JP2009189506A - Remote operation system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a remote operation system which can be simply configured and miniaturized even while having excellent force recognition performance and operability. <P>SOLUTION: The remote operation system has an operation part to be operated by an operator, a work part provided on a position away from the operation part and operated accompanying the operation of the operation part, and an energy converter respectively connected to the operation part and the work part. The energy converter includes a first converter for converting mechanical energy inputted from the operation part to electric energy, and a second converter for converting the electric energy obtained from the first converter to the mechanical energy and transmitting it to the work part, the first converter and the second converter are provided in one electric circuit, and force inputted to the operation part and force outputted from the work part are in proportional relation. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は遠隔操作システムに関し、より詳しくは、簡易な構造によって優れた力覚認識性能及び操作性を実現することができる遠隔操作システムに関する。   The present invention relates to a remote operation system, and more particularly, to a remote operation system that can realize excellent force recognition performance and operability with a simple structure.

近年、医療分野においては、生体内に挿入したマニピュレータを遠隔的に操作することにより、診断や手術を行うマスタースレーブ装置が広く使用されている。
例えば、内視鏡手術では、施術者は、カメラによる視覚に頼りながら、先端の作業部(マニピュレータ)と機械的に直結された操作部で反力を感じながら作業を行う。
このような作業において、作業部と操作部との連結部分が高い剛性を有する場合には、作業部が受ける反力が操作部に機械的に伝わるため、施術者は操作部において作業部が受ける反力を直接感じながら作業を行うことができる。
しかしながら、例えば、微細な部分に細管を挿入して腫瘍等を切除する手術などでは、細管を柔軟性(可撓性)があるものとする必要があるため、作業部が受ける反力を細管を介して機械的に操作部へと伝えることが非常に困難となる。
In recent years, in the medical field, master-slave devices that perform diagnosis and surgery by remotely operating a manipulator inserted into a living body have been widely used.
For example, in endoscopic surgery, a practitioner works while feeling a reaction force with an operation unit mechanically directly connected to a working unit (manipulator) at the tip while relying on vision by a camera.
In such work, when the connecting part between the working part and the operating part has high rigidity, the reaction force received by the working part is mechanically transmitted to the operating part, so that the practitioner receives the working part at the operating part. You can work while directly feeling the reaction force.
However, for example, in an operation in which a thin tube is inserted into a fine part to remove a tumor or the like, it is necessary to make the thin tube flexible (flexible). Therefore, it is very difficult to mechanically transmit it to the operation unit.

このような問題点に鑑みて、例えば下記特許文献1に記載されたようなマスタースレーブ装置が提案されている。
特許文献1に記載されたマスタースレーブ装置は、マニピュレータの先端にセンサを設け、このセンサからの信号を操作部にフィードバックさせて、術者の手先の感覚に反映させるように構成されている。
In view of such problems, for example, a master-slave device as described in Patent Document 1 below has been proposed.
The master-slave device described in Patent Document 1 is configured to provide a sensor at the tip of a manipulator and feed back a signal from this sensor to the operation unit to reflect the sense of the operator's hand.

しかしながら、この特許文献1に記載されたような装置では、マニピュレータの先端にセンサを設ける必要があり、マニピュレータが微細なものである場合にはセンサの設置が困難となってしまう。
また、マニピュレータを駆動させるために使用される複数のモータに電力を供給するための電源と、フィードバック制御を行うための制御装置が必要となることから、装置の大型化や複雑化を生じ、使用場所に制限が生じるという問題がある。
However, in the apparatus as described in Patent Document 1, it is necessary to provide a sensor at the tip of the manipulator, and it is difficult to install the sensor when the manipulator is fine.
In addition, since a power source for supplying power to a plurality of motors used to drive the manipulator and a control device for performing feedback control are required, the device becomes larger and more complicated and used. There is a problem that the location is limited.

一方、片麻痺の患者の上肢のリハビリにおいては、看護士や電気駆動の機器によって患者の上肢を強制的に動かしており、患者は受動的にリハビリを受けている。
このようなリハビリ方法は、看護士による場合にはリハビリを受ける時間が限られるし、機器を使用する場合には機器の暴走の危険性がある。また、いずれの方法でも、患者に実感覚に近い力学的感覚を与えることが困難である上に、患者が受動的となることにより、回復が非常に遅くなる。
On the other hand, in the rehabilitation of the upper limb of a hemiplegic patient, the patient's upper limb is forcibly moved by a nurse or an electrically driven device, and the patient is passively rehabilitated.
Such a rehabilitation method has a limited time for rehabilitation by a nurse, and there is a risk of runaway of the device when using the device. Moreover, in any method, it is difficult to give the patient a mechanical sensation close to the real sensation, and the recovery becomes very slow because the patient becomes passive.

下記特許文献2には、患者に実感覚に近い力学的感覚を伝えることができる上肢リハビリ装置が開示されている。
具体的には、患者の手首の3自由度のうち、少なくとも1自由度の作動に対して患者に力学的感覚を伝える少なくとも1つの駆動手段と、駆動手段の駆動を調整する少なくとも1つの機能性流体クラッチを有する上肢リハビリ装置が開示されている。
この装置によれば、駆動手段(モータ)から機能性流体(ER流体・MR流体等)クラッチを介して駆動を伝達することにより、患者の上肢に3次元の力学的感覚を伝えることができる。また、患者は能動的にリハビリを行うことができる。
Patent Document 2 below discloses an upper limb rehabilitation device that can transmit a mechanical sensation close to a real sensation to a patient.
Specifically, at least one drive means for transmitting a mechanical sensation to the patient with respect to the operation of at least one degree of freedom among the three degrees of freedom of the patient's wrist, and at least one functionality for adjusting the drive of the drive means An upper limb rehabilitation device having a fluid clutch is disclosed.
According to this apparatus, a driving force is transmitted from a driving means (motor) via a functional fluid (ER fluid, MR fluid, etc.) clutch, whereby a three-dimensional mechanical sensation can be transmitted to the patient's upper limb. In addition, the patient can actively rehabilitate.

しかしながら、この装置は、リハビリ対象となる部位(手首)を直接患者が動かすものであるため、リハビリの対象部位がある程度動く軽度の片麻痺に対しては有効であるが、殆ど動かない重度の片麻痺の患者にとっては使用することが困難である。
また、装置が固定設置式であるために、病院等の決まった場所以外ではリハビリを行うことが困難である。
However, this device is effective for mild hemiplegia in which the rehabilitation target part (wrist) is moved directly by the patient, so it is effective for mild hemiplegia in which the rehabilitation target part moves to some extent, but it is a heavy piece that hardly moves. It is difficult to use for patients with paralysis.
In addition, since the device is a fixed installation type, it is difficult to perform rehabilitation outside a fixed place such as a hospital.

下記特許文献3には、リハビリの対象となる部位が殆ど動かない重度の片麻痺の患者が使用できる装置が開示されている。
この装置は、筋肉の動きを検知するセンサを使用者の健常な側の部位に取り付け、センサが検知した筋肉の動きに基づいて作動するアクチュエータを使用者の弱った部位に取り付けたものであり、健常な側と筋力の弱った側の両方を動かして、身体の半身の筋力が弱った使用者に対してリハビリを行わせることができる。
Patent Document 3 listed below discloses a device that can be used by a patient with severe hemiplegia in which a rehabilitation target hardly moves.
In this device, a sensor that detects the movement of the muscle is attached to a healthy part of the user, and an actuator that operates based on the movement of the muscle detected by the sensor is attached to the weak part of the user. By moving both the healthy side and the weak side, the user who has weak half-body strength can be rehabilitated.

しかしながら、この開示技術は、アクチュエータによる補助力が使用者自身のエネルギーをベースにするものではないため、使用者がリハビリで動かそうとする部位(弱った部位)に働く力を直接感じながらリハビリ動作を行うことができない。
また、アクチュエータ(空気圧アクチュエータ)を駆動させるためのエネルギー源(空気圧源)を設置する必要があるため、装置が大型化・重量化し、病院等の決まった場所以外ではリハビリを行うことが困難である。
However, in this disclosed technique, since the assisting force by the actuator is not based on the user's own energy, the rehabilitation operation is performed while directly feeling the force acting on the part (weak part) that the user tries to move by rehabilitation. Can not do.
In addition, since it is necessary to install an energy source (pneumatic source) for driving the actuator (pneumatic actuator), the apparatus becomes larger and heavier, and it is difficult to perform rehabilitation outside a fixed place such as a hospital. .

特開2002−59380号公報JP 2002-59380 A 特開2006−247280号公報JP 2006-247280 A 特開2008−12358号公報JP 2008-12358 A

本発明は、上記したような問題点を解決するためになされたものであって、優れた力覚認識性能及び操作性を有しながら、簡易な構成で小型化が可能である遠隔操作システムを提供するものである。具体的には、例えば、医療分野において微細な部分の内視鏡手術等を行うためのマスタースレーブ装置や、患者自身のエネルギーを使用してリハビリ部位に働く力を直接感じながら能動的に且つ場所を選ばずに安全に使用できるリハビリ装置への適用が可能な遠隔操作システムを提供するものである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a remote operation system that can be miniaturized with a simple configuration while having excellent haptic recognition performance and operability. It is to provide. Specifically, for example, in a medical field, a master-slave device for performing endoscopic surgery on a minute part, or the like, while actively feeling the force acting on the rehabilitation site using the patient's own energy. It is intended to provide a remote control system that can be applied to a rehabilitation device that can be used safely regardless of the choice.

請求項1に係る発明は、操作者により操作される操作部と、該操作部と離れた位置に設けられて操作部の操作に伴って作動する作業部と、前記操作部及び前記作業部に夫々接続されたエネルギー変換機とを備えており、前記エネルギー変換機は、前記操作部から入力される機械エネルギーを電気エネルギーに変換する第1の変換機と、該第1の変換機から得られる電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記作業部に伝える第2の変換機とからなり、前記第1の変換機及び第2の変換機は1つの電気回路中に設けられており、前記操作部に入力される力と、前記作業部から出力される力とが比例関係にあることを特徴とする遠隔操作システムに関する。   According to a first aspect of the present invention, there is provided an operation unit operated by an operator, a working unit that is provided at a position apart from the operation unit and operates in accordance with the operation of the operation unit, the operation unit, and the working unit Each of which is connected to an energy converter, and the energy converter is obtained from the first converter that converts mechanical energy input from the operation unit into electric energy, and the first converter. A second converter for converting electrical energy into mechanical energy and transmitting it to the working unit, wherein the first converter and the second converter are provided in one electric circuit, and the operation unit The present invention relates to a remote control system characterized in that the force input to the power and the force output from the working unit are in a proportional relationship.

請求項2に係る発明は、前記電気回路で消費されるエネルギー損失を補うエネルギー補充手段を更に備えていることを特徴とする請求項1記載の遠隔操作システムに関する。   The invention according to claim 2 relates to the remote control system according to claim 1, further comprising energy supplement means for compensating for energy loss consumed in the electric circuit.

請求項3に係る発明は、前記エネルギー補充手段が、前記電気回路で消費されるエネルギーを測定するセンサと、該センサにより測定された消費エネルギー量以下のエネルギーに相当する電力を前記電気回路に供給する電源とからなることを特徴とする請求項2記載の遠隔操作システムに関する。   According to a third aspect of the invention, the energy replenishing means supplies a sensor that measures energy consumed in the electric circuit and power corresponding to energy equal to or less than the amount of energy consumed measured by the sensor to the electric circuit. The remote control system according to claim 2, further comprising:

請求項4に係る発明は、前記エネルギー補充手段が、前記第1の変換機及び第2の変換機の駆動速度及び/又は変位を測定する測定手段と、前記第1の変換機の駆動速度と第2の変換機の駆動速度の偏差、前記第1の変換機の変位と第2の変換機の変位の偏差、前記第1の変換機の駆動速度と変位の1次結合と第2の変換機の駆動速度と変位の1次結合の偏差のいずれかを小さくするように前記電気回路に電力を供給する電源からなることを特徴とする請求項2記載の遠隔操作システムに関する。   The invention according to claim 4 is characterized in that the energy replenishing means measures the driving speed and / or displacement of the first converter and the second converter, and the driving speed of the first converter. Deviation of the driving speed of the second converter, deviation of the displacement of the first converter and the displacement of the second converter, primary combination of the driving speed and displacement of the first converter and the second conversion 3. The remote control system according to claim 2, further comprising a power source for supplying electric power to the electric circuit so as to reduce any one of a deviation of a primary coupling between a driving speed of the machine and a displacement.

請求項5に係る発明は、前記操作部と前記第1の変換機の間もしくは前記作業部と前記第2の変換機の間の少なくともいずれか一方に介在された速度変換機構を備えており、該速度変換機構は、前記第1の変換機及び第2の変換機の駆動速度を、前記操作部及び作業部の駆動速度に比べて大きくすることを特徴とする請求項1記載の遠隔操作システムに関する。   The invention according to claim 5 includes a speed conversion mechanism interposed between at least one of the operation unit and the first converter or between the working unit and the second converter, 2. The remote operation system according to claim 1, wherein the speed conversion mechanism increases a driving speed of the first converter and the second converter as compared with driving speeds of the operation unit and the working unit. About.

請求項6に係る発明は、前記第1の変換機と前記第2の変換機のアクチュエータ係数が異なることを特徴とする請求項1記載の遠隔操作システムに関する。   The invention according to claim 6 relates to the remote control system according to claim 1, wherein actuator coefficients of the first converter and the second converter are different.

請求項7に係る発明は、前記操作者が前記操作部を操作しながら前記作業部を視認するための視覚センサを備えていることを特徴とする請求項1乃至6いずれかに記載の遠隔操作システムに関する。   The remote control according to any one of claims 1 to 6, further comprising a visual sensor for the operator to visually recognize the working unit while operating the operation unit. About the system.

請求項8に係る発明は、患者の生体内に前記作業部を挿入することにより使用されるシステムであって、前記操作部と前記作業部が細管により接続されており、前記作業部が腫瘍等を切除するためのマイクロ刃物からなることを特徴とする請求項1乃至7いずれかに記載の遠隔操作システムに関する。   The invention according to claim 8 is a system used by inserting the working unit into a living body of a patient, wherein the operation unit and the working unit are connected by a thin tube, and the working unit is a tumor or the like. The remote control system according to any one of claims 1 to 7, wherein the remote control system comprises a micro blade for cutting out a blade.

請求項9に係る発明は、片麻痺の患者のリハビリ用に用いられるシステムであって、前記操作部が患者の健常部に装着され、前記作業部が患者の障害部に装着されることを特徴とする請求項1乃至8いずれかに記載の遠隔操作システムに関する。   The invention according to claim 9 is a system used for rehabilitation of a hemiplegic patient, wherein the operation part is attached to a healthy part of the patient, and the working part is attached to an obstacle part of the patient. The remote control system according to claim 1.

請求項10に係る発明は、前記エネルギー変換機がDCモータであることを特徴とする請求項1乃至9いずれかに記載の遠隔操作システムに関する。   The invention according to claim 10 relates to the remote control system according to any one of claims 1 to 9, wherein the energy converter is a DC motor.

請求項1に係る発明によれば、使用者自身のエネルギーを使用することで電源等のエネルギー源を不要又は小型化することができるとともに、センサを必要とせずに作業部に作用する反力に比例する力を操作部で感知することができるため、極めて簡易な構成で高い力覚認識性能を有し且つ小型化が可能な、医療分野におけるマスタースレーブ装置や片麻痺患者用のリハビリ装置として好適に利用可能な遠隔操作システムを得ることができる。   According to the first aspect of the invention, by using the user's own energy, an energy source such as a power source can be unnecessary or downsized, and the reaction force that acts on the working unit without the need for a sensor can be used. Proportional force can be detected by the operation unit, so it is suitable as a master-slave device or rehabilitation device for hemiplegic patients in the medical field that has a high force recognition performance with a very simple configuration and can be miniaturized. A remote control system can be obtained.

請求項2に係る発明によれば、電気回路で消費されるエネルギー損失を補うエネルギー補充手段を更に備えていることから、作業部の抵抗が大きい場合において、操作部と作業部との動きに差が生じるのを抑制することができ、操作性に優れた遠隔操作システムとなる。   According to the second aspect of the invention, since the energy supplement means for compensating for the energy loss consumed in the electric circuit is further provided, when the resistance of the working unit is large, the difference between the operation unit and the working unit is different. Can be suppressed, and the remote control system is excellent in operability.

請求項3に係る発明によれば、エネルギー補充手段が、電気回路で消費されるエネルギーを測定するセンサと、該センサにより測定された消費エネルギー量以下のエネルギーに相当する電力を電気回路に供給する電源とからなることから、作業部近傍にセンサを設置することなく、簡易な構成で複雑な制御を必要とせずに操作部と作業部の動きに差が生じるのを抑制することができる。   According to the invention of claim 3, the energy replenishing means supplies the electric circuit corresponding to energy equal to or less than the amount of energy consumed by the sensor that measures the energy consumed by the electric circuit. Since it consists of a power supply, it is possible to suppress a difference in movement between the operation unit and the working unit without installing a sensor near the working unit and without requiring complicated control with a simple configuration.

請求項4に係る発明によれば、エネルギー補充手段が、前記第1の変換機及び第2の変換機の駆動速度及び/又は変位を測定する測定手段と、前記第1の変換機の駆動速度と第2の変換機の駆動速度の偏差、前記第1の変換機の変位と第2の変換機の変位の偏差、前記第1の変換機の駆動速度と変位の1次結合と第2の変換機の駆動速度と変位の1次結合の偏差のいずれかを小さくするように前記電気回路に電力を供給する電源からなることにより、センサからのフィードバック制御を必要とせずに、操作部と作業部の動きに差が生じるのを抑制することができる。   According to the invention of claim 4, the energy replenishing means is a measuring means for measuring the driving speed and / or displacement of the first converter and the second converter, and the driving speed of the first converter. And the deviation of the driving speed of the second converter, the deviation of the displacement of the first converter and the displacement of the second converter, the primary combination of the driving speed and the displacement of the first converter and the second By comprising a power source that supplies power to the electric circuit so as to reduce either the driving speed of the converter or the deviation of the primary coupling of the displacement, the operation unit and the work can be performed without the need for feedback control from the sensor. It can suppress that a difference arises in a motion of a part.

請求項5に係る発明によれば、操作部と第1の変換機の間もしくは作業部と第2の変換機の間の少なくともいずれか一方に介在された速度変換機構を備えており、該速度変換機構は、第1の変換機及び第2の変換機の駆動速度を、操作部及び作業部の駆動速度に比べて大きくすることにより、外部電源を必要とせずに、操作部と作業部の動きに差が生じるのを抑制することができる。   According to the invention which concerns on Claim 5, it has the speed conversion mechanism interposed in at least any one between an operation part and a 1st converter or between a working part and a 2nd converter, and this speed The conversion mechanism increases the drive speeds of the first converter and the second converter as compared with the drive speeds of the operation unit and the work unit, so that the operation unit and the work unit can be operated without an external power supply. It is possible to suppress a difference in movement.

請求項6に係る発明によれば、第1の変換機と第2の変換機のアクチュエータ係数が異なることにより、アクチュエータ係数の比が減速比となり、機械的な速度変換機構を必要とせずに、操作部と作業部の動きに差が生じるのを抑制することができる。   According to the invention of claim 6, the actuator coefficient of the first converter and the second converter is different, so that the ratio of the actuator coefficient becomes the reduction ratio, without requiring a mechanical speed conversion mechanism, It can suppress that a difference arises in a motion of an operation part and a work part.

請求項7に係る発明によれば、操作者が操作部を操作しながら作業部を視認するための視覚センサを備えていることから、操作者は作業部の動きを見ながら操作することが可能となり、操作性を向上させることができる。   According to the seventh aspect of the invention, since the operator is provided with a visual sensor for visually recognizing the working part while operating the operating part, the operator can operate while watching the movement of the working part. Thus, operability can be improved.

請求項8に係る発明によれば、患者の生体内に細管を挿入して作業部のマイクロ刃物により患者の腫瘍等を切除することができるとともに、切除時の力を操作部により感知することが可能となる。また、マイクロ刃物がマイクロはさみである場合には、マイクロはさみにより作用する力は、外部に伝わる力が小さいために、大部分の力を操作部で感知することができ、施術者は腫瘍等の切除を容易且つ確実に行うことが可能となる。   According to the eighth aspect of the present invention, it is possible to insert a thin tube into the patient's living body and excise the patient's tumor or the like with the micro blade of the working unit, and to sense the force at the time of excision with the operation unit. It becomes possible. In addition, when the micro blade is a micro scissor, the force acting on the micro scissors is small because the force transmitted to the outside is small, so that most of the force can be detected by the operation unit. The excision can be easily and reliably performed.

請求項9に係る発明によれば、患者自身の健常部(例えば左手)の動きを利用して操作部を操作することで、障害部(例えば右手)を作業部と共に動かすことができ、電源を不要とすることもできるため、患者が自身のエネルギーを利用して障害部に働く力を直接感じながら能動的に且つ場所を選ばずに安全に使用できるリハビリ装置として利用することができる。   According to the invention according to claim 9, by operating the operation unit using the movement of the healthy part (for example, the left hand) of the patient itself, the obstacle part (for example, the right hand) can be moved together with the working unit, and the power supply is turned on. Since it can be made unnecessary, it can be used as a rehabilitation device that can be used actively and safely regardless of location while directly feeling the force acting on the obstacle using the patient's own energy.

請求項10に係る発明によれば、エネルギー変換機がDCモータであることから、機械エネルギーと電気エネルギーの相互変換を簡易且つ安価な構成で確実に行わせることが可能となる。   According to the invention which concerns on Claim 10, since an energy converter is a DC motor, it becomes possible to perform reliably the mutual conversion of mechanical energy and electrical energy with a simple and cheap structure.

以下、本発明に係る遠隔操作システムの好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明に係る遠隔操作システムの基本構成を示す図である。
本発明に係る遠隔操作システムは、操作者(システム利用者)により操作される操作部(1)と、この操作部(1)と離れた位置に設けられて該操作部の操作に伴って作動する作業部(2)と、これら操作部(1)及び作業部(2)に夫々接続されたエネルギー変換機(3)とを備えている。
Hereinafter, a preferred embodiment of a remote control system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a remote control system according to the present invention.
The remote operation system according to the present invention is provided with an operation unit (1) operated by an operator (system user) and a position separated from the operation unit (1), and operates in accordance with the operation of the operation unit. And an energy converter (3) connected to the operation unit (1) and the work unit (2), respectively.

エネルギー変換機(3)は、操作部(1)から入力される機械エネルギーを電気エネルギーに変換する第1の変換機(31)と、第1の変換機から得られる電気エネルギーを機械エネルギーに変換して作業部(2)に伝える第2の変換機(32)とからなる。
そして、操作部(1)に入力される力(エネルギー)と作業部(2)から出力される力(エネルギー)とは比例関係にある。
第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)としてはDCモータが最も好適に利用される。そのため、以下の説明では、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)としてDCモータを使用した場合を例に挙げて説明する。
但し、本発明においては、機械エネルギーと電気エネルギーの相互変換がDCモータと同様の関係式で実行可能な装置であれば、DCモータに代えて他の種類の変換機(例えば圧電素子)を使用してもよい。
The energy converter (3) converts the mechanical energy input from the operation unit (1) into electrical energy, and converts the electrical energy obtained from the first converter into mechanical energy. And a second converter (32) for transmitting to the working unit (2).
The force (energy) input to the operation unit (1) and the force (energy) output from the work unit (2) are in a proportional relationship.
As the first converter (31) and the second converter (32), a DC motor is most preferably used. Therefore, in the following description, a case where a DC motor is used as the first converter (31) and the second converter (32) will be described as an example.
However, in the present invention, other types of converters (for example, piezoelectric elements) are used in place of the DC motor as long as mutual conversion between mechanical energy and electrical energy can be performed with the same relational expression as that of the DC motor. May be.

第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)は1つの電気回路中に設けられている。
電気回路は、第1の変換機(31)、抵抗(R)、第2の変換機(32)、コイル(L)が、この順の経路で電流が流れるように直列に接続されている。
The first converter (31) and the second converter (32) are provided in one electric circuit.
In the electric circuit, the first converter (31), the resistor (R), the second converter (32), and the coil (L) are connected in series so that a current flows in this order.

図1に示す遠隔操作システムにおいて、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)として同じモータ(DCモータ)を使用した場合(以下、基本実施形態という)について説明する。
この場合、外部電源が無ければ、
操作部(1)の運動方程式は下式となり、

Figure 2009189506
作業部(2)の運動方程式は下式となる。
Figure 2009189506
ここで、
T:モータトルク
A:アクチュエータ係数(トルク定数、時定数の総称として用いる)
である。 A case where the same motor (DC motor) is used as the first converter (31) and the second converter (32) in the remote operation system shown in FIG. 1 (hereinafter referred to as a basic embodiment) will be described.
In this case, if there is no external power supply,
The equation of motion of the operation unit (1) is
Figure 2009189506
The equation of motion of the working unit (2) is as follows.
Figure 2009189506
here,
T: Motor torque A: Actuator coefficient (used as a general term for torque constant and time constant)
It is.


Figure 2009189506



Figure 2009189506


十分遅い現象でLの影響を無視すれば下式となる。

Figure 2009189506
2つのモータのアクチュエータ係数が等しい場合、即ちA=A=Aの場合、
Figure 2009189506


となる。ここで
Figure 2009189506
である。 If the effect of L is ignored in a sufficiently slow phenomenon, the following equation is obtained.
Figure 2009189506
If the actuator coefficients of the two motors are equal, that is, if A 1 = A 2 = A,
Figure 2009189506


It becomes. here
Figure 2009189506
It is.

電流が消去されたため、これらの式の変数は、機械系の変数θだけで表現されており、Cを等価な減衰定数と考えれば、図2に示すような機械系のみの系と等価である。
すなわち、2つの慣性モーメントが減衰器で結合されている系と等価である。
ここで、2つの慣性モーメントの影響、即ち慣性力が十分小さい場合であれば、近似的にF=Fとなり、作業部の反力と操作部に加える力(トルク)が等しくなる。
このことから、操作部(1)においては、作業部(2)の反力を直接感じながら操作ができることになる。そして、反力が小さければ、作業部(2)は操作部とあまり変わらない速度で動くため、操作部(1)でほぼリアルタイムで反力を感じながら操作することが可能となる。
このように、本発明によれば、電源やセンサを必要とせずに、力覚認識性能が高い遠隔操作システムを得ることが可能となる。
尚、上述の説明では、モータが回転モータである場合(操作部及び作業部で回転運動を行う場合)を想定したが、モータがリニアモータである場合(操作部及び作業部で並進運動を行う場合)についても同様の考え方が成り立つ。
Since the current is erased, the variables of these equations are expressed only by the mechanical system variable θ. If C 0 is considered as an equivalent damping constant, it is equivalent to the system of only the mechanical system as shown in FIG. is there.
That is, it is equivalent to a system in which two moments of inertia are coupled by an attenuator.
Here, if the influence of the two moments of inertia, that is, the case where the inertial force is sufficiently small, F 1 = F 2 approximately, and the reaction force of the working unit and the force (torque) applied to the operation unit become equal.
Therefore, the operation unit (1) can be operated while directly feeling the reaction force of the working unit (2). If the reaction force is small, the working unit (2) moves at a speed not much different from that of the operation unit, so that the operation unit (1) can be operated while feeling the reaction force almost in real time.
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a remote control system having high force sense recognition performance without requiring a power source or a sensor.
In the above description, it is assumed that the motor is a rotary motor (when the operation unit and the working unit perform a rotational motion), but when the motor is a linear motor (the operation unit and the working unit perform a translational motion). The same idea holds for (case).

上記基本実施形態では、電気回路の抵抗によりエネルギー損失が生じるため、作業部(2)が受ける抵抗(反力)が大きい場合には、操作部(1)と作業部(2)の動きに時間差が生じる。即ち、運動性能が悪くなる。
この欠点を改善する(運動性能を改善する)ための方法としては、先ず、電気回路で消費されるエネルギー損失を補うエネルギー補充手段を設ける方法が挙げられる。
In the basic embodiment, energy loss occurs due to the resistance of the electric circuit. Therefore, when the resistance (reaction force) received by the working unit (2) is large, the time difference between the movement of the operating unit (1) and the working unit (2). Occurs. That is, the exercise performance is deteriorated.
As a method for improving this defect (improving athletic performance), first, there is a method of providing an energy replenishing means for compensating for the energy loss consumed in the electric circuit.

図3は、エネルギー補充手段を備えた遠隔操作システムの例(第1の例)を示す図である。
この例において、エネルギー補充手段は、電気回路で消費されるエネルギーを測定するセンサ(図示略)と、該センサにより測定された消費エネルギー量以下のエネルギーに相当する電力を電気回路に供給する電源(4)とからなる。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example (first example) of a remote control system provided with an energy replenishment unit.
In this example, the energy replenishing means includes a sensor (not shown) that measures energy consumed in the electric circuit, and a power source (electric power that supplies energy equal to or less than the amount of energy consumed measured by the sensor) ( 4).

具体的には、電源(4)により下式で表される電圧eを電気回路内に加える。

Figure 2009189506
ここで、Rは事前に計測しておくことができる既知の定数(抵抗値)であり、iは電流センサによりリアルタイムで計測する。
上式において、α=1とすれば、電気回路で消費されるエネルギーを全て補充することが可能であるが、安定性確保のため、αは0<α≦1の範囲で状況に応じて設定する。
上記eを加えると、電気回路の運動方程式は、
Figure 2009189506
となり、整理すれば、
Figure 2009189506
となる。式形を見れば、電気回路の抵抗がRからR(1−α)に減少したのと同等である。
したがって、等価な減衰定数をCとすれば、
Figure 2009189506
となり、理論的にはαを1に近づければ、Cをいくらでも大きくすることが可能となり、減衰定数Cを大きくすることによって、操作部(1)への入力と作業部(2)からの出力の速度差を十分に小さくすることができる。つまり、運動性能を改善することができる。
但し、1−αが負になれば、電気回路で消費される消費されるエネルギーを超えて電源(4)からエネルギーが供給されることになってシステムが不安定になるので、負にならないようにαを設定する必要がある。 Specifically, a voltage e expressed by the following formula is applied to the electric circuit by the power source (4).
Figure 2009189506
Here, R is a known constant (resistance value) that can be measured in advance, and i is measured in real time by a current sensor.
In the above equation, if α = 1, it is possible to replenish all the energy consumed by the electric circuit, but α is set according to the situation in the range of 0 <α ≦ 1 in order to ensure stability. To do.
When the above e is added, the equation of motion of the electric circuit is
Figure 2009189506
If you organize,
Figure 2009189506
It becomes. Looking at the formula form, it is equivalent to the resistance of the electric circuit being reduced from R to R (1-α).
Therefore, if the equivalent attenuation constant is C,
Figure 2009189506
Theoretically, if α is close to 1, C can be increased as much as possible. By increasing the damping constant C, the input to the operation unit (1) and the output from the work unit (2) The speed difference can be made sufficiently small. That is, the exercise performance can be improved.
However, if 1−α becomes negative, the energy will be supplied from the power source (4) exceeding the energy consumed in the electric circuit and the system will become unstable, so that it will not become negative. Must be set to α.

上記システムにおいては、電源(4)により電気回路に加える電圧eを決定するために電流iをセンサによりリアルタイムで計測する必要があるが、電流iは作業部(2)でも操作部(1)でも共通であるため、作業部(2)にセンサを設ける必要がなく、操作部(1)の近傍にセンサを設けることが可能となる。また、電源(4)についても操作部(1)の近傍に設けることができる。
従って、手術ロボット等の作業部(2)の近傍にスペースを確保できないような場合にも問題なく使用することができる。
In the above system, the current i needs to be measured in real time by the sensor in order to determine the voltage e applied to the electric circuit by the power source (4). The current i is measured by the working unit (2) or the operation unit (1). Since they are common, it is not necessary to provide a sensor in the working unit (2), and a sensor can be provided in the vicinity of the operation unit (1). The power source (4) can also be provided in the vicinity of the operation unit (1).
Therefore, even when a space cannot be secured in the vicinity of the working unit (2) such as a surgical robot, it can be used without any problem.

次に、エネルギー補充手段を備えた遠隔操作システムの第2の例について、再び図3に基づいて説明する。
第2の例において、エネルギー補充手段は、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)の駆動速度を測定する測定手段(図示略)と、第1の変換機(31)の駆動速度と第2の変換機(32)の駆動速度の偏差を小さくするように電気回路に電力を供給する電源(4)からなる。
尚、他の例と同様にこの例においても、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)としてDCモータを使用した場合について説明する。
Next, a second example of the remote control system provided with the energy replenishing means will be described based on FIG. 3 again.
In the second example, the energy replenishing means includes measuring means (not shown) for measuring the driving speeds of the first converter (31) and the second converter (32), and the first converter (31). And a power source (4) for supplying electric power to the electric circuit so as to reduce the deviation between the driving speed of the second converter (32) and the driving speed of the second converter (32).
In this example as well as other examples, the case where a DC motor is used as the first converter (31) and the second converter (32) will be described.

測定手段は2つのモータの速度を計測し、電源(4)は下式で表される電圧eをリアルタイムで電気回路に加える。

Figure 2009189506
測定手段は、リアルタイムで速度を計測できるものであれば限定されず、例えばエンコーダ、リゾルバ、タコジェネレータ等を使用することができる。 The measuring means measures the speeds of the two motors, and the power source (4) applies a voltage e expressed by the following formula to the electric circuit in real time.
Figure 2009189506
The measuring means is not limited as long as it can measure the speed in real time. For example, an encoder, a resolver, a tachometer, or the like can be used.

上記eを加えると、電気回路の運動方程式は、

Figure 2009189506
となり、Lの影響を無視すれば、
Figure 2009189506
となり、等価な減衰定数は、
Figure 2009189506
となる。
従って、pを大きくすれば、Cを十分大きくすることが可能となり、操作部(1)への入力と作業部(2)からの出力の速度差を十分に小さくすることができる。つまり、運動性能を改善することができる。 When the above e is added, the equation of motion of the electric circuit is
Figure 2009189506
If we ignore the influence of L,
Figure 2009189506
And the equivalent damping constant is
Figure 2009189506
It becomes.
Therefore, if p is increased, C can be sufficiently increased, and the speed difference between the input to the operation unit (1) and the output from the work unit (2) can be sufficiently reduced. That is, the exercise performance can be improved.

尚、電源(4)から電気回路に加える電圧eの制御方式について、上記した比例制御の代わりに下式で表されるPI制御とすることもできる。

Figure 2009189506
In addition, about the control system of the voltage e applied to an electric circuit from a power supply (4), it can also be set as PI control represented by the following Formula instead of the above-mentioned proportional control.
Figure 2009189506

また、変位θ,θの測定結果を用いて電源(4)からの電力供給を制御してもよい。この場合、速度だけでなく位置も制御することが可能となる。
具体的には、上述した第2の例において、測定手段が、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)の駆動速度に代えて変位(θ,θ)を測定し、電源(4)が、第1の変換機(31)の変位と第2の変換機(32)の変位の偏差を小さくするように電気回路に電力を供給するように構成することができる。
或いは、上述した第2の例において、測定手段が、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)の駆動速度に加えて変位を測定し、電源(4)が、第1の変換機の駆動速度と変位の1次結合と第2の変換機の駆動速度と変位の1次結合の偏差を小さくするように電気回路に電力を供給するように構成することができる。
Moreover, you may control the electric power supply from a power supply (4) using the measurement result of displacement (theta) 1 , (theta) 2 . In this case, not only the speed but also the position can be controlled.
Specifically, in the second example described above, the measuring means measures the displacements (θ 1 , θ 2 ) instead of the driving speeds of the first converter (31) and the second converter (32). The power source (4) can be configured to supply power to the electric circuit so as to reduce the deviation between the displacement of the first converter (31) and the displacement of the second converter (32). .
Alternatively, in the second example described above, the measuring means measures the displacement in addition to the driving speeds of the first converter (31) and the second converter (32), and the power source (4) It is possible to supply power to the electric circuit so as to reduce the deviation between the primary combination of the driving speed and displacement of the first converter and the primary combination of the driving speed and displacement of the second converter.

上述した第1の例及び第2の例において、電源(外部電源)(4)から電気回路に電圧eを与える方法の一例について説明する。
図4に示すように、電源(4)として低電圧のバッテリーを使用し、2つのスイッチ(6)をバッテリーに接続する場合と接続しない場合とを高速で切り替えれば、平均的に

Figure 2009189506
となる。
ここで、
:バッテリーへの接続時間
:バッテリーへの非接続時間
E:バッテリーの電圧
である。
従って、必要なeになるようにT/(T+T)をリアルタイムで制御するとよい。 In the first example and the second example described above, an example of a method of applying the voltage e to the electric circuit from the power source (external power source) (4) will be described.
As shown in FIG. 4, if a low-voltage battery is used as the power source (4) and the two switches (6) are connected to the battery at high speed, the average is obtained.
Figure 2009189506
It becomes.
here,
T 1 : battery connection time T 2 : battery non-connection time E: battery voltage.
Therefore, T 1 / (T 1 + T 2 ) may be controlled in real time so that the required e is obtained.

操作部(1)と作業部(2)の動きに時間差が生じる欠点を改善するための別の方法としては、速度変換機構を設ける方法が挙げられる。
より具体的には、操作部(1)と第1の変換機(31)の間もしくは作業部(2)と第2の変換機(32)の間の少なくともいずれか一方に速度変換機構を設ける。そして、この速度変換機構により、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)の駆動速度を、操作部(1)及び作業部(2)の駆動速度に比べて大きくする。
As another method for improving the defect that a time difference occurs between the movements of the operation unit (1) and the working unit (2), there is a method of providing a speed conversion mechanism.
More specifically, a speed conversion mechanism is provided between at least one of the operating unit (1) and the first converter (31) or between the working unit (2) and the second converter (32). . And by this speed conversion mechanism, the drive speeds of the first converter (31) and the second converter (32) are made larger than the drive speeds of the operation unit (1) and the working unit (2).

図5は、速度変換機構(5)を備えた遠隔操作システムの例を示す図である。
尚、この例においても、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)としてDCモータを使用した場合について説明する。
また、速度変換機構(5)を、操作部(1)と第1の変換機(31)の間及び作業部(2)と第2の変換機(32)の間の両方に設けた場合について説明する。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a remote control system including a speed conversion mechanism (5).
In this example, the case where a DC motor is used as the first converter (31) and the second converter (32) will be described.
Moreover, about the case where the speed conversion mechanism (5) is provided both between the operation unit (1) and the first converter (31) and between the working unit (2) and the second converter (32). explain.

図5において、操作部(1)に接続したモータの回転速度と、作業部(2)に接続したモータの回転速度をそれぞれ

Figure 2009189506
とし、これらとは別に操作部(1)及び作業部(2)の機械系の速度をそれぞれ
Figure 2009189506
とする。この速度は回転でも並進でもよいが、ここでは回転で説明する。 In FIG. 5, the rotational speed of the motor connected to the operation unit (1) and the rotational speed of the motor connected to the working unit (2) are respectively shown.
Figure 2009189506
Separately from these, the speed of the mechanical system of the operation unit (1) and the working unit (2)
Figure 2009189506
And This speed may be rotation or translation, but will be described here as rotation.

Figure 2009189506
速度変換機構を介装した場合の機械系とモータの速度比は、操作部(1)と作業部(2)で異なっていてもよいし、一方だけ速度変換機構を介装してもよいが、以下では、説明を分かり易くするために操作部でも作業部でも同じ速度比Nの速度変換機構を用いる場合を説明する。
Figure 2009189506
When the speed conversion mechanism is interposed, the speed ratio between the mechanical system and the motor may be different between the operation unit (1) and the work unit (2), or only one of them may be interposed with the speed conversion mechanism. In the following, a case where a speed conversion mechanism having the same speed ratio N is used in both the operation unit and the work unit will be described for easy understanding.

速度比を下式のように仮定し、

Figure 2009189506
J,Kは機械系のパラメータとすれば、
Figure 2009189506
となる。 Assuming the speed ratio as
Figure 2009189506
If J and K are mechanical parameters,
Figure 2009189506
It becomes.

速度変換機構がない場合と比較すれば、等価な機械系の減衰定数がCからNに変わるので、Nを大きくとれば、減衰定数を飛躍的に大きくすることができることが分かる。
従って、速度変換機構を設けることにより、操作部(1)への入力と作業部(2)からの出力の速度差を十分に小さくすることができる。つまり、運動性能を大幅に改善することができる。また、外部電源が不要であるというメリットもある。
Compared with the case without the speed conversion mechanism, the equivalent damping constant of the mechanical system changes from C 0 to N 2 C 0 , so that it can be seen that if N is increased, the damping constant can be dramatically increased.
Therefore, by providing the speed conversion mechanism, the speed difference between the input to the operation unit (1) and the output from the work unit (2) can be sufficiently reduced. That is, the exercise performance can be greatly improved. There is also an advantage that an external power supply is not required.

操作部と作業部の動きに時間差が生じる欠点を改善するための更に別の方法としては、第1の変換機と第2の変換機のアクチュエータ係数を異ならせる方法が挙げられる。
上述した例では、A=A=Aの場合について説明した。この場合は、力も動きも操作部と作業部で1対1である。
以下では、A≠Aの場合について考える。

Figure 2009189506
とすると、操作部の運動方程式は下式となり、
Figure 2009189506
作業部の運動方程式は下式となる。
Figure 2009189506
As another method for improving the disadvantage that a time difference occurs between the operation unit and the working unit, there is a method in which the actuator coefficients of the first converter and the second converter are made different.
In the above-described example, the case where A 1 = A 2 = A has been described. In this case, the force and movement are one-to-one between the operation unit and the working unit.
In the following, the case where A 1 ≠ A 2 is considered.
Figure 2009189506
Then, the equation of motion of the operation unit is
Figure 2009189506
The equation of motion of the working part is as follows.
Figure 2009189506

電気回路の運動方程式は、電源の無い場合で考えれば、

Figure 2009189506
となり、十分遅い現象でLの影響を無視すれば
Figure 2009189506
となり、操作部の運動方程式は下式となり、
Figure 2009189506
作業部の運動方程式は下式となる。
Figure 2009189506
ここで
Figure 2009189506
であり、Cが十分大きければ、
Figure 2009189506
となるので、n>1であれば、作業部はほぼ減速比1/nに減速され、作業部のトルクは操作部のほぼn倍になる。n<1であれば逆に増速となる。
このようにアクチュエータ係数を操作部側と作業部側で異ならせることにより、減速器や増速器を挿入しなくても、それと同等の効果を得ることが可能となる。尚、トランスを用いることによっても同様の作用効果が得られる。 If you consider the equation of motion of the electric circuit without a power supply,
Figure 2009189506
If we ignore the effect of L because it is a sufficiently slow phenomenon
Figure 2009189506
And the equation of motion of the control unit is
Figure 2009189506
The equation of motion of the working part is as follows.
Figure 2009189506
here
Figure 2009189506
And if C 1 is large enough,
Figure 2009189506
Therefore, if n> 1, the working unit is decelerated substantially to a reduction ratio 1 / n, and the torque of the working unit is almost n times that of the operating unit. Conversely, if n <1, the speed increases.
Thus, by making the actuator coefficient different between the operation unit side and the working unit side, it is possible to obtain the same effect without inserting a speed reducer or a speed increaser. Similar effects can be obtained by using a transformer.

但し、この方法は、等価な機械系の減衰定数Cが十分大きくなければ、電気回路でのエネルギー損失による作業部側の速度の低下が生じる。
これを避ける必要がある場合には、上述したエネルギー補充手段(第1及び第2の例)を設けることが有効である。
但し、第2の例における速度偏差は、

Figure 2009189506
として計算する。 However, this method, if there is no sufficiently large damping constant C 1 equivalent mechanical system, reduction in the rate of working side by energy loss in the electric circuit occurs.
When it is necessary to avoid this, it is effective to provide the above-described energy supplementing means (first and second examples).
However, the speed deviation in the second example is
Figure 2009189506
Calculate as

以下、本発明に係る遠隔操作システムの適用例について説明する。
図6は、本発明に係る遠隔操作システムを内視鏡手術用のシステムに適用した例を示す概略図である。
内視鏡手術用システムに適用する場合、高い運動性能(操作性)が要求されるとともに、作業部(2)の近傍にはスペースを確保できないため、上述したエネルギー補充手段を備えた遠隔操作システム(第1及び第2の例)が特に好適に利用される。但し、上述した他のシステムを用いることもできる。
Hereinafter, application examples of the remote control system according to the present invention will be described.
FIG. 6 is a schematic view showing an example in which the remote control system according to the present invention is applied to a system for endoscopic surgery.
When applied to a system for endoscopic surgery, high motor performance (operability) is required, and a space cannot be secured in the vicinity of the working unit (2). (First and second examples) are particularly preferably used. However, other systems described above can also be used.

第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)としてはDCモータが使用されており、操作部(1)と作業部(2)は人体に挿入可能な細管(7)により接続されている。
操作部(1)は、図示例では操作者が手動で回動操作できるレバーからなり、操作部(1)を回動操作することにより第1の変換機(31)を構成するモータを駆動することができる。また、操作部(1)の近傍には、電源(4)と電流センサ等の電気回路の制御系が配置されている。
作業部(2)は患者の生体内に挿入して腫瘍等を切除することができるマイクロ刃物、具体的にはマイクロはさみからなり、第2の変換機(32)を構成するモータの駆動に伴って開閉するように構成されている。
A DC motor is used as the first converter (31) and the second converter (32), and the operation unit (1) and the working unit (2) are connected by a thin tube (7) that can be inserted into a human body. Has been.
In the illustrated example, the operation unit (1) includes a lever that can be manually rotated by the operator, and drives the motor that constitutes the first converter (31) by rotating the operation unit (1). be able to. Further, a control system for an electric circuit such as a power source (4) and a current sensor is disposed in the vicinity of the operation unit (1).
The working unit (2) is a micro blade, specifically a micro scissor, which can be inserted into a patient's living body and excised from the tumor, and is driven by the motor constituting the second converter (32). Are configured to open and close.

作業部(2)のマイクロはさみが切除時に受ける反力は、はさみを構成する2つの刃物の角度が平行のときに切ればモータトルクだけとなるから、細管(7)には力が殆ど作用しない。そのため、細管(7)は、人体内の血管や尿管に沿って屈曲可能な柔軟な可撓性材料から構成することができる。但し、剛性材料から構成することもできる。
細管(7)の内部には、操作部(1)と作業部(2)とを電気的に接続する電気回路の配線等が挿通されている。
The reaction force that the micro scissors of the working part (2) receives at the time of excision is only the motor torque if it is cut when the angles of the two blades constituting the scissors are parallel, so that almost no force acts on the thin tube (7). . Therefore, the thin tube (7) can be made of a flexible material that can be bent along blood vessels and ureters in the human body. However, it can also be composed of a rigid material.
Inside the narrow tube (7), wiring of an electric circuit for electrically connecting the operation unit (1) and the working unit (2) is inserted.

この内視鏡手術用のシステムによれば、患者の生体内に細管(7)を挿入して作業部(2)のマイクロはさみにより患者の腫瘍等を切除することができるとともに、切除時に作業部(2)が受ける反力を操作部(1)により略リアルタイムで感知することが可能となる。
また、マイクロはさみに作用する反力は、大部分が内力となり外部に伝わる力が小さいために、切除時にマイクロはさみで切る力を操作部(1)で正確に感知することができる。
更に、細管(7)の内部に光ファイバーを挿通してファイバースコープ(視覚センサ)を構成することにより、操作者は操作部(1)を操作しながら作業部(2)を視認することができるため、切除作業等をより正確に行うことが可能となる。この場合には、運動性能が低くてもよいため、エネルギー補充手段を備えないシステムを利用することもでき、電源は不要となる。
According to this system for endoscopic surgery, a thin tube (7) can be inserted into a patient's living body and a patient's tumor or the like can be excised with the micro scissors of the working part (2). The reaction force received by (2) can be sensed in substantially real time by the operation unit (1).
Further, since the reaction force acting on the micro scissors is mostly internal force and the force transmitted to the outside is small, the force of cutting with the micro scissors at the time of excision can be accurately detected by the operation unit (1).
Furthermore, since an optical fiber is inserted into the narrow tube (7) to form a fiberscope (visual sensor), the operator can visually recognize the working unit (2) while operating the operating unit (1). In addition, excision work and the like can be performed more accurately. In this case, since the exercise performance may be low, a system without an energy replenishing means can be used, and a power source is not necessary.

図7は、本発明に係る遠隔操作システムを、片麻痺患者の上肢リハビリ用のシステムに適用した例を示す概略図である。
図示例のシステムは、操作部(1)が患者の健常部(例えば左手)に装着可能であり、作業部(2)が患者の障害部(例えば右手)に装着可能であるようにウェアラブルに構成されている。尚、操作部(1)と作業部(2)を左脚と右脚にそれぞれ装着可能とすることにより、下肢リハビリ用システムとしても利用可能である。
図示例においては、操作部(1)及び作業部(2)は、肘の関節を曲げる動作と連動して回動するレバーから構成されている。
FIG. 7 is a schematic view showing an example in which the remote control system according to the present invention is applied to an upper limb rehabilitation system for a hemiplegic patient.
The system of the illustrated example is configured to be wearable so that the operation unit (1) can be mounted on a healthy part (for example, the left hand) of a patient and the working unit (2) can be mounted on an obstacle (for example, the right hand) of a patient. Has been. The operation unit (1) and the working unit (2) can be mounted on the left leg and the right leg, respectively, so that it can be used as a lower limb rehabilitation system.
In the illustrated example, the operation unit (1) and the working unit (2) are configured by levers that rotate in conjunction with the operation of bending the joint of the elbow.

第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)としてはDCモータが使用されており、操作部(1)と作業部(2)とは電気回路の配線により接続されている。また、電気回路には、電源(4)と電気回路の制御系が配置されている。電源(4)としては軽量バッテリーが好適に用いられる。   A DC motor is used as the first converter (31) and the second converter (32), and the operation unit (1) and the working unit (2) are connected by wiring of an electric circuit. The electric circuit is provided with a power source (4) and a control system for the electric circuit. A lightweight battery is preferably used as the power source (4).

上肢リハビリ用システムに適用する場合、作業部(障害部)に十分なスペースを確保できるため、操作部(健常部)の速度と作業部(障害部)の速度の偏差を利用するシステム、具体的には、上述したエネルギー補充手段を備えた遠隔操作システムの第2の例が好適に利用できる。
但し、要求される性能に応じて、上述した他のシステムを適宜選択して利用することができる。例えば、操作部(健常部)と作業部(障害部)の動きに時間差が生じてもよい場合には、エネルギー補充手段を備えないシステム(例えば、速度変換機構を備えたシステム)を利用することもでき、この場合には外部電源が不要となる。
When applied to an upper limb rehabilitation system, a sufficient space can be secured in the working part (disability part), so a system that uses the deviation between the speed of the operation part (healthy part) and the speed of the working part (disability part), specifically For this, the second example of the remote control system provided with the energy replenishing means described above can be suitably used.
However, other systems described above can be appropriately selected and used according to the required performance. For example, when a time difference may occur between the operation unit (healthy unit) and the operation unit (failure unit), use a system that does not include an energy replenishment unit (for example, a system that includes a speed conversion mechanism). In this case, an external power supply is not necessary.

この上肢リハビリ用システムによれば、患者自身の健常部(例えば右手)の動きを利用して操作部を操作することで、障害部(例えば左手)を作業部と共に動かすことができる。また、電源を不要とすることもできるため、着用して使用することができ、場所の制約を受けずにどこでもリハビリをすることが可能となる。また、自分の意思に基づいて障害部を動かすので精神面からの回復効果が見込める。更に、自分の健常部で反力を感じることができるため安心して力を調整しながらリハビリを行うことができる。   According to this system for rehabilitation of the upper limb, by operating the operation unit using the movement of the healthy part (for example, the right hand) of the patient itself, the obstacle part (for example, the left hand) can be moved together with the working unit. Moreover, since a power supply can be made unnecessary, it can be worn and used, and rehabilitation can be performed anywhere without being restricted by a place. Moreover, since the handicapped part is moved based on one's own will, a mental recovery effect can be expected. Furthermore, since a reaction force can be felt in his / her healthy part, rehabilitation can be performed while adjusting the force with confidence.

本発明は、内視鏡手術用のシステムや片麻痺患者のリハビリ用システム等の医療分野において特に好適に利用することができる。   The present invention can be particularly suitably used in the medical field such as a system for endoscopic surgery and a rehabilitation system for hemiplegic patients.

本発明に係る遠隔操作システムの基本構成を示す図である。It is a figure showing the basic composition of the remote control system concerning the present invention. 図1のシステムを等価な機械系のみの系に変換した図である。It is the figure which converted the system of FIG. 1 into the system of only an equivalent mechanical system. エネルギー補充手段を備えた遠隔操作システムの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the remote control system provided with the energy supplement means. エネルギー補充手段を備えた遠隔操作システムにおいて、電源から電気回路に電圧を与える方法の一例についての説明図である。It is explanatory drawing about an example of the method of giving a voltage to an electric circuit from a power supply in the remote control system provided with the energy supplement means. 速度変換機構を備えた遠隔操作システムの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the remote control system provided with the speed conversion mechanism. 本発明に係る遠隔操作システムを内視鏡手術用のシステムに適用した例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example which applied the remote control system which concerns on this invention to the system for endoscopic surgery. 本発明に係る遠隔操作システムを、片麻痺患者の上肢リハビリ用のシステムに適用した例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example which applied the remote control system which concerns on this invention to the system for upper limb rehabilitation of a hemiplegic patient.

符号の説明Explanation of symbols

1 操作部
2 作業部
3 エネルギー変換機
31 第1の変換機
32 第2の変換機
4 電源(外部電源)
5 速度変換機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Operation part 2 Working part 3 Energy converter 31 1st converter 32 2nd converter 4 Power supply (external power supply)
5 Speed conversion mechanism

Claims (10)

操作者により操作される操作部と、該操作部と離れた位置に設けられて操作部の操作に伴って作動する作業部と、前記操作部及び前記作業部に夫々接続されたエネルギー変換機とを備えており、
前記エネルギー変換機は、前記操作部から入力される機械エネルギーを電気エネルギーに変換する第1の変換機と、該第1の変換機から得られる電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記作業部に伝える第2の変換機とからなり、
前記第1の変換機及び第2の変換機は1つの電気回路中に設けられており、
前記操作部に入力される力と、前記作業部から出力される力とが比例関係にある
ことを特徴とする遠隔操作システム。
An operating unit operated by an operator, a working unit provided at a position apart from the operating unit and operating in accordance with the operation of the operating unit, an energy converter connected to the operating unit and the working unit, respectively With
The energy converter includes: a first converter that converts mechanical energy input from the operation unit into electrical energy; and electrical energy obtained from the first converter is converted into mechanical energy to the working unit. With a second converter to communicate,
The first converter and the second converter are provided in one electrical circuit;
A remote operation system, wherein a force input to the operation unit and a force output from the working unit are in a proportional relationship.
前記電気回路で消費されるエネルギー損失を補うエネルギー補充手段を更に備えていることを特徴とする請求項1記載の遠隔操作システム。   2. The remote control system according to claim 1, further comprising energy supplementing means for compensating for energy loss consumed in the electric circuit. 前記エネルギー補充手段が、
前記電気回路で消費されるエネルギーを測定するセンサと、
該センサにより測定された消費エネルギー量以下のエネルギーに相当する電力を前記電気回路に供給する電源とからなる
ことを特徴とする請求項2記載の遠隔操作システム。
The energy replenishing means is
A sensor for measuring energy consumed in the electrical circuit;
The remote control system according to claim 2, further comprising: a power source that supplies power corresponding to energy equal to or less than an energy consumption amount measured by the sensor to the electric circuit.
前記エネルギー補充手段が、
前記第1の変換機及び第2の変換機の駆動速度及び/又は変位を測定する測定手段と、
前記第1の変換機の駆動速度と第2の変換機の駆動速度の偏差、前記第1の変換機の変位と第2の変換機の変位の偏差、前記第1の変換機の駆動速度と変位の1次結合と第2の変換機の駆動速度と変位の1次結合の偏差のいずれかを小さくするように前記電気回路に電力を供給する電源からなる
ことを特徴とする請求項2記載の遠隔操作システム。
The energy replenishing means is
Measuring means for measuring the driving speed and / or displacement of the first converter and the second converter;
Deviation between the driving speed of the first converter and the driving speed of the second converter, the deviation of the displacement of the first converter and the displacement of the second converter, the driving speed of the first converter 3. A power supply for supplying electric power to the electric circuit so as to reduce any one of a deviation of the primary coupling of displacement, the driving speed of the second converter, and the deviation of the primary coupling of displacement. Remote control system.
前記操作部と前記第1の変換機の間もしくは前記作業部と前記第2の変換機の間の少なくともいずれか一方に介在された速度変換機構を備えており、
該速度変換機構は、前記第1の変換機及び第2の変換機の駆動速度を、前記操作部及び作業部の駆動速度に比べて大きくする
ことを特徴とする請求項1記載の遠隔操作システム。
A speed conversion mechanism interposed between at least one of the operation unit and the first converter or between the working unit and the second converter;
2. The remote operation system according to claim 1, wherein the speed conversion mechanism increases a driving speed of the first converter and the second converter as compared with driving speeds of the operation unit and the working unit. .
前記第1の変換機と前記第2の変換機のアクチュエータ係数が異なることを特徴とする請求項1記載の遠隔操作システム。   The remote control system according to claim 1, wherein actuator coefficients of the first converter and the second converter are different. 前記操作者が前記操作部を操作しながら前記作業部を視認するための視覚センサを備えていることを特徴とする請求項1乃至6いずれかに記載の遠隔操作システム。   The remote operation system according to claim 1, further comprising a visual sensor that allows the operator to visually recognize the working unit while operating the operation unit. 患者の生体内に前記作業部を挿入することにより使用されるシステムであって、
前記操作部と前記作業部が細管により接続されており、
前記作業部が腫瘍等を切除するためのマイクロ刃物からなることを特徴とする請求項1乃至7いずれかに記載の遠隔操作システム。
A system used by inserting the working unit into a living body of a patient,
The operation unit and the working unit are connected by a thin tube,
The remote control system according to claim 1, wherein the working unit includes a micro blade for excising a tumor or the like.
片麻痺の患者のリハビリ用に用いられるシステムであって、
前記操作部が患者の健常部に装着され、前記作業部が患者の障害部に装着されることを特徴とする請求項1乃至8いずれかに記載の遠隔操作システム。
A system used for rehabilitation of hemiplegic patients,
The remote operation system according to claim 1, wherein the operation unit is attached to a healthy part of a patient, and the working unit is attached to an obstacle part of the patient.
前記エネルギー変換機がDCモータであることを特徴とする請求項1乃至9いずれかに記載の遠隔操作システム。   The remote control system according to claim 1, wherein the energy converter is a DC motor.
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