CN107736937B - 用于手术系统的器械托架组件 - Google Patents

Abstract

一种机器人组件被配置为支撑、插入、缩回并且致动安装到该机器人组件的手术器械。机器人组件包括器械支架基座构件、可移动地安装到器械支架基座构件的电机壳、可操作用以沿着器械支架基座构件平移电机壳的托架驱动机构、多个驱动电机、以及由驱动电机驱动的多个输出驱动联接器。驱动电机中的一个或多个包括一个或多个磁通屏蔽体，以抑制对邻近的驱动电机和/或邻近的电机方位传感器的磁干扰。

Description

用于手术系统的器械托架组件

本申请是于2013年5月31日提交的名称为“用于手术系统的器械托架组件”的中国专利申请201380027984.6的分案申请。

相关申请的交叉参考

本申请要求于2012年6月1日提交的美国临时申请61/654,391的权益，该临时申请的全部内容通过引用合并于此。

背景技术

微创医疗技术旨在减少在诊断或手术程序期间受损的额外组织的量，由此缩短患者的恢复时间，减轻患者的不适，并且减少有害的副作用。微创手术的一个效果是，例如术后的住院恢复时间缩短。因为对于标准的手术而言，平均的住院天数通常比类似的微创手术的平均天数显著要长，所以增加微创技术的使用每年可以节约数百万美元的住院费用。尽管在美国每年执行的许多手术都可以潜在地以微创方式执行，但是由于微创手术器械的限制和掌握它们所需的附加手术培训，仅有一部分当前手术使用这些有利的技术。

微创机器人手术系统或远程手术系统已经被开发出，用于增加外科医生的灵巧性并且避免对常规微创技术的一些限制。在远程手术中，外科医生使用一些形式的远程控制(例如，伺服机构等)来操纵手术器械运动，而不是直接用手握住并移动器械。在远程手术系统中，外科医生在手术工作台可以被提供有手术部位的图像。在显示器上查看手术部位的二维图像或三维图像时，外科医生通过操纵主控制设备对患者执行手术程序，主控设备继而控制伺服机械操作的器械的动作。

用于远程手术的伺服机构通常接受来自两个主控制器(外科医生的每只手一个)的输入，并且可以包括两个或更多个机器人臂，在每一个机器人臂上安装手术器械。在主控制器和关联的机器人臂及器械组件之间的操作通信通常通过控制系统来实现。控制系统通常包括至少一个处理器，该处理器将来自主控制器的输入命令中继至关联的机器人臂和器械组件，并且在例如力反馈等情况下，将命令从器械和臂组件返回至关联的主控制器。机器人手术系统的一个示例是，可从加利福尼亚州森尼维尔市的Intuitive Surgical公司购买的DA

系统。

在机器人手术期间，可以使用多种结构布置来将手术器械支撑在手术部位。从动联动装置或“从装置”经常称为机器人手术操纵器，并且在美国专利7,594,912、6,758,843、6,246,200和5,800,423中描述了微创机器人手术期间用作机器人手术操纵器的示例性联动装置布置，这些专利的全部公开通过引用合并于此。这些联动装置经常利用平行四边形布置，以保持具有轴的器械。这种操纵器结构会约束器械的运动，使得器械围绕位于沿着刚性轴长度的空间中的远程操纵中心枢转。通过将远程操纵中心与到内部手术部位的切口点对齐(例如，在腹腔镜手术期间，在腹壁使用套管针或插管)，在不用对腹壁强加潜在危险力的情况下，通过使用操纵器联动装置来移动轴的近端，能够安全地定位手术器械的末端执行器。替换的操纵器结构在例如美国专利6,702,805；6,679,669、5,855,583、5,808,665、5,445,166和5,184,601中进行了描述，这些专利的全部公开通过引用合并于此。

在机器人手术期间，也可以使用多种结构布置来将机器人手术操纵器和手术器械支撑并定位在手术部位处。支撑联动机构(有时称为设置关节或设置关节臂)经常用于定位每个操纵器并将其与患者身体上的相应的切口点对齐。支撑联动机构有助于手术操纵器与期望手术切口点和目标解剖结构的对齐。示例性支撑联动机构在美国专利6,246,200和6,788,018中进行了描述，这些专利的全部公开通过引用合并于此。

尽管新的远程手术系统和设备已经被证明是高效且有利的，但进一步的改进仍是期望的。通常，改进的微创机器人手术系统是期望的。如果这些改进的技术提高了效率并且使机器人手术系统易于使用，这将是特别有利的。例如，增加可操作性、改善在手术室中的空间利用、提供更快且更简单的设置、在使用期间防止机器人设备之间的碰撞、和/或减少这些新的手术系统的机械复杂性和尺寸将是特别有利的。

发明内容

为了提供对本发明的基本理解，以下呈现了本发明的一些实施例的简化的总结。该总结不是本发明的广泛概述。其并非旨在确立本发明的关键/重要的要素，或描绘本发明的保护范围。它的唯一目的是，以简化的形式呈现本发明的一些实施例，作为稍后呈现的具体实施方式的序言。

公开了一种机器人组件，其支撑、插入、缩回并且致动安装到机器人组件的手术器械。机器人组件包括以紧凑样式安装在公共电机壳中的驱动电机。在许多实施例中，驱动电机包括抑制相邻的驱动电机之间的干扰的磁通屏蔽体。因此，驱动电机能够被独立地驱动，以在不引起手术器械的其他部分的非期望环接的情况下，环接手术器械的对应部分。并且在许多实施例中，包括直接监控用于致动手术器械的输出联接器的方位的传感器组件。因此，可以容易地确定输出联接器的绝对方位，这是在复位手术系统时有用的一种能力，例如在某些情形中可能需要的，例如，在电力失效之后。此外，在许多实施例中，所公开的机器人组件提供高的致动功率和紧凑组件的运动的无限制的致动范围，从而能够与先进的手术器械一起使用，例如手术缝合器和血管密封器。

因此，一方面，公开了一种机器人组件，其被配置为支撑、插入、缩回并且致动安装到该机器人组件的手术器械。机器人组件包括器械支架基座构件、电机壳、托架驱动机构、多个驱动电机和多个输出驱动联接器。电机壳可移动地安装到器械支架基座构件。托架驱动机构可操作用以沿着手术器械的插入轴，相对于器械支架基座构件选择性平移电机壳。每一个驱动电机均安装到电机壳。驱动电机中的一个或多个包括磁通屏蔽体。每一个输出驱动联接器与其中一个对应的驱动电机驱动地联接。每个输出驱动联接器被配置为与手术器械的对应的输入驱动联接器驱动地联接。

在许多实施例中，驱动电机被配置为具有高的功率密度。例如，在许多实施例中，驱动电机中的至少一个包括无刷部件电机，该电机具有大于或等于1.25oz.-in/Watts^1/2的用于梯形换向的电机常数(Km)，其中Km＝(以oz.-in/Ampere为单位的梯形换向扭矩常数/以欧姆为单位的相间绕组电阻的平方根)。

在许多实施例中，一个或多个磁通屏蔽体被配置为并且被放置为有效地包含磁通，从而抑制在电机之间和/或在电机和传感器组件之间的电磁干扰。在许多实施例中，亚铁环被用作磁屏蔽体。在许多实施例中，驱动电机中的一个或多个包括在驱动电机的相对两端布置的两个磁通屏蔽体。每一个磁屏蔽体可以包括由磁性软材料制成的环，其中磁性软材料含有铁、钴或镍中的至少一种。在一些实施例中，磁屏蔽体可以是提供不止一个电机的磁屏蔽功能的单片亚铁部件。在一些实施例中，提供了两个此类单片磁屏蔽体，一个提供用于两个或更多个(例如，两个、三个、四个、五个等)电机的一端的屏蔽功能，而第二个屏蔽部件提供用于同样的两个或更多个电机的相对端的屏蔽功能。

在许多实施例中，驱动电机很靠近一个或多个相邻的驱动电机放置。例如，在许多实施例中，驱动电机中的两个或更多个被分开小于五毫米。并且在许多实施例中，驱动电机中的两个或更多个被分开小于两毫米。

在许多实施例中，至少有五个驱动电机并且五个驱动电机中的每一个与其他驱动电机中的至少两个被分开小于五毫米。并且在许多实施例中，五个驱动电机中的每一个与其他驱动电机中的至少两个被分开小于两毫米。

另一方面，公开了一种机器人组件，其被配置为支撑、插入、缩回并且致动安装到该机器人组件的手术器械。机器人组件包括器械支架基座构件、电机壳、托架驱动机构、多个驱动电机、多个齿轮箱、多个输出驱动联接器以及传感器组件。电机壳可移动地安装到器械支架基座构件。托架驱动机构可操作用以沿着手术器械的插入轴，相对于器械支架基座构件选择性平移电机壳。每一个驱动电机安装到电机壳。每一个齿轮箱与其中一个驱动电机驱动地联接。每一个输出驱动联接器与其中一个对应的齿轮箱驱动地联接。每一个输出驱动联接器被配置为与手术器械的对应的输入驱动联接器驱动地联接。每个传感器组件包括方位传感器、传感器靶标和传感器轴。通过在对应的齿轮箱的外壳上的孔口，每个传感器轴将传感器靶标联接到其中一个对应的输出驱动联接器。传感器轴由对应的齿轮箱的输出连杆驱动，其中对应的齿轮箱与对应的输出驱动联接器一致旋转。在许多实施例中，方位传感器光学读取传感器靶标并且将绝对旋转位置报告给控制系统。

在许多实施例中，机器人组件包括多个传感器组件。每一个传感器组件包括方位传感器、传感器靶标和传感器轴。通过在对应的齿轮箱的外壳中的孔口，传感器轴将传感器靶标驱动地联接到其中一个对应的输出驱动联接器。每个传感器轴由对应的齿轮箱的输出连杆驱动，其中对应的齿轮箱与对应的输出驱动联接器一致旋转。在优选的实施例中，方位传感器轴以恰好是1:1的齿轮比联接到输出驱动联接器。

在许多实施例中，齿轮箱是紧凑和/或有效的。例如，在电机中的至少一个和对应的输出驱动联接器之间的齿轮比可以小于40:1。并且输出齿轮箱中的每一个可以具有两个或更少的齿轮减速级。

在许多实施例中，驱动电机布置在方位传感器和输出驱动联接器之间。在此类实施例中，每一个传感器轴经由传感器轴齿轮驱动地联接到对应的输出驱动联接器，其中传感器轴齿轮延伸通过在对应的外壳中的孔口，以啮合与对应的输出驱动联接器一致旋转的输出齿轮。在许多实施例中，传感器轴齿轮中的两个沿着平行于传感器轴的旋转轴的轴方向交叠。对应孔口和输出齿轮中的一个或多个可以被配置为容纳传感器轴齿轮沿着轴方向的交叠。

在许多实施例中，齿轮箱包括行星齿轮箱。行星齿轮箱可以包括轴承，轴承被配置为使力矩发生相互作用，以便抑制轴承内圈的旋转轴与轴承外圈的旋转轴发生未对准。在许多实施例中，轴承包括两行滚动元件。在许多实施例中，行星齿轮箱包括具有外部齿轮齿的过桥齿轮，其中外部齿轮齿由延伸通过孔口的传感器轴齿轮啮合。传感器轴齿轮与传感器轴驱动地联接。

另一方面，公开了一种机器人组件，其被配置为支撑、插入、缩回并且致动安装到该机器人组件的手术器械。机器人组件包括器械支架基座构件、电机壳、托架驱动机构、五个驱动电机、五个齿轮箱、五个输出驱动联接器以及五个传感器组件。电机壳可移动地安装到器械支架基座构件。托架驱动机构可操作用以沿着手术器械的插入轴，相对于器械支架基座构件选择性平移电机壳。每一个驱动电机安装到电机壳。每一个齿轮箱与其中一个驱动电机驱动地联接。每一个输出驱动联接器与其中一个对应的齿轮箱驱动地联接。每一个输出驱动联接器被配置为与手术器械的对应的输入驱动联接器驱动地联接。在一些实施例中，该驱动功能通过中间的机械无菌适配器联接器设备提供，该设备提供非无菌驱动联接器与无菌手术器械的分离。每个传感器组件包括方位传感器和传感器轴。通过在对应的齿轮箱的外壳上的孔口，每个传感器轴将方位传感器联接到其中一个对应的输出驱动联接器。每个传感器轴由对应的齿轮箱的输出连杆驱动，其中对应的齿轮箱与对应的输出驱动联接器一致旋转。

在许多实施例中，输出驱动联接器的轴中的一个或多个是平行的。例如，输出驱动联接器的轴中的一个或多个可以基本上与插入轴平行。

在许多实施例中，输出驱动联接器以特定的方式布置。例如，在许多实施例中，输出驱动联接器以如下样式布置：四个角落输出驱动联接器和一个中央输出驱动联接器，中央输出驱动联接器设置在四个角落输出驱动联接器之间。在许多实施例中，最多两个输出驱动联接器在电机的宽度方向上堆叠。

在许多实施例中，机器人组件包括射频识别(RFID)天线模块。RFID天线模块可以被配置为读取在任何合适范围，例如在靠近的范围(例如在0mm和约20mm间隔距离之间)的器械RFID标签。

在许多实施例中，机器人组件包括电路板，该电路板包括五个传感器组件的五个方位传感器。在许多实施例中，电路板进一步包括五个转子方位传感器，其中每一个转子方位传感器被配置为监控五个驱动电机中对应的一个的转子的角方位。

机器人组件可以被配置为驱动双指手术器械。例如，输出驱动联接器中离插入轴最远的两个中的每一个可以用于致动双指手术器械的对应手指。这两个手指的相对运动的结合用以提供双指手术器械的手术末端执行器的抓取和偏转运动两者。

为了更充分理解本发明的本质和优点，应参考随后的具体实施方式和附图。从以下的附图和具体实施方式中，本发明的其他方面、对象和优点将显而易见。

附图说明

图1是根据许多实施例的用来执行手术的微创机器人手术系统的俯视图。

图2是根据许多实施例的用于机器人手术系统的外科医生的控制台的透视图。

图3是根据许多实施例的机器人手术系统电子设备推车的透视图。

图4概略地示出根据许多实施例的机器人手术系统。

图5A是根据许多实施例的机器人手术系统的患者侧推车(手术机器人)的部分视图。

图5B是根据许多实施例的机器人手术工具的前视图。

图6示出根据许多实施例的机器人组件，其包括托架组件，该托架组件可滑动地安装到器械支架基座构件，以便沿着安装到该托架组件的手术器械的插入轴选择性平移。

图7示出托架组件与器械支架基座构件分离的图6的机器人组件。

图8至图18是示出图6的托架组件的部件的一系列图形。

图8示出图6的托架组件的驱动电机的安装布置。

图9示出附接到图8的驱动电机的行星齿轮箱。

图10示出联接到图9的行星齿轮箱的输出齿轮的传感器轴。

图11示出支撑图10的部件的电机壳。

图12是示出分解器组件的分解图，其中分解器组件监控图6的托架组件的驱动电机的旋转方位。

图13示出安装好的图12的分解器组件。

图14是示出方位传感器组件的分解图，其中方位传感器组件监控图10的传感器轴的旋转方位。

图15示出安装好的图14的方位传感器组件。

图16示出用于图6的托架组件的电子控制组件、射频识别(RFID)天线和接触组件。

图17和图18示出图6的托架组件的外壳部件。

图19示出图9的行星齿轮箱中的一个。

图20示出图19的行星齿轮箱的剖面图。

图21示出图8的驱动电机中的一个。

图22是图21的驱动电机的分解图并且示出用作磁通屏蔽体的亚铁端部环。

图23示出图21的驱动电机的剖面图。

图24示出根据许多实施例的机器人组件，其包括托架组件，该托架组件可滑动地安装到器械支架基座构件，以便沿着安装到该托架组件的手术器械的插入轴选择性平移。

图25示出图24的托架组件的驱动组件。

具体实施方式

在以下说明中，将描述本发明的各种实施例。出于解释的目的，阐述了具体的配置和细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言也显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。此外，省略或简化了众所周知的特征，以便不使所描述的实施例模糊。

微创机器人手术

现在参考附图，在附图中，同样的标号在整个若干视图中代表同样的零件，图1是微创机器人手术(MIRS)系统10的俯视图图示，该系统通常用于对平躺在手术台14上的患者12执行微创诊断或手术程序。该系统可以包括在该程序期间由外科医生18使用的外科医生的控制台16。一个或多个助手20也可以参与到该程序中。MIRS系统10可以进一步包括患者侧推车22(手术机器人)和电子设备推车24。患者侧推车22可以操纵至少一个可移除联接的工具组件16(在下文中简称为“工具”)通过患者12身上的微创切口，同时外科医生18通过控制台16查看手术部位。手术部位的图像可以通过内窥镜28获得，例如立体型内窥镜，其可以由患者侧推车22操纵以定向内窥镜28。电子设备推车24可以用来处理手术部位的图像，以便随后通过外科医生的控制台16显示给外科医生18。一次使用的手术工具26的数量通常取决于诊断或手术程序和手术室内的空间约束，以及其他因素。如果需要改变在一程序期间使用的工具26中的一个或多个，则助手20可以将工具26从患者侧推车22移除，并且用来自手术室中的托盘30的另一个工具26代替它。

图2是外科医生的控制台16的透视图。外科医生的控制台16包括左眼显示器32和右眼显示器34，用于将能够感知深度的手术部位的协调立体图呈现给外科医生18。控制台16进一步包括一个或多个输入控制设备36，输入控制设备36继而使患者侧推车22(在图1中示出)操纵一个或多个工具。输入控制设备36可以提供与其关联的工具26(在图1中示出)相同的自由度，从而向外科医生提供远程场景或者输入控制设备36与工具26为一体的感觉，使得外科医生对直接控制工具26具有强烈感觉。为此，可以使用位置传感器、力传感器和触觉反馈传感器(未示出)来通过输入控制设备36将位置、力和触觉从工具26传输回到外科医生的手上。

外科医生的控制台16通常位于与患者相同的房间内，使得外科医生可以直接监控程序，如果需要，外科医生可以亲自到场，并且直接对助手讲话而不是通过电话或其他通信介质。然而，外科医生可以位于与患者不同的房间内、完全不同的建筑物内或其他远程位置，从而允许远程手术程序。

图3是电子设备推车24的透视图。电子设备推车24可以与内窥镜28联接，并且可以包括处理器，其用于处理捕获的图像，以便随后在外科医生的控制台上或者在位于本地和/或远程的另一台合适的显示器上显示给例如外科医生。例如，在使用立体型内窥镜的情况下，电子设备推车24可以处理所捕获的图像，以将手术部位的协调的立体图像呈现给外科医生。这种协调可以包括在相对的图像之间的对齐，并且可以包括调整立体型内窥镜的立体工作距离。作为另一个示例，图像处理可以包括使用之前确定的相机校正参数来补偿图像捕获设备的成像误差，例如光学像差。

图4概略地示出机器人手术系统50(例如图1中的MIRS系统10)。如上所讨论，外科医生的控制台52(例如图1中的外科医生的控制台16)可以由外科医生用来在微创程序期间控制患者侧推车(手术机器人)54(例如图1中的患者侧推车22)。患者侧推车54可以使用成像设备(例如立体型内窥镜)来捕获过程部位的图像并且将捕获的图像输出到电子设备推车56(例如图1中的电子推车24)。如上所讨论，在任何随后的显示之前，电子设备推车56可以以多种方式处理捕获的图像。例如，在经由外科医生的控制台52将组合图像显示给外科医生之前，电子设备推车56可以用虚拟控制界面覆盖(overlay)捕获的图像。患者侧推车54可以输出捕获的图像，以便在电子设备推车56外部进行处理。例如，患者侧推车54可以将捕获的图像输出到处理器58，处理器58可以用于处理捕获的图像。这些图像也可以由电子设备推车56和处理器58的组合处理，电子设备推车56和处理器58可以联接在一起以共同地、顺序地和/或其组合地处理捕获的图像。一个或多个单独的显示器60也可以与处理器58和/或电子设备推车56联接，用于本地和/或远程显示图像，例如程序部位的图像，或其他相关图像。

图5A和图5B分别示出患者侧推车22和手术工具62。手术工具62是手术工具26的示例。所示患者侧推车22提供对三个手术工具25和成像设备28(例如用于捕获程序部位的图像的立体型内窥镜)的操纵。操纵由具有数个机器人关节的机器人机构提供。成像设备28和手术工具26可以被定位并且操纵通过患者的切口，使得运动学远程中心维持在切口处，从而最小化切口的尺寸。当手术工具26位于成像设备18的视场内时，手术部位的图像可以包括手术工具26的远端的图像。

器械托架(carriage)组件

图6和图7示出根据许多实施例的机器人组件70，其包括托架组件72和器械支架组件74。器械支架组件74包括器械支架基座构件76和可滑动地安装到器械支架基座构件76的桁梁配件78。托架组件72可安装到桁梁配件78。器械支架组件74包括托架驱动机构(未示出)，该机构可操作来沿着器械支架基座构件76选择性平移桁梁配件78，由此沿着安装到托架组件72的手术器械的插入轴(未示出)，沿着器械支架基座构件76平移托架组件72。

托架组件72包括五个输出驱动联接器80。每个输出驱动联接器80被配置为当手术器械安装到托架组件72时，与手术器械的对应输入驱动联接器驱动地联接。五个输出驱动联接器80中的每一个可以被独立致动，从而致动安装好的手术器械的对应机构。例如，输出驱动联接器80中的一个可以用于旋转手术器械的细长轴，一个可以用于围绕第一轴(例如，纵摇轴)环接(articulate)安装好的手术器械的末端执行器，一个可以用于围绕垂直于第一轴的第二轴(例如，偏摆轴)环接末端执行器，一个可以用于环接末端执行器的夹钳，并且一个可以用于环接末端执行的缝合和切割盒。在优选的实施例中，五个输出驱动联接器中的每一个的旋转轴大体上平行于手术器械的细长轴。当托架组件72包括五个输出驱动联接器80时，托架组件可以被配置有任何合适数目的输出驱动联接器。

在许多实施例中，输出驱动联接器中的两个可以被配置为各自驱动双指手术器械的单个手指。两个手指的相对运动结合，从而提供手术末端执行的抓取和偏摆运动。在许多实施例中，离手术器械轴最远的两个输出驱动联接器用于驱动这些抓取/偏摆运动。

同样在优选的实施例中，输出驱动联接器以阵列布置，以便最小化托架的宽度。例如，最多两个输出驱动联接器可以在托架的宽度方向上彼此邻近定位(参见例如图6中的驱动联接器80的布置，其中五个驱动联接器80阵列中相对于图6的方位/取向(orientation)在右侧的两个驱动联接器在托架的宽度方向上彼此邻近，并且同样地，五个驱动联接器80阵列中相对于图6的方位在左侧的两个驱动联接器在托架的宽度方向上彼此邻近)。

托架组件72还包括射频识别(RFID)天线模块82和接触组件84。RFID天线模块82可以用于询问在手术器械或无菌适配器部件上的RFID标签，例如，以识别安装好的手术器械和/或检测安装好的手术器械的存在。接触组件84可以连接到安装好的手术器械的识别芯片，例如，以识别安装好的手术器械和/或检测安装好的手术器械或无菌适配器的存在。在优选的实施例中，RFID天线模块82被设计为读取在接近范围内(例如在0mm和约20mm间隔距离之间)的器械RFID标签。然后，RFID标签信号可以被用作一条(冗余)信息来帮助确定器械的接近、存在和/或自托架的移除。

图8示出用于致动输出驱动联接器80的驱动电机86的安装好的布置。在许多实施例中，驱动电机86是电子整流电机(ECM)，其由关联的电子整流系统控制。ECM具有旋转的永磁体和固定的电枢，由此不需要将电流接通到移动电枢。电子控制器取代有刷直流(DC)电机的电刷/整流器组件。用于驱动电机86中的每一个的转子的方位由传感器组件监控，并且供应给驱动电机的电子控制器。电子控制器使用驱动电机方位来控制驱动电机的绕组的相位，从而控制驱动电机的旋转。驱动电机86以如下样式布置，即四个角落驱动电机和设置在四个角落驱动电机之间的中央驱动电机。在所示的布置中，四个角落驱动电机中的每一个与邻近的角落驱动电机和中央驱动电机紧邻设置(例如，被分开小于五毫米，被分开小于两毫米)。并且中央驱动电机与四个角落驱动电机中的每一个紧邻设置。该布置在角落驱动电机中的两个之间在中央驱动电机的相对两侧上提供了开放的空间。在优选的实施例中，驱动电机是“部件集”(其中定子和转子为独立部件)，从而只有在安装到托架壳上之后才形成完整且具有功能的电机。

图9示出联接到驱动电机86的输出组件88、90。四个输出组件(输出组件88)中的每一个均包括弹簧承载的输出驱动联接器80和两级行星齿轮箱92。输出组件90包括弹簧承载的输出驱动联接器80和单级行星齿轮箱94。行星齿轮箱92、94中的每一个将弹簧承载的驱动联接器80中的一个驱动地联接到驱动电机86中对应的一个。在许多实施例中，输出组件齿轮箱的齿轮比优选是小于40:1，以便提供高效的回驱动性能(back-drivability)。高效的回驱动性能是实现高性能手术运动的重要特征。在优选的实施例中，两级行星齿轮箱92中的每一个提供约28:1的齿轮减速。单级行星齿轮箱94提供约5.3:1的齿轮减速。行星齿轮箱92、94中的每一个均包括具有槽孔96(其大多数相对于图9的视图方向被隐藏)的外壳，其中槽孔96与具有外接齿轮齿的过桥齿轮对齐，外接齿轮齿被配置为驱动延伸通过槽孔96的小齿轮。外部齿轮传动的过桥齿轮中的每一个是用于行星齿轮箱92、94的输出连杆，并且因此与对应的输出驱动联接器80一致旋转。

图10示出驱动地联接到行星齿轮箱92、94的外部齿轮传动的过桥齿轮的五个传感器组件98。传感器组件98中的每一个均包括小齿轮100、联接到小齿轮100的轴组件102、以及传感器靶标104，其中传感器靶标104的方位由绝对方位传感器组件(未示出)监控。每个小齿轮100延伸通过槽孔96中的一个，以啮合对应的行星齿轮箱的外部齿轮传动的过桥齿轮并由其驱动。五个驱动电机86和关联的行星齿轮箱92、94以提供两个开放体积106、108的样式布置，其中两个开放体积106、108位于中央驱动电机的相对两侧上。行星齿轮箱92、94中的每一个被取向为使得其槽孔96面向开放体积106、108中的一个。传感器组件98中的两个被设置在近侧的开放体积106中。并且传感器组件98中的三个被设置在远侧的开放体积108中。啮合角落行星齿轮箱的用于传感器组件98的小齿轮100位于与针对近侧的开放体积106中的两个小齿轮100所示相同的几何平面中。啮合中央行星齿轮箱的用于传感器组件98的小齿轮100被设置为与设置在远侧的开放体积108中的其他两个小齿轮偏移且交叠。在许多实施例中，槽孔96具有增大的宽度以容纳小齿轮100的与设置在远侧的开放体积108中的小齿轮100之间的交叠关联的可能位置。同样地，在许多实施例中，外部齿轮传动的过桥齿轮的齿轮齿具有增大的宽度，以容纳小齿轮100的与设置在远侧的开放体积108中的小齿轮100之间的交叠关联的可能位置。

每个轴组件均包括驱动轴110、底端轴承112、顶端轴承114和压缩弹簧116。顶端轴承114可以沿着驱动轴110平移，由此将压缩弹簧116压缩以定位顶端轴承114，以便将传感器组件98横向安装到电机壳内(在图11中示出)。一旦安装到电机壳内，压缩弹簧116的延伸将顶端轴承114重新定位成与电机壳中对应的轴承插座啮合。

图11示出电机壳118和驱动电机86、行星齿轮箱92、94、以及安装到电机壳118的传感器组件98。在许多实施例中，电机壳118为单片加工部件，其被配置为容纳和/或支撑驱动电机86、传感器组件98以及托架组件72的其他部件。在优选的实施例中，单片加工的电机壳118由热导率大于10W/m-K的材料(例如，镁或铝)制成。

图12是示出霍尔效应传感器组件120的分解图，霍尔效应传感器组件120包括安装架122和安装到安装架122的五个霍尔效应传感器124。通过提供输出信号，霍尔效应传感器124中的每一个监控对应的驱动电机86的转子的方位，输出信号随着电机转子的交替的南磁极和北磁极经过传感器而改变。来自霍尔效应传感器124中的每一个的输出信号被输入到对应的驱动电机的电子控制器。电子控制器中的每一个均使用方位信号来控制对应的驱动电机的绕组的相位，从而控制驱动电机的旋转。安装架122还包括接收并且支撑五个传感器组件98的底端轴承112的插座126。图13示出安装到电机壳118的霍尔效应组件120。

图14是示出绝对方位传感器组件128的分解图，绝对方位传感器组件128包括安装架130和安装到安装架的十个方位传感器132。方位传感器132中的五个监控传感器组件98中对应的一个的方位，由此监控对应的输出驱动联接器80的方位。此外，方位传感器中的五个监控驱动电机的转子部件的方位。除了霍尔效应传感器组件之外，这五个方位传感器提供了电机旋转感测的第二手段。在许多实施例中，方位传感器132包括光学传感器，光学传感器感测对应的传感器组件98的在传感器靶标104上的光学可读样式的角方位，由此感测传感器靶标104的方位。图15示出安装在其安装位置的方位传感器组件128。

图16至图18示出托架组件72的附加部件。图16示出电子控制组件134、射频识别(RFID)天线模块82和接触组件84的安装位置。图17示出下壳136和侧盖138的安装位置。以及图18示出外壳140的安装位置。

图19示出两级行星齿轮箱92中的一个和输出驱动联接器80中关联的一个。输出驱动联接器80包括相对布置的驱动插座142、144，驱动插座142、144接收对应的驱动延伸特征件并且与配合联接器中对应的驱动延伸特征件驱动地联接。驱动插座142、144设置在不同的径向位置，由此确保在输出驱动联接器80和对应的配合联接器之间的啮合只有一个可能的角方位。

图20示出两级行星齿轮箱92中的一个的剖面图。行星齿轮箱92包括外壳146、第一行星级148、第二行星级150、双列轴承152。第一行星级148包括与太阳齿轮(未示出)接口并且由太阳齿轮驱动的第一级行星齿轮154，其中太阳齿轮安装到对应的驱动电机86的转子。第一级行星齿轮154旋转地安装到第一级载体(carrier)156，第一级载体156固定地附接到第一级输出太阳齿轮158。第一级行星齿轮154与和外壳146一体的内部环形齿轮160接口。第二行星级150包括第二级行星齿轮161，第二级行星齿轮161与第一级输出太阳齿轮158接口并且由其驱动。第二级行星齿轮161旋转地安装到第二级载体162。第二级行星齿轮161与和外壳146一体的内部环形齿轮160接口。第二级载体162具有外部齿轮齿，外部齿轮齿与对应的传感器组件98的小齿轮100接口并驱动它。如在此所描述，第二级载体外部齿轮齿164和外壳146上的孔口96在行星齿轮箱92的轴向方向上具有一宽度，该宽度的大小被设计为容纳对应的小齿轮100的与小齿轮100的交叠关联的不同可能位置。

第二级载体162固定地联接到内部空心轴166，轴166与双列轴承152的内圈接口并且由其支撑。卡环168与内部空心轴166中的狭槽接口，并且相对于双列轴承152的内圈保持第二级载体162的组件和内部空心轴166。双列轴承152包括两列滚动元件，其用作约束第二级载体162，从而与外壳146同心旋转。与传统的具有两个或更多个分开的轴承的行星齿轮箱相比，借助由双列轴承152提供的附加旋转约束，双列轴承152代替两个或更多个分开的轴承使用，由此允许行星齿轮箱92沿着行星齿轮箱92的轴向具有更短的长度。

第二级载体162经由外部花键与输出驱动联接器80驱动地联接。压缩弹簧170将输出驱动联接器80偏置到延伸的位置。在输出驱动联接器80被旋转直到取向为使得驱动插座142、144与配合联接器中的对应的驱动延伸特征件适当对齐的啮合过程期间，第二级载体162、输出驱动联接器80和压缩弹簧170被配置为使得输出驱动联接器80能够朝向行星齿轮箱92位移。单级行星齿轮箱94与两级行星齿轮箱92类似地配置，但是没有第一行星级148。

图21示出驱动电机86中的一个的侧视图。驱动电机86中的每一个包括设置在驱动电机的相对两端的磁通屏蔽体172。图22是示出从驱动电机86的架杆(rest)位移的磁通屏蔽体172的分解图。在许多实施例中，磁通屏蔽体172中的每一个由具有合适高磁导率的合适的磁性软材料(例如，铁、钴和/或镍)制成。在所示的实施例中，每个磁通屏蔽体172被配置为薄的空心圆柱体，该圆柱体具有所示的相对于驱动电机86的轴向长度的轴向长度。磁通屏蔽体172位于驱动电机86的末端，以带走(entrain)磁化电机转子发出的磁通线，使得那些磁通线不延伸到邻近驱动电机86而干扰邻近的驱动电机和/或干扰邻近的电机传感器。

图23示出驱动电机86中的一个的剖面图。驱动电机86包括具有永磁体176的转子、顶端轴承178、底端轴承180、输出齿轮182、方位传感器靶标184(注意，这是在图14中所示的光学编码器的靶标，而不是在图12中所示的霍尔效应传感器的靶标)、电机绕组188设置在其中的外部电机壳186、以及端盖190。磁通屏蔽体172中的每一个设置在驱动电机86的相对两端，以便交叠电机绕组188的对应端。磁通屏蔽体172的位置和配置被选择为抑制和/或防止从磁化电机转子发出的磁通线与邻近的驱动电机和/或一个或多个邻近的电机方位传感器相互作用。屏蔽体防止来自转子上的永磁体的磁场与邻近的电机和/或传感器相互作用。来自定子绕组的磁场通常远远弱于转子的旋转永磁体磁场，并且通常不是有害干扰的主要来源。然而，该屏蔽体确实用来减弱这两个影响。

图24示出根据许多实施例的机器人组件200。机器人组件200包括插入轴基座102、插入轴组件204、托架组件206和无菌适配器208。插入轴组件204是伸缩的，并且附接到插入轴基座202，插入轴基座202可以经由上游联动装置(未示出)选择性定位和取向。托架组件206安装到插入轴组件204并且沿着插入轴组件204选择性平移。托架组件206包括八个旋转驱动组件，这些旋转驱动组件被配置为与安装到托架组件206的手术器械的对应八个输入(未示出)联接并且将其致动。无菌适配器208被配置为通过咬合接口设计安装到托架组件206，咬合接口设计提供对无菌适配器208的快速释放。无菌适配器208包括八个旋转联接器，这些联接器将托架组件的八个旋转驱动组件的输出联接到安装到托架组件206的手术器械(未示出)的旋转驱动输入。在许多实施例中，八个旋转驱动组件包括用于致动手术器械的六个旋转驱动输入的六个驱动组件，以及用于驱动先进手术器械(例如，缝合器、血管密封器)的附加旋转驱动输入的两个附加旋转驱动组件。

图25示出托架组件206的驱动组件212。驱动组件212包括八个驱动组件214。驱动组件214中的每一个包括驱动电机86、主角方位传感器216、次级角方位传感器218和行星齿轮箱220。驱动组件212的八个驱动电机86布置成宽度上两个乘以深度上四个的阵列。驱动组件212包括电机壳222，电机壳222被配置为容纳和/或支撑驱动电机86、主角方位传感器216、次级角方位传感器218和行星齿轮箱220。

驱动电机86与在此讨论的托架组件72的驱动电机86类似地进行配置。因此，托架组件72的驱动电机86的描述适用于驱动组件212的驱动电机86，并且因此将不在此重复。

任何合适的角方位传感器均可以用于主角方位传感器216和次级角方位传感器218。例如，在许多实施例中，主角方位传感器216中的每一个均为绝对磁编码器，该绝对磁编码器包括追踪磁体224的绝对方位的磁传感器，其中磁体224附接到对应的驱动电机86的转子。并且在许多实施例中，次级角方位传感器218是紧凑型霍尔效应传感器。在每一个驱动组件214中的驱动电机86的角方位由主角方位传感器216和次级角方位传感器218冗余地追踪，由此向驱动电机86的角方位的追踪提供增强的可信度。

八个行星齿轮箱220与在此讨论的托架组件72的输出组件88、90类似地进行配置。值得注意的差别包括，行星齿轮箱220包括沿着齿轮箱的中心线分布的附加轴承组件，并且因此稍微长于输出组件88、90。八个行星齿轮箱220相对重、回驱动性高、高效、具有低反弹(例如，0.05度)。两个行星级用来产生用于标准低速驱动组件214(例如，八个驱动组件214中的七个)的28:1的齿轮减速。并且一个行星级用来产生用于低速驱动组件214(例如，八个驱动组件中的其中一个)的5.3:1的齿轮减速。

如在此所讨论，驱动电机86中的每一个包括设置在驱动电机86的末端的磁通屏蔽体172。磁通屏蔽体172用作带走从磁化电机转子发出的磁通线，使得那些磁通线不延伸到邻近驱动电机86而干扰邻近的驱动电机和/或干扰邻近的主角方位传感器216和次级角方位传感器218。

其他变化均在本发明的精神内。因此，尽管该发明易受各种修改和替换构造的影响，但是本发明的某些所示实施例在图中示出并且已经在以上详细描述。然而，应该明白，无意将本发明限制到具体的形式或所公开的形式，相反，本发明覆盖落入随附权利要求所限定的本发明的精神和保护范围内的全部修改、替换的构造和等效体。

除非在此另外指出或由上下文清楚否认，否则在描述本发明的上下文中(尤其在随附权利要求的上下文中)，术语“一”、“一种/个”和“该/所述”和类似引用的使用应解释为覆盖单数和复数两者。除非另有说明，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应解释为开放式术语(即，意味着“包括，但不限于”)。术语“连接(的)”应解释为部分或完全包含在内、附接到或结合在一起，即使某物介入其间。除非在此另外指出，否则在此对值的范围的详述仅仅旨在用作单独地引用落入该范围内的每个分开的值的速记法，并且每个分开的值被并入到该说明书中，如同它被在此单独描述。除非在此另外指出或由上下文另外清楚否认，否则在此描述的全部方法可以以任何合适的顺序执行。除非另外声明，否则任何和全部示例，或在此提供的示例性语言(例如，“例如/诸如”)的使用，仅仅旨在更好地说明本发明的实施例，并不造成对本发明保护范围的限制。在说明书中的语言均不应当解释为将任何非要求的要素指示为对本发明的实施必不可少。

在此描述了本发明的优选实施例，包括用于实施本发明的对发明者已知的最优模式。在阅读以上描述之后，这些优选实施例的变化对本领域技术人员可以变得显而易见。发明者预期本领域技术人员根据情况使用这些变化，并且发明者意在本发明按照在此所具体描述之外的方式实施。

因此，如由适用法律所允许的，本发明包括在所附权利要求中列举的主题的全部修改和等效体。此外，除非另外指出或由上下文另外清楚否认，否则在其全部可能变化中的上述要素的任何组合均被本发明包含。

在此引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，通过引用并入本申请，如同每个参考文献被单独且具体指出通过引用被并入，并且作为整体在此阐述。

Claims (10)

1.一种医疗机器人组件，其被配置为支撑、插入、缩回和致动安装到所述医疗机器人组件的手术器械，所述医疗机器人组件包括：

器械支架组件，所述器械支架组件包括基座构件、可滑动地安装到所述基座构件的桁梁配件，以及沿着所述基座构件驱动所述桁梁配件的托架驱动机构；

手术器械托架组件，所述手术器械托架组件被联接到所述桁梁配件，并且包括：

电机壳；

第一输出组件，所述第一输出组件被定位在所述电机壳中，其中所述第一输出组件包括第一电机、被联接到该电机的第一齿轮箱，以及被联接到所述第一齿轮箱的第一弹簧承载的输出驱动联接器，其中所述第一弹簧承载的输出驱动联接器被配置为与所述手术器械的第一输入驱动联接器驱动地联接；

第二输出组件，所述第二输出组件被定位在所述电机壳中，其中所述第二输出组件包括第二电机、被联接到该电机的第二齿轮箱，以及被联接到所述第二齿轮箱的第二弹簧承载的输出驱动联接器，其中所述第二弹簧承载的输出驱动联接器被配置为与所述手术器械的第二输入驱动联接器驱动地联接；

第一传感器组件，其用于感测所述第一弹簧承载的输出驱动联接器的旋转方位；以及

第二传感器组件，其用于感测所述第二弹簧承载的输出驱动联接器的旋转方位。

2.根据权利要求1所述的医疗机器人组件：

其中所述第一电机和所述第二电机每个均包括转子；

其中所述第一传感器组件包括：

第一方位靶标，其被驱动地联接到所述第一输出组件；和

第一方位传感器，其用于感测所述第一方位靶标的方位；

其中所述第二传感器组件包括：

第二方位靶标，其被驱动地联接到所述第二输出组件；和

第二方位传感器，其用于感测所述第二方位靶标的方位。

3.根据权利要求2所述的医疗机器人组件：

其中所述第一齿轮箱包括单级行星齿轮箱；

其中所述第二齿轮箱包括两级行星齿轮箱；

其中所述第一方位传感器包括感测所述第一方位靶标的所述方位的第一光学传感器；并且

其中所述第二方位传感器包括感测所述第二方位靶标的所述方位的第二光学传感器。

4.根据权利要求1所述的医疗机器人组件：

其中所述第一传感器组件包括用于感测被驱动地联接到所述第一输出组件的第一方位靶标的方位的第一方位传感器。

5.根据权利要求1所述的医疗机器人组件：

其中所述第一传感器组件包括用于感测被驱动地联接到所述第一齿轮箱的第一方位靶标的方位的第一方位传感器。

6.根据权利要求4或5所述的医疗机器人组件：

其中所述第一方位传感器包括光学传感器。

7.根据权利要求1所述的医疗机器人组件：

其中所述第一电机包括第一转子；

其中所述第一传感器组件包括用于感测所述第一转子的方位的第一方位传感器。

8.根据权利要求7所述的医疗机器人组件，其中所述第一方位传感器包括霍尔效应传感器。

9.根据权利要求7所述的医疗机器人组件，其中所述第一传感器组件包括被联接到所述第一转子的第一光学靶标，并且其中所述第一方位传感器感测所述第一光学靶标的方位。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的医疗机器人组件：

其中限定用于所述手术器械托架组件的宽度；并且

其中所述第一弹簧承载的输出驱动联接器和所述第二弹簧承载的输出驱动联接器是能够彼此邻近布置在所述手术器械托架组件的所述宽度中的最大数量的驱动联接器。

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