JP2016124067A - パラレルリンク機構のキャリブレーション装置及びキャリブレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バーチャルリアリティを利用するシミュレータにおいて分解能の高いインクリメンタル型エンコーダを使用しつつ、パラレルリンク機構のキャリブレーションを自動又は手動で簡易かつ正確に行える装置及び方法の提供。【解決手段】モータ４２を回転させると、パラレルリンク機構２２ａ、２２ｂの所定部位がセンサ６０に当接し、それ以上はモータ４２を指令値通りに回転させることはできなくなる。そこで、この状態をセンサ６０が検知したら、キャリブレーション制御アルゴリズム７０は、対応するモータが初期角度位置に戻ったと判断し、角度変換部６２に対してリセット指令を送る。リセット指令を受けた角度変換部６２は、そのときのモータの角度位置を初期値として設定し、キャリブレーションが終了する。【選択図】図３

Description

本発明は、手術シミュレータ等のバーチャルリアリティを利用したシミュレーション装置が有する入出力デバイスに使用されるパラレルリンク機構のキャリブレーションを行うための装置及び方法に関する。

バーチャルリアリティ（ＶＲ）を利用したシミュレータとしては種々のものが知られているが、その中には、使用者が視覚情報だけでなく、力覚も同時に体感できるものがある。例えば特許文献１には、少なくとも一つのパラレルリンク機構を持つアームと、各関節の角度を検出する角度検出手段及び制動手段とからなる操作子を用いて、水平面に沿わせる力覚を実現する制御を容易にすることを企図した体感シミュレーション装置が記載されている。

またＶＲを応用したシミュレータの例として、特許文献２には、腹腔鏡下手術シミュレータにおいて、模擬術具をポート板に設けた複数の穴の任意位置に移動でき、模擬術具の操作と映像内の術具の動きとを一致させ、操作感覚の向上を図った模擬術具装置が記載されている。

さらに特許文献３には、パラレルリンク機構を備えたパラレルリンクステージにおいて、エンドエフェクタの目標位置に対する実際の移動位置の誤差を算出する第１工程と、本来の目標位置に前記誤差を加算した指令値を用いてアクチュエータを作動させることにより、エンドエフェクタの移動誤差を補正する第２工程と、を含む制御方法が記載されている。

特開平０８−０６９４４９号公報 特開２０１１−１３３８３０号公報 特開２０１０−０５８１７１号公報

特許文献２に記載されるように、ＶＲを利用したシミュレータの入出力デバイス（操作デバイス）として、パラレルリンク機構を用いる場合がある。パラレルリンク機構では、リンク先端に取り付けたプレート等の代表点の位置の計算を、各リンクの回転角度位置から求めることができるが、この回転角度位置を検出する手段としては、ポテンショメータ、インクリメンタル型エンコーダ及びアブソリュート型エンコーダが挙げられる。

これらのうち、ポテンショメータは、リンクの回転角度をアナログ形式で求めるので、理論的に分解能は無限であるが、アナログノイズを含むため、ＶＲシミュレーションへの用途としては精度が低いという問題がある。またインクリメンタル型エンコーダは、分解能が高いという長所があるが、リンクの回転角度を相対角度（差分）によって求めるため、絶対角度位置を求めるための基準となる初期位置を求める（リセットする）ためにキャリブレーションを行う必要がある。一方、アブソリュート型エンコーダは、リンクの回転角度位置を絶対値で得ることができるので、キャリブレーションは不要であるが、インクリメンタル型エンコーダと比べて分解能が低いことに加え、大型かつ高価であるという問題がある。

上述のように、リンクの回転角度位置を検出する手段にはそれぞれ短所があるので、従来のシミュレータでは、パラレルリンク機構により支持されたプレートを、使用者が手動で初期位置（セトル位置）に移動させ、シミュレーション装置の初期化を行う場合が多かった。しかしこの手動での操作は、使用者にとって、熟練度を要する手間のかかる作業となっていた。

一方で、近年のシミュレータでは、模擬術具を用いた手術シミュレータ等、使用者の詳細な動作にも対応できる高精度のものが要求される傾向があり、分解能が低いアブソリュート型エンコーダや、アナログノイズが生じるポテンショメータは、そのようなシミュレータには不向きである。

そこで本発明は、バーチャルリアリティを利用するシミュレータにおいて分解能の高いインクリメンタル型エンコーダを使用しつつ、パラレルリンク機構のキャリブレーションを自動又は手動で簡易かつ正確に行えるキャリブレーション装置及びキャリブレーション方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、バーチャルリアリティを利用したシミュレータにおける入出力デバイスとして用いられるパラレルリンク機構のキャリブレーションを行うためのキャリブレーション装置であって、前記パラレルリンク機構のリンク部の各々の回転角度位置を検出するインクリメンタル型エンコーダと、前記リンク部の各々が初期位置に到達したことを検知する初期位置検知センサと、前記初期位置検知センサが、対応するリンク部が初期位置に到達したことを検知したときに、そのときの該リンク部の回転角度位置を初期角度位置として設定するキャリブレーション制御部と、を備えるキャリブレーション装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記リンク部の各々を前記初期位置まで自動的に駆動させるリンク駆動部をさらに有する、キャリブレーション装置を提供する。

第３の発明は、第２の発明において、前記リンク部の各々の絶対角度位置を検出するポテンショメータをさらに有する、キャリブレーション装置を提供する。

第４の発明は、第１の発明において、前記キャリブレーション制御部からの指令に基づいて、使用者に対して前記リンク部の各々を初期位置に移動させる操作指示を行うための操作指示画面を表示するモニタをさらに有する、キャリブレーション装置を提供する。

また、本願第５の発明は、バーチャルリアリティを利用したシミュレータにおける入出力デバイスとして用いられるパラレルリンク機構のキャリブレーションを行うためのキャリブレーション方法であって、インクリメンタル型エンコーダを用いて、前記パラレルリンク機構のリンク部の各々の回転角度位置を検出するステップと、前記リンク部の各々を移動させ、前記リンク部の各々が初期位置に到達したことを検知するステップと、前記リンク部が初期位置に到達したことを検知したときに、そのときの該リンク部の回転角度位置を初期角度位置として設定するステップと、を含むキャリブレーション方法を提供する。

本発明によれば、各リンク部が初期位置に到達したことを検知し、そのときのリンク部の角度位置を初期角度位置として設定するので、自動又は手動のいずれであっても、各リンク部を初期位置に戻すキャリブレーションを容易かつ正確に行うことができ、シミュレータの使用者の操作や確認の手間を大幅に軽減することができる。

リンク駆動部の使用により、各リンク部の初期位置への移動を自動で行うことができる。またポテンショメータの使用により、各リンク駆動部を初期位置に安全に移動させることができる。

本発明に係るキャリブレーション装置及びキャリブレーション方法が適用可能なシミュレータの概略構造を示す図である。 図１のシミュレータの内部に配置されたパラレルリンク機構の構造を示す斜視図である。 図１のシミュレータが有するパラレルリンク機構及びパーソナルコンピュータの第１の構成例を示す機能ブロック図である。 図１のシミュレータにおけるキャリブレーションの手順を示すフローチャートである。 図１のシミュレータが有するパラレルリンク機構及びパーソナルコンピュータの第２の構成例を示す機能ブロック図である。 図１のシミュレータが有するパラレルリンク機構及びパーソナルコンピュータの第３の構成例を示す機能ブロック図である。 パラレルリンク機構のキャリブレーションを手動で行う際の、シミュレータのモニタに表示される操作指示画面の一例を示す図である。 図７の状態から、キャリブレーション作業が進んだ状態における操作指示画面の一例を示す図である。 図８の状態から、キャリブレーション作業がさらに進み、キャリブレーションが完了した状態における操作指示画面の一例を示す図である。

以下、本発明に係るキャリブレーション装置及びキャリブレーション方法の好適な実施形態について説明する。図１は、本発明が適用可能なパラレルリンク機構を備えたシミュレータ１０の外観を示すとともに、内部のパラレルリンク機構を模式的に示す図である。本実施形態では、シミュレータ１０はバーチャルリアリティを利用した腹腔鏡下手術シミュレータとして説明するが、本発明はこれに限られず、他の手術シミュレータ、ドライブシミュレータ又はフライトシミュレータ等、バーチャルリアリティを利用しかつパラレルリンク機構が適用可能な全てのシミュレータが本発明の対象となり得る。

シミュレータ１０は、ハウジング１２と、ハウジングの前部に配置されるとともに複数の穴１４が形成されたトロッカーポート板１６と、穴１４内に挿入された少なくとも１つ（図示例では２つ）の模擬術具１８ａ、１８ｂと、模擬腹腔鏡カメラ２０と、ハウジング１２内に配置され、模擬術具１８ａ、１８ｂにそれぞれ連結されたパラレルリンク機構２２ａ、２２ｂと、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の制御装置２４とを有する。またＰＣ２４は、使用者が操作可能なキーボード及びマウス等の入力部２６と、ハウジング１２の上部に取り付けられた映像表示モニタ２８とを備え、映像表示モニタ２８は、使用者による模擬術具１８ａ、１８ｂ及び模擬腹腔鏡カメラ２０の操作に応じたＶＲ映像を表示するように構成されている。これにより使用者は、腹腔鏡下手術の術前訓練を行うことができる。

図２は、ハウジング１２内に配置され、シミュレータ１０の入出力デバイスとして使用されるパラレルリンク機構２２ａ、２２ｂの構造を示す斜視図である。パラレルリンク機構２２ａは、模擬術具１８ａが連結されるプレート３０と、プレート３０に一端が連結された少なくとも２つ（図示例では３つ）のリンク部３２、３４、３６と、各リンク部の他端に連結され、ハウジング１２内の適所（図示例では、ハウジング１２内に配置された略水平の基板３８上）に配置されたリンク駆動部４２、４４、４６とを有する。詳細には、リンク部３２は、プレート３０に一端が連結された、互いに平行に延びる一対の（図示例では２つの）受動リンク４８、５０と、リンク駆動部４２に一端が連結された駆動リンク５２とからなり、一対の受動リンク４８、５０の他端と駆動リンク５２の他端とは、関節部５４によって互いに連結されている。また駆動リンク５２は、リンク部３２のバランスを適当に保つためのカウンターウェイト５６を有してもよい。他のリンク部３４、３６についても同様である。

リンク駆動部４２は、駆動リンク５２を所定の範囲内で自動的に駆動（回転駆動）できるものであればどのようなものでもよく、例えばＤＣモータやサーボモータ等のモータが使用可能である。またリンク駆動部４２は、例えばその内部に、リンク部３２（駆動リンク５２）の（後述する初期位置に対する）相対的回転角度を検出するインクリメンタル型エンコーダ５８を有する。他のリンク駆動部４４、４６についても同様である。

図２に示すように、パラレルリンク機構２２ａは、駆動リンク５２の回転角度位置が所定の初期位置にあることを検知する初期位置検知センサ６０を有し、図２における初期位置検知センサ６０は、駆動リンク５２の他端（関節部５４）が基板３８又はセンサ６０に当接したことを検知する接触センサである。しかし初期位置検知センサ６０は接触センサに限られず、例えば関節部５４等のリンク部３２が所定位置に到達したことを非接触で検知するフォトセンサ等でもよい。またここでの所定位置は、基板３８上の部位に限られず、例えば基板３８の上方の空間に定めた位置でもよい。

なお図２からわかるように、模擬術具１８ｂが連結されたパラレルリンク機構２２ｂの構造については、パラレルリンク機構２２ａと同様でよいので、詳細な説明は省略する。

図３は、シミュレータ１０におけるパラレルリンク機構２２ａ、２２ｂ及び制御装置（ＰＣ）２４の第１の構成例を示す機能ブロック図である。なお図３において、後述するキャリブレーションと直接関係のない構成要素及び処理については破線で表示している。

図１及び図２からわかるように、使用者が模擬術具１８ａ、１８ｂを操作すると、パラレルリンク機構２２ａ、２２ｂのプレートの位置が変化し、この変化は各リンク部（駆動リンク）の回転角度から計算により求めることができる。そこでＰＣ２４は、各リンク駆動部（モータ）に設けたインクリメンタルエンコーダのカウント値を絶対角度に変換する角度変換部６２と、角度変換部６２が変換した絶対角度を用いて、模擬術具１８ａ、１８ｂが連結されたプレートの位置をそれぞれ計算するプレート位置計算部６４と、プレート位置計算部６４が求めた各プレートの位置（操作位置）に基づいて、仮想現実（ＶＲ）シミュレーションを行うＶＲシミュレーション部６６とを有する。ＶＲシミュレーション部６６は、使用者が術前訓練を適切に行えるように、模擬術具の位置を表す模擬腹腔鏡カメラ２０のＶＲ画像をモニタ２８に表示させるとともに、使用者が模擬術具の位置に応じて実際の手術に近い力覚（反力）を体感できるように、リンク駆動部（モータ）４２を制御するモータ制御部６８に対してトルク指令を送る等の制御を行う。

次に、リンク駆動部のキャリブレーション（初期位置設定）を行うための手段及び方法について、図３及び図４を参照しつつ説明する。先ずシミュレータ１０によるシミュレーションを開始する前に、プレートを初期位置に移動させ、そのときの各リンクの絶対角度位置を初期角度位置として求めること（キャリブレーション）が要求される。しかし、基本的にインクリメンタルエンコーダは相対角度（角度差分）を求めることしかできないので、以下の手順に従って初期位置を求める。

先ず、初期位置検知センサ６０を用いて、各モータ（リンク駆動部）が初期角度位置にあるか（図２の例では、リンク部３２の関節部５４がセンサ６０に当接しているか）否かを検知する（ステップＳ１）。通常は、プレート３０は初期位置にないことが多いので、ＰＣ２４のキャリブレーション制御部（キャリブレーション制御アルゴリズム）７０が、モータ制御部６８に対して駆動指令を送る。この駆動指令を受けたモータ制御部６８は、各モータ（図２の例では６つ）に駆動信号を送り、それぞれのモータを回転駆動させる（ステップＳ２）。

ここで、関節部５４がセンサ６０に向かう方向にモータ４２を回転駆動するのであるが、インクリメンタルエンコーダを使用している場合は、関節部５４がセンサ６０に当接するまでモータ４２を何度回転させればよいかは不明である。そこで、モータ４２への駆動指令（駆動信号）は、例えばステップ入力の形態で送ることができる。或いは、モータ４２を徐々に回転させ、関節部５４がセンサ６０に当接してからモータ４２に過度な負荷がかからないようにするために、モータ４２への駆動指令（駆動信号）は、例えば三角波の形態で送られることが好ましい。またこのとき、インクリメンタルエンコーダ５８の差分から角速度をフィードバックし、動作速度が過度に速くならないように抑制する等の制御を併せて行うことが好ましい。

モータ４２を回転させていくと、図１又は図２に示すように、パラレルリンク機構２２ａ、２２ｂの所定部位（ここでは関節部５４）がセンサ６０又は基板３８に当接し、それ以上はモータ４２（駆動リンク５２）を指令値通りに回転させることはできなくなる。そこで、この状態を初期位置検知センサ６０が検知したら、センサ６０はその旨を示す信号（例えば接地信号）をキャリブレーション制御アルゴリズム７０に送る。初期位置検知センサ６０から接地信号が送られたら、キャリブレーション制御アルゴリズム７０は、対応するモータ（リンク部）が初期角度位置に戻ったと判断し、角度変換部６２に対してリセット指令を送る（ステップＳ３）。リセット指令を受けた角度変換部６２は、そのときのモータの角度位置を初期値として設定するとともに、エンコーダのカウント値をリセットし、キャリブレーションが終了する。従って以後、インクリメンタルエンコーダから送られるカウント値は、初期角度位置との差分として絶対角度に変換され、プレート位置計算部６４に送られるので、使用者は極めて精度の高いＶＲシミュレーションを行うことができる。

なお上述のステップＳ１〜Ｓ３の処理は各リンク部（モータ）について実行されるが、それらの処理は同時に行ってもよいし、逐次的に行ってもよい。

図５は、シミュレータ１０におけるパラレルリンク機構２２ａ、２２ｂ及び制御装置（ＰＣ）２４の第２の構成例を示す機能ブロック図である。第２の構成例は、パラレルリンク機構２２ａ、２２ｂが、各モータの絶対角度位置を検出するポテンショメータ７２を有する点で図３の第１の構成例と異なり、他は同様でよい。ポテンショメータ７２が検出した絶対角度をキャリブレーション制御アルゴリズム７０に送信することにより、モータ４２が初期位置から比較的離れている場合はモータ４２を高速で回転させ、初期位置に近づいたら回転速度を下げる等、モータ４２を初期位置に向けて滑らかに動作させる制御が可能となる。なお、モータ４２が初期角度位置になったことを検知センサ６０が検知したら、キャリブレーション制御アルゴリズム７０が角度変換部６２にリセット指令を送り、そのときのモータ４２の角度位置を初期角度位置として設定する点は、第１の構成例と同様である。

第２の構成例では、各モータを初期位置に安全に移動させるために、比較的安価なポテンショメータを使用する。なおポテンショメータは比較的精度が低いが、ＶＲシミュレーションではインクリメンタルエンコーダを用いて精度の高い位置検出を行うので、何ら不具合は生じない。

図６は、シミュレータ１０におけるパラレルリンク機構２２ａ、２２ｂ及び制御装置（ＰＣ）２４の第３の構成例を示す機能ブロック図である。第３の構成例は、パラレルリンク機構２２ａ、２２ｂが、リンクを駆動するリンク駆動部（モータ）を有さず、またＰＣ２４がモータ制御部を有さない点で図３の第１の構成例と異なり、他は同様でよい。つまり第３の構成例は、パラレルリンク機構が使用者に対する力覚提示機能（モータ等）を有さないときに適用可能であり、以下、第３の構成例において各リンクの角度位置（プレート）位置のキャリブレーションを行う方法の一例を説明する。

先ず、キャリブレーション制御アルゴリズム７０から、映像表示モニタ２８に対し、図７に示すような、使用者に模擬術具１８ａ、１８ｂ（図１参照）の操作を促す操作指示画面を表示する旨の指令を送る。使用者は、モニタ２８に表示された操作指示に従い、模擬術具１８ａ、１８ｂを操作する。具体的には、操作指示画面には、パラレルリンク機構２２ａが有する３つのリンク部３２、３４、３６にそれぞれ対応するマーク７４ａ、７６ａ、７８ａが表示され、同様にパラレルリンク機構２２ｂが有する３つのリンク部にそれぞれ対応するマーク７４ｂ、７６ｂ、７８ｂが表示されており、使用者がキャリブレーションに際し模擬術具を移動すべき方向が矢印８０ａ、８０ｂ等で示されている。

使用者が操作指示に従って模擬術具を操作すると、各リンク部が初期位置に移動（図２の例では、関節部５４が初期位置検知センサ６０に当接）し、初期位置検知センサ６０からキャリブレーション制御アルゴリズム７０に接地信号が送られる。するとキャリブレーション制御アルゴリズム７０は角度変換部６２にリセット指令を送り、対応するリンク部のキャリブレーションが行われる。そしてキャリブレーションが終了したリンク部については、対応するマークの表示色を変更する等、使用者に対して視覚的にキャリブレーションが終了したことを知らせることができる。

操作指示画面は、図８に示すように、キャリブレーションが完了していないリンク部のキャリブレーションを使用者が順次行えるように、矢印８０ａ、８０ｂの向きを適宜変更することができる。このようにして、全ての（図示例では６つ）リンク部についてキャリブレーションが完了すると、モニタ２８にその旨を表示することができる（図９）。なおキャリブレーション完了後の操作については、第１又は第２の構成例と同様でよい。

本発明によれば、分解能が高いというインクリメンタル型エンコーダの長所を生かしつつ、キャリブレーションに手間がかかっていたという短所を安価かつ簡易な手段で補うことができ、よりリアルなＶＲシミュレーションを快適に行うことができるようになる。

１０ シミュレータ
１２ ハウジング
１６ トロッカーポート板
１８ａ、１８ｂ 模擬術具
２０ 模擬腹腔鏡カメラ
２２ａ、２２ｂ パラレルリンク機構
２４ パーソナルコンピュータ
２６ 入力部
２８ 映像表示モニタ
３０ プレート
３２、３４、３６ リンク部
３８ 基板
４２、４４、４６ リンク駆動部（モータ）
４８、５０ 受動リンク
５２ 駆動リンク
５４ 関節部
５６ カウンターウェイト
５８ インクリメンタル型エンコーダ
６０ 初期位置検知センサ
６２ 角度変換部
６４ プレート位置計算部
６６ ＶＲシミュレーション部
６８ モータ制御部
７０ キャリブレーション制御アルゴリズム
７２ ポテンショメータ

Claims (5)

1. バーチャルリアリティを利用したシミュレータにおける入出力デバイスとして用いられるパラレルリンク機構のキャリブレーションを行うためのキャリブレーション装置であって、
   前記パラレルリンク機構のリンク部の各々の回転角度位置を検出するインクリメンタル型エンコーダと、
   前記リンク部の各々が初期位置に到達したことを検知する初期位置検知センサと、
   前記初期位置検知センサが、対応するリンク部が初期位置に到達したことを検知したときに、そのときの該リンク部の回転角度位置を初期角度位置として設定するキャリブレーション制御部と、
   を備えるキャリブレーション装置。
2. 前記リンク部の各々を前記初期位置まで自動的に駆動させるリンク駆動部をさらに有する、請求項１に記載のキャリブレーション装置。
3. 前記リンク部の各々の絶対角度位置を検出するポテンショメータをさらに有する、請求項２に記載のキャリブレーション装置。
4. 前記キャリブレーション制御部からの指令に基づいて、使用者に対して前記リンク部の各々を初期位置に移動させる操作指示を行うための操作指示画面を表示するモニタをさらに有する、請求項１に記載のキャリブレーション装置。
5. バーチャルリアリティを利用したシミュレータにおける入出力デバイスとして用いられるパラレルリンク機構のキャリブレーションを行うためのキャリブレーション方法であって、
   インクリメンタル型エンコーダを用いて、前記パラレルリンク機構のリンク部の各々の回転角度位置を検出するステップと、
   前記リンク部の各々を移動させ、前記リンク部の各々が初期位置に到達したことを検知するステップと、
   前記リンク部が初期位置に到達したことを検知したときに、そのときの該リンク部の回転角度位置を初期角度位置として設定するステップと、
   を含むキャリブレーション方法。

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