手术机器人系统的制作方法

背景技术：

手术机器人系统一直用于微创医疗手术。一些手术机器人系统包含支撑手术机器人臂的控制台和具有安装到机器人臂的至少一个末端执行器(例如，钳子或抓取工具)的手术器械。机器人臂向手术器械提供机械动力来实现其操作和移动。

手动操作的手术器械通常包含用于致动手术器械的功能的手柄组件。然而，当使用机器人手术系统时，通常不存在手柄组件来致动末端执行器的功能。因此，为了将每一个独特手术器械与机器人手术系统一起使用，使用器械驱动单元与所选择的手术器械接合来驱动手术器械的操作。

器械驱动单元通常经由滑件联接到机器人臂。滑件允许器械驱动单元和所附接的手术器械沿着滑件的轴线移动，从而提供用于调整手术器械的末端执行器的轴向位置的装置。

技术实现要素：

根据本公开的方面，提供一种用于在机器人手术系统中使用的器械驱动单元且其包含：滑架，其被配置成联接到机器人臂；多个驱动轴，其可旋转地支撑在滑架中；多个驱动齿轮；多个电机；和多个电机齿轮。驱动轴被配置成与机电手术器械的对应从动构件接合，驱动齿轮固定到对应驱动轴，并且电机齿轮可操作地联接到对应电机。每一个电机齿轮被配置成响应于相应电机的激活而使对应驱动齿轮旋转，以致动机电手术器械的功能。

在方面中，器械驱动单元可以进一步包含多个齿圈。齿圈可以将对应电机齿轮与对应驱动齿轮可操作地联接。

在另一个方面中，齿圈可以竖直堆叠。

在其它方面中，齿圈中的第一齿圈和驱动齿轮中的第一驱动齿轮可以可操作地联接到彼此且沿着第一水平面对准；并且齿圈中的第二齿圈和驱动齿轮中的第二驱动齿轮可以可操作地联接到彼此且沿着从第一水平面竖直地位移的第二水平面对准。

齿圈可以相对于彼此独立地旋转。

在方面中，齿圈中的第一齿圈可以在其内周边和外周边上具有齿轮齿。在内周边上的齿轮齿可以与对应驱动齿轮接合，并且在外周边上的齿轮齿可以与对应电机齿轮接合。

在另一个方面中，器械驱动单元可以进一步包含可旋转地支撑在由滑架限定的纵向延伸的通道中的内壳体。驱动轴可以可旋转地支撑在内壳体中且可以彼此沿圆周间隔开。

在其它方面中，电机齿轮中的一个电机齿轮可以可操作地联接到内壳体以使内壳体围绕延伸穿过滑架的通道的纵向轴线旋转。

内壳体可以限定与滑架的通道同轴的纵向延伸的通道。内壳体的通道的尺寸可以被设置以接收机电手术器械的轴。

在另一个方面中，驱动齿轮可以彼此竖直地且水平地偏移。

在其它方面中，电机齿轮可以彼此竖直地且水平地偏移。

器械驱动单元可以进一步包含从对应电机延伸的多个电机轴。电机齿轮可以固定到对应电机轴。

在方面中，驱动轴中的每一个驱动轴可以具有被配置成与机电手术器械的对应从动构件接合的近端部分。

在本公开的另一个方面中，提供一种用于在机器人手术系统中使用的器械驱动单元且其包含：滑架，其被配置成联接到机器人臂；多个驱动轴，其可旋转地支撑在滑架中；多个驱动齿轮；多个电机；多个电机齿轮；和多个竖直堆叠的齿圈。驱动轴彼此沿圆周间隔开且被配置成与机电手术器械的对应从动构件接合。驱动齿轮固定到对应驱动轴且相对于彼此安置在离散竖直位置处。电机齿轮可操作地联接到对应电机且相对于彼此安置在离散竖直位置处。齿圈安置在滑架中且将对应电机齿轮与对应驱动齿轮可操作地联接，使得每一个电机齿轮被配置成响应于相应电机的激活而使对应驱动齿轮旋转，以致动机电手术器械的功能。

在本公开的又一个方面中，提供一种手术机器人系统且其包含机器人臂；细长形滑件，其联接到机器人臂；和器械驱动器。器械驱动单元包含：滑架，其被配置成联接到滑件；多个驱动轴，其可旋转地支撑在滑架中；多个驱动齿轮；多个电机；和多个电机齿轮。驱动轴被配置成与机电手术器械的对应从动构件接合，驱动齿轮固定到对应驱动轴，并且电机齿轮可操作地联接到对应电机。电机齿轮被配置成响应于相应电机的激活而使对应驱动齿轮旋转，以致动机电手术器械的功能。

在方面中，器械驱动单元可以进一步包含多个竖直堆叠的齿圈。齿圈可以将对应电机齿轮与对应驱动齿轮可操作地联接。

在其它方面中，器械驱动单元可以进一步包含可旋转地支撑在由滑架限定的纵向延伸的通道中的内壳体。驱动轴可以可旋转地支撑在内壳体中且可以彼此沿圆周间隔开。

下文参考附图更详细地描述本公开的示例性实施例的另外细节和方面。

如本文中所使用，术语平行和垂直应理解为包含与真实平行和真实垂直相差约+或-10度的基本上平行和基本上垂直的相对配置。

附图说明

本文中参考附图描述本公开的实施例，其中：

图1是根据本公开的包含联接到滑件的器械驱动单元的手术机器人系统的示意图；

图2是图1的手术机器人系统的器械驱动单元和示出为与器械驱动单元间隔开的机电器械的透视图；

图3是图2的器械驱动单元和示出为联接到器械驱动单元的机电器械的透视图；

图4是沿着图2中的线4-4截取的器械驱动单元的侧横截面图，其中机电手术器械被移除；

图5是器械驱动单元的后视图，其中以虚线示出器械驱动单元的滑架，说明器械驱动单元的内部部件；

图6是沿着图5中的线6-6截取的器械驱动单元的侧横截面图，其中机电手术器械被移除；且

图7是沿着图4中的线7-7截取的器械驱动单元的纵向横截面图，其中机电手术器械被移除。

具体实施方式

参考图式详细地描述本发明所公开的手术机器人系统和其器械驱动单元的实施例，图式中相同的附图标记指代若干视图中的每一个视图中的相同或对应元件。如本文中所使用，术语“远侧”是指手术机器人系统或其部件中最靠近患者的那个部分，而术语“近侧”是指手术机器人系统或其部件中更远离患者的那个部分。

如下文将详细地描述，提供一种手术机器人系统的器械驱动单元，所述器械驱动单元被配置成允许手术器械的顶部装载。器械驱动单元具有多个驱动轴，每一个驱动轴被配置成联接到手术器械的对应从动构件以用于执行手术器械的离散功能。器械驱动单元的驱动轴经由离散传动组件可操作地联接到器械驱动单元的离散电机。传动组件的配置允许减小器械驱动单元的总高度(例如，器械驱动单元更紧凑)。例如，传动组件的齿轮从其它传动组件的齿轮竖直地且水平地偏移。器械驱动单元还可以包含可旋转地支撑驱动轴的可旋转的内壳体。内壳体被配置成经由电机中的一个电机旋转，以实现所附接的手术器械围绕其纵向轴线的旋转。下文进一步详述所公开的器械驱动单元的其它特征和益处。

首先参考图1，例如手术机器人系统1等手术系统大体上包含：多个手术机器人臂2、3；细长形滑件13，其联接到机器人臂2、3中的每一个机器人臂的末端；器械驱动单元20和机电器械10，其均可拆卸地附接到滑件13且被配置成沿着滑件13移动；控制装置4；和操作控制台5，其与控制装置4联接。操作控制台5包含：显示装置6，其被特定地设置成显示三维图像；以及手动输入装置7、8，借助于所述手动输入装置，例如外科医生等人员(未示出)能够在第一操作模式下远程操控机器人臂2、3，如大体上为所属领域技术人员所知。

机器人臂2、3中的每一个机器人臂可以由通过接合件连接的多个构件组成。机器人臂2、3可以由连接到控制装置4的电驱动器(未示出)驱动。控制装置4(例如，计算机)被设置成特定地借助于计算机程序激活驱动器，其方式为使得机器人臂2、3，所附接的器械驱动单元20以及因此机电器械10根据借助于手动输入装置7、8限定的移动而执行期望的移动。控制装置4还可以被设置，其方式为使得控制装置调节器械驱动单元20沿着滑件13的移动，机器人臂2、3的移动和/或驱动器的移动。

手术机器人系统1被配置成在躺在手术台“st”上待借助于例如机电器械10等手术器械以微创方式治疗的患者“p”上使用。手术机器人系统1还可以包含多于两个机器人臂2、3，额外的机器人臂同样连接到控制装置4并可借助于操作控制台5进行远程操控。手术器械，例如机电手术器械10(包含机电末端执行器)也可以附接到额外机器人臂。

控制装置4可以控制多个电机，例如电机(电机1…n)，其中每一个电机被配置成在多个方向上驱动机器人臂2、3的移动。另外，控制装置4可以控制器械驱动单元20的多个驱动电机22(图4和5)以驱动手术器械10的各种操作。器械驱动单元20将动力和致动力从其电机传递到机电器械10的从动构件(未示出)，以最终驱动机电器械10的末端执行器的部件的移动，例如刀片(未示出)的移动和/或末端执行器的钳口构件的闭合和打开。

对于机器人手术系统的构造和操作的详细描述，可以参考第8,828,023号美国专利，其标题为“医疗工作站(medicalworkstation)”，其全部内容以引用的方式并入本文中。

参考图2到7，现将详细地描述器械驱动单元20。器械驱动单元20包含滑架26，所述滑架26具有安置在其中的多个驱动电机22a、22b、22c、22d、22d、22e(在本文中统称为“22”)。器械驱动单元20的滑架26被配置成可滑动地联接到沿着滑件13(图1)纵向限定的线性轨道(未示出)。滑架26具有竖直延伸的后部主体26a和从后部主体26a的远端水平延伸的基座26b。滑架26的后部主体26a限定沿着其长度延伸的弓状切口28，且所述弓状切口28的尺寸被设置以容纳手术器械10的主体部分12的可滑动接收。后部主体26a在其中容纳多个电机22。

滑架26的基座26b限定穿过其的纵向延伸的通道30，所述通道30的尺寸被设置以接收器械驱动单元20的内壳体46。基座26b可以具有半圆柱形的形状。在实施例中，基座26b可以呈现任何合适的形状，例如方形。基座26b具有环形凸缘32(图7)，所述环形凸缘32从基座26b的内周边表面朝内径向延伸。环形凸缘32被配置成支撑器械驱动单元20的内部部件。

在实施例中，滑架26的基座26b的近端部分可以具有接收在其中的滑环33，以用于在固定结构(例如，驱动电机22)与旋转结构(例如，机电手术器械10)之间传递电信号或电力。由滑环33传递的电信号可以为来自机电手术器械10的与手术器械10的状态和位置和/或邻近组织结构的状态和位置相关的反馈信号。例如，反馈可以包含手术器械10的温度、手术器械10所经受的力，和/或手术器械10的某些结构相对于彼此或相对于邻近组织结构的位置。

参考图4和5，器械驱动单元20的驱动电机22隐藏在滑架26的后部主体26a内。驱动电机22彼此沿圆周间隔开且可经由控制装置4(图1)独立地致动。驱动电机中的一个驱动电机，例如驱动电机22e被配置成在手术器械10联接到器械驱动单元20时实现手术器械10的旋转，并且其余的驱动电机22a、22b、22c、22d被配置成致动手术器械10的功能。虽然器械驱动单元20说明为具有五个驱动电机，但是预期器械驱动单元20可以具有多于或少于五个驱动电机。

参考图5和6，驱动电机22各自具有从其向远侧延伸且穿过滑架26的基座26b的可旋转的电机轴40a、40b、40c、40d、40e(在本文中统称为“40”)。电机轴40围绕滑架26的基座26b的通道30彼此沿圆周间隔开。电机轴40各自具有可围绕其旋转地固定的电机齿轮42a、42b、42c、42d、42e(在本文中统称为“42”)，例如正齿轮。电机齿轮42中的每一个电机齿轮定位在其相应电机轴40上的离散竖直位置处，使得电机齿轮42彼此竖直地偏移选定距离。由于除彼此竖直地偏移之外，电机齿轮42还彼此沿圆周间隔开，因此电机齿轮42在所有三个维度上彼此偏移。

参考图4到7，器械驱动单元20进一步包含接收在基座26b的通道30中的外壳体组件44，和安置在外壳体组件44内的内壳体46。外壳体组件44可以不可旋转地固定到滑架26的基座26b且支撑在基座26b的凸缘32上。如在图7中最佳示出，外壳体组件44包含多个轴承48a、48b、48c、48d、48e(在本文中统称为“48”)等，和插入在邻近轴承48之间且与邻近轴承48一起固定的多个环形支撑件50a、50b、50c、50d、50e(在本文中统称为“50”)。环形支撑件50和轴承48以交替布置竖直堆叠在滑架26的通道30内。最底部(例如，最远侧)轴承48e位于基座26b的凸缘32上，以防止外壳体组件44且进而防止内壳体46穿过通道30向远侧下落。环形支撑件50将邻近轴承48互连，使得整个外壳体组件44被配置为一体式结构。环形支撑件50中的每一个支撑件具有开口52，所述开口52具有穿过其延伸的对应电机齿轮42，以允许电机齿轮42与对应齿圈62接合，如将描述。

内壳体46支撑在外壳体组件44中，并且被配置成相对于外壳体组件44且在外壳体组件44内旋转。内壳体46限定从其近端46a延伸到远端46b的细长形内腔54。内腔54的尺寸被设置以可滑动地接收机电手术器械10的轴14(图2和3)。在一些实施例中，内腔54的尺寸可以被设置以在其中不可旋转地捕获机电器械10的轴14。内壳体46具有安置成邻近其相应近端和远端46a、46b的一对近侧和远侧径向延伸部分58a、58b。径向延伸部分58a、58b将内壳体46轴向地支撑在滑架26的基座26b的通道30中。

器械驱动单元20进一步包含多个传动组件60a、60b、60c、60d、60e(在本文中统称为“60”)，所述多个传动组件彼此独立地起作用以将力矩从对应电机22传递到所附接的手术器械10的对应从动构件。每一个传动组件60a、60b、60c、60d、60e可以包含可操作地联接到彼此的相应电机齿轮42，齿圈62a、62b、62c、62d、62e(在本文中统称为“62”)，驱动齿轮64a、64b、64c、64d、64e(在本文中统称为“64”)，和驱动轴66a、66b、66c、66d、66e(在本文中统称为“66”)。在所示出的实施例中，传动组件中的一个传动组件，例如传动组件60e不含驱动齿轮，因为传动组件60e用以使器械驱动单元20的内壳体46旋转而不是实现手术器械10的功能。

相应传动组件60的部件沿着穿过内壳体46的内腔54限定的纵向轴线“x”彼此竖直地偏移，并且每一个传动组件60的某些部件基本上沿着水平面对准。例如，如在图5和7中最佳示出，第一传动组件60a(例如，最近侧传动组件)的第一电机齿轮42a、第一齿圈62a和第一驱动齿轮64a可操作地联接到彼此且基本上沿着第一水平面“p1”对准，并且第二传动组件60b的第二电机齿轮42b、第二齿圈62b和第二驱动齿轮64b可操作地联接到彼此且基本上沿着第二水平面“p2”对准，所述第二水平面“p2”沿着纵向轴线“x”从第一水平面“p1”竖直地位移(例如，向远侧安置)。其余的传动组件60c、60d和60e也安置在离散水平面中。虽然仅示出五个传动组件，但是预期器械驱动单元20可以具有多于或少于五个传动组件。

传动组件60的齿圈62竖直堆叠在滑架26的通道30内。具体地说，齿圈62沿着由内壳体46的内腔54限定的纵向轴线“x”同轴。齿圈62由外壳体组件44的相应轴承48可旋转地支撑。最远侧(例如，最底部)齿圈62e固定到内壳体46的远侧径向延伸部分58b，使得最远侧齿圈62e的旋转引起内壳体46与其一起且相对于外壳体组件44旋转。

齿圈62中的每一个齿圈具有从其内周边70和其外周边72两者延伸的齿轮齿68。在齿圈62中的每一个齿圈的外周边72上的齿轮齿68与对应电机齿轮42接合，并且在齿圈62中的每一个齿圈的内周边70上的齿轮齿68与对应驱动齿轮64接合，如将描述。在实施例中，齿圈62中的每一个齿圈可以由彼此一体地形成的内齿圈及外齿圈构成。

传动组件60a、60b、60c、60d的驱动轴66a、66b、66c、66d纵向延伸穿过内壳体46且围绕内壳体46的内腔54彼此沿圆周间隔开。驱动轴66相对于内壳体46围绕其相应纵向轴线自由旋转。驱动轴66各自具有被配置成可操作地联接到手术器械10的从动构件(未明确示出)的近端部分74。例如，驱动轴66中的每一个驱动轴的近端部分74可以具有联接器(例如，齿轮)以用于与手术器械10的从动构件的对应联接器联接。因此，在将机电器械10顶部装载到器械驱动单元20中之后，器械驱动单元20的驱动轴66中的每一个驱动轴的近端部分74可操作地联接到机电器械10的主体部分12的远端中的齿轮/联接器，使得每一个驱动轴66的旋转使手术器械10的对应地联接的从动构件旋转，以实现手术器械的离散功能(例如，末端执行器的打开/关闭、末端执行器的关节运动等)。

驱动轴66各自具有围绕其可旋转地固定的驱动齿轮64，例如正齿轮。驱动齿轮64中的每一个驱动齿轮定位在其相应驱动轴66上的离散竖直位置处，使得驱动齿轮64彼此竖直地偏移选定距离。由于除竖直地偏移之外，驱动齿轮64还彼此沿圆周间隔开，因此驱动齿轮64在所有三个维度上彼此偏移。如上文所提及，驱动齿轮64各自与对应齿圈62的内周边70上的齿轮齿68接合或互相啮合，且从其中接收源自相应电机22的力矩。

在操作中，如图2和3中所示出，通过使机电器械10的轴12在远侧方向上穿过器械驱动单元20的内壳体46的内腔54，如由图2中的箭头“a”所指示，而将机电器械10联接到器械驱动单元20。在机电器械10的主体部分12支撑在器械驱动单元10上的情况下，如图3中所示出，传动组件60的驱动轴66中的每一个驱动轴的近端74与机电器械10的主体部分12的远端中的对应齿轮/联接器(未示出)接合。

参考图5到7，为了致动手术器械10的特定功能，例如手术器械10的末端执行器的打开或关闭，器械驱动单元20的驱动电机22中的一个驱动电机，例如第一驱动电机22a经由控制装置4(图1)被激活。第一驱动电机22a的激活使第一电机轴40a旋转。第一电机轴40a的旋转致动第一传动组件60a以将力矩从第一电机轴40a传递到机电器械10的第一从动构件。

具体地说，第一传动组件60a的第一电机齿轮42a随着第一电机轴40a旋转，所述第一电机轴40a又使第一传动组件60a的第一齿圈62a和第一驱动齿轮64a旋转。由于第一驱动齿轮64a围绕第一驱动轴66a可旋转地固定，因此第一驱动齿轮64a的旋转使得第一驱动轴66a旋转，由此使机电器械10的第一从动构件旋转以致动手术器械10的相关联的功能。驱动电机22e可以被配置成在传动组件60a、60b、60c、60d中的任一个传动组件的致动期间阻止其电机轴40e的旋转，使得传动组件60a、60b、60c、60d中的一个传动组件的致动不会无意地引起轮毂46的旋转。

为了使机电器械10围绕其纵向轴线旋转，器械驱动单元20的第五电机22e由控制装置4(图1)激活。第五电机22e的激活使得第五电机轴40e和第五电机齿轮42e旋转。归因于第五电机齿轮42e可操作地联接到第五齿圈62e，第五电机齿轮42e的旋转使得第五齿圈62e旋转。假定第五齿圈62e固定到内壳体46，内壳体46随着第五齿圈62e围绕纵向轴线“x”且相对于外壳体组件44和滑架26旋转。在机电器械10不可旋转地支撑在内壳体46的内腔54中且器械驱动单元20的驱动轴66与机电器械10的从动构件联接的情况下，机电器械10随着内壳体46相对于滑架26旋转以改变机电器械10的旋转定向。

如可了解，上文所描述的器械驱动单元20提高了手术机器人系统1的可用性，减少了整个系统1的占地面积，改进了安全架构，并且减少了在紧急情况下移除手术器械所需的时间。

应理解，可以对本文中所公开的实施例进行各种修改。因此，以上描述不应被解释为限制性的，而仅仅是各种实施例的范例。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和精神内的其它修改。