CN110123454A - 医疗机器人工作站 - Google Patents

Abstract

一种医疗机器人工作站包括框架和机器人操纵器，所述机器人操纵器安装在所述框架上以用于对坐在邻近所述框架的椅子上的患者执行治疗规程。所述患者处于就座姿势，并且所述框架上设置有支撑位置以用于搁置所述患者的骨部分。传感器在由所述机器人操纵器执行所述治疗规程期间跟踪所述患者的身体部分的移动和位置。所述机器人操纵器适于执行医疗、牙科、眼科和整形外科治疗规程中的至少一者。医师坐在医师的工作站的显示监视器处，所述医师的工作站用于编程、监视并检验机器人程序以用于控制所述机器人操纵器来执行所述治疗规程。

Description

医疗机器人工作站

技术领域

本公开描述在被配备用于机器人医疗规程的医疗设施中使用的医疗机器人工作站(WS)的配置。作为实例，以下描述使用本发明的申请作为牙医诊所的WS，其中自主机器人执行或辅助牙科规程。然而，本发明不限于牙科实践并且可以如在其他医学领域中所要求保护的那样容易应用。

背景技术

本章节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。本申请特别参考由联合发明人之一提交的期满的PCT申请(PCT/US2015/042578)并且公开了一种增强的发明。

医疗机器人可以广义地分类为远程操纵器或自主机器人。远程操纵器已经见证了更常见的应用，但是自主医疗机器人的实例很少，其中一些已经付诸实施并且另一些仍然处于试验阶段。两种类别的实例如下。

远程操纵器、远距离操纵器、或主从式操纵器可能是目前使用的常见的外科机器人。该类型中的最成功的商用机器人之一是da机器人(Intuitive Surgical，Sunnyvale，CA，USA)。在该主从系统中，外科医生坐在患者旁边的主控制台处，通过从臂对所述患者进行操作。外科医生通过内窥镜来观察内部器官并且通过移动主操纵器，可以以比人类可达到的更高的准确度和灵巧性来调整从机器人的位置。

自主和半自主系统是可以被预编程为通过由可执行其他部分的操作者根据命令自主执行部分来自主地执行规程或与操作者一起分担规程的机器人。自主和半自主系统已经被用于神经外科和整形外科，主要是因为这些规程的框架提供了用于记录器械的良好材料。例如，来自THINK Surgical有限公司,Fremont,CA的医疗机器人系统用于整形外科手术，到目前为止，主要用于全膝关节置换术和全髋关节置换术，并执行一些自主功能：机器人遵循预先规划的切割路径以便在没有外科医生指导的情况下切割出膝关节置换的平面切口和髋关节置换的空腔。骨被研磨后，外科医生手动地继续规程。另一个实例(自Accuray有限公司的)用于向脑肿瘤递送辐射剂量。所述实例使用安装在机器人上的机器人臂和辐射源，以遵循编程路径向选定目标递送辐射。通过图像引导相机来定位患者的位置并且引导机器人臂以便从多个角度精确地递送会聚在肿瘤处的小辐射束。

虽然在没有实际实现方式的情况下已经提出了若干种方法，但机器人在牙科方面的用途没有太多的进展。特别感兴趣的是美国专利号6,640,128，其描述了一种系统，其中通过对工作空间进行可视化以及在监视器上显示所述工作空间来辅助牙医执行牙科规程，同时将他的手动进度与规划路径进行比较以便允许牙医观察偏差并对路径进行校正；所述专利还表明机器人可以替代来做牙医的手工工作。同样命名发明人的美国专利号9,675,419描述了一种用于使医疗规程自动化的系统和方法并且概述了其在牙科中的应用。

牙医学自身很适合自主机器人规程并且有助于使患者和牙医都获得明显的益处。与已经应用操纵式机器人装置的其他腹部外科手术相比，牙科规程是主要对外部可见的牙齿或牙龈部分执行的或没有到活组织中的深度侵入；从而风险更小并且承诺更准确且更具成本效益的治疗。

用于机器人手术的WS不需要复制由医师执行的规程的医疗实践中使用的环境。然而，表明牙医学中的第一自主机器人应用之一的‘128专利仍然供患者以仰卧姿势坐在常规牙医椅上，而不考虑改变就座以适应机器人规程的益处；在附图中的图2A和图2B中示出常规牙科椅的实例。

医疗工作空间的布局的人体工程学受限于人所及范围和其感测、视线、灵巧性、以及手眼协调的限制。用于此类规程的工具也被设计成由人手操纵；其大小、形状、重量和功能也根据普通人的能力而定制。因此，此类人体工程学、工具和布局对于任何特定的人来说可能不是最佳的，并且通常会对许多规程的结果产生负面影响。以下当然是理想的：如果所有医务人员都具有相同的大小、相同的灵巧性、相同敏锐的视觉、听觉、触觉、压力感觉等。以下也是理想的：如果所有的医生都对可能在压力下持续数小时才能完成的冗长规程有无限的容忍度，并且不必休息或将所述规程传递给参加的同事。另一方面，机器人提供了理想的优点；它们的大小可以根据应用而通过高灵巧性来定制，相机可以位于敏锐视觉和障碍物后观看所需的位置，传感器可以被添加有对压力、声音等的高灵敏度，并且它们不在意施力或应力。

发明内容

对于所有这些优点，本发明的目标是实现机器人医疗规程(尤其用于自主机器人)的应用，这受益于向机器人的WS添加更多结构。此类应用的实例包括牙科、眼科和整形外科。在认识到本发明的灵活特征之后，对于其他领域中的技术人员来说其他医疗应用可能是显而易见的。对于牙科，它包括便于在牙科应用中有助于机器人使用的工具作业。非医疗应用将受益于该牙科应用中包括的一些工具作业，但根据需要可能需要另外的工具来支持特定应用。

在本专利申请中详细地描述本发明的对于牙科的应用。

典型地，在牙医诊所中的WS被设计成为了方便牙医而使牙医进入患者的嘴巴，并且次关键的是患者的舒适度。当患者以仰卧姿势斜躺在牙科椅上时，牙医执行牙科规程。这种姿势允许牙医向下看并进入患者的嘴巴。照明由安装在患者椅上方的装置提供。对于牙医而言，这种姿势可能是最方便的选择(如果不是唯一的)，但对于必须应对很多不适的患者来说是不太方便的。牙科过程需要在嘴巴内喷水以清洁碎屑并清除任何出血和多余的唾液。尽管多余的流体经常通过插入嘴巴内的真空管吸出，但它们经常使患者窒息，从而导致牙科规程的频繁中断。患者对于未决窒息的反应经常引起突然的移动，当牙医没有足够快地做出反应以撤回锋利的牙科工具时，这可能使患者暴露于割伤和出血的危险。图2A和图2B示出常规牙医椅的实例，所述牙医椅具有若干倾斜和直立的姿势。

当通过机器人来执行牙科规程时，如在美国专利号9,675,419中描述的，仰卧姿势对于机器人执行规程来说不是必需的，因为所述仰卧姿势是为了牙医。其他姿势对于机器人手术来说是更方便的，只要它们允许进入患者嘴巴即可；如本文所述的，期望较不危险且对患者友好的姿势。

通常，牙科医生还通过张口器来固定患者嘴巴的打开；在一种形式中，当在相对侧执行手术时，张口器是在患者嘴巴一侧上插入的楔形物。这可以防止下颚下垂、嘴巴闭合以及手术中断。通常，张口器保持在嘴巴内仅出于一种功能，即支撑颚打开。楔形张口器的实例如图3所示，其还示出装配有扁平塑料固位器的张口器，所述固位器可以保护患者的舌头免于暴露到锋利的牙科工具；其他附件也可用于防止流体和碎片分散。

对于一些规程，牙医还可以插入唇牵开器，例如商业上可获得的Optragate(Ivoclar Vivadent有限公司的注册商标)，以便保持嘴巴打开并且为牙齿提供良好的目视可见。类似地，患者可以被类似地装配以便有助于对站相机的良好目视可见以便查看和识别机器人的操作空间。

本发明利用机器人功能来解决与医师实践的手动方面相关联的问题，在此重点在于牙科实践。它供患者以方便的直立位置就座，这对于要在患者嘴巴内工作的机器人没有影响并且缓解了窒息和受伤的问题。本发明还利用了通过具有高分辨率的内窥镜或其他微型相机在嘴巴内观察的能力，以提高手术的准确度并提高患者的安全性。由一个或多个传感器组成的光学系统还可以在执行规程之前和之后收集各种数据，以允许可重复的/可量化的度量数据点。这些数据点可以用于后续患者就诊以修改和优化患者治疗。

本发明还使得能够在医疗实践中(并且特别在牙科中)使用机器人以允许使牙科工具更加安全；由于机器人的一致性以及到达牙医不方便的位置的能力，工具可以针对安全性和性能进行优化，而不是为了方便牙医。通过启用机器人规程，本发明增强了许多患者长期担心的牙科就诊体验。

机器人可能以比机器人更多的定向和姿势执行。牙医只能俯视患者的嘴巴，这是因为其视线限制和对工作空间的手进入程度以及对疲劳的耐受。配备有计算机视觉系统的机器人不限于进入患者嘴巴的特定视线，因为相机可以根据需要在口外或口内方便地定位。患者可以舒适地直立坐在椅子上并且不必应对冲洗液和多余唾液引起的窒息。然后，任何液体都会通过重力自排放到嘴巴外部并且永远不会达到窒息水平。然后可以连续地进行液体的真空抽空，而不像常规实践那样中断过程或干扰患者。真空系统也可以方便地结合到唇牵开器中。

机器人还在其工作空间恒定且结构化时最佳地执行。如果没有，则引入另外的费用和复杂性以应对动态环境。然后，需要用于检测患者移动的传感器以及为机器人提供的复杂软件和控件，以便安全地进行响应。如果对以仰卧姿势的患者施加颚和头部约束，则其会添加现有的不适感和抑制约束的感觉。在通过当前牙医的治疗下，牙医能够猜测或估计患者何时不舒服并停止治疗。在一些情况下，牙医可能不会停止治疗，从而对于仰卧且不能移开的患者而言产生非常不舒服的情况。这是最不受欢迎的(考虑到人们普遍担心去牙医就诊)并且对于儿童和不安分的患者来说尤其不切实际。

然而，在人直立坐着的情况下，人的前额可以自然且自愿抵靠舒适支撑物搁置，从而提供良好水平的运动限制而没有约束的感觉。在支撑头部的情况下，患者的移动将受限于更小的干扰并且可以通过触觉、视觉或接近传感器来感测并由机器人安全且及时地作出反应。由于直立坐姿和移动受限较小，切割和出血的风险明显降低并且几乎消除了窒息。这种姿势通常用于眼科检查，而不会引起任何患者的担忧。

可选地，通过将张口器固定到固定框架并且让患者在直立就座时自愿地接近张口器，所述张口器在小公差范围内固定下颚与上颚的相对位置，最小化目标牙齿的移动，并且将机器人的工作空间构建到更高水平。然后，机器人可以与其目标牙齿具有共同的几何参考，以便准确地接近所述牙齿并且诸如针对牙冠、托槽或植入物执行规程。然后，可以更安全、更准确地执行机器人规程，并且另外的控件的技术复杂性要小得多。通过另外的本地感测，机器人的准确度和安全性可以被提高到前所未有的水平。例如，可以添加传感器以感测牙齿相对于张口器的移动，并且警告机器人通过调整其路径或停止和撤回工具来做出反应。对头托、张口器和前额使用两种方法也可能是有利的，尽管必须通过调整来适应冗余。在不使用张口器的情况下，主动视觉系统还可以跟踪设定参数内的患者移动，并且在超出某些位置或运动极限时，系统可以暂停或停止。编程到机器人中的软件屏障可以提供进一步的患者保护，以便从不允许治疗工具进入可能导致疼痛或伤害的患者空间。

牙医经常与患者互动以减轻他们的恐惧并向他们提醒否则可能导致突然反应的未决感觉。这些反应通常是危险的，并且可能导致由于所使用的锋利牙科工具而引起的伤害或者对工具的意外干扰，从而对患者的牙齿、骨骼或牙龈造成不适当的损害。通过具有同等或更好的功能，机器人应用可以更加成功。

在固定的头部位置下，牙科工作站可以配备有音频和视频屏幕显示器。然后，可以将牙医的指令和信息传送到患者并且使其与机器人的未决动作同步。这些可以用牙医的声音进行传送并且甚至可以作为具有其图像和声音的视频传送。这可能包括患者平视显示器。该平视显示器可以具有显示图像的目的，但是如果嘴巴是预期的工作空间，则还可以用作保护屏障。如果对其他治疗空间进行操作，则可以为了患者安全而利用另外的物理屏障。

也可以显示娱乐和舒缓的视频或其他艺术表现，从而使得患者愉悦地而不是艰苦地去牙医诊所就诊。提供舒缓声音和音乐的耳机或扬声器也可以附接到头部支撑结构。耳机的条带也可以缠绕在头部周围以便提供对患者移动的另外控制而不会引起过度不适。还可以利用噪声消除技术来消除机器噪音(诸如牙钻)以便为患者创造平静且舒缓的环境。

在张口器位于进行操作的牙齿的相对侧上的情况下，张口器用作发光源和微型图像传感器的理想位置以便提供对与张口器相对且在嘴巴内部的工作空间的近距离观察。其他传感器(诸如接近传感器)也可以附接到嘴巴内的张口器或附接到牙科工具，以便感测精确的牙齿位置并增加机器人操作的准确度。

在机器人牙科规程并且能够利用微型相机以及灵活照明和成像检索光纤在狭窄位置进行观察的情况下，患者脸颊不需要承受严苛的拉伸以暴露工作空间。本申请中的光纤不会受到通常与其使用相关联的重复弯曲的破坏性影响，并且可以提供对异常狭窄位置的接近。可以使用颚及其周围环境的3D成像数据对机器人进行编程，而不会产生此类严苛的压力。在执行编程规程时，机器人还可以在大多数牙齿处进入工作空间而不会对脸颊造成压力。然而，为了患者的安全和舒适度，如图7所示，工具还可以被装配有柔软的低摩擦护罩，所述护罩固定到工具或被松散地承载以随工具移动。这些护罩还可以被装配有照明和图像检索装置以便观察牙齿的背面，从而用于检验机器人程序或监视其操作。传统上，牙医使用镜子和外部照明来观察牙齿后面。

显而易见的是，本发明有许多优点，并且一旦其构造的细节被描述并且其元件之间的互补性相互作用被解释，则对于读者来说将变得更加清楚。

应当指出的是，一次性屏障(诸如塑料套管)可用于机器人臂的环境卫生。可以使用空气幕来阻止所产生的气溶胶进入机器人的壳体。紫外线消毒也可以用作选择。

可以利用安全数据收集规定来支持工作站以保护患者信息并有助于HIPPA合规。这可以包括生物计量扫描、UDB软件狗和/或RFID，使得在没有这些东西的情况下，未经许可或未经训练的人无法操作它。这也确保在治疗前识别正确的患者。

可以未侵入地收集另外的生物计量数据，诸如指纹、心率、GSR(皮肤电反应)、温度、呼吸率、头部加速度(突然抽搐)等。指纹将用于患者识别并且所有其他传感器数据将用于机器学习以改善患者体验。

发明目的：

因此，本发明的目的之一是提供一种医疗机器人工作站：

1.所述医疗机器人工作站是自主医疗机器人规程的使能器；

2.使患者免于在常规医疗规程期间经历的不适；

3.利用机器人能力来消除与在医疗规程中使用机器人相关联的一些困难；

4.提高患者在规程期间的安全性；

5.缓解患者的情绪紧张；

6.确保规程目标相对于机器人操作空间的受控位置；

7.针对机器人和规程目标提供共同的几何坐标参考；

8.最小化患者非自愿移动的倾向与随后产生的危险后果；

9.允许方便地将传感器定位成靠近机器人工作空间；

10.提供娱乐以帮助患者忍受或享受否则是艰苦的体验；

11.包括工具作业以支持应用的需求以便从机器人的使用中受益；

12.提供用于引导机器人辨识患者的装置并且将机器人引导到医疗规程的目标部位；

13.提供用于减轻自主机器人操作危险的安全装置；

14.提供患者特定的治疗；

15.提供用于收集患者身份和生物计量数据以改进和个性化治疗规程的装置；

16.利用治疗前数据来指导治疗规程；并且

17.利用治疗数据来增加治疗前数据并改进未来的治疗规程。

附图说明

当根据附图考虑优选实施方案的以下详细描述时，本领域技术人员将容易理解本发明的上述优点以及其他优点，在附图中：

图1A、图1B和图1C是根据本发明的现有技术的医疗机器人工作站的视图，所述医疗机器人工作站包括机器人工作站A1和医师的工作站A2。

图2A和图2B示出常规现有技术的牙科椅。

图3示出常规现有技术的楔型张口器和护口器。

图4示出根据本发明的牙科机器人工作站的构造。

图5示出牙科机器人工作站的透视图。

图6示出被施加以维持颚打开和位置的楔型张口器。

图7和图7A示出用于机器人牙科工具的护颊器，其被示为具有有限的旋转和弹性弯曲。

图8A和图8B示出清洁卫生处理的方法。

图9示出安装在机器人上并被操纵以识别患者的上颚和下颚的相机。

图10示出根据本发明的医疗机器人工作站的控制系统的示意性框图。

图11是根据本发明的方法的流程图图示。

具体实施方式

以下详细描述和附图描述并说明本发明的各种示例性实施方案。说明书和附图用于使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，并且不意图以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所呈现的步骤本质上是示例性的，并且因此步骤的顺序不是必需的或关键的。

在牙医学作为应用本发明的实例的情况下，本说明书将涉及其对于自主牙科机器人规程的应用。其他医疗规程将具有与所描述内容类似的适应性，而不偏离本文所述的基本特征或部件。

图1A、图1B和图1C示出医疗机器人工作站的总体布局的绘制，所述医疗机器人工作站包括医师的工作站(PWS)A2以及其中容纳有机器人104的机器人工作站(RWS)A1。患者101直立坐在椅子102上，所述椅子102具有将患者头部搁置在控制台100上的位置的装置。医师105坐在显示监视器106处，所述显示监视器106用于编程、监视和检验机器人程序，如下所述。患者椅102被构造成其具有竖直高度调整Z和水平行进调整X1；可以通过将控制台100安装在滑块上以提供等效调整X2来代替X1。所述调整允许不同大小的患者坐着，同时其头部搁置在控制台100中的头托处。医师的WS A2通过有线数据网络或无线地与机器人WSA1通信。医师可以参加PWS以监视自主机器人规程、对机器人进行编程、或通过实时规程来远程引导机器人。一些规程可能优选由医师执行并且部分地由机器人辅助。机器人可以自主地执行其部分或者由医师远程引导。然后，PWS将包括主操纵器机构并且机器人成为从操纵器。医师可以在PWS处的监视器106上观察机器人的工作空间，并且在视觉上适当地引导机器人104。

图4和图5示出牙科机器人工作站A1的控制台100的机器人壳体的构造的细节。示出了框架1，固持牙科工具3并在患者4的嘴巴内操作的机器人2。患者被示为接触颏托或定位器5和前额托6，其具有一次性衬垫5a和6a以用于患者卫生保护和舒适度。然而，如图8B所示，可以消除颏托5并且通过传感器定位和跟踪患者的颏。在以下描述中，术语“颏定位器”用于指颏托5和颏位置传感器。还示出了具有衬垫7a的可选头部后支撑件7，其用于沿后向稳定头部的位置；耳机8也可以附接到后支撑件7或另一个位置，或者具有用于音频信息或娱乐的无线能力。还有附接到前额托6的可选显示系统10。前额托还可以具有被结合用于诸如测量心率、皮肤电反应、温度等指标的生物计量传感器。这些传感器有助于WS监视患者并且通过机器学习来构建患者特定的治疗计划。头托衬垫可以被具有环境卫生地覆盖头部、前额和颏的一次性或可重复使用的头套替代。

患者4被示为其头部直立而不是常规的仰卧姿势，从而允许易于抽空令人讨厌的过程流体和碎屑。真空抽空管13被示为末端被放置在嘴巴内喉宽下方的水平处，以用于抽吸任何唾液或用于所述过程的冲洗流体。工具架18附接到框架并且承载多个牙科工具以供机器人在机器人规程的不同阶段中使用。可选的盖15可以可移除地附接到框架1并围绕机器人。盖15和框架1可以具有令人愉悦样式的外观以适应通常干净整洁的医疗环境。可选地，对于铰接型机器人操纵器，外壳15可以被现代风格的大致圆柱形盖替换，所述大致圆柱形盖与第一机器人关节一起相对于固定机器人基座旋转并且具有用于使机器人臂穿过的窄轴向开口。该实施方案具有减小盖和开口的大小的优点，机器人臂从所述开口进入治疗空间。此外，将使用指纹传感器或其他生物计量传感器来识别患者。

框架1围绕在以下位置处安装到框架1的结构的多轴机器人2，所述位置允许机器人2进入嘴巴内的包括用于牙科规程的所有位置的工作空间。框架1具有在颏定位器与前额托之间的开口9(分别参见图4和图5)，机器人可以通过所述开口9来进入其位于患者嘴巴内的工作空间。尽管6轴机器人最常用于执行各种操纵任务，但是对于某些过程来说使用具有五个轴或更少轴的机器人可能是有利的。可以使用具有铰接臂的机器人(如图1所示)或具有笛卡尔滑块或机构组合的其他机器人，并且取决于应用和期望的准确度，一些机器人可能优于其他机器人。机器人通常具有用于使工具移动通过机器人的工作空间的机构以及用于其定向的另一个机构。铰接型机器人臂具有通过旋转关节连续地连结到固定基座的一个臂或两个臂；臂长度和运动角度确定其中可递送工具的工作空间的极限。机器人的腕部是其定向机构并且通常具有一至三个旋转关节，优选地其旋转轴正交和相交，但并非总是如此。腕部通常具有附接装置(夹持器)以抓住或释放期望的工具3。牙科机器人的腕部优选地是足够小的以便将工具引入嘴巴内，并且通过充分的移动自由度来执行牙科过程并且不干扰颚。

用于牙科过程的工具是相对较轻的，重量为几盎司，仅在嘴巴内移动，并且与常规的工业机器人速度相比以相对较慢的速度进行操作。因此，机器人可以是大小较小的，功率较低的，并且因此几乎不能够向人体提供威胁力。牙科机器人的任何危险源都可以限于不可避免地存在锋利工具和旋转工具。通过确保可靠的机器人性能、低速操作、以及可靠的意外移动感测来递送对危险的及时减轻响应，可以减轻所述危险。为了更好的关节运动并避免多余的机器人臂偏移，7轴机器人是有利的。例如，对于牙齿清洁，在腕部围绕牙齿引导工具时，7轴机器人臂可以在患者前方进行小的移动。

在牙科规程期间，机器人可能需要不同工具以便利用其在所述规程的不同部分进行操作；因此，WS包括被定位为使得机器人2便于接近的工具安装架18，如图4所示。如通常所实践的那样，机器人腕部也可以在腕部末端处装配有工具更换装置(未示出)。在操作期间，机器人可以到达工具安装架18，放置它可能具有的工具并且拾取安装在机架上的另一个工具；该规程被称为工具更换规程。

框架1还被示为具有可选的显示屏10，其符合患者的视觉，以用于观看有关规程进度的信息并显示娱乐或舒适的视频，所述视频可以有助于分散患者对牙科规程的注意力并且改善患者的牙科就诊体验。在与耳机一起的情况下，牙医然后可以通过由有经验的牙医实施的宽慰语言和手势与患者通信。可选地，患者可以佩戴特殊类型的眼镜20(诸如谷歌眼镜)并且具有流式输入的音频和视频以用于收听和观看。或者，显示器10可以与特殊透镜一起安装在前额托6上以便将图像投射在特定距离(类似于VR/AR眼镜)。

图6示出安装在保持器12上的张口器11，所述保持器12从框架1的侧面延伸并刚性地或柔性地附接到框架1的侧面；张口器11允许患者将其牢固地塞在上颚与下颚之间。张口器在所述过程期间最小化牙齿的移动。张口器11还装配有常规的护舌器16，如图3所示，以防止舌头侵入机器人工作空间。可以包括其他附件以用于另外地防止在常规医疗实践中使用的流体和碎屑。通常，机器人可以通过众所周知的运动跟踪软件功能来适应小的移动并继续利用期望的准确度来进行操作，但可以被命令自动停止大幅度移动。因为并非所有的患者都具有相同的大小，头部保护件和颚张口器的位置5、6、7和11、以及患者座椅的高度和其与机器人WS A1相距的距离可以是可调整的。在常规牙科椅中通常可用高度和座椅位置调整。如果座椅102具有高度调整，则可能仅需要颏调整；颏托可以具有由WS控制器(未示出)或机器人控制器控制的手动或自动调整。在通过传感器定位前额和颏的情况下，可以使张口器11浮动而没有保持器12。在颏定位器内嵌在位置传感器中的情况下，无需颏调整。应当注意的是，颏定位器可以是被移动以便侧向地限制颏并且通过嵌入式传感器或远程传感器来感测其位置的物理元件。

将机器人2的基座、张口器11和保持器12刚性地安装到相同框架1有助于提供机器人与患者颚之间的准确配准并且最小化机器人相对于其工作空间的频繁校准的需要。然而，可能需要使张口器浮动并且跟踪其位置。机器人仍然装配有(视觉和机械)跟踪能力，所述跟踪能力允许机器人感测并跟踪其工作空间中的任何移动并且相应地调整其路径，因此保持期望的准确度。跟踪功能是一种常见的机器人实践，其利用传感器来测量被跟踪物体的移动并且发信号给机器人控制器通知其移动的幅值和坐标以便从机器人的编程路径中添加或减去。跟踪功能被用于许多工业机器人应用中并且通常可在机器人控制器的软件中使用。如果保持器12浮动或柔性地附接到框架1，则可以监视它们的相对位置和定向以便帮助跟踪功能。可以在嘴巴内插入3D相机系统，其允许机器人臂抵靠已知的过去扫描表面进行校准，并且拍摄相同的图片以进行准确且可重复的数据捕获以及历史牙齿健康比较。

图5示出颚位置环境的等距视图，所述颚位置环境包括前额、颏和颚定位器(分别为6、5和12)。颏托5可以做成可调整的以适应不同的头部大小。颚保持器12可以被放置在开口9的任一侧上并且与机器人进行操作的颚侧相对。颏托包括颏位置传感器，其跟踪颏以及下颚相对于上颚的位置。颏位置传感器还监视患者颏的存在，诸如如果患者移动离开传感器，则产生信号并使用所述信号来阻止机器人操作或阻止活动规程继续。

还示出了两个相机14，其在框架1中放置在开口9的两侧处；当机器人通过空间9进入并接近规程的目标牙齿时，相机有助于提供机器人的处理区域的图像。相机可以装配有发光照明器，以便投射具有适合于从工作空间反射并确保良好图像质量的波长光谱的光。其他传感器可以在邻近机器人工作空间安装到框架1，以便测量机器人与工作空间中的元件的相对位置、有助于机器人跟踪不同元件位置、并且提高准确度和安全性。在图6所示的另一种布置中，光纤电缆22可以用于将光传输到工作空间，并且通过保持器12或沿其侧面将图像传输回远程定位的相机电子设备(诸如商用内窥镜)。一根电缆22通常将来自LED光源的光传输到工作空间，并且另一根电缆22装配有物镜或透镜堆叠以便在其视场中接收图像，所述图像沿光纤传输回远程定位的CMOS视频芯片。内窥镜通常用于医疗和工业实践以便使光纤电缆迂回通过狭窄空间并且在监视器上观察腔体内部。工业内窥镜具有直径约5mm或更大的电缆，并且医疗内窥镜电缆的直径可以小于2mm。可选地，微型相机可以位于张口器上并且其数据可以在外部传送到机器人控制器。工作站配备有相机并且固定地安装或安装在机器人臂2上(参见图9中的相机27)，使得可以操纵相机以便可以目视患者4的头部的前方。相机27被定位成使得下颚和上颚都可以处于视野中以用于识别其特征并且有助于引导机器人进入嘴巴开口并沿着颚的轮廓引导机器人，以便执行连续的路径过程(诸如清洁牙齿或牙弓的3D扫描)。

图4和图5示出具有直立头部定向的布置，然而，WS可以具有不同的向前头部倾斜角以便使患者舒适。工作站A1还包括用于供患者就座的椅子。工作站还可以被设置有滑动轨道以便使椅子或框架1沿着轨道移动以进入和离开并适应具有长腿或短腿的患者。工作站还可以设置有椅子高度调整，如常规诊所和医疗椅中常见的那样。如果椅子提供直立姿势和竖直高度调整，则椅子可以是常规牙医椅。

可选的外壳15围绕机器人2并且在若干位置处闩锁到框架1以便提供适合于医疗环境的美观且令人愉悦的外观。闩锁可释放以接近机器人2和牙科工具更换托槽18以用于进行维护和调整。可选地，对于铰接型机器人操纵器，外壳15可以被现代风格的大致圆柱形盖替换，所述大致圆柱形盖与第一机器人关节一起相对于固定机器人基座旋转并且具有用于使机器人臂穿过的窄轴向开口。该实施方案具有减小盖和开口的大小的优点，机器人臂从所述开口进入治疗空间。

为了卫生保护，机器人2可以从工具夹持器一直到其基座被保护“袍”24覆盖，所述保护“袍”24类似擦洗服(参见图8A)，以便使机器人不会将污染从一个规程带到另一个规程，并且对于每个规程都更换袍。袍24可以被丢弃或消毒。当然，工作站的所有元件应当被设计成易于清洁和消毒，如同其他医疗设备一样。也可以通过最小化开口9的大小来避免污染。可选地，只有机器人臂和工具的终端可以用一次性或消毒的覆盖物来覆盖。

壳15的内部(包括机器人2)也可以经由其他方式闭合开口9而与外部环境隔离。例如，在机器人将工具引入其工作空间时，机器人穿透的并被工具凸缘密封的可再密封或可拉伸的膜或扩展套管。此配置封装了机器人的整个其余部分以用于感染和细菌控制。

隔离的另一种方式是用空气喷射或幕26覆盖开口9(参见图8B)，所述空气喷射或幕26允许机器人2穿透其，同时保持周围空气不含有任何携带的污染物。另一种方式是径向纤维的幕或密封件25(见图8B)，所述幕或密封件25闭合开口9并且在纤维围绕机器人臂密封的同时仍允许机器人2穿透。

对头托、椅子位置和高度的调整可以是手动或电动的，并且可能由数字控制器(诸如机器人控制器)控制。

通常，牙医可以使用拉伸器和夹具、钩、或其手指以便将患者脸颊拉伸远离牙齿并到其视线之外。当然，这不建议通过机器人操作，并且本发明提供了适当的替代方案。

图7和图7A示出本发明中的作为对该功能的替代物的护颊器，其通过将护罩30附接到工具3。在一种形式中，护罩30铰接到工具3的顶部，以便在由其实线轮廓和虚线轮廓指示的有限范围S内自由摆动，并且它可以具有弹簧回程。摆动的中心可以固定在任何角度，这取决于将工具引入嘴巴中的方向及其角移动范围。当侧向引入工具时，护罩30保护脸颊皮肤32免受工具侵入，并且如果需要更多空间则可以轻轻地向外推动脸颊。这比当前的拉伸实践更加温和并且是有可能的，因为通过相机14从嘴巴的另一侧启用机器人视觉。当工具沿着机器人路径移动时，它可能在所有方向上倾斜或移位，因此护罩表面具有简单的球形表面并且由低摩擦材料制成，所述材料适于化学地或通过高压灭菌器进行清洁卫生处理(如医学上可接受的)。护罩30还被示为具有由箭头F指示的弯曲能力，从而如果工具将护罩推向牙龈，则减小牙龈上的压力。护罩在弯曲时的刚度可以被设计成将牙龈上的压力保持在舒适极限内。可以选择护罩的形式以便在侧向挤压的情况下允许低力可变形性，如图7A中的三个截面选项所提出的那样。护罩30还可以装配有光纤，如果需要的话，所述光纤照亮邻近面颊的外齿侧并取回其图像。对于连续路径规程(诸如清洁、嘴巴成像和扫描)，可能不需要工具护罩；工具通常具有光滑的非突出几何形状，并且类似于牙刷通过足够的空间与牙齿和牙龈分离。过程非强迫性且可逆，因为在此类规程中没有组织或骨骼被修改。工具还可以用较软材料(诸如橡胶或塑料)覆盖以增强安全性。

图10示出医疗机器人工作站的控制系统的示意性框图，所述工作站包括机器人工作站(RWS)A1和医师的工作站(PWS)A2。PWS A2包括连接到医师控件40的显示监视器106。控件40可以是适于与RWS A1交换信息的计算机。机器人104包括连接到机器人控制器41的机器人操纵器2和存储器42。存储器42存储数据和软件程序以用于在治疗规程期间控制机器人操纵器2。控制器41连接到RWS A1中的各种装置，以用于通过任何合适的装置(诸如总线、有线网络或无线网络)来进行数据交换。所述装置包括相机14、传感器43、控制台100、椅子102、耳机8、显示屏10和眼镜20。

应当指出的是，通过常规采用的若干其他实践，将实现本发明的一些新颖方面的可操作性以便改进其实用性；例如，空气喷射可以用于使相机或光纤端部的视野变得清晰，通常实践的清洁卫生处理技术(诸如高压灭菌器和抗生素)将用于环境和相关的工具和结构等。

本发明的效用最好通过利用本发明的牙科过程的实例来示出；并在此解释。机器人可以被装配有牙齿卫生喷雾清洁工具、3-D扫描仪、钻头等，以执行牙科规程。患者坐在工作站的座椅上，前额搁置在头托上，操作者将颏定位器调整到患者颏的底表面并初始化系统以进行操作。可选地，颏定位器可以被提供动力以便在数字控制器的引导下移动到颏位置。一旦就座，控制器41必须检测到患者的存在和适当就座的信号，然后，所述一个或多个颚辨识相机27拍摄两个颚的3D图像以便相对于机器人定位它们，并且识别其几何形状以便使机器人能够被编程。优选地，安装在机器人2上的一个3D视觉相机27被操纵到两个不同的位置，以便最佳地观察每个颚。

在图11中示出根据本发明的用于自主执行治疗规程的适用方法的流程图。在步骤50处，所述方法开始“输入规程程序”，其中用于选定医疗规程的软件程序被加载到存储器42(图10)中或者从存储在存储器中的若干不同规程程序中选择。接下来，在步骤51中，机器人系统通电。在步骤52中，检查所有传感器43。对所有传感器(而非专门对43)进行的全系统检查执行自性能测试以确保所有传感器都工作。如果任何传感器指示有问题，则方法在“否”处退出步骤52，并且系统在步骤53中将发出对维修的请求。如果所有传感器都通过自性能测试，则方法在“是”处退出步骤52并行进到步骤54，在所述步骤54中将选定工具装配到机器人并覆盖机器人。

在步骤55中，使患者就座在椅子102(图1A)中。接下来，在步骤56中，生物计量和存在传感器(诸如前额传感器43(图10))检测患者的前额是否正确地定位在前额托6(图4)中，或者颏传感器43(图10)检测患者的颏是否正确地定位在颏托5(图4)中或颏定位器处。如果任一条件为“否”，则方法循环回到步骤55以调整患者的位置。当患者被正确定位时，方法在“是”处退出步骤56。

在步骤57处，机器人系统对将要执行执行医疗规程的部位拍摄图像。在步骤58处，系统搜索步骤59中的社区数据湖以检查患者是否存在于社区数据湖中。如果患者存在于社区数据湖中，则方法在“是”处退出步骤58以到达步骤60，在所述步骤60中检索患者数据简档。然后，所述方法获取患者数据简档、治疗前数据和修改参数，并且在步骤61中将它们应用于系统。然后，所述方法在步骤62中继续产生患者特定的程序，如果在步骤58处没有在社区数据湖中找到患者并且在“否”处退出步骤58，则也可以到达步骤62。现在，机器人系统根据在步骤62中产生的患者特定的程序，在步骤63中开始医疗规程。在步骤64中，进行检查以确认传感器数据在可接受的范围内。如果至少一个传感器不在可接受的范围内，则方法在“否”处退出步骤64并且在步骤65暂停规程。通过在步骤66处重新定位到操作极限来允许或帮助患者。所述方法然后行进到步骤67，其重新开始规程并返回到步骤64。

当所有传感器在可以接受的范围内，则所述方法在“是”处退出步骤64，并且在步骤68中检查是否接收到跟踪信号。如果没有接收到跟踪信号，则所述方法在“否”处退出步骤68并在步骤70处继续。如果接收到跟踪信号，则所述方法在“是”处退出以便在步骤69处更新患者特定的程序并且然后进入步骤70。然后，所述方法检查患者特定的程序的执行是否完成。如果未完成，则所述方法在“否”处退出步骤70并循环回到步骤64。如果完成，则所述方法在“是”处退出步骤70并且行进到在步骤71继续收集治疗数据。然后，所述方法在步骤72处将患者数据上传到步骤59处的社区数据湖。所述方法还退出步骤71以到达步骤75，在所述步骤75中完成医疗规程。在步骤59处的社区数据湖将在步骤73处使用其智能学习系统连续分析数据以用于改进规程，并且在步骤74处，更新步骤59处的社区数据湖中的患者数据简档、治疗前数据和修改参数。

根据专利法规的规定，已经在被认为代表本发明的优选实施方案的内容中描述了本发明。然而，应当注意的是，在不脱离本发明精神或范围的情况下，本发明可以不同于具体示出和描述的方式来实施。

Claims (20)

1.一种机器人工作站，其具有支撑自主或远程引导的机器人操纵器的框架、以及用于在由所述机器人操纵器执行的治疗规程期间供患者就座的椅子，所述机器人工作站包括：

所述椅子被配置来供所述患者邻近所述框架以直立姿势就座；

支撑装置，所述支撑装置用于支撑所述患者的骨部分，所述骨部分定位工作空间；

多个感测装置，所述多个感测装置用于监视所述工作空间相对于所述机器人操纵器的位置并且用于识别所述工作空间的特征；

盖，所述盖用于将所述机器人操纵器与所述患者卫生隔离；

开口，所述开口在所述盖中形成以供所述机器人操纵器进入所述工作空间并且执行所述治疗规程；并且

其中所述机器人操纵器响应于由所述感测装置中的至少一个产生的信号而被引导来执行所述治疗规程。

2.根据权利要求1所述的机器人工作站，其包括以下中的至少一者：成像装置，所述成像装置用于对所述患者的治疗部位进行成像；感测装置，所述感测装置用于感测所述患者在所述椅子处的存在或不存在；暂停或停止装置，所述暂停或停止装置用于响应于来自传感器的命令或信号而暂停或停止由所述机器人操纵器执行所述治疗规程；以及跟踪和响应装置，所述跟踪和响应装置用于在执行所述治疗规程期间跟踪所述患者的身体部分的移动并对其作出响应。

3.根据权利要求1所述的机器人工作站，其中所述治疗规程是医疗、牙科、眼科和整形外科治疗规程中的一者，并且其中所述牙科规程是清洁、扫描、托槽放置、牙冠研磨和牙齿植入中的一者。

4.根据权利要求1所述的机器人工作站，其包括收集装置，所述收集装置用于在所述患者坐在所述椅子上时使用传感器从所述患者收集生物计量数据。

5.根据权利要求1所述的机器人工作站，其包括识别装置，所述识别装置用于使用收集所述患者的指纹的生物计量传感器来识别所述患者。

6.一种用于在治疗规程期间供患者就座的机器人工作站，其包括：

机器人操纵器，所述机器人操纵器安装在框架上以用于执行所述治疗规程；

椅子，所述椅子供所述患者邻近所述框架以就座姿势就座；

支撑装置，所述支撑装置用于支撑所述患者的骨部分，所述骨部分定位工作空间；

感测装置，所述感测装置用于感测所述工作空间相对于所述机器人操纵器的位置；

相机，所述相机安装在所述机器人操纵器上并由所述机器人操纵器操纵以用于在所述患者坐在所述椅子上时对所述工作空间的选定特征进行成像；

盖，所述盖用于将所述机器人操纵器与所述患者卫生隔离；并且

其中所述机器人操纵器响应于由所述感测装置和所述相机产生的信号而被引导来利用手术工具对所述患者执行所述治疗规程。

7.根据权利要求6所述的机器人工作站，其中所述治疗规程是医疗、牙科、眼科和整形外科治疗规程中的一者，并且其中所述牙科规程是清洁、扫描、托槽放置、牙冠研磨和牙齿植入中的一者。

8.根据权利要求6所述的机器人工作站，其包括工具架，所述工具架安装在所述框架上以用于在执行所述治疗规程期间更换工具。

9.根据权利要求6所述的机器人工作站，其包括视听装置，所述视听装置用于在执行所述治疗规程期间指导、通知或娱乐所述患者。

10.根据权利要求6所述的机器人工作站，其中所述盖由所述框架支撑，所述机器人操纵器定位在所述盖内，并且所述盖设计美观以便在医疗环境中吸引注意力。

11.根据权利要求6所述的机器人工作站，其中所述机器人操纵器具有带铰接关节或滑动构件以用于定位所述机器人操纵器的腕部机构的臂。

12.根据权利要求6所述的机器人工作站，其中所述椅子和所述支撑装置中的至少一者能相对于所述框架进行调整。

13.根据权利要求6所述的机器人工作站，其包括医师的工作站，所述医师的工作站连接到所述机器人操纵器的控制器以用于监视、引导和编程所述机器人操纵器的移动中的至少一者。

14.一种用于使用医疗机器人工作站在以直立姿势就座的患者的工作部位处自主地执行治疗规程的方法，所述工作站包括连接到机器人控制器的机器人操纵器以及多个传感器，所述方法包括以下步骤：

a.将对应于所述治疗规程的规程程序输入到所述机器人控制器中；

b.利用适合于执行所述治疗规程的工具来装配所述机器人操纵器；

c.使所述患者面向所述机器人操纵器在所述工作站处就座，使得所述患者头部的骨部分搁置在所述工作站的支撑件上；

d.在所述患者的嘴巴张开的情况下调整颏定位器以接触患者颏的底部；

e.使所述机器人控制器和所述机器人操纵器通电以执行所述治疗规程；

f.检测来自所述传感器的信号，所述信号指示以所述直立姿势就座并且嘴巴张开的所述患者的存在；

g.用相机拍摄所述规程部位的图像以识别所述工作部位的几何形状以及所述工作部位相对于所述机器人操纵器的位置的位置；

h.使用所述图像来产生适合所述工作部位的几何形状和特性的患者特定的程序；以及

i.执行所述治疗规程，其中所述机器人操纵器根据所述患者特定的程序来操纵所述工具。

15.根据权利要求14所述的方法，其在执行所述治疗规程之前包括通过生物计量感测来识别所述患者的步骤。

16.根据权利要求14所述的方法，其包括填充和使用治疗规程的数据库以改进所述规程程序。

17.根据权利要求14所述的方法，其包括使用传感器来跟踪患者移动并且根据所述患者特定的程序来操纵所述工具以维持期望的相对工具-患者位置。

18.根据权利要求14所述的方法，其包括为了所述患者的安全而使用传感器来发信号通知所述机器人操纵器跟踪、暂停或停止执行所述治疗规程。

19.根据权利要求14所述的方法，其包括应用与所述患者相关联的患者数据简档、治疗前数据和修改参数来产生所述患者特定的程序。

20.根据权利要求19所述的方法，其包括收集通过执行所述治疗规程而产生的治疗数据，并且使用所述治疗数据来更新所述患者数据简档、所述治疗前数据和所述修改参数中的至少一者。