JP2006043349A - Operation support apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、手術器具を支持し関節部を有するマニピュレータと、上記マニピュレータを遠隔から操作する操作器とを備えたマスタスレーブ方式の手術支援装置に関するものである。 The present invention relates to a master-slave type surgery support apparatus including a manipulator that supports a surgical instrument and has a joint, and an operating device that remotely operates the manipulator.
従来の手術支援装置は、患者の体表面を切開した穴から体内へ挿入するための手術器具、それを支持するためのロボットアーム、及び術者が手術器具とロボットアームとを操作するための操作器を備えている。このような手術支援装置では、患者に対して低侵襲の手術を行うことが可能である(例えば、特許文献1参照)。
また、このロボットアームの操作性を向上させるため、手術器具部分の負荷力を検出する方法に関して幾つかの案が発表されている。
A conventional surgical support apparatus includes a surgical instrument for inserting a patient's body surface into a body through an incised hole, a robot arm for supporting the surgical instrument, and an operation for an operator to operate the surgical instrument and the robot arm. Equipped with a bowl. With such a surgery support device, it is possible to perform a minimally invasive surgery on a patient (see, for example, Patent Document 1).
In order to improve the operability of the robot arm, several proposals have been published regarding a method for detecting the load force of the surgical instrument portion.
しかし、上記のような従来の手術支援装置では、手術器具全体としての負荷力しか検出できず、結糸縫合等のような細かな作業を行う場合に必要な、各部位、即ち各駆動部の負荷力のみを分離して検出することができないという問題があった。これに対し、ワイヤや棒による動力伝達を利用した負荷力検出手段も検討されてはいるが、摩擦等による負荷力検出への雑音が大きく、実用化するには解決するべき課題が多い。 However, the conventional surgery support apparatus as described above can only detect the load force of the entire surgical instrument, and is necessary for each part, that is, each drive unit necessary for performing a fine work such as suture suture. There was a problem that only the load force could not be detected separately. On the other hand, although a load force detecting means using power transmission by a wire or a rod has been studied, there are many problems to be solved for practical use because of a large noise in detecting a load force due to friction or the like.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、各駆動部の負荷をより正確かつ速やかに操作器にフィードバックすることができ、操作性を向上させることができる手術支援装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is capable of feeding back the load of each drive unit to the operating device more accurately and quickly, and can improve the operability. The object is to obtain a device.
この発明に係る手術支援装置は、マニピュレータ駆動機構を有し手術器具を支持するマニピュレータと、マニピュレータ駆動機構に対応した関節部を有しマニピュレータを遠隔から操作する操作器とを備え、マニピュレータ駆動機構には、ダイレクトドライブ方式のスレーブ側モータが設けられており、操作器の上記関節部には、ダイレクトドライブ方式のマスタ側モータが設けられており、操作器がマニピュレータからの力覚フィードバックを受けるように制御される。 A surgical operation support apparatus according to the present invention includes a manipulator that has a manipulator drive mechanism and supports a surgical instrument, and an operating device that has a joint portion corresponding to the manipulator drive mechanism and that remotely operates the manipulator. Is provided with a direct drive type slave side motor, and a direct drive type master side motor is provided at the joint part of the operating unit so that the operating unit receives force feedback from the manipulator. Be controlled.
この発明の手術支援装置は、マニピュレータ駆動機構には、ダイレクトドライブ方式のスレーブ側モータが設けられており、操作器の上記関節部には、ダイレクトドライブ方式のマスタ側モータが設けられており、操作器がマニピュレータからの力覚フィードバックを受けるように制御されるので、各駆動部の負荷をより正確かつ速やかに操作器にフィードバックすることができ、操作性を向上させることができる。 In the surgery support apparatus of the present invention, the manipulator drive mechanism is provided with a direct drive type slave side motor, and the joint part of the operating device is provided with a direct drive type master side motor. Since the device is controlled to receive force feedback from the manipulator, the load of each drive unit can be fed back to the operating device more accurately and quickly, and the operability can be improved.
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態の一例による手術支援装置を示す構成図である。マスタ側の操作器1は、術者2により操作される。スレーブ側のマニピュレータ3は、操作器1からの動作指令を受けて駆動される。これにより、患者4の体内において手術手技が行われる。このとき、患者情報が操作器1を通して術者2にフィードバックされる。このフィードバック情報を基に、術者2は次の動作を入力することができる。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing a surgery support apparatus according to an example of an embodiment of the present invention. The operating device 1 on the master side is operated by the operator 2. The
図2は図1の手術支援装置を示すブロック図である。操作器1には、操作入力部5、マスタ側モータ6、マスタ側エンコーダ7、マスタ側モータ制御部8、全体制御部9、患者情報伝達手段としてのディスプレイ10、及びマスタ側通信デバイス11が設けられている。
FIG. 2 is a block diagram showing the surgery support apparatus of FIG. The operation device 1 includes an
術者2による入力操作は、操作入力部5に対して行われる。操作入力部5は、マニピュレータ3の関節部に対応した関節部を有している。操作入力部5の関節部の位置変化は、マスタ側エンコーダ7により検出される。マスタ側エンコーダ7で検出された関節部の位置変化は、マスタ側モータ制御部8を通して、入力情報として全体制御部9に入力される。全体制御部9では、入力情報に基づいて動作指令が生成される。動作指令は、マスタ側通信デバイス11からマニピュレータ3へ出力される。
An input operation by the surgeon 2 is performed on the
また、マニピュレータ3からのフィードバック情報(反力情報及び画像情報等)は、マスタ側通信デバイス11を介して全体制御部9に入力される。そして、フィードバック情報のうちの反力情報は、全体制御部9からマスタ側モータ制御部8に入力される。これにより、マスタ側モータ制御部8によりマスタ側モータ6が駆動制御され、操作入力部5の対応する関節部にトルク(反力)が与えられる。
Further, feedback information (such as reaction force information and image information) from the
さらに、フィードバック情報のうちの画像情報は、全体制御部9からディスプレイ10に入力される。これにより、ディスプレイ10には、手術中の患部の映像等が映し出される。
Further, the image information in the feedback information is input from the
マニピュレータ3には、スレーブ側通信デバイス12、スレーブ側モータ制御部13、スレーブ側モータ14、スレーブ側エンコーダ15及び手術器具である鉗子16が設けられている。
The
マスタ側通信デバイス11との信号の送受信(有線又は無線)は、スレーブ側通信デバイス12により行われる。操作器1からの動作指令は、スレーブ側通信デバイス12を介してスレーブ側モータ制御部13に入力される。これにより、スレーブ側モータ制御部13によりスレーブ側モータ14が駆動制御される。スレーブ側モータ14の駆動量は、スレーブ側エンコーダ15により検出される。また、スレーブ側モータ14の駆動により、鉗子16の対応する関節部にトルクが与えられ、鉗子16により患者4に対して手術手技が行われる。
Signal transmission / reception (wired or wireless) to / from the master
手術手技を行う際、鉗子16は患者4から反力を受ける。この反力は、外力としてスレーブ側エンコーダ15に与えられる。スレーブ側エンコーダ15で検出された反力・移動量の情報は、スレーブ側モータ制御部13及びスレーブ側通信デバイス12を介して操作器1に送られる。また、鉗子16は内視鏡等により画像情報を取得可能になっており、鉗子16で取得された画像情報は、スレーブ側通信デバイス12を介して操作器1に送られる。
When performing a surgical procedure, the
図3は図1のマニピュレータ3の要部を示す斜視図である。第1ないし第4スレーブアーム部材17〜20は、直列に連結されている。互いに隣接するスレーブアーム部材17〜20間には、マニピュレータ駆動機構21が設けられている。第4スレーブアーム部材20には、マニピュレータ駆動機構21を介して一対の鉗子16が連結されている。即ち、マニピュレータ駆動機構21は、マニピュレータ3の関節部に設けられている。このような構成により、患者4の体内での複雑な動作が可能となっている。
FIG. 3 is a perspective view showing a main part of the
次に、マニピュレータ駆動機構21の具体的な構造について説明する。以下の例では、一例として第3スレーブアーム部材19と第4スレーブアーム部材20との間のマニピュレータ駆動機構21について示すが、他の位置のマニピュレータ駆動機構21についても同様の構成を適用できるのは勿論である。
Next, a specific structure of the
まず、図4は図3のマニピュレータ駆動機構21の内部構造の第1例を示す斜視図である。スレーブアーム部材19,20は、ベアリング22を介して互いに回転可能に連結されている。即ち、第4スレーブアーム部材20は、第3スレーブアーム部材19に対して、回転方向にのみ駆動することが可能である。
First, FIG. 4 is a perspective view showing a first example of the internal structure of the
スレーブアーム部材19,20は、スレーブ側モータ14により駆動される。スレーブ側モータ14としては、ダイレクトドライブ方式のモータ(DDモータ)が用いられている。スレーブ側モータ14は、第3スレーブアーム部材19に搭載された固定子23と、第4スレーブアーム部材20に搭載された回転子24とを有している。
The
回転子24は、第4スレーブアーム部材20の内側に軸方向に並べて配置された2つの短絡環25,26と、第4スレーブアーム部材20の内壁を覆うように短絡環25,26間に接続された複数の導体27とを有している。
The
固定子23は、回転子24の円周方向に分割された2組の固定子分割片を有している。各固定子分割片は、多相交流を供給されることにより回転磁界を生成する固定子巻線を含んでいる。固定子23は、回転子24と同軸に配置されているとともに、回転子24の内周面に対向するように配置されている。
The
固定子23に回転磁界が発生されると、回転子24の導体27に電圧が励起される。この電圧により導体27に電流が流れ、回転子24にトルクが発生し、第4スレーブアーム部材20が第3スレーブアーム部材19に対して回転される。
When a rotating magnetic field is generated in the
固定子23の分割数は、2つに限定されるものではなく、3つ以上の固定子分割片に分割してもよい。また、固定子23は、分割しなくてもよい。さらに、固定子23を分割した場合は、それぞれの固定子分割片が同一又はほぼ同一で、かつ円周方向に隣り合う固定子分割片間の間隔を等しくした方が、回転子24を速度ムラなく円滑に回転させることが可能である。
The number of divisions of the
また、スレーブ側エンコーダ15は、マニピュレータ駆動機構21に設けられている。さらに、スレーブ側エンコーダ15は、第4スレーブアーム部材20に設けられ第4スレーブアーム部材20と一体に回転される回転板28と、この回転板28に対向するように第3スレーブアーム部材19に設けられたエンコーダ検出部29とを有している。回転板28には、放射状のスリットが円周方向に等間隔に打ち抜かれている。
The
エンコーダ検出部29は、回転板28のスリットを光学的に読み取る。第4スレーブアーム部材20が回転するとき、回転板28も等しく回転するため、スリットの位置が変化する。従って、エンコーダ検出部29は、スリットの位置変化を読み取ることにより、第3スレーブアーム部材19に対する第4スレーブアーム部材20の相対的な回転量を検出する。
The
また、第4スレーブアーム部材20には、ブレーキ装置30が設けられている。ブレーキ装置30は、第3スレーブアーム部材19に対して接離可能な制動部材31と、制動部材31を動作させる積層圧電アクチュエータ32とを有している。積層圧電アクチュエータ32への給電が行われていないときには、制動部材31は第3スレーブアーム部材19に圧接される。
The fourth
また、積層圧電アクチュエータ32に給電すると、電気エネルギーが軸方向の変位に変換され、それに応じて制動部材31が押し広げられて、制動部材31の第3スレーブアーム部材19に対する圧接状態が解除される。これにより、第3スレーブアーム部材19に対する第4スレーブアーム部材20の回転が可能となる。
Further, when the laminated
事故等により給電が行われなくなった場合は、制動部材31が圧接状態へと戻るため、第4スレーブアーム部材20の回転が阻止され、非制御の動作による患者の損傷が防止される。
When power supply is not performed due to an accident or the like, the braking
ベアリング22、スレーブ側モータ14、スレーブ側エンコーダ15及びブレーキ装置30の要素は、スレーブアーム部材19,20の軸方向に沿って直列に配置することが可能である。これらの要素をマニピュレータ駆動機構21の内側に順番に配置することにより、密閉性を損なわずにスレーブアーム部材19,20の形状を管状にすることが可能である。
The elements of the
このように、マニピュレータ駆動機構21の中央には、軸方向に沿って延びる空洞部33が設けられている。この空洞部33には、マニピュレータの密閉性を損なわずに、制御用の配線やモータ冷却用の冷却チューブ(いずれも図示せず)を配置することもできる。
Thus, the
次に、図5は図3のマニピュレータ駆動機構21の内部構造の第2例を示す斜視図である。ここでは、第1例と相違する部分について主に説明する。スレーブ側モータ14としては、ダイレクトドライブ方式のモータ(DDモータ)が用いられている。スレーブ側モータ14は、第3スレーブアーム部材19に搭載された回転子34と、第4スレーブアーム部材20に搭載された固定子35とを有している。
Next, FIG. 5 is a perspective view showing a second example of the internal structure of the
回転子34は、第3スレーブアーム部材19と同軸に配置された径の異なる2つの短絡環36,37と、短絡環36,37間に接続された複数の導体38とを有している。
The
固定子35は、回転子34の円周方向に分割された2組の固定子分割片を有している。各固定子分割片は、多相交流を供給されることにより回転磁界を生成する固定子巻線を含んでいる。固定子35は、回転子34に対向するように配置されている。
The
固定子35に回転磁界が発生されると、回転子34の導体38に電圧が励起される。この電圧により導体38に電流が流れ、回転子34にトルクが発生し、第4スレーブアーム部材20が第3スレーブアーム部材19に対して回転される。
When a rotating magnetic field is generated in the
固定子35の分割数は、2つに限定されるものではなく、3つ以上の固定子分割片に分割してもよい。また、固定子35は、分割しなくてもよい。さらに、固定子35を分割した場合は、それぞれの固定子分割片が同一又はほぼ同一で、かつ円周方向に隣り合う固定子分割片間の間隔を等しくした方が、回転子34を速度ムラなく円滑に回転させることが可能である。
The number of divisions of the
スレーブ側エンコーダ15は、第3スレーブアーム部材19に設けられ第3スレーブアーム部材19と一体に回転される回転板39と、この回転板39に対向するように第4スレーブアーム部材20に設けられたエンコーダ検出部40とを有している。回転板39には、放射状のスリットが円周方向に等間隔に打ち抜かれている。
The slave-
エンコーダ検出部40は、回転板39のスリットを光学的に読み取る。第4スレーブアーム部材20に対して第3スレーブアーム部材19が相対的に回転するとき、回転板39も等しく回転するため、スリットの位置が変化する。従って、エンコーダ検出部40は、スリットの位置変化を読み取ることにより、第4スレーブアーム部材20に対する第3スレーブアーム部材19の相対的な回転量を検出する。
The
図6は図1の操作器1を示す斜視図である。制御部筐体41内には、図2に示したマスタ側モータ制御部8、全体制御部9及びマスタ側通信デバイス11が収容されている。ディスプレイ10は、制御部筐体41上に載置されている。
FIG. 6 is a perspective view showing the operation device 1 of FIG. In the
図7は図6の操作入力部5の要部を分解して示す斜視図である。操作入力部5は、レバー42、ダイアル43、垂直動作部44、第1ないし第3関節部45,46,47を有している。レバー42には、グリップ42aが設けられている。関節部45,46,47は、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸を中心として回転可能になっている。レバー42、ダイアル43、垂直動作部44、関節部45,46,47には、それぞれ図2に示したマスタ側モータ6及びマスタ側エンコーダ7が設けられている。マスタ側モータ6としては、ダイレクトドライブ方式のモータ(DDモータ)が用いられている。操作入力部5は、術者の動作入力を検出するとともに、マニピュレータ3からのフィードバック(反力)を術者に伝達することができる。
FIG. 7 is an exploded perspective view showing a main part of the
次に、この実施の形態における手術支援装置の操作例について説明する。図8は図1の操作器1とマニピュレータ3の初期状態を示す斜視図、図9は図7のレバー42を動かしたときのマニピュレータ3の動きを示す斜視図である。術者がレバー42を握り動かすことにより、関節部45,46,47が三次元的な動きを検出し、マニピュレータ3を動作させる。
Next, an operation example of the surgery support apparatus in this embodiment will be described. 8 is a perspective view showing an initial state of the operating device 1 and the
図10は図7のダイアル43を回したときのマニピュレータ3の動きを示す斜視図である。ダイアル43を回転させることにより、鉗子16の捻り方向への角度が変化される。
FIG. 10 is a perspective view showing the movement of the
図11は図7のレバー42を前後方向に動かしたときのマニピュレータ3の動きを示す斜視図である。レバー42を前後に動かすことにより、垂直動作部44の位置が変化し、鉗子16が前進・後退される。
FIG. 11 is a perspective view showing the movement of the
図12は図7のグリップ42aを開いたときのマニピュレータ3の動きを示す斜視図、図13は図12のレバー42を前進させたときのマニピュレータ3の動きを示す斜視図である。グリップ42aを開くことにより、一対の鉗子16は開状態となる。その状態のままレバー42を前進させることにより、鉗子16を患者体内の病変部48の両側に差し込むことができる。
12 is a perspective view showing the movement of the
図14は図13のグリップ42aを把持したときのマニピュレータ3の動きを示す斜視図である。図13の状態からグリップ42aを把持することにより、鉗子16が閉じられ、病変部48は鉗子16により挟持される。このとき、挟まれた病変部48には鉗子16を押し開こうとする反力が発生するため、グリップ42aとレバー42との間に設けられたマスタ側モータ6には、グリップ42aを開く方向への力が発生し、術者は力覚フィードバック(負荷フィードバック)を受ける。これにより、術者は、ディスプレイ10による映像だけでなく、力覚フィードバックによっても病変部48を把持したことを認識することができる。
FIG. 14 is a perspective view showing the movement of the
図15は図14のレバー42を後退させたときのマニピュレータ3の動きを示す斜視図である。グリップ42aを把持したままレバー42を後退させることにより、鉗子16も病変部48を挟持したまま後退される。このような一連の動作により、術式において病変部48を摘み上げることができる。このとき、病変部48には元の形に戻ろうとする反力が発生するため、垂直動作部44に設けられたマスタ側モータ6には、レバー42を前進させる方向への力が発生し、術者は力覚フィードバック(負荷フィードバック)を受ける。
FIG. 15 is a perspective view showing the movement of the
このような手術支援装置では、特別なセンサを用いずに操作器1に力覚フィードバックを与えることができるので、各駆動部の負荷をより正確かつ速やかに操作器1にフィードバックすることができ、操作性を向上させることができる。また、装置全体の小型化を図ることができる。さらに、マスタ側モータ6及びスレーブ側モータ14としてダイレクトドライブ方式のモータを用いたので、微細な力覚フィードバックが可能となり、手術支援装置に特に適している。
In such a surgical operation support device, force feedback can be given to the operating device 1 without using a special sensor, so that the load of each driving unit can be fed back to the operating device 1 more accurately and quickly. Operability can be improved. In addition, the entire apparatus can be reduced in size. Furthermore, since direct drive type motors are used as the master side motor 6 and the
ここで、スレーブ側からマスタ(術者)側へ動作反力等を伝達する場合、力や速度等に関する何等かのパラメータによって情報を伝達する必要がある。この際、例えば機械的な摩擦など、伝達情報を劣化させる要素(外乱)が存在するため、それを軽減するような制御が実行される。 Here, when an operation reaction force or the like is transmitted from the slave side to the master (operator) side, it is necessary to transmit information by some parameter related to force, speed, or the like. At this time, since there is an element (disturbance) that degrades the transmission information, such as mechanical friction, control is performed to reduce it.
このような制御には、外乱を受けてから、その影響を修正するフィードバック制御と、外乱に関する情報を事前に検知し、外乱の影響を軽減するような修正を事前に加えるフィードフォワード制御とが存在する。 Such control includes feedback control that corrects the influence of the disturbance after it has been affected, and feedforward control that detects information about the disturbance in advance and applies corrections that reduce the influence of the disturbance in advance. To do.
これらのうち、フィードバック制御では、修正動作が後追いとなるため、外乱が生じるとその影響を必ず受けてしまう(最終的には収束するが)という欠点がある。この欠点は、リアルタイム性が重視されるマスタスレーブの反力伝達においては、重大な問題である。 Among these, the feedback control has a drawback that the corrective action is followed, so that a disturbance is surely affected (although it eventually converges). This shortcoming is a serious problem in the master-slave reaction force transmission where real-time characteristics are important.
一方、フィードフォワード制御を行うためには、外乱を事前に検知又は予測する必要がある。アームの動作による遠心力や重心移動等は動作指令を送った段階で計算できるため、事前に予測することができる。これに対して、機械的な摩擦やガタは、予測が難しく、フィードフォワード制御では問題となる。 On the other hand, in order to perform feedforward control, it is necessary to detect or predict a disturbance in advance. Since the centrifugal force and the movement of the center of gravity due to the movement of the arm can be calculated at the stage when the operation command is sent, it can be predicted in advance. On the other hand, mechanical friction and backlash are difficult to predict and cause problems in feedforward control.
力センサ等のアクチュエータとは別の機器を配置することは、ガタを増やす可能性があり、フィードフォワード制御には適していない。これに対して、モータ及びそれと同軸に配置されたエンコーダのみで取得できる要素である速度・加速度が反力伝達のパラメータとしては適している。従って、スレーブ側及びマスタ側モータとして、ダイレクトドライブ方式のモータ(例えば非接触のリニアモータ等)を用い、加速度制御(力センサレス制御)を実行することにより、摩擦を大幅に減らし、より正確な動作反力の伝達が可能となる。 Arranging a device other than an actuator such as a force sensor may increase backlash and is not suitable for feedforward control. On the other hand, speed / acceleration, which is an element that can be obtained only by the motor and the encoder arranged coaxially therewith, is suitable as a parameter for reaction force transmission. Therefore, direct drive motors (eg, non-contact linear motors) are used as the slave and master side motors, and acceleration control (force sensorless control) is executed to greatly reduce friction and more accurate operation. Reaction force can be transmitted.
1 操作器、3 マニピュレータ、6 マスタ側モータ、14 スレーブ側モータ、21 マニピュレータ駆動機構。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Operation device, 3 Manipulator, 6 Master side motor, 14 Slave side motor, 21 Manipulator drive mechanism.
Claims (1)
上記マニピュレータ駆動機構には、ダイレクトドライブ方式のスレーブ側モータが設けられており、上記操作器の上記関節部には、ダイレクトドライブ方式のマスタ側モータが設けられており、上記操作器が上記マニピュレータからの力覚フィードバックを受けるように制御されることを特徴とする手術支援装置。 In a master-slave type surgery support apparatus comprising a manipulator having a manipulator drive mechanism and supporting a surgical instrument, and an operation unit having a joint corresponding to the manipulator drive mechanism and operating the manipulator remotely.
The manipulator drive mechanism is provided with a direct drive type slave side motor, and the joint part of the operating device is provided with a direct drive type master side motor, and the operating device is connected to the manipulator from the manipulator. An operation support apparatus that is controlled so as to receive a force feedback.
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