CN105979850A

CN105979850A - 机械手系统及其控制方法

Info

Publication number: CN105979850A
Application number: CN201580008237.7A
Authority: CN
Inventors: 畠山直也; 饭田雅敏; 若井浩志
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2016-09-28
Also published as: EP3108797A4; JP2015154814A; US20160338784A1; EP3108797A1; WO2015125796A1

Abstract

在插入部复杂弯曲的情况下也能够高精度地对前端的机械手进行控制。提供一种机械手系统，其具有：软性的插入部(10)；机械手(6)，其在插入部(10)的前端具有被驱动的关节部；驱动部(7)，其在插入部(10)的基端侧对机械手(6)的关节部进行驱动；形状估计部，其估计插入部(10)的形状；以及控制部，其根据由形状估计部估计出的插入部(10)的形状对驱动部(7)进行控制，形状估计部具有在插入部(10)中沿着其长度方向隔开间隔配置的多个被检测体(14)、检测被检测体(14)的三维位置的位置检测部(15)、根据由位置检测部(15)检测到的被检测体(14)的三维位置将插入部(10)的形状划分为沿着其长度方向排列的多个片段(SS)来进行计算的形状计算部。

Description

机械手系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械手系统及其控制方法。

背景技术

以往，公知有使用UPD装置进行内窥镜的弯曲部的形状检测并利用检测到的形状对弯曲部进行控制的内窥镜系统(例如参照专利文献1。)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-131406号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在软性内窥镜中，不仅是弯曲部，与其基端侧连接的插入部也根据插入路径而使形状复杂地变化，所以，在检测弯曲部的形状并加以利用的专利文献1的内窥镜系统中，存在很难高精度地对弯曲部进行控制的不良情况。

本发明是鉴于上述情况而完成的，提供在插入部复杂弯曲的情况下也能够高精度地对前端的机械手进行控制的机械手系统及其控制方法。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明提供以下手段。

本发明的一个方式是一种机械手系统，其具有：软性的插入部；机械手，其在该插入部的前端具有被驱动的关节部；驱动部，其在所述插入部的基端侧对所述机械手的所述关节部进行驱动；形状估计部，其估计所述插入部的形状；以及控制部，其根据由该形状估计部估计出的所述插入部的形状对所述驱动部进行控制，所述形状估计部具有在所述插入部上沿着其长度方向隔开间隔配置的多个被检测体、检测各该被检测体的三维位置的位置检测部、根据由该位置检测部检测到的各所述被检测体的三维位置将所述插入部的形状划分为沿着其长度方向排列的多个片段来进行计算的形状计算部。

根据本方式，在将插入部从其前端侧插入到体腔内时，插入部模仿体腔的形状而使其形状变化。此时，配置在插入部上的被检测体被配置成在插入部的长度方向上隔开间隔分散存在，所以，通过位置检测部检测各被检测体的三维位置，由此，能够通过形状估计部估计沿着插入部的长度方向的形状。

该情况下，形状计算部将插入部的形状划分为在长度方向上排列的多个片段来进行计算，所以，即使在各片段中通过简单的形状进行估计，也能够高精度地计算整体变形为复杂形状的插入部的形状。其结果，能够根据估计出的插入部的形状，通过控制部高精度地对配置在插入部的基端侧的驱动部针对插入部前端的机械手的驱动进行控制。

在上述方式中，也可以是，所述形状计算部在相邻的2个所述被检测体之间设定各所述片段。

由此，能够设定最大数量的片段，即使在各片段中利用简单形状来估计插入部的形状，作为插入部整体，也能够估计复杂的形状。

在上述方式中，也可以是，所述形状计算部以包含相邻的3个所述被检测体的方式设定各所述片段。

由此，能够通过穿过3个被检测体的曲线，更加高精度地估计插入部的形状。

在上述方式中，也可以是，所述形状计算部按照每个所述片段，利用单一的圆弧对相邻的2个所述被检测体之间进行近似。

由此，能够按照针对每2个被检测体设定的每个片段，通过穿过2个被检测体的圆弧简易且有效地估计插入部的形状。

在上述方式中，也可以是，所述形状计算部按照每个所述片段，利用单一的圆弧对相邻的3个所述被检测体之间进行近似。

由此，能够按照针对每3个被检测体设定的每个片段，通过穿过3个被检测体的圆弧简易且有效地估计插入部的形状。

在上述方式中，也可以是，所述形状计算部以包含相邻的3个以上的所述被检测体的方式设定各所述片段，根据各所述被检测体的三维位置，通过曲线拟合来求出表示各所述片段内的所述插入部的形状的曲线的多项式。

本发明的另一个方式是一种机械手的控制方法，其中，划分为沿着软性的插入部的长度方向排列的多个片段来计算该插入部的形状，根据计算出的所述插入部的形状，对配置在该插入部的基端侧的驱动部针对配置在所述插入部的前端的机械手的驱动进行控制。

根据本方式，即使在各片段中通过简单的形状进行估计，也能够高精度地计算整体变形为复杂形状的插入部的形状。而且，能够根据估计出的插入部的形状，高精度地对配置在插入部的基端侧的驱动部针对插入部前端的机械手的驱动进行控制。

发明效果

根据本发明，发挥在插入部复杂弯曲的情况下也能够高精度地对前端的机械手进行控制的效果。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的机械手系统的整体结构图。

图2是示出图1的机械手系统的机械手的立体图。

图3是说明图2的机械手的控制的框图。

图4是说明安装在图2的机械手的软性部上的磁线圈的配置的图。

图5是示出图4的软性部弯曲的状态的图。

图6是说明通过单一的圆弧来估计图5的软性部的1个片段的形状的情况的图。

图7是对图6中估计出形状的片段进行模式化的图。

图8是示出用于对图1的机械手系统中的软性部的(a)1个片段进行模型化的各值的图，(b)是示出软性部的线模型的图。

图9是示出图8的变形例的软性部的线模型的图。

图10是图1的机械手系统的变形例，是说明基于包含3个磁线圈的片段的估计的图。

图11是图1的机械手系统的变形例，是说明基于重复的片段的估计的图。

图12是说明软性部的形状估计的另一个方法的图。

图13是说明软性部的形状估计的又一个方法的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的一个实施方式的机械手系统1及其控制方法进行说明。

如图1所示，本实施方式的机械手系统1具有由医师A操作的主装置2、通过经由该主装置2的输入而被驱动的从装置3、根据针对主装置2的输入而对从装置3进行控制的控制器4、监视器5。

如图2所示，从装置3具有插入到患者P的体腔内的本实施方式的机械手6、对该机械手6进行驱动的驱动部7、用于检测机械手6的形状的传感器系统8。

机械手6是具有能够弯曲的软性的细长的插入部9的软性内窥镜，具有细长的软性部10、配置在前端的前端部11、配置在这些前端部11与软性部10之间的弯曲部12。

驱动部7具有由马达7a驱动的直动机构13a、以能够拆装的方式安装在该直动机构13a上且在内部收容有线的连接部13b、使多个连接部13b集合的中继部13c，所述线将连接部13b与前端部11之间连接起来。前端部11例如是具有多个关节的臂，通过线的牵引力对各关节进行驱动。

如图3所示，驱动部7的马达7a根据从控制器4送来的指令信号进行驱动，并且进行控制，以使得通过反馈马达7a所具有的检测驱动量的编码器的输出来实现指令信号那样的驱动量。

传感器系统8例如具有在软性部10中沿着长度方向隔开间隔配置的多个磁线圈(被检测体)14、以及接收从该磁线圈14产生的磁的天线(形状检测部)15。通过天线15接收从磁线圈14产生的磁，由此，能够取得各磁线圈14的三维位置信息。由传感器系统8取得的各磁线圈14的三维位置信息被送到控制器4。

控制器4具有根据所送来的各磁线圈14的三维位置信息计算软性部10的形状的形状计算部16、以及根据由该形状计算部16估计出的软性部10的形状对驱动部7进行控制的控制信号产生部17。

通过传感器系统8和形状计算部16构成形状估计部。

控制信号产生部17将沿着线的长度方向的移位量作为指令信号输出到驱动部7。

下面，对本实施方式的机械手系统1的控制器4中设置的形状计算部16的动作进行说明。

如图4所示，形状计算部16预先存储软性部10所具有的磁线圈14的沿着软性部10的间隔尺寸S。而且，形状计算部16按照相邻的2个磁线圈14来设定片段SS，按照每个片段SS计算软性部10的形状。

使用由传感器系统8取得的各磁线圈14的三维位置信息，如图5和图6所示，通过下式计算所有相邻的2个磁线圈14间的弦的长度L。

L＝√((x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2)

这里，在图5和图6中仅示出前端的2个磁线圈14，(x1、y1、z1)、(x2、y2、z2)分别是相邻的2个磁线圈14的坐标位置。

当假设图5那样弯曲的相邻的2个磁线圈14间的软性部10如图6和图7所示以同样的曲率半径R弯曲时，能够通过反复计算来计算曲率半径R，以使得下式(1)成立。

L-2Rsin(S/2R)＝0 (1)

由此，将所有相邻的2个磁线圈14间的软性部10估计为以曲率半径R弯曲的圆弧。

控制器4对驱动部7进行控制，所以，根据图8所示的线模型，具有如数学式1所示那样记述的运动方程式。关于线模型，在图8(b)所示的例子中，假设利用具有规定刚性的弹簧19来连结各片段SS的具有质量m的质点18，数学式1的运动方程式成立。这里，例示了片段SS的数量为3个的情况。

【数学式1】

(\begin{matrix} m_{1} & 0 & 0 \\ 0 & m_{2} & 0 \\ 0 & 0 & m_{3} \end{matrix}) (\begin{matrix} z_{1}^{''} \\ z_{2}^{''} \\ z_{3}^{''} \end{matrix}) = - (\begin{matrix} c_{1} & 0 & 0 \\ 0 & c_{2} & 0 \\ 0 & 0 & c_{3} \end{matrix}) (\begin{matrix} z_{1}^{'} \\ z_{2}^{'} \\ z_{3}^{'} \end{matrix}) + (\begin{matrix} T_{0} - T_{1} - f_{1} \\ T_{1} - T_{2} - f_{2} \\ T_{2} - T_{3} - f_{3} \end{matrix})

其中，

m1、m2、m3是各片段SS(1～3)中的线的质量，

c1、c2、c3是各片段SS(1～3)中的沿着线的长度方向的粘性摩擦系数，

z1′、z2′、z3′是各片段SS(1～3)中的沿着线的长度方向的移动速度，

z1″、z2″、z3″是各片段SS(1～3)中的沿着线的长度方向的加速度，

T0、T1、T2、T3是各片段SS(1～3)中的对线施加的张力，

f1、f2、f3是各片段SS(1～3)中的摩擦力。

在该运动方程式中，摩擦力f(各摩擦力f1、f2、f3)由下式表示。

【数学式2】

f＝sgn(z′)μ(ΔS/R)T

其中，

sgn(z′)是表示速度z′的符号的函数，

μ是动摩擦系数，

ΔS是弧的长度，

R是曲率半径，

T是张力。

在数学式2中，曲率半径R使用通过式(1)估计出的值。

根据该数学式2，摩擦力f根据构成各片段SS的软性部10的弯曲而变动。因此，在构成各片段SS的软性部10的弯曲发生变化的情况下，作为该摩擦力f的变化，对控制器4中存储的运动方程式进行修正。

下面，对这样构成的本实施方式的机械手系统1的作用进行说明。

在使用本实施方式的机械手系统1对配置在患者P的体腔内的患部进行处置时，将机械手6从前端部11导入到体腔内，使前端部11与患部对置。

这样，构成机械手6的插入部的软性部10模仿体腔的形状而复杂地弯曲。在该状态下，通过传感器系统8的工作，通过天线15来检测装配在软性部10上的磁线圈14的三维位置。

由天线15检测到的各磁线圈14的位置信息被送到控制器4，由此，通过控制器4所具有的形状计算部16计算软性部10的形状。

该情况下，在本实施方式的机械手系统1中，形状计算部16按照沿着该软性部10的长度方向排列的多个片段SS来计算软性部10。

在本实施方式所示的例子中，形状计算部16对所有相邻的每2个磁传感器14设定片段SS，通过单一的圆弧来估计各片段SS的软性部10，所以，能够通过简易的估计而高精度地计算复杂的软性部10的形状。然后，根据按照每个片段SS估计出的软性部10的曲率半径R，通过数学式2计算摩擦力f，通过按照每个片段SS计算出的摩擦力f1、f2、f3对数学式1的运动方程式进行修正。

控制信号产生部17通过求解该数学式1的运动方程式，计算作为指令信号的线的移位量A，并且，从该移位量A换算为实现该移位量A的马达的驱动量后，将其输出到驱动部7。由此，马达7a以所指示的驱动量进行驱动，线以期望的移位量进行移位，构成前端部11的臂的各关节被高精度地驱动。

这样，本实施方式的机械手系统1及其控制方法具有如下优点：在通过配置在软性部10的基端侧的马达7a牵引线来驱动配置在软性部10的前端的臂的情况下，在软性部10弯曲成复杂形状时，也能够高精度地估计其形状，能够高精度地计算用于驱动臂的关节的指令信号。而且，在形状的估计时，将软性部10分割为多个片段SS，按照每个片段SS利用单一的圆弧而简易地估计形状，所以，能够通过简单的计算来抑制计算所需要的时间，能够实时地进行控制。

另外，在本实施方式中，例示了划分为3个片段SS的情况，但是，如图9和数学式3所示，片段SS的分割数可以是任意的。

【数学式3】

并且，在本实施方式中，按照每个片段SS假设单一的圆弧来估计其曲率半径R，但是，取而代之，也可以估计弯曲角度θ。

并且，在曲率半径R或弯曲角度θ的估计中，运算花费时间，所以，在构成各片段SS的软性部10为直线的情况下或者是同一圆弧这样的已知形状的情况下，也可以省略运算。

例如，在各片段SS中根据2个磁线圈14间的直线距离计算出的软性部10的弦的长度L与沿着软性部10的方向的磁线圈14间的距离相等的情况下，可以视为该片段SS是直线，能够省略曲率半径R等的估计用的反复运算。并且，在任意片段SS中估计出曲率半径R等的情况下，在配置有在该估计出的圆弧上相邻的片段SS的磁线圈14的情况下，不用重新估计曲率半径R等，使用已经估计出的曲率半径R等即可。

并且，磁线圈14的间隔可以是等间隔，也可以不是等间隔。

并且，在相邻的2个磁线圈14之间设置片段SS，将2个磁线圈14间的距离作为弦的长度L来估计圆弧的曲率半径R，但是，取而代之，如图10所示，也可以设各片段SS包含3个以上的磁线圈14，通过穿过这些磁线圈14的位置的圆弧来估计曲率半径R。另外，片段SS可以如图10那样独立，也可以如图11那样重复。

并且，关于软性部10的形状的估计，可以在从装置3的工作中始终实时地进行估计，也可以在用于使从装置3进行工作的准备完成时、或定期地、或根据需要手动进行估计。

并且，在本实施方式中，如图12所示，也可以根据3个以上的磁线圈14的位置信息，通过曲线拟合来求出曲线C的多项式，求出各磁线圈14的位置处的曲线C的切线，运算相邻的切线的倾斜角度α、α+Δα的差分Δα作为弯曲角度。该情况下，当设磁线圈14间的弧长ΔS已知时，可以如下求出曲率半径R。

R＝ΔS/Δα

并且，如图13所示，也可以利用弧长S来表现按照每个片段SS表示软性部10的曲线C，利用弧长ds对其切线矢量t、t+dt的差分dt进行微分，由此，如下式那样求出曲率κ。

κ＝|dt/ds|

并且，在本实施方式中，作为传感器系统8，例示了由设置在软性部10上的磁线圈14和天线15构成的内窥镜插入形状观测装置(UPD；Endoscope Position DetectingUnit)，但是，取而代之，也可以根据CT或MRI等的术前的脏器形状的信息来预测插入后的软性部10的形状。并且，也可以在软性部10上安装变形传感器或光纤传感器等检测弯曲的传感器来检测形状。

并且，作为插入部9的前端的关节部，例示了具有臂的前端部11，但是，也可以是未设置前端部11的软性内窥镜。该情况下，弯曲部12构成插入部的前端的关节部。

并且，作为机械手6，例示了软性内窥镜，但是，也可以是软性处置器械，还可以是软性的外套管。

标号说明

SS：片段；1：机械手系统；6：机械手；7：驱动部；10：软性部(插入部)；14：磁线圈(被检测体)；15：天线(位置检测部、形状估计部)；16：形状计算部(形状估计部)；17：控制信号产生部(控制部)。

Claims

1.一种机械手系统，其具有：

软性的插入部；

机械手，其在该插入部的前端具有被驱动的关节部；

驱动部，其对该机械手的所述关节部进行驱动；

形状估计部，其估计所述插入部的形状；以及

控制部，其根据由该形状估计部估计出的所述插入部的形状对所述驱动部进行控制，

所述形状估计部具有在所述插入部上沿着其长度方向隔开间隔配置的多个被检测体、检测各该被检测体的三维位置的位置检测部、根据由该位置检测部检测到的各所述被检测体的三维位置将所述插入部的形状划分为沿着其长度方向排列的多个片段来进行计算的形状计算部。

2.根据权利要求1所述的机械手系统，其中，

所述形状计算部在相邻的2个所述被检测体之间设定各所述片段。

3.根据权利要求1所述的机械手系统，其中，

所述形状计算部以包含相邻的3个所述被检测体的方式设定各所述片段。

4.根据权利要求2所述的机械手系统，其中，

所述形状计算部按照每个所述片段，利用单一的圆弧对相邻的2个所述被检测体之间进行近似。

5.根据权利要求3所述的机械手系统，其中，

所述形状计算部按照每个所述片段，利用单一的圆弧对相邻的3个所述被检测体之间进行近似。

6.根据权利要求1所述的机械手系统，其中，

所述形状计算部以包含相邻的3个以上的所述被检测体的方式设定各所述片段，根据各所述被检测体的三维位置，通过曲线拟合来求出表示各所述片段内的所述插入部的形状的曲线的多项式。

7.一种机械手的控制方法，其中，

划分为沿着软性的插入部的长度方向排列的多个片段来计算该插入部的形状，

根据计算出的所述插入部的形状，对配置在该插入部的基端侧的驱动部针对配置在所述插入部的前端的机械手的驱动进行控制。