专利名称：外科手术附件夹具及系统的制作方法在机器人辅助或远程机器人外科手术中，外科医生一般从远离病人的位置(如手 术室对面，不同的房间或与病人所处位置完全不同的建筑物内)操纵主控制器以远程控制 外科手术部位外科手术器械的动作。主控制器通常包括一个或多个手输入装置，如操纵杆、 外骨骼手套等，使用铰接外科手术部位器械的伺服电动机将其连接于外科手术器械。伺服 电动机一般是支撑并控制已被直接引入打开的外科手术部位或通过外套管引入病人腹部 等体腔内的外科手术器械的机电装置或外科操纵器(“从动”)的一部分。在手术中，外科 操纵器提供机械铰接并控制组织抓钳、针状打入器、电外科烧灼探针等多种外科手术器械， 各自执行外科医生的各种功能，如固定并打入针、抓住血管或解剖、烧灼或凝结组织。这种通过远程操纵执行远程机器人外科手术的新方法当然已产生了许多新的挑 战。挑战之一来自于部分机电外科操纵器将直接接触外科手术器械，也将临近手术部位定 位的事实。因此，外科操纵器会在外科手术期间受污染，且通常在手术后丢弃或在手术之 间消毒。从成本的角度考虑，对装置进行消毒是优选的。但是伺服电动机、传感器、编码器 以及机器人控制电动机所必须的电连接一般不能使用蒸气、热压或化学制品等常规方法消 毒，这是因为系统部件可能在消毒过程中受损或损坏。远程机器人外科手术系统的另一挑战是手术过程中外科医生一般使用大量的不 同外科手术器械。由于器械夹持器的数量因空间限制和成本而有限，因此手术期间需多次 将许多外科手术器械连接到同一器械夹持器并从该器械夹持器拆除。例如在腹腔镜手术过 程中，由于空间有限，而且希望避免病人体内不必要的切口，手术期间进入病人腹部的入口 端数量一般有限。因此，手术期间一般通过相同的外套管引入大量不同的手术器械。同样， 在开放手术中，手术部位周围通常没有足够的空间来放置多于一个或两个外科操纵器，因 此，外科医生的助手将不得不频繁的将器械从夹持器上移除，并更换其它外科手术工具。但 是，在过去，器械夹持器难以使用或使用较笨重，要求使用双手。另外，过去的器械夹持器需 要在每次手术程序后被拆除并消毒。因此，需要用于远程控制病人手术部位的外科手术器械的改进的远程机器人系统 及其方法。这些系统和方法应配置为将消毒的需要最小化以提高成本效率。另外，这些系 统和方法应设计为在外科手术过程中最小化器械的更换时间和难度。因此，非常需要具有 改进的功效和成本效率的机器人外科手术的附件夹具和系统。
本发明提供了夹持用于远程机器人外科手术的外科手术附件的有利系统、设备和方法。根据本发明的实施例，提供了机器人外科手术系统的外科手术附件夹具，该附件 夹具包括用于连接到操纵器臂部件远端的底座以及用于接收外科手术附件的两个夹钳，所 述两个夹钳可操作地连接到底座。夹钳还包括两个夹钳上的消毒帘部分，和能够致动或驱 使两个夹钳至打开位置或闭合位置的控制杆部分。根据本发明的另一实施例，提供了机器人外科手术系统的外科手术夹具，所述附件 夹具包括用于连接到操纵器臂部件远端的底座，该底座包括第一安装部分、第一安装部分上 的消毒帘部分以及用于夹持或松开第一和第二安装部分间的外科手术的第二安装部分。根据本发明的又一实施例，提供了用于在消毒区内执行手术过程的机器人外科手 术系统，该系统包括操纵器臂部件、用于连接外科手术至操纵器臂部件远端部分的外科手 术附件夹具以及覆盖附件夹具和操纵器臂部件以将附件夹具和操纵器臂部件从消毒区隔 离的消毒帘。根据本发明的另一实施例，提供了用于在消毒区内执行手术过程的机器人外科手 术系统，该系统包括外科手术工具、包括具有近端和远端部分的操纵器臂部件的操纵器组 件、确定容纳外科手术工具的内腔并提供穿透病人皮肤通路的套管、用于连接套管至操纵 器臂部件远端部分的套管调节器以及覆盖套管调节器和操纵器臂部件以将套管调节器和 操纵器臂部件从消毒区隔离的消毒帘。根据本发明的又一实施例，提供了机器人外科手术系统中夹持外科手术附件的方 法，该方法包括提供上述外科手术附件夹具、定位消毒帘于两个夹钳上、驱使该附件夹具至 打开位置、提供外科手术附件于两个夹钳之间以及驱使该附件夹钳至闭合位置。根据本发明的另一实施例，提供了机器人外科手术系统中夹持外科手术附件的方 法，该方法包括连接外科手术附件夹具至操纵器臂部件的远端部分、使用消毒帘覆盖操纵 器臂部件和附件夹具以将操纵器臂部件和附件夹具从消毒区隔离以及连接附件至消毒区 内的附件夹具。有利地，本发明提供了不要求重新消毒并可轻松更换器械、工具或附件的机器人 外科手术系统的改进的夹持设备和方法，从而提高了成本效率和功效。本发明的范围由结合于本部分以供参考的权利要求界定。对于本领域技术人员， 通过考虑以下一个或多个实施例的详细说明，可更完整地理解本发明的实施例及其附加优 点的实现。首先将简短说明将参照的附图。图1是手术室的示意图，其示出了根据本发明实施例的远程机器人外科手术系统 和方法。图2是图1所示手术室的放大图，其示出了根据本发明的连接到手术台的一对安 装接头。图3A是根据本发明实施例的局部由消毒帘覆盖的机器人外科手术操纵器的透视 图。图;3B是图3A所示的没有覆盖消毒帘的机器人外科手术操纵器的透视图，以示出 连接驱动组件和腕单元、外科工具的多自由度臂部件。图4示出了结合有观看外科手术部位的摄像机和内窥镜的图3A-;3B所示机器人外 科手术操纵器。图5是图3A-;3B所示机器人操纵器的局部视图，其示出了臂部件和腕单元之间的 机电连接。图6是图3A和;3B所示操纵器的前臂和滑架的局部剖视图。图7是根据本发明实施例的腕单元的透视图。图8是部分机器人操纵器的侧面横向剖视图，其示出了臂部件和驱动组件。图9A是根据本发明另一实施例的局部由消毒帘覆盖的机器人外科手术操纵器的 透视图。图9B-9C是图9A所示的没有消毒帘的机器人外科手术操纵器的视图，以示出将驱 动组件与外科手术附件夹具、腕单元、外科工具连接的多自由度臂部件。图10是根据本发明实施例的外科手术附件夹具、外科手术附件以及设置在其间 的消毒帘部分的横向剖视图。图11A-11C示出了根据本发明实施例的作为外科手术附件的套管和该附件的传 感机构的横截面。图12A-12C示出了根据本发明实施例的外科手术附件夹具的不同视图。图13A-i;3B示出了固定于根据本发明实施例的图12A-12C所示外科手术附件夹具 中的外科手术附件的透视图。图14A-14C示出了将外科手术附件定位并夹持在根据本发明实施例的图12A-12C 所示外科手术附件夹具中的透视图和侧视图。图15和16示出了装配在附件夹具的夹钳之上的两个消毒帘部分。图17A-17E示出了将消毒帘部分定位于附件夹具的夹钳上且之后将附件夹持于 夹钳之间的透视图。图18A-18C示出了根据本发明另一实施例的滑动附件夹具的视图。图19A和19B示出了根据本发明另一实施例的枢轴转动附件夹具。图20示出了根据本发明另一实施例的另一枢轴转动附件夹具。图21A-21B示出了根据本发明另一实施例的另一枢轴转动附件夹具。图22A-22C示出了将外科手术附件定位并夹持于根据本发明实施例的图21A-21B 所示外科手术附件夹具内的透视图。图23A-23C示出了根据本发明另一实施例的另一枢轴转动附件夹具。图24A-24F示出了将外科手术附件定位并夹持于根据本发明另一实施例的外科 手术附件夹具内的透视图。图25A-25B示出了根据本发明实施例的第一安装部分的透视图。图示出了根据本发明实施例的第二安装部分的透视图。参照以下详细说明可最好地理解本发明的实施例及其优点。应理解，在一个或多 个附图中，相同参照数字指相同元件。也应理解附图不必按照比例绘制。
如图1所示，提供了伺服机构16用以将控制器12的机械动作传递至操纵器组件 4。伺服机构16可独立于操纵器组件4或与其整合。伺服机构16通常提供来自外科手术 器械20的力和力矩反馈至手动控制器12。另外，伺服机构16包括安全监控控制器(未示 出)，该安全监控控制器响应识别的情况(如对病人用力过度、操纵器组件4 “失控”等)而 停止或至少抑制所有机器人动作。伺服机构优选具有至少IOhz的3dB截止频率的伺服带 宽，使得系统可快速准确地响应外科医生使用的快速手部动作。为有效地使用该系统进行 手术，操纵器组件4的惯性相对较低，驱动电动机170 (见图8)具有相对较低的传动比的齿 轮或滑轮连接。任何适当的常规或专用伺服机构可用于本发明的实践中，并且尤其优选结 合力和力矩反馈的那些结构用于本系统的远程呈现。参照图7，外科手术器械20各自包括腕单元22和可拆装地连接于腕单元22的外 科手术工具24 (图3A和3B)。如下详细所述，各腕单元22 —般包括可枢轴转动地连接于外 科工具M的近端具有盖58且远端具有腕60的细长轴件56。各腕单元22基本相同，且根 据手术程序的需要，可将不同或相同的外科工具M连接到腕单元22上。可替代地，腕单元 22可具有设计用于各个手术工具M的专用腕60，使得腕单元22可与常规工具M —起使 用。如图1所示，器械组件20通常临近手术台0组装到桌子T或其他适当支架上。根据本 发明的方法(如下所述)，腕单元22及其相关外科工具M可在外科手术过程中通过从操纵 器组件4连接、分离腕单元轴件56而迅速更换。参照图2，各操纵器组件4优选通过安装接头30安装于手术台0。安装接头30为 组件4提供了多个(优选至少为5个)自由度，并且这些安装接头30包括制动器(未示 出)使得组件4可固定于相对病人的适当位置和方向。接头30安装于插座32，该插座32 用于将安装接头30安装至手术台0并连接各操作器组件4至伺服机构16。另外，插座32 可连接接头30至其他系统，如射频(RF)电源、抽吸冲水系统等。插座32包括安装臂部件 34，该安装臂部件34可沿手术台0的外轨36滑动地安置。操纵器组件4也可使用其他机 构定位于手术台0上方。例如，系统可结合在病人上方移动并固定一个或多个操纵器组件 4的支承系统(被连接于手术室的天花板或墙壁)。现参照图3-8，将进一步详细说明操纵器组件4。操纵器组件4是三部件设备，其 包括非消毒驱动与控制部件、可消毒的末端执行器或外科手术工具(如外科手术器械组件 20)以及中间连接器组件。中间连接器包括用于连接外科手术工具M和驱动与控制部件以 及用于从驱动部件传递动作至外科手术工具对的机械元件。如图3B所示，驱动与控制部件 一般包括驱动组件40和连接于安装托架44的多自由度机器人臂部件42，该驱动与控制部 件适于安装在安装接头30 (图2)上。驱动组件40和机器人臂部件42优选可绕X轴枢轴 转动地连接于托架44，X轴延伸穿过球形旋转45的远程中心(见图8，如下进一步详述)。 操纵器组件4还包括固定于臂部件42远端48的前臂组件46以及连接于前臂组件46用于 将腕单元22和外科手术工具M安装至操纵器组件4的腕单元调节器52。对于内窥镜手术过程，操纵器组件4还包括连接于前臂46下部用以安装套管66 至操纵器组件4的套管调节器64。或者，套管66可为嵌入前臂组件46的整体套管(未示 出)(即不可拆装)。套管66可包括安装至套管66内的环形轴承的力传感元件(未示出)， 如应变仪或力传感电阻器。力传感轴承在外科手术期间支承外科手术工具对，允许工具旋 转并轴向移动穿过轴承的中心孔。另外，轴承将由外科手术工具M所施横向力传递至连接于伺服机构16以将这些横向力传递至控制器12的力传感元件。这样，可不受如外科手术 切口周围的组织等作用于套管66上的力或作用于操纵器组件4上的重力和惯性力的干扰 而探测到作用于外科手术工具M上的力。这有助于将操纵器组件4用于机器人系统中，因 为外科医生可直接感应到反作用于外科手术工具M上的力。如图3A所示，操纵器组件4还包括尺寸可基本覆盖整个操纵器组件4的消毒帘 70。帘70具有一对孔72、74，孔72、74按尺寸制作并且被排列以使腕单元调节器52和套管 调节器64可穿过孔72、74以安装腕单元22和套管66至操纵器组件4。消毒帘70包括布 料，该布料被配置为有效从手术部位隔离操纵器组件4，使得组件4的多数部件(即臂部件 42、驱动器组件40和前臂组件46)不必在外科手术程序之前或之后消毒。如图3A所示，腕单元调节器52和套管调节器64穿过帘70的孔72、74，使得前臂 组件46和操纵器组件4的其他部分在手术过程期间保持与病人隔离。在一实施例中，腕单 元调节器52和套管调节器64被制造为需消毒的可重复使用部件，因为这些部件伸入手术 部位的消毒区。腕单元和套管调节器52、64可通过如蒸气、热压、化学制品等普通方法消 毒。再次参照图3B，腕单元调节器52包括接收腕单元22的轴件56的开口 80。如下详细 所述，轴件56可横向穿过开口 80并卡入或搭扣配合调节器52，使得腕单元的调节器52的 非暴露部分保持消毒(即保持在消毒区对面的消毒帘70的消毒侧)。腕单元调节器52也 可包括用于固定腕单元22于其内的插销(未示出)。同样，套管调节器64包括用于卡合套 管66的开口 82，使得调节器64的非暴露部分在外科手术过程期间保持消毒。如图4所示，腕单元调节器52也可配置为接收观看外科手术部位的观察仪100。 对于内窥镜手术过程，观察仪100可为常规内窥镜，一般包括刚性长管102，该长管102包 括透镜系统(未示出)和管102近端的摄像机座104。小型摄像机106优选附于摄像机 座104，并且连接到视频监控器10以提供手术过程的视频图像。观察仪100优选具有被配 置为允许相对于管102横向或成角度观察的远端(未示出)。该观察仪也可具有可引导尖 端，该可引导尖端可通过在操纵管102近端的启动器转向或旋转。该类型的观察仪可从伊 利诺斯州Deerfield的Baxter Healthcare公司或加利福尼亚州Menlo Park市的Origin Medsystems公司买至丨J。如图4所示，观察仪100还包括连接观察仪100至腕单元调节器52的观察仪调节 器110。观察仪调节器110可消毒，能经受住环氧乙烷(ETO)消毒和高压加热消毒，且包括 用于从驱动组件40传递动作至观察仪100的多个动作馈通(feed-through)(未示出)。在 优选配置中，动作包括俯仰和偏转动作、绕Z轴的旋转以及沿Z轴的移动。现参照图5和6，将进一步详述前臂组件46。如图5所示，前臂组件46包括固定 至臂部件42的外壳120和可滑动连接于外壳120的可移动滑架122。滑架122可滑动安装 腕单元调节器52至外壳120，以沿Z轴方向移动腕单元调节器52和腕单元20。另外，滑架 122确定了用于从前臂组件46传递动作和电信号至腕单元调节器52的多个开口 123。如 图6所示，多个可旋转轴件IM安装于外壳120内以从臂部件42通过开口 123传递动作至 腕单元调节器52和腕单元22。旋转轴件IM优选为腕单元22提供至少4个自由度，包括 外科手术工具M绕腕单元22的腕60的俯仰和偏转动作、腕单元22绕Z轴的旋转以及工 具对的致动。如果需要，系统也可配置为提供更多或更少自由度。工具M的致动可包括 多种动作，如打开和关闭夹钳、抓钳或剪刀、使用固定夹或钉子等。腕单元22和工具M沿Z轴方向的动作是由延伸于前臂外壳120各端上可旋转滑轮1观、1四之间的一对滑架缆线 驱动器1 提供。缆线驱动器1 用于相对前臂外壳120沿Z轴方向移动滑架122和腕单 元22。如图6所示，臂部件42的远端48包括连接组件130，该连接组件130具有从臂部 件42传递动作至前臂组件46的多个动作馈通132。另外，连接组件130包括从臂部件42 传递电信号至腕单元22的多个电连接(未示出)。同样，腕单元调节器52包括多个动作馈 通(未示出)和电连接(未示出)，这些动作馈通和电连接用于传递动作并且发送电信号至 腕单元22和从腕单元22接收电信号(如，发送、接收从外科手术部位至控制器12的力和 力矩反馈信号)。连接组件130和腕单元调节器52各侧部件的动作范围有限。通常，这一 运动范围至少在1周转并且优选大于1周转。当前臂组件46机械连接于连接组件130时 以及当腕单元调节器52机械连接于前臂46时，这些动作范围相互对齐。参照图7，将进一步详细说明腕单元22。如图所示，腕单元22包括空心轴件56， 该空心轴件56近端连接有盖58，远端连接有腕60。腕60包括用于可拆装地连接多个外科 手术工具M至轴件56的连接头(未示出)。轴件56可转动地连接于盖58以提供轴件56 和工具M绕轴件56纵轴(即Z轴)的旋转。盖58容纳有用于从腕单元调节器52传递动 作至轴件56内的驱动缆线(未示出)的机构(未示出)。驱动缆线可适当连接以驱动轴件 56内的滑轮从而绕腕60旋转工具M，并致动或启动工具M上的末端执行器140。腕60也 可由其他机构操作，如差动齿轮、推杆等。工具M可拆装地连接于腕单元22的腕60。工具M优选包括末端执行器65 (图 3A和3B)，该末端执行器65具有用于为外科医生提供触觉反馈的触觉传感器阵列(未示 出)。工具M可包括具有由线链路、离心凸轮、推杆或其他机构驱动的末端执行器的多种铰 接工具，如夹钳、剪刀、抓钳、持针器、显微切割仪、钉合器、钉机、抽吸冲洗工具、施夹钳等。 另外，工具M可包括非铰接器械，如切割刀片、探头、冲洗器、导液管或抽吸孔。或者，工具 24可包括用于消融、切除、切割、或凝结组织的电外科探针。在后一实施例中，腕单元22包 括导电元件，如连接于穿过轴件56至工具M的导线或杆的近端香蕉插头。参照图4和8，将进一步详细说明本发明的驱动与控制部件(即机器人臂部件42 和驱动组件40)的具体结构。如上所述，臂部件42和驱动组件40绕从安装托架44伸出的 一对销150可旋转连接。臂部件42优选包括细长的基本刚性的主体152，远端48连接于前 臂组件48，近端IM可枢轴转动地连接于驱动组件40和托架44，以进行俯仰、偏转旋转或 绕X、Y轴旋转(注意Y轴垂直于纸面并延伸穿过点45，见图8)。臂部件40可有其它配置， 如肘臂(类似人的手臂)、棱柱臂(直的，可延展)等。静止偏转电动机156安装于安装托 架44以绕X轴旋转臂部件42和驱动组件40。驱动组件40也包括连接于臂部件42以绕Y 轴旋转臂部件的俯仰电动机158。一对基本刚性联动元件160、IM从托架44伸至机器人臂 部件42，可绕Y轴枢轴转动地连接臂部件42至托架44。联动元件160之一可枢轴转动地 连接于臂部件42，另一联动元件IM可枢轴转动地连接于平行于臂部件42延伸的第三联动 元件164。机器人臂部件42优选为槽形刚性元件，其至少部分容纳第三联动元件164。联 动元件160、124、164和臂部件42形成平行四边形联动装置，其中的各构件按平行四边形连 接在一起，仅能在由构件形成的平面内相对移动。固定于臂部件42远端48的腕单元22的Z轴与上述平行四边形联动装置的χ轴相交。腕单元22具有绕图8所示的数字45所指位置球形旋转的远程中心。因此，腕单元 22的远端可绕自身的轴或X和Y轴旋转，而旋转的远程中心45保持位置不变。远程中心定 位装置的更完整的说明可参见1995年7月20日提交的美国专利申请第08/504，301号即 目前的美国专利第5，931，832号，其完整公开为所有目的结合于此以供参考。应注意臂部 件42和驱动组件40可与以上所述以及图8所示以外的范围广泛的定位装置一起使用，如 立体定向定位器、固定平衡环/固定万向常平架等。再次参照图8，驱动组件40还包括连接于臂部件42以随之旋转的多个驱动电动机 170。俯仰和偏转电动机156、158控制臂部件42 (和驱动电动机170)绕X和Y轴的动作， 驱动电动机170控制腕单元22和外科手术工具M的动作。优选至少五个驱动电动机170 连接于臂部件42，为腕单元22提供至少5个自由度。驱动电动机170优选包括用于响应伺 服机构16的编码器(未示出)和用于传递力和力矩反馈至外科医生S的力传感器(未示 出)。如上所述，5个自由度优选包括滑架122和腕单元22沿Z轴方向的移动，腕单元22 绕Z轴的旋转，外科手术工具M绕腕60的俯仰和偏转旋转以及工具M的致动。如图所示，缆线172从各电动机170绕臂部件42内的电动机驱动滑轮174、空转 滑轮176以及沿相对较大的罐式绞盘178延伸以最小化摩擦力矩对缆线172的影响。缆线 172各自绕臂部件42的远端48的另一空转滑轮180、绕连接驱动滑轮182延伸并回到电动 机170。缆线172优选在电动机驱动滑轮174和连接驱动滑轮182处张紧并固定。如图8 所示，连接驱动滑轮182经多条缆线186连接于连接组件130内多个较小滑轮184以从电 动机170传递动作至腕单元调节器52。现将参照图1-9说明根据本发明的对病人执行外科手术过程的方法。如图2所示， 安装接头30连接于通过沿轨道36滑动安装臂部件34连在手术台0上的插座32上。之后 各操纵器组件4连接于各安装接头30并铰接于相对于病人P的适当位置和方向。插座32 然后连接于伺服机构16和外科手术程序期间所需的其他系统，如RF电源、抽吸/冲洗系统 等。消毒帘70在病人麻醉之前、期间或之后置于操纵器组件4上(图3A)。为准备外科手 术过程，操纵器组件4在用帘70覆盖前可进行化学清洁或可不进行化学清洁。腕单元调节 器52、套管调节器64以及观察仪调节器110卡在操纵器组件4的前臂组件46上(见图;3B 和5)。观察仪调节器110和腕单元调节器52的数量和相对位置当然取决于各个外科手术 过程(如开放式外科手术过程中无需套管调节器64)。在外科手术程序期间，外科手术器械组件20通过横推各腕单元轴件56穿过腕单 元调节器52的开口 80而连接于各个操纵器组件4。各腕单元22可具有适当识别装置(未 示出)以快速并轻松指示连接于腕单元22的工具M的类型。当外科医生希望更换外科手 术工具M时，他/她可操纵控制器(若干控制器)12使得滑架122沿前臂组件46移至行 程的顶部或近端位置(见图3B)。在这个位置，外科手术工具M处于套管66内或在开放式 手术过程中从手术部位移除。助手(若干助手)A之后上拉腕盖58以松开插销(未示出)， 从而允许腕单元22进一步向上滑动，滑出套管66。之后助手(若干助手)A可横拉腕单元 22使其从腕单元调节器52分离。当腕单元22不再连接于调节器52时，控制机构认为系统 处于“工具更换模式”，并驱动滑架122至近端位置，如果外科医生没有将其移至该位置。要连接另一外科手术器械组件20至操纵器组件4，助手(若干助手)A从桌子T上 抓取另一组件20，将腕单元轴件56横向推入腕单元调节器52的开口 80，之后下移腕单元22使得外科手术工具M处于套管66内(见图1和;3B)。腕单元22的这种下移自动配合 腕盖58和腕单元调节器52内的电连接和动作馈通(未示出)。系统可包括被配置为锁定 顶部或近端位置处的滑架122行程的控制机构，如通过启动制动器(未示出)，直至连接头 配好并且腕单元22不再下移。此时，外科医生S可继续外科手术程序。本发明的系统和方法优选包括用于计数腕单元22与腕单元调节器52分离和连接 次数的机构。这样，制造商可限制腕单元22可使用的次数。在具体配置中，集成电路芯片 (未示出)位于腕盖58内。电路芯片计数腕单元22连接于腕单元调节器52的次数，如20 次，并在外科医生的控制台C上显示预警。控制系统之后通过减少其可运送的负载或增加 明显后冲而降低系统的工作性能。现参照图9A，示出了根据本发明另一实施例的包括局部由消毒帘270覆盖的机器 人外科手术操纵器204的机器人外科手术系统200。图9B和9C是图9A所示的而没有覆盖 消毒帘的机器人外科手术操纵器的视图，以示出连接驱动组件和外科手术夹具、腕单元、外 科手术工具的多自由度臂部件。系统200与以上参照图1-8所示和描述的系统相似，但外 科手术夹具264不穿过消毒帘270，并与外科手术附件266 (如套管)接口连接，手术程序期 间，部分帘270从外科手术的消毒区有效隔离附件夹具沈4。有利地，外科手术过程前，附件 夹具264不要求被消毒或更换，因此节省了成本，由于穿过消毒帘的开口减少了一个，系统 200更好地与消毒区隔离，从而可以更好地隔离了系统设备。上述包括(功能性相同或相似的)驱动组件40、臂部件42、前臂组件46、腕单元调 节器52、腕单元22以及工具M的相同或相似的操纵器组件4可用于系统200中，并且与 附件夹具264 —起使用，因而省去了对相同或相似部分的重复说明。但是，图9A-9C示出了 不同的驱动组件对0、臂部件M2、前臂组件246和接口 252，它们使用轴256和末端执行器 265致动或启动工具224。驱动组件M0、臂部件M2、前臂组件M6、接口 252以及其他适 用部件或工具的实施例参见例如美国专利第6，331，181号、第6，491，701号、第6，770，081 号，其全部公开为所有目的结合于此以供参考。现在将更详细地说明夹具沈4、附件沈6以 及帘270部分的实施例。图10是根据本发明实施例的外科手术夹具沈4、外科手术附件沈6以及其间消毒 帘270的消毒帘部分270a的横向剖视图。外科手术夹具264包括两个夹钳，这些夹钳 264a被致动以在其间“捕获或抓住”附件沈6。一个或两个夹钳可为有源的或可致动 的。在一实施例中，控制杆部分可通过滑动动作或枢轴转动动作来致动夹钳沈如。图11A-11C示出了根据本发明实施例的外科手术附件266的示例，如套管300。套 管300可选包括环302，这些环302用于为外科系统200自动识别套管类型，提供例如核实 该附件与特定机器人系统兼容的信息、需要时系统重新配置参数以及附件具体信息，如工 具寿命数据、套管长度、整体外观等。为从环302读取信息，印刷电路板(PCB) 304、磁体306 以及传感器308可为附件夹具264或前臂组件246的一部分(图9B和9C)。注意本发明不 限于套管附件，各种附件266都属于本发明的范围内，包括但不限于在外科手术过程的任 何时间可与机器人臂部件连接或从其上移除的可重复使用的或一次性附件，如内窥镜/摄 像机组件以及外科手术器械(如牵开器和稳定器)。图12A-12C示出了根据本发明实施例的外科手术附件夹具400的不同视图。附件 夹具400包括用于连接至机器人操纵器臂部件(如前臂组件M6)的远端的底座402、两个夹钳404以及用于致动两个夹钳404至打开位置或闭合位置的控制杆部分406。图12A和 12B突出示出了附件夹具400的不同部件，图12C示出了组件的剖面透视图。图13A和1 ;3B 示出了夹有附件的整个组件。如图12A所示，在夹具的这一特定实施例中，随着控制杆部分406相对底座402上 下移动以弓I导控制杆平滑操作过程中，凸轮从动件408沿控制杆部分406中的槽410移动。 随着控制杆上移，第二凸轮从动件408-1与控制杆410-1的坡道部分相互作用，该控制杆 410-1在打开位置和闭合位置间致动夹钳404(如图14A-14C)。坡道部分用作部分确定施 于附件负载以及闭合控制杆所需负载的凸轮和弹簧。另外，凸轮具有高点，该高点产生过中 心特征以保持夹具闭合并将夹具被啮合的正反馈传给用户。定位螺钉403允许导向凸轮从 动件的冗余固定法。现参照图12B，预组装在块414中的传感器412通过定位销417定位于 底座402内，使得传感器末端41 具有感测套管300(图11A-11C)等夹持附件识别信息的 理想固定位置。螺钉415使底座402连接于操纵器臂部件。应理解也可使用各种其它装置 将底座402连接于操纵器臂部件，如通过粘合剂或焊接材料。图12C示出了枢轴销420 (如 8-32螺纹418)，该枢轴销420用作夹钳404在打开和闭合位置间移动时的旋转轴。在这个 实施例中，夹钳404由夹钳间的弹簧416偏压入打开位置，夹钳没有通过控制杆部分406被 驱使至闭合位置时，该弹簧416保持夹钳处于打开位置。应理解，夹具也可设计以使夹钳在 没有致动至打开位置时自然处于闭合位置。图13A和1 示出了根据本发明实施例的组装的图12A-12C所示外科手术夹具 400的透视图。套管300锁定在处于闭合位置的夹钳404之间。图14A-14C示出了将套管300定位并夹持在根据本发明实施例的图12A-12C所示 外科手术夹具400内的透视图和侧视图。图14A示出了处于第一(打开)位置的附件夹 具400，夹钳404由其间的弹簧偏压打开。图14B示出了定位在夹钳404间的附件400。图 14C示出了控制杆部分406相对底座部分沿箭头A所指方向朝向夹钳404上推从而驱使夹 钳404至闭合位置时处于第二(闭合)位置的附件夹具400。因此，通过朝向夹钳404滑动 控制杆部分406致动夹钳404。下文将参照图19-23示出并说明其他实施例中的旋转控制 杆部分。图15和16示出了装配在图12A-12C所示附件夹具400的夹钳404之上的消毒帘 部分270a的两个示例的不同视图。消毒帘部分270a被制成与夹钳404的形状相配，沿夹钳 的有源部件折曲。因此处于闭合位置时，帘部分270a的表面被塑型(此情形中为圆柱形) 以容纳并夹持附件。消毒帘部分270a优选由刚性和强度足以允许正常置于非消毒附件夹具上且甚至 在沿各种方向施加循环负载的情况下耐撕裂的材料制成，但优选地由弹性足以允许夹钳有 源部分移动的材料制成。消毒帘部分270a可被制成单个消毒帘的部分或可由粘合剂、热、 RF焊接或其它方式连接于主消毒帘270的独立的一块。图17A-17E示出了用于将消毒帘部分270a定位于附件夹具的夹钳404上、之后将 套管300夹持于夹钳之间且消毒帘部分270a位于夹钳和附件之间的透视图。图17A示出了 安装于机器人臂部件远端的附件夹具400，如前臂组件246末端的套管安装部分M6a。图 17B示出了定位于夹钳404上的消毒帘部分270a，图17C示出了完全定位于附件夹具400上 的帘部分270a。在一实施例中，消毒帘部分270a可包括连接于帘部分270a顶面的强化物或增强部分270b，例如通过粘结或热熔连接在一起。强化物270b可由各种耐用材料制成， 在一个示例中由高密度聚乙烯(HDPE)或聚氨酯制成。图17D示出了定位于夹具400上的套管300。有利地，套管300可在夹持在处于闭 合位置的夹钳间之前被定位于所需任何轴向方向。附件的特点可实物限制用户不正确连接 套管。在一示例中，附件上确定有用于夹持的两个具体直径夹持部分300A和300B。直径大 小不同以确保附件正确夹持。夹钳404的较大直径大到足以使较小直径夹持部分300B置 于夹钳内侧区域时控制杆闭合后附件不能固定。夹钳404的较小直径和夹钳有限的打开角 度使得较大直径夹持部分300A不能实体地适合该区域。图17E示出了夹钳404随控制杆部分406沿箭头A所指方向上移而沿箭头C所指 方向向内移动时套管300完全夹持于夹具400的夹钳404之间，夹钳404处于闭合位置。套 管300刚性并精确地连至机器人臂部件，消毒帘部分处于套管和夹具之间。有利地，外科手术可在外科手术程序期间与操纵器臂部件连接并从其上移除，而 不要求使用中间消毒附件夹具，从而消除了对需要清洁和消毒的可拆卸附件座或调节器的 需要，提高了功效和成本效率。本发明还可轻松移除和连接器械、工具或附件至机器人外科 手术系统，而不破坏消毒状态，例如，一些示例中允许仅用单手更换附件。图18A-18C示出了根据本发明另一实施例的固定套管300的滑动附件夹具500的 视图。将夹具500与消毒区有效隔离的套管300和夹具500间的消毒帘部分未示出。夹 具500包括两个夹钳502和经滑动移动致动夹钳502从打开位置至闭合位置的控制杆部分 504。图18B示出了镍基合金销506和可过中心移动以锁定附件于夹钳502之间的控制杆 部分504的控制杆手柄512。图18C示出了磁铁508和具有用于从套管300的识别环感测 附件识别信息的传感器510的PCB。图19A和19B示出了根据本发明另一实施例的枢轴转动附件夹具600。将夹具600 与消毒区有效隔离的套管300和夹具600之间的消毒帘部分未示出。夹具600包括两个夹 钳602和可过中心移动以锁定附件于夹钳之间的控制杆手柄604。夹钳602也包括用于保 持控制杆打开的棘爪606。附件夹具600还包括具有传感器和连接装置的底座608，如以上 参照其他实施例所述。图20示出了根据本发明另一实施例的枢轴转动附件夹具700。将夹具700与消毒 区有效隔离的套管300和夹具700之间的消毒帘部分未示出。夹具700包括两个夹钳702 和也可过中心移动以锁定附件于夹钳之间的控制杆手柄704。在此实施例中，底座708包括 用于保持夹钳处于打开位置的棘爪706，也可包括传感器和连接装置，如以上参照其他实施 例所述。夹具700还包括用于使两个夹具在打开和闭合位置间移动的单个枢轴点710，从而 允许减小夹具的尺寸。可选仅一个夹具需要打开以松开附件。图21A-21B示出了根据本发明另一实施例的捕获有套管300的枢轴转动附件夹具 800。将夹具800与消毒区有效隔离的套管300和夹具800之间的消毒帘部分未示出。夹 具800包括两个夹钳802和从打开位置移至闭合位置以锁定附件于夹钳之间的控制杆手柄 804。控制杆部分还包括使夹钳从打开位置转动至闭合位置的枢轴销810。底座808可包 括用于连接夹具800至机器人操纵器臂部件的连接装置，如以上参照其他实施例所述。图 21B示出了用于枢轴转动控制杆手柄804的枢轴销812、沿夹具804的凸轮表面滚动的凸轮 从动件814、允许凸轮从动件稍变形但仍传递力至夹钳的弹簧柱塞816、阻止弹簧柱塞退出组件的弹簧销818以及保持旋转夹钳802处于正常打开位置并允许夹钳在控制杆手柄804 移动时闭合的扭矩弹簧822。夹具800还包括用于从附件感测附件信息的传感器820。图22A-22C示出了定位并夹持外科手术套管300于根据本发明实施例的图 21A-21B所示外科手术夹具800内的透视图。图22A中套管300定位于夹钳之间。图22B 中控制杆手柄804枢轴转动直到凸轮从动件814合入棘爪。之后图22C中的套管300锁定 于夹钳之间。有利地，闭合的组件可制造为不高于附件使得套管300的顶面与附件夹具800 的顶面(即夹钳的顶面)齐平。图23A-23C示出了根据本发明另一实施例的捕获有套管300的枢轴转动附件夹具 900。将夹具900与消毒区有效隔离的套管300和夹具900之间的消毒帘部分未示出。夹 具900包括两个夹钳902、控制杆手柄904和用于安装夹具900至操纵器臂部件远端的底 座908。图2 和23C示出了包括用于定位控制杆手柄904于打开和闭合位置之间的棘爪 906的夹具900部分。图23C示出了使夹钳902在打开和闭合位置之间枢轴转动的枢轴销 910以及磁体912和具有用于从夹持附件感测附件信息的传感器914的PCB。图24A-24F示出了定位并夹持套管300于根据本发明另一实施例的外科手术夹具 1000内的透视图。附件夹具1000包括捕获或夹持套管300于其间的第一安装部分1002和 第二安装部分1004。消毒帘部分(未示出)可定位于第一安装部分1002和套管300之间。 在另一实施例中，夹具部件(如第一安装部分)可为消毒帘的部分，因而可被提供消毒并在 之后被丢弃或被重新消毒供以后使用。图24A和24B示出了第一安装部分1002在外科手 术过程之前或开始时连接于机器人臂部件(如前臂组件M6)的远端。图24C和24D示出 了定位于第一安装部分1002上方以及其上的套管300。第一安装部分1002包括形成“凹 处”以容纳部分套管300的顶面1006。尽管在此特定实施例中，顶面1006被塑型为部分圆 柱形以符合圆柱形附件的表面，其他形状和凹处也属于本发明的范围。图24E和24F示出了 第二安装部分1004置于第一安装部分1002上方以及连接于第一安装部分1002，套管300 固定其间。图25A-25B示出了根据本发明实施例的第一安装部分1002的透视图。图25A示 出了包括固定凸缘(retaining lips) 1008的第一安装部分1002，该固定凸缘1008与第二 安装部分1004的固定凸缘匹配。第一安装部分1002还包括绳环(tether loop) 1010，为 使用方便该绳环1010经缆线(未示出)连接到第二安装部分1004以保持部件于一体。图 25B示出了第一安装部分1002，其包括用于连接固定夹的槽1012和用于连接消毒帘的边缘 1014。图26A-26B示出了根据本发明实施例的第二安装部分1004的透视图。图26A示出 了第二安装部分1004，其包括用于经缆线(未示出)连接第一安装部分1002的绳环1010 的绳环1016。第二安装部分1004还包括与第一安装部分1002上的固定凸缘1008匹配的 固定凸缘1018。上述实施例说明但不限制本发明。还应理解根据本发明的原理可以做出多种修改 和变动。例如，尽管上述实施例中说明的夹钳和帘部分为圆柱形，用于接收非圆柱形附件的 其他形状和凹处也属于本发明的范围内。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限定。


公开了外科手术附件夹具、使用方法以及包括该夹具的机器人外科手术系统。外科手术附件可在外科手术过程期间与操纵器臂部件连接或从其上移除，而不需要使用中间消毒附件夹具，从而消除了对要求清洁和消毒的可拆装附件座或调节器的需要，提高了功效和成本效率。本发明还可轻松移除和连接器械、工具或附件至机器人外科手术系统，而不破坏消毒状态。