WO2015012179A1 - マニピュレータシステム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a manipulator system.
- endoscopes and manipulators composed of an elongated insertion portion to be inserted into a subject and an operation portion connected to the proximal end side of the insertion portion have a bending portion at the distal end portion of the insertion portion.
- the direction of the tip can be changed by the bending operation of the bending portion.
- a mechanism for bending the bending portion a system is adopted in which the proximal end portion of the wire connected to the bending portion is pulled by manually turning a knob provided on the operation portion.
- motor driving the bending angle of the bending portion can be changed by a bending amount corresponding to the operation amount by rotating the motor by an amount proportional to the operation amount input to the operation unit.
- the amount of tension applied to the proximal end portion of the wire due to friction between the wire and surrounding members, loosening of the wire, or the like is not easily transmitted to the distal end of the wire. That is, the wire pulling amount and the bending amount of the bending portion are in a non-linear relationship. Furthermore, this nonlinearity changes depending on the curved shape of the insertion portion. Therefore, if the rotation amount of the motor is simply proportional to the operation amount, it is not possible to obtain a satisfactory and identical responsiveness of the bending operation of the bending portion with respect to the operation of the operator.
- Patent Documents 1 and 2 attention is paid to the movement amount or tension of the wire as an index of the bending shape of the bending portion or the main body portion, which is a factor that decreases the responsiveness of the bending operation of the bending portion, and Based on this, the responsiveness is improved by controlling the motor so as to compensate for the decrease and variation in the responsiveness of the curved portion.
- JP 2002-264048 A Japanese Patent No. 5048158
- the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a manipulator system capable of always obtaining good and identical responsiveness by compensating with high accuracy a decrease and variation in responsiveness of the operation of the bending portion.
- the purpose is to provide.
- the present invention provides the following means.
- the present invention provides an insertion portion having an elongated main body portion and a bending portion provided on a distal end side of the main body portion, a bending portion driving portion for bending the bending portion, the bending portion and the bending portion via the main body portion.
- a wire rod connected to the bending portion driving portion, transmitting a driving force generated by the bending portion driving portion to the bending portion, and inserted through a cylindrical sheath having at least one end fixed to the main body portion;
- a manipulator comprising: an operation input unit to which an operation instruction for the bending unit is input by an operator; and a bending control signal for driving the bending unit driving unit according to the operation instruction input to the operation input unit.
- a compensation value for the bending control signal is set based on a control unit to be generated, a sheath tension detection unit that detects the tension of the sheath, and a tension of the sheath detected by the sheath tension detection unit.
- a compensation value setting unit that corrects the bending control signal using the compensation value set by the compensation value setting unit, and drives the bending unit to correct the bending control signal.
- a manipulator system for transmitting to a department.
- the control unit when an operator inputs an operation instruction to the operation input unit, transmits a bending control signal generated from the operation instruction to the bending unit driving unit, receives the bending unit control signal, and drives the bending unit.
- the driving force generated by the portion is transmitted to the bending portion via the wire, so that the bending portion performs a bending operation corresponding to the operation instruction.
- the bending portion of the insertion portion arranged inside the body can be remotely operated using the operation input unit arranged outside the body.
- control unit corrects the bending control signal using the compensation value set by the compensation value setting unit, and then transmits the correction signal to the bending unit driving unit. Responsiveness of the bending operation of the bending portion to the operation signal strongly depends on the tension of the sheath that changes in accordance with the bending shape of the insertion portion.
- the compensation value is set based on the sheath tension detected by the sheath tension detector.
- the bending It is possible to always obtain good and identical responsiveness by compensating with high accuracy the deterioration and variation in responsiveness of the operation of the part.
- the sheath tension detector may include a tension sensor that measures a tension generated in the sheath, and the tension sensor may be provided at a proximal end portion of the wire. By doing in this way, a tension sensor can be arranged in the position which does not affect the design of other composition.
- the sheath tension detection unit includes a sheath tension adjustment mechanism that adjusts a tension applied to the sheath so that the tension of the sheath is constant, and the sheath tension detection unit is based on the sheath tension adjustment mechanism.
- the tension adjustment amount may be measured, and the compensation value setting unit may set the compensation value based on the tension adjustment amount measured by the sheath tension adjustment mechanism.
- the amount of sheath tension adjustment by the sheath tension adjusting mechanism strongly depends on the curved shape of the main body.
- the insertion portion may be provided with a passage that defines the path of the wire in the insertion portion via the sheath.
- the manipulator may include a plurality of the wire rods inserted through the sheath, and the plurality of wire rods may be bundled together via the sheath in the main body portion.
- the compensation value setting unit may set the compensation value at a timing designated by the operator. By doing so, the operability is maintained by specifying the timing of setting the compensation value so that the operator can set the compensation value when the responsiveness of the curved portion is required. However, the processing required for setting the compensation value can be reduced.
- the compensation value setting unit may reset the compensation value when a predetermined event is detected. In this way, the compensation value can be automatically updated to the optimum value every time a predetermined event occurs.
- FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line II of the insertion portion in FIG. 9A. It is a partial longitudinal cross-sectional view which shows the modification of the insertion part of FIG. 9A.
- FIG. 10B is a cross-sectional view taken along the line II-II of the insertion portion in FIG. 10A.
- FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line III-III of the insertion portion in FIG. 11A.
- a manipulator system 100 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, an outline of the manipulator system 100 according to the present embodiment will be described.
- a manipulator system 100 according to the present embodiment includes a slave manipulator (manipulator) 1, a master input unit (operation input unit) 2 operated by an operator (operator) Op, and the master input.
- a control unit 3 that controls the slave manipulator 1 based on an operation performed on the unit 2 is provided as a main configuration.
- the slave manipulator 1 includes a slave arm 4 disposed in the vicinity of an operating table 80 on which a patient P lies, an insertion portion 5 held at the distal end of the slave arm 4, and a treatment tool 6 inserted into the insertion portion 5. And. As shown in FIG. 2, an observation member 7 is provided at the distal end of the insertion portion 5, and the treatment tool 6 protruding from the visual field in front of the distal end of the insertion portion 5 and the distal end of the insertion portion 5 by the observation member 7. And is to be taken. The video acquired by the observation member 7 is displayed on the display unit 8 provided in the master input unit 2.
- the visual field of the observation member 7 changes the bending angle of the bending portion 15 provided at the distal end portion of the insertion portion 5 to the vertical direction (UD direction) or the left-right direction (LR direction) orthogonal to the longitudinal direction of the insertion portion 5. This makes it movable.
- the operator Op operates the master arm 9 provided in the master input unit 2 while observing the image of the body and the treatment tool 6 displayed on the display unit 8, thereby inserting the patient P into the body of the patient P.
- the part 5 and the treatment tool 6 introduced into the body through the insertion part 5 can be remotely operated.
- the slave arm 4 includes an insertion portion attachment portion 10 to which the insertion portion 5 is attached, a treatment instrument attachment portion 11 to which the treatment instrument 6 is attached, and an insertion portion attached to the insertion portion attachment portion 10. 5, a bending portion driving portion 12 that drives the bending portion 15, and a treatment instrument driving portion 13 that drives the treatment instrument 6 attached to the treatment instrument attachment portion 11.
- the bending portion driving section 12 and the treatment instrument driving section 13 drive the bending section 15 or the treatment instrument 6 according to the control signal received from the control section 3, respectively.
- FIG. 4 shows the appearance of the insertion portion 5.
- the insertion portion 5 includes a flexible elongated main body portion 14 and a bending portion 15 provided on the distal end side of the main body portion 14.
- An attachment unit 16 attached to the insertion portion attachment portion 10 of the slave arm 4 is connected to the base end side of the main body portion 14.
- the bending portion 15 has a known structure in which a plurality of node rings, bending pieces, and the like are connected.
- the bending portion 15 is such that the proximal end portions of the UD bending wire (wire) 15a and the LR bending wire (wire) 15b connected to the most distal node ring or the like are pushed and pulled in the longitudinal direction within the mounting unit 16. By doing so, it is configured to bend in the UD direction and the LR direction.
- the base end portions of the wires 15a and 15b are drawn from the base end of the main body portion 14 and wound around a pulley 16a provided in the mounting unit 16, as shown in FIG.
- the attachment unit 16 is configured such that, when attached to the insertion portion attachment portion 10, each pulley 16 a and each motor 12 a included in the bending portion driving portion 12 are coaxially connected.
- the motor 12a rotates according to the rotation control signal from the control unit 3
- the pulley 16a rotates in the normal direction or reverses, whereby the wires 15a and 15b are pushed and pulled to change the bending angle of the bending unit 15. Yes.
- FIG. 5 only one motor 12a is shown for the sake of simplicity. Further, only the wire 15b is illustrated as being wound around the pulley 16a.
- a cylindrical wire sheath (sheath) 15c through which the wires 15a and 15b are inserted is provided outside the wires 15a and 15b.
- the wire sheath 15c is a coil sheath formed by winding a wire in a spiral shape.
- the distal end of the wire sheath 15 c is fixed to the distal end of the main body portion 14 or the vicinity thereof by the fixing portion 22, and the proximal end is fixed to the proximal end of the main body portion 14 or the vicinity thereof by the fixing portion 22.
- the insertion part 5 has a channel (not shown) formed through in the longitudinal direction.
- the channel communicates with a treatment instrument port 17 provided on the proximal end side of the insertion portion 5, and the treatment instrument 6 is inserted into the channel from the treatment instrument port 17.
- the treatment tool 6 is a high-frequency knife, a snare loop, a grasping forceps, or the like.
- An attachment unit (not shown) attached to the treatment instrument attachment portion 11 of the slave arm 4 is connected to the proximal end of the treatment instrument 6.
- the treatment instrument 6 is provided so as to be able to advance and retreat or rotate in the channel by being driven by the treatment instrument drive unit 13 via the attachment unit and the treatment instrument attachment unit 11.
- FIG. 2 shows the insertion portion 5 having a single channel, two or more channels may be provided in the insertion portion 5.
- the master input unit 2 includes the display unit 8 that displays an image acquired by the observation member 7 and a plurality of master arms 9 that are operated by the operator Op.
- the master arm 9 is capable of inputting operation instructions for at least the bending portion 15 and the treatment instrument 6 by the operator Op.
- the master input unit 2 generates an operation signal corresponding to the operation instruction input to the master arm 9 by the operator Op, and transmits the generated operation signal to the control unit 3.
- control unit 3 When the control unit 3 receives an operation signal for the bending unit 15 from the master input unit 2, the control unit 3 generates a bending control signal for driving the bending unit driving unit 12 from the operation signal, and outputs the bending control signal to the bending unit. It transmits to the drive part 12. In addition, when receiving an operation signal for the treatment instrument 6 from the master input unit 2, the control unit 3 generates an advance / retreat control signal and a rotation control signal for driving the treatment instrument drive unit 13 from the operation signal, The advance / retreat control signal and the rotation control signal are transmitted to the treatment instrument drive unit 13. An encoder (not shown) for detecting the amount of rotation is attached to the motor 12a of each drive unit 12, 13.
- the control unit 3 receives the rotation amount of each motor 12a from the encoder, thereby recognizing the bending amount of the bending unit 15 and the advancement / retraction amount or rotation amount of the treatment instrument 6, and based on these recognized amounts,
- the motor 12a of the drive units 12 and 13 is feedback (FB) controlled.
- the manipulator system 100 includes a sheath tension detection unit 18 that detects the tension of the wire sheath 15c (hereinafter also referred to as sheath tension) and a storage unit 19.
- the sheath tension detector 18 includes a tension sensor 18a attached to the wire sheath 15c, measures the sheath tension with the tension sensor 18a, and transmits the measured value to the controller 3.
- the tension sensor 18 a is connected to the fixing portion 22 via a spring 18 b, and a portion of the wire sheath 15 c between the tension sensor 18 a and the fixing portion 22.
- the change in the sheath tension accompanying the deformation of is detected as a change in the force received from the spring 18b.
- the attachment position of the tension sensor 18a is not particularly limited, but is preferably the proximal end portion of the wire sheath 15c.
- the proximal end portion of the wire sheath 15c can easily secure a mounting space for the tension sensor 18a without affecting other configurations.
- the storage unit 19 holds a table in which the sheath tension is associated with the compensation value for the bending control signal.
- the compensation value is a feed forward gain multiplied by the bending control signal. As will be described in detail later, based on the correlation between the sheath tension and the responsiveness of the bending portion 15, the weaker the sheath tension, It is set to be large.
- the storage unit 19 receives the measurement value of the sheath tension from the control unit 3, the storage unit 19 selects a compensation value corresponding to the measurement value, and transmits the selected compensation value to the control unit 3.
- the control unit (compensation value setting unit) 3 receives the operation signal for the bending unit 15 from the master input unit 2, and then transmits the bending control signal to the bending unit driving unit 12 in the following procedure. Accordingly, a compensation value for the bending control signal is acquired from the storage unit 19. That is, first, the control unit 3 transmits a data transmission command to the sheath tension detection unit 18. In response to this data transmission command, the sheath tension detector 18 measures the sheath tension and transmits the measured value to the controller 3. Next, the control unit 3 transmits the measurement value received from the sheath tension detection unit 18 to the storage unit 19 and receives the compensation value corresponding to the measurement value from the storage unit 19.
- control unit 3 amplifies the bending control signal by multiplying the bending control signal generated from the operation signal by the compensation value, and transmits the amplified bending control signal to the bending unit driving unit 12, thereby bending the bending control signal.
- the part drive unit 12 is feedforward controlled.
- the surgeon Op first moves the insertion portion 5 from the natural opening (in the illustrated example, the mouth) of the patient P to the inside of the body. Insert into. The surgeon Op moves the distal end of the insertion unit 5 to the target site while observing the image acquired by the observation member 7 on the display unit 8.
- the surgeon Op causes the treatment tool 6 inserted in the channel of the insertion portion 5 to protrude from the distal end opening of the insertion portion 5. Then, the operator Op changes the bending angle of the bending portion 15 and the amount of protrusion and the rotation direction of the treatment instrument 6 while observing the image displayed on the display portion 8, so The positional relationship with the part is adjusted, and the target part is treated by the treatment unit 19.
- the control unit 3 When the operator Op inputs an operation for changing the bending angle of the bending portion 15 to the master arm 9, an operation signal corresponding to this operation is transmitted from the master arm 9 to the control portion 3.
- the control unit 3 generates a bending control signal for bending the bending unit 15 in the LR direction or the UD direction according to the received operation signal.
- the control unit 3 causes the sheath tension detection unit 18 to measure the sheath tension at that time, and obtains a compensation value corresponding to the obtained sheath tension from the storage unit 19.
- the control unit 3 operates the bending unit 15 by transmitting a bending control signal amplified by the compensation value to the bending unit driving unit 12.
- FIG. 7 and 8 show the response characteristics of the bending portion 15 with respect to the operation signal.
- FIG. 7 shows the response characteristics when the sheath tension is relatively weak
- FIG. 8 shows the response characteristics when the sheath tension is relatively strong.
- the broken line indicates the bending angle specified by the operation signal input to the control unit 3
- the solid line indicates the motor 12 a calculated from the output of the encoder provided in the bending unit driving unit 12. The drive amount is indicated, and the alternate long and short dash line indicates the drive amount of the distal end of the treatment instrument 6 due to the bending of the bending portion 15.
- the drive amount of the distal end of the treatment instrument 6 is smaller than the operation signal and the drive amount of the motor 12a.
- the drive amount of the distal end of the treatment instrument 6 is smaller than the operation signal and the drive amount of the motor 12a.
- only about 30% of the pulling force applied to the proximal end portion of the wire 15 a or 15 b is consumed as the bending operation of the bending portion 15, and the remaining about 70% is consumed by the bending portion 15. It is consumed by factors other than bending movement.
- the compensation value recorded in the storage unit 19 is set so as to compensate for variations in the response of the bending portion 15 depending on the strength of the sheath tension.
- the reason why the responsiveness of the bending portion 15 increases as the sheath tension increases is considered to be because the friction generated between the wire sheath 15c and the wires 15a and 15b decreases when the sheath tension is higher. .
- the bending portion drive unit 12 is feedforward controlled. Accordingly, there is an advantage that a decrease in responsiveness and variation of the bending operation of the bending portion 15 can be compensated with high accuracy, and the response of the same bending portion 15 can be always obtained.
- the tension sensor 18a is attached to each wire sheath 15c, and the control unit 3 sets the compensation value separately for each motor 12a.
- the compensation value is a feed forward gain, but other compensation values may be used instead.
- the compensation value may be a feedback gain that the control unit 3 uses for feedback control of the bending unit driving unit 12.
- the control unit 3 feedback-controls the motor 12a based on the rotation amount of the motor 12a detected by the encoder. Therefore, the control unit 3 may set the feedback gain based on the sheath tension. Even in this case, it is possible to accurately compensate for the decrease in responsiveness and variation of the bending portion 15 depending on the difference between the bending shape of the main body portion 14 and the sheath tension.
- the compensation value may be a friction compensation coefficient (offset signal) that the control unit 3 adds to the bending control signal in order to give an offset to the bending control signal.
- the friction compensation coefficient is set so that the sign is reversed at the folded portion where the direction of the bending operation of the bending portion 15 is switched to the opposite direction. Thereby, it is possible to reduce backlash that occurs particularly when the direction of the bending operation is switched in the reverse direction (for example, when the direction is switched from the L direction to the R direction).
- FIGS. 9A to 11B a manipulator system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9A to 11B.
- the configuration of the insertion portion 5 is different from that of the first embodiment. Therefore, in this embodiment, the structure of the insertion part 5 is mainly demonstrated, about the structure which is common in 1st Embodiment, the same code
- a passage 21 that defines the positions of the wires 15a and 15b is formed in the main body portion 14 and the bending portion 15.
- the passage 21 is formed of an annular member fixed to the inner peripheral surface of the node ring.
- the passage 21 is a space that is formed penetrating in the longitudinal direction of the main body 14 and is isolated from a space in which members other than the wires 15 a and 15 b are installed.
- the optimum compensation value may be different. is there. This is because the friction and looseness generated in the wires 15a and 15b may be different due to variations in the paths of the wires 15a and 15b. Therefore, the paths of the wires 15a and 15b inside the main body portion 14 and the bending portion 15 are defined by the passage 21, and further, the bending portions 15 and 15b are prevented from irregularly contacting other members. It is possible to more accurately compensate for a decrease in responsiveness and variation of the bending operation. Since other effects are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
- the body portion 14 is provided with the passages 21 for the wires 15a and 15b.
- an outer sheath that houses the wire sheath 15c. 15d may be further provided. Even in this case, it is possible to prevent the wire sheath 15c from irregularly contacting various peripheral members, and to compensate for a decrease in responsiveness and variation of the bending operation of the bending portion 15 with higher accuracy.
- a plurality of wires 15a and 15b may be bundled together in the main body portion 14 via a wire sheath 15c as shown in FIGS. 11A and 11B.
- produces in each wire sheath 15c is reduced. Therefore, even if the same compensation value is applied to each motor 12a, the variation in the responsiveness of the bending portion 15 can be compensated with sufficient accuracy, and the control of the plurality of motors 12a can be facilitated.
- the manipulator system according to the present embodiment differs from the first and second embodiments in the control content of the control unit 3 relating to the setting of the compensation value. Therefore, in this embodiment, the control content of the control part 3 is mainly demonstrated, about the structure which is common in 1st Embodiment, the same code
- FIG. 12 shows an operation related to setting of a compensation value of the manipulator system according to the present embodiment.
- the control unit 3 causes the sheath tension detection unit 18 to measure the sheath tension (step S3) and sets a compensation value (step S4). ).
- the surgeon Op can optimize the compensation value at any timing that requires good responsiveness of the bending operation of the bending portion 15.
- the optimization command is input to the master input unit 2 when, for example, a button provided on the master input unit 2 is pressed by the operator.
- the control unit 3 causes the sheath tension detection unit 18 to measure the sheath tension (Step S3) and sets a compensation value (Step S4).
- the predetermined event is an event that may cause a change in the sheath tension, such as a change in the position of the patient P on the operating table 80, a body movement of an organ, or the like.
- the optimization of the compensation value can be automatically executed when a predetermined event that can change the sheath tension occurs.
- the change in the posture of the patient P can be detected based on the weight distribution of the operating table 80, for example.
- the body movement of the organ can be detected based on, for example, a rapid change in an image in the image captured by the observation member 7 using image recognition.
- the event may be an external input such as pressing of a button (not shown) by the operator Op.
- the sheath tension is measured in a scene where a good response of the bending operation of the bending section 15 is particularly required or a change in the response of the bending section 15 may occur.
- the sheath tension is measured at an arbitrary or predetermined timing. Instead, the sheath tension is constantly measured, and the compensation value is reset based on the amount of change in the sheath tension. It may be performed intermittently.
- a threshold for the amount of change in sheath tension is set (step S12), and the sheath tension is constantly measured (step S13). Then, when the change amount of the sheath tension exceeds the threshold value (YES in Step S14), the communication between the master input unit 2 and the slave arm 4 is disconnected (Step S16), and based on the latest measured value of the sheath tension.
- a compensation value is set (step S17). That is, it is detected as an event that the amount of change in sheath tension has exceeded a threshold value.
- step S14 Even if the change amount of the sheath tension exceeds the threshold value in step S14, if the wires 15a and 15b are being driven by the motor 12a (YES in step S15), the wires 15a and 15b Wait for resetting of compensation value until driving is completed. Since the sheath tension fluctuates regardless of the shape of the insertion portion 5 during the driving of the wires 15a and 15b, even if a change in the sheath tension exceeding the threshold is detected during the driving of the wires 15a and 15b, this is taken into consideration. do not do. In addition, after setting the compensation value, communication between the master input unit 2 and the slave arm 4 is reconnected in accordance with a command from the operator Op (step S18) (step S19).
- the compensation value is optimized following the change with time of the sheath tension. As a result, it is possible to reduce the processing required for setting the compensation value while maintaining good responsiveness of the bending operation of the bending portion 15. Further, when the compensation value is reset, the compensation value can be reliably reset by disconnecting communication between the master input unit 2 and the slave arm 4.
- FIGS. 14 to 16 a manipulator system according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 14 to 16.
- the manipulator system according to this embodiment is different from the first to third embodiments in that the sheath tension detector 18 includes a sheath tension adjustment mechanism 20 that adjusts the tension generated in the wire sheath 15c. Therefore, in the present embodiment, the sheath tension adjusting mechanism 20 will be mainly described, and the same reference numerals are given to the configurations common to the first to third embodiments, and the description will be omitted.
- the sheath tension adjusting mechanism 20 includes two fixed pulleys 20a and one movable pulley 20b.
- the fixed pulley 20a is disposed in contact with the outer peripheral surface of the wire sheath 15c at a position spaced in the longitudinal direction of the wire sheath 15c, and fixes the radial positions of the wires 15a and 15b.
- the movable pulley 20b is disposed between the two fixed pulleys 20a, and a wire sheath 15c is hung on the outer peripheral surface thereof.
- the movable pulley 20b is urged in the radial direction of the wire sheath 15c (upward in FIG. 15) by the urging member 20c so as to pull the wire sheath 15c in the radial direction.
- the sheath tension is lowered, as shown in the lower part of FIG. 15, the amount of pulling of the wire sheath 15c by the movable pulley 20b is increased, so that the lowering of the sheath tension is offset.
- the sheath tension adjusting mechanism 20 maintains the sheath tension constant by adjusting the tension applied to the wire sheath 15c.
- the increase / decrease in the sheath tension due to the curved shape of the main body portion 14 corresponds to the amount of adjustment of the sheath tension by the sheath tension adjusting mechanism 20, that is, the amount of movement of the movable pulley 20b in the radial direction of the wire sheath 15c.
- the control unit 3 replaces the measured value of the sheath tension measured by the tension sensor 18a with the sheath tension adjustment amount of the sheath tension adjustment mechanism 20 (specifically, the radial direction of the wire sheath 15c of the movable pulley 20b).
- the compensation value can be set using Specifically, the storage unit 19 holds a table in which the position of the movable pulley 20b is associated with the compensation value.
- the sheath tension adjustment mechanism 20 transmits the position of the movable pulley 20 b to the control unit 3, and the control unit 3 acquires a compensation value corresponding to the position received from the sheath tension adjustment mechanism 20 from the storage unit 19.
- the sheath tension is maintained constant by the sheath tension adjusting mechanism 20
- the decrease in the response of the bending operation of the bending portion 15 due to the decrease in the sheath tension is effectively improved.
- the compensation value using the adjustment amount of the sheath tension that strongly depends on the curved shape, there is an advantage that the responsiveness can be efficiently maintained in a good state. Since other effects are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
- a wire movement amount detection unit (not shown) that detects the movement amounts of the wires 15a and 15b is further provided, and the control unit 3 controls the sheath tension adjustment amount by the sheath tension adjustment mechanism 20 and the wire.
- the compensation value may be set based on the movement amount of the wires 15a and 15b detected by the movement amount detection unit.
- the wire movement amount detection unit for example, sensors indicated by reference numerals 28 and 30 in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-264048 can be employed.
- the control unit 3 sets a compensation value based on the amount of adjustment of the sheath tension by the sheath tension adjustment mechanism 20 (steps S ⁇ b> 21 and S ⁇ b> 22), and then the main body unit 14 and the bending unit 15.
- the compensation value is further finely adjusted (step S24) according to the amount of movement of the wires 15a and 15b accompanying the change in the curved shape (step S23).
- a wire tension detection unit (not shown) that detects the tension of the wires 15a and 15b is provided, and the control unit 3 adjusts the sheath tension adjustment amount by the sheath tension adjustment mechanism 20 and the wire.
- the compensation value may be set based on the tension of the wires 15a and 15b detected by the tension detector.
- the wire tension detector for example, a tension sensor indicated by reference numerals 68 and 70 in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-264048 can be employed.
- the control unit 3 sets the compensation value based on the amount of adjustment of the sheath tension by the sheath tension adjustment mechanism 20 (steps S31 and S32), and then the main body unit 14 and the curve
- the compensation value is further finely adjusted (step S34) according to the change in tension of the wires 15a and 15b accompanying the change in the curved shape of the portion 15 (step S33). Even in this case, the response characteristic of the bending operation of the bending portion 15 can be further improved.
- the manipulator 1 and the operation input unit 2 are separate, and the manipulator 1 is remotely operated by the operation input unit 2 arranged at a position away from the manipulator 1.
- the form of the manipulator 1 and the operation input unit 2 is not limited to this.
- the operation input unit 2 may be integrally disposed on the rear end side of the manipulator 1. .
- the manipulator 1 having the flexible main body 14 has been described.
- the main body 14 may be rigid.
- the sheath tension strongly depends on the curved shape of the bending portion 15, and a strong correlation is established between the response of the bending portion 15 and the sheath tension. Therefore, this embodiment can be applied suitably.
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Abstract
本体部および湾曲部(15)を有する挿入部(5)と、湾曲部(15)を湾曲動作させる湾曲部駆動部(12)と、本体部を介して湾曲部(15)と湾曲部駆動部(12)とを接続し、湾曲部駆動部(12)が発生する駆動力を湾曲部(15)に伝達するとともに、少なくとも一端が本体部に対して固定されたシースに挿通された線材とを備えるマニピュレータ(1)と、湾曲部(15)に対する操作指示が入力される操作入力部(2)と、シースの張力を検出するシース張力検出部(18)と、該シース張力検出部(18)によって検出されたシースの張力に基づき湾曲制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部(3)と、湾曲部駆動部(12)を駆動させるための湾曲制御信号を生成し、補償値を用いて補正した湾曲制御信号を湾曲部駆動部(12)に送信する制御部(3)とを備えるマニピュレータシステム(100)を提供する。
Description
本発明は、マニピュレータシステムに関するものである。
一般に、被検体に挿入される細長い挿入部と、挿入部の基端側に接続される操作部とから構成される内視鏡やマニピュレータは、挿入部の先端部分に湾曲部を有しており、湾曲部の湾曲動作によって、先端の向きを変更可能になっている。湾曲部を湾曲させるための機構としては、湾曲部に接続されたワイヤの基端部分を、操作部に設けられたノブを手動で回すことによって引っ張る方式が採用されている。近年、この湾曲機構の電動化技術の研究が進んでおり、現行の手動によるノブ操作をモータ駆動に置き換える技術が盛んに研究されている(例えば、特許文献1および2参照。)。一般に、モータ駆動においては、操作部に入力された操作量に比例する量だけモータを回転させることによって、操作量に対応する湾曲量だけ湾曲部の湾曲角度を変更することができる。
しかし、実際には、ワイヤと周囲の部材との間の摩擦やワイヤの弛み等によって、ワイヤの基端部分に加えられた引っ張り量は、完全にはワイヤの先端まで伝達され難い。すなわち、ワイヤの引っ張り量と湾曲部の湾曲量とは、非線形の関係にある。さらに、この非線形性は、挿入部の湾曲形状に依存して変化する。したがって、モータの回転量を単に操作量に比例させていたのでは、操作者の操作に対して、湾曲部の湾曲動作の良好かつ同一の応答性を得ることができない。
そこで、特許文献1および2では、湾曲部の湾曲動作の応答性を低下させる要因である湾曲部または本体部の湾曲形状の指標としてワイヤの移動量または張力に着目し、該移動量または張力に基づき、湾曲部の応答性の低下およびばらつきを補償するようにモータを制御することによって、上記応答性の改善を図っている。
しかしながら、湾曲部の湾曲動作の応答性を低下させる要因は、上記の湾曲部または本体部の湾曲形状以外にも存在する。したがって、特許文献1,2のように、ワイヤの移動量または張力のみを考慮していたのでは、湾曲部の湾曲動作の応答性の向上に限界があるという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、湾曲部の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができるマニピュレータシステムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、細長い本体部および該本体部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、前記湾曲部を湾曲動作させる湾曲部駆動部と、前記本体部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達するとともに、少なくとも一端が前記本体部に対して固定された筒状のシースに挿通された線材とを備えるマニピュレータと、前記湾曲部に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、該操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記湾曲部駆動部を駆動させるための湾曲制御信号を生成する制御部と、前記シースの張力を検出するシース張力検出部と、該シース張力検出部によって検出された前記シースの張力に基づいて、前記湾曲制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、前記制御部が、前記湾曲制御信号を、前記補償値設定部によって設定された前記補償値を用いて補正し、補正された前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信するマニピュレータシステムを提供する。
本発明は、細長い本体部および該本体部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、前記湾曲部を湾曲動作させる湾曲部駆動部と、前記本体部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達するとともに、少なくとも一端が前記本体部に対して固定された筒状のシースに挿通された線材とを備えるマニピュレータと、前記湾曲部に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、該操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記湾曲部駆動部を駆動させるための湾曲制御信号を生成する制御部と、前記シースの張力を検出するシース張力検出部と、該シース張力検出部によって検出された前記シースの張力に基づいて、前記湾曲制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、前記制御部が、前記湾曲制御信号を、前記補償値設定部によって設定された前記補償値を用いて補正し、補正された前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信するマニピュレータシステムを提供する。
本発明によれば、操作者が操作入力部に操作指示を入力すると、制御部がこの操作指示から生成した湾曲制御信号を湾曲部駆動部に送信し、湾曲部制御信号を受けて湾曲部駆動部が発生した駆動力が線材を介して湾曲部に伝達されることにより、湾曲部が操作指示に対応する湾曲動作を行う。これにより、例えば、体内に配置された挿入部の湾曲部を、体外に配置された操作入力部を用いて遠隔操作することができる。
この場合に、制御部は、湾曲制御信号を補償値設定部によって設定された補償値を用いて補正した後に湾曲部駆動部に送信する。操作信号に対する湾曲部の湾曲動作の応答性は、挿入部の湾曲形状に応じて変化するシースの張力に強く依存する。補償値は、シース張力検出部によって検出されたシースの張力に基づいて設定されている。このように、湾曲部(挿入部が硬性部の場合)の湾曲形状または本体部の湾曲形状に強く依存するシースの張力を測定し、その測定値に基づいて補償値を設定することによって、湾曲部の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができる。
上記発明においては、前記シース張力検出部が、前記シースに発生する張力を測定する張力センサを備え、該張力センサが、前記線材の基端部分に設けられていてもよい。
このようにすることで、他の構成の設計に影響を与えない位置に張力センサを配置することができる。
このようにすることで、他の構成の設計に影響を与えない位置に張力センサを配置することができる。
上記発明においては、前記シース張力検出部は、前記シースの張力が一定となるように該シースに与える張力を調整するシース張力調整機構を備え、前記シース張力検出部が、前記シース張力調整機構による張力の調整量を測定し、前記補償値設定部が、前記シース張力調整機構によって測定された張力の調整量に基づいて前記補償値を設定してもよい。
このようにすることで、挿入部の湾曲形状が変化したとしてもシースの張力が一定に維持されるので、シースの張力の低下に起因する湾曲部の応答性の低下を防ぎ、さらに良好な湾曲部の応答性を得ることができる。さらに、シース張力調整機構によるシース張力の調整量は本体部の湾曲形状に強く依存する。このようなシース張力の調整量を補償値の設定に用いることによって、湾曲部の応答性の低下およびばらつきを効率的に補償することができる。
このようにすることで、挿入部の湾曲形状が変化したとしてもシースの張力が一定に維持されるので、シースの張力の低下に起因する湾曲部の応答性の低下を防ぎ、さらに良好な湾曲部の応答性を得ることができる。さらに、シース張力調整機構によるシース張力の調整量は本体部の湾曲形状に強く依存する。このようなシース張力の調整量を補償値の設定に用いることによって、湾曲部の応答性の低下およびばらつきを効率的に補償することができる。
上記発明においては、前記挿入部に、該挿入部内における前記線材の経路を前記シースを介して規定する通路が設けられていてもよい。
また、上記発明においては、前記シースを収容する外側シースを備えていてもよい。
このようにすることで、湾曲部の応答性のばらつきの主な要因であるシースの経路変化と外乱(例えば、シースと他の内容物との干渉)に起因する、シース張力の測定値の精度の低下およびばらつきを低減し、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
また、上記発明においては、前記シースを収容する外側シースを備えていてもよい。
このようにすることで、湾曲部の応答性のばらつきの主な要因であるシースの経路変化と外乱(例えば、シースと他の内容物との干渉)に起因する、シース張力の測定値の精度の低下およびばらつきを低減し、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
上記発明においては、前記マニピュレータが、各々前記シースに挿通された複数の前記線材を備え、該複数の線材が、前記本体部内において前記シースを介して1つに束ねられていてもよい。
このようにすることで、各線材に発生する摩擦や弛みの線材間のばらつきが低減されるので、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
このようにすることで、各線材に発生する摩擦や弛みの線材間のばらつきが低減されるので、湾曲部の応答性の低下およびばらつきをさらに高精度に補償することができる。
上記発明においては、前記補償値設定部が、前記操作者によって指定されたタイミングで、前記補償値を設定してもよい。
このようにすることで、操作者が、湾曲部の良好な応答性を必要とするときに補償値が設定されるように、補償値の設定のタイミングを指定することによって、操作性を維持しつつ、補償値の設定に要する処理を減らすことができる。
このようにすることで、操作者が、湾曲部の良好な応答性を必要とするときに補償値が設定されるように、補償値の設定のタイミングを指定することによって、操作性を維持しつつ、補償値の設定に要する処理を減らすことができる。
上記発明においては、前記補償値設定部は、所定のイベントが検出されたときに前記補償値を再設定していてもよい。
このようにすることで、所定のイベントが発生する度に補償値を最適値に自動更新することができる。
このようにすることで、所定のイベントが発生する度に補償値を最適値に自動更新することができる。
本発明によれば、湾曲部の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができるという効果を奏する。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係るマニピュレータシステム100について図1から図8を参照して説明する。
まず、本実施形態に係るマニピュレータシステム100の概要について説明する。本実施形態に係るマニピュレータシステム100は、図1に示すように、スレーブマニピュレータ(マニピュレータ)1と、術者(操作者)Opによって操作されるマスタ入力部(操作入力部)2と、該マスタ入力部2になされた操作に基づいてスレーブマニピュレータ1を制御する制御部3とを主な構成として備えている。
本発明の第1の実施形態に係るマニピュレータシステム100について図1から図8を参照して説明する。
まず、本実施形態に係るマニピュレータシステム100の概要について説明する。本実施形態に係るマニピュレータシステム100は、図1に示すように、スレーブマニピュレータ(マニピュレータ)1と、術者(操作者)Opによって操作されるマスタ入力部(操作入力部)2と、該マスタ入力部2になされた操作に基づいてスレーブマニピュレータ1を制御する制御部3とを主な構成として備えている。
スレーブマニピュレータ1は、患者Pが横たわる手術台80の近傍に配置されるスレーブアーム4と、該スレーブアーム4の先端に保持された挿入部5と、該挿入部5内に挿入される処置具6とを備えている。挿入部5の先端には、図2に示されるように、観察部材7が設けられ、該観察部材7によって、挿入部5の先端前方の視野と、挿入部5の先端から突出した処置具6とが、撮影されるようになっている。観察部材7によって取得された映像は、マスタ入力部2に設けられた表示部8に表示される。観察部材7の視野は、挿入部5の先端部分に設けられた湾曲部15の湾曲角度を、挿入部5の長手方向に直交する上下方向(UD方向)または左右方向(LR方向)に変更することによって、移動可能になっている。
術者Opは、表示部8に表示される体内および処置具6の映像を観察しながら、マスタ入力部2に設けられたマスタアーム9を操作することによって、患者Pの体内に挿入された挿入部5と、該挿入部5内を介して体内に導入された処置具6とを、遠隔操作することができる。
次に、マニピュレータシステム100の各部について詳細に説明する。
スレーブアーム4は、図3に示されるように、挿入部5が取り付けられる挿入部取付部10と、処置具6が取り付けられる処置具取付部11と、挿入部取付部10に取り付けられた挿入部5の湾曲部15を駆動する湾曲部駆動部12と、処置具取付部11に取り付けられた処置具6を駆動する処置具駆動部13とを備えている。湾曲部駆動部12および処置具駆動部13は、制御部3から受信した制御信号に従って湾曲部15または処置具6をそれぞれ駆動する。
スレーブアーム4は、図3に示されるように、挿入部5が取り付けられる挿入部取付部10と、処置具6が取り付けられる処置具取付部11と、挿入部取付部10に取り付けられた挿入部5の湾曲部15を駆動する湾曲部駆動部12と、処置具取付部11に取り付けられた処置具6を駆動する処置具駆動部13とを備えている。湾曲部駆動部12および処置具駆動部13は、制御部3から受信した制御信号に従って湾曲部15または処置具6をそれぞれ駆動する。
図4は、挿入部5の外観を示している。図4に示されるように、挿入部5は、可撓性を有する細長い本体部14と、該本体部14の先端側に設けられた湾曲部15とを備えている。また、本体部14の基端側には、スレーブアーム4の挿入部取付部10に取り付けられる取付ユニット16が接続されている。湾曲部15は、複数の節輪や湾曲コマ等が連結された公知の構造を有している。湾曲部15は、最も先端側の節輪等に接続されたUD湾曲用のワイヤ(線材)15aおよびLR湾曲用のワイヤ(線材)15bの基端部分が取付ユニット16内において長手方向に押し引きされることによって、UD方向およびLR方向に湾曲するように構成されている。
具体的には、各ワイヤ15a,15bの基端部分は、図5に示されるように、本体部14の基端から引き出され、取付ユニット16内に設けられたプーリ16aに巻き付けられている。取付ユニット16は、挿入部取付部10に取り付けられたときに、各プーリ16aと、湾曲部駆動部12が有する各モータ12aとが同軸に連結するように構成されている。制御部3からの回転制御信号に従ってモータ12aが回転することによってプーリ16aが正転または反転し、これによりワイヤ15a,15bが押し引きされて湾曲部15の湾曲角度が変更されるようになっている。なお、図5においては、図面を簡略にするために、モータ12aは1つだけ図示されている。また、プーリ16aへの巻き付けは、ワイヤ15bだけ図示されている。
各ワイヤ15a,15bの外側には、図6に示されるように、該ワイヤ15a,15bが挿通する筒状のワイヤシース(シース)15cが設けられている。ワイヤシース15cは、素線が螺旋状に巻かれてなるコイルシースである。ワイヤシース15cは、先端が本体部14の先端またはその近傍に固定部22によって固定され、基端が本体部14の基端またはその近傍に固定部22によって固定されている。本体部14の湾曲形状が変化したときにワイヤシース15cの経路長が変化することによって、ワイヤシース15cは、本体部14の湾曲形状に応じた張力を発生するようになっている。
また、挿入部5は、長手方向に貫通形成されたチャネル(図示略)を有している。このチャネルは、挿入部5の基端側に設けられた処置具用ポート17と連通しており、該処置具用ポート17からチャネルへ処置具6が挿入される。処置具6は、高周波ナイフやスネアループ、把持鉗子等である。処置具6の基端には、スレーブアーム4の処置具取付部11に取り付けられる取付ユニット(図示略)が接続されている。処置具6は、取付ユニットおよび処置具取付部11を介して処置具駆動部13によって駆動されることによって、チャネル内において進退または回転可能に設けられている。なお、図2には、単一のチャネルを有する挿入部5が示されているが、2以上のチャネルが挿入部5に設けられていてもよい。
マスタ入力部2は、上述したように、観察部材7によって取得された映像を表示する表示部8と、術者Opによって操作される複数のマスタアーム9とを備えている。マスタアーム9は、少なくとも湾曲部15および処置具6に対する操作指示が術者Opによって入力可能になっている。マスタ入力部2は、術者Opによってマスタアーム9に入力された操作指示に応じた操作信号を生成し、生成した操作信号を制御部3に送信する。
制御部3は、マスタ入力部2から湾曲部15に対する操作信号を受信したときに、当該操作信号から湾曲部駆動部12を駆動させるための湾曲制御信号を生成し、該湾曲制御信号を湾曲部駆動部12に送信する。また、制御部3は、マスタ入力部2から処置具6に対する操作信号を受信したときに、当該操作信号から処置具駆動部13を駆動させるための進退制御信号および回転制御信号を生成し、該進退制御信号および回転制御信号を処置具駆動部13に送信する。各駆動部12,13のモータ12aには、その回転量を検出するエンコーダ(図示略)が取り付けられている。制御部3は、各モータ12aの回転量をエンコーダから受信することによって、湾曲部15の湾曲量や、処置具6の進退量または回転量を認識し、認識したこれらの量に基づいて、各駆動部12,13のモータ12aをフィードバック(FB)制御するようになっている。
さらに、本実施形態に係るマニピュレータシステム100は、ワイヤシース15cの張力(以下、シース張力ともいう。)を検出するシース張力検出部18と、記憶部19とを備えている。
シース張力検出部18は、ワイヤシース15cに取り付けられた張力センサ18aを備え、該張力センサ18aによってシース張力を測定し、その測定値を制御部3に送信する。
シース張力検出部18は、ワイヤシース15cに取り付けられた張力センサ18aを備え、該張力センサ18aによってシース張力を測定し、その測定値を制御部3に送信する。
具体的には、張力センサ18aは、図6の下段に示されるように、バネ18bを介して固定部22に連結されており、ワイヤシース15cの、張力センサ18aと固定部22との間の部分の変形に伴うシース張力の変化を、バネ18bから受ける力の変化として検出する。張力センサ18aの取り付け位置は、特に限定されないが、ワイヤシース15cの基端部分であることが好ましい。ワイヤシース15cの基端部分は、他の構成に影響を与えることなく、容易に張力センサ18aの取り付け空間を確保することができる。
記憶部19は、シース張力と、湾曲制御信号に対する補償値とを対応付けたテーブルを保持している。補償値は、湾曲制御信号に乗算されるフィードフォワードゲインであり、後で詳述するように、シース張力と湾曲部15の応答性との間の相関関係に基づいて、シース張力が弱い程、大きくなるように設定されている。記憶部19は、制御部3からシース張力の測定値を受信したときに、当該測定値と対応する補償値を選択し、選択した補償値を制御部3に送信する。
ここで、制御部(補償値設定部)3は、湾曲部15に対する操作信号をマスタ入力部2から受信したときに、湾曲部駆動部12に湾曲制御信号を送信するのに先立ち、次の手順に従って湾曲制御信号に対する補償値を記憶部19から取得する。すなわち、まず、制御部3は、シース張力検出部18にデータ送信命令を送信する。このデータ送信命令を受けて、シース張力検出部18はシース張力を測定し、測定値を制御部3に送信する。次に、制御部3は、シース張力検出部18から受信した測定値を記憶部19に送信し、該測定値に対応する補償値を記憶部19から受信する。この後に、制御部3は、操作信号から生成した湾曲制御信号に補償値を乗算することによって湾曲制御信号を増幅し、増幅された湾曲制御信号を湾曲部駆動部12に送信することによって、湾曲部駆動部12をフィードフォワード制御する。
次に、このように構成されたマニピュレータシステム100の作用について説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステム100を用いて体内を処置するには、図1に示されるように、術者Opは、まず挿入部5を患者Pの自然開口(図示する例では口)から体内に挿入する。術者Opは、観察部材7によって取得される映像を表示部8で観察しながら、挿入部5の先端を対象部位まで移動させる。
本実施形態に係るマニピュレータシステム100を用いて体内を処置するには、図1に示されるように、術者Opは、まず挿入部5を患者Pの自然開口(図示する例では口)から体内に挿入する。術者Opは、観察部材7によって取得される映像を表示部8で観察しながら、挿入部5の先端を対象部位まで移動させる。
次に、術者Opは、挿入部5のチャネル内に挿入されている処置具6を挿入部5の先端開口から突出させる。そして、術者Opは、表示部8に表示される映像を観察しながら、湾曲部15の湾曲角度や、処置具6の突出量および回転方向を変更することによって、処置部19と体内の対象部位との位置関係を調整し、処置部19によって対象部位を処置する。
このときに、術者Opが、湾曲部15の湾曲角度を変更する操作をマスタアーム9に入力すると、この操作に応じた操作信号がマスタアーム9から制御部3に送信される。制御部3は、受信した操作信号に従い、湾曲部15をLR方向またはUD方向に湾曲させるための湾曲制御信号を生成する。この一方で、制御部3は、シース張力検出部18にその時点におけるシース張力を測定させ、得られたシース張力に対応する補償値を記憶部19から取得する。制御部3は、補償値によって増幅した湾曲制御信号を湾曲部駆動部12に送信することによって、湾曲部15を作動させる。
ここで、術者Opがマスタアーム9に入力した操作に対する湾曲部15の湾曲動作の応答性と、シース張力との関係について説明する。
図7および図8は、操作信号に対する湾曲部15の応答特性を示している。図7は、シース張力が比較的弱いときの応答特性であり、図8は、シース張力が比較的強いときの応答特性である。図7および図8において、破線は、制御部3に入力される操作信号が指定する湾曲角度を示し、実線は、湾曲部駆動部12に設けられているエンコーダの出力から算出されるモータ12aの駆動量を示し、一点鎖線は、湾曲部15の湾曲による処置具6先端の駆動量を示している。
図7および図8は、操作信号に対する湾曲部15の応答特性を示している。図7は、シース張力が比較的弱いときの応答特性であり、図8は、シース張力が比較的強いときの応答特性である。図7および図8において、破線は、制御部3に入力される操作信号が指定する湾曲角度を示し、実線は、湾曲部駆動部12に設けられているエンコーダの出力から算出されるモータ12aの駆動量を示し、一点鎖線は、湾曲部15の湾曲による処置具6先端の駆動量を示している。
図7から分かるように、シース張力が比較的弱い場合には、操作信号およびモータ12aの駆動量に対して、処置具6先端の駆動量は小さくなる。図7の例においては、ワイヤ15aまたは15bの基端部分に加えられた引っ張り力のうち、約30%のみが湾曲部15の湾曲動作として消費され、残りの約70%は、湾曲部15の湾曲動作以外の要因によって消費されている。
一方、図8から分かるように、シース張力が比較的強い場合には、操作信号およびモータ12aの駆動量に対する湾曲部15の湾曲動作の応答性が向上する。図8の例においては、ワイヤ15aまたは15bの基端部分に加えられた引っ張り力のうち、約75%は、湾曲部15の湾曲動作として消費され、残りの約25%が、湾曲部15の湾曲動作以外の要因によって消費されている。
このように、操作信号に対する湾曲部15の応答性とシース張力との間には強い相関関係が存在し、シース張力が強い程、湾曲部15の応答性が高くなる。記憶部19に記録されている補償値は、このシース張力の強弱に依存する湾曲部15の応答性のばらつきを補償するように、設定されている。
なお、シース張力が強い程、湾曲部15の応答性が高くなる理由は、シース張力が高い方が、ワイヤシース15cとワイヤ15a,15bとの間に発生する摩擦が小さくなるためであると考えられる。
なお、シース張力が強い程、湾曲部15の応答性が高くなる理由は、シース張力が高い方が、ワイヤシース15cとワイヤ15a,15bとの間に発生する摩擦が小さくなるためであると考えられる。
本実施形態によれば、本体部14の湾曲形状の変化に伴うシース張力の変化が、湾曲部15の応答性の低下およびばらつきの大きな要因となっていることに着目し、シース張力に基づき、湾曲部駆動部12をフィードフォワード制御している。これにより、湾曲部15の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきを精度良く補償し、常に良好かつ同一の湾曲部15の応答性を得ることができるという利点がある。
なお、本体部14が湾曲したときに、湾曲形状の内周側と外周側とでワイヤシース15cの経路長が異なることに起因し、シース張力がワイヤシース15c毎に異なる。
そこで、張力センサ18aが、個々のワイヤシース15cに取り付けられ、制御部3が、個々のモータ12aに対して別々に補償値を設定することが好ましい。このようにすることで、湾曲部15の湾曲動作の応答性のばらつきをさらに精度良く補償することができる。
そこで、張力センサ18aが、個々のワイヤシース15cに取り付けられ、制御部3が、個々のモータ12aに対して別々に補償値を設定することが好ましい。このようにすることで、湾曲部15の湾曲動作の応答性のばらつきをさらに精度良く補償することができる。
また、本実施形態においては、補償値が、フィードフォワードゲインであることとしたが、これに代えて、他の補償値であってもよい。
例えば、補償値は、制御部3が湾曲部駆動部12のフィードバック制御に用いるフィードバックゲインであってもよい。
上述したように、制御部3は、エンコーダによって検出されたモータ12aの回転量に基づいてモータ12aをフィードバック制御している。そこで、制御部3が、フィードバックゲインを、シース張力に基づいて設定してもよい。このようにしても、本体部14の湾曲形状およびシース張力の違いに依存する湾曲部15の応答性の低下およびばらつきを、精度良く補償することができる。
上述したように、制御部3は、エンコーダによって検出されたモータ12aの回転量に基づいてモータ12aをフィードバック制御している。そこで、制御部3が、フィードバックゲインを、シース張力に基づいて設定してもよい。このようにしても、本体部14の湾曲形状およびシース張力の違いに依存する湾曲部15の応答性の低下およびばらつきを、精度良く補償することができる。
あるいは、補償値は、湾曲制御信号にオフセットを与えるために制御部3が湾曲制御信号に加算する摩擦補償係数(オフセット信号)であってもよい。摩擦補償係数は、湾曲部15の湾曲動作の方向が逆方向に切り替わる折り返し部分において、符号が反転するように設定される。これにより、特に、湾曲動作の方向を逆方向へ切り替えたとき(例えば、L方向からR方向へ切り替えたとき)に発生するバックラッシを低減することができる。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係るマニピュレータシステムについて図9Aから図11Bを参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステムは、挿入部5の構成が、第1の実施形態と異なっている。したがって、本実施形態においては、挿入部5の構成について主に説明し、第1の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第2の実施形態に係るマニピュレータシステムについて図9Aから図11Bを参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステムは、挿入部5の構成が、第1の実施形態と異なっている。したがって、本実施形態においては、挿入部5の構成について主に説明し、第1の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態において、図9Aおよび図9Bに示されるように、本体部14および湾曲部15に、ワイヤ15a,15bの位置を規定する通路21が形成されている。この通路21は、湾曲部15においては、節輪の内周面に固定された環状の部材からなる。本体部14においては、通路21は、本体部14の長手方向に貫通形成され、ワイヤ15a,15b以外の部材が設置されている空間とは隔離された空間である。
もし、本体部14および湾曲部15の内部においてワイヤ15a,15bが径方向に移動自在であった場合、本体部14の湾曲形状が同一であったとしても、最適な補償値が異なる可能性がある。これは、ワイヤ15a,15bの経路にばらつきが生じることによって、ワイヤ15a,15bに発生する摩擦や弛みが異なる可能性があるためである。そこで、本体部14および湾曲部15の内部におけるワイヤ15a,15bの経路を通路21によって規定し、さらに、ワイヤ15a,15bが他の部材と不規則に接触することを防ぐことによって、湾曲部15の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきをさらに精度良く補償することができる。その他の効果は、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
なお、本実施形態においては、本体部14にワイヤ15a,15b用の通路21を設けることとしたが、これに代えて、図10Aおよび図10Bに示されるように、ワイヤシース15cを収容する外側シース15dをさらに備えていてもよい。
このようにしても、ワイヤシース15cが周囲の様々な部材と不規則に接触することを防止し、湾曲部15の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきをさらに精度良く補償することができる。
このようにしても、ワイヤシース15cが周囲の様々な部材と不規則に接触することを防止し、湾曲部15の湾曲動作の応答性の低下およびばらつきをさらに精度良く補償することができる。
また、本実施形態においては、複数のワイヤ15a,15bが、図11Aおよび図11Bに示されるように、本体部14内においてワイヤシース15cを介して1つに束ねられていていてもよい。このようにすることで、各ワイヤシース15cに発生する張力の、ワイヤシース15c間のばらつきが低減される。したがって、各モータ12aに対して同一の補償値を適用したとしても、湾曲部15の応答性のばらつきを十分に精度良く補償することができ、複数のモータ12aの制御を容易にすることができる。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態に係るマニピュレータシステムについて図12および図13を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステムは、制御部3の、補償値の設定に係る制御内容が、第1および第2の実施形態と異なっている。したがって、本実施形態においては、制御部3の制御内容について主に説明し、第1の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第3の実施形態に係るマニピュレータシステムについて図12および図13を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステムは、制御部3の、補償値の設定に係る制御内容が、第1および第2の実施形態と異なっている。したがって、本実施形態においては、制御部3の制御内容について主に説明し、第1の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態においては、シース張力の測定と補償値の設定とを、術者Opによって指定された任意および所定のタイミングで行う点において、第1の実施形態と異なっている。図12は、本実施形態に係るマニピュレータシステムの、補償値の設定に係る動作を示している。
制御部3は、マスタ入力部2に最適化指令が入力されたときに(ステップS1のYES)、シース張力検出部18にシース張力を測定させ(ステップS3)、補償値を設定する(ステップS4)。これにより、術者Opは、湾曲部15の湾曲動作の良好な応答性を必要とする任意のタイミングで、補償値を最適化することができる。前記最適化指令は、例えば、マスタ入力部2に設けられたボタンが操作者に押下されることによって、マスタ入力部2に入力される。
また、制御部3は、所定のイベントが検出されたときに(ステップS2のYES)、シース張力検出部18にシース張力を測定させ(ステップS3)、補償値を設定する(ステップS4)。所定のイベントとは、シース張力の変化を生じ得るイベントであり、例えば、手術台80上での患者Pの体位の変更や、臓器の体動等である。これにより、シース張力が変化し得る所定のイベントが発生したときに補償値の最適化を自動的に実行することができる。患者Pの体位の変更は、例えば、手術台80の重量分布に基づいて検出することができる。臓器の体動は、例えば、画像認識を利用し、観察部材7によって撮影される映像内の像の急激な変化に基づいて検出することができる。また、イベントは、術者Opによる図示しないボタンの押下等の、外部からの入力であってもよい。
このように、本実施形態によれば、湾曲部15の湾曲動作の良好な応答性が特に必要とされる場面や、湾曲部15の応答性の変化が発生し得る場面において、シース張力の測定および補償値の最適化を実行することによって、補償値の設定に要する処理を必要十分な量に減らすことができるという利点がある。その他の効果は、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
なお、本実施形態においては、シース張力を任意または所定のタイミングで測定することとしたが、これに代えて、シース張力を常時測定し、シース張力の変化量に基づいて補償値の再設定を断続的に実行してもよい。
例えば、図13に示されるように、挿入部5の操作開始後(ステップS11)、シース張力の変化量に対する閾値を設定し(ステップS12)、シース張力を常時測定する(ステップS13)。そして、シース張力の変化量が閾値を越えた場合に(ステップS14のYES)、マスタ入力部2とスレーブアーム4との通信を切断し(ステップS16)、最新のシース張力の測定値に基づいて補償値を設定する(ステップS17)。すなわち、シース張力の変化量が閾値を越えたことをイベントとして検出する。
ただし、ステップS14においてシース張力の変化量が閾値を越えていたとしても、モータ12aによってワイヤ15a,15bを駆動している最中である場合には(ステップS15のYES)、ワイヤ15a,15bの駆動が終了するまで補償値の再設定を待つ。ワイヤ15a,15bの駆動中は挿入部5の形状に依らずにシース張力が変動するため、仮にワイヤ15a,15bの駆動中に閾値を越えるシース張力の変化が検出されたとしても、これを考慮しない。また、補償値を設定した後は、術者Opの指令に従って(ステップS18)マスタ入力部2とスレーブアーム4との通信を再接続する(ステップS19)。
このようにすることで、本体部14の湾曲形状の変化に伴ってシース張力が時間変化したときに、このシース張力の時間変化に追従して補償値が最適化される。これにより、湾曲部15の湾曲動作の良好な応答性を維持しつつ、補償値の設定に要する処理を減らすことができる。また、補償値を再設定する際にマスタ入力部2とスレーブアーム4との通信を切断することによって、補償値の再設定を確実に行うことができる。
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態に係るマニピュレータシステムについて図14から図16を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステムは、シース張力検出部18が、ワイヤシース15cに発生する張力を調整するシース張力調整機構20を備えている点において、第1から第3の実施形態と異なっている。したがって、本実施形態においては、シース張力調整機構20について主に説明し、第1から第3の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
次に、本発明の第4の実施形態に係るマニピュレータシステムについて図14から図16を参照して説明する。
本実施形態に係るマニピュレータシステムは、シース張力検出部18が、ワイヤシース15cに発生する張力を調整するシース張力調整機構20を備えている点において、第1から第3の実施形態と異なっている。したがって、本実施形態においては、シース張力調整機構20について主に説明し、第1から第3の実施形態と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
シース張力調整機構20は、図14に示されるように、2つの固定プーリ20aと、1つの可動プーリ20bとを備えている。固定プーリ20aは、ワイヤシース15cの長手方向に間隔を空けた位置に、ワイヤシース15cの外周面と接触して配置され、ワイヤ15a,15bの径方向の位置を固定している。可動プーリ20bは、2つの固定プーリ20aの間に配置され、その外周面にワイヤシース15cが掛けられている。
可動プーリ20bは、ワイヤシース15cを径方向に引っ張るように、付勢部材20cによってワイヤシース15cの径方向(図15において上向き)に付勢されている。これにより、シース張力が低下すると、図15の下段に示されるように、可動プーリ20bによるワイヤシース15cの引っ張り量が増加することによって、シース張力の低下が相殺される。一方、シース張力が増加すると、可動プーリ20bによるワイヤスースの引っ張り量が減少することによって、シース張力の増加が相殺される。このように、シース張力調整機構20は、ワイヤシース15cに与える張力を調整することによって、シース張力を一定に維持する。
このときに、本体部14の湾曲形状に起因するシース張力の増減は、シース張力調整機構20によるシース張力の調整量、すなわち、可動プーリ20bの、ワイヤシース15cの径方向の移動量に対応している。したがって、制御部3は、張力センサ18aによって測定されたシース張力の実測値に代えて、シース張力調整機構20によるシース張力の調整量(具体的には、可動プーリ20bの、ワイヤシース15cの径方向の位置)を用いて補償値を設定することができる。具体的には、記憶部19は、可動プーリ20bの位置と補償値とを対応付けたテーブルを保持している。シース張力調整機構20は、可動プーリ20bの位置を制御部3に送信し、制御部3は、シース張力調整機構20から受信した位置に対応する補償値を記憶部19から取得する。
この場合に、本実施形態によれば、シース張力調整機構20によってシース張力が一定に維持されるので、シース張力の低下に起因する湾曲部15の湾曲動作の応答性の低下を効果的に改善することができるという利点がある。さらに、湾曲形状に強く依存するシース張力の調整量を用いて補償値を決定することで、効率良く応答性を良好な状態に維持することができるという利点がある。その他の効果は、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
なお、本実施形態においては、ワイヤ15a,15bの移動量を検出するワイヤ移動量検出部(図示略)をさらに備え、制御部3が、シース張力調整機構20によるシース張力の調整量と、ワイヤ移動量検出部によって検出されたワイヤ15a,15bの移動量とに基づいて、補償値を設定してもよい。ワイヤ移動量検出部としては、例えば、特開2002-264048号公報において符号28,30で示されているセンサを採用することができる。
この場合、制御部3は、図15に示されるように、シース張力調整機構20によるシース張力の調整量に基づいて補償値を設定した後(ステップS21,S22)、本体部14および湾曲部15の湾曲形状の変化に伴うワイヤ15a,15bの移動量に応じて(ステップS23)補償値をさらに微調整する(ステップS24)。
このようにすることで、湾曲部15の湾曲動作の応答特性をさらに向上することができる。
このようにすることで、湾曲部15の湾曲動作の応答特性をさらに向上することができる。
あるいは、ワイヤ移動量検出部に代えて、ワイヤ15a,15bの張力を検出するワイヤ張力検出部(図示略)を備え、制御部3が、シース張力調整機構20によるシース張力の調整量と、ワイヤ張力検出部によって検出されたワイヤ15a,15bの張力とに基づいて、補償値を設定してもよい。ワイヤ張力検出部としては、例えば、特開2002-264048号公報において符号68,70で示されている張力センサを採用することができる。
具体的には、図16に示されるように、制御部3は、シース張力調整機構20によるシース張力の調整量に基づいて補償値を設定した後(ステップS31,S32)、本体部14および湾曲部15の湾曲形状の変化に伴うワイヤ15a,15bの張力の変化に応じて(ステップS33)補償値をさらに微調整する(ステップS34)。
このようにしても、湾曲部15の湾曲動作の応答特性をさらに向上することができる。
このようにしても、湾曲部15の湾曲動作の応答特性をさらに向上することができる。
なお、上記各実施形態とその変形例においては、マニピュレータ1と操作入力部2とが別体であり、マニピュレータ1から離れた位置に配置された操作入力部2によってマニピュレータ1を遠隔操作する構成を例に挙げて説明したが、マニピュレータ1と操作入力部2の形態はこれに限定されるものではなく、例えば、マニピュレータ1の後端側に一体的に操作入力部2を配設してもよい。
また、上記各実施形態とその変形例においては、軟性の本体部14を有するマニピュレータ1について説明したが、本体部14は、硬性であってもよい。硬性型のマニピュレータにおいても、シース張力が湾曲部15の湾曲形状に強く依存し、湾曲部15の応答性とシース張力との間に強い相関関係が成立する。したがって、本実施形態を好適に適用することができる。
1 スレーブマニピュレータ(マニピュレータ)
2 マスタ入力部(操作入力部)
3 制御部(補償値設定部)
4 スレーブアーム
5 挿入部
6 処置具
7 観察部材
8 表示部
9 マスタアーム
10 挿入部取付部
11 処置具取付部
12 湾曲部駆動部
13 処置具駆動部
14 本体部
15 湾曲部
15a,15b ワイヤ(線材)
15c ワイヤシース(シース)
15d 外側シース
16 取付ユニット
17 処置具用ポート
18 シース張力検出部
18a 張力センサ
19 記憶部
20 シース張力調整機構
20a 固定プーリ
20b 可動プーリ
20c 付勢部材
21 通路
22 固定部
80 手術台
100 マニピュレータシステム
Op 術者(操作者)
2 マスタ入力部(操作入力部)
3 制御部(補償値設定部)
4 スレーブアーム
5 挿入部
6 処置具
7 観察部材
8 表示部
9 マスタアーム
10 挿入部取付部
11 処置具取付部
12 湾曲部駆動部
13 処置具駆動部
14 本体部
15 湾曲部
15a,15b ワイヤ(線材)
15c ワイヤシース(シース)
15d 外側シース
16 取付ユニット
17 処置具用ポート
18 シース張力検出部
18a 張力センサ
19 記憶部
20 シース張力調整機構
20a 固定プーリ
20b 可動プーリ
20c 付勢部材
21 通路
22 固定部
80 手術台
100 マニピュレータシステム
Op 術者(操作者)
Claims (8)
- 細長い本体部および該本体部の先端側に設けられた湾曲部を有する挿入部と、前記湾曲部を湾曲動作させる湾曲部駆動部と、前記本体部を介して前記湾曲部と前記湾曲部駆動部とを接続し、前記湾曲部駆動部が発生する駆動力を前記湾曲部に伝達するとともに、少なくとも一端が前記本体部に対して固定された筒状のシースに挿通された線材とを備えるマニピュレータと、
前記湾曲部に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、
該操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記湾曲部駆動部を駆動させるための湾曲制御信号を生成する制御部と、
前記シースの張力を検出するシース張力検出部と、
該シース張力検出部によって検出された前記シースの張力に基づいて、前記湾曲制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、
前記制御部が、前記湾曲制御信号を、前記補償値設定部によって設定された前記補償値を用いて補正し、補正された前記湾曲制御信号を前記湾曲部駆動部に送信するマニピュレータシステム。 - 前記シース張力検出部が、前記シースに発生する張力を測定する張力センサを備え、
該張力センサが、前記線材の基端部分に設けられている請求項1に記載のマニピュレータシステム。 - 前記シース張力検出部は、前記シースの張力が一定となるように該シースに与える張力を調整するシース張力調整機構を備え、
前記シース張力検出部が、前記シース張力調整機構による張力の調整量を測定し、
前記補償値設定部が、前記シース張力調整機構によって測定された張力の調整量に基づいて前記補償値を設定する請求項1に記載のマニピュレータシステム。 - 前記挿入部に、該挿入部内における前記線材の経路を前記シースを介して規定する通路が設けられている請求項1から請求項3のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
- 前記シースを収容する外側シースを備える請求項1から請求項3のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
- 前記マニピュレータが、各々前記シースに挿通された複数の前記線材を備え、
該複数の線材が、前記本体部内において前記シースを介して1つに束ねられている請求項1から請求項5のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 - 前記補償値設定部が、前記操作者によって指定されたタイミングで、前記補償値を設定する請求項1から請求項6のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
- 前記補償値設定部は、所定のイベントが検出されたときに前記補償値を再設定する請求項1から請求項6のいずれかに記載のマニピュレータシステム。
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