半刚性骨骼附接机器人手术系统的制作方法
【专利摘要】一种用于将具有其安装在患者附近的基座的手术机器人附接到该患者的骨骼的骨骼连接系统。该系统结合有被附接在该骨骼和该机器人的支承元件之间的可转换的骨骼连接单元。该单元具有锁定状态和释放状态，在该锁定状态中，该骨骼被基本上刚性地附接到该支承元件，在该释放状态中，该骨骼能够相对于该支承元件移动。该单元包括用于确定施加在骨骼和该机器人的支承元件之间的力的力传感器以及用于测量该骨骼相对于所述机器人的该支承元件的位置的位置传感器。当该力超过预定水平时，该单元从其锁定状态转换到其释放状态，该预定水平被选择成确保该骨骼能够移动，而无需卸下任何骨骼连接元件。
【专利说明】
半刚性骨骼附接机器人手术系统
技术领域
[0001]本发明涉及使用附接到受治疗者的骨骼的机器人进行机器人手术的领域，特别地，其中附接元件的可选择的刚度是必不可少的，以使患者能够在外科手术期间移动(例如呼吸)而在手术工具和患者的正在其上实施手术的身体部分之间并不丧失位置关系。
【背景技术】
[0002]在骨骼安装式机器人手术系统(例如在授予M.Shoham的名为“微型骨骼附接手术机器人”的美国专利N0.8，571，638中所描述的系统)中，该整个机器人与患者骨骼的运动一起移动，使得被保持在机器人臂中的手术工具并不相对于其操作位置与患者的运动(例如在呼吸循环期间)一起移动。
[0003]然而，当使用一种安装在固定位置(例如在患者床上、或在地板上、或靠近患者床的天花板)中的常规手术机器人时，患者的呼吸致使身体部分相对于机器人移动，使得在其手术工具被附接于致动臂末端的情况下，机器人基座和该机器人所操作的移动身体部分之间存在冲突。为了确保准确的手术性能，需要考虑身体运动。某些这种系统通过导航系统跟踪患者身体的移动，该导航系统追随身体部分的位置并且通过相应地调节机器人的姿态来补偿该移动。其它类似系统(例如授予B.Mittelstadt的名为“用于定位手术机器人的方法和系统”的美国专利N0.5，806，518中所描述的系统)使用骨骼固定元件和追随该骨骼的运动的骨骼从动元件，并向该机器人提供反馈信号来对其进行纠正。而其它系统(例如在与本申请具有共同发明人的名为“用于手术机器人的活动床架”的PCT申请N0.PCT/IL2012/000387中所描述的系统)在机器人臂和患者的身体部分之间提供了一种刚性连杆，以便连接该身体部分的空间位置和机器人操作臂。该刚性连杆结合有力传感器，并且施加在该连杆上的力被测量用于在反馈伺服系统中使用以控制所致动的机器人臂的机械支承元件的移动，从而允许其与患者骨骼的移动一起移动，由此维持了手术工具相对于患者骨骼的空间位置。
[0004]然而，由于机器人致动臂末端必须与与正被手术的身体部分的位置确实相关联，因此在不使用这种主动控制的床装式或落地安装式系统中，存在如何调节患者身体的移动的问题。机器人与患者骨骼的连接将试图抑制患者骨骼的移动，其可部分地成功抑制，特别是在以下列方式支承患者的胸部的情况下，即，它可随意地扩大，这是由于连杆本身和机器人臂杆具有一些柔性元件。然而，最终由于不能完全地抑制住诸如呼吸运动之类的这种患者运动，因此连杆可能与患者骨骼分离开，并且将丢失机器人相对于患者的身体部分的参考位置。
[0005]因此需要提供一种能够使机器人臂空间地附接到患者的正被手术的身体部分的系统，但并不限制患者在规定范围内移动他/她的身体的能力，并且该系统因此克服了现有技术系统和方法的至少一些缺点。
[0006]在本专利说明书的本部分中以及其它部分中所提到的每个公开文献的公开内容在此均通过参引被全部结合到本文中。
【发明内容】
[0007]本公开描述了用于患者上的机器人手术的新型示例性系统，该系统包括位于用于机器人臂的支承构件和患者的正在其上实施手术的身体部分之间的连杆。所使用的身体部分通常为骨骼，这是因为这提供了牢固的夹持和限定的夹持位置。由于大多数应用将涉及与患者骨骼的附接，因此贯穿本公开，骨骼附接将被用作该系统的选定应用示例，尽管将会理解的是，该应用并不旨在被限制于用于骨骼连接。出于该原因，安装在该连杆上的操作机构在下文中被称为“骨骼连接单元”或BCU，尽管并不理解为将其限制于此。
[0008]机器人臂支承元件或支承结构在本公开中被解释为涵盖位于真实机器人基座和机器人机构的被致动的那些部件之间的任何类型的机械构件、结构乃至臂，那些部件被致动，使得它们的设置或移动限定了端部致动器相对于患者身体的机械姿态。在这方面中，机器人的从其真实基座直到该连杆与机器人支承元件的附接点的所有部件均可被认为是该机器人的所谓“虚拟基座”的一部分，这是由于所有的那些部件均被相对于患者固定住，该“基座”部分中的任何活动链接均被出于该目的而锁定。另一方面，机器人的位于该连杆到该支承元件的附接点之外的所有那些区段(其可包括一个或多个机器人致动连杆)可被认为是该活动机器人本身。
[0009]本文中所述的连杆与现有技术连杆的不同之处在于，它结合有两个传感器，并且该系统包括它们相关联的操作机构和电路:
[0010](i)用以确定施加在位于该骨骼和该机器人臂支承结构之间的该连杆上的纵向力的力传感器。该力传感器适于在该力超过预定水平时，从该机器人臂支承件上释放该连杆。该水平被选择成确保一方面它是足够低的，使得患者并不感觉到过度不适或危及到他/她的呼吸，并且另一方面确保它是足够高的，使得该连杆并不使本身与它所连接的身体部分完全地分离，而非如预期的那样致动其释放机构。虽然术语“力传感器”的惯常意义是一种用于测量力的装置，但将会注意到的是，在本公开中，术语“力传感器”用于指代一种用于感测所施加的力以能够根据感测到的力实施一个或多个动作(例如将连杆与BCU本体锁定或从其上释放)而绝非仅仅用于测量该力的装置。
[0011](ii)位置传感器，其用于追踪该连杆相对于该机器人支承结构的位置，使得当该连杆通过上述段落(i)的力传感器机构的致动而被与该机器人支承结构分离开时，该连杆的精确位置在它移动的所有阶段均是已知的。随后，当患者身体的运动平息时，该连杆可被在与分离之前它所附接的位置完全相同的位置再次附接到该机器人支承结构，从而保持机器人臂的端部处的手术工具和患者的身体部分之间的已知空间关系。作为一种替代方案，由于无论连杆处于其移动范围中的任何位置，该连杆的位置均是已知的，因此该连杆可被在任何预定位置处再次附接并且对机器人定位数据进行适当的校正。
[0012]此外，当该连杆被释放并被相对于所致动的机器人臂自由地移动时，其位置应该被不断地从BCU控制器传递到该机器人控制器，以便利用正被手术的患者骨骼的位置来更新该机器人控制器。没有这些信息，以机器人的方式受到引导的手术工具的位置与患者骨骼的对准会失去，从而致使该以机器人的方式受到引导的系统无效。
[0013]这些传感器被最为有利地结合到单个单元中，该单个单元被放置在位于患者的身体部分(例如骨骼)的夹具和该机器人臂支承元件的附接点之间的该连杆上。尽管用于安装该单元的最为方便的位置是该连杆被附接到该机器人支承元件的位置，但将会理解的是，它也可被沿着该连杆安装于任何其它点处，乃至安装于患者骨骼附接夹具处。此外，该力传感器可作为替代被安装在该连杆上，例如被通过一个或多个应变仪力传感器的附接安装于其上，并且并不位于该单个单元内。
[0014]本公开中所述的新型连杆结构的使用具有将床装式或落地安装式的机器人的基座位置虚拟地重新定位于位于正在手术的区域中的患者骨骼的作用。在这方面，本系统可以将甚至具有将使其不能被支承在骨骼上的尺寸和重量的任何机器人转换成伪“骨骼安装式”机器人，其具有该构造关于将机器人位置限定到患者的身体部分所提供的所有优点。该系统因此在脊柱手术中是重要的，其中，需要不断地考虑患者的呼吸运动以保持机器人对准的精确度。该系统因此可被描述为一种半刚性的骨骼连接系统，这是由于该骨骼附接属性可被描述为具有刚性和非刚性的构造，可根据通过该系统所附接的患者的任何运动而被施加到该单元的力自动地进行转换。
[0015]为了提供快速而简单的操作，B⑶机构通常为机电的，从而方便地结合有机械弹簧传感器、螺线管和位置传感器(无论是磁性的或光学的或其它)。
[0016]因此，根据本公开中所述的装置的示例性执行方案提供了一种用于将具有其安装在受治疗者附近的基座的手术机器人附接到该受治疗者的骨骼的骨骼连接系统，该系统包括被附接在该骨骼和该手术机器人的支承元件之间的可转换的骨骼连接单元，该可转换的骨骼连接单元具有锁定状态和释放状态，在该锁定状态中，该骨骼被附接到该支承元件，在该释放状态中，该骨骼可相对于该支承元件移动，该可转换的骨骼连接单元包括，
[0017](i)用于确定施加在骨骼和该机器人的支承元件之间的力的力传感器，以及
[0018](ii)用于测量该骨骼相对于该机器人的支承元件的位置的位置传感器，
[0019]其中，该可转换的骨骼连接单元适于在该力超过预定水平时，从其锁定状态转换到其释放状态。
[0020]在这种系统中，该可转换的骨骼连接单元可进一步适于在测量到的位置示出了该骨骼已经相对于该机器人的支承元件返回到预定位置时，从其释放状态转换到其锁定状态。此外，该骨骼连接单元也可适于使用测量到的该骨骼相对于该骨骼连接单元的位置，使得该骨骼连接系统指令该机器人调节其致动臂末端的位置，使得在该骨骼连接单元的释放状态期间保持该致动臂末端相对于该骨骼的位置。在后两种情况中的任一种中，该预定位置可以是在该骨骼连接单元处于其初始锁定状态中时，该骨骼相对于该骨骼连接单元的位置。
[0021]此外，在上述系统中的任一种中，该骨骼连接系统还可包括附接在该骨骼连接单元和该骨骼之间或在该骨骼连接单元和该支承元件之间的连杆。在这种情况下，该系统可还包括弹簧，该弹簧被设置成，使得该连杆抵抗弹簧的移动能够确定施加在该骨骼和该支承元件之间的力何时超过该预定水平。该弹簧可以是被预加载的或是空载的。
[0022]此外，在结合有连杆的上述系统中的任一种中，该骨骼连接单元可包括具有至少一个突出部的电磁线圈致动元件，该至少一个突出部适于与该连杆能够在其内移动的本体中的至少一个匹配中空部啮合，使得该至少一个突出部与该至少一个中空部的啮合将该骨骼连接单元转换到其锁定状态中。作为选择，该连杆可包括不对称轴，该不对称轴被偏心地设置在位于该骨骼连接单元中的圆柱形膛孔中，使得该轴的旋转锁定或释放该连杆的移动。
[0023]通常，在上述骨骼连接系统中的任一种中，该力传感器可位于该骨骼连接单元内或该连杆上。该机器人本身可以是床装式的或落地安装式的或吊顶安装式的。此外，该骨骼连接单元可被附接到该机器人的位于其基座和其致动臂末端之间的元件，或被附接到该受治疗者的骨骼。此外，该位置传感器可以是光学或磁性的线性编码器或光电开关。
[0024]根据另一执行方案，在本公开中所述的骨骼连接系统中，该骨骼连接单元可被在该机器人的中间关节处附接到该机器人，在这种情况下，机器人的位于其基座和该中间关节之间的那些关节应被锁定，使得该机器人的有效基座被转移到该骨骼连接单元与该机器人的附接位置。
[0025]包括连杆的那些上述骨骼连接系统的其它执行方案可还包括:
[0026](i)位于该骨骼连接单元的壳体中的弹簧加载的柱塞，以及
[0027](ii)位于该连杆的圆周上的凹槽，
[0028]其中，当该弹簧加载的柱塞位于该凹槽内时，随后获得该锁定状态，并且当该弹簧加载的柱塞位于该凹槽之外时，获得该释放状态，并且至少该弹簧加载的柱塞上的力以及该凹槽的壁轮廓被选择成，使得当将预定力施加在该连杆上时，该骨骼连接单元从其锁定状态转换到其释放状态。
[0029]在本公开中所描述的其它执行方案实施一种将安装在受治疗者附近的手术机器人附接到该受治疗者的骨骼的方法，包括:
[0030](i)通过具有锁定状态和释放状态的可转换的骨骼连接单元将骨骼连接到该机器人的支承元件，在该锁定状态中，该骨骼被附接到该支承元件，在该释放状态中，该骨骼可相对该支承元件移动，
[0031](ii)检测施加在该受治疗者的骨骼和该机器人的支承元件之间的力，
[0032](iii)测量该骨骼相对于该机器人的支承元件的位置，以及
[0033](iv)当该力超过预定水平时，将该骨骼连接单元从其锁定状态转换到其释放状
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[0034]这种方法可还包括下列步骤:当测量到的位置示出该骨骼已经相对于该机器人的支承元件返回到预定位置时，将该骨骼连接单元从其释放状态转换到其锁定状态。此外，该方法可还包括下列步骤:利用测量到的该骨骼相对于该骨骼连接单元的位置来指令该机器人调节其致动臂末端的位置，使得当该骨骼连接单元处于其释放状态中时，保持该致动臂末端相对于该骨骼的位置。在后两种情况中的任一种中，该预定位置可以是在该骨骼连接单元处于其初始锁定状态中时，该骨骼相对于该骨骼连接单元的位置。
[0035]此外，在上述方法中的任一种中，该骨骼连接系统也可包括被附接在该骨骼连接单元和该骨骼之间或在该骨骼连接单元和该支承元件之间的连杆。在这种情况下，该力传感器可利用该连杆抵抗弹簧的移动来确定施加在该骨骼和该支承元件之间的力何时超过该预定水平。该弹簧可以是被预加载的或是空载的。
[0036]此外，在涉及连杆的上述方法中的任一种中，该骨骼连接单元可包括具有至少一个突出部的电磁线圈致动元件，该至少一个突出部适于与该连杆能够在其内移动的本体中的至少一个匹配中空部啮合，使得通过该至少一个突出部与该至少一个中空部的啮合将该骨骼连接单元转换到其锁定状态内。作为选择，在涉及使用连杆的这些方法中，该连杆可包括不对称轴，该不对称轴被偏心地设置在位于该骨骼连接单元中的圆柱形膛孔中，使得通过该轴的旋转锁定或释放该连杆的移动。
[0037]在上述骨骼连接系统中的任一种中，该力传感器可位于该骨骼连接单元内或该连杆上。该机器人本身可以是床装式的或落地安装式的或吊顶安装式的。此外，该骨骼连接单元可被附接到机器人的位于其基座和其致动臂末端之间的元件，或被附接到该受治疗者的骨骼。此外，该位置传感器可以是光学或磁性的线性编码器或光电开关。
[0038]根据其它执行方案，在本公开中所述的方法中，该骨骼连接单元可在该机器人的中间关节处被附接到该机器人，在这种情况下，机器人的在其基座和该中间关节之间的那些关节可被锁定，使得该机器人的有效基座被转移到该骨骼连接单元与该机器人的附接位置。
[0039]在涉及使用结合有连杆的骨骼连接系统的那些上述方法的其它执行方案中，该骨骼连接单元可还包括:
[0040](i)位于该骨骼连接单元的壳体中的膛孔中的弹簧加载的柱塞，以及
[0041](ii)位于该连杆圆周上的凹槽，
[0042]其中，当该弹簧加载的柱塞位于该凹槽内时获得该锁定状态，并且当该弹簧加载的柱塞位于该凹槽之外时获得该释放状态，并且至少该弹簧加载的柱塞上的力以及该凹槽的壁轮廓被选择成，使得当将预定力施加在该连杆上时，该骨骼连接单元从其锁定状态转换到其释放状态。
【附图说明】
[0043]通过结合附图作出的下列详细描述，将更为充分地明白和理解本发明，在附图中:
[0044]图1A和图1B示意性地示出了被安装在落地安装式机器人上的示例性骨骼连接单元(BCU)的等距视图；
[0045]图2是示例性BCU的剖视示意图，以示出该BCU可作为转换式骨骼连接构件操作的一个方法和结构，其中，使用弹簧来测量它转换其夹持状态所处的阈值；
[0046]图3A到图3D示意性地示出了不同于图2的视图的替代力感测方法的等距和剖视图，其中，连杆的由于施加在其上的力而产生的运动被借助于光学开关进行检测；
[0047]图4A到图4C示意性地示出了本发明的BCT的另一替代执行方案，其中使用一种用于锁定和释放浮动衬套的新型销锁定装置；
[0048]图5A到图5C示意性地示出了又一示例性骨骼连接单元，其也采用一种基于弹簧的力感测方法，但利用了在膛孔中作为该锁定机构操作的凸轮形轴，以及
[0049]图6A到图6C示意地示出了另一力感测机构，不同于图2到图5C中所示的BCU，它依赖于一种用于力感测的柱塞和缩进环槽机构，而并不依赖于压缩弹簧。
【具体实施方式】
[0050]现在参考图1A和图1B，其分别示出了被安装在床装式或落地安装式机器人12上的示例性骨骼连接单元(BCU)1的等距示意图。图1A是一种靠近位于手术台上的患者19的示例性落地安装式机器人设施12的总体视图，尽管该机器人同样可以是床装式或吊装式的。该机器人包括位于其多个臂17之间的多个分开的铰接控制的关节16，这些关节既可在附图的平面中又可在该附图的平面之外提供移动，从而提供多个自由度。BCU 10被示出为被刚性地附接到机器人的接近患者19的一个关节壳体18，使得连杆13可被附接在患者的骨骼和BCU 10之间。可通过骨骼夹具或克氏针或其它任何合适的方法来实现骨骼的连接。机器人的从其真实基座直到BCU的区段被称为机器人支承结构11或机器人基座臂，这是由于它充当刚性支承本体，尽管它可结合有多个机器人关节16，但由于一旦该机器人的那个部分已经进入正确位置以使该连杆13能够在患者体内的附接点上方对准，那些关节就被锁定到适当位置。机器人的超出该连杆的那些分段被称为致动机器人臂15，这是由于这是机器人的下列部分，该部分或者被控制以呈现出正确姿态从而使外科医生能够在患者19上精确地实施手术，或者甚至是被控制移动，使得它实施所需的手术动作。该致动机器人臂15可具有多个控制关节16，以使其能够采取其所需的姿态，并且如将在下文中所看到的那样，以补偿患者的移动。在该致动机器人臂15的端部处，示出了一种示例性的手术工具，例如引导插管
14。该连杆13本身可以是克氏针或任何其它合适的刚性元件，该刚性元件可被直接地或通过附加连接元件(例如骨骼夹具)附接到患者的骨骼或其它身体部分。
[0051]因此，在这方面中，从其真实基座直到BCU10所附接的点18的所有机器人区段均可被认为是支承致动机器人臂15的虚拟机器人基座11，使得该机器人的静态基座被有效地转移到接近患者的该BCU 10。与机器人的真实基座一样，该BCU “虚拟基座”11在外科手术过程中并不移动。
[0052]图1B是BCU10本身的放大视图，示出了从其下部末端伸出的连杆13，同时其本体被牢固地安装到机器人支承结构11上，该机器人支承结构为该虚拟机器人基座的牢固附接部分。
[0053]现在参考图2，其为示例性BCU的截面示意图，以示出该BCU可通过其进行操作的一个示例性方法和结构。该BCU的操作机构被容纳在被刚性地附接到图1A和图1B的机器人支承结构11的壳体20内。应在其远侧末端处附接到患者的骨骼的连杆13被安装在装配在壳体20的内部膛孔内的浮动衬套21内，并且可在其中纵向地滑动以使连杆能够移动。可通过由电磁线圈23控制的锁定装置来使该浮动衬套无法在BCU壳体内的移动，这可防止该浮动衬套在壳体内纵向地移动，并且可通过将该浮动衬套21纵向地锁定在壳体20内的任何位置处来达到这一点。在图2中所示的示例性BCU结构中，该锁定装置通常可包括沿该浮动衬套的外壁的长度布置的一组齿或凹槽24以及方便地可以是呈相对齿27的形式的一个或多个突出部，这些突出部被附接到电磁线圈23的操作杆，使得有齿突出部可被制成为与该浮动衬套的齿或凹槽24啮合以将其锁定在适当位置中。下文中说明实施该锁定所处的情况。当该锁定装置并未接合并且该浮动衬套可移动时，通过两个浮动弹簧22来约束其移动，这些浮动弹簧中的每一个都紧靠在该壳体的内部膛孔的一端上，使得抑制了该浮动衬套的运动。
[0054]连杆13的相对于BCU壳体的位置应该通过位置传感器进行监控，该位置传感器在图2的示例性BCU中被通过光学或磁性的线性编码器25、29示出。通常来说，通过位置传感器25的头部来检测和测量被附接到该连杆的磁性或光学条状图形编码器29的移动，使得该连杆相对于壳体的纵向位置以及因此其在患者空间中的绝对位置和运动是已知的。
[0055]连杆13在浮动衬套内的移动通过力弹簧26予以约束。该力弹簧26应被预加载有通过患者的移动施加在该连杆上的预定力，其中所确定的是该连杆需要被从该机器人臂支承件上释放。对于在患者的脊柱上实施的手术，该力水平被通常设置在约Ikg或略少。可通过调节螺钉(未示出)来调节该水平。只要施加在连杆上的力不超过该力弹簧上的预加载，该连杆就不在浮动衬套的膛孔内移动，并且该力被牵制在该力弹簧内，从而抵消了该预加载力。因此，通过位置传感器25并未检测到移动。当由患者在连杆上施加的力不超过该预加载力时，连杆13开始纵向地移动到浮动衬套21的内部膛孔中，并且由位置传感器25来检测该初始运动，该位置传感器的信号被输入到BCU控制器5。对该弹簧进行预加载因此具有完全保持机器人与骨骼的精确对准直到该移动开始为止的优点。然而，对于不精确的应用，该力弹簧无需被预加载，并且通过位置传感器25测量该连杆的抵抗该力弹簧26推动的小移动。一旦该连杆的测量到的移动通过使用初步校准表明其上施加的力超过该连杆必须被释放的预定力水平，BCU控制器5就输出如先前实施例中的信号。
[0056]根据上述弹簧构造中的任一种，该信号实施两个动作:
[0057](i)它记录连杆13的位置，以及
[0058](ii)它致动该电磁线圈23以从锁定齿24缩回突出部27，并将它保持在缩进位置中，使得整个浮动衬套21现在可在该BCU壳体内移动。
[0059]BCU释放机构的致动意味着该连杆13及其浮动衬套21能够在固定的BCU壳体20内自由移动并且因此能够相对于固定的机器人支承结构11自由移动，以便能够按照预期完成患者运动(例如呼吸)。位于浮动衬套21的任一端上的这两个浮动弹簧22使该浮动衬套能够随着患者的呼吸运动以受约束的方式提升和回落。BCU控制器5通过位置传感器25的输出信号追随该连杆13的位置，并且当连杆13返回到如由BCU控制器5记录的其原始平衡开始位置时，该控制器向电磁线圈23发出信号，以便将突出部27锁定回到浮动衬套21的锁定齿24中。该系统随后被利用被相对于机器人支承结构11刚性地保持的连杆13锁定，从而准备好检测其合力超过预定阈值的另一患者运动，在该预定阈值处该连杆13被再次解锁。
[0060]然而，在BCU的操作循环的该部分期间，当该连杆13能够自由移动时，身体部分或骨骼的位置相对于机器人支承结构11的位置变化。因此，处于致动机器人臂15的端部处的手术工具的位置也变化(该位置限定了在该身体部分或骨骼上正实施手术过程所处的位置)，从而使手术工具和它正在其上实施手术的身体部分或骨骼之间的所有先前已知的空间关系均失效。为了避免出现该问题，BCU控制器5也适用于不断地向机器人控制器(未示出)传送基于从位置传感器25接收到的位置信号的修正信号，以将该手术工具的位置调节到其正确的预期位置，从而补偿患者的运动。
[0061]通过释放锁定齿24来确定该连杆的初始平衡静止位置，使得该浮动衬套能够随患者的呼吸自由地移动，以便确定连杆13的运动范围，并且随后将齿24锁定于预定位置，通常更为接近患者的呼气状况。然而，尽管可通过返回参考该原始平衡开始位置来获得最为方便的操作方法，但仅当再次达到该位置时将BCU锁定是不必要的，这是由于可存在下列情况，即因患者的整个运动而非因呼吸循环的简单和有限的运动，导致该连杆可能不回到其原始平衡开始位置，并且锁定随后应该发生于不同位置。
[0062]在连杆13中的凹槽中行进的销28可被用于防止该连杆相对于壳体20转动，以便保持位置传感器25与其条状图形编码器29正确地对准。
[0063]现在参考图3A到图3D，其示意性地示出了一种替代力感测方法，其中，由于其上所施加的力所导致的连杆的运动通过光学开关进行检测。如在图2中所示的执行方案中，连杆13被安装在装配在壳体30的内部膛孔内的浮动衬套31内，并且可在其中纵向地滑动以使连杆能够移动。可通过由电磁线圈33控制的锁定装置来使该浮动衬套无法在BCU壳体内的移动。在图3A到图3D中所示的示例性BCU结构中，该锁定装置包括在浮动衬套31的外壁中切割出的凹槽34以及两凸边敞开的套环元件37，该套环元件在图3C的等距示意图中被清楚地示出并被附接到电磁线圈33的操作杆，使得当套环元件37被推入到凹槽34中时，它将该浮动衬套31锁定到适当位置中。连杆13在浮动衬套31内的移动通过力弹簧36进行约束，随着连杆上的力增大，该力弹簧略微压缩。在如图3D中所示的浮动衬套31的顶部，光学开关35被定位成，使得当连杆13上的力增大到超过预定水平时，连杆13的末端中断该光学开关35的光束，从而提供连杆上的阈值力已经达到的信号。该信号随后由BCU控制器5进行处理以指令该电磁线圈33释放浮动衬套31的锁定装置。该连杆随后能够随着患者的呼吸而自由地移动，仅由浮动弹簧32加以约束，该浮动弹簧抑制该移动并防止浮动衬套用力碰撞该壳体的端板。与图2的执行方案一样，也需要位置传感器以限定BCU相对于以机器人的方式控制或引导的手术工具的位置的参考位置。
[0064]现在参考图4A到图4C，其示意性地示出了本发明的BCU的另一替代执行方案，其使用了一种用于锁定和释放浮动衬套41的新型销44锁定装置。此外，该销44被用于确定连杆13上的力何时足以致使浮动衬套41被释放，使得它可在壳体40内自由地移动。如图4A中所示，在锁定位置中，销44置靠在连杆13的外表面上，使得该连杆13可在浮动衬套41内移动，但该销44从浮动衬套41径向地伸出到壳体40中的圆周凹槽43中，使得该浮动衬套被锁定于壳体。如前所述，该连杆13抵抗力弹簧46操作，该力弹簧随着增大连杆上的力而压缩。连杆13在其外表面中具有凹槽47，该凹槽具有如下尺寸，使得当该销可朝向该连杆向内移动时，在其弹簧48的影响下，位于浮动衬套41中的径向孔中的弹簧加载销44将滑入到凹槽47中。该连杆在浮动衬套41内的平衡纵向位置使得该销44保持在其置靠在该连杆13的外表面上的外部位置中，直到连杆上的力达到预定的阈值水平为止，此时，连杆13已经充分地向内移动，该凹槽47现在处于下列位置中，其中，该销44可在其弹簧48的影响下恰好滑入到该凹槽中。如图4B中所示，一旦该销44移动到该凹槽中，它就不再伸入到壳体40中的圆周凹槽43中，使得该浮动衬套41现在能够在壳体40内自由地移动，同时，该销44将连杆13锁定于浮动衬套41，使得它们一起在壳体40的膛孔内滑动。如前所述，浮动弹簧42控制浮动衬套41的过快或极限运动。尽管已经使用单个销提出了上述解释，但将会理解的是，也可使用每个都具有其偏压弹簧48的不止一个销44，如在图4C中的该BCU的等距剖视图中所示。
[0065]现在参考图5A到图5C，其示意性地示出了另一示例性骨骼连接单元，该骨骼连接单元还采用了一种基于弹簧的力感测方法。图5A是其盖部被移除以示出其工作部件的BCU的等距视图，而图5B是组成部件的示意图，并且图5C示出了该锁定机构的操作。该执行方案不同于先前所示的那些执行方案，不同之处在于，该锁定机构基于凸轮形轴，该凸轮形轴在膛孔内旋转以将该凸轮尖锁靠在该膛孔的内侧壁上。与例如在图2中所示的有齿突出部锁定装置相比，其中该锁定装置的致动可导致浮动衬套意外移动通过这一个或多个锁定突出部被迫进入的齿条间距的差不多一半，这种旋转凸轮形轴的使用能够实现锁定，而不向该浮动衬套施加任何意外的纵向移动。
[0066]与在先前的执行方案中一样，该BCU的壳体50被附接到该机器人支承结构。竖向滑轨57被固定在该壳体50的内侧，并且浮动组件51可在该轨道上自由地滑动，除非被该锁定机构锁定。连接到患者骨骼的克氏针或其它连杆(未在图5A到图5C中示出)被附接到该浮动组件51，使得随着患者移动，当处于其解锁状态中时，该浮动组件51可沿其轨道57以与患者骨骼的运动相一致的方式自由移动。浮动组件51的位置如前所述由位置传感器测量，该位置传感器通常包括附接到壳体50的磁性或光学条状图形规则编码器59以及附接到该浮动组件51的位置读取头55。
[0067]通过凸轮形轴54实施该浮动组件的锁定，该凸轮形轴穿过浮动组件51中的膛孔行进壳体50的长度，该膛孔最方便地为圆柱形。该膛孔在直径方面比该凸轮轮廓的最大尺寸(即从凸轮尖到基圆上的相对点)大，使得该浮动壳体51能够沿凸轮形轴54自由地移动。如图5C中所示，该凸轮轮廓54的旋转中心与圆柱形膛孔70的中心轴线偏离，使得当旋转该凸轮形轴时，在其某些旋转点处，凸轮尖变得被卡靠在圆柱形膛孔70的内侧壁上，从而锁定该浮动组件51以防止沿凸轮形轴54的进一步滑动。图5C示出了该旋转凸轮形轴54在圆柱形膛孔70中的锁定位置和解锁位置。在图5C的横截面视图中，该凸轮形轴的旋转中心被示出为略微偏向同孔的中心的右侧。尽管在图5C的两个俯视图中示出了该凸轮形轮廓，但将会理解的是，该轴也可具有包括当旋转时会卡靠在该膛孔的内侧壁上的元件(例如如图5C中的底部视图中所示的圆柱形轴上的单个突出脊部)的任何其它的形状。任何这种成形轴或杆在本公开中通常被称为“凸轮形轴”。作为选择，也可以使用一种在卵形或椭圆形膛孔中旋转的偏心圆柱形轴，尽管非圆形横截面膛孔的生产可能不太有利于制造。可通过一种操作铰接杆58的电机53来实现凸轮形轴54的旋转，该铰接杆被连接到被附接到该凸轮形轴54的一端的旋转头52。
[0068]尽管圆柱形膛孔可以是对于制造而言最方便成形的膛孔，但将会理解的是，也可以使用能够被锁定到旋转凸轮轴的任何其它形状的膛孔。在替代设计中，滑动组件51中的膛孔和凸轮形轴54可具有类似的非圆形凸轮形状，其中，该滑动组件51的膛孔在尺寸方面是略大的。只要凸轮轴54和滑动组件膛孔被共形地对准，则滑动组件51就能够沿凸轮形轴54自由地移动。一旦旋转凸轮轴54，它就压靠在滑动组件中的膛孔上，并且防止其自由运动。该具体执行方案与使用圆柱形膛孔相比甚至可以是有利的，这是由于当凸轮锁定它时，该圆柱形膛孔可能经受横向运动。
[0069]该BCU操作如下。凸轮形轴54被以这样一种方式安装在BCU壳体50中的其端部衬套或轴承中，使得它能够承受有限的轴向运动。诸如弹性挡圈之类的端部止动件可被用于限制该凸轮形轴的轴向运动范围，使得它并不从其浮动组件中的膛孔中滑出。在正常使用中，当浮动组件51被锁定并且患者的骨骼朝向机器人臂进行向上运动(在附图的参考框架中)时，并未示出但被附接到浮动组件51的来自该骨骼的连杆试图向上移动，并且施加在浮动组件51上的力被转移到它被锁定于其上的凸轮形轴54。预加载力弹簧56被旋在凸轮形轴54上，并且施加在凸轮形轴54上的力试图在其端部轴承中抵抗该预加载力弹簧56轴向地移动它。当由该连杆传递的力超过弹簧56上的预加载力时，该凸轮形轴开始与被锁定到它的浮动组件51—起轴向地移动，并且由位置传感器55、59来检测该运动。一旦该运动超过预定水平，就从位置传感器控制单元产生一种输出信号，该位置传感器控制单元使电机53旋转，电机53进而使凸轮形轴54旋转，使得它被从与浮动组件51锁定的其锁定状态中释放出来，并且能够使该浮动组件与所附接的连杆一起随着患者骨骼的运动而自由地移动。如前所述，该浮动组件的位置被在释放该锁定机构的时刻对准，使得它能够被重新锁定在相同或已知的位置处。该浮动组件的位置被连续地进行监控，以便在患者骨骼移动时，提供机器人臂的位置所需的校正。作为对于图5A和图5B中所示执行方案的替代方案，该弹簧56可被定位在浮动组件的上方，在这种情况下，它不需要任何预加载，并且其压缩导致该凸轮形轴54的轻微的端部运动，这产生了将凸轮形轴54从浮动组件51上解锁的信号。
[ΟΟΤ?]现在参考图6Α到图6C，其示意性地示出了又一替代力感测机构，与图2到图?中所示的BCU不同，该力感测机构依赖于用于力感测的柱塞64和环槽66而非依赖于压缩弹簧。图6A和图6B将该执行方案示出为该装置的分别处于其锁定状态和解锁状态中的截面图，而图6C是该BCU执行方案的等距外部视图。在该执行方案中，连杆13在内部壳体61内滑动，可通过调节手柄67来调节其在外部壳体60内的位置。该连杆的移动由浮动弹簧62抑制，以防止任何极端运动。该连杆具有直径扩大的套环区段65，其内形成有缩进凹槽66。弹簧加载的柱塞64被安装在内部壳体61中，并且在BCU平衡位置中，该内部壳体被调节成，使得连杆13上的凹槽66正好与柱塞64相一致地下降，从而将连杆13锁定到内部壳体61和部外壳体60。该柱塞64和凹槽66的形状以及柱塞上的预加载弹簧力被预先确定成，使得当连杆13上的力超过阈值水平时，凹槽66的壁设法将柱塞64推回到凹槽66的外部，并且允许连杆13从该柱塞的抑制效果中逃离。在这种情况下，该连杆被解锁并且能够随着患者移动而自由地移动，直到它返回到一位置，使得缩进凹槽66再次接收柱塞64，从而再次锁定住该连杆13。与在先前的执行方案中一样，需要单独的位置传感器，以便再次指令该机器人控制考虑该连杆和患者的运动。
[0071]考虑BCU的操作的替代形式，所观察到的是，图6A到图6C中所示的示例性装置以及同样图4的示例性装置中，通过BCU壳体中的突出部与在连杆上具有固定位置的相应中空部或凹槽的啮合来机械地限定BCU的锁定位置。如果BCU的操作旨在仅当BCU被锁定并且患者骨骼处于静止平衡位置中时才允许机器人对患者实施手术，那么无需一直测量该连杆的实际位置的上述类型的位置传感器。相反，根据该简化的手术过程，该柱塞在相对凹槽中的位置限定了该连杆相对于机器人臂的位置，并且在该方面为“位置传感器”，这意味着它感测该锁定状态何时是起作用的或者该释放状态何时是起作用的，而非它完全测量该位置。
[0072]本领域技术人员所了解到的是，本发明并不受限于上文中具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的多种特征的组合和子组合以及对其作出的本领域技术人员在阅读以上说明书后即可想到的且并不在现有技术中的变型和修改。
【主权项】
1.一种用于将手术机器人附接到受治疗者的骨骼的骨骼连接系统，所述手术机器人具有其安装在所述受治疗者附近的基座，所述系统包括: 可转换的骨骼连接单元，所述可转换的骨骼连接单元被附接在所述骨骼和所述手术机器人的支承元件之间，所述可转换的骨骼连接单元具有锁定状态和释放状态，在所述锁定状态中，所述骨骼被附接到所述支承元件，在所述释放状态中，所述骨骼能够相对于所述支承元件移动，所述可转换的骨骼连接单元包括； 用于确定施加在所述骨骼和所述机器人的所述支承元件之间的力的力传感器;和 用于测量所述骨骼相对于所述机器人的所述支承元件的位置的位置传感器； 其中，所述可转换的骨骼连接单元适于在所述力超过预定水平时，从其锁定状态转换到其释放状态。2.根据权利要求1所述的骨骼连接系统，其中，所述可转换的骨骼连接单元还适于在测量到的所述位置示出了所述骨骼已经相对于所述机器人的所述支承元件返回到预定位置时，从其释放状态转换到其锁定状态。3.根据权利要求1所述的骨骼连接系统，其中，所述骨骼连接单元也适于使用测量到的所述骨骼相对于所述骨骼连接单元的位置，使得所述骨骼连接系统指令所述机器人调节其致动臂末端的位置，使得在所述骨骼连接单元的所述释放状态期间保持所述致动臂末端相对于所述骨骼的位置。4.根据权利要求2所述的骨骼连接系统，其中，所述预定位置是当所述骨骼连接单元处于其初始锁定状态中时，所述骨骼相对于所述骨骼连接单元的位置。5.根据前述权利要求中的任一项所述的骨骼连接系统，其中，所述骨骼连接系统还包括附接在所述骨骼连接单元和所述骨骼之间或在所述骨骼连接单元和所述支承元件之间的连杆。6.根据权利要求5所述的骨骼连接系统，其中，所述骨骼连接系统还包括弹簧，所述弹簧被设置成，使得所述连杆抵抗所述弹簧的移动能够确定施加在所述骨骼和所述支承元件之间的所述力何时超过所述预定水平。7.根据权利要求6所述的骨骼连接系统，其中，所述弹簧是被预加载的或是空载的。8.根据权利要求5到7中的任一项所述的骨骼连接系统，其中，所述骨骼连接单元包括具有至少一个突出部的电磁线圈致动元件，所述至少一个突出部适于与所述连杆能够在其内移动的本体中的至少一个匹配中空部啮合，使得所述至少一个突出部与所述至少一个中空部的啮合将所述骨骼连接单元转换到其锁定状态中。9.根据权利要求5到7中的任一项所述的骨骼连接系统，其中，所述连杆包括不对称轴，所述不对称轴被偏心地设置在所述骨骼连接单元中的圆柱形膛孔中，使得所述轴的旋转锁定或释放所述连杆的移动。10.根据前述权利要求中的任一项所述的骨骼连接系统，其中，所述力传感器位于所述骨骼连接单元内或所述连杆上。11.根据前述权利要求中的任一项所述的骨骼连接系统，其中，所述机器人是床装式的或落地安装式的或吊顶安装式的。12.根据前述权利要求中的任一项所述的骨骼连接系统，其中，所述骨骼连接单元被附接到所述机器人的位于其基座和其致动臂末端之间的元件，或附接到所述受治疗者的所述骨骼。13.根据前述权利要求中的任一项所述的骨骼连接系统，其中，所述位置传感器是光学或磁性的线性编码器或光电开关。14.根据前述权利要求中的任一项所述的骨骼连接系统，其中，所述骨骼连接单元在所述机器人的中间关节处被附接到所述机器人，并且所述机器人的位于其基座和所述中间关节之间的那些关节被锁定住，使得所述机器人的有效基座被转移到所述骨骼连接单元与所述机器人的附接位置。15.根据权利要求5所述的骨骼连接系统，其中，所述骨骼连接系统还包括: 弹簧加载的柱塞，所述弹簧加载的柱塞位于所述骨骼连接单元的所述壳体中，以及 位于所述连杆的圆周上的凹槽，其中，当所述弹簧加载的柱塞位于所述凹槽内时获得所述锁定状态，并且当所述弹簧加载的柱塞位于所述凹槽之外时获得所述释放状态，并且至少所述弹簧加载的柱塞上的力以及所述凹槽的壁轮廓被选择成，使得当将预定力施加在所述连杆上时，所述骨骼连接单元从其锁定状态转换到其释放状态。16.—种将安装在受治疗者附近的手术机器人附接到所述受治疗者的骨骼的方法，包括: 通过具有锁定状态和释放状态的可转换的骨骼连接单元将所述骨骼连接到所述机器人的支承元件，在所述锁定状态中，所述骨骼被附接到所述支承元件，在所述释放状态中，所述骨骼能够相对所述支承元件移动； 检测施加在所述受治疗者的所述骨骼和所述机器人的所述支承元件之间的力； 测量所述骨骼相对于所述机器人的所述支承元件的位置；以及 当所述力超过预定水平时，将所述骨骼连接单元从其锁定状态转换到其释放状态。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法还包括如下步骤:当测量到的所述位置示出了所述骨骼已经相对于所述机器人的所述支承元件返回到预定位置时，将所述骨骼连接单元从其释放状态转换到其锁定状态。18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法还包括如下步骤:利用测量到的所述骨骼相对于所述骨骼连接单元的位置来指令所述机器人调节其致动臂末端的位置，使得当所述骨骼连接单元处于其释放状态中时，保持所述致动臂末端相对于所述骨骼的位置。19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述预定位置是当所述骨骼连接单元处于其初始锁定状态中时，所述骨骼相对于所述骨骼连接单元的位置。20.根据权利要求16至19中的任一项所述的方法，其中，所述骨骼连接系统也包括附接在所述骨骼连接单元和所述骨骼之间或在所述骨骼连接单元和所述支承元件之间的连杆。21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述力传感器利用所述连杆抵抗弹簧的运动来确定施加在所述骨骼和所述支承元件之间的力何时超过所述预定水平。22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述弹簧是被预加载的或是空载的。23.根据权利要求20到22中的任一项所述的方法，其中，所述骨骼连接单元包括具有至少一个突出部的电磁线圈致动元件，所述至少一个突出部适于与所述连杆能够在其内移动的本体中的至少一个匹配中空部啮合，使得通过所述至少一个突出部与所述至少一个中空部的啮合将所述骨骼连接单元转换到其锁定状态中。24.根据权利要求20到22中的任一项所述的方法，其中，所述连杆包括不对称轴，所述不对称轴被偏心地设置在所述骨骼连接单元中的圆柱形膛孔中，使得通过所述轴的旋转来锁定或释放所述连杆的移动。25.根据权利要求16到24中的任一项所述的方法，其中，所述力传感器位于所述骨骼连接单元内或所述连杆上。26.根据权利要求16到25中的任一项所述的方法，其中，所述机器人是床装式的或落地安装式的或吊顶安装式的。27.根据权利要求16到26中的任一项所述的方法，其中，所述骨骼连接单元被附接到所述机器人的位于其基座和其致动臂末端之间的元件，或附接到所述受治疗者的所述骨骼。28.根据权利要求16到27中的任一项所述的方法，其中，所述位置传感器是光学或磁性的线性编码器或光电开关。29.根据权利要求16到28中的任一项所述的方法，其中，所述骨骼连接单元在所述机器人的中间关节处被附接到所述机器人，使得所述方法能够使所述机器人的位于其基座和所述中间关节之间的那些关节被锁定住，使得所述机器人的有效基座被转移到所述骨骼连接单元与所述机器人的附接位置。30.根据权利要求5所述的方法，其中，所述骨骼连接单元还包括: 弹簧加载的柱塞，所述弹簧加载的柱塞位于所述骨骼连接单元的所述壳体中的膛孔中，以及 位于所述连杆的圆周上的凹槽， 并且当所述弹簧加载的柱塞位于所述凹槽内时获得所述锁定状态，并且当所述弹簧加载的柱塞位于所述凹槽之外时获得所述释放状态，并且至少所述弹簧加载的柱塞上的力以及所述凹槽的壁轮廓被选择成，使得当将预定力施加在所述连杆上时，所述骨骼连接单元从其锁定状态转换到其释放状态。
【文档编号】A61B34/30GK105899146SQ201480073164
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月15日
【发明人】Y·贝尔, E·策阿维, Y·乌什皮青
【申请人】马佐尔机器人有限公司