JP5754820B2 - 手術用ロボット - Google Patents
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Description
かかる構成によれば、手術用ロボットは、簡易な演算式で外力及び外力作用点を算出することができる。
かかる構成によれば、手術用ロボットは、鉗子を空気圧駆動すると共に、この鉗子に加わる力を空気圧による力覚応答から求めることができる。
かかる構成によれば、手術用ロボットは、手術器具の姿勢の影響を受けにくく、外力作用点を高い精度で推定することができる。
本願第1発明によれば、梃子の原理により、手術器具の先端から基端までの間に加わる外力及び外力作用点を算出し、手術器具の先端以外でも物体の接触を検知することができる。さらに、本願第1発明によれば、手術器具の先端から基端までの間にセンサを備える必要がないので、簡易な構成を実現し、低コスト化を図ることができる。
本願第3発明によれば、手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したことを、正確に検知することができる。
本願第4発明によれば、鉗子を空気圧駆動し、手術用ロボットの操作者にリアルな力覚提示を行うことができるので、手術用ロボットの操作性を向上させることができる。
本願第5発明によれば、外力作用点を高い精度で推定できるので、手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したことを、より正確に検知することができる。
図1を参照し、本願発明の実施形態に係る手術用ロボット1の構成について、詳細に説明する。
図1に示すように、手術用ロボット1は、腹腔鏡下手術に用いられる鉗子ロボットであり、鉗子10と、ロボットアーム20と、接触警告装置30とを備える。
また、手術用ロボット1は、図示を省略した操作手段(例えば、マスタマニピュレータ)に接続されている。この操作手段は、手術用ロボット1の操作者(例えば、医師)が鉗子10及びロボットアーム20を操作するためのインターフェースである。
そして、手術用ロボット1は、操作手段からの操作信号に応じて、鉗子10及びロボットアーム20が駆動する。このとき、鉗子10が患者の体内で血管、筋肉又は臓器に接触した場合、鉗子10が患者を傷つける恐れがある。そこで、接触警告装置30が、この接触を検知して、操作者に警告する。
鉗子10は、患者に取り付けられたポート90から、患者の腹腔92に挿入される手術器具である(図2)。この鉗子10は、空気圧駆動式であり、開閉部11と、エアシリンダ13と、力センサ(第2測定手段)15と、圧力センサ(第1測定手段)17と、サーボバルブ19aと、コンプレッサ19bとを備える。
なお、ベースとは、鉗子10をロボットアーム20に取り付けた場所のことである。
例えば、サーボバルブ19aは、操作手段から、開閉部11を開くことを示す操作信号(不図示)が入力されると、エアシリンダ13の気密室13bを加圧する。これによって、ピストン13aが開閉部11に近づいてワイヤが伸び、開閉部11が開く。
一方、サーボバルブ19aは、操作手段から、開閉部11を閉じることを示す操作信号が入力されると、エアシリンダ13の気密室13bを減圧する。これによって、ピストン13aが開閉部11から遠ざかってワイヤが縮み、開閉部11が閉じる。
コンプレッサ19bは、外気を圧縮して、サーボバルブ19aに供給するものである。
ロボットアーム20は、鉗子10が装着されたシリアルリンクマニピュレータである。このロボットアーム20は、複数のアーム21と、アーム21同士を接続する関節部23とで構成されている。また、ロボットアーム20は、図示を省略したホルダに、腹腔鏡下手術が行いやすい向き及び位置で保持されている。
接触警告装置30は、鉗子10と物体(例えば、患者の血管、筋肉、臓器)との接触を検知し、接触を検知したときに警告するものである。この接触警告装置30は、入出力手段31と、外力算出手段32と、位置算出手段33と、外力作用点算出手段34と、接触判定手段35と、警告手段(接触対応動作実行手段)36とを備える。
なお、外力算出手段32による外力Feの算出は、詳細を後記する。
ここで、外力作用点算出手段34は、入出力手段31から力Fb,Fg及びモーメントMbが入力され、外力算出手段32から外力Feが入力され、位置算出手段33からベース位置Pb及び先端位置Pgが入力される。
そして、外力作用点算出手段34は、算出した外力作用点Peを接触判定手段35に出力する。
なお、外力作用点算出手段34による外力作用点Peの算出は、詳細を後記する。
図2(a)に示すように、腹腔鏡下手術では、患者の腹腔92に挿入された鉗子10は、患者の体表91に取り付けられたポート90と接触していることが多い。このため、外力作用点算出手段34は、外力作用点Peとして、鉗子10が接触するポート90の位置を算出する。従って、腹腔鏡下手術中、外力作用点Peは、あまり変化しない。
警告手段36は、接触判定手段35から警告の実行を指令された場合、鉗子10の接触を警告するものである。この警告手段36は、警告手法が特に制限されず、例えば、操作手段の振動、警告音の出力又は警告メッセージの表示を行うことができる。さらに、警告手段36は、前記した警告手法を複数組み合わせてもよい。
図3を参照し、外力算出手段32による外力Feの算出について、具体的に説明する(適宜図1参照)。
図3の鉗子10では、下記の式(1)で表されるように、鉗子10の先端に加わる力Fgと、外力作用点Peに加わる外力Feと、鉗子10のベースに加わる力Fbとの合力がゼロになる。
図3〜図5を参照し、外力作用点算出手段34による外力作用点Peの算出について、具体的に説明する(適宜図1参照)。
図3では、鉗子10の外周面に位置する外力作用点Peが鉗子10の中心軸上に位置するとみなしている。
また、Fe x,Fe y,Fe zは、それぞれ、力Feのx軸成分、y軸成分及びz軸成分である。
また、Pg x,Pg y,Pg zは、それぞれ、先端位置Pgのx軸座標、y軸座標及びz軸座標である。
また、Pb x,Pb y,Pb zは、それぞれ、ベース位置Pbのx軸座標、y軸座標及びz軸座標である。
また、Pe x,Pe y,Pe zは、それぞれ、外力作用点Peのx軸座標、y軸座標及びz軸座標である。
Pe x=a・Pe z+b=c・Pe z
Pe z=b/(c−a)
l=b・c/(c−a) …式(13)
前記と同様、y軸−z軸平面において、式(8)を用いて、外力作用点Peのy軸座標Pe yを算出するには、5つのパラメータ(Fg y,Fb y,Fg z,Fb z,Mb x)が必要である。
前記と同様、z軸−x軸平面において、式(10)を用いて、外力作用点Peのz軸座標Pe zを算出するには、5つのパラメータ(Fg z,Fb z,Fg x,Fb x,Mb y)が必要である。
なお、鉗子10に複数の外力が加わった場合、外力算出手段32が算出する外力Fe、及び、外力作用点算出手段34が算出する外力作用点Peは、鉗子10に加わった外力を合成したものとなる。
図6を参照し、接触警告装置30の動作について、説明する(適宜図1参照)。
接触警告装置30は、入出力手段31によって、各種パラメータとして、鉗子10から力Fb,Fgが入力され、モーメントMbと、ロボットアーム20から計測信号が入力される(ステップS1)。
変化量ΔPeが閾値thを超えた場合(ステップS5でYes)、接触警告装置30は、ステップS6の処理に進む。
変化量ΔPeが閾値thを超えない場合(ステップS5でNo)、又は、ステップS6の後、接触警告装置30は、処理を終了する。
さらに、手術用ロボット1は、鉗子10を空気圧駆動し、手術用ロボット1の操作者にリアルな力覚提示を行うことができるので、手術用ロボット1の操作性を向上させることができる。
本願発明に係る手術用ロボット1は、前記した実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で変形を加えることができる。
接触判定手段35は、外力Feが予め設定された閾値th2を超えたか否かにより、鉗子10の先端からベースまでの間に物体が接触したか否かを判定してもよい。
例えば、接触判定手段35は、外力作用点Peの変化量ΔPeが閾値th1を超え、かつ、外力Feの変化量ΔFeが閾値th3を超えた場合、鉗子10の先端からベースまでの間に物体が接触したと判定する。
一方、接触判定手段35は、外力作用点Peの変化量ΔPeが閾値th1を超えないか、又は、外力Feの変化量ΔFeが閾値th3を超えない場合、鉗子10の先端からベースまでの間に物体が接触していないと判定する。
一方、接触判定手段35は、外力作用点Peの変化量ΔPeが閾値th1を超えず、かつ、外力Feの変化量ΔFeが閾値th3を超えない場合、鉗子10の先端からベースまでの間に物体が接触していないと判定してもよい。
前記した実施形態では、ロボットアーム20をモータ駆動として説明したが、本願発明は、これに限定されない。例えば、ロボットアーム20は、鉗子10と同様、空気圧駆動としてもよい。
また、ロボットアーム20は、その構造が特に制限されず、パラレルリンクマニピュレータであってもよい。
つまり、手術用ロボット1は、接触対応動作実行手段として、鉗子10が物体に接触しないようにロボットアーム20を制御する制御手段(不図示)を備えてもよい。例えば、この制御手段は、接触判定手段35が鉗子10の接触を判定した場合、前記したロボットアーム20の制御を行う。
10 鉗子
11 開閉部
13 エアシリンダ
15 力センサ(第2測定手段)
17 圧力センサ(第1測定手段)
19a サーボバルブ
19b コンプレッサ
20 ロボットアーム
21 アーム
23 関節部
30 接触警告装置
31 入力手段
32 外力算出手段
33 位置算出手段
34 外力作用点算出手段
35 接触判定手段
36 警告手段(接触対応動作実行手段)
Claims (5)
- 手術器具と、前記手術器具が装着されたロボットアームとを備える手術用ロボットであって、
前記手術器具の先端に加わる力を測定する第1測定手段と、
前記ロボットアームに装着された前記手術器具の基端に加わる力及びモーメントを測定する第2測定手段と、
前記手術器具の先端及び基端に加わる力に基づいて、前記手術器具の合力がゼロとなるように、前記手術器具の先端から基端までの間に加わる外力を算出する外力算出手段と、
前記手術器具の先端に加わる力と、前記手術器具の基端に加わる力及びモーメントと、前記手術器具の先端及び基端の位置とに基づいて、前記手術器具のモーメントの合計がゼロとなるように、前記外力算出手段で算出した外力が加わった外力作用点を算出する外力作用点算出手段と、
前記外力算出手段が算出した外力、又は、前記外力作用点算出手段が算出した外力作用点の少なくとも一方に基づいて、前記手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したか否かを判定する接触判定手段と、
前記接触判定手段で接触したと判定された場合、前記手術器具の接触を警告する、又は、前記手術器具が前記物体に接触しないように前記ロボットアームを制御する接触対応動作を実行する接触対応動作実行手段と、
を備えることを特徴とする手術用ロボット。 - 前記接触判定手段は、
前記外力作用点の変化量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、
前記外力作用点の変化量が前記閾値を超えた場合、前記手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したと判定することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の手術用ロボット。 - 前記手術器具は、鉗子であり、
前記鉗子を開閉させるエアシリンダと、
前記エアシリンダを加圧又は減圧するサーボバルブと、をさらに備え、
前記第1測定手段は、前記エアシリンダの圧力変化により、前記鉗子の先端に加わる力を測定する圧力センサであることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の手術用ロボット。 - 前記外力作用点算出手段は、前記ロボットアームが配置された空間の基底平面毎に、前記基底平面上の直線と前記外力作用点の基底平面上の写像との交点に前記手術器具の姿勢を示す重み付けを行って、前記外力作用点の推定値をさらに算出し、
前記接触判定手段は、前記外力作用点の代わりに前記外力作用点の推定値を用いて、前記手術器具の先端から基端までの間に物体が接触したか否かを判定することを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の手術用ロボット。
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