JP5475262B2 - 医療用マニピュレータ - Google Patents
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Description
本発明は、制御部からモータを駆動することにより連結シャフトの先端に設けられた先端動作部を駆動する医療用マニピュレータに関し、特に、モータの回転角度と動作指令値と比較してモータをフィードバック駆動する医療用マニピュレータに関する。
内視鏡下外科手術（又は腹腔鏡下手術とも呼ばれる。）においては、患者の腹部等に複数の孔を開け、器具の通過ポートとしてトラカール（筒状の器具）を挿入した後、シャフトを有する鉗子の先端部をトラカールを通じて体腔内に挿入して患部の手術を行っている。鉗子の先端部には、作業部として、生体組織を把持するためのグリッパや、鋏、電気メスのブレード等が取り付けられている。
鉗子による内視鏡下外科手術は、作業空間である体腔内が狭くしかもトラカールを支点として鉗子を操作するため、一定のトレーニングが必要となる。また、従来使用されている鉗子では先端の作業部に関節がないため、自由度が小さく、先端作業部はシャフトの延長線上での動作しか行うことができない。従って、通常のトレーニングで実施可能な症例には限度があり、他の様々な症例に対して適用するためには相当に高度なトレーニング及び習熟が必要になる。
このような観点から、従来の鉗子を改良し、作業部に複数の関節を有する鉗子の開発が行われている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のマニピュレータは、人手によって操作される操作部と、操作部に対して交換自在に着脱される作業部とから構成される。このようなマニピュレータでは、従来の鉗子のような制約や不自由がなく、手技が容易となり、適用可能な症例が多くなり、また、作業部の種類を交換することにより種々の手技に対応することができる。
このようなマニピュレータでは、制御部においてモータの回転角度を角度センサで計測し、得られた回転角度の信号と動作指令値と比較してモータをフィードバック駆動する。モータは、ワイヤ等の動力伝達部材を介して、連結シャフトの先端に設けられた先端動作部を動作させる。
一方、このようなマニピュレータをロボットアームにより駆動する医療用ロボットシステムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
上記のように、マニピュレータでは、モータの回転角度の信号と動作指令値と比較してモータをフィードバック駆動しており、負帰還のフィードバックループが形成されることがある。フィードバック制御をすることにより、先端動作部を動作指令値に合わせて精度良く動作させることができて好適である。
一方、フィードバック制御では、フィードバックループのいずれかの１箇所が途切れると正常な動作がなされず、特に、センサから減算点までのフィードバック帰還経路が途切れると、オープンループとなって動作指令値に応じた信号帰還が得られないことになり、先端動作部が意図しない動作をする懸念がある。
このため、角度センサの信号を伝達する経路は信頼性の高い構造にすることが望ましい。さらには、不測の事態に備えてフィードバック系の異常の有無を判断できるとよいが、このような異常判断はマニピュレータの手技に影響を与えないことが望ましい。
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、手技に影響を与えることなく、系の異常判断をすることのできる医療用マニピュレータを提供することを目的とする。
本発明に係る医療用マニピュレータは、モータを備えたアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部に着脱自在で前記モータの回転軸に接続される回転体を備える接続部と、前記接続部から延在する連結シャフトの先端に設けられ、動力伝達部材を介して前記回転体に連動する先端動作部と、前記モータの回転角度を検出する角度センサと、前記角度センサの信号を読み込み、動作指令値と比較して前記モータをフィードバック駆動する制御部とを有し、前記制御部は、前記角度センサによるフィードバックを一時的に停止してオープンループとし、前記モータは微小動作するが前記先端動作部は動作しない程度の微小な電流信号を前記モータに出力して、前記角度センサの信号を監視し、前記モータ及び前記角度センサを含む系の異常の有無を判断することを特徴とする。
このように、一時的にオープンループとした状態で、前記モータは微小動作するが前記先端動作部は動作しない程度の微小な電流信号をモータに出力して、系の異常判断をすると、手技に影響を与えることがない。
前記アクチュエータ部は、前記モータの回転を減速して前記回転体に伝達する減速機を備え、前記制御部は、前記系の異常の有無を判断する際に、前記減速機の出力軸が動かない範囲で異常の有無を判断してもよい。これにより、前記接続部を前記アクチュエータ部から取り外しているときでも、減速機の出力軸は動かないので、操作者に対して視覚的な違和感を与えることがない。
前記制御部は、正逆の両回転方向の信号を前記モータに出力してもよい。このように、正逆の両回転方向の信号をモータに与えることにより、ギアの噛み合わせ状態等により、いずれか一方に回転しにくい場合があっても、他方には容易に回転するので、モータ及び角度センサが正しく反応し、異常判断の信頼性が向上する。
前記制御部は、システム起動後で、前記先端動作部を動作させる以前のイニシャル時に、前記系の異常の有無を判断してもよい。このようにイニシャル時に異常判断をしておくことにより、その後の動作モードにおける手技の信頼性が一層高まる。
また、本発明に係る医療用マニピュレータは、モータを備えたアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部に着脱自在で前記モータの回転軸に接続される回転体を備える接続部と、前記接続部から延在する連結シャフトの先端に設けられ、動力伝達部材を介して前記回転体に連動する先端動作部と、前記モータの回転角度を検出する角度センサと、前記角度センサの信号を読み込み、動作指令値と比較して前記モータをフィードバック駆動する制御部とを有し、前記制御部は、前記角度センサの分解能以上で、前記モータは微小動作するが前記先端動作部は動作しない程度の微小な信号をモータに出力して、前記角度センサの信号を監視し、前記モータ及び前記角度センサを含むフィードバック系の異常の有無を判断することを特徴とする。
このように、前記角度センサの分解能以上で、前記モータは微小動作するが前記先端動作部は動作しない程度の微小な信号をモータに出力すると、先端動作部を動かすことなく、角度センサの信号だけが変化し、手技に影響を与えることなく系の異常判断をすることができる。
このような処理によれば、フィードバック系を維持したまま異常の有無を判断することができる。
さらに、本発明に係る医療用マニピュレータは、モータを備えたアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部に着脱自在で前記モータの回転軸に接続される回転体を備える接続部と、前記接続部から延在する連結シャフトの先端に設けられ、動力伝達部材を介して前記回転体に連動する先端動作部と、前記モータの回転角度を検出する角度センサと、前記角度センサの信号を読み込み、動作指令値と比較して前記モータをフィードバック駆動する制御部と、前記モータへ通電する電流値を検出して前記制御部へ供給する電流センサとを有し、前記制御部は、前記角度センサの信号に変化がない場合で、前記電流値がその時点の動作に応じた閾値以上流れているときに、前記モータ及び前記角度センサを含む系の異常検査を行うことを特徴とする。このような処理によれば、動作モードにおいても系の異常判断をすることができる。
本発明に係る医療用マニピュレータによれば、一時的にオープンループとした状態で、電流信号をモータに出力して、先端動作部が動かない時間範囲内で、系の異常判断をすると、手技に影響を与えることがない。
また、先端動作部が動かない範囲で、前記角度センサの分解能以上で、且つ前記モータの動作下限以上に相当する信号をモータに出力すると、先端動作部を動かすことなく、角度センサの信号だけが変化し、手技に影響を与えることなく系の異常判断をすることができる。
以下、本発明に係る医療用マニピュレータについて実施の形態を挙げ、添付の図１〜図９を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施の形態に係る医療用マニピュレータ１０は、先端動作部１２に生体の一部又は湾曲針等を把持して所定の処置を行うためのものであり、通常、把持鉗子やニードルドライバ（持針器）等とも呼ばれる。
医療用マニピュレータ１０は、人手によって把持及び操作される操作部１４と、該操作部１４に対して着脱自在な作業部１６とを備え、操作部１４に対してコネクタ２４を介して着脱自在なコントローラ（制御部）２７を有するマニピュレータシステムとして構成されている。
医療用マニピュレータ１０は、基本構成として操作部１４と作業部１６とを有しており、コントローラ２７は当該医療用マニピュレータ１０の電気的な制御をするものであり、グリップハンドル２６の下端部から延在するケーブル６２に対してコネクタ２４を介して接続されている。制御部であるコントローラ２７の機能の一部又は全部を、例えば操作部１４に一体的に搭載することもできる。
以下の説明では、図１における幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向、及び、連結シャフト４８の延在方向をＺ方向と規定する。また、右方をＸ１方向、左方をＸ２方向、上方向をＹ１方向、下方向をＹ２方向、前方をＺ１方向、後方をＺ２方向と規定する。さらに、特に断りのない限り、これらの方向の記載は医療用マニピュレータ１０が基準姿勢（中立姿勢）である場合を基準として表すものとする。これらの方向は説明の便宜上のものであり、医療用マニピュレータ１０は任意の向きで（例えば、上下を反転させて）、使用可能であることはもちろんである。
作業部１６は、作業を行う先端動作部１２と、操作部１４のアクチュエータブロック（アクチュエータ部）３０に対して接続される接続部１５と、これらの先端動作部１２と接続部１５とを連接する長尺で中空の連結シャフト４８とを有する。作業部１６は、アクチュエータブロック３０における所定の操作によって操作部１４から離脱可能であって、洗浄、滅菌及びメンテナンス等を行うことができる。ここで、アクチュエータブロック３０は作業部１６が装着される箇所を意味するものであり、モータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃを格納する場所に限定されず、ブリッジ２８との接続面３０ａ（図３参照）を含む。
先端動作部１２及び連結シャフト４８は細径に構成されており、患者の腹部等に設けられた円筒形状のトラカール２０から体腔２２内に挿入可能であり、操作部１４の操作により体腔２２内において患部切除、把持、縫合及び結紮等の様々な手技を行うことができる。
操作部１４は、人手によって把持されるグリップハンドル２６と、該グリップハンドル２６の上部から延在するブリッジ２８と、該ブリッジ２８の先端に接続されたアクチュエータブロック３０とを有する。
図３に示すように、グリップハンドル２６は、ブリッジ２８の端部からＹ２方向に向かって延在しており、人手によって把持されるのに適した長さであり、該グリップハンドル２６の近傍には先端動作部１２の動作等に供される入力手段が設けられている。すなわち、このような入力手段として、グリップハンドル２６に近接したＺ１方向にトリガーレバー３２及びスイッチ３６が設けられ、Ｙ１方向に複合入力部３４及び作動スイッチ３５が設けられている。
作動スイッチ３５のＺ１方向でブリッジ２８の上面における視認しやすい箇所にはＬＥＤ２９が設けられている。ＬＥＤ２９は、医療用マニピュレータ１０の制御状態を示すインジケータであり、操作者が容易に認識可能な大きさであり、且つ操作に支障がない程度に十分に小型軽量である。
グリップハンドル２６の下端には、コントローラ２７に接続されるケーブル６２が設けられている。グリップハンドル２６とケーブル６２とはコネクタにより接続されていてもよい。
次に、先端動作部１２を動作させるために操作部１４に設けられる入力手段について説明する。
作動スイッチ３５は、医療用マニピュレータ１０の動作状態の有効又は無効を設定するための入力手段である。ＬＥＤ２９は、医療用マニピュレータ１０の制御状態を示すインジケータであり、操作者が容易に認識可能な大きさであり、且つ操作に支障がない程度に十分に小型軽量である。ＬＥＤ２９は、ブリッジ２８の上面における略中央部で、視認性のよい位置に設けられており、作動スイッチ３５と並んで配置されていることから、例えば、作動スイッチ３５によるＯＮ操作に同期して点灯等をするため、操作者は作動スイッチ３５の操作をしながらその入力状態をＬＥＤ２９により確実に認識することができる。
この場合、コントローラ２７は、作動スイッチ３５の状態を読み込み、オン状態であるときに動作モードとし、オン状態からオフ状態に切り換わったときに自動原点復帰動作としてモータ４０ａ〜４０ｃを所定の原点に戻し、原点に戻った後に停止モードとする。動作モードは、操作部１４の操作指令を有効にしてモータ４０ａ〜４０ｃを駆動するモードである。停止モードは、操作部１４の操作指令の有無に関わらずモータ４０ａ〜４０ｃを停止させるモードである。これらのモード及び動作はコントローラ２７によって区別されて制御され、ＬＥＤ２９及び所定のランプの点灯状態が切り換えられる。
複合入力部３４は、先端動作部１２に対してロール方向（軸回転方向）及びヨー方向（左右方向）の回転指令を与える複合的な入力手段であり、例えば軸回転に動作する第１入力手段によってロール方向指示を行い、横方向に動作する第２入力手段によってヨー方向指示を行うことができる。トリガーレバー３２は、先端動作部１２のグリッパ６０（図１及び図４参照）に開閉指令を与える入力手段である。
図２に示すように、複合入力部３４、トリガーレバー３２には、それぞれ動作量を検出する入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃが設けられており、検出した動作信号をコントローラ２７に供給し、これにより、モータ４０ａ〜４０ｃ及びプーリ５０ａ〜５０ｃが駆動され、ワイヤ５４ａ〜５４ｃ（図４参照）が駆動されることにより先端動作部１２を動作させることができる。
図２及び図３に示すように、トリガーレバー３２は、ブリッジ２８のやや下方でＺ１方向にやや突出したレバーであり、人差し指による操作が容易な位置に設けられている。
トリガーレバー３２は、グリップハンドル２６に対してアーム９８により接続されており、該グリップハンドル２６に対して進退するように構成されている。アーム９８はグリップハンドル２６内で入力センサ３９ｃに接続されており、トリガーレバー３２の進退量が該入力センサ３９ｃによって計測されてコントローラ２７に供給される。トリガーレバー３２は、指を当て、グリップハンドル２６の方向（つまり、Ｚ２方向）に向かって引き込む操作と、グリップハンドル２６からＺ１方向に押し出す操作とが可能に構成され、これにより、グリッパ６０へと開閉指令を与えることができる。
なお、トリガーレバー３２のＹ２方向に設けられたスイッチ３６は、オルタネート式であって、該スイッチ３６を操作することによりトリガーレバー３２により所定の開閉状態とされたグリッパ６０の状態、例えば、閉じ状態を保持しておくことができる。
作業部１６の接続部１５は、樹脂のカバー３７に覆われており、モータ（ＤＣモータ）４０ａ、４０ｂ及び４０ｃの駆動軸に接続されて従動回転されるプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃをそれぞれ回転自在に保持している。モータ４０ａ、４０ｂ、４０ｃには、減速機４２ａ、４２ｂ、４２ｃが内蔵されている。減速機４２ａ〜４２ｃは、例えば遊星式であり、減速比は１：１００〜１：３００程度である。
プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃには、ワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃ（図４参照）が巻き掛けられており、連結シャフト４８の中空部分を通って先端動作部１２まで延在している。ワイヤ５４ａ〜５４ｃは、プーリ５０ａ〜５０ｃ（及び５７ａ〜５７ｃ）に対して滑りが生じないように一部が固定されている。ワイヤ５４ａ〜５４ｃは同種、同径のものを用いることができる。
図４に示すように、連結シャフト４８内を挿通したワイヤ５４ａ、５４ｂ及び５４ｃは、グリッパ６０を備えた先端動作部１２の対応するプーリ５７ａ、５７ｂ及び５７ｃにそれぞれ巻き掛けられている。
従って、プーリ５０ａとプーリ５７ａとの間にワイヤ５４ａが巻き掛けられた状態で当該プーリ５０ａがモータ４０ａによって回転駆動されると、その回転駆動力がワイヤ５４ａを介してプーリ５７ａへと伝達され、該プーリ５７ａを回転させる。そうすると、プーリ５７ａの回転が、例えば歯車５５、歯車リング６４及び歯車６６へと順次伝達され、グリッパ６０を開閉させることができる。医療用マニピュレータ１０では、このようなプーリ５０ａ〜５０ｃ、ワイヤ５４ａ〜５４ｃ及びプーリ５７ａ〜５７ｃを備えた動力伝達部材により、先端動作部１２をロール方向（軸回転方向）、ヨー方向（左右方向）及びグリッパ開閉からなる３自由度の機構として構成している。３自由度の機構は、動作上の機構干渉があるため、該機構干渉を補償するようにモータ４０ａ〜４０ｃを協働させる。
図２に示すように、接続部１５は、左右側面の係合片２００と、下面に開口する３つの嵌合孔２０２ａ、２０２ｂ及び２０２ｃとを有する。３つの嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃは、Ｚ１方向及びＺ２方向の端部近傍に設けられており、Ｙ方向に延在する孔である。
アクチュエータブロック３０には、先端動作部１２が有する３自由度の機構に対応してモータ４０ａ、４０ｂ及びモータ４０ｃが連結シャフト４８の延在方向に沿って並列して設けられている。これらのモータ４０ａ〜４０ｃは小型・細径であって、アクチュエータブロック３０はコンパクトな扁平形状に構成されている。アクチュエータブロック３０は、操作部１４のＺ１方向端部の下方に設けられている。また、モータ４０ａ〜４０ｃは、操作部１４の操作に基づき、コントローラ２７の作用下に回転する。
モータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃには、回転角度を検出することのできるロータリエンコーダ（角度センサ。以下、単にエンコーダという。）４４ａ、４４ｂ及び４４ｃが設けられており、検出した角度信号はコントローラ２７に供給される。
エンコーダ４４ａ〜４４ｃは、先端動作部１２の３軸機構についてそれぞれが所定の角度となるように参照されるものである。先端動作部１２の姿勢を正確に検出するためには、エンコーダ４４ａ〜４４ｃは、それぞれ先端動作部１２に設ければ、３軸機構の角度を直接的に検出できて高精度となるが、以下の理由によりモータ４０ａ〜４０ｃの角度を検出して、先端動作部１２については間接的な検出となっている。
すなわち、１．先端動作部１２は狭いためセンサを設けることが困難であり、２．仮に先端動作部１２にセンサを設けると、先端が重く、操作性が低下し、３．作業部１６は操作部１４から着脱するため、電気的コネクタを設ける必要が生じ、４．作業部１６は洗浄をするために電気部品や電気的接点がないことが望ましく、５．作業部１６の種類によっては、生体組織を焼くために高電圧を印加するのでセンサの絶縁が困難であり、６．作業部１６は消耗品であって廉価であることが望ましく、７．先端動作部１２には回動軸があり、しかも連結シャフト３８内には進退するワイヤ５４ａ〜５４ｃが存在するためセンサの配線が断線してフィードバック系に支障が生じる懸念があるためである。
７番目の理由について付言すれば、医療用マニピュレータ１０は高い信頼性が要求されるため、先端動作部１２を駆動するためのフィードバックループ５０８（図６参照）は、できるだけ少ないユニット間で形成されることが望ましいのである。医療用マニピュレータ１０では、フィードバックループ５０８を操作部１４、ケーブル６２及び制御部２７だけで形成しており、信頼性が高い。
図２に示すように、接続部１５を構成するプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃのＹ２方向下端にはそれぞれ十字状の結合凸部５１ａ、５１ｂ及び５１ｃが設けられ、アクチュエータブロック３０を構成するモータ４０ａ、４０ｂ及び４０ｃの回転軸には十字状の結合凹部４１ａ、４１ｂ及び４１ｃが設けられている。結合凸部５１ａ〜５１ｃと結合凹部４１ａ〜４１ｃとは互いに係合可能であり、すなわち、アクチュエータブロック３０に接続部１５が装着された状態において、モータ４０ａ〜４０ｃの回転がプーリ５０ａ〜５０ｃに対して確実に伝達される。これらの係合部は十字形状に限られない。
接続部１５には、作業部１６を個体識別することのできるＩＤ（識別符号）が付けられたＩＤ部１０４が設けられている。
ＩＤ部１０４には、作業部１６毎に識別が可能なように異なる２次元バーコードであるＱＲコードが付けられている。ＩＤ部１０４のＱＲコードには、作業部１６のそれぞれに対応した型式、仕様、シリアルナンバーの他、製造所、製造日、商品名、等の各種情報が含まれる。
操作部１４は、接続された作業部１６のＩＤ部１０４のＱＲコードを読み取ってコントローラ２７に供給するカメラ１０６を有する。カメラ１０６は、操作部１４中、作業部１６のＩＤ部１０４を臨む位置に取り付けられ、カメラ１０６には、接続された作業部１６のＩＤ部１０４を照明するためのＬＥＤ１０５が付けられている。ここで、ＩＤ部１０４のＩＤ（識別符号）の読取器としては、カメラ１０６に代替してバーコードリーダー、バーコードスキャナを用いることができる。
接続部１５を操作部１４から取り外す場合には、アクチュエータブロック３０の両側面に設けられたレバー２０６を押してそれぞれ外方に開くように傾動させ、該レバー２０６の楔部２０６ａを、接続部１５の両側面に設けられた係合片２００から解放する。これにより接続部１５を操作部１４から上方（Ｙ１方向）に引き抜き、取り外しが可能となる。アクチュエータブロック３０の上面には３本のアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃが設けられており、接続部１５に設けられた嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃに嵌合することにより該接続部１５を安定して保持可能である。接続部１５を操作部１４に取り付ける場合には、３本のアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃがそれぞれ嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃに嵌合するように合わせて、接続部１５を下方（Ｙ２方向）に押し下げる。これにより、レバー２０６は一旦外方に拡がり、その後原位置に戻ることにより係合片２００に係合して、接続が完了する。
接続部１５が載置されるアクチュエータブロック３０の上面３０ｂにおいて、Ｚ２方向の端部近傍には、接続部１５の有無を検出する作業部検出手段１０７が設けられている。作業部検出手段１０７は、対向する位置に設けられた投光器であるＬＥＤ１０７ａと受光器であるフォトダイオード１０７ｂとからなるフォトインタラプタの構成とされており、該ＬＥＤ１０７ａと該フォトダイオード１０７ｂとの間に接続部１５の後端の遮光片１０９（図２参照）が挿入されて遮光することにより該接続部１５が装着されたことを検出できる。ＬＥＤ１０７ａとフォトダイオード１０７ｂは、Ｘ方向に対向する向きで且つ近接した位置に設けられている。
アクチュエータブロック３０には、さらに作業部１６の接続部１５を保持する２つの独立した係合部２１０と、該接続部１５の位置決め機能及び保持機構を有する３本のアライメントピン２１２ａ、２１２ｂ及び２１２ｃとが設けられる。
２つの係合部２１０は、アクチュエータブロック３０の左右側面（Ｘ１及びＸ２側面）で対称位置に設けられており、操作面２０４と、該操作面２０４からＹ１方向に延在するレバー２０６とを有する。レバー２０６はアクチュエータブロック３０の上面よりもＹ１方向に向かってやや突出しており、先端内側がテーパ形状になっている。係合部２１０は、図示しない弾性部材によってレバー２０６が内側に向かう方向に弾性付勢されている。
アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは、嵌合孔２０２ａ〜２０２ｃに対向する位置で、アクチュエータブロック３０の上面におけるＺ１方向端の近傍に２本、Ｚ２方向端の近傍に１本設けられ、それぞれＹ１方向に延在している。Ｚ１方向端の近傍に２本のアライメントピン２１２ａ、２１２ｂがＸ方向に並んで設けられている。
このように、アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは３本設けられていることから、接続部１５は３点で支持され、簡便且つ確実に位置決めを行うことができる。また、３本のアライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは直線状配列ではないため、いずれの方向のねじれに対しても、接続部１５を安定して保持することができる。アライメントピン２１２ａ〜２１２ｃは、このうち２本以上設けられていれば、接続部１５は確実に位置決めがなされて、安定して保持される。この場合、Ｚ方向に離間した２本を選択すると一層安定する。
次に図５を参照してコントローラ２７と操作部１４との通信系統７００について説明する。
通信系統７００は、コントローラ２７と操作部１４とこれらを接続するコネクタ２４及びケーブル６２により構成される。
ＣＰＵ６００には、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）６０２とモータドライバ６０６とが接続される。ＦＰＧＡ６０２には、インターフェース６０４と、カウンタ６０３とを有する。
一方、操作部１４は、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）６１８を備える。
この通信系統７００では、カメラ１０６、ＬＥＤ２９、ＬＥＤ１０７ａ、スイッチ３６、フォトダイオード１０７ｂに関する信号についても送受信をしているが、簡略化のため、図５では省略している。情報量の多いカメラ１０６については、独立的な他の伝送手段を設けてもよい。
操作部１４のモータ４０ａ、４０ｂ、４０ｃにはそれぞれ２本の動力線７４０、７４１、７４２が接続され、ケーブル６２を介してコントローラ２７のモータドライバ６０６に接続される。エンコーダ４４ａ、４４ｂ、４４ｃから相出力パルス送出用のそれぞれ２本（位相が９０°ずれたＡ相信号及びＢ相信号）の信号線７４３、７４４、７４５がカウンタ６０３に入力される。カウンタ６０３は、エンコーダ４４ａ、４４ｂ、４４ｃのＡ相信号及びＢ相信号に基づいたカウントを行いモータ４０ａ、４０ｂ、４０ｃの各回転角度を求めてＣＰＵ６００に供給する。入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃから出力されるアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器６１８を通じてインターフェース６０４に供給される。
エンコーダ４４ａ、４４ｂ、４４ｃの出力信号は、上記の処理をしてカウンタ６０３及びＣＰＵ６００に角度信号として格納するまでの途中の経路上で、検出精度を向上させるために逓倍回路による逓倍処理をしてもよい。通信系統７００による通信はフィードバックループ５０８（図６参照）の制御に影響を与えない程度に十分に高速である。
次に、医療用マニピュレータ１０における異常判断に係る部分を図６に基づいて説明する。医療用マニピュレータ１０の先端動作部１２は３自由度の構成であるが、図６では、代表的にヨー軸の動作に係る部分について説明をする。
図６に示すように、コントローラ２７は、複合入力部３４から得られる信号に基づいて、ヨー方向の目標回転角度を求めて動作指令値Ｃとして出力する動作指令値設定部５００と、カウンタ６０３から得られるモータ４０ｂの回転角度Ｆと動作指令値Ｃとの偏差εを求める減算点５０２と、偏差εに対する補償をする補償部５０４と、動作指令値Ｃ及び回転角度Ｆに基づいて異常判断を行う異常判断部５０６とを有する。さらに、コントローラ２７は、モータ４０ｂに供給される電流値Ｉを検出する電流センサ５０５と、カウンタ６０３と減算点５０２との間を一時的に切断して系をオープンループとする開放部と、減算点５０２に対する入力を動作指令値設定部５００又は異常判断部５０６のいずれか一方に切り換える入力切換部５１０とを有する。電流センサ５０５は、例えばホール素子を用いたセンサである。開放部及び入力切換部５１０は、異常判断部５０６によって操作される。通常の動作モード時では、開放部は閉じてフィードバックループが形成されており、入力切換部５１０では、入力元が動作指令値設定部５００側となっている。
動作指令値設定部５００は、複合入力部３４から得られる±の信号を積算して動作指令値Ｃとして設定する。複合入力部３４から得られる±の信号に対しては、非操作時に不用意に動作指令値Ｃが変動しないように適度な不感帯を設けてもよい。補償部５０４は偏差εが迅速かつ安定して０に収束するような補償をする制御手段であり、例えばＰＩＤ補償をする。
異常判断部５０６は、システム起動後のイニシャル時におけるチェックモードにおいて、開放部を開放してオープンループとし、入力切換部５１０の入力元を異常判断部５０６とし、減算点５０２に微少な検査信号±Ａを供給してカウンタ６０３が出力する回転角度Ｆを監視してモータ４０ｂ及びエンコーダ４４ｂを含む系の異常の有無を判断することができる。
異常判断部５０６は、電流センサ５０５から得られる電流値Ｉに基づいて、さらに複合的な異常判断をすることもできる。
コントローラ２７は、異常判断部５０６によって異常が検出されたときには、所定の異常表示を行うとともに、モータドライバ６０６を停止させる。図６に示すコントローラ２７内の機能の一部又は全部はソフトウェア処理によって実現されていてもよい。
上記のように、モータ４０ｂの回転角度Ｆはエンコーダ４４ｂで検出されてＡ相及びＢ相の信号として出力されカウンタ６０３でカウントすることで得られる。減算点５０２で得られる偏差εは補償部５０４で補償されてモータドライバ６０６からモータ４０ｂに出力されて該モータ４０ｂが回転をする。モータ４０ｂの回転は減速機４２ｂで減速され出力軸からプーリ５０ｂに伝達される。プーリ５７ｂはワイヤ５４ｂを進退駆動させて、プーリ５７ｂを回転させ先端動作部１２をヨー方向に動作させる。この一連の動作に応じて、エンコーダ４４ｂは、モータ４０ｂの回転方向及び回転量に応じてＡ相信号及びＢ相信号を出力し、カウンタ６０３がこれをカウントすることによりモータ４０ｂのその時点の回転角度Ｆを出力する。やがて、先端動作部１２が所定の目標角度になったときＣ＝Ｆであり、偏差εは、ε＝Ｃ−Ｆ＝０となることから、モータドライバ６０６の出力電流は０となり、モータ４０ｂ、プーリ５０ｂ及びプーリ５７ｂは停止する。このように、医療用マニピュレータ１０では、アクチュエータとしてのモータ４０ｂ、センサとしてのエンコーダ４４ｂ、及び、減算点５０２等を含む負帰還のフィードバックループ５０８の系が形成されている。
次に、このように構成される医療用マニピュレータ１０におけるフィードバックループ５０８の異常を検出する手順について説明する。この異常の検出は、システム起動後で、先端動作部１２を動作させる以前のイニシャル時のチェックモードで行う異常判断と、その後に、複合入力部３４及びトリガーレバー３２の操作を有効にして先端動作部１２を動作させる動作モードにおける異常判断がある。
先ず、システム起動後のチェックモードにおける異常判断について図７を参照しながら説明する。図７に示すチェックモードはシステムの起動直後に行う。
図７のステップＳ１において、所定の初期化処理を行う。この初期化処理では、カウンタ６０３の値及び動作指令値Ｃを０にプリセットするとともに、複合入力部３４及びトリガーレバー３２等からの入力を一時的に無効化しておく。また、通信系統７００を介して得られる回転角度Ｆが０であることを確認しておく。この時点では、操作部１４に対して作業部１６が装着されているものとする。
ステップＳ２において、開放部を開放してオープンループとし、入力切換部５１０の入力元を異常判断部５０６とし、さらに、減算点５０２に微少な検査信号Ａを出力してカウンタ６０３が出力する回転角度Ｆを監視する。このとき、電流センサ５０５を参照して検査信号Ａに応じた電流Ｉが正常に発生しているか調べ、適当な電流のフィードバックを行ってもよい。
検査信号Ａは微小な信号であって、これに対応する電流Ｉによって発生するトルクは相当に小さく、減速機４２ｂや先端動作部１２を駆動することはないが、ギア（減速機４２ｂや、先端動作部１２内のギア）のガタやバックラッシュの範囲内の実質的な無負荷範囲内では動作が可能である。この無負荷動作範囲は、相当に小さい範囲であるがエンコーダ４４ｂによって検出可能なレベルとなっている。このとき、先端動作部１２は、少なくとも通常の注意力では動作が確認され得ず、操作者に違和感を与えることがない。検査信号±Ａは、計算、シミュレーション及び実験等によって求められる。
フィードバックループ５０８の系に異常がないときには、モータ４０ｂは無負荷動作範囲内で回転し、これをエンコーダ４４ｂによって検出し、正常であることを認識できる。
一方、フィードバックループ５０８の駆動側ライン、つまり動力線７４１に断線又は短絡等の支障が発生していた場合には、モータ４０ｂは回転することがなく、又は極めて僅かしか回転しない。さらに、フィードバックループ５０８の帰還側ライン、つまりエンコーダ４４ｂ、カウンタ６０３、通信系統７００及びこれらの接続線等に支障が発生していた場合には、モータ４０ｂの回転を検出できず、減算点５０２に供給される回転角度Ｆは０のままである。つまり、いずれの異常の場合にも回転角度Ｆは変化がないことになる。
ステップＳ３において、回転角度Ｆの変化ΔＦと閾値Ｔ１とを比較し、ΔＦ＞Ｔ１であることを確認する。閾値Ｔ１は計測誤差を除外するための小さい値である。ΔＦ≦Ｔ１であるとき（つまり、実質的に変化がないとき）には、何らかの駆動系統の異常（例えば、モータドライバ６０６の異常）により、モータ４０ｂが回転していない可能性があり、ステップＳ４へ移りさらに詳細にチェックを行う。
ΔＦ＞Ｔ１であるときは、フィードバックループ５０８は正常に作用していることから、ステップＳ６において、入力切換部５１０の入力元を補償部５０４に戻してフィードバックループ５０８をクローズドループに戻し、図７に示すチェックモードを終了する。チェックモードを終了したら図８に示す動作モードへ移行する。
一方、ΔＦ≦Ｔ１となるのは３つのケースが考えられる。第１に、動力線７４１から電流が正常に供給されず、モータ４０ｂが回転をしていない場合であり、第２に、モータ４０ｂは回転をしているがフィードバックループ５０８の帰還ラインに支障があって、その回転が回転角度Ｆとして検出されていない場合であり、第３に、電気的なフィードバックループ５０８は正常であるが、ギアのバックラッシュの極性によってモータ４０ｂがやや動きにくくなっている場合である。第３の場合には、無負荷動作範囲内でモータ４０ｂは逆極性の方向には回転可能であると考えられる。この場合、機械的に＋方向へは動作しづらくなっているのであるが、そもそも検査信号Ａが非常に小さい値となっており、モータ４０ｂが発生するトルクが余り大きくないことが原因であり、この後の動作モードで使用する際には問題がない。
ステップＳ４において、検査信号Ａを、−Ａに変更する。
ステップＳ５において、回転角度Ｆの変化ΔＦと閾値Ｔ１とを比較し、ΔＦ＜−Ｔ１であることを確認する。ΔＦ≧−Ｔ１であるときには、フィードバックループ５０８に異常があると判断される。ΔＦ＜−Ｔ１であるときは、フィードバックループ５０８は正常に作用している。つまり、上記の第３の場合であって、プラス方向へはバックラッシュ等の機械的理由によりやや動きにくいが、マイナス方向へは動くことができるので、少なくとも電気的には正常であると判断することができ、ステップＳ６に移り、その後チェックモードを終了する。
一方、ΔＦ≧−Ｔ１である場合は、上記の第１の場合又は第２の場合に相当し、フィードバックループ５０８に何らかの異常があると考えられるので、ステップＳ７に移って異常対応処理を行う。異常対応処理としては、例えば、電流Ｉを０に戻し、所定の異常警報を発生させるとともに、モータドライバ６０６を停止させる。
上述したように、イニシャルチャック時のチェックモードにおける異常判断処理によれば、フィードバックループ５０８を一時的にオープンループとしておき、先端動作部１２が動かないような小さいトルクを発生させる検査信号±Ａをモータ４０ｂに出力すると、ギアのガタ等に相当する無負荷動作範囲内でだけ回転し、先端動作部１２を動かすことなく、エンコーダ４４ｂの信号だけが変化し、操作者に違和感を与えることがなくフィードバックループ５０８の異常判断をすることができる。フィードバックループ５０８には、通信系統７００が含まれていることから、該通信系統７００の通信動作についても同時にチェックすることができる。
また、先端動作部１２が動かない範囲でモータ４０ｂを駆動することから、該先端動作部１２の状態に関わらずに異常判断をすることができ、例えば、先端動作部１２が動作範囲のエンドに達している場合（グリッパ６０については、該グリッパ６０が閉じている場合）についても異常判断をすることができる。
さらに、正逆の両回転方向の検査信号±Ａに基づいてモータ４０ｂを駆動することにより、ギアの噛み合わせ状態等により、いずれか一方に回転しにくい場合があっても、他方には容易に回転するので、モータ４０ｂ及びエンコーダ４４ｂが正しく反応し、異常判断の信頼性が向上する。
さらにまた、イニシャル時に予め異常判断をしておくことにより、その後の動作モードにおける手技の信頼性が一層高まる。
角度センサとしてはエンコーダ４４ｂを用いており、その出力はＡ相及びＢ相のパルス信号であるが、コントローラ２７では、Ａ相及びＢ相信号をカウントするカウンタ６０３の値に基づいてチェックをするので、簡便且つ確実な判断ができる。
検査信号±Ａに対応した電流Ｉは小さく、モータ４０ｂを動作させるための無駄なエネルギー消費がない。
なお、上記の例では、作業部１６が操作部１４に装着されている場合について説明したが、作業部１６は、操作部１４から取り外されていてもよい。この場合、検査信号±Ａは、減速機４２ｂ内のギアのガタに対応した無負荷動作範囲で動作させるようにするとよい。これにより、接続部１５をアクチュエータブロック３０から取り外しているときでも、露呈されている減速機４２ｂの出力軸は動かないので、操作者に対して視覚的な違和感を与えることがない。
さらに、フィードバックループ５０８のクローズドループを維持したまま、動作指令値Ｃとして、先端動作部１２が動かない範囲で、エンコーダ４４ｂの分解能以上で、且つモータ４０ｂの動作下限以上に相当する小さい位置信号を該モータ４０ｂに出力して、エンコーダ４４ｂの信号を監視し、フィードバックループ５０８の異常の有無を判断してもよい。このような処理によれば、フィードバックループ５０８を維持したまま異常の有無を判断することができる。
次に、ステップＳ８において、作業部検出手段１０７の信号を確認し、作業部１６が装着されるまで待機する。作業部１６が装着されたことを確認したらステップＳ９へ移る。
ステップＳ９において、カメラ１０６によるＩＤ部１０４の撮像を行い、作業部１６の型式、個体番号等を取得する。
ステップＳ１０において、作業部１６の型式に基づく種類別初期設定を行う。
ステップＳ１１において、複合入力部３４及びトリガーレバー３２等からの入力を有効化するとともに、動作指令値設定部５００を有効化することにより、操作者の操作に基づく先端動作部１２の動作を可能にする。これ以後、所定の停止モード、原点復帰モード等の例外的処理時以外で、動作指令値設定部５００はリアルタイムで動作指令値Ｃを出力し、先端動作部１２を駆動する。
次に、動作モードにおける異常判断について図８に基づいて説明する。図８に示す処理は、動作モード時において所定の微小時間間隔で実行される。
図８のステップＳ１０１において、異常判断部５０６は、回転角度Ｆを参照して、先端動作部１２の各軸が動作中であるか否かを確認する。基本的には、先端動作部１２の３軸のうちいずれか１つでも動作中であれば待機をするが、いずれか１つの軸でも停止していれば該停止軸について以下の判断処理を行ってもよい。
ステップＳ１０２において、電流センサ５０５を参照して停止中の軸について電流Ｉを調べる。
ステップＳ１０３において、所定の動作状態判断により、停止中の軸の動作状態を判断する。この動作状態判断は、例えば、グリッパ６０については、無負荷停止中、ワーク（針等）把持中、開動作中及び閉動作中の４つ程度に分類される。開動作中及び閉動作中であるときに該グリッパ６０が停止していることは異常である可能性があるが、停止中及びワーク保持中であっても出力の電流Ｉによっては異常である可能性が排除できないため、以下の判断を行う。
ステップＳ１０４において、対象となる停止軸毎に、且つステップＳ１０３で判断された動作状態毎に設定された電流閾値Ｉｔを所定の記憶部から読み出す。
ステップＳ１０５において、電流Ｉと電流閾値Ｉｔとを比較し、Ｉ＞ＩｔであるときにはステップＳ１０６へ移り、Ｉ≦Ｉｔであるときには、図８の今回の処理を終了する。
ステップＳ１０６においては、軸が停止しているのに電流Ｉが相当に流れているということはフィードバックループ５０８に異常が発生している可能性が高いため、フィードバックループ５０８の異常検査を行う。つまり、電流Ｉが流れているということはモータ４０ａ〜４０ｃがトルクを発生している状態と考えられるが、それにも反して角度信号Ｆに変化がないということは、機械的に動かなくなり又はエンコーダ４４ａ〜４４ｃ、カウンタ６０３等のフィードバック信号系に異常が発生している可能性がある。これの検査のため、異常検査として上記のステップＳ２〜Ｓ７（図６参照）と同処理の検査を行う。ただし、停止中であっても、ワーク保持中には保持力を発生させるために相当に大きい電流を発生させるため、上記のステップＳ１０４において、軸別及び動作状態別の閾値読みだしをしている。
この図８に示す処理によれば、先端動作部１２が停止中（角度信号Ｆに変化がない場合）で、電流Ｉがその時点の動作に応じた電流閾値Ｉｔ以上流れているときに、フィードバックループ５０８の異常検査を行うことにより、通常の動作モードにおける異常判断が可能となり、信頼性が一層向上する。
図６〜図８に基づく説明は、代表的にヨー軸に係る部分について説明をしたが、ロール軸及びグリッパ６０の開閉動作に係るフィードバックループについても同様に異常判断をすることが可能であることはもちろんである。ヨー軸、ロール軸及びグリッパ６０の開閉動作に係る各フィードバックループの異常判断は同時並行的に行ってもよい。異常が検出された動作軸は、識別可能なように警報を発生するとよい。
上記実施形態は、例えば図９に示すような医療用ロボットシステム８００に適用してもよい。
医療用ロボットシステム８００は、多関節型のロボットアーム８０２と、コンソール８０４とを有し、作業部８０６はロボットアーム８０２の先端に接続されている。ロボットアーム８０２の先端には前記の医療用マニピュレータ１０と同様な機構を有するマニピュレータ８０８が設けられている。ロボットアーム８０２は、作業部８０６を移動させる手段であればよく、据置型に限らず、例えば自律移動型でもよい。コンソール８０４は、テーブル型、制御盤型等の構成を採り得る。
ロボットアーム８０２は、独立的な６以上の関節（回転軸やスライド軸等）を有すると、作業部８０６の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のマニピュレータ８０８は、ロボットアーム８０２の先端部８１０と一体化している。マニピュレータ８０８は、前記のアクチュエータブロック３０（図１参照）の代わりに、基端側が前記先端部８１０に連結されると共に、内部にモータを収納したアクチュエータブロック８１２を有する。
ロボットアーム８０２は、コンソール８０４の作用下に動作し、プログラムによる自動動作や、コンソール８０４に設けられたジョイスティック８１４に倣った操作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。コンソール８０４は、前記のコントローラ２７（図１参照）の機能を含んでいる。作業部８０６には、前記の先端動作部１２が設けられている。
コンソール８０４には、操作指令部としての２つのジョイスティック８１４と、モニタ８１６が設けられている。図示を省略するが、２つのジョイスティック８１４により、２台のロボットアーム８０２を個別に操作が可能である。２つのジョイスティック８１４は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ８１６には、内視鏡による画像等の情報が表示される。
ジョイスティック８１４は、上下動作、左右動作、捻り動作、及び傾動動作が可能であり、これらの動作に応じてロボットアーム８０２を動かすことができる。ジョイスティック８１４はマスターアームであってもよい。ロボットアーム８０２とコンソール８０４との間の通信手段は、有線、無線、ネットワーク又はこれらの組合わせでよい。
本発明に係る医療用マニピュレータは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０…医療用マニピュレータ １２…先端動作部
１４…操作部 １５…接続部
１６…作業部 ２７…コントローラ（制御部）
３０、８１２…アクチュエータブロック（アクチュエータ部）
３２…トリガーレバー ３４…複合入力部
４０ａ〜４０ｃ…モータ ４２ａ〜４２ｃ…減速機
４４ａ〜４４ｃ…エンコーダ（角度センサ） ４８…連結シャフト
５０ａ〜５０ｃ、５７ａ〜５７ｃ…プーリ（回転体）
５４ａ〜５４ｃ…ワイヤ（動力伝達部材） ５００…動作指令値設定部
５０２…減算点 ５０４…補償部
５０６…異常判断部 ５０８…フィードバックループ
６０３…カウンタ Ｃ…動作指令値
Ｆ…回転角度
１４…操作部 １５…接続部
１６…作業部 ２７…コントローラ（制御部）
３０、８１２…アクチュエータブロック（アクチュエータ部）
３２…トリガーレバー ３４…複合入力部
４０ａ〜４０ｃ…モータ ４２ａ〜４２ｃ…減速機
４４ａ〜４４ｃ…エンコーダ（角度センサ） ４８…連結シャフト
５０ａ〜５０ｃ、５７ａ〜５７ｃ…プーリ（回転体）
５４ａ〜５４ｃ…ワイヤ（動力伝達部材） ５００…動作指令値設定部
５０２…減算点 ５０４…補償部
５０６…異常判断部 ５０８…フィードバックループ
６０３…カウンタ Ｃ…動作指令値
Ｆ…回転角度
Claims (6)
- モータを備えたアクチュエータ部と、
前記アクチュエータ部に着脱自在で前記モータの回転軸に接続される回転体を備える接続部と、
前記接続部から延在する連結シャフトの先端に設けられ、動力伝達部材を介して前記回転体に連動する先端動作部と、
前記モータの回転角度を検出する角度センサと、
前記角度センサの信号を読み込み、動作指令値と比較して前記モータをフィードバック駆動する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記角度センサによるフィードバックを一時的に停止してオープンループとし、前記モータは微小動作するが前記先端動作部は動作しない程度の微小な電流信号を前記モータに出力して、前記角度センサの信号を監視し、前記モータ及び前記角度センサを含む系の異常の有無を判断することを特徴とする医療用マニピュレータ。 - 請求項１記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記アクチュエータ部は、前記モータの回転を減速して前記回転体に伝達する減速機を備え、
前記制御部は、前記系の異常の有無を判断する際に、前記減速機の出力軸が動かない範囲で異常の有無を判断することを特徴とする医療用マニピュレータ。 - 請求項１又は２記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記制御部は、正逆の両回転方向の信号を前記モータに出力することを特徴とする医療用マニピュレータ。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記制御部は、システム起動後で、前記先端動作部を動作させる以前のイニシャル時に、前記系の異常の有無を判断することを特徴とする医療用マニピュレータ。 - モータを備えたアクチュエータ部と、
前記アクチュエータ部に着脱自在で前記モータの回転軸に接続される回転体を備える接続部と、
前記接続部から延在する連結シャフトの先端に設けられ、動力伝達部材を介して前記回転体に連動する先端動作部と、
前記モータの回転角度を検出する角度センサと、
前記角度センサの信号を読み込み、動作指令値と比較して前記モータをフィードバック駆動する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記角度センサの分解能以上で、前記モータは微小動作するが前記先端動作部は動作しない程度の微小な信号をモータに出力して、前記角度センサの信号を監視し、前記モータ及び前記角度センサを含むフィードバック系の異常の有無を判断することを特徴とする医療用マニピュレータ。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の医療用マニピュレータにおいて、
前記モータへ通電する電流値を検出して前記制御部へ供給する電流センサを有し、
前記制御部は、前記角度センサの信号に変化がない場合で、前記電流値がその時点の動作に応じた閾値以上流れているときに、前記モータ及び前記角度センサを含む系の異常検査を行うことを特徴とする医療用マニピュレータ。
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