冗余机器人功率和通信架构制造技术

本发明专利技术提供了一种用于外科机器人系统的电子电路，该电子电路包括：中央功率节点；第一电压总线，该第一电压总线将第一功率源电耦接到该节点；第二电压总线，该第二电压总线将第二功率源电耦接到该节点；和若干机器人臂，每个臂经由输出断路器电耦接到该节点并且被布置成从该节点汲取功率。每条总线被布置成从相应功率源向节点提供功率，并且每条总线具有输入断路器，该输入断路器被布置成限制来自该节点并进入总线的第一输出电流流量。每个断路器被布置成限制来自该节点并进入相应臂的第二输出电流流量。断路器被布置成响应于在相应臂内发生故障而断开，而另一个断路器保持闭合。而另一个断路器保持闭合。而另一个断路器保持闭合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】冗余机器人功率和通信架构
[0001]交叉引用
[0002]本申请要求于2020年3月11日提交的美国非临时申请号16/816,055的早期提交日期的权益，该美国非临时申请全文以引用方式并入。


[0003]本公开的实施方案整体涉及外科机器人系统，并且更具体地涉及此类系统的功率和通信架构。还描述了其他实施方案。

技术介绍

[0004]微创外科手术(MIS)诸如腹腔镜手术涉及旨在在外科规程期间减少组织损伤的技术。例如，腹腔镜规程通常涉及在患者体内(例如，在腹部)形成多个小切口，以及通过切口将一个或多个工具和至少一个相机引入患者体内。然后可通过使用所引入的外科工具执行外科规程，其中可视化辅助由相机提供。
[0005]一般来讲，MIS提供多重有益效果，诸如减少患者疤痕、减轻患者疼痛、缩短患者恢复期以及降低与患者恢复相关联的医疗费用。可利用外科机器人系统执行MIS，该外科机器人系统包括一个或多个机器人臂，该机器人臂用于基于来自远程操作者的命令操纵外科工具。机器人臂可例如在其远侧端部处支撑各种装置，诸如外科端部执行器、成像装置、用于提供进入患者体腔和器官的通路的插管等。因此，外科机器人臂可帮助执行外科手术。
[0006]此类机器人系统的控制可能需要用户(例如，外科医生或其他操作者)经由一个或多个用户接口装置进行控制输入，该一个或多个用户接口装置将用户的操纵或命令翻译为对机器人系统的控制。例如，当外科工具定位在患者的外科手术部位处时，具有一个或多个马达的工具驱动器可以响应于用户命令而致动外科工具的一个或多个自由度。

技术实现思路

[0007]在一些情况下，外科机器人系统的外科机器人臂对于承载的人来说是沉重且笨重的。例如，臂可包括若干部件，诸如致动器和马达，这些致动器和马达能够使臂具有若干自由度，并且可由沉重的坚固材料(诸如金属)制成。由于臂不能轻易移动，因此臂可安装在外科手术台上，该外科手术台本身安装在手术室的地板上以便支撑臂。与臂一起，外科手术台可包括为臂和外科手术台供电并控制臂和外科手术台的台侧电子设备。具体地，该系统可包括控制计算机(其可位于手术室内)，该控制计算机从操作者(的主机)接收命令，将该命令转化为机器人控制命令，并且将该机器人控制命令传输到台侧电子设备，该台侧电子设备然后将该控制命令按路线发送到臂以便使臂根据命令移动。
[0008]在外科手术期间，患者躺在外科手术台上，并且机器人臂可悬挂在患者上方，同时操作者(例如，外科医生)操纵被支撑或耦接在机器人臂的远侧端部处的外科工具。如果在外科手术期间系统内发生故障，则外科臂可能无法移动，并且可能将患者困在外科手术台上。例如，在台侧电子设备与主机之间出现通信失效的情况下可能发生故障。作为另一示
例，使得能够与主机通信的台侧电子设备的部件(例如，通信控制器)可能意外失效。在通信中断的情况下，台侧电子设备将不接收机器人控制命令，并且因此臂内实现移动的致动器和马达可能无法操作。为了避免无法操作的机器人臂将患者困住，常规系统可包括机械紧急救助装置，该机械紧急救助装置在使用时允许将臂从手术台上移除，并且由此释放患者。然而，物理地从手术台上移除臂并非优选的，因为用户可能会不小心将臂掉落在患者身上，从而引起损伤。因此，需要一种故障安全冗余机器人功率和通信架构，该故障安全冗余机器人功率和通信架构向臂和手术台提供功率和通信以便避免在发生故障的情况下将患者困住，从而减轻对机械紧急救助装置的需要。
[0009]本公开提供了一种具有台侧电子设备的故障安全外科机器人系统，该故障安全外科机器人系统包括第一通信控制器、第二通信控制器和监测控制器，该监测控制器提供通信冗余以确保(通信)系统内的任何单个失效(或故障)都不会导致机器人臂和/或外科手术台在外科规程期间完全无法操作。为了实现这一点，通信控制器之一(例如，第一控制器)执行通信操作，而另一个通信控制器(例如，第二控制器)是冗余控制器并且因此在第一控制器内有故障的情况下才可用。例如，两个通信控制器均可从主机接收用于驱动机器人臂以执行移动的指令。具体地，指令由通信控制器从控制计算机接收，该控制计算机将该指令翻译为机器人控制命令。然而，第一控制器可具有主要责任，该主要责任包括(经由控制计算机)与机器人臂和主机通信。例如，第一控制器可将机器人控制命令作为关节控制信号按路线发送(例如，重新打包和传输)到机器人臂。该关节控制信号可使臂内的致动器或马达改变位置。
[0010]通信架构是冗余的，使得第二通信控制器可执行第一通信控制器的操作中的至少一些操作，并且响应于检测到故障可接管主要责任。例如，第二控制器还可将机器人控制命令重新打包成另一关节控制信号，但可不将该信号传输到臂，这是因为第一控制器具有主要责任。在外科规程期间，监测控制器可检测系统内的故障，或者更具体地第一控制器内的故障。为了检测故障，监测控制器可监测第一控制器的输出数据以确定该数据是否与机器人控制命令(例如，包含在其内的指令)不一致。响应于检测到故障，监测控制器发信号通知第二控制器将代替第一控制器承担主要责任。因此，第二控制器可代替第一控制器开始将数据(例如，关节控制信号)按路线发送到臂以便促进臂移动。因此，即使在系统内发生故障时，外科机器人系统也可使用第二冗余通信控制器继续操作。
[0011]在一个实施方案中，外科机器人系统可包括冗余功率架构，该冗余功率架构使得外科机器人系统的部件(例如，机器人臂和外科手术台)能够在功率故障(诸如短路)的情况下操作。具体地，该系统可实现冗余功率源，诸如交流(AC)干线功率源和电池，它们都被布置成在单独的功率总线上提供功率。系统可包括若干断路器，这些断路器沿着由一个或多个功率控制器控制的各个功率总线处于不同位置处。如果发生故障，则控制器可激活适当的断路器以便隔离故障，这确保系统的剩余部分继续获得功率。
[0012]根据另一个实施方案，外科机器人系统可允许手术室内的用户(例如，医学专业人员)在发生(例如，通信)故障的情况下(诸如，当与主机的通信突然终止时)调节机器人臂的位置。具体地，系统可在任何给定时间以两种模式中的一种模式操作。第一模式是“远程操作”模式，在该模式下台侧电子设备(例如，第一控制器和第二控制器中的至少一者)与主机通信。例如，台侧电子设备可经由控制计算机通过接收由控制计算机从控制计算机从主机
接收到的命令翻译的机器人控制命令来与主机建立通信(例如，经由通信链路)。机器人控制命令中的每个命令可用于指示机器人臂中的一个机器人臂执行移动。臂中的每个臂可具有用户致动开关，该用户致动开关在被用户致动时使得机器人臂能够由用户移动(例如，在仍安装在外科手术台上时重新定位)。然而，一旦建立了通信，用户致动开关就会被超控，从而防止该开关使机器人臂移动。该系统防止开关允许用户移动臂，因为主机或操作者正在控制臂。该系统能够确定与主机的通信已停止。例如，台侧电子设备可停止经由控制计算机从主机接收命令。响应于确定与主机(和/或控制计算机)的通信丢失或已终止，该系统进入第二模式或“本地控制”模式，该模式允许用户致本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于外科机器人系统的电子电路，包括：中央功率节点；第一电压总线和第二电压总线，所述第一电压总线将第一功率源电耦接到所述中央功率节点，所述第二电压总线将第二功率源电耦接到所述中央功率节点，每条总线被布置成从相应功率源向所述中央功率节点提供功率，其中每条总线具有输入断路器，所述输入断路器被布置成限制来自所述节点并进入所述总线的第一输出电流流量；和多个机器人臂，每个臂经由输出断路器电耦接到所述中央功率节点并且被布置成从所述中央功率节点汲取所述功率，其中每个输出断路器被布置成限制来自所述中央功率节点并进入相应机器人臂的第二输出电流流量，其中输出断路器被布置成响应于在所述相应机器人臂内发生故障而断开，而所述输出断路器中的剩余部分保持闭合。2.根据权利要求1所述的电子电路，还包括第一功率控制器和第二功率控制器，所述第一功率控制器和所述第二功率控制器两者均通信地耦接到所述输出断路器中的每个输出断路器，其中所述输出断路器仅响应于两个功率控制器传输包括用于使所述断路器断开的指令的控制信号而断开。3.根据权利要求2所述的电子电路，其中所述输出断路器中的剩余部分响应于所述功率控制器中的至少一个功率控制器传输包括用于使所述输出断路器中的剩余部分闭合的指令的控制信号而保持闭合。4.根据权利要求1所述的电子电路，还包括：第一通信控制器和第二通信控制器，所述第一通信控制器具有主要责任，所述主要责任包括从主机接收机器人控制命令并且将所述命令按路线发送到所述多个机器人臂，所述第二通信控制器是冗余控制器，其中所述第一通信控制器经由第三电压总线电耦接到所述中央功率节点以从所述节点汲取所述功率，并且所述第二通信控制器经由第四电压总线电耦接到所述中央功率节点以从所述节点汲取功率。5.根据权利要求4所述的电子电路，其中所述第三电压总线和所述第四电压总线中的每一者经由输出断路器耦接到所述节点，其中，响应于沿着所述第三电压总线发生故障，所述第三电压总线的所述输出断路器被布置成断开，从而将所述第二通信控制器配置为代替所述第一通信控制器承担所述主要责任。6.根据权利要求1所述的电子电路，其中所述第一功率源是AC干线功率源，并且所述第二功率源是电池。7.根据权利要求6所述的电子电路，其中所述外科手术台系统的外科手术台被布置成仅从所述电池汲取功率，与所述第二电压总线分开。8.一种用于外科机器人系统的电子电路，包括：第一通信控制器，所述第一通信控制器具有主要责任，所述主要责任包括与所述外科机器人系统的机器人臂和主机通信，在具有所述主要责任时，所述第一通信控制器被配置为处理从所述主机接收到的包括用于驱动所述机器人臂执行移动的指令的机器人控制命令并且将所述机器人控制命令作为关节命令信号传输到所述机器人臂；
第二通信控制器，所述第二通信控制器是冗余控制器；和监测控制器，所述监测控制器被配置为响应于检测到故障而发信号通知所述第二通信控制器将代替所述第一通信控制器承担所述主要责任。9. 根据权利要求8所述的电子电路，还包括路由逻辑，所述路由逻辑被布置成将所述第一通信控制器、所述第二通信控制器和所述监测控制器与所述机器人臂通信地耦接，其中，在具有所述主要责任时，所述第一通信控制器被配置为：从所述机器人臂并经由所述路由逻辑接收响应信号，所述响应信号包括由所述机器人臂执行的移动的指示；以及处理所述响应信号并将其作为反馈信号传输到所述主机。10. 根据权利要求9所述的电子电路，其中所述监测控制器被配置为通过以下方式检测故障：基于来自所述响应信号的所述指示产生预期反馈信号；以及将所述预期反馈信号与所述反馈信号进行比较。11.根据权利要求9所述的电子电路，其中所述监测控制器发信号通知所述第二通信控制器将承担所述主要责任，其方式是通过将所述路由逻辑配置为防止所述第一通信控制器将未来关节命令信号传输到所述机器人臂并且允许所述第二通信控制器将由未来机器人控制命令处理得到的未来关节...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：威博外科公司，
类型：发明
国别省市：