JP6714734B2 - 医療用マニピュレータおよびその作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、医療用マニピュレータおよびその作動方法に関するものである。

従来、ロボットのアームが対象物に接触した際のトルク増大によるアームや対象物の破損を防止するために、モータ、モータ制御部および機構部を含む実機部と、これらを模擬したシミュレーション部との同一状態量を比較することにより接触を検出する制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、弾性を有するエンドエフェクタの接触を力覚センサによって検出し、エンドエフェクタが変形しないように制御量を補正するロボットが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００４−３６４３９６号公報 特開２０１３−１１９１３３号公報

しかしながら、医療用マニピュレータにおいては、原則として医療用マニピュレータを対象物である組織に接触させ、力を加えて組織を変形させることが前提である。このため、医療用マニピュレータにより組織を把持して力を加えている状態において、医療用マニピュレータが組織から意図せず外れてしまった場合に、医療用マニピュレータが急激に変位して周囲の組織に接触する虞がある。

特許文献１の制御装置および特許文献２のロボットでは、ロボットのアームが対象物に接触した瞬間については検出できるものの、アームが対象物から意図せず離れた瞬間を検出することは困難である。特に、組織に対して処置を行う医療用マニピュレータは極めて小さいので、特許文献２のように全ての関節に力覚センサを設けることは困難である。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、先端に力覚センサを設けることなく、先端が組織から意図せず外れてしまう瞬間を検出して、周辺組織への接触を回避することができる医療用マニピュレータおよびその作動方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、生体組織を処置する処置部を先端に備える可動部と、該可動部を駆動するモータと、該モータのトルクを検出するトルク検出部と、該トルク検出部により検出された前記トルクの絶対値が所定の第１閾値以上となる状態が所定時間以上継続している状態で、前記トルクの単位時間当たりの絶対値の減少量が所定の第２閾値以上となったときに、前記モータから前記可動部に伝達される前記トルクを低減するトルク低減部とを備える医療用マニピュレータである。

本態様によれば、モータの作動により可動部を駆動して先端の処置部により生体組織を処置する場合に、トルク検出部によりモータのトルクが検出され、検出されたトルクの絶対値が所定の第１閾値以上か否かが判定される。トルクの絶対値が第１閾値以上となった場合には、その状態が所定時間以上継続するか否かが監視され、所定時間以上継続している場合には、トルクの単位時間当たりの絶対値の減少量が所定の第２閾値以上となるか否かが判定される。

すなわち、トルクの絶対値が第１閾値以上となる状態は、可動部に負荷がかかっている状態であり、その状態が所定時間以上継続していることを条件とすることにより、加減速により負荷がかかる場合が除かれる。これにより、加減速以外で可動部に負荷がかかっている状態、例えば、可動部の先端の処置部が生体組織を押し引きしている状態であることがわかる。

そして、このような状態で、トルクの単位時間当たりの絶対値の減少量が所定の第２閾値以上となるのは、処置部が生体組織から意図せず外れてしまった場合等であるため、このような場合に、トルク低減部によりモータから可動部に伝達されるトルクを低減することで、外れた反動による処置部の急激な変位が抑制され、周辺組織への接触を回避することができる。

上記態様においては、前記トルク低減部は、前記モータを逆方向に回転させることにより前記トルクを低減してもよい。
このようにすることで、モータにより一方向にトルクを発生させている状態で、処置部が生体組織から意図せず外れたことが検出された場合に、トルク低減部がモータを逆回転させることにより、加えていたトルクを瞬時に解消して、外れた反動による処置部の急激な変位が抑制され、周辺組織への接触を回避することができる。

また、上記態様においては、前記トルク低減部は、前記トルク検出部により検出された前記トルクの絶対値が前記第１閾値となったときの前記モータの角度位置を記憶する記憶部を備え、該記憶部に記憶されている角度位置に向けて前記モータを回転させることにより前記トルクを低減してもよい。

このようにすることで、トルク検出部により検出されたトルクの絶対値が第１閾値となったときに可動部の先端の処置部による所定以上の力での生体組織の押し引きが開始される。したがって、このときのモータの角度位置を記憶部に記憶しておき、処置部が生体組織から意図せず外れたことが検出された場合に、トルク低減部が、記憶部に記憶されている角度位置に向けてモータを回転させることにより、押し引きの開始点まで戻すことができ、処置部が生体組織から外れた反動による処置部の急激な変位が抑制され、周辺組織への接触を回避することができる。

また、上記態様においては、前記モータと前記可動部との間に、前記モータの前記トルクの前記可動部への伝達を断続可能なクラッチを備え、前記トルク低減部は、前記クラッチを遮断することにより前記トルクを低減してもよい。
このようにすることで、処置部が生体組織から意図せず外れたことが検出された場合に、トルク低減部が、クラッチを遮断しモータから可動部に伝達されるトルクを低減することで、処置部が生体組織から外れた反動による処置部の急激な変位が抑制され、周辺組織への接触を回避することができる。

また、上記態様においては、前記可動部が、複数のリンクと、該リンクを連結し前記モータにより駆動される１以上の関節とを備え、該関節が、該関節の回転速度に比例する減衰力を発生するダンパを備えていてもよい。
このようにすることで、トルク検出部により処置部が生体組織から意図せず外れたことが検出された時点から、トルク低減部によるトルクの低減が実施されるまでの瞬時に関節が急激に回転することをダンパによって抑制し、処置部の急激な変位をより確実に抑制することができる。
本発明の他の一態様は、生体組織を処置する処置部を先端に備える可動部と、該可動部を駆動するモータとを備える医療用マニピュレータの作動方法であって、前記モータのトルクの絶対値が第１閾値以上となる状態が所定時間以上継続している場合、前記処置部が前記生体組織に接触していると推定し、前記モータのトルクの絶対値が第１閾値以上となる状態が所定時間以上継続している場合であって、かつ、前記トルクの単位時間当たりの絶対値の減少量が第２閾値以上となった場合、前記処置部が前記生体組織との接触を解除していると推定し、前記モータのトルクを低減させる医療用マニピュレータの作動方法である。
上記他の一態様においては、前記モータを逆方向に回転させて前記モータのトルクを減少させることとしてもよい。

本発明によれば、先端に力覚センサを設けることなく、先端が組織から意図せず外れてしまう瞬間を検出して、周辺組織への接触を回避することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータを示す全体構成図である。 図２の医療用マニピュレータの動作を説明するフローチャートである。 図１の医療用マニピュレータに備えられたモータの電流波形、動作モードおよび接触状態の一例を示す図である。 図１の医療用マニピュレータに備えられたモータの電流波形において、トルク低減モードの実施の有無を示す図である。 図１の医療用マニピュレータの第１の変形例を示す全体構成図である。 図１の医療用マニピュレータの第２の変形例を示す全体構成図である。 図１の医療用マニピュレータの第３の変形例を示す全体構成図である。

本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータ１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータ１は、図１に示されるように、生体組織を処置する処置部２を先端に備える可動部３と、可動部３を駆動するモータ４と、操作者が操作する操作入力部５と、モータ４の電流値を検出する電流センサ（トルク検出部）６と、操作入力部５への入力および電流センサ６により検出された電流値に従ってモータ４を制御する制御部（トルク低減部）７と、処置部２の生体組織への接触状態を表示するモニタ８とを備えている。

図１に示す例では、可動部３は、例えば、複数のリンク９と該リンク９を相対回転可能に連結する関節１０とを備える多関節型のものである。モータ４は関節１０毎に設けられて、ワイヤ等の動力伝達部材によって各関節１０に動力を伝達するようになっている。図１では、図示を簡略化して単一のモータ４のみを表示している。

電流センサ６は、各モータ４に対応してそれぞれ設けられ、各モータ４に流れる電流値を検出するようになっている。
制御部７は、モータ４への駆動指令を算出して出力する駆動制御部１１と、電流センサ６により検出された各モータ４の電流値に基づいて、可動部３の先端の処置部２と生体組織との接触状態を推定する接触状態推定部１２とを備えている。

駆動制御部１１は、操作入力部５への操作者による入力に応じて可動部３の各関節１０を動作させるように各モータ４への指令信号を算出して出力するとともに、接触状態推定部１２により推定された接触状態が所定の条件を満たしている場合に可動部３の急激な変位を抑制するように可動部３の各関節１０を動作させる指令信号をモータ４に出力するようになっている。

さらに具体的には、本実施形態においては、図２に示されるように、制御が開始されると、駆動制御部１１は、操作入力に従って可動部３を駆動する通常モードに設定し（ステップＳ１）、操作者が操作入力部５から操作入力を行うと（ステップＳ２）、駆動制御部１１により各モータ４への駆動指令が算出されて出力され、各モータ４が駆動されるようになっている（ステップＳ３）。

モータ４が駆動されると電流センサ６により電流値が検出され（ステップ４）、接触状態推定部１２は、電流センサ６により検出された各モータ４の電流値の絶対値が第１閾値以上であるか否かを判定し（ステップＳ５）、第１閾値より小さい場合（第１状態）には、後述する接触継続時間をリセットするようになっている（ステップＳ６）。第１閾値以上である場合（第２状態）には、処置部２と生体組織との所定の負荷を伴う接触が行われているとして、その状態が継続している時間を示す接触継続時間をカウントアップし（ステップＳ７）、接触継続時間が所定時間Δｔ以上であるか否かを判定するようになっている（ステップＳ８）。

接触継続時間が所定時間Δｔより短い場合には、可動部３を動作させるための加減速により一時的に負荷がかかったものあるいは操作者により可動部３の動作方向が切り替えられているものと判定できる。
一方、接触継続時間が所定時間Δｔ以上である場合（第３状態）には、処置部２によって生体組織に所定の負荷を伴う接触が継続的に行われているものと判定できる。例えば、処置部２が把持鉗子である場合、把持鉗子によって把持した生体組織を一方向に引っ張るような動作である。

そこで、医療用マニピュレータ１がこの接触状態（第３状態）にある場合には、接触状態推定部１２は、電流センサ６により検出される電流値の単位時間当たりの絶対値の減少量が算出され（ステップＳ９）、減少量が所定の第２閾値以上であるか否かを判定するようになっている（ステップＳ１０）。第２閾値以上の減少量で減少した場合には、接触状態推定部１２はその旨を駆動制御部１１に出力し、駆動制御部１１は、トルク低減モードでモータ４を駆動するようになっている（ステップＳ１１）。

本実施形態においては、駆動制御部１１によるトルク低減モードは、モータ４を所定角度だけ逆回転させる動作モードである。トルク低減モードでモータ４が動作させられた後には、接触継続時間がリセットされるようになっている（ステップＳ１２）。接触継続時間がリセットされた後には、ステップＳ１からの工程が繰り返されるようになっている。

ステップＳ５において、モータ４の電流値の絶対値が第１閾値より小さいと判定された場合（第１状態）、ステップＳ８において、モータ４の電流値の絶対値が第１閾値以上となっている時間が所定時間Δｔより短いと判定された場合（第２状態）、および、ステップＳ１０において、モータ４の電流値の絶対値の単位時間当たりの減少量が第２閾値より小さいと判定された場合（第３状態）には、接触状態推定部１２により推定された接触状態がモニタ８に表示され（ステップＳ１３）、処理が継続される場合には（ステップＳ１４）、ステップＳ２からの工程が繰り返され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医療用マニピュレータ１の作動方法について以下に説明する。
本実施形態に係る医療用マニピュレータ１を用いて生体組織の処置を行うには、動作モードが通常モードに設定された後（ステップＳ１）、操作者が操作入力部５を操作することにより（ステップＳ２）、駆動制御部１１によって入力に対応する回転角度だけモータ４が回転駆動させられる（ステップＳ３）。このとき、電流センサ６によって各モータ４の電流値が検出される（ステップＳ４）。

各モータ４の電流値が検出されると、検出された電流値は接触状態推定部１２に送られ、まず、検出された電流値の絶対値が所定の第１閾値以上であるか否かが判定される（ステップＳ５）。図３に示されるように電流値が変化する場合に、時刻Ａ，Ｂにおいて電流値が第１閾値以上の第２状態となったと判定される。

ステップＳ５において、電流値の絶対値が第１閾値より小さいと判定された場合には、接触継続時間がリセットされ（ステップＳ６）、接触状態が第１状態であることがモニタ８に表示され（ステップＳ１３）、ステップＳ２からの工程が繰り返される。
ステップＳ５において、電流値の絶対値が第１閾値以上であると判定された場合には、接触継続時間がカウントアップされ（ステップＳ７）、接触継続時間が所定時間Δｔ以上か否かが判定される（ステップＳ８）。

接触継続時間が所定時間Δｔより短い場合には、接触状態が第２状態であることがモニタ８に表示され（ステップＳ１３）、ステップＳ２からの工程が繰り返される。一方、接触継続時間が所定時間Δｔ以上である場合には、電流値の絶対値の減少量が算出され（ステップＳ９）、図４に示されるように、単位時間当たりの減少量が第２閾値以上となる変化が発生したか否かが監視される（ステップＳ１０）。

電流値の絶対値が第１閾値以上となる状態が所定時間Δｔ以上継続している状態で、電流値の絶対値の単位時間当たりの減少量が第２閾値以上となる電流値変化が発生する場合には、処置部２によって生体組織を押し引きしている状態で意図せず処置部２が生体組織から外れたものと考えられるので、駆動制御部１１によりトルク低減モードでモータ４が駆動される（ステップＳ１１）。そして、モータ４が所定角度だけトルク低減モードで駆動された後に接触継続時間がリセットされ（ステップＳ１２）、ステップＳ１からの工程が繰り返される。

電流値の絶対値が第１閾値以上となる状態が所定時間Δｔ以上継続している状態で、電流値の絶対値の単位時間当たりの減少量が第２閾値より小さい場合には、接触状態が第３状態であることがモニタ８に表示され（ステップＳ１３）、ステップＳ２からの工程が繰り返される。

本実施形態によれば、モータ４の電流値を監視して、処置部２が生体組織から意図せず外れたことを迅速に検出できる。したがって、先端に力覚センサを設ける必要がないので、可動部３を小型に構成することができる。そして、処置部２が生体組織から意図せず外れたことが検出されたときには、モータ４が逆方向に所定角度だけ回転させられるので、瞬時にモータ４のトルクが低減され、処置部２が生体組織から外れた反動による処置部２の急激な変位が抑制され、周辺組織への接触を回避することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、トルク低減モードでモータ４を駆動する条件の１つとして、電流値の絶対値が第１閾値以上となる状態が所定時間Δｔ以上継続していることを挙げているので、加減速や操作による処置部２の動作方向の切替による電流値の大きな変化によってはトルクが低減されることがなく、円滑な操作を行うことができるという利点がある。

また、本実施形態によれば、接触状態推定部１２により推定された接触状態がモニタ８に表示されるので、操作者が自ら接触状態を調節することが可能となり、処置部２が生体組織から意図せず外れる事象の発生頻度を低減する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、処置部２が生体組織から外れたときにモータ４から可動部３に伝達されるトルクを低減するトルク低減部としてモータ４を制御する制御部７を例示したが、これに代えて、図５に示されるように、モータ４と可動部３との間に配置したクラッチ１３と、接触状態推定部１２と、駆動制御部１１とを備えるトルク低減部を採用してもよい。

このようにすることで、電流値の絶対値が第１閾値以上となる状態が所定時間Δｔ以上継続している状態で、電流値の絶対値の単位時間当たりの減少量が第２閾値以上となる電流値変化が発生する場合にクラッチ１３を遮断することで、モータ４から可動部３に伝達されるトルクを低減して、処置部２が生体組織から外れた反動による処置部２の急激な変位を抑制し、周辺組織への接触を回避することができる。この場合、クラッチ１３は、短時間だけ遮断した後に接続することにすればよい。

また、本実施形態においては、図６に示されるように、電流値の絶対値が第１閾値を超えた時点の各モータ４の角度位置を記憶する記憶部１４を備え、駆動制御部１１は、処置部２が生体組織から意図せず外れたことが検出されたときには、記憶部１４に記憶されている角度位置に向けて各モータ４を動作させることにしてもよい。これによっても、可動部３を所定の大きさの負荷がかかり始めた状態に戻すことができ、モータ４から可動部３に伝達されるトルクを低減することができる。

また、本実施形態においては、可動部３として、複数のリンク９と関節１０とを備える多関節型の可動部３を採用した場合に、図７に示されるように、各関節１０に、関節１０の回転速度に比例する減衰力を発生するダンパ１５を備えていてもよい。このようにすることで、モータ４の電流値によって処置部２が生体組織から意図せず外れたことが検出されてからトルク低減モードが作動するまでにタイムラグが存在する場合であっても、各関節１０の急激な変位を防止することができるという利点がある。ダンパ１５としては、処置に必要な低速での可動部３の動作の支障にならず、かつ、高速での急激な変位を防止可能な減衰係数を有する公知の方式のものを採用すればよい。

また、本実施形態においては、モータ４の電流値を検出することによりトルクを推定したが、電流値以外にトルクを直接検出してもよいし、トルクを算出可能な他の状態量を検出することにしてもよい。

１ 医療用マニピュレータ
２ 処置部
３ 可動部
４ モータ
６ 電流センサ（トルク検出部）
７ 制御部（トルク低減部）
９ リンク
１０ 関節
１１ 駆動制御部１１（トルク低減部）
１２ 接触状態推定部（トルク低減部）
１３ クラッチ（トルク低減部）
１４ 記憶部
１５ ダンパ
Δｔ 所定時間

Claims (7)

1. 生体組織を処置する処置部を先端に備える可動部と、
   該可動部を駆動するモータと、
   該モータのトルクを検出するトルク検出部と、
   該トルク検出部により検出された前記トルクの絶対値が所定の第１閾値以上となる状態が所定時間以上継続している状態で、前記トルクの単位時間当たりの絶対値の減少量が所定の第２閾値以上となったときに、前記モータから前記可動部に伝達される前記トルクを低減するトルク低減部とを備える医療用マニピュレータ。
2. 前記トルク低減部は、前記モータを逆方向に回転させることにより前記トルクを低減する請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
3. 前記トルク低減部は、前記トルク検出部により検出された前記トルクの絶対値が前記第１閾値となったときの前記モータの角度位置を記憶する記憶部を備え、該記憶部に記憶されている角度位置に向けて前記モータを回転させることにより前記トルクを低減する請求項２に記載の医療用マニピュレータ。
4. 前記モータと前記可動部との間に、前記モータの前記トルクの前記可動部への伝達を断続可能なクラッチを備え、
   前記トルク低減部は、前記クラッチを遮断することにより前記トルクを低減する請求項１に記載の医療用マニピュレータ。
5. 前記可動部が、複数のリンクと、該リンクを連結し前記モータにより駆動される1以上の関節とを備え、
   該関節が、該関節の回転速度に比例する減衰力を発生するダンパを備える請求項１から請求項４のいずれかに記載の医療用マニピュレータ。
6. 生体組織を処置する処置部を先端に備える可動部と、
   該可動部を駆動するモータとを備える医療用マニピュレータの作動方法であって、
   前記モータのトルクの絶対値が第１閾値以上となる状態が所定時間以上継続している場合、前記処置部が前記生体組織に接触していると推定し、
   前記モータのトルクの絶対値が第１閾値以上となる状態が所定時間以上継続している場合であって、かつ、前記トルクの単位時間当たりの絶対値の減少量が第２閾値以上となった場合、前記処置部が前記生体組織との接触を解除していると推定し、前記モータのトルクを低減させる医療用マニピュレータの作動方法。
7. 前記モータを逆方向に回転させて前記モータのトルクを減少させる請求項６に記載の医療用マニピュレータの作動方法。

Images