本發(fā)明涉及一種具有集成同心開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)(shutter?mechanism)的夾持器，用于夾持不同直徑的工具。本發(fā)明還涉及一種夾持器，該夾持器可以以常規(guī)方式打開(kāi)和關(guān)閉，但能夠通過(guò)包含同心開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)來(lái)抓取不同直徑的工具，該同心開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)使工具在夾持器中居中，而不管工具的直徑如何。具體而言，通常期望夾持器圍繞其周邊夾持縱向工具(例如，螺絲刀)，但期望夾持器能夠針對(duì)多種不同直徑的工具實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，以便不需要不同的夾持器來(lái)專門(mén)匹配每種工具。此外，并非所有工具都具有完美的圓形形狀。因此，本發(fā)明涉及一種具有集成開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)的夾持器，從而該夾持器在沒(méi)有完美的圓形形狀的情況下也可以適應(yīng)不同的工具直徑。更特別地，在機(jī)器人手術(shù)的背景下，多個(gè)機(jī)器人工具可以部署在機(jī)械臂上并由單個(gè)控制單元控制，并且可以以中央?yún)f(xié)調(diào)的方式使用以執(zhí)行機(jī)器人手術(shù)過(guò)程，其中每個(gè)機(jī)器人元件的相對(duì)移動(dòng)由中央控制單元協(xié)調(diào)。因此，本發(fā)明涉及機(jī)器人系統(tǒng)的中央控制單元需要始終知道機(jī)器人工具的中心在哪里，而不管其直徑如何-本發(fā)明的具有集成開(kāi)閉器的夾持器的靈活、同心特性允許實(shí)現(xiàn)此功能。雖然機(jī)器人系統(tǒng)理論上可以使用許多不同尺寸的工具，但它們可能由許多不同的制造商供應(yīng)，并且可能具有不同的特性和尺寸(例如，周長(zhǎng))，這對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。最特別地，在機(jī)器人手術(shù)的背景下，根據(jù)由本發(fā)明提供的裝置和方法，由不同制造商制造的具有不同尺寸的眾多工具可以由具有本發(fā)明夾持器的末端執(zhí)行器部署，本發(fā)明夾持器具有集成同心開(kāi)閉器并且無(wú)需改變末端執(zhí)行器即可使用。

背景技術(shù)：

1、夾持器是有用的末端執(zhí)行器，其廣泛用于各種領(lǐng)域，以?shī)A持和操作工具或其他物體。夾持器在機(jī)器人領(lǐng)域也是公知的，尤其是在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域。在醫(yī)療機(jī)器人和一般機(jī)器人中，夾持器用于夾住和夾持用于各種應(yīng)用的各種儀器。

2、具有不同設(shè)計(jì)的開(kāi)閉器在多個(gè)領(lǐng)域中也是公知的。一些開(kāi)閉器主要用作閘門(mén)或閥門(mén)。適用于本公開(kāi)的一些開(kāi)閉器的設(shè)計(jì)中固有的是它們同心地打開(kāi)和關(guān)閉的能力，因此它們始終具有自然、一致的中心，而不管開(kāi)閉器開(kāi)口的直徑如何。

3、在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域(但不限于醫(yī)療機(jī)器人)，非常需要能夠在保持工具與夾持器和機(jī)械臂同心的同時(shí)從其側(cè)面夾持、夾住(可能僅部分夾住)隨機(jī)縱向工具。這意味著，夾持器需要夾持具有隨機(jī)直徑和/或具有非完美圓形形狀的隨機(jī)工具，但無(wú)論工具的直徑如何，所夾持的工具的中心始終在機(jī)器人控制器已知的同一位置中。在這方面，機(jī)器人可以?shī)A持任何隨機(jī)工具，并且不管其不同的直徑如何，其中心始終在機(jī)器人控制器已知的同一位置中。這對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)準(zhǔn)確執(zhí)行過(guò)程的能力至關(guān)重要-如果機(jī)器人不知道機(jī)器人工具的中心在哪里，則它無(wú)法準(zhǔn)確地將工具引導(dǎo)到感興趣的位置，或者在機(jī)器人手術(shù)的情況下無(wú)法準(zhǔn)確地引導(dǎo)到感興趣的解剖結(jié)構(gòu)。這種用例最好使用可以同心夾持工具的夾持器，開(kāi)閉器是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的絕佳機(jī)構(gòu)。此外，標(biāo)準(zhǔn)夾持器可以?shī)A持并牢固地夾住工具，而本發(fā)明描述了這樣的夾持器/開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)，該夾持器/開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)允許關(guān)閉工具周?chē)拈_(kāi)閉器，然后以方便工具在開(kāi)閉器內(nèi)進(jìn)行一定量運(yùn)動(dòng)的所需余量的精確所需量打開(kāi)開(kāi)閉器。當(dāng)前的發(fā)明人不知道在醫(yī)療機(jī)器人、一般機(jī)器人或任何與此相關(guān)的領(lǐng)域中可用的包含同心開(kāi)閉器的夾持器。

4、執(zhí)行全方位的脊柱手術(shù)過(guò)程需要多個(gè)機(jī)械臂的機(jī)器人協(xié)調(diào)的移動(dòng)，并且可選地，機(jī)器人協(xié)調(diào)的導(dǎo)航-目前尚不可用的一系列功能。就目前而言，典型的過(guò)程可能需要對(duì)由機(jī)械臂部署的一個(gè)或多個(gè)末端執(zhí)行器的操縱、部署其他儀器、在骨骼和/或軟組織上放置多個(gè)被動(dòng)或主動(dòng)標(biāo)記、以及可以放置在距手術(shù)區(qū)域不同的距離和角度處的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人控制和操縱的相機(jī)，以及由機(jī)械臂部署的一個(gè)或多個(gè)末端執(zhí)行器。這種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)因市場(chǎng)上(特別是在脊柱手術(shù)市場(chǎng)中)存在由多家制造商制造的眾多手術(shù)工具和植入物而變得更加復(fù)雜。目前市場(chǎng)上還沒(méi)有可用的可以適應(yīng)許多不同工具而無(wú)需無(wú)休止地改變末端執(zhí)行器的多臂機(jī)器人協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)強(qiáng)烈需要這種系統(tǒng)，因?yàn)樗鼘⒛軌蛞阅壳安豢赡軐?shí)現(xiàn)的精確度水平通過(guò)機(jī)器人協(xié)調(diào)的控制和導(dǎo)航，執(zhí)行全方位的脊柱手術(shù)過(guò)程。當(dāng)前發(fā)明的具有同心開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)的夾持器是這種系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，因?yàn)樗峁┝藴?zhǔn)確度(機(jī)器人系統(tǒng)“知道”機(jī)器人工具的中心在哪里)和易用性，因?yàn)榭梢赃m應(yīng)基本上無(wú)限的工具集。

5、通常在機(jī)器人手術(shù)領(lǐng)域中，并且尤其是在脊柱機(jī)器人手術(shù)領(lǐng)域中，眾所周知的是，存在用于各種手術(shù)過(guò)程的工具和植入物的眾多制造商。還存在許多公司設(shè)計(jì)和制造用于手術(shù)過(guò)程的機(jī)器人系統(tǒng)的情況。這造成在機(jī)器人系統(tǒng)和機(jī)器人工具集之間的不匹配和/或缺乏同步。機(jī)器人設(shè)備及其具體軟件可能無(wú)法與特定制造商(該制造商已為特定類型的機(jī)器人手術(shù)過(guò)程(諸如脊柱手術(shù)過(guò)程)設(shè)計(jì)了工具)的工具集最佳匹配。這種不匹配可能存在于末端執(zhí)行器(諸如鉆孔工具)中，并且也可能存在于手術(shù)工具、植入物等中。

6、在這種情況下，開(kāi)發(fā)通用手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的公司的機(jī)器人設(shè)備和機(jī)器人軟件無(wú)法完美適配特定醫(yī)院或外科醫(yī)生可能使用的任何隨機(jī)植入物和工具系統(tǒng)。此外，市場(chǎng)上存在數(shù)十種不斷發(fā)展和變化的植入物系統(tǒng)，因此對(duì)于機(jī)器人公司來(lái)說(shuō)，幾乎不可能讓他們的機(jī)器人系統(tǒng)適配市場(chǎng)上大量的工具變化。附加地，衛(wèi)生監(jiān)管機(jī)構(gòu)通常會(huì)要求機(jī)器人系統(tǒng)制造商和工具制造商之間達(dá)成業(yè)務(wù)或質(zhì)量保證(qa)協(xié)議，以便批準(zhǔn)將工具與機(jī)器人一起使用，這將使事情變得非常復(fù)雜，并最終會(huì)延遲對(duì)患者的進(jìn)一步治療。

7、所有這些障礙都使機(jī)器人公司陷入這樣的境地：它們必須被迫與一家特定的植入物/工具公司形成某種業(yè)務(wù)關(guān)系，或者只是為他們的機(jī)器人系統(tǒng)確定通用的工具引導(dǎo)。這就造成了這樣的情況：機(jī)器人被設(shè)計(jì)而沒(méi)有與可以與其機(jī)器人系統(tǒng)一起使用的全套植入物或工具進(jìn)行最佳適配(即，外科醫(yī)生僅可以使用機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)和工具定位，或者在頂部鉆孔，但不能引導(dǎo)絲錐或螺絲刀和植入物)。所有這些當(dāng)然都會(huì)導(dǎo)致手術(shù)過(guò)程不太精確(機(jī)器人用于鉆孔但不用于螺釘插入)，這些手術(shù)無(wú)法充分利用機(jī)器人系統(tǒng)的全部功能，并且對(duì)患者或外科醫(yī)生沒(méi)有好處。

8、因此，強(qiáng)烈需要一種機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人系統(tǒng)可以使用通用夾持器部署基本上無(wú)限范圍的機(jī)器人工具，這對(duì)于脊柱手術(shù)尤其如此。在本發(fā)明的背景中提供了這種夾持器。夾持器可以像常規(guī)夾持器一樣打開(kāi)和關(guān)閉并抓取工具，但它還包含同心開(kāi)閉器，使得可以適應(yīng)具有不同直徑的很多種工具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本文提供了一種具有集成同心開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)的夾持器，用于抓取具有不同隨機(jī)直徑的基本上無(wú)限范圍的工具。新型夾持器可以像常規(guī)夾持器一樣打開(kāi)和關(guān)閉，使得它可以例如打開(kāi)和關(guān)閉其“鉗口”以圍繞工具的周邊夾持縱向工具。本發(fā)明的夾持器還包含同心開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)，該同心開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)使工具位于夾持器的中心，而不管其直徑或精確尺寸如何，并且即使工具的周邊不是完美的圓形也是如此。工具的定心(centering)對(duì)于精確地部署和操作工具至關(guān)重要。這對(duì)于由機(jī)器人系統(tǒng)部署的工具尤其如此，或者在特定示例中，對(duì)于由手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)部署的工具尤其如此。機(jī)器人系統(tǒng)可以部署本發(fā)明的具有末端執(zhí)行器的抓取器，機(jī)器人系統(tǒng)的中央控制單元知道該末端執(zhí)行器的位置。機(jī)器人系統(tǒng)需要一種將工具的工作端準(zhǔn)確地朝向目標(biāo)位置或解剖結(jié)構(gòu)部署的方法，并且如果工具在夾持器中可靠且同心地居中，則可以基于機(jī)器人系統(tǒng)知道末端執(zhí)行器相對(duì)于已知工具中心位置的位置來(lái)準(zhǔn)確地瞄準(zhǔn)工具。

2、本發(fā)明的具有集成同心開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)的夾持器與不提供可以使各種工具同心居中的集成設(shè)備的當(dāng)前技術(shù)水平相比具有幾個(gè)固有優(yōu)勢(shì)。即，本發(fā)明的設(shè)備可以像常規(guī)夾持器一樣打開(kāi)和關(guān)閉-換句話說(shuō)，它可以打開(kāi)和關(guān)閉其“鉗口”以圍繞它們的周邊夾持和釋放各種縱向工具。對(duì)于以這種方式夾持工具的本發(fā)明的夾持器，工具不需要具有完美的周向尺寸，但本發(fā)明人為了便于理解稱其為工具的“周長(zhǎng)”。另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是本發(fā)明的設(shè)備具有開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)。因此，工具或儀器可以始終在末端執(zhí)行器中同心地居中，并且以這種方式，機(jī)器人系統(tǒng)可以始終知道夾持工具的中心在哪里，而不管工具的精確身份、設(shè)計(jì)或尺寸如何。同樣有利的是，集成開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)在所夾持的工具周?chē)纬赏昝赖膱A，即使工具的尺寸不是完美的周向。因此，該工具可以繞其自身的縱軸旋轉(zhuǎn)，這對(duì)于許多應(yīng)用(包括機(jī)器人手術(shù)應(yīng)用)來(lái)說(shuō)可以很重要。然而，目前可用的夾持器具有與工具接觸的光滑且一致的周向表面，其允許輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。最后，除了基本的開(kāi)閉器設(shè)計(jì)外，還可以添加附加的夾持器設(shè)計(jì)(打開(kāi)和關(guān)閉的“鉗口”)，本發(fā)明的設(shè)備在外部設(shè)計(jì)上相對(duì)簡(jiǎn)單，并因此可以容易地進(jìn)行清潔和消毒-手術(shù)機(jī)器人環(huán)境中末端執(zhí)行器兼容性的關(guān)鍵特征。

3、本發(fā)明的具有集成同心開(kāi)閉器機(jī)構(gòu)的夾持器由三個(gè)主要部分構(gòu)成。隔室容納電子部件，諸如電機(jī)和控制器。在機(jī)器人手術(shù)應(yīng)用的背景中，該隔室將是非無(wú)菌的，并且將被無(wú)菌蓋覆蓋。不用說(shuō)，該隔室當(dāng)然可以設(shè)計(jì)為完全密封并由此進(jìn)行消毒，但這會(huì)導(dǎo)致更昂貴的設(shè)計(jì)和制造。建議的設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)單且具有成本效益的單元。接下來(lái)，提供了用于將運(yùn)動(dòng)從電機(jī)傳遞到夾持器的軸。在機(jī)器人手術(shù)的背景(例如，無(wú)菌的高壓滅菌器)中，該軸典型地將是無(wú)菌的。最后，夾持器單元本身被提供，并且當(dāng)然在機(jī)器人手術(shù)的背景中是無(wú)菌的。包含到夾持器單元中的同心開(kāi)閉器包括兩對(duì)相對(duì)的彎曲圓柱體，當(dāng)被組合部署時(shí)，該兩對(duì)相對(duì)的彎曲圓柱體形成圓形接合點(diǎn)，以用于抓取不同直徑和尺寸的工具。