用于手術(shù)機(jī)器人的主控裝置及其控制方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)要求于2014年2月18日提交到韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局（KIPO)的第 10-2014-0018505號(hào)韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，所述韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用被包 含于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開(kāi)的一些示例實(shí)施例總體上可涉及可通過(guò)引導(dǎo)操作員的手部運(yùn)動(dòng)而使機(jī)器 人手術(shù)器械產(chǎn)生平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)的用于手術(shù)機(jī)器人的主控裝置。本公開(kāi)的一些示例性實(shí)施例總 體上可涉及用于手術(shù)機(jī)器人的主控裝置的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 通常，微創(chuàng)手術(shù)是指使患部的尺寸最小化的手術(shù)。與通過(guò)在人體的部位（腹部） 執(zhí)行大的切口窗的剖腹手術(shù)不同，在微創(chuàng)手術(shù)中，在腹部可形成具有尺寸為〇. 5cm至I. 5cm 的至少一個(gè)切口（創(chuàng)口），攝像機(jī)和各種器械可通過(guò)切口放入到腹部中，然后可在觀看圖像 的同時(shí)進(jìn)行手術(shù)。
[0004] 與剖腹手術(shù)不同，這種微創(chuàng)手術(shù)可在手術(shù)之后引起小的疼痛，可允許腸道流動(dòng)早 日恢復(fù)，可允許早日進(jìn)食，可最小化住院治療時(shí)間并加速恢復(fù)至正常狀態(tài)，和/或可減小切 口范圍以提高美容效果。由于這些優(yōu)勢(shì)，微創(chuàng)手術(shù)已經(jīng)用于膽囊切除術(shù)、前列腺切除術(shù)和疝 修補(bǔ)，并且微創(chuàng)手術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)增加。
[0005] 在微創(chuàng)手術(shù)中使用的手術(shù)機(jī)器人可包括主控控制臺(tái)和從屬機(jī)器人（也稱(chēng)為從屬 裝置）。主控控制臺(tái)可根據(jù)操作員（例如，醫(yī)生）的操作產(chǎn)生控制信號(hào)，和/或可將控制信 號(hào)發(fā)送至從屬機(jī)器人。從屬機(jī)器人可根據(jù)從主控控制臺(tái)接收的控制信號(hào)進(jìn)行操作。利用主 控控制臺(tái)，即使從屬機(jī)器人可位于遠(yuǎn)離主控控制臺(tái)的位置，操作員也可操作從屬機(jī)器人。操 作員可位于相同的房間中、不同的房間中或不同的設(shè)施（facility)中（可能位于另一國(guó) 家）。
[0006] 從屬機(jī)器人可設(shè)置有至少一個(gè)機(jī)器人臂（robot arm)，機(jī)器人手術(shù)器械可安裝在 每個(gè)機(jī)器人臂的前端處。機(jī)器人手術(shù)器械可通過(guò)切口點(diǎn)插入到病人的身體中。另一方面， 至少一個(gè)機(jī)器人臂可位于切口點(diǎn)的外部，并且可在手術(shù)期間用于保持該位置和/或機(jī)器人 手術(shù)器械的姿勢(shì)。
[0007] 手術(shù)機(jī)器人和相關(guān)的系統(tǒng)提供許多其他的優(yōu)點(diǎn)，諸如，潛在地提高的精度，更好地 監(jiān)測(cè)病人的能力，記錄手術(shù)過(guò)程用于培訓(xùn)、資格認(rèn)定和/或證據(jù)的目的的能力。
[0008] 雖然一些示例性實(shí)施例將被描述為與手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)有關(guān)，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員 將理解，這些示例性實(shí)施例可應(yīng)用于其他類(lèi)型的系統(tǒng)，諸如，未在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用的遠(yuǎn)程操 作系統(tǒng)（例如，航空航天遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)、用于處理危險(xiǎn)物品的機(jī)器人、巡邏機(jī)器人、軍用機(jī) 器人）或者更通用的控制系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] -些示例性實(shí)施例可提供用于手術(shù)機(jī)器人的主控裝置，所述用于手術(shù)機(jī)器人的主 控裝置可通過(guò)引導(dǎo)操作員的手部運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生機(jī)器人手術(shù)器械的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。一些示例性實(shí)施 例可提供用于手術(shù)機(jī)器人的主控裝置的控制方法，所述方法可通過(guò)引導(dǎo)操作員的手部運(yùn)動(dòng) 而產(chǎn)生機(jī)器人手術(shù)器械的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。
[0010] 在一些示例性實(shí)施例中，一種用于手術(shù)機(jī)器人的主控裝置可包括：手柄單元，手柄 單元中的每個(gè)手柄單元包括至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指，所述至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指 被配置為控制從屬裝置的機(jī)器人臂上的機(jī)器人手術(shù)器械；和/或微動(dòng)產(chǎn)生單元，被配置為 產(chǎn)生控制信號(hào)，以控制所述至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指的端部沿著虛擬軌跡運(yùn)動(dòng)。
[0011] 在一些示例性實(shí)施例中，所述主控裝置還可包括：虛擬軌跡產(chǎn)生單元。當(dāng)接收到關(guān) 于機(jī)器人手術(shù)器械的類(lèi)型的信息時(shí)，虛擬軌跡產(chǎn)生單元被配置為從預(yù)先存儲(chǔ)的虛擬軌跡中 搜索與接收的機(jī)器人手術(shù)器械的類(lèi)型相對(duì)應(yīng)的虛擬軌跡。
[0012] 在一些示例性實(shí)施例中，當(dāng)接收到關(guān)于操作員的信息和關(guān)于手術(shù)過(guò)程的信息中的 至少一個(gè)信息時(shí)，虛擬軌跡產(chǎn)生單元可被配置為基于所述至少一個(gè)接收的信息根據(jù)搜索的 虛擬軌跡產(chǎn)生新的虛擬軌跡。
[0013] 在一些示例性實(shí)施例中，所述微動(dòng)產(chǎn)生單元還可被配置為產(chǎn)生控制信號(hào)，以控制 所述至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指的端部沿著所述新的虛擬軌跡運(yùn)動(dòng)。
[0014] 在一些示例性實(shí)施例中，所述主控裝置還可包括：手腕支撐單元，位于與操作員的 手腕相對(duì)應(yīng)的位置，所述手腕支撐單元被配置為使手柄單元圍繞X軸、y軸和z軸中的至少 一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)；和/或連桿單元，可操作地連接到手腕支撐單元，并被配置為執(zhí)行手腕支撐單 元的平移運(yùn)動(dòng)。
[0015] 在一些示例性實(shí)施例中，所述主控裝置還可包括：宏動(dòng)產(chǎn)生單元，被配置為基于手 腕支撐單元的旋轉(zhuǎn)信息產(chǎn)生控制信號(hào)，以控制機(jī)器人手術(shù)器械的姿勢(shì)，和/或被配置為基 于手腕支撐單元的位置信息產(chǎn)生控制信號(hào)，以控制機(jī)器人手術(shù)器械的位置。
[0016] 在一些示例性實(shí)施例中，所述主控裝置還可包括：運(yùn)動(dòng)融合單元，被配置為通過(guò)由 微動(dòng)產(chǎn)生單元產(chǎn)生的控制信號(hào)和由宏動(dòng)產(chǎn)生單元產(chǎn)生的控制信號(hào)之間的融合而產(chǎn)生最終 的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，以控制機(jī)器人手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)。
[0017] 在一些示例性實(shí)施例中，所述運(yùn)動(dòng)融合單元還可被配置為向由微動(dòng)產(chǎn)生單元產(chǎn)生 的控制信號(hào)和由宏動(dòng)產(chǎn)生單元產(chǎn)生的控制信號(hào)應(yīng)用權(quán)重。
[0018] 在一些示例性實(shí)施例中，所述連桿單元中的每個(gè)連桿單元可包括：第一連桿，手腕 支撐單元中的每個(gè)手腕支撐單元設(shè)置在第一連桿上；第二連桿，可操作地連接到第一連桿 的第一端部；第三連桿，可操作地連接到第二連桿的第一端部；和/或第四連桿，可操作地 連接到第三連桿的第一端部和第一連桿的第二端部。第一連桿、第二連桿、第三連桿和第四 連桿被構(gòu)造為形成平行四邊形結(jié)構(gòu)。
[0019] 在一些示例性實(shí)施例中，所述連桿單元中的每個(gè)連桿單元還可包括：第一滑輪，設(shè) 置在第一連桿的一側(cè)處；第二滑輪，設(shè)置在第一連桿與第四連桿結(jié)合的第一旋轉(zhuǎn)軸上；第 三滑輪，設(shè)置在第三連桿與第四連桿結(jié)合的第二旋轉(zhuǎn)軸上；第一線纜，纏繞在第一滑輪的第 一槽、第二滑輪的第一槽和第三滑輪的第一槽上；和/或第二線纜，纏繞在第一滑輪的第二 槽、第二滑輪的第二槽和第三滑輪的第二槽上。
[0020] 在一些示例性實(shí)施例中，第一線纜的第一端可固定到第一滑輪的第一槽中的線纜 固定部。第一線纜可沿著第一方向纏繞在第二滑輪的第一槽上。第一線纜的第二端可固定 到第三滑輪的第一槽中的線纜固定部。第二線纜的第一端可固定到第一滑輪的第二槽中的 線纜固定部。第二線纜可沿著第二方向纏繞在第二滑輪的第二槽上。第二線纜的第二端可 固定到第三滑輪的第二槽中的線纜固定部。
[0021] 在一些示例性實(shí)施例中，連桿單元還可被配置為對(duì)第一線纜的長(zhǎng)度和第二線纜的 長(zhǎng)度根據(jù)第一連桿、第二連桿、第三連桿和第四連桿的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生的變化進(jìn)行補(bǔ)償，以保持 手腕支撐單元的姿勢(shì)。
[0022] 在一些示例性實(shí)施例中，當(dāng)所述至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指的端部的當(dāng)前位置偏 離虛擬軌跡時(shí)，微動(dòng)產(chǎn)生單元可被配置為：檢測(cè)虛擬軌跡上的與當(dāng)前位置具有最短距離的 點(diǎn)；調(diào)節(jié)沿著連接檢測(cè)的點(diǎn)與當(dāng)前位置的垂直方向施加的力的強(qiáng)度；和/或調(diào)節(jié)沿著檢測(cè) 的點(diǎn)的切線方向施加的力的強(qiáng)度。
[0023] 在一些示例性實(shí)施例中，提供一種用于手術(shù)機(jī)器人的主控裝置的控制方法，所述 用于手術(shù)機(jī)器人的主控裝置具有手柄單元，手柄單元中的每個(gè)手柄單元包括至少一個(gè)多關(guān) 節(jié)機(jī)器人手指，所述至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指被配置為控制從屬裝置的機(jī)器人臂上的機(jī) 器人手術(shù)器械，所述控制方法可包括：產(chǎn)生所述至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指的端部的虛擬 軌跡；產(chǎn)生控制信號(hào)，以控制所述至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指的端部沿著虛擬軌跡運(yùn)動(dòng)； 和/或根據(jù)產(chǎn)生的控制信號(hào)控制所述至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指的運(yùn)動(dòng)。
[0024] 在一些示例性實(shí)施例中，產(chǎn)生虛擬軌跡的步驟可包括：當(dāng)接收到關(guān)于機(jī)器人手術(shù) 器械的類(lèi)型的信息時(shí)，從預(yù)先存儲(chǔ)的虛擬軌跡中搜索與接收的機(jī)器人手術(shù)器械的類(lèi)型相對(duì) 應(yīng)的虛擬軌跡；和/或當(dāng)接收關(guān)于操作員的信息和關(guān)于手術(shù)過(guò)程的信息中的至少一個(gè)信息 時(shí)，基于所述至少一個(gè)接收的信息根據(jù)搜索的虛擬軌跡產(chǎn)生新的虛擬軌跡。
[0025] 在一些示例性實(shí)施例中，所述控制方法還可包括：基于設(shè)置在與操作員的手腕相 對(duì)應(yīng)的位置處的手腕支撐單元的旋轉(zhuǎn)信息產(chǎn)生控制信號(hào)，以控制機(jī)器人手術(shù)器械的姿勢(shì)， 并使手柄單元沿著指定的軸的方向旋轉(zhuǎn)；和/或基于手腕支撐單元的位置信息產(chǎn)生控制信 號(hào)，以控制機(jī)器人手術(shù)器械的位置。
[0026] 在一些示例性實(shí)施例中，產(chǎn)生控制信號(hào)的步驟可包括：當(dāng)所述至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī) 器人手指的端部的當(dāng)前位置偏離虛擬軌跡時(shí)：檢測(cè)虛擬軌跡上的與當(dāng)前位置具有最短距離 的點(diǎn)；和/或調(diào)節(jié)沿著連接檢測(cè)的點(diǎn)與當(dāng)前位置的垂直方向施加的力的強(qiáng)度，并且調(diào)節(jié)沿 著檢測(cè)的點(diǎn)的切線方向施加的力的強(qiáng)度。
[0027] 在一些示例性實(shí)施例中，一種用于手術(shù)機(jī)器人的主控裝置可包括：第一單元，包括 從屬裝置的機(jī)器人臂上的至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指；和/或第二單元，被配置為產(chǎn)生第 一控制信號(hào)，以控制所述至少一個(gè)多關(guān)節(jié)機(jī)器人手指沿著虛擬軌跡運(yùn)動(dòng)。
[0028] 在一些示例性實(shí)施例中，所述主控裝置還可包括：與操作員的手腕相對(duì)應(yīng)的第三 單元。第三單元可被配置為使第一單元圍繞X軸、y軸和z軸中的至少一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。
[0029] 在一些示例性實(shí)施例中，所述主控裝置還可包括：第四單元，被配置為基于第三單 元的旋轉(zhuǎn)信息產(chǎn)生第二控制信號(hào)，以控制機(jī)器人臂。
[0030] 在一些示例性實(shí)施例中，所述主控裝置還可包括：第五單元，被配置為基于第一控 制信號(hào)和第二控制信號(hào)產(chǎn)生第三控制信號(hào)，以控制機(jī)器人臂。
[0031] 在一些示例性實(shí)施例中，所述主控裝置還可包括：第四單元，被配置為基于第三單 元的位置信息產(chǎn)生第二控制信號(hào)，以控制機(jī)器人臂。
[0032] 在一些示例性實(shí)施例中，所述主控裝置還可包括：第五單元，被配置為基于第一控 制信號(hào)和第二控制信號(hào)產(chǎn)生第三控制信號(hào)，以控制機(jī)器人臂。
[0033] 在一些示例性實(shí)施例中，所述主控裝置還可包括：第四單元，被配置為基于第三單 元的旋轉(zhuǎn)信息和位置信息產(chǎn)生第二控制信號(hào)，以控制機(jī)器人臂。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 通過(guò)下面結(jié)合附圖對(duì)示例實(shí)施例進(jìn)行的詳細(xì)描述，上述和/或其它方面以及優(yōu)點(diǎn) 將變得更加清楚并且更容易理解，在附圖中：
[0035] 圖1是示例性地示出手術(shù)機(jī)器人的主控控制臺(tái)的外觀的透視圖；
[0036] 圖2是示例性地示出手術(shù)機(jī)器人的從屬機(jī)器人的外觀的透視圖；
[0037] 圖3是示例性地示出機(jī)器人手術(shù)器械延伸通過(guò)引導(dǎo)管的視圖；
[0038] 圖4是示例性地示出設(shè)置在主控控制臺(tái)上的兩個(gè)主控裝置中的與操作員的右手 相對(duì)應(yīng)的主控裝置的外觀的視圖；
[0039] 圖5是主控裝置的側(cè)視圖；
[0040] 圖6A、圖6B和圖6C是主控裝置