JP2008259607A

JP2008259607A - マニピュレータ装置

Info

Publication number: JP2008259607A
Application number: JP2007103550A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Kawai; 俊和河合; Yasuhide Morikawa; 康英森川; Soji Ozawa; 壮治小澤; Kohei Onishi; 公平大西; Hiroaki Nishi; 宏章西
Original assignee: Hitachi Ltd; Keio University
Current assignee: Hitachi Ltd; Keio University
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-04-11
Also published as: JP4505618B2

Abstract

【課題】マニピュレータ装置において、オートクレーブ滅菌を可能としつつ、高帯域の力覚をフィードバックでき、安定性と応答性を向上すること。
【解決手段】マニピュレータ装置は、スレーブマニピュレータ１、マスタマニピュレータ２、制御装置３を備える。スレーブマニピュレータ１及びマスタマニピュレータ２は、ジンバル部に平行リンクを介して結合した並進軸をそれぞれに備える。制御装置３はスレーブエンコーダとマスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を術具１７からマスタマニピュレータ２の手元操作部２７にフィードバック制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マニピュレータ装置に係り、特に多自由度のマスタマニピュレータ及びスレーブマニピュレータを有するマスタ・スレーブ式マニピュレータ装置に好適なものである。

従来のマニピュレータ装置としては、特開平９−９８９７８号公報（特許文献１）に示されたものがある。このマニピュレータ装置は、術具である把持鉗子を駆動するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを駆動するマスタマニピュレータとを備えている。そして、このマニピュレータ装置は、把持鉗子のグリップに歪みゲージを備え、生体組織を把持したときの歪みゲージによる検出情報を術者に提示する機能を有している。

特開平９−９８９７８号公報

内視鏡下外科手術は、低侵襲外科治療の中心的役割を担う治療技術として社会的に広く認知されている。本手術は、美容上優れる、早期の社会復帰ができるなど多くの利点を有する。一方、術者にとっては難易度の高い手術であり、工学的に手術を支援するマニピュレータ装置の開発が行われている。また、外科手術では術具を介して得られる臓器の感触が重要である。マニピュレータ装置においても同様に、術具からの高い力覚感度を術者へフィードバックすることが望まれている。

上述した特許文献１のマニピュレータ装置では、力センサとして歪みゲージが用いられている。しかし、歪ゲージは、高周波ノイズ等の影響を受けやすく、周波数帯域が数十Ｈｚと低いものが用いられるため、高い力覚感度を得ることが難しいという課題がある。また、術具への歪ゲージの取り付けに伴い、電気配線が必要となるため、配線作業が煩雑になると共に、耐久性などの信頼性に課題がある。さらには、歪ゲージは、低温のガス滅菌には対応できるが、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌に対応することが難しいという課題がある。

また、この種のマニピュレータ装置では、マニピュレータの安定性と応答性の両方が望まれている。

本発明の目的は、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできると共に、マニピュレータの安定性と応答性を向上できるマスタ・スレーブ制御のマニピュレータ装置を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、術具を駆動するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを制御装置を介して駆動するマスタマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータ及び前記マスタマニピュレータを制御する前記制御装置と、を備えるマニピュレータ装置において、前記スレーブマニピュレータは、スレーブジンバル部に設けたスレーブピッチ軸及びスレーブヨー軸と、前記スレーブジンバル部の動作を伝達するスレーブ平行リンクと、前記スレーブジンバル部に前記スレーブ平行リンクを介して結合され且つ前記術具を並進させるスレーブ並進軸と、前記スレーブ並進軸に結合され且つ前記術具を回転させるスレーブロール軸と、前記スレーブロール軸の先端部に設けた術具駆動機構部と、前記術具駆動機構部に結合され且つオートクレーブ滅菌に対応可能な材料で形成された前記術具と、前記術具駆動機構部に一側端部を接続したスレーブコントロールケーブルと、前記スレーブコントロールケーブルの他側端部を接続したスレーブ直動軸と、前記各スレーブ軸にそれぞれ設けたスレーブアクチュエータと、前記各スレーブアクチュエータにそれぞれ取付けたスレーブエンコーダと、を備えて構成され、前記マスタマニピュレータは、マスタジンバル部に設けたマスタピッチ軸及びマスタヨー軸と、前記マスタジンバル部の動作を伝達するマスタ平行リンクと、前記マスタジンバル部に前記マスタ平行リンクを介して結合されたマスタ並進軸と、前記マスタ並進軸に結合されたマスタロール軸と、前記マスタロール軸の先端部に設けた手元操作部と、前記手元操作部に一側端部を接続したマスタコントロールケーブルと、前記マスタコントロールケーブルの他側端部を接続したマスタ直動軸と、前記各マスタ軸にそれぞれ設けたマスタアクチュエータと、前記各マスタアクチュエータにそれぞれ取付けたマスタエンコーダとを備えて構成され、前記制御装置は前記スレーブエンコーダと前記マスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を、前記スレーブマニピュレータ前記マスタマニピュレータの術具からスタマニピュレータの手元操作部にフィードバック制御する構成にしたことにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記スレーブ平行リンクは第１の平行リンクと第２の平行リンクとを連結して構成し、前記第１の平行リンクの遊端側を前記スレーブジンバル部に結合すると共にその先端部を当該スレーブジンバル部より先に延長して設け、前記第２の平行リンクの遊端側を前記スレーブ並進軸に結合し、前記第１の平行リンクの先端部にスレーブバランスウエイトを装着したこと。
（２）前記スレーブ直動軸に設けたスレーブアクチュエータはリニアモータで構成され、前記スレーブコントロールケーブルはスレーブワイヤとこのスレーブワイヤを収納したスレーブチューブとを有し、前記スレーブワイヤはその一側端部を前記術具駆動機構部に接続すると共にその他側端部を前記スレーブ直動軸に接続し、マスタ直動軸に設けたマスタアクチュエータはリニアモータで構成され、前記マスタコントロールケーブルはマスタワイヤとこのマスタワイヤを収納したマスタチューブとを有し、前記マスタワイヤはその一側端部を前記手元操作部に接続すると共にその他側端部を前記マスタ直動軸に接続したこと。
（３）前記（２）において、前記スレーブアクチュエータにスリーブ電磁ブレーキを備え、前記マスタアクチュエータにマスタ電磁ブレーキを備えたこと。
（４）前記（３）において、前記スリーブアクチュエータ、前記スリーブエンコーダおよび前記スレーブ電磁ブレーキを外置きとし、前記マスタアクチュエータ、前記マスタエンコーダおよび前記マスタ電磁ブレーキを外置きとしたこと。
（５）前記（１）において、前記並進軸にベルトを介して可動バランスウエイトを配置したこと。

かかる本発明のマニピュレータ装置によれば、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできると共に、マニピュレータの安定性と応答性を向上できる。

以下、本発明の一実施形態のマニピュレータ装置について図１から図６を用いて説明する。本実施形態のマニピュレータ装置は、力覚フィードバック機能搭載のマスタ・スレーブ制御ロボットに適用した例である。

図１は本発明の一実施形態のマニピュレータ装置におけるスレーブマニピュレータ１の斜視図である。マニピュレータ装置は、術具である鉗子１７を駆動するスレーブマニピュレータ１と、このスレーブマニピュレータ１を制御装置３（図６参照）を介して駆動するマスタマニピュレータ２と、スレーブマニピュレータ１及びマスタマニピュレータ２を統括的に制御する制御装置３と、を備えて構成されている。なお、スレーブマニピュレータ１を構成する要素とマスタマニピュレータ２を構成する要素とが共通する場合、それぞれの要素に「スレーブ」、「マスタ」を修飾させて区別すべきであるが、実施形態の説明では簡略のためにそれらを省略することとする。

図１において、スレーブマニピュレータ１のスレーブベース１０の下側にはスレーブキャスタ１００とスレーブアジャスタパッド１０１が設けられ、スレーブベース１０の上側には電動ピラー１０２が設けられている。スレーブベース１０の形状は、幅５００ｍｍ、奥行き５００ｍｍの四角形である。電動ピラー１０２の昇降範囲は０〜３００ｍｍである。スレーブキャスタ１００はスレーブベース１０を手動で押すことにより回転され、電動ピラー１０２はコントローラ１０３を介して接続されたペンダント（図示せず）の操作により昇降動作される。

電動ピラー１０２の上部には、鉗子用及び並進軸用の遠隔直動部１１ａ、１１ｂが設けられている。遠隔直動部１１ａ、１１ｂは、電動ピラー１０２の上部両側に露出して設置されている。遠隔直動部１１ａ、１１ｂには、鉗子用に３つ、並進用に１つ、合計４つのリニアモータ１１０ａ〜１１０ｄおよびこれらのリニアモータ１１０ａ〜１１０ｄに取り付けられたリニアエンコーダ１１１ａ〜１１１ｄが配置されている。リニアモータ１１０ａ〜１１０ｄの定格推力と可動範囲は、鉗子用が定格推力２０Ｎ、可動範囲±５０ｍｍであり、並進用が定格推力１０Ｎ、可動範囲±１００ｍｍである、リニアエンコーダ１１１ａ〜１１１ｄの分解能は、鉗子用と並進用共に、４逓倍後に０．１μｍである。

遠隔直動部１１ａ、１１ｂの４軸は力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御で動作する。各リニアモータ１１０ａ〜１１０ｄには、安全性を高めるために電磁ブレーキ１１８ａ〜１１８ｄが設けられている。電磁ブレーキ１１８ａ〜１１８ｄは、通電時に開放するソレノイド式で、保持力は５０Ｎである。各リニアモータ１１０ａ〜１１０ｄには、コントロールケーブル１１２ａ〜１１２ｄの一側が接続されている。

図２は遠隔直動部１１ａの斜視図である。コントロールケーブル１１２ｃ、１１２ｄは、インナーとしてのワイヤ１１３ｃ、１１３ｄと、アウターとしてのチューブ１１４ｃ、１１４ｄとで構成されている。リニアモータ１１０ｃ、１１０ｄの可動部にワイヤ１１３ｃ、１１３ｄの一端が取付けられ、リニアモータ１１０ｃ、１１０ｄの前後動作の動力がワイヤ１１３ｃ、１１３ｄの他端に伝達される。ワイヤ１１３ｃとチューブ１１４ｃの他端は、後述する図４の鉗子着脱部１６に接続されている。

ワイヤ１１３ｃ、１１３ｄは外径１．８ｍｍで、素線径０．３６ｍｍのステンレス細線を１９本撚った構造である。ワイヤ１１３ｃ、１１３ｄは切断強度３５００Ｎの強度を持つ。チューブ１１４ｃ、１１４ｄは、内径２．０ｍｍ、外径５．０ｍｍで、平線をコイル状に巻き、内側を滑り性に優れた弗素樹脂、外側を塩化ビニールで被覆している。ワイヤ１１３ｃ、１１３ｄの外径とチューブ１１４ｃ、１１４ｄの内径の差としての空隙は、公差を考慮した０．２ｍｍである。空隙の間隔は、駆動力伝達時のワイヤ座屈に伴う伝達動力と伝達時間のロスに影響するので、できるだけ小さいことが望ましい。また、コントロールケーブル１１２ｃ〜１１２ｄは、複数本束ねて使用しても良い。

図３は遠隔直動部１１ｂの斜視図である。コントロールケーブル１１２ａ、１１２ｂは、インナーとしてのワイヤ１１３ａ、１１３ｂと、アウターとしてのチューブ１１４ａ、１１４ｂで構成されている。リニアモータ１１０ａ、１１０ｂの可動部にワイヤ１１３ａ、１１３ｂの一端が取付けられ、リニアモータ１１０ａ、１１０ｂの前後動作の動力がワイヤ１１３ａ、１１３ｂの他端に伝達される。ワイヤ１１３ａ、１１３ｂとチューブ１１４ａ、１１４ｂの他端は、後述する図４の鉗子着脱部１６に接続されている。

ワイヤ１１３ａ、１１３ｂの外径、素線径、構造、強度は、ワイヤ１１３ｃ、１１３ｄと同様である、チューブ１１４ａ、１１４ｂの内径、外径、構造、被覆は、チューブ１１４ｃ、１１４ｄと同様である。ワイヤ１１３ａ、１１３ｂの外径とチューブ１１４ａ、１１４ｂの内径の差としての空隙等も同様である。また、コントロールケーブル１１２ａ、１１２ｂは、複数本束ねて使用しても良い。

図１に示すように、遠隔直動部１１ａ、１１ｂの上面には、門型の支柱１１９を介してジンバル部１２が設けられている。ジンバル部１２には、ピッチ軸１２０とヨー軸１２１の回転モータ１２２ａ〜１２２ｂおよび回転エンコーダ１２３ａ〜１２３ｂと、ヨー軸バランスウエイト１２４が配置されている。回転モータ１２２ａ〜１２２ｂは、ギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、その定格トルクが１．４Ｎｍである。回転エンコーダ１２３ａ〜１２３ｂの分解能は４逓倍後に３２４０００ｐｐｒである。

ピッチ軸１２０の回転範囲は±６０°、ヨー軸１２１の回転範囲は±４５°である。ピッチ軸１２０とヨー軸１２１は力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御で動作される。各回転モータ１２２ａ〜１２２ｂには、安全性を高めるために電磁ブレーキ１２５ａ〜１２５ｂが設けられている。電磁ブレーキ１２５ａ〜１２５ｂは、通電時に開放するソレノイド式で構成され、その保持トルクが２Ｎｍである。ヨー軸バランスウエイト１２４は、対向するヨー軸１２１の回転モータ１２２ｂおよび回転エンコーダ１２３ｂと電磁ブレーキ１２５ｂの質量を補償する。

ジンバル部１２のヨー軸１２１の先には、平行リンク１３が設けられている。平行リンク１３は、長尺部分１３０ａと短尺部分１３１ａ、長尺部分１３０ｂと短尺部分１３１ｂからなる２対の平行リンクで構成されている。例えば、長尺部分１３０ｂの長さは５８０ｍｍ、短尺部分１３１ｂの長さは１１０ｍｍであり、長尺と短尺の比は約５：１である。

ジンバル部１２の下方にある短尺部分１３１ｂの先端には、平行リンク１３のバランスをとる固定バランスウエイト１３２が配置されている。固定バランスウエイト１３２は、平行リンク１３上方の質量と長尺部分１３０の先端質量を補償する。さらに、ピッチ軸１２０とヨー軸１２１の電磁ブレーキ１２５ａ、１２５ｂを開放して軸が自由回転状態の時、平行リンクが必ず上方に位置するよう、補償質量以上の質量を与えて安全性を高めている。また、固定バランスウエイト１３２は取り付け位置と重量を細かく変更できる機構を設けてある。

平行リンク１３の長尺部分１３０ｂの先端には、並進軸１４が設けられている。並進軸１４には、遠隔直動部１ｌａの並進用のリニアモータ１１０ｄに繋がるコントロールケーブル１１２ｄの他端が配置されている、コントロールケーブル１１２ｄのインナーとしてのワイヤ１１３ｄは、並進スライド部１４１に取付けられている。遠隔直動部１１ａに配置した並進用のリニアモータ１１０ｄの動力は、コントロールケーブル１１２ｄを介して、並進スライド部１４１に伝わる。並進スライド部１４１の動作範囲は、±８０ｍｍである。

並進軸１４の背面には、ベルト１４２を介して、可動バランスウエイト１４３が配置されている。可動バランスウエイト１４３は、並進スライド部１４１の前面に設けるロール軸１５周りの質量を補償する。さらに、可動バランスウエイト１４３は、並進用のリニアモータｌ１０ｄの電磁ブレーキ１１８ｄを開放して並進軸１４が自由スライド状態の時、並進スライド部１４１が必ず上方に位置するよう、補償質量以上の質量を与えて安全性を高めている。

ロール軸１５には、回転モータ１５０および回転エンコーダ１５１が配置されている。回転モータ１５０は、ギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、その定格トルクが０．２Ｎｍである。回転エンコーダ１５１の分解能は４逓倍後に３２４０００ｐｐｒである。ロール軸１５の回転範囲は±１８００である。ロール軸１５は力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御で動作される。回転モータ１５０には、安全性を高めるために電磁ブレーキ１５２が設けられている。電磁ブレーキ１５２は、通電時に開放するソレノイド式で構成され、その保持トルクが０．４Ｎｍである。

図４はスレーブマニピュレータ装置１の鉗子着脱部１６の斜視図である。ロール軸１５の先には、鉗子着脱部１６が設けられている。鉗子着脱部１６には、遠隔直動部１１ａ、１１ｂの鉗子用の３つのリニアモータ１１０ａ〜１１０ｃに繋がるコントロールケーブル１１２ａ〜１１２ｃの他端が配置されている。コントロールケーブル１１２ａ〜１１２ｃのインナーとしてのワイヤ１１３ａ〜１１３ｃの他端は、鉗子着脱部１６に設けられた３つのスライド部１６０〜１６２に各々取付けられている。遠隔直動部１１ａ、１１ｂに配置した鉗子用のリニアモータ１１０ａ〜１１０ｃの動力は、コントロールケーブル１１２ａ〜１１０ｃを介して、スライド部１６０〜１６２に伝わる。スライド部１６０〜１６２の動作範囲は、±４ｍｍである。

鉗子着脱部１６の着脱面には、鉗子１７に対する位置合せのピン嵌め部１６３が一対設けられ、安全機構の磁石１６４が４箇所設けられている。磁石１６４は、外径６ｍｍ、長さ８ｍｍの耐熱性に優れた希土類サマリウムコバルトで構成され、その吸着力が７Ｎである。磁石１６４の吸着力の合計は４倍の２８Ｎとなり、鉗子１７の先端に３Ｎ以上の外力がかかると着脱面の鉗子１７が外れる。ピン嵌め部１６３は鉗子１７のノックピンとの嵌め合いであり、安全機構が働いても体内への鉗子１７の脱落はない、
鉗子着脱部１６には、鉗子１７が接続されている。鉗子１７の外径は５ｍｍ、長さは３５０ｍｍで、ジンバル部１２のピッチ軸１２０の延長線上に仮想ピボット点１７０が設けられている。鉗子１７の駆動機構は、鉗子着脱部１６に設けたスライド部１６０〜１６２の直線運動の動力を伝達する機構であれば、ラック・ピニオン機構やロッド機構など、自由に設計できる。鉗子先端１７１での動作範囲は、湾曲２方向と開閉１方向の３軸が全て±９０°である。鉗子１７を構成する材料は、オートクレープ滅菌に対応できるように、金属など耐熱性に優れた部材が用いられる。鉗子着脱部１６と着脱する鉗子１７の接続面には、同様にサマリウムコバルト磁石が設けられている。鉗子１７の磁石は耐熱性に優れており、オートクレープ滅菌可能である。鉗子１７以外はドレープで覆い、滅菌性を確保する。

スレーブマニピュレータ装置１のベッドサイドの初期位置決め、すなわち鉗子１７を挿入する患者腹腔直上のピボット点１７０決めは、キャスタ１００で床面すなわちｘｙ平面内を決め、電動ピラー１０２で昇降すなわちｚ軸高さを決める。ピボット点１７０はジンバル１２と平行リンク１３で機構的に構成する。力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御での動作は、並進軸１４、ピッチ軸１２０、ヨー軸１２１、ロール軸１５、および鉗子１７の湾曲２軸、開閉１軸の合計７軸である。可動範囲は、並進軸１４が土８０ｍｍ、ピッチ軸１２０が±６０°、ヨー軸１２１が±４５°、ロール軸１５が±１８０°、鉗子先端１７１の湾曲２軸と開閉１軸が全て±９０°である。鉗子先端１７１における各軸の定格作用力は、並進軸１４が１０Ｎ、ピッチ軸１２０とヨー軸１２１が２．３Ｎ、ロール軸１５が４Ｎ、湾曲２軸が８Ｎ、開閉１軸が４Ｎである。全高は１６５０〜１８５０ｍｍである。

図５はマスタマニピュレータ装置２の斜視図である。ベース２０の下部にはキャスタ２００が設けられている。マスタマニピュレータ装置２には、スレーブマニピュレータ装置１にある電動ピラー１０２とコントローラ１０３は設けない。

ベース２０の後方には、手元操作と並進の遠隔直動部２１が設けられている。遠隔直動部２１の構成は、コントロールケーブル２１２ａ〜２１２ｄを含め、スレーブマニピュレータ装置１と同様である。

ベース２０の上面には、門型の支柱２１９を介してジンバル部２２が設けられている。ジンバル部２２の構成は、スレーブマニピュレータ装置１と同様である、
ジンバル部２２のヨー軸２２１の先には、平行リンク２３が設けられている。平行リンク２３は、長尺部分２３０ａと短尺部分２３１ａ、長尺部分２３０ｂと短尺部分３１ｂからなる２対の平行リンクで構成されている。ジンバル部２２の上方にある短尺部分２３１ｂの先端には、平行リンク２３のバランスをとる固定バランスウエイト２３２が配置されている。その他の平行リンク２３の構成は、長尺部分２３０の先端に設ける並進軸２４と、並進スライド部２４１上面に設けるロール軸２５を含め、スレーブマニピュレータ装置１と同様である。

ロール軸２５の先には、鉗子着脱部１６と同様の着脱部を介して手元操作部２７が設けられている。ジンバル部２２のピッチ軸２２０の延長線上に仮想ピボット点２７０が設けられている。手元操作部２７には、遠隔直動部２１の手元操作用の３つのリニアモータ２１０ａ〜２１０ｃに繋がるコントロールケーブル２１２ａ〜２１２ｃの他端が繋がれている。遠隔直動部２１に配置したリニアモータ２１０ａ〜２１０ｃの動力は、コントロールケーブル２１２ａ〜２１２ｃを介して伝達される。スライド部の動作範囲は、±６ｍｍである。手元操作部２７の機構は、スライド部の直線運動の動力を伝達する機構であれば、ラック・ピニオン機構やロッド機構など、自由に設計できる。ここでは、腹腔外操作塑の形状としているが、腹腔内操作型の形状も可能である。

マスタマニピュレータ装置２の初期位置決め、すなわち術者に応じたイニシャルポジション決めは、キャスタ２００で床面すなわちｘｙ平面内のみを決める。ｚ軸高さは、術者が座る図示しない椅子の昇降機能で決める。ピッチ軸２２０を４５°回転した時、手元操作部２７付け根のロール軸２５までの高さは７００ｍｍであり、一般的な事務机の高さと同じである。術者は机上でペンを動かす感覚の延長で操作できる。椅子に肘置きを備えると、長時間の操作にも対応できる。

マスタ・スレーブ制御での動作は、並進軸２４、ピッチ軸２２０、ヨー軸２２１、ロール軸２５、および手元操作部２７の湾曲２軸、開閉１軸の合計７軸である。可動範囲は、並進軸２４が±８０ｍｍ、ピッチ軸２２０が±６０°、ヨー軸２２１が±４５°、ロール軸２５が±１８０°、手元操作部２７の湾曲２軸と開閉１軸が全て±３０°である。手元操作部２７における各軸の定格作用力は、並進軸２４が１０Ｎ、ピッチ軸２２０とヨー軸２２１が２．３Ｎ、ロール軸２５が４Ｎ、湾曲２軸が２０Ｎ、開閉１軸が４Ｎである。全高は９２０〜１０８０ｍｍである。また、制御上で行う手先の震え防止のフィルタリング機能、スレーブマニピュレータ装置１との動作範囲の関係を変化できるスケーリング機能に対応できる機構である、
図６は力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御のブロック線図である。制御ブロック線図は、加速度合成部３１、位置制御部３２、操作力制御部３３、マスタマニピュレータ３４、スレーブマニピュレータ３５、マスタ側反力オブザーバ３６、スレーブ側反力オブザーバ３７の７ブロックを持つ。また、制御ブロック線図は、マニピュレータ３４、３５のエンコーダ値から算出されるマスタ位置信号Ｘｍとスレーブ位置信号Ｘｓ、反力オブザーバ３６、３７から各々算出されるマスタ操作力信号Ｆｍとスレーブ操作力信号Ｆｓ、位置制御部３２から算出されるマスタ側位置の加速度参照値Ａｐｍとスレーブ側位置の加速度参照値Ａｐｓ、操作力制御部３３から算出されるマスタ側操作力の加速度参照値Ａｆｍとスレーブ側操作力の加速度参照値Ａｆｓ、加速度合成部から算出され各マニピュレータのモータ駆動信号となるマスタ側の加速度指令信号Ａｍ、スレーブ側の加速度指令信号Ａｓの１０信号を持つ。

マスタマニピュレータ３４は、加速度指令信号Ａｍの入力を受け、各軸の動作量として位置信号Ｘｍを出力する。スレーブマニピュレータ３５も同様に、加速度指令信号Ａｓの入力を受け、位置信号Ｘｓを出力する。

マスタ側の反力オブザーバ３６は、位署信号Ｘｍと加速度指令信号Ａｍの入力を受け、マスタマニピュレータに発生する静１ト摩擦と動摩擦、弾性、粘性、慣性を算出し、差として導出される操作力信号Ｆｍを出力する。スレーブ側の反力オブザーバ３７も同様に、位置信号Ｘｓと加速度指令信号Ａｓの入力を受け、操作力信号Ｆｓを出力する。

位置制御部３２は、マスタ位置信号Ｘｍとスレーブ位置信号Ｘｓの入力を受け、各マニピュレータ３４、３５の位置偏差を縮めるための差信号を算出し、マスタ側位置の加速度参照値Ａｐｍとスレーブ側位置の加速度参照値Ａｐｓを加速度合成部３１に出力する。

操作力制御部３３は、マスタ操作力信号Ｆｍとスレーブ操作力信号Ｆｓの入力を受け、作用反作用の関係にある各マニピュレータ３４、３５への外力偏差を縮めるための和信号を算出し、マスタ側操作力の加速度参照値Ａｆｍとスレーブ側操作力の加速度参照値Ａｆｓを加速度合成部３１に出力する。

加速度合成部３１は、マスタ側について、位置の加速度参照値Ａｐｍと操作力の加速度参照値Ａｆｍの入力を受け、モータ駆動信号としての加速度指令信号Ａｍを出力する。スレーブ側についても同様に、位置の加速度参照値Ａｐｓと操作力の加速度参照値Ａｆｓの入力を受け、モータ駆動信号としての加速度指令信号Ａｓを出力する。

本制御方式は、マニピュレータ３４、３５の各軸に対応した双方向性を持つ。マニピュレータ３４、３５の軸数が増えると、ソフトウエア制御では計算時間が増す。これにより、周波数帯域を上げることが難しい場合は、ＦＰＧＡを用いてハードウエアによる制御を行うことにより、計算時間を高速化する。これにより、数百Ｈｚ帯域の力覚感度を得ることができ、マスタ・スレーブ制御の多自由度マニピュレータを制御できる。

本実施形態によれば、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできるマスタ・スレーブ制御のマニピュレータ装置を提供することができる。すなわち、術具を信頼性の高い機械部品のみで構築し、アクチュエータにマスタマニピュレータの内界センサを用いた制御系で数百Ｈｚ帯域の力覚感度を得られる、マスタ・スレーブ制御の多自由度マニピュレータ装置を提供することができる。また、術具と操作部は種々の交換が可能であり、使い勝手が向上すると共に、力フィードバック制御に機構のガタが影響しないので、系の安定性が高い。

また、種々の術具と操作部を扱うために、分離結合可能な接合部を設けることで、手技と術者に応じた交換が可能になる。安定性を高めるために、固定バランサと可動バランサを使い分けることで、重心の調贅が容易になる。安全性を高めるために、アクチュエータに電磁ブレーキを備えることで、非常停止時や制御動作時以外の状態保持が可能になる。さらに慣性の低減を行うため、リニアアクチュエータ周りのコンポーネントを全て本体とは別のユニットにして外置きとするスリム化を図ることで、制御の応答性、さらにはメンテナンス性が向上する。

本発明の一実施形態のマニピュレータ装置におけるスレーブマニピュレータの斜視図である。図１のスレーブマニピュレータの遠隔直動部の斜視図である。図１のスレーブマニピュレータの別の遠隔直動部の斜視図である。図１のスレーブマニピュレータの鉗子着脱部の斜視図である。本発明の一実施形態のマニピュレータ装置におけるマスタマニピュレータの斜視図である。本発明の一実施形態のマニピュレータ装置における力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御のブロック線図である。

符号の説明

１…スレーブマニピュレータ、２…マスタマニピュレータ、３…制御装置、１０…ベース、１１ａ、１１ｂ…遠隔直動部、１２…ジンバル部、１３…平行リンク、１４…並進軸、１５…ロール軸、１６…鉗子着脱部、１７…鉗子、２０…ベース、２１…遠隔直動部、２２…ジンバル部、２３…平行リンク、２４…並進軸、２５…ロール軸、２７…手元操作部、３１…加速度合成部、３２…位置制御部、３３…操作力制御部、３４…マスタマニピュレータ、３５…スレーブマニピュレータ、３６…マスタ側反力オブザーバ、３７…スレーブ側反力オブザーバ、１００…キャスタ、１０１…アジャスタパッド、１０２…電動ピラー、１０３…コントローラ、ｌｌ０ａ〜１１０ｄ…リニアモータ、１１１ａ〜１１１ｄ…リニアエンコーダ、１１２ａ〜１１２ｄ…コントロールケーブル、ｌ１３ａ〜１１３ｄ…インナーワイヤ、ｌｌ４ａ〜１１４ｄ…アウターチューブ、ｌｌ８ａ〜１１８ｄ…リニア型電磁ブレーキ、１１９…門型のジンバル支柱、１２０…ピッチ軸、１２１…ヨー軸、１２２ａ〜１２２ｂ…ジンバル用回転モータ、１２３ａ〜１２３ｂ…ジンバル回転エンコーダ、１２４…ヨー軸バランスウエイト、１２５ａ〜１２５ｂ…回転型電磁ブレーキ、１３０…平行リンクの長尺部分、１３１…平行リンクの短尺部分、１３２…平行リンクの固定バランスウエイト、１４１…並進スライド部、１４２…並進用ベルト、１４３…並進用可動バランスウエイト、１５０…ロール軸用の回転モータ、１５１…ロール軸用の回転エンコーダ、１５２…ロール軸の回転モータ用電磁ブレーキ、１６０−１６２…鉗子駆動のスライド部、１６３…ピン嵌め部、１６４…磁石、１７０…仮想ピボット点、１７１…鉗子先端、２００…キャスタ、２０１…アジャスタパッド、２１０ａ〜２１０ｄ…リニアモータ、２１１ａ〜２１１ｄ…リニアエンコーダ、２１２ａ〜２１２ｄ…コントロールケーブル、２１３ａ〜２１３ｄ…インナーワイヤ、２１４ａ〜２１４ｄ…アウターチューブ、２１８ａ〜２１８ｄ…リニア型電磁ブレーキ、２１９…門型のジンバル支柱、２２０…ピッチ軸、２２１…ヨー軸、２２２ａ〜２２２ｂ…ジンバル用回転モータ、２２３ａ〜２２３ｂ…ジンバル回転エンコーダ、２２４…ヨー軸バランスウエイト、２２５ａ〜２２５ｂ…回転型電磁ブレーキ、２３０…平行リンクの長尺部分、２３１…平行リンクの短尺部分、２３２…平行リンクの固定バランスウエイト、２４１…並進スライド部、２４２…並進用ベルト、２４３…並進用可動バランスウエイト、２５０…ロール軸用の回転モータ、２５１…ロール軸用の回転エンコーダ、２５２…ロール軸の回転モータ用電磁ブレーキ、Ａｍ…マスタ側の加速度指令信号、Ａｓ…スレーブ側の加速度指令信号、Ａｐｍ…マスタ側位置の加速度参照値、Ａｐｓ…スレーブ側位置の加速度参照値、Ａｆｍ…マスタ側操作力の加速度参照値、Ａｆｓ…スレーブ側操作力の加速度参照値、Ｘｍ…マスタ位置信号、Ｘｓ…スレーブ位置信号、Ｆｍ…マスタ操作力信号、Ｆｓ…スレーブ操作力信号。

Claims

術具を駆動するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを制御装置を介して駆動するマスタマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータ及び前記マスタマニピュレータを制御する前記制御装置と、を備えるマニピュレータ装置において、
前記スレーブマニピュレータは、
スレーブジンバル部に設けたスレーブピッチ軸及びスレーブヨー軸と、
前記スレーブジンバル部の動作を伝達するスレーブ平行リンクと、
前記スレーブジンバル部に前記スレーブ平行リンクを介して結合され且つ前記術具を並進させるスレーブ並進軸と、
前記スレーブ並進軸に結合され且つ前記術具を回転させるスレーブロール軸と、
前記スレーブロール軸の先端部に設けた術具駆動機構部と、
前記術具駆動機構部に結合され且つオートクレーブ滅菌に対応可能な材料で形成された前記術具と、
前記術具駆動機構部に一側端部を接続したスレーブコントロールケーブルと、
前記スレーブコントロールケーブルの他側端部を接続したスレーブ直動軸と、
前記各スレーブ軸にそれぞれ設けたスレーブアクチュエータと、
前記各スレーブアクチュエータにそれぞれ取付けたスレーブエンコーダと、を備えて構成され、
前記マスタマニピュレータは、
マスタジンバル部に設けたマスタピッチ軸及びマスタヨー軸と、
前記マスタジンバル部の動作を伝達するマスタ平行リンクと、
前記マスタジンバル部に前記マスタ平行リンクを介して結合されたマスタ並進軸と、
前記マスタ並進軸に結合されたマスタロール軸と、
前記マスタロール軸の先端部に設けた手元操作部と、
前記手元操作部に一側端部を接続したマスタコントロールケーブルと、
前記マスタコントロールケーブルの他側端部を接続したマスタ直動軸と、
前記各マスタ軸にそれぞれ設けたマスタアクチュエータと、
前記各マスタアクチュエータにそれぞれ取付けたマスタエンコーダとを備えて構成され、
前記制御装置は前記スレーブエンコーダと前記マスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を、前記スレーブマニピュレータ及び前記マスタマニピュレータの術具からスタマニピュレータの手元操作部にフィードバック制御する
ことを特徴とするマニピュレータ装置。
請求項１記載のマニピュレータ装置において、前記スレーブ平行リンクは第１の平行リンクと第２の平行リンクとを連結して構成し、前記第１の平行リンクの遊端側を前記スレーブジンバル部に結合すると共にその先端部を当該スレーブジンバル部より先に延長して設け、前記第２の平行リンクの遊端側を前記スレーブ並進軸に結合し、前記第１の平行リンクの先端部にスレーブバランスウエイトを装着したことを特徴とするマニピュレータ装置。
請求項１において、前記スレーブ直動軸に設けたスレーブアクチュエータはリニアモータで構成され、前記スレーブコントロールケーブルはスレーブワイヤとこのスレーブワイヤを収納したスレーブチューブとを有し、前記スレーブワイヤはその一側端部を前記術具駆動機構部に接続すると共にその他側端部を前記スレーブ直動軸に接続し、マスタ直動軸に設けたマスタアクチュエータはリニアモータで構成され、前記マスタコントロールケーブルはマスタワイヤとこのマスタワイヤを収納したマスタチューブとを有し、前記マスタワイヤはその一側端部を前記手元操作部に接続すると共にその他側端部を前記マスタ直動軸に接続したことを特徴とするマニピュレータ装置。
請求項３記載のマニピュレータ装置において、前記スレーブアクチュエータにスリーブ電磁ブレーキを備え、前記マスタアクチュエータにマスタ電磁ブレーキを備えたことを特徴とするマニピュレータ装置。
請求項４記載のマニピュレータ装置において、前記スリーブアクチュエータ、前記スリーブエンコーダおよび前記スレーブ電磁ブレーキを外置きとし、前記マスタアクチュエータ、前記マスタエンコーダおよび前記マスタ電磁ブレーキを外置きとしたことを特徴とするマニピュレータ装置。
請求項２記載のマニピュレータ装置において、前記並進軸にベルトを介して可動バランスウエイトを配置したことを特徴とするマニピュレータ装置。