具体实施方式

参考图式详细地描述本发明所公开的手术机器人系统和其器械驱动单元的实施例，图式中相同的附图标记指代若干视图中的每一个视图中的相同或对应元件。如本文所用，术语“远侧”是指手术机器人系统或其部件中最靠近患者的那个部分，而术语“近侧”是指所述手术机器人系统或其部件中更远离所述患者的那个部分。

如下文将详细地描述，提供一种手术机器人系统的器械驱动单元，其配置成允许手术器械的底部装载。器械驱动单元具有多个驱动轴，每个驱动轴配置成联接到手术器械的对应从动构件以用于执行手术器械的离散功能。器械驱动单元的驱动轴通过离散传动组件可操作地联接到器械驱动单元的离散电机。传动组件的配置允许减小器械驱动单元的总高度(例如，器械驱动单元更紧凑)。例如，传动组件的齿轮从其它传动组件的齿轮竖直地和水平地偏移。器械驱动单元还可包含旋转地支撑驱动轴的可旋转毂。毂配置成通过单独的驱动电机旋转，以使所附接的手术器械能围绕其纵向轴线旋转。下文进一步详述所公开的器械驱动单元的其它特征和益处。

首先参考图1，例如手术机器人系统1等手术系统大体上包含：多个手术机器人臂2、3；细长形滑件13，其联接到机器人臂2、3中的每一个机器人臂的末端；器械驱动单元20和机电器械10，其均可拆卸地附接到滑件13且配置成沿着滑件13移动；控制装置4；和操作控制台5，其与控制装置4联接。操作控制台5包含：显示装置6，其被特定地设置成显示三维图像；以及手动输入装置7、8，借助于所述手动输入装置，例如外科医生等人员(未示出)能够在第一操作模式下远程操控机器人臂2、3，如大体上为所属领域技术人员所知。

机器人臂2、3中的每一个可以由通过接合件连接的多个构件组成。机器人臂2、3可以由连接到控制装置4的电驱动器(未示出)驱动。控制装置4(例如，计算机)被设置成特定地借助于计算机程序激活驱动器，其方式为使得机器人臂2、3，所附接的器械驱动单元20以及因此机电器械10根据借助于手动输入装置7、8限定的移动而执行期望的移动。控制装置4还可以被设置，其方式为使得控制装置调节器械驱动单元20沿着滑件13的移动，机器人臂2、3的移动和/或驱动器的移动。

手术机器人系统1配置成在躺在手术台“ST”上待借助于例如机电器械10等手术器械以微创方式治疗的患者“P”上使用。手术机器人系统1还可以包含多于两个机器人臂2、3，额外的机器人臂同样连接到控制装置4并可借助于操作控制台5进行远程操控。手术器械，例如机电手术器械10(包含机电末端执行器)也可以附接到额外机器人臂。

控制装置4可以控制多个电机，例如电机(电机1…n)，其中每个电机配置成在多个方向上驱动机器人臂2、3的移动。此外，控制装置4可控制器械驱动单元20的多个驱动电机22(图2和3)以驱动手术器械10的各种操作。器械驱动单元20将动力和致动力从其电机传递到机电器械10的从动构件(未示出)，以最终驱动所述机电器械10的末端执行器的部件的移动，例如刀片(未示出)的移动和/或所述末端执行器的钳口构件的闭合和打开。

对于机器人手术系统的构造和操作的详细描述，可参考标题为“医疗工作站(Medical Workstation)”的第8,828,023号美国专利，其全部内容以引用的方式并入本文中。

参考图2-7，现将详细地描述器械驱动单元20。器械驱动单元20包含机架26和可旋转地联接到所述机架26的远端部分26b的联轴器或套筒28，以用于将手术器械10(图1)连接到所述器械驱动单元20。器械驱动单元20的机架26配置成可滑动地联接到沿着滑件13(图1)纵向限定的线性轨道(未示出)。机架26的近端部分26a容纳多个驱动电机22a、22b、22c、22d、22d、22e(在本文中统称为“22”)，以用于执行所附接的手术器械的各种功能。机架26的远端部分26b限定穿过其的纵向延伸的通道30，所述通道的尺寸设定成用于收纳器械驱动单元20的毂46。远端部分26b具有环形凸缘32(图5和6)，所述环形凸缘从机架26的内周表面径向地向内延伸。环形凸缘32配置成支撑器械驱动单元20的内部部件。

在实施例中，机架26的基座26b的远端部分可具有收纳在其中的滑环33，以用于在固定结构(例如，驱动电机22)与旋转结构(例如，机电手术器械10)之间传递电信号或电力。由滑环33传递的电信号可以是来自机电手术器械10的与所述手术器械10的状态和位置和/或邻近组织结构的状态和位置相关的反馈信号。例如，反馈可包含手术器械10的温度、所述手术器械10所受的力，和/或所述手术器械10的某些结构相对于彼此或相对于邻近组织结构的位置。

参考图2，器械驱动单元20的联轴器或套筒28可旋转地联接到机架26的远端部分26b。套筒28具有收纳在机架26的通道30内并固定到毂46的近端部分28a，使得套筒28随毂46旋转。套筒28具有固定在其中的多个环形构件29(图5)，所述环形构件具有延伸穿过其中的相应驱动轴66。毂46的旋转使驱动轴66随之旋转，所述驱动轴的旋转又驱动套筒28的旋转，如将要描述的。套筒28具有配置成将手术器械10的主体部分非旋转地固定在其中的远端部分28b。套筒28可具有一对闩锁构件31a、31b，所述闩锁构件配置成可释放地保持机电手术器械10的主体部分。因此，当手术器械10联接到器械驱动单元20时，套筒28的旋转引起所附接的手术器械28的旋转。

参考图2和3，器械驱动单元20的电机22隐藏在机架26的近端部分26a内。驱动电机22a、22b、22c、22d沿圆周彼此间隔开且可通过控制装置4(图1)独立地致动。驱动电机中的一个，例如驱动电机22e配置成在手术器械10联接到器械驱动单元20时实现所述手术器械10的旋转，且其余驱动电机22a、22b、22c、22d配置成致动所述手术器械10的功能。驱动电机22a、22b、22c、22d围绕第五驱动电机22e安置。驱动电机22可以是圆筒形电机或扁平形电机。还涵盖其它类型的电机。

虽然器械驱动单元20示出为具有五个驱动电机，但预期到，所述器械驱动单元20可具有多于或少于五个驱动电机。

前四个驱动电机22a、22b、22c、22d各自具有从其向远侧延伸且穿过机架26的远端部分26b的可旋转电机轴40a、40b、40c、40d(在本文中统称为“40”)。电机轴40围绕机架26的远端部分26b的通道30和毂46沿圆周彼此间隔开。电机轴40各自具有围绕其旋转地固定的电机齿轮42a、42b、42c、42d(在本文中统称为“42”)，例如正齿轮。电机齿轮42中的每一个定位在其相应电机轴40上的离散竖直位置处，使得所述电机齿轮42彼此竖直地偏移选定距离。由于除彼此竖直地偏移之外，电机齿轮42还沿圆周彼此间隔开，因此所述电机齿轮42在所有三个维度上彼此偏移。

参考图2、3、5和6，器械驱动单元20进一步包含收纳在机架26的远端部分26b的通道30中的外壳组件44。外壳组件44可不可旋转地固定到机架26的远端部分26b且支撑在凸缘32上。如在图5和6中最佳示出，外壳组件44包含多个轴承48a、48b、48c、48d(在本文中统称为“48”)等，和插入在邻近轴承48之间且与所述邻近轴承一起固定的多个环形支撑件50a、50b、50c、50d(在本文中统称为“50”)。环形支撑件50和轴承48以交替布置的方式竖直地堆叠在机架26的通道30内。环形支撑件50使邻近轴承48互连，使得整个外壳组件44配置成一体式结构。环形支撑件50中的每一个具有开口52，所述开口具有延伸穿过其的对应电机齿轮42，以允许所述电机齿轮42与对应齿圈62介接，如将描述。

参考图4-6，器械驱动单元20的毂46支撑在外壳组件44中且配置成相对于所述外壳组件44且在所述外壳组件内旋转。毂46具有安置成邻近其相应近端和远端的一对近侧和远侧径向延伸部58a、58b。径向延伸部58a、58b将毂46轴向地支撑在机架26的远端部分26b的通道30中。毂46具有在径向延伸部58a、58b之间竖直地延伸的多个支撑支柱47，从而连接所述径向延伸部58a、58b并为整个毂46提供完整性。

毂46进一步包含从近侧径向延伸部58a的中心位置向近侧延伸的突起49。毂46的突起49不可旋转地固定到第五驱动电机22e的联轴器，例如套筒联轴器23，以从所述第五驱动电机22e接收扭矩。因此，第五电机22e的套筒联轴器23的旋转驱动毂46相对于机架26围绕由所述毂46限定的中心纵向轴线“X”旋转。

参考图4-7，器械驱动单元20进一步包含多个传动组件60a、60b、60c、60d(在本文中统称为“60”)，所述多个传动组件彼此独立地起作用以将扭矩从对应电机22传递到所附接的手术器械10的对应从动构件。每个传动组件60a、60b、60c、60d可包含彼此可操作地联接的相应电机齿轮42、齿圈62a、62b、62c、62d(在本文中统称为“62”)、驱动齿轮64a、64b、64c、64d(在本文中统称为“64”)和驱动轴66a、66b、66c、66d(在本文中统称为“66”)。

传动组件60的部件沿着由毂46限定的中心纵向轴线“X”彼此竖直地偏移，且每个传动组件60的某些部件沿着水平面对准。例如，如在图5和6中最佳示出，第一传动组件60a(例如，最近侧传动组件)的第一电机齿轮42a、第一齿圈62a和第一驱动齿轮64a彼此可操作地联接且沿着第一水平面“P1”基本上对准，且第二传动组件60b的第二电机齿轮42b、第二齿圈62b和第二驱动齿轮64b彼此可操作地联接且沿着第二水平面“P2”基本上对准，所述第二水平面沿着纵向轴线“X”从第一水平面“P1”竖直地位移(例如，向远侧安置)。其余的传动组件60c和60d也安置在离散水平面中。虽然仅示出四个传动组件，但预期到，器械驱动单元20可具有多于或少于四个传动组件。

传动组件60的齿圈62竖直地堆叠在毂46内。确切地说，齿圈62沿着由毂46限定的中心纵向轴线“X”同轴。齿圈62由外壳组件44的相应轴承48旋转地支撑。齿圈62围绕壳体46的支撑支柱47安置，且插入在近侧和远侧径向延伸部58a、58b之间。

齿圈62中的每一个具有从其内周边70和其外周边72两者延伸的齿轮齿68。在齿圈62中的每一个齿圈的外周边72上的齿轮齿68与对应电机齿轮42介接，并且在齿圈62中的每一个齿圈的内周边70上的齿轮齿68与对应驱动齿轮64介接，如将描述。在实施例中，齿圈62中的每一个可由彼此一体地形成的内齿圈及外齿圈构成。

传动组件60a、60b、60c、60d的驱动轴66a、66b、66c、66d纵向延伸穿过毂46且从其向远侧延伸。确切地说，驱动轴66中的每一个具有：近端部分67a，其可旋转地联接到毂46的近侧径向延伸部58a；中间部分67c，其在所述毂46的近侧和远侧径向延伸部58a、58b之间延伸；以及远端部分67b，其从所述毂46的远侧径向延伸部58b向远侧延伸。驱动轴66围绕毂46的中心纵向轴线“X”沿圆周彼此间隔开。驱动轴66相对于毂46围绕其相应纵向轴线自由旋转。

驱动轴66中的每一个的远端部分67b配置成可操作地联接到手术器械10的从动构件(未明确示出)。例如，驱动轴66中的每一个驱动轴的远端部分67b可具有联接器(例如，齿轮)以用于与手术器械10的从动构件的对应联接器联接。因此，在将机电器械10底部装载到器械驱动单元20中之后，所述器械驱动单元20的驱动轴66的远端部分67b可操作地联接到所述机电器械10的主体部分(未示出)的远端中的齿轮/联接器，使得每个驱动轴66的旋转使所述手术器械10的对应地联接的从动构件旋转，以实现手术器械的离散功能(例如，末端执行器的打开/闭合、末端执行器的关节运动等)。

驱动轴66各自具有围绕其旋转地固定的驱动齿轮64，例如正齿轮。驱动齿轮64中的每一个驱动齿轮定位在其相应驱动轴66上的离散竖直位置处，使得驱动齿轮64彼此竖直地偏移选定距离。由于除竖直地偏移之外，驱动齿轮64还沿圆周彼此间隔开，因此驱动齿轮64在所有三个维度上彼此偏移。如上文所提及，驱动齿轮64各自与对应齿圈62的内周边70上的齿轮齿68介接或互相啮合，且从其中接收源自相应电机22的扭矩。

在操作中，通过使机电器械10的主体部分在近侧方向上穿过器械驱动单元20的套筒28，所述机电器械10联接到所述器械驱动单元20。闩锁构件31a、31b可接合手术器械10(图1)的主体部分的相对的侧面，以选择性地使所述手术器械10保持在套筒28内。在机电器械10的主体部分附接到器械驱动单元28的套筒28的情况下，驱动轴66中的每一个的远端部分67b与所述机电器械10的所述主体部分的近端中的对应齿轮/联接器(未示出)介接。

为了致动手术器械10的特定功能，例如所述手术器械10的末端执行器的打开或闭合，器械驱动单元20的驱动电机22中的一个，例如第一驱动电机22a通过控制装置4(图1)被激活。第一驱动电机22a的激活使第一电机轴40a旋转。第一电机轴40a的旋转致动第一传动组件60a，以将扭矩从第一电机轴40a传递到机电器械10的第一从动构件。

确切地说，参考图7，第一传动组件60a的第一电机齿轮42a随第一电机轴40a旋转，所述第一电机齿轮的旋转又使第一传动组件60a的第一齿圈62a和第一驱动齿轮64a旋转。由于第一驱动齿轮64a围绕第一驱动轴66a旋转地固定，且所述第一驱动轴66a的远端部分67b(图5)可操作地联接到手术器械10(图1)的第一从动构件的近端，因此所述第一驱动齿轮64a的旋转使第一驱动轴66a旋转，由此旋转机电器械10的第一从动构件以致动所述手术器械10的相关功能。驱动电机22e可配置成在传动组件60a、60b、60c、60d中的任何一个的致动期间阻止其电机轴40e的旋转，使得所述传动组件60a、60b、60c、60d中的一个的致动不会无意中引起毂46的旋转。

为了使机电器械10围绕其纵向轴线旋转，器械驱动单元20的第五电机22e由控制装置4(图1)激活。如上所提及，第五驱动电机22e的激活使毂46围绕中心纵向轴线“X”旋转。由于驱动轴66延伸穿过毂46的远侧径向延伸部58b和套筒28的环形构件29(图5)，因此所述套筒28随所述毂46旋转。在机电器械10非旋转地支撑在套筒28中的条件下，所述机电器械10随所述套筒28相对于机架26旋转以改变所述机电器械10的旋转定向。驱动电机22a、22b、22c、22d可配置成同时使电机轴40a、40b、40c、40d旋转，且进而利用毂46的旋转而驱动齿轮64a、64b、64c、64d。这将防止驱动轴66a、66b、66c、66d在毂46的旋转期间围绕其相应纵向轴线旋转，如果驱动齿轮64a、64b、64c、64d在所述毂46的旋转期间保持静止，则这种情况可能会发生。

如可了解，上文所描述的器械驱动单元20提高手术机器人系统1的可用性、减少整个系统1的占地面积、改进安全架构、减少在紧急情况下移除手术器械所需的时间且简化在所述器械驱动单元20中使用的电子设备。

应理解，可对本文所公开的实施例进行各种修改。因此，以上描述不应被解释为限制性的，而仅仅是作为各种实施例的例证。所属领域的技术人员将设想在本文所附的权利要求书的范围和精神内的其它修改。