JP2007143704A - Ultrasonic probe moving holding device - Google Patents
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Abstract
Description
生体内に超音波を照射してそのエコー信号を受け取る超音波探触子の移動保持装置に関するものである。 The present invention relates to a moving and holding apparatus for an ultrasonic probe that receives an echo signal by irradiating an ultrasonic wave into a living body.
体表や乳房にできる腫瘍や血管状態などの診断において超音波診断装置が使われる。そのとき、注目すべき部位に、超音波探触子を被検者の体表に一定の力で当接させて保持し、超音波診断装置に表示された画像を見ながら診断することになる。 Ultrasound diagnostic equipment is used in the diagnosis of tumors and vascular conditions that form on the body surface and breast. At that time, the ultrasound probe is held in contact with the body surface of the subject with a certain force at a notable site, and diagnosis is performed while viewing the image displayed on the ultrasound diagnostic apparatus. .
特許文献1には、腕の血管の状態を診断するものであり、超音波探触子の水袋の圧力から体表への当接圧を検出し、体表に沿って等圧制御して超音波探触子を機械走査する(移動させる)ロボットアームが開示されている。
特許文献2には、超音波探触子はパッシブアームにより保持され、超音波探触子に付けられた圧力検出器により体表への当接圧を検出し、リニアアクチュエータにより、当接圧を制御する超音波探触子の保持装置が開示されている。
しかしながら、従来の超音波探触子の移動保持装置においては、超音波探触子を体表外から体表に当接させる場合や、骨などの硬いものなどに超音波探触子があたった場合など、急峻な入力信号が力検出器に入力し、制御器が過剰に反応してロボットアームが発振や振動やする場合があるという問題があった。 However, in the conventional ultrasonic probe moving and holding device, when the ultrasonic probe is brought into contact with the body surface from outside the body surface or when the ultrasonic probe hits a hard object such as a bone. In some cases, a steep input signal is input to the force detector, and the controller may react excessively, causing the robot arm to oscillate or vibrate.
本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、変位検出器により超音波探触子の体表への当接を検出した後に、超音波探触子の体表への目標の一定力に制御パラメータを切り替えることで、体表外から体表に当接させる場合の力検出器への急激な力の入力を低減し、または、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に弾性機構により力検出器への急激な力の入力を低減し、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる超音波探触子移動保持装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the conventional problems. After detecting the contact of the ultrasonic probe with the body surface by the displacement detector, the target of the ultrasonic probe on the body surface is detected. Switching the control parameter to a constant force reduces the sudden force input to the force detector when contacting the body surface from outside the body surface, or hits an ultrasonic probe on a hard object, etc. It is an object of the present invention to provide an ultrasonic probe moving and holding device that can reduce the input of a rapid force to a force detector by an elastic mechanism and suppress the oscillation and vibration of a robot arm.
本発明の超音波探触子移動保持は、体表に当接させ超音波を送受信する超音波探触子と、外部からの力を検出する力検出器を備えたロボットアームと、前記超音波探触子を前記体表へ一定の力で当接させる力制御を行う制御器とを備えた超音波探触子移動保持装置であって、前記力検出器に設置された操作グリップ部と、前記操作グリップ部と前記超音波探触子とを連結する弾性機構と、前記弾性機構の変位を検出する変位検出器とを含み、前記変位検出器により前記制御器の力制御のパラメータを切り替える特徴を有している。 The ultrasonic probe moving and holding according to the present invention includes an ultrasonic probe that contacts a body surface and transmits and receives ultrasonic waves, a robot arm that includes a force detector that detects external force, and the ultrasonic wave An ultrasonic probe moving and holding device comprising a controller for controlling the force of bringing the probe into contact with the body surface with a constant force, and an operation grip unit installed in the force detector; A feature is provided that includes an elastic mechanism that connects the operation grip portion and the ultrasonic probe, and a displacement detector that detects a displacement of the elastic mechanism, and switches a force control parameter of the controller by the displacement detector. have.
この構成により、変位検出器により超音波探触子の体表への当接を検出した後に、超音波探触子の体表への目標の一定力に制御パラメータを切り替えることで、体表外から体表に当接させる場合の力検出器への急激な力の入力を低減し、または、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に弾性機構により力検出器への急激な力の入力を低減し、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる。 With this configuration, after detecting the contact of the ultrasonic probe with the body surface by the displacement detector, the control parameter is switched to the target constant force on the body surface of the ultrasonic probe, thereby enabling the detection of the extraneous surface. Reduces the input of a sudden force to the force detector when contacting the body surface from the body, or when the ultrasonic probe hits a hard object etc., the sudden force to the force detector by an elastic mechanism Input, and the generation of vibration and vibration of the robot arm can be suppressed.
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記制御器が、インピーダンス制御部と位置・姿勢制御部とを含む特徴を有している。 In the ultrasonic probe moving and holding according to the present invention, the controller includes an impedance control unit and a position / posture control unit.
この構成により、前記制御器で、インピーダンス制御部による力制御と、位置・姿勢制御を同時にできるハイブリット制御が行えることになる。 With this configuration, the controller can perform hybrid control capable of simultaneously performing force control by the impedance control unit and position / posture control.
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記制御器が、軌道データを保有し、前記軌道データに倣い動作を行う特徴を有している。 The ultrasonic probe moving and holding according to the present invention is characterized in that the controller retains orbit data and performs an operation following the orbit data.
この構成により、一定の力を保持して軌道データに従って倣い動作を行えることになる。 With this configuration, the copying operation can be performed according to the trajectory data while maintaining a constant force.
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記弾性機構が、前記超音波探触子を保持する交換可能なホルダ部を含む特徴を有している。 In addition, the ultrasonic probe moving and holding according to the present invention is characterized in that the elastic mechanism includes a replaceable holder portion for holding the ultrasonic probe.
この構成により、ホルダ部を交換することで、様々な形状の超音波探触子を容易に取付けることができる。 With this configuration, it is possible to easily attach ultrasonic probes having various shapes by exchanging the holder portion.
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記弾性機構が、ダンピング材を含む弾性体である特徴を有している。 The ultrasonic probe moving and holding according to the present invention is characterized in that the elastic mechanism is an elastic body including a damping material.
この構成により、硬いものなどに超音波探触子があたった場合にダンピング材により力検出器への急激な力の入力を低減できる。 With this configuration, when the ultrasonic probe hits a hard object or the like, a rapid force input to the force detector can be reduced by the damping material.
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記変位検出器は、変位範囲を示す発光部材を含む特徴を有している。 In the ultrasonic probe moving and holding according to the present invention, the displacement detector includes a light emitting member indicating a displacement range.
この構成により、視覚的にも当接力を検出することができる。 With this configuration, the contact force can be detected visually.
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記ロボットアームが、パラレルリンク機構を有する特徴を有している。 Further, the ultrasonic probe moving and holding according to the present invention is characterized in that the robot arm has a parallel link mechanism.
この構成により、軽量で剛性の高い移動保持装置を構成することができる。 With this configuration, it is possible to configure a moving and holding device that is lightweight and highly rigid.
本発明の超音波探触子移動保持は、体表に当接させ超音波を送受信する超音波探触子と、外部からの力を検出する力検出器を備えたロボットアームと、前記超音波探触子を前記体表へ一定の力で当接させる力制御を行う制御器とを備えた超音波探触子移動保持装置であって、前記力検出器に設置された操作グリップ部と、前記操作グリップ部と前記超音波探触子とを連結する弾性機構と、前記弾性機構の変位を検出する変位検出器とを含み、前記変位検出器により前記制御器の力制御のパラメータを切り替える特徴を有している。 The ultrasonic probe moving and holding according to the present invention includes an ultrasonic probe that contacts a body surface and transmits and receives ultrasonic waves, a robot arm that includes a force detector that detects external force, and the ultrasonic wave An ultrasonic probe moving and holding device comprising a controller for controlling the force of bringing the probe into contact with the body surface with a constant force, and an operation grip unit installed in the force detector; A feature is provided that includes an elastic mechanism that connects the operation grip portion and the ultrasonic probe, and a displacement detector that detects a displacement of the elastic mechanism, and switches a force control parameter of the controller by the displacement detector. have.
この構成により、変位検出器により超音波探触子の体表への当接を検出した後に、超音波探触子の体表への目標の一定力に制御パラメータを切り替えることで、体表外から体表に当接させる場合の力検出器への急激な力の入力を低減し、または、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に弾性機構により力検出器への急激な力の入力を低減し、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる。 With this configuration, after detecting the contact of the ultrasonic probe with the body surface by the displacement detector, the control parameter is switched to the target constant force on the body surface of the ultrasonic probe, thereby enabling the detection of the extraneous surface. Reduces the input of a sudden force to the force detector when contacting the body surface from the body, or when the ultrasonic probe hits a hard object etc., the sudden force to the force detector by an elastic mechanism Input, and the generation of vibration and vibration of the robot arm can be suppressed.
以下、本発明の実施の形態の超音波探触子移動保持について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, ultrasonic probe movement holding according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の実施の形態の超音波探触子移動保持を図1、2に示す。 The ultrasonic probe moving and holding according to the embodiment of the present invention is shown in FIGS.
図1、2において、ロボットアーム1の先端部に外部からの力を検出する力検出器2を有し、検出器2には、操作グリップ部3を有する。なお、力検出器2は、例えば、ひずみゲージ式や静電力式の力センサであり、6自由度(並進3自由度と回転3自由度)あることが望ましい。操作グリップ部3の内側には、超音波探触子7を取付けたホルダ部5があり、弾性機構4で操作グリップ部3につながれている。
1 and 2, the
図2において、ホルダ部5は矢印の方向にスライドする。なお、ホルダ部5は、取替え可能になっており、様々な形の超音波探触子7に合わせたホルダ部を作ることにより、容易に超音波探触子7を付け替えることができる。変位検出器6は、操作グリップ部3に設置され、操作グリップ部3に対する弾性機構4つまり超音波探触子7の変位を検出する。
In FIG. 2, the
また、弾性機構4は、例えば、ばね定数が分かっているばねであり、変位検出器6からの変位とばね定数から、発生する力を算出することができる。なお、弾性機構4は、コイルばねや板ばねやゴムなどの弾性体であっても構わなく、図例のように複数あっても構わない。なお、弾性機構4は、例えば、ウレタン材やゲル材など、ダンピング材を含む弾性体であってもかまわない。
The elastic mechanism 4 is a spring whose spring constant is known, for example, and can calculate the generated force from the displacement from the
なお、変位検出器6は、直動式でも、回転式でも構わなく、検出方法は、磁気式でも光学式でも構わない。なお、変位検出器6の設置場所は、図で示された場所でなくても構わない。なお、発光部材6aは、たとえば発光ダイオードなどであり、単数で、点灯のパターンや、色の変化で、変位の範囲を示しても構わなく、複数あっても構わない。
In addition, the
ロボットアーム1の動作は、制御器8により各関節に設置されたモータの位置角度と速度を与えることによる制御される。なお、ロボットアーム1は、多関節ロボットアームであり、その関節自由度は6軸で、もしくは6軸以上の冗長性を有していても構わない。なお、ロボットアーム1は、図1に示すようなシリアルリンク機構だけでなく、パラレルリンク機構であっても構わない。
The operation of the
パラレルリンク機構にすることにより、軽量で剛性の高いロボットアームを構成できるが、ただし、シリアルリンク機構に比べ可動範囲は狭くなる。なお、ロボットアーム1の各関節の座標位置は、制御部8により算出される。超音波探触子7からの信号は、超音波診断装置9において処理し表示される。
By using a parallel link mechanism, a lightweight and highly rigid robot arm can be configured, but the movable range is narrower than that of a serial link mechanism. The coordinate position of each joint of the
図4(a)は、体表100への当接のモデル図である。体表への接触部は、下記式のインピーダンス制御モデルで表わせる。ただし、M、B、Kはそれぞれ、インピーダンス制御モデルにおける仮想の質量、粘性係数、ばね係数を示し、Xは変位、Vは速度、Aは加速度、Fは力を示す。この場合、弾性機構4も加わり、
M0A0 + B0V0 + K0X0= F0 (式1)
M1A1 + K1V1 = F1 - F0 (式2)
となる。ここで、図4(b)のように、力検出器2から体表までをまとめて考えると、
MA + BV + KX = F (式3)
と表わせる。また、Fは力検出器2での出力値に相当する。
4A is a model diagram of contact with the
M 0 A 0 + B 0 V 0 + K 0 X 0 = F 0 (Formula 1)
M 1 A 1 + K 1 V 1 = F 1 -F 0 (Formula 2)
It becomes. Here, as shown in FIG. 4B, from the
MA + BV + KX = F (Formula 3)
It can be expressed as F corresponds to the output value from the
図5は、制御器8のブロック図である。変位検出器6からの信号を接触力算出部205で接触力を算出し、主制御部202で接触か否か判断する。力検出器2からの信号をもとにインピーダンス制御部203で変位を求めて、ロボットアーム全体の変位・速度制御部204へ送る。
FIG. 5 is a block diagram of the
その出力として、ロボットアーム1の各関節の角度と速度を生成して、各関節に与えて、ロボットアーム1の先端部に設置された超音波探触子7の位置が決まる。また、変位・速度制御部204は、インピーダンス制御部203での力制御からの変位と、位置・姿勢制御部206からの変位を加えたハイブリット制御ができ、それぞれの制御パラメータを変えることで、力制御と位置・姿勢制御とを切り替えることもできる。
As the output, the angle and speed of each joint of the
また、軌道データ部207から軌道データを取得し、ハイブリット制御により、一定の値で当接しながら軌道データをもとに倣い動作することができる。操作部201にて、主制御部202への操作命令を入力することができる。
In addition, the trajectory data can be obtained from the
以上のように構成された超音波探触子移動保持について、図1〜5を用いてその動作を説明する。 The operation of the ultrasonic probe moving and holding configured as described above will be described with reference to FIGS.
図1において、制御器8からの命令でロボットアーム1の関節を動かすことで、超音波探触子7を体表100に当接させることができる。ロボットアーム1は多関節ロボットアームであり、6自由度以上あれば、多様な形状の体表に超音波探触子1を当接することができる。
In FIG. 1, the
超音波探触子7が体表100に当接するまでは、操作者は操作グリップ部3を手で持って、所定の場所までロボットアーム1の先端を動かすことになる。(式3)において、力制御をかける。ここで、慣性項を省略し、速度と変位と力のフィードバックゲインをそれぞれ、B、K、Kfとするとし、6軸方向(並進3方向と回転3方向)において、目標の力をFaとすると、
B V + K X = −Kf ( F − Fa ) (式4)
(式4)を用いて力制御をかける。このとき、目標の力Faをゼロにすることで、操作者にホルダ部3を手で押されるとその力を打ち消すようにロボットアーム1は動く。つまり、操作者の動作に追従して、軽い力でロボットアーム1を動かすことが出来る。ここで、力制御のパラメータとは、B、K、Kf、Faのことを指す。
Until the
B V + KX = -K f ( F - F a) ( Equation 4)
Force control is applied using (Equation 4). At this time, by setting the target force Fa to zero, the
つぎに、超音波探触子7の接触面に垂直な方向の目標の力をFbとする。なお、目標の力Fbは、例えば、200gfから500gf程度である。操作者が、操作グリップ部3を持って、図3(a)から図3(b)のように、所定の体表100に超音波探触子7を当接させる。
Next, a target force in a direction perpendicular to the contact surface of the
このとき、図3(b)の矢印の向きに、ホルダ部5がスライドして、図3(c)のように変位検出器6から変位が検出される。図3(c)において、力f0にあたる変位y0になったときに、体表100に接触したと判断する。
At this time, the
なお、力f0は、目標の力の30%以内に設定するのが望ましい。接触したと判断した後に、式(4)において、超音波探触子7の接触面に垂直な方向(つまり、ホルダ部5がスライドする方向)の目標の力をFbに切り替える。
The force f0 is preferably set within 30% of the target force. After determining that the contact has occurred, in Expression (4), the target force in the direction perpendicular to the contact surface of the ultrasonic probe 7 (that is, the direction in which the
これにより、目標の力Fbになるようにロボットアーム1が動き、目標の力Fbで力制御されることになる。これにより、変位検出器6で体表100への当接を検出した後に、力検出器2の出力信号を用いて体表100への目標の力Fbでの力制御を行うことができる。つまり、体表100への接触する瞬間から変位y0の間までは、式(4)の反力ゼロの力制御をしているため、接触などによって発生する急激な力に対しては、反応しない(反発しない)。また、目標の力Fbで力制御されているときは、変位検出器6の出力信号は、目標の力f1に対応する変位y1となっている。なお、ここでは、目標の力をFbの値を切り替えたが、速度と変位と力のフィードバックゲインB、K、Kfの値を切り替えても構わない。
As a result, the
つぎに、超音波探触子7を体表100から引き離す場合は、操作者は、操作グリップ部3を持って接触面に垂直な方向に超音波探触子7を引き離す動作を行う。そのとき、操作グリップ部3へ目標の力Fbで力制御されるようにロボットアーム1は動作し、つまり体表100から離れるように動き、一方、変位検出器6からの出力信号は、変位y1から変位y0になり、変位y0になったら、体表100から離れたと判断して、式(4)において、Faをゼロに切り替える。これで、反力ゼロの力制御となり、ロボットアームは操作者の動作に従うようになる。
Next, when the
また、体表100に当接した超音波探触子7の場所を変える場合、操作者が手で操作グリップ部3を持ち、体表に対して垂直ではない方向に移動させれば、ロボットアームは、超音波探触子7を体表100に当接させたまま、追従することができる。そのとき、体表に対して骨などの硬いものが超音波探触子7にぶつかり急激な力が発生した場合、弾性機構4によりその力は抑えられ、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる。
When changing the location of the
また、超音波探触子7を移動させる時に接触抵抗が大きい場合は、ブリップ部3を変位検出器6の出力信号が変位y1から変位y0の間になるように、超音波探触子7を持ち上げれば、接触力になる力f1より小さな値で当接させて、超音波探触子7を移動させることができる。これは、接触抵抗が小さくなるため、体表100の硬さの変化に対して、影響を受けにくいことになる。
If the contact resistance is large when the
また、体表100が急激に大きく動いて、変位検出器6の出力信号が変位y2を超えた場合も、式(4)においてFaをゼロに切り替えて、反力ゼロの力制御にする。これにより、超音波探触子7からの体表100への力はゼロになるようになり、体表100から離れることになる。
In addition,
また、インピーダンス制御部203での力制御からの変位と、位置・姿勢制御部206からの変位を加えたハイブリット制御において、それぞれの制御パラメータを変えることで、力制御と位置・姿勢制御とを切り替えることや、力制御と位置・姿勢制御の加算の比率を変えることもできる。
Further, in the hybrid control in which the displacement from the force control in the
また、軌道データ部207から予め定めた軌道データを取得し、ハイブリット制御により、一定の力で体表100に当接しながら軌道データをもとに倣い動作することができる。
In addition, predetermined trajectory data is acquired from the
また、なんらかの理由で、体表100への接触部に急激な力の入力が入ったとしても、弾性機構4により急激な力は抑えられる。このとき、弾性機構4が、ダンピング材を含む場合は、急激な力を抑える効果は大きくなる。
In addition, even if a sudden force is input to the contact portion with the
また、変位検出器6に設置された発光部材6aは、例えば、変位y0未満では発光せず、変位y0から変位y2の範囲では発光し、y2以上では点滅発光することで、視覚的に超音波探触子7の体表100への当接状況を検出することができ、安全性を改善することができる。
In addition, the light emitting member 6a installed in the
このような本発明の実施の形態によれば、この構成により、変位検出器により超音波探触子の体表への当接を検出した後に、超音波探触子の体表への目標の一定力に制御パラメータを切り替えることで、体表外から体表に当接させる場合の力検出器への急激な力の入力を低減し、または、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に弾性機構により力検出器への急激な力の入力を低減し、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる。 According to such an embodiment of the present invention, with this configuration, after detecting the contact of the ultrasonic probe with the body surface by the displacement detector, the target on the body surface of the ultrasonic probe is detected. Switching the control parameter to a constant force reduces the sudden force input to the force detector when contacting the body surface from outside the body surface, or hits an ultrasonic probe on a hard object, etc. In some cases, the elastic mechanism can reduce the rapid input of force to the force detector and suppress the oscillation and vibration of the robot arm.
以上のように、本発明の超音波探触子移動保持は、体表に当接させ超音波を送受信する超音波探触子と、外部からの力を検出する力検出器を備えたロボットアームと、前記超音波探触子を前記体表へ一定の力で当接させる力制御を行う制御器とを備えた超音波探触子移動保持装置であって、前記力検出器に設置された操作グリップ部と、前記操作グリップ部と前記超音波探触子とを連結する弾性機構と、前記弾性機構の変位を検出する変位検出器とを含み、前記変位検出器により前記制御器の力制御のパラメータを切り替える特徴を有している。 As described above, the ultrasonic probe moving and holding according to the present invention is a robot arm provided with an ultrasonic probe that makes contact with the body surface and transmits and receives ultrasonic waves, and a force detector that detects external force. And an ultrasonic probe moving and holding device comprising a controller that controls the force of bringing the ultrasonic probe into contact with the body surface with a constant force, and is installed in the force detector An operation grip unit, an elastic mechanism that connects the operation grip unit and the ultrasonic probe, and a displacement detector that detects a displacement of the elastic mechanism, and force control of the controller by the displacement detector It has a feature of switching the parameters.
この構成により、変位検出器により超音波探触子の体表への当接を検出した後に、超音波探触子の体表への目標の一定力に制御パラメータを切り替えることで、体表外から体表に当接させる場合の力検出器への急激な力の入力を低減し、または、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に弾性機構により力検出器への急激な力の入力を低減し、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる効果を有し、生体内に超音波を照射してそのエコー信号を受け取る超音波探触子の移動保持等として有用である。 With this configuration, after detecting the contact of the ultrasonic probe with the body surface by the displacement detector, the control parameter is switched to the target constant force on the body surface of the ultrasonic probe, thereby enabling the detection of the extraneous surface. Reduces the input of a sudden force to the force detector when contacting the body surface from the body, or when the ultrasonic probe hits a hard object etc., the sudden force to the force detector by an elastic mechanism This is useful for moving and holding an ultrasound probe that receives an echo signal by irradiating a living body with ultrasonic waves. is there.
1 ロボットアーム
2 力検出器
3 操作グリップ部
4 弾性機構
5 ホルダ部
6 変位検出器
6a 発光部材
7 超音波探触子
8 制御器
9 超音波診断装置
100 体表
201 操作部
202 主制御部
203 インピーダンス制御部
204 ロボットアーム全体の位置・速度制御部
205 接触力算出部
206 位置・姿勢制御部
207 軌道データ部
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