用于在外科机器人臂的致动器机构中实现多圈旋转构思的系统和方法与流程

背景技术：

1、本发明涉及微创外科装置和相关联方法，并且更具体地说涉及可插入患者体内以在其中执行选定外科手术的机器人外科系统。

2、自20世纪90年代初问世以来，微创外科手术领域发展迅速。虽然微创外科手术极大地改善了患者预后，但这种改善是以外科医生精确和轻松操作的能力为代价的。在腹腔镜检查期间，外科医生必须通过患者腹壁中的小切口插入腹腔镜器械。由于腹腔镜器械不能在不损伤腹壁的情况下左右移动，因此工具插入穿过腹壁这一性质限制了腹腔镜器械的运动。标准腹腔镜器械限于四个运动轴线。这四个运动轴线是器械进出套管针的移动(轴线1)、器械在套管针内的旋转(轴线2)以及套管针在两个平面内的角移动，同时维持套管针进入腹腔的枢轴点(轴线3和4)。二十多年来，大多数微创外科手术都是在只有这四个运动自由度的情况下执行的。

3、现有的机器人外科装置试图解决这些问题中的许多问题。一些现有的机器人外科装置复制了在器械的端部处具有附加的自由度的非机器人腹腔镜外科手术。然而，即使对外科手术进行了许多昂贵的改变，现有的机器人外科装置在使用它们的大多数手术中也未能提供改善的患者预后。另外，现有的机器人装置在外科医生和外科端部执行器之间产生增加的间隔。这种增加的间隔导致由于外科医生对机器人装置施加的运动和力的误解而造成的损伤。因为许多现有机器人装置的多个自由度对于诸如外科医生的人类操作者来说是不熟悉的，所以外科医生通常在对患者进行手术之前在机器人模拟器上经历广泛的训练，以便使对患者造成意外损伤的可能性最小化。

4、为了控制现有的机器人装置，外科医生坐在控制台处并用他或她的手和脚控制操纵器。另外，机器人相机保持在半固定位置，并通过外科医生的脚和手的组合运动来移动。这些视野有限的半固定相机导致手术区难以可视化。

5、其他机器人装置具有通过单个切口插入的两个机器人操纵器。这些装置减少了单个切口(通常在脐部中)所需的切口数量。然而，现有的单切口机器人装置具有源于其致动器设计的显著缺点。现有的单切口机器人装置包括伺服马达、编码器、齿轮箱和体内机器人内的所有其他致动装置。将马达和齿轮箱包括在患者体内的这种决定导致了能力有限的大型机器人。这种大型机器人必须通过大切口插入，因此增加了形成疝的风险、感染的风险、疼痛和一般发病率。另外，这些装置的大小不太可能因为在体内装置中包括马达、齿轮等而显著减小。这种增加的切口大小导致对患者的损伤显著增加，并且极大地降低了现有装置的实用性。

6、现有的单个切口装置也具有有限的自由度。这些自由度中的一些自由度对于人来说是不直观的，例如在手术期间臂的伸长。这些自由度需要使用者界面，在该使用者界面中外科医生必须进行与现有多切口装置的移动类似的非直观学习移动。

7、在现有的vicarious外科机器人系统中，机器人臂具有关节运动节段或区段以及端部执行器，这些关节运动节段或区段和端部执行器可使用选定的机械布置在多个自由度上被操纵和移动。具体地讲，机器人臂可采用滑轮和相关联的缆线或线，这些缆线或线沿着细长轴来回移动并且可连接机器人臂的各个区段。联接到缆线的驱动组件可用于在缆线上提供致动力，以致动和/或操纵器械的臂区段和端部执行器。驱动组件可安装在机器人臂上或联接到外科机器人系统的由外科医生控制的另一部分，以便以各种自由度移动机器人臂。

8、此外，机器人臂的任何旋转关节都具有有限的行进范围，该行进范围由可卷起的驱动缆线的量决定，或者由于通常穿过机器人臂的每个关节以便将信号(诸如关节角度测量)传送回控制器和外科医生的电线中的额外松弛量而决定。当各种关节的旋转达到或超过机械极限时，电线和/或驱动缆线通常会出现机械故障。

技术实现思路

1、本发明涉及一种外科机器人系统的机器人臂的缆线驱动旋转关节，该缆线驱动旋转关节能够多次旋转(例如在任一方向上至少两次旋转)，在关节行进的每一端处形成硬止动件，同时伴随地具有在外科机器人系统启动和使用时经由一系列传感器精确地确定关节的转数或圈数以及关节的具体旋转角度的能力。因此，旋转关节能够绕纵向轴线旋转到大于360度的程度。

2、因此，本发明涉及一种外科机器人系统，该外科机器人系统采用具有关节运动节段的机器人臂，该关节运动节段包括安置在凹形节段组件内并可相对于该凹形节段组件旋转的凸形节段组件。关节运动节段可位于机器人臂的关节(诸如肩关节、肘关节或腕关节)处，并形成机器人臂的关节的一部分。凸形节段组件包括具有形成在外表面上的凹槽(诸如盘旋形凹槽或螺旋形凹槽)的结构。凹形节段组件包括具有狭槽的结构，该狭槽安装有包括磁体的往复移动组件。往复移动组件在凸形节段组件旋转时在狭槽内线性地或轴向地移动。往复移动组件以及感测磁体的位置可由一系列传感器来确定，这些传感器相对于狭槽和往复移动组件安装以便感测往复移动磁体和感测磁体的位置。然后，外科机器人系统可基于往复移动磁体和感测磁体的位置来确定关节运动节段的圈数以及关节运动节段的旋转角度(部分转动位置)。

3、本发明涉及一种外科机器人系统的外科机器人臂，该外科机器人臂具有机械地且可操作地联接在一起以形成一个或多个关节的多个关节运动节段。关节运动节段可包括旋转致动机构，该旋转致动机构具有：凸形节段组件，该凸形节段组件具有一个或多个结构部件，该一个或多个结构部件能够通过一根或多根缆线绕其纵向轴线旋转并且能够旋转到大于360度的程度，以及凹形节段组件，该凹形节段组件被大小设定且被构造成用于安置凸形节段组件并且可操作地连接到凸形节段组件。

4、凹形节段组件包括线性狭槽，并且结构部件可包括凹槽(诸如盘旋形凹槽)，并且机器人臂还包括往复移动组件，该往复移动组件具有往复移动元件，该往复移动元件被大小设定且被构造成用于接触凹槽，使得当凸形节段部件旋转时，往复移动元件在狭槽中线性地移动。根据一个实施方案，机器人臂还可包括第一传感器组件，该第一传感器组件被配置成感测往复移动元件在狭槽中的线性位置并且生成第一传感器数据。第一传感器数据被处理以确定凸形节段组件的一个或多个结构部件的圈数和一个或多个结构部件的旋转角位置中的一者或多者。机器人臂可包括可选的第二传感器组件，该第二传感器组件被配置成感测凸形节段组件的结构部件的旋转角位置并且用于生成第二传感器数据。第一传感器数据和第二传感器数据可由计算单元处理以确定关节的旋转位置。

5、根据本发明的另一实施方案，外科机器人臂可包括传感器组件，该传感器组件联接到凸形节段组件或凹形节段组件以用于感测凸形节段组件的结构部件的旋转位置。感测组件可包括：第一多个传感器，该第一多个传感器用于生成指示凸形节段组件的一个或多个结构部件的旋转次数的第一传感器数据，以及第二多个传感器，该第二多个传感器用于生成指示凸形节段组件的一个或多个结构部件的旋转角位置的第二传感器数据。第一传感器数据和第二传感器数据可被处理以确定凸形节段组件的结构部件的旋转位置。

6、凸形节段组件的结构部件可具有形成在其中的凹槽，该凹槽用于安置被构造成用于沿着路径行进的往复移动元件。凹槽具有形成在路径的一端处的第一硬止动件和形成在路径的相对端处的第二硬止动件，并且在凸形节段组件旋转到大于360度的程度时，往复移动元件可在凹槽内或沿着凹槽移动。第一硬止动件和第二硬止动件确定凸形节段组件的一个或多个结构部件的最大旋转次数。根据一个实施方案，往复移动元件可包括轴承元件，并且凹槽可以是圆形凹槽或盘旋形凹槽。

7、根据一个实施方案，凹槽是盘旋形凹槽，并且凹形节段组件具有形成在其中的狭槽，该狭槽被构造和定位成与凹槽的至少一部分连通。可提供往复移动组件，该往复移动组件安置在狭槽内并且可包括往复移动元件、联接到往复移动元件的一端的第一磁体、以及联接到往复移动元件的相对端以用于接触凹槽的轴承元件。往复移动组件被构造成在狭槽内线性地移动。机器人臂可包括第一多个传感器，该第一多个传感器被配置成感测第一磁体在狭槽内的位置并且作为响应生成第一传感器数据。机器人臂能够可选地包括第二磁体，该第二磁体联接到凸形节段组件的结构部件并且能够与该结构部件一起旋转。可选的第二多个传感器可被配置成感测第二磁体的旋转角位置并且生成第二传感器数据。

8、凸形节段的一个或多个结构部件可包括旋转轴元件，该旋转轴元件具有主体，该主体具有外表面，以及接合构件，该接合构件联接到旋转轴构件的外表面。接合构件具有外表面，该外表面具有形成在其中的凹槽。凹形节段组件可包括绕接合元件的至少一部分设置的外壳体元件，并且具有形成在该外壳体元件中的暴露凹槽的至少一部分的狭槽。凹形节段组件还可包括可选的邻接元件，该可选的邻接元件用于将接合元件与绕旋转轴元件的外表面的一部分设置的轴承元件轴向地分离。

9、本发明还涉及一种外科机器人系统的外科机器人臂，该外科机器人臂包括机械地且可操作地联接在一起的多个关节运动节段。关节运动节段可包括旋转致动机构，该旋转致动机构包括：凸形节段组件，该凸形段组件具有旋转轴元件，该旋转轴元件具有主体，该主体具有外表面，以及接合元件，该接合元件联接到旋转轴构件的外表面并且具有形成在其中的盘旋形凹槽。旋转致动机构还包括凹形节段组件，该凹形节段组件具有绕接合元件的至少一部分设置的外壳体元件，并且具有形成在该外壳体元件中的暴露凹槽的至少一部分的狭槽。机器人臂还可包括安装在形成在外壳体元件中的狭槽内的往复移动组件，使得往复移动组件的一部分安置在接合元件的凹槽内。凸形节段组件设置在凹形节段组件内并且能够相对于凹形节段组件绕纵向轴线旋转并且能够旋转到大于约360度的程度。

10、本发明的机器人臂还可选地包括绕旋转轴元件的外表面的一部分设置的轴承元件、形成在旋转轴元件的一端处的凸缘元件和形成在接合元件的一端处的裙部元件中的一者或多者。凹形节段组件能够可选地包括邻接元件，该邻接元件轴向地定位在接合元件的裙部元件与轴承元件之间以用于将接合元件与轴承元件轴向地分离。

11、本发明的机器人臂还可包括第一传感器组件，该第一传感器组件被配置成感测往复移动组件在狭槽中的位置并且生成第一传感器数据。第一传感器数据由例如计算单元处理以确定凸形节段组件的圈数和/或凸形节段组件的旋转角位置。本发明的外科机器人臂还可包括可选的第二传感器组件，该可选的第二传感器组件被配置成感测凸形节段组件的旋转角位置并且用于生成第二传感器数据。可采用计算单元来处理第一传感器数据和第二传感器数据以确定关节的旋转位置。

12、根据另一实施方案，外科机器人臂可包括传感器组件，该传感器组件联接到凸形节段组件或凹形节段组件以用于感测凸形节段组件的旋转位置。感测组件可包括第一多个传感器，该第一多个传感器用于生成指示凸形节段组件的旋转次数的第一传感器数据，以及第二多个传感器，该第二多个传感器用于生成指示凸形节段组件的旋转角位置的第二传感器数据。第一传感器数据和第二传感器数据可被处理以确定凸形节段组件的旋转位置。

13、凹槽具有形成在一端处的第一硬止动件和形成在相对端处的第二硬止动件。在凸形节段组件旋转到大于360度的程度时，往复移动组件可在凹槽内移动，并且第一硬止动件和第二硬止动件确定凸形节段组件的一个或多个结构部件的最大旋转次数。往复移动组件可包括：轴承元件，该轴承元件被大小设定且被构造成用于与凹槽连通；往复移动元件，该往复移动元件具有第一端，该第一端具有形成在其中的凹部以用于安置轴承元件的第一部分；以及往复移动磁体，该往复移动磁体联接到往复移动元件的相对第二端。第一多个传感器可与形成在外壳体元件中的狭槽相关联以用于感测往复移动磁体在狭槽中的线性位置并且用于生成第一传感器数据。第一多个传感器可包括与狭槽的一端相关联的第一狭槽传感器和与狭槽的相对端相关联的第二狭槽传感器，第一传感器数据指示凸形节段组件的旋转次数并且可被处理以确定凸形节段组件的旋转角位置。

14、外科机器人臂还可包括可选的环形感测磁体，该环形感测磁体旋转地联接到凸形节段组件的旋转轴元件或接合元件。臂可包括可选的第二多个传感器，该第二多个传感器绕环形感测磁体周向地设置以用于感测环形感测磁体的旋转角位置并且用于生成指示凸形节段组件的旋转角位置的第二传感器数据。

15、本发明还涉及一种用于使外科机器人系统的外科机器人臂的关节部分旋转的方法，该方法包括：提供具有一个或多个关节运动节段的机器人臂，该一个或多个关节运动节段机械地且可操作地联接在一起以形成关节，其中关节运动节段包括具有一个或多个可旋转结构部件的凸形节段组件和被大小设定且被构造成用于安置凸形节段组件的凹形节段组件，利用一根或多根缆线使凸形节段组件的结构部件绕其纵向轴线旋转，并且其中结构部件能够旋转到大于约360度的程度，以及利用联接到凸形节段组件和凹形节段组件中的一者或多者的传感器组件来感测凸形节段组件的结构部件的旋转位置。

16、该方法还可包括：利用传感器组件来生成第一传感器数据，以及根据第一传感器数据来确定凸形节段组件的结构部件的旋转次数。此外，本发明的方法可根据第一传感器数据来确定凸形节段组件的结构部件的旋转角位置。

17、本发明还可以包括用传感器组件产生第一传感器数据，根据第一传感器数据确定凸形节段组件的结构部件的旋转次数，利用传感器组件来生成第二传感器数据，以及根据第二传感器数据来确定凸形节段组件的结构部件的旋转角位置。第一传感器数据和第二传感器数据可被处理以确定旋转位置。

18、本发明的方法还可包括在凸形节段组件的结构部件中提供凹槽，该凹槽用于安置被构造成用于沿着路径行进的往复移动元件，其中凹槽具有形成在路径的一端处的第一硬止动件和形成在路径的相对端处的第二硬止动件，以及在结构部件旋转时，使往复移动元件在凹槽内移动到大于360度的程度。第一硬止动件和第二硬止动件可确定凸形节段组件的一个或多个结构部件的最大旋转次数。该方法还包括使第一磁体与往复移动元件相关联，以利用传感器组件来感测第一磁体在凹槽内的位置。可选的第二磁体可与凸形节段组件的结构构件联接，并且第二磁体的旋转角位置可由传感器组件确定。