医疗用机械手、包括其的医疗系统、医疗穿刺系统和活检系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及医疗用机械手，其配备有能够在紧急情况下保护机械手的故障安全机构。医疗用机械手包括：支撑部；由支撑部支撑的驱动部，该驱动部包括振动体、可动体和加压单元，该振动体中通过施加交流电压激发振动波，该可动体通过接收振动波而相对于振动体移动，该加压单元配置成在振动体和可动体之间施加压力；由驱动部支撑的操控部；配置成检测紧急情况的紧急检测单元；以及配置成根据从紧急检测单元发送的紧急检测信号中断操控部和支撑部之间转矩传递的中断单元。
【专利说明】医疗用机械手、包括其的医疗系统、医疗穿刺系统和活检系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及医疗系统，其包括振动型致动器作为驱动源；特别地，本发明涉及故障安全机构，用于保护包括振动型致动器(作为驱动源)的医疗用机械手。
【背景技术】
[0002]近年来一直在积极地研究医疗机器人系统如机械手。使用磁共振成像(MRI)系统的活检系统是一个很好的例子，其中，使用者在观看MR图像的同时控制机械手的位置，以在高精度收集位置进行活检。MRI将静磁场和特定的高频磁场赋予给被检者的测量部位，由此通过施加在被检者身体中产生的核磁共振现象对其成像。
[0003]由于MRI使用了高磁场，因此不能使用一般的电磁马达作为机械手的动力源。因此，已经提出了使用以超声波马达为代表的振动型致动器作为动力源的多种系统。例如，专利文献1公开了一种通过使用被称为功能性MRI的方法在高磁场环境下可视地刺激被检者的方法。
[0004]此外，非专利文献1公开了使用MRI的穿刺术和穿刺装置系统。
[0005]引用列表
[0006]专利文献
[0007]专利文献1日本专利特开第2011-245202号公报
[0008]非专利文献
[0009]非专利文献1“用基于MR图像的实时导航引导针的小型机械手系统”，日本计算机辅助外科学会学报9 (2) =91-101,2007
【发明内容】
[0010]技术问题
[0011]对于使用洛伦兹力作为驱动力的电磁马达，由于其低速高转矩运行的特征，振动型致动器可以采用不需要减速齿轮的直接驱动。因此，振动型致动器具有的优点是高精度、高速响应的控制和减小的背隙，使得期望能够应用于医疗机械手。然而，在将振动型致动器作为动力源应用于医疗用机械手时存在下面的问题。
[0012]使用洛伦兹力作为驱动力的电磁马达具有这样一种结构，其中，转子和定子彼此不相接触。由于这种结构，除了因减速齿轮导致的齿槽转矩和摩擦转矩外，该电磁马达在未通电时不产生转矩。相反，由于原动力因振动体和可动体之间的摩擦力而从振动体传递给可动体的性质，振动型致动器具有的特性是即使未被通电时在用作振动体的定子和用作可动体的转子之间也具有转矩。因此，假定在紧急情况下，例如，在医疗用机械手运行中其外部电源被切断的情况下，包括作为动力源的振动型致动器(该致动器与被检者接触)的医疗用机械手仍保持在接触状态。这会导致因被检者的动作而损坏机械手的问题。
[0013]如专利文献1所公开地，医疗用机械手的一种应用是机械手与医疗成像装置相结合的医疗系统。在这种医疗系统的初始操作中，能在定量地确定被检者部位和机械手之间的位置关系的同时，控制机械手的操控量，这提供的优点在于能够实现高精度的远程操控。另一方面，也可以说这种医疗系统操作的前提是在操控系统、图像观察系统、监控系统等等的组合控制之下。因此，这表明，假定紧急情况下，如切断该医疗系统的电源，则在操控系统、图像观察系统、监控系统中同时出现医疗系统的控制性能降低。因此，可与医疗成像装置组合使用的医疗用机械手需要用于更可靠地保护机械手的故障安全机构。
[0014]解决问题的技术方案
[0015]本发明提供一种医疗用机械手，包括:支撑部；由支撑部支撑的驱动部，该驱动部包括振动体、可动体和加压单元，该振动体中通过施加交流电压激发振动波，该可动体通过接收振动波而相对于振动体移动，该加压单元配置成在振动体和可动体之间施加压力；由驱动部支撑的操控部；配置成检测紧急情况的紧急检测单元；以及配置成根据从紧急检测单元发送的紧急检测信号来中断操控部和支撑部之间转矩传递的中断单元。
[0016]发明的有益效果
[0017]如上所述，根据本申请的一些实施例，配备有振动型致动器的医疗用机械手可设置有故障安全机构，该故障安全机构防止医疗用机械手的支撑部和操控部在紧急情况如电源故障下被锁定。
[0018]此外，根据本申请的一些实施例，配备有振动型致动器的医疗用机械手可设置有故障安全机构，该故障安全机构防止在紧急情况下振动型致动器的振动体(定子侧)和可动体(转子侧)之间的静转矩的影响。
[0019]此外，根据本申请的一些实施例，能够提供应用于配备有故障安全机构的医疗系统的驱动源的振动型致动器，该故障安全机构可中断振动体(定子侧)和可动体(转子侧)的静转矩本身。
[0020]从下面参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1A是示出了根据本发明第一方面的医疗用机械手的连接结构的方框图。
[0022]图1B是示出了根据本发明第一方面的医疗用机械手的连接结构的方框图。
[0023]图1C是示出了根据本发明第一方面的医疗用机械手的连接结构的方框图。
[0024]图1D是示出了根据本发明第一方面的医疗用机械手的连接结构的方框图。
[0025]图1E是示出了根据本发明第一方面的医疗用机械手的连接结构的方框图。
[0026]图1F是示出了根据本发明第一方面的医疗用机械手中驱动部的连接结构的方框图。
[0027]图1G是示出了根据本发明第一方面的医疗用机械手中驱动部的连接结构的方框图。
[0028]图2A是示出了根据本发明第二方面的医疗用机械手的连接结构的方框图。
[0029]图2B是示出了根据本发明第二方面的医疗用机械手的连接结构的方框图。
[0030]图2C是示出了根据本发明第二方面的医疗用机械手的连接结构的方框图。
[0031]图2D是示出了根据本发明第二方面的医疗用机械手的连接结构的方框图。
[0032]图3A是示出了将根据本发明一个实施例的医疗用机械手应用于医疗穿刺系统的结构的视图。
[0033]图3B是示出了将根据本发明一个实施例的医疗用机械手应用于医疗活检系统的结构的视图。
[0034]图4是示出了根据本发明的一个实施例的医疗用机械手和驱动单元之间的连接关系的方框图。
[0035]图5是示出了根据本发明一个实施例的医疗用机械手和外部单元之间的连接关系的方框图。
[0036]图6A是根据本发明第二方面的一个实施例的示意性剖视图。
[0037]图6B是根据本发明第二方面的一个实施例的示意性剖视图。
[0038]图7A是示出了根据本发明一个实施例的医疗用机械手和被检者之间的位置关系的视图。
[0039]图7B是不出了医疗用机械手和被检者之间的位置关系的视图。
[0040]图7C是示出了根据本发明一个实施例的医疗用机械手和医疗成像装置的连接结构的视图。
[0041]图7D是示出了医疗用机械手和医疗成像装置的连接结构的视图。
[0042]图8A是示出了传统医疗用机械手的连接结构的方框图。
[0043]图8B是示出了传统医疗用机械手的驱动部的连接结构的方框图。
[0044]图8C是示出了传统医疗用机械手的驱动部的连接结构的方框图。
[0045]图9是示出了可应用于本发明的振动型致动器的结构示例的示意性剖视图。
[0046]图10A是可应用于本发明第一方面的机械离合器的不意图。
[0047]图10B是应用于活检系统的机械离合器的一个不例的不意图。
[0048]图10C是应用于活检系统的机械离合器的一个不例的不意图。
【具体实施方式】
[0049]首先参考图9，描述应用于根据本发明一个实施例的医疗用机械手的振动型致动器。图9是概括地示出了环形超声波马达10的结构的示意性剖视图。在图9中，为了简化省略了作为本发明第一方面和第二方面的特征之一的中断单元5以及作为本发明第二方面的特征之一的压力控制单元7。
[0050]压电器件31以环形形状粘接在环形振动子32上。压电器件31响应施加的电信号而激发振动。施加给压电器件31的电信号至少包括交流电压。振动子32把由压电器件31激发的振动放大成弯曲振动。由加压单元3施加的压力作用在可动体2和振动子32之间。振动子32的振动因摩擦力而传递给可动体2，使得可动体2旋转。可动体2和转矩传递部件35通过加压单元3连接，从而可动体2的旋转使输出轴36旋转。通过使用轴承37，输出轴36配置成相对于壳体38旋转。另一方面，振动子32通过使用联结单兀39而固定在壳体38上。在本发明中，由振动子32和压电器件31组成的结构被称为振动体1。
[0051]虽然作为可应用于根据本发明一个实施例的医疗用机械手的振动型致动器，图9示出了环形类型，其中，振动体1和可动体2布置成环形并以旋转轴36为中心，但是本发明并不限于环形类型。例如，本发明包括:直线型，其中，振动体1和可动体2布置在一条直线上；和管型，其中，振动体1和可动体2中的一个与另一个分别布置在构成双重管的内管和外管中。
[0052]加压单元3配置成在旋转轴36的轴向方向施加压力而不在旋转方向发生变形，可以是盘簧或类似物。由于加压单元3的轴向压力，振动型致动器具有静转矩，这是与使用洛伦兹力作为驱动力的电磁马达显著不同的特性。与电磁马达相比，振动型致动器具有能够低速、高转矩运行的优点，因而具有能够容易地采用不具有减速齿轮的直接驱动机构的特性。在本发明中，振动型致动器也可以采用直接驱动机构。
[0053]接着参考图8A到8C，描述传统机械手的结构的一个示例和其问题。图8A示出了图8B或8C所示的包括有驱动部4的机械手的连接关系。
[0054]图8A所示的传统机械手不包括作为本发明特征的中断单元5、紧急检测单元6和压力控制单元7。因此，振动体1和可动体2之间的间隔被加压单元3不断地加压，使得无论驱动部4即振动型致动器的驱动状态如何都产生摩擦力。此外，在从支撑部8经驱动部4到操控部9的路径上没有用来把支撑部8、驱动部4和操控部9之间的连接机械地分离的分离机构。因此，无论驱动部4的驱动状态任何，都在支撑部8和操控部9之间产生静转矩。这会在因停电等的紧急情况下使操控部9的端部固定在被检者上。
[0055]接着参考图1A至1G和图9，描述本发明的第一方面。图1A至1D示出了在虚线围成的区域中包括根据本发明第一方面的振动型致动器的医疗用机械手30的各构件之间的连接关系。图1F和1G示出了图1A至1D所示的驱动部4的各构件之间的连接关系。图9是概略地示出了包括压电器件的环形超声波马达的结构的示意性剖视图，该超声波马达可应用于本发明的第一方面。
[0056]如图1A至1D所示，根据本发明第一方面的医疗用机械手30包括支撑部8、驱动部4、操控部9、紧急检测单元6和中断单元5。如图1F和1G所示，驱动部4包括振动体1、可动体2和加压单元3。
[0057]如图1A至1D所示，支撑部8、驱动部4和操控部9按此顺序布置。
[0058]如图1F和1G所示，支撑部8包括固定在驱动部4的振动体1和可动体2中的一个上的部分，操控部9包括固定在驱动部4的振动体1和可动体2中的另一个上的部分。通过加压单元3使振动体1和可动体2彼此接触，以产生摩擦力。利用上述连接结构，随着驱动部4的动作，根据本发明一个实施例的医疗用机械手30将振动体1和可动体2的相对运动转换成支撑部8和操控部9的相对运动，以实现操纵动作。这种连接结构允许控制操控部9和被检者之间的相对距离。
[0059]接着，将使用图1A至1G描述根据本发明第一方面的医疗用机械手30的特征和优点。如图1A至1D所示，本发明的第一方面包括中断单元5，其处于从支撑部8经驱动部4到操控部9的路径的一部分处。中断单元5能够根据从紧急检测单元6发送的紧急检测信号20将连接从连接状态切换到分离状态。在第一方面中，设置紧急检测单元6和中断单元5可在紧急检测单元6和中断单元5之间导致摩擦力。换句话说，即使在振动体1和可动体2之间产生摩擦力时，即处于加压状态下时，根据从紧急检测单元6发送的紧急检测信号20，允许中断单元5瞬间解除支撑部8和操控部9之间的连接。
[0060]上述的“连接”包括各种机械连接，以及包括借助另一个结构部件的连接。另一个结构部件的示例包括中断单元5,它是本发明的第一方面的特征之一。中断单元5的示例包括各种器件，例如包括气动缸的气压缸、包括液压缸的液体压力缸、电磁离合器、机械离合器和空气离合器，只要可响应于来自紧急检测单元6的紧急检测信号20执行中断操作即可。
[0061]根据中断单元5的器件，紧急检测信号20可以适当地选自压缩空气、压缩氮气、不可压缩流体如油、水和乙二醇、电信号以及机械传动。如果中断单元5包括电磁离合器作为构件，则电信号或使用压缩空气流量或压力作为参数的气动信号可以用作紧急检测信号20。
[0062]如果中断单元5由机械式离合器构成，则可采用图10A所示的单向离合器56。单向离合器56包括外圈50、内圈51,内圈臂54、楔块55、凹口 52、平衡配重61、可动配重62、支点64和弹簧(未示出)。每个弹簧的一端在设置于平衡配重61中的容纳空间内靠近支点64连接到内壁，另一端连接到可动配重62。凹口 52的内部的长度、凹口 52的开口的长度以及楔块55的长度在转动方向依次减小。换句话说，在预定条件下每个凹口 52中都保持楔块55，以限定出将内圈51和外圈50连接在一起的凸轮面。
[0063]在这样连接的单向离合器56中，当内圈51在逆时针方向70的旋转加速度超过了预定加速度时，内圈51和外圈50之间的连接由以下机制来解除:
[0064]-内圈51在逆时针方向70的旋转增加。
[0065]-施加在可动配重62上的惯性力克服弹簧的弹性力，从而沿远离支点64的方向移动可动配重62。
[0066]-平衡配重61和可动配重62的总重量施加给支点64的旋转力矩Ml增大。
[0067]-平衡配重61和可动配重62的总重量施加给支点64的旋转力矩Ml变成比楔块55施加于支点64的旋转力矩M2大。
[0068]-平衡配重61由于离心力朝外圈50移动。
[0069]-楔块55从布置在外圈50的内周面上的凹口52向内圈51脱出。
[0070]-内圈51和外圈50之间的连接被解除。
[0071]上面用表示的说明仅仅是为了便于解释单向离合器56的动作机制，但不是必定显示时间轴上的过程；实际上，各个的动作基本上在同一时间发生。
[0072]根据弹簧的弹性常数和长度、平衡配重61、可动配重62和楔块55的质量、以及内圈臂54、楔块55、支点64、平衡配重61、容纳空间在旋转方向的长度比例，可以适当地改变解除内圈51和外圈50之间连接时的加速度条件ω2 (rad/S2)。换句话说，在中断单元5是图10A所不的单向离合器56的情况下，由〈内圈臂54、楔块55、凹口 52、平衡配重61、可动配重62、支点64、弹簧(未示出)以及容纳空间 > 构成的单元用作紧急检测单元6，并将紧急检测信号20视为旋转力矩之间的差ΛΜ( = Μ2-Μ1)。
[0073]因此，图10Α示出的单向离合器56可以被视为兼作图1Β的中断单元5以及将紧急检测信号20输出至中断单元5的紧急检测单元6。
[0074]当内圈51沿顺时针方向59旋转时，可动配重62停留在支点64侧，因而抑制了平衡配重61相对于支点64的旋转力矩的增加，使得旋转力矩不会超过楔块55相对于支点64的旋转力矩M2，因而楔块55被推靠在外圈50上，从而保留在凹口 52中。结果，内圈51和外圈50保持连接状态。
[0075]此外在振动型致动器的特征中，驱动部4的正常操纵加速度《Q(rad/s2)可以处于比在紧急情况下手动操作时操控部9的加速度cojrad/s2)足够低的加速度范围中。通过设定用于在紧急情况下以手动操作解除操控部9和驱动部4之间连接的加速度条件ω 2 (rad/S2)以满足ω0max? ω2 ^ ω i，其中，正常操纵加速度ω。的上限加速度是ωQniax(rad/s2)，这样就能够实现作为医疗用机械手在正反方向的操纵操作和用于在紧急情况下沿远离被检者的方向解除中断单元5的连接的操作。
[0076]因此，在使用图10A所示的单向离合器56的情况下，如图10B所示，通过把内圈51的内周固定到操控部9的外周以及把外圈50的外周固定到驱动部4的内周，能够实现图1B所示的第一方面。利用这种结构，如图1B所示，当具有在远离被检者的方向上的强度分量的预定外力71作用在操控部9上时，图10B中的操控部9在加速度大于用于解除连接的加速度条件《2(rad/s2)的条件下沿逆时针方向70旋转，使得内圈51和外圈50之间的连接被解除，因而操控部9和驱动部4之间的连接被解除。
[0077]图1A至1G所示的根据本发明第一方面的中断单元5还包括一种变例，其中，图10A所示的单向离合器56还包括构成电磁离合器机构的电磁铁(未示出)。
[0078]接着参考图3A和3B以及图7A和7B，描述支撑部8。图7A和7B示出了根据本发明一个实施例的医疗用机械手30和被检者40之间的位置关系以及医疗用机械手30和床41之间的连接关系。
[0079]相对于被检者40的表面、固定在被检者40上的用具、放置在衣物上的夹具、外部单元如床41等的一部分，限定支撑部8相对于被检者40的定位。在图7A和7B中，支撑部8固定在床41上。
[0080]支撑部8可以具有重量轻的刚性结构，以便能够稳定地支撑驱动部4和操控部9的质量和操作。此外，考虑到将驱动部4定位在支撑部8上的灵活性，支撑部8可以包括调节机构，该调节机构在调节旋转、直线、曲线等的位置以及方向方面具有灵活性。在图7A和7B中，支撑部8具有调节机构，其能够进行高度方向位置调节、水平位置调节、方位角调节和仰角调节。此外，上述调节机构可以是能够用预定驱动源进行远程定位的调节机构。
[0081]接着参考图4，描述驱动单元12 (用于控制根据本发明一个实施例的医疗用机械手30)和医疗用机械手30之间的连接的一个示例。图4示出了医疗用机械手控制系统，其中，驱动单元12连接到由图1A至1E和图2A至2D中虚线围成区域中所示医疗用机械手30的驱动部4。操控部9固定在驱动部4的一端，驱动部4的另一端固定在支撑部8上。这种连接关系允许控制操控部9相对于支撑部8的位置。此外，作为允许更精确的位置控制的结构，医疗用机械手30包括位置信息检测单元13和接收器23，使得能够将关于操控部9相对于驱动部4的位置信息信号14发送给驱动单元12。图4示出了一种结构，其中，用于接收从位置信息检测单元13发送的位置信息信号14的接收器23设置在驱动单元12处。此外，图4示出了驱动单元12根据接收器23接收的位置信息信号14将机械手单元驱动信号22发送给驱动部4。
[0082]接着参考图3A和3B，描述在医疗用机械手30上增加附加功能的示例。图3A和3B示出的结构中，将图4所示的医疗用机械手30分别应用到医疗穿刺系统A和医疗活检系统B。图3A示出了一种医疗系统，其中，用于穿刺被检者身体的穿刺装置15可相对移动地连接到操控部9。穿刺装置15的一端固定在穿刺装置驱动部16上，穿刺装置驱动部16固定在操控部9上。这种连接关系允许相对操控部9控制穿刺装置15的位置，以及相对支撑部8控制穿刺装置15的位置。图3B示出了一种活检系统，其中，代替图3A中的穿刺装置15和穿刺装置驱动部16，分别布置了能够收集被检者生物组织的收集装置17和收集装置驱动部18。如上所述地，可以将任何所需的装置例如治疗支撑夹具、检查夹具和传感器连接到医疗用机械手30的操控部9，以提供更高的性能和改进故障安全机构。
[0083]虽然在图3A和3B中未示出，但是穿刺装置驱动部16和收集装置驱动部18都连接到一驱动电路。用于附加功能的驱动电路可以与图4所示的驱动单元12集成。上述集成允许控制操控部9的位置，以及统一地执行附加功能的操作。图4示出了将收集装置驱动信号19从驱动单元12发送给收集装置驱动部18。
[0084]接着参考图5，描述根据本发明一个实施例的医疗用机械手30的紧急检测单元6和外部单元27之间连接的一个示例。图5示出了在用MRI装置作为外部单元27的情况下本发明的驱动单元12和外部单元27之间的连接关系。驱动单元12包括紧急检测单元6。紧急检测单元6连接到外部单元27的紧急信号发送部29。当外部单元27检测到如振动或漏电之类紧急情况或者操作员或被检者的手动指令时，紧急信号发送部29发送紧急信号28给紧急检测单元6，此外，外部单元27可以包括发射器24，以根据存储在外部单元27中的目标位置信息将目标位置信号26发送给目标位置接收器25。这种结构使得驱动单元12具有用于将关于操控部9的位置信息与操控部9的目标位置进行比较、发送正常机械手单元驱动信号22并在必要时发送紧急检测信号20的功能。在从外部单元27发送的上述紧急信号28中包含的紧急情况包括医疗用机械手30的各构件(驱动部4、支撑部8以及操控部9)、床41和床基础42的不正确位置以及诸如振动之类的紧急情况。
[0085]将分别用图7A和7B以及图7C和7D描述根据本发明一个实施例的医疗用机械手30和被检者40之间的连接以及医疗用机械手30和医疗成像装置之间的连接。图7A和7B是在水平面上从床41的横向方向和纵向方向来看的医疗系统的示意性布置图，其中，本发明的医疗用机械手30连接到由床基础42和床41组成的可动床。在图7A至7D中，能够用定位部件例如皮带和衬垫(未示出)把被检者40约束在床41上。因此，通过将支撑部8固定到床41上，能够相对于被检者40基本上定位支撑部8。图7C和7D是配备有图7A和7B所示可动床的医疗成像装置(MRI装置43)的示意性布置图，该医疗成像装置采用了医疗用机械手30。
[0086]根据本发明一个实施例的医疗用机械手30的工作距离、大小等设置成使得不会妨碍医疗成像装置采集图像。在图7C和7D中，医疗用机械手30连接到床41，从而容纳在MRI装置43的腔44中。
[0087]接着参考图1A至1G、图2A至2D以及图6A和6B描述本发明的第二方面。图2A至2D示出了对应于图1E的多种结构。这些结构被称为本发明的第二方面。如图1E、图2A至2C所示，在第二方面中，中断单元5布置成直接中断在振动体1和可动体2之间施加的压力。
[0088]图2A示出了一种结构，其中，加压单元3和中断单元5串联地布置。图2B和2C示出了加压单元3和中断单元5集成到具有两个独立功能的单个装置上的情况。图6B的示意性剖视图示出了其具体的示例。图2D示出了加压单元3和压力控制单元7串联布置的结构。图2D的结构允许串联连接到加压单元3的压力控制单元7控制加压力。图6A的示意性剖视图示出了图2D所示结构的具体示例。将用示例描述图6A和6B中的操作。
[0089]由于图2A至2D所示的配置，第二方面的一个特征是用于在紧急情况下中断振动型致动器的静转矩本身的结构。在第二方面中，中断单元5可被容纳在振动型致动器的装置结构内，这在减少零件数量、尺寸和重量方面是特别有利的。利用中断单元5设置在驱动部4外侧的配置，中断单元5的机械精度会影响医疗用机械手的位置控制精度。然而，在第二方面中，医疗用机械手30基本上不受背隙影响，从而在不减小正常操作时医疗用机械手30的位置控制精度的条件下提高了机械手保护性。
[0090]在本发明的第一和第二两个方面中，加压单元3和中断单元5中的至少一个被选择以预定时间执行加压操作或中断操作。在第一和第二方面，中断单元5总是操作，而加压单元3被选择操作预定的时间，以构成常断加压机构。
[0091]加压单元3的示例包括各种装置，例如可逆变形部件如弹性部件、具有气动缸的气压缸、具有液压缸的液体压力缸、电磁离合器和机械离合器。在构成上述的常断加压机构时，可以应用对气压缸、液压缸或电磁离合器的远程控制器具有亲和性的装置。
[0092]由于根据本发明一个实施例的医疗用机械手30包括振动型致动器，因此能够提供配备有故障安全机构的医疗系统，该故障安全机构可在紧急情况下保护医疗用机械手30，同时作为省去减速齿轮的优点保留了高精度直接驱动的特征。
[0093]此外，由于医疗用机械手30具有响应于从外部单元输出的紧急检测信号而动作的故障安全机构，因此能够实现使用外部单元的位置信息的锁定系统，从而进一步确保了医疗用机械手30的保护。
[0094]外部单元的示例包括医疗成像装置，例如MRI装置、放射线成像装置以及超声波成像装置。
[0095]根据本发明一个实施例的医疗用机械手30的应用包括活检、手术辅助、使用功能性MRI分析的高级脑功能测试以及康复。
[0096]第一实施例
[0097]在本实施例中，使用振动型致动器来配置图2D示出的根据本发明第二方面的医疗用机械手30，该振动型致动器包括图6A示出的作为中断单元的压力控制单元7 ;以及配置图4所示的活检系统。
[0098]首先，将描述第一实施例的活检系统。
[0099]图4是示意性地示出了将第一实施例的医疗用机械手应用到活检系统的结构的视图。驱动单元12包括用于控制驱动部4的控制电路(未示出)。第一实施例的活检系统进一步包括连接到操控部9的位置信息检测单元13。位置信息检测单元13电连接到驱动单元12，从而能够根据操控部9的位置信息对驱动部4进行反馈控制。操控部9经收集装置驱动部18连接到收集装置17，以构成活检系统。
[0100]图6A示意性地示出了应用到第一实施例的振动型致动器、压力控制单元7和紧急检测单元6之间的连接关系。将用图6A描述各构件之间的关系及其操作。第一实施例的振动型致动器配置成使得连接到旋转轴36的可动体2经轴承37可旋转地连接到壳体38。此外，振动体1经气动缸140连接到壳体38，并在旋转轴36的轴向可动。
[0101]气动缸140经塑料管连接到电磁阀141，使得根据来自电磁阀141的压缩空气的供给水平(下文中被称为“气动水平”)，可以远程地控制可动体2和振动体1之间的加压力。电磁阀141是用于气动控制的电磁阀141。将用图2D说明图6A中的连接关系；配备有电磁阀141的压力控制单元7连接到配备有气动缸140的加压单元3，从而能够使用气动水平作为参数根据压力控制信号21控制加压单元3。
[0102]由于在电磁阀141的控制螺线管为断开(不通电)时将压缩空气释放到大气中，因此气动缸140不会对振动型致动器施加加压力，因而压力被解除。在第一实施例中，这被定义为电磁阀141输出低电平的压力控制信号21。
[0103]接着，将使用图6A描述第一实施例的电磁阀141。电磁阀141从紧急检测单元6接收紧急检测信号20。
[0104]紧急检测单元6连接到可以从外部单元(未示出)、操作员或被检者40输入手动指令的单元。电磁阀141还连接到电源，并具有用于从压缩空气供给源供给压缩空气的输入设备，如医用空气供应系统。电磁阀141的工作状态也根据压缩空气的压力水平而变化。具体地，如果使用预定阈值确定不能获得足够气动缸140产生加压力所需的压缩空气，则电磁阀141进入与螺线管断开时相同的状态。
[0105]当紧急检测单元6检测到紧急情况时，紧急检测单元6将负逻辑紧急检测信号20输出给压力控制单元7。该负逻辑允许紧急检测信号20用作电磁阀141的螺线管的互锁信号，因而能构成在紧急情况下中断电磁阀141的电力的故障安全机构。
[0106]第一实施例的电磁阀141被认为接收三个不同信号的输入，即从紧急检测单元6输出的紧急检测信号20、从压缩空气供给源输出的气动信号以及从电源输出的供电电压信号。此外，设置有向缸的输出阀和上述向大气的释放阀。因而，在上述三个输入中的至少一个处于低电平时，就认为第一实施例的电磁阀141输出低电平的压力控制信号21。因而，第一实施例中由加压单元3和压力控制单元7构成的加压机构被认为是常断型(常减压型)。
[0107]如上所述地，当第一实施例的医疗用机械手30的电源和压缩空气源中的一个中断时以及当检测到紧急检测信号20时，用作压力控制单元7的电磁阀141输出低电平的压力控制信号21。
[0108]结果，振动体1和可动体2之间的间隔被减压，以使振动体1和可动体2进入可旋转状态。
[0109]在第一实施例中使用的电磁阀141和气动缸140可以用另一压力控制单元7和另一加压单元3替换。例如，气动缸140可以用使用干氮气或类似物作为媒介的另一气压控制型替换。第一实施例的配置使用“压缩空气的压力或流量”作为压力控制信号21的媒介。在本发明中，压力控制信号21可以是“电信号”或使用不可压缩液体时“液体的压力或流量”。然而，在布置于加压单元3附近的部件使用非磁性材料的容易性方面，与比使用液压缸的液压控制相比，使用压缩空气作为压力控制信号21的媒介具有与外部单元的兼容性更高的优点。此外，其具有的优点是能够在没有回流的情况下将控制后的媒介(空气)释放到大气中，使得系统能够小型化，且不需要担心媒介的劣化。
[0110]这里，将使用具体示例描述紧急检测信号20变成激活(低电平)的条件。第一个示例是从外部单元接收到紧急信号的情况。例如，在医疗用机械手30与MRI相配合的MR引导手术系统中，如果MRI确定已发生紧急情况，则提示紧急情况的消息通过彼此通信而被赋予给医疗用机械手30。然后，医疗用机械手30可将振动型致动器转换到减压状态。第二个示例是设置加速度传感器作为紧急检测单元6的情况，利用该加速度传感器可检测预定振幅以上的振动。如果使用合适的阈值确定已发生了地震，则将振动型致动器转换到减压状态，使得能够给予被检者40适当的处理，并能够保护医疗用机械手30。第三个示例是因电源故障或事故而中断了供应给系统的电力的情况。在这种情况下，兼作电磁阀141的控制信号的紧急检测信号20是负逻辑信号，使得医疗用机械手30自动转换到减压状态，因而能够保护医疗用机械手30。第四个示例是医生、操作员或被检者40给出手动指令的情况。设置用作紧急检测单元16的紧急开关允许在人检测到由于系统故障等引起的紧急情况时将医疗系统手动转换到减压状态。虽然上面已经描述了四种情况，但本发明不限于此。本发明也可具有以下配置:当通过压力传感器检测出由于例如淹水导致设置场所压力异常时解除压力的配置；能够合理地检测出紧急情况的配置；或者通过逻辑“或”能够处理多个紧急情况的配置。
[0111]虽然根据本发明一个实施例的电磁阀141是相对于输入的气动水平控制输出的气动水平的电磁阀，但是可应用于本发明的中断单元不限于此。例如，本发明也包括这样一种连接配置，其中，压力传感器(未示出)设置在电磁阀141的输入侧，并且上述压力传感器的输出被输入到紧急检测单元6。
[0112]第二实施例
[0113]在本实施例中，使用配备有图6B所示中断单元的振动型致动器来配置图2B所示的根据本发明第二方面的医疗用机械手30，以及配置图4所示的活检系统。
[0114]图6B是概略地示出了应用于第二实施例的振动型致动器和加压机构的配置的示意图。
[0115]在第二实施例中，改变了在第一实施例中描述的用于振动体1和可动体2的加压机构。
[0116]在第二实施例中，振动型致动器和紧急检测单元6的配置与第一实施例相同，并且与第一实施例一样它们是本发明第二方面的不例。
[0117]下面将示出应用于图6B所示第二实施例的振动型致动器的附图标记和图2B所示医疗用机械手3的附图标记之间的对应关系。
[0118]在第二实施例中，图2B所示的加压单元3包括压力板33、电磁铁142、可动体侧弹性体63、旋转轴36和固定轴承47。图2B所示的中断单元4包括开关143、壳体侧弹性体53、压力板33和旋转轴36。图2B所示的紧急检测单元6对应于开关143。图2B所示的减压信号34是开关143闭合时在电磁铁142中流动的直流电流(减压信号)34。
[0119]接着，将描述控制第二实施例的振动型致动器的加压机构的动作。
[0120]振动体1固定在壳体38的一端。可动体2经可动体侧弹性体63、旋转轴36、可动轴承46、固定轴承47、压力板33和壳体侧弹性体53固定在壳体38的另一端。壳体侧弹性体53的长度设定成使得:当电磁铁142为断开(不被通电)时，壳体侧弹性体53不发生弹性变形，金属压力板33与电磁铁142分离；以及当电磁铁142被接通(通电)时，金属压力板33与电磁铁142接触。可动体侧弹性体63的长度和弹性常数设定成使得:当电磁铁142为断开时，可动体侧弹性体63不发生弹性变形，可动体2与振动体1分离；以及当电磁铁142被接通时，可动体2和振动体1彼此接触并进入特定的加压状态。因此，具有可动轴承46的第二实施例配置成允许振动体1和可动体2彼此分离和彼此接触；然而，本发明不限于此，只要能够实现相同的功能就可以。
[0121]与第一实施例一样，设置满足这种连接关系的加压单元3和中断单元5允许第二实施例的振动型致动器实现常断型(常减压)加压机构。
[0122]第二实施例实现了作为本发明第二方面一个示例的医疗用机械手，其包括具有与第一实施例相同功能的故障安全机构。
[0123]虽然第二实施例配置成使得壳体侧弹性体53作为还原弹簧布置，但本发明不限于此。例如，从图6B所示的振动型致动器省略壳体侧弹性体53的配置也是本发明的第二方面。同样在这种情况下，当电磁铁142为断开时完全解除振动体1和可动体2之间的加压力，尽管不规定它们之间的距离，从而可动体2可相对于振动体1旋转。
[0124]第三实施例
[0125]本实施例是一个示例，其中，使用图10A所示的单向离合器56构成根据本发明第一方面的图1B所示的医疗用机械手30，以及构成图10B和10C所示的活检系统。
[0126]图10C所示的第三实施例的活检系统是图3B所示的活检系统的变例。图10C示出了在图3B所示活检系统的操控部9和驱动部4之间连接了图10A所示单向离合器56 (作为图1B所示的中断单元5)的配置。图10B是图10C所示活检系统的驱动部4-中断单元5-操控部9的连接部分沿线XB-XB截开的示意性剖视图。
[0127]在第三实施例中，当沿图10C中使操控部9远离被检者40的方向71将外力施加在操控部9上时，图10B所示的操控部9与收集装置17 —起沿逆时针方向70旋转。在沿逆时针方向70的旋转超过预定加速度时，通过凸轮机构解除图10A所示单向离合器56的内圈51和外圈50之间的连接，该凸轮机构由内圈臂54、楔块55、凹口 52、平衡配重61、可动配重62、支点64、容纳可动配重62的空间以及连接可动配重62和内圈臂54的弹簧(未示出)构成。结果，固定在内圈51上的操控部9和固定在外圈50上的驱动部4之间的连接被解除。
[0128]如上所述，在第一至第三实施例描述的任一医疗用机械手中，可在紧急情况下解除支撑部8和操控部9之间的连接，由此减小损坏医疗用机械手30的可能性。
[0129]尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。随附权利要求的范围应给予最宽泛的解释，以涵盖所有变型以及等同的结构和功能。
[0130]本申请要求2012年6月15日提交的2012-135452的日本专利申请的权益，在此通过引用将该申请全文并入。
【权利要求】
1.一种医疗用机械手，包括: 支撑部； 由支撑部支撑的驱动部，该驱动部包括:振动体，通过施加交流电压在该振动体中激发振动波；可动体，该可动体通过接收振动波而相对于振动体移动；和加压单元，该加压单元配置成在振动体和可动体之间施加压力； 由驱动部支撑的操控部； 配置成检测紧急情况的至少一个紧急检测单元；以及 中断单元，配置成根据从紧急检测单元发送的紧急检测信号来中断操控部和支撑部之间的转矩传递。
2.根据权利要求1所述的医疗用机械手，其中，中断单元是在支撑部、驱动部以及操控部之间的一定位置连接的电磁离合器和机械离合器中的一个。
3.根据权利要求2所述的医疗用机械手，其中，机械离合器是单向离合器，在具有远离被检者的方向上的强度分量的预定外力施加在操控部或驱动部上时该单向离合器进入中断状态。
4.根据权利要求2所述的医疗用机械手，其中，机械离合器是具有外部输入部并在对外部输入部的输入超过预定水平时进入中断状态的空气离合器、液压离合器以及制动系统中的一个。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的医疗用机械手，其中，中断单元连接到加压单J Li ο
6.根据权利要求5所述的医疗用机械手，其中，中断单元是配置成控制压力的压力控制单兀。
7.根据权利要求5所述的医疗用机械手，其中，加压单元包括气压缸和液压缸中的一个。
8.根据权利要求5所述的医疗用机械手，其中，加压单元是包括电磁铁和弹性体的电磁离合器。
9.根据权利要求6所述的医疗用机械手，其中，压力控制单元包括气压控制单元和液压控制单元中的一个。
10.根据权利要求7所述的医疗用机械手，其中，紧急检测单元在接收到从外部单元发送的紧急信号时使紧急检测信号激活。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的医疗用机械手，其中，中断单元连接到多个紧急检测单元，并响应于从所述多个紧急检测单元发送的多个紧急检测信号使用逻辑“或”操作。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的医疗用机械手，其中，紧急检测单元配置成向中断单元发送在紧急情况下变为低电平的紧急检测信号。
13.根据权利要求12所述的医疗用机械手，其中，在检测到预定幅度以上的振动时，紧急检测单元发送紧急检测信号。
14.根据权利要求12所述的医疗用机械手，其中，当手动指令由人给出时，紧急检测单元发送紧急检测信号。
15.根据权利要求6所述的医疗用机械手，其中，当压力控制单元接收到紧急检测信号时，压力控制单元输出的压力控制信号变为低电平。
16.根据权利要求15所述的医疗用机械手，其中， 压力控制单元连接到多个紧急检测单元；和 当压力控制单元从所述多个紧急检测单元中的至少一个接收到紧急检测信号时，压力控制单元向加压单元输出低电平的压力控制信号。
17.一种医疗穿刺系统，包括: 根据权利要求1至16中任一项所述的医疗用机械手；和 连接到操控部并配置成穿刺被检者身体的穿刺装置。
18.—种活检系统,包括: 根据权利要求1至16中任一项所述的医疗用机械手；和 连接到操控部并配置成收集被检者的生物组织的收集装置。
19.一种医疗系统,包括: 根据权利要求1至16中任一项所述的医疗用机械手； 驱动医疗用机械手的驱动单元；和 医疗成像装置，其包括发射器，该发射器发送预定目标部位的位置信息， 其中，驱动单元包括接收预定目标部位的位置信息的目标位置接收器。
20.根据权利要求19的医疗系统，其中，医疗成像装置是MRI装置、放射线成像装置以及超声波成像装置中的一个。
【文档编号】B25J19/06GK104363853SQ201380031335
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年6月4日 优先权日:2012年6月15日
【发明者】岩佐刚志 申请人:佳能株式会社