JP6072256B2

JP6072256B2 - 操作入力装置およびマスタスレーブシステム

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Publication number: JP6072256B2
Application number: JP2015527698A
Authority: JP
Inventors: 和泉初田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: CN104885028B; CN104885028A; EP2984535A4; JP2016505278A; EP2984535A1; US20150245874A1; US9629683B2; WO2014136583A1

Description

本発明は、操作入力装置およびマスタスレーブシステムに関するものである。

従来、マスタスレーブシステムのマスタ入力装置として、スレーブ装置と相似形をなすものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このマスタ入力装置は複数の関節を有し、各関節の回転操作入力に比例してスレーブ装置の対応する湾曲部が湾曲動作させられるようになっている。

特許第４６０８６０１号公報

しかしながら、特許文献１のマスタスレーブシステムではマスタ入力装置による回転操作入力の大きさとスレーブ装置の対応する湾曲部の湾曲動作の大きさとの対応関係が固定されているため、粗動と微動とを使い分けることが困難であった。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、同一の操作によって粗動と微動とを切り替えて操作することができる操作入力装置およびマスタスレーブシステムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、ベース部材と、操作者により把持され、前記ベース部材に対して相対移動させられる把持部と、前記ベース部材と前記把持部との間に直列に配置された複数の関節部を有し、前記把持部を前記ベース部に揺動可能に連結する連結部と、前記連結部の揺動角度に対する前記把持部の移動量を変更するスケール比変更機構とを備え、前記スケール比変更機構が、前記ベース部材側の少なくとも１つの前記関節部の揺動を固定するロック機構である操作入力装置である。
本発明の第２の態様は、ベース部材と、操作者により把持され、前記ベース部材に対して相対移動させられる把持部と、前記ベース部材と前記把持部との間に直列に配置された複数の関節部を有し、前記把持部を前記ベース部に揺動可能に連結する連結部と、前記連結部の揺動角度に対する前記把持部の移動量を変更するスケール比変更機構と、隣接する前記関節部を接続するリンク部材とを備え、前記スケール比変更機構が、前記リンク部材に設けられ前記連結部の長さを可変にする伸縮機構である操作入力装置である。

本態様によれば、操作者が把持部を把持してベース部に対して相対移動させると、連結部が把持部の移動量に応じた揺動角度だけ揺動させられるので、その揺動角度を操作入力量として出力することができる。この場合において、スケール比変更機構を作動させて関節部の揺動角度に対する把持部の移動量を変更することにより、操作者による把持部の移動量に対して出力される操作入力量、つまり、スケール比を変更することができる。すなわち、操作入力量に応じてスレーブ装置を駆動する場合に、スケール比を大きくして、同じ操作入力量を出力するために操作者が移動させなければならない把持部の移動量を多くすると、スレーブ装置を微動させることができる。逆にスケール比を小さくすることにより、スレーブ装置を粗動させることができる。

上記第２の態様においては、前記スケール比変更機構が、前記連結部の長さを可変にする伸縮機構である。
このようにすることで、スケール比変更機構である伸縮機構の作動により連結部から把持部までの長さを伸ばした場合には、短くした場合と比較して、スケール比を大きくすることができる。すなわち、スケール比が大きくなると、スケール比が小さい場合と比較して、同じ操作入力量を出力するために操作者が把持部をより大きく移動させなければならないので、スレーブ装置を簡易に微動させることができる。逆にスケール比が小さくなると、同じ操作入力量を出力するために操作者が把持部をより小さく移動させればすみ、スレーブ装置を簡易に粗動させることができる。

上記第１の態様においては、前記関節部が、前記ベース部材と前記把持部との間に直列に複数配置され、前記スケール比変更機構が、前記ベース部材側の少なくとも１つの前記関節部の揺動を固定するロック機構である。
このようにすることで、スケール比変更機構であるロック機構を作動させてベース部材側の関節部の揺動を固定すると、揺動される部分の長さがロック機構によって固定された関節部よりも先端側に限定されることで短くなるので、把持部の移動量が小さくなる。その結果、スケール比を小さくすることができる。逆に、ロック機構を解除して関節部の揺動を許容すると、揺動される部分の長さが長くなるので、把持部の移動量が大きくなってスケール比を大きくすることができる。

また、上記第２の態様においては、前記関節部が、前記ベース部材と前記把持部との間に直列に複数配置され、隣接する関節部を接続するリンク部材を備え、前記伸縮機構が前記リンク部材に設けられている。
このようにすることで、伸縮機構の作動により隣接する関節部間のリンク部材の長さを長くすると、同じ操作入力量を出力させるための把持部の移動量を大きくすることができ、スケール比を大きくすることができる。一方、関節部間のリンク部材の長さを短くすることでスケール比を小さくすることができる。

本発明の第３の態様は、上記いずれかの操作入力装置と、前記操作入力装置における前記連結部の揺動角度に応じて動作させられるスレーブ装置とを備えるマスタスレーブシステムである。
本態様によれば、操作入力装置におけるスケール比を変化させることで、スレーブ装置の動作を、簡易に粗動または微動に切り替えることができる。

本発明の第１の実施形態に係るマスタスレーブシステムを示す全体構成図である。本発明の第１の実施形態に係る操作入力装置であってスケール比を小さくした場合を示す正面図である。図２の操作入力装置であってスケール比を大きくした場合を示す正面図である。本発明の第２の実施形態に係る操作入力装置を示す正面図である。図４の操作入力装置の動作を説明する正面図である。図４の操作入力装置に備えられたスケール比変更機構の一例を示すブロック図である。図４の操作入力装置においてスケール比を変更する手順を説明するフローチャートである。図７の手順の他の例を説明するフローチャートである。図４の操作入力装置の変形例において、（ａ）ロック無し、（ｂ）１つの関節部のみロック、（ｃ）２つの関節部をロックした状態を説明する正面図である。本発明の第３の実施形態に係る操作入力装置であって、スケール比を小さくした場合を示す正面図である。図１０の操作入力装置であってスケール比を大きくした場合を示す正面図である。図１０の操作入力装置においてスケール比を変更する手順を説明するフローチャートである。

以下、本発明の第１の実施形態に係るマスタ装置（操作入力装置）２およびマスタスレーブシステム１について図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るマスタスレーブシステム１は、図１に示されるように、内視鏡システムであって、操作者Ｏにより操作されるマスタ装置（操作入力装置）２と、スレ−ブ装置としての内視鏡４と、該内視鏡４を駆動する駆動部５と、駆動部５を制御する制御部６と、内視鏡４により取得された画像を表示する表示部７とを備えている。

内視鏡４は、患者Ｐの体内、例えば、大腸等の柔らかい臓器内に挿入される軟性の挿入部３を有している。
駆動部５は、内視鏡４の挿入部３の挿入動作、挿入部３の先端の湾曲動作、挿入部３の捻り動作等の駆動を挿入部３の基端側において行うようになっている。

マスタ装置２は、図１および図２に示すように、床面に固定された操作台（ベース部材）２１と、操作者Ｏにより把持されるレバー２２と、該レバー２２を操作台２１に揺動可能に連結する関節部２３と、レバー２２に設けられたスケール比変更機構２４と、床面上に配置されたフットスイッチ２５とを有している。

介助者（不図示。）は、図１に示すように、操作部２側に配置されている手術台３０上に患者Ｐを寝かせ、消毒、麻酔などの適切な処理を行う。
操作者Ｏは、介助者に指示して患者Ｐの肛門から大腸内に挿入部３を導入させる。操作者Ｏは、レバー２２を操作して挿入部３の湾曲部を適宜湾曲させるようになっている。

レバー２２は図２に示されるように、単一の直棒状に形成され、その先端に、操作者Ｏによって把持される把持部２６を備えている。把持部２６を除くレバー２２の部分と関節部２３とから、把持部２６をベース部２１に揺動可能に連結する連結部が構成されている。

関節部２３は、レバー２２の基端側に配置された、相互に直交する略水平な２つの軸線２３ａ（内１つのみを図示）回りにレバー２２を操作台２１に揺動可能に連結している。また、関節部２３には、レバー２２の２つの軸線２３ａ回りの揺動角度を検出する角度センサ（図示略）が配置されている。

スケール比変更機構２４は、レバー２２をその長手方向に伸縮可能にする伸縮機構により構成されている。伸縮機構は、例えば、レバー２２を２重筒状に構成し、関節部２３に連結する第１の筒部２２ａと、該第１の筒部２２ａを内側に嵌合させ、第１の筒部２２ａに対して長手方向に移動可能に配置された第２の筒部２２ｂとを備えている。把持部２６は第２の筒部２２ｂに設けられている。

このように構成された本実施形態に係るマスタ装置２の作用について以下に説明する。
内視鏡４を体腔内に挿入した状態で、内視鏡４により体腔内を観察および処置して行くには、操作者Ｏは内視鏡４により撮影された体内の状態を表示部７によって観察しながら、マスタ装置２のレバー２２に設けられた把持部２６を把持してレバー２２に交差する方向に力を加える。

これにより、レバー２２が、関節部２３の軸線２３ａ回りに、力が加えられた方向に揺動させられ、関節部２３に設けられた角度センサによってレバー２２の揺動角度が検出される。すなわち、このレバー２２の揺動角度信号がマスタ装置２の操作入力量となって出力される。

制御部６は、マスタ装置２から出力された操作入力量を受け取って内視鏡４の湾曲部の動作角度指令信号に変換し、内視鏡４を駆動する。これにより、内視鏡４の湾曲部が、レバー２２の揺動方向に対応づけられた所定の方向に、レバー２２の揺動角度に対応する角度だけ湾曲させられる。

この場合において、内視鏡４を微動させて詳細に観察あるいは処置を行いたい場合には、操作者Ｏがスケール比変更機構２４である伸縮機構を作動させて、図３に示されるようにレバー２２を長手方向に長くする。すなわち、第１の筒部２２ａに対して第２の筒部２２ｂを長手方向にスライドさせる。これにより、把持部２６が、関節部２３から離れる方向に移動させられるので、関節部２３の軸線２３ａ回りの把持部２６の移動量が大きくなる。

すなわち、レバー２２が短い状態と長い状態とで比較すると、関節部２３を同じ揺動角度だけ揺動させるためには、レバー２２が長い状態の方が把持部２６の移動量を大きくする必要がある。このため、操作者Ｏによる把持部２６の単位移動量当たりの内視鏡４の湾曲部の作動量が小さくなり、内視鏡４を微動させることが可能となる。

逆に、内視鏡４の湾曲部を粗動させたい場合には、スケール比変更機構２４である伸縮機構を作動させて、図２に示されるようにレバー２２を長手方向に短くする。これにより、把持部２６が関節部２３に近接する方向に移動させられるので、関節部２３の軸線２３ａ回りの把持部２６の移動量を小さくすることができ、内視鏡４の湾曲部を粗動させることができる。

このように、本実施形態に係るマスタ装置２およびマスタスレーブシステム１によれば、スケール比変更機構２４の作動により、内視鏡４の微動と作動とを簡易に切り替えることができ、より詳細な観察や処置、より迅速な内視鏡４の移動等を行って、効率的に観察あるいは処置を行うことができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、図示の簡略のため、関節部２３として単一の軸線２３ａのみを図示したが、各関節部２３が相互に直交する２軸を有している。これにより、図２および図３に示されるような紙面に沿う方向のレバー２２の揺動のみならず、紙面に交差する方向へのレバー２２の揺動も可能である。また、マスタ装置２はレバー２２をその軸線回りに揺動させる操作も可能であり、この操作により内視鏡４の先端部をその軸線回りに回転させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るマスタ装置１０について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係るマスタ装置２およびマスタスレーブシステム１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係るマスタ装置１０は、図４に示されるように、連結部として直列に配置される複数の関節部１１を備え、隣接する関節部１１間がリンク１２によって連結されたレバー１３を有している。
また、各関節部１１には、該関節部１１の揺動を固定するロック機構（図示略）が設けられている。また、各関節部１１はそれぞれ直交する２つの軸線１１ａ（内１つのみを図示）回りにリンク１２を揺動させることができるようになっている。

本実施形態においては、スケール比変更機構１４として、スケール比を入力する入力部１５と、該入力部１５から入力されたスケール比に応じて固定する関節部１１を決定し、当該関節部１１のロック機構を作動させるロック制御部１６とを備えている。
また、本実施形態においては、制御部６は、ロック機構が作動させられることにより、レバー１３の揺動角度が変更された場合には、その変更された状態の全揺動角度範囲が、内視鏡４の湾曲部の全湾曲角度範囲に対応するように、マスタ装置２による操作入力量に乗算するゲインを変更するようになっている。

このように構成された本実施形態に係るマスタ装置１０の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るマスタ装置１０を粗動操作に切り替えるには、操作者Ｏが入力部１５からスケール比を入力する（ステップＳ１）。制御部６は、入力されたスケール比に応じて固定する関節部１１を決定する（ステップＳ２）。

そして、操作者Ｏは、レバー１３を初期位置（揺動角度ゼロの位置）に戻すように移動させる（ステップＳ３）。制御部６は、レバー１３が初期位置に戻ったか否かを確認し（ステップＳ４）、初期位置に戻った場合には、入力されたスケール比に応じて決定された関節部１１のロック機構を作動させる（ステップＳ５）。

スケール比が最も大きい状態では、全ての関節部１１の固定が解除され、スケール比が小さくなるにつれて、ベース部材２１に近い側の関節部１１から作動させるロック機構を増やして行くようになっている。これにより、スケール比が小さくなると、揺動可能な関節部１１が少なくなるので、最大限に揺動させても揺動角度範囲は小さくなる。

そして、制御部６が、その小さくなった揺動角度範囲を内視鏡４の湾曲部の湾曲角度範囲に割り当てるので（ステップＳ６）、把持部２６の小さい変位量によって湾曲部を大きく湾曲させることになり、内視鏡４を粗動させることができる。
また、固定する関節部１１を増やして行くことにより、レバー１３の揺動角度範囲が徐々に小さくなり、粗動の程度を増していくことができる。

逆に、マスタ装置２を微動操作に切り替えるには、ロック機構による関節部１１のロック状態を解除する。これにより、レバー１３は最大限に揺動できるようになるので、大きな揺動角度範囲を内視鏡４の湾曲部の湾曲角度範囲に割り当てることができ、把持部２６の大きな変位量によって湾曲部を湾曲させるので、内視鏡４を微動させることができる。

また、上記においては、スケール比の切替時にマスタ装置２を初期位置に戻すと、内視鏡４も初期位置に戻されるが、これに代えて、内視鏡４を初期位置に戻すことなくスケール比を切り替えることにしてもよい。この場合、図８に示されるように、固定する関節部が決定されたら（ステップＳ２）、マスタスレーブを全ての軸について無効にし（ステップＳ１０）、マスタ装置２を操作しても内視鏡４が動作しないようにする。

この状態で、マスタ装置を初期位置に戻し（ステップＳ３，Ｓ４）、関節部を固定し（ステップＳ５）、ゲインを変更し（ステップＳ６）、この後に操作者がレバーを移動させる（ステップＳ１１）。このとき、制御部はマスタ装置と内視鏡とが一致したか否かを各軸について判定し（ステップＳ１２）、一致した軸についてマスタスレーブを有効にする（ステップＳ１３）。これを全軸について一致したか否かを判定し（ステップＳ１４）、一致していない場合にはステップＳ１１からのステップを繰り返し、全軸について一致した場合には終了する。
このようにすることで、内視鏡４を動作させることなくスケール比を切り替えることができる。

また、各関節部１１がモータを備え、制御部６からの指令に従って任意の位置に移動できるように構成されている場合には、全軸分のマスタスレーブを無効にした後に、マスタ装置を自動的に初期位置に移動させて関節部をロックし、その後自動的にスレーブと一致する位置まで移動させてから、全軸分のマスタスレーブを有効にすることにしてもよい。

なお、ロック機構としては、各関節部１１に設けたブレーキ（図示略）を作動あるいは、各関節部１１に設けたモータ（図示略）をロックさせることにより実現することができる。あるいは、図９（ａ）〜（ｃ）に示されるように、ベース部材２１側から出没させられる筒状部材１７によって、レバー１３の基端側から関節部１１を固定していくことにしてもよい。

次に、本発明の第３の実施形態に係るマスタ装置３０について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１および第２の実施形態に係るマスタ装置２，１０およびマスタスレーブシステム１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係るマスタ装置３０は、図１０および図１１に示されるように、複数の関節部１１の間に配置されるリンク３１が軸方向に伸縮可能な伸縮部３２を有している。スケール比を小さくしたい場合には、図１０に示されるように各リンク３１の伸縮部３２をスケール比に合わせて収縮させ、スケール比を大きくしたい場合には、図１１に示されるようにリンク３１の伸縮部３２を伸長させる。これにより、第１および第２の実施形態と同様に、容易にスケール比を切り替えて、内視鏡４の粗動と微動とを切り替えることができる。

この場合において、本実施形態に係るマスタ装置３０によれば、各関節部１１の揺動角度を変化させることなく伸縮部３２を伸縮させるだけでスケール比を変更できる。その結果、関節部３１を初期位置に戻すことなくスケール比を切り替えることができ、スケール比の切替時にマスタスレーブを無効にしなくても、内視鏡４が動いてしまうことを防止できる。

なお、スケール比の切替動作をより確実に行うためには、図１２に示されるように、スケール比が入力されたら（ステップＳ１）、全ての関節部１１のロック機構を作動させて関節部１１をロックした後に（ステップＳ１５）、スケール比に合わせて伸縮部３２を伸縮させ（ステップＳ１６）、その後、全ての関節部１１のロック機構を解除することにすればよい（ステップＳ１７）。これにより、スケール比切替に際して、マスタ装置３０が操作されないので、スケール比切替前後に、マスタ装置３０と内視鏡４との対応関係がずれてしまうことを防止することができる。

伸縮部３２としては、第１の実施形態のように手動で伸縮されるものでもよいし、電動、空気圧等任意の動力によって伸縮させられるようになっているものでもよい。
また、上記各実施形態において、関節部１１，２３を有する連結部としたが、これに限定されるものではなく、例えば、自立可能なバネ材やゴム材からなるものであってもよい。この場合、連結部に、たとえばＦＢＧセンサを取り付けて揺動角度を検出すれば、その検出結果によってスレーブ装置を動作させることができる。

また、上記各実施形態において、スケール比の切り替えをフットスイッチ２５あるいは把持部２６に設けたスイッチ等のスイッチを押下することで行い、スケール比変更機構１４，２４を作動させるようにしてもよい。

Ｏ操作者
１マスタスレーブシステム
２，１０，３０マスタ装置（操作入力装置）
４内視鏡（スレーブ装置）
１１，２３関節部（連結部）
１２，３１リンク（リンク部材）
１４，２４スケール比変更機構
１７筒状部材（ロック機構）
２１ベース部材
２６把持部
３２伸縮部（伸縮機構）

Claims

ベース部材と、
操作者により把持され、前記ベース部材に対して相対移動させられる把持部と、
前記ベース部材と前記把持部との間に直列に配置された複数の関節部を有し、前記把持部を前記ベース部に揺動可能に連結する連結部と、
前記連結部の揺動角度に対する前記把持部の移動量を変更するスケール比変更機構とを備え、
前記スケール比変更機構が、前記ベース部材側の少なくとも１つの前記関節部の揺動を固定するロック機構である操作入力装置。
ベース部材と、
操作者により把持され、前記ベース部材に対して相対移動させられる把持部と、
前記ベース部材と前記把持部との間に直列に配置された複数の関節部を有し、前記把持部を前記ベース部に揺動可能に連結する連結部と、
前記連結部の揺動角度に対する前記把持部の移動量を変更するスケール比変更機構と、
隣接する前記関節部を接続するリンク部材とを備え、
前記スケール比変更機構が、前記リンク部材に設けられ前記連結部の長さを可変にする伸縮機構である操作入力装置。
請求項１または請求項２に記載の操作入力装置と、
前記操作入力装置における前記連結部の揺動角度に応じて動作させられるスレーブ装置とを備えるマスタスレーブシステム。