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手术机器人系统的制作方法

1.本发明涉及机器人手术的领域。具体地说，本发明涉及具有在手术期间使用的用于机器人臂的可移动推车的系统的领域。
2.使用机器人手术的典型手术操作包括：在脊柱中植入诸如椎弓根螺钉等矫形植入物、在骨骼中植入各种矫形植入物、在创伤手术期间进行骨折的复位和固定、或者仅仅将导引件或套管相对于预定目标定位在期望位置。
3.更具体地说，本发明可以用于维持在术前或术中基于图像的规划步骤中所定义的椎弓根螺钉放置的目标。

背景技术：

4.手术机器人系统已经用于在手术干预期间辅助使用者(例如外科医生)。
5.例如，在脊柱手术中，使用者可能必须将一个或若干个螺钉植入到若干块椎骨中。机器人臂可以通过握持钻具导引件并且根据规划的轴线来维持所述钻具导引件来辅助使用者。因此，使用者使用穿过由机器人臂所握持的钻导引件的手持钻来沿着规划的轴线在椎骨中钻出用于接收螺钉的孔洞。
6.通常，根据现有技术的机器人系统包括机器人臂，其具有从基座延伸的近端，所述基座通常是可移动推车(来自zimmer biomet的rosa
tm
、来自globus medical的excelcius gps
tm
)。所述可移动的推车被带动靠近手术台，然后机器人臂根据外科医生的需要而展开。
7.这种解决方案的局限性源于这种手术机器人臂的用途和可用性。事实上，由于它们有限的范围和有限的关节自由度，并不能总是达到意图点。另一个缺点是，已知的机器人臂可能对于具有用于到达所有的目标位置的较大尺寸，这需要在每个轴线上有较大的马达并且需要机器人节段的重量较高，从而产生这种机器人装置的高程度的惯性，所述惯性是对机器人臂的高速伺服控制的限制因素，从而限制这种机器人臂的使用和指示。
8.取决于多种条件，比如：机器人的长度，即累积的节段长度，能力，即每个关节处的运动的范围，例如，手术条件(手术台的宽度、患者的位置、患者的大小和体重、手术的类型和目标)，可能发生机器人臂当在规划期间确定了该目标时无法自动到达目标，或者通过外科医生或专用操作者的手动引导而无法手动到达目标。
9.一种直接的解决方案可以是使用具有更大尺寸(即更大的节段、关节处更大的运动范围和/或更多的自由度)的机器人臂。但是这种解决方案有一个严重的缺点，即在实时伺服控制期间对机器人臂的整体准确度有负面影响。出于明显的安全原因，这种准确度在使用手术机器人系统的手术操作中是至关重要的。此外，机器人臂刚度(即机器人臂响应于所施加的力而抵抗运动学变形的能力，是关于在手术过程中使用机器人臂的关键参数)也受到这种解决方案的负面影响。
10.另一种解决方案是将机器人基座附接到手术台上，比如mazor x
tm
机器人装置(medtronic)。但是将机器人系统附接到手术台上会引入新的稳定性问题，因为手术台导轨可能不够坚硬，并且缺乏随意移除机器人或随意使用机器人的灵活性。

技术实现要素：

11.本发明的一个目的是提供一种机器人臂系统，其允许针对手术操作的需要使用更小、更轻的机器人臂，同时允许到达更大范围的手术目标。
12.为此，本发明提供了一种机器人手术机器人系统，以到达目标空间内的多个手术目标，所述系统包括：
[0013]-具有至少六个自由度的机器人臂，所述机器人臂包括位于近端的基座和从基座延伸到远端的通过多个关节相互连接的多个连续节段，并且所述机器人臂具有位于基座和第一节段之间的第一关节中心，
[0014]-末端执行器，其用于保持医疗装置(比如手术器械或手术工具导引件)，所述末端执行器以机械方式联接到机器人臂远端，
[0015]-可移动推车，其具有前侧，该前侧包括至少一个前表面，所述至少一个前表面被配置为抵靠手术台的一侧放置，从而限定水平轴线ax，其具有正交于前表面的方向x以及原点a位于前表面上的原点a，使得位于可移动推车侧的所有点在所述ax轴线上具有负坐标，并且位于手术台侧的所有点在所述ax轴线上具有正坐标，
[0016]-刚性细长颈部，其包括以机械方式联接到可移动推车的近端和以机械方式联接到机器人臂的基座的远端，
[0017]-控制单元，其被配置为可控地移动机器人臂，
[0018]
其特征在于，所述颈部被配置为使得所述第一关节中心在所述轴线上的坐标严格为正。
[0019]
在一些优选实施例中，颈部被配置为使得第一关节中心在ax轴线上的坐标大于+100mm。
[0020]
在一些优选实施例中，颈部被配置为使得肩部点的坐标(其被定义为机器人臂的第一轴线和第二轴线之间的交点)沿着轴线介于目标空间在该轴线上的最小坐标和最大坐标之间。
[0021]
在一些实施例中，颈部和可移动推车之间的以机械方式联接被配置为允许颈部根据至少一个自由度相对于可移动推车移动，对于颈部相对于可移动推车的至少一个位置，第一关节中心在轴线上的坐标严格为正。
[0022]
颈部和可移动推车之间的所述以机械方式联接可以被配置为允许颈部相对于可移动推车沿着竖直轴线平移并且围绕所述竖直轴线旋转。
[0023]
在一些实施例中，颈部和可移动推车之间的以机械方式联接包括至少一个马达，该至少一个马达被配置为根据所述至少一个自由度驱动颈部相对于可移动推车的移动。
[0024]
在一些实施例中，颈部和可移动推车之间的以机械方式联接被配置为能够实现颈部的机动化竖直平移和颈部围绕竖直轴线的手动旋转。
[0025]
有利地，颈部的竖直轴线用于将颈部和机器人臂旋转180度，使得颈部和机器人臂位于用于进行运送的可移动推车的覆盖区内。
[0026]
在一些实施例中，控制单元还可以被配置为可控地移动推车-颈部以机械方式联接的机动化运动。
[0027]
在一些实施例中，颈部和可移动推车之间的以机械方式联接包括至少一个抵接部和至少一个锁定器件，该至少一个锁定器件与抵接部配合，以相对于可移动推车将颈部停
止并锁定在确定的配置中。
[0028]
在一些实施例中，控制单元可以进一步被配置为检测可移动推车和/或机器人系统的至少一个安全配置。
[0029]
所述至少一个安全配置可以包括颈部和机器人臂在可移动推车的覆盖区内的位置。
[0030]
在一些实施例中，该系统可以进一步包括安全围栏，该安全围栏可以在展开保护位置和折叠位置之间移动，在展开保护位置，安全围栏围绕机器人臂，在折叠位置，安全围栏能够操作机器人臂，其中，至少一个安全参数包括安全围栏的展开位置。
[0031]
优选地，只有当所述控制单元检测到所述至少一个安全配置被激活时，控制单元才可以允许可移动推车在大于两米的距离上移动。
[0032]
在一些实施例中，颈部包括在其近端和其远端之间的弯曲部分。
[0033]
在其他实施例中，颈部可以在其近端和其远端之间呈现笔直的形状，相对于竖直方向倾斜45度。
[0034]
在一些实施例中，颈部远端具有与机器人臂的第一轴线对齐(共线)的轴线。
[0035]
定义
[0036]
在本发明中，以下术语具有以下含义：
[0037]-本发明的上下文中的“多个”是指至少两个。
[0038]-本发明的上下文中的“近端”是指相对于可移动推车，近端是最靠近可移动推车的一端。
[0039]-本发明的上下文中的“远端”是指相对于可移动推车，远端是离可移动推车最远的一端。
[0040]-本发明的上下文中的“大致”是指考虑到误差容限而进行的测量，该误差容限取决于用于获得测量值的工具和测量方法。
[0041]-本发明的上下文中的“水平平面”是指严格平行于手术室地面的平面。
[0042]-本发明的上下文中的“竖直”是指正交于水平平面的方向。
附图说明
[0043]
根据以下基于附图的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
[0044]-图1表示包括根据本发明的实施例的机器人系统的手术场景；
[0045]-图2是图1的手术场景的侧视图；
[0046]-图3是图1的手术场景的俯视图；
[0047]-图4是外科系统的透视图，其中颈部枢转到保护配置；
[0048]-图5a和5b示出了安全围栏的第一实施例，分别处于伸出配置和缩回配置；
[0049]-图6a和6b示出了安全围栏的第二实施例，分别处于伸出配置和缩回配置；
[0050]-图7a-7e示出了颈部的各种实施例。
[0051]
从一幅图到另一幅图相同的附图标记表示相同的元件或实现相同功能的元件。
具体实施方式
[0052]
本发明用于机器人手术的环境中，比如图1的手术场景中所描绘的。
[0053]
手术机器人系统
[0054]
手术机器人系统1具有可移动推车2和由可移动推车承载的机器人臂4。
[0055]
在手术操作期间，当机器人臂移动以到达手术目标时，推车旨在相对于患者p躺在其上的手术台保持固定。具体地说，可移动推车的前侧20可以被布置成尽可能靠近手术台或者与手术台的一侧60接触。前侧20基本上竖直延伸。前侧可以具有平面状表面或者可以包括至少一个弯曲表面。
[0056]
可移动推车可以在轮子21上移动并且包括至少一个把手22，以允许操作者容易地操纵和运送手术机器人系统1。把手22有利地位于前侧20的对面，使得使用者可以经由把手简单地推动可移动推车，直到可移动推车尽可能靠近手术台，直到可移动推车接触手术台的侧面。
[0057]
可移动推车2可以手动致动，或者替代地，以至少一个自由度机动化。一旦可移动推车移动到抵靠手术台的期望位置，则可以阻挡至少一个轮子。
[0058]
机器人臂包括平移和/或旋转的多个自由度。通常，机器人臂包括至少六个机动自由度。为此，机器人臂包括由带有编码器的马达所驱动的多个铰接节段。按照惯例，节段从机器人臂的近端(最靠近可移动推车的一端)到远端进行编号。连续的机器人臂关节可以是旋转或平移。连续旋转可以是正交的或平行的。机器人臂的一些部分也可以使用平行机构，比如六足架构。
[0059]
在优选实施例中，机器人臂由布置在拟人化架构中的六个或七个旋转轴线制成，例如kuka iiwa
tm
或lbr med
tm
、staubli puma 200
tm
或kinova gen 3
tm
。在这种拟人化架构中，第一轴线和第二轴线基本上彼此正交。
[0060]
在图1、2和3中，机器人臂包括基座40、第一节段41和第二节段42。第一节段41可以相对于基座40围绕第一轴线a1枢转，而第二节段42可以相对于第一节段围绕第二轴线a2枢转。在图2中，第一轴线a1位于图的平面内，而第二轴线a2正交于图的平面。
[0061]
机器人臂的两个特征点可以定义如下：
[0062]-机器人臂的第一关节中心(指定为点o)是位于第一关节的中心处的第一轴线的点，该第一关节是基座40和第一节段41之间的关节；
[0063]-机器人臂的肩部点(指定为点s)是第一轴线41和第二轴线42之间的交点，所述交点被定义为所述轴线之间最近的点。
[0064]
机器人臂可以是例如由kuka(德国)提供的lbr med
tm
机器人。所述机器人臂可以根据期望的目标和轨迹以自主模式被控制，或者使用协作模式(cobot)被操纵，或者使用主控制装置被远程操纵。这些不同模式中的两种或更多种模式的组合可以用在同一机器人系统上。
[0065]
机器人臂被有利地设计成尽可能紧凑，以便增加机器人臂的固有机械刚度并且减小其惯性，从而由于所述减小的惯性而在与高速伺服控制一起使用时改善机器人臂的行为。
[0066]
机器人臂4通过细长的刚性颈部3联接到可移动推车上。
[0067]“刚性”在本文本中是指颈部可以包括若干个部分，但是所述部分相对于彼此刚性固定。
[0068]“细长的”在本文本中是指颈部的长度(沿着颈部的近端和颈部的远端之间的颈部
的中性轴线测量)至少比颈部的直径大两倍。颈部可以具有圆形横截面；在这种情况下，颈部的直径就是横截面的直径。如果颈部不具有圆形横截面和/或如果颈部沿着其长度不具有恒定的横截面，则“直径”在本文本中是指具有与颈部的平均横截面相同面积的圆盘的直径。
[0069]
颈部3包括通过以机械方式联接30联接到可移动推车2的近端和以机械方式联接到机器人臂4的近端(即基座40)的远端。
[0070]
机器人系统包括末端执行器5，该末端执行器用于保持医疗装置(比如手术器械或手术工具导引件)，所述末端执行器以机械方式联接到机器人臂4的远端。
[0071]
手术机器人系统1包括控制单元7，该控制单元被配置为可控地移动机器人臂4。在一些实施例中，控制单元被配置为还可控地移动可移动推车的至少一部分(例如，至少一个轮子)。有利地，控制单元还被配置为相对于可移动推车可控地移动颈部，如果这种移动是可能的并且由马达驱动的话。
[0072]
控制单元7包括处理器、数据存储装置和通信装置。控制单元可以有利地嵌入可移动推车2中。可移动推车还可以包括开关，比如电源开关、紧急按钮等。在其他实施例中，控制单元可以与可移动推车分开提供并且可以被配置为与机器人臂进行无线通信或有线通信。
[0073]
尽管未示出，但是手术场景还可以包括x射线成像系统(比如c形臂)，其被配置为在手术之前和/或在手术期间获取患者的x射线图像。
[0074]
手术场景还可以包括定位系统(未示出)，该定位系统被配置为定位附接到患者、机器人臂、末端执行器和/或手术工具或导引件上的跟踪器。定位系统可以在各种技术中选择，比如光学定位、电磁定位等。
[0075]
颈部
[0076]
考虑到颈部支撑机器人臂的重量，可以选择颈部的外部形状和尺寸以符合刚度和/或体积要求。然而，如上所述，机器人臂被选择为尽可能紧凑，并且因此相对较轻。
[0077]
根据优选实施例，颈部具有弯曲形状或者包括至少一个弯曲部分和至少一个线性部分。在这些情况下，颈部的中性轴线至少部分弯曲。相对于竖直方向，颈部的远端比近端具有更大的倾斜度。
[0078]
替代地，颈部可以在其近端和其远端之间呈现笔直的形状。颈部轴线可以相对于竖直方向倾斜45度
±
5度。
[0079]
在其他实施例中，颈部可以包括相对于彼此倾斜的至少两个线性部分。
[0080]
图7a-7e示出了颈部的一些实施例，这些实施例不是限制性的。每个实施例在设计、外观方面都具有特定的优点并且或多或少有些笨重。
[0081]
在图7a和7b的实施例中，颈部3包括在线性近侧部分和远侧部分之间的弯曲部分，使得颈部的近端和远端沿着基本上正交的轴线延伸(近端沿着竖直轴线延伸，而远端沿着水平轴线延伸)。弯曲部分的曲率半径在图7a的颈部中比在图7b的颈部中更大。
[0082]
在图7c的实施例中，颈部3呈现笔直的形状。
[0083]
在图7d的实施例中，颈部3包括相对于彼此倾斜的两个线性部分，近侧部分基本上沿着竖直轴线延伸，而远侧部分基本上沿着相对于竖直方向倾斜大约45
°
的轴线延伸。
[0084]
在图7e的实施例中，颈部3的弯曲形状具有的曲率半径比图7a和7b中的更大，并且
远端不沿着水平轴线延伸，而是沿着相对于竖直方向倾斜大约45
°
的轴线延伸。
[0085]
在所有所述实施例中，颈部包括根据轴线n笔直延伸的远侧部分或远端。
[0086]
颈部3的远端刚性地固定到机器人臂的基座40上。有利地，颈部的远端的轴线n与机器人臂的基座40的轴线对齐(共线)，该轴线通常与第一节段41相对于基座40的旋转轴线a1共线。这种对齐提供了颈部3和机器人臂基座40的平滑连续性。所述连续性对于使用者的感知是重要的，因为它表明它是由用于形成朝向目标空间的延伸的非机器人部分和用于形成轻型伺服控制系统以调整手术工具位置的机器人部分组成的综合且单一的系统。如果颈部具有弯曲的形状，则远端的所述轴线n可以被认为是颈部的远端和机器人臂的基座之间的以机械方式联接的轴线。
[0087]
在一些实施例中，颈部3的近端刚性地固定到可移动推车2上。
[0088]
颈部和可移动推车之间的以机械方式联接可以放置在可移动推车的顶部表面或前表面上。替代地，所述以机械方式联接可以位于可移动推车的所述顶部表面和前表面之间的边缘上。
[0089]
在其他实施例中，颈部的近端和可移动推车之间的以机械方式联接被配置为使得颈部能够相对于可移动推车进行至少一次平移和/或至少一次旋转。颈部相对于可移动推车的所述相对移动可以特别地允许提供：机器人臂的运送位置，其中，机器人臂和颈部缩回，以便基本上位于可移动推车的覆盖区内，特别是超出可移动推车的前侧20；以及机器人臂的操作位置，其中，机器人臂的点o位于前侧20的外侧(即沿着轴线ax具有负坐标)。所述运送位置是特别有利的，因为它避免或至少限制了在可移动推车在走廊中的长位移期间以及当经过门时用机器人臂撞击障碍物的风险，这种位移通常超过两米。然而，在颈部的至少一个位置，特别是当机器人臂展开时，机器人臂的点o在轴线ax上具有严格的正坐标。
[0090]
在一些实施例中，颈部可以由使用者相对于可移动推车手动移动。颈部和可移动推车之间的以机械方式联接可以使颈部在确定的运动范围内自由移动。使用按钮，以将联接锁定在给定的非常刚性的位置。机械的、电气的、液压的、压电的或气动的制动器可以用于锁定竖直平移和/或旋转。替代地，以机械方式联接可以仅实现颈部相对于可移动推车的离散数量的预定稳定位置。
[0091]
围绕颈部的近端的竖直轴线的旋转可以用于沿着手术台朝向患者的头部或脚部调整机器人臂的基座40的位置。例如，三十度的旋转可以在不移动可移动推车基座的情况下移动机器人臂的工作空间，以便到达目标空间的所有期望目标。
[0092]
在其他实施例中，颈部和可移动推车之间的以机械方式联接包括至少一个马达，该至少一个马达被配置为驱动颈部相对于可移动推车进行平移和/或旋转。所述马达可以由使用者直接激活，例如通过设置在可移动推车上的激活按钮，或者所述马达可以由控制单元直接激活，例如如果控制单元被配置为在特定情况下移动颈部。
[0093]
根据一个实施例，所述颈部和所述可移动推车之间的以机械方式联接30包括至少一个抵接部和至少一个锁定器件31(见图4)，该至少一个锁定器件与抵接部配合，以将颈部相对于可移动推车停止和锁定在期望的配置中。
[0094]
根据优选实施例，颈部既可以沿着竖直轴线平移，也可以围绕所述竖直轴线z旋转(见图2)。沿着竖直轴线的平移可以由马达(未示出)驱动，该马达可以由按钮24操作以由使用者和/或由控制单元激活。围绕竖直轴线的旋转可以手动完成。可移动推车可以包括至少
一个按钮(未示出)，该至少一个按钮由使用者激活以锁定或解锁颈部围绕竖直轴线的旋转。有利地，这种配置允许在手术机器人系统的使用中具有最大的灵活性，同时在颈部和可移动推车之间保持相对简单的以机械方式联接。
[0095]
如图1、2、3和7a-7e所示，颈部3从可移动推车的前表面20横向向外延伸，以便使机器人臂的第一关节中心o和肩部点s与可移动推车的所述前表面相距非零距离。
[0096]
目标空间
[0097]
通常，在手术干预期间，由末端执行器保持的医疗装置必须触及多个手术目标而不是单个手术目标，以进行预期的(研磨、钻孔、锯切、植入物的放置等)。所述手术目标尤其可以存在于引导医疗装置所沿着的轴线或平面中。
[0098]
多个手术目标限定了目标空间。因此，目标空间可以被认为是相对于患者的解剖结构定义的体积，所述体积的尺寸取决于预期的。
[0099]
例如，在脊柱手术中，手术目标可以相对于多个椎骨来定义。对于诸如脊柱侧凸等复杂的手术，可能需要操作多于十个椎骨，这会沿着患者的身体产生非常长的目标空间。目标空间因此可以沿着患者的脊柱延伸并且因此可以基本上沿着患者的中矢状平面延伸。在手术干预期间，患者的中矢状平面基本上沿着手术台的纵向轴线延伸。所述目标空间ts在图2中示意性地表示在椎骨v周围，以中矢状平面ms为中心。
[0100]
机器人臂的工作空间是对应于附接在机器人臂的远端处的末端执行器可到达的所有位置的体积。工作空间取决于机器人臂的各节段的尺寸和机器人臂的每个关节的运动范围。
[0101]
在手术干预期间移动可移动推车是不可取的，因为这会大大增加手术时间并且会产生无菌错误的风险。机器人臂和推车通常被覆盖以保持手术区域的无菌性。为了在不移动可移动推车的情况下到达所有目标，机器人臂的工作空间应当包围目标空间。
[0102]
因此，可移动推车可以被放置在相对于目标空间的合适位置(使用者至少大致知道)，以促进工作空间相对于目标空间的有利定位。
[0103]
机器人臂的尺寸越大，工作空间就越大，并且机器人臂的定位就越容易到达整个目标空间。
[0104]
然而，增加机器人臂节段的尺寸可能导致机器人臂的刚度降低，从而导致手术目标的定位的准确度降低，以及惯性增加，这妨碍了高准确度的和快速的伺服控制来跟踪移动的手术目标，或者执行机器人末端执行器的快速主动运动以研磨骨骼，在该骨骼上附接有跟踪器，用于以超过五十赫兹的频率进行动态跟踪和伺服控制。
[0105]
另一方面，具有更大刚度的紧凑机器人臂也具有减小的工作空间。具体地说，如果机器人臂的第一关节中心o位于离目标空间太远的位置，则可能无法到达整个目标空间。
[0106]
因此，由紧凑的机器人臂提供的减小的工作空间需要将工作空间相对于目标空间定位得更近。
[0107]
更精确地说，所述更近的定位可以通过将机器人臂的肩部放置得更靠近目标空间的中心来获得。
[0108]
由于在手术干预期间，可移动推车抵靠手术台的一侧放置，所以不能使可移动推车本身靠近目标空间。
[0109]
然而，根据本发明，细长的颈部允许使机器人臂的肩部更靠近目标空间，即位于患
者的意图区域上方。
[0110]
由于细长的颈部，可以在可移动推车的肩部和前侧之间施加非零距离。
[0111]
肩部的定位
[0112]
当可移动推车的前侧20抵靠手术台的一侧(取决于待的解剖区域，该侧可以是纵向侧或横向侧)放置时，前表面被限定在可移动推车和手术台之间。前表面主要沿着竖直方向延伸。依据前侧的形状及其相对于手术台的位置和定向，前表面可以是线(特别是竖直线)或平面(特别是竖直平面)。
[0113]
在这两种情况下，如图2和3所示，可以定义在水平方向x上延伸的轴线ax，该水平方向正交于前表面，即正交于前表面的切线，原点a属于前表面。ax轴线附接到移动推车上；当机器人系统抵靠手术台定位时，它通常正交于手术台的侧面。然而，依据使用者的偏好或手术室的限制，移动推车也可以放置成与手术台的侧面成一定角度。如果前表面是圆形的，则这样的角度将没有影响。如果前表面是平坦的，则其将在机器人臂的第一关节中心o和手术台的中线之间形成额外的间隙，这可能会降低机器人的工作空间和目标空间之间的匹配，以满足一些要求苛刻的应用，因为其中机器人非常紧凑，工作空间有限。
[0114]
通过将所述点正交投影到ax轴线上来确定所述点在ax轴线上的坐标。
[0115]
ax轴线被定向成使得位于可移动推车侧的所有点在所述ax轴线上具有负坐标，并且位于手术台侧的所有点在所述ax轴线上具有正坐标。
[0116]
由于细长的颈部3，第一关节中心o沿着ax轴线具有严格正坐标。这具有的优点是，机器人臂的所有连续关节都位于手术台上方，因此机器人臂的工作空间更靠近目标空间，这降低了对大型和重型的机器人臂的要求。
[0117]
优选地，第一关节中心o沿着ax轴线的坐标k大于或等于+100mm。在目标空间位于手术台中心的情况下(这是最坏的情况)，该值能够显著地抵消机器人臂朝向目标空间的运动学。
[0118]
在另一个实施例中，肩部点s具有介于目标空间在ax轴线上的最小坐标和最大坐标之间的坐标。由于肩部点的这种位置，可以通过紧凑的机器人臂轻松地到达目标空间的所有目标，而无需移动可移动推车。这表示最佳配置，其中，表示机器人臂的功能基座的肩部点s位于目标空间上方的中心。这提供了工作空间与目标空间的最佳匹配，从而实现了机器人臂的紧凑设计，这在准确度、刚度和实时控制方面具有优势。
[0119]
根据优选实施例，k是这样的，即肩部点大致位于患者的中矢状平面和水平平面之间的交点上。这种配置对于脊柱手术特别有意义，因为手术目标是相对于患者的脊柱来定义的，其基本上沿着患者的所述中矢状平面延伸。机器人臂的肩部位于该区域上方的事实对于在使用较小的机器人臂时最佳地到达患者脊柱附近的所有手术目标特别有意义。
[0120]
根据另一个实施例，肩部点仍然大致位于患者的中矢状平面和水平平面之间的交点上，但是肩部点位于患者的头部上方，以便以手术工具的高定向角度容易地到达限定在颈椎和上胸椎上的手术目标。
[0121]
根据替代实施例，肩部点仍然大致位于患者的中矢状平面和水平平面之间的交点上，但是肩部位于患者的骶骨区域上方，以便容易到达限定在腰椎和下胸椎上的手术目标。
[0122]
当然，使用者可以决定不将可移动推车的前侧与手术台接触，但是可以在可移动推车的前表面和手术台的侧面之间保持较小的间隙(例如几厘米)。在这种情况下，肩部点
的位置可能不如在可移动推车和手术台之间接触的情况下有利，因为所述间隙在由颈部所提供的肩部点的最佳位置和其相对于目标空间的实际位置之间产生偏移。只要所述间隙保持小于距离k，根据本发明的颈部仍然是有利的，因为它使肩部点更靠近目标空间。
[0123]
根据上述方法设计的紧凑型机器人针对难以到达的几何形状进行了优化，特别是在手术台的中心。但是对于更简单的情况，移动推车也可以放置在离手术台几十厘米的任何位置，以便到达位于手术台侧面的目标空间。
[0124]
机器人臂的安全位置
[0125]
颈部从可移动推车横向向外延伸的潜在问题是，在某些实施例中，在可移动推车的覆盖区之外的机器人臂可能在运送期间与障碍物碰撞，从而潜在地威胁其机械完整性。本文本中的覆盖区是指可移动推车的横截面在水平平面上的竖直投影。
[0126]
根据一个实施例，颈部和可移动推车之间的以机械方式联接被配置为使得机器人系统的颈部能够在操作位置和缩回位置之间移动，在操作位置，机器人臂的肩部位于沿着轴线的期望位置以实施手术干预，在缩回位置，机器人臂位于可移动推车的覆盖区内以进行手术机器人系统的运送和/或存储。在优选实施例中，通过将颈部的基座旋转180度来获得缩回位置。
[0127]
该条件已经由前述实施例满足，比如颈部和可移动推车之间的以机械方式联接，使得颈部能够相对于可移动推车围绕竖直轴线旋转，如图4所示。
[0128]
优选地，在运送模式中，颈部也位于可移动推车的覆盖区内。在图4的情况下，前侧限定了竖直平面pp，该竖直平面部分界定覆盖区，颈部和机器人臂位于覆盖区的内侧。
[0129]
安全围栏
[0130]
由于本发明的其他实施例可以将机器人臂放置在可移动推车的覆盖区之外，即使当手术机器人系统不用于手术时，尤其是在手术机器人系统的运送期间，所述机器人臂可能会与障碍物碰撞，从而潜在地威胁其机械完整性。
[0131]
因此，根据本发明的实施例，手术机器人系统进一步包括安全围栏，该安全围栏可以在伸出保护位置和缩回位置之间移动，在伸出保护位置，安全围栏相对于机器人臂向外突出，在缩回位置，安全围栏能够操作机器人臂。
[0132]
因此，机器人系统在运送期间遇到的任何障碍物都会与安全围栏而不是与机器人臂发生碰撞。
[0133]
图5a和5b示出了这种安全围栏23的第一实施例，这种安全围栏分别处于适合于运送手术机器人系统的伸出配置和适合于操作手术机器人系统的缩回配置。安全围栏23可以在基本上水平的平面中相对于可移动推车的横向侧面滑动。如图5a所示，在伸出配置中，安全围栏限定了相对于前侧20向外延伸的竖直平面pp并且部分界定了可移动推车的覆盖区。由于机器人臂和颈部位于覆盖区的内侧，所以它们不会被安全围栏23所撞击的障碍物伤害。在缩回配置中，安全围栏被布置成使得能够沿着手术台的一侧放置前侧20(在这些图中未示出)。
[0134]
图6a和6b示出了这种安全围栏23的第二实施例，这种安全围栏分别处于适合于运送手术机器人系统的伸出配置和适合于操作手术机器人系统的缩回配置。安全围栏23可以相对于可移动推车的横向侧面围绕水平轴线朝向可移动推车的底部枢转。如图6a所示，在伸出配置中，安全围栏限定了相对于前侧20向外延伸的竖直平面pp并且部分界定了可移动
推车的覆盖区。由于机器人臂和颈部位于覆盖区的内侧，所以它们不会被安全围栏23所撞击的障碍物伤害。在缩回配置中，安全围栏被布置成使得能够沿着手术台的一侧放置前侧20(在这些图中未示出)。
[0135]
当然，其他设计的安全围栏也可以用来保护机器人臂。
[0136]
安全参数
[0137]
根据本发明的实施例，控制单元进一步被配置为检测与手术机器人系统相关的至少一个安全参数。
[0138]
所述安全参数表示在手术机器人系统的运送和/或存储期间保持手术机器人系统(更具体地说是机器人臂)的完整性的能力。
[0139]
根据一个实施例，至少一个安全参数包括安全围栏的伸出位置。
[0140]
根据另一个实施例，至少一个安全参数包括颈部和机器人臂在可移动推车的覆盖区内的位置。
[0141]
根据优选实施例，只有当控制单元检测到所述至少一个安全参数被激活时，手术机器人系统的位移才是可能的。
[0142]
在优选实施例中，如果使用者忘记激活用于将机器人系统运送到医院内的另一个位置的安全机构，则当系统检测到移动推车已经移动了一定距离(例如两米)时，警报被激活。这可以通过在移动推车的轮子上放置传感器来实现。如果警报已经被激活并且使用者没有纠正默认情况，也可以阻止移动推车的运动。

技术特征：

1.一种手术机器人系统(1)，用于到达目标空间内的多个手术目标，所述系统包括：-具有至少六个自由度的机器人臂(4)，所述机器人臂包括位于近端的基座(40)和从所述基座(40)延伸到远端的通过多个关节相互连接的多个连续节段，并且所述机器人臂具有在所述基座(40)和第一节段(41)之间的第一关节中心(o)，-末端执行器(5)，所述末端执行器用于保持医疗装置，比如手术器械或手术工具导引件，所述末端执行器以机械方式联接到机器人臂远端，-可移动推车(2)，所述可移动推车具有前侧(20)，所述前侧包括至少一个前表面，所述至少一个前表面被配置为抵靠手术台(6)的一侧(60)放置，从而限定水平轴线(ax)，该水平轴线具有正交于所述前表面的方向(x)以及位于所述前表面上的原点a，使得位于可移动推车侧的所有点在所述轴线(ax)上具有负坐标，并且位于手术台侧的所有点在所述轴线(ax)上具有正坐标，-刚性细长颈部(3)，所述刚性细长颈部包括以机械方式联接到所述可移动推车的近端和以机械方式联接到所述机器人臂的基座(40)的远端，-控制单元(7)，所述控制单元被配置为可控地移动所述机器人臂，其特征在于，所述颈部(3)被配置为使得所述第一关节中心(o)在所述轴线(ax)上的坐标(k)严格为正。2.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其中，所述颈部(3)被配置为使得所述第一关节中心(o)在所述轴线(ax)上的坐标(k)大于+100mm。3.根据权利要求1或权利要求2所述的手术机器人系统，其中，所述颈部(3)被配置为使得肩部点(s)的坐标沿着所述轴线(ax)介于所述目标空间在所述轴线(ax)上的最小坐标和最大坐标之间，所述肩部点被定义为所述机器人臂的第一轴线和第二轴线之间的交点。4.根据权利要求1至3中任一项所述的手术机器人系统，其中，所述颈部(3)和所述可移动推车(2)之间的以机械方式联接被配置为允许所述颈部根据至少一个自由度相对于所述可移动推车移动，对于所述颈部相对于所述可移动推车的至少一个位置，所述第一关节中心(o)在所述轴线(ax)上的坐标(k)严格为正。5.根据权利要求4所述的手术机器人系统，其中，所述颈部(3)和所述可移动推车(2)之间的以机械方式联接被配置为允许所述颈部相对于所述可移动推车(2)沿着竖直轴线(z)平移并且允许所述颈部(3)围绕所述竖直轴线(z)旋转。6.根据权利要求4或5中任一项所述的手术机器人系统，其中，所述颈部(3)和所述可移动推车(2)之间的以机械方式联接包括至少一个马达，所述至少一个马达被配置为根据所述至少一个自由度驱动所述颈部相对于所述可移动推车的移动。7.根据权利要求4至6中任一项所述的手术机器人系统，其中，所述颈部(3)和所述可移动推车(2)之间的以机械方式联接被配置为允许所述颈部(3)的机动化竖直平移和所述颈部(3)围绕所述竖直轴线(z)的手动旋转。8.根据权利要求6或权利要求7所述的手术机器人系统，其中，所述控制单元还被配置为可控地移动推车-颈部以机械方式联接的机动化运动。9.根据权利要求4至8中任一项所述的手术机器人系统，其中，所述颈部和所述可移动推车之间的以机械方式联接(30)包括至少一个邻接部和至少一个锁定器件(31)，所述至少一个锁定器件与所述抵接部配合，以相对于所述可移动推车将所述颈部停止并锁定在确定
的配置中。10.根据权利要求4至9中任一项所述的手术机器人系统，其中，所述控制单元进一步被配置为检测所述可移动推车和/或机器人系统的至少一个第一安全配置，所述至少一个第一安全配置包括所述颈部(3)和机器人臂(4)在所述可移动推车的覆盖区内的位置。11.根据权利要求1至10中任一项所述的手术机器人系统，进一步包括安全围栏(23)，所述安全围栏能够在展开保护位置和折叠位置之间移动，在所述展开保护位置中，所述安全围栏围绕所述机器人臂，在所述折叠位置中，所述安全围栏允许对所述机器人臂进行操作，所述控制单元进一步被配置为检测至少一个第二安全配置，所述至少一个第二安全配置包括安全围栏的展开位置。12.根据权利要求10至11中任一项所述的手术机器人系统，其中，仅当所述控制单元检测到所述至少一个安全配置被激活时，所述可移动推车(2)在大于两米的距离上的位移才是可行的。13.根据权利要求1至12中任一项所述的手术机器人系统，其中，所述颈部(3)包括在其近端和其远端之间的弯曲部分。14.根据权利要求1至13中任一项所述的手术机器人系统，其中，所述颈部的远端具有与所述机器人臂(4)的第一轴线(a1)共线的轴线(n)。

技术总结

本发明涉及一种手术机器人系统(1)，用于到达目标空间内的多个手术目标，所述系统包括：-具有至少六个自由度的机器人臂(4)，该机器人臂包括位于近端的基座(40)和从基座(40)延伸到远端的通过多个关节相互连接的多个连续节段，并且所述机器人臂具有在基座(40)和第一节段(41)之间的第一关节中心(O)，-末端执行器(5)，其用于保持医疗装置，比如手术器械或手术工具导引件，所述末端执行器以机械方式联接到机器人臂远端，-可移动推车(2)，其具有前侧(20)，该前侧包括至少一个前表面，所述至少一个前表面被配置为抵靠手术台(6)的一侧(60)放置，从而限定水平轴线(Ax)，其具有正交于前表面的方向(x)以及位于所述前表面上的原点A，使得位于可移动推车侧的所有点在所述轴线(Ax)上具有负坐标，并且位于手术台侧上的所有点在所述轴线(Ax)上具有正坐标，-刚性细长颈部(3)，其包括以机械方式联接到可移动推车的近端和以机械方式联接到机器人臂的基座(40)的远端，-控制单元(7)，其被配置为可控地移动机器人臂，其特征在于，颈部(3)被配置为使得所述第一关节中心(O)在轴线(Ax)上的坐标(K)严格为正。为正。为正。