CN111565664B - 手术机器人臂及其滑轮组件 - Google Patents

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Abstract

一种机器人臂的滑轮组件，包括第一线缆、第一滑轮和第二滑轮。所述第一线缆的第一端固定至第一滑轮。所述第二滑轮经由第一线缆可操作地联接至第一滑轮。所述第二滑轮包括轮毂、可旋转地附接至轮毂的第一半圆形主体以及可运动地联接至轮毂的第一紧固件。所述第一线缆的第二端固定至第一半圆形主体。所述第一紧固件的运动使第一半圆形主体相对于轮毂旋转，以改变第一线缆中的张力。

Description

手术机器人臂及其滑轮组件
技术领域
本公开涉及一种用于机器人手术系统的装置，具体地，本公开涉及手术机器人臂及其滑轮组件。
背景技术
机器人手术系统已用于微创医疗程序中。一些机器人手术系统包括支撑手术机器人臂的控制台和安装在机器人臂上的手术器械或至少一个末端执行器(例如钳子或抓取工具)。机器人臂为手术器械的操作和运动提供机械动力。每个机器人臂可包括操作地连接至手术器械的器械驱动单元。
机器人臂可以由多个接头构成，所述多个接头能够经由线缆系统相对于彼此运动。线缆可以由不锈钢制成，这可能导致线缆随着时间的流逝而拉伸，从而影响机器人臂的操作。因此，需要提供一种抵抗随时间的变形的机器人臂线缆，以及提供一种在使用期间或使用之前选择性地拉紧机器人臂线缆的方法。
发明内容
在本公开的一个方面中，提供了一种机器人臂。所述机器人臂包括第一细长构件、第二细长构件、第三细长构件和马达，以及滑轮组件。所述第一细长构件具有构造成联接至固定表面的第一端，和第二端。第二细长构件具有可旋转地连接至第一细长构件的第二端的第一端，和第二端。第三细长构件具有可旋转地连接至第二细长构件的第二端的第一端，以及构造成联接至手术器械的第二端。马达附接至第一细长构件的第二端，并且被构造成使第二细长构件相对于第一细长构件旋转。滑轮组件布置在第二细长构件内，并且包括布置在第二细长构件的第二端内的第一滑轮，以及经由第一线缆可操作地联接至第一滑轮的第二滑轮。第二滑轮包括布置在第二细长构件的第一端内的轮毂、可旋转地附接至轮毂的第一半圆形主体，以及可运动地联接至轮毂的第一紧固件。第一紧固件的运动使第一半圆形主体相对于轮毂旋转以改变第一线缆中的张力。
在一些实施例中，第二滑轮可包括可旋转地附接至第二滑轮的轮毂的第二半圆形主体，以及可运动地联接至第二滑轮的轮毂的第二紧固件，使得第二紧固件的运动使第二半圆形主体相对于第二滑轮的轮毂旋转，以改变第二线缆中的张力。第一线缆可具有固定至第一半圆形主体的第一端和固定至第一滑轮的第二端，并且第二线缆可具有固定至第二半圆形主体的第一端和固定至第一滑轮的第二端。第一半圆形主体和第二半圆形主体可以彼此相邻地布置。
可以想到的是，第一紧固件可以是螺纹联接至第二滑轮的轮毂的螺钉。所述螺钉可具有与第一半圆形主体抵接接合的端部。所述螺钉的旋转可以将螺钉的端部朝向第一半圆形主体驱动以使第一半圆形主体旋转。
可以设想，第一半圆形主体可以具有第一端和第二端，并且围绕第二滑轮的轮毂布置。第一紧固件可具有与第一半圆形主体的第一端抵接接合的端部。第一线缆可具有固定至第一半圆形主体的第二端的端部。
在一些实施例中，第一线缆可具有固定至第一滑轮的第一端和固定至第一半圆形主体的第二端，使得第一半圆形主体相对于第二滑轮的轮毂的旋转增加了第一线缆中的张力。
在本公开的另一方面中，提供了一种机器人臂的滑轮组件，该滑轮组件包括第一线缆、第一滑轮和第二滑轮。第一线缆的第一端固定至第一滑轮。第二滑轮经由第一线缆可操作地联接至第一滑轮。第二滑轮包括轮毂、第一半圆形主体和第一紧固件。第一半圆形主体可旋转地附接至轮毂，并且第一线缆的第二端固定至所述第一半圆形主体上。第一紧固件可运动地联接至轮毂。第一紧固件的运动使第一半圆形主体相对于轮毂旋转，以改变第一线缆中的张力。
下面参考附图更详细地描述本公开的示例性实施例的进一步的细节和方面。
如本文中所使用的，术语“平行”和“垂直”应理解为包括相对配置，该相对配置从基本上平行和基本上垂直直到与完全平行和完全垂直相差大约+或–10度。
附图说明
在此参考附图描述本公开的实施例，其中：
图1是根据本公开的包括手术机器人臂的机器人手术系统的示意图；
图2是图1的手术机器人臂的侧视立体图；
图3是图1的手术机器人臂的放大立体图，其中零件被拆除；
图4是图1的手术机器人臂的滑轮组件的立体图；
图5是图4的滑轮组件的放大立体图；
图6A是图4的滑轮组件的放大侧视图；
图6B是图4的滑轮组件的放大侧视图；
图7是将被结合到图1的手术机器人臂中的滑轮组件的另一实施例的立体图；
图8是图7的滑轮组件的半圆形主体的立体图；和
图9是图7的滑轮组件的侧视图，其中零件被拆除。
具体实施方式
参照附图详细描述本公开的手术机器人臂的实施例，其中，相同的附图标记在若干视图中的每一个中指示相同或对应的元件。如本文所用，术语“远侧”是指机器人手术系统或其部件的更靠近患者的部分，而术语“近侧”是指机器人手术系统或其部件的更远离患者的部分。
如以下将详细描述的，提供了一种手术机器人臂。手术机器人臂具有多个细长构件或连杆，所述多个细长构件或连杆彼此互连并且能经由滑轮系统相对于彼此旋转，同时保持各个连杆的相对方位。
首先参考图1，手术系统，例如机器人手术系统1通常包括：多个手术机器人臂2、3，器械驱动单元100和机电器械10可移除地附接至其上；控制装置4；以及与控制装置4联接的操作控制台5。
操作控制台5包括：显示装置6，该显示装置特别设置为显示三维图像；和手动输入装置7、8，例如外科医生的人(未示出)能够借助于手动输入装置7、8以如本领域技术人员原理上已知的第一操作模式遥控操纵机器人臂2、3。机器人臂2、3中的每一个可以由通过接头连接的多个构件组成，这将在下面更详细地描述。机器人臂2、3可由连接至控制装置4的电驱动器(未示出)驱动。控制装置4(例如计算机)被设置为特别地借助于计算机程序以如下方式来激活驱动器：使得机器人臂2、3，所附接的器械驱动单元100以及因此的机电器械10，根据通过手动输入装置7、8定义的运动来执行所需的运动。控制装置4可以以调节机器人臂2、3和/或驱动器的运动的方式来设置。
机器人手术系统1被配置为用于躺在手术台“ST”上的患者“P”上，该患者“P”将借助于手术器械(例如机电器械10)以微创方式进行治疗。机器人手术系统1还可以包括两个以上的机器人臂2、3，另外的机器人臂同样连接至控制装置4，并且能够通过操作控制台5进行遥控操纵。手术器械，例如机电手术器械10，也可以附接至另外的机器人臂。
控制装置4可以控制多个马达，例如马达(马达1...n)，其中每个马达都配置为在多个方向上驱动机器人臂2、3的运动。此外，控制装置4可以控制马达，例如空心马达，其被配置为驱动手术机器人臂2的细长构件的相对旋转，如下面将详细描述的。
对于机器人手术系统的构造和操作的详细描述，可以参考2011年11月3日提交的名称为“Medical Workstation(医疗工作站)”的美国专利申请公开第2012/0116416号，其全部内容通过引用合并于此。
参考图2至图6B，手术机器人臂2被配置为在其上支撑手术器械10(图1)，并选择性地使手术器械10相对于患者中的小切口在多个方位上运动，同时将手术器械10保持在小切口内。机器人臂2包括多个可枢转地彼此连接的细长构件或连杆110、120、130、140，以为机器人臂2提供不同的自由度。特别地，机器人臂2包括第一细长构件110、第二细长构件120、第三细长构件130和第四细长构件或连杆140。
参考图2和图3，第一细长构件110具有第一端110a和第二端110b。第一端110a构造成可旋转地联接至固定表面，例如手术车、手术台、支柱、手术室壁或手术室中存在的其他表面。第一马达“M1”可操作地联接至第一端110a，以使第一细长构件110绕其纵向轴线旋转。例如，第一细长构件110的第二端110b具有第二马达，例如附接至其上的空心马达“M2”。第一细长构件110的空心马达“M2”驱动地联接至第二细长构件120的第一端120a，使得马达“M2”的致动引起第二细长构件120相对于第一细长构件110绕通过第一细长构件110的第二端110b和第二细长构件120的第一端120a限定的轴线旋转。
第二细长构件120包括布置在其第一端120a内的固定滑轮132。固定滑轮132固定地连接至第一细长构件110的第二端110b，使得第二细长构件120的固定滑轮132相对于第一细长构件110不可旋转。第二细长构件120具有第二端120b，第二端120b具有可旋转地布置在其中的被动滑轮134。第二细长构件120的被动滑轮134经由一对系绳或线缆114a、114b可操作地联接至第二细长构件120的固定滑轮132。第二细长构件120的被动滑轮134还固定至第三细长构件130的第一端130a，使得第二细长构件120的被动滑轮134的旋转引起第三细长构件130相对于第二细长构件120的旋转。
参考图3和图4，第三细长构件130包括布置在其第一端130a内并且相对于第三细长构件130不可旋转的固定滑轮152。第三细长构件130具有第二端130b，第二端130b具有可旋转地布置在其中的被动滑轮154。第三细长构件130的被动滑轮154经由一对系绳或线缆154a、154b可操作地联接至第三细长构件130的固定滑轮152。线缆154a、154b分别具有固定在固定滑轮152中限定的环形凹槽158内的第一端156和固定在被动滑轮154中限定的环形凹槽162内的第二端160，以使固定滑轮152的旋转引起被动滑轮154沿相同方向的旋转。
线缆154a、154b可以由钢或钨制成，或者由钢和钨的复合材料制成，并且可以包括彼此堆叠的多个金属带。在一些实施例中，线缆154a、154b的固定至滑轮152、154的部分可以是钨，而线缆154a、154b的其余部分可以是不锈钢。进一步预期，线缆154a、154b可包括外部护套和布置在护套内并且与护套相比具有更大刚度的内部线缆。线缆154a、154b的上述各种实施例在减少永久和/或暂时拉伸方面比现有技术线缆更好，因此具有更长的使用寿命。
机器人臂2还包括器械托架或导轨140。第三细长构件130的被动滑轮154不可旋转地联接至导轨140的第一端140a，使得第三细长构件130的被动滑轮154的旋转引起导轨140相对于第三细长构件130的旋转。器械托架或导轨140具有可运动地连接至器械托架140的轨道或滑架144的滑块142。当由支撑在轨道144上的一个(多个)马达(未示出)或控制装置4的多个马达(1...n)进行选择性致动时，滑块142沿着轨道144所限定的纵向轴线运动、滑动或平移。这样，可以将滑块142与连接至其上的手术器械10(图1)一起沿着器械托架140的轨道144运动到选择的位置。
参考图5、图6A和图6B，固定滑轮152包括轮毂170、第一半圆形元件或主体176a和第二半圆形元件或主体176b，一起形成滑轮组件150，该滑轮组件150允许临床医生选择性地改变线缆154a、154b的张力以抵消随时间流逝在线缆154a、154b中发生的拉伸。轮毂170布置在第三细长构件130的第一端130a内。滑轮152的第一主体176a和第二主体176b可旋转地附接至轮毂170。主体176a、176b分别具有紧定螺钉178a、178b，该紧定螺钉178a、178b螺纹连接至轮毂170并且具有与主体176a、176b接合的端部180、182。
紧定螺钉178a、178b的旋转使主体176a、176b相对于轮毂170旋转，以分别改变线缆154a、154b中的张力。例如，紧定螺钉178a的旋转(例如，沿顺时针方向)沿图6A中的箭头“C”所示的线性方向驱动紧定螺钉178a，以将紧定螺钉178a的端部180线性地驱动至轮毂170中。紧定螺钉178a朝向轮毂170的线性运动驱动主体176a沿图6A中的箭头“D”所示的方向旋转，从而增加了线缆154a中的张力。紧定螺钉178b的旋转(例如，沿顺时针方向)沿图6B中的箭头“E”所示的方向驱动紧定螺钉178b以将紧定螺钉178b的端部182线性地驱动至轮毂170中。紧定螺钉178b朝向轮毂170的线性运动驱动主体176b沿图6B中的箭头“F”指示的方向旋转，从而增加了线缆154b中的张力。为了减小线缆154a、154b中的张力，紧定螺钉178a、178b中的一个或两个以与增加张力所需的方向相反的方向旋转。
在一些实施例中，可以提供各种紧固件或其他机构，这些紧固件或其他机构使主体176a、176b选择性地彼此远离地运动。
在操作中，第一细长构件110的马达“M2”可以被致动，其由于第二细长构件120的第一端120a可操作地联接至马达“M2”而使第二细长构件120相对于第一细长构件110沿图3中的箭头“A”所示的第一方向旋转。当第二细长构件120相对于第一细长构件110沿第一方向旋转时，第二细长构件120的被动滑轮134沿如图3中的箭头“B”所示的、与第一方向相反的第二方向旋转。因为固定滑轮132相对于第一细长构件110不可旋转，所以第二细长构件120的被动滑轮134沿与第二细长构件120相反的方向旋转。由于第三细长构件130的第一端130a可操作地联接至第二细长构件120的被动滑轮134，第三细长构件130与被动滑轮134一起沿第二方向旋转了与第二细长构件120相对于第一细长构件110沿第一方向旋转的量相同的量。这样，第三细长构件130和第一细长构件110的相对方位在第二细长构件120旋转期间保持恒定。
当第三细长构件130相对于第二细长构件120在第二方向上旋转时，第三细长构件130的被动滑轮154在第一方向上旋转。因为第三细长构件130的固定滑轮152相对于第三细长构件130不可旋转，所以第三细长构件130的被动滑轮154沿与第三细长构件130相反的方向旋转。由于滑架140的第一端140a可操作地联接至第三细长构件130的被动滑轮154，滑架140与被动滑轮154一起沿第一方向旋转，其旋转量与第三细长构件130相对于第二细长构件120沿第二方向旋转的量相同。这样，第二细长构件120和连杆140的相对方位在第三细长构件130的旋转期间保持恒定。
参考图7至图9，示出了滑轮组件200的另一实施例，该滑轮组件200将被结合至机器人臂3的第二或第三细长构件120、130(图2)中的一个中。滑轮组件200包括第一滑轮232、第二滑轮212和类似于上面描述的线缆154a、154b的一对系绳或线缆214a、214b。滑轮组件200允许临床医生选择性地改变线缆214a、214b的张力以抵消随着时间的流逝在线缆214a、214b中发生的拉伸。第一滑轮232包括轮毂或盘234、第一半圆形元件或主体236a以及第二半圆形元件或主体236b。轮毂234包括环形凸缘构件250和从其垂直延伸的轮轴252。
第一滑轮232的第一主体236a和第二主体236b各自具有环形构件241(第一滑轮232的第二主体236b的环形构件未示出)，该环形构件允许主体236a、236b彼此可旋转地互锁。第一滑轮232的第一主体236a和第二主体236b可旋转地附接至轮毂234的环形凸缘构件250。主体236a、236b分别具有紧定螺钉238a、238b，该紧定螺钉238a、238b螺纹连接至轮毂234的环形凸缘构件250并且具有与主体236a、236b接合的端部239。
在操作中，为了解决由于随时间的使用引起的线缆214a、214b的永久拉伸，可以调整线缆214a、214b中的张力。为了调节线缆214a、214b中的张力，第一滑轮232的紧定螺钉238a、238b中的一个或两个可以被旋转以沿图9中的箭头“G”所示的线性方向驱动螺钉238a、238b，紧定螺钉238a的端部239与轮毂234的环形凸缘构件250的块233接触。紧定螺钉238a的继续旋转使第一主体236a沿图9中的箭头“H”所示的方向旋转，远离第二主体236b和块233，以增加线缆214a、214b中的张力。替代地或另外地，可以旋转紧定螺钉238b以驱动第二主体236b远离第一主体236a以增加线缆214a、214b中的张力。为了减小线缆214a、214b中的张力，紧定螺钉238a、238b中的一个或两个以与增加张力所需的相反的方向旋转。
将理解的是，可以对本文公开的实施例进行各种修改。因此，以上描述不应被解释为限制性的，而仅应作为各种实施例的示例。本领域技术人员将想到在所附权利要求的范围和精神内的其他修改。

Claims (16)

1.一种机器人臂，包括：
第一细长构件，其具有构造成联接至固定表面的第一端，和第二端；
第二细长构件，其具有可旋转地连接至所述第一细长构件的第二端的第一端，和第二端；
第三细长构件，其具有可旋转地连接至所述第二细长构件的第二端的第一端，和构造成联接至手术器械的第二端；
马达，其附接至所述第一细长构件的第二端，并构造成使所述第二细长构件相对于所述第一细长构件旋转；和
滑轮组件，其布置在所述第二细长构件内，并且包括：
第一滑轮，其布置在所述第二细长构件的第二端内；
第二滑轮，其经由第一线缆可操作地联接至所述第一滑轮，所述第二滑轮包括：
布置在所述第二细长构件的第一端内的轮毂；
可旋转地附接至所述轮毂的第一半圆形主体；和
可运动地联接至所述轮毂的第一紧固件，其中，所述第一紧固件的运动使所述第一半圆形主体相对于所述轮毂旋转以改变所述第一线缆中的张力；
其中，所述第二滑轮包括：
第二半圆形主体，其可旋转地附接至所述第二滑轮的轮毂；和
第二紧固件，其可运动地联接至所述第二滑轮的轮毂，使得所述第二紧固件的运动使所述第二半圆形主体相对于所述第二滑轮的轮毂旋转，以改变第二线缆中的张力。
2.根据权利要求1所述的机器人臂，其中，所述第一半圆形主体和第二半圆形主体彼此相邻地布置。
3.根据权利要求1所述的机器人臂，其中，所述第一线缆具有固定至所述第一半圆形主体的第一端和固定至所述第一滑轮的第二端，并且所述第二线缆具有固定至所述第二半圆形主体的第一端和固定至所述第一滑轮的第二端。
4.根据权利要求1所述的机器人臂，其中，所述第一紧固件是螺纹连接至所述第二滑轮的轮毂的螺钉。
5.根据权利要求4所述的机器人臂，其中，所述螺钉具有与所述第一半圆形主体抵接接合的端部，其中，所述螺钉的旋转将所述螺钉的端部朝向所述第一半圆形主体驱动以使所述第一半圆形主体旋转。
6.根据权利要求1所述的机器人臂，其中，所述第一半圆形主体具有第一端和第二端，并且围绕所述第二滑轮的轮毂布置，所述第一紧固件具有与所述第一半圆形主体的第一端抵接接合的端部。
7.根据权利要求6所述的机器人臂，其中，所述第一线缆具有固定至所述第一半圆形主体的第二端的端部。
8.根据权利要求1所述的机器人臂，其中，所述第一线缆具有固定至所述第一滑轮的第一端和固定至所述第一半圆形主体的第二端，以使所述第一半圆形主体相对于所述第二滑轮的轮毂的旋转增加第一线缆中的张力。
9.一种机器人臂的滑轮组件，包括：
具有第一端和第二端的第一线缆；
第一滑轮，所述第一线缆的第一端固定至其上；
第二滑轮，其经由所述第一线缆可操作地联接至所述第一滑轮，所述第二滑轮包括：
轮毂；
第一半圆形主体，其可旋转地附接至所述轮毂，并且所述第一线缆的第二端固定至所述第一半圆形主体上；和
第一紧固件，其可运动地联接至所述轮毂，其中所述第一紧固件的运动使所述第一半圆形主体相对于所述轮毂旋转以改变所述第一线缆中的张力；
其中，所述第二滑轮包括：
第二半圆形主体，其可旋转地附接至所述第二滑轮的轮毂；和
第二紧固件，其可运动地联接至所述第二滑轮的轮毂，使得所述第二紧固件的运动使所述第二半圆形主体相对于所述第二滑轮的轮毂旋转，以改变第二线缆中的张力。
10.根据权利要求9所述的滑轮组件，其中，所述第一线缆具有固定至所述第一半圆形主体的第一端和固定至所述第一滑轮的第二端，并且所述第二线缆具有固定至所述第二半圆形主体的第一端和固定至所述第一滑轮的第二端。
11.根据权利要求9所述的滑轮组件，其中，所述第一半圆形主体和第二半圆形主体彼此相邻地布置。
12.根据权利要求9所述的滑轮组件，其中，所述第一紧固件是螺纹联接至所述第二滑轮的轮毂的螺钉。
13.根据权利要求12所述的滑轮组件，其中，所述螺钉具有与所述第一半圆形主体抵接接合的端部，其中，所述螺钉的旋转将所述螺钉的端部朝向所述第一半圆形主体驱动以使所述第一半圆形主体旋转。
14.根据权利要求9所述的滑轮组件，其中，所述第一半圆形主体具有第一端和第二端，并且围绕所述第二滑轮的轮毂布置，所述第一紧固件具有与所述第一半圆形主体的第一端抵接接合的端部。
15.根据权利要求14所述的滑轮组件，其中，所述第一线缆具有固定至所述第一半圆形主体的第二端的端部。
16.根据权利要求9所述的滑轮组件，其中，所述第一线缆具有固定至所述第一滑轮的第一端和固定至所述第一半圆形主体的第二端，以使所述第一半圆形主体相对于所述第二滑轮的轮毂的旋转增加第一线缆中的张力。
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