JP5384108B2 - 遠隔操作システム - Google Patents
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Description
a) 前記対象物を撮影する撮影具と、
b) 前記対象物を照射するスポット光照射部を先端に有する操作具と、
c) 前記操作具の位置を変化させる駆動部と、
d) 前記撮影具により撮影された映像を表示する外部表示部と、
e) 操作者が、外部表示部の表示に対応した位置を指示するための入力部と、
f) 入力部を介して指示された位置と、前記スポット光照射部により前記対象物に照射されたスポット光の位置の間の距離を計算する距離計算部と、
g) 前記距離に基づき、操作具先端が前記指示位置に近づくように駆動部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
a) 前記対象物を撮影する撮影具と、
b) 前記隔壁に設けられた単孔を通して前記空間に挿入される、先端にスポット光照射部を有する棒状の操作具と、
c) 前記操作具の位置を変化させる駆動部と、
d) 撮影具により撮影された映像を表示する外部表示部と、
e) 操作者が、外部表示部の表示に対応した位置を指示するための入力部と、
f) 入力部を介して指示された位置と、前記スポット光照射部により前記対象物に照射されたスポット光の位置の間の距離を計算する距離計算部と、
g) 前記距離に基づき、操作具先端が前記指示位置に近づくように駆動部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
まず前記距離が小さくなるように操作具を前記単孔を中心として回動させ、
前記距離が所定値以下になった後に、操作具をその軸方向に移動させる、
ように駆動部を制御する機能を有するようにしてもよい。
以下、手術システムを例として、従来の手術システムと比較しつつ、本発明の遠隔操作システムの操作性の良い点を説明する。従来の手術システムでは、操作入力装置で操作した結果は手術具の動きとして画面に現れるだけであるが、本発明では、それに加えて、入力部を用いた操作の結果も画面上に現れる。従来の手術システムでは、施術者が操作入力部で入力を行うと、その結果がそのまま手術具の動きとなってしまうため、慎重な操作が必要であったが、本発明では手術具の動きの目標点(指示点)と実際の位置の双方が画面上に表示されるため、手術具の実際の動きが不適切な場合には、目標点(指示点)を変更することにより、適切な対応を行うことができるようになる。
12…撮影具(内視鏡)
13…駆動部
14…撮像部
15…制御部
16…外部表示部
17…入力部
17a…タッチパネル
17b…マウス
18…患者
19…手術具挿入単孔
21…患者側装置
22…施術者側装置
23…インターネット
ディスプレイ上に表示される画像には、3種の点座標がある(図4(a))。
(1) 操作者より指示される画面上の目標点座標D(xd,yd)
(2) ツール先端点の画像座標S(xs,ys)
(3) ツール11に装着されたレーザスポット点の画像座標P(xp,yp)
ここで注意すべきことは、操作者が画面上で目標点を与えても、奥行きの座標zdが決定できないので、対応する対象物(体内)の3D座標は決まらないということである。従って、この状態ではツール先端を目標点に3D位置決めすることはできない。
そこで、ツール11の先端にレーザポインタ(レーザ発射部)を取り付け、画像上でそのレーザスポット点を目標点に位置決めすることで、ツール先端を目標点に3D位置決めすることが可能になる。
ツール11はロボットで把持され、制御されるが、前記の通り、ツール11は体表に穿孔された単孔に挿入されているため(図3)、その挿入点Aによる運動学的拘束を受け、運動学的自由度は次の通り4となる。
・挿入点Aを中心とする球面(回動)運動 2自由度
・ツール軸まわりの回転 1自由度
・ツール軸に沿った並進 1自由度
よって、ツール11を制御するロボットには4つの関節があればよい。
P(xp,yp)をD(xd,yd)に近づけるには、
という画像速度でレーザスポット点P(xp,yp)を動かせばよい。そのためには、
(1) 画像処理により、レーザスポット点P(xp,yp)を検出する。
(2) ロボット(ツール)の回動速度(ωx,ωy)を、
(3) 計算された回動速度(ωx,ωy)を実現するように、ロボットの各関節の角速度を制御する。
(4) 終了条件
レーザスポット点P(xp,yp)と目標点D(xd,yd)の間の距離
S(xs,ys)を目標点D(xd,yd)に近づけるには、両者間の距離
(1) 画像処理により、ツール先端点S(xs,ys)を検出
(2) ツールの並進速度vzを
(3) 計算された並進速度vzを実現するように、ロボットの各関節の角速度を制御する。
(4) 終了条件
上記のようなツール(ロボット)の制御を行うためのプログラムは、次のような要素で構成することができる。
(1) 画像処理パート
画像からレーザスポット点P(xp,yp)及びツール先端点S(xs,ys)を検出する(リアルタイム)プログラム
(2) ロボット制御パート
ツールの4自由度の回動・並進速度(ωx,ωy,ωz,vz)を実現するように、ロボットの各関節角速度を制御するプログラム
(3) タッチパネル ユーザインタフェース パート
目標点を検出するプログラム、校正プロセス、オンライン制御プロセスの切替、各パラメータの設定などのユーザインタフェース(すべてタッチパネルで設定)
(4) 校正によりヤコビ行列Jを作成するプログラム
(5) レーザスポット点P(xp,yp)を目標点D(xd,yd)に近づけるための制御プログラム
(6) ツール先端点S(xs,ys)を目標点D(xd,yd)に近づけるための制御プログラム
なお、入力部をマウスとした場合には、(3)は、マウス ユーザインタフェース パートとなる。
Claims (14)
- 対象物に対して操作を行う遠隔操作システムにおいて、
a) 前記対象物を撮影する撮影具と、
b) 前記対象物を照射するスポット光照射部を先端に有する操作具と、
c) 前記操作具の位置を変化させる駆動部と、
d) 前記撮影具により撮影された映像を表示する外部表示部と、
e) 操作者が、前記外部表示部に表示された映像上で軌跡を入力することにより、該表示に対応した位置を指示するための入力部と、
f) 入力部を介して指示された位置と、前記スポット光照射部により前記対象物に照射されたスポット光の位置の間の距離である第1距離を計算すると共に、前記指示位置と前記操作具先端の間の距離である第2距離を計算する距離計算部と、
g) 前記スポット光位置を前記指示位置に近づける処理と、前記操作具先端を前記指示位置に近づける処理を同時並行で行い、前記指示位置が移動したときに前記第1距離が所定値以下である状態が維持されるように駆動部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする遠隔操作システム。 - 更に、前記制御部が該操作具を軸まわりにも回転させることを特徴とする請求項1に記載の遠隔操作システム。
- 前記対象物が患者の患部であり、前記操作具が手術具であることを特徴とする請求項1又は2に記載の遠隔操作システム。
- 隔壁の向こう側の空間内にある対象物に対して操作を行う遠隔操作システムにおいて、
a) 前記対象物を撮影する撮影具と、
b) 前記隔壁に設けられた単孔を通して前記空間に挿入される、先端にスポット光照射部を有する棒状の操作具と、
c) 前記操作具の位置を変化させる駆動部と、
d) 撮影具により撮影された映像を表示する外部表示部と、
e) 操作者が、前記外部表示部に表示された映像上で軌跡を入力することにより、該表示に対応した位置を指示するための入力部と、
f) 入力部を介して指示された位置と、前記スポット光照射部により前記対象物に照射されたスポット光の位置の間の距離である第1距離を計算すると共に、前記指示位置と前記操作具先端の間の距離である第2距離を計算する距離計算部と、
g) 前記スポット光位置を前記指示位置に近づける処理と、前記操作具先端を前記指示位置に近づける処理を同時並行で行い、前記指示位置が移動したときに前記第1距離が所定値以下である状態が維持されるように駆動部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする遠隔操作システム。 - 更に、前記制御部が該操作具を軸まわりにも回転させることを特徴とする請求項4に記載の遠隔操作システム。
- 前記撮影具によって撮影された画像上の前記スポット位置の情報を前記駆動部の回動に係わる駆動パラメータに変換するヤコビ行列に基づいて前記駆動パラメータを変化させることにより前記操作具の動きを制御することを特徴とする請求項4又は5に記載の遠隔操作システム。
- 前記制御部が、前記撮影具によって撮影された画像上の操作具先端部の位置情報に基づいて前記操作具の進入・後退にかかわる前記駆動部の駆動パラメータを変化させることにより前記操作具の動きを制御することを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の遠隔操作システム。
- 前記対象物が患者の患部であり、前記隔壁が患者の体壁であって、
前記操作具が手術具である、
ことを特徴とする請求項4〜7のいずれかに記載の遠隔操作システム。 - 前記入力部が、前記外部表示部に装着されたタッチパネルであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の遠隔操作システム。
- 前記制御部が、前記操作具の動きを速度制御により制御することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の遠隔操作システム。
- 前記操作具先端が移動する間、前記操作具が前記対象物に対して所定の操作を行うことを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の遠隔操作システム。
- 前記所定操作が前記対象物の切除、切断若しくは焼灼又は前記対象物へのレーザ光の照射であることを特徴とする請求項11に記載の遠隔操作システム。
- 請求項1〜12のいずれかに記載の遠隔操作システムのうち少なくとも前記外部表示部及び前記入力部を有することを特徴とする遠隔操作システム用操作者側装置。
- 請求項1〜12のいずれかに記載の遠隔操作システムのうち少なくとも前記撮影具、前記操作具、前記駆動部及び前記制御部を有することを特徴とする遠隔操作システム用対象物側装置。
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