TWI544891B - 用於腹腔鏡手術之俱有直覺式操控的輔助性機器人內視鏡系統及其方法 - Google Patents

用於腹腔鏡手術之俱有直覺式操控的輔助性機器人內視鏡系統及其方法 Download PDF

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Description

用於腹腔鏡手術之俱有直覺式操控的輔助性機器人內視鏡系統及其方法
本發明的實施例涉及一種機器人，尤其涉及一種直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統及其方法。
腹腔鏡程序或微創手術(minimally invasive surgery，MIS)是執行手術的一種特殊技術。過去十年以來，這種技術的使用已經延伸至腸道手術。在一腹腔鏡手術中，形成數個0.5至1公分的切口，且其可被作為腹部的進入點。一種稱為套管針的管形儀器插入各個切口。接著，在此程序中，腹腔鏡(一種特殊的相機)被穿過至該套管針。該腹腔鏡從該腹部空腔傳遞影像至手術室中的一高畫素顯示器。這種系統可以在不失去手術效用之下，極大地縮小該切口的尺寸。確切而言，在儀器延伸至手可觸摸之範圍以外的同時，該腹腔鏡可提供外科醫師一個即時畫面。
一些進階的內視鏡以及儀器已經被發展出來，以使外科醫師執行傳統腹腔鏡無法執行的手術。然而，仍需數位助手控制一內視鏡裝置，且僅提供一個小的工作區域。這將導致外科醫師以及助手的一種不自然受限姿勢。此外，助手們也有可能無法完全按照外科醫師的指示去移動該內視鏡裝置至正確的位置。
因此，為了滿足在手術時提供一低耗能以及高效能的機器人系統的需求。確切而言，有必要提供一種機器人系統及其方法，其具有高直覺性、高安全性、高穩定性及低成本。
本發明的主要目標為提供一種直覺式操控之輔助性機器人 內視鏡系統。該輔助性機器人內視鏡系統可包括：一無線陀螺儀，係測量一使用者頭部的一直覺式運動、根據該使用者頭部的該直覺式運動而產生資料、以及將該資料傳輸至一電腦；一控制系統，係從該電腦接收該資料；以及一腹腔鏡，係具有一機器人內視鏡以及根據該使用者頭部的該直覺式運動而自動地被該控制系統所控制。
較佳地，藉由該無線陀螺儀所產生的該資料可包括旋度、指 向、角速度及角加速度之資訊。
較佳地，該控制系統可包括一驅動器以及一基於個人電腦之 可程式化多軸控制器運動控制。
較佳地，該腹腔鏡可進一步包括複數個伺服馬達、一軸件及 複數個手柄。此外，該複數個手柄可藉由該複數個伺服馬達所控制。
較佳地，藉由該無線陀螺儀所產生的該資料係可透過逆向運 動學轉換成位置資料。
較佳地，本發明的該輔助性機器人內視鏡系統可進一步包括 一腳踏板。該腳踏板可作為用於傳送該資料以指示一腹腔鏡手術狀態的一開關。
較佳地，本發明的該輔助性機器人內視鏡系統可進一步包括 一顯示器。該顯示器可顯示藉由該機器人內視鏡所拍攝之一即時腹腔鏡影像。
較佳地，依據本發明的較佳實施例，該系統之無線傳輸的一 距離為20公尺，但本發明不限於此。該無線傳輸包括藍芽傳輸。
再者，本發明進一步提供一種輔助性機器人內視鏡方法。該 輔助性機器人內視鏡方法可包括以下步驟：藉由一無線陀螺儀裝置測量一使用者頭部的一直覺式運動、根據該使用者頭部的該直覺式運動而產生資料、以及將該資料傳輸至一電腦；藉由一控制系統從該電腦接收該資料；以及根據該使用者頭部的該直覺式運動，藉由該控制系統自動地控制一腹腔鏡的一機器人內視鏡。
依據本發明的較佳實施例，該直覺式操控之輔助性機器人內 視鏡方法可進一步包括將該無線陀螺儀所產生的該資料透過逆向運動學 (inverse kinematics)轉換成位置資料的一步驟。
依據本發明的較佳實施例，該直覺式操控之輔助性機器人內 視鏡方法可進一步包括藉由一腳踏板傳送資料以指示一腹腔鏡手術狀態的一步驟。該腳踏板可為一開關。
依據本發明的較佳實施例，該直覺式操控之輔助性機器人內 視鏡方法可進一步包括在一顯示器上顯示藉由該機器人內視鏡所拍攝之一即時腹腔鏡影像的一步驟。
1‧‧‧輔助性機器人內視鏡系統
5‧‧‧外科醫師/使用者
10‧‧‧無線陀螺儀
11‧‧‧陀螺儀資料
12‧‧‧控制系統
12_1‧‧‧基於個人電腦之可程式化多軸控制器運動控制
12_2‧‧‧驅動器
14‧‧‧腹腔鏡
14_1‧‧‧軸件
14_2‧‧‧手柄
14_3‧‧‧機器人內視鏡
16‧‧‧腳踏板
18‧‧‧伺服馬達
20‧‧‧顯示器
S11、S12、S13‧‧‧步驟
本發明可藉由參考以下的詳細描述，並且結合參考所附圖式的範例以及參照而被進一步理解，其中：第1圖為顯示依據本發明的一較佳實施例的一直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統之示意圖；第2圖為顯示依據本發明的一較佳實施例的無線陀螺儀之示意圖；第3圖為顯示依據本發明的一較佳實施例的控制系統以及腹腔鏡之方塊圖；第4圖為顯示依據本發明的一較佳實施例的藉由無線陀螺儀所控制的機器人內視鏡之示意圖；以及第5圖為顯示依據本發明的一直覺式操控之輔助性機器人內視鏡方法之流程圖。
本發明可以各種形式被實施，以及本發明的較佳實施例的細節將在以下內容中參考所附圖式而被說明。該等圖式(不符真實比例)僅描述本發明的較佳實施例，且不可用以作為本發明之範圍的限制。本發明的形式修改可在符合本發明的精神內被考慮。
關於第1~5圖，該等圖式顯示的實施例為半圖解且不符真實比例的，尤其是，圖式中部分的比例為用於清楚的表現且略為誇大。同 樣地，雖然圖式中的觀點係用於方便說明且通常顯示類似的方向，然而，圖式通常係可任意調整的。普遍來說，本發明可以以任意方向執行。
關於前述的圖式，如第1圖所示，本發明提供一輔助性機器 人內視鏡系統1。直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統1包括一無線陀螺儀10、一控制系統12、一腹腔鏡14、一腳踏板16、複數個伺服馬達18、以及一顯示器20。腹腔鏡14可包括一軸件14_1、複數個手柄14_2、以及一機器人內視鏡14_3。
如第1圖所示，一使用者或外科醫師5穿戴一測量他/她的 頭部運動的無線陀螺儀10。測量資料11可藉由控制系統12而被處理，以及可在腳踏板16被壓下時，用以致動腹腔鏡14。據此，外科醫師5可在顯示器20或者一頭戴式顯示器(head mounted display，HMD)(未顯示於圖式中)上看到即時的腹腔鏡影像。
依據本發明的一較佳實施例，腹腔鏡14可具有兩個偏折的 自由度(degrees of freedom，DoF)，且可被轉向至人的視野。
此外，一種基於位置的演算法可被開發，以將藉由無線陀螺 儀10所產生的測量資料11，透過逆向運動學(inverse kinematics)轉換成複數個手柄14_2的位置。複數個伺服馬達18可被安裝至腹腔鏡14的複數個手柄14_2，以使腹腔鏡14可藉由控制系統12被無線陀螺儀10所控制。
此外，本發明的腹腔鏡14可藉由一裝備有機器人內視鏡 14_3、固定的軸件14_1(大約40.6公分長)及兩個手柄14_2的10公釐環接式腹腔鏡(articulating laparoscope)所組成。機器人內視鏡14_3可為一腹腔鏡相機。換言之，腹腔鏡14可被視為具有一相機的一種機械手臂。相機可被放置於機械手臂的末端。使用者5可藉由控制複數個手柄14_2(例如，兩個手柄)而調整相機的方向至一目標方向。依據本發明的範例，複數個手柄14_2可被控制往上下、左右等方向。在手術期間，腹腔鏡14可藉由本發明的無線陀螺儀10以及控制系統12而被使用者5所控制。
依據本發明的一較佳實施例，無線陀螺儀10可為根據角動 量的原理而測量旋度、指向、角速度及角加速度等資訊。如第2圖所示，第2圖顯示一無線陀螺儀10。三維中的旋度、角速度及角加速度的數量可被測量。本發明之系統的無線傳輸的有效距離可為20公尺長。典型地，從 外科醫師的頭部到一目標位置的距離可為小於2公尺。依據本發明的一較佳實施例，包括旋度、指向、角速度及角加速度等資訊的資料11也可藉由藍芽被傳輸到一個人電腦。
為了更準確的控制腹腔鏡14，依據本發明的一較佳實施 例，可使用一相對大的齒輪比(例如，103：1)。因為複數個伺服馬達18的操作速度必須要相對低，可使用具有一較小的輸入電流(例如，1A)的驅動器，以控制複數個伺服馬達18。
依據本發明的一較佳實施例，如第3圖所示，一基於個人電 腦(PC-based)之可程式化多軸控制器(programmable multi-axis controller，PMAC)運動控制12_1可用以執行阻抗以及速度控制的演算法。PMAC運動控制12_1可用以提供用於控制程序的伺服中斷時間(例如，1毫秒)以及可藉由數位至類比轉換器(未顯示於圖式中)傳送一控制指令至驅動器12_2。確切而言，驅動器12_2可被配置至一模式，其可接收轉矩指令以及可控制一電流控制迴圈。亦即，腹腔鏡14的機器人內視鏡14_3以及複數個伺服馬達18可被控制系統12的PMAC運動控制12_1所驅動。
關於控制演算法，阻抗控制、積分及微分控制可被結合至本發明。阻抗增益(impedance gain)可被方程式(1)所描述。
自我調整式的阻抗增益(s)值可用於補償因為阻抗增益的設計而造成的速度降低。自我調整式的阻抗增益(s)可依據跟隨_誤差A(s)(following errors)以及可藉由經計算所得一適當的值，以達到等速度移動的規劃。
依據本發明的一較佳實施例，利用運動控制理論，無線陀螺儀10可用於從頭部轉動的運動獲得信號。使用開發的程式演算法，移動複數個手柄14_2的複數個伺服馬達18的位置可被判定。在初始化及完成所有設定之後，輸出信號可從控制系統12送出。
關於控制結構，具有加速度前饋(acceleration feed forward)以及重力補償(gravity compensation)的控制系統12可被實施。換言之，控制系統12可以精準地達到目標位置以及低剛性回應。
關於初始化，無線陀螺儀10的初始方向可被設為起點，其 為操作的一參考點。為了減少雜訊，當設定起點時，一百個陀螺儀讀數可被平均。所平均的翻滾(roll)/俯仰(pitch)/偏擺(yaw)可作為一新的參考點。
並且，在每次操作中，使用者/外科醫生5可啟動腹腔鏡14， 以返回一原始原點。然而，因為減速齒隙的問題，之前的腹腔鏡移動可能產生一偏差。依據本發明的一較佳特性，一個原點矯正演算法可用來使腹腔鏡14精準返回一原點。
此外，當外力影響腹腔鏡14時，輸出轉矩可被增加以抵抗 外力。接著，在輸出轉矩靠近零的同時，腹腔鏡14可返回一平衡點。因此，本發明之控制策略不僅提供安全性與順從性，也同時維持位置精準度。
方程式(2)顯示負載轉矩與指令轉矩之間的關係。方程式 (2)可計算需產生多少轉矩力量提供給系統負載使用。換言之，方程式(2)可判定需要施加多少轉矩在本發明的系統1。
其中，Θ指令(s)：指令位置
Θ回饋(s)：實際的回饋位置
K阻抗：阻抗增益
J：系統負載的慣性
C：系統負載的黏度係數
K t ：轉矩常數
K b ：反電動勢常數
R：伺服馬達驅動器的電阻
τ d ：干擾轉矩
依據本發明的一較佳特性例，因為末端承載係相當輕的，本發明之直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統1可被假設為不具重力轉矩。
如第4圖所示，無線陀螺儀10可被穿戴在使用者5的頭部。腹腔鏡14可被無線陀螺儀10所控制。換言之，如第4(a)~(f)圖所示， 腹腔鏡14的機器人內視鏡14_3會跟隨使用者5的頭部運動軌跡。
再者，本發明提供一種直覺式操控之輔助性機器人內視鏡方法。直覺式操控之輔助性機器人內視鏡方法可包括以下步驟。
參考第5圖，本發明之方法從步驟S11開始測量使用者頭部的一直覺式運動、根據使用者頭部的直覺式運動而產生資料、以及將資料傳輸至一電腦。
隨後，在步驟S12中，藉由一控制系統從電腦可接收資料。接著，進行步驟S13。
然後，在步驟S13，一腹腔鏡的一機器人內視鏡可根據使用者頭部的直覺式運動而藉由控制系統自動地控制。
依據本發明的一較佳特性例，本發明的方法可同時包括以下步驟：將無線陀螺儀所產生的資料藉由逆向運動學轉換成位置資料；藉由一腳踏板傳送資料以指示一腹腔鏡手術狀態，其中，腳踏板為一開關；以及在一顯示器上顯示藉由機器人內視鏡所拍攝之一即時腹腔鏡影像。
雖然本發明係參考較佳特性被描述，然而，可理解的是本發明不應該被解釋為限制於這裏闡述的實施例。不同的替代以及修改已在前述的說明中被建議，且對於熟析本領域的人來說，其他內容都是可以輕易推知的。因此，所有的替代以及修改都係旨在將包含在所附申請專利範圍中定義的範圍。
1‧‧‧輔助性機器人內視鏡系統
5‧‧‧外科醫師/使用者
10‧‧‧無線陀螺儀
11‧‧‧陀螺儀資料
12‧‧‧控制系統
12_1‧‧‧基於個人電腦之可程式化多軸控制器運動控制器
12_2‧‧‧驅動器
14‧‧‧腹腔鏡
14_1‧‧‧軸件
14_2‧‧‧手柄
14_3‧‧‧機器人內視鏡
16‧‧‧腳踏板
18‧‧‧伺服馬達
20‧‧‧顯示器

Claims (14)

  1. 一種直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統，包括：一無線陀螺儀，係測量一使用者頭部的一直覺式運動、根據該使用者頭部的該直覺式運動而產生資料、以及將該資料傳輸至一電腦；一控制系統，係從該電腦接收該資料；一腹腔鏡，係具有一機器人內視鏡以及根據該使用者頭部的該直覺式運動而自動地被該控制系統所控制；以及一腳踏板，係連接至該腹腔鏡，並作為用於傳送該資料以指示一腹腔鏡手術狀態的一開關。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統，其中，藉由該無線陀螺儀所產生的該資料包括旋度、指向、角速度及角加速度之資訊。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統，其中，該控制系統包括一驅動器以及一基於個人電腦之可程式化多軸控制器運動控制。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統，其中，該腹腔鏡進一步包括複數個伺服馬達、一軸件及複數個手柄，且該複數個手柄藉由該複數個伺服馬達所控制。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統，其中，藉由該無線陀螺儀所產生的該資料透過逆向運動學轉換成位置資料。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統，進一步包括一顯示器，係連接至該腹腔鏡，並顯示藉由該機器人內視鏡所拍攝之一即時腹腔鏡影像。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡系統，其中，該系統之無線傳輸的一距離為20公尺，以及該無線傳輸包括藍芽傳輸。
  8. 一種直覺式操控之輔助性機器人內視鏡方法，包括以下步驟：藉由一無線陀螺儀裝置測量一使用者頭部的一直覺式運動、根據該使用者頭部的該直覺式運動而產生資料、以及將該資料傳輸至一電腦；藉由一控制系統從該電腦接收該資料；根據該使用者頭部的該直覺式運動，藉由該控制系統自動地控制一腹腔鏡的一機器人內視鏡；以及藉由一腳踏板傳送資料以指示一腹腔鏡手術狀態，其中，該腳踏板為一開關。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡方法，其中，藉由該無線陀螺儀所產生的該資料包括旋度、指向、角速度及角加速度之資訊。
  10. 依據申請專利範圍第8項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡方法，其中，該控制系統包括一驅動器以及一基於個人電腦之可程式化多軸控制器運動控制器。
  11. 依據申請專利範圍第8項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡方法，其中，該腹腔鏡進一步包括複數個伺服馬達、一軸件及複數個手柄，且該複數個手柄藉由該複數個伺服馬達所控制。
  12. 依據申請專利範圍第8項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡方法，進一步包括將該無線陀螺儀所產生的該資料透過逆向運動學轉換成位置資料的一步驟。
  13. 依據申請專利範圍第8項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡方法，進一步包括在一顯示器上顯示藉由該機器人內視鏡所拍攝之一即時腹腔鏡影像的一步驟。
  14. 依據申請專利範圍第8項所述的直覺式操控之輔助性機器人內視鏡方法，其中，該系統之無線傳輸的一距離為二十公尺，以及該無線傳輸包括藍芽傳輸。
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