CN111587085A - 连续体机器人的控制装置和控制方法以及程序 - Google Patents

连续体机器人的控制装置和控制方法以及程序 Download PDF

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Abstract

一种连续体机器人100的控制装置200，连续体机器人100具有借助由驱动机构驱动线材而弯曲的弯曲部分，控制装置200配设有图像DB/扭转量获取单元210和运动学运算单元230，图像DB/扭转量获取单元210用于获取连续体机器人100的扭转量，运动学运算单元230用于基于由图像DB/扭转量获取单元210获取的扭转量来设置由驱动机构驱动的线材的驱动位移量。

Description

连续体机器人的控制装置和控制方法以及程序
技术领域
本发明涉及一种连续体机器人的控制装置及其控制方法以及用于使计算机用作该控制装置的程序。
背景技术
连续体机器人也被称为包括具有柔性结构的弯曲部分且通过使弯曲部分变形来控制其形状的连续体机器人。与由刚性连杆构成的刚性连杆机器人相比，连续体机器人具有两个主要优点。首先，连续体机器人可以在刚性连杆机器人将会卡在其中的狭窄空间或存在分散物的环境内沿曲线移动。其次，连续体机器人具有本质上的柔性，并且可以在不损坏易碎物品的情况下进行操作。例如，这不一定需要检测刚性连杆机器人所需的外力。
期望连续体机器人在医学领域中使用，例如，用于内窥镜的护套和导管，以及诸如救援机器人之类的最终工作机器人。非专利文献1描述了包括通过驱动线材(wire)而弯曲的弯曲部分的连续体机器人的技术。专利文献1描述了一种使用作内窥镜的连续体机器人侵入空间的控制技术。具体地，专利文献1描述了这样一种技术，该技术用于控制所有相邻的弯曲部分组，使得随着内窥镜的基底单元的前进，前段的弯曲部分的曲线被形成为后段的弯曲部分的曲线形状，从而连续地传播曲线形状。
引用列表
专利文献
专利文献1：US-2012/0271109
非专利文献
非专利文献1：K.Xu,M.Fu,and J.Zhao,"An Experimental KinestaticComparison between Continuum Manipulators with Structural Variations,"in IEEEInternational Conference on Robotics and Automation(ICRA),Hong Kong,China,2014,pp.3258-3264
发明内容
技术问题
当连续体机器人被插入到诸如管道或体腔的插拔路径中时，连续体机器人可以与插拔路径的内壁接触以被扭曲。当连续体机器人被扭曲时，例如，用于控制弯曲部分的弯曲形状的线材的驱动位移量与连续体机器人的取向之间的对应关系偏离设计值。这会降低连续体机器人的驱动控制的精度。上述非专利文献1和专利文献1没有考虑这一点。
考虑到这样的问题而作出了本发明。因此，本发明的目的是提供一种即使连续体机器人被扭曲也抑制连续体机器人的驱动控制精度的降低的机构。
解决问题的方案
根据本发明的用于连续体机器人的控制装置是一种用于包括通过使用驱动机构驱动线材而弯曲的弯曲部分的连续体机器人的控制装置。该控制装置包括：获取单元，其获得连续体机器人的扭转量；以及设置单元，其基于由获取单元获得的扭转量来设置由驱动机构驱动的线材的驱动位移量。
本发明还包括一种使用上述连续体机器人控制装置来控制连续体机器人的方法，以及使计算机用作连续体机器人控制装置的程序。
发明的有益效果
即使连续体机器人被扭曲，本发明也允许抑制连续体机器人的驱动控制精度的降低。
附图说明
图1是概略地示出根据本发明第一实施例的连续体机器人的构造的示例的图。
图2是本发明的第一实施例的示出了图1所示的连续体机器人的基底单元和第一弯曲部分的细节的示意图。
图3是本发明的第一实施例的用于限定图2所示的线材在x-y平面中的布置的示意图。
图4是本发明的第一实施例的示出了图1所示的连续体机器人的移动进度的示例的示意图。
图5是示出根据本发明的第一实施例的用于连续体机器人的控制系统的功能构造的示例的示意图，其示出当连续体机器人在向前方向上移动时的信号流。
图6是示出根据本发明的第一实施例的连续体机器人控制系统的功能构造的示例的示意图，其示出当连续体机器人在向后方向上移动时的信号流。
图7是本发明的第一实施例的示出了支气管用作图1所示的插拔路径的示例的示意图。
图8A是本发明的第一实施例的示出了在图7所示的位置处获得的向前和向后移动期间的图像信息的示例的示意图。
图8B是本发明的第一实施例的示出了在图7所示的位置处获得的向前和向后移动期间的图像信息的示例的示意图。
图9是示出根据本发明第二实施例的连续体机器人的一个线材引导件的示例的示意图。
图10是概略地示出根据本发明第二实施例的连续体机器人的构造的示例的图。
图11是示出根据本发明第四实施例的连续体机器人控制系统10-2的功能构造的示例的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图详细地描述本发明的实施例。本发明的实施例示出了用于连续体机器人的控制系统(也称为连续体机械手)用于柔性内窥镜的示例。用作根据本发明实施例的连续体机器人控制系统的示例的柔性内窥镜不仅用于医学领域，而且还用于任何其他领域，用于观察弯曲部分被插入和被拔出的路径(在下文中称为“插拔路径”)的内部(例如，用于观察管道等内部的工业内窥镜)。
(第一实施例)
首先，将描述本发明的第一实施例。
[1.连续体机器人的运动学模型]
图1是概略地示出根据本发明第一实施例的连续体机器人100-1的构造的示例的图。
如图1所示，连续体机器人100-1包括基底单元110(图1仅示出了包括基底单元110的上表面114的壳体)、第一弯曲部分120、第二弯曲部分130和第三弯曲部分140。
图1所示的连续体机器人100-1包括在长轴方向上串联的多个弯曲部分120至140，并且可在多个弯曲部分120至140的长轴方向上移动。尽管图1中的示例示出了包括三个弯曲部分的连续体机器人，但是本实施例不限于该构造。例如，在本实施例中也可以使用包括两个弯曲部分的连续体机器人和包括四个或更多个弯曲部分的连续体机器人。
第一弯曲部分120包括多根线材101-1至103-1、第一线材引导件121和第二线材引导件122至125，多根线材101-1至103-1穿过基底单元110的与第一弯曲部分120的参考平面相对应的上表面114延伸，多根线材101-1至103-1被固定在第一线材引导件121中的不同位置处，并且第一线材引导件121引导多根线材101-1至103-1，第二线材引导件122至125被布设在基底单元110的上表面114与第一线材引导件121之间，多根线材101-1至103-1中的预定线材101-1被固定到第二线材引导件122至125中的预定位置，并且第二线材引导件122至125引导多根线材101-1至103-1。如图1所示，多根线材101-1至103-1没有固定到基底单元110的上表面114。
图1所示的连续体机器人100-1被构造成使得第一弯曲部分120可以通过驱动多根线材101-1至103-1中的至少一部分(或全部)而被弯曲成期望的弯曲形状(例如，圆弧)。
在下面的描述中，在连续体机器人100-1的每个组件中，远离基底单元110的上表面114的一端被称为“远端”，而与基底单元110的上表面114相邻的一端被称为“近端”。具体地，第一弯曲部分120是从基底单元110的上表面114(严格地，不包括该上表面114本身)到第一线材引导件121的远端。这里，例如，线材101-1至103-1被固定到第一线材引导件121的远端处的不同位置。例如，线材101-1被固定至第二线材引导件122至125的各自近端。
第二弯曲部分130包括多根线材101-2至103-2、第一线材引导件131和第二线材引导件132至135，多根线材101-2至103-2穿过第一弯曲部分120的第一线材引导件121的与第二弯曲部分130的参考平面相对应的远端表面延伸，多根线材101-2至103-2被固定在第一线材引导件131中的不同位置处，并且第一线材引导件131引导多根线材101-2至103-2，第二线材引导件132至135被布设在第一弯曲部分120的第一线材引导件121的远端表面与第一线材引导件131之间，多根线材101-2至103-2中的预定线材101-2被固定到第二线材引导件132至135中的预定位置，并且第二线材引导件132至135引导多根线材101-2至103-2。如图1所示，多根线材101-2至103-2没有固定到基底单元110的上表面114。
图1所示的连续体机器人100-1被构造成使得第二弯曲部分130可以通过驱动多根线材101-2至103-2中的至少一部分(或全部)而被弯曲成期望的弯曲形状(例如，圆弧)。
具体地，第二弯曲部分130是从第一弯曲部分120的第一线材引导件121的远端表面(严格地，不包括该远端表面本身)到第一线材引导件131的远端。这里，例如，线材101-2至103-2被固定到第一线材引导件131的远端的不同位置。例如，线材101-2被固定到第二线材引导件132至135的各自近端。
第三弯曲部分140包括多根线材101-3至103-3、第一线材引导件141和第二线材引导件142至145，多根线材101-3至103-3穿过第二弯曲部分130的第一线材引导件131的与第三弯曲部分140的参考平面相对应的远端表面延伸，多根线材101-3至103-3被固定在第一线材引导件141中的不同位置处，并且第一线材引导件141引导多根线材101-3至103-3，第二线材引导件142至145被布设在第二弯曲部分130的第一线材引导件131的远端表面与第一线材引导件141之间，多根线材101-3至103-3中的预定线材101-3被固定到第二线材引导件142至145中的预定位置，并且第二线材引导件142至145引导多根线材101-3至103-3。如图1所示，多根线材101-3至103-3没有固定到基底单元110的上表面114。
图1所示的连续体机器人100-1被构造成使得第三弯曲部分140可以通过驱动多根线材101-3至103-3中的至少一部分(或全部)而被弯曲成期望的弯曲形状(例如，圆弧)。
具体地，第三弯曲部分140是从第二弯曲部分130的第一线材引导件131的远端表面(严格地，不包括该远端表面本身)到第一线材引导件141的远端。这里，例如，线材101-3至103-3被固定到第一线材引导件141的远端的不同位置。例如，线材101-3被固定到第二线材引导件142至145的各自近端。
图1示出了基底单元110的上表面114的作为原点O的中心，以及在该表面中穿过原点O并且彼此垂直的x轴和y轴。图1还示出了垂直于基底单元110的上表面114的z轴。图1还示出了连续体机器人100-1的中心轴150和将摄像装置(例如，图5和图6所示的摄像装置310)安装到连续体机器人100-1的位置160。因此，将摄像装置安装到图1所示的连续体机器人100-1允许通过沿插拔路径20插入连续体机器人100-1来观察插拔路径20的内部。尽管图1示出了布设有离散地布置的多个线材引导件的示例，但是可以布设波纹管或网状连续体线材引导件。
图2是本发明的第一实施例的示出了图1所示的连续体机器人100-1的基底单元110和第一弯曲部分120的细节的示意图。在图2中，与图1所示的组件相同的组件被给予相同的附图标记，并且将省略详细描述。
具体地，对于图2所示的第一弯曲部分120的第一线材引导件121，线材101-1被固定到位置1211，线材102-1被固定到位置1212，线材103-1被固定到位置1213。如上所述，位置1211至1213是在第一线材引导件121的远端处的不同位置。
第二线材引导件122在位置1221处与线材101-1配合。第二线材引导件123在位置1231处与线材101-1配合。第二线材引导件124在位置1241处与线材101-1配合。第二线材引导件125在位置1251处与线材101-1配合。位置1221至1251是第二线材引导件122至125的各自的近端位置，如上所述。
基底单元110中具有用于推动和拉动线材101-1的致动器111，用于推动和拉动线材102-1的致动器112和用于推动和拉动线材103-1的致动器113。换句话说，图1所示的连续体机器人100-1被构造为通过控制分别驱动线材101-1至103-3的致动器111至113，将第一弯曲部分120弯曲成期望的弯曲形状。以这种方式控制连续体机器人100-1(第一弯曲部分120)的取向。致动器111至113构成本发明中的驱动机构。
在图2中，与图1一样，连续体机器人100-1的中心轴150(更具体地，在图2所示的示例中为第一弯曲部分120)由虚线表示。与图1一样，图2示出了x轴、y轴和z轴。图2示出了由致动器111驱动的线材101-1的驱动位移量lp1a、由致动器112驱动的线材102-1的驱动位移量lp1b以及由致动器113驱动的线材103-1的驱动位移量lp1c。图2还示出了在第一线材引导件121的远端处中心轴150穿过的位置1214。图2还示出了由中心轴150和在位置1214处平行于z轴的线段形成的作为第一弯曲部分120的弯曲角度θ1的角度。图2还示出了作为中心轴150在x-y平面上的投影的w轴，以及作为位置1214在x-y平面上的投影的位置12141。图2还示出了由x轴和w轴形成的作为第一弯曲部分120的旋转角度ζ1的角度。图2还示出了与中心轴150有关第一弯曲部分120的曲率半径ρ1。
在下面的描述中，将被驱动的弯曲部分概括为第n弯曲部分(n为任意正数)，并且为第n弯曲部分定义以下元素。
ln：第n弯曲部分的长度(在图2的示例中，是从原点O到位置1214的中心轴150的长度)
θn：第n弯曲部分的弯曲角度
ζn：第n弯曲部分的旋转角度
ρn：第n弯曲部分的曲率半径
lpna：线材101-n的驱动位移量
lpnb：线材102-n的驱动位移量
lpnc：线材103-n的驱动位移量
图1中示出的示例可以使用如下构造，在该构造中，基底单元110中具有与图2所示的用于推动和拉动第一弯曲部分120的线材101-1至103-1的致动器111至113一样的用于推动和拉动第二弯曲部分130的线材101-2至103-2的致动器(未示出)和用于推动和拉动第三弯曲部分140的线材101-3至103-3的致动器(未示出)。
图3是本发明的第一实施例的用于限定图2中所示的线材101至103在x-y平面中的布置的示意图。在图3中，线材101至103布置在边长为rs的等边三角形的顶点处。相位角ξn是确定第n弯曲部分的线材101至103的布置的角度。在本实施例中，ξ1＝0。
在本实施例中，连续体机器人的运动学模型是基于以下假设而得出的。
[1]线材在弯曲部分处(如果存在多个弯曲部分，则在各个弯曲部分处)以恒定曲率变形。
[2]不考虑线材的扭转变形。
[3]线材在纵向方向上没有变形。
[4]没有考虑被引导的线材和线材之间的摩擦力。
在这种情况下，图2所示的第一弯曲部分120的线材101-1的驱动位移量lp1a、线材102-1的驱动位移量lp1b和线材103-1的驱动位移量lp1c与第一弯曲部分120的弯曲角度θ1和旋转角度ζ1之间的关系分别被表达为式(1-1)、式(1-2)和式(1-3)。
[数学式1]
Figure BDA0002578093640000091
Figure BDA0002578093640000092
Figure BDA0002578093640000093
接下来，图1所示的包括多个弯曲部分的连续体机器人100-1的第n弯曲部分的线材101-n的驱动位移量lpna、线材102-n的驱动位移量lpnb和线材103-n的驱动位移量lpnc与第n弯曲部分的弯曲角度θn和旋转角度ζn之间的关系分别被表达为式(2-1)、式(2-2)和式(2-3)。
[数学式2]
Figure BDA0002578093640000094
Figure BDA0002578093640000095
Figure BDA0002578093640000096
[2.应用于支气管镜]
接下来，将描述图1所示的连续体机器人100-1用于支气管镜的示例。这里，将摄像装置固定到图1所示的连续体机器人100-1的位置160，用作观察作为插拔路径20的支气管的内部的支气管镜。
根据本实施例的连续体机器人控制系统，在通过移动基底单元110将连续体机器人100-1移入支气管内部的同时，基于由摄像装置获得的图像信息来计算驱动位移量lpna、lpnb和lpnc，并控制连续体机器人100-1的取向。
图4是本发明的第一实施例的示出了图1所示的连续体机器人100-1的移动进度的示例的示意图。在图4中，与图1至图3所示的组件相同的组件被给予相同的附图标记，并且将省略详细描述。图4示出了图1和图2所示的z方向(连续体机器人100-1的预定方向)。例如，基底单元110布设在沿z方向延伸的线性平台上。机械手可以沿线性平台手动移动连续体机器人100-1。线性平台可以包括致动器，例如电机，以使基底单元110沿着线性平台移动。线性平台可以包括用于检测z方向上的坐标信息的传感器(对应于图5和图6所示的检测装置320)。
在图4中，时间401表示初始状态，其中从基底单元110的上表面114沿z方向延伸的第一弯曲部分120至第三弯曲部分140没有弯曲。此后，在图4中，基底单元110沿z方向移动，并且第一弯曲部分120至第三弯曲部分140随着从时间402、时间403、时间404到时间405的时间流逝而弯曲。
在下面的描述中，例如，图4所示的基底单元110的上表面114上沿z方向上的坐标信息在图1中用zb表示。由于第n弯曲部分的弯曲角度θn和旋转角度ζn取决于指示基底单元110的位置的坐标信息zb，因此它们可以分别被表达为θn(zb)和ζn(zb)。线材101-n至103-n的驱动位移量lpna、lpnb和lpnc也取决于坐标信息zb，并且可以分别被表达为lpna(zb)、lpnb(zb)和lpnc(zb)。
图5是示出根据本发明的第一实施例的用于连续体机器人的控制系统10-1的功能构造的示例的示意图，其示出当连续体机器人100在向前方向上移动时的信号流。
如图5所示，连续体机器人控制系统10-1包括连续体机器人100、连续体机器人控制装置200、摄像装置310、检测装置320、输入单元330和显示单元340。
在本实施例中，图5所示的连续体机器人100是图1所示的连续体机器人100-1的应用。或者，本发明可以采用图10所示的连续体机器人100-2。
连续体机器人控制装置200包括图像DB/扭转量获取单元210、存储单元220和运动学运算单元230。连续体机器人控制装置200的组件将在后面描述。
在本实施例中，例如，摄像装置310在图1中的位置160处被安装在连续体机器人100-1上，并且，对连续体机器人100-1的移动方向上的区域进行摄像，以生成关于插拔路径20的内部的图像信息。
如参照图4所述，检测装置320检测在基底单元110的上表面114上沿z方向的坐标信息zb，并且将检测到的坐标信息zb输出到连续体机器人控制装置200。在图4所示的示例中，检测装置320针对时间401至时间405中的各时间检测坐标信息zb，并将坐标信息zb输出至连续体机器人控制装置200。
输入单元330是用于诸如操作者的机械手以输入操作的设备，并且包括例如键盘和鼠标。
显示单元340在连续体机器人控制装置200的控制下显示各种信息。例如，显示单元340显示由摄像装置310生成的图像信息，从输入单元330输入的输入信息，由检测装置检测到的坐标信息zb，以及通过由连续体机器人控制装置200进行处理而获得的信息。
图像DB/扭转量获取单元210包括存储由摄像装置310获得的图像信息的图像数据库(图像DB)和基于图像信息获得连续体机器人100-1的扭转量的扭转量获取单元。在图5所示的示例中，图像DB/扭转量获取单元210基于由摄像装置310获得的图像信息和由检测装置320检测到的关于连续体机器人100-1在z方向(预定方向)上的坐标信息zb，获得连续体机器人100-1的扭转量。
当图5中的连续体机器人100-1在向前方向上移动时，存储单元220将由摄像装置310获得并存储在图像DB/扭转量获取单元210中的图像信息和由检测装置320检测到的坐标信息zb相互关联地存储。在这种情况下，存储单元220还可以相互关联地存储从输入单元330输入的关于弯曲角度θn和旋转角度ζn的信息。
运动学运算单元230进行用于设置由用作驱动机构的致动器111至113驱动的线材101至103的各自的驱动位移量lpna、lpnb和lpnc的处理。运动学运算单元230基于设置的驱动位移量lpna、lpnb和lpnc来控制连续体机器人100-1的驱动。
例如，当连续体机器人100-1在图5所示的插拔路径20中向前移动时，在插拔路径20的多个位置处的弯曲角度θn(zb)、旋转角度ζn(zb)以及驱动位移量lpna(zb)、lpnb(zb)和lpnc(zb)被存储在存储单元220中。同时，由摄像装置310获得的图像信息和由检测装置320检测到的坐标信息zb相互关联地被存储在图像DB/扭转量获取单元210和存储单元220中。
图6是示出根据本发明的第一实施例的用于连续体机器人的控制系统10-1的功能构造的示例的示意图，其示出当连续体机器人100在向后方向上移动时的信号流。在图6中，与图5中的组件相同的组件被赋予相同的附图标记。
在本实施例中，与上述的图5一样，图6所示的连续体机器人100是图1所示的连续体机器人100-1的应用。或者，本发明可以采用图10所示的连续体机器人100-2。
本实施例的摄像装置310被构造为对连续体机器人100-1的向前方向上的区域进行摄像。由于此原因，当连续体机器人100-1在向后方向上移动时，摄像装置310无法获得关于向后方向上的区域的图像信息。因此，在本实施例中，当图5中的连续体机器人100-1向前移动时，使用在存储单元220中存储的信息来设置驱动位移量lpna、lpnb和lpnc，并且控制连续体机器人100-1的驱动。
此外，当连续体机器人100-1在图6所示的插拔路径20中向后移动时，将摄像装置310获得的图像信息和由检测装置320检测到的坐标信息zb相互关联地存储在图像DB/扭转量获取单元210和存储单元220中。
当图6所示的连续体机器人100-1向后移动时，图像DB/扭转量获取单元210基于坐标信息zb使用在插拔路径20的相同位置(包括大致相同的位置)处获得的向前移动和向后移动的图像信息来从图像的旋转量中获得连续体机器人100-1的扭转量τ。换句话说，在图6的情况下，图像DB/扭转量获取单元210使用存储在存储单元220中的图像信息当中的与关于各位置的坐标信息zb相关联地存储的图像信息来获得在插拔路径20的各位置处的扭转量τ。
当图6所示的连续体机器人100-1向后移动时，运动学运算单元230基于由图像DB/扭转量获取单元210获得的扭转量τ来进行用于设置线材101至103的各自的驱动位移量lpna、lpnb和lpnc的处理。进行该处理的运动学运算单元230用作本发明中的设置单元。运动学运算单元230基于设置的驱动位移量lpna、lpnb和lpnc来控制连续型机器人100-1的驱动。
图7是本发明的第一实施例的示出了支气管700用作图1中的插拔路径20的示例的示意图。
假设连续体机器人100-1向前移动以使用摄像装置310观察支气管700的区域到左下肺叶支气管720的位置721，然后连续体机器人100-1向后移动。在这种情况下，当摄像装置310向前移动到位置721时，图像DB/扭转量获取单元210首先获得各个位置处的图像信息。同样地，当摄像装置310从位置721向后移动时，图像DB/扭转量获取单元210获得各个位置处的图像信息。然后，图像DB/扭转量获取单元210使用例如在支气管700的左上肺叶支气管710的位置711处获得的向前移动和向后移动的图像信息，基于坐标信息zb从图像的旋转量确定连续体机器人100-1的扭转量τ。换句话说，在图6的情况下，图像DB/扭转量获取单元210使用存储在存储单元220中的图像信息当中的与在各个位置处的坐标信息zb相关联地存储的图像信息来获得在插拔路径20的各个位置处的扭转量τ。这里，在比较在向前移动期间和向后移动期间获得的图像信息过程中的位置的示例是可以观察到支气管700的左上肺叶支气管710和左下肺叶支气管720的分叉处的位置711。然而，这并不旨在限制本实施例。
图8是本发明的第一实施例的示出了在图7所示的位置711处获得的向前移动和向后移动期间的图像信息的示例的示意图。具体地，图8示出了基于在向前移动和向后移动期间获得的图像信息在显示单元340上显示的图像的示例。更具体地，图8A示出基于在向前移动期间获得的图像信息在显示单元340上显示的向前移动期间的图像810，图8B示出了基于在向后移动期间获得的图像信息在显示单元340上显示的向后移动期间获得的图像820。
图8A所示的在向前移动期间获得的图像810包括图7中的左上肺叶支气管710的路径区域811和图7中的左下肺叶支气管720的路径区域812。图8B所示的在向后移动期间获得的图像820包括图7中的左上肺叶支气管710的路径区域821和图7中的左下肺叶支气管720的路径区域822。在本实施例中，图像DB/扭转量获取单元210通过比较图8A所示的在向前移动期间获得的图像810和图8B所示的在向后移动期间获得的图像820来获得扭转量τ。例如，图像DB/扭转量获取单元210通过从在向前移动期间获得的图像810中提取路径区域811和路径区域812的轮廓和从在向后移动期间获得的图像820中提取路径区域821和路径区域822的轮廓并且将连接路径区域811和路径区域812的轮廓中心的直线813的倾斜度和连接路径区域821和路径区域822的轮廓中心的直线823的倾斜度相互比较来获得扭转量τ。换句话说，图像DB/扭转量获取单元210基于图像信息和与插入有连续体机器人100-1的插拔路径20有关的结构信息来获得扭转量τ。在图8所示的示例中，在向后移动期间获得的图像相对于在向前移动期间获得的图像以大约20°的量扭曲。在本实施例中，在多个特征位置处进行这样的图像比较。
上述的式(2-1)、式(2-2)和式(2-3)可以分别被重写为如下的式(3-1)、式(3-2)和式(3-3)，其中τn是第n弯曲部分的扭转量τ。
[数学式3]
Figure BDA0002578093640000141
Figure BDA0002578093640000142
Figure BDA0002578093640000143
在本实施例中，例如，运动学运算单元230设置由式(3-1)、式(3-2)和式(3-3)给出的驱动位移量lpna(zb)、lpnb(zb)和lpnc(zb)。具体地，运动学运算单元230基于扭转量τn、弯曲角度θn和旋转角度ζn来设置上述驱动位移量。运动学运算单元230使用所设置的驱动位移量来控制连续体机器人100-1的驱动。
可以从向前移动期间和向后移动期间摄像装置310拍摄的图像获得扭转量τe。在所有弯曲部分中，扭转量τn可以是恒定的，并且扭转量τn可以被表达为式(4)，其中e是弯曲部分的数量。
[数学式4]
τn＝τe ···(4)
[数学式5]
使用各弯曲部分的长度ln和弯曲部分的整个长度
Figure BDA0002578093640000151
扭转量τn可以如式(5)所示连续地变化。
Figure BDA0002578093640000152
各弯曲部分的扭转量τn可以乘以适当的校正系数。
如果由于呼吸引起的身体运动而难以比较在向前移动期间和向后移动期间获得的图像，则监视呼吸并仅比较在呼吸的特定时刻拍摄的图像可以提高图像的旋转量的估计精度。例如，这可以通过摄像装置310获得各个位置处的运动图像并且通过图像DB/扭转量获取单元210比较在向前移动期间和向后移动期间具有相同程度的因呼吸引起的内腔(插拔路径20)变形的图像来实现。
在上述构造中，通过使所有三根线材101至103移位来控制连续体机器人100-1的弯曲角度θn和旋转角度ζn。然而，这并不旨在限制本发明。例如，通过固定三根线材101至103中的一根并使另两根线材移位来控制连续体机器人100-1的弯曲角度θn和旋转角度ζn的构造可以提供相同的有益效果，并且可以在本发明中使用。在该构造中，如果线材101的位移是固定的，使得线材101是固定长度的线材，则运动学运算单元230可以设置分别被表达为式(6-1)、式(6-2)和式(6-3)的驱动位移量lpna、lpnb和lpnc。
[数学式6]
lpna＝0 ···(6-1)
lpnb＝cos(π/6+ζn-ξn)rsθn ···(6-2)
lpnc＝cos(π/6-ζn+ξn)rsθn ···(6-3)
运动运算单元230还可以在获得扭转量τn之后设置驱动位移量lpna、lpnb和lpnc，分别如式(7-1)、式(7-2)和式(7-3)中一样。
[数学式7]
lpna＝0 ···(7-1)
lpnb＝cos(π/6+ζn-(ξn-τn))rsθn···(7-2)
lpnc＝cos(π/6-ζn+(ξn-τn))rsθn···(7-3)
在根据第一实施例的连续体机器人控制装置200中，图像DB/扭转量获取单元210获得连续体机器人100-1的扭转量τ，并且运动学运算单元230基于扭转量设置线材的驱动位移量。
即使连续体机器人被扭曲，该构造也允许抑制连续体机器人的驱动控制精度上的降低。即使连续体机器人没有向后的视野，这也允许连续体机器人平滑地向后移动。此外，可以根据扭转量来校正线材的驱动位移量。即使连续体机器人被扭曲，这也允许连续体机器人被控制到期望的方向。
(第二实施例)
接下来，将描述本发明的第二实施例。在下面描述的第二实施例中，将省略对与第一实施例相同的元件的描述，并且将描述与第一实施例的不同之处。
在第二实施例中，连续体机器人100不仅用于观察支气管的内部，而且还用作使诸如镊子和吸针的活检工具穿过的引导鞘。
图9是示出根据本发明的第二实施例的连续体机器人100的一个线材引导件900的示例的示意图。如图1一样，图9示出了x轴、y轴和z轴。
线材引导件900具有甜甜圈形状，如图9所示。如图9所示，线材引导件900具有使线材101固定的通孔910、使线材102穿过或固定的通孔920、使线材103穿过或固定的通孔930以及标记940。
图10是概略地示出根据本发明的第二实施例的连续体机器人100-2的构造的示例的图。如图1一样，图10示出了x轴、y轴和z轴。
如图10所示，连续体机器人100-2包括弯曲部分1010和布设在弯曲部分1010与基底单元(未示出，例如，图2所示的基底单元110)之间的套筒1020。
弯曲部分1010包括在z方向上的多个(十个)位置处的在图9所示的线材引导件900。具体地，弯曲部分1010包括线材引导件900-1至900-10。图10所示的连续体机器人100-2可以在位置160处配备有摄像装置310。布设摄像装置310的位置160可以不在线材引导件900-1和线材引导件900-10之间。布设在位置160处的摄像装置310对连续体机器人100-2的向前方向(z方向)上的区域进行摄像以生成图像信息。在线材引导件900-1中，线材101、102和103分别固定在通孔910、920和930中。在线材引导件900-2至900-10中，线材101固定在通孔910中，并且其他通孔920和930允许线材102和103穿过。
套筒1020允许线材101至103穿过而无需固定它们。
图10所示的连续体机器人100-2允许活检工具穿过。当朝着肿瘤(活检的目标)(向前)移动时，连续体机器人100-2向前移动，同时使用布设在线材引导件中的摄像装置(纤维镜照相机)310观察插拔路径20中的连续体机器人100-2前方的区域。
在本实施例中，连续体机器人100-2向前移动，并且在连续体机器人100-2到达用于活检的肿瘤的时间点，诸如操作者的机械手从连续体机器人100-2中提取摄像装置310并将活检工具插入连续体机器人100-2。在用活检工具获得样本之后，机械手提取活检工具，将摄像装置310再次插入并布设在连续体机器人100-2中，并使连续体机器人100-2向后移动。因此，当连续体机器人100-2用作使活检工具穿过的引导鞘时，摄像装置310未固定在连续体机器人100-2中。
当插入摄像装置(纤维镜照相机)310时，诸如操作者的机械手确定摄像装置310在z方向上的位置，使得位于连续体机器人100-2的最远端的线材引导件900-1的标记940总是落在摄像装置310的可摄像范围内。换句话说，在本实施例中，摄像装置310具有用于对包括线材引导件900-1的标记940的区域进行摄像的构造。
当在显示单元340上显示由摄像装置310获得的图像时标记940位于相同的位置的同时，保持摄像装置(纤维镜照相机)310与连续体机器人100-2之间的位置关系。例如，当标记940的位置在图像中旋转时，旋转量β对应于连续体机器人100-2中的摄像装置(纤维镜照相机)310的旋转量。
在连续体机器人100-2的向前移动期间和向后移动期间获得的图像之间的比较中，标记940的位置的旋转因素可能是连续体机器人100-2本身的扭曲和连续体机器人100-2中的摄像装置310的旋转。连续体机器人100-2本身在最远端的扭转量τe被表达为式(8)，其中α是在向前移动期间和向后移动期间图像的旋转量，而β是旋转量。在本实施例中，图像DB/扭转量获取单元210采用了基于图像信息中包含的标记940的位置来获得扭转量τe的构造。
[数学式8]
τe＝α-β ···(8)
将式(8)应用于式(4)或式(5)并且将其代入式(3-1)至式(3-3)，允许设置考虑连续体机器人100-2的扭转量和连续体机器人100-2中的摄像装置310的旋转量两者来设置线材的驱动位移量。在本实施例中，运动学运算单元230采用这样的构造：其中，基于由图像DB/扭转量获取单元210获得的扭转量τe来设置线材101至103的驱动位移量。
这是在摄像装置(纤维镜照相机)310在连续体机器人100-2中旋转的情况下的校正方法。旋转量越小越好。例如，其中磁体附接到线材引导件900和摄像装置310的一部分以防止旋转的构造也是适用的。线材引导件900具有凹槽、摄像装置310具有突起并且将它们接合在一起以防止旋转的其他构造也是适用的。
与上述第一实施例一样，即使连续体机器人被扭曲，第二实施例也可以抑制连续体机器人的驱动控制的精度的降低。
(第三实施例)
接下来，将描述本发明的第三实施例。在下面描述的第三实施例中，将省略对与第一实施例和第二实施例相同的元件的描述，并且将描述与第一实施例和第二实施例的不同之处。
在第三实施例中，将描述重新检查的简化。
当患者使用连续体机器人100(例如，图1所示的连续体机器人100-1)进行支气管镜检查时,将在相对于目标位点的向前移动和向后移动期间的θn(zb)、ζn(zb)、lpna(zb)、lpnb(zb)和lpnc(zb)存储在图6所示的图像DB/扭转量获取单元210和存储单元220中。
在对同一患者进行第二次检查时，连续体机器人100(基底单元110)使用第一次检查时的lpna(zb)、lpnb(zb)和lpnc(zb)作为用于向前移动和向后移动的连续体机器人100的线材的驱动位移量来向前和向后移动。在上述的图6中示出了此时连续体机器人控制系统10的功能构造的信号流。
在第三实施例中，图6所示的图像DB/扭转量获取单元210针对向前移动和向后移动中的各移动比较第一次检查时的图像和第二次检查时的图像，以从图像的旋转量中获得连续体机器人100的扭转量。
如果图像DB/扭转量获取单元210获得的扭转量等于或小于阈值，则连续体机器人控制装置200可以使用这样的构造：其中，使用线材101至103的相同驱动位移量作为在第一次检查时获得的量来控制连续体机器人100。这允许诸如操作者的机械手容易地将连续体机器人100移动到目标位点。
相反，如果由图像DB/扭转量获取单元210获得的扭转量超过阈值，则连续体机器人控制装置200可以使用这样的构造：其中，连续体机器人控制装置200确定连续体机器人100被扭曲，并且扭转量τn从图像DB/扭转量获取单元210传输到运动学运算单元230。运动学运算单元230根据式(3-1)至式(3-2)更新线材101至103的驱动位移量。使用线材101至103的更新后的驱动位移量允许找到线材101至103到目标位点的所有驱动位移量。即使连续体机器人100被扭曲，这也允许诸如操作者的机械手将连续体机器人100移动到目标位点。
上述扭转量的阈值由例如因呼吸引起的身体运动引起的图像旋转量来确定。在这种情况下，在基底单元110静止的情况下，在不同的呼吸定时获得多个图像，并且将此时生成的图像的旋转量用作扭转量的阈值。
在以上示例中，基于图6所示的图像DB/扭转量获取单元210从由摄像装置310获得的图像信息中获得的扭转量来更新线材101至103的驱动位移量。或者，机械手可以经由输入单元330对扭转量进行微调。例如，作为输入单元330的一个组件的扭转量输入拨盘，可以布设在机械手(例如操作者)的手边，并且，机械手可以通过输入拨盘调整扭转量。
与上述第一实施例一样，即使连续体机器人被扭曲，第三实施例也可以抑制连续体机器人的驱动控制的精度的降低。
(第四实施例)
接下来，将描述本发明的第四实施例。在下面描述的第四实施例中，将省略对与第一实施例至第三实施例相同的元件的描述，并且将描述与第一实施例至第三实施例的不同之处。
在上述的第一实施例至第三实施例中，比较了通过使用支气管镜作为连续体机器人100对患者的支气管的内部进行摄像而获得的图像信息。然而，本发明不限于以上构造。第四实施例示出了这样的构造：其中，比较了使用其他形式生成的关于支气管的另一图像信息和由布设在支气管镜上的摄像装置310生成的图像信息。
图11是示出根据本发明第四实施例的连续体机器人控制系统10-2的功能构造的示例的示意图。在图11中，与图5和图6中的组件相同的组件被赋予相同的附图标记。
除了图5和图6所示的连续体机器人控制系统10-1的组件外，连续体机器人控制系统10-2还包括计算机断层摄影(CT)装置350。
CT装置350是不同于摄像装置310的其他摄像装置，并且生成CT图像信息，该CT图像信息是不同于由摄像装置310获得的图像信息的其他图像信息。
在本实施例中，图像DB/扭转量获取单元210在支气管镜被插入之前从CT装置350获得关于例如患者的胸部有关的计算的断层摄影(CT)图像信息。图像DB/扭转量获取单元210创建在插入支气管镜以从获得的CT图像信息观察支气管内部时假定的虚拟图像。连续体机器人控制装置200虚拟地使基底单元110在CT图像中向前移动，并针对到目标位点的虚拟路径计算θn(zb)、ζn(zb)、lpna(zb)、lpnb(zb)和lpnc(zb)。这些计算值和特征位点处的虚拟图像信息被存储在图11所示的图像DB/扭转量获取单元210和存储单元220中。
当与连续体机器人100相关的支气管镜被插入患者体内时，连续体机器人控制装置200使用虚拟获得的lpna(zb)、lpnb(zb)和lpnc(zb)作为线材101至103的驱动位移量来控制连续体机器人100。图像DB/扭转量获取单元210在连续体机器人100向前移动的同时获得由摄像装置310生成的图像信息，并比较该图像信息和根据CT图像信息创建的虚拟图像信息之间的特征点，以获得连续体机器人100的扭转量τn。
当检测到图像的旋转时，连续体机器人控制装置200确定连续体机器人100被扭曲。在这种情况下，运动学运算单元230基于由图像DB/扭转量获取单元210获得的扭转量τn根据式(3-1)至式(3-3)设置(校正)线材101至103的驱动位移量。
尽管第四实施例示出了将支气管镜用作连续体机器人100的示例，但是本发明不限于医学领域。例如，当本发明的连续体机器人100用于检查管道时，可以在管道设计时根据计算机辅助设计(CAD)图来创建虚拟图像信息。
与上述第一实施例一样，即使连续体机器人被扭曲，第四实施例也可以抑制连续体机器人的驱动控制的精度的降低。
(其它实施例)
本发明可以通过经由网络或存储介质向系统或设备供应实现上述实施例的一个或多个功能的程序并使系统或设备的计算机中的一个或多个处理器读取和执行该程序来实现。本发明还可以通过用于实现一个或多个功能的电路(例如，ASIC)来实现。
注意，本发明的上述实施例仅示出了本发明的具体实例，本发明的技术范围应被构建为由这些实施例来限制。即，本发明在不背离其技术构思和注意特征的情况下能够以各种形式实现。
本发明不限于上述实施例，并且可以在本发明的精神和范围内进行各种改变和修改。因此，为了向公众告知本发明的范围，作出了以下权利要求。
本申请要求于2018年1月12日提交的日本专利申请第2018-003724号的优先权，在此通过引用将其并入本文。

Claims (20)

1.一种用于连续体机器人的控制装置，该连续体机器人包括通过使用驱动机构驱动线材而弯曲的弯曲部分，所述装置的特征在于包括：
获取单元，其获得连续体机器人的扭转量；以及
设置单元，其基于由获取单元获得的扭转量来设置由驱动机构驱动的线材的驱动位移量。
2.根据权利要求1所述的用于连续体机器人的控制装置，其特征在于，获取单元基于由安装在连续体机器人上的摄像装置获得的图像信息来获得扭转量。
3.根据权利要求2所述的用于连续体机器人的控制装置，其特征在于，获取单元基于所述图像信息和与插入有连续体机器人的路径有关的结构信息来获得扭转量。
4.根据权利要求2所述的用于连续体机器人的控制装置，其特征在于，
连续体机器人具有标记，
摄像装置对包括所述标记的区域进行摄像，并且
获取单元基于所述图像信息中包含的所述标记的位置来获得扭转量。
5.根据权利要求2所述的用于连续体机器人的控制装置，其特征在于，获取单元基于由摄像装置获得的图像信息和由与摄像装置不同的其他摄像装置获得的其他图像信息来获得扭转量。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的用于连续体机器人的控制装置，其特征在于还包括存储单元，所述存储单元将所述图像信息和关于连续体机器人在预定方向上的坐标信息相互关联地存储，所述坐标信息是由检测装置检测到的。
7.根据权利要求6所述的用于连续体机器人的控制装置，其特征在于，当连续体机器人在插入有连续体机器人的路径中向前移动时，所述存储单元将在路径的多个位置处的所述图像信息和所述坐标信息相互关联地存储。
8.根据权利要求7所述的用于连续体机器人的控制装置，其特征在于，当连续体机器人在路径中向后移动时，获取单元使用存储在所述存储单元中的所述图像信息当中的与关于路径的各个位置的坐标信息相关联地存储的图像信息，来获取路径的所述各个位置处的扭转量。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的用于连续体机器人的控制装置，其特征在于，设置单元基于扭转量以及所述弯曲部分的弯曲角度和旋转角度来设置所述驱动位移量。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的用于连续体机器人的控制装置，其特征在于，
所述弯曲部分包括：
多根线材，其穿过参考平面延伸；
第一线材引导件，所述多根线材被固定在第一线材引导件中的不同位置处，并且第一线材引导件引导所述多根线材；以及
第二线材引导件，其配设在所述参考平面与第一线材引导件之间，所述多根线材中的预定线材被固定在第二线材引导件中，并且第二线材引导件引导所述多根线材，并且
驱动机构驱动所述多根线材中的至少一部分。
11.一种连续体机器人的控制方法，该连续体机器人包括通过使用驱动机构驱动线材而弯曲的弯曲部分，所述方法的特征在于包括：
获取步骤，获得连续体机器人的扭转量；以及
设置步骤，基于在获取步骤获得的扭转量来设置由驱动机构驱动的线材的驱动位移量。
12.根据权利要求11所述的连续体机器人的控制方法，其特征在于，获取步骤基于由安装在连续体机器人上的摄像装置获得的图像信息来获得扭转量。
13.根据权利要求12所述的连续体机器人的控制方法，其特征在于，获取步骤基于所述图像信息和与插入有连续体机器人的路径有关的结构信息来获得扭转量。
14.根据权利要求12所述的连续体机器人的控制方法，其特征在于，
连续体机器人具有标记，
摄像装置对包括所述标记的区域进行摄像，并且
获取步骤基于所述图像信息中包含的所述标记的位置来获得扭转量。
15.根据权利要求12所述的连续体机器人的控制方法，其特征在于，获取步骤基于由摄像装置获得的所述图像信息和由与摄像装置不同的其他摄像装置获得的其他图像信息来获得扭转量。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的连续体机器人的控制方法，其特征在于还包括存储步骤，将所述图像信息和关于连续体机器人在预定方向上的坐标信息相互关联地存储在存储单元中，所述坐标信息是由检测装置检测到的。
17.根据权利要求16所述的连续体机器人的控制方法，其特征在于，当连续体机器人在插入有连续体机器人的路径中向前移动时，存储步骤将在路径的多个位置处的所述图像信息和所述坐标信息相互关联地存储。
18.根据权利要求17所述的连续体机器人的控制方法，其特征在于，当连续体机器人在路径中向后移动时，获取步骤使用存储在所述存储单元中的所述图像信息当中的与关于路径的各个位置的坐标信息相关联地存储的图像信息，来获取路径的所述各个位置处的扭转量。
19.根据权利要求11至18中的任一项所述的连续体机器人的控制方法，其特征在于，设置步骤基于扭转量以及所述弯曲部分的弯曲角度和旋转角度来设置所述驱动位移量。
20.一种程序，用于使计算机执行根据权利要求11至19中的任一项所述的连续体机器人的控制方法的步骤。
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