JPWO2016181432A1 - 医療用マニピュレータシステム - Google Patents

Abstract

本発明の医療用マニピュレータシステムは、軟性の挿入部と、挿入部先端に設けられた可動部と、挿入部基端に着脱可能に設けられた駆動部（１２）と、駆動部（１２）において発生した駆動力を張力により伝達し可動部を正逆方向に動作させる一対の張力伝達部材とを備えるマニピュレータ（３）と、マニピュレータ（３）の動作指令を入力する操作情報入力部（２４）と、入力された動作指令に基づいて駆動部（１２）を制御する制御部（４）とを備え、駆動部（１２）が、張力伝達部材の変位方向および変位量を検出する変位センサ（１５）と、一対の張力伝達部材の張力差を検出する張力差センサ（１６）とを備え、制御部（４）が、張力伝達部材の特性を記憶する記憶部（１９）と、記憶部（１９）に記憶されている特性と、検出された張力差、変位量および変位方向とに基づき駆動部（１２）を制御するための制御パラメータを設定するパラメータ設定部（２１）とを備える。

Description

本発明は、医療用マニピュレータシステムに関するものである。

ワイヤにより湾曲部を湾曲させる軟性内視鏡において、ワイヤの変位および変位方向を検出するロータリエンコーダと、ワイヤの張力を検出するテンションセンサとを備える軟性内視鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
ワイヤの変位、変位方向および張力を考慮してワイヤに張力を加える駆動部を制御することにより、ワイヤの弛みによる操作性の低下を回避している。

特開２０００−３００５１１号公報

しかしながら、特許文献１のようにワイヤの張力を検出するテンションセンサは、ワイヤに直接取り付ける必要があり、ワイヤは体内に挿入される挿入部に設けられることから、挿入部をディスポーザブルに構成する場合には、テンションセンサも使い捨てされることとなり、コストが高くつく。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ワイヤにテンションセンサを取り付けることなく、ワイヤの張力に応じた適正な制御パラメータを設定して、マニピュレータを精度よく制御することができる医療用マニピュレータシステムを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、軟性の挿入部と、該挿入部の先端に設けられた可動部と、前記挿入部の基端に着脱可能に設けられ駆動力を発生する駆動部と、該駆動部において発生した駆動力を張力により伝達し前記可動部を正逆方向に動作させる一対の張力伝達部材とを備えるマニピュレータと、前記マニピュレータの動作指令を入力する操作情報入力部と、該操作情報入力部により入力された動作指令に基づいて前記駆動部を制御する制御部とを備え、前記駆動部が、前記張力伝達部材の変位方向および変位量を検出する変位センサと、一対の前記張力伝達部材の張力差を検出する張力差センサとを備え、前記制御部が、前記張力伝達部材の特性を記憶する記憶部と、該記憶部に記憶されている特性と、前記張力差センサにより検出された張力差と、前記変位センサにより検出された変位量および変位方向とに基づいて、前記駆動部を制御するための制御パラメータを設定するパラメータ設定部とを備える医療用マニピュレータシステムである。

本態様によれば、挿入部の基端側に駆動部を取り付けて、患者の体内に可動部側から挿入部を挿入し、操作情報入力部により動作指令が入力されると、入力された動作指令に基づいて制御部が駆動部を制御し、駆動部において発生した駆動力が張力として張力伝達部材により可動部まで伝達され、可動部が作動させられて処置を行うことができる。
駆動部が作動されると、一対の張力伝達部材のいずれかの張力が増大し、その張力差によって張力が大きい方向に牽引されるように可動部が動作させられる。

挿入部が湾曲させられると、内部を貫通している張力伝達部材も湾曲させられるため、張力伝達部材と周囲の部材との間の摩擦が増大するので、可動部を作動させるためにより大きな駆動力が必要になる。
本態様によれば、駆動部の作動により張力伝達部材が変位すると、その変位方向および変位量が変位センサにより検出され、一対の張力伝達部材に作用している張力差が張力差センサにより検出されるので、これら張力差、変位量および変位方向と、張力伝達部材の特性とにより張力伝達部材に作用している摩擦の状態を推定することができる。

すなわち、一般的にワイヤ等の張力伝達部材は、弾性変形により張力を発生するが、牽引量と張力との関係である剛性が理想的な線形の関係となる特性ではなく、非線形な関係となる特性を有する。したがって、張力差と変位量および変位方向とから張力伝達部材の剛性を算出し、この算出結果と予め取得した特性とを用いることにより摩擦の状態を推定することができる。そして、推定された摩擦の状態に基づいて、操作入力に対して可動部を適正に動作させるための駆動力を駆動部に発生させることができる。

この場合において、挿入部の基端側に着脱可能に取り付けられる駆動部に設けた変位センサおよび張力差センサにより変位量および変位の方向と張力差とを検出するので、張力伝達部材を備える挿入部側に張力を検出するためのセンサを配置する必要がなく、挿入部をディスポーザブルに構成しても、コストを抑えることができる。

上記態様においては、前記パラメータ設定部が、前記張力差センサにより検出された張力差と、前記変位センサにより検出された変位量および変位方向とに基づいて前記張力伝達部材に作用している張力を算出し、算出された張力に基づいて前記制御パラメータを設定してもよい。
このようにすることで、張力差と変位量および変位方向とから張力伝達部材の剛性を算出し、該剛性と張力伝達部材の特性とにより、張力伝達部材に作用している張力を容易に算出することができる。駆動部側で検出できる張力差と変位量とから、駆動部側で直接検出できない張力を算出するので、張力伝達部材を備える挿入部側に張力を検出するためのセンサを配置する必要がなく、挿入部をディスポーザブルに構成しても、コストを抑えることができる。

また、上記態様においては、前記記憶部が、前記マニピュレータの識別情報と前記張力伝達部材の特性とを対応づけて記憶し、前記マニピュレータの識別情報を入力する識別情報入力部を備え、前記制御部が、前記識別情報入力部により入力された識別情報に対応する前記張力伝達部材の特性を前記記憶部から読み出して前記制御パラメータの設定に使用してもよい。

このようにすることで、マニピュレータを交換することによって、搭載されている張力伝達部材の特性が相違しても、識別情報入力部により入力された識別情報に対応して記憶部に記憶されている特性が読み出されるので、マニピュレータの個体差に依存せず、張力伝達部材の変位量および変位方向と、張力差とに基づいて、適正な制御パラメータを設定することができる。

本発明によれば、ワイヤにテンションセンサを取り付けることなく、ワイヤの張力に応じた適正な制御パラメータを設定して、医療用マニピュレータを精度よく制御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システムを示す全体構成図である。 図１の医療用マニピュレータシステムに備えられるマニピュレータを示す斜視図である。 図２のマニピュレータに備えられる駆動部を説明する斜視図である。 図２のマニピュレータに備えられるワイヤの特性を示すグラフである。 図４のワイヤにかかる張力を説明する模式図である。 図１の医療用マニピュレータシステムに備えられる制御部および駆動部と信号の流れを説明するブロック図である。 図６の医療用マニピュレータシステムの変形例を示すブロック図である。

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。
本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１は、例えば、図１に示されるように、操作者Ａにより操作される操作入力部２と、患者Ｐの体腔内に挿入されるマニピュレータ３と、該マニピュレータ３を制御する制御部４と、操作入力部２への操作入力に基づいて制御部４にマニピュレータ３の動作指令を入力する操作情報入力部２４と、モニタ５とを備えている。

操作入力部２は、操作者Ａの手指で操作されるレバー（図示略）を有し、後述するマニピュレータ３の挿入部１０の先端に配置されている可動部６と同一の軸構成を有する略相似形の入力装置であって、可動部６と比較すると、例えば、１０倍程度のスケール比を有している。操作入力部２は、可動部６と相似形でなくてもよいし、スケール比も１０倍に限られるものではない。

マニピュレータ３は、図２および図３に示されるように、患者Ｐの体腔内に挿入される内視鏡のチャネル、あるいはオーバーチューブ（図示略）等を経由して、あるいは直接、患者Ｐの体腔内に挿入される挿入部１０と、該挿入部１０の先端に配置される可動部６と、挿入部１０の基端に配置される駆動装置７と、駆動装置７と可動部６とを連結し、張力によって可動部６を動作させるワイヤ（張力伝達部材）８とを備えている。

可動部６は、例えば、把持鉗子であり、ワイヤ８の張力によって開閉動作させられるようになっている。本実施形態では説明を簡単にするために、可動部６が単一の軸を有することとして説明する。可動部６は複数の関節を有していてもよい。

駆動装置７は、図３に示されるように、挿入部１０の基端側に回転可能に固定されワイヤ８が回し掛けられたプーリ９を備えるマニピュレータ側装置１１と、該マニピュレータ側装置１１に対して着脱可能に設けられた駆動部１２とを備えている。駆動部１２とマニピュレータ側装置１１との着脱は、例えば、プーリ９とモータシャフト１３とのスプライン結合によって実施することができるが、これに限定されるものではない。

駆動部１２は、回転駆動力を発生するモータ１４と、モータシャフト１３に固定され、モータシャフト１３の回転方向（変位方向）および回転角度（変位量）を検出するエンコーダ（変位センサ）１５と、モータシャフト１３に固定され該モータシャフト１３の捻れによる歪みによってモータシャフト１３に作用しているトルク（張力差）を検出する歪みゲージ（張力差センサ）１６とを備えている。

すなわち、プーリ９側に設けられたスプライン孔１７にモータシャフト１３側に設けたスプライン軸１８を挿脱することにより、スプライン結合によってモータ１４とプーリ９とを容易に着脱することができるようになっている。
そして、モータ１４をプーリ９に接続した状態では、プーリ９に回し掛けられた一対のワイヤ８にかかる張力差とプーリ９の半径とによって算出される大きさのトルクがモータシャフト１３に加わるので、歪みゲージ１６によってトルクを検出し、該トルクから張力差を容易に算出することができるようになっている。

ワイヤ８は、図４に示されるようなワイヤ張力の牽引量特性を有している。すなわち、ワイヤ８の剛性は、牽引量と張力との関係であり理想的な線形特性ではなく、非線形な特性を有している。張力が低い領域では、牽引量が大きくなっても張力が高くならず、張力が所定の高さ以上になると、牽引量の大きさと張力の高さとは比例するようになる。この図４の特性の各位置における傾きは、ワイヤ８の剛性Ｋ_Ａ，Ｋ_Ｂ，Ｋ_Ｃを表している。この場合、ワイヤ８の剛性Ｋ_Ａ，Ｋ_Ｂ，Ｋ_Ｃは、点ではなく２点における張力差の値を差分した傾きであるため、トルクから算出された張力差がゼロでも傾きがゼロにならない。なお、牽引量は、エンコーダ１５により検出された回転角度とプーリ径等に基づくパラメータから算出できる。

制御部４は、図６に示されるように、上述したワイヤ８の特性を記憶する記憶部１９と、歪みゲージ１６によって検出されたトルク、エンコーダ１５により検出された回転角度および回転方向、および記憶部１９に記憶されているワイヤ８の特性に基づいてワイヤ８の張力を推定する張力推定部２０と、該張力推定部２０により推定されたワイヤ８の張力に基づいて制御パラメータを設定するパラメータ設定部２１と、該パラメータ設定部２１により設定された制御パラメータを用いてモータ１４を制御する駆動制御部２２とを備えている。

張力推定部２０は、歪みゲージ１６により検出されたトルクとエンコーダ１５により検出された回転角度とからワイヤ８の剛性を算出するようになっている。そして、記憶部１９に記憶されている特性に、算出された剛性を当てはめて、ワイヤ８の張力を推定するようになっている。エンコーダ１５により検出される回転方向は、図５に示されるように、一対のワイヤ８のどちらに大きな張力が作用しているのかを決定するために用いられる。図中の細い矢印は回転方向、太い矢印はワイヤ８の張力が作用する方向、太い矢印の長さは張力の大きさを示している。

パラメータ設定部２１は、張力推定部２０により推定されたワイヤ８の張力に応じた制御パラメータを設定するようになっている。
制御パラメータとしては、マスタスレーブスケール比が挙げられる。マスタスレーブスケール比は、操作入力部２の操作量に対して、可動部６の動作量をどの程度にするのかを決定するパラメータである。

マニピュレータ３の挿入部１０が真っ直ぐに延びている場合には、マスタスレーブスケール比を０．１に設定することにより、操作入力部２のレバーを１０ｍｍ移動させると、可動部６の動作量を１ｍｍとすることができる。また、例えば、マスタスレーブスケール比を０．２に設定することにより、操作入力部２のレバーを１０ｍｍ移動させると、可動部６の動作量が２ｍｍとなるので、操作者Ａは、同じ１ｍｍの動作量を達成するために操作入力部２のレバーを５ｍｍ移動させればよいことになる。

ここで、マニピュレータ３の挿入部１０が真っ直ぐに延びている場合には、マニピュレータ３の挿入部１０内に形成された経路とワイヤ８との摩擦が最も少なく、操作入力部２に加えた力は、そのままワイヤ８にかかる張力として可動部６まで伝達される。したがって、この場合、マスタスレーブスケール比が０．１であれば、操作入力部２と可動部６との実際のスケール比と一致しているので、例えば、内視鏡画像で可動部６を確認しながら、操作入力部２により直感的な操作を行うことができる。

しかし、マニピュレータ３の挿入部１０が湾曲している場合には、各湾曲部分において、挿入部１０内に形成された経路とワイヤ８との間の摩擦が発生し、湾曲の度合いが大きいほど、摩擦が大きくなる。そして、摩擦が大きいほど、ワイヤ８にかかる張力が大きくなる。
このため、操作入力部２に加えた力が可動部６まで伝達されにくく、マスタスレーブスケール比が０．１のままでは、操作入力部２のレバーを１０ｍｍ移動させても、ワイヤ８の伸びによって可動部６の動作量が１ｍｍより小さくなる。

したがって、パラメータ設定部２１は、張力が大きくなるに従って大きくなるようなマスタスレーブスケール比を制御パラメータとして記憶しておくことにより、挿入部１０の湾曲状態に関わらず、操作入力部２に対する同じ操作指令によって同じだけの可動部６の動作量を達成することができるようになる。
操作情報入力部２４は、操作者Ａが操作入力部２を操作することによって入力された動作指令を制御部４の駆動制御部２２に入力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医療用マニピュレータシステム１の作用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システム１を用いて患者Ｐの体腔内に位置する患部を処置するには、操作者Ａは、内視鏡画像等によって確認しながら、マニピュレータ３を先端の可動部６側から体内に挿入していき、マニピュレータ３の可動部６を患部に対向させる。
この状態で、操作者Ａが操作入力部２を操作して操作情報入力部２４に駆動部１２の動作指令を入力すると、制御部４は、操作情報入力部２４から入力された動作指令に従って駆動部１２を制御する制御信号を生成し、駆動部１２に対して出力する。

駆動部１２のモータ１４が作動してモータシャフト１３が回転させられると、モータシャフト１３の回転角度および回転方向がエンコーダ１５によって検出されるとともに、モータシャフト１３に加わるトルクが歪みゲージ１６によって検出される。
そして、検出されたトルクと回転角度とに基づいて張力推定部２０によりワイヤ８にかかる張力が推定される。また、パラメータ設定部２１において、推定された張力に基づいて制御パラメータが設定される。

すなわち、ワイヤ８にかかっている張力の推定により、ワイヤ８の摩擦状態、すなわち、挿入部１０の湾曲状態を推定できる。したがって、張力が高くなるほどマスタスレーブスケール比のような制御パラメータを大きくすることにより、挿入部１０の湾曲度合いが高く、張力が伝達されにくい状況においても、操作入力部２の操作によって、精度よく可動部６を動作させることができるという利点がある。

そして、本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１によれば、ワイヤ８にテンションセンサを取り付けること無くワイヤ８の張力を推定するので、体内に挿入される挿入部１０をディスポーザブルに構成しても、高価なセンサを使い捨てにする必要が無く、コストを低減することができるという利点がある。

なお、本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１においては、記憶部１９に単一のワイヤ８の特性を記憶しておくこととしたが、これに代えて、複数のマニピュレータ３の複数のワイヤ８の特性をマニピュレータ３の識別情報と対応付けて記憶しておくことにしてもよい。この場合には、図７に示されるように、操作者Ａが操作入力部２を操作すると、操作入力部２への操作入力に基づいてマニピュレータ３の識別情報を入力する識別情報入力部２３を備え、入力された識別情報に対応するワイヤ８の特性を記憶部１９から読み出して張力の推定に使用することにすればよい。

識別情報入力部２３は、キーボート等の操作入力部２からの入力情報に基づいて識別情報を入力してもよいし、マニピュレータ３にバーコードを貼付しておく場合には、バーコードリーダからの入力情報に基づいて識別情報を入力してもよい。
また、記憶部１９に記憶するワイヤ８の特性は、使用とともに変化するので、定期的にまたは必要に応じて測定し更新できるようにしておいてもよい。

また、制御パラメータの設定は、操作者Ａの指令によるキャリブレーション動作中に行ってもよいし、マニピュレータ３の動作中に逐次行われることにしてもよい。
また、算出された張力値を所定の閾値と比較し、張力値が閾値を下回った場合、あるいは張力値が閾値を上回った場合に、操作者Ａにアラームを報知することにしてもよい。張力値が閾値を下回る場合としてはワイヤ８の破断が考えられる。また、張力値が閾値を上回る場合としては、可動部６が外部の組織等に引っかかった場合等が考えられる。

１ 医療用マニピュレータシステム
３ マニピュレータ
４ 制御部
６ 可動部
８ ワイヤ（張力伝達部材）
１０ 挿入部
１２ 駆動部
１５ エンコーダ（変位センサ）
１６ 歪みゲージ（張力差センサ）
１９ 記憶部
２１ パラメータ設定部
２３ 識別情報入力部
２４ 操作情報入力部
Ａ 操作者

Claims (3)

1. 軟性の挿入部と、該挿入部の先端に設けられた可動部と、前記挿入部の基端に着脱可能に設けられ駆動力を発生する駆動部と、該駆動部において発生した駆動力を張力により伝達し前記可動部を正逆方向に動作させる一対の張力伝達部材とを備えるマニピュレータと、
   前記マニピュレータの動作指令を入力する操作情報入力部と、
   該操作情報入力部により入力された動作指令に基づいて前記駆動部を制御する制御部とを備え、
   前記駆動部が、前記張力伝達部材の変位方向および変位量を検出する変位センサと、一対の前記張力伝達部材の張力差を検出する張力差センサとを備え、
   前記制御部が、前記張力伝達部材の特性を記憶する記憶部と、該記憶部に記憶されている特性と、前記張力差センサにより検出された張力差と、前記変位センサにより検出された変位量および変位方向とに基づいて、前記駆動部を制御するための制御パラメータを設定するパラメータ設定部とを備える医療用マニピュレータシステム。
2. 前記パラメータ設定部が、前記張力差センサにより検出された張力差と、前記変位センサにより検出された変位量および変位方向とに基づいて前記張力伝達部材に作用している張力を算出し、算出された張力に基づいて前記制御パラメータを設定する請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
3. 前記記憶部が、前記マニピュレータの識別情報と前記張力伝達部材の特性とを対応づけて記憶し、
   前記マニピュレータの識別情報を入力する識別情報入力部を備え、
   前記制御部が、前記識別情報入力部により入力された識別情報に対応する前記張力伝達部材の特性を前記記憶部から読み出して前記制御パラメータの設定に使用する請求項１または請求項２に記載の医療用マニピュレータシステム。

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