WO2016199228A1 - 医療用マニピュレータ制御装置 - Google Patents

医療用マニピュレータ制御装置 Download PDF

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雅敏 飯田
浩志 若井
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オリンパス株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints

Definitions

  • the present invention relates to a medical manipulator control device.
  • a medical manipulator 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 Patent Document 1.)
  • the medical manipulator disclosed in Patent Document 1 controls a drive unit arranged on the proximal end side of an insertion unit according to a command signal.
  • a command signal 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.
  • 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. .
  • 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 With department Ryoyo is a manipulator control device.
  • the drive unit when the target command signal is input to the drive unit, the drive unit is driven, tension is generated in the tension transmitting member, the joint unit is operated, and the end effector is moved.
  • 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.
  • the end effector can be moved by driving the joint portion so as to approach the unloaded target movement amount.
  • 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
  • amendment part may correct
  • 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.
  • the command signal can be decreased to prevent the joint portion from being moved too much.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the joint portion can be driven with high accuracy even if the load applied to the end effector fluctuates.
  • the medical manipulator control device 1 is a device that controls the medical manipulator 2 in accordance with an operation command from an operation unit (not shown).
  • the medical manipulator 2 includes one or more bending joints (joint portions) 4 that support the end effector 3 at the distal end, a wire (tension transmission member) 5 that transmits a tension T for driving the bending joint 4, and a base A motor (driving unit) 6 that is disposed on the end side and applies a tension T to the wire 5 and a tension detection unit 7 that detects the tension T of the wire 5 are provided.
  • the end effector 3 is a grasping forceps having the grasping portion 8, for example.
  • the operation unit has a lever (not shown) that is operated by the operator, and outputs a target command signal ⁇ s proportional to the tilt angle of the lever.
  • the medical manipulator control device 1 As shown in FIG. 2, the medical manipulator control device 1 according to the present embodiment generates a drive command ⁇ m that is output to the motor 6 based on a target command signal ⁇ s input from the operation unit.
  • a storage unit 10 that stores the mathematical models f1 and f2 of the medical manipulator 2, a load estimation unit 11 that estimates a load R acting on the end effector 3, and a load R estimated by the load estimation unit 11
  • the movement amount estimation unit 12 that estimates the actual movement amount ⁇ 2 of the bending joint 4 and the drive that is output to the motor 6 based on the actual movement amount ⁇ 2 of the bending joint 4 estimated by the movement amount estimation unit 12
  • a correction unit 13 that corrects the command ⁇ m.
  • the load estimation unit 11 acts on the end effector 3 based on the target command signal ⁇ s, the tension T of the wire 5 detected by the tension detection unit 7, and the mathematical model f1 stored in the storage unit 10.
  • FIG. 3 shows the tension T1 when there is no load and the tension T2 when the load R is applied.
  • the mathematical model f2 is a linear function
  • the relationship between the actual movement amount ⁇ and the target command signal ⁇ s varies depending on the magnitude of the load R, as shown in FIG. To do. Therefore, the actual movement amount ⁇ of the flexure joint 4 can be estimated by using the load R, the target command signal ⁇ s, and the mathematical model f2.
  • FIG. 4 shows the actual movement amount ⁇ 1 of the bending joint 4 when there is no load, and the actual movement amount ⁇ 2 of the bending joint 4 when the load R is applied.
  • the correction unit 13 calculates the movement amount ⁇ 1 in the case of no load from the target command signal ⁇ s.
  • a difference ⁇ between the actual movement amount ⁇ 2 of the bending joint 4 estimated by the movement amount estimation unit 12 and the movement amount ⁇ 1 in the case of no load is calculated, a difference command signal ⁇ m for obtaining ⁇ is calculated, and driving The command ⁇ m is corrected to a new drive command ⁇ m + ⁇ m and output.
  • the medical manipulator control device 1 When the bending joint 4 is driven in a state where the target object is gripped by the end effector 3, the load R acts as compared to the case of no load that is not gripped.
  • the tension T of the wire 5 detected by the tension detection unit 7 and the target command signal ⁇ s are obtained.
  • the correction unit 13 calculates the difference ⁇ between the movement amount ⁇ 1 of the flexion joint 4 and the actual movement amount ⁇ 2 in the case of no load calculated using the same mathematical model, and achieves the difference ⁇ .
  • a difference command signal ⁇ m is calculated, and the drive command ⁇ m output from the drive command generator 9 is corrected to a new drive command ⁇ m + ⁇ m and output to the motor 6.
  • the medical manipulator control device 1 According to the medical manipulator control device 1 according to the present embodiment, even if the operation command to the operation unit by the operator is the same, a larger drive command ⁇ m + ⁇ m is output as the load R applied to the end effector 3 increases. Since the drive command ⁇ m is corrected, there is an advantage that the end effector 3 can be moved almost similarly by the same operation regardless of the magnitude of the load R.
  • the load R and the actual movement amount ⁇ of the bending joint 4 are estimated from the tension T applied to the wire 5, so that the movement amount ⁇ is detected by the bending joint 4. Therefore, there is an advantage that the structure of the medical manipulator 2 can be simplified, reduced in weight, or reduced in diameter.
  • the present invention can also be applied when the load R acting on the end effector 3 decreases.
  • the drive command ⁇ m is corrected so that the drive command ⁇ m + ⁇ m is reduced and output as the load R applied to the end effector 3 decreases.
  • the load R acting on the end effector 3 may decrease rapidly.
  • the object held by the end effector 3 may come off unexpectedly, or the object held at the moment when the end effector 3 is opened may be released. In these cases, it is conceivable that the end effector 3 moves greatly because the load R suddenly disappears in a state where a large drive command ⁇ m + ⁇ m when the load R is present is input to the motor 6.
  • the load R is extinguished and the drive command ⁇ m + ⁇ m is decreased.
  • the drive command ⁇ m + ⁇ m can be reduced more rapidly, and the end effector 3 can be prevented from moving suddenly.

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。

Description

医療用マニピュレータ制御装置
　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。
　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。）。
米国特許第７０９０６８３号明細書
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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を備え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制御装置を示すブロック図である。 図２の医療用マニピュレータ制御装置の記憶部に記憶される数式モデルの一例を示すグラフである。 図２の医療用マニピュレータ制御装置の記憶部に記憶される数式モデルの一例を示すグラフである。
　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。
　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。
　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。
　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）
　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。
　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）
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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
 

Claims (5)

  1. 　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。
  2. 　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する請求項１に記載の医療用マニピュレータ制御装置。
  3. 　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する請求項２に記載の医療用マニピュレータ制御装置。
  4. 　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する請求項３に記載の医療用マニピュレータ制御装置。
  5. 　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する請求項２または請求項３に記載の医療用マニピュレータ制御装置。
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