JP5213166B2 - Mobile device - Google Patents
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Description
本発明は、腕や物などを支持する移動台の移動を制御可能な移動装置に関するものである。 The present invention relates to a moving device capable of controlling the movement of a moving table that supports an arm or an object.
脳神経外科手術は、医師が手術顕微鏡で微細な手術部位を観察しつつ、メス等を用いて手作業で処置を行うため、非常に緻密な作業が要求される。また、このような手術は長時間を要するものが多い。手術中には僅かな手の震えなどによっても手術部位以外の組織を損傷させる恐れがあるため、医師は、腕を支持固定する移動装置(支持装置)を使用して手術を実施している。 In neurosurgery, a doctor performs a manual operation using a scalpel or the like while observing a fine surgical site with a surgical microscope, and therefore requires a very precise operation. In addition, such an operation often requires a long time. Since there is a risk that a tissue other than the surgical site may be damaged by a slight hand tremor during the operation, the doctor performs the operation using a moving device (support device) that supports and fixes the arm.
このように用いられる移動装置は、腕を支持するだけでなく、手術部位の位置に合わせて、手先の高さや向き、傾きなどを調整可能な必要がある。このような移動装置の一例として、特許文献1に微細作業用支持具が開示されている。
The moving device used in this way needs not only to support the arm, but also to be able to adjust the height, orientation, inclination, etc. of the hand according to the position of the surgical site. As an example of such a moving device,
特許文献1に開示された微細作業用支持具では、腕を支持する腕台が、上下動、回動および揺動可能に、基台、支持軸およびリンク部材で支持されている。腕台は、スプリングによる付勢力で高く位置しており、腕台上に上肢が乗せられて重さが加わると付勢力とのバランスにより適宜下降する。また、腕台は、別のスプリングで前上がりに傾くように付勢されており、上向きや下向の力を腕台に加えると前上がりや前下がりに傾斜する。
In the support tool for fine work disclosed in
医師は、腕台が所望の傾き、高さ、および向きになったときに足や膝等で固定用のスイッチを操作する。これにより、腕台が固定される。 The doctor operates the fixing switch with a foot, knee, or the like when the armrest has a desired inclination, height, and orientation. Thereby, the armrest is fixed.
また、このような腕台は、手術に限らず微細な手作業を行う際に用いることで、腕の震えなどを防止できる。 Further, such an arm stand can be used not only for surgery but also for performing fine manual work, thereby preventing arm tremors and the like.
従来の特許文献1に記載された微細作業用支持具(移動装置)では、手術中に、医師が手先の方向や位置を動かしたい場合には、スイッチを操作して腕台(移動台)の固定状態を解除し、移動台を所望の傾き、高さ等の位置に移動し、再度スイッチを操作して腕台を固定する。ところが、移動台は、上方および前上がりに付勢されていることから、固定状態を解除した瞬間に付勢力が一気に解除されて、医師の意図に反して上方に大きく動いてしまう場合がある。逆に、付勢力よりも大きい力で移動台に力を加えていたときには、医師の意図に反して下方に大きく動いてしまう場合もある。このように、手術中に思い通りに移動台を移動することが難しく、特に移動台の位置の微調整は難しい。
In the fine work support (moving device) described in
この問題を解決するために、電気モータなどの駆動によって移動台の位置を移動調整できる能動的な移動装置も考えられる。しかしながら、能動的な装置では、移動台の位置を操作する操作レバーの誤操作や、機器の誤動作による患者への危険性が伴う。誤操作を防止するためには、機器操作の十分な習熟が必要である。手術の中断を最小限にするために、操作レバーを足で操作する方式にした場合には、手で操作するよりも操作が一層難しくなるため、一層十分な習熟が必要である。 In order to solve this problem, an active moving device that can move and adjust the position of the moving table by driving an electric motor or the like is also conceivable. However, in an active device, there is a risk to the patient due to an erroneous operation of an operation lever for operating the position of the moving table or a malfunction of the device. In order to prevent erroneous operation, sufficient skill in device operation is required. In order to minimize the interruption of the operation, when the operation lever is operated with the foot, the operation becomes more difficult than the operation with the hand.
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、機器の誤操作の危険性がなく安全に、かつ所望する位置に移動台を容易に調整することができる移動装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a moving device that can safely adjust a moving table to a desired position without risk of erroneous operation of equipment. And
前記の目的を達成するためになされた特許請求の範囲の請求項1に記載の移動装置は、 移動台と、該移動台に作用する外力によって該移動台を移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構と、該移動機構に付されて該各可動部が各々所定の初期姿勢となるように付勢する複数の付勢機構と、該移動機構に付されて該可動部ごとの動きを制動する制動量を制御可能な複数の電気制御ブレーキと、該移動機構に付されて該可動部ごとの作動量を検知する複数の作動量センサと、該移動台または該移動機構に付されて該移動台に作用する力および/またはトルクを検知する力覚センサと、動作モードを選択されるモード選択手段と、該動作モード選択手段によって選択されるモード、並びに、該作動量センサおよび/または該力覚センサからの検出値に基づいて該複数の電気制御ブレーキの各々の制動量を制御する制御部と、を備える移動装置であって、前記モード選択手段は、前記力覚センサの検出値と所定の閾値とを比較してモードが選択されることを特徴とすることを特徴とする。
The moving device according to
この制動量は、制動力や制動トルクを含んだ概念である。 This braking amount is a concept including braking force and braking torque.
請求項2に記載の移動装置は、請求項1に記載されたもので、前記移動台は、オペレータの腕を支持する腕台であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the moving apparatus according to the first aspect, wherein the moving base is an arm base that supports an arm of an operator.
請求項3に記載の移動装置は、請求項1または2に記載されたもので、前記モード選択手段によって、前記移動台を微動速度で移動すべき微動モードか、該移動台を該微動速度よりも早い粗動速度で移動すべき粗動モードか、該移動台の待機位置に移動すべき待機位置モードか、該移動台を固定すべき固定モードかを選択されて、該制御部は、前記各モードに応じた制動量で前記複数の電気制動ブレーキを制御することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the moving device according to the first or second aspect, wherein the mode selection means determines whether the moving base should move at a fine moving speed, or the moving base is moved from the fine moving speed. The coarse movement mode to move at the fastest coarse movement speed, the standby position mode to move to the standby position of the moving table, or the fixed mode to fix the moving table, and the control unit The plurality of electric braking brakes are controlled by a braking amount corresponding to each mode.
請求項4に記載の移動装置は、請求項3に記載されたもので、前記制御部は、前記微動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、外力に対応した速度量で該移動台が動くように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the moving device according to the third aspect, wherein the control unit is configured to apply an external force acting on the moving table based on a detection value of the force sensor in the fine movement mode. The amount of braking of the plurality of electric control brakes is controlled such that the moving table moves in a direction at a speed corresponding to an external force.
この速度量は、速度や角速度を含んだ概念である。 This velocity amount is a concept including velocity and angular velocity.
請求項5に記載の移動装置は、請求項3に記載されたもので、前記制御部は、前記微動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、一定の速度量で該移動台が動くように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the moving device according to the third aspect, wherein the control unit is configured to apply an external force acting on the moving table based on a detection value of the force sensor in the fine movement mode. The amount of braking of the plurality of electric control brakes is controlled so that the moving table moves in a direction at a constant speed amount.
この速度量には、速度や角速度を含んだ概念である。 This velocity amount is a concept including velocity and angular velocity.
請求項6に記載の移動装置は、請求項3に記載されたもので、前記制御部は、前記粗動モードのときに、前記力覚センサの検出値に基づいて、前記移動台に作用する外力方向に、該移動台が前記微動モード時の速度量よりも速い一定の速度量で移動するように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。 A moving device according to a sixth aspect is the moving device according to the third aspect, wherein the control unit acts on the moving table based on a detection value of the force sensor in the coarse movement mode. The braking amounts of the plurality of electric control brakes are controlled such that the moving base moves in a direction of external force at a constant speed amount faster than the speed amount in the fine movement mode.
請求項7に記載の移動装置は、請求項3に記載されたもので、前記制御部は、前記待機位置モードのときに、前記作動量センサの検出値に基づいて、前記複数の可動部を、各々所定の速度量で前記初期姿勢となるよう前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the moving device according to the third aspect, wherein the control unit controls the plurality of movable units based on a detection value of the operation amount sensor in the standby position mode. The braking amounts of the plurality of electric control brakes are controlled so as to be in the initial posture at a predetermined speed amount.
請求項8に記載の移動装置は、請求項7に記載されたもので、前記制御部は、前記複数の可動部を順番に1つずつ前記初期姿勢となるように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。 The movement device according to an eighth aspect is the movement device according to the seventh aspect, in which the control unit is configured to control the plurality of electric control brakes so that the plurality of movable units are in the initial posture one by one in order. The braking amount is controlled.
請求項9に記載の移動装置は、請求項8に記載されたもので、前記制御部は、前記各可動部を、前記移動台に近い側から順番に前記初期姿勢となるように前記複数の電気制御ブレーキの制動量を制御することを特徴とする。 The moving device according to a ninth aspect is the apparatus according to the eighth aspect, wherein the control unit moves the plurality of movable units to the initial posture in order from a side closer to the moving table. It is characterized by controlling the braking amount of the electric control brake.
請求項10に記載の移動装置は、請求項3に記載されたもので、前記制御部は、前記閾値としての第1の閾値、および第2の閾値に基づいて判別し、前記移動台の所定方向に作用する外力の大きさが、第1の閾値を超えるときに前記粗動モード、該第1の閾値よりも大きい第2の閾値以上のときに前記微動モードと判別することを特徴とする。 A moving apparatus according to a tenth aspect is the moving apparatus according to the third aspect , wherein the control unit makes a determination based on a first threshold value and a second threshold value as the threshold value, and determines a predetermined value of the moving table. The coarse movement mode is determined when the magnitude of the external force acting in the direction exceeds a first threshold, and the fine movement mode is determined when the magnitude is equal to or greater than a second threshold greater than the first threshold. .
請求項11に記載の移動装置は、請求項1または2に記載されたもので、前記モード選択手段は、操作スイッチを備えていることを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided the moving apparatus according to the first or second aspect, wherein the mode selection means includes an operation switch.
請求項12に記載の移動装置は、請求項11に記載されたもので、前記制御部は、前記操作スイッチの接点状態に基づいて、前記固定モードか否かを判別することを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided the moving device according to the eleventh aspect , wherein the control unit determines whether or not the operation mode is the fixed mode based on a contact state of the operation switch.
請求項13に記載の移動装置は、請求項1または2に記載されたもので、前記モード選択手段は、マイクおよび音声認識回路を備えていることを特徴とする。 According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided the mobile device according to the first or second aspect, wherein the mode selection means includes a microphone and a voice recognition circuit.
請求項14に記載の移動装置は、請求項1または2に記載されたもので、前記可動部が関節でなる多関節アームで前記移動機構が構成されていることを特徴とする。 A moving device according to a fourteenth aspect is the moving device according to the first or second aspect, wherein the moving mechanism is configured by a multi-joint arm in which the movable portion is a joint.
請求項15に記載の移動装置は、請求項1または2に記載されたもので、前記移動機構には、無電源時に作動して前記複数の可動部の各々を固定する複数の無励磁作動ブレーキが付されていることを特徴とする。 A moving device according to a fifteenth aspect is the moving device according to the first or second aspect, wherein a plurality of non-excitation operating brakes that operate when no power is supplied to the moving mechanism to fix each of the plurality of movable parts. It is characterized by being attached.
請求項16に記載の移動装置は、請求項15に記載されたもので、前記複数の無励磁作動ブレーキへの電源の供給を停止させる非常停止スイッチが付されていることを特徴とする。 According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided the moving device according to the fifteenth aspect , wherein an emergency stop switch for stopping supply of power to the plurality of non-excitation brakes is attached.
請求項17に記載の移動装置は、請求項1または2に記載されたもので、前記電気制御ブレーキは、パウダブレーキ、ヒステリシスブレーキ、電気粘性流体ブレーキ、または磁性流体ブレーキのいずれかであることを特徴とする。
A moving device according to
請求項18に記載の移動装置は、請求項1または2に記載されたもので、前記作動量センサは、エンコーダ、またはポテンショメータであることを特徴とする。 A moving device according to an eighteenth aspect is the moving device according to the first or second aspect, wherein the operation amount sensor is an encoder or a potentiometer.
請求項19に記載の移動装置は、請求項1または2に記載されたもので、前記力覚センサは、6軸力トルクセンサ、または3軸力センサであることを特徴とする。 According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided the moving device according to the first or second aspect, wherein the force sensor is a six-axis force torque sensor or a three-axis force sensor.
請求項20に記載の移動装置は、請求項1または2に記載されたもので、前記付勢機構は、定荷重ばね、コイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢するものであることを特徴とする。
The moving device according to
本発明の移動装置は、付勢機構で付勢された移動台を、移動台に作用する外力で移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構に付された、可動部の動きを制動する複数の電気制御ブレーキを、制御部が、モード選択手段によって選択されるモード、並びに、作動量センサおよび/または力覚センサの検出値に基づいて各制動量を制御するものである。このため、移動台の移動が制動されて、付勢力や外力によって移動台が意図以上に大きく速く動くことが防止されて、作業中であっても安全かつ所望する位置に確実に調整することができる。さらに、例えばオペレータの腕の力などの外力で移動台が位置調整されるため、例えば電気モータなどで能動的に移動させる装置と比較して、誤操作の危険性がなく安全である。 The moving device of the present invention brakes the movement of a movable part attached to a moving mechanism having a plurality of movable parts that movably supports the movable table urged by the urging mechanism with an external force acting on the movable table. The control unit controls the braking amounts of the plurality of electric control brakes based on the mode selected by the mode selection unit and the detection values of the operation amount sensor and / or the force sensor. For this reason, the movement of the moving table is braked, and the moving table is prevented from moving much faster than intended by the biasing force or external force, so that it can be adjusted safely and securely to the desired position even during work. it can. Furthermore, since the position of the moving table is adjusted by an external force such as the force of the operator's arm, for example, there is no risk of erroneous operation as compared with a device that is actively moved by an electric motor or the like.
移動装置は、移動台がオペレータの腕を支持する腕台であることにより、腕の位置調整を安定して確実に行うことができる。 In the moving device, the position of the arm can be adjusted stably and reliably because the moving base is an arm base that supports the arm of the operator.
移動装置は、モード選択手段によって、移動台を微動モードか、粗動モードか、待機位置モードか、固定モードかを選択されて、制御部は、前記各モードに応じた制動量で電気制動ブレーキを制御する。これにより、作業箇所まで粗動モードで迅速に移動台を移動させ、作業箇所近くでは微動モードで所望する位置にゆっくりと確実に調整することができる。僅かな位置変更も微動モードで確実に所望する位置に調整することができる。さらに、待機位置モードを備えることで、付勢機構による付勢力で自動的に、しかも安全な速度で待機位置まで移動台を戻すことができる。さらに、固定モードを備えることで、位置調整した移動台を確実に固定することができる。 The moving device is selected by the mode selection means as to whether the moving table is in the fine movement mode, coarse movement mode, standby position mode, or fixed mode, and the control unit performs the electric braking brake with a braking amount corresponding to each mode. To control. Accordingly, the moving table can be quickly moved to the work location in the coarse motion mode, and can be slowly and surely adjusted to a desired position in the fine motion mode near the work location. A slight position change can be reliably adjusted to a desired position in the fine movement mode. Furthermore, by providing the standby position mode, it is possible to return the moving table to the standby position automatically by the urging force of the urging mechanism and at a safe speed. Furthermore, by providing the fixing mode, the position-adjusted movable table can be fixed securely.
移動装置は、制御部が微動モードのときに、力覚センサの検出値に基づいて、移動台に作用する外力方向に、外力に対応した速度量で移動台が動くように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータが所望する方向にのみ移動台が移動して、さらに、オペレータの外力の掛け具合で移動台の速さが変化するため、オペレータの意思を細やかに反映させた微動速度で移動台の位置調整を確実に行うことができる。 When the control unit is in the fine movement mode, the moving device has a plurality of electric control brakes such that the moving table moves in the direction of the external force acting on the moving table at a speed amount corresponding to the external force based on the detection value of the force sensor. The amount of braking is controlled. As a result, the moving table moves only in the direction desired by the operator, and the speed of the moving table changes depending on the degree of external force applied by the operator. Can be reliably adjusted.
移動装置は、微動モードのときに、制御部が力覚センサの検出値に基づいて、移動台に作用する外力方向に、一定の速度量で移動台が動くように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータの移動台に作用させる外力の大小にかかわらず一定の速度で動くため、位置調整を確実に行うことができる。 When the moving device is in the fine movement mode, the control unit brakes a plurality of electric control brakes so that the moving table moves at a constant speed amount in the direction of the external force acting on the moving table based on the detection value of the force sensor. Control the amount. As a result, it moves at a constant speed regardless of the magnitude of the external force applied to the operator's moving platform, so that the position adjustment can be performed reliably.
移動装置は、粗動モードのときに、制御部が力覚センサの検出値に基づいて、移動台に作用する外力方向に、移動台が微動モード時の速度量よりも速い一定の速度量で移動するように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータは所望の方向に移動台を迅速に位置調整することができる。 When the moving device is in the coarse motion mode, the control unit has a constant speed amount that is faster than the speed amount in the fine motion mode in the direction of the external force acting on the moving base, based on the detection value of the force sensor. The amount of braking of the plurality of electric control brakes is controlled so as to move. Thus, the operator can quickly adjust the position of the movable table in a desired direction.
移動装置は、待機位置モードのときに、制御部が作動量センサの検出値に基づいて、複数の可動部を、各々所定の速度量で初期姿勢となるよう複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。この場合の速度量を危険のない速さとすることにより、安全である。 When the moving device is in the standby position mode, the control unit sets the braking amounts of the plurality of electric control brakes so that the plurality of movable units are in an initial posture at a predetermined speed amount based on the detection value of the operation amount sensor. Control. In this case, it is safe by setting the speed amount to a speed without danger.
移動装置は、制御部が、複数の可動部を順番に1つずつ初期姿勢となるように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、可動部が一度に全部動かないため、一層安全である。 In the moving device, the control unit controls the braking amounts of the plurality of electric control brakes so that the plurality of movable units are in the initial posture one by one in order. Thereby, since the movable part does not move all at once, it is safer.
移動装置は、制御部が、移動台に近い側から順番に初期姿勢となるように複数の電気制御ブレーキの制動量を制御する。これにより、オペレータとの接触や衝突が確実に防止されて、一層安全である。 In the moving device, the control unit controls the braking amounts of the plurality of electric control brakes so that the control unit assumes the initial posture in order from the side closer to the moving table. As a result, contact and collision with the operator are surely prevented, which is safer.
移動装置では、力覚センサの検出値が所定の閾値を超えるか否かでモードが選択されることで作業を中断することなく迅速にモード変更することができる。 In the mobile device, the mode can be quickly changed without interrupting the operation by selecting the mode depending on whether or not the detection value of the force sensor exceeds a predetermined threshold.
移動装置では、第1の閾値、および第2の閾値に基づいて判別し、移動台の所定方向に作用する外力の大きさが、第1の閾値を超えるときに粗動モード、第1の閾値よりも大きい第2の閾値以上のときに微動モードと判別する。これにより、例えば、操作スイッチを操作するよりも迅速にモード切換することができ、かつ作業中の姿勢のままモード切換することができる。 In the moving device, the coarse motion mode is determined when the magnitude of the external force acting in the predetermined direction of the moving table exceeds the first threshold value based on the first threshold value and the second threshold value. When the value is equal to or greater than a second threshold value greater than that, the fine movement mode is determined. Thereby, for example, the mode can be switched more quickly than when the operation switch is operated, and the mode can be switched while the posture is being worked.
移動装置では、モード選択手段は、操作スイッチを備えて構成されていることにより、モード選択を確実に行うことができる。 In the mobile device, the mode selection means includes an operation switch, so that mode selection can be performed reliably.
移動装置では、制御部が操作スイッチの接点状態に基づいて固定モードか否かを判別することにより、操作スイッチの操作で移動台を確実に固定でき、安全である。 In the mobile device, the control unit determines whether the operation mode is the fixed mode based on the contact state of the operation switch, so that the mobile platform can be securely fixed by operating the operation switch, which is safe.
移動装置では、モード選択手段は、マイクおよび音声認識回路を備えて構成されていることにより、作業の中断や姿勢の変化なく、音声によりモード切換することができる。 In the mobile device, the mode selection means includes a microphone and a voice recognition circuit, so that the mode can be switched by voice without interruption of work or change in posture.
移動装置は、可動部が関節でなる多関節アームで移動機構が構成されていることにより、腕台を複数の自由度でスムーズに移動させることができる。 The moving device can move the arm base smoothly with a plurality of degrees of freedom because the moving mechanism is configured by a multi-joint arm having a movable part as a joint.
移動装置では、移動機構に、無電源時に作動して複数の可動部の各々を固定する複数の無励磁作動ブレーキが付されていることにより、たとえ停電などで電源の供給が停止したとしても、腕台が固定されるため、安全である。 In the mobile device, even if the supply of power is stopped due to a power failure or the like, the moving mechanism is provided with a plurality of non-excitation operating brakes that operate when no power is supplied and fix each of the plurality of movable parts. Since the armrest is fixed, it is safe.
移動装置では、複数の無励磁作動ブレーキへの電源の供給を停止させる非常停止スイッチが付されていることにより、万が一、機器が誤動作したとしても、非常停止スイッチの操作で移動台が即座に固定されるため、安全である。 The mobile device is equipped with an emergency stop switch that stops the supply of power to multiple non-excitation brakes, so that even if a device malfunctions, the mobile platform can be fixed immediately by operating the emergency stop switch. To be safe.
移動装置では、電気制御ブレーキがパウダブレーキ、ヒステリシスブレーキ、電気粘性流体ブレーキ、または磁性流体ブレーキのいずれかであることにより、制動量を安定して確実かつスムーズに可変することができ、腕台をスムーズに位置調整することができる。 In the mobile device, the electric control brake is either a powder brake, a hysteresis brake, an electrorheological fluid brake, or a magnetic fluid brake, so that the braking amount can be varied stably and surely and smoothly. The position can be adjusted smoothly.
移動装置では、作動量センサがエンコーダ、またはポテンショメータであることにより、制御部が可動部の作動量を正確に検知できるため、移動台をスムーズに位置調整することができる。 In the moving device, since the operation amount sensor is an encoder or a potentiometer, the control unit can accurately detect the operation amount of the movable unit, so that the position of the moving table can be adjusted smoothly.
移動装置では、力覚センサが6軸力トルクセンサ、または3軸力センサであることにより、移動台に作用する外力を全方位で精細に検知可能なため、所望の位置に正確に位置調整できる。 In the moving device, since the force sensor is a six-axis force torque sensor or a three-axis force sensor, the external force acting on the moving table can be precisely detected in all directions, so that the position can be accurately adjusted to a desired position. .
移動装置では、付勢機構が定荷重ばね、コイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢するものであることにより、簡便な構造とすることができる。 In the moving device, the urging mechanism includes a constant load spring, a coil spring, a torsion coil spring, a leaf spring, rubber, or a counterweight, and can be urged to have a simple structure.
以下、本発明の実施の好ましい形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施の形態に限定されるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail, but the scope of the present invention is not limited to these embodiments.
図1には、本発明の移動装置の一実施形態である腕支持装置が、椅子に装着されている状態での斜視図が示されている。この腕支持装置1は、一例として、脳神経外科手術や脳外科手術の際に、手術を行う医師が腕を支持固定するために用いられるものである。また、図2には、腕支持装置1の右側(図1の椅子の外側)から観察した側面図、図3には、腕支持装置1の左側(図1の椅子の内側)から観察した側面図、図4には、腕支持装置1の上面図が示されている。図2〜図3では、椅子の図示は省略している。なお、本明細書中で右、左、前、後などの方向を説明する場合には、椅子30に座った医師から見た場合の方向で記載する。
FIG. 1 shows a perspective view of an arm support device, which is an embodiment of the moving device of the present invention, mounted on a chair. As an example, the
図1に示されるように、腕支持装置1は、椅子30の座面31の裏側後部から右手側方に突出する取付台32aに装着されている。なお、椅子30の座面の裏側後部から左手側方に突出する取付台32bにも、腕支持装置1の左右対称形のものが装着されるが、左右対称形である以外は同様のものであるため、図示や説明を省略する。
As shown in FIG. 1, the
腕支持装置1は、多関節アーム2、腕台3、フットスイッチ4、非常停止スイッチ5、および制御ボックス6を備えている。
The
多関節アーム2は、腕台3に作用する外力によって腕台3を移動可能に支持する複数の可動部を有する移動機構であって、この例では、可動部である5つの関節11,12,13,14,15を有して5自由度に構成されている。関節11〜15は回転関節であり、これらによって、多関節アーム2は、支持部16、肩部17、第1腕部18、第2腕部19、第3腕部20、先端部21が連結されている。以下、図1〜図4を参照しつつ具体的に説明する。
The
支持部16は、その上部までの高さを調整可能な回転ハンドルを備え、椅子30に固定される。支持部16の上部には、関節11を介することで肩部17が回動自在に連結されている。関節11は、その回転軸が垂直方向を向いており、肩部17は、図2に太線矢印で示されるように、首振り回動する。
The
支持部16には、その上部に、関節11の回動を制動するパウダブレーキ11a、関節11の回動した量を検知するエンコーダ11b、および関節11の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ11cが付されている。また、肩部17の下部には、関節11の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね11dが付されている。関節11の初期姿勢は、一例として、肩部17に連結される第1腕部18が、椅子の側面に対して30度の角度で開いた姿勢とする。関節11は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも内側(椅子30側)の範囲で回動する。
The
肩部17には、関節12を介することで、一例として約35cmの長さの第1腕部18の端部が回動自在に連結されている。関節12は、その回転軸が水平方向を向いており、図2に太線矢印で示されるように、第1腕部18は関節12を支点にして上下方向に往復回動する。この第1腕部18は、平行リンクで構成されている。
As an example, the end of the
肩部17には、関節12の回動を制動するパウダブレーキ12a、関節12の回動した量を検知するエンコーダ12b、関節12の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ12c、および、関節12の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね12dが付されている。関節12の初期姿勢は、一例として、水平面に対して第1腕部18の先端側が下向きに30度の角度で下がった姿勢とする。関節12は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも下側の範囲で回動する。
The
第1腕部18の先端には、関節13を介することで、一例として約35cmの長さの第2腕部19の端部が回動自在に連結されている。関節13は、その回転軸が水平方向に向いており、図2に太線矢印で示されるように、第2腕部19は関節13を支点にして上下方向に往復回動する。この第2腕部19は、平行リンクで構成されている。また、第2腕部19には、関節13近くに、第2腕部19を吊り持ち支持してその動きを可動可能に保持する支持ロッド19aが連結されている。支持ロッド19aは、その他端が肩部17に設けられた第2腕支持部19bに連結されている。
As an example, an end of the
肩部17の第2腕支持部19bには、関節13の回動を制動するパウダブレーキ13a、関節13の回動した量を検知するエンコーダ13b、関節13の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ13c、および、関節13の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね13dが付されている。これらによる制動力や付勢力は、支持ロッド19aによって第2腕部19に伝達されている。関節13の初期姿勢は、一例として、第1腕部18に対して90度の角度の位置とする。関節13は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも開度が大きな角度となる範囲で回動する。
The second
第2腕部19の先端には、関節14を介することで第3腕部20が回動自在に連結されている。関節14は、その回転軸が水平方向に向いており、図2に太線矢印で示されるように、第3腕部20は関節14を支点にして前後方向に回動する。関節12〜14の回転軸は、略平行に設けられている。第3腕部20には、関節14近くに、第3腕部20を支持してその動きを規定する支持ロッド20aが連結されている。支持ロッド20aは、その他端が関節13近くに設けられた第3腕支持部20bに連結されている。
A
第3腕支持部20bは、支持ロッド20aを可動可能に支持している。この第3腕支持部20bには、関節14の回動を制動するパウダブレーキ14a、関節14の回動した量を検知するエンコーダ14b、関節14の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ14c、および、関節14の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね14dが付されている。これらによる制動力や付勢力は、支持ロッド20aによって第3腕部20に伝達される。関節14の初期姿勢は、一例として、第2腕部19に対して、後述する腕台3の支柱3dの角度が90度の角度の位置とする。関節14は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも開度が大きな角度となる範囲で回動する。
The 3rd
第3腕部20には、関節15を介することで先端部21が回動自在に連結されている。関節15の回転軸は、関節14の回転軸に直交しており、図2に太線矢印で示されるように、先端部21は首振り回動する。
A
先端部21には、関節15の回動を制動するパウダブレーキ15a、関節15の回動した量を検知するエンコーダ15b、関節15の回動を無電源時に固定する無励磁作動ブレーキ15c、および、関節15の動きを所定の初期姿勢となるように付勢する定荷重ばね15dが付されている。関節15の初期姿勢は、一例として、後述する腕台3の支持棒3cが、第1腕部18に沿った面に平行になる位置とする。関節15は、この初期姿勢を可動限界として、初期姿勢よりも、後述する手支持台3bが内側(椅子30側)に近づく範囲に回動する。
The
先端部21には、6軸力トルクセンサ8を介して、腕台3を支持する支柱3dが取り付けられている。6軸力トルクセンサ8は、力覚センサの一例であって、3軸方向の力、および3軸まわりのトルクを検知するものである。この6軸力トルクセンサ8は、モード選択手段としても機能する。
A
上記したパウダブレーキ11a〜15aは、電気制御ブレーキの一例であって、制動伝達媒体に磁性粉体(パウダー)を用いて、制御電流に比例した制動トルク(制動量の一例)を発生させるものであり、安定して確実かつスムーズに制動トルクを調整可能なものである。さらに、パウダブレーキ11a〜15aは、関節11〜15の回動を停止させて固定(ロック)させる制動トルクを有するものである。
The above-described
エンコーダ11b〜15bは、作動量センサの一例であって、関節11〜15の回転変位量、または回転角変位量などの動きの量に基づいたディジタルパルス信号を出力する。この場合、回転式のエンコーダを用いている。
The
無励磁作動ブレーキ11c〜15cは、電源供給時には無制動で自在に回動するが、無電源時に制動トルクを発揮させるブレーキで、関節11〜15の回動を停止させ固定する制動トルクを有するものである。
The
定荷重ばね11d〜15dは、付勢機構の一例であって、関節の回転位置が変化しても荷重及びトルクがほぼ一定なばねである。定荷重ばねを用いることで、簡便な装置とすることができると共に、各関節11〜15の回転する角速度を容易に制御することができる。 The constant load springs 11d to 15d are an example of an urging mechanism and are springs in which the load and torque are substantially constant even when the rotational position of the joint changes. By using a constant load spring, a simple device can be obtained, and the angular velocity of rotation of each joint 11 to 15 can be easily controlled.
腕台3は、移動台の一例であって、オペレータである医師の腕を載せて支持可能なものであり、前腕支持台3aおよび手支持台3bで構成されている。前腕支持台3aは、医師の前腕にフィットして支持するように、樹脂によって上向きの浅い略U字型に形成されている。この前腕支持台3aは、6軸力トルクセンサ8に取り付けられた支柱3dの上部に固定されている。手支持台3bは、手の平の側面を載せて支持するように、前腕支持台3aよりも小さな大きさで、樹脂によって上向きの浅い略U字型に形成されている。図2、図3に示されるように、手支持台3bは、前腕支持台3aの下部から前方に伸びる金属製の支持棒3cの先端に固定されている。支持棒3cは、前腕支持台3aを固定する支柱3dに蝶ナット2本で、手支持台3bの前後方向の位置を調整可能に取り付けられている。
The arm table 3 is an example of a moving table, and can support the arm of a doctor who is an operator, and includes a forearm support table 3a and a hand support table 3b. The
腕台3は、関節11〜15が各々の所定の初期姿勢となるように付勢されていることで、待機位置に向けて付勢されている。この付勢力は、腕台3に何も載せられていないときに腕台3を待機位置に移動させ、腕台3の使用時には腕から掛けられる力に支持バランスさせ、医師に適度な反力を与えつつ腕台3の位置を容易に調整可能な付勢力である。腕台3の待機位置は、一例として、医師が椅子30に座った際に医師の術野に対して上方後方で椅子30よりも外側に位置するものであって、腕支持装置1を使用しないときに医師に干渉しない位置であり、再度の使用時に無理なく容易に使用開始できる位置である。
The
フットスイッチ4は、モード選択手段としての操作スイッチの一例であって、図1に示されるように、椅子30の足置台33に備えられて、腕支持装置1の作動モードを固定モードか他のモードかを足で切換操作されるものである。このフットスイッチ4は、踏み込み操作するたびにON/OFF(接点状態)が切り換わる。
The foot switch 4 is an example of an operation switch serving as a mode selection unit. As shown in FIG. 1, the foot switch 4 is provided on the
非常停止スイッチ5は、一例として、腕台3の支柱3dの医師側の側面に設けられた押しボタンスイッチであって、腕台3を緊急固定させるスイッチとして機能する。
As an example, the
制御ボックス6は、図1に示されるように椅子30の台座部分に配され、腕支持装置1の作動を制御する制御部などを内蔵する。上記したフットスイッチ4、非常停止スイッチ5、6軸力トルクセンサ8、パウダブレーキ11a〜15a、エンコーダ11b〜15b、および無励磁作動ブレーキ11c〜15cは、各々電気配線(非図示)で制御ボックス6に接続されている。
As shown in FIG. 1, the control box 6 is arranged on the pedestal portion of the
図5には、電気系統図が示されている。制御ボックス6には、制御部9、電源部40、D/A変換器11e〜15e、ドライバ11f〜15f、カウンタ11g〜15g、A/D変換器41、およびアンプ42が備えられている。
FIG. 5 shows an electrical system diagram. The control box 6 includes a
制御部9は、中央演算装置、動作プログラムや制御用の変数などが記憶されるROM、演算処理に使用されるRAM、外部機器とのインタフェース回路、基準クロック信号を生成用の水晶発振器(共に非図示)などを備えて腕支持装置1の動作を制御する。
The
図5に示されるように、制御部9には、フットスイッチ4が接続されて、このフットスイッチ4のON/OFF信号が入力される。また、制御部9には、6軸力トルクセンサ8によって検知された検知信号が、アンプ42で増幅されて、さらにA/D変換器41でアナログ/ディジタル変換されて入力される。また、制御部9は、出力する5系統の制動制御信号を出力し、この制動制御信号がD/A変換器11e〜15eでディジタル/アナログ変換され、さらに、ドライバ11f〜15fで駆動信号となって、パウダブレーキ11a〜15aを各々独立して制御する。さらに、制御部9には、エンコーダ11b〜15bによって出力されるパルス信号が、カウンタ11g〜15gによってカウントされて検知信号として入力される。この検知信号に基づいて、制御部9は、関節11〜15の回転する角速度や回転角度、回転位置を判別することができる。
As shown in FIG. 5, the foot switch 4 is connected to the
電源部40は、商用100Vの交流電源(非図示)に接続されて、腕支持装置1の各部に電源供給する。この電源部40から、無励磁作動ブレーキ11c〜15cに電源供給されている。さらに、電源部40には、非常停止スイッチ5が接続されている。電源部40は非常停止スイッチ5が押下されたときに、即座に無励磁作動ブレーキ11c〜15cへの電源供給を停止可能に構成されている。このため、この腕支持台1では、停電などで電源供給が停止された時、および、非常停止スイッチ5が押下された時には、制御部9による処理には無関係に、電源部40から無励磁作動ブレーキ11c〜15cへの電源供給が即座に停止されて、関節11〜15の動きが即座に固定される。これにより、腕台3の動きが固定されて安全である。
The
次に、腕支持装置1の動作および制御方法の一例を、図6に示されるフローチャートに従って説明する。
Next, an example of the operation and control method of the
図6のフローチャートに示されるように、制御部9が作動を開始するとまず中央演算処理装置が動作プログラムをROMから読み込むなどの初期化を行う(ステップ61)。続いて、ループ処理を開始する(ステップ62)。このループ処理では、制御部9は、フットスイッチ4がONかOFFかを判別し(ステップ63)、ONであれば腕台3の動きを固定すべき固定モード処理を開始する(ステップ64)。この場合、制御部9は、全てのパウダブレーキ11a〜15aを固定させる制動トルクに制御する(ステップ65)。これにより、関節11〜15の動きが固定されて、腕台3が固定される。
As shown in the flowchart of FIG. 6, when the
ステップ63で、制御部9は、フットスイッチ4がONされてないときには、6軸力トルクセンサ8の検出値を読み取る(ステップ66)。
In
制御部9は、読み込んだ6軸力トルクセンサ8の検出値に基づいて、腕台3を待機位置に移動すべき待機位置モードか否かを判別する(ステップ67)。待機位置モードとは、腕台3を待機位置に自動的に移動させるモードである。待機位置モードとする判別条件は、一例として、腕台3に外力が所定時間作用していないとき、つまり腕台3に腕が所定時間載せられておらず、6軸力トルクセンサ8によって腕台3のみの重さが検知される場合とする。制御部9は、待機位置モードと判別したときに待機位置モード処理を開始する(ステップ68)。
Based on the detected value of the 6-axis
この場合には、制御部9は、パウダブレーキ11a〜15aの制動トルクを決定する制動量決定処理A1を行う(ステップ69)。制御部9は、制動量決定処理A1で決定された制動トルクにパウダブレーキ11a〜15aを制御して(ステップ70)、その状態を維持してステップ62に戻る。制動量決定処理A1については後述する。
In this case, the
制御部9は、ステップ67で待機位置モードでないと判別したときは、粗動モードか否かを判別する(ステップ71)。粗動モードとは、腕台3を素早く動かして、手術部位近くまで、大まかに位置を調整するモードである。なお、粗動モードのときに腕台3を動かす速度・角速度を粗動速度ともいう。粗動モードとする判別条件は、腕台3の所定方向に作用する力の大きさが第1の閾値を超える場合とする。この所定方向とは、一例として、腕台3の前腕支持台3aを支持する支柱3dの軸方向に、その向きを前腕支持台3aから支柱3dに向かう方向とする。また、第1の閾値とは、一例として、腕台3に腕が載せられているか否か判別可能な値とする。つまり、軽い力で前腕支持台3aを支柱3d方向に押しているときには、粗動モードになる。
When it is determined in
制御部9は、粗動モードと判別したときに粗動モード処理を開始する(ステップ72)。この場合、制御部9は、パウダブレーキ11a〜15aの制動トルクを決定する制動量決定処理A2を行う(ステップ73)。制御部9は、制動量決定処理A2で決定された制動トルクにパウダブレーキ11a〜15aを制御して(ステップ74)、その状態を維持してステップ62に戻る。制動量決定処理A2については後述する。
The
制御部9は、ステップ71で粗動モードでないと判別したときは、微動モードか否かを判別する(ステップ75)。微動モードとは、腕台3をゆっくりと動かして、その位置を微調整するモードである。なお、微動モードのときに腕台3を動かす速度・角速度を微動速度ともいう。微動モードとする判別条件は、前記した所定方向に腕台3に作用する力の大きさが第2の閾値以上の場合とする。第2の閾値は第1の閾値よりも大きな値とする。第2の閾値とは、一例として、医師が手術を行う際に前腕支持台3aに掛かる力の垂下方向の力よりも若干大きな力とする。つまり、所定の強い力で前腕支持台3aを支柱3d方向に押しているときには、微動モードになる。
When it is determined at
制御部9は、微動モードと判別したときに微動モード処理を開始する(ステップ76)。この場合、制御部9は、パウダブレーキ11a〜15aの制動トルクを決定する制動量決定処理A3を行う(ステップ77)。制御部9は、制動量決定処理A3で決定された制動トルクでパウダブレーキ11a〜15aを制御して(ステップ78)、その状態を維持してステップ62に戻る。制動量決定処理A3については後述する。
The
制御部9は、ステップ75で微動モードでないと判別したときにはエラーであるとして(ステップ79)、ステップ62に戻る。
When it is determined in
制御部9は、このステップ62からループ終了のステップ80までのループを短い時間間隔で繰り返し実行する。
The
次に、図7に示されるフローチャートに従って、待機位置モードにおける制動量決定処理A1について説明する。 Next, the braking amount determination process A1 in the standby position mode will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
制動量決定処理A1では、先ず制御部9は、エンコーダ15bの検出値に基づいて関節15が初期姿勢にあるか否かを判別する(ステップ101)。制御部9は、関節15が初期姿勢に無いと判別したときは、エンコーダ11bの検出値から、関節15の現在の角速度を算出し、ROMに記憶されている格納速度である目標角速度との差分を計算する(ステップ102)。この目標角速度は、腕台3から医師が手を外したときに腕台3が自動的に動いて待機位置まで戻るのに危険のない安全なゆっくりとした角速度であり、予めROMに設定しておく。
In the braking amount determination process A1, first, the
続いて、制御部9は、計算した差分に基づいて、関節15が目標角速度になるような制動トルクを計算して、パウダブレーキ15aの制動トルクを決定すると共に、パウダブレーキ11a〜14aの制動トルクを関節11〜14が固定される制動トルクに決定する(ステップ103)。
Subsequently, based on the calculated difference, the
制御部9は、ステップ101で関節15が初期姿勢にあると判別したときは、エンコーダ14bの検出値に基づいて関節14が初期姿勢にあるか否かを判別する(ステップ104)。制御部9は、関節14が初期姿勢に無いと判別したときは、エンコーダ14bの検出値から、関節14の現在の角速度を算出し、目標角速度との差分を計算する(ステップ105)。続いて、制御部9は、計算した差分に基づいて、関節14が目標角速度になるような制動トルクを計算して、パウダブレーキ14aの制動トルクを決定すると共に、パウダブレーキ11a〜13aは関節11〜13が固定される制動トルクに決定する(ステップ106)。すでに初期姿勢にある関節15のパウダブレーキ15aは無制動とする(ステップ106)。なお、以下のステップ109,112,115,116では、すでに初期姿勢にある関節のパウダブレーキは無制動とする。制御部9は、ステップ104で関節15が初期姿勢にあると判別したときは、関節13が初期姿勢にあるか否かを判別する(ステップ107)。
When it is determined in
以下、同様にして、制御部9は、ステップ107で、関節13が初期姿勢に無いと判別したときには、ステップ108で目標角速度と関節13の現在の角速度との差分を計算して、ステップ109で、関節13が目標角速度になるような制動トルクを計算して、パウダブレーキ13aの制動トルクを決定する。また、ステップ109で、パウダブレーキ11a,12aの制動トルクを、関節11,12が固定される制動トルクに決定する(ステップ109)。ステップ107で関節13が初期姿勢にあると判別したときは、ステップ110を実行する。
Similarly, when it is determined in
さらに、制御部9は、関節12が初期姿勢に無いとき(ステップ110)は、ステップ111,112で関節12を目標角速度にするようにパウダブレーキ12aの制動トルクを決定し、パウダブレーキ12aの制動トルクを関節12が固定される制動トルクに決定する。ステップ110で、関節12が初期姿勢にあるときは、制御部9は、ステップ113を実行する。さらに、制御部9は、関節11が初期姿勢に無いとき(ステップ113)は、ステップ114,115で関節11を目標角速度にするようにパウダブレーキ11aの制動トルクを決定する。制御部9は、ステップ113で、関節11が初期姿勢にあると判別したときは、待機位置モードを終了する(ステップ116)。
Further, when the joint 12 is not in the initial posture (step 110), the
このように制動トルクを決定することで、待機位置モードでは、多関節アーム2が危険のないゆっくりとした格納速度で動くため安全である。また、手術部位に近い関節から順番で、つまり関節15、関節14、関節13、関節12、関節11の順番で、1つずつ初期姿勢に戻るため、医師との接触や衝突が防止されて一層安全である。また、移動による機器の衝撃もない。
By determining the braking torque in this way, in the standby position mode, the articulated
次に、図8に示されるフローチャートに従って、粗動モードにおける制動量決定処理A2について説明する。 Next, the braking amount determination process A2 in the coarse movement mode will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
説明するにあたり、図10に示されるように、6軸力トルクセンサ8のX,Y,Z軸方向の力成分検出値をFx,Fy,Fzとし、そのX,Y,Z軸回りのモーメント成分の検出値をMx,My,Mzとする。また、同図に示されるように、手支持台3bの先端部のX,Y,Z軸方向の速度成分をVx,Vy,Vzとし、そのX,Y,Z軸回りの角速度成分をωx,ωy,ωzとする。なお、手支持台3bの先端部を単に腕台3先端部ともいう。
In the description, as shown in FIG. 10, the force component detection values in the X, Y, and Z axis directions of the six-axis
制動量決定処理A2では、制御部9は、6軸力トルクセンサ8の検出値のZ軸成分の力Fzが0よりも大きいか否か判別する(ステップ120)。力成分Fzが、0よりも大きいとき、すなわち、腕台3から下方向に力が掛っている場合に、制御部9は、6軸力トルクセンサ8の検出値から式(1)によって6軸力トルクの方向ベクトルFunitに変換する(ステップ121)。この変換によって、方向のみを示すベクトルFunitとなる。
In the braking amount determination process A2, the
次に制御部9は、式(2)によって腕台先端速度・角速度ベクトルVを算出する(ステップ122)。
Next, the
腕台先端速度・角速度ベクトルVは、次の式(4)で表わされる。 The armrest tip velocity / angular velocity vector V is expressed by the following equation (4).
続いて制御部9は、関節11〜15の各関節速度ベクトルSを、ヤコビ行列を用いた逆運動学演算である式(5)から算出し、関節11〜15の目標角速度を算出する(ステップ123)。
Subsequently, the
次に制御部9は、その各目標角速度からパウダブレーキ11a〜15aの制動トルクを決定し(ステップ124)、制動量決定処理A2を終了する。
Next, the
ステップ120で、制御部9は、力成分Fzが0よりも大きくないと判別したとき、つまり、腕台3に腕からの重さが掛っていないと判別したときには、腕台3を上方に移動させるものとして、腕台先端速度・角速度ベクトルVを、次の式(6)の固定値とする(ステップ125)。
When the
続いて制御部9は、ステップ124で制動トルクを決定し、制動量決定処理A2を終了する。
Subsequently, the
このように制動トルクを決定することで、粗動モードでは、何れの方向にも一定の力で速く腕台3を動かすことができる。また、腕台3に力を掛けなければ、上方にCONST1の速度で移動する。このとき腕台3の移動する速度は、微動速度よりも速い速度・角速度で移動するように設定しておくことで、医師は、所望の方向に腕台3を迅速に位置調整することができる。
By determining the braking torque in this way, the
次に、図9に示されるフローチャートに従って、微動モードにおける制動量決定処理A3について説明する。 Next, the braking amount determination process A3 in the fine movement mode will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
制動量決定処理A3では、制御部9は、6軸力トルクセンサ8の検出値のZ軸成分の力Fzが0よりも大きいか否か判別する(ステップ130)。力Fzが、0よりも大きいとき、すなわち、腕台3から下方向に力が掛っている場合に、制御部9は、6軸力トルクセンサ8の検出値を、式(7)の6軸力トルクFとする(ステップ131)。6軸力トルクFには、力やトルクの大きさおよび方向が含まれる。
In the braking amount determination process A3, the
次に制御部9は、次の式(8)で示される粘性マトリクスCを用いて、前述した式(2)のFunitをFに換えて計算して、腕台先端速度・角速度ベクトルVを算出する(ステップ132)。
Next, the
続いて制御部9は、関節11〜15の各関節速度ベクトルSを前述した式(5)から算出し、目標角速度とする(ステップ133)。
Subsequently, the
次に制御部9は、その各目標角速度からパウダブレーキ11a〜15aの制動トルクを決定し(ステップ134)、制動量決定処理A2が終了する。
Next, the
ステップ130で、制御部9は、力成分Fzが0よりも大きくないと判別したとき、つまり、腕台3に腕からの重さが掛っていないと判別したときには、腕台3を上方に移動させるものとして、腕台先端速度・角速度ベクトルVを、次の式(9)の固定値とする(ステップ135)。
In
続いて制御部9は、ステップ134で制動トルクを決定し、制動量決定処理A3を終了する。
Subsequently, the
このように処理することで、微動モードでは、医師が所望する方向にのみ移動台が移動して、さらに、医師の腕の力の掛け具合で移動台の移動速度が変化するため、医師の意思を細やかに反映させた微動速度で腕台3の位置調整を確実に行うことができる。また、腕台3に力を掛けなければ、上方にCONST2の速度でゆっくりと移動して位置調整を確実に行うことができる。
By processing in this way, in the fine movement mode, the moving base moves only in the direction desired by the doctor, and further, the moving speed of the moving base changes depending on the force applied by the doctor's arm. Thus, the position adjustment of the
このように、この腕台支持装置1では、固定モード、待機位置モード、粗動モード、および微動モードを切り換えて腕台3を使用できる。いずれのモードでも、間接11〜15が制御された制動トルクで制動されるため、腕台3の移動が規制されて、付勢力や外力によって腕台3が意図以上に大きく速く動くことが防止されて、作業中であっても安全かつ所望する位置に確実に調整することができる。さらに、医師の腕の力で腕台3が位置調整されるため、例えば電気モータなどで能動的に移動させる装置と比較して、誤操作の危険性がなく安全である。また、定加重ばね11d〜15dを備えたことで、多関節アーム2の自重が支えられるだけでなく、待機位置まで腕台3を外力によらず移動させることができ、さらに、医師の腕に反力を提示することができる。医師は、腕に反力がかかるため、安定して操作することができる。
As described above, in the
この腕台支持装置1では、手術部位付近まで粗動モードで迅速に移動台を移動させ、手術部位近くでは微動モードで所望する位置にゆっくりと確実に調整することができる。僅かな位置変更も微動モードで確実に所望する位置に調整することができる。さらに、待機位置モードを備えることで、定荷重ばね11d〜15dによる付勢力で自動的に、しかも安全な速度で待機位置まで腕台3を戻すことができる。さらに、固定モードを備えることで、位置調整後の腕台3を確実に固定することができる。
In the
上記した腕台支持装置1では、モード選択手段として、固定モードを選択するものとしてフットスイッチ4が備えられ、微動モード、粗動モード、待機位置モードを選択するものとして6軸力トルクセンサが備えられた例について説明したが、フットスイッチ4と同様のスイッチをさらに2つ追加して備えて、追加した1つのフットスイッチに微動モード、追加した他のフットスイッチに粗動モードを対応させて、いずれのフットスイッチがONになるかによって、制御部9が固定モード、微動モード、粗動モードを切換制御してもよい。また、さらにフットスイッチを1つ追加して、待機位置モードへの切り換えも、このさらに追加したフットスイッチで切り換えてもよい。
The above-described
また、モード選択手段として、図5に破線で示したように、マイク45および音声認識回路46を制御部9に接続して、医師がマイク45に音声指示した内容を、音声認識回路46が検出して、その音声指示の内容で制御部9は各モードの切り換えをする構成とすることもできる。また、フットスイッチ4で固定モードを選択し、マイク45および音声認識回路46で微動モード、粗動モード、待機位置モードを選択するように組み合わせる構成としてもよい。
As mode selection means, as shown by a broken line in FIG. 5, the microphone 45 and the voice recognition circuit 46 are connected to the
また、腕支持装置1が6軸力トルクセンサ8を備えた例について説明したが、可動部の数や移動制御の精度に応じて3軸力センサ、または複数の1軸力センサなどに換えることもできる。例えば、3軸力センサを備えた場合には、力成分だけで位置を制御する。
Further, the example in which the
また、腕支持装置1が5自由度の多関節アーム2を備えた例について説明したが、その自由度は任意のものに変更することができる。また、関節は、回転関節に換えて、直動関節を用いることもできる。直動関節の場合、制御部は、外力に対応した速度(速度量の一例)で腕台3が動くように電気制御ブレーキの制動力(制動量の一例)を制御する。
Further, although the example in which the
また、上記した説明では、腕支持装置1がパウダブレーキ11a〜15aを備えた例について説明したが、これに換えて、電磁コイルの通電で発生する磁界とヒステリシス材の内部磁束の向きとのずれによって制動トルクを発生するヒステリシスブレーキや、制動トルク伝達の媒体に電気粘性流体(ER流体)を用いた電気粘性流体ブレーキ(ERブレーキ)や、制動トルク伝達の媒体に磁性流体(MR流体)を用いた磁性流体ブレーキ(MRブレーキ)を備えることもできる。ここで、電気粘性流体とは、電場の印加によって粘性変化を起こすものであり、磁性流体とは、磁場の印加によって粘性変化を起こすものである。
In the above description, an example in which the
また、腕支持装置1がエンコーダ11b〜15bを備えた例について説明したが、アナログ出力のポテンショメータを用いることもできる。また、定荷重ばね11d〜15dを備えて付勢した例について説明したが、これに換えてコイルばね、ねじりコイルばね、板ばね、ゴム、またはカウンタウエイトを備えて付勢することもできる。これらによっても簡便な構造の装置とすることができる。
Moreover, although the
また、非常停止スイッチ5が腕台3の支柱3dに備えられた例について説明したが、その位置は操作しやすい位置であれば任意の位置に備えることができる。
Moreover, although the example in which the
また、本発明の移動装置の一例として、医師が脳神経手術の際に腕を支持するために使用する腕支持装置1について説明したが、本発明は、細かい手作業をする際に腕を支持する腕台に適用することもできるし、顎や足などを支持して移動させる移動装置にも適用することができる。さらに、本発明の移動装置を、他のロボットアームの先端を支持してその動き補助する移動装置に適用することもでき、移動させる対象は特に限定されるものではない。
In addition, as an example of the moving device of the present invention, the
さらに、本発明の移動装置を椅子に装着した例について説明したが、装着する対象は椅子に限定されず、ベッドに装着してもよいし、床に固定してもよい。また、椅子の左右のいずれか片側にだけ装着してもよい。また、椅子と一体化されていてもよい。 Furthermore, although the example which mounted | wore the chair with the moving apparatus of this invention was demonstrated, the object to mount | wear is not limited to a chair, You may mount | wear to a bed and may fix to a floor. Moreover, you may mount | wear only on either the right or left side of a chair. Moreover, you may integrate with the chair.
また、固定モード、待機位置モード、粗動モード、微動モードの5つのモードを切り替え可能な例について説明したが、すべてのモードを備える必要はなく、必要に応じたモードを備えればよい。例えば、固定モードと微動モードの2つのモードを備えるだけでもよい。 Further, an example in which the five modes of the fixed mode, the standby position mode, the coarse motion mode, and the fine motion mode can be switched has been described. However, it is not necessary to provide all the modes, and it is only necessary to provide the modes as necessary. For example, only two modes, a fixed mode and a fine movement mode, may be provided.
また、待機位置モードでは、手術部位に近い関節から順番で、関節が1つずつ初期姿勢に戻る例について説明したが、戻す順番は、任意に変更できる。 Further, in the standby position mode, the example in which the joints return to the initial posture one by one in order from the joint close to the surgical site has been described, but the return order can be arbitrarily changed.
また、粗動モードでは、制動量決定処理A2によって制動トルクを決定した例について説明したが、これは一例であって、腕台3を素早く動かせるように制動量を決定できれば異なる処理で制動量を決定することができる。
In the coarse motion mode, the example in which the braking torque is determined by the braking amount determination processing A2 has been described. However, this is an example, and if the braking amount can be determined so that the
また、微動モードでは、制動量決定処理A3によって制動トルクを決定した例について説明したが、これは一例であって、腕台3をゆっくりとした速度で動かせるように制動量を決定できれば異なる処理で制動量を決定することができる。また、微動モードで、腕台3の移動速度をゆっくりとした一定の速度・角速度で動くように制御してもよい。このように一定の速度・角速度で動かす場合には、制動量決定処理A3のステップ131において6軸力トルクFを求めていたのに換えて、式(1)を用いて方向ベクトルFunitを算出して用いればよい。
In the fine movement mode, the example in which the braking torque is determined by the braking amount determination processing A3 has been described. However, this is an example, and if the braking amount can be determined so that the
1は腕支持装置、2は多関節アーム、3は腕台、3aは前腕支持台、3bは手支持台、3cは支持棒、3dは支柱、4はフットスイッチ、5は非常停止スイッチ、6は制御ボックス、8は6軸力トルクセンサ、11,12,13,14,15は関節、11a,12a,13a,14a,15aはパウダブレーキ、11b,12b,13b,14b,15bはエンコーダ、11c,12c,13c,14c,15cは無励磁作動ブレーキ、11d,12d,13d,14d,15dは定荷重ばね、11e,12e,13e,14e,15eはD/A変換器、11f,12f,13f,14f,15fはドライバ、11g,12g,13g,14g,15gはカウンタ、16は支持部、17は肩部、18は第1腕部、19は第2腕部、19aは支持ロッド、19bは第2腕支持部、20は第3腕部、20aは支持ロッド、20bは第3腕支持部、21は先端部、30は椅子、31は座面、32a,32bは取付台、33は足置台、40は電源部、41はA/D変換器、42はアンプ、61〜80,101〜116,120〜125,130〜135はフローチャートにおけるステップ、A1,A2,A3は制動量決定処理、Fx,Fy,Fzは力成分、Mx,My,Mzはモーメント成分、Vは腕台先端速度・角速度ベクトル、Vx,Vy,Vzは速度成分、X,Y,Zは軸、ωx,ωy,ωzは角速度成分である。 1 is an arm support device, 2 is an articulated arm, 3 is an arm base, 3a is a forearm support base, 3b is a hand support base, 3c is a support bar, 3d is a support column, 4 is a foot switch, 5 is an emergency stop switch, 6 Is a control box, 8 is a 6-axis force torque sensor, 11, 12, 13, 14 and 15 are joints, 11a, 12a, 13a, 14a and 15a are powder brakes, 11b, 12b, 13b, 14b and 15b are encoders, 11c , 12c, 13c, 14c, 15c are non-excitation brakes, 11d, 12d, 13d, 14d, 15d are constant load springs, 11e, 12e, 13e, 14e, 15e are D / A converters, 11f, 12f, 13f, 14f and 15f are drivers, 11g, 12g, 13g, 14g and 15g are counters, 16 is a support part, 17 is a shoulder part, 18 is a first arm part, 19 is a second arm part, 19a is a support rod, and 19b is a first part. Two-arm support part, 20 is the third Part, 20a is a support rod, 20b is a third arm support part, 21 is a tip part, 30 is a chair, 31 is a seat surface, 32a and 32b are mounting bases, 33 is a footrest, 40 is a power supply part, 41 is an A / A D converter, 42 is an amplifier, 61 to 80, 101 to 116, 120 to 125, 130 to 135 are steps in the flowchart, A1, A2, and A3 are braking amount determination processes, Fx, Fy, and Fz are force components, Mx, My and Mz are moment components, V is an arm tip speed / angular velocity vector, Vx, Vy and Vz are velocity components, X, Y and Z are axes, and ωx, ωy and ωz are angular velocity components.
Claims (20)
前記モード選択手段は、前記力覚センサの検出値と所定の閾値とを比較してモードが選択されることを特徴とすることを特徴とする移動装置。 A moving mechanism having a moving table, a plurality of moving parts that movably support the moving table by an external force acting on the moving table, and each moving part attached to the moving mechanism has a predetermined initial posture. A plurality of biasing mechanisms for biasing, a plurality of electric control brakes attached to the moving mechanism and capable of controlling a braking amount for braking the movement of each movable part, and a movable mechanism attached to the movable mechanism A plurality of operation amount sensors for detecting the operation amount for each part, a force sensor attached to the moving table or the moving mechanism to detect force and / or torque acting on the moving table, and an operation mode are selected. A braking amount of each of the plurality of electric control brakes is controlled based on a mode selection unit, a mode selected by the operation mode selection unit, and a detection value from the operation amount sensor and / or the force sensor. A control unit for A obtain a mobile device,
The mode selection means compares the detection value of the force sensor with a predetermined threshold value, and selects a mode, The moving apparatus characterized by the above-mentioned.
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