用于针对性干预措施的紧凑型针形操纵器的制造方法

用于针对性干预措施的紧凑型针形操纵器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种器械操纵器的实施例。一种器械操纵器能够包括轨道；被连结成沿所述轨道骑乘的平移托架；被连结到所述平移托架的肩偏航接头；被连结到所述肩偏航接头的肩俯仰接头，所述肩俯仰接头包括臂件、被连结到所述臂件的腕件安装件、被连结在所述腕件安装件与所述肩偏航接头之间的撑杆以及被连结到所述臂件的肩俯仰机构；被连结到所述腕件安装件的偏航-俯仰-横滚腕件，所述偏航-俯仰-横滚腕件包括偏航接头和差分驱动的俯仰-横滚接头；以及被连结到所述腕件的器械安装件。各种接头和托架可以由马达驱动。
【专利说明】用于针对性干预措施的紧凑型针形操纵器
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2012年2月15日提交的申请号为61/599, 339的美国临时专利申请 和2013年2月14日提交的申请号为13/767,856的美国非临时专利申请的优先权，其全部 内容通过参考被合并于此。

【技术领域】
[0003] 本发明的实施例涉及通过会阴输送针的机器人操纵器。

【背景技术】
[0004] 每年执行一百五十万个芯针穿刺活检，产生几十万个前列腺癌的新病例。在许多 病例中，癌症结果的早期检测使所使用治疗方法的疗效更高。
[0005] 进一步地，基于MRI引导针的疗法（活组织检查，局部激光烧蚀，用于低剂量率 (LDR)持久近距离放射治疗中的可植入种子的输送，该放射治疗是一种常见的前列腺癌治 疗，或其他治疗）已被证明是成功的。不过，在由典型MRI器械提供的有限空间中操控针已 被证明具有挑战性。
[0006] 有些人已提出使用通过空气、超声波或压电体提供动力的机器人的技术方案。不 过，这些方法不提供在这类环境中所寻求的灵巧性和动力。
[0007] 前列腺癌在美国男人的非皮肤癌之中是最常见的。前列腺癌有两种常见的筛选方 法，即前列腺特异性抗原检测（PSA)和直肠指检（DRE)。PSA检测不是决定性的，其中该PSA 检测从血样中的抗原浓度确定前列腺癌的可能性。在DRE中，医师可以确定是前列腺是增 大还是存在异常结节。在任一种情况下，穿刺活检常被建议来确定肿瘤是否存在并且确定 任意肿瘤是良性的还是恶性的。
[0008] 目前用于调查肿瘤存在的护理标准是通过直肠超声检查（TRUS)。在超声引导下， 医师可以通过直肠的壁将穿剌针放置在前列腺中。穿刺针去除小管组织，用于进一步的测 试。通常，在该手术中，多个样本被去除，以用于测试。TRUS手术已被证明对于肿瘤定位不 是非常准确。其他成像形式例如磁共振成像（MRI)和计算机断层扫描（CT)X射线成像能够 具有高空间分辨率并能更好识别单个肿瘤。
[0009] 已经存在各种将机械针操纵器与各种成像技术结合的尝试，以便更加准确执行包 括活组织检查的基于针的治疗。不过，仍然需要开发用于在成像环境内执行的基于针的手 术的更好执行操纵器。


【发明内容】

[0010] 根据本发明的方面，器械操纵器的实施例被公开。在某些实施例中，器械操纵器 能够包括轨道；被连结成沿所述轨道骑乘的平移托架，该平移托架由线性马达沿该轨道推 进；连结到该平移托架的肩偏航接头，该肩偏航接头通过肩偏航马达致动；连结到该肩偏 航接头的肩俯仰接头，该肩俯仰接头包括臂件、连结到该臂件的腕件安装件、连结在该腕件 安装件与该肩偏航接头之间并形成3D平行四边形的撑杆以及被连结致动该肩俯仰接头、 撑杆、臂件和腕件安装件的肩俯仰马达；连结到该腕件安装件的偏航-俯仰-横滚腕件，该 偏航-俯仰-横滚腕件包括由一个或更多个腕件偏航马达致动的偏航接头和由差分驱动俯 仰-横滚马达致动的差分驱动俯仰-横滚接头；以及连结到该腕件的器械安装件，该器械安 装件具有提供器械驱动器的一个或更多个器械马达。
[0011] 这些和其他实施例在下面关于下列附图进行进一步讨论。

【专利附图】

【附图说明】
[0012] 图1示出可以利用根据本发明的某些实施例的操纵器的手术环境。
[0013] 图2示出安装在扫描器转运台上的根据本发明的某些实施例的机器人操纵器。
[0014] 图3示出根据本发明的某些实施例的操纵器系统的框图。
[0015] 图4A示出根据本发明的某些实施例的机器人操纵器。
[0016] 图4B和图4C示出在图4A中示出的机器人操纵器的平面图。
[0017] 图5A和图5B示出沿在图4A中示出的机器人操纵器的插入轴线的线性运动。
[0018] 图6A和图6B示出在图4A中示出的机器人操纵器的肩偏航接头。
[0019] 图6C示出可以用于在图4A中示出的机器人操纵器的撑杆。
[0020] 图7A示出在图4A中示出的机器人操纵器的肩俯仰接头。
[0021] 图7B示出在图7A中示出的肩俯仰接头的横截面。
[0022] 图7C示出在图7A中示出的连接接头以及肩俯仰和偏航位置传感器的横截面。
[0023] 图8A、图8B、图8C、图8D和图8E示出在图4A中示出的机器人操纵器的偏航-俯 仰-横滚腕件的方面的实施例。
[0024] 图8F、图8G和图8H示出用于在图8A、图8B、图8C、图8D和图8E中示出的腕件的 位置传感器。
[0025] 图9A、图9B和图9C示出在图4A中示出的机器人操纵器的托架安装件的实施例。
[0026] 图10A和图10B示出可以用于在图9A、图9B和图9C中示出的托架安装件的无菌 适配器。
[0027] 图11是示出用于机器人操纵器的控制器的框图。

【具体实施方式】
[0028] 在下列描述中，将阐述描述本发明的某些实施例的具体细节。不过，本领域中的技 术人员应当明白，某些实施例可以没有这些具体细节的全部或一部分的情况下进行实践。 本文公开的具体实施例目的仅是示例性的，而不是限制性的。本领域中的技术人员应当意 识到，虽然未在这里具体描述，但是其他元件在本公开的范围和精神内。
[0029] 进一步地，这个说明书的术语并不是限制本发明。例如，空间相关的术语，例如 "在...之下"、"在下面"、"下部"、"在上面"、"上部"、"近端"、"远端"、"水平"、"坚直"等，可 以用于描述在所述附图中示出的一个元件或特征相对另一个元件或特征的关系。所述空间 相关术语旨在包含所述装置在使用或操作时除了在图中示出的位置和取向以外的不同位 置和取向。例如，如果在所述附图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征"在下面" 或"在...之下"的元件将变成在所述其他元件或特征的"在上面"或"在...之上"。因 此，示例性术语"在下面"可以包含在上面和在下面的两种位置和方向。所述装置可以以其 他方式取向（被旋转90度或在其他取向），并且在本文使用的空间相关的描述信息被相应 解释。同样，沿和围绕各个轴线的运动描述包括各种特定装置位置和取向。此外，单数形式 "一"、"一个"和"该"旨在也包括复数形式，除非上下文中明确指出不包括。并且，术语"包 括"、"具有"、"包括"等指定陈述的特征、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但不排除一个 或更多个其他特征、步骤、操作、元件、构件和/或组的存在和补充。描述成连结的部件可以 是直接电气或机械连结，或所述部件可以经由一个或更多个中间部件间接连结。
[0030] 存在现场对病状进行局灶性/针对性治疗的临床发展趋势。如果是有效的，则这 些疗法与更传统的切除手术相比，可以提供明显减少的创伤。基于机器人的技术可以有助 于解决这个领域中的临床需求。在整个公开中，前列腺癌的治疗用作这类局灶性疗法的示 例。这不应当被解释为是本文公开的实施例的唯一用处。
[0031] 图1示出可以利用根据本发明的某些实施例的机器人系统的系统100。如图1所 示，机器人操纵器110可以被设置在扫描器140内。虽然在这个示例中扫描器140被描述 为MRI扫描器，但是扫描器140也可以是任意其他类型的扫描器（例如，CT、超声波、X射线、 PET等）。机器人110的运动由机器人控制器120控制。机器人控制器120与操作者控制 台130通信，并将来自操作者控制台130的指令转换为机器人110中的各种机动接头的协 调运动。
[0032] 扫描器140被连结到扫描器控制器142。扫描器控制器142与工作站144通信。 与扫描器控制器142通信的工作站144操作扫描器140产生图像。
[0033] 病人被安置在转运台160上，该转运台160带有机器人110并被置于扫描仪140 内或以允许机器人110通达到手术区和允许扫描器140提供相同手术区的图像的方式相对 于扫描器140安置。手术区的图像被输入到操作者控制台130,操作者控制台130将机器 人110的位置登记到从扫描器140接收的图像中。以这种方式，在操作者控制台130处的 操作者能够通过在手术区内具体指定的目标处或附近安置针，而引导机器人110来作用于 该目标。
[0034] 在某些情况下，可以针对不同治疗方式，例如激光烧蚀，使用单独驱动器146。进一 步地，该系统能够包括用于使病人保持镇静的麻醉车162和病人准备或恢复区150。
[0035] 图2示出机器人操纵器110安装其上的工作台160。机器人110作为针形操纵器 操作，并且如同图2所示基于针的器械210被连结到机器人110。工作台160也可以包括 脚踏板220和病人安装件222,在手术期间，其能够被用于保持病人相对于机器人110相对 固定。如图2所示，机器人操纵器110被安装到工作台160,并能够沿工作台160的长度线 性运动。机器人110足够紧凑，以便驻留在工作台160上的病人的腿部之间，并能够在例如 MRI器械孔的有限空间内操作。进一步地，机器人110由基本不受成像器在感兴趣成像区中 产生的任何磁场的影响的且基本不影响该磁场的材料构成。
[0036] 图3示出根据本发明的某些实施例的机器人系统300的框图。如图3所示，机器 人操纵器110 (在本文也称为机器人或操纵器）由控制器120控制。控制器120与控制台 130互动。成像器310也与用户控制台130互动。控制台130接收来自控制器120和成像 器310二者的输入，以便将机器人110登记于由成像器310提供的图像。成像器310能够 是如图1所示的MRI成像器，不过也可以是其他成像模式，例如CT X射线成像器。机器人 110与成像器310的登记允许在控制台130的操作者引导控制器120,以便如同由通过图像 通知的操作者所引导的一样，将针基器械210的针430放置在病人的具体位置。接着，控制 器120提供电输入，以控制机器人110中的各个接头的运动，以完成这些指令。
[0037] 图4A示出机器人操纵器110的实施例。机器人110被示出带有针基器械210,其 带有连接到器械安装件410的针430。针基器械210能够通过无菌适配器414安装到安装 件410。针基器械210和无菌适配器414能够很容易从机器人110拆除。针基器械210能 够通过安装件410从机器人110得到输入。例如，针430能够旋转，针430能够伸长，并且 对针430的插入能够通过在安装件410上的输入来操控。
[0038] 带有针430的针基器械210能够是活组织检查器械，能够有助于基于光学或RF的 激光烧蚀技术的光纤或RF天线，能够提供LDR治疗的可植入种子的输送，能够提供治疗所 涉及的其他物质的输送，或者提供其他针基治疗。器械210能够是仅在一次手术中使用的 单次使用或一次性的器械。因此，无菌适配器414能够被提供在器械210与安装件410之 间。提供给安装件410的器械输入能够通过器械210与安装件410之间的无菌适配器被连 结到器械210。在治疗期间，机器人110能够被覆盖，以便器械210的区域保持无菌环境。 针基器械210的示例在共同提交的申请号为61/599, 300的美国临时专利申请中被进一步 讨论，该临时专利申请全部内容通过引用被合并于此。
[0039] 至安装件410的控制输入由安装件410中的一个或更多个器械马达提供，其在某 些实施例中通过无菌适配器414提供至器械210的输入驱动。在某些实施例中，安装件410 中可以有任何数量的马达。在某些示例中，存在两个马达来提供在器械210内的两个自由 度（DoF)。器械210能够向针430提供若干DoF。例如，器械210可以提供由来自安装件 410的输入驱动提供动力的横滚或平移运动。例如，在激光或RF烧蚀治疗中，一旦针430被 适当安置以用于治疗，则器械210可以缩回针430并向前推出光纤或RF天线。进一步地， 器械210中的机构可以允许物质的插入、种子的沉积或用于具体治疗的其他输送。
[0040] 器械210可以包括通过安装件410与控制器120接口 /接合的处理器和存储器。 一旦器械210被设立或插入到安装件410上，则器械210可以向控制器120发送例如器械 类型、器械序列号、器械操作特性和器械使用历史的信息。器械210也可以包括能够被用于 确定针430在图像内的位置的沿器械210安装的基准。
[0041] 安装件410被连结到偏航-俯仰-横滚腕件411，其具有偏航、俯仰和横滚DoF。腕 件411包括区段413和区段412。区段412在偏航接头417处被机械连结到区段413。横 滚和俯仰DoF通过以不同方式运行的被装纳在区段412中的一对腕俯仰-横滚马达实施， 如同下面将进一步讨论的。区段412通过安装在区段413中的一个或更多个腕偏航马达围 绕偏航轴线417旋转，如同下面将进一步讨论的。
[0042] 腕件411在接头448处被安装到臂件420且在接头416处被安装到撑杆418。臂 件420被安装在轴432上。撑杆418在枢轴接头442处被连结到支持壳体444,轴432穿过 该支持壳体444。臂件420和撑杆418建立用于支持腕件411的3D平行四边形结构。臂件 420能够通过肩俯仰驱动机构422上升和下降。如下面所进一步讨论的，肩俯仰接头能够 由交叉支持件（参见图7B中的交叉支持件702)形成，该交叉支持件穿过臂件420并连接 到滑动齿轮426,臂件420围绕该滑动齿轮426旋转。臂件420和撑杆418被布置成，使得 在臂件420上升和下降时，腕件411的区段413保持大致水平取向。进一步地，在臂件420 在水平平面内旋转时，区段413大致保持沿插入轴线（沿轨道440的轴线）取向。进一步 地，针430居于中心，使得沿针430的轴线穿过腕件411的区段412的中心部分。用于操作 腕件411的致动扭矩会大大减少，这是因为用于插入针430的可以是高的针插入力居于腕 件411的中心。进一步地，由臂件420和撑杆418形成的3D平行四边形也有助于降低在腕 件411上的致动扭矩。用臂件420与撑杆418形成的3D平行四边形也有助于降低上升和 下降臂件420所需要的致动扭矩（也称为肩俯仰接头的致动）。
[0043] 机构422包括用皮带430连结的两个滑动齿轮，即齿轮428和426。齿轮428由 肩俯仰马达424驱动。臂件420由重量446平衡，以设置成用于臂件420、腕件411、安装件 410和针器械210在支持件432处的偏移。滑动齿轮426被固定在交叉支持件上（参见图 7B的交叉支持件702)，其中臂件420围绕该交叉支持件旋转，以便滑动齿轮428通过马达 424的旋转促使臂件420上升和下降。
[0044] 轴432为臂件420提供支持，并穿过壳体444进入基座438。臂件420沿轴432顶 部上的水平轴线旋转。轴432自身能够旋转并由肩偏航马达434驱动。马达434由皮带436 机械连结到支持件432,其中，皮带436连结到基座438中安装在轴432下面的滑轮（未在 图4A中示出）。轴432和臂件420 -起形成具有绕轴432的偏航轴线和允许腕件411的区 段413的高度控制的水平取向的俯仰轴线的肩形件。
[0045] 基座438连接到平移托架（未在图4A中示出），该平移托架装纳沿轨道440驱动 机器人110的线性马达（未在图4A中示出）。机器人110沿轨道440的运动被称为沿插入 轴线的运动。
[0046] 马达434和424是如同申请号为13/767,801的美国实用新型专利申请所描述的 大功率紧凑型马达，该申请全部内容通过参考合并于此。机器人110是允许针430的广泛 运动的紧凑型操纵器。如图2所示，机器人110被设计在病人的腿部之间并在成像器械例 如MRI成像器内运行。因此，机器人110的所有部件是非铁磁性的。进一步地，机器人110 允许对病人基本无干扰地运行。
[0047] 如图4A所示，机器人操纵器110提供沿轨道440的线性运动，其如图2所示被安 置成通常沿MRI器械孔平移。因此，该线性运动是沿着沿轨道440指向的插入轴线的。机 器人操纵器110还提供臂件420围绕轴432的水平旋转（在与图2中示出的工作台160平 行的平面中的旋转），这也被称为肩偏航。区段413的坚直运动能够通过驱动机构422实 施，这也称为肩俯仰。在这个运动期间，区段413通过由臂件420和撑杆418形成的3D平 行四边形保持大致水平取向。腕件411提供围绕枢轴417的偏航旋转轴线。进一步地，腕 件横滚和俯仰能够通过腕件411的区段412提供给安装件410。进一步地，通过安装件410 的驱动，针器械210能够根据针器械210向针430提供进一步DoF，例如提供线性插入运动 和旋转运动。
[0048] 图4A示出臂件420上升的机器人操纵器110。图4B示出机器人110的平面图，其 中臂件420围绕轴432旋转且在腕件411上轻微偏航。进一步地，腕件411的区段413保 持与轨道440大致对齐。图4C示出类似于图4B所示的机器人110的另一个平面图，但是 安装件410随腕件411的区段412旋转。
[0049] 如上所描述的，在病人和机器人操纵器110二者均在成像器例如MRI孔的界限内 时，机器人操纵器110能够通过会阴输送针基器械210的针430。机器人110的控制在控制 台130的引导下由控制器120执行，控制台130由操作者控制。
[0050] 在控制器120的引导下，机器人110能够控制针基器械210的全笛卡尔位置和旋 转取向。此外，控制输入能够通过机器人110被提供给针基器械210。如图4A所示，并如上 所述，机器人110的运动包括由线性马达驱动的沿轨道440的线性运动。轨道440通常沿 MRI成像器或其他成像器的孔取向。进一步地，轴432能够给针430提供围绕支持件432的 水平旋转。在保持针430与腕件411的区段412对齐的同时，旋转安装件410能够提供避 免干扰病人的附加间隙。
[0051] 图5A和图5B示出机器人110沿轨道440的运动。如图5A和图5B所示，平移托 架502骑乘在轨道440上。轨道440包括导轨516。平移托架502包括机械连接到骑乘在 导轨516上的托架502的轴承504。因此，托架502能够随着沿导轨516骑乘的轴承504而 沿轨道440平移。
[0052] 如图5A和图5B所示，一个或更多个线性马达506被机械连接到平移托架502,并 且抵抗陶瓷垫508向平移托架502提供平移力。线性马达506能够是例如压电式马达。陶 瓷垫508被机械连接到轨道40,以便马达506的压电式元件接合垫508并沿轨道440移动 平移托架502。进一步地，轨道440能够被固定到如图2所示的工作台160,使得沿轨道440 的线性运动（插入运动）沿工作台160的长轴线指向。
[0053] 如图5A和图5B进一步所示，托架定位传感器510也可以被连接到平移托架502。 如图5A和图5B所示，传感器510可以包括沿编码器514骑乘的头部512。编码器514被连 接到轨道440。传感器头部512和编码器514可以是光学定位传感器、电阻定位传感器或 其组合。如果传感器510是基于电阻的，则平移托架502沿轨道440的位置由编码器514 的阻抗确定，编码器514作为电位器工作，在头部512处阻抗随着平移托架502沿轨道440 的行进而增加。如果，传感器510是基于光学的，那么，头部512可以是被对齐成测量编码 器514的光福射的光学传感器。传感器510能够基于光学输入来确定平移托架502沿轨道 440的位置。
[0054] 图6A和图6B示出如同在图4A中示出的机器人110的肩偏航接头600。如图6A 所示，肩偏航接头600包括基座438和支持壳体444。支持壳体440被安装到基座438或是 基座438的一部分。接着，基座438能够被连接到平移托架502,平移托架502在图5A和图 5B中示出。此外，马达434被安装在基座438上。如图6A进一步所示，轴432穿过支持壳 体444。滑动齿轮602被安装到轴432,并用皮带610被连结到马达432。皮带610将滑动 齿轮602连结于马达434的滑动齿轮436 (参见图4A)。
[0055] 如图6A进一步所示，支持壳体440包括接收器612。接收器612机械接收接头 442。如图4A所示，接头442被连结到接收器612内，使得在支持安装件444上提供固定的 连接点同时，接头442能够随臂件420运动。
[0056] 图6C示出撑杆418的实施例的端部。撑杆418的接头442和接头416被示出。如 图6C所示，接头442包括在枢轴624处被连结到撑杆418的轴622。以这种方式，撑杆418 能够围绕轴622的长轴线旋转，并且撑杆418能够在枢轴624处在撑杆418和轴622的平 面中旋转。进一步地，接头416包括在枢轴628处被连结到撑杆418的轴626。枢轴624和 枢轴628能够是将轴622和626连结到撑杆418并允许轴622和626相对于撑杆418旋转 的任何装置。在某些实施例中，枢轴624和628能够是分别通过撑杆418和轴622和626 的销，或能够是球形接头。如图7C和图4A所示，接头442和接头416能够是大致相同的。
[0057] 图6B示出当基座438被固定到行进托架502时通过壳体支持件444的中心并在 垂直于插入轴线的平面中的肩偏航接头600的横截面。如图6B所示，接收器612包括轴承 614和616,并且以如下方式接收接头442的轴622,即轴622沿轴622的长度被固定在接收 器612中，但允许在接收器612中绕轴622的长度旋转。
[0058] 轴432通过支持壳体444的中心被插入。轴承606和608为轴432提供支持和轴 432沿其长轴线的旋转自由度。如图所示，滑动齿轮602被连结到轴432,以驱动轴432围 绕其长轴线的旋转。滑轮602能够用锁定机构604锁定到轴432。
[0059] 图7A示出肩俯仰接头700以及肩偏航接头600。如图7A所示，肩俯仰接头700包 括臂件420、俯仰驱动机构422以及撑杆418。
[0060] 图7B示出肩偏航接头600和肩俯仰接头700的横截面视图。如图7B所示，轴432 包括固定到轴432的交叉支持件702。滑动齿轮426被固定到交叉支持件702。臂件420 在轴承704和706上绕交叉支持件702的轴线710旋转。滑动齿轮428和连接到滑动齿轮 428的马达424均被机械连结到臂件420。结果，随着滑动齿轮428旋转，臂件420绕轴线 710旋转，从而抬升和降低腕件411，其中，腕件411在腕件安装件712被连结到臂件420的 端部。
[0061] 如图7A所示，腕件安装件712被机械连结到臂件420和到撑杆418。如图7A所 示，腕件安装件712包括接收撑杆418的轴626的接收器714。进一步地，腕件安装件712 在接头448被连结到臂件420。如图7A所示，腕件安装件712在接头716连结到接头448， 以便当臂件420被肩偏航接头600水平旋转或使用肩俯仰接头700坚直旋转时允许腕件安 装件712旋转。结果，腕件安装件712具有保持垂直于插入方向并且也保持坚直的面。
[0062] 图7C示出通过腕件安装件712的接头448的横截面。如图7A和图7B所示，接 头448有助于腕件安装件712至臂件420和撑杆418的机械连结。如图7C所示，枢轴628 包括在撑杆418的端部处被接收到销接收器722中的销720。销720在被安置在销接收器 722中的轴承724和726上旋转，从而允许销720绕其长轴线旋转，其中销接收器722是撑 杆418的一部分。销720连接到轴626。如图7C所示，轴626被插入到接收器714中。轴 承728和730被安置成允许轴714绕其长轴线旋转。
[0063] 接头448包括横梁支持件734和轴732。横梁支持件734包括长轴线并被安置在 臂件420的端部，使得横梁支持件734能够骑乘在轴承742和740的外直径上绕其长轴线 旋转，其中所述轴承742和740被连接到臂件420。轴732连接到横梁支持件734。腕件安 装件被连接到轴732,使得其能够在轴承736和738上绕轴732的长轴线旋转。腕件安装件 712能够用止动器750保持在轴732上。
[0064] 通过位置传感器746和748提供腕件安装件712的取向位置确定。位置传感器746 提供关于臂件420的肩俯仰取向的位置数据。位置传感器748提供关于腕件安装件712的 肩偏航取向的位置信息。位置传感器746能够包括光学编码器、基于电位器（阻抗）的传 感器或两者。
[0065] 如图7C所不，位置传感器746包括被固定在臂件420上的第一部件752和被固定 在横梁支持件734上的第二部件754。因此，当横梁支持件734相对于臂件420旋转时，第 一部件752相对于第二部件754旋转。在位置传感器746包括基于电位器的传感器的情况 下，则第一部件752或第二部件754中的一个包括清扫器（swe印er)，并且第一部件752或 第二部件754的相反部件包括接合清扫器的电阻元件。总阻抗的最终指示表示第一部件 752相对于第二部件754的角度取向。同样，在位置传感器746包括光学传感器的情况下， 那么，第一部件752或第二部件754中的一个包括光学编码器，并且第一部件752或第二部 件754的相反部件包括读取该光学编码器的光头。再者，第一部件752相对于第二部件754 的角度取向可以通过最终信息进行确定。
[0066] 同样，肩偏航位置传感器748包括被固定在腕件安装件712上的第一部件758和 被固定在轴732上的第二部件756。随着腕件安装件712相对于轴732旋转（这将在肩偏 航接头600被致动时进行），则第一部件758相对于第二部件756旋转。同样，在位置传感 器748包括基于电位器的传感器的情况下，则第一部件758或第二部件756中的一个包括 清扫器，并且第一部件758或第二部件756的相反部件包括接合该清扫器的电位器，以便从 测量的阻抗来确定第一部件758相对于第二部件756的角度取向。同样，在位置传感器748 包括光学传感器的情况下，则第一部件758或第二部件756中的一个包括光学编码器，并且 第一部件758或第二部件756的相反部件包括光头，该光头读取该光学编码器，以确定第一 部件758相对于第二部件756的角度取向。
[0067] 图8A示出腕件411的偏航。腕件411的区段413被机械连结到腕件安装件712， 如图7A所示。区段412包括能够分别通过表面808和810中的匹配孔伸出以形成偏航枢 轴417的销806和828。如图8A所示，能够围绕分别抵靠表面808和810的销806和828 设置轴承802和804。因此，区段412能够绕偏航枢轴417旋转。
[0068] 图8B示出区段413的进一步方面。如图8B所示，区段413包括一个或更多个马 达816。如图8A所示，马达816提供影响区段812绕偏航枢轴417的旋转的力。如图8B进 一步所示，光学位置传感器828和电阻位置传感器826均提供关于区段212相对于区段213 的偏航旋转取向的信息，如图8A所示的。
[0069] 光学位置传感器828包括光头818和编码器820。如图8B所示，编码器820被安 置在安装件812上，安装件812被连接到销806。在此情况下，光头818读取编码器820,并 且编码器820相对于光头818的角度取向可以被确定。
[0070] 电阻传感器826包括清扫器824和电阻元件822。电阻元件822能够被固定在区 段413上。清扫器824能够被固定在安装件814上，安装件814被连接和固定到销828。同 样，清扫器824在电阻元件822上的角度取向以及由此区段412相对于区段413的角度取 向能够通过在清扫器臂824处所测量的阻抗确定。
[0071] 图8C示出腕件411的区段412。如图8C所示，陶瓷轮830和832提供表面，马达 816能够在所述表面上运行，以影响区段412相对于区段413的偏航旋转。俯仰和横滚致动 通过齿轮设备838执行。齿轮设备838啮合作为安装件410-部分的齿轮850。齿轮850 被机械连结到轴848。如图8C所示，齿轮设备838由马达834部分驱动，如同在下面所进一 步讨论的。轴848的俯仰和横滚运动通过齿轮设备838的差分驱动来实现。
[0072] 如图8C进一步所示，齿轮设备838包括核心860。进一步地，导线（未示出）能够 被连接在弹簧840与842之间并且通过核心860的导线槽846。这样的设置为轴848和安 装件410的俯仰运动提供了弹簧加载的平衡。
[0073] 图8D示出区段412的横截面，其示出齿轮设备838的运行。如图838所示，齿轮 设备838包括被固定于区段412的轴866。轴866穿过核心860。核心860接收轴848和 轴866,使得轴848穿过核心860中的轴866。进一步地，轮876和878被设置成绕轴866旋 转。轮876在轴承860和874上旋转，而轮878在轴承870和872上旋转。齿轮852被机 械连接到轮876,而齿轮874被机械连接到轮878。齿轮852和874接合齿轮850,齿轮850 被连接到轴848。
[0074] 轴承868和880允许轴848在核心860内旋转。则轴848和核心860能够在轴承 882和884上绕轴866旋转。因此，轴848能够绕其长度旋转，这是腕件横滚运动，并且轴 848能够绕轴866的长度倾斜，这是腕件俯仰运动。
[0075] 轮876包括陶瓷盘856,并且轮878包括陶瓷盘858。陶瓷盘856和858能够分别 被马达834和836接合，以便使轮878和876 (以及因而齿轮852和854)绕轴866旋转。 如图8D所示，如果轮876和878分别由马达834和836以相同的旋转感知/方向旋转，则 轴848绕轴866旋转，并且俯仰旋转受影响。如果轮876和878以相反旋转方向旋转，则轴 848绕其轴线旋转，并且横滚旋转受影响。
[0076] 图8E进一步示出齿轮设备838。如图所示，马达834接合陶瓷盘856,而马达836 接合陶瓷盘858。如上所述，在旋转期间，齿轮852和854接合齿轮850。当齿轮854和852 二者以相同旋转方向被驱动时，则核心860被旋转，且必然地，轴848被旋转。当齿轮854 和852以相反旋转方向被驱动时，则齿轮850被旋转，并且轴848绕其长轴线旋转。
[0077] 图8E进一步示出位置传感器862和864。位置传感器862和864分别提供关于 轮876和878的旋转位置的信息。从每个轮876和878的旋转位置，能够确定轴848和齿 轮850的俯仰和横滚位置。
[0078] 图8F示出位置传感器862。在某些实施例中，位置传感器864能够与位置传感器 862大致相同。一般来说，位置传感器862和864能够是分别提供轮876和878的旋转位置 的任何传感器。在图8F中示出的位置传感器862包括光学传感器和电阻传感器二者。
[0079] 如图8F所示，位置传感器862包括被固定安装到区段412的固定部分890。如图 8G所示，固定部分890包括光头898和电阻电位器轨道894。图8G示出固定部分890,其示 出固定部分890的面向轮876的侧面。如图8H所示，来自电位器轨道894和来自光头898 的信号被输入到电子连接器899,电子连接器899提供有关位置的两个测量的信号。因此， 如图8E所示，来自光头898和电阻清扫器892的信号被供应给其他电子器件。
[0080] 图8F和图8H示出电阻清扫器892的位置，电阻清扫器电接合电位器轨道894。如 图8H所示，电阻清扫器892被设置在轮876上，并提供在固定部分890上的电位器轨道894 之间的电连接。光头898从如图8H所示的被设置在轮876上的编码器896读取数据。编 码器896和清扫器892是相反于固定部分890。清扫器894和编码器896能够被设置在轮 876上，以反映轮876相对于固定部分890的运动旋转范围。在某些实施例中，轮876的运 动相对于固定部分890不旋转完整的360度。则位置传感器862提供基于电阻的位置信息 和基于光学的位置信息两者。
[0081] 图9A示出安装件410的实施例。如图9A所示，安装件410包括轴848和齿轮850。 如之前所讨论的，轴848和齿轮850被连结到腕件411。安装件410包括驱动器906和908 以及电气连接器910。如上所述，驱动器906和908被用于致动针基器械210的特征。电气 连接器910允许与储存在针基器械210内的过程或数据通信。在许多情况下，无菌适配器 414被连结到安装件410,并且针基器械210被连结到无菌适配器414。安装件410能够包 括按钮920和接收无菌适配器414的锁钩904。
[0082] 图9B示出通过安装件410的驱动器906和908的横截面。如图9B所示，驱动器 906被连结到轴920。驱动器908被连结到轴922。马达912接合被安装在轴916上的陶 瓷盘。当马达912抵靠陶瓷盘916接合时，轴920被旋转。轴920在轴承928和924上旋 转。同样，马达914接合被连结到轴922的陶瓷盘918。当马达914被接合时，轴918在轴 承926和930上旋转。
[0083] 在某些实施例中，在驱动器906与轴920之间以及在驱动器908与轴922之间可 以存在弹簧加载。以此方式，驱动器906和908可以在使用期间从针基器械210或无菌适 配器414吸收运动。
[0084] 此外，轴920可以接合位置传感器940,并且轴922可以接合位置传感器942。位 置传感器940和942提供关于驱动器906和908的旋转位置信息。
[0085] 图9C示出位置传感器940的示例实施例。位置传感器942可以与位置传感器940 大致类似。在如图9C所示的实施例中，位置传感器940包括电阻传感器和光学传感器两者。 盘950接合轴920,以便其随轴920转动。通过从被固定到盘950的编码器952接收光学信 息，光头948提供位置信息。进一步地，电阻清扫臂件946也被安装在盘950上。电阻清扫 臂件946电接合被固定于安装件410的电位器电阻元件944。因此，位置信息可以从清扫臂 件946和电位器电阻元件944接收的电阻信号以及从由光头948和编码器952确定的光学 数据确定。
[0086] 图10A和图10B示出能够被用于安装件410的无菌适配器414。如图10A所示，无 菌适配器414包括接合安装件410的闩904的适配器1002。进一步地，驱动器1006接合安 装件410的驱动器906,并且驱动器1008接合安装件410的驱动器908。无菌适配器414 的电气连接器1004与安装件410的电气连接器910连接。无菌适配器414还包括接收针 基装置210的托板1010。
[0087] 如图10B所示，针基装置210可以与驱动器1006和1008连结。电气连接器1012 与电气连接器1004连结。进一步地，托板1010中的闩1014可以将针基装置210固定到无 菌适配器414中。
[0088] 如上所述，腕件411和安装件410的坚直定位是通过由臂件420和撑杆418形成的 3D平行四边形提供，并由马达424通过驱动机构422驱动。平行四边形有助于最小化在其 他接头处的扭矩，并且也保持腕件411的区段413水平取向并且沿轨道440大致对齐。如图 4A所示，为了易于运动，臂件420平衡于重量446。如上所述，腕件411是偏航-俯仰-横 滚腕件。
[0089] 针插入到病人中是通过整个机器人110的协调运动执行的，而不是通过机器人 110中的一个专用接头的运动执行的。在某些实施例中，如图2所示，机器人110被限制成 在MRI器械孔内在病人腿部之间的空间中操作。结果，在机器人110的某些实施例中，构件 的尺寸和可允许的D0F运动能够被安排在这个限制空间内。
[0090] 机器人操纵器110的实施例能够被设置成利用各种DoF的组合。作为示例，并且非 限制性的，DoF的具体组合在下面被提供。沿轨道440的水平/轴向运动能够是大约215mm。 肩偏航接头600导致的在腕件411处的水平/横向运动能够是大约± 115mm。由肩俯仰接 头700致动的腕件411的坚直运动能够是大约± 125mm。坚直rom中心能够是大约177. 5。 倾斜或高度参数能够是+30°和-15°。由腕件411施加的摇移（pan)或方位角运动能够 是±15°。由机器人110施加的插入距离能够是150mm。由腕件411施加的横滚能够是 ± 135°。在器械210的某些实施例中，护套收缩和激光推进运动能够是25mm，并且横滚是 连续的。在针插入速度是50mm/s的情况下，针插入力能够是大约40N。
[0091] 所有接头能够由压电式马达驱动，例如由Nanomotion生产的那些压电式马达。马 达424和434能够是压电式马达，例如，如同申请号为13/767,801的美国实用新型专利申 请所描述的。基座438中的马达可以是例如线性压电式马达。在某些实施例中，线性马达 506 (图5A)可以是双路Nanomotion HR8马达。腕件偏航马达816 (图8B)中的每个马达可 以是例如双路HR2马达。腕件俯仰-横滚马达834和836可以是单路Nanomotion HR2马 达。在安装件410中的马达912和914 (图9B)可以由被安装在安装件410的壳体内的各 压电元件形成。
[0092] 图11是示出控制器120的功能的框图。如图6所示，在运动学处理器1102处在 控制器120中接收操作者输入。由于要被机器人110执行的过程的操作者指令，操作者输 入在控制台130起始。运动学处理器1102确定机器人110的运动并向马达驱动器1104提 供适当的信号。马达驱动器1104向机器人110上的每个马达提供驱动信号。运动学处理 器1102还向器械驱动器和接口 1106提供信号，这驱动马达912和914从而向器械210提 供输入。在某些实施例中，器械210向接口 1106提供输入信息。例如，这个输入信息可以 包括器械类型、器械历史和器械工作参数。由接口 1106提供的信息被提供给运动学处理器 1102并提供给控制台130,以便机器人110和器械210的适当运动可以被协调。
[0093] 位置确定1110确定和跟踪机器人110的位置。位置确定1110监测从运动学处理 器1102发送到马达驱动器1104的控制信号，并综合这些运动，以便基于每个马达的动作， 确定机器人110的每个接头的取向。因此，接头位置感测可以主要基于如上所述的在位置 确定1110中的增量编码器。在某些情况下，传感器，例如电阻电位器或光学位置传感器，可 以向位置传感器1108提供信号。位置传感器1108监测机器人110上的传感器并向位置确 定1110提供实时的绝对位置信息，这能够被用于确定机器人110的开始位置并用于增量确 定的位置的错误检查。如上所述，在机器人操纵器110中的马达是压电式马达。这些马达相 对于它们的开始位置的相对位置可以基于控制器120发送给它们的控制信号在控制器120 中被确定。在某些实施例中，电阻或光学定位传感器可以被安置在机器人110上，以提供开 始位置和错误检查。
[0094] 在某些实施例中，位置确定1110还可以从图像处理器1112接收数据。图像处理 器1112从扫描器140接收图像。图像处理器1112可以基于器械210的位置，确定机器人 操纵器110的位置。在某些实施例中，图像处理器1112可以基于被安装在器械210上的在 来自扫描器140的图像中可被具体探测的基准，确定器械210的定位。
[0095] 用于建造机器人110的材料是非磁性的，并且可以是例如铝、钛以及例如Ultem、 PEEK或Delrin的工程塑料。碳纤维可以用于特定区域。用于基座440的线性轴承可以是 陶瓷轴承。用于机器人110的其他运动的球形轴承可以是陶瓷轴承或可以是非磁性混合轴 承。用于位置传感器的编码器可以利用例如Avago Technologies (安华高科技公司）的光 学芯片。用于位置传感器的大多数电位器可以从Spectrum Controls公司获得。
[0096] 如上所述，机器人110是用于定位和驱动用于针对性诊断和治疗的针的紧凑型操 纵器。器械210可以是例如活组织检查器械、激光烧蚀器械、治疗递送器械或任何其他针基 器械。通过安装件410和马达413使用多个驱动输入来控制在器械210内的各DoF，例如旋 转，为器械210提供全笛卡尔定位和取向。一旦机器人110被初始定位，则针插入由机器人 110的接头的协调运动驱动。在初始定位时，例如，端部执打器安装件410能够被定位成最 小化对病人的干扰。
[0097] 器械210在申请号为61/599, 300的美国临时专利申请中被更详细讨论。器械210 在被安装到执行器安装件410之前能够被安装到无菌适配器414。无菌适配器和器械210 的键合和锁定在申请号为61/599, 300的美国临时专利申请中被讨论。
[0098] 进一步地，无菌接口可以由在机器人110上的铺巾（drap)提供。在器械210与机 器人110之间的接口允许控制器120确定关于器械210的信息，例如器械ID、序列号、几何 参数和用法。在某些实施例中，器械210可以包括用于在成像器内定位的嵌入基准。
[〇〇99] 所提供的上述【具体实施方式】是为了举例说明本发明的特定实施例，并不是限制性 的。在本发明范围内的许多变化和更改是可能的。本发明在下列权利要求中阐述。
【权利要求】
1. 一种器械操纵器，其包括： 轨道； 被连结成沿所述轨道骑乘的平移托架，所述平移托架由线性马达沿所述轨道推进； 被连结到所述平移托架的肩偏航接头，所述肩偏航接头由肩偏航马达致动； 被连结到所述肩偏航接头的肩俯仰接头，所述肩俯仰接头包括臂件、被连结到所述臂 件的腕件安装件、被连结在所述腕件安装件与所述肩偏航接头之间以形成3D平行四边形 的撑杆以及被连结成致动所述肩俯仰接头、所述撑杆、所述臂件和所述腕件安装件的肩俯 仰马达； 被连结到所述腕件安装件的偏航-俯仰-横滚腕件，所述偏航-俯仰-横滚腕件包括 由一个或更多个腕件偏航马达致动的偏航接头和由差分驱动的俯仰-横滚马达致动的差 分驱动的俯仰-横滚接头；以及 被连结到所述腕件的器械安装件，所述器械安装件具有提供器械驱动器的一个或更多 个器械马达。
2. 根据权利要求1所述的操纵器，其进一步包括被连结到所述线性马达的控制器，所 述控制器被连结到所述线性马达、所述肩偏航马达、所述肩俯仰马达、所述一个或更多个腕 件偏航马达、所述差分驱动的俯仰-横滚马达以及所述一个或更多个器械马达，所述控制 器提供信号来定位所述操纵器并协调被连接到所述器械安装件的针基器械的插入。
3. 根据权利要求2所述的操纵器，其中所述腕件能够被旋转成使得所述器械安装件被 定位成最小化对病人的干扰。
4. 根据权利要求1所述的操纵器，其中所述器械安装件通过无菌适配器与器械连结。
5. 根据权利要求1所述的操纵器，其中所述针基器械是活组织检查器械。
6. 根据权利要求1所述的操纵器，其中所述针基器械是烧蚀器械。
7. 根据权利要求1所述的操纵器，其中所述针基器械包括用于所述针基器械的针在图 像中定位的基准。
8. 根据权利要求2所述的操纵器，其中所述控制器基于提供给所述线性马达、所述肩 偏航马达、所述肩俯仰马达、所述一个或更多个腕件偏航马达、所述差分驱动的俯仰-横滚 马达和所述一个或更多个器械马达的信号，确定所述操纵器的位置。
9. 根据权利要求8所述的操纵器，其中所述控制器基于被安装在所述操纵器上的一个 或更多个传感器，进一步确定所述操纵器的位置。
10. 根据权利要求1所述的操纵器，其中所述平移托架包括平移位置传感器，所述平移 位置传感器确定所述平移托架在轨道440上的位置。
11. 根据权利要求10所述的操纵器，其中所述平移位置传感器是电阻传感器。
12. 根据权利要求10所述的操纵器，其中所述平移位置传感器是光学传感器，并且光 学编码器被安置在所述轨道上。
13. 根据权利要求1所述的操纵器，其中所述平移托架包括接合所述轨道上的导轨的 轴承。
14. 根据权利要求1所述的操纵器，其中所述肩偏航接头包括 被连结到所述平移托架的基座，所述肩偏航马达被连结到所述基座； 被连结到所述基座的支持壳体； 穿过所述支持壳体和所述基座的轴；以及 被连结到所述轴的端部的滑动齿轮，所述滑动齿轮接合所述肩偏航马达，以便所述肩 偏航马达能够致动所述轴旋转。
15. 根据权利要求14所述的操纵器，其中所述支持壳体包括用于所述撑杆的接收器。
16. 根据权利要求14所述的操纵器，其中所述肩俯仰接头被连结到所述轴。
17. 根据权利要求1所述的操纵器，其中所述肩俯仰接头包括 被连结成接收所述肩偏航接头的交叉支持件； 被连接到所述交叉支持件的第一滑动齿轮； 被连结成绕所述交叉支持件旋转的臂件，所述肩俯仰马达被固定到所述臂件并驱动第 二滑动齿轮，所述第二滑动齿轮接合所述第一滑动齿轮，使得所述臂件在所述交叉支持件 上的旋转由所述肩俯仰马达致动； 被连接到所述臂件以平衡被施加到所述腕件安装件的重量的平衡件。
18. 根据权利要求17所述的操纵器，其中所述腕件安装件包括 腕件安装件交叉支持件，其被连结到所述臂件以允许所述腕件安装件交叉支持件在所 述臂件中旋转； 被连接到所述腕件安装件交叉支持件的轴；以及 可旋转连结在所述轴上的一个或更多个接收器，所述一个或更多个接收器接收所述撑 杆。
19. 根据权利要求18所述的操纵器，其进一步包括被连结在所述臂件与所述腕件安装 件交叉支持件之间的肩俯仰位置传感器。
20. 根据权利要求18所述的操纵器，其进一步包括被连结在所述轴与所述一个或更多 个接收器之间的肩偏航位置传感器。
21. 根据权利要求1所述的操纵器，其中所述偏航-俯仰-横滚腕件包括 被连接到所述肩俯仰接头的所述腕件安装件的第一区段，所述第一区段包括一个或更 多个腕件偏航马达； 第二区段，其可旋转接合所述第一区段以便当被所述一个或更多个腕件偏航马达致动 时所述第二区段相对于所述第一区段旋转，所述第二区段包括接合所述俯仰-横滚马达的 差分齿轮设备，当被连结到安装齿轮时所述差分齿轮设备提供横滚和俯仰。
22. 根据权利要求21所述的操纵器，其中所述差分齿轮设备包括 核心，其接收被连接到所述安装齿轮的安装轴和被固定到所述第二区段的轴，使得所 述核心绕被固定到所述第二区段的所述轴旋转； 带有第一齿轮的第一轮，所述第一齿轮被设置成绕被固定到所述第二区段的所述轴旋 转，所述第一齿轮接合所述安装齿轮，所述第一轮由第一俯仰-横滚马达驱动； 带有第二齿轮的第二轮，所述第二齿轮被设置成绕被固定到所述第二区段的所述轴旋 转，所述第二齿轮接合所述安装齿轮，所述第二轮由第二俯仰-横滚马达驱动。
23. 根据权利要求21所述的操纵器，其中第一差分位置传感器被连结在所述第二区段 与所述第一齿轮之间，并且第二差分位置传感器被连结在所述第二区段与所述第二齿轮之 间。
24. 根据权利要求1所述的操纵器，其中所述器械安装件包括 安装轴和连结到所述偏航-俯仰-横滚腕件的安装齿轮；以及 被连结在所述器械安装件的壳体与所述器械驱动器之间的位置传感器。
【文档编号】A61B17/34GK104114107SQ201380009220
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年2月15日 优先权日:2012年2月15日
【发明者】D·W·贝利, S·P·迪马奥, T·赵, L·N·维尔纳, A·E·洛, J·索尔热, B·M·斯凯纳 申请人:直观外科手术操作公司