CN106132270A - 插入装置 - Google Patents

Abstract

插入装置(1)具有：插入部，其沿着从基端侧朝向前端侧的长度轴形成；基础管，其被设置成绕插入部的长度轴旋转自如，具有沿着插入部的长度轴呈螺旋状设置的螺旋翅片；马达(150)，其使基础管旋转；马达控制部(2042)，其供给用于驱动马达(150)的马达电流，对马达(150)的驱动进行控制；以及扭矩限制判定部(2045)，其通过对马达电流的平均值或实效值和规定扭矩限制设定值进行比较，判定马达(2042)的扭矩是否处于极限状态。

Description

插入装置

技术领域

本发明涉及旋转自行式的插入装置。

背景技术

公知有被称为旋转自行式等的插入装置。在旋转自行式的插入装置的插入部的周围设置有旋转筒体，该旋转筒体具有被称为螺旋翅片的能够旋转的螺旋状的凸部。这种旋转自行式的插入装置通过旋转筒体的旋转而在管腔内自动行进。由此，对插入装置相对于管腔内的插入进行辅助。在日本特开2008-93029号公报等所示的内窥镜系统中使用了这种旋转自行式的插入装置。

例如，在内窥镜系统的情况下，通过设置在插入装置的操作部上的马达得到用于使旋转筒体旋转的动力。然后，马达中产生的动力经由设置在插入部内的扭矩轴传递到旋转筒体。由此，旋转筒体旋转。

发明内容

在插入装置插入到管腔内的期间内，有时通过旋转筒体对管腔施加过度的旋转力。期望防止施加这种过度旋转力。为了防止施加这种旋转力，考虑使马达停止。但是，不期望马达频繁停止。

本发明是鉴于所述情况而完成的，其目的在于，提供插入装置，能够适当判定用于停止针对管腔施加过度旋转力的处理的必要的时机。

为了实现所述目的，本发明的一个方式的插入装置具有：插入部，其沿着从基端侧朝向前端侧的长度轴形成；旋转筒体，其被设置成绕所述插入部的长度轴旋转自如，具有沿着所述插入部的长度轴呈螺旋状设置的螺旋翅片；马达，其使所述旋转筒体旋转；马达控制部，其供给用于驱动所述马达的马达电流，对所述马达的驱动进行控制；以及扭矩限制判定部，其通过对所述马达电流的移动平均和规定的扭矩限制设定值进行比较，判定所述马达的扭矩是否处于极限状态。

根据本发明，能够提供能够适当判定用于停止针对管腔施加过度旋转力的处理的必要时机的插入装置。

附图说明

图1是示出作为本发明的各实施方式的插入装置的一例的内窥镜系统的结构的概略的图。

图2是示出控制器的结构的框图。

图3是示出移动平均计算部的电路例的图。

图4是示出插入装置的马达控制的动作的流程图。

图5A是示出扭矩的状态的显示例的第1图。

图5B是示出扭矩的状态的显示例的第2图。

图5C是示出扭矩的状态的显示例的第3图。

图5D是示出扭矩的状态的显示例的第4图。

图6是示出扭矩限制判定区域的图。

图7是示出用于说明第2实施方式的控制器和马达的框线图。

图8A是示出传递特性的切换的第1图。

图8B是示出传递特性的切换的第2图。

图9是动态模拟地示出传递特性的切换后的系统的图。

图10是示出马达控制部的功能的框图。

图11是示出施加了扭矩限制时的扭矩的衰减动作的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

[第1实施方式]

首先，对本发明的第1实施方式进行说明。图1是示出作为本发明的各实施方式的插入装置1的一例的内窥镜系统的结构的概略的图。如该图所示，插入装置1具有内窥镜100、控制器200、监视器310、输入部360。内窥镜100是旋转自行式的内窥镜，具有构成为能够插入到活体内的呈细长形状的插入部110。并且，内窥镜100具有用于进行内窥镜100的各种操作的操作部160。操作部160由使用者来保持。这里，将插入部110的前端的一侧称为前端侧，将操作部160的一侧称为基端侧。并且，设沿着从插入部110的前端侧到基端侧的方向为长度方向。内窥镜100的操作部160和控制器200通过通用缆线190连接。

插入部110具有前端硬性部112、弯曲部114、蛇管部116。前端硬性部112是插入部110的最前端的部分，具有不会弯曲的结构。弯曲部114是形成在前端硬性部112的基端侧的部分，构成为根据设置在操作部160上的未图示的操作旋钮的旋转而主动地弯曲。蛇管部116是形成在弯曲部114的基端侧的部分，通过外力而被动地弯曲。

在前端硬性部112上设置有摄像元件120。摄像元件120生成基于插入部110的例如前端侧的被摄体像的图像信号。由摄像元件120取得的图像信号经由穿过插入部110和通用缆线190的摄像信号用信号线122发送到控制器200。

在插入部110的蛇管部116安装有动力单元130，该动力单元130用于传递内置于操作部160中的马达150的驱动力。动力单元130具有作为旋转筒体的基础管132。基础管132装配成能够绕蛇管部116的长度轴旋转。基础管132也可以构成为能够从蛇管部116取下。在基础管132的外周面设置有螺旋翅片134。螺旋翅片134设置成以基础管132的长度轴为中心的螺旋状。

并且，基础管132经由齿轮箱144内的齿轮和扭矩轴146而与设置在操作部160中的作为致动器的马达150连接。马达150经由穿过操作部160和通用缆线190的致动器电流信号用信号线156而与控制器200连接。

当通过使用输入部360的操作而使马达150进行动作时，其驱动力通过齿轮箱144内的齿轮和扭矩轴146进行传递。其结果，基础管132绕长度轴旋转。伴随该基础管132的旋转，螺旋翅片134也旋转。

在螺旋翅片134与例如管腔壁这样的壁部接触的状态下，当螺旋翅片134旋转时，产生使插入部110自动行进的推进力。例如在小肠或大肠中，螺旋翅片134拉近存在于小肠或大肠的内壁上的褶皱，由此，在插入部110中作用有推进力。通过该推进力，插入部110自动行进。通过插入部110的自动行进，对使用者进行的插入部110的插入作业和拔出作业进行辅助。另外，在以下的说明中，设使插入部110向前端侧自动行进的马达150的旋转方向为正转方向，设使插入部110向基端侧自动行进的马达150的旋转方向为反转方向。

在马达150上设置有增量编码器152。增量编码器152生成与马达150的旋转速度对应的电信号(编码器信号)，将所生成的编码器信号经由穿过通用缆线190的未图示的信号线输出到控制器200。

监视器310例如是液晶显示器这样的一般的显示元件。监视器310在控制器200的控制下，例如显示基于由摄像元件120得到的图像信号的内窥镜图像。

输入部360例如包括脚踏开关。脚踏开关包括右脚用踏板362和左脚用踏板364。使用者踩踏右脚用踏板362，由此产生使马达150正转的指示信号。并且，使用者踩踏左脚用踏板364，由此产生使马达150反转的指示信号。并且，右脚用踏板362和左脚用踏板364构成为分别产生与使用者对踏板的踩踏强度对应的大小的信号。而且，马达150构成为以与右脚用踏板362或左脚用踏板364的踩踏对应的速度进行正转或反转。

控制器200进行插入装置1的各部的控制。图2是示出控制器200的结构的框图。控制器200具有电流环接口(I/F)202、CPU204、马达驱动器206、继电器208、编码器接口210、马达电流接口212、串行接口214、图像信号接口216、串行接口218。

电流环接口202是用于以电流环方式将由输入部360生成的指示信号传送到CPU204的LPF2041的串行接口。

CPU204接收来自输入部360的指示信号和来自增量编码器152的编码器信号，对马达驱动器206进行驱动控制。并且，CPU204对来自摄像元件120的图像信号进行处理，使监视器310显示基于处理后的图像信号的图像。这种CPU204在后面详细说明。

马达驱动器206根据从CPU204的马达控制部2042供给的马达电流对马达150进行驱动。马达驱动器206例如由驱动器放大电路构成。另外，马达驱动器206也可以构成为通过PWM控制对马达150进行驱动。

继电器208设置在马达驱动器206与马达150之间，根据来自马达控制部2042的继电器切换信号，使马达驱动器206与马达150之间、即控制器200与马达150之间成为电气导通状态或电气切断状态。

编码器接口210是用于将由增量编码器152生成的编码器信号传送到马达控制部2042的接口。马达电流接口212是用于将供给到马达150的马达电流传送到CPU204的电流数据转换部2043的接口。串行接口214是用于将由CPU204的VFG(视觉测力计)数据转换部2047得到的VFG数据传送到监视器310的串行接口。VFG数据是在监视器310中以视觉上能够视觉辨认的方式提示马达电流值的变化量的数据。VFG数据例如构成为在监视器310的观察图像画面的附近重叠在观察图像上。串行接口214是用于将由CPU204的图像处理部2049处理后的图像信号传送到监视器310的串行接口。

接着，对CPU204进行详细说明。如图2所示，CPU204具有低通滤波器(LPF)2041、马达控制部2042、电流数据转换部2043、移动平均计算部2044、扭矩限制判定部2045、LPF2046、VFG(视觉测力计)数据转换部2047、VFG数据查找表2048、图像处理部2049。

LPF2041进行用于去除经由电流环接口202输入的来自输入部360的指示信号中的高频噪声的低通滤波处理。

马达控制部2042对马达150进行PI(比例/积分)速度控制。即，马达控制部2042生成马达电流指令值以使马达150以与指示信号对应的速度旋转，将所生成的马达电流输入到马达驱动器206。具体而言，马达控制部2042根据经由LPF2041输入的指示信号与经由编码器接口210输入的编码器信号的差信号生成马达电流指令值，将所生成的马达电流输入到马达驱动器206。并且，马达控制部2042根据扭矩限制判定部2045的判定结果对继电器208的状态进行控制。

电流数据转换部2043每隔规定取样期间取入经由马达电流接口212输入的马达电流，将所取入的马达电流的值转换为移动平均计算部2044和VFG数据转换部2047中能够利用的等级(scale)。

移动平均计算部2044计算由电流数据转换部2043取入的马达电流的规定期间内的平均值(马达电流的移动平均)。图3是移动平均计算部2044的电路例。如图3所示，移动平均计算部2044具有输入端子IN、N个延迟器D1、D2、…、DN、加法器A、增益器G、输出端子OUT。这里，N是表示取样数的自然数。N为2以上即可，没有特别限定。

对输入端子IN输入由电流数据转换部2043取入的马达电流的数据。延迟器D1～DN分别使经由输入端子IN输入的马达电流的数据各延迟一个取样期间。通过延迟器D1～DN，在取样期间N的时点，N个马达电流的数据同时输入到加法器A。加法器A对所输入的N个马达电流的数据进行相加。增益器G通过对加法器A的输出(N个马达电流的数据的总和)施加1/N的增益，计算移动平均。根据这种结构，从输出端子OUT输出由增益器G得到的移动平均的值。

扭矩限制判定部2045通过对由移动平均计算部2044得到的移动平均的值和作为规定电流阈值的扭矩限制设定值进行比较，判定是否对马达150施加扭矩限制，将表示判定结果的信号输入到马达控制部2042。这里，扭矩限制是指抑制马达150的扭矩的处理。

LPF2046对从电流数据转换部2043输入的马达电流的数据进行低通滤波处理。VFG数据转换部2047参照VFG数据查找表2048，将从LPF2046输入的马达电流的数据转换为VFG数据。VFG数据查找表2048是将马达电流的数据和VFG数据对应起来的查找表。VFG数据是用于使使用者得知马达电流的大小、即马达150的扭矩的大小的显示用数据。

图像处理部2049对经由图像信号接口216输入的图像信号实施图像处理。并且，图像处理部2049通过经由串行接口218将处理后的图像信号输入到监视器310，使监视器310显示内窥镜图像。

下面，对第1实施方式的插入装置1的动作进行说明。图4是示出插入装置1的马达控制的动作的流程图。例如在插入装置1的电源接通时，开始进行图4的处理。另外，与图4的处理平行地进行使监视器310显示基于由摄像元件120得到的图像信号的内窥镜图像的处理等。

在步骤S101中，马达控制部2042判定是否踩踏了脚踏开关、即是否存在来自输入部360的指示信号的输入。在步骤S101中判定为未踩踏脚踏开关的情况下，处理转移到步骤S102。在步骤S102中，马达控制部2042使马达150停止。例如，马达控制部2042停止马达电流的供给。然后，处理转移到步骤S112。在步骤S102的处理中，进行基于PI速度控制的反馈控制，并且马达150停止。由此，马达150的旋转位置维持在进行停止指示的时点的旋转位置。

在步骤S101中判定为踩踏了脚踏开关的情况下，处理转移到步骤S103。在步骤S103中，马达控制部2042判定当前是否处于马达150的起动中。这里的起动中是指插入装置1的电源接通的状态等的马达150不是停止中的状态。

在步骤S103中判定为当前未处于马达150的起动中的情况下，处理转移到步骤S104。在步骤S104中，马达控制部2042对继电器208输入继电器切换信号，以使得控制器200与马达150之间成为导通状态。在步骤S105中，马达控制部2042对马达驱动器206供给与指示信号对应的马达电流，开始进行马达150的起动。然后，处理转移到步骤S112。

在步骤S103中判定为当前处于马达150的起动中的情况下，处理转移到步骤S106。在步骤S106中，移动平均计算部2044经由马达电流接口212和电流数据转换部2043取得供给到马达150的马达电流的数据。然后，在步骤S107中，移动平均计算部2044计算最近的N个马达电流的数据的平均值即移动平均。然后，在步骤S108中，扭矩限制判定部2045判定是否对马达150施加扭矩限制。通过判定移动平均是否超过扭矩限制设定值来进行该判定。另外，在未取得N个马达电流的数据的情况下，省略步骤S107的处理。并且，此时，在步骤S108中判定为未施加扭矩限制。

在步骤S108中判定为不施加扭矩限制的情况下、即判定为移动平均未超过扭矩限制设定值的情况下，处理转移到步骤S109。在步骤S109中，马达控制部2042经由编码器接口210从增量编码器152取得编码器信号。然后，在步骤S110中，马达控制部2042进行PI速度控制。即，马达控制部2042通过PI控制而生成达电流指令值，以使得指示信号与编码器信号的差异变小。然后，处理转移到步骤S112。

在步骤S108中判定为施加扭矩限制的情况下，处理转移到步骤S111。在步骤S111中，马达控制部2042对继电器208输入继电器切换信号，以使得控制器200与马达150之间成为切断状态。由此，针对马达150的电流供给被切断，马达150停止。然后，处理转移到步骤S112。在步骤S111的处理中，通过继电器208从控制器200切断马达150，所以，不进行维持马达150的旋转位置的反馈控制。即，马达150相对于外力成为自由状态。

在步骤S112中，VFG数据转换部2047从VFG数据查找表2048取得与马达电流的数据对应的VFG数据，将所取得的VFG数据输入到监视器310。监视器310根据所输入的VFG数据显示当前的马达150的扭矩的状态。

图5A～图5D是示出扭矩的状态的显示例的图。图5A～图5D是利用电平计显示扭矩的大小的例子。即，在该例子中，以表示马达150不旋转的“0”为中心，沿着右方向(FORWARD)和左方向(BACKWARD)设定例如15个阶段的刻度。这里，“FORWARD”表示马达150正转。并且，“BACKWARD”表示马达150反转。使用者通过观察点亮了几个哪个方向的刻度，能够得知当前的马达150的状态。

例如，图5A是未对马达150供给马达电流时、例如脚踏开关的踩踏量未到达对马达150进行驱动的程度时的显示例。此时，仅点亮“0”的位置的刻度。由此，使用者能够得知马达150未旋转。并且，图5B是踩踏了脚踏开关的右脚用踏板362时的显示例。此时，根据马达电流的大小，点亮“FORWARD”的方向的刻度。由此，使用者能够得知马达150以什么程度的扭矩进行正转。并且，图5C是踩踏了脚踏开关的左脚用踏板364时的显示例。此时，根据马达电流的大小，点亮“BACKWARD”的方向的刻度。由此，使用者能够得知马达150以什么程度的扭矩进行反转。进而，图5D是应该施加扭矩限制时的显示例。此时，闪烁显示此前旋转的方向的全部刻度(例如图5D为正转方向)。由此，使用者能够得知施加了扭矩限制。

另外，在本实施方式中，使监视器310显示扭矩的状态。与此相对，也可以使不同于监视器310的显示元件显示扭矩的状态。

这里，返回图4的说明。在扭矩状态的显示后，在步骤S113中，马达控制部2042判定使用者是否断开了插入装置1的电源。在步骤S113中判定为未断开插入装置1的电源的情况下，处理返回步骤S101。在步骤S113中判定为断开了插入装置1的电源的情况下，图4的处理结束。

如以上说明的那样，在本实施方式中，根据马达电流的平均值即移动平均来判定是否应该施加扭矩限制。通过对移动平均和扭矩限制设定值进行比较，不仅能够判定图6所示的马达电流连续超过扭矩限制设定值的扭矩限制判定区域1的期间，还能够判定马达电流在扭矩限制设定值的附近振动地变化的扭矩限制判定区域2的期间。例如，在由于螺旋翅片134的旋转而对管腔施加过度旋转力的情况下，认为马达150的扭矩的上升持续较长时间。即，在本实施方式中，通过根据马达电流的平均值即移动平均来判定是否应该施加扭矩限制，从而能够适当判定由于螺旋翅片134的旋转而对管腔施加过度旋转力的期间。

并且，由于不进行马达电流的瞬时值和扭矩限制设定值的比较，所以，例如在一瞬间判定为扭矩的上升时，马达150不停止。由此，防止马达150频繁停止。并且，如图6所示，在马达150的起动时需要瞬间流过较大的马达电流。在本实施方式中，在马达150的起动时不进行扭矩限制的判定，由此，能够使马达150正确地起动。

另外，在本实施方式中，计算马达电流的平均值来判定是否应该施加扭矩限制。与此相对，例如也可以计算马达电流的平方平均值、即实效值来判定是否应该施加扭矩限制。

并且，在本实施方式中，作为判定为扭矩限制时的处理，通过继电器208从控制器200切断马达150。如上所述，在通常的马达150的停止处理中，进行维持马达150的当前的旋转位置的反馈控制。该情况下，例如在螺旋翅片134与管腔接触的状况下，马达150可能在对管腔施加过度力的状态下停止。与此相对，在本实施方式中，通过使马达150相对于外力成为自由状态，能够消除对管腔施加的力的情况。

另外，在本实施方式中，在通过继电器208从控制器200切断马达150的情况下，在此后的步骤S101中，在确认了脚踏开关的再次踩踏的情况下，马达150与控制器200之间成为导通状态，再次开始进行马达150的驱动。

[第2实施方式]

接着，对本发明的第2实施方式进行说明。第2实施方式不使用继电器208也能够得到与第1实施方式相同的效果。另外，关于插入装置1的结构，除了不需要继电器208这点以外，应用图1～图3所示的结构。因此，省略详细说明。并且，关于马达控制的动作，也仅将步骤S104和步骤S108中的继电器208的切换置换为以下说明的动作。

如第1实施方式中说明的那样，控制器200(马达控制部2042)通过PI速度控制对马达150进行驱动。此时，控制器200和马达150能够表示为图7所示的框线图。这里，图7的(1)是来自输入部的指令值，(2)表示马达的旋转速度。并且，(3)表示被施加了施加给马达的轴的负荷。

如上所述，在判定为不施加扭矩限制的情况下，马达控制部2042进行PI速度控制，以使马达150的旋转速度追随于脚踏开关的踩踏量、即指示信号与编码器信号的差较小。通过使从输入部360观察马达150时的传递特性、即从图7的(1)观察(2)时的传递特性成为图8A的虚线所示的低通滤波特性，能够进行这种PI速度控制。另外，此时，从插入部110的旋转筒体即基础管132观察马达150时的传递特性是从图7的(3)观察(2)时的传递特性，成为图8A的实线所示的高通滤波特性。

这里，在第1实施方式中，在判定为应该施加扭矩限制的情况下，通过继电器208使控制器200与马达150之间成为切断状态。与此相对，在本实施方式中，在判定为应该施加扭矩限制的情况下，马达控制部2042使从基础管132观察马达150时的传递特性成为图8B所示的低通滤波特性来进行PI速度控制。通过将传递特性切换为低通滤波特性，从基础管132观察马达150时的系统以与图9所示的具有弹簧常数K的弹簧和衰减常数D的减振器的机械相同的特性进行动作。

通过分别切换马达控制部2042中的比例增益和积分增益来进行传递特性的切换。图10是示出马达控制部2042的功能的框图。如图10所示，马达控制部2042构成为，输出对来自输入部360的指示信号和来自增量编码器152的差分信号施加比例增益Kp而得到的值与施加积分增益KI/s(s为拉普拉斯算子)而得到的值的和，作为马达电流的指示信号。在这种结构中，在不施加扭矩限制的情况下，使用用于使不施加扭矩限制的情况下的、即从图7的(1)观察(2)时的传递特性成为低通滤波特性的比例增益KPn和积分增益KIn。另一方面，在施加扭矩限制的情况下，使用用于使从图7的(1)观察(2)时的传递特性成为低通滤波特性的比例增益KPt和积分增益KIt。这些比例增益和积分增益预先存储在马达控制部2042中。

根据这种传递特性的切换，施加了扭矩限制时的扭矩的衰减动作成为图11所示的特性。即，图11的特性是如下特性：扭矩随着时间变化而依次减小，在某个时点扭矩成为零，即马达150成为停止状态。另外，图11的衰减曲线的时间常数用以下的式子表示。另外，以下的式子的s是拉普拉斯算子。并且，K是弹簧常数。D是减振器的衰减常数。

[数学式1]

$\frac{K}{s+D}$

如以上说明的那样，根据本实施方式，通过基于马达控制部2042的传递特性的切换，使从基础管132观察马达150时的传递特性成为低通滤波特性。由此，通过具有弹簧/减振器特性的马达150等的动作，吸收例如螺旋翅片134与管腔接触的状况下的基于来自管腔的反作用的外力F。这样，与第1实施方式同样，能够消除对管腔施加的力。

并且，由于不是如第1实施方式那样使马达150成为自由状态，所以，不会产生由于使马达150自由后的马达150的旋转而产生的不需要的再生电力。

Claims (5)

1.一种插入装置，其具有：

插入部，其沿着从基端侧朝向前端侧的长度轴形成；

旋转筒体，其被设置成绕所述插入部的长度轴旋转自如，具有沿着所述插入部的长度轴呈螺旋状设置的螺旋翅片；

马达，其使所述旋转筒体旋转；

马达控制部，其供给用于驱动所述马达的马达电流，对所述马达的驱动进行控制；以及

扭矩限制判定部，其通过对所述马达电流的移动平均和规定的扭矩限制设定值进行比较，判定所述马达的扭矩是否处于极限状态。

2.根据权利要求1所述的插入装置，其中，

所述插入装置还具有设置在所述马达控制部与所述马达之间的继电器，

所述马达控制部在判定为所述马达电流的移动平均超过了所述扭矩限制设定值的情况下，通过所述继电器切断针对所述马达的电流供给，由此使所述马达停止。

3.根据权利要求1所述的插入装置，其中，

所述马达控制部在判定为所述马达电流的移动平均超过了所述扭矩限制设定值的情况下，对所述马达的驱动的控制进行切换，使得从所述旋转筒体观察所述马达时的传递特性成为低通滤波特性，由此使所述马达停止。

4.根据权利要求2或3所述的插入装置，其中，

所述插入装置还具有用于进行所述马达的驱动指示的输入部，

所述马达控制部在所述马达停止后通过所述输入部进行了所述马达的驱动指示的情况下，进行控制以使所述马达起动。

5.根据权利要求1所述的插入装置，其中，

所述扭矩限制判定部在除了所述马达的起动时以外的时机进行所述判定。