骨科手术的手持式机器人以及其控制方法 |
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| 申请号 | CN201410017832.4 | 申请日 | 2014-01-15 | 公开(公告)号 | CN104739487B | 公开(公告)日 | 2017-07-14 |
| 申请人 | 颜炳郎; 佛教慈济医疗财团法人台北慈济医院; | 发明人 | 颜炳郎; 洪硕穗; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 骨科手术 的手持式 机器人 以及其控制方法。所述手持式机器人包括一主体、一握把、一移动机构、一工具端接器、一刀具、一 力 量 传感器 、以及一 定位 单元。本发明的手持机器人利用定位单元所量测的刀具与骨头之间的相对 位置 与方位信息，结合力量传感器所量测的骨头反馈于刀具的力量/力矩信息，快速且实时的进行刀具的自动动作补偿，使得刀具能够维持在预先规划的手术路径或范围内，藉此减少手术时的误差，并且提升手术 精度 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种骨科手术的手持式机器人，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 骨科手术的手持式机器人以及其控制方法技术领域背景技术[0003] 在使用专用手术制具进行量测与切骨定位时，医师在手术中必须频繁地更换定位制具，容易造成定位上的误差。此外，在手术中亦需仰赖医师对于器械的熟稔度、操作技巧及临床经验，对于需要长时间进行手术的医师而言，不论是在精神或是体力方面皆为一大考验。在以计算机辅助导航软件进行定位的骨科手术中，是通过导航软件的导引来协助在骨头上固定导块的位置与方位；然而，在实际实施时，为了使导块符合导航软件所显示的位置与方位，医师需要不断地以手动的方式调整导块，使得定位的过程较为繁复。近年来，业界中有针对此问题提出以调整螺丝来对导块的位置与方位进行微调的解决方案，其虽然可以解决导块定位的部分问题，然而，在使用调整螺丝固定导块的过程中，仍有可能因为在固定螺丝的过程中产生的偏差，导致定位精度的降低。 [0004] 使用影像导引机械臂定位的方法，是结合医学影像与机器人来进行骨科手术中的定位。手术前，医师会先通过计算机断层摄影（Computer Tomography,CT）影像进行手术路径的术前规划，并且在手术中将骨头固定不动，同时利用定位系统侦测骨头是否有移动。若骨头有移动时，即重新进行坐标系拟合程序，以确保手术的精度与安全性；或者，也可以使用定位系统量测机器手臂与骨头的相对位置与方位，并且通过动态追踪补偿控制来进行精密定位与切骨。其中，光学定位系统为目前业界中经常使用的定位方式之一。光学定位系统利用一光学追踪器追踪设置于骨头与机器手臂上的反光球，藉此判断病患与机械手臂之间的相对位置、方位以及速度等信息。影像导引机械臂便利用该些信息配合一控制方法判断病患与器械间的参数是否合乎手术程序，进而补偿刀具与病患之间的位置与方位。然而，由于光学定位系统有反应带宽的限制，导致机械手臂补偿移动的反应不够快速，进而影响手术的精度。此外，更严重的是，光学定位系统常会发生遮掩的问题。当反光球被遮掩而无法被正确判读时，光学定位系统即无法实时提供骨头与机械手臂相对的位置与方位，因此，在单纯以光学定位系统作为动态追踪补偿的情形下，将无法及时修正机械手臂的动作，导致手术有安全性的顾虑。再者，影像导引机器手臂与传统的手持手术器械相比，其体积过于庞大，在使用上有许多的不便与限制。 [0005] 另一方面，目前结合医学影像与定位信息进行机器手臂动作补偿的控制方法中，当机械手臂前端的磨削头超出所术前规划的默认区域时，大都是将驱动前端磨削头的马达实时停止以防止手术器械切削到规划区域外的血管、神经或软组织。此种控制方法由于无法协助使用者将前端的磨削头维持在设定的区域内，手术器械的移动完全需要依赖使用者的技巧，使得整个手术过程相当耗费使用者的精力。 发明内容[0006] 基于上述理由，本发明的一主要目的在于提供一种骨科手术的手持机器人，其利用定位单元所量测的器械与骨头之间的相对位置与方位信息，结合力量传感器所量测的骨头反馈于刀具的力量/力矩信息，快速且实时的进行刀具的自动动作补偿，使得刀具能够维持在预先规划的手术范围内，藉此减少手术时的误差，并且提升手术精度。 [0007] 本发明的另一目的在于，利用特殊设计的刀具来进一步侦测骨头相对于刀具之间的偏移力，藉此提升刀具动作补偿的灵敏度，避免刀具自规划的手术路线上偏移。 [0008] 为达成前述的目的，本发明提供一种骨科手术的手持式机器人。所述手持式机器人包括：一主体、一握把、一移动机构、一工具端接器、一刀具、一力量传感器、以及一定位单元。所述主体具有一内空间，而握把连接于主体的一侧。所述移动机构设置于主体的内空间中，并且具有六个移动自由度。移动机构包括一固定板、一可动板以及多组致动单元，其中，该多组致动单元固定于固定板上，并且通过多个连杆与可动板连接。所述工具端接器设置于可动板上，而刀具则连接于工具端接器。刀具具有一有刃段以及一无刃段，其中，刀具的有刃段具有一第一直径，无刃段具有一第二直径，且第一直径小于第二直径。所述力量传感器设置于工具端接器与可动板之间。定位单元是设置于该可动板上，用以定位刀具的位置与方位。根据本发明的手持式机器人，通过力量传感器量测切削物语刀具之间平行于刀具轴向方向的力量；此外，通过力量传感器配合刀具的有刃段与无刃段之间的一直径差，并且通过力量传感器量测切削物与刀具之间正交于刀具轴向方向的力量与力矩，进一步求得刀具与切削物之间的偏移力与力矩。其中，手持式机器人结合定位单元取得的刀具位置与方位信息以及力量传感器所量测的力量信息，调整刀具的位置与方位，使得刀具得以维持在预先规划的手术范围或路径中。 [0009] 根据本发明的一实施例，所述移动机构进一步包括一马达固定板，且该多组致动单元的每一组包括：一马达、一联轴器、一导螺杆以及一滑杆。所述马达设置于马达固定板上，而联轴器则设置于马达与马达固定板之间。所述导螺杆连接于马达。滑杆通过一滑块啮合于导螺杆，且滑杆的一端通过一接头与连杆连接。其中，当马达趋动导螺杆旋转时，导螺杆通过滑块带动滑杆在直线方向上移动。 [0010] 根据本发明的一实施例，所述定位单元为多个反光球，其配合一光学定位系统定位刀具的位置与方位。此外，也可使用电磁定位系统，或者使用惯性量测单元等定位系统作为定位单元。 [0011] 根据本发明的一实施例，工具端接器包括一主轴马达，用以驱动刀具旋转。 [0012] 根据本发明的一实施例，握把与主体之间亦可选择进一步设置有一个力量传感器，用以量测使用者操作手持式机器人时的施力。 [0013] 另外，本发明提供一种可以应用于上述骨科手术的手持式机器人的控制方法。所述控制方法包括以下步骤：规划一手术路径；通过一定位单元取得手持式机器人前端一刀具的位置与方位信息，并且根据位置与方位信息调整该刀具的位置与方位，使该刀具维持在预先规划的该手术路径中；以及通过一力量传感器量测刀具与一切削物之间的力量/力矩，并且根据所量测的力量/力矩调整该刀具的位置与方位，使该刀具维持在预先规划的该手术路径中。 [0014] 其中，通过力量传感器量测的力量/力矩包括刀具与切削物之间的一偏移力。此外，所述控制方法进一步包括将定位单元取得的位置与方位信息以及力量传感器所量测的力量/力矩信息进行数据融合，并根据融合后的数据调整刀具的位置与方位，使刀具维持在预先规划的该手术路径中。附图说明 [0015] 图1为显示根据本发明较佳实施例的一手持式机器人的一立体图； [0016] 图2为显示根据本发明较佳实施例的手持式机器人的一侧视图； [0017] 图3为显示根据本发明较佳实施例的手持式机器人的一立体分解图； [0018] 图4A以及图4B分别为显示根据本发明较佳实施例的刀具的一局部放大图； [0019] 图5为显示根据本发明较佳实施例的手持式机器人于手术时使用的系统配置的一立体示意图； [0020] 图6为显示使用本发明的手持式机器人于股骨骨板手术中钻孔时，产生偏移情形的示意图； [0021] 图7为显示使用本发明的手持式机器人于股骨骨板手术中钻孔时，产生偏角情形的示意图； [0022] 图8为显示使用本发明的手持式机器人于胫骨骨内钉手术中钻孔时，产生偏移情形的示意图； [0023] 图9为显示使用本发明的手持式机器人于胫骨骨内钉手术中钻孔时，产生偏角情形的示意图； [0024] 图10所显示的为利用定位单元取得的位置与方位信息调整刀具的位置与方位的控制方法； [0025] 图11为显示根据本发明的手持式机器人在钻孔或锁骨钉时，利用力量传感器量测的力量/力矩信息调整刀具位置与方位的控制方法； [0026] 图12为显示使用本发明的手持式机器人切除骨头时的示意图； [0027] 图13为显示使用本发明的手持式机器人切除骨头时，产生偏移情形的示意图； [0028] 图14为显示使用本发明的手持式机器人切除骨头时，产生偏角情形的示意图； [0029] 图15为显示根据本发明的手持式机器人在切除骨头时，利用力量传感器量测的力量/力矩信息调整刀具位置与方位的控制方法； [0030] 图16为使用本发明的手持式机器人锁固切除导块时的示意图； [0031] 图17为显示根据本发明的手持式机器人在锁固导块时，利用力量传感器量测的力量/力矩信息调整刀具位置与方位的控制方法。 [0032] 附图标记说明：100-手持式机器人；1-主体；10-内空间；2-握把；21-按钮；3-移动机构；31-固定板；32-可动板；33-致动单元；331-马达；332-联轴器；333-导螺杆；334-滑杆；3341-滑块；34-连杆；35-马达固定板；36-接头；37-接头；4-工具端接器；41-主轴马达；5-刀具；51-有刃段；52-无刃段；55-骨钉；5a-铣刀刀具；5b-钻头刀具；6-力量传感器；7-定位单元；71-光学定位系统；9-导块；91-固定孔；d＇-直径差。 具体实施方式[0034] 图1为显示根据本发明的一骨科手术的手持式机器人100的一立体图。如图1所示，根据本发明较佳实施例的多轴复合式工具机100包括：一主体1、一握把2、一移动机构3、一工具端接器4、一刀具5、一力量传感器6、以及一定位单元7。 [0035] 图2为显示根据本发明较佳实施例的手持式机器人100的一侧视图，而图3为显示根据本发明较佳实施例的手持式机器人100的一立体分解图。如图1-图3所示，所述主体1具有一内空间10，而握把2连接于主体1的一侧，以供操作者握持。握把2上设置有一按钮21，可以供操作者操控手持式机器人100的开关。所述移动机构3具有六个移动自由度，其设置于主体1的内空间10中。移动机构3主要包括一固定板31、一可动板32以及多组致动单元33，其中，该多组致动单元33固定于固定板31上，并且通过多个连杆34与可动板32连接。移动机构3的详细构造与作动方法会在下文中进行更详细的说明。 [0036] 在本发明的较佳实施例中，移动机构3采用了一具有六个移动自由度的并联式机构。由于并联式机构的结构稳定，具高刚性、无累积误差及较小运动惯性与工作空间等特点，故而适合应用于需高精度、工作空间精简的手术器械。 [0037] 如图2以及图3所示，根据本发明较佳实施例的移动机构3进一步包括一马达固定板35，其固定于所述固定板31上，且两者之间具有一距离。每一个致动单元33包括：一马达331、一联轴器332、一导螺杆333以及一滑杆334。所述马达331设置于马达固定板35上，而联轴器332则设置于马达331与马达固定板35之间。所述导螺杆333穿过马达固定板35以及联轴器332连接于马达331。滑杆334通过一滑块3341啮合于导螺杆333，且滑杆334的一端通过一具有两个自由度的接头36与连杆34连接。连杆34的另一端则是通过一具有三个自由度的接头37连接于可动板32。当马达331趋动导螺杆333旋转时，导螺杆333会通过滑块3341带动滑杆334在直线方向上移动，进而带动连杆34动作。在本发明的较佳实施例中，移动机构3一共设置有六组致动单元33。通过上述的配置，当致动单元33带动连杆34作动时，连带使得可动板32于空间中移动或旋转至不同位置/方位，藉此将刀具5移动到所需的位置/方位。 [0038] 如图2以及图3所示，所述工具端接器4设置于可动板32上，而刀具5则连接于工具端接器4。在本发明的手持式机器人系统100中，刀具5可以依手术目的的不同而更换为适合的刀具。举例来说，当需要切骨时，可以将刀具切换为电动铣刀；当需要旋转骨钉时，可以将刀具更换为电动起子；而在需要钻穿骨头的手术中，则可以将刀具更换为电动钻头。工具端接器4包括一主轴马达41，用以驱动刀具5转动。力量传感器6设置于工具端接器4与可动板32之间，用以量测进行手术动作时，骨头回馈于手术工具端的力/力矩。 [0039] 在此，值得一提的是，为了提升力量传感器6侦测力量的灵敏度，根据本发明较佳实施例的刀具5经过特殊的设计。图4A为显示根据本发明较佳实施例的一铣刀刀具5a前端的局部放大图，而图4B为显示根据本发明较佳实施例的一钻头刀具5b前端的局部放大图。如图4A以及图4B所示，铣刀刀具5a与钻头刀具5b皆具有一有刃段51以及一无刃段52，其中，刀具的有刃段51具有一第一直径，无刃段52具有一第二直径，且第一直径小于第二直径，有刃段51与无刃段52之间具有一直径差d＇。 [0040] 在采用一般的刀具的情形下，力量传感器6一般仅能量测到骨头直接反馈于刀具的力量，即，平行于刀具一轴向方向的力量。然而，在刀具的有刃段穿过骨头后刀具产生偏移或偏角的情况下，一般刀具较难侦测到骨头施加于刀具上的偏移力，即，骨头正交于刀具轴向方向的力/力矩。因此，力量传感器也较难侦测到刀具产生的偏移或偏角。通过本发明中特殊设计的刀具5，在刀具5的有刃段51穿过骨头后刀具5产生偏移或偏角的情形下，骨头会与有刃段51与无刃段52之间的直径差d＇接触而产生一偏移力，即，力量传感器6会侦测到与刀具5轴向方向垂直的力量，或者是骨头与刀具5之间产生的力矩，进而提升力量传感器的侦测灵敏度。 [0041] 如图2以及图3所示，定位单元7是设置于该可动板32上，用以定位刀具5的位置与方位。定位单元7可以为一光学定位系统、电磁定位系统或者惯性定位系统等任何现有的定位单元。在本发明的较佳实施例中，定位单元是多个反光球，其可以搭配一光学定位系统来追踪刀具5的位置与方位。此外，握把2与主体1之间可以进一步设置有一个力量传感器6，用以量测使用者操作手持式机器人时的施力。 [0042] 图5为显示根据本发明较佳实施例的手持式机器人100于手术时使用的系统配置的一立体示意图。如图5所示，本发明的手持式机器人在使用时，是由一操作者握持于手上，依据事前规划好的手术路径对一病患的骨头进行手术。由于手持式机器人100的移动机构3采用并联式机构，因此，其体积相对于传统的机械手臂而言更小，在操作时也更为灵活且方便。在手术中，手持式机器人100配合一光学定位系统71来追踪设置于可动板32上的定位单元7，藉此来判断刀具5与骨头的相对位置与方位。另外，在刀具5与骨头接触后，力量传感器6可以量测刀具5与骨头之间的力量与力矩，进一步判断骨头与刀具之间的相对位置与方位。手持式机器人100结合定位单元7取得的刀具5位置与方位信息，以及力量传感器6所量测的力量/力矩信息，来调整刀具5的位置与方位，使得刀具5得以维持在预先规划的手术范围或路径中。 [0043] 以下将参照图示，针对根据本发明的手持式机器人100在各种手术情形中使用的情形进行更详细的说明。 [0044] 图6和图7为显示本发明的手持式机器人100于股骨骨板手术中使用时的示意图；图8和图9为显示本发明的手持式机器人100于胫骨骨内钉手术中钻孔时的示意图。在图6～图9中，操作者以本发明的手持式机器人100进行自动钻孔定位。在第图6的（a）、图7的（a）、图8的（a）以及图9的（a）中，手术工具接触到病患骨头之前，主要是以定位单元7所提供的位置与方位信息进行动作补偿。第十图所显示的为手术工具在接触到骨头之前，利用定位单元7调整刀具5的控制方法。如图10所示，手持式机器人100会根据术前规划的手术路径，以及根据定位单元7所取得的骨头与刀具5相对的位置与方位信息，来计算刀具5的位置与方位。若是刀具5的位置与方位需要调整，则手持式机器人100通过移动机构3进行刀具5的位置方位的自动微调，使得刀具5能对准预定的位置与方位，达到动态补偿的功能。 [0045] 当刀具5接触骨头开始进行钻孔时，骨头会相对于刀具5产生作用力。此时，若骨头移动或者操作者的手移动而导致刀具5偏离目标的位置与方位，刀具5上的无刃段52将与骨板、骨髓内钉、或骨头接触，产生偏移力。如图6的（b）以及图8的（b）所示，当刀具5往一方向产生偏移时，或者骨头往一方向产生偏移时，骨头与刀具5之间会在一对应方向上出现反作用力，即，与刀具5的轴向方向正交的力。如图7的（b）以及图9的（b）所示，当刀具5产生偏角时，骨头与刀具5之间则会产生一力矩。在上述的情况中，力量传感器6会量测到使刀具产生偏移的力/力矩，并且根据此信息通过移动机构3调整刀具5的位置与方位，使得刀具5维持在预定的手术路径上，如图6的（c）、图7的（c）、图8的（c）以及图9的（c）所示。 [0046] 图11为显示根据本发明的手持式机器人100在钻孔或钻骨钉时利用力量传感器进行刀具位置与方位补偿的控制方法。如图11所示，手持式机器人100是通过力量传感器6量测刀具5与骨头之间的力量/力矩，来辅助补偿刀具5的位置与方位。通过计算偏移力/力矩，以调整刀具5的位置与方位的方式将骨头与刀具轴向方向正交的力/力矩保持在趋近于最小值，可以避免刀具自规划的手术路径上产生偏移。而力量传感器6所量测并计算的刀具5钻孔的作用力/力矩，即，与刀具轴向方向平行的力/力矩，则可做为判断刀具5钻过骨头与否，或是刀具5是否完成骨钉固定的依据。当刀具钻过骨头时，手持式机器人即将主轴马达41停止转动，避免刀具5伤害到其他组织。 [0047] 力量传感器6通过上述方式所量测到的力/力矩信息，可以结合定位系统7所提供的骨头与工具5之间的相对位置/方位信息（例如可以使用多取样率卡曼滤波器进行资料融合），进而使得手持式机器人100可以达到快速与精确地进行动态补偿的目的，将刀具5维持在预先规划的手术路径内。 [0048] 图12-图14为显示使用本发明的手持式机器人切除骨头时的示意图。在图13的（a）以及图14的（a）中，与在钻孔手术中的情形相同，在刀具5与骨头接触前，手持式机器人100通过定位单元所提供的定位信息，来进行刀具5位置与方位的调整；换言之，即是利用图10中所示的控制策略来进行手持式机器人的控制。当刀具5接触骨头开始进行切削时，骨头会相对于刀具5产生作用力。此时，若骨头产生移动或者操作者的手移动而导致工具偏离目标的位置与方位时，刀具5的无刃段52会与骨头接触而产生偏移力。如图13的（b）所示，当刀具5往一方向产生偏移时，或者骨头往一方向产生偏移时，骨头与刀具5之间会在一对应方向上出现反作用力，即，与切除平面法向量平行的力；如图14的（b）所示，当刀具5产生偏角时，骨头与刀具5之间则会产生力矩，更准确而言，两个与切除平面法向量正交的力矩。力量传感器6在量测到偏移力/力矩后，便会通过移动机构3来调整刀具5的位置与方位，使其保持在预先规划的手术路径上，如图13的（c）以及图14的（c）所示。 [0049] 图15为显示根据本发明的手持式机器人100在切除骨头时利用力量传感器进行刀具位置与方位补偿的控制方法。如图15所示，手持式机器人100是通过力量传感器6量测刀具5与骨头之间的力量/力矩，来辅助补偿刀具5的位置与方位。通过计算偏移力/力矩，以将与切除平面法向量平行的力以及两个与此法向量正交的力矩保持在趋近于最小值，可以避免刀具自规划的手术路径上产生偏移。此外，力量传感器6所量测并计算的切除力，即，与切除平面平行的力/与切除平面正交的力矩，则可做为判断刀具5完成切骨与否的依据。当刀具5通过如图12中所标示的虚线而完成切除时，手持式机器人100即将主轴马达41停止转动，避免刀具5伤害到其他组织。 [0050] 同样地，力量传感器6通过上述方式所量测到的力/力矩信息，可以结合定位系统7所提供的骨头与工具5之间的相对位置/方位信息（例如可以使用多取样率卡曼滤波器进行资料融合），进而使得手持式机器人100在切除骨头时可以达到快速与精确地进行动态补偿的目的，将刀具5维持在预先规划的手术路径内。 [0051] 图16为使用本发明的手持式机器人锁固切除导块9时的示意图。首先，如图16的（a）所示，用户先依照影像导引或计算机导航软件将切除导块9放置在病患骨头特定的位置/方位上。在这过程中，若导块9的位置与方位有些微的误差，手持式机器人100会依照定位单元7所提供的骨头与刀具5相对位置/方位的信息，通过移动机构3进行器械前端的起子与其上的骨钉55的位置/方位的调整，同时导引切除导块9的固定孔91到导航软件所规划的位置/方位，如图16的（b）所示。一旦骨钉55进入骨头内部后，手持式机器人100可以采用两种方式来进行导块的固定。第一种固定方式是采用与上述骨头钻孔的控制策略，根据力量传感器6所提供的力量/力矩信息，通过移动机构3调整起子的位置方位，使与起子轴向方向正交的力/力矩趋近于最小值，而与起子轴向方向平行的力/力矩则可做为侦测起子旋紧状态之用。同时，手持式机器人100搭配定位单元7所提供的骨头与工具相对位置/方位的信息，进行快速与精确的动态补偿。当起子如图16的（c）所示旋紧时，即将主轴马达41停止旋转。在采取第二种策略时，将手持式机器人转为手动模式，也就是不再通过移动机构3进行前端起子的位置/方位的微调，由操作者自行进行调整。在此种策略下，由于骨钉已经穿过导块的导引孔并且将导块导引至骨头上的正确位置与方位，因此，接下来的旋转固定亦可轻易由手动的方式完成。 [0052] 图17为显示根据本发明的手持式机器人100在钻孔时利用力量传感器进行刀具位置与方位补偿的控制方法。如图17所示，手持式机器人100是通过力量传感器6量测刀具5与骨头之间的力量/力矩，来辅助补偿刀具5的位置与方位。通过计算偏移力/力矩，以调整刀具5的位置与方位的方式将骨头与起子轴向方向正交的力/力矩保持在趋近于最小值，可以避免刀具5自规划的手术路径上产生偏移。而力量传感器6所量测并计算的刀具5锁紧力/力矩，即，与起子轴向方向平行的力/力矩，则可做为判断起子是否完成导块固定的依据。当完成导块固定时，手持式机器人100即将主轴马达41停止转动，避免刀具5伤害到其他组织。 [0053] 本发明同时使用了定位单元7所提供的刀具5与病患骨头之间的空间信息，搭配刀具端所量测的力量/力矩信息，进行信息的融合进行计算，藉此提升刀具动作补偿的反应速度。一般而言，光学定位系统的带宽较慢，因此若单单以光学定位系统的空间信息作为手术器械前端工具位置与方位补偿控制的依据，将会导致工具与病患骨头追踪误差过大。相较之下，力/力矩信息的回馈反应速度较快，因此，搭配力/力矩信息进行计算后，可以提升获得空间信息的速度。通过此种方式辅助手术器械前端工具位置与方位补偿控制时，可以大幅减少工具与病患骨头追踪误差，提升手术精度；同时，可避免单纯使用光学定位系统，时常因为标记遭受遮掩而导致标记无法读取，造成位置与方位补偿延迟而有手术安全性的疑虑。 |
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