CN107427329A - 柔性机械手控制装置和医疗用机械手系统 - Google Patents

柔性机械手控制装置和医疗用机械手系统 Download PDF

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Abstract

以低成本且高精度地对柔性机械手的弯曲状态进行推断并对柔性机械手进行精确地控制为目的，柔性机械手控制装置(2)按照控制参数对柔性机械手(4)的驱动构件(8)进行控制，所述柔性机械手(4)在插入到体内的柔性的插入部的前端具有可动部(7)，在基端具有对该可动部(7)进行驱动的驱动构件(8)，其中，该柔性机械手控制装置(2)具有：身体信息存储部(12)，其对供插入部插入的患者的身体信息进行存储；位置信息输入部(14)，其对插入到患者中的状态的可动部(7)的位置信息进行输入；以及参数调节部(16)，其根据存储在身体信息存储部(12)中的身体信息和位置信息输入部(14)所输入的位置信息对控制参数进行调节。

Description

柔性机械手控制装置和医疗用机械手系统
技术领域
本发明涉及柔性机械手控制装置和医疗用机械手系统。
背景技术
在柔性内窥镜中，公知有根据插入部的弯曲状态对处置器具的控制参数进行变更的技术(例如，参照专利文献1)。在该专利文献1中，通过检测对插入部的前端的弯曲部进行弯曲驱动的线的张力来检测插入部的弯曲状态。
另外，还公知有为了检测插入部的弯曲状态而使用UPD装置的技术(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4580973号公报
专利文献2：日本特开2009-131406号公报
发明内容
发明要解决的课题
在如专利文献1那样根据线的张力对插入部的弯曲状态进行检测的方法中，在线随着使用而产生了拉伸或松弛的情况下，很难对弯曲状态进行精确地检测。另外，根据UPD装置，检测精度的劣化较少，但装置会变得大型化且成本增加。
本发明是鉴于上述的情况而完成的，其目的在于，提供能够低成本且高精度地对柔性机械手的弯曲状态进行推断，并且能够对柔性机械手进行精确地控制的柔性机械手控制装置和医疗用机械手系统。
用于解决课题的手段
本发明的一个方式是柔性机械手控制装置，该柔性机械手控制装置按照控制参数对柔性机械手的驱动构件进行控制，所述柔性机械手在插入到体内的柔性的插入部的前端具有可动部，在基端具有对该可动部进行驱动的所述驱动构件，其中，该柔性机械手控制装置具有：身体信息存储部，其对供所述插入部插入的患者的身体信息进行存储；位置信息输入部，其对插入到患者中的状态的所述可动部的位置信息进行输入；以及参数调节部，其根据存储在所述身体信息存储部中的身体信息和所述位置信息输入部所输入的位置信息对所述控制参数进行调节。
根据本方式，根据存储在身体信息存储部中的患者的身体信息和位置信息输入部所输入的可动部的位置信息，对用于控制驱动构件的控制参数进行调节，其中，该驱动构件配置在柔性机械手的基端，以使得对位于柔性机械手的前端的可动部进行驱动。由于身体信息表示供插入部插入的体内的插入路径的形状，可动部的位置信息表示距离插入口的插入长度，因此只要根据这两个信息便能够对插入部的弯曲的程度进行推断。其结果是，能够通过配置在插入部的基端的驱动构件对配置在弯曲的插入部的前端的可动部进行精确地控制。
在上述方式中，也可以将多位患者的身体信息与各患者的识别信息相对应地存储在所述身体信息存储部中，该柔性机械手控制装置具有：识别信息输入部，其对患者的识别信息进行输入；以及身体信息选择部，其根据该识别信息输入部所输入的患者的识别信息，对存储在所述身体信息存储部中的对应的患者的身体信息进行选择，所述参数调节部根据所述身体信息选择部所选择出的身体信息和所述位置信息输入部所输入的位置信息对所述控制参数进行调节。
由此，对患者的识别信息进行输入而从存储在身体信息存储部中的多个身体信息中选择出与要进行手术的患者相适的身体信息，因此能够调节为适当的控制参数而对柔性机械手进行精确地控制。
另外，在上述方式中，所述身体信息也可以是与所述插入部向所述体内插入的插入路径的形状相关的信息。
由此，通过基于与插入部向体内插入的插入路径的形状相关的信息和所插入的可动部的位置信息，能够对插入部的弯曲状态进行更准确地推断，能够对可动部进行精确地控制。
另外，在上述方式中，所述可动部的位置信息也可以是所述插入部向所述体内插入的插入量。
由此，能够根据插入量和身体信息对插入部的弯曲状态进行更准确地推断，能够对可动部进行精确地控制。
另外，在上述方式中，所述位置信息输入部也可以具有对所述插入部的插入量进行检测的传感器。
由此，通过传感器对插入部的插入量进行检测，输入所检测到的插入量，因此不用进行手动输入便能够简便且精确地对插入部的弯曲状态进行推断。
另外，在上述方式中，该柔性机械手控制装置也可以具有能够择一地进行选择的多个控制单元，该多个控制单元设定有用于控制所述驱动构件的不同的控制参数，所述参数调节部根据所述身体信息和所述位置信息对所述控制单元进行切换。
由此，能够根据患者的身体信息和位置信息对设定有最佳的控制参数的控制单元进行选择，对可动部进行简便且精确地控制。
另外，在上述方式中，所述参数调节部也可以根据所述位置信息输入部所输入的位置信息对所述插入部的形状进行推断，根据所推断出的插入部的形状对所述控制参数进行调节。
由此，根据患者的身体信息和位置信息对插入部的形状进行推断，因此能够更详细地把握插入部的弯曲状态，能够对可动部进行更精确地控制。
另外，本发明的其他方式是医疗用机械手系统，该医疗用机械手系统具有：所述柔性机械手；以及上述柔性机械手控制装置，其根据从操作者所操作的操作部输入的操作量对所述驱动构件进行控制。
根据本方式，当操作者对操作部进行操作时，根据操作部所输入的操作量从柔性机械手控制装置向柔性机械手的驱动构件输出驱动指令信号。柔性机械手控制装置根据插入部的弯曲状态对控制参数进行调节，从而能够根据来自操作部的操作量将适当的驱动指令信号输出给驱动构件，能够对可动部进行精确地控制。
发明效果
根据本发明，起到了如下的效果：能够低成本且高精度地对柔性机械手的弯曲状态进行推断，能够对柔性机械手进行精确地控制。
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本发明的一个实施方式的柔性机械手控制装置的框图。
图3是示出插入到大肠时的柔性机械手的形状的一例的图。
图4是示出利用直线和圆弧将图3的柔性机械手的形状模型化并对包含弯曲部分在内的多个区段进行了设定的状态的图。
图5是示出图2的医疗用机械手控制装置的变形例的图。
图6是示出图2的医疗用机械手控制装置的其他变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式的医疗用机械手系统1和柔性机械手控制装置2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：由操作者A进行操作的主装置(操作部)3；插入到患者O的体腔内的柔性机械手4；根据针对主装置3的操作输入而对柔性机械手4进行控制的柔性机械手控制装置2；以及监视器5。
柔性机械手4具有：插入部6，其经由插入到患者O的体腔内的柔性内窥镜的钳子通道或外套管40(参照图3)等插入到患者O的体腔内；把持部(可动部)7，其配置在该插入部6的前端；驱动部(驱动构件)8，其配置在插入部6的基端；以及线20，其将驱动部8和把持部7连结，通过张力使把持部7进行动作。
把持部7例如是把持钳子，其通过线20的张力进行开闭动作。
驱动部8具有电动机9以及滑轮那样的转换机构10，该转换机构10将电动机9的驱动力转换为线20的张力。
线20沿着形成在插入部6内的路径将把持部7和驱动部8连结。
本实施方式的柔性机械手控制装置2具有：识别信息输入部11，其对患者O的识别信息进行输入；存储部(身体信息存储部)12，其将患者O的识别信息与身体信息相对应地进行存储；选择部(身体信息选择部)13，其对与识别信息输入部11所输入的识别信息关联的患者O的身体信息进行选择；位置信息输入部14，其对插入到患者O的体腔内的状态的把持部7的位置信息进行输入；驱动控制部15，其根据针对主装置3的操作输入对驱动部8进行控制；以及参数调节部16，其根据选择部13所选择出的身体信息和位置信息输入部14所输入的位置信息，对驱动控制部15的控制参数进行调节。
作为患者O的身体信息，可以举出表示患者O的脏器形状的信息，特别是表示具有作为供插入部6插入的插入路径的体腔的脏器的形状的信息。例如可以举出患者O的BMI、身高、体重、国籍、性别、年龄、体型、手术史等。这些身体信息间接地表示作为供插入部6插入的插入路径的体腔的状态(例如体腔的口径、长度、曲率等)。
位置信息输入部14是操作者A对插入部6向体腔内的插入量进行输入的输入装置。通过预先在供插入部6插入的内窥镜的插入部或外套管40的外表面上设置刻度M，能够容易地在患者O的体外对插入部6向体腔内的插入量进行确认。在将柔性机械手4直接插入到体腔内的情况下，也可以如图2所示的那样预先在柔性机械手4的插入部6上设置刻度M，根据刻度M对插入量进行确认。
驱动控制部15在初始状态下对如下的控制参数进行保持：在插入部6笔直地伸长的状态下，根据针对主装置3的操作输入而使驱动部8的电动机9产生用于使把持部7开闭所需的充足的驱动力。
参数调节部16按照以下的过程对驱动控制部15的控制参数进行调节。
即，根据身体信息选择部13所选择出的患者O的身体信息，对具有作为供插入部6插入的插入路径的体腔的脏器的形状进行确定，并且通过对插入量进行输入，能够推断出插入部6的前端的把持部7到达脏器的哪个位置。
将如图3所示那样插入到脏器内的插入部6的实际的形状假设为如图4所示那样利用直线和一定的曲率的圆弧的组合来表现的形状。在图3所示的例子中，示出了大肠来作为供柔性机械手4插入的脏器。配置在插入部6的前端的把持部7的位置根据插入部6的插入量P来设定。
并且，如图3所示，在所设定的插入部6的形状中，按照能够以单一的圆弧近似的弯曲部分来设定区段S1至S4。然后，对各区段S1至S4所包含的插入部6的弯曲部分的弯曲角度θ1至θ4进行计算。在该例子中，由于配置在插入部6的前端的把持部7按照插入量P而到达区段S4，因此根据插入量P计算出区段S1至S3中的弯曲角度θ1至θ3为90°，区段S4中的弯曲角度θ4为小于90°的角度。并且，计算出插入部6的整个长度上的总弯曲角度θ(＝θ1+θ2+θ3+θ4)。
当以这种方式计算出总弯曲角度θ时，参数调节部16使用所计算出的总弯曲角度θ对控制参数进行计算。
作为控制参数，可以举出线20的表观刚性kd。
线20的表观刚性kd是利用总弯曲角度θ通过下式(1)表示的。
kd＝EAμθ/(L(eμθ－1))(1)
这里，
E是线20的杨氏模量，
A是线20的横截面积，
μ是线20与周围的摩擦系数，
L是线20的长度。
并且，参数调节部16将存储在驱动控制部15中的作为控制参数的线20的刚性改写为由式(1)计算出的表观刚性kd，以便输出用于使用具有表观刚性kd的线20对把持部7进行驱动的指令信号。
以下对这样构成的本实施方式的柔性机械手控制装置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对位于患者O的体腔内的患部进行处置，操作者A首先从识别信息输入部11输入患者O的识别信息。
当输入患者O的识别信息时，由选择部13根据识别信息对存储在存储部12中的患者O的身体信息进行检索，选择出与该识别信息相对应的身体信息。所选择出的身体信息被发送给参数调节部16。
接着，操作者A将内窥镜或外套管40插入到患者O的体腔内，使内窥镜或外套管40的前端行进到与患部对置的位置。
由于内窥镜或外套管40具有比较大的刚性，因此一边模仿脏器的形状一边进行弯曲，另一方面，对于脏器的刚性较弱的部分也一边使脏器变形一边进行插入。
并且，操作者A根据设置在内窥镜或外套管40的外表面上的刻度M，对内窥镜的插入部或外套管40的插入量进行确认，从位置信息输入部14进行输入。从位置信息输入部14输入的插入量也被发送给参数调节部16。
在参数调节部16中，根据选择部13所选择出的身体信息，对具有作为供插入部6插入的插入路径的体腔的脏器的形状进行确定。并且，根据从位置信息输入部14输入的插入量，能够确定插入部6插入到脏器的形状的哪个位置。
由此，在参数调节部16中，对插入到体腔内的状态的插入部6的形状进行推断。
并且，在参数调节部16中，将所推断出的插入部6的形状按照能够以单一的圆弧近似的弯曲部分划分成多个区段S1至S4，对各区段S1至S4所包含的弯曲部分的弯曲角度进行合计而计算出插入部6的整个长度上的总弯曲角度θ。
然后，在参数调节部16中，使用总弯曲角度θ并通过式(1)计算出线20的表观刚性kd，所计算出的刚性kd被发送给驱动控制部15而与所存储的刚性进行置换。由此，用于经由线20对把持部7进行驱动的驱动部8的控制参数被置换成依照实体的值。
即，通过将插入部6插入到体腔内而导致的插入部6的弯曲部分越长，线20越会受到摩擦的影响而不容易对驱动部8所施加的张力进行传递，但根据本实施方式的柔性机械手控制装置2和医疗用机械手系统1，通过对弯曲部分的长度进行推断而改写控制参数，从而能够产生更大的驱动力，产生使把持部7开闭所需的充足的张力。由此，具有能够精确地进行驱动部8对把持部7的驱动控制的优点。
另外，根据本实施方式的柔性机械手控制装置2和医疗用机械手系统1，由于根据患者O的身体信息和体腔内的把持部7的位置信息来计算插入部6的总弯曲角度，因此能够简便地提高把持部7的控制精度。
特别是作为把持部7的位置信息，仅通过手动输入插入部6的插入量即可，因此具有能够低成本地提高控制精度而不使用UPD装置那样的大型的装置的优点。
另外，在本实施方式中，由于输入患者O的识别信息来读出患者O的身体信息，因此能够按照每个患者O来进行最佳的驱动控制。
另外，在本实施方式中，为了对柔性机械手4的插入部6的弯曲状态进行推断，划分成多个区段S1至S4并对按照各区段S1至S4计算出的弯曲角度θ1至θ4进行合计而计算出总弯曲角度θ，但也可以取而代之，采用以下的其他方法。
第一，也可以预先存储使身体信息和插入量的组合与控制参数预先对应而成的查找表，根据所输入的身体信息和插入量P从查找表中读出控制参数。
由此，具有能够迅速地对控制参数进行调节的优点。
第二，也可以预先以将身体信息和插入量P作为自变量的函数的形式准备控制参数，将所输入的身体信息和插入量P代入函数中而对控制参数进行运算。
由此，也具有能够迅速地对控制参数进行调节的优点。
作为函数，可以采用如下的函数：将脏器形状假设为半径根据患者O而不同的“圆弧”来作为身体信息，将插入量作为圆弧的长度而输出弯曲角度。由此，能够通过简单的函数迅速地计算出控制参数。
另外，作为函数，也可以采用自由函数，该自由函数表示更接近现实的脏器形状的形式的线段。由此，能够精确地表现插入部6的弯曲状态。
另外，将所有的弯曲部分的曲率设为恒定而计算出总弯曲角度θ，但也可以取而代之，以更忠实地表示脏器的形状的方式在各弯曲部分中设定不同的曲率，根据曲率和弯曲角度来计算出各弯曲部分的圆弧长度。
另外，将插入量作为位置信息而输入，但例如在能够通过内窥镜对把持部7的位置进行确认的情况下也可以直接确定其位置。
另外，通过刻度M读取插入量，但也可以取而代之，配置对插入部6的长度方向的移动进行检测的传感器，通过传感器对插入部6从插入开始时向体腔内的移动量进行检测。
作为传感器，可以采用对在插入部6的外表面上转动的辊的旋转角度进行检测的旋转传感器、对在插入部6上沿长度方向隔开间隔而固定的磁铁的磁力进行检测的霍尔元件、或静电电容传感器等。
另外，在参数调节部16中根据身体信息和插入量P求出控制参数，但除此之外，也可以如图5所示的那样通过弯曲刚性输入部17输出插入部6的弯曲刚性，在控制参数的计算中进行使用。由于柔性机械手4在进行弯曲时受到弯曲刚性的影响，因此能够更精确地对柔性机械手4的状态进行推断。
另外，也可以代替对控制参数进行替换，而如图6所示的那样预先将保持有不同的控制参数的多个驱动控制部(驱动控制部A、B、C、控制单元)18设置为能够进行更换，根据身体信息和插入量的组合来选择性地与任意的驱动控制部A、B、C连接。除了利用相同的控制模型对控制参数进行切换的情况之外，还可以采用不同的控制模型，能够更精确地对把持部7进行控制。
另外，控制参数的调节可以在操作者A每次发出校准指令时进行，也可以根据插入部6的插入量逐次实施。通过在短的周期内进行调节，能够更高精度地进行控制。
标号说明
1：医疗用机械手系统；2：柔性机械手控制装置；3：主装置(操作部)；4：柔性机械手；6：插入部；7：把持部(可动部)；8：驱动部(驱动构件)；11：识别信息输入部；12：存储部(身体信息存储部)；13：选择部(身体信息选择部)；14：位置信息输入部；15、18：驱动控制部(驱动控制部A、B、C、控制单元)；16：参数调节部；A：操作者；O：患者。

Claims (8)

1.一种柔性机械手控制装置，其按照控制参数对柔性机械手的驱动构件进行控制，所述柔性机械手在插入到体内的柔性的插入部的前端具有可动部，在基端具有对该可动部进行驱动的所述驱动构件，其中，该柔性机械手控制装置具有：
身体信息存储部，其对供所述插入部插入的患者的身体信息进行存储；
位置信息输入部，其对插入到患者中的状态的所述可动部的位置信息进行输入；以及
参数调节部，其根据存储在所述身体信息存储部中的身体信息和所述位置信息输入部所输入的位置信息对所述控制参数进行调节。
2.根据权利要求1所述的柔性机械手控制装置，其中，
将多位患者的身体信息与各患者的识别信息相对应地存储在所述身体信息存储部中，
该柔性机械手控制装置具有：
识别信息输入部，其对患者的识别信息进行输入；以及
身体信息选择部，其根据该识别信息输入部所输入的患者的识别信息，对存储在所述身体信息存储部中的对应的患者的身体信息进行选择，
所述参数调节部根据所述身体信息选择部所选择出的身体信息和所述位置信息输入部所输入的位置信息对所述控制参数进行调节。
3.根据权利要求1或2所述的柔性机械手控制装置，其中，
所述身体信息是与所述插入部向所述体内插入的插入路径的形状相关的信息。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的柔性机械手控制装置，其中，
所述可动部的位置信息是所述插入部向所述体内插入的插入量。
5.根据权利要求4所述的柔性机械手控制装置，其中，
所述位置信息输入部具有对所述插入部的插入量进行检测的传感器。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的柔性机械手控制装置，其中，
该柔性机械手控制装置具有能够择一地进行选择的多个控制单元，该多个控制单元设定有用于控制所述驱动构件的不同的控制参数，
所述参数调节部根据所述身体信息和所述位置信息对所述控制单元进行切换。
7.根据权利要求1至5中的任意一项所述的柔性机械手控制装置，其中，
所述参数调节部根据所述位置信息输入部所输入的位置信息对所述插入部的形状进行推断，根据所推断出的插入部的形状对所述控制参数进行调节。
8.一种医疗用机械手系统，其具有：
所述柔性机械手；以及
权利要求1至7中的任意一项所述的柔性机械手控制装置，其根据从操作者所操作的操作部输入的操作量对所述驱动构件进行控制。
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