JP5855423B2 - 手術支援装置 - Google Patents
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Description
この架台では、一方の角度センサが故障しても、他方の角度センサによって継手の角度を把握することができる。そのため、角度センサの故障を確実に検出できるとともに、片方の角度センサが故障したままでも安全に架台を退避させるなどの処理をすることができる。
また、特許文献1に記載の架台に力検出センサを別途取り付けて過負荷を検出することも考えられるが、二重化された角度センサに加えてさらに力検出センサを備える構成では装置が複雑となる。
本発明の手術支援装置は、対象物へと駆動力を伝達するために移動される駆動部材と、前記駆動部材における所定の一箇所の移動量を計測する第一位置検出手段と、前記駆動部材において前記所定の一箇所と異なる他の一ヶ所の移動量を検出する第二位置検出手段と、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量との差分長さを検出する差分算出部と、前記差分長さに基づいて前記駆動部材から前記対象物へと伝達される力の大きさを演算する作動力演算部と、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量とを用いて前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかの故障を検出する故障検出部と、を備えることを特徴とする手術支援装置である。
また、本発明の手術支援装置は、前記第一位置検出手段によって検出された移動量に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて予め設定された閾値を参照し、前記差分長さが前記閾値以下である場合に、前記術具が故障しているものと判定してもよい。
また、本発明の手術支援装置は、前記手術支援装置を支持する関節ロボットに対して着脱可能であることが好ましい。
本発明の第1実施形態の手術支援装置について説明する。図1は、手術支援装置を備える手術支援システムの全体図である。図2は、手術支援装置の模式図である。図3は、マニピュレータ制御部の構成を示すブロック図である。図4は、マニピュレータ制御部に設けられた過負荷故障検出部の構成を詳細に示すブロック図である。
本実施形態では、手術支援装置1は、全体として細長い軸状に設けられ、使用時には一端側が患者へと向けられる。このため、以下では、手術支援装置1の各部材において手術支援装置1の軸方向の相対位置を表す場合に、特に断らない限りは、使用時に患者に向けられるほうを先端側、これと反対のほうを基端側と称する。
術具2の具体例としては、例えば、持針器、ハサミ、電気メス、超音波処置具等の処置具、鉗子などを挙げることができる。
なお、術具2は、スレーブアーム8と一体に設けられていてもよい。
術具2は、患者に向けられる先端側から、スレーブアーム8に接続される基端側に向かって、把持部3、駆動リンク5、及び被駆動部6をこの順に備える。駆動リンク5及び被駆動部6は、筒状の術具筐体7の内部に収容されている。
駆動リンク5は、把持部3を開閉させるリンク機構である。
被駆動部6の一端は駆動リンク5の原節に連結されている。また、被駆動部6の他端には、駆動ロッド11と被駆動部6とを連結するための連結部6aが設けられている。また、被駆動部6は、使用時に、後述する駆動ロッド11から伝達される駆動力によって圧縮や引張りが作用しても座屈することなく、また伸縮量も小さくなるように、例えば金属などの高剛性材料によって形成されている。
駆動ロッド11は、軸状に形成されており、術具2へと駆動力を伝達するために移動される部材である。駆動ロッド11の先端側の端部である軸方向の一端部には、被駆動部6の連結部6aと着脱可能に連結する連結部12が設けられている。また、駆動ロッド11の基端側の端部である軸方向の他端部は、駆動ロッド11を軸方向に進退させる直動機構16及びモーター19を介してスレーブアーム8の基端側に支持されている。
また、駆動ロッド11の連結部12は、術具2との着脱時においては、嵌合部10の内部に位置付けられる。
このような構成により、駆動ロッド11は、術具2とスレーブアーム8との間で、軸方向に力伝達を行うことができる。
リニアエンコーダ13は、増分形でも絶対値形でもよいが、本実施形態では増分形であるとして説明する。
リニアエンコーダ13は、スレーブアーム8のアーム筐体9に対する駆動ロッド11の変位を測定するものである。このため、駆動ロッド11及びアーム筐体9の何れか一方にスケール部14が設けられている場合には、駆動ロッド11及びアーム筐体9の何れか他方に検出部15が設けられている。
スケール部14の軸方向の長さは、駆動ロッド11が連結される被駆動部6の使用時の最大可動範囲よりも長く設定されている。これにより、被駆動部6の可動範囲のどこに被駆動部6が移動されても、被駆動部6の移動を検出することができる。
ボールスクリュー17の基端側の端部は、モータ回転軸と、回転ジョイントとを介してモーター19に連結されている。したがって、ボールスクリュー17は、モーター19が回転されると、モーター19の回転力によって中心軸線回りに回転動作する。
また、モーター19には、上述のエンコーダ20が接続されており、エンコーダ20によって、回転軸の回転角を検出することができる。本実施形態では、回転軸とボールスクリュー17とは回転ジョイントで直結されている。このため、エンコーダ20が検出する回転角は、ボールスクリュー17の回転角と一致する。
スレーブ側制御装置119へ出力される回転角の情報は、スレーブ側制御装置119によってモーター19の回転動作を制御するために使用される。すなわち、モーター19とスレーブ側制御装置119とにより、モーター19に対するサーボ機構が構成されている。
したがって、エンコーダ20は、駆動ロッド11上で軸方向に離間した二点のうち基端側の点の変位を検出する第二位置検出手段を構成している。
このような構成により、直動ブロック18とモーター19とは、駆動ロッド11の基端部を軸方向に進退させる駆動部を構成している。
マスタ制御部107は、マスタ操作入力装置101(図1参照)から出力される操作信号を受信し、この操作信号に基づいた動作を実現するためのスレーブマニピュレータ104の制御対象となる可動部の駆動量を解析する。さらに、マスタ制御部107は、操作信号に基づいて、制御対象となる可動部を選択する可動部選択信号と、可動部選択信号で選択される可動部への指示値とをマニピュレータ制御部108へ出力する。
なお、第二基準量算出部112は、ボーススクリューのリードの大きさから、ボールスクリュー17の回転角をねじ送り量に換算するようになっていてもよい。
手術支援装置1は、スレーブアーム8に術具2が取り付けられた状態で、スレーブマニピュレータ104にセットされる。術具2とスレーブアーム8とが連結された状態で手術支援システム100が起動されると、手術支援装置1の初期化が行なわれる。このとき、リニアエンコーダ13とエンコーダ20のそれぞれの原点がリセットされ、以降の動作ではこの位置が変位0(ΔX1=0、ΔX2=0)の位置となる。
また、関節ロボット105は予め設定された初期化時の位置に移動される。
これにより、手術支援装置1のモーター19が駆動され、直動ブロック18が先端側に移動し、駆動ロッド11を介して被駆動部6が先端側に移動され、駆動リンク5によって把持部3が開放される。
モーター19を動作させたときの術具2の動作は、リニアエンコーダ13あるいはエンコーダ20からの出力によって検出される。
モーター19が駆動されると、リニアエンコーダ13からの出力XLおよびエンコーダ20からの出力XMが、それぞれ第一基準量算出部111および第二基準量算出部112に逐次入力される。第一基準量算出部111および第二基準量算出部112は、これらの出力信号に基づいて、それぞれの変位ΔX1、ΔX2を差分算出部113に出力する。差分算出部113において算出された差分(XM−XL)は、作動力演算部115へ出力される。
故障検出部114は、エンコーダ20の故障判定(図5に示すステップS2)と、リニアエンコーダの故障判定(図5に示すステップS3)を行なう。
ステップS2では、エンコーダ20が故障している場合には、指示値Xrefからエンコーダ20からの出力XMを引いた差分が故障判定のための閾値tMAXを超えるので、ステップS4へ進む。
また、ステップS3では、リニアエンコーダ13が故障している場合には、指示値Xrefからリニアエンコーダ13からの出力XLを引いた差分は閾値tMAXを超えるので、ステップS6へ進む。
次に、本発明の第2実施形態の手術支援装置1について説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第1実施形態の手術支援装置1と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略する。図6は、本実施形態の手術支援装置の動作を説明するためのフローチャートである。
本実施形態では、リニアエンコーダ13とエンコーダ20とから出力される値を比較することにより、駆動ロッド11の伸縮量を検出するようになっている。すなわち、本実施形態では、モーター19を駆動させるための指示値は、リニアエンコーダ13及びエンコーダ20の故障判定に使用しない。
このような故障検出方法であっても、上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
また、本実施形態では、駆動ロッド11の伸縮量のみを用いて故障判定を行なうことができるので、構成をさらに簡素にすることができる。
上述の第2実施形態では、リニアエンコーダ13とエンコーダ20とのどちらが故障しているかを特定しない例を示したが、故障している方を特定してもよい。
本変形例では、リニアエンコーダ13とエンコーダ20とのどちらが故障しているかを特定するために、マスタ制御部107からスレーブアーム8へ出力される指示値Xrefに対応する駆動ロッド11の伸縮量に基づいて予め決定された閾値tMAXを用いる。
また、指示値Xrefからエンコーダ20からの出力XMを引いた差分が閾値tMAXを下回っている場合には、エンコーダ20は故障していないと故障検出部114に判定される(図7に示すステップS13)。上記ステップS11からステップS13へ移行した場合には、リニアエンコーダ13とエンコーダ20との何れかが故障しているから、この場合、リニアエンコーダ13が故障していることになる。ステップS13においてエンコーダ20は故障していないと故障検出部114に判定された場合には、ステップS16へ移行する。
上述の変形例1では、リニアエンコーダ13とエンコーダ20との少なくとも何れかが故障していると判定されている状態でエンコーダ20の故障判定のみを行なっている。これに対して、本変形例では、リニアエンコーダ13とエンコーダ20との少なくとも何れかが故障していると判定されている状態において、リニアエンコーダ13の故障判定とエンコーダ20の故障判定を両方行なってもよい。本変形例におけるリニアエンコーダ13の故障判定は、エンコーダ20の故障判定と同様の方法にて行なうことができる。
次に、本発明の第3実施形態の手術支援装置について説明する。図8は、本実施形態の手術支援装置を示す模式図である。
本実施形態の手術支援装置1Aは、手術支援システム100の一部ではなく、操作者が手に持って使用する装置である。
操作部30は、第1実施形態で説明したスレーブアーム8とは形状が異なり、操作者が把持するグリップ31と、上述の過負荷故障検出部110とを備える。
次に、本発明の第4実施形態の手術支援装置について説明する。本実施形態の手術支援装置の形状は、第1実施形態の手術支援装置1と同様の形状の装置である(図2参照)。
手術支援装置1は、把持アーム4の各把持片を開閉させるために駆動ロッド11が直線移動される。手術支援装置1の基端側への駆動ロッド11の移動量がある規定値を超えると、把持アーム4の各把持片は閉じた状態となる。各把持片が閉じている状態では各把持片はそれ以上閉じる方向へ移動されないので、駆動ロッド11が牽引される力により駆動ロッド11は伸びる。ここで、例えば上記規定値を超えても駆動ロッド11の伸びが検出されない場合には、リニアエンコーダ13よりも先端側に配された術具2において、駆動リンク5や被駆動部6が破断するなど、動力が正しく伝達できなくなる不具合が生じていると判定することができる。
たとえば、上述の実施形態では、第一位置検出手段としてリニアエンコーダ13を駆動ロッド11に対して設け、第二位置検出手段としてエンコーダ20をモータ19に対して設けていたが、第一位置検出手段と第二位置検出手段との配置位置はこれに限られない。
また、上述の実施形態では駆動ロッド11と被駆動部6とが着脱可能に連結される例を示したが、駆動ロッドと被駆動部とは一体のものであってもよい。
2 術具
3 把持部
4 把持アーム
5 駆動リンク
6 被駆動部
6a 連結部
7 術具筐体
8 スレーブアーム
9 アーム筐体
10 嵌合部
11 駆動ロッド(駆動部材)
12 連結部
13 リニアエンコーダ(第一位置検出手段)
14 スケール部
15 検出部
16 直動機構
17 ボールスクリュー
18 直動ブロック
19 モーター
20 エンコーダ(第二位置検出手段)
30 操作部
31 グリップ
32 レバースイッチ
33 ステータスモニタ
100 手術支援システム
101 操作入力装置
102 マスタ表示部
103 操作部
104 スレーブマニピュレータ
105 関節ロボット
106 マスタ側制御装置
107 マスタ制御部
108 マニピュレータ制御部
109 マニピュレータ制御入力部
110 過負荷故障検出部
111 第一基準量算出部
112 第二基準量算出部
113 差分算出部
114 故障検出部
115 作動力演算部
116 記憶部
117 マニピュレータ制御出力部
118 アーム動作情報検出部
119 スレーブ側制御装置
Claims (11)
- 対象物へと駆動力を伝達するために移動される駆動部材と、
前記駆動部材における所定の一箇所の移動量を計測する第一位置検出手段と、
前記駆動部材において前記所定の一箇所と異なる他の一ヶ所の移動量を検出する第二位置検出手段と、
前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量との差分長さを検出する差分算出部と、
前記差分長さに基づいて前記駆動部材から前記対象物へと伝達される力の大きさを演算する作動力演算部と、
前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記第二位置検出手段によって検出された移動量とを用いて前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかの故障を検出する故障検出部と、
を備えることを特徴とする手術支援装置。 - 請求項1に記載の手術支援装置であって、
前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に対して発せられる指示値を取得し、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第一差分と、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第二差分とを、それぞれ前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された閾値と比較し、前記第一差分が前記閾値以上である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二差分が前記閾値以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。 - 請求項1に記載の手術支援装置であって、
前記差分長さが所定の範囲以上である場合に、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が判定する
ことを特徴とする手術支援装置。 - 請求項3に記載の手術支援装置であって、
前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる量を指示するために前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に出力される指示値を取得し、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくともいずれかが故障していると前記故障検出部が判定したときに、前記第一位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第一差分と、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分である第二差分とを、それぞれ前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された閾値と比較し、前記第一差分が前記閾値以上である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二差分が前記閾値以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。 - 請求項3に記載の手術支援装置であって、
前記故障検出部は、前記駆動部材を移動させる量を指示するために前記駆動部材を移動させる駆動力発生手段に出力される指示値を取得し前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくともいずれかが故障していると前記故障検出部が判定したときに、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分を、前記指示値に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて決定された所定の上限と下限とを有する閾値範囲と比較し、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分が前記閾値範囲の上限以上である場合には前記第二位置検出手段が故障しているものと判定し、前記第二位置検出手段によって検出された移動量と前記指示値との差分が前記閾値範囲内である場合には前記第一位置検出手段が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が検出したときに、前記駆動部材の動作を停止させることを特徴とする手術支援装置。 - 請求項2から請求項6のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段との少なくとも何れかが故障していると前記故障検出部が検出したときに、前記第一位置検出手段と前記第二位置検出手段とのうち故障していない位置検出手段がある場合には、前記故障していない位置検出手段を用いて前記駆動部材の位置を検出しながら前記駆動部材を所定の位置へ移動させ、前記駆動部材が前記所定の位置へ移動した後に前記駆動部材を停止させることを特徴とする手術支援装置。 - 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記作動力演算部は、前記作動力演算部によって演算された力の大きさが適正負荷の上限を超えている場合に過負荷状態であると判定することを特徴とする手術支援装置。 - 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記対象物に対して処置を行う術具と、
前記術具に対して着脱自在なスレーブアームとを備え、
前記駆動部材、前記第一位置検出手段、および前記第二位置検出手段は、前記スレーブアームに設けられていることを特徴とする手術支援装置。 - 請求項9に記載の手術支援装置であって、
前記第一位置検出手段によって検出された移動量に対応する前記駆動部材の伸縮量に基づいて予め設定された閾値を参照し、前記差分長さが前記閾値以下である場合に、前記術具が故障しているものと判定する
ことを特徴とする手術支援装置。 - 請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の手術支援装置であって、
前記手術支援装置を支持する関節ロボットに対して着脱可能であることを特徴とする手術支援装置。
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