[0002] 本申请要求2016年3月4日提交的美国临时申请第62/303,695号的权益和优先权，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
[0003]
机器人手术系统已用于微创医
疗程序中。一些
机器人手术系统包含
支撑手术机器人臂和安装到机器人臂的包含至少一个
末端执行器(例如，钳或抓握工具)的手术器械的控制台。机器人臂向手术器械提供机械功率以用于其操作和移动。每个机器人臂可已包含具有操作地连接到手术器械的多个
电机的器械驱动单元。
[0004] 器械驱动单元的一个电机用于使手术器械的螺杆旋转，这继而实现末端执行器的钳口的打开和闭合和/或末端执行器的钉合功能。螺杆旋转的速度与末端执行器的钳口打开和闭合的速率成正比。然而，现有器械驱动单元并不能以期望的操作速度打开和闭合末端执行器的钳口同时还提供足够的转矩用于执行钉合和/或切割功能。
发明内容
[0005] 根据本公开的一方面，提供用于致动电动机械末端执行器的
机器人手术器械。机器人手术器械包含
外壳、第一输入
驱动器、第二输入驱动器和轴组件。外壳具有配置成耦合到器械驱动单元的近侧末端。第一输入驱动器可旋转地安置在外壳内并且配置成驱动地耦合到器械驱动单元的第一电机。第二输入驱动器可旋转地安置在外壳内并且配置成驱动地耦合到器械驱动单元的第二电机。轴组件从外壳内向远侧延伸并且包含轴和杆。轴具有远侧末端和可操作地耦合到第一和第二输入驱动器的近侧末端。杆具有
螺纹耦合到轴的远侧末端的近侧末端。第一和第二输入驱动器的旋转使轴旋转以实现杆相对于轴的轴向移动。
[0006] 在一些
实施例中，轴组件的轴可限定纵向轴线，并且第一和第二输入驱动器可定向成平行于纵向轴线并且从所述纵向轴线偏移。
[0007] 预期第一和第二输入驱动器中的每一个可包含
齿轮。轴组件的轴还可包含齿轮，所述齿轮与第一和第二输入驱动器中的每一个的齿轮操作接合使得第一和第二输入驱动器中的每一个的齿轮将旋转运动传递到轴的齿轮。轴的齿轮和第一和第二输入驱动器中的每一个的齿轮可为正齿轮。
[0008] 设想第一和第二输入驱动器中的每一个可包含配置成驱动地耦合到器械驱动单元的第一电机和第二电机中的相应一个的
耦合器。
[0009] 在一些方面中，杆的近侧末端可安置在轴的远侧末端内并且可防止随轴旋转而旋转。
[0010] 在一些实施例中，机器人手术器械可进一步包含可操作地耦合到轴组件的杆的远侧末端的末端执行器。末端执行器可包含一对相对的钳口构件，所述一对相对的钳口构件配置成改变其间间隙的大小并且在杆轴向移动时自其中击发钉。
[0011] 在本公开的另一方面中，提供与机器人系统一起使用的电动机械手术系统。电动机械手术系统包含包含第一电机和第二电机的器械驱动单元，和机器人手术器械。机器人手术器械包含外壳、第一输入驱动器、第二输入驱动器和轴组件。外壳具有配置成耦合到器械驱动单元的近侧末端。第一输入驱动器可旋转地安置在外壳内并且配置成驱动地耦合到器械驱动单元的第一电机。第二输入驱动器可旋转地安置在外壳内并且配置成驱动地耦合到器械驱动单元的第二电机。轴组件从外壳内向远侧延伸。轴组件包含轴和杆。轴具有远侧末端和可操作地耦合到第一和第二输入驱动器的近侧末端。杆具有螺纹耦合到轴的远侧末端的近侧末端。第一和第二输入驱动器的旋转通过致动第一和第二电机使轴旋转以实现杆相对于轴的轴向移动。
[0012] 在一些实施例中，轴组件的轴可限定纵向轴线，并且机器人手术器械的第一和第二输入驱动器可定向成平行于纵向轴线并且从所述纵向轴线偏移。
[0013] 预期机器人手术器械的第一和第二输入驱动器中的每一个可包含齿轮。轴组件的轴还可包含齿轮，所述齿轮与第一和第二输入驱动器中的每一个的齿轮操作接合使得第一和第二输入驱动器中的每一个的齿轮将旋转运动传递到轴的齿轮。轴的齿轮和第一和第二输入驱动器中的每一个的齿轮可为正齿轮。
[0014] 设想机器人手术器械的第一和第二输入驱动器中的每一个可包含耦合器。器械驱动单元可包含第一驱动耦合器和第二驱动耦合器。第一驱动耦合器可从第一电机延伸并且配置成驱动地耦合到机器人手术器械的第一输入驱动器的耦合器。第二驱动耦合器可从第二电机延伸并且配置成驱动地耦合到机器人手术器械的第二输入驱动器的耦合器。
[0015] 在一些方面中，杆的近侧末端可安置在轴的远侧末端内并且防止随轴旋转而旋转。
[0016] 在一些实施例中，机器人手术器械可进一步包含可操作地耦合到轴组件的杆的远侧末端的末端执行器。末端执行器可包含一对相对的钳口构件，所述一对相对的钳口构件配置成改变其间间隙的大小并且在杆轴向移动时自其中击发钉。电动机械手术系统可进一步包含处理器，所述处理器配置成
致动器械驱动单元的第一电机和第二电机以从一对相对的钳口构件击发钉。处理器可配置成独立地致动器械驱动单元的第一或第二电机中的至少一个以移动一对相对的钳口构件。
[0017] 在一些方面中，第一电机和第二电机可各自配置成产生
最大转矩T，使得在同时致动第一电机和第二电机时，第一和第二电机一起产生最大转矩2T。
[0018] 本公开的示例性实施例的另外的细节和方面将在下文参考
附图更详细描述。
[0019] 如本文所使用，术语平行和垂直理解成包含距真实平行和真实垂直高达约+或-10度的大体上平行和大体上垂直的相对配置。
附图说明
[0020] 在本文中参考附图来描述本公开的实施例，其中：
[0021] 图1为根据本公开的包含电动机械手术系统的机器人手术系统的示意性说明；
[0022] 图2为图1的电动机械手术系统的透视图，示出机器人手术器械和附接到手术机器人臂的器械驱动单元；
[0023] 图3为图2的器械驱动单元的截面视图，示出第一电机和第二电机；
[0024] 图4为图2的机器人手术器械的透视图；
[0025] 图5为沿图4的线5-5截取的机器人手术器械的截面视图；和
[0026] 图6和7为与本公开的机器人手术器械一起使用的
现有技术末端执行器的透视图。
具体实施方式
[0027] 参考图式详细描述本发明所公开的包含用于致动电动机械末端执行器的电动机械手术系统的机器人手术系统和其方法的实施例，其中在若干视图中的每一个中相似附图标号表示相同或对应元件。如本文所使用，术语“远侧”是指更远离使用者的机器人手术系统、器械驱动单元、机器人手术器械、电动机械末端执行器或其部件的部分，而术语“近侧”是指更接近使用者的机器人手术系统、器械驱动单元、机器人手术器械、电动机械末端执行器或其部件的部分。
[0028] 如将相对于图1-5详细描述，本公开涉及手术器械，例如与机器人手术系统一起使用的机器人手术器械。机器人手术器械包含具有至少两个电机的器械驱动单元，所述至少两个电机一起驱动机器人手术器械的末端执行器的某些功能的致动，如将在下文详细描述。在一些实施例中，可提供具有多个电机的手持型手术器械，例如手持型手术钉合设备，所述多个电机一起驱动手持型手术钉合设备的单个击发杆。
[0029] 首先参考图1和2，例如机器人手术系统1的手术系统一般包含具有可拆卸地附接到其的机器人手术器械100的多个手术机器人臂2、3；控制装置4；和与控制装置4耦合的操作控制台5。
[0030] 操作控制台5包含：显示装置6，其具体来说设置成显示三维图像；和手动输入装置7、8，借助于其人员(未示出)(例如，外科医生)能够在第一操作模式下远程操控机器人臂2、
3，如原则上为本领域的技术人员所知的。机器人臂2、3中的每一个可由通过接头连接的多个构件构成。机器人臂2、3可由连接到控制装置4的电驱动器(未示出)来驱动。控制装置4(例如，计算机)以使得机器人臂2、3、它们的器械驱动单元20和因此机器人手术器械100(包含电动机械末端执行器200，图6和7)根据借助于手动输入装置7、8限定的移动执行期望移动的方式设置成启动驱动器，具体来说借助于
计算机程序。控制装置4还可以使得其调节机器人臂2、3和/或驱动器的移动的方式设置。
[0031] 机器人手术系统1配置成用于在躺在手术台“ST”上待借助于手术器械(例如机器人手术器械100)微创地
治疗的患者“P”身上使用。机器人手术系统1还可包含多于两个机器人臂2、3，额外机器人臂同样连接到控制装置4并且借助于操作控制台5远程操控。手术器械，例如机器人手术器械100(包含电动机械末端执行器200，图6和7)，也可附接到额外机器人臂。
[0032] 控制装置4可控制多个电机(电机1……n)，其中每个电机配置成驱动机器人手术器械100的驱动器构件的相对旋转以实现机器人手术器械100的每个电动机械末端执行器200的操作和/或移动。预期控制装置4协调各个电机(电机1……n)的启动以协调器械驱动单元20的驱动构件(未示出)的顺
时针或逆时针旋转以便协调相应电动机械末端执行器200的操作和/或移动。在实施例中，每个电机可配置成致动驱动杆或拉杆臂以实现机器人手术器械100的每个电动机械末端执行器200的操作和/或移动。
[0033] 对于机器人手术系统的构造和操作的详细论述，可参考题为“医疗工作站(Medical Workstation)”的美国
专利第8,828,023号，所述专利全部内容以引用的方式并入本文中。
[0034] 参考图2和3，机器人手术系统1包含电动机械手术系统30，所述电动机械手术系统30包含机器人臂2、器械驱动单元20和机器人手术器械100。电动机械手术系统30的器械驱动单元20配置成耦合到机器人手术器械100，并且机器人手术器械100配置成与机器人臂2耦合或耦合到所述机器人臂2。器械驱动单元20配置成用于为机器人手术器械100供电。器械驱动单元20将来自其电机(例如，第一电机M1和第二电机M2)的动
力和致动力传递到机器人手术器械100，以最后驱动机器人手术器械100的电动机械末端执行器200的(图6和7)的部件的移动，例如刀片(未示出)的移动和/或电动机械末端执行器200的钳口构件202a、
202b的闭合和打开。
[0035] 第一电机M1可配置为主电机，并且第二电机M2可配置为匹配通过主电机M1输出的转矩的量的从电机，使得第一电机M1和第二电机M2同步操作。第一电机M1和第二电机M2经由处理器“P”彼此通信，所述处理器“P”使第一电机M1和第二电机M2同步，使得第二电机M2在任何给定时间将产生与第一电机M1相同的转矩从而最后使机器人手术器械100的第一输入驱动器108和第二输入驱动器110以相同速率旋转。第一电机M1和第二电机M2各自配置成根据它们的大小和型号产生最大转矩T，使得在同时致动第一电机M1和第二电机M2时，第一电机M1和第二电机M2一起产生最大转矩2T。在一些实施例中，器械驱动单元20可包含多个从电机，使得器械驱动单元20可产生大于2T的转矩。
[0036] 在实施例中，当期望通过器械驱动单元20输出特定量的转矩(例如，如通过临床医生或控制装置4确定)时，处理器可配置成使第二电机M2输出等于期望转矩和通过第一电机M1输出的转矩之间的差的转矩，使得通过第一电机M1和第二电机M2输出的组合转矩匹配期望转矩。在实施例中，第二电机M2可配置成输出定转矩，而第一电机M1可配置成输出使通过器械驱动单元20输出的总转矩高达期望转矩的转矩的量。
[0037] 器械驱动单元20包含附接到相应第一电机M1和第二电机M2的多个可旋转
输出轴22、24，使得输出轴22、24相对于彼此可独立地旋转。在一些实施例中，器械驱动单元20可包含多于两个电机，例如三个或四个电机，所述电机各自具有可旋转地附接到其的相应输出轴。在实施例中，第一电机M1可为主电机并且两个或更多个电机可充当从电机。器械驱动单元20具有不可旋转地附接到相应第一输出轴22和第二输出轴24的第一驱动耦合器26和第二驱动耦合器28，使得第一驱动耦合器26和第二驱动耦合器28分别从第一电机M1和第二电机M2延伸。第一驱动耦合器26和第二驱动耦合器28各自具有机械
接口26a、28a，例如多个
轮齿或顶齿轮，其配置成驱动地耦合到机器人手术器械100的相应第一输入驱动器108和第二输入驱动器110(图4)。因而，当机器人手术器械100可操作地接合到器械驱动单元20时，第一电机M1和第二电机M2的致动实现机器人手术器械100的第一输入驱动器108和第二输入驱动器110以彼此相同的速率的旋转，如将在下文详细描述。
[0038] 器械驱动单元20包含连接到第一电机M1和第二电机M2的
传感器，例如转矩变换器32。转矩变换器32感测在电机M1、M2操作期间通过电机M1、M2输出的转矩的量。器械驱动单元20的处理器“P”与转矩变换器32通信以基于通过转矩变换器32感测的转矩的量控制通过第一电机M1和/或第二电机M2输出的功率的量。具体来说，当需要额外转矩以进行末端执行器200的某一功能(例如，钉合组织和/或切割组织)时，处理器“P”将启动第二电机M2(以与第一电机M1同时操作)并且使第二电机M2产生与第一电机M1相同的转矩。
[0039] 此外，器械驱动单元20包含能够检测和测量机器人手术器械100的轴组件120(图5)的击发和回缩力两者的传感器(例如
压力传感器)(未示出)。处理器“P”与压力传感器通信并且配置成当通过压力传感器感测的力的量指示组织被夹持并且准备钉合时同时致动第一电机M1和第二电机M2两者。处理器“P”还配置成当通过压力传感器感测的力的量指示组织未被夹持在电动机械末端执行器200的钳口202a、202b之间时仅致动一个第一电机M1。
[0040] 因而，通过器械驱动单元20输出转矩T用于夹持和松开安置在电动机械末端执行器200的钳口202a、202b之间的组织，并且通过器械驱动单元20输出转矩2T用于钉合和/或切割夹持在电动机械末端执行器200的钳口202a、202b之间的组织。预期转矩变换器32(压力传感器)和/或处理器“P”可安置在电动机械手术系统30的任何部件中。预期临床医生可根据对电动机械末端执行器200的期望效果(例如，夹持/松开或钉合/切割)，启动第一电机M1、第二电机M1或同时启动第一电机M1和第二电机M2。在一些实施例中，器械驱动单元20可配置成输出多于或少于转矩2T用于钉合和/或切割组织。
[0041] 参考图4和5，机器人手术器械10一般包含机器人手术器械100和从机器人手术器械100向远侧延伸的电动机械末端执行器200。
[0042] 机器人手术器械100包含外壳102和从外壳102内向远侧延伸的轴组件120。机器人手术器械100的外壳102具有大体上圆柱形配置并且具有配置成耦合到器械驱动单元20的近侧末端102a，和远侧末端102b。在实施例中，外壳102可为适合于接收在机器人臂2的远侧末端2a中的任何形状。外壳102限定容纳机器人手术器械100的各个部件的腔105。外壳102的近侧末端102a支撑第一输入驱动器108和第二输入驱动器110，所述第一输入驱动器108和第二输入驱动器110各自可旋转地安置在外壳102的腔105内并且与由轴组件120限定的纵向轴线“X”平行对准延伸。在一些实施例中，外壳102可包含多于两个输入驱动器。机器人手术器械100的第一输入驱动器108和第二输入驱动器110示出为杆状的，但预期它们可采用任何其它合适的形状。
[0043] 机器人手术器械100的第一输入驱动器108和第二输入驱动器110各自具有近侧末端和远侧末端。第一输入驱动器108和第二输入驱动器110中的每一个的近侧末端包含安置在外壳102a的近侧末端处的近侧耦合器108a、110a，例如顶齿轮。第一输入驱动器108和第二输入驱动器110中的每一个的近侧耦合器108a、110a配置成可拆卸地不可旋转地耦合到器械驱动单元20的相应第一驱动耦合器26和第二驱动耦合器28的机械接口26a、28a(图3)。因而，在连接器械驱动单元20与机器人手术器械100的外壳102时，机器人手术器械100的第一输入驱动器108和第二输入驱动器110驱动地耦合到器械驱动单元20的相应第一电机M1和第二电机M2。在一些实施例中，机器人手术器械100的近侧耦合器108a、110a可经由
螺旋齿轮、传送带驱动组合件或用于在第一输入驱动器108和第二输入驱动器110与器械驱动单元20之间传递旋转运动的任何其它合适的机构，连接到器械驱动单元20的相应第一驱动耦合器26和第二驱动耦合器28。第一输入驱动器108和第二输入驱动器110中的每一个的远侧末端包含远侧耦合器108b、110b，例如正齿轮。机器人手术器械100的第一输入驱动器108和第二输入驱动器110中的每一个的远侧耦合器108b、110b与机器人手术器械100的轴组件
120的齿轮126
啮合接合。
[0044] 因此，在同时致动器械驱动单元20的第一电机M1和第二电机M2时，器械驱动单元20的第一驱动耦合器26和第二驱动耦合器28旋转，经由外壳102的第一近侧耦合器108a和第二近侧耦合器110a，引起机器人手术器械100的第一输入驱动器108和第二输入驱动器
110的伴随旋转。机器人手术器械100的外壳102的第一输入驱动器108和/或第二输入驱动器110的旋转
驱动轴组件120的内轴124的旋转以最后引起电动机械末端执行器200的钳口构件202a、202b的打开或闭合、钉(未示出)从钳口构件202a、202b的弹出和/或电动机械器械200的刀片(未示出)的致动。在一些实施例中，机器人手术器械100的远侧耦合器108b、
110b可经由螺旋齿轮、传送带驱动组合件或用于在第一输入驱动器108和第二输入驱动器
110与轴组件120之间传递旋转运动的任何其它合适的机构连接到轴组件120。
[0045] 在一些实施例中，第二输入驱动器110在其中第二输入驱动器110的远侧耦合器110b与内轴124的齿轮126脱离啮合接合的第一
位置和其中第二输入驱动器110的远侧耦合器110b与内轴124的齿轮126啮合接合的第二位置之间可移动。因而，当需要更多转矩来致动电动机械末端执行器200的功能时，第二输入驱动器110可从第一位置移动到第二位置中。当不需要额外转矩时，第二输入驱动器110可移动到第一位置中。
[0046] 如上文所提及，机器人手术器械100包含从外壳102内向远侧延伸的轴组件120。轴组件120使器械驱动单元20与电动机械末端执行器200的钳口构件202a、202b和电动机械末端执行器200的钉致动器(未示出)操作地互耦。轴组件120一般包含外部
导管或外轴122、内轴124和螺杆130。外轴122具有近侧末端122a和机械地附接到电动机械末端执行器200的一个或两个钳口构件202a、202b的远侧末端122b。
[0047] 轴组件120的内轴124具有近侧末端124a和远侧末端124b。内轴124的近侧末端124a具有与外壳102的相应第一输入驱动器108和第二输入驱动器110的两个远侧耦合器
108b、110b啮合接合的齿轮126，例如正齿轮，使得第一输入驱动器108和第二输入驱动器
110的远侧耦合器108b、110b将旋转运动传递到内轴124的齿轮126。内轴124的远侧末端
124b限定纵向穿过其的
螺纹孔128。轴组件120的杆130具有螺纹接合到内轴124的螺纹孔
128的螺纹外表面132。轴组件120的杆130具有安置在对应形状的固定件(未明确示出)内防止杆130旋转的非圆形部分(未示出)。因而，在轴组件120的轴124旋转时，轴组件120的杆
130不随其旋转，而是替代地，相对于轴124平移或轴向移动。
[0048] 杆130的螺纹外表面132具有每英寸杆130长度大致32个螺纹的高
螺距。杆130的螺纹外表面132的高螺距提供轴124每旋转一圈的杆130的高速率轴向移动，这最后引起高速率的电动机械末端执行器200的钳口构件202a、202b的打开和闭合。
[0049] 杆130从外壳102的远侧末端102b延伸通过外轴122的长度，并且终止于电动机械末端执行器200的钳口构件202a、202b处。杆130的远侧末端(未示出)可操作地耦合到末端执行器200的部件使得杆130的轴向移动实现电动机械末端执行器200的钳口构件202a、202b的打开或闭合以及电动机械末端执行器200的钉合功能和切割功能的操作。
[0050] 对于末端执行器200的构造和操作的详细论述，可参考2004年11月5日提交的题为“手术钉合设备(SURGICAL STAPLING APPARATUS)”的美国专利第6,953,139号，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。
[0051] 在使用时，为了改变电动机械末端执行器200的钳口构件202a、202b之间间隙的大小，器械驱动单元20可操作地耦合到机器人手术器械100。然后启动器械驱动单元20的第一电机M1以驱动器械驱动单元20的第一输出轴22的旋转。第一输出轴22的旋转经由器械驱动单元20的第一驱动耦合器26的机械接口26a和机器人手术器械100的第一输入驱动器108的近侧耦合器108a之间的啮合接合，实现机器人手术器械100的第一输入驱动器108的旋转。机器人手术器械100的第一输入驱动器108的旋转经由第一输入驱动器108的远侧耦合器
108b和内轴124的齿轮126的啮合接合，驱动轴组件120的内轴124的顺时针或逆时针旋转。
[0052] 内轴124的旋转造成轴组件120的杆130相对于轴124在近侧或远侧方向上轴向移动。杆130相对于轴124的近侧轴向移动致动电动机械末端执行器200的钳口构件202a、202b的闭合，并且杆130相对于轴124的远侧轴向移动致动电动机械末端执行器200的钳口构件202a、202b的打开。在一些实施例中，杆130的远侧轴向移动可闭合钳口构件202a、202b，并且杆130的近侧轴向移动可打开钳口构件202a、202b。如上文所提及，由于杆130的高螺距，所以钳口构件202a、202b以快的速率打开和闭合。
[0053] 在组织夹持在钳口构件202a、202b之间的情况下，钉可从电动机械末端执行器200弹出到组织中并且电动机械末端执行器200的刀片可平移通过组织以进行特定手术程序。轴组件120的内轴124从夹持在钳口202a、202b之间的组织旋转的阻力提高，并且杆130的螺距提高。因此，为了进行电动机械末端执行器200的钉合功能和/或切割功能，可需要比单独第一电机M1可提供的更大的转矩。
[0054] 为了钉合夹持在钳口构件202a、202b之间的组织，将足够量的功率递送到器械驱动单元20的第二电机M2以使第二电机M2匹配通过第一电机M1输出的转矩，使得第二输入驱动器110以与第一输入驱动器108相同的速率旋转，并且在第二输入驱动器110的远侧耦合器110b和内轴124的齿轮126之间不发生滑动。机器人手术器械100的第二输入驱动器110的旋转补充通过第一输入驱动器108施加到轴组件120的内轴124的转矩。因为轴组件120的内轴124的旋转通过由第一电机M1和第二电机M2的启动驱动的第一输入驱动器108和第二输入驱动器110两者驱动，所以可通过由第二电机M2提供的额外转矩克服由电动机械末端执行器200钉合通过组织或刀片移动通过组织所经历的任何阻力。预期可启动第一电机M1和第二电机M2两者以打开和闭合钳口构件202a、202b，而非仅启动第一电机M1。
[0055] 在一些实施例中，轴组件可并入到使用用于将旋转运动转换成线性运动的
绞盘/绕线盘机构的手术器械中。举例来说，在此实施例中，内轴124的齿轮126可配置为具有围绕其缠绕的(一根或多根)
导线或(一根或多根)
电缆的绞盘。
[0056] 应理解，可对本文中公开的实施例做出各种
修改。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。本领域的技术人员将设想所附
权利要求书的范围和精神内的其它修改。
