外科工具和包括此类外科工具的机器人系统的制作方法

1.本公开涉及一种外科工具和包括此类外科工具的机器人系统。


背景技术：

2.全膝关节成形术通常需要切割股骨骺和胫骨骨骺，以便移除受损的骨和软骨并安装膝关节假体。
3.为此，外科医生必须通过切割块使用摆动锯对股骨进行五次或更多次切割并对胫骨进行一次或多次切割。
4.图1是旨在接收包括股骨部件fc和胫骨部件tc的膝关节假体的膝盖的示意性透视图。通常，待在股骨f上进行的切割是：沿平面f1的远侧切割、沿平面f2的前切割、沿着平面f3的后切割，以及分别将远侧平面与前平面和后平面连接的前斜切f4和后斜切f5。必须沿着平面t1在胫骨t上进行切割。
5.为了使外科医生能够在缩短的时间内准确地执行所有这些平面，已经开发了机器人系统。
6.例如，如图2所示，机器人系统1包括机动致动单元10、平面机构11，其具有附接到致动单元的末端区段的第一端部110、刚性地附接到锯2'的第二端部111。锯包括主体20'、能够相对于主体移动的锯片21'和被配置成由外科医生握持以执行切割的柄部22'。机器人系统还包括分别附接到锯和患者的跟踪器30'、31，以实时确定锯和待切割的骨的相对位置，以及被配置成补偿来自患者或外科医生的小移动的控制单元，以便维持锯片与确定平面的对准，切割必须根据所述确定平面进行。为了激活锯片，外科医生必须按下位于锯的柄部22'上的触发器23'。锯片的速度可取决于施加到触发器的压力。
7.根据待进行的切割的角度取向，锯可能必须在对于外科医生而言不舒适的位置上倾斜。
8.图2示出了具有面向上取向的锯的柄部22'的机器人系统。该位置不符合人体工程学，并且外科医生可能难以在执行切割时控制锯。因此，外科医生还可以切割不旨在受外科手术影响的组织，诸如软组织(例如，侧副韧带、膝关节囊和/或腘动脉)。具体地讲，外科医生可能不会很好地控制施加到触发器23'的压力，这导致对锯片的速度的较差控制。此外，当跟踪器30'是可由相机检测到的光学跟踪器时，外科医生必须确保不阻碍相机的视野，这可能导致跟踪器不被检测到并且机器人系统停止。
9.此外，由于用于跟踪器30'和平面机构11的连接器是不同的，因此不方便用相同的锯2'来治疗患者的相对的两侧(例如左腿和右腿)。


技术实现要素：

10.因此，期望设计适用于治疗患者的左侧或右侧的外科工具，从而提供对患者和周围手术部位的最小干扰。
11.实施方案涉及一种外科工具，该外科工具包括：
12.主体，该主体限定纵向轴线，
13.端部执行器，该端部执行器从主体的远侧端部延伸，端部执行器能够围绕枢转轴线相对于主体移动，
14.第一连接器，该第一连接器被配置成将主体刚性地固定到平面机构，该平面机构被配置成限制物体仅在平面内部移动，
15.第二连接器，该第二连接器被配置成将跟踪器的远侧部分刚性地固定到主体，
16.其中第一连接器和第二连接器相对于包括纵向轴线和枢转轴线的平面彼此对称，并且两者均适用于附接跟踪器的远侧部分或平面机构，以及
17.第三连接器，该第三连接器被配置成将跟踪器的近侧部分刚性地固定到主体。
18.在本文本中，术语“远侧”和“近侧”表示分别外科工具的更接近和更远离端部执行器的部分。
19.第一连接器和第二连接器的对称性允许将平面机构或跟踪器互换地连接到所述连接器中的每一者，这在治疗患者的相对的两侧时在使用外科工具方面提供更大的灵活性。第三连接器有利地也相对于包括纵向轴线和枢转轴线的平面对称。
20.在已知的外科工具中，跟踪器仅通过一个连接器附接到主体；由于外科工具在使用期间振动，因此振动可能导致跟踪器相对于主体移动。结果，定位跟踪器的系统的信号可能被错误地解释，并且外科工具的位置可能不准确，从而不利地影响外科手术治疗的准确性。
21.通过使用两个连接器将跟踪器附接到主体，跟踪器较少经受由于在使用外科工具期间的振动而相对于主体移动。因此，可以以更大的准确度确定外科工具的位置，这对外科手术治疗的质量是有利的。
22.在一些实施方案中，跟踪器可基本上平行于主体的一侧延伸，配置跟踪器和第二连接器以便空余间隙，该间隙足以使用户的手指在主体与跟踪器之间穿过。
23.在一些实施方案中，主体可包括被成形为接收用户的手掌的凹部。这允许用户牢固地握持外科工具。
24.在一些实施方案中，跟踪器的远侧部分可包括能够在解锁位置和锁定位置之间操作的滑块，在该解锁位置中允许跟踪器的远侧部分可释放地接合第一连接器或第二连接器，在锁定位置中将跟踪器的远侧部分锁定到第一连接器或第二连接器。
25.在一些实施方案中，跟踪器可以为一次性跟踪器。
26.实施方案涉及一种包括此类外科工具的机器人系统。
27.该机器人系统可包括：
28.可锁定保持臂，
29.致动单元，该致动单元联接到保持臂，
30.平面机构，该平面机构联接到致动单元，
31.如上所述的外科工具，其中主体通过第一连接器刚性地固定到平面机构，
32.第一跟踪器，该第一跟踪器通过第二连接器和第三连接器刚性地附接到外科工具的主体。另一个跟踪器可刚性地附接到致动单元。
33.在一些实施方案中，跟踪器可基本上平行于主体的一侧延伸，配置跟踪器和第二连接器以便空余间隙，该间隙足以使用户的手指在主体与跟踪器之间穿过。
34.在一些实施方案中，跟踪器可为光学跟踪器。
35.在一些实施方案中，跟踪器可以为一次性跟踪器。
36.在一些实施方案中，致动单元有利地包括三至五个机动自由度。
37.在一些实施方案中，外科工具还包括联接到主体的电缆，以用于为端部执行器的致动器供电。
38.另选地，主体可包括电池以用于为端部执行器的致动器供电。
39.在一些实施方案中，端部执行器可以为锯片。
40.一些实施方案涉及一种外科工具，该外科工具包括：
41.主体，该主体限定纵向轴线，
42.端部执行器，该端部执行器从主体的远侧端部延伸，该端部执行器能够相对于主体移动，
43.第一连接器，该第一连接器被配置成将主体刚性地固定到平面机构，
44.第二连接器，该第二连接器被配置成将跟踪器刚性地固定到主体，以及
45.柄部，该柄部能够相对于主体选择性枢转，该柄部包括握把和被配置成制动端部执行器的触发器。
46.此类外科工具更符合人体工程学，并且允许外科医生精确地控制端部执行器的致动，无论端部执行器的取向如何。
47.在一些实施方案中，柄部能够围绕与纵向轴线正交的轴线选择性地枢转。
48.在一些实施方案中，主体可包括凹部，该凹部被成形为在与柄部相对的一侧接收用户的手。
49.在一些实施方案中，柄部可包括两个触发器，这两个触发器被配置成激活端部执行器，第一触发器位于柄部的远侧上并且第二触发器位于柄部的近侧上，第一触发器比第二触发器更靠近主体。
50.在一些实施方案中，柄部可围绕纵向轴线选择性地枢转。
51.在一些实施方案中，柄部可具有大致u形，该柄部包括：
52.远侧臂，该远侧臂围绕纵向轴线枢转地联接到主体，
53.近侧臂，该近侧臂包括握把和触发器，以及
54.桥接件，该桥接件连接远侧臂和近侧臂使得近侧臂从主体的近侧端部偏移。
55.所述桥接件可以围绕柄部的远侧臂选择性地枢转。
56.在一些实施方案中，第一连接器和第二连接器相对于包括纵向轴线并与平面机构正交的平面对称，因此第一连接器和第二连接器被配置成刚性地固定到平面机构和跟踪器中的任一者。
附图说明
57.图1示意性地示出在全膝关节成形术中在股骨和胫骨中进行的切割；
58.图2示出了机器人系统的实施方案，其中锯在非人体工程学位置上取向；
59.图3a-图3b示出了外科工具的一个实施方案，其中所述柄部能够围绕与主体的纵向轴线正交的轴线枢转；
60.图4示出了外科工具的一个实施方案，其中柄部能够围绕主体的纵向轴线枢转；
61.图5a-图5c示出了跟踪器与外科工具附接的一个实施方案；
62.图6a-图6d示出了跟踪器与外科工具附接的另一实施方案；
63.图7a-图7c示出了跟踪器与主体的连接的一个实施方案；
64.图8示出了平面机构与主体的连接的一个实施方案；
65.图9a-图9b示出了跟踪器与主体的近侧部分的连接的一个实施方案；
66.图10a-图10b示出了跟踪器与主体的远侧部分的连接的一个实施方案；
67.图11a-图11c示出了用于使用图9a-图9b和图10a-图10b的连接器将跟踪器连接到主体的方法的步骤；
68.图12a-图12b示出了跟踪器与主体的远侧部分的连接的一个实施方案；
69.图13示出了跟踪器与主体的远侧部分的连接的一个实施方案；
70.图14a-图14c示出了跟踪器与主体的远侧部分的连接的一个实施方案；
71.图15a-图15e示出了用于将外科工具与机器人系统连接的方法的步骤。
72.在所示实施方案中的一些中，外科工具的柄部未被表示为可枢转的柄部，而是表示为固定柄部。然而，无论外科工具具有可枢转的柄部还是具有固定的柄部，这些实施方案均适用于外科工具。因此，本公开不限于具有特定类型的柄部的所示实施方案的组合。
具体实施方式
73.外科工具
74.在所示实施方案中，外科工具表示为外科锯。也就是说，外科工具包括主体和作为锯片的端部执行器。该锯片联接到布置在主体中的致动器。当打开时，致动器使锯片围绕枢转轴线相对于主体移动。所述锯片的移动限定被称为切割平面的平面。所述外科工具可用于在骨中，例如在先前参考图1所述的全膝关节成形术中，执行更多平面切割中的一者。
75.然而，未示出的实施方案包括任何其他类型的外科工具，其包括主体和由致动器控制以能够相对于主体移动的端部执行器。此类端部执行器可具体地为毛刺或钻头，其相对于主体旋转。外科工具可用于在骨表面工作或在骨中钻出一个或多个孔。
76.该主体限定在主体的近侧端部和远侧端部之间延伸的纵向轴线。主体的远侧端部联接到端部执行器。
77.被配置用于由用户抓握外科工具的柄部布置在主体的近侧区域中。
78.该柄部包括握把，该握把是柄部的被配置成握持在用户手中的一部分。该柄部还包括至少一个触发器，该至少一个触发器被配置成激活致动器以在由用户的手指按下时移动端部执行器。优选地，端部执行器的移动速度取决于用户对触发器施加的压力。选择触发器相对于握把的位置，使得用户可用握持握把的手的至少一个手指按下触发器。
79.在一些实施方案中，柄部能够相对于主体选择性地枢转。因此，用户可根据端部执行器的取向改变柄部的取向以便优化外科工具的人体工程学。
80.取向的变化可以是连续的，即柄部相对于主体在两个端部位置之间的任何位置均是可用的。
81.另选地，取向的变化可以是逐步的，即，仅柄部相对于主体的离散数量的位置是可用的(例如，每5
°
相对倾斜)。
82.在两种情况下，外科工具均可包括锁定机构，该锁定机构被配置成将柄部刚性地
固定到主体。当用户旨在改变柄部相对于主体的取向时，他必须首先解锁锁定机构以使柄部移动。一旦已经实现了柄部相对于主体的期望取向，用户就必须在使用外科工具之前锁定锁定机构。根据一个实施方案，锁定机构可包括可由用户按下以解锁机构的按钮。当用户将其压力释放到按钮上时，可由弹簧构件推压按钮，从而使机构返回到锁定配置。
83.由于柄部相对于主体的这种选择性取向，可通过将柄部放置在对于用户而言更符合人体工程学的位置来避免图2的情况。
84.根据一个实施方案，柄部能够围绕与主体的纵向轴线正交的轴线枢转。
85.图3a和图3b示出了外科工具的第一实施方案。
86.该工具包括主体20。主体20沿纵向轴线x呈现细长形状。主体20包括远侧端部200和近侧端部201，锯片21从该远侧端部延伸。
87.尽管未示出，但主体包括操作地联接到锯片的致动器(马达)，以使锯片围绕与纵向轴线x正交的枢转轴线y，在与图3a的纸张正交并且平行于该纵向轴线的平面中移动。
88.致动器可由电缆供电或通过嵌入主体中的电池供电。
89.在图3a和图3b的实施方案中，电缆可沿纵向轴线x从主体的近侧端部201延伸。在其他实施方案中，电缆可从主体的任何其他部分延伸，前提条件是其不阻碍锯的正确使用。
90.柄部22围绕与纵向轴线x正交的轴线p枢转地安装在主体上。主体与柄部之间的连接部包括锁定机构，该锁定机构可由锁定按钮25致动。
91.为了改变柄部相对于主体的角度位置，用户可以按下按钮25，将柄部移动到期望位置，该期望位置可自由地或成角度地转位到特定数量的允许位置(例如，相邻位置之间的间隔为5
°
)，并释放按钮以将柄部锁定在期望位置。
92.柄部22可以呈现手枪形状设计。
93.柄部包括构成握把24的大致中心区域。为此，所述中心区域的形状和尺寸被设计成容易且舒适地由用户的手握持。
94.柄部包括位于柄部22的远侧端部上介于主体20和握把24之间的第一触发器23a。因此，当用户在其手中握持柄部时，可将一个手指(例如，食指)放置在触发器23a上以便激活致动器。
95.根据一个有利实施方案，柄部可包括第二触发器23b，其位于柄部的近侧上，相对于握把24与第一触发器23a相对。所述第二触发器23b具有与第一触发器23a相同的功能。
96.当外科工具以与图3a相比的反向位置取向时，例如当柄部位于主体上方时，如图2所示，所述第二触发器23b可能是特别有用的。在这种情况下，用户可以以与图3中的一种相反的方式握持握把24，以便将他的食指放置在第二触发器23b上。
97.因此，用户可选择使用第一触发器或第二触发器从而以舒适且符合人体工程学的方式握持外科工具。
98.在其与柄部的相对侧上，主体20可包括被成形为接收用户的手的凹部202。凹部提供手相对于主体20的直观定位。以这种方式，用户可将一只手放置在握把24和触发器周围，并将另一只手放置在主体的凹部202中，以便牢固地握持外科工具。
99.连接器26在主体的一侧上，在远侧端部的附近延伸。另一连接器(在图3a和图3b中不可见)在主体的相对侧上延伸。每个连接器被配置用于可移除地附接跟踪器和/或平面机构。附接可由螺钉或销提供。优选地，在不需要任何工具的情况下执行跟踪器和/或平面机
构的附接或移除。例如，附接可由杠杆夹具或滑块提供，该杠杆夹具或滑块可由用户操作而无需任何工具。在下文将描述的图7a-图7b和图8a-图8b中示出了连接器的实施方案。
100.优选地，连接器相对于含有纵向轴线x并且垂直于切割平面的平面对称。以这种方式，取决于其中进行外科手术的患者的侧面(例如，在膝关节成形术的情况下的左腿或右腿)，每个连接器可互换地附接到平面机构或跟踪器以提供最方便的机器人装置的配置。
101.根据另一实施方案，柄部能够围绕纵向轴线枢转。
102.图4示出了外科工具的第二实施方案。
103.该工具包括主体20。主体20沿纵向轴线x呈现细长形状。主体20包括远侧端部200和近侧端部201，锯片21从该远侧端部延伸。
104.尽管未示出，但主体包括操作地联接到锯片的致动器(马达)，以使锯片在与图4的纸张正交并且平行于该纵向轴线的平面中移动。
105.致动器可由电缆供电或通过嵌入主体中的电池供电。
106.在图4的实施方案中，电缆(未示出)可在与纵向轴线x正交的方向上，例如与主体20与柄部22之间的连接部相反，从主体的近侧端部201延伸。在其他实施方案中，电缆可从主体的任何其他部分延伸，前提条件是其不阻碍锯的正确使用。
107.柄部22围绕纵向轴线x枢转地安装在主体上。主体与柄部之间的连接部包括锁定机构，该锁定机构可由锁定按钮25致动。
108.为了改变柄部相对于主体的角度位置，用户可以按下按钮25，将柄部移动到期望位置，该期望位置可自由地或成角度地转位到特定数量的允许位置(例如，相邻位置之间的间隔为5
°
)，并释放按钮以将柄部锁定在期望位置。
109.柄部22可呈现大致u形。更精确地讲，柄部包括远侧臂220和近侧臂221，该远端臂围绕纵向轴线x枢转地联接到主体20，该近侧臂包括握把24和触发器23。
110.远侧和近侧臂通过桥接件222连接，该桥接件可基本上平行于主体20延伸，从而从轴线x偏移。
111.以这种方式，近侧臂221从主体的近侧端部201偏移间隙g1。间隙g1被设计成允许用户的手指有足够的空间，从而允许用户将其手包裹住握把24。
112.触发器23有利地位于近侧臂的远侧，介于桥接件与握把之间。因此，当用户在其手中握持柄部时，可将一个手指(例如，食指)放置在触发器23上以便激活致动器。
113.根据一个实施方案，桥接件能够绕远侧臂的轴线w相对于远侧臂220枢转。远端臂220与桥接件222之间的连接部包括锁定机构，该锁定机构可由锁定按钮(未示出)致动。
114.以这种方式，用户可受益于两个旋转自由度，以调节近侧臂相对于外科工具的主体和端部执行器的取向。
115.跟踪器
116.跟踪器可以为可用于外科手术的任何跟踪器。
117.优选地，跟踪器可以为一次性跟踪器，其旨在在外科手术之后被丢弃。为此，跟踪器可以塑性材料制成并且以无菌片形式提供。使用此类一次性跟踪器的优点是减少了用可重复使用的外科装置导致的灭菌成本。另一个优点是提供可跟踪元件相对于主体的位置的极大精度。实际上，可重复使用的跟踪器在重复使用和灭菌之后可能变形，从而损失准确度。
118.该跟踪器具体地为光学跟踪器，但是不排除其他跟踪技术，例如电磁。
119.根据一个有利实施方案，跟踪器可包括基本上平行于主体的细长形状。
120.跟踪器可作为单个部件提供，以便减少系统中所涉及的部件数量，以便降低由于若干部件的组装的不精确性并节省组装时间和成本。然而，在一些实施方案中，跟踪器可包括可移除地附接到主体的跟踪器保持器，以及附接到该跟踪器保持器的可跟踪元件。
121.优选地，设计跟踪器与主体之间的连接部，以便在主体与跟踪器之间提供间隙g2(参见图5c和图6c)，该间隙足以允许用户的手指穿过。因此，当用户通过将其手掌放置在凹部202中来握持主体20时，他可用其手指在主体和跟踪器之间穿过来包裹主体。
122.跟踪器与主体的附接是可逆的。具体地讲，跟踪器在可重复使用的跟踪器的情况下可被移除以进行清洁和灭菌，或者在一次性跟踪器的情况下被丢弃。
123.除了通过上述连接器附接到主体的远侧端部之外，跟踪器还有利地附接到主体的近侧端部。以这种方式，跟踪器到主体的固定是稳定的，这确保了跟踪器相对于主体的位置在外科手术期间保持固定，尽管跟踪器可暴露于振动或冲击。
124.图5a-图5c和图6a-图6d示出了用于附接跟踪器的两个另选的实施方案。在示例性附图中，柄部22看起来刚性地连接到主体20，但是它也可相对于主体枢转，如上所述。
125.参见图5a-图5c，跟踪器(或跟踪器保持器)30呈现细长形状，其具有远侧端部300和近侧端部301，该远侧端部被配置成联接到主体的连接器26和/或27，该近侧端部具有在与纵向轴线x基本上正交的平面中延伸的大致u形。
126.主体的近侧端部201包括连接件203，该连接件具有大致圆形形状，其具有在上侧和下侧上的相对凹部204，以及在右侧和左侧上的相对沟槽205。
127.跟踪器的近侧端部301包括在连接件203的任一侧上延伸的上臂和下臂302。该臂通过中间部分连接，该中间部分包括接合沟槽205中的一个的舌部303。
128.跟踪器的近侧端部301还包括上杠杆和下杠杆304。
129.在将跟踪器安装到主体上之前，将杠杆布置在解锁位置中(参见图5a-图5b)，以便不干扰连接件203，从而允许上臂和下臂在连接件周围插入。
130.一旦跟踪器的近侧端部301已安装在连接件上，并且舌部303插入相应沟槽205中，杠杆304就枢转到锁定位置，在锁定位置处每个杠杆接合相应的凹部204(参见图5c)。在该锁定位置，杠杆将跟踪器的近侧端部牢固地附接到主体。
131.当跟踪器必须与主体分离时，用户仅需将杠杆枢转到解锁位置并将近侧端部从连接件移除。
132.由于连接件203和连接器26、27相对于包括主体的纵向轴线x和锯片的枢转轴线y的平面对称，因此跟踪器可被安装在主体的任一侧并且附接到连接器26或连接器27。
133.参见图6a-图6d，跟踪器(或跟踪器保持器)30呈现细长形状，其具有远侧端部300和近侧端部301，该远侧端部被配置成联接到主体的连接器26和/或27，并且近侧端部具有在与纵向轴线x基本上正交的平面中延伸的大致u形。
134.主体的近侧端部201包括具有大致圆形形状的连接件203。此外，沟槽206在近侧端部的区域中设置在主体的右侧和左侧。
135.跟踪器的近侧端部301包括左臂和右臂302，左臂和右臂具有适配连接件203的圆形形状。每个臂包括在远侧方向上延伸的凸缘305。每个凸缘305设置有相应的内边缘306。
136.为了将跟踪器附接到主体，首先将近侧端部放置在连接件203的近侧(参见图6a)，然后沿纵向轴线在远侧方向上移动(参见图6b)，直到臂适配连接件203(参见图6c)。在这最后位置，边缘306接合沟槽206，从而将跟踪器的近侧端部相对于主体固定。在近侧端部接合到连接件上期间，凸缘305可略微变形，直到边缘306接合沟槽206。为此，跟踪器(或跟踪器保持器)优选地由塑料制成。
137.然后，跟踪器的远侧端部经由连接器附接到主体的远侧端部。
138.由于连接件203、沟槽206和连接器26、27相对于包括主体的纵向轴线x和锯片的枢转轴线y的平面对称，因此跟踪器可被安装在主体的任一侧并且附接到连接器26或连接器27。
139.根据连接器的设计，可提供将跟踪器和平面机构附接到主体的各种方式。
140.图7a-图7c示出了跟踪器与主体的远侧端部连接的实施方案，其不涉及任何工具。
141.在这些图中仅表示了主体20的远侧部分。
142.连接器26、27相对于包括主体的纵向轴线x和锯片的枢转轴线y的平面对称。因此，一个连接器的设计的描述也适用于其他连接器。
143.连接器26具有平行六面体形状，其在与轴线x和y正交的方向z上从主体20延伸。连接器26的上侧设置有两个相交的沟槽260、261。沟槽260平行于纵向轴线x。沟槽261与沟槽260正交。
144.跟踪器30的近侧端部包括被配置成接合连接器26或27的平行六面体凹形连接器307。如图7c更好地示出，连接器307的上侧包括在轴线z的方向上延伸的柔性腿308，该柔性腿被配置成接合沟槽260。连接器307的上侧还包括内肋309，该内肋位于柔性腿308之间，该柔性腿被配置成接合沟槽261。尽管连接器307的下侧不是可见的，但是在该下侧中设置了类似的柔性腿和内肋。
145.沟槽260、261和柔性腿308以及内肋309的配合允许跟踪器(或平面机构)保持在两个方向x和z上。
146.跟踪器的凹形连接器307可通过作为相应连接器的一部分的可枢转锁310进一步可移除地固定到连接器26或27。
147.图8示出了平面机构与主体的连接的实施方案，其不涉及任何工具。主体的连接器26、27与图7a-图7c中的相同。
148.在平面机构的端部111处设置的连接器包括两个夹爪1110、1111，其可相对于彼此在打开位置(图8中示出)和闭合位置之间移动，其中该平面机构通过该夹爪固定到主体的连接器26或27。该夹爪被弹簧1112推动到打开位置。在所示实施方案中，上夹爪1111相对于平面机构固定，并且下夹爪1110可相对于上夹爪移动。
149.夹爪的内部形状与连接器26、27的外部形状互补。
150.连接器还包括偏心杠杆112，该偏心杠杆被配置成使夹爪1110、1112在沿闭合方向枢转时抵抗由弹簧1112施加的力闭合。相反，在与闭合方向相反的打开方向上枢转杠杆使得夹爪在弹簧辅助下打开。
151.图9a-图9b示出了跟踪器与主体的近侧部分的连接的另一实施方案。跟踪器的近侧部分包括轴311，该轴被配置成枢转地安装到设置在主体的近侧端部处的对应壳体211中。轴311不具有圆形横截面。相反，轴包括通过相对的半圆形侧3111连接的两个相对的线
性侧3110。线性侧3110之间的距离小于半圆形侧3111之间的距离。壳体211包括窄于壳体的内容积2111的狭槽2110。因此，轴311可仅通过使线性侧3110穿过狭槽而引入壳体中。然后，使轴相对于壳体枢转约90
°
，使得轴保持在壳体中。
152.图10a-图10b示出了跟踪器与主体的远侧部分的连接的一个实施方案。该跟踪器具体地可与参见图9a-图9b所述的跟踪器相同。
153.主体20的远侧部分设置有连接器26、27，如图7a所示。
154.跟踪器30的远侧端部设置有滑块313，该滑块可在解锁位置与锁定位置之间平移移动。
155.在图10b所示的锁定位置中，滑块313包括适配沟槽260、261的内部突起3130。以这种方式，跟踪器以相对于连接器26平移和旋转的方式固定。
156.图11a-图11c示出了用于使用图9a-图9b和图10a-图10b的连接器将跟踪器连接到主体的方法的步骤。
157.如图11a所示，首先将跟踪器的近侧轴311引入在壳体211中，该壳体设置在主体的近侧端部处，沿箭头所示的方向，其基本上平行于轴线x。
158.然后，如图11b所示，跟踪器在由箭头指示的方向上围绕轴311枢转，以便使跟踪器的远侧端部在连接器26的前面。在这个步骤中，滑块313处于解锁位置。
159.最后，如图11c所示，滑块313在由箭头指示的方向上平移到锁定位置。
160.因此，跟踪器30稳定地固定到主体20。
161.为了从主体移除跟踪器，先前的步骤必须按反向顺序进行。
162.图12a-图12b示出了跟踪器与主体的远侧部分的连接的另一实施方案。连接器26、27与图7a中所示的基本上相同。具体地讲，连接器26包括在两侧上的纵向沟槽260(在该实施方案中可省略沟槽261)。
163.跟踪器30的远侧部分包括被配置成接合连接器26的插头314。插头包括适于连接器26的形状的中心开口，使得当跟踪器30连接到主体20时，插头与主体20接触并且围绕连接器26，同时留下到纵向沟槽260的通路。
164.跟踪器30的远侧部分还包括辊锁。辊锁包括具有矩形形状的框架315。辊316可旋转地安装在框架315的两个相对侧上。当插头214接合连接器26时，框架315通过铰链317连接到插头314，该铰链基本上垂直于主体的纵向轴线x。因此，辊锁能够在解锁位置(参见图12a)与锁定位置(参见图12b)之间枢转。在锁定位置，辊316接合连接器26的纵向沟槽260并且保持插头314连接到连接器30。当将大于阈值的推力或拉力施加到辊锁以接合或脱离连接器时，框架的弹性变形允许解锁位置与锁定位置之间的转变。例如，框架可由金属线形成，当施加所述力时，所述金属线能够在所述力的方向上变形，以便依次接合或脱离辊316，并且返回到静止位置，在该静止位置中辊彼此足够靠近以保留在沟槽260中。
165.图13示出了在锁定位置中，跟踪器与主体的远侧部分的连接的另一实施方案。跟踪器30的远侧部分包括可枢转锁318。尽管不可见，但是连接器26、27与图7a中所示的连接器基本上相同。具体地讲，连接器包括在其两侧上的纵向沟槽260(在该实施方案中可省略沟槽261)。
166.可枢转锁包括两个臂，这两个臂被配置成接合连接器27的上侧和下侧(图13中仅上臂319可见)。每个臂包括向内延伸以接合连接器的相应纵向沟槽的突起320。可枢转锁有
利地由塑性材料制成。当将大于阈值的推力或拉力施加到锁以接合或脱离连接器时，可枢转锁的臂的弹性变形允许解锁位置与锁定位置之间的转变。
167.图14-图14c示出了跟踪器与主体的远侧部分的连接的另一实施方案。
168.跟踪器的远侧部分包括被配置成接合连接器26或27的两侧的两个翼部321。每个翼部321可围绕轴322枢转，当跟踪器连接到主体时，该轴基本上平行于主体的纵向轴线延伸。每个翼部321包括被配置成接合连接器的纵向沟槽260或270的指状物324。通过壳体323中布置在翼部之间的弹簧(未示出)将该翼部推入到锁定位置(参见图14b)。为了连接或断开跟踪器，用户必须捏住翼部321以使指状物324彼此分开(参见图14c)。
169.在图12a-图14c的实施方案中，跟踪器首先通过任何合适的方式(如上文所述的方式)连接到主体的近侧端部。
170.图15a-图15e示出了用于将外科工具与机器人系统连接的方法的步骤。
171.参见图15a和图15b，致动单元10和平面机构11被无菌盖布3覆盖，该无菌盖布由虚线示意性地表示。尽管下一图中未表示，但无菌盖布保持在适当位置直到外科手术结束为止。
172.连接件113连接到平面机构的端部111，无菌盖布被夹紧在平面机构的端部111与无菌的连接件113之间。连接件包括图8的夹爪1110、1111和偏心杠杆112。
173.通过锁定杠杆114将连接件固定到平面机构。
174.参见图15c，通过将连接器27插入到打开的夹爪1110、1111中，将先前已经配备有跟踪器30(例如，如图11a-图11c所示)的锯2安装到连接件113。
175.然后，如图15d所示，通过致动偏心杠杆112以闭合抓夹，将锯固定到连接件113。
176.如图15e所示，从主体延伸的电缆经由连接件113电连接到致动单元的电力系统。
177.因此，机器人装置准备好使用。
178.机器人系统
179.外科工具可有利地用于机器人系统中，如文献wo 2018/103945中所述。
180.所述机器人系统1包括机动致动单元10、平面机构11，该平面机构具有附接到致动单元的末端区段的第一端部110、刚性地附接到外科工具2的第二端部111。机器人系统还包括跟踪器30、31，该跟踪器附接到切割工具和患者以实时确定端部执行器和待切割的骨的相对位置，以及控制单元，该控制单元被配置成补偿来自患者或外科医生的小移动以便实现计划的切割。
181.致动单元10具有由多个可移动区段组成的串行架构。在一些实施方案中，致动单元具有三个机动旋转自由度，用于调节切割平面相对于每个目标平面的位置和取向。在其他实施方案中，致动单元具有两个机动旋转自由度以及一个或两个机动平移自由度。一般而言，致动单元包括三到五个机动自由度，其中至少两个是彼此正交的旋转自由度。区段及其部件以最佳方式集成，使得机器人装置保持尽可能紧凑且轻，同时保持足够强以能够保持平面机构和外科工具，以及抵抗用户操纵外科工具时由他/她所施加的一些垂直压力。
182.优选地，致动单元的架构由三个旋转自由度构成。
183.根据优选的架构，区段被布置成使得两个相邻区段的旋转轴线(即，第一轴线和第二轴线或第二轴线和第三轴线)基本上彼此平行，并且第一轴线与第三轴线基本上正交。优选地，两个相邻区段的旋转轴线彼此平行，并且第一轴线正交于第三轴线。
184.在用于膝关节成形术(tka、uka等)时，机器人装置可放置在感兴趣的腿的内侧(内部)或外侧(外部)上。第一旋转轴线旨在与膝盖的矢状平面基本上正交，并且基本上位于内侧或外侧上髁的水平。对于机器人系统的任何应用而言，有可能限定易于识别的一些解剖标志并且将其用于使致动单元在球窝中对准。
185.在一些实施方案中，致动单元的架构可在切割平面内实现附加的移动-其可以是机动的或非机动的。通过排除六个机动自由度，本发明通过较低的惯性(尤其是根据第一轴线)来区分大型外科机器人，以及因此特别需要更大的响应性，以实时补偿骨运动。
186.如下面将更详细地解释的，致动单元由控制单元控制。控制单元可以集成在机器人装置中或远离机器人装置。
187.外科工具通过平面机构11联接到致动单元，平面机构被配置成约束切割工具在切割平面内的移动。
188.有利地，切割工具可与平面机构分离。优选地，特别是在切割工具不旨在接收跟踪器的情况下，用于切割工具的附接装置提供可再现的固定。
189.存在若干不同的架构来实施平面机构。例如，平面机构可仅由一个旋转轴线以及然后一个平移轴线制成，该平移轴线沿着其纵向方向承载切割工具。另选地，平面机构可由两个正交的平移轴线以及然后一个旋转轴线构成。根据另一实施方案，平面机构可以为呈拱形形式的滑块，包括旋转轴线，然后包括承载切割刀具的平移轴线。
190.根据一个实施方案，平面机构是无源的，这意指该机构不是机动的并且可由用户自由操纵。这种无源机构的一个优点是在骨中操纵锯时保留用户的所有感知。例如，外科医生习惯于在切割块中自由操纵锯并通过感测骨阻力的变化来检测锯片何时已经到达骨的背面，并且这种感知被在其接头处具有极低摩擦的无源平面机构完全保留。
191.另选地，平面机构也可以是至少部分有效的，即包括至少一个机动自由度。如果平面机构是有源的，即其包括至少两个机动自由度，则可自动执行切割。应注意，所述机动自由度全部被配置成使切割工具在切割平面内移动。
192.无论实施方案如何，平面机构可包括锁定系统，一旦切割平面已与目标平面对齐，该锁定系统就锁定其自由度中的每一个。
193.该系统包括铰接的可锁定保持臂12，其支撑致动单元并且适合连接到机械支撑件(诸如手术台、腿保持器)或安装在车轮可被阻挡的移动推车上。腿保持器是可调节机构，其被配置成当患者躺在手术台上时将腿保持在给定的挠曲位置。
194.固持臂由使用球窝接头、旋转和/或平移接头的若干铰接区段制成。
195.保持臂可通过旋钮(机械锁定系统)手动锁定或由锁定系统的专用致动器主动锁定。锁定系统可以是电气系统、压电系统、液压系统、气动系统或这些系统的组合(例如，由电机驱动的液压缸)。例如，公司smith&nephew出售命名为spider
tm
的可主动锁定的无源保持臂。致动器可以是按钮、脚踏开关、远程按钮等。为了操纵机器人装置，用户必须保持致动器被激活，直到已经实现机器人装置的期望姿势。
196.保持臂支撑机器人装置的重量并且将其保持在相对于待治疗的解剖结构的粗略定位。当操作装置时，它限制用户的移动-并且在有利的实施方案中，还阻挡用户和/或患者的移动、切割工具的振动和由致动单元的移动引起的反作用力。
197.根据一个实施方案，保持臂是无源的。
198.有利地，保持臂可根据机器人装置与机器人装置相对于固定到患者的跟踪器的目标位置之间的距离而逐渐制动。例如，制动力可与机器人装置到其目标位置的距离成反比。另选地，可围绕机器人装置的目标位置限定一个或若干个同心体积(例如，立方体或球体)。制动力可根据所述体积中的一个中的机器人装置的存在来调节。因此，当机器人装置靠近目标位置时，保持臂被制动并且用户可接收力反馈信息。另选地，可以光或声信号的形式提供反馈信息。例如，可变闪光频率和/或光信号的强度可指示机器人装置与其目标位置之间的距离。类似地，声学信号的可变频率、重复速度和/或幅度可指示这种距离。在任何情况下，制动都是不完全的，使得用户始终能够操纵机器人装置直到其最终期望位置。然后，保持臂在用户的动作时被锁定(例如，通过操作致动器，例如释放或按下按钮)。如果用户想要再次移动机器人装置，则他/她必须再次操作致动器，这释放了保持臂—可能利用如上所述的制动力。如果定义了机器人装置的新目标位置，则定义新的制动量，并且基于所述新的体积调节制动。
199.优选地，保持臂与致动单元之间的连接尽可能靠近致动单元的第一区段或机器人装置的重心，以便最小化任何杠杆臂效应。附接到保持臂的致动单元的部分称为机器人装置的基部。
200.根据一个实施方案，致动单元的第一区段可相对于保持臂固定。在这种情况下，致动单元的第二区段必须相对于第一区段可移动。这种架构是有利的，因为其使致动单元的移动部件的重量最小化。结果，机器人装置可更具响应性，这有利于切割平面的实时控制。
201.根据一个实施方案，致动单元的第一区段可相对于保持臂移动。在这种情况下，第一区段和第二区段优选地嵌入单个外壳中。
202.该系统还包括跟踪单元，该跟踪单元被配置成实时确定锯相对于待切割的解剖结构的姿势。
203.跟踪单元通常可包括本身已知的跟踪系统。
204.通常用于计算机辅助手术的跟踪系统使用各种不同的技术(无源光学、有源光学、电磁、具有陀螺测量的惯性、超声波等)，其可单独使用或组合使用。根据优选的实施方案，跟踪系统基于无源光学技术。
205.跟踪单元包括至少一个跟踪器，该至少一个跟踪器可附接到致动单元的任何部件，例如附接到移动区段中的一个。
206.由于电机的编码器或传感器以及机器人的校准模型(包括机器人区段的所有轴线和距离)，致动单元的每个区段的位置是实时已知的。使用该模型和机器人中众所周知的几何建模技术，有可能计算所有区段的相对位置，因此如果在使用外部跟踪器附加到机器人基础的坐标系中已知一个测量值，则任何区段位置在同一坐标系中也是已知的。另外，如果跟踪器附接到致动单元的基部并且第二跟踪器附接到解剖结构，则致动单元的任何区段的姿势在附接到解剖结构的跟踪器的坐标系统中是已知的。