用于手术系统的功率管理方案的制作方法

用于手术系统的功率管理方案


背景技术：

1.手术机器人系统当前正用于微创医疗程序。一些手术机器人系统可包含支撑手术机器人臂的控制台和具有联接到机器人臂的末端执行器(例如，钳子或抓握工具)的手术器械，其由机器人臂致动。此类机器人系统由具有多个供电轨和备份单元的复杂供电系统供电。因此，需要用于手术机器人系统以控制复杂供电的流线型功率管理方案。


技术实现要素：

2.本公开提供用于手术机器人系统的功率管理系统。用于为机器人供电的某些电源包含由单个关断开关(例如，3极开关)控制的多个供电组件，以同时接通和断开到所有多个负载的功率。然而，此配置在某些方面是不灵活的，且响应于需要断开负载中的一些负载而需要接通剩余负载的情形而阻止某些负载的选择性激活和去激活。本公开提供一种功率管理架构，其允许为负载供能的供电组件的独立激活和去激活。
3.另外，包含不间断电源(“ups”)(包含一个或多个电池)的单个关断开关架构也往往会因长时间不供电导致电池耗尽而受损。即使关断开关将负载与ups隔离，但由于ups仍处于运行状态，其电池在ac市电断开连接之后耗尽。本功率管理架构提供电源的个别组件与其相应ups之间的通信以基于负载的需求断开每一ups。
4.根据本公开的一个实施例，公开了一种手术机器人系统，其包含具有至少一个手术器械的机器人臂和联接到所述机器人臂且被配置成控制所述机器人臂的控制装置，所述控制装置包含一个或多个组件。所述手术机器人系统还包含电源，具有：塔式电源箱，其被配置成将第一直流电供应到所述机器人臂；功率分配单元，其被配置成将第二直流电供应到所述一个或多个组件；第一不间断电源装置，其联接到所述塔式电源箱且被配置成从第一交流电输入接收第一交流电；以及第二不间断电源装置，其联接到所述功率分配单元且被配置成从第二交流电输入接收第二交流电。
5.根据上述实施例的一个方面，所述手术机器人系统还包含功率输入模块，其分别将所述第一交流电输入和所述第二交流电输入与所述第一不间断电源装置和所述第二不间断电源装置互连。所述功率输入模块被配置成分别将所述第一交流电输入和所述第二交流电输入与所述第一不间断电源装置和所述第二不间断电源装置断开连接。
6.根据上述实施例的另一方面，所述组件为核心控制器、安全性控制器、可视化控制器、可视化系统、显示器、网络适配器、光源或相机控制单元中的一个。
7.根据上述实施例的另一方面，所述组件为核心控制器且所述核心控制器和所述塔式电源箱中的每一个被配置成检测所述电源与所述第一交流电输入或所述第二交流电输入中的至少一个的连接或断开连接。所述手术机器人系统还包含固定支撑底座或可移动支撑底座中的一个，其中所述机器人臂联接到所述固定支撑底座或所述可移动支撑底座中的一个。所述核心控制器和所述塔式电源箱被配置成检测所述电源与所述固定支撑底座或所述可移动支撑底座中的至少一个的连接或断开连接。
8.根据上述实施例的一个方面，所述手术机器人系统还包含电手术发生器和将所述
电手术发生器与所述功率输入模块互连的脚踏开关仿真器。所述脚踏开关仿真器被配置成从第三交流电输入接收第三交流电。
9.根据本公开的另一实施例，公开了一种用于手术机器人系统的电源。所述电源包含：塔式电源箱，其被配置成将第一直流电供应到机器人臂；功率分配单元，其被配置成将第二直流电供应到被配置成控制所述机器人臂的控制装置；第一不间断电源装置，其联接到所述塔式电源箱且被配置成从第一交流电输入接收第一交流电；以及第二不间断电源装置，其联接到所述功率分配单元且被配置成从第二交流电输入接收第二交流电。
10.根据上述实施例的一个方面，所述电源进一步包含功率输入模块，其分别将所述第一交流电输入和所述第二交流电输入与所述第一不间断电源装置和所述第二不间断电源装置互连。所述功率输入模块被配置成分别将所述第一交流电输入和所述第二交流电输入与所述第一不间断电源装置和所述第二不间断电源装置断开连接。所述功率分配单元联接到选自核心控制器、安全性控制器、可视化控制器、可视化系统、显示器、网络适配器、光源或相机控制单元的至少一个组件。在实施例中，所述至少一个组件为核心控制器且所述核心控制器和所述塔式电源箱中的每一个被配置成检测所述电源与所述第一交流电输入或所述第二交流电输入中的至少一个的连接或断开连接。在实施例中，所述核心控制器和所述塔式电源箱中的每一个被配置成检测所述电源与支撑底座的连接或断开连接。
11.根据上述实施例的另一方面，所述电源进一步包含将电手术发生器与所述功率输入模块互连的脚踏开关仿真器。所述脚踏开关仿真器被配置成从第三交流电输入接收第三交流电。
附图说明
12.本文中参考附图描述本公开的实施例，其中：
13.图1是根据本公开的包含手术机器人臂的手术机器人系统的示意性说明；
14.图2是根据本公开的图1的手术机器人系统的手术机器人臂的透视图；且
15.图3是根据本公开的电源的示意性电路图。
具体实施方式
16.参考各图详细描述当前公开的手术机器人系统的实施例，其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“远侧”是指手术机器人系统的更靠近患者的部分和/或与其联接的手术器械，而术语“近侧”是指远离患者的部分。
17.尽管以下描述特定针对于手术机器人系统，但下文描述的电源可用于需要电功率的任何合适的医疗装置中。首先参考图1，手术机器人系统1包含多个机器人臂2，其各自具有可拆卸地附接到其上的手术器械10；控制装置4；以及操作控制台5，其联接到控制装置4。手术机器人系统1被配置成用于使用手术器械10以微创方式对躺卧在固定支撑底座，诸如手术台3a上的患者“p”进行治疗。机器人臂2可附接到固定支撑底座，诸如台3a或可移动支撑底座，诸如可移动手推车3b。手术机器人系统1还包含被配置成将电功率提供到机器人臂2和控制装置4的电源200。在实施例中，取决于操作控制台5的接近度(例如，操作控制台5是安置于手术室中还是远程)，电源200也可联接到操作控制台5。
18.操作控制台5包含显示装置6，其显示手术部位和手动输入装置7、8，临床医生能够
通过所述显示装置远程控制机器人臂2。机器人臂2中的每一个可由经由接头连接的多个连杆构成。可通过连接到控制装置4的电驱动器(未示出)而驱动机器人臂2。控制装置4(例如，计算机，逻辑控制器等)被配置成基于存储在存储器中的一组可编程指令来激活驱动器，以此方式使得机器人臂2和手术器械10根据响应于来自手动输入装置7、8的输入的移动执行期望的移动。
19.控制装置4可包含以可操作方式连接到存储器(未示出)的一个或多个处理器(未示出)，所述存储器可包含易失性，非易失性，磁性，光学或电气介质中的一种或多种，例如只读存储器(rom)，随机存取存储器(ram)，电可擦除可编程rom(eeprom)，非易失性ram(nvram)或闪存。处理器可以是适于执行本公开中描述的操作、计算和/或指令集的任何合适的处理器(例如，控制电路)，包含但不限于硬件处理器、现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理器(dsp)、中央处理单元(cpu)、微处理器及其组合。所属领域的技术人员将了解，可以通过使用适于执行本文描述的算法、计算和/或指令集的任何逻辑电路来取代处理器。
20.控制装置4可以控制多个马达9、
……
、n，每个马达被配置成致动手术器械10以实现手术器械10的操作和/或移动。经考虑，控制装置4协调马达9、
……
、n的激活，以协调驱动构件(未示出)的顺时针或逆时针旋转，以协调手术器械10的操作和/或运动。在实施例中，多个马达9、
……
、n中的每个马达可被配置成致动驱动杆，缆线或杠杆臂(未示出)以实现每个手术器械10的操作和/或移动。在实施例中，马达9、
……
、n可包含集成于马达外壳内的嵌入式控制电子件，避免了对控制装置4的依赖。
21.为了详细论述手术机器人系统的构造和操作，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。
22.参考图2，机器人臂2包含多个可移动连杆，第一连杆104、第二连杆106、第三连杆108和支架110，它们通过致动器(未示出)彼此联接以允许机器人臂2移动成各种配置。支架110被配置成接纳器械驱动单元，其被配置成联接到手术器械10的致动机构。器械驱动单元将致动力从其马达传递到手术器械10，以致动手术器械10的组件(例如，末端执行器)。
23.第一连杆104包含弯曲底座105，其被配置成将机器人臂2紧固到台3a或可移动手推车3b(图1)。第二连杆106可在接头107处并且相对于第一连杆104围绕轴线“x
‑
x”旋转，使得由第一连杆104和第二连杆106限定的角度α为约0
°
到约140
°
。第三连杆108可在接头109处并且相对于第二连杆106围绕轴线“y
‑
y”旋转，使得由第二连杆106和第三连杆108限定的角度β为约0
°
到约140
°
。支架110可相对于第三连杆108旋转，使得由支架110和第三连杆108限定的角度θ为约25
°
到约160
°
。
24.机器人臂2联接到电源200(图1)，其将经调节的电功率提供到机器人臂2以及马达9、
……
、n。参考图3，电源200包含功率输入模块202，其联接到一个或多个ac线路输入204a、204b、204c。ac线路输入204a到c中的每一个包含分别经由保险丝205a、205b、205c彼此联接以提供过电流保护的线路和中性连接。另外，ac线路输入204a到c中的每一个还分别包含安全接地连接207a、207b、207c。功率输入模块202还包含等电位端子203以提供共同接地。
25.ac线路输入204a和204b中的每一个出于电气安全目的还分别联接到电源和控制装置4的对应隔离变压器206a和206b且联接到提供备份电功率的不间断电源(“ups”)208a和208b。确切地说，ups 208a和208b分别联接到塔式电源箱(“tpsc”)210和功率分配单元(“pdu”)212。在一些实施例中，tpsc 210还可被配置成联接到台3a或可移动手推车3b。因
此，tpsc 210为马达和机器人臂2的其它电动机械致动器供电。
26.ac线路输入204a将电功率供应到tpsc 210，ac线路输入204b将电功率供应到pdu 212，且ac线路输入204c经由脚踏开关仿真器208c将电功率供应到电手术发生器214，所述脚踏开关仿真器用于将激活信号提供到电手术发生器214。ups 208a和208b以及脚踏开关仿真器208c中的每一个分别联接到对应的紧急断电连接209a、209b、209c，从而允许ups 208a和208b断开连接。
27.pdu 212为控制装置4的各种控制、输入和通信组件供电，例如核心控制器216a、安全性控制器216b、可视化控制器216c、可视化系统216d、显示器216e、网络适配器216f、光源216g、相机控制单元216h和其它辅助设备216i。
28.电源200还包含联接到ups 208a的第一网络开关218和联接到ups208b的第二网络开关220。第一网络开关218和第二网络开关220可以是任何合适的局域网装置，为有线的，例如以太网或无线的，例如wifi。核心控制器216a联接到第一网络开关218和第二网络开关220。另外，第一网络开关218联接到tpsc 210。因此，第一网络开关218提供与ups208a、tpsc 210和核心控制器216a的双向通信且第二网络开关220提供与ups 208b和核心控制器216a的双向通信。另外，第一网络开关218a和第二网络开关218b还将控制装置4、操作控制台5、机器人臂2和电源200互连。
29.核心控制器216a被配置成以低功率模式操作且监测ups 208a和208b以确定电源200是否仍连接到ac线路输入204a、204b、204c。因此，当手术机器人系统1关断时，例如在手术程序完成时，允许核心控制器216a继续操作。在ac线路输入204a、204b、204c断开连接的情况下，核心控制器216a还被配置成控制ups 208a和208b完全断开以保存电池电量。另外，第一网络开关218和第二网络开关220还被配置成在与ac线路输入204a、204b、204c断开连接之后接通。这允许更快的启动时间，因为第一网络开关218和第二网络开关220将不再需要启动。
30.在ac线路输入204a、204b、204c在手术程序期间与电源200断开连接的情形下，ups 208a和208b被配置成维持到连接到电源200的组件的ac功率，直到核心控制器216a发起包含ups 208a和208b的所有系统组件在操作员控制下的关断为止，或如果ups 208a和208b即将耗尽。
31.如果ac线路输入204a、204b、204c与电源200断开连接，那么核心控制器216a被配置成监测ups 208a和208b且检测ac线路输入204a、204b、204c的断开连接。核心控制器216a还被配置成命令ups 208a和208b在短延迟之后关断以允许从意外断开连接恢复。
32.tpsc 210在经由ups 208a连接到ac线路输入204a时可操作。tpsc 210被配置成连接到台3a和/或可移动手推车3b以向其和机器人臂2提供功率。tpsc 210被配置成检测其是否连接到台3a和/或可移动手推车3b，使得电功率在tpsc 210附接到其之后供应到台3a和/或可移动手推车3b。因此，如果ac线路输入204a与tpsc 210断开连接且tpsc 210未连接到台3a和/或可移动手推车3b，那么tpsc 210命令ups 208a断开且保存电池电量。
33.当可移动手推车3b连接到tpsc 210时，tpsc 210被配置成检测可移动手推车3b连接到哪一端口且启用来自ac/dc转换器(未示出)的相应输出以将功率供应到可移动手推车3b。类似地，当可移动手推车3b与tpsc 210断开连接时，tpsc 210被配置成检测可移动手推车3b与哪一端口断开连接且停用为可移动手推车3b供电的来自ac/dc转换器的相应输出。
34.tpsc 210还被配置成监测ups 208a且检测ac线路输入204a、204b、204c的损失。tpsc 210被配置成命令ups 208a在短延迟周期之后关断以允许从意外断开连接恢复。
35.根据本公开的电源200提供更快的启动时间并更好地保存ups208a和208b中的电池的充电状态。第一网络开关218允许tpsc 210与ups 208a通信，无关于电源200的其余部分，例如pdu 212的供电状态，因为ups 208a和208b受从其接收功率的其对应组件控制。另外，ups208a和208b以及tpsc 210被配置成监测功耗。在手术机器人系统1的操作期间且在故障检测和处置期间收集并使用此数据。核心控制器216a还被配置成经由第一网络开关218a和第二网络开关218b存取此数据。
36.电源200被配置成以多个操作状态操作，如下文进一步详细描述。最初，ac线路输入204a、204b、204c连接到电源200，而无需手术机器人系统1经设置或用于手术程序。因为ac线路输入204a和204b连接，因此ups 208a和208b正为其相应电池充电。tpsc 210和核心控制器216a此时也可操作且监测其相应ups 208a和208b以确定ac线路输入204a和204b是否连接。核心控制器216a还监测是否从例如系统激活按钮接收到系统激活信号以启动系统。在实施例中，系统激活按钮(未示出)可安置于控制装置4和/或操作控制台5上。
37.第一网络开关218a和第二网络开关218b也被供电且可操作。安全性控制器216b、可视化控制器216c、可视化系统216d、显示器216e、网络适配器216f、光源216g、相机控制单元216h和其它辅助设备216i可由用户断开以节约功率。脚踏开关仿真器208c也被通电，但电手术发生器214断开。
38.如上文所示，控制装置4可用于激活手术机器人系统1。激活过程开始于核心控制器216a启动控制装置4和其计算组件以为手术程序以及先前可能已经断电的以下系统中的任一个做准备：安全性控制器216b、可视化控制器216c、可视化系统216d、显示器216e、网络适配器216f、光源216g、相机控制单元216h和其它辅助设备216i。另外，核心控制器216a还通知操作控制台5已发起启动过程。
39.因为第一网络开关218a和第二网络开关218b先前被接通，因此控制装置4的准备就绪时间缩短且取决于剩余系统的启动，例如启动时间，操作系统和应用时间加载时间等。此时，核心控制器216a还尝试与如上文所描述的可移动手推车3b通信。
40.操作控制台5还可以用于激活手术机器人系统1。一旦用户按压操作控制台5上的系统激活按钮，则通过操作控制台5将信号发送到核心控制器216a，因为第一网络开关218a和第二网络开关218b被接通且将操作控制台5连接到核心控制器216a。核心控制器216a接着启动控制装置4和其计算组件以为手术程序以及先前可能已经断电的以下系统中的任一个做准备：安全性控制器216b、可视化控制器216c、可视化系统216d、显示器216e、网络适配器216f、光源216g、相机控制单元216h和其它辅助设备216i。核心控制器216a还尝试与可移动手推车3b建立通信且将手术机器人系统1的消息发送到操作控制台5。
41.在手术机器人系统1经由控制装置4和/或操作控制台5激活之后，手术机器人系统1用于执行手术程序。在手术程序完成后，操作控制台5提示用户将电手术发生器214、光源216g和相机控制单元216h断电。安全性控制器216b和可视化控制器216c也可进入低功率状态或完全断电。核心控制器216a还命令操作控制台5关断。
42.在操作期间，用户可按压紧急断电按钮(未示出)，其可安置于控制装置4和/或操作控制台5上以激活紧急断电连接209a、209b、209c，从而将ac线路输入204a、204b、204c与
tpsc 210、pdu 212和电手术发生器214断开连接。更确切地说，ups 208a和208b中断ac从ac线路输入204a、204b、204c供应到tpsc 210和pdu 212的供应。为了从紧急断电恢复，ups 208a和208b中的每一个可接着通过用户手动接通。
43.应理解，可对本文中所公开的实施例进行各种修改。在实施例中，传感器可以安置在机器人臂的任何合适的部分上。因此，以上描述不应解释为限制性的，而仅仅是作为各种实施例的例证。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和精神内的其它修改。