JPWO2016199228A1 - Medical manipulator control device - Google Patents
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Abstract
エンドエフェクタ(3)にかかる負荷が変動しても関節部(4)を精度よく駆動することを目的として、本発明の医療用マニピュレータ制御装置(1)は、エンドエフェクタ(3)を移動させる関節部(4)と、張力伝達部材(5)を介して関節部(4)を駆動する駆動部(6)とを備える医療用マニピュレータ(2)の数式モデルを記憶する記憶部と、記憶された数式モデルと、入力された目標指令信号と、張力伝達部材(5)にかかる張力とに基づいて、関節部(4)に作用する負荷を推定する負荷推定部と、推定された負荷と、駆動部(6)の駆動量とに基づいて、関節部(4)の実際の移動量を推定する移動量推定部と、推定された関節部(4)の実際の移動量と、無負荷の場合の関節部(4)の目標移動量とに基づいて、駆動部(6)に対して出力する指令信号を補正する補正部とを備える。The medical manipulator control device (1) of the present invention is a joint that moves the end effector (3) for the purpose of accurately driving the joint (4) even when the load applied to the end effector (3) varies. A storage unit that stores a mathematical model of the medical manipulator (2) including a unit (4) and a drive unit (6) that drives the joint unit (4) via the tension transmission member (5); Based on the mathematical model, the input target command signal, and the tension applied to the tension transmission member (5), a load estimation unit that estimates the load acting on the joint (4), the estimated load, and the drive Based on the drive amount of the unit (6), the movement amount estimation unit that estimates the actual movement amount of the joint unit (4), the estimated actual movement amount of the joint unit (4), and no load Based on the target movement amount of the joint (4) of the ) And a correcting unit for correcting the command signal to be output to.
Description
本発明は、医療用マニピュレータ制御装置に関するものである。 The present invention relates to a medical manipulator control device.
長尺の挿入部の先端に配置したエンドエフェクタおよび関節部を、挿入部の基端側に配置した駆動部によって、挿入部内に配置したワイヤを介して駆動する医療用マニピュレータが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
2. Description of the Related Art A medical manipulator is known in which an end effector and a joint portion arranged at the distal end of a long insertion portion are driven via a wire arranged in the insertion portion by a driving portion arranged on the proximal end side of the insertion portion ( For example, see
特許文献1の医療用マニピュレータは、挿入部の基端側に配置した駆動部を指令信号に従って制御するものである。
エンドエフェクタが組織を把持したり組織に当たったりして関節部に負荷がかかると、ワイヤにかかる張力によってワイヤが伸びるため、駆動部においては指令信号通りに駆動されていても、先端の関節部は移動できず、目標位置と実際の位置とが異なってしまい、正確な位置に移動させることができない。The medical manipulator disclosed in
When the end effector grips the tissue or hits the tissue and a load is applied to the joint, the wire stretches due to the tension applied to the wire, so even if the drive is driven according to the command signal, the joint at the tip Cannot be moved, and the target position and the actual position are different, and cannot be moved to an accurate position.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、エンドエフェクタにかかる負荷が変動しても関節部を精度よく駆動することができる医療用マニピュレータ制御装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a medical manipulator control device that can accurately drive a joint even when a load applied to an end effector fluctuates. .
本発明の一態様は、エンドエフェクタを移動させる関節部と、張力伝達部材を介して前記関節部を駆動する駆動部とを備える医療用マニピュレータの数式モデルを記憶する記憶部と、該記憶部に記憶された数式モデルと、前記駆動部に入力された目標指令信号と、該目標指令信号によって前記駆動部が駆動されたときに、前記張力伝達部材にかかる張力とに基づいて、前記関節部に作用する負荷を推定する負荷推定部と、該負荷推定部により推定された負荷と、前記駆動部の駆動量とに基づいて、前記関節部の実際の移動量を推定する移動量推定部と、該移動量推定部により推定された前記関節部の実際の移動量と、無負荷の場合の前記関節部の目標移動量とに基づいて、前記駆動部に対して出力する指令信号を補正する補正部とを備える医療用マニピュレータ制御装置である。 One aspect of the present invention is a storage unit that stores a mathematical model of a medical manipulator that includes a joint unit that moves an end effector and a drive unit that drives the joint unit via a tension transmission member. Based on the stored mathematical model, the target command signal input to the drive unit, and the tension applied to the tension transmission member when the drive unit is driven by the target command signal, A load estimation unit that estimates a load to be applied, a load estimated by the load estimation unit, and a movement amount estimation unit that estimates an actual movement amount of the joint unit based on the drive amount of the drive unit; Correction for correcting the command signal output to the drive unit based on the actual movement amount of the joint part estimated by the movement amount estimation unit and the target movement amount of the joint part in the case of no load Doctor with department It is the use manipulator control device.
本態様によれば、目標指令信号が駆動部に入力されると、駆動部が駆動され、張力伝達部材に張力が発生して関節部が動作させられてエンドエフェクタが移動させられる。張力伝達部材に発生している張力が検出されると、負荷推定部により、検出された張力と、記憶部に記憶されている数式モデルと、目標指令信号とに基づいて、関節部に作用する負荷が推定される。そして、推定された負荷と駆動部の駆動量とに基づいて移動量推定部により関節部の実際の移動量が推定される。 According to this aspect, when the target command signal is input to the drive unit, the drive unit is driven, tension is generated in the tension transmission member, the joint unit is operated, and the end effector is moved. When the tension generated in the tension transmitting member is detected, the load estimating unit acts on the joint based on the detected tension, the mathematical model stored in the storage unit, and the target command signal. The load is estimated. Then, based on the estimated load and the driving amount of the driving unit, the actual moving amount of the joint portion is estimated by the moving amount estimating unit.
駆動部により張力伝達部材を介して関節部を駆動する場合には、関節部の実際の移動量は、関節部に作用する負荷によって異なってくるので、補正部により指令信号を補正することにより、負荷が存在していても無負荷の目標移動量に近づけるように関節部を駆動しエンドエフェクタを移動させることができる。 When the joint unit is driven by the drive unit via the tension transmission member, the actual amount of movement of the joint unit varies depending on the load acting on the joint unit, so by correcting the command signal by the correction unit, Even when a load is present, the end effector can be moved by driving the joint portion so as to approach the unloaded target movement amount.
上記態様においては、前記補正部は、前記負荷推定部により推定された負荷が変化した場合に、前記指令信号を補正してもよい。
このようにすることで、負荷の変動に合わせて、無負荷の目標移動量に近づくように関節部を駆動することができる。In the above aspect, the correction unit may correct the command signal when the load estimated by the load estimation unit changes.
By doing in this way, according to the fluctuation | variation of load, a joint part can be driven so that it may approach the no-load target moving amount.
また、上記態様においては、前記補正部は、前記関節部に作用する負荷が減少したときに、前記指令信号を減少させるように補正してもよい。
関節部に負荷が作用している場合に、補正部は、駆動部に無負荷の場合よりも大きな指令信号を出力させているので、そのままの指令信号では、関節部に作用する負荷が減少したときには、移動させ過ぎになる。本態様によれば、負荷が減少したときには指令信号を減少させて関節部の移動させ過ぎを防止することができる。Moreover, in the said aspect, when the load which acts on the said joint part reduces, the said correction | amendment part may correct | amend so that the said command signal may be decreased.
When the load is applied to the joint, the correction unit outputs a larger command signal to the drive unit than when there is no load, so the load acting on the joint is reduced with the same command signal. Sometimes it gets moved too much. According to this aspect, when the load decreases, the command signal can be decreased to prevent the joint portion from being moved too much.
また、上記態様においては、前記エンドエフェクタが開閉可能な把持部を備え、該把持部の開閉情報が入力され、前記補正部が、入力された前記開閉情報に基づいて前記指令信号を補正してもよい。
把持部を閉じて対象物を把持している状態から把持部を開いて対象物を解放すると、関節部にかかる負荷が急激に変化する。本態様によれば、把持部の開閉情報によって負荷の変化を早期に検出し、指令信号を迅速に補正することができる。In the above aspect, the end effector includes a gripper that can be opened and closed, and opening / closing information of the gripper is input, and the correction unit corrects the command signal based on the input opening / closing information. Also good.
When the grasping part is opened and the object is released from the state where the grasping part is closed and the object is grasped, the load applied to the joint part changes rapidly. According to this aspect, it is possible to detect a change in the load at an early stage based on the opening / closing information of the gripping part, and to quickly correct the command signal.
また、上記態様においては、前記補正部は、前記負荷推定部により推定された負荷の時間変化から負荷の変化を検出してもよい。
このようにすることで、推定された負荷自体の変化を検出して指令信号を補正するよりも迅速に負荷の時間変化、例えば、微分あるいは2回微分によって負荷の変化を予測することができる。In the above aspect, the correction unit may detect a load change from a time change of the load estimated by the load estimation unit.
By doing so, it is possible to predict a change in load by time change of the load, for example, differentiation or twice differentiation, more quickly than detecting the estimated change in the load itself and correcting the command signal.
本発明によれば、エンドエフェクタにかかる負荷が変動しても関節部を精度よく駆動することができるという効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that the joint portion can be driven with high accuracy even if the load applied to the end effector varies.
以下、本発明の一実施形態に係る医療用マニピュレータ制御装置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制御装置1は、図1に示されるように、操作部(図示略)からの操作指令に応じて医療用マニピュレータ2を制御する装置である。Hereinafter, a medical
As shown in FIG. 1, the medical
医療用マニピュレータ2は、先端のエンドエフェクタ3を支持する1以上の屈曲関節(関節部)4と、該屈曲関節4を駆動するための張力Tを伝達するワイヤ(張力伝達部材)5と、基端側に配置されてワイヤ5に張力Tを付与するモータ(駆動部)6と、ワイヤ5の張力Tを検出する張力検出部7とを備えている。エンドエフェクタ3は、例えば、把持部8を有する把持鉗子である。
操作部は、操作者により操作される図示しないレバーを有し、レバーの傾斜角度に比例した目標指令信号θsを出力するようになっている。The
The operation unit has a lever (not shown) that is operated by the operator, and outputs a target command signal θs proportional to the tilt angle of the lever.
本実施形態に係る医療用マニピュレータ制御装置1は、図2に示されるように、操作部から入力された目標指令信号θsに基づいてモータ6に出力する駆動指令θmを生成する駆動指令生成部9と、医療用マニピュレータ2の数式モデルf1,f2を記憶する記憶部10と、エンドエフェクタ3に作用している負荷Rを推定する負荷推定部11と、該負荷推定部11により推定された負荷Rに基づいて屈曲関節4の実際の移動量θ2を推定する移動量推定部12と、該移動量推定部12により推定された屈曲関節4の実際の移動量θ2に基づいてモータ6に出力する駆動指令θmを補正する補正部13とを備えている。
As shown in FIG. 2, the medical
負荷推定部11は、目標指令信号θsと、張力検出部7により検出されたワイヤ5の張力Tと、記憶部10に記憶されている数式モデルf1とに基づいて、エンドエフェクタ3に作用している負荷Rを推定するようになっている。
負荷推定部11は、具体的には、記憶部10に記憶されている、式(1)で示される数式モデルf1を用いて負荷Rを推定するようになっている。
T=f1(θs,R) (1)The
Specifically, the
T = f1 (θs, R) (1)
説明を簡単にするために、数式モデルf1が1次関数であるとすると、図3に示されるように、張力Tと目標指令信号θsとの関係は、負荷Rの大きさによって変化する。したがって、張力Tと目標指令信号θsと数式モデルf1とを用いることにより、エンドエフェクタ3に作用している負荷Rを推定することができる。図3には、無負荷の場合の張力T1と、負荷Rが作用したときの張力T2とが示されている。
For the sake of simplicity, assuming that the mathematical model f1 is a linear function, the relationship between the tension T and the target command signal θs varies depending on the magnitude of the load R, as shown in FIG. Therefore, the load R acting on the
移動量推定部12は、負荷推定部11により推定された負荷Rと、記憶部10に記憶されている数式モデルf2と、操作部から入力されてきた目標指令信号θsとに基づいて、屈曲関節4の実際の移動量θを推定するようになっている。
移動量推定部12は、具体的には、記憶部10に記憶されている、式(2)で示される数式モデルf2を用いて実際の移動量θを推定するようになっている。
θ=f2(θs,R) (2)The movement
Specifically, the movement
θ = f2 (θs, R) (2)
説明を簡単にするために、数式モデルf2が1次関数であるとすると、図4に示されるように、実際の移動量θと目標指令信号θsとの関係は、負荷Rの大きさによって変化する。したがって、負荷Rと目標指令信号θsと数式モデルf2とを用いることにより、屈曲関節4の実際の移動量θを推定することができる。図4には、無負荷の場合の屈曲関節4の実際の移動量θ1と、負荷Rが作用したときの屈曲関節4の実際の移動量θ2とが示されている。 For the sake of simplicity, assuming that the mathematical model f2 is a linear function, the relationship between the actual movement amount θ and the target command signal θs varies depending on the magnitude of the load R, as shown in FIG. To do. Therefore, the actual movement amount θ of the flexure joint 4 can be estimated by using the load R, the target command signal θs, and the mathematical model f2. FIG. 4 shows the actual movement amount θ1 of the bending joint 4 when there is no load, and the actual movement amount θ2 of the bending joint 4 when the load R is applied.
補正部13は、目標指令信号θsから無負荷の場合の移動量θ1を算出する。移動量推定部12により推定された屈曲関節4の実際の移動量θ2と、無負荷の場合の移動量θ1との差分Δθを演算し、Δθを得るための差分指令信号Δθmを算出し、駆動指令θmを新たな駆動指令θm+Δθmに補正して出力するようになっている。
The
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制御装置1の作用について説明する。
エンドエフェクタ3によって対象物が把持された状態で屈曲関節4を駆動する場合には、把持していない無負荷の場合と比較して負荷Rが作用する。The operation of the medical
When the bending joint 4 is driven in a state where the target object is gripped by the
本実施形態に係る医療用マニピュレータ制御装置1によれば、操作部が操作されて目標指令信号θsが入力されると、張力検出部7により検出されたワイヤ5の張力Tと目標指令信号θsと、記憶部10に記憶されている数式モデルT=f1(θs,R)とに基づいて、負荷Rが推定される。次いで、推定された負荷Rと、目標指令信号θsと、記憶部10に記憶されている数式モデルθ=f2(θs,R)とから屈曲関節4の実際の移動量θが算出される。
According to the medical
そして、補正部13において、同じ数式モデルを用いて算出された無負荷の場合の屈曲関節4の移動量θ1と実際の移動量θ2との差分Δθが算出され、かつ、当該差分Δθを達成するための差分指令信号Δθmが算出されて、駆動指令生成部9から出力された駆動指令θmが新たな駆動指令θm+Δθmに補正されてモータ6に出力される。
Then, the
その結果、本実施形態に係る医療用マニピュレータ制御装置1によれば、操作者による操作部に対する操作指令が同じでも、エンドエフェクタ3にかかる負荷Rが大きいほど大きな駆動指令θm+Δθmが出力されるように駆動指令θmが補正されるので、負荷Rの大きさに関わらず、同じ操作によってほぼ同様にエンドエフェクタ3を移動させることができるという利点がある。
As a result, according to the medical
また、本実施形態に係る医療用マニピュレータ制御装置1によれば、ワイヤ5にかかる張力Tから負荷Rおよび実際の屈曲関節4の移動量θを推定するので、屈曲関節4に移動量θを検出するセンサを配置する必要がなく、医療用マニピュレータ2の構造を単純化、軽量化あるいは細径化することができるという利点がある。
Further, according to the medical
なお、本実施形態においては、エンドエフェクタ3に作用する負荷Rが増えた場合を例示して説明したが、エンドエフェクタ3に作用する負荷Rが減少した場合にも適用できることは言うまでもない。この場合、操作者によって操作部に入力される目標指令信号θsが同じでも、エンドエフェクタ3にかかる負荷Rが小さくなればなるほど駆動指令θm+Δθmが減少されて出力されるように駆動指令θmが補正される。
In the present embodiment, the case where the load R acting on the
また、エンドエフェクタ3に作用する負荷Rが急激に減少する場合がある。例えば、エンドエフェクタ3により把持していた対象物が不意に外れたり、あるいは、エンドエフェクタ3を開いた瞬間に把持していた対象物が解放されたりする場合である。これらの場合には、負荷Rがある場合の大きな駆動指令θm+Δθmがモータ6に入力されている状態で、突然負荷Rがなくなるので、エンドエフェクタ3が大きく移動してしまうことが考えられる。
Further, the load R acting on the
そこで、これらの場合には負荷変動を早期に検出して現在の移動量θが維持されるように駆動指令θm+Δθmを減少させる必要がある。
負荷変動を早期に検出する方法としては、負荷推定部11により推定される負荷Rの時間変化を検出することが挙げられる。すなわち、負荷Rの変動速度あるいは負荷Rの変動加速度を検出することにより、負荷変動を予測して早期に対応することができる。Therefore, in these cases, it is necessary to decrease the drive command θm + Δθm so that the current movement amount θ is maintained by detecting the load fluctuation at an early stage.
As a method for detecting the load fluctuation at an early stage, it is possible to detect a time change of the load R estimated by the
また、負荷変動を早期に検出する方法として、把持部8の開閉情報を検出することにより、把持部8が開かれたときには、負荷Rが消滅するものとして駆動指令θm+Δθmを減少させることにしてもよい。これにより、さらに迅速に駆動指令θm+Δθmを減少させてエンドエフェクタ3が急激に移動してしまうことを防止することができる。
Further, as a method of detecting the load fluctuation at an early stage, by detecting the opening / closing information of the
1 医療用マニピュレータ制御装置
2 医療用マニピュレータ
3 エンドエフェクタ
4 屈曲関節(関節部)
5 ワイヤ(張力伝達部材)
6 モータ(駆動部)
8 把持部
10 記憶部
11 負荷推定部
12 移動量推定部
13 補正部
θ 移動量
θs 目標指令信号
f1,f2 数式モデル
R 負荷
T 張力
DESCRIPTION OF
5 Wire (Tension transmission member)
6 Motor (drive unit)
8 Grasping
Claims (5)
該記憶部に記憶された数式モデルと、前記駆動部に入力された目標指令信号と、該目標指令信号によって前記駆動部が駆動されたときに、前記張力伝達部材にかかる張力とに基づいて、前記関節部に作用する負荷を推定する負荷推定部と、
該負荷推定部により推定された負荷と、前記駆動部の駆動量とに基づいて、前記関節部の実際の移動量を推定する移動量推定部と、
該移動量推定部により推定された前記関節部の実際の移動量と、無負荷の場合の前記関節部の目標移動量とに基づいて、前記駆動部に対して出力する指令信号を補正する補正部とを備える医療用マニピュレータ制御装置。A storage unit that stores a mathematical model of a medical manipulator including a joint unit that moves the end effector and a drive unit that drives the joint unit via a tension transmission member;
Based on the mathematical model stored in the storage unit, the target command signal input to the drive unit, and the tension applied to the tension transmission member when the drive unit is driven by the target command signal, A load estimation unit for estimating a load acting on the joint part;
A movement amount estimation unit that estimates an actual movement amount of the joint unit based on the load estimated by the load estimation unit and the driving amount of the driving unit;
Correction for correcting the command signal output to the drive unit based on the actual movement amount of the joint part estimated by the movement amount estimation unit and the target movement amount of the joint part in the case of no load And a medical manipulator control device.
前記補正部が、入力された前記開閉情報に基づいて前記指令信号を補正する請求項3に記載の医療用マニピュレータ制御装置。The end effector includes a gripper that can be opened and closed, and opening / closing information of the gripper is input.
The medical manipulator control device according to claim 3, wherein the correction unit corrects the command signal based on the input opening / closing information.
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