远程运动中心定位器
阅读：493发布：2020-05-11
专利汇可以提供远程运动中心定位器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种设备包括：布置成绕 远程运动中心 (O)旋转的部件(6)；以及与安装固定结构(1)连接的 基础 连杆 (3)。第一连杆(4)和第二连杆(5)在离远程运动中心(O)相应距离(L1、L2)处与所述部件可枢轴转动地连接，并可相对于基础连杆(3)沿第一方向并以固 定位 移比进行平移。所述相应距离的比率等于所述固定位移比，从而使得部件(6)能够绕远程运动中心旋转。该设备的特征在于：它包括用于产生第一元件(37)和第二元件(57)的、沿平行但相反方向的平移运动的装置(7)。用于产生平移运动的装置布置在第一连杆(4)上，并布置成提供与第一方向平行的运动。基础连杆固定就位，第一元件(37)固定在基础连杆(3)上，第二元件(57)固定在第二连杆(5)上，这样，第一元件(37)和第二元件(57)的所述平移运动的产生使得第一连杆(4)和第二连杆(5)能够以所述固定位移比而相对于基础连杆(3)平移。，下面是远程运动中心定位器专利的具体信息内容。
1.一种用于产生环绕远程旋转运动中心（O）运动的设备，包括：
布置成绕远程运动中心（O）旋转的部件（6）；
基础连杆（3），该基础连杆适于与安装固定结构（1）连接；以及
第一连杆（4）和第二连杆（5），该第一连杆和第二连杆布置成相互间隔开一定距离，并能够相对于基础连杆（3）、相对于彼此以及相互平行地沿第一方向线性平移，这样使得第一连杆（4）相对于基础连杆（3）沿第一方向的平移位移和第二连杆（5）相对于基础连杆（3）沿第一方向的平移位移以固定位移比产生，第一连杆（4）的平移位移小于第二连杆（5）的平移位移；
其中，第一连杆（4）和第二连杆（5）在离远程运动中心（O）相应距离（L1、L2）处与所述部件（6）可枢轴转动地连接，这样，所述相应距离的比率等于所述固定位移比，从而使得所述部件（6）能够绕远程运动中心旋转；
其特征在于：该设备包括用于产生第一元件（37）和第二元件（57）的、沿平行但相反方向的线性运动的装置（7、71、72），其中，所述用于产生第一元件（37）和第二元件（57）的、沿平行但相反方向的线性运动的装置与第一连杆（4）固定连接，并使得所述线性运动与第一方向平行，且在使用中，基础连杆固定就位，第一元件（37）与基础连杆（3）固定连接，第二元件（57）与第二连杆（5）固定连接，这样，第一元件（37）和第二元件（57）的所述线性运动的产生使得第一连杆（4）和第二连杆（5）能够以所述固定位移比而相对于基础连杆（3）平移。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：用于产生第一元件（37）和第二元件（57）的、沿平行但相反方向的线性运动的装置（7、71、72）布置成产生第一元件和第二元件的、相等但相反的位移，从而使得所述固定位移比为1:2。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中：基础连杆（31、8）有在安装固定结构（1）和第一元件（37）之间的可调节长度，以便调节远程运动中心（O）的位置。
4.根据权利要求3所述的设备，其中：基础连杆包括线性滑动元件（38），该线性滑动元件将基础连杆分成适于与安装固定结构（1）连接的第一部分（31）和与第一元件（37）连接的第二部分（8），用于使得基础连杆的长度可沿着所述第一方向进行调节，并且其中，所述第一部分（31）与所述基础连杆和所述第一连杆（4）相连。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中：基础连杆（3）适于通过旋转接头（23）而与安装固定结构（1）连接，该旋转接头具有与第一方向平行并包括远程运动中心（O）的旋转轴线。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中：用于产生线性运动的装置包括滑轮和皮带机构（7）。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其中：用于产生第一元件（37）和第二元件（57）的、沿平行但相反方向的线性运动的装置包括辊元件（71、72），该辊元件布置成在形成第一元件和第二元件的两个相对布置的滚转表面上滚转。
8.根据权利要求7所述的设备，其中：辊元件为小齿轮，滚转表面为齿条。
9.根据权利要求1或2所述的设备，包括：在基础连杆（3）和第一连杆（4）之间的第一线性滑动元件（34）以及在第一连杆（4）和第二连杆（5）之间的第二线性滑动元件（45）。
10.根据权利要求1或2所述的设备，包括：在基础连杆（3）和第一连杆（4）之间的第一线性滑动元件（34）以及将基础连杆（3）与第二连杆（5）连接在一起的第二线性滑动元件（35）。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述第一线性滑动元件和所述第二线性滑动元件为棱柱接头。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述第一线性滑动元件和所述第二线性滑动元件为棱柱接头。
13.根据权利要求1或2所述的设备，其中：第一连杆（4）和第二连杆（5）通过旋转接头（46）和滑动-旋转接头（56）而与所述部件（6）连接。
14.根据权利要求1或2所述的设备，其中：所述部件（6）布置为仪器保持器。
远程运动中心定位器
技术领域
[0002] 本发明涉及一种远程运动中心定位器，用于支承仪器和提供具有在指定位置的固定旋转中心的运动，在该指定位置处并不存在实体目标。它在进行机器人辅助微创外科手术（MIS）时非常有利，以便能够通过在病人身体上的很小切口来操纵在病人体内的外科手术仪器。
背景技术
[0003] 在微创外科手术处理过程中，很少的较小切口（直径为10mm）开口于病人身体上，以便使得仪器能够插入其中。在一个切口中，腹腔内窥镜获得在外科手术部位内部的图像，并使它显示在电视屏幕上。多个其它微创外科手术仪器例如抓紧器、剪刀、手术刀和针头保持器插入其余切口中。为了能够通过该较小切口工作，这些微创外科手术仪器通常较薄且较长，且在一端处的工具在外科手术区域中工作，在另一端处的把手由外科医生来操纵。微创外科手术技术与普通开放外科手术不同且更困难。首先，从灵巧性的观点来看，外科医生的手的运动从6个自由度（DOF）限制为4个自由度。此外，较小切口可被认为是杠杆的支点。新手外科医生不容易预计运动的缩放比例。其次，由于成像系统的原因，视觉感知从3维退化为2维。因此，为了执行微创外科手术技术，外科医生需要附加的训练，并只能进行有限数目的简单处理过程。
[0004] 尽管这些困难困扰外科医生，但是病人从微创外科手术处理过程中受益。较小切口意味着更少的外伤、更快的恢复和更少危险。
[0005] 已经发展了机器人系统（Intuitive Surgical,Inc.的 外科手术系统）来帮助外科医生进行微创外科手术处理过程。当装备有3D视觉和附加4自由度的时，它成功地恢复失去的灵活性和失去的视觉感知。到目前为止，它是在技术上和在商业结果上最成功的微创外科手术机器人系统。
[0006] 外科手术系统能够进一步分成四个部件：远程运动中心（RCM）臂、操作器定位连杆、可更换的外科手术仪器（3D腹腔镜和 以及外科医生控制台。远程运动中心臂使用著名的双平行四边形机构或类似机构来提供远程运动中心，其中，旋转中心在物理上受到限制（参见US7108688、US7021173、US5397323、US6702805）。它使得两个垂直的旋转轴在远程运动中心处分离，这能够直接控制，而不需要编程和复杂的反向运动。远程运动中心臂使得微创外科手术仪器能够通过较小切口来操纵，同时软组织的拉伸很小。不过，为了获得足够范围的运动和刚性，所形成的远程运动中心臂使用病人上面的大量工作空间。当两个或更多远程运动中心臂配合以便进行机器人微创外科手术处理过程时，很有可能撞上靠近它的外科医生，或者两个臂将在操纵过程中相互碰撞。此外，物理上固定的旋转中心需要附加的操作器定位连杆（US6246200、US5824007），以便使得固定的远程中心与病人身上的较小切口对齐。它增加了成本，并占据沿床边的较大空间。这使得外科医生不能停留在病人附近，并迫使他在远离病人的外科医生控制台上进行他的工作。在US7108688和US5397323中，提出了一种用于通过调节连杆的长度来调节旋转点的方法。不过，双平行四边形机构将悬在病人上面，且只有它的一端由旋转接头支承。该方法将明显降低仪器保持器的刚性和精度，并增加了整个臂的尺寸和重量。
[0007] 另外，在US5766126中也介绍了提供远程运动中心的机构，它使用十字测角器轴。主要困难在于在它的尺寸、有效负载、精确性和工作半径之间进行最佳选择。源自该专利的操作器Endoassist（Prosurgics Ltd，UK）使用较大结构来获得足够的运动范围。它占据床边空间以及在病人上面的一定量工作空间。更不必说该机构需要高质量的测角器轴。更小的操作器实例例如FIPS（Prototype of KARL STORZ GmbH&Co.KG，德国）、ViKY（Endocontrol Inc.，法国）和Freehand（Prosurgics Ltd.英国）使用较小尺寸的测角器轴。不过，由于促动器及其机构安装在较小区域中，因此这些操作器的有效负载和运动范围相对较小。在较大和较小的操作器中，由于它们的固定远程旋转中心的原因，远程中心点的调节通过在底板上的活动平台或与床框架连接的柔性臂（例如Fisso铰接臂、Baitella AG，瑞士）而实现，这进一步增加了成本或降低了刚性。
[0008] 在US6723106中公开了一种外科手术操作器，它使用包括两个平行臂的机构，这两个平行臂可枢轴转动地支承医疗工具，且医疗工具的方位通过改变接头位置来调节。为了通过这两个平行臂来获得多个自由度和调节远程旋转中心，使用了附加自由度，所述两个平行臂在远程运动中心处连接两个垂直旋转轴。该机构并不是类似于双平行四边形机构的被动式远程运动中心机构，这意味着它需要专门编程和需要控制器来实现它的远程运动中心。
[0009] 在“A New,Compact MR-Compatible Surgical Manipulator for Minimally Invasive Liver Surgery”,Medical Image Computing and Computer-assisted Intervention-MICCAI2002,pp.99-106中，Kim等在图2和图3中公开了一种远程运动中心外科手术操作器，它包括两个平行连杆，这两个平行连杆在离远程运动中心固定距离处与夹具可枢轴转动地连接。两个连杆制成为以固定比率线性运动，以使得夹具绕远程运动中心旋转。平行连杆由两个滚珠丝杠来驱动。这两个滚珠丝杠通过不同的齿轮传动比而与相同马达连接，从而提供了平行连杆的固定比率线性运动。
[0010] 在后面的远程运动中心操作器中，驱动机构的长度等于连杆的总位移，这导致较大体积的结构，并可能导致降低刚性。而且，远程运动中心的位置只能够通过使用可调节安装固定结构来调节，这进一步影响了操作器的刚性。它也具有如上面所述的相同缺点。
发明内容
[0011] 本发明的目的是提供一种用于产生围绕远程运动中心的运动的设备，该设备能够解决现有技术中的问题。特别地，本发明的目的是提供一种具有远程运动中心的设备。与现有技术中的远程运动中心设备相比，本申请所提供的设备更紧凑且具有增大的刚度。
[0012] 本发明提供了用于产生环绕远程（旋转）运动中心运动的设备，例如操作器或机器人臂。该设备包括：布置成绕远程运动中心旋转的部件；基础连杆，该基础连杆与安装固定结构连接；以及第一连杆和第二连杆，该第一连杆和第二连杆布置成相互间隔开一定距离。第一连杆和第二连杆可相对于基础连杆、相对于彼此且相互平行地沿第一方向平移，这样，第一连杆相对于基础连杆沿第一方向的平移位移和第二连杆相对于基础连杆沿第一方向的平移位移以固定位移比产生。该固定位移比使得第一连杆的平移位移小于第二连杆的平移位移。第一连杆和第二连杆在离远程运动中心相应距离处与所述部件可枢轴转动地连接，这样，所述相应距离的比率等于所述固定位移比。该限制使得所述部件能够绕远程运动中心旋转。
[0013] 根据本发明，该设备包括用于产生第一元件和第二元件的、沿平行但相反方向的（相对）平移运动的装置。因此，所述平移运动使得第一元件的（相对）位移的方向与第二元件的（相对）位移的方向相反。用于产生平移运动的所述装置布置（或固定连接）在第一连杆上，并布置（对齐）成提供与第一方向平行的运动。通过固定所述基础连杆以及使得第一元件与基础连杆固定连接和使得第二元件与第二连杆固定连接，则可实现：第一元件和第二元件的所述平移运动的产生使得第一连杆和第二连杆能够以所述固定位移比而相对于基础连杆平移。
[0014] 因此，本发明提供了用于远程运动中心的连杆机构的驱动系统的一种可选择方案。根据本发明，提供了用于产生平行但方向相反的两个线性运动的装置。该装置布置在具有更小位移的活动连杆上。因此，该运动产生装置与第一连杆一起平移。通过将一个线性运动固定到固定连杆（基础连杆）上，并将另一个线性运动固定到具有较大位移的活动连杆上，从而获得类似于级联系统的驱动机构，其中，活动连杆能够根据预定位移比而相对于基础连杆移动。
[0015] 这种系统的优点是驱动机构的行程只需要是从动连杆获得的最大位移的一部分。它能够获得更紧凑和更刚性的操作器，同时该操作器的制造更容易和更便宜。
[0016] 优选地，用于产生第一元件和第二元件的平移运动的装置布置成产生第一和第二元件的、相等但相反的位移，使得固定位移比为1:2。这样的组合形成本发明的驱动机构的最简单实施方式。
[0017] 优选地，基础连杆在安装固定件和第一元件之间在可沿第一方向调节的长度上延伸，这能够调节远程运动中心沿第一方向的位置。本发明的“级联”驱动系统的优点是远程运动中心沿第一方向（第一和第二连杆的运动方向）的初始调节将非常简单地实现。也就是其足以实现基础连杆的长度调节。因为由第一连杆和第二连杆以及所述部件形成的连杆机构安装在基础连杆上，因此并不影响系统的刚性。相反，在现有技术的远程运动中心系统中，使得远程运动中心可沿操作器臂的运动方向进行调节总会使得刚性减小。更优选地，基础连杆的可调节长度通过提供将基础连杆分成与安装固定结构连接的第一部分和与第一元件连接的第二部分的线性滑动元件（棱柱接头）来实现。优选地，在基础连杆和第一连杆之间的连接点布置在所述第一部分上。这能够保持远程运动中心臂的刚性，同时用于沿第一方向调节远程运动中心。
[0018] 优选地，基础连杆通过旋转接头而与安装固定结构连接，该旋转接头有与第一平行方向平行并包括远程运动中心的旋转轴线。因此，对于环绕远程运动中心的部件能够实现附加的旋转自由度。
[0019] 优选地，用于产生平移运动的装置包括滑轮和皮带机构，所述滑轮和皮带机构布置在第一连杆上。第一元件和第二元件布置在皮带上。也可选择，用于产生平移运动的装置包括辊元件，该辊元件布置成在两个相对布置滚转表面上滚转。所述滚转表面形成第一元件和第二元件。优选实施例采用小齿轮作为辊元件，一对齿条作为滚转表面。
[0020] 优选地，所述设备包括在基础连杆和第一连杆之间的第一线性滑动元件（棱柱接头）以及在第一连杆和第二连杆之间的第二线性滑动元件（棱柱接头）。因此，第二连杆通过第一连杆而与基础连杆连接。也可选择，该设备包括在基础连杆和第一连杆之间的第一线性滑动元件以及与基础连杆和第二连杆直接连接的第二线性滑动元件。线性滑动元件能够用作支承元件。
[0021] 优选地，第一连杆和第二连杆通过旋转接头和滑动-旋转接头而与所述部件连接。
[0022] 优选地，所述部件布置为仪器保持器。
[0023] 根据本发明，提供了一种包括以下元件的设备：
[0024] —基础连杆；
[0025] —第一连杆和第二连杆，该第一连杆通过第一棱柱接头而与基础连杆连接，该第二连杆通过第二棱柱接头而与第一连杆连接，因此，第一棱柱接头和第二棱柱接头的运动轴线平行；
[0026] —仪器保持器，该仪器保持器由第一连杆借助于旋转接头支承并由第二连杆借助于滑动-旋转接头支承，因此，在旋转接头和所述滑动-旋转接头之间的连线与第一棱柱接头和第二棱柱接头的运动轴线相交，因此，远程运动中心在所述连线上，旋转接头靠近远程运动中心，同时滑动-旋转接头远离所述远程运动中心；以及
[0027] —用于在第二棱柱接头和第一棱柱接头之间设置固定位移比的系统，因此该位移比等于在远程运动中心和滑动-旋转接头之间的距离与在远程运动中心和旋转接头之间的距离之间的比率。
[0028] 可选实施例是所述旋转接头由一滑动-旋转接头代替，所述滑动-旋转接头由一旋转接头代替。滑动功能将在仪器保持器以及第一和第二连杆之间的接头中的至少一个上实现。
[0029] 在优选实施例中，用于在第二棱柱接头和第一棱柱接头之间设置固定位移比的系统是滑轮系统。在另一优选实施例中，位移比是1:2，滑轮系统包括两个滑轮（或链轮）和用于使得滑轮旋转的闭合正时皮带，因此滑轮系统安装在第一连杆上，在滑轮的两个旋转轴之间的连线与第一棱柱接头的运动轴线平行，闭合正时皮带的一侧与基础连杆连接，皮带的另一侧与第二连杆连接。也可选择，闭合正时皮带可替换为皮带、线缆、链或索缆等。也可选择，在滑轮系统上的滑轮能够是链轮或者具有相同功能的类似装置。
[0030] 在优选实施例中，本发明的设备还包括附加在基础连杆上的附加连杆。所述附加连杆通过第三棱柱接头而与基础连杆连接，并与用于在第二棱柱接头和第一棱柱接头之间提供固定位移比的系统连接，因此，第三棱柱接头的运动轴线平行于第一棱柱接头的运动轴线，这允许沿第三棱柱接头和第一棱柱接头的运动轴线的方向来移动（调节）远程运动中心。
[0031] 在另一优选实施例中，用于在第二棱柱接头和第一棱柱接头之间提供固定位移比的系统是包括两个滑轮的滑轮系统，所述附加连杆与滑轮系统的闭合正时皮带连接，因此第三棱柱接头的运动轴线平行于第一棱柱接头的运动轴线，这允许沿第三棱柱接头和第一棱柱接头的运动轴线方向来移动（调节）远程运动中心。因此，沿第一和第三棱柱接头的运动轴线的方向对远程旋转中心的调节是通过所述棱柱接头的同时和等量的运动来实现。远程运动中心还能够通过将运动固定在第三棱柱接头上来进行，并通过滑轮系统、第一棱柱接头和第二棱柱接头来实现。
[0032] 在一个实施例中，本发明的设备还包括第三旋转接头，该第三旋转接头与基础连杆连接，用于使得该设备绕与第一棱柱接头平行且与远程运动中心相交的轴线旋转。
[0033] 在另一优选实施例中，本发明的设备还包括调节定位器，该调节定位器用于使得设备在与第三旋转接头的轴线垂直的平面中运动。
[0034] 根据本发明的再一方面，提供了一种包括以下元件的设备：
[0035] —基础连杆；
[0036] —第一和第二连杆，该第一连杆通过第一棱柱接头而与基础连杆连接，该第二连杆通过第二棱柱接头而与第一连杆连接，因此，第一棱柱接头和第二棱柱接头的运动轴线平行；
[0037] —仪器保持器，该仪器保持器由第一连杆借助于旋转接头支承并由第二连杆借助于滑动-旋转接头支承（因此旋转接头也能够是滑动-旋转接头，同时滑动-旋转接头可以是旋转接头），因此，在旋转接头和滑动-旋转接头之间的连线与第一棱柱接头和第二棱柱接头的运动轴线相交，因此，远程运动中心在所述连线上，旋转接头靠近所述远程运动中心，同时滑动-旋转接头远离所述远程运动中心；
[0038] —滑轮系统，用于在第二棱柱接头和第一棱柱接头之间设置固定位移比，因此该位移比等于在远程运动中心和滑动-旋转接头之间的距离与在远程运动中心和旋转接头之间的距离的比率。滑轮系统包括两个滑轮和用于使得滑轮旋转的闭合正时皮带，因此滑轮系统安装在第一连杆上，在所述两个滑轮的两个旋转轴之间的连线与第一棱柱接头的运动轴线平行；
[0039] —附加连杆，所述附加连杆通过第三棱柱接头而与基础连杆连接，所述附加连杆与滑轮系统的闭合正时皮带的一侧连接，因此，第三棱柱接头的运动轴线平行于第一棱柱接头的运动轴线，这允许沿第三棱柱接头和第二棱柱接头的运动轴线的方向来移动远程运动中心。因此，滑轮系统的闭合正时皮带的另一侧与第二连杆连接。
[0040] 在上述设备中，沿第一棱柱接头和第三棱柱接头的运动轴线的方向对远程旋转中心的调节是通过第一棱柱接头和第三棱柱接头的同时和等量的运动来实现的。远程运动中心通过将运动固定在第三棱柱接头上来实现，并通过滑轮系统、第一棱柱接头和第二棱柱接头来实现。在优选实施例中，所述位移比等于1:2，且当第三棱柱接头固定时，通过滑轮系统的限制而使得第一棱柱接头的位移为第二棱柱接头的位移的两倍大，从而产生远程旋转运动中心（因为在运动中心和旋转接头之间的距离是在运动中心和滑动-旋转接头之间的距离的一半）。
[0041] 在一个实施例中，本发明的设备还包括第三旋转接头，该第三旋转接头与基础连杆连接，用于使得该设备绕与第一棱柱接头平行且与远程运动中心相交的轴线旋转。
[0043] 图1显示了远程运动中心机构的实施例。
[0044] 图2显示了图1的系统，其中，仪器保持器绕远程运动中心旋转。还显示了在平行连杆上的1:2位移比的限制，以便提供沿Y轴线的远程运动中心。
[0045] 图3显示了远程运动中心机构和调节定位器的实施例。
[0046] 图4显示了通过调节皮带连接和YZ台板的位置而使得远程旋转中心从O调节至O'。
[0047] 图5显示了在调节远程运动中心之后环绕由图4的设备提供的远程运动中心的运动。
[0048] 图6显示了根据本发明的设备的可选实施例，其中，第二连杆通过棱柱接头而直接安装在基础连杆上。
[0049] 图7显示了用于基于一个或更多个辊元件而在两个平行平移的连杆之间获得1:2的位移比的机构的可选方案。
具体实施方式
[0050] 定义：
[0052] “棱柱接头”是指一个自由度的运动副，其提供了单轴线线性运动能力。
[0053] “棱柱接头的运动轴线”是指与棱柱接头的运动副产生的运动重合的线。
[0054] “滑动-旋转接头”是指两个自由度的接头，它提供了沿线性运动（一个平移自由度）轴线的一个旋转自由度。
[0055] “刚性连杆或连杆”是指通过相关的接头而与另一刚性连杆连接以便获得相对运动的固体物体。
[0056] “皮带夹”是在相关连杆和皮带之间的物理固定件。
[0057] 在广义方面，本申请提供了一种用于环绕预定远程运动（旋转）中心保持和操纵仪器的设备，该预定远程运动（旋转）中心在给定时间中保持固定。
[0058] 下面参考图1介绍本发明的设备的示例实施例。该设备具有多个旋转和棱柱接头、刚性连杆以及用于确定远程运动中心的限制系统。优选地，远程运动（旋转）中心能够额外地调节。该设备能够固定在框架2（例如床框架）上，或者固定在活动平台上。该设备能够分成远程运动中心机构和调节定位器。远程运动中心机构有基础连杆，该基础连杆优选与旋转接头连接，该旋转接头的旋转轴线与X轴线重合，该旋转接头能够使得整个远程运动中心机构绕远程运动中心旋转。这是用于要求的远程运动中心的第一旋转自由度，但是并不是主要的自由度。提供了第二旋转自由度的远程运动中心机构有多个刚性连杆和接头。两个平行连杆通过棱柱接头而连接。平行连杆中的第一连杆通过另一棱柱接头而与基础连杆的远端连接。两个棱柱连杆也在它们的运动中平行。两个平行连杆通过一个旋转接头和一个滑动-旋转接头而保持仪器保持器。仪器保持器的轴向方向（该轴向方向从一个接头至另一接头成直线）与远程运动中心相交。平行的连杆、仪器保持器和基础连杆构成一个平面，并有具有与X轴线相交的侧部。该平面将在旋转接头旋转时沿X轴线旋转。为了获得第二自由度，在远程旋转中心与仪器保持器上的第一接头和第二接头之间的距离比等于两个平行连杆的位移比。在该实施例中，对于两个平行连杆，通过在它上面的滑轮系统的限制而确定了1:2的位移比。滑轮系统实现于平行连杆的第一连杆上。第二连杆连接皮带的一侧。基础连杆与另一侧连接。因此，当驱动滑轮系统上的皮带时，传动使得第二连杆和基础连杆沿相反方向进行相等位移。这使得两个平行连杆（第一和第二连杆）能够获得1:2的位移。因此，仪器保持器布置在平行连杆的远侧部分处，并通过旋转接头和滑动-旋转接头与平行连杆连接。在该实施例中，从远程旋转中心至仪器保持器上的第一接头的距离等于从第一接头至第二旋转接头的距离。因此，仪器保持器的运动限制为绕Y轴线旋转。在该实施例中，远程运动中心机构将仪器保持器物理性地限制为绕两条垂直轴线旋转，并在空间中提供了沿固定位置的远程旋转中心。远程旋转中心的该位置是相对于远程运动中心机构的固定位置，这意味着它的位置已经在构成该机构时确定。
[0059] 为了使得远程旋转中心进行移动（当用于手术室时可能希望这样），可以添加调节定位器，以便使得位置在空间中运动。调节定位器设计成具有普通的两自由度YZ板，该两自由度YZ板布置在旋转接头的下面，以便使得远程旋转中心沿Y和Z轴线运动至它的指定位置。
[0060] 为了使得点沿X轴线运动，与平行连杆平行的附加棱柱接头插入在连接基础连杆的皮带夹和滑轮系统之间。这样，在远程运动中心机构上的棱柱接头也用于进行沿X轴线的调节。与附加连杆和棱柱接头（该棱柱接头必须支承和使得整个机构沿X轴线运动）的普通方式不同，在该实施例中的方法保持了远程运动中心机构的初始刚性，但是它装备有要求的调节功能。
[0061] 根据本发明的设备能够以固定旋转中心来操纵仪器，该固定旋转中心由远程运动中心机构物理性地确定。因此，该设备能够通过打开/释放制动器或摩擦部件来被动地利用，且用户能够操纵在仪器保持器中的仪器，同时远程运动中心机构限制旋转点（在不使用驱动的情况下）。该设备还能够有效地用于将马达和促动器施加在它的连杆、接头和仪器保持器上，以便控制仪器到达合适位置和方位。这将整个机构保持为离病人固定距离，这大大降低了接触病人的危险。该设备还使在病人上面的、沿其的运动范围的工作空间最小化，这能够允许同时由多个外科医生配合操纵和操纵多个臂，而不会相互碰撞。
[0062] 优选地，该设备还采用能够通过调节皮带夹的位置（而不是通过调节整个机构）而调节远程旋转中心的技术。因为皮带夹并不是结构部件，因此它能够设计成嵌入现有连杆上，这降低了重量和成本，并保持整个结构的刚性。
[0063] 图1显示了根据本发明的远程运动中心机构的实施例，它通常用于病人100的微创外科手术。基础连杆3与旋转接头23的一侧连接。接头23的旋转轴线布置成与XYZ坐标系的X轴线对齐，该XYZ坐标系的原点O与病人身上的较小切口重合。它也是外科手术仪器的远程旋转中心，该外科手术仪器进入身体内并通过在点O上进行杠杆运动而在体内操纵。旋转接头23提供了沿X轴线的一个旋转自由度，并通过连杆2而与安装固定结构1连接。
[0064] 第一连杆4有3个点。第一连杆4通过棱柱接头34而与基础连杆3连接。第一连杆通过棱柱接头45而与第二连杆5连接。棱柱接头34和棱柱接头45与X轴线平行，并与仪器保持器6相交。由两个滑轮和环绕所述滑轮的闭合正时皮带或索缆或线组成的滑轮系统7安装在第一连杆4上。在滑轮的两个旋转轴之间的连线与棱柱接头34和棱柱接头45的方向平行。在皮带的一侧，皮带夹37固定在基础连杆3上。在另一侧，皮带夹57固定在第二连杆5上。因为滑轮各自环绕它的轴线自由旋转，因此第一连杆4能够通过棱柱接头34而有线性位移。由于固定的皮带夹37的作用，这也将驱动皮带以便在滑轮系统7上推动，并使得第二连杆5通过棱柱接头45而滑动。因此，由于滑轮系统7的限制，棱柱接头34和棱柱接头45相对于基础连杆3的位移比将为1:2。仪器保持器6通过旋转接头46而由第一连杆4支承，并通过滑动-旋转接头56而由第二连杆5支承。旋转接头46与滑动-旋转接头56相比更靠近远程旋转中心。连接接头46和接头56的线与远程旋转中心相交。在点O和接头46之间的距离等于在接头46和接头56之间的距离。与连接接头46和接头56的线处于同一直线的外科手术仪器由仪器保持器保持，并插入病人100身上的小切口内。因此，外科手术仪器的方位通过旋转接头23来操作，以便实现其绕X轴线的旋转。
接头46和接头56的位移（该位移与棱柱接头34和45的运动相同）将使外科手术仪器绕Y轴线旋转。
接头46和接头56的位移（该位移与棱柱接头34和45的运动相同）将使外科手术仪器绕Y轴线旋转。
[0065] 图2显示了在平行连杆4和5上限制为1:2比率位移的滑轮系统7，以便提供环绕Y轴线的远程运动中心。外科手术仪器由仪器保持器6来保持，并插入病人100身上的小切口O内。距离L1是从点O至接头46的竖直距离（沿Z方向）。距离L2是从点O至接头56的竖直距离。因此L1:L2=1:2，因为从点O至接头46的距离等于接头46至接头56的距离。S1是接头46通过在棱柱接头34上的运动而沿X轴线相对于基础连杆3的位移。S2是接头56通过在棱柱接头45上的运动而沿X轴线相对于基础连杆3的位移。由于在接头45和接头56之间相对于它们的运动的变化距离，在接头56上实现滑动功能。可选方式是在接头46上设置滑动功能。因为滑轮系统7通过皮带夹37而与基础连杆3连接，并通过皮带夹57而与第二连杆5连接，因此S1和S2具有1:2的固定比率。因此，仪器保持器6总是朝向三角形的顶点O，该三角形由外科手术仪器的跨距以及接头46和接头56的轨迹而形成。通过合适选择距离L1以及在Y轴线上的要求旋转范围，远程运动中心能够提供在病人上面的、最小型面的工作空间，并将远程运动中心机构保持在离病人恒定距离（L1）处。这优于由双平行四边形机构产生的远程运动中心，在双平行四边形机构中，（在Y轴线上）绕远程运动中心的旋转是两个连接的平行四边形在病人上面操纵仪器保持器的结果。离病人的距离以及在病人之上的工作空间将根据仪器保持器的角度而变化。这增加了与病人碰撞和与其它机器人臂碰撞的可能性。
[0066] 上述滑轮和皮带系统能够由图7中所示的一个或更多个辊元件来代替。图7显示了用于在两个平行平移连杆之间获得1:2比率的位移的机构。第一连杆4和第二连杆5分别在线性支承元件（棱柱接头）34和45中滑动。在第二连杆5和基础连杆3之间提供了辊元件71和72，所述辊元件71和72分别限制为进行滚动，而并不在第二连杆5和基础连杆3上的滚转表面上滑动。这种限制能够通过使用具有预负载的高摩擦材料、通过零反冲齿条和小齿轮元件或者通过本领域已知的任意合适装置来实现。第一连杆4分别通过旋转接头
47和48而与辊元件71和72的中心连接。辊元件71和72限制了在平行连杆4和5上的
1:2比率位移，以便提供在Y轴线上的远程旋转中心。
47和48而与辊元件71和72的中心连接。辊元件71和72限制了在平行连杆4和5上的
1:2比率位移，以便提供在Y轴线上的远程旋转中心。
[0067] 当线性支承元件34和45维持在第一连杆4和第二连杆5之间的平行性时，两个辊元件71和72能够由单个滚转元件代替。
[0068] 图3显示了可调节的远程运动中心机构的实施例。图1中的远程运动中心机构与旋转接头23的一侧连接，该旋转接头23的旋转轴线与X轴线共线。调节定位器由YZ台板20以及在皮带夹37和基础连杆3之间的附加棱柱接头38而组成。YZ台板20与旋转接头
23的另一侧连接，并包括用于使得整个远程运动中心机构沿Z方向运动的棱柱接头29以及用于使得整个远程运动中心机构、连接连杆2、连杆9和棱柱接头29沿Y方向运动的棱柱接头19。远程运动中心O能够通过YZ台板20来调节。
23的另一侧连接，并包括用于使得整个远程运动中心机构沿Z方向运动的棱柱接头29以及用于使得整个远程运动中心机构、连接连杆2、连杆9和棱柱接头29沿Y方向运动的棱柱接头19。远程运动中心O能够通过YZ台板20来调节。
[0069] 作为总体原则，所实现的调节自由度越多，调节装置就需要更重和更坚固，以便保持系统的刚性。根据本发明的一个方面，采用不同方法来沿X方向调节远程旋转中心O，这避免了上述问题。附加棱柱接头38布置在基础连杆上，该附加棱柱接头38将基础连杆分成（通过旋转接头23和YZ台板20而）与安装固定结构1连接的连杆31以及与皮带夹37连接的连杆8。棱柱接头38与接头34平行，并连接连杆31和连杆8。通过这种结构，连杆4、连杆8和连杆5能够沿X方向对着连杆31进行相对运动。远程运动中心O沿X方向的调节通过在棱柱接头34和棱柱接头38中进行同时和等量的运动而实现。仪器保持器6环绕远程运动中心O的运动还能够通过固定在棱柱接头38上的运动和驱动滑轮系统7以便引起在接头34和接头45中的平移运动而实现。因为皮带夹37只接收施加在皮带上的负载，而并不支承在它上面的整个远程运动中心机构，因此添加的棱柱接头38能够依据施加在皮带夹37上的负载而制作的较小。基础连杆31仍然是用于结构刚性的主要部件。这种配置利用了棱柱接头34不仅与棱柱接头45一起提供远程中心运动，而且还与棱柱接头38一起提供用于调节远程旋转中心O的附加功能。
[0070] 图4显示了通过调节皮带夹37和YZ台板的位置而将远程旋转中心从O调节至O'。外科手术仪器由仪器保持器6来保持，并由处于旋转接头23的一侧的远程运动中心机构支承。远程运动中心将从点O移动至点O'。因此，与旋转接头23的另一侧连接的YZ台板进行它沿相应Y和Z方向的调节。棱柱接头34和棱柱接头38一起运动，同时棱柱接头45保持静止，以便进行远程旋转中心沿X方向的调节。滑轮系统7在调节过程中并不被驱动。当调节完成时，远程运动中心能够在棱柱接头38固定时起作用。外科手术仪器的方位通过旋转接头23来操纵，以便实现其绕X轴线的旋转。接头46和接头56的位移（该位移与当棱柱接头38保持静止时棱柱接头34和45的运动相同）将使得外科手术仪器绕Y轴线旋转。
[0071] 图5显示了在调节远程旋转中心之后由图4的实施例提供的远程运动中心。YZ台板和棱柱接头38保持静止，这使得滑轮系统7能够执行它对于接头46和接头56的1:2位移限制。仪器保持器6总是朝向三角形的顶点O'，该三角形由仪器保持器6的跨距以及接头46和接头56的轨迹而形成。
[0072] 图6显示了图1的设备的可选实施例。第二连杆5通过棱柱接头35而与基础连杆3连接。该可选实施例的优点是负载均匀分布在棱柱接头34和35上。不过，缺点是棱柱接头35的冲程为棱柱接头34的冲程的两倍，而在图1的实施例中，棱柱接头34和45有相同冲程，因为第二连杆与第一连杆连接。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种具有远程中心运动的新型自动前列腺活检机器人 | 2020-05-12 | 109 |
| 机器人远程运动中心的控制器限定 | 2020-05-11 | 735 |
| 一种基于仿图仪的远程运动中心机构 | 2020-05-11 | 553 |
| 一种具有远程运动中心的大转角球铰结构 | 2020-05-12 | 938 |
| 一种远程运动中心机构 | 2020-05-11 | 827 |
| 一种具有高刚性的四自由度远程运动中心机构 | 2020-05-12 | 992 |
| 一种实现远程执行运动处方和监控的方法和系统 | 2020-05-14 | 82 |
| 机器人远程运动中心的控制器限定 | 2020-05-11 | 671 |
| 用于柔性弧形滑轨的具有虚拟远程运动中心的柔性铰链 | 2020-05-13 | 248 |
| 使用定制套管针对机器人远程运动中心点的定位 | 2020-05-12 | 41 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈