CN113194869B - 手术机器人装置和手术机器人装置的驱动方法 - Google Patents

手术机器人装置和手术机器人装置的驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种手术机器人装置及其驱动方法。本发明包括：从动臂，所述从动臂能够在执行手术之前设置位置；主动臂，所述主动臂连接于所述从动臂，在进行手术时为了操作手术器械而驱动；套管固定器，所述套管固定器安装于所述主动臂的端部，供把持所述手术器械的套管插入；传感器部，所述传感器部安装于所述套管固定器与所述主动臂的端部之间，感知施加于所述套管固定器的力和扭矩；及控制器，所述控制器与所述传感器部连接，接受传递力和扭矩相关数据。

Description

手术机器人装置和手术机器人装置的驱动方法
技术领域
本发明涉及装置及方法，更详细而言，涉及一种能够在进行手术之前轻松、安全地进行设置的手术机器人装置和手术机器人装置的驱动方法。
背景技术
手术机器人是指具有能够替代外科医生进行的手术行为的功能的机器人。这种手术机器人具有可以进行比人准确、精密的动作，可以远程手术的优点。现在全世界范围内正在开发的手术机器人有骨骼手术机器人、腹腔镜手术机器人、定位手术机器人等。
手术机器人装置一般由主控制台和从属机器人构成。如果操作员操作主控制台具备的操纵杆(例如手柄)，则结合于从属机器人的机械臂或机械臂握住的手术器械进行操作，执行手术。
为了将手术器械插入于患者身体而利用的套管，是与患者身体直接接触的部分，手术器械通过其进入患者身体内。大部分情况下，在准备机器人手术的过程中，在首先将套管的既定部分插入患者后，使从属机器人移动，将套管与从属机器人固定。
在结合从属机器人与套管的过程中，如果套管的位置与固定之前不同地活动，则插入套管的患者身体的切开部受到意外的力。另外，即使在手术过程中，随着机械臂的活动，RCM的位置会脱离最初设置的位置，此时也会在套管与患者身体之间发生意外的力。
在发生这种力的情况下，需要准确测量所发生的力并将相关信息传递给作为医生的操作员或护士等助手来采取措施，或手术机器人装置能够能动地解决问题的功能。
以往，曾尝试在这种套管中安装传感器进行测量，但在套管本身安装传感器存在结构性困难，作为消耗品的套管的费用增加，在这一点上存在局限。
前述的背景技术作为发明人为了导出本发明而已经保有或在本发明的导出过程中学到的技术信息，不能说必须是在本发明申请之前向普通公众公开的公知技术。
发明内容
技术课题
本发明的目的在于提供一种能够在进行手术之前轻松、安全地进行设置的手术机器人装置和手术机器人装置的驱动方法。
技术方案
本发明的一个方面提供一种手术机器人装置，包括：从动臂，所述从动臂能够在执行手术之前设置位置；主动臂，所述主动臂连接于所述从动臂，在进行手术时为了操作手术器械而驱动；套管固定器，所述套管固定器安装于所述主动臂的端部，供把持所述手术器械的套管插入；传感器部，所述传感器部安装于所述套管固定器与所述主动臂的端部之间，感知施加于所述套管固定器的力和扭矩；及控制器，所述控制器与所述传感器部连接，接受传递力和扭矩相关数据。
发明效果
这种本发明的手术机器人装置及其驱动方法可以在准备手术的过程中，由使用者轻松简单地设置手术机器人装置，可以测量并监控在套管与患者或手术器械与患者之间发生的力或扭矩，确保患者的安全。另外，手术机器人装置及其驱动方法由于传感器部加装于套管固定器，可以准确测量施加于套管固定器的外力或扭矩，可以轻松、简单地安装。
附图说明
图1是显示本发明一个实施例的手术机器人装置的整体系统的俯视图。
图2a是图示图1的从属机器人的图，图2b是图示从属机器人的变形例的图。
图3是图示本发明一个实施例的套管固定器的加装状态的立体图。
图4a是图示图3的传感器部的立体图，图4b是表现传感器部测量的力和扭矩的图。
图5a是图示本发明一个实施例的显示部的图，图5b是图示显示部的变形例的图。
图6是图示图1的手术机器人装置的一部分构成的构成图。
图7a至图7d是图示图1的手术机器人装置的使用方法的图。
图8是图示本发明一个实施例的手术机器人装置的驱动方法的顺序图。
图9是具体图示图8的手术机器人装置的驱动方法的顺序图。
最佳实施方式
本发明的一个方面提供一种手术机器人装置，包括：从动臂，所述从动臂能够在执行手术之前设置位置；主动臂，所述主动臂连接于所述从动臂，在进行手术时为了操作手术器械而驱动；套管固定器，所述套管固定器安装于所述主动臂的端部，供把持所述手术器械的套管插入；传感器部，所述传感器部安装于所述套管固定器与所述主动臂的端部之间，感知施加于所述套管固定器的力和扭矩；及控制器，所述控制器与所述传感器部连接，接受传递力和扭矩相关数据。
另外，如果所述套管未加装于所述套管固定器，则所述控制器可以激活根据从所述传感器部接受传递的数据来调节所述从动臂位置的第一模式，如果所述套管加装于所述套管固定器，则所述控制器可以激活根据从所述传感器部接受传递的数据算出施加于所述套管的力和扭矩的第二模式。
另外，在所述第二模式下，如果插入了所述手术器械的套管加装于所述套管固定器，则所述控制器可以根据从所述传感器部接受传递的数据，算出施加于所述手术器械的力和扭矩。
另外，可以还包括调节所述从动臂的位置的输入装置，如果所述控制器激活所述第一模式，则所述从动臂可以借助于所述套管固定器而调节位置，如果所述控制器激活所述第二模式，则所述从动臂可以借助于所述输入装置而调节位置。
另外，所述传感器部可以感知应用于所述套管固定器的至少3个方向的力及至少1个方向的扭矩。
另外，所述控制器可以以所述力相关数据为基础，移动所述从动臂的位置，以所述扭矩相关数据为基础，使所述主动臂相对于所述从动臂旋转。
另外，所述控制器可以以所述扭矩相关数据为基础，调节连接所述从动臂与所述主动臂的关节角度。
另外，所述传感器部可以具备：第一连接器，所述第一连接器与所述主动臂的端部连接；第二连接器，所述第二连接器与所述第一连接器隔开安装，与所述套管固定器连接；及多个桥，所述多个桥连接所述第一连接器与所述第二连接器，安装有应变仪。
另外，可以还包括显示部，所述显示部与所述控制器连接，显示所述传感器部测量的力的大小和方向。
本发明的另一方面提供一种手术机器人装置，包括：从动臂，所述从动臂能够在执行手术之前设置位置；主动臂，所述主动臂连接于所述从动臂，在进行手术时为了操作手术器械而驱动；传感器部，所述传感器部安装于所述主动臂之间的关节；套管固定器，所述套管固定器安装于所述主动臂的端部，供把持所述手术器械的套管插入；及控制器，所述控制器以所述传感器部测量的力和扭矩相关数据为基础，移动所述从动臂的位置，或以所述扭矩相关数据为基础，使所述主动臂相对于所述从动臂旋转。
另外，如果所述套管加装于所述套管固定器，则所述控制器可以使所述从动臂的位置固定，算出所述传感器部测量的力和扭矩。
本发明的又一方面提供一种手术机器人装置的驱动方法，包括：使用者操作未加装套管的套管固定器来设置从动臂的位置的步骤；将所述套管加装于所述套管固定器的步骤；安装于所述套管固定器和主动臂的端部的传感器部算出施加于所述套管力和扭矩的步骤；如果所述算出的力或扭矩超出预先设置的范围，则使用者操作输入装置来补正所述从动臂的位置的步骤；将手术器械加装于所述套管的步骤；及所述传感器部算出施加于所述手术器械的力和扭矩的步骤。
另外，就所述设置从动臂的位置的步骤而言，如果所述使用者对套管固定器加力，则所述传感器部可以感知应用于所述套管固定器的至少3个方向的力及至少1个方向的扭矩。
另外，就所述设置从动臂的位置的步骤而言，可以以所述力相关数据为基础，移动所述从动臂的位置，以所述扭矩相关数据为基础，使所述主动臂相对于所述从动臂旋转。
另外，如果所述套管加装于所述套管固定器，则使用者无法操作所述套管固定器而调节所述从动臂的位置。
另外，如果所述传感器部算出施加于所述套管或所述手术器械的力，则显示部可以显示所述算出的力的大小和方向。
具体实施方式
本发明可以施加多样的变换，可以拥有多个实施形态，在附图中示例性地图示特定实施例并在详细说明中进行详细说明。但是，这并非要针对特定实施形态而限定本发明，应理解为包括本发明的思想及技术范围内包含的所有变换、均等物以及替代物。在说明本发明方面，即使在不同实施例中图示，对于相同的构成要素，使用相同的附图标记。
第一、第二等术语可以用于说明多样的构成要素，但构成要素不得由术语所限定。术语只用于把一种构成要素区别于另一构成要素的目的。
本申请中使用的术语只是为了说明特定的实施例而使用的，并非要限定本发明之意。在本申请中，“包括”或“具有”等术语应理解为是要指定说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或它们的组合的存在，不预先排除一个或其以上的其它特征或数字、步骤、动作、构成要素、部件或它们的组合的存在或附加可能性。
下面参照附图中图示的本发明相关实施例，详细说明本发明。
图1是显示本发明一个实施例的手术机器人装置1的整体系统的俯视图。
如果参照图1，手术机器人装置1包括对躺在手术台2上的患者P进行手术的从属机器人10、使得操作员O远程操纵从属机器人10的主控制台20。另外，手术机器人装置1可以包括影像台车30。通过影像台车30的显示部35，助手A可以确认手术的进行情况。
从属机器人10可以包括一个以上的机械臂11。一般而言，机器人臂意味着具有与人类的手臂及/或手腕类似的功能，能够使既定工具附着于手腕部位的装置。在本说明书中，所谓机械臂11，可以定义为全部包括大臂、小臂、手腕、肘部等构成要素及结合于所述手腕部位的手术用器械等的概念。这种从属机器人10的机械臂11可以体现得具有多自由度进行驱动。机械臂11例如可以包括插入于患者P的手术部位的手术器械12、使手术器械12根据手术位置而向航向(yaw)方向旋转的摇动驱动部、使手术器械向与摇动驱动部的旋转驱动直交的仰俯(pitch)方向旋转的仰俯驱动部、使手术器械12沿长度方向移动的移送驱动部、使手术器械旋转的旋转驱动部、安装于手术器械12的末端并切开或截断手术病变的手术器械驱动部构成。不过，机械臂11的构成不限于此，这种示例应理解为不限制本发明的权利范围。其中，省略对机械臂11借助于操作员O操作操作杆而向相应方向旋转、移动等实际控制过程的具体说明。
从属机器人10为了对患者P进行手术而可以利用一个以上，用于使手术部位通过显示部35显示为图像的手术器械12也可以以独立的从属机器人10体现。另外，正如前面所作的说明，本发明的实施例可以通用于除利用腹腔镜之外的多样手术用内视镜(例如，胸腔镜、关节镜、鼻镜等)的手术。
并非主控制台20与从属机器人10必须分离为在物理上独立的另外的装置，也可以统合为一个而以一体型构成。不过，下面为了便于说明，以主控制台20与从属机器人10物理隔离的情形为中心进行说明。
主控制台20包括操作杆(图上未示出)及显示构件(图上未示出)。另外，主控制台20可以还追加在外侧具备能够显示操作员O的状态的外部显示装置25。
详细而言，主控制台20具备操作杆(图上未示出)，以便操作员O可以双手分别把持、操作。操作杆可以以两个或其以上数量的手柄体现，因操作员O操作手柄而产生的操作信号通过有线或无线通信网传输给从属机器人10，机械臂11被控制。即，可以借助于操作员O的手柄操作，执行机械臂11的位移、旋转、截断作业等手术动作。
例如，操作员O可以利用手柄形态的操作杆来操作从属机器人臂11或手术器械12等。这种操作杆根据其操作方式而可以具有多样机械性构成，如同操作从属机器人臂11或手术器械12等的动作的主手柄，及为了操作整体系统功能而附加于主控制台20的诸如操纵杆、键区、跟踪球、触摸屏的各种输入工具一样，可以以用于使从属机器人10的机器人臂11及/或其他手术装备运转的多样形态配备。其中，操作杆不限于手柄的形状，只要是能够通过诸如有线或无线通信网的网络而控制机械臂11的动作的形态，则可以无任何限制地应用。
在主控制台20的所述显示构件中，通过手术器械12拍摄的影像显示为图像。另外，在显示构件中，既定的虚拟操作板可以与通过所述手术器械12拍摄的影像一同显示或独立显示。
显示构件可以以操作员O能够确认影像的多样形态配备。例如，可以与操作员O的双眼对应地安装有显示装置。作为另一示例，可以以一个以上的显示器构成，可以使得在各显示器上个别地显示手术时需要的信息。显示构件的数量可以根据要显示的信息的类型或种类等而多样地决定。对主控制台20更详细的说明将在下面说明。
影像台车30隔开安装于从属机器人10或主控制台20，可以在外部通过显示部35确认手术的进行状况。显示部35显示的影像可以与操作员O的主控制台20中显示的影像相同。助手A可以一面确认显示部35的影像，一面辅助操作员O的手术作业。例如，助手A可以根据手术的进行状态，在器械台车3中更换手术器械12。
中央控制部40与从属机器人10、主控制台20及影像台车30连接，可以接收发送各个的信号。中央控制部40可以安装于从属机器人10、主控制台20及影像台车30中某一者或独立安装。
图2a是图示图1的从属机器人10的图，图2b是图示从属机器人的变形例的图。
如果参照图2a，从属机器人10可以具备从动臂110和主动臂120。
从动臂110可以在手术准备过程中，使主动臂120的位置移动到需要的位置，但在手术中不运转，位置被固定。从动臂110包括多个关节和连接这些关节的连杆(link)。各关节进行旋转(rotation)运动或直线(prismatic)运动，通过这种运动，生成从动臂110的全部活动。关节可以具备驱动器(actuator)、减速器、传感器、制动器(brake)、平衡块(counterbalance)等。
驱动器主要利用电动马达，可以包括BDC(brushed DC：有刷直流)马达、BLDC(brushless DC：无刷直流)马达、AC(交流)马达等。减速器可以象谐波驱动(harmonicdrive)、行星齿轮等一样以齿轮(gear)体现。传感器可以利用测量关节活动的编码器(encoder)、解析器(resolver)等，可以包括测量作用于与各关节连接的连杆的力或扭矩的力/扭矩(force/torque)传感器。制动器作为限制关节活动的装置，螺线管(solenoid)和弹簧等为主要构成要素，可以全部包括连接于驱动器而限制驱动器活动的形态、连接于连杆而限制连杆活动的形态或上述两种形态。平衡块作为补偿机械臂重量的装置，提供能够在静态(static)状态下抵消机械臂重量的力。
从动臂110配置得使第一连杆111、第二连杆112、第三连杆113相互连接，可以具备3个关节。从动臂110利用3个关节调节3个连杆，可以使从动臂110在三维空间中移动到希望的位置。
第一连杆111沿着相对于地面垂直方向安装，在内部配置有第一关节J1，可以沿着相对于地面垂直的方向进行直线运动。由此，从动臂110可以调节主动臂120的高度。
第二连杆112相对于第一连杆111能旋转地连接，与第一连杆111垂直。第二连杆112通过第二关节J2而与第一连杆111连接，因而以垂直于地面的轴为基准，可以相对于第一连杆111旋转。另外，第二连杆112沿着与地面平行方向延长，因而与第一连杆111实质上垂直地配置。
第三连杆113相对于第二连杆112能旋转地连接，与第二连杆112平行地配置。第三连杆113通过第三关节J3而与第二连杆112连接，因而以垂直于地面的轴为基准，可以相对于第二连杆112旋转。另外，第三连杆113象第二连杆112一样，相对于地面平行地配置。
主动臂120在末端部加装有手术器械12或内视镜(图上未示出)，在手术中驱动主动臂120的各关节，手术器械12或内视镜可以在患者身体中活动。主动臂120包括多个关节和连接这些关节的连杆(link)。各关节进行旋转(rotation)运动或直线(prismatic)运动，通过这种运动生成主动臂120的全部活动。关节可以具备驱动器(actuator)、减速器、传感器、制动器(brake)、平衡块(counterbalance)等。各关节的构成与前述从动臂110的关节实质上相同，因配置而运转不同，下面对此进行详细说明。
主动臂120配置得使第四连杆121、第五连杆122、第六连杆123相互连接，可以具备6个关节。主动臂120通过6个关节调节3个连杆，可以调节手术器械12的航向(yaw)、仰俯(pitch)、翻滚(roll)的角度，执行手术动作。
第四连杆121与从动臂110的第三连杆113连接。第四连杆121与第四关节J4连接，因而以垂直于地面的轴为基准，可以相对于第三连杆113旋转。另外，在第四连杆121的后端配置有平衡块，可以补偿主动臂120的重量。
在第四连杆121的内部配置有第五关节J5，可以沿第四连杆121的长度方向进行直线运动。第五关节J5可以调节第四连杆121的长度。
第五连杆122相对于第四连杆121能旋转地连接。第五连杆折弯地形成。第五连杆122与第四连杆121连接的部分平行于地面地形成，但与第六连杆123连接的部分垂直于地面地形成。
第五连杆122与第六关节J6连接，因而以相对于地面垂直的轴为基准，可以相对于第四连杆121旋转。另外，在第五连杆122的竖直部分，安装有能够沿相对于地面垂直的方向进行直线运动的第七关节J7，可以沿竖直方向调节高度。
第六连杆123可以相对于第五连杆122具有既定倾斜。作为一个示例，第六连杆123可以相对于第五连杆122的长度方向具有45度的倾斜。第六连杆123在内部配置有第八关节J8，可以相对于第六连杆123的长度方向的轴进行旋转。即，通过第八关节J8，第六连杆123可以进行翻滚运动。
在第六连杆123的端部安装有滑动引导件150，第九关节J9可以调节滑动引导件150的仰俯角(pitch angle)。滑动引导件150可以引导手术器械12的直线运动。
套管固定器130加装于第六连杆123的端部，可以具备套管140，套管140可以加装手术器械12，在外侧可以显示能够确认RCM(remote center of motion：远心点约束)位置的标记M。
如果参照图2b，从属机器人10’具备从动臂110’和主动臂120，可以在端部加装套管固定器130、套管140、滑动引导件150。如果与前述一个实施例的从属机器人10比较，差异在于从动臂110还具备第二a关节J2a，下面对所述差异进行详细说明。
从动臂110具备第一连杆111、第二连杆112’、第三连杆113，可以具有4个关节。
第一关节J1配置于第一连杆111的内部，进行直线运动，可以调节第一连杆111的长度。第二关节J2配置于第一连杆111与第二连杆112’之间，第二连杆112可以以垂直于地面的轴为中心旋转。第二a关节J2a配置于第二连杆112’的内部，可以调节第二连杆112’的长度。即，如果第二a关节J2a被驱动，则第二连杆112’的长度发生变化，因而可以向相对于地面的水平方向移动位置。第三关节J3配置于第二连杆112’与第三连杆113之间，第三连杆113可以以垂直于地面的轴为中心旋转。
如果与一个实施例比较，从动臂110’还具备第二a关节J2a，因而可以具有冗余自由度(redundant DOF)。由此，将主动臂120设置为既定的一个位置时，具有与之相应的冗余自由度的从动臂110’的配置可以生成多样的情形数。另外，具备冗余自由度的从动臂110’在多个从属机器人配置于一个结构物时，可以使各个从属机器人互不干涉地移动。
图3是图示本发明一个实施例的套管固定器130的加装状态的立体图，图4a是图示图3的传感器部160的立体图，图4b是表现传感器部160测量的力和扭矩的图。
如果参照图3至图4b，在主动臂120的端部可以加装有套管固定器130及传感器部160。
套管固定器130可以安装于主动臂120的端部，把持手术器械12。套管固定器130可以具有与插入套管的主动臂120及传感器部160连接的第一主体131、能够相对于第一主体131转动的第二主体132。如果转动第二主体132，则套管固定器130开放，可以加装套管140。
传感器部160可以安装于套管固定器130与主动臂120的端部之间，感知施加于套管固定器130的力和扭矩。可以具备第一连接器161、第二连接器162及桥163。
第一连接器161连接于主动臂120的端部。第一连接器161可以与滑动引导件150连接。此时，滑动引导件150安装得不与桥163接触。
第二连接器162与第一连接器161隔开地安装，与套管固定器130连接。套管固定器130只连接于第二连接器162，除了超过测量范围施加力或扭矩而导致传感器部160变形的情形之外，不与其他部分接触。
桥163配备多个，连接第一连接器161与第二连接器162。可以在桥163上安装应变仪，测量力及/或扭矩。桥163以弹性体(elastic body)形成，因而如果在外部施加力或扭矩，则桥163变形，可以测量施加的力或扭矩。
弹性体的变形例如可以以利用应变仪的方法、利用电容式(capacitive type)传感器的方法、利用感应式(inductive type)的方法等进行测量。可以测量因弹性体变形引起的电信号变化，如果使如此发生的电信号通过放大及滤波以及校准(calibration)过程，则可以测量施加于传感器的力/扭矩。
传感器部160可以感知应用于套管固定器130的至少3个方向的力、至少1个方向的扭矩。如果参照图4b，传感器部160可以测量3个方向的力(fx、fy、fz)和沿z轴方向的扭矩(τz)。
传感器部160可以测量作用于套管固定器130的力/扭矩。另外，套管140如果加装于套管固定器130，则传感器部160可以测量施加于套管140的力/扭矩。另外，如果手术器械12加装于套管140，则可以测量施加于手术器械12的力/扭矩。
另外，传感器部160可以感知套管140是否加装于套管固定器130。如果加装了套管140，则从动臂110的位置固定，但如果未加装套管140，则传感器部160可以利用施加于套管固定器130的力/扭矩，设置从动臂110的位置。下面将对此详细说明。
图5a是图示本发明一个实施例的显示部180的图，图5b是图示显示部的变形例的图。
如果参照图5a，显示部180可以显示传感器部160测量的力的大小和方向。显示部180具有辐射状的指示符181，可以通过指示符181的位置和颜色，显示力/扭矩的大小和方向。
在显示部180，作用于传感器部160的力/扭矩的大小和方向以图形方式表现，因而操作员O或助手A可以直观地识别作用于传感器部160的力/扭矩的大小及方向。
显示部180可以与控制器170连接，显示作用于套管固定器130的力/扭矩的大小和方向。另外，如果套管140加装于套管固定器130，则显示部180可以显示施加于套管140的力/扭矩的大小和方向。另外，如果手术器械12加装于套管140，则显示部180可以显示施加于手术器械12的力/扭矩的大小和方向。
如果参照图5b，显示部180a具有箭头的指示符181a，因而可以通过指示符181a的方向和颜色变化来显示力/扭矩的大小和方向。
使用者查看显示部180、180a的图形式的指示符181、181a，轻松识别传感器部160测量的力/扭矩的大小和方向，因而可以在手术准备过程或手术期间，调整从属机器人10或手术器械12的位置。下面将对此详细说明。
图6是图示图1的手术机器人装置1的一部分构成的构成图。
如果参照图6，控制器170可以与从属机器人10、传感器部160、显示部180及输入装置190连接。
下面，控制器170的第一模式定义为在套管140未加装于套管固定器130的状态下激活的模式，在第一模式下，可以以操作套管固定器130时进行作用的力/扭矩相关数据为基础，调节从属机器人10，特别是从动臂110的位置和从动臂110与主动臂120的旋转角。另外，可以同时在显示部180显示在第一模式下作用于套管固定器130的力/扭矩的大小和方向。
下面，控制器170的第二模式定义为在套管140加装于套管固定器130的状态下激活的模式，包括手术器械12加装于套管140的状态和手术器械12未加装的状态。在第二模式下，可以测量作用于套管140的力/扭矩，或测量作用于手术器械12的力/扭矩，将测量的力/扭矩显示于显示部180。
控制器170可以与传感器部160连接，接受传递力和扭矩相关数据。传感器部160的加装传感器165可以感知套管140是否加装于套管固定器130，或感知手术器械12是否加装于套管140。如果套管140未加装于套管固定器130，则控制器170激活第一模式，如果从加装传感器165接受传递代表套管140已加装于套管固定器130的信号，则激活第二模式。
传感器部160的力/扭矩传感器166可以测量施加于套管固定器130的力或扭矩。力/扭矩传感器166可以是包括前述第一连接器161、第二连接器162及桥163的装置。
控制器170与从属机器人10连接，在第一模式下，可以以施加于套管固定器130的力/扭矩为基础，调节从动臂110的位置，驱动第四关节J4，调节从动臂110与主动臂120之间的旋转角度。
控制器170与显示部180连接，可以显示传感器部160的力/扭矩传感器166测量的力或扭矩的大小及方向。
控制器170可以与输入装置190连接。输入装置190可以在控制器170为第二模式下补正从动臂110的位置。如果套管140插入于套管固定器130，则可以利用套管固定器130补正从动臂110的位置。但是，即使将套管140加装于套管固定器130，施加于套管140的力/扭矩形成预先设置的范围以上，会对患者的切开部造成损伤。因此，即使在套管140加装于套管固定器130的状态下，也需补正从动臂110的位置，去除施加于套管140的外力，此时，操作员O或助手A可以操作输入装置190，补正从动臂110的位置。
输入装置190作为有别于主控制台20区别的另外的装置配备，或者主控制台20本身可以作为输入装置190而运转。
图7a至图7d是图示图1的手术机器人装置1的使用方法的图。
如果查看图7a，套管140插入于患者P的切开部。在套管140外侧标识有能够确认RCM(远心点约束)位置的标记M，因而标记M配置得位于切开部。
如果查看图7b，从属机器人10可以向套管140侧移动。为了将套管140加装于套管固定器130，操作员O或助手A可以在抓住套管固定器130的状态下施加力或扭矩，设置从属机器人10的位置。即，控制器170激活为第一模式，因而如果使套管固定器130转向，则传感器部160可以测量力，控制器170可以与此对应地调节从动臂110的第一至第三关节J3，设置主动臂120在三维空间中的位置。另外，传感器部160测量扭矩，控制器170可以与此对应地调节第四关节J4，设置从动臂110与主动臂120之间的旋转角度。此时，显示部180中可以显示施加于套管固定器130的力/扭矩的大小或方向。由此，套管固定器130位于用于加装套管140所需的设置位置。
如果查看图7c，可以将套管140加装于套管固定器130。如果套管140加装于套管140，则加装传感器165感知这种情况，控制器170激活为第二模式。传感器部160可以测量作用于套管140与患者P之间的力/扭矩。如果套管140未在设置位置加装于套管固定器130，则在患者P的切开部与套管140之间产生外力。传感器部160可以测量从套管140传递的外力，控制器170可以将其算出为力/扭矩。另外，控制器170可以将算出的力/扭矩显示于显示部180。
如果算出的力/扭矩超出作为可接受范围的第一设置范围，则操作员O或助手A可以驱动输入装置190，补正从动臂110的位置。
如果查看图7d，如果作用于套管140与患者的切开部分之间的外力与可接受范围相应，则可以将手术器械12加装于套管140。传感器部160可以测量作用于手术器械12与患者之间的力/扭矩。如果手术器械12与患者之间算出的力/扭矩与作为可接受范围的第二设置范围相应，则操作员O操作主控制台20进行手术。但是，如果手术器械12与患者之间算出的力/扭矩超出作为可接受范围的第二设置范围，则可以分离手术器械12，再次补正从动臂110的位置。
图8是图示本发明一个实施例的手术机器人装置1的驱动方法的顺序图，图9是具体图示图8的手术机器人装置1的驱动方法的顺序图。
参照图8及图9，本发明一个实施例的手术机器人装置的驱动方法可以按如下顺序实施。下述驱动方法在利用手术机器人装置1进行手术之前设置手术机器人装置1的位置。
手术机器人装置1的驱动方法包括：使用者操作未加装套管的套管固定器来设置从动臂的位置的步骤S10；将所述套管加装于所述套管固定器的步骤S20；安装于所述套管固定器与主动臂的端部的传感器部算出施加于所述套管的力和扭矩的步骤S30；如果所述算出的力或扭矩超出预先设置的范围，则使用者操作输入装置，补正所述从动臂的位置的步骤S40；将手术器械加装于所述套管的步骤S50；及所述传感器部算出施加于所述手术器械的力和扭矩的步骤S60。
首先，在判断套管是否加装于套管固定器的步骤S5中，加装传感器165可以感知套管140是否已插入于套管固定器130。另外，作为另一实施例，使用者可以目视确认套管140是否加装，手动变更控制器的模式。
如果套管140未加装于套管固定器130，则控制器170激活为根据从传感器部接受传递的数据来调节从动臂110的位置的第一模式。如果套管140加装于套管固定器130，则控制器170激活为根据从传感器部160接受传递的数据来算出施加于套管140的力和扭矩的第二模式。
在第一模式状态下，使用者操作未加装套管的套管固定器来设置从动臂的位置的步骤S10，可以如下按详细步骤执行。
在使用者操作套管固定器的步骤S110中，作为使用者的操作员O或助手A可以操作套管固定器130。
于是，在传感器部算出作用于套管固定器的力/扭矩的步骤S120中，可以算出作用于套管固定器130的力或扭矩的大小及方向。如果使用者对套管固定器130加力，则传感器部160可以感知应用于套管固定器130的至少3个方向的力及至少1个方向的扭矩。
使用者对套管固定器130施加力或扭矩而作为用于移动从动臂110的输入信号。传感器部160的力/扭矩传感器166感知输入的力或扭矩，将包括大小和方向的信息传递给控制器170。此时，控制器170可以将力和扭矩相关信息显示于显示部180，以便使用者可以轻松确认。
在比较算出的值与预先设置的值的步骤S130中，如果算出的力/扭矩值为预先设置的值以下，则作用于套管固定器130的力或扭矩无法超过阀值，因而无法操作从属机器人10。
但是，如果算出的力/扭矩值超过预先设置的值，则在计算从动臂的关节路径的步骤S140中，为了设置从动臂110的位置而计算路径。
详细而言，控制器170为了根据从传感器部160接受传递的信息操作从动臂110而计算关节路径。即，控制器170为了根据使用者的操作意图控制各关节，算出关节的路径。例如，控制器170从传感器部160接受传递3个方向的力的信息(位置的方向及速度)，以此为基础，为了映射到要使从动臂110位于三维空间中的地点，算出第一至第三关节J3的路径。另外，控制器170从传感器部160接受传递至少1个方向的扭矩相关信息(旋转的方向和速度)，以此为基础，为了映射到从动臂110与主动臂120之间的旋转角度而算出第四关节J4的路径。
驱动从动臂的关节而设置从动臂的位置的步骤S150，由控制器170按所述算出的路径驱动各关节。即，控制器170可以以施加于套管固定器130的力的相关数据为基础，移动从动臂的位置，以扭矩相关数据为基础，使主动臂相对于从动臂旋转。控制器170可以以扭矩相关数据为基础，调节连接从动臂110与主动臂120的第四关节J4的角度。
要在笛卡尔(Cartesian)空间移动的方向和速度确定后，可以利用逆向运动学(inverse kinematics)，变换成关节空间(joint space)的活动。由此，可以控制第一至第三关节J3的位置或速度等，使从动臂110移动到使用者希望的位置，或旋转主动臂120的第四关节J4。
因此，如果控制器170激活为第一模式，则从动臂110可以借助于套管固定器130而调节位置。
将套管加装于套管固定器的步骤S20如图7c所示，套管140加装于套管固定器130，控制器170激活为第二模式。在第二模式下，无法进一步操作套管固定器130而调整从动臂110的位置。
在判断手术器械是否加装于套管的步骤S210中，如果未加装手术器械12，则如下判断套管固定器130和套管140是否在既定位置结合。
安装于套管固定器与主动臂的端部的传感器部算出施加于所述套管的力和扭矩的步骤S30，包括传感器部算出作用于套管的力/扭矩的步骤S310、将所算出的力/扭矩显示于显示部的步骤S320。
在传感器部算出作用于套管的力/扭矩的步骤S310中，传感器部160可以测量作用于套管140与患者的切开部之间的力/扭矩。控制器170可以根据从传感器部160接受传递的数据，算出作用于套管140的力/扭矩。
在将算出的力/扭矩显示于显示部的步骤S320中，显示部180显示所算出的力/扭矩的大小和方向。由此，使用者可以确认套管140在患者的切开部施加的力/扭矩的大小和方向。
如果所述算出的力或扭矩超出预先设置的范围，则使用者操作输入装置来补正所述从动臂的位置的步骤S40，可以包括判断所算出的力/扭矩是否包含于第一设置范围的步骤S410、操作输入装置来补正从动臂的位置的步骤S420。
在判断算出的力/扭矩是否包含于第一设置范围的步骤S410中，判断套管140对患者的切开部施加的力/扭矩是否为可接受的程度。第一设置范围定义为切开部可接受程度的、套管140施加的力/扭矩的范围。如果与第一设置范围相应，则代表套管140在使用者希望的位置与从属机器人10结合，因而进行用于将手术器械12加装于套管140的步骤。
但是，如果所算出的力/扭矩超出第一设置范围，则操作输入装置来补正从动臂的位置的步骤S420，由此可以修订从动臂110的位置。如果超出第一设置范围，则为了消除患者的危险，使用者可以通过输入装置，调节从动臂110的位置或从动臂110与主动臂120之间的旋转角。此时，控制器170为加装了套管140的第二模式，因而利用作用于套管固定器130的力，无法调整从动臂110的位置，可以只通过输入装置190来补正位置。
在套管140插入于患者的切开部的状态下，限定为只借助于输入装置190来调整从动臂110的位置，从而可以在手术准备过程中确保患者的安全。
将手术器械加装于所述套管的步骤S50如图7d所示，套管140在设置的位置结合于套管固定器130之后，可以将套管140加装于套管固定器130。
所述传感器部算出施加于所述手术器械的力和扭矩的步骤S60，包括传感器部算出作用于手术器械的力/扭矩的步骤S610、将所算出的力/扭矩显示于显示部的步骤S620，可以确认手术器械12是否准确加装于套管140。
在传感器部算出作用于手术器械的力/扭矩的步骤S610中，传感器部160可以测量作用于手术器械12与患者的切开部之间的力/扭矩。控制器170可以根据从传感器部160接受传递的数据，算出施加于手术器械12的力/扭矩。
在将算出的力/扭矩显示于显示部的步骤S620中，显示部180显示所算出的力/扭矩的大小和方向。由此，使用者可以确认手术器械12在患者的切开部施加的力/扭矩的大小和方向。
可以还具备：如果所述算出的力或扭矩超出预先设置的范围，则使用者再次补正所述从动臂的位置的步骤S70。这可以包括判断所算出的力/扭矩是否包含于第二设置范围的步骤S710、将手术器械从套管分离的步骤S720。
在判断算出的力/扭矩是否包含于第二设置范围的步骤S710中，判断手术器械12对患者切开部施加的力/扭矩是否为可接受的程度。第二设置范围定义为切开部可接受程度的、手术器械12施加的力/扭矩的范围，如果与第二设置范围相应，则代表手术器械12配置于使用者希望的位置，进行手术。
但是，如果算出的力/扭矩超出第二设置范围，则手术机器人装置1需再次设置，因而进行将手术器械从套管分离的步骤S720。详细而言，可以将手术器械12从套管140分离，经过S310、S320、S410、S420步骤，补正从动臂110的位置，再次设置套管140的位置。另外，套管140也可以分离，使用者可以通过S110至S150步骤，再次补正从动臂110的位置。
本发明一个实施例的手术机器人装置1及其驱动方法在准备手术的过程中，使用者可以轻松、简单地设置手术机器人装置。传感器部160连接于套管固定器130，因而可以操作未加装套管140的套管固定器130，轻松设置从动臂110的位置和从动臂110与主动臂120之间的旋转角。
本发明一个实施例的手术机器人装置1及其驱动方法可以测量及监控在套管140与手术器械12、患者之间发生的力或扭矩，确保患者的安全。传感器部160测量及监控作用于套管140与患者的切开部之间或手术器械12与患者的切开部之间的力/扭矩，如果超出可接受的范围，则可以再次补正从属机器人10的位置，确保患者的安全。
就本发明一个实施例的手术机器人装置1及其驱动方法而言，传感器部160加装于套管固定器130，可以准确地测量施加于套管固定器的外力或扭矩，可以轻松而简单地安装。
本发明另一实施例的手术机器人装置包括：从动臂110，所述从动臂110可以在执行手术之前设置位置；主动臂120，所述主动臂120连接于所述从动臂，为了在进行手术时操作手术器械而驱动；传感器部160，所述传感器部160安装于所述主动臂之间的关节；套管固定器130，所述套管固定器130安装于所述主动臂的端部，供把持述手术器械的套管插入；及控制器170，所述控制器170以所述传感器部测量的力和扭矩相关数据为基础，移动所述从动臂的位置，或以所述扭矩相关数据为基础，使所述主动臂相对于所述从动臂旋转。
如果与前述一个实施例的手术机器人装置比较，在传感器部的配置位置和通过控制器调节从动臂的位置的控制方法方面有差异，下面以差异为中心进行说明。
手术机器人装置可以在主动臂的关节安装有传感器部。如果参照图2a，可以在第四关节至第九关节分别安装有测量力/扭矩的传感器部。
如果套管未加装于套管固定器，则使用者可以操作套管固定器，调节从动臂的第一至第三关节J3，调整从动臂的位置，或调节主动臂的第四关节J4，调节从动臂与主动臂之间的旋转角。
控制器可以以在第四关节至第九关节测量的力数据为基础，使从动臂的位置移动到使用者希望的地点。另外，控制器可以以在第四关节至第九关节测量的扭矩数据为基础，将主动臂和从动臂的旋转角调节到使用者希望的地点。
如果套管加装于套管固定器，则控制器可以使从动臂的位置固定，算出传感器部测量的力和扭矩，将其显示于显示部。
如果套管加装于套管固定器，或手术器械加装于套管，则控制器可以算出作用于套管与患者的切开部之间或手术器械与患者的切开部之间的力/扭矩。此时，传感器部可以安装于主动臂的各关节，控制器可以以各传感器部测量的数据为基础，测量力/扭矩的大小和方向。
本发明另一实施例的手术机器人装置及其驱动方法在准备手术的过程中，使用者可以轻松、简单地设置手术机器人装置。由于在主动臂的各关节安装有传感器部，因而使用者可以操作未加装套管的套管固定器，轻松设置从动臂的位置和从动臂与主动臂之间的旋转角。
本发明一个实施例的手术机器人装置及其驱动方法可以测量及监控在套管140与手术器械、患者之间发生的力或扭矩，确保患者的安全。传感器部测量及监控作用于套管与患者的切开部之间或作用于手术器械与患者的切开部之间的力/扭矩，如果超出可接受的范围，则可以再次补正从属机器人的位置，确保患者的安全。
在本说明书中，虽然以限定本发明的实施例为中心进行了说明，但在本发明的范围内，可以有多样的实施例。另外，虽然未说明，但均等的手段也可以直接结合于本发明。因此，本发明真正的保护范围应根据以下权利要求书确定。
工业实用性
本发明涉及手术机器人装置和手术机器人装置的驱动方法，详细而言，可以用于工业上利用的医疗用、工业用、实验用手术机器人及机器人系统。

Claims (11)

1.一种手术机器人装置，包括：
从动臂，所述从动臂能够在执行手术之前设置位置；
主动臂，所述主动臂连接于所述从动臂，在进行手术时为了操作手术器械而驱动；
套管固定器，所述套管固定器安装于所述主动臂的端部，供把持所述手术器械的套管插入；
传感器部，所述传感器部安装于所述套管固定器与所述主动臂的端部之间，感知施加于所述套管固定器的力和扭矩；及
控制器，所述控制器与所述传感器部连接，接受传递力和扭矩相关数据，
其中，如果由所述传感器部测量的力或扭矩超出预先设置的范围，则所述控制器补正所述从动臂的位置。
2.根据权利要求1所述的手术机器人装置，其中，
如果所述套管未加装于所述套管固定器，则所述控制器激活根据从所述传感器部接受传递的数据来调节所述从动臂位置的第一模式，如果所述套管加装于所述套管固定器，则所述控制器激活根据从所述传感器部接受传递的数据算出施加于所述套管的力和扭矩的第二模式。
3.根据权利要求2所述的手术机器人装置，其中，
在所述第二模式下，如果插入了所述手术器械的套管加装于所述套管固定器，则所述控制器根据从所述传感器部接受传递的数据，算出施加于所述手术器械的力和扭矩。
4.根据权利要求2所述的手术机器人装置，其中，
还包括调节所述从动臂的位置的输入装置，
如果所述控制器激活所述第一模式，则所述从动臂借助于所述套管固定器而调节位置，如果所述控制器激活所述第二模式，则所述从动臂借助于所述输入装置而调节位置。
5.根据权利要求1所述的手术机器人装置，其中，
所述传感器部感知应用于所述套管固定器的至少3个方向的力及至少1个方向的扭矩。
6.根据权利要求5所述的手术机器人装置，其中，
所述控制器以所述力相关数据为基础，移动所述从动臂的位置，以所述扭矩相关数据为基础，使所述主动臂相对于所述从动臂旋转。
7.根据权利要求6所述的手术机器人装置，其中，
所述控制器以所述扭矩相关数据为基础，调节连接所述从动臂与所述主动臂的关节角度。
8.根据权利要求1所述的手术机器人装置，其中，
所述传感器部具备：
第一连接器，所述第一连接器与所述主动臂的端部连接；
第二连接器，所述第二连接器与所述第一连接器隔开安装，与所述套管固定器连接；及
多个桥，所述多个桥连接所述第一连接器与所述第二连接器，安装有应变仪。
9.根据权利要求1所述的手术机器人装置，其中，
还包括显示部，所述显示部与所述控制器连接，显示所述传感器部测量的力的大小和方向。
10.一种手术机器人装置，包括：
从动臂，所述从动臂能够在执行手术之前设置位置；
主动臂，所述主动臂连接于所述从动臂，在进行手术时为了操作手术器械而驱动；
传感器部，所述传感器部安装于所述主动臂之间的关节；
套管固定器，所述套管固定器安装于所述主动臂的端部，供把持所述手术器械的套管插入；及
控制器，所述控制器以所述传感器部测量的力和扭矩相关数据为基础，移动所述从动臂的位置，或以所述扭矩相关数据为基础，使所述主动臂相对于所述从动臂旋转，
其中，如果由所述传感器部测量的力或扭矩超出预先设置的范围，则所述控制器补正所述从动臂的位置。
11.根据权利要求10所述的手术机器人装置，其中，
如果所述套管加装于所述套管固定器，则所述控制器使所述从动臂的位置固定，算出所述传感器部测量的力和扭矩。
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