JP2015085484A

JP2015085484A - 指先刺激システム

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Publication number: JP2015085484A
Application number: JP2013228100A
Authority: JP
Inventors: 耕太郎只野; Kotaro Tadano; 拓実矢島; Takumi Yajima; 健嗣川嶋; Kenji Kawashima
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2015-05-07

Abstract

【課題】遠隔操作の技術において、従操作装置が遠隔操作対象物から受ける反力の方向を、主操作装置を操作する操作者に高精度で伝達（提示）することを課題とする。
【解決手段】
指先刺激システムＳは、力覚提示装置５を操作する操作者の所定の指の腹におけるそれぞれ異なる箇所に空気を噴きつける複数のノズル９と、複数のノズル９それぞれから出る空気量を調節するサーボ弁８と、力覚提示装置５での操作に対応して遠隔で動作制御されるマニピュレータ１が遠隔操作対象物から受けている反力の方向に基いて、複数のノズル９それぞれから出る空気量を決定し、その決定した空気量に関する制御信号をサーボ弁８に送信する制御部４３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作者が操作する主操作装置と、主操作装置での操作に対応して遠隔で動作制御される従操作装置と、を用いた遠隔操作システムにおいて、従操作装置が遠隔操作対象物から受けている反力の方向を、主操作装置を操作する操作者に伝達する技術に関する。

近年、遠隔操作の技術の開発が盛んに行われている。遠隔操作の技術は、様々な分野に適用されるが、具体的には、例えば、腹腔鏡手術に適用される。腹腔鏡手術は開腹手術に代わる有効な術式であり、最近ではその手術件数が増加している。しかし、腹腔鏡手術では、外科医に高度な技術が要求される。これは、トロカールによって手術器具の自由度が制限されるためである。この問題を解決するため、多自由度を有するスレーブ（従操作装置）側の鉗子先端部をマスタ（主操作装置）側で操作する手術ロボットシステムが、従来の手術器具に代わるものとして開発されている。

例えば、本発明者らは、以前、力覚提示機能を持つ手術ロボットシステムを開発した（特許文献１参照）。ここで、力覚提示機能とは、スレーブ側で検出した外力をマスタ側の操作者に提示する機能である。この機能によって臓器などへの過度な負荷を低減し、臓器などの損傷防止につながることが報告されている。この手術ロボットシステムにおいて、スレーブマニピュレータは空気圧アクチュエータによって駆動され、力センサを使わずに圧力から外力を推定する。また、空気圧アクチュエータは出力対質量比が高く、十分なトルクとバックドライバビリティ（動力伝達能力）を両立できるため減速機を必要としない。そのため、システムを小型化かつ軽量化することができるという利点もある。

特開２００９−２８５０９９号公報

しかしながら、従来技術における力覚提示においては、従操作装置が遠隔操作対象物から受ける反力（外力）に関して、操作者がその反力の大きさを高精度に知覚することはマスタとスレーブのスケーリング比を変えることによって実現できるが、操作者がその反力の方向を高精度に知覚することはそのようにスケーリング比を変えるなどしても向上させることが難しい。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、遠隔操作の技術において、従操作装置が遠隔操作対象物から受ける反力の方向を、主操作装置を操作する操作者に高精度で伝達（提示）することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、主操作装置を操作する操作者の所定の指の腹におけるそれぞれ異なる箇所に空気を噴きつける複数のノズルと、前記複数のノズルそれぞれから出る空気量を調節する空気量調節部と、前記主操作装置での操作に対応して遠隔で動作制御される従操作装置が遠隔操作対象物から受けている反力の方向に基いて、前記複数のノズルそれぞれから出る空気量を決定し、前記決定した空気量に関する制御信号を前記空気量調節部に送信する制御部と、を備えることを特徴とする指先刺激システムである。その他の手段については後記する。

本発明によれば、遠隔操作の技術において、従操作装置が遠隔操作対象物から受ける反力の方向を、主操作装置を操作する操作者に高精度で伝達（提示）することができる。

本実施形態の指先刺激システムの全体構成図である。本実施形態の力覚提示装置、ノズルなどの構造図である。４つのノズルそれぞれから出る空気量の計算について説明するための図である。湾曲針実験の様子を示す図である。湾曲針実験において指にかかる反力と各ノズルから出る空気量との関係を説明するための図で、（ａ）は正しい方向に湾曲針を動かしている場合を示す図で、（ｂ）は正しい方向から少しずれた方向に湾曲針を動かしている場合を示す図である。湾曲針実験において、（ａ）は空気噴流刺激なしの場合の湾曲針の先端の軌道を示す図で、（ｂ）は空気噴流刺激ありの場合の湾曲針の先端の軌道を示す図である。湾曲針実験に関し、被験者３人分の、空気噴流刺激がない場合とある場合それぞれについての出マークと針先との平均距離を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態と称する。）に係る指先刺激システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態の指先刺激システムは、例えば、腹腔鏡手術ロボットに適用される。

（指先刺激システムＳの構成）
図１に示すように、指先刺激システムＳは、マニピュレータ１（従操作装置）、力センサ２、スレーブコンピュータ３、マスタコンピュータ４、力覚提示装置５（主操作装置）、コンプレッサ６、圧力調整部７、サーボ弁８（空気量調節部）、ノズル９（加力部）を備えて構成される。なお、図２では、力覚提示装置５、ノズル９などの構造を示しており、以下の説明で、図１を参照する際に図２も適宜参照する。

マニピュレータ１は、スレーブコンピュータ３から受信した、力覚提示装置５の操作者の指の位置情報などに基いて、その位置情報に対応する動きを遠隔操作対象物に対して行う。
力センサ２は、マニピュレータ１が遠隔操作対象物から受けている反力を検出し、その力情報（反力の情報）をスレーブコンピュータ３に伝達する。
スレーブコンピュータ３は、マニピュレータ１を制御したり、力センサ２から力情報（反力の情報）を受信したり、マスタコンピュータ４と各種情報を送受信したりする。

マスタコンピュータ４は、記憶部４１、入力部４２および制御部４３を備えて構成される。
記憶部４１は、情報を記憶する手段であり、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等によって実現することができる。記憶部４１は、例えば、制御部４３による演算処理に必要な各種情報を記憶する。
入力部４２は、マスタコンピュータ４に情報を入力する手段であり、例えば、キーボードやマウスである。

制御部４３は、各種演算処理を行う手段であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実現することができる。制御部４３は、空気噴流量算出部４３１と入力電圧決定部４３２とを備えているが、それらの演算処理内容については後記する。
なお、マスタコンピュータ４は、通信部、表示部なども備えているが、図１においてそれらの図示は省略している。

力覚提示装置５は、本実施形態では、ＰＨＡＮＴＯＭＯｍｎｉ（センサブル・テクノロジーズ社製）を用いる。この力覚提示装置５は、基部５１、球体部５２、および、２関節のアーム５３を備えて構成され（図２参照）、６自由度の位置姿勢入力（位置検出）と３自由度の反力提示（力覚フィードバック。反力の大きさの提示）が可能である。また、位置分解能は０．０５５ｍｍ、最大提示反力は３．３Ｎである。

コンプレッサ６は、圧力調整部７に空気を送る。
圧力調整部７は、いわゆるレギュレータであり、コンプレッサ６からの空気の圧力を調整して４つのサーボ弁８に送る。
４つのサーボ弁８は、４本のノズル９それぞれから出る空気量を調節する。

ノズル９は、ノズルＡ，Ｂ，ＣおよびＤの４本からなる。ノズルＡ，Ｂ，ＣおよびＤは、力覚提示装置５を操作する操作者の所定の指（例えば人差し指）の腹におけるそれぞれ異なる箇所に空気を噴きつける。人の指は非常に敏感であるので、空気を噴きつけられると、人はその強さを敏感に察知することができる。具体的には、図２に示すように、４本のノズル９それぞれは、直径１ｍｍであり、指の腹を平面とみなしたときの指先平面における、所定の大きさの正方形（例えば一辺が８ｍｍの正方形）の頂点それぞれの位置に空気を噴きつけるように配置される。また、ノズルＡ，Ｂ，ＣおよびＤは、それぞれ、個別のホース（図２では図示省略）によって４つのサーボ弁８それぞれと接続されている。

なお、操作者が力覚提示装置５を操作する場合に、指固定部９１（主操作装置の一部）に載せて固定した指と各ノズル９の先端との間の距離は、１〜１０ｍｍ程度であることが望ましい。指と各ノズル９とが密着しているとノズル９の先端から空気が出にくい。また、指と各ノズル９との距離が大きすぎると、指で各ノズル９からの空気噴流の刺激を感じにくい。

このように、本実施形態では、力覚提示装置５のアーム５３の先端に指固定部９１および４本のノズル９を取り付けることにより、指固定部９１に指を載せて固定した操作者に対して、各ノズル９からの空気噴流を用いて、力の方向を提示することができる（詳細は後記）。なお、その際、同時に、力覚提示装置５によって、操作者に、力の大きさも提示することができる。

（動作制御内容）
操作者が力覚提示装置５を操作する場合、マスタコンピュータ４の制御部４３の空気噴流量算出部４３１は、力センサ２で検出する、マニピュレータ１が遠隔操作対象物から受けている反力の方向に基いて、４本のノズル９それぞれから出る空気量を決定する。詳しくは、空気噴流量算出部４３１は、その反力のベクトルを、指先平面に正射影した後、前記した正方形の中心から各頂点までの４つの方向のうちの直交する２つの方向を向く２つの直交ベクトルに分解し、前記分解した２つの直交ベクトルの２つの方向それぞれに対応する２本のノズル９から出る空気量として、前記２つの直交ベクトルの大きさの比と同じ大きさの比の空気量を決定する。これについて、図３を用いて説明する。

まず、提示する反力を、操作者の指の腹を平面とみなしたときの指先平面ＦＰに正射影してｆ’とすると、ｆ’は次式のようになる。
ｆ’＝ｓ’ａ＋ｔ’ｂ
ａとｂは正規直交ベクトルであり、ｓ’とｔ’はスカラである。図３に示すように、ベクトルａは各ノズル９の先端の中心からノズルＡの方を向いており、ベクトルｂは各ノズル９の先端の中心からノズルＢの方を向いている。なお、以下、近似的に、各ノズル９の先端が指先平面ＦＰ上にあるものとして説明する。

次に、単位ベクトルｆを以下のように定義する。

ここで、ｓとｔはスカラであり、√（ｓ^２＋ｔ^２）＝１である。

最後に、各ノズル９からの空気噴流の流量Ｑ_ｒｅｆ（Ｑ_ｒｅｆＡ〜Ｑ_ｒｅｆＤ）を次のように決定する。
ノズルＡからの空気噴流量：Ｑ_ｒｅｆＡ＝ｓ・Ｑ_ｍａｘ
ノズルＢからの空気噴流量：Ｑ_ｒｅｆＢ＝ｔ・Ｑ_ｍａｘ
ノズルＣからの空気噴流量：Ｑ_ｒｅｆＣ＝−ｓ・Ｑ_ｍａｘ
ノズルＤからの空気噴流量：Ｑ_ｒｅｆＤ＝−ｔ・Ｑ_ｍａｘ
ここで、Ｑ_ｍａｘは最大流量を表し、Ｑ_ｒｅｆが負のときは流量を０とする。

このようにして、空気噴流量算出部４３１が４本のノズル９それぞれから出る空気量を決定した後、入力電圧決定部４３２は、記憶部４１に予め記憶されている空気流量と各サーボ弁８への入力電圧との関係を示す関数に基いて入力電圧を決定し、その入力電圧の情報を各サーボ弁８に送信する。
そして、各サーボ弁８は、その入力電圧の情報に基いて各ノズル９から出る空気の量を調節する。

これにより、操作者は、空気噴流の出ているノズル９の位置および流量から、反力の大きさに関係なく、反力の方向を指で感じることができる。つまり、単位ベクトルｆを計算することで、反力の大きさに関係なく、空気噴流の強さを一定にすることができる。したがって、例えば、反力の大きさが小さくても、空気噴流の強さは一定なので、操作者に、空気噴流による反力の方向を提示することができる。

（実験）
本実施形態における指先刺激システムＳを用いた空気噴流刺激による力の方向提示の有効性を検証するため、湾曲針（略Ｕ字型の針）を用いた縫合実験を行った。

＜実験手順＞
図４に示すように、まず、スポンジＳＰに、入マークＭ１と出マークＭ２を１０ｍｍあけてペンで書く。そして、操作者は、力覚提示装置５を操作することでマニピュレータ１を動かし、湾曲針Ｎの先端を入マークＭ１から刺し、出マークＭ２から出そうと試みる。このとき、操作者は、湾曲針Ｎの先端を入マークＭ１に刺した後は、湾曲針Ｎの先端が見えないので、出マークＭ２から湾曲針Ｎの先端を出すためには、指の感覚だけが頼りである。操作者は、なるべく正確に出マークＭ２から湾曲針Ｎの先端を出すように意識する。そして、湾曲針Ｎの先端が実際に出てきた位置と出マークＭ２の距離を測定し、評価する。

被験者は２０代の男性３名であり、全員、利き手の右手で力覚提示装置５の操作をした。実験の前に１時間ほど力覚提示装置５を用いて針を刺す練習をした後、空気噴流刺激を与えた場合と与えない場合の実験を５回ずつ交互に、計１０回ずつ行った。図５（ａ）は、正しい方向（図の左方向）に力を入れて湾曲針Ｎを動かしている場合で、ノズルＡ，Ｂから同量の空気噴流が出ていることを示している。

一方、図５（ｂ）は、正しい方向から少しずれた方向（図の左下方向）に力を入れて湾曲針Ｎを動かしている場合で、ノズルＡよりもノズルＢから強い空気噴流が出ていることを示している。操作者は、ノズルＡ，Ｂからの空気噴流の強さの違いを指で知覚することで、力の入れ方を微調整して湾曲針Ｎの軌道を微調整することができる。

＜実験結果（湾曲針Ｎの軌道）＞
図６（ａ）は、空気噴流刺激なしの場合の湾曲針の先端の軌道の一例（代表例）を示す。また、図６（ｂ）は、空気噴流刺激ありの場合の湾曲針の先端の軌道の一例（代表例）を示す。なお、両図において、横軸は図４のｘ方向に対応し、縦軸は図４のｙ方向に対応している。そして、（ｘ，ｙ）＝（０，０）の位置が入マークＭ１に対応し、（ｘ，ｙ）＝（−１０，０）の位置が出マークＭ２に対応している。

図６（ａ）、（ｂ）から、空気噴流刺激が与えられていないとき（図６（ａ））には湾曲針Ｎの先端の軌道が大きくずれてしまっているが、空気噴流刺激が与えられているとき（図６（ｂ））は湾曲針Ｎの先端の軌道が理想軌道に近いことがわかる。

＜実験結果（出マークＭ２と湾曲針Ｎの距離）＞
図７は、出マークＭ２と湾曲針Ｎの先端が出てきた位置の距離の平均（棒グラフ）と標準偏差（エラーバー）を示す。図７から、全ての被験者について、空気噴流刺激ありのほうが、距離の平均が小さいことがわかる。また、各被験者の結果にｔ検定を行ったところ、ｐ値は次のようになった。

被験者Ａのｐ値・・・０．０４４
被験者Ｂのｐ値・・・０．０１８
被験者Ｃのｐ値・・・０．０２２

全ての被験者のｐ値が０．０５以下であるため、空気噴流刺激が与えられている場合と与えられていない場合では有意な差があると言える。
したがって、空気噴流刺激によって力の方向を提示することにより、湾曲針Ｎの先端の軌道を微調整して目標位置（出マークＭ２）に向かってより正確に操作することができるようになったと考えられる。

（変形例１）
制御部４３は、さらに、空気を出さない２つのノズル９（図５の例ではノズルＣ，Ｄ）それぞれから、ノズルＡ〜Ｄの先端部を頂点とする正方形の中心を挟んで逆側のノズル（図５の例では、ノズルＣに対応するノズルＢ、ノズルＤに対応するノズルＡ）から出す空気量と同じ量の空気を吸引するように、各サーボ弁８を制御するようにしてもよい。そうすれば、指に対して、反力の方向をより明確に伝えることができる。

（変形例２）
また、指先刺激システムＳは、各ノズル９から出る空気の温度を調節する温度調節部（ヒータなど）を、さらに備えてもよい。そして、制御部４３は、例えば、遠隔操作対象物の温度、および、マニピュレータ１が遠隔操作対象物から受けている反力の大きさ、のいずれかに基いて、各ノズル９から出る空気の温度を調節するように温度調節部を制御するようにしてもよい。

例えば、各ノズル９から出る空気の温度を、遠隔操作対象物の温度と同じにすれば、操作者は、指に当たる空気の温度から、遠隔操作対象物（手術中の臓器など）の異常な発熱などを知ることができる。
また、例えば、各ノズル９から出る空気の温度を、マニピュレータ１が遠隔操作対象物から受けている反力の大きさに比例するようにすれば、力覚提示装置５による操作者への力の大きさの提示を省略できる。
なお、各ノズル９から出る空気の温度は、同じであってもよいし、別々であってもよい。

（変形例３）
また、指への刺激は、空気でなくてもよく、例えば、電気刺激やピンアレイや振動などを用いた手法で実現してもよい。その場合、複数のノズルの代わりに、マニピュレータ１を操作する操作者の所定の指の腹におけるそれぞれ異なる箇所に力を加える複数の加力部を用いることになる。

そして、マスタコンピュータ４の制御部４３は、力覚提示装置５での操作に対応して遠隔で動作制御されるマニピュレータ１が遠隔操作対象物から受けている反力の方向に基いて、前記複数の加力部それぞれから加える力の大きさを決定し、その決定した力の大きさに関する制御信号を前記複数の加力部に送信すればよい。

その際、例えば、加力部の個数は４つであり、４つの加力部が、マニピュレータ１を操作する操作者の所定の指の腹を平面とみなしたときの指先平面における所定の大きさの正方形の頂点それぞれの位置に力を加えるように配置されていればよい。
そして、制御部４３は、マニピュレータ１が遠隔操作対象物から受けている反力のベクトルを、前記正方形の中心から各頂点までの４つの方向のうちの直交する２つの方向を向く２つの直交ベクトルに分解し、その分解した２つの直交ベクトルの２つの方向それぞれに対応する２つの加力部から加える力の大きさとして、前記２つの直交ベクトルの大きさの比と同じ大きさの比の力を決定し、その決定した大きさの比の力に関する制御信号を前記４つの加力部に送信すればよい。

以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
例えば、ノズル９の数は、４つでなくても、２つ以上で、力覚提示装置５の操作者に反力の方向を伝達できるようになっていれば、いくつでもよい。例えば、上記実施形態における正方形に対応する４つのノズル９の配置に対して、その正方形の中心にもう１つ別のノズル９を加えてもよい。

また、ノズル９の数が４つの場合でも、その４つのノズル９の先端が構成する形状は、正方形に限定されず、ひし形、長方形など、他の形状であってもよい。

また、指固定部９１に取り付けられている４本のノズル９は、操作者ごとの指の形状の違いに対応して、各ノズル９の先端から指の腹までの距離を調節できるように、ねじなどによって高さが変更可能な構造としてもよい。

また、スレーブコンピュータ３やマスタコンピュータ４で遠隔操作対象物からの反力を認識する手法として、特許文献１の技術と同様に、力センサ２を用いる代わりに、例えば、マニピュレータ１で用いる空気圧アクチュエータにかかる遠隔操作対象物からの反力に基いて、マニピュレータ１の先端部分にかかる反力のベクトルを推定する手法を用いてもよい。つまり、制御部４３は、力覚提示装置５での操作に対応して遠隔で動作制御されるマニピュレータ１が遠隔操作対象物から受けている反力の方向に基いて、複数のノズル９それぞれから出る空気量を決定するが、その反力の方向の情報は、スレーブコンピュータ３から受け取ってもよいし、あるいは、スレーブコンピュータ３から受け取ったマニピュレータ１の状態量などに基いて算出して用いてもよい。
その他、具体的な構成や処理について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１マニピュレータ
２力センサ
３スレーブコンピュータ
４マスタコンピュータ
５力覚提示装置
６コンプレッサ
７圧力調整部
８サーボ弁
９ノズル
４１記憶部
４２入力部
４３制御部
５１基部
５２球体部
５３アーム
９１指固定部
１００指先刺激システム
４３１空気噴流量算出部
４３２入力電圧決定部
Ｓ指先刺激システム

Claims

主操作装置を操作する操作者の所定の指の腹におけるそれぞれ異なる箇所に空気を噴きつける複数のノズルと、
前記複数のノズルそれぞれから出る空気量を調節する空気量調節部と、
前記主操作装置での操作に対応して遠隔で動作制御される従操作装置が遠隔操作対象物から受けている反力の方向に基いて、前記複数のノズルそれぞれから出る空気量を決定し、前記決定した空気量に関する制御信号を前記空気量調節部に送信する制御部と、
を備えることを特徴とする指先刺激システム。
主操作装置を操作する操作者の所定の指の腹を平面とみなしたときの指先平面における所定の大きさの正方形の頂点それぞれの位置に空気を噴きつけるように配置された４つのノズルと、
前記４つのノズルそれぞれから出る空気量を調節する空気量調節部と、
前記主操作装置での操作に対応して遠隔で動作制御される従操作装置が遠隔操作対象物から受けている反力のベクトルを、前記指先平面に正射影した後、前記正方形の中心から各頂点までの４つの方向のうちの直交する２つの方向を向く２つの直交ベクトルに分解し、前記分解した２つの直交ベクトルの２つの方向それぞれに対応する２つの前記ノズルから出る空気量として、前記２つの直交ベクトルの大きさの比と同じ大きさの比の空気量を決定し、前記決定した空気量に関する制御信号を前記空気量調節部に送信する制御部と、
を備えることを特徴とする指先刺激システム。
前記制御部は、さらに、
空気を出さない２つの前記ノズルそれぞれから、前記正方形の中心を挟んで逆側の前記ノズルから出す空気量と同じ量の空気を吸引するように、前記空気量調節部を制御する
ことを特徴とする請求項２に記載の指先刺激システム。
それぞれの前記ノズルから出る空気の温度を調節する温度調節部を、さらに備え、
前記制御部は、
前記遠隔操作対象物の温度、および、前記従操作装置が前記遠隔操作対象物から受けている反力の大きさ、のいずれかに基いて、それぞれの前記ノズルから出る空気の温度を調節するように温度調節部を制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の指先刺激システム。