专利名称：手术机器人系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种手术机器人系统及其控制方法。
背景技术：
医学上的手术是指使用医疗器械对皮肤 、粘膜或其它组织进行切开、切割或进行操作而治愈病的行为。特别是，切开手术部位皮肤而对其内部器官等进行治疗、整形或切除的剖腹手术等，由于出血、副作用、患者痛苦、疤痕等问题，最近使用机器人(robot)的手术备受欢迎。这种手术机器人具备用于进行手术操作的机器臂，在机器臂的前端部安装有手术器械(instrument)，手术器械根据由机器人生成、传递的驱动カ而执行手术所需动作。一般安装在机器人上的手术器械包括轴，向长度方向延伸；执行器，与轴的末端结合；以及驱动单元，与轴的前端结合，并且用于驱动执行器。在驱动单元上设有多个驱动轮，各驱动轮通过钢丝等与执行器的各部分连接，当驱动轮旋转时，执行器与其相应地执行手术所需的各种动作。将手术器械安装在机器人上吋，驱动单元与机器臂上具有的致动器结合，而且设置在驱动单元上的各驱动轮接收来自致动器的驱动カ进行旋转，由此通过机器人控制手术器械。在以往的‘机器人-手术器械’的安装结构中，设置有与手术器械的运转自由度相应数量的驱动轮，并且与驱动轮数量相应地，致动器中也具备相同数量的运转轮。最近,随着单通道手术(single port surgery)等新手术技术的出现,有必要追加手术器械运转自由度，但是以往的机器人-手术器械驱动机制而言，如果追加手术器械的运转自由度，则与其相应地需要追加驱动轮及运转轮个数，因此存在不仅要变更手术器械的设计还要变更手术机器人自身设计的问题。例如，以往安装有以四自由度运转的手术器械的手术机器人系统而言，在机器人上安装设置有四个驱动轮的手术器械，并且与其相应的在机器人的致动器中也要具备四个运转轮，但是如果想要使手术器械以五自由度运转时，可能发生以往的手术器械不能使用的情況，从而需要重新制作设置有五个驱动轮的手术器械，并且与其相应地在手术机器人的致动器中也要具备五个运转轮。上述背景技术是发明人为了导出本发明而所掌握或在导出本发明的过程中所学到的技术信息，并不一定是本发明申请之前就被一般公众公开的公知技木。
发明内容
技术课题本发明提供一种手术机器人系统及其控制方法，即使追加手术器械的运转自由度，也不必变更手术器械的驱动单元结构及手术机器人的致动器结构。技术解决方法
根据本发明的ー实施方式，提供一种手术机器人系统，其安装有手术器械，该手术机器人系统包括第一驱动单元，用于中介手术器械与机器人之间的结合，并且具有η个(η是自然数)基本驱动子，从而使手术器械以规定运转状态为操作原点以η自由度运转；第ニ驱动单元，与手术器械结合，并且具有m个(m是自然数)附加驱动子，从而使手术器械以n+m自由度运转；传感单元，检测第二驱动单元的有关驱动程度的信息并输出传感信号；控制器，接收传感信号并修改对应于操作原点的值，而且输出用于驱动第一驱动单元的控制信号。第一驱动单元与手术器械的前端部结合，基本驱动子可以以设置在第一驱动单元的与机器人对置的面上的ー个以上驱动轮实现。附加驱动子可以由使用者手动操作，或者接收来自単独的驱动装置的驱动カ进行操作。m为1，手术器械的轴构成为能够以其长度方向的轴线为中心旋转的结构，轴可以通过使用者对附加驱动子的操作而执行旋转动作。此时，轴的旋转动作也可以通过基本驱 动子的运转而执行。m为1，手术器械的轴包括外部轴，向其长度方向之外的方向弯曲(bending)，并且能够以其长度方向的轴线为中心旋转；内部轴，收容在外部轴内，并且在外部轴内能够以其延伸方向为中心旋转；外部轴可以通过操作者对附加驱动子的操作而执行旋转动作。此时，外部轴的旋转动作也可以通过基本驱动子的运转而执行。m为1，手术器械的轴构成为能够以其长度方向的轴线为中心旋转并且能够向其长度方向之外的方向弯曲的结构，轴可以通过操作者对附加驱动子的操作而执行弯曲动作。此时，轴的弯曲动作也可以通过基本驱动子的运转而执行。m为2，手术器械的轴包括外部轴，能够以其长度方向的轴线为中心旋转；内部轴，收容在外部轴内，并且在外部轴内能够以其延伸方向为中心旋转；轴构成为能够向其长度方向之外的方向弯曲的结构，外部轴可以通过操作者操作附加驱动子中的ー个而执行旋转动作，轴可以通过操作者操作附加驱动子中的另ー个而执行弯曲动作。此时，外部轴的旋转动作及轴的弯曲动作中的一个也可以通过基本驱动子的运转而执行。m为2，手术器械的轴包括第一轴部；第二轴部；以及介于第一轴部与第二轴部之间的肘部；第一轴部及第二轴部构成为分别能够以其长度方向的轴线为中心旋转的结构，第二轴部构成为以肘部为中心相对于第一轴部可弯曲的结构，第一轴部可以通过使用者操作附加驱动子中的一个而执行旋转动作，第一轴部与第二轴部之间的弯曲动作可以通过操作者操作附加驱动子中的另ー个而执行。此时，第一轴部的旋转动作及第一轴部与第二轴部之间的弯曲动作中的一个也可以通过基本驱动子的运转而执行。有关驱动程度的信息可以包括第二驱动单元的驱动程度、第二驱动单元的操作程度、第二驱动单元的驱动引起的手术器械的运转程度等。控制器可以修改操作原点所对应的值，以便使手术器械通过第二驱动单元的驱动而运转的状态成为操作原点，并输出用于驱动第一驱动单元的控制信号，从而使手术器械以修改的操作原点为基准以η自由度运转。另外，根据本发明的另ー实施方式，提供一种手术机器人系统的控制方法，该方法用于控制手术机器人系统，该手术机器人系统包括第一驱动单元，用于中介手术器械与安装手术器械的手术机器人之间的结合，并且使手术器械以规定运转状态为操作原点以η自由度运转；第二驱 动单元，与手术器械結合，并且使手术器械以n+m自由度运转；该手术机器人系统的控制方法包括如下步骤检测第二驱动单元的有关驱动程度的信息并输出传感信号的步骤；接收传感信号并修改操作原点所对应的值的步骤；以及输出用于驱动第一驱动单元的控制信号的步骤，该第一驱动单元使手术器械以修改的操作原点为基准以η自由度运转。m为1，手术器械的轴构成为能够以其长度方向的轴线为中心旋转的结构，传感信号输出步骤可以包括检测轴的旋转程度的步骤。m为1，手术器械的轴包括外部轴，向其长度方向之外的方向弯曲，并且能够以其长度方向的轴线为中心旋转；内部轴，收容在外部轴内，并且在外部轴内能够以其延伸方向为中心旋转；传感信号输出步骤可以包括检测外部轴的旋转程度的步骤。m为1，手术器械的轴构成为能够以其长度方向的轴线为中心旋转并且向其长度方向之外的方向可弯曲的结构，传感信号输出步骤可以包括检测轴的弯曲程度的步骤。m为2，手术器械的轴包括外部轴，能够以其长度方向的轴线为中心旋转；内部轴，收容在外部轴内，并且在外部轴内能够以其延伸方向为中心旋转；轴构成为能够向其长度方向之外的方向弯曲的结构，传感信号输出步骤可以包括检测外部轴的旋转程度及轴的弯曲程度的步骤。m为2，手术器械的轴包括第一轴部、第二轴部以及介于第一轴部与第二轴部之间的肘部；第一轴部及第二轴部构成为分别能够以其长度方向的轴线为中心旋转的结构，第二轴部构成为能够以肘部为中心相对于第一轴部弯曲的结构，传感信号输出步骤可以包括检测第一轴部的旋转程度及第一轴部与第二轴部之间的弯曲程度的步骤。传感信号输出步骤可以包括如下步骤，检测第二驱动单元的驱动程度、第二驱动単元的操作程度、手术器械随着第二驱动单元的驱动而运转的程度的步骤。除上述之外的其它实施方式、特点和优点，可以通过下面的附图、保护范围以及发明的详细内容明确。有益效果根据本发明的优选实施例，需要追加手术器械的运转自由度时，不必变更现有的驱动单元，而增设负责追加自由度的专用驱动单元，因此不必变更现有手术机器人及手术器械的结构。而且，増加用于检测在机器人系统上追加的驱动单元的运转程度的传感单元，并检测手术器械通过增加的驱动单元而运转的状态，且以它为基础控制手术器械的运转，因此，即使手术器械的运转自由度増加，也能够利用现有的机器人-手术器械的安装结构控制手术机器人及手术器械。
图I是示出本发明的实施例涉及的手术机器人系统的概念图。图2是示出本发明的实施例涉及的第一驱动单元的结构示意图。图3至图8是示出本发明的实施例涉及的手术器械及其运转结构的示意图。图9是示出本发明的实施例涉及的手术机器人系统的控制方法的顺序图。
具体实施方式
本发明可以进行各种改进、具有各种实施例，附图中示出具体的实施例并进行详细说明。然而，这并不意味着将本发明限定在具体的实施方式，应该理解为，包括属于本发明的精神及技术范围的所有改进、等同物和替换。当判断出与本发明相关的公知技术的详细描述使本发明的主g模糊时，将省略该详细描述。
可以使用诸如“第一”和“第二”等术语来描述各种构成要素，但是所述构成要素不受所述术语限制。所述术语仅用于将ー个构成要素与另ー构成要素区分开来。本申请中使用的术语仅用于说明具体的实施例，并不意在限制本发明。单数表示包括复数表示，只要可以清晰地区别理解。在本申请中，诸如“包括”和“具有”等术语意在表示说明书上记载的特征、序号、步骤、动作、构成要素、组件或其组合，因此应该理解，并不排除存在或増加ー个或多个不同的特征、编号、步骤、动作、构成要素、组件或其组合的可能性。下面，參照附图详细说明本发明的实施例，在參照附图进行说明的过程中，相同或相对应的构成要素赋予了相同的附图标记，省略对其的重复说明。图I是示出本发明的实施例涉及的手术机器人系统的概念图，图2是示出本发明的实施例涉及的第一驱动单元结构的示意图。參照图I及图2，示出了机器人I、控制器3、致动器5、运转轮7、手术器械9、轴10、执行器12、第一驱动单元20、基本驱动子22、第二驱动单元30、附加驱动子32、传感单元40。在本实施例中，其特征在于，使安装在手术机器人上的手术器械的驱动单元与现有技术中的自由度相同的自由度(基本自由度，例如四自由度)运转，需要追加运转自由度时，追加专用驱动单元。通过驱动追加的专用驱动单元而使手术器械运转时，手术机器人检测根据该追加的自由度的运转，并且以该运转状态为基础控制手术器械，以使手术器械以基本自由度运转。本实施例涉及的手术机器人系统由手术机器人I和安装在机器人I上的手术器械9构成。手术机器人I具备用于生成、传递驱动カ的致动器5，通过将手术器械9安装在手术机器人I上，手术器械9的驱动单元(第一驱动单元20)与致动器5匹配，从而从致动器5接收驱动カ而运转。即，本实施例涉及的第一驱动单元20是使手术器械9接收来自机器人I的驱动カ的、在手术器械9与机器人I之间中介动カ传递关系的构成要素。本实施例涉及的第一驱动单元20以使手术器械9以η自由度运转的方式传递驱动力，在此，η自由度可相当于上述基本自由度。例如，在手术器械9的末端作为执行器12结合有夹具(gripper)的情况，夹具可以进行如下动作，一对夹爪(jaw)各自的夹住动作(ニ自由度)，整个夹具的倾斜(tilting)( —自由度)及夹具的旋转(一自由度)。因此，可以以四自由度作为基本自由度进行运转。手术器械9以初始状态或基准状态作为基准运转，例如可以将手术器械9安装在机器人I上而第一驱动单元20匹配在致动器5上的状态作为基准状态。从这种基准状态，第一驱动单元20接收来自致动器5的驱动カ而驱动，从而使手术器械9进行规定状态的运转。在此，这种基准状态称为“操作原点”而进行说明。操作原点可以包括手术器械9安装在机器人I上的初始状态，由于本实施例涉及的手术机器人I可以存储手术器械9处于初始状态时的有关致动器5状态的信息，所以也可以存储有关手术器械9的操作原点的信息。例如，手术器械9初期以第一状态设定的情况下，可以将第一状态作为操作原点存储，之后驱动机器人I而手术器械9运转为第二状态时，由于手术机器人I能够得知其驱动程度，所以能够导出有关第二状态的信息。如果使手术器械9以第二状态为基准状态重 新运转时，可以修改有关操作原点的信息使第二状态成为操作原点。为了使手术器械9以η自由度运转，可以在第一驱动单元20上设置η个基本驱动子22。即，可以具有与手术器械运转自由度相应数量的驱动子，从而随着各驱动子的运动使与其连接的各部分进行运动。本实施例涉及的基本驱动子22可以以驱动轮形式构成。例如，当本实施例涉及的第一驱动单元20在其前端部结合有手术器械9以便中介机器人I与手术器械9之间的动カ传递关系时，可以在第一驱动单元20的与机器人I对置的面上(作为基本驱动子22)设置多个驱动轮。各驱动轮可以通过滑轮线与执行器12的各部分连接，并且随着各驱动轮的旋转使与其连接的执行器12的各部分运动，从而执行手术所需动作。在此“前端(proximal end) ”表示轴开始部分的端部,“末端(distal end) ”表示轴结束部分的端部，所以前端与末端相当于轴的相反侧的各端部。基本驱动子22以驱动轮形式构成吋，与其相应地，在致动器5上可具有与各驱动轮匹配的多个运转轮7。即，手术机器人I控制各运转轮7以便旋转所需程度，与运转轮7匹配的驱动轮随之旋转，而且与各驱动轮连接的执行器12的各部分随之运动。本实施例涉及的手术机器人系统，其特征在于，除了设置有使手术器械9以基本自由度(例如η自由度)运转的驱动单元(第一驱动单元20)之外，还设置有使手术器械9以追加的自由度(例如m自由度)运转的驱动单元(第二驱动单元30)。由于追加了第ニ驱动单元30，所以本实施例涉及的手术器械9也可以以除基本自由度以外的追加的自由度(例如n+m自由度)运转。第二驱动单元30可以与第一驱动单元20相同地与手术器械結合，例如，除了使手术器械9以基本自由度运转之外，为了使其轴10旋转或弯曲，还可以在手术器械轴10的前端部设置旋转用操作手柄及/或弯曲用操作手柄，此时，旋转用操作手柄及/或弯曲用操作手柄可相当于第二驱动单元30。为了使手术器械9以m自由度进行追加运转，可以在第二驱动单元30上设置m个附加驱动子32。即，可以具有与手术器械9进行追加运转的自由度(追加的自由度)相应数量的驱动子，从而随着各驱动子的运动使与其连接的各部分进行追加运转。本实施例涉及的第二驱动单元30及其具备的附加驱动子32是为了使手术器械除了以基本自由度运转之外进行追加运转而设置的，附加驱动子32可以制作成由使用者直接手动操作的形式。如上述例，为了使手术器械9以基本自由度运转而在第一驱动单元20上设置多个驱动轮(基本驱动子22)，且为了使手术器械的轴10进ー步弯曲而还设置弯曲用操作手柄(附加驱动子32)吋，多个驱动轮可以与手术机器人I结合并接收来自机器人I的驱动カ而运转，而弯曲用操作手柄可以由使用者手动操作。操作手柄也可以接收来自机器人I的驱动カ而运转。此时，不仅要变更手术器械与机器臂结合的接ロ部分的结构，还要变更机器人(具体是致动器5)结构。但是，本实施例涉及的附加驱动子32并不一定必须以手动操作用构成，也可以适用于通过手术机器人运转的方式、通过单独的驱动装置(例如単独的电机包)运转的方式等。如上所述，本实施例的特征在于增设第二驱动单元30并通过手动(或手术机器人或単独的驱动装置等)操作第二驱动单元30，通过操 作第二驱动单元30，手术器械9随之运转。即，变更手术器械9的运转状态。手术器械9运转状态的变更，导致用于使手术器械以基本自由度运转的基准状态(上述操作原点)发生变更。例如，驱动第一驱动单元20使执行器12以基本自由度执行手术所需动作之后，驱动第二驱动单元30使轴10弯曲30度左右吋，由于需要以基本自由度运转的执行器12的位置及方向发生了变更，所以可能需要修改执行器12运转的操作原点。为此，本实施例涉及的手术机器人系统可以包括传感单元40，该传感単元40检测手术器械9通过第二驱动单元30的驱动而以追加自由度运转的程度，并提供用于修改手术器械9操作原点的数据。下面，说明传感单元40的结构及功能。本实施例涉及的传感单元40起到检测有关第二驱动单元30驱动程度的信息并输出传感信号的作用。为此，传感単元40可以由传感器和有/无线通信单元构成，该传感器与第二驱动单元30结合，该有/无线通信単元(电线、光缆、无线通信模块、光通信模块等)将来自传感器的信号传送给机器人系统。或者，也可以将传感单元40构成为，将传感器设置在机器人I侧从而使传感器检测第二驱动单元30的驱动程度而输出传感信号。或者，可以将传感单元40构成为，也可以使単独的传感器检测第二驱动单元30的驱动程度而生成传感信号，且利用有/无线通信单元连接传感器与机器人系统，从而将传感信号传送给机器人系统。除此之外，本实施例涉及的传感单元40可以以能够检测有关第二驱动单元30驱动程度的信息并传送给机器人系统的多种结构实现。作为第二驱动单元30的‘有关驱动程度的信息’，本实施例涉及的传感单元40可以检测第二驱动单元30的驱动程度。例如，作为第二驱动单元30设置轴弯曲用操作手柄，为了将轴10弯曲30度而旋转(驱动)操作手柄Icm时，有关驱动程度的信息可以是操作手柄的旋转程度、即1cm。另外，作为有关驱动程度的信息，可以使传感单元40检测第二驱动单元30的操作程度。如上述例，当手动操作第二驱动单元30时，第二驱动单元30的操作程度可以是与第ニ驱动单元30的驱动程度相同的值。但是，使用手术机器人或単独具备的动力装置操作第ニ驱动单元30时，第二驱动单元30的操作程度也可以是与第二驱动单元30的驱动程度不同的值。此时，传感単元40也可以检测第二驱动单元30的操作程度。另外，作为有关驱动程度的信息，传感单元40也可以检测手术器械9随着第二驱动单元30的驱动而运转的程度。例如，作为第二驱动单元30设置轴弯曲用操作手柄，并旋转操作手柄Icm使轴10弯曲30度时，有关驱动程度的信息可以是手术器械9运转的程度、即30度。
这样的，为了获得用于修改操作原点的数据，作为本实施例涉及的传感单元40可以使用对应检测对象信息的多种传感器，该传感器可以检测根据第二驱动单元30的有关手术器械运转状态的多种信息。另外，由传感单元40检测的信息，可以使用在掌握手术器械9根据第二驱动单元30而进行运转的状态。例如，检测到第二驱动单元30的操作程度时，由于第二驱动单元30的操作与根据该操作的手术器械9的运转具有规定的函数关系，因此可以利用该检测结果导出手术器械9的运转程度。检测到第二驱动单元30的驱动程度时也相同。而且，检测到手术器械9通过第二驱动单元30的驱动而运转的程度时，可以根据检测结果直接导出手术器械9的运转程度。基于这样导出的手术器械9根据第二驱动单元30而运转的程度，可以使手术器械9重新以基本自由度运转。下面，说明负责该功能的控制器。本实施例涉及的控制器3是在机器人系统中起到控制手术器械9运转的作用的构 成要素。所以，控制器3接收从传感单元40输出的传感信号，并掌握手术器械9根据第二驱动单元30而运转的状态之后，以该运转状态为基础，控制手术器械9重新以基本自由度运转。S卩，控制器3使用传感信号进行设定使导出的手术器械9 (根据第二驱动单元30)的运转状态重新变成用于手术器械9 (根据第一驱动单元20)运转的初始状态，为此，可以使用手术器械9通过第二驱动单元30的驱动而进行的最终运转状态的信息修改操作原点。有关操作原点的信息被修改后，手术器械9可以以被修改的操作原点为基准重新以基本自由度运转，为此，控制器3控制机器人系统，以便驱动第一驱动单元20使手术器械9以基本自由度运转。图3至图7是示出本发明的实施例涉及的手术器械及其运转结构的示意图。參照图3至图7，示出了手术器械9、轴10、肘部11、执行器12、第一驱动单元20、基本驱动子22、第二驱动单元30、附加驱动子32a、32b、32c、传感单元40。图3是示出在手术器械9上设置ー个附加驱动子32a时本实施例涉及的手术机器人系统运转结构的示意图。由于设置有一个附加驱动子32a，所以手术器械9的追加自由度m为I ο例如，手术器械9的轴10制作成能够以其长度方向的轴线为中心旋转，并且轴10通过操作一个附加驱动子32a实现旋转时，轴10的旋转属于手术器械9以追加自由度进行的运转。S卩，图3所示的手术器械9是以四自由度(轴旋转(图3的‘R’)、执行器的手腕动作、一对夹爪各自的运动)运转的手术器械，机器臂(第一驱动单元)负责三自由度，第ニ驱动单元负责剩余一自由度(例如，轴的旋转)的运转。另外，手术器械的四自由度并不限定于上述例，四自由度也可以以例如‘轴旋转、手腕上下动作、手腕左右动作、夹爪动作’这样的多种方式实现。因此，通过驱动第一驱动单元20使手术器械9运转之后，使用者操作第二驱动单元30 (附加驱动子32a)使手术器械轴10旋转规定角度吋，传感单元40掌握轴10的旋转程度，而且控制器3以轴10旋转的状态作为操作原点，并控制手术器械9以修改的操作原点为基准重新以基本自由度运转。
另外，如同本实施例的四自由度手术器械9的情况，出了可以设置第二驱动单元30从而单独旋转轴，还可以通过第一驱动单元20旋转轴10。即，可以运转基本驱动子22中的ー个，使轴10旋转。此时，如果手动操作第二驱动单元30吋，轴10的旋转动作可以通过‘手动操作’及‘机器人操作’混合的方式实现。于是，通过机器人操作使轴10在规定角度范围内旋转吋，在此结合手动操作能够给旋转角度赋予偏移量(offset)。例如，通过机器人，轴在-270度 +270度的范围内旋转时，在此加以手动操作手动赋予+90度的偏移量时，手术器械的轴10在-180度 +360度的范围内旋转。如此，对机器人操作赋予偏移量，从而可以变更轴10的旋转范围。图4也是示出在手术器械9上设置ー个附加驱动子32a时本实施例涉及的手术机器人系统运转结构的例示图。由于设置有一个附加驱动子32a，所以手术器械9的追加自由度m为I。例如，手术器械9的轴10制作成，弯曲且由双轴(外部轴10a、内部轴IOb)构成，外部轴IOa能够以其长度方向的轴线为中心旋转，内部轴IOb收容在外部轴IOa内并且能够以其延伸方向为中心旋转，而且外部轴IOa通过操作一个附加驱动子32a实现旋转时，夕卜部轴IOa的旋转相当于手术器械9以追加自由度进行的运转。S卩，图4所示的手术器械9是以五自由度(外部轴IOa旋转(图4的‘Ro’)、内部轴IOb旋转(图4的‘Ri’ )、执行器的手腕动作、一对夹爪各自的运动)运转的手术器械，机器臂(第一驱动单元)负责四自由度，第二驱动单元30负责剩余的一自由度(例如，夕卜部轴IOa的旋转)的运转。因此，通过驱动第一驱动单元20使手术器械9运转之后，使用者操作第二驱动单元30 (附加驱动子32a)使外部轴IOa旋转规定角度吋，传感单元40掌握外部轴IOa的旋转程度，而且控制器3以外部轴IOa旋转的状态作为操作原点，控制手术器械9以修改的操作原点为基准重新以基本自由度运转。图5也是示出在手术器械9上设置ー个附加驱动子32a时本实施例涉及的手术机器人系统运转结构的例示图。由于设置有一个附加驱动子32a，所以手术器械9的追加自由度m为I。例如，手术器械9的轴10制作成，能够以其长度方向的轴线为中心旋转并且能够向其长度方向之外的方向弯曲(bending)，而且轴10通过ー个附加驱动子32a的操作而实现弯曲吋，轴10的弯曲相当于手术器械9以追加自由度进行的运转。S卩，图5所示的手术器械9是以五自由度(轴旋转(图5的‘R’)、轴弯曲(图5的‘B’)、执行器的手腕动作、一对夹爪各自运动)运转的手术器械，机器臂(第一驱动单元)负责四自由度，第二驱动单元30负责剩余的一自由度(例如，轴的旋转)的运转。因此，通过驱动第一驱动单元20使手术器械9运转之后，使用者操作第二驱动单元30 (附加驱动子32a)使手术器械轴10弯曲规定程度吋，传感单元40掌握轴10的弯曲 程度，而且控制器3以轴10弯曲的状态作为操作原点，并控制手术器械9以修改的操作原点为基准重新以基本自由度运转。图6是示出在手术器械9上设置两个附加驱动子32a、32b时本实施例涉及的手术机器人系统运转结构的例示图。由于设置有两个附加驱动子32a、32b，所以手术器械9的追加自由度m为2。例如，手术器械9的轴10制作成由双轴(外部轴10c、内部轴IOd)构成，外部轴IOc能够以其长度方向的轴线为中心旋转，内部轴IOd收容在外部轴IOc内并且能够以其延伸方向为中心旋转，轴10向其长度方向之外的方向可弯曲，而且外部轴IOc通过操作第一附加驱动子32a实现旋转，轴10通过操作第二附加驱动子32b实现弯曲时，外部轴IOc的旋转及轴10的弯曲属于手术器械9以追加自由度进行的运转。即，图6所示的手术器械9是以六自由度(外部轴旋转(图6的‘Ro’)、内部轴旋转(图6的‘Ri’)、轴的弯曲(图6的‘B’)、执行器的手腕动作、一对夹爪各自的运动)运转的手术器械，机器臂(第一驱动单元)负责四自由度，第二驱动单元30负责剩余ニ自由度(例如，外部轴IOc的旋转及轴10的弯曲)的运转。 因此，通过驱动第一驱动单元20使手术器械9运转之后，使用者操作第二驱动单元30 (附加驱动子32a、32b)使外部轴IOc旋转规定角度且使轴10弯曲规定程度时，传感単元40掌握外部轴IOc的旋转程度及轴10的弯曲程度，而且控制器3以轴旋转及弯曲的状态作为操作原点，控制手术器械9以修改的操作原点为基准重新以基本自由度运转。图7也是示出在手术器械9上设置两个附加驱动子32a、32b时本实施例涉及的手术机器人系统运转结构的例示图。由于设置有两个附加驱动子32a、32b，所以手术器械9的追加自由度m为2。例如，手术器械9的轴10区分为分别以其长度方向的轴线为中心可旋转的两个部分(第一轴部10e、第二轴部IOf)，两个部分10e、10f可以通过肘部11彼此弯曲地结合，而且第一轴部IOe通过第一附加驱动子32a的操作实现旋转，轴10通过第二附加驱动子32b的操作实现弯曲时，第一轴部IOe的旋转及轴的弯曲属于手术器械9以追加自由度进行的运转。S卩，图7所示的手术器械9是以六自由度(第一轴部旋转(图7的‘R1’)、第二轴部旋转(图7的‘R2’)、轴弯曲(图7的‘F’)、执行器的手腕动作、一对夹爪各自的运动)运转的手术器械，机器臂(第一驱动单元)负责四自由度，第二驱动单元30负责剩余ニ自由度(例如，第一轴部IOe的旋转及轴10的弯曲)的运转。因此，通过第一驱动单元20的驱动使手术器械9运转之后，使用者操作第二驱动単元30 (附加驱动子32a、32b)使手术器械的第一轴部IOe旋转规定角度且使轴10弯曲规定程度吋，传感单元40掌握第一轴部IOe的旋转程度及轴10的弯曲程度，而且控制器3以轴10旋转及弯曲的状态作为操作原点，控制手术器械9以修改的操作原点为基准重新以基本自由度运转。上述有关附加驱动子负责的追加自由度的说明只是作为一例，附加驱动子不一定必须负责轴的旋转、弯曲等特定追加自由度，附加驱动子也可以负责需要単独运转的多种自由度(例如，执行器的手腕动作、夹爪运动等)。另外，如图4至图7所示实施例的情况，也与图3同样，通过第二驱动单元30单独地(例如手动地)使轴运转的同时，也可以通过第一驱动单元20实现其它单独运转(通过第二驱动单元30的运转)。为此，可以在第二驱动单元30上还追加ー个附加驱动子，并且使追加的附加驱动子负责ー自由度，由此运转多余的基本驱动子，从而实现轴的単独运转。例如，具有六自由度的手术器械的情况，可以是追加两个附加驱动子负责ニ自由度，而且由基本驱动子负责剩余四自由度，也可以是如图8所示，追加三个附加驱动子32a、32b、32c负责三自由度,剩余的三自由度由基本驱动子负责，由多余(redundant)的ー个基本驱动子22a负责附加驱动子负责的自由度中的ー个，从而能够以(通过附加驱动子32c)手动操作混合(通过多余的基本驱动子22a)机器人操作的方式运转手术器械。图9是示出本发明的实施例涉及的手术机器人系统的控制方法的顺序图。本实施例涉及的手术机器人系统包括如上 所述的手术机器人和安装在机器人上的手术器械9，手术器械9与机器人之间的动力传递关系通过第一驱动单元20来中介，而且为了使手术器械9以追加自由度运转，在手术器械9上结合有第二驱动单元30。第一驱动单元20传递驱动カ使手术器械9以基本自由度(η自由度)运转，第二驱动单元30起到使手术器械9还以追加自由度(m自由度)运转的作用，结果手术器械9以m+n自由度运转。另外，如图8中的说明，根据手术器械的构成方式，部分自由度也可以成为多余(redundant)自由度。如上所述，手术器械9可以以操作原点为基准以基本自由度运转，并且根据手术器械9进行的m自由度的运转状況，由传感单元40及控制器3修改有关操作原点的信息。为了控制这种手术机器人系统，首先检测有关第二驱动单元30驱动程度的信息(SlO)。有关第二驱动单元30驱动程度的信息可以是第二驱动单元30的操作程度、第二驱动单元30的驱动程度、或手术器械9随着第二驱动单元30的驱动而运转的程度等。检测到的有关第二驱动单元30驱动程度的信息的详细事项如上所述，在此省略详细说明。另外，如图3所示的手术器械9的轴10通过第二驱动单元30进行旋转的结构中，检测对象可以是有关轴10旋转程度的信息(S12);如图4所示的手术器械9的外部轴IOa通过第二驱动单元30进行旋转的结构中，检测对象可以是有关外部轴IOa旋转程度的信息(S13)。而且，如图5及图6所示，轴10为旋转及/或弯曲的结构时，检测对象可以是有关轴10的旋转程度及/或弯曲程度的信息(S14)。进ー步，如图7所示，轴10为区分为通过肘部11连接的两个部分(第一轴部IOe、第二轴部IOf)的结构时，检测对象可以是有关第一轴部10e、旋转程度及/或两个部分10e、10f之间弯曲程度的信息(S16)。下一歩，接收检测结果、即输出的传感信号并修改手术器械9的操作原点(S20)。操作原点是用于使手术器械9以基本自由度运转的基准状态，可以进行再设定使手术器械9根据第二驱动单元30而运转的状态重新成为操作原点，从而使手术机器人系统不受第二驱动单元30的运转与否而使手术器械9重新以基本自由度运转。下一歩，驱动第一驱动单元20使手术器械9以修改的操作原点为基准以基本自由度运转(S30)。因此，本实施例涉及的手术机器人系统可以使安装的手术器械9以基本自由度运转后，即使在途中由于驱动第二驱动单元30而使手术器械9的运转状态发生变更，也能够以变更的状态为基准重新以基本自由度运转。S卩，需要追加安装在手术机器人上的手术器械9的运转自由度吋，不必变更驱动単元(第一驱动单元20)及与驱动单元结合的致动器5的结构，使手术器械9以现有自由度运转，通过追加与追加自由度相应的驱动单元30，并且在机器人手术过程中根据使用者需要操作第二驱动单元30，从而使手术器械9以追加自由度进行运动。
进ー步，在手术过程中使用者操作第二驱动单元30使手术器械9运转时，手术机器人检测其运转状态并以其为基础再设定手术器械9的基准状态(操作原点)，因此不受第ニ驱动单元30的操作约束，而通过机器人使手术器械9重新以基本自由度运转。
在上面參照本发明的优选实施例进行了说明，但该技术领域的普通技术人员来说，在不超出下面权利要求书中记载的本发明的思想及领域的范围内，本发明可以进行多种变形和变更。
权利要求
1.一种手术机器人系统，其安装有手术器械，该手术机器人系统包括 第一驱动单元，用于中介所述手术器械与所述机器人之间的结合，并且具有n个基本驱动子，该n个基本驱动子使所述手术器械以规定运转状态为操作原点以n自由度运转，其中n是自然数； 第二驱动单元，与所述手术器械結合，并且具有m个附加驱动子，从而使所述手术器械以n+m自由度运转，其中m是自然数； 传感单元，检测所述第二驱动单元的有关驱动程度的信息并输出传感信号； 控制器，接收所述传感信号并修改所述操作原点所对应的值，而且输出用于驱动所述第一驱动单元的控制信号。
2.根据权利要求I所述的手术机器人系统，其特征在干， 所述第一驱动单元与所述手术器械的前端部结合，所述基本驱动子为设置在所述第一驱动单元的与所述机器人对置的面上的ー个以上驱动轮。
3.根据权利要求I所述的手术机器人系统，其特征在干， 所述附加驱动子由使用者手动操作。
4.根据权利要求I所述的手术机器人系统，其特征在干， 所述附加驱动子通过接收来自单独的驱动装置的驱动カ而被操作。
5.根据权利要求I所述的手术机器人系统，其特征在干， 所述m为I, 所述手术器械的轴构成为能够以其长度方向的轴线为中心旋转， 所述轴通过使用者对所述附加驱动子的操作而执行旋转动作。
6.根据权利要求5所述的手术机器人系统，其特征在干， 还通过所述基本驱动子的运转而执行所述轴的旋转动作。
7.根据权利要求I所述的手术机器人系统，其特征在干， 所述m为I, 所述手术器械的轴包括外部轴，向其长度方向之外的方向弯曲，并且能够以其长度方向的轴线为中心旋转；内部轴，收容在所述外部轴内，并且在所述外部轴内能够以其延伸方向为中心旋转， 所述外部轴通过操作者对所述附加驱动子的操作而执行旋转动作。
8.根据权利要求7所述的手术机器人系统，其特征在干， 还通过所述基本驱动子的运转而执行所述外部轴的旋转动作。
9.根据权利要求I所述的手术机器人系统，其特征在干， 所述m为I, 所述手术器械的轴构成为能够以其长度方向的轴线为中心旋转并且能够向其长度方向之外的方向弯曲， 所述轴通过操作者对所述附加驱动子的操作而执行弯曲动作。
10.根据权利要求9所述的手术机器人系统，其特征在干， 还通过所述基本驱动子的运转而执行所述轴的旋转动作。
全文摘要
公开了手术机器人系统及其控制方法。手术机器人系统安装有手术器械，该系统包括第一驱动单元，用于中介手术器械与机器人之间的结合，并具有n个(n是自然数)基本驱动子，其使手术器械以规定运转状态为操作原点以n自由度运转；第二驱动单元，与手术器械结合，并具有m个(m是自然数)附加驱动子，其使手术器械以n+m自由度运转；传感单元，检测第二驱动单元驱动程度的信息并输出传感信号；控制器，接收传感信号并修改操作原点所对应的值，而且输出用于驱动第一驱动单元的控制信号。当需要追加手术器械的运转自由度时，不必变更现有的驱动单元，而增设负责追加自由度的专用驱动单元，因此不必变更现有手术机器人及手术器械的结构。
文档编号A61B19/00GK102626341SQ201210024049
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月3日 优先权日2011年2月7日
发明者崔胜旭, 李济善, 李珉奎 申请人:伊顿株式会社