JP5704712B2

JP5704712B2 - 力算出システム

Info

Publication number: JP5704712B2
Application number: JP2011098178A
Authority: JP
Inventors: 健嗣川嶋; 耕太郎只野; 大輔原口
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-04-26
Also published as: US9091605B2; WO2012147655A1; EP2703796A1; EP2703796A4; US20140047929A1; JP2012229980A

Description

本発明は、力を算出する対象部分に電気的な装置を使わずに、その部分に与えられている力を算出する技術に関する。

従来から、力を計測する技術として、電気抵抗の変化を利用したひずみゲージ（以下、「電気式ひずみセンサ」と称する。）や、受感部に圧電素子を搭載したロードセルが広く使用されている。しかし、これらは電気的な物理現象を利用したセンサであるため、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置などの強い電磁環境下では使用できない。また、他の電気的なデバイスと干渉し、計測の精度が悪化するという問題も起こりうる。

そこで、光ファイバ式のひずみゲージ（以下、「光ファイバ式センサ」と称する。）が実用化されている（非特許文献１、２参照）。この技術によれば、受感部のひずみによる光の波長、周波数、位相、透過量などの変化を検出するため、前記のような電気的要素に起因する問題は起こらない。

J. Peirs, et al., "A micro optical force sensor for force feedback during minimally invasive robotic surgery", Sensors and Actuators A 115 (2004), pp.447-455. P. Polygerinos, et al., "A Fibre-Optic Catheter-Tip Force Sensor with MRI Compatibility: A Feasibility Study", 31st Annual International Conference of the IEEE EMBS Minneapolis, Minnesota, USA, September 2-6, 2009, pp.1501-1504.

しかしながら、光ファイバ式センサを使用するには、光源となる光スイッチや、信号処理のためのシグナルコンディショナが必要で、電気式ひずみセンサと比べるとシステム全体の構成が大型かつ高価なものとなる。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型かつ安価であって、力を算出する対象部分に電気的な装置を使わずに、その部分に与えられている力を算出する力算出システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の力算出システムは、所定の圧力で空気を送り出す空気送出部と、前記空気送出部と接続され、前記空気送出部から送り出された空気のための流路と、前記流路における前記空気送出部と逆の端部の位置に設けられ、外力を受けると変形することで、前記流路を流れる空気の流れやすさを変化させる受感部と、前記流路を流れる空気の流量を計測する流量計と、前記受感部が受ける外力の大きさ、および、前記空気送出部から送出された空気が前記流路を流れる流量の対応関係情報を予め記憶する記憶部と、前記流量計が計測した前記流路を流れる空気の流量、および、前記記憶部に記憶された対応関係情報に基づいて、前記受感部が受けている外力の大きさを算出する処理部と、を備え、前記受感部は、前記流路を挟み込む隙間を有し、外力を受けると前記隙間の大きさが変化する弾性体であり、前記流路は、弾性変形可能なチューブであって、前記空気送出部に接続される端部と逆の端部が前記弾性体の隙間に挟み込まれており、前記弾性体が外力を受けると、前記隙間の大きさが変化することで、前記チューブを流れる空気の流量が変わることを特徴とする。

本発明によれば、小型かつ安価であって、力を算出する対象部分に電気的な装置を使わずに、その部分に与えられている力を算出する力算出システムを提供することができる。

本実施形態の力算出システムの全体構成図である。チューブ挟み込み型の受感部の構成図であり、（ａ）は外力を受ける前の状態を示す図で、（ｂ）は外力を受けた後の状態を示す図である。スリット型の受感部の構成図であり、（ａ）は外力を受ける前の状態を示す図で、（ｂ）は外力を受けた後の状態を示す図である。受感部に与えられる外力と流路を流れる空気の流量との関係を示す図で、（ａ）はチューブ挟み込み型の場合の一例を示す図であり、（ｂ）はスリット型の場合の一例を示す図である。受感部に与えられる外力と流路を流れる空気の流量との動特性を示す図で、（ａ）はチューブ挟み込み型の場合の一例を示す図であり、（ｂ）はスリット型の場合の一例を示す図である。演算装置の処理部における処理の流れを示すフローチャートである。流路を３つ設けた場合の流路と受感部の構成を示す図で、（ａ）はチューブ挟み込み型の場合の一例を示す図であり、（ｂ）はスリット型の場合の一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態と称する。）に係る力算出システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態の力算出システム１００は、例えば、内視鏡手術ロボット（以下、単に「手術ロボット」と称する。）で使用する鉗子全体にかかる、接触した内臓からの反発力や、縫合作業時の糸の張力などを算出する際に使用されることを想定している。

図１に示すように、力算出システム１００は、空気送出部１、流路２、流量計３、受感部４および演算装置５を備えて構成される。
空気送出部１は、所定の圧力で空気を送り出す手段であり、例えば、コンプレッサと減圧弁との組み合わせにより実現することができる。
流路２は、空気送出部１と接続され、空気送出部１から送り出された空気のための流路であり、例えば、樹脂製のチューブにより実現することができる。なお、以下の説明において、流路２のうち、受感部４側を先端（部）、空気送出部１側を基端（部）とも称する。

流量計３は、流路２を流れる空気の流量を計測する手段であり、例えば、層流型流量計（層流エレメントと両端の差圧センサ）によって実現することができる。
受感部４は、流路２の先端部に設けられ、外力を受けると変形することで、流路２を流れる空気の流れやすさを変化させる手段である（詳細は後記）。

演算装置５は、コンピュータ装置であり、受信部５１、処理部５２、記憶部５３、入力部５４および出力部５５を備えて構成される。
受信部５１は、流量計３からの流量の計測データを受信する手段であり、例えば、専用のＩＣ（Integrated Circuit）によって実現することができる。

処理部５２は、各種演算処理を行う手段であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実現することができる。処理部５２は、流量計３が計測した流路２を流れる空気の流量の計測データ、および、記憶部５３に記憶された流量・力対応関係情報５３１（対応関係情報）に基づいて、受感部４が受けている外力の大きさを算出する（詳細は後記）。

記憶部５３は、情報を記憶する手段であり、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等によって実現することができる。記憶部５３には、受感部４が受ける外部からの力の大きさ、および、空気送出部１から送出された空気が流路２を流れる流量の対応関係を示す流量・力対応関係情報５３１が記憶される。流量・力対応関係情報５３１は、具体的には、後記する図３（ａ）（ｂ）に示すグラフをデータ化した情報である。

入力部５４は、演算装置５のユーザが情報を入力する手段であり、例えば、キーボードやマウスによって実現することができる。
出力部５５は、情報を出力する手段であり、例えば、外部との通信インタフェース、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などによって実現することができる。

次に、受感部４について説明する。本実施形態では、受感部４として、チューブ挟み込み型とスリット型の２つのタイプについて説明する。
まず、チューブ挟み込み型の受感部４について説明する。図２Ａ（ａ）に示すように、チューブ挟み込み型の受感部４ａ（４）は、ステンレス製で、円筒体の中間部がコイル状に形成されたコイルスプリング（弾性体）によって実現することができる。そして、受感部４ａの隙間４１に流路２の先端部２１の付近の途中部２２を挟み込んでおく。なお、ここで、流路２は弾性変形可能なチューブであることが必要である。また、受感部４ａの大きさは、例えば、直径が５ｍｍ、軸方向の長さが２０ｍｍ程度である。

そして、図２Ａ（ｂ）に示すように、受感部４ａが軸方向に力（外力）Ｆを受けると、隙間４１の間隔が変化し、途中部２２の有効断面積（空気の流通方向と垂直な面の断面積）が変化することで、流路２を流れる空気の流量が変わる。

次に、スリット型の受感部４について説明する。図２Ｂ（ａ）に示すように、スリット型の受感部４ｂ（４）は、全体が円筒形状のアルミニウムで構成されており、軸方向（所定方向）に外力を受けた場合に開口の間隔が変化するスリット４２を有している。また、側壁の一部に流路２の先端部２１をスリット４２まで挿通可能な孔が設けられ、流路２は、先端部２１がスリット４２に開口する位置に、配置される。なお、ここでは、流路２は弾性変形可能である必要はない。また、受感部４ｂの大きさは、例えば、直径が１０ｍｍ、軸方向の長さが１５ｍｍ程度である。そして、この場合、図２Ｂ（ａ１）に示すように、流路２の先端部２１は、スリット４２の幅ｄ１の分、対向面４３と離れている。

そして、図２Ｂ（ｂ）に示すように、受感部４ｂが軸方向に力Ｆを受けると、スリット４２の間隔がｄ２に変化し、流路２の先端部２１から対向面４３までの距離がｄ２に変化することで（図２Ｂ（ｂ１）参照）、流路２を流れる空気の流量が変わる。なお、流路２の先端部２１から対向面４３までの距離が長いほど、流路２を流れる空気の流量は増える。

次に、外力と流量の対応関係に関する実験結果について説明する。図３（ａ）に示すように、チューブ挟み込み型の受感部４ａを用いた実験では、空気送出部１における空気圧を４００ｋＰａＧ（ゲージ）（１気圧よりも４００ｋＰａ高い圧力）とし、横軸に力Ｆ[Ｎ（ニュートン）]をとり、縦軸に流路２を流れる空気の流量Ｑ[Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ（０℃１気圧換算））]をとると、曲線Ｌ１という結果を得ることができた。これを見ればわかるように、受感部４ａに外力を与えた場合、流路２を流れる空気の流量が有意に変化している。

次に、図３（ｂ）に示すように、スリット型の受感部４ｂを用いた実験では、空気送出部１における空気圧を５０ｋＰａＧとし、横軸に力Ｆ[Ｎ]をとり、縦軸に流路２を流れる空気の流量Ｑ[Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）]をとると、曲線Ｌ２という結果を得ることができた。これを見ればわかるように、受感部４ｂに外力を与えた場合、流路２を流れる空気の流量が有意に変化している。

次に、受感部４の動特性（外力に対する流量変化の時間的な応答性能）に関する実験結果について説明する。図４（ａ）に示すように、チューブ挟み込み型の受感部４ａを用いた実験では、受感部４ａに２０〜２５Ｎ程度の外力を人間によって数回与え、横軸に時間[秒]をとり、縦軸に力Ｆ[Ｎ]および流路２を流れる空気の流量Ｑ[Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）]をとると、曲線Ｌ３、Ｌ４という結果を得た。これを見ればわかるように、受感部４ａに与える外力の時間的変化に対し、流路２を流れる空気の流量の時間的変化がほぼ追従している。

次に、図４（ｂ）に示すように、スリット型の受感部４ｂを用いた実験では、受感部４ａに１５〜２０Ｎ程度の外力を人間によって数回与え、横軸に時間[秒]をとり、縦軸に力Ｆ[Ｎ]および流路２を流れる空気の流量Ｑ[Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）]をとると、曲線Ｌ５、Ｌ６という結果を得た。これを見ればわかるように、受感部４ｂに与える外力の時間的変化に対し、流路２を流れる空気の流量の時間的変化がほぼ追従している。

両実験に基づいて受感部４の動特性を評価すると、少なくとも、動作周波数が２〜３Ｈｚ以下のタスク（外科手術など）に受感部４を適用することを想定した場合、充分な応答性能を実現していると言える。

次に、力算出システム１００を使用する場合の演算装置５の処理について説明する。
まず、演算装置５の受信部５１は、流路２を流れる空気の流量を計測する（ステップＳ１）。具体的には、受信部５１が流量計３から流路２を流れる空気の流量の計測データを受信し、その計測データに基づいて処理部５２が流路２を流れる空気の流量を把握（計測）する。

次に、処理部５２は、記憶部５３の流量・力対応関係情報５３１を参照し（ステップＳ２）、その流量・力対応関係情報５３１と、ステップＳ１で計測した流路２を流れる空気の流量とに基づいて、受感部４が受けている力（外力）を算出する（ステップＳ３）。なお、力算出システム１００を手術ロボットに適用する場合、例えば、ステップＳ３で算出した力を遠隔で操作している医師に機械的に再現して与えるフィードバック制御を行えばよい。

次に、処理部５２は、処理終了条件を充足したか否かを判断し（ステップＳ４）、Ｙｅｓの場合は処理を終了し、Ｎｏの場合はステップＳ１に戻る。なお、処理終了条件とは、例えば、ユーザによる入力部５４におけるその旨の入力操作などの手動によるものでもよいし、あるいは、受感部４に対する外力が所定時間（例えば５分間）なかったという条件などの自動によるものでもよい。

このように、本実施形態の力算出システム１００によれば、流路２の先端部に設けられ、外力を受けると変形することで、流路２を流れる空気の流れやすさを変化させる受感部４と、記憶部５３に記憶された流量・力対応関係情報５３１とを用いて受感部４が受けている外力の大きさを算出することで、小型かつ安価であって、対象部分に電気的な装置を使わずに、その部分に与えられている力を算出する力算出システム１００を実現することができる。さらに具体的には、受感部４は、チューブ挟み込み型、スリット型のいずれかによって実現することができる。

また、空気の流量を検出対象としているため、ＭＲＩ装置などの電磁環境下や、原子力プラントなどの防爆環境下などにおいても、支障なく使用できる。
また、受感部４は、その構造が単純であるため、小型化でき、部品点数が少なく済み、低コストや高耐久性を実現できる。そして、手術ロボットに適用する場合、受感部４を設置する鉗子の先端部分の直径は１０ｍｍ程度であるが、そのような鉗子にも受感部４を取り付けることができる。

また、病院など、空気送出部１（空気圧源）が常設された場所においては、その空気送出部１を活用することで、全体のシステムのコンパクト化を図ることができる。
また、受感部４をステンレスやアルミニウムなどの金属で構成したことで、１２５℃程度の滅菌洗浄に耐えることができ、医療分野に適用することができる。

また、受感部４と流量計３の間は空気を流通させるための流路２でつながれるので、配置の自由度が高い。つまり、光ファイバ式センサを使用すると多関節の手術ロボットに配置する光ファイバの剛性によってその手術ロボットの動きを阻害することがあるが、本実施形態では流路２として低剛性のものを使用できるので、そのような問題を容易に回避することができる。

（変形例）
次に、受感部４の変形例について説明する。図６（ａ）に示すように、チューブ挟み込み型の受感部４ｃ（４）には、３つの流路２ａ（２）、２ｂ（２）、２ｃ（２）が、異なる位置に配置されてそれぞれの隙間４１に挟み込まれている。この場合、例えば、３つの流路２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれに別々の流量計３を配置することで、それぞれの空気の流量を計測する。

そして、演算装置５の処理部５２は、３つの流路２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれを流れる空気の流量と、記憶部５３の流量・力対応関係情報５３１とに基づいて、３つの流路２ａ、２ｂ、２ｃの先端部ごとに、受けている外力の大きさを算出することができる。そして、処理部５２は、それらの情報に基づいて、受感部４ｃが受けている外力の大きさと向きを算出することができる。なお、３つの流路２ａ、２ｂ、２ｃごとに、対応する流量・力対応関係情報５３１を別々に用意してもよい。

また、図６（ｂ）に示すように、スリット型の受感部４ｄ（４）には、３つの流路２ｄ（２）、２ｅ（２）、２ｆ（２）が、異なる位置に配置されている。この場合、例えば、３つの流路２ｄ、２ｅ、２ｆそれぞれに別々の流量計３を配置することで、それぞれの空気の流量を計測する。

そして、演算装置５の処理部５２は、３つの流路２ｄ、２ｅ、２ｆそれぞれを流れる空気の流量と、記憶部５３の流量・力対応関係情報５３１とに基づいて、３つの流路２ｄ、２ｅ、２ｆの先端部ごとに、受けている外力の大きさを算出することができる。そして、処理部５２は、それらの情報に基づいて、受感部４ｃが受けている外力の大きさと向きを算出することができる。なお、３つの流路２ｄ、２ｅ、２ｆごとに、対応する流量・力対応関係情報５３１を別々に用意してもよい。

このように、変形例の受感部４によれば、流路２を複数にすることで、１つの受感部４で力の大きさと向きの算出が可能となる。

以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。
例えば、受感部４の材質は、前記したものに限定されず、同様の弾性変形性などを有するものであれば、チタンや樹脂など、他のものであってもよい。

また、チューブ挟み込み型の受感部４として、コイルスプリングを例にとって説明したが、これに限定されず、流路２を挟み込む隙間を有し、外力を受けるとその隙間の大きさが変化するものであれば、リーフスプリング、トーションスプリング、あるいはスプリング以外の弾性体など、他のものでもよい。

また、演算装置５としてコンピュータ装置の場合について説明したが、代わりに、受信部５１、処理部５２、記憶部５３などが一体となったＩＣやＬＳＩ（Large Scale Integration）などを用いてもよい。
また、受感部４ｂ（図２Ｂ参照）は、全体が円筒形状でなくても角型形状などの他の形状でもよく、螺旋状のスリット４２は１条強でなくても２条以上でもよく、さらに、底面部分の片方あるいは両方が閉塞されていてもよい。

また、本実施形態では、受感部４に対して押す方向の力を与える場合について説明したが、受感部４に対して引く方向の力を与える場合（手術ロボットが縫合作業をする場合など）についても同様に実現できる。その場合、図３（ａ）（ｂ）に示すグラフの情報のほかに、力Ｆが負の場合の力Ｆと流量Ｑとの対応関係を予め調べておけばよい。
その他、ハードウェアやフローチャートなどの具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

１空気送出部
２流路
３流量計
４受感部
５演算装置
２１先端部
２２途中部
４１隙間
４２スリット
４３対向面
５１受信部
５２処理部
５３記憶部
５４入力部
５５出力部
１００力算出システム
５３１流量・力対応関係情報

Claims

所定の圧力で空気を送り出す空気送出部と、
前記空気送出部と接続され、前記空気送出部から送り出された空気のための流路と、
前記流路における前記空気送出部と逆の端部の位置に設けられ、外力を受けると変形することで、前記流路を流れる空気の流れやすさを変化させる受感部と、
前記流路を流れる空気の流量を計測する流量計と、
前記受感部が受ける外力の大きさ、および、前記空気送出部から送出された空気が前記流路を流れる流量の対応関係情報を予め記憶する記憶部と、
前記流量計が計測した前記流路を流れる空気の流量、および、前記記憶部に記憶された対応関係情報に基づいて、前記受感部が受けている外力の大きさを算出する処理部と、
を備え、
前記受感部は、前記流路を挟み込む隙間を有し、外力を受けると前記隙間の大きさが変化する弾性体であり、
前記流路は、弾性変形可能なチューブであって、前記空気送出部に接続される端部と逆の端部が前記弾性体の隙間に挟み込まれており、
前記弾性体が外力を受けると、前記隙間の大きさが変化することで、前記チューブを流れる空気の流量が変わる
ことを特徴とする力算出システム。
前記流路は、複数設けられ、それぞれの一端が直接または間接的に前記空気送出部と接続され、それぞれ他端が前記受感部の異なる位置に配置され、
前記流量計は、複数の前記流路それぞれに対して設けられ、
前記処理部は、複数の前記流路それぞれを流れる空気の流量、および、前記記憶部に記憶された対応関係情報に基づいて、複数の前記流路の他端の部分ごとに、受けている外力の大きさを算出する
ことを特徴とする請求項１に記載の力算出システム。