JP2013192623A - Endoscope operation system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an endoscope operation system capable of providing highly accurate operability by obtaining an operation feeling closer to actual touch.SOLUTION: An endoscope operation system includes a master device 3 for instructing an operation of a soft endoscope, a slave device 2 for operating the soft endoscope E by an instruction from the master device 3, and a controller 4 for controlling the master device 3 and the slave device 2. By generating drive signals to the master device 3 and the slave device 2 by bidirectional force sense feedback based on master state signals from the master device 3 and slave state signals from the slave device 2, the controller 4 outputs operation force added to the master device 3 to the slave device 3, and outputs force generated in the slave device 2 to the master device 3.

Description

本発明は、軟性内視鏡を操作・制御することができる内視鏡操作システムに関するものである。   The present invention relates to an endoscope operation system that can operate and control a flexible endoscope.

軟性内視鏡は、大腸や食道、胃、十二指腸などの消化管のポリープ・潰瘍などの検査や、内視鏡的粘膜下層剥離術(ESD)に代表される手術に使用される重要な医療機器である。軟性内視鏡による検査を行う操作者は、異常を見逃さないように相当な集中力を要する。また、手術においては、集中力だけでなく、手術時間が長時間に及ぶため体力も必要である。
集中力や体力が必要な検査や手術を行う操作者の負担を軽減する内視鏡操作システムが知れている(例えば、特許文献1参照。)。
Flexible endoscopes are important medical devices used for examinations such as polyps and ulcers in the digestive tract such as the large intestine, esophagus, stomach, and duodenum, and endoscopic submucosal dissection (ESD). It is. An operator who conducts an examination using a flexible endoscope requires considerable concentration so as not to overlook abnormalities. In addition, in surgery, not only concentration but also physical strength is required because the operation takes a long time.
An endoscope operation system that reduces the burden on an operator who performs an examination or operation that requires concentration or physical strength is known (for example, see Patent Document 1).

特許文献1に記載の内視鏡遠隔操作システムは、被術者の消化管に挿入される消化管内視鏡を保持し、消化管内視鏡の各部を駆動する本体部と、本体部へ操作の指示をする操作制御部とを備えたものである。軟性内視鏡を遠隔操作すれば、座位の姿勢でも検査や手術を行うことができる。   An endoscope remote control system described in Patent Document 1 holds a digestive tract endoscope inserted into a digestive tract of a subject, and drives each part of the digestive tract endoscope. And an operation control unit for giving an instruction. If the flexible endoscope is remotely controlled, examinations and operations can be performed even in a sitting position.

一方、軟性内視鏡による検査、特に大腸の内視鏡検査は、程度の差はあるが腹満感や疼痛等の苦痛を伴う。中には、お産より痛く苦しかったとの感想を述べる女性もいるし、怒りを訴えられることもある。このような疼痛の原因の第一は、大腸を腹腔内で支える役割をしている腸間膜が、軟性内視鏡の挿入により過伸展させられることにより起こる。従って、内視鏡検査医は、この過伸展をなるだけ起こさぬように軟性内視鏡を挿入する技術が必要である。   On the other hand, examinations using flexible endoscopes, especially endoscopic examinations of the large intestine, are accompanied by pains such as fullness and pain, although there are differences in degree. Some women express their feelings that they were more painful and painful than childbirth. The first cause of such pain occurs when the mesentery, which plays a role in supporting the large intestine in the abdominal cavity, is excessively extended by insertion of a flexible endoscope. Therefore, an endoscopist needs a technique for inserting a flexible endoscope so as not to cause this overextension as much as possible.

そこで、軟性内視鏡を遠隔操作する際の挿入性や操作性を向上させるために、軟性内視鏡の挿入部が進行し難くなったことを操作側へ通知する内視鏡操作装置が開発されている(例えば、特許文献2参照。)。
特許文献2には、内視鏡の湾曲部を上下左右に湾曲させる2対の4本のワイヤを牽引・弛緩するためのサーボモータを制御する受動コントロールが、サーボモータからの位置信号(エンコーダ信号)、およびポテンショメータからの位置信号を基に、挿入操作に伴う外界の力が印加されたことを判断すると、その操作力量に対応した反力を発生するように、湾曲駆動手段、あるいは内視鏡挿入部の進退を駆動する駆動手段を受動的に制御する医療用制御装置が記載されている。
Therefore, in order to improve the insertability and operability when remotely operating the flexible endoscope, an endoscope operation device has been developed to notify the operation side that the insertion portion of the flexible endoscope has become difficult to advance. (For example, see Patent Document 2).
In Patent Document 2, a passive control for controlling a servo motor for pulling / relaxing two pairs of four wires that bend the bending portion of an endoscope vertically and horizontally is a position signal (encoder signal) from the servo motor. ) And the position signal from the potentiometer, it is determined that an external force accompanying the insertion operation has been applied, so that a bending driving means or an endoscope is generated so as to generate a reaction force corresponding to the operation force amount. A medical control device that passively controls drive means for driving advancement and retraction of an insertion portion is described.

特開2010−279688号公報JP 2010-279688 A 特開2005−137701号公報JP 2005-137701 A

軟性内視鏡の挿入操作は、左手によるスコープの回旋と右手による挿入動作の「内臓感覚」を頼りに行なっている。一方、挿入操作による過伸展やその他の原因による患者の苦痛は、必ずしも強い力による無理な挿入によって起こるわけではない。軟体で一定の物理特性を有していない大腸への挿入は、挿入による力・挿入速度・加速度に比例して苦痛が生ずるわけではない。小さな力・挿入速度・加速度でも、例えばそれが腸間膜を伸展させる方向に働けば強い疼痛となるし、そうでない方向に働けば、大きな力・挿入速度・加速度でも、ほとんど疼痛を感じないこともある。検査時間の短縮のために、苦痛を感じない場面では、臓器側からの強い反力を感じながらも挿入操作に大きな力・挿入速度・加速度を用いる場面もある。   The insertion operation of the flexible endoscope relies on the rotation of the scope with the left hand and the “internal sensation” of the insertion operation with the right hand. On the other hand, patient's pain due to overextension due to insertion operation and other causes does not necessarily occur due to excessive insertion with strong force. Insertion into the large intestine, which is a soft body and does not have certain physical characteristics, does not cause pain in proportion to the force, insertion speed, and acceleration by insertion. Even with a small force / insertion speed / acceleration, for example, if it works in the direction that stretches the mesentery, it will cause strong pain, and if it works in a direction that does not, it will hardly feel pain even with a large force / insertion speed / acceleration. There is also. In order to shorten the examination time, there is a scene where a large force, insertion speed, and acceleration are used for the insertion operation while feeling a strong reaction force from the organ side in a scene where pain is not felt.

従って、内視鏡検査医の感覚に臓器側からの力覚・反力(力・挿入速度・加速度)が正確にフィードバックされるだけでなく、臓器側にも挿入操作による力・挿入速度・加速度が等質・等量で同時に伝達され出力されていなければならない。現在、通常行っているように用手的な内視鏡挿入操作をしている場合、内視鏡医はこの伝達を無意識に前提としている。   Therefore, not only the force sense / reaction force (force / insertion speed / acceleration) from the organ side is accurately fed back to the sense of the endoscopist, but also the force / insertion speed / acceleration due to the insertion operation also on the organ side. Must be transmitted and output at the same time in equal and equal amounts. At present, when a manual endoscope insertion operation is performed as usual, the endoscopist unconditionally assumes this transmission.

しかし、このような内視鏡検査医の実情があるにも関わらず、特許文献2に記載の医療用制御装置では、臓器側からの反力に基づいた一方向の力覚フィードバックであり、この内視鏡検査医の無意識の前提を担保していない。   However, in spite of the actual situation of the endoscopist, the medical control device described in Patent Document 2 is a unidirectional force feedback based on the reaction force from the organ side. Does not guarantee the unconscious assumption of the endoscopist.

そこで本発明は、より実際の感触に近い操作感覚が得られることにより、精度の高い操作性を図ることができる内視鏡操作システムを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an endoscope operation system capable of achieving highly accurate operability by obtaining an operation feeling closer to an actual feeling.

本発明の内視鏡操作システムは、軟性内視鏡の動作を指示するためのマスター装置と、前記マスター装置からの指示により軟性内視鏡を動作させるスレーブ装置と、前記マスター装置および前記スレーブ装置を制御する制御装置とを備え、前記マスター装置は、前記軟性内視鏡の動作指示する操作手段と、前記操作手段の動作状態を検出して、マスター状態信号を出力するマスター検出手段と、駆動信号により前記操作手段への操作力に対する反力を駆動するマスター駆動手段とを備え、前記スレーブ装置は、前記軟性内視鏡を保持する支持手段と、駆動信号により前記軟性内視鏡を駆動するスレーブ駆動手段と、前記軟性内視鏡の動作状態を検出して、スレーブ状態信号を出力するスレーブ検出手段とを備え、前記制御装置は、前記マスター装置からのマスター状態信号と、前記スレーブ装置からのスレーブ状態信号とに基づいた双方向力覚フィードバックにより、前記マスター装置および前記スレーブ装置への駆動信号を生成することで、前記マスター装置に加えられた操作力を前記スレーブ装置へ出力し、前記スレーブ装置に発生した力を前記マスター装置に出力することを特徴とする。   An endoscope operation system according to the present invention includes a master device for instructing an operation of a flexible endoscope, a slave device for operating a flexible endoscope according to an instruction from the master device, the master device, and the slave device A control device for controlling the operation, the master device is an operation means for instructing the operation of the flexible endoscope, a master detection means for detecting an operation state of the operation means and outputting a master state signal, and a drive Master driving means for driving a reaction force against the operating force applied to the operating means by a signal, and the slave device drives the flexible endoscope by a driving means and a supporting means for holding the flexible endoscope. Slave driving means; and slave detection means for detecting an operating state of the flexible endoscope and outputting a slave state signal; and the control device includes the master A drive signal to the master device and the slave device is generated by bidirectional force feedback based on a master state signal from the device and a slave state signal from the slave device, and is added to the master device. The operation force is output to the slave device, and the force generated in the slave device is output to the master device.

本発明によれば、制御装置が、マスター装置とスレーブ装置の双方からの動作状態を加味して制御するので、単にスレーブ装置の動作状態をマスター装置へ反映させて、操作力に対する反力を発生させるだけでなく、マスター装置を操作することによるマスター装置の動作状態がスレーブ装置へ反映される共に、スレーブ装置に発生した動作状態がマスター装置へ反映される。従って、双方向力覚フィードバックにより、操作者が軟性内視鏡を無意識に操作する際の力覚が、マスター装置の操作でも再現できる。   According to the present invention, since the control device controls the operation state from both the master device and the slave device, the operation state of the slave device is simply reflected on the master device, and a reaction force to the operation force is generated. In addition, the operation state of the master device by operating the master device is reflected in the slave device, and the operation state generated in the slave device is reflected in the master device. Therefore, the force sense when the operator unconsciously operates the flexible endoscope can be reproduced by the operation of the master device by the bidirectional force feedback.

前記制御装置が、前記マスター検出手段からの位置情報を示すマスター状態信号と前記スレーブ装置からの位置情報を示すスレーブ状態信号との差分に基づいて現在速度に対する補正値である速度指令補正値を演算する共に、前記マスター検出手段からの力情報を示すマスター状態信号と前記スレーブ装置からの力情報を示すスレーブ状態信号とに基づいて、仮想ばね、仮想ダンパおよび仮想質量を組み合わせた力学モデルにより、新たな指示速度を生成して、前記マスター装置および前記スレーブ装置への駆動信号を生成することで、バイラテラル制御による双方向力覚フィードバックが可能となる。   The control device calculates a speed command correction value, which is a correction value for the current speed, based on a difference between a master state signal indicating position information from the master detection means and a slave state signal indicating position information from the slave device. At the same time, based on the master state signal indicating the force information from the master detecting means and the slave state signal indicating the force information from the slave device, a new dynamic model combining a virtual spring, a virtual damper, and a virtual mass is used. Bidirectional force feedback by bilateral control becomes possible by generating a correct command speed and generating a drive signal to the master device and the slave device.

前記制御装置を、前記マスター検出手段からの位置情報を示すマスター状態信号に基づいて、新たな指示速度となる前記スレーブ装置への駆動信号を生成すると共に、前記マスター検出手段からの力情報を示すマスター状態信号と前記スレーブ装置からの力情報を示すスレーブ状態信号との差分に基づいて新たな指示速度となる前記マスター装置への駆動信号を生成するようにしても、双方向力覚フィードバックが可能となる。   Based on the master state signal indicating the position information from the master detection means, the control device generates a drive signal to the slave device that becomes a new designated speed, and also shows the force information from the master detection means Bidirectional force feedback is possible even if a drive signal to the master device having a new indicated speed is generated based on the difference between the master state signal and the slave state signal indicating the force information from the slave device. It becomes.

前記スレーブ装置は、前記支持手段として設けられた、前記軟性内視鏡を進退方向へスライドさせるためのスレーブレール部、前記スレーブレール部をスライドするスレーブ台座部、および前記軟性内視鏡を保持した状態で軸回転する前記スレーブ台座部に設けられた保持部と、前記スレーブ駆動手段として設けられた、前記スレーブ台座部を進退方向へスライドさせるスレーブ進退方向駆動部および前記軟性内視鏡を軸回転させるスレーブ軸回転駆動部と、前記スレーブ検出手段として設けられた、前記スレーブ台座部に掛かる力に基づいた情報を第1力情報として検出する第1力検出部および前記保持部に掛かる力に基づいた情報を第2検出力として検出する第2力検出部とを備え、前記制御装置は、前記第1力検出部からの第1検出力から、前記第2力検出部からの第2検出力を差し引いた値を、前記スレーブ装置からの力情報を示すスレーブ状態信号とするのが望ましい。   The slave device is provided as the support means, and holds the slave rail part for sliding the flexible endoscope in the advancing and retracting direction, the slave pedestal part for sliding the slave rail part, and the flexible endoscope. A holding portion provided in the slave pedestal portion that rotates in the state in a state, a slave advancing / retreating direction driving portion provided as the slave driving means for sliding the slave pedestal portion in the advancing / retreating direction, and the flexible endoscope Based on the force applied to the first force detection unit and the holding unit, which is provided as the slave detection unit and detects information based on the force applied to the slave pedestal unit as the first force information. A second force detection unit that detects the detected information as a second detection force, and the control device includes a first detection force from the first force detection unit. Et al., The second value obtained by subtracting the detected force from the second force detecting unit, it is desirable to slave status signal indicating the force information from the slave device.

軟性内視鏡は、保持部に保持され、スレーブ台座部に搭載されてスレーブレール部によりスライドする。従って、スレーブ台座部に掛かる力に基づいた第1力情報を検出する第1力検出部からの検出力は、少なくとも保持部の重量が加味された値となる。制御装置が、第1力検出部からの第1力情報から、第2力検出部による第2力情報を差し引いた値を、スレーブ装置からの力情報を示すスレーブ状態信号として新たな指示速度を生成するので、軟性内視鏡自体に掛かる力を間接的に算出して制御を行うことができる。従って、誤差の少ない制御を行うことができる。   The flexible endoscope is held by the holding portion, is mounted on the slave pedestal portion, and slides by the slave rail portion. Therefore, the detection force from the first force detection unit that detects the first force information based on the force applied to the slave pedestal unit is a value that takes into account at least the weight of the holding unit. The control device uses a value obtained by subtracting the second force information from the second force detection unit from the first force information from the first force detection unit as a slave state signal indicating the force information from the slave device, and a new instruction speed. Therefore, the force applied to the flexible endoscope itself can be indirectly calculated and controlled. Therefore, control with little error can be performed.

前記マスター装置は、前記操作手段として設けられた、前記軟性内視鏡の進退方向を指示するためのマスターレール部、前記マスターレールをスライドさせることで前記軟性内視鏡の進退方向の操作となるマスター台座部、および前記軟性内視鏡の軸回転を指示するための前記台座部に設けられた指示部と、前記マスター駆動手段として設けられた、前記マスター台座部のスライド力への反力を駆動するマスター進退方向駆動部、および前記指示部の軸回転への反力を駆動するマスター軸回転駆動部とを備え、前記マスター検出手段として設けられた、前記マスター台座部の進退方向の動作状態を検出するマスター進退方向検出部、および前記指示部の軸回転方向の動作状態を検出するマスター軸回転検出部とを備えたものであるのが望ましい。   The master device is provided as the operation means, and is a master rail unit for instructing the advance / retreat direction of the flexible endoscope, and the operation of the flexible endoscope is performed by sliding the master rail. A reaction force to the sliding force of the master pedestal portion provided as a master pedestal portion, an indication portion provided in the pedestal portion for instructing the axial rotation of the flexible endoscope, and the master drive means A master advancing / retreating direction driving unit that drives, and a master shaft rotation driving unit that drives a reaction force against the shaft rotation of the indicating unit, and provided as the master detecting means in the advancing / retreating direction operating state It is desirable to include a master advancing / retreating direction detecting unit for detecting the movement and a master shaft rotation detecting unit for detecting an operation state of the pointing unit in the shaft rotating direction. .

マスター装置をこのような構成とすることにより、操作者が軟性内視鏡を進退させるときには、マスターレール部にマスター台座部をスライドさせ、軟性内視鏡を軸回転させるときには、指示部を回転させる。従って、軟性内視鏡の動作方向と同じ方向へマスター装置を操作すればよいので、直感的な操作が可能である。   By configuring the master device in such a manner, when the operator advances and retracts the flexible endoscope, the master pedestal portion is slid on the master rail portion, and when the flexible endoscope is axially rotated, the instruction portion is rotated. . Accordingly, since the master device may be operated in the same direction as the operation direction of the flexible endoscope, an intuitive operation is possible.

前記マスター装置は、前記操作手段として設けられた、前記軟性内視鏡の進退方向および前記軟性内視鏡の軸回転を指示するための操作棒と、前記マスター検出手段として設けられた、前記操作棒の傾斜角度および傾斜方向を動作状態として検出する操作検出部と有するジョイスティックと、前記マスター駆動手段として設けられた、前記軟性内視鏡の進退方向および前記操作棒による進退方向および軸回転への操作力への反力を駆動する操作棒駆動部と、を備えた操作盤としたものであるのが望ましい。   The master device is provided as the operation means, an operation rod for instructing the advance / retreat direction of the flexible endoscope and the axis rotation of the flexible endoscope, and the operation provided as the master detection means A joystick having an operation detection unit that detects an inclination angle and an inclination direction of the rod as an operation state, and a forward / backward direction of the flexible endoscope, an advancing / retreating direction by the operation rod, and an axis rotation provided as the master driving unit It is desirable that the operation panel includes an operation rod drive unit that drives a reaction force against the operation force.

マスター装置をこのような構成とすることにより、操作者が軟性内視鏡を進退させたり、軟性内視鏡を軸回転させるときには、ジョイスティックを倒したり、回転させたりすることで、容易に軟性内視鏡を操作することができる。   With such a configuration of the master device, when the operator advances or retracts the flexible endoscope or pivots the flexible endoscope, the joystick can be tilted or rotated to easily move the flexible endoscope. The endoscope can be operated.

前記制御装置は、前記スレーブ装置からのスレーブ状態信号および/またはマスター装置からのマスター状態信号の状態を表示装置に表示させる機能を備えると、力覚だけでなく視覚的に軟性内視鏡に掛かる力を把握することができる。   When the control device has a function of causing the display device to display the status of the slave status signal from the slave device and / or the master status signal from the master device, the control device is visually applied to the flexible endoscope. You can grasp the power.

本発明の内視鏡操作システムは、双方向力覚フィードバックにより、操作者が軟性内視鏡を無意識に操作する際の力覚が、マスター装置の操作でも再現できるので、操作者はより実際の感触に近い操作感覚が得られる。よって、精度の高い操作性を図ることができるので、用手的に内視鏡挿入操作をしている操作者の使用を満足させることができる。   The endoscope operation system according to the present invention can reproduce force sensation when the operator unconsciously operates the flexible endoscope by bidirectional force feedback, even by operating the master device. Operation feeling close to touch is obtained. Therefore, since highly accurate operability can be achieved, it is possible to satisfy the use of an operator who is manually performing an endoscope insertion operation.

本発明の実施の形態に係る内視鏡操作システムを示す図である。It is a figure showing an endoscope operation system concerning an embodiment of the invention. 図1に示す内視鏡操作システムのスレーブ装置の斜視図である。It is a perspective view of the slave apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのスレーブ装置の右側面図である。It is a right view of the slave apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのスレーブ装置の前端部の拡大斜視図である。It is an expansion perspective view of the front-end part of the slave apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのスレーブ装置の後端部の拡大斜視図である。It is an expansion perspective view of the rear end part of the slave apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのスレーブ装置の可動部の拡大斜視図である。It is an expansion perspective view of the movable part of the slave apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのスレーブ装置の可動部の右側面図である。It is a right view of the movable part of the slave apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのスレーブ装置の可動部の正面図である。It is a front view of the movable part of the slave apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのスレーブ装置の可動部の背面図である。It is a rear view of the movable part of the slave apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのマスター装置の斜視図である。It is a perspective view of the master apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのマスター装置の可動部の拡大斜視図である。It is an expansion perspective view of the movable part of the master apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのマスター装置の右側面である。It is a right side surface of the master apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのマスター装置の正面図である。It is a front view of the master apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムのマスター装置の背面図である。It is a rear view of the master apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムの制御装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control apparatus of the endoscope operation system shown in FIG. 図1に示す内視鏡操作システムを示すブロック線図であり、軟性内視鏡を進退方向に動作させる際の図である。It is a block diagram which shows the endoscope operation system shown in FIG. 1, and is a figure at the time of operating a flexible endoscope in an advancing / retreating direction. 図1に示す内視鏡操作システムを示すブロック線図であり、軟性内視鏡を軸回転方向に動作させる際の図である。It is a block diagram which shows the endoscope operation system shown in FIG. 1, and is a figure at the time of operating a flexible endoscope to an axial rotation direction. 図1に示す内視鏡操作システムを示すブロック線図であり、軟性内視鏡の挿入部を上下左右方向に動作させる際の図である。It is a block diagram which shows the endoscope operation system shown in FIG. 1, and is a figure at the time of operating the insertion part of a flexible endoscope up and down and right and left. 図15に示す制御装置の進退方向制御部を示す図である。It is a figure which shows the advancing / retreating direction control part of the control apparatus shown in FIG. 図15に示す制御装置の軸回転制御部を示す図である。It is a figure which shows the shaft rotation control part of the control apparatus shown in FIG. 図15に示す制御装置の表示制御部により表示装置に表示された表示画面の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the display screen displayed on the display apparatus by the display control part of the control apparatus shown in FIG. 内視鏡操作システムのマスター装置を操作盤とした一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example which used the master apparatus of the endoscope operation system as the operation panel. 図22に示す操作盤のジョイスティックの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the joystick of the operation panel shown in FIG. 図22に示す操作盤を採用したときの制御装置の進退方向制御部を示す図である。It is a figure which shows the advancing / retreating direction control part of a control apparatus when the operation panel shown in FIG. 22 is employ | adopted. 図22に示す操作盤を採用したときの制御装置の軸回転制御部を示す図である。It is a figure which shows the shaft rotation control part of a control apparatus when the operation panel shown in FIG. 22 is employ | adopted.

本発明の実施の形態に係る内視鏡操作システムを、図面に基づいて説明する。なお、本明細書においては、軟性内視鏡を被術者の体内へ挿入したり、排出したりする方向を進退方向と称し、被術者の体内に挿入される軟性内視鏡の挿入部の軸線回りに回転することを軸回転と称する。
図1に示すように、内視鏡操作システム1は、被術者側となるスレーブ装置2と、操作側となるマスター装置3と、スレーブ装置2とマスター装置3とを制御する制御装置4と、モータドライバ装置5,6(図16から図18参照)と、表示装置7と、入力装置8とを備えている。
An endoscope operation system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this specification, the direction in which the flexible endoscope is inserted into or removed from the body of the subject is referred to as the forward / backward direction, and the insertion portion of the flexible endoscope that is inserted into the body of the subject. Rotation around the axis is referred to as axial rotation.
As shown in FIG. 1, an endoscope operation system 1 includes a slave device 2 on the subject side, a master device 3 on the operation side, and a control device 4 that controls the slave device 2 and the master device 3. Motor driver devices 5 and 6 (see FIGS. 16 to 18), a display device 7 and an input device 8 are provided.

まず、スレーブ装置2の構成について、図2から図9に基づいて説明する。
スレーブ装置2は、スレーブ装置2全体を支持する基台部21と、進退方向に移動する可動部22と、軟性内視鏡Eの挿入部を進退方向に沿って吊り下げた状態で支持する懸架部23とを備えている。
First, the configuration of the slave device 2 will be described with reference to FIGS.
The slave device 2 is a suspension that supports the base portion 21 that supports the entire slave device 2, the movable portion 22 that moves in the forward and backward directions, and the insertion portion of the flexible endoscope E that is suspended along the forward and backward directions. Part 23.

基台部21(支持手段)は、キャスターと支持脚とが設けられたフレーム部211と、フレーム部211の長手方向(進退方向)に沿って配置された2本のレール部212と、レール部212により案内される可動部22を進退方向に移動させる進退方向駆動部213と、進退方向駆動部213の動作状態を検知するロータリエンコーダ214とを備えている。   The base portion 21 (support means) includes a frame portion 211 provided with casters and support legs, two rail portions 212 arranged along the longitudinal direction (advancing and retreating direction) of the frame portion 211, and a rail portion. An advance / retreat direction drive unit 213 that moves the movable unit 22 guided by 212 in the advance / retreat direction, and a rotary encoder 214 that detects an operation state of the advance / retreat direction drive unit 213 are provided.

フレーム部211は、平行な2本の棒部材211aの両端を連結部材211bにより固定することで平面視矩形状に形成されている。
レール部212(スレーブレール部)は、連結部材211b同士の間に配置された平行の2本の丸棒部材により形成されている。
進退方向駆動部213(スレーブ駆動手段,スレーブ進退方向駆動部)は、可動部22に接続固定された無端ベルト213aと、無端ベルト213aを移動させる従動プーリ213bおよび駆動プーリ213cと、駆動プーリ213cと同軸に配置されたプーリ213dを、無端ベルトを介して回転駆動するモータ213eとを備えている。
ロータリエンコーダ214(スレーブ検出手段)は、モータ213eの回転情報を、位置情報(スレーブ位置)として、進退方向位置信号(スレーブ状態信号)により出力する。
The frame portion 211 is formed in a rectangular shape in plan view by fixing both ends of two parallel bar members 211a with a connecting member 211b.
The rail part 212 (slave rail part) is formed by two parallel round bar members arranged between the connecting members 211b.
The advancing / retreating direction driving unit 213 (slave driving means, slave advancing / retreating direction driving unit) includes an endless belt 213a connected and fixed to the movable unit 22, a driven pulley 213b and a driving pulley 213c for moving the endless belt 213a, and a driving pulley 213c. A pulley 213d arranged coaxially is provided with a motor 213e that rotationally drives via an endless belt.
The rotary encoder 214 (slave detection means) outputs rotation information of the motor 213e as position information (slave position) by a forward / backward direction position signal (slave state signal).

可動部22は、レール部212をスライドする台座部221と、台座部221に設けられたスライダ222と、スライダ222上に設けられた支持部材により支持され、軟性内視鏡Eを軸回転させる軸回転駆動部223と、軸回転駆動部223の動作状態を検出するロータリエンコーダ224aとトルクセンサ224bと、軟性内視鏡Eを保持する保持部225と、軟性内視鏡Eのハンドル部を駆動する2つのハンドル駆動部226と、軟性内視鏡Eのハンドル部の動作状態を検出するハンドル検出部(図示せず)と、スライダ222の固定側(台座部221側)および可動側の間に設けられ、両方に固定されたロードセル228aと、可動部22の加速度を検出する加速度センサ228bを備えている。   The movable portion 22 is supported by a pedestal portion 221 that slides on the rail portion 212, a slider 222 provided on the pedestal portion 221, and a support member provided on the slider 222, and an axis that rotates the flexible endoscope E The rotary drive unit 223, the rotary encoder 224a that detects the operating state of the shaft rotary drive unit 223, the torque sensor 224b, the holding unit 225 that holds the flexible endoscope E, and the handle unit of the flexible endoscope E are driven. Provided between two handle driving units 226, a handle detection unit (not shown) for detecting the operating state of the handle unit of the flexible endoscope E, and the fixed side (the pedestal unit 221 side) and the movable side of the slider 222 And a load cell 228a fixed to both and an acceleration sensor 228b for detecting the acceleration of the movable portion 22.

台座部221(支持手段,スレーブ台座部)は、レール部212に取り付けられた移動ステージである。
スライダ222は、進退方向が長手方向となる矩形状の板体(固定側)とこの板体を溝内に内包して被さる断面凹状の板体(可動側)とから構成され、可動側が進退方向へスライドする。
軸回転駆動部223(スレーブ駆動手段,スレーブ軸回転駆動部)は、駆動源となるモータ223aと、モータ223aにより回転駆動される駆動プーリ223bと、駆動プーリ223bにより周回する無端ベルト223cと、無端ベルト223cにより周回して保持部225を軸回転させる従動プーリ223dとを備えている。
The pedestal part 221 (support means, slave pedestal part) is a moving stage attached to the rail part 212.
The slider 222 is composed of a rectangular plate body (fixed side) whose longitudinal direction is the longitudinal direction and a plate body having a concave cross section (movable side) covering the plate body in a groove, and the movable side is the forward / backward direction. Slide to.
The shaft rotation drive unit 223 (slave drive means, slave shaft rotation drive unit) includes a motor 223a serving as a drive source, a drive pulley 223b that is rotationally driven by the motor 223a, an endless belt 223c that rotates around the drive pulley 223b, and an endless And a driven pulley 223d that rotates around the belt 223c and rotates the holding portion 225.

ロータリエンコーダ224a(スレーブ検出手段)は、モータ223aよる可動部22の回転を検出し、スレーブ装置2の軸回転の位置情報(スレーブ位置)を軸回転の位置信号(スレーブ状態信号)により軸回転の動作状態として出力する。
トルクセンサ224b(スレーブ検出手段,第1力検出部)は、モータ223aによる可動部22の軸回転の力に基づく第1力情報として検出し、このスレーブ装置2の軸回転の第1力情報(スレーブ検出力)を、軸回転の力信号(スレーブ状態信号)により、軸回転の動作状態として出力する。
保持部225(支持手段)は、軟性内視鏡Eのハンドル部が収納され、ハンドル駆動部226(上下ハンドル駆動部226a,左右ハンドル駆動部226b)が取り付けられた状態で、軸回転する。
The rotary encoder 224a (slave detection means) detects the rotation of the movable portion 22 by the motor 223a, and the position information (slave position) of the axis rotation of the slave device 2 is converted to the axis rotation position signal (slave state signal). Output as operating status.
The torque sensor 224b (slave detection means, first force detection unit) detects the first force information based on the axial rotation force of the movable portion 22 by the motor 223a, and detects the first force information of the axial rotation of the slave device 2 ( (Slave detection force) is output as the shaft rotation operation state by the shaft rotation force signal (slave state signal).
The holding part 225 (supporting means) rotates the shaft while the handle part of the flexible endoscope E is accommodated and the handle driving part 226 (the vertical handle driving part 226a and the left and right handle driving part 226b) is attached.

ハンドル駆動部226は、上下アングルハンドルを駆動する上下ハンドル駆動部226aと左右アングルハンドルを駆動する左右ハンドル駆動部226bとを備えている。
上下ハンドル駆動部226aは、上下アングルハンドルを内包する平歯車と、駆動源となるモータとを備え、保持部225の天板の裏側面に設けられている。
左右ハンドル駆動部226bも同様にして、左右アングルハンドルを内包する平歯車と、駆動源となるモータとを備え、保持部225の天板の裏側面に設けられている。
ハンドル検出部は、上下ハンドル検出部と左右ハンドル検出部とを備え、上下アングルハンドルおよび左右アングルハンドルの動作状態を検出するロータリエンコーダである。
The handle driving unit 226 includes an upper / lower handle driving unit 226a for driving the upper / lower angle handle and a left / right handle driving unit 226b for driving the left / right angle handle.
The vertical handle driving unit 226 a includes a spur gear that encloses the vertical angle handle and a motor that serves as a driving source, and is provided on the back side of the top plate of the holding unit 225.
Similarly, the left and right handle drive unit 226b includes a spur gear that encloses the left and right angle handles and a motor that serves as a drive source, and is provided on the back side of the top plate of the holding unit 225.
The handle detection unit is a rotary encoder that includes an upper and lower handle detection unit and a left and right handle detection unit, and detects the operating state of the upper and lower angle handles and the left and right angle handles.

ロードセル228a(スレーブ検出手段,第1力検出部)は、スライダ222に搭載された各部の荷重によりスライダ222がスライドすることで生じるロードセル228aのひずみを、可動部22(軟性内視鏡E)に掛かる力に基づく第1力情報として検出し、このスレーブ装置2の進退方向の第1力情報(スレーブ検出力)を、進退方向の力信号(スレーブ状態信号)により進退方向の動作状態として出力するひずみセンサである。
加速度センサ228b(スレーブ検出手段,第2力検出部)は、保持部225に設けられている。加速度センサ228bは、可動部22(軟性内視鏡E)の進退方向および軸回転の加速度を保持部225に掛かる力に基づく第2力情報として検出し、このスレーブ装置2の進退方向または軸回転における第2力情報を進退方向加速信号(検出加速度)として出力する。
The load cell 228a (slave detection means, first force detection unit) applies strain to the movable unit 22 (soft endoscope E), which is caused by sliding of the slider 222 due to the load of each unit mounted on the slider 222. The first force information based on the applied force is detected, and the first force information (slave detection force) in the advancing / retreating direction of the slave device 2 is output as the operation state in the advancing / retreating direction by a force signal (slave state signal) in the advancing / retreating direction. It is a strain sensor.
The acceleration sensor 228 b (slave detection means, second force detection unit) is provided in the holding unit 225. The acceleration sensor 228b detects the advance / retreat direction of the movable unit 22 (soft endoscope E) and the acceleration of the shaft rotation as second force information based on the force applied to the holding unit 225, and the advance / retreat direction or shaft rotation of the slave device 2 is detected. The second force information at is output as an advancing / retreating direction acceleration signal (detected acceleration).

懸架部23は、軟性内視鏡Eの被術者の体内に挿入される長尺の挿入部を支持するものである。
懸架部23は、基台部21の一方の側部に設けられた略L字状の3本の支柱部231と、支柱部231のそれぞれの上部に架設された梁部232と、支柱部231の上部に設けられた固定部材233と、固定部材233に架設された断面凹状のレール部234と、軟性内視鏡Eの挿入部を一端部のリングに挿通させて吊り下げ、他端部がレール部234をスライドする吊り下げ部材235とを備えている。
The suspension part 23 supports a long insertion part inserted into the body of the subject of the flexible endoscope E.
The suspension part 23 includes three substantially L-shaped support parts 231 provided on one side of the base part 21, a beam part 232 provided on each of the support parts 231, and a support part 231. The fixing member 233 provided on the upper portion of the first member, the rail section 234 having a concave cross section laid on the fixing member 233, and the insertion portion of the flexible endoscope E are inserted into the ring at one end and suspended, and the other end is And a suspension member 235 that slides on the rail portion 234.

次に、マスター装置3について、図10から図14に基づいて説明する。
マスター装置3は、マスター装置3全体を支持する基台部31と、進退方向に移動する可動部32と、リニアエンコーダ33と、シャフトモータ34とを備えている。
Next, the master device 3 will be described with reference to FIGS.
The master device 3 includes a base portion 31 that supports the entire master device 3, a movable portion 32 that moves in the forward / backward direction, a linear encoder 33, and a shaft motor 34.

基台部31は、平面視矩形状のフレーム部311と、可動部32のスライドを安定した滑りとするための案内溝が形成された案内板312とを備えている。
案内板312(マスターレール部)は、長手方向に沿って可動部32が移動するための案内溝として直線状溝が両側面に設けられている。
The base portion 31 includes a frame portion 311 having a rectangular shape in plan view, and a guide plate 312 having a guide groove for making the slide of the movable portion 32 stable.
The guide plate 312 (master rail portion) is provided with linear grooves on both side surfaces as guide grooves for the movable portion 32 to move along the longitudinal direction.

可動部32は、案内板312をスライドする台座部321と、台座部321に設けられたスライダ322と、スライダ322上に設けられた支持部材と軸受により支持され、軟性内視鏡Eを進退方向へ指示したり、軸回転を指示したりするための指示部323と、指示部323の動作状態を検出するロータリエンコーダ324aおよびトルクセンサ324bと、操作者の操作力に反力を駆動する軸回転駆動部325と、軟性内視鏡Eの上下アングルハンドルの駆動および左右アングルハンドルの駆動を指示するハンドル指示部326と、スライダ322の固定側(台座部321側)および可動側の間に設けられ、両方に固定されたロードセル327とを備えている。   The movable portion 32 is supported by a pedestal portion 321 that slides on the guide plate 312, a slider 322 provided on the pedestal portion 321, a support member provided on the slider 322, and a bearing, and moves the flexible endoscope E forward and backward. An instruction unit 323 for instructing to rotate or instructing shaft rotation, a rotary encoder 324a and a torque sensor 324b for detecting the operating state of the instruction unit 323, and shaft rotation for driving a reaction force against the operating force of the operator Provided between the drive unit 325, the handle instruction unit 326 for instructing the driving of the vertical and horizontal angle handles of the flexible endoscope E, and the fixed side (the pedestal unit 321 side) and the movable side of the slider 322. , And a load cell 327 fixed to both.

台座部321(マスター台座部)は、案内板312およびシャフトモータ34に取り付けられた移動ステージである。
スライダ322は、進退方向が長手方向となる矩形状の板体(固定側)とこの板体を溝内に内包して被さる断面凹状の板体(可動側)とから構成され、可動側が進退方向へスライドする。
指示部323(操作手段)は、操作者が把持して、可動部32を進退方向へ移動させたり、回転させたりする把手である。
ロータリエンコーダ324a(マスター検出手段)は、指示部323による可動部32の回転を検出し、マスター装置3の軸回転の位置情報(マスター位置)を軸回転の位置信号(マスター状態信号)により軸回転の動作状態として出力する。
The pedestal 321 (master pedestal) is a moving stage attached to the guide plate 312 and the shaft motor 34.
The slider 322 is composed of a rectangular plate body (fixed side) whose longitudinal direction is the longitudinal direction and a plate body having a concave cross section (movable side) that covers the plate body in a groove, and the movable side is in the forward / backward direction. Slide to.
The instruction unit 323 (operation means) is a handle that is gripped by the operator and moves or rotates the movable unit 32 in the forward / backward direction.
The rotary encoder 324a (master detection unit) detects the rotation of the movable unit 32 by the instruction unit 323, and rotates the shaft rotation position information (master position) of the master device 3 by the shaft rotation position signal (master state signal). Is output as the operating state.

トルクセンサ324b(マスター検出手段)は、指示部323による可動部32の軸回転の力を検出し、このマスター装置3の軸回転の力情報(マスター検出力)を、軸回転の力信号(マスター状態信号)により、軸回転の動作状態として出力する。
軸回転駆動部325(マスター駆動手段,マスター軸回転駆動部)は、指示部323への軸回転の操作力に対する反力を駆動するモータである。
ハンドル指示部326(操作手段)は、操作棒を前後左右に移動させ、内蔵された操作検出部が操作棒の傾斜角度および傾斜方向を動作状態として検出して、制御装置4へ通知する、軟性内視鏡Eの挿入部の先端へ湾曲方向を指示するためのジョイスティックである。
The torque sensor 324b (master detection means) detects the axial rotation force of the movable unit 32 by the instruction unit 323, and the axial rotation force information (master detection force) of the master device 3 is used as the axial rotation force signal (master). Status signal) is output as the operating state of the shaft rotation.
The shaft rotation drive unit 325 (master drive means, master shaft rotation drive unit) is a motor that drives a reaction force against the operation force of the shaft rotation on the instruction unit 323.
The handle instruction unit 326 (operation means) moves the operation rod back and forth, left and right, and the built-in operation detection unit detects the inclination angle and the inclination direction of the operation rod as an operating state and notifies the control device 4 of the softness. 3 is a joystick for instructing the bending direction to the distal end of the insertion portion of the endoscope E. FIG.

ロードセル327(マスター検出手段)は、指示部323の操作によりスライダ322がスライドすることで生じるロードセル327のひずみを、可動部32に掛かる力として検出し、このマスター装置3の進退方向の力情報(マスター検出力)を、進退方向の力信号(マスター状態信号)により進退方向の動作状態として出力するひずみセンサである。   The load cell 327 (master detection means) detects the strain of the load cell 327 generated by sliding the slider 322 by the operation of the instruction unit 323 as a force applied to the movable unit 32, and information on the force of the master device 3 in the advancing / retreating direction ( It is a strain sensor that outputs a master detection force) as an operation state in the advancing / retreating direction by a force signal in the advancing / retreating direction (master state signal).

リニアエンコーダ33(マスター検出手段)は、スケール部331と、センサ部332とにより構成されている。
スケール部331は、フレーム部311に設けられている。スケール部331は、進退方向の位置を示すもので、本実施の形態では光学式を用いている。センサ部332は、照射した光がスケール部331に反射した戻り光を電気信号に変換して出力することで、マスター装置3の進退方向の位置情報(マスター位置)を、進退方向の位置信号(マスター状態信号)により進退方向の動作状態として出力する。
The linear encoder 33 (master detection means) includes a scale unit 331 and a sensor unit 332.
The scale part 331 is provided in the frame part 311. The scale unit 331 indicates a position in the forward / backward direction, and an optical system is used in the present embodiment. The sensor unit 332 converts the return light reflected by the irradiated light to the scale unit 331 into an electrical signal and outputs the electrical signal, thereby obtaining the position information (master position) of the master device 3 in the forward / backward direction. A master state signal) is output as an operation state in the forward / backward direction.

シャフトモータ34(マスター駆動手段,マスター進退方向駆動部)は、進退方向への操作力に対する反力を駆動するものである。シャフトモータ34は、シャフト部341と可動子342とにより構成される。シャフト部341は、フレーム部311の長手方向(進退方向)に沿って配置され、内部に磁石が内蔵された丸棒部材により形成されている。
シャフト部341と対をなす可動子342は、コイルを内蔵した円筒状体であり、シャフト部341に沿って移動する。
The shaft motor 34 (master driving means, master advancing / retreating direction driving unit) drives a reaction force against an operating force in the advancing / retreating direction. The shaft motor 34 includes a shaft portion 341 and a mover 342. The shaft portion 341 is disposed along the longitudinal direction (advancing and retracting direction) of the frame portion 311 and is formed by a round bar member having a magnet built therein.
The mover 342 paired with the shaft portion 341 is a cylindrical body with a built-in coil, and moves along the shaft portion 341.

次に、制御装置4について図15から図21に基づいて説明する。
制御装置4は、コンピュータ上で内視鏡制御プログラムが動作するコンピュータにより実現されている。制御装置4は、図15に示すように、進退方向制御部41と、軸回転制御部42と、ハンドル制御部43と、表示制御部44と、入力制御部45と、記憶部46と、出力部47とを備えている。
Next, the control device 4 will be described with reference to FIGS.
The control device 4 is realized by a computer on which an endoscope control program operates on a computer. As shown in FIG. 15, the control device 4 includes an advancing / retreating direction control unit 41, a shaft rotation control unit 42, a handle control unit 43, a display control unit 44, an input control unit 45, a storage unit 46, and an output. Part 47.

進退方向制御部41は、軟性内視鏡Eの進退方向への移動を制御するものである。軸回転制御部42は、軟性内視鏡Eの軸回転の制御するものである。ハンドル制御部43は、軟性内視鏡Eの上下アングルハンドルおよび左右アングルハンドルの制御するものである。進退方向制御部41,軸回転制御部42,ハンドル制御部43からの駆動信号はモータドライバ装置5,6を介してスレーブ装置2,マスター装置3へ送られる。
表示制御部44は、進退方向制御部41、軸回転制御部42およびハンドル制御部43から情報を受けて、表示装置7へ表示する機能を備えている。入力制御部45は、入力装置8からの入力情報に基づいて制御装置4全体を制御する。
The advance / retreat direction control unit 41 controls the movement of the flexible endoscope E in the advance / retreat direction. The shaft rotation control unit 42 controls the shaft rotation of the flexible endoscope E. The handle control unit 43 controls the vertical and horizontal angle handles of the flexible endoscope E. Drive signals from the advancing / retreating direction control unit 41, the shaft rotation control unit 42, and the handle control unit 43 are sent to the slave device 2 and the master device 3 through the motor driver devices 5 and 6.
The display control unit 44 has a function of receiving information from the advance / retreat direction control unit 41, the shaft rotation control unit 42, and the handle control unit 43 and displaying the information on the display device 7. The input control unit 45 controls the entire control device 4 based on input information from the input device 8.

記憶部46は、マスター装置3により操作されたときの進退方向および軸回転の位置と力、挿入部の上下方向および左右方向の屈曲の位置と力のそれぞれのデータが格納される。記憶部46は、高速でアクセスが可能で大容量なハードディスクやフラッシュメモリとすることができる。
出力部47は、記憶部46に格納されたデータを外部へLAN(Local Area Network)やUSB(Universal Serial Bus)を介して出力する。出力部47の出力形式は任意のものが採用できるが、例えば、CSV(Comma Separated Values)としたり、バイナリデータとしたりすることができる。
記憶部46により各データが保存でき、出力部47によりデータが取り出せるので、熟練の操作者の操作を、未熟な操作者が、後で学習して、習熟度を向上させることができる。
The storage unit 46 stores data of the advancing / retreating direction and the axial rotation position and force when operated by the master device 3, and the bending position and force of the insertion unit in the vertical and horizontal directions. The storage unit 46 can be a high-capacity hard disk or flash memory that can be accessed at high speed.
The output unit 47 outputs the data stored in the storage unit 46 to the outside via a LAN (Local Area Network) or a USB (Universal Serial Bus). Although any output format of the output unit 47 can be adopted, for example, CSV (Comma Separated Values) or binary data can be used.
Since each data can be saved by the storage unit 46 and data can be taken out by the output unit 47, an unskilled operator can later learn the operation of a skilled operator and improve the proficiency level.

モータドライバ装置5,6は、制御装置4からの駆動信号を受け、各モータを駆動する制御電流を発生する。また、モータドライバ装置5,6は、それぞれの動作状態の信号を受け、適正な制御を行う機能を有している。モータドライバ装置5,6は一般の市販品が使用でき、状況に応じて省略することも可能である。   The motor driver devices 5 and 6 receive a drive signal from the control device 4 and generate a control current for driving each motor. Further, the motor driver devices 5 and 6 have a function of receiving appropriate signals of respective operation states and performing appropriate control. The motor driver devices 5 and 6 can use general commercial products, and can be omitted depending on the situation.

表示装置7は、制御装置4からの表示信号に基づいてディスプレイに表示するものである。表示装置7は、CRTやLCD、有機ELディスプレイとすることができる。入力装置8は、制御装置4がコンピュータであれば、キーボードとすることができる。また、入力装置8は、始動・停止・いくつかの制御キーを備えた操作盤とすることができる。   The display device 7 displays on a display based on a display signal from the control device 4. The display device 7 can be a CRT, LCD, or organic EL display. The input device 8 can be a keyboard if the control device 4 is a computer. Further, the input device 8 can be an operation panel having start / stop / several control keys.

以上のように構成された本発明の実施の形態に動作および使用状態について、図16から図21に基づいて説明する。図16から図18は、それぞれ、軟性内視鏡Eを進退方向へ動作させたとき、軸回転させたとき、挿入部の先端を上下方向や左右方向に動作させたときのブロック線図を示すものであるが、本実施の形態では、軟性内視鏡Eの進退方向の制御と、軸回転の制御について説明する。   The operation and use state of the embodiment of the present invention configured as described above will be described with reference to FIGS. FIGS. 16 to 18 are block diagrams when the flexible endoscope E is moved in the forward / backward direction, the shaft is rotated, and the distal end of the insertion portion is moved in the vertical direction and the horizontal direction, respectively. However, in this embodiment, control of the advance / retreat direction of the flexible endoscope E and control of shaft rotation will be described.

操作者が、マスター装置3の指示部323を把持して、可動部32を進退方向へ移動させると、制御装置4がスレーブ装置2の可動部22を同方向へ移動させる。   When the operator holds the instruction unit 323 of the master device 3 and moves the movable unit 32 in the forward / backward direction, the control device 4 moves the movable unit 22 of the slave device 2 in the same direction.

図16に示すように、マスター装置3の可動部32が進退方向へ移動すると、リニアエンコーダ33から進退方向の位置情報が制御装置4へ出力され、ロードセル327から力信号が出力される。
また、スレーブ装置2の可動部22が進退方向へ移動すると、ロータリエンコーダ214から進退方向の位置情報が制御装置4へ出力され、ロードセル228aから力信号が出力され、加速度センサ228bから加速度信号が出力される。
制御装置4では、進退方向制御部41に、それぞれの情報が入力される。
As shown in FIG. 16, when the movable portion 32 of the master device 3 moves in the forward / backward direction, position information in the forward / backward direction is output from the linear encoder 33 to the control device 4, and a force signal is output from the load cell 327.
When the movable portion 22 of the slave device 2 moves in the forward / backward direction, position information in the forward / backward direction is output from the rotary encoder 214 to the control device 4, a force signal is output from the load cell 228a, and an acceleration signal is output from the acceleration sensor 228b. Is done.
In the control device 4, each information is input to the forward / backward direction control unit 41.

ここで、進退方向制御部41にて行われるバイラテラル制御について、図19に基づいて説明する。
図19に示すように、進退方向制御部41では、マスター装置3のリニアエンコーダ33からの進退方向の位置情報(マスター位置)とスレーブ装置2のロータリエンコーダ214からの進退方向の位置情報(スレーブ位置)とが、減算器411により減算され、マスター位置とスレーブ位置との差分である位置偏差が算出される。減算器411により減算されることで得られた位置偏差が、演算器412により速度に変換され、この速度が現在速度に対する補正値である進退方向の速度指令補正値として算出される。本実施の形態では、演算器412による演算を、位置偏差に係数を掛ける比例式に基づいて行なっている。この係数は、様々な方法で決定できるが、本実施の形態の演算器412では、ぎりぎり発振しない大きい値を、実験的に求めている。
Here, the bilateral control performed by the forward / backward direction control unit 41 will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 19, the advancing / retreating direction control unit 41 has position information (master position) in the advancing / retreating direction from the linear encoder 33 of the master device 3 and position information (slave position) in the advancing / retreating direction from the rotary encoder 214 of the slave device 2. ) Is subtracted by the subtracter 411, and a position deviation which is a difference between the master position and the slave position is calculated. The position deviation obtained by subtraction by the subtractor 411 is converted into a speed by the calculator 412, and this speed is calculated as a speed command correction value in the forward / backward direction that is a correction value for the current speed. In the present embodiment, the calculation by the calculator 412 is performed based on a proportional expression that multiplies the position deviation by a coefficient. Although this coefficient can be determined by various methods, the calculator 412 of the present embodiment experimentally obtains a large value that does not oscillate.

また、進退方向制御部41では、マスター装置3のロードセル327からの進退方向の力情報と、スレーブ装置2のロードセル228aからの進退方向の力情報とが、仮想モデルによる速度生成器413に入力されるが、スレーブ装置2のロードセル228aからの進退方向の力情報は、事前に、スレーブ装置2の加速度センサ228bからの検出加速度をF=ma(但し、mはロードセル228aが搭載されたスライダ222より上の可動部22の重量、aは加速度センサ228bが検出した加速度。)を演算する演算器414により力に変換した値に変換され、減算器415にて減算される。   Further, in the advancing / retreating direction control unit 41, force information in the advancing / retreating direction from the load cell 327 of the master device 3 and force information in the advancing / retreating direction from the load cell 228a of the slave device 2 are input to the speed generator 413 based on the virtual model. However, the force information in the advancing / retreating direction from the load cell 228a of the slave device 2 is calculated in advance from the detected acceleration from the acceleration sensor 228b of the slave device 2 F = ma (where m is from the slider 222 on which the load cell 228a is mounted). The weight of the movable part 22 above, a is the acceleration detected by the acceleration sensor 228b) is converted into a value converted into force by the calculator 414, and subtracted by the subtractor 415.

これは、スレーブ装置2のロードセル228aからの進退方向の力情報には、軟性内視鏡Eを保持する保持部225を含む可動部22全体の重量が加味された値となっているため、予め、ロードセル228aからの進退方向の力情報から加速度センサ228bが検出した加速度に基づく力情報を減算器415にて差し引くことで、保持部225を含む可動部22と軟性内視鏡Eとの重さを打ち消すことができる。従って、軟性内視鏡Eを改造せずに、そのまま使用でき、誤差の少ない制御を行うことができる。   This is because the force information in the advancing / retreating direction from the load cell 228a of the slave device 2 is a value in which the weight of the entire movable unit 22 including the holding unit 225 that holds the flexible endoscope E is added. By subtracting the force information based on the acceleration detected by the acceleration sensor 228b from the force information in the advancing / retreating direction from the load cell 228a by the subtractor 415, the weight of the movable part 22 including the holding part 225 and the flexible endoscope E is obtained. Can be countered. Therefore, the flexible endoscope E can be used as it is without remodeling, and control with few errors can be performed.

なお、本実施の形態では、第2力検出部として加速度センサ228bを用い、制御装置4の演算器414にて力に変換しているが、保持部225に掛かる力が直接検出できれば加速度センサ228bを力センサとしてもよい。また、可動部22に掛かる力が推定できる情報(第2力情報)が検出できれば、他のものを使用して第2検出部を構成してもよい。
また、ロードセル228aにおいても、保持部225に掛かる力が推定できる情報(第1力情報)が検出できれば、他のものを使用して第1力検出部を構成してもよい。
この場合、進退方向制御部41内の演算器414のように、第1力情報または第2力情報を必要に応じて演算器で力に変換することで対応が可能である。
例えば、位置情報であれば2回微分して質量を乗算したり、速度情報であれば1回微分して質量を乗算したりすることで力情報に変換することができる。
In the present embodiment, the acceleration sensor 228b is used as the second force detection unit, and the force is converted into the force by the calculator 414 of the control device 4. However, if the force applied to the holding unit 225 can be directly detected, the acceleration sensor 228b. May be a force sensor. Moreover, as long as the information (second force information) that can estimate the force applied to the movable unit 22 can be detected, the second detection unit may be configured by using other information.
Also, in the load cell 228a, as long as information (first force information) that can estimate the force applied to the holding unit 225 can be detected, the other one may be used to configure the first force detection unit.
In this case, like the calculator 414 in the advance / retreat direction control unit 41, the first force information or the second force information is converted into force by the calculator as necessary.
For example, position information can be converted into force information by differentiating twice and multiplying by mass, or speed information by differentiating once and multiplying by mass.

速度生成器413では、仮想ばね、仮想ダンパおよび仮想質量を組み合わせた仮想モデルに、マスター装置3のロードセル327からの進退方向の力情報が示す力と、減算器415からの力情報が示す力とを印加することで、仮想モデルを運動させ、速度を生成させる。なお、本実施の形態の仮想モデルでは、仮想ばね定数を0としているため、図19に示す速度生成器413では、仮想ばねを図示していないが、目的とする制御に応じて仮想ばね定数に数値を与えてもよい。速度生成器413にて仮想モデルにより速度を生成することで、力学モデルの設定に応じた制御が可能なので、発振しないぎりぎりの速度を指示速度として生成させることも可能である。   In the speed generator 413, the force indicated by the force information in the advancing / retreating direction from the load cell 327 of the master device 3 and the force indicated by the force information from the subtractor 415 are combined into a virtual model combining the virtual spring, the virtual damper, and the virtual mass. Is applied to move the virtual model and generate velocity. In the virtual model of the present embodiment, since the virtual spring constant is 0, the speed generator 413 shown in FIG. 19 does not show the virtual spring, but the virtual spring constant is set according to the target control. A numerical value may be given. Since the speed generator 413 generates the speed using the virtual model, control according to the setting of the dynamic model is possible, and it is also possible to generate a marginal speed that does not oscillate as the indicated speed.

進退方向制御部41は、速度生成器413における仮想モデルの速度を、新たな進退方向における指示速度であるスレーブ装置2への進退方向の速度指令値(スレーブ駆動信号)として出力する。
また、進退方向制御部41は、位置偏差(マスター位置とスレーブ位置との差分)を演算器412により速度に変換した速度指令補正値に、速度生成器413による仮想モデルの速度を加算器416にて加算したものを、マスター装置3への進退方向の速度指令値として出力する。
このような制御により、進退方向制御部41は、マスター装置3の進退方向への操作を強制的にスレーブ装置2へ合わせるように制御している。
The advancing / retreating direction control unit 41 outputs the speed of the virtual model in the speed generator 413 as a speed command value (slave drive signal) in the advancing / retreating direction to the slave device 2 that is an instruction speed in the new advancing / retreating direction.
Further, the advancing / retreating direction control unit 41 adds the speed of the virtual model by the speed generator 413 to the adder 416 to the speed command correction value obtained by converting the position deviation (difference between the master position and the slave position) to the speed by the calculator 412. Is added as a speed command value in the forward / backward direction to the master device 3.
By such control, the advance / retreat direction control unit 41 performs control so that the operation of the master device 3 in the advance / retreat direction is forcibly matched with the slave device 2.

このように制御装置4は、スレーブ装置2とマスター装置3との進退方向の位置情報と力情報とに基づいて、補正速度との相対値である速度指令補正値と、目標速度である速度指令値とを算出してスレーブ装置2およびマスター装置3とへ指示するバイラテラル制御を行うことで、マスター装置3に加えられた操作力がスレーブ装置2へ出力され、スレーブ装置2に発生した力がそのままマスター装置3に発生させることができる。   In this way, the control device 4 is based on the position information and the force information in the advancing and retreating directions of the slave device 2 and the master device 3, and the speed command correction value that is a relative value to the correction speed and the speed command that is the target speed. By performing bilateral control to calculate the value and instruct the slave device 2 and the master device 3, the operation force applied to the master device 3 is output to the slave device 2, and the force generated in the slave device 2 is It can be generated in the master device 3 as it is.

従って、内視鏡操作システム1は、内視鏡検査医の感覚に、臓器側からの力覚・反力(力・挿入速度・加速度)が正確にフィードバックされるだけでなく、臓器側にも挿入操作による力・挿入速度・加速度が等質・等量で同時に伝達されるので、この双方向力覚フィードバックにおけるバイラテラル制御より操作者はより実際の感触に近い操作感覚が得られるので、精度の高い操作性を図ることができる。よって、用手的に内視鏡挿入操作をしている操作者の使用を満足させることができる。また、「内蔵感覚」を手掛かりとした経験を要する内視鏡挿入操作が遠隔操作で可能となる。   Therefore, the endoscope operation system 1 not only accurately feeds back force sense / reaction force (force / insertion speed / acceleration) from the organ side to the sense of the endoscopist, but also to the organ side. Since the force, insertion speed, and acceleration of the insertion operation are transmitted simultaneously in equal quality and equal amount, the operator can obtain an operation feeling closer to the actual feeling than bilateral control in this bidirectional force feedback, so accuracy High operability can be achieved. Therefore, it is possible to satisfy the use of the operator who is manually performing the endoscope insertion operation. In addition, an endoscope insertion operation that requires experience based on the “built-in sensation” can be performed remotely.

次に、操作者が、マスター装置3の指示部323を把持して、可動部32を軸回転させた場合を、図17および図20に基づいて説明する。なお、図17においては図16と、図20においては図19と同じ構成のものは同符号を付している。   Next, a case where the operator holds the instruction unit 323 of the master device 3 and rotates the movable unit 32 with reference to FIGS. 17 and 20 will be described. In FIG. 17, the same components as those in FIG. 16 and FIG. 20 in FIG.

操作者が、マスター装置3の指示部323を軸回転させることで、制御装置4がスレーブ装置2の可動部22を同方向へ軸回転させる。
図17に示すように、マスター装置3の可動部32が軸回転すると、ロータリエンコーダ324aから軸回転の位置情報が制御装置4へ出力され、トルクセンサ324bから力信号が出力される。
また、スレーブ装置2の可動部22が軸回転すると、ロータリエンコーダ224aから軸回転の位置情報が制御装置4へ出力され、トルクセンサ224bから力信号が出力され、加速度センサ228bから加速度信号が出力される。
When the operator rotates the instruction unit 323 of the master device 3, the control device 4 rotates the movable unit 22 of the slave device 2 in the same direction.
As shown in FIG. 17, when the movable portion 32 of the master device 3 rotates, the position information of the shaft rotation is output from the rotary encoder 324a to the control device 4, and the force signal is output from the torque sensor 324b.
When the movable portion 22 of the slave device 2 rotates, the rotary encoder 224a outputs the position information of the shaft rotation to the control device 4, the force signal is output from the torque sensor 224b, and the acceleration signal is output from the acceleration sensor 228b. The

制御装置4では、図20に示すように、軸回転制御部42に、それぞれの情報が入力される。
軸回転制御部42では、進退方向制御部41と同様にして、速度生成器413における仮想モデルの速度を、スレーブ装置2への軸回転の速度指令値(スレーブ駆動信号)として出力する。
また、軸回転制御部42は、位置偏差(マスター位置とスレーブ位置との差分)を演算器412により速度に変換した速度指令補正値に、速度生成器413による仮想モデルの速度を加算器416により加算したものを、マスター装置3への進退方向の速度指令値として出力する。
In the control device 4, each piece of information is input to the shaft rotation control unit 42 as shown in FIG. 20.
The shaft rotation control unit 42 outputs the speed of the virtual model in the speed generator 413 as a shaft rotation speed command value (slave drive signal) to the slave device 2 in the same manner as the advance / retreat direction control unit 41.
In addition, the shaft rotation control unit 42 adds the speed of the virtual model by the speed generator 413 to the speed command correction value obtained by converting the position deviation (difference between the master position and the slave position) into the speed by the calculator 412 and the adder 416. The sum is output as a speed command value in the forward / backward direction to the master device 3.

なお、本実施の形態では、第1力検出部としてトルクセンサ224bを用いているが、ロードセル228aと同様に、保持部225に掛かる力が推定できる情報(第1力情報)が検出できれば、他のものを使用して第1力検出部を構成してもよい。   In the present embodiment, the torque sensor 224b is used as the first force detection unit. However, as with the load cell 228a, if information that can estimate the force applied to the holding unit 225 (first force information) can be detected, the other You may comprise a 1st force detection part using a thing.

このような制御により、軸回転制御部42は、マスター装置3の軸回転の操作を強制的にスレーブ装置2へ合わせるように制御している。   With such control, the shaft rotation control unit 42 performs control so that the shaft rotation operation of the master device 3 is forcibly matched with the slave device 2.

このように制御装置4は、スレーブ装置2とマスター装置3との軸回転の位置情報と軸回転の力情報とに基づいて、補正速度との相対値である速度指令補正値と、目標速度である速度指令値とを算出することで、進退方向制御部41と同様の効果を得ることができる。   In this way, the control device 4 uses the speed command correction value that is a relative value to the correction speed and the target speed based on the position information and the force information of the shaft rotation between the slave device 2 and the master device 3. By calculating a certain speed command value, the same effect as the forward / backward direction control unit 41 can be obtained.

表示制御部44は、表示装置7の表示画面70に様々な情報を表示する。図21に示す表示画面では、進退方向の力グラフ表示71と、進退方向の棒グラフ表示72と、進退方向の位置グラフ表示73と、軸回転の力グラフ表示74と、回旋量表示75と、屈曲状態表示76と、接続状態表示77とが表示されている。   The display control unit 44 displays various information on the display screen 70 of the display device 7. In the display screen shown in FIG. 21, a force graph display 71 in the advancing / retreating direction, a bar graph display 72 in the advancing / retreating direction, a position graph display 73 in the advancing / retreating direction, a force graph display 74 of the shaft rotation, a rotation amount display 75, a bending A status display 76 and a connection status display 77 are displayed.

進退方向の力グラフ表示71は、軟性内視鏡Eに掛かる進退方向の力として、進退方向制御部41の減算器415からの力情報を、縦軸を力、横軸を経過時間により表示されたグラフである。
進退方向の棒グラフ表示72は、リアルタイムに軟性内視鏡Eに掛かる進退方向の力を、棒の伸縮により表示するレベルメーターである。
進退方向の位置グラフ表示73は、マスター位置またはスレーブ位置から得られる軟性内視鏡Eの進退方向の位置を示すもので、縦軸を位置、横軸を経過時間により表示されるグラフである。
軸回転の力グラフ表示74は、軟性内視鏡Eに掛かる軸回転の力として、マスター装置3からのマスター検出力、またはスレーブ装置2のスレーブ検出力を示す軸回転制御部42の減算器415からの力情報を、指針の回転により表示したレベルメーターである。
回旋量表示75は、マスター装置3のロータリエンコーダ324aからのマスター位置またはスレーブ装置2のロータリエンコーダ224aからのスレーブ位置から得られる軟性内視鏡Eの軸回転の角度(方向I)を指針の回転方向により表示するものである。
屈曲状態表示76は、軟性内視鏡Eの挿入部の上下方向および左右方向の屈曲方向と屈曲力を、指針の方向と長さにより表示するものである。
接続状態表示77は、マスター装置3を操作すればスレーブ装置2が動作する接続状態か、マスター装置3を操作してもスレーブ装置2が動作しない切断状態かを示すものである。
The advancing / retreating direction force graph display 71 displays the force information from the subtracter 415 of the advancing / retreating direction control unit 41 as the advancing / retreating direction force applied to the flexible endoscope E, the ordinate indicates the force, and the abscissa indicates the elapsed time. It is a graph.
The bar graph display 72 in the advance / retreat direction is a level meter that displays the force in the advance / retreat direction applied to the flexible endoscope E in real time by the expansion / contraction of the bar.
The position graph display 73 in the advance / retreat direction indicates the position in the advance / retreat direction of the flexible endoscope E obtained from the master position or the slave position, and is a graph in which the vertical axis indicates the position and the horizontal axis indicates the elapsed time.
The shaft rotation force graph display 74 is a subtracter 415 of the shaft rotation control unit 42 indicating the master detection force from the master device 3 or the slave detection force of the slave device 2 as the shaft rotation force applied to the flexible endoscope E. This is a level meter that displays force information from the hand by rotating the pointer.
The rotation amount display 75 indicates the angle (direction I) of the axis rotation of the flexible endoscope E obtained from the master position from the rotary encoder 324a of the master device 3 or the slave position from the rotary encoder 224a of the slave device 2 by rotating the pointer. Display by direction.
The bending state display 76 displays the bending direction and the bending force in the vertical and horizontal directions of the insertion portion of the flexible endoscope E by the direction and length of the pointer.
The connection state display 77 indicates a connection state in which the slave device 2 operates when the master device 3 is operated or a disconnected state in which the slave device 2 does not operate even when the master device 3 is operated.

このように表示制御部44が、軟性内視鏡Eに掛かる力や軟性内視鏡Eの位置などを表示することで、手の感触だけなく、視覚的に把握することができるので、より確実な操作が可能となる。   In this way, the display control unit 44 displays the force applied to the flexible endoscope E, the position of the flexible endoscope E, etc., so that it can be grasped visually as well as the touch of the hand. Operation becomes possible.

この接続状態または切断状態は、入力装置8の所定キーまたは所定レバーなどにより指示することで切り替えることができる。
接続状態では、進退方向制御部41からハンドル制御部43までの各制御部は、マスター装置3にスレーブ装置2が追従する通常の動作を行う。
切断状態では、入力装置8からの指示を受けた入力制御部45が、進退方向制御部41からハンドル制御部43までの各制御部の動作を停止させる。
This connected state or disconnected state can be switched by instructing with a predetermined key or a predetermined lever of the input device 8.
In the connected state, each control unit from the advance / retreat direction control unit 41 to the handle control unit 43 performs a normal operation in which the slave device 2 follows the master device 3.
In the disconnected state, the input control unit 45 that has received an instruction from the input device 8 stops the operation of each control unit from the advance / retreat direction control unit 41 to the handle control unit 43.

例えば、マスター装置3の基台部31の長さ方向の長さが、スレーブ装置2の基台部21に対して短い場合、基台部31の一端から他端まで可動部32を進めても、スレーブ装置2の基台部21では、まだ進行させることができ、被術者の体内へ深く挿入するためには、更に可動部32を進める必要がある。このような場合に、入力装置8により切断状態を指示することで、一旦、可動部32を基台部31の他端から一端へ復帰させて、次に、接続状態としてから、再度、可動部32を一端から他端側へ移動させることで、引き続き可動部32を先に進めることができる。   For example, when the length of the base portion 31 of the master device 3 is shorter than the base portion 21 of the slave device 2, the movable portion 32 can be advanced from one end to the other end of the base portion 31. The base part 21 of the slave device 2 can still be advanced, and the movable part 32 needs to be further advanced in order to insert deeply into the body of the subject. In such a case, by instructing the cutting state with the input device 8, the movable portion 32 is once returned from the other end of the base portion 31 to one end, and then set in the connected state, and then again the movable portion. By moving 32 from one end to the other end, the movable part 32 can be advanced further.

本実施の形態に係るマスター装置3では、操作者が軟性内視鏡Eを進退させるときには、指示部323を持って案内板312に可動部32をスライトさせ、軟性内視鏡Eを軸回転させるときには、指示部323を回転させることにより操作できるので、軟性内視鏡Eの動作方向と同じ方向へマスター装置を操作すればよい。従って、直感的な操作が可能である。   In the master device 3 according to the present embodiment, when the operator advances and retracts the flexible endoscope E, the guide unit 312 is caused to slide the movable portion 32 by holding the instruction portion 323, and the flexible endoscope E is rotated. In some cases, since the operation can be performed by rotating the instruction unit 323, the master device may be operated in the same direction as the operation direction of the flexible endoscope E. Therefore, an intuitive operation is possible.

しかし、マスター装置は、操作盤でも実現できる。図22に示すマスター装置は、ジョイスティックによる操作盤である。
図22に示す操作盤9は、箱状の本体91に2本のジョイスティック92,93が設けられている。
However, the master device can also be realized with an operation panel. The master device shown in FIG. 22 is an operation panel using a joystick.
The operation panel 9 shown in FIG. 22 is provided with two joysticks 92 and 93 in a box-shaped main body 91.

ジョイスティック92は、操作棒92aを前後に傾斜させると、軟性内視鏡を進退方向への移動を指示することができる。また、操作棒92aを左右に傾斜させると、軟性内視鏡の軸回転を指示することができる。
また、ジョイスティック93は、操作棒92aを前後に傾斜させると、挿入部の先端の上下方向への屈曲の指示ができ、また、操作棒92aを左右に傾斜させると、挿入部の先端の左右方向への屈曲の指示ができる。
When the operation stick 92a is tilted back and forth, the joystick 92 can instruct the flexible endoscope to move in the forward / backward direction. Further, when the operation rod 92a is tilted to the left and right, it is possible to instruct the axis rotation of the flexible endoscope.
In addition, when the operation rod 92a is tilted back and forth, the joystick 93 can be instructed to bend the distal end of the insertion portion in the vertical direction, and when the operation rod 92a is tilted left and right, the lateral direction of the distal end of the insertion portion. Can be instructed to bend.

このジョイスティック92の操作棒92aには、ひずみゲージ92b,92cと、モータ92d,92eと、エンコーダ92f,92gとが設けられている。
ひずみゲージ92b(マスター検出手段)は、進退方向を指示する傾斜の力を、進退方向の力情報(マスター検出力)として、進退方向の力信号(マスター状態信号)により出力する。
ひずみゲージ92c(マスター検出手段)は、軸回転方向を指示する傾斜の力を、軸回転方向の力情報(マスター検出力)として、軸回転の力信号(マスター状態信号)により出力する。
モータ92d(マスター軸回転駆動部)は、ひずみゲージ92cが検出した操作棒92aへの軸回転への操作力に対する反力を駆動するものである。
モータ92e(マスター進退方向駆動部)は、ひずみゲージ92bが検出した操作棒92aへの進退方向への操作力に対する反力を駆動するものである。
エンコーダ92f(マスター検出手段)は、進退方向を指示する操作棒92aの傾斜の角度をモータ92dの回転により検出し、進退方向の位置情報(マスター位置)として、進退方向の位置信号(マスター状態信号)により出力する。
エンコーダ92g(マスター検出手段)は、軸回転を指示する操作棒92aの傾斜の角度をモータ92eの回転により検出し、軸回転の位置情報(マスター位置)として、軸回転の位置信号(マスター状態信号)により出力する。
The operation rod 92a of the joystick 92 is provided with strain gauges 92b and 92c, motors 92d and 92e, and encoders 92f and 92g.
The strain gauge 92b (master detection means) outputs the inclination force that indicates the advance / retreat direction as force information (master detection force) in the advance / retreat direction by a force signal (master state signal) in the advance / retreat direction.
The strain gauge 92c (master detection means) outputs a force of inclination (indicating a shaft rotation direction) as force information (master detection force) in the shaft rotation direction as a shaft rotation force signal (master state signal).
The motor 92d (master shaft rotation drive unit) drives a reaction force against the operation force to the shaft rotation of the operation rod 92a detected by the strain gauge 92c.
The motor 92e (master advance / retreat direction drive unit) drives a reaction force with respect to the operation force in the advance / retreat direction of the operation rod 92a detected by the strain gauge 92b.
The encoder 92f (master detection means) detects the angle of inclination of the operating rod 92a that indicates the advancing / retreating direction by the rotation of the motor 92d, and uses the position signal (master status signal) for the advancing / retreating direction as position information (master position) for the advancing / retreating direction. ).
The encoder 92g (master detection means) detects the angle of inclination of the operating rod 92a instructing the shaft rotation by the rotation of the motor 92e, and uses the shaft rotation position signal (master state signal) as the shaft rotation position information (master position). ).

また、ジョイスティック93の操作棒93aには、同様にして、ひずみゲージ93b,93cと、モータ93d,93eと、エンコーダ93f,93gとが設けられている。
ひずみゲージ93b(マスター検出手段)は、挿入部の先端の上下方向への屈曲を指示する傾斜の力を、上下方向の力情報(マスター検出力)として、上下方向の力信号(マスター状態信号)により出力する。
ひずみゲージ93c(マスター検出手段)は、挿入部の先端の左右方向への屈曲を指示する傾斜の力を、左右方向の力情報(マスター検出力)として、左右方向の力信号(マスター状態信号)により出力する。
モータ93d(マスター左右方向駆動部)は、ひずみゲージ93cが検出した操作棒93aへの左右方向への操作力に対する反力を駆動するものである。
モータ93e(マスター上下方向駆動部)は、ひずみゲージ93bが検出した操作棒93aへの上下方向への操作力に対する反力を駆動するものである。
エンコーダ93f(マスター検出手段)は、上下方向を指示する操作棒92aの傾斜の角度をモータ93dの回転により検出し、上下方向の位置情報(マスター位置)として、上下方向の位置信号(マスター状態信号)により出力する。
エンコーダ93g(マスター検出手段)は、左右方向を指示する操作棒92aの傾斜の角度をモータ93eの回転により検出し、左右方向の位置情報(マスター位置)として、左右方向の位置信号(マスター状態信号)により出力する。
Similarly, the operation bar 93a of the joystick 93 is provided with strain gauges 93b and 93c, motors 93d and 93e, and encoders 93f and 93g.
The strain gauge 93b (master detection means) uses an inclination force that instructs bending of the distal end of the insertion portion in the vertical direction as force information (master detection force) in the vertical direction, and a force signal in the vertical direction (master state signal). To output.
The strain gauge 93c (master detection means) uses a tilting force instructing bending of the distal end of the insertion portion in the left-right direction as force information (master detection force) in the left-right direction, and a force signal in the left-right direction (master state signal). To output.
The motor 93d (master left and right direction drive unit) drives a reaction force against the operation force in the left and right direction on the operation rod 93a detected by the strain gauge 93c.
The motor 93e (master vertical drive unit) drives a reaction force against the vertical operating force applied to the operating rod 93a detected by the strain gauge 93b.
The encoder 93f (master detection means) detects the angle of inclination of the operating rod 92a that indicates the vertical direction by the rotation of the motor 93d, and uses the vertical position signal (master status signal) as vertical position information (master position). ).
The encoder 93g (master detection means) detects the inclination angle of the operation bar 92a that indicates the left and right direction by the rotation of the motor 93e, and uses the position signal (master state signal) in the left and right direction as position information (master position) in the left and right direction. ).

ここで、マスター装置として操作盤9を採用したときの制御装置の進退方向制御部について、図24に基づいて説明する。
図24に示すように、進退方向制御部41xでは、マスター装置3のエンコーダ92fからの進退方向の位置情報(マスター位置)が演算器417により速度に変換され、この速度が現在速度に対する補正値である進退方向の速度指令補正値として算出され、スレーブ装置2へ出力される。
Here, the advancing / retreating direction control unit of the control device when the operation panel 9 is adopted as the master device will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 24, in the advance / retreat direction control unit 41x, position information (master position) in the advance / retreat direction from the encoder 92f of the master device 3 is converted into a speed by the calculator 417, and this speed is a correction value for the current speed. It is calculated as a speed command correction value in a certain forward / backward direction and is output to the slave device 2.

また、進退方向制御部41xでは、マスター装置3のひずみゲージ92bからの進退方向の力情報と、スレーブ装置2のロードセル228aからの進退方向の力情報とが、加算器418により加算されるが、図19で説明した進退方向制御部41と同様に、スレーブ装置2のロードセル228aからの進退方向の力情報は、事前に、スレーブ装置2の加速度センサ228bからの検出加速度を演算器414により力に変換した値により減算器415にて減算される。
なお、加算器418による加算は、操作棒92aを進行方向に傾斜させたときには、ひずみゲージ92bからの力情報が正の値となり、操作棒92aを後退方向に傾斜させたときには、ひずみゲージ92bからの力情報が負の値となるからである。
Further, in the advance / retreat direction control unit 41x, the force information in the advance / retreat direction from the strain gauge 92b of the master device 3 and the force information in the advance / retreat direction from the load cell 228a of the slave device 2 are added by the adder 418. Similarly to the advancing / retreating direction control unit 41 described with reference to FIG. 19, force information in the advancing / retreating direction from the load cell 228 a of the slave device 2 is obtained in advance by detecting the acceleration detected from the acceleration sensor 228 b of the slave device 2 by the calculator 414. The subtracter 415 subtracts the converted value.
The addition by the adder 418 is such that when the operating rod 92a is tilted in the traveling direction, the force information from the strain gauge 92b becomes a positive value, and when the operating rod 92a is tilted in the backward direction, the strain gauge 92b This is because the force information becomes negative.

加算器418により加算された力偏差を示す力情報は、演算器418にて速度に変換され、この速度が現在速度に対する補正値である進退方向の速度指令補正値として算出され、マスター装置3へ出力される。
このような制御を進退方向制御部41xが行うことにより、バイラテラル制御を行う進退方向制御部41と同様の効果を得ることができる。
The force information indicating the force deviation added by the adder 418 is converted into a speed by the calculator 418, and this speed is calculated as a speed command correction value in the forward / backward direction, which is a correction value for the current speed. Is output.
By performing such control by the advancing / retreating direction control unit 41x, it is possible to obtain the same effect as that of the advancing / retreating direction control unit 41 that performs bilateral control.

なお、スレーブ装置2のロータリエンコーダ214からの進退方向の位置情報(スレーブ位置)であるが、この位置情報は、スレーブ装置2の可動部22の可動限界位置をチェックするための図示しない比較器へ入力することができる。そうすることで、スレーブ装置2の可動部22への過度な動作指示を防止することができる。   The position information (slave position) in the advancing / retreating direction from the rotary encoder 214 of the slave device 2 is sent to a comparator (not shown) for checking the movable limit position of the movable portion 22 of the slave device 2. Can be entered. By doing so, an excessive operation instruction to the movable part 22 of the slave device 2 can be prevented.

次に、図25に示す軸回転制御部42xであるが、軸回転制御部42xは、図24に示す進退方向制御部41xと同様の構成であるため、同符号を付して説明を省略する。
このように、1本のジョイスティック92で軟性内視鏡を進退方向へ移動させながら、右回りまたは左回りの軸回転をさせることができ、1本のジョイスティック93で軟性内視鏡の先端を上下方向に屈曲させながら、左右方向へ屈曲させることができる。
Next, the shaft rotation control unit 42x shown in FIG. 25 has the same configuration as the forward / backward direction control unit 41x shown in FIG. .
In this manner, the flexible endoscope can be rotated in the clockwise or counterclockwise direction while moving the flexible endoscope in the forward / backward direction with one joystick 92, and the tip of the flexible endoscope can be moved up and down with one joystick 93. It can be bent in the left-right direction while being bent in the direction.

また、本実施の形態に係るスレーブ装置2では、軟性内視鏡Eを保持させてマスター装置3により操作するアタッチメント式であったが、コンピュータ上でスレーブ装置を機能させることもできる。
つまり、スレーブ装置は、コンピュータを、軟性内視鏡、前記軟性内視鏡を保持する支持手段、スレーブ駆動信号により前記軟性内視鏡を駆動するスレーブ駆動手段、前記軟性内視鏡の動作状態を検出して、スレーブ状態信号として出力するスレーブ検出手段として機能させる、スレーブ装置のシミュレーションプログラムを動作させたものとすることができる。
スレーブ装置を、シミュレーションプログラムをコンピュータで動作させたものとすることで、内視鏡操作システムを訓練用のシミュレーション装置とすることができる。
このとき、シミュレーションプログラムでは、軟性内視鏡、支持手段、スレーブ駆動手段、スレーブ検出手段を、仮想ばね、仮想ダンパおよび仮想質量を組み合わせた仮想モデルを更に組み合わせて再現し、制御装置4へ電気信号として、スレーブ状態信号を出力するようにインタフェースを取る。また、制御装置4からの駆動信号により動作するようにインタフェースを取る。このようにしてコンピュータをスレーブ装置として機能させることが可能である。
In the slave device 2 according to the present embodiment, the flexible endoscope E is held and operated by the master device 3. However, the slave device can also function on a computer.
That is, the slave device includes a computer, a flexible endoscope, a supporting unit that holds the flexible endoscope, a slave driving unit that drives the flexible endoscope by a slave driving signal, and an operating state of the flexible endoscope. It is possible to operate a simulation program for a slave device that is made to function as slave detection means that detects and outputs as a slave status signal.
By making the slave device have a simulation program operated by a computer, the endoscope operation system can be a training simulation device.
At this time, in the simulation program, the soft endoscope, the support unit, the slave drive unit, and the slave detection unit are reproduced by further combining a virtual model in which a virtual spring, a virtual damper, and a virtual mass are combined, and an electrical signal is transmitted to the control device 4. As an interface, it outputs a slave state signal. Further, an interface is set so as to operate according to a drive signal from the control device 4. In this way, the computer can function as a slave device.

なお、本実施の形態では、リニアエンコーダ33,ロータリエンコーダ214,224a,324aからの位置情報に基づいて制御装置4により制御する速度を生成していたが、微分したり積分したりすることで相互に変換が可能であるため、速度や加速度としてもよい。   In the present embodiment, the speed controlled by the control device 4 is generated based on the position information from the linear encoder 33 and the rotary encoders 214, 224a, 324a. Since it is possible to convert to, speed or acceleration may be used.

本発明の内視鏡操作システムは、経口的消化管内視鏡だけでなく、下部消化管内視鏡へも適用が可能であり、内視鏡による検査、手術、操作の訓練に好適である。   The endoscope operation system of the present invention can be applied not only to an oral gastrointestinal endoscope but also to a lower gastrointestinal endoscope, and is suitable for inspection, surgery, and operation training using an endoscope.

1 内視鏡操作システム
2 スレーブ装置
21 基台部
211 フレーム部
211a 棒部材
211b 連結部材
212 レール部
213 進退方向駆動部
213a 無端ベルト
213b 従動プーリ
213c 駆動プーリ
213d プーリ
213e モータ
214 ロータリエンコーダ
22 可動部
221 台座部
222 スライダ
223 軸回転駆動部
223a モータ
223b 駆動プーリ
223c 無端ベルト
223d 従動プーリ
224a ロータリエンコーダ
224b トルクセンサ
225 保持部
226 ハンドル駆動部
226a 上下ハンドル駆動部
226b 左右ハンドル駆動部
228a ロードセル
228b 加速度センサ
23 懸架部
231 支柱部
232 梁部
233 固定部材
234 レール部
235 吊り下げ部材
3 マスター装置
31 基台部
311 フレーム部
312 案内板
32 可動部
321 台座部
322 スライダ
323 指示部
324a ロータリエンコーダ
324b トルクセンサ
325 軸回転駆動部
326 ハンドル指示部
327 ロードセル
33 リニアエンコーダ
331 スケール部
332 センサ部
34 シャフトモータ
341 シャフト部
342 可動子
4 制御装置
41,41x 進退方向制御部
411 減算器
412 演算器
413 速度生成器
414 演算器
415 減算器
416 加算器
42,42x 軸回転制御部
43 ハンドル制御部
44 表示制御部
45 入力制御部
46 記憶部
47 出力部
5,6 モータドライバ装置
7 表示装置
70 表示画面
71 進退方向の力グラフ表示
72 進退方向の棒グラフ表示
73 進退方向の位置グラフ表示
74 軸回転の力グラフ表示
75 回旋量表示
76 屈曲状態表示
77 接続状態表示
8 入力装置
9 操作盤
91 本体
92,93 ジョイスティック
92a,93a 操作棒
92b,93b ひずみゲージ
92d,92e モータ
92f,92g エンコーダ
E 軟性内視鏡
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Endoscope operation system 2 Slave apparatus 21 Base part 211 Frame part 211a Bar member 211b Connecting member 212 Rail part 213 Advancing / retreating direction drive part 213a Endless belt 213b Driven pulley 213c Drive pulley 213d Pulley 213e Motor 214 Rotary encoder 22 Movable part 221 Base part 222 Slider 223 Shaft rotation drive part 223a Motor 223b Drive pulley 223c Endless belt 223d Driven pulley 224a Rotary encoder 224b Torque sensor 225 Holding part 226 Handle drive part 226a Vertical handle drive part 226b Left and right handle drive part 228a Load cell 228b Acceleration sensor 23 Suspension Section 231 Post section 232 Beam section 233 Fixing member 234 Rail section 235 Hanging member 3 Master device 31 Base part 311 Frame part 312 Guide plate 32 Movable part 321 Base part 322 Slider 323 Instruction part 324a Rotary encoder 324b Torque sensor 325 Shaft rotation drive part 326 Handle instruction part 327 Load cell 33 Linear encoder 331 Scale part 332 Sensor part 34 Shaft motor 341 Shaft Unit 342 mover 4 control device 41, 41x advance / retreat direction control unit 411 subtractor 412 calculator 413 speed generator 414 calculator 415 subtractor 416 adder 42, 42x shaft rotation control unit 43 handle control unit 44 display control unit 45 input Control unit 46 Storage unit 47 Output unit 5,6 Motor driver device 7 Display device 70 Display screen 71 Force graph display in forward / backward direction 72 Bar graph display in forward / backward direction 73 Position graph display in forward / backward direction 74 Axis rotation Power graphical representation 75 rotation amount display 76 flexion display 77 connected state display 8 input device 9 control panel 91 the body 92 joysticks 92a, 93a operating rod 92b, 93 b strain gauge 92d, 92e motor 92f, 92 g encoder E Flexible endoscopes

Claims (7)

軟性内視鏡の動作を指示するためのマスター装置と、前記マスター装置からの指示により軟性内視鏡を動作させるスレーブ装置と、前記マスター装置および前記スレーブ装置を制御する制御装置とを備え、
前記マスター装置は、前記軟性内視鏡の動作指示する操作手段と、前記操作手段の動作状態を検出して、マスター状態信号を出力するマスター検出手段と、駆動信号により前記操作手段への操作力に対する反力を駆動するマスター駆動手段とを備え、
前記スレーブ装置は、前記軟性内視鏡を保持する支持手段と、駆動信号により前記軟性内視鏡を駆動するスレーブ駆動手段と、前記軟性内視鏡の動作状態を検出して、スレーブ状態信号を出力するスレーブ検出手段とを備え、
前記制御装置は、前記マスター装置からのマスター状態信号と、前記スレーブ装置からのスレーブ状態信号とに基づいた双方向力覚フィードバックにより、前記マスター装置および前記スレーブ装置への駆動信号を生成することで、前記マスター装置に加えられた操作力を前記スレーブ装置へ出力し、前記スレーブ装置に発生した力を前記マスター装置に出力することを特徴とする内視鏡操作システム。
A master device for instructing the operation of the flexible endoscope, a slave device for operating the flexible endoscope according to an instruction from the master device, and a control device for controlling the master device and the slave device,
The master device includes an operation means for instructing the operation of the flexible endoscope, a master detection means for detecting an operation state of the operation means and outputting a master state signal, and an operation force applied to the operation means by a drive signal. Master drive means for driving the reaction force against
The slave device detects the operating state of the flexible endoscope by supporting means for holding the flexible endoscope, slave driving means for driving the flexible endoscope by a driving signal, and outputting a slave state signal. Slave detection means for outputting,
The control device generates a drive signal to the master device and the slave device by bidirectional force feedback based on a master state signal from the master device and a slave state signal from the slave device. An endoscope operation system that outputs an operation force applied to the master device to the slave device and outputs a force generated in the slave device to the master device.
前記制御装置は、
前記マスター検出手段からの位置情報を示すマスター状態信号と前記スレーブ装置からの位置情報を示すスレーブ状態信号との差分に基づいて現在速度に対する補正値である速度指令補正値を演算する共に、前記マスター検出手段からの力情報を示すマスター状態信号と前記スレーブ装置からの力情報を示すスレーブ状態信号とに基づいて、仮想ばね、仮想ダンパおよび仮想質量を組み合わせた力学モデルにより、新たな指示速度を生成して、前記マスター装置および前記スレーブ装置への駆動信号を生成することで双方向力覚フィードバックにおけるバイラテラル制御を行う請求項1記載の内視鏡操作システム。
The controller is
A speed command correction value, which is a correction value for the current speed, is calculated based on a difference between a master state signal indicating position information from the master detection means and a slave state signal indicating position information from the slave device, and the master Based on the master state signal indicating the force information from the detection means and the slave state signal indicating the force information from the slave device, a new indication speed is generated by a dynamic model combining a virtual spring, a virtual damper and a virtual mass. The endoscope operation system according to claim 1, wherein bilateral control in bidirectional force feedback is performed by generating drive signals to the master device and the slave device.
前記制御装置は、
前記マスター検出手段からの位置情報を示すマスター状態信号に基づいて、新たな指示速度となる前記スレーブ装置への駆動信号を生成すると共に、前記マスター検出手段からの力情報を示すマスター状態信号と前記スレーブ装置からの力情報を示すスレーブ状態信号との差分に基づいて新たな指示速度となる前記マスター装置への駆動信号を生成する請求項1記載の内視鏡操作システム。
The controller is
Based on the master status signal indicating the position information from the master detection means, a drive signal to the slave device that becomes a new designated speed is generated, and the master status signal indicating the force information from the master detection means and the The endoscope operation system according to claim 1, wherein a drive signal to the master device having a new designated speed is generated based on a difference from a slave state signal indicating force information from the slave device.
前記スレーブ装置は、
前記支持手段として設けられた、前記軟性内視鏡を進退方向へスライドさせるためのスレーブレール部、前記スレーブレール部をスライドするスレーブ台座部、および前記軟性内視鏡を保持した状態で軸回転する前記スレーブ台座部に設けられた保持部と、
前記スレーブ駆動手段として設けられた、前記スレーブ台座部を進退方向へスライドさせるスレーブ進退方向駆動部および前記軟性内視鏡を軸回転させるスレーブ軸回転駆動部と、
前記スレーブ検出手段として設けられた、前記スレーブ台座部に掛かる力に基づいた情報を第1力情報として検出する第1力検出部および前記保持部に掛かる力に基づいた情報を第2検出力として検出する第2力検出部とを備え、
前記制御装置は、前記第1力検出部からの第1検出力から、前記第2力検出部からの第2検出力を差し引いた値を、前記スレーブ装置からの力情報を示すスレーブ状態信号とする請求項2または3記載の内視鏡操作システム。
The slave device is
A slave rail portion provided as the support means for sliding the flexible endoscope in the forward / backward direction, a slave pedestal portion for sliding the slave rail portion, and a shaft rotating while holding the flexible endoscope A holding portion provided in the slave pedestal portion;
Provided as the slave drive means, a slave advance / retreat direction drive unit that slides the slave pedestal portion in the advance / retreat direction, and a slave shaft rotation drive unit that rotates the flexible endoscope.
A first force detection unit that is provided as the slave detection means and detects information based on the force applied to the slave pedestal as first force information and information based on the force applied to the holding unit is used as the second detection force. A second force detection unit for detecting,
The controller is configured to obtain a value obtained by subtracting the second detection force from the second force detection unit from the first detection force from the first force detection unit, and a slave state signal indicating force information from the slave device. The endoscope operation system according to claim 2 or 3.
前記マスター装置は、
前記操作手段として設けられた、前記軟性内視鏡の進退方向を指示するためのマスターレール部、前記マスターレールをスライドさせることで前記軟性内視鏡の進退方向の操作となるマスター台座部、および前記軟性内視鏡の軸回転を指示するための前記台座部に設けられた指示部と、
前記マスター駆動手段として設けられた、前記マスター台座部のスライド力に対する反力を駆動するマスター進退方向駆動部、および前記指示部の軸回転に対する反力を駆動するマスター軸回転駆動部とを備え、
前記マスター検出手段として設けられた、前記マスター台座部の進退方向の動作状態を検出するマスター進退方向検出部、および前記指示部の軸回転方向の動作状態を検出するマスター軸回転検出部とを備えたものである請求項1または2記載の内視鏡操作システム。
The master device is
A master rail portion for instructing the advancing / retreating direction of the flexible endoscope provided as the operating means, a master pedestal portion for operating the advancing / retreating direction of the flexible endoscope by sliding the master rail, and An indicator provided on the pedestal for instructing the shaft rotation of the flexible endoscope;
A master advancing / retreating direction driving unit for driving a reaction force against a sliding force of the master pedestal portion provided as the master driving means, and a master shaft rotation driving unit for driving a reaction force against the shaft rotation of the indicating unit
A master advancing / retreating direction detecting unit for detecting an operating state of the master pedestal in the advancing / retreating direction; and a master shaft rotation detecting unit for detecting an operating state of the pointing unit in the axis rotating direction, provided as the master detecting unit. The endoscope operation system according to claim 1 or 2, wherein
前記マスター装置は、
前記操作手段として設けられた、前記軟性内視鏡の進退方向および前記軟性内視鏡の軸回転を指示するための操作棒と、前記マスター検出手段として設けられた、前記操作棒の傾斜角度および傾斜方向を動作状態として検出する操作検出部と有するジョイスティックと、
前記マスター駆動手段として設けられた、前記軟性内視鏡の進退方向および前記操作棒による進退方向および軸回転への操作力に対する反力を駆動する操作棒駆動部と、
を備えた操作盤としたものである請求項1または3記載の内視鏡操作システム。
The master device is
An operating rod provided as the operating means for instructing the advance / retreat direction of the flexible endoscope and an axial rotation of the flexible endoscope; and an inclination angle of the operating rod provided as the master detecting means; A joystick having an operation detection unit that detects an inclination direction as an operation state;
An operation rod drive unit that is provided as the master drive means and drives a reaction force against the operation force to the advance and retreat direction of the flexible endoscope and the advance and retreat direction by the operation rod and the shaft rotation;
The endoscope operation system according to claim 1 or 3, wherein the operation panel is provided with an operation panel.
前記制御装置は、前記スレーブ装置からのスレーブ状態信号および/またはマスター装置からのマスター状態信号の状態を表示装置に表示させる機能を備えた請求項1から6のいずれかの項に記載の内視鏡操作システム。   The internal control according to any one of claims 1 to 6, wherein the control device has a function of causing a display device to display a state of a slave state signal from the slave device and / or a master state signal from a master device. Mirror operation system.
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