CN106999255A

CN106999255A - 医疗用机械手系统

Info

Publication number: CN106999255A
Application number: CN201680003997.3A
Authority: CN
Inventors: 高桥启吾; 岸宏亮; 柳原胜
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2017-08-01
Also published as: US20170340400A1; EP3263062A4; WO2016136473A1; JP6113376B2; EP3263062A1; JPWO2016136473A1

Abstract

医疗用机械手系统(1)具有柔性机械手(3)、操作输入装置(2)以及控制部(14)。柔性机械手(3)具有插入部(6)和把持部(7)。在主从尺寸比为0.1的情况下，若操作者(A)使操作输入装置(2)的杆移动10mm，则把持部(7)移动1mm。把持部(7)通过穿过形成于插入部(6)内的路径的线(9)而动作。插入部(6)的弯曲角越大，插入部(6)与线(9)之间的摩擦越大。在这种情况下，即使使杆移动10mm，把持部(7)的移动也不足1mm。因此，控制部(14)根据操作者(A)输入给信息输入部(12)的处置部位名来设定主从尺寸比。由此，即使插入部(6)的弯曲角因处置部位而变大，如果使杆移动10mm，则把持部(7)也移动1mm。

Description

医疗用机械手系统

技术领域

本发明涉及医疗用机械手系统。

背景技术

以往，公知有如下技术：根据柔性内窥镜的弯曲状态来变更经由柔性内窥镜的通道而导入到体内的电动式的处置器具的控制参数(例如，参照专利文献1)。在该专利文献1中，根据具有应变仪的传感器所检测的信息来检测插入部的弯曲状态，其中，该应变仪检测对柔性内窥镜的插入部的前端的弯曲部进行弯曲驱动的线的张力和插入部的应变量。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第4580973号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，在像专利文献1那样根据线的张力来检测插入部的弯曲状态的方法中，在线随着使用而发生伸长或松弛的情况下，难以高精度地检测弯曲状态。另外，在专利文献1的方法中，将应变仪配置于内窥镜的插入部的各部分也会使插入部大径化，并且由于伴随有复杂的信号处理，因此会导致装置的大型化和高成本化，因而并不优选。

本发明就是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种医疗用机械手系统，该医疗用机械手系统能够通过设定适当的控制参数而不使用传感器来高精度地控制柔性机械手。

用于解决课题的手段

为了达成上述目的，本发明提供以下的手段。

本发明的一个方式是一种医疗用机械手系统，该医疗用机械手系统具有：柔性机械手，其具有细长的柔性的插入部、设置于该插入部的前端的可动部、以及设置于所述插入部的基端对所述可动部进行驱动的驱动部；操作输入部，其由操作者进行操作，输入所述柔性机械手的动作指令；驱动控制部，其根据该操作输入部所输入的动作指令来控制所述驱动部；信息输入部，其输入用于确定通过所述柔性机械手来进行处置的对象部位的处置部位确定信息；以及信息控制部，其根据所述处置部位确定信息来设定用于控制所述驱动部的控制参数，所述驱动控制部使用由所述信息控制部根据所述信息输入部所输入的所述处置部位确定信息而设定的控制参数来控制所述驱动部。

根据本方式，当由信息输入部输入处置部位确定信息时，由信息控制部使用所输入的处置部位确定信息来设定控制参数。作为将柔性机械手的插入部插入到体内并使前端的可动部接近患部的状态，当由操作输入部输入动作指令时，驱动控制部使用所设定的控制参数，按照操作输入部所输入的动作指令使驱动部进行动作。由此，柔性机械手的前端的可动部被驱动，从而能够进行患部的处置。

当处置部位被确定时，由于柔性机械手的插入路径大致被决定，因此柔性机械手沿着该插入路径插入时的弯曲形状也大致被决定。而且，在柔性机械手的可动部到达处置部位之后，可动部进行动作，而柔性机械手的弯曲形状不会发生较大的变化。

因此，根据确定处置部位的信息，能够唯一地设想柔性机械手的弯曲形状，从而能够根据处置部位确定信息来设定适于该弯曲形状的控制参数。即，通过使用适于处置部位的控制参数，能够通过配置于柔性机械手的基端的驱动部来高精度地控制配置于柔性机械手的前端的可动部。而且，根据这样的医疗用机械手系统，能够使用适当的控制参数而不使用传感器来高精度地控制可动部，从而能够避免复杂的信号处理，实现了装置的小型化和低成本化。

在上述方式中，也可以是，所述信息控制部将所述处理部位确定信息和所述控制参数对应起来进行存储，所述驱动控制部使用根据所述信息输入部所输入的所述处置部位确定信息而从所述信息控制部读出的控制参数来控制所述驱动部。

在上述方式中，所述医疗用机械手系统可以具有对所述插入部进行引导的引导部件，所述引导部件具有比所述插入部高的刚性。

这样，通过将刚性更高的引导部件插入到患者的体内而利用该引导部件来引导柔性机械手的插入，与将柔性机械手单独地插入到体内的情况相比较，能够降低插入路径的移动，从而提高了基于所选择的控制参数的控制精度。

即，柔软的柔性机械手在单独地插入到体腔内的情况下，以模仿所插入的体腔的细致的形状的方式使插入部弯曲而将其插入到处置部位，但刚性比插入部高的引导部件按照体腔的大致形状，一边根据情况使体腔的形状变化，一边以按照独自的刚性的曲率插入到处置部位。而且，通过以沿着像那样插入的引导部件插入柔性机械手的方式进行引导，从而柔性机械手按照引导部件的形状进行弯曲，而不受体腔的细致的形状的影响，因此抑制了插入路径的变动，从而能够通过驱动控制部来高精度地控制驱动部。由此，本系统能够形成依据适于设想并准备的弯曲形状的控制参数的柔性机械手形状，从而能够更高精度地控制可动部。

在上述方式中，所述处置部位确定信息也可以包含处置部位名。

这样，操作者仅通过输入处置部位名就能够确定处置部位，从而能够简单地读出适当的控制参数而高精度地进行控制。作为处置部位名，除了脏器名之外，也可以是在脏器的各部分设定的标记、表示部位的图画等。

在上述方式中，所述处置部位名也可以是脏器名。

这样，在较小的脏器的情况下，能够通过容易识别的脏器名来确定处置部位，从而能够简单地读出适当的控制参数而高精度地控制驱动部。

在上述方式中，所述处置部位名也可以是根据脏器名和插入深度而划分的区段名。

这样，在脏器较大的情况下，能够进一步细致地确定脏器内的处置部位，从而能够相应地进一步细致地进行控制参数的设定。

在上述方式中，所述处置部位确定信息也可以是所述插入部向患者的体内插入的插入长度。

这样，能够根据输入给信息输入部的插入部的插入长度来确定柔性机械手沿着设想的路径插入的情况下的前端位置作为处置部位。

在上述方式中，所述处置部位确定信息也可以是处置部位名和所述插入部向患者的体内插入的插入长度。

这样，能够通过处置部位名来确定处置部位，根据插入长度来确定所确定的处置部位内的更加细致的范围。例如，在通过处置部位名而确定的处置部位存在于弯曲部分的情况下，若插入长度发生变化则弯曲角发生变化。因此，能够根据插入长度来校正控制参数，从而能够更加精密地控制驱动部。

发明效果

根据本发明实现了如下效果：能够通过适当的控制参数而不使用传感器来高精度地控制机械手。

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是示出图1的医疗用机械手系统所具有的柔性机械手的立体图。

图3是示出存储于图1的医疗用机械手系统的机械手控制装置所具有的信息存储部中的数据例的图。

图4是示出将图3的柔性机械手插入到降结肠的状态下的弯曲角的图。

图5是示出将图3的柔性机械手插入到横结肠的状态下的弯曲角的图。

图6是示出将图3的柔性机械手插入到升结肠的状态下的弯曲角的图。

图7是示出存储于图3的信息存储部中的数据例的变形例的图。

图8是示出指定图5的横结肠作为处置部位的情况下的变形例的图。

图9是示出指定胃的各部分作为处置部位的情况下的变形例的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的一个实施方式的医疗用机械手系统1进行说明。

例如，如图1所示，本实施方式的医疗用机械手系统1具有：操作输入装置(操作输入部)2，其由操作者A进行操作；柔性机械手3，其插入到患者P的体腔内；柔性机械手控制装置4，其根据对操作输入装置2的操作输入来控制柔性机械手3；以及监视器5。

操作输入装置2具有由操作者A的手指进行操作的杆(省略图示)。该操作输入装置2是与后述的配置于柔性机械手3的插入部6的前端的把持部(可动部)7具有相同的轴结构的大致相似形状的输入装置，若与把持部7相比较，则例如具有10倍左右的尺寸比。操作输入装置2也可以与把持部7不是相似形状，尺寸比也并不限于10倍。

如图2所示，柔性机械手3具有：插入部6，其经由插入到患者P的体腔内的柔性内窥镜的通道或外套管(引导部件)10等插入到患者P的体腔内，或者直接插入到患者P的体腔内；把持部7，其配置于该插入部6的前端；驱动部8，其配置于插入部6的基端；以及线9，其连结驱动部8和把持部7，通过张力使把持部7进行动作。

把持部7例如是把持钳子，通过线9的张力进行开闭动作。在本实施方式中，为了便于说明，以把持部7具有单一的轴的情况进行说明。把持部7也可以具有多个关节。

驱动部8具有电动机15和将电动机15的驱动力转换为线9的张力的滑轮那样的转换机构11。

线9沿着形成于插入部6内的路径配置，将张力传递到把持部7，其中，该张力是转换机构11从电动机15所产生的驱动力而转换成的。

如图2所示，柔性机械手控制装置4具有：信息输入部12，其输入用于确定进行处置的对象部位的处置部位确定信息；信息存储部(信息控制部)13，其将该信息输入部12所输入的处置部位确定信息和控制参数对应起来进行存储；以及控制部(驱动控制部)14，其根据对操作输入装置2的操作输入来控制柔性机械手3。

信息输入部12是供操作者A输入用于确定应该处置的部位的处置部位确定信息的输入装置。在本实施方式中，使用处置部位名作为输入的处置部位确定信息。操作输入装置2例如通过文字或图像在监视器5上显示应该处置的部位的候选，通过使操作者A选择任意的候选来输入处置部位确定信息。

如图3所示，信息存储部13将多个处置部位名和适于对各个处置部位进行处置的驱动部8的控制参数P1～P3对应起来进行存储。

作为控制参数P1～P3，举出了主从尺寸比。主从尺寸比是决定把持部7的动作量相对于操作输入装置2的操作量为何种程度的参数。

在柔性机械手3的插入部6笔直地延伸的情况下，通过将主从尺寸比设定为0.1，当使操作输入装置2的杆移动10mm时，能够使把持部7的开闭量为1mm。另外，例如，通过将主从尺寸比设定为0.2，当使操作输入装置2的杆移动10mm时，能够使把持部7的开闭量为2mm，因此操作者A为了达成相同的1mm的开闭量只要使操作输入装置2的杆移动5mm即可。

这里，在柔性机械手3的插入部6笔直地延伸的情况下，形成于柔性机械手3的插入部6内的路径与线9之间的摩擦最小，施加给操作输入装置2的力直接作为施加给线9的张力而传递到把持部7。因此，这种情况下，如果主从尺寸比为0.1，则由于与操作输入装置2和把持部7的实际的尺寸比一致，因此例如能够一边通过内窥镜图像确认把持部7，一边通过操作输入装置2进行直观的操作。

但是，在柔性机械手3的插入部6弯曲的情况下，在各个弯曲部分中，产生形成于插入部6内的路径与线9之间的摩擦，弯曲部分的角度(弯曲角)的总和越大，摩擦越大。因此，施加给操作输入装置2的力难以传递到把持部7，在保持主从尺寸比为0.1的状态下，即使使操作输入装置2的杆移动10mm，把持部7的开闭量因线9的伸长而比1mm小。

因此，通过事先将随着插入部6的弯曲角的总和变大而变大的主从尺寸比作为控制参数进行存储，不管处置部位的位置如何，都能够通过针对操作输入装置2的相同的操作指令来达成把持部7的相同的开闭量。

这里，当处置部位被确定时，由于柔性机械手3的插入路径大致被决定，因此柔性机械手3的插入部6沿着该插入路径插入时的弯曲形状即弯曲角的总和的大小也大致被决定。而且，在柔性机械手3的把持部7到达处置部位之后，仅前端的把持部7进行动作，插入部6的弯曲形状不会发生较大的变化。

因此，当处置部位被决定时，用于通过把持部7对该处置部位进行处置的最佳控制参数能够唯一决定。而且，由于这样的控制参数与处置部位对应地存储于信息存储部13中，因此仅通过输入处置部位名，就能够设定能够高精度地控制把持部7的控制参数。

控制参数例如被设定为：根据通常的人体模型的解剖学构造，预先设想插入部6模仿体腔形状在体腔内插入到各个部位的情况下的插入路径，所设想的插入路径所包含的1个以上的弯曲部分的弯曲角θ的总和越大该控制参数越大。

例如，如图4～图6所示，例示了对作为脏器的大肠内的降结肠、横结肠或升结肠进行处置的情况而进行说明。

如图4所示，在处置部位是降结肠的情况下，从肛门到降结肠为止的两个弯曲部分的弯曲角θ₀、θ₁的总和θ_all为θ_all＝θ₀+θ₁。

如图5所示，在处置部位是横结肠的情况下，还需要通过一个弯曲部分，从而弯曲角的合计θ_all为θ_all＝θ₀+θ₁+θ₂。

并且，如图6所示，在处置部位是升结肠的情况下，从横结肠到升结肠为止还需要通过一个弯曲部分，从而弯曲角的合计θ_all为θ_all＝θ₀+θ₁+θ₂+θ₃。

根据欧拉公式，施加给夹着弯曲部分的前后的线9的张力T_in、T_out具有如下关系。

T_out＝T_ine^μθ

这里，μ是线9的摩擦系数，θ是弯曲角。

另外，由于线9因张力T_in、T_out的差分而伸长，因此

Kdx＝T_out-T_in

这里，K是线9的弹性常数，dx是线9的伸长。

若整理该式，则变为

dx＝(T_in(e^μθ-1))/K

可知线9的伸长是弯曲角的函数，不依赖于曲率半径。

即，柔性机械手3的插入部6在插入到体腔内时，会模仿体腔的形状以各种曲率半径弯曲，但是，这种情况下的曲率半径与线9的伸长无关。因此，能够仅通过弯曲角的总和来决定控制参数。

控制部14使用从信息存储部13读出的控制参数，根据在操作输入装置2中操作者A所输入的动作指令，生成针对柔性机械手3的驱动部8的控制信号。例如，在通过使操作输入装置2的杆移动10mm的动作指令想要使柔性机械手3的把持部7开闭1mm的情况下，在插入部6笔直地延伸的状态下，将作为控制参数的主从尺寸比设为0.1，并且越是插入部6的弯曲角的总和θ_all大的处置部位，设定越大的主从尺寸比。由此，无论插入部6的弯曲状态是何种状态，都能够通过使操作输入装置2的杆移动10mm的动作指令使柔性机械手3的把持部7开闭1mm。

下面，对这样构成的本实施方式的医疗用机械手系统1的作用进行说明。

要想使用本实施方式的柔性机械手3对位于患者P的体腔内的患部进行处置，操作者A首先从信息输入部12输入患部所处的处置部位名，例如脏器名。例如，在信息输入部12中，通过将多个脏器名显示在监视器5上，操作者A选择任意的脏器名来输入作为处置部位名的脏器名。

当脏器名被输入时，控制部14将输入的脏器名作为关键字在信息存储部13内进行检索，读出与该脏器名对应地存储的控制参数并进行设定。

在该状态下，当操作者A对操作输入装置2进行操作而输入驱动部8的动作指令时，控制部14根据所输入的动作指令而生成控制驱动部8的控制信号，并将所生成的控制信号输出给驱动部8。

在这种情况下，控制部14使用从信息存储部13读出的控制参数来生成控制信号。即，在上述例子中，在操作输入装置2中输入的动作指令使杆移动10mm，在所读出的作为控制参数的主从尺寸比为0.1的情况下，针对驱动部8的控制信号使插入部6笔直地延伸的情况下的把持部开闭1mm。

另一方面，在所读出的作为控制参数的主从尺寸比为0.2的情况下，由于插入部6的插入路径弯曲，因此在操作输入装置2中需要更多的操作量，成为上述2倍的控制参数。而且，通过使用该较大的主从尺寸比，即使在该情况下，针对驱动部8的控制信号也会使把持部7开闭1mm。

这样，根据本实施方式的医疗用机械手系统1，由于仅输入脏器名作为处置部位确定信息来设定用于通过把持部7对该脏器名所确定的处置部位进行处置的驱动部8的适当的控制参数，因此具有如下优点：不需要在插入部6中设置用于检测其弯曲状态的传感器，从而能够避免复杂的信号处理，实现了装置的小型化和低成本化。

在本实施方式中，作为用于确定处置部位的处置部位确定信息，选择作为处置部位的脏器名，但作为处置部位并不限于具体的脏器，也可以是与脏器对应地规定的标记等。另外，也可以代替选择所显示的脏器名而选择图像显示的脏器。

另外，在本实施方式中，输入脏器名作为处置部位名，但除此之外，也可以像图7所示那样，对于即使在同一脏器内弯曲角也会根据插入部6的插入深度的大小而发生变化的脏器，并用根据插入深度而划分的区段名(例如，级别1、级别2、级别3等)。

即，如图8所示，也可以是，当想要在从降结肠到横结肠的弯曲部分的中途位置指定处置部位的情况下，将从降结肠弯曲了弯曲角θ2-1的前面的部位设定为横结肠的级别1，进而将弯曲了弯曲角θ2-2的前面的部位设定为横结肠的级别2，进而将弯曲了弯曲角θ2-3的前面的部位设定为横结肠的级别2。这样，能够更细致地确定处置部位，并且能够对每个细致确定的处置部位细致地设定控制参数。由此，能够提高把持部7的控制精度。

另外，在本实施方式的医疗用机械手系统1中，也可以具有内窥镜或外套管(引导部件)10，其中，该内窥镜具有供柔性机械手3的插入部6贯穿的通道。内窥镜或外套管10通常比柔性机械手3的插入部6粗且刚性高。因此，当将内窥镜或外套管10插入到体腔内时，由于以按照内窥镜或外套管10的刚性的曲率进行弯曲，因此不会被体腔的细致的形状左右，而以模仿体腔的大致形状或者局部地模仿体腔的形状的方式进行插入。

即，柔性机械手3的柔软的插入部6在单独地插入到体腔内的情况下，会以模仿所插入的体腔的细致的形状的方式使插入部6弯曲而插入到处置部位，但是，刚性比插入部6高的内窥镜或外套管10按照体腔的大致形状，一边根据情况使体腔的形状变化，一边以按照独自的刚性的曲率插入到处置部位。而且，通过以沿着那样插入的内窥镜的通道或外套管10插入插入部6的方式对其进行引导，具有如下优点：抑制了插入路径的变动，从而能够通过控制部14来高精度地控制驱动部8。

另外，也可以代替内窥镜或外套管10，而采用沿着柔性机械手3的插入部6固定的线9那样的部件作为引导部件。

另外，在本实施方式中，作为处置部位而例示了大肠的各部分，但也可以取而代之，当然可以应用于口鼻腔、动脉等血管等大肠以外的脏器。

另外，除了像大肠等那样能够大致决定柔性机械手3的插入部6的弯曲形状的脏器之外，即使是像胃、膀胱那样在内部具有宽阔的空间而使插入部6能够取得多个弯曲形状的脏器，如图9所示，也能够根据插入方向与处置部位B之间的关系在某种程度上决定在空间内的弯曲形态。因此，在这种情况下，也能够同样地应用本发明。

另外，在本实施方式中，在信息输入部12中，使操作者A通过脏器名的输入等来确定处置部位，但也可以取而代之，输入柔性机械手3的插入部6向体腔内插入的实际插入量(插入长度)。如图2所示，能够根据设置于柔性机械手3的插入部6的外表面的刻度M来读取插入量，或者在使用内窥镜或外套管10的情况下，能够根据设置于它们的外表面的刻度M来读取插入量，从而操作者A只要输入所读取的数值即可。在这种情况下，只要事先将插入量的范围和控制参数对应起来存储在信息存储部13中即可。另外，数值的输入除了键盘输入之外，也可以是拨盘输入。

另外，在输入插入量的情况下，例如处置部位配置在降结肠与横结肠之间的弯曲部分的情况下，插入部6的弯曲角的总和与插入量一起增加。在这种情况下，也可以根据所输入的插入量来计算弯曲角，根据计算出的弯曲角来计算控制参数。或者也可以是，能够根据所输入的插入量来计算最佳控制参数。由此，能够根据插入量或弯曲角度使控制参数变为最佳值，从而能够进行更加精密的控制。另外，作为处置部位确定信息，不限于插入量，也可以根据能够确定弯曲角度那样的输入信息，例如从患者P的X射线图像读取(计算出)的弯曲角度信息等使控制参数变化。

另外，在信息存储部13中，将处置部位名与控制参数对应起来进行存储，但也可以取而代之，事先将处置部位名和弯曲角度的总和值对应起来进行存储，控制部14根据将处置部位名作为关键字而读出的弯曲角度的总和值来计算控制参数。

尤其是在脏器的形状因个人差异而不同的情况下，控制部14也可以计算对不同的部分的弯曲角度进行校正后的弯曲角度的总和值，并根据计算出的弯曲角度的总和值来计算控制参数。例如，在具有α环的患者P的情况下，只要实施加上α环部分的弯曲角度的校正即可。

标号说明

1：医疗用机械手系统；2：操作入力装置(操作输入部)；3：柔性机械手；6：插入部；7：把持部(可动部)；8：驱动部；9：线(引导部件)；10：外套管(引导部件)；12：信息输入部；13：信息存储部(信息控制部)；14：控制部(驱动控制部)；A：操作者。

Claims

1.一种医疗用机械手系统，其具有：

柔性机械手，其具有细长的柔性的插入部、设置于该插入部的前端的可动部、以及设置于所述插入部的基端对所述可动部进行驱动的驱动部；

操作输入部，其由操作者进行操作，输入所述柔性机械手的动作指令；

驱动控制部，其根据该操作输入部所输入的动作指令来控制所述驱动部；

信息输入部，其输入用于确定通过所述柔性机械手来进行处置的对象部位的处置部位确定信息；以及

信息控制部，其根据所述处置部位确定信息来设定用于控制所述驱动部的控制参数，

所述驱动控制部使用由所述信息控制部根据所述信息输入部所输入的所述处置部位确定信息而设定的控制参数来控制所述驱动部。

2.根据权利要求1所述的医疗用机械手系统，其中，

所述信息控制部将所述处理部位确定信息和所述控制参数对应起来进行存储，

所述驱动控制部使用根据所述信息输入部所输入的所述处置部位确定信息而从所述信息控制部读出的控制参数来控制所述驱动部。

3.根据权利要求1或2所述的医疗用机械手系统，其中，

该医疗用机械手系统具有对所述插入部进行引导的引导部件，所述引导部件具有比所述插入部高的刚性。

4.根据权利要求1或2所述的医疗用机械手系统，其中，

所述处置部位确定信息包含处置部位名。

5.根据权利要求4所述的医疗用机械手系统，其中，

所述处置部位名是脏器名。

6.根据权利要求4所述的医疗用机械手系统，其中，

所述处置部位名是根据脏器名和插入深度而划分的区段名。

7.根据权利要求1或2所述的医疗用机械手系统，其中，

所述处置部位确定信息是所述插入部向患者的体内插入的插入长度。

8.根据权利要求1或2所述的医疗用机械手系统，其中，

所述处置部位确定信息是处置部位名和所述插入部向患者的体内插入的插入长度。