CN108433810B - 用于机器人辅助手术系统的操作装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人辅助手术系统(10)的操作装置(42)，该操作装置包括可手动致动的操作元件(124)以及用于将操作装置(42)附接到保持单元(50)的接口(100)。当附接到保持单元(50)时，操作元件(124)可相对于接口(100)围绕彼此正交延伸的三个旋转轴线(106,114,126)旋转，这三个旋转轴线(106，114,126)在共同的交点(150)处相交。

Description

用于机器人辅助手术系统的操作装置

技术领域

本发明涉及一种用于机器人辅助手术系统的操作装置，该操作装置包括可手动致动的操作元件，该操作元件包括分别用于接纳使用者的一个手指(特别是用于接纳使用者的拇指和中指)的两个带子。此外，操作装置具有用于附接到保持单元的接口，操作装置在经由该接口附接到保持单元时能够围绕第一、第二和第三旋转轴线相对于接口旋转，这三个旋转轴线彼此正交。

背景技术

在微创手术中，越来越多地使用所谓的遥控操纵器系统(也被称为机器人辅助系统或通常作为用于机器人辅助手术的设备)。借助于用于机器人辅助手术的设备，根据使用者输入来控制手术器械的位置和取向。手术器械还机械地、电气地和/或光学地联接到遥控操纵器系统，以便能够实现手术器械的主动定位和定向以及手术器械的所需致动。为此，除了具有末端执行器的器械还包括要操作的内窥镜和医疗设备的手术器械具有可以设计为联接单元并且也被称为无菌单元的联接接口。用于机器人辅助手术的设备还具有至少一个操纵器臂，在所述操纵器臂的近端处设置有联接单元，无菌单元可连接到操纵器臂以便实现操纵器和手术器械之间的机械、电气和/或光学联接。

为了控制遥控操纵器系统，使用操作装置，其被布置在中央控制单元处，并且外科医生能够通过该操作装置尽可能精确地控制附接到机器人手臂的手术器械。

已知的操作装置的问题特别地在于，这些装置通常不允许手术器械的直观移动，特别是不像外科医生实际上将手术器械直接保持在他/她手中那样执行移动。通常，这样的原因在于，操作装置的各自的移动和旋转轴线明显不同于人的手的移动和旋转轴线，从而执行不同于手的运动。这样的后果是，外科医生总是不得不习惯于输入装置，并且在没有充分训练的情况下，不能保证对手术器械进行必要的精确控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于机器人辅助手术系统的操作装置，通过该操作装置可以尽可能精确地控制机器人辅助手术系统。

该目的通过具有权利要求1的特征的操作装置来实现。从属权利要求中规定了有利的实施例。

根据本发明，操作装置被设计成使得操作元件可围绕其旋转的三个旋转轴线相交在公共的交点处。

在此，该交点尤其位于操作元件内，该交点尤其布置在手指穿过的两个带子之间。特别地，交点居中地布置在两个带子之间，并且优选地使得它与操作元件的中心重合。

事实证明，通过将旋转轴线布置成使得它们在公共点处相交，并且特别地该点布置在带子之间并因此在外科医生的手指之间，并且由于所产生的夹持和由操作装置感测到的移动在直觉上对应于外科医生直接用他/她的两根手指穿过带子来握持手术器械的那些移动，由此产生特别直观的、容易的控制。

带子特别是指手指可以通过的任何类型的环或其他元件。特别地，操作元件被设计成使得外科医生的拇指可以穿过一个带子并且中指可以穿过另一个带子。特别地，带子由柔性元件，特别是带状物形成。

此外，将三个旋转轴线布置成使得它们在一个点上相交并且该点位于操作元件内部的优点在于，由此待补偿的质量惯性矩和寄生力被最小化，其结果是实现了更容易的直观控制。

操作装置特别地包括具有接口的底座元件，使得操作装置能够经由该底座元件附接到保持单元，然后该底座元件尤其以抗旋转(在旋转方面是固定的)方式布置在保持单元上。保持单元可以特别地是支架的臂，该臂又特别地能够以平移方式在多达三个方向上移动，并且此外可以围绕关节在多达三个方向上可旋转。因此，实现了空间内实际上任何可能位置的取向都是可能的。

特别是在底座元件上，枢转单元可旋转地安装，该安装使得枢转单元相对于底座元件围绕第一旋转轴线可旋转地安装。在枢转单元上，外壳又相对于枢转单元围绕第二轴线可旋转地安装，在该外壳上，接着操作元件又围绕第三旋转轴线可旋转地安装。通过这一系列可旋转安装，实现了外科医生握持在他/她的手中用于致动的操作元件相对于接口围绕所有三个旋转轴线均可旋转。

由外科医生在操作元件上执行的移动特别地通过传感器来确定，随后机器人辅助手术系统被控制成使得由其保持的手术器械执行先前确定的运动。

在本发明的特别优选的实施例中，操作元件形成为盘状，其中盘状特别是指大致圆柱形的元件，其直径大于其厚度。

两个带子特别地在盘的两侧上彼此相对地布置。

这样的盘状元件可以以特别容易且符合人体工程学的方式接纳在外科医生的手中，其中特别地手的内表面搁置在操作元件的周缘表面上。

外壳特别地包括两个环，盘状操作元件布置在所述各环之间，该操作元件通过轴承、特别是薄环轴承附接到外壳，使得操作元件能够相对于外壳围绕第三轴线旋转。特别地，安装使得可以旋转360度。

外壳又通过另外的轴承、特别是滚珠轴承、优选为两个薄环轴承可旋转地安装在枢转单元上。因此，由此也实现了相对于枢转单元360度的旋转，其与操作元件的安装结合可使得操作元件能够相对于枢转单元并且因此相对于接口围绕第二旋转轴线和围绕第三旋转轴线旋转360度。

枢转单元又通过至少一个滚珠轴承、优选为两个薄环轴承可旋转地安装在底座元件上。

此外，有利的是，操作装置包括用于使枢转单元围绕第一轴线旋转的第一作用件、用于使外壳围绕第二轴线旋转的第二作用件和/或用于使操作元件围绕第三旋转轴线旋转的第三作用件。一方面，通过这些作用件，当操作元件先前已经移出该零位置时，操作元件可以被定向在预设的零位置。另一方面，通过这些作用件，可以实现对操作元件的所谓的力反馈。为此，在手术期间作用在手术器械上的力和/或扭矩特别地由传感器确定并且经由作用件反馈给操作元件，使得外科医生可以感受手术器械的阻力和力，并且因此感觉好像他是直接拿着手术器械。

作用件特别地是马达，优选电动马达。这使得简单的结构和精确的控制成为可能。

第一作用件特别地布置在底座元件上并且优选地通过齿形皮带传动装置与枢转单元联接，使得底座元件可以围绕第一旋转轴线旋转。

第二作用件特别地布置在枢转单元上并且优选地经由另外的齿形皮带传动装置联接到外壳，使得外壳可以经由第二作用件相对于枢转单元围绕第二旋转轴线旋转。

另一方面，第三作用件特别地不布置在外壳上而是布置在操作元件上，并且每次与该操作元件一起旋转。以这种方式实现的是，操作元件可以相对于外壳任意旋转360°。

第三作用件特别地经由小齿轮和冠状齿轮连接到外壳，从而提供围绕第三旋转轴线相对于外壳的可旋转性。

此外，操作装置特别地包括用于确定围绕第一旋转轴线的旋转位置的第一传感器、用于确定围绕第二轴线的旋转位置的第二传感器和/或用于确定围绕第三轴线的旋转位置的第三传感器，由此获得的信息特别地用于控制机器人系统。特别地，传感器也可以每次集成在相应的作用件中，或者设置在作用件中的传感器无论如何都可以用于此。

此外，或者可以使用一个传感器来确定围绕多个轴线的旋转位置。

操作装置特别设计成使得操作元件可围绕第二旋转轴线和第三旋转轴线两者旋转360°。以这种方式，实现了尽可能大的调整范围。

在本发明的优选实施例中，操作元件具有按钮，使用者可以通过该按钮来控制机器人辅助手术系统的另外的功能。该操作元件尤其可以设计为滑动按钮，并且特别地布置在盘状操作元件的周缘面上。

特别地，滑动按钮借助于弹性元件(例如压力弹簧)偏置在预定位置，并且可以由使用者抵抗用于微型开关的致动的弹簧力而移动。借助于回复力，按钮在释放后再次移动到其初始位置。

或者，代替按钮，例如也可以设置开关或推动按钮来进行控制。

按钮、开关或推动按钮可以优选地与布置在操作元件的基体的两侧上的带子一起旋转，使得外科医生可以在任何时间容易地触及并致动它，而这与带子的位置无关。

在一个特别优选的实施例中，两个带子附接到操作元件的盘状基体上，使得通过它们形成某种类型的钳夹，外科医生可以用它来展开和闭合穿过带子的他/她的两个手指，并且该移动由对应的传感器感测并且在控制机器人辅助手术系统的手术器械时被考虑到。

为此，两个带子可以远离彼此枢转，特别是围绕预定的旋转点枢转预定的角度，两个带子特别地联接成使得它们总是相对于零位置以相同的角度打开。该零位置特别是其上附接有带子的盘状操作元件的两个表面彼此平行定向的位置。

附图说明

另外的特征和优点由以下描述产生，以下描述结合附图基于各实施例更详细地解释本发明。

图1示出了用于机器人辅助手术的系统的示意性侧视图，该系统包括具有四个操纵器臂的操纵器，每个操纵器臂可连接到一个器械单元。

图2示出了用于控制根据图2的操纵器的操作装置以及操作装置所附接的保持单元的示意图。

图3示出了根据图2的操作装置的示意性透视图。

图4示出了根据图2和图3的操作装置的俯视图，该操作装置具有开放的钳夹。

图5示出了根据图2至图4的操作装置的截面图。

图6示出了根据图2至图5的操作装置的操作元件的截面图的细节，以及

图7和8分别示出了操作元件的细节的示意图。

具体实施方式

图1示出了用于机器人辅助手术的系统10的示意性侧视图，该系统带有操纵器12，操纵器12具有支架14和四个操纵器臂16a至16d。操纵器12通常也被称为用于机器人辅助手术的设备。系统10用于对定位在手术台34上的患者18进行手术。基于患者18的解剖结构和要进行的手术，目标手术区域30的坐标已经被确定并以预设方式存储。支架14具有L形的支架臂28，在该支架臂的远离支架底座24的端部处，操纵器臂16a至16d经由支架头20连接。

手术台34具有手术台柱32，手术台34的控制单元36布置在手术台柱32中，并且在手术台柱32上布置有包括若干区段的患者支撑表面38。控制单元36用于控制手术台34的各元件的运动，特别是用于手术台柱32的长度调节，并且因此用于调节患者支撑表面38的高度并且用于调节患者支撑表面38的各个区段以及患者支撑表面的倾斜和摆动。然而，优选地，手术台34的各区段的调节在手术期间借助于操纵器12被阻止。系统10还包括操纵器12的控制单元46以及中央控制单元40，中央控制单元40经由数据线连接到操纵器12的控制单元46、手术台34的控制单元36以及具有显示单元44的控制面板42。控制单元40具有输出单元41，并且控制单元46具有输出单元47，通过所述输出单元41和输出单元47中的每一个可以输出光学和/或声学信号。

患者支撑表面38的表面形成患者18以背侧方式定位在其上的前平面。

在图2中，示出了操作装置42以及操作装置42经由操作装置的接口100附接到的保持臂50的示意图。

保持臂50能够绕彼此正交的三个轴线、如箭头P1至P3所示围绕旋转点52旋转。此外，如箭头P4至P6所示，保持臂50可以在彼此正交的三个方向上平移移动。因此，操作装置42可以被定向在对使用者而言符合人体工程学的有利位置。

在图3中，示出了操作装置42的示意性透视图。图4示出了操作装置的俯视图，图5示出了沿着图4的线B-B截取的操作装置42的截面图。

操作装置42包括底座元件102，接口100设置在底座元件102上，并且操作装置42经由底座元件102附接到保持臂50。在底座元件102上，枢转单元104围绕第一旋转轴线106可旋转地安装。这里，特别地通过两个薄环轴承108、110进行安装。

在枢转单元104的背对底座元件102的端部布置有外壳112，外壳112围绕第二旋转轴线114可旋转地安装在枢转单元104处。这种可旋转性也通过外壳经由两个薄环轴承116、118的安装实现。

外壳112包括两个环120、122，盘状操作元件124布置在两个环120、122之间，该操作元件124相对于外壳112并因此相对于两个环120、122围绕第三旋转轴线126可旋转地安装。

操作元件124的盘状基体的两个侧表面128、130上布置有两个带子132、134，使用者可以将两个手指穿过两个带子132、134。特别地，带子132、134用于接纳拇指和中指。带子132、134通过可枢转的钳臂133、135与操作元件124的每个盘状基体的一个侧表面128、130连接。在操作元件124的周缘表面136上设置有滑动按钮138，当操作元件124如预期被抓住时，滑动按钮138能够通过搁置在其上的食指致动。滑动按钮138可以连接到操作元件124，使得操作元件124围绕旋转轴线126的旋转引起滑动按钮138沿着周缘表面136以相同的角度旋转，使得钳臂133、135和滑动按钮138处于固定的空间关系，这也由图2与图3或图5的比较得出。

如图6所示，滑动按钮138经由压力弹簧140被偏置在第一位置，并且可以克服压力弹簧140的弹力沿着箭头P7的方向移动。由此启动微型开关142，从而触发操纵器的相关功能。在释放滑动按钮138之后，该按钮被压力弹簧140移回到第一位置。

操作元件140因此能够围绕三个旋转轴线106、114和126旋转，三个旋转轴线106、114、126各自彼此正交地定向并且在共同的交点150处相交。操作元件140围绕三个轴线106、114、126中的每一个的旋转范围优选为360度。在其他实施例中，旋转的范围也可以被限制，例如90度。该限制例如可以通过止挡件107来实现。

通过传感器，确定操作元件124相对于三个轴线106、114、126的相应旋转位置，并且操纵器被控制，使得手术器械相应地运动。

通过将三个旋转轴线106、114、126布置成使得它们在共同的交点150处相交，可以实现特别直观的控制，这给予了外科医生好像他/她将手术器械直接保持在手的感觉。这种感觉通过以下事实进一步得到支持：即，该交点150位于两个带子132、134之间的操作元件124内，特别是与操作元件124的中心重合。此外，以这种方式，待补偿的质量惯性矩被最小化。

在底座元件102上设置有第一作用件，该第一作用件经由第一齿形皮带传动装置166与枢转单元104联接，使得枢转单元104可以经由第一作用件160围绕第一旋转轴线106旋转。

在枢转单元104上又设置有第二作用件162，该第二作用件162经由第二齿形皮带传动装置168与外壳112联接，使得外壳112可以围绕第二旋转轴线114相对于枢转单元104旋转。

在操作元件124内设置有第三作用件164，该第三作用件以不可转动的方式连接到操作元件124，并且总是与其一起运动。通过小齿轮170，第三作用件164与冠状齿轮172啮合，冠状齿轮172又牢固地连接到外壳112。通过这样，操作元件124可以围绕第三旋转轴线126相对于外壳112旋转。

因此，通过这三个作用件160至164，一方面，操作元件124可以每次再次定向在预设的零位置。另一方面，可以由此提供力反馈，其中作用在操纵器的手术器械上的力和/或扭矩被确定并且经由作用件160到164传递到操作元件，使得外科医生接收关于所做操纵的反馈，并且因此模拟逼真的手术条件，就好像外科医生直接握住手术器械那样。

如图4所示，带子132、134所附接到的两个表面128、130可以相对于操作单元124和外壳112的其他元件侧向地铰接在一起。通过这种方式，形成钳夹，其位置通过传感器相应地确定，并且还通过操纵器传输到手术器械的控制器。

在图7和图8中，每次示出了两个表面128和130以及两个带子132、134，其中在图8中示出了零位置，在该零位中，两个表面128和130彼此平行定向，并且在图7中示出了钳夹的最大开口，其中两个表面128、130中的每一个相对于零位置尤其以17度的最大角度枢转。

两个带子128、130中的每一个都经由杆176、178联接到可旋转盘174上，由此实现两个带子128、130总是相对于零位置打开相同的角度。在打开和关闭钳夹时，使联接到盘174的霍尔传感器的磁体转动，由此确定钳夹的相应角度位置，并且可以将其作为控制操纵器的基础。

附图标记列表

10 系统

12 操纵器

14 支架

16,16a至16d操纵器臂

18 患者

20 支架头

24 支架底座

28 支架臂

30 目标手术区域

31 目标手术区域的中心

32 手术台柱

34 手术台

36 手术台的控制单元

38 患者支撑表面

40 设备的中央控制单元

41 输出单元

42 操作装置

46 操纵器的控制单元

47 输出单元

50 保持臂

52 旋转点

100 接口

102 底座元件

104 枢转单元

106,114,126 旋转轴线

107 止挡件

108,110,116,118 薄环轴承

112 外壳

120,122 环

124 操作元件

128,130 外表面

132,134 带子

133,135 钳臂

136 周缘表面

138 滑动按钮

140 压力弹簧

142 微型开关

150 交点

160,162,164 作用件

166,168 齿形皮带传动装置

170 小齿轮

172 冠状齿轮

174 盘

176,178 杆

P1至P7 方向。

Claims (23)

1.一种用于机器人辅助手术系统的操作装置，其包括：

可手动致动的操作元件（124），所述操作元件包括用于分别接纳使用者的一个手指的两个带子（132, 134），和

接口（100），所述接口用于将所述操作装置（42）附接到保持单元（50），

其中，当所述操作装置（42）附接到所述保持单元（50）时，所述操作元件（124）能够相对于所述接口（100）围绕第一旋转轴线（106）、第二旋转轴线（114）和第三旋转轴线（126）旋转，这三个旋转轴线（106, 114, 126）各自彼此正交，

其特征在于，所述三个旋转轴线（106, 114, 126）在共同的交点（150）处相交，所述操作元件（124）包括盘状基体，所述两个带子（132, 134）布置在所述基体的两侧（128, 130）上。

2.根据权利要求1所述的操作装置（42），其特征在于，所述交点（150）位于所述操作元件（124）内。

3.根据权利要求1或2所述的操作装置（42），其特征在于，所述交点（150）位于所述两个带子（132, 134）之间。

4.根据权利要求1或2所述的操作装置（42），其特征在于，所述交点（150）与所述操作元件（124）的中心重合。

5.根据权利要求1或2所述的操作装置（42），其特征在于，所述操作装置（42）包括：底座元件（102），其包括所述接口（100）；枢转单元（104），其相对于所述底座元件（102）围绕所述第一旋转轴线（106）可旋转地安装到所述底座元件（102）；以及外壳（112），其相对于所述枢转单元（104）围绕所述第二旋转轴线（114）可旋转地安装到所述枢转单元（104），并且所述操作元件（124）围绕所述第三旋转轴线（126）可旋转地安装到所述外壳（112）。

6.根据权利要求5所述的操作装置（42），其特征在于，所述外壳（112）包括两个环（120,122），所述操作元件（124）布置在所述两个环（120, 122）之间，并且所述操作元件经由薄环轴承可旋转地安装到所述外壳（112）。

7.根据权利要求5所述的操作装置（42），其特征在于，所述外壳（112）经由至少一个滚珠轴承可旋转地安装到所述枢转单元（104）。

8.根据权利要求5所述的操作装置（42），其特征在于，所述枢转单元（104）经由至少一个滚珠轴承可旋转地安装到所述底座元件（102）。

9.根据权利要求5所述的操作装置（42），其特征在于，设有第一作用件（160），以使所述枢转单元（104）围绕所述第一旋转轴线（106）旋转；设有第二作用件（162），以使所述外壳（112）围绕所述第二旋转轴线（114）旋转；和/或设有第三作用件（164），以使所述操作元件（124）围绕所述第三旋转轴线（126）旋转。

10.根据权利要求9所述的操作装置（42），其特征在于，所述第一作用件（160）布置在所述底座元件（102）上，所述第二作用件（162）布置在所述枢转单元（104）上，和/或所述第三作用件（164）布置在所述操作元件（124）上。

11.根据权利要求9所述的操作装置（42），其特征在于，所述第三作用件（164）相对于所述操作元件（124）以不可转动的方式布置在所述操作元件（124）的内部。

12.根据权利要求11所述的操作装置（42），其特征在于，所述第三作用件（164）经由小齿轮（170）和冠状齿轮（172）连接到所述外壳（112）。

13.根据权利要求1或2所述的操作装置（42），其特征在于，提供了用于确定围绕所述第一旋转轴线（106）的旋转位置的第一传感器、用于确定围绕所述第二旋转轴线（114）的旋转位置的第二传感器和/或用于确定围绕所述第三旋转轴线（126）的旋转位置的第三传感器。

14.根据权利要求1或2所述的操作装置（42），其特征在于，所述操作元件（124）能够分别围绕所述第二旋转轴线（114）和/或所述第三旋转轴线（126）旋转360°。

15.根据权利要求1或2所述的操作装置（42），其特征在于，所述操作元件（124）包括按钮（138）。

16.根据权利要求15所述的操作装置（42），其特征在于，所述按钮（138）能够与布置在所述操作元件（124）的所述基体的两侧上的所述带子（132, 134）一起旋转。

17.根据权利要求1或2所述的操作装置（42），其特征在于，所述两个带子（132, 134）能够远离彼此枢转预定的角度，从而形成钳夹。

18.根据权利要求17所述的操作装置（42），其特征在于，所述两个带子（132, 134）彼此联接，使得它们总是相对于零位置打开相同的角度。

19.根据权利要求3所述的操作装置（42），其特征在于，所述交点（150）居中地位于所述两个带子（132, 134）之间。

20.根据权利要求7所述的操作装置（42），其特征在于，所述外壳（112）经由两个薄环轴承（116, 118）可旋转地安装到所述枢转单元（104）。

21.根据权利要求8所述的操作装置（42），其特征在于，所述枢转单元（104）经由两个薄环轴承（108, 110）可旋转地安装到所述底座元件（102）。

22.根据权利要求9所述的操作装置（42），其特征在于，所述第一作用件（160）是第一马达，所述第二作用件（162）是第二马达，所述第三作用件（164）是第三马达。

23.根据权利要求1或2所述的操作装置（42），其特征在于，所述操作元件（124）包括滑动按钮。

Images