CN110035707B

CN110035707B - 医疗系统及其控制方法

Info

Publication number: CN110035707B
Application number: CN201680091217.5A
Authority: CN
Inventors: 长谷川满彰
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: JP6739544B2; US20190060009A1; US10492874B2; WO2018105045A1; CN110035707A; JPWO2018105045A1

Abstract

出于减轻运算负载并且更可靠地避免臂的干涉的目的，本发明的医疗系统(1)具有：多个臂(6a、6b、6c、6d)，它们具有关节组(8a、8b、8c、8d)，该关节组具有冗余的自由度，该多个臂使安装于其前端的医疗设备(9、10)移动；操作部(4)，其输入用于操作臂的操作指令；以及控制部(5)，其根据输入到操作部的所述操作指令对臂进行控制，控制部具有：干涉预测部，其预测臂的干涉；以及优先级计算部，其在由干涉预测部预测到会发生干涉的情况下，根据臂对患者的影响的大小来计算臂的优先级，使由优先级计算部计算出的优先级最高的臂向远离其他的臂的方向进行动作。

Description

医疗系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗系统及其控制方法。

背景技术

公知有一种具有多个臂的医疗系统，该多个臂具有冗余的自由度的关节(例如，参照专利文献1)。

在该医疗系统中，利用构成各臂的关节的冗余性，不变更处置器具的姿势地使臂的各关节移动，以避免臂彼此的干涉和臂与障碍物的干涉。

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

然而，在专利文献1的医疗系统中，为了使臂自动地进行干涉避免动作，需要高速地进行庞大的计算，需要使用高性能计算机。尤其是，要想使臂的前端的处置器具实时地根据主臂的操作而移动并且避免干涉，需要实时进行更多的计算，存在成本高并且动作不稳定这样的缺点。

本发明是鉴于上述的情况而完成的，其目的在于，提供能够减轻运算负载并且更可靠地避免臂的干涉的医疗系统及其控制方法。

用于解决课题的手段

本发明的一个方式是一种医疗系统，其具有：多个臂，它们具有关节组，该关节组具有冗余的自由度，该多个臂使安装于其前端的医疗设备移动；操作部，其输入用于操作该臂的操作指令；以及控制部，其根据输入到该操作部的所述操作指令对所述臂进行控制，该控制部具有：干涉预测部，其预测所述臂的干涉；以及优先级计算部，其在由该干涉预测部预测到会发生干涉的情况下，根据所述臂对患者的影响的大小来计算所述臂的优先级，使由该优先级计算部计算出的所述优先级最高的所述臂向远离其他的所述臂的方向进行动作。

根据本方式，在操作者对操作部进行操作而输入操作指令时，控制部能够根据所输入的操作指令对臂进行控制，通过在臂的前端安装的医疗设备对处置对象进行处置。在该情况下，控制部先使冗余的自由度的关节停止，由此能够无需进行庞大的运算地求取各关节的动作角度，将前端执行器配置于适当的位置并配置成适当的姿势。

在对操作部进行操作而使任意的臂进行动作的期间，由设置于控制部的干涉预测部来预测多个臂的干涉。在干涉预测部预测到会发生干涉的情况下，由优先级计算部来计算优先级，使优先级最高的臂向远离其他的臂的方向进行动作。

在该情况下，优先级是根据对患者的影响的大小而计算的，因此对患者的影响越小，优先级被设定得越高。由此，通过使优先级最高的臂向远离其他的臂的方向进行动作，对于对患者的影响大的臂，无需除了用于进行基于来自操作部的操作指令的动作的计算之外还执行用于进行干涉避免动作的实时的计算。因此，即使由于庞大的计算而导致动作不稳定，也能够将对患者的影响抑制得很低，能够更可靠地避免臂的干涉。

在上述方式中，也可以是，所述优先级计算部根据安装于所述臂的所述医疗设备的种类来计算所述优先级。

由此，对于安装有对患者的影响大的种类的医疗设备的臂，能够将优先级设定得较低，对于安装有对患者的影响小的种类的医疗设备的臂，能够将优先级设定得较高。

此外，在上述方式中，也可以是，所述优先级计算部根据安装于所述臂的所述医疗设备的动作状态来计算所述优先级。

由此，即使是相同的医疗设备，也能够根据动作状态，在对患者的影响大的情况下，降低优先级，使其他的安装有对患者的影响小的医疗设备的臂进行动作。

此外，在上述方式中，也可以是，所述医疗系统具有外力检测单元，该外力检测单元检测施加于所述医疗设备的外力，所述优先级计算部计算与由所述外力检测单元检测到的所述外力的大小成比例的所述优先级。

由此，在由外力检测单元检测到的外力大的情况下，医疗设备正在以较大的力与患者接触的可能性高，在使其进行动作的情况下对患者的影响大，因此能够将优先级设定得较低，使其他的安装有对患者的影响小的医疗设备的臂进行动作。

此外，在上述方式中，也可以是，所述控制部使由所述优先级计算部计算出的所述优先级最高的所述臂的关节进行动作，从而使所述优先级最高的所述臂向远离其他的所述臂的方向进行动作。

由此，能够不改变安装于臂的前端的医疗设备的姿势和位置地使臂进行动作。由此，能够不改变医疗设备相对于处置对象的状态地避免臂彼此的干涉。

此外，本发明的另一个方式是一种医疗系统的控制方法，其包含以下的步骤：预测步骤，预测多个臂的干涉，该多个臂具有关节组，该关节组具有冗余的自由度，并且该多个臂使安装于其前端的医疗设备移动；优先级计算步骤，当在该预测步骤中预测到会发生干涉的情况下，根据对患者的影响的大小来计算所述臂的优先级；以及干涉避免动作步骤，使在该优先级计算步骤中计算出最高优先级的所述臂向远离其他的所述臂的方向进行动作。

发明内容

根据本发明，能够实现减轻运算负载并且更可靠避免臂的干涉这样的效果。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的医疗系统的整体结构图。

图2是示出图1的医疗系统的框图。

图3是对图1的医疗系统的控制方法进行说明的流程图。

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系统1及其控制方法进行说明。

如图1所示，本实施方式的医疗系统1具有供患者O躺下的床2、配置于该床2的旁边的手术用机器人3、由操作者操作的操作部4、以及控制部5。

手术用机器人3具有多个、例如四个臂(第一臂至第四臂)6a、6b、6c、6d以及支承各臂6a、6b、6c、6d的基座7(在图1中，臂6a显示于近前侧，臂6d显示于里侧)。在图1所示的例中，基座7具有在床2的侧方从地面立起的构造，但不限于此，也可以是固定于天花板的构造。

各臂6a、6b、6c、6d分别具有关节组8a、8b、8c、8d，该关节组8a、8b、8c、8d具有七轴以上的冗余的自由度。

在第一臂6a的前端安装有内窥镜(以下，也称作医疗设备)9，在其他三个臂(第二臂至第四臂)6b、6c、6d的前端分别安装有处置器具(以下，也称作医疗设备)10。

如图2所示，各臂6a、6b、6c、6d配置有：马达等驱动部11，其使构成该臂6a、6b、6c、6d的各关节进行动作；位置和姿势传感器12，其检测借助该驱动部11而进行动作的各关节的角度；以及状态传感器(外力检测单元)21，其检测安装于各臂6a、6b、6c、6d的医疗设备9、10的状态。

位置和姿势传感器12检测构成各臂6a、6b、6c、6d的各关节的角度，并反馈给位置和姿势运算部18。

状态传感器21例如是在医疗设备9、10的前端部安装的应变仪等检测作用于医疗设备9、10的前端部的外力等的力传感器和/或检测医疗设备9、10是否在进行动作的传感器。此外，状态传感器21也可以输出医疗设备9、10的种类的信息。

如图1和图2所示，操作部4具有：操作输入部14，其由操作者进行操作；以及监视器13，其对安装于臂6a的内窥镜9所拍摄的患者O的体内的图像进行显示。如图2所示，操作输入部14例如具有切换开关17和由操作者用双手分别把持的两个手柄(左手柄和右手柄)15、16，能够通过切换开关17而选择四个臂6a、6b、6c、6d中的任意一个或两个臂、例如第二臂6b和第三臂6c，并且通过两个手柄15、16的操作而使所选择的臂6b、6c进行动作。

由切换开关17选择出的臂6b、6c成为操作对象，未被选择的臂6a、6d成为非操作对象。

操作者能够一边在监视器13上显示的患者O的体内的图像中观察患部和安装于臂6b、6c的处置器具10的前端部，一边对操作输入部14进行操作而使臂6b、6c和处置器具10进行动作以对患部进行处置。

控制部5具有：位置和姿势运算部18，其根据通过操作输入部14的手柄操作而输入的操作指令，运算作为操作对象的臂6b、6c的各关节的目标角度(动作目标位置)；以及干涉预测部19，其根据由该位置和姿势运算部18运算出的各关节的目标角度而预测与不是操作对象的臂6a、6d的干涉。此外，控制部5具有：优先驱动设定部(优先级计算部)22，其根据由状态传感器21检测到的医疗设备9、10的状态以及干涉预测部19的预测结果而计算臂6a、6b、6c、6d的优先级，输出优先级最高的臂的信息；以及驱动指令生成部20，其根据从该优先驱动设定部22输出的信息而使任意的臂6a、6b、6c、6d进行动作。

位置和姿势运算部18运算如下情况下的各关节的目标角度：通过作为操作对象的臂6b、6c的构成冗余的自由度的关节之外的六轴的关节组8b、8c来达成依照由操作输入部14输入的操作指令的医疗设备9、10的位置和姿势。由此，与操作指令对应的臂6b、6c的各关节的角度被唯一地确定，因此能够以较少的运算量来运算目标角度。

此外，干涉预测部19根据由位置和姿势运算部18运算出的作为操作对象的臂6b、6c的各关节的目标角度以及不是操作对象的臂6a、6d的当前的各关节的角度，来预测臂6a、6b、6c、6d的机构部(省略图示)彼此有无干涉。由于机构部的尺寸等是预先确定的，因此能够通过确定各关节的角度而容易地预测臂6a、6b、6c、6d的机构部彼此有无干涉。

在由干涉预测部19预测到会发生干涉的情况下，根据从状态传感器21输出的医疗设备9、10的状态而在优先驱动设定部22中计算优先级，驱动指令生成部20以使具有最高优先级的安装有医疗设备9、10的臂6a、6b、6c、6d进行干涉避免动作的方式，生成驱动指令信号。

关于优先级，例如只要通过对按照医疗设备9、10的状态而设定的分数求和来计算即可。

驱动指令生成部20针对作为操作对象的臂6b、6c，根据在位置和姿势运算部18中运算出的各关节的目标角度而生成用于驱动各关节的驱动指令信号，并发送给驱动部11。此外，驱动指令生成部20针对由优先驱动设定部22设定为优先进行干涉避免动作的臂6a、6d，生成各关节的动作指令信号，使得通过使包含有构成冗余的自由度的关节在内的关节组8a、8d进行动作，从而在保持着所安装的处置器具10或内窥镜9的位置和姿势的状态下，向远离其他的臂6b、6c的方向移动。

即，驱动指令生成部20在预测到干涉且被设定为优先进行干涉避免动作的臂是未作为操作对象的臂6a、6d的情况下，生成使该臂6a、6d仅实施干涉避免动作的驱动指令信号。另一方面，驱动指令生成部20在被设定为优先进行干涉避免动作的臂是作为操作对象的臂6b、6c的情况下，针对该臂6b、6c，生成将根据针对各关节的目标角度而驱动关节的驱动指令信号与进行干涉避免动作的驱动指令信号合成而得到的驱动指令信号。

以下对这样构成的本实施方式的医疗系统1的控制方法进行说明。

在本实施方式的医疗系统1的控制方法中，如图3所示，通过操作输入部14的切换开关17而将任意一个或两个臂6b、6c设定为操作对象(步骤S1)，判定是否通过操作输入部14的左手柄15或右手柄16而输入了操作指令(步骤S2)。

在输入了操作指令的情况下，对应于进行了输入的手柄15、16而计算构成被设定为操作对象的臂6b、6c的各关节的目标角度(步骤S3)。在该情况下，计算在作为操作对象的臂6b、6c中能够达成与从手柄15、16输入的操作指令对应的医疗设备10的位置和姿势的最小限度数量的关节的目标角度。

当计算出作为操作对象的臂6b、6c的各关节的目标角度时，预测运算与不是操作对象的臂6a、6d之间有无干涉(预测步骤S4)。

判定预测步骤S4的预测的结果(步骤S5)，在预测为会发生干涉的情况下，计算臂6a、6b、6c、6d的优先级(优先级计算步骤S6)，优先级最高的臂6a、6b、6c、6d被设定为进行干涉避免动作的臂(优先级计算步骤S7)。

在优先级计算步骤S6中，根据由设置于臂6a、6b、6c、6d的前端的状态传感器21检测到的医疗设备9、10的状态来计算臂6a、6b、6c、6d的优先级。

在医疗设备9、10的状态是医疗设备9、10的种类的情况下，以如下的方式来计算：像内窥镜9那样仅观察患部的医疗设备的优先级高，像把持钳子(处置器具)10那样与组织接触而进行处置的医疗设备的优先级比内窥镜9的优先级低，高频设备(处置器具)10那样的能量设备的优先级最低。

此外，在医疗设备9、10的状态是动作状态的情况下，以如下的方式来计算：在把持钳子10处于把持中或高频设备10处于通电中那样处于动作中的状态的情况下，优先级变低。

而且，在医疗设备9、10的状态是外力的大小的情况下，以如下的方式来计算：施加于医疗设备9、10的前端的外力越小，优先级越高。

然后，在驱动指令生成部20中生成被设定为进行干涉避免动作的臂的臂6a、6b、6c、6d以及作为操作对象的臂6b、6c的各关节的驱动指令信号(步骤S8)。在未作为操作对象的臂6a、6d被设定为进行干涉避免动作的臂的情况下，驱动指令生成部20生成如下的驱动指令信号：以在维持着前端的医疗设备9、10的位置和姿势的状态下仅使基端侧的一个以上的关节的位置移动的方式，使具有重叠的自由度的关节组8a、8d进行动作。

另一方面，在作为操作对象的臂6b、6c被设定为进行干涉避免动作的臂的情况下，驱动指令生成部20生成将用于达成运算出的目标角度的驱动指令信号与以在维持着前端的医疗设备10的位置和姿势的状态下使基端侧的一个以上的关节移动的方式使具有重叠的自由度的关节组8b、8c进行动作的驱动指令信号合成而得到的驱动指令信号。然后，根据所生成的驱动指令信号而对驱动部11进行驱动(干涉避免动作步骤S9)。

此外，在预测步骤S4的预测的结果是预测为不会发生干涉的情况下，实施步骤S8及之后的处理，仅针对作为操作对象的臂6b、6c，由驱动指令生成部20生成用于达成运算出的目标角度的驱动指令信号，根据所生成的驱动指令信号而对驱动部11进行驱动(干涉避免动作步骤S9)。

这样，根据本实施方式的医疗系统1及其控制方法，在预测到会发生干涉的情况下，使优先级最高的臂、即配置有对患者O的影响最小的医疗设备9、10的臂6a、6b、6c、6d向远离其他的臂6a、6b、6c、6d的方向进行动作，由此避免干涉，因此具有不用使对患者O的影响大的臂6a、6b、6c、6d进行干涉避免动作这样的优点。

即，关于对患者O的影响大的臂6a、6b、6c、6d，当需要对应于由操作输入部14的左手柄15或右手柄16输入的操作指令而使其精度良好地进行动作时，如果叠加上干涉避免动作，则有可能导致计算量变得庞大，动作的精度降低。另一方面，关于对患者O的影响小的臂6a、6b、6c、6d，即使计算量变得庞大、动作的精度降低，患者O的负担也很小，不成问题。

因此，具有能够减轻运算负载、减小患者O的负担并且更可靠地避免臂6a、6b、6c、6d的干涉这样的优点。

另外，在本实施方式中，作为用于计算优先级的医疗设备9、10的状态，例示了医疗设备9、10的种类，医疗设备9、10的动作状态以及作用于医疗设备9、10的前端的负载的大小，可以将它们全部作为指标，也可以将任意一个或两个作为指标。

例如，也可以按照优先级从低到高的顺序，如通电中的高频设备10、前端负载大的医疗设备10、非通电中的高频设备10、前端负载小的内窥镜9这样预先设定优先级。

此外，在本实施方式中，例示了具有四个臂6a、6b、6c、6d的情况，但只要是两个以上的臂，则可以具有任意数量的臂。此外，各臂6a、6b、6c、6d的自由度也是，只要是七轴以上，则可以是任意的。

此外，在本实施方式中，仅由优先级最高的臂6a、6b、6c、6d进行干涉避免动作，但也可以从优先级高的臂依次由多个臂6a、6b、6c、6d进行干涉避免动作。此外，在仅由优先级最高的臂6a、6b、6c、6d进行的话无法避免干涉的情况下，也可以限制或停止作为操作对象的臂6b、6c的动作。

标号说明

1：医疗系统；4：操作部；5：控制部；6a：第一臂(臂)；6b：第二臂(臂)；6c：第三臂(臂)；6d：第四臂(臂)；8a、8b、8c、8d：关节组；9：内窥镜(医疗设备)；10：处置器具(医疗设备)；19：干涉预测部；21：状态传感器(外力检测单元)；22：优先驱动设定部(优先级计算部)；O：患者；S4：预测步骤；S6、S7：优先级计算步骤；S9：干涉避免动作步骤。

Claims

1.一种医疗系统，其具有：

多个臂，它们具有关节组，该关节组具有冗余的自由度，该多个臂使安装于其前端的医疗设备移动；

操作部，其输入用于操作该臂的操作指令；

控制部，其根据输入到该操作部的所述操作指令对所述臂进行控制；以及

外力检测单元，其检测施加于所述医疗设备的外力，

该控制部具有：干涉预测部，其预测所述臂的干涉；以及优先级计算部，其在由该干涉预测部预测到会发生干涉的情况下，根据由所述外力检测单元检测到的所述外力的大小来计算所述臂的优先级，该控制部使由该优先级计算部计算出的所述优先级最高的所述臂向远离其他的所述臂的方向进行动作。

2.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，

所述优先级计算部根据安装于所述臂的所述医疗设备的种类来校正所述优先级。

3.根据权利要求1所述的医疗系统，其中，

所述优先级计算部根据安装于所述臂的所述医疗设备的动作状态来校正所述优先级。

4.根据权利要求2所述的医疗系统，其中，

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的医疗系统，其中，

所述控制部使由所述优先级计算部计算出的所述优先级最高的所述臂的冗余的关节进行动作，从而使所述优先级最高的所述臂向远离其他的所述臂的方向进行动作。