成底座。该底座由两个底座部分形成，以辅助驱动元件和滑轮的组装。例如，一些驱动元件和滑轮可以在底座部分附接到其余底座部分以形成底座之前附接到底座部分。在组合底座部分之前附接滑轮和驱动元件中的至少一些可以使得驱动元件和滑轮能够更容易地附接，特别是处于底座的中心平面上的那些。在本示例中，其中存在三个驱动元件对和三个滑轮组要附接，一种方便的途径是在将底座部分接合在一起之前将两个驱动元件组及其相关联的滑轮组附接到底座部分中的一个。其余的驱动元件对可以在接合底座部分之前或之后附接到另一底座部分。

两个底座部分附接在一起以形成底座1200。因此，每个底座部分是底座的分离组成部分，即，两个底座部分并非一体形成在一起。如图12a和图12b所示，底座包括接合部1213，第一底座部分1211沿着接合部1213与第二底座部分1212配合或对接。因此，为了将两个底座部分附接在一起，第一底座部分沿着接合部与第二底座部分对接。然后可以使用紧固元件将两个底座部分紧固在一起。因此，每个底座部分可以包括与另一底座部分的对应对接表面接合或对接的对接表面。换句话说，第一底座部分可以包括第一对接表面(图12中未示出)，而第二底座部分可以包括第二对接表面(图12中也未示出)。第一对接表面与第二对接表面对接以形成底座1200。因此，接合部1213将第一底座部分1211与第二底座部分1212分开。在这点上，可以说接合部1213限定了分开第一底座部分和第二底座部分的边界。

如图12b所示，接合部1213在底座的大致纵向方向上延伸。可以说接合部1213沿着底座的纵向范围延伸，但是，如图12b的示例所示，接合部不必是平面的。

从图12b中可以看出，接合部1213并未延伸到器械轴所安装到的安装表面1214。也就是说，接合部的最远点位于安装表面1214近侧的位置处。因此，安装表面1214不包含接合部。也就是说，整个安装表面位于接合部的单侧上。换句话说，安装表面完全位于接合部的单侧上。具体地，安装表面(即，整个安装表面)形成第一底座部分1211的一部分。安装表面1214没有部分形成第二底座部分1212的一部分。使整个安装表面形成单个底座部分的一部分有利地实现了器械轴与底座的更强和更硬的连接。它还可以使器械轴能够以更精确的轴向位置附接到底座。

然而，接合部1213未延伸到与安装表面一体形成的安装架1215中。因此，安装架1215不包含接合部1213的一部分。接合部1213将安装架1215划分成第一架部分1216和第二架部分1217。第一架部分可以被称为远侧架部分，而第二架部分可以被称为近侧架部分。远侧架部分1216形成第一底座部分121的一部分，而近侧架部分1217形成第二底座部分1212的一部分。安装表面1214与远侧架部分1216成为一体。

底座1200布置为使得第一驱动元件组A1、A2(具有最高的位置精度要求)由包括安装表面1214的同一底座部分1211支撑。即，安装表面1214形成第一底座部分1211的一部分，并且第一驱动元件组A1、A2紧固到第一底座部分。已经领会，驱动元件对的位置精度取决于驱动元件对相对于支撑器械轴的安装表面1214的位置，并且驱动元件对的位置精度可以通过沿着包括安装表面的底座部件布线驱动元件对来优化。相反，可能更难以精确地定位沿着不包括安装表面的底座部分布线的驱动元件对。

因此，器械接口被方便地布置为使得具有最高位置精度要求的驱动元件对(在该示例中为A1、A2)相对于包括安装表面1214的同一底座部分1211紧固，并且具有较低位置精度要求的驱动元件对(在该示例中为B1、B2)相对于不包括安装表面1214的底座部分1212紧固。换句话说，驱动元件对B1、B2由第二底座部分1212支撑。这种布置方便地优化了驱动具有最高期望控制精度的接头506的驱动元件A1、A2的位置精度。

因为在该示例中，器械包括三个驱动元件对，所以最终驱动元件对C1、C2被方便地布置为也由底座部分1211支撑。这使得能够优化驱动元件对中的两个的位置精度。

驱动机构1201的其他组件也可以分布在第一底座部分与第二底座部分之间。例如，第一滑轮组1205由第一底座部分1211支撑(例如，可转动地安装到第一底座部分1211)，第一驱动元件组A1、A2被约束为围绕第一滑轮组1205移动。接合驱动元件对A1、A2的接口元件1202也由第一底座部分支撑。例如，导杆1208(接口元件被约束为在其上滑动)可以安装到第一底座部分，从而使得接口元件1202可滑动地安装到第一底座部分。类似地，滑轮组1207(驱动元件对C1、C2被约束为围绕其移动)由第一底座部分1211支撑；并且接合驱动元件对C1、C2的接口元件1204也由第一底座部分支撑。相反，滑轮组1206(驱动元件对B1、B2被约束为围绕其移动)由不包括安装表面的第二底座部分1212支撑(例如，可转动地安装到第二底座部分1212)。接合驱动元件对B1、B2的接口元件1203类似地由第二底座部分1212支撑。例如，导杆1210(接口元件被约束为在其上滑动)可以安装到第二底座部分，从而使得接口元件1204可滑动地安装到第二底座部分。

因此，通过将底座布置为使得：i)连接第一底座部分和第二底座部分的底座接合部不延伸到支撑器械轴的安装表面(即，安装表面不在第一底座部分与第二底座部分之间分开)；以及ii)具有最高位置精度要求的一组驱动元件对中的驱动元件对由包括安装表面的同一底座部分支撑而不被另一底座部分支撑，可以优化驱动元件对的位置精度。

在本文描述的示例中，驱动元件对A1、A2具有最高的位置精度要求，这是因为其对应的接口元件具有比驱动其他驱动元件对B1、B2和C1、C2的其他接口元件的位移范围更短的最大位移范围。应当理解，在其他示例中，驱动元件对的位置精度要求可能取决于不同的因素。例如，位置精度要求可以取决于由驱动元件对驱动的接头的性质。

器械的性能标准可能例如要求以比其他接头更大的控制程度和精度来控制某些接头。替代地，驱动元件对的位置精度要求可以取决于滑轮装置，驱动元件对被约束为通过该滑轮装置来移动。例如，更复杂的滑轮装置可以提供更大的滑动可能性，这意味着可能期望优化驱动元件对的位置精度，其中可能减轻由滑移引起的精度损失。

在本文描述的示例中，驱动组件接口包括三个驱动组件接口元件，驱动组件接口元件将驱动传递到三个器械接口元件，器械接口元件将驱动传递到器械轴的远侧端处的关节的三个接头。应当领会，本文描述的驱动组件接口可以被修改为包括另外的或更少的驱动组件接口元件以将驱动传递到另外的或更少的器械接口元件。本文描述的器械接口可以被修改为包括另外的或更少的器械接口元件以将驱动传递到器械轴的远侧端处的关节的另外的或更少的接头。例如，器械接口可以包括仅驱动两个驱动元件对的两个器械接口元件。具有最高位置精度要求的驱动元件对可以紧固到包括安装表面的同一底座部分。另一驱动元件对(具有较低位置精度要求)可以紧固到同一底座部分或另一底座部分。关节自身也可以被修改为包括另外的或更少的接头。

还将会领会，端部执行器可以仅具有一个端部执行器元件。在这种情况下，关节不包括第三接头513，器械接口不包括用于驱动第三接头的器械接口元件，并且驱动组件不包括用于驱动器械接口元件的驱动组件接口元件。

底座可以由多于两个底座部分形成。在这种情况下，只有一个底座部分具有以下特征：i)包括器械轴所安装到的整个安装表面；以及ii)支撑具有最大位置精度要求的驱动元件对。

将会领会，第一底座部分与第二底座部分之间的接合部的形状和形式可以采取许多不同的形式。图12a和图12b中所示的接合部仅是接合部的说明性示例。

该器械可以用于非手术目的。例如，其可以在整容手术中使用。

本申请人在此单独公开了这里描述的每个单独特征以及两个或更多个这样的特征的任何组合，只要这些特征或组合能够根据本说明书作为整体根据本领域技术人员的公知常识来执行，而不管这些特征或特征的组合是否解决了这里公开的任何问题，并且不限于权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单独特征或特征组合组成。鉴于前面的描述，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims (22)

1.一种机器人手术器械，包括：

轴；

端部执行器元件；

关节，其位于所述轴的远侧端，以用于铰接所述端部执行器元件，所述关节包括

第一接头和第二接头，所述第一接头和所述第二接头允许所述端部执行器元件采用相对于所述轴的纵向轴线的一定范围的配置，所述第一接头能够由第一驱动元件对驱动，并且所述第二接头能够由第二驱动元件对驱动；和

器械接口，其位于所述轴的近侧端，所述器械接口包括

底座，其通过将第一底座部分附接到第二底座部分而形成，所述第一底座部分包括所述轴所安装到的安装表面；

其中，所述第一驱动元件对紧固于所述第一底座部分而不紧固于所述第二底座部分，并且所述第二驱动元件对紧固于所述第二底座部分而不紧固于所述第一底座部分。

2.根据权利要求1所述的机器人手术器械，其中，所述器械还包括：

第一接口元件，其用于驱动所述第一驱动元件对，所述第一接口元件与所述第一驱动元件对固定，使得所述第一接口元件相对于所述底座的位移传递到所述第一驱动元件对；和

第二接口元件，其用于驱动所述第二驱动元件对，所述第二接口元件与所述第二驱动元件对固定，使得所述第二接口元件相对于所述底座的位移传递到所述第二驱动元件对。

3.根据权利要求2所述的机器人手术器械，其中，所述第一接口元件和所述第二接口元件能够在各自的最大位移范围内线性移位，所述第一接口元件的最大位移范围小于所述第二接口元件的最大位移范围。

4.根据权利要求2或3所述的机器人手术器械，其中，所述第一接口元件可滑动地安装到所述第一底座部分。

5.根据权利要求2或3所述的机器人手术器械，其中，所述第二接口元件可滑动地安装到所述第二底座部分。

6.根据权利要求1或2所述的机器人手术器械，其中，所述器械接口还包括第一滑轮组，所述第一驱动元件对被约束为围绕所述第一滑轮组移动，所述第一滑轮组可转动地紧固到所述第一底座部分。

7.根据权利要求6所述的机器人手术器械，其中，所述第一滑轮组处于包含所述轴的纵向轴线的所述器械接口的中心平面上。

8.根据权利要求1或2所述的机器人手术器械，其中，所述器械接口还包括第二滑轮组，所述第二驱动元件对被约束为围绕所述第二滑轮组移动，所述第二滑轮组可转动地紧固到所述第二底座部分。

9.根据权利要求1或2所述的机器人手术器械，其中，所述安装表面与形成所述第一底座部分的一部分的远侧安装架部分一体形成，所述远侧安装架部分与形成所述第二底座部分的一部分的近侧架部分配合。

10.根据权利要求9所述的机器人手术器械，其中，所述安装表面横向于所述轴的纵向方向。

11.根据权利要求1或2所述的机器人手术器械，其中，所述第一驱动元件对处于所述器械接口的中心平面上。

12.根据权利要求1或2所述的机器人手术器械，其中，所述第二驱动元件对处于所述器械接口的中心平面的一侧上。

13.根据权利要求1或2所述的机器人手术器械，其中，所述第一驱动元件对和所述第二驱动元件对穿过所述轴在所述器械接口与所述关节之间延伸。

14.根据权利要求1或2所述的机器人手术器械，其中，所述第一接头允许所述端部执行器元件围绕横向于所述轴的纵向轴线的第一轴线转动。

15.根据权利要求14所述的机器人手术器械，其中，当所述器械处于所述端部执行器元件与所述轴对准的直线配置时，所述第二接头允许所述端部执行器元件围绕横向于所述第一轴线的第二轴线转动。

16.根据权利要求15所述的机器人手术器械，其中，所述手术器械还包括第二端部执行器元件，并且所述关节包括第三接头，所述第三接头能够由第三驱动元件对驱动，所述第三驱动元件对紧固于所述第一底座部分。

17.根据权利要求16所述的机器人手术器械，其中，所述第三接头允许所述第二端部执行器元件围绕所述第二轴线转动。

18.根据权利要求16所述的机器人手术器械，其中，所述器械还包括用于驱动所述第三驱动元件对的第三接口元件，所述第三接口元件与所述第三驱动元件对固定，使得所述第三接口元件相对于所述底座的位移传递到所述第三驱动元件对。

19.根据权利要求18所述的机器人手术器械，其中，所述第三接口元件可滑动地安装到所述第一底座部分。

20.根据权利要求16所述的机器人手术器械，其中，所述器械接口还包括第三滑轮组，所述第三驱动元件对被约束为围绕所述第三滑轮组移动，所述第三滑轮对可转动地紧固到所述第一底座部分。

21.根据权利要求16所述的机器人手术器械，其中，所述第三驱动元件对具有与所述第二驱动元件对相同的位置精度要求。

22.根据权利要求1或2所述的机器人手术器械，其中，所述驱动元件对是线缆。