具有復設的閉合機構的末端執行器的製作方法

2023-06-20 03:31:26

專利名稱：具有復設的閉合機構的末端執行器的製作方法
技術領域：
背景技術：
微創手術技術用於減少診斷或手術操作期間損害的無關組織的數量，由此減少病人的恢復時間、不適、以及有害的副作用。因此，使用微創手術技術還可以顯著地縮短標準手術的平均住院期。而且使用微創手術還可以減少病人的恢復時間、減少病人不適感、減少手術副作用、以及減少脫離工作的時間。微創手術的常見形式是內窺鏡檢查，並且內窺鏡檢查的ー種常見形式是腹腔鏡檢查，這是在腹腔內部的微創檢查和外科手術。在標準的腹腔鏡檢查手術中，病人的腹部吸入
氣體，並且將插管套管穿過小的(約半英寸或更小)切ロ以提供用於腹腔鏡檢查儀器的進入。腹腔鏡手術儀器一般包括用於查看術野的內窺鏡(例如，腹腔鏡)以及用於在手術部位工作的工具。這些工作工具一般與在常規(開放式)手術中使用的類似，除了每個工具的工作末端或末端執行器與其手柄被延伸管(例如也稱為，儀器軸或主軸)隔開。該末端執行器可以包括例如夾緊件、抓握器、剪刀、縫合器、燒灼工具、線性切割器、或持針器。為了進行手術進程，外科醫生將工作工具穿過多個插管套管到達內部手術部位並從腹部外面操縱它們。外科醫生藉助監測器來查看進程，該監測器顯示了從內窺鏡獲取的手術部位的圖像。類似的內窺鏡技術用於例如關節內窺鏡檢查、腹膜後腔鏡檢查、盆腔鏡檢查、腎鏡檢查、膀胱鏡檢查、大池內視鏡檢查、纖維質消化檢查、子宮鏡檢查、尿道鏡檢查等
絕由寸T。正在對微創遠程手術機器人系統進行發展以増大外科醫生在內部手術部位上エ 作時的靈敏性、同時允許外科醫生從遠距離(無菌場所外)對病人進行手木。在遠程手術系統中，通常在控制臺上對外科醫生提供手術部位的圖像。在適當的查看器或顯示器上查看手術部位的三維圖像吋，外科醫生通過操縱該控制臺的主要輸入或控制裝置而對病人進行手術進程。每個主要輸入裝置都控制伺服機械式致動/鉸接的手術儀器的移動。在手術進程中，該遠程手術系統可以響應於對這些主要輸入組織的操縱而對具有末端執行器的多種手術儀器或工具提供機械致動和控制，這些末端執行器對外科醫生起到了不同的作用，例如，保持或驅動針、抓握血管、解剖組織或類似作用。在許多不同的手術程序中已經採用了非機器人的線性夾緊、切割和縫合裝置。例如，可以使用這樣裝置來從胃腸區域中割除癌組織或異常組織。不幸的是，許多已知的手術裝置，包括已知的線性夾緊、切割和縫合裝置在內，具有對置的夾爪，這些夾爪可能產生小於希望值的夾緊力，這可能降低手術裝置的效力。替代的裝置可以提供足夠的機械的優點來產生可用於手術程序(例如組織縫合)的所希望水平的夾緊カ，但可能具有小於遠程手術組織操縱所希望的致動響應速率。此外，具有這樣高的力的夾爪致動機構的交換工具可能比理想的更加複雜(並且潛在地更易於產生毛刺)。因此認為，需要具有改進的末端執行器的工具。提供足夠的夾緊力、提供快速響應 /低力鉸接模式、並且至少部分地可反向驅動的改進型末端執行器也可以是希望的。這樣的工具在手術應用中、特別是在微創手術應用中是有益的。

發明內容
提供了改進的末端執行器、相關的工具以及相關的方法。在許多手術應用中，例如在許多微創手術應用中，手木工具的末端執行器的尺寸基本上受到可用空間限制條件的限制。雖然這樣的尺寸限制在使用致動機構時減輕了，但在許多實施例中，所公開的末端執行器使用兩個獨立的機構來鉸接該末端執行器的夾爪。在許多實施例中，第一致動機構提供 ー種快速響應/低カ模式，該模式在一種夾緊構型與一種打開構型之間改變該鉸接的夾爪的位置。在許多實施例中，該第一致動機構是可反向驅動的。在許多實施例中，第二致動機構提供一種高的夾緊カ的模式，該模式具有ー種第一構型和ー種第二構型，在該第一構型中該鉸接的夾爪被保持在ー種夾緊構型中，在該第二構型中該鉸接的夾爪不受該第二致動機構的限制。在許多實施例中，該第二致動機構是不可反向驅動的。這樣的末端執行器、工具和方法提供了多個益處，尤其是關於微創手術應用而言。 例如，在許多實施例中，該高夾緊カ的鉸接模式能夠實現恰當的組織壓縮並且抵抗夾爪運動，例如在縫合灼燒(Staple firing)過程中。在許多實施例中，該快速響應/低力的模式可用於操縱組織、可用於找到更適宜的組織抓握點、並且提供了該鉸接的夾爪的更易響應的鉸接。在許多實施例中，可反向驅動的第一致動機構允許該鉸接的夾爪在重重地接觸病人組織後移動(這可以幫助避免損傷病人組織)和/或允許該鉸接的夾爪在接觸到插管套管之後閉合(這可以輔助從病人體內移除手術工具)。此外，所公開的末端執行器可以提供改進的組織空隙和/或組織壓縮感應，因為這些復設的(redundant)致動機構可以提供額外的反饋數據以供分析並且在許多實施例中，可以使得該第一致動機構以低的摩擦損失有效地起作用，這可以改進感應能力。雖然在此公開的不同實施例是關於手術應用進行初歩描述，但這些手術應用僅僅是示例性的應用，並且所公開的末端執行器、工具以及方法可以用於其他適當的應用中，在人體之內和之外均可，並且用於非手術的應用中。在第一方面，提供了ー種微創手術方法。該方法包括將工具的夾爪通過微創開ロ 或自體孔ロ而引人病人體內的內部手術部位；通過用第一致動機構來鉸接該夾爪而以抓握力來操縱該內部手術部位處的組織；並且通過用第二致動機構來鉸接該夾爪而用夾緊カ來治療該內部手術部位處的目標組織。該第一和第二致動機構沿軸從病人體外延伸至該夾爪。該夾緊力大於該抓握力。在許多實施例中，該第一致動機構包括多個纜線部分並且該第二致動機構包括驅動軸。在許多實施例中，操縱該組織是通過使用第一纜線部分中的張カ而閉合該夾爪並且通過使用第二纜線驅動中的張カ而打開該夾爪來進行的。在許多實施例中，治療該組織是通過使用該驅動軸在該工具的軸內的轉動而閉合該夾爪來進行的。在許多實施例中，該第 ニ機構反向驅動該第一機構，使得該第二致動機構的閉合該夾爪的鉸接作用將驅動這些纜線部分朝向一種閉合的夾爪構型，並且如果這些纜線部分保持在閉合的夾爪構型中，則該第二致動機構朝向一種打開的夾爪構型的鉸接作用並不反向驅動該第一機構或者打開該夾爪。在另一方面，提供了一種手術工具。該術工具包括長形軸，該長形軸具有近端和遠端；被布置在該軸的遠端處的工具本體；相對於該工具在一種夾緊構型與打開構型之間可移動的夾爪；與該夾爪偶聯的第一致動機構；以及與該夾爪偶聯的第二致動機構。該第一致動機構可操作來改變該夾爪相對於該工具本體在該夾緊構型與該打開構型之間的位置。該第二致動機構具有ー種第一構型和ー種第二構型，在該第一構型中該夾爪被保持在該夾緊構型中，在該第二構型中，該夾爪相對於該工具本體的位置不受該第二致動機構的限制。該第一致動機構可以包括ー個或多個另外的部件和/或具有ー個或多個另外的特徵。例如，在許多實施例中，該第一致動機構是可反向驅動的。在許多實施例中，該第一致動機構包括纜線。在許多實施例中，該第一致動機構的第一纜線部分的拉動運動使該夾爪朝該打開構型移動，並且該第一致動機構的第二纜線部分的拉動運動使該夾爪朝該夾緊構型移動。該第一致動機構可以包括連接該第一纜線部分與該夾爪和工具本體的第一連結件。該第一致動機構可以包括連接該第二纜線部分與該夾爪和工具本體的第二連結件。該第二致動機構可以包括ー個或多個另外的部件和/或具有ー個或多個另外的特徵。例如，在許多實施例中，該第二致動機構是不可反向驅動的。該第二致動機構可能可操作來在該夾爪與工具本體之間產生至少201bs的夾緊力。在許多實施例中，該第二致動機構包括導螺杆。該第二致動機構可以包括導螺杆驅動的凸輪，該凸輪與該導螺杆可操作地偶聯並且該夾爪可以包括與該導螺杆驅動的凸輪相接觸的凸輪接觸面。該手術工具可以包括ー個或多個另外的部件。例如，該手術工具可以進一歩包括被致動的裝置。例如，該被致動的裝置可以是切割裝置、縫合裝置、或切割且縫合裝置。在另一方面，提供了一種用於安裝在具有第一驅動器的操縱器上的機器人工具。 該機器人工具包括能可釋放地安裝在該操縱器上的近端工具底盤；與該工具底盤偶聯並且與該工具底盤相鄰布置的驅動電動機；遠端執行器，該遠端執行器包括可移動夾爪；儀器軸，該儀器軸具有與該底盤相鄰的近端和與該末端執行器相鄰的遠端；在該底盤被安裝到該操縱器上時將該第一驅動器偶聯到該末端執行器上的第一致動機構，從而在一種打開構型與夾緊構型之間鉸接該末端執行器；以及將該驅動電動機偶聯到該末端執行器上的第 ニ致動機構，從而將該末端執行器從該打開構型鉸接至該夾緊構型。該第一致動機構可以包括ー個或多個另外的部件和/或具有ー個或多個另外的特徵。例如，在許多實施例中，該第一致動機構是可反向驅動的。該第一致動機構包括多根纜線，這些纜線在將該末端執行器可操作地偶聯至該第一驅動器上的該儀器軸的孔內在遠端從該底盤延伸。該第二致動機構可以包括ー個或多個另外的部件和/或具有ー個或多個另外的特徵。例如，在許多實施例中，該第二致動機構是不可反向驅動的。該第二致動機構可以包括導螺杆驅動的凸輪。該第二致動機構可以具有ー種第一構型和ー種第二構型，在該第一構型中該夾爪被保持在該夾緊構型中，在該第二構型中，該夾爪相對於該工具本體的位置不受該第二致動機構的限制。該第二致動機構可以包括驅動軸，該驅動軸被安裝用於在該儀器軸的孔內轉動並且可操作地偶聯該末端執行器與該驅動電動機。在另一方面，提供了ー種手術儀器。該手術儀器包括遠端執行器，該遠端執行器包括可移動夾爪；偶聯在該可移動夾爪上的第一夾爪致動機構；以及偶聯在該可移動夾爪上的第二夾爪致動機構。該第一夾爪致動機構獨立於該第二夾爪致動機構而使該夾爪從打開位置移動至閉合位置。該第二夾爪致動機構獨立於該第一夾爪致動機構而使該夾爪從該打開位置移動至該閉合位置。該第二夾爪機構可以限制該第一致動機構可以移動該夾爪的移動範圍。例如，該第二致動機構可以具有ー種第一構型，其中該可移動夾爪被保持在一種夾緊位置中，並且其中防止了該第一致動機構移動該可移動夾爪。該第一致動機構可以提供ー種快速響應/低力的鉸接模式，並且該第二致動機構可以提供ー種高夾緊カ的模式。例如，在許多實施例中，由該第二致動機構所提供的該可移動夾爪的最大夾緊カ大於由該第一致動機構所提供的最大夾緊力。該第一和第二致動機構可以採用不同的カ傳輸機構。例如，該第一夾爪致動機構用來將該夾爪從打開位置移動至閉合位置的カ可以包括線性力，並且該第二夾爪致動機構用來將該夾爪從打開位置移動至閉合位置的カ可以包括扭矩。在許多實施例中，該第一夾爪致動機構包括纜線驅動的機構。在許多實施例中，該第二夾爪致動機構包括導螺杆驅動的機構。為了更全面地理解本發明的本質和優點，應該參考接下來的具體實施方式
和附圖。本發明的其他方面、目的和優點將從附圖以及接下來的具體實施方式
中變得清楚。


圖1是根據許多實施例用來進行手術的ー種微創機器人手術系統的平面視圖。圖2是根據許多實施例用於ー種機器人手術系統的外科醫生控制臺的透視圖。圖3是根據許多實施例的一種機器人手術系統電子儀器推車的透視圖。圖4圖解地展示了根據許多實施例的一種機器人手術系統。圖5A是根據許多實施例的一種機器人手術系統的病人側推車(手術機器人)的正視圖。圖5B是機器人手木工具的正視圖。圖6A是根據許多實施例的ー種具有鉸接的夾爪的末端執行器的透視圖。圖6B是根據許多實施例的圖6A的末端執行器的透視圖(移除了該鉸接的夾爪以更好地展示導螺杆致動機構部件)。圖7A和7B展示了根據許多實施例的導螺杆致動機構的部件。
圖8A展示了根據許多實施例的纜線致動機構的部件。圖8B是根據許多實施例的圖8A的末端執行器的透視圖，其中移除了該鉸接的夾爪的一部分以顯示出布置在該鉸接的夾爪後面的纜線致動機構部件。圖8C至8F展示了圖8A的纜線致動機構的相反側部件。圖9A是根據許多實施例展示纜線致動機構的透視圖，其示出了用來朝一種夾緊構型而鉸接該夾爪的纜線。圖9B是展示了圖9A的纜線致動機構的透視圖，其示出了用來朝一種打開構型而鉸接該夾爪的纜線。圖10是根據許多實施例圖示說明導螺杆致動機構的部件的截面視圖。圖11是根據許多實施例的ー種工具組件的簡化的圖解說明圖。圖12是根據許多實施例安裝在機器人工具操縱器上的機器人工具的簡化的圖解說明圖。
具體實施例方式提供了改進的末端執行器、相關的工具以及相關的方法。在許多實施例中，所公開的末端執行器使用兩個獨立的機構來鉸接該末端執行器的夾爪。在許多實施例中，第一致動機構提供ー種快速響應/低カ的模式，該模式在一種夾緊構型與一種打開構型之間改變該鉸接的夾爪的位置。在許多實施例中，該第一致動機構是可反向驅動的。該第一致動機構可以被設計用於在該末端執行器的鉸接的夾爪尖端處提供例如51bs的夾緊力。在許多實施例中，第二致動機構提供ー種高的夾緊カ的模式，該模式具有ー種第一構型和ー種第 ニ構型，在該第一構型中該鉸接的夾爪被保持在ー種夾緊構型中，在該第二構型中該鉸接的夾爪不受該第二致動機構的限制。在許多實施例中，該第二致動機構是不可反向驅動的。 在許多實施例中，該第二致動機構將較弱的力或扭矩(但可獲得大的位移)轉化為較高的扭矩，用於轉動該末端執行器的夾爪。該第二致動機構可以被設計用於在該末端執行器的鉸接的夾爪尖端處提供例如50磅的夾緊力。所公開的末端執行器、工具和方法可以用於多種應用中、並且在用於微創手術應用中時可能是特別有益的。雖然在此公開的不同實施例是關於手術應用進行初歩描述，但這些手術應用僅僅是示例性的應用，並且所公開的末端執行器、工具以及方法可以用於其他適當的應用中，在人體之內和之外均可，並且用於非手術的應用中。微創機器人手術現在參見附圖，在這幾個視圖中類似的參考號代表類似的部件，圖1是ー種微創機器人手術(iORS)系統10的平面視圖，該系統一般地用於對躺在手術臺14上的病人12 進行微創診斷或手術程序。該系統可以包括在該程序過程中供外科醫生18使用的外科醫生控制臺16。ー個或多個助手20可以參與這個過程。該MIRS系統10可以進一歩包括病人側推車22 (手術機器人)以及電子儀器推車對。在外科醫生18通過控制臺16查看該手術部位的同吋，病人側推車22可以操縱至少ー個可拆卸地連接的工具組件沈(以下簡稱為 「工具」)穿過病人12體內的微創切ロ。通過內窺鏡觀(例如立體內窺鏡)可以獲得手木部位的圖像，該內窺鏡可以由病人側推車22來操縱從而對內窺鏡觀進行定向。電子儀器推車對可以用來處理這些手術部位圖像用於隨後通過外科醫生控制臺16而顯示給外科醫生
918。除其他因素之外，一次使用的手木工具沈的數目一般主要取決於該診斷或外科手術程序以及手術室內的空間限制條件。如果必須在進程中改變所使用的ー個或多個工具26，則助手20可以從病人側推車22上移除工具沈並且從手術室內的託盤30上用另ー工具沈來替換它。圖2是外科醫生控制臺16的透視圖。外科醫生控制臺16包括左眼顯示器32和右眼顯示器34，用於對外科醫生18呈現手術部位的協調的立體視圖，該視圖能獲得深度感知。控制臺16進ー步包括一個或多個輸入控制器件36，這些器件進而使得病人側推車22 (圖1中所示)操縱ー個或多個工具。這些輸入控制器件36將提供與它們的相關聯的工具 26 (圖1中所示)相同的自由度，從而對外科醫生提供遠程呈現或以下感知，即這些輸入控制器件36與工具沈是一體的，使得外科醫生具有直接控制著工具沈的強烈感覺。為此， 可以採用位置、力以及觸覺反饋傳感器(未示出)可以用來將來自工具26的位置、力和觸覺感覺通過這些輸入控制器件36傳輸回到外科醫生的手上。外科醫生控制臺16通常與病人位於相同房間以便外科醫生可以直接監視這個過程，如果必要可親自上陣並且直接向助手說話而不是通過電話或其他通信媒介。然而，外科醫生可以位於不同房間內、完全不同的建築物內、或遠離病人的其他位置，以允許遠程的手術程序(即，在無菌場所外進行手木)。圖3是電子儀器推車M的透視圖。電子儀器推車M可以與內窺鏡觀相連並且可以包括處理器來處理圖像以便隨後顯示，例如在外科醫生控制臺上顯示給外科醫生、或者在位於附近和/或遠處的任何其他適當的顯示器上。例如，當使用立體內窺鏡吋，電子儀器推車M可以對捕獲的圖像進行處理從而對外科醫生呈現手術部位的協調的立體圖像。這樣的協調可以包括相反圖像之間的調準並且可以包括調整立體內窺鏡的立體工作距離。作為另一例子，圖像處理可以包括使用之前確定的相機校準參數來對圖像捕獲裝置的成像誤差(如光學像差)進行補償。圖4圖解地展示了一種機器人手術系統50(如圖1的MIRS系統10)。如以上討論的，在微創程序中外科醫生可以使用外科醫生控制臺52 (如圖1中的外科醫生控制臺16) 來控制病人側推車(手術機器人)54 (如圖1中的病人側推車22)。該病人側推車M可以使用成像裝置，如立體內窺鏡，來捕獲手術部位的圖像並且將所捕獲的圖像輸出至電子儀器推車56 (如圖1中的電子儀器推車對)。如以上討論的，電子儀器推車56可以在任何的隨後顯示之前按多種方式來處理所捕獲的圖像。例如，電子儀器推車56可以在將組合的圖像通過外科醫生控制臺52顯示給外科醫生之前以虛擬的控制板界面覆蓋所捕獲的圖像。病人側推車M可以將所捕獲的圖像輸出以便在電子儀器推車56外部進行處理。例如，病人側推車M可以將所捕獲的圖像輸出給處理器58，該處理器可以用來處理這些捕獲的圖像。 這些圖像還可以通過電子儀器推車56與處理器58的組合進行處理，推車和處理器可以連接在一起以便共同地、相繼地和/或以其組合方式來處理所捕獲的圖像。還可以將ー個或多個顯示器60與該處理器58和/或電子儀器推車56相連，用於本地和/或遠程顯示圖像， 如手術部位的圖像或任何其他相關圖像。圖5A和5B分別顯示了病人側推車22和手術工具62。手術工具62是這些手術エ 具沈的例子。所示的病人側推車22提供了對三個手木工具沈以及成像裝置28的操縱， 如用於捕獲手術部位的圖像的立體內窺鏡。操縱是由具有多個機器人接頭的機器人機構提供的。成像裝置觀和這些手木工具沈可以穿過病人體內的切ロ來定位和操縱，使得在該切ロ處維持運動學遠程中心從而將該切ロ的尺寸最小化。手術部位的圖像可以包括這些手木工具沈的遠端在它們被定位在成像裝置觀的視場內時的圖像。具有獨立的致動機構的末端執行器夾爪較接作用在許多實施例中，使用兩個獨立的致動機構來控制末端執行器的鉸接的夾爪的鉸接作用。可以使用第一致動機構來提供ー種快速響應/低カ的模式，並且可以使用第二致動機構來提供ー種高夾緊カ的模式。在許多實施例中，用來提供該快速響應/低力的鉸接模式的這個第一致動機構是可反向驅動的。在許多實施例中，用來提供該高夾緊カ的鉸接模式的這個第二致動機構是不可反向驅動的。像這樣使用兩個獨立的致動機構在某些手術應用中可能是有益的，例如在電烙術密封、縫合等等中，這些應用可能在使用高力夾爪夾具來執行手木工具的任務之前要求多個低カ的夾爪布置夾具。在許多實施例中，該快速響應/低力的模式是由纜線致動機構提供的，該纜線致動機構包括一對拉動纜線。在許多實施例中，這對中的第一纜線的拉動運動使該鉸接的夾爪朝一種閉合(夾緊)構型鉸接，並且這對中的第二纜線的拉動運動使該鉸接的夾爪朝ー種打開緊構型鉸接。在許多實施例中，該纜線致動機構是可反向驅動的。在許多實施例中，該高夾緊カ的模式是由導螺杆致動機構提供的，該導螺杆致動機構包括導螺杆驅動的凸輪。當該導螺杆驅動的凸輪處於其移動範圍的第一末端吋，該驅動的凸輪與該鉸接的夾爪上的配合的凸輪表面相接觸從而將該鉸接的夾爪夾持在ー種夾緊構型中。此外，當該導螺杆驅動的凸輪處於其移動範圍的第二末端(相反末端)吋，該驅動的凸輪並不限制該鉸接的夾爪的移動。換言之，這些配合的凸輪表面被安排為使得該導螺杆驅動的凸輪在方向上的移動將致使該鉸接的夾爪閉合，並且該導螺杆驅動的凸輪在相反方向上的移動將允許(但不強迫)該鉸接的夾爪打開至這些凸輪表面所提供的限值。在許多實施例中，該導螺杆致動機構是不可反向驅動的。圖6A是根據許多實施例的ー種末端執行器70的透視圖，該末端執行器具有夾爪 72，該夾爪被兩個獨立的致動機構所鉸接。末端執行器70包括末端執行器基座74、該鉸接的夾爪72、以及可分離的靜止夾爪76。末端執行器70是通過第一驅動軸78、第二驅動軸 80、以及兩個致動纜線(未示出)來致動。第一驅動軸78使導螺杆致動機構的導螺杆82轉動。第二驅動軸80使該可分離的靜止夾爪76的另ー導螺杆(未示出)轉動。在許多實施例中，第一驅動軸78和/或第二驅動軸80由位於近端工具底盤中的多個驅動部件來驅動，該末端執行器70通過儀器軸與該底盤相連。在許多實施例中，該近端工具底盤被配置為能可釋放地安裝在機器人工具操縱器上。在許多實施例中，第一驅動軸78和第二驅動軸80是通過位於該近端工具底盤中的對應的驅動部件來致動。在許多實施例中，這種驅動部件是由位於該近端工具底盤中的多個電動機來驅動。圖6B是根據許多實施例的圖6A的末端執行器70的透視圖(移除了該鉸接的夾爪 72以更好地展示該導螺杆致動機構的部件)。導螺杆82被安裝用於相對於該末端執行器基座74轉動。導螺杆驅動的凸輪84與該導螺杆82相連，使得可以使用導螺杆82的選擇性轉動來選擇性地使該導螺杆驅動的凸輪84沿著凸輪槽86在末端執行器基座74內平移。 末端執行器70包括樞軸銷88，該銷被用於可轉動地連接該鉸接的夾爪72與該末端執行器基座74。
圖7A和7B展示了圖6A和6B的導螺杆致動機構。導螺杆82具有遠端軸頸表面 96以及與近端軸承98相接觸的近端軸頸表面。在許多實施例中，該遠端軸頸表面96被接收在位於凸輪槽86的遠端處的圓柱形接收座中。用於導螺杆82的這樣遠端支撐件可以被配置用於使導螺杆82不過度擺動、並且在遠端軸頸表面96與該圓柱形接收座之間沒有相對較大的間隙。近端軸承98被末端執行器基座74支撐從而支撐了導螺杆82的近端。近端軸承98可以是滾珠軸承，這可以幫助減小摩擦和磨損。遠端軸承(未示出)可以由該末端執行器基座74來支撐從而支撐導螺杆82的遠端，並且該遠端軸承可以是滾珠軸承。導螺杆驅動的凸輪84包括螺紋孔，該孔被配置用幹與導螺杆82的外螺紋匹配。導螺杆驅動的凸輪84包括頂表面和底表面，這些表面被配置用幹與凸輪槽86的對應的頂表面和底表面相互作用。導螺杆驅動的凸輪84與凸輪槽86之間的相互作用防止了該導螺杆驅動的凸輪 84相對於凸輪槽86轉動，這致使該導螺杆驅動的凸輪84響應於該導螺杆的轉動而沿著凸輪槽86平移。鉸接的夾爪72包括相匹配的凸輪表面94，這些表面被配置為使得導螺杆驅動的凸輪84沿著凸輪槽86的位置決定了鉸接的夾爪72圍繞該樞軸銷88旋轉運動的程度受到該導螺杆驅動的凸輪84的限制。鉸接的夾爪72包括被中央槽分隔的第一近側100和第二近側102。當鉸接的夾爪72與末端執行器基座74通過樞軸銷88相連時，該第一和第二近側被布置在末端執行器基座74的相反的側面上。第一和第二近側100、102中的每ー個都包括凹陷區域，該凹陷區域限定了匹配的凸輪表面94並且在導螺杆驅動的凸輪84與這些近側100、102之間提供了間隙。當導螺杆驅動的凸輪84被定位在凸輪槽86的近端處或附近(靠近圖7A和7B中展示的位置)吋，該導螺杆驅動的凸輪84與鉸接的夾爪72的這些相匹配的凸輪表面94之間的接觸將該鉸接的夾爪夾持在ー種夾緊構型中。當該導螺杆驅動的凸輪84被定位在凸輪槽86的遠端處吋，該鉸接的夾爪圍繞該樞軸銷88的旋轉位置在一種夾緊構型(此時在該導螺杆驅動的凸輪84與鉸接的夾爪72的相匹配的凸輪表面94之間存在空隙)與ー種打開構型(此時在該導螺杆驅動的凸輪84與鉸接的夾爪72的相匹配的凸輪表面94之間可能存在或可能不存在空隙)之間的範圍內不受該導螺杆驅動的凸輪84的限制。對於該導螺杆驅動的凸輪84在凸輪槽86的近端與遠端之間的位置，不受限的運動範圍可以根據所使用的凸輪表面發生改變。使用近側100、102各自中的凹陷來限定鉸接的夾爪72的這些相匹配的凸輪表面 94提供了多個益處。例如，使用與延伸穿過這些近側的橫向槽相反的凹陷對該鉸接的夾爪的近側100、102提供了連續的外表面，這與橫向槽開ロ相比較不容易糾纏(snag)在病人組織上。與具有橫向槽的近側相比，不存在橫向槽也有助於將近側100、102加硬，並且因此提供増大的夾緊硬挺度。這樣的近側100、102可以在兩個平面內具有増大的硬挺度，這可以幫助在外力的存在下維持該鉸接的夾爪72的對齊。這樣的在兩個平面內的増大的硬挺度在某些手術應用中可能是有益的，例如在組織縫合中，此時維持釘(staple)與形成釘的砧座(anvil pocket)之間的對齊是有益的。此外，使用凹陷來代替橫向槽還提供了ー種致動機構，該機構與具有帶開放橫向槽的近側相比較不容易被外來材料堵塞。該導螺杆致動機構可以被配置為在該鉸接的夾爪與該末端執行器的對置夾爪之間提供所希望的夾緊カ。例如，在許多實施例中，該導螺杆致動機構被配置為在該鉸接的夾爪72的尖端處(例如距樞軸銷88約2英寸)提供至少201bs的夾緊力。在許多實施例中，該導螺杆致動機構被配置為在該鉸接的夾爪72的尖端處提供至少501bs的夾緊力。在許多實施例中，為了在該鉸接的夾爪72的尖端處產生501bs的夾緊力，至導螺杆82的輸入扭矩是大約0. 2N m並且該導螺杆82具有四圏。該導螺杆致動機構可以使用可獲得的材料和部件來製造。例如，該導螺杆致動機構的許多部件可以由ー種或多種可獲得的不鏽鋼來製造。該導螺杆驅動的凸輪84可以進行塗覆(例如，TiN)以便減小它所摩擦的這些表面的摩擦力(例如，導螺杆82 ；末端執行器基座74 ；鉸接的夾爪72的近側100、102)。可以使用成股的纜線來驅動該第一致動機構。圖8A至8F展示了根據許多實施例的纜線致動機構110的部件。如以上描述的， 該導螺杆驅動的凸輪84可以被定位在凸輪槽86的遠端(即，靠近該樞軸銷88)。對於該導螺杆驅動的凸輪84的這樣遠端位置，如以上討論的，鉸接的夾爪72圍繞該樞軸銷88的旋轉位置在鉸接的夾爪72的旋轉位置的範圍內不受限制。因此，該鉸接的夾爪72圍繞該樞軸銷88的旋轉位置可以由該纜線致動機構110來控制。該纜線致動機構110可操作來改變該鉸接的夾爪在該夾緊構型與該打開構型之間的旋轉位置。該纜線致動機構110包括一對拉動纜線112、114。該纜線致動機構110還包括用來使該鉸接的夾爪72圍繞該樞軸銷 88朝該夾緊構型轉動的第一連結件116、以及用來使該鉸接的夾爪72圍繞該樞軸銷88朝該打開構型轉動的類似的第二連結件118。該第一連結件116 (圖8A和8B中所示)包括旋轉鏈120，該旋轉鏈被安裝為通過樞軸銷122相對於該末端執行器基座74旋轉。連接鏈 124通過樞軸銷1 和樞軸銷1 將該旋轉鏈120連接到該鉸接的夾爪72上。該第一連結件116通過該拉動纜線112的拉動運動而鉸接。在操縱中，拉動纜線112的拉動運動使得該旋轉鏈120圍繞該樞軸銷122在順時針方向轉動。產生的連接鏈124的運動使得鉸接的夾爪72圍繞樞軸銷88朝該夾緊構型以逆時針方向轉動。該纜線致動機構110的第二連結件118 (圖8C至8F中所示)包括與第一連結件 116類似的部件，例如被安裝來通過樞軸銷132相對於末端執行器基座74轉動的旋轉鏈 130、以及通過兩個樞軸銷136和138將該旋轉鏈130連接到該鉸接的夾爪72上的連接鏈 134。該第二連結件118通過該拉動纜線114的拉動運動而鉸接。該第二連結件118被配置為使得該拉動纜線114的拉動運動讓該鉸接的夾爪72圍繞樞軸銷88朝該打開構型轉動。在許多實施例中，該第二連結件118的連接鏈134與旋轉鏈130之間的樞軸銷136與該第一連結件116的連接鏈IM與旋轉鏈120之間的樞軸銷126是180度異相的。該纜線致動機構110的拉動纜線112、114的協調的拉動和伸展被用來在該打開構型與夾緊構型之間鉸接該鉸接的夾爪72。為了最好地提供相等且相反的纜線運動(並且由此在以下描述的絞盤驅動的系統中維持纜線張力)，樞軸銷122、132的共用旋轉軸線被配置為落在以下平面上該平面包含在該鉸接的夾爪72被閉合(或幾乎閉合)時並且再次在該鉸接的夾爪72打開(或幾乎打開)時樞軸銷128、138的這些旋轉軸線。這些連接鏈124、134被組裝為圍繞第一和第二連結件116、118的這個同一平面是對稱地相反的。樞軸銷122、1沈之間以及樞軸銷132、136之間的距離對於第一和第二連結件116、118是相同的，並且樞軸銷じ6、1觀之間以及樞軸銷136、138之間的距離對於第一和第二連結件116、118是相同的。圖9A和9B展示了根據許多實施例通過另ー個纜線致動機構140對該鉸接的夾爪72的鉸接作用。在該纜線致動機構的實施例140中，第一拉動纜線142與第二拉動纜線 144直接與該鉸接的夾爪72的近端相連。該第一拉動纜線142纏繞在第一滑輪146上，使得該第一拉動纜線142的拉動運動讓該鉸接的夾爪72圍繞樞軸銷88朝該夾緊構型轉動。 該第二拉動纜線144纏繞在第二滑輪148上，使得該第二拉動纜線144的拉動運動讓該鉸接的夾爪72圍繞樞軸銷88朝該打開構型轉動。因此，該纜線致動機構140的第一和第二拉動纜線的協調的拉動和伸展被用來在該打開構型與夾緊構型之間鉸接該鉸接的夾爪72。 為了最好地提供相等且相反的纜線運動(並且由此在下面描述的絞盤驅動的系統中維持纜線張力)，纜線142圍繞樞軸88而限定的圓弧半徑與纜線144圍繞樞軸88而限定的圓弧半徑基本上相同。在許多實施例中，該纜線(S卩，低的力)致動機構包括一對拉動纜線，這對纜線是通過布置在近端工具底盤中的致動部件來致動的。該近端工具底盤可以被配置為能可釋放地安裝到具有驅動機構的機器人工具操縱器上，該驅動機構與該致動部件可操作地相連。例如，這對拉動纜線可以纏繞在位於該近端工具底盤中的絞盤上。當該近端工具底盤被安裝於該機器人工具操縱器上吋，該絞盤與該機器人工具操縱器的絞盤驅動伺服電動機可操作地相連。該絞盤驅動電動機的選擇性轉動可以用於產生該絞盤的對應轉動。該絞盤的轉動可以用來產生這些拉動纜線的相協調的伸展和收縮。如以上討論的，這些拉動纜線的相協調的致動可以用來產生該末端執行器的鉸接的夾爪的一種對應的鉸接作用。在許多實施例中，該快速響應/低力的模式是由可反向驅動的纜線致動機構提供的。例如，施加給該鉸接的夾爪的外力可以用來使該鉸接的夾爪朝該夾緊構型轉動並且反向驅動該纜線致動機構。利用包括一對纏繞在絞盤上的拉動纜線的ー種纜線致動機構，使該鉸接的夾爪朝該夾緊構型轉動的外力導致了在這些拉動纜線之一中張カ增大並且在另 ー拉動纜線中張カ減小，由此致使該絞盤相應地轉動。正如已知的，這樣纜線驅動的系統可以被配置為具有對於可反向驅動性而言足夠的效力。同樣，施加給該鉸接的夾爪的外力可以用來使該鉸接的夾爪朝該打開構型轉動並且反向驅動該纜線致動機構。如以上討論的， 一種可反向驅動的快速響應/低力的致動機構提供了多個益處。可以使用替代的機構來提供ー種快速響應/低力的鉸接模式。例如，可以使用包括推/拉杆的一種致動機構。圖10是展示了以上討論的導螺杆致動機構的多個部件的截面視圖。所展示的這些部件包括導螺杆82、導螺杆驅動的凸輪84、位於末端執行器基座74中的凸輪槽86、遠端軸頸表面96、位於末端執行器基座中的圓柱形接收座154、以及由末端執行器基座74支撐的近端軸承98。圖11是根據許多實施例的ー種工具組件170的簡化的透視圖解展示。該工具組件170包括近端致動機構172 ；長形軸174，該長形軸具有近端和遠端；被布置在該軸的遠端處的工具本體176 ；相對於該工具本體176在一種夾緊構型與打開構型之間可移動的夾爪178 ；與該夾爪偶聯的第一致動機構；以及與該夾爪偶聯的第二致動機構。該第一致動機構可操作來改變該夾爪相對於該工具本體在該夾緊構型與該打開構型之間的位置。該第 ニ致動機構具有ー種第一構型和ー種第二構型，在該第一構型中該夾爪被保持在該夾緊構型中，在該第二構型中，該夾爪相對於該工具本體的位置不受該第二致動機構的限制。該第一致動機構與該近端致動機構可操作地相連。在許多實施例中，該第一致動機構包括由該近端致動機構所致動的ー對拉動纜線。該第二致動機構與該近端致動機構可操作地相連。在許多實施例中，該第二致動機構包括位於該工具本體內的導螺杆驅動的凸輪，該凸輪由該近端致動機構通過驅動軸來驅動，該驅動軸從該近端致動機構延伸穿過了該長形軸 174164。該工具組件170可以被配置用於多種應用中。例如，該工具組件170可以被配置為ー種具有用於近端致動機構中的手動和/或自動致動的手持裝置。該工具組件170可以被配置用於手術應用中，例如用於電烙術密封、縫合等中。該工具組件170可以具有微創機器人手術之外的應用，例如非機器人微創手術、非微創機器人手術、非機器人非微創手木、 以及使用所公開的復設的夾爪致動將會有益的其他應用。復設的夾爪致動可以用來鉸接機器人工具末端執行器的夾爪。例如，圖12示意性地展示了一種採用了復設的夾爪致動的機器人工具180。該機器人工具180包括近端エ 具底盤182、驅動電動機184、儀器軸186、遠端末端執行器188、第一致動機構部分190、以及第ニ致動機構192。該遠端末端執行器188包括鉸接的夾爪194。該近端工具底盤182 能可釋放地安裝到機器人工具操縱器196上，該操縱器具有第一驅動器198以及第一致動機構部分200，當該近端工具底盤182被安裝到該機器人工具操縱器196上時，該第一致動機構部分200與該機器人工具180的第一致動機構部分190可操作地相連。該儀器軸186 具有與該工具底盤182相鄰的近端和與該末端執行器188相鄰的遠端。在該工具底盤182 被安裝到該工具操縱器196上時該第一致動機構(包括部分200和部分190)將該第一驅動器198偶聯到鉸接的夾爪194上，從而在一種打開構型與夾緊構型之間鉸接該末端執行器 188。該第二致動機構192將該驅動電動機184偶聯到該鉸接的夾爪194上，從而將該末端執行器從該打開構型鉸接至該夾緊構型。該第一致動機構可以是纜線致動機構，例如以上討論的、提供快速響應/低力的模式的ー種纜線致動機構。在許多實施例中，該第一致動機構是可反向驅動的。該第二致動機構可以包括驅動軸，該驅動軸將該驅動電動機184與導螺杆致動機構(例如，以上討論的提供該高夾緊カ的模式的纜線致動機構)相連。在許多實施例中，該第二致動機構是不可反向驅動的。應理解的是在此描述的示例和實施例是出於展示的目的，並且鑑於此將啟示本領域普通技術人員進行各種修改或改變，並且這些修改或改變將包括在本申請的主_和權限以及所附權利要求書的範圍之內。大量的不同組合是可能的，並且這樣的組合被認為是本發明的一部分。
權利要求
1.ー種微創手術方法，包括將工具的夾爪通過微創開ロ或自體孔ロ引入病人體內的內部手術部位； 通過用第一致動機構鉸接所述夾爪而以抓握力來操縱所述內部手術部位處的組織，所述第一致動機構沿著軸從病人外部延伸至所述夾爪；並且通過用第二致動機構鉸接所述夾爪而用夾緊カ來治療所述內部手術部位處的目標組織，所述第二致動機構沿著所述軸從病人外部延伸至所述夾爪，所述夾緊力大於所述抓握力。
2.如權利要求1所述的方法，其中操縱所述組織是通過使用第一纜線部分內的張カ而閉合所述夾爪並且通過使用第二纜線部分內的張カ而打開所述夾爪來進行，所述第一致動機構包括所述纜線部分，並且其中對所述組織的所述治療是通過使用所述工具的軸內的驅動軸的轉動而閉合所述夾爪來進行，所述第二致動機構包括所述驅動軸。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述第二機構反向驅動所述第一機構，使得所述第 ニ致動機構閉合所述夾爪的鉸接作用將朝向閉合的夾爪構型驅動所述纜線部分，其中如果所述纜線部分保持在閉合的夾爪構型中，則所述第二致動機構朝向打開的夾爪構型的鉸接作用並不反向驅動所述第一機構或者打開所述夾爪。
4.一種手術工具，包括長形軸，所述長形軸具有近端和遠端； 布置在所述軸的所述遠端處的工具本體；夾爪，所述夾爪相對於所述工具本體在夾緊構型與打開構型之間能夠移動； 第一致動機構，所述第一致動機構與所述夾爪偶聯並且能操作來改變所述夾爪相對於所述工具本體在所述夾緊構型與所述打開構型之間的位置；以及與所述夾爪偶聯的第二致動機構，所述第二致動機構具有第一構型和第二構型，在所述第一構型中所述夾爪被保持在所述夾緊構型中，在所述第二構型中所述夾爪相對於所述工具本體的位置不受所述第二致動機構的限制。
5.如權利要求4所述的工具，其中，所述第一致動機構是能夠反向驅動的。
6.如權利要求4所述的工具，其中，所述第一致動機構包括纜線。
7.如權利要求6所述的工具，其中所述第一致動機構的第一纜線部分的拉動運動使所述夾爪朝所述打開構型移動；並且所述第一致動機構的第二纜線部分的拉動運動使所述夾爪朝所述夾緊構型移動。
8.如權利要求7所述的工具，其中，所述第一致動機構進ー步包括 將所述第一纜線部分與所述夾爪和所述工具本體偶聯的第一連結件；以及將所述第二纜線部分與所述夾爪和所述工具本體偶聯的第二連結件。
9.如權利要求4所述的工具，其中，所述第二致動機構是不能夠反向驅動的。
10.如權利要求4所述的工具，其中，所述第二致動機構可操作以在所述夾爪與工具本體之間產生至少201bs的夾緊力。
11.如權利要求4所述的工具，其中，所述第二致動機構包括導螺杆。
12.如權利要求11所述的工具，其中所述第二致動機構進ー步包括與所述導螺杆可操作地偶聯的導螺杆驅動的凸輪；並且所述夾爪包括用幹與所述導螺杆驅動的凸輪接觸的凸輪接觸面。
13.如權利要求4所述的工具，進ー步包括被致動的裝置。
14.一種用於安裝在具有第一驅動器的操縱器上的機器人工具，所述工具包括 能可釋放地安裝至所述操縱器的近端工具底盤；與所述工具底盤偶聯並且與所述工具底盤相鄰布置的驅動電動機； 遠端執行器，所述遠端執行器包括可移動夾爪；儀器軸，所述儀器軸具有與所述底盤相鄰的近端和與所述末端執行器相鄰的遠端； 第一致動機構，其在所述底盤被安裝到所述操縱器上時將所述第一驅動器偶聯到所述末端執行器，從而在打開構型與夾緊構型之間鉸接所述末端執行器；以及第二致動機構，其將所述驅動電動機偶聯到所述末端執行器，從而將所述末端執行器從所述打開構型鉸接至所述夾緊構型。
15.如權利要求14所述的工具，其中，所述第一致動機構是能夠反向驅動的。
16.如權利要求14所述的工具，其中，所述第一致動機構包括多根纜線，所述纜線在將所述末端執行器可操作地偶聯至所述第一驅動器的所述儀器軸的孔內在遠端從所述底盤延伸。
17.如權利要求14所述的工具，其中，所述第二致動機構是不能夠反向驅動的。
18.如權利要求14所述的工具，其中，所述第二致動機構包括導螺杆驅動的凸輪。
19.如權利要求14所述的工具，其中，所述第二致動機構具有第一構型和第二構型，在所述第一構型中所述夾爪被保持在所述夾緊構型中，在所述第二構型中所述夾爪相對於所述工具本體的位置不受所述第二致動機構的限制。
20.如權利要求14所述的工具，其中，所述第二致動機構包括驅動軸，所述驅動軸被安裝用於在所述儀器軸的孔內轉動並且可操作地偶聯所述末端執行器與所述驅動電動機。
21.—種手術儀器，包括末端執行器，所述末端執行器包括可移動夾爪； 偶聯至所述可移動夾爪的第一夾爪致動機構；以及偶聯至所述可移動夾爪的第二夾爪致動機構；其中所述第一夾爪致動機構獨立於所述第二夾爪致動機構而使所述夾爪從打開位置移動至閉合位置；並且其中所述第二夾爪致動機構獨立於所述第一夾爪致動機構而使所述夾爪從所述打開位置移動至所述閉合位置。
22.如權利要求21所述的手術儀器，其中，處於第一構型中的所述第二致動機構將所述可移動夾爪保持在防止所述第一致動機構移動所述可移動夾爪的夾緊位置中。
23.如權利要求22所述的手術儀器，其中，由所述第二致動機構所提供的所述可移動夾爪的最大夾緊カ大於由所述第一致動機構所提供的所述可移動夾爪的最大夾緊力。
24.如權利要求21所述的手術儀器，其中所述第一夾爪致動機構用來將所述夾爪從所述打開位置移動至所述閉合位置的力包括線性カ；並且所述第二夾爪致動機構用來將所述夾爪從所述打開位置移動至所述閉合位置的力包括扭矩。
25.如權利要求21所述的手術儀器，其中所述第一夾爪致動機構包括纜線驅動的機構；並且所述第二夾爪致動機構包括導螺杆驅動的機構。
全文摘要
本發明公開了帶有復設閉合機構的末端執行器、以及相關的工具和方法。所公開的末端執行器在用於微創手術時是特別有益的。一種示例性手術工具(170)包括長形軸(174)，該長形軸具有近端和遠端；被布置在該軸的遠端處的工具本體(176)；相對於該工具在一種夾緊構型與打開構型之間可移動的夾爪(178)；第一致動機構，該致動機構與該夾爪偶聯並且可操作來改變該夾爪相對於該工具本體在夾緊構型與打開構型之間的位置；以及與該夾爪偶聯的第二致動機構。該第二致動機構具有第一構型和第二構型，在該第一構型中該夾爪被保持在該夾緊構型中，在該第二構型中，該夾爪相對於該工具本體的位置不受該第二致動機構的限制。
文檔編號A61B19/00GK102596058SQ201080051371
公開日2012年7月18日 申請日期2010年11月12日 優先權日2009年11月13日
發明者W·A·伯班克 申請人:直觀外科手術操作公司