[发明专利]仪器驱动器中的测力传感器

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

需要一种用于手术机械臂的改进的驱动组件。

发明内容