CN113194870B - 使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及手术机器人装置的主控制台的操作方法。本发明的手术机器人装置的主控制台供使用者摇控加装了手术器械的从属机器人，包括：定位臂，所述定位臂设置所述手术器械的位置；万向臂，所述万向臂配置于所述定位臂的端部，设置所述手术器械的方向；使用者界面装置，所述使用者界面装置在所述万向臂的端部能旋转地加装及拆卸，能够感知所述使用者的接触，测量所述使用者施加的力的大小；及控制器，所述控制器以从所述使用者界面装置接受传递的力或接触的相关信息为基础，控制所述手术器械。

Description

使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其操作方法

技术领域

本发明涉及装置及方法，更详细而言，涉及使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及主控制台的操作方法。

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。

在手术机器人系统中，医生等操作员用手使连接于主臂的输入装置运转。由此，操作员使主臂活动，决定连接于从属机器人的手术器械的姿势(位置及方向)和活动等。

输入装置可以追加包括能够测量使用者的手指输入的部分，例如，测量利用镊子形态，手术器械能够抓取或切割东西的输入，或测量利用按钮形态，与系统运转相关的输入等，传递给系统。

操作员以两个手指抓住输入装置的镊子部分的状态执刀手术。镊子部分随着手指的活动而机械性活动，主臂的移动及方向转换也只通过镊子部分完成。因此，操作员只利用两根手指进行操作，会容易感到疲劳，镊子的运转与主臂的移动利用两根手指同时进行，会在使用上存在不便。

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。

另一方面，本发明在大韩民国产业通商资源部支持下进行，课题编号“20006694”，研究管理专业机构为韩国产业技术评价管理院，研究项目名为“设计创新力量强化项目”，研究课题名为“旨在确保手术机器人系统全球竞争力的使用性(UX)设计融合技术开发”，主管机构为“(株)未来商社”，研究期间为2019.08.01～2021.12.31。

发明内容

技术课题

本发明的目的在于提供一种操作容易、提高了安全性的使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其驱动方法。

技术方案

本发明的一个方面提供一种手术机器人装置的主控制台，所述手术机器人装置的主控制台供使用者遥控加装了手术器械的从属机器人，包括：定位臂，所述定位臂设置所述手术器械的位置；万向臂，所述万向臂配置于所述定位臂的端部，设置所述手术器械的方向；使用者界面装置，所述使用者界面装置在所述万向臂的端部能旋转地加装及拆卸，能够感知所述使用者的接触，测量所述使用者施加的力的大小；及控制器，所述控制器以从所述使用者界面装置接受传递的力或接触的相关信息为基础，控制所述手术器械。

发明效果

这种本发明的使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其驱动方法，操作员可以直观地操作使用者界面装置，控制主控制台及手术机器人装置。使用者界面装置可以通过操作员施加的一个方向的力来使用手术器械，因而可以提高手术执刀的直观性。另外，主控制台根据操作员而设置，因而可以简化手术准备程序。

本发明的使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其驱动方法，可以在患者安全的状态下执行手术。使用者界面装置可以直观地识别手术器械的开度或握力，应用除抖动功能，以安全的状态驱动主控制台，因而可以提高手术全过程中的安全性。

本发明的使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其驱动方法应用力/扭矩传感器，可以准确地控制主控制台。

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3a是图示图1的主控制台的一部分构成的立体图，图3b是图示使用者界面装置加装于图3a的主控制台的状态的立体图。

图4是图示本发明一个实施例的使用者界面装置的立体图。

图5a和图5b是图示图4的第一力测量部的立体图。

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及图7b是图示本发明另一实施例的使用者界面装置的立体图。

图8是图示本发明一个实施例的手术机器人装置的主控制台的操作方法的顺序图。

图9是显示以从图4的使用者界面装置输入的信号为基础控制手术器械一项功能的情形的图表。

图10是显示以从图4的使用者界面装置输入的信号为基础控制手术器械另一项功能的情形的图表。

图11是显示以从图4的使用者界面装置输入的信号为基础控制手术器械又一功能的情形的图表。

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的主控制台，所述手术机器人装置的主控制台供使用者遥控加装了手术器械的从属机器人，包括：定位臂，所述定位臂设置所述手术器械的位置；万向臂，所述万向臂配置于所述定位臂的端部，设置所述手术器械的方向；使用者界面装置，所述使用者界面装置在所述万向臂的端部能旋转地加装及拆卸，能够感知所述使用者的接触，测量所述使用者施加的力的大小；及控制器，所述控制器以从所述使用者界面装置接受传递的力或接触的相关信息为基础，控制所述手术器械。

另外，所述使用者界面装置可以具备：外壳；第一力测量部，所述第一力测量部一部分露出于所述外壳的外侧表面，测量所述使用者施加的力；触摸测量部，所述触摸测量部与所述第一力测量部隔开配置，一部分露出于所述外壳的外侧表面，感知所述使用者的接触；及连接器，所述连接器配置于所述外壳的一侧，连接到所述万向臂。

另外，所述外壳可以具有球形状。

另外，所述第一力测量部可以具备：接触垫，所述接触垫配置于所述外壳的外侧；桥，所述桥与所述接触垫连接，供应变仪安装；及固定端，所述固定端与所述桥连接，固定于所述外壳。

另外，所述使用者界面装置可以还具备存储使用者信息的信息存储部，如果所述使用者界面装置加装于所述万向臂，则所述控制器可以与所述使用者信息对应地设置所述定位臂与所述万向臂的位置。

另外，所述使用者界面装置可以还具备显示部，所述显示部配置于所述外壳的外侧，显示使用者界面装置的状态相关信息。

另外，所述使用者界面装置可以还具备切换部，所述切换部变更所述从属机器人的位置，更换所述手术器械，或变更加装于所述从属机器人的照相机的位置。

另外，所述使用者界面装置可以还具备配置于所述第一力测量部下方的第二力测量部。

另外，如果所述使用者界面装置测量的使用者的力的大小为预先设置的范围，则所述控制器可以调节所述手术器械的一对颚(jaw)之间的开度，如果所述使用者界面装置测量的使用者的力的大小超过预先设置的范围，则所述控制器可以调节所述手术器械的一对颚(jaw)之间的握力。

另外，如果从所述使用者界面装置接收所述使用者的接触信号，则所述控制器可以在经过预先设置的第一延迟时间之后，使所述主控制台驱动，如果所述使用者界面装置中的所述使用者的接触信号解除，则所述控制器可以在经过比所述第一延迟时间更长的第二延迟时间之后，停止所述主控制台的驱动。

本发明的另一方面提供一种使用者界面装置，所述使用者界面装置加装于手术机器人装置的主控制台，所述主控制台供使用者遥控加装了手术器械的从属机器人，包括：外壳；第一力测量部，所述第一力测量部一部分露出于所述外壳的外侧表面，测量所述使用者施加的力；触摸测量部，所述触摸测量部与所述第一力测量部隔开配置，一部分露出于所述外壳的外侧表面，测量所述使用者的接触；及连接器，所述连接器配置于所述外壳的一侧，连接到所述万向臂。

另外，如果所述第一力测量部测量的力的大小为预先设置的范围，则可以调节所述手术器械的一对颚(jaw)之间的开度，如果所述第一力测量部测量的力的大小超过预先设置的范围，则可以调节所述手术器械的一对颚(jaw)之间的握力。

另外，可以还具备配置于所述第一力测量部的下方的第二力测量部。

本发明的又一方面提供一种手术机器人装置的主控制台的操作方法，所述手术机器人装置的主控制台的操作方法用于遥控加装了手术器械的从属机器人，包括：将使用者界面装置加装于主控制台的步骤；使用者接触所述使用者界面装置的触摸测量部而驱动所述主控制台的步骤；驱动所述主控制台的定位臂和万向臂来设置所述手术器械的位置和方向的步骤；及以所述使用者界面装置的第一力测量部测量的力的大小相关数据为基础来调节所述手术器械的颚(jaw)的开度和握力的手术器械操作步骤。

另外，就所述手术器械操作步骤而言，如果所述第一力测量部测量的力的大小为预先设置的范围，则可以调节所述手术器械的一对颚(jaw)之间的开度，如果所述第一力测量部测量的力的大小超过预先设置的范围，则可以调节所述手术器械的一对颚(jaw)之间的握力。

另外，就驱动所述主控制台的步骤而言，如果从所述触摸测量部接收所述使用者的接触信号，则可以在预先设置的第一延迟时间之后驱动所述主控制台。

另外，可以还包括：所述使用者在保持施加于所述第一力测量部的力的同时，操作配置于所述第一力测量部的下方的第二力测量部，运行所述手术器械的烧灼功能的步骤。

另外，就将所述使用者界面装置加装于主控制台的步骤而言，所述使用者界面装置可以将使用者信息传输给所述主控制台，与所述使用者信息对应地设置所述主控制台的定位臂和万向臂的位置。

具体实施方式

本发明可以施加多样的变换，可以拥有多个实施例，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、使手术器械沿着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，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，或与第六连杆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3a是图示图1的主控制台20的一部分构成的立体图，图3b是图示使用者界面装置200加装于图3a的主控制台20的状态的立体图。

如果参照图3a和图3b，主控制台20可以具备底座21、定位臂22、万向臂23、使用者界面装置200。

底座21固定于主控制台20的一侧，可供定位臂22固定。

定位臂22可以设置手术器械12的位置。如果操作员O操作使用者界面装置200，调节定位臂22的各关节，则从属机器人10或手术器械12可以在三维空间中移动到设置的位置。

定位臂22具有多个定位连杆、驱动器、关节。详细而言，定位臂22利用多个驱动器，决定定位臂22的末端部的3自由度位置。驱动器主要利用电动马达，利用BDC(brushed DC：有刷直流)马达或BLDC(brushless DC：无刷直流)马达，可以连接有制动器。万向臂23的驱动器为了放大扭矩而可以与减速器连接。定位臂22可以利用能够使反冲(backlash)和摩擦最小化的绞盘机构。就定位臂22的末端部的位置而言，可以测量与各驱动器连接的关节的位置而计算。另外，各关节的位置可以通过与驱动器直接连接的传感器或连接于与驱动器连接的关节的传感器而获知，作为传感器，主要利用编码器。

万向臂23配置于定位臂22的端部，可以设置手术器械12的方向。如果操作员O操作使用者界面装置200，调节万向臂23的各关节，则从属机器人10或手术器械12可以在三维空间中按照设置的方向操作。

万向臂23决定末端部的3自由度方向，由全部4个驱动器构成，以便可以具有1个冗余自由度。万向臂23的冗余自由度是出于当操作员O抓住主臂进行活动时为了提高使用便利性的目的而构成的。

万向臂23可以具备多个万向连杆、驱动器、关节。万向臂23的驱动器主要利用电动马达，利用BDC(brushed DC：有刷直流)马达或BLDC(brushless DC：无刷直流)马达，可以连接有制动器。驱动器为了放大扭矩而可以与减速器连接。万向臂23可以利用能够使反冲(backlash)和摩擦最小化的绞盘机构。

就万向臂23的末端部的方向而言，可以测量与各驱动器连接的关节的位置而计算。另外，各关节的位置可以通过与驱动器直接连接的传感器或连接于与驱动器连接的关节的传感器而获知，作为传感器，主要利用编码器。

在利用BLDC马达作为驱动器的情况下，马达发生齿槽转矩(cogging torque)，为了提高系统性能和使用者便利性，优选对此进行补偿。齿槽转矩的补偿需要相对较快的控制周期，因而可以在马达驱动中体现。

操作员O可以利用定位臂22和万向臂23，决定3自由度位置(x、y、z)和3自由度方向(yaw、pitch、roll)，这用作手术机器人系统的重要输入数据。

使用者界面装置200为了操作员O的追加输入，可以加装于万向臂23的末端部。使用者界面装置200可以在万向臂23加装及拆卸。

作为另一实施例，如果参照图6，可以在使用者界面装置200与万向臂23之间加装有力/扭矩传感器205。力/扭矩传感器205可以测量作用于万向臂23与使用者界面装置200之间的力/扭矩，可以利用测量的力/扭矩值来提高定位臂22与万向臂23的性能和使用者便利性。

例如，可以通过重力、惯性力、摩擦力补偿来提高定位臂22与万向臂23的性能和操作员O的便利性，为此，需要定位臂22与万向臂23的准确的动力学模型。但是，在现实上无法获得准确模型的情况下，需利用通过传感器测量的值来提高模型的准确度。力/扭矩传感器205配置于使用者界面装置200与万向臂23之间，因而可以测量准确的力/扭矩，由此有效提高操作员O的便利性。

力/扭矩传感器205在力反馈方面具有有利的优点。可以应用利用力/扭矩传感器来计算基准位置值的导纳显示(admittance display)方法，取代不利用力/扭矩传感器而是计算由位置决定的力反馈值的阻抗显示(impedance display)方法。导纳显示(admittance display)方法可以提高定位臂22与万向臂23能够稳定表现的刚性(stiffness)，可以提高装备的性能和使用者的沉浸感。

力/扭矩传感器205可以测量3轴的力或测量3轴的力和1轴以上的扭矩。包括能够结构性或电气连接万向臂23与使用者界面装置200的连接部，为了轻松拆装，可以利用弹簧连接器(spring loaded connector)等。

图4是图示本发明一个实施例的使用者界面装置200的立体图，图5a和图5b是图示图4的第一力测量部220的立体图，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4至图6，使用者界面装置200可以具备外壳210、第一力测量部220、触摸测量部230、连接器240、显示部250、信息存储部260及切换部270。使用者界面装置200可以在万向臂23的端部能旋转地加装及拆卸。使用者界面装置200可以感知使用者，即，操作员O的接触，测量操作员O施加的力的大小。

外壳210形成使用者界面装置200的外观，可以具有球形状。操作员O可以轻松地、直观地抓住球形状的外壳，可以便利地进行操作。

第一力测量部220一部分露出于外壳210的外侧表面，可以测量操作员O施加的力。使用者如果利用食指或中指对接触垫221施加力，则可以以桥222的变形为基础，测量所施加的力的大小。第一力测量部220可以具备接触垫221、桥222、固定端223。

接触垫221露出于外壳210，操作员O可以接触及加力。对接触垫221施加的力可以使桥222变形。

桥222与接触垫221连接，可以沿一个方向延长。桥222以弹性体(elastic body)形成，因而如果在外部施加力或扭矩，则桥222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。下面为了说明的便利，以加装有应变仪的情形为中心进行说明。

可以在桥222的各个面安装有应变仪。可以如图5a及图5b所示加装4个(R1、R2、R3、R4)应变仪。从接触垫221传递的力使桥222变形，应变仪可以测量桥222的变形程度，测量外部施加的力。

桥222中力的测量是利用桥接电路(bridge circuit)，将因所施加的力而引起的电阻变化变换成电压变化进行测量。输出电压可以通过放大、滤波、A/D(模拟/数字)变换等过程而测量，测量的电压可以通过校准(calibration)而计算为施加的力。

应变仪的阻抗值会因温度、湿度等外部扰动而受到影响，结果，准确测量力变得困难。因此，外部扰动造成的影响需去除或最小化，可以使用利用邻接配置的4个(R1、R2、R3、R4)应变仪的全桥(full bridge)电路。

固定端223与桥222连接，可以固定于外壳210。固定端223可以使第一力测量部220与外壳210连接。

第一力测量部220测量的力相关数据可以传递给控制器170，执行手术器械12的手术动作。

触摸测量部230一部分露出于外壳210的外侧表面，可以感知操作员O的接触。触摸测量部230与第一力测量部220隔开地安装，可以轻松放置及接触操作员O的手指。触摸测量部230可以以电容触摸传感器形成。

触摸测量部230的表面可以弯曲地形成。为了迅速、准确地识别操作员O的接触，表面可以弯曲地形成，手指的接触面积增加，手指可以在触摸测量部上保持位置。触摸测量部230与手术机器人装置1的驱动相关联，因而需迅速、准确地测量触摸。如果操作员O在使用手术机器人装置1期间不保持手指的位置，则使用者界面装置200识别为其他信号，手术机器人装置1会误操作。触摸测量部230的弯曲表面保持手指的位置，因而可以减少操作员O的接触不良导致的误操作。

连接器240配置于外壳210的一侧，可以连接到万向臂23。连接器240可以接受供应电源，可以传递第一力测量部220或触摸测量部230测量的信号。连接器240连接得能够相对于万向臂23旋转。如果插入连接器240，则操作员O可以在抓住使用者界面装置200的状态下进行翻滚(roll)运动。

显示部250配置于外壳210的外侧，可以显示与使用者界面装置200的状态相关的信息。显示部250例如可以以诸如灯、显示面板的多样形态形成。下面为了说明的便利，以LED灯的情形为中心进行说明。

显示部250可以识别代表使用者界面装置200已结合于万向臂23的信息、告知第一力测量部220施加的力与设置范围相应或超出设置范围的信息、代表触摸测量部230已感知操作员O的接触的信息等，通过灯的颜色变化、闪光、亮度调节等显示这种信息。

信息存储部260可以存储使用使用者界面装置200的各个使用者信息。一般而言，各个操作员O利用自身的使用者界面装置200执刀手术。如果使用者界面装置200加装于万向臂23，则控制器170可以与使用者信息对应地设置定位臂22与万向臂23的位置。即，以操作员O的身体信息为基础，自动调整定位臂22与万向臂23的位置，因而操作员O可以舒适地执刀手术。

信息存储部260可以存储用于第一力测量部220和触摸测量部230的校准值(calibration data)，可以将其用于计算使用者界面装置200的输出值。另外，各个传感器的初始值在系统开始步骤，在操作员O用手抓住使用者界面装置200的状态下获得，可以利用这种初始值计算使用者界面装置200的测量值。

切换部270可以变更从属机器人10的位置，更换手术器械12，或变更加装于从属机器人10的照相机(图上未示出)的位置。从属机器人10配备多个，各个从属机器人10加装互不相同的手术器械12。在手术中需要更换手术器械12的情况下，操作员O可以操作切换部270，切换从属机器人10。另外，在需要照相机的情况下，操作员O可以操作切换部270，从手术器械变换为照相机，或移动照相机的位置。

控制器170可以以从使用者界面装置200接受传递的力或接触相关信息为基础，控制手术器械12。

例如，可以利用从使用者界面装置200的第一力测量部220接受传递的信号，操作从属机器人10或手术器械12。另外，可以利用从触摸测量部230接受传递的信号，驱动从属机器人10或主控制台20。另外，可以向显示部250传递手术机器人装置1的状态信息，使得操作员O可以识别。另外，可以以从信息存储部260接受传递的操作员O的信息为基础，设置主控制台20的位置。另外，可以利用从切换部270接受传递的信号，变更从属机器人10的驱动及位置。

以从使用者界面装置200接受输入的信号为基础，生成及命令控制手术器械12驱动的信号的内容，将在下面更详细说明。

图7a及图7b是图示本发明另一实施例的使用者界面装置300的立体图。

如果参照图7a及图7b，使用者界面装置300可以具备多个力测量部，驱动双极手术器械。

与前述图4一个实施例的使用者界面装置200比较，使用者界面装置300还具备箱体310、第二力测量部320。

箱体310配置于外壳210的下方，形成供第二力测量部320安装的空间。箱体310具有大致圆筒形状，在外侧面配置第二力测量部320。

第二力测量部320与第一力测量部220类似地形成，可以测量操作员O施加的力的大小。

操作员O可以利用第一力测量部220和第二力测量部320，驱动双极方式的手术器械12。详细而言，可以利用第一力测量部220，调节手术器械12的颚(jaw)的开度或调节握力。在手术器械12的开度闭合的状态下，操作员O对第二力测量部320加力，如果测量的力为设置的值以上，则控制器170将电流发送给手术器械12的各个颚(jaw)，因而可以以双极方式执行烧灼功能。

图8是图示本发明一个实施例的手术机器人装置1的主控制台20的操作方法的顺序图。

如果参照图8，用于摇控加装了手术器械12的从属机器人10所需的手术机器人装置的主控制台20的操作方法包括：将使用者界面装置加装于主控制台的步骤S10；使用者接触所述使用者界面装置的触摸测量部而驱动所述主控制台的步骤S20；驱动所述主控制台的定位臂和万向臂而设置所述手术器械的位置和方向的步骤S30；以所述使用者界面装置的第一力测量部测量的力的大小相关数据为基础，调节所述手术器械的颚(jaw)的开度与握力的手术器械操作步骤S40。

在将使用者界面装置加装于主控制台的步骤S10中，操作员O将使用者界面装置200加装于万向臂23的端部。从使用者界面装置200的信息存储部260将使用者信息传输给主控制台20，可以与使用者信息对应地设置主控制台20的定位臂22和万向臂23的位置。即，考虑操作员O的身体信息，主控制台20为了进行手术而进行设置。

在使用者接触所述使用者界面装置的触摸测量部而驱动所述主控制台的步骤S20中，操作员O可以驱动手术机器人装置1。如果触摸测量部230感知操作员O的接触，则可以在预先设置的第一延迟时间之后驱动主控制台。

在驱动所述主控制台的定位臂和万向臂而设置所述手术器械的位置和方向的步骤S30中，操作员O可以以握住使用者界面装置200的状态使之移动。此时，定位臂22与万向臂23的位置和方向发生变化，使用者界面装置200可以相对于万向臂23进行翻滚运动。

在以所述使用者界面装置的第一力测量部测量的力的大小相关数据为基础而调节所述手术器械的颚(jaw)的开度和握力的所述手术器械操作步骤S40中，可以以第一力测量部220测量的力相关信息为基础，利用手术器械12执刀手术。可以调节手术器械12端部的颚的开度或调节握力。

作为另一实施例，还可以包括：所述使用者在保持对所述第一力测量部施加的力的同时执行手术器械的烧灼功能的步骤。

在具有烧灼功能的手术器械12加装于从属机器人10的情况下，第一力测量部220可以以施加的力的大小为基础，生成向手术器械12供应电流的开始信号。即，如果既定大小的力传递给第一力测量部220，则可以以单极方式进行手术器械12的烧灼功能。

作为另一实施例，如果参考图7a及图7b中的使用者界面装置300，可以操作配置于第一力测量部220下方的第二力测量部320，运行手术器械12的烧灼功能。第一力测量部220测量的力可以调节手术器械12的颚(jaw)的开度和握力，第二力测量部320测量的力可以生成向手术器械12的颚(jaw)供应电流的信号。

图9是显示以图4的使用者界面装置200输入的信号为基础控制手术器械12的一项功能的情形的图表。

如果参照图9，控制器170可以以第一力测量部220测量的力为基础，向驱动器传输控制信号，以便调节手术器械12的颚(jaw)的开度和握力。如果第一力测量部220测量的力的大小为预先设置的范围(位置控制模式)，则调节手术器械12的一对颚(jaw)之间的开度，如果第一力测量部220测量的力的大小超过预先设置的范围(扭矩控制模式)，则调节所述手术器械12的一对颚(jaw)之间的握力。

如果施加偏移的既定力，则第一力测量部220测量力。即，如果传感器偏移(sensoroffset)以上的力施加于第一力测量部220，则使用者界面装置200感知力的大小。控制器170在超过作为阀值的阀值力(threshold force)之前不驱动驱动器(actuator)，因而手术器械12的颚(jaw)的开度具有全部开放的状态。

如果第一力测量部220测量的力超过阀值，则驱动器调节手术器械12的颚(jaw)的开度。控制器170以位置控制模式(position control mode)控制驱动器，手术器械12的颚(jaw)与所测量的力的大小成比例地线性闭合开度。在位置控制模式下，驱动器并非调节扭矩，而是调节手术器械12的颚的开度。

如果施加于第一力测量部220的力增加，手术器械12的颚完全闭合，则驱动器调节手术器械12的扭矩。控制器170以扭矩控制模式(torque control mode)控制驱动器，与所测量的力的大小成比例地线性控制手术器械的扭矩。

扭矩控制模式控制手术器械12的扭矩，直至达到设置的最大扭矩(max.torque)。设置的最大扭矩(max.torque)在达到可测量最大力(sensor max.range)之前达成。即，即使操作员O对第一力测量部220施加小于可测量最大力(sensor max.range)的力，控制器170也可以使驱动器收敛为最大扭矩(max.torque)，保持使用者界面装置200的耐久性及手术过程中的安全。

使用者界面装置200与操作员O施加的力成比例地调节手术器械12的开度(位置控制模式)，因而操作员O可以直观地识别手术器械12的开度，轻松执刀手术。另外，与操作员O施加的力成比例地调节手术器械12的握力(扭矩控制模式)，因而操作员O可以直观地识别施加于手术器械12的扭矩并调节握力。另外，使用者界面装置200在可接受的最大力之前收敛为最大扭矩，因而可以保持耐久性和安全性。

图10是显示以从图4的使用者界面装置200输入的信号为基础控制手术器械12的另一项功能的情形的图表。

如果参照图10，控制器170可以以第一力测量部220或第二力测量部320测量的力为基础传输控制信号，以便执行手术器械12的颚(jaw)的烧灼功能。

一个实施例的使用者界面装置200可以以第一力测量部220施加的力为基础，执行单极方式的烧灼功能。另一实施例的使用者界面装置300可以以第一力测量部220施加的力为基础，调节颚(jaw)的开度和握力，以第二力测量部320施加的力为基础，执行双极方式的烧灼功能。下面为了说明的便利，以基于第一力测量部220的单极方式的烧灼功能为中心进行说明。

如果施加偏移的既定力，则第一力测量部220测量力。即，如果传感器偏移(sensoroffset)以上的力施加于第一力测量部220，则使用者界面装置200感知力的大小。

控制器170在超过作为阀值的threshold_on(阀值_开)之前不生成及传递电流开始信号。

如果所测量的力超过第一阀值，则控制器170生成电流开始信号并传递给手术器械12，执行烧灼功能。此时，烧灼功能为开/关(on/off)控制，与所测量的力的大小无关，如果超过第一阀值，则执行功能。

然后，如果第一力测量部220测量的力为作为第二阀值的threshold_off(阀值_关)以下，则控制器170生成并传递电流解除信号，中断烧灼功能。第二阀值低于第一阀值。

如果超过操作员O预先设置的第一阀值，则使用者界面装置200执行烧灼功能，如果为第二阀值以下，则中断烧灼功能。此时，第二阀值低于第一阀值，因而可以确保烧灼时的安全。另外，可以在使用者界面装置200的输出中添加迟滞(hysteresis)特性，消除抖动(chattering)。

图11是图示以图4的使用者界面装置200输入的信号为基础控制手术器械12的又一项功能的情形的图表。

如果参照图11，控制器170可以以从触摸测量部230接受传递的接触信号为基础来驱动手术机器人装置1。

控制器170可以以除抖动(debouncing)方式，减小诸如从触摸测量部230接受传递的信号中发生的抖动(chattering)的噪声。

例如，在主控制台20的状态为Off的情况下，为了成为On状态，需以触摸测量部230的输出为On的状态持续预先确定的既定时间。如果使用者界面装置200的触摸测量部230接收操作员O的接触信号，则在经过预先设置的第一延迟时间td1之后驱动主控制台20。此时，如果接触信号从触摸测量部230持续保持On输出，则控制器170测量第一延迟时间td1。

在主控制台20的状态为On的情况下，为了变为Off状态，需以触摸测量部230的输出为Off的状态持续预先确定的既定时间。如果在使用者界面装置200的触摸测量部230解除操作员O的接触信号，则在经过第二延迟时间td2之后，停止主控制台20的驱动。此时，如果接触信号从触摸测量部230持续保持Off输出，则控制器170测量第二延迟时间td2。

必须保持完全On输出，因而第一延迟时间td1才起算，因而如果触摸测量部230中的接触不完全，则主控制台20不驱动。另外，必须保持完全Off输出，第二延迟时间td2才起算，因而如果触摸测量部230中的接触不完全，则主控制台20保持电源。由此，可以确保手术机器人装置1的安全。

第二延迟时间td2比第一延迟时间td1长。第二延迟时间td2设置得长，因而即使操作员O因失手而未保持触摸测量部230的触摸，主控制台20的驱动也将保持，可以确保患者P的安全。

本发明的使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其驱动方法，可以由操作员直观地操作使用者界面装置，控制主控制台及手术机器人装置。使用者界面装置可以通过操作员施加的一个方向的力来使用手术器械，因而可以提高手术执刀的直观性。另外，可以根据操作员来设置主控制台，因而可以简化手术准备程序。

本发明的使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其驱动方法，可以在患者安全状态下执行手术。使用者界面装置可以直观地识别手术器械的开度或握力，应用除抖动而以安全状态驱动主控制台，因而可以提高手术全过程的安全性。

本发明的使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其驱动方法，可以应用力/扭矩传感器，准确地控制主控制台。

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

本发明涉及使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其操作方法，详细而言，可以用于产业上使用的疗治用、工业用、实验用装置的使用者界面装置、手术机器人装置的主控制台及其操作方法、手术机器人及机器人系统。

Claims (11)

1.一种手术机器人装置的主控制台，所述手术机器人装置的主控制台供使用者遥控加装了手术器械的从属机器人，包括：

定位臂，所述定位臂设置所述手术器械的位置；

万向臂，所述万向臂配置于所述定位臂的端部，设置所述手术器械的方向；

使用者界面装置，所述使用者界面装置在所述万向臂的端部能旋转地加装及拆卸，能够感知所述使用者的接触，测量所述使用者施加的力的大小；及

控制器，所述控制器以从所述使用者界面装置接受传递的力或接触的相关信息为基础，控制所述手术器械，

其中，所述使用者界面装置包括：

外壳；

第一力测量部，所述第一力测量部一部分露出于所述外壳的外侧表面，测量所述使用者施加的力；

触摸测量部，所述触摸测量部与所述第一力测量部隔开配置，一部分露出于所述外壳的外侧表面，感知所述使用者的接触；及

连接器，所述连接器配置于所述外壳的一侧，连接到所述万向臂，

其中，所述触摸测量部的表面弯曲地形成，使得所述使用者的手指能够在所述触摸测量部的弯曲表面上保持位置，

其中，如果所述第一力测量部测量的第一力的大小为预先设置的范围，则所述控制器以位置控制模式调节驱动器，使得与所述第一力的大小成比例地线性调节所述手术器械的一对颚之间的开度，以及

如果所述第一力测量部测量的第二力的大小超过预先设置的范围，则所述控制器以扭矩控制模式调节所述驱动器的扭矩，使得与所述第二力的大小成比例地线性调节所述手术器械的一对颚之间的扭矩。

2.根据权利要求1所述的手术机器人装置的主控制台，其中，

所述外壳具有球形状。

3.根据权利要求1所述的手术机器人装置的主控制台，其中，

所述第一力测量部具备：

接触垫，所述接触垫配置于所述外壳的外侧；

桥，所述桥与所述接触垫连接，供应变仪安装；及

固定端，所述固定端与所述桥连接，固定于所述外壳。

4.根据权利要求1所述的手术机器人装置的主控制台，其中，

所述使用者界面装置还具备存储使用者信息的信息存储部，

如果所述使用者界面装置加装于所述万向臂，则所述控制器与所述使用者信息对应地设置所述定位臂与所述万向臂的位置。

5.根据权利要求1所述的手术机器人装置的主控制台，其中，

所述使用者界面装置还包括显示部，

所述显示部配置于所述外壳的外侧，显示使用者界面装置的状态相关信息。

6.根据权利要求1所述的手术机器人装置的主控制台，其中，

所述使用者界面装置还具备切换部，

所述切换部变更所述从属机器人的位置，更换所述手术器械，或变更加装于所述从属机器人的照相机的位置。

7.根据权利要求1所述的手术机器人装置的主控制台，其中，

所述使用者界面装置还具备配置于所述第一力测量部下方的第二力测量部。

8.根据权利要求1所述的手术机器人装置的主控制台，其中，

如果从所述使用者界面装置接收所述使用者的接触信号，则所述控制器在经过预先设置的第一延迟时间之后，使所述主控制台驱动，

如果所述使用者界面装置中的所述使用者的接触信号解除，则所述控制器在经过比所述第一延迟时间更长的第二延迟时间之后，停止所述主控制台的驱动。

9.一种使用者界面装置，所述使用者界面装置加装于手术机器人装置的主控制台，所述主控制台供使用者遥控加装了的从属机器人，包括：

外壳；

第一力测量部，所述第一力测量部一部分露出于所述外壳的外侧表面，测量所述使用者施加的力；

触摸测量部，所述触摸测量部与所述第一力测量部隔开配置，一部分露出于所述外壳的外侧表面，测量所述使用者的接触；及

连接器，所述连接器配置于所述外壳的一侧，连接到所述主控制台，

其中，所述第一力测量部具备：

接触垫，所述接触垫配置于所述外壳的外侧；

桥，所述桥与所述接触垫连接，供应变仪安装；及

固定端，所述固定端与所述桥连接，固定于所述外壳，及

所述触摸测量部的表面弯曲地形成，使得所述使用者的手指能够在所述触摸测量部的弯曲表面上保持位置，

其中，如果所述第一力测量部测量的第一力的大小为预先设置的范围，则控制器以位置控制模式调节驱动器，使得与所述第一力的大小成比例地线性调节手术器械的一对颚之间的开度，以及

如果所述第一力测量部测量的第二力的大小超过预先设置的范围，则所述控制器以扭矩控制模式调节所述驱动器的扭矩，使得与所述第二力的大小成比例地线性调节所述手术器械的一对颚之间的扭矩。

10.根据权利要求9所述的使用者界面装置，其中，

如果所述第一力测量部测量的力的大小为预先设置的范围，则调节所述手术器械的一对颚之间的开度，

如果所述第一力测量部测量的力的大小超过预先设置的范围，则调节所述手术器械的一对颚之间的握力。

11.根据权利要求9所述的使用者界面装置，其中，

还具备配置于所述第一力测量部的下方的第二力测量部。