CN110072485A - 液压钳子系统 - Google Patents
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Abstract
液压钳子系统具备：利用工作液的液压来开闭夹钳的机器人钳子；检测工作液的压力的压力传感器；基于压力传感器所检测的工作液的压力来算出夹钳的目前把持力的控制装置；以及显示目前把持力的监视器。
Description
技术领域
本发明涉及包括利用液压进行夹钳（Gripper）的开闭的机器人钳子的液压钳子系统。
背景技术
一直以来，在内窥镜手术中使用机器人钳子。例如，专利文献1中公开了利用液压进行夹钳的开闭的机器人钳子。该机器人钳子由手动操作。
现有技术文献：
专利文献：
专利文献1 ：日本特开昭63-160631号公报。
发明内容
发明要解决的问题：
然而，在使用机器人钳子的情况下，操作机器人钳子的医生难以掌握夹钳以多大的把持力来把持患部。尤其是在对内置马达的机器人钳子进行远程操作的情况下，该倾向较为显著。
因此本发明目的在于能向操作机器人钳子的医生提示夹钳目前的把持力。
解决问题的手段：
为了解决前述问题，本发明提供一种液压钳子系统，具备：利用工作液的液压来开闭夹钳的机器人钳子；检测所述工作液的压力的压力传感器；基于所述压力传感器所检测的所述工作液的压力来算出所述夹钳的目前把持力的控制装置；以及显示所述目前把持力的监视器。
根据上述结构，能向操作机器人钳子的医生提示夹钳目前的把持力。
例如也可以是，所述监视器将所述目前把持力与患者的体内图像一同显示。
也可以是，所述机器人钳子包括：与所述夹钳连结的第一活塞；第一缸，所述第一缸容纳所述第一活塞并与所述第一活塞一同形成由所述工作液充满的第一压力室；第二活塞；第二缸，所述第二缸容纳所述第二活塞并与所述第二活塞一同形成由所述工作液充满的第二压力室；连通所述第一压力室和所述第二压力室的连通路；及通过直动机构驱动所述第二活塞的马达；上述的液压钳子系统还具备用于所述第二活塞的位置的检测的位置传感器；所述控制装置包括基于所述压力传感器所检测的所述工作液的压力及用所述位置传感器检测的所述第二活塞的位置来导出所述第一活塞的推定位置的观测器（observer）、和基于所述第一活塞的推定位置及所述压力传感器所检测的所述工作液的压力来算出所述目前把持力的把持力算出部。根据该结构，能不在机器人钳子的梢端部设置位置传感器，而是考虑第一活塞的位置地算出夹钳的目前把持力。
也可以是，所述把持力算出部根据所述压力传感器所检测的所述工作液的压力算出理论把持力，根据所述第一活塞的推定位置及所述压力传感器所检测的所述工作液的压力算出所述第一活塞与所述第一缸之间的密封构件的摩擦力，并从所述理论把持力中减去所述密封构件的摩擦力从而算出推定把持力。根据该结构，能考虑第一活塞与第一缸之间的密封构件的摩擦力地算出推定把持力。
也可以是，所述把持力算出部根据所述机器人钳子的姿态来修正所述推定把持力并算出所述目前把持力。根据该结构，能考虑机器人钳子的姿态地算出目前把持力。
也可以是，所述控制装置包括当所述目前把持力超过阈值时在所述监视器上显示警报的警报显示部。根据该结构，能让医生在一瞬间掌握到夹钳的把持力已经危险。
发明效果：
根据本发明，能向操作机器人钳子的医生提示夹钳目前的把持力。
附图说明
图1是根据本发明一实施形态的液压钳子系统的概略结构图；
图2是观测器的框图；
图3是示出状态变量的矩阵；
图4是把持力算出部的框图；
图5是监视器的显示画面的一例。
具体实施方式
图1示出根据本发明一实施形态的液压钳子系统1。该液压钳子系统1包括机器人钳子2、控制装置7和监视器8。
本实施形态中，液压钳子系统1用于手术支援机器人。因此，机器人钳子2安装在从动侧装置的机械臂（Manipulator）10上，主动侧装置由医生远程操作。监视器8组入该主动侧装置。控制装置7可以装载于主动侧装置，也可以装载于从动侧装置。或者控制装置7也可以组入机器人钳子2的后述的驱动单元21。
机械臂10是以患者的皮肤上所设的孔作为支点来自由变更机器人钳子2的姿态的多关节机器人。
机器人钳子2利用工作液20的液压进行夹钳24的开闭。工作液20未特别限定，例如可以为生理盐水、油等。
具体地，机器人钳子2包括驱动单元21、从驱动单元21延伸并插入患者体内的插入轴22、和设置于插入轴22的梢端的由一对爪25构成的夹钳24。另，虽省略图示，但驱动单元21中也可以组入使插入轴22在其轴向上滑动的机构、及使插入轴22绕其中心轴旋转的机构。此外，也可以是，插入轴22的梢端部可揺动地构成，摇动该梢端部的机构组入驱动单元21。
本实施形态中，插入轴22为直线状延伸的高刚性的管。但插入轴22也可以是柔软的管。
插入轴22的梢端部内配置有第一缸31。本实施形态中，第一缸31的中心轴与插入轴22的中心轴一致。第一缸31具有管状部、从夹钳24侧闭塞管状部内部的前壁、和从夹钳24相反侧闭塞管状部内部的后壁。
第一缸31内容纳有第一活塞32。第一活塞32的外周面上安装有用于对该外周面与第一缸31的管状部的内周面之间进行密封的密封构件35。第一活塞32与第一缸31的后壁之间形成有第一压力室3A，第一活塞32与第一缸31的前壁之间形成有背压室3B。第一压力室3A内由工作液20充满，背压室3B内在大气中开放。本实施形态中，背压室3B内配置有对第一活塞32施力的弹簧34。
第一活塞32通过将第一缸31的前壁贯通的杆33来经由连杆机构23与夹钳24连结。连杆机构23将杆33的直线运动转换为夹钳24的开闭运动。
驱动单元21内配置有通过连通路26来与第一缸31连接的第二缸41。本实施形态中，第二缸41的轴向与插入轴22的轴向平行。但第二缸41的轴向未特别限定。第二缸41具有管状部、从插入轴22侧闭塞管状部内部的前壁、和从插入轴22相反侧闭塞管状部内部的后壁。
第二缸41内容纳有第二活塞42。第二活塞42的外周面上安装有用于对该外周面与第二缸41的管状部的内周面之间进行密封的密封构件45。在第二活塞42与第二缸41的前壁之间形成有第二压力室4A，在第二活塞42与第二缸41的后壁之间形成有背压室4B。第二压力室4A内由工作液20充满，背压室4B内在大气中开放。
上述的连通路26在插入轴22内延伸，连通第一压力室3A和第二压力室4A。该连通路26内也由工作液20充满。例如，连通路26由金属制的管或树脂制的柔软的软管构成。
第二活塞42通过将第二缸41的后壁贯通的杆43来与直动机构51连结。直动机构51也与马达52的输出轴53连结。直动机构51将马达52的输出轴53的旋转运动转换为杆43的直线运动。即，马达52经由直动机构51及杆43来驱动第二活塞42。马达52例如为伺服马达。
若第二活塞42因马达52向一方向的旋转而前进，则工作液20从第二压力室4A向第一压力室3A供给从而第一活塞32对抗着弹簧34的施加力地前进。另一方面，若第二活塞42因马达52向逆向的旋转而后退，则因弹簧34的施加力，第一活塞32后退且工作液20从第一压力室3A向第二压力室4A排出。即，第二缸41、第二活塞42、直动机构51及马达52构成相对于第一压力室3A的工作液给排机构。
控制装置7基于上述的主动侧装置上的夹钳开闭操作来控制马达52。控制装置7例如由ROM、RAM等存储器和CPU构成，储存于ROM的程序由CPU执行。具体地，控制装置7包括转换器（Inverter）部71及观测器72。控制装置7可以是单一的设备，也可以分割为多个设备。
本实施形态中，控制装置7与压力传感器61及位置传感器62电气连接。压力传感器61检测工作液20的压力P，位置传感器62用于第二活塞42的位置x2的检测。
本实施形态中，位置传感器62为设置于马达52的旋转编码器，检测马达52的旋转位移量，将该旋转位移量转换为第二活塞42的位置x2。但位置传感器62也可以为设置于直动机构51的线性编码器，还可以设置于第二缸41并直接检测第二活塞42的位置x2。
观测器72基于压力传感器61所检测的工作液20的压力P、及用位置传感器62检测的第二活塞42的位置x2，来导出第一活塞32的推定位置ex1。如图2所示，观测器72使对第二活塞42施加力F时的第二活塞42及第一活塞32的移动量模型化，并能在以下的状态方程式1及输出方程式2中示出。另，以下遵从牛顿的标注并将应标记在变量之上的点记号标记在变量的右上。
X・=AX＋BF ・・・（1）
Y=CX ・・・（2）
X・、X、Y：由图3所示的矩阵来表示的状态变量
x1：第一活塞的位置
x2：第二活塞的位置
P：工作液的压力
F：对第二活塞施加的力
A、B：示出状态方程式1中的系数的矩阵
C：示出输出方程式2中的系数的矩阵
矩阵A、B可由与第一活塞32相关的状态方程式及与第二活塞42相关的状态方程式等求出。
更详细而言，观测器72首先利用矩阵A、B求得推定状态变量eX ・，接着对其进行积分从而算出推定状态变量eX。即，观测器72不仅导出第一活塞32的推定位置ex1，也导出第二活塞42的推定位置ex2及工作液20的推定压力eP。
此外，观测器72利用矩阵C选出第二活塞42的推定位置ex2及工作液20的推定压力eP，将其与用位置传感器62检测的第二活塞42的位置x2及压力传感器61所检测的工作液20的压力P进行比较。然后，观测器72基于第二活塞42的检测出的位置x2与推定位置ex2的偏差Δx2（=x2-ex2）、和工作液20的检测出的压力P与推定压力eP的偏差ΔP（=P-eP），来利用矩阵K算出对于状态变量X・的全要素的推定误差。之后，观测器72将算出的推定误差反馈至推定状态变量eX・的运算。换言之，推定误差被反馈至第一活塞32的推定位置ex1的导出。
转换器部71以由观测器72导出的第一活塞32的推定位置ex1成为基于主动侧装置中夹钳开闭操作的指令位置的形式向马达52供给电力。
此外，本实施形态中，控制装置7基于压力传感器61所检测的工作液20的压力P、及用位置传感器62检测的第二活塞42的位置x2，来算出夹钳24的目前把持力Fc。具体地，控制装置7除转换器部71及观测器72之外，还包括把持力算出部73及警报显示部74。
把持力算出部73基于压力传感器61所检测的工作液20的压力P、及由观测器72导出的第一活塞32的推定位置ex1，来算出目前把持力Fc。
更详细而言，如图4所示，把持力算出部73首先根据压力传感器61所检测的工作液20的压力P（本实施形态中为设置过滤器后的压力P’）算出理论把持力F1。理论把持力F1例如通过以下算式算出；
F1=A1×P’×β
A1：第一活塞的面积
β：夹钳的杠杆比。
又，把持力算出部73根据第一活塞32的推定位置ex1及压力传感器61所检测的工作液20的压力P（本实施形态中为设置过滤器后的压力P’）算出第一活塞32与第一缸31之间的密封构件35的摩擦力Fd。例如，控制装置7的存储器中，将示出工作液20的压力P及第一活塞32的位置x1与密封构件35的摩擦力Fd的关系的试验数据预先储存为表格，使用该表格算出摩擦力Fd。
之后，把持力算出部73从理论把持力F1中减去密封构件35的摩擦力Fd从而算出推定把持力F2（F2=F1-Fd）。此外，把持力算出部73根据机器人钳子2的姿态来修正推定把持力F2并算出目前把持力Fc。具体而言，令推定把持力F2乘以修正系数α从而算出目前把持力Fc。
对修正系数α进行进一步详细说明，把持力算出部73从机械臂10获取与机器人钳子2的姿态有关的信息并计算机器人钳子2的姿态，根据该姿态算出修正系数α。例如修正系数α表示由所把持的物品的重力所带来的把持方向的反力等的影响。
所算出的目前把持力Fc从把持力算出部73向监视器8发送。监视器8如图5所示，将目前把持力Fc与患者的体内图像一同显示。图5所示例子中，目前把持力Fc以把持力标尺内的标记来显示，但目前把持力Fc例如也可以仅以数值来显示。
此外，把持力算出部73算出的目前把持力Fc也向警报显示部74发送。警报显示部74在目前把持力Fc超过阈值γ时向监视器8显示警报。理想的是根据每种夹钳24及每种作为手术对象的脏器来设定阈值γ。
如以上说明，本实施形态的液压钳子系统1中，控制装置7算出的目前把持力Fc显示在监视器8上，所以能向操作机器人钳子2的医生提示夹钳24目前的把持力。
又，本实施形态中，把持力算出部73基于由观测器72导出的第一活塞的推定位置ex1来算出目前把持力Fc，所以能不在机器人钳子2的梢端部设置位置传感器，而是考虑第一活塞32的位置地算出夹钳24的目前把持力Fc。
此外，本实施形态中，把持力算出部73算出第一活塞32与第一缸31之间的密封构件35的摩擦力Fd，并使用它来算出推定把持力F2，所以能考虑该摩擦力Fd地算出推定把持力F2。
又，把持力算出部73根据机器人钳子2的姿态来修正推定把持力F2并算出目前把持力Fc，所以能考虑机器人钳子2的姿态地算出目前把持力Fc。
此外，控制装置7包括警报显示部74，所以能让医生在一瞬间掌握到夹钳24的把持力已经危险。
（变形例）
本发明不限于上述实施形态，在不脱离本发明的主旨的范围内可进行多种变形。
例如，代替导出第一活塞32的推定位置ex1的观测器72地，也可以是，将直接检测第一活塞32的位置x1的位置传感器设置于第一缸31。
或者也可以是，控制装置7不基于用位置传感器62检测的第二活塞42的位置x2，而仅基于压力传感器61所检测的压力来算出夹钳24的目前把持力Fc。
又，前述实施形态中，修正推定把持力F2并算出目前把持力Fc，但在机器人钳子2的姿态没怎么变化的情况下，也可以将推定把持力F2直接作为目前把持力Fc。
又，计算目前把持力Fc时，不仅考虑密封构件35的摩擦力Fd，还考虑第二活塞42与第二缸41之间的密封构件45的摩擦力。
又，机器人钳子2也可以不内置马达52而以手动操作。这种情况下也可以是，监视器8以使立于患者身旁的医生能观察到的形式独立设置在手术室内。
又，前述实施形态中，第一活塞32因弹簧34的施加力而后退。但也可以是，再设置一个包括第二缸41、第二活塞42、直动机构51及马达52的工作液给排机构，且再一个的工作液给排机构的第二压力室4A与第一缸31的前壁和第一活塞32间的背压室3B连接，从而使第一活塞32因向背压室3B供给的工作液的液压而后退。或者也可以是，在第一活塞32上固定有拉线的一端，第一活塞32因拉线的拉拽而后退。
又，也可以相对于观测器72另行设置可根据第一活塞32和/或第二活塞42的状态、负荷条件、机器人钳子2的个体差异、周边环境等来加以修正的单元。
符号说明：
1 液压钳子系统 ；
2 机器人钳子 ；
20 工作液 ；
24 夹钳 ；
31 第一缸 ；
32 第一活塞 ；
3A 第一压力室 ；
35、45 密封构件 ；
41 第二缸 ；
42 第二活塞 ；
4A 第二压力室 ；
51 直动机构 ；
52 马达 ；
61 压力传感器 ；
62 位置传感器 ；
7 控制装置 ；
72 观测器 ；
73 把持力算出部 ；
74 警报显示部 ；
8 监视器。
Claims (6)
1.一种液压钳子系统，其特征在于，
具备：利用工作液的液压来开闭夹钳的机器人钳子；
检测所述工作液的压力的压力传感器；
基于所述压力传感器所检测的所述工作液的压力来算出所述夹钳的目前把持力的控制装置；以及
显示所述目前把持力的监视器。
2.根据权利要求1所述的液压钳子系统，其特征在于，
所述监视器将所述目前把持力与患者的体内图像一同显示。
3.根据权利要求1或2所述的液压钳子系统，其特征在于，
包括：与所述夹钳连结的第一活塞；第一缸，所述第一缸容纳所述第一活塞并与所述第一活塞一同形成由所述工作液充满的第一压力室；第二活塞；第二缸，所述第二缸容纳所述第二活塞并与所述第二活塞一同形成由所述工作液充满的第二压力室；连通所述第一压力室和所述第二压力室的连通路；及通过直动机构驱动所述第二活塞的马达；
还具备用于所述第二活塞的位置的检测的位置传感器；
所述控制装置包括基于所述压力传感器所检测的所述工作液的压力及用所述位置传感器检测的所述第二活塞的位置来导出所述第一活塞的推定位置的观测器、和基于所述第一活塞的推定位置及所述压力传感器所检测的所述工作液的压力来算出所述目前把持力的把持力算出部。
4.根据权利要求3所述的液压钳子系统，其特征在于，
所述把持力算出部根据所述压力传感器所检测的所述工作液的压力算出理论把持力，根据所述第一活塞的推定位置及所述压力传感器所检测的所述工作液的压力算出所述第一活塞与所述第一缸之间的密封构件的摩擦力，并从所述理论把持力中减去所述密封构件的摩擦力从而算出推定把持力。
5.根据权利要求4所述的液压钳子系统，其特征在于，
所述把持力算出部根据所述机器人钳子的姿态来修正所述推定把持力并算出所述目前把持力。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的液压钳子系统，其特征在于，
所述控制装置包括当所述目前把持力超过阈值时在所述监视器上显示警报的警报显示部。
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