CN101304701A - 工具约束机构 - Google Patents

Abstract

一种机构，其约束工具(103)的工作点或焦点的空间位置，所述机构具有操纵器(101)和安装在其上的远距离中心机构(102)。所述操纵器(101)提供用于定位所述远距离中心机构(102)的至少一个自由度，所述远距离中心机构(102)自身提供用于定位工具夹具的进一步的自由度，所述工具夹具适用于夹持待在操作中相对于远距离中心点约束的工具(103)。所述工具夹具的方向可调节，同时仍保持所述远距离中心点的位置相对于所述操纵器(101)固定。

Description

工具约束机构

本发明涉及一种约束工具的工作点或焦点的空间位置的机构；并且尽管是非排他性的，但特别提供了一种供在医疗机器人系统中使用的约束机构，例如使用球面刀具实现的多用途骨造型(multi purpose bone sculpting)。典型应用可包括微创手术，例如膝关节单髁置换术(unicompartmental kneearthroplasty)、椎弓根螺钉置入(pedicle screw insertion)及髋关节置换术(hip arthroplasty)。

先前的设备在本领域中已知用于手术工具和约束机构的操纵。这样的设备经常包括带有6个自由度的定位跟踪传感器的庞大且复杂的机动臂。这样的设备既昂贵又难以操纵，这阻碍了精密手术期间经常要求的工具的精细而复杂的移动。对于许多应用，例如使用球面刀具的骨造型，仅控制三个自由度足够完全引导造型工具。工具的功能端部分的位置，例如实际的球面切削钻头的位置需要被监测、跟踪以及约束，但工具的功能端以及工具自身的旋转方向，例如俯仰(pitch)和偏转(yaw)，并不重要。

本发明提供一种工具约束机构，其包括操纵器及安装在其上的远距离中心机构(remote centre mechanism)，操纵器提供用于定位远距离中心机构的至少一个自由度，而远距离中心机构提供用于定位工具夹具的至少进一步的自由度，所述夹具适合于夹持待在操作中相对于远距离中心点约束的工具，工具夹具的方向可调，同时保持远距离中心点的位置相对于操纵器固定。优选地，操纵器可提供至少三个自由度，而远距离中心机构可提供进一步的两个自由度。

根据本发明的实施方案使工具例如球面刀具的工作点的空间约束能够处在安全区域或工作空间边界(working envelope)内，同时最佳的工具方向留给使用者例如外科医生控制。这使工具能够被自由地旋转定向，以避免受阻并易于操纵，同时工具的功能端保持在安全的工作区域、范围或空间边界中。根据本发明的实施方案可用于要求工具的工作点被约束于一区域但不必要求工具的方向被约束的任何应用。在一些实施方案中，工作点可位于工具的功能端处(例如刀具)，而在其他实施方案中，工作点或目标点可位于与工具(例如激光枪或X射线枪)相隔一定距离的地方。

优选地，操纵器101是可后驱动的、平衡的及机动的，使得连杆运动能够被主动地约束于预先规定的区域，在所述预先规定的区域内，使用者能以最小的摩擦和作用力自由地拖曳器械。连杆还是位置编码的并可具有制动器。优选地，操纵器包括三个自由度，带有三个转动关节，而远距离中心机构包括两个自由度，带有具有360°运动范围的两个转动关节。

系统可由三自由度串联转动-转动-转动(RRR)操纵器和两个附加的未被跟踪/受控的关节组成，所述操纵器带有腰关节(waist joint)、肩关节(shoulder joint)及肘关节(elbow joint)，所述两个附加的未被跟踪/受控的关节处在远距离中心运动构型中，其中球面刀具被置于焦点处。这允许使用者定向工具以供最佳使用，而不影响球面刀具位置，球面刀具位置被系统的最初的三个(机动的)关节约束。

优选的实施方案还可包括：

编码器，其安装在远距离中心机构连杆上，以在定向工具时引导使用者。

电动机，其安装在远距离中心机构连杆上，以约束工具的方向用于全三维机器人辅助。

模块化联锁装置，其配合具有不同的工作空间边界的不同的远距离中心机构以用于不同的应用。

模块化联锁装置，其重新定位远距离中心机构以适合不同的应用。

可能的其他应用包括雕刻工作和复杂手部运动的训练。本发明扩展至手术方法、雕刻方法以及用手使用工具的训练方法。

根据本发明的实施方案的进一步的优点在下文讨论。

本发明可以以多种方式实现，且现将参考附图通过非限制性的实施例描述若干个具体实施方案，其中：

图1为根据本发明的约束机构的第一实施方案的示意图；

图2为根据本发明的适用于约束机构的实施方案的可替换的操纵器的示意图；

图3为根据本发明的适用于约束机构的实施方案的进一步地可替换的操纵器的示意图；

图4A、4B及4C显示了根据本发明的适用于约束机构的实施方案的远距离中心机构的透视图；

图5显示了根据本发明的适用于约束机构的实施方案的可替换的远距离中心机构的透视图；及

图6显示了根据本发明的约束机构的实施方案。

如在图1中示意性地显示的，根据本发明第一实施方案的约束机构100包括操纵器101、远距离中心机构102及工具103。

操纵器101连接到提供局部参考系和牢固接地的基部。操纵器101包括串联连接的转动关节104、105及106。与各个关节分别关联的是刚性连杆106、107及108，其运动被约束于所述关节所允许的运动。对于每个关节104、105、106来说，只允许围绕关节的中心旋转轴线110、112、113旋转，如由各自的箭头109、111、114所示。

图2中显示的可替换的实施方案包括移动关节(prismatic joint)201、202、203，而不是图1的转动关节。如箭头205所示，仅允许每个移动关节例如202沿着关节轴线204进行平移运动。

上述关节可以如图1全部为转动关节，或如图2全部为移动关节，或者如图3所示为转动关节、移动关节或诸如球窝关节的其他类型关节的混合体。此外，刚性连杆不需要是直线的，而是可以为任意形状；例如连杆能包含如连杆106的单个弯曲或如连杆107中的多个弯曲。

连杆和关节串联连接在一起，这增加了操纵器的远端，即最后的连杆108的自由度的数量，并允许所述远端进行更加复杂的动作。如图1所示，关节104固定到基部。关节105连接到连杆106，连杆106与关节104相关联。如箭头111所示，与关节105关联的连杆107不仅能围绕关节105的旋转轴线112旋转，而且如箭头109所示，另外还能够围绕关节104的轴线110旋转。关节106连接到连杆107。因此，与关节106相关联的连杆108能围绕旋转轴线113、112及110旋转。远距离中心机构102在连杆108处连接到操纵器的远端，连杆108自身联接到工具103。

操纵器可具有许多运动学构型中的一个，包括但不限于上面参考图1、2及3所论述的构型。

图4A、4B及4C图展示了图1中示意性地显示的远距离中心机构102的实施方案。远距离中心机构的目的是将工具夹持在所谓的远距离中心构型中，由此可由使用者改变工具的若干个旋转自由度，比如工具的方向(例如偏转、俯仰及横滚(roll))，同时保持工具的固定的远距离中心或目标点。在图4的实施方案中，工具是具有功能端或切割点404的刀具403。在该实施方案中，远距离中心机构的目的是不管工具403自身的方向如何，将切割点404保持固定于远距离中心401。

图4中所示的远距离中心机构102具有安装杆405，安装杆405允许远距离中心机构102以例如图1所示的形式联接到操纵器的远端。远距离中心机构固定到操纵器，使得图1的末端轴线108与远距离中心机构的第一轴线411重合。

由关节401联接到安装杆405的是第一连杆406。关节401允许该连杆围绕第一轴线411自由旋转。

在连杆406的远端上的是界定第二轴线408的第二关节402。联接到该关节的是第二连杆407，该连杆可围绕第二轴线408自由旋转。

在第二连杆407的远端上安装切削工具403。切削工具通常为笔形以易于外科医生抓握和手工操纵，并位于沿工具轴线409的位置。

该实施方案及其他实施方案中的工具还可包括能够围绕工具轴线自由旋转的人体工程学套筒(未显示)。除围绕工具轴线旋转之外不在任何方向上移动的套筒使工具能够被抓握，而该动作不会限制远距离中心机构的运动-即，使用者能通过人体工程学把手或套筒抓住工具，所述把手或套筒在使用过程中将在工具上滑动，以产生对受约束机构平滑、大体上无摩擦的拖曳。

转动关节401、转动关节402及工具403的方向排列成使得三个轴线411、408和409彼此相交于相同的空间位置点，即远距离中心410。

由于该排列，当连杆406围绕旋转轴线411转动，以及当连杆407围绕旋转轴线408转动时，远距离中心410保持固定在适当位置。

如可由图4B所示的，由关节401提供的旋转自由度使工具的偏转运动能够被外科医生自由地改变，同时保持远距离中心410不变。如可由图4C所示的，工具的俯仰运动能通过关节401和402两者旋转的组合而自由地改变。

增加进一步的转动关节(未显示)可提供横滚旋转运动，所述转动关节定位成使得其转动轴线与工具轴线409共轴，并因此也将与其他轴线相交于远距离中心410。当然，对于一些应用，例如工具为球面刀具的应用，工具的横滚旋转是不必要的。

远距离中心410的空间位置由操纵器101控制和/或跟踪。操纵器的关节可以是机动的和/或受监测的或位置编码的，使得远距离中心的位置能够被精准控制、监测及跟踪。操纵器101的连杆，无论是机动的与否，都可由使用者用手调节。在一些实施方案中，可仅通过允许使用者拉/推工具或远距离中心机构，且使操纵器的关节仍可自由移动，来方便地实现对操纵器101的连杆的手动调节。

在一个实施方案中，连杆406、407可以是可拆装的，并可用根据所进行的应用而选择的不同长度、形状和构型的连杆替换。通过选择不同的连杆组合，使用者可为工具选择多种不同的运动自由。

另一个远距离中心机构500显示在图5中。工具的两个运动自由度由转动关节501和移动关节502提供，移动关节502沿弧形轨道503来回移动，如箭头504所示。转动关节501的旋转轴界定第一轴线505。垂直于所述弧形轨道的切线的线界定第二轴线506。工具508的纵向轴线界定工具轴线507。

弧形轨道503的形状以及转动关节501和工具508的方向为使得三轴线505、506及507相交于单一远距离中心509。转动关节501控制工具的偏转，而沿弧形轨道503来回移动的移动关节502控制关节的俯仰。当工具508的偏转和俯仰改变时，远距离中心509的空间位置保持恒定。

在该实施方案中，工具夹具可沿弧形轨道503滑动，或可选地，轨道自身可以相对于关节501滑动，且夹具固定于轨道上的适当位置。

可替换的构型对于实现用于远距离中心机构的远距离中心运动是可能的，例如凸轮机构及四杆联动机构。对构型的选择依赖于系统的运动需求的范围，该范围反过来依赖于应用。

图4中，工具被对准和定位成使得其功能端404位于远距离中心410处。在这种构型中，当工具的俯仰和偏转被改变时，例如手术期间由外科医生操作工具时，工具的功能端保持在相同的空间位置。

相反，图5中，工具508的功能端510定位于刚好未达到远距离中心509的位置。在这种构型中，当工具的偏转及俯仰改变时，功能端的空间位置不保持恒定，而是沿圆形路径、弧形路径或凹面移动，这取决于是仅偏转(转动关节旋转)、俯仰(仅移动关节沿弧形轨道来回移动)还是偏转及俯仰二者都分别被改变(两个关节都运动)。如果工具的功能端待被定位到(越过)远距离中心的另一侧，则所述端的空间位置将沿圆形路径、弧形路径或凸面移动，这取决于是仅偏转、俯仰还是偏转和俯仰二者都分别被改变。当然，如图4的实施方案，在适当情况下，工具的功能端可以正好被定位在远距离中心509上。

工具功能端的允许的运动范围(相对于固定的操纵器)由工具的功能端相对于远距离中心的位置和远距离中心机构界定。上述运动范围是使用者可在其中自由移动工具的功能端的区域或空间边界。工作空间边界可包括单点(远距离中心)、圆形路径、弧形路径、及凹面或凸面。另外，可通过限制关节的运动范围来限制关节上被允许的运动，来进一步限定上述工作面，例如将转动关节的旋转限制在某些角度内、将移动关节的平移限制在预先设置的长度内等等。这可用任何方便的方式实现，例如通过使用止动装置(未显示)。

诸如球面刀具的切削工具的俯仰和偏转方向的不受阻碍的和自由的移动经常便于在操作过程中帮助外科医生，但这种移动不必需要被控制或被跟踪。通常，仅工具的功能端的位置需要被控制和/或被跟踪。有时，整个工具的位置和方向可能根本没有关系，只要工具目标或工作点保持固定就行(例如高强度聚焦超声波(HIFU)治疗，用来使不同的换能器聚焦在相同点上)。

远距离中心410的位置可由机动的操纵器101移动、控制及跟踪，同时工具的俯仰及偏转方向可被工具操作者改变和自由控制。这样，所描述的实施方案以很低的成本允许操作者定向所述工具供最佳使用，而不影响球面刀具位置(球面刀具位置被操纵器的关节约束)，这是因为远距离中心机构既不要求机动的关节也不要求对其连杆的跟踪。当然，不排除对远距离中心机构连杆的跟踪和/或使远距离中心机构连杆机动化。

图6显示了根据本发明进一步实施方案的约束机构。控制面板601控制操纵器600的机动关节，而远距离中心机构603为非机动的，并允许工具604围绕远距离中心的自由的旋转运动。可替换地，所述面板可以只是给外科医生视觉导引的显示器，且运动由外科医生对操纵器的直接操作来控制，或通过预编程的操纵器运动集合控制。在这种装置中，所述面板可提供对系统编程的工具。

当根据本发明的实施方案用于钻深洞时，例如使用球面切削工具，工作工具端由操纵器约束，同时使用者确保刀具的杆不碰撞正被加工的洞的侧面。操作者能够获得机器控制的操纵器和可自由移动的远距离中心机构之间的完全的协同作用。

工具功能端的位置能通过对连接到远距离中心机构的工具连接部件的精密制造获得，或通过将调节机构添加到远距离中心机构远端连杆来获得。调节机构可采用多种形状，但应使工具的功能端的位置，例如切削钻头的中心，能够被调节成使得所述功能端位于两个关节轴线的交点。所述两个关节轴可被制造成使得它们共面。

根据本发明的实施方案尤其适合于微创手术，因为全部五个自由度能被设计为与远距离中心相隔一定距离，该远距离中心可能需要通过一个小切口而深入地嵌到组织中。

另外的实施方案(未显示)还可包扩安装在远距离中心机构连杆上的编码器，以在定向刀具时引导使用者。电动机也可安装在远距离中心机构连杆上，以约束刀具的方向用于5个、6个或更多自由度中的全机器人辅助。

约束机构可包括用于将远距离中心机构连接至操纵器的模块化且可互换的(联锁)系统，从而允许具有不同工作空间边界的远距离中心机构容易被装配到操纵器上用于不同应用。模块化的联锁装置还可被配置成能够重新定位远距离中心机构以适合不同的应用。

若干个约束机构能够被结合以协同工作。使多于一个的远距离中心机构安装在同一操纵器上也是可能的。这将允许例如高强度聚焦超声波(HIFU)治疗，其用来使不同的换能器聚焦在相同点上。

应认识到，如上文所述的设备同样可为带有例如测量探针针尖，X-射线、超声波或激光发射器的功能端的任何其他器具或仪器，所述器具或仪器的目标或焦点位置需要被精准运动控制和跟踪，但其中不需要精确知道和跟踪功能端的旋转和/或空间位置。这样，所述工具能按使用者要求自由地定向，同时目标位置被跟踪和/或保持在所要求的位置。

Claims (22)

1.一种工具约束机构，其包括操纵器和安装在其上的远距离中心机构，所述操纵器提供用于定位所述远距离中心机构的至少一个自由度，且所述远距离中心机构提供用于定位工具夹具的至少进一步的自由度，所述夹具适合于夹持待在操作中相对于远距离中心点约束的工具，所述工具夹具的方向可调节，同时保持所述远距离中心点的位置相对于所述操纵器固定。

2.如权利要求1所述的工具约束机构，其中所述远距离中心机构提供围绕第一旋转轴线和第二旋转轴线的旋转运动，所述轴线相交于所述远距离中心点。

3.如权利要求2所述的工具约束机构，其中所述第一轴线和所述第二轴线由各自的第一转动关节和第二转动关节界定。

4.如权利要求3所述的工具约束机构，其中所述远距离中心机构包括第一刚性连杆和第二刚性连杆，所述第一刚性连杆在所述第一关节处联接至所述操纵器，所述第二刚性连杆通过所述第二关节联接至所述第一连杆，所述工具夹具安装到所述第二连杆上或形成所述第二连杆的部分。

5.如权利要求1所述的工具约束机构，其中所述远距离中心机构包括刚性弧形部件，所述刚性弧形部件安装到所述操纵器用于围绕第一轴线旋转，所述弧形部件提供所述工具夹具围绕垂直于所述第一轴线的第二轴线的弧形运动。

6.如权利要求1所述的工具约束机构，其中所述远距离中心机构提供至少两个进一步的两个自由度，所述两个自由度由第一远距离中心机构关节和第二远距离中心机构关节提供。

7.如权利要求6所述的工具约束机构，其中至少一个远距离中心机构关节是机动的。

8.如权利要求6或权利要求7所述的工具约束机构，其中至少一个远距离中心机构关节被跟踪位置。

9.如前述权利要求中任一项所述的工具约束机构，其中所述操纵器包括至少一个转动关节。

10.如前述权利要求中任一项所述的工具约束机构，其中所述操纵器包括至少一个移动关节。

11.如前述权利要求中任一项所述的工具约束机构，其中所述操纵器包括至少一个运动跟踪关节。

12.如前述权利要求中任一项所述的工具约束机构，其中所述操纵器包括至少一个机动关节。

13.如前述权利要求中任一项所述的工具约束机构，其中当工具被所述工具夹具夹持时，所述工具夹具提供用于所述工具的旋转安装。

14.如前述权利要求中任一项所述的工具约束机构，其包括由所述工具夹具夹持的工具。

15.如权利要求14所述的工具约束机构，其中所述工具具有功能端，所述功能端由所述远距离中心机构保持在所述远距离中心处。

16.如权利要求14所述的工具约束机构，其中所述工具具有功能端，所述功能端由所述远距离中心机构保持在与所述远距离中心隔开的地方，从而当所述工具被所述远距离中心机构定位时，所述功能端被保持在被界定的面上。

17.如权利要求14至权利要求16中任一项所述的工具约束机构，其中所述工具可手动抓握，所述工具的方向可由使用者手动调节。

18.如权利要求14至权利要求17中任一项所述的工具约束机构，其中所述工具为刀具。

19.如权利要求14至权利要求17中任一项所述的工具约束机构，其中所述工具为激光器或辐照装置。

20.如权利要求14至权利要求17中任一项所述的工具约束机构，其中所述工具为手术器械。

21.如前述权利要求中任一项所述的工具约束机构，其中所述操纵器为手术机器人。

22.如权利要求14所述的工具约束机构，其中所述工具被可手动抓握的可旋转的套筒环绕。

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