CN101600998A - 用于在空间中提供可调节正止挡的装置和方法 - Google Patents

用于在空间中提供可调节正止挡的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于约束端部执行器在空间中的运动的方法和装置。在一个实施例中，所述装置包括机械定位器和第一和第二止挡。第一和第二止挡可由驱动机构控制，以约束所述机械定位器的运动，由此约束用户在预定运动范围以外操纵端部执行器的能力。第一和第二止挡可进一步由所述驱动机构控制，以允许所述端部执行器在所述预定运动范围内移动。

Description

用于在空间中提供可调节正止挡的装置和方法
相关专利申请的交叉引用
[0001]本申请要求2006年12月27日提交的、名称为“用于在空间中提供可调节正止挡的装置和方法”的美国临时申请No.60/877,412的优先权，上述申请全文被引用于此作为参考。
技术领域
[0002]本发明通常涉及机器人领域，尤其涉及触觉机器人领域。
背景技术
[0003]触觉感知接口允许用户在虚拟或触觉环境中体验触感。这样的接口在虚拟现实游戏中和在执行虚拟成像的任务中获得公认。使用触觉感知接口帮助用户执行任务的一个领域是计算机辅助手术。
[0004]在计算机辅助手术中，触觉感知接口可以用于为外科医生提供触觉引导。例如，诸如切割工具这样的外科器械可以耦合到触觉感知接口。触觉感知接口例如可以是诸如机器人臂这样的机器人装置的一部分。当外科医生在真实空间中移动外科器械(例如以切割骨或其他解剖结构)时，可以通过触觉感知接口对外科医生施加约束，所述触觉感知接口限制他操纵外科器械的能力。例如，外科医生操纵外科器械的能力可以被约束使得外科医生可以仅仅在限定切割区域内移动外科器械。约束例如可以基于真实空间中的外科器械与限定切割区域之间的预期关系。该真实空间关系可以在虚拟环境中被表示为虚拟空间中的虚拟器械与触觉目标之间的关系，其中虚拟器械对应于实际外科器械并且触觉目标对应于限定切割区域。在操作中，外科医生在外科器械附连到触觉感知接口的端部时对其操纵。约束反馈通过触觉感知接口被提供给外科医生，所述触觉感知接口对外科医生施加足以保持虚拟器械与触觉目标之间的预期关系的力。
[0005]例如，触觉目标可以是将被切入骨解剖结构中的解剖学结构或形状的虚拟保护边界。虚拟边界与患者的解剖结构配准(或相关)，并且虚拟器械与实际外科器械配准(或相关)。为了允许外科医生通过触觉感知接口与虚拟环境相互作用，触觉绘制算法被利用。触觉绘制是响应用户与虚拟目标的相互作用计算和施加力的过程。使用触觉绘制算法，触觉感知接口可以被配置成使得当虚拟器械接近虚拟边界时，外科医生所感受的力增加。该增力警告外科医生他靠近工作空间的禁止区域(例如所关心的解剖学结构或其他边界)并且因此应当小心地进行以便防止不希望的穿入或损伤结构(例如，防止钻头进入骨中太深)。如果外科医生试图迫使器械超出虚拟边界，触觉感知接口提供增力以防止这样的运动。这样，虚拟边界起着触觉止挡的作用，以将外科器械保持在工作空间的预期区域内。
[0006]然而，使用触觉止挡来防止运动通常用基于导纳或阻抗的系统实现。导纳装置感测用户所施加的力并且通过改变装置的位置(例如外科器械的位置)来响应。尽管导纳装置可以提供刚性边界，但它们需要力传感器并且当用户移动装置通过自由空间时通常使用户感觉沉重。与之相比，阻抗装置感测装置的位置(例如外科器械的位置)并且通过依靠对可反向驱动的触觉感知接口系统的致动器施加有限动力对装置施加力来响应。当移动通过自由空间时阻抗装置通常使用户感觉较轻并且优选用于某些应用，在所述应用中用户希望具有较轻的运动并且当在自由空间中移动时感觉与真实目标的相互作用力。然而，致动器的输出力是有限的，并且阻抗装置不能生成与导纳装置所生成的那些一样刚性的边界。因此，外科医生有可能克服致动器所施加的约束并且迫使外科器械通过虚拟边界或触觉止挡。这将导致对正在动手术的组织的意外伤害。
[0007]需要一种具有可调节正止挡的触觉装置，其可以提供足以防止触觉装置的用户错误移动的触觉约束力，同时在触觉装置的操作期间允许用户体验运动的灵活性。
发明内容
[0008]本发明的一个典型实施例涉及一种装置，所述装置包括机械定位器及第一和第二止挡。第一和第二止挡可由驱动机构控制，以约束所述机械定位器的运动，并且由此约束用户在预定运动范围以外操纵端部执行器的能力。第一和第二止挡可进一步由所述驱动机构控制，以允许所述端部执行器在所述预定运动范围内移动。
[0009]另一典型实施例涉及一种用于约束端部执行器在空间中的运动的方法。所述方法包括当所述端部执行器在空间中被定位成离预定位置的距离大于第一预定值时，允许联动接头自由移动。所述方法进一步包括当所述端部执行器在空间中被定位成离所述预定位置的距离小于或等于第一预定值并且大于第二预定值时，允许所述联动接头在第一和第二止挡所限定的预定运动范围内自由移动。所述方法进一步包括当所述端部执行器在空间中被定位成离所述预定位置的距离大约等于或小于第二预定值时由第一和第二止挡中的一个约束所述联动接头沿着特定方向移动。所述联动接头的约束约束所述端部执行器在空间中的运动。
附图说明
[0010]本发明特别地在所附权利要求中被指出。通过参考结合附图进行的以下描述可以更好地理解上述本发明的典型实施例的优点以及进一步的优点。在图中，相似的参考符号通常在所有不同视图中表示相同的部分。附图不一定按比例，而是通常着重于图解本发明的典型实施例的原理。
[0011]图1是本发明的一个实施例的正止挡触觉系统的示意图；
[0012]图2a-2c是在触觉相互作用点在虚拟空间中移动的各种情形下显示图1的正止挡的图；
[0013]图3是图1的本发明的一个实施例的另一示意图；
[0014]图3a是具有独立远侧和近侧正止挡的本发明的另一实施例的示意图；
[0015]图3b是具有微和大分辨率驱动机构的本发明的另一实施例的示意图；
[0015]图3c是示出具有不同形状的机械定位器和正止挡的本发明的另一实施例的示意图；
[0016]图4是被布置成约束端部执行器的图1的多个正止挡触觉系统的一个实施例的示意图；
[0017]图5是被布置成约束端部执行器的图1的多个正止挡触觉系统的另一实施例的示意图；和
[0018]图6是利用旋转运动的本发明的一个实施例的正止挡触觉系统的示意图。
[0019]图7是本发明的一个实施例的外科系统的示意图。
[0020]图8是解剖结构跟踪器的透视图。
具体实施方式
[0021]通常，在各种应用中，当工具或器械正被使用时，希望限制工具的可能运动范围。限制工具运动可以防止损伤工件，例如通过防止工具的用户切入工件太深。当用户在特定过程例如手术、生产或其他应用中正在操作耦合到机器人装置的工具时，对工具运动的限制可以使用实际止挡执行。
[0022]部分地，这里所述的本发明的典型实施例包括机器人装置，其使用适合于在规定运动范围内约束工具运动的不同实际止挡和控制器。这通过以下方式实现：控制机器人装置的不同联动装置和元件的运动，使得对于运动或距离的特定范围，部分装置被允许自由移动，而对于运动或距离的其他规定范围，所述部分装置的运动的速度被约束或者一起被停止。因此，实际止挡可以被控制以允许用户在工作空间的预期区域中移动工具并且约束用户操纵工具进入工作空间的禁止区域的能力。与机械联动装置和接头组合使用致动器和跟踪装置使这样的系统成为可能。
[0023]该典型实施例也允许相对于移动目标实时或动态定位实际止挡或约束。也就是说，对于可移动工件，例如可加工块或患者的髋骨，这里所述的示例系统能够通过对其响应来调节实际止挡，从而响应工件的运动。这允许外科医生或工人对患者或工件执行操作时具有与实际止挡相关的安全性，而不管患者或工件的运动如何。
[0024]例如，在触觉装置的医疗应用中，触觉绘制过程所创造的虚拟环境包括与医疗器械的虚拟表示相互作用的虚拟(或触觉)目标(例如导丝、植入物模型或保护边界)。虚拟医疗器械与实际医疗器械相联(或配准)，使得实际医疗器械的运动导致虚拟医疗器械的相应运动。类似地，虚拟目标与患者的实际解剖结构相联(配准)使得实际解剖结构的运动导致触觉目标的相应运动。由于虚拟和实际环境彼此配准或关联，用户对医疗器械的操纵基于虚拟目标与医疗器械的虚拟表示之间的相互作用被约束，其典型地利用被称为触觉相互作用点(HIP)的虚拟空间中的点。HIP是虚拟空间中的点，其对应于医疗器械上的实际点，例如外科钻(burr)或钻头的尖端。当HIP移动通过虚拟空间时，触觉绘制算法基于HIP与虚拟目标之间的预期关系计算力，例如虚拟目标的边界限定容许工作空间(例如工作空间的预期区域或工作空间中的预定运动范围)的关系，并且HIP保持在虚拟目标的边界内。触觉装置的致动器生成计算力，并且触觉感知接口将这些力传递到用户以试图保持预期关系。因此，当外科医生移动实际器械时，他或她感觉HIP在虚拟空间中受到的力。这样，医疗器械的运动可以被约束，以例如将医疗器械保持在虚拟目标所限定的切割边界内并且防止医疗器械移动到工作空间的禁止区域中。因此，用户被允许在工作空间的预定运动范围内移动工具，但是用户在预定运动范围以外操纵工具的能力被约束。
[0025]因此，HIP的运动可以被约束，以限制外科医生可以移动实际医疗器械的方式。例如，虚拟目标可以是虚拟导丝，其约束HIP以沿着特定路径移动。试图偏离该路径导致生成力，所述力防止或至少减小HIP偏离该路径的能力。当器械移动到预定位置时，这些力通过触觉感知接口被传递到外科医生，并且由此沿着实际空间中的引导路径引导实际器械，以便避开解剖学特征。在另一例子中，在关节置换操作期间虚拟目标可以是待植入患者的骨中的植入物的虚拟模型。虚拟植入物模型与患者的实际骨关联(或配准)并且限定待去除的骨部分，使得实际植入物可以被安装，如例如2006年2月21日提交并且全文被引用于此作为参考的美国专利申请No.11/357,197，美国公开号No.2006/0142657中所述。在虚拟环境中，HIP被约束以留在植入物模型所限定的切割边界(即工作空间的预期区域)内。如果HIP试图侵犯边界并且移动到工作空间的禁止区域中，力通过触觉感知接口被传递到外科医生，以防止或至少减小外科医生用实际器械侵犯切割边界的能力。
[0026]尽管施加到虚拟空间中的HIP的力可以变得基本无限，以防止HIP渐渐超出虚拟空间中的预定点，在常规触觉装置中，该“无限”力由致动器施加并且因此实际上将导致小于无限力通过触觉感知接口被施加到用户。因此，用户有意地或无意地可以克服约束力以偏离引导路径或侵犯触觉边界。
[0026]根据本发明的一个实施例，提供了一种可移动的正止挡。可移动正止挡的一个优点在于正止挡可以提供足够强的约束，以限制工具运动，同时仍允许外科医生在移动工具时保持运动的灵活性。图1显示了根据本发明的一个示例性实施例构造的正止挡触觉系统10的一个实施例。正止挡触觉系统10包括驱动机构50，机械定位器30，致动联动接头26，非驱动或被动联动接头34，近侧正止挡18，和远侧正止挡22。致动联动接头26和被动联动接头34形成棱形接头组件，其允许致动联动接头26与被动联动接头34之间的相对线性运动。
[0027]驱动机构50位于致动联动接头26的一端，并且正止挡18和22位于致动联动接头26的另一端。如图1中所示，正止挡18和22之间的距离由(2δ)表示，并且正止挡18和22之间的中点距离为δ。布置在被动联动接头34的一端的机械定位器30位于近侧正止挡18与远侧正止挡22之间。被动联动接头34的另一端连接到端部执行器(未显示)。端部执行器例如可以是医疗器械、工具或另一连杆。
[0028]在操作中，当耦合到被动联动接头34的端部执行器由用户移动时(例如在手术过程期间由外科医生移动以雕刻骨)，机械定位器30在近侧正止挡18与远侧正止挡22之间移动。当致动联动接头26由驱动机构50固定就位时，正止挡18和22也固定就位并且将防止机械定位器30移动超出正止挡18和22。这样，正止挡18和22限定机械定位器30(和因此端部执行器)的预定运动范围，并且起着允许端部执行器在预定运动范围内移动和约束用户在预定运动范围以外移动端部执行器的能力的作用。当需要时，驱动机构50可以被致动以移动致动联动接头26，这导致正止挡18和22朝着或远离驱动机构50移动。这样，驱动机构50可以控制，以调节正止挡18和22，从而调节预定运动范围，例如调节在预定运动范围的空间中的位置。为了使端部执行器能够自由运动，正止挡18和22可以被配置成当机械定位器30移动时移动，使得机械定位器30不会接触近侧正止挡18或远侧正止挡22。这使用户能够自由移动端部执行器，原因是机械定位器30具有沿着被动联动接头34的轴的完整运动自由。为了使正止挡18和22能够随着机械定位器30移动，系统可以包括检测机械定位器30的运动的传感器和控制驱动机构50移动致动联动接头26的控制器，使得正止挡18和22跟随机械定位器30，并且因此不会接触机械定位器30。这样，正止挡18和22可以响应机械定位器30的运动被调节。为了触发实际止挡(例如当端部执行器靠近工作空间的禁止区域时)，驱动机构50被停止，由此防止正止挡18和22的进一步运动。当机械定位器30接触正止挡18和22中的一个时，用户移动端部执行器被约束。这样，正止挡触觉系统10提供可移动正止挡，所述可移动正止挡可以用用户不能克服的实际止挡来约束端部执行器(与基于致动器所生成的力的止挡相反)，同时仍允许外科医生在移动时保持运动的灵活性。
[0029]如上所述，在实际空间中端部执行器的一部分的位置(例如工具或器械的尖端)对应于虚拟空间中的HIP。因此，当器械或端部执行器在真实空间中移动时，HIP例如朝着虚拟空间中的虚拟目标移动。参考图2a-2c，当HIP 27被定位成离虚拟目标25的一部分，例如虚拟目标25的边界一段距离(d)时，满足三个情形中的一个。首先，如图2a中所示，值(d)可以大于第一预定值，例如机械定位器30与正止挡18和22中的一个之间的距离(d＞(δ))。该情形是自由运动。其次，如图2b中所示，(d)的值可以大于第二预定值并且小于或等于第一预定值(例如0＜d≤(δ))。该情形是接近运动。再次，如图2c中所示，(d)可以小于或等于第二预定值(例如d≤0)，表示HIP 27在虚拟目标边界处或之内。该情形是约束运动。
[0030]参考示出自由运动的图2a，当(d＞(δ))时，也就是当HIP 27位于大于止挡18和22之间的距离的一半的距离(d)时，被动联动接头34自由移动。被动联动接头34的运动是自由的，原因不仅在于机械定位器30在止挡18和22之间自由移动(箭头A)，而且在于致动联动接头26由驱动机构50驱动以追踪机械定位器30的运动，使得正止挡18和22也移动(箭头B)。驱动机构50优选地移动致动联动接头26，使得机械定位器30与近侧正止挡18或远侧正止挡22之间的距离额定地保持在中点距离δ。
[0032]参考显示接近运动的图2b，一旦HIP 27处于等于(δ)的距离(d)，驱动机构50补偿致动联动接头26以阻止进一步向前运动。这导致远侧正止挡22和近侧正止挡18变为固定，并且因此仅仅允许机械定位器30在止挡18和22之间移动(箭头A)。所以，在机械定位器30接触远侧正止挡22以防止进一步运动之前，被动联动接头34可以仅仅沿着远离致动联动接头26的方向移动最大距离(δ)。然后这将HIP 27带到目标的表面(d＝0)。
[0033]参考显示约束运动的图2c，一旦HIP 27到达d＝0，机械定位器30接触远侧正止挡22，防止进一步运动。因此当HIP 27与虚拟目标25接触时，系统提供实际止挡。
[0031]本发明的典型实施例也涉及系统，其中致动器和可移动部件在各种合适的串联或并联配置中联接在一起。也就是说，在串联配置中，驱动机构50可以附连到另一正止挡组件的被动联动接头的自由端。各种医疗应用例如整形外科手术可使用这里所述的技术。
[0034]参考图3，对应于根据本发明的一个典型实施例构造的正止挡触觉系统的一个实施例的系统10的实际实现包括附连到致动联动接头26远端的机械止挡组件14，所述机械止挡组件包括近侧正止挡18和远侧正止挡22。系统10也包括附连到被动联动接头34的近端的机械定位器30。只要机械定位器30不接触近侧正止挡18或远侧正止挡22，被动联动接头34可以自由移动(在正止挡18和22所设定的限度内)。
[0035]如图3中所示，被动联动接头34的远端附连到旋转接头38。旋转接头38也连接远侧连杆42，所述远侧连杆连接到第二旋转接头46。第二旋转接头46连接到端部执行器(未显示)。
[0036]在图3的实施例中，致动联动接头26的近端连接到驱动机构50的可移动部分。驱动机构50包括通过近侧连杆58连接到固定基座54的外壳。在所示的各种实施例中，驱动机构50可以包括但不限于致动器或马达。例如，致动器或马达可以是线性的、旋转的、可反向驱动的或不可反向驱动的。不可反向驱动的机构50增强了与实际止挡关联的安全裕度和刚度。
[0037]在操作中，当端部执行器由用户移动时，旋转接头38和46和远侧连杆42将运动传递到被动联动接头34，导致机械定位器30在近侧正止挡18与远侧正止挡22之间移动。当到达止挡18或22时，机械定位器30不能沿该方向进一步移动。因此，也防止端部执行器沿该方向进一步移动。
[0038]正止挡在空间中出现的位置部分上由致动联动接头26在驱动机构50内的位置确定。驱动机构50通过近侧连杆58稳固地固定到基座54。驱动机构50用于在空间中相对于基座54定位致动联动接头26。
[0039]参考图3a，在本发明的另一实施例中，不同于使远侧正止挡22和近侧正止挡18附连到单个的致动联动接头26，使得它们一起被驱动，每个正止挡18和22附连到它自己的致动联动接头。如图3a中所示，远侧正止挡22被布置在第一致动联动接头26上，并且近侧正止挡18被布置在第二致动联动接头26’上。该实施例利用第二驱动机构50’来驱动第二致动联动接头26’。在该实施例中，由于每个致动联动接头26，26’由它自己的驱动机构50，50’驱动，所述两个驱动机构附连到相同基座54或近侧连杆58，正止挡18和22之间的距离是可调节的。因此，不仅可以确定(和调节)机械定位器30的正止挡的位置，而且也可以调节机械定位器30在正止挡18和22之间移动的距离(δ)。因此，驱动机构50，50’可控制以调节正止挡18，22，从而调节预定运动范围，例如调节正止挡18和22之间的距离。当与窄约束特征相互作用时该特征是有利的，当用户快速接连交替地接触远侧和近侧止挡时，所述窄约束特征将另外需要布置在公共联动接头(例如图3中所示的致动联动接头26)上的正止挡的快速运动。
[0040]参考图3b，在又一实施例中，第二驱动机构50”连接到第一驱动机构50的致动联动接头26。在该实施例中，第二致动联动接头26”由第二驱动机构50”驱动。第二致动联动接头26”包括机械止挡组件14。在该实施例中，驱动机构50和驱动机构50”具有不同的分辨率和/或不同的运动范围。因此，例如，驱动机构50可以具有比驱动机构50”更粗糙的粒度和更大的运动范围。该实施例允许较粗糙的大驱动机构50通过确定致动联动接头26的大体位置来定位正止挡18和22的大体位置，并且允许较精细的微驱动机构50”来设定正止挡18和22的最终精细位置。该实施例也可以与图3a中所示的实施例结合使用以提供带有粗糙和精细定位的可调节正止挡。
[0040]参考图3c，在本领域技术人员将认识到的其他实施例中，机械定位器30和正止挡18，22的形式可以以任何方式改变，该方式适合于实现约束用户移动端部执行器的能力的目的。例如，与示出形成“凹”或“阴”形的正止挡18和22和具有“凸”或“阳”形的机械定位器30的图1-3b不同，正止挡装置可以如图3c中所示包括具有凹形的机械定位器30’和具有凸形的正止挡18’和22’。机械定位器30’和正止挡18’和22’的几何形状可以根据需要被调节以获得预期约束。
[0041]参考图4，三个正止挡触觉系统10被显示成定位在端部执行器62与基座54之间。多个正止挡触觉系统10的定位允许在多个自由度上施加约束。如图5中所示，通过与端部执行器62结合放置通常总共为六个的多个正止挡触觉系统10，端部执行器62可以被约束以停在实际空间中的任意点。
[0042]参考图6，本发明的典型实施例也可以用于使用旋转运动约束端部执行器。在图6中，显示了允许致动联动接头26”’与被动联动接头34”’之间的相对旋转运动的旋转接头组件。为了使用旋转运动约束端部执行器，旋转机械止挡组件14’通过驱动轴70沿着它的旋转轴附连到旋转电机50’。在所示的实施例中，未显示另一装置的地面或基座的共同支座。旋转元件共用公共轴并且典型地共用公共支座。在一个实施例中，机械止挡组件14’包含在机械止挡组件14’的圆周中的槽口73，以限定第一正止挡74和第二正止挡78。机械止挡组件14’安装在被动联动接头34”’上并且与其共轴。被动联动接头34”’包括延伸到槽口73中的机械定位器30。马达50’导致机械止挡组件14’旋转，由此成预定角定位槽口73，使得可以使第一正止挡74和第二正止挡78约束机械定位器30的运动。
[0043]被动联动接头34”’通过远侧连杆82连接到上连杆(例如端部执行器或另一连杆)。当上连杆移动时，远侧连杆82导致被动联动接头34”’旋转直到机械定位器30接触第一正止挡74或第二正止挡78。通过使电机50’从第一位置旋转到第二位置，机械定位器30接触正止挡74和78的位置变化，由此改变作用于端部执行器的约束。因此，在图6的实施例中，正止挡可调节，以允许相对于可移动工件实时或动态定位正止挡。另外，图1-3c的先前所述实施例可以以类似方式补偿工件运动。例如，通过调节正止挡18和22的位置，预定运动范围的位置可以变化以对应于工件的变化位置。
[0044]涉及可移动工件的本发明的一个应用是涉及切割或雕刻骨的外科应用，例如整形外科关节置换。参考图7，显示了用于膝置换过程的外科系统100。为了检测工件(即股骨F和/或胫骨T)的运动，外科系统100包括跟踪系统118，该跟踪系统被配置成在手术过程期间跟踪一个或多个目标以检测目标的运动。跟踪系统118包括检测装置120，该检测装置相对于检测装置120的参考坐标系获得目标的姿态(即位置和取向)。当目标在参考坐标系中移动时，检测装置120跟踪目标。目标的姿态的变化指示目标移动。作为响应，计算系统102可以对安装在平台116上的触觉装置112(例如机器人臂)的控制参数进行适当的调节。例如，当解剖结构(例如股骨F或胫骨T)移动时，计算系统102可以对与解剖结构配准的虚拟触觉目标(例如虚拟切割边界)进行相应的调节。因此，虚拟切割边界随着解剖结构移动。当虚拟切割边界移动时，本发明的实施例的正止挡的位置例如可以如上所述相应地被调节。计算系统102包括用于操作和控制外科系统100的硬件和软件并且可以包括计算机104，计算机114，显示装置106，输入装置108，和推车110。计算机114包括允许触觉装置112利用来自跟踪系统118的数据的触觉控制设备和程序。
[0045]跟踪系统118可以是任何跟踪系统，其允许外科系统100不断地确定(或跟踪)患者的相关解剖结构的姿态和工具124(和/或触觉装置112)的姿态。例如，跟踪系统118可以包括适合用于外科环境中的非机械跟踪系统，机械跟踪系统，或非机械和机械跟踪系统的任何组合。
[0046]在一个实施例中，跟踪系统118包括如图7中所示的非机械跟踪系统。非机械跟踪系统是光学跟踪系统，其包括检测装置120和可跟踪元件(或跟踪器)，所述可跟踪元件被配置成布置在被跟踪目标(例如相关解剖结构)上并且可由检测装置120检测。在一个实施例中，检测装置120包括检测跟踪元件上的图案(例如棋盘(checkboard)图案)的基于可见光的检测器，例如微米跟踪器。在另一实施例中，检测装置120包括对红外辐射敏感并且可定位在将在其中执行手术过程的手术室中的一对立体照相机。跟踪器被配置成以牢固和稳定的方式固定到被跟踪目标并且包括与被跟踪目标具有已知几何关系的标志器的阵列(例如图8中所示的阵列S1)。众所周知，标志器可以为有源(例如发光二极管或LEDs)或无源(例如反射球面，棋盘图案等)并且具有独特几何形状(例如标志器的独特几何布置)，或者在有源、布线标志器的情况下，具有独特发光图案。在操作中，检测装置120检测标志器的位置，并且外科系统100(例如使用嵌入式电子装置的检测装置120)基于标志器的位置、独特几何形状和与被跟踪目标的已知几何关系计算被跟踪目标的姿态。跟踪系统118包括用于用户希望跟踪的每个目标的跟踪器，例如解剖结构跟踪器122(跟踪患者解剖结构)，触觉装置跟踪器(跟踪触觉装置112的全局或总位置)，端部执行器跟踪器(跟踪触觉装置112的远端)，和器械跟踪器(跟踪用户手持的器械)。
[0047]在一个实施例中，解剖结构跟踪器122被布置在患者的解剖结构上并且允许由检测装置120跟踪解剖结构。解剖结构跟踪器122包括用于附连到解剖结构的固定装置，例如骨销、外科U形钉、螺钉、夹子、髓内杆等。在一个实施例中，解剖结构跟踪器122被配置成在膝置换手术期间使用，以跟踪患者的股骨F和胫骨T。在该实施例中，如图7中所示，解剖结构跟踪器122包括适于布置在股骨F上的第一跟踪器122a和适于布置在胫骨T上的第二跟踪器122b。如图8中所示，第一跟踪器122a包括固定装置，该固定装置包括骨销P，夹子126，和标志器(例如反射球面)的独特阵列S1。除了第二跟踪器122b被安装在胫骨T上之外第二跟踪器122b与第一跟踪器122a相同并且具有它自己的标志器的独特阵列。当安装在患者上时，第一和第二跟踪器122a和122b允许检测装置120跟踪股骨F和胫骨T的位置。2007年5月18日提交的、名称为“用于控制触觉装置的方法和装置”的、全文被引用于此作为参考的美国专利申请No.11/750,840提供了关于图7和8中所示的布置的附加细节。另外，上面引用的美国专利申请No.11/750,840的[0063]-[0081]段提供了关于补偿手术过程期间目标(患者、外科工具、机器人)的运动而不中断手术过程期间外科装置的操作的技术的细节。
[0048]尽管根据如先前所述的触觉医疗应用描述了本发明的实施例，本发明可以用于为其他应用提供可移动正止挡。
[0049]尽管根据某些典型实施例描述了本发明，本领域的普通技术人员将容易理解和明白它并非这样被限制，并且在如下文所述的本发明的范围内可以对典型实施例进行许多添加、删除和修改。因此，本发明的范围仅仅由所附权利要求的范围限定。

Claims (22)

1.一种装置，其包括：
用于端部执行器的机械定位器；和
第一和第二止挡，其可由驱动机构控制，从而约束所述机械定位器的运动并且由此约束用户在预定运动范围以外操纵所述端部执行器的能力，其中，第一和第二止挡可由所述驱动机构控制，从而允许所述端部执行器在所述预定运动范围内运动。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动机构可以控制，从而根据所述机械定位器的运动调节第一止挡和第二止挡中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动机构可以控制，从而根据工件的运动调节第一止挡和第二止挡中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动机构可以控制，以调节第一止挡和第二止挡中的至少一个，从而调节所述预定运动范围的至少一部分。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，第一止挡可以由第一致动器移动，第二止挡可以由第二致动器移动。
6.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
近侧连杆；
远侧连杆；和
用于控制近侧连杆和远侧连杆的相对位置的接头组件，其中所述接头组件包括：
致动联动接头，和
被动联动接头；并且
其中，组合的所述致动联动接头和所述被动联动接头包括第一和第二止挡及所述机械定位器；
在所述预定运动范围内，所述被动联动接头自由移动，从而允许所述端部执行器的自由运动，以及
在所述预定运动范围以外，所述被动联动接头由第一和第二止挡中的至少一个约束移动。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述接头组件形成棱形接头组件，该棱形接头组件允许所述致动联动接头与所述被动联动接头之间的相对线性运动。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述接头组件形成旋转接头组件，该旋转接头组件允许所述致动联动接头与所述被动联动接头之间的相对旋转运动。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，第一和第二止挡之间的距离是可调节的。
10.一种用于约束端部执行器在空间中的运动的方法，所述方法包括：
当所述端部执行器在空间中被定位成离预定位置的距离大于第一预定值时，允许联动接头自由移动；
当所述端部执行器在空间中被定位成离所述预定位置的距离小于或等于第一预定值并且大于第二预定值时，允许所述联动接头在第一和第二止挡所限定的预定运动范围内自由移动；并且
当所述端部执行器在空间中被定位成离所述预定位置的距离大约等于或小于第二预定值时，由第一和第二止挡中的一个约束所述联动接头沿着特定方向移动，该联动接头的约束能够约束端部执行器在空间中的运动。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括根据工件运动调节第一和第二止挡中的至少一个。
12.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括设定第一和第二止挡中的至少一个在空间中的位置。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述联动接头包括机械定位器，所述方法进一步包括跟踪所述机械定位器的运动，以及根据所述机械定位器的运动定位第一和第二止挡中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的方法，
其中，当触觉相互作用点在空间中被定位成离所述预定位置的距离大于第一预定值时，第一和第二止挡的定位跟随所述机械定位器；并且
当触觉相互作用点在空间中被定位成离所述预定位置的距离小于或等于第一预定值时，第一和第二止挡保持固定。
15.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
确定工件的姿态；
确定所述端部执行器的姿态；
限定所述工件的姿态与所述端部执行器的位置、方位、速度和加速度中的至少一个之间的关系；
使所述工件的姿态、所述端部执行器的姿态与所述关系关联；和
根据所述工件的至少一个运动和所述端部执行器的运动更新所述关联，而不在使用期间中断所述端部执行器的操作。
16.一种机器人，其包括：
端部执行器；
基座；和
具有正止挡装置的机器人臂，其包括：
近侧连杆，
远侧连杆，和
用于控制所述两个连杆的相对位置的接头组件，其中所述接头组件包括：
包括一对止挡的致动联动接头；和
包括位于所述止挡之间的机械定位器的被动联动接头。
17.根据权利要求16所述的机器人，其中所述基座和端部执行器由一系列接头和连杆组件连接。
18.根据权利要求16所述的机器人，进一步包括耦合到所述接头组件的驱动机构，所述驱动机构控制所述一对止挡，从而约束所述机械定位器的运动，由此约束用户在预定运动范围以外操纵所述端部执行器的能力，所述驱动机构移动所述一对止挡，从而允许所述端部执行器在所述预定运动范围内移动。
19.根据权利要求16所述的机器人，
其中，当所述端部执行器在空间中被定位成离预定位置的距离大于第一预定值时，所述被动联动接头自由移动；
当所述端部执行器在空间中被定位成离所述预定位置的距离小于或等于第一预定值并且大于第二预定值时，所述被动联动接头在所述一对止挡所限定的距离内自由移动；并且
当所述端部执行器在空间中被定位成离所述预定位置的距离大约等于或小于第二预定值时，由所述一对止挡中的一个约束所述被动联动接头沿着特定方向移动。
20.根据权利要求16所述的机器人，进一步包括驱动机构，该驱动机构被配置成根据工件的运动调节第一或第二止挡中的至少一个。
21.根据权利要求16所述的机器人，进一步包括计算系统，该计算系统被编程以：
确定工件的姿态；
确定所述端部执行器的姿态；
限定所述工件的姿态与所述端部执行器的位置、方位、速度和加速度中的至少一个之间的关系；
使所述工件的姿态、所述端部执行器的姿态与所述关系关联；和
根据所述工件的运动和所述端部执行器的运动中的至少一个更新所述关联而不在使用期间中断所述端部执行器的操作。
22.一种装置，其包括：
用于端部执行器的机械定位器；和
第一和第二止挡，其可由驱动机构控制，从而约束所述机械定位器的运动，由此约束用户将所述端部执行器操纵到工作空间的禁止区域中的能力，第一和第二止挡可由所述驱动机构控制，从而允许所述端部执行器在工作空间的所需区域内移动。
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