JP2015023950A - マニピュレータシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可撓性を有する細長い軟性部および該軟性部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、前記湾曲部を湾曲動作させる湾曲部駆動部とを有するマニピュレータと、前記湾曲部に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、前記軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部と、前記湾曲部の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部と、前記操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記湾曲部駆動部を駆動させるための湾曲制御信号を生成する制御部と、前記軟性部形状検出部によって検出された前記軟性部の湾曲形状および前記湾曲部形状検出部によって検出された前記湾曲部の湾曲形状に基づいて、前記湾曲制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、前記制御部が、前記湾曲制御信号を、前記補償値設定部によって設定された前記補償値を用いて補正し、補正された前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信するマニピュレータシステムを提供する。
このようにすることで、湾曲部の応答性は、挿入部内の処置具の有無およびその処置具が有する力学的特性にも依存する。したがって、挿入部内の処置具の有無および処置具の力学的特性も補償値に反映することによって、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
このようにすることで、湾曲部の応答性のばらつきの要因である、線材に発生する摩擦や弛みのばらつきが低減されるので、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
このようにすることで、湾曲部の応答性は、挿入部の外部に位置する線材の基端部分の湾曲形状にも依存する。したがって、挿入部の外部における線材の基端部分の湾曲形状も補償値に反映することによって、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
このようにすることで、湾曲部の応答性の低下およびばらつきを簡便な制御方法を利用して補償することができる。
このようにすることで、湾曲部の湾曲動作の方向が反転する際に生じるバックラッシを効果的に解消することができる。
このようにすることで、処置具の応答性は、その処置具が有する力学的特性にも依存する。したがって、処置具の力学的特性も補償値に反映することによって、処置具の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
このようにすることで、処置具の応答性は、挿入部の外部に位置する基端部分の湾曲形状にも依存する。したがって、挿入部の外部における処置具の基端部分の湾曲形状も補償値に反映することによって、処置具の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
このようにすることで、処置具の応答性は、処置具が挿入されているチャネルの、挿入部内における位置や内径寸法等の特性にも依存する。したがって、処置具が挿入されているチャネルも補償値に反映することによって、処置具の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
また、上記発明においては、前記制御部が、オフセット信号を重畳した前記進退制御信号および前記回転制御信号を前記処置具駆動部に送信し、前記補償値設定部が、前記処置具の進退動作または回転動作の方向が逆方向に切り替わるときに符号が反転する前記オフセット信号を前記補償値として設定してもよい。
本発明の第1の実施形態に係るマニピュレータシステム100について図1から図12を参照して説明する。
まず、本実施形態に係るマニピュレータシステム100の概要について説明する。本実施形態に係るマニピュレータシステム100は、図1に示すように、スレーブマニピュレータ(マニピュレータ)1と、術者(操作者)Opによって操作されるマスタ入力部(操作入力部)2と、該マスタ入力部2になされた操作に基づいてスレーブマニピュレータ1を制御する制御部3とを主な構成として備えている。
スレーブアーム4は、図3に示されるように、挿入部5が取り付けられる挿入部取付部10と、処置具6が取り付けられる処置具取付部11と、挿入部取付部10に取り付けられた挿入部5の湾曲部15を駆動する湾曲部駆動部12と、処置具取付部11に取り付けられた処置具6を駆動する処置具駆動部13とを備えている。湾曲部駆動部12および処置具駆動部13は、制御部3から受信した制御信号に従って湾曲部15または処置具6をそれぞれ駆動する。
なお、特徴量kは、曲げ半径rおよび曲げ角度Δφのうち一方のみを用いて算出してもよい。
(1) GffUD=gffUD×αUD(θLR)×βff(k)
(2) GffLR=gffLR×αLR(θUD)×βff(k)
ここで、gffLRは、軟性部14および湾曲部15が一直線に延びているとき(すなわち、θUD=k=0であるとき)のFFゲインであり、αLR(θUD)は、湾曲部15の湾曲角度θUDに応じた補正係数である。ただし、αLR(0)=1である。
本実施形態に係るマニピュレータシステム100を用いて体内を処置するには、図1に示されるように、術者Opは、まず挿入部5を患者Pの自然開口(図示する例では口)から体内に挿入する。術者Opは、観察部材7によって取得される映像を表示部8で観察しながら、挿入部5の先端を対象部位まで移動させる。
図9(a)〜(c)は、操作信号に対する湾曲部15の応答特性を示しており、図9(a)は、軟性部14が直線状に延びているとき、図9(b),(c)は、軟性部14が直径150mmの円を形成するように360°湾曲しているときのものである。図9(a)〜(c)において、実線は、制御部3に入力される操作信号が指定する湾曲角度を示し、破線は、湾曲部駆動部12に設けられているエンコーダの出力から理論的に算出される湾曲部15の湾曲角度を示し、一点鎖線は、湾曲部15の実際の湾曲角度を示している。
上述したように、制御部3は、エンコーダによって検出されたモータ12aの回転量に基づいて該モータ12aをFB制御している。そこで、補償値設定部24,25が、FB制御に用いられるFBゲインを、軟性部14および湾曲部15の湾曲形状に基づいて設定してもよい。このようにしても、軟性部14および湾曲部15の湾曲形状の違いに依存する湾曲部15の応答性の低下およびばらつきを精度良く補償することができる。
処置具識別部26は、処置具取付部11に取り付けられた取付ユニット20の記録媒体に記録されている識別情報を読み取り、読み取った識別情報を補償値設定部24,25に送信する。
次に、本発明の第2の実施形態に係るマニピュレータシステム200について、図13を参照して説明する。
本実施形態においては、上述した第1の実施形態と異なる点について主に説明し、第1の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
体外部分形状検出部29は、挿入部取付部10に取り付けられた取付ユニット16の記録媒体に記録されている識別情報を読み取り、読み取った識別情報を補償値設定部24,25に送信する。
記録媒体および体外部分形状検出部29のその他の構成は、第1の実施形態において説明した、取付ユニット20に設けられた記録媒体および処置具識別部26と同様にそれぞれ構成されている。
次に、本発明の第3の実施形態に係るマニピュレータシステム300について、図14および図15を参照して説明する。
本実施形態においては、上述した第1および第2の実施形態と異なる点について主に説明し、第1および第2の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
処置具識別部30は、処置具取付部11に取り付けられた取付ユニット20の記録媒体に記録されている識別情報を読み取り、読み取った識別情報を補償値設定部31,32に送信する。
記録媒体および処置具識別部30のその他の構成は、第1の実施形態において説明した、記録媒体および処置具識別部26と同様に構成されている。
(3) Gffbf=gffbf×αbf(θUD,θLR)×βbf(k)
(4) Gffrot=gffrot×αrot(θUD,θLR)×βrot(k)
基本手順は、第1の実施形態と同様である。本実施形態に係るマニピュレータシステム100は、処置具6を進退または回転させるときの制御が、第1および第2の実施形態とは異なる。
図15(a)〜(d)は、操作信号に対する処置具6の進退動作の応答特性を示しており、図15(a)は、軟性部14および湾曲部15が直線状に延びているとき、図15(b)は、軟性部14が直径150mmの半円を形成するように180°湾曲しているとき、図15(c)は、軟性部14が直径150mmの円を形成するように360°湾曲しているときのものである。図15(a)〜(d)において、実線は、マスタ入力部2が生成する操作信号を示し、破線は、処置具駆動部13に設けられているエンコーダの出力から理論的に算出される処置具6の位置を示し、一点鎖線は、処置具6の実際の位置を示している。
次に、本発明の第4の実施形態に係るマニピュレータシステム400について、図16を参照して説明する。
本実施形態においては、上述した第1から第3の実施形態と異なる点について主に説明し、第1から第3の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
体外部分形状検出部34は、処置具取付部11に取り付けられた取付ユニット20の記録媒体に記録されている識別情報を読み取り、読み取った識別情報を補償値設定部31,32に送信する。
記録媒体および体外部分形状検出部34のその他の構成は、第1の実施形態において説明した、処置具6の取付ユニット20に設けられた記録媒体および処置具識別部26と同様にそれぞれ構成されている。
(5) Gffbf=gffbf×αbf(θUD,θLR)×βbf(k)×γbf(θex)
(6) Gffrot=gffrot×αrot(θUD,θLR)×βrot(k)×γrot(θex)
ここで、γbf(θex)およびγrot(θex)は、湾曲角度θexに応じた補正係数である。ただし、γbf(0)=γrot(0)=1である。
この場合、マニピュレータシステム400は、いずれのチャネルに処置具6が挿入されているかを検出する使用チャネル検出部(図示略)をさらに備え、各補償値設定部31,32が、使用チャネル検出部によって検出されたチャネルにさらに基づいて、補償値Gffbf,Gffrotを設定することが好ましい。
本変形例によれば、補償値設定部31,32が、チャネルと処置具6との組み合わせに応じて補償値Gffbf,Gffrotを設定することによって、処置具6の動作の応答性の低下およびばらつきをさらに精度良く補償することができるという利点がある。
次に、本発明の第5の実施形態に係るマニピュレータシステム500について、図17を参照して説明する。
本実施形態においては、第1から第4の実施形態と異なる点について主に説明し、第1から第4の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム500は、第1の実施形態および第3の実施形態を組み合わせたものであって、図17に示されるように、上述した4つの補償値設定部24,25,31,32を備えている。
2 マスタ入力部(操作入力部)
3 制御部
4 スレーブアーム
5 挿入部
6 処置具
7 観察部材
8 表示部
9 マスタアーム
10 挿入部取付部
11 処置具取付部
12 湾曲部駆動部
13 処置具駆動部
13a 回転モータ
13b 直動モータ
14 軟性部
15 湾曲部
15a,15b ワイヤ(線材)
16,20 取付ユニット
17 処置具用ポート
18 本体
19 処置部
20a プーリ
20b ステージ
22 軟性部形状検出部
23 湾曲部形状検出部
24 UD補償値設定部(補償値設定部)
25 LR補償値設定部(補償値設定部)
26,30 処置具識別部
27 通路
29,34 体外部分形状検出部
31 進退補償値設定部(補償値設定部)
32 回転補償値設定部(補償値設定部)
80 手術台
100,200,300,400,500 マニピュレータシステム
X 大腸
Op 術者(操作者)
Claims (14)
- 可撓性を有する細長い軟性部および該軟性部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、前記湾曲部を湾曲動作させる湾曲部駆動部とを有するマニピュレータと、
前記湾曲部に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、
前記軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部と、
前記湾曲部の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部と、
前記操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記湾曲部駆動部を駆動させるための湾曲制御信号を生成する制御部と、
前記軟性部形状検出部によって検出された前記軟性部の湾曲形状および前記湾曲部形状検出部によって検出された前記湾曲部の湾曲形状に基づいて、前記湾曲制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、
前記制御部が、前記湾曲制御信号を、前記補償値設定部によって設定された前記補償値を用いて補正し、補正された前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信するマニピュレータシステム。 - 前記マニピュレータが、前記挿入部内に長手方向に挿入される処置具を備え、
前記挿入部内の前記処置具の有無と、前記挿入部内に前記処置具が存在する場合にはその処置具とを識別する処置具識別部を備え、
前記補償値設定部は、前記処置具識別部によって識別された処置具の有無と、前記挿入部内に前記処置具が存在する場合には前記処置具識別部によって識別された処置具の力学的特性とにさらに基づいて、前記補償値を設定する請求項1に記載のマニピュレータシステム。 - 前記マニピュレータは、前記軟性部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達する線材を備え、
前記挿入部に、該挿入部内における前記線材の経路を規定する通路が設けられている請求項1または請求項2に記載のマニピュレータシステム。 - 前記マニピュレータは、前記軟性部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達する線材を備え、
該線材の、前記挿入部から外部に引き出された基端部分の湾曲形状を検出する体外部分形状検出部を備え、
前記補償値設定部が、前記体外部分形状検出部によって検出された前記線材の基端部分の湾曲形状にさらに基づいて、前記補償値を設定する請求項1から請求項3のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 - 前記制御部が、前記湾曲部駆動部をフィードフォワード制御し、
前記補償値設定部は、前記制御部が前記フィードフォワード制御に用いるゲインを前記補償値として設定する請求項1から請求項4のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 - 前記制御部が、前記湾曲部駆動部をフィードバック制御し、
前記補償値設定部は、前記制御部がフィードバック制御に用いるゲインを前記補償値として設定する請求項1から請求項4のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 - 前記制御部が、オフセット信号を重畳した前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信し、
前記補償値設定部が、前記湾曲部の湾曲動作の方向が逆方向に切り替わるときに符号が反転する前記オフセット信号を前記補償値として設定する請求項1から請求項4のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 - 可撓性を有する細長い軟性部および該軟性部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、該挿入部内に長手方向に挿入される処置具と、前記挿入部内において前記処置具を進退動作および回転動作させる処置具駆動部とを有するマニピュレータと、
前記処置具に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、
前記軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部と、
前記湾曲部の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部と、
前記操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記処置部駆動部を駆動させるための進退制御信号および回転制御信号を生成する制御部と、
前記軟性部形状検出部によって検出された前記軟性部の湾曲形状および前記湾曲部形状検出部によって検出された前記湾曲部の湾曲形状に基づいて、前記進退制御信号および前記回転制御信号の各々に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、
前記制御部が、前記進退制御信号および前記回転制御信号を前記補償値設定部によって設定された各々に対する前記補償値を用いて補正し、補正された前記進退制御信号および前記回転制御信号を前記処置部駆動部に送信するマニピュレータシステム。 - 前記挿入部内の前記処置具を識別する処置具識別部を備え、
前記補償値設定部が、前記処置具識別部によって識別された処置具の力学的特性にさらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項8に記載のマニピュレータシステム。 - 前記処置具の、前記挿入部から外部に引き出された基端部分の湾曲形状を検出する体外部分形状検出部を備え、
前記補償値設定部が、前記体外部分形状検出部によって検出された前記処置具の基端部分の湾曲形状にさらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項8または請求項9に記載のマニピュレータシステム。 - 前記挿入部に、長手方向に貫通形成され前記処置具が挿入される複数のチャネルが設けられ、
前記複数のチャネルのうち、前記処置具が挿入されているチャネルを検出する使用チャネル検出部を備え、
前記補償値設定部が、前記使用チャネル検出部によって検出された前記チャネルにさらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項8から請求項10のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 - 前記制御部が、前記処置具駆動部をフィードフォワード制御し、
前記補償値設定部は、前記制御部が前記フィードフォワード制御に用いるゲインを前記補償値として設定する請求項8から請求項11のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 - 前記制御部が、前記処置具駆動部をフィードバック制御し、
前記補償値設定部は、前記制御部がフィードバック制御に用いるゲインを前記補償値として設定する請求項8から請求項11のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 - 前記制御部が、オフセット信号を重畳した前記進退制御信号および前記回転制御信号を前記処置具駆動部に送信し、
前記補償値設定部は、前記処置具の進退動作または回転動作の方向が逆方向に切り替わるときに符号が反転する前記オフセット信号を各前記補償値として設定する請求項8から請求項11のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
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