JP2015024033A - マニピュレータシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、長手方向に貫通形成された複数のチャネルを有する細長い挿入部と、該挿入部の前記チャネル内に挿入される処置具と、前記チャネル内において前記処置具に進退および回転のうち少なくとも一方の動作を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、該操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記処置具駆動部を駆動させるための制御信号を生成する制御部と、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と、該使用チャネル検出部によって検出されたチャネルに基づいて、前記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、補正された前記制御信号を前記処置具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、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、湾曲部の湾曲形状にも依存する。したがって、湾曲部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、軟性部の湾曲形状にも依存する。したがって、軟性部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、挿入部の外部に位置する基端側の部分の湾曲形状にも依存する。したがって、処置具の基端側の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、処置具の応答性のばらつきの要因である処置具に発生する摩擦や弛み等のばらつきは、挿入部内を通る処置具の経路に依存する。挿入部内におけるチューブの径方向の位置を固定して処置具の経路を規定することで、前記摩擦や弛みのばらつきを低減し、補償値による、処置具の応答性の低下およびばらつきの補償精度を向上することができる。
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、処置具の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。
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7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とを基本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が取り付けられる複数の処置具取付部11A,11B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、各処置具取付部11A,11Bに取り付けられた処置具6を駆動する複数の処置具駆動部13A,13Bとを備えている。本実施形態においては、後述するように、挿入部5に処置具6を挿入するためのチャネル5A,5Bが2つ設けられている構成を想定し、各チャネル5A,5Bに対応して処置具取付部11A,11Bおよび処置具駆動部13A,13Bが2つずつ設けられている。以下、2つの処置具取付部11A,11Bを、まとめて処置具取付部11ともいう。また、2つの処置具駆動部13A,13Bを、まとめて処置具駆動部13ともいう。
各処置具取付部11A,11Bには、対応するチャネル5A,5Bを識別する識別情報を記録したバーコードやICタグ等の記録媒体が設けられている。使用チャネル検出部22は、取付ユニット20に設けられており、処置具取付部11Aまたは11Bに取付ユニット20が取り付けられたときに、当該処置具取付部11Aまたは11B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スレーブアーム4を介して制御部3に送信する。
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。
モータ13a,13bによって本体18の基端部分に加えられた直線運動および回転運動は、処置具6とチャネル5A,5Bの内面との間に発生する摩擦や、チャネル5A,5B内における本体18の弛み等が要因で、本体18の先端まで伝達する間に減衰する。これにより、モータ13a,13bの出力に対して、処置部19の実際の進退量および回転量が小さくなる。上記摩擦や弛みは、チャネル5A,5Bの内径や内面の素材に応じて異なる。その結果、同一の処置具6であってもいずれのチャネル5A,5B内で使用するかに応じて、処置具6の動作の応答性にばらつきが生じる。
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,13a,13bの出力に基づいて、これらのモータ12a,13a,13bをフィードバック制御している。そこで、制御部3が、フィードバックゲインを、チャネル5A,5B毎に設定してもよい。このようにしても、チャネル5A,5Bが違うことに起因する処置具6の応答性のばらつきを精度良く補償することができる。
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8および図9を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム200は、図8に示されるように、マニピュレータ1が2つの処置具6を備え、チャネル5A,5B内に挿入されている処置具6を識別する処置具識別部23をさらに備えている点において、第1の実施形態と異なっている。したがって、本実施形態においては、処置具識別部23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。
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200は、FFゲインの設定方法が、第1の実施形態とは異なる。
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10から図14を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム300は、図10に示されるように、第2の実施形態のマニピュレータシステム200に、湾曲部15の湾曲角度θを検出する湾曲部形状検出部24をさらに設けたものである。したがって、本実施形態においては、湾曲部形状検出部24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。
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300は、FFゲインの設定方法が、第1および第2の実施形態とは異なる。
例えば、湾曲部15が、左側に湾曲しているとき(すなわち、−90°≦θ≦0°)と、湾曲部15が、右側に湾曲しているとき(すなわち、0≦θ≦90°)とで、異なる関数fθが別々に設定されていてもよい。
FFゲイン(左側) = K + fθ_LEFT + fR
FFゲイン(右側) = K + fθ_RIGHT + fR
このようにすることで、処置具6の応答性をさらに向上することができる。
FFゲイン = K + fθ_LR + fR_LR + fθ_UD + fR_UD
FFゲイン(第1のチャネル)
= K + fθ_LR1 + fR_LR1 + fθ_UD1 + fR_UD1
FFゲイン(第2のチャネル)
= K + fθ_LR2 + fR_LR2 + fθ_UD2 + fR_UD2
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15から図17を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム400は、図15に示されるように、第3の実施形態のマニピュレータシステム300に、軟性部14の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部25をさらに設けたものである。したがって、本実施形態においては、軟性部形状検出部25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。
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400は、FFゲインの設定方法が、第1から第3の実施形態とは異なる。
もし、軟性部14および湾曲部15の内部においてチューブが径方向に移動自在であった場合、軟性部14および湾曲部15の湾曲形状が同一であったとしても、最適な補償値が異なる可能性がある。これは、チューブの経路にばらつきが生じることによって、処置具6の本体18に発生する摩擦や弛みが異なる可能性があるためである。
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18および図19を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム500は、図18に示されるように、第4の実施形態のマニピュレータシステム400に、挿入部5に挿入されている処置具6の取付ユニット20を識別することによって、処置具6の本体18の基端側の部分の湾曲形状を検出する体外部分形状検出部26をさらに設けたものである。したがって、本実施形態においては、体外部分形状検出部26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。
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400は、FFゲインの設定方法が、第1から第4の実施形態とは異なる。
本実施形態によれば、FFゲインKi+fθ+fR+gk+hθexを、さらに、体外部分の湾曲角度θexにも応じて設定することによって、体外部分の湾曲角度θexの違いに起因する処置具6の動作の応答性のばらつきもさらに補償される。これにより、第4の実施形態の効果に加えて、いずれの体外部分の引き回し経路の下で処置具6を使用しても、常に良好かつ同一の処置具6の進退動作および回転動作の応答性を得ることができるという利点がある。
次に、本発明の第6の実施形態に係るマニピュレータシステム600について図20から図22を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム600は、図20に示されるように、第3の実施形態のマニピュレータシステム300に、さらに2つの湾曲部形状検出部242,243を設けたものである。したがって、本実施形態においては、湾曲部形状検出部242,243について主に説明し、第1から第5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。
湾曲部形状検出部242,243はそれぞれ、第3の実施形態において説明した湾曲部形状検出部24と同様にして、湾曲部152,153の湾曲角度θ2,θ3を検出する。
制御部3は、さらに、FFゲインの各関数fθ2またはθ3+fR2またはR3に、湾曲部形状検出部242,243から受信した湾曲角度θ2,θ3と、該湾曲角度θ2,θ3に対応する各チャネル5A,5Bの曲げ半径R2,R3とを代入することによって、FFゲインの値を算出する。
本実施形態によれば、軟性部14の先端に湾曲部152,153を有するアーム部142,143が接続され、チャネル5A,5Bが2箇所で湾曲する構成である場合に、両方の湾曲部15,152または15,153における湾曲角度および曲げ半径に応じてFFゲインを設定することによって、処置具6の動作の応答性のばらつきをさらら正確に補償することができるという利点がある。
2 マスタ入力部(操作入力部)
3 制御部(補償値設定部)
4 スレーブアーム
5 挿入部
5A,5B チャネル
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
11A,11B 処置具取付部
12 湾曲部駆動部
12a モータ
13A,13B 処置具駆動部
13a,13b モータ
14 軟性部
15,152,153 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
22 使用チャネル検出部
23 処置具識別部
24,242,243 湾曲部形状検出部
25 軟性部形状検出部
26 体外部分形状検出部
80 手術台
100,200,300,400,500,600 マニピュレータシステム
142,143 アーム部
Op 術者(操作者)
Claims (9)
- 長手方向に貫通形成された複数のチャネルを有する細長い挿入部と、該挿入部の前記チャネル内に挿入される処置具と、前記チャネル内において前記処置具に進退および回転のうち少なくとも一方の動作を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、
該操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記処置具駆動部を駆動させるための制御信号を生成する制御部と、
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と、
該使用チャネル検出部によって検出されたチャネルに基づいて、前記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、補正された前記制御信号を前記処置具駆動部に送信するマニピュレータシステム。 - 各前記チャネル内に挿入されている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1に記載のマニピュレータシステム。 - 前記挿入部が、可撓性を有する細長い軟性部と、該軟性部の先端側に設けられた湾曲可能な湾曲部とを備え、
該湾曲部の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部を備え、
前記補償値設定部が、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さらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項1または請求項2に記載のマニピュレータシステム。 - 前記挿入部が、可撓性を有する細長い軟性部と、該軟性部の先端側に設けられた湾曲可能な湾曲部とを備え、
前記軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部を備え、
前記補償値設定部が、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にさらに基づいて、各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。 - 前記処置具の、前記挿入部から外部に引き出された基端側の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側の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。 - 前記チャネルが、前記挿入部内に長手方向に沿って配置されたチューブからなり、
該チューブは、前記挿入部内における径方向の位置が固定されている請求項1から請求項5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1から請求項6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1から請求項6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1から請求項6のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
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