用于矫形外科干预的手术机器人制造技术

用于跟踪并补偿骨骼运动的手术机器人，该机器人包括：机器人臂(3)和位于臂的末端执行器处的工具导引件(5)、与工具导引件在同一平面处附接至机器人臂的跟踪器(1)，该跟踪器包括铰接的部段(1a‑1d)的组件和与所述部段相关联的编码器(2)，使得允许并监测跟踪器在至少六个自由度中的运动。跟踪器基部和工具导引件共用同一参照系、即位于同一平面上，使得该系统能够在没有任何中间装置的情况下直接确定工具导引件相对于被跟踪骨骼的确切位置。这样，光学跟踪器和相关联的相机可以省去。

Surgical robot for orthopedic intervention

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于矫形外科干预的手术机器人
本专利技术涉及用于矫形外科干预的机器人，更具体地，涉及用于辅助螺钉插入的机器人，该机器人结合有用于跟踪并补偿骨骼运动的装置。
技术介绍
在脊柱手术中为脊柱稳定性而使用椎弓根螺钉系统已经变得越来越普遍。由于据称这些构造物提供改进的融合率和刚度，因此现在这种技术在进行脊柱中的融合手术时使用。已经描述了多种椎弓根螺钉系统，并且正在开发新技术。传统技术在很大程度上依赖于外科医生的灵巧度；利用导航的技术需要外部设备。机器人辅助手术使用与跟踪装置组合的机器人系统，该跟踪装置为外科医生提供可靠的导引。在US6322567中，描述了一种用于跟踪并补偿骨骼运动的系统。该系统基于下述方法：确定手术机器人臂与骨骼之间的空间关系，以及通过骨骼运动检测器跟踪骨骼的平移运动和旋转运动。该方法的精确度受到负责补偿骨骼运动的手术机器人臂的绝对精确度的固有限制。另外，该系统依赖于确定手术机器人臂的坐标系与跟踪部件的坐标系之间的转换关系的校准程序。机器人臂的精确度和校准程序的精确度是该设计的两个固有限制，所述两个固有限制在系统中引入了不可忽略的误差，这些误差可能影响装置的整体性能。此外，配准程序还依赖于由操纵跟踪系统的人工操作员对骨骼中的一组点进行测量。所述测量引入了可能无法预测的误差。
技术实现思路
本专利技术提供了一种跟踪并补偿骨骼运动的手术机器人，该手术机器人包括机械跟踪器和位于机器人臂的末端执行器处的工具导引件。跟踪器基部和工具导引件共用同一参照系、即位于同一平面上，使得该系统能够在没有任何中间装置的情况下直接确定工具导引件相对于被跟踪骨骼的确切位置。这样，可以省去光学跟踪器和相关联的相机，这使手术区域没有妨碍程序的相机和其他装置。跟踪器通过对骨骼在三个垂直轴线上的位置(x，y，z)和相对于三个垂直轴线的取向(α，β，γ)、即六个参数进行跟踪来确定机器人臂与骨骼之间的空间关系。因此，跟踪器是必须具有至少六个自由度以跟踪那六个参数的机械系统。这是通过铰接的部段的组件和与部段相关联的编码器来实现的。在第一实施方式中，跟踪器是具有六个旋转自由度的四个铰接的部段的组件。在另一实施方式中，跟踪器设置有六个或七个自由度，其中，自由度中的一个自由度是长度可变的部段，并且其他自由度是旋转自由度。附图说明为了完成描述并提供对本专利技术的更好理解，提供了一组附图。所述附图示出了本专利技术的优选实施方式，该优选实施方式不应当被解释为限制本专利技术的范围，而应当仅被解释为可以如何实施本专利技术的示例。图1示出了本专利技术的具有跟踪装置的手术机器人。图2示出了根据本专利技术的系统的夹钳的细节。图3a至图3c示出了本专利技术的三种可能的实施方案：两个实施方案具有六个自由度，而一个实施方案具有七个自由度。图4和图5是描述本专利技术工作原理的流程图。图6是对位于自身的校准位置中的跟踪装置的表示。具体实施方式参照图1，本专利技术的手术机器人设置有跟踪装置。在第一实施方式中，跟踪器由连接的四个刚性本体或部段(1a-1d)制成，使得该装置是铰接的。跟踪器具有至少6个自由度，以对坐标系的三个垂直轴线上的位置(x，y，z)和取向(α，β，γ)进行跟踪。每个自由度都是通过高分辨率编码器(2)来连续监测的，因此，跟踪器的梢端相对于跟踪器的基部(3)的位置和取向在任何给定时间都是已知的。跟踪器的基部(3)固定至机器人手术臂的末端执行器。同一末端执行器还具有工具导引件(5)。该工具导引件将根据规划位置在空间中定位，以允许外科医生进行手术。跟踪装置和工具导引件两者共用同一基部，以在跟踪装置的梢端附接至骨骼时对工具导引件与骨骼之间的几何关系进行监测。工具导引件与跟踪器基部之间的确切几何关系是在制造过程期间建立的，并且在系统的寿命期间不需要进行校准，这是因为工具导引件和跟踪器基部这两个元件属于同一刚性本体。在手术期间，跟踪器的梢端优选地通过机械式磁性联接机构附接至夹钳(6)，并且夹钳固定至骨骼。该联接机构具有检测器，该检测器在跟踪器附接至夹钳时通知系统。如果联接机构意外脱开联接，则触发警报，并且机器人系统进入安全模式，以确保不会产生危害。重要的是应当注意跟踪器是对骨骼施加可以忽略的力的轻质机械装置。此外，磁性联接机构(7)保证了在机器人臂与夹钳之间建立的连接可以随时轻易释放。磁体的力使得当机器人臂与夹钳联接时，跟踪器的梢端和骨骼形成刚性本体。由于这些原因，跟踪器的部段必须由提供硬度而不会显著增加整体结构的重量的材料制成。此外，该材料必须是顺磁性的，以避免由跟踪器梢端的磁体产生的磁场传播至结构的其余部分。如果该磁场沿着跟踪器的部段传播，则部段之间的相对运动可能受到影响。铝合金满足这样的要求，因为铝合金具有高的强度重量比。例如，在诸如海运业、汽车业和航空之类的各种应用中使用的铝合金7075是可以用于本专利技术中的材料的良好示例。铝合金7075是非常坚固的材料，铝合金7075具有与许多钢材相当的强度并且通常用于飞行器的制造和其他航空航天应用中。钛也是合适的材料，因为钛满足了先前所描述的特性。例如，在这样的应用中通常使用钛合金Ti6Al4V。通过使用允许围绕期望的固定轴线的旋转运动的、具有径向载荷方向的球轴承或滚针轴承来限制每个部段之间的相对运动。这些固定轴线可以是每个接头的纵向轴线或横向轴线或者纵向轴线和横向轴线两者的组合。这样的运动是通过将角位置转换成数字信号的旋转编码器来监测的。在第一实施方式中，跟踪器是具有至少六个自由度(图1和图3a)的运动链(铰接的部段的组件)。优选地，跟踪器具有四个铰接的部段和六个旋转编码器(q1-q6)。第一编码器对第一部段沿着第一部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。第二编码器对由第一部段和第二部段形成的角度、即沿着与包含第一部段和第二部段的平面垂直的横向轴线的旋转进行跟踪。第三编码器对第二部段与第三部段之间的横向轴线进行跟踪。第四编码器对沿着第三部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。第五编码器对第三部段与第四部段之间的横向角度进行跟踪。并且第六编码器对沿着第四部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。沿着这些轴线的旋转和平移确定了将跟踪器的基部的坐标系与跟踪器的梢端的坐标系关联起来的运动方程。在图3b中所示的替代性实施方式中，跟踪器可以包括七个自由度，其中，例如，所述七个自由度中的六个自由度是角向的并且一个自由度是纵向的、即长度可变的部段。在这样的方法中，通过旋转编码器(q1-q3和q5-q7)来监测旋转自由度，并且通过线性编码器(l4)来监测纵向自由度。参照图3b，第一编码器对由第一部段和第二部段形成的角度进行跟踪。第二编码器对沿着第二部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。第三编码器对于由第二部段和第三部段形成的角度进行跟踪。第四编码器是对第三部段的长度变化进行监测的线性编码器。第五编码器对沿着第三部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。第六编码器对由第三部段和第四部段形成的角度进行跟踪。并且第七编码器对沿着第四部段的纵向轴线的旋转进行跟踪。在图3c中所示的替代性实施方式中，跟踪器可以包括六个自由度，其中，例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于跟踪并补偿骨骼运动的手术机器人，所述机器人包括：/n机器人臂(3)和工具导引件(5)，所述工具导引件位于所述臂的末端执行器处，其特征在于，所述机器人还包括：/n跟踪器(1)，所述跟踪器(1)与所述工具导引件在同一平面处附接至所述机器人臂，所述跟踪器包括铰接的部段(1a-1d)的组件和与所述部段相关联的编码器(2)，使得允许并监测所述跟踪器在至少六个自由度中的运动。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于跟踪并补偿骨骼运动的手术机器人，所述机器人包括：
机器人臂(3)和工具导引件(5)，所述工具导引件位于所述臂的末端执行器处，其特征在于，所述机器人还包括：
跟踪器(1)，所述跟踪器(1)与所述工具导引件在同一平面处附接至所述机器人臂，所述跟踪器包括铰接的部段(1a-1d)的组件和与所述部段相关联的编码器(2)，使得允许并监测所述跟踪器在至少六个自由度中的运动。


2.根据权利要求1所述的手术机器人，其中，所述跟踪器具有四个铰接的部段和六个旋转编码器(q1-q6)。


3.根据权利要求1所述的手术机器人，其中，所述跟踪器具有四个部段和五个相关联的旋转编码器(q1-q5)，并且所述部段中的一个部段能够改变自身的长度并具有相关联的线性编码器(l1)，使得允许并监测在六个自由度中的运动。


4.根据权利要求1所述的手术机器人，其中，所述跟踪器具有四个部段和六个相关联的旋转编码器(q1-q6)，并且所述部段中的一个部段能够改变自身的长度并具有相关联的线性编码器(l1)，使得允许并监测在七个自由度中的运动。


5.根据前述权利要求中的任一项所述的手...

【专利技术属性】
技术研发人员：豪尔赫·普雷萨阿隆索，容·奥纳蒂维亚布拉沃，阿尔瓦罗·埃斯库德罗马丁尼兹德伊瓦雷塔，阿方索·乌萨因基格拉里亚，埃米利奥·桑切斯塔皮亚，
申请(专利权)人：网络手术公司，
类型：发明
国别省市：西班牙;ES