用于针对性干预措施的紧凑型针形操纵器

摘要

本发明公开一种器械操纵器的实施例。一种器械操纵器能够包括轨道；被连结成沿所述轨道骑乘的平移托架；被连结到所述平移托架的肩偏航接头；被连结到所述肩偏航接头的肩俯仰接头，所述肩俯仰接头包括臂件、被连结到所述臂件的腕件安装件、被连结在所述腕件安装件与所述肩偏航接头之间的撑杆以及被连结到所述臂件的肩俯仰机构；被连结到所述腕件安装件的偏航-俯仰-横滚腕件，所述偏航-俯仰-横滚腕件包括偏航接头和差分驱动的俯仰-横滚接头；以及被连结到所述腕件的器械安装件。各种接头和托架可以由马达驱动。

说明书

相关申请

本申请要求2012年2月15日提交的申请号为61/599,339的美国 临时专利申请和2013年2月14日提交的申请号为13/767,856的美国 非临时专利申请的优先权，其全部内容通过参考被合并于此。

技术领域

本发明的实施例涉及通过会阴输送针的机器人操纵器。

背景技术

每年执行一百五十万个芯针穿刺活检，产生几十万个前列腺癌的 新病例。在许多病例中，癌症结果的早期检测使所使用治疗方法的疗 效更高。

进一步地，基于MRI引导针的疗法(活组织检查，局部激光烧蚀， 用于低剂量率(LDR)持久近距离放射治疗中的可植入种子的输送， 该放射治疗是一种常见的前列腺癌治疗，或其他治疗)已被证明是成 功的。不过，在由典型MRI器械提供的有限空间中操控针已被证明具 有挑战性。

有些人已提出使用通过空气、超声波或压电体提供动力的机器人 的技术方案。不过，这些方法不提供在这类环境中所寻求的灵巧性和 动力。

前列腺癌在美国男人的非皮肤癌之中是最常见的。前列腺癌有两 种常见的筛选方法，即前列腺特异性抗原检测(PSA)和直肠指检 (DRE)。PSA检测不是决定性的，其中该PSA检测从血样中的抗原 浓度确定前列腺癌的可能性。在DRE中，医师可以确定是前列腺是增 大还是存在异常结节。在任一种情况下，穿刺活检常被建议来确定肿 瘤是否存在并且确定任意肿瘤是良性的还是恶性的。

目前用于调查肿瘤存在的护理标准是通过直肠超声检查(TRUS)。 在超声引导下，医师可以通过直肠的壁将穿剌针放置在前列腺中。穿 刺针去除小管组织，用于进一步的测试。通常，在该手术中，多个样 本被去除，以用于测试。TRUS手术已被证明对于肿瘤定位不是非常 准确。其他成像形式例如磁共振成像(MRI)和计算机断层扫描(CT) X射线成像能够具有高空间分辨率并能更好识别单个肿瘤。

已经存在各种将机械针操纵器与各种成像技术结合的尝试，以便 更加准确执行包括活组织检查的基于针的治疗。不过，仍然需要开发 用于在成像环境内执行的基于针的手术的更好执行操纵器。

发明内容

根据本发明的方面，器械操纵器的实施例被公开。在某些实施例 中，器械操纵器能够包括轨道；被连结成沿所述轨道骑乘的平移托架， 该平移托架由线性马达沿该轨道推进；连结到该平移托架的肩偏航接 头，该肩偏航接头通过肩偏航马达致动；连结到该肩偏航接头的肩俯 仰接头，该肩俯仰接头包括臂件、连结到该臂件的腕件安装件、连结 在该腕件安装件与该肩偏航接头之间并形成3D平行四边形的撑杆以 及被连结致动该肩俯仰接头、撑杆、臂件和腕件安装件的肩俯仰马达； 连结到该腕件安装件的偏航-俯仰-横滚腕件，该偏航-俯仰-横滚腕件包 括由一个或更多个腕件偏航马达致动的偏航接头和由差分驱动俯仰- 横滚马达致动的差分驱动俯仰-横滚接头；以及连结到该腕件的器械安 装件，该器械安装件具有提供器械驱动器的一个或更多个器械马达。

这些和其他实施例在下面关于下列附图进行进一步讨论。

附图说明

图1示出可以利用根据本发明的某些实施例的操纵器的手术环 境。

图2示出安装在扫描器转运台上的根据本发明的某些实施例的机 器人操纵器。

图3示出根据本发明的某些实施例的操纵器系统的框图。

图4A示出根据本发明的某些实施例的机器人操纵器。

图4B和图4C示出在图4A中示出的机器人操纵器的平面图。

图5A和图5B示出沿在图4A中示出的机器人操纵器的插入轴线 的线性运动。

图6A和图6B示出在图4A中示出的机器人操纵器的肩偏航接头。

图6C示出可以用于在图4A中示出的机器人操纵器的撑杆。

图7A示出在图4A中示出的机器人操纵器的肩俯仰接头。

图7B示出在图7A中示出的肩俯仰接头的横截面。

图7C示出在图7A中示出的连接接头以及肩俯仰和偏航位置传感 器的横截面。

图8A、图8B、图8C、图8D和图8E示出在图4A中示出的机器 人操纵器的偏航-俯仰-横滚腕件的方面的实施例。

图8F、图8G和图8H示出用于在图8A、图8B、图8C、图8D 和图8E中示出的腕件的位置传感器。

图9A、图9B和图9C示出在图4A中示出的机器人操纵器的托架 安装件的实施例。

图10A和图10B示出可以用于在图9A、图9B和图9C中示出的 托架安装件的无菌适配器。

图11是示出用于机器人操纵器的控制器的框图。

具体实施方式

在下列描述中，将阐述描述本发明的某些实施例的具体细节。不 过，本领域中的技术人员应当明白，某些实施例可以没有这些具体细 节的全部或一部分的情况下进行实践。本文公开的具体实施例目的仅 是示例性的，而不是限制性的。本领域中的技术人员应当意识到，虽 然未在这里具体描述，但是其他元件在本公开的范围和精神内。

进一步地，这个说明书的术语并不是限制本发明。例如，空间相 关的术语，例如“在...之下”、“在下面”、“下部”、“在上面”、 “上部”、“近端”、“远端”、“水平”、“竖直”等，可以用于 描述在所述附图中示出的一个元件或特征相对另一个元件或特征的关 系。所述空间相关术语旨在包含所述装置在使用或操作时除了在图中 示出的位置和取向以外的不同位置和取向。例如，如果在所述附图中 的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“在下面”或“在...之 下”的元件将变成在所述其他元件或特征的“在上面”或“在...之上”。 因此，示例性术语“在下面”可以包含在上面和在下面的两种位置和 方向。所述装置可以以其他方式取向(被旋转90度或在其他取向)， 并且在本文使用的空间相关的描述信息被相应解释。同样，沿和围绕 各个轴线的运动描述包括各种特定装置位置和取向。此外，单数形式 “一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中明确 指出不包括。并且，术语“包括”、“具有”、“包括”等指定陈述 的特征、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但不排除一个或更多个 其他特征、步骤、操作、元件、构件和/或组的存在和补充。描述成连 结的部件可以是直接电气或机械连结，或所述部件可以经由一个或更 多个中间部件间接连结。

存在现场对病状进行局灶性/针对性治疗的临床发展趋势。如果是 有效的，则这些疗法与更传统的切除手术相比，可以提供明显减少的 创伤。基于机器人的技术可以有助于解决这个领域中的临床需求。在 整个公开中，前列腺癌的治疗用作这类局灶性疗法的示例。这不应当 被解释为是本文公开的实施例的唯一用处。

图1示出可以利用根据本发明的某些实施例的机器人系统的系统 100。如图1所示，机器人操纵器110可以被设置在扫描器140内。虽 然在这个示例中扫描器140被描述为MRI扫描器，但是扫描器140也 可以是任意其他类型的扫描器(例如，CT、超声波、X射线、PET等)。 机器人110的运动由机器人控制器120控制。机器人控制器120与操 作者控制台130通信，并将来自操作者控制台130的指令转换为机器 人110中的各种机动接头的协调运动。

扫描器140被连结到扫描器控制器142。扫描器控制器142与工 作站144通信。与扫描器控制器142通信的工作站144操作扫描器140 产生图像。

病人被安置在转运台160上，该转运台160带有机器人110并被 置于扫描仪140内或以允许机器人110通达到手术区和允许扫描器 140提供相同手术区的图像的方式相对于扫描器140安置。手术区的 图像被输入到操作者控制台130，操作者控制台130将机器人110的 位置登记到从扫描器140接收的图像中。以这种方式，在操作者控制 台130处的操作者能够通过在手术区内具体指定的目标处或附近安置 针，而引导机器人110来作用于该目标。

在某些情况下，可以针对不同治疗方式，例如激光烧蚀，使用单 独驱动器146。进一步地，该系统能够包括用于使病人保持镇静的麻 醉车162和病人准备或恢复区150。

图2示出机器人操纵器110安装其上的工作台160。机器人110 作为针形操纵器操作，并且如同图2所示基于针的器械210被连结到 机器人110。工作台160也可以包括脚踏板220和病人安装件222，在 手术期间，其能够被用于保持病人相对于机器人110相对固定。如图 2所示，机器人操纵器110被安装到工作台160，并能够沿工作台160 的长度线性运动。机器人110足够紧凑，以便驻留在工作台160上的 病人的腿部之间，并能够在例如MRI器械孔的有限空间内操作。进一 步地，机器人110由基本不受成像器在感兴趣成像区中产生的任何磁 场的影响的且基本不影响该磁场的材料构成。

图3示出根据本发明的某些实施例的机器人系统300的框图。如 图3所示，机器人操纵器110(在本文也称为机器人或操纵器)由控 制器120控制。控制器120与控制台130互动。成像器310也与用户 控制台130互动。控制台130接收来自控制器120和成像器310二者 的输入，以便将机器人110登记于由成像器310提供的图像。成像器 310能够是如图1所示的MRI成像器，不过也可以是其他成像模式， 例如CT X射线成像器。机器人110与成像器310的登记允许在控制 台130的操作者引导控制器120，以便如同由通过图像通知的操作者 所引导的一样，将针基器械210的针430放置在病人的具体位置。接 着，控制器120提供电输入，以控制机器人110中的各个接头的运动， 以完成这些指令。

图4A示出机器人操纵器110的实施例。机器人110被示出带有 针基器械210，其带有连接到器械安装件410的针430。针基器械210 能够通过无菌适配器414安装到安装件410。针基器械210和无菌适 配器414能够很容易从机器人110拆除。针基器械210能够通过安装 件410从机器人110得到输入。例如，针430能够旋转，针430能够 伸长，并且对针430的插入能够通过在安装件410上的输入来操控。

带有针430的针基器械210能够是活组织检查器械，能够有助于 基于光学或RF的激光烧蚀技术的光纤或RF天线，能够提供LDR治 疗的可植入种子的输送，能够提供治疗所涉及的其他物质的输送，或 者提供其他针基治疗。器械210能够是仅在一次手术中使用的单次使 用或一次性的器械。因此，无菌适配器414能够被提供在器械210与 安装件410之间。提供给安装件410的器械输入能够通过器械210与 安装件410之间的无菌适配器被连结到器械210。在治疗期间，机器 人110能够被覆盖，以便器械210的区域保持无菌环境。针基器械210 的示例在共同提交的申请号为61/599,300的美国临时专利申请中被进 一步讨论，该临时专利申请全部内容通过引用被合并于此。

至安装件410的控制输入由安装件410中的一个或更多个器械马 达提供，其在某些实施例中通过无菌适配器414提供至器械210的输 入驱动。在某些实施例中，安装件410中可以有任何数量的马达。在 某些示例中，存在两个马达来提供在器械210内的两个自由度(DoF)。 器械210能够向针430提供若干DoF。例如，器械210可以提供由来 自安装件410的输入驱动提供动力的横滚或平移运动。例如，在激光 或RF烧蚀治疗中，一旦针430被适当安置以用于治疗，则器械210 可以缩回针430并向前推出光纤或RF天线。进一步地，器械210中 的机构可以允许物质的插入、种子的沉积或用于具体治疗的其他输送。

器械210可以包括通过安装件410与控制器120接口/接合的处理 器和存储器。一旦器械210被设立或插入到安装件410上，则器械210 可以向控制器120发送例如器械类型、器械序列号、器械操作特性和 器械使用历史的信息。器械210也可以包括能够被用于确定针430在 图像内的位置的沿器械210安装的基准。

安装件410被连结到偏航-俯仰-横滚腕件411，其具有偏航、俯仰 和横滚DoF。腕件411包括区段413和区段412。区段412在偏航接 头417处被机械连结到区段413。横滚和俯仰DoF通过以不同方式运 行的被装纳在区段412中的一对腕俯仰-横滚马达实施，如同下面将进 一步讨论的。区段412通过安装在区段413中的一个或更多个腕偏航 马达围绕偏航轴线417旋转，如同下面将进一步讨论的。

腕件411在接头448处被安装到臂件420且在接头416处被安装 到撑杆418。臂件420被安装在轴432上。撑杆418在枢轴接头442 处被连结到支持壳体444，轴432穿过该支持壳体444。臂件420和撑 杆418建立用于支持腕件411的3D平行四边形结构。臂件420能够 通过肩俯仰驱动机构422上升和下降。如下面所进一步讨论的，肩俯 仰接头能够由交叉支持件(参见图7B中的交叉支持件702)形成，该 交叉支持件穿过臂件420并连接到滑动齿轮426，臂件420围绕该滑 动齿轮426旋转。臂件420和撑杆418被布置成，使得在臂件420上 升和下降时，腕件411的区段413保持大致水平取向。进一步地，在 臂件420在水平平面内旋转时，区段413大致保持沿插入轴线(沿轨 道440的轴线)取向。进一步地，针430居于中心，使得沿针430的 轴线穿过腕件411的区段412的中心部分。用于操作腕件411的致动 扭矩会大大减少，这是因为用于插入针430的可以是高的针插入力居 于腕件411的中心。进一步地，由臂件420和撑杆418形成的3D平 行四边形也有助于降低在腕件411上的致动扭矩。用臂件420与撑杆 418形成的3D平行四边形也有助于降低上升和下降臂件420所需要的 致动扭矩(也称为肩俯仰接头的致动)。

机构422包括用皮带430连结的两个滑动齿轮，即齿轮428和426。 齿轮428由肩俯仰马达424驱动。臂件420由重量446平衡，以设置 成用于臂件420、腕件411、安装件410和针器械210在支持件432 处的偏移。滑动齿轮426被固定在交叉支持件上(参见图7B的交叉 支持件702)，其中臂件420围绕该交叉支持件旋转，以便滑动齿轮 428通过马达424的旋转促使臂件420上升和下降。

轴432为臂件420提供支持，并穿过壳体444进入基座438。臂 件420沿轴432顶部上的水平轴线旋转。轴432自身能够旋转并由肩 偏航马达434驱动。马达434由皮带436机械连结到支持件432，其 中，皮带436连结到基座438中安装在轴432下面的滑轮(未在图4A 中示出)。轴432和臂件420一起形成具有绕轴432的偏航轴线和允 许腕件411的区段413的高度控制的水平取向的俯仰轴线的肩形件。

基座438连接到平移托架(未在图4A中示出)，该平移托架装 纳沿轨道440驱动机器人110的线性马达(未在图4A中示出)。机 器人110沿轨道440的运动被称为沿插入轴线的运动。

马达434和424是如同申请号为13/767,801的美国实用新型专利 申请所描述的大功率紧凑型马达，该申请全部内容通过参考合并于此。 机器人110是允许针430的广泛运动的紧凑型操纵器。如图2所示， 机器人110被设计在病人的腿部之间并在成像器械例如MRI成像器内 运行。因此，机器人110的所有部件是非铁磁性的。进一步地，机器 人110允许对病人基本无干扰地运行。

如图4A所示，机器人操纵器110提供沿轨道440的线性运动， 其如图2所示被安置成通常沿MRI器械孔平移。因此，该线性运动是 沿着沿轨道440指向的插入轴线的。机器人操纵器110还提供臂件420 围绕轴432的水平旋转(在与图2中示出的工作台160平行的平面中 的旋转)，这也被称为肩偏航。区段413的竖直运动能够通过驱动机 构422实施，这也称为肩俯仰。在这个运动期间，区段413通过由臂 件420和撑杆418形成的3D平行四边形保持大致水平取向。腕件411 提供围绕枢轴417的偏航旋转轴线。进一步地，腕件横滚和俯仰能够 通过腕件411的区段412提供给安装件410。进一步地，通过安装件 410的驱动，针器械210能够根据针器械210向针430提供进一步DoF， 例如提供线性插入运动和旋转运动。

图4A示出臂件420上升的机器人操纵器110。图4B示出机器人 110的平面图，其中臂件420围绕轴432旋转且在腕件411上轻微偏 航。进一步地，腕件411的区段413保持与轨道440大致对齐。图4C 示出类似于图4B所示的机器人110的另一个平面图，但是安装件410 随腕件411的区段412旋转。

如上所描述的，在病人和机器人操纵器110二者均在成像器例如 MRI孔的界限内时，机器人操纵器110能够通过会阴输送针基器械210 的针430。机器人110的控制在控制台130的引导下由控制器120执 行，控制台130由操作者控制。

在控制器120的引导下，机器人110能够控制针基器械210的全 笛卡尔位置和旋转取向。此外，控制输入能够通过机器人110被提供 给针基器械210。如图4A所示，并如上所述，机器人110的运动包括 由线性马达驱动的沿轨道440的线性运动。轨道440通常沿MRI成像 器或其他成像器的孔取向。进一步地，轴432能够给针430提供围绕 支持件432的水平旋转。在保持针430与腕件411的区段412对齐的 同时，旋转安装件410能够提供避免干扰病人的附加间隙。

图5A和图5B示出机器人110沿轨道440的运动。如图5A和图 5B所示，平移托架502骑乘在轨道440上。轨道440包括导轨516。 平移托架502包括机械连接到骑乘在导轨516上的托架502的轴承 504。因此，托架502能够随着沿导轨516骑乘的轴承504而沿轨道 440平移。

如图5A和图5B所示，一个或更多个线性马达506被机械连接到 平移托架502，并且抵抗陶瓷垫508向平移托架502提供平移力。线 性马达506能够是例如压电式马达。陶瓷垫508被机械连接到轨道40， 以便马达506的压电式元件接合垫508并沿轨道440移动平移托架 502。进一步地，轨道440能够被固定到如图2所示的工作台160，使 得沿轨道440的线性运动(插入运动)沿工作台160的长轴线指向。

如图5A和图5B进一步所示，托架定位传感器510也可以被连接 到平移托架502。如图5A和图5B所示，传感器510可以包括沿编码 器514骑乘的头部512。编码器514被连接到轨道440。传感器头部 512和编码器514可以是光学定位传感器、电阻定位传感器或其组合。 如果传感器510是基于电阻的，则平移托架502沿轨道440的位置由 编码器514的阻抗确定，编码器514作为电位器工作，在头部512处 阻抗随着平移托架502沿轨道440的行进而增加。如果，传感器510 是基于光学的，那么，头部512可以是被对齐成测量编码器514的光 辐射的光学传感器。传感器510能够基于光学输入来确定平移托架502 沿轨道440的位置。

图6A和图6B示出如同在图4A中示出的机器人110的肩偏航接 头600。如图6A所示，肩偏航接头600包括基座438和支持壳体444。 支持壳体440被安装到基座438或是基座438的一部分。接着，基座 438能够被连接到平移托架502，平移托架502在图5A和图5B中示 出。此外，马达434被安装在基座438上。如图6A进一步所示，轴 432穿过支持壳体444。滑动齿轮602被安装到轴432，并用皮带610 被连结到马达432。皮带610将滑动齿轮602连结于马达434的滑动 齿轮436(参见图4A)。

如图6A进一步所示，支持壳体440包括接收器612。接收器612 机械接收接头442。如图4A所示，接头442被连结到接收器612内， 使得在支持安装件444上提供固定的连接点同时，接头442能够随臂 件420运动。

图6C示出撑杆418的实施例的端部。撑杆418的接头442和接 头416被示出。如图6C所示，接头442包括在枢轴624处被连结到 撑杆418的轴622。以这种方式，撑杆418能够围绕轴622的长轴线 旋转，并且撑杆418能够在枢轴624处在撑杆418和轴622的平面中 旋转。进一步地，接头416包括在枢轴628处被连结到撑杆418的轴 626。枢轴624和枢轴628能够是将轴622和626连结到撑杆418并允 许轴622和626相对于撑杆418旋转的任何装置。在某些实施例中， 枢轴624和628能够是分别通过撑杆418和轴622和626的销，或能 够是球形接头。如图7C和图4A所示，接头442和接头416能够是大 致相同的。

图6B示出当基座438被固定到行进托架502时通过壳体支持件 444的中心并在垂直于插入轴线的平面中的肩偏航接头600的横截面。 如图6B所示，接收器612包括轴承614和616，并且以如下方式接收 接头442的轴622，即轴622沿轴622的长度被固定在接收器612中， 但允许在接收器612中绕轴622的长度旋转。

轴432通过支持壳体444的中心被插入。轴承606和608为轴432 提供支持和轴432沿其长轴线的旋转自由度。如图所示，滑动齿轮602 被连结到轴432，以驱动轴432围绕其长轴线的旋转。滑轮602能够 用锁定机构604锁定到轴432。

图7A示出肩俯仰接头700以及肩偏航接头600。如图7A所示， 肩俯仰接头700包括臂件420、俯仰驱动机构422以及撑杆418。

图7B示出肩偏航接头600和肩俯仰接头700的横截面视图。如 图7B所示，轴432包括固定到轴432的交叉支持件702。滑动齿轮 426被固定到交叉支持件702。臂件420在轴承704和706上绕交叉支 持件702的轴线710旋转。滑动齿轮428和连接到滑动齿轮428的马 达424均被机械连结到臂件420。结果，随着滑动齿轮428旋转，臂 件420绕轴线710旋转，从而抬升和降低腕件411，其中，腕件411 在腕件安装件712被连结到臂件420的端部。

如图7A所示，腕件安装件712被机械连结到臂件420和到撑杆 418。如图7A所示，腕件安装件712包括接收撑杆418的轴626的接 收器714。进一步地，腕件安装件712在接头448被连结到臂件420。 如图7A所示，腕件安装件712在接头716连结到接头448，以便当臂 件420被肩偏航接头600水平旋转或使用肩俯仰接头700竖直旋转时 允许腕件安装件712旋转。结果，腕件安装件712具有保持垂直于插 入方向并且也保持竖直的面。

图7C示出通过腕件安装件712的接头448的横截面。如图7A和 图7B所示，接头448有助于腕件安装件712至臂件420和撑杆418 的机械连结。如图7C所示，枢轴628包括在撑杆418的端部处被接 收到销接收器722中的销720。销720在被安置在销接收器722中的 轴承724和726上旋转，从而允许销720绕其长轴线旋转，其中销接 收器722是撑杆418的一部分。销720连接到轴626。如图7C所示， 轴626被插入到接收器714中。轴承728和730被安置成允许轴714 绕其长轴线旋转。

接头448包括横梁支持件734和轴732。横梁支持件734包括长 轴线并被安置在臂件420的端部，使得横梁支持件734能够骑乘在轴 承742和740的外直径上绕其长轴线旋转，其中所述轴承742和740 被连接到臂件420。轴732连接到横梁支持件734。腕件安装件被连接 到轴732，使得其能够在轴承736和738上绕轴732的长轴线旋转。 腕件安装件712能够用止动器750保持在轴732上。

通过位置传感器746和748提供腕件安装件712的取向位置确定。 位置传感器746提供关于臂件420的肩俯仰取向的位置数据。位置传 感器748提供关于腕件安装件712的肩偏航取向的位置信息。位置传 感器746能够包括光学编码器、基于电位器(阻抗)的传感器或两者。

如图7C所示，位置传感器746包括被固定在臂件420上的第一 部件752和被固定在横梁支持件734上的第二部件754。因此，当横 梁支持件734相对于臂件420旋转时，第一部件752相对于第二部件 754旋转。在位置传感器746包括基于电位器的传感器的情况下，则 第一部件752或第二部件754中的一个包括清扫器(sweeper)，并且 第一部件752或第二部件754的相反部件包括接合清扫器的电阻元件。 总阻抗的最终指示表示第一部件752相对于第二部件754的角度取向。 同样，在位置传感器746包括光学传感器的情况下，那么，第一部件 752或第二部件754中的一个包括光学编码器，并且第一部件752或 第二部件754的相反部件包括读取该光学编码器的光头。再者，第一 部件752相对于第二部件754的角度取向可以通过最终信息进行确定。

同样，肩偏航位置传感器748包括被固定在腕件安装件712上的 第一部件758和被固定在轴732上的第二部件756。随着腕件安装件 712相对于轴732旋转(这将在肩偏航接头600被致动时进行)，则 第一部件758相对于第二部件756旋转。同样，在位置传感器748包 括基于电位器的传感器的情况下，则第一部件758或第二部件756中 的一个包括清扫器，并且第一部件758或第二部件756的相反部件包 括接合该清扫器的电位器，以便从测量的阻抗来确定第一部件758相 对于第二部件756的角度取向。同样，在位置传感器748包括光学传 感器的情况下，则第一部件758或第二部件756中的一个包括光学编 码器，并且第一部件758或第二部件756的相反部件包括光头，该光 头读取该光学编码器，以确定第一部件758相对于第二部件756的角 度取向。

图8A示出腕件411的偏航。腕件411的区段413被机械连结到 腕件安装件712，如图7A所示。区段412包括能够分别通过表面808 和810中的匹配孔伸出以形成偏航枢轴417的销806和828。如图8A 所示，能够围绕分别抵靠表面808和810的销806和828设置轴承802 和804。因此，区段412能够绕偏航枢轴417旋转。

图8B示出区段413的进一步方面。如图8B所示，区段413包括 一个或更多个马达816。如图8A所示，马达816提供影响区段812 绕偏航枢轴417的旋转的力。如图8B进一步所示，光学位置传感器 828和电阻位置传感器826均提供关于区段212相对于区段213的偏 航旋转取向的信息，如图8A所示的。

光学位置传感器828包括光头818和编码器820。如图8B所示， 编码器820被安置在安装件812上，安装件812被连接到销806。在 此情况下，光头818读取编码器820，并且编码器820相对于光头818 的角度取向可以被确定。

电阻传感器826包括清扫器824和电阻元件822。电阻元件822 能够被固定在区段413上。清扫器824能够被固定在安装件814上， 安装件814被连接和固定到销828。同样，清扫器824在电阻元件822 上的角度取向以及由此区段412相对于区段413的角度取向能够通过 在清扫器臂824处所测量的阻抗确定。

图8C示出腕件411的区段412。如图8C所示，陶瓷轮830和832 提供表面，马达816能够在所述表面上运行，以影响区段412相对于 区段413的偏航旋转。俯仰和横滚致动通过齿轮设备838执行。齿轮 设备838啮合作为安装件410一部分的齿轮850。齿轮850被机械连 结到轴848。如图8C所示，齿轮设备838由马达834部分驱动，如同 在下面所进一步讨论的。轴848的俯仰和横滚运动通过齿轮设备838 的差分驱动来实现。

如图8C进一步所示，齿轮设备838包括核心860。进一步地，导 线(未示出)能够被连接在弹簧840与842之间并且通过核心860的 导线槽846。这样的设置为轴848和安装件410的俯仰运动提供了弹 簧加载的平衡。

图8D示出区段412的横截面，其示出齿轮设备838的运行。如 图838所示，齿轮设备838包括被固定于区段412的轴866。轴866 穿过核心860。核心860接收轴848和轴866，使得轴848穿过核心 860中的轴866。进一步地，轮876和878被设置成绕轴866旋转。轮 876在轴承860和874上旋转，而轮878在轴承870和872上旋转。 齿轮852被机械连接到轮876，而齿轮874被机械连接到轮878。齿轮 852和874接合齿轮850，齿轮850被连接到轴848。

轴承868和880允许轴848在核心860内旋转。则轴848和核心 860能够在轴承882和884上绕轴866旋转。因此，轴848能够绕其 长度旋转，这是腕件横滚运动，并且轴848能够绕轴866的长度倾斜， 这是腕件俯仰运动。

轮876包括陶瓷盘856，并且轮878包括陶瓷盘858。陶瓷盘856 和858能够分别被马达834和836接合，以便使轮878和876(以及 因而齿轮852和854)绕轴866旋转。如图8D所示，如果轮876和 878分别由马达834和836以相同的旋转感知/方向旋转，则轴848绕 轴866旋转，并且俯仰旋转受影响。如果轮876和878以相反旋转方 向旋转，则轴848绕其轴线旋转，并且横滚旋转受影响。

图8E进一步示出齿轮设备838。如图所示，马达834接合陶瓷盘 856，而马达836接合陶瓷盘858。如上所述，在旋转期间，齿轮852 和854接合齿轮850。当齿轮854和852二者以相同旋转方向被驱动 时，则核心860被旋转，且必然地，轴848被旋转。当齿轮854和852 以相反旋转方向被驱动时，则齿轮850被旋转，并且轴848绕其长轴 线旋转。

图8E进一步示出位置传感器862和864。位置传感器862和864 分别提供关于轮876和878的旋转位置的信息。从每个轮876和878 的旋转位置，能够确定轴848和齿轮850的俯仰和横滚位置。

图8F示出位置传感器862。在某些实施例中，位置传感器864能 够与位置传感器862大致相同。一般来说，位置传感器862和864能 够是分别提供轮876和878的旋转位置的任何传感器。在图8F中示出 的位置传感器862包括光学传感器和电阻传感器二者。

如图8F所示，位置传感器862包括被固定安装到区段412的固定 部分890。如图8G所示，固定部分890包括光头898和电阻电位器轨 道894。图8G示出固定部分890，其示出固定部分890的面向轮876 的侧面。如图8H所示，来自电位器轨道894和来自光头898的信号 被输入到电子连接器899，电子连接器899提供有关位置的两个测量 的信号。因此，如图8E所示，来自光头898和电阻清扫器892的信 号被供应给其他电子器件。

图8F和图8H示出电阻清扫器892的位置，电阻清扫器电接合电 位器轨道894。如图8H所示，电阻清扫器892被设置在轮876上，并 提供在固定部分890上的电位器轨道894之间的电连接。光头898从 如图8H所示的被设置在轮876上的编码器896读取数据。编码器896 和清扫器892是相反于固定部分890。清扫器894和编码器896能够 被设置在轮876上，以反映轮876相对于固定部分890的运动旋转范 围。在某些实施例中，轮876的运动相对于固定部分890不旋转完整 的360度。则位置传感器862提供基于电阻的位置信息和基于光学的 位置信息两者。

图9A示出安装件410的实施例。如图9A所示，安装件410包括 轴848和齿轮850。如之前所讨论的，轴848和齿轮850被连结到腕 件411。安装件410包括驱动器906和908以及电气连接器910。如上 所述，驱动器906和908被用于致动针基器械210的特征。电气连接 器910允许与储存在针基器械210内的过程或数据通信。在许多情况 下，无菌适配器414被连结到安装件410，并且针基器械210被连结 到无菌适配器414。安装件410能够包括按钮920和接收无菌适配器 414的锁钩904。

图9B示出通过安装件410的驱动器906和908的横截面。如图 9B所示，驱动器906被连结到轴920。驱动器908被连结到轴922。 马达912接合被安装在轴916上的陶瓷盘。当马达912抵靠陶瓷盘916 接合时，轴920被旋转。轴920在轴承928和924上旋转。同样，马 达914接合被连结到轴922的陶瓷盘918。当马达914被接合时，轴 918在轴承926和930上旋转。

在某些实施例中，在驱动器906与轴920之间以及在驱动器908 与轴922之间可以存在弹簧加载。以此方式，驱动器906和908可以 在使用期间从针基器械210或无菌适配器414吸收运动。

此外，轴920可以接合位置传感器940，并且轴922可以接合位 置传感器942。位置传感器940和942提供关于驱动器906和908的 旋转位置信息。

图9C示出位置传感器940的示例实施例。位置传感器942可以 与位置传感器940大致类似。在如图9C所示的实施例中，位置传感 器940包括电阻传感器和光学传感器两者。盘950接合轴920，以便 其随轴920转动。通过从被固定到盘950的编码器952接收光学信息， 光头948提供位置信息。进一步地，电阻清扫臂件946也被安装在盘 950上。电阻清扫臂件946电接合被固定于安装件410的电位器电阻 元件944。因此，位置信息可以从清扫臂件946和电位器电阻元件944 接收的电阻信号以及从由光头948和编码器952确定的光学数据确定。

图10A和图10B示出能够被用于安装件410的无菌适配器414。 如图10A所示，无菌适配器414包括接合安装件410的闩904的适配 器1002。进一步地，驱动器1006接合安装件410的驱动器906，并且 驱动器1008接合安装件410的驱动器908。无菌适配器414的电气连 接器1004与安装件410的电气连接器910连接。无菌适配器414还包 括接收针基装置210的托板1010。

如图10B所示，针基装置210可以与驱动器1006和1008连结。 电气连接器1012与电气连接器1004连结。进一步地，托板1010中的 闩1014可以将针基装置210固定到无菌适配器414中。

如上所述，腕件411和安装件410的竖直定位是通过由臂件420 和撑杆418形成的3D平行四边形提供，并由马达424通过驱动机构 422驱动。平行四边形有助于最小化在其他接头处的扭矩，并且也保 持腕件411的区段413水平取向并且沿轨道440大致对齐。如图4A 所示，为了易于运动，臂件420平衡于重量446。如上所述，腕件411 是偏航-俯仰-横滚腕件。

针插入到病人中是通过整个机器人110的协调运动执行的，而不 是通过机器人110中的一个专用接头的运动执行的。在某些实施例中， 如图2所示，机器人110被限制成在MRI器械孔内在病人腿部之间的 空间中操作。结果，在机器人110的某些实施例中，构件的尺寸和可 允许的DOF运动能够被安排在这个限制空间内。

机器人操纵器110的实施例能够被设置成利用各种DoF的组合。 作为示例，并且非限制性的，DoF的具体组合在下面被提供。沿轨道 440的水平/轴向运动能够是大约215mm。肩偏航接头600导致的在腕 件411处的水平/横向运动能够是大约±115mm。由肩俯仰接头700致 动的腕件411的竖直运动能够是大约±125mm。竖直rom中心能够是 大约177.5。倾斜或高度参数能够是+30°和-15°。由腕件411施加的摇 移(pan)或方位角运动能够是±15°。由机器人110施加的插入距离能 够是150mm。由腕件411施加的横滚能够是±135°。在器械210的某 些实施例中，护套收缩和激光推进运动能够是25mm，并且横滚是连 续的。在针插入速度是50mm/s的情况下，针插入力能够是大约40N。

所有接头能够由压电式马达驱动，例如由Nanomotion生产的那些 压电式马达。马达424和434能够是压电式马达，例如，如同申请号 为13/767,801的美国实用新型专利申请所描述的。基座438中的马达 可以是例如线性压电式马达。在某些实施例中，线性马达506(图5A) 可以是双路Nanomotion HR8马达。腕件偏航马达816(图8B)中的 每个马达可以是例如双路HR2马达。腕件俯仰-横滚马达834和836 可以是单路Nanomotion HR2马达。在安装件410中的马达912和914 (图9B)可以由被安装在安装件410的壳体内的各压电元件形成。

图11是示出控制器120的功能的框图。如图6所示，在运动学处 理器1102处在控制器120中接收操作者输入。由于要被机器人110 执行的过程的操作者指令，操作者输入在控制台130起始。运动学处 理器1102确定机器人110的运动并向马达驱动器1104提供适当的信 号。马达驱动器1104向机器人110上的每个马达提供驱动信号。运动 学处理器1102还向器械驱动器和接口1106提供信号，这驱动马达912 和914从而向器械210提供输入。在某些实施例中，器械210向接口 1106提供输入信息。例如，这个输入信息可以包括器械类型、器械历 史和器械工作参数。由接口1106提供的信息被提供给运动学处理器 1102并提供给控制台130，以便机器人110和器械210的适当运动可 以被协调。

位置确定1110确定和跟踪机器人110的位置。位置确定1110监 测从运动学处理器1102发送到马达驱动器1104的控制信号，并综合 这些运动，以便基于每个马达的动作，确定机器人110的每个接头的 取向。因此，接头位置感测可以主要基于如上所述的在位置确定1110 中的增量编码器。在某些情况下，传感器，例如电阻电位器或光学位 置传感器，可以向位置传感器1108提供信号。位置传感器1108监测 机器人110上的传感器并向位置确定1110提供实时的绝对位置信息， 这能够被用于确定机器人110的开始位置并用于增量确定的位置的错 误检查。如上所述，在机器人操纵器110中的马达是压电式马达。这 些马达相对于它们的开始位置的相对位置可以基于控制器120发送给 它们的控制信号在控制器120中被确定。在某些实施例中，电阻或光 学定位传感器可以被安置在机器人110上，以提供开始位置和错误检 查。

在某些实施例中，位置确定1110还可以从图像处理器1112接收 数据。图像处理器1112从扫描器140接收图像。图像处理器1112可 以基于器械210的位置，确定机器人操纵器110的位置。在某些实施 例中，图像处理器1112可以基于被安装在器械210上的在来自扫描器 140的图像中可被具体探测的基准，确定器械210的定位。

用于建造机器人110的材料是非磁性的，并且可以是例如铝、钛 以及例如Ultem、PEEK或Delrin的工程塑料。碳纤维可以用于特定区 域。用于基座440的线性轴承可以是陶瓷轴承。用于机器人110的其 他运动的球形轴承可以是陶瓷轴承或可以是非磁性混合轴承。用于位 置传感器的编码器可以利用例如Avago Technologies(安华高科技公 司)的光学芯片。用于位置传感器的大多数电位器可以从Spectrum  Controls公司获得。

如上所述，机器人110是用于定位和驱动用于针对性诊断和治疗 的针的紧凑型操纵器。器械210可以是例如活组织检查器械、激光烧 蚀器械、治疗递送器械或任何其他针基器械。通过安装件410和马达 413使用多个驱动输入来控制在器械210内的各DoF，例如旋转，为 器械210提供全笛卡尔定位和取向。一旦机器人110被初始定位，则 针插入由机器人110的接头的协调运动驱动。在初始定位时，例如， 端部执行器安装件410能够被定位成最小化对病人的干扰。

器械210在申请号为61/599,300的美国临时专利申请中被更详细 讨论。器械210在被安装到执行器安装件410之前能够被安装到无菌 适配器414。无菌适配器和器械210的键合和锁定在申请号为 61/599,300的美国临时专利申请中被讨论。

进一步地，无菌接口可以由在机器人110上的铺巾(drap)提供。 在器械210与机器人110之间的接口允许控制器120确定关于器械210 的信息，例如器械ID、序列号、几何参数和用法。在某些实施例中， 器械210可以包括用于在成像器内定位的嵌入基准。

所提供的上述具体实施方式是为了举例说明本发明的特定实施 例，并不是限制性的。在本发明范围内的许多变化和更改是可能的。 本发明在下列权利要求中阐述。