JP5028219B2 - マニピュレータ装置および医療機器システム - Google Patents

Description

本発明は、マニピュレータ装置および医療機器システムに関し、特に、目的の処置に応じた効率的な駆動を行う複数の関節を有するマニピュレータ装置および前記マニピュレータ装置を有する医療機器システムに関する。

近年、体壁に挿入孔を開け、この挿入孔を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入することにより、体腔内で様々な処置を行なう内視鏡下外科手術が盛んに行なわれている。こうした術式は、大きな切開を要しない低侵襲なものとして、胆嚢摘出手術や肺の一部を摘出除去する手術等で広く行なわれている。そして、こうした術式における操作性を向上させるために、マスタースレーブ方式による医療用マニピュレータ装置が考案されている。

例えば、特開平９−６６０５６号公報には、複数の医療用マニピュレータ装置を使用した手術においてマニピュレータ装置に何等かの動作不良が生じた場合でも、それに対して速やかに対処でき安全性および操作性に優れ、手術時間を短縮でき、患者に対する侵襲を低くすることができる医療用マニピュレータシステムが開示されている。

一方、多関節マニピュレータの制御においては、マニピュレータ先端の位置および姿勢の目標値、すなわち軌道計画が与えられた時に各関節の関節角軌道を求めるには、逆運動学計算が用いられている。そして、関節角軌道の算出においては、駆動する関節数が多いと、個々の関節の駆動誤差が重畳され全体としての誤差が大きくなることから、特開平３−１２７０９号公報には、ファジイ推論を用い、最少の駆動関節数で目標値が達成可能な関節角軌道を算出方法が開示されている。
特開平９−６６０５６号公報 特開平３−１２７０９号公報

内視鏡下外科手術よりも更に低侵襲な手術として、内視鏡の先端部に配設した医療器具を用いて処置を行う内視鏡手術がある。ところが、内視鏡の鉗子チャネルに挿通し、内視鏡先端部から突出させた処置具の操作性はよくないため、超小型のマニピュレータを用いて処置具を多自由度化および能動化する方法が検討されている。この場合、内視鏡先端部から突出して使用する超小型のマニピュレータは、その大きさの制約から複雑な構造とすることは困難である一方、高精度かつ高効率性が要求されている。しかし、このような超小型のマニピュレータ装置において、高精度かつ高効率性を両立することは困難であった。

また、高精度かつ高効率性の超小型のマニピュレータを内視鏡先端部から突出して使用する医療機器システムが望まれていた。

本発明は、高精度かつ高効率性の駆動を行う複数の関節を有するマニピュレータ装置および前記マニピュレータ装置を備えた医療機器システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明のマニピュレータ装置は、複数の関節を有するマニピュレータと、前記複数の関節の、それぞれの関節の関節パラメータを記憶するパラメータ記憶手段と、前記マニピュレータの先端を現在の位置および姿勢から目標の位置および姿勢に移動する軌道を軌道計画として入力する軌道入力手段と、前記関節パラメータおよび軌道計画に基づき、前記それぞれの関節の関節角軌道を設定する軌道設定手段とを有し、前記軌道設定手段は、前記パラメータ記憶手段に記憶された前記それぞれの関節の最大力量を基に、前記目標の位置および姿勢に移動可能な最少の駆動関節数の関節角軌道のうち、最大力量の関節角軌道を設定する。また、本発明の医療機器システムは、前記マニピュレータ装置を有する。

本発明は、高精度かつ高効率性の駆動を行う複数の関節を有するマニピュレータ装置および前記マニピュレータ装置を備えた医療機器システムを提供するものである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

＜医療機器システムの概要＞
図１は、本発明の実施の形態にかかる医療機器システム２の概要を説明するための概要図である。図１において、表示手段である表示装置６０の表示画面には、後述する内視鏡装置５０の撮像手段であるＣＣＤ５１が撮像した体内１０の撮像画像６１が表示されている。そして撮像画像６１には、体内１０の患部１１の処置を行う２つの複数の関節を有するマニピュレータ１００、２００が表示されている。マニピュレータ１００の先端部１０１にはハンドアームが配設されており、一方のマニピュレータ２００の先端部２０１にはナイフアームが配設されている。

術者は、左右の手１２、１３で、それぞれマニピュレータ１００、２００の先端部１０１、２０１を現在の位置および姿勢から目標の位置および姿勢に移動する軌道を入力する軌道入力手段４２である左右のマスタースレーブ装置４２Ａ、４２Ｂを操作する。軌道入力手段４２から入力された軌道情報に基づいて、マニピュレータ制御装置４８はマニピュレータ１００、２００を駆動する。

なお、図１に示した医療機器システム２は、２つのマニピュレータを有するマニピュレータ装置を備える場合、１つのマニピュレータのみを有する場合、あるいは、３以上のマニピュレータを備える場合も本実施の形態と基本的な構成は同じである。

また、医療機器システム２は、マニピュレータは有する自由度から特定の自由度を選択し、非選択の自由度を制限する自由度選択手段４３Ａ、４３Ｂを有する。本実施の形態のマニピュレータは複数の関節を有し、高い自由度を有しているが、医療機器システム２においては、処置によっては高い自由度のマニピュレータよりも低い自由度のマニピュレータの方が操作性が良く、より安全かつ確実に処理が行える場合がある。術者は処置に応じて自由度選択手段４３Ａ、４３Ｂからマニピュレータ１００、２００の自由度を制限することが可能である。自由度選択手段４３の動作については後に詳述する。

なお、図１においては、軌道入力手段４２としてマスタースレーブ型を示しているが、これに限定されるものではなく、所望の軌道が入力可能であれば、キーボードやタッチペンあるいは、ジョイスティツク等の公知の入力手段が使用可能である。

図２は、本実施の形態の医療機器システム２の外観を示した外観図である。図２において、２つのマニピュレータ１００、２００は、内視鏡５５の先端部５６の鉗子孔５７、５８から突出している。内視鏡先端部５６には、撮像手段であるＣＣＤ５１と、照明手段である照明部５２Ｂも配設されている。また、図１と同様にマニピュレータ１００の先端部１０１にはハンドアームが配設されており、一方のマニピュレータ２００の先端部２０１にはナイフアームが配設されている。

本実施の形態のマニピュレータは、内視鏡の先端部から突出させる超小型のマニピュレータであり、マニピュレータの直径は２〜５ｍｍ程度と極めて小さい。このため、公知の多くのマニピュレータとは異なり、効率的に駆動しなければ目的の処置を実行することが困難である。

＜マニピュレータの構造＞
次に図３から図６を用いて本実施の形態のマニピュレータの構造を説明する。図３はマニピュレータ２００の関節機能を説明するための図であり、図４はマニピュレータ２００の外観斜視図であり、図５はマニピュレータ２００の断面図であり、図６はマニピュレータ２００の動作を説明するための断面図である。

図３（Ａ）はマニピュレータ２００の関節を示しており、マニピュレータ基端部２１０（座標：ｘ０、ｙ０、ｚ０）から、直動駆動関節２１１（座標：ｘ１、ｙ１、ｚ１）、回転駆動関節であるロール駆動関節２１２（座標：ｘ２、ｙ２、ｚ２）、ヨー駆動関節２１３（座標：ｘ３、ｙ３、ｚ３）、ピッチ駆動関節２１４（座標：ｘ４、ｙ４、ｚ４）、ヨー駆動関節２１５（座標：ｘ５、ｙ５、ｚ５）、ピッチ駆動関節２１６（座標：ｘ６、ｙ６、ｚ６）の順で複数の関節があり、先端部２０１には、ナイフアームが配設されている。

図３（Ｂ）はマニピュレータ２００の関節を駆動した状態を示しており、ここでは、ヨー駆動関節２１３が−θ３だけ曲がり、ヨー駆動関節２１５がθ５だけ曲がっている。

マニピュレータ２００は、これら複数の関節の関節角度を調整することで、先端部２０１を現在の位置および姿勢から目標の位置および姿勢に移動することができる。特に、マニピュレータ２００は目標の位置および姿勢に移動するのに必要な自由度以上の自由度を有している、言い換えれば、作業上要求される自由度を超える自由度を有するため、目標の位置および姿勢に移動するための各関節の関節角軌道は複数存在する。このため、どのような関節角軌道を選択するかにより、マニピュレータ装置１の精度および効率が大きく変化する。

次に、図４から図５を用いてマニピュレータ２００の構造を詳細に説明する。図４の斜視図に示すように、マニピュレータ２００は、５つの関節コマ２５１〜２５５が４つの関節２１６〜２１９で連結されている。各関節はリベット２６０で２箇所が固定されているが、一方向に回転可能な構造を有している。すなわち、マニピュレータ２００は２つのピッチ駆動関節２１６、２１４と２つのヨー駆動関節２１５、２１３を有している。各関節にはアングルワイヤ２７０の一端が対角線上に２箇所で固定されており、アングルワイヤ２７０を図示しない駆動手段２３により操作することで、各関節を中心に関節コマ２５１〜２５５を曲げることができる。マニピュレータ２００は、その先端部がナイフアーム２０１であり、マニピュレータ２００を駆動することによりナイフアーム２０１の位置および姿勢が変化する。

図５は、図４で示したマニピュレータ２００の断面図である。マニピュレータ２００の中心部には、絶縁性の可撓性管２７１の内部に配設された高周波電流を通電可能なナイフアームの操作ワイヤ２７２が配設され、操作ワイヤ２７２はナイフアーム２０１と電気的に接続されている。

図６は、ナイフアーム２０１がマニピュレータ２００内部に収納された状態で、ピッチ駆動関節２１６をアングルワイヤ（不図示）が引っ張り、最先端の湾曲コマ２５１を湾曲させた状態を示している。

マニピュレータ装置１は、マニピュレータ２００の駆動にアングルワイヤを用いているため構造が簡単で信頼性が高く、かつ小型化が可能となった。

＜医療機器システムの構成＞
次に図７を用い、本実施の形態の医療機器システム２の構成を説明する。図７は、本実施の形態の医療機器システム２の構成図である。なお、以下では、説明を簡単にするため、１つのマニピュレータ２００を有する医療機器システム２について説明するが、複数のマニピュレータ装置１を有する医療機器システム２についても、それぞれのマニピュレータ装置１のための構成要素が追加されるだけであり、基本的な構成および動作は以下の説明と同様である。

図７は、体内１０で駆動する駆動部２０を有するマニピュレータ（不図示）を中心とした医療機器システム２の構成を示している。マニピュレータは、負荷センサ２１、位置センサ２２および駆動手段２３を有している。

負荷センサ２１は、マニピュレータの各関節を駆動し、所望の動作を行った際に、生じるそれぞれの関節への負荷を検出するものである。負荷量は回転駆動関節の場合には発生したトルク（Ｎ／ｍ）であり、直動駆動関節の場合には力（Ｎ）で表される。負荷検出の具体的方法としては、例えば、ワイヤ駆動の場合にはワイヤの張力を測定することで負荷が検出可能である。あるいは、ひずみゲージ等でも負荷は検出可能であるが、ワイヤをモータで駆動する場合にはモータの消費電力から検出できる。すなわち、必ずしもマニピュレータに新規にセンサを組み込む必要はなく、マニピュレータの構成要素をそのままセンサとして用い、負荷検出手段４０に負荷情報を出力することも可能である。

位置センサ２２は、それぞれの関節の位置および姿勢を検出するためのセンサであり、磁気センサ等を用いる。なお、位置センサ２２は負荷センサ２１と同様に必ずしもマニピュレータにセンサを組み込む必要はなく、駆動手段２３による各関節の位置および姿勢の変化をエンコーダで検出し、位置算出手段４１に位置情報を出力することも可能である。

軌道設定手段４５は、位置算出手段４１と軌道入力手段４２と自由度選択手段４３からの情報とパラメータ入力手段から入力されパラメータ記憶手段に記憶されている関節パラメータとを基に、それぞれの関節の関節角軌道を設定する。

駆動制御手段４７は、軌道設定手段４５が設定した関節角軌道に従ってマニピュレータの関節の駆動手段２３を駆動する。

内視鏡装置５０は、挿入部（不図示）先端部に配設されたＣＣＤ等の撮像手段５１と、体内部を照明するための照明手段５２と、撮像手段５１が撮像した画像の処理等をする撮像制御部５３と、内視鏡全体の制御を行う内視鏡制御部５４とを有する。

また、内視鏡装置５０の撮像画像を表示する表示装置６０は、タッチパネルとしてマニピュレータの軌道入力等にも使用できる。

なお、複数の関節の全てについて負荷センサ２１、負荷検出手段４０、位置センサ２２あるいは位置算出手段４１等を有する必要はなく、特に、直動駆動関節２１１やロール駆動関節２１２は手動駆動としてもよい。

＜マニピュレータ装置の動作＞
次に、図８のフローチャートを用いてマニピュレータ装置１の動作について説明する。図８は、マニピュレータ装置１の動作の流れを説明するためのフローチャートである。

「ステップＳ１１」
パラメータ入力手段４４を用いて、各関節の関節パラメータを入力し、パラメータ記憶手段４６に記憶する。関節パラメータの入力は予め入力しておけば毎回行う必要はない。

関節パラメータとは、マニピュレータの各関節を駆動するために必要な関節の情報である。医療機器システム２においては、関節パラメータとして、ＤＨパラメータ（初期座標、長さ、方向等）と、関節の可動範囲（角度範囲や直動範囲等）と、関節の動作精度（応答速度等）とを有する。さらに、医療機器システム２においては、関節パラメータとして関節の最大力量と、関節の負荷許容量とを有する。

関節の最大力量とは、各関節が発生することのできる最大の力量であり、回転駆動関節ではトルク量（Ｎ／ｍ）や駆動モータの電力値（Ｗ）で表現できる。また、関節の負荷許容量とは、各関節に加えることのできる最大の負荷であり、負荷許容量を超えた負荷が関節に加わると関節や駆動ワイヤの破損が生じるおそれのある負荷量であり、回転駆動関節では、やはりトルク量や駆動モータの電力値で表現できる。

なお、パラメータ記憶手段４６に記憶する関節パラメータは、力量または負荷許容量の順に順位付けをしておくことでステップＳ１２以降の軌道入力手段４２の処理の高速化を図ることができる。

「ステップＳ１２」
軌道入力手段４２により、マニピュレータの先端を現在の位置および姿勢から目標の位置および姿勢に移動する軌道計画が入力される。

「ステップＳ１３」
自由度選択手段４３により、マニピュレータの自由度を制限する情報が入力される。本実施の形態のマニピュレータは、３次元空間の任意の位置において任意の姿勢が可能な６自由度を有している。

図９は、内視鏡撮像画像６１であり、マニピュレータ２００の先端部２０１のメスを用いて患部１１を切開する処置を示している。この場合には、先端部２０１は、矢印Ａで示したように左方向に直線１１Ｂに沿って移動し、先端部２０１Ｂの位置に移動することが望ましい。しかし、術者のマスタースレーブ装置（軌道入力手段４２）の操作においては、術者が注意深く操作を行っても、本来は不要なピッチ方向やロール方向への移動を伴ってしまうことがある。

マニピュレータ装置１においては、上記の処置の際に、自由度選択手段４３により、ピッチ方向およびロール方向への自由度を制限することができる。なお、先端部がメスアームの場合には、ロール方向の自由度は基本的に不要である。

自由度選択手段４３からの自由度制限情報は、後述の軌道設定手段において、制限された自由度方向への軌道入力手段の入力がキャンセルされる。入力がキャンセルされるとは、例えば、移動方向をベクトルで表現できる場合であれば、制限された方向のベクトル成分を除くことを意味する。

そして、自由度選択手段４３から自由度を制限することにより、マニピュレータ装置１は、より安全かつ確実に処理が行える。

「ステップＳ１４」
軌道設定手段４５は、関節パラメータおよび軌道計画に基づき、それぞれの関節の関節角軌道を設定する。軌道設定手段４５は、パラメータ記憶手段４６に記憶されたそれぞれの関節の最大力量を基に、目標の位置および姿勢に移動可能な最少の駆動関節数の関節角軌道のうち、最大力量の関節角軌道を設定する。なお、最大力量の関節角軌道を設定するとは、必ずしも最大力量を発生することの可能な関節を選択し関節角軌道を設定することではなく、力量の大きい関節（大きな力を発生させることの可能な関節）を優先的に選択し、最大力量を発生するような関節角軌道を設定するということである。

すなわち、本実施の形態のマニピュレータ装置１においては、逆問題計算により関節角軌道を設定する際に、動作精度を最優先とし、このため駆動関節数が最も少ない関節角軌道を設定する。そして、本実施の形態のマニピュレータ装置１は、動作精度の次に優先項目として、発生力量が大きい関節角軌道を設定する。

図１０に、軌道設定手段４５が設定した関節角軌道の例を示す。図１０では、２つの回転駆動関節の関節角軌道を示している。

医療用の超小型のマニピュレータ装置１においては、精度は最も重要であり、かつ、超小型のため、マニピュレータの発生力量が小さく、所望の処置が実行出来ないことがあるからである。

上記基準により軌道設定手段４５が関節角軌道を設定するため、本実施の形態のマニピュレータ装置１は、より安全かつ確実に処理が行える。

「ステップＳ１５」
駆動制御手段４７は、軌道設定手段４５が設定した関節角軌道に従い、各関節の駆動手段２３の駆動を開始する。

「ステップＳ１６」
各関節の駆動手段２３の駆動が開始すると、各関節には負荷が発生する。特に、医療機器システム２のマニピュレータ装置１においては、処置する生体部位および個人差等により、その硬さや弾性等の物性値が大きく異なるために、処置を開始しないと関節にかかる負荷は予測が困難である。

このため、駆動手段２３の駆動が開始すると、負荷検出手段４０は負荷センサ２１からの情報を基に、各関節の負荷量を算出する。そして、軌道設定手段４５は、関節パラメータ記憶手段に記憶されている各関節の負荷許容量と各関節の負荷量の比較を行い、全ての関節の負荷量が負荷許容量未満である場合には、駆動手段２３はマニピュレータ先端部が目標の位置および姿勢に移動するまで駆動を継続する。

これに対して、いずれかの関節の負荷量が負荷許容量以上である場合には、軌道設定手段４５は、新たな関節角軌道を設定するため、以降の処理を行う。

「ステップＳ１７」
軌道設定手段４５は、現在使用している関節よりも負荷許容量の大きい駆動していない関節がある場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１８において、駆動する関節を変更する。そして、再度、関節角軌道を算出する。

現在使用している関節よりも負荷許容量の大きい駆動していない関節がない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ１９以降の処理を行う。

「ステップＳ１９」
軌道設定手段４５は、全ての関節を駆動していなかった場合（Ｙｅｓ）には、駆動する関節数をステップＳ２０において１だけ増加する。そして、再度、関節角軌道を算出する。

「ステップＳ２１」
ステップＳ１９において、軌道設定手段４５は、全ての関節を駆動していた場合（Ｎｏ）には、入力された軌道に従いマニピュレータ先端部を目標の位置および姿勢に移動することは不可能であるため、警告手段７０により警告を発生し、術者に知らせる。警告は、表示装置６０への視覚による表示、音、振動等、公知の方法を用いることができる。

術者は、警告を受けて、再度、新たな軌道計画を入力することで処置が継続できる。

「ステップＳ２２およびＳ２３」
マニピュレータ装置１は、マニピュレータ先端部が目標の位置および姿勢に移動するまで駆動制御手段４７は、軌道設定手段４５が設定した関節角軌道に従い、各関節の駆動手段２３を駆動し、ステップＳ２３における処置終了信号があるまで、マニピュレータ装置１は動作を続ける。

本実施の形態のマニピュレータ装置１は、最少の駆動関節数で駆動するため精度が高く、かつ、超小型のマニピュレータであっても力量が大きいため、高精度かつ高効率性の駆動を確実に行うことができる。また、本実施の形態のマニピュレータ装置１を有する医療機器システム２は、高精度かつ高効率性の処置具の駆動を確実に行うことができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

医療機器システムの概要を説明するための概要図である 医療機器システムの外観を示した外観図である。 マニピュレータの関節機能を説明するための説明図である。 マニピュレータの外観斜視図である。 マニピュレータの断面図である。 マニピュレータの動作を説明するための断面図である。 医療機器システムの構成図である。 マニピュレータ装置の動作の流れを説明するためのフローチャートである。 マニピュレータによる処置を示した内視鏡撮像画像である。 設定された関節角軌道の例を示す図である。

符号の説明

１…マニピュレータ装置、２…医療機器システム、１１…患部、２０…駆動部、２１…負荷センサ、２２…位置センサ、２３…駆動手段、４０…負荷検出手段、４１…位置算出手段、４２、４２Ａ、４２Ｂ…軌道入力手段、４３、４３Ａ、４３Ｂ…自由度選択手段、４５…軌道設定手段、４６…パラメータ記憶手段、４７…駆動制御手段、４８…マニピュレータ制御装置、５０…内視鏡装置、５１…ＣＣＤ、５２…照明部、５３…撮像制御部、５４…内視鏡制御部、５５…内視鏡、５６…先端部、６０…表示装置、６１…撮像画像、７０…警告手段、１００、２００…マニピュレータ、１０１、２０１…マニピュレータ先端部、２１１…直動駆動関節、２１２…ロール駆動関節、２１２…回転駆動関節、２１３、２１５…ヨー駆動関節、２１４、２１６…ピッチ駆動関節

Claims (5)

1. 複数の関節を有するマニピュレータと、
   前記複数の関節の、それぞれの関節の関節パラメータを記憶するパラメータ記憶手段と、
   前記マニピュレータの先端を現在の位置および姿勢から目標の位置および姿勢に移動する軌道を軌道計画として入力する軌道入力手段と、
   前記関節パラメータおよび前記軌道計画に基づき、前記それぞれの関節の関節角軌道を設定する軌道設定手段と、を有し、
   前記軌道設定手段は、前記パラメータ記憶手段に記憶された前記それぞれの関節の最大力量を基に、前記目標の位置および姿勢に移動可能な最少の駆動関節数の関節角軌道のうち、前記最大力量の大きい関節が優先的に選択され、発生力量が最も大きい関節角軌道を設定することを特徴とするマニピュレータ装置。
2. 前記それぞれの関節の負荷量を検出する負荷検出手段を有し、
   前記軌道設定手段は、前記パラメータ記憶手段に記憶された前記それぞれの関節の負荷許容量を基に、前記それぞれの関節の前記負荷量が、負荷許容量を超えることのない関節角軌道を設定することを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ装置。
3. 前記マニピュレータの自由度を制限する選択をする自由度選択手段を有し
   前記軌道設定手段は、制限された自由度方向への前記軌道入力手段の入力をキャンセルすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマニピュレータ装置。
4. 体内で使用される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマニピュレータ装置を有することを特徴とする医療機器システム。
5. 前記マニピュレータが、内視鏡先端部から突出していることを特徴とする請求項４に記載の医療機器システム。

Images