CN106794048B - 操作输入装置和医疗用机械手系统 - Google Patents

Abstract

一种操作输入装置，其能够无不适感地输入对反应速度不同的关节的操作指令，并且能够使医疗用机械手的操作变得容易。提供一种操作输入装置(2)，其输入对医疗用机械手(3)的操作指令，该医疗用机械手(3)在前端具有前端侧动作部(7)，并且该医疗用机械手(3)具有与该前端侧动作部(7)的基端侧连接并使该前端侧动作部(7)移动的基端侧动作部(15)，该前端侧动作部(7)具有1个以上的关节(12、13、14)，其中，该操作输入装置(2)具有：第1操作部(19)，其根据通过手掌或手指输入的操作指令产生对前端侧动作部(7)进行驱动的动作指令；以及第2操作部(20)，其与该第1操作部(19)连结，根据通过手腕或臂输入的操作指令产生对基端侧动作部(15)进行驱动的动作指令。

Description

操作输入装置和医疗用机械手系统

技术领域

本发明涉及操作输入装置和医疗用机械手系统。

背景技术

以往，公知有一种操作输入装置，该操作输入装置用于供操作者输入用于对具有6个自由度的操作对象进行操作的操作指令，在该操作输入装置中，根据由手指把持的把持部的位置和姿势输入用于对操作对象的姿势进行操作的操作指令，根据由手腕附近的臂操作的扶手部的位置和姿势输入用于对操作对象的位置进行操作的操作指令(例如参照专利文献1)。

另外，公知有以下这样的操作输入装置：通过在肘放置处设置能够进行2个自由度的操作的开关，可以对更高自由度的远程机械手进行操作(例如参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-103741号公报

专利文献2：日本特开2006-334695号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在专利文献1和专利文献2的操作输入装置中，需要分别在把持部和扶手部中输入对反应速度不同的医疗用机械手的关节的操作指令。因此，在这些操作输入装置中，产生了如下不良情况：操作存在不适感，不容易操作。

本发明是鉴于上述的情况而完成的，提供能够无不适感地输入对反应速度不同的关节的操作指令，并且能够使医疗用机械手的操作变得容易的操作输入装置和医疗用机械手系统。

用于解决课题的手段

为了实现上述目的，本发明提供如下手段。

本发明的一个方式是一种操作输入装置，其输入对医疗用机械手的操作指令，该医疗用机械手在前端具有前端侧动作部，并且该医疗用机械手具有与该前端侧动作部的基端侧连接并使该前端侧动作部移动的基端侧动作部，该前端侧动作部具有1个以上的关节，其中，该操作输入装置具有：第1操作部，其根据通过手掌或手指输入的操作指令产生对所述前端侧动作部进行驱动的动作指令；以及第2操作部，其与该第1操作部连结，根据通过手腕或臂输入的操作指令产生对所述基端侧动作部进行驱动的动作指令。

根据本方式的操作输入装置，按照根据操作者的手掌或手指所输入的操作指令而产生的动作指令对前端侧动作部进行驱动，并且按照根据相同的操作者的手腕或臂所输入的操作指令而产生的动作指令对基端侧动作部进行驱动。由于前端侧动作部是最终确定医疗用机械手的前端位置的部分，因此能够通过被输入操作者的手掌或手指的精密的操作指令而高精度地被驱动。尤其是，在通过设置于医疗用机械手的前端的处置部对患部进行微细的处置的情况下，通过被输入操作者的手掌或手指的精密的操作指令能够高精度地进行处置。

另一方面，由于基端侧动作部是使医疗用机械手的前端侧动作部整体移动的部分，因此通过粗略的动作即可满足。因此，能够通过操作者的手腕或臂的粗略的操作指令对基端侧动作部进行驱动，并且对前端侧动作部整体粗略地进行定位。即，能够通过操作者的手的各个部位来与粗动和微动对应地将对反应速度不同的关节的操作指令无不适感地输入到各个输入系统，能够使医疗用机械手的操作变得容易。

在上述方式的操作输入装置中，也可以是以下这样的结构：所述前端侧动作部被电驱动，所述基端侧动作部被机械驱动，所述第1操作部产生由电信号组成的动作指令，所述第2操作部产生由机械驱动力组成的动作指令。

根据该结构，能够通过使用了第2操作部所产生的机械驱动力的手动操作来实施基端侧动作部的大幅动作，使得前端侧动作部整体进行移动，并且通过使用了电信号的电动操作来实施最终确定前端位置的前端侧动作部的细微动作。尤其是，通过对大幅动作的部分进行手动操作，操作者能够容易地识别由于与生物体组织之间的干扰而产生的反作用力，并且能够尽早地避免干扰。

在上述方式的操作输入装置中，也可以是以下这样的结构：所述第2操作部产生对所述基端侧动作部进行驱动而使所述前端侧动作部至少进行进退动作的机械驱动力。

根据该结构，通过手动操作能够进行被最大幅度驱动的进退动作，并且操作者能够容易地识别由于与生物体组织之间的干扰而产生的反作用力。

另外，本发明的另一方式是一种医疗用机械手系统，其具有：上述任意一项所述的操作输入装置；以及通过该操作输入装置进行操作的所述医疗用机械手。

发明效果

根据本发明，能够实现下述效果：能够无不适感地输入对反应速度不同的关节的操作指令，并且能够使医疗用机械手的操作变得容易。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的医疗用机械手系统的整体结构图。

图2是示出在图1的医疗用机械手系统中使用的医疗用机械手、操作输入装置以及控制部的图。

图3是说明图1的医疗用机械手系统的操作输入装置的第2操作部、指令传递部以及基端侧动作部的俯视图。

图4是示出图1的医疗用机械手系统所具有的医疗用机械手的可动部的一例的图。

图5是示出图2的操作输入装置的变形例的主视图。

图6是示出图2的医疗用机械手系统的变形例的图。

图7是示出图2的医疗用机械手系统的其他变形例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一个实施方式的操作输入装置2和医疗用机械手系统1进行说明。

如图1所示，本实施方式的医疗用机械手系统1具有：由操作者O进行操作的操作输入装置2；插入到患者P的体腔内的医疗用机械手3；根据操作输入装置2的操作对医疗用机械手3进行控制的控制部4；以及监视器5。

如图2所示，医疗用机械手3例如具有插入到患者P的体腔内的插入部6以及经由在该插入部6的长度方向上贯通形成的通道R而插入到患者P的体内的2个前端侧动作部7。各前端侧动作部7具有：被配置为能够在通道R内沿着长度方向移动的长条部8；在该长条部8的前端具有的可动部9；以及配置在长条部8的基端侧，通过未图示的线等动力传递部件对可动部9进行驱动的前端驱动部10。前端驱动部10具有根据来自控制部4的动作指令对线赋予张力的电动机等电驱动源(省略图示)。

在如图4中，如中空箭头所示，各可动部9具有：使在前端配置的把持钳子等处置部11绕着2个平行的轴线摆动的2个关节12、13；以及使处置部11等绕长条部8的长度轴旋转的1个关节14。各可动部9通过这3个关节12、13、14的动作能够对各把持钳子11的前端位置进行3维定位。

另外，关节14作为旋转力的传递性良好的扭矩管，可以是能够使长条部8的整体进行旋转的结构。由此，能够使长条部8容易地绕长度轴进行旋转。在这种情况下，长条部8本身通过电动的方式被精密地驱动。

另外，医疗用机械手3具有2个基端侧动作部15，这2个基端侧动作部15与各前端侧动作部7的基端侧连接，使各前端侧动作部7在插入部6的长度方向上进退并且在插入部6的前端附近使长条部8在与长度方向垂直的方向上弯曲。

如图3所示，各基端侧动作部15具有对各前端侧动作部7的基端侧进行固定的滑块16。滑块16被设置为在插入部6的长度方向上可移动。另外，各基端侧动作部15具有一端固定在长条部8的前端附近的2根线17以及对该线17的基端进行固定的滑轮18，通过滑轮18的旋转对2根线17交替地进行牵引，由此，在插入部6的前端附近使长条部8在与长度方向垂直的方向上弯曲。

如图2和图3所示，本实施方式的操作输入装置2具有：由操作者O的手进行把持并操作的第1操作部19；由操作者O的手腕或臂进行操作的第2操作部20；以及将通过这些操作部19、20输入的操作指令传递给医疗用机械手3的指令传递部21。

第1操作部19构成为与医疗用机械手3的可动部9形状相似，通过操作者O的手把持与可动部9数量相同的关节22、23、24所指示的前端部25，并且通过手掌或手指进行移动。第1操作部19具有未图示的传感器，该传感器对构成该第1操作部19的各关节22、23、24的角度进行检测。

传感器产生与各关节22、23、24的角度对应的电信号。由此，各第1操作部19通过操作者O的手掌或手指输入操作指令，能够产生由电信号组成的动作指令。

第2操作部20具有固定在第1操作部19的基部的臂放置台26以及以可移动的方式将该臂放置台26和第1操作部19支承为一体的直动机构27。臂放置台26被配置在当操作者O对第1操作部19的前端部25进行把持时恰好承载对前端部25进行把持的手的手腕附近的臂的位置。

直动机构27具有对臂放置台26和第1操作部19进行固定的滑块28以及如图2和图3中涂黑的箭头所示那样在彼此垂直的水平两个方向上将该滑块28支承为可移动的直线引导件29。通过在臂放置台26上承载的臂，使滑块28在水平方向上移动，由此，能够在维持对第1操作部19进行把持的姿势的状态下，使第1操作部19的位置移动。由此，第2操作部20通过操作者O的手腕或臂输入操作指令，能够产生通过手腕或臂输入的力作为2个滑块28的机械驱动力。

指令传递部21具有将第1操作部19与前端驱动部10连接的电信号传递部30以及将第2操作部20与基端侧动作部15连接的机械动力传递部31。

电信号传递部30将由第1操作部19所产生的电信号组成的动作指令传递给控制部4，并且将通过控制部4生成的指令信号提供给前端驱动部10的各电动机。控制部4根据第1操作部19所产生的动作指令，计算前端驱动部10的各电动机的旋转移动量和旋转速度，并且对各电动机进行控制。

如图3所示，机械动力传递部31具有：第1传递部32，其将使操作输入装置2的各滑块28前进后退的第1方向上的直线动作转换为基端侧动作部15的各滑块16的直线动作；以及第2传递部33，其将操作输入装置2的各滑块28的与第1方向垂直的左右方向上的直线移动转换为基端侧动作部15的各滑轮18的旋转角度。

第1传递部32具有：第1齿条齿轮机构34，其将操作输入装置2的滑块28的第1方向上的直行移动量转换为旋转角度；第2齿条齿轮机构35，其将旋转动作转换为基端侧动作部15的直行移动量；滑轮36、37，它们分别固定在这些齿条齿轮机构34、35的小齿轮上；以及带38，其架设在这些滑轮36、37上。

第2传递部33具有：第1齿条齿轮机构39，其将操作输入装置2的滑块28的第2方向上的直行移动量转换为旋转角度；滑轮40，其固定在基端侧动作部15的滑轮18上；滑轮41，其分别固定在第1齿条齿轮机构39的小齿轮上；以及带42，其架设在这些滑轮40、41上。

以下，针对这样构成的本实施方式的操作输入装置2和医疗用机械手系统1的作用进行说明。

要想使用本实施方式的医疗用机械手系统1对患者P的体内的患部进行处置，将医疗用机械手3的插入部6插入到患者P的体腔内，经由插入部6的通道R将可动部9和长条部8插入到患者P的体内。

另外，在可动部9被配置为接近体腔内的患部的状态下，操作者O一边通过监视器5对由未图示的内窥镜取得的图像进行确认，一边对操作输入装置2进行操作。要想对操作输入装置2进行操作，如图3所示，操作者O双手把持两个一对的第1操作部19的各前端部25，并且将双手的臂承载到两个一对的各第2操作部20的各臂放置台26上。

并且，当操作者O从任意一个臂向臂放置台26施力时，固定有臂放置台26的滑块28在该力的方向上进行移动，其移动量被分解为前进后退方向上的直行移动量和左右方向上的直行移动量，并且分别被第1齿条齿轮机构34、39转换为旋转角度。

被转换为第1齿条齿轮机构34的旋转角度的第1方向上的直行移动量经由滑轮36、37以及带38传递到第2齿条齿轮机构35，并被转换为基端侧动作部15的滑块16的直行移动量。由于滑块16固定在前端侧动作部7上，因此构成前端侧动作部7的可动部9、长条部8以及前端驱动部10能够一体地沿着长条部8的长度方向进行移动。由此，通过手动能够使位于可动部9的前端的把持钳子11的前端位置在前进后退方向上粗略地移动。

被转换为第1齿条齿轮机构39的旋转角度的第2方向上的直线移动量经由滑轮40、41以及带42被转换为基端侧动作部15的滑轮18的旋转角度。由于在滑轮18上固定有两根一对的线17，因此当滑轮18向一个方向旋转时，一根线17的张力增大从而牵引长条部8的前端，并且使长条部8在与该长度方向垂直的方向上摆动。由此，通过手动能够使位于可动部9的前端的把持钳子11的前端位置在左右方向上粗略地移动。

另一方面，当操作者O通过手掌或手指的力使双手把持着的第1操作部19的前端部25移动时，其移动量被设置在各关节22、23、24上的传感器进行检测，并且作为电信号传递给控制部4。在控制部4中以使得与由传感器检测出的各关节22、23、24的角度一致的方式对使可动部9的各关节12、13、14进行动作的电动作指令进行计算，并且将该电动作指令提供给与各关节12、13、14连接的电动机。由此，设置在可动部9的前端的把持钳子11的前端位置按照通过手掌或手指指示的那样，以电动的方式精密地进行移动。

根据本实施方式的操作输入装置2和医疗用机械手系统1，用于最终对把持钳子11的前端位置进行定位的第1操作部19和用于对前端侧动作部7整体进行粗略地定位的第2操作部20分离，并且被手掌或手指、手腕或臂这样的手的不同的部位进行操作，因此具有以下效果。

即，前端侧动作部7整体的进退动作由于需要使细长的长条部8在通道R内移动，因此由于摩擦使动作的分辨率较低，与之相对，可动部9的动作受到摩擦的影响较小，分辨率较高。因此，通过第1操作部19使可动部9进行动作，能够更精密地对把持钳子11的前端进行定位。

即，通过将用于使前端侧动作部7整体粗略地移动的手腕或臂对第2操作部20的操作和需要精密的操作的手掌或手指对第1操作部19的操作分离，能够无不适感地进行操作而不需要将2种操作输入进行混合。另外，通过手腕对前端侧和基端侧这2个部位的分离方法，具有能够与人的手的操作分辨率相配合地更加直观地进行操作的优点。

另外，根据本实施方式的操作输入装置2和医疗用机械手系统1，由于采用了产生用于通过电动的方式对可动部9进行驱动的电信号的装置作为第1操作部19，采用了产生用于通过手动的方式对前端侧动作部7整体进行驱动的机械驱动力的装置作为第2操作部20，因此实现了以下的效果。

即，通过手掌或手指对第1操作部19的精密的操作，可动部9通过电动的方式进行驱动，因此能够精密地对把持钳子11的前端部进行定位。另一方面，通过手腕或臂对第2操作部20的粗略的操作，将前端侧动作部7大幅移动的部分设为手动，由此具有能够通过手腕或臂容易地对由可动部9与周围的组织之间的接触等导致的反作用力进行识别的优点。

另外，在本实施方式中，作为可动部9，例示出了具有2个摆动关节12、13以及1个旋转关节14的部件，其中，所述2个摆动关节12、13在前端侧具有大致平行的轴线，所述1个旋转关节14在其基端侧绕长条部8的长度轴旋转，但并不限于此，也可以采用能够使把持钳子11的前端位置3维移动的、实现3个自由度的任意的轴结构。另外，旋转关节14也可以设置在长条部8的基端侧。并且，为了具有冗余度而扩大动作范围，可动部9也可以具有其他关节。

另外，在本实施方式中，例示出了第1操作部19和可动部9形状相似的情况，但也可以代替之而采用形状不相似的其他任意的输入装置(例如不同构造式或遥控式)。

另外，第2操作部20的臂放置台26优选配置在当像拿着笔那样拿着第1操作部19的前端部25时，以使臂能够自然地被承载的方式比第1操作部19低一级的位置。另外，也可以具有用于调节臂放置台26的位置的位置调节机构。另外，2个臂放置台26也可以配置为彼此朝内。由此，能够将臂以自然的朝向进行放置，并且能够使操作更加容易。

另外，作为第2操作部20，例示出了使滑块28在垂直的两个方向上能够移动的部件，但也可以代替之，而如图5所示，通过进退方向和臂放置台26的水平旋转而使两个方向上的操作输入变为可能。如图4所示，在长条部8的前端摆动的轴结构中，如图5那样使臂放置台26水平旋转的方式具有容易更直观地进行操作的优点。

另外，如图6所示，也可以是，设置用于对操作输入装置2的滑块28的动作范围进行限制的限制器43，并且设定为以下位置关系：当使滑块28最大限度地后退直到与限制器43抵接时，把持钳子11的前端完全收纳在插入部6的通道R内。

这样，在医疗用机械手3向体腔内插入时，把持钳子11的前端不从插入部6突出，能够防止与体腔内壁接触。另外，在想要只移动插入部6的前端(内窥镜前端)来改变视野的情况下，能够防止医疗用机械手3无意中与周边脏器接触。

相反地，如图7所示，也可以设定为以下位置关系：当使操作输入装置2的滑块28最大限度地后退直到与限制器43抵接时，可动部9整体从插入部6的前端露出。这样，可动部9以弯曲的状态被拉入通道R内，能够将与通道R的前端侧的边缘接触从而发生故障的情况防患于未然。

标号说明

1：医疗用机械手系统；2：操作输入装置；3：医疗用机械手；7：前端侧动作部；12、13、14：关节；15：基端侧动作部；19：第1操作部；20：第2操作部。

Claims (2)

1.一种操作输入装置，其输入对医疗用机械手的操作指令，该医疗用机械手具有：插入部，其插入到患者的体内；通道，其形成为贯通该插入部的长度方向；长条部，其在该通道内沿着长度方向移动；一个以上的关节，它们设置于该长条部的前端；处置部，其设置于比该关节靠前端侧的位置，能够通过所述关节的动作而进行移动；动作部，其与所述长条部的基端侧连接，使所述长条部进行进退动作；以及驱动部，其配置于所述长条部的基端侧，对所述长条部的所述关节进行驱动，其中，该操作输入装置具有：

第1操作部，其具有一个以上的关节以及对各关节的角度进行检测的传感器，所述第1操作部的关节的数量与设置于所述长条部的前端部的关节的数量相同，所述传感器产生与各关节的角度对应的电信号，所述第1操作部根据操作者的手掌或手指的操作而移动，并产生由电信号组成的动作指令；

控制部，其接收所述动作指令，并根据该动作指令对所述驱动部进行控制；

第2操作部，其与所述第1操作部连结，根据所述操作者的手腕或臂的操作，而能够进行在相互垂直的两个水平方向上的直线动作或者基于进退方向和臂放置台的水平旋转的两个方向上的动作的操作输入；以及

机械动力传递部，其将该第2操作部所产生的所述两个水平方向或所述两个方向的操作输入转换为所述动作部的直线动作和旋转角度。

2.一种医疗用机械手系统，其具有：

医疗用机械手，其插入到患者的体内，并进行处置；以及

操作输入装置，其输入对该医疗用机械手的操作指令，

所述医疗用机械手具有：

插入部，其插入到所述患者的体内；

通道，其形成为贯通该插入部的长度方向；

长条部，其在该通道内沿着长度方向移动；

一个以上的关节，它们设置于该长条部的前端；

处置部，其设置于比该关节靠前端侧的位置，能够通过所述关节的动作而进行移动；

动作部，其与所述长条部的基端侧连接，使所述长条部进行进退动作；以及

驱动部，其配置于所述长条部的基端侧，对所述长条部的所述关节进行驱动，

所述操作输入装置具有：

第1操作部，其具有一个以上的关节以及对各关节的角度进行检测的传感器，所述第1操作部的关节的数量与设置于所述长条部的前端部的关节的数量相同，所述传感器产生与各关节的角度对应的电信号，所述第1操作部根据操作者的手掌或手指的操作而移动，并产生由电信号组成的动作指令；

控制部，其接收该第1操作部所产生的所述动作指令，并根据该动作指令对所述驱动部进行控制；

第2操作部，其与所述第1操作部连结，根据所述操作者的手腕或臂的操作，而能够进行在相互垂直的两个水平方向上的直线动作或者基于进退方向和臂放置台的水平旋转的两个方向上的动作的操作输入；以及

机械动力传递部，其将该第2操作部所产生的所述两个水平方向或所述两个方向的操作输入转换为所述动作部的直线动作和旋转角度。