[发明专利]模块化的力传感器

说明书

技术领域

本发明一般地涉及外科机器人系统，并更具体地涉及用于感测施加于外科器械的力的改进的系统、装置以及方法。背景技术 

在机器人辅助外科手术中，外科医生典型地从可能远离病人的位置(举例来说，在手术室的对面，在不同的房间或者在与病人完全不同的建筑物内)操作主控制器以控制外科器械在外科部位的运动。主控制器通常包括一个或者多于一个的手输入装置，例如通过带有用于在外科部位铰接器械的位置和方向的伺服电机的控制器而可操作地耦连到外科器械的手持式腕万向节、操纵杆、外骨骼手套、手钻或者类似的装置。伺服电机典型地是电动机械装置或者外科操纵器臂(“从动装置”)的一部分，电动机械装置或者外科操纵器臂包括连接在一起以支撑和控制外科器械的多个关节、连杆装置等等，所述外科器械已直接地被引入显露的外科部位或者通过套管针套被插入体腔内的切口，例如病人的腹部。取决于外科程序，可用多种外科器械例如组织抓取器、针驱动器、电外科学的烧灼探测器等等，从而为外科医生执行各种功能，举例来说，收回组织、保持或者驱动针、缝合、抓取血管、或者解剖、烧灼或者凝结组织。外科医生在程序期间可以利用许多不同的外壳器械/工具。 

通过遥控操纵执行遥控机器人外科手术的这种新方法已经创造了很多新的挑战。其中一个挑战是提供给外科医生精确地“感觉”经由机器人操纵器正在由外科器械操纵的组织的能力。外科医生必须依赖由器械或者缝合施加的力的可见指示。为了通过系统手控或者通过例如视觉显示或者可听声音的其他装备将力和扭矩反馈到外科医生用户，感测施加到器械(例如机器人内窥镜外科器械的末端受动器(举例来说，夹钳、抓紧器、刀片等等))的顶端的力和扭矩是所期望的。来自在DLR的 G.Hirzinger实验室的用于这一目的的一个装置描述在Int’l Journalof Medical Robotics and Computer Assisted Surgery第1期第1卷第58页F.Cepolina和R.C.Michelini的“Review of Fixtures forLow-Invasiveness Surgery”中，其内容在此并入供各种参考。然而，该设计不利地将力传感器放置于腕关节的末端(或者外侧)，因此需要使电线或者光纤电缆的路径通过挠曲腕关节并且还需要使偏航和抓握轴位于分开的旋转轴上。 

执行外科手术典型地所期望的另一个问题是像相对小的器械那样在尽可能小的空间装配和定位末端受动器的机械动作所必要的电线。 

因此，所需要的是在病人的外科部位上远程控制外科器械的改进的遥控机器人系统和方法。特别地，这些系统和方法应该配置成将力和扭矩的准确反馈提供给外科医生以改进使用者的认知和器械的控制。发明内容 

本发明提供设备、系统以及方法用于改进外科医生执行机器人外科手术对力和扭矩的反馈与感测。在一个实施例中，模块化的力传感器包括含有多个应变计的管部分、可操作地耦连到外科器械的轴的近侧管部分以及接近耦连到与末端部分耦连的腕关节的远侧管部分，该外科器械的轴可能可操作地耦连到机器人外科系统的操纵器臂。 

轴向取向的应变计组经由模块化设备位于或者靠近接近(或者内侧)机器人外科器械的可移动腕的器械轴的远侧端，以感测在器械的远侧顶端的力和扭矩而没有由于顶端(例如可移动腕)结构的变化或者稳态温度变化产生的误差。 

有利地，本发明为外科医生改进了力和/或者扭矩的感测和反馈并且基本消除了使精密电线通过器械的柔性腕关节的问题。可以将力传感器设备作为独立的模块化元件进行生产、测试和校准并在常规的器械装配过程中将力传感器设备与其他的元件组装在一起。另外，可以选择与器械轴的材料不同的传感器结构构件的材料，器械轴的设计考虑因素可能折衷传感器所需的机械属性。 

发明的范围由并入本节供参考的权利要求限定。通过下面的一个或者多个实施例的详细描述将使本领域的技术人员获得对本发明的实施例的更完整的理解以及对其中附加优点的认识。将参考首先要简要描述的附图页。附图说明 

图1A是根据本发明的实施例的机器人外科系统和方法的透视图。 

图1B是根据本发明的实施例的图1中的机器人外科系统的机器人外科臂手推车系统的透视图。 

图1C是根据本发明的实施例的图1A中的机器人外科系统的主控制台的主透视图。 

图2是根据本发明的实施例包括可操作地耦连接近(或者内侧的)腕关节的模块化力传感器设备的外科器械的透视图。