CN112702969A - 手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

用于机器人手术系统的器械驱动单元包括：滑架，其配置为联接至机器人臂；多个驱动轴，其旋转地支撑在所述滑架中；多个电动马达；以及多个同心的管状轴，其延伸穿过多个电动马达。每个电动马达包括定子和设置在定子内的转子。每个驱动轴配置成用于与机电手术器械的对应从动构件介接。电动马达的转子的旋转使相应的管状轴旋转，这又使相应的驱动轴旋转以致动机电手术器械的功能。

Description

手术机器人系统

背景技术

手术机器人系统一直用于微创医疗手术。一些手术机器人系统包含支撑手术机器人臂的控制台和具有安装到机器人臂的至少一个末端执行器(例如，钳子或抓取工具)的手术器械。机器人臂向手术器械提供机械动力来实现其操作和移动。

手动操作的手术器械通常包含用于致动手术器械的功能的手柄组件。然而，当使用机器人手术系统时，通常不存在手柄组件来致动末端执行器的功能。因此，为了将每一个独特手术器械与机器人手术系统一起使用，使用器械驱动单元与所选择的手术器械介接来驱动手术器械的操作。

器械驱动单元通常通过滑件联接到机器人臂。滑件允许器械驱动单元和所附接的手术器械沿着滑件的轴线移动，从而提供用于调整手术器械的末端执行器的轴向位置的装置。

发明内容

根据本公开的方面，提供一种用于在机器人手术系统中使用的器械驱动单元且其包含：滑架，其被配置成联接到机器人臂；多个驱动轴，其可旋转地支撑在滑架中；多个电动马达；和多个驱动齿轮。每个电动马达包括定子和设置在定子内的转子。每个驱动齿轮固定到相应的驱动轴并且可操作地联接到相应的转子。每个转子配置成响应于相应电动马达的激活而使对应驱动轴旋转，以致动所述机电手术器械的功能。

在各方面中，每个定子可以相对于滑架固定，并且每个转子可以相对于对应的定子并且在对应的定子内旋转。

在一些方面，电动马达可以垂直地堆叠在滑架内。

在其他方面，器械驱动单元可以进一步包括套筒和驱动马达。所述套筒可以旋转地联接到所述滑架的远端部分，并且被配置成非旋转地保持所述机电手术器械。驱动马达可包括固定在滑架内的定子，以及布置在驱动马达的定子内并且不可旋转地联接至套筒的转子。驱动马达的转子可配置成使套筒绕由滑架限定的中心纵向轴线旋转。

在进一步方面，器械驱动单元可以进一步包括多个同心的管状轴。每个管状轴可具有不可旋转地联接到相应的转子的近端部分，以及可操作地联接到多个驱动齿轮中的相应的驱动齿轮的远端部分。

在各方面中，每个管状轴的近端部分可以同心地设置在相应的转子内，使得电动马达之一的转子的旋转导致相应的管状轴的旋转。

在一些方面，每个管状轴的近端部分可具有盘形构件，该盘形构件固定在其周围并且非旋转地联接至相应的转子。

在其他方面，每个管状轴的远端部分可具有固定在其周围的环形齿轮。环形齿轮可以与相应的驱动齿轮对接。

在进一步方面，环形齿轮可沿着由管状轴限定的中心纵向轴线堆叠。

在各方面中，第一管状轴的近端部分可向近侧延伸超过第二管状轴的近端部分，并且第一管状轴的远端部分可向远侧延伸超过第二管状轴的远端部分。

在一些方面，第一电动马达和第一驱动齿轮可以经由第一管状轴彼此可操作地联接，并且沿着由第一管状轴限定的纵向轴线彼此垂直地间隔开。

在其他方面，管状轴可以相对于彼此独立地旋转。

在其它方面，所述驱动齿轮可彼此竖直地偏移。

在各方面中，每个驱动轴可具有配置成用于与所述机电手术器械的对应从动构件介接的远端部分。

在本公开的另一方面，提供一种用于在机器人手术系统中使用的器械驱动单元，且所述器械驱动单元包含：滑架，其配置成联接到机器人臂；多个电动马达，其支撑在所述滑架中；多个驱动轴，其配置成用于与机电手术器械的对应从动构件介接；以及延伸穿过所述电动马达的多个同心的管状轴。每个电动马达包括定子和设置在定子内的转子。每个管状轴具有不可旋转地联接到相应的转子的近端部分，以及可操作地联接到相应的驱动轴的远端部分。每个转子配置成响应于相应电动马达的激活而使对应驱动轴旋转，以致动所述机电手术器械的功能。

在各方面中，每个驱动轴可具有围绕其固定的驱动齿轮，且每个驱动齿轮相对于彼此可安置在离散的竖直位置处。

下文参考附图更详细地描述本公开的示例性实施例的其它细节和方面。

如本文中所使用，术语平行和竖直应理解为包含与真实平行和真实竖直相差约+或-10度的基本上平行和基本上竖直的相对配置。

附图说明

本文中参考附图描述本公开的实施例，其中：

图1是根据本公开的包含联接到滑件的器械驱动单元的手术机器人系统的示意图；

图2是图1的手术机器人系统的器械驱动单元的透视图，以虚线示出了器械驱动单元的滑架的部分，该图示出了器械驱动单元的多个电动马达；

图3是图2的器械驱动单元的电动马达的透视图，去除了其一些定子；

图4是图2的器械驱动单元的侧截面视图；

图5是器械驱动单元的前视图，其中驱动马达被移除，从而露出了器械驱动单元的内齿轮系统；和

图6是图5的器械驱动单元的前视图，其中移除了电动马达，从而露出了联接到内齿轮系统的多个同心的管状轴。

具体实施方式

参考附图详细地描述本发明所公开的手术机器人系统和其器械驱动单元的实施例，图中相同的附图标记指代若干视图中的每一个视图中的相同或对应元件。如本文所用，术语“远侧”是指手术机器人系统或其部件中最靠近患者的那个部分，而术语“近侧”是指所述手术机器人系统或其部件中更远离所述患者的那个部分。如本文所用，术语“竖直”是指沿着手术机器人系统的一部分的纵向轴线定义的方向，而术语“水平”是指沿着手术机器人系统的一部分的横向轴线定义的方向。

如下文将详细地描述，提供一种手术机器人系统的器械驱动单元，其配置成允许手术器械的底部装载。器械驱动单元具有多个驱动轴，每个驱动轴配置成联接到手术器械的对应从动构件以用于执行手术器械的离散功能。器械驱动单元的驱动轴经由内齿轮系统和多个同心的管状轴可操作地联接至器械驱动单元的离散电动马达。管状轴和齿轮系统的构造允许更大的旋转自由度并减小器械驱动单元的整体高度(例如，器械驱动单元更紧凑)。下文进一步详述所公开的器械驱动单元的其它特征和益处。

首先参考图1，例如手术机器人系统1等手术系统大体上包含：多个手术机器人臂2、3；细长形滑件13，其联接到机器人臂2、3中的每一个机器人臂的末端；器械驱动单元20和机电器械10，其均可拆卸地附接到滑件13且配置成沿着滑件13移动；控制装置4；和操作控制台5，其与控制装置4联接。操作控制台5包含：显示装置6，其被特定地设置成显示三维图像；以及手动输入装置7、8，借助于所述手动输入装置，例如外科医生等人员(未示出)能够在第一操作模式下远程操控机器人臂2、3，如大体上为所属领域技术人员所知。

机器人臂2、3中的每一个可以由通过接合件连接的多个构件组成。机器人臂2、3可以由连接到控制装置4的电驱动器(未示出)驱动。控制装置4(例如，计算机)被设置成特定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，所附接的器械驱动单元20以及因此机电器械10根据借助于手动输入装置7、8限定的移动而执行期望的移动。控制装置4还可以被设置，其方式为使得控制装置调节器械驱动单元20沿着滑件13的移动，机器人臂2、3的移动和/或驱动器的移动。

手术机器人系统1配置成在躺在手术台“ST”上待借助于例如机电器械10等手术器械以微创方式治疗的患者“P”上使用。手术机器人系统1还可以包含多于两个机器人臂2、3，额外的机器人臂同样连接到控制装置4并可借助于操作控制台5进行远程操控。手术器械，例如机电手术器械10(包含机电末端执行器)也可以附接到额外机器人臂。

控制装置4可以控制多个马达，例如马达(马达1…n)，其中每一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可控制器械驱动单元20的多个电动马达22(图2)以驱动手术器械10的各种操作。器械驱动单元20将动力和致动力从其马达传递到机电器械10的从动构件(未示出)，以最终驱动所述机电器械10的末端执行器的部件的移动，例如刀片(未示出)的移动和/或所述末端执行器的钳口构件的闭合和打开。

对于机器人手术系统的构造和操作的详细描述，可参考标题为“医疗工作站(Medical Workstation)”的第8,828,023号美国专利，其全部内容以引用的方式并入本文中。

参考图2-6，现将详细地描述器械驱动单元20。器械驱动单元20包含滑架26和可旋转地联接到所述滑架26的远端部分26b的联轴器或套筒28，以用于将手术器械10(图1)连接到所述器械驱动单元20。器械驱动单元20的滑架26配置成可滑动地联接到沿着滑件13(图1)纵向限定的线性轨道(未示出)。滑架26的近端部分26a容纳多个电动马达22a、22b、22c、22d、22d(在本文中统称为“22”)，以用于执行所附接的手术器械10的各种功能。

器械驱动单元20的电动马达22隐藏在滑架26内。电动马达22彼此竖直地堆叠，并且可以经由控制装置4(图1)独立地致动。设置了第五电动马达或驱动马达22e，其配置成当手术器械10联接至器械驱动单元20时实现手术器械10的旋转。其余的电动马达22a、22b、22c、22d被配置为致动手术器械10的功能，如将描述的。

电动马达22是集成的AC马达。在实施例中，电动马达22可以是任何合适类型的电动马达，例如AC无刷马达、DC有刷马达、DC无刷马达、直接驱动马达、伺服马达、步进马达等。可以考虑并且在本公开的范围内，电动马达22为空心马达等的形式。还考虑其它类型的马达。虽然器械驱动单元20示出为具有五个电动马达，但考虑，所述器械驱动单元20可具有多于或少于五个电动马达。电动马达22互连，从而沿器械驱动单元20的纵向轴线“X”提供无限范围的运动。

电动马达22分别具有固定在滑架26内并且彼此相对固定的定子40a、40b、40c、40d、40e(在本文中统称为“40”)，以及可旋转地布置在对应的定子40内的转子42a、42b、42c、42d、42e(在本文中统称为“42”)。每个定子40可以是环形的，并且彼此叠置以形成空心圆柱体，如图5中最佳所示。定子40通过一根或多根延伸穿过每个定子40的杆(未明确显示)相对于彼此旋转地固定。定子40可被配置成从电源(未明确示出)接收电流以产生驱动转子42旋转的旋转磁场。

每个转子42可以被配置为永磁体、电磁体或任何其他合适的导体。转子42竖直地堆叠在由定子40形成的中空圆柱体内，并且能够绕由马达22限定的中心纵向轴线“X”相对于彼此独立地旋转。转子42分别绕管状轴60a、60b、60c、60d(本文统称为附图标记“60”)的对应的盘状构件62a、62b、62c、62d(本文统称为附图标记“62”)非旋转地固定，使得转子42的旋转导致相应的管状轴60的旋转。

管状轴60延伸穿过中央通道，该中央通道穿过堆叠的电动马达22a、22b、22c、22d，并且配置成将每个电动马达22a、22b、22c、22d与相应的驱动轴64a、64b、64c、64d(本文中统称为附图标记“64”)可操作地联接，如将描述的。管状轴60彼此同心并且可以相对于彼此独立地旋转。管状轴60a、60b、60c、60d每个分别具有暴露的近端部分70、76、80、84，以与相应的电动马达22可操作地接合，以及暴露的远端部分72、78、82、86，以与相应的驱动齿轮66a、66b、66c、66d(在本文中统称为附图标记“66”)可操作地接合。

特别参考图3-6，第一或最近侧管状轴60a具有布置在转子42a内的近端部分70，和远端部分72。第一管状轴60a的近端部分70在其周围具有固定的盘形构件62a。盘形构件62a被容纳在转子42a中并且与其非旋转地联接。在实施例中，盘形构件62a可以是可操作地联接至第一管状轴60a或转子42a中的一个或多个的齿轮。第一管状轴60a的远端部分72具有固定在其周围的环形齿轮74a。

第二管状轴60b接收第一管状轴60a，并且具有布置在转子42b内的近端部分76，和远端部分78。第一管状轴60a的近端部分70向近侧延伸超过第二管状轴60b的近端部分76，并且第一管状轴60a的远端部分72向远侧延伸超过第二管状轴60b的远端部分78。第二管状轴60b的近端部分76具有固定在其周围的盘形构件62b。盘形构件62b被容纳在转子42b中并且与其非旋转地联接。第二管状轴60b的远端部分78具有固定在其周围的环形齿轮74b。

第三管状轴60c接收第二管状轴60b，并且具有布置在转子42c内的近端部分80，和远端部分82。第二管状轴60b的近端部分76向近侧延伸超过第三管状轴60c的近端部分80，并且第二管状轴60b的远端部分78向远侧延伸超过第三管状轴60c的远端部分82。第三管状轴60c的近端部分80具有固定在其周围的盘形构件62c。盘形构件62c被容纳在转子42c中并且与其非旋转地联接。第三管状轴60c的远端部分82具有固定在其周围的环形齿轮74c。

第四或最远侧管状轴60d接收第三管状轴60c，并具有设置在转子42d内的近端部分84，和远端部分86。第三管状轴60c的近端部分80向近侧延伸超过第四管状轴60d的近端部分84，并且第三管状轴60c的远端部分82向远侧延伸超过第四管状轴60d的远端部分86。第四管状轴60d的近端部分84具有固定在其周围的盘形构件62d。第四管状轴60d的盘形构件62d被容纳在转子42d中并且与其非旋转地联接。第四管状轴60d的远端部分86具有固定在其周围的环形齿轮74d。管状轴60的环形齿轮74a、74b、74c、74d(在本文中统称为“74”)沿着由管状轴60限定的中心纵向轴线竖直地堆叠，并且与对应的驱动齿轮66介接，如将描述的。

驱动轴64在旋转地支撑在滑架26中的一对近侧板88和远侧板90之间延伸。驱动轴64均具有配置成可操作地联接至手术器械10的从动构件(未明确示出)的远端部分。例如，驱动轴64中的每一个的远端部分可具有联接器(例如，齿轮)以用于与手术器械10的从动构件的对应联接器联接。因此，在将机电器械10底部装载到器械驱动单元20中之后，所述器械驱动单元20的驱动轴64的远端部分可操作地联接到所述机电器械10的主体部分(未示出)的远端中的齿轮/联接器，使得每个驱动轴64的旋转使所述手术器械10的对应地联接的从动构件旋转，以实现手术器械的离散功能(例如，末端执行器的打开/闭合、末端执行器的关节运动等)。

驱动轴64各自具有围绕其旋转地固定的驱动齿轮66，例如正齿轮。驱动齿轮66中的每一个驱动齿轮定位在其相应驱动轴64上的离散竖直位置处，使得驱动齿轮66彼此竖直地偏移选定距离。由于除竖直地偏移之外，驱动齿轮66还沿圆周彼此间隔开，因此驱动齿轮66在所有三个维度上彼此偏移。如上所述，驱动齿轮66分别与相应的管状轴60的环形齿轮74介接或互相啮合，并从中接收来自相应转子42的扭矩。

在操作中，通过使机电器械10的主体部分在近侧方向上穿过器械驱动单元20的套筒28，所述机电器械10联接到所述器械驱动单元20。在机电器械10的主体部分附接到器械驱动单元28的套筒28的情况下，驱动轴64中的每一个的远端部分与所述机电器械10的所述主体部分的近端中的对应齿轮/联接器(未示出)介接。

在机电器械10联接至器械驱动单元20的情况下，为了致动手术器械10的特定功能，例如所述手术器械10的末端执行器的打开或闭合，器械驱动单元20的电动电机22中的一个，例如第一电动电机22a通过控制装置4(图1)被激活。第一电动马达22a的激活包括向其定子40a供应电流，这驱动其转子42a的旋转。可以考虑，电动马达22a的控制装置4或处理器(未示出)产生围绕定子40a的旋转磁场以驱动转子42a的旋转。

由于第一管状轴60a的近端部分70固定在转子42a上，因此第一管状轴60与转子42a一起旋转。固定在第一管状轴60a的远端部分72周围的环形齿轮74a也旋转，这进而使第一驱动齿轮66a旋转。由于第一驱动齿轮66a围绕第一驱动轴64a非旋转地固定，且第一驱动轴64a的远端部分可操作地联接到手术器械10(图1)的第一从动构件的近端，因此所述第一驱动齿轮66a的旋转使第一驱动轴64a旋转，由此旋转机电器械10的第一从动构件以致动所述手术器械10的相关功能。

为了使机电器械10围绕其纵向轴线旋转，器械驱动单元20的驱动马达22e由控制装置4(图1)激活。驱动马达22e的激活包括向其定子40e供应电流，这驱动其转子42e的旋转。由于转子42e非旋转地联接至近侧和远侧板88、90，因此转子42e的旋转使板88、90以及驱动轴64和附接的套筒28一起旋转。在机电器械10非旋转地支撑在套筒28中的条件下，所述机电器械10随所述套筒28相对于滑架26旋转以改变所述机电器械10的旋转定向。

驱动马达22a、22b、22c、22d可配置成同时使转子42a、42b、42c、42d旋转，并且继而随着套筒28旋转而使驱动齿轮66a、66b、66c、66d旋转。这将防止在套筒28旋转期间驱动轴64a、64b、64c、64d相对于环形齿轮74a、74b、74c、74d的旋转，如果在套筒28旋转期间允许驱动齿轮66相对于环形齿轮74旋转，则这否则可能发生。相反，第五马达22e可配置成抵消由其他四个驱动马达22a、22b、22c、22d输出的任何扭矩，以防止套筒28的意外旋转。

如可了解，上文所描述的器械驱动单元20提高手术机器人系统1的可用性、减少整个系统1的占地面积、改进安全架构、减少在紧急情况下移除手术器械所需的时间且简化在所述器械驱动单元20中使用的电子设备。

应理解，可对本文所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，而仅仅是作为各种实施例的例证。所属领域的技术人员将设想在本文所附的权利要求书的范围和精神内的其它修改。

Claims (20)

1.一种用于在机器人手术系统中使用的器械驱动单元，所述器械驱动单元包括：

滑架，其配置成联接到机器人臂；

多个驱动轴，其旋转地支撑在所述滑架中；

多个电动马达，所述多个电动马达中的每个电动马达包括定子和设置在所述定子内的转子；和

多个驱动齿轮，所述多个驱动齿轮中的每个驱动齿轮固定至所述多个驱动轴中的相应驱动轴，并且可操作地联接至相应的转子，其中每个转子配置成使所述多个驱动轴中的相应驱动轴响应于所述多个电动马达中的相应电动马达的激活而旋转，以致动机电手术器械的功能。

2.根据权利要求1所述的器械驱动单元，其中每个定子相对于所述滑架固定，并且每个转子相对于对应的定子并且在对应的定子内可旋转。

3.根据权利要求2所述的器械驱动单元，其中所述多个电动马达在所述滑架内竖直堆叠。

4.根据权利要求1所述的器械驱动单元，其进一步包括：

套筒，其旋转地联接到所述滑架的远端部分，并且被配置成非旋转地保持所述机电手术器械；和

驱动马达，其包括：

固定在所述滑架内的定子；和

设置在所述驱动马达的定子内并且非旋转地联接到所述套筒的转子，其中所述驱动马达的转子配置成使所述套筒绕由所述滑架限定的中心纵向轴线旋转。

5.根据权利要求1所述的器械驱动单元，还包括多个同心的管状轴，所述多个管状轴中的每个管状轴具有非旋转地联接至对应的转子的近端部分和可操作地联接至所述多个驱动齿轮中的相应的驱动齿轮的远端部分。

6.根据权利要求5所述的器械驱动单元，其中所述多个管状轴中的每个管状轴的近端部分同心地设置在对应的转子内，以使所述多个电动马达之一的转子的旋转导致所述多个管状轴中的相应管状轴的旋转。

7.根据权利要求6所述的器械驱动单元，其中所述多个管状轴中的每个管状轴的近端部分具有固定在其周围且非旋转地联接至对应的转子的盘形构件。

8.根据权利要求5所述的器械驱动单元，其中所述多个管状轴中的每个管状轴的远端部分具有固定在其周围并与所述多个驱动齿轮中的对应的驱动齿轮介接的环形齿轮。

9.根据权利要求8所述的器械驱动单元，其中所述环形齿轮沿着由所述多个管状轴限定的中心纵向轴线层叠。

10.根据权利要求5所述的器械驱动单元，其中所述多个管状轴中的第一管状轴的近端部分向近侧延伸超过所述多个管状轴中的第二管状轴的近端部分，以及第一管状轴的远端部分向远侧延伸超过第二管状轴的远端部分。

11.根据权利要求5所述的器械驱动单元，其中所述多个电动马达中的第一电动马达和所述多个驱动齿轮中的第一驱动齿轮经由所述多个管状轴中的第一管状轴可操作地彼此联接且沿着由第一管状轴限定的纵向轴线竖直地彼此间隔开。

12.根据权利要求5所述的器械驱动单元，其中所述多个管状轴相对于彼此独立地旋转。

13.根据权利要求1所述的器械驱动单元，其中所述多个驱动齿轮彼此竖直地偏移。

14.根据权利要求1所述的器械驱动单元，其中所述多个驱动轴中的每个驱动轴具有配置成用于与所述机电手术器械的对应从动构件介接的远端部分。

15.一种用于在机器人手术系统中使用的器械驱动单元，所述器械驱动单元包括：

滑架，其配置成联接到机器人臂；

多个电动马达，其被支撑在所述滑架中，所述多个电动马达中的每个电动马达包括定子和设置在所述定子内的转子；

多个驱动轴，其配置为与机电手术器械的对应从动构件介接；和

延伸通过所述多个电动马达的多个同心的管状轴，所述多个管状轴中的每个管状轴具有非旋转地联接到相应的转子的近端部分，以及可操作地联接到所述多个驱动轴中相应的驱动轴的远端部分，其中每个转子配置成使所述多个驱动轴中的相应驱动轴响应于所述多个电动马达中的相应电动马达的激活而旋转，以致动所述机电手术器械的功能。

16.根据权利要求15所述的器械驱动单元，其中所述多个驱动轴中的每个驱动轴具有固定在其周围的驱动齿轮，每个驱动齿轮相对于彼此布置在离散的竖直位置处。

17.根据权利要求16所述的器械驱动单元，其中所述多个管状轴中的每个管状轴的远端部分具有固定在其周围并与所述多个驱动齿轮中的对应的驱动齿轮介接的环形齿轮。

18.根据权利要求15所述的器械驱动单元，其中所述多个管状轴中的每个管状轴的近端部分同心地设置在所述多个电动马达之一的对应的转子内，以使所述转子的旋转导致所述多个管状轴中的相应管状轴的旋转。

19.根据权利要求15所述的器械驱动单元，其中所述多个管状轴中的每个管状轴的近端部分具有固定在其周围且非旋转地联接至对应的转子的盘形构件。

20.根据权利要求15所述的器械驱动单元，其中所述多个管状轴中的第一管状轴的近端部分向近侧延伸超过所述多个管状轴中的第二管状轴的近端部分，以及第一管状轴的远端部分向远侧延伸超过第二管状轴的远端部分。

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