CN105852973A - 手术机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种供与手术工具相关联地使用的模块化可重配置手术机器人。所述手术机器人包含：用于线性移动的线性模块；用于旋转移动的转塔模块；用于旋转移动的肘部滚动模块；以及用于旋转移动的腕部倾斜模块。转塔模块具有转塔旋转轴。用于旋转的肘部滚动模块具有与转塔旋转轴成一个角度的肘部滚动旋转轴。腕部倾斜模块具有腕部倾斜旋转轴，所述腕部倾斜旋转轴与转塔旋转轴和肘部滚动旋转轴成一个角度。线性模块、转塔模块、肘部滚动模块和腕部倾斜模块可操作性地连接在一起以形成手术机器人，且所述模块中的一者可操作性地连接到手术工具。手术机器人可包含可附接到其它模块中的一者的拱式装置单元。

Description

手术机器人
技术领域
本公开涉及手术机器人，且具体来说，涉及供在磁共振成像(MRI)装置内部使用的手术机器人。
背景技术
众所周知，医学共振成像(MRI)装置具有卓越的软组织分辨率并产生最小辐射危害性。由于这些优点，基于MRI引导下机器人的微创手术已变成重要的手术工具。
许多手术机器人当前正在使用，但并非全部与MRI相容。举例来说，称为da VinciTM的直观手术机器人与MRI不相容。相比之下，Innomotion机器人手臂、NeuroArm机器人和MRI-P机器人全部与MRI相容。但是，即使是那些与MR相容的机器人，仍不能够在扫描期间加以操作。
尚未在MRI环境中广泛使用机器人的主要原因是MRI不相容性、实时术中成像的限制性、空间约束及缺乏相容的模块化手术工具。
发明内容
公开了一种供与手术工具相关联地使用的模块化可重配置手术机器人。所述手术机器人包含：用于线性移动的线性模块；用于旋转移动的转塔模块；用于旋转移动的肘部滚动模块；以及用于旋转移动的腕部倾斜模块。转塔模块具有转塔旋转轴。用于旋转的肘部滚动模块具有与转塔旋转轴成一个角度的肘部滚动旋转轴。腕部倾斜模块具有腕部倾斜旋转轴，所述腕部倾斜旋转轴与转塔旋转轴成一个角度且与肘部滚动旋转轴成一个角度。线性模块、转塔模块、肘部滚动模块和腕部倾斜模块可操作性地连接在一起以形成手术机器人，且所述模块中的一者可操作性地连接到手术工具。
线性模块的线性移动可限定z轴。转塔旋转轴可为与z轴平行的轴。肘部滚动旋转轴可围绕x轴，且x轴一般可与z轴正交。腕部倾斜旋转轴可围绕y轴，且y轴一般可与z轴正交并与x轴横切。
模块化可重配置手术机器人可进一步包含可连接至其的穿透模块，且手术工具可附接到穿透模块。
模块化可重配置手术机器人可包含转塔肘部连接模块，所述转塔肘部连接模块可连接到转塔模块和肘部滚动模块。
模块化可重配置手术机器人可包含滚动连接单元，所述滚动连接单元可连接到腕部倾斜模块和肘部滚动模块。
线性模块可包含可操作性地连接到电机的丝杠螺母和齿轮机构。线性模块的齿轮机构可包含蜗杆蜗轮，且电机可为超声旋转电机。
线性模块可包含硬停件以限制螺母的移动。
转塔模块可包含可操作性地连接到电机的轴和齿轮机构。转塔模块的齿轮机构可包含蜗杆蜗轮，且转塔模块的电机可为超声旋转电机。转塔模块可包含硬停件以限制轴的旋转。
肘部滚动模块可包含可操作性地连接到电机的轴和齿轮机构。肘部滚动模块的齿轮机构可包含蜗杆蜗轮，且肘部滚动模块的电机可为超声旋转电机。肘部滚动模块可包含硬停件以限制轴的旋转。
腕部倾斜模块可包含可操作性地连接到一对电机的一对轴和一对齿轮机构。腕部倾斜模块的每个齿轮机构可包含蜗杆蜗轮，且腕部倾斜模块的电机可为超声旋转电机。腕部倾斜模块可包含硬停件以限制轴的旋转。
穿透模块可包含可操作性地连接到电机的丝杠螺母和齿轮机构。穿透模块的齿轮机构可包含一对正齿轮，且穿透模块的电机可为超声旋转电机。手术工具可为可连接到穿透模块的手术工具模块，且所述手术工具模块可包含可操作性地连接到电机的丝杠螺母和齿轮机构。
手术工具模块可被可操作性地连接到钻头包。手术工具模块可进一步包含可操作性地连接到钻头包的正时皮带和滑轮。手术工具模块可包含可操作性地连接到钻头包的气动单元。钻头包可包含套管针、钻头和导针。
穿透模块可进一步包含转接器，且手术工具模块可附接到转接器。转接器可包含：螺母部分；可移除式前转接器部分，其可连接到螺母部分；以及可移除式前闭合部分，其可连接到可移除式前转接器部分。手术工具包可包含可释放性地连接到槽板的可移除式支撑件。可移除式前转接器部分、可移除式前闭合部分、可移除式支撑件和钻头包全部可进行消毒。手术工具模块的电机可为超声旋转电机。
模块化可重配置手术机器人可包含拱式装置单元，所述拱式装置单元可操作性地附接到线性模块、转塔模块、肘部滚动模块和腕部倾斜模块中的一者。拱式装置单元可包含位于拱架的任一端处的一对线性致动器。拱式装置单元的每个线性致动器可包含可操作性地连接到丝杠的超声电机和可移动性地连接到丝杠的一对滑动托架，借以这对滑动托架可连接到拱架且激活超声电机使滑动托架沿丝杠移动。每个线性致动器可连接到底板，且底板可被可连接到手术台。
模块化可重配置手术机器人可包含快速连接器模块，所述快速连接器模块可连接到线性模块、转塔模块、肘部滚动模块和腕部倾斜模块中的一者。拱式装置单元可包含横杆(rail)，且手术机器人可被可移动性地附接到横杆。手术机器人可沿横杆手动地移动。拱式装置单元可包含用于沿横杆驱动手术机器人的拱式电机。
模块化可重配置手术机器人的所有元件均可与MRI相容。
公开了一种供与手术工具或手术工具模块相关联地使用的手术机器人组件。所述手术机器人组件包含：拱式单元，其具有拱架；以及手术机器人，其沿拱架在不同位置处可移动性地附接到拱式单元。
拱式单元可进一步包含位于拱架的任一端处的一对线性致动器。每个线性致动器可包含可操作性地连接到丝杠的超声电机和可移动性地连接到丝杠的一对滑动托架，借以这对滑动托架可连接到拱架且激活超声电机使这对滑动托架沿丝杠移动。每个线性致动器可连接到底板，且底板可被可连接到手术台。拱式单元可包含横杆，且手术机器人可移动性地附接到横杆。手术机器人沿横杆手动地移动。拱式装置可包含用于沿横杆驱动手术机器人的拱式电机。
公开了一种供与工具包相关联地使用的手术机器人。所述手术机器人包含：至少一个旋转移动组件；以及穿透模块，其可操作性地连接到所述旋转移动组件中的一者。穿透模块可包含转接器，所述转接器具有：螺母部分；可移除式前转接器部分，其可连接到螺母部分；以及可移除式前闭合部分，其可连接到可移除式前转接器部分。工具包附接到转接器。
手术工具包可包含可释放性地连接到槽板的可移除式支撑件。可移除式前转接器部分、可移除式前闭合部分、可移除式支撑件和工具包可全部可进行消毒。
将描述进一步的特征，或进一步的特征在以下详细描述的过程中将变得显而易见。
附图说明
现将参考附图仅通过举例说明来描述实施例，在附图中：
图1是适合用于MRI中的手术机器人组件的透视图；
图2A是图1的手术机器人组件的手术机器人的透视图；
图2B是图2a的手术机器人的分裂透视图；
图3A是手术机器人的垂直平移模块的透视图且将盖板示为被移除；
图3B是图3A的平移模块的分裂透视图；
图4是图2的手术机器人的转塔模块的透视图且将转塔外壳示为透明；
图5是图2的手术机器人的肘部滚动模块的透视图且将肘部滚动外壳示为透明；
图6A是图2的手术机器人的腕部倾斜模块的透视图且将盖板示为被移除；
图6B是图6A的腕部倾斜模块但从不同角度来看的透视图；
图7是图2的手术机器人的穿透模块的透视图；
图8是图2的手术机器人的转塔和肘部连接单元的侧视图；
图9是图7的转塔和肘部连接单元的透视图；
图10是图2的手术机器人的滚动连接单元的横截面图；
图11是图10的滚动连接单元的透视图，其中外壳的一部分已脱开；
图12是图6的腕部倾斜模块的透视图，所述腕部倾斜模块连接到图10和图11的滚动连接单元；
图13是图1的手术机器人组件的拱式装置单元的透视图；
图14A是供与图2的手术机器人一起使用的手术工具模块的透视图；
图14B是图14A的手术工具模块的套管针锁定和回撤单元的透视图；
图14C是图14A的手术工具模块的套管针锁定和回撤单元的剖视图；
图15A是供与图2的手术机器人一起使用的替代性手术工具模块的透视图；
图15B是图15A的替代性手术工具模块的剖视图；
图15C是图15A和图15B的替代性手术工具模块的仰视图；
图16是手术工具的部分分解透视图，所述手术工具与图13中所示的手术工具类似但以分解图示出钻头包；
图17是图16的手术工具的正视图；
图18是手术工具和穿透模块的分解透视图；
图19是图17的手术工具和穿透模块的侧视图；
图20是使用3件式钻头包的活检过程的透视图，其中a)是步骤1，b)是步骤2，且c)是步骤3；
图21是MRI中所示的图1的手术机器人组件的透视图且将MRI的一部分示为已脱开；
图22是手术机器人组件的透视图，所述手术机器人组件与图21中所示的手术机器人组件类似但还示出了患者的腿；
图23是替代性拱式装置的透视图，所述替代性拱式装置与图13中所示的拱式装置类似但包含拱式导杆模块；
图24A是手术机器人组件的替代性实施例的透视图，所述手术机器人组件与图1中所示的手术机器人组件类似但包含图23的拱式装置和用于沿拱式装置移动手术机器人的机器人旋转模块；
图24B是图24A的手术机器人组件的替代性实施例但从另一方向来看的透视图；
图25是图1的手术机器人组件的透视图，但将手术机器人示为沿拱式装置附接于替代性位置处；
图26是图25的手术机器人组件的正视图；
图27A是图2A的手术机器人的透视图，但将模块示为以不同方式配置；
图27B是图27A的手术机器人的分裂透视图；
图28A是图2A的手术机器人的透视图，但将模块示为以不同于图2A和图27A的方式配置；图28B是图28A的手术机器人的分裂透视图；
图29A是图5的肘部滚动模块的透视图，所述肘部滚动模块连接到图8和图9的转塔和肘部连接单元；
图29B是图29A的肘部滚动模块和肘部转塔连接单元的侧视图；以及
图30是手术机器人的替代性实施例的分裂图。
具体实施方式
参考图1，适合用于MRI(磁共振成像)装置中的手术机器人组件一般示于10处。手术机器人组件10包含手术机器人12、手术工具模块14和拱式装置单元16。手术机器人12沿拱式单元16在不同位置处可释放性地附接到拱式装置单元16。手术工具模块14可释放性地附接到手术机器人12。拱式单元16包含位于其两端的一对横杆20。横杆20被附加或可附加到MRI扫描仪上滚台(未示出)。手术机器人组件10呈模块化、可重配置，且能够适合MRI环境。可重配置性可以提供为特定过程找到最好的可能配置的一种手段。
手术机器人组件10与MRI相容，且其中所使用的每个部件均类似地与MRI相容。手术机器人组件10包含小型手术机器人12，且被设计成适应MRI孔的特定空间限制。手术机器人12安装在拱式装置单元16上。手术机器人12包含可以移除、更换和重配置的自包含模块。手术工具模块14包含卡钳式模块化手术工具，其示例为用于儿科骨活检的工具。
在可能的情况下，手术机器人10的部件由塑料制成。优选地，塑料提供结构强度、轻便且与MR相容。通过举例说明，塑料是PEEK(聚醚醚酮)材料或或SOMOS 11122xc或NEXT树脂，其中使用快速成型。
参考图2A和图2B，手术机器人12包含：线性移动组件，其为线性模块22；第一旋转移动组件，其为转塔模块24；第二旋转移动组件，其为肘部滚动模块26；第三旋转移动组件，其为腕部倾斜模块28；以及另一线性移动组件，其为穿透模块30。转塔模块24和肘部滚动模块26通过转塔和肘部连接单元150而连接。肘部滚动模块26和腕部倾斜模块28通过滚动连接单元170而连接。替代地，肘部滚动模块可包含连接器，且类似地腕部倾斜模块可包含连接器，且由此手术机器人将包含线性模块、转塔模块、肘部滚动模块和腕部模块，如下文参考图30予以更详细描述。
参考图3A和图3B，线性模块22是单自由度接头。在图1、图2和图3中所示的配置中，其提供垂直平移或在y轴上的平移。但是，将了解，当手术机器人围绕拱式装置单元16移动时，线性模块22的定向将改变且其将一般提供沿拱的半径的移动。线性模块包含具有编码器23的超声电机21、齿轮机构25、丝杠27、螺母29和支撑板36。另外，线性模块22还包含外壳31、外壳盖32、电机板38和一对线性导轴34。另外，在需要时使用轴承。优选地，超声电机21是组合式超声旋转电机和编码器。替代地，可使用超声电机和独立编码器。通过举例说明，可使用USR30 E3N电机。优选地，齿轮26是蜗轮。超声电机21可操作性地连接到蜗轮26。蜗轮26接合螺母29，且螺母29沿丝杠27移动。蜗轮26用来增大电机的扭矩。另外，由于它们的自锁特征及它们的齿轮比，所以蜗轮是优选的。丝杠27附接到支撑板36。因此，当激活超声电机21时，其导致支撑板在如由螺母29沿丝杠27的位置所确定的线性方向上移动。在本文的实施例中，线性移动行程为0-30mm。丝杠27及一对导轴34附接到支撑板36，且可相对于外壳31移动。优选地，使用ACME或梯形丝杠，且由于ACME或梯形丝杠27不可反向驱动，所以其为反自锁型。外壳盖32和电机板38各自附接到外壳31且一同围住蜗轮26和螺母29。外壳盖32具有轴孔40和一对导孔42，使得丝杠27和线性导件34可以自由地移动穿过其中。外壳31包含快速连接附接部分44。
快速连接部分44包含螺孔46和对准销孔48。快速连接部分44可通过将对准销(未示出)插入快速连接部分44上的对准销孔48和拱式支撑件16中且接着使用穿过螺孔46的螺钉(未示出)将它们连接来连接到拱式装置单元16。所述快速连接附接部分允许使用者容易沿拱式装置16在各个位置处连接手术机器人12，如图1、图24及图25中所示。
图4中示出转塔模块24。转塔模块24包含超声电机50、编码器51、齿轮机构、轴54和支撑板58。转塔模块24还包含外壳60和电机板62。在需要的情况下包含轴承。优选地，齿轮机构包含蜗杆52和蜗轮56。优选地，超声电机是超声旋转电机且为组合式超声电机和光学编码器。通过举例说明，可使用USR60-3EN或UST30-3EN超声旋转电机。通过举例说明，蜗轮56的静态扭矩额定值是20Nm。用于电机50和编码器的电缆(未示出)位于转塔模块24外部。在本文的实施例中，转塔模块的总重量为约0.25kg。蜗杆52和蜗轮56提供自锁功能。自锁功能减少输出端驱动输入端的可能性。优选地，转塔接头的运动范围为-65度到+65度。
图5中所示的肘部滚动模块26具有与上述转塔模块24的结构稍微类似的结构。肘部滚动模块26包含超声电机70、编码器71、齿轮机构、轴74和支撑板78。肘部滚动模块26还包含外壳80和电机板82。在需要的情况下包含轴承84。优选地，齿轮机构包含蜗杆72和可操作性地连接到轴74及超声电机70的蜗轮76。优选地，超声电机是USR超声旋转电机，且为组合式超声电机和光学编码器。通过举例说明，蜗轮72的静态扭矩额定值为约4Nm。优选地，肘部滚动接头的运动范围为约-70度到+70度。
图6A和图6B中所示的腕部倾斜模块28建置有对称结构，且包含一对超声电机90、一对编码器91、一对齿轮机构、一对轴94和支撑板98。腕部倾斜模块28还包含外壳100、两个外壳盖102和两个电机板104。在需要的情况下包含轴承106。优选地，超声电机是USR超声旋转电机，且为组合式超声电机和光学编码器。优选地，齿轮机构包含蜗杆72和蜗轮96。硬停件105和硬停件107限制被固定到轴94并随轴94旋转的支撑板98的旋转角度。硬停件108接合滚动连接单元170上的硬停件173，如图12中所示。超声电机90并行起到驱动机构的作用以获得所需的旋转和停转扭矩。通过举例说明，蜗轮的静态扭矩额定值为约15x 2Nm。优选地，腕部倾斜接头的运动范围为-20度到+20度。
图7中所示的穿透模块30包含超声电机120、编码器121、力传感器122、丝杠124、螺母126和齿轮128。另外，穿透模块30包含一对导轴130、转动滑块132和前支撑零件134。转动滑块132支撑丝杠124和线性机构的其它零件。转动滑块132包含连接到腕部倾斜模块28的支撑板98的连接肋状物133。同样，穿透模块30包含外壳136和电机板138。在需要的情况下包含轴承140。优选地，超声电机是组合式超声旋转电机和编码器。螺母126适合于可连接到手术工具。在图7中所示的实施例中，螺母126包含适合于接收手术工具的转接器部分142。转接器部分142包含多个螺纹孔143。电机120可操作性地连接到一对齿轮128，这对齿轮128可操作性地连接到丝杠124。因此，当激活电机120时，齿轮128导致丝杠124旋转，因此导致螺母126沿丝杠124线性地移动。螺母126的移动产生了推力。通过举例说明，力传感器122是FlexiForce A201力传感器。力传感器122用来测量穿透和钻削力。FlexiForce A201传感器是整合到穿透模块中的超薄柔性印刷电路。力传感器122允许触觉控制手术机器人12。优选地，穿透接头的运动范围是0-90mm。
图8和图9中示出了转塔和肘部连接单元150。这个单元连接转塔模块24和肘部滚动模块26，且为回转支承。图29A和图29B示出了连接到转塔和肘部连接单元150的肘部滚动模块26。单元150包含支撑板152，所述支撑板152在其一侧上具有第一回转环154且在其另一侧上具有第二回转环156。第一硬停件158附接在第一回转环154上，且第二硬停件160附接到支撑板152。支撑板152具备多个孔径162，且转塔模块24附接到其。第一回转环154具备多个孔径164，且肘部滚动模块26附接到其。回转支承使用自润滑、低摩擦滑动元件以代替球轴承。优选地，这些由低成本、高性能塑料(称为Iglide JTM材料)制成，其被设计成具润滑作用且免维护。支撑板152由PEEK(聚醚醚酮)材料制成。转塔和肘部连接单元150被设计成低剖面、低重量、免润滑且容易安装。替代地，替代性肘部滚动模块500可组合图5的肘部滚动模块的特征与图8和图9的转塔和肘部连接单元的特征，如图30中所示。
肘部滚动模块26和腕部倾斜模块28通过图10和图11中所示的滚动连接单元170而连接。滚动连接单元170由支撑零件或外壳172、轴171、轴承174和轴环176组成。外壳172包含硬停件173。轴环176包含多个孔径178，且肘部模块26连接到其。轴171具有多个孔径175，且腕部倾斜模块28连接到其，如图12中所示。替代地，替代性腕部倾斜模块400可组合图6的腕部倾斜模块的特征与图10和图11的滚动连接单元的特征，如图30中所示。
图13中示出了拱式单元16。拱式单元16包含拱架190，所述拱架190可沿连接于其每一端处的一对线性致动器192移动。每个线性致动器192包含超声电机194、编码器195、电机板196、轴环198和丝杠200。优选地，超声电机194和编码器195为组合式超声旋转电机和编码器。一对滑动托架202可移动性地附接到丝杠200，且一体式地形成于拱架190中。在需要的情况下包含轴承。每个线性致动器192连接到底板204，所述底板204可连接到MRI台206(已示出)。在本文所示的实施例中，底板204具有从其中心向下延伸的中脊208。所述脊适合于接合MRI台中的槽。大头螺钉(未示出)可用于将底板204锁定在适当位置。拱190具备电缆连接器板209。(应注意，图式中未示出电缆以便简化图式。)线性致动器192控制拱架190沿丝杠200或底板204的线性轴的位置。由于底板204附接到MRI台且台206可插入MRI中，所以拱架190沿丝杠200的运动将是沿着MRI扫描仪的纵向轴。优选地，线性移动的行程是0-100mm，但是，这可以取决于MRI的长度而变化。拱式单元具有并行起作用的两个线性致动器，且它们使拱式单元16沿扫描仪的纵向轴滑动。
在图1到图13中所示的实施例中，手术机器人12使用快速连接附接件和对准销而被定位成沿着拱式单元16。快速连接附接件和对准销46位于线性模块22的快速连接部分44上，其为将手术机器人12连接到拱架190作准备。在拱架190上的定位以及手术机器人12的基于模块的可重配置性提供为特定手术任务找到最佳位置和姿势的手段。
优选地，致动器或电机是有保持力的超声电机。优选地，齿轮是自锁蜗杆机构或不可反向驱动的丝杠，以便在没有制动的情况下将手术机器人组件10和手术工具的接头锁定到适当位置。
硬停件108接合滚动连接单元170上的硬停件173，且用来在旋转接头达到硬界限时通过吸收冲击力使腕部倾斜模块28的轴94停止旋转。另外，在转塔和肘部连接器单元150上提供了硬停件158和160。由于使用了所述硬停件，所以无需使用电子传感器及其电缆来限定电机的硬界限。线性移动模块22使用外壳盖32和板支撑件36来形成下文所述的归位过程。使用机械止件而非电子传感器的优点是电子传感器可使MR成像失真并受MR扫描的影响。在使用中，当电机移动时，控制器将编码器读数记录为电机位置的反馈。如果在预定的一段时间期间编码器读数不改变，那么推断电机已碰到硬停件。于是，控制器将向电机发送“停止”命令以停止运动。其后，将仅接受关于在相反方向上移动的运动命令。
归位模式用来在每次启动手术机器人组件10时重设编码器计数器。更具体来说，归位功能用于确定在通电之后每个接头的位置。在不归位的情况下，控制器将不知道在通电之后每个接头的当前位置。归位过程包含以下步骤：a)首先以已知速度在已知方向上移动每个接头；以及b)一旦接头达到归位偏移量(已知位置)，控制器便将接着从传感器接收信号。归位偏移量是已知位置，且其为接头的归位(零点)位置的参考。归位偏移量和归位速度是针对每个接头来定义的。归位偏移量允许将实际零点设定成在距硬停件一段给定的距离处。出于安全性，当接近硬停件时，强制执行更低的速度。
优选地，线性模块22、转塔模块24、肘部滚动模块26、腕部模块28和穿透模块将蜗轮用作它们的齿轮。蜗轮为高传动比、不可反向驱动的蜗杆机构。通过举例说明，用于转塔模块24的蜗轮是传动比为20的齿轮；用于肘部滚动模块26的蜗轮是传动比为18的齿轮；用于腕部倾斜模块28的蜗轮是传动比为24的齿轮；且用于线性模块22的蜗轮是传动比为12.5的齿轮。所述蜗轮向相对较低功率的致动器提供优良的承载能力。通过举例说明，转塔模块24、肘部滚动模块26、腕部倾斜模块和线性模块22各自具有1.0W致动器。蜗轮提供实质上减小速度并增大扭矩的一种简洁手段。替代地，如果使用正齿轮，那么手术机器人将更大。此外，蜗轮为自锁型，且不可反向驱动。当蜗杆的导前角小于啮合齿轮的摩擦角时，蜗杆机构产生反自锁。因此，蜗杆可以驱动蜗轮，但蜗轮不能驱动蜗杆。蜗轮有助于提供更简单且体积更小的模块。
图14中在210处示出了手术工具模块的实施例。手术工具模块210包含超声电机212、编码器213、电机板214、齿轮机构226、正时皮带和一对滑轮216以及丝杠227。优选地，超声电机是超声旋转电机，并且包含编码器且更具体来说光学编码器。手术工具模块210供与钻头包220一起使用。优选地，钻头包220包含消过毒的锯齿空心钻。手术工具模块210包含用于支撑钻头包220的可移除式钻头支撑件222。可移除式钻头支撑件222可释放性地连接到槽板258。手术工具模块210还包含支撑架224和导向支撑件228。导向支撑件228(最好在图14B和图14C中所见)包含具有螺母223的丝杠227。所述丝杠可以通过使用接合丝杠227上的槽的销229而沿导向支撑件228上下线性移动。在需要的情况下包含轴承。超声电机212可操作性地连接到正时皮带和滑轮216，所述滑轮216转而可操作性地连接到钻头包220以使钻头旋转。超声电机212还可操作性地连接到齿轮箱226中的齿轮，所述齿轮经由滑轮216可操作性地连接到丝杠227。用于电机212和编码器213的电缆位于模块(未示出)外部。应注意，在这个实施例中，回撤机构和针头旋转是通过一个超声电机来驱动。
图15中示出手术工具模块230的替代性实施例。这个实施例与图14中所示的实施例类似，但代替正时皮带和滑轮的做法是，其使用气动致动器。手术工具模块230包含超声电机232、编码器233、电机板234、正时皮带和一对滑轮235、236以及气动单元238。优选地，超声电机包含编码器且更具体来说光学编码器。手术工具模块230还供与钻头包220一起使用。手术工具模块230包含用于支撑钻头包220的组合式钻头支撑件和板231。在需要的情况下包含轴承。超声电机232可操作性地连接到正时皮带和滑轮235、236，所述滑轮235、236转而可操作性地连接到气动单元238和钻头包220以使钻头旋转。由此，超声电机232还可操作性地连接到气动单元238。气动单元238用于驱动套管针锁定和回撤机构。
气动致动器238与MR相容。气动致动器238具有可连接到钻头包220的活塞237。滑轮235具有槽，所述槽合并有钻头包220的锯齿空心钻252的端部以使钻头旋转。可以通过小型空气致动器239来锁定钻头包220的导针254。气动致动器238可以锁定活塞237的位置或移动位置，且因此钻头包的位置类似地是可锁定的或可移动的。这是通过使用压缩空气和真空以气动方式来致动。因此，通过使用气动致动器238，可以达成钻头包220的移动(如下文参考图20所描述)。如由本领域的技术人员很好地理解，为了提供此类控制，气动单元238可包含单作用或双作用气缸。可以使用压缩空气和/或真空来致动气动缸。所述气动缸可通过简单的接通-切断型控制件来操作。由于操作流体为空气，所以从气动缸产生的泄漏将不污染周围环境。
参考图16和图17，优选地，钻头包220包含套管针250、锯齿空心钻252和导针254。参考图18和图19，示出了具有穿透模块30的手术工具210。穿透模块被示于图7中且其包含转接器142以作为螺母126的一部分。转接器142包含螺母部分262、可移除式前转接器部分264和可移除式前闭合部分266。可移除式前转接器部分264可连接到螺母部分262且可移除式前闭合部分266可连接到螺母部分262的端部。前转接器部分264用于导引手术工具210的钻头包220，且前闭合部分266用于锁定手术工具210。在图18和图19中所示的实施例中，还包含用于在取样时导引钻头包220的前导引零件268。在使用中，钻头包220(套管针250、锯齿空心钻252和导针254)、可移除式前转接器部分264、可移除式钻头支撑件222、可移除式前闭合部分和可移除式前导引零件268在使用之前已消过毒。接着，将每个物品安装或重新安装在其相应的模块中。优选地，套管针回撤行程的运动范围为0-25mm。
参考图17，以下为用于将钻头包插入图14的手术工具模块中的过程：
1.将具有端丝的套管针250插入(P1)手术工具模块210中并将其旋转(R1)几圈；
2.将锯齿空心钻252插入导针254中，并将它们推入(P2)手术工具模块210中；以及
3.将钻头支撑件222推入(P3)槽板258中。
一旦在对某个元件进行消毒之后装配或重新装配手术工具210，便接着将其插入穿透模块30中，如图19中所示且如下文所描述：
1.将前转接器部分264推入(P1)转接器螺母部分262中；
2.将前导引零件268滑到钻头包220的导针254(P2和P3)；
3.将具有前导引零件268的手术工具210推入(P4)穿透模块30(转接器142和前支撑零件134)中；以及
4.将闭合件266推入(P5)转接器142中。
上述手术工具210对自动取样特别有用。用于自动取样的医疗方案与当前手动过程类似。参考图20，钻头包220可被称作骨活检工具歧管。如上所述，钻头包220包含套管针250、锯齿空心钻252和固定(外部)护套或导针254。固定(外部)护套或导针254将在使用中心针头进行穿刺时允许锯齿空心钻持续自旋。医疗方案如下：
1.穿透(不旋转)套管针250、锯齿空心钻252和导针254到皮质骨(线性运动)。将尖的套管针250插入锯齿空心钻252中，且将它们插入导针254中，且接着插入切口中直到套管针尖端接触骨头为止。可左右移动套管针的尖端，以从骨表面释放粘附结构。接着推动钻头包，直到导针254稳固地搁在骨表面上为止(图20(a))。
2.将导针254固持在适当位置，接着将套管针250回撤约20mm或更多(线性运动)(图20(b))。
3.将导针254固持在适当位置，使锯齿空心钻252前进(通过旋转)到供取样的目标(线性和旋转运动)(图20(c))。
4.一旦已感觉到锯齿空心钻完全穿过骨头，便停止推动，且使锯齿空心钻旋转两个整转。这个步骤将确保标本的内侧面没有其骨膜附着物。
5.接着，往外拉回钻头包(未示出)，使得钻头包被拉出骨头和皮肤。
参考图21和图22，手术机器人组件10被示为在MRI 270中的原位置。手术机器人组件10被示为附接到MRI台206。通过举例说明，在图22中示出了可如何将手术机器人组件定位在人272的腿部周围。
图24A和图24B中示出了手术机器人组件300的替代性实施例。手术机器人组件300与手术机器人组件10类似，但其包含图23中所示的替代性拱式装置单元302。拱式装置单元302包含拱架304，其中横杆306固定地安装在拱架304的内侧上。拱式装置单元302的剩余部分与上文关于拱式单元16所描述的部分类似。手术机器人308与上文所描述的手术机器人类似，除了其附接装置310适合于接合横杆306之外。手术机器人308可以经由安装机构310可移动性地附接到拱式装置单元302的横杆306，所述安装机构310是快速/简单连接附接件的一部分。
一旦手术机器人308附接到横杆306，其轨迹便受到横杆的约束。机器人可以手动地或者通过拱式超声电机单元312的驱动来沿横杆移动到任何位置。优选地，超声电机单元312包含具有编码器的USRTM超声电机和齿轮机构。超声电机单元312是附接装置310的一部分，且可操作性地附接到手术机器人308。附接装置310接合横杆306且因此手术机器人308可以沿拱式装置单元302移动。
当机器人到达横杆上的限定位置时，所述机器人可以通过锁定机构被锁定到其上。可以通过传感器来测量机器人在横杆上的位置。所述测量被馈送给机器人系统以用于登记和运动学计算。
本领域的技术人员将了解，手术机器人12是模块化可重配置机器人，且可以被重配置成适合不同类型的手术，如图27和图28中所示。在图27A和图27B中所示的实施例中，线性模块22连接到转塔模块24，所述转塔模块24连接到肘部滚动模块26、腕部倾斜模块28、穿透模块30和手术工具模块14。转塔模块24和肘部滚动模块26通过转塔和肘部连接单元150而连接。肘部滚动模块26和腕部倾斜模块28通过滚动连接单元170而连接。转塔模块24和肘部滚动模块26的定向不同于图1到图26中所示的定向，使得可以将手术机器人用于不同应用。
类似地，在图28A和图28B中所示的实施例中，转塔模块24连接到肘部滚动模块26、腕部倾斜模块28、穿透模块30和手术工具模块14。另外，可提供快速连接器180。快速连接器模块180附接到转塔模块24。转塔模块24和肘部滚动模块26通过转塔和肘部连接单元150而连接。肘部滚动模块26和腕部倾斜模块28通过滚动连接单元170而连接。腕部倾斜模块28的定向不同于图1到图26和图27中所示的定向，使得可以将手术机器人用于不同应用。另外，在这个配置中，手术工具模块14的定向是不同的，且一般为水平。
本领域的技术人员将了解，可修改本文所描述的手术机器人的模块。举例来说，可修改主要模块(例如，线性模块、转塔模块、腕部倾斜模块)以包含连接特征，使得可以接着将模块直接连接到另一模块。图30中示出了此情况的示例，其中肘部滚动模块500和腕部倾斜模块400各自包含连接特征。
本领域的技术人员将了解，手术机器人可具有与其操作相关的多个坐标系。举例来说，手术机器人组件10具有惯性参考系或固定参考系坐标系11，如图1中所示。这个坐标系在拱式单元16的一对横杆20的行进方向上具有z轴。另外，可存在手术机器人12坐标系13(如图2中所示)，其中线性模块限定z轴：转塔模块在与z轴平行的轴上具有旋转移动；肘部滚动模块围绕z轴具有旋转移动且x轴一般与z轴正交；并且腕部倾斜模块围绕y轴具有旋转移动且y轴一般与z轴正交且与x轴横切。本领域的技术人员将了解，惯性参考系坐标系11是固定的，而手术机器人坐标系则随着机器人行进而行进。
一般来说，本文所描述的系是针对供用于MRI中的医疗机器人。将关于下文所论述的细节来描述本公开的各种实施例和方面。以下描述和图式说明了本公开且将不解释为限制本公开。描述了众多特定细节以提供对本公开的各种实施例的透彻理解。但是，在某些例子中，未描述众所周知或惯常的细节以便提供对本公开的实施例的简明论述。
如本文所使用，术语“包括(comprises/comprising)”将解释为具包含性且为开放式而非排他式。具体来说，当用于说明书和权利要求书时，术语“包括(comprises/comprising)”及其变化意指包含指定的特征、步骤或部件。这些术语将不解释为排除其它特征、步骤或部件的存在。
如本文所使用，术语“例示性”意指“充当示例、例子或说明”，且不应解释为比本文所公开的其它配置受偏爱或有利。
如本文所使用，术语“约”和“近似”意指涵盖可存在于所述值范围的上限和下限中的变化，例如性质、参数和尺寸方面的变化。在一个非限制性示例中，术语“约”和“近似”意指±10％或更少。
如本文所使用，术语“实质上”是指动作、特性、性质、状态、结构、物品或结果的完整或近乎完整范围或程度。举例来说，“实质上”被围住的物体将意指所述物体被完全围住或近乎完全围住。与绝对完全性的确切可允许偏差程度在一些情况下可取决于特定的上下文。但是，一般来说，与完满的接近度将为如此以至于具有与在获得绝对和总完满的情况下相同的总体结果。“实质上”的用途同样适用于当以贬义来使用时，以指代完全或近乎完全缺乏动作、特性、性质、状态、结构、物品或结果。

Claims (51)

1.一种供与手术工具相关联地使用的模块化可重配置手术机器人，包括：
用于线性移动的线性模块；
用于旋转移动的转塔模块，其具有转塔旋转轴；
用于旋转移动的肘部滚动模块，其具有与所述转塔旋转轴成角度的肘部滚动旋转轴；
用于旋转移动的腕部倾斜模块，其具有腕部倾斜旋转轴，所述腕部倾斜旋转轴与所述转塔旋转轴成角度且与所述肘部滚动旋转轴成角度；并且
其中所述线性模块、转塔模块、肘部滚动模块和腕部倾斜模块可操作性地连接在一起以形成所述手术机器人，且所述模块中的一者可操作性地连接到所述手术工具。
2.根据权利要求1所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述线性模块的所述线性移动限定z轴，所述转塔旋转轴是与所述z轴平行的轴；所述肘部滚动旋转轴围绕x轴且所述x轴与所述z轴大致正交；并且所述腕部倾斜旋转轴围绕y轴且所述y轴与所述z轴大致正交且与所述x轴横切。
3.根据权利要求1所述的模块化可重配置手术机器人，其进一步包含能够与之连接的穿透模块，且所述手术工具能够附接到所述穿透模块。
4.根据权利要求3所述的模块化可重配置手术机器人，其进一步包含转塔肘部连接模块，所述转塔肘部连接模块能够连接到所述转塔模块和所述肘部滚动模块。
5.根据权利要求4所述的模块化可重配置手术机器人，其进一步包含滚动连接单元，所述滚动连接单元能够连接到所述腕部倾斜模块和所述肘部滚动模块。
6.根据权利要求1所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述线性模块包含可操作性地连接到电机的丝杠螺母和齿轮机构。
7.根据权利要求6所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述线性模块的所述齿轮机构包含蜗杆蜗轮，且所述电机是超声旋转电机。
8.根据权利要求7所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述线性模块包含硬停件以限制所述螺母的移动。
9.根据权利要求1所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述转塔模块包含可操作性地连接到电机的轴和齿轮机构。
10.根据权利要求9所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述转塔模块的所述齿轮机构包含蜗杆蜗轮，且所述转塔模块的所述电机是超声旋转电机。
11.根据权利要求10所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述转塔模块包含硬停件以限制所述轴的所述旋转。
12.根据权利要求1所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述肘部滚动模块包含可操作性地连接到电机的轴和齿轮机构。
13.根据权利要求12所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述肘部滚动模块的所述齿轮机构包含蜗杆蜗轮，且所述肘部滚动模块的所述电机是超声旋转电机。
14.根据权利要求13所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述肘部滚动模块包含硬停件以限制所述轴的所述旋转。
15.根据权利要求1所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述腕部倾斜模块包含可操作性地连接到一对电机的一对轴和一对齿轮机构。
16.根据权利要求15所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述腕部倾斜模块的每个齿轮机构包含蜗杆蜗轮，且所述腕部倾斜模块的所述电机是超声旋转电机。
17.根据权利要求16所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述腕部倾斜模块包含硬停件以限制所述轴的所述旋转。
18.根据权利要求3所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述穿透模块包含可操作性地连接到电机的丝杠螺母和齿轮机构。
19.根据权利要求18所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述穿透模块的所述齿轮机构包含一对正齿轮，且所述穿透模块的所述电机是超声旋转电机。
20.根据权利要求3所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述手术工具是可连接到所述穿透模块的手术工具模块，且所述手术工具模块包含可操作性地连接到电机的丝杠螺母和齿轮机构。
21.根据权利要求20所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述手术工具模块可操作性地连接到钻头包。
22.根据权利要求21所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述手术工具模块进一步包含可操作性地连接到所述钻头包的正时皮带和齿轮。
23.根据权利要求21所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述手术工具模块包含可操作性地连接到所述钻头包的气动单元。
24.根据权利要求21所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述钻头包包含套管针、钻头和导针。
25.根据权利要求21所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述穿透模块进一步包含转接器，且所述手术工具模块可附接到所述转接器。
26.根据权利要求25所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述转接器包含：螺母部分；可移除式前转接器部分，其能够连接到所述螺母部分；以及可移除式前闭合部分，其能够连接到所述可移除式前转接器部分。
27.根据权利要求26所述的模块化可重配置手术机器人，其中手术工具包包含可释放性地连接到槽板的可移除式支撑件。
28.根据权利要求27所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述可移除式前转接器部分、所述可移除式前闭合部分、所述可移除式支撑件和所述钻头包全部能够进行消毒。
29.根据权利要求20所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述手术工具模块的所述电机是超声旋转电机。
30.根据权利要求1到29中的任一项所述的模块化可重配置手术机器人，其进一步包含拱式装置单元，所述拱式装置单元可操作性地附接到所述线性模块、所述转塔模块、所述肘部滚动模块和所述腕部倾斜模块中的一者。
31.根据权利要求1所述的模块化可重配置手术机器人，其进一步包含拱式装置单元，所述拱式装置单元可操作性地附接到所述线性模块、所述转塔模块、所述肘部滚动模块和所述腕部倾斜模块中的一者，且所述拱式装置单元包含位于拱架的任一端处的一对线性致动器。
32.根据权利要求31所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述拱式装置单元的每个线性致动器包含可操作性地连接到丝杠的超声电机和可移动性地连接到所述丝杠的一对滑动托架，从而所述一对滑动托架连接到所述拱架且激活所述超声电机使所述滑动托架沿所述丝杠移动。
33.根据权利要求32所述的模块化可重配置手术机器人，其中每个线性致动器连接到底板，且所述底板能够连接到手术台。
34.根据权利要求30所述的模块化可重配置手术机器人，其进一步包含快速连接器模块，所述快速连接器模块能够连接到所述线性模块、所述转塔模块、所述肘部滚动模块和所述腕部倾斜模块中的一者。
35.根据权利要求30所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述拱式装置单元包含横杆，且所述手术机器人可移动性地附接到所述横杆。
36.根据权利要求35所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述手术机器人沿所述横杆手动地移动。
37.根据权利要求35所述的模块化可重配置手术机器人，其中拱式装置单元进一步包含用于沿所述横杆驱动手术机器人的拱式电机。
38.根据权利要求1所述的模块化可重配置手术机器人，其中所述模块化可重配置手术机器人的所有所述元件均与MRI相容。
39.一种供与手术工具或手术工具模块相关联地使用的手术机器人组件，所述手术机器人组件包括：
拱式单元，其具有拱架；以及
手术机器人，其沿所述拱架在不同位置处可移动性地附接到所述拱式单元。
40.根据权利要求39所述的手术机器人组件，其中所述拱式单元进一步包含位于所述拱架的任一端处的一对线性致动器。
41.根据权利要求40所述的手术机器人组件，其中每个线性致动器包含可操作性地连接到丝杠的超声电机和可移动性地连接到所述丝杠的一对滑动托架，借以所述一对滑动托架连接到所述拱架且激活所述超声电机使所述一对滑动托架沿所述丝杠移动。
42.根据权利要求40所述的手术机器人组件，其中每个线性致动器连接到底板，且所述底板可连接到手术台。
43.根据权利要求39到42中的任一项所述的手术机器人组件，其中所述拱式单元包含横杆，且所述手术机器人可移动性地附接到所述横杆。
44.根据权利要求39所述的手术机器人组件，其中所述拱式单元包含横杆且所述手术机器人可移动性地附接到所述横杆，并且所述手术机器人沿所述横杆手动地移动。
45.根据权利要求39所述的手术机器人组件，所述手术机器人可移动性地附接到所述横杆，并且其中所述手术机器人沿所述横杆手动地移动且所述拱式装置包含用于沿所述横杆驱动手术机器人的拱式电机。
46.一种供与工具包相关联地使用的手术机器人，其包括：
至少一个旋转移动组件；以及
穿透模块，其可操作性地连接到所述旋转移动组件中的一者，所述穿透模块包含转接器，所述转接器具有：螺母部分；可移除式前转接器部分，其可连接到所述螺母部分；以及可移除式前闭合部分，其可连接到所述可移除式前转接器部分，且所述工具包可附接到所述转接器。
47.根据权利要求46所述的手术机器人，其中手术工具包包含可释放性地连接到槽板的可移除式支撑件。
48.根据权利要求47所述的手术机器人，其中所述可移除式前转接器部分、所述可移除式前闭合部分、所述可移除式支撑件和所述工具包全部可进行消毒。
49.根据权利要求48所述的手术机器人，其中所述至少一个旋转移动组件是转塔运动组件，且进一步包含第二旋转移动组件，所述第二旋转移动组件是可操作性地连接到所述转塔运动组件的肘部滚动运动组件。
50.根据权利要求49所述的手术机器人，其进一步包含第三旋转组件，所述第三旋转组件是可操作性地连接到所述第一和第二旋转移动组件的腕部倾斜运动组件。
51.根据权利要求46到50中的任一项所述的手术机器人，其进一步包含线性移动组件。
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