本公開涉及手術機器人，且具體來說，涉及供在磁共振成像(MRI)裝置內部使用的手術機器人。

背景技術：

眾所周知，醫學共振成像(MRI)裝置具有卓越的軟組織分辨率并產生最小輻射危害性。由于這些優點，基于MRI引導下機器人的微創手術已變成重要的手術工具。

許多手術機器人當前正在使用，但并非全部與MRI相容。舉例來說，稱為da Vinci^TM的直觀手術機器人與MRI不相容。相比之下，Innomotion機器人手臂、NeuroArm機器人和MRI-P機器人全部與MRI相容。但是，即使是那些與MR相容的機器人，仍不能夠在掃描期間加以操作。

尚未在MRI環境中廣泛使用機器人的主要原因是MRI不相容性、實時術中成像的限制性、空間約束及缺乏相容的模塊化手術工具。

技術實現要素：

公開了一種供與手術工具相關聯地使用的模塊化可重配置手術機器人。所述手術機器人包含：用于線性移動的線性模塊；用于旋轉移動的轉塔模塊；用于旋轉移動的肘部滾動模塊；以及用于旋轉移動的腕部傾斜模塊。轉塔模塊具有轉塔旋轉軸。用于旋轉的肘部滾動模塊具有與轉塔旋轉軸成一個角度的肘部滾動旋轉軸。腕部傾斜模塊具有腕部傾斜旋轉軸，所述腕部傾斜旋轉軸與轉塔旋轉軸成一個角度且與肘部滾動旋轉軸成一個角度。線性模塊、轉塔模塊、肘部滾動模塊和腕部傾斜模塊可操作性地連接在一起以形成手術機器人，且所述模塊中的一者可操作性地連接到手術工具。

線性模塊的線性移動可限定z軸。轉塔旋轉軸可為與z軸平行的軸。肘部滾動旋轉軸可圍繞x軸，且x軸一般可與z軸正交。腕部傾斜旋轉軸可圍繞y軸，且y軸一般可與z軸正交并與x軸橫切。

模塊化可重配置手術機器人可進一步包含可連接至其的穿透模塊，且手術工具可附接到穿透模塊。

模塊化可重配置手術機器人可包含轉塔肘部連接模塊，所述轉塔肘部連接模塊可連接到轉塔模塊和肘部滾動模塊。

模塊化可重配置手術機器人可包含滾動連接單元，所述滾動連接單元可連接到腕部傾斜模塊和肘部滾動模塊。

線性模塊可包含可操作性地連接到電機的絲杠螺母和齒輪機構。線性模塊的齒輪機構可包含蝸桿蝸輪，且電機可為超聲旋轉電機。

線性模塊可包含硬停件以限制螺母的移動。

轉塔模塊可包含可操作性地連接到電機的軸和齒輪機構。轉塔模塊的齒輪機構可包含蝸桿蝸輪，且轉塔模塊的電機可為超聲旋轉電機。轉塔模塊可包含硬停件以限制軸的旋轉。

肘部滾動模塊可包含可操作性地連接到電機的軸和齒輪機構。肘部滾動模塊的齒輪機構可包含蝸桿蝸輪，且肘部滾動模塊的電機可為超聲旋轉電機。肘部滾動模塊可包含硬停件以限制軸的旋轉。

腕部傾斜模塊可包含可操作性地連接到一對電機的一對軸和一對齒輪機構。腕部傾斜模塊的每個齒輪機構可包含蝸桿蝸輪，且腕部傾斜模塊的電機可為超聲旋轉電機。腕部傾斜模塊可包含硬停件以限制軸的旋轉。

穿透模塊可包含可操作性地連接到電機的絲杠螺母和齒輪機構。穿透模塊的齒輪機構可包含一對正齒輪，且穿透模塊的電機可為超聲旋轉電機。手術工具可為可連接到穿透模塊的手術工具模塊，且所述手術工具模塊可包含可操作性地連接到電機的絲杠螺母和齒輪機構。

手術工具模塊可被可操作性地連接到鉆頭包。手術工具模塊可進一步包含可操作性地連接到鉆頭包的正時皮帶和滑輪。手術工具模塊可包含可操作性地連接到鉆頭包的氣動單元。鉆頭包可包含套管針、鉆頭和導針。

穿透模塊可進一步包含轉接器，且手術工具模塊可附接到轉接器。轉接器可包含：螺母部分；可移除式前轉接器部分，其可連接到螺母部分；以及可移除式前閉合部分，其可連接到可移除式前轉接器部分。手術工具包可包含可釋放性地連接到槽板的可移除式支撐件。可移除式前轉接器部分、可移除式前閉合部分、可移除式支撐件和鉆頭包全部可進行消毒。手術工具模塊的電機可為超聲旋轉電機。

模塊化可重配置手術機器人可包含拱式裝置單元，所述拱式裝置單元可操作性地附接到線性模塊、轉塔模塊、肘部滾動模塊和腕部傾斜模塊中的一者。拱式裝置單元可包含位于拱架的任一端處的一對線性致動器。拱式裝置單元的每個線性致動器可包含可操作性地連接到絲杠的超聲電機和可移動性地連接到絲杠的一對滑動托架，借以這對滑動托架可連接到拱架且激活超聲電機使滑動托架沿絲杠移動。每個線性致動器可連接到底板，且底板可被可連接到手術臺。

模塊化可重配置手術機器人可包含快速連接器模塊，所述快速連接器模塊可連接到線性模塊、轉塔模塊、肘部滾動模塊和腕部傾斜模塊中的一者。拱式裝置單元可包含橫桿(rail)，且手術機器人可被可移動性地附接到橫桿。手術機器人可沿橫桿手動地移動。拱式裝置單元可包含用于沿橫桿驅動手術機器人的拱式電機。

模塊化可重配置手術機器人的所有元件均可與MRI相容。

公開了一種供與手術工具或手術工具模塊相關聯地使用的手術機器人組件。所述手術機器人組件包含：拱式單元，其具有拱架；以及手術機器人，其沿拱架在不同位置處可移動性地附接到拱式單元。

拱式單元可進一步包含位于拱架的任一端處的一對線性致動器。每個線性致動器可包含可操作性地連接到絲杠的超聲電機和可移動性地連接到絲杠的一對滑動托架，借以這對滑動托架可連接到拱架且激活超聲電機使這對滑動托架沿絲杠移動。每個線性致動器可連接到底板，且底板可被可連接到手術臺。拱式單元可包含橫桿，且手術機器人可移動性地附接到橫桿。手術機器人沿橫桿手動地移動。拱式裝置可包含用于沿橫桿驅動手術機器人的拱式電機。

公開了一種供與工具包相關聯地使用的手術機器人。所述手術機 器人包含：至少一個旋轉移動組件；以及穿透模塊，其可操作性地連接到所述旋轉移動組件中的一者。穿透模塊可包含轉接器，所述轉接器具有：螺母部分；可移除式前轉接器部分，其可連接到螺母部分；以及可移除式前閉合部分，其可連接到可移除式前轉接器部分。工具包附接到轉接器。

手術工具包可包含可釋放性地連接到槽板的可移除式支撐件?？梢瞥角稗D接器部分、可移除式前閉合部分、可移除式支撐件和工具包可全部可進行消毒。

將描述進一步的特征，或進一步的特征在以下詳細描述的過程中將變得顯而易見。

附圖說明

現將參考附圖僅通過舉例說明來描述實施例，在附圖中：

圖1是適合用于MRI中的手術機器人組件的透視圖；

圖2A是圖1的手術機器人組件的手術機器人的透視圖；

圖2B是圖2A的手術機器人的分裂透視圖；

圖3A是手術機器人的垂直平移模塊的透視圖且將蓋板示為被移除；

圖3B是圖3A的平移模塊的分裂透視圖；

圖4是圖2的手術機器人的轉塔模塊的透視圖且將轉塔外殼示為透明；

圖5是圖2的手術機器人的肘部滾動模塊的透視圖且將肘部滾動外殼示為透明；

圖6A是圖2的手術機器人的腕部傾斜模塊的透視圖且將蓋板示為被移除；

圖6B是圖6A的腕部傾斜模塊但從不同角度來看的透視圖；

圖7是圖2的手術機器人的穿透模塊的透視圖；

圖8是圖2的手術機器人的轉塔和肘部連接單元的側視圖；

圖9是圖7的轉塔和肘部連接單元的透視圖；

圖10是圖2的手術機器人的滾動連接單元的橫截面圖；

圖11是圖10的滾動連接單元的透視圖，其中外殼的一部分已脫開；

圖12是圖6的腕部傾斜模塊的透視圖，所述腕部傾斜模塊連接到圖10和圖11的滾動連接單元；

圖13是圖1的手術機器人組件的拱式裝置單元的透視圖；

圖14A是供與圖2的手術機器人一起使用的手術工具模塊的透視圖；

圖14B是圖14A的手術工具模塊的套管針鎖定和回撤單元的透視圖；

圖14C是圖14A的手術工具模塊的套管針鎖定和回撤單元的剖視圖；

圖15A是供與圖2的手術機器人一起使用的替代性手術工具模塊的透視圖；

圖15B是圖15A的替代性手術工具模塊的剖視圖；

圖15C是圖15A和圖15B的替代性手術工具模塊的仰視圖；

圖16是手術工具的部分分解透視圖，所述手術工具與圖13中所示的手術工具類似但以分解圖示出鉆頭包；

圖17是圖16的手術工具的正視圖；

圖18是手術工具和穿透模塊的分解透視圖；

圖19是圖17的手術工具和穿透模塊的側視圖；

圖20是使用3件式鉆頭包的活檢過程的透視圖，其中a)是步驟1，b)是步驟2，且c)是步驟3；

圖21是MRI中所示的圖1的手術機器人組件的透視圖且將MRI的一部分示為已脫開；

圖22是手術機器人組件的透視圖，所述手術機器人組件與圖21中所示的手術機器人組件類似但還示出了患者的腿；

圖23是替代性拱式裝置的透視圖，所述替代性拱式裝置與圖13中所示的拱式裝置類似但包含拱式導桿模塊；

圖24A是手術機器人組件的替代性實施例的透視圖，所述手術機器人組件與圖1中所示的手術機器人組件類似但包含圖23的拱式裝置 和用于沿拱式裝置移動手術機器人的機器人旋轉模塊；

圖24B是圖24A的手術機器人組件的替代性實施例但從另一方向來看的透視圖；

圖25是圖1的手術機器人組件的透視圖，但將手術機器人示為沿拱式裝置附接于替代性位置處；

圖26是圖25的手術機器人組件的正視圖；

圖27A是圖2A的手術機器人的透視圖，但將模塊示為以不同方式配置；

圖27B是圖27A的手術機器人的分裂透視圖；

圖28A是圖2A的手術機器人的透視圖，但將模塊示為以不同于圖2A和圖27A的方式配置；圖28B是圖28A的手術機器人的分裂透視圖；

圖29A是圖5的肘部滾動模塊的透視圖，所述肘部滾動模塊連接到圖8和圖9的轉塔和肘部連接單元；

圖29B是圖29A的肘部滾動模塊和肘部轉塔連接單元的側視圖；以及

圖30是手術機器人的替代性實施例的分裂圖。

具體實施方式

參考圖1，適合用于MRI(磁共振成像)裝置中的手術機器人組件一般示于10處。手術機器人組件10包含手術機器人12、手術工具模塊14和拱式裝置單元16。手術機器人12沿拱式單元16在不同位置處可釋放性地附接到拱式裝置單元16。手術工具模塊14可釋放性地附接到手術機器人12。拱式單元16包含位于其兩端的一對橫桿20。橫桿20被附加或可附加到MRI掃描儀上滾臺(未示出)。手術機器人組件10呈模塊化、可重配置，且能夠適合MRI環境?？芍嘏渲眯钥梢蕴峁樘囟ㄟ^程找到最好的可能配置的一種手段。

手術機器人組件10與MRI相容，且其中所使用的每個部件均類似地與MRI相容。手術機器人組件10包含小型手術機器人12，且被設計成適應MRI孔的特定空間限制。手術機器人12安裝在拱式裝置 單元16上。手術機器人12包含可以移除、更換和重配置的自包含模塊。手術工具模塊14包含卡鉗式模塊化手術工具，其示例為用于兒科骨活檢的工具。

在可能的情況下，手術機器人10的部件由塑料制成。優選地，塑料提供結構強度、輕便且與MR相容。通過舉例說明，塑料是PEEK(聚醚醚酮)材料或或SOMOS 11122xc或NEXT樹脂，其中使用快速成型。

參考圖2A和圖2B，手術機器人12包含：線性移動組件，其為線性模塊22；第一旋轉移動組件，其為轉塔模塊24；第二旋轉移動組件，其為肘部滾動模塊26；第三旋轉移動組件，其為腕部傾斜模塊28；以及另一線性移動組件，其為穿透模塊30。轉塔模塊24和肘部滾動模塊26通過轉塔和肘部連接單元150而連接。肘部滾動模塊26和腕部傾斜模塊28通過滾動連接單元170而連接。替代地，肘部滾動模塊可包含連接器，且類似地腕部傾斜模塊可包含連接器，且由此手術機器人將包含線性模塊、轉塔模塊、肘部滾動模塊和腕部模塊，如下文參考圖30予以更詳細描述。

參考圖3A和圖3B，線性模塊22是單自由度接頭。在圖1、圖2和圖3中所示的配置中，其提供垂直平移或在y軸上的平移。但是，將了解，當手術機器人圍繞拱式裝置單元16移動時，線性模塊22的定向將改變且其將一般提供沿拱的半徑的移動。線性模塊包含具有編碼器23的超聲電機21、齒輪機構25、絲杠27、螺母29和支撐板36。另外，線性模塊22還包含外殼31、外殼蓋32、電機板38和一對線性導軸34。另外，在需要時使用軸承。優選地，超聲電機21是組合式超聲旋轉電機和編碼器。替代地，可使用超聲電機和獨立編碼器。通過舉例說明，可使用USR30E3N電機。優選地，齒輪26是蝸輪。超聲電機21可操作性地連接到蝸輪26。蝸輪26接合螺母29，且螺母29沿絲杠27移動。蝸輪26用來增大電機的扭矩。另外，由于它們的自鎖特征及它們的齒輪比，所以蝸輪是優選的。絲杠27附接到支撐板36。因此，當激活超聲電機21時，其導致支撐板在如由螺母29沿絲杠27的位置所確定的線性方向上移動。在本文的實施例中，線性移動 行程為0-30mm。絲杠27及一對導軸34附接到支撐板36，且可相對于外殼31移動。優選地，使用ACME或梯形絲杠，且由于ACME或梯形絲杠27不可反向驅動，所以其為反自鎖型。外殼蓋32和電機板38各自附接到外殼31且一同圍住蝸輪26和螺母29。外殼蓋32具有軸孔40和一對導孔42，使得絲杠27和線性導件34可以自由地移動穿過其中。外殼31包含快速連接附接部分44。

快速連接部分44包含螺孔46和對準銷孔48?？焖龠B接部分44可通過將對準銷(未示出)插入快速連接部分44上的對準銷孔48和拱式支撐件16中且接著使用穿過螺孔46的螺釘(未示出)將它們連接來連接到拱式裝置單元16。所述快速連接附接部分允許使用者容易沿拱式裝置16在各個位置處連接手術機器人12，如圖1、圖24及圖25中所示。

圖4中示出轉塔模塊24。轉塔模塊24包含超聲電機50、編碼器51、齒輪機構、軸54和支撐板58。轉塔模塊24還包含外殼60和電機板62。在需要的情況下包含軸承。優選地，齒輪機構包含蝸桿52和蝸輪56。優選地，超聲電機是超聲旋轉電機且為組合式超聲電機和光學編碼器。通過舉例說明，可使用USR60-3EN或UST30-3EN超聲旋轉電機。通過舉例說明，蝸輪56的靜態扭矩額定值是20Nm。用于電機50和編碼器的電纜(未示出)位于轉塔模塊24外部。在本文的實施例中，轉塔模塊的總重量為約0.25kg。蝸桿52和蝸輪56提供自鎖功能。自鎖功能減少輸出端驅動輸入端的可能性。優選地，轉塔接頭的運動范圍為-65度到+65度。

圖5中所示的肘部滾動模塊26具有與上述轉塔模塊24的結構稍微類似的結構。肘部滾動模塊26包含超聲電機70、編碼器71、齒輪機構、軸74和支撐板78。肘部滾動模塊26還包含外殼80和電機板82。在需要的情況下包含軸承84。優選地，齒輪機構包含蝸桿72和可操作性地連接到軸74及超聲電機70的蝸輪76。優選地，超聲電機是USR超聲旋轉電機，且為組合式超聲電機和光學編碼器。通過舉例說明，蝸輪72的靜態扭矩額定值為約4Nm。優選地，肘部滾動接頭的運動范圍為約-70度到+70度。

圖6A和圖6B中所示的腕部傾斜模塊28建置有對稱結構，且包含一對超聲電機90、一對編碼器91、一對齒輪機構、一對軸94和支撐板98。腕部傾斜模塊28還包含外殼100、兩個外殼蓋102和兩個電機板104。在需要的情況下包含軸承106。優選地，超聲電機是USR超聲旋轉電機，且為組合式超聲電機和光學編碼器。優選地，齒輪機構包含蝸桿72和蝸輪96。硬停件105和硬停件107限制被固定到軸94并隨軸94旋轉的支撐板98的旋轉角度。硬停件108接合滾動連接單元170上的硬停件173，如圖12中所示。超聲電機90并行起到驅動機構的作用以獲得所需的旋轉和停轉扭矩。通過舉例說明，蝸輪的靜態扭矩額定值為約15x 2Nm。優選地，腕部傾斜接頭的運動范圍為-20度到+20度。

圖7中所示的穿透模塊30包含超聲電機120、編碼器121、力傳感器122、絲杠124、螺母126和齒輪128。另外，穿透模塊30包含一對導軸130、轉動滑塊132和前支撐零件134。轉動滑塊132支撐絲杠124和線性機構的其它零件。轉動滑塊132包含連接到腕部傾斜模塊28的支撐板98的連接肋狀物133。同樣，穿透模塊30包含外殼136和電機板138。在需要的情況下包含軸承140。優選地，超聲電機是組合式超聲旋轉電機和編碼器。螺母126適合于可連接到手術工具。在圖7中所示的實施例中，螺母126包含適合于接收手術工具的轉接器部分142。轉接器部分142包含多個螺紋孔143。電機120可操作性地連接到一對齒輪128，這對齒輪128可操作性地連接到絲杠124。因此，當激活電機120時，齒輪128導致絲杠124旋轉，因此導致螺母126沿絲杠124線性地移動。螺母126的移動產生了推力。通過舉例說明，力傳感器122是FlexiForce A201力傳感器。力傳感器122用來測量穿透和鉆削力。FlexiForce A201傳感器是整合到穿透模塊中的超薄柔性印刷電路。力傳感器122允許觸覺控制手術機器人12。優選地，穿透接頭的運動范圍是0-90mm。

圖8和圖9中示出了轉塔和肘部連接單元150。這個單元連接轉塔模塊24和肘部滾動模塊26，且為回轉支承。圖29A和圖29B示出了連接到轉塔和肘部連接單元150的肘部滾動模塊26。單元150包含 支撐板152，所述支撐板152在其一側上具有第一回轉環154且在其另一側上具有第二回轉環156。第一硬停件158附接在第一回轉環154上，且第二硬停件160附接到支撐板152。支撐板152具備多個孔徑162，且轉塔模塊24附接到其。第一回轉環154具備多個孔徑164，且肘部滾動模塊26附接到其?；剞D支承使用自潤滑、低摩擦滑動元件以代替球軸承。優選地，這些由低成本、高性能塑料(稱為Iglide J^TM材料)制成，其被設計成具潤滑作用且免維護。支撐板152由PEEK(聚醚醚酮)材料制成。轉塔和肘部連接單元150被設計成低剖面、低重量、免潤滑且容易安裝。替代地，替代性肘部滾動模塊500可組合圖5的肘部滾動模塊的特征與圖8和圖9的轉塔和肘部連接單元的特征，如圖30中所示。

肘部滾動模塊26和腕部傾斜模塊28通過圖10和圖11中所示的滾動連接單元170而連接。滾動連接單元170由支撐零件或外殼172、軸171、軸承174和軸環176組成。外殼172包含硬停件173。軸環176包含多個孔徑178，且肘部模塊26連接到其。軸171具有多個孔徑175，且腕部傾斜模塊28連接到其，如圖12中所示。替代地，替代性腕部傾斜模塊400可組合圖6的腕部傾斜模塊的特征與圖10和圖11的滾動連接單元的特征，如圖30中所示。

圖13中示出了拱式單元16。拱式單元16包含拱架190，所述拱架190可沿連接于其每一端處的一對線性致動器192移動。每個線性致動器192包含超聲電機194、編碼器195、電機板196、軸環198和絲杠200。優選地，超聲電機194和編碼器195為組合式超聲旋轉電機和編碼器。一對滑動托架202可移動性地附接到絲杠200，且一體式地形成于拱架190中。在需要的情況下包含軸承。每個線性致動器192連接到底板204，所述底板204可連接到MRI臺206(已示出)。在本文所示的實施例中，底板204具有從其中心向下延伸的中脊208。所述脊適合于接合MRI臺中的槽。大頭螺釘(未示出)可用于將底板204鎖定在適當位置。拱190具備電纜連接器板209。(應注意，圖式中未示出電纜以便簡化圖式。)線性致動器192控制拱架190沿絲杠200或底板204的線性軸的位置。由于底板204附接到MRI臺且臺206 可插入MRI中，所以拱架190沿絲杠200的運動將是沿著MRI掃描儀的縱向軸。優選地，線性移動的行程是0-100mm，但是，這可以取決于MRI的長度而變化。拱式單元具有并行起作用的兩個線性致動器，且它們使拱式單元16沿掃描儀的縱向軸滑動。

在圖1到圖13中所示的實施例中，手術機器人12使用快速連接附接件和對準銷而被定位成沿著拱式單元16。快速連接附接件和對準銷46位于線性模塊22的快速連接部分44上，其為將手術機器人12連接到拱架190作準備。在拱架190上的定位以及手術機器人12的基于模塊的可重配置性提供為特定手術任務找到最佳位置和姿勢的手段。

優選地，致動器或電機是有保持力的超聲電機。優選地，齒輪是自鎖蝸桿機構或不可反向驅動的絲杠，以便在沒有制動的情況下將手術機器人組件10和手術工具的接頭鎖定到適當位置。

硬停件108接合滾動連接單元170上的硬停件173，且用來在旋轉接頭達到硬界限時通過吸收沖擊力使腕部傾斜模塊28的軸94停止旋轉。另外，在轉塔和肘部連接器單元150上提供了硬停件158和160。由于使用了所述硬停件，所以無需使用電子傳感器及其電纜來限定電機的硬界限。線性移動模塊22使用外殼蓋32和板支撐件36來形成下文所述的歸位過程。使用機械止件而非電子傳感器的優點是電子傳感器可使MR成像失真并受MR掃描的影響。在使用中，當電機移動時，控制器將編碼器讀數記錄為電機位置的反饋。如果在預定的一段時間期間編碼器讀數不改變，那么推斷電機已碰到硬停件。于是，控制器將向電機發送“停止”命令以停止運動。其后，將僅接受關于在相反方向上移動的運動命令。

歸位模式用來在每次啟動手術機器人組件10時重設編碼器計數器。更具體來說，歸位功能用于確定在通電之后每個接頭的位置。在不歸位的情況下，控制器將不知道在通電之后每個接頭的當前位置。歸位過程包含以下步驟：a)首先以已知速度在已知方向上移動每個接頭；以及b)一旦接頭達到歸位偏移量(已知位置)，控制器便將接著從傳感器接收信號。歸位偏移量是已知位置，且其為接頭的歸位(零點) 位置的參考。歸位偏移量和歸位速度是針對每個接頭來定義的。歸位偏移量允許將實際零點設定成在距硬停件一段給定的距離處。出于安全性，當接近硬停件時，強制執行更低的速度。

優選地，線性模塊22、轉塔模塊24、肘部滾動模塊26、腕部模塊28和穿透模塊將蝸輪用作它們的齒輪。蝸輪為高傳動比、不可反向驅動的蝸桿機構。通過舉例說明，用于轉塔模塊24的蝸輪是傳動比為20的齒輪；用于肘部滾動模塊26的蝸輪是傳動比為18的齒輪；用于腕部傾斜模塊28的蝸輪是傳動比為24的齒輪；且用于線性模塊22的蝸輪是傳動比為12.5的齒輪。所述蝸輪向相對較低功率的致動器提供優良的承載能力。通過舉例說明，轉塔模塊24、肘部滾動模塊26、腕部傾斜模塊和線性模塊22各自具有1.0W致動器。蝸輪提供實質上減小速度并增大扭矩的一種簡潔手段。替代地，如果使用正齒輪，那么手術機器人將更大。此外，蝸輪為自鎖型，且不可反向驅動。當蝸桿的導前角小于嚙合齒輪的摩擦角時，蝸桿機構產生反自鎖。因此，蝸桿可以驅動蝸輪，但蝸輪不能驅動蝸桿。蝸輪有助于提供更簡單且體積更小的模塊。

圖14中在210處示出了手術工具模塊的實施例。手術工具模塊210包含超聲電機212、編碼器213、電機板214、齒輪機構226、正時皮帶和一對滑輪216以及絲杠227。優選地，超聲電機是超聲旋轉電機，并且包含編碼器且更具體來說光學編碼器。手術工具模塊210供與鉆頭包220一起使用。優選地，鉆頭包220包含消過毒的鋸齒空心鉆。手術工具模塊210包含用于支撐鉆頭包220的可移除式鉆頭支撐件222?？梢瞥姐@頭支撐件222可釋放性地連接到槽板258。手術工具模塊210還包含支撐架224和導向支撐件228。導向支撐件228(最好在圖14B和圖14C中所見)包含具有螺母223的絲杠227。所述絲杠可以通過使用接合絲杠227上的槽的銷229而沿導向支撐件228上下線性移動。在需要的情況下包含軸承。超聲電機212可操作性地連接到正時皮帶和滑輪216，所述滑輪216轉而可操作性地連接到鉆頭包220以使鉆頭旋轉。超聲電機212還可操作性地連接到齒輪箱226中的齒輪，所述齒輪經由滑輪216可操作性地連接到絲杠227。 用于電機212和編碼器213的電纜位于模塊(未示出)外部。應注意，在這個實施例中，回撤機構和針頭旋轉是通過一個超聲電機來驅動。

圖15中示出手術工具模塊230的替代性實施例。這個實施例與圖14中所示的實施例類似，但代替正時皮帶和滑輪的做法是，其使用氣動致動器。手術工具模塊230包含超聲電機232、編碼器233、電機板234、正時皮帶和一對滑輪235、236以及氣動單元238。優選地，超聲電機包含編碼器且更具體來說光學編碼器。手術工具模塊230還供與鉆頭包220一起使用。手術工具模塊230包含用于支撐鉆頭包220的組合式鉆頭支撐件和板231。在需要的情況下包含軸承。超聲電機232可操作性地連接到正時皮帶和滑輪235、236，所述滑輪235、236轉而可操作性地連接到氣動單元238和鉆頭包220以使鉆頭旋轉。由此，超聲電機232還可操作性地連接到氣動單元238。氣動單元238用于驅動套管針鎖定和回撤機構。

氣動致動器238與MR相容。氣動致動器238具有可連接到鉆頭包220的活塞237?；?35具有槽，所述槽合并有鉆頭包220的鋸齒空心鉆252的端部以使鉆頭旋轉?？梢酝ㄟ^小型空氣致動器239來鎖定鉆頭包220的導針254。氣動致動器238可以鎖定活塞237的位置或移動位置，且因此鉆頭包的位置類似地是可鎖定的或可移動的。這是通過使用壓縮空氣和真空以氣動方式來致動。因此，通過使用氣動致動器238，可以達成鉆頭包220的移動(如下文參考圖20所描述)。如由本領域的技術人員很好地理解，為了提供此類控制，氣動單元238可包含單作用或雙作用氣缸?？梢允褂脡嚎s空氣和/或真空來致動氣動缸。所述氣動缸可通過簡單的接通-切斷型控制件來操作。由于操作流體為空氣，所以從氣動缸產生的泄漏將不污染周圍環境。

參考圖16和圖17，優選地，鉆頭包220包含套管針250、鋸齒空心鉆252和導針254。參考圖18和圖19，示出了具有穿透模塊30的手術工具210。穿透模塊被示于圖7中且其包含轉接器142以作為螺母126的一部分。轉接器142包含螺母部分262、可移除式前轉接器部分264和可移除式前閉合部分266?？梢瞥角稗D接器部分264可連接到螺母部分262且可移除式前閉合部分266可連接到螺母部分 262的端部。前轉接器部分264用于導引手術工具210的鉆頭包220，且前閉合部分266用于鎖定手術工具210。在圖18和圖19中所示的實施例中，還包含用于在取樣時導引鉆頭包220的前導引零件268。在使用中，鉆頭包220(套管針250、鋸齒空心鉆252和導針254)、可移除式前轉接器部分264、可移除式鉆頭支撐件222、可移除式前閉合部分和可移除式前導引零件268在使用之前已消過毒。接著，將每個物品安裝或重新安裝在其相應的模塊中。優選地，套管針回撤行程的運動范圍為0-25mm。

參考圖17，以下為用于將鉆頭包插入圖14的手術工具模塊中的過程：

1.將具有端絲的套管針250插入(P1)手術工具模塊210中并將其旋轉(R1)幾圈；

2.將鋸齒空心鉆252插入導針254中，并將它們推入(P2)手術工具模塊210中；以及

3.將鉆頭支撐件222推入(P3)槽板258中。

一旦在對某個元件進行消毒之后裝配或重新裝配手術工具210，便接著將其插入穿透模塊30中，如圖19中所示且如下文所描述：

1.將前轉接器部分264推入(P1)轉接器螺母部分262中；

2.將前導引零件268滑到鉆頭包220的導針254(P2和P3)；

3.將具有前導引零件268的手術工具210推入(P4)穿透模塊30(轉接器142和前支撐零件134)中；以及

4.將閉合件266推入(P5)轉接器142中。

上述手術工具210對自動取樣特別有用。用于自動取樣的醫療方案與當前手動過程類似。參考圖20，鉆頭包220可被稱作骨活檢工具歧管。如上所述，鉆頭包220包含套管針250、鋸齒空心鉆252和固定(外部)護套或導針254。固定(外部)護套或導針254將在使用中心針頭進行穿刺時允許鋸齒空心鉆持續自旋。醫療方案如下：

1.穿透(不旋轉)套管針250、鋸齒空心鉆252和導針254到皮質骨(線性運動)。將尖的套管針250插入鋸齒空心鉆252中，且將它們插入導針254中，且接著插入切口中直到套管針尖端接觸骨頭為止。 可左右移動套管針的尖端，以從骨表面釋放粘附結構。接著推動鉆頭包，直到導針254穩固地擱在骨表面上為止(圖20(a))。

2.將導針254固持在適當位置，接著將套管針250回撤約20mm或更多(線性運動)(圖20(b))。

3.將導針254固持在適當位置，使鋸齒空心鉆252前進(通過旋轉)到供取樣的目標(線性和旋轉運動)(圖20(c))。

4.一旦已感覺到鋸齒空心鉆完全穿過骨頭，便停止推動，且使鋸齒空心鉆旋轉兩個整轉。這個步驟將確保標本的內側面沒有其骨膜附著物。

5.接著，往外拉回鉆頭包(未示出)，使得鉆頭包被拉出骨頭和皮膚。

參考圖21和圖22，手術機器人組件10被示為在MRI 270中的原位置。手術機器人組件10被示為附接到MRI臺206。通過舉例說明，在圖22中示出了可如何將手術機器人組件定位在人272的腿部周圍。

圖24A和圖24B中示出了手術機器人組件300的替代性實施例。手術機器人組件300與手術機器人組件10類似，但其包含圖23中所示的替代性拱式裝置單元302。拱式裝置單元302包含拱架304，其中橫桿306固定地安裝在拱架304的內側上。拱式裝置單元302的剩余部分與上文關于拱式單元16所描述的部分類似。手術機器人308與上文所描述的手術機器人類似，除了其附接裝置310適合于接合橫桿306之外。手術機器人308可以經由安裝機構310可移動性地附接到拱式裝置單元302的橫桿306，所述安裝機構310是快速/簡單連接附接件的一部分。

一旦手術機器人308附接到橫桿306，其軌跡便受到橫桿的約束。機器人可以手動地或者通過拱式超聲電機單元312的驅動來沿橫桿移動到任何位置。優選地，超聲電機單元312包含具有編碼器的USR^TM超聲電機和齒輪機構。超聲電機單元312是附接裝置310的一部分，且可操作性地附接到手術機器人308。附接裝置310接合橫桿306且因此手術機器人308可以沿拱式裝置單元302移動。

當機器人到達橫桿上的限定位置時，所述機器人可以通過鎖定機 構被鎖定到其上?？梢酝ㄟ^傳感器來測量機器人在橫桿上的位置。所述測量被饋送給機器人系統以用于登記和運動學計算。

本領域的技術人員將了解，手術機器人12是模塊化可重配置機器人，且可以被重配置成適合不同類型的手術，如圖27和圖28中所示。在圖27A和圖27B中所示的實施例中，線性模塊22連接到轉塔模塊24，所述轉塔模塊24連接到肘部滾動模塊26、腕部傾斜模塊28、穿透模塊30和手術工具模塊14。轉塔模塊24和肘部滾動模塊26通過轉塔和肘部連接單元150而連接。肘部滾動模塊26和腕部傾斜模塊28通過滾動連接單元170而連接。轉塔模塊24和肘部滾動模塊26的定向不同于圖1到圖26中所示的定向，使得可以將手術機器人用于不同應用。

類似地，在圖28A和圖28B中所示的實施例中，轉塔模塊24連接到肘部滾動模塊26、腕部傾斜模塊28、穿透模塊30和手術工具模塊14。另外，可提供快速連接器180?？焖龠B接器模塊180附接到轉塔模塊24。轉塔模塊24和肘部滾動模塊26通過轉塔和肘部連接單元150而連接。肘部滾動模塊26和腕部傾斜模塊28通過滾動連接單元170而連接。腕部傾斜模塊28的定向不同于圖1到圖26和圖27中所示的定向，使得可以將手術機器人用于不同應用。另外，在這個配置中，手術工具模塊14的定向是不同的，且一般為水平。

本領域的技術人員將了解，可修改本文所描述的手術機器人的模塊。舉例來說，可修改主要模塊(例如，線性模塊、轉塔模塊、腕部傾斜模塊)以包含連接特征，使得可以接著將模塊直接連接到另一模塊。圖30中示出了此情況的示例，其中肘部滾動模塊500和腕部傾斜模塊400各自包含連接特征。

本領域的技術人員將了解，手術機器人可具有與其操作相關的多個坐標系。舉例來說，手術機器人組件10具有慣性參考系或固定參考系坐標系11，如圖1中所示。這個坐標系在拱式單元16的一對橫桿20的行進方向上具有z軸。另外，可存在手術機器人12坐標系13(如圖2中所示)，其中線性模塊限定z軸：轉塔模塊在與z軸平行的軸上具有旋轉移動；肘部滾動模塊圍繞z軸具有旋轉移動且x軸一般與z 軸正交；并且腕部傾斜模塊圍繞y軸具有旋轉移動且y軸一般與z軸正交且與x軸橫切。本領域的技術人員將了解，慣性參考系坐標系11是固定的，而手術機器人坐標系則隨著機器人行進而行進。

一般來說，本文所描述的系是針對供用于MRI中的醫療機器人。將關于下文所論述的細節來描述本公開的各種實施例和方面。以下描述和圖式說明了本公開且將不解釋為限制本公開。描述了眾多特定細節以提供對本公開的各種實施例的透徹理解。但是，在某些例子中，未描述眾所周知或慣常的細節以便提供對本公開的實施例的簡明論述。

如本文所使用，術語“包括(comprises/comprising)”將解釋為具包含性且為開放式而非排他式。具體來說，當用于說明書和權利要求書時，術語“包括(comprises/comprising)”及其變化意指包含指定的特征、步驟或部件。這些術語將不解釋為排除其它特征、步驟或部件的存在。

如本文所使用，術語“例示性”意指“充當示例、例子或說明”，且不應解釋為比本文所公開的其它配置受偏愛或有利。

如本文所使用，術語“約”和“近似”意指涵蓋可存在于所述值范圍的上限和下限中的變化，例如性質、參數和尺寸方面的變化。在一個非限制性示例中，術語“約”和“近似”意指±10％或更少。

如本文所使用，術語“實質上”是指動作、特性、性質、狀態、結構、物品或結果的完整或近乎完整范圍或程度。舉例來說，“實質上”被圍住的物體將意指所述物體被完全圍住或近乎完全圍住。與絕對完全性的確切可允許偏差程度在一些情況下可取決于特定的上下文。但是，一般來說，與完滿的接近度將為如此以至于具有與在獲得絕對和總完滿的情況下相同的總體結果。“實質上”的用途同樣適用于當以貶義來使用時，以指代完全或近乎完全缺乏動作、特性、性質、狀態、結構、物品或結果。