JP6550368B2 - 液圧鉗子システム - Google Patents

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Description

本発明は、液圧を利用してグリッパーの開閉を行うロボット鉗子を含む液圧鉗子システムに関する。
従来から、手術支援ロボットでは、ワイヤの引っ張りおよび引き戻しによってグリッパーの開閉を行うワイヤ駆動式のロボット鉗子が用いられている。近年では、ワイヤ駆動式のロボット鉗子に代えて、空気圧を利用してグリッパーの開閉を行うロボット鉗子も提案されてきている。例えば、特許文献１の図９には、そのようなロボット鉗子に用いられる空気圧アクチュエータが記載されている。図４に、その空気圧アクチュエータ１００を示す。
具体的に、空気圧アクチュエータ１００では、シリンダ１４０内にピストン１３０が収容され、そのピストン１３０がロッド１２０によりグリッパー１１０と連結されている。シリンダ１４０には、ピストン１３０の移動量を検出する変位センサ１５０が設けられている。変位センサ１５０は、外力Ｆの算出に用いられる。
特開２０１３−２２０２７３号公報
ところで、図４に示す空気圧アクチュエータ１００において、変位センサ１５０を、グリッパー１１０の開閉を制御するためにピストン１３０の位置を検出する位置センサとして使用することも可能である。しかしながら、ロボット鉗子の先端部は非常に細いため、そのような位置センサ（変位センサ１５０）をロボット鉗子の先端部に設けることは困難である。
そこで、本発明は、ロボット鉗子の先端部に位置センサを設けることなく、グリッパーの開閉を制御できるようにすることを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は、グリッパー、前記グリッパーと連結された第１ピストン、前記第１ピストンを収容して前記第１ピストンと共に作動液で満たされる第１圧力室を形成する第１シリンダ、第２ピストン、前記第２ピストンを収容して前記第２ピストンと共に前記作動液で満たされる第２圧力室を形成する第２シリンダ、前記第１圧力室と前記第２圧力室とを連通する連通路、および直動機構を介して前記第２ピストンを駆動するモータ、を含むロボット鉗子と、前記第２ピストンの位置の検出に用いられる位置センサと、前記第１ピストンに対する指令位置に基づいて前記モータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置に基づいて、前記第１ピストンの推定位置を導出するオブザーバと、前記第１ピストンの推定位置と前記指令位置との偏差に基づいて、前記モータの目標回転速度を導出する位置制御部と、を含む、液圧鉗子システムを提供する。
上記の構成によれば、非圧縮性の作動液が用いられるので、グリッパーと連結された第１ピストン、換言すればロボット鉗子の先端側にある第１ピストンの移動量は、外力にほぼ影響されることなく第２ピストンの移動量と比例する。しかも、第２ピストンは、直動機構を介してモータにより駆動される。よって、制御装置が第１ピストンに対する指令位置に基づいてモータを制御すれば、グリッパーの開閉を制御することができる。さらに、制御装置は、第２ピストンの位置に基づいて第１ピストンの推定位置を導出するオブザーバを含み、この第１ピストンの推定位置と指令位置とが比較されるので、第１ピストンの位置を検出する位置センサを設ける必要がない。すなわち、ロボット鉗子の先端部に位置センサを設けることなく、グリッパーの開閉を制御することができる。
例えば、前記位置センサは、前記モータの回転変位量を検出し、その回転変位量を前記第２ピストンの位置に変換するロータリエンコーダであってもよい。
上記の液圧鉗子システムは、前記作動液の圧力を検出する圧力センサをさらに備え、前記オブザーバは、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力および前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置に基づいて、前記第１ピストンの推定位置を導出してもよい。この構成によれば、第２ピストンの位置のみに基づいて第１ピストンの推定位置を導出する場合よりも、第１ピストンの位置の推定精度を向上させることができる。
例えば、前記オブザーバは、前記第２ピストンの推定位置および前記作動液の推定圧力を導出し、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力と前記作動液の推定圧力との偏差および前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置と前記第２ピストンの推定位置との偏差に基づいて推定誤差を算出し、算出した推定誤差を前記第１ピストンの推定位置の導出にフィードバックしてもよい。
本発明によれば、ロボット鉗子の先端に位置センサを設けることなく、グリッパーの開閉を制御することができる。
本発明の一実施形態に係る液圧鉗子システムの概略構成図である。 オブザーバのブロック線図である。 状態変数を表す行列である。 ロボット鉗子に用いられる、従来の空気圧アクチュエータの概略構成図である。
図１に、本発明の一実施形態に係る液圧鉗子システム１を示す。この液圧鉗子システム１は、ロボット鉗子２と制御装置７を含む。
例えば、液圧鉗子システム１が手術支援ロボットに用いられる場合、スレーブ側装置に取り付けられるロボット鉗子２をマスタ側装置で医師が遠隔操作する。この場合、制御装置７は、マスタ側装置に搭載されてもよいし、スレーブ側装置に搭載されてもよい。あるいは、制御装置７は、ロボット鉗子２の後述する駆動ユニット２１に組み込まれてもよい。
ロボット鉗子２は、作動液２０の液圧を利用してグリッパー２４の開閉を行うものである。作動液２０は、特に限定されるものではないが、例えば、生理食塩水や油などである。
具体的に、ロボット鉗子２は、駆動ユニット２１と、駆動ユニット２１から延びて患者の体内に挿入される挿入シャフト２２と、挿入シャフト２２の先端に設けられた、一対の爪２５からなるグリッパー２４を含む。なお、図示は省略するが、駆動ユニット２１には、挿入シャフト２２をその軸方向にスライドさせる機構、および挿入シャフト２２をその中心軸回りに回転させる機構が組み込まれてもよい。さらに、挿入シャフト２２の先端部が揺動可能に構成され、その先端部を揺動させる機構が駆動ユニット２１に組み込まれてもよい。
本実施形態では、挿入シャフト２２が、直線状に延びる高剛性の管である。ただし、挿入シャフト２２は、フレキシブルな管であってもよい。
挿入シャフト２２の先端部内には、第１シリンダ３１が配置されている。本実施形態では、第１シリンダ３１の中心軸が挿入シャフト２２の中心軸と一致している。第１シリンダ３１は、管状部と、管状部の内部をグリッパー２４側から閉塞する前壁と、管状部の内部をグリッパー２４と反対側から閉塞する後壁を有している。
第１シリンダ３１内には、第１ピストン３２が収容されている。第１ピストン３２と第１シリンダ３１の後壁との間には第１圧力室３Ａが形成され、第１ピストン３２と第１シリンダ３１の前壁との間には背圧室３Ｂが形成されている。第１圧力室３Ａ内は作動液２０で満たされており、背圧室３Ｂ内は大気中に開放されている。本実施形態では、背圧室３Ｂ内に、第１ピストン３２を付勢するスプリング３４が配置されている。
第１ピストン３２は、第１シリンダ３１の前壁を貫通するロッド３３によりリンク機構２３を介してグリッパー２４と連結されている。リンク機構２３は、ロッド３３の直線運動をグリッパー２４の開閉運動に変換する。
駆動ユニット２１内には、連通路２６により第１シリンダ３１と接続された第２シリンダ４１が配置されている。本実施形態では、第２シリンダ４１の軸方向が、挿入シャフト２２の軸方向と平行である。ただし、第２シリンダ４１の軸方向は、特に限定されるものではない。第２シリンダ４１は、管状部と、管状部の内部を挿入シャフト２２側から閉塞する前壁と、管状部の内部を挿入シャフト２２と反対側から閉塞する後壁を有している。
第２シリンダ４１内には、第２ピストン４２が収容されている。第２ピストン４２と第２シリンダ４１の前壁との間には第２圧力室４Ａが形成され、第２ピストン４２と第２シリンダ４１の後壁との間には背圧室４Ｂが形成されている。第２圧力室４Ａ内は作動液２０で満たされており、背圧室４Ｂ内は大気中に開放されている。
上述した連通路２６は、挿入シャフト２２内を延びており、第１圧力室３Ａと第２圧力室４Ａとを連通している。この連通路２６内も作動液２０で満たされている。例えば、連通路２６は、金属製の管または樹脂製のフレキシブルなチューブで構成される。
第２ピストン４２は、第２シリンダ４１の後壁を貫通するロッド４３により直動機構５１と連結されている。直動機構５１は、モータ５２の出力シャフト５３とも連結されている。直動機構５１は、モータ５２の出力シャフト５３の回転運動をロッド４３の直線運動に変換する。つまり、モータ５２は、直動機構５１およびロッド４３を介して第２ピストン４２を駆動する。モータ５２は、例えばサーボモータである。
モータ５２の一方向への回転によって第２ピストン４２が前進すると、作動液２０が第２圧力室４Ａから第１圧力室３Ａへ供給されて第１ピストン３２がスプリング３４の付勢力に抗して前進する。一方、モータ５２の逆方向への回転によって第２ピストン４２が後退すると、スプリング３４の付勢力によって第１ピストン３２が後退しながら作動液２０が第１圧力室３Ａから第２圧力室４Ａへ排出される。すなわち、第２シリンダ４１、第２ピストン４２、直動機構５１およびモータ５２は、第１圧力室３Ａに対する作動液給排機構を構成する。
制御装置７へは、例えば上述したマスタ側装置から第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１が入力される。ただし、制御装置７にグリッパー２４への開度指令が入力され、制御装置７が、その開度指令から第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１を算出する指令位置算出部を含んでもよい。
制御装置７は、第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１に基づいてモータ５２を制御する。制御装置７は、例えば、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリとＣＰＵからなり、ＲＯＭに格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。具体的に、制御装置７は、位置制御部７１、速度制御部７２、インバータ部７３、微分部７５およびオブザーバ８を含む。制御装置７は、単一の機器であってもよいし、複数の機器に分割されてもよい。
本実施形態では、制御装置７が、圧力センサ６１および位置センサ６２と電気的に接続されている。圧力センサ６１は、作動液２０の圧力Ｐを検出するものであり、位置センサ６２は、第２ピストン４２の位置ｘ２の検出に用いられるものである。
本実施形態では、位置センサ６２が、モータ５２に設けられたロータリエンコーダであり、モータ５２の回転変位量を検出し、その回転変位量を第２ピストン４２の位置ｘ２に変換する。ただし、位置センサ６２は、直動機構５１に設けられたリニアエンコーダであってもよいし、第２シリンダ４１に設けられて第２ピストン４２の位置ｘ２を直接的に検出してもよい。
オブザーバ８は、圧力センサ６１で検出される作動液２０の圧力Ｐおよび位置センサ６２を用いて検出される第２ピストン４２の位置ｘ２に基づいて、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１を導出する。なお、オブザーバ８の機能については、後述にて詳細に説明する。
位置制御部７１は、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１と第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１の偏差Δｘ１（＝ｔｘ１−ｅｘ１）に基づいて、モータ５２の目標回転速度Ｖｔを導出する。偏差Δｘ１と目標回転速度Ｖｔとの関係は、予め設定されている。
微分部７５は、位置センサ６２を用いて検出される第２ピストン４２の位置ｘ２を微分してモータ５２の現在回転速度Ｖを算出する。速度制御部７２は、モータ５２の目標回転速度Ｖｔと現在回転速度Ｖとの偏差ΔＶ（＝Ｖｔ−Ｖ）に基づいて、モータ５２の目標電流Ｃｔを導出する。偏差ΔＶと目標電流Ｃｔとの関係は、予め設定されている。
インバータ部７３とモータ５２と間の電力線には、電流センサ７４が設けられている。インバータ部７３は、電流センサ７４で検出される電流Ｃｎと目標電流Ｃｔとの偏差が小さくなるように、モータ５２へ電流を供給する。
次に、図２を参照して、オブザーバ８の機能について詳細に説明する。オブザーバ８は、第２ピストン４２に力Ｆを加えたときの第２ピストン４２および第１ピストン３２の移動量をモデル化したものであり、以下の状態方程式１および出力方程式２で示すことができる。なお、以下では、ニュートンの記法に従って変数の上に記すべきドット記号を変数の右上に記す。
Ｘ・＝ＡＸ＋ＢＦ ・・・（１）
Ｙ＝ＣＸ ・・・（２）
Ｘ・，Ｘ，Ｙ：図３に示す行列で表される状態変数
ｘ１：第１ピストンの位置
ｘ２：第２ピストンの位置
Ｐ：作動液の圧力
Ｆ：第２ピストンに加えられる力
Ａ、Ｂ：状態方程式１中の係数を示す行列
Ｃ：出力方程式２中の係数を示す行列
行列Ａ，Ｂは、第１ピストン３２に関する状態方程式および第２ピストン４２に関する状態方程式などから求められる。
より詳しくは、オブザーバ８は、まず行列Ａ，Ｂを用いて推定状態変数ｅＸ・を求め、ついでこれを積分して推定状態変数Ｘ・を算出する。つまり、オブザーバ８は、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１だけでなく、第２ピストン４２の推定位置ｅｘ２および作動液２０の推定圧力ｅＰも導出する。導出された第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１は、上述したように第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１と比較される。
さらに、オブザーバ８は、行列Ｃを用いて第２ピストン４２の推定位置ｅｘ２および作動液２０の推定圧力ｅＰを抜き出し、それらを位置センサ６２を用いて検出される第２ピストン４２の位置ｘ２および圧力センサ６１で検出される作動液２０の圧力Ｐと比較する。そして、オブザーバ８は、第２ピストン４２の検出された位置ｘ２と推定位置ｅｘ２との偏差Δｘ２（＝ｘ２−ｅｘ２）と、作動液２０の検出された圧力Ｐと推定圧力ｅＰとの偏差ΔＰ（＝Ｐ−ｅＰ）とに基づき、行列Ｋを用いて状態変数Ｘ・の全要素についての推定誤差を算出する。その後、オブザーバ８は、算出した推定誤差を推定状態変数ｅＸ・の演算にフィードバックする。換言すれば、推定誤差は、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１の導出にフォードバックされる。
以上説明したように、本実施形態の液圧鉗子システム１では、非圧縮性の作動液２０が用いられるので、グリッパー２４と連結された第１ピストン３２、換言すればロボット鉗子２の先端側にある第１ピストン３２の移動量は、外力にほぼ影響されることなく第２ピストン４２の移動量と比例する。しかも、第２ピストン４２は、直動機構５１を介してモータ５２により駆動される。よって、制御装置７が第１ピストン３２に対する指令位置ｔｘ１に基づいてモータ５２を制御すれば、グリッパー２４の開閉を制御することができる。さらに、制御装置７は、第２ピストン４２の位置ｘ２に基づいて第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１を導出するオブザーバ８を含み、この第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１と指令位置ｔｘ１とが比較されるので、第１ピストン３２の位置を検出する位置センサを設ける必要がない。すなわち、ロボット鉗子２の先端部に位置センサを設けることなく、グリッパー２４の開閉を制御することができる。
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、圧力センサ６１が設けられず、オブザーバ８が、位置センサ６２を用いて検出される第２ピストン４２の位置ｘ２のみに基づいて第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１を導出してもよい。ただし、前記実施形態のように、位置センサ６２を用いて検出される第２ピストン４２の位置ｘ２および圧力センサ６１で検出される作動液２０の圧力Ｐに基づいて第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１を導出すれば、第２ピストン４２の位置ｘ２のみに基づいて第１ピストン３２の推定位置ｅｘ１を導出する場合よりも、第１ピストン３２の位置の推定精度を向上させることができる。
前記実施形態では、スプリング３４の付勢力によって第１ピストン３２が後退する。しかし、第２シリンダ４１、第２ピストン４２、直動機構５１およびモータ５２を含む作動液給排機構がもう１つ設けられるとともに、もう１つの作動液給排機構の第２圧力室４Ａが第１シリンダ３１の前壁と第１ピストン３２の間の背圧室３Ｂと接続されて、背圧室３Ｂに供給される作動液の液圧によって第１ピストン３２が後退してもよい。あるいは、第１ピストン３２にワイヤの一端が固定され、ワイヤの引っ張りによって第１ピストン３２が後退してもよい。
また、オブザーバ８に対して、第１ピストン３２および／または第２ピストン４２の状態、負荷条件、ロボット鉗子２の個体差、周辺環境などに応じて補正をかけることを可能とする手段が別途設けられてもよい。
１ 液圧鉗子システム
２ ロボット鉗子
２０ 作動液
２４ グリッパー
２６ 連通路
３１ 第１シリンダ
３２ 第１ピストン
３Ａ 第１圧力室
４１ 第２シリンダ
４２ 第２ピストン
４Ａ 第２圧力室
５１ 直動機構
５２ モータ
６１ 圧力センサ
６２ 位置センサ
７ 制御装置
８ オブザーバ

Claims (4)

  1. グリッパー、前記グリッパーと連結された第１ピストン、前記第１ピストンを収容して前記第１ピストンと共に作動液で満たされる第１圧力室を形成する第１シリンダ、第２ピストン、前記第２ピストンを収容して前記第２ピストンと共に前記作動液で満たされる第２圧力室を形成する第２シリンダ、前記第１圧力室と前記第２圧力室とを連通する連通路、および直動機構を介して前記第２ピストンを駆動するモータ、を含むロボット鉗子と、
    前記第２ピストンの位置の検出に用いられる位置センサと、
    前記第１ピストンに対する指令位置に基づいて前記モータを制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置に基づいて、前記第１ピストンの推定位置を導出するオブザーバと、
    前記第１ピストンの推定位置と前記指令位置との偏差に基づいて、前記モータの目標回転速度を導出する位置制御部と、を含む、液圧鉗子システム。
  2. 前記位置センサは、前記モータの回転変位量を検出し、その回転変位量を前記第２ピストンの位置に変換するロータリエンコーダである、請求項１に記載の液圧鉗子システム。
  3. 前記作動液の圧力を検出する圧力センサをさらに備え、
    前記オブザーバは、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力および前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置に基づいて、前記第１ピストンの推定位置を導出する、請求項１または２に記載の液圧鉗子システム。
  4. 前記オブザーバは、前記第２ピストンの推定位置および前記作動液の推定圧力を導出し、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力と前記作動液の推定圧力との偏差および前記位置センサを用いて検出される前記第２ピストンの位置と前記第２ピストンの推定位置との偏差に基づいて推定誤差を算出し、算出した推定誤差を前記第１ピストンの推定位置の導出にフィードバックする、請求項３に記載の液圧鉗子システム。
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