具有混合式被動/主動控制的外科機器人的製作方法
2023-05-06 18:57:01
專利名稱：具有混合式被動/主動控制的外科機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及外科機器人，尤其涉及操作這種機器人的控制方法。
背景技術：
機器人系統已經在臨床實踐上應用了 20年以上，在這20年期間，外科機器人的理論、技術和臨床應用取得了長足的進步。雖然最初用於外科應用的機器人是工業機器人，但後來已經開發出專用機器人，這些專用機器人被特別設計以滿足外科手術的特定需求。工業機器人被設計為用於結構化環境，即，環境中的每個要素都是固定的。因而這種機器人能重複地執行預先編程的工作，並且不允許人為幹預。相比之下，外科手術中的環境是完全非結構化的，不但因為不同病人之間的體型的差異，還因為不同手術會涉及不同且複雜的程序。外科機器人必須能適應這些差異，並且外科醫生和他們的醫務人員必須能夠幹預機器人並與機器人 緊密配合。為了適應外科手術的獨特需求，外科機器人應該能夠適應不同病人和不同程序，並且應該能夠補充人類的能力和培訓技巧。為了使對醫護人員的幹擾最小化，外科機器人還必須在手術室內佔用儘可能小的空間。瑞典的Medical Robotics of Stockholm (http://www.medicalrobotics.se)提供用於整形外科手術的名為「PinTrace」的外科機器人。這種機器人具有擬人化結構，該擬人化結構具有六個轉動關節以提供較大的工作空間。以色列的Mazor Robotics Ltd.(http://www.mazorrobotics.com)提供用於微創脊椎外科手術的名為「SpineAssist」的外科機器人。這種機器人是在外科手術期間安裝在脊椎上的具有6個自由度的微型平行機器人。外科機器人的控制在使機器人具有實用性和安全性的方面是至關重要的。典型的機器人系統具有三種控制模式之一。第一種是手動操作機器人的被動控制模式。第二種是機器人能夠根據預先編程的軌跡自動運動的主動控制模式。第三種是遠程操作模式，在該模式下，機器人是響應於來自操作者的在線直接命令而受到實時控制。TIMC實驗室(法國)(http://www-timc.1mag.fr)提供用於心臟外科手術應用的名為「PADyC」的機器臂。這種機器人在具有動態限制的被動引導下運行，動態限制根據預先定義的外科手術計劃限制裝置運動。Curexo Technology (美國加州菲蒙市)提供用於關節置換手術的「R0B0D0C」系統。這種系統能夠自動切割骨頭，但切割工具與病人之間的互動僅由計算機控制。Intuitive Surgical, Inc.(美國加州森尼維耳市)(http://www.1ntuitivesurgical.com)提供用於內窺鏡外科手術的名為「Da Vinci」的外科機器人。這種機器人具有三至四個機器臂，並且外科醫生能夠通過遠程操作控制器控制這些機器臂。
發明內容
本發明涉及外科機器人，在這種外科機器人中，工具保持器通過串聯設置的連接構件安裝至基座，並且關節與這些連接構件連接。關節包括弧形滑動關節，並提供至少七個自由度，所述弧形滑動關節為手術室中的外科應用提供合適的工作空間。本發明還涉及通過混合式控制來控制外科機器人的方法，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、安全方面提供增強的控制。許多外科手術程序涉及線性方向的運動，諸如鑽孔或在人體結構內操縱器械。這些程序僅需要五個自由度。本發明提供兩個額外的自由度，因而提供更加優良的躲避障礙的能力。這些自由度之一由平移關節提供，平移關節滿足在線性路徑上運動的功能。另一個自由度由弧形滑動關節提供，弧形滑動關節提供沿著固定曲線的運動，類似於具有遠程軸線的轉動關節的運動。剩餘自由度由圍繞固定軸線轉動的轉動關節提供。
圖1是本發明的外科機器人的一個示例的示意圖。圖2是圖1的外科機器人的一部分的示意圖。圖3A、3B和3C分別示出圖1的機器人的弧形滑動關節的三個位置，示出了圍繞人體的機器臂的運動。圖4是本發明的用於主動-被動混合式控制的電機驅動的轉動關節的一個示例的示意圖。圖5是本發明的主動-被動混合式控制方法的工作流程圖的一個示例。
具體實施例方式術語 「平移關節(prismatic joint)」在文中用於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於另一個部分旋轉的滑動關節。術語「弧形滑動關節(arc-shaped sliding joint)」在文中用於指代一個部分的運動遵循弧線或非直線的固定曲線的滑動關節。典型的弧形滑動關節是具有曲梁和配合構件的關節，其中配合構件與該曲梁接合，使得該曲梁能夠在配合構件內滑動或沿著配合構件滑動。弧形滑動關節因此是平移關節的一種形式，因為其不允許曲梁繞與該曲梁的曲線正切的軸線旋轉。術語「轉動關節(revolute joint)」在文中指代能繞單個軸線旋轉運動且不能滑動運動的關節。雖然本段所述的每種關節具有單一自由度，但兩個或更多個關節一起能夠提供多個自由度。本文所用的術語「手動超控(manual override) 」是指從自動系統取得控制並將控制給予使用者的機制(可參見維基百科，http://en.wikipedia.0rg/wiki/Manual_override)。在本發明的某些實施方式中，平移關節的運動路徑是豎直的，即垂直於地面，並且弧形滑動關節的運動平面與平移關節的運動路徑是平行的。除了平移關節和弧形關節之外的其它關節都是轉動關節。第一轉動關節的軸線垂直於第二關節的運動平面，並且第二和第三轉動關節的軸線彼此平行並垂直於第一轉動關節的軸線。第四轉動關節的軸線垂直於第三轉動關節的軸線，第五轉動關節的軸線垂直於第四轉動關節的軸線。第四和第五轉動關節具有相同的旋轉中心，從而共同提供圍繞球心的定向調節。這種結構可被分為兩個部分:具有兩個自由度的基座以及具有五個自由度的機器臂。前兩個關節形成基座，並且平移關節可用於調節機器臂的高度以適應不同高度的手術臺。弧形滑動關節隨後可用於調節機器臂圍繞病人身體的軸線的位置。五個轉動關節為機器臂提供五個自由度，從而為更多外科手術程序提供足夠的靈活性。將人體看作圓柱的情況下，弧形滑動關節可以圍繞身體軸線帶動機器臂，從而為手術室內的外科手術程序提供最合適的工作空間。弧形滑動關節具有轉動關節加上滑軌的靈活性，滑軌能為其提供平移關節的剛度。五個轉動關節為電機驅動的，例如，由DC伺服電機驅動，並且每一個DC伺服電機還可以包含光編碼器、諧波減速器以及電磁製動器。各關節因此能提供主動-被動混合式控制，這意味著轉動關節既能夠由電力驅動，又能夠通過手動驅動。通過改變電機的供電狀態，可實現任何單獨電機的主動模式和被動模式之間的控制模式變換。當電機被供電時，電機的保持轉矩將關節鎖定，並且該關節可在由電力驅動的主動控制模式下工作。當不再向電機提供電力時，可在被動控制模式下手動操作該關節。在主動和被動控制模式下，關節的運動均能夠由光編碼器監測，並且關節能夠從主動模式自由變換至被動模式，反之亦然。當檢測到機器人系統的過載時，電磁製動器被接合，以提供額外的保持轉矩，從而確保機器人系統的安全性。在外科手術中，通過在被動控制模式下操作機器人系統，外科醫生可移動機器臂，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於所需位置。外科醫生隨後能夠將機器人切換為在主動控制下工作，在該模式下，能夠執行精細調節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時間，最小化自動運動的範圍，增加安全性，還確保外科手術的準確性和精度。
或者，機器人能夠被設置為根據具體外科手術和指定工作站或手術室布局而預先編程的初始姿態。本領域中已知的是，當外科手術器械被放置在具體位置(包括相對於病人的位置和定向)時，不同的外科手術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、設備或人員。在為程序確定最佳初始姿態時，可包含所有這些因素，並且對於任何這類程序，最佳姿態都可被編程至外科手術導航系統中，使得機器人能夠在手術開始之前被自動置於或弓I導至該位置。通過進一步的自動運動或在視覺引導或位置反饋下，則可實現微調。前一段中所使用的外科手術導航系統是本領域已知的。所述系統利用光學跟蹤、電磁跟蹤或其它跟蹤方法。跟蹤可以需要從位於工具保持器處的跟蹤設備觀察到的二維或三維圖像。跟蹤設備的示例是發光二極體、超聲波發射器以及電磁場發射器。來自跟蹤設備的位置反饋可通過計算機顯示實現，計算機顯示能示出覆蓋在病人或病人的外科手術部位的圖像上的工具的圖像。外科機器人的效率也是外科醫生關心的問題。現有技術的機器人外科手術常常需要大量的時間和人員來在手術之前將機器人系統放置在合適位置。利用本發明的機器人系統，針對不同手術的初始位置在術前就被計劃好。因此，機器人能夠被自動地置於或引導至特定針對不同手術需要的一定位置和方向。其結果是顯著減少了準備時間。本發明適合於多種實施程序和方案，從具體示例的研究能獲得對新穎特徵的完全理解。這一示例在附圖中被示出並在下面進行描述。圖1和2示意性地示出由塊體11支撐的機器人。塊體11具有與手術室的地面接觸的四個腳12、以及在腳12被升起時用於移動機器人的三個輪子13。第一關節是平移關節，該平移關節包括柱14，柱14具有豎直滑軌15和沿著滑軌15滑動以調節機器臂的高度的滑塊16，機器臂是柱上方的部分並且將在下面討論。第二關節是弧形滑動關節，該弧形滑動關節包括穿過同一滑塊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的頂端是可手動調節的旋轉關節18，該旋轉關節18允許在至少180°的範圍手動旋轉機器臂。通過這種旋轉關節，能夠容易將機器臂進行定位以便在手術臺兩側使用。第一轉動關節21與旋轉關節18聯接。該第一轉動關節(圖2所示)的軸線22保持與手術室地面平行，並且垂直於第二轉動關節24的軸線23，第二轉動關節24與第一轉動關節21聯接。第二轉動關節的軸線23與第一轉動關節的軸線22交叉。文中被定義為上臂連接件25的連接構件的一端聯接至第二轉動關節24，另一端聯接至第三轉動關節26。第二轉動關節24的軸線23平行於第三轉動關節26的軸線27。文中被定義為下臂連接件28的連接構件的一端聯接至第三轉動關節26，並且另一端聯接至第四轉動關節29。上臂連接件25和下臂連接件28在相同平面內運動。第四轉動關節29的軸線3 I垂直於第三轉動關節26的軸線27，並且與第五轉動關節33的軸線32交叉。第五轉動關節33與第四轉動關節31聯接，並且這兩個關節的軸線交叉。文中被定義為手部連接件34的連接構件與第五轉動關節 33聯接。在手部連接件34的末端是用於工具(諸如鑽頭套座或其他醫療器械)的工具保持器35。通過由滑塊16和弧形梁17形成的弧形滑動關節，機器臂(該術語指代從第一轉動關節21至工具保持器35的所有部件)可圍繞病人身體的軸線運動，從而為手術室內的外科手術程序提供最合適的工作空間。圖3A、3B和3C示出機器臂41相對於病人身體42的三種不同位置，這三種不同位置來源於弧形梁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動關節51的示例。該關節由DC伺服電機52驅動。光編碼器53監測DC伺服電機52的運動。DC伺服電機的輸出軸54通過聯接器55被聯接至轉動關節的軸。轉動關節的軸被連接至諧波減速器56以提供轉矩輸出。在緊急情況下，諸如當機器臂經受過載時，電磁製動器57卡住關節軸以阻止軸在任何方向運動。當DC伺服電機52被供電時，該電機的保持轉矩將鎖定關節51，並且該關節能夠在由電力驅動的主動控制模式下工作。當DC伺服電機未被供電時，能夠在被動控制模式下手動移動關節51。在主動和被動控制模式期間，關節51的運動均由光編碼器53監測，並且操作員能夠在主動和被動模式之間自由切換。該示例中的外科機器人的操縱由外科導航系統控制，外科導航系統包括能發射或反射紅外信號的兩個跟蹤設備。一個跟蹤設備58安裝在機器臂的肩上，即，第一轉動關節21的位置處。該設備對機器臂位於肩附近的部分的位置進行跟蹤。第二跟蹤設備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行跟蹤。這兩個跟蹤設備共同地確定機器臂的位置並結合導航控制進行工作，從而對外科工具的位置進行微調。圖5是本發明的主動-被動混合式控制方法的工作流程圖。機器臂最初位於鎖定位置61。當機器人準備好用於外科手術時，將機器人切換62至被動控制模式63，在該模式下，外科醫生能夠使用來自外科導航系統65的基於圖像或非基於圖像的引導將機器臂手動移動至最終位置附近的粗略位置64。機器人隨後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航系統65的位置反饋實現對最終位置的微調67。如果機器人在該模式下發生過載68，則電磁製動器將被激活69來鎖定70機器臂，從而防止任何進一步的運動。這種主動-被動混合式控制方法能夠縮短手術時間，最小化自動運動的範圍，增加安全性，還確保外科手術的準確性和精度，所有這些的結果是對機器人的功用和安全性的改善。可以在手術開始之前對用於不同手術的外科機器人的初始位置進行計劃或預先編程。機器人隨後可自動地運動至特定針對不同手術需求的一定位置和方向。這顯著減少了機器人的準備時間。在所附的權利要求中，術語「a」或「an」旨在表示「一個或多個」。術語「包括(comprise)」及其變形詞,諸如「包括(comprises)」和「包括(comprising)」,在位於步驟或元件之前時，旨在表示其他步驟或元件的增加是可選的而並非排除的。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容通過引用併入本文。文中所引用的任何參考材料或任何一般現有技術與本說明書中的明確教導之間的任何分歧均旨在被解釋為有利於本說明書中的教導。這包括單詞或短語的現有技術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。
權利要求
1.外科機器人，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設置的連接構件連接，每對連續的連接構件由關節連接，關節共有七個，所述關節中的至少一個是弧形滑動關節，所述關節中的至少五個是電機驅動的轉動關節，所述電機驅動的轉動關節中的每一個均能夠通過用於在自動操作和手動超控之間進行選擇的裝置由所述自動系統和手動超控獨立操作。
2.如權利要求1所述的外科機器人，其中所述關節中的一個是平移關節，所述平移關節將所述基座連接至第一連接構件，以使所述第一連接構件能相對於所述基座豎直運動。
3.如權利要求2所述的外科機器人，其中第二連接構件是弧形的，弧形滑動關節將所述第一連接構件連接至所述第二連接構件。
4.如權利要求3所述的外科機器人，在位於所述第二連接構件和所述工具保持器之間的所有連接構件與所述第二連接構件之間還包括僅由手動操作控制的旋轉關節，所述旋轉關節具有至少180度的運動範圍。
5.如權利要求3所述的外科機器人，其中所述電機驅動的轉動關節位於所述第二連接構件與位於所述第二連接構件和所述工具保持器之間的所有剩餘連接構件之間。
6.如權利要求3所述的外科機器人，其中所述轉動關節被定義為連續的第一、第二、第三、第四和第五轉動關節，其中所述第一轉動關節最接近於所述第二連接構件，所述第一和第二轉動關節具有彼此交叉的旋轉軸線。
7.如權利要求3所述的外科機器人，其中所述轉動關節被定義為連續的第一、第二、第三、第四和第五轉動關節，其中所述第一轉動關節最接近於所述第二連接構件，所述第二和第三轉動關節具有彼此平行的旋轉軸線。
8.如權利要求3所述的外科機器人，其中所述轉動關節被定義為連續的第一、第二、第三、第四和第五轉動關節，其中所述第一轉動關節最接近於所述第二連接構件，所述第三和第四轉動關節具有彼此交叉的旋轉軸線。
9.如權利要求3所述的外科機器人，其中所述轉動關節被定義為連續的第一、第二、第三、第四和第五轉動關節，其中所述第一轉動關節最接近於所述第二連接構件，所述第四和第五轉動關節具有彼此交叉的旋轉軸線。
10.如權利要求1所述的外科機器人，其中所述電機驅動的轉動關節中的每一個均包括DC伺服電機，所述DC伺服電機具有輸出軸、通過聯接器連接至所述輸出軸的轉動關節軸、被設置為能監測所述DC伺服電機的運動的光編碼器、聯接至所述轉動關節軸的諧波減速器以及被設置為能接合所述轉動關節軸的電磁製動器。
11.如權利要求4所述的外科機器人，還包括安裝至所述旋轉關節的跟蹤設備。
12.如權利要求4所述的外科機器人，還包括安裝至所述旋轉關節的第一跟蹤設備和安裝至所述工具保持器的第二跟蹤設備。
13.如權利要求1所述的外科機器人，其中所述電機驅動的關節由DC電機控制器驅動，所述外科機器人還包括電磁製動器，所述電磁製動器被設置為當所述DC電機控制器檢測到過載時能鎖定所述連接構件。
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器人上的工具保持器，所述外科機器人包括通過多個串聯設置的連接構件連接至基座的所述工具保持器，每對連續的連接構件由關節連接，關節共有七個，所述關節中的至少一個是弧形滑動關節，所述關節中的至少五個是電機驅動的轉動關節，所述電機驅動的轉動關節中的每一個均能夠通過用於在自動操作和手動超控之間進行選擇的裝置由所述自動系統和手動超控獨立操作； (b)手動調節全部所述關節中，從而將所述工具置於所選位置；以及 (C ) 一旦所述工具被如此放置，通過所述轉動關節的機動化操作進一步調節所述工具。
15.如權利要求14所述的方法，其中在外科導航系統的視覺引導下進行步驟(b)。
16.如權利要求14所述的方法，其中在外科導航系統的位置反饋下進行步驟(C)。
17.用於在指定工作空間中針對指定外科手術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器人上的工具保持器，所述外科機器人包括通過多個串聯設置的連接構件連接至基座的所述工具保持器，每對連續的連接構件由關節連接，關節共有七個，所述關節中的至少一個是弧形滑動關節，所述關節中的至少五個是電機驅動的轉動關節，所述電機驅動的轉動關節中的每一個均能夠通過用於在自動操作和手動超控之間進行選擇的裝置由所述自動系統和手動超控獨立操作；以及 (b)通過自動導航裝置，將所述外科機器人置於根據所述指定外科手術和所述指定工作空間預先編程的選定姿態，從而實現所述工作空間中所述手術的最佳效果。
18.如權利要求17所述的方法，還包括進一步根據來自外科導航系統的視覺引導來調節所述工具。
19.如權利要求17所述的方法，還包括進一步根據來自外科導航系統的位置反饋來調節所述工具。
全文摘要
包括不同類型的關節的、具有七個自由度的外科機器人提供用於手動操作和通過編程導航操作的混合式主動-被動控制。這些自由度之一允許機器人能被有效地圍繞病人身體的軸線移動，從而為手術室中的外科手術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 優先權日2011年8月24日
發明者梁國穗, 匡紹龍, 王豫, 徐振星, 張穎愷, 曾栢良, 吳偉堅 申請人:香港中文大學, 北京航空航天大學