CN116157087A - 齿轮式器械 - Google Patents

Abstract

一种机器人手术器械，其包括：轴；铰接部，所述铰接部附接到所述轴的远端，所述铰接部被构造成铰接末端执行器，所述铰接部可由远侧驱动元件驱动；驱动机构，所述驱动机构包括：器械接口元件，所述器械接口元件固定到近侧驱动元件的端部并且被构造成接合驱动组件的驱动接口元件，其中所述驱动接口元件的运动产生所述近侧驱动元件的端部的第一位移；以及齿轮机构，所述齿轮机构接合所述近侧驱动元件和所述远侧驱动元件，并且被构造成将所述近侧驱动元件的端部的第一位移转换成所述远侧驱动元件的端部的不同的第二位移。

Description

齿轮式器械

背景技术

使用机器人来辅助和执行手术是已知的。图1和图2示出了典型的手术机器人100，其包括基座101、臂102和器械103。基座支撑机器人，并且本身刚性地附接到例如手术室地面、手术室天花板或推车。臂102在基座与器械之间延伸。臂借助于沿其长度的多个柔性关节104而铰接，所述多个柔性关节用于将手术器械103相对于患者定位在期望位置。手术器械附接到机器人臂的远端。手术器械在端口处穿透患者的身体，以便进入手术部位。

图3中所示的典型的手术器械103包括器械接口301，手术器械借助于该器械接口连接到机器人臂102。轴302在器械接口301与铰接部303之间延伸。铰接部端接于末端执行器304，并且允许末端执行器相对于轴302移动。

期望开发一种能够控制可附接手术器械使得手术器械的末端执行器可以相对于患者定位在期望位置并且被致动以便执行期望手术程序的手术机器人。

发明内容

根据本发明的第一实施例，提供了一种如所附权利要求中阐述的机器人手术器械。

附图说明

图1示出了手术机器人和患者。

图2示出了手术机器人和相关联的控制系统。

图3示出了器械。

图4示出了用于与器械相接的机器人臂的附接件。

图5a和5b示出了器械的更详细视图。

图6示出了器械的接口。

图7示出了器械的驱动机构。

图8示出了器械的驱动机构的两个视图，所述驱动机构包括齿轮机构。所述齿轮机构包括两个滑轮和两个驱动元件。

图9示出了包括齿形带和齿轮的齿轮机构。

图10示出了包括齿条和齿轮的齿轮机构。

图11示出了包括三根直杆、齿条和齿轮的齿轮机构。

图12示出了包括一根直杆和一个钩形杆、齿条和齿轮的齿轮机构。

图13示出了包括推杆的齿轮机构。

图14示出了包括多于两个滑轮的齿轮机构。

图15示出了包括两个截头锥体的齿轮机构。

具体实施方式

下文描述包括机器人臂和器械的机器人。臂大体上呈图2中所见的形式。器械大体上呈图3中所见的形式。

图2中所见的机器人的臂102端接于用于与器械相接的附接件401，这在图4中可见。附接件包括用于驱动器械103的铰接部的驱动组件402。驱动组件接口402与图3、5a和5b中所见的器械接口301相接。驱动组件接口的可移动接口元件403、404、405接合器械接口的相应的可移动接口元件，以便将驱动从机器人臂102传递到器械103。

器械103在图5a和5b中更详细地示出，并且包括用于执行操作的末端执行器304。末端执行器可以是平滑的钳夹、锯齿状钳夹、夹持器、一对剪切钳、针抓紧器、活检针或用于注射药物的针。器械包括在器械轴302与末端执行器304之间的铰接部303。铰接部包括允许末端执行器相对于器械的轴移动的若干关节。铰接部中的关节由诸如线缆的驱动元件505致动。

在器械轴302的远端处，驱动元件505连接到末端执行器304且用于致动铰接部中的关节。在轴的近端处，驱动元件固定到器械接口301的接口元件。图6示出了包括器械接口元件602、603、60的器械接口301。在此器械接口中，每个器械接口元件固定到驱动元件，例如，器械接口元件604固定到驱动元件605。

图7是器械的器械接口的驱动机构的示意图。驱动机构优选地位于器械轴的近端处，但可位于器械轴的近端与末端执行器之间的任何点处。(机器人臂的)驱动组件接口元件403与器械的器械接口元件601接合。在图7中，驱动元件505在一端处固定到器械接口元件，并且在另一端处经由关节702固定到末端执行器304。关节形成铰接部303的一部分。驱动组件接口元件403与器械接口元件601接合，使得驱动组件接口元件的运动被转换成器械接口元件的运动。器械接口元件固定到驱动元件，使得器械接口元件403的运动被转换成驱动元件505的运动。由于驱动元件也固定到末端执行器304，所以器械接口元件的运动被直接转换成末端执行器的运动。因此，驱动组件接口元件的运动产生末端执行器的运动。机器人臂102按如下方式将驱动力传递到器械103的末端执行器304：驱动组件接口元件403的移动使器械接口元件601移动，所述器械接口元件的移动使驱动元件505移动，所述驱动元件的移动使铰接部303的关节702移动，所述关节的移动使末端执行器304移动。在这种驱动机构中，驱动接口元件的移动根据一组固定参数(驱动元件的长度、关节的摩擦等)而转换成末端执行器的移动。以此方式，驱动接口元件的运动与末端执行器的运动的比率是固定的，即，对于具有此驱动机构的器械，驱动接口元件的运动与末端执行器的运动的比率总是相同的。在某些情况下，该比率为1:1。在许多实例中，驱动元件的位移等于末端执行器的位移。在其它实例中，驱动组件接口元件施加在器械接口元件上的力等于末端执行器施加的力。

图8示出了器械的驱动机构的第一实例。驱动机构包括位于器械接口元件与末端执行器之间的齿轮机构。在此实例中，齿轮机构包括第一滑轮803和第二滑轮805，两个滑轮围绕单个轴线809设置。

驱动机构包括至少一个器械接口元件801。器械接口元件固定到近侧驱动元件802。图8中所见的近侧驱动元件802是单个长度的线缆。近侧驱动元件的每一端都固定到器械接口元件的一端。近侧驱动元件绕在第一滑轮803上。第一滑轮803围绕轴线809旋转。第二滑轮805围绕第一滑轮803的轴线809旋转。图8示出了第一滑轮803的直径大于第二滑轮805的直径。第一滑轮803和第二滑轮805构成位于器械接口元件801与末端执行器807之间的齿轮机构的一部分。远侧驱动元件806绕在第二滑轮805上，并且由单个线缆环形成。近侧驱动元件802在第一方向上远离轴线809延伸。远侧驱动元件在第二方向上远离轴线809延伸。在图8中所见的实例中，近侧驱动元件802和远侧驱动元件806在相反方向上远离轴线809延伸。以此方式，第一滑轮和第二滑轮的轴线809大体上位于近侧驱动元件与远侧驱动元件之间。第一滑轮和第二滑轮可以围绕与轴线809重合的共同轮轴804设置。远侧驱动元件806固定到关节808。关节808固定地附接到末端执行器807。第一滑轮803和第二滑轮805构成齿轮机构的一部分，所述齿轮机构可定位在器械接口元件与关节之间的任何地方。

在一个实例中，相比于器械的远端，齿轮机构更靠近器械的近端定位。在此布置中，当器械在患者身上使用并插入手术端口中时，齿轮机构保持在患者外部。在手术程序期间，这是有益的，因为医生能够对齿轮机构进行调整，例如，外科医生可能希望脱离近侧和远侧驱动元件，以便改变末端执行器。此布置还允许第一滑轮和第二滑轮的直径大于患者中的手术端口的最大尺寸。此外，将齿轮机构放置在器械的近端附近也会降低改变器械的位置所需的扭矩。

器械接口元件被构造成与机器人臂(未示出)的驱动组件接口元件接合。器械接口元件可以由驱动组件接口元件驱动，使得驱动组件接口元件的运动产生器械接口元件的运动。

如前所述，器械接口元件801固定到近侧驱动元件802。近侧驱动元件被约束以围绕第一滑轮移动。第一滑轮803可以围绕其轴线809旋转。近侧驱动元件802上的至少一个点固定到滑轮803，使得近侧驱动元件围绕滑轮的移动产生滑轮围绕其轴线的旋转。例如，珠可用于将驱动元件固定到滑轮。第一滑轮可以固定到轮轴804，该轮轴也可围绕轴线旋转，使得第一滑轮的旋转产生轮轴的旋转。例如，轮轴可以呈可围绕滑轮的轴线809旋转的鞘的形式。

图8示出了可以围绕第一滑轮803的轴线809旋转的第二滑轮805。远侧驱动元件806被约束以围绕第二滑轮移动。远侧驱动元件上的至少一个点固定到第二滑轮。第一滑轮和第二滑轮可以围绕轮轴804设置并固定到该轮轴。在此实例中，第一滑轮围绕其轴线的旋转经由轮轴转换成第二滑轮的旋转。远侧驱动元件806固定到第二滑轮805，使得第二滑轮的旋转产生远侧驱动元件的移动。例如，珠可用于将驱动元件固定到滑轮。远侧驱动元件围绕关节808固定到末端执行器807。远侧驱动元件的移动因此被转换成末端执行器的移动。在其它实例中，第一滑轮和第二滑轮可以直接彼此固定，或者可以使用不同机构将一个滑轮的旋转转换成另一个滑轮的旋转。

因此，在此实例中，机器人臂(未示出)按如下方式将驱动力传递到器械的末端执行器807：驱动组件接口元件(未示出)的移动使器械接口元件801移动，所述器械接口元件的移动使驱动元件802移动，所述驱动元件的移动使第一滑轮803移动，所述第一滑轮的移动使第二滑轮805移动，所述第二滑轮的移动使驱动元件806移动，所述驱动元件的移动使关节808移动，所述关节的移动使末端执行器807移动。在所示的实例中，由于驱动元件固定到滑轮上，所以器械接口元件的移动产生滑轮的移动。然而，在其它实例中，驱动元件可以不固定到滑轮。在此实例中，由于驱动元件与滑轮之间的高摩擦系数，可以实现滑轮的移动。驱动元件和滑轮中的一者或两者可包括凸起的轮廓和/或凹槽，其有助于部件之间的高摩擦系数。

在图8中，驱动元件是线缆。然而，在其它实例中，驱动元件可以是任何其它细长元件。例如，驱动元件可以是链、皮带、齿条或杆。每个驱动元件可以是单个长度、环或替代地可以形成多个部件，例如一对驱动元件。在图8的实例中，驱动元件是柔性的，但可替代地是刚性的。驱动元件可包括刚性部分和柔性部分。近侧驱动元件和远侧驱动元件可以是不同类型的驱动元件。每个驱动元件可以由材料形成，使得当向其施加力时，其根据已知模型(例如，弹簧/阻尼器模型)伸长。

第一滑轮803的直径与第二滑轮805的直径不同。在图8所示的齿轮机构的放大形式中，第一滑轮的直径d1大于第二滑轮的直径d2。在此实例中，近侧驱动元件被线性地驱动，即，驱动组件接口元件的线性运动产生器械接口元件的线性运动，所述器械接口元件的线性运动产生近侧驱动元件的线性运动。然而，在其它实例中，近侧驱动元件可以被旋转地驱动。当器械接口元件被(线性地或旋转地)驱动时，近侧驱动元件的附接到器械接口元件的端部移动第一位移l1。第一位移l1被转换成第一滑轮的旋转，从而使第一滑轮803旋转角度θ。等式1示出了线性位移l1与旋转位移θ之间的关系。

如上文所解释的，第一滑轮的旋转被转换成第二滑轮的旋转。因此，第二滑轮也旋转角度θ。远侧驱动元件固定到第二滑轮，使得第二滑轮的旋转产生远侧驱动元件的端部的位移。具体地说，远侧驱动元件的附接到末端执行器的端部移动第二位移l2。等式2示出了线性位移l2与旋转位移θ之间的关系。

因此，可以使用以下等式计算远侧驱动元件的位移l2，其中d1是第一滑轮的直径并且d2是第二滑轮的直径。

因此，第一位移和第二位移的比率等于第一滑轮的直径与第二滑轮的直径的比率

因此只要d1≠d2，l1≠l2。这样，可以通过改变第一滑轮的直径与第二滑轮的直径的比率来改变近侧驱动元件的端部的位移被转换成远侧驱动元件的端部的位移的比例。

由驱动元件801施加在近侧驱动元件802上使得近侧驱动元件的端部移动位移l1的力为F1。当远侧驱动元件的端部移动位移l2时，远侧驱动元件施加在末端执行器上的力以及因此末端执行器施加的力是F2。忽略由例如摩擦引起的效率低下，位移l1与力F1成反比，并且位移l2与力F2成反比。因此，第一位移l1与第二位移l2的比率是F1与F1的比率的倒数。因此，

末端执行器的要求在不同类型的手术程序中显著不同。例如，在一些手术程序中，需要末端执行器施加的力可以小于驱动组件通常施加的力。因此，可能期望降低器械的末端执行器的灵敏度。实现此目的的一种方法是减小器械接口元件的运动被转换成末端执行器的移动的比例，即确保l2＜l1。在此实例中，第一滑轮的直径大于第二滑轮的直径可能是有益的。等式5(参考等式3)示出了当第一滑轮的直径大于第二滑轮的直径时对相应位移的影响。

在另一实例中，在末端执行器是一对夹持器且需要抓握针的情况下，可能需要末端执行器长时间施加高力。换句话说，期望最大化末端执行器输出的力。因此，在此实例中，优选地增加器械接口元件的运动被转换成末端执行器的运动的比例。在此实例中，第二滑轮的直径大于第一滑轮的直径可能是有益的。术语“比例”并不旨在表示小于一。显而易见的是，图8中所示的齿轮机构可以允许远侧驱动元件的位移大于近侧驱动元件的位移的方式实现。换句话说，可以转换一定比例的运动，其中，该比例大于一。等式6(参考等式3)示出了当第二滑轮的直径大于第一滑轮的直径时对相应位移的影响。

因此，齿轮机构可用于机械地调制器械接口元件(由机器人臂实现)的运动被转换成末端执行器的运动的量。

图9、10和11示出了齿轮机构的其它实例。

图9示出了驱动机构的第二实例。该驱动机构包括许多与图8中所示的驱动机构相同的元件。与图8中所见的实例相反，驱动机构包括齿形带和齿轮。近侧驱动元件是齿形带902。齿形带包括齿。齿形带902与第一滑轮接合，在该实例中，所述第一滑轮是齿轮903。齿轮还包括齿。齿形带的齿被构造成与齿轮的齿啮合。齿形带902与齿轮903接合，因为齿形带的齿与齿轮的齿啮合。这样，齿形带的运动被转换成齿轮的旋转。

驱动机构以与参考图8所述的方式类似的方式操作。第二滑轮805围绕齿轮903的轴线设置。第二滑轮和齿轮可以围绕共同轮轴设置。因此，在此实例中，机器人臂(未示出)按如下方式将驱动力传递到器械的末端执行器807：驱动组件接口元件(未示出)的移动使器械接口元件801移动，所述器械接口元件的移动使齿形带902移动，所述齿形带的移动使齿轮903移动，所述齿轮的移动使第二滑轮805移动，所述第二滑轮的移动使驱动元件806移动，所述驱动元件的移动使关节808移动，所述关节的移动使末端执行器807移动。

由于驱动元件和滑轮的相应齿彼此紧密接合，因此在驱动元件与滑轮之间滑移的可能性较小，因此可以更有效地传递运动。

图10示出了第三驱动机构。在此实例中，器械接口元件801固定到齿条1002。齿条是刚性的。齿条包括齿。第一滑轮是齿轮903。齿条1002与齿轮903接合。齿形带的齿被构造成与齿轮的齿啮合。齿形带902与齿轮903接合，因为齿形带的齿与齿轮的齿啮合。器械接口元件的位移等于齿条的位移。齿条的位移被转换成齿轮的旋转。

驱动机构以与参考图8和9所述的方式类似的方式操作。第二滑轮805围绕齿轮903的轴线设置。第二滑轮和齿轮可以围绕共同轮轴设置。因此，在此实例中，机器人臂(未示出)按如下方式将驱动力传递到器械的末端执行器807：驱动组件接口元件(未示出)的移动使器械接口元件801移动，所述器械接口元件的移动使齿条1002移动，所述齿条的移动使齿轮903移动，所述齿轮的移动使第二滑轮805移动，所述第二滑轮的移动使驱动元件806移动，所述驱动元件的移动使关节808移动，所述关节的移动使末端执行器807移动。

在图9和图10中，仅近侧驱动元件和第一滑轮示出为包括齿。然而，远侧驱动元件和第二滑轮也可包括齿。替代地，仅远侧驱动元件和第二滑轮可包括齿。

图9和图10示出了至少一个驱动元件是刚性的驱动机构的实例。刚性驱动元件比更柔性驱动元件更不容易在张力下应变。此外，刚性元件可经历推力和拉力两者。在某些情况下，使用刚性驱动元件可减少由驱动机构占据的空间量。图9和图10示出了刚性驱动元件是包括齿的齿条的实例。诸如这些齿条的齿条可以容易地锁定在期望位置，因为它们可在其长度的任何点处接合。

图11示出了驱动机构的第四实例。在此实例中，器械接口元件801紧固到第一杆1102的端部。杆1102是硬的，并且以直线延伸。杆在第一方向上远离器械接口元件延伸，第一方向是器械接口元件的平移方向。杆1102包括在与器械接口元件相对的端部处的孔口1103。孔口可以呈狭槽的形式。第二杆1104a开槽通过孔口1103。第二杆1104a在与第一方向成一定角度的第二方向上远离孔口延伸。第二杆1104a是硬的，并且以直线延伸。第三杆1104b可围绕点1106枢转地安装到第二杆1104a。杆1104b也是硬的，并且以直线延伸。枢轴点1106定位在第二杆1104a的与杆的穿过孔口1103的部分相对的端部处。第三杆1104b在第一方向上远离枢轴点1106延伸。通常，杆1102、1104a和1104b形成“Z”形状。在此实例中，第三杆1104b的至少一部分包括齿。在所示的实例中，第三杆1104b的在第一杆1102和第二杆1104a远侧的端部是齿条。齿轮机构还包括齿轮903。第三杆1104b与齿轮903接合。因此，在该实例中，近侧驱动元件包括三根或更多根杆，并且第一滑轮是齿轮。在其它实例中，第三杆1104b可以另一种方式连接到驱动元件806。

在图11所示的实例中，杆1104a和1104b被构造成相对于彼此移动。杆1104a和1104b被构造成围绕枢轴点1106相对于彼此枢转。第二杆1104a能够围绕轴线1107旋转。在图11所示的实例中，轴线1107沿着第二杆1104a大致定位在中间。

因此，在此实例中，机器人臂(未示出)按如下方式将驱动力传递至器械的末端执行器807：驱动组件接口元件(未示出)的移动使器械接口元件801移动，所述器械接口元件的移动使第一杆1102移动。第一杆1102的移动使第二杆1104a的近端移动，从而使其围绕轴线1107旋转。因为杆1104a和1104b能够围绕点1106相对于彼此枢转，所以第二杆1104a的旋转使第三杆1104b移动。由于第三杆1104b的远端是与齿轮903接合的齿条，因此第三杆1104b的运动引起齿轮903的旋转。如先前关于图8到10所述，这引起第二滑轮805的旋转，所述第二滑轮的旋转使驱动元件806移动，所述驱动元件的移动使关节808移动，所述关节的移动使末端执行器807移动。

在图11所示的实例中，枢轴点1106包括销，所述销穿过杆1104a、1104b以接合它们，同时允许它们相对于彼此旋转。在另一实例中，枢转点1106可包括第二杆1104a中的孔口(类似于孔口1103)，第三杆1104b开槽通过所述孔口。替代地，第三杆1104b可包括孔口，第二杆1104a开槽通过所述孔口。

在另一实例中，杆1104a和1104b相对于彼此固定以形成L形状。在此实例中，所得复合杆不能围绕轴线旋转。第一杆1102的平移仅产生杆1104a和1104b的平移。驱动机构的剩余元件以与先前描述相同的方式操作。

在图11所示的实例中，轴线1107沿着杆1104a大致定位在中间。然而，该布置可以被构造成使得轴线可以沿着杆1104a的长度定位在任何点处。通过移动轴线的位置，可以调整第一杆1102的位移与第三杆1104的位移的比率。由于轴线1107可以采用沿着第二杆1107的任何位置，因此该布置允许微调施加在驱动接口元件801上的力F1与施加在驱动元件806上以及因此施加在末端执行器上的力F2之间的比率。

在图12所示的类似实例中，第二杆和第三杆可用单个钩形杆1204替换。钩形杆在其近端处包括笔直部分，并且在其远端处包括弯曲部分。根据图11所示的实例，杆的笔直部分接合到第一杆1102。轴承连接杆，同时允许它们相对于彼此旋转。如图12中所见，钩形杆可穿过第一杆中的孔口。替代地，轴承可以是穿过两个杆的销。杆的弯曲部分包括齿，并且可以以与图11的布置相同的方式接合齿轮。杆是弯曲的以便形成部分圆形。在图12所示的实例中，齿定位在杆的弯曲部分的内侧。当齿位于由杆形成的部分圆形的内侧时，齿轮定位在部分圆形内。由杆的弯曲部分形成的部分圆形具有有效半径R₂。

在此实例中，机器人臂按如下方式将驱动力传递到器械的末端执行器：驱动组件接口元件的移动使器械接口元件801在箭头A指示的方向上移动，所述器械接口元件的移动使第一杆1102在同一方向上移动。第一杆的移动使钩状杆1204移动。由于钩状杆的远端是与齿轮接合的齿条，所以钩状杆的运动引起齿轮903的旋转。这引起第二滑轮805的旋转，所述第二滑轮的旋转使驱动元件806移动，所述驱动元件的移动使关节移动，所述关节的移动使末端执行器(未示出)移动。

图12示出了可以通过使器械接口元件801和第一杆1102在箭头B指示的方向上移动来改变第一杆1102和钩状杆1204的相对位置。通过改变第一杆1102和钩状杆1204的相对位置，可以改变第一杆与钩状杆的弯曲部分之间的距离R₁。例如，可以改变此布置，使得第一杆更靠近钩状杆的弯曲部分接合钩状杆，从而减小距离R₁。以此方式，可以改变从器械接口元件801传输到远侧驱动元件806和末端执行器(未示出)的力。

图13示出了驱动机构的第六实例。在此实例中，器械接口元件801固定到推杆1302。推杆是刚性的。驱动元件1303固定到推杆。在所示的实例中，器械接口元件固定到推杆的近端，并且驱动元件固定到推杆的相对远端。驱动元件可以是部分刚性的。驱动元件可以是弹性的。驱动元件被约束以围绕第一滑轮803移动。驱动元件1303至少部分地围绕滑轮803缠绕。在图12所示的实例中，驱动元件1303围绕滑轮的最靠近推杆的近端的部分缠绕。滑轮803邻近推杆定位，并且通常定位在器械接口元件与驱动元件所固定的推杆的远端之间。驱动元件1303在推杆的远端处开始，并且遵循部分地沿着推杆的长度朝向推杆的近端(和器械接口元件801)的路径，然后在首先远离推杆接着朝向推杆的远端返回的方向上围绕滑轮803缠绕。推杆可以包括凹槽，并且驱动元件1303可以在凹槽内遵循部分地沿着推杆的长度的路径。在图12所示的实例中，滑轮803与推杆1302接触，但在其他实例中，这两个部件之间可能存在间隙。

器械接口元件801的运动被转换成推杆1302的运动。由于驱动元件1303紧固到推杆1302，所以器械接口元件和推杆的运动被转换成驱动元件的运动。当驱动元件围绕滑轮缠绕时，驱动元件的运动被转换成第一滑轮803的旋转。如前所述，第一滑轮803固定到第二滑轮805，使得滑轮803的旋转产生滑轮805的旋转。滑轮805的旋转引起远侧驱动元件806的运动。远侧驱动元件806可以围绕关节固定到末端执行器，使得驱动元件806的移动被转换成末端执行器的移动。图13示出了为线缆环的远侧驱动元件806。然而，在其它实例中，驱动元件可以是具有固定到第二滑轮805的一端和固定到末端执行器的第二端(未示出)的单个长度的线缆。

在该实例中，机器人臂(未示出)按如下方式将驱动力传递至器械的末端执行器807：驱动组件接口元件(未示出)的移动使器械接口元件801移动，所述器械接口元件的移动使推杆1302移动。推杆1302的运动使近侧驱动元件1303移动，所述近侧驱动元件的移动使第一滑轮803移动，所述第一滑轮的移动使第二滑轮805移动，所述第二滑轮的移动使驱动元件806移动，所述驱动元件的移动使关节808移动，所述关节的移动使末端执行器807移动。

图14示出了类似于图8中所见但经修改以包括另外的滑轮的驱动机构。与图8中所见的示出了围绕轮轴804设置的两个滑轮803和805的实例相反，图14示出了包括围绕轮轴804设置的四个滑轮的驱动机构。在此实例中，近侧驱动元件802被约束以围绕滑轮803，并且远侧驱动元件806被约束以围绕滑轮805a移动。滑轮805a相对于滑轮803旋转固定，使得当滑轮803旋转时，滑轮805a也旋转。滑轮805b和805c也位于轮轴804上，并被构造成围绕滑轮803的轴线旋转。滑轮805b和805c也相对于滑轮803旋转固定，使得当滑轮803旋转时，滑轮805b和805c也旋转。滑轮803、805a、805b和805c中的每一个具有直径。每个滑轮的直径与其它滑轮中的每一个的直径不同。在此实例中，滑轮805c的直径小于第一滑轮803，但滑轮805a和805b的直径均大于滑轮803的直径。

机器人臂(未示出)将驱动力传递到器械的末端执行器807，如参考图8所述。在图14所示的实例中，远侧驱动元件806的位置可以被移位，使得其可以被约束以围绕滑轮805a、滑轮805b或滑轮805c移动。由于滑轮805a、805b和805c中的每一个具有不同的直径，因此改变远侧驱动元件被约束以围绕其移动的滑轮改变了第一滑轮的直径与第二滑轮的直径的比率。如上文所解释的，可以通过改变第一滑轮803的直径与第二滑轮805的直径的比率来改变近侧驱动元件802的端部的位移被转换成远侧驱动元件806的端部的位移的比例。因此，改变远侧驱动元件被约束以围绕其移动的滑轮改变了从驱动组件传递到末端执行器的运动的比例。驱动机构可包括被构造成允许操作员改变远侧驱动元件被约束以围绕其移动的滑轮的机构。例如，驱动机构可包括变速器、另外的开关或杆。

使用这种布置，操作员可以从三个分立选项中选择第一滑轮的直径与第二滑轮的直径的比率。因此，操作员可以(从三个选项中)选择将从器械接口元件传递到末端执行器的运动的比例。以此方式，由末端执行器从驱动组件处的单个输入输出的力是可调整的。因此，单个器械是可定制的，并且可以适用于各种手术程序。可以改变近侧驱动元件的端部的位移l1与远侧驱动元件的端部的位移l2的比率，以便更接近特定应用的所需比率。此外，改变比率

还可以改变操作员使用机器人执行程序的体验。例如，对输入力(驱动信号)较敏感或较不敏感的器械可影响操作员可以控制末端执行器的容易性。因此，此齿轮机构使得操作员能够选择比率，以便提供不同的处理感觉，同时控制末端执行器以执行手术程序。

在此实例中，存在三个第二滑轮，每个第二滑轮具有不同的直径，因此对于比率

有三个分立选项。在另一实例中，仅存在两个第二滑轮，远侧驱动元件可被约束以围绕所述两个第二滑轮移动。在另一实例中，存在三个以上第二滑轮。在另一实例中，近侧驱动元件802的位置可被移位，使得其可被约束以围绕多个滑轮中的任一个移动。在此实例中，远侧驱动元件806可被约束以围绕单个滑轮移动。替代地，两个驱动元件802和806可以被约束以围绕多个滑轮中的任一个移动。

此修改已使用图8中所见的驱动机构的实例示出。可以对先前描述的任何驱动机构进行相同修改。图9到图13中任一者中所示的机构可以被修改，使得多个滑轮围绕同一轴线设置。

图14中所示的齿轮机构可以定位在末端执行器807与器械接口元件801之间的任何地方。然而，优选的是，相比于器械的远端(末端执行器)，齿轮机构更靠近器械的近端(器械接口元件)定位。在器械插入患者的端口中的手术程序期间，当齿轮机构定位在器械的近端处时，其将不插入手术端口中。因此，所述机构对于医生来说更容易接近，使得医生可以手动调整齿轮机构。例如，为了调整第一滑轮和第二滑轮的直径之间的比率，外科医生可以脱离远侧驱动元件并重新定位远侧驱动元件，使得其受不同滑轮约束。

图15示出了驱动机构的另一实例，其中驱动机构包括两个截头锥体。器械接口元件801固定到近侧驱动元件802。近侧驱动元件802接合第一截头锥体1503。第一截头锥体具有彼此平行的两个平面圆形面1503a和1503b以及一个弯曲面1503c。圆形面1503a的直径大于圆形面1503b的直径。近侧驱动元件802被约束以围绕第一截头锥体1503移动。近侧驱动元件802上的至少一点在第一截头锥体的最靠近面1503b的端部处固定到第一截头锥体1503的弯曲面1503c。接合元件1504定位在第一截头锥体1503与第二截头锥体1505之间。第二截头锥体1505具有两个平行的平面圆形面1505a和1505b以及一个弯曲面1505c。圆形面1505a的直径小于圆形面1505b的直径。第二截头锥体1505与第一截头锥体1503成180度定向，以便相对于第一截头锥体处于倒置位置。在其它实例中，锥体的平面可能不是圆形的，例如，它们可以是大致椭圆形的。锥体还可以一定角度被截断，使得截头锥体的平面不平行。接合元件1504可移动地接合第一截头锥体1503的面1503c和第二截头锥体1505的面1505c。面1503c和1505c在接合元件接合它们的点处彼此平行。接合元件1504围绕轴线1506旋转。轴线1506平行于笔直线，所述笔直线在接合元件接合面1503c和1505c的点处与所述面完全相交。接合元件的宽度等于第一截头锥体与第二截头锥体之间的距离。远侧驱动元件806接合第二截头锥体1505。远侧驱动元件806被约束以围绕第二截头锥体1505移动。远侧驱动元件806上的至少一点固定到第二截头锥体1505的弯曲面1505c。近侧驱动元件802和远侧驱动元件806可以分别使用珠、销、夹子或其它粘合剂固定到第一截头锥体1503和第二截头锥体1505。替代地，第一截头锥体和第二截头锥体的弯曲表面1503c和1505c可包括一个或多个凹槽。近侧驱动元件802可以位于第一截头锥体1503的弯曲表面1503c的凹槽中。远侧驱动元件806可以位于第二截头锥体1505的弯曲表面1505c的凹槽中。

在该实例中，机器人臂(未示出)按如下方式将驱动力传递至器械的末端执行器：驱动组件接口元件(未示出)的移动使器械接口元件801移动，所述器械接口元件的移动使近侧驱动元件802移动。近侧驱动元件的运动引起第一截头锥体1503的旋转。第一截头锥体的旋转引起接合元件1504的旋转，所述接合元件的旋转引起第二截头锥体1505的旋转。第二截头锥体1505的旋转使驱动元件806移动，所述驱动元件的移动使关节808移动，所述关节的移动使末端执行器807(在图8到图10中可见)移动。

近侧驱动元件802的位移l1与远侧驱动元件806的位移l2的比率取决于两个截头锥体的相对旋转。因此，近侧驱动元件802的位移l1与远侧驱动元件806的位移l2的比率随以下各项而变：

a)第一截头锥体1503在近侧驱动元件接合第一截头锥体的点处的直径d1a；

b)第二截头锥体1505在远侧驱动元件接合第二截头锥体的点处的直径d2a；

c)第一截头锥体1503在接合元件1504接合第一截头锥体的点处的直径d1b；以及

d)第二截头锥体1505在接合元件1504接合第二截头锥体的点处的直径d2b。

近侧驱动元件802的位移l1与远侧驱动元件806的位移l2的比率随以下比率而变：

以及/>

可以通过改变比率

来改变近侧驱动元件802的位移l1与远侧驱动元件806的位移l2的比率。截头锥体1503和1505可以包括一个或多个凹槽。近侧驱动元件802可以位于第一截头锥体1503的凹槽中。远侧驱动元件806可以位于第二截头锥体1505的凹槽中。如果每个截头锥体包括多个凹槽，则每个驱动元件可以被构造成在相应凹槽之间移位。例如，可手动调整截头锥体的位置，使得每个锥体与被约束以围绕该锥体移动的相应驱动元件之间的相对位置被改变。手动机构可以是可以拧紧的螺钉。替代地，可以使用专用伺服马达来改变锥体的位置。由于驱动元件与截头锥体之间的相对位置改变，驱动元件可以在锥体的表面上滑动到不同的凹槽中。因此，在锥体上可能存在多个点(h的值)，驱动元件可以在这些点处接合锥体。因此，可能存在离散数目的可能值d1a和d2a，以及离散数目的可能比率/>

驱动元件可以另一种方式固定到截头锥体。例如，驱动元件可以使用诸如珠、夹子、销的固定元件或使用粘合剂固定到截头锥体。替代地，驱动元件与截头锥体之间的摩擦可以允许驱动元件接合相应的截头锥体。驱动元件可以被构造成在其弯曲表面上的任何点处接合截头锥体。驱动元件可以被构造成在沿着截头锥体的纵向轴线的任何点处(在h的任何值处)接合弯曲表面。例如，近侧驱动元件802可以在h的任何值处固定到第一截头锥体1503。因此，可能存在可能值d1a的连续范围。类似地，可能存在可能值d2a的连续范围。这样，可能存在可能值

的大的连续范围。

可以通过改变比率

来改变近侧驱动元件802的位移l1与远侧驱动元件806的位移l2的比率。比率/>

由接合元件1504接合两个锥体的点处的第一截头锥体和第二截头锥体的相对直径计算。接合元件可包括一个或多个突起，所述一个或多个突起与截头锥体中的一个或多个凹槽或凹口啮合。例如，第一截头锥体可包括在沿着其纵向轴线的不同点(h的不同值)处的多个凹槽。接合元件可以从一个凹槽移动到另一个凹槽。例如，可以手动调整接合元件的位置，使得接合元件与每个截头锥体之间的相对位置被改变。手动机构可以是可以拧紧的螺钉。替代地，可以使用专用伺服马达来改变接合元件的位置。在一些实例中，可能需要截头锥体移动以允许接合从一个凹槽转换到另一个凹槽。因此，可以存在接合元件可以与第一截头锥体接合的离散数目的点，以及离散数目的可能值d1b。类似地，可以存在接合元件可以与第二截头锥体接合的离散数目的点，以及离散数目的可能值d2b。因此，可以存在离散数目的可能比率/>

替代地，接合元件可以被构造成以另一种方式与截头锥体接合，使得接合元件可以在沿着它们各自的纵向轴线的任何点处与两个截头锥体接合。因此，可能存在值d1b和d2b的连续范围，以及可能值

的大的连续范围。接合元件可被构造成在每一个截头锥体的弯曲表面上的任何两个点之间移动。例如，接合元件可以是可以旋转以沿着锥体的旋转轴线移动的球体。在截头锥体不包括凹槽的实例中，接合元件可由于接合元件与锥体之间的摩擦而与截头锥体接合。接合元件能够以类似于带的方式传递摩擦驱动力。

这种齿轮机构使器械可高度定制。器械的操作员能够改变机构的四个参数，以便获得近侧驱动元件802的位移l1与远侧驱动元件806的位移l2的所需比率。在一些实例中，四个参数中的每一个可以取连续范围内的任何值。因此，操作员能够根据等于所需比率的比率

来修改器械以便操作，而不是实现更适合于特定程序的比率/>

在大多数实例中，近侧驱动元件802的位移l1与远侧驱动元件806的位移l2的比率取决于所有四个参数d1a、d2a、d1b和d2b。然而，存在两种情况，其中比率

仅取决于这些参数中的两个参数。这些两种情况是：

1)其中，接合元件在某点处接合两个截头锥体使得两个截头锥体在接合元件接合两个截头锥体的点处的直径相等(d1b＝d2b)。在图15中所见的实例中，所述锥体形状相同并且相对于彼此倒置，因此这个点是在

处。当d1b＝d2b时，传递到远侧驱动元件l2的近侧驱动元件的位移l1仅取决于第一截头锥体1503在近侧驱动元件802接合第一截头锥体的点处的直径d1a与第二截头锥体1505在远侧驱动元件806接合第二截头锥体的点处的直径d2a的比率/>

2)其中，第一截头锥体1503在近侧驱动元件802接合第一截头锥体的点处的直径d1a等于第二截头锥体1505在远侧驱动元件806接合第二截头锥体的点处的直径d2a(d1a＝d2a)。在此实例中，传递到远侧驱动元件l2的近侧驱动元件的位移l1仅取决于第一截头锥体和第二截头锥体在接合元件接合两个截头锥体的点处直径的比率

机器人臂102包括电机(未示出)以允许臂以本文所述的方式操作，即，臂中的电机使驱动组件将驱动力传输到器械，如先前所述。用于电机的控制器分布在机器人臂内。如图2中所见，手术机器人100构成系统的一部分，所述系统还包括外科医生命令接口201和控制单元202。控制单元包括处理器203和存储器204。存储器204以非暂态方式存储软件，该软件可由处理器执行，以控制电机的操作以使臂102以本文所述的方式操作。软件可以控制处理器203以使电机根据来自外科医生命令接口的输入进行驱动。控制单元202联接到电机，以根据通过执行软件产生的输出来驱动它们。外科医生命令接口201包括一个或多个输入装置，由此用户可以期望的方式请求末端执行器的运动。输入装置例如可以是可手动操作的机械输入装置，诸如控制手柄或操纵杆，或非接触式输入装置，诸如光学手势传感器。存储器204中存储的软件被配置为对这些输入作出响应，并且处理器被配置成执行软件以使臂的关节和器械相应地移动。总的来说，命令接口201处的外科医生可以控制器械103以执行期望的手术程序的方式移动。控制单元202和/或命令接口201可以远离臂102。

为了以期望的方式执行所需手术程序，控制单元必须考虑关于机器人臂102和器械103的许多条信息。关于器械的各条信息可包括例如器械的类型和末端执行器的部件的位置。器械103可包括处理器和发射器，并且被配置成将信息传输至控制单元202。器械还可包括被配置成存储关于器械的信息的存储器。传输到控制单元的信息还可包括近侧驱动元件802的位移l1与远侧驱动元件806的位移l2的比率。例如，器械可以将比率

存储在存储器中。

在诸如图8所示的实例中，器械包括单个滑轮805，远侧驱动元件被构造成围绕该单个滑轮移动。因此，这种器械只能根据一种已知比率

操作。因此，此器械可以永久地存储值/>

并将其传输至控制单元以辅助控制单元控制手术机器人以执行所需手术程序。

在另一实例，例如类似于图13中所示的实例中，近侧驱动元件802的位移l1与远侧驱动元件806的位移l2的比率可能未知。在此实例中，器械可被构造成检测位移l1和l2中的一者或两者。器械可包括一个或多个传感器。器械可包括用于检测远侧驱动元件806的位移或末端执行器807的位移的传感器。器械可包括用于检测器械接口元件801或近侧驱动元件802的位移的传感器。检测位移可以多种方式，例如通过测量驱动元件的张力或使用视觉传感器执行。

替代地，控制单元可以被配置成计算比率

控制单元可以从器械接收信息并使用该信息来计算比率。例如，器械可以将第一滑轮和第二滑轮的直径d1和d2传输至控制单元。在图13中所见的远侧驱动元件可以被三个可能的滑轮中的一个约束的实例中，器械可以被构造成检测远侧驱动元件被约束以围绕哪个滑轮移动，并将该信息传输至控制单元。类似地，器械可以被构造成检测远侧驱动元件被约束以围绕其移动的滑轮的直径，并将该信息传输到控制单元。每个滑轮可包括传感器，所述传感器被配置成检测驱动元件是否被约束以围绕该滑轮移动。器械可以被构造成将传感器的输出传输至控制单元。

如先前所提及的，远侧驱动元件的位移l2可由器械检测并被传输至控制单元，但近侧驱动元件的位移l1可能未知。控制单元可以被配置成得到近侧驱动元件的位移值l1。如上所述，控制单元指示臂中的电机致动臂的移动。施加到驱动组件接口元件(例如，403)上的力的量值可以由臂中的力传感器和传输到控制单元的力的值来测量。控制单元因此可以被配置成使用施加到驱动组件接口元件的力得到近侧驱动元件的端部的位移。臂可替代地或另外包括运动传感器，所述运动传感器被配置成测量驱动组件接口元件403的位移，该位移等于近侧驱动元件的端部的位移l1。以此方式，控制单元可被配置成从感测到的驱动组件接口元件的位移得到近侧驱动元件的端部的位移l1。然后可以将值l1传输到控制单元。然后，控制单元可以计算比率

该比率

或/>

也可以通过将近侧驱动元件的张力与远侧驱动元件的张力进行比较来近似得到。该比率还可通过将末端执行器处的期望扭矩或力与末端执行器实现的实际力或扭矩进行比较来确定。所述系统实现期望力或扭矩所花费的时间还可以提供第一滑轮的直径与第二滑轮的直径之间的当前比率的指示。

期望用于控制手术机器人以执行所需手术程序的控制单元接收或确定施加到器械接口元件上的力传递到末端执行器的比例。特别地，在例如图13中所示的实现多个可能比率

的器械中，控制单元被配置成接收和/或计算该信息，使得其可以向机器人提供合适的驱动信号以便使机器人安全且有效地执行所需手术程序是有利的。

已关于包括一个驱动组件接口元件、一个器械接口元件、一个齿轮机构、一个关节和一个末端执行器的驱动机构解释了本文中所述的实例，然而应了解，例如，相同的原理可以例如使用图4和图6中所示的驱动组件接口和器械接口延伸到多个每一个这些实例中。一个或多个末端执行器可以使用多个独立齿轮机构同时围绕多个关节致动。应当理解，单个器械可以包括多于一个齿轮机构，并且可以包括不同齿轮机构的组合，例如图8到图14中所示的那些的任何组合。

申请人在此独立地公开了本文中所描述的每个单独的特征以及两个或更多个这类特征的任何组合，只要这些特征或组合能够基于本说明书作为一个整体根据本领域技术人员的公知常识来实施，而不管这类特征或特征组合是否解决本文中公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单个特征或特征组合组成。鉴于以上描述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。

Claims (24)

1.一种机器人手术器械，包括：

轴；

铰接部，所述铰接部附接到所述轴的远端，所述铰接部被构造成铰接末端执行器，所述铰接部可由远侧驱动元件驱动；

驱动机构，所述驱动机构包括：

器械接口元件，所述器械接口元件固定到近侧驱动元件的端部并且被构造成接合驱动组件的驱动接口元件，其中所述驱动接口元件的运动产生所述近侧驱动元件的端部的第一位移；以及

齿轮机构，所述齿轮机构接合所述近侧驱动元件和所述远侧驱动元件，并且被构造成将所述近侧驱动元件的端部的第一位移转换成所述远侧驱动元件的端部的不同的第二位移。

2.根据权利要求1所述的器械，其中所述齿轮机构包括：第一滑轮，所述近侧驱动元件被约束以围绕所述第一滑轮移动，所述第一滑轮被构造成围绕轴线旋转；以及第二滑轮，所述远侧驱动元件被约束以围绕所述第二滑轮移动，所述第二滑轮被构造成围绕同一轴线旋转，并且所述第一位移和所述第二位移的比率随所述第一滑轮的半径与所述第二滑轮的半径的比率而变，其中所述第一滑轮的半径不同于所述第二滑轮的半径。

3.根据权利要求2所述的器械，其中所述第二滑轮是多个滑轮中的一个，并且所述多个滑轮中的每个滑轮被构造成围绕所述第二滑轮的轴线旋转，并且具有与所述第一滑轮和所述多个滑轮中的所有其它滑轮不同的半径。

4.根据权利要求3所述的器械，其中所述远侧驱动元件被约束以围绕所述多个滑轮中的一个滑轮移动，并且所述第一位移和所述第二位移的比率随所述第一滑轮的半径与所述远侧驱动元件被约束以围绕其移动的滑轮的半径的比率而变。

5.根据权利要求4所述的器械，其中所述第一位移和所述第二位移的比率选自离散数目的比率。

6.根据权利要求5所述的器械，其中比率的离散数目等于所述多个滑轮中的滑轮的离散数目。

7.根据任一前述权利要求所述的器械，其中所述齿轮机构包括齿条，所述第一滑轮包括齿轮，并且被构造成接合所述齿条，使得所述齿条的运动产生所述齿轮的旋转。

8.根据权利要求7所述的器械，其中所述远侧驱动元件被约束以围绕滑轮移动，并且所述第一位移和所述第二位移的比率随所述齿条和所述齿轮的尺寸以及所述滑轮的半径而变。

9.根据权利要求7或8所述的器械，其中所述近侧驱动元件还包括：

第一杆，所述第一杆固定到所述器械接口元件；以及

第二杆，所述第二杆固定到所述齿条并且被构造成与所述第一杆可移动地接合，使得所述第一杆的位移产生所述齿条的位移，其中所述第一位移和所述第二位移的比率随所述齿条、所述齿轮、所述第一杆和所述第二杆的尺寸而变。

10.根据权利要求9所述的器械，其中所述第一杆包括孔口，并且所述第二被构造成穿过所述第一杆中的孔口。

11.根据权利要求2所述的器械，其中所述第一滑轮是第一截头锥体，并且所述第二滑轮是第二截头锥体。

12.根据权利要求1所述的器械，其中所述齿轮机构包括：

第一截头锥体，所述近侧驱动元件被约束以围绕所述第一截头锥体移动；

第二截头锥体，所述远侧驱动元件被约束以围绕所述第二截头锥体移动；以及

接合元件，所述接合元件被构造成与所述第一截头锥体和所述第二截头锥体可移动地接合，以便将所述第一截头锥体的旋转转换成所述第二截头锥体的旋转。

13.根据权利要求12所述的器械，其中所述第一位移和所述第二位移的比率随所述第一截头锥体在所述近侧驱动元件被约束的点处的半径相比于所述第二截头锥体在所述远侧驱动元件被约束的点处的半径而变。

14.根据权利要求12或13所述的器械，其中所述第一位移和所述第二位移的比率随所述第一截头锥体在所述接合元件接合所述第一截头锥体的点处的半径相比于所述第二截头锥体在所述接合元件接合所述第二截头锥体的点处的半径而变。

15.根据权利要求1或权利要求7至14中任一项所述的器械，其中所述第一位移和所述第二位移的比率能够从值的连续范围中取任何值。

16.根据任一前述权利要求所述的器械，所述器械包括存储器，并且被构造成将所述第一位移和所述第二位移的比率存储在存储器中。

17.根据权利要求16所述的器械，所述器械被构造成将所述第一位移和所述第二位移的比率传输至控制单元。

18.一种系统，包括：

机器人臂；

根据任一前述权利要求所述的器械；以及

控制单元，所述控制单元被配置成确定所述第一位移和所述第二位移的比率。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制单元被配置成使用从所述器械传输到所述控制单元的信息来确定所述第一位移和所述第二位移的比率。

20.根据权利要求18或19所述的系统，其中所述控制单元被配置成通过测量所述远侧驱动元件中的张力和/或通过测量所述器械的末端执行器的运动来确定所述第二位移。

21.根据权利要求18至20中任一项所述的系统，所述机器人臂包括具有驱动组件接口元件的驱动组件，所述驱动组件接口元件被构造成与所述器械接口元件接合，使得所述驱动接口元件的运动产生所述器械接口元件的运动；并且所述机器人臂被构造成向所述驱动组件接口元件施加力，其中所述控制单元被配置成从感测到的所述驱动组件接口元件的位移得到所述第一位移。

22.根据权利要求18至21中任一项所述的系统，所述系统包括根据权利要求2至5中任一项所述的器械，其中所述器械的多个滑轮中的每个滑轮包括传感器，所述传感器被配置成检测所述远侧驱动元件是否被约束以围绕该滑轮移动，并且所述器械被构造成将所述远侧驱动元件被约束以围绕所述多个滑轮中的哪个滑轮移动传送到所述控制单元。

23.根据权利要求22所述的系统，其中所述器械被构造成将所述远侧驱动元件被约束以围绕其移动的所述滑轮的直径传送到所述控制单元。

24.根据权利要求23所述的系统，其中所述控制单元被配置成使用所述第一滑轮的直径和所述远侧驱动元件被约束以围绕其移动的所述滑轮的直径来确定所述第一位移和所述第二位移的比率。

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