专利名称：用于在空间中提供可调节正止挡的装置和方法
用于在空间中提供可调节正止挡的装置和方法 相关专利申请的交叉引用因此，HIP的运动可以被约束，以限制外科医生可以移动 实际医疗器械的方式。例如，虛拟目标可以是虛拟导丝，其约束HIP 以沿着特定路径移动。试图偏离该路径导致生成力，所述力防止或至 少减小HIP偏离该路径的能力。当器械移动到预定位置时，这些力通 过触觉感知接口被传递到外科医生，并且由此沿着实际空间中的引导 路径引导实际器械，以便避开解剖学特征。在另一例子中，在关节置 换操作期间虛拟目标可以是待植入患者的骨中的植入物的虛拟模型。 虚拟植入物模型与患者的实际骨关联(或配准)并且限定待去除的骨 部分，使得实际植入物可以被安装，如例如2006年2月21日提交并且全文被引用于此作为参考的美国专利申请No.ll/357，197，美国公开 号No.2006/0142657中所述。在虚拟环境中，HIP被约束以留在植入 物模型所限定的切割边界(即工作空间的预期区域)内。如果HIP试 图侵犯边界并且移动到工作空间的禁止区域中，力通过触觉感知接口 被传递到外科医生，以防止或至少减小外科医生用实际器械侵犯切割 边界的能力。参考示出自由运动的图2a，当(d^8))时，也就是当HIP27 位于大于止挡18和22之间的距离的一半的距离(d)时，被动联动接头 34自由移动。被动联动接头34的运动是自由的，原因不仅在于机械 定位器30在止挡18和22之间自由移动(箭头A )，而且在于致动联 动接头26由驱动才几构50驱动以追踪才几械定位器30的运动，4吏得正止 挡18和22也移动(箭头B )。驱动机构50优选地移动致动联动接头 26，使得机械定位器30与近侧正止挡18或远侧正止挡22之间的距离 额定地保持在中点距离8。涉及可移动工件的本发明的 一个应用是涉及切割或雕刻骨 的外科应用，例如整形外科关节置换。参考图7,显示了用于膝置换 过程的外科系统100。为了检测工件(即股骨F和/或胫骨T)的运动， 外科系统100包括跟踪系统118，该跟踪系统被配置成在手术过程期 间跟踪一个或多个目标以检测目标的运动。跟踪系统118包括检测装 置120，该检测装置相对于检测装置120的参考坐标系获得目标的姿 态(即位置和取向)。当目标在参考坐标系中移动时，检测装置120 跟踪目标。目标的姿态的变化指示目标移动。作为响应，计算系统102可以对安装在平台116上的触觉装置112 (例如机器人臂)的控制参 数进行适当的调节。例如，当解剖结构(例如股骨F或胫骨T)移动 时，计算系统102可以对与解剖结构配准的虛拟触觉目标(例如虚拟 切割边界)进行相应的调节。因此，虚拟切割边界随着解剖结构移动。 当虛拟切割边界移动时，本发明的实施例的正止挡的位置例如可以如 上所述相应地被调节。计算系统102包括用于操作和控制外科系统100 的硬件和软件并且可以包括计算机104，计算机114，显示装置106， 输入装置108，和推车110。计算机114包括允许触觉装置112利用来 自跟踪系统118的数据的触觉控制设备和程序。
0045跟踪系统118可以是任何跟踪系统，其允许外科系统100 不断地确定(或跟踪)患者的相关解剖结构的姿态和工具124 (和/或 触觉装置112)的姿态。例如，跟踪系统118可以包括适合用于外科 环境中的非机械跟踪系统，机械跟踪系统，或非机械和机械跟踪系统 的任何组合。尽管根据如先前所述的触觉医疗应用描述了本发明的实施 例，本发明可以用于为其他应用提供可移动正止挡。
[0049尽管根据某些典型实施例描述了本发明，本领域的普通技 术人员将容易理解和明白它并非这样被限制，并且在如下文所述的本 发明的范围内可以对典型实施例进行许多添加、删除和修改。因此， 本发明的范围仅仅由所附权利要求的范围限定。
权利要求
1.一种装置，其包括用于端部执行器的机械定位器；和第一和第二止挡，其可由驱动机构控制，从而约束所述机械定位器的运动并且由此约束用户在预定运动范围以外操纵所述端部执行器的能力，其中，第一和第二止挡可由所述驱动机构控制，从而允许所述端部执行器在所述预定运动范围内运动。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动机构可以控制， 从而根据所述机械定位器的运动调节第一止挡和第二止挡中的至少一个。
3. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动机构可以控制， 从而根据工件的运动调节第一止挡和第二止挡中的至少一个。
4. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述驱动机构可以控制， 以调节第一止挡和第二止挡中的至少一个，从而调节所述预定运动范 围的至少一部分。
5. 根据权利要求l所述的装置，其中，第一止挡可以由第一致动 器移动，第二止挡可以由第二致动器移动。
6. 根据权利要求l所述的装置，进一步包括 近侧连杆；远侧连杆；和用于控制近侧连杆和远侧连杆的相对位置的接头组件，其中所述 接头组件包括致动联动接头，和 被动联动接头；并且其中，组合的所述致动联动接头和所述被动联动接头包括第一和 第二止挡及所述机械定位器；在所述预定运动范围内，所述被动联动接头自由移动，从而允许 所述端部执行器的自由运动，以及在所述预定运动范围以外，所述被动联动接头由第 一和第二止挡 中的至少一个约束移动。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中，所述接头组件形成棱形接 头组件，该棱形接头组件允许所述致动联动接头与所述被动联动接头 之间的相对线性运动。
8. 根据权利要求6所述的装置，其中，所述接头组件形成旋转接 头组件，该旋转接头组件允许所述致动联动接头与所述被动联动接头 之间的相对旋转运动。
9. 根据权利要求l所述的装置，其中，第一和第二止挡之间的距 离是可调节的。
10. —种用于约束端部执行器在空间中的运动的方法，所述方法 包括当所述端部执行器在空间中被定位成离预定位置的距离大于第一 预定值时，允许联动接头自由移动；当所述端部执行器在空间中被定位成离所述预定位置的距离小于或等于第一预定值并且大于第二预定值时，允许所述联动接头在第一 和第二止挡所限定的预定运动范围内自由移动；并且当所述端部执行器在空间中被定位成离所述预定位置的距离大约 等于或小于第二预定值时，由第一和第二止挡中的一个约束所述联动 接头沿着特定方向移动，该联动接头的约束能够约束端部执行器在空 间中的运动。
11. 根据权利要求IO所述的方法，其进一步包括根据工件运动调 节第一和第二止挡中的至少一个。
12. 根据权利要求IO所述的方法，其进一步包括设定第一和第二 止挡中的至少 一个在空间中的位置。
13. 根据权利要求IO所述的方法，其中，所述联动接头包括机械 定位器，所述方法进一步包括跟踪所述机械定位器的运动，以及根据 所述机械定位器的运动定位第一和第二止挡中的至少一个。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，当触觉相互作用点在空间中被定位成离所述预定位置的距离大于第一预定值时，第一和第二止挡的定位跟随所述机械定位器； 并且当触觉相互作用点在空间中被定位成离所述预定位置的距离小于 或等于第一预定值时，第一和第二止挡保持固定。
15. 根据权利要求10所述的方法，进一步包括 确定工件的姿态； 确定所述端部执行器的姿态；限定所述工件的姿态与所述端部执行器的位置、方位、速度和加速度中的至少 一 个之间的关系；使所述工件的姿态、所述端部执行器的姿态与所述关系关联；和 根据所述工件的至少一个运动和所述端部执行器的运动更新所述关联，而不在使用期间中断所述端部执行器的操作。
16. —种机器人，其包括 端部执行器；基座；和具有正止挡装置的机器人臂，其包括近侧连杆，远侧连杆，和用于控制所述两个连杆的相对位置的接头组件，其中所述接头组 件包括包括一对止挡的致动联动接头；和 包括位于所述止挡之间的机械定位器的被动联动接头。
17. 根据权利要求16所述的机器人，其中所述基座和端部执行器 由一系列接头和连杆组件连接。
18. 根据权利要求16所述的机器人，进一步包括耦合到所述接头 组件的驱动机构，所述驱动机构控制所述一对止挡，从而约束所述机 械定位器的运动，由此约束用户在预定运动范围以外操纵所述端部执 行器的能力，所述驱动机构移动所述一对止挡，从而允许所述端部执行器在所述预定运动范围内移动。
19. 根据权利要求16所述的机器人，其中，当所述端部执行器在空间中被定位成离预定位置的距离大 于第一预定值时，所述被动联动接头自由移动；当所述端部执行器在空间中被定位成离所述预定位置的距离小于或等于第一预定值并且大于第二预定值时，所述被动联动接头在所述 一对止挡所限定的距离内自由移动；并且当所述端部执行器在空间中被定位成离所述预定位置的距离大约 等于或小于第二预定值时，由所述一对止挡中的一个约束所述被动联 动接头沿着特定方向移动。
20. 根据权利要求16所述的机器人，进一步包括驱动机构，该驱 动机构被配置成根据工件的运动调节第一或第二止挡中的至少一个。
21. 根据权利要求16所述的机器人，进一步包括计算系统，该计 算系统被编程以确定工件的姿态； 确定所述端部执行器的姿态；限定所述工件的姿态与所述端部执行器的位置、方位、速度和加速度中的至少一个之间的关系；使所述工件的姿态、所述端部执行器的姿态与所述关系关联；和 根据所述工件的运动和所述端部执行器的运动中的至少一个更新所述关联而不在使用期间中断所述端部执行器的操作。
22. —种装置，其包括 用于端部执行器的机械定位器；和第一和第二止挡，其可由驱动机构控制，从而约束所述机械定位 器的运动，由此约束用户将所述端部执行器操纵到工作空间的禁止区 域中的能力，第一和第二止挡可由所述驱动机构控制，从而允许所述 端部执行器在工作空间的所需区域内移动。
全文摘要
一种用于约束端部执行器在空间中的运动的方法和装置。在一个实施例中，所述装置包括机械定位器和第一和第二止挡。第一和第二止挡可由驱动机构控制，以约束所述机械定位器的运动，由此约束用户在预定运动范围以外操纵端部执行器的能力。第一和第二止挡可进一步由所述驱动机构控制，以允许所述端部执行器在所述预定运动范围内移动。
文档编号B25J9/10GK101600998SQ200780050816
公开日2009年12月9日 申请日期2007年12月21日 优先权日2006年12月27日
发明者姜孝植 申请人:马科外科公司