JP2005199368A - 微細作業用マスタスレーブツール - Google Patents

Abstract

【課題】対象物に対して微細な作業を施すことが可能であるとともに、操作者のマスタマニピュレータ部に対する動きを瞬時に正確に反映させることができるマスタスレーブマニピュレータを提供する。
【解決手段】マスタスレーブマニピュレータ１は、操作者によって操作されるマスタマニピュレータ部のハウジング内に、スレーブマニピュレータ部のマニピュレーションを実行するシャフト５と、スレーブマニピュレータ部を駆動させるアクチュエータとが収納されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、医療等の分野で使用されるマスタスレーブシステムを利用したマスタスレーブマニピュレータに関するものである。

近年、工学分野におけるマイクロマシン開発、医療分野にけるマイクロ外科手術、科学分野における細胞操作等に、微細作業（いわゆる、マイクロマニピュレーション）技術の応用が積極的に進められており、マイクロマニピュレーションを実行するための手段として、マスタスレーブシステムの開発が行われている。そのようなマスタスレーブシステムとしては、たとえば、特許文献１の如く、多軸を有するマスターとしての遠隔操作装置と、その遠隔操作装置により駆動して生体内部位で処置を行う多軸を有するスレーブとしての医療用マニピュレータと、遠隔操作装置からの操作情報に基づいて対応する医療用マニピュレータの動作を制御する制御手段とを具備したものが知られている。

特開２００１−１３７２５７号公報

しかしながら、特開２００１−１３７２５７号のマスタスレーブシステムによれば、操作者は、モニター画面等により対象物を把握しながら、存在しない対象物に対してマスタマニピュレータ部である遠隔操作装置を操作することになるため、操作に違和感を覚えてしまい、対象物に微細な作業を施すことが困難である。また、かかるマスタスレーブシステムは、多自由度のリンク機構からなる大型のマスターアームを用いているため、操作者のマスタマニピュレータ部に対する動きを瞬時に正確に反映させにくい、という不具合がある。

本発明は、上記従来のマスタスレーブシステムの問題点を解消し、対象物に対して微細な作業を施すことが可能であるとともに、操作者のマスタマニピュレータ部に対する動きを瞬時に正確に反映させることができるマスタスレーブマニピュレータを提供することにある。

かかる本発明のうち、請求項１に記載された発明の構成は、マスタマニピュレータ部とスレーブマニピュレータ部とを有しており、前記マスタマニピュレータ部の操作を介してスレーブマニピュレータ部の駆動を制御するマスタスレーブマニピュレータであって、操作者によって操作されるマスタマニピュレータ部のハウジング内に、スレーブマニピュレータ部のマニピュレーションを実行する動作体と、スレーブマニピュレータ部を駆動させるアクチュエータとが収納されていることにある。

請求項２に記載された発明の構成は、請求項１に記載された発明において、本体を磁気により浮上させた状態に保持するための磁気発生体を有していることにある。

請求項３に記載された発明の構成は、請求項１、または請求項２に記載された発明において、スレーブマニピュレータ部のアクチュエータがボイスコイルモータであることにある。

請求項１に記載されたマスタスレーブマニピュレータは、スレーブマニピュレータ部のマニピュレーションを実行する動作体と、スレーブマニピュレータ部を駆動させるアクチュエータとが同一のハウジング内に収納されているため、操作者が、対象物を目視により確認しながら、マスタマニピュレータ部によりスレーブマニピュレータ部を操作しているという感覚を抱くことなく、単一の道具を操作しているのと同じ感覚で操作することができる。したがって、きわめて微細な作業を直感的に行うことが可能である。

請求項２に記載されたマスタスレーブマニピュレータは、本体を磁気により浮上させた状態に保持するための磁気発生部を有しているため、本体に重力がかからない状態で操作者がマニピュレーションを実行することができるので、操作性が非常に良好である。

請求項３に記載されたマスタスレーブマニピュレータは、スレーブマニピュレータ部のアクチュエータがボイスコイルモータであるため、操作者のマスタマニピュレータ部に対する動きを瞬時にきわめて正確に反映させることができる。

以下、本発明に係るマスタスレーブマニピュレータ（すなわち、微細作業用マスタスレーブツール、以下、単にツールという）について、図面に基づいて詳細に説明する。図１は、鉛直方向の一軸直動駆動機構を有するツールを示したものである。ツール１は、本体２、磁気発生体３、固定台４、制御装置２０によって構成されており、磁気発生体３によって発生させた磁気によって浮上させた本体２を操作することによって、動作体である長尺円柱状のシャフト５の先端で、対象物に対するマニピュレーションを実行するものである。

本体２は、不透明な強化型６ナイロンによって下向きの円錐台形状に形成された下ケース６と、同様の６ナイロンによって円筒形に形成された上ケース７とによって覆われており、上部に５０ｍｍの直径を有する球状の鋼球８が固着されている。なお、本体２の全長（鋼球８の最上部からシャフト５の先端まで）は、約１６０ｍｍであり、約７９１ｇの重量を有している。また、直径（上ケース７の外周）は、約５０ｍｍである。

下ケース６の上部には、アクチュエータであるボイスコイルモータ（以下、ＶＣＭという）９が内蔵されている。ＶＣＭ９は、磁石を内蔵した磁気回路部１０と、実際に力を発生するコイルアッシー１１との二つの部品から構成されている。磁気回路部１０は扁平な中空円柱状に形成されており、その内部を円柱状のコイルアッシー１１が上下動するようになっている。なお、ＶＣＭ９は、制御装置２０を介して外部電源に接続されている。また、コイルアッシー１１の下面には、シャフト５が直交するように固着されている。

一方、下ケース６の下端には、扁平な円柱状の支持体１３が固着されている。支持体１３の中央には、軸受１４が取り付けられており、その軸受１４の内部を、シャフト５が上下にスライド自在に挿通した状態になっている。また、支持体１３には、アルミニウム合金（Ａ２０２４−Ｔ３５１）製で連結丸穴式構造を有する力センサ１５が設置されている。かかる力センサ１５には、水平な孔２１，２１が穿設されており、前側（図１の手前側）から後側（図１の奥側）まで互いに平行に貫通した状態になっている。この力センサ１５は、マスタマニピュレータ部側の力センサとして機能するものであり、孔２１，２１の外側に加わる力を感度良く検知することができる。さらに、シャフト５の基端際には、非接触式の変位センサ１６が設けられており、シャフト５の鉛直方向における変位を正確に検知することができるようになっている。かかる変位センサ１６は、スレーブマニピュレータ部側の変位センサとして機能するものであり、約０．５μｍ（２０ｋＨｚ）の分解能を有している。また、力センサ１５および変位センサ１６は、制御装置２０に接続されている。

また、固定台４のシャフト５の下方に相当する位置には、アルミニウム合金（Ａ２０２４−Ｔ３５１）製で平行平板構造を有する力センサ１７が設置されている。かかる力センサ１７は、スレーブマニピュレータ部側の力センサとして機能するものである。なお、力センサ１７の上面には、マニピュレーションの対象物が載置される（図１では省略されている）。加えて、力センサ１７の外側には、変位センサ（松下電工株式会社製、ＡＮＬ−２３３４Ｃ）１８が設置されている。変位センサ１８は、マスタマニピュレータ部側の変位センサとして機能するものであり、３．５μｍ（３００Ｈｚ）の分解能を有している。かかる固定台４は、基台（図示せず）に強固に固定されており、変位センサ１８が、本体２の鉛直方向（上下方向）における変位（絶対座標系における変位）を正確に検知することができるようになっている。また、力センサ１７および変位センサ１８は、制御装置２０に接続されている。

一方、鋼球８の上方には、磁気発生体３が設置されており、その中央には、電磁石１９が設置されている。電磁石１９の磁芯材料は、磁束密度１．６Ｔ以上（磁化力５０００Ａ／ｍ時）である厚さ０．５ｍｍの電磁鋼帯を長さ７０ｍｍ、幅１０５ｍｍ、中央脚の幅３５ｍｍ、外脚の幅１７．５ｍｍのＥ形形状にしたものを９０枚積層することによって形成されている。さらに、その磁芯材料の中央脚には、直径０．７ｍｍのエナメル線が９００ｔｕｒｎ捲回されている。かかる電磁石１９は、鋼球８との距離が５ｍｍである場合に、出力電流値３Ａで２０Ｎの吸引力を発生させることができるようになっている。また、鋼球８とＶＣＭ９との距離は、駆動の際の磁気の影響を考慮して約３０ｍｍに設定されている。

ツール１は、ハウジング（上ケース７および下ケース６）、磁気発生体３、鋼球８、変位センサ１８、力センサ１５によってマスタマニピュレータ部が構成されており、ＶＣＭ９、シャフト５、変位センサ１６、力センサ１５によってスレーブマニピュレータ部が構成されている。すなわち、マスタマニピュレータ部およびスレーブマニピュレータ部のそれぞれが、力センサおよび変位センサ（位置センサ）を一組ずつ備えている。そして、マスタマニピュレータ部とスレーブマニピュレータ部とが構造的に一体化されている。

かかるツール１を操作することによってマニピュレーションを実行する場合には、磁気発生体３の電磁石１９に電源が供給され、本体２が重力に抗して浮上した状態に保持される。なお、操作者によりツール１に対して鉛直方向の力が作用していない場合には、ツール１には自重と釣り合うように、磁気発生体３により生じた磁力による鉛直上向きの力が作用している。

ツール１を操作する際には、操作者は、本体２の下部に取付けられたマスタマニピュレータ部側の力センサ１５を親指と人差し指で軽く摘み、対象物を上方からのぞき込む姿勢で、本体２を鉛直方向に動かす（変位させる）。操作者が本体２を垂直方向に動かすと、その変位量が、固定台４に内蔵されたマスタマニピュレータ部側の変位センサ１８によって検知される。

マスタマニピュレータ部側の変位センサ１８が本体２の変位量を検知すると、その検知信号が制御装置２０に送信される。制御装置２０は、検知信号を受信すると、本体２の変位量の１／１０だけシャフト５を変位させるように、アクチュエータであるＶＣＭ９に電源を供給する。そのように本体２の変位量に比べて十分に小さい変位量だけ動作体であるシャフト５を変位させることにより、対象物に対するきわめて微細なマニピュレーションが可能となる。

一方、シャフト５が対象物をマニピュレートする際に加わる力が、スレーブマニピュレータ部側の力センサー１７によって検知される。力センサ１７が対象物に加わる力を検知すると、その検知信号が制御装置２０に送信される。制御装置２０は、検知信号を受信すると、対象物に加わる力の１０倍の力が本体２に鉛直上向きに加わるように、磁気発生体３の電磁石１９に供給する電力を変化させる（増加させる）。そのような実際に対象物に加わった力を増幅させてマスタマニピュレータ部側に伝達することによって、操作者は、きわめて微細なマニピュレーションであっても、その感触を認識することが可能となる。

ツール１は、上述の如く、操作者によって操作されるマスタマニピュレータ部のハウジング（上ケース７および下ケース６）内に、スレーブマニピュレータ部のマニピュレーションを実行する動作体（シャフト５）と、スレーブマニピュレータ部を駆動させるアクチュエータとが収納されているため（すなわち、マスタマニピュレータ部とスレーブマニピュレータ部とが構造的に一体化されているため）、操作者が、対象物を目視により確認しながら、マスタマニピュレータ部によりスレーブマニピュレータ部を操作しているという感覚を抱くことなく、単一の道具を操作しているのと同じ感覚で操作することができる。したがって、きわめて微細な作業を直感的に行うことが可能である。

また、ツール１は、本体２を磁気により浮上させた状態に保持するための磁気発生体３を有しているため、操作者が本体２を把持してマニピュレーションを実行する際に、本体２に重力がかからないので、操作性が非常に良好である。

さらに、ツール１は、スレーブマニピュレータ部のアクチュエータがＶＣＭ９であるため、マスタマニピュレータ部の作動を短時間の内にきわめて正確にスレーブマニピュレータ部に反映させることができる。

（６）本発明の変更例の説明
なお、本発明のツールの構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、本体、磁気発生体、動作体、ハウジング、鋼球、アクチュエータ、固定台等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

たとえば、スレーブ用の力センサの設置位置は、上記実施形態の如く、固定台に限定されず、ＶＣＭとシャフトとの間等の任意の位置に変更することも可能である。また、アクチュエータもＶＣＭに限定されず、他のアクチュエータを用いることも可能である。さらに、上記実施形態においては、本体および動作体が垂直一軸方向に動作した場合にのみ変位および力を検知するツールについて説明したが、本発明のツールは、本体や動作体が垂直一軸方向以外に動作した場合についても変位や力を検知するものに応用、変更することも可能である。加えて、上記実施形態においては、マスタマニピュレータ部の検知した変位量の１／１０だけスレーブマニピュレータ部の動作体を変位させるとともに、スレーブマニピュレータ部の検知した力の１０倍の力をマスタマニピュレータ部に加えるツールについて説明したが、マスタマニピュレータ部からスレーブマニピュレータ部に変位を伝達する際の比率や、スレーブマニピュレータ部からマスタマニピュレータ部に力を伝達する際の比率は、任意に変更することが可能である。

本発明のツールは、医療分野等におけるマイクロマニピュレーション用のマニピュレータとして好適に用いることができる。

ツールの内部を示す説明図である。

符号の説明

１・・ツール、２・・本体、３・・磁気発生体、５・・シャフト（動作体）、６・・下ケース、７・・上ケース、８・・鋼球、９・・ＶＣＭ、１９・・電磁石。

Claims (3)

1. マスタマニピュレータ部とスレーブマニピュレータ部とを有しており、前記マスタマニピュレータ部の操作を介してスレーブマニピュレータ部の駆動を制御するマスタスレーブマニピュレータであって、
   操作者によって操作されるマスタマニピュレータ部のハウジング内に、スレーブマニピュレータ部のマニピュレーションを実行する動作体と、スレーブマニピュレータ部を駆動させるアクチュエータとが収納されていることを特徴とするマスタスレーブマニピュレータ。
2. 本体を磁気により浮上させた状態に保持するための磁気発生体を有していることを特徴とする請求項１に記載のマスタスレーブマニピュレータ。
3. スレーブマニピュレータ部のアクチュエータがボイスコイルモータであることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載のマスタスレーブマニピュレータ。

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