具有效应器的人工引导的材料和组织切割工具的移除率的可控调节方法和系统及效应器

摘要

本发明涉及具有效应器的手动式材料分离和组织分离工具的材料移除率的可控调节方法和系统。本发明的目的在于开发在不需要显著改变该工具的转速或显著改变该工具的位姿、朝向或几何结构的情况下允许控制快速旋转工具的材料移除率的方法、系统和工具。特别地，该方法、系统和工具能够有利地在外科手术和自由表面的加工制造中在通过快速地旋转机械工具来移除材料或组织是精确遵守工作空间边界。用于手动式材料切割工具和组织切割工具及其效应器的材料移除率的可控调节的方法、系统和工具，效应器和/或至少一个刀片套的材料切割刀片能够根据它们的与工具效应器有关的位姿(位置和朝向)机械地设置在至少两个位置上，或者能够缩回和展开而不需要效应器任何移除动作方面的显著改变同时维持恒定速度。

说明书

技术领域

本发明涉及用于可控地调节具有效应器的人工引导的材料和组织分离工具的移除率的方法和系统以及有关的效应器。

该方法、系统和具有效应器的工具特别地适用于在在外科手术和自由平面的加工制造中使用快速转动的工具移除材料和组织精确遵守工作空间边界。

背景技术

在车间的生产工作以及对人和动物进行介入医疗处理的手动工作中手导式和手定位工具，通常在驱动的机床(例如，带钻头和铣刀的钻机，电动刨床)中用于对象的材料和组织的分离和移除。除了自由成形之外，通常还空间地调节对象表面来精确配合对应的定义的边界。同时该对象的特定结构或表面不需要被工具损坏，例如用于在使用者不可见范围内的对象内部，保护已经完成的加工表面或结构。

在迄今为止的现有技术中，下列方法作为技术辅助用于已知的手持式和手定位工具：

a)导航程序，其测量工具相对于对象的位置和朝向，以及图像上和声学上向使用者表明该手动工具相对于该对象的允许工作范围的位置、朝向和距离(手术导航(Surgical Navigation)，US5389101，DE19960020)，以及图像上表明该对象需要被处理的区域。

b)对象附接样板，其将手动工具的自由运动相对于该对象限制在允许的工作区域中(古老的中世纪的外科手术模板(Antike,Mittelalter,Surgical Template)US5141513)。

c)顺应机构和机器人，手持式工具装配至该顺应机构和机器人。这些机构和机器人相对于允许的工作空间限制，改变对象上的手持动作的自由度、摩擦力、刚性和弹性，甚至将额外的力和扭矩应用于手动引导(Lueth，T.C.et al.“用于颌面手术的手术机器人系统(A surgicalrobot system for maxillofacial surgery)，工业电子学会，1998年IECON，IEEE第24届年会流程，vol.4,pp.2470-2475)。

d)相对于对象或对象的结构，限制位置、朝向、距离和基于信号的移除率(导航控制(Navigated Control)，DE000010117403C2)。

e)相对于效应器周围的保护套线性地展开和缩回旋转的效应的机构(蓝带技术(Blue Belt Technologies)，US2012/0123418A1)，以转限制移除率。

一种用于调节工具刀片的方法从文献(DE4401 496A1)中已知，然而这不是用于手持式或手导式的机床，并且该工具的位置和朝向的运动循环不可通过程序提前设定。没有已知的方法允许调节工具刀片而不用连接至可编程的运动控制器。也没有已知的方法使手持式工具或手持式电动工具的转动刀片的计算机控制的或基于位置的工具刀片的调节成为可能。

从专利EP 0977644B1已知一种在刀片磨损的情况下随后延伸刀片的方法。

关于外科手术中包括效应器的手持式电动工具的使用，由于对医学移植物(例如，膝盖、髋等)的有效匹配度要求的不断提高，因此在过去20年获得了丰富的经验。缺点是类似于在工厂中对材料的手动处理。已知技术的缺陷如下：

a)具有图像的、声音的、触感的和震动反馈的导航方法未解决使用者在操作过程中因滑动或精力不集中造成不慎将材料移除工具错误地对齐，并且超出了设置的工作空间限制。学习时间越短和应用经验越少，风险性就越大。如果组织具有不同的密度，工具偏离，或使用者在不舒适的姿势下工作或受到冲击或力的作用，则增加风险性。

b)附接至模板的对象需要有足够大的表面积可用来固定样板。此外，模板首先在工具以优选的方向插入至样板中时展示其优点。目前还无法在允许工具的三维移动和三维对齐时磨削三维的自由形态表面。三维自由形态表面还需要昂贵费用来生产。不能完美配合地应用的模板需要导航方法用于模板对齐和固定到对象上。模板通常还需要在对象上有额外的空间。

c)顺应(顺应运动，手动)机器人，手持式设备装配在该机器人上，其具有受限的工作空间，并且必须在使用之前费时地相对于对象进行对齐。在操作过程中，手动操作机器人允许工具的表面上的自由运动。机器人与手持式工具或对象相关的高惯性对于精确顺应工作空间限制甚至顺应高动态驱动的最佳动态控制的限制因素。此外它们具有高昂的采购和运行成本，需要在对象附近设置安放区域，而且重量大。在无菌的工作条件下必须被覆盖。

d)基于位置、朝向、距离和信号控制移除率的方法(导航控制)确实最适用于遵守工作空间限制，但是前提条件是移除率上的动态可控的变化，以在边界区域中与样板解决方法或机构/机器人解决方法在时间上进行竞争。同样地，精确遵守工作空间限制只在工具的移除率具有尽可能急剧的转变时才能达到。关闭电源是由于目前技术所使用的工具的高惯性导致的气动或电动驱动的问题，因为应用于手上的力在切换操作期间改变很大。

e)通过效应器周围的保护套的相对运动来降低移除率的机构，允许具有恒定电流的速度限制的切割输出。然而，因为保护套比效应器大，而且能够被对象表面阻塞，因此在实际上只有快速收回或移开工具可能。此外，相对运动必须或早或晚进行手动平衡。这阻碍了高精度的快速操作。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中已知的缺陷，并且开发一种方法、系统和用于工具的效应器，该效应器使控制快速转动工具的移除率成为可能，而不需要实质上改变工具的旋转速度或实质上改变包括效应器的工具的位置、朝向和几何结构。

这个目的通过根据权利要求1中的特征的方法、根据权利要求9中的特征的系统以及根据权利要求12中的工具来实现。本发明的有效的实施例被包含在从属权利要求中。

本发明的特别优点在于，控制包括效应器的工具的手不会被施加摇晃或震动，从而材料分离刀具能够在其相对于效应器的定位(位置和朝向)上至少在两个位置上进行机械地调节或以效应器的恒定速度或仅微小改变的速度下展开或缩回。这允许它用于快速并且高精确地手动工作。同样地能够在相对于工具效应器的定位(位置和朝向)上至少在两个位置上机械地调节、展开或缩回在该工具的材料分离刀片前的至少一个刀片套来改变该材料分离工具的移除率。因此可能根据该方向来限制该工具的效应器的移除率，从而通过这种方法在处理移除期间产生优选的方向或优选的空间，因为该工具只能够在可通行的优选的移除方向上移除材料和继续穿入到对象中。

该系统制造简单、价格低廉、使用可靠度高以及维护简单，因为设置在工具上的移除方向对于使用者是可视的(例如，通过刀片染色来辨别)或可听到的或图形显示的(例如，通过显示屏上的显示来发出信号)。

材料移除率上的变化在少于1/10秒的期间内实现。

本发明的另外的优点是由于，基于持续测量人工定位或引导的工具的位置，并且可选地，基于相对于将被移除的材料或组织或对象的测量标记的与定义的限制的数学推导关系以及空间关系来控制移除率，以及基于传感器信号或控制信号来控制材料移除。

另一个的优点是，该效应器的位置和朝向通过调节刀头或刀片套不变化或仅在刀头的切割长度的量级上变化，或效应器的空间延伸通过调节刀片或刀片套不变化或仅在该切割长度或刀片套的量级上有变化。移除率的调节因而不需要效应器的位置或定位修正。改变的材料移除量实现而未改变效应器位置。同样有利的是，维持致动器的信号连接和控制所需要的能量直接从动能或所述工具运行的驱动器获得。同样有利的是，如果以移除速度旋转的刀片和/或刀片套通过内置的定子经由至少一个可调节的致动板向外压，以便仅释放刀片的部分用于移除，并且通过此种方法相对于定子(或工具测量标记)的位置来限制移除方向，定子相对于工具测量标记的位置是已知的，并且效应器的移除率通过方向的调节来控制。

该方法和系统特别地有利地适合于在外科手术和自由平面的加工制造中使用快速转动的工具移除材料和组织精确遵守工作空间限制。在恒定的旋转速度和效应器的位置下移除率上的改变允许手动工具在精确的移除界限中的非常快速地移动人工导向的效应器，例如交叉往复动作，并且因此使该工具的自动中心对齐和方向纠正成为可能。该方法和相应的系统以及工具是用于增加一个人通过其动作技能与其所手动指导的工具的移除率的基于信号、位置、朝向和距离的快速减少相结合的精确处理能力的另一个基础步骤。

通过调节刀片，能够用工具来模拟具有较低移除率的数种工具，并减少更换工具的次数。有效切割长度能够被减少至到表面为止，而不是使用具有较小的切割长度的效应器。表面质量提升。

采用其他分离方法例如激光将增加转动工具的使用范围，因为移除率与先前调节地一样快或更快。这使因功能原因具有质量惯性或由于工具和材料之间的相互作用能够不被期望地弯曲的手动操作的工具的使用，能够用于精密任务。

手持式和手动操作工具的应用范围将明显扩大，因为人能够提供与机床类似的服务。相应地，更多的人能够发挥更高的活性，这是迄今为止只有通过工具才能提供的。同样地需要精确的三维表面加工的手动操作的范围也增加了。关于在骨科手术中的应用，骨科移植物的配合精确度将大大提高。能够实现更少的干预具有更高的精度。骨科移植物的配合速度(制备和装配)能够显著增加。减少的时间对患者的愈合过程有着积极的影响。随着老年人口数量的增加而渐增的更换膝盖、髋和肩膀关节的需求能够由恒定的或减少的数量的外科医生来提供。

实现高性能的移植物的耐用物品(医疗机器人)的获得成本将明显降低。相对于目前的知识水平，自动化的植入手术是确保在恒定数量或减少的数量的外科医生时老龄化社会的必要的关节更换手术的基本前提。

附图说明

图1示出了一种具有旋转的材料效应器的手持式工具；

图2示出了在具有隐藏的敏感结构的对象内部磨削出的尺寸稳定和定位精确的空腔；

图3示出了一种具有可缩回和可展开刀片的高速旋转的材料分离效应器；

图4示出了材料分离效应器的剖视图，其中刀片通过接头来调节；

图5示出了一种在工具以移除速度旋转时，用于刀片调节的驱动力的示例性传动机构；

图6示出了相对于被处理的材料或组织对工具刀片的基于信号、位置、朝向和距离的控制；以及

图7示出了一种材料分离效应器的剖视图，其中刀片在移除中通过护套来减少。

具体实施方式

图1示出了一种人工引导的电动工具1，其用于材料分离或用于加工例如钻孔、磨削、锯和切割等。当旋转速度必须达到用于必要的移除率时，通常使用气动或电动驱动器。工具1的用于材料分离的扭矩典型地通过刚性轴或柔性轴3来传递，材料分离工具1通过该轴3经由卡盘2连接至工具的效应器4。具有合适切割速度的旋转效应器4被放置在材料5或组织5上。效应器4上的刀片6将材料5分离，从而移除一些材料5。

图2示出了被磨削出来的精密配合的空腔7的表面结构，作为磨削效应器的效应器4不会意外地对材料5中的敏感结构8造成损伤。工具1和效应器4在空腔7的预定界限处和被保护的结构8的附近处的移除率能够通过调节刀片6来降低，而无需降低工具1的旋转速度。在必要时，旋转速度可稍微降低。以此方式，电机和工具1的旋转质量的旋转速度的改变不会对握持工具1的手形成震动或冲击。

图3示出了材料分离工具1的包括轴3、效应器4的效应器头部和可调节的刀片6的示例性实施例的侧视图和底视图。图中示出了四片刀片6，其可以穿过开口9从效应器4的效应器头部中被推出或缩回。设置了用于刀片6的伸展的开口9，以使在刀片6在缩回时，即使在高旋转速度下并且效应器4直接接触将要移除的材料或组织的表面，也不会移除任何材料或移除微量的材料。在图3中，刀片展开开口9被示出为具有圆形边缘。缩回机构10确保刀片6即使以高旋转速度并且在接触的情况下，不会意外地造成材料分离作用，而是缩回到开口9后用于保护。图3中所示的缩回机构10通过弹簧件连接刀片。

为了将刀片6从保护位置中推出，需要展开机构11。在图3中，该展开机构11被设计为楔形机构，在下压时会对刀片6施加径向作用力并且将其向外压至与材料接触。图3中显示所有的元件作为效应器4的效应器头部的一个部件来转动。

图4示出了工具1的另一个示例性实施例，其中刀片6不能够被缩回，而是用枢轴接头12安装在效应器4的外表面上。刀片能够通过施加压力从内向外展开，优选地使用挡块13用来适当地防止刀片6脱离。枢轴接头12优选实施为固态接头，通过材料的适当弱化和成形来生成。刀片6的机制在此以剖视图被示出，然而所有元件例如钻头，能够以拉伸的螺旋形(螺旋)的形式围绕圆柱形芯延伸。

展开机构11在图4中未实施为楔形物，而是转动关节，并且展开机构11相对于轴3的转动使刀片6从刀片套14伸出。展开机构11的旋转还可通过螺旋式线性移动来实现。

图5示出了用于通过刀片控制件15调节刀片6的调节力的示例性传动机构。刀片控制件15直接与工具1的手持件连接或用卡盘2与轴3和工具展开机构11在夹紧操作中夹持在一起。为了使工具的运动与工具控制件15的运动分离，轴承17优选地被布置。轴承18也有利于使工具的切割驱动运动与工具控制件15的运动分离。实际调节运动通过致动器16来完成，本文中是图5所示的线性电机，例如还可以设计成气动、液压或电动力的电机。

未在图5中示出的另一个轴承也可以拉动刀片展开机构11。致动器16能够两个方向上调节刀片位置，而不需要独立构建的被动的缩回机构10。

图6示出了一种机器驱动器20，其能够由功率放大器或电机控制器21通过控制计算机22信号来驱动。控制计算机22的速度设置能够通过外部信号线23或信号传输路径24来完成，例如通过脚踏板(未示出)来控制机器的速度。类似地，致动器的刀片调节控制器25用于通过控制信号线19对刀片进行调节。还通过信号线23或信号传输路径24发出信号用于例如当效应器4离开工作区域的边界时立即调节刀片6。为了测量工具1的位置和方位，已知的是在工具1或机器上贴上用于坐标测量系统(未示出)的测量标记27。第二测量标记(28)被固定在将要被移除的材料或将要被处理的对象的组织5上。产生的与相对运动有关的信息和对工作空间的限制在外部进行处理或被传送给控制计算机22，然后刀片的旋转速度或位置由该控制计算机进行控制刀片。测量标记27、28、30在图6中设计为用于光学坐标测量系统的反射物，还可以是用于电磁坐标测量系统的测量标记。在这种情况下，旋转速度传感器26被优选地装配在工具1上，用于接收来源处的电磁干扰场的频率并且将其传递到控制计算机22和坐标测量系统来通过带阻滤波器在位置测量时进行过滤。代替涉及工作区域边界的刀片6的基于位置的调节，信号或成像系统的信号和图像也可直接处理调节刀片。为此，信号系统或成像系统29，例如神经监测仪或多维成像仪器被用于信号检测。可通过信号或图像直接辨别是否需要切换刀片6。

图7示出了另一种实施例，在本实施例中，在材料移除时，不是刀片6，而是具有刀片套部分14a的刀片防护14通过配置为枢轴接头或柔性轴承的刀片套接头31相对于刀片6进行调节。在此，如有需要，刀片防护14和刀片6之间的开口被关闭。在刀片套14和刀片6之间使用其他的未示出的固态接头时，效应器4的表面完全封闭，以避免颗粒进入效应器4中。在图7中，刀片6被固定并且不可调节地固定于空心轴32，空心轴32以切割速度围绕中心定子33旋转并且优选在环形的两个位置上被支撑。定子33相对于工具1或工具测量标记27的位置已知的。刀片套14通过刀片套接头31直接固定在刀片6的后面。在展开状态下，刀片套部分14a覆盖刀片6并且在展开时压迫在刀片6前面的材料残留。不需要内部压力，沿着半径成形导致该套被压入到效应器4中并且刀片6被暴露。至少一个可调节的致动板34位于定子33中的凹处中，该致动板能够在定子33的旋转对称形状的至少一个方向上展开和缩回。也可能有其他的变化来在至少在一个位置上改变定子33的半径。通过定子33上的致动板34的展开，工具1在这个方向上的移除作用降低。如果致动板34在所有方向上进行调节，在整个效应器4的移除率将降低。当目标致动板34被缩回，则效应器4相对于工具1或工具测量标记27获得受朝向限制的可调节的移除率。效应器4的移除率通过控制计算机22的适当控制限制于特定角度片段。致动板34的运动不仅可以电动地同样地还可以液压地或气动地来实施。后者特别地有利于气动致动器。

该方法可以通过刀片6的调节运动或刀片套14的调节运动，来减少手动操作工具1上的材料分离刀片6中的至少一个刀片的移除率。以这种方法，对象上的效应器4的移除率能够以一致的工具运动来进行调节或降低。通过维持相同的工具运动和恒定的旋转速度，仅对握持工具的手产生很小的力或扭矩。由于短的调节路径，因此在极短时间内能够调节总移除率。

基于信号的控制和依赖于工具位姿(位置和朝向)的移除率控制之间存在不同。

基于信号的控制的示例性应用如下：当使用电钻在房间的墙壁上钻孔时，通过信号发射传感器能够检测到在钻孔通道上有不应被钻具损坏的电线或水管。在这种情况下，钻具的移除率立即被减少，从而对管线不会造成损坏。

另一个示例性应用如下：当在头骨乳突区中钻出空腔时，通过信号发射传感器能够检测到在在钻孔通道的方向上或邻近范围内有延伸穿过骨头的不应被钻具损伤的神经通路或血管。在这种情况下，钻具的移除率立即被减少，从而对各线不会造成损害。

这两种应用都旨在用作安全措施而不要求操作者/医生对空间的预计划，，但是其中切换信号通过集成的传感器或外部传感器来传递。在这些情况下，大体上移除率的手动切换能够对于实现低成本的工具1有益，同时关闭是基于信号的。

在其他情况下，有利于通过信号来启动。在这种情况下，当移除率被切换时，工具1应以正确的旋转速度精确处在正确的位置上。与通过静电摩擦的扭矩传递相关联的问题以及在手持力不足导致的位置改变则被消除。

类似于性能控制(美国专利US 7346417)的一种工具的基于位姿的控制的示例性应用如下：为了在股骨中的空腔引入用作人工膝关节的移植物，必需在骨头的特别位置和朝向上磨削出定义的自由形态表面。进入开口和工作角度两者都被严格限制。一旦只要手动操作工具1的效应器4达到允许的工作空间的界限，效应器4的移除率被降低而不必通过调节刀片6或刀片套14来减少机床性能。由于机床和工具1的效应器4的恒定速度而基本恒定的质量惯性，移除率能够在允许工作空间界限内突然变化，而不会导致操作和定位的手的受到显著的力或扭矩(猛击)。作为突然改变材料移除率的替换，有利的是可以相对于距工作空间界限的距离在多个步骤中或连续地调节移除率，从而在边界表面上实现高质量的表面。

具有可控的移除率的基于工具位置的控制的另一个示例性应用如下：当用电钻在房间墙壁上钻孔时，可以通过持续位置测量(位置/朝向)来检测钻具刚好位于计划的钻孔位置附近。在此种情况中，移除率可以根据方向来减少，从而材料仅计划的钻孔位置的方向上被移除。钻具自动地滑到计划的钻孔位置。

从专利US7346417已知的，其优点是基于位置、朝向和距离数据对于自由手持式加工工具的电源控制。因此不需要重复该应用。并且电源控制与来自神经监测的直接测量数据的结合，即材料移除率基于对象(在此是患者身体)上的直接传感器检测作用降低，是基于对对象的处理，这是已知的。

移除率的调节受刀片6的减少数量限制，有利地用于在较窄的工作通道内仅在一个方向上移除材料5，例如用于生产凹槽。在此，工具1仅在预设的方向上分离材料。

对于操作者和外科医生来说并非总是能看到移除材料5必须移除的位置和方向。在此，当移除率取决于方向的有效性能可视化辨别时，这是有利的。这可以例如通过刀片6的切割表面的颜色明显辨认。即使在工具1的效应器4快速转动时，使用者可看到该颜色总是在移除能够实现的方向上。可以有益的在工具1的轴上应用类似的机构并且代替刀片6的是，钝的或圆形表面变得可见，这优选地通过相同的机构来释放从而能够使工作方向显著。

还已知的是，位置信息的计算不仅能够基于标记评估(US538910)来实现的，而是能够直接基于对对象几何结构的评估来实现(US7079885)。

不仅是采用气动驱动器，还可以有利的电力地直接从工具1的驱动电源生成用于调节移除率的和控制材料移除的能量。

附图标记说明

1.手持式工具；2.工具手柄的卡盘；3.轴；4.效应器；5.待移除的材料；或组织；6.材料分离刀片；7.移除限制空腔；8.移除之前保护的敏感结构；9.刀片展开开口；10.刀片缩回机构；11.刀片展开机构；12.枢轴接头；13.挡块；14.刀片套；14a.刀片保护部分；15.刀片控制件；16.致动器；17.工具移动轴承；18.刀片调节轴承；19.控制信号线；20.加工驱动器；21.功率放大器/电机控制器；22.控制计算器；23.信号线；24.信号传输路径；25.刀片调节控制器；26.速度传感器；27.工具测量标记；28.对象测量标记；29.信令或成像系统；30.信令/成像测量标记；31.刀片套接头；32.刀片支撑空心轴；33.中心定子；34可调节致动板。