JP6577936B2

JP6577936B2 - 液圧鉗子システム

Info

Publication number: JP6577936B2
Application number: JP2016252569A
Authority: JP
Inventors: 麻里子尾形; 英紀田中; 徹弥中西
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: EP3563791B1; WO2018123754A1; CN110072485B; EP3563791A1; CN110072485A; EP3563791A4; US11147575B2; US20200121341A1; JP2018102634A

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、内視鏡手術などでは、ロボット鉗子が用いられている。例えば、特許文献１には、液圧を利用してグリッパーの開閉を行うロボット鉗子が開示されている。このロボット鉗子は、手動で操作される。

特開昭６３−１６０６３１号公報

ところで、ロボット鉗子を用いた場合には、ロボット鉗子を操作する医師が、グリッパーがどれだけの把持力で患部を把持しているかを把握し難い。特に、モータを内蔵するロボット鉗子を遠隔操作する場合に、その傾向は顕著である。

そこで、本発明は、ロボット鉗子を操作する医師にグリッパーの現在の把持力を提示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、作動液の液圧を利用してグリッパーを開閉するロボット鉗子と、前記作動液の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力に基づいて前記グリッパーの現在把持力を算出する制御装置と、前記現在把持力を表示するモニタと、を備える、液圧鉗子システムを提供する。

上記の構成によれば、ロボット鉗子を操作する医師にグリッパーの現在の把持力を提示することができる。

例えば、前記モニタは、患者の体内の画像と共に前記現在把持力を表示してもよい。

前記ロボット鉗子は、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ピストンと共に前記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、を含み、上記の液圧鉗子システムは、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をさらに備え、前記制御装置は、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オブザーバと、前記第１ピストンの推定位置および前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力に基づいて前記現在把持力を算出する把持力算出部を含んでもよい。この構成によれば、ロボット鉗子の先端部に位置センサを設けることなく、第１ピストンの位置を加味してグリッパーの現在把持力を算出することができる。

前記把持力算出部は、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力から理論把持力を算出し、前記第１ピストンの推定位置および前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力から前記第１ピストンと前記第１シリンダとの間のシール部材の摩擦力を算出し、前記理論把持力から前記シール部材の摩擦力を差し引いて推定把持力を算出してもよい。この構成によれば、第１ピストンと第１シリンダとの間のシール部材の摩擦力を加味して推定把持力を算出することができる。

前記把持力算出部は、前記ロボット鉗子の姿勢によって前記推定把持力を補正して前記現在把持力を算出してもよい。この構成によれば、ロボット鉗子の姿勢を加味して現在把持力を算出することができる。

前記制御装置は、前記現在把持力が閾値を上回るときに前記モニタにアラームを表示するアラーム表示部を含んでもよい。この構成によれば、グリッパーの把持力が危険となったことを医師に瞬時に把握させることができる。

本発明によれば、ロボット鉗子を操作する医師にグリッパーの現在の把持力を提示することができる。

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。把持力算出部のブロック線図である。モニタの表示画面の一例である。

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とモニタ８を含む。

本実施形態では、液圧鉗子システム１が手術支援ロボットに用いられる。このため、ロボット鉗子２がスレーブ側装置のマニピュレータ１０に取り付けられ、マスタ側装置で医師により遠隔操作される。モニタ８は、そのマスタ側装置に組み込まれる。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。

マニピュレータ１０は、患者の皮膚に設けられた穴が支点となるようにロボット鉗子２の姿勢を自在に変更する多関節ロボットである。

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の外周面には、当該外周面と第１シリンダ３１の管状部の内周面との間をシールするためのシール部材３５が装着されている。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の外周面には、当該外周面と第２シリンダ４１の管状部の内周面との間をシールするためのシール部材４５が装着されている。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は、上述したマスタ側装置におけるグリッパー開閉操作に基づいてモータ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、インバータ部７１およびオブザーバ７２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ｘ_２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ｘ_２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ｘ_２を直接的に検出してもよい。

オブザーバ７２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ｘ_２に基づいて、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ_１を導出する。図２に示すように、オブザーバ７２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
ｘ_１：第１ピストンの位置
ｘ_２：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７２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ｅＸを算出する。つまり、オブザーバ７２は、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ_１だけでなく、第２ピストン４２の推定位置ｅｘ_２および作動液２０の推定圧力ｅＰも導出する。

さらに、オブザーバ７２は、行列Ｃを用いて第２ピストン４２の推定位置ｅｘ_２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ｘ_２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７２は、第２ピストン４２の検出された位置ｘ_２と推定位置ｅｘ_２との偏差Δｘ_２（＝ｘ_２−ｅｘ_２）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７２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ｅｘ_１の導出にフォードバックされる。

インバータ部７１は、オブザーバ７２により導出される第１ピストン３２の推定位置ｅｘ_１が、マスタ側装置におけるグリッパー開閉操作に基づく指令位置となるように、モータ５２へ電力を供給する。

さらに、本実施形態では、制御装置７が、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ｘ_２に基づいて、グリッパー２４の現在把持力Ｆｃを算出する。具体的に、制御装置７は、インバータ部７１およびオブザーバ７２に加えて、把持力算出部７３およびアラーム表示部７４を含む。

把持力算出部７３は、圧力センサ６１で検出される作動液２０の圧力Ｐおよびオブザーバ７２により導出される第１ピストン３２の推定位置ｅｘ_１に基づいて、現在把持力Ｆｃを算出する。

より詳しくは、図４に示すように、把持力算出部７３は、まず、圧力センサ６１で検出される作動液２０の圧力Ｐ（本実施形態では、フィルタをかけた後の圧力Ｐ’）から理論把持力Ｆ１を算出する。理論把持力Ｆ１は、例えば以下の式により算出される。

Ｆ１＝Ａ１×Ｐ’×β
Ａ１：第１ピストンの面積
β：グリッパーのレバー比
また、把持力算出部７３は、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ_１および圧力センサ６１で検出される作動液２０の圧力Ｐ（本実施形態では、フィルタをかけた後の圧力Ｐ’）から第１ピストン３２と第１シリンダ３１との間のシール部材３５の摩擦力Ｆｄを算出する。例えば、制御装置７のメモリには、作動液２０の圧力Ｐおよび第１ピストン３２の位置ｘ_１とシール部材３５の摩擦力Ｆｄとの関係を示す試験データがテーブルとして予め格納され、このテーブルを使用して摩擦力Ｆｄが算出される。

その後、把持力算出部７３は、理論把持力Ｆ１からシール部材３５の摩擦力Ｆｄを差し引いて推定把持力Ｆ２を算出する（Ｆ２＝Ｆ１−Ｆｄ）。さらに、把持力算出部７３は、ロボット鉗子２の姿勢によって推定把持力Ｆ２を補正して現在把持力Ｆｃを算出する。具体的には、推定把持力Ｆ２に補正係数αを掛けて現在把持力Ｆｃを算出する。

補正係数αに関してより詳しく説明すると、把持力算出部７３は、マニピュレータ１０からロボット鉗子２の姿勢に関する情報を入手してロボット鉗子２の姿勢を計算し、その姿勢から補正係数αを算出する。例えば、補正係数αは、把持した物の重力による把持方向の反力などの影響を表す。

算出された現在把持力Ｆｃは、把持力算出部７３からモニタ８に送信される。モニタ８は、図５に示すように、患者の体内の画像と共に、現在把持力Ｆｃを表示する。図５に示す例では、現在把持力Ｆｃが把持力スケール内のマークで表示されているが、現在把持力Ｆｃは、例えば数値のみで表示されてもよい。

さらに、把持力算出部７３で算出された現在把持力Ｆｃは、アラーム表示部７４にも送信される。アラーム表示部７４は、現在把持力Ｆｃが閾値γを上回るときにモニタ８にアラームを表示する。閾値γは、グリッパー２４の種類および手術対象である臓器の種類ごとに定められていることが望ましい。

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、制御装置７で算出された現在把持力Ｆｃがモニタ８に表示されるので、ロボット鉗子２を操作する医師にグリッパー２４の現在の把持力を提示することができる。

また、本実施形態では、把持力算出部７３がオブザーバ７２により導出された第１ピストンの推定位置ｅｘ_１に基づいて現在把持力Ｆｃを算出するので、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、第１ピストン３２の位置を加味してグリッパー２４の現在把持力Ｆｃを算出することができる。

さらに、本実施形態では、把持力算出部７３が第１ピストン３２と第１シリンダ３１との間のシール部材３５の摩擦力Ｆｄを算出し、これを使用して推定把持力Ｆ２を算出するので、その摩擦力Ｆｄを加味して推定把持力Ｆ２を算出することができる。

また、把持力算出部７３は、ロボット鉗子２の姿勢によって推定把持力Ｆ２を補正して現在把持力Ｆｃを算出するので、ロボット鉗子２の姿勢を加味して現在把持力Ｆｃを算出することができる。

さらに、制御装置７はアラーム表示部７４を含むので、グリッパー２４の把持力が危険となったことを医師に瞬時に把握させることができる。

（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、第１ピストン３２の推定位置ｅｘ_１を導出するオブザーバ７２の代わりに、第１ピストン３２の位置ｘ_１を直接的に検出する位置センサが第１シリンダ３１に設けられてもよい。

あるいは、制御装置７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ｘ_２に基づかず、圧力センサ６１で検出される圧力のみに基づいて、グリッパー２４の現在把持力Ｆｃを算出してもよい。

また、前記実施形態では、推定把持力Ｆ２が補正されて現在把持力Ｆｃが算出されているが、ロボット鉗子２の姿勢があまり変化しない場合には、推定把持力Ｆ２をそのまま現在把持力Ｆｃとしてもよい。

また、現在把持力Ｆｃの算出時に、シール部材３５の摩擦力Ｆｄだけでなく、第２ピストン４２と第２シリンダ４１との間のシール部材４５の摩擦力も考慮してもよい。

また、ロボット鉗子２は、モータ５２を内蔵せずに手動で操作されてもよい。この場合、モニタ８は、患者の脇に立つ位置が視認できるように手術室内に独立して設置されてもよい。

また、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７２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
３１第１シリンダ
３２第１ピストン
３Ａ第１圧力室
３５，４５シール部材
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
７２オブザーバ
７３把持力算出部
７４アラーム表示部
８モニタ

Claims

作動液の液圧を利用してグリッパーを開閉するロボット鉗子であって、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ピストンと共に前記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、
前記作動液の圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力に基づいて前記グリッパーの現在把持力を算出する制御装置と、
前記現在把持力を表示するモニタと、
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、を備え、
前記制御装置は、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オブザーバと、前記第１ピストンの推定位置および前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力に基づいて前記現在把持力を算出する把持力算出部を含む、液圧鉗子システム。
前記モニタは、患者の体内の画像と共に前記現在把持力を表示する、請求項１に記載の液圧鉗子システム。
前記把持力算出部は、前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力から理論把持力を算出し、前記第１ピストンの推定位置および前記圧力センサで検出される前記作動液の圧力から前記第１ピストンと前記第１シリンダとの間のシール部材の摩擦力を算出し、前記理論把持力から前記シール部材の摩擦力を差し引いて推定把持力を算出する、請求項１または２に記載の液圧鉗子システム。
前記把持力算出部は、前記ロボット鉗子の姿勢によって前記推定把持力を補正して前記現在把持力を算出する、請求項３に記載の液圧鉗子システム。
前記制御装置は、前記現在把持力が閾値を上回るときに前記モニタにアラームを表示するアラーム表示部を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の液圧鉗子システム。