JP2009285099A - 力覚提示機能を有する操縦システム - Google Patents

Abstract

【課題】操作性に優れた小型軽量の力覚提示機能を有する操縦システムを提供することにある。
【解決手段】主操作装置１０１の手動操作に倣った従操作装置１０５の自動操作を通信によりバイラテラル制御する際、主操作装置は、電気駆動系による速度制御を主とし、従操作装置は、空気圧駆動系による力制御を主とし、従操作装置側に働く力を主操作装置側で力覚提示する。主操作装置は、デルタ機構で構成された並進部１１０と、当該並進部に連結されジンバル機構で構成された姿勢部１２０を備え、従操作装置は、平行リンク機構とジンバル機構の組み合わせで構成された保持部１５０と、当該保持部に保持されワイヤ機構とリンク機構で構成された挟持部１６０を備える。挟持部は、２つの空気圧アクチュエータに接続されたサーボバルブ及びワイヤを備えた拮抗駆動系を備え、サーボバルブを制御してワイヤの張力を可変することにより駆動される。
【選択図】図１

Description

本発明は、主操作装置の手動操作に倣った従操作装置の自動操作を通信によりバイラテラル制御可能な操縦システムに関し、特に力覚提示機能を有する操縦システムに関する。

近年、外科手術において、患者の痛みの低減入院期間の短縮や傷跡の縮小などのＱＯＬ（Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｌｉｆｅ）の重視の観点から、内視鏡手術が広く行なわれている。内視鏡手術とは、術者が細い筒（トロッカール）から鉗子類を入れ、腹腔鏡の映像を観察しながら手術を行うものである。開腹手術より傷口が小さくて済むことから、患者への負担が少ない。しかし、腹壁を支点として鉗子類を動かすために鉗子先端の自由度が不足し、対象物への自由なアプローチが容易ではないことから、高度な技術を必要とする。そこで、術者の負担を軽減することを目的として、ロボット技術により鉗子先端を多自由度化した多自由度鉗子システムの研究が盛んに行われている。

製品化された多自由度鉗子システムで用いられているマスタ・スレーブ方式は、鉗子の遠隔操作が可能である、直感的操作に優れている等の利点を有している。更に、より正確で安全な作業のために、術者への力覚提示が望まれており、鉗子先端付近にカセンサを用いた研究が行なわれている。しかし、上記多自由度鉗子システムは、マスタ及びスレーブの駆動に電動アクチュエータを用いており、減速比が高いために微細な力を術者に提示することができない、可動範囲が狭く、装置が大型である等の欠点を有している。また、小型化、滅菌、較正等の実用面を考慮すると鉗子へのカセンサの取り付けは容易ではない。

そこで、マスタ及びスレーブの駆動に空気圧アクチュエータを用いた多自由度鉗子システムの研究が行なわれている。空気圧アクチュエータは、非線形特性を有しているため制御性能の観点からは電動アクチュエータに劣るが、受動的な柔らかさを有している、質量対出力比が高く減速機無しに大きな力を発生できる等の利点を有している。例えば、空気圧シリンダを用いた３自由度鉗子マニピュレータをスレーブに備え、鉗子先端に生じる外力を力センサを用いずに空気圧シリンダ内の圧力値から推定する多自由度鉗子システムが提案されている（非特許文献１参照）。更に、上記３自由度鉗子マニピュレータを腹腔外で保持、駆動する３自由度の空気圧マニピュレータを備えた多自由度鉗子システムが提案されている（非特許文献２参照）。

空気圧サーボを用いた力センシング機能を有する多自由度鉗子システムのバイラテラル制御，日本コンピュータ外科学会誌，ｐｐ２５〜３１，（２００５），只野耕太郎，川嶋健嗣 空気圧駆動多自由度鉗子による力覚提示機能を有するマスタスレーブシステムの開発−鉗子保持マニピュレータの開発−，ロボティクス・メカトロニクス講演会，１Ａ１−Ａ０３，（２００６），只野耕太郎，川嶋健嗣

上述した前者の多自由度鉗子システムは、鉗子マニピュレータが３自由度しかなく、そのままでは人間の手の動きを再現することは困難である。また、前者及び後者の多自由度鉗子システムの鉗子マニピュレータは、空気圧シリンダの直動を回転に変換する機構を有していることから軽量化が難しい。更に、マスタがスレーブと同構造であるが、これは必ずしも操作性において最適な形状ではない。

本発明は、上記のような課題に鑑みなされたものであり、その目的は、操作性に優れた小型軽量の力覚提示機能を有する操縦システムを提供することにある。

上記目的達成のため、本発明の力覚提示機能を有する操縦システムでは、主操作装置の手動操作に倣った従操作装置の自動操作を通信によりバイラテラル制御可能であり、前記主操作装置は、電気駆動系による速度制御を主とし、前記従操作装置は、空気圧駆動系による力制御を主とし、前記従操作装置側に働く力を前記主操作装置側で力覚提示する力覚提示機能を有する操縦システムであって、前記主操作装置は、デルタ機構で構成された３自由度の並進部と、当該並進部に連結されジンバル機構で構成された４自由度の姿勢部とを備え、前記従操作装置は、平行リンク機構とジンバル機構の組み合わせで構成された３自由度の保持部と、当該保持部に保持されワイヤ機構とリンク機構で構成された４自由度の挟持部とを備え、前記挟持部は、２つの空気圧アクチュエータと、当該空気圧アクチュエータに接続されたサーボバルブと、前記空気圧アクチュエータに接続されたワイヤとを備えた拮抗駆動系を備え、前記サーボバルブを制御して前記ワイヤの張力を可変することにより駆動されることを特徴としている。

これにより、主操作装置においては、使用者の動作帯域では主操作装置のダイナミクスや自重の補償が不要となり、電気駆動系特有の高精度、広帯域の位置制御を行うことができ、従操作装置においては、空気圧駆動系特有の非線形特性により受動的な柔らかさを有し、質量対出力比が高く大きな力を発生させることができる。そして、主操作装置側での人間の手の動きを従操作装置側で再現することができ、主操作装置と従操作装置は互いに異構造となるので、操作性において最適な形状とすることができる。さらに、挟持部は空気圧アクチュエータの揺動をそのまま伝達駆動することができるので、従操作装置を軽量化することができる。

前記挟持部は、先端に内蔵された空気圧アクチュエータとリンクにより駆動される鉗子部を備えていることを特徴としている。これにより、鉗子部と他の部分との軸間干渉を排除することができる。また、前記挟持部に働く力は、前記空気圧アクチュエータのバックドライバビリティを利用し、それぞれの駆動力から推定されることを特徴としている。これにより、挟持部に力センサを取り付ける必要が無くなるので、挟持部を小型化することができ、挟持部の滅菌作業が容易となり、挟持部の較正が不要になるという効果を得ることができる。また、前記従操作装置は、コンプライアンスを持たせた制御が行われることを特徴としている。これにより、従操作装置側における過大な力の発生を避けることができる。また、前記主操作装置は、力制御ループに運動制御ループを内包した運動制御型のインピーダンス制御が行われ、前記従操作装置は、運動制御ループに力制御ループを内包した力制御型のインピーダンス制御が行われることを特徴としている。これにより、主操作装置側にて適度の粘性効果を持たせることで安定した動作を実現することができる。また、前記主操作装置の手動操作に倣った前記従操作装置の自動操作が、有線通信によりバイラテラル制御されることを特徴としている。これにより、主操作装置により従操作装置をインターネットを使用して遠隔操作することができる。

本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の一実施の形態に係る力覚提示機能を有する操縦システムを示す概略構成図である。この力覚提示機能を有する操縦システムは、多自由度鉗子システム１００であり、マスタマニピュレータ（主操作装置）１０１、マスタ制御部１０３、スレーブマニピュレータ（従操作装置）１０５及びスレーブ制御部１０７を備えている。この多自由度鉗子システム１００は、マスタマニピュレータ１０１の手動操作に倣ったスレーブマニピュレータ１０５の自動操作を、マスタ制御部１０３とスレーブ制御部１０７との間の有線通信により遠隔制御可能な遠隔操縦システムである。

マスタマニピュレータ１０１は、駆動に電動アクチュエータを使用した電気駆動系による位置決め制御を主としており、デルタ機構で構成された３自由度の並進部１１０と、当該並進部１１０に連結され、ジンバル機構で構成された４自由度の姿勢部１２０とを備えている。一方、スレーブマニピュレータ１０５は、駆動に空気圧アクチュエータを使用した空気圧駆動系による力制御を主としており、平行リンク機構とジンバル機構の組み合わせで構成された３自由度の保持部１５０と、当該保持部１５０に保持された４自由度の挟持部１６０とを備えている。

電動アクチュエータ、特に高減速比のギヤと電動モータの組合せを用いた場合、空気圧シリンダと比較して高精度、広帯域の位置制御が可能であり、運動制御ベースの力制御を適用することで、術者の動作帯域ではマスタマニピュレータ１０１のダイナミクスや自重の補償が不要となる等の利点を有している。一方、空気圧アクチュエータは、非線形特性を有しているため制御性能の観点からは電動アクチュエータに劣るが、受動的な柔らかさを有している、質量対出力比が高く減速機無しに大きな力を発生できる等の利点を有している。

マスタ制御部１０３は、コンピュータ３１及びサーボアンプリファイア３２を備えている。スレーブ制御部１０７は、コンピュータ７１、サーボバルブ７２、空気源７３及び圧力計７４を備えている。マスタ制御部１０３側のコンピュータ３１は、マスタマニピュレータ１０１の各エンコーダの信号ＳＰＭから運動学計算により得られた先端位置信号を、ＵＤＰ／ＩＰ通信によりスレーブ制御部１０７側のコンピュータ７１へ送信する。スレーブ制御部１０７側のコンピュータ７１は、受信した位置信号に基づいて、制御信号ＳＣＳをサーボバルブ７２へ送信する。そして、サーボバルブ７２は、受信した制御信号ＳＣＳに基づいて、空気源７３からの圧縮空気ＣＰＡを調整してスレーブマニピュレータ１０５へ供給し、マスタマニピュレータ１０１の手動操作に倣ったスレーブマニピュレータ１０５の自動操作を制御する。

一方、スレーブ制御部１０７側のコンピュータ７１は、計算された先端の発生力の目標値を、ＵＤＰ／ＩＰ通信によりマスタ制御部１０３側のコンピュータ３１へ送信する。マスタ制御部１０３側のコンピュータ３１は、受信した力信号に基づいて、制御信号ＳＣＭをサーボアンプリファイア３２へ送信する。そして、サーボアンプリファイア３２は、受信した制御信号ＳＣＭに基づいて、スレーブマニピュレータ１０５側に働く力をマスタマニピュレータ１０１側で力覚提示する。

図２は、上記マスタマニピュレータ１０１の外観を示す斜視図、図３は、上記並進部１１０を示す斜視図、図４は、上記姿勢部１２０を示す斜視図である。このマスタマニピュレータ１０１は、図２に示すように、図示しない筐体等にネジ止め固定される並進部１１０に姿勢部１２０がネジ止め固定されており、スレーブマニピュレータ１０５とは、自由度は同じ７自由度であるが、構造はパラレルリンク機構という異構造であってコンパクト化を実現している。

並進部１１０は、図２及び図３に示すように、円形状の設置板１１１、３台のモータ１１２、３本のリンク１１３、３組の平行リンク１１４及び三角形状の固定板１１５を備えている。設置板１１１は、外周縁近傍に等角度間隔で複数の貫通穴１１１ａが穿孔されており、これらの貫通穴１１１ａにボルト１１１ｂが挿入されて筐体等にネジ止め固定されている。そして、設置板１１１は、３台のモータ１１２が、外周縁より内側の円周上に等角度（１２０度）間隔で配置され、且つモータ軸１１２ａが当該配置円周接線方向を向くように配置されてネジ止め固定されている。モータ１１２は、ハーモニックギヤとエンコーダを内蔵したＡＣサーボモータである。

リンク１１３は、一端（後端）がモータ軸１１２ａに固定され、他端（先端）に当該リンク軸と直交するように軸受１１３ａが固定されている。平行リンク１１４は、２本のリンク１１４ａと２本のリンク軸１１４ｂで構成されており、２本のリンク１１４ａが所定間隔で互いに平行移動可能なように、２本のリンク１１４ａの各端部同士が２本のリンク軸１１４ｂの両端部にそれぞれ回転自在に軸支されている。そして、一方のリンク軸１１４ｂは、リンク１１３の先端に固定されている軸受１１３ａに嵌入されている。固定板１１５は、三角形の各頂点に配置される軸受１１５ａが、リンク１１３の軸受１１３ａの軸と平行になるように固定されている。そして、他方のリンク軸１１４ｂは、固定板１１５の各頂点に固定されている軸受１１５ａに嵌入されている。

以上のような構成の並進部１１０は、リンク１１３がモータ１１２のモータ軸１１２ａを中心に図３の矢印ａ方向に旋回自在となり、平行リンク１１４がリンク１１３の先端を中心にリンク１１３の旋回方向ａと同方向及びそれと直交する図３の矢印ｂ方向に旋回自在となり、固定板１１５が平行リンク１１４の先端を中心にリンク１１３の旋回方向ａと同方向に旋回自在となる、全体で３自由度のデルタ機構である。従って、並進部１１０は、並進駆動に高い発生力が得られ、位置によらず姿勢が変化しないという特徴を有している。

姿勢部１２０は、図２及び図４に示すように、側面視Ｌ字状の取付板１２１、第１モータ１２２、側面視Ｕ字状の第１モータ固定板１２３、第２モータ１２４、側面視Ｌ字状の第２モータ固定板１２５、第３モータ１２６、側面視Ｌ字状の第３モータ固定板１２７、円柱状の回転アーム１２８、力センサ１２９、側面視Ｌ字状の力センサ固定板１３０、角柱状の操作子支持アーム１３１及び棒状の操作子１３２を備えている。取付板１２１は、一端に複数の貫通穴１２１ａが穿孔されており、これらの貫通穴１２１ａにボルト１２１ｂが挿入されて固定板１１５にネジ止め固定されている。そして、取付板１２１の他端には、第１モータ１２２がネジ止め固定された第１モータ固定板１２３が、モータ軸１２２ａと固定板１１５とが平行になるようにネジ止め固定されている。

第２モータ固定板１２５の一端は、第１モータ１２２のモータ軸１２２ａに固定され、第２モータ固定板１２５の他端には、第２モータ１２４が、モータ軸１２４ａと第１モータ１２２のモータ軸１２２ａとが直交するようにネジ止め固定されている。第３モータ固定板１２７の一端は、第２モータ１２４のモータ軸１２４ａに固定され、第３モータ固定板１２７の他端には、第３モータ１２６が、モータ軸１２６ａと第１モータ１２２のモータ軸１２２ａと第２モータ１２４のモータ軸１２４ａとが互いに直交するようにネジ止め固定されている。回転アーム１２８は、軸方向が第３モータ１２６のモータ軸１２６ａの軸方向を向くようにして、回転アーム１２８の後端が第３モータ１２６のモータ軸１２６ａに連結固定されている。

力センサ１２９は、回転軸１２９ａが第３モータ１２６のモータ軸１２６ａと直交するようにして、回転アーム１２８の先端に力センサ固定板１３０を介して固定されている。操作子支持アーム１３１は、後端が力センサ１２９の回転軸１２９ａ周りを回転自在となるように回転アーム１２８の先端に軸支されている。操作子１３２は、中空円筒状の本体１３２ａと、この本体１３２ａ内に挿入されて軸方向にスライド自在な中実円筒状のスライダ１３２ｂを備え、本体１３２ａの先端が操作子支持アーム１３１の先端にて力センサ１２９の回転軸１２９ａと同方向に回転自在となるように軸支され、スライダ１３２ｂの先端が回転アーム１２８の略中央に穿設された穴１２８ａに挿入固定されている。第１モータ１２２、第２モータ１２４及び第３モータ１２６は、ハーモニックギヤとエンコーダを内蔵したＡＣサーボモータである。力センサ１２９は、それぞれ直交した３軸方向の並進力と、各軸周りのモーメントとを検出可能な６軸力センサである。

以上のような構成の姿勢部１２０は、第２モータ固定板１２５が第１モータ１２２のモータ軸１２２ａを中心に図４のα方向に旋回自在となり、第３モータ固定板１２７が第２モータ１２４のモータ軸１２４ａを中心に図４のβ方向に旋回自在となり、回転アーム１２８が第３モータ１２６のモータ軸１２６ａを中心に図４のγ方向に回転自在となる。更に、操作子支持アーム１３１が力センサ１２９の回転軸１２９ａを中心に図４のδ方向に旋回自在となり、操作子１３２の本体１３２ａは、術者の操作によりスライダ１３２ｂに沿って軸方向（図４のＡ方向）にスライド自在となる、全体で４自由度のシリアル型のジンバル機構である。従って、姿勢部１２０は、人間の手首の動きをカバーする広い可動範囲を実現することができるという特徴を有している。

図５は、上記スレーブマニピュレータ１０５の外観を示す斜視図、図６は、上記保持部１５０を示す斜視図、図７は、上記挟持部１６０を示す斜視図である。このスレーブマニピュレータ１０５は、図５に示すように、図示しない筐体等にネジ止め固定される保持部１５０に挟持部１６０がネジ止め固定されており、マスタマニピュレータ１０１とは、自由度は同じ７自由度であるが、構造は２組の平行リンク機構とジンバル機構を組み合わせ及びワイヤ機構の異構造であってコンパクト化を実現している。

保持部１５０は、図５及び図６に示すように、矩形状の台座１５１、平行リンク支持軸１５２、２組の平行リンク１５３、挟持部支持台１５４、３台の空気圧シリンダ（空気圧アクチュエータ）１５５、１５６、１５７及び３つのシリンダ固定板１５８ａ、１５８ｂ、１５８ｃを備えている。台座１５１上には、平行リンク支持軸１５２を回転自在に支持する２つの軸受１５１ａが所定間隔をあけて配置されて固定されていると共に、第１の空気圧シリンダ１５５のロッド１５５ａの先端に固定されたブロック１５５ａｂを回転自在に軸支するロッド支持部１５１ｂが軸受１５１ａの間に配置されて固定されている。平行リンク支持軸１５２の略中央には、第１の空気圧シリンダ１５５の本体１５５ｂを一端で支持する側面視Ｌ字状のシリンダ固定板１５８ａの他端が固定されている。

平行リンク支持軸１５２の両端には、平行リンク１５３を構成する２本のリンク１５３ａ、１５３ｂの一端が回転自在に軸支されている。２本のリンク１５３ａ、１５３ｂが平行を保った状態で、平行リンク１５３を構成する１本のリンク１５３ｃの一端がリンク１５３ｂの他端に回転自在に軸支されていると共に、リンク１５３ｃの略中央がリンク１５３ａの略中央に回転自在に軸支されている。平行リンク１５３を構成する１本のリンク１５３ｄの一端がリンク１５３ａの他端に回転自在に軸支されている。そして、２本のリンク１５３ｃ、１５３ｄが平行を保った状態で、リンク１５３ｃ、１５３ｄの他端がシリンダ固定板１６０に回転自在に軸支されている。

リンク１５３ｂとリンク１５３ｃの軸支部には、第２の空気圧シリンダ１５６の本体１５６ｂを一端で支持する側面視Ｌ字状のシリンダ固定板１５８ｂの他端が回転自在に軸支されている。そして、リンク１５３ａの両端間には、第２の空気圧シリンダ１５６のロッド１５６ａの先端に固定された図示しないブロックが回転自在に軸支されている。第３の空気圧シリンダ１５７の本体１５７ｂを一端で支持する側面視Ｌ字状のシリンダ固定板１５８ｃには、挟持部支持台１５４が第３の空気圧シリンダ１５７のロッド１５７ａの移動方向にスライド自在に取り付けられている。そして、第３の空気圧シリンダ１５７のロッド１５７ａの先端が、挟持部支持台１５４の上部に固定された固定板１５４ａに固定されている。空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７は、復動片ロッドの低摩擦シリンダである。

図６に示すように、空気圧シリンダ１５５，１５６，１５７の両室は、５ポート（供給ポート、制御ポート２、排気ポート２の合計５つのポート）の流量制御型サーボバルブ２０１の制御ポートとして接続されている。制御信号によって、サーボバルブ２０１の制御ポートの開度を調整し、供給ポートから空気圧シリンダ１５５，１５６，１５７の一方の部屋へ流入する流量を調節する。同時にもう一方の部屋内の空気は、サーボバルブ２０１のもう一つの制御ポートから排気ポートを通して大気に開放される。これによって、空気圧シリンダ両室の差圧を制御する。

以上のような構成の保持部１５０は、平行リンク１５３が、第１の空気圧シリンダ１５５の作用により平行リンク支持軸１５２を中心に図６のφ方向に旋回自在になると共に、第２の空気圧シリンダ１５６の作用により平行リンク支持軸１５２とリンク１５３ａ、１５３ｂの軸支部を中心に図６のψ方向に旋回自在となり、挟持部支持台１５４が、第３の空気圧シリンダ１５７の作用により図６のρ方向にスライド自在となる、全体で３自由度の平行リンク機構とジンバル機構の組み合わせである。従って、保持部１５０は、腹腔鏡手術の際に被術者の腹部に装着するトロッカー部が不動点となるように設計することができるので、鉗子の挿入孔部分を直接支持する必要がなく、鉗子の挿入孔における生体への負荷を最小限にして駆動可能であり、運動学演算においてトロッカー部のポートの位置座標を必要としないという特徴を有している。尚、一部カウンタウエイト１５９により機械的に自重補償を行っている。

挟持部１６０は、図５及び図７に示すように、鉗子部１７０と鉗子保持部１８０を備えており、更に図８（Ａ），（Ｂ）の鉗子部１７０を示す斜視図及び断面図と図９（Ａ），（Ｂ）の鉗子保持部１８０を示す斜視図及び断面図も参照して説明する。鉗子部１７０は、棒状の鉗子軸１７１、鉗子爪保持部１７２及び一対の鉗子爪１７３を備えている。鉗子軸１７１は、後端が鉗子保持部１８０に回転自在に軸支されている。鉗子爪保持部１７２は、一端が鉗子軸１７１の先端に鉗子軸１７１の回転軸と直交する方向に配置された回転軸１７２ａを中心に回転自在に軸支されていると共に、この回転軸１７２ａに直交する方向に配置された回転軸１７２ｂを中心に回転自在に軸支されている。一対の鉗子爪１７３は、鉗子爪保持部１７２の他端に回転軸１７３ａを中心に開閉自在に軸支されている。

図８（Ｂ）に示すように、各鉗子爪１７３は、くの字状に折れ曲げて形成されており、その折れ曲がり部に回転軸１７３ａが通されて先端部が開閉自在に軸支されている。そして、各鉗子爪１７３の後端部には、一対のリンク１７４の一端が回転自在に軸支され、各リンク１７４の他端が空気圧シリンダ（空気圧アクチュエータ）１７５のピストン１７５ａの先端部に回転自在に軸支されている。この空気圧シリンダ１７５は一般的なもので、ピストン１７５ａの摺動部にはＯリング１７５ｂが嵌め込まれ、軸部にはバネ１７５ｃが差し込まれ、それらが空気配管１７５ｄに接続されたシリンダ１７５ｅ内に挿入された構成となっており、ピストン１７５ａの図示左右の移動により鉗子爪１７３が開閉する。これらは鉗子爪保持部１７２に内蔵されている。

鉗子保持部１８０は、箱状の保持体１８１、１台の空圧揺動アクチュエータ（空気圧アクチュエータ）１８２、１台のロータリーエンコーダ及び圧力センサ１８３、１つの駆動プーリ１８４、１つの被駆動プーリ１８５、４台の空気圧シリンダ（空気圧アクチュエータ）１８６、１８７、１８８、１８９を備えている。保持体１８１は、保持部１５０の挟持部支持台１５４にネジ止め固定される。そして、保持体１８１の側面１８１ａに設けられた穴を覆うように取り付けられた軸受１８１ｂには、鉗子軸１７１が貫通挿入されて回転自在に軸支され、鉗子軸１７１の後端に被駆動プーリ１８５が固定されている。また、保持体１８１の側面１８１ａに対向する側面１８１ｃに設けられた穴を貫通するように取り付けられた空気圧シリンダ１８６、１８７、１８８、１８９は２本１組（図９（Ｂ）には１組のみ示す）で作用するようになっており、空気圧シリンダ１８６、１８７（１８８、１８９）には、鉗子軸１７１から延びるワイヤ１９０（１９１）が固定されている。

空圧揺動アクチュエータ１８２は、円筒状の本体１８２ａと、その中心に所定角度範囲内で揺動自在な軸を有し、当該揺動軸から本体内周面まで伸びる図示しない揺動片と、当該揺動軸から本体内周面まで伸びる図示しない仕切り板を備えている。そして、本体１８２ａの周面に設けられた２つの空気給排気口１８２ｂ、１８２ｃから揺動片と仕切り板で区切られた２つの区画室に対し、空気を給排気することにより揺動片を揺動させて揺動軸と連結された回転軸１８２ｄを所定角度範囲内で回転させる。

ロータリーエンコーダ及び圧力センサ１８３が連結された空圧揺動アクチュエータ１８２は、回転軸１８２ｄが鉗子軸１７１と平行になって保持体１８１の側面１８１ａに設けられた穴を貫通するように側面１８１ａに取り付けられ、回転軸１８２ｄの先端に駆動プーリ１８４が被駆動プーリ１８５と並列固定されている。そして、図示しない無端のワイヤが、駆動プーリ１８４と被駆動プーリ１８５の間に架け渡されて駆動プーリ１８４と被駆動プーリ１８５にそれぞれ固定されている。

図９（Ｂ）に示すように、空気圧シリンダ１８６、１８７（１８８、１８９）は、シリンダ１８６ａ、１８７ａ（１８８ａ、１８９ａ）が保持体１８１の側面１８１ｂに並列固定され、ピストン１８６ｂ、１８７ｂ（１８８ｂ、１８９ｂ）の先端がリニアポテンショメータ１８６ｃ、１８７ｃ（１８８ｃ、１８９ｃ）を介して鉗子軸１７１から延びるワイヤ１９０（１９１）の両端がそれぞれ固定されている。ワイヤ１９０（１９１）は、鉗子爪保持部１７２の回転軸１７２ａ（１７２ｂ）に配置されている図示しないプーリに架け渡されて固定されている。

以上のような構成の挟持部１６０は、鉗子軸１７１が、空圧揺動アクチュエータ１８２の作用により回転軸１８２ｄを中心に図８及び図９のθ方向に回転自在となり、鉗子爪保持部１７２が、空気圧シリンダ１８６、１８７の作用により回転軸１７２ａを中心に図８のζ方向に回転自在となると共に、空気圧シリンダ１８８、１８９の作用により回転軸１７２ｂを中心に図８のψ方向に回転自在となり、一対の鉗子爪１７３は、空気圧シリンダ１７５の作用により回転軸１７３ａを中心に図８のη方向に開閉自在となる、回転、屈曲、把持の４自由度のワイヤ機構とリンク機構である。従って、鉗子部１７０と鉗子保持部１８０は滅菌処理を想定して分離可能な構造とすることができるという特徴を有している。

図１０は、多自由度鉗子システム１００の制御ブロック線図である。空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２の駆動には５ポートのスプール形のサーボバルブ７２を用いている。尚、空気圧アクチュエータである空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２の駆動力Ｆｄｒ（区画室の差圧から算出）から外乱オブザーバを用いてスレーブマニピュレータ１０５の先端である鉗子爪１７３に働く外力ｆｅｘｔを推定する制御方法も適用することができる。但し、この制御方法を用いるためには、空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２から鉗子爪１７３までの逆動力学モデルが必要である。しかし、ワイヤを動力伝達に用いているため、ワイヤの摩擦や自由度間の干渉の影響によりモデル化は容易ではない。そこで、任意の駆動パターンを与え、ニューラルネットワークで学習させてモデルの導出を行う。

また、一般にマスタスレーブシステムにおける理想応答は、マスタマニピュレータとスレーブマニピュレータの位置と力が全く同じになることである。しかし、仮に理想応答が実現できた場合、術者は自分の手で直接操作している感覚が得られるが、作業能力は完全に術者に依存する。そこで、マスタマニピュレータ１０１とスレーブマニピュレータ１０５それぞれに異なるインピーダンス制御を適用したバイラテラル制御系が用いられる。スレーブ制御部１０７は、空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２の柔らかさを活かし、スレーブマニピュレータ１０５にコンプライアンスを持たせる制御方法を採用している。つまり空気は圧縮性があることから、スレーブマニピュレータ１０５は柔らかさを有している。また、その柔らかさは圧縮空気の圧力によって調節可能である。スレーブマニピュレータ１０５がコンプライアンスを有することで、過大な力の発生を避けることができる。スレーブマニピュレータ１０５が柔らかさを有していることから、対象物に強く当たったときに、クッションの役目を果すことができる。この場合、スレーブマニピュレータ１０５が高剛性の環境と接触する際、コンプライアンスによってマスタマニピュレータ１０１とスレーブマニピュレータ１０５の位置偏差が大きくなる。しかし、手術用のスレーブマニピュレータ１０５の主な接触対象は臓器であり、術者は内視鏡によってスレーブマニピュレータ１０５の映像を見ながら作業するため、マスタマニピュレータ１０１とスレーブマニピュレータ１０５との間に位置偏差が生じても違和感なく作業することができる。

また、マスタマニピュレータ１０１では、適度の粘性効果を持たせることで安定した動作の実現が望まれる。そこで、マスタ制御部１０３は、モータ１１２、第１モータ１２２、第２モータ１２４、第３モータ１２６の特性から、力制御ループに運動制御ループを内包した運動制御型インピーダンス制御方法（アドミタンス制御方法）を採用している。そして、スレーブ制御部１０７は、空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２が、高いバックドライバビリティと低剛性特性を有していることから、運動制御に力制御ループを内包した力制御型インピーダンス制御を採用している。

図１０に示すように、マスタ制御部１０３スレーブ制御部１０７は、マスタマニピュレータ１０１とスレーブマニピュレータ１０５にそれぞれ以下のようなインピーダンス特性を持たせるように制御を行う。

スレーブマニピュレータ１０５
−ｆｓ＝Ｋｄ（ｘｓ−ｘｍ）＋Ｂｄｘ・ｓ…（１）
マスタマニピュレータ１０１
ｆｍ−ｆｓ＝Ｃｄｘ・ｍ…（２）
ここで、
ｘｓ：スレーブマニピュレータ１０５の先端（鉗子爪１７３、１７４）の位置及び姿勢
ｘｍ：マスタマニピュレータ１０１の先端（操作子１３２）の位置及び姿勢
ｆｓ：スレーブマニピュレータ１０５の先端が外部環境に加える力
ｆｍ：術者がマスタマニピュレータ１０１の先端に加える力
Ｋｄ：スレーブマニピュレータ１０５の設定剛性
Ｂｄ：スレーブマニピュレータ１０５の設定粘性
Ｃｄ：マスタマニピュレータ１０１の設定粘性
スレーブマニピュレータ１０５側では式（１）を実現するため力制御ループを内包するインピーダンス制御を適用する。まず、スレーブマニピュレータ１０５の運動方程式は関節座標系で以下のように記述される。

τｄｒ−Ｊｓ（転置）ｆｓ＝Ｚ（ｑｓ，ｑ・ｓ，ｑ¨ｓ）…（３）
ここで、
τｄｒ：スレーブマニピュレータ１０５の各関節の駆動トルク
Ｚ：スレーブマニピュレータ１０５の逆動力学関数
ｑ：スレーブマニピュレータ１０５の各関節の変位
Ｊｓ：スレーブマニピュレータ１０５の関節変位から先端位置までのヤコビ行列
式（１）を実現するためにスレーブマニピュレータ１０５の先端が発生すべき力ｆｄｒと、空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２の駆動トルクの目標値τｄｒｒｅｆを以下のように計算する。

ｆｄｒ＝Ｋｄ（ｘｓ−ｘｍ）＋Ｂｄｘ・ｓ…（４）（図中１の枠内）
τｄｒｒｅｆ＝−Ｊｓ（転置）ｆｄｒ＋Ｚ（ｑｓ，ｑ・ｓ，ｑ¨ｓ）…（５）（図中２の枠内）
空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２の動特性が十分でτｄｒｒｅｆとτｄｒが一致すると仮定し、式（４）を式（５）に代入し、さらに式（３）に代入すれば式（１）が導かれる。実際には式（５）において位相遅れによる不安定化を避けるため、逆動力学モデルの入力のうち速度、加速度についてはマスタマニピュレータ１０１からの目標軌道値を用いている（図中３の枠内）。式（５）で計算されるトルクを各関節で発生させるため、次式（６）として機構学計算により空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２の駆動力目標値Ｆｄｒｒｅｆに変換する。

Ｆｄｒｒｅｆ＝Ｊａτｄｒｒｅｆ…（６）（図中４の枠内）
ここで、
Ｊａ：空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２の変位から関節変位までのヤコビアン
次に、式（６）で計算された駆動力を発生させるためＰＩ制御を行う。

ｕ＝（Ｋａｐ+Ｋａｉ／ｓ）・（Ｆｄｒｒｅｆ−Ｆｄｒ）…（７）（図中５の枠内）
ここで、
ｕ：サーボバルブ７２への制御電圧
Ｋａｐ：比例ゲイン
Ｋａｉ：積分ゲイン
Ｆｄｒ：圧力値から計算される空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２の駆動力
マスタマニピュレータ１０１側では以下のようにアドミタンス制御により式（２）を実現する。

ｘ・ｍ＝（ｆｍ−ｆｓ）／Ｃｄ…（８）（図中６の枠内）
ｑ・ｍ＝Ｊｍ（インバース）ｘ・ｍ…（９）（図中７の枠内）
式（８）から分かるようにスレーブマニピュレータ１０５と外部環境と接触力が必要であるが、スレーブマニピュレータ１０５側でのインピーダンス制御が実現されている場合、
ｆｄｒはｆｓと一致するため推定値としてそれぞれ相手側のマスタ制御部１０３、スレーブ制御部１０７に与えられる（図中８の枠内）。空気圧シリンダ１５５、１５６、１５７、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２の駆動力目標値Ｆｄｒｒｅｆは、内包された差圧制御ループによって高速、高精度に発生することができる。このため、空気の圧縮性やバルブの中立点のずれ等の位置決めに悪影響を及ぼす特性を補償することが可能となる。

以上のように、本実施形態の多自由度鉗子システム１００によれば、マスタマニピュレータ１０１は、電気駆動系による速度制御を主とし、スレーブマニピュレータ１０５は、空気圧駆動系による力制御を主とし、スレーブマニピュレータ１０５側に働く力をマスタマニピュレータ１０１側で力覚提示するので、マスタマニピュレータ１０１においては、術者の動作帯域ではマスタマニピュレータ１０１のダイナミクスや自重の補償が不要となり、電気駆動系特有の高精度、広帯域の位置制御を行うことができ、スレーブマニピュレータ１０５においては、空気圧駆動系特有の非線形特性により受動的な柔らかさを有し、質量対出力比が高く大きな力を発生させることができる。また、スレーブマニピュレータ１０５は、空気圧駆動系で構成されているため、例えば磁場を伴うＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）内に設置して手術を行うことが可能となる。

また、マスタマニピュレータ１０１は、３自由度の並進部１１０と、当該並進部１１０に連結された４自由度の姿勢部１２０とを備え、スレーブマニピュレータ１０５は、３自由度の保持部１５０と、当該保持部１５０に保持された４自由度の挟持部１６０とを備えているので、マスタマニピュレータ１０１側での人間の手の動きをスレーブマニピュレータ１０５側で再現することができる。また、並進部１１０は、デルタ機構で構成され、姿勢部１２０は、ジンバル機構で構成され、保持部１５０は、平行リンク機構とジンバル機構の組み合わせで構成され、挟持部１６０は、ワイヤ機構とリンク機構で構成されているので、マスタマニピュレータ１０１とスレーブマニピュレータ１０５は互いに異構造となり、操作性において最適な形状とすることができる。また、挟持部１６０は、空気圧シリンダ１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２と、空気圧シリンダ１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２に接続されたワイヤ１９０、１９１とを備え、空気圧シリンダ１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２によるワイヤ１９０、１９１の引張動作により駆動されるので、挟持部１６０は空気圧シリンダ１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２の動作をそのまま伝達駆動することができ、スレーブマニピュレータ１０５を軽量化することができる。

また、挟持部１６０に働く力は、空気圧シリンダ１８６、１８７、１８８、１８９及び空圧揺動アクチュエータ１８２のバックドライバビリティによりそれぞれの駆動力から推定されるので、挟持部１６０に力センサを取り付ける必要が無く、挟持部１６０を小型化することができ、挟持部１６０の滅菌作業が容易となり、挟持部１６０の較正が不要になるという効果を得ることができる。また、スレーブマニピュレータ１０５は、コンプライアンスを持たせた制御が行われるので、スレーブマニピュレータ１０５側における過大な力の発生を避けることができる。図１１は鉗子爪１７３のトルク推定精度を評価した図であるが、このようにセンサ値（図示点線）と評価値（図示実線）は近似したものとなっている。

また、マスタマニピュレータ１０１は、力制御ループに運動制御ループを内包した運動制御型のインピーダンス制御が行われ、スレーブマニピュレータ１０５は、運動制御ループに力制御ループを内包した力制御型のインピーダンス制御が行われるので、マスタマニピュレータ１０１側にて適度の粘性効果を持たせることで安定した動作を実現することができる。つまり、本制御系によってマスタマニピュレータ１０１は、固定壁にダンパで固定され、これを操作者が押し引きする感覚を実現できる。また、マスタマニピュレータ１０１とスレーブマニピュレータ１０５は、ばねとダンパを介して結合されている状態が実現される。さらに、このばねとダンパの値は制御パラメータの選定によって調整することができる。

尚、上述した実施形態では、有線通信による遠隔制御可能な多自由度鉗子システム１００を説明したが、無線通信のシステムであっても良く、また近傍で制御可能なシステムであっても良い。また、多自由度鉗子システム１００を内視鏡手術支援装置として説明したが、医師のトレーニング装置やスキル評価装置としても構成することができる。また、力覚提示機能を有する操縦システムとして医療業界で使用される多自由度鉗子システム１００を例に説明したが、これに限定されるものでは無く、広く一般的な製造業界においても適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る力覚提示機能を有する操縦システムを示す概略構成図である。 図１のマスタマニピュレータの外観を示す斜視図である。 図２の並進部を示す斜視図である。 図２の姿勢部を示す斜視図である。 図１のスレーブマニピュレータの外観を示す斜視図である。 図５の保持部を示す斜視図である。 図５の挟持部を示す斜視図である。 図７の鉗子部を示す斜視図である。 図７の鉗子保持部を示す斜視図である。 多自由度鉗子システムの制御ブロック線図である。 鉗子爪のトルク推定精度を評価した図である。

符号の説明

３１ コンピュータ、３２ サーボアンプリファイア、７１ コンピュータ、７２ サーボバルブ、７３ 空気源、７４ 圧力計、１００ 多自由度鉗子システム、１０１ マスタマニピュレータ、１０３ マスタ制御部、１０５ スレーブマニピュレータ、１０７ スレーブ制御部、１１０ 並進部、１１２ モータ、１１３ リンク、１１４ 平行リンク、１２０ 姿勢部、１２２ 第１モータ、１２４ 第２モータ、１２６ 第３モータ、１２９ 力センサ、１３２ 操作子、１５０ 保持部、１５３ 平行リンク１５３、１５５、１５６、１５７ 空気圧シリンダ、１６０ 挟持部、１７０ 鉗子部、１７１ 鉗子軸、１７２ 鉗子爪保持部、１７３ 鉗子爪、１７４ リンク、１７５、１８６、１８７、１８８、１８９ 空気圧シリンダ、１８０ 鉗子保持部、１８２ 空圧揺動アクチュエータ

Claims (6)

1. 主操作装置の手動操作に倣った従操作装置の自動操作を通信によりバイラテラル制御可能であり、前記主操作装置は、電気駆動系による速度制御を主とし、前記従操作装置は、空気圧駆動系による力制御を主とし、前記従操作装置側に働く力を前記主操作装置側で力覚提示する力覚提示機能を有する操縦システムであって、
   前記主操作装置は、デルタ機構で構成された３自由度の並進部と、当該並進部に連結されジンバル機構で構成された４自由度の姿勢部とを備え、前記従操作装置は、平行リンク機構とジンバル機構の組み合わせで構成された３自由度の保持部と、当該保持部に保持されワイヤ機構とリンク機構で構成された４自由度の挟持部とを備え、
   前記挟持部は、２つの空気圧アクチュエータと、当該空気圧アクチュエータに接続されたサーボバルブと、前記空気圧アクチュエータに接続されたワイヤとを備えた拮抗駆動系を備え、前記サーボバルブを制御して前記ワイヤの張力を可変することにより駆動されることを特徴とする力覚提示機能を有する操縦システム。
2. 前記挟持部は、先端に内蔵された空気圧アクチュエータとリンクにより駆動される鉗子部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の力覚提示機能を有する操縦システム。
3. 前記挟持部に働く力は、前記空気圧アクチュエータのバックドライバビリティを利用し、それぞれの駆動力から推定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の力覚提示機能を有する操縦システム。
4. 前記従操作装置は、コンプライアンスを持たせた制御が行われることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の力覚提示機能を有する操縦システム。
5. 前記主操作装置は、力制御ループに運動制御ループを内包した運動制御型のインピーダンス制御が行われ、前記従操作装置は、運動制御ループに力制御ループを内包した力制御型のインピーダンス制御が行われることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の力覚提示機能を有する操縦システム。
6. 前記主操作装置の手動操作に倣った前記従操作装置の自動操作が、有線通信によりバイラテラル制御されることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の力覚提示機能を有する操縦システム。

Images