具有机器人臂组件的机器人手术系统

背景技术

机器人手术系统已经用于微创医疗手术，并且可以包括机器人臂组件。一些机器人臂组件包括机器人臂，所述机器人臂具有：器械驱动组件，其联接到那里，用于将手术器械(如例如一对钳口构件、电手术钳、切割器械或任何其它内窥镜或开放式手术装置)联接到机器人臂；以及安装臂，其联接到那里，用于将手术附件(如例如手术端口，如套管针)联接到机器人臂。

在使用机器人手术系统之前或期间，选择手术器械并且将其连接到每个机器人臂的器械驱动组件，其中器械驱动组件可以驱动手术器械的末端执行器的致动。此类器械驱动部件可以包括许多部件，所述许多部件增加了机器人手术系统的成本、尺寸和能量输出。

在某些手术下，可以通过夹紧或松开步骤将手术附件(如例如，手术端口)对接到机器人臂的安装臂或从机器人臂的安装臂上脱开。在手术期间，末端执行器和/或手术器械的一部分可以通过手术端口和患者的小切口或自然孔口插入，以使末端执行器接近患者体内的工作部位。尽管此类手术端口可以提供另外的稳定性，并且在末端执行器的插入和致动期间充当手术器械的引导通道，但是夹紧/松开步骤会延长或者以其它方式增加外科手术的复杂性。

发明内容

因此，本公开描述了具有安装臂的机器人臂组件，所述安装臂有利地在机器人臂和多种手术附件(如手术端口)之间提供快速且容易的连接。本公开还描述了具有小型轻质器械驱动单元的机器人臂组件，其减小了机器人臂组件的复杂性。当前公开的器械驱动单元将五个马达合并成共享安装特征并且使热质量和散热最大化的单个单元。有利的是，当前公开的器械驱动单元具有减小的高度、简化了马达安装、提供较短的传动系统、减轻了重量、提供较短的电力密度、减小了手术机器人的整体高度、减小了电子装置、提供较低的COGS、提高了可靠性、并且降低了制造成本。

根据本公开的一个方面，提供一种机器人臂组件。机器人臂组件包括机器人臂和器械驱动单元。器械驱动单元被配置成提供五个旋转自由度，并且被联接到机器人臂。器械驱动单元包括：马达壳体；马达，其支撑在马达壳体中并且可以与马达壳体一起旋转；以及齿轮箱组件，其联接到马达并且被配置成将驱动力从马达传输到手术器械。在实施例中，器械驱动单元可以包括一个或多个扭矩传感器，所述一个或多个扭矩传感器与马达的一个或多个输出轴一起旋转，以在驱动力从马达传输到手术器械时测量扭矩。

在一些实施例中，机器人臂组件还可以包括手术器械。

在某些实施例中，机器人臂组件还可以包括无菌接口模块，所述无菌接口模块将器械驱动单元联接到手术器械。

在实施例中，马达可以包括四个或更多个马达，每个马达提供器械驱动单元的五个旋转自由度中的一个。在某些实施例中，马达可以包括五(5)个马达，其中四(4)个马达驱动手术器械，并且其中一(1)个马达使四(4)个马达围绕器械轴线旋转。器械驱动单元可以限定纵向轴线，并且四个马达可以围绕纵向轴线布置成圆形。马达壳体和四个马达可以被配置成一起围绕纵向轴线旋转。四个马达中的第一马达可以限定第一马达轴线。第一马达可以被配置成当马达壳体围绕器械驱动单元的纵向轴线旋转时，独立地围绕第一马达轴线旋转。第一马达的第一马达轴线和器械驱动单元的纵向轴线可以彼此平行。

在一些实施例中，齿轮箱组件中的第一齿轮箱组件可以包括减速齿轮组件和联接器，所述联接器固定到减速齿轮组件。第一马达可以包括驱动轴，其中第一齿轮箱组件的减速齿轮组件联接到第一马达的驱动轴。减速齿轮组件可以被配置成减小从第一马达的驱动轴到第一齿轮箱组件的联接器的输出。

在某些实施例中，机器人臂组件还可以包含围绕马达壳体支撑的马达绕组和磁体。马达绕组可以被配置成与马达壳体一起相对于磁体旋转，以充当马达并且提供五个旋转自由度中的一个。

根据本公开的又一个方面，机器人臂组件包含机器人臂、手术端口、无菌接口模块、手术器械和器械驱动单元。机器人臂包括向远侧延伸到环空的安装臂。手术端口联接到环空。手术器械联接到无菌接口模块。器械驱动单元联接到无菌接口模块，并且可沿着机器人臂滑动地移动以沿着机器人臂平移手术器械，并且选择性地推进手术器械通过手术端口。

在一些实施例中，环空可以是限定穿过其中的中心开口的封闭环。

在某些实施例中，环空可以被配置成通过底部加载将手术端口联接到环空。环空可以包括内表面，并且手术端口可以包括壳体和从壳体向远侧延伸的套管。手术端口的环空和壳体可以螺纹联接。

在实施例中，器械驱动单元可以包括：马达壳体；马达，其支撑在马达壳体中并且可以与马达壳体一起旋转；以及齿轮箱组件，其联接到马达并且被配置成将驱动力从马达传输到手术器械。马达可以包括四个马达。器械驱动单元可以限定纵向轴线，并且四个马达可以围绕纵向轴线布置成圆形。马达壳体和四个马达可以被配置成一起围绕纵向轴线旋转。四个马达中的第一马达可以限定第一马达轴线。第一马达可以被配置成当马达壳体围绕器械驱动单元的纵向轴线旋转时，独立地围绕第一马达轴线旋转。

在某些实施例中，机器人臂组件还可以包括围绕马达壳体支撑的马达绕组和磁体。马达绕组可以被配置成与马达壳体一起相对于磁体旋转。

根据以下描述、附图和权利要求、其它方面、特征和优点将是显而易见的。

附图说明

本文参考附图描述了本公开的实施例，在附图中：

图1是根据本公开的机器人组件的透视图；

图2是图1中示出的细节指示区域的放大透视图，绘示了固定到图1的机器人臂组件的安装臂上的手术端口；

图3是图2中示出的区域的透视图，其中手术端口示出为与安装臂分开；

图4是图1中示出的细节指示区域的放大透视图；

图5是图1的机器人臂组件的器械驱动单元(“IDU”)的仰视透视图；

图6是图5的IDU的俯视透视图；

图7是图5和图6的IDU的放大透视图，为了清楚起见，其部分被移除或以虚线示出；

图8是图5和图6的IDU的其中零件被分开的透视图；

图9是图5和图6的IDU沿着图7中示出的剖面线9-9截取的横截面视图；以及

图10是图5和图6的IDU的仰视图，绘示了IDU部件的旋转移动。

具体实施方式

参考附图详细描述了当前公开的机器人臂组件的实施例，其中在若干视图的每一个中，相同的附图标记表示相同或相对应的元件。众所周知，术语“临床医生”是指医生、护士或任何其它护理提供者，并且可以包括支持人员。此外，如本领域中所使用的，术语“远侧”是指离用户较远的位置、方向和/或结构，并且术语“近侧”是指离用户较近的位置、方向和/或结构。另外，如前、后、上、下、顶部、底部等的方向术语仅是为了描述方便而使用的，并且不意图限制所附的公开内容。

在以下描述中，没有详细描述众所周知的功能或配置，以避免在不必要的细节上使本公开模糊。

简要参考图1，机器人手术系统10包括机器人臂组件20，所述机器人臂组件支撑具有末端执行器32(例如，抓紧器、施夹器、缝合器、血管封闭器、钉施放器等)的手术器械30。关于示范性手术器械的更详细描述，可以参考Kapadia的美国专利申请公开号U.S.2017/0224367和Zemlok等人的PCT申请公开号WO/2017/205310，其中的每一个的全部内容通过引用并入本文。

机器人手术系统10采用各种机器人元件来辅助临床医生，并且允许手术器械(如手术器械30)的远程操作(或部分远程操作)。各种机器人臂、齿轮、凸轮、滑轮、电动和机械马达等可以用于此目的，并且可以设计有机器人手术系统10以在手术或治疗过程期间辅助临床医生。此类机器人系统可以包括远程可操纵系统、自动柔性手术系统、远程柔性手术系统、远程铰接手术系统、无线手术系统、模块化或可选择性配置的远程操作手术系统等。

机器人手术系统10包括医疗工作站(未示出)，所述医疗工作站可以与定位在手术室旁边或定位在远程位置的一个或多个控制台一起采用。在这种情况下，一个临床医生团队可以为患者做好手术准备，并且用手术器械30配置机器人手术系统10，而另一个位临床医生(或一组临床医生)则经由机器人手术系统10远程控制手术器械30。可以理解，高技能的临床医生可在不离开他/她的远程控制台的情况下在多个位置执行多个操作，这在经济上是有利的，并且对患者或一系列患者都是有益的。关于示范性医疗工作站和/或其部件的详细描述，可以参考美国专利申请公开号2012/0116416和PCT申请公开号WO2016/025132，其全部内容通过引用并入本文。

继续参考图1，机器人手术系统10的机器人臂组件20包括机器人臂22、24、26。机器人臂组件20的机器人臂22、24、26枢转地联接在一起，并且可一起和/或相对于彼此移动。机器人臂26联接到滑轨40，所述滑轨支撑用于操作手术器械30的IDU50。滑轨40限定纵向轴线“L”，并且包括近端部分40a和远端部分40b，纵向轴线“L”延伸穿过所述近端部分和远端部分。IDU50可滑动地支撑在滑轨40上，并且可选择性地沿着纵向轴线“L”在邻近滑轨40近端部分40a的近侧位置和邻近滑轨40远端部分40b的远侧位置之间轴向移动，如箭头“A”所指示的。

机器人臂组件20的滑轨40还包括固定到滑轨40的远端部分40b的安装臂60。安装臂60支撑手术入口70，用于推进手术器械30穿过手术部分70，以选择性地进入手术部位。安装臂60可释放地附接到滑轨40。对于安装臂60如何可释放地附接到滑轨40的更详细描述，可以参考在2018年1月4日提交的美国临时申请序列号62/613,601中公开的类似的安装臂，其全部内容通过引用并入本文。

现在转到图2和图3，机器人臂组件20的安装臂60包括壳体62，所述壳体向远侧延伸到环空64。环空64限定穿过其中的中心开口66，所述中心开口被配置成通过底部加载而在其中收纳手术端口70。手术端口70包括壳体组件72和套管74，所述套管从壳体组件72向远侧延伸。壳体组件72包括上壳体72a和下壳体72b。上壳体72a被配置成通过底部加载被收纳到环空64中，使得安装臂60的环空64通过任何合适的机械连接(如摩擦配合、卡扣配合、磁性、底切等)将上壳体72a固定在环空64的中心开口66内。下壳体72b径向向外延伸超过上壳体72a，从而充当接触环空64的底部表面的支座或止挡件，以防止手术端口70的壳体组件72推进通过安装臂60的环空64。手术端口70还限定中心通道76，所述中心通道延伸穿过壳体组件72和套管74，以通过手术端口70为手术器械30提供手术入口。例如，手术端口70可以提供给手术部位(如腹膜腔)的入口，用于利用手术器械30实现腹腔镜手术。

在一些实施例中，上壳体72a的外表面和环空64的内表面可以带有螺纹，以使得手术端口70的壳体组件72能够螺纹固定到安装臂60的环空64。

现在转到图4至图10，机器人臂组件20的IDU50联接到无菌接口模块80，所述无菌接口模块将IDU50和手术器械30互连。关于无菌接口模块80的更详细的描述，可以参考PCT申请公开号WO2016/025132，其全部内容通过引用并入本文。IDU50限定中心纵向轴线“L”，并且包括壳体52，所述壳体具有可以是平面的后壁52a、从后壁52a延伸的弧形前壁52b、以及支撑在前壁52b的顶部表面上的覆盖件52c。壳体52还限定下腔52d和上腔52e，所述下腔和上腔支撑IDU50的内部部件100，并且便于空气流过IDU50，以冷却IDU50的内部部件100。下腔52d穿过壳体52的底部表面开口，而上腔52e穿过壳体52的后壁52a开口。壳体52还限定穿过覆盖件52c的中心开口52f。

机器人臂部件20的IDU50包括内部部件100，所述内部部件布置有集成的电子装置和马达(例如，以集群马达的形式)，以使单位容积和重量的输出最大化。IDU50的内部部件100包括滑环102、电子盘部件104(例如，磁性和/或光学编码器)、上环106、上环轴承108、上板110、电子板112、马达114、下板116、齿轮箱部件118、下环轴承120、齿轮箱壳体122、马达壳体124、扭矩传感器126、磁体128、磁体壳体130、马达绕组132和基座134。

IDU50的滑环102被固定到壳体52的上腔52e中的电子盘组件104，并且被配置成通过电信号向/从IDU50和/或手术器械30(和/或联接在IDU50和手术器械30之间的无菌接口模块80)传送电力和/或数据。滑环102包括：凸缘管102a，其安装到电子盘组件104；以及内轴102b，凸缘管102a围绕其旋转。内轴102b联接到电线(未示出)，用于通过IDU50向/从手术器械30提供电通信。可以将一个或多个当前公开的电气部件电联接在一起的电线可以支持驱动和/或编码器电子装置。内轴102b具有：近侧部分102c，其连接到第一电缆(未示出)，用于向/从机器人手术系统10的控制台传递电力和/或数据；以及远侧部分102d，其连接到第二电缆(未示出)，用于通过IDU50向/从手术器械30(和/或无菌接口模块80)传递电力和/或数据。

IDU50的电子盘组件104被支撑在壳体52的上腔52e中，并且包括多个电路盘104a，所述多个电路盘通过带104r联接在一起，并且以彼此堆叠和间隔开的关系折叠。多个电路盘104a限定穿过其中的中心内腔104b，所述中心内腔在其中收纳滑环102，使得滑环102的凸缘管102a固定到多个电路盘104a。多个电路盘104a包括底部电路盘104c，所述底部电路盘限定穿过其中的多个孔104e。底部电路盘104c的多个孔104d与马达114对准(例如，四个孔，每个孔与相邻的孔周向间隔开例如90度异相)。

IDU50的上环106安装在壳体52上，并且限定环形通道106a，所述环形通道将上环轴承108支撑在其中。上环轴承108联接到上板110，用于相对于上环106可旋转地支撑上板110。上板110包括外壁架110a，所述外壁架支撑上板110的外表面上的上环轴承108。上板110还限定穿过其中的多个环形开口110b，所述多个环形开口与马达114对准。上板110还限定中心孔110c和多个电缆孔110e，所述中心孔和多个电缆孔被配置成收纳穿过其中的电线(例如，来自滑环102和/或扭矩传感器126)，并且便于空气流过IDU50。

IDU50的马达壳体124(其可由任何合适的铁基和/或软磁材料形成)支撑上环106，并且包括支撑多个套筒124b的外环124a。每个套筒124b被配置成用作马达114中的相应一个的马达定子。套筒124b被定位成在其中收纳马达114。马达壳体124在相邻套筒124b之间限定多个细长通道124c。细长通道124c被定位成在其中支撑电子板112(和/或电线)，并且便于空气从中流过。马达壳体124还限定中心孔124d，所述中心孔被配置成收纳穿过其中的电线(例如，来自滑环102)。马达壳体124被配置成与马达绕组132、上板110、下板116、马达114、电子板112、电子盘组件104和滑环102的凸缘管102a一起围绕IDU50的中心轴线“L”旋转。IDU50的马达绕组132(其中包括任意数量和/或布置的导电线圈(未示出))被定位成围绕马达壳体124，并且固定到马达壳体124，用于与马达壳体124一起相对于磁体128围绕IDU50的中心轴线“L”旋转。马达绕组132围绕中心轴线“L”的旋转用作IDU50的另一个马达115(例如，第5马达，其中四个马达114构成前四个马达，使得IDU50提供五(5)个自由度)。

马达绕组132安置在马达壳体124的外环124a的外表面和磁体128的内表面之间。磁体128牢固地固定到马达壳体128，并且马达壳体128牢固地固定到IDU50的外壳体52(例如，粘接)。

IDU50的下板116支撑马达壳体124，并且包括多个支架116a，所述多个支架以螺栓圆“B”(例如，25.6m直径)可旋转地支撑马达114(参见图10)。支架116a与马达壳体124的套筒124b对准。下板116还限定中心孔116b和多个电缆孔116c，所述中心孔和多个电缆孔被配置成收纳穿过其中的电线(例如，来自滑环102和/或扭矩传感器126)，并且便于空气流过IDU50。下板116还包括侧壁116d，所述侧壁支撑下环轴承120。下环轴承120定位在下板116的侧壁116d和磁体壳体130的下部之间，以使下板116能够围绕IDU50的中心轴线“L”旋转移动。

IDU50的马达114(例如，四个马达)包括驱动轴114a，所述驱动轴在IDU50的上板110和下板116之间延伸。驱动轴114a的近端部分通过盘轴承114b联接到底部电路盘104c的多个孔104d。驱动轴114a还支撑轴承114c，所述轴承使得驱动轴114a能够在马达壳体124的套筒124b内旋转。马达114的驱动轴114a的远端部分联接到齿轮箱组件118。每个马达114限定其自身的纵向轴线(例如，马达轴线“M1”、“M2”等)，相应的驱动轴114a被配置成围绕所述纵向轴线旋转(例如，独立地和/或与其它马达114一起)。

IDU50的每个齿轮箱组件118包括齿轮箱118a、支撑在齿轮箱118a中的减速齿轮组件118b(例如，行星齿轮箱或谐波驱动齿轮箱)以及联接器118c。

齿轮箱组件118的齿轮箱118a位于并且固定到齿轮箱组件118的齿轮箱壳体122中。齿轮箱118在马达114中的相应一个的驱动轴114a的远端部分和联接器118c的近端部分之间支撑减速齿轮组件118b。减速齿轮组件118b可以包括足以减小从马达114到齿轮箱组件118的联接器118c的旋转输出的任何数量和/或布置的齿轮，用于在马达114旋转时实现联接器118c的期望旋转输出，而不管相应的联接器118c和马达114是否被配置成对准或未对准的布置。在减速齿轮组件118b能够具有任何合适的配置的情况下，联接器118c可以根据需要与相应的马达114对准和/或偏离。每个齿轮箱组件118还包括联接器轴承118d，所述联接器轴承便于联接器118c相对于齿轮箱118a的旋转移动。

齿轮箱组件118的每个联接器118c限定其自身的纵向轴线(例如，联接器轴线“C1”、“C2”等)，相应的联接器118c围绕所述纵向轴线旋转。联接器118c包括上凸缘118e和下凸缘118f，所述上凸缘和下凸缘可以被编码以便于用IDU50的扭矩传感器126进行扭矩感测。例如，扭矩传感器126可以被配置成当联接器118c围绕其相应的联接器轴线旋转时确定上凸缘118e和下凸缘118f之间的偏转差，用于测量和/或比较扭矩。还可以通过感测和/或分析指示由于应力而引起的场线变化的数据来测量扭矩。联接器118c还包括驱动尖端118g，所述驱动尖端被配置成接合无菌接口模块80(图4)的驱动组件(未示出)，用于操作和/或操纵固定到无菌接口模块80的手术器械30。对于此类驱动组件和手术器械30的此类接合/操作的更详细的描述，可以参考PCT申请公开号WO2016/025132，其通过引用并入本文。

齿轮箱组件118的齿轮箱壳体122包括平台122a和多个齿轮箱壳体122b，所述多个齿轮箱壳体从平台122a向远侧延伸。齿轮箱壳体122限定孔122c，所述孔延伸穿过平台122a并且进入齿轮箱壳体122b，用于在其中收纳齿轮箱组件118的齿轮箱118a。齿轮箱壳体122还限定中心孔122d和多个电缆孔122e，所述中心孔和多个电缆孔被配置成收纳穿过其中的电线(例如，来自滑环102和/或扭矩传感器126)，并且便于空气流过IDU50。

IDU50的基座134联接到IDU50的马达绕组132，并且将IDU50的内部部件100封装在IDU50的壳体52内。基座134限定多个联接器开口134a，所述多个联接器开口被配置成收纳穿过其中的联接器118c的驱动尖端118g。基座134还限定中心开口134b，所述中心开口被配置成收纳穿过其中的电线(例如，来自滑环102的电线)，并且便于空气流过IDU50。

参考图1至图10，在使用中，机器人臂组件20的手术端口70附接到机器人臂组件20的安装臂60，并且机器人臂组件20的手术器械30附接到机器人臂组件20的IDU50，使得手术器械30的末端执行器32可以推进通过手术端口70，以进入患者体内的目标部位。如箭头“R1”-“R5”(图10)所示，IDU50的一个或多个马达114、115可以被独立地和/或同时地致动，以操作(例如，发射)和/或操纵(例如，铰接、旋转、平移等)手术器械30(和/或其末端执行器32)。

在实施例中，机器人臂组件20的IDU50可以具有以下规格：

空载速度：1400RPM(最小)

持续扭矩：350Nmm

失速扭矩：1000Nmm

10％占空比：500Nmm@500RPM

25％占空比：350Nmm@1300RPM

最大允许容积圆柱体直径60mm，高度100mm

联接器间距25.6mmx4

联接器材料17-4SS，30HRC最小优选

空载速度：250RPM(最小)

持续扭矩：500Nmm

失速扭矩：2500Nmm

5％占空比：1000Nmm@100RPM

50％占空比：500Nmm@100RPM

标称电压：24/48VDC

编码器-增量位置马达侧：2000立方英尺/转(最小)

最小使用寿命：10k小时操作

操作温度范围：10至60摄氏度

集成扭矩感应：+/-0.5％

可以理解，可以使用已知的固定技术(例如，焊接、压接、胶合、紧固等)来实现当前公开的设备的任何部件的固定。

所属领域的技术人员将理解，本文中具体描述并在附图中示出的结构和方法是非限制性的示例性实施例，并且所述描述、公开和图式应仅被解释为具体实施例的示例。因此，应理解，本公开不限于所描述的精确实施例，且所属领域的技术人员可在不脱离本公开的范围或精神的情况下实现各种其它改变和修改。另外，预见到结合一个示例性实施例说明或描述的元件和特征可与不脱离本公开的范围的另一示例性实施例的元件和特征组合，并且此类修改和变化还意图包含在本公开的范围内。实际上，目前公开的元件和特征中的任何者的任何组合在本公开的范围内。因此，本公开的主题不限于已经具体示出和描述的内容。