手术机器人系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010500767.6 (22)申请日 2020.06.04 (30)优先权数据 16/432,202 2019.06.05 US (71)申请人 格罗伯斯医疗有限公司 地址 美国宾夕法尼亚州 (72)发明人 B阿尔贾瓦德T卡洛韦 N约翰逊NR克劳福德 (74)专利代理机构 北京律盟知识产权代理有限 责任公司 11287 代理人 江葳 (51)Int.Cl. A61B 34/20(2016.01) A61B 34/32(2016.01) A61B 90/00(2016.01。

2、) (54)发明名称 手术机器人系统 (57)摘要 一种手术机器人系统包含机器人。 所述机器 人包含机器人基座和联接到所述机器人基座的 机器人臂。 所述机器人还包含联接到所述机器人 臂的末端执行器。 所述机器人被配置成控制所述 末端执行器的移动以执行手术程序。 所述机器人 还包含联接到所述机器人臂的惯性测量单元。 所 述手术机器人系统还包含相机， 其被配置成捕获 用于确定所述末端执行器的位置的一个或多个 图片或视频。 所述惯性测量单元被配置成捕获用 于确定当所述相机的视野被遮挡时所述末端执 行器的所述位置的一个或多个测量值。 权利要求书1页 说明书25页 附图28页 CN 112043380 。

3、A 2020.12.08 CN 112043380 A 1.一种手术机器人系统， 其包括： 机器人， 其包括： 机器人基座； 机器人臂， 其联接到所述机器人基座； 末端执行器， 其联接到所述机器人臂， 其中所述机器人被配置成控制所述末端执行器 的移动以执行手术程序； 以及 惯性测量单元， 其联接到所述机器人臂； 以及 相机， 其被配置成捕获用于确定所述末端执行器的位置的一个或多个图片或视频， 其 中所述惯性测量单元被配置成捕获用于确定当所述相机的视野被遮挡时所述末端执行器 的所述位置的一个或多个测量值。 2.根据权利要求1所述的系统， 其中所述惯性测量单元联接到所述末端执行器。 3.根据权利要。

4、求1所述的系统， 其中所述一个或多个图片或视频用于确定当所述相机 的所述视野未被遮挡时所述末端执行器的所述位置和所述末端执行器的定向。 4.根据权利要求1所述的系统， 其中所述惯性测量单元包括加速度计， 且其中所述一个 或多个测量值包括所述末端执行器的加速度。 5.根据权利要求1所述的系统， 其中所述惯性测量单元包括陀螺仪， 且其中所述一个或 多个测量值包括所述末端执行器的定向。 6.根据权利要求1所述的系统， 其中使用以下来确定当所述相机的所述视野被遮挡时 所述末端执行器的所述位置： 在所述相机的所述视野被遮挡之前的基于所述一个或多个图片或视频的所述末端执 行器的最后未被遮挡的位置和定向； 。

5、以及 在所述相机的所述视野被遮挡时由所述惯性测量单元捕获的所述一个或多个测量值， 其中所述一个或多个测量值包括所述末端执行器的加速度和定向。 7.根据权利要求1所述的系统， 其中所述末端执行器被配置成向手术目标提供骨接合 剂、 移植骨、 活细胞、 一种或多种药品或其它递送物。 8.根据权利要求1所述的系统， 其中所述末端执行器包括被设计成用于执行椎间盘切 除术、 椎体后凸成形术、 椎骨支架术、 扩张或其它手术程序的一个或多个器械。 9.根据权利要求1所述的系统， 其中所述机器人执行骨科手术。 10.根据权利要求1所述的系统， 其中所述机器人对患者的脊柱执行外科手术。 权利要求书 1/1 页 2。

6、 CN 112043380 A 2 手术机器人系统 0001 相关申请的交叉参考 0002 本申请是2017年5月31日提交的第15/609,334号美国专利申请的部分接续申请， 所述第15/609,334号美国专利申请是2016年5月18日提交的第15/157,444号美国专利申请 的部分接续申请， 所述第15/157,444号美国专利申请是2016年4月11日提交的第15/095, 883号美国专利申请的部分接续申请， 所述第15/095,883号美国专利申请是2013年10月24 日提交的第14/062,707号美国专利申请的部分接续申请， 所述第14/062,707号美国专利申 请是2。

7、013年6月21日提交的第13/924,505号美国专利申请的部分接续申请， 所述第13/924, 505号美国专利申请要求2012年6月21日提交的第61/662,702号临时专利申请的优先权且 要求2013年3月15日提交的第61/800,527号临时专利申请的优先权， 所有文献的全部内容 出于所有目的以引用的方式并入本文中。 技术领域 0003 本公开涉及位置辨识系统， 且确切地说涉及在机器人辅助外科手术期间的末端执 行器和工具跟踪及操纵。 背景技术 0004 位置辨识系统用于确定特定对象在三维(3D)中的位置且在三维中跟踪特定对象。 在机器人辅助的外科手术中， 举例来说， 当例如正由机。

8、器人或由医生定位和移动器械时需 要以高精度跟踪例如手术器械等特定对象。 0005 基于红外信号的位置辨识系统可以使用无源和/或有源传感器或标记来跟踪对 象。 在无源传感器或标记中， 待跟踪的对象可包含无源传感器， 例如反射球形球， 其位于待 跟踪对象上的策略位置。 红外发射器发射信号， 且反射球形球反射信号以帮助确定对象在 3D中的位置。 在有源传感器或标记中， 待跟踪的对象包含有源红外发射器， 如发光二极管 (LED)， 并因此产生其自身的红外信号， 用于3D检测。 0006 利用有源或无源跟踪传感器， 系统然后基于来自以下一个或多个或与以下一个或 多个相关的信息， 在几何学上解析有源和/或。

9、无源传感器的三维位置： 红外相机、 数字信号、 有源或无源传感器的已知位置、 距离、 接收响应信号所花费的时间、 其它已知变量或其组 合。 0007 一个问题是， 跟踪传感器通常刚性地附接到待跟踪对象的一部分， 且通常在对象 本身上不可移动。 并且， 系统通常需要多个标记， 常常是四个标记， 来准确地确定对象的位 置。 因此， 需要提供用于辨识对象的三维位置的改进的系统和方法， 其为准确的， 但可以是 可移动的和/或例如具备较少传感器或标记， 来提供关于对象或其位置的额外信息。 发明内容 0008 为了满足此需求和其它需要， 提供用于确定对象的三维位置的供与机器人辅助外 科手术一起使用的装置、。

10、 系统和方法。 说明书 1/25 页 3 CN 112043380 A 3 0009 根据一个实施例， 提供一种包含机器人的手术机器人系统。 所述机器人包含机器 人基座和联接到机器人基座的机器人臂。 所述机器人还包含联接到机器人臂的末端执行 器。 所述机器人被配置成控制末端执行器的移动以执行手术程序。 所述机器人还包含联接 到机器人臂的惯性测量单元。 手术机器人系统还包含相机， 其被配置成捕获用于确定末端 执行器的位置的一个或多个图片或视频。 所述惯性测量单元被配置成捕获用于确定当相机 的视野被遮挡时末端执行器的位置的一个或多个测量值。 0010 在另一实施例中， 手术机器人系统包含机器人。 。

11、所述机器人包含机器人基座和联 接到机器人基座的机器人臂。 所述机器人还包含联接到机器人臂的末端执行器。 所述机器 人被配置成控制末端执行器的移动以执行手术程序。 末端执行器包含引导管。 所述机器人 还包含联接到末端执行器的惯性测量单元。 手术机器人系统还包含联接到引导管的器械。 手术机器人系统还包含可拆卸地联接到所述器械的植入物。 植入物被配置成插入在患者体 内。 手术机器人系统还包含相机， 其被配置成捕获用于确定末端执行器的位置的一个或多 个图片或视频。 所述惯性测量单元被配置成捕获用于确定当相机的视野被遮挡时末端执行 器的位置的一个或多个测量值。 0011 还公开一种用于控制机器人的方法。。

12、 所述方法包含从相机接收信息。 来自相机的 信息包含机器人的末端执行器的一个或多个图片或视频。 所述方法还包含从惯性测量单元 接收信息。 来自惯性测量单元的信息包含机器人的末端执行器的加速度、 定向或这两者。 所 述方法还包含确定相机的视野是否被遮挡。 所述方法还包含当相机的视野被遮挡时至少部 分基于来自相机的信息和来自惯性测量单元的信息确定机器人的末端执行器的位置和定 向。 附图说明 0012 图1是外科手术程序期间机器人系统、 患者、 外科医生和其他医务人员的位置的潜 在布置的俯视图； 0013 图2示出了根据一个实施例包含手术机器人和相机相对于患者的定位的机器人系 统； 0014 图3示。

13、出了根据示例性实施例的手术机器人系统； 0015 图4示出了根据示例性实施例的手术机器人的一部分； 0016 图5示出了根据示例性实施例的手术机器人的框图； 0017 图6示出了根据示例性实施例的手术机器人； 0018 图7A-7C示出了根据示例性实施例的末端执行器； 0019 图8示出了根据一个实施例在将手术器械插入到末端执行器的引导管中之前和之 后的手术器械和末端执行器； 0020 图9A-9C示出了根据示例性实施例的末端执行器和机器人臂的部分； 0021 图10示出了根据示例性实施例的动态参考阵列、 成像阵列和其它组件； 0022 图11示出了根据示例性实施例的配准方法； 0023 图1。

14、2A-12B示出了根据示例性实施例的成像装置的实施例； 0024 图13A示出了根据示例性实施例包含机器人臂和末端执行器的机器人的一部分； 0025 图13B是图13A所示的末端执行器的特写视图， 其具有刚性附连在其上的多个跟踪 说明书 2/25 页 4 CN 112043380 A 4 标记； 0026 图13C是根据一个实施例具有刚性附连在其上的多个跟踪标记的工具或器械； 0027 图14A是在第一配置中具有可移动跟踪标记的末端执行器的替代型式； 0028 图14B是在第二配置中具有可移动跟踪标记的图14A中示出的末端执行器； 0029 图14C示出了来自图14A的第一配置中的跟踪标记的模。

15、板； 0030 图14D示出了来自图14B的第二配置中的跟踪标记的模板； 0031 图15A示出了仅附连有单个跟踪标记的末端执行器的替代型式； 0032 图15B示出图15A的末端执行器， 其中器械穿过引导管设置； 0033 图15C示出图15A的末端执行器， 其中器械在两个不同位置中， 以及所得的用以确 定该器械定位于引导管内还是引导管外的逻辑； 0034 图15D示出图15A的末端执行器， 其中器械在引导管中在两个不同框架处， 以及其 距引导管上的单个跟踪标记的相对距离； 0035 图15E示出相对于坐标系的图15A的末端执行器； 0036 图16是用于将机器人的末端执行器导航并移动到期望。

16、的目标轨迹的方法的框图； 0037 图17A-17B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的可膨胀植入物插入于收 缩和膨胀位置中的器械； 0038 图18A-18B分别描绘用于将具有固定和可移动跟踪标记的铰接式植入物插入于插 入和成角位置中的器械； 0039 图19A描绘具有可互换或替代性末端执行器的机器人的实施例； 以及 0040 图19B描绘机器人的实施例， 所述机器人具有联接到其的器械样式末端执行器。 0041 图20示出了根据一实施例的惯性测量单元(IMU)的示意图， 以及示出IMU可随时间 对有噪声漂移位置预测的影响的曲线图。 0042 图21示出了根据一实施例的曲线图， 该曲线图示。

17、出仅使用光学跟踪以及使用具有 附接到标记的无源阵列的IMU的光学-惯性跟踪的所述阵列的模拟空间跟踪。 0043 图22示出了根据一实施例的曲线图， 该曲线图示出仅使用光学跟踪以及在光学路 径信息丢失之后执行模型+惯性跟踪(也称为传感器融合跟踪)的标记的无源阵列的模拟空 间跟踪。 0044 图23示出了根据一实施例的曲线图， 该曲线图示出使用具有附接到标记的无源阵 列的IMU的光学-惯性跟踪以及将来外推的移动的模型-惯性预测的所述阵列的模拟空间跟 踪。 0045 图24示出了根据一实施例的曲线图， 该曲线图示出使用具有附接到标记的无源阵 列的IMU的光学-惯性跟踪以及将来外推的移动的基于模型的预。

18、测而无来自IMU的任何惯性 数据的所述阵列的模拟空间跟踪。 0046 图25示出了根据一实施例用于控制机器人臂的末端执行器的移动的方法的流程 图。 具体实施方式 0047 应该理解的是， 本公开在其应用方面不限于在本文的描述中阐述的或者在图中示 出的组件的构造和布置的细节。 本公开的教导可以在其它实施例中使用和实践， 并且以各 说明书 3/25 页 5 CN 112043380 A 5 种方式实践或实行。 并且， 应理解， 本文所使用的措词和术语是出于描述的目的且不应被视 为是限制性的。 本文中使用 “包含” 、“包括” 或 “具有” 及其变化形式意在涵盖其后列出的项 目和其等效物以及额外项目。

19、。 除非另外指定或限制， 否则术语 “安装” 、“连接” 、“支撑” 和 “联 接” 及其变型广泛地使用， 并且涵盖直接和间接安装、 连接、 支撑和联接。 此外，“连接” 和 “联 接” 不限于物理或机械连接或联接。 0048 呈现以下讨论以使所属领域的技术人员能够制造和使用本公开的实施方案。 所属 领域的技术人员将容易了解对所示出的实施例的各种修改， 且本文的原理可应用于其它实 施例和应用， 而不脱离本公开的实施例。 因此， 实施例并不意图限于所示出的实施例， 而是 应被赋予与本文中所公开的原理和特征相一致的最广范围。 以下详细描述应参考附图来阅 读， 其中不同图中的相似元件具有相似参考标号。

20、。 不一定按比例的图描绘了所选择的实施 例并且并不打算限制实施例的范围。 本领域的技术人员将认识到， 本文提供的实施例具有 许多有用的替代方案并且落入实施方案的范围内。 0049 现转而参看附图， 图1和图2示出了根据示例性实施例的手术机器人系统100。 手术 机器人系统100可包含例如手术机器人102、 一个或多个机器人臂104、 基座106、 显示器110、 包含例如导管114的末端执行器112， 以及一个或多个跟踪标记118。 手术机器人系统100可 包含患者跟踪装置116， 其也包含一个或多个跟踪标记118， 所述患者跟踪装置适于直接固 定到患者210(例如固定到患者210的骨头)。 。

21、手术机器人系统100还可利用例如定位在相机 支架202上的相机200。 相机支架202可具有任何合适的配置以将相机200移动、 定向并支撑 在期望的位置。 相机200可包含能够识别例如在从相机200的角度可见的既定测量体积中的 有源和无源跟踪标记118的任何合适的一个或多个相机， 例如一个或多个红外相机(例如双 焦点或立体摄影测量相机)。 相机200可以扫描既定的测量体积并且检测来自标记118的光 以便识别和确定标记118在三维中的位置。 举例来说， 有源标记118可包含由电信号(例如红 外发光二极管(LED)激活的红外发射标记， 且无源标记118可包含反射红外光的回射标记 (例如它们将进入的。

22、IR辐射反射进入入射光的方向)， 所述IR光例如由相机200上的照明器 或其它合适的装置发射。 0050 图1和2示出了手术机器人系统100在手术室环境中的放置的潜在配置。 举例来说， 机器人102可以位于患者210附近或旁边。 虽然描绘在患者210的头部附近， 但是应当理解， 机器人102可以位于患者210附近的任何合适的位置， 这取决于患者210正在进行手术的区 域。 相机200可以与机器人系统100分开并且定位在患者210的足部。 该位置允许相机200对 手术视野208具有直接的视线。 再次， 可以设想相机200可以位于具有到手术视野208的视线 的任何合适的位置。 在所示的配置中， 外。

23、科医生120可以定位在机器人102的对面， 但仍然能 够操纵末端执行器112和显示器110。 手术助理126可以再次与外科医生120对置地定位， 并 且可以触及末端执行器112和显示器110两者。 如果需要， 外科医生120与助理126的位置可 以颠倒。 麻醉师122和护士或擦洗护工124的传统区域保持不受机器人102和相机200的位置 阻碍。 0051 关于机器人102的其它组件， 显示器110可以被附接到手术机器人102， 且在其它示 例性实施例中， 显示器110可以与手术机器人102分开， 不管是在具有手术机器人102的手术 室内， 还是在远处的位置。 末端执行器112可以联接到机器人臂。

24、104并且由至少一个发动机 控制。 在示例性实施例中， 末端执行器112可包括引导管114， 引导管能够接收和定向用于对 说明书 4/25 页 6 CN 112043380 A 6 患者210进行外科手术的手术器械608(本文进一步描述)。 如本文所使用， 术语 “末端执行 器” 与术语 “末端施行器” 和 “施行器元件” 可互换使用。 虽然通常用引导管114示出， 但应理 解， 末端执行器112可以用适用于外科手术的任何合适的仪器代替。 在一些实施例中， 末端 执行器112可包括用于以期望的方式实现手术器械608的移动的任何已知结构。 0052 手术机器人102能够控制末端执行器112的平移。

25、和定向。 机器人102能够例如沿着x 轴、 y轴和z轴移动末端执行器112。 末端执行器112可以配置成用于围绕x轴、 y轴和z轴中的 一个或多个以及Z框轴线选择性旋转(使得与末端执行器112相关联的一个或多个欧拉角 (例如翻滚、 俯仰和/或偏转)可以被选择性地控制)。 在一些示例性实施例中， 与利用例如仅 包括旋转轴的六自由度机器人臂的传统机器人相比， 对末端执行器112的平移和定向的选 择性控制可以允许医疗程序的执行具有显著提高的准确度。 举例来说， 手术机器人系统100 可以用于在患者210上操作， 并且机器人臂104可以被定位在患者210的身体上方， 末端执行 器112选择性地相对于z。

26、轴朝向患者210身体成角度。 0053 在一些示例性实施例中， 手术器械608的位置可以动态地更新， 使得手术机器人 102可以在手术期间始终知道手术器械608的位置。 因此， 在一些示例性实施例中， 手术机器 人102可以将手术器械608快速移动到期望位置， 而无需医师的任何进一步帮助(除非医师 需要)。 在一些进一步的实施例中， 手术机器人102可以配置成在手术器械608偏离所选择的 预先规划的轨迹的情况下校正手术器械608的路径。 在一些示例性实施例中， 手术机器人 102可配置成允许停止、 修改和/或手动控制末端执行器112和/或手术器械608的移动。 因 此， 在示例性实施例中， 在。

27、使用中， 医师或其他用户可以操作系统100， 并且可以选择停止、 修改或手动控制末端执行器112和/或手术器械608的自主移动。 包含手术机器人102对手术 器械608的控制和移动的手术机器人系统100的进一步细节可以查阅第13/924,505号共同 待决美国专利申请， 其全部内容以引用的方式并入本文中。 0054 机器人手术系统100可包括一个或多个跟踪标记118， 其配置成三维地跟踪机器人 臂104、 末端执行器112、 患者210和/或手术器械608的移动。 在示例性实施例中， 多个跟踪标 记118可以被安装(或以其它方式被固定)到机器人102的外表面上， 例如(且不限于)机器人 102。

28、的基座106上、 机器人臂104上， 或末端执行器112上。 在示例性实施例中， 多个跟踪标记 118中的至少一个跟踪标记118可以被安装或以其它方式被固定到末端执行器112。 一个或 多个跟踪标记118可以进一步被安装(或以其它方式被固定)到患者210。 在示例性实施例 中， 多个跟踪标记118可以定位在患者210上与手术视野208间隔开， 以减小被外科医生、 手 术工具或机器人102的其它部分遮挡的可能性。 此外， 一个或多个跟踪标记118可以进一步 被安装(或以其它方式被固定)到手术工具608(例如螺丝刀、 扩张器、 植入物插入器等)。 因 此， 跟踪标记118使得被标记的对象(例如末端。

29、执行器112、 患者210和手术工具608)中的每 一个都能够被机器人102跟踪。 在示例性实施例中， 系统100可以使用从每个被标记对象收 集的跟踪信息计算例如末端执行器112、 手术器械608(例如定位在末端执行器112的管114 中)的定向和位置、 以及患者的相对位置210。 0055 标记118可包含不透射线或光学标记。 标记118可呈适合的形状， 包含球面、 球形、 圆柱形、 立方体、 长方体等等。 在示例性实施例中， 标记118中的一个或多个可以是光学标 记。 在一些实施例中， 通过用于检查或检验末端执行器112的位置， 末端执行器112上的一个 或多个跟踪标记118的定位可使位置。

30、测量的准确性最大化。 包含手术机器人102和手术器械 说明书 5/25 页 7 CN 112043380 A 7 608的控制、 移动和跟踪的手术机器人系统100的进一步细节可以查阅第13/924,505号共同 待决美国专利申请， 其全部内容以引用的方式并入本文中。 0056 示例性实施例包含联接到手术器械608的一个或多个标记118。 在示例性实施例 中， 例如联接到患者210和手术器械608的这些标记118， 以及联接到机器人102的末端执行 器112的标记118可包括传统的红外发光二极管(LED)或能够使用商业上可获得的红外光学 跟踪系统(例如)跟踪的二极管。是加拿大安大略省滑 铁卢北方。

31、数字公司(Northern Digital Inc.)的注册商标。 在其它实施例中， 标记118可包 括能够使用商业上可获得的光学跟踪系统(例如Polaris Spectra)跟踪的常规反射球。 Polaris Spectra也是北方数字公司的注册商标。 在示例性实施例中， 联接到末端执行器 112的标记118是有源标记， 其包括可以接通和关断的红外发光二极管， 并且联接到患者210 和手术器械608的标记118包括无源反射球。 0057 在示例性实施例中， 由标记118发射和/或反射的光可以由相机200检测并且可以 用于监视被标记对象的位置和移动。 在替代实施例中， 标记118可包括射频和/。

32、或电磁反射 器或收发器， 并且相机200可包含射频和/或电磁收发器， 或由射频和/或电磁收发器代替。 0058 类似于手术机器人系统100， 图3示出了与本公开的示例性实施例一致的处于对接 配置的手术机器人系统300和相机支架302。 手术机器人系统300可包括机器人301， 机器人 包含显示器304、 上臂306、 下臂308、 末端执行器310、 竖直柱312、 脚轮314、 机柜316、 平板抽 屉318、 连接器面板320、 控制面板322和信息环324。 相机支架302可包括相机326。 这些组件 参照图5更详细地描述。 图3示出了处于对接配置的手术机器人系统300， 其中相机支架3。

33、02 例如在不使用时与机器人301嵌套。 所属领域的技术人员将认识到， 相机326和机器人301可 以在手术程序期间彼此分离并且定位在任何适当的位置处， 例如如图1和2所示。 0059 图4示出了与本公开的示例性实施例一致的基座400。 基座400可以是手术机器人 系统300的一部分并且包括机柜316。 机柜316可以容纳手术机器人系统300的某些组件， 包 含但不限于电池402、 配电模块404、 平台接口板模块406、 计算机408、 手柄412和平板抽屉 414。 这些组件之间的连接和关系参照图5更详细地描述。 0060 图5示出了手术机器人系统300的示例性实施例的某些组件的框图。 手。

34、术机器人系 统300可包括平台子系统502、 计算机子系统504、 运动控制子系统506和跟踪子系统532。 平 台子系统502可以进一步包括电池402、 配电模块404、 平台接口板模块406和平板充电站 534。 计算机子系统504可以进一步包括计算机408、 显示器304和扬声器536。 运动控制子系 统506可以进一步包括驱动器电路508、 发动机510、 512、 514、 516、 518、 稳定器520、 522、 524、 526、 末端执行器310和控制器538。 跟踪子系统532可进一步包括位置传感器540和相机转换 器542。 系统300还可包括脚踏板544和平板546。。

35、 0061 经由可以被提供给配电模块404的电源548， 将输入电力供应给系统300。 配电模块 404接收输入电力并且配置成产生不同的电源电压， 所述电源电压被提供给系统300的其它 模块、 组件和子系统。 配电模块404可以配置成向平台接口模块406提供不同的电压供应， 所 述不同电压供应可以被提供给如计算机408、 显示器304、 扬声器536、 驱动器508等其它组 件， 以例如为发动机512、 514、 516、 518和末端执行器310、 发动机510、 环324、 相机转换器542 以及用于系统300的其它组件供电， 所述其它组件例如用于冷却机柜316内的电气组件的风 扇。 说明。

36、书 6/25 页 8 CN 112043380 A 8 0062 配电模块404还可以将电力提供给其它组件， 例如可以位于平板抽屉318内的平板 充电站534。 平板充电站534可以与平板546进行无线或有线通信以用于为平板546充电。 平 板546可以由与本公开一致并在本文描述的外科医生来使用。 0063 配电模块404还可以连接到电池402， 电池402在配电模块404没有从输入电力548 接收电力的情况下用作临时电源。 在其它时间， 如果必要， 配电模块404可以用以对电池402 进行充电。 0064 平台子系统502的其它组件还可包含连接器面板320、 控制面板322和环324。 连接。

37、 器面板320可以用于将不同的装置和组件连接到系统300和/或相关联的组件和模块。 连接 器面板320可以含有接收来自不同组件的线路或连接的一个或多个端口。 举例来说， 连接器 面板320可以具有可以将系统300接地到其它设备的接地端子端口、 将脚踏板544连接到系 统300的端口、 连接到跟踪子系统532的端口， 跟踪子系统532可包括位置传感器540、 相机转 换器542、 以及与相机支架302相关联的相机326。 连接器面板320还可包含其它端口以允许 与其它组件(例如计算机408)进行USB、 以太网、 HDMI通信。 0065 控制面板322可以提供控制系统300的操作和/或提供关于。

38、系统300的信息的各种 按钮或指示器。 举例来说， 控制面板322可包含按钮， 其用于使系统300通电或断电、 升高或 下降竖直柱312、 以及升高或下降稳定器520-526， 稳定器520-526可被设计成接合脚轮314 以锁定系统300以免于物理移动。 其它按钮可以在紧急情况下停止系统300， 这可以移除所 有发动机功率并施加机械制动器来阻止发生所有运动。 控制面板322还可以具有指示器， 其 用于向用户通知某些系统状况， 例如线路电力指示器或电池402的充电状态。 0066 环324可以是视觉指示器， 以向系统300的用户通知系统300正在操作的不同模式 以及对用户的某些警告。 0067。

39、 计算机子系统504包含计算机408、 显示器304和扬声器536。 计算机504包含操作系 统和用于操作系统300的软件。 计算机504可以接收和处理来自其它组件(例如跟踪子系统 532、 平台子系统502和/或运动控制子系统506)的信息以向用户显示信息。 此外， 计算机子 系统504还可包含扬声器536以向用户提供音频。 0068 跟踪子系统532可包含位置传感器504和转换器542。 跟踪子系统532可以对应于包 含相机326的相机支架302， 如参照图3所描述。 位置传感器504可以是相机326。 跟踪子系统 可以跟踪位于系统300的不同组件和/或在手术程序期间由用户使用的器械上的某。

40、些标记 的位置。 此跟踪可以以与本公开一致的方式进行， 包含使用分别跟踪例如LED或反射标记等 有源或无源元件的位置的红外技术。 具有这些类型的标记的结构的定位、 定向和位置可以 被提供给计算机408， 可以在显示器304上向用户展示。 举例来说， 具有这些类型的标记并且 以这种方式(其可以被称为导航空间)跟踪的手术器械608可以向用户展示相关的患者的解 剖结构的三维图像。 0069 运动控制子系统506可以配置成物理地移动竖直柱312、 上臂306、 下臂308或旋转 末端执行器310。 物理移动可以通过使用一个或多个发动机510-518来进行。 举例来说， 发动 机510可以配置成竖直地升。

41、高或降低竖直柱312。 如图3所示， 发动机512可以配置成围绕与 竖直柱312接合的点横向移动上臂308。 如图3所示， 发动机514可以配置成围绕与上臂308接 合的点横向移动下臂308。 发动机516和518可以配置成以可控制翻转并且可控制倾斜的方 式来移动末端执行器310， 由此提供可以移动末端执行器310的多个角度。 这些移动可以通 说明书 7/25 页 9 CN 112043380 A 9 过控制器538来实现， 控制器538可以通过测压元件来控制这些移动， 所述测压元件设置在 末端执行器310上并且由接合这些测压元件的用户激活以按期望的方式移动系统300。 0070 此外， 系统。

42、300可以通过用户在显示器304(其可以是触摸屏输入装置)上指示手术 器械或组件在显示器304上的患者解剖结构的三维图像上的位置， 来提供竖直柱312、 上臂 306和下臂308的自动移动。 用户可以通过踩踏脚踏板544或一些其它输入装置来起始此自 动移动。 0071 图6示出了与示例性实施例一致的手术机器人系统600。 手术机器人系统600可包 括末端执行器602、 机器人臂604、 引导管606、 器械608和机器人基座610。 器械工具608可以 附接到包含一个或多个跟踪标记(例如标记118)的跟踪阵列612， 并且具有相关联的轨迹 614。 轨迹614可以代表器械工具608配置成一旦其。

43、穿过或固定在引导管606中而行进的移动 路径， 例如器械工具608插入到患者体内的路径。 在示例性操作中， 机器人基座610可以配置 成与机器人臂604和末端执行器602进行电子通信， 使得手术机器人系统600可以辅助用户 (例如外科医生)在患者210上操作。 手术机器人系统600可以与之前描述的手术机器人系统 100和300一致。 0072 跟踪阵列612可以安装在器械608上以监视器械工具608的定位和定向。 跟踪阵列 612可以附接到器械608并且可包括跟踪标记804。 如图8中最佳所见， 跟踪标记804可以是例 如发光二极管和/或其它类型的反射标记(例如如本文其它地方描述的标记118)。

44、。 跟踪装置 可以是与手术机器人系统相关联的一个或多个视线装置。 作为实例， 跟踪装置可以是与手 术机器人系统100、 300相关联的一个或多个相机200、 326， 并且还可跟踪跟踪阵列612以获 得器械608相对于机器人臂604、 机器人基座610、 末端执行器602和/或患者210的限定域或 相对定向。 跟踪装置可以与结合相机支架302和跟踪子系统532描述的那些结构一致。 0073 图7A、 7B和7C分别示出了与示例性实施例一致的末端执行器602的俯视图、 前视图 和侧视图。 末端执行器602可包括一个或多个跟踪标记702。 跟踪标记702可以是发光二极管 或其它类型的有源和无源标记。

45、， 例如之前已经描述的跟踪标记118。 在示例性实施例中， 跟 踪标记702是由电信号(例如红外发光二极管(LED)激活的有源红外发射标记。 因此， 跟踪 标记702可以被激活， 使得红外标记702对于相机200、 326可见， 或者可以被解除激活， 使得 红外标记702对于相机200、 326不可见。 因此， 当标记702为有源时， 末端执行器602可以由系 统100、 300、 600来控制， 并且当标记702被解除激活时， 末端执行器602可以被锁定在适当位 置并且不能被系统100、 300、 600移动。 0074 标记702可以以使得标记702可被一个或多个相机200、 326或与手。

46、术机器人系统 100、 300、 600相关联的其它跟踪装置可见的方式设置在末端执行器602上或末端执行器602 内。 相机200、 326或其它跟踪装置可在通过跟随跟踪标记702的移动而移动到不同位置和视 角时跟踪末端执行器602。 标记702和/或末端执行器602的位置可显示在与手术机器人系统 100、 300、 600相关联的显示器110、 304上， 例如图2所示的显示器110和/或图3所示的显示器 304。 此显示器110、 304可以允许用户确保末端执行器602关于机器人臂604、 机器人基座 610、 患者210和/或用户处于期望位置。 0075 举例来说， 如图7A所示， 可以。

47、将标记702放置在末端执行器602的表面周围， 使得远 离手术视野208并且面向机器人102、 301和相机200、 326放置的跟踪装置能够通过末端执行 器602相对于跟踪装置100、 300、 600的一系列共同定向来检视标记702中的至少3个。 举例来 说明书 8/25 页 10 CN 112043380 A 10 说， 以这种方式分布标记702允许当末端执行器602在手术视野208中平移和旋转时通过跟 踪装置监视末端执行器602。 0076 另外， 在示例性实施例中， 末端执行器602可以配备有红外(infared， IR)接收器， 所述红外(IR)接收器可以检测何时外部相机200、 。

48、326准备好读取标记702。 在此检测后， 末 端执行器602然后可以照亮标记702。 由IR接收器检测到外部相机200、 326准备好读取标记 702可以表示需要将标记702(其可以是发光二极管)的工作循环同步到外部相机200、 326。 这也可以允许机器人系统作为整体实现较低的功耗， 由此标记702将仅在适当的时间被照 亮而不是被持续照亮。 此外， 在示例性实施例中， 可以关闭标记702以防止干扰其它导航工 具(例如不同类型的手术器械608)。 0077 图8描绘了一种类型的手术器械608， 其包含跟踪阵列612和跟踪标记804。 跟踪标 记804可以是本文所描述的任何类型， 包含但不限于。

49、发光二极管或反射球。 由与手术机器人 系统100、 300、 600相关联的跟踪装置来监视标记804， 并且标记804可以是视线相机200、 326 中的一个或多个。 相机200、 326可以基于跟踪阵列612和标记804的位置和定向来跟踪器械 608的定位。 外科医生120等用户可以以某种方式定向器械608， 使得由跟踪装置或相机200、 326充分辨识跟踪阵列612和标记804以例如在示例性手术机器人系统的显示器110上显示 器械608和标记804。 0078 外科医生120可以将器械608放置到末端执行器602的引导管606中并调整器械 608， 这种方式在图8中是明显的。 末端执行器1。

50、12、 310、 602的中空管或引导管114、 606的尺 寸和配置被设定为接收手术器械608的至少一部分。 引导管114、 606配置成通过机器人臂 104定向， 使得手术器械608的插入和轨迹能够到达患者210体内或体上的期望解剖目标。 手 术器械608可包含大致圆筒形器械的至少一部分。 虽然螺丝刀作为手术工具608被举例说 明， 但应该理解， 任何合适的手术工具608都可以由末端执行器602定位。 作为实例， 手术器 械608可包含一个或多个导丝、 套管、 牵开器、 钻孔器、 扩眼器、 螺丝刀、 插入工具、 拆卸工具 等。 虽然中空管114、 606总体上显示为具有圆筒形配置， 但所属。