CN101422901A - 机械手装置和医疗设备系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供进行高精度和高效性的驱动的具有多个关节的机械手装置和具有所述机械手装置的医疗设备系统。本发明的机械手装置具有：机械手，其具有多个关节；参数存储单元，其存储关节参数；轨迹输入单元，其输入使机械手从当前位置和姿态移动到目标位置和姿态的轨迹来作为轨迹规划；以及轨迹设定单元，其根据关节参数和轨迹规划来设定关节角轨迹，轨迹设定单元根据关节的最大力量，来设定最少的驱动关节数的关节角轨迹中的最大力量的关节角轨迹。

Description

机械手装置和医疗设备系统

技术领域

本发明涉及机械手装置和医疗设备系统，特别涉及根据目的处置进行有效驱动的具有多个关节的机械手装置和具有所述机械手装置的医疗设备系统。

背景技术

近年来，如下的内窥镜下的外科手术正在盛行：在体壁开设插入孔，通过该插入孔将内窥镜或处置器械经皮肤插入体腔内，由此在体腔内进行各种处置。这种手术方式不需要进行大的切开且伤害小，在胆囊摘出手术或摘出并去除肺的一部分的手术等中广泛应用。进而，为了提高这种手术方式中的操作性，考虑了基于主从方式的医疗用机械手装置。

例如，在日本特开平9-66056号公报中公开了如下的医疗用机械手系统：在使用了多个医疗用机械手装置的手术中，即使在机械手装置产生某些动作不良的情况下，也能够迅速地对其进行应对，安全性和操作性优异，能够缩短手术时间，且能够降低对患者的伤害。

另一方面，在多关节机械手的控制中，为了求出机械手前端的位置和姿态的目标值、即赋予了轨迹规划时各关节的关节角轨迹，使用逆运动学计算。而且，在关节角轨迹的计算中，当驱动的关节数多时，各个关节的驱动误差重叠，整体的误差变大，所以，在日本特开平3-12709号公报中公开了如下的计算方法：使用模糊推理来算出能够以最少的驱动关节数达成目标值的关节角轨迹。

作为比内窥镜下的外科手术伤害更小的手术，具有使用配设在内窥镜的前端部的医疗器械来进行处置的内窥镜手术。然而，贯穿插入于内窥镜的钳子通道中且从前端部突出的处置器械的操作性不好，所以，研究了使用超小型的机械手来使处置器械多自由度化和能动化的方法。该情况下，从前端部突出来使用的超小型的机械手由于其大小的制约而难以成为复杂的结构，另一方面，要求高精度和高效性。但是，在这种超小型的机械手装置中，难以同时实现高精度和高效性。

并且，期望从前端部突出来使用高精度和高效性的超小型的机械手的医疗设备系统。

发明内容

本发明的目的在于，提供进行高精度和高效性的驱动的具有多个关节的机械手装置和具备所述机械手装置的医疗设备系统。

为了达成上述目的，本发明的机械手装置具有：机械手，其具有多个关节；参数存储单元，其存储所述多个关节的各个关节的关节参数；轨迹输入单元，其输入使所述机械手的前端从当前位置和姿态移动到目标位置和姿态的轨迹来作为轨迹规划；以及轨迹设定单元，其根据所述关节参数和轨迹规划来设定所述各个关节的关节角轨迹，所述轨迹设定单元根据存储在所述参数存储单元中的所述各个关节的最大力量，来设定能够移动到所述目标位置和姿态的最少的驱动关节数的关节角轨迹中的最大力量的关节角轨迹。

并且，本发明的医疗设备系统具有机械手装置，该机械手装置具有：机械手，其具有多个关节，并在体内使用；参数存储单元，其存储所述多个关节的各个关节的关节参数；轨迹输入单元，其输入使所述机械手的前端从当前位置和姿态移动到目标位置和姿态的轨迹来作为轨迹规划；以及轨迹设定单元，其基于所述关节参数和所述轨迹规划，根据存储在所述参数存储单元中的所述各个关节的最大力量，设定能够移动到所述目标位置和姿态的最少的驱动关节数的关节角轨迹中的最大力量的关节角轨迹，来作为所述各个关节的关节角轨迹。

附图说明

图1是用于说明医疗设备系统的概要的概要图。

图2是示出医疗设备系统的外观的外观图。

图3A是用于说明机械手的关节功能的说明图。

图3B是用于说明机械手的关节功能的说明图。

图4是机械手的外观立体图。

图5是机械手的剖视图。

图6是用于说明机械手的动作的剖视图。

图7是医疗设备系统的构成图。

图8是用于说明机械手装置的动作流程的流程图。

图9是示出基于机械手的处置的内窥镜摄像图像。

图10是示出所设定的关节角轨迹的例子的图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式。

<医疗设备系统的概要>

图1是用于说明本发明的实施方式的医疗设备系统2的概要的概要图。在图1中，在作为显示单元的显示装置60的显示屏幕上，显示后述的内窥镜装置5的作为摄像单元的CCD 51所拍摄的体内10的摄像图像61。而且，在摄像图像61中显示有2个进行体内10的患部11的处置的具有多个关节的机械手100、200。在机械手100的前端部101配设有手臂，在一个机械手200的前端部201配设有刀臂。

手术医生利用左右手12、13来分别操作作为轨迹输入单元42的左右的主从装置42A、42B，该主从装置42A、42B输入使机械手100、200的前端部101、201从当前位置和姿态移动到目标位置和姿态的轨迹。根据从轨迹输入单元42输入的轨迹信息，机械手控制装置48驱动机械手100、200。

另外，图1所示的医疗设备系统2在具备具有2个机械手的机械手装置的情况下、仅具有1个机械手的情况下、或者具有3个以上的机械手的情况下，其基本结构都与本实施方式的基本结构相同。

并且，医疗设备系统2具有自由度选择单元43A、43B，该自由度选择单元43A、43B根据机械手所具有的自由度来选择特定的自由度，并限制非选择的自由度。本实施方式的机械手具有多个关节，且具有高自由度，但是，在医疗设备系统2中，有时根据处置不同，与高自由度的机械手相比，低自由度的机械手的操作性良好，能够更安全且可靠地进行处理。手术医生能够根据处置利用自由度选择单元43A、43B来限制机械手100、200的自由度。自由度选择单元43的动作在后面详细叙述。

另外，在图1中，示出主从型的轨迹输入单元42，但是不限于此，只要能够输入期望的轨迹，则可以使用键盘、触摸笔或操纵杆等公知的输入单元。

图2是示出本实施方式的医疗设备系统2的外观的外观图。在图2中，2个机械手100、200从内窥镜55的前端部56的钳子孔57、58突出。在前端部56中配设有作为摄像单元的CCD 51和作为照明单元的照明部52B。并且，与图1同样，在机械手100的前端部101配设有手臂，在一个机械手200的前端部201配设有刀臂。

本实施方式的机械手是从内窥镜的前端部突出的超小型的机械手，机械手的直径为2～5mm左右，极小。因此，与公知的大多机械手不同，如果不有效地进行驱动，则难以执行目的处置。

<机械手的结构>

接着，使用图3A～图6说明本实施方式的机械手的结构。图3A和图3B是用于说明机械手200的关节功能的图，图4是机械手200的外观立体图，图5是机械手200的剖视图，图6是用于说明机械手200的动作的剖视图。

图3A示出机械手200的关节，从机械手基端部210(坐标：x0、y0、z0)起，按照直动驱动关节211(坐标：x1、y1、z1)、作为旋转驱动关节的滚动驱动关节212(坐标：x2、y2、z2)、偏转驱动关节213(坐标：x3、y3、z3)、俯仰驱动关节214(坐标：x4、y4、z4)、偏转驱动关节215(坐标：x5、y5、z5)、以及俯仰驱动关节216(坐标：x6、y6、z6)的顺序具有多个关节，在前端部201配设有刀臂。

图3B示出驱动机械手200的关节后的状态，这里，偏转驱动关节213弯曲-θ3，偏转驱动关节215弯曲θ5。

机械手200通过对这些多个关节的关节角度进行调节，能够使前端部201从当前位置和姿态移动到目标位置和姿态。特别地，机械手200具有移动到目标位置和姿态所需要的自由度以上的自由度，换言之，具有超过作业上要求的自由度的自由度，因此，用于移动到目标位置和姿态的各关节的关节角轨迹存在多个。因此，机械手装置1的精度和效率根据选择哪种关节角轨迹而大幅变化。

接着，使用图4～图5详细说明机械手200的结构。如图4的立体图所示，机械手200利用4个关节216～219来连接5个关节块251～255。各关节利用铆钉260固定2个部位，具有能够向一个方向旋转的结构。即，机械手200具有2个俯仰驱动关节216、214和2个偏转驱动关节215、213。在各关节中，在对角线上的2个部位固定角度操作线270的一端，通过未图示的驱动单元23来操作角度操作线270，由此，能够使关节块251～255以各关节为中心弯曲。机械手200的前端部201为刀臂，通过驱动机械手200，使刀臂的位置和姿态变化。

图5是图4所示的机械手200的剖视图。在机械手200的中心部配设有配设在绝缘性的挠性管271内部的能够通上高频电流的刀臂的操作线272，操作线272与刀臂电连接。

图6示出在刀臂收纳于机械手200内部的状态下，角度操作线(未图示)牵引俯仰驱动关节216而使最前端的弯曲块251弯曲的状态。

机械手装置1使用角度操作线进行机械手200的驱动，所以结构简单，可靠性高，且能够实现小型化。

<医疗设备系统的构成>

接着，使用图7说明本实施方式的医疗设备系统2的构成。图7是本实施方式的医疗设备系统2的构成图。另外，以下为了简化说明，对具有1个机械手200的医疗设备系统2进行说明，但是，对于具有多个机械手装置1的医疗设备系统2，只是追加各个机械手装置1用的构成要素，基本结构和动作与以下的说明相同。

图7示出以具有在体内10驱动的驱动部20的机械手(未图示)为中心的医疗设备系统2的构成。机械手具有负荷传感器21、位置传感器22以及驱动单元23。

负荷传感器21驱动机械手的各关节，检测在进行了期望动作时所产生的对各个关节的负荷。在旋转驱动关节的情况下，负荷量是所产生的转矩(N/m)，在直动驱动关节的情况下，负荷量用力(N)表示。作为负荷检测的具体方法，例如在操作线驱动的情况下，能够通过测定操作线的张力来检测负荷。或者，也能够利用应变仪等检测负荷，在利用电动机驱动操作线的情况下，能够根据电动机的功率消耗来进行检测。即，不一定需要在机械手中新组装传感器，能够直接将机械手的构成要素用作传感器，向负荷检测单元40输出负荷信息。

位置传感器22是用于检测各个关节的位置和姿态的传感器，使用磁传感器等。另外，位置传感器22与负荷传感器21同样，不一定需要在机械手中组装传感器，能够利用编码器来检测基于驱动单元23的各关节的位置和姿态的变化，并向位置计算单元41输出位置信息。

轨迹设定单元45根据来自位置计算单元41、轨迹输入单元42和自由度选择单元43的信息和从参数输入单元输入并存储在参数存储单元中的关节参数，设定各个关节的关节角轨迹。

驱动控制单元47按照轨迹设定单元45所设定的关节角轨迹，驱动机械手的关节的驱动单元23。

内窥镜装置50具有：配设在插入部(未图示)前端部的CCD等摄像单元51；用于对体内部进行照明的照明单元52；对摄像单元51所拍摄的图像进行处理等的摄像控制部53；以及进行内窥镜整体的控制的内窥镜控制部54。

并且，显示内窥镜装置50的摄像图像的显示装置60也能够作为触摸面板而用于机械手的轨迹输入等。

另外，不需要使多个关节都具有负荷传感器21、负荷检测单元40、位置传感器22或位置计算单元41等，特别地，直动驱动关节211和滚动驱动关节212也可以为手动驱动。

<机械手装置的动作>

接着，使用图8的流程图说明机械手装置1的动作。图8是用于说明机械手装置1的动作流程的流程图。

“步骤S11”

使用参数输入单元44输入各关节的关节参数，并将其存储在参数存储单元46中。关于关节参数的输入，预先输入即可，不需要每次进行。

关节参数是驱动机械手的各关节所需要的关节信息。在医疗设备系统2中，关节参数具有DH参数(初始坐标、长度、方向等)、关节的可动范围(角度范围和直动范围等)以及关节的动作精度(响应速度等)。进而，在医疗设备系统2中，关节参数具有关节的最大力量和关节的负荷允许量。

关节的最大力量是各关节能够产生的最大的力量，在旋转驱动关节中，能够用转矩量(N/m)或驱动电动机的功率值(W)来表现。并且，关节的负荷允许量是能够施加给各关节的最大的负荷，是当对关节施加超过负荷允许量的负荷时，关节或驱动线有可能产生破损的负荷量，在旋转驱动关节中，也能够用转矩量或驱动电动机的功率值来表现。

另外，通过预先将存储在参数存储单元46中的关节参数按照力量或负荷允许量的顺序排序，从而能够实现步骤S12以后的轨迹输入单元42的处理的高速化。

“步骤S12”

通过轨迹输入单元42，输入使机械手的前端从当前位置和姿态移动到目标位置和姿态的轨迹规划。

“步骤S13”

通过自由度选择单元43，输入限制机械手的自由度的信息。本实施方式的机械手具有能够在三维空间的任意位置呈任意姿态的6自由度。

图9是内窥镜的摄像图像61，示出使用机械手200的前端部201的手术刀切开患部11的处置。该情况下，前端部201优选如箭头A所示那样向左方向沿着直线11B移动，并移动到前端部201B的位置。但是，在手术医生对主从装置(轨迹输入单元42)的操作中，即使手术医生小心翼翼地进行操作，有时也会伴随本来不需要的向俯仰(pitch)方向和滚动方向的移动。

在机械手装置1中，在进行上述处置时，能够通过自由度选择单元43来限制向俯仰(pitch)方向和滚动方向的自由度。另外，在前端部为手术刀臂的情况下，基本不需要滚动方向的自由度。

对于来自自由度选择单元43的自由度限制信息，在后述的轨迹设定单元中，删除轨迹输入单元向被限制的自由度方向的输入。删除输入是指，例如在能够用矢量来表现移动方向的情况下，去除被限制的方向的矢量分量。

而且，由自由度选择单元43来限制自由度，由此，机械手装置1能够更安全且可靠地进行处理。

“步骤S14”

轨迹设定单元45根据关节参数和轨迹规划，来设定各个关节的关节角轨迹。轨迹设定单元45根据存储在参数存储单元46中的各个关节的最大力量，设定能够移动到目标位置和姿态的最少的驱动关节数的关节角轨迹中的最大力量的关节角轨迹。另外，设定最大力量的关节角轨迹是指，不一定选择能够产生最大力量的关节来设定关节角轨迹，而是优先选择力量大的关节(能够产生大的力的关节)，来设定产生最大力量那样的关节角轨迹。

即，在本实施方式的机械手装置1中，通过逆运动学计算来设定关节角轨迹时，使动作精度最为优先，因此，设定驱动关节数最少的关节角轨迹。而且，作为在动作精度之后优先的项目，本实施方式的机械手装置1设定产生力量大的关节角轨迹。

图10示出轨迹设定单元45所设定的关节角轨迹的例子。在图10中，示出2个旋转驱动关节的关节角轨迹。

在医疗用的超小型的机械手装置1中，精度最重要且是超小型，因此，机械手的产生力量小，有时无法执行期望的处置。

由于轨迹设定单元45根据上述基准来设定关节角轨迹，所以，本实施方式的机械手装置1能够更安全且可靠地进行处理。

“步骤S15”

驱动控制单元47按照轨迹设定单元45所设定的关节角轨迹，开始驱动各关节的驱动单元23。

“步骤S16”

开始驱动各关节的驱动单元23后，在各关节产生负荷。特别地，在医疗设备系统2的机械手装置1中，由于要处置的活体部位和个人差异等，其硬度和弹性等物性值有很大不同，所以，没开始处置时，难以预测对关节施加的负荷。

因此，开始驱动单元23的驱动后，负荷检测单元40根据来自负荷传感器21的信息来算出各关节的负荷量。然后，轨迹设定单元45对存储在关节参数存储单元中的各关节的负荷允许量和各关节的负荷量进行比较，在所有关节的负荷量小于负荷允许量的情况下，驱动单元23继续进行驱动，直到机械手前端部移动到目标位置和姿态。

与此相对，在某一个关节的负荷量在负荷允许量以上的情况下，轨迹设定单元45为了设定新的关节角轨迹而进行以后的处理。

“步骤S17”

在存在负荷允许量比当前使用的关节大的未驱动的关节的情况下(Yes)，轨迹设定单元45在步骤S18中变更要驱动的关节。然后，再次算出关节角轨迹。

在没有负荷允许量比当前使用的关节大的未驱动的关节的情况下(No)，进行步骤S19以后的处理。

“步骤S19”

在没有驱动全部关节的情况下(Yes)，轨迹设定单元45在步骤S20中使要驱动的关节数增加1。然后，再次算出关节角轨迹。

“步骤S21”

在步骤S19中，在驱动了全部关节的情况下(No)，轨迹设定单元45不能按照所输入的轨迹使机械手前端部移动到目标位置和姿态，所以，由警告单元70产生警告，并通知给手术医生。警告可以使用向显示装置60的基于视觉的显示、声音、振动等公知的方法。

手术医生接受警告，再次输入新的轨迹规划，由此，能够继续进行处置。

“步骤S22和S23”

在机械手装置1中，驱动控制单元47按照轨迹设定单元45所设定的关节角轨迹，来驱动各关节的驱动单元23，直到机械手前端部移动到目标位置和姿态，机械手装置1继续进行动作，直到步骤S23中存在处置结束信号。

本实施方式的机械手装置1以最少的驱动关节数进行驱动，所以精度高，而且，即使是超小型的机械手，力量也大，所以，能够可靠地进行高精度和高效性的驱动。并且，具有本实施方式的机械手装置1的医疗设备系统2能够可靠地进行高精度和高效性的处置器械的驱动。

本发明不限于上述实施方式，在不改变本发明的主旨的范围内可以进行各种变更、改变等。

Claims (7)

1.一种机械手装置，该机械手装置具有：

机械手，其具有多个关节；

参数存储单元，其存储所述多个关节的各个关节的关节参数；

轨迹输入单元，其输入使所述机械手的前端从当前位置和姿态移动到目标位置和姿态的轨迹来作为轨迹规划；以及

轨迹设定单元，其基于所述关节参数和所述轨迹规划，根据存储在所述参数存储单元中的所述各个关节的最大力量，设定能够移动到所述目标位置和姿态的最少的驱动关节数的关节角轨迹中的最大力量的关节角轨迹，来作为所述各个关节的关节角轨迹。

2.根据权利要求1所述的机械手装置，其中，

该机械手装置还具有检测所述各个关节的负荷量的负荷检测单元，

所述轨迹设定单元根据存储在所述参数存储单元中的所述各个关节的负荷允许量，来设定所述各个关节的所述负荷量不会超过负荷允许量的关节角轨迹。

3.根据权利要求1所述的机械手装置，其中，

该机械手装置还具有进行限制所述机械手的自由度的选择的自由度选择单元，

所述轨迹设定单元删除所述轨迹输入单元向被限制的自由度方向的输入。

4.一种医疗设备系统，该医疗设备系统具有机械手装置，

该机械手装置具有：

机械手，其具有多个关节，并在体内使用；

参数存储单元，其存储所述多个关节的各个关节的关节参数；

轨迹输入单元，其输入使所述机械手的前端从当前位置和姿态移动到目标位置和姿态的轨迹来作为轨迹规划；以及

轨迹设定单元，其基于所述关节参数和所述轨迹规划，根据存储在所述参数存储单元中的所述各个关节的最大力量，设定能够移动到所述目标位置和姿态的最少的驱动关节数的关节角轨迹中的最大力量的关节角轨迹，来作为所述各个关节的关节角轨迹。

5.根据权利要求4所述的医疗设备系统，其中，

该医疗设备系统还具有检测所述各个关节的负荷量的负荷检测单元，

所述轨迹设定单元根据存储在所述参数存储单元中的所述各个关节的负荷允许量，来设定所述各个关节的所述负荷量不会超过负荷允许量的关节角轨迹。

6.根据权利要求4所述的医疗设备系统，其中，

该医疗设备系统还具有进行限制所述机械手的自由度的选择的自由度选择单元，

所述轨迹设定单元删除所述轨迹输入单元向被限制的自由度方向的输入。

7.根据权利要求6所述的医疗设备系统，其中，

所述机械手从内窥镜的前端部向所述体内突出来使用。

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