CN103230301A - 具有混合式被动/主动控制的外科机器人 - Google Patents

Abstract

包括不同类型的关节的、具有七个自由度的外科机器人提供用于手动操作和通过编程导航操作的混合式主动-被动控制。这些自由度之一允许机器人能被有效地围绕病人身体的轴线移动，从而为手术室中的外科手术操作提供足够的工作空间。

Description

具有混合式被动/主动控制的外科机器人

技术领域

本发明涉及外科机器人，尤其涉及操作这种机器人的控制方法。

背景技术

机器人***已经在临床实践上应用了20年以上，在这20年期间，外科机器人的理论、技术和临床应用取得了长足的进步。虽然最初用于外科应用的机器人是工业机器人，但后来已经开发出专用机器人，这些专用机器人被特别设计以满足外科手术的特定需求。

工业机器人被设计为用于结构化环境，即，环境中的每个要素都是固定的。因而这种机器人能重复地执行预先编程的工作，并且不允许人为干预。相比之下，外科手术中的环境是完全非结构化的，不但因为不同病人之间的体型的差异，还因为不同手术会涉及不同且复杂的程序。外科机器人必须能适应这些差异，并且外科医生和他们的医务人员必须能够干预机器人并与机器人紧密配合。为了适应外科手术的独特需求，外科机器人应该能够适应不同病人和不同程序，并且应该能够补充人类的能力和培训技巧。为了使对医护人员的干扰最小化，外科机器人还必须在手术室内占用尽可能小的空间。

瑞典的Medical Robotics of Stockholm(http://www.medicalrobotics.se)提供用于整形外科手术的名为“PinTrace”的外科机器人。这种机器人具有拟人化结构，该拟人化结构具有六个转动关节以提供较大的工作空间。以色列的Mazor Robotics Ltd.(http://www.mazorrobotics.com)提供用于微创脊椎外科手术的名为“SpineAssist”的外科机器人。这种机器人是在外科手术期间安装在脊椎上的具有6个自由度的微型平行机器人。

外科机器人的控制在使机器人具有实用性和安全性的方面是至关重要的。典型的机器人***具有三种控制模式之一。第一种是手动操作机器人的被动控制模式。第二种是机器人能够根据预先编程的轨迹自动运动的主动控制模式。第三种是远程操作模式，在该模式下，机器人是响应于来自操作者的在线直接命令而受到实时控制。

TIMC实验室（法国）（http://www-timc.imag.fr）提供用于心脏外科手术应用的名为“PADyC”的机器臂。这种机器人在具有动态限制的被动引导下运行，动态限制根据预先定义的外科手术计划限制装置运动。Curexo Technology（美国加州菲蒙市）提供用于关节置换手术的“ROBODOC”***。这种***能够自动切割骨头，但切割工具与病人之间的互动仅由计算机控制。Intuitive Surgical,Inc.（美国加州森尼维耳市）(http://www.intuitivesurgical.com)提供用于内窥镜外科手术的名为“Da Vinci”的外科机器人。这种机器人具有三至四个机器臂，并且外科医生能够通过远程操作控制器控制这些机器臂。

发明内容

本发明涉及外科机器人，在这种外科机器人中，工具保持器通过串联设置的连接构件安装至基座，并且关节与这些连接构件连接。关节包括弧形滑动关节，并提供至少七个自由度，所述弧形滑动关节为手术室中的外科应用提供合适的工作空间。本发明还涉及通过混合式控制来控制外科机器人的方法，混合式控制包括主动和被动控制模式，从而为容纳在工具保持器中的外科工具的精度、功用、安全方面提供增强的控制。

许多外科手术程序涉及线性方向的运动，诸如钻孔或在人体结构内操纵器械。这些程序仅需要五个自由度。本发明提供两个额外的自由度，因而提供更加优良的躲避障碍的能力。这些自由度之一由平移关节提供，平移关节满足在线性路径上运动的功能。另一个自由度由弧形滑动关节提供，弧形滑动关节提供沿着固定曲线的运动，类似于具有远程轴线的转动关节的运动。剩余自由度由围绕固定轴线转动的转动关节提供。

附图说明

图1是本发明的外科机器人的一个示例的示意图。

图2是图1的外科机器人的一部分的示意图。

图3A、3B和3C分别示出图1的机器人的弧形滑动关节的三个位置，示出了围绕人体的机器臂的运动。

图4是本发明的用于主动-被动混合式控制的电机驱动的转动关节的一个示例的示意图。

图5是本发明的主动-被动混合式控制方法的工作流程图的一个示例。

具体实施方式

术语“平移关节（prismatic joint）”在文中用于指代仅具有一个平移度（通常沿线性方向）且不允许一个部分相对于另一个部分旋转的滑动关节。术语“弧形滑动关节（arc-shaped sliding joint）”在文中用于指代一个部分的运动遵循弧线或非直线的固定曲线的滑动关节。典型的弧形滑动关节是具有曲梁和配合构件的关节，其中配合构件与该曲梁接合，使得该曲梁能够在配合构件内滑动或沿着配合构件滑动。弧形滑动关节因此是平移关节的一种形式，因为其不允许曲梁绕与该曲梁的曲线正切的轴线旋转。术语“转动关节（revolute joint）”在文中指代能绕单个轴线旋转运动且不能滑动运动的关节。虽然本段所述的每种关节具有单一自由度，但两个或更多个关节一起能够提供多个自由度。本文所用的术语“手动超控(manual override)”是指从自动***取得控制并将控制给予使用者的机制(可参见***，http://en.wikipedia.org/wiki/Manual_override)。

在本发明的某些实施方式中，平移关节的运动路径是竖直的，即垂直于地面，并且弧形滑动关节的运动平面与平移关节的运动路径是平行的。除了平移关节和弧形关节之外的其它关节都是转动关节。第一转动关节的轴线垂直于第二关节的运动平面，并且第二和第三转动关节的轴线彼此平行并垂直于第一转动关节的轴线。第四转动关节的轴线垂直于第三转动关节的轴线，第五转动关节的轴线垂直于第四转动关节的轴线。第四和第五转动关节具有相同的旋转中心，从而共同提供围绕球心的定向调节。

这种结构可被分为两个部分：具有两个自由度的基座以及具有五个自由度的机器臂。前两个关节形成基座，并且平移关节可用于调节机器臂的高度以适应不同高度的手术台。弧形滑动关节随后可用于调节机器臂围绕病人身体的轴线的位置。五个转动关节为机器臂提供五个自由度，从而为更多外科手术程序提供足够的灵活性。

将人体看作圆柱的情况下，弧形滑动关节可以围绕身体轴线带动机器臂，从而为手术室内的外科手术程序提供最合适的工作空间。弧形滑动关节具有转动关节加上滑轨的灵活性，滑轨能为其提供平移关节的刚度。五个转动关节为电机驱动的，例如，由DC伺服电机驱动，并且每一个DC伺服电机还可以包含光编码器、谐波减速器以及电磁制动器。各关节因此能提供主动-被动混合式控制，这意味着转动关节既能够由电力驱动，又能够通过手动驱动。

通过改变电机的供电状态，可实现任何单独电机的主动模式和被动模式之间的控制模式变换。当电机被供电时，电机的保持转矩将关节锁定，并且该关节可在由电力驱动的主动控制模式下工作。当不再向电机提供电力时，可在被动控制模式下手动操作该关节。在主动和被动控制模式下，关节的运动均能够由光编码器监测，并且关节能够从主动模式自由变换至被动模式，反之亦然。当检测到机器人***的过载时，电磁制动器被接合，以提供额外的保持转矩，从而确保机器人***的安全性。

在外科手术中，通过在被动控制模式下操作机器人***，外科医生可移动机器臂，将工具放置在粗略的或大概的位置，即，靠近所需位置但未精确位于所需位置。外科医生随后能够将机器人切换为在主动控制下工作，在该模式下，能够执行精细调节而将工具放置在其最终位置。这种主动-被动混合式控制方法能够缩短手术时间，最小化自动运动的范围，增加安全性，还确保外科手术的准确性和精度。

或者，机器人能够被设置为根据具体外科手术和指定工作站或手术室布局而预先编程的初始姿态。本领域中已知的是，当外科手术器械被放置在具***置（包括相对于病人的位置和定向）时，不同的外科手术操作将收到最佳效果。类似地，给定的工作空间将存在某些问题，诸如接近病人的难易程度以及需要容纳支持材料、设备或人员。在为程序确定最佳初始姿态时，可包含所有这些因素，并且对于任何这类程序，最佳姿态都可被编程至外科手术导航***中，使得机器人能够在手术开始之前被自动置于或引导至该位置。通过进一步的自动运动或在视觉引导或位置反馈下，则可实现微调。

前一段中所使用的外科手术导航***是本领域已知的。所述***利用光学跟踪、电磁跟踪或其它跟踪方法。跟踪可以需要从位于工具保持器处的跟踪设备观察到的二维或三维图像。跟踪设备的示例是发光二极管、超声波发射器以及电磁场发射器。来自跟踪设备的位置反馈可通过计算机显示实现，计算机显示能示出覆盖在病人或病人的外科手术部位的图像上的工具的图像。

外科机器人的效率也是外科医生关心的问题。现有技术的机器人外科手术常常需要大量的时间和人员来在手术之前将机器人***放置在合适位置。利用本发明的机器人***，针对不同手术的初始位置在术前就被计划好。因此，机器人能够被自动地置于或引导至特定针对不同手术需要的一定位置和方向。其结果是显著减少了准备时间。

本发明适合于多种实施程序和方案，从具体示例的研究能获得对新颖特征的完全理解。这一示例在附图中被示出并在下面进行描述。

图1和2示意性地示出由块体11支撑的机器人。块体11具有与手术室的地面接触的四个脚12、以及在脚12被升起时用于移动机器人的三个轮子13。第一关节是平移关节，该平移关节包括柱14，柱14具有竖直滑轨15和沿着滑轨15滑动以调节机器臂的高度的滑块16，机器臂是柱上方的部分并且将在下面讨论。第二关节是弧形滑动关节，该弧形滑动关节包括穿过同一滑块16的弯曲通道以及穿过弯曲通道的弧形梁17。因此，梁17可沿固定曲线移动，滑块16的中心线与该固定曲线相切。在弧形梁17的顶端是可手动调节的旋转关节18，该旋转关节18允许在至少180°的范围手动旋转机器臂。通过这种旋转关节，能够容易将机器臂进行定位以便在手术台两侧使用。

第一转动关节21与旋转关节18联接。该第一转动关节（图2所示）的轴线22保持与手术室地面平行，并且垂直于第二转动关节24的轴线23，第二转动关节24与第一转动关节21联接。第二转动关节的轴线23与第一转动关节的轴线22交叉。文中被定义为上臂连接件25的连接构件的一端联接至第二转动关节24，另一端联接至第三转动关节26。第二转动关节24的轴线23平行于第三转动关节26的轴线27。文中被定义为下臂连接件28的连接构件的一端联接至第三转动关节26，并且另一端联接至第四转动关节29。上臂连接件25和下臂连接件28在相同平面内运动。第四转动关节29的轴线3 1垂直于第三转动关节26的轴线27，并且与第五转动关节33的轴线32交叉。第五转动关节33与第四转动关节31联接，并且这两个关节的轴线交叉。文中被定义为手部连接件34的连接构件与第五转动关节33联接。在手部连接件34的末端是用于工具（诸如钻头套座或其他医疗器械）的工具保持器35。

通过由滑块16和弧形梁17形成的弧形滑动关节，机器臂（该术语指代从第一转动关节21至工具保持器35的所有部件）可围绕病人身体的轴线运动，从而为手术室内的外科手术程序提供最合适的工作空间。图3A、3B和3C示出机器臂41相对于病人身体42的三种不同位置，这三种不同位置来源于弧形梁17围绕病人身体的轴线43的三种不同程度的延伸。

图4描绘了能够在主动和被动控制下工作的转动关节51的示例。该关节由DC伺服电机52驱动。光编码器53监测DC伺服电机52的运动。DC伺服电机的输出轴54通过联接器55被联接至转动关节的轴。转动关节的轴被连接至谐波减速器56以提供转矩输出。在紧急情况下，诸如当机器臂经受过载时，电磁制动器57卡住关节轴以阻止轴在任何方向运动。

当DC伺服电机52被供电时，该电机的保持转矩将锁定关节51，并且该关节能够在由电力驱动的主动控制模式下工作。当DC伺服电机未被供电时，能够在被动控制模式下手动移动关节51。在主动和被动控制模式期间，关节51的运动均由光编码器53监测，并且操作员能够在主动和被动模式之间自由切换。

该示例中的外科机器人的操纵由外科导航***控制，外科导航***包括能发射或反射红外信号的两个跟踪设备。一个跟踪设备58安装在机器臂的肩上，即，第一转动关节21的位置处。该设备对机器臂位于肩附近的部分的位置进行跟踪。第二跟踪设备59安装在工具保持器35上，从而对在保持器中容纳的外科工具的位置进行跟踪。这两个跟踪设备共同地确定机器臂的位置并结合导航控制进行工作，从而对外科工具的位置进行微调。

图5是本发明的主动-被动混合式控制方法的工作流程图。机器臂最初位于锁定位置61。当机器人准备好用于外科手术时，将机器人切换62至被动控制模式63，在该模式下，外科医生能够使用来自外科导航***65的基于图像或非基于图像的引导将机器臂手动移动至最终位置附近的粗略位置64。机器人随后被切换至主动控制模式66，在该模式下，能够使用来自外科导航***65的位置反馈实现对最终位置的微调67。如果机器人在该模式下发生过载68，则电磁制动器将被激活69来锁定70机器臂，从而防止任何进一步的运动。这种主动-被动混合式控制方法能够缩短手术时间，最小化自动运动的范围，增加安全性，还确保外科手术的准确性和精度，所有这些的结果是对机器人的功用和安全性的改善。

可以在手术开始之前对用于不同手术的外科机器人的初始位置进行计划或预先编程。机器人随后可自动地运动至特定针对不同手术需求的一定位置和方向。这显著减少了机器人的准备时间。

在所附的权利要求中，术语“a”或“an”旨在表示“一个或多个”。术语“包括（comprise）”及其变形词，诸如“包括（comprises）”和“包括（comprising）”，在位于步骤或元件之前时，旨在表示其他步骤或元件的增加是可选的而并非排除的。将本说明书中所引用的所有专利、专利申请和其它公开的参考材料的全部内容通过引用并入本文。文中所引用的任何参考材料或任何一般现有技术与本说明书中的明确教导之间的任何分歧均旨在被解释为有利于本说明书中的教导。这包括单词或短语的现有技术中所理解的定义和相同单词或短语在本说明书中明确提供的定义之间的差异。

Claims (19)

1.外科机器人，包括基座和工具保持器，所述基座和所述工具保持器通过多个串联设置的连接构件连接，每对连续的连接构件由关节连接，关节共有七个，所述关节中的至少一个是弧形滑动关节，所述关节中的至少五个是电机驱动的转动关节，所述电机驱动的转动关节中的每一个均能够通过用于在自动操作和手动超控之间进行选择的装置由所述自动***和手动超控独立操作。

2.如权利要求1所述的外科机器人，其中所述关节中的一个是平移关节，所述平移关节将所述基座连接至第一连接构件，以使所述第一连接构件能相对于所述基座竖直运动。

3.如权利要求2所述的外科机器人，其中第二连接构件是弧形的，弧形滑动关节将所述第一连接构件连接至所述第二连接构件。

4.如权利要求3所述的外科机器人，在位于所述第二连接构件和所述工具保持器之间的所有连接构件与所述第二连接构件之间还包括仅由手动操作控制的旋转关节，所述旋转关节具有至少180度的运动范围。

5.如权利要求3所述的外科机器人，其中所述电机驱动的转动关节位于所述第二连接构件与位于所述第二连接构件和所述工具保持器之间的所有剩余连接构件之间。

6.如权利要求3所述的外科机器人，其中所述转动关节被定义为连续的第一、第二、第三、第四和第五转动关节，其中所述第一转动关节最接近于所述第二连接构件，所述第一和第二转动关节具有彼此交叉的旋转轴线。

7.如权利要求3所述的外科机器人，其中所述转动关节被定义为连续的第一、第二、第三、第四和第五转动关节，其中所述第一转动关节最接近于所述第二连接构件，所述第二和第三转动关节具有彼此平行的旋转轴线。

8.如权利要求3所述的外科机器人，其中所述转动关节被定义为连续的第一、第二、第三、第四和第五转动关节，其中所述第一转动关节最接近于所述第二连接构件，所述第三和第四转动关节具有彼此交叉的旋转轴线。

9.如权利要求3所述的外科机器人，其中所述转动关节被定义为连续的第一、第二、第三、第四和第五转动关节，其中所述第一转动关节最接近于所述第二连接构件，所述第四和第五转动关节具有彼此交叉的旋转轴线。

10.如权利要求1所述的外科机器人，其中所述电机驱动的转动关节中的每一个均包括DC伺服电机，所述DC伺服电机具有输出轴、通过联接器连接至所述输出轴的转动关节轴、被设置为能监测所述DC伺服电机的运动的光编码器、联接至所述转动关节轴的谐波减速器以及被设置为能接合所述转动关节轴的电磁制动器。

11.如权利要求4所述的外科机器人，还包括安装至所述旋转关节的跟踪设备。

12.如权利要求4所述的外科机器人，还包括安装至所述旋转关节的第一跟踪设备和安装至所述工具保持器的第二跟踪设备。

13.如权利要求1所述的外科机器人，其中所述电机驱动的关节由DC电机控制器驱动，所述外科机器人还包括电磁制动器，所述电磁制动器被设置为当所述DC电机控制器检测到过载时能锁定所述连接构件。

14.操纵外科工具的方法，所述方法包括：

（a）将所述工具安装至外科机器人上的工具保持器，所述外科机器人包括通过多个串联设置的连接构件连接至基座的所述工具保持器，每对连续的连接构件由关节连接，关节共有七个，所述关节中的至少一个是弧形滑动关节，所述关节中的至少五个是电机驱动的转动关节，所述电机驱动的转动关节中的每一个均能够通过用于在自动操作和手动超控之间进行选择的装置由所述自动***和手动超控独立操作；

（b）手动调节全部所述关节中，从而将所述工具置于所选位置；以及

（c）一旦所述工具被如此放置，通过所述转动关节的机动化操作进一步调节所述工具。

15.如权利要求14所述的方法，其中在外科导航***的视觉引导下进行步骤（b）。

16.如权利要求14所述的方法，其中在外科导航***的位置反馈下进行步骤（c）。

17.用于在指定工作空间中针对指定外科手术定位外科工具的方法，所述方法包括：

（a）将所述工具安装至外科机器人上的工具保持器，所述外科机器人包括通过多个串联设置的连接构件连接至基座的所述工具保持器，每对连续的连接构件由关节连接，关节共有七个，所述关节中的至少一个是弧形滑动关节，所述关节中的至少五个是电机驱动的转动关节，所述电机驱动的转动关节中的每一个均能够通过用于在自动操作和手动超控之间进行选择的装置由所述自动***和手动超控独立操作；以及

（b）通过自动导航装置，将所述外科机器人置于根据所述指定外科手术和所述指定工作空间预先编程的选定姿态，从而实现所述工作空间中所述手术的最佳效果。

18.如权利要求17所述的方法，还包括进一步根据来自外科导航***的视觉引导来调节所述工具。

19.如权利要求17所述的方法，还包括进一步根据来自外科导航***的位置反馈来调节所述工具。

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