至主控制器的末端执行器力反馈制造技术

本申请公开提供了一种远程操作外科手术系统，其包括外科手术器械，该外科手术器械包括安装成可围绕从动枢转轴线旋转的末端执行器；主控制输入装置包括安装构件，可旋转地固定在安装构件上以绕主枢转轴线旋转的第一和第二主握持件；产生传感器信号的传感器，该信号表示围绕从动枢转轴线的从动握持反作用力；一个或多个马达，其将垂直于主枢转轴线的剪切力施加到安装构件；一个或多个处理器，其将传感器信号转换为马达控制信号，以使马达将反馈剪切力施加给第一和第二主握持构件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】至主控制器的末端执行器力反馈相关申请本申请要求享有于2017年10月2日提交的美国临时专利申请序列号62/567,005的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术介绍
微创医疗技术旨在减少诊断或外科手术程序期间受损的组织量，从而减少患者的恢复时间、不适和有害的副作用。使用机器人技术的远程操作外科手术系统(所谓的外科手术机器人系统)可以用于克服手动腹腔镜手术和开放式手术的局限性。远程呈现系统的进步为外科医生提供患者体内的视野、增加数量的外科手术器械的运动度以及远距离外科手术协作的能力。在手动微创外科手术中，外科医生经由长轴感觉到器械与患者的互动，这消除触觉提示并且掩盖力提示。在远程外科手术系统中，由于外科医生不再直接操纵器械，因此自然力反馈被大大消除。动觉或力反馈系统通常测量或估计由外科手术器械施加给患者的力。
技术实现思路
在一个方面，提供了一种远程操作外科手术系统，该外科手术系统包括：外科手术器械，其包括轴；末端执行器，其包括被安装成可绕设置在轴的远端部分处的从动枢转轴线旋转的第一悬臂梁。主控制输入装置包括安装构件和第一主握持构件，该第一主握持构件安装在安装构件上，用于导向相对于安装构件的沿第一路径的移动。传感器被配置为感测产生从动悬臂梁力的大小。一个或多个致动器可配置为向安装构件施加力。一个或多个处理器被配置为使一个或多个致动器向安装构件施加反馈力，该反馈力的大小指示从动悬臂梁力的大小，并且该反馈力具有沿着与第一路径分开的第二路径的移动方向。在另一方面，提供了一种方法，该方法在主控制输入装置处提供对安装在外科手术器械轴的远端上的从动末端执行器部分处的握持力的指示，其中主控制输入装置包括安装构件和第一主握持构件，该第一主握持构件被安装用于导向沿第一路径的移动。该方法包括产生指示绕末端执行器的从动枢转轴线的握持力矩的大小的传感器信号，以及在安装构件处产生反馈力，该反馈力具有基于传感器信号的大小并且具有沿着与第一路径分开的第二路径的移动方向。附图说明当与附图一起阅读时，根据以下详细描述可以充分地理解本公开的各方面。要强调的是，根据行业中的标准实践，各种特征未按比例绘制。实际上，为了清楚起见，各种特征的尺寸可以任意增加或减小。另外，本公开可以在各个示例中重复参考数字和/或字母。该重复是出于简单和清楚的目的，并且其本身并不指示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。图1是根据一些实施例的微创远程操作外科手术系统的说明性平面图。图2是图1系统的外科医生控制台的透视图。图3是图1的系统的患者侧推车的透视图。图4是根据一些实施例的外科手术器械的透视图。图5是示出根据一些实施例的主控制输入装置的细节的说明性透视图，该主控制输入装置安装在图2的外科医生控制台16内的万向节组件上。图6是根据一些实施例的图4的外科手术器械的末端执行器的说明性侧视截面局部透视图。图7是根据一些实施例的从支撑梁悬挂的图4的外科手术器械的底架的说明性侧视图。图8是示出根据一些实施例作用在图5的主控制输入装置的握持构件上和外科医生的手指上的说明性自由体受力图(freebodydiagram)。图9是根据一些实施例的表示梁反作用力到反馈力的转换的说明性控制系统流程图。具体实施方式远程操作手术系统图1是用于对躺在手术台14上的患者12执行微创诊断或外科手术程序的微创远程操作外科手术系统10的示意性平面图。该系统包括由外科医生18在程序期间使用的外科医生控制台16。一个或多个助手20也可以参与该程序。微创远程操作外科手术系统10进一步包括一个或多个患者侧推车(PSC)22和电子设备推车24。患者侧推车22可以通过患者12体内的微创切口来操纵至少一个外科手术器械26，而外科医生18通过外科医生的控制台16观察手术部位。可以通过内窥镜28(诸如立体内窥镜)获取手术部位的图像，该内窥镜28可以由患者侧推车22操纵以定向内窥镜28。位于电子设备推车24上的计算机处理器可以用于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。在一些实施例中，立体图像可以被捕获，这允许在外科手术程序期间的深度感知(depthperception)。一次使用的外科手术器械26的数量通常将取决于诊断或外科手术程序以及手术部位内的空间限制以及其他因素。如果有必要更换在程序期间正使用的一个或多个手术器械26，则助手20可以将手术器械26从患者侧推车22移除，并且用手术室内托盘30中的另一个手术器械26代替。图2是外科医生控制台16的透视图。外科医生控制台16包括观察者显示器31，该观察者显示器31包括左眼显示器32和右眼显示器34，用于向外科医生18呈现手术部位的协调立体图，从而实现深度感知。控制台16还包括一个或多个手动控制输入装置36，用于接收较大比例的手动控制移动。被安装以用于患者侧推车22的一个或多个手术器械以较小比例的距离移动，该较小比例的距离对应于外科医生18对一个或多个控制输入装置36的较大比例的操纵。控制输入装置36可以提供与其相关联外科手术器械26相同的机械自由度，从而为外科医生18提供远程呈现/临场感，或者这样的感知，即控制输入装置36与器械26成为一体从而使外科医生具有直接控制器械26的强烈感觉。为此，位置传感器、力传感器和触觉反馈传感器(未示出)可以被用于将来自外科手术器械26的位置感、力感和触感通过控制输入装置36传递回外科医生的手，但受到通信延迟约束。图3是根据一些实施例的微创远程操作外科手术系统10的患者侧推车22的透视图。患者侧推车22包括四个机械支撑臂72。外科手术器械操纵器73被安装在每个支撑臂组件72的端部，该外科手术器械操纵器73包括诸如马达的致动器以控制器械运动。另外，每个支撑臂72可以可选地包括一个或多个设置关节(例如，无动力的和/或可锁定的)，其用于相对于患者定位附连的外科手术器械操纵器73以进行外科手术。尽管患者侧推车22被示出为包括四个外科手术器械操纵器73，但是可以使用更多或更少的外科手术器械操纵器73。远程操作外科手术系统通常将包括视觉系统，该视觉系统通常包括用于捕获视频图像的内窥镜摄像机器械28和用于显示捕获的视频图像的一个或多个视频显示器。在一方面中，例如，各个外科手术器械26和套管27被可移除地耦连至操纵器73，而外科手术器械26通过套管27插入。操纵器73的一个或多个远程操作致动器马达整体上移动外科手术器械26，以便将其相对于患者12定位。每个支撑臂组件都包括一个器械支架75。外科手术器械26被可拆卸地连接到器械支架75。在一方面中，器械支架75在内部容纳一个或多个远程操作的致动器马达(未示出)，该致动器马达提供了许多控制器运动，外科手术器械26将这些控制器运动转化为在外科手术器械26的远端处的末端执行器的各种移动。因此，器械托架75内的远程操作致动器马达移动外科手术器械26的各个部件，而不是整体移动该器械。用于控制整个器械或器械部件的输入装置使得由外科医本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远程操作外科手术系统，包括：/n外科手术器械，包括/n细长轴，其包括远端部分和近端部分，以及/n末端执行器，其包括从动悬臂梁，所述从动悬臂梁安装成可围绕从动枢转轴线旋转，并设置在所述轴的远端部分；/n一个或多个致动器，其配置成将围绕所述从动枢转轴线的旋转力施加到所述从动悬臂梁；/n传感器，其配置为感测围绕所述从动枢转轴线的从动悬臂梁反作用力的大小；/n主控制输入装置，包括/n安装构件；/n第一主握持构件，其耦连至所述安装构件，以允许所述第一主握持构件沿第一路径运动；/n反馈发生器，其提供反馈力，所述反馈力基于围绕所述从动枢转轴线的所述从动悬臂梁反作用力的感测大小，并具有沿着与所述第一路径分开的第二路径的方向。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171002 US 62/567,0051.一种远程操作外科手术系统，包括：
外科手术器械，包括
细长轴，其包括远端部分和近端部分，以及
末端执行器，其包括从动悬臂梁，所述从动悬臂梁安装成可围绕从动枢转轴线旋转，并设置在所述轴的远端部分；
一个或多个致动器，其配置成将围绕所述从动枢转轴线的旋转力施加到所述从动悬臂梁；
传感器，其配置为感测围绕所述从动枢转轴线的从动悬臂梁反作用力的大小；
主控制输入装置，包括
安装构件；
第一主握持构件，其耦连至所述安装构件，以允许所述第一主握持构件沿第一路径运动；
反馈发生器，其提供反馈力，所述反馈力基于围绕所述从动枢转轴线的所述从动悬臂梁反作用力的感测大小，并具有沿着与所述第一路径分开的第二路径的方向。


2.根据权利要求1所述的远程操作外科手术系统，
其中，所述反馈生成器包括：
一个或多个致动器；和
一个或多个处理器，被配置为使所述一个或多个致动器将所述反馈力施加到所述安装构件。


3.一种外科手术系统，包括：
外科手术器械，包括末端执行器，其中所述末端执行器包括第一夹具和第二夹具，所述第二夹具绕第一轴线枢转地耦连至所述第一夹具；
传感器，其被配置为确定在所述第一夹具和所述第二夹具之间经历的握持力；
主控制器，包括第一输入构件、第二输入构件和反馈发生器，所述第二输入构件绕第二轴线枢转地耦连到所述第一输入构件，
其中所述第二输入构件绕所述第二轴线朝向所述第一输入构件枢转导致所述第二夹具绕所述第一轴线朝向所述第一夹具枢转，以及
其中，所述反馈发生器在与所述第二轴线不相交的方向上产生与所述握持力成比例的反馈力。


4.一种远程操作外科手术系统，包括：
外科手术器械，包括
细长轴，其包括远端部分和近端部分，以及
末端执行器，其包括第一悬臂梁，所述第一悬臂梁安装成围绕从动枢转轴线旋转并设置在所述轴的所述远端部分处；
主控制输入装置，包括
安装构件，
第一主握持构件和第二主握持构件，其远端可旋转地固定在所述安装构件上以绕主枢转轴线旋转，以及
偏置构件，其设置成促使所述第一主握持构件和第二主握持构件的近端彼此分开；
传感器，其配置为产生指示围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力的传感器信号；
一个或多个马达，其可配置成在垂直于所述主枢转轴线的方向上向所述安装件施加反作用反馈力；
一个或多个处理器，其被配置为将所述传感器信号转换为一个或多个马达控制信号，以使所述一个或多个马达将所述反馈力传递给所述第一主握持构件和第二主握持构件。


5.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，
其中所述一个或多个处理器被配置为使所述一个或多个马达将所述反馈力限制为小于使所述主握持构件相对外科医生的手指滑动所需的大小。


6.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，
其中所述一个或多个处理器被配置为基于围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力以及所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的角度间隔来确定所述反馈力。


7.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，
其中所述偏置构件包括弹簧，所述弹簧包括弹簧常数；和
其中所述一个或多个处理器被配置为基于围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力、所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的角度间隔以及所述弹簧常数来确定所述反馈力。


8.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，
其中所述主控制输入装置包括致动器，以产生指示所述主握持构件之间的角度间隔的主握持信号；和
其中所述一个或多个处理器被配置为基于围绕所述从动枢转轴线的所述从动握持反作用力以及所述第一主握持构件和所述第二主握持构件之间的所述角度间隔来确定所述反馈力。


9.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，还包括：
万向节组件；
其中所述主控制输入装置被安装至所述万向节组件。


10.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，其中，
其中所述末端执行器还包括：
第二悬臂梁，其安装成围绕所述从动枢转轴线旋转，并设置在所述轴的远端部分。


11.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，还包括：
机械地面；
支撑梁，所述支撑梁垂直于所述细长轴延伸并且具有固定以支撑所述外科手术器械的第一端部分，并且包括固定至所述机械地面的第二端部分；
其中，所述传感器被配置为通过感测所述支撑梁内的应变来产生指示围绕所述从动枢转轴线的从动握持反作用力的所述传感器信号。


12.根据权利要求4所述的远程操作外科手术系统，其中所述外科手术器械还包括：
远侧滑轮，其安装在所述轴的所述远端部分，以绕所述从动枢转轴线旋转，
固定在所述轴的所述近端部分上的底架，
可旋转地安装在所述底架处的近侧滑轮，以及
第一缆绳，其远端部分缠绕所述远侧滑轮并固定以向所述远侧滑轮施加旋转力，并且其近端缠绕在所述近侧滑轮；进一步包括：
缆绳驱动机构，其固定到所述近端以在所述第一缆绳上施加垂直于所述轴的纵向轴线的力分量；
其中所述传感器被配置为基于垂直于所述轴的所述纵向轴线施加在所述第一缆绳上的所述力分量产生指示围绕所述从动枢转轴线的所述从动握持反作用力的所述传感器信号。


13.一种远程操作外科手术系统，包括：
机械地面；
外科手术器械，包括
细长轴，其包括远端部分和近端部分，以及
末端执行器，所述末端执行器包括第一悬臂梁，所述第一悬臂梁安装成可围绕从动枢转轴线旋转，并设置在所述轴的所述远端部分；
远侧滑轮，其安装在所述轴的所述远端部分以绕所述从动枢转轴线旋转，
固定在所述轴的所述近端部分上的底架，
可旋转地安装在所述底架上的近侧滑轮，以及
第一缆绳，其具有远端部分和近端部分，其远端部分缠绕所述远侧滑轮并固定以向所述远侧滑轮施加旋转力，其近端缠绕在所述近侧滑轮上；
支撑梁，其垂直于所述细长轴延伸，并且具有被固定以支撑所述底架的第一端部分，并且包括固定至所述机械地面的第二端部分；
主控制输入装置，包括
安装构件，
第一主握持构件和第二主握持构件，所述第一主握...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·M·卡多库拉，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国;US