CN107427328B - 医疗用机械手系统 - Google Patents

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CN107427328B CN201680019275.7A CN201680019275A CN107427328B CN 107427328 B CN107427328 B CN 107427328B CN 201680019275 A CN201680019275 A CN 201680019275A CN 107427328 B CN107427328 B CN 107427328B
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Abstract

医疗用机械手系统的控制部(100)具有：位置识别部(101)，其对第一机械手和第二机械手的位置进行识别；干涉预测部(103)，其对在第一机械手沿第一移动路径移动的情况下是否与第二机械手发生干涉进行预测；以及模式选择部(107)，其按照如下方式从多个动作模式中选择一个模式：以在干涉预测部(103)预测为第一机械手与第二机械手不发生干涉的情况下选择第一模式、在干涉预测部(103)预测为第一机械手与第二机械手发生干涉的情况下选择第二模式的方式选择第一模式和第二模式中的任意一方，当在控制部(100)以第一模式或第二模式进行动作的期间扭矩传感器(14)检测到第一机械手与障碍物接触的情况下，从第一模式或第二模式转移到第三模式。

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，公知有通过使多个臂进行动作来进行外科手术的医疗用机械手系统。例如在专利文献1中公开了如下的医疗用机械手系统：具有能够安装手术器具的多个臂，能够以使手术器具以用于将手术器具导入到体内的切开位置为中心(远程中心)进行摆动的方式使臂移动。
专利文献1所公开的医疗用机械手系统能够一边维持远程中心的位置一边自动或手动地使臂移动。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2013/325031号公报
发明内容
发明要解决的课题
在医疗用机械手系统的多个臂彼此发生干涉的情况下，有时医疗用机械手系统的操作者等暂时中断处置，以使得手动地消除臂彼此的干涉。为了不容易引起由臂彼此的干涉而导致的处置的中断，考虑到预测臂彼此的干涉而以避免干涉的方式使臂自动地进行动作。然而，在专利文献1所记载的机械手中，由于无法识别位于机械手的周边的障碍物(手术医生、助手、患者、其他医疗设备等)，因此若以避免臂的干涉的方式使臂自动地进行动作，则在臂的移动路径上存在障碍物的情况下有可能臂与障碍物发生碰撞。
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即使在用于避免臂彼此的干涉的移动路径上存在障碍物也能够迅速地避免臂彼此的干涉。
用于解决课题的手段
本发明的一个方式是医疗用机械手系统，其特征在于，该医疗用机械手系统具有：第一机械手，其具有关节组；第一操作部，其发出用于操作所述第一机械手的指令；控制部，其接受所述指令，根据多个动作模式中的一个动作模式而对所述第一机械手进行控制；接触检测部，其对所述第一机械手与障碍物接触的情况进行检测；以及第二机械手，其能够与所述第一机械手独立地或协作地进行动作，所述关节组具有属于第一组的一个以上的关节和属于第二组的一个以上的关节，所述多个动作模式包含：第一模式，仅使用属于所述第一组的关节对所述第一机械手进行控制，以使所述第一机械手沿着供所述第一机械手进行动作的第一移动路径移动；第二模式，使用属于所述第一组的关节和属于所述第二组的关节对所述第一机械手进行控制，以使所述第一机械手沿着供所述第一机械手移动的第二移动路径移动；以及第三模式，在所述接触检测部检测到所述第一机械手与所述障碍物接触时，使所述第一机械手进行动作以消除所述接触，所述控制部具有：位置识别部，其对所述第一机械手和所述第二机械手的位置进行识别；干涉预测部，其对在所述第一机械手沿着所述第一移动路径移动的情况下是否与所述第二机械手发生干涉进行预测；以及模式选择部，其按照如下的方式从多个动作模式中选择一个模式：以在所述干涉预测部预测为所述第一机械手与所述第二机械手不发生干涉的情况下选择第一模式、在所述干涉预测部预测为所述第一机械手与所述第二机械手发生干涉的情况下选择第二模式的方式选择所述第一模式和所述第二模式中的任意一方，当在所述控制部以所述第一模式或所述第二模式进行动作的期间所述接触检测部检测到所述第一机械手与所述障碍物接触的情况下，从所述第一模式或所述第二模式转移到所述第三模式，在所述第二模式下，所述控制部将绕过所述第二机械手的位置的路径设定为所述第二移动路径。
可以是，所述第二组所包含的关节包含与所述第一组所包含的关节成为冗余关系的冗余关节。
可以是，作为所述第三模式下的所述第一机械手的控制过程，包含如下步骤：指令停止步骤，停止基于所述指令的所述第一机械手的控制；移动量计算步骤，计算用于消除与所述障碍物的接触的所述第一机械手的移动量；移动步骤，使所述第一机械手移动在所述移动量计算步骤中计算出的移动量；以及恢复步骤，恢复到所述第一模式和所述第二模式中的被转移到所述第三模式之前的模式，所述控制部按照所述控制过程对所述第一机械手进行控制。
可以是，所述第一机械手还具有与所述第一操作部不同的第二操作部，该第二操作部能够操作所述第一机械手，作为所述第三模式下的所述第一机械手的控制过程，包含如下步骤：指令停止步骤，停止基于所述指令的所述第一机械手的控制；以及允许步骤，允许所述第二操作部对所述第一机械手的操作，所述控制部按照所述控制过程对所述第一机械手进行控制。
可以是，所述第二操作部具有对所述第二操作部的操作的结束进行检测的结束检测部，作为所述第三模式下的所述第一机械手的控制过程，还具有在所述结束检测部检测到所述第二操作部的操作结束的情况下恢复成被转移到所述第三模式之前的模式的恢复步骤，所述控制部按照所述控制过程对所述第一机械手进行控制。
发明效果
根据本发明，能够提供即使在用于避免臂彼此的干涉的移动路径上存在障碍物也能够迅速地避免臂彼此的干涉的医疗用机械手系统。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施方式的医疗用机械手系统的示意图。
图2是示出本发明的第一实施方式的医疗用机械手系统的第一机械手的示意图。
图3是示出本发明的第一实施方式的医疗用机械手系统的主要部分的框图。
图4是示出本发明的第一实施方式的医疗用机械手系统的控制部中的控制过程的流程图。
图5是示出使用了本发明的第一实施方式的医疗用机械手系统的操作的流程的流程图。
图6是用于说明本发明的第一实施方式的医疗用机械手系统的作用的图。
图7是用于说明本发明的第一实施方式的医疗用机械手系统的作用的图。
图8是用于说明本发明的第一实施方式的医疗用机械手系统的作用的图。
图9是示出本发明的第一实施方式的医疗用机械手系统的变形例中的第一机械手的示意图。
图10是本发明的第二实施方式的医疗用机械手系统的示意图。
图11是用于说明本发明的第二实施方式的医疗用机械手系统的作用的图。
图12是示出本发明的第三实施方式的医疗用机械手系统的主要部分的框图。
图13是用于说明本发明的第三实施方式的医疗用机械手系统的作用的图。
图14是用于说明本发明的第三实施方式的医疗用机械手系统的作用的图。
图15是示出本发明的第四实施方式的医疗用机械手系统的主要部分的框图。
图16是示出使用了本发明的第四实施方式的医疗用机械手系统的操作的流程的流程图。
图17是示出本发明的第四实施方式的医疗用机械手系统的变形例中的第一机械手的示意图。
具体实施方式
(第一实施方式)
对本发明的第一实施方式进行说明。图1是示出本实施方式的医疗用机械手系统的示意图。图2是示出医疗用机械手系统的第一机械手的示意图。图3是示出医疗用机械手系统的主要部分的框图。
图1所示的本实施方式的医疗用机械手系统1是主从方式的机械手系统。医疗用机械手系统1具有多个从动机械手(第一机械手10、第二机械手20、第三机械手30、第四机械手40)、手术台50、操作部60、输入处理电路70、图像处理电路80、显示部90以及控制部100。
多个从动机械手10、20、30、40设置在载置有患者P的手术台50的附近。另外，也可以将从动机械手10、20、30、40设置在手术台50上。
以下，对第一机械手10的结构进行详细说明。由于第二机械手20、第三机械手30、第四机械手40具有与第一机械手10相同的结构，因此省略详细的说明。
如图2所示，第一机械手10具有臂11、用于安装手术器具19的适配器18。
臂11具有链路组12、关节组13、扭矩传感器14、致动器15、编码器16。
链路组12具有多个链路12a、12b、12c、12d、12e、12f。多个链路12a、12b、12c、12d、12e、12f借助关节组13所包含的后述的各关节而能够相对于这些关节以固有的转动轴为转动的中心进行移动。在多个链路12a、12b、12c、12d、12e、12f中的位于最靠远位侧的位置的链路12f上配置有用于安装手术器具19的适配器18。
关节组13具有属于第一组(常用关节13A)的关节13A1、13A2、13A3和属于第二组(冗余关节13B)的关节13B1、13B2、13B3。
第一机械手10的关节组13中的常用关节13A所包含的关节13A1、13A2、13A3例如为偏摆、俯仰、侧倾中的至少一个驱动轴，在进行第一机械手10的动作时优先使用。常用关节13A所包含的关节的数量可以考虑第一机械手10所需的自由度来适当选择。
第一机械手10的关节组13中的冗余关节13B所包含的关节13B1、13B2、13B3分别相对于上述的常用关节(关节13A1、13A2、13A3)具有冗余关系。冗余关节13B将比常用关节13A赋予第一机械手10的自由度多的冗余自由度赋予第一机械手10。在本实施方式中，对属于常用关节13A的所有的关节分配冗余关节13B。
扭矩传感器14是对施加给构成关节组13的各关节的扭矩的大小进行检测的传感器。扭矩传感器14与控制部100连接。
致动器15使关节组13进行动作。致动器15按照控制部100的控制而能够仅使常用关节13A所包含的关节进行动作，或者使常用关节13A和冗余关节13B一起进行动作。
编码器16对关节组13的动作量进行检测。编码器16与控制部100连接。由此，控制部100能够识别关节组13的动作量。
安装在第一机械手10上的手术器具19在细长的轴19b的远位端具有前端执行器19a。手术器具19的前端执行器19a通过设置在适配器18的未图示的驱动部而与操作部60(参照图1)中的操作对应地进行动作。安装在其他从动机械手20、30、40上的手术器具29、39、49也可以为与上述的手术器具19相同的结构。
虽然省略了详细，但图1所示的第二机械手20、第三机械手30以及第四机械手40也与第一机械手10同样地分别具有臂21、31、41和适配器28、38、48，能够经由适配器28、38、48与手术器具29、39、49连接。
如图1所示，操作部60输入用于使多个从动机械手10、20、30、40以及手术器具19、29、39、49进行动作的操作。操作部60具有构成为供操作者手持地进行操作的主臂61。主臂61的操作量在输入处理电路70中被检测。
输入处理电路70对来自操作部60的操作信号进行分析，根据操作信号的分析结果而生成用于控制本医疗用机械手系统1的控制信号(指令)并输入给控制部100。
图像处理电路80实施用于显示从控制部100输入的图像信号的各种图像处理而生成显示部90中的显示用的图像数据。
显示部90例如由液晶显示器构成，根据经由观察器具获取的图像信号而显示基于在图像处理电路80中生成的图像数据的图像。
图1和图3所示的控制部100例如是构成为具有CPU和存储器等的计算机。控制部100存储用于进行多个从动机械手10、20、30、40的控制的规定的程序，根据来自输入处理电路70的控制信号(指令)而对多个从动机械手10、20、30、40以及手术器具19、29、39、49的动作进行控制。
控制部100根据多个动作模式中的一个动作模式而对多个从动机械手10、20、30、40进行控制。以下，关注第一机械手10与第二机械手20之间的关系，对在控制部100使第一机械手10进行动作的情况下所使用的多个动作模式进行说明。
用于控制部100使第一机械手10进行动作的多个动作模式包含第一模式、第二模式以及第三模式。
第一模式是如下模式：仅使用属于图2所示的常用关节13A的关节来使第一机械手10进行动作。在第一模式下，控制部100(参照图1)根据操作者对操作部60的操作而设定能够仅使用属于常用关节13A的关节来使第一机械手10移动的路径(第一移动路径)，以使第一机械手10沿第一移动路径移动的方式控制第一机械手10。在本实施方式中，将距离根据操作部60中的操作而生成的指令所规定的第一机械手10的到达目标位置的最短路径(使关节组13的动作量整体为最小的路径)作为第一移动路径的候选而采用，如果不预测后述的干涉，则第一移动路径被确定为第一机械手10的移动路径。
第二模式是如下模式：使用属于图2所示的常用关节13A的关节和属于冗余关节13B的关节来使第一机械手10进行动作。在第二模式下，控制部100(参照图1)根据操作者对操作部60的操作者的操作而设定能够使用属于常用关节13A的关节和属于冗余关节13B的关节这两者来使第一机械手10移动的路径(第二移动路径)，以使第一机械手10沿第二移动路径移动的方式控制第一机械手10。第二模式下的第二移动路径的选择受到与第二机械手20的位置对应的限制。即，设定为第二移动路径的路径被设定为不包含第二机械手20的位置在内的路径。由此，第二移动路径被设定为绕过第二机械手20的位置的路径。另外，第二模式下的第二移动路径的设定也考虑了第二机械手20的臂21的形状，并以使得第一机械手10能够不与第二机械手20接触地移动的方式进行。
第三模式是如下模式：在扭矩传感器14(参照图2、3)检测到第一机械手10与障碍物的接触时以消除与障碍物的接触的方式使第一机械手10进行动作。在本实施方式中，在第三模式下，控制部100使第一机械手10向使得第一机械手10远离障碍物的方向移动。
接下来，对控制部100的结构进行说明。如图3所示，控制部100具有位置识别部101、冗余控制运用判定部102、恢复动作判定部105、模式选择部107、驱动信号生成部108。在本实施方式中，存储在控制部100中的程序包含用于使控制部100作为位置识别部101、冗余控制运用判定部102、恢复动作判定部105、模式选择部107以及驱动信号生成部108而发挥功能的程序。
位置识别部101对第一机械手10和第二机械手20的位置进行识别。第一机械手10和第二机械手20的位置作为医疗用机械手系统1中的以规定的原点为基准的坐标系中的坐标而存储在控制部100中。本实施方式的位置识别部101除了对第一机械手10和第二机械手20的位置进行识别之外，还可以对第一机械手10和第二机械手20的姿势进行识别。
冗余控制运用判定部102具有干涉预测部103和干涉避免动作设定部104。冗余控制运用判定部102对是否需要转移到第二模式进行判定。并且，冗余控制运用判定部102在判定为要转移到第二模式时，将对第二模式下的第一机械手10的移动路径(第二移动路径)进行特定的信息交付给模式选择部107。
在使第一机械手10沿上述的第一移动路径移动的情况下，干涉预测部103对第一机械手10与第二机械手20是否发生干涉进行预测。在第二机械手20位于第一移动路径上的情况下，干涉预测部103预测为第一机械手10与第二机械手20可能发生干涉。在第二机械手20位于第一移动路径外的情况下，干涉预测部103预测为第一机械手10与第二机械手20不发生干涉。例如，在本实施方式中，干涉预测部103考虑到第二机械手20的臂21的形状，将包含表示第二机械手20的位置的坐标在内的规定的区域识别为第一机械手10与第二机械手20可能发生干涉的区域。而且，在该区域的至少一部分位于第一移动路径上的情况下，干涉预测部103预测为第一机械手10与第二机械手20可能发生干涉。
干涉避免动作设定部104在绕过第二机械手20的位置的条件下计算基于从操作部60输入给控制部100的指令的第一机械手的起点与終点之间的移动路径，并设定为第一机械手的移动路径(第二移动路径)。
恢复动作判定部105参照扭矩传感器14中的负载的大小而对第一机械手10是否与障碍物接触进行检测，从而判定是否需要转移到第三模式。另外，恢复动作判定部105具有设定第三模式下的第一机械手10的动作量的恢复动作设定部106。
模式选择部107从用于使控制部100进行动作的多个动作模式(第一模式、第二模式以及第三模式)中选择一个模式，并根据所选择的模式而使控制部100进行动作。本实施方式的模式选择部107在干涉预测部103预测为第一机械手10与第二机械手20不发生干涉的情况下选择第一模式。另外，由于在干涉预测部103预测为第一机械手10与第二机械手20发生干涉的情况下，冗余控制运用判定部102判定为需要转移到第二模式，因此模式选择部107选择第二模式。并且，由于当在控制部100以第一模式或第二模式进行动作的期间，扭矩传感器14检测到第一机械手10与障碍物接触的情况下，恢复动作判定部105判定为需要从第一模式或第二模式转移到第三模式，因此模式选择部107选择第三模式。
在本实施方式中，在模式选择部107选择第三模式的情况下，控制部100按照以下各步骤所示的控制过程进行动作。图4是示出本实施方式的医疗用机械手系统1的控制部100中的控制过程的流程图。
图3所示的控制部100首先中断第一模式和第二模式下的第一机械手10的控制(步骤S1：指令停止步骤，参照图4)。此时，模式选择部107将基于针对操作部60的操作的从输入处理电路70输入给控制部100的指令保存到控制部100的未图示的缓冲器中(一次存储)。由此，控制部100停止基于指令的第一机械手10的控制。保存在控制部100的缓冲器中的指令在从第三模式恢复到转移前的动作模式(第一模式或第二模式)时被读出，作为用于使第一机械手10进行动作的、输入给控制部100的指令被继续使用。
在步骤S1之后，控制部100的恢复动作设定部106计算用于消除与障碍物的接触的第一机械手10的移动量(步骤S2：移动量计算步骤)。此时，控制部100例如以使第一机械手10朝向与第一机械手10和障碍物接触的方向相反的一侧移动的方式计算第一机械手10的移动量。
在步骤S2之后，控制部100通过根据在步骤S2中计算出的移动量而从驱动信号生成部108向第一机械手10输出驱动信号来使第一机械手10移动上述的移动量(步骤S3：移动步骤)。
在步骤S3之后，控制部100恢复到第一模式和第二模式中的转移到第三模式之前的模式(步骤S4，恢复步骤)。此时，控制部100通过读出保存在上述缓冲器中的指令来设定第一机械手10的移动目标位置，以使第一机械手10移动到移动目标位置的方式控制第一机械手10。
控制部100根据指令而对作为操作部60的操作对象的从动机械手10等的动作进行控制。此时，控制部100向对应的从动机械手10等输出驱动信号并且能够按照根据对应的从动机械手10等的动作而从扭矩传感器14和编码器16输入的检测信号而一边对操作对象的从动机械手10等的驱动量和负载进行检测一边使操作对象的从动机械手10等进行动作。
参照图1至图3以及图5来详细说明控制部100对第一机械手10的控制。图5是示出使用了本实施方式的医疗用机械手系统1的操作的流程的流程图。
图3所示的控制部100根据模式选择部107所选择的动作模式而对第一机械手10进行控制。模式选择部107中的初始的动作模式为第一模式(步骤S11，参照图5)。在步骤S11中如果使控制部100在第一模式下开始动作，则前进到步骤S12。
步骤S12是如下步骤：模式选择部107参照干涉预测部103中的预测结果，根据预测结果而对处理进行分支。在步骤S12中，若判定为第二机械手20(参照图2)位于在第一模式下设定的路径(第一移动路径)上(即，预测为第一机械手10与第二机械手20可能发生干涉)，则前进到步骤S13。在步骤S12中，若判定为第二机械手20位于在第一模式下设定的路径(第一移动路径)外，则返回到步骤S11而继续第一模式。
步骤S13是模式选择部107选择第二模式而使控制部100在第二模式下进行动作的步骤。在第二模式下，通过第一机械手10沿考虑了第二机械手20的位置的第二移动路径移动，第一机械手10能够以不与第二机械手20发生干涉的方式移动。在步骤S13中，若使控制部100在第二模式下开始动作，则前进到步骤S14。
步骤S14是如下步骤：恢复动作判定部105参照图3所示的扭矩传感器14所检测的负载的大小，根据负载的大小而对处理进行分支。在步骤S14中，在扭矩传感器14所检测的负载的大小超过规定的阈值的情况下，判定为第一机械手10与医疗用机械手系统1未识别的障碍物接触，并前进到步骤S15。在步骤S14中，在扭矩传感器14所检测的负载的大小为规定的阈值以下的情况下，判定为第一机械手10与障碍物不接触，并返回到步骤S12。
步骤S15是如下步骤：模式选择部107选择第三模式，使控制部100在第三模式下进行动作。在第三模式下，控制部100使第一机械手10向消除第一机械手10与障碍物的接触的方向移动。在步骤S15中，根据恢复动作设定部106所设定的动作量而使第一机械手10移动并返回到步骤S14。
通过重复进行步骤S14和步骤S15，即使在第一机械手10的动作量不足而未消除与障碍物接触的情况下，第一机械手10也移动直到消除与障碍物的接触为止，在消除与障碍物的接触之后，返回到步骤S12。另外，在步骤S14和步骤S15的重复动作中，不限于恢复动作设定部106所设定的动作量，也可以使第一机械手10向消除第一机械手10与障碍物的接触的方向移动规定的微小量。
通过从上述的步骤S11到步骤S15的各步骤，控制部100转移到第一模式、第二模式以及第三模式，根据各动作模式中的任意一个动作模式而对第一机械手10进行控制。
另外，当在第一模式下进行移动的过程中检测到第一机械手10与障碍物接触的情况下，也可以从第一模式直接转移到第三模式(恢复模式)。在该情况下，当消除第一机械手10与障碍物的接触时，返回到第一模式。
虽然省略了详细，但图1所示的控制部100对第一机械手10的控制除了要考虑第二机械手20的位置之外也要考虑第三机械手30和第四机械手40的位置来进行。另外，在第二机械手20为控制对象的情况下，由控制部100考虑第一机械手10、第三机械手30以及第四机械手40的位置来控制第二机械手20。在第三机械手30和第四机械手40为控制部100的控制对象的情况下也是同样的。即，在本实施方式中，四个从动机械手由控制部100根据彼此的位置而以避免相互干涉的方式进行控制，并且，在与障碍物接触时由控制部100以自动地消除该接触的方式进行控制。
对本实施方式的医疗用机械手系统1的作用进行说明。图6至图8是用于说明本实施方式的医疗用机械手系统1的作用的图。
本实施方式的医疗用机械手系统1以手术器具19、29安装在第一机械手10和第二机械手20上的状态进行使用。另外，根据需要也可以将内窥镜与本实施方式的医疗用机械手系统1组合。在该情况下，也可以由控制部100对内窥镜进行动作控制。与本实施方式的医疗用机械手系统1组合的内窥镜对使用安装在第一机械手10和第二机械手20上的手术器具(第一手术器具19、第二手术器具29)来进行处置的作为对象的体内的部位进行拍摄，使内窥镜图像显示在显示部90(参照图1)上。
在使用图1和图6所示的医疗用机械手系统1时，一边使用第一机械手10和第二机械手20来使各手术器具19、29移动一边对处置对象部位进行处置。这里，例如为了使安装在第一机械手10上的第一手术器具19移动，操作者对操作部60进行用于使第一手术器具19移动的操作。对操作部60进行操作的操作者通过观察显示在显示部90上的内窥镜图像来把握第一手术器具19的远位端的前端执行器19a的位置和姿势，但有时未把握第一机械手10的臂11的位置。在该情况下，进行针对操作部60的操作，而不考虑第一机械手10的臂11的一部分与第二机械手20发生干涉的可能性。
在本实施方式中，当控制部100接受到根据操作部60中的操作而生成的指令时，控制部100根据指令而计算用于仅使用常用关节13A(参照图2)来使第一机械手10移动的第一移动路径。并且，如上述的步骤S11至步骤S15所示，控制部100对有无第一机械手10与第二机械手20的干涉可能性进行预测，在第一模式或第二模式下控制第一机械手10。
在第一模式下，仅使用图2所示的常用关节13A来使第一机械手10移动，以使其处于与指令对应的位置和姿势。其结果是，第一手术器具19的前端执行器19a处于与针对操作部60的操作对应的位置和姿势(例如参照图7)。此时的第一手术器具19的前端执行器19a的移动后的位置和姿势例如也可以是以第一手术器具19的刺入点为远程中心的枢转动作后的位置和姿势，也可以是平行移动或旋转移动后的位置和姿势。
在第二模式下，除了使用图2所示的常用关节13A之外还使用冗余关节13B来使第一机械手10以绕过第二机械手20的位置的方式移动。其结果是，第一手术器具19的前端执行器19a处于与针对操作部60(参照图1)的操作对应的位置和姿势。在第二模式下，如果针对操作部60的操作与上述的第一模式下的操作相同，则移动后的第一机械手10的臂11的姿势与第一模式不同，但移动后的第一手术器具19的前端执行器19a的位置和姿势能够与第一模式大致相同。
这样，在本实施方式中，无论在第一模式还是在第二模式下，都不会发生第一机械手10与第二机械手20的干涉，从而第一手术器具19处于与针对操作部60的操作对应的位置和姿势。
可是，在第一模式和第二模式下，由于使第一机械手10移动，因此要考虑第一机械手10与本实施方式的医疗用机械手系统1未识别的障碍物X(参照图8)接触的可能性。例如如图8所示，要考虑第一机械手10与患者P的腹壁(障碍物X)接触的可能性。设置有本实施方式的医疗用机械手系统1的空间中的患者P的位置、医疗用机械手系统1以外的未图示的医疗设备的位置、或者辅助本实施方式的医疗用机械手系统1的操作的助手的位置等有可能在手术过程中发生变化，因而难以实时地对所有这些位置进行把握。
在本实施方式的医疗用机械手系统1中，在第一机械手10与医疗用机械手系统1所预先识别的物体以外的物体接触的情况下，作为接触检测部的扭矩传感器14(参照图3)检测到该物体的存在，控制部100将该物体识别为障碍物。而且，在第一机械手10与障碍物接触时，控制部100根据模式选择部107的选择而从第一模式或第二模式转移到第三模式，以消除与障碍物的接触的方式使第一机械手10进行动作。
在第三模式下，控制部100使第一机械手10移动，以使得第一机械手10远离障碍物(参照图4所示的步骤S1至步骤S4)。在本实施方式的医疗用机械手系统1中，如果扭矩传感器14未检测到第一机械手与障碍物的接触，则能够从第三模式自动地恢复到转移前的模式(第一模式或第二模式)。
例如，在从第三模式恢复到第一模式的情况下，仅使用常用关节13A(参照图2)来进行根据针对图1所示的操作部60的操作而使第一机械手10以最短路径进行移动的控制。
例如，在从第三模式恢复到第二模式的情况下，使用常用关节13A和冗余关节13B这两者(参照图2)来进行根据针对图1所示的操作部60的操作而使第一机械手10按照考虑了第二机械手20的位置的路径进行移动的控制。
如上所述，根据本实施方式的医疗用机械手系统1，无论选择第一模式和第二模式中的哪个模式，第一机械手10都不会与第二机械手20发生干涉，从而能够使第一手术器具19处于期望的位置和姿势。并且，根据本实施方式的医疗用机械手系统1，在进行第一机械手10的移动时，即使第一机械手10与障碍物接触也能够自动地消除第一机械手10与障碍物的接触从而使第一手术器具19处于期望的位置和姿势。其结果是，根据本实施方式的医疗用机械手系统1，即使在用于避免第一机械手10的臂11与第二机械手20的臂21的干涉的移动路径上存在障碍物也能够迅速地避免干涉。这样，由于自动地避免了干涉，因此对操作部60进行操作的操作者不必考虑臂11、21的存在及其移动和干涉，而能够专注于对显示在显示部90上的前端执行器19a进行操作从而对处置对象部位进行适当的处置。
(变形例)
对上述第一实施方式的变形例进行说明。图9是示出本变形例中的第一机械手的示意图。
在本变形例中，作为接触检测部，代替第一实施方式所公开的扭矩传感器14(参照图2)，而像图9所示那样具有接触传感器17。
接触传感器17配置在第一机械手10的臂11的外表面上。另外，接触传感器17与控制部100连接。通过在医疗用机械手系统1的使用开始时刻未识别的物体与接触传感器17接触，由接触传感器17和控制部100将该物体识别为障碍物。
在本变形例中，在障碍物与接触传感器17接触的情况下，与上述第一实施方式同样地能够以消除障碍物与第一机械手10的接触的方式使第一机械手10进行动作。
另外，作为本变形例的接触检测部，也可以具有扭矩传感器14和接触传感器17这两者。在该情况下，即使在第一机械手10的臂11中的未安装接触传感器17的区域中也能够通过扭矩传感器14来检测第一机械手10与障碍物的接触，在安装有接触传感器17的区域中，不对第一机械手10施加基于致动器15的扭矩就能够检测到与障碍物的接触。
(第二实施方式)
对本发明的第二实施方式进行说明。图10是本实施方式的医疗用机械手系统的示意图。图11是用于说明本实施方式的医疗用机械手系统的作用的图。
在本实施方式的医疗用机械手系统2中，第三模式下的控制部100的动作与上述的第一实施方式不同。
本实施方式的医疗用机械手系统2在第三模式下，除了第一机械手10之外还使第二机械手20移动。即，通过控制部100的控制，第二机械手20能够与第一机械手10独立地或与第一机械手10协作地进行动作。
例如如图10所示，在第三模式下，当第一机械手10向远离障碍物X的方向移动时，如图11所示，第二机械手20向远离第一机械手10的方向移动。由此，在本实施方式中，在第三模式下，由于当消除第一机械手10与障碍物的接触时，第一机械手10与第二机械手20位于分开的位置，因此通过之后的第一机械手10的移动而能够降低第一机械手10与第二机械手20发生干涉的概率。
另外，控制部100也可以对基于操作者对操作部60进行的操作的指令进行分析，使第二机械手20退避到第三模式结束后的第一机械手10的移动路径外。在该情况下，在从第二模式转移到第三模式之后，不恢复到第二模式而恢复到第一模式。
在本实施方式中，由于通过第二机械手20与第一机械手10进行协作，增加了第一机械手10的移动路径的选择项，因此通过用于避免干涉的臂11的移动能够将发生其他干涉的可能性抑制得较低。
(第三实施方式)
对本发明的第三实施方式进行说明。图12是示出本实施方式的医疗用机械手系统的主要部分的框图。图13和图14是用于说明本实施方式的医疗用机械手系统的作用的图。
如图12所示，本实施方式的医疗用机械手系统3的结构在如下点与上述第一实施方式不同：控制部100具有在第一机械手10与在医疗用机械手系统3的使用开始时刻未识别的物体接触时将该物体识别为障碍物并存储位置的存储部109。
另外，本实施方式的医疗用机械手系统3的控制部100将存储在存储部109中的障碍物的坐标用作第一机械手10的禁止进入位置。
例如，在作为第一机械手10的禁止进入位置的坐标未存储到存储部109中的情况下，第一机械手10能够在基于臂11的手术器具19的最大可动范围(例如作为一例是图13中标号A1所示的)的整个区域内移动。
这里，如图14所示，当第一机械手10移动而与障碍物X(在本实施方式中是患者P的体壁)接触时，作为第一机械手10的禁止进入位置的坐标被存储在存储部109中，将第一机械手10的可动区域限制在基于臂11的手术器具19的最大可动范围A1中的到第一机械手10与障碍物X接触的位置为止的范围A2内。由此，设定了第一机械手10的禁止进入位置，在设定禁止进入位置以后持续限制第一机械手10的可动区域。
在设定了第一机械手10的禁止进入位置的状态下，本实施方式的控制部100(参照图12)以绕过禁止进入位置的方式设定第一移动路径作为与第一模式对应的控制。在仅使用常用关节13A(参照图2)而无法绕过禁止进入位置的情况(无法设定第一移动路径的情况)下，转移到第二模式。另外，在设定了第一机械手10的禁止进入位置的状态下，本实施方式的控制部100以绕过禁止进入位置和第二机械手20的位置的方式设定第二移动路径作为与第二模式对应的控制。
存储部109中的禁止进入位置的坐标的存储保持到医疗用机械手系统3使用结束为止。另外，也可以根据需要，通过删除任意的禁止进入位置的坐标而能够使第一机械手10再次进入作为禁止进入位置的位置。例如，在将位于医疗用机械手系统3的使用时的第一机械手10的旁边的助手的位置作为禁止进入位置而存储的情况下，在助手从该位置移动之后，通过从存储部删除该坐标，能够消除第一机械手10的可动范围的限制。
本实施方式的医疗用机械手系统3实现了与上述第一实施方式相同的效果。另外，在本实施方式中，由于此后不与在医疗用机械手系统3开始使用后识别的障碍物接触，因此减少了第一机械手10的无用的动作。
另外，在本实施方式中，在即使与障碍物接触也不会有较大的问题的情况下，可以允许在进行第一机械手10的移动路径的选定时通过的坐标中包含禁止进入位置。在该情况下，包含禁止进入位置在内的移动路径的优先级比不包含禁止进入位置在内的移动路径低。由此，控制部100仅在无法设定不包含禁止进入位置在内的移动路径的情况下允许第一机械手10通过禁止进入位置。
(第四实施方式)
对本发明的第四实施方式进行说明。图15是示出本实施方式的医疗用机械手系统的主要部分的框图。图16是示出使用了本实施方式的医疗用机械手系统的操作的流程的流程图。
本实施方式的医疗用机械手系统4(参照图15)与上述第一实施方式所公开的医疗用机械手系统1相比较，第三模式的内容不同。
本实施方式中的第三模式是如下的直接驱动模式：不使第一机械手10(参照图2)自动地进行动作，而助手能够在第一机械手10的附近通过手动操作使第一机械手10进行动作。
如图15所示，在本实施方式中，第一机械手10的臂11和扭矩传感器14为能够利用与操作部60不同的方法对第一机械手10进行操作的第二操作部62。在本实施方式中，控制部100的恢复动作判定部105代替恢复动作设定部106，具有对可否进行使用了第二操作部62的操作进行判定的直接驱动运用判定部112。
作为一例，选择了第三模式的状态下的本实施方式的控制部100首先与第一实施方式同样地通过将指令保存在缓冲器中来停止基于指令的第一机械手10的控制(指令停止步骤)。
并且，控制部100的直接驱动运用判定部112解除第一机械手10的关节组13的制动，在针对臂11的扭矩传感器14存在输入的情况下，允许使第一机械手10进行模仿动作。
即，在本实施方式的第三模式下，针对扭矩传感器14的操作是助手推拉第一机械手10的臂11或者使其旋转。针对扭矩传感器14的操作是用于通过致动器15使臂11向助手推拉臂11的方向移动的指令。这样，在本实施方式中，通过关节组13的制动的解除和第一机械手10的模仿动作控制，控制部100允许第二操作部62对第一机械手的操作(允许步骤)。
本实施方式的控制部100也可以根据需要对第一手术器具19的刺入点(远程中心RC，参照图2)进行约束，也可以对连接臂11的链路组12的关节组13中的一部分的关节进行约束，也可以使所有的关节能够自如移动。
另外，如图15所示，在控制部100上设置有对针对扭矩传感器14的无输入时间进行计数的计时器110。在从没有针对扭矩传感器14的输入经过一定时间之后，控制部100判定为助手使第一机械手10移动的操作结束。即，由扭矩传感器14和计时器110构成对第二操作部62的操作的结束进行检测的结束检测部111。
在结束检测部111检测到第二操作部62的操作的结束之后，控制部100结束第三模式而恢复到第一模式或第二模式(恢复步骤)。
按照图16所示的流程图对本实施方式的医疗用机械手系统4的动作进行详细说明。
在本实施方式中，在医疗用机械手系统4开始后，首先转移到第一模式使控制部100在第一模式下进行动作(步骤S21，参照图16)。接着，冗余控制运用判定部102进行第一机械手10与第二机械手20发生干涉的预测(步骤S22)。在步骤S22中，在预测为不发生干涉的情况下，继续第一模式(步骤S23)，对手术是否完成进行判定(步骤S24)。在步骤S24中，如果在手术过程中，则返回到步骤S21进而继续第一模式，如果手术完成，则结束一系列的步骤。
在上述的步骤S22中，在预测为可能发生的情况下，从第一模式转移到第二模式(步骤S25)。在通过步骤S25而转移到第二模式之后，第一机械手10被控制部100控制为避免与第二机械手20的干涉。
在步骤S25之后，进行第一机械手10是否与障碍物接触的检测(步骤S26)。在步骤S26中，在未检测到第一机械手10与障碍物接触的情况下，前进到步骤S27而继续第二模式，对是否避免了与第二机械手20的干涉并且第一机械手10到达了到达目标位置而完成干涉避免进行判定(步骤S28)。在步骤S28中，如果未完成干涉避免，则返回到步骤S26，在步骤S28中，如果完成了干涉避免，则返回到步骤S21。
在上述的步骤S26中，在检测到第一机械手10与障碍物接触的情况下，前进到步骤S29，从第二模式转移到第三模式。本实施方式中的第三模式是如下模式：在助手使第一机械手10的臂11直接移动而通过手动操作使其远离障碍物这一点上与使用操作部60相比能够直接地使臂10移动。
在步骤S29中，在助手进行臂11的手动操作的期间，结束检测部111持续判定手动操作是否结束(步骤S30)。在本实施方式中，若针对臂11的移动操作未进行一定时间以上，则结束检测部111判定为手动操作完成。若结束检测部111判定为手动操作完成，则返回到步骤S21在第一模式下开始动作。
根据本实施方式的医疗用机械手系统4，由于即使在用于消除障碍物与第一机械手10的接触的臂11的移动较为复杂而无法自动地消除的情况下，也能够通过助手的酌情处理使臂11移动，因此容易消除障碍物与第一机械手10的接触。
(变形例1)
对上述第四实施方式的变形例1进行说明。图17是示出本变形例中的第一机械手的示意图。
在本变形例中，如图17所示，第一机械手10具有示出了各关节被如何进行控制的指示器120。
例如，第一机械手10在关节组13的各关节上具有灯121～126作为指示器，其中，该灯121～126分别以不同的颜色表示“被约束(不移动)”、“按照第一操作部的操作进行动作”、“为了避免与其他机械手的干涉而进行自动控制”这三种状态。
配置在关节组13的各关节上的灯121～126使助手能够根据灯121～126的颜色而容易地把握关节的当前状态。由此，在本变形例中，助手能够事先把握哪个关节现在能够动作，从而助手能够容易地退避，以使得臂11与助手不接触。
另外，指示器120也可以设置在其他机械手20、30、40(参照图1)上。
(变形例2)
对上述第四实施方式的变形例2进行说明。
在本变形例中，如图17所示，第一机械手10具有表示在第三模式下助手使臂11向哪个方向移动为好的导航器130。另外，在本变形例中，控制部(未图示)根据第一机械手10、第二机械手、障碍物的位置关系而控制导航器130。
在本变形例中，控制部根据障碍物的位置和第二机械手的位置而以使第一机械手10移动到障碍物与第二机械手的大致中间处的方式将表示第一机械手10的移动推荐方向的信号输出给导航器130。
导航器130例如具有箭头形状的灯和液晶监视器等，例如用箭头来显示第一机械手10的移动推荐方向。
在本变形例中，由于导航器130辅助使第一机械手10移动到障碍物与第二机械手之间最远离障碍物和第二机械手的位置，因此助手只要按照导航器130所显示的那样使第一机械手10移动即可，从而能够使操作变得简单。
以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但具体的结构并不限于该实施方式，也包含不脱离本发明的主旨的范围的设计变更等。
另外，在上述的各实施方式和各变形例中示出的构成要素能够适当组合来构成。
工业上的可利用性
本发明能够用于机械手系统。
标号说明
1、2、3、4：医疗用机械手系统；10：第一机械手(从动机械手)；
11：臂；12：链路组；13：关节组；13A：常用关节；13B：冗余关节；14：扭矩传感器(接触检测部)；15：致动器；16：编码器；17：接触传感器(接触检测部)；18：适配器；19：手术器具(第一手术器具)；19a：前端执行器；20：第二机械手(从动机械手)；21：臂；28：适配器；29：手术器具(第二手术器具)；30：第三机械手(从动机械手)；31：臂；38：适配器；39：手术器具；40：第四机械手(从动机械手)；41：臂；48：适配器；49：手术器具；50：手术台；60：操作部；61：主臂；62：第二操作部；70：输入处理电路；80：图像处理电路；90：显示部；100：控制部；101：位置识别部；102：冗余控制运用判定部；103：干涉预测部；104：干涉避免动作设定部；105：恢复动作判定部；106：恢复动作设定部；107：模式选择部；108：驱动信号生成部；109：存储部；110：计时器；111：结束检测部；112：直接驱动运用判定部；120：指示器；121～126：灯；130：导航器。

Claims (5)

1.一种医疗用机械手系统，其特征在于，该医疗用机械手系统具有：
第一机械手，其具有关节组；
第一操作部，其发出用于操作所述第一机械手的指令；
控制部，其接受所述指令，根据多个动作模式中的一个动作模式而对所述第一机械手进行控制；
接触检测部，其对所述第一机械手与障碍物接触的情况进行检测；以及
第二机械手，其能够与所述第一机械手独立地或协作地进行动作，
所述关节组具有属于第一组的一个以上的关节和属于第二组的一个以上的关节，
所述多个动作模式包含：
第一模式，仅使用属于所述第一组的关节对所述第一机械手进行控制，以使所述第一机械手沿着供所述第一机械手进行动作的第一移动路径移动；
第二模式，使用属于所述第一组的关节和属于所述第二组的关节对所述第一机械手进行控制，以使所述第一机械手沿着供所述第一机械手移动的第二移动路径移动；以及
第三模式，在所述接触检测部检测到所述第一机械手与所述障碍物接触时，使所述第一机械手进行动作以消除所述第一机械手与所述障碍物的接触，
所述控制部具有：
位置识别部，其对所述第一机械手和所述第二机械手的位置进行识别；
干涉预测部，其对在所述第一机械手沿着所述第一移动路径移动的情况下是否与所述第二机械手发生干涉进行预测；以及
模式选择部，其按照如下的方式从所述多个动作模式中选择一个模式：在所述干涉预测部预测为所述第一机械手与所述第二机械手不发生干涉的情况下选择所述第一模式，在所述干涉预测部预测为所述第一机械手与所述第二机械手发生干涉的情况下选择所述第二模式，当在所述控制部以所述第一模式或所述第二模式进行动作的期间所述接触检测部检测到所述第一机械手与所述障碍物接触的情况下，从所述第一模式或所述第二模式转移到所述第三模式，
在所述第二模式下，所述控制部将绕过所述第二机械手的位置的路径设定为所述第二移动路径；
其中，所述控制部将所述障碍物的位置作为禁止进入位置，以绕过所述禁止进入位置的方式确定所述第一移动路径，并以绕过所述禁止进入位置和所述第二机械手的位置确定所述第二移动路径。
2.根据权利要求1所述的医疗用机械手系统，其中，
属于所述第二组的关节包含与属于所述第一组的关节成为冗余关系的冗余关节。
3.根据权利要求1所述的医疗用机械手系统，其特征在于，
作为所述第三模式下的所述第一机械手的控制过程，包含如下步骤：
指令停止步骤，停止基于所述指令的所述第一机械手的控制；
移动量计算步骤，计算用于消除所述第一机械手与所述障碍物的接触的所述第一机械手的移动量；
移动步骤，使所述第一机械手移动在所述移动量计算步骤中计算出的移动量；以及
恢复步骤，恢复到所述第一模式和所述第二模式中的被转移到所述第三模式之前的模式，
所述控制部按照所述第三模式下的所述第一机械手的控制过程对所述第一机械手进行控制。
4.根据权利要求1所述的医疗用机械手系统，其特征在于，
所述第一机械手还具有与所述第一操作部不同的第二操作部，该第二操作部能够操作所述第一机械手，
作为所述第三模式下的所述第一机械手的控制过程，包含如下步骤：
指令停止步骤，停止基于所述指令的所述第一机械手的控制；以及
允许步骤，允许所述第二操作部对所述第一机械手的操作，
所述控制部按照所述第三模式下的所述第一机械手的控制过程对所述第一机械手进行控制。
5.根据权利要求4所述的医疗用机械手系统，其特征在于，
所述第二操作部具有对所述第二操作部的操作的结束进行检测的结束检测部，
作为所述第三模式下的所述第一机械手的控制过程，还具有在所述结束检测部检测到所述第二操作部的操作结束的情况下恢复成被转移到所述第三模式之前的模式的恢复步骤，所述控制部按照所述第三模式下的所述第一机械手的控制过程对所述第一机械手进行控制。
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