[发明专利]具有混合式被动/主动控制的外科机器人

说明书

技术领域

本发明涉及外科机器人，尤其涉及操作这种机器人的控制方法。

背景技术

机器人系统已经在临床实践上应用了20年以上，在这20年期间，外科机器人的理论、技术和临床应用取得了长足的进步。虽然最初用于外科应用的机器人是工业机器人，但后来已经开发出专用机器人，这些专用机器人被特别设计以满足外科手术的特定需求。

工业机器人被设计为用于结构化环境，即，环境中的每个要素都是固定的。因而这种机器人能重复地执行预先编程的工作，并且不允许人为干预。相比之下，外科手术中的环境是完全非结构化的，不但因为不同病人之间的体型的差异，还因为不同手术会涉及不同且复杂的程序。外科机器人必须能适应这些差异，并且外科医生和他们的医务人员必须能够干预机器人并与机器人紧密配合。为了适应外科手术的独特需求，外科机器人应该能够适应不同病人和不同程序，并且应该能够补充人类的能力和培训技巧。为了使对医护人员的干扰最小化，外科机器人还必须在手术室内占用尽可能小的空间。

瑞典的Medical Robotics of Stockholm(http://www.medicalrobotics.se)提供用于整形外科手术的名为“PinTrace”的外科机器人。这种机器人具有拟人化结构，该拟人化结构具有六个转动关节以提供较大的工作空间。以色列的Mazor Robotics Ltd.(http://www.mazorrobotics.com)提供用于微创脊椎外科手术的名为“SpineAssist”的外科机器人。这种机器人是在外科手术期间安装在脊椎上的具有6个自由度的微型平行机器人。

外科机器人的控制在使机器人具有实用性和安全性的方面是至关重要的。典型的机器人系统具有三种控制模式之一。第一种是手动操作机器人的被动控制模式。第二种是机器人能够根据预先编程的轨迹自动运动的主动控制模式。第三种是远程操作模式，在该模式下，机器人是响应于来自操作者的在线直接命令而受到实时控制。

TIMC实验室（法国）（http://www-timc.imag.fr）提供用于心脏外科手术应用的名为“PADyC”的机器臂。这种机器人在具有动态限制的被动引导下运行，动态限制根据预先定义的外科手术计划限制装置运动。Curexo Technology（美国加州菲蒙市）提供用于关节置换手术的“ROBODOC”系统。这种系统能够自动切割骨头，但切割工具与病人之间的互动仅由计算机控制。Intuitive Surgical,Inc.（美国加州森尼维耳市）(http://www.intuitivesurgical.com)提供用于内窥镜外科手术的名为“Da Vinci”的外科机器人。这种机器人具有三至四个机器臂，并且外科医生能够通过远程操作控制器控制这些机器臂。

发明内容

本发明涉及外科机器人，在这种外科机器人中，工具保持器通过串联设置的连接构件安装至基座，并且关节与这些连接构件连接。关节包括弧形滑动关节，并提供至少七个自由度，所述弧形滑动关节为手术室中的外科应用提供合适的工作空间。本发明还涉及通过混合式控制来控制外科机器人的方法，混合式控制包括主动和被动控制模式，从而为容纳在工具保持器中的外科工具的精度、功用、安全方面提供增强的控制。

许多外科手术程序涉及线性方向的运动，诸如钻孔或在人体结构内操纵器械。这些程序仅需要五个自由度。本发明提供两个额外的自由度，因而提供更加优良的躲避障碍的能力。这些自由度之一由平移关节提供，平移关节满足在线性路径上运动的功能。另一个自由度由弧形滑动关节提供，弧形滑动关节提供沿着固定曲线的运动，类似于具有远程轴线的转动关节的运动。剩余自由度由围绕固定轴线转动的转动关节提供。

附图说明

图1是本发明的外科机器人的一个示例的示意图。

图2是图1的外科机器人的一部分的示意图。

图3A、3B和3C分别示出图1的机器人的弧形滑动关节的三个位置，示出了围绕人体的机器臂的运动。

图4是本发明的用于主动-被动混合式控制的电机驱动的转动关节的一个示例的示意图。

图5是本发明的主动-被动混合式控制方法的工作流程图的一个示例。

具体实施方式