機器人手術的模塊化機械手支架的製作方法

2023-10-08 01:18:04

機器人手術的模塊化機械手支架的製作方法
【專利摘要】機器人手術系統包括安裝基座、多個手術器械以及聯接支架組件。各器械可通過相關微創孔插入病人至所需內部手術位置。聯接支架組件相對基座可移動支承器械。支架一般包括定向平臺、相對基座可移動支承定向平臺的平臺連杆機構以及安裝於定向平臺的多個機械手，其中各機械手可移動支承相關器械。
【專利說明】機器人手術的模塊化機械手支架
[0001] 本申請是2012年2月21日提交的名稱為："機器人手術的模塊化機械手支架"的 中國專利申請201210041107. 1的分案申請，而該分案申請201210041107. 1是2006年1月 24日提交的名稱為："機器人手術的模塊化機械手支架"的中國專利申請2006800030034的 分案申請。

【技術領域】
[0002] 本發明一般涉及醫療、手術和/或機器人裝置及系統。在示例性實施例中，本發明 提供了具有支承和校準機械手的改進結構的微創機器人手術系統，例如在病人體內所需手 術位置移動手術器械、內窺鏡或其他圖像捕捉裝置的機械手。

【背景技術】
[0003] 微創醫療技術的目的是要減少診斷或手術過程中無關組織受損，從而減少病人的 恢復時間、不適以及有害的副作用。例如，微創手術的影響之一是手術後住院恢復時間的減 少。由於標準開放手術的平均住院時間一般比類似的微創手術平均住院時間長的多，所以 增加使用微創技術每年可節約上百萬美元的醫院費用。儘管美國每年進行的許多手術可以 微創方式進行，但由於受限於掌握微創手術技術所需的微創手術器械以及額外手術培訓， 目前僅部分手術使用了該先進技術。
[0004] 微創機器人手術或遠程手術系統已被開發，以增加外科醫生的技巧並避免傳統微 創技術的一些限制。在遠程手術中，外科醫生使用伺服機構等某種形式的遙控器操縱手術 器械的移動，而不是直接手持並移動器械。在遠程手術系統中，手術工作站可為外科醫生提 供手術位置的圖像。觀察顯示器上手術位置的二維或三維圖像的同時，外科醫生通過操縱 主控制裝置對病人執行手術程序，主控制裝置又控制伺服機構手術器械的移動。
[0005] 遠程手術使用的伺服機構通常接收兩個主控制器（外科醫生一隻手一個）的輸 入，並包括安裝於手術器械的兩個機器人手臂。手術支承連杆機構見美國專利第6, 246, 200 和6, 788, 018全文公開所述，其全文結合於此以供參考。
[0006] 儘管新遠程手術系統和裝置已被證實高效且有益，但仍需要進一步改進。總體而 言，需要提供改進的微創機器人手術系統。提高機器人手術系統的效率和使用方便的改進 技術將是特別有利的。例如，提高機動性、改進手術室的空間應用、提供更快速便捷的裝配、 使用中抑制機器人裝置之間的碰撞和/或減少新手術系統的機械複雜性及尺寸將是特別 有利的。


【發明內容】

[0007] 本發明基本涉及醫療、手術和/或機器人裝置及系統。在許多實施例中，本發明提 供了具有支承和校準機械手的改進結構的微創機器人手術系統，例如在病人體內所需手術 位置移動手術器械、內窺鏡或其他圖像捕捉裝置的機械手。改進的模塊化機械手支架可提 供幾個優點，包括增加機動性、改進手術室的空間應用、更快速便捷的裝配、使用中機器人 裝置間的碰撞抑制和/或減少新手術系統的機械複雜性與尺寸。這些優點又提高了該機器 人手術系統的效率與使用方便。
[0008] 在本發明的第一方面，機器人手術系統包括安裝基座、多個手術器械以及聯接支 架組件。各器械可通過相關微創孔插入病人至所需內部手術位置。聯接支架組件相對基座 可移動支承器械。支架一般包括定向平臺、相對基座可移動支承定向平臺的平臺連杆機構 以及安裝於定向平臺的多個機械手，其中各機械手可移動支承相關器械。
[0009] 安裝基座優選包括天花板支承結構，以允許聯接支架組件從基座基本向下延伸。 天花板安裝的聯接支架組件有利於改進手術室的空間應用，特別是清除手術臺附近人員和 /或其它手術設備的間隔，並減少地板上的機器人設備和布線。另外，天花板安裝的聯接支 架組件減少了手術過程中與其它相鄰機械手碰撞或空間衝突的可能性，並便於機器人手術 系統不使用時的存儲。
[0010] 平臺連杆機構優選包括線性導軌、可連於導軌的滑動架車以及近端可旋轉連於架 車、遠端可旋轉連於定向平臺的至少一個支臂。通過允許定向平臺在至少三維中平移並允 許定向平臺繞一軸旋轉，平臺連杆機構有利於增強聯接支架組件的機動性。定向平臺增加 的移動範圍允許從病人身體上方更大範圍接近切口位置。這在執行如結腸手術、多血管冠 狀動脈旁路移植程序、心臟手術、胃旁路術等複雜且過長程序時通過促進機械手手術中快 速重新定位至其它手術位置而特別有利。
[0011] 機器人手術系統還包括可連於定向平臺的多個可配置裝配接合支臂。各支臂可移 動支承相關機械手，並具有可預配置的可釋放地固定的連杆和接頭。在許多實施例中，定向 平臺上安裝有三個或三個以上的機械手，通常為四個或四個以上的機械手，各機械手與獨 立切口位置相關。四個或四個以上的切口位置各自直徑約為7 - 15毫米，可被看作點，通 常位於腹部或靠近胸腔中肋骨的腹壁中點位置。定向平臺優選包括可旋轉連於多個支臂的 四個軸轂，以及可連於平臺連杆機構的第五軸轂，其中第五軸轂與樞軸點對齊，優選與內窺 鏡切口位置重合。第五軸轂允許定向平臺繞內窺鏡機械手樞軸點旋轉，使得多個裝配支臂 指向將進行手術程序的方向。
[0012] 一般來說，定向平臺支承可移動支承器械機械手的三個裝配接合支臂和可移動支 承圖像捕捉裝置機械手的一個裝配接合支臂。使用定向平臺來支承可獨立定位的裝配支臂 及其相關機械手有利於獲得機械複雜性較低、相對較小且較為緊湊的機械手支架結構。例 如，單個定向平臺由於避免了獨立配置各裝配支臂導致的延遲與複雜性使得裝配更快捷便 利。
[0013] 因僅有四自由度而簡化了各裝配接合支臂。一般，各支臂允許可固定連杆和接頭 在一維中平移，並允許可固定連杆和接頭繞兩個或三個軸旋轉。至少一裝配接合支臂包括 至少一個延伸於相鄰兩個可固定旋轉接頭間的平衡、可固定、接合平行四邊形連杆機構結 構。接合平行四邊形結構允許在大致堅直方向上移動，相鄰旋轉接頭允許繞縱軸轉動。
[0014] 系統還可包括連於聯接支架組件的制動系統。制動系統可釋放抑制在至少基本固 定結構中先前配置的可固定連杆與接頭的聯接。制動系統被偏壓至固定結構，並包括釋放 可固定連杆與接頭至可固定連杆與接頭可聯接的可重新定位結構的制動釋放傳動器。系統 還可包括連接多個可固定連杆和接頭至伺服機構的接頭傳感器系統。傳感器系統產生接頭 結構信號。伺服機構包括計算機，接頭傳感器系統發射接頭結構信號至計算機。計算機使 用接頭結構信號計算相對安裝基座與器械所附參照坐標系間坐標系變換。
[0015] 至少一機械手機械受限使得機械手基座與水平面成固定角。裝配接合支臂支承的 至少一機械手與水平面成角度偏移，角度處於40度至約60度角範圍內，處於約45度至約 50度範圍較佳。裝配接合輔助支臂支承的至少一機械手與水平面成角度偏移，角度處於0 度至約20度角範圍內，約15度較佳。裝配接合中心支臂支承的至少一機械手與水平面成 角度偏移，角度處於40度至約90度角範圍內，處於約65度至約75度範圍較佳。
[0016] 至少一機械手優選包括限制器械繞空間中樞軸點的球面轉動的偏移遠心連杆機 構，其中裝配接合支臂的可固定連杆和接頭的傳動可移動樞軸點。令人驚訝地是，由於偏移 遠心機械手提供的運動範圍的增大，裝配支臂可被簡化（如僅有四自由度）。這使得裝配接 合支臂的預配置減少，系統平臺更加簡化。這樣，較少或沒有專門培訓的手術室人員可快速 安排並為手術準備機器人系統。可減少裝配支臂機械複雜性的示例性偏移遠心機械手見美 國專利申請第10/957, 077號進一步詳述。
[0017] 在一實施例中，偏移遠心機械手一般包括聯接連杆機構組件，具有機械手基座、平 行四邊形連杆機構基座、多個驅動連杆和接頭以及器械架。機械手基座可旋轉連於平行四 邊形連杆機構基座以繞第一軸旋轉。平行四邊形連杆機構基座通過多個驅動連杆和接頭連 於器械架。驅動連杆和接頭形成平行四邊形，器械被安裝於器械架且軸至少一自由度移動 時，可相對樞軸點限制器械的長軸。與平行四邊形連杆機構基座相鄰的平行四邊形第一軸 和第一側與軸在樞軸點處相交，平行四邊形的第一側與第一軸成角度偏移。
[0018] 在本發明的另一方面，提供了用於機器人手術系統的模塊化機械手支架。系統包 括安裝基座、多個手術器械以及具有驅動連杆和接頭、用於移動相關器械對組織進行操作 的多個機械手。相對基座可移動支承並定位機械手的支架包括連於安裝基座的定向平臺以 及連於定向平臺的多個支臂。各支臂可移動支承相關機械手，並具有可預配置的可釋放地 固定的連杆和接頭。支架還可包括交互式監視器等顯示器，可連於定向平臺。顯示器可被 用於裝配、器械更換和/或人員觀察程序等目的。
[0019] 在本發明的又一方面，機器人手術系統包括天花板高度的安裝基座、多個手術器 械以及相對基座可移動支承器械的聯接支架組件。組件包括定向平臺和多個機械手相關的 多個支臂。定向平臺可連於基座，以允許聯接支架組件從基座基本向下延伸。多個支臂可 連於定向平臺，其中各支臂具有可預配置的可釋放地固定的連杆和接頭。多個機械手可連 於支臂，各機械手具有移動器械對組織進行操作的驅動連杆和接頭。
[0020] 在本發明的又一方面，提供了具有安裝基座、多個手術器械以及相對基座可移動 支承器械的聯接支架組件的機器人手術系統的準備方法。方法之一包括通過聯接相對基座 可移動支承定向平臺的平臺連杆機構而移動定向平臺預定位多個安裝於定向平臺的多個 機械手使得機械手支架的手術器械指向相關微創孔。定向平臺的運動可包括在三維中平移 定向平臺和/或繞一軸轉動定向平臺。可通過聯接可連於定向平臺的多個支臂移動多個機 械手。制動系統可限制平臺連杆機構、定向平臺和/或支臂以阻止其進一步聯接。
[0021] 參照本說明的剩餘部分及附圖，可進一步理解本發明的性質與優點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 應參照詳細說明閱讀以下附圖。不同附圖中的相同數字指相同元件。附圖不必成 比例，僅說明性示出本發明的實施例，並非要限制本發明的範圍。
[0023] 圖1是手術室的部分示意性平面圖，示出了機器人手術系統，包括輸入手術程序 的主外科醫生控制臺或工作檯和機器移動在手術位置處具有手術末端執行器的手術器械 的機器人病人側推車。
[0024] 圖2是機器人病人側推車或臺的透視圖，包括定位連杆機構，可預配置兩個病人 側機器人機械手和一個內窺鏡攝像機機器人機械手。
[0025] 圖3A和3B分別是圖2所示機器人機械手的連杆機構的側視圖和正視圖。
[0026] 圖4是用於圖1所示系統的聯接手術器械的透視圖。
[0027] 圖5A和5B是根據本發明原理構造的示例性模塊化機械手支架的透視圖。
[0028] 圖6A和6B分別是圖5A所示機械手支架的裝配接合支臂和裝配接合輔助支臂的 透視圖。
[0029] 圖7A至7D是從上方和下方所見圖5A所示機械手支架的定向平臺的透視圖。
[0030] 圖8A和8B是從下方和上方所見用於可移動支承圖5A所示機械手支架的平臺連 杆機構的透視圖。
[0031] 圖9A至9G示出了支承並定位內窺鏡攝像機機器人機械手的裝配接合中心支臂的 透視圖和俯視圖。
[0032] 圖10A至10H示出了支承並定位病人側機器人機械手的裝配接合支臂的透視圖和 俯視圖。
[0033] 圖11A至11D示出了支承並定位病人側機器人機械手的裝配接合輔助支臂的透視 圖和俯視圖。
[0034] 圖12A至12C示出了從上方所見多自由度行動的四個裝配接合支臂的透視圖。

【具體實施方式】
[0035] 圖1至4示出了美國專利第6, 246, 200號更詳細說明的執行微創機器人手術的機 器人手術系統1。手術員〇(-般為外科醫生）對躺在手術臺T上的病人P執行微創手術程 序，手術員〇在外科醫生控制臺3處操作一個或多個輸入裝置或主控裝置2。控制臺3的計 算機處理器4響應於外科醫生的輸入引導內窺鏡手術器械或工具5的移動，經機器人病人 側系統6 (本示例中為安裝於推車的系統）使器械的伺服機構移動。
[0036] -般，病人側系統或推車6包括至少三個機器人機械手支臂。（本示例中安裝於推 車6的側面的）兩個裝配接合支臂或連杆機構7支承並定位驅動手術工具5的伺服機械手 8 ;(本示例中安裝於推車6的中心的）一個裝配接合支臂或連杆機構9支承並定位控制捕 捉內部手術位置圖像（優選為體視圖像）的內窺鏡攝像機探頭11移動的伺服機械手10。
[0037] 內部手術位置的圖像通過外科醫生控制臺3的體視顯示器觀測儀12向外科醫生 或手術員0顯示，並同時通過助手顯示器14向助手A顯示。助手A使用裝配連杆支臂7和 9輔助機械手8和10相對病人P的定位、輔助一個或多個手術機械手8 (和/或10)中備用 手術工具或器械5'和工具5的調換、並輔助相關非機器人醫療器械和設備的操作等。
[0038] 總體而言，支臂或連杆機構7和9包括病人側系統6的定位連杆或裝配支臂部分， 對組織進行操作時通常保持於固定配置，機械手8和10包括在外科醫生控制臺3的引導下 有效聯接的驅動部分。機械手8和10主要用於主/從組織操作，而裝配支臂7和9在重新 定位病人、手術臺、切口點等時用於在使用前定位和/或配置機械手8和10。
[0039] 為了術語使用方便，傳動組織損傷手術工具的機械手如8可被稱為PSM(病人側機 械手），控制內窺鏡11等圖像捕捉或數據採集裝置的機械手如10可被稱為ECM(內窺鏡攝 像機機械手），注意這些遠程手術機器人機械手可選擇傳動、操縱並控制手術中使用的多種 器械、工具和裝置。
[0040] 圖2示出了圖1所示安裝於推車的遠程手術病人側系統6的透視圖，包括兩個 PSM8和一個ECM10。推車系統6包括安裝有三個定位連杆機構或裝配支臂的支柱15,包括 各支承一個PSM8的兩個PSM裝配支臂7以及支承ECM10的一個ECM裝配支臂9。PSM裝配 支臂7各具有六自由度，並各安裝於中心安裝的ECM裝配支臂9的一側。所示ECM裝配支 臂9小於六自由度，ECM10可不包括聯接手術器械的所有工具傳動驅動系統，如PSM8中通 常所包括的工具傳動驅動系統。各PSM8可釋放安裝（虛線示出的）手術工具5, ECM10可 釋放安裝（虛線示出的）內窺鏡探頭11。
[0041] 圖3A和3B分別是圖2所示具有遠心機構的機器人手術機械手或PSM8的連杆機 構的側視圖與正視圖。PSM8是現有技術的機械手示例，可由推車座6、天花板座或地板/臺 座安裝並支承。示例中，PSM8優選包括限制工具接口外殼21與安裝的器械或工具5移動 的連杆機構結構20。更具體地，連杆機構20包括通過旋轉接頭連接在平行四邊形結構中的 剛性連杆，使得外殼21和工具5繞空間中一點22旋轉，如已出版的美國專利第6, 758, 843 號更充分所述。
[0042] 連杆機構20的平行四邊形結構限制了如圖3A箭頭22a所指繞垂直紙面並經過樞 軸點22的軸也稱為俯仰軸的轉動。支承平行四邊形連杆結構的連杆可轉動安裝於裝配接 合臂（圖2所示7)，使得工具5進一步繞軸22b (圖3B)也稱為偏航軸轉動。俯仰軸和偏航 軸在工具5的軸23上的遠心22處相交。由於由機械手支承，工具5有更多驅動自由度，包 括沿插入軸22c工具5滑動移動。工具5包括安裝於機械手接口外殼21的近端外殼24。 接口外殼21可使工具5沿軸22c移動，也用於從PSM8的末端執行器傳動器伺服機構傳輸 傳動器輸入至工具5。在遠心系統的示例中，平行四邊形結構20連於工具5,從而機械限制 工具軸23,伺服機構根據外科醫生的控制輸入傳動工具移動時，使其繞樞軸點22旋轉。
[0043] 工具5沿軸22c相對機械手8滑動時，遠心22相對機械手8的安裝基座25 (安裝 點至裝配支臂7)保持固定。因而，整個機械手8被移動，重新定位遠心22。機械手8的連 杆機構20由一系列電機26 (圖3A)驅動。電機響應於處理器（圖1所示4)的指令有效移 動連杆機構20。電機26還連於工具5以繞軸22c旋轉工具，並聯接工具5遠端的銷軸（圖 4所示29)，約至少一、通常二自由度。另外，電機26可用於傳動工具的可聯接末端執行器， 將組織夾在鑷子等的夾鉗中。電機26可使用纜線連於工具5的至少一些接頭，如美國專利 第5, 792, 135號更充分所述，其公開全文以參考方式併入本文。如該參考文獻所述，機械手 8通常包括從驅動部件傳輸運動至手術工具5的柔性構件。對內窺鏡程序，機械手8通常包 括套管27。可釋放連於機械手的套管27支承工具5,優選允許工具經套管27的中心孔軸 向旋轉並移動。
[0044] 圖4示出了圖1所示系統使用的聯接手術工具或器械5與近端外殼24的分解透 視圖。工具5包括相對近端外殼24支承末端執行器28的長軸23。近端外殼24可釋放安 裝、連接器械5至機械手（如圖1、2、3A和3B所示PSM8)，並在機械手與末端執行器28之間 傳輸驅動信號和/或運動。聯接銷軸機構29可提供末端執行器28和軸23之間的二自由 度運動，軸23可相對近端外殼24旋轉，可在病人體內為末端執行器28提供基本定向的三 自由度。
[0045] 現參照圖5A和5B，示出了從上所見根據本發明原理構造的示例性模塊化機械手 支架組件的透視圖。模塊化機械手支架30校準並支承機器人機械手，如病人側機械手32或 內窺鏡攝像機機械手34,與病人體內一組所需手術切口位置對齊。模塊化機械手支架組件 30 -般包括定向平臺36、連於定向平臺36的多個可配置裝配接合支臂38、40、42、44。各支 臂38、40、42、44可移動支承相關機械手32、34，機械手32、34又可移動支承相關器械。可以 理解，以上所述僅為說明性目的，不必反映模塊化機械手支架組件30的實際形狀、尺寸或 維度。這適用於本文以下所有說明。
[0046] 定向平臺36 -般支承兩個裝配接合支臂40、42(右側的SJA1和左側的SJA2)以 及一個可選輔助支臂44 (SJX)，可移動支承相關病人側機械手32。通常，各支臂允許病人側 機械手在三維（x、y、z)中平移，並允許病人側機械手繞一縱軸（方位角）旋轉。裝配接合 右支臂40和裝配接合輔助支臂44的其它透視圖分布見圖6A和6B。一般，右支臂40和左 支臂42支承相應外科醫生控制器的右、左機械手，而輔助或從屬支臂44為機械手的定位提 供了更多變化，這在心臟手術等複雜手術中特別有利。定向平臺36還支承可移動支承內窺 鏡攝像機機械手34的一個裝配接合中心支臂38 (SJC)。可以理解，裝配支臂38、40、42和 44可互換支承、定位器械機械手32或攝像機機械手34。使用定向平臺36來支承可獨立定 位的裝配支臂38、40、42和44及其相關機械手32、34有利於獲得相對尺寸較小且較緊湊的 簡化的單個支架單元。例如，單個定向平臺36避免了通常混亂且麻煩獨立配置、安裝各裝 配支臂38、40、42和44至安裝基座的需要。這使得裝配更快捷便利。
[0047] 參照圖6A、6B和9A，各裝配接合支臂38、40、42和44具有可預配置的可釋放地固 定的連杆和接頭。在優選實施例中，各裝配接合支臂38、40、42和44包括至少一個延伸於 相鄰兩個可固定旋轉接頭48、50間的平衡、可固定、接合平行四邊形連杆機構結構46。接 合平行四邊形結構46允許在大致堅直方向上移動，相鄰旋轉接頭48、50允許繞縱軸轉動， 如下文詳述。一個或多個直線或彎曲的滑動軸可替代任何或所有旋轉部件。各平行四邊形 結構46可具有基本相同的結構，在本示例中，包括長度不定的連杆52、近端架車54和遠端 架車56。連杆52以堅直定向平面平行四邊形結構分別可轉動接合於近端和遠端架車54、 56。這允許連杆52在堅直平面中轉動，而在平行四邊形46接合轉動使48、50變形時限制 架車54、56相互保持基本平行。如圖6A所示，裝配接合支臂40、42可有另一連杆58,由另 一樞軸60可轉動連接。裝配接合輔助支臂44可有長度更長的另一輔助連杆62,由另一輔 助樞軸64可轉動連接。如圖9A所示，裝配接合中心支臂38可包括主要形成平行四邊形結 構46的相對較小、較硬的支臂38。裝配接合支臂38、40、42和44可由重量、張力彈簧、氣壓 彈簧、扭轉彈簧、壓縮彈簧、氣壓或液壓缸、轉矩電機或其組合等多種機構平衡。
[0048] 因機械手32、34提供的移動範圍的改進，各裝配接合支臂38、40、42和44具有令 人驚訝的簡化運動學（如僅有四自由度）。通常，支臂允許可固定連杆和接頭在基本堅直 方向平移，如圖5A所示支臂38的箭頭SJC3、圖6A所示支臂40的箭頭SJA1 3以及圖6B所 示支臂44的箭頭SJX3所指。支臂也允許可固定連杆和接頭繞兩個或三個堅直軸轉動。如 圖6A所示，箭頭SJA1 1、SJA1 2和SJA1 4分布示出了裝配接合支臂40的旋轉接頭60、48 和50。左裝配接合支臂42 (SJA2)的平移和轉動軸與圖6A所示右支臂40 (SJA1)的平移和 轉動軸相同。圖6B分別用箭頭SJX1、SJX2和SJX4指出了裝配接合輔助支臂44的旋轉接 頭64、48、50。圖5A中箭頭SJC2和SJC4分別示出了裝配接合中心支臂38的旋轉接頭48、 50。支臂38、40、42和44可為機動、計算機控制、手動預配置或其組合。裝配接合支臂40、 42與輔助支臂44的接頭SJA1 1、SJA21與SJX1優選為機動，而其它接頭與裝配接合中心支 臂38優選為手動定位。電機可位於多個可固定連杆或定向平臺內以驅動滑輪和傳動帶機 構。
[0049] 裝配支臂38、40、42和44的可固定接頭48、50、62和64 -般包括可制動系統，適 當配置支臂後可鎖定接頭到位。制動系統可釋放抑制至少基本固定結構中先前配置的可固 定連杆52、58、62和接頭48、50、62、64的聯接。制動系統優選被偏壓至固定結構，包括釋放 可固定連杆52、58、62和接頭48、50、62、64至可固定連杆和接頭可聯接的可重新定位結構 的制動釋放傳動器。系統還可包括接頭傳感器系統，連接多個可固定連杆52、58、62和接頭 48、50、62、64至伺服機構。傳感器系統產生接頭結構信號。伺服機構包括計算機，接頭傳感 器系統發射接頭結構信號至計算機。計算機使用接頭結構信號計算相對安裝基座和器械所 附參照坐標系間的坐標系變換。
[0050] 再次參照圖6A、6B和9A，機械手32、34機械受限，使得機械手基座66相對水平面 成固定角。如圖6A所示，裝配接合支臂40支承的機械手32與水平面成角度偏移，角度處 於40度至約60度角範圍內，處於約45度至約50度範圍較佳。如圖6B所示，裝配接合輔 助支臂44支承的機械手32與水平面成角度偏移，角度處於0度至約20度角範圍內，約15 度較佳。如圖9A所示，裝配接合中心支臂38支承的機械手34與水平面成角度偏移，角度 處於40度至約90度角範圍內，處於約65度至約75度範圍較佳。
[0051] 機械手32、34優選包括限制器械繞空間中樞軸點球面轉動的偏移遠心連杆機構， 其中裝配接合支臂38、40、42、44的可固定連杆52、58、62和接頭48、50、62、64的傳動可移 動樞軸點。如上所述，由於系統移動範圍的改進，機器人手術系統的總體複雜性可減少。具 體地，裝配接合支臂38、40、42和44的自由度數量被減少（如小於六自由度）。這使得系統 平臺得以簡化，減少對裝配接合支臂38、40、42和44的預配置的要求。這樣，較少或沒有專 業培訓的手術室人員可快速安排並準備機器人系統進行手術。可減少裝配支臂38、40、42 和44機械複雜性的示例性偏移遠心機械手32、34見美國專利申請第10/957, 077號進一步 詳述。
[0052] 在圖6A、6B和9A所不實施例中，偏移遠心機械手32、34 -般包括機械手基座66， 平行四邊形連杆機構基座68、多個驅動連杆和接頭70、72以及器械架74。機械手基座66 可旋轉連於平行四邊形連杆機構基座68以繞也稱為偏航軸的第一軸旋轉。平行四邊形連 杆機構基座68通過由轉動樞軸接頭連接的剛性連杆70、72連於器械架74。驅動連杆和接 頭70、72形成平行四邊形，器械被安裝於器械架74且軸沿平行四邊形的平面移動時，可相 對轉動中心（樞軸點）限制器械或套管76的長軸。與平行四邊形連杆機構基座68相鄰的 平行四邊形第一軸和第一側與軸在轉動中心76處相交，其中平行四邊形的第一側與第一 軸成角度偏移。
[0053] 手術機械手32、34的機械手基座66由裝配支臂38、40、42和44安裝並以恆定仰 角支承，如上詳細所述。本實施例中的機械手基座66通過螺釘或螺栓固定至裝配支臂38、 40、42和44的機械手基座支架80。儘管示例性裝配支臂38、40、42和44使機械手基座支 架80與遠心機械手32、34的幾何形狀相符，但機械手基座支架80可採用多種備用支架結 構以符合其它遠程手術機械手。例如，機械手基座支架可用於支承其它遠心機械手、自然中 心機械手、計算中心機械手、軟體中心機械手以及使用其工作原理組合的機械手。另外，如 上所述，裝配支臂38、40、42和44的機械手基座支架80可互換支承、定位器械機械手32或 攝像機機械手34。
[0054] 現參照圖7A至7D，示出了從上方和下方所見定向平臺36的其它透視圖。定向平 臺36包括基本水平的大鋼琴形狀平臺，具有分別可轉動連於多個支臂38、40、42和44的四 個軸轂82、84、86和88,如圖7B和7C從下方所見。特別地，支承內窺鏡攝像機機械手34的 裝配接合中心支臂38的旋轉接頭48可旋轉連於向定向平臺36側偏移的軸轂82。支承病 人側機械手32的右、左裝配接合支臂40、42的旋轉接頭60分別可旋轉連於定向平臺36的 軸轂84、86。最後，支承病人側機械手32的裝配接合輔助支臂44的旋轉接頭64可旋轉連 於軸轂88。軸轂88處於定向平臺36的中線上，使得輔助支臂44在左側或右側均可使用。 五個裝配接合支臂支架情況下，一軸轂可位於中心的各側，與軸轂84和86的定位相同，具 有右側輔助支臂和另一左側輔助支臂。定向平臺36的形狀以及軸轂82、84、86、88、90的相 對位置對於增加系統的機動性以及抑制支臂和/或機械手之間的碰撞更加有利。
[0055] 如圖7A和7D所示，第五軸轂90連於平臺連杆機構92,如下文參照圖8A和8B更 詳細所述。第五軸轂90與裝配接合中心支臂38的樞軸點78對齊，優選與內窺鏡切口位置 重合。第五軸轂90允許定向平臺36繞圖5A所示箭頭SJC1所指縱軸轉動。定向平臺36 繞對齊手術切口的內窺鏡機械手34樞軸點78的轉動有利於增加定向平臺36和相關裝配 支臂38、40、42、44在手術程序將進行方向的機動性。由於僅通過繞第五軸轂90轉動定向 平臺36即可在手術中改變機械手32、34的定位，這在複雜手術中特別有利。一般，為安全 目的，在轉動之前器械將被收回。對於定向平臺36的小幅轉動或手術臺的傾斜，移動時連 於套管的低摩擦平衡支臂40、42、44可懸置，由來自切口的力推動。
[0056] 定向平臺36繞軸轂90的轉動（SJC1)、裝配接合支臂40、42繞軸轂84、86的轉動 (SJA1 1)以及裝配接合輔助支臂44繞軸轂88的轉動（SJX1)優選為機動，但也可為手動或 計算機控制。為定向平臺轉動（SJC1)驅動傳動帶和滑輪機構94的電機位於定向平臺內， 如圖7C所示。也可包括制動系統，將定向平臺36鎖定到位。為右、左和輔助裝配支臂轉動 (SJA1 1、SJX1)驅動傳動帶和滑輪機構96、98、100的電機也位於定向平臺36內，如圖7D所 示。圖7C和7D還示出了各相關裝配支臂38、40、42、44的電子模塊化控制器102。定向平 臺36還可包括交互式監視器等顯示器104,如圖7A和7B所示。顯示器104可被用於裝配、 器械更換和/或人員觀察程序等目的。顯示器104優選與平行四邊形連杆機構106可調節 安裝於定向平臺36,使得人員可觀察所需方向的監視器。
[0057] 現參照8A和8B，示出了從下方和上方所見軸轂90處可移動支承定向平臺36的平 臺連杆機構92的透視圖。平臺連杆機構92 -般包括線性導軌108、可連於導軌108的滑動 架車110以及近端14可旋轉連於架車110、遠端116經軸轂90可旋轉連於定向平臺36的 至少一個支臂112。通過允許定向平臺36在至少三維（X、y、z)中平移，平臺連杆機構92 有利於增強聯接模塊化機械手支架30的機動性。定向平臺在基本水平方向的移動由箭頭 0P1指出。定向平臺在基本堅直方向的移動由箭頭0P2出。定向平臺在進出紙面方向的移 動由接頭120的轉動聯接，如箭頭0P3所指。平臺連杆機構92還允許定向平臺36繞一縱 軸轉動，如箭頭SJC1所指。支臂112優選包括延伸於相鄰兩個接頭120、122間四桿平行四 邊形連杆機構118。可以理解儘管第五軸轂90允許定向平臺36轉動（SJC1)系統也可設計 為第五軸轂90可旋轉連於平臺連杆機構92使得平臺連杆機構允許定向平臺的轉動。
[0058] 因平臺連杆機構92,定向平臺36增加的運動範圍允許從病人身體上方更大範圍 接近切口位置。執行複雜且過長程序時因手術中機械手32、34可快速重新定位至其它手術 位置而特別有利。一般，為安全目的，在定向平臺36平移或轉動之前，器械將被收回。平臺 連杆機構92優選為機動，但也可為手動或計算機控制。電機可位於平臺連杆機構92或定 向平臺36內，以驅動滑輪和傳動帶機構。例如，為定向平臺繞軸轂90轉動（SJC1)用諧波 傳動驅動傳動帶和滑輪機構94的電機位於定向平臺內，如圖7C所示。也可包括制動系統 以鎖定平臺連杆機構92到位。
[0059] 如圖8B所示，平臺連杆機構92優選經螺栓和架車124或其它便利的緊固件裝置 安裝於安裝基座。安裝基座優選包括天花板高度支架結構，以允許機械手支架組件92、30 從基座基本向下延伸。天花板高度安裝的機械手支架組件有利於改進手術室的空間應用， 特別是清除手術臺附近人員和/或其它手術設備的間隔，並減少地板上的機器人設備和布 線。另外，天花板安裝的機械手支架組件減少了手術過程中與其他相鄰機械手碰撞或空間 衝突的可能性，並便於機器人手術系統不使用時的存儲。
[0060] 術語"天花高度支架結構"包括位於、鄰近手術室天花板或手術室天花板內的支架 結構，並包括基本低於實際天花板高度的支架結構，尤其在手術室天花板高於一般手術室 天花板情況下。安裝基座允許機械手支架組件92、30通過逆著牆壁拉動使用接頭而存儲， 如圖8A和8B所示。安裝基座可包括現有建築元件，如原始或加固結構元件、接頭或橫梁。 另外，安裝基座可由足夠剛性堅硬材料製成，以抑制振動。或者，粘性或彈性阻尼器等無源 裝置或伺服機構等有源裝置也可用於消除振動或醫院建築在堅直和/或水平方向的地板 間運動。
[0061] 現參照圖9A和9B，示出了支承內窺鏡攝像機機器人機械手34的裝配接合中心支 臂38的斜視圖。圖9C示出了俯視圖。如上所述，裝配接合中心支臂38包括相對較短、幾 乎堅直的剛性支臂，主要形成平行四邊形結構46。裝配接合中心支臂38的平行四邊形連 杆52與其他三個支臂40、42、44相比較短。裝配接合中心支臂38具有一般手動定位的三 自由度（SJC2、SJC3、SJC4)。裝配接合中心支臂38沒用任何多餘接頭，方向角由定向平臺 36的轉動控制。圖9D和9E示出了裝配接合中心支臂38如箭頭SJC3所指方向的平移。圖 9F和9G示出了裝配接合中心支臂38如箭頭SJC4所指方向的轉動。
[0062] 現參照圖10A和10B，示出了支承病人側機器人機械手32的裝配接合支臂40的 斜視圖和俯視圖。如上所述，裝配接合支臂40具有四自由度（SJA1 1、SJA1 2、SJA1 3、SJA1 4)，其中SJA1 1接頭為機動，其他接頭為手動定位。圖10C和10D示出了如箭頭SJA1 2所 指方向裝配接合支臂40的轉動。圖10E和10F示出了箭頭SJA1 3所指方向裝配接合支臂 40的平移。圖10G和10H示出了如箭頭SJA1 3和SJA1 4所指方向裝配接合支臂40的平 移和轉動。左裝配接合支臂42 (SJA2)的平移和轉動軸與右支臂40 (SJA1)的平移和轉動軸 相同。
[0063] 現參照圖11A和11B，示出了支承病人側機器人機械手32的裝配接合輔助支臂44 的斜視圖和俯視圖。如上所述，裝配接合輔助支臂44運動學上與裝配接合支臂40相同，但 因其軸轂88位於定向平臺36的一端，其長度更長，角度更窄。裝配接合輔助支臂44具有 四自由度（SJX1、SJX2、SJX3、SJX4)，其中SJX1接頭為機動，其他接頭為手動定位。圖11C 和11D示出了裝配接合輔助支臂44如箭頭SJX4所指方向的轉動。
[0064] 現參照圖12A、12B和12C，示出了從上方所見沒有定向平臺36的四個裝配接頭 38、40、42、44的透視圖。圖中示出了改變方向角、移動病人側機械手32離內窺鏡攝像機機 械手34更遠或更近的多自由度的行動。手術中，通常一旦設置機動的接頭位置SJA1 1、SJA2 1和SJX1為預設值，用戶僅需對齊病人側機械手的各遠心和各切口。這可通過連接各病人 側機械手至已位於切口內的相關導管完成。這自動設置了裝配接頭位置，因為沒有剩餘。三 個接頭的低摩擦與平衡允許病人側機械手懸置，使得機械手可通過在一點把握而控制。連 接套管後，設置機動點至不同位置將導致病人側機械手的不同方向角。換句話說，多種機動 點的功能是允許病人側機械手離另一病人側機械手和內窺鏡機械手更遠或更近。或者，連 接套管後，方向角可通過操縱電機而調整，同時釋放裝配接頭制動裝置，套管保持位於切口 處。
[〇〇65] 儘管為理解清晰作為示例已詳細說明了一些示例性實施例和方法，對於本領域技 術人員根據上述公開很明顯可對這些實施例和方法做出變化、修改、改動以及調整而不脫 離本發明的實際精神和範圍。因此，上述說明不能認為是限制由所附權利要求確定的本發 明的範圍。
【權利要求】
1. 一種設備，包括： 平臺連杆機構，其包括水平的直線軸和沿所述直線軸可移動的架車； 定向平臺，其可旋轉地連接到所述架車，所述定向平臺相對於所述架車可垂直地移動； 以及 多個裝配支臂，所述多個裝配支臂中的每個包括近端、遠端和由至少一個可釋放的可 固定接頭連接的連杆，所述多個裝配支臂中的每個在其近端可旋轉地連接到所述定向平 臺。
2. 根據權利要求1所述的設備，其進一步包括： 多個機器人機械手，所述多個機器人機械手中的每個獨立的機器人機械手被連接到所 述多個裝配支臂的相應的唯一的裝配支臂的所述遠端。
3. 根據權利要求2所述的設備，其中所述多個裝配支臂中的每個配置為允許相關聯的 所述機器人機械手在大致堅直方向上的平移。
4. 根據權利要求2所述的設備，其中所述多個裝配支臂中的至少一個裝配支臂包括平 行四邊形連杆機構，該平行四邊形連杆機構允許相關聯的所述機器人機械手在大致堅直方 向上的平移。
5. 根據權利要求2所述的設備， 其中連接到所述多個裝配支臂中的第一裝配支臂的遠端的所述機器人機械手包括內 丟見鏡攝像機機械手；並且 其中連接到所述多個裝配支臂中的第二裝配支臂的遠端的所述機器人機械手包括手 術器械機械手。
6. 根據權利要求2所述的設備，其中所述多個機器人機械手中的至少一個機器人機械 手以旋轉接頭連接到與所述至少一個機器人機械手相關聯的裝配支臂的遠端。
7. 根據權利要求2所述的設備，其中所述多個機器人機械手中的至少一個機器人機械 手包括遠心連杆機構。
8. 根據權利要求2所述的設備，其進一步包括： 連接到所述多個裝配支臂中的每個可釋放的可固定接頭的接頭傳感器系統；以及 計算機，其配置為從所述接頭傳感器系統接收接頭結構信號並且配置為使用接收到的 所述接頭結構信號中攜帶的信息來計算相對於所述基座固定的第一參考坐標系和相對於 由所述多個機器人機械手中的一個機器人機械手支撐的器械固定的第二參考坐標系之間 的坐標系變換。
9. 根據權利要求2所述的設備，其中所述機器人機械手中的三個是器械機械手，並且 所述機器人機械手中的一個是圖像捕捉裝置機械手。
10. 根據權利要求2所述的設備，所述多個機器人機械手中的兩個或更多個是器械機 械手，而所述多個機器人機械手中的一個是圖像捕捉裝置機械手。
11. 根據權利要求1所述的設備，其進一步包括：連接到所述平臺連杆機構的安裝基 座。
12. 根據權利要求11所述的設備，其中所述安裝基座包括天花板高度的支架結構。
13. 根據權利要求1所述的設備，其中所述平臺連杆機構進一步包括限定直線軸的導 軌，所述架車配置為沿所述導軌滑動。
14. 根據權利要求1所述的設備，其進一步包括：連接在所述架車和所述定向平臺之間 的第一支臂，所述第一支臂包括平行四邊形，該平行四邊形配置為相對於所述架車堅直地 移動所述定向平臺。
15. 根據權利要求1所述的設備，其中所述多個裝配支臂中的至少一個裝配支臂包括 直線的滑動軸，該直線的滑動軸允許相關聯的所述機器人機械手在大致堅直方向上的平 移。
16. 根據權利要求1所述的設備，其中所述多個裝配支臂中的至少一個裝配支臂包括 彎曲的滑動軸，該彎曲的滑動軸允許相關聯的所述機器人機械手在大致堅直方向上的平 移。
17. 根據權利要求1所述的設備，其中所述多個裝配支臂中的每個裝配支臂被連接到 所述定向平臺以圍繞相應的唯一的旋轉軸旋轉，所述多個裝配支臂的唯一的旋轉軸彼此平 行。
18. 根據權利要求1所述的設備，其中所述多個裝配支臂中的至少一個可釋放的可固 定接頭圍繞大致堅直軸旋轉。
19. 根據權利要求1所述的設備，其中所述多個裝配支臂中的至少一個可釋放的可固 定接頭包括制動系統。
20. 根據權利要求19所述的設備，其中所述制動系統包括制動器和制動釋放傳動器， 所述制動器被偏壓至固定結構。
21. 根據權利要求1所述的設備，其進一步包括：連接到所述定向平臺的顯示器。
22. 根據權利要求21所述的設備，其中所述顯示器包括交互式監視器。
23. 根據權利要求1所述的設備，其中所述多個裝配支臂中的至少一個可旋轉地連接 到所述定向平臺，以便圍繞垂直於所述平臺連杆機構的水平的直線軸的軸旋轉。
24. 根據權利要求1所述的設備，其中所述多個裝配支臂中的至少一個的連杆包括遠 端連杆，所述遠端連杆配置為相對於所述定向平臺可堅直移動。
25. 根據權利要求24所述的設備，其中對於所述多個裝配支臂中的至少一個，所述遠 端連杆在將所述遠端連杆連接到所述裝配支臂的其餘部分的接頭處圍繞第一軸旋轉。
26. 根據權利要求24所述的設備，其進一步包括： 多個機器人機械手，所述多個機器人機械手中的每個獨立的機器人機械手被連接到所 述多個裝配支臂中相應的唯一的裝配支臂的遠端， 其中所述多個機器人機械手中的至少一個機器人機械手圍繞將所述遠端連杆連接到 所述機器人機械手的接頭旋轉。
27. 根據權利要求26所述的設備， 其中將每個所述遠端連杆連接到相關聯的所述機器人機械手的每個所述接頭圍繞相 關聯的連接接頭軸旋轉；以及 其中所述多個機器人機械手中的至少一個機器人機械手包括： 連接到所述多個裝配支臂中相關聯的一個裝配支臂的遠端連杆的機械手基座；以及 連接到所述機械手基座的平行四邊形連杆機構基座，所述平行四邊形連杆機構基座相 對於所述機械手基座圍繞偏航軸可旋轉，所述偏航軸以90度偏移的角度與所述連接接頭 軸相交。
28. 根據權利要求1所述的設備， 其中所述定向平臺包括每個均可旋轉連接於所述多個裝配支臂中的相關聯的唯一裝 配支臂的四個軸轂和連接於所述平臺連杆機構的第五軸轂； 其中所述第五軸轂與樞軸點對齊並且允許所述定向平臺圍繞所述樞軸點的旋轉。
29. 根據權利要求1所述的設備，其中所述定向平臺包括多個軸轂和額外的軸轂，所述 多個軸轂中的每個可旋轉地連接到所述多個裝配支臂中相關聯的唯一的裝配支臂，所述額 外的軸轂連接到所述平臺連杆機構，所述額外的軸轂與樞軸點對齊並且允許所述定向平臺 圍繞所述樞軸點的旋轉。
30. 一種方法，包括： 沿平臺連杆機構的水平的直線軸移動架車； 旋轉連接到所述架車的定向平臺； 相對於所述架車堅直移動所述定向平臺；以及 相對於所述定向平臺旋轉多個裝配支臂中的每個支臂，所述多個裝配支臂中的每個包 括近端、遠端和由可釋放的可固定接頭連接的連杆。
31. 根據權利要求30所述的方法，其進一步包括操縱連接到所述多個裝配支臂中的每 個的遠端的機器人機械手。
32. 根據權利要求31所述的方法，其進一步包括： 操縱所述多個裝配支臂中的每個裝配支臂以使相關聯的所述機器人機械手在大致堅 直方向上平移。
33. 根據權利要求31所述的方法，其進一步包括： 從連接到所述多個裝配支臂中的每個可釋放的可固定接頭的接頭傳感器系統接收接 頭結構信號；以及 使用來自接收到的接頭結構信號的信息來計算相對於連接到所述平臺連杆機構的基 座固定的第一參考坐標系和相對於由所述機器人機械手中的一個機器人機械手支撐的器 械固定的第二參考坐標系之間的坐標系變換。
34. 根據權利要求30所述的方法，其進一步包括： 沿所述平臺連杆機構的導軌滑動所述架車。
35. 根據權利要求30所述的方法，其進一步包括： 相對於所述定向平臺圍繞垂直於所述平臺連杆機構的所述直線軸的軸旋轉所述多個 裝配支臂中的至少一個裝配支臂。
36. 根據權利要求35所述的方法，其進一步包括： 相對於所述定向平臺堅直地移動所述多個裝配支臂中的一個裝配支臂的所述連杆的 遠端連杆。
37. 根據權利要求36所述的方法，其進一步包括： 在將所述遠端連杆連接到所述裝配支臂的其餘部分的接頭處圍繞第一軸旋轉所述遠 端連杆。
38. -種手術機器人設備，其包括： 沿平臺連杆機構的水平的直線軸滑動的架車； 可旋轉地連接到所述架車的定向平臺，所述定向平臺相對於所述架車可堅直地移動； 以及 多個裝配支臂，其中的每個包括近端、遠端和由至少一個可釋放的可固定的接頭連接 的連杆，其中所述多個裝配支臂中的每個在所述裝配支臂的近端處被連接到所述定向平 臺，並且其中所述多個裝配支臂中的每個在所述裝配支臂的近端處相對於所述定向平臺旋 轉。
【文檔編號】A61B19/00GK104042347SQ201410321165
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2006年1月24日 優先權日:2005年1月24日
【發明者】T·庫珀, S·J·布魯門克蘭斯, G·S·古薩特, D·羅莎 申請人:直觀外科手術操作公司