專利名稱：工具約束機構的制作方法
工具約束機構
本發(fā)明涉及一種約束工具的工作點或焦點的空間位置的機構；并且盡 管是非排他性的，但特別提供了一種供在醫(yī)療機器人系統(tǒng)中使用的約束機 構，例如使用^求面刀具實現的多用途骨造型(multi purpose bone sculpting )。 典型應用可包括孩么創(chuàng)手術，例如膝關節(jié)單髁置換術(unicompartmental knee arthroplasty)、才食弓才艮螺4丁置入(pedicle screw insertion)及號關節(jié)置才灸術 (hip arthroplasty )。
先前的設備在本領域中已知用于手術工具和約束機構的操縱。這樣的 設備經常包括帶有6個自由度的定位跟蹤傳感器的龐大且復雜的機動臂。 這樣的設備既昂貴又難以操縱，這阻礙了精密手術期間經常要求的工具的 精細而復雜的移動。對于許多應用，例如使用球面刀具的骨造型，僅控制 三個自由度足夠完全引導造型工具。工具的功能端部分的位置，例如實際 的球面切削鉆頭的位置需要,皮監(jiān)測、跟蹤以及約束，但工具的功能端以及 工具自身的旋轉方向，例如俯仰(pitch)和偏轉(yaw)，并不重要。
本發(fā)明提供一種工具約束機構，其包括操縱器及安裝在其上的遠距離 中心機構(remote centre mechanism )，操縱器提供用于定位遠距離中心機 構的至少一個自由度，而遠距離中心機構提供用于定位工具夾具的至少進 一步的自由度，所述夾具適合于夾持待在操作中相對于遠距離中心點約束 的工具，工具夾具的方向可調，同時保持遠距離中心點的位置相對于操縱 器固定。優(yōu)選地，操縱器可提供至少三個自由度，而遠距離中心機構可提 供進一步的兩個自由度。
根據本發(fā)明的實施方案使工具例如球面刀具的工作點的空間約束能 夠處在安全區(qū)域或工作空間邊界(working envelope )內，同時最佳的工具方向留給使用者例如外科醫(yī)生控制。這使工具能夠被自由地旋轉定向，以 避免受阻并易于操縱，同時工具的功能端保持在安全的工作區(qū)域、范圍或 空間邊界中。根據本發(fā)明的實施方案可用于要求工具的工作點被約束于一 區(qū)域但不必要求工具的方向被約束的任何應用。在一些實施方案中，工作
點可位于工具的功能端處(例如刀具)，而在其他實施方案中，工作點或 目標點可位于與工具(例如激光槍或X射線槍)相隔一定距離的地方。
優(yōu)選地，操縱器101是可后驅動的、平衡的及機動的，使得連桿運動
能夠被主動地約束于預先規(guī)定的區(qū)域，在所述預先規(guī)定的區(qū)域內，使用者 能以最小的摩擦和作用力自由地拖曳器械。連桿還是位置編碼的并可具有 制動器。優(yōu)選地，操縱器包括三個自由度，帶有三個轉動關節(jié)，而遠距離
中心機構包括兩個自由度，帶有具有360。運動范圍的兩個轉動關節(jié)。
系統(tǒng)可由三自由度串聯(lián)轉動-轉動-轉動(RRR)操縱器和兩個附加 的未被跟蹤/受控的關節(jié)組成，所述操縱器帶有腰關節(jié)(waistjoint)、肩關節(jié) (shoulder joint)及肘關節(jié)(elbow joint),所述兩個附加的未被跟蹤/受控的關 節(jié)處在遠距離中心運動構型中，其中球面刀具被置于焦點處。這允許使用 者定向工具以供最佳使用，而不影響球面刀具位置，球面刀具位置被系統(tǒng) 的最初的三個(機動的)關節(jié)約束。
優(yōu)選的實施方案還可包括
編碼器，其安裝在i^巨離中心才;U勾連桿上，以在定向工具時引導使用者。
電動機，其安裝在遠距離中心機構連桿上，以約束工具的方向用于全 三維機器人輔助。
模塊化聯(lián)鎖裝置，其配合具有不同的工作空間邊界的不同的遠距離中 心斗幾構以用于不同的應用。
模塊化聯(lián)鎖裝置，其重新定位遠距離中心機構以適合不同的應用。
可能的其他應用包括雕刻工作和復雜手部運動的訓練。本發(fā)明擴展至 手術方法、雕刻方法以及用手使用工具的訓練方法。
根據本發(fā)明的實施方案的進一步的優(yōu)點在下文討論。本發(fā)明可以以多種方式實現，且現將參考附圖通過非限制性的實施例
描述若干個具體實施方案，其中


圖1為根據本發(fā)明的約束機構的第一實施方案的示意圖2為根據本發(fā)明的適用于約束機構的實施方案的可替換的操縱器的 示意圖3為根據本發(fā)明的適用于約束機構的實施方案的進一步地可替換的 操縱器的示意圖4A、 4B及4C顯示了根據本發(fā)明的適用于約束機構的實施方案的 遠距離中心機構的透視圖5顯示了根據本發(fā)明的適用于約束機構的實施方案的可替換的遠距 離中心才幾構的透一見圖；及
圖6顯示了根據本發(fā)明的約束機構的實施方案。
如在圖1中示意性地顯示的，根據本發(fā)明第一實施方案的約束機構100 包括操縱器101、遠距離中心機構102及工具103。
操縱器101連接到提供局部參考系和牢固接地的基部。操縱器101包 括串聯(lián)連接的轉動關節(jié)104、 105及106。與各個關節(jié)分別關聯(lián)的是剛性連 桿106、 107及108，其運動被約束于所述關節(jié)所允許的運動。對于每個關 節(jié)104、 105、 106來說，只允許圍繞關節(jié)的中心旋轉軸線110、 112、 113 旋轉，如由各自的箭頭109、 111、 114所示。
圖2中顯示的可替換的實施方案包括移動關節(jié)(prismaticjoint) 201、 202、 203，而不是圖l的轉動關節(jié)。如箭頭205所示，僅允許每個移動關 節(jié)例如202沿著關節(jié)軸線204進行平移運動。
上述關節(jié)可以如圖1全部為轉動關節(jié)，或如圖2全部為移動關節(jié)，或 者如圖3所示為轉動關節(jié)、移動關節(jié)或諸如球窩關節(jié)的其他類型關節(jié)的混 合體。此外，剛性連桿不需要是直線的，而是可以為任意形狀；例如連桿 能包含如連桿106的單個彎曲或如連桿107中的多個彎曲。連桿和關節(jié)串聯(lián)連接在一起，這增加了操縱器的遠端，即最后的連 桿108的自由度的數量，并允許所述遠端進行更加復雜的動作。如圖1
所示，關節(jié)104固定到基部。關節(jié)105連接到連桿106，連桿106與關 節(jié)104相關聯(lián)。如箭頭lll所示，與關節(jié)105關聯(lián)的連桿107不僅能圍 繞關節(jié)105的旋轉軸線112旋轉，而且如箭頭109所示，另外還能夠圍 繞關節(jié)104的軸線IIO旋轉。關節(jié)106連接到連桿107。因此，與關節(jié) 106相關聯(lián)的連桿108能圍繞旋轉軸線113、 112及110旋轉。遠距離中 心機構102在連桿108處連接到操縱器的遠端，連桿108自身聯(lián)接到工 具103。
操縱器可具有許多運動學構型中的一個，包括但不限于上面參考圖1、 2及3所論述的構型。
圖4A、 4B及4C圖展示了圖1中示意性地顯示的遠距離中心機構102 的實施方案。遠距離中心機構的目的是將工具夾持在所謂的遠距離中心構 型中，由此可由使用者改變工具的若干個旋轉自由度，比如工具的方向(例 如偏轉、俯仰及橫滾(roll)),同時保持工具的固定的遠距離中心或目標點。 在圖4的實施方案中，工具是具有功能端或切割點404的刀具403。在該 實施方案中，遠距離中心機構的目的是不管工具403自身的方向如何，將 切割點404保持固定于遠距離中心401 。
圖4中所示的遠距離中心機構102具有安裝桿405,安裝桿405允許 遠距離中心機構102以例如圖1所示的形式聯(lián)接到操縱器的遠端。遠距離 中心機構固定到操縱器，使得圖1的末端軸線108與遠距離中心機構的第 一軸線411重合。
由關節(jié)401耳關接到安裝桿405的是第一連桿406。關節(jié)401允許該連 桿圍繞第一軸線411自由旋轉。
在連桿406的遠端上的是界定第二軸線408的第二關節(jié)402。聯(lián)接到 該關節(jié)的是第二連桿407，該連桿可圍繞第二軸線408自由旋轉。
在第二連桿407的遠端上安裝切削工具403。切削工具通常為筆形以 易于外科醫(yī)生抓握和手工操縱，并位于沿工具軸線409的位置。該實施方案及其他實施方案中的工具還可包括能夠圍繞工具軸線自 由旋轉的人體工程學套筒(未顯示)。除圍繞工具軸線旋轉之外不在任何 方向上移動的套筒使工具能夠被抓握，而該動作不會限制遠距離中心機構 的運動一即，使用者能通過人體工程學把手或套筒抓住工具，所述把手或 套筒在使用過程中將在工具上滑動，以產生對受約束機構平滑、大體上無 摩擦的拖曳。
轉動關節(jié)401、轉動關節(jié)402及工具403的方向排列成使得三個軸線 411、 408和409彼此相交于相同的空間位置點，即遠距離中心410。
由于該排列，當連桿406圍繞旋轉軸線411轉動，以及當連桿407圍 繞旋轉軸線408轉動時，遠距離中心410保持固定在適當位置。
如可由圖4B所示的，由關節(jié)401提供的旋轉自由度使工具的偏轉運動能 夠4皮外科醫(yī)生自由地改變，同時保持i^巨離中心410不變。如可由圖4C所示 的，工具的俯仰運動能通過關節(jié)401和402兩者禱:轉的組合而自由地改變。
增加進一步的轉動關節(jié)(未顯示)可提供橫滾旋轉運動，所述轉動關 節(jié)定位成使得其轉動軸線與工具軸線409共軸，并因此也將與其他軸線相 交于遠距離中心410。當然，對于一些應用，例如工具為^^面刀具的應用， 工具的橫滾旋轉是不必要的。
遠距離中心410的空間位置由操縱器101控制和/或跟蹤。操縱器的關 節(jié)可以是機動的和/或受監(jiān)測的或位置編碼的，使得遠距離中心的位置能夠 被精準控制、監(jiān)測及跟蹤。操縱器101的連桿，無論是機動的與否，都可 由使用者用手調節(jié)。在一些實施方案中，可僅通過允許使用者拉/推工具或 遠距離中心機構，且使操縱器的關節(jié)仍可自由移動，來方便地實現對操縱 器101的連桿的手動調節(jié)。
在一個實施方案中，連桿406、 407可以是可拆裝的，并可用根據所 進行的應用而選擇的不同長度、形狀和構型的連桿替換。通過選擇不同的 連桿組合，使用者可為工具選擇多種不同的運動自由。
另一個遠距離中心機構500顯示在圖5中。工具的兩個運動自由度由 轉動關節(jié)501和移動關節(jié)502提供，移動關節(jié)502沿弧形軌道503來回移動，如箭頭504所示。轉動關節(jié)501的旋轉軸界定第一軸線505。垂直于 所述弧形軌道的切線的線界定第二軸線506。工具508的縱向軸線界定工 具軸線507。
弧形軌道503的形狀以及轉動關節(jié)501和工具508的方向為使得三軸 線505、 506及507相交于單一遠距離中心509。轉動關節(jié)501控制工具的 偏轉，而沿弧形軌道503來回移動的移動關節(jié)502控制關節(jié)的俯仰。當工 具508的偏轉和俯仰改變時，遠距離中心509的空間位置保持恒定。
在該實施方案中，工具夾具可沿弧形軌道503滑動，或可選地，軌道 自身可以相對于關節(jié)501滑動，且夾具固定于軌道上的適當位置。
可替換的構型對于實現用于遠距離中心機構的遠距離中心運動是可 能的，例如凸輪機構及四桿聯(lián)動機構。對構型的選4奪依賴于系統(tǒng)的運動需 求的范圍，該范圍反過來依賴于應用。
圖4中，工具被對準和定位成使得其功能端404位于遠距離中心410 處。在這種構型中，當工具的俯仰和偏轉被改變時，例如手術期間由外科 醫(yī)生操:作工具時，工具的功能端保持在相同的空間位置。
相反，圖5中，工具508的功能端510定位于剛好未達到遠距離中心 509的位置。在這種構型中，當工具的偏轉及俯仰改變時，功能端的空間 位置不保持恒定，而是沿圓形路徑、弧形路徑或凹面移動，這取決于是僅 偏轉(轉動關節(jié)旋轉)、俯仰(僅移動關節(jié)沿弧形軌道來回移動)還是偏 轉及俯仰二者都分別被改變(兩個關節(jié)都運動)。如果工具的功能端待被 定位到(越過)遠距離中心的另一側，則所述端的空間位置將沿圓形路徑、 弧形路徑或凸面移動，這取決于是僅偏轉、俯仰還是偏轉和俯仰二者都分 別被改變。當然，如圖4的實施方案，在適當情況下，工具的功能端可以 正好^皮定位在遠距離中心509上。
工具功能端的允許的運動范圍(相對于固定的操縱器)由工具的功能 端相對于遠距離中心的位置和遠距離中心機構界定。上述運動范圍是使用 者可在其中自由移動工具的功能端的區(qū)域或空間邊界。工作空間邊界可包 括單點(遠距離中心)、圓形路徑、弧形路徑、及凹面或凸面。另外，可通過限制關節(jié)的運動范圍來限制關節(jié)上被允許的運動，來進一步限定上述 工作面，例如將轉動關節(jié)的旋轉限制在某些角度內、將移動關節(jié)的平移限 制在預先設置的長度內等等。這可用任何方便的方式實現，例如通過使用 止動裝置(未顯示)。
諸如球面刀具的切削工具的俯仰和偏轉方向的不受阻礙的和自由的 移動經常便于在操作過程中幫助外科醫(yī)生，但這種移動不必需要被控制或 被跟蹤。通常，僅工具的功能端的位置需要被控制和/或被跟蹤。有時，整 個工具的位置和方向可能根本沒有關系，只要工具目標或工作點保持固定
就行(例如高強度聚焦超聲波(HIFU)治療，用來使不同的換能器聚焦在
相同點上)。
遠距離中心410的位置可由機動的操縱器101移動、控制及跟蹤，同 時工具的俯仰及偏轉方向可被工具操作者改變和自由控制。這樣，所描述 的實施方案以很低的成本允許操作者定向所述工具供最佳使用，而不影響 球面刀具位置(球面刀具位置被操縱器的關節(jié)約束)，這是因為遠距離中 心機構既不要求機動的關節(jié)也不要求對其連桿的跟蹤。當然，不排除對遠 距離中心機構連桿的跟蹤和/或使遠距離中心機構連桿機動化。
圖6顯示了根據本發(fā)明進一步實施方案的約束機構?？刂泼姘?01控 制操縱器600的機動關節(jié)，而遠距離中心機構603為非機動的，并允許工 具604圍繞遠距離中心的自由的旋轉運動?？商鎿Q地，所述面板可以只是 給外科醫(yī)生視覺導引的顯示器，且運動由外科醫(yī)生對操縱器的直接操作來 控制，或通過預編程的操縱器運動集合控制。在這種裝置中，所述面板可 提供對系統(tǒng)編程的工具。
當根據本發(fā)明的實施方案用于鉆深洞時，例如使用球面切削工具，工 作工具端由操縱器約束，同時使用者確保刀具的桿不碰撞正被加工的洞的
側面。操作者能夠獲得機器控制的操縱器和可自由移動的遠距離中心機構 之間的完全的協(xié)同作用。
工具功能端的位置能通過對連接到遠距離中心機構的工具連接部件 的精密制造獲得，或通過將調節(jié)機構添加到遠距離中心機構遠端連桿來獲 得。調節(jié)機構可采用多種形狀，但應使工具的功能端的位置，例如切削鉆頭的中心，能夠被調節(jié)成使得所述功能端位于兩個關節(jié)軸線的交點。所述 兩個關節(jié)軸可被制造成使得它們共面。
根據本發(fā)明的實施方案尤其適合于微創(chuàng)手術，因為全部五個自由度能 被設計為與遠距離中心相隔一定距離，該遠距離中心可能需要通過一個小 切口而深入地嵌到組織中。
另外的實施方案(未顯示)還可包擴安裝在遠距離中心機構連桿上的 編碼器，以在定向刀具時引導使用者。電動機也可安裝在遠距離中心機構 連桿上，以約束刀具的方向用于5個、6個或更多自由度中的全機器人輔 助。
約束機構可包括用于將遠距離中心機構連接至操縱器的模塊化且可 互換的(聯(lián)鎖)系統(tǒng)，從而允許具有不同工作空間邊界的遠距離中心機構 容易被裝配到操縱器上用于不同應用。模塊化的聯(lián)鎖裝置還可被配置成能 夠重新定位遠距離中心機構以適合不同的應用。
若干個約束機構能夠被結合以協(xié)同工作。使多于一個的遠距離中心機 構安裝在同一操縱器上也是可能的。這將允許例如高強度聚焦超聲波
(HIFU)治療，其用來使不同的換能器聚焦在相同點上。
應認識到，如上文所述的設備同樣可為帶有例如測量探針針尖，X-射 線、超聲波或激光發(fā)射器的功能端的任何其他器具或儀器，所述器具或儀 器的目標或焦點位置需要被精準運動控制和跟蹤，但其中不需要精確知道 和跟蹤功能端的旋轉和/或空間位置。這樣，所述工具能按使用者要求自由 地定向，同時目標位置被跟蹤和/或保持在所要求的位置。
權利要求
1. 一種工具約束機構，其包括操縱器和安裝在其上的遠距離中心機構，所述操縱器提供用于定位所述遠距離中心機構的至少一個自由度，且所述遠距離中心機構提供用于定位工具夾具的至少進一步的自由度，所述夾具適合于夾持待在操作中相對于遠距離中心點約束的工具，所述工具夾具的方向可調節(jié)，同時保持所述遠距離中心點的位置相對于所述操縱器固定。
2. 如權利要求1所述的工具約束機構，其中所述遠距離中心機構提供圍繞第一旋轉軸線和第二旋轉軸線的旋轉運動，所述軸線相交于所述遠 距離中心點。
3. 如權利要求2所述的工具約束機構，其中所述第一軸線和所述第 二軸線由各自的第一轉動關節(jié)和第二轉動關節(jié)界定。
4. 如權利要求3所述的工具約束機構，其中所述遠距離中心機構包 括第一剛性連桿和第二剛性連桿，所述第一剛性連桿在所述第一關節(jié)處聯(lián) 接至所述操縱器，所述第二剛性連桿通過所述第二關節(jié)聯(lián)接至所述第一連 桿，所述工具夾具安裝到所述第二連桿上或形成所述第二連桿的部分。
5. 如權利要求1所述的工具約束機構，其中所述遠距離中心機構包 括剛性弧形部件，所述剛性弧形部件安裝到所述#:縱器用于圍繞第一軸線 旋轉，所述弧形部件提供所述工具夾具圍繞垂直于所述第 一軸線的第二軸 線的弧形運動。
6. 如權利要求1所述的工具約束機構，其中所迷遠距離中心機構提 供至少兩個進一步的兩個自由度，所述兩個自由度由第一遠距離中心機構 關節(jié)和第二遠距離中心機構關節(jié)提供。
7. 如權利要求6所述的工具約束機構，其中至少一個遠距離中心機 構關節(jié)是機動的。
8. 如權利要求6或權利要求7所述的工具約束機構，其中至少一個 遠距離中心機構關節(jié)被跟蹤位置。
9. 如前述權利要求中任一項所述的工具約束機構，其中所述操縱器 包括至少一個轉動關節(jié)。
10. 如前述權利要求中任一項所述的工具約束機構，其中所述操縱器 包才舌至少一個移動關節(jié)。
11. 如前述權利要求中任一項所述的工具約束機構，其中所述操縱器 包括至少 一個運動跟蹤關節(jié)。
12. 如前述權利要求中任一項所述的工具約束機構，其中所述操縱器包括至少一個機動關節(jié)。
13. 如前述權利要求中任一項所述的工具約束機構，其中當工具被所 述工具夾具夾持時，所述工具夾具提供用于所述工具的旋轉安裝。
14. 如前述權利要求中任一項所述的工具約束機構，其包括由所述工 具夾具夾持的工具。
15. 如權利要求14所述的工具約束機構，其中所述工具具有功能端， 所述功能端由所述遠距離中心機構保持在所述遠距離中心處。
16. 如權利要求14所述的工具約束機構，其中所述工具具有功能端， 所述功能端由所述遠距離中心機構保持在與所述遠距離中心隔開的地方， 從而當所述工具被所述遠距離中心機構定位時，所述功能端被保持在被界 定的面上。
17. 如權利要求14至權利要求16中任一項所述的工具約束機構，其 中所述工具可手動抓握，所述工具的方向可由使用者手動調節(jié)。
18. 如權利要求14至權利要求17中任一項所述的工具約束機構，其 中所述工具為刀具。
19. 如權利要求14至權利要求17中任一項所述的工具約束機構，其 中所述工具為激光器或輻照裝置。
20. 如權利要求14至權利要求17中任一項所述的工具約束機構，其 中所述工具為手術器械。
21. 如前述權利要求中任一項所述的工具約束機構，其中所述操縱器 為手術機器人。
22. 如權利要求14所述的工具約束機構，其中所述工具被可手動抓 握的可旋轉的套筒環(huán)繞。
全文摘要
一種機構，其約束工具(103)的工作點或焦點的空間位置，所述機構具有操縱器(101)和安裝在其上的遠距離中心機構(102)。所述操縱器(101)提供用于定位所述遠距離中心機構(102)的至少一個自由度，所述遠距離中心機構(102)自身提供用于定位工具夾具的進一步的自由度，所述工具夾具適用于夾持待在操作中相對于遠距離中心點約束的工具(103)。所述工具夾具的方向可調節(jié)，同時仍保持所述遠距離中心點的位置相對于所述操縱器(101)固定。
文檔編號A61B19/00GK101304701SQ200680041501
公開日2008年11月12日 申請日期2006年8月18日 優(yōu)先權日2005年10月19日
發(fā)明者費爾迪南多·瑪麗亞·羅德里格茨-Y-貝娜 申請人:埃科羅伯特有限公司