CN114504387A - 用于机器人手术系统的被动轴系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于机器人手术系统的被动轴系统，并具体提供一种用于接收来自用户的输入的控制臂，所述控制臂包括：可绕第一轴线旋转的旋转构件、第一构件、第二构件、万向节以及被动轴系统，其用于使第一构件绕第一轴线的旋转与万向节绕第四轴线的旋转可旋转地关联，被动轴系统包括下盘、第一轴、上盘、线环和第二轴，下盘绕第一轴线可旋转地定位在第一构件的下端附近，上盘位于第二构件的第一端附近，第一轴设置在第一构件内以将下盘可旋转地连接到上盘并且线环可旋转地将上盘连接到第二轴，其中被动轴系统包括上万向节头，上万向节头定位成使得当第二构件绕第三轴线旋转时，上万向节头绕第三轴线枢转。

Description

用于机器人手术系统的被动轴系统

本申请是申请号为201780033345.9(国际申请号为PCT/US2017/034433)、申请日为2017年5月25日且发明名称为“用于机器人手术系统的被动轴系统”的中国专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年6月3日提交的第62/345,090号美国临时申请的权益和优先权，所述美国临时申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

背景技术

机器人手术系统已用于微创医疗手术。在医疗过程期间，机器人手术系统由与用户界面连接的外科医生控制。用户界面允许外科医生操纵作用于患者的末端执行器。用户界面包括输入控制器，其可由外科医生移动以控制机器人手术系统。

用户界面的输入控制器包括万向节，该万向节由外科医生接合以允许外科医生操纵末端执行器。万向节通常包括可相对于彼此移动的多个连杆。当输入控制由外科医生接合时，万向节的连杆可以张开，遇到奇异状态，或达到万向节的限位挡，这降低了万向节的自由度。

万向节的自由度的降低可能降低外科医生在外科手术期间根据需要操纵末端执行器的能力。

发明内容

本公开总体上涉及一种被动轴系统，用于在外科手术过程中接合或操纵万向节时保持万向节的自由度。被动轴系统引起位于万向节底部的关节与控制臂的旋转的相反相对运动，以防止万向节的连杆张开、遇到奇异状态或相对于彼此嵌套。

在本公开的一个方面，用于接收来自用户的输入的控制臂包括旋转构件、第一构件、第二构件，万向节和被动轴系统。旋转构件可绕第一轴线旋转。第一构件具有上端和下端。下端围绕与第一轴线垂直的第二轴线可旋转地连接到旋转构件。第二构件具有第一和第二端。第一端绕第三轴线可枢转地连接到第一构件的上端，第三轴线平行于第二轴线。万向节绕第四轴线可旋转地连接到第二构件的第二端，第四轴线垂直于第三轴线。被动轴系统被配置成可旋转地将第一构件绕第一轴线的旋转与万向节绕第四轴线的旋转相关联。被动轴系统包括下盘、第一轴、上盘、线环和第二轴。下盘绕第一轴线可旋转地定位在第一构件的下端附近。上盘位于第二构件的第一端附近。第一轴设置在第一构件内，并配置成将下盘可旋转地连接到上盘。线环可旋转地将上盘连接到第二轴。

在一些方面，下盘相对于旋转构件可旋转地固定。被动轴系统可包括下万向接头，该下万向接头定位成使得当第一构件绕第二轴线旋转时，下万向接头绕第二轴线枢转。下万向节头可以可旋转地连接到第一轴的下端和下盘。被动轴系统可包括上万向接头，该上万向接头定位成使得当第二构件绕第三轴线旋转时，上万向接头绕第三轴线枢转。

在一些方面，第二轴响应于旋转构件绕第一轴线的旋转而使万向节绕第四轴线旋转。第二轴可以响应于旋转构件在与第二方向相反的第一方向上的旋转而沿第二方向旋转万向节。第二轴在第二方向上的旋转成角度地缩放并且与旋转构件在第一方向上的旋转相反。

在特定方面，控制臂包括固定安装件，并且旋转构件绕第一轴线可旋转地连接到固定安装件。第一盘可相对于固定安装件可旋转地固定。

在某些方面，控制臂包括万向盘，该万向盘设置在第二构件的第二端内，该第二端可绕第四轴旋转。线环可以绕过上盘和万向盘。

在一些方面，控制臂包括万向轴，该万向轴沿着第四轴线并且可绕第四轴线旋转。万向轴可以可旋转地连接到万向盘。万向节可包括支撑臂、摆臂、输入支撑臂和输入轴。支撑臂可以具有可旋转地固定到万向轴的第一端。摆臂可以具有第一端，该第一端绕第五轴线可旋转地连接到支撑臂的第二端。输入支撑臂可以具有第一端，该第一端绕第六轴线可旋转地连接到摆臂的第二端。输入轴可以沿第七轴线定位并且可旋转地连接到输入支撑臂的第二端。

在本公开的另一个方面，用于接收来自用户的输入的控制臂包括旋转构件、第一构件、第二构件，万向节和被动轴系统。旋转构件可绕基座轴线旋转。第一构件从旋转构件延伸到上端。第二构件具有第一端，该第一端连接到第一构件的上端。万向节围绕万向轴线可旋转地连接到第二构件的第二端。被动轴系统被配置成可旋转地将第一构件绕基座轴线的旋转与万向节绕万向轴线的旋转相关联，以保持万向节相对于旋转构件的角度。

在本公开的另一方面，机器人手术系统包括处理单元、机器人系统和用户界面。机器人系统与处理单元通信并且包括支撑在第一连杆的一端的第一工具。用户界面与处理单元通信并包括第一控制臂。第一控制臂配置成响应于来自用户的输入操纵机器人系统的第一连杆和第一工具。第一控制臂可以是本文详述的任何控制臂。

在一些方面，机器人系统包括支撑在第二连杆的一端的第二工具，并且用户界面包括第二控制臂。第二控制臂可以被配置为响应于来自用户的输入操纵第二连杆和第二工具。第二控制臂可以是本文详述的任何控制臂。

在本公开的另一方面，一种控制具有用户界面的机器人系统的工具的方法包括移动用户界面的万向节，使得支撑万向节的控制臂绕第一轴线旋转。控制臂可以包括被动轴系统，该被动轴系统使万向节的支撑臂绕第二轴线旋转，以保持万向节的支撑臂和万向节的输入轴之间的角度。控制臂可以是本文公开的任何控制臂。

在本公开的另一方面，一种用于接收来自用户的输入的控制臂包括旋转构件、第一构件、第二构件、万向节和限制延伸机构。旋转构件可绕第一轴线在第一基座方向上旋转到第一旋转极限，并且在与第一方向相反的第二基座方向上旋转到第二旋转极限。第一构件可枢转地连接到旋转构件。第二构件可枢转地连接到第一构件。万向节由第二构件绕第四轴线可旋转地支撑。万向节绕第四轴线的旋转可操作地与旋转构件围绕第一轴线的旋转相关联，使得万向节在第一万向节方向上的旋转使旋转构件相对于基座围绕第一轴线在第一基座方向上旋转。限制延伸机构被配置为当第一万向节方向上的输入扭矩超过限制延伸机构绕第一轴线的阈值扭矩时，当旋转构件处于第一旋转限制时，允许万向节在第一万向节方向上绕第四轴线旋转。阈值扭矩可以在约200Nmm至约1200Nmm的范围内。

在一些方面，万向节在与第一方向相反的第二方向上的旋转使旋转构件在第二基座方向上绕第一轴线相对于基座旋转。

在一些方面，限制延伸机构包括支撑凸轮从动件和凸轮的柱塞。凸轮可以具有凸轮表面，并且柱塞可以使凸轮从动件偏置成与凸轮的凸轮表面接合。凸轮的凸轮表面可包括孔。当凸轮从动件位于凸轮的孔内时，凸轮可以具有中心位置。通过凸轮从动件与凸轮的凸轮表面的接合，凸轮可以偏置到中心位置。阈值力可以等于使凸轮从中心位置旋转所需的扭矩。凸轮表面可以限定从孔到凸轮表面的中点的凸轮轮廓。凸轮轮廓可以成形为使得需要恒定的输入扭矩等于阈值力，以使凸轮继续旋转，使凸轮从动件从孔朝向中点横穿凸轮表面。或者，凸轮轮廓可以成形为使得凸轮的连续旋转需要增加的输入扭矩以使凸轮从动件从孔朝向中点横穿凸轮表面。凸轮轮廓的半径可以增加，使得凸轮的连续旋转需要线性增加的输入扭矩，或者凸轮的半径可以增加，使得凸轮的连续旋转需要指数增加的输入扭矩。

在某些方面，限制延伸机构包括驱动轴、第一滑轮、第二滑轮和驱动带。第一滑轮可以可旋转地固定到马达的驱动轴。第二滑轮可以绕第一轴线可旋转地固定，并且可以与第四轴线可操作地相关联。驱动带可以设置在第一和第二滑轮周围。当输入力小于阈值力时，马达可以防止驱动轴的旋转。

在本公开的另一方面，一种控制具有用户界面的机器人系统的工具的方法包括移动用户界面的万向节并向万向节施加输入力。移动用户界面的万向节使在第一方向上围绕第一轴线支撑万向节的控制臂旋转，直到万向节达到阈值极限。控制臂包括极限超过机构，该机构抵抗万向节在第一方向上的旋转超过阈值极限。在第一方向上将输入扭矩施加到万向节包括施加大于超过限制机构的阈值力的输入扭矩，使得万向节旋转超过阈值极限。

在一些方面，该方法包括在万向节旋转超过阈值极限之后释放万向节，使得限制超过机构使万向节返回到阈值极限。当万向节旋转超过阈值极限时，控制臂可绕第一轴线可旋转地固定。

此外，在一致的程度上，本文描述的任何方面可以与本文描述的任何或所有其他方面结合使用。

附图说明

下面参考附图描述本公开的各个方面，附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分，其中：

图1是根据本公开的用户界面和机器人系统的示意图；

图2A-C是响应于围绕第一旋转轴线的旋转的现有技术控制臂和万向节的示意图；

图3是图1的用户界面的控制臂的透视图；

图4是图3的控制臂的垂直构件的下部的放大透视图；

图5是图3的控制臂的垂直构件的上部的放大透视图；

图6是图3的细节的所示区域的放大视图；

图7是图3的被动轴系统的下滑轮组件的放大透视图；

图8是被动轴系统的上滑轮组件的一部分的放大透视图；

图9是沿图3的剖面线9-9截取的剖视图；

图10是图3的控制臂的后透视图；

图11是沿图6的剖面线11-11截取的剖视图；

图12A-C是将第一滑轮的旋转与万向滑轮的旋转相关联的被动轴系统的示意图；

图13A-C是被动轴系统的示意图，其将控制臂围绕第一旋转轴线的旋转与万向节的支撑臂绕第四旋转轴线的旋转相关联；

图14是图1的用户界面的控制臂的透视图，包括根据本发明提供的另一个被动轴系统；

图15是图14的被动轴系统的拉索的放大视图；

图16是图14的控制臂的下部的后透视图；

图17是沿图14的剖面线17-17的剖视图；

图18是图1的用户界面的另一控制臂的透视图，根据本公开提供包括限制延伸机构；

图19是图18的限制延伸机构的仰视图；

图20是图18的限制延伸机构的另一仰视图；

图21是沿图19的剖面线21-21截取的剖视图；

图22是图18的限制延伸机构的凸轮的仰视图；

图23是用于使凸轮以多个角度旋转的输入力的图形表示；和

图24是包括根据本公开的另一个限制延伸机构的控制臂的下部透视图。

具体实施方式

现在参考各图详细描述本公开的实施例，图中相同附图标号在若干视图中的每个视图中标示相同或对应元件。如本文所用，术语“医师”是指医生、护士或任何其他护理提供者，并且可包括支持人员。在整个说明书中，术语“近侧”是指装置或其部件的最靠近医师的部分，术语“远侧”是指装置或其部件的距离医师最远的部分。

根据本公开的被动轴系统被配置为当控制臂围绕其基座旋转时旋转由用户界面的控制臂支撑的万向节。被动轴系统使万向节以与控制臂的旋转相反的方向旋转，以防止万向节通过万向节张开或彼此嵌套的连接减小其运动自由度。被动轴系统可包括第一或下滑轮，当控制臂旋转时，第一或下滑轮定位在基座处以使万向节相对于基座旋转。下滑轮可操作地连接到万向滑轮，万向滑轮设置在控制臂的水平构件的端部，使得万向滑轮沿与控制臂围绕基座的旋转相反的方向旋转，以旋转万向节的支撑连杆。万向滑轮可以可旋转地固定在万向轴的一端，万向轴在其另一端可旋转地固定到万向节的支撑臂的第一端。

通过保持自由度，万向节连杆也可以保持在相对于彼此的最佳角度附近(例如，90°)。这可以在万向节的连杆的所有旋转轴线(即，滚动、俯仰和偏航)中保持对称惯性。通过防止万向节张开或嵌套，使关节之间的旋转耦合最小化，使得惯性在所有旋转方向上对使用者感觉相同，这防止万向节相对于另一个旋转方向感觉重。

参考图1，机器人手术系统1通常被示出为机器人系统10、处理单元30和用户界面40。机器人系统10通常包括连杆12和机器人基座18。连杆12可移动地支撑末端执行器或工具20，该末端执行器或工具20构造成作用在组织上。连杆12可以是臂或连杆的形式，每个臂或连杆具有端部14，端部14支撑末端执行器或工具20，该末端执行器或工具20构造成作用在组织上。另外，连杆12的端部14可包括用于对手术部位“S”成像的成像装置16。用户界面40通过处理单元30与机器人基座18通信。

用户界面40包括显示装置44，其被配置为显示三维图像。显示装置44显示手术部位“S”的三维图像，其可包括由位于连杆12的端部14上的成像装置16捕获的数据和/或包括由位于手术室周围的成像装置捕获的数据(例如，位于手术部位“S”内的成像装置，位于患者“P”附近的成像装置，位于成像连杆52的远端的成像装置56)。成像装置(例如成像装置16、56)可以捕获手术部位“S”的视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热图像和/或任何其他已知的实时图像。成像装置将捕获的成像数据发送到处理单元30，处理单元30从成像数据实时地创建手术部位“S”的三维图像，并将三维图像发送到显示装置44以进行显示。

用户界面40还包括附接到万向节70的输入手柄，其允许医师操纵机器人系统10(例如，移动连杆12、连杆12的端部14和/或工具20)。每个万向节70与处理单元30通信以向其发送控制信号并从其接收反馈信号。附加地或替代地，每个万向节70可包括控制接口或输入装置(未示出)，其允许外科医生操纵(例如，夹紧、抓握、射击、打开、关闭、旋转、推、切等)支撑在连杆12的端部14的工具20。

每个万向节70都是可移动的，以使连杆12的端部14在手术部位“S”内移动。显示装置44上的三维图像被定向成使得万向节70的移动在显示装置44上观察时移动连杆12的端部14。应当理解，显示装置上的三维图像的取向可以相对于来自患者“P”上方的视图被镜像或旋转。另外，应当理解，显示装置44上的三维图像的尺寸可以缩放为比手术部位“S”的实际结构更大或更小，从而允许外科医生具有更好的手术部位“S”内的结构视图。当万向节70移动时，工具20在手术部位“S”内移动。工具20的移动还可包括支撑工具20的连杆12的端部14的移动。

为了详细论述机器人手术系统1的结构和操作，可参考第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2A-C，示出了现有技术的控制臂660，其包括输入轴678和万向节670。当输入轴678被接合以使控制臂660绕第一旋转轴线A₁′从中立位置(图2B)旋转到第一位置(图2A)并且旋转到第二位置(图2C)。由于控制臂660在没有被动轴系统的情况下旋转，因此不能保持在万向节670的支撑臂672与输入轴678之间限定的角度α。因此，当控制臂660沿顺时针方向旋转时，围绕第一旋转轴线A₁′，角度α增加，使得支撑臂672和输入支撑臂676相对于彼此基本线性或张开。相似地，当控制臂660围绕第一旋转轴线A₁′沿逆时针方向旋转时，角度α减小，使得支撑臂672和输入支撑臂676基本上重合或彼此嵌套。当角度α接近线性或重合值(即，180度或0度)时，万向节670的自由度将减小。

参考图3，用户界面40(图1)的每个控制臂60包括旋转构件62、垂直构件64、支撑构件66、水平构件68和万向节70。旋转构件62可旋转地支撑在基座61上。用户界面40的控制臂60可以各自支撑在同一基座61上，或者用户界面40的每个控制臂60可以支撑在单独的基座61上。可以考虑，基座61可以在外科手术之前或之后围绕手术环境移动(例如，卷起)并且在外科手术期间固定就位。

另外参考图4，旋转构件62包括底板120、凸缘122、联接构件124、下销126和柱128。凸缘122从底板120的每侧垂直延伸。每个凸缘122限定销开口123，该销开口123接收下销126中的一个的外端。销支撑件127邻近每个凸缘122定位，以可旋转地支撑相应的下销126的中心部分。下销126中的一个的内端可旋转地支撑联接构件124，另一下销126的内端可旋转地支撑竖直构件64的下端142。联接构件124包括从下销126延伸距离D₁的指状件125。柱128在凸缘122之间从底板120垂直延伸。联接构件124和垂直构件64的下端142可摩擦地接合下销126中的相应一个，使得联接构件124和下端142可响应于外部输入或力而绕下销126旋转，但在没有外部输入的情况下，阻止围绕下销126的旋转。

还参考图5，垂直构件64从下端142垂直延伸。垂直构件64具有上端146，上端146可旋转地连接到远端突部183，远端突部183通过上销129设置在水平构件68的第一端182处。支撑构件66从下端162垂直延伸，下端162由联接构件124的指状件125可旋转地支撑。支撑构件66具有上端166，其可旋转地联接到水平构件68的支承突部184，并且从上销129的中心偏移距离D₂。距离D₁和D₂基本上彼此相等，使得当操纵控制臂60时，支撑构件66与垂直构件64保持基本平行的关系。

如图3所示，水平构件68从第一端182延伸到其第二端186。水平构件68包括肋188，肋188沿其中心线设置在第一和第二端182、186之间。水平构件68的第二端186可旋转地支撑万向节70，如图3所示。

特别参考图3，万向节70包括支撑臂72、摆臂74、输入支撑臂76和输入轴78。支撑臂、摆臂和支撑臂72、74、76中的每一个都是L形，具有水平部分和垂直部分，如下所述。支撑臂、摆动臂和支撑臂72、74、76的尺寸使得当在单个平面中对准时臂72、74、76可以彼此嵌套，其中输入支撑臂76嵌套在摆臂74中，摆臂74嵌套在支撑臂72中。输入轴78可与适配器或输入装置(未示出)接合，以控制机器人系统10的工具20(图1)的功能。

参考图6，支撑臂72在第一端222处可旋转地连接到水平构件68的第二端186。支撑臂72在第二端226处可旋转地联接到摆臂74的第一端242。支撑臂72具有从其第一端222延伸的水平部分224，该水平部分224垂直于从其第二端226延伸的垂直部分228。类似地，摆臂74具有垂直部分244，垂直部分244从其第一端242延伸，垂直于从其第二端246延伸的水平部分248。输入支撑臂76在其第一端262处由摆臂74的第二端246可旋转地支撑，并且在其第二端266处可旋转地支撑输入轴78的第一端282。输入支撑臂76具有水平部分264，水平部分264从其第一端262延伸，垂直于从其第二端266延伸的垂直部分268。

返回参考图3，响应于医师与万向节70接口(例如，与设置在输入轴78上的输入装置连接)，控制臂60可绕七个旋转轴线旋转。控制臂60围绕七个旋转轴线的移动由处理单元30(图1)检测，以操纵机器人手术系统10的连杆12和工具20。控制臂60和万向节70的结构限制了相应构件和连杆的运动，以围绕七个旋转轴线旋转，如下所述。

旋转构件62被限制为相对于基座61绕第一旋转轴线A₁旋转。垂直构件64的下端142被限制为围绕第二旋转轴线A₂旋转，第二旋转轴线A₂与由下销126限定的轴线重合。第二旋转轴线A₂基本垂直于第一旋转轴线A₁。水平构件68的第一端182被限制为相对于垂直构件64的上端146绕第三旋转轴线A₃旋转，该第三旋转轴线A₃与由上销129限定的轴线重合。第三旋转轴线A₃基本上平行于第二旋转轴线A₂并且与第一旋转轴线A₁垂直。支撑臂72的第一端222绕第四旋转轴线A₄可旋转地支撑在水平构件68的第二端186上，第四旋转轴线A₄与由万向轴362限定的轴线重合。摆臂74的第一端242由摆臂76的第二端226绕第五旋转轴线A₅可旋转地支撑。输入支撑臂76的第一端262可旋转地由摆臂74围绕第六旋转轴线A₆的第二端246支承。输入轴78的第一端282由输入支撑臂76的第二端266绕第七旋转轴线A₇可旋转地支撑。

现在参考图3、4和7-11，根据本发明公开了被动轴系统300，以使旋转构件62绕第一旋转轴线A₁的旋转与万向节70绕第四旋转轴线A₄的旋转相关联。具体地，被动轴系统300将旋转构件62相对于基座61的旋转与万向节70的支撑臂72的第一端222相对于水平构件68的第二端186绕第四旋转轴线A₄的旋转相关联。

特别参考图4，被动轴系统300包括设置在旋转构件62的底板120的上表面上的第一滑轮组件312。第一滑轮组件312包括第一滑轮320、第一惰轮筒332、第二惰轮筒336、第一下绳334和第二下绳338。第一滑轮320被定位成邻近底板120的上表面121，使得第一滑轮320可绕第一旋转轴线A₁相对于旋转部件62旋转。第一滑轮320限定上周向凹槽322和下周向凹槽324。应当理解，第一旋转轴线A₁与由底板120的上表面121限定的平面垂直。第一和第二惰轮筒332、336设置在柱128上并且可绕柱128旋转。第一和第二惰轮筒332、336中的每一个分别限定周向凹槽333、337。第一下绳334的一端连接到销支撑件127中的一个，在围绕第一惰轮筒332的周向凹槽333内，并且连接到第一滑轮320的下周向凹槽324中，其中第一下绳334的另一端附接到第一滑轮320。第二下绳338的一端连接到另一个销支撑件127，在围绕第二惰轮336的周向凹槽337内，并且连接到第一滑轮的上周向凹槽332中，其中第二下绳338的另一端附接到第一滑轮320。

当旋转构件62绕第一旋转轴线A₁相对于基座61旋转时，第一滑轮组件312使第一滑轮320相对于旋转构件62旋转。具体地，当旋转构件62绕第一旋转轴线A₁旋转时，第一和第二惰轮筒332、336绕第一滑轮320旋转，使得第一和第二下绳334、338相对于旋转构件62旋转第一滑轮320。更具体地，第一和第二下绳334、338将第一滑轮320相对于基座61保持就位，同时旋转构件62相对于基座61旋转。

参考图7-9，被动轴系统300包括连接轴340和上滑轮350。连接轴340设置在限定在垂直构件64内的内腔65内，并且如下所详述，可旋转地将下滑轮组件320连接到上滑轮350。

连接轴340具有下部342、中央部分346和上部348。下部342通过下万向接头344联接到中央部分346，上部348通过上万向接头349联接到中央部分346。可以考虑，下和上万向接头344、349是示例性的，并且可以使用合适的柔性轴、液压系统、气动系统或线缆驱动系统来代替下和上万向接头344、349中的一个或两个。下部342可旋转地固定到下滑轮组件320，使得连接轴340可旋转地固定到下滑轮组件320。具体地，下部342的一端设置在由下滑轮组件320限定的中心开口内。下万向接头344被定位为使得第二旋转轴线A₂穿过下万向接头344。下万向接头344的定位允许垂直构件64围绕第二旋转轴线A₂旋转，而不会影响连接轴340的旋转。上万向节349定位成使得第三旋转轴线A₃穿过上万向节349。上万向接头349的定位允许水平构件68相对于垂直构件64围绕第三旋转轴线A₃旋转，而不会影响连接轴340的旋转。上滑轮350邻近水平构件68的上表面181定位，使得由上滑轮350限定的平面基本上平行于水平构件68的上表面181。

现在参考图10和11，被动轴系统300还包括上滑轮组件314，上滑轮组件314构造成响应于上滑轮350的旋转而使万向节70相对于水平构件68绕第四旋转轴线A₄旋转。上滑轮组件314包括上滑轮350、万向滑轮360和上线缆370。万向滑轮360设置在水平构件68的第二端186内，并通过万向轴362连接到万向节70。万向轴362可旋转地固定到万向滑轮360和万向节70的支撑臂72的第一端272，使得当万向滑轮360绕第四旋转轴线A₄旋转时，支撑臂72绕第一端272旋转。应当理解，第四旋转轴线A₄由万向轴362限定。上滑轮350通过上线缆370可操作地与万向滑轮360相关联。上滑轮350限定周向凹槽352，并且万向滑轮360限定周向凹槽364，每个周向凹槽364接收上线缆370。上线缆370围绕上滑轮350和万向滑轮360张紧，使得当上滑轮350旋转时，万向滑轮360在相同的径向方向上旋转相等的径向距离。可以考虑，上滑轮350和万向滑轮360的尺寸可以使得万向滑轮360的旋转大于或小于上滑轮350的旋转。

特别参考图10，水平构件68的第二端186限定了线缆通道187，其允许上线缆370穿过第二端186并围绕万向滑轮360。通过将万向滑轮360放置在水平构件68的第二端186内，万向滑轮360被屏蔽以防止与与万向节70接口的医师偶然接触。可以考虑，肋388可以限定线缆通道(未示出)，使得上线缆370可以穿过肋388，使得万向滑轮360的旋转相对于上滑轮350的旋转在相反的方向上。

现在参考图12A-C，被动轴系统300使控制臂60围绕第一旋转轴线A₁的旋转与万向滑轮360绕第四旋转轴线A₄的旋转相关联，使得万向滑轮360的旋转与控制臂60旋转相反。如图12A所示，当控制臂60沿顺时针方向旋转时，如箭头CW从中立位置(图12B)所示，下滑轮组件320如方向箭头A₃₂₀所示保持静止，使得下滑轮组件320相对于旋转构件62旋转。下滑轮组件320相对于旋转构件62的旋转使万向滑轮360旋转，如方向箭头A₃₆₀所示，其角距离等于下滑轮组件320相对于旋转构件62在相反方向的旋转(即逆时针)。类似地，如图12C所示，当控制臂60沿逆时针方向旋转时，如箭头CCW从中立位置(图12B)所示，下滑轮组件320如方向箭头A₃₂₀所示保持静止，使得下滑轮组件320相对于旋转构件62旋转。下滑轮组件320相对于旋转构件62的旋转使万向滑轮360旋转，如方向箭头A₃₆₀所示，其角距离相对于下滑轮组件320相对于旋转构件62在相反方向的旋转(即顺时针)缩放。万向滑轮360的角度旋转距离的缩放可以缩放到下滑轮的旋转在约0.5到约1.0(例如，约0.7)的范围内。

参考图13A-C，万向节70的输入轴78被接合以使控制臂60绕第一旋转轴线A₁从中立位置(图12B)旋转到第一位置(图13A)并且到达第二位置(图13C)。当控制臂60旋转时，被动轴系统300使万向节70的支撑臂72绕第四旋转轴线A₄旋转，以保持在支撑臂72和输入轴78之间限定的角度θ。具体地，被动轴系统300保持上滑轮350与下滑轮组件320的位置，分别由箭头A₃₅₀和A₃₂₀表示，并且使下滑轮组件320的旋转与臂72的旋转相关联，如箭头A₇₂所示。例如，当控制臂60围绕第一旋转轴线A₁沿顺时针方向旋转到第一位置(图13A)时，被动轴系统300使万向节70的支撑臂72在逆时针方向绕第四旋转轴线A_4的旋转，以保持支撑臂72和输入轴78之间的角度θ。同样地，当控制臂60围绕第一旋转轴线A₁沿逆时针方向旋转到第二位置(图13B)时，被动轴系统300使万向节70的支撑臂72绕第四旋转轴线A₄旋转，以保持支撑臂72和输入轴78之间的角度θ。应当理解，当控制臂60围绕第一旋转轴线A₁在第一方向上旋转第一角度距离时，被动轴系统300使支撑臂72在与围绕第一旋转轴线A₄的第一方向相反的第二方向上旋转第一角度距离。

在图13A-C中，垂直构件64(图3)基本上是垂直的，水平构件68(图3)基本上是水平的。然而，应当理解，当垂直构件64从垂直平面偏移(即，绕第二旋转轴线A₂旋转)并且当水平构件68从水平平面偏移时，被动轴系统300起作用(即，当垂直构件64围绕第二旋转轴线A₂旋转时和/或当水平构件68绕第三旋转轴线A₃旋转时)。

因此，包括被动轴系统(例如，如上详述的被动轴系统300)以在控制臂60旋转时引起万向节70的支撑臂72的旋转，降低了万向节70的臂72、74、76张开或相互嵌套的可能性，从而防止万向节70的运动自由度减小。另外，如上所述，被动轴系统300基本上设置在垂直构件64和水平构件68内，以防止与被动轴系统300的移动元件(例如，连接轴340)的偶然接触。另外，可以考虑的是，旋转构件62包括盖(未示出)以屏蔽或封装下滑轮组件312(例如，下滑轮组件320和惰轮筒332、336)。此外，可以考虑，水平构件68可以包括盖(未示出)以完全覆盖或屏蔽上线缆组件314(例如，线缆370和上滑轮350)。

如本文详述的，被动轴系统利用绳334、338，轴340和线环370将第一轴线与第四轴线相关联，然而，可以考虑其他方法(例如，齿轮、液压、线缆管道驱动器、扭转管等)可用于将第一轴线与第四轴线相关联。

现在参考图14和15，根据本公开公开了一种被动轴系统400，其包括线缆管道驱动系统402，以将控制臂60的第一旋转轴线A₁与万向节70的第四旋转轴线A₄相关联。线缆管道驱动系统402包括第一线缆管道410和第二线缆管道430。如图15所示，第一线缆管道410从外到内包括外罩412、卷绕弹簧414、衬垫416和致动线缆418。外罩412由柔性材料构成，构造成保护卷绕弹簧414和致动线缆418。卷绕弹簧414构造成为第一缆线导管410提供刚性，同时允许第一缆线导管410响应于控制臂60的运动而弹性弯曲，如下所详述。在组装或制造期间，卷绕弹簧414还可以弯曲超过弹性，使得第一线缆管道410具有弯曲或拐角(例如，弯曲424)，同时允许致动线缆418在第一线缆管道410内自由滑动，如下详述。衬垫416设置在卷绕弹簧414内，以减小用于滑动或致动第一线缆管道410内的致动线缆418的摩擦。衬垫416可以由聚四氟乙烯(PTFE)形成，可以商品名

购得。第二线缆管道430以与第一线缆管道410类似的方式构造，因此，为简洁起见，本文将不再详述第二线缆管道430的构造。

另外参考图16和17，第一线缆管道410包括下部422和上部428，下部422可操作地与支撑在控制臂60的旋转构件62上的下滑轮组件320相关联，上部428可操作地与万向滑轮360相关联(图11)。具体地，第一线缆管道410的下部422固定到旋转构件62，使得致动线缆418的第一端421从衬垫416延伸并且定位在限定在滑轮326或者下滑轮组件320中的凹槽328内，下滑轮组件320围绕第一旋转轴线A₁定位。第一线缆管道410的下部422(衬垫416、卷绕弹簧414和罩412)的其余部分通过安装件128'固定到旋转构件62。

类似地，第二线缆管道430包括下部442和上部448，下部442可操作地与支撑在控制臂60的旋转构件62上的滑轮326相关联，上部448可操作地与万向滑轮360相关联。具体地，第二线缆管道430的下部448固定到基座61，使得第二线缆管道430的致动线缆438的第一端441从衬垫436延伸并且定位在限定在滑轮326中的凹槽328内，滑轮326绕第一旋转轴线A₁定位。第二线缆管道430的下部442(衬垫436、卷绕弹簧434和罩432)的其余部分通过安装件128'固定到旋转构件62。

第一和第二线缆管道410、430从安装件128'沿垂直构件64和水平构件68延伸到万向滑轮360。如图所示，第一和第二线缆管道410、430沿垂直构件64的外侧延伸。另外，第一和第二线缆管道410、430可以通过固定构件或孔眼404固定到外侧垂直构件64。或者，第一和第二线缆管道410、430可以穿过限定在垂直构件64内的内腔65(图9)。

当第一和第二线缆管道410、430从垂直构件64延伸或在垂直构件64内延伸时，第一和第二线缆管道410、430围绕第三旋转轴线A₃缠绕，然后沿着水平构件68延伸。第一和第二线缆管道410、430各自包括围绕垂直构件64和水平构件68之间的第三旋转轴线A₃的相应弯曲424、444。弯曲424、444通过弯曲第一和第二线缆管道410、430中的相应一个而形成，超过卷绕弹簧414、434的弹性，以在第一和第二线缆管道410、430中的相应一个中形成曲线，使得当水平构件68相对于垂直构件64枢转时，第一和第二线缆管道410、430弹性弯曲。弯曲424、444允许第一和第二线缆管道410、430相对于垂直构件64符合枢转的水平构件68，同时减小第一和第二线缆管道410、430的松弛。另外，第一和第二线缆管道410、430可以通过孔眼404固定到邻近第三旋转轴线A₃的垂直构件64和/或可以通过带406固定到邻近第三旋转轴线A₃的水平构件68，以减小第一和第二线缆管道410、430中的松弛。

第一线缆管道410沿着水平构件68延伸到万向滑轮360。第一线缆管道410的上部426固定到邻近万向滑轮360的水平构件68，并且第一线缆管道410的第二端428固定在万向滑轮360的第一周向凹槽364内。第一线缆管道410的其余部分相对于与万向滑轮360相邻的水平构件68固定。可以考虑，第一线缆管道410的衬垫416、卷绕弹簧414和罩412可以通过限定与第一线缆管道410接合的线缆通道187的壁牢固地固定，同时允许第一线缆管道410的致动线缆418相对于水平构件68自由滑动，以旋转万向滑轮360，如下所述。

第二线缆管道430沿着水平构件68延伸到万向滑轮360。第二线缆管道430的上部446固定到邻近万向滑轮360的水平构件68，并且第二线缆管道430的第二端448固定在万向滑轮360的第二周向凹槽366内。第二线缆管道430的其余部分相对于与万向滑轮360相邻的水平构件68固定。可以考虑，第二线缆管道430的衬垫436、卷绕弹簧434和罩432可以通过限定线缆通道187的壁牢固地固定，该线缆通道187接合第二线缆管道430，同时允许第二线缆管道430的致动线缆438相对于水平构件68自由滑动以旋转万向滑轮360。

参见图18-20，根据本公开公开了另一个控制臂1060。控制臂1060类似于上述控制臂60，相同元件在前一标签之前标有“10”。控制臂1060包括被动轴系统500，其将万向节70绕第四旋转轴线A₄的旋转与旋转构件1062相对于基座1061绕第一旋转轴线A₁的旋转相关联。

类似于上面详述的被动轴系统300，被动轴系统500包括连接轴340，连接轴340具有穿过旋转构件1062和基座1061的下部342。连接轴340的下部被设置围绕第一旋转轴线A₁在基座1061内。

被动轴系统500包括旋转限制延伸机构501，当旋转构件1062处于阈值极限时，旋转限制延伸机构501允许万向节70绕第四旋转轴线A₄旋转，而与旋转构件1062相对于基座1061的旋转无关，如下详述。

旋转限制延伸机构501包括柱塞510、偏置构件520、凸轮从动件530和凸轮540。凸轮540围绕连接轴340的下部342设置并可旋转地固定到连接轴340的下部342。柱塞510支撑在基座1061上，以支撑凸轮从动件530与凸轮540接合。如图21所示，柱塞510垂直于轴340定位；然而，可以想到，柱塞510可以相对于连接轴340的下部342以任何角度设置，以保持凸轮从动件530与凸轮540接合。

旋转构件1062可旋转地联接到凸缘330，使得当旋转构件1062相对于基座1061旋转时，凸缘330绕第一旋转轴线A₁旋转。凸缘330可绕第一旋转轴线A₁旋转，直到凸缘330接合两个止动件332、334中的一个(图24)。当凸缘330与止动件332、334中的一个接合时，凸缘330以及因此旋转构件1062被阻止在第一方向上相对于基座1061的额外旋转并且允许其相对于基座1061在第二相反方向上旋转。

如上面关于被动轴系统300详细描述的，轴340可操作地连接到万向节70绕第四旋转轴线A₄的旋转。当旋转构件1062相对于基座1061旋转时，凸轮从动件530接合凸轮540以防止轴340相对于基座1061旋转。凸轮540具有凸轮表面542，凸轮表面542限定了孔544，如图22中最佳示出的。偏置构件520围绕柱塞510设置，以促使凸轮从动件530与凸轮540的孔544接合，以防止凸轮540，从而防止连接轴340相对于基座1061旋转。

通过防止连接轴340相对于基座1061旋转，当万向节70被医师接合以将输入力传递到万向节70使得万向节70相对于第四旋转轴线A₄旋转时，旋转构件1062通过被动轴系统500绕第一旋转轴线A₁旋转。具体如上所述，当万向节70绕第四旋转轴线A₄旋转时，万向节370的旋转影响万向滑轮360的旋转。万向滑轮360通过线环370可旋转地连接到上滑轮350，使得万向滑轮360的旋转影响上滑轮350的旋转。上滑轮350可旋转地联接到连接轴340的上端348，使得上滑轮350的旋转影响连接轴340的旋转。如上所述，连接轴340的下部342通过凸轮从动件530与凸轮540的孔544的接合而可旋转地固定到基座1061，使得响应于连接轴340的下部342的旋转，旋转构件1062绕第一旋转轴线A₁相对于基座1061旋转。因此，响应于输入力施加到万向节70，旋转构件1062绕第一旋转轴线A₁旋转。

继续参考图18-23，当凸缘330与止动件322中的一个接合时，旋转限制延伸机构501还允许轴340相对于基座1061旋转，以允许超过控制臂1060的旋转限制。如上所述，控制臂60可绕第一旋转轴线A₁绕基座1061旋转；被动轴系统(例如，被动轴系统300或被动轴系统400)与万向节70绕第四旋转轴线A₄的旋转相关联。控制臂1060和/或万向节70围绕相应轴线的旋转可以受到机械止动件(例如，止动件332、334)的限制，以防止控制臂60和/或万向节70围绕相应的轴线旋转超过阈值限制。如下文详述，旋转限制延伸机构501抵抗超过阈值极限的旋转，同时允许医师在超过预定阈值力之后使控制臂1060和/或万向节70旋转超过阈值极限。当满足阈值极限时以及当超过阈值极限时，旋转极限延伸机构501向医师提供反馈，如下面更详细描述的。

首先参考图19和20，凸轮540联接并可旋转地固定到轴340。凸轮540包括围绕凸轮540的外表面的凸轮表面542。凸轮表面542限定了孔544，如图22中最佳示出的。柱塞510基本垂直于轴340安装到基座1061，并且包括可延伸构件512，可延伸构件512具有端部514，端部514支撑邻近凸轮540的凸轮从动件530。偏置构件520围绕柱塞510的可延伸构件512定位，以将端部514推向凸轮540的凸轮表面542，使得凸轮从动件530与凸轮表面542接合。

偏置构件520的尺寸设定成当旋转构件1062达到旋转极限时设定用于旋转所述轴340的阈值极限。特别参考图22和23，凸轮表面542的轮廓被成形为使得偏置构件520的偏置力朝向中心位置推动凸轮从动件530，其中凸轮从动件530接合凸轮540的孔544。为了使凸轮540从中心位置旋转，需要输入力来克服由凸轮从动件530施加在凸轮540的凸轮表面542上的阈值极限，以使凸轮540旋转，使得凸轮从动件530从孔544内部旋转。如图所示，凸轮表面542具有这样的轮廓，使得一旦输入扭矩超过由偏置构件520施加的力以将凸轮从动件530保持在凸轮540的孔544内，则沿着凸轮540的凸轮表面542继续旋转凸轮从动件530所需的输入扭矩等于启动凸轮540的旋转所需的输入扭矩，如图22所示。还可以考虑用于凸轮表面542的其他凸轮轮廓。例如，凸轮表面542的凸轮轮廓可以关于孔544不对称，或者凸轮表面542的凸轮轮廓可能需要增大或减小扭矩以继续旋转凸轮540。应当理解，凸轮轮廓可以匹配或配置成匹配任何期望的扭矩轮廓。

凸轮540的阈值极限在约200Nmm至约1200Nmm的范围内(例如，约800Nmm)。例如，当凸缘330在第一方向上达到旋转极限时(例如，当凸缘330接合第一止动件332时)，旋转限制延伸机构501允许当输入扭矩超过由凸轮从动件530与凸轮540的孔544的接合所限定的阈值极限时轴340在第一方向上相对于基座1061旋转。当输入扭矩超过阈值极限时，旋转限制延伸机构501允许轴340相对于基座1061旋转，直到凸轮从动件530从孔544内脱离并沿凸轮540的凸轮表面542行进。当输入扭矩减小到阈值极限以下时，偏置构件520通过凸轮从动件530与凸轮表面542的接合的偏置力使凸轮540朝向中心位置旋转，以使凸轮从动件530返回到孔544。

参考图24，根据本公开公开了另一种旋转限制延伸机构601，其抵抗超过阈值极限的旋转，同时允许医师在超过预定阈值扭矩之后使控制臂1060和/或万向节70旋转超过阈值极限。旋转限制延伸机构601包括马达610和连接组件620。马达610安装到基座61的底部并包括驱动轴612。驱动轴612通过连接组件620可旋转地与轴340联接。连接组件620包括第一或马达皮带轮622、第二或轴皮带轮624和驱动构件626。马达皮带轮622围绕驱动轴612固定，并且轴皮带轮624固定到轴340。驱动构件626围绕马达皮带轮622缠绕，以利用轴340将轴皮带轮624可旋转地联接到马达610的驱动轴612。如图所示，连接组件620是皮带轮/皮带机构；然而，可以考虑，连接组件620还可以包括齿轮系，该齿轮系可旋转地将马达610的驱动轴612与轴340联接。

类似于上面详述的旋转限制延伸机构501，当输入力超过马达610施加到轴340的阈值极限或扭矩时，旋转限制延伸机构601允许当凸缘330达到围绕轴340的旋转极限时轴340相对于基座1061旋转。马达610的阈值扭矩在约200Nmm至约1200Nmm的范围内(例如，约800Nmm)。另外，马达610的阈值扭矩可以是恒定的或者可以基于轴340的角度偏转(即轴340的旋转超过旋转极限)而变化。此外，马达610的阈值扭矩可以由与万向节70的输入轴78接合的输入装置和/或通过附接到与控制臂1060相关联的连杆12的工具20(图1)确定。

如上所述并在图1中示出，用户界面40与机器人系统10可操作地通信，以对患者“P”执行外科手术；然而，可以想到，用户界面40可以与手术模拟器(未示出)可操作地通信，以虚拟地致动模拟环境中的机器人系统和/或工具。例如，手术机器人系统1可以具有第一模式和第二模式，在第一模式中用户界面40被耦合以致动机器人系统10，在第二模式中用户界面40被耦合到手术模拟器以虚拟地致动机器人系统。手术模拟器可以是独立单元或集成到处理单元30中。手术模拟器通过用户界面40向医师提供视觉、听觉、力和/或触觉反馈，虚拟地响应与用户界面40接口的医师。例如，当医师与万向节70接合时，手术模拟器移动在模拟手术部位处虚拟作用于组织的代表性工具。可以想到，手术模拟器可以允许医师在对患者执行外科手术之前进行外科手术。另外，手术模拟器可用于训练医师进行外科手术。此外，手术模拟器可以在建议的外科手术过程中模拟“并发症”，以允许医师规划外科手术。

虽然已经在附图中示出了本公开的若干实施例，但是并不意图将本公开限制于此，因为本公开旨在与本领域允许的范围一样广泛并且同样地解释说明书。还设想了上述实施例的任何组合，并且这些组合在所附权利要求的范围内。因此，上文的描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为具体实施例的例证。所属领域的技术人员将想到在本文所附的权利要求书的范围和精神内的其它修改。

Claims (13)

1.一种用于接收来自用户的输入的控制臂，所述控制臂包括：

可绕第一轴线旋转的旋转构件；

第一构件，其具有下端和上端，第一构件的下端绕第二轴线可旋转地连接到所述旋转构件，第二轴线垂直于第一轴线；

第二构件，其具有第一端和第二端，第二构件的第一端绕第三轴线可枢转地连接到第一构件的上端，第三轴线平行于第二轴线；

万向节，其绕第四轴线可旋转地连接到第二构件的第二端，第四轴线垂直于第三轴线；以及

被动轴系统，其用于使第一构件绕第一轴线的旋转与所述万向节绕第四轴线的旋转可旋转地关联，所述被动轴系统包括下盘、第一轴、上盘、线环和第二轴，所述下盘绕第一轴线可旋转地定位在第一构件的下端附近，所述上盘位于第二构件的第一端附近，第一轴设置在第一构件内以将所述下盘可旋转地连接到所述上盘并且所述线环可旋转地将所述上盘连接到第二轴，其中所述被动轴系统包括上万向节头，所述上万向节头定位成使得当所述第二构件绕所述第三轴线旋转时，所述上万向节头绕所述第三轴线枢转。

2.根据权利要求1所述的控制臂，其中所述下盘相对于所述旋转构件可旋转地固定。

3.根据权利要求1所述的控制臂，其中所述被动轴系统包括下万向节头，所述下万向节头定位成使得当所述第一构件绕所述第二轴线旋转时，所述下万向节头绕所述第二轴线枢转。

4.根据权利要求3所述的控制臂，其中所述下万向节头可旋转地联接到所述第一轴的所述下端并且可旋转地联接到所述下盘。

5.根据权利要求1所述的控制臂，其中所述上万向节头可旋转地联接到所述第一轴的上端和可旋转地联接到所述上盘。

6.根据权利要求1所述的控制臂，其中所述第二轴响应于所述旋转构件绕所述第一轴线的旋转而使所述万向节绕所述第四轴线旋转。

7.根据权利要求6所述的控制臂，其中第二轴响应于所述旋转构件在与第二方向相反的第一方向上的旋转而沿第二方向旋转所述万向节。

8.根据权利要求7所述的控制臂，其中第二轴在第二方向上的旋转成角度地缩放并且与所述旋转构件在第一方向上的旋转相反。

9.根据权利要求1所述的控制臂，还包括固定安装件，所述旋转构件绕第一轴线可旋转地连接到所述固定安装件。

10.权利要求9所述的控制臂，其中所述第一盘被可旋转地相对于所述固定安装件固定。

11.一种用于接收来自用户的输入的控制臂，所述控制臂包括：

可绕第一轴线旋转的旋转构件；

第一构件，其具有下端和上端，第一构件的下端绕第二轴线可旋转地连接到所述旋转构件，第二轴线垂直于第一轴线；

第二构件，其具有第一端和第二端，第二构件的第一端绕第三轴线可枢转地连接到第一构件的上端，第三轴线平行于第二轴线；

万向节，其绕第四轴线可旋转地连接到第二构件的第二端，第四轴线垂直于第三轴线；

被动轴系统，其用于使第一构件绕第一轴线的旋转与所述万向节绕第四轴线的旋转可旋转地关联，所述被动轴系统包括下盘、第一轴、上盘、线环和第二轴，所述下盘绕第一轴线可旋转地定位在第一构件的下端附近，所述上盘位于第二构件的第一端附近，第一轴设置在第一构件内以将所述下盘可旋转地连接到所述上盘并且所述线环可旋转地将所述上盘连接到第二轴；以及

万向盘，所述万向盘设置在所述第二构件的第二端内并可绕所述第四轴线旋转，所述线环绕所述上盘和所述万向盘通过。

12.根据权利要求11所述的控制臂，还包括沿着并可绕所述第四轴线旋转的万向轴，所述万向轴可旋转地联接到所述万向盘。

13.根据权利要求12所述的控制臂，其中所述万向节包括：

支撑臂，其第一端可旋转地固定在所述万向轴上；

摆臂，其第一端绕第五轴线可旋转地连接到所述支撑臂的第二端；

输入支撑臂，其第一端绕第六轴线可旋转地连接到所述摆臂的第二端；以及

输入轴，其沿第七轴线定位并可旋转地连接到所述输入支撑臂的第二端。

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