JP6669895B2 - マニピュレータシステム - Google Patents
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Description
本発明の他の態様は、術具を動作させる駆動力を発生する動力源と、前記動力源の駆動量と対応する第一検出値を検出する第一センサと、前記動力源の駆動量と対応する第二検出値を検出する第二センサと、単位時間あたりの前記動力源の動作量を第一動作量として前記第一検出値に基づいて算出するとともに、単位時間あたりの前記動力源の動作量を第二動作量として前記第二検出値に基づいて算出する演算部と、操作者により入力可能な操作入力装置と、前記操作入力装置から出力された信号を受信し、前記術具を動作させるための制御信号を生成する制御信号生成部と、前記制御信号生成部で生成された制御信号を受信し、前記動力源を駆動させる駆動信号を生成する出力部とを備え、前記第一動作量が第一閾値よりも小さく、且つ、前記第二動作量が第二閾値よりも大きい場合に、前記動力源の駆動を停止させるマニピュレータシステムである。
本発明の第1実施形態について図1〜図11を参照して説明する。図1は、本実施形態のマニピュレータシステムの全体図である。
挿入部7は、患者に向けられる先端側に配された処置部8と、処置部8に連結された長尺部10とを有している。
位置情報記憶部36は、少なくとも、第一動作量Caの取得時点における最新の第一動作量Ca(n)と、直前に取得された第一動作量Ca(n−1)とを記憶することができる。位置情報記憶部36は、Ca(n)が入力されるタイミングで、直前に入力されて記憶されているCa(n−1)を出力する。
第二演算部41は、所定時間おきに第二動作量Cbを第二位置算出部40から取得して記憶する位置情報記憶部42と、第二位置算出部40の出力と、位置情報記憶部42の出力とを演算して出力する差分演算部43と、所定の基準値(以下第二閾値R2という)を記憶している基準値記憶部45と、差分演算部43の出力と、基準値記憶部45の出力を比較演算して出力する比較演算部44と、を有している。
位置情報記憶部42は、少なくとも、第二動作量Cbの取得時点における最新の第二動作量Cb(n)と、直前に取得された第二動作量Cb(n−1)とを記憶することができる。位置情報記憶部42は、Cb(n)が入力されるタイミングで、直前に入力されて記憶されているCb(n−1)を出力する。第二演算部41が第二動作量Cb(n)を取得するタイミングは、第一演算部35が第一動作量Ca(n)を取得するタイミングと同期している。
モータ23の駆動開始からバックラッシュによる不感帯を超えて一方向にモータ23が動作している時には、駆動側エンコーダ24と被駆動側エンコーダ27は高精度に連動する。
第二判定部47で算出される第一動作量と第二動作量の差分の絶対値|Ca−Cb|は、T0まではCaが増加する一方でCbが0のままであるので、Caと同様に増加する。T0を超えると、CbがCaと同様に増加するので、|Ca−Cb|はそれ以上増加しない(|Ca−Cb|はほぼ一定である )。T0を超えた後の|Ca−Cb|の値を前述の第三閾値R3とする。駆動側エンコーダ24か、被駆動側エンコーダ27のどちらか一方が故障してパルスを出力しなくなった場合、CaとCbの差が大きくなるので故障したことが検出できる。一方で|Ca−Cb|が増加してもR3を超えていない場合は、故障の可能性もあるが、バックラッシュが原因である場合がある。正転逆転を繰り返す場合には、バックラッシュの影響が|Ca−Cb|が0以外の値(R3以下)となる。従って、誤判定を防ぐためには閾値として、図7におけるR3(駆動側エンコーダ24および被駆動側エンコーダ27が正常に動作しているときのR3であり、|Ca−Cb|がほぼ一定になったときの値)より大きい値を用いなければならない。
図8は、駆動開始時に駆動側エンコーダ24が故障している場合の各値の変化を示している。駆動側エンコーダ24が故障してパルスを出さないので、その出力を基に算出される第一動作量Caは0のままである。一方被駆動側エンコーダ27の出力を基に算出される第二動作量Cbは、正常時と同様にバックラッシュのためモータの動作開始から遅れて増加し始め、その後モータ23の動きに連動する。
|Ca−Cb|は、バックラッシュによる不感帯T0(不図示)まではCa及びCbともに0なので、0のままである。T0を超えるとCbが増加するがCaは0のままなので、|Ca−Cb|=Cbとなる(図8に示すグラフ上では、(|Ca−Cb|)を示す線とCbを示す線とが重なって示されている)。|Ca−Cb|が増加し続けR3を超えると故障が発生したことを検出できる。
この場合の判定は故障発生から検出までにT2の時間を要する。
図9は、駆動中にT5(>T0)の時点で駆動側エンコーダ24が故障した場合の各値の変化を示している。T5までは正常時と同じ動作となりT0(不図示)までは|Ca−Cb|は、増加し続け、T0を超えると一定値になる。その後T5で駆動側エンコーダ24のパルスが停止するとCaの増加が止まり、Cbのみが増加するので、大きな値となった|Ca−Cb|は減少し始める。Cbが増加し続けてCaと同じ値となったところを境に|Ca−Cb|は増加に転じる。その後R3を越えた点で故障と判定される。
この場合の判定は故障発生から検出までにT7−T5の時間を要する。
このように、第二判定部47では、駆動側エンコーダ24と被駆動側エンコーダ27の両方の故障を検出することができるが、検出までには時間が掛かる。
第二判定部47は、第一動作量Caと第二動作量Cbとの差の絶対値が第三閾値R3以下である場合には、第二遮断信号を出力しない。
図7は前述の通り正常に動作している場合の各値の変化を表している。
第一差分ΔCaの絶対値|ΔCa|(図7に「○」印で示す。)及び第二差分ΔCbの絶対値|ΔCb|(図7に「×」印で示す。)に着目する。正常な場合|ΔCa|はCaの増加とともに正の値を取り、一定速度で動作している場合はほぼ同じ値となる。|ΔCb|も同様にΔCbの増加に応じて正の値を取る。
ここで、想定している速度で動作しているときのCaの半分程度の値を第一閾値R1として設定する。正常に動作している場合、|ΔCa|がR1より小さければモータ23が停止していることになる。
|ΔCb|についても同様にして第二閾値R2を設定する。ここの例ではR2=R1とするが、駆動側エンコーダ24と被駆動側エンコーダ27の分解能や回転速度が異なる場合は、R1とR2をそれぞれの条件に合わせて決めることが望ましい。|ΔCb|がR1より小さい場合は、モータ23が停止しているか、モータ23が動作しているがバックラッシュによって被駆動側エンコーダが未だ回転していないか、のどちらかである。逆に|ΔCb|がR1より大きい場合はモータ23が回転していることになる。
駆動部へ電力を供給しているときの|ΔCa|がR1より小さな値であれば、何らかの故障が発生していることが分かる。このときに|ΔCb|がR1より大きければモータ23が回転していることが分かるので、|ΔCa|に連携している駆動側エンコーダ24の故障であることが分かる。
すなわち、この場合には、|ΔCa|及び|ΔCb|は下記の式1、式2に示す関係にある。
|ΔCa| < R1・・・(式1)
|ΔCb| > R2 (=R1)・・・(式2)
上記の式1及び式2に示す関係が満たされたことによって、第一判定部46は、先に説明した動作によって、故障と判定し、第一遮断信号を出力する。
この場合の判定は故障発生からT1の時間で検出が可能であり、前述の第二判定部47のT2よりも早く故障が検出できるので、故障による誤動作をより早く止めることができる。
この時点で、第一判定部46の故障判定の基準を満たすので、故障と判定される。
この場合の判定は故障発生からT6−T5の時間で検出が可能であり、前述の第二判定部47のT7−T5よりも早く故障が検出できるので、故障による誤動作をより早く止めることが可能になる。
駆動側エンコーダ24が故障してパルス出力が止まった場合、第一差分ΔCaの絶対値が第一閾値R1よりも小さく、且つ第二差分ΔCbの絶対値が第二閾値R2を超え、第一判定部46の判定基準を満たすので、第一判定部46は、第一遮断信号を出力する。一方で|Ca−Cb|が増加するので、|Ca−Cb|がR3を超えればその時点で第二判定部47が第二遮断信号を遮断部33へ出力する 。ここで、第一判定部46の判定は第二判定部47の判定よりも早いので、|Ca−Cb|がR3を超える前に、第一遮断信号が遮断部33へ出力される ことによって、動力源であるモータ23 を停止させる。
被駆動側エンコーダ27が故障してパルス出力が止まった場合、第一差分ΔCaの絶対値が第一閾値R1よりも大きく、また第二差分ΔCbの絶対値が第二閾値R2を超え無いので、第一判定部46の判定基準を満たさず、第一判定部46は、第一遮断信号を出力しない。一方で|Ca−Cb|は増加するので、R3を超えた時点で第二判定部47が第二遮断信号を遮断部33へ出力し、動力源であるモータ23 を停止させる。
図3に示す例において、具体的な一例として、駆動側エンコーダ24の分解能を4000パルス/回転、被駆動側エンコーダ27の分解能を3600パルス/回転、減速機構25の減速比を36:1、とギア28の減速比を1:1、プーリ18の回転角度に換算したモータ23と被駆動側エンコーダとのバックラッシュを2度、モータ23と駆動側エンコーダ24のバックラッシュを0度、駆動時のプーリの最低回転速度を3度/秒とする。
モータ23が最低回転速度で駆動しているとき、駆動側エンコーダ24、被駆動側エンコーダ27が出力するパルスの波数はそれぞれ、
1200パルス/秒
30パルス/秒
これを正規化するために被駆動側エンコーダ27のカウントだけを40倍したものをCbとすると、100ms(0.1秒)ごとにカウントをサンプリングすると、|ΔCa|=|ΔCb|=120となる。これが最低回転速度で回転している場合の|ΔCa|、|ΔCb|の値となる。したがって回転しているか否かを判定する閾値はこの値よりも小さい値にしなければならない。
一方で、閾値を0にすると速度ムラや回転の誤差がエラーとして検出されてしまうおそれがあるので、この場合の閾値は0と上記最低回転速度時の値の間の値とする。例えば上記最低回転速度時の値の半分程度として、
R1 = R2 = 60
というように設定可能である。
ノイズや誤差があるシステムでは、R1は上限値の基準であるのでやや低めに、R2は下限値の基準なのでやや高めに設定することで、ノイズや誤差による誤判定を避けるようにしても良い。
R1 = 50
R2 = 70
というように設定することも可能である
このように、第一閾値R1は第二閾値R2以下(R1≦R2)とする方が好ましい。
R3 > 800
とすることができる。
なお、第三閾値R3は、上記の値に対して10%程度マージンを持たせて、
R3 = 900
というように設定されてもよい。
第三閾値R3は、例えば、ノイズ等の影響による誤判定を防ぐ目的で所定のマージンを持たせた値としてもよい。
マニピュレータシステム1は、駆動部22に術具6が接続された状態で使用される。マニピュレータシステム1が起動(ステップS101)されると、マニピュレータ制御装置30の初期化が行なわれる(ステップS102)。また、駆動部22は予め設定された初期化時の位置に移動される。
なお、遮断部33は、オフ状態になった場合に、故障の可能性があり術具6の動作を停止させたことを示す情報を表示部3等へ出力(ステップS210)してもよい。
本発明の第2実施形態について説明する。図12は、本発明の第2実施形態のマニピュレータシステム1Aにおける駆動部及び被駆動部を示す模式図である。図13は、マニピュレータシステム1Aのブロック図である。
また、駆動部22と被駆動部15との着脱機構は、上述した機構に限らず、図17に示すように、爪22aを用いて被駆動部15を駆動部22に固定することによって、マイクロスイッチ29Aがオンとなるように駆動部22に被駆動部15を連結しても良い。
また、着脱センサ29は、上述したセンサに限らず、駆動部22と被駆動部15との着脱状態を検出できるセンサであれば何でも良い。
上述した着脱センサ29におけるオンオフは、マニピュレータ制御装置30Aによって参照される。
まず、マニピュレータシステム1Aが起動し、各部の初期化が行われる(ステップS301)。さらに、マニピュレータ制御装置30Aの自己診断が行われ(ステップS302)、異常がある場合(ステップS303においてYes)にはエラーが表示(ステップS304)されてマニピュレータシステム1Aは停止される(ステップS305)。異常がない場合には、術具6の接続待ちへ移行する。
本発明の第3実施形態について説明する。図18は、本発明の第3実施形態のマニピュレータシステム1Bのブロック図である。
本実施形態のマニピュレータシステム1Bは、駆動部22への被駆動部15の着脱を検知する着脱センサ29を備えていることに代えて、操作入力装置2にモード切替スイッチ55が配されている点で上記の第2実施形態と異なっている。
本発明の第4実施形態について説明する。図19は、本発明の第4実施形態のマニピュレータシステム1Cのブロック図である。
本実施形態では、術具6の処置部8を用いた操作を行う場合に第一判定部46及び第二判定部47の両方を用いた故障検出を行い、処置部8を使用していない場合には第一判定部46を停止させて第二判定部47を用いて故障検出を行う点で、上記の各実施形態と異なっている。
高周波ナイフ9Aの構成は特に限定されない。本実施形態の術具6は、モノポーラ型であってもよいし、バイポーラ型であってもよい。
本実施形態のマニピュレータシステム1Cの動作時には、第一判定部46から第一遮断信号を出力するための制御と、第二判定部47から第二遮断信号を出力するための制御とが並列処理される。
まず、第1実施形態と同様に、第一動作量Ca(n),第二動作量Cb(n),及び変数nがリセットされる(ステップS501)。これにより、駆動側エンコーダ24のパルス信号に基づく第一動作量Caの初期値Ca(0)は0となり、および被駆動側エンコーダ27のパルス信号に基づく第二動作量Cbの初期値Cb(0)は0となる。
第二判定部47は、第一位置算出部34及び第二位置算出部40を参照して、最新の第一動作量Ca及び第二動作量Cbを算出する(ステップS510)。さらに、第二判定部47は、第一動作量Caと第二動作量Cbとの差の絶対値と第三閾値R3とを比較する(ステップS511)。第一動作量Caと第二動作量Cbとの差の絶対値が第三閾値R3よりも大きい場合(ステップS511においてYes)には、第二遮断信号を第二判定部47から遮断部33へ出力する(ステップS512)。また、第一動作量Caと第二動作量Cbとの差の絶対値が第三閾値R3以下の場合(ステップS511においてNo)には、第二判定部47は第二遮断信号を出力せずにステップS510へ処理を戻す。
上記第4実施形態の変形例について説明する。図21は、本実施形態の変形例の構成を示すブロック図である。
本変形例では、フットスイッチ61がマニピュレータ制御装置30Cに接続されていることに代えて、高周波電源装置60が出力する高周波電流を処置部8へ伝えるための配線がマニピュレータ制御装置30Cに接続されている。
マニピュレータ制御装置30Cは、高周波電源装置60から処置部8へつながる配線から分岐される配線に接続された高周波電流検出部50を有している。
2 操作入力装置
3 表示部
4 操作部
5 マニピュレータ
6 術具
7 挿入部
8 処置部
9 電極
9A 高周波ナイフ
10 長尺部
11 関節
12 可撓管
15 被駆動部
16 継手部
17 回動軸部材
18 プーリ(被伝達部材)
21 アーム
22 駆動部
22a 爪
23 モータ
24 駆動側エンコーダ
25 減速機構
26 出力軸
27 被駆動側エンコーダ
28 ギア
29 着脱センサ
29A マイクロスイッチ
30,30A,30B,30C,30D,30E マニピュレータ制御装置
31 制御信号生成部
32 出力部
33 遮断部
34 第一位置算出部
35 第一演算部
36 位置情報記憶部
37 差分演算部
38 比較演算部
39 基準値記憶部
40 第二位置算出部
41 第二演算部
42 位置情報記憶部
43 差分演算部
44 比較演算部
45 基準値記憶部
46 第一判定部
47 第二判定部
48 モード選択部
50 高周波電流検出部
55 モード切替スイッチ
60 高周波電源装置
61 フットスイッチ
Claims (7)
- 術具を動作させる駆動力を発生する動力源と、
前記動力源の駆動量と対応する第一検出値を検出する第一センサと、
前記動力源の駆動量と対応する第二検出値を検出する第二センサと、
単位時間あたりの前記動力源の動作量を第一動作量として前記第一検出値に基づいて算出するとともに、単位時間あたりの前記動力源の動作量を第二動作量として前記第二検出値に基づいて算出する演算部と、
操作者により入力可能な操作入力装置と、
前記操作入力装置から出力された信号を受信し、前記術具を動作させるための制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号生成部で生成された制御信号を受信し、前記動力源を駆動させる駆動信号を生成する出力部と、
前記第一動作量が第一閾値よりも小さく、且つ、前記第二動作量が第二閾値よりも大きい場合に、前記動力源の駆動を停止させる停止信号を出力する判定部と、
前記判定部から前記動力源の駆動を停止させる停止信号を受信することによって、前記出力部から前記動力源へ出力される前記駆動信号を遮断する遮断部と、
を備えた、
マニピュレータシステム。 - 前記判定部は、前記第一動作量が前記第一閾値よりも大きく、又は、前記第二動作量が前記第二閾値よりも小さい場合において、前記第一検出値によって特定される駆動量と前記第二検出値によって特定される駆動量との差の絶対値が第三閾値よりも大きい場合に、前記停止信号を出力する、
請求項1に記載のマニピュレータシステム。 - 前記動力源は、前記術具と着脱可能であるとともに前記術具が装着された状態において前記動力源から前記術具へ前記駆動力を伝達可能であり、
前記動力源は、前記術具と前記動力源とが接続されたときに装着信号を前記判定部へ出力する着脱センサを有し、
前記判定部は、前記装着信号が入力されており、且つ、前記第一動作量が前記第一閾値より小さく、且つ、前記第二動作量が前記第二閾値より大きい場合に、前記停止信号を出力する、
請求項1に記載のマニピュレータシステム。 - 前記第一閾値は、前記第二閾値以下である、請求項1に記載のマニピュレータシステム。
- 前記術具に対する操作を行う操作部をさらに備え、
前記術具は、組織を処置する電極を有し、
前記操作部は、前記電極への通電状態のオンとオフとを切り替えるスイッチを有し、
前記判定部は、
前記電極への通電状態がオフである場合には、前記第一検出値によって特定される動作量と前記第二検出値によって特定される動作量との差の絶対値を第三閾値と比較した結果に基づいて前記停止信号を出力し、
前記電極への通電状態がオンである場合には、前記第一動作量が前記第一閾値よりも小さく、且つ、前記第二動作量が前記第二閾値よりも大きい場合に、前記停止信号を出力する、
請求項1に記載のマニピュレータシステム。 - 少なくとも1つ以上の関節を有する長尺部と、
術者により入力操作が可能な操作入力装置と、
前記操作入力装置の入力操作に応じて、前記関節を駆動するための駆動力を出力する駆動部と、
前記駆動部から出力された前記駆動力が伝達されることにより回転動作する被伝達部材と、
前記駆動部に設けられ、前記駆動部が駆動する状態における前記駆動部の回転角度を経時的に検出して第一検出値として出力する第一センサと、
前記被伝達部材に取り付けられ、前記駆動部が駆動する状態における前記被伝達部材の回転角度を経時的に検出して第二検出値として出力する第二センサと、
前記第一検出値に基づいて時間変化に対する回転角度の変化量を示す第一差分を算出すると共に、前記第二検出値に基づいて時間変化に対する回転角度の変化量を示す第二差分を算出する、少なくとも1つのマニピュレータ制御装置と、を備え、
前記少なくとも1つのマニピュレータ制御装置は、
前記第一差分と第一閾値とを比較するとともに、前記第二差分と第二閾値とを比較し、
前記第一差分が前記第一閾値より小さく、且つ、前記第二差分が前記第二閾値よりも大きい場合に、前記駆動部の駆動を停止するように前記駆動部を制御する、
マニピュレータシステム。 - 術具を動作させる駆動力を発生する動力源と、
前記動力源の駆動量と対応する第一検出値を検出する第一センサと、
前記動力源の駆動量と対応する第二検出値を検出する第二センサと、
単位時間あたりの前記動力源の動作量を第一動作量として前記第一検出値に基づいて算出するとともに、単位時間あたりの前記動力源の動作量を第二動作量として前記第二検出値に基づいて算出する演算部と、
操作者により入力可能な操作入力装置と、
前記操作入力装置から出力された信号を受信し、前記術具を動作させるための制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号生成部で生成された制御信号を受信し、前記動力源を駆動させる駆動信号を生成する出力部と、
を備え、
前記第一動作量が第一閾値よりも小さく、且つ、前記第二動作量が第二閾値よりも大きい場合に、前記動力源の駆動を停止させる、
マニピュレータシステム。
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