骨科手术的手持式机器人以及其控制方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
骨科手术的手持式机器人以及其控制方法
本专利技术关于一种手术用的机器人，特别关于一种用于骨科手术中，并且可以结合骨头所回馈的力/力矩以及定位单元所提供的位置与方位信息自动进行动作补偿的手持式机器人以及其控制方法。
技术介绍
在常见的骨科手术，如利用骨板、骨钉等工具或者是以切骨的方式进行的手术中，一般是通过手术制具、计算机辅助导航软件或者影像导引机械臂等方式来进行辅助，以达到在手术中定位的目的。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。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（ComputerTomography,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。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。
技术实现思路
基于上述理由，本专利技术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。本专利技术的另一目的在于，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。为达成前述的目的，本专利技术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。根据本专利技术的手持式机器人，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。根据本专利技术的一实施例，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。根据本专利技术的一实施例，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。根据本专利技术的一实施例，工具端接器包括一主轴马达，用以驱动刀具旋转。根据本专利技术的一实施例，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。另外，本专利技术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。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。附图说明图1为显示根据本专利技术较佳实施例的一手持式机器人的一立体图；图2为显示根据本专利技术较佳实施例的手持式机器人的一侧视图；图3为显示根据本专利技术较佳实施例的手持式机器人的一立体分解图；图4A以及图4B分别为显示根据本专利技术较佳实施例的刀具的一局部放大图；图5为显示根据本专利技术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；图6为显示使用本专利技术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；图7为显示使用本专利技术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；图8为显示使用本专利技术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；图9为显示使用本专利技术的手持式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种骨科手术的手持式机器人，其特征在于，包括：一主体，具有一内空间；一握把，连接于该主体的一侧；一移动机构，设置于该主体的该内空间中，并且具有六个移动自由度，该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该固定板上，并且通过多个连杆与该可动板连接；一工具端接器，设置于该可动板上；一刀具，连接于该工具端接器，该刀具具有一有刃段以及一无刃段，其中，该有刃段具有一第一直径，该无刃段具有一第二直径，且该第一直径小于该第二直径；一力量传感器，设置于该工具端接器与该可动板之间；以及一定位单元，设置于该可动板上，用以定位该刀具的位置与方位；其中，该手持式机器人通过该力量传感器量测一切削物与该刀具之间平行于该刀具一轴向方向的力，并且通过该力量传感器配合该刀具的该有刃段与该无刃段之间的一直径差，进一步量测该刀具与该切削物之间的一偏移力；其中，该手持式机器人结合该定位单元取得的刀具位置与方位信息以及该力量传感器所量测的力的信息，调整刀具的位置与方位。

【技术特征摘要】
2013.12.30 TW 1021490961.一种骨科手术的手持式机器人，其特征在于，包括：一主体，具有一内空间；一握把，连接于该主体的一侧；一移动机构，具有六个移动自由度，该移动机构包括一固定板、一可动板以及多组致动单元，其中，该固定板与该多组致动单元设置于该主体的该内空间中，而该多组致动单元固定于该固定板上，并且通过多个连杆与该可动板连接；一工具端接器，设置于该可动板上；一刀具，连接于该工具端接器，该刀具具有一有刃段以及一无刃段，其中，该有刃段具有一第一直径，该无刃段具有一第二直径，且该第一直径小于该第二直径；一力量传感器，设置于该工具端接器与该可动板之间；以及一定位单元，设置于该可动板上，用以定位该刀具的位置与方位；其中，该手持式机器人通过该力量传感器量测一切削物与该刀具之间平行于该刀具一轴向方向的力，并且通过该力量传感器配合该刀具的该有刃段与该无刃段之间的一直径差，进一步量测该刀具与该切削物之间的一偏移力；其中，该手持式机器人结合该定位单元取得的刀具位置与方位信息以及该力量传感器所量测的力的信息，调整刀具的位置与方位。2.根据权利要求1所述的骨科手术的手持式机器人，其特征在于，该移动机构进一步包括一马达固定板，其固...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜炳郎，洪硕穗，
申请(专利权)人：颜炳郎，佛教慈济医疗财团法人台北慈济医院，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71