TWI695765B - 機械手臂 - Google Patents

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Abstract

一種機械手臂，其包括操作端、基座、感測單元以及控制單元。操作端連接至基座，操作端用以到達一工作區域。感測單元根據操作者對機械手臂所施加的外力或是操作者的移動來提供感測訊號。控制單元在操作端到達工作區域時，在基座以及操作端之間的機械手臂決定一固定位置。當來自操作者的感測訊號到達一預設條件時，控制單元使機械手臂移動並避開操作者，同時令機械手臂的固定位置不動。

Description

機械手臂
本發明有關一種機械手臂，特別是有關一種適於輔助操作者的機械手臂。
隨著科技的發展，不斷講求安全性的醫療技術也一直不斷推出新的應用技術。在這些應用技術中，微創手術(Minimally Invasive Surgery,MIS)是現今醫療技術應用的主要領域之一。微創手術主要透過內視鏡及各種顯像技術而使外科醫生在無需對患者造成巨大傷口的情況下施行手術，因此微創手術與傳統的開腹手術比較起來，微創手術的醫療方式其復原效果甚至更勝於傳統的開腹手術。患者在診療過程中僅需要開到少數幾個開孔，不但不需要透過長條狀的開口施行手術，更可以漸少患者復原後身上的傷疤。
然而，由於內視鏡等顯像裝置在手術過程中仍需要透過額外的人或是物來固定、支撐。當例如是以另一持鏡人員負責操作內視鏡，負責操刀的醫生在患者四周難免會受到持鏡人員的阻礙。另一方面，手術過 程時常會需要三到五個小時長時間的操刀，內視鏡的穩定度、準確度以及與操刀醫生的搭配也會隨著持鏡人員的疲勞程度改變。當內視鏡例如是以機械手臂或支架來支撐時，雖然可以穩定的固定內視鏡，但內視鏡可以配合操刀醫生的靈活度也會隨之降低，機械手臂本身所佔的體積也會對醫生造成阻礙，整體的手術流程也會因此被影響。
因此，如何提供一個可以輔助操刀醫生進行微創手術的機械手臂，仍是目前醫學技術上所欲解決的問題之一。
本發明提出的機械手臂可以根據操作者的位置或動作輔助操作者。
本發明的機械手臂包括操作端、基座、感測單元以及控制單元。操作端連接至基座，操作端用以到達一工作區域。感測單元根據操作者對機械手臂所施加的外力或是操作者的移動來提供感測訊號。控制單元在操作端到達工作區域時，在基座以及操作端之間的機械手臂決定一固定位置。當來自操作者的感測訊號到達一預設條件時，控制單元使機械手臂移動並避開操作者，同時令機械手臂的固定位置不動。
在本發明的一實施例中，上述的機械手臂，還包括多個旋轉關節。這些旋轉關節連接於操作端以及基座之間，且固定位置位於操作端以及鄰近操作端之其中一旋轉關節之間。
在本發明的一實施例中，上述的固定位置對應至一空間座標資料以及一關節角度資料。關節角度資料的數值範圍落在對應至這些旋轉 關節的角度所形成的第一集合；空間座標資料的數值範圍落在一笛卡爾座標系的座標所形成的第二集合。關節角度資料經由一非線性轉換為空間座標資料。當感測訊號到達預設條件時，控制單元提供一驅動資料來轉動這些旋轉關節，以使機械手臂避開操作者，且驅動資料落在第一集合，且驅動資料落在非線性轉換的零空間中。
在本發明的一實施例中，上述的操作端包括一內視鏡固定元件，用以固定一內視鏡。當操作端固定內視鏡並經由一表皮切口到達一生物體體內時，固定位置為機械手臂上鄰近表皮切口的位置。
在本發明的一實施例中，上述的感測單元包括一六軸力規，配置於鄰近操作端的位置。六軸力規提供至少一外力訊號以及至少一力矩訊號。
在本發明的一實施例中，上述的預設條件為外力訊號以及力矩訊號超過一預設閥值。
在本發明的一實施例中，上述的機械手臂避開操作者的路徑由外力訊號以及力矩訊號產生。
在本發明的一實施例中，上述的機械手臂的移動路徑是藉由小質量動態模型所產生。
在本發明的一實施例中，上述的感測單元包括一影像偵測單元，感測訊號包括自操作者的影像取得的位置資訊。
在本發明的一實施例中，上述的預設條件為操作者的位置和機械手臂之間的位置小於一預設閥值。
在本發明的一實施例中，上述的機械手臂避開操作者的路徑 由操作者的影像滿足預設條件後操作者的移動路徑決定。
由上述可知，本發明所提出的機械手臂可以根據操作者對機械手臂所施加的外力或是根據操作者的位置移動，可以藉由接觸式的拖曳教導或避障的方式控制機械手臂，同時可以維持一固定位置，以提供良好的輔助操作功能。
d1~d3‧‧‧方向
A,E‧‧‧工作區域
B,C‧‧‧固定位置
D‧‧‧距離
F‧‧‧力
50‧‧‧操作者
100,200‧‧‧機械手臂
110,210‧‧‧基座
120,220‧‧‧操作端
130,230‧‧‧感測單元
140,240‧‧‧控制單元
151~156,251~256‧‧‧關節
圖1是本發明第一實施例的機械手臂的示意圖；圖2是本發明第一實施例的機械手臂在受到外力時的局部示意圖；圖3是本發明第二實施例的機械手臂的示意圖；圖4是本發明第二實施例的機械手臂在偵測到影像時的局部示意圖。
本發明所提出的機械手臂可以例如是藉由多個關節來在三維空間運動的自動控制設備。較佳而言，本發明所提出的機械手臂例如是六軸機械手臂等具有多個轉動關節的機械手臂，且這些轉動關節的轉軸沿著二種方向以上延伸，以使機械手臂可以在三維空間中移動至各個不同的位置。以下實施例將以六軸機械手臂舉例說明，然而本發明並不限於機械手臂的轉軸數目以及種類。
圖1是發明第一實施例的機械手臂的示意圖。請參照圖1，本實施例的機械手臂100例如包括基座110以及操作端120，操作端120連接至基座110並適於到達一工作區域A。機械手臂100還包括控制單元140以及多 個關節151~156(joints)控制單元140用以控制機械手臂100中基座110以及操作端120之間的這些關節151~156調整操作端120的位置及角度。
舉例而言，本實施例的機械手臂100例如是上銀RA605六軸機械手臂，圖1為示例性對應機械手臂100的各關節繪示的示意圖。控制單元140例如是複合型機器人控制器，用以提供指令來控制機械手臂100。需要說明的是，此處控制機械手臂100還包括例如是提供指令訊號、接收關節151~156之驅動器所回授的訊號、對接收到的訊號進行浮點運算等等，本發明不限於此。
機械手臂100還包括感測單元130，本實施例的感測單元130位於鄰近關節156的一端，亦即操作端120和關節156之間。詳細而言，本實施例的機械手臂100的關節151~156各自以不同的軸線轉動。以圖1所繪示的狀態為例，其中關節151、156例如可以讓兩端沿著平行於方向d1的軸線轉動；關節152、153以及155例如可以讓兩端沿著平行於方向d2(亦即垂直於圖面的方向)的軸線轉動；關節154例如可以讓兩端沿著平行於方向d3的軸線轉動。因此，當以基座110為空間上的原點，在藉由這些關節151~156的轉動後，鄰近於關節156的部分可以相對有最大的自由度在三維空間中移動或轉動，因此鄰近關節156的感測單元130可以更輕易量測到機械手臂100所承受的外力。
請參照圖2，其中繪示了本實施例的局部機械手臂100在受到外力F時的示意圖，其中以實線繪示的部分為受到外力前的示意圖；虛線繪示的部分為受到外力後的示意圖。需要說明的是，本實施例的感測單元130裝置在機械手臂100的末端上，感測末端的力值，亦即操作者施加於機械手 臂100的外力F。控制單元140將來自感測單元130的力值轉換為機械手臂100的移動指令，使機械手臂100可以順應操作者所推動的力F來移動。同時，機械手臂100的移動路徑中會維持固定位置B不動，因此當機械手臂100應用於醫療手術過程中時，機械手臂100不但可以藉由簡單的外力推動來調整其位置，更可以維持操作端120進入患者的位置(亦即固定位置B)。簡而言之，本實施例的機械手臂100可以提供一個安全的操作方式，較佳為一種拖曳教導的操作方式，當機械手臂100被應用為微創手術中的持鏡手臂時，可以提供良好的手術輔助功能。
詳細而言，本實施例的機械手臂100可以考慮到例如是醫生的操作者使用時所面對的各種情況，搭配操作者的需求迅速移動到所需要的位置以及姿態，降低關節151~156的剛性、阻抗來減少機械手臂100的剛性，同時搭配感測單元130來感測操作者所需的位置及姿態，讓操作者可以拖著機械手臂100來移動。
本實施例的感測單元130配置於可以固定內視鏡的操作端120以及關節156之間，因此感測單元130或控制單元140還可以針對內視鏡所施加的重力進行校正，亦即針對位於操作端120的內視鏡的重量進行校正。控制單元140還可以進一步濾除環境干擾、機械手臂100本身的振動在感測訊號中形成的雜訊，之後再藉由例如是轉換矩陣來轉換感測單元130所提供的感測訊號，以產生可以控制關節151~156的控制訊號。
上述的訊號轉換例如是以小質量模型轉換感測單元130所提供的感測訊號，藉以產生機械手臂的移動路徑，而根據此移動路徑提供控制關節151~156的控制訊號。詳細而言，上述的小質量模型例如是把機械手 臂100末端視為質量很小的模型。當感測單元130感測到外力時，控制單元140會去計算合力方向並透過演算法行使欲求的軌跡位置，且演算過程中是藉由上述小質量模型的運動行為模式來計算。
本實施例的機械手臂100在決定操作端120的位置以及固定位置B的位置時，會以兩個空間集合的資料來描述。其中一個為空間座標資料，另一個為關節角度資料。關節角度資料是落在一個轉動角度的集合，較佳為關節151~156的轉動角度所形成的集合，本實施例的機械手臂100的操作端120以及固定位置B由多個角度值q i所決定，空間座標資料則是落在以笛卡爾座標系的座標所形成的集合。
詳細而言，本實施例的機械手臂100的位置以及姿態例如可以Denavit Hartenberg表示法表示，並將每個關節之間的連桿表示為一齊次轉換矩陣，並表示為：
Figure 107126565-A0101-12-0007-5
 其中
Figure 107126565-A0101-12-0007-6
包含了機械手臂100末端之位置與姿態，其對應到三個笛卡爾座標位置與三個互向垂直的向量值，因此可以簡化為：x=f( q )。上述的空間座標資料是x， q 包括多個上述關節角度資料的角度值q i ，上述兩個座標資料可以藉由上述的關係式由關節角度資料轉換為空間座標資料，所述轉換例如是非線性轉換或空間轉換，本發明不限於此。當固定位置B的空間座標資料以x表示時，固定位置B的座標為xb,fix，在機械手臂100進行上述的作動時會落在此轉換的零空間中，亦即在此零空間中的 q 值都符合：f( q )-x b,fix =0。 因此在機械手臂100移動的過程之中，固定位置B的位置都不會有所變化。
換句話說，本實施例的機械手臂100在執行來自感測單元130的感測訊號所算出的移動任務時，且移動任務的限制小於機械手臂100的自由度時，此時機械手臂100有冗餘自由度來執行額外的任務，例如在固定固定位置B時改變操作端120的姿態，且額外的任務落在上述的零空間中。此時，機械手臂100會藉由關節151~156的轉動來維持固定位置B的位置，同時改變整體機械手臂100的姿態，藉以同時完成操作者以拖曳教導方式施力來操作機械手臂100的指令。
然而，本發明所提出的機械手臂並不限於上述以六軸力規作為感測單元130的實施方式。圖3為本發明第二實施例的機械手臂的示意圖。機械手臂200包括基座210、關節251~256、操作端220以及控制單元240。本實施例不同於上述第一實施例的機械手臂100的地方在於，機械手臂200的感測單元230為一影像偵測單元，其用以取得操作者的影像，並自影像中取得操作者的位置資訊。此處所述操作者的位置資訊的取得例如是藉由感測單元230本身的處理器運算而得，亦可以是經由控制單元240的處理器運算而得，本發明不限於此。
請參照圖4，其中繪示了感測單元230所擷取影像的示意圖。請參照圖4，其中繪示了局部的機械手臂200以及操作者50。上述的感測單元230藉由影像取得操作者50的骨架位置，並量測操作者50的骨架位置與機械手臂200之間的距離D。本實施例的機械手臂200會設定一預設閥值，機械手臂200移動並避開操作者50的預設條件是當操作者50的骨架位置與機械手臂200之間的距離D小於閥值時，則機械手臂200開始避開操作者50，並在 移動的過程中維持工作區域E和關節256之間的固定位置C不變。
上述操作者50的骨架位置與機械手臂200之間的距離的取得例如可以是以關節251~256的其中之一的位置來和操作者50的骨架位置運算，亦可以是綜合判斷全部的關節251~256或甚至關節之間的連桿之間的位置來運算出多個機械手臂200和操作者50的骨架之間的距離，並在這些距離值的其中之一小於預設閥值時進行避開指令。簡而言之，本實施例是以避障的方式操縱機械手臂200，其藉由感測單元230所取得的影像來使機械手臂200可以避開四周鄰近的障礙物。
本實施例的機械手臂200在移動時類似上述關於機械手臂100的作動方式，藉由零空間的轉換來使機械手臂200在移動的過程中可以維持固定位置C不變。
綜上所述，由於本發明所提出的機械手臂可以根據操作者的施力或位置移動，同時在機械手臂的操作端到達一工作區域時維持一固定位置不變，因此可以以一種拖曳教導或避障的方式操縱機械手臂，同時可以以固定固定位置的方式移動，藉以提供一個更安全、更直覺以及便利的輔助操作效果。
A‧‧‧工作區域
B‧‧‧固定位置
F‧‧‧力
120‧‧‧操作端
130‧‧‧感測單元
154~156‧‧‧關節

Claims (10)

  1. 一種機械手臂，適於輔助一操作者，包括：一操作端；一基座，連接該操作端；一感測單元，根據該操作者的移動或該操作者所施加的外力提供一感測訊號；以及一控制單元，控制該機械手臂的動作並移動該操作端，當該操作端到達一工作區域時，該控制單元於該基座以及該操作端之間的機械手臂決定一固定位置；當該感測訊號到達一預設條件時，該機械手臂移動且維持該固定位置不動，以避開該基座與該固定位置之間的該操作者；其中該機械手臂的移動路徑是藉由小質量動態模型所產生。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的機械手臂，還包括：多個旋轉關節，連接於該操作端以及該基座之間；其中該固定位置位於該操作端以及鄰近該操作端之其中一該旋轉關節之間。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的機械手臂，其中該固定位置對應至一空間座標資料以及一關節角度資料，該關節角度資料的數值範圍落在對應至該些旋轉關節的角度所形成的第一集合，該空間座標資料的數值範圍落在一笛卡爾座標系的座標所形成的第二集合，該關節角度資料經由一轉換為該空間座標資料； 當該感測訊號到達該預設條件時，該控制單元提供一驅動資料來轉動該些旋轉關節，以使該機械手臂避開該操作者，且該驅動資料落在該第一集合，且該驅動資料落在該轉換的零空間中。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的機械手臂，其中該操作端包括一內視鏡固定元件，用以固定一內視鏡；當該操作端固定該內視鏡並經由一表皮切口到達一生物體體內時，該固定位置為該機械手臂上鄰近該表皮切口的位置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的機械手臂，其中該感測單元包括一六軸力規，配置於鄰近該操作端的位置，該六軸力規提供至少一外力訊號以及至少一力矩訊號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的機械手臂，其中該預設條件為該外力訊號以及該力矩訊號超過一預設閥值。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的機械手臂，其中該機械手臂避開該操作者的路徑由該外力訊號以及該力矩訊號產生。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的機械手臂，其中該感測單元包括一影像偵測單元，該感測訊號包括自該操作者的影像取得的位置資訊。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的機械手臂，其中該預設條件為該操作者的位置和該機械手臂之間的位置小於一預設閥值。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的機械手臂，其中該機械手臂避開該操作者的路徑由該操作者的影像滿足該預設條件後該操作者的移動路徑決定。
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