WO2019092843A1 - 医療用マニピュレータシステムとその作動方法 - Google Patents

医療用マニピュレータシステムとその作動方法 Download PDF

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    • A61B2090/067—Measuring instruments not otherwise provided for for measuring angles

Definitions

  • the present invention relates to a medical manipulator system and a method of operating the same.
  • a medical manipulator system which pulls a wire by a motor provided at the proximal end of an elongated insertion portion and operates a joint provided at the distal end of the insertion portion (see, for example, Patent Document 1).
  • a sensor for detecting the amount of movement of the wire is mounted near the joint at the distal end of the insertion portion in order to prevent a mismatch between the amount of operation and the amount of bending due to slack or friction of the wire.
  • An encoder is mounted on the towing motor, and feedback control of the motor is performed in real time based on signals detected by both the sensor and the encoder.
  • the tip of the insertion portion is required to have a small diameter, the installation space of the sensor for detecting the movement of the wire can not be sufficiently secured, and only a small, low resolution sensor can be mounted. For this reason, when feedback control of the motor is performed using both a low resolution sensor and a relatively high resolution encoder, there is a disadvantage that the control becomes unstable.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and a medical manipulator system capable of stably controlling a joint at a tip of an insertion portion according to an operation command regardless of slack or friction of a wire It is intended to provide a method of operation.
  • One aspect of the present invention is an elongated insertion portion having a joint at its distal end portion, a first sensor for detecting an amount of movement of the joint in the insertion portion, and the joint disposed at a proximal end of the insertion portion via a wire.
  • a second sensor for detecting the amount of movement of the actuator, an operation input unit operated by a user, and a controller for generating a control signal to the actuator, the controller comprising An operation mode for generating the control signal through a transfer function having the input value of the operation input unit and the operation amount of the actuator detected by the second sensor as an input, and the detection by the first sensor A carrier for adjusting the transfer function based on the movement amount of the joint and the movement amount of the actuator detected by the second sensor
  • a medical manipulator system comprising a configuration mode.
  • an operation command corresponding to the input value is input to the controller and the actuator is operated, and the driving force of the actuator is inserted through the wire. It is transmitted to the joint disposed at the tip of the part, and the joint is operated.
  • a control signal is generated via a transfer function having as inputs the operation input value and the operation amount of the actuator detected by the second sensor. At this time, the detected amount of movement of the actuator is fed back, and the amount of movement of the actuator is controlled so that the deviation from the movement command according to the input value is reduced.
  • the transfer function is based on the amount of movement of the joint detected by the first sensor and the amount of movement detected by the first sensor and the amount of movement of the actuator detected by the second sensor. Adjusted. Then, after the transfer function is adjusted, the actuator is controlled based on the input value and the amount of movement detected by the second sensor, not based on the amount of movement detected by the first sensor.
  • the joint at the distal end of the insertion portion can be stably controlled according to the operation command regardless of slack or friction of the wire, and the distal end of the insertion portion The diameter of the part can be reduced.
  • the calibration mode causes the joint to move by a predetermined amount
  • a difference between the operation amount detected by the first sensor and the operation amount detected by the second sensor may be adjusted such that is less than or equal to a predetermined threshold.
  • the operation amount detected by the first sensor and the operation amount detected by the second sensor may be adjusted so that the difference between the By doing this, the difference between the amount of movement detected by the first sensor and the second sensor due to backlash or friction generated when the joint reciprocates is reduced, and the actuator is stabilized as instructed by the operation. Can be controlled.
  • the operation amount detected by the first sensor and the operation detected by the second sensor may be adjusted so that the average value of the difference with the amount is less than or equal to a predetermined threshold value.
  • the controller further includes a table for storing the difference and the transfer function adjusted by the difference in association with each other, and the calibration mode uses the table to store the transfer function. You may adjust. By doing this, it is possible to adopt the transfer function stored in the table corresponding to the difference in the amount of movement detected by the first sensor and the second sensor, and the processing can be simplified.
  • a medical manipulator system 1 according to an embodiment of the present invention and an operation method thereof will be described below with reference to the drawings.
  • the treatment tool 2 for treating the affected area the motor unit 3 for driving the treatment tool 2
  • the user perform operation input
  • An operation input unit 4 and a controller 5 for controlling the motor unit 3 in accordance with a user operation via the operation input unit 4 are provided.
  • the treatment instrument 2 is provided with a joint 7 at the distal end of the long insertion portion 6 and the treatment portion 8 at the distal end of the joint 7.
  • the treatment tool 2 is provided with a connection portion 9 connected to the motor unit 3 at the proximal end of the insertion portion 6.
  • the joint 7 is provided with a joint encoder (first sensor) 10 for detecting a swing angle (motion amount) of the joint 7.
  • the connection portion 9 is provided with a pulley 11 for detachably connecting a motor 13 described later.
  • the joint 7 and the pulley 11 are connected by a wire 12 wound around the pulley 11 so that the joint 7 can be rotationally driven by transmitting the rotation of the pulley 11 by the wire 12 There is.
  • the motor unit 3 includes a motor (actuator) 13 and a motor encoder (second sensor) 14 connected to the motor 13 to detect a rotation angle of the motor 13.
  • the operation input unit 4 instructs the operation unit 15 such as a handle that the user holds and moves with one hand or both hands and an instruction to start an operation (operation mode) or cancel the operation or a calibration (calibration mode) start And an input unit 16 for inputting a command or the like.
  • the controller 5 includes an arithmetic processing unit (processor) and a memory (not shown).
  • processor arithmetic processing unit
  • memory not shown.
  • the operation mode when a command instructing operation start is input from the input unit 16 in the operation mode, the target angle of the joint 7 commanded by the operation unit 15 and the motor fed back from the motor encoder 14 An operation command signal to the motor 13 is calculated based on the rotation angle 13 and output.
  • the memory stores a calibration program.
  • FIG. 3 shows a control block diagram of the motor 13 by the arithmetic processing unit.
  • the arithmetic processing unit includes a feedforward control unit (FF control unit) 17 and a motor control unit 18 that generates a drive command for driving the motor 13.
  • FF control unit feedforward control unit
  • motor control unit 18 that generates a drive command for driving the motor 13.
  • the arithmetic processing unit reads out and executes the calibration program stored in the memory when the instruction to cancel the operation is input from the input unit 16 and the instruction to start the calibration is input.
  • a CAL command unit 19 that outputs a target angle for operating the joint 7 in a predetermined pattern
  • a transfer function adjustment unit 20 that calculates the control gain of the transfer function are provided.
  • the joint 7 When the calibration program is executed and the target angle is output from the CAL command unit 19, the joint 7 is operated, and the rotation angle of the motor 13 detected by the motor encoder 14 at that time and the joint encoder 10 The swing angle of the joint 7 detected by the above is input to the transfer function adjustment unit 20.
  • the control gain of the transfer function of the FF control unit 17 is calculated based on the rotation angle of the motor 13 and the swing angle of the joint 7 and is input to the FF control unit 17. There is.
  • the transfer function of the FF control unit 17 includes a control gain kd that compensates for the slack of the wire 12 and a control gain ke that compensates for the attenuation of the displacement angle of the joint 7 based on the shape of the insertion portion 6 or the like.
  • the calibration program includes an operation A for operating each joint 7 from 0 ° to ⁇ 90 °, an operation B for operating from ⁇ 90 ° to + 90 °, an operation B from + 90 ° to 0 ° It includes an operation C that operates up to °°.
  • the transfer function adjustment unit 20 outputs the control gains kd and ke to the FF control unit 17, and the movement of the joint 7 detected by the joint encoder 10 when the operations A, B and C are performed once in sequence respectively. The difference between the angle and the estimated angle of the joint 7 estimated based on the rotation angle of the motor 13 detected by the motor encoder 14 is calculated.
  • the transfer function adjustment unit 20 repeats changing the control gains kd and ke by defined values (for example, 0.1) at a time and outputting the control gains to the FF control unit 17 until the difference becomes equal to or less than a predetermined threshold. .
  • the transfer function including the control gains kd and ke whose difference is equal to or less than the predetermined threshold value is set in the FF control unit 17. That is, after the adjusted transfer function is set, the target angle command input from the operation input unit 4 is adjusted by the set transfer function in the FF control unit 17 by switching to the operation mode. The target angle command is input to the motor control unit 18, and the motor 13 is driven.
  • a user first inserts an overtube and an endoscope disposed in the overtube into the body along a patient's body cavity (step S1). .
  • the form of the endoscope is determined.
  • step S2 the user inserts the treatment tool 2 into the patient's body via the channel provided in the overtube (step S2). Thereby, the form of the treatment tool 2 is determined. Then, the connection portion 9 provided at the proximal end of the insertion portion 6 of the treatment tool 2 is connected to the motor unit 3 outside the patient (step S3).
  • step S4 when the user performs an input to switch to the calibration mode at the input unit of the operation input unit 4 (step S4), the control gains kd and ke of the transfer function of the FF control unit 17 are set to initial values (step S5)
  • step S6 In the operation processing unit, the calibration program read from the memory is executed by the CAL instruction unit 19, and the joint 7 is operated in a predetermined pattern (step S6).
  • step S7 the difference between the swing angle of the joint 7 detected by the joint encoder 10 and the estimated angle of the joint 7 based on the rotation angle of the motor 13 detected by the motor encoder 14 is calculated (step S7) It is determined whether the difference is less than or equal to a predetermined threshold (step S8). If the difference exceeds the predetermined threshold value, the control gains kd and ke are updated (step S9), and the process from step S6 is repeated. If the difference is less than or equal to the predetermined threshold, the calibration mode is ended.
  • the operation unit 15 can be operated to operate the joint 7, and backlash, friction, and attenuation of angular displacement depending on the form of the insertion unit 6.
  • the joint 7 can be operated stably as the operation input.
  • the medical manipulator system 1 it is possible to perform feedback control of the motor 13 with high accuracy using a motor encoder 14 having a relatively high resolution. Further, by properly adjusting the transfer function of the FF control unit 17, it is possible to control the joint 7 at the tip of the insertion portion 6 as the operation input regardless of the slack or friction of the wire 12.
  • the information on the swing angle of the joint 7 detected by the joint encoder 10 is used when adjusting the transfer function of the FF control unit 17 in the calibration mode. It is only used, and when the joint 7 is operated in the operation mode, the information of the rocking angle of the joint 7 detected by the joint encoder 10 is not used in real time (as shown in FIG. 6, Since the operation mode and the calibration mode are switched), even if a low resolution encoder is used as the joint encoder 10, there is an advantage that the joint 7 can be operated stably.
  • a compact encoder with low resolution can be used as the joint encoder 10 disposed at the distal end portion of the insertion portion 6, and there is also an advantage that the diameter reduction of the distal end portion of the insertion portion 6 can be achieved.
  • the calibration operation is repeated until the swing angle detected by the joint encoder 10 substantially matches the estimated angle of the joint 7 based on the rotation angle detected by the motor encoder 14.
  • the control gains kd and ke are made to converge.
  • the treatment tool 2 is provided with a memory 21 for storing identification information for identifying the treatment tool 2, and the motor unit 3 is connected to the connection portion 9 of the treatment tool 2.
  • a table may be provided which stores the control gains kd and ke in association with the differences ⁇ 1 and ⁇ 2 between the swing angle of the joint 7 generated by the joint encoder 10 and the angle estimated by the motor encoder 14.
  • FIG. 8 shows an example of the table.
  • the difference ⁇ 1 is, for example, a difference obtained when each of the operation A, the operation B, and the operation C in FIG. 4 is independently performed, and the difference (reciprocal difference) ⁇ 2 is, for example, the folding operations A and B in FIG. It is a difference when B and C are continuously performed.
  • standard control gains kd and ke are set as initial values of the control gains kd and ke in step S5, and calibration operations A, B, C and C are set.
  • step S10 After connecting the treatment tool 2 to the motor unit 3 in step S3, the calibration table is read (step S10), and only one calibration operation is performed.
  • the control gains kd and ke can be read out from the difference and the table and updated (step S11).
  • the joint 7 is operated in the order of 0 ° to -90 ° to + 90 ° to 0 °, but instead of this, the calibration operation It may extend over the entire movable range or may be smaller than the movable range. In addition, although it has been made to operate in the positive and negative directions centering on 0 °, only one side may be operated.
  • the control gain ke may be calculated by operating the joint 7 at predetermined angle ranges, for example, 10 ° each, calculating the ratio of the angles for each angle range, and calculating the average value.
  • the joint 7 is reciprocated in a predetermined angle range (for example, 10 °), and the rotation angle of the motor 13 detected by the motor encoder 14 and the swing angle of the joint 7 detected by the joint encoder 10 in the forward path Calculating the difference ⁇ 2 ⁇ 1 between the difference ⁇ 1 of the rotation angle and the difference ⁇ 2 between the rotation angle of the motor 13 detected by the motor encoder 14 and the swing angle of the joint 7 detected by the joint encoder 10 in the return path
  • the control gain kd may be calculated for each angle range.
  • the joint 7 may be operated in the range of the minimum unit angle (for example, 10 °) of the resolution of the joint encoder 10.
  • the ratio between the angle of the joint 7 detected by the joint encoder 10 by one detection and the angle of the joint 7 estimated based on the angle detected by the motor encoder 14 is directly used as a control gain. It may be used as kd and ke. Alternatively, the corresponding control gains kd and ke in the table may be searched using the above ratio. By doing so, even when the treatment tool 2 can not be operated largely in a narrow body cavity, the transfer function of the FF control unit 17 can be properly adjusted.
  • the calibration mode and the operation mode are switched.
  • the user operates the operation input unit 4 to operate the joint 7 without performing the mode switching.
  • the transfer function may be adjusted. For example, as shown in FIG. 10, when the user operates the treatment tool 2 (step S12), the joint encoder 10 stands by until the minimum unit angle is detected (step S13).
  • step S7 the difference between the rocking angle of the joint 7 by the joint encoder 10 and the estimated angle by the motor encoder 14 is immediately calculated (step S7), and control is performed from the table
  • the gains kd and ke are read out, and the transfer function of the FF control unit 17 is updated (step S11).
  • the transfer function is properly updated during the operation of the operation input unit 4 without the user waiting for the calibration operation.
  • a difference for reading out the control gains kd and ke from the table is calculated.
  • the process may wait until the angle of the joint 7 becomes 0 ° (step S15), and the transfer function may be updated when the angle becomes 0 °.
  • the control gain ke may be calculated and stored by the same calculation method every time the rocking angle changes by the minimum unit angle after that as the ke is calculated and stored.
  • the rocking angle of the joint 7 detected by the joint encoder 10 changes by a minimum unit angle (for example, 10 °) after the rocking direction of the joint 7 is turned back so as to turn back the rocking direction.
  • An estimated angle (for example, 12 °) of the motor encoder 14 calculated based on a swing angle (for example, 10 °) of the joint 7 detected by the joint encoder 10 and a control gain ke (for example, 12 °)
  • the control gain kd may be updated by calculating the difference (for example, 4 °) from the rotation angle (for example, 16 °) detected by the motor encoder 14 as the control gain kd.
  • the transfer function adjustment unit 20 adjusts the transfer function of the FF control unit 17.
  • the transfer function of the motor control unit 18 may be adjusted.
  • a sensor (not shown) for detecting the shape of the insertion portion 6 of the endoscope may be provided, and the calibration operation may be performed when the sensor detects that the shape of the insertion portion 6 has changed. Good.
  • the rotary joint was illustrated as the joint 7, you may apply to any other joints, such as a slide joint.
  • the motor 13 which is driven to rotate is illustrated as an actuator, it may be applied to any actuator such as a motor or a cylinder which drives linearly, instead.

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Abstract

ワイヤの弛みや摩擦に係わらず挿入部の先端の関節を操作指令通りに安定的に制御することを目的として、本発明に係る医療用マニピュレータシステム（１）は、先端部に関節（７）を備える細長い挿入部（６）と、関節の動作量を検出する第１センサと、挿入部の基端に配置されワイヤを介して関節を駆動するよう動作するアクチュエータと、アクチュエータの動作量を検出する第２センサと、ユーザにより操作される操作入力部（４）と、アクチュエータへの制御信号を生成するコントローラ（５）とを備え、コントローラが、操作入力部の入力値と第２センサにより検出されたアクチュエータの動作量を入力とする伝達関数を介して、制御信号を生成するオペレーションモードと、第１センサにより検出された関節動作量、および第２センサにより検出されたアクチュエータの動作量に基づいて、伝達関数を調整するキャリブレーションモードとを備える。

Description

医療用マニピュレータシステムとその作動方法
　本発明は、医療用マニピュレータシステムとその作動方法に関するものである。
　従来、細長い挿入部の基端に設けられたモータによりワイヤを牽引して、挿入部の先端に設けられた関節を動作させる医療用マニピュレータシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　この医療用マニピュレータシステムは、ワイヤの弛みや摩擦による操作量と湾曲量との不一致を防止するために、挿入部の先端の関節付近にワイヤの移動量を検出するセンサを搭載するとともに、ワイヤを牽引するモータにエンコーダを搭載し、センサおよびエンコーダの両方により検出された信号に基づいてモータをリアルタイムにフィードバック制御している。
特開２００２－２６４０４８号公報
　しかしながら、挿入部の先端は細径であることが要求されるので、ワイヤの移動量を検出するセンサの設置スペースが十分に確保できず、小型の低分解能のセンサしか搭載することができない。このため、低分解能のセンサおよび比較的高分解能のエンコーダの両方を用いてモータをリアルタイムにフィードバック制御する場合、制御が不安定になるという不都合がある。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、ワイヤの弛みや摩擦に係わらず挿入部の先端の関節を操作指令通りに安定的に制御することができる医療用マニピュレータシステムとその作動方法を提供することを目的としている。
　本発明の一態様は、先端部に関節を備える細長い挿入部と、該挿入部の前記関節の動作量を検出する第１センサと、前記挿入部の基端に配置されワイヤを介して前記関節を駆動するよう動作するアクチュエータと、該アクチュエータの動作量を検出する第２センサと、ユーザにより操作される操作入力部と、前記アクチュエータへの制御信号を生成するコントローラとを備え、該コントローラが、前記操作入力部の入力値と前記第２センサにより検出された前記アクチュエータの動作量とを入力とする伝達関数を介して、前記制御信号を生成するオペレーションモードと、前記第１センサにより検出された前記関節の動作量、および前記第２センサにより検出された前記アクチュエータの動作量に基づいて、前記伝達関数を調整するキャリブレーションモード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、ユーザが操作入力部を操作して操作入力を行うと、入力値に応じた動作指令がコントローラに入力されてアクチュエータが動作させられ、アクチュエータの駆動力がワイヤを介して挿入部の先端部に配置された関節に伝達され、関節が動作させられる。オペレーションモードにおいては、操作入力された入力値と第２センサにより検出されたアクチュエータの動作量とを入力とする伝達関数を介して制御信号が生成される。このとき、検出されたアクチュエータの動作量はフィードバックされて、入力値に応じた動作指令との偏差が小さくなるようにアクチュエータの動作量が制御される。
　また、キャリブレーションモードにおいては、関節の動作量が第１センサにより検出され、第１センサにより検出された動作量と、第２センサにより検出されたアクチュエータの動作量とに基づいて、伝達関数が調整される。そして、伝達関数が調整された後には、第１センサにより検出された動作量に基づくことなく、入力値と第２センサにより検出された動作量とに基づいてアクチュエータが制御される。これにより、第１センサとして小型の低分解能のものを用いても、ワイヤの弛みや摩擦に係わらず挿入部の先端の関節を操作指令通りに安定的に制御することができ、挿入部の先端部の細径化を図ることができる。
　上記態様においては、前記キャリブレーションモードが、前記関節を所定量だけ動作させたときに、前記第１センサにより検出された前記動作量と、前記第２センサにより検出された前記動作量との差分が所定の閾値以下となるように前記伝達関数を調整してもよい。
　このようにすることで、関節を所定量だけ移動させる際に第１センサにより検出された動作量と第２センサにより検出された動作量とが近い値となるように伝達関数が調整され、第１センサを用いずに第２センサによって検出された動作量に基づいて精度よくかつ安定的にアクチュエータを制御することができる。
　また、上記態様においては、前記キャリブレーションモードが、前記関節に所定の往復動作をさせたときに、前記第１センサにより検出された前記動作量と、前記第２センサにより検出された前記動作量との差分が所定の閾値以下となるように前記伝達関数を調整してもよい。
　このようにすることで、関節が往復動作を行う際に発生するバックラッシュや摩擦による第１センサおよび第２センサにより検出される動作量の差分を低減して、アクチュエータを操作指令通りに安定的に制御することができる。
　また、上記態様においては、前記キャリブレーションモードが、前記関節を所定量だけ複数回動作させたときに、前記第１センサにより検出された前記動作量と、前記第２センサにより検出された前記動作量との差分の平均値が所定の閾値以下となるように前記伝達関数を調整してもよい。
　このようにすることで、関節の動作位置に応じて変動する第１センサおよび第２センサにより検出される動作量の差分を平均して簡易に制御することができる。
　また、上記態様においては、前記コントローラが、前記差分と該差分によって調整された前記伝達関数とを対応づけて記憶するテーブルをさらに備え、前記キャリブレーションモードが、前記テーブルを用いて前記伝達関数を調整してもよい。
　このようにすることで、第１センサおよび第２センサにより検出された動作量の差分に対応してテーブルに記憶されている伝達関数を採用することができ、処理を簡易にすることができる。
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を示すブロック図である。 図２の医療用マニピュレータシステムに備えられたコントローラを説明するブロック図である。 図１の医療用マニピュレータシステムにおけるキャリブレーション動作の一例を示す図である。 図１の医療用マニピュレータシステムにおけるキャリブレーションの手順を説明するフローチャートである。 図１の医療用マニピュレータシステムにおけるモード遷移について示す図である。 図１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。 図７の医療用マニピュレータシステムのメモリに記憶されたテーブルの一例を示す図である。 図７の医療用マニピュレータシステムにおけるキャリブレーションの手順を説明するフローチャートである。 図９のキャリブレーションの手順の変形例を示すフローチャートである。 図９のキャリブレーションの手順の他の変形例を示すフローチャートである。 図９のキャリブレーションの手順の他の変形例を示すフローチャートである。 図４のキャリブレーション動作の変形例を説明する図である。
　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とその作動方法について、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、図１から図３に示されるように、患部を処置する処置具２と、該処置具２を駆動するモータユニット３と、ユーザが操作入力を行う操作入力部４と、該操作入力部４を介したユーザの操作に応じてモータユニット３を制御するコントローラ５とを備えている。
　処置具２は、長尺の挿入部６の先端部に関節７を備え、関節７の先端に処置部８を備えている。また、処置具２は、挿入部６の基端にモータユニット３に接続する接続部９を備えている。関節７には、関節７の揺動角度（動作量）を検出する関節用エンコーダ（第１センサ）１０が備えられている。接続部９には、後述するモータ１３を着脱可能に接続するプーリ１１が配置されている。関節７とプーリ１１との間は、プーリ１１に回し掛けられたワイヤ１２によって接続されており、プーリ１１の回転をワイヤ１２によって伝達することにより関節７を回転駆動することができるようになっている。
　モータユニット３は、モータ（アクチュエータ）１３と、モータ１３に接続されモータ１３の回転角度を検出するモータ用エンコーダ（第２センサ）１４を備えている。
　操作入力部４は、ユーザが片手または両手で把持して移動させるハンドル等の操作部１５と、操作（オペレーションモード）開始あるいは操作解除を指示する指令あるいはキャリブレーション（キャリブレーションモード）開始を指示する指令等を入力する入力部１６とを備えている。
　コントローラ５は、図示しない演算処理部（プロセッサ）とメモリとを備えている。
　演算処理部は、オペレーションモードにおいて、入力部１６から操作開始を指示する指令が入力されてきたときには、操作部１５により指令された関節７の目標角度と、モータ用エンコーダ１４からフィードバックされてきたモータ１３の回転角度とに基づいて、モータ１３への動作指令信号を演算し、出力するようになっている。メモリにはキャリブレーションプログラムが記憶されている。
　図３に、演算処理部によるモータ１３の制御ブロック図を示す。
　演算処理部は、フィードフォワード制御部（ＦＦ制御部）１７と、モータ１３を駆動する駆動指令を生成するモータ制御部１８とを備えている。操作入力部４により目標角度（入力値）が入力されると、入力された目標角度がフィードフォワード制御部１７の伝達関数により調整された角度指令と、モータ用エンコーダ１４からフィードバックされてくるモータ１３の回転角度との偏差がモータ制御部１８に入力され、モータ１３を駆動する駆動指令が生成されてモータ１３に入力されるようになっている。このとき、関節用エンコーダ１０からの関節７の揺動角度の情報は使用されないようになっている。
　また、演算処理部は、入力部１６から操作解除を指示する指令が入力され、かつ、キャリブレーション開始を指示する指令が入力されてきたときには、メモリに記憶されているキャリブレーションプログラムを読み出して実行することにより、所定のパターンで関節７を動作させる目標角度を出力するＣＡＬ指令部１９と、伝達関数の制御ゲインを算出する伝達関数調整部２０とを備えている。
　キャリブレーションプログラムが実行されて、ＣＡＬ指令部１９から目標角度が出力されると、関節７が動作させられ、そのときのモータ用エンコーダ１４により検出されたモータ１３の回転角度と、関節用エンコーダ１０により検出された関節７の揺動角度とが伝達関数調整部２０に入力されるようになっている。伝達関数調整部２０においては、モータ１３の回転角度と関節７の揺動角度とに基づいてＦＦ制御部１７の伝達関数の制御ゲインが算出され、ＦＦ制御部１７に入力されるようになっている。
　ＦＦ制御部１７の伝達関数は、ワイヤ１２の弛みを補償する制御ゲインｋｄと、挿入部６の形状等に基づく関節７の変位角度の減衰を補償する制御ゲインｋｅとを含んでいる。
　キャリブレーションプログラムは、例えば、図４に示されるように、各関節７に対して、０°から－９０°まで動作させる動作Ａ、－９０°から＋９０°まで動作させる動作Ｂ、＋９０°から０°まで動作させる動作Ｃを含んでいる。
　伝達関数調整部２０は、制御ゲインｋｄ，ｋｅをＦＦ制御部１７に出力し、動作Ａ，Ｂ，Ｃが順にそれぞれ１回行われた際に関節用エンコーダ１０により検出された関節７の揺動角度と、モータ用エンコーダ１４により検出されたモータ１３の回転角度とに基づき推定される関節７の推定角度と、の差分を算出するようになっている。
　そして、伝達関数調整部２０は、上記差分が所定の閾値以下となるまで、制御ゲインｋｄ，ｋｅを規定値（例えば、０．１）ずつ変更して、ＦＦ制御部１７に出力することを繰り返す。これにより、差分が所定の閾値以下となる制御ゲインｋｄ，ｋｅを含む伝達関数がＦＦ制御部１７に設定されるようになっている。
　すなわち、調整された伝達関数が設定された後は、オペレーションモードに切り替えられることにより、操作入力部４から入力された目標角度指令が、ＦＦ制御部１７において、設定された伝達関数により調整された目標角度指令となってモータ制御部１８に入力され、モータ１３が駆動されるようになっている。
　このように構成された本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１の動作について、図５のフローチャートに従って説明する。
　本実施形態に係る医療用マニピュレータシステム１を使用するには、まず、ユーザが、オーバーチューブおよび該オーバーチューブ内に配置された内視鏡を患者の体腔に沿って体内に挿入する（ステップＳ１）。内視鏡の視野内に処置すべき患部が入った時点で、内視鏡の形態が決定される。
　次いで、ユーザがオーバーチューブに設けられたチャネルを介して処置具２を患者の体内に挿入する（ステップＳ２）。これにより、処置具２の形態が決定される。そして、処置具２の挿入部６の基端に設けられた接続部９を患者の体外においてモータユニット３に接続する（ステップＳ３）。
　この状態で、ユーザが、操作入力部４の入力部においてキャリブレーションモードに切り替える入力を行う（ステップＳ４）と、ＦＦ制御部１７の伝達関数の制御ゲインｋｄ，ｋｅが初期値に設定され（ステップＳ５）、演算処理部においてＣＡＬ指令部１９によりメモリから読み出されたキャリブレーションプログラムが実行され、関節７が所定のパターンで動作させられる（ステップＳ６）。
　そして、この動作後に、関節用エンコーダ１０により検出された関節７の揺動角度と、モータ用エンコーダ１４により検出されたモータ１３の回転角度に基づく関節７の推定角度との差分が算出され（ステップＳ７）、差分が所定の閾値以下か否かが判定される（ステップＳ８）。差分が所定の閾値を超えている場合には、制御ゲインｋｄ，ｋｅが更新され（ステップＳ９）、ステップＳ６からの工程が繰り返される。
　差分が所定の閾値以下の場合には、キャリブレーションモードを終了する。
　この後に、ユーザが入力部１６からオペレーションモードに切り替えることにより、操作部１５を操作して関節７を作動させることができ、バックラッシュや摩擦、挿入部６の形態に依存した角度変位の減衰が補償されて、関節７を操作入力通りに安定して動作させることができる。
　このように、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、モータ用エンコーダ１４としては分解能の比較的高いものを使用して、モータ１３を精度よくフィードバック制御することができる。また、ＦＦ制御部１７の伝達関数が適正に調整されることで、ワイヤ１２の弛みや摩擦に係わらず挿入部６の先端部の関節７を操作入力通りに制御することができる。
　さらに、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、関節用エンコーダ１０により検出される関節７の揺動角度の情報は、キャリブレーションモードにおいてＦＦ制御部１７の伝達関数を調整する際に使用されるのみであり、オペレーションモードで関節７が動作させられる際には関節用エンコーダ１０により検出された関節７の揺動角度の情報がリアルタイムに用いられない（図６に示されるように、オペレーションモードとキャリブレーションモードとを切替える）ので、関節用エンコーダ１０として低分解能のものを用いても、関節７を安定的に動作させることができるという利点がある。
　また、挿入部６の先端部に配置される関節用エンコーダ１０として低分解能の小型のものを用いることができ、挿入部６の先端部の細径化を図ることができるという利点もある。
　なお、本実施形態においては、関節用エンコーダ１０により検出された揺動角度と、モータ用エンコーダ１４により検出された回転角度に基づく関節７の推定角度とが略一致するまで、キャリブレーション動作を繰り返すことで制御ゲインｋｄ，ｋｅを収束させることとした。これに代えて、図７に示されるように、処置具２に、該処置具２を識別する識別情報を記憶するメモリ２１が備えられ、モータユニット３に、処置具２の接続部９が接続されたときにメモリ２１内の識別情報を読み取る読取装置２２が備えられ、コントローラ５のメモリ内に、処置具２の識別情報毎に、標準の制御ゲインｋｄ，ｋｅによってキャリブレーション動作をさせたときに発生する関節用エンコーダ１０による関節７の揺動角度とモータ用エンコーダ１４による推定角度との差分Δ１，Δ２と対応づけて制御ゲインｋｄ，ｋｅを記憶するテーブルが備えられていてもよい。
　図８にテーブルの一例を示す。
　差分Δ１は、例えば、図４の動作Ａ、動作Ｂ、動作Ｃをそれぞれ単独で行った際の差分であり、差分（往復差）Δ２は、例えば、図４の折り返し動作Ａ，Ｂあるいは折り返し動作Ｂ，Ｃを連続して行った場合の差分である。
　そして、本実施形態においては、図９に示されるように、ステップＳ５において制御ゲインｋｄ，ｋｅの初期値として標準の制御ゲインｋｄ，ｋｅを設定し、キャリブレーションの各動作Ａ，Ｂ，Ｃおよび差分の算出を１回だけ行うことにより、算出された差分を用いて、テーブル内を検索し、対応する所望の制御ゲインｋｄ，ｋｅを得ることができるという利点がある。
　すなわち、ステップＳ３において処置具２をモータユニット３に接続した後に、キャリブレーション用のテーブルを読み出し（ステップＳ１０）、１回のキャリブレーション動作を行わせるだけで、２つのエンコーダ１０，１４による角度の差分とテーブルから制御ゲインｋｄ，ｋｅを読み出して、更新することができる（ステップＳ１１）。
　また、本実施形態においては、キャリブレーション動作として、０°～－９０°～＋９０°から０°の順に関節７を動作させることとしたが、これに代えて、キャリブレーション動作は、関節７の可動範囲全域にわたっていてもよいし、可動範囲より小さい範囲であってもよい。また、０°を中心として正負両方向に動作させることとしたが、片側だけ動作させてもよい。
　また、０°～－９０°～＋９０°から０°の順に関節７を動作させるキャリブレーション動作毎に、２つのエンコーダ１０，１４による角度の差分を算出することとしたが、これに代えて、関節７を所定角度範囲、例えば、１０°ずつ動作させ、角度範囲毎に角度の比率を計算して平均値を算出することにより、制御ゲインｋｅを算出してもよい。
　また、関節７を所定角度範囲（例えば、１０°）で往復動作させ、往路においてモータ用エンコーダ１４により検出されたモータ１３の回転角度と関節用エンコーダ１０により検出された関節７の揺動角度との差分Δ１と、復路においてモータ用エンコーダ１４により検出されたモータ１３の回転角度と関節用エンコーダ１０により検出された関節７の揺動角度との差分Δ２と、の差分Δ２－Δ１を算出することにより、角度範囲毎に制御ゲインｋｄを算出してもよい。
　また、本実施形態においては、キャリブレーション動作として、関節用エンコーダ１０の分解能の最小単位角度（例えば、１０°）の範囲で関節７を動作させることにしてもよい。
　この場合には、１回の検出により関節用エンコーダ１０により検出された関節７の角度と、モータ用エンコーダ１４により検出された角度に基づいて推定される関節７の角度との比をそのまま制御ゲインｋｄ，ｋｅとして用いることにすればよい。あるいは、上記比を用いてテーブル内の対応する制御ゲインｋｄ，ｋｅを検索することにしてもよい。
　このようにすることで、狭い体腔内において処置具２を大きく動作させることができない場合であっても、ＦＦ制御部１７の伝達関数を適正に調整することができる。
　また、上記各実施形態においては、キャリブレーションモードとオペレーションモードとを切り替えることとしたが、モード切替を行うことなくユーザが操作入力部４を操作して関節７を動作させているオペレーションの途中で、伝達関数を調整することにしてもよい。
　例えば、図１０に示されるように、ユーザが処置具２を操作すると（ステップＳ１２）、関節用エンコーダ１０が最小単位角度を検出するまで待機される（ステップＳ１３）。
　関節用エンコーダ１０が最小単位角度を検出した場合には、即座に関節用エンコーダ１０による関節７の揺動角度とモータ用エンコーダ１４による推定角度との差分が算出され（ステップＳ７）、テーブルから制御ゲインｋｄ，ｋｅが読み出されてＦＦ制御部１７の伝達関数が更新される（ステップＳ１１）。これにより、ユーザがキャリブレーション動作を待つことなく、操作入力部４の操作中に適正な伝達関数の更新が行われる。
　また、操作入力部４の操作中に伝達関数が変化することによる操作感の変化を防止するために、図１１に示されるように、テーブルから制御ゲインｋｄ，ｋｅを読み出すための差分が算出されても、入力部１６から処置具操作を解除する指令が入力されるまで待機し（ステップＳ１４）、その間、伝達関数の変更を行わないことにしてもよい。すなわち、伝達関数は処置具操作が解除されている状態で行われるので、操作途中での操作感の変化を防止することができる。これに代えて、図１２に示されるように、関節７の角度が０°となるまで待機し（ステップＳ１５）、０°になったときに伝達関数の更新をしてもよい。
　また、図１３に示されるように、関節用エンコーダ１０により検出される関節７の揺動角度が最小単位角度（例えば、１０°）だけ変化した時点で、関節用エンコーダ１０により検出された関節７の揺動角度θ１（例えば、１０°）と、モータ用エンコーダ１４により検出されたモータ１３の回転角度θ２（例えば、１２°）との比率（例えば、θ２／θ１＝１．２）を制御ゲインｋｅとして算出して記憶しておき、以降、揺動角度が最小単位角度ずつ変化する毎に、同様の算出方法で制御ゲインｋｅを算出し、制御ゲインｋｅを更新してもよい。
　また、関節７の揺動方向を切り返すように揺動させた後に揺動角度が関節用エンコーダ１０により検出される関節７の揺動角度が最小単位角度（例えば、１０°）だけ変化した時点で、関節用エンコーダ１０により検出された関節７の揺動角度（例えば、１０°）及び制御ゲインｋｅ（例えば、１２°）に基づき算出されたモータ用エンコーダ１４の推定角度（例えば、１２°）とモータ用エンコーダ１４により検出された回転角度（例えば、１６°）との差分（例えば、４°）を制御ゲインｋｄとして算出し、制御ゲインｋｄを更新してもよい。
　また、本実施形態においては、コントローラ５において、伝達関数調整部２０がＦＦ制御部１７の伝達関数を調整することとしたが、モータ制御部１８の伝達関数を調整することにしてもよい。
　また、内視鏡の挿入部６の形状を検出する図示しないセンサを設けておき、挿入部６の形状が変化したことがセンサにより検出されたときに、キャリブレーション動作を実行することにしてもよい。
　また、関節７として回転関節を例示したが、スライド関節等、他の任意の関節に適用してもよい。
　また、アクチュエータとして回転駆動するモータ１３を例示したが、これに代えて、直線駆動するモータあるいはシリンダ等の任意のアクチュエータに適用してもよい。
　１　医療用マニピュレータシステム
　４　操作入力部
　５　コントローラ
　６　挿入部
　７　関節
　１０　関節用エンコーダ（第１センサ）
　１２　ワイヤ
　１３　モータ（アクチュエータ）
　１４　モータ用エンコーダ（第２センサ）

Claims (5)

  1. 　先端部に関節を備える細長い挿入部と、
    　該挿入部の前記関節の動作量を検出する第１センサと、
    　前記挿入部の基端に配置されワイヤを介して前記関節を駆動するよう動作するアクチュエータと、
    　該アクチュエータの動作量を検出する第２センサと、
    　ユーザにより操作される操作入力部と、
    　前記アクチュエータへの制御信号を生成するコントローラとを備え、
    　該コントローラが、該操作入力部の入力値と前記第２センサにより検出された前記アクチュエータの動作量を入力とする伝達関数を介して、前記制御信号を生成するオペレーションモードと、前記第１センサにより検出された前記関節の動作量、および前記第２センサにより検出された前記アクチュエータの動作量に基づいて、前記伝達関数を調整するキャリブレーションモードとを備える医療用マニピュレータシステム。
  2. 　前記キャリブレーションモードが、前記関節を所定量だけ動作させたときに、前記第１センサにより検出された前記動作量と、前記第２センサにより検出された前記動作量との差分が所定の閾値以下となるように前記伝達関数を調整する請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
  3. 　前記キャリブレーションモードが、前記関節に所定の往復動作をさせたときに、前記第１センサにより検出された前記動作量と、前記第２センサにより検出された前記動作量との差分が所定の閾値以下となるように前記伝達関数を調整する請求項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。
  4. 　前記キャリブレーションモードが、前記関節を所定量だけ複数回動作させたときに、前記第１センサにより検出された前記動作量と、前記第２センサにより検出された前記動作量との差分の平均値が所定の閾値以下となるように前記伝達関数を調整する請求項１に記載の医療用マニピュレータシステム。
  5. 　前記コントローラが、前記差分と該差分によって調整された前記伝達関数とを対応づけて記憶するテーブルをさらに備え、
    　前記キャリブレーションモードが、前記テーブルを用いて前記伝達関数を調整する請求項２から請求項４のいずれかに記載の医療用マニピュレータシステム。
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