JP2002287613A - 操作訓練用装置 - Google Patents
操作訓練用装置Info
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Abstract
る操作訓練用装置を提供する。 【解決手段】 操作部27及び当該操作部27の操作に
よって従動操作される従動操作部31を備えた操作訓練
用具5と、複数のリンクを接続し自由端に前記操作訓練
用具5を支持した多関節機構3と、基部側のリンクに対
する先端側のリンクの移動を検出すべく上記多関節機構
3における各関節部に設けられたセンサと、上記各セン
サの検出データに基いて前記操作訓練用具5の所望位置
を表示部67に表示するためのデータ処理を行うデータ
処理部65と、を備え、操作訓練用具5は、バー部材2
5の基部側に操作部としてのグリップ部を備え先端側に
従動操作部としての開閉部を備えた鉗子であり、前記バ
ー部材25の軸心回りに回動可能に支持されている。
Description
り、さらに詳細には、外科医の手術訓練等に有効な操作
訓練用装置であって、かつ操作訓練結果の操作熟練度合
を定量的に評価可能の操作訓練用装置に関する。
大きく開腹せずに小さな複数の穴から鉗子を挿入して腹
腔鏡下で行われている。この手術は低侵襲手術と言わ
れ、傷が小さく痛みが少なく、しかも回復が早いので、
患者の負担が小さくかつ早期退院が可能なことから、現
在普及しつつある。しかし、上述のごとき手術は外科医
に高度の技術が要求されるので、どこでも誰もが行い得
る手術ではない。
術訓練用の操作訓練用装置101を用いて手術の訓練を
行っていた。すなわち、上記操作訓練用装置101は、
複数の脚部103によって支持された透明で水平なアク
リル板105を備え、このアクリル板105の適宜複数
箇所に設けた穴部107にトラカール109を介して鉗
子111を支持した構成である。
に、例えば胃などの術部を模擬したスポンジなどの模擬
臓器113を配置し、前記鉗子111の基部に備えたグ
リップ部115を把持して把持用レバー115Lを操作
し、鉗子111の先端部に開閉自在に備えたグリッパ1
17の開閉操作を行い、このグリッパ117によって針
や糸を把持して縫合、結紮等を、前記アクリル板115
の中央部に備えた内視鏡カメラ119の画像を見ながら
訓練するものであった。
操作訓練用装置においては、感覚的に鉗子の操作に慣れ
るものの、訓練者の操作がどの位上達したかを知ること
が出来ないという問題があると共に、例えば熟練した外
科医の操作との相違を把握することができず、熟練する
まで時間がかかる等の問題がある。
態を例えばビデオ撮影して操作を評価することもできる
が、この評価も感覚的なものであって定量的に評価でき
るものではない。
ては、鉗子の特徴点などにマーカを貼付け、上記マーカ
をカメラにより撮影し画像処理することも可能である
が、前記マーカがカメラの死角に入ると撮影することが
できないという問題がある。さらに、バーチャルリアリ
ティ(VR)を用いた手術訓練装置の研究も行われてい
るが、鉗子を実際に操作するものではなく、鉗子の把持
部を模擬した把持部を操作するものであり、その操作対
象はコンピュータによってグラフィカルに表示されたコ
ンピュータグラフイック(CG)であって、現実感に乏
しいという問題がある。
従来の問題に鑑みてなされたもので、請求項1に係る発
明は、操作部及び当該操作部の操作によって従動操作さ
れる従動操作部を備えた操作訓練用具と、複数のリンク
を接続し自由端に前記操作訓練用具を支持した多関節機
構と、基部側のリンクに対する先端側のリンクの移動を
検出すべく前記多関節機構における各関節部に設けられ
たセンサと、前記各センサの検出データに基いて前記操
作訓練用具の所望位置を表示部に表示するためのデータ
処理を行うデータ処理部と、を備えた構成である。
操作訓練用装置において、前記操作訓練用具はバー部材
を備えた鉗子であり、前記バー部材の基部側に操作部と
してのグリップ部を備え先端側に従動操作部としての開
閉部を備えてなり、前記バー部材は当該バー部材の軸心
回りに回動可能に支持されている構成である。
記載の操作訓練用装置において、前記多関節機構におけ
る各関節部にアクチュエータを備えると共に前記各アク
チュエータを制御する制御用コントローラを備え、かつ
各センサの検出データと基準データとを比較した結果に
基いて前記各アクチュエータに負荷信号を出力するため
の比較演算部を備えた構成である。
記載の操作訓練用装置において、前記データ処理部は、
各センサの検出データに基いて前記操作訓練用具の位置
姿勢を演算する演算機能を有し、この演算結果に基いて
表示部に前記操作訓練用具の位置姿勢をグラフ表示ある
いはアニメーション表示する構成である。
記載の操作訓練用装置において、操作部に、従動操作部
の操作状態を検出するためのセンサを備えた構成であ
る。
形態について説明するに、図1には本発明の実施の形態
に係る操作訓練用装置1の全体的構成が概念的、概略的
に示されている。
は、複数のリンクを接続した多関節機構3における自由
端に操作訓練用具5を備えた構成である。
7に矢印A方向へ水平に回動可能に支持された旋回台9
を備えており、この旋回台9には、旋回台9の軸心に対
して直交する軸心Pの回りに矢印B方向へ回動自在の第
1関節部11を介して第1リンク13の基部が支持され
ている。この第1リンク13の先端には、上記軸心Pと
平行な軸心Qの回りに矢印C方向へ回動自在の第2関節
部15を介して第2リンク17の基部が支持されてお
り、この第2リンク17の先端部には、リスト部材19
が第2リンク17の軸心を中心として矢印D方向へ回動
自在に支持されている。そして、上記リスト部材19の
先端部には、当該リスト部材19の軸心に対して直交す
る軸心Rの回りに矢印E方向へ回動自在の第3関節部2
1を介してハンド部材(保持部材)23が支持されてお
り、このハンド部材23に前記操作訓練用具5が回転自
在に支持されている。
としての架台7に対する先端側としての旋回台9の回動
移動を検出するためのロータリエンコーダ等のごとき適
宜のセンサ(図示省略)が設けられている。したがっ
て、架台7の基準位置に対する旋回台9の回動量(移動
量)及び回動速度(移動速度)を検出することができ
る。
しての旋回台9の基準位置に対する先端側としての第1
リンク13の回動量を検出するためのセンサが設けてあ
り、第2関節部15には基部側としての第1リンク13
の基準位置に対する先端側としての第2リンク17の回
動量を検出するためのセンサが設けられている。また、
第2リンク17とリスト部材19との間には基部側とし
ての第2リンク17の基準位置に対する先端側としての
リスト部材19の回動量を検出するためのセンサが設け
られており、前記第3関節部21には基部側としてのリ
スト部材19の基準位置に対する先端側としてのハンド
部材23の回動量を検出するためのセンサが設けられて
いる。さらに、前記ハンド部材23と前記操作訓練用具
5との間には、基部側としてのハンド部材23の基準位
置に対する先端側としての操作訓練用具5の矢印F方向
の回動量を検出するためのセンサが設けられている。
の基準位置に対する先端側の移動を検出し、この各検出
データを適宜に処理することにより、前記操作訓練用具
5の位置及び姿勢を求めることができるものである。す
なわち、前記旋回台9,第1,第2リンク13,17,
リスト部材19,ハンド部材23の寸法及びハンド部材
23に対する操作訓練用具5の取付位置データは予め知
ることができるので、これらのデータと前記各センサの
検出データに基いて多関節機構3における各関節部の位
置,姿勢等を順運動学的に演算でき、前記操作訓練用具
5の姿勢や先端位置等も同様に演算により算出すること
ができる。
と同様の鉗子であって、長いパイプ状のバー部材25の
基部側に操作部としてのグリップ部27を備え、このバ
ー部材25の先端部には、前記グリップ部27に近接し
て備えた操作レバー29を操作することによって開閉作
動されるグリッパ31が開閉部として備えられている。
換言すると、上記グリッパ31は、操作部としての前記
グリップ部27の操作レバー29を操作することによっ
て従動的に開閉作動するものであって従動操作部を構成
するものである。なお、鉗子を操作訓練用具としたが、
上記操作訓練用具としては、他に挟み鉗子,持針器等実
際の手術に使用される医療機器であることが望ましい。
9の操作を検出するためのセンサ33が設けられてい
る。したがって、上記センサ33によって操作レバー2
9が引かれたときや把持を開放されたときを検出するこ
とができ、操作訓練用具5がどのような位置,姿勢にあ
るときにグリッパ31の開閉操作が行われたかを知るこ
とができる。
25を支持する構成としては、図2(A)に示すよう
に、ハンド部材23に貫通穴35を設け、この貫通穴3
5に回転自在に嵌合したスリーブ37に前記バー部材2
5を挿入し、ハンド部材23から前記グリッパ31まで
の寸法を調節した後に、止めねじ39によって一体的に
固定する構成とすることができる。なお上記スリーブ3
7の先端部には貫通穴35からの抜け止め用のストッパ
41が取付けてあると共に、上記スリーブ37には、ハ
ンド部材23の基準位置に対するスリーブ37の回転を
検出するためのロータリエンコーダ等のごとき位置検出
用のセンサ(図示省略)が設けられている。
たときの動作を再現するために、また基準的な操作時に
おける作動に対して前記操作訓練用装置1の操作時の動
作が許容値以上にずれた動作である場合に各動作部に負
荷を付与するために、前記架台7と旋回台9との間,第
1,第2,第3の関節部11,15,21及び第2リン
ク17とリスト部材19との間並びにハンド部材23に
備えたスリーブ37の部分に、例えばサーボモータ等の
ごとき適宜のアクチュエータを設けることが望ましい。
材23を支持する構成としては、図2(B)に示すごと
き構成とすることも可能である。すなわち、リスト部材
19の先端部にL字形状のブラケット19Bを一体的に
取付け、このブラケット19Bの先端部に、前記リスト
部材19の軸心に対して直交する方向の回転軸20Sを
備えたアクチュエータ20を装着する。そして、上記回
転軸20Sの先端部に、前記バー部材25を回転自在に
支持した保持部材(ハンド部材)23の軸心が前記回転
軸20Sの軸心に対して直交するように取付けるもので
ある。この場合、前記リスト部材19の軸心の延長部と
前記回転軸20Sの軸心の延長部と前記バー部材25の
軸心とが一点で交差する構成としてある。
としてのブラケット19Bの基準位置に対する先端側と
してのハンド部材23の回動量を検出するロータリーエ
ンコーダ等のごとき適宜のセンサ(図示省略)を備えて
いる。
D´方向の回転軸心とハンド部材23の矢印E´方向の
回転軸心とバー部材25の矢印F´方向の回転軸心とが
一点Mで交差した構成であることにより、バー部材25
の姿勢や所望位置を演算するための演算量が低減すると
共に自由度が大きくなり動作範囲も広くなるものであ
る。
における旋回台9、第1リンク13及び第2リンク17
の動作(矢印A,B,C方向の回動動作)によって決ま
る位置であって、前記矢印D´,E´,F´,の回動動作
によって変動するものではない。よって、前記交差点M
を回動中心としてバー部材25の姿勢を様々変更したと
きの姿勢等の演算がより容易になるものである。
前記第2関節部15に設けた場合について例示すると、
図3に示すように、第2関節部15においては基部側に
属する第1リンク13に、位置・速度検出用のセンサの
1例としてのロータリエンコーダ43,サーボモータ4
5,減速機47及び電磁ブレーキ49を備えた構成のア
クチュエータ51を装着し、このアクチュエータ51に
おける回転自在な出力軸53に、先端側に属する前記第
2リンク17の基部をキー55,止めねじ57を介して
一体的に固定する。
第2リンク17を回動すると、第1リンク13に対する
第2リンク17の回動位置はロータリエンコーダ43に
よって検出することができる。また、上述のごとく第1
リンク13に対して第2リンク17を回動した後、電磁
ブレーキ49により任意の位置で保持することができ
る。さらに、サーボモータ45を制御回転することによ
り、第1リンク13に対して第2リンク17を自動的に
回動するや操作者に負荷を感じされることができる。
1,第2リンク13,17,リスト部材19,ハンド部
材23及び操作訓練用具5がそれぞれ初期の基準位置に
あるとき、上記操作訓練用具5のグリップ部27を把持
してグリッパ31を所望位置へ移動し開閉操作し、通常
の手術同様に内臓などを模擬したスポンジに対して縫合
や結紮などの練習を行うと、旋回台9は架台7に対して
矢印A方向に回動され、その回動位置は当該部分に備え
たロータリエンコーダ等のごときセンサによって検出さ
れる。
回動されると共に第1リンク13に対して第2リンク1
7が回動され、かつ第1リンク13に対してリスト部材
19が回動され、さらにリスト部材19に対してハンド
部材23が回動されると共にハンド部材23に対してバ
ー部材25が回動されることになる。前記旋回台9に対
する第1リンク13の移動位置(回動位置)は第1関節
部11に備えたセンサによって検出され、第1リンク1
3に対する第2リンク17の移動位置は第2関節部15
に備えたセンサによって検出される。
の接続部における基部側に対する先端側のリンク等の移
動位置等は各関節部に備えた各センサS(図4には1個
のみ図示)によって検出され、各センサSの検出データ
は制御用コントローラ59における第1メモリ61に格
納される。上記制御用コントローラ59は中央処理装置
を備えたコンピュータよりなるものであって、前記第1
メモリ61にはサンプリング時間毎に検出された各セン
サSの検出データ及びこの検出データと関連付けて操作
レバー29の操作を検出した前記センサ33の検出デー
タが格納されるものである。
準となる基準データを格納した第2メモリ63を備えて
いる。すなわち第2メモリ63は、例えば熟練した外科
医が前記操作訓練用装置1を操作したときの各センサS
の検出データを基準データとして格納してある。
1,第2のメモリ61,63に格納されたデータを所望
のデータにデータ処理するデータ処理部65を備えてい
る。上記データ処理部65は、前記旋回台9,第1,第
2リンク13,17,リスト部材19及びハンド部材2
3の既知の形状,寸法データ及び操作訓練用具5の既知
の形状,寸法データ並びに前記第1メモリ61又は第2
メモリ63に格納されたデータに基いて、表示部67に
前記操作訓練用具5の位置姿勢を例えばアニメーション
表示するように演算処理するものである。
具5の姿勢の変化とグリッパ31の移動軌跡を連続的に
表示することができる。したがって、また時間経過と各
関節部の変化状態などを知ることができ、操作訓練用具
5の操作の習熟度合を評価できるようになる。
で操作訓練用具5を交互に操作した場合には、各人が操
作したときの各関節部における各センサの検出データを
前記第1メモリ61に個別に格納し、例えばグリッパ3
1の移動軌跡等をそれぞれ演算して、図6に示すよう
に、A,B,C,Dの各人毎に表示することにより、各
操作者の操作の相違を比較することができる。この場
合、第2メモリ63に格納されているデータに基いてグ
リッパ31の移動軌跡等をも同時に表示することによ
り、熟練者の操作に対する各人毎の習熟度合を比較して
定量的に知ることができることになる。
回練習したときの操作軌跡等を操作順毎に区別できるよ
うに表示することも可能である。この場合には操作訓練
を繰り返したことにより操作が向上したか否かを知るこ
とができる。なお、この場合にも第2メモリに格納され
ているデータに基いて熟練者の場合の操作軌跡等をも同
時に表示することにより、熟練者との比較を定量的に行
って習熟度合を知ることができる。
リ61または第2メモリ63に格納されたデータを基に
して前記操作訓練用具5の動作を再現すべく演算処理機
能を有するものであって、この場合の演算結果のデータ
は各アクチュエータ51に対応した各アクチュエータ駆
動用ドライバ69へ出力され、この各アクチュエータ駆
動用ドライバ69によって各アクチュエータ51を駆動
制御することによって、第1メモリ61又は第2メモリ
63に格納されたデータに基いて再現動作されることに
なる。
を再現動作することができると共に熟練者が操作した場
合の操作状態を再現動作することができ、この際の再現
動作を比較することにより、訓練者の習熟度を知ること
ができることになる。
較演算部71が備えられている。この比較演算部71
は、前記操作訓練用装置1の操作時に、多関節機構3に
おける各関節部の各センサの検出データと前記第2メモ
リ63に格納されている各関節部の基準データとを比較
して、その差の絶対値が許容値以上である場合に、差が
許容値以上となったセンサに対応したアクチュエータ5
1に対してトルク信号(負荷信号)を出力して前記差の
大きさに対応するように制御して負荷を付与するもので
ある。
用装置1の操作時に、各アクチュエータ51の発生トル
クにより、基準動作或は基準操作に対比して動作或は操
作がずれている程度を感じ知ることができる。よって、
上記負荷が小さくなるように操作訓練用装置1を操作練
習することにより習熟度合の向上を図ることができるも
のである。
部67に表示し、この操作軌跡に倣うように操作訓練用
装置1の操作を練習することにより、手術等の訓練を効
果的に行うことができる。
るものではなく、適宜の変更を行なうことにより、その
他の態様でも実施可能である。すなわち、前記説明にお
いては、操作訓練用具として鉗子の場合について説明し
たが、鉗子に限ることなくその他の適宜の操作用具であ
っても良いものである。
に、請求項1にかかる発明は、操作部及び当該操作部の
操作によって従動操作される従動操作部を備えた操作訓
練用具と、複数のリンクを接続し自由端に前記操作訓練
用具を支持した多関節機構と、基部側のリンクに対する
先端側のリンクの移動を検出すべく前記多関節機構にお
ける各関節部に設けられたセンサと、前記各センサの検
出データに基いて前記操作訓練用具の所望位置を表示部
に表示するためのデータ処理を行うデータ処理部と、を
備えた構成であるから、操作部を把持して操作訓練用具
を操作すると、多関節機構における各関節部に設けた各
センサが基部側のリンクに対する先端側のリンクの移動
を検出できる。したがって、各関節部における各センサ
の検出データに基いて、データ処理を行うことにより前
記操作訓練用具の従動操作部など所望位置を、所望の表
示方法によって表示部に表示することができる。よっ
て、操作訓練用具を操作したときの操作状態等を知るこ
とができ、操作の習熟度を知り向上を図ることができる
ものである。
操作訓練用装置において、前記操作訓練用具はバー部材
を備えた鉗子であり、前記バー部材の基部側に操作部と
してのグリップ部を備え先端側に従動操作部としての開
閉部を備えてなり、前記バー部材は当該バー部材の軸心
回りに回動可能に支持されているものであるから、請求
項1に記載の発明と同一の効果を奏し得ると共に、鉗子
を使用しての手術訓練を行うことができると共に、鉗子
の回転の動作範囲を広く取ることができる。
記載の操作訓練用装置において、前記多関節機構におけ
る各関節部にアクチュエータを備えると共に前記各アク
チュエータを制御する制御用コントローラを備え、かつ
各センサの検出データと基準データとを比較した結果に
基いて前記各アクチュエータに負荷信号を出力するため
の比較演算部を備えた構成であるから、請求項1又は2
に記載の発明と同一の効果を奏し得ると共に、操作訓練
時に基準データを得る場合の操作からずれた操作を行う
と負荷として感じることができ、この負荷を少なくする
ように操作することにより、操作の習熟の向上を図るこ
とができる。
記載の操作訓練用装置において、前記データ処理部は、
各センサの検出データに基いて前記操作訓練用具の位置
姿勢を演算する演算機能を有し、この演算結果に基いて
表示部に前記操作訓練用具の位置姿勢をグラフ表示ある
いはアニメーション表示するものであるから、請求項1
又は2に記載の発明と同一の効果を奏し得ると共に、表
示部の表示を見ることにより訓練の習熟度合を知ること
ができると共に操作時の問題点も知ることができ、操作
訓練の習熟を促進することができる。
記載の操作訓練用装置において、操作部に、従動操作部
の操作状態を検出するためのセンサを備えた構成である
から、請求項1又は2に記載の発明と同一の効果を奏し
得ると共に、操作訓練用具のどのような位置,姿勢のと
きに従動操作部の操作を行ったかを知ることができ、よ
り詳細に操作を評価することができる。
体的構成を概念的,概略的に示した作用説明図である。
説明図である。
明図である。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 操作部及び当該操作部の操作によって従
動操作される従動操作部を備えた操作訓練用具と、複数
のリンクを接続し自由端に前記操作訓練用具を支持した
多関節機構と、基部側のリンクに対する先端側のリンク
の移動を検出すべく前記多関節機構における各関節部に
設けられたセンサと、前記各センサの検出データに基い
て前記操作訓練用具の所望位置を表示部に表示するため
のデータ処理を行うデータ処理部と、を備えたことを特
徴とする操作訓練用装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の操作訓練用装置におい
て、前記操作訓練用具はバー部材を備えた鉗子であり、
前記バー部材の基部側に操作部としてのグリップ部を備
え先端側に従動操作部としての開閉部を備えてなり、前
記バー部材は当該バー部材の軸心回りに回動可能に支持
されていることを特徴とする操作訓練用装置。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載の操作訓練用装置
において、前記多関節機構における各関節部にアクチュ
エータを備えると共に前記各アクチュエータを制御する
制御用コントローラを備え、かつ各センサの検出データ
と基準データとを比較した結果に基いて前記各アクチュ
エータに負荷信号を出力するための比較演算部を備えた
ことを特徴とする操作訓練用装置。 - 【請求項4】 請求項1又は2に記載の操作訓練用装置
において、前記データ処理部は、各センサの検出データ
に基いて前記操作訓練用具の位置姿勢を演算する演算機
能を有し、この演算結果に基いて表示部に前記操作訓練
用具の位置姿勢をグラフ表示あるいはアニメーション表
示することを特徴とする操作訓練用装置。 - 【請求項5】 請求項1又は2に記載の操作訓練用装置
において、操作部に、従動操作部の操作状態を検出する
ためのセンサを備えたことを特徴とする操作訓練用装
置。
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