專利名稱：具有混合式被動/主動控制的外科機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及外科機(jī)器人，尤其涉及操作這種機(jī)器人的控制方法。
背景技術(shù)：
機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)在臨床實(shí)踐上應(yīng)用了 20年以上，在這20年期間，外科機(jī)器人的理論、技術(shù)和臨床應(yīng)用取得了長足的進(jìn)步。雖然最初用于外科應(yīng)用的機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人，但后來已經(jīng)開發(fā)出專用機(jī)器人，這些專用機(jī)器人被特別設(shè)計(jì)以滿足外科手術(shù)的特定需求。工業(yè)機(jī)器人被設(shè)計(jì)為用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境，即，環(huán)境中的每個要素都是固定的。因而這種機(jī)器人能重復(fù)地執(zhí)行預(yù)先編程的工作，并且不允許人為干預(yù)。相比之下，外科手術(shù)中的環(huán)境是完全非結(jié)構(gòu)化的，不但因?yàn)椴煌∪酥g的體型的差異，還因?yàn)椴煌中g(shù)會涉及不同且復(fù)雜的程序。外科機(jī)器人必須能適應(yīng)這些差異，并且外科醫(yī)生和他們的醫(yī)務(wù)人員必須能夠干預(yù)機(jī)器人并與機(jī)器人 緊密配合。為了適應(yīng)外科手術(shù)的獨(dú)特需求，外科機(jī)器人應(yīng)該能夠適應(yīng)不同病人和不同程序，并且應(yīng)該能夠補(bǔ)充人類的能力和培訓(xùn)技巧。為了使對醫(yī)護(hù)人員的干擾最小化，外科機(jī)器人還必須在手術(shù)室內(nèi)占用盡可能小的空間。瑞典的Medical Robotics of Stockholm (http://www.medicalrobotics.se)提供用于整形外科手術(shù)的名為“PinTrace”的外科機(jī)器人。這種機(jī)器人具有擬人化結(jié)構(gòu)，該擬人化結(jié)構(gòu)具有六個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)以提供較大的工作空間。以色列的Mazor Robotics Ltd.(http://www.mazorrobotics.com)提供用于微創(chuàng)脊椎外科手術(shù)的名為“SpineAssist”的外科機(jī)器人。這種機(jī)器人是在外科手術(shù)期間安裝在脊椎上的具有6個自由度的微型平行機(jī)器人。外科機(jī)器人的控制在使機(jī)器人具有實(shí)用性和安全性的方面是至關(guān)重要的。典型的機(jī)器人系統(tǒng)具有三種控制模式之一。第一種是手動操作機(jī)器人的被動控制模式。第二種是機(jī)器人能夠根據(jù)預(yù)先編程的軌跡自動運(yùn)動的主動控制模式。第三種是遠(yuǎn)程操作模式，在該模式下，機(jī)器人是響應(yīng)于來自操作者的在線直接命令而受到實(shí)時控制。TIMC實(shí)驗(yàn)室(法國)(http://www-timc.1mag.fr)提供用于心臟外科手術(shù)應(yīng)用的名為“PADyC”的機(jī)器臂。這種機(jī)器人在具有動態(tài)限制的被動引導(dǎo)下運(yùn)行，動態(tài)限制根據(jù)預(yù)先定義的外科手術(shù)計(jì)劃限制裝置運(yùn)動。Curexo Technology (美國加州菲蒙市)提供用于關(guān)節(jié)置換手術(shù)的“R0B0D0C”系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能夠自動切割骨頭，但切割工具與病人之間的互動僅由計(jì)算機(jī)控制。Intuitive Surgical, Inc.(美國加州森尼維耳市)(http://www.1ntuitivesurgical.com)提供用于內(nèi)窺鏡外科手術(shù)的名為“Da Vinci”的外科機(jī)器人。這種機(jī)器人具有三至四個機(jī)器臂，并且外科醫(yī)生能夠通過遠(yuǎn)程操作控制器控制這些機(jī)器臂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及外科機(jī)器人，在這種外科機(jī)器人中，工具保持器通過串聯(lián)設(shè)置的連接構(gòu)件安裝至基座，并且關(guān)節(jié)與這些連接構(gòu)件連接。關(guān)節(jié)包括弧形滑動關(guān)節(jié)，并提供至少七個自由度，所述弧形滑動關(guān)節(jié)為手術(shù)室中的外科應(yīng)用提供合適的工作空間。本發(fā)明還涉及通過混合式控制來控制外科機(jī)器人的方法，混合式控制包括主動和被動控制模式，從而為容納在工具保持器中的外科工具的精度、功用、安全方面提供增強(qiáng)的控制。許多外科手術(shù)程序涉及線性方向的運(yùn)動，諸如鉆孔或在人體結(jié)構(gòu)內(nèi)操縱器械。這些程序僅需要五個自由度。本發(fā)明提供兩個額外的自由度，因而提供更加優(yōu)良的躲避障礙的能力。這些自由度之一由平移關(guān)節(jié)提供，平移關(guān)節(jié)滿足在線性路徑上運(yùn)動的功能。另一個自由度由弧形滑動關(guān)節(jié)提供，弧形滑動關(guān)節(jié)提供沿著固定曲線的運(yùn)動，類似于具有遠(yuǎn)程軸線的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的運(yùn)動。剩余自由度由圍繞固定軸線轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)提供。


圖1是本發(fā)明的外科機(jī)器人的一個示例的示意圖。圖2是圖1的外科機(jī)器人的一部分的示意圖。圖3A、3B和3C分別示出圖1的機(jī)器人的弧形滑動關(guān)節(jié)的三個位置，示出了圍繞人體的機(jī)器臂的運(yùn)動。圖4是本發(fā)明的用于主動-被動混合式控制的電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的一個示例的示意圖。圖5是本發(fā)明的主動-被動混合式控制方法的工作流程圖的一個示例。
具體實(shí)施例方式術(shù)語 “平移關(guān)節(jié)(prismatic joint)”在文中用于指代僅具有一個平移度(通常沿線性方向)且不允許一個部分相對于另一個部分旋轉(zhuǎn)的滑動關(guān)節(jié)。術(shù)語“弧形滑動關(guān)節(jié)(arc-shaped sliding joint)”在文中用于指代一個部分的運(yùn)動遵循弧線或非直線的固定曲線的滑動關(guān)節(jié)。典型的弧形滑動關(guān)節(jié)是具有曲梁和配合構(gòu)件的關(guān)節(jié)，其中配合構(gòu)件與該曲梁接合，使得該曲梁能夠在配合構(gòu)件內(nèi)滑動或沿著配合構(gòu)件滑動。弧形滑動關(guān)節(jié)因此是平移關(guān)節(jié)的一種形式，因?yàn)槠洳辉试S曲梁繞與該曲梁的曲線正切的軸線旋轉(zhuǎn)。術(shù)語“轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)(revolute joint)”在文中指代能繞單個軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動且不能滑動運(yùn)動的關(guān)節(jié)。雖然本段所述的每種關(guān)節(jié)具有單一自由度，但兩個或更多個關(guān)節(jié)一起能夠提供多個自由度。本文所用的術(shù)語“手動超控(manual override) ”是指從自動系統(tǒng)取得控制并將控制給予使用者的機(jī)制(可參見維基百科，http://en.wikipedia.0rg/wiki/Manual_override)。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，平移關(guān)節(jié)的運(yùn)動路徑是豎直的，即垂直于地面，并且弧形滑動關(guān)節(jié)的運(yùn)動平面與平移關(guān)節(jié)的運(yùn)動路徑是平行的。除了平移關(guān)節(jié)和弧形關(guān)節(jié)之外的其它關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線垂直于第二關(guān)節(jié)的運(yùn)動平面，并且第二和第三轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線彼此平行并垂直于第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線。第四轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線垂直于第三轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線，第五轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線垂直于第四轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線。第四和第五轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)具有相同的旋轉(zhuǎn)中心，從而共同提供圍繞球心的定向調(diào)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)可被分為兩個部分:具有兩個自由度的基座以及具有五個自由度的機(jī)器臂。前兩個關(guān)節(jié)形成基座，并且平移關(guān)節(jié)可用于調(diào)節(jié)機(jī)器臂的高度以適應(yīng)不同高度的手術(shù)臺?；⌒位瑒雨P(guān)節(jié)隨后可用于調(diào)節(jié)機(jī)器臂圍繞病人身體的軸線的位置。五個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)為機(jī)器臂提供五個自由度，從而為更多外科手術(shù)程序提供足夠的靈活性。將人體看作圓柱的情況下，弧形滑動關(guān)節(jié)可以圍繞身體軸線帶動機(jī)器臂，從而為手術(shù)室內(nèi)的外科手術(shù)程序提供最合適的工作空間。弧形滑動關(guān)節(jié)具有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)加上滑軌的靈活性，滑軌能為其提供平移關(guān)節(jié)的剛度。五個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)為電機(jī)驅(qū)動的，例如，由DC伺服電機(jī)驅(qū)動，并且每一個DC伺服電機(jī)還可以包含光編碼器、諧波減速器以及電磁制動器。各關(guān)節(jié)因此能提供主動-被動混合式控制，這意味著轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)既能夠由電力驅(qū)動，又能夠通過手動驅(qū)動。通過改變電機(jī)的供電狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)任何單獨(dú)電機(jī)的主動模式和被動模式之間的控制模式變換。當(dāng)電機(jī)被供電時，電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩將關(guān)節(jié)鎖定，并且該關(guān)節(jié)可在由電力驅(qū)動的主動控制模式下工作。當(dāng)不再向電機(jī)提供電力時，可在被動控制模式下手動操作該關(guān)節(jié)。在主動和被動控制模式下，關(guān)節(jié)的運(yùn)動均能夠由光編碼器監(jiān)測，并且關(guān)節(jié)能夠從主動模式自由變換至被動模式，反之亦然。當(dāng)檢測到機(jī)器人系統(tǒng)的過載時，電磁制動器被接合，以提供額外的保持轉(zhuǎn)矩，從而確保機(jī)器人系統(tǒng)的安全性。在外科手術(shù)中，通過在被動控制模式下操作機(jī)器人系統(tǒng)，外科醫(yī)生可移動機(jī)器臂，將工具放置在粗略的或大概的位置，即，靠近所需位置但未精確位于所需位置。外科醫(yī)生隨后能夠?qū)C(jī)器人切換為在主動控制下工作，在該模式下，能夠執(zhí)行精細(xì)調(diào)節(jié)而將工具放置在其最終位置。這種主動-被動混合式控制方法能夠縮短手術(shù)時間，最小化自動運(yùn)動的范圍，增加安全性，還確保外科手術(shù)的準(zhǔn)確性和精度。

或者，機(jī)器人能夠被設(shè)置為根據(jù)具體外科手術(shù)和指定工作站或手術(shù)室布局而預(yù)先編程的初始姿態(tài)。本領(lǐng)域中已知的是，當(dāng)外科手術(shù)器械被放置在具體位置(包括相對于病人的位置和定向)時，不同的外科手術(shù)操作將收到最佳效果。類似地，給定的工作空間將存在某些問題，諸如接近病人的難易程度以及需要容納支持材料、設(shè)備或人員。在為程序確定最佳初始姿態(tài)時，可包含所有這些因素，并且對于任何這類程序，最佳姿態(tài)都可被編程至外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中，使得機(jī)器人能夠在手術(shù)開始之前被自動置于或弓I導(dǎo)至該位置。通過進(jìn)一步的自動運(yùn)動或在視覺引導(dǎo)或位置反饋下，則可實(shí)現(xiàn)微調(diào)。前一段中所使用的外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是本領(lǐng)域已知的。所述系統(tǒng)利用光學(xué)跟蹤、電磁跟蹤或其它跟蹤方法。跟蹤可以需要從位于工具保持器處的跟蹤設(shè)備觀察到的二維或三維圖像。跟蹤設(shè)備的示例是發(fā)光二極管、超聲波發(fā)射器以及電磁場發(fā)射器。來自跟蹤設(shè)備的位置反饋可通過計(jì)算機(jī)顯示實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)顯示能示出覆蓋在病人或病人的外科手術(shù)部位的圖像上的工具的圖像。外科機(jī)器人的效率也是外科醫(yī)生關(guān)心的問題?，F(xiàn)有技術(shù)的機(jī)器人外科手術(shù)常常需要大量的時間和人員來在手術(shù)之前將機(jī)器人系統(tǒng)放置在合適位置。利用本發(fā)明的機(jī)器人系統(tǒng)，針對不同手術(shù)的初始位置在術(shù)前就被計(jì)劃好。因此，機(jī)器人能夠被自動地置于或引導(dǎo)至特定針對不同手術(shù)需要的一定位置和方向。其結(jié)果是顯著減少了準(zhǔn)備時間。本發(fā)明適合于多種實(shí)施程序和方案，從具體示例的研究能獲得對新穎特征的完全理解。這一示例在附圖中被示出并在下面進(jìn)行描述。圖1和2示意性地示出由塊體11支撐的機(jī)器人。塊體11具有與手術(shù)室的地面接觸的四個腳12、以及在腳12被升起時用于移動機(jī)器人的三個輪子13。第一關(guān)節(jié)是平移關(guān)節(jié)，該平移關(guān)節(jié)包括柱14，柱14具有豎直滑軌15和沿著滑軌15滑動以調(diào)節(jié)機(jī)器臂的高度的滑塊16，機(jī)器臂是柱上方的部分并且將在下面討論。第二關(guān)節(jié)是弧形滑動關(guān)節(jié)，該弧形滑動關(guān)節(jié)包括穿過同一滑塊16的彎曲通道以及穿過彎曲通道的弧形梁17。因此，梁17可沿固定曲線移動，滑塊16的中心線與該固定曲線相切。在弧形梁17的頂端是可手動調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)18，該旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)18允許在至少180°的范圍手動旋轉(zhuǎn)機(jī)器臂。通過這種旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，能夠容易將機(jī)器臂進(jìn)行定位以便在手術(shù)臺兩側(cè)使用。第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)21與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)18聯(lián)接。該第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)(圖2所示)的軸線22保持與手術(shù)室地面平行，并且垂直于第二轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)24的軸線23，第二轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)24與第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)21聯(lián)接。第二轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線23與第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸線22交叉。文中被定義為上臂連接件25的連接構(gòu)件的一端聯(lián)接至第二轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)24，另一端聯(lián)接至第三轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)26。第二轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)24的軸線23平行于第三轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)26的軸線27。文中被定義為下臂連接件28的連接構(gòu)件的一端聯(lián)接至第三轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)26，并且另一端聯(lián)接至第四轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)29。上臂連接件25和下臂連接件28在相同平面內(nèi)運(yùn)動。第四轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)29的軸線3 I垂直于第三轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)26的軸線27，并且與第五轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)33的軸線32交叉。第五轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)33與第四轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)31聯(lián)接，并且這兩個關(guān)節(jié)的軸線交叉。文中被定義為手部連接件34的連接構(gòu)件與第五轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié) 33聯(lián)接。在手部連接件34的末端是用于工具(諸如鉆頭套座或其他醫(yī)療器械)的工具保持器35。通過由滑塊16和弧形梁17形成的弧形滑動關(guān)節(jié)，機(jī)器臂(該術(shù)語指代從第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)21至工具保持器35的所有部件)可圍繞病人身體的軸線運(yùn)動，從而為手術(shù)室內(nèi)的外科手術(shù)程序提供最合適的工作空間。圖3A、3B和3C示出機(jī)器臂41相對于病人身體42的三種不同位置，這三種不同位置來源于弧形梁17圍繞病人身體的軸線43的三種不同程度的延伸。圖4描繪了能夠在主動和被動控制下工作的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)51的示例。該關(guān)節(jié)由DC伺服電機(jī)52驅(qū)動。光編碼器53監(jiān)測DC伺服電機(jī)52的運(yùn)動。DC伺服電機(jī)的輸出軸54通過聯(lián)接器55被聯(lián)接至轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的軸被連接至諧波減速器56以提供轉(zhuǎn)矩輸出。在緊急情況下，諸如當(dāng)機(jī)器臂經(jīng)受過載時，電磁制動器57卡住關(guān)節(jié)軸以阻止軸在任何方向運(yùn)動。當(dāng)DC伺服電機(jī)52被供電時，該電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩將鎖定關(guān)節(jié)51，并且該關(guān)節(jié)能夠在由電力驅(qū)動的主動控制模式下工作。當(dāng)DC伺服電機(jī)未被供電時，能夠在被動控制模式下手動移動關(guān)節(jié)51。在主動和被動控制模式期間，關(guān)節(jié)51的運(yùn)動均由光編碼器53監(jiān)測，并且操作員能夠在主動和被動模式之間自由切換。該示例中的外科機(jī)器人的操縱由外科導(dǎo)航系統(tǒng)控制，外科導(dǎo)航系統(tǒng)包括能發(fā)射或反射紅外信號的兩個跟蹤設(shè)備。一個跟蹤設(shè)備58安裝在機(jī)器臂的肩上，即，第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)21的位置處。該設(shè)備對機(jī)器臂位于肩附近的部分的位置進(jìn)行跟蹤。第二跟蹤設(shè)備59安裝在工具保持器35上，從而對在保持器中容納的外科工具的位置進(jìn)行跟蹤。這兩個跟蹤設(shè)備共同地確定機(jī)器臂的位置并結(jié)合導(dǎo)航控制進(jìn)行工作，從而對外科工具的位置進(jìn)行微調(diào)。圖5是本發(fā)明的主動-被動混合式控制方法的工作流程圖。機(jī)器臂最初位于鎖定位置61。當(dāng)機(jī)器人準(zhǔn)備好用于外科手術(shù)時，將機(jī)器人切換62至被動控制模式63，在該模式下，外科醫(yī)生能夠使用來自外科導(dǎo)航系統(tǒng)65的基于圖像或非基于圖像的引導(dǎo)將機(jī)器臂手動移動至最終位置附近的粗略位置64。機(jī)器人隨后被切換至主動控制模式66，在該模式下，能夠使用來自外科導(dǎo)航系統(tǒng)65的位置反饋實(shí)現(xiàn)對最終位置的微調(diào)67。如果機(jī)器人在該模式下發(fā)生過載68，則電磁制動器將被激活69來鎖定70機(jī)器臂，從而防止任何進(jìn)一步的運(yùn)動。這種主動-被動混合式控制方法能夠縮短手術(shù)時間，最小化自動運(yùn)動的范圍，增加安全性，還確保外科手術(shù)的準(zhǔn)確性和精度，所有這些的結(jié)果是對機(jī)器人的功用和安全性的改善。可以在手術(shù)開始之前對用于不同手術(shù)的外科機(jī)器人的初始位置進(jìn)行計(jì)劃或預(yù)先編程。機(jī)器人隨后可自動地運(yùn)動至特定針對不同手術(shù)需求的一定位置和方向。這顯著減少了機(jī)器人的準(zhǔn)備時間。在所附的權(quán)利要求中，術(shù)語“a”或“an”旨在表示“一個或多個”。術(shù)語“包括(comprise)”及其變形詞,諸如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”,在位于步驟或元件之前時，旨在表示其他步驟或元件的增加是可選的而并非排除的。將本說明書中所引用的所有專利、專利申請和其它公開的參考材料的全部內(nèi)容通過引用并入本文。文中所引用的任何參考材料或任何一般現(xiàn)有技術(shù)與本說明書中的明確教導(dǎo)之間的任何分歧均旨在被解釋為有利于本說明書中的教導(dǎo)。這包括單詞或短語的現(xiàn)有技術(shù)中所理解的定義和相同單詞或短語在本說明書中明確 提供的定義之間的差異。
權(quán)利要求
1.外科機(jī)器人，包括基座和工具保持器，所述基座和所述工具保持器通過多個串聯(lián)設(shè)置的連接構(gòu)件連接，每對連續(xù)的連接構(gòu)件由關(guān)節(jié)連接，關(guān)節(jié)共有七個，所述關(guān)節(jié)中的至少一個是弧形滑動關(guān)節(jié)，所述關(guān)節(jié)中的至少五個是電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，所述電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)中的每一個均能夠通過用于在自動操作和手動超控之間進(jìn)行選擇的裝置由所述自動系統(tǒng)和手動超控獨(dú)立操作。
2.如權(quán)利要求1所述的外科機(jī)器人，其中所述關(guān)節(jié)中的一個是平移關(guān)節(jié)，所述平移關(guān)節(jié)將所述基座連接至第一連接構(gòu)件，以使所述第一連接構(gòu)件能相對于所述基座豎直運(yùn)動。
3.如權(quán)利要求2所述的外科機(jī)器人，其中第二連接構(gòu)件是弧形的，弧形滑動關(guān)節(jié)將所述第一連接構(gòu)件連接至所述第二連接構(gòu)件。
4.如權(quán)利要求3所述的外科機(jī)器人，在位于所述第二連接構(gòu)件和所述工具保持器之間的所有連接構(gòu)件與所述第二連接構(gòu)件之間還包括僅由手動操作控制的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)具有至少180度的運(yùn)動范圍。
5.如權(quán)利要求3所述的外科機(jī)器人，其中所述電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)位于所述第二連接構(gòu)件與位于所述第二連接構(gòu)件和所述工具保持器之間的所有剩余連接構(gòu)件之間。
6.如權(quán)利要求3所述的外科機(jī)器人，其中所述轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)被定義為連續(xù)的第一、第二、第三、第四和第五轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中所述第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)最接近于所述第二連接構(gòu)件，所述第一和第二轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)具有彼此交叉的旋轉(zhuǎn)軸線。
7.如權(quán)利要求3所述的外科機(jī)器人，其中所述轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)被定義為連續(xù)的第一、第二、第三、第四和第五轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中所述第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)最接近于所述第二連接構(gòu)件，所述第二和第三轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)具有彼此平行的旋轉(zhuǎn)軸線。
8.如權(quán)利要求3所述的外科機(jī)器人，其中所述轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)被定義為連續(xù)的第一、第二、第三、第四和第五轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中所述第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)最接近于所述第二連接構(gòu)件，所述第三和第四轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)具有彼此交叉的旋轉(zhuǎn)軸線。
9.如權(quán)利要求3所述的外科機(jī)器人，其中所述轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)被定義為連續(xù)的第一、第二、第三、第四和第五轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中所述第一轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)最接近于所述第二連接構(gòu)件，所述第四和第五轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)具有彼此交叉的旋轉(zhuǎn)軸線。
10.如權(quán)利要求1所述的外科機(jī)器人，其中所述電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)中的每一個均包括DC伺服電機(jī)，所述DC伺服電機(jī)具有輸出軸、通過聯(lián)接器連接至所述輸出軸的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸、被設(shè)置為能監(jiān)測所述DC伺服電機(jī)的運(yùn)動的光編碼器、聯(lián)接至所述轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸的諧波減速器以及被設(shè)置為能接合所述轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸的電磁制動器。
11.如權(quán)利要求4所述的外科機(jī)器人，還包括安裝至所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的跟蹤設(shè)備。
12.如權(quán)利要求4所述的外科機(jī)器人，還包括安裝至所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的第一跟蹤設(shè)備和安裝至所述工具保持器的第二跟蹤設(shè)備。
13.如權(quán)利要求1所述的外科機(jī)器人，其中所述電機(jī)驅(qū)動的關(guān)節(jié)由DC電機(jī)控制器驅(qū)動，所述外科機(jī)器人還包括電磁制動器，所述電磁制動器被設(shè)置為當(dāng)所述DC電機(jī)控制器檢測到過載時能鎖定所述連接構(gòu)件。
14.操縱外科工具的方法，所述方法包括: (a)將所述工具安裝至外科機(jī)器人上的工具保持器，所述外科機(jī)器人包括通過多個串聯(lián)設(shè)置的連接構(gòu)件連接至基座的所述工具保持器，每對連續(xù)的連接構(gòu)件由關(guān)節(jié)連接，關(guān)節(jié)共有七個，所述關(guān)節(jié)中的至少一個是弧形滑動關(guān)節(jié)，所述關(guān)節(jié)中的至少五個是電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，所述電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)中的每一個均能夠通過用于在自動操作和手動超控之間進(jìn)行選擇的裝置由所述自動系統(tǒng)和手動超控獨(dú)立操作； (b)手動調(diào)節(jié)全部所述關(guān)節(jié)中，從而將所述工具置于所選位置；以及 (C ) 一旦所述工具被如此放置，通過所述轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機(jī)動化操作進(jìn)一步調(diào)節(jié)所述工具。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中在外科導(dǎo)航系統(tǒng)的視覺引導(dǎo)下進(jìn)行步驟(b)。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中在外科導(dǎo)航系統(tǒng)的位置反饋下進(jìn)行步驟(C)。
17.用于在指定工作空間中針對指定外科手術(shù)定位外科工具的方法，所述方法包括: (a)將所述工具安裝至外科機(jī)器人上的工具保持器，所述外科機(jī)器人包括通過多個串聯(lián)設(shè)置的連接構(gòu)件連接至基座的所述工具保持器，每對連續(xù)的連接構(gòu)件由關(guān)節(jié)連接，關(guān)節(jié)共有七個，所述關(guān)節(jié)中的至少一個是弧形滑動關(guān)節(jié)，所述關(guān)節(jié)中的至少五個是電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，所述電機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)中的每一個均能夠通過用于在自動操作和手動超控之間進(jìn)行選擇的裝置由所述自動系統(tǒng)和手動超控獨(dú)立操作；以及 (b)通過自動導(dǎo)航裝置，將所述外科機(jī)器人置于根據(jù)所述指定外科手術(shù)和所述指定工作空間預(yù)先編程的選定姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)所述工作空間中所述手術(shù)的最佳效果。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括進(jìn)一步根據(jù)來自外科導(dǎo)航系統(tǒng)的視覺引導(dǎo)來調(diào)節(jié)所述工具。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括進(jìn)一步根據(jù)來自外科導(dǎo)航系統(tǒng)的位置反饋來調(diào)節(jié)所述工具。
全文摘要
包括不同類型的關(guān)節(jié)的、具有七個自由度的外科機(jī)器人提供用于手動操作和通過編程導(dǎo)航操作的混合式主動-被動控制。這些自由度之一允許機(jī)器人能被有效地圍繞病人身體的軸線移動，從而為手術(shù)室中的外科手術(shù)操作提供足夠的工作空間。
文檔編號A61B19/00GK103230301SQ20121030700
公開日2013年8月7日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月24日
發(fā)明者梁國穗, 匡紹龍, 王豫, 徐振星, 張穎愷, 曾栢良, 吳偉堅(jiān) 申請人:香港中文大學(xué), 北京航空航天大學(xué)