本发明专利技术涉及具有效应器的手动式材料分离和组织分离工具的材料移除率的可控调节方法和系统。本发明专利技术的目的在于开发在不需要显著改变该工具的转速或显著改变该工具的位姿、朝向或几何结构的情况下允许控制快速旋转工具的材料移除率的方法、系统和工具。特别地，该方法、系统和工具能够有利地在外科手术和自由表面的加工制造中在通过快速地旋转机械工具来移除材料或组织是精确遵守工作空间边界。用于手动式材料切割工具和组织切割工具及其效应器的材料移除率的可控调节的方法、系统和工具，效应器和/或至少一个刀片套的材料切割刀片能够根据它们的与工具效应器有关的位姿(位置和朝向)机械地设置在至少两个位置上，或者能够缩回和展开而不需要效应器任何移除动作方面的显著改变同时维持恒定速度。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于可控地调节具有效应器的人工引导的材料和组织分离工具的移除率的方法和系统以及有关的效应器。该方法、系统和具有效应器的工具特别地适用于在在外科手术和自由平面的加工制造中使用快速转动的工具移除材料和组织精确遵守工作空间边界。
技术介绍
在车间的生产工作以及对人和动物进行介入医疗处理的手动工作中手导式和手定位工具，通常在驱动的机床(例如，带钻头和铣刀的钻机，电动刨床)中用于对象的材料和组织的分离和移除。除了自由成形之外，通常还空间地调节对象表面来精确配合对应的定义的边界。同时该对象的特定结构或表面不需要被工具损坏，例如用于在使用者不可见范围内的对象内部，保护已经完成的加工表面或结构。在迄今为止的现有技术中，下列方法作为技术辅助用于已知的手持式和手定位工具：a)导航程序，其测量工具相对于对象的位置和朝向，以及图像上和声学上向使用者表明该手动工具相对于该对象的允许工作范围的位置、朝向和距离(手术导航(Surgical Navigation)，US5389101，
DE19960020)，以及图像上表明该对象需要被处理的区域。b)对象附接样板，其将手动工具的自由运动相对于该对象限制在允许的工作区域中(古老的中世纪的外科手术模板(Antike,Mittelalter,Surgical Template)US5141513)。c)顺应机构和机器人，手持式工具装配至该顺应机构和机器人。这些机构和机器人相对于允许的工作空间限制，改变对象上的手持动作的自由度、摩擦力、刚性和弹性，甚至将额外的力和扭矩应用于手动引导(Lueth，T.C.et al.“用于颌面手术的手术机器人系统(A surgical robot system for maxillofacial surgery)，工业电子学会，1998年IECON，IEEE第24届年会流程，vol.4,pp.2470-2475)。d)相对于对象或对象的结构，限制位置、朝向、距离和基于信号的移除率(导航控制(Navigated Control)，DE000010117403C2)。e)相对于效应器周围的保护套线性地展开和缩回旋转的效应的机构(蓝带技术(Blue Belt Technologies)，US2012/0123418A1)，以转限制移除率。一种用于调节工具刀片的方法从文献(DE4401 496A1)中已知，然而这不是用于手持式或手导式的机床，并且该工具的位置和朝向的运动循环不可通过程序提前设定。没有已知的方法允许调节工具刀片而不用连接至可编程的运动控制器。也没有已知的方法使手持式工具或手持式电动工具的转动刀片的计算机控制的或基于位置的工具刀片的调节成为可能。从专利EP 0977644B1已知一种在刀片磨损的情况下随后延伸
刀片的方法。关于外科手术中包括效应器的手持式电动工具的使用，由于对医学移植物(例如，膝盖、髋等)的有效匹配度要求的不断提高，因此在过去20年获得了丰富的经验。缺点是类似于在工厂中对材料的手动处理。已知技术的缺陷如下：a)具有图像的、声音的、触感的和震动反馈的导航方法未解决使用者在操作过程中因滑动或精力不集中造成不慎将材料移除工具错误地对齐，并且超出了设置的工作空间限制。学习时间越短和应用经验越少，风险性就越大。如果组织具有不同的密度，工具偏离，或使用者在不舒适的姿势下工作或受到冲击或力的作用，则增加风险性。b)附接至模板的对象需要有足够大的表面积可用来固定样板。此外，模板首先在工具以优选的方向插入至样板中时展示其优点。目前还无法在允许工具的三维移动和三维对齐时磨削三维的自由形态表面。三维自由形态表面还需要昂贵费用来生产。不能完美配合地应用的模板需要导航方法用于模板对齐和固定到对象上。模板通常还需要在对象上有额外的空间。c)顺应(顺应运动，手动)机器人，手持式设备装配在该机器人上，其具有受限的工作空间，并且必须在使用之前费时地相对于对象进行对齐。在操作过程中，手动操作机器人允许工具的表面上的自由运动。机器人与手持式工具或对象相关的高惯性对于精确顺应工作空间限制甚至顺应高动态驱动的最佳动态控制的限制因素。此外它们具有高昂的采购和运行成本，需要在对象附近设置安放区域，而且重量大。
在无菌的工作条件下必须被覆盖。d)基于位置、朝向、距离和信号控制移除率的方法(导航控制)确实最适用于遵守工作空间限制，但是前提条件是移除率上的动态可控的变化，以在边界区域中与样板解决方法或机构/机器人解决方法在时间上进行竞争。同样地，精确遵守工作空间限制只在工具的移除率具有尽可能急剧的转变时才能达到。关闭电源是由于目前技术所使用的工具的高惯性导致的气动或电动驱动的问题，因为应用于手上的力在切换操作期间改变很大。e)通过效应器周围的保护套的相对运动来降低移除率的机构，允许具有恒定电流的速度限制的切割输出。然而，因为保护套比效应器大，而且能够被对象表面阻塞，因此在实际上只有快速收回或移开工具可能。此外，相对运动必须或早或晚进行手动平衡。这阻碍了高精度的快速操作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免现有技术中已知的缺陷，并且开发一种方法、系统和用于工具的效应器，该效应器使控制快速转动工具的移除率成为可能，而不需要实质上改变工具的旋转速度或实质上改变包括效应器的工具的位置、朝向和几何结构。这个目的通过根据权利要求1中的特征的方法、根据权利要求9中的特征的系统以及根据权利要求12中的工具来实现。本专利技术的有效的实施例被包含在从属权利要求中。本专利技术的特别优点在于，控制包括效应器的工具的手不会被施加摇晃或震动，从而材料分离刀具能够在其相对于效应器的定位(位置和朝向)上至少在两个位置上进行机械地调节或以效应器的恒定速度或仅微小改变的速度下展开或缩回。这允许它用于快速并且高精确地手动工作。同样地能够在相对于工具效应器的定位(位置和朝向)上至少在两个位置上机械地调节、展开或缩回在该工具的材料分离刀片前的至少一个刀片套来改变该材料分离工具的移除率。因此可能根据该方向来限制该工具的效应器的移除率，从而通过这种方法在处理移除期间产生优选的方向或优选的空间，因为该工具只能够在可通行的优选的移除方向上移除材料和继续穿入到对象中。该系统制造简单、价格低廉、使用可靠度高以及维护简单，因为设置在工具上的移除方向对于使用者是可视的(例如，通过刀片染色来辨别)或可听到的或图形显示的(例如，通过显示屏上的显示来发出信号)。材料移除率上的变化在少于1/10秒的期间内实现。本专利技术的另外的优点是由于，基于持续测量人工定位或引导的工具的位置，并且可选地，基于相对于将被移除的材料或组织或对象的测量标记的与定义的限制的数学推导关系以及空间关系来控制移除率，以及基于传感器信号或控制信号来控制材料移除。另一个的优点是，该效应器的位置和朝向通过调节刀头或刀片套不变化或仅在刀头的切割长度的量级上变化，或效应器的空间延伸通过调节刀片或刀片套不变化或仅在该切割长度或刀片套的量级上
有变化。移除率的调节因而不需要效应器的位置或定位修正。改变的材料移除量实现而未改变效应器位置。同样有利的是，维持致动器的信号连接和控制所需要的能量直接从动能或所述工具运行的驱动器获得。同样有利的是，如本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于基于信号或基于位置控制人工定位或引导的材料分离工具(1)的移除率的方法，其特征在于，相对于效应器(4)可至少在两个位置上机械地调节所述效应器(4)的材料分离刀片(6)和/或在所述材料分离刀片(6)之前的至少一个刀片套(14)的位置和方位，或缩回和展开所述材料分离刀片(6)和/或所述至少一个刀片套(14)以改变所述刀片(6)的所述移除率并且在所述调节或所述缩回和所述展开过程中不改变或仅微小地改变所述效应器(4)的旋转速度。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.17 DE 102013226197.7;2014.04.14 DE 10201411.一种用于基于信号或基于位置控制人工定位或引导的材料分离工具(1)的移除率的方法，其特征在于，相对于效应器(4)可至少在两个位置上机械地调节所述效应器(4)的材料分离刀片(6)和/或在所述材料分离刀片(6)之前的至少一个刀片套(14)的位置和方位，或缩回和展开所述材料分离刀片(6)和/或所述至少一个刀片套(14)以改变所述刀片(6)的所述移除率并且在所述调节或所述缩回和所述展开过程中不改变或仅微小地改变所述效应器(4)的旋转速度。2.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，控制所述移除率是基于持续测量所述人工定位或引导的工具(1)位置，并且可选地，控制数学推导和空间关系定义相对于将被移除的材料或组织(5)或对象的测量标记(28)的边界。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述效应器(4)的位置和朝向通过调节所述刀头(6)或所述刀片套(14)不变化或仅在所述刀头(6)的切割长度的量级上变化，和/或所述效应器(4)的空间延伸通过调节所述刀片(6)或所述刀片套(14)不变化或仅在所述刀片(6)或所述刀片套(14)的切割长度的量级上有变化。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，维持致动器(16)的信号连接和控制所需要的能量直接从动能或所述工具运行的驱动器获得。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以移除速度旋转的所述刀片(6)和/或所述刀片套(14)通过内置的定子(33)经由至少一个可调节的致动板(34)向外压，以便仅释放所述刀片(6)的一部分用于移除，并且通过此种方法相对于所述定子(33)或所述工具测量标记(27)的位置来限制所述移除方向，其中所述定子(33)相对于所述工具测量标记(27)的位置是已知的，并且所述效应器(4)的移除量通过所述方向的调节来控制。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·梅尔，塞巴斯蒂安·海宁格，埃里克·罗伊，帝姆·鲁斯，
申请(专利权)人：全创公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
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