CN114423369A - 用于机器人控制的手术器械的紧凑致动构型和可扩展器械接纳器 - Google Patents

Abstract

一种机器人系统组件，该机器人系统组件包括：机器人操纵器，该机器人操纵器包括致动器组件；以及手术器械，该手术器械具有能够安装至致动器组件的基部本体。基部包括第一控制输入部和第二控制输入部，其中，第一控制输入部和第二控制输入部定位于基部的不同侧部上。致动器组件能够在打开位置与关闭位置之间移动，以促使移除和更换手术器械。当处于关闭位置时，致动器组件的驱动元件定位成驱动手术器械的第一控制输入部和第二控制输入部，以引起端部执行器运动或致动。

Description

用于机器人控制的手术器械的紧凑致动构型和可扩展器械接 纳器

本申请是2019年12月31日提交的美国申请16/732,307的部分继续申请，该美国申请16/732,307要求以下美国临时申请的权益：2019年7月17日提交的US 62/874,988和2018年12月31日提交的US 62/787,254。该申请还要求下述美国临时申请号的权益：2019年7月17日提交的US 62/874,988、2019年7月17日提交的US 62/875,003、2019年7月17日提交的US 62/874,985以及2019年7月17日提交的US 62/874,982。

技术领域

本发明涉及手术装置和系统的领域，该手术装置和系统包括使用机电致动的那些手术装置和系统。

背景技术

市场上存在或正在开发各种类型的手术机器人系统。一些手术机器人系统使用多个机器人臂。每条臂承载手术器械或者承载用于从本体内捕获图像以显示在监视器上的照相机。典型的构型允许两个或三个器械和照相机由系统支承和操纵。系统的输入是基于来自位于主控制台处的外科医生的输入生成的，通常使用输入装置、比如输入手柄进行输入。基于用户输入控制手术器械和照相机的运动和致动。由照相机捕获的图像显示在外科医生控制台处的显示器上。控制台可以位于患者侧部、无菌区域内或无菌区域的外部。

机器人臂/操纵器包括通常位于臂的终端端部处的部分，该部分被设计成支承和操作手术装置组件。手术装置组件包括具有轴和位于轴上的远端端部执行器的手术器械。端部执行器能够定位在患者体内。

通常，器械轴上的近端壳体包括致动机构，该致动机构接收从驱动器械的功能的致动器传递的运动。端部执行器可以是用于手术的多种不同类型的端部执行器中的一种，包括但不限于具有以下特征中的一种或更多种特征的端部执行器：打开和关闭的夹爪、位于轴的远端端部处的以一个或更多个自由度弯曲或铰接的部段、相对于轴轴向滚动的梢部、相对于操纵器臂轴向滚动的轴。用于驱动端部执行器的运动的器械致动器通常位于机器人操纵器的终端部分中，上述器械致动器可能是马达或其他类型的马达(例如液压/气动马达)。在某些情况下，器械致动器定位于手术装置组件的近端壳体中，并且对于其他构型，一些器械致动器位于近端壳体中，而其他器械致动器位于机器人操纵器中。在后一示例中，端部执行器的一些运动可以使用位于操纵器的终端部分中的一个或更多个马达来驱动，而其他运动可以使用位于近端壳体中的马达来驱动。

在手术过程期间，这些器械是能够更换的，从而允许从操纵器中移除一个器械并用另一器械替换。将近端壳体与操纵器处的致动器界面接合可能涉及使用将器械刚性地对接至操纵器以便抵抗来自机器人和患者的外部力的机械卡扣、磁性接合件或滑动界面。存在与手术器械接合的机械界面。在该界面处，使用机器人操纵器内的器械致动器产生的运动被传递至近端壳体的一个或更多个机械输入部，以控制器械的自由度，并且如果适用的话，还控制器械的夹爪的打开关闭功能。该运动可以通过定位于无菌器械与非无菌操纵器臂之间的遮盖物来传递。在一些当前的机器人系统中，机械控制界面包括仅设置在器械的一个侧部或平面上的致动器。例如，在US 6491701中所示的构型中，接收机械运动的所有从动元件118都位于壳体108的在器械轴102的近端端部处的同一面上。

在US 9358682中所示的实施方式中，横向滑动销314从安装至器械的近端端部的壳部的一个侧部上侧向延伸。横向滑动销314能够移动以打开和关闭器械的夹爪(专利的图18)。当器械安装至操纵器臂时，滑动销314由操纵器臂中的对应部件430(图19)接纳。当需要打开/关闭夹爪时，部件430通过操纵器臂的腹腔镜器械致动器400中的马达在承载件上平移，从而推进滑动销314以致动夹爪。美国申请2016/20160058513还示出了一种机器人控制的手术器械，该手术器械以可移除的方式附接至操纵器臂，并且描述了一种类似的构型，在该类似的构型中，滑动销用于夹爪致动。该美国申请还描述了一种系统，该系统不仅可以提供夹爪致动，还可以提供器械端部执行器的附加机电驱动运动、比如关节运动或旋转。然而，用于这些附加运动的马达被围封在器械的近端端部处的壳体中，并且因此不需要将来自臂中的马达的机械运动传递至壳体的机械致动器。

该申请描述了一种机器人控制的手术器械，该手术器械在其近端端部处具有多个机械致动器。这些机械致动器布置成接收从操纵器臂内的机电致动器传递的运动，以便驱动各种端部执行器功能或运动比如夹爪致动、俯仰、滚动和/或偏航。致动器布置在紧凑并且允许操纵器臂与不同尺寸的器械或适配器接合的构型中。所描述的实施方式还使得能够将器械或适配器构造成使得致动界面可以存在于器械或适配器的超过一个的表面、包括彼此背离的表面上。

附图说明

图1是机器人辅助手术系统的立体图，在该机器人辅助手术系统上可以包括本文中所描述的构型；

图2是其上安装有接纳器和器械组件的机器人操纵器臂的立体图；

图3是示出了图2的接纳器和从接纳器分开的手术器械的立体图；

图4示出了基部被移除的手术器械；

图5示出了手术器械的近端部分；

图6与图5类似，但示出了壳体的一部分被移除；

图7与图6相似，但示出了上承载件的一部分被移除；

图8示出了图2的接纳器；

图9与图8类似，但示出了臂的一部分被移除；

图10是接纳器的一个臂的承载件和马达组件的侧视图；

图11是用于器械基部的承载件的替代实施方式；

图12和图13是用于接纳器的臂中的一个臂的承载件的替代实施方式的立体图；

图14和图15是接纳器的俯视平面图，分别示出了接纳器处于打开位置和关闭位置；

图16是示出了安装至接纳器的器械的立体图；

图17是示出了接纳器的杆和连杆的立体图；

图18与图15类似，但示出了接纳器壳体的一部分被移除以允许看到扩展机构；

图19是图17的器械和杆以及相关的马达的侧视图；

图20A是示出了接纳器在被覆盖时的状态的立体图；

图20B与图16类似，但示出了遮盖物处于适当的位置；

图21是遮盖物连接器的立体图；

图22是器械的基部的后视平面图；

图23是基部的替代性实施方式的立体图；

图24与图23类似，但示出了壳体的一部分被移除；

图25是示出了图23的实施方式的带轮机构中的一个带轮机构和弹簧的立体图。

图26A示出了具有一体式EMI屏蔽件的遮盖物的示例；

图26B是图26A中所示的遮盖物的一部分的横截面图；

图26C与图26B类似，但示出了包括结合到遮盖物中的电连接器和终端的实施方式

图27与图16类似并且还示出了设置在操纵器端部执行器上的图形用户界面。

图28与图27类似，但图示了在手动重新定位操纵器期间向用户提供力反馈的特征。

具体实施方式

尽管本文中描述的概念可以用于各种机器人手术系统，但将参照图1中所示类型的系统来描述各实施方式。在图示的系统中，外科医生控制台12具有两个输入装置、比如手柄17、18。输入装置12构造成由用户操纵以生成用于命令机器人控制的装置在多个自由度上运动的信号。在使用中，用户选择性地将两个手柄17、18分配给机器人操纵器13、14、15中的两个机器人操纵器，从而允许外科医生以任何给定时间控制设置在工作现场(在病床2上的患者)处的手术器械10a、10b和10c中的两个手术器械。为了控制设置在工作现场处的器械中的第三个器械，两个手柄17、18中的一个手柄可以与最初的两个器械中的一个器械操作性地断开接合，并且然后与第三器械操作性地配对，或者另一形式的输入可以控制第三器械，如在下一段落中所描述的。可以可选地提供图1中未示出的第四机器人操纵器以支承和操纵附加器械。

器械10a、10b、10c中的一者是捕获体腔中的手术视野的图像的照相机。照相机可以通过其对应的机器人操纵器使用来自各种类型的输入装置的输入来移动，输入装置包括但不限于手柄17、18中的一者、控制台上的附加控件、脚踏板、眼动仪21、语音控制器等。控制台还可以包括显示器或监视器23，该显示器或监视器23构造成显示由照相机捕获的图像，并且用于可选地显示系统信息、患者信息等。

控制单元30可操作地连接至机器人臂和用户界面。控制单元接收来自输入装置的与手术器械的期望运动相对应的用户输入，并且使机器人臂相应地操纵手术器械。

输入装置17、18构造成由用户操纵以生成信号，这些信号由系统处理以生成用于命令操纵器的运动的指令，以便在多个自由度上移动器械，并且适当地控制对器械端部执行器的运动和/或致动进行驱动的机电致动器/马达的操作。

传感器可以可选地用于确定由机器人手术工具在使用期间施加给患者的力。例如，手术机器人操纵器上的力/扭矩传感器可以用于确定在控制台处向外科医生提供力反馈所需的触觉信息。标题为“Force Estimation for a Minimally Invasive RoboticSurgery System(用于微创机器人手术系统的力估算装置)”的美国专利9855662描述了一种手术机器人系统，在该手术机器人系统中，传感器用于确定由机器人手术工具在使用期间对患者施加的力。该美国专利9855662描述了将附接至手术机器人操纵器的6DOF力/扭矩传感器的使用作为用于确定在用户界面处向外科医生提供力反馈所需的触觉信息的方法。在当前公开的实施方式中，这种类型的传感器可以可选地定位在接纳器104上或刚好靠近接纳器104。手术系统允许手术室医务人员根据手术需要移除和更换由机器人操纵器承载的手术器械10a、10b、10c。当需要更换器械时，手术人员从操纵器臂移除器械并用另一器械替换该器械。

通常，该组件包括具有基部的手术器械，该基部构造成使得其从动构件(该从动构件接收机械驱动输入以致动器械的端部执行器的功能)设置在位于器械的近端端部处的基部的超过一个的侧部、面、小平面或平面上。基部是在使用中由臂接纳的基部，在该臂内是驱动机械输出部的机电致动器或液压致动器。为了保持手术器械的无菌性，该系统被设计成促使使用定位在器械的基部与臂上的对应机械驱动输出部之间的手术单。将器械致动器定位在器械的超过一个的侧部、小平面、面或平面上有助于分散由这些致动器施加在遮盖物上的力和变形量，从而允许将多个机械输入传递至器械，同时保留遮盖物。

参照图2和图3，本申请描述了手术器械102和接纳器104的组件100。接纳器104构造成以可移除的方式接纳器械102。接纳器可以安装至支承件或操纵器15，该支承件或操纵器15可以是在过程期间以一个或更多个自由度对器械102进行自动操纵的机器人操纵器，或在用于机器人手术系统的手术器械的手术实施方式的过程期间保持静止的支承件。当组装手术器械102和接纳器104时，接纳器将由接纳器104或臂15中的机电致动器(例如，马达或液压/气动致动器)产生的运动传递至器械的机械致动器以引起器械的一部分的运动。运动类型的示例包括但不限于一个或更多个自由度(俯仰、偏航)的铰接、一个或更多个自由度的弯曲、端部执行器滚动、夹爪致动等。如上所述，外科医生移动输入装置17、18(图1)向系统提供输入，并且系统处理该信息以开发用于相关机电致动器的命令，以便移动器械并在适当时操作器械端部执行器。

手术器械102包括长形轴106，长形轴106优选地是刚性的，但在替代性系统中长形轴106可以是挠性的或部分挠性的。端部执行器108定位于轴106的远端端部处，并且近端本体或基部组件110定位于近端端部处。基部组件110(也将被称为“基部”)可以包括封闭结构或部分封闭结构、比如壳体或箱体，或者基部组件110可以是框架或板。基部110包括暴露于手术器械102外部的机械输入致动器112。在图3中，两个致动器112暴露在基部110的第一侧面处。第二组两个致动器112暴露在基部110的相反的第二侧面处，优选地但可选地具有与图3中所示的构型相同或相似的构型。参见图22中所示的基部110的后视图。

致动器112中的每个致动器能够相对于基部110在第一位置与第二位置之间移动。在附图中所示的具体构型中，致动器能够相对于壳体在比如图3中所示的第一(更远端)位置与第二(更近端)位置之间纵向移动。然而，运动方向不需要是纵向的并且可以沿任何方向延伸。

在该构型中，基部组件因此具有暴露于其外部的四个驱动输入部122。在该构型中，基部具有两个平行的平坦的面，其中，这些输入部中的两个输入部定位于面中的每个面上。尽管可能优选地在近端本体的相反侧部上包括输入部，但是可以替代地使用输入部在近端本体的多个面上的其他布置结构。这些构型中的每个构型有利地以最大化控制输入部之间的距离的方式布置驱动输入部，从而如下文所述的使无菌遮盖物中的应力最小化，该无菌遮盖物定位于近端本体与接纳器104之间。

参照图4，驱动电缆114延伸通过轴106至端部执行器108。在所公开的系统中可以使用具有多种功能中的任一功能的许多不同类型的器械。附图中描绘的器械是在于2019年12月31日提交的(代理人编号：TRX-12700R)、标题为Articulating Surgical Instrument(铰接手术器械)的共同拥有的共同待决申请No.16/732,306中所描述的类型，该申请通过参引并入本文中。该器械使用四根驱动电缆114，四根驱动电缆114中的两根驱动电缆在夹爪构件中的一个夹爪构件处终止，并且四根驱动电缆114中的另外两根驱动电缆在另一夹爪构件处终止。这可以是在端部执行器处环绕的两根电缆(因此，每个电缆环的两个自由端部中的每个自由端部位于近端端部处)，或者也可以是四根单独的电缆。如在共同待决申请中所描述的，电缆上的张力以不同的组合变化，以影响夹爪构件的俯仰和偏航运动以及夹爪打开关闭功能。与该系统一起使用的其他器械将具有其他数目的电缆，具体数目由器械功能、器械的自由度和器械的致动部件的特定构型决定。注意的是，在本说明书中，术语“肌腱”、“线”和“电缆”被广泛使用以涵盖可以用于所述目的的任何类型的肌腱。

四根电缆延伸至基部110组件。在该实施方式中，在基部包括壳体的情况下，线缆从轴106延伸到壳体中，在该壳体中线缆接合至致动器112。图6示出了基部，其中，壳体的一部分被移除以允许更清楚地看到致动器112的。每个致动器112包括能够沿着轨道120移动的承载件118。在该实施方式中，这些结构被定向成用于承载件的纵向运动，但在其他实施方式中，运动可以沿不同的方向。承载件118的一部分通过基部中的窗口暴露，并且包括驱动输入部或构件122，该驱动输入部或构件122从承载件侧向地延伸并且可以可选地延伸通过窗口的最外平面(参见图5)。在图7中，用于上致动器的承载件被部分拆卸，示出了电缆114的近端端部安装至承载件118。电缆可以围绕带轮延伸或延伸通过由基部组件的特征限定的电缆路径。在该构型中，第二电缆端部类似地连接至图7中的下致动器的承载件118，并且剩余的两个电缆端部在基部100的相反面(未示出)处连接至承载件。以这种方式，基部组件布置成具有暴露于基部的至少两个侧部或面处的致动器112。每个致动器112连接至电缆114中的一个电缆，使得致动器相对于基部沿第一方向的运动增加了对应的电缆上的张力，并且致动器沿第二方向、不同(或相反)方向的运动降低了该电缆上的张力。在所图示的实施方式中，致动器承载件118沿近端方向的运动增加或减小(取决于线缆的布线)该线缆上的张力，并且承载件沿远端方向的运动对线缆张力具有相反的影响。

在该实施方式中，伸长弹簧124连接在基部的承载件118与支承结构之间(在这种情况下，连接至将壳体内部分成两个侧向相邻的区域的外壳体126或隔板128)。向承载件施加力以使承载件沿抵抗弹簧力的方向(在这种情况下为远端方向)主动移动增加了对应的电缆上的张力。当施加的力被释放时，弹簧力将使承载件移动回至初始位置或朝向初始位置移动，并减小电缆上的张力。在其他实施方式中，承载件可以替代地沿两个方向主动移动，而不是在一个运动方向上使用弹簧力。

参照图8，所图示的实施方式的接纳器104具有大致U形形状的横截面，该接纳器104具有两个长形侧部和横跨在两个侧部之间的坐置部。“U”形的侧部由一对向远端延伸的臂部段130a、130b形成，臂部段130a、130b给接纳器提供了开口，当组装系统时，基部110被接纳到该开口中(图3)。也将被称为“驱动输出部”的驱动构件132从臂部段130a、130b向内延伸。驱动构件132定位成使得当器械安装至接纳器104时，器械的每个驱动输入构件122(图5和图6)与驱动输出构件132中的对应的一个驱动输出构件接触。在图8中能够看到两个驱动构件132。另外两个驱动构件从臂130b延伸，但在图中被遮挡。在图9中，臂130a的一部分被移除以示出驱动构件132由容纳在臂130a、130b内的承载件134承载。接纳器104(图10)内的马达136驱动承载件134的线性运动，并且因此驱动驱动构件132沿着它们相应的臂部段132a、b的线性运动。

接纳器的驱动构件132与器械的驱动构件的对应的从动构件122之间的接触类型是基于传递至从动构件122的驱动运动的性质来选择的。在所示的线性驱动构型中，部件可以构造成使得可以由接纳器的对应的驱动部件推动、拉动或既推动又拉动器械的承载件。另外，不同的承载件可以不同地构造，其中，仅推动一些承载件并且仅拉动另一些承载件(或推动、拉动和双向驱动中的某种其他组合)。

在沿单个方向驱动运动的情况下，驱动构件132与从动构件122之间的接触仅需要沿运动方向。在图3至图10中，驱动构件132和从动构件122构造成使得驱动构件132沿远端方向推动从动构件，但由于结合图7所讨论的弹簧124的存在而不必沿近端方向拉动从动构件。因此，每个驱动构件132的面向运动方向(此处为远端方向)的面或区域接触从动构件122。因此，在该示例中，驱动构件和从动构件不必要相互配合或以其他方式接合，尽管驱动构件和从动构件可以相互配对或以其他方式接合。替代地，这些构件122、132可以简单地构造成具有彼此接触的相对表面(该表面可以可选地是平坦的)。如果在该实施方式中沿近端方向而不是远端方向驱动运动，则驱动构件的近端面将接触从动构件。

在其他实施方式中，沿两个方向驱动从动构件的运动。在诸如附图中所示的线性驱动布置中，这可能意味着驱动构件既可以拉动从动构件又可以推动从动构件。在这样的实施方式中，驱动构件和从动构件构造成接合、配合或以其他方式设计成进行接触而不管运动方向如何。例如，图11示出了用于器械的替代性承载件120a，承载件120a包括定形状成与驱动构件132(图10)配合的从动构件122a。

图12示出了接纳器承载件，在该接纳器承载件上的驱动构件132a包括凹形接纳部的壁，该凹形接纳部定形状成接纳图5中所示类型的从动构件122。图13示出了具有两种不同驱动构件设计的接纳器承载件。位于上承载件上的驱动构件132与先前讨论的那些驱动构件类似。位于下承载件上的驱动构件132a包括凹形接纳部的壁，该凹形接纳部定形状成接纳图5中所示类型的从动构件122。在该构型中，上承载件可以沿单一方向驱动对应的从动构件(推动或拉动)，而下承载件可以以推动和拉动的方式驱动对应的从动构件。

接纳器104可以是扩展成接纳基部110的接纳器。在该实施方式中，接纳器104能够通过增加臂130a、130b之间的间隔从关闭位置移动至打开位置。一旦移动至打开位置，则可以移除由接纳器保持的任何器械，并且可以接纳第一器械或替换器械的基部。当接纳器从打开位置移动至其中基部110被接纳器104捕获的关闭位置时，接纳器也能够移动以减小臂之间的间隔。当在于臂130a、130b之间具有基部110的关闭系统中时，基部的驱动输入部122与接纳器的驱动输出部132操作性地接合(尽管不一定如上文所讨论的那样物理地接合)。

可以以多种方式实现扩展。在附图中所示的示例中，臂130a、130b在打开位置(图14)与关闭位置(图15)之间枢转。在其他构型中，臂130a、130b可以平行移动。当接纳器关闭以接合器械的基部时，接纳器104的臂到达基部110的两个侧部周围以保持基部并将驱动输出部定位在臂将移动驱动输入部以致动如所描述的器械的自由度或其他功能的位置处。

可以通过使臂朝向/远离另一臂移动而选择性地手动或机电地打开和/或关闭接纳器。在第一实施方式中，臂130a、130b通过可旋转的杆或旋钮138相对于臂的近端端部枢转，该可旋转的杆或旋钮138具有从其向外盘旋的连杆140。当杆/旋钮沿第一方向手动旋转时，连杆140将臂130a、130b移动至打开位置。使杆/旋钮沿相反方向旋转使臂凸轮运动至关闭位置。另外或作为替代方案，连杆140可以通过马达142的致动而旋转。接纳器104上的开关144可以由手术助理使用以启用马达142以便在器械交换期间容易地打开并且然后关闭接纳器。

该系统可以包括在操纵器臂的致动器组件打开时促使器械适配器的对准和保持的特征。示例包括基部110或接纳器104上的凸部146，凸部146被接纳在接纳器104或基部110的对应坐置部148(图20)中。基部110的近端面可以另外包括对准特征。图22示出了接纳凸形部分150(图21)的凹形部分150(例如，凹部、凹口、孔或类似的对准特征)，如下文结合遮盖物所讨论的。因此，该实施方式在基部110的三个侧部上具有接合和/或控制特征。应该理解的是，控制点(驱动输入部)可以存在于基部的任何一侧部上，并且可以通过接纳器/操纵器的任意机电致动器被致动，或通过床边的操作人员被致动。另外，这些控制点可以共享轴、具有平行轴线、沿同一平面线性滑动、或者可以是不相关的运动(即，非平坦的、非平行的或未共享同一轴线)的组合。

最后，不要求基部具有限定的平面或界面点。例如，适配器本体本质上可以是球形或圆柱形的，其中，控制点布置成跨过本体的表面。

第二实施方式与第一实施方式相似，具有“U”形构造，但不是使“U”形部的两个侧部成一定角度以到达打开位置，而是在保持内部表面平行的同时使侧部扩展。在该实施方式中，可以使用四杆机构，该四杆机构与杆或旋钮系统或马达配合来驱动系统的打开和关闭。

这些概念中的每个概念都允许扩展“U”形侧部之间的空间，并且此特征使得能够接受用于器械、照相机或其他适配器(例如，照相机或器械的近端端部上的可移除适配器，从而允许来自不同制造商的照相机或器械与系统一起使用)的不同宽度的基部。对于具有不同宽度的基部的器械而言，系统会识别器械并关闭适当的量以牢固地保持器械基部或适配器。例如，非接触式簧片开关板可以被用于识别不同宽度的器械或适配器。一个数字读数将导致臂130a、130b之间的30mm空间的闭合，而另一数字读数可能导致40mm。对于机械解决方案而言，杆系统可以用于器械在杆系统上以不同距离推动的情况。例如，杆系统可以允许0mm至4mm的输入，其中，0mm是完全打开的，并且4mm是完全关闭的。一个器械可以推动4mm以在臂130a、130b之间产生30mm的空间或完全闭合，而另一器械可以推动3mm以产生40mm的空间。

应该注意的是，可以调整“U”形部的形状和尺寸以及由臂130a、130b限定的空间以适应多种器械或适配器。另外，虽然“U”形形状对于该应用可能是优选的，但是可以使用具有至少两个部分相对的侧部的其他形状，其中，侧部可以不具有平行的相对面。

“U”形形状的实施方式的另一优点是能够接合一些器械使得器械共享接纳器的轴线，但是接合其他器械使得器械不共享轴线。例如，与照相机系统接合的接纳器可能能够保持照相机，使得照相机轴和接纳器轴线相对于彼此成高达90度的角度。这将允许照相机和灯线“穿过”接纳器，而不必绕过接纳器。其他器械、比如谐波能量装置或订书机也可以受益于该特征，同时允许器械的质量尽可能接近6DOF力传感器。

参照图20A和图20B，接纳器104通常是在附接无菌手术器械之前由无菌遮盖物154或屏障覆盖的非无菌部件。在驱动元件与从动元件之间的界面处，上述运动通过遮盖物传递以控制器械的自由度。在遮盖物154的一个实施方式中，遮盖物材料定形状成与接纳器的几何形状相配合，该遮盖物具有两个“指状部”以覆盖打开和关闭的臂130a、130b。最好确保遮盖物与接纳器适当地定向，并且用于器械的区域对于要接合和移除的器械是清晰的。在该实施方式中，遮盖物包括嵌入的塑料“遮盖物连接器”156，“遮盖物连接器”156粘附成使得连接器具有延伸至遮盖物的两个侧部的几何形状。遮盖物连接器的一个侧部包括与位于接纳器104的坐置部中的凹形部分(例如凹部、锥形凹口、孔或类似的对准特征)配合的配合销、柱、锥形元件等，而另一侧部在基部的近端面上与凹形部分150配合。配合销可以为操纵器和器械以及遮盖物和器械的取向提供保持力。

在该实施方式中，遮盖物连接器的中央凹形元件152具有两个圆环，圆环允许配合几何结构卡入，从而提供保持力。在这种情况下，配合几何结构可以是螺旋弹簧。在遮盖过程期间，遮盖物定位在接纳器的臂130a、130b上。遮盖物连接器156的面向内的面定位成使得凹形构件插入到位于接纳器的坐置部处的凹形部分中，并且遮盖物连接器的面向外的面类似地卡扣成与器械基部110的近端面接合。

因为遮盖物连接器延伸穿过遮盖物的两个侧部，因此该遮盖物连接器可以被用作各种机械、电气、光学或其他任务的无菌导管。下面列出了这些特征或任务的非包含性列表。

·遮盖物连接器可以被用于在机器人操纵器与器械之间提供电信号，电信号包括电源、接地、通信等。

ο该电能可以被用于为器械识别装置比如RFID收发器、照相机、接近传感器或开关(包括霍尔传感器和簧片开关)供电。这些装置可能能够确定什么器械轴附接至给定的基部/适配器，同时允许某些基部/适配器对于各种器械类型是通用的。

ο该能量还可以为诸如力和扭矩或移位装置之类的传感器供电，以作为测量器械或器械适配器内的活动的方式。这些测量可以实现更好的器械控制或用户反馈、比如力反馈或触觉响应。

ο该电能可以被用于单极/双极或先进的能量装置，无需在操纵器旋转时可以围绕操纵器或器械卷绕的电缆。

·遮盖物连接器可以被用于在机器人操纵器与器械之间提供光信号或光传输

ο这些光信号可以用于通信目的，包括经由光谱学或其他方法进行器械识别的目的

ο这些光信号可以与棒状透镜仪器配合以获得术中视点，而无需像其他内视镜那样使用摄像头

ο光信号可以与传感器耦合，比如说与用于测量偏转的光纤耦合。这种偏转可以用于解释器械或适配器上的力。

遮盖物连接器也可以被用于其他特征。在该实施方式中，例如，基部的近端表面具有冲洗端口，该冲洗端口意在用于在手术过程之后清洁器械适配器和器械轴。如果在过程期间保持打开，则该冲洗端口是CO2从操作部位排出的泄漏路径。遮盖物连接器用于堵塞此冲洗端口，从而消除泄漏路径，同时还消除了器械适配器中的部件、比如止回阀或弹性冲洗端口覆盖件。

第二实施方式

如所讨论的，在第一实施方式中，组件构造成将推动/拉动变化的线性运动从驱动输出部传递至驱动输入部，但其他实施方式可以设想在其中可以传递旋转运动或线性运动和旋转运动的组合。参见例如图23至图25的第二实施方式，图23至图25示出了替代的基部110b。在此，驱动元件122b中的每个驱动元件从带轮123延伸，该带轮123以可旋转的方式安装至基部内的结构(例如，隔板)。每根电缆联接至带轮123中的对应的一个带轮。驱动输出部132(图8)的线性运动导致对应的带轮123旋转，并且因此改变电缆中的张力。如结合第一实施方式所述，这影响端部执行器的运动或致动。伸长弹簧125可以用于当驱动构件移除或减小作用于驱动构件的力时以类似于通过第一实施方式所述的方式使带轮返回至未偏置位置。

结合EMI屏蔽件的遮盖物

操纵器和相关部件可以由使用适用于手术遮盖物的各种材料类型的遮盖物覆盖。接下来将结合图26A至图26C描述可以使用的遮盖物的一个示例。应当注意，该遮盖物可以用于遮盖所公开的部件、遮盖除上述那些部件之外的替代性手术机器人系统的部件、以及遮盖无菌装备(除手术机器人系统之外)的许多其他部件。

如果与此处描述的实施方式一起使用，则在将近端本体110插入致动器组件之前，可以将遮盖物如图20A和图20B中所示的定位在该实施方式的接纳器104上方。

遮盖物200由可拉伸的多层聚合物形成，该聚合物包含印刷有导电(或绝缘)油墨204的集成电路。印刷电路可以用作挠性法拉第笼以屏蔽所包含的装置免受静电放电和/或电磁干扰。油墨可以印刷成网状图案或适合形成法拉第屏蔽的其他图案。印刷电路还可以用作无源功能电路、比如电容传感(按钮)、电阻传感(应变测量)、天线(RFID)等。印刷迹线可以夹持在遮盖物材料的叠层202之间。在电信号要从遮盖物的一侧传输至另一侧的情况下，印刷迹线可以连接至导电垫205，以用于将电信号传输到印刷电路中和传输出印刷电路。同样地，印刷电路可以连接至模制部件和特征、比如连接器210和通孔208。遮盖物可以采用任何所需的形式，并且可以由平的材料板(或卷)形成。

遮盖物200提供了一种屏蔽器械驱动器免受可能安装至该器械驱动器的高能器械产生的ESD或EMI影响的低成本且高效的方法。在屏蔽应用中，该方法降低了设计装置中的移动接口之间的电气密封件(比如，弹簧)的复杂性，并且无需在外部覆盖件上添加导电镀层。该方法还可以用于跨越封闭装置中的间隙，否则这些间隙可能难以屏蔽。该方法还可以为手术机器人臂上的远端遮盖物增加功能性。

操纵器上的图形用户界面

图形用户界面可以定位于操纵器上。该特征可以应用于任何手术机器人操纵器，并且虽然该特征适合于与上述构型一起使用，但它同样适合于在其他手术机器人系统的部件上使用。

在一些机器人系统中，为了手术人员的方便，可以在每个操纵器上的一个或更多个位置中使用颜色编码、颜色编码带、数字或其他标记来单独识别每个操纵器。另外，支承每个操纵器的推车可以包括用于显示错误消息的屏幕以及用于指示机器状态的一系列灯。

有时在手术过程期间，手术助理或其他操作室员工可能需要重新定位操纵器。这可以通过向机器人臂施加手动力并将机器人臂物理地移动至期望取向或位置来完成。这可以是与现有技术的系统一样的纯手动活动，或者它可以是动力辅助活动。在任一情况下，当用户执行手动驱动的运动时，通知用户关于器械上的力将是有利的。通常，为了在没有从外科医生控制台主动遥控操作操纵器时使操纵器移动，用户采取行动(例如，同时按压操纵器上的两个按钮)来解锁操纵器，以便她/他可以手动地将操纵器的端部执行器移动至期望位置。

本节描述的实施方式在无论操纵器的端部执行器的取向如何用户都可以容易地接近的操纵器臂上的单个位置处整合了器械状态和错误消息通信、操纵器识别以及用户容易地接近触摸点以操纵臂的功能。

第一实施方式包括手术机器人系统，该手术机器人系统包括至少一个操纵器臂。如图27中所示，操纵器臂(例如，图1的13、14、15)具有远离操纵器臂的至少一个自由度的端部执行器。在该特定实施方式中，接纳器104是端部执行器的一部分。在使用中，如上所述，手术器械106能够以可移除的方式附接至端部执行器。

位于端部执行器上的是电容显示屏212，在电容显示屏212上可以显示各种信息。在该实施方式中，显示屏212为筒形，并围绕端部执行器的本体延伸。屏幕可以构造成改变颜色、显示文本或图标或其他GUI项目，以便将机器状态、臂识别、器械识别等传达给用户。可以经由触摸电容屏来显示和选择图标，以执行诸如校准、归位或将端部执行器对接至套管针之类的任务。

另外，用户在电容屏上的触摸手势可以引起机器的响应。例如，在间隔开的两个点上触摸可以解锁自由度，以允许操纵器围绕其关节进行操纵或手动运动。滑动可以在菜单之间切换或告诉机器进入特定状态(遮盖等)。与显示器交互的手势也可以用于使系统将操纵器置于下述状态：用于和/或引起操纵器的致动器的启用，以将操纵器构造在适合执行不同任务(对接器械、交换器械、校准、归位、存储、遮盖等)的位置或取向中。

在优选的构型中，触摸屏完全环绕端部执行器。在该构型中，始终可以容易地接近电容点。另外，在端部执行器上或端部执行器中包含的惯性测量单元(IMU)向系统提供了指示端部执行器的取向的反馈。基于此反馈，系统将保持或更改显示在GUI上的信息和菜单的位置和取向，使得从操作者的视角来看，信息/菜单始终处于特定取向中，而不管端部执行器相对于操作者的旋转如何。换句话说，IMU将检测端部执行器的取向，并且系统的处理器将选择在该取向上将对用户可见的屏幕区域，并使相关信息和菜单显示在该区域中，并且优选地显示在用户能够容易地读取的取向中。

此特征通过在患者侧部容易地访问的位置处显示有关系统的所有可用信息而提高了手术系统使用的便利性。接触点可以环绕整个端部执行器，这意味着无论端部执行器的取向如何，总是能够访问接触点并且接触点位于相同的位置(从用户的角度来看)。显示器可以包括变色显示器，变色显示器允许使用颜色来指示不同的操作状态或向用户识别不同的臂。

操纵器的手动驱动运动期间的力通知

如上节中所述，有时在手术过程期间，手术助理或其他操作室员工可能需要重新定位操纵器。这可以通过向操纵器施加手动力并将操纵器物理地移动至期望的取向或位置来完成。这可以是与某些商业可用系统一样的纯手动活动，或者也可以是动力辅助活动。在任一情况下，当用户执行手动驱动的运动时向用户通知关于器械上的力将是有利的。

还如在本申请中所讨论的，可以是6DOF力/扭矩传感器的力/扭矩传感器可以附接至操纵器并且用于确定在用户界面处向外科医生提供力反馈所需的触觉信息。图28是如上所述的端部执行器。在操纵器内、在靠近器械位置的区域中存在6DOF力/扭矩传感器214，6DOF力/扭矩传感器214如上所述用于测量手术器械经受的力，使得系统可以经由触觉界面将这些力传递给用户。靠近传感器214的是至少一个通知部件216，通知部件216可以是振动换能器和视觉指示器或光发射器中的至少一者。在使用振动换能器的情况下，将该振动换能器定位在操纵器上靠近传感器214的位置有助于避免干扰传感器214的力测量。视觉指示器可以是灯、LED或LED的集合、图像显示器等。如果使用前一节中描述的类型的GUI，则视觉指示器可以是该GUI的一部分。这些部件用于在手动重新定位系统时提醒用户存在抵靠器械的力。

在手动驱动运动(用户通过他/她的手在臂上控制臂的运动执行的运动)期间，当对附接在臂上的器械施加力时，将会从光发射器发射振动和视觉警报。这会提醒移动臂的人器械正在接触组织或其他结构，使得如果有必要，则可以采取额外的预防措施。例如，如果当器械接合至臂时器械被插入定位在切口部位处的套管针中，这将是特别有益的。

视觉指示器可以构造成向用户提供方向信息以建议外科医生。例如，视觉指示器可以提供臂应该移动的方向的视觉指示，以便减轻器械与组织或其他物体之间的力。如果光发射器是环绕臂的一部分的灯环或LED环，则这些灯的四分之一可能会被点亮，以标记用户应该将臂推动的方向，或抵靠器械的力的方向。如果使用柔性显示器或GUI，则可以出于相同目的显示一个或更多个箭头或其他符号、图标、文本等。在一些情况下，系统可以构造成使振动的幅度/频率和光的强度/闪烁与在力传感器214上测量的力成比例。

在远程驱动运动(由用户使用用户输入装置17、18中的一者远程控制臂执行的运动)期间，当对附接在臂上的器械施加力时(或如果施加超过限定阈值的力)，可能会从光发射器发出视觉警报。

该特征可以用于任何机器人操纵器，并且不限于此处描述的实施方式。通常，它将是手术机器人系统的一部分，该手术机器人系统包括操纵器臂，该操纵器臂包括力传感器和扭矩传感器、能够安装至操纵器臂的手术器械、触觉用户输入装置。该系统包括至少一个处理器以及存储指令的至少一个存储器，该指令能够由所述至少一个处理器执行以进行以下操作：响应于用户对触觉用户输入装置的操纵使操纵器臂移动手术器械、在用户操纵触觉用户界面期间响应来自传感器的信号使触觉用户输入装置的致动器向触觉用户输入装置施加力反馈、并且在用户手动移动操纵器臂期间响应来自传感器的信号启用臂上的振动换能器。指令还可以由至少一个处理器执行，以响应来自传感器的信号启用臂上的视觉警报。

注意的是，除了力反馈之外或作为力反馈的替代方案，振动换能器可以用于向用户提供其他类型的反馈。例如，如果系统构造成使用力/扭矩来确定器械穿过切口的支点，如美国专利9855662中所述的，则可以启用振动警报以通知用户支点确定过程已完成并且已经设定支点。

虽然上面已经描述了某些实施方式，但应该理解的是，这些实施方式是以示例而不是限制的方式呈现的。对相关领域的技术人员将明显的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明在形式和细节上做出各种改变。考虑到以后可能发展的相关领域内的技术和术语，这一点尤其正确。此外，各种公开的实施方式的特征可以以各种方式组合以产生各种附加实施方式。

以上所提及的、包括为了优先权的目的的任何和所有专利、专利申请和印刷出版物均通过参引并入本文中。

Claims (14)

1.一种机器人操纵器，所述机器人操纵器在所述机器人操纵器的远端端部处具有致动器组件，所述致动器组件具有其中手术器械的基部能够被引入所述致动器组件中的打开位置和其中所述基部以可释放的方式接合的关闭位置。

2.根据权利要求1所述的操纵器，其中，所述致动器组件包括具有第一驱动元件的第一面和具有第二驱动元件的第二面，其中，所述第一面和所述第二面是不同的面。

3.根据权利要求2所述的操纵器，其中，所述第一面和所述第二面是相反的面。

4.根据权利要求1所述的操纵器，其中，所述致动器组件能够经由枢转、旋转、滑动或者其他方式扩展。

5.根据权利要求4所述的操纵器，其中，扩展和收回经由所述器械与所述操纵器之间的电相互作用或机械相互作用被控制。

6.根据权利要求1所述的操纵器，其中，所述机器人操纵器包括用于器械或照相机电缆的通道。

7.根据权利要求6所述的操纵器，其中，所述通道包括所述致动器组件的一部分。

8.根据权利要求1所述的操纵器，其中，所述驱动元件能够相对于所述操纵器平移以推进所述基部上的驱动输入部。

9.一种机器人系统组件，包括：

机器人操纵器，所述机器人操纵器包括致动器组件；

手术器械，所述手术器械具有能够安装至所述致动器组件的本体，所述本体包括第一控制输入部和第二控制输入部，其中，所述第一控制输入部和所述第二控制输入部定位于所述本体的不同侧部上或从所述本体沿不同方向延伸。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一控制输入部和所述第二控制输入部从所述本体沿相反方向延伸。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一控制输入部和所述第二控制输入部从所述本体沿非平行方向延伸。

12.根据权利要求9所述的系统，其中，当所述手术器械安装至所述机器人操纵器时，所述第一控制输入部和所述第二控制输入部与所述致动器组件的第一驱动元件和第二驱动元件以可操作的方式相关联。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，当所述手术器械安装至所述机器人操纵器时，在所述驱动元件与所述控制输入部之间设置有无菌屏障。

14.根据权利要求9所述的机器人系统组件，其中，所述致动器组件能够在打开位置与关闭位置之间移动，在所述打开位置中，所述致动器组件构造成接纳所述本体，在所述关闭位置中，所述第一控制输入部和所述第二控制输入部与所述致动器组件的第一驱动元件和第二驱动元件以可操作的方式相关联。

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