仪器驱动器中的测力传感器

摘要

一种用于从机械臂向仪器提供驱动的驱动单元，所述驱动单元包括：用于接合所述仪器的相应元件的多个驱动元件，每个驱动元件能够沿驱动轴线移动，每个所述驱动元件的所述驱动轴线基本上彼此平行；以及测力传感器结构，该测力传感器结构包括多个可偏转体和框架，所述多个可偏转体联接至述驱动元件，用于感测平行于所述驱动元件的驱动轴线作用在所述驱动元件上的负载，所述框架包括一体构件，所述一体构件支撑所述可偏转体使得每个所述可偏转体与施加到其上或其他可偏转体上的负载隔离。

权利要求

1.一种用于从机械臂向仪器提供驱动的驱动单元，所述驱动单元包括：用于接合所述仪器的相应元件的多个驱动元件，每个驱动元件能够沿驱动轴线移动，每个所述驱动元件的所述驱动轴线彼此平行；以及测力传感器结构，所述测力传感器结构包括：联接至所述驱动元件的多个可偏转体，用于感测平行于所述驱动轴线作用在所述驱动元件上的负载；以及框架，所述框架包括一体构件，所述一体构件支撑所述可偏转体使得每个所述可偏转体与施加到该可偏转体或施加到其他可偏转体的负载隔离。

2.根据权利要求1所述的驱动单元，其中：

所述驱动单元包括多个丝杠，每个所述驱动元件与相应一个所述丝杠处于螺纹相互接合；以及所述框架限定一组孔口，所述丝杠延伸穿过所述孔口，所述可偏转体跨越所述孔口从所述框架延伸到所述丝杠。

3.根据权利要求2所述的驱动单元，其中每个所述可偏转体经由至少一个轴承联接到相应的丝杠，所述轴承构造成允许相应的丝杠围绕其纵向轴线相对于相应的可偏转体自由旋转。

4.根据前述权利要求中任一项所述的驱动单元，其中所述可偏转体在垂直于所述驱动元件的所述驱动轴线的平面内并排设置。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的驱动单元，其中所述可偏转体是平面的并且垂直于所述驱动元件的所述驱动轴线延伸。

6.根据权利要求4所述的驱动单元，其中所述可偏转体是共面的。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的驱动单元，其中所述框架是刚性的。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的驱动单元，其中所述框架与所述可偏转体是一体的。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的驱动单元，其中所述可偏转体均联接至用于感测所述可偏转体的偏转的应变计。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的驱动单元，该驱动单元包括：用于驱动所述驱动元件移动的多个电动机；以及

支撑所述驱动元件和所述电动机的刚性壳体，所述壳体包括两个部件，所述电动机附接到所述两个部件中的第一部件，所述驱动元件能够在所述两个部件中的第二部件内移动，所述测力传感器结构被夹在所述第一部件与所述第二部件之间。

11.根据权利要求10所述的驱动单元，其中所述壳体的所述第二部件构造成防止所述驱动元件绕它们的驱动轴线旋转。

12.根据权利要求2所述的驱动单元，所述驱动单元包括：

位于每个电动机与相应一个丝杠之间的花键联轴器，每个所述花键联轴器构造成允许在相应的电动机与相应的丝杠之间的轴向游隙；

用于驱动所述驱动元件移动的多个电动机；以及

支撑所述驱动元件和所述电动机的刚性壳体，所述壳体包括两个部件，所述电动机附接到所述两个部件中的第一部件，所述驱动元件能够在所述两个部件中的第二部件内移动，所述测力传感器结构被夹在所述第一部件与所述第二部件之间。

13.一种手术机器人，所述手术机器人包括根据权利要求1至3中任一项所述的驱动单元，所述驱动单元布置成用于与手术仪器接合。

14.根据权利要求13所述的手术机器人，其中所述驱动单元设置在所述机器人的臂的远端处。

15.根据权利要求13所述的手术机器人，所述手术机器人具有：移动臂，所述移动臂包括驱动单元；以及与所述移动臂接合的手术仪器，所述仪器包括所述相应元件并且所述相应元件与所述驱动元件接合从而被驱动。

说明书

仪器驱动器中的测力传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及感测手术机械臂和手术仪器之间的机械接口中的负载。

背景技术

[0002] 在设计用于执行手术程序的机械臂时，一个期望的特征是臂相对较小及重量轻。这些特征提供了许多优点：例如，技术人员更容易在手术开始前将臂定位，更多的臂能够一起紧密安装在手术部位周围，移动臂所需的力小于大体积装置。特别期望的是减小臂的远端的尺寸和重量。因为仪器通常附接在臂的远端，这意味着要减小臂-仪器接口的尺寸和重量。

[0003] 用于机器人手术的仪器可具有各种机械元件，它们可以在机器人的控制下移动。臂上设置的接口在其外部可以包括一个或多个可移动的机械元件，当仪器在接口上就位时这些机械元件能够联接到仪器上的相应元件。臂上的这些可移动元件能够被臂中的电动机或其他致动器所驱动，并且该运动能够通过接口传递到仪器上的相应元件。这样，从臂就能够驱动仪器上的机械元件。机器人的控制系统理想的是，能够接收关于机械驱动器相对于仪器的位置的反馈以及通过该驱动器所施加的力。这样做的一个方法是，在臂-仪器接口上设置一个或多个力传感器。

[0004] 设置这种传感器的难点是，首先它们应该小而轻，避免使臂更笨重；此外，由于手术中施加的力可以相对较小，它们应该比较敏感和准确。这需要仔细设计传感器。另外，当设置多个传感器来感测多力路径上的力时，期望的布置是，避免一条路径上的力影响另一路径的测量。

[0005] 图1示出了一种可行布置，用于感测在手术臂的仪器驱动器中的力。电动机1连接到丝杠2，使得电动机将使丝杠绕其轴线旋转。丝杠的轴包括螺纹部3和非螺纹部4。轴承5、6结合至非螺纹部，使得它们不能沿该轴滑动。从动螺母8被拧到丝杠上。该从动螺母例如通过被限定在该臂的外壁中的槽中运行而受到约束，使得当丝杠被电动机转动时其不能旋转。结果，由电动机1转动丝杠2将导致从动螺母8沿丝杠的轴线平移。从动螺母具有成型部9，该成型部9能够与仪器上的对应成型部匹配以当仪器固定在手术臂上时驱动仪器的一部分运动。

[0006] 测力传感器7位于轴承5、6之间。测力传感器在图2中更详细地示出。测力传感器包括环形外壳10。膜11被悬挂以跨越该外壳的内部。应变计13、14固定到该膜上以便感测该膜的变形。应变计提供的电气输出可指示该膜上的应变。膜的中心是孔12。这种类型的测力传感器是可商购的，例如EmsystEMS70。其他类型的测力传感器包括FOWA-1，是来自米勒工业电气有限公司的环形测力传感器。这些测力传感器所用的应用例如是测量电缆张力或螺栓压缩。

[0007] 当测力传感器连接到图1的仪器驱动器时，膜被保持在轴承5、6之间，丝杠的轴穿过孔12。外壳10附接到机械臂的本体。以这种方式，丝杠从机械臂的本体至少局部被测力传感器7支撑。当从该仪器沿着丝杠的轴线施加力时，该力通过成型部9被传递到从动螺母8。丝杠的螺纹的螺距使得轴向力不会引起丝杠旋转。相反，力由轴承5、6传递至测力传感器的膜，轴承5、6沿纵向用丝杠紧固。然后可以通过应变计13、14检测该力。这提供了由仪器施加的力的指示。

[0008] 为了驱动更复杂仪器的所有运动，机械臂能够具有多个这样的仪器驱动器。如图1所示，测力传感器能够是仪器驱动器的径向最突出部分。改进测力传感器的包装因此可以有助于臂-仪器接口的紧凑性。当该接口具有多个图1所示类型的驱动器时，有效包装它们的一种方式是使驱动器交错，以便每个驱动器的测力传感器从相邻驱动器的测力传感器纵向地偏移。然而，这样做的缺点在于，这趋于增加仪器驱动组件的总长度。

[0009] 需要一种用于手术机械臂的改进的驱动组件。

发明内容

[0010] 根据本发明，提供一种用于提供从机械臂至仪器的驱动的驱动单元，所述驱动单元包括：用于接合所述仪器的相应元件的多个驱动元件，每个驱动元件能够沿驱动轴线移动，每个所述驱动元件的所述驱动轴线基本上彼此平行；以及测力传感器结构，包括：平行于所述驱动元件的驱动轴线联接至所述驱动元件的多个可偏转体，用于感测所述驱动元件上的负载；以及框架，所述框架包括一体构件，所述一体构件支撑所述可偏转体使得每个所述可偏转体与施加到其上或其他可偏转体上的负载隔离。

[0011] 驱动单元可以包括多个丝杠，每个所述驱动元件与相应一个所述丝杠处于螺纹相互接合。框架可以限定一组孔口，所述丝杠可以延伸穿过所述孔口，所述可偏转体可以从所述框架到所述丝杠延伸穿越所述孔口。

[0012] 每个所述可偏转体可以经由至少一个轴承联接到相应的丝杠，所述轴承构造成允许相应的丝杠绕其纵向轴线相对于相应的可偏转体自由旋转。

[0013] 所述框架可以大致垂直于所述丝杠或大致垂直于用于使所述驱动元件相对于臂的其余部分移动的其它致动器而延伸。所述可偏转体可以至少当它们处于未变形状态时位于所述框架的周边内。

[0014] 所述可偏转体可以在垂直于所述驱动元件的所述驱动轴线的平面内并排设置。

[0015] 所述可偏转体可以基本上是平面的。所述可偏转体可以垂直于驱动元件的驱动轴线延伸。

[0016] 所述可偏转体可以基本上是共面的。

[0017] 所述框架可以基本上是刚性的。所述框架可以构造成将每个可偏转体与其它可偏转体的运动隔离。

[0018] 所述框架可以与所述可偏转体是一体的。

[0019] 每个所述可偏转体可以联接到用于感测所述可偏转体的偏转的一个或多个应变计。

[0020] 根据本发明的第二方案，提供如上所述的驱动单元，包括：用于驱动所述驱动元件移动的多个电动机；以及支撑所述驱动元件和所述电动机的刚性壳体，所述壳体包括两个部件，所述电动机附接到第一部件，所述驱动元件在第二部件内是可移动的，所述测力传感器结构被夹在所述第一部件与所述第二部件之间。

[0021] 所述壳体的所述第二部件可以构造成防止所述驱动元件绕它们的驱动轴线旋转。

[0022] 每个电动机和相应一个丝杠之间可以有花键联轴器，每个所述花键联轴器构造成允许相应电动机和相应丝杠之间的轴向游隙。所述花键联轴器可以是奥德姆联接器。

[0023] 根据本发明的第三方案，提供了一种手术机器人，其包括基本如上所述的驱动单元。

[0024] 手术机器人可以具有：移动臂，其包括驱动单元；以及与所述臂接合的手术仪器，所述仪器包括相应元件，所述相应元件与所述驱动元件接合从而被驱动。

附图说明

[0025] 现在将通过示例的方式描述本发明参考附图。

[0026] 图1示出了用于手术机械臂的驱动机构。

[0027] 图2示出了用于手术机械臂的测力传感器。

[0028] 图3示出了手术臂。

[0029] 图4显示了图3的臂的仪器安装件。

[0030] 图5示出了附接到图4的仪器安装件上的仪器。

[0031] 图6是图4的仪器安装件的端视图。

[0032] 图7是图4的仪器安装件的驱动机构的平面图。

[0033] 图8是图7的驱动机构沿A-A线的侧剖图。

[0034] 图9是图7的驱动机构沿B-B线的侧剖图。

[0035] 图10示出了组合式测力传感器壳体。

具体实施方式

[0036] 在下面描述的手术臂中，运动被从臂传递到附接至臂的仪器的部件。为了传递运动，臂上的活动元件机械地链接到仪器上的元件。臂上的元件可以被臂中包括的电动机线性地移动。仪器上的元件可操作地联接至接头，通过该接头能够移动仪器的元件。臂上的元件被一组平行丝杠、活塞或其他线性致动器所移动。多个致动器附接到共用的测力传感器单元。测力传感器单元是一体构件，其提供对所有这些多个致动器的负载感测。该测力传感器单元包括一组传感器结构，对于这些致动器中每个致动器都有一个传感器结构，测力传感器单元还包括整体隔离壁，整体隔离壁将传感器结构连接在一起，还将每个传感器结构与其它传感器结构机械地彼此隔离。隔离壁大致垂直于线性致动器的运动而延伸。该传感器结构位于隔离壁的周边内。以这种方式，可以使传感器结构特别紧凑。

[0037] 图3示出了手术机器人的臂。该臂具有底座20，底座20可以位于用于对患者执行手术程序的操作台附近的适当位置。臂沿其长度具有许多刚性元件或段21、22、23，具有许多接头24、25，这些接头允许刚性元件相对于彼此移动以将臂的远端26定位在所需的位置。臂的远端段指定为23，下一个最远端指定为22。仪器可以安装到臂的远端，如图5所示。在本例中，仪器在其长形轴28的远端处包括末端致动器27。在使用中，仪器可以进入患者体内，依靠末端致动器可以执行手术任务。手术医生可以从操作位操作机器人的接头以及末端致动器，操作位与设置在臂的接头处以及臂-仪器接口中的电动机以及位置/力传感器进行通信链接。

[0038] 图4更详细地示出了臂的远端26。该臂的终端元件23通过腕接头25附接到臂的倒数第二元件22。在这个例子中，腕接头是简单的旋转接头，但它可以是更复杂的装置，例如我们共同未决的申请PCT/GB2014/053523中描述的。终端元件23限定了接口，从而仪器可以附接到该臂。该接口包括U形截面的通道29。(见图6)。该通道构造成与手术仪器的近端匹配。多个驱动凸片30突入该通道。每个驱动凸片延伸穿过臂的外壁中的相应窗口31。窗口是长形的，彼此平行。窗口的伸长方向朝向臂的远端。在臂的外壁的内部，为每个驱动凸片设置驱动机构，它们能够沿其窗口的长度驱动相应的驱动凸片。该驱动凸片构造及定位成使得当工具附接在接口上时，工具上的对应驱动元件将接合驱动凸片。工具上的这些元件被链接到工具上的活动外部元件，例如图5的末端致动器27的钳夹，或允许工具的轴重定向的接头。因此，当工具在接口上固定就位时，可以通过操作臂中的驱动机构引起工具的活动外部元件移动。工具上的每个驱动元件能够附接至在工具的轴的内部延伸的柔性纤维，然后联接至相应一个活动外部元件。以这种方式，当臂上的驱动凸片移动时，这导致联接至其的驱动元件移动，联接到该驱动元件的纤维又被移动，这导致仪器的活动部件移动。

[0039] 图6是臂的远端的端视图。图6示出了在臂的远侧元件23内部存在驱动单元32。驱动单元32包括用于致使驱动凸片30移动的驱动机构。驱动单元详细示出于图7至图9。

[0040] 驱动单元包括用于驱动三个驱动凸片的三个可独立操作的驱动机构。在下面的解释中，每个驱动机构的类似部件将被指定相同的附图标记，后缀“a”、“b”和“c”分别识别三个驱动机构的部件。

[0041] 每个驱动机构包括丝杠40。丝杠40的一端由端轴承41支撑。丝杠的另一端用多部件式电动机联接器42旋转紧固，多部件式电动机联接器42将丝杠连接到电动机43。在这个例子中，联接器是奥德姆联接器。联接器42的一个目的是，适应电动机的旋转轴和丝杠之间的任何小的径向偏移。丝杠的主要部分44是螺纹。从动螺母45在螺纹部上运行。螺母45是内螺纹，与丝杠螺纹地配合。丝杠的另一部分46是光滑侧。两个轴承47、48连接到光滑侧部分46，使得它们相对于丝杠轴向固定。轴承47、48可以用粘合剂固定到丝杠上，或者夹固在丝杠上的径向向外延伸的肩部成型部49与拧在丝杠上的锁定螺母50之间。从动螺母45承载构成驱动凸片的成型部51(图8)。成型部51构造成匹配手术仪器上的对应成型部，以驱动仪器上的成型部沿着丝杠的轴线来回移动。

[0042] 轴承41由驱动机构的本体块60支撑。电动机43由驱动机构的端块61支撑。通过穿过端块中的平滑侧孔并进入本体块中的螺纹孔中的螺栓(未示出)将本体块60和端部块61附接在一起。

[0043] 组合式测力传感器单元63夹在本体块和端块之间。组合式测力传感器单元在图9中示出其端视图，在图10中示出了各种视图。组合式测力传感器单元63包括构成了基本刚性框架的整体本体元件，还包括与框架成一体的一组有些柔软的腹板。框架构成三个环形圈64a、64b、64c，当安装在驱动机构中时它们的壁与丝杠的轴线平行地延伸。圈是彼此一体的。腹板65a、65b、65c延伸经过各个环形圈的内部。在每个腹板的中心是凸缘66a、66b、66c以及通孔67a、67b、67c。当组合式测力传感器单元安装在驱动机构中时，丝杠40穿过每个通孔67，相应的凸缘66夹在相应轴承47、48之间。皮碗(packing cup)可以介于轴承和测力传感器之间。由于轴承47、48是与相应丝杠轴向固定的，腹板65的中央部也轴向安装至丝杠；而腹板的外部与框架的相应环形圈是一体的，由螺栓62保持至该框架的本体块。

[0044] 应变计68结合到腹板65上。因为腹板是薄的以及有些柔软，所以当丝杠40施加轴向载荷到凸缘66上时，腹板会偏转。应变计68可以检测该弯曲，这提供了电气输出，该电气输出将指示相应丝杠上的轴向负载。因为腹板被基本上刚性的环形圈64彼此隔离，所以可独立地检测每个丝杠上的负载。代替腹板，可偏转元件可以是指状件或横梁的形式。腹板之间的较厚和/或较硬的区域可抑制腹板之间的力传播，这可降低由一个应变计进行的测量被来自与另一应变计相关联的力路径的力破坏的风险。

[0045] 测力传感器单元的框架用作与三个丝杠中相应的丝杠对应的三个传感器的载体。以这种方式通过单个载体将这些传感器集成在一起可以有助于节省空间。

[0046] 测力传感器单元的框架是由单一材料件形成的整体结构，其支撑所有三个测力传感器的柔性元件65。材料可以是金属(例如铝)或聚合物材料。框架布置成使得柔性元件在彼此相同的平面内。腹板65是平面的。测力传感器单元布置成使得三个腹板65是共面的。因为三个测力传感器并排设置在横向于丝杠的旋转轴线的共同平面内，所以驱动机构可以制成为特别紧凑。此外，组装驱动元件的工作变得容易，因为事实上组合式测力传感器可以组装到、附接到驱动机构的本体块60上，作为单件。

[0047] 支撑腹板65的框架本身可以是柔性的。由于其被螺栓连接到驱动机构的本体块60，所以可以依靠本体块来加强框架并且将一个腹板上的负载与另一腹板隔离。

[0048] 如上所述，丝杠44被驱动以旋转从而向从动件45传送线性运动。测力传感器理想的是要与该旋转隔离，使得旋转不会影响它们对丝杠上的轴向负载的测量。为此，与每个测力传感器关联的柔性腹板65以如下方式附接至相应的丝杠。柔性腹板在其径向向内部分具有比腹板的柔性部65厚的环或凸缘66。凸缘66位于两个轴承47、48之间。丝杠的轴的近侧部46穿过轴承和凸缘。轴承被牢固地夹靠至凸缘，因为它们被捕获在丝杠的径向突起49和夹紧螺母50之间，夹紧螺母50拧在丝杠上并被拧紧以将轴承和凸缘装在一起。每个轴承允许其一个轴向表面相对于另一个轴向表面自由旋转，但是基本不能沿轴向方向压缩。这意味着当丝杠旋转时，凸缘66、因此腹板65被隔离于所述旋转；而当丝杠轴向移动时，该运动被如实地传递到凸缘，所以其可以被测量为腹板的变形。腹板与丝杠的旋转运动基本隔离的事实将提高力测量的精度。凸缘66比腹板65厚的事实意味着，轴承47、48的邻接表面均与腹板隔开。这允许腹板65在轴向方向上偏转而不会碰撞轴承的表面。

[0049] 联接器42包括三个部件90、91、92(参见图8)。部件90至92通常沿每个丝杠的轴向方向串联设置。部件92刚性地附接到丝杠。部件90刚性地附接到电动机的输出轴。部件91位于部件90和92之间并且以花键结合至它们，以便能够从部件90到部件92传送旋转。部件91与部件90/92的花键接合被布置成允许轴向方向的游隙。这允许丝杠被旋转地驱动，同时避免丝杠的轴向运动受到来自电动机43的阻力的损坏。这提高了测量精度。丝杠在其远端可以沿轴向方向在轴承41中自由滑动。为了在花键联接器中保留期望量的轴向游隙，该连接器可以用其部件之间的间隔件组装。一旦其他部件已经设置就位但是在使用之前，然后能够移除间隔件。联接器42能够具有如图示的三个部件，两个之间具有花键联接，或更多个部件。花键可以是任何合适的形状：例如，如图所示的径向突出/凹陷、榫眼或者装进匹配部件的对应孔中的轴向销。电动机的输出轴可以通过可滑动的花键联接件直接连接至丝杠的轴；例如通过输出轴具有不规则的圆柱形部并且装配到丝杠中的对应键槽中。

[0050] 本体块60包围螺母45并且局部包围用于接合仪器的对应构造的构造51。本体块可以包括诸如长形壁或肋的构造，该构造与螺母45和/或构造51相互作用以防止当丝杠旋转时它们相对于块60旋转。

[0051] 在图10的测力传感器中，腹板与框架成一体。在替代设计中，可以由附接至框架的单独部件形成腹板/膜。

[0052] 在图中所示的驱动装置中，驱动被传递至仪器，负载被丝杠从仪器传送到测力传感器。可以使用其他方法进行传输和加载。例如，电动机例如通过穿过凸缘孔的螺栓可以安装到腹板，电动机具有小齿轮，小齿轮围绕轴线平行于腹板的平面旋转。电动机的小齿轮可以啮合仪器上的齿条或其他齿轮。

[0053] 如上所述，驱动机构可以安装在机器人的臂上，优选在机器人的远侧段上，用于向仪器提供机械驱动接口。机器人可以是手术机器人。仪器可以是手术工具。例如，仪器可以是切割、抓取、成像或照射工具。

[0054] 申请人此处单独公开每个特征以及公开两个或多个特征的任何组合，公开的程度能够使基于本说明书的整体，根据本领域技术人员的公知常识，能够实施这些特征或组合，不管这些特征或特征的组合是否解决此处公开的任何问题，而不限制权利要求的范围。申请人指出的是，本发明的方案可以由任何这种单个特征或特征的组合构成。鉴于前面的描述,对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。