用于输入装置的可变扫动的制作方法

本申请要求2015年10月22日提交的第62/244,762号美国临时申请的权益和优先权，所述临时申请的全部公开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操作。在此类医疗操作期间，机器人手术系统由与用户接口介接的外科医生控制。所述用户接口允许外科医生操控作用于患者的末端执行器。

所述末端执行器(经由插管)插入到患者的小切口或自然腔道中以将所述末端执行器定位在患者体内的工作部位处。一些机器人手术系统包含支撑机械臂的机器人控制台和至少一个末端执行器，例如解剖刀、镊子或安装到机械臂的抓握工具。

电缆可从机器人控制台延伸穿过机械臂且连接到末端执行器的腕部和/或夹爪组合件。在一些情况下，电缆由处理系统所控制的电机致动，所述处理系统包含使外科医生或诊治者能够控制包含所述机械臂、所述腕部组合件和/或所述夹爪组合件的机器人手术系统的用户接口。

一般来说，用户接口包含输入控制器或手柄，所述手柄可通过外科医生移动来控制机器人手术系统。输入控制器和手柄的移动转移到手术空间内的机器人器械的移动。

需要一种考虑了与机器人手术系统介接的用户的生物力学因素的具有可变扫动的输入装置。

技术实现要素：

本公开大体上涉及用于机器人手术系统的输入装置和控制机器人手术系统的机器人工具的移动的方法。具体地说，本公开涉及输入装置，其具有控制臂以使得每个控制臂具有对应于使用相应的控制臂的诊治者的相应手指的长度。通过变化控制臂的长度，输入装置可考虑到与机器人手术系统的输入装置介接的用户的生物力学因素。另外，本公开涉及响应于机器人手术系统的输入装置的控制臂相对于输入装置的轴枢转而控制工具的移动的方法。具体地说，所述方法包含将工具的夹爪之间的角度与输入装置的控制臂之间的角度相关。

在本公开的一方面中，一种用于控制机器人手术系统的机器人工具的方法包含：使所述机器人手术系统的用户接口的控制器的第一控制臂相对于所述控制器的轴而枢转；以及使所述机器人手术系统的所述机器人工具的第一夹爪在第一方向上相对于由所述机器人工具界定的工具轴移动第一距离，且响应于所述第一控制臂的枢转而移动所述机器人工具的第二夹爪。所述第二夹爪在与所述第一方向相反的第二方向上移动所述第一距离。

在各方面中，所述用户接口响应于枢转所述第一控制臂而发送信号。所述机器人手术系统的处理单元可响应于从所述用户接口接收到指示枢转所述第一控制臂的所述信号而产生控制信号。所述处理单元可将所述控制信号发送到机器人系统以在所述第一方向上移动所述第一夹爪且在所述第二方向上移动所述第二夹爪。

在一些方面中，使所述第一控制臂相对于所述控制器的所述轴枢转包含将控制件的第二控制臂维持在相对于所述轴的适当位置。或者，使所述第一控制臂相对于所述控制器的所述轴枢转包含使所述控制器的第二控制臂相对于所述轴而枢转。所述第一控制臂和所述第二控制臂可在其间界定臂角度。第一夹爪移动的第一距离和第二夹爪移动的第二距离可与响应于第一和第二控制臂的移动的臂角度的改变成正比。

在某些方面，使所述第一控制臂相对于所述轴枢转包含按压开关以致动所述机器人工具的功能。致动所述机器人工具的功能可包含从所述第一或截面夹爪中的一个射出卡钉、利用所述工具递送电外科能量或推进所述工具的刀具。使所述第一控制臂相对于所述轴枢转可包含在按压开关以致动所述工具的功能之前响应于对接所述开关而接收触感反馈。

在本公开的另一方面，一种机器人手术系统包含处理单元、机器人系统和用户接口。所述机器人系统与所述处理单元通信。所述机器人系统包含支撑于轴上的界定纵向工具轴线的机器人工具。所述机器人工具具有可相对于彼此在打开与合拢配置之间移动的第一和第二夹爪。所述第一夹爪界定相对于所述纵向工具轴线的第一夹爪角度，且所述第二夹爪界定相对于所述纵向工具轴线的第二夹爪角度。所述用户接口包含与所述处理单元通信以响应于对控制器的操控而操控机器人工具的控制件。所述控制器具有控制器轴以及第一和第二控制臂。所述第一和第二控制臂以枢转方式耦合到所述轴的末端。所述第一控制臂与所述控制器轴界定第一臂角度，且所述第二控制臂与所述控制轴界定第二臂角度。所述第一和第二臂中的每个可在相对于所述轴的打开位置与合拢位置之间枢转。所述第一和第二臂角度的总和以操作方式与所述第一和第二夹爪角度的总和相关联，使得所述第一和第二夹爪角度保持彼此相等。

在各方面中，所述第一和第二夹爪响应于所述第一臂的移动而各自相对于彼此枢转。另外或替代地，所述第一和第二夹爪响应于所述第二臂的移动而各自相对于彼此枢转。

在一些方面中，所述第一和第二夹爪响应于所述第一臂角度的改变和所述第二臂角度的改变而保持静止。所述第一臂角度的所述改变可以是所述第一臂角度的减小，且所述第二臂角度的所述改变可以是所述第二臂角度的增大，使得所述第一臂角度的所述减小可等于所述第二臂角度的所述增大。所述机器人系统可配置成在按压第一和第二按钮时致动所述机器人工具的功能。

在某些方面，所述控制器包含定位在所述第一臂与所述控制轴之间的第一按钮以及定位在所述第二臂与所述控制轴之间的第二按钮。所述第一和第二按钮可安置在所述控制轴上。所述第一和第二按钮可配置成在所述第一和第二控制臂分别接合所述第一和第二按钮时提供触感反馈。或者，所述第一按钮可安置在所述第一臂上，且所述第二按钮可安置在所述第二臂上。所述第一和第二按钮可配置成在所述第一和第二按钮接合所述控制轴时提供触感反馈。

本公开的示范性实施例的其它细节和方面将在下文参考附图更详细地描述。

附图说明

下文参考附图描述本公开的各种方面，所述附图并入本说明书中且构成本说明书的一部分，其中：

图1是根据本公开的用户接口和机器人系统的示意性图解；以及

图2A是与图1的用户接口的控制器介接的手部侧视图，其中所述控制器示为打开位置；

图2B是附接到呈对应于图2A的控制器的打开位置的打开配置的机器人系统的联接中的一个的远端的工具的侧视图；

图3A是示为处于第一合拢位置的图2A的用户接口的控制器。

图3B是示为处于合拢配置的图2B的工具；

图4是处于第二合拢位置的图2A的用户接口的控制器；

图5是与根据本公开提供的用户接口的另一控制器介接的手部的侧视图；以及

图6是根据本公开的用于控制图1的机器人手术系统的移动的方法的示意图。

具体实施方式

现在参考附图详细描述本公开的实施例，其中在若干视图中的每一个中，相同参考标号指代相同或对应元件。如本文中所使用，术语“诊治者”是指医生、护士、外科医生或任何其它医护人员，且可包含辅助人员。贯穿本说明书，术语“近端”指装置或其组件最靠近诊治者的部分，术语“远端”指装置或其组件最远离诊治者的部分。

参考图1，根据本公开的机器人手术系统1大体上示为机器人系统10、处理单元30和用户接口40。机器人系统10大体上包含多个臂12和机器人底座18。臂12中的每个的末端14支撑配置成作用于组织的末端执行器或工具20。另外，臂12的末端14可包含用于使手术部位“S”成像的成像装置16。用户接口40通过处理单元30与机器人底座18通信。

用户接口40包含配置成显示三维图像的显示装置44。显示装置44显示手术部位“S”的三维图像，所述三维图像可包含通过位于臂12的末端14上的成像装置16捕捉的数据，和/或包含通过位于手术现场周围的成像装置(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、位于成像臂52的远端处的成像装置56)捕捉的数据。成像装置(例如，成像装置16、56)可捕捉手术部位“S”的视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热像和/或任何其它已知的实时图像。成像装置将所捕捉的成像数据发送到处理单元30，所述处理单元根据成像数据实时产生手术部位“S”的三维图像，且将所述三维图像发送到显示装置44以供显示。

用户接口40还包含输入手柄42，所述输入手柄允许诊治者操控机器人系统10(例如，移动臂12、臂12的末端14和/或工具20)。输入手柄42中的每一个与处理单元30通信以向所述处理单元发送控制信号以及从所述处理单元接收反馈信号。另外或替代地，输入手柄42中的每一个可包含控制接口(未示出)，所述控制接口允许外科医生操控(例如，夹持、抓取、启动、打开、闭合、旋转、推进、切开等)支撑在臂12的末端14处的工具20。

输入手柄42中的每一个可在预定义三维工作区中移动以在手术部位“S”内移动臂12的末端14。显示装置44上的三维图像定向成使得输入手柄42的移动使臂12的末端14如在显示装置44上所见进行移动。应了解，显示装置上的三维图像的定向可相对于患者“P”的俯视图成镜像或转动。另外，应了解，显示装置44上的三维图像的大小可缩放为比手术部位的实际结构更大或更小，从而允许外科医生更好地观看手术部位“S”内的结构。在输入手柄42移动时，工具20如下详述在手术部位“S”内移动。如本文中详述，工具20的移动还可包含支撑工具20的臂12的末端14。

关于机器人手术系统1的构造和操作的详细论述，可参考第8,828,023号美国专利，其全部内容以引入的方式并入本文中。

参考图2A，每个输入手柄42包含用于操控相应的工具20和相应的臂12的控制器50。控制器50包含轴52、拇指环54和手指环56。轴52具有选择性地耦合到输入手柄42的第一末端52a以及第二末端52b。轴52界定第一末端52a与第二末端52b之间的轴线“X-X”。拇指环54通过控制臂55耦合到轴52的第二末端52b，且手指环56通过控制臂57耦合到第二末端53b。控制臂55、57可在与轴52的轴线“X-X”正交的平面中枢转。所述平面可穿过轴线“X-X”或从轴线“X-X”偏移。

支撑拇指环54的控制臂55在所述平面内与轴线“X-X”界定角度“θ₁”，且支撑手指环56的控制臂56在所述平面内与轴线“X-X”界定角度“θ₂”。另外，在第一控制臂55与第二控制臂57之间界定角度“θ₁”和角度“θ₂”的总和角度“θ₃”。角度“θ₁”、“θ₂”、“θ₃”随着环54、56在所述平面内朝向和远离轴线“X-X”移动或扫动而改变。

另外参考图2B，控制器50可与具有第一夹爪22和第二夹爪24的工具20相关联。第一夹爪22和第二夹爪24可相对于彼此在打开配置与闭合配置之间移动。在打开配置中，第一夹爪22和第二夹爪24彼此间隔开，且在闭合配置中，第一夹爪22和第二夹爪24相对于彼此靠近。在闭合配置中，第一夹爪22和第二夹爪24可协作以抓取在其间的组织和/或工具。

工具20界定在第一夹爪22与第二夹爪24之间穿过的轴线“Y-Y”。第一夹爪22与轴线“Y-Y”界定角度“θ₄”，且第二夹爪24与轴线“Y-Y”界定角度“θ₅”。另外，在第一夹爪22与第二夹爪24之间界定角度“θ₄”和角度“θ₅”的总和角度“θ₆”。

控制器50通过用户接口40和处理单元30以操作方式与工具20相关联。第一夹爪22和第二夹爪24以操作方式与第一控制臂55和第二控制臂57相关联，使得控制臂55、57相对于轴线“X-X”的移动实现第一夹爪22和第二夹爪24相对于轴线“Y-Y”的移动

在实施例中，第一控制臂55与第一夹爪22相关联以使得第一控制臂55与轴线“X-X”的角度“θ₁”与第一夹爪22与轴线“Y-Y”的角度“θ₄”相关联，使得角度“θ₁”的改变实现角度“θ₄”的改变。另外，第二控制臂57与第二夹爪24相关联以使得第二控制臂57与轴线“X-X”之间的角度“θ₂”与第二夹爪24与轴线“Y-Y”之间的角度“θ₅”相关联，使得角度“θ₂”的改变实现角度“θ₅”的改变。

角度“θ₁”的改变可依据第一缩放因子“SF₁”缩放到角度“θ₄”的改变，且角度“θ₂”的改变可依据第二缩放因子“SF₂”缩放到角度“θ₅”的改变。第一缩放因子“SF₁”和第二缩放因子“SF₂”可由诊治者的身体结构特征确定。

举例来说，第一控制臂55的移动由诊治者的拇指所用的拇指环54的移动实现，且第一缩放因子“SF₁”可相对于诊治者的拇指从闭合位置到完全伸展位置的移动而按比例缩放，在闭合位置，拇指邻近或接触轴52，在完全伸展位置，拇指伸展远离轴52。类似地，第二控制臂57的移动由诊治者的食指所用的手指环56的移动实现，且第二缩放因子“SF₂”可相对于诊治者的食指从闭合位置到完全伸展位置的移动而按比例缩放，在闭合位置，食指邻近或接触轴52，在完全伸展位置，食指伸展远离轴52。在此类实施例中，对第一缩放因子“SF₁”和第二缩放因子“SF₂”进行校准，使得诊治者的拇指在闭合位置与伸展位置之间的移动实现第一夹爪52的角度“θ₄”的改变，所述改变等于第二夹爪54的角度“θ₅”在食指移动于闭合位置与伸展位置之间时的改变。应了解，在此类配置中，第一夹爪52的移动与第二夹爪54的移动无关。预期第一缩放因子“SF₁”和第二缩放因子“SF₂”可在控制器50的制造期间进行设置，可基于使用手术系统1的诊治者而通过医疗机构的中心系统进行设置，或可在起动操作之前通过测量使用手术系统1的诊治者的移动而利用校准例程进行设置。

在一些实施例中，第一控制臂55与第一夹爪22相关联，且第二控制臂57与第二夹爪24相关联，使得第一控制臂55与第二控制臂57之间界定的角度“θ₃”的改变实现第一夹爪22与第二夹爪24之间界定的角度“θ₆”的改变。

角度“θ₃”的改变可依据第三缩放因子“SF₃”缩放到角度“θ₆”的改变。举例来说，控制臂55、57的移动可按比例缩小，使得控制臂55、57之间的角度“θ₃”的30°改变可引起第一夹爪22与第二夹爪24之间的角度“θ₆”的15°改变。另外预期控制臂55、57的移动可按比例增大，使得控制臂55、57之间的角度“θ₃”的15°改变可引起第一夹爪22与第二夹爪24之间的角度“θ₆”的30°改变。应了解，在此类实施例中，第一夹爪22和第二夹爪24的移动彼此相关。以下属于本公开的范围内：第一夹爪22或第二夹爪24中的一个可相对于轴线“Y-Y”固定，使得控制臂55、57之间的角度“θ₃”的改变实现第一夹爪22或第二夹爪24中的仅一个基于角度“θ₃”的改变的移动。在工具20的一个夹爪(例如第二夹爪24)具有静止夹爪且另一夹爪(例如第一夹爪)可相对于所述静止夹爪移动以使夹爪在打开配置与闭合配置之间变换时，例如在工具20是钉合器械时，此类实施例可以是有利的。

在一些实施例中，控制轴线(未明确示出)穿过轴52的第二末端52b、与轴线X-X在平面中界定角度且在控制臂55、57之间穿过。在此类实施例中，控制臂55与控制轴线之间界定角度θ₁且在控制臂57与控制轴线之间界定角度θ₂。通过相对于控制轴线界定角度θ₁和θ₂，控制臂55、57的移动可对应于诊治者的身体结构特征。在特定实施例中，控制轴线可与控制臂55、57中的一个对准，使得角度θ₁和θ₂中的相应一个可大体上为0°以表示具有静止夹爪的工具20(例如钉合器械)，使得任一控制臂55、57的移动使非静止夹爪相对于静止夹爪移动。

在一些实施例中，工具轴线(未明确示出)穿过工具20的第一夹爪22与第二夹爪24之间的枢转点、与轴线Y-Y界定角度且在第一夹爪22与第二夹爪24之间穿过。在此类实施例中，在第一夹爪22与工具轴线之间界定角度θ₄，且在第二夹爪24与控制轴线之间界定角度θ₅。通过相对于工具轴线界定角度θ₄和θ₅，第一夹爪22和第二夹爪24的移动可对应于诊治者的身体结构特征。预期工具轴线可与轴线Y-Y界定角度，所述角度类似于控制轴线与轴线X-X之间界定的角度。

返回参考图2A，控制器50包含启动开关组合件，所述启动开关组合件包含一个或多个启动开关(例如开关64、65、66、67)以启动工具20的功能。此类功能的实例包含但不限于启动来自工具20的第一夹爪22或第二夹爪24中的一个的紧固件、推进定位在第一夹爪22或第二夹爪24中的一个的刀具(未示出)、利用工具20递送电外科能量到组织或其任何组合。启动开关组合件包含定位在轴52上的在轴52与控制臂55之间的开关64、定位在控制臂55上的开关65、定位在轴52上的在轴52与控制臂57之间的开关66以及定位在控制臂57上的开关67。如所示出，启动开关组合件包含两对开关：开关64和66以及开关65和67；然而，预期启动开关组合件可包含单对开关。

现在参考图2A到4，控制臂55、57可在打开位置(图2A)、第一合拢位置(图3A)以及第二合拢位置(图4)之间移动，且工具20的第一夹爪22和第二夹爪24可响应于控制臂55、57的移动而在打开配置(图2B)与合拢配置(图3B)之间移动。

首先且尤其参考图2A和2B，控制臂55、57处于打开位置，第一夹爪22和第二夹爪24处于打开配置，开关64到67处于未致动位置，且工具20的第一夹爪22和第二夹爪24处于打开配置以使得第一夹爪22和第二夹爪24彼此间隔开。

当控制臂55、57处于第一合拢位置时，控制臂55、57对接定位在轴52上的开关64、66，定位在控制臂55、57上的开关65、67对接轴52，且工具20的第一夹爪22和第二夹爪24处于合拢配置。开关64到67偏置到未致动位置，使得开关64到67中的每一个在开关64到67对接轴52或分别被控制臂55、57对接时提供触感反馈。应了解，开关64到67的触感反馈可防止对开关64到67的无意致动。

当控制臂55、57从第一合拢位置移动到第二合拢位置时，控制臂55、57将开关64、66按到致动位置，且开关65、67接合轴52以按到致动位置，且工具20的第一夹爪22和第二夹爪24保持在合拢配置。当开关64到67移动到致动位置时，与每个开关64到67或每对开关(例如开关64和66或开关65和67)相关联的功能得以启动，使得工具20执行所要功能，如上文所详述。

在本发明的一方面，操控控制器50以利用工具20的第一夹爪22和第二夹爪24抓取和释放组织，直到所要的组织部分抓取在第一夹爪22与第二夹爪24之间为止。接着，操控控制器50以使得工具20完成对所要的组织部分的所要功能。具体地说，操控拇指环54和手指环56以使控制轴55、57在打开位置与第一合拢位置之间移动，从而使第一夹爪22和第二夹爪24在打开配置与合拢配置之间移动以抓取、释放和改变组织的位置。当第一夹爪22和第二夹爪24处于合拢配置且在其间具有所要部分时，操控拇指环54和手指环56以使控制轴55、57从第一合拢配置移动到第二合拢配置，使得开关64到67被按压或移动到致动位置。当开关64到67达到致动位置时，利用工具20将电外科能量递送到所要的组织部分。

现参考图5，提供根据本公开的另一控制器150。控制器150大体上类似于上文详述的控制器50，因而为简洁起见，将仅详述不同之处。控制器150包含轴152、拇指环154和手指环156。拇指环154通过具有第一长度的控制臂155耦合到轴152的第二末端152b，且手指环156通过具有第二长度的控制臂157耦合到第二末端152b。第二长度大于第一长度以补偿诊治者的手指(例如食指)和诊治者的拇指的长度方面身体结构差异。相比于拇指环154朝向或远离轴152扫动以实现角度“θ₁”的均等改变的弧，第一长度和第二长度的差异需要手指环156朝向或远离轴152扫动更大弧以实现角度“θ₂”的改变。

现参考图6，描述根据本公开的一种控制机器人手术系统的机器人工具的方法200。首先，朝向或远离以枢转方式支撑控制臂的轴(例如轴52、152)来枢转或扫动用户接口40的第一控制臂(例如控制臂57、157)(步骤210)。在第一控制臂枢转时，第二控制臂(例如控制臂55、155)维持在适当位置以使得第二控制臂与轴之间的角度得以维持(步骤212)或第二控制臂也朝向或远离轴而枢转(步骤214)。响应于使第一控制臂和/或第二控制臂枢转，用户接口40向处理单元30发送指示第一控制臂与第二控制臂之间界定的角度“θ₃”的改变的信号(步骤230)。

响应于来自用户接口40的信号，处理单元30产生控制信号(步骤240)。处理单元30将控制信号发送到机器人系统10(步骤250)。响应于所述控制信号，机器人系统10使第一和第二夹爪相对于彼此而移动，使得机器人系统的第一夹爪与第二夹爪之间界定的角度“θ₆”的改变与角度“θ₃”的改变成正比(步骤252)。

当第一或第二控制臂枢转时，控制臂可对接开关(例如开关64到67)(步骤220)，使得通过环(例如拇指环54、154或手指环56、156)接收到触感反馈(步骤222)。在接收到触感反馈之后，控制臂朝向轴的后续枢转对开关进行按压(步骤224)。在此类情况下，由用户接口发送的信号(步骤230)指示按钮被按压，使得处理单元所产生和发送的控制信号(步骤240、250)致动机器人系统的机器人工具的功能(步骤254)。预期使第一控制臂枢转可首先使第一和第二夹爪移动角度“θ₆”且接着致动机器人工具的功能。

用户接口40和处理单元30可以有线或无线方式分别产生和发送所述信号和控制信号。本文中详述的(例如控制器63与处理单元30之间的)此类无线连接可借助射频、光学、WIFI、(用于在短距离上(使用短长度无线电波)从固定和移动装置交换数据、从而形成个域网(PAN)的开放无线协议)、(用于基于无线个域网(WPAN)的IEEE 802.15.4-2003标准而使用小型低功率数字无线电装置的一套高层通信协议的规范)等。

虽然已在附图中示出本公开的若干实施例，但本公开并非旨在限于这些实施例，而是希望本公开在范围上如所属领域将允许的那样宽广，且对说明书的理解也是如此。还设想以上实施例的任何组合，且所述组合处于所附权利要求书的范围内。因此，上文的描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为特定实施例的例证。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内的其它修改。