JP4883563B2 - Manipulator device - Google Patents
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Description
本発明は、マニピュレータ装置に係り、特に多自由度のマスタマニピュレータ及びスレーブマニピュレータを有するマスタ・スレーブ式マニピュレータ装置に好適なものである。 The present invention relates to a manipulator device, and is particularly suitable for a master-slave manipulator device having a multi-degree-of-freedom master manipulator and a slave manipulator.
従来のマニピュレータ装置としては、特開平9−98978号公報(特許文献1)に示されたものがある。このマニピュレータ装置は、術具である把持鉗子を駆動するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを駆動するマスタマニピュレータとを備えている。そして、このマニピュレータ装置は、把持鉗子のグリップに歪みゲージを備え、生体組織を把持したときの歪みゲージによる検出情報を術者に提示する機能を有している。 As a conventional manipulator device, there is one disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-98978 (Patent Document 1). The manipulator device includes a slave manipulator that drives a grasping forceps that is a surgical instrument, and a master manipulator that drives the slave manipulator. The manipulator device includes a strain gauge in the grip of the grasping forceps, and has a function of presenting detection information by the strain gauge to the operator when the biological tissue is gripped.
内視鏡下外科手術は、低侵襲外科治療の中心的役割を担う治療技術として社会的に広く認知されている。本手術は、美容上優れる、早期の社会復帰ができるなど多くの利点を有する。一方、術者にとっては難易度の高い手術であり、工学的に手術を支援するマニピュレータ装置の開発が行われている。また、外科手術では術具を介して得られる臓器の感触が重要である。マニピュレータ装置においても同様に、術具からの高い力覚感度を術者へフィードバックすることが望まれている。 Endoscopic surgery is widely recognized as a treatment technique that plays a central role in minimally invasive surgical treatment. This operation has many advantages such as excellent cosmetics and early return to society. On the other hand, it is a highly difficult operation for the surgeon, and a manipulator device that supports the operation in engineering is being developed. Also, in the surgical operation, the feel of the organ obtained through the surgical instrument is important. Similarly, in a manipulator device, it is desired to feed back high sensation sensitivity from a surgical instrument to an operator.
上述した特許文献1のマニピュレータ装置では、力センサとして歪みゲージが用いられている。しかし、歪ゲージは、高周波ノイズ等の影響を受けやすく、周波数帯域が数十Hzと低いものが用いられるため、高い力覚感度を得ることが難しいという課題がある。また、術具への歪ゲージの取付けに伴い、電気配線が必要となるため、配線作業が煩雑になると共に、耐久性などの信頼性に課題がある。さらには、歪ゲージは、低温のガス滅菌には対応できるが、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌に対応することが難しいという課題がある。 In the manipulator device of Patent Document 1 described above, a strain gauge is used as a force sensor. However, since the strain gauge is easily affected by high-frequency noise or the like and has a frequency band as low as several tens of Hz, there is a problem that it is difficult to obtain high force sensitivity. Moreover, since electrical wiring is required with the attachment of the strain gauge to the surgical instrument, the wiring work becomes complicated and there is a problem in reliability such as durability. Furthermore, although the strain gauge can cope with low temperature gas sterilization, there is a problem that it is difficult to cope with simple autoclave sterilization of high pressure and high temperature steam.
本発明の目的は、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできるマスタ・スレーブ制御のマニピュレータ装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a master / slave control manipulator device capable of feeding back a high-frequency force sense in a multi-degree-of-freedom manipulator while enabling sterilization of a surgical instrument by simple autoclave sterilization of high-pressure and high-temperature steam. .
前述の目的を達成するために、本発明は、術具を駆動するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを制御装置を介して駆動するマスタマニピュレータとを備えるマニピュレータ装置において、前記スレーブマニピュレータは、スレーブジンバル部に設けたスレーブピッチ軸及びスレーブヨー軸と、前記スレーブジンバル部の内側に設けたスレーブ並進軸と、前記スレーブ並進軸に平行リンクを介して連結するスレーブロール軸と、前記スレーブロール軸の先端部に設けた術具駆動機構部と、前記術具駆動機構部に結合され且つオートクレーブ滅菌に対応可能な材料で形成された術具と、前記術具駆動機構部に一側端部を接続したスレーブコントロールケーブルと、前記スレーブコントロールケーブルの他側端部を接続したスレーブ直動軸と、前記各スレーブ軸にそれぞれ設けたスレーブアクチュエータと、前記各スレーブアクチュエータにそれぞれ取付けたスレーブエンコーダとを備えて構成され、前記マスタマニピュレータは、マスタジンバル部に設けたマスタピッチ軸及びマスタヨー軸と、前記マスタジンバル部の内側に設けたマスタ並進軸と、
前記マスタ並進軸に設けたマスタロール軸と、前記マスタロール軸の先端部に設けた手元操作部と、前記手元操作部に一側端部を接続したマスタコントロールケーブルと、前記マスタコントロールケーブルの他側端部を接続したマスタ直動軸と、前記各マスタ軸にそれぞれ設けたマスタアクチュエータと、前記各マスタアクチュエータにそれぞれ取付けたマスタエンコーダとを備えて構成され、前記制御装置は前記スレーブエンコーダと前記マスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を、前記スレーブマニピュレータの術具から前記マスタマニピュレータの手元操作部にフィードバック制御するように構成にしたことにある。
In order to achieve the above object, the present invention provides a manipulator device including a slave manipulator that drives a surgical instrument and a master manipulator that drives the slave manipulator via a control device, wherein the slave manipulator includes a slave gimbal unit. A slave pitch axis and a slave yaw axis, a slave translation axis provided inside the slave gimbal part, a slave roll axis connected to the slave translation axis via a parallel link, and a tip of the slave roll axis. Surgical instrument drive mechanism provided, surgical instrument coupled to the surgical instrument drive mechanism and made of a material capable of autoclaving, and slave control with one end connected to the surgical instrument drive mechanism A cable that connects the cable and the other end of the slave control cable. And over Bed linear motion axis, said slave actuator provided in each slave axis is configured by a slave encoder the attached respectively to each slave actuator, the master manipulator is a master pitch shaft provided between Sutajinbaru portion And a master yaw axis, a master translation axis provided inside the master gimbal part,
A master roll shaft provided on the master translation shaft, a hand operating part provided at the tip of the master roll shaft, a master control cable having one end connected to the hand operating part, and other than the master control cable A master linear motion shaft having side ends connected thereto, a master actuator provided on each of the master shafts, and a master encoder attached to each of the master actuators, and the control device includes the slave encoder, broadband force generated based on the detection signal of the master encoder, from the surgical instrument of the slave manipulators over data that was configured to feedback control operation portion of the master manipulator.
係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
(1)スレーブ直動軸に設けたアクチュエータはリニアモータで構成され、前記スレーブコントロールケーブルはスレーブワイヤとこのスレーブワイヤを収納したスレーブチューブとを有し、前記スレーブワイヤはその一側端部を前記術具駆動機構部に接続すると共にその他側端部を前記スレーブ直動軸に接続し、マスタ直動軸に設けたアクチュエータはリニアモータで構成され、前記マスタコントロールケーブルはマスタワイヤとこのマスタワイヤを収納したマスタチューブとを有し、前記マスタワイヤはその一側端部を前記手元操作部に接続すると共にその他側端部を前記マスタ直動軸に接続したこと。
(2)前記スレーブ並進軸の荷重を補償するスレーブ定荷重バネを備えると共に、前記マスタ並進軸の荷重を補償するマスタ定荷重バネを備えたこと。
(3)前記スレーブロール軸の荷重を補償するスレーブバランスウエイトを備えたこと。
A more preferable specific configuration example of the present invention is as follows.
(1) The actuator provided on the slave linear movement shaft is composed of a linear motor, the slave control cable has a slave wire and a slave tube containing the slave wire, and the slave wire has one end portion on the one side. The actuator is connected to the surgical instrument drive mechanism and the other side end is connected to the slave linear motion shaft. The actuator provided on the master linear motion shaft is composed of a linear motor. A master tube stored therein, the master wire having one side end connected to the hand operation unit and the other side end connected to the master linear movement shaft.
(2) A slave constant load spring that compensates for the load of the slave translation shaft and a master constant load spring that compensates for the load of the master translation shaft are provided.
(3) A slave balance weight for compensating for the load of the slave roll shaft is provided.
本発明によれば、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできるマスタ・スレーブ制御のマニピュレータ装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a master / slave control manipulator device capable of feeding back a high-frequency force sense in a multi-degree-of-freedom manipulator while enabling sterilization of a surgical instrument by simple autoclave sterilization of high pressure and high temperature steam. .
以下、本発明の一実施形態のマニピュレータ装置について、図1から図3を用いて説明する。 Hereinafter, a manipulator device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
図1は本発明の一実施形態のマニピュレータ装置におけるスレーブマニピュレータ1の斜視図である。マニピュレータ装置は、術具を駆動するスレーブマニピュレータ1と、このスレーブマニピュレータ1を制御装置(図示せず)を介して駆動するマスタマニピュレータ2とを備えて構成されている。なお、制御装置はスレーブマニピュレータ1及びマスタマニピュレータ2を統括的に制御する。
FIG. 1 is a perspective view of a slave manipulator 1 in a manipulator device according to an embodiment of the present invention. The manipulator device includes a slave manipulator 1 that drives a surgical instrument, and a
図1において、スレーブマニピュレータ1のスレーブベース10の下側にはスレーブキャスタ100とスレーブアジャスタパッド101が設けられ、上側には電動ピラー102が設けられている。スレーブベース10の形状は、幅500mm、奥行き500mmの四角形である。電動ピラー102の昇降範囲は0〜300mmである。スレーブキャスタ100はスレーブベース10を手動で押すことにより回転され、電動ピラー102はコントローラ103を介して接続されたペンダント(図示せず)の操作により昇降動作される。
In FIG. 1, a
電動ピラー102の上部には、術具駆動部11が設けられている。床面から術具駆動部11までの高さは、610mmである。術具駆動部11には、スレーブアクチュエータを構成する3つのスレーブリニアモータ110及びこれらのスレーブリニアモータ110に取付けたスレーブリニアエンコーダ111が設けられている。スレーブリニアモータ110の定格推力は20Nで、可動範囲は±50mmである。スレーブリニアエンコーダ111の分解能は4逓倍後に0.1μmである。術具駆動部11の3軸は、反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。
A surgical instrument drive unit 11 is provided on the
各スレーブリニアモータ110には、スレーブコントロールケーブル112を接続する。スレーブコントロールケーブル112は、インナーとしてのスレーブワイヤ113(図2参照)と、アウターとしてのスレーブチューブ114(図2参照)とを備えて構成されている。スレーブリニアモータ110の可動部にスレーブワイヤ113の一端を取付け、その前後動作の動力をスレーブワイヤ113の他端に伝達する。スレーブワイヤ113とスレーブチューブ114の他端は、後述する鉗子着脱部16に接続されている。スレーブワイヤ113は、外径1.8mmで、素線径0.36mmのステンレス細線を19本撚った構造である。スレーブワイヤ113は切断強度3500Nの強度を持つ。スレーブチューブ114は内径2.0mm、外径5.0mmで、平線をコイル状に巻き、内側を滑り性に優れたフッ素樹脂、外側を塩化ビニールで被覆している。スレーブワイヤ113の外径とスレーブチューブ114の内径の差としての空隙は0.2mmである。空隙の間隔は、駆動力伝達時のワイヤ座屈に伴う伝達動力と伝達時間のロスに影響するので、できるだけ小さいことが望ましい。
A
術具駆動部11の上面には、門型のスレーブ支柱119を介してスレーブジンバル部12が設けられている。術具駆動部11からスレーブジンバル部12までの高さは、390mmである。スレーブジンバル部12には、スレーブピッチ軸120とスレーブヨー軸121のスレーブ回転モータ122及びスレーブ回転エンコーダ123と、スレーブヨー軸バランスウエイト124が設けられている。
A
スレーブ回転モータ122はギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、定格トルクは1.4Nmである。スレーブ回転エンコーダ123の分解能は4逓倍後に324000pprである。スレーブピッチ軸120の回転範囲は±60°、スレーブヨー軸121の回転範囲は±45°である。スレーブピッチ軸120とスレーブヨー軸121は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。スレーブヨー軸バランスウエイト124は、対向するスレーブヨー軸121のスレーブ回転モータ122及びスレーブ回転エンコーダ123の質量を補償し、その質量は5kgである。
The
スレーブジンバル部12のスレーブヨー軸121の先には、スレーブ並進軸13が設けられている。スレーブ並進軸13には、カバー内にスレーブリニアモータ及びスレーブリニアエンコーダが設けられ、カバー下にスレーブ定荷重バネ132が設けられている。スレーブリニアモータの定格推力は10Nで、可動範囲は±100mmである。スレーブリニアエンコーダの分解能は4逓倍後に0.1μmである。スレーブ並進軸13は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。スレーブ定荷重バネ132は、スレーブリニアモータの可動部に負荷としてかかる平行リンク14などの質量を補償し、そのバネ力は40Nである。
A
スレーブ並進軸13の上部には、平行リンク14が設けられている。スレーブジンバル部12から平行リンク14までの高さは、430mmである。平行リンク14の各リンクは、長リンク部140と短リンク部141が設けられている。長リンク部140の長さは580mm、短リンク部141の長さは145mmであり、長リンク部140の長さと短リンク部141の長さの比は4:1である。
A
短リンク部141の先端には平行リンクバランスウエイト142が設けられている。平行リンクバランスウエイト142は、長リンク部140の先端質量0.7kgを補償し、その質量は先端質量の4倍の2.8kgである。平行リンクバランスウエイト142を備えるロッド143は、スレーブヨー軸121の回転動作とスレーブ並進軸13の直線動作とに滑らかに連動するように、スレーブジンバル部12のスライドかつ回転できるフリージョイント144に取付けられている。
A parallel
平行リンク14の長リンク部140の先端部には、スレーブロール軸15が設けられている。スレーブロール軸15には、スレーブ回転モータ150及びスレーブ回転エンコーダ151が設けられている。スレーブ回転モータ150は、ギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、定格トルクは0.2Nmである。スレーブ回転エンコーダ151の分解能は4逓倍後に324000pprである。スレーブロール軸15の回転範囲は±180°である。スレーブロール軸15は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。
A
図2は図1のスレーブマニピュレータの鉗子着脱部16の斜視図である。スレーブロール軸15の先端部には、鉗子着脱部16が設けられている。鉗子着脱部16には、3本のスレーブコントロールケーブル112の他端が接続されている。スレーブワイヤ113は、それぞれスライド部160〜162に取付けられている。術具駆動部11に設けられたスレーブリニアモータ110の動力は、スレーブコントロールケーブル112を介して、スライド部160〜162に伝わり、各スレーブワイヤ113が前後動することにより各スライド部160〜162が前後動される。スライド部160〜162の動作範囲は、±10mmである。
FIG. 2 is a perspective view of the forceps attaching / detaching
鉗子着脱部16の着脱面には、位置合せのピン嵌め部163と、安全機構の磁石164が設けられている。ピン嵌め部163は術具である鉗子17のノックピンを嵌合するためのものである。磁石164は、鉗子着脱部16の着脱面の4箇所に設けられ、鉗子17に設けられた4つの磁石と吸着し合う。この磁石164は、耐熱性に優れた希土類サマリウムコバルトで構成され、吸着力以上の外力がかかると着脱面の鉗子17が外れる安全機構を構成している。ピン嵌め部163はノックピンとの嵌め合いであり、安全機構が働いても体内への鉗子17の脱落がないようにしている。
An alignment pin
鉗子着脱部16には、鉗子17の上端部が取付けられる。鉗子17の外径は10mm、長さは350mmであり、スレーブジンバル部12のスレーブピッチ軸120の延長線上に仮想ピボット点170が設定される。
The upper end portion of the
鉗子17の駆動伝達機構は、鉗子着脱部16に設けたスライド部160〜162の直線運動の動力を伝達する機構であれば、ラック&ピニオン機構やロッド機構など、自由に設計できる。鉗子先端171での動作範囲は、屈曲2方向と開閉1方向の3軸が全て±90°である。鉗子17を構成する材料は、オートクレーブ滅菌に対応できるように、金属など耐熱性に優れた部材を用いる。鉗子着脱部16と着脱する鉗子17の接続面には、同様にサマリウムコバルト磁石が設けられている。この磁石は耐熱性に優れており、オートクレーブ滅菌可能である。鉗子17以外はドレープで覆い、滅菌性を確保する。
The drive transmission mechanism of the
図1及び図2において、スレーブマニピュレータ1のベッドサイドの初期位置決め、すなわち鉗子17を挿入する患者腹腔直上のピボット点170決めは、スレーブキャスタ100で床面すなわちxy平面を行い、電動ピラー102で昇降すなわちz平面を行う。ピボット点170はジンバル部12と平行リンク14で機構的に設定される。
1 and 2, the initial positioning of the bedside of the slave manipulator 1, that is, the determination of the
力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御での動作は、スレーブ並進軸13、スレーブピッチ軸120、スレーブヨー軸121、スレーブロール軸15、及び鉗子17の屈曲2軸、開閉1軸の合計7軸の多軸である。可動範囲は、スレーブ並進軸13が±100mm、スレーブピッチ軸120が±60°、スレーブヨー軸121が±45°、スレーブロール軸15が±180°、鉗子先端171の屈曲2軸と開閉1軸が全て±90°である。鉗子先端171における各軸の定格作用力は、スレーブ並進軸13が10N、スレーブピッチ軸120とスレーブヨー軸121が2.3N、スレーブロール軸15が10N、屈曲1軸が5N、のこりの屈曲1軸と開閉1軸が10Nである。なお、スレーブ定荷重バネ132により、スレーブ並進軸13には重力と逆向きに与圧をかける。全高は1330〜1830mmで、総質量は72kgである。
The master / slave control with force feedback includes a total of seven axes including a
図3は本実施形態のマニピュレータ装置におけるマスタマニピュレータ2の斜視図である。マスタベース20の下側にはマスタキャスタ200とマスタアジャスタパッド201が設けられている。マスタベース20の形状は、幅500mm、奥行き500mmの四角形である。マスタベース20の上側には、手元操作駆動部21が設けられている。床面から手元操作駆動部21までの高さは、180mmである。この手元操作駆動部21には、マスタアクチュエータを構成する3つのマスタリニアモータ210及びこれらのマスタリニアモータ210にマスタマニピュレータたマスタリニアエンコーダ211が設けられている。マスタリニアモータ210の定格推力は20Nで、可動範囲は±50mmである。マスタリニアエンコーダ111の分解能は4逓倍後に0.1μmである。手元操作駆動部21の3軸は、反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。
FIG. 3 is a perspective view of the
各マスタリニアモータ210には、マスタコントロールケーブル212を接続する。マスタコントロールケーブル212は、インナーとしてのマスタワイヤと、アウターとしてのマスタチューブとを備えて構成されている。マスタリニアモータ210の可動部にマスタワイヤの一端を取付け、その前後動作の動力をマスタワイヤの他端に伝達する。マスタワイヤとマスタチューブの他端は、後述する手元操作部27に接続されている。マスタワイヤは、外径1.8mmで、素線径0.36mmのステンレス細線を19本撚った構造である。マスタワイヤは切断強度3500Nの強度を持つ。マスタチューブは内径2.0mm、外径5.0mmで、平線をコイル状に巻き、内側を滑り性に優れたフッ素樹脂、外側を塩化ビニールで被覆している。マスタワイヤの外径とマスタチューブの内径の差としての空隙は0.2mmである。空隙の間隔は、駆動力伝達時のワイヤ座屈に伴う伝達動力と伝達時間のロスに影響するので、できるだけ小さいことが望ましい。
A
手元操作駆動部21の上面には、門型のマスタ支柱219を介してマスタジンバル部22が設けられている。手元操作駆動部21からマスタジンバル部22までの高さは、280mmである。マスタジンバル部22には、マスタピッチ軸220とマスタヨー軸221のマスタ回転モータ222及びマスタ回転エンコーダ223と、マスタヨー軸バランスウエイト224が設けられている。
A
マスタ回転モータ222はギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、定格トルクは1.4Nmである。マスタ回転エンコーダ223の分解能は4逓倍後に324000pprである。マスタピッチ軸220の回転範囲は±60°、マスタヨー軸221の回転範囲は±45°である。マスタピッチ軸220とマスタヨー軸221は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。マスタヨー軸バランスウエイト224は、対向するマスタヨー軸221のマスタ回転モータ222及びマスタ回転エンコーダ223の質量を補償し、その質量は5kgである。
The
マスタジンバル部22のマスタヨー軸221の先には、マスタ並進軸23が設けられている。マスタ並進軸23には、カバー内にマスタリニアモータ及びマスタリニアエンコーダが設けられ、カバー下にマスタ定荷重バネ232が設けられている。マスタリニアモータの定格推力は10Nで、可動範囲は±100mmである。マスタリニアエンコーダの分解能は4逓倍後に0.1μmである。マスタ並進軸13は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。マスタ定荷重バネ232は、マスタリニアモータの可動部に負荷としてかかる質量を補償し、そのバネ力は40Nである。
A
マスタ並進軸23の上部には、マスタロール軸25が設けられている。マスタジンバル部22からマスタロール軸25までの高さは、440mmである。マスタロール軸25には、マスタ回転モータ250及びマスタ回転エンコーダ251が設けられている。マスタ回転モータ250は、ギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、定格トルクは0.2Nmである。マスタ回転エンコーダ251の分解能は4逓倍後に324000pprである。マスタロール軸25の回転範囲は±180°である。マスタロール軸25は反力オブザーバと加速度信号に基づく力と位置のマスタ・スレーブ制御で動作する。
A
マスタロール軸25の先には、手元操作部27が設けられている。手元操作部27には、3本のコントロールケーブル212の他端が配置されている。コントロールケーブル212のインナーとしてのマスタワイヤは、それぞれ図示しないスライド部に取付けられている。手元操作駆動部21に配置したリニアモータ210の動力は、コントロールケーブル212を介して、手元操作部27のスライド部に伝わる。スライド部の動作範囲は、±5mmである。手元操作部27の伝達機構は、スライド部の直線運動の動力を伝達する機構であれば、ラック&ピニオン機構やロッド機構など、自由に設計できる。ここでは、腹腔外操作型の形状としているが、腹腔内操作型の形状も可能である。
A
図3において、マスタマニピュレータ2の初期位置決め、すなわち術者に応じたイニシャルポジション決めは、スレーブキャスタ200での床面すなわちxy平面のみで行う。z軸は、術者が座る図示しないイスの昇降機能で行う。マスタピッチ軸220を45°回転した時、マスタロール軸25までの高さは700mmであり、一般的な事務机の高さと同じである。術者は机上でペンを動かす感覚の延長で操作できる。イスが肘置きを備えると、長時間の操作にも対応できる。ピボット点270はジンバル部22のみで機構的に構成する。
In FIG. 3, initial positioning of the
マスタ・スレーブ制御での動作は、マスタ並進軸23、ピッチ軸220、マスタヨー軸221、マスタロール軸25、及び手元操作部27の屈曲2軸、開閉1軸の合計7軸の多軸である。可動範囲は、マスタ並進軸23が±100mm、ピッチ軸220が±60°、マスタヨー軸221が±45°、マスタロール軸25が±180°、手元操作部27の屈曲2軸と開閉1軸が全て±22.5°である。手元操作部27における各軸の定格作用力は、マスタ並進軸23が10N、ピッチ軸220とマスタヨー軸221が2.5N、マスタロール軸25が4N、屈曲1軸が5N、のこりの屈曲1軸と開閉1軸が7Nである。なお、マスタ定荷重バネ232により、マスタ並進軸23には重力と逆向きに与圧をかける。全高は900〜1100mmで、総質量は45kgである。また、制御上で行う手先の震え防止のフィルタリング機能、スレーブマニピュレータ1との動作範囲の関係を変化できるスケーリング機能、に対応できる機構である。
The operation in the master / slave control is a multi-axis of a total of 7 axes including the
制御装置は、スレーブマニピュレータ1のスレーブエンコーダと前記マスタマニピュレータ2のマスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を、スレーブマニピュレータの術具である鉗子17からマスタマニピュレータ2の手元操作部27にフィードバックするように構成されている。
The control device generates a wide-range force sense generated based on the detection signals of the slave encoder of the slave manipulator 1 and the master encoder of the
本実施形態によれば、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできるマスタ・スレーブ制御のマニピュレータ装置を提供することができる。すなわち、術具を信頼性の高い機械部品のみで構築し、アクチュエータにマスタマニピュレータの内界センサを用いた制御系で数百Hz帯域の力覚感度を得られる、マスタ・スレーブ制御の多自由度マニピュレータ装置を提供することができる。また、術具と操作部は種種の交換が可能であり、使い勝手が向上すると共に、力フィードバック制御に機構のガタが影響しないので、系の安定性が高い。 According to the present embodiment, it is possible to provide a master / slave control manipulator device capable of feeding back a high-frequency force sense in a multi-degree-of-freedom manipulator while enabling sterilization of a surgical instrument by simple autoclave sterilization of high-pressure and high-temperature steam. it can. In other words, a multi-degree of freedom for master / slave control, in which a surgical instrument is constructed only with highly reliable mechanical parts, and a force sensitivity in the hundreds of Hz band can be obtained with a control system that uses the inner world sensor of the master manipulator as the actuator. A manipulator device can be provided. In addition, the surgical tool and the operation unit can be exchanged in various ways, so that the usability is improved and the backlash of the mechanism does not affect the force feedback control, so that the stability of the system is high.
1…スレーブマニピュレータ、2…マスタマニピュレータ、10…スレーブベース、11…術具駆動部、12…スレーブジンバル部、13…スレーブ並進軸、14…平行リンク、15…スレーブロール軸、16…鉗子着脱部、17…鉗子、20…マスタベース、21…手元操作駆動部、22…マスタジンバル部、23…マスタ並進軸、25…マスタロール軸、27…手元操作部、101…スレーブアジャスタパッド、102…電動ピラー、103…コントローラ、110…スレーブリニアモータ、111…スレーブリニアエンコーダ、112…スレーブコントロールケーブル、113…スレーブワイヤ、114…スレーブチューブ、119…スレーブジンバル支柱、120…スレーブピッチ軸、121…スレーブヨー軸、122…スレーブ回転モータ、123…スレーブ回転エンコーダ、124…スレーブヨー軸バランスウエイト、132…スレーブ定荷重バネ、140…長リンク部、141…短リンク部、142…平行リンクバランスウエイト、143…ロッド、144…フリージョイント、150…スレーブ回転モータ、151…スレーブ回転エンコーダ、160〜162…鉗子駆動のスライド部、163…ピン嵌め部、164…磁石、170…仮想ピボット点、171…鉗子先端、200…マスタキャスタ、201…マスタアジャスタパッド、210…マスタリニアモータ、211…マスタリニアエンコーダ、212…マスタコントロールケーブル、219…マスタジンバル支柱、220…マスタピッチ軸、221…マスタヨー軸、224…マスタヨー軸バランスウエイト、232…マスタ定荷重バネ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Slave manipulator, 2 ... Master manipulator, 10 ... Slave base, 11 ... Surgical instrument drive part, 12 ... Slave gimbal part, 13 ... Slave translation axis, 14 ... Parallel link, 15 ... Slave roll axis, 16 ... Forceps attachment / detachment part , 17 ... forceps, 20 ... master base, 21 ... hand operation drive part, 22 ... master gimbal part, 23 ... master translation axis, 25 ... master roll axis, 27 ... hand operation part, 101 ... slave adjuster pad, 102 ... electric Pillar, 103 ... Controller, 110 ... Slave linear motor, 111 ... Slave linear encoder, 112 ... Slave control cable, 113 ... Slave wire, 114 ... Slave tube, 119 ... Slave gimbal support, 120 ... Slave pitch axis, 121 ...
Claims (4)
前記スレーブマニピュレータは、
スレーブジンバル部に設けたスレーブピッチ軸及びスレーブヨー軸と、
前記スレーブジンバル部の内側に設けたスレーブ並進軸と、
前記スレーブ並進軸に平行リンクを介して連結するスレーブロール軸と、
前記スレーブロール軸の先端部に設けた術具駆動機構部と、
前記術具駆動機構部に結合され且つオートクレーブ滅菌に対応可能な材料で形成された術具と、
前記術具駆動機構部に一側端部を接続したスレーブコントロールケーブルと、
前記スレーブコントロールケーブルの他側端部を接続したスレーブ直動軸と、
前記各スレーブ軸にそれぞれ設けたスレーブアクチュエータと、
前記各スレーブアクチュエータにそれぞれ取付けたスレーブエンコーダとを備えて構成され、
前記マスタマニピュレータは、
マスタジンバル部に設けたマスタピッチ軸及びマスタヨー軸と、
前記マスタジンバル部の内側に設けたマスタ並進軸と、
前記マスタ並進軸に設けたマスタロール軸と、
前記マスタロール軸の先端部に設けた手元操作部と、
前記手元操作部に一側端部を接続したマスタコントロールケーブルと、
前記マスタコントロールケーブルの他側端部を接続したマスタ直動軸と、
前記各マスタ軸にそれぞれ設けたマスタアクチュエータと、
前記各マスタアクチュエータにそれぞれ取付けたマスタエンコーダとを備えて構成され、
前記制御装置は前記スレーブエンコーダと前記マスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を、前記スレーブマニピュレータの術具から前記マスタマニピュレータの手元操作部にフィードバック制御する
ことを特徴とするマニピュレータ装置。 In a manipulator device comprising a slave manipulator that drives a surgical instrument, and a master manipulator that drives the slave manipulator via a control device,
The slave manipulator is
A slave pitch axis and a slave yaw axis provided in the slave gimbal part;
A slave translation shaft provided inside the slave gimbal part;
A slave roll axis coupled to the slave translation axis via a parallel link;
A surgical instrument drive mechanism provided at the tip of the slave roll shaft;
A surgical instrument formed of a material that is coupled to the surgical instrument drive mechanism and is compatible with autoclave sterilization;
A slave control cable having one end connected to the surgical instrument drive mechanism,
A slave linear motion shaft connected to the other end of the slave control cable;
A slave actuator provided for each slave axis;
A slave encoder attached to each of the slave actuators,
The master manipulator
The master pitch axis and Masutayo shaft provided between Sutajinbaru unit,
A master translation shaft provided inside the master gimbal portion;
A master roll shaft provided on the master translation shaft;
A hand operating part provided at the tip of the master roll shaft;
A master control cable having one end connected to the hand operation unit;
A master linear movement shaft connected to the other end of the master control cable;
A master actuator provided for each master axis;
A master encoder attached to each of the master actuators;
Manipulator and the control device, characterized in that said broadband force generated based on the slave encoder with the detection signal of the master encoder performs feedback control on the operation portion of the master manipulator from the surgical instrument of the slave manipulators over data apparatus.
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