WO2023021541A1 - 微細作業用装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a device for fine work.
- microsurgery Performing surgery under a microscope on fine surgical targets such as anastomosis of thin blood vessels, nerves, and lymph vessels with a diameter of about 0.5 to 2 mm in surgery related to orthopedic surgery and plastic surgery and reconstructive surgery for defective areas.
- fine surgical targets such as anastomosis of thin blood vessels, nerves, and lymph vessels with a diameter of about 0.5 to 2 mm in surgery related to orthopedic surgery and plastic surgery and reconstructive surgery for defective areas.
- the surgical target is small, extremely precise and accurate work is required, and the operation requires skill.
- surgery tends to take a long time, and such long-time surgery imposes a heavy burden on the operator. For these reasons, microsurgery has been limited in the number of operators who can operate it compared to its necessity, and it has not been possible to perform microsurgery frequently.
- the master-slave manipulator when considering the use of manipulators (robots), which have made significant technological progress in recent years, the master-slave manipulator not only reproduces human movements as they are, but can also perform operations in which human movements are reduced. If a manipulator that moves smoothly takes over the operation related to surgery, it is possible to reduce the burden on the operator and improve the efficiency of surgery, while ensuring accuracy by eliminating the effects of camera shake and the like.
- the manipulator for fine work disclosed in Patent Document 1 operates the forceps provided at the tip by a parallel link mechanism.
- the parallel link mechanism has a certain operable range, and when the operable range is exceeded, the forceps at the distal end cannot be moved as desired, and eventually stop. Before that happens, rotate the robot part that supports the parallel link mechanism and move it closer to the initial position, ensuring the operating range of the forceps at the distal end, allowing fine work to be performed continuously without stopping. be able to.
- the parallel link section has 6 degrees of freedom, but the robot section is configured with 4 degrees of freedom for the purpose of downsizing.
- the 4 degrees of freedom in the polar coordinate system are 3 degrees of freedom in the rotational direction + 1 degree of freedom in translation in the radial direction.
- the parallel link mechanism is in a state substantially unchanged from the initial position, and the operating range of the forceps at the distal end portion is ensured.
- the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an apparatus for fine work that can secure the operating range of fine work without causing fluctuations in the position where fine work is performed.
- an apparatus for fine work is a device for fine work that performs a predetermined operation related to fine work on a work target on behalf of a person, and performs a predetermined fine work.
- a manipulator for fine work having an operating range of
- a robot unit that supports the manipulator for fine work and has an operating range wider than the operating range
- a control device that controls the driving of the manipulator for fine work and the robot unit, and controls
- the device receives a movement input of the tip position of the manipulator for fine work, which is the operating position for fine work, calculates the driving amount of the manipulator for fine work and the robot unit with the operating position as the target position, and performs fine work based on the driving amount. It is characterized by controlling the operation of the working manipulator and the robot section.
- FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a device for fine work according to an embodiment
- FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a device for fine work according to an embodiment
- FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of a device for fine work according to an embodiment
- FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a manipulator for fine work and a robot section of a device for fine work according to an embodiment
- FIG. 1 is a perspective view showing a fine work manipulator of a fine work device according to an embodiment
- FIG. 1 is a perspective view showing a main part of a manipulator for fine work of a device for fine work according to an embodiment
- FIG. 1 is a perspective view showing a main part of a manipulator for fine work of a device for fine work according to an embodiment
- FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a device for fine work according to an embodiment
- FIG. FIG. 4 is a perspective view showing an example of the operation of the device for fine work according to the embodiment
- FIG. 11 is a perspective view showing another example of the operation of the device for fine work according to the embodiment
- FIG. 11 is a perspective view showing still another example of the operation of the device for fine work according to the embodiment
- FIG. 4 is a side view showing an example of the operation of the device for fine work according to the embodiment
- FIG. 4 is a perspective view showing an example of the operation of the fine work manipulator of the fine work apparatus according to the embodiment
- FIG. 11 is a perspective view showing another example of the operation of the fine work manipulator of the fine work apparatus according to the embodiment
- 4 is a flow chart showing an example of the operation of the device for fine work according to the embodiment;
- the apparatus 1 for fine work includes a manipulator 10 for fine work, a robot section 20 to which the manipulator 10 for fine work is attached to the tip, A base 30 that supports the robot unit 20 from below, an imaging unit 40 that is similarly attached to the base 30 and captures an image of a surgical target, and an enlarged image of the surgical target acquired by the imaging unit 40 for the user to see.
- a display unit 50 that can be displayed visually
- a master unit 60 that receives an input instruction from the user
- a master unit 60 that is moved by the user.
- the master unit 60 includes an operation input unit (not shown) that receives a user's operation, and a support mechanism unit 61 that movably supports the operation input unit and enables acquisition of information on the position and orientation of the operation input unit. Prepare.
- the robot part 20 has three rotational degrees of freedom and one radial translational degree of freedom.
- the robot unit 20 has a motor 21 and an encoder unit 22 that detects the rotation angle of the motor 21 (not shown in FIGS. 1 to 4, see FIG. 8).
- a pair of the robot section 20 and the fine work manipulator 10 are provided on the base 30, but the numbers of the robot section 20 and the fine work manipulator 10 are not particularly limited.
- the image capturing unit 40 captures an image of a distal end working portion of an end effector of the manipulator for fine work 10 and a surgical target, which will be described later. It is placed in a position that allows a bird's-eye view.
- This imaging unit 40 is a known video camera capable of acquiring high-resolution captured images that can ensure reproducibility even when magnified to the same magnification as seen with a conventional microsurgery microscope. detailed description is omitted.
- the display unit 50 enlarges the image of the surgical target acquired by the imaging unit 40 as necessary and displays it so that it can be visually recognized by the user.
- This display unit is a known display device such as a liquid crystal display capable of displaying an image obtained by imaging with high resolution, and therefore detailed description is omitted here.
- the base 30 has a moving mechanism (not shown), and the manipulator 10 for fine work provided on the base 30, the robot unit 20, and the imaging unit 40 are moved on the floor of the operating room (not shown) from the control unit 70. It is configured to be movable to a predetermined position based on the movement support of the. As a result, the device for fine work 1 of the present embodiment can approach and be separated from the operating table 3 on which the patient 2 to be operated, shown in FIG. At least the tip of the manipulator 10 can be arranged.
- FIG. 1 the manipulator 10 for fine work will be described with reference to FIGS. 5 to 7.
- FIG. 1 the manipulator 10 for fine work will be described with reference to FIGS. 5 to 7.
- the manipulator 10 for fine work includes a base (not shown) supported by a robot unit 20, an end effector 12 for handling a surgical target or a surgical instrument, six links 13 arranged in parallel, and each and six linear actuators 14 that move the links 13 .
- the base, the end effector 12, the link 13, and the linear actuator 14 linearly move one end of the link 13 with the linear actuator 14 for each link 13 to move the end effector 12 connected to the other end of the link 13. It constitutes a parallel link mechanism with 6 degrees of freedom.
- the parallel link mechanism allows the position and orientation of the end effector 12, which handles a surgical object or a surgical instrument, to be variable within a predetermined range with respect to the base. Gives the same movement as when supported by hand
- the linear actuator 14 is a movable coil type linear motor in which the coil 15b is part of the mover 15 and the permanent magnet 16a is part of the stator 16.
- the stator 16 is provided with a sensor portion 16c (not shown in FIGS. 5 to 7, see FIG. 8) for detecting the amount of movement of the mover 15. As shown in FIG.
- the mover 15 includes a linear motion slider 15a arranged so as to be linearly movable with respect to the base, and a thin cylindrically arranged coil 15b integrally attached to the linear motion slider 15a so that the direction of movement thereof is parallel to the linear motion slider 15a. and a connecting member 15c attached to the tip of the coil 15b and connecting the coil 15b and the linear motion slider 15a.
- One end of the link 13 is connected and fixed to the tip of the direct-acting slider 15a of the mover 15 via a connecting member 15c, and the one end of the link 13 linearly moves together with the mover 15 including the direct-acting slider 15a. It will happen.
- the stator 16 has a cylindrical shape that is thicker and shorter than the coil 15b of the mover 15, and has a permanent magnet 16a fixed to the base by a fixing means (not shown).
- a cylindrical permanent magnet 16a fixed to the base is aligned with the coil 15b of the mover 15 in the cylinder axis direction, and the coil 15b movably penetrates the space inside the cylinder of the permanent magnet 16b. placed state.
- linear motor as the linear actuator 14 in this way, it is possible to reduce the number of mechanically movable parts and to reduce the number of contact parts that involve sliding and rolling compared to other linear motion mechanisms such as ball screws. It is possible to reduce the power consumption required for driving by reducing the frictional resistance while improving the reliability of the mechanism without causing backlash.
- the linear actuator 14 which is a linear motor, is composed of a mover 15 and a stator 16.
- the moving directions of the mover 15 are parallel to each other.
- the permanent magnet 16a of the stator 16 and the coil 15b of the mover 15 are on the side closest to the imaginary centerline around a predetermined imaginary centerline that extends, and the permanent magnets 16a and the coils 15b are arranged around the imaginary centerline. They are arranged side by side with equal intervals between them.
- the permanent magnet 16a forming the stator 16 penetrates through the space inside the cylinder and is arranged close to the coils 15b other than the coils 15b forming a set of linear motors. Unlike the coil 15b, the magnet 16a does not have magnetic field fluctuations, so it does not magnetically affect the movement of the other coils 15b.
- the linear actuator portion of the manipulator 10 for fine work can be integrated into a compact structure. Furthermore, because of the mechanical structure, the ends of the coils 15b of the mover 15 that fluctuate the fixed magnetic field are not so close to the permanent magnets 16a of the stator 16. can be suppressed, and smooth operation of the linear actuator 14 can be realized.
- the link 13 is a rod-shaped body obtained by connecting and combining two substantially rod-shaped members that are highly rigid and do not deform in the longitudinal direction. , 13b are arranged respectively.
- substantially rod-shaped members forming a rod-shaped body are rotatably connected to each other. It is a structure that gives a degree of freedom of
- a joint 13a at one end of the link 13 has a structure having degrees of freedom of rotation about two mutually orthogonal axes, and is connected to the end of the linear motion slider 15a of the linear actuator 14. Also, the joint 13b at the other end of the link 13 has a structure having degrees of freedom of rotation about two mutually orthogonal axes as described above, and is connected to the rotation support portion 17. As shown in FIG.
- each link 13 can be freely changed with respect to the linear actuator 14 and the rotary support portion 17 to which it is connected, as in the case of connecting using a ball joint.
- the link mechanism that arranges the link 13 between the linear actuator 14 and the rotation support portion 17 is a parallel link mechanism in which the six links 13 are arranged in parallel.
- the parallel link mechanism of the manipulator 10 for fine work has 6 degrees of freedom. Therefore, after moving the base 30 to a predetermined position and fixing the three-dimensional position and rotational position of the manipulator 10 for fine work at a predetermined position by the robot unit 20, when fine work is performed by the end effector 12, mainly It can only be done by operating a parallel linkage mechanism with 6 degrees of freedom.
- the robot unit 20 changes the position of the fine work manipulator 10 itself. While doing so, it is necessary to return the parallel link mechanism to the initial position, that is, to a position symmetrical to the central axis of the manipulator 10 for fine work.
- FIG. 9 is a diagram showing the fine work manipulator 10 in which the parallel link mechanism is in the vicinity of the operable range.
- the end effector 12 is in the vicinity of the operable range of the parallel link mechanism in the lower left direction in the drawing. to compensate for the movement of the tip position of the end effector 12 by returning the parallel link mechanism to the initial position.
- the robot unit 20 is operated from the position (indicated by A in the drawing) of the manipulator 10 for fine work shown in FIG. (the rotationally moved position is indicated by B in the figure), the parallel link mechanism is returned to the initial position. As a result, as shown in FIG. 11, the operating range of the parallel link mechanism is secured again.
- the robot section 20 has only three degrees of freedom of rotation and one degree of freedom of translation in the radial direction. If only the robot unit 20 rotates the manipulator 10 for fine work while returning it to the initial position, the position of the end effector 12 may be translated (parallel movement is indicated by C in the figure).
- the manipulator 10 for fine work and the robot section 20 are interlocked so that the position of the end effector 12 does not move in parallel.
- the fine work is performed by the robot unit 20 while returning the parallel link mechanism to the vicinity of the initial position so that the tip position of the end effector 12 is not moved, that is, the tip position of the end effector 12 is set as the control target position.
- the manipulator 10 is rotated.
- the apparatus 1 for fine work that can secure the operating range for fine work by the manipulator 10 for fine work while minimizing the positional variation of the end effector 12 that performs fine work.
- FIG. 15 is a flowchart showing an example of the operation of the fine work device 1 of this embodiment.
- the user operates the master unit 60 to issue an operation input instruction for the fine work device 1, and the control unit 70 accepts this operation input instruction (step S10).
- control unit 70 calculates the target coordinate position and rotation angle of the tip of the end effector 12 based on the operation input instruction (step S11). Then, the control unit 70 determines distribution of the motions of the robot unit 20 and the fine work manipulator 10 based on the coordinate position of the tip of the end effector 12 calculated in step S11 (step S12).
- the control unit 70 distributes the operations of the robot unit 20 and the fine work manipulator 10 in order to position the end effector 12 at the target coordinate position and rotation angle of the tip of the end effector 12.
- the method of distribution is arbitrary, and for example, it may be realized only by the operation of the manipulator 10 for fine work (that is, the operation of the parallel link mechanism), or by the collaborative work of the manipulator 10 for fine work and the robot section 20. Alternatively, the operation may be performed only by the operation of the robot section 20 .
- step S12 An example of the details of the operation of step S12 will be described.
- the control unit 70 In order to position the end effector 12 at the target coordinate position and rotation angle of the tip of the end effector 12, the control unit 70 first moves the robot unit 20 under the condition that only the parallel link mechanism of the manipulator 10 for fine work is moved. and distribute the movement of the fine manipulator 10 . Then, it is determined whether or not the distributed coordinate positions and rotation angles of the manipulators 10 for fine work have approached the operation limit of the parallel link mechanism of the manipulators 10 for fine work to a certain threshold.
- the threshold is that the joints 13a and 13b constituting the parallel link mechanism interfere with each other by 5 degrees, and that the distance between the adjacent links 13 of the parallel link mechanism is within 3 mm.
- control unit 70 determines the coordinate position and rotation angle of the parallel link mechanism of the manipulator for fine work 10 to return the parallel link mechanism of the manipulator for fine work 10 to the initial position.
- the coordinate position and rotation angle of the robot section 20 are determined in order to operate the section 20 to position the end effector 12 at the target coordinate position and rotation angle of the tip of the end effector 12 .
- the operation speed of the robot unit 20 variably within a range of 10% to 60%, for example, so that the operator can set the operation speed according to the details of the operation performed by the manipulator 10 for fine work.
- control unit 70 calculates the coordinate position and rotation angle of the robot unit 20 (step S13), calculates the driving amount of the motor 21 of the robot unit 20 (step S14), and based on the calculated driving amount, the robot unit The motor 21 of 20 is driven (step S15), and the driving amount of the robot section 20 is stored based on the output value from the encoder section 22 (step S16). Thereafter, in distributing the movements of the robot section 20 and the manipulator for fine work 10 in step S12, the control section 70 performs feedback control based on the drive amount of the robot section 20 stored in step S16.
- control unit 70 calculates the coordinate position and rotation angle of the manipulator 10 for fine work (step S17), calculates the drive amount of the linear actuator 14 of the manipulator 10 for fine work (step S18), and calculates the calculated drive amount.
- the linear actuator 14 of the fine work manipulator 10 is driven based on (step S19).
- the manipulator 10 for fine work is attached to the robot unit 20 and the base 30.
- rough adjustment of the position of the manipulator 10 for fine work with respect to the surgical target can be performed by the manipulator 10 for fine work.
- the end effector 12 is adjusted by manually moving the stand, arm, etc. so that the end effector 12 faces the surgical target and has an appropriate distance from the surgical target. It is good also as a structure to carry out.
- the movements of the manipulator 10 for fine work and the robot section 20 are distributed one after another. Then, the fine work manipulator 10 is returned to the initial position by operating the foot switch, and the coordinate position and rotation angle of the robot section 20 are set so that the tip position of the end effector 12 is the position indicated by the master section 60. good.
- control lines and information lines indicate those that are considered necessary for explanation, and not all the control lines and information lines are necessarily indicated on the product. All configurations may be interconnected.
Abstract
微細作業を行う位置の変動を極力抑制しつつ微細作業の動作範囲を確保する。 微細作業用装置１の制御部７０は、微細作業の動作位置である微細作業用マニピュレータ１０の先端位置の移動入力を受け入れ、動作位置を目標位置として、微細作業用マニピュレータ１０及びロボット部２０の駆動量を算出して駆動量に基づいて微細作業用マニピュレータ１０及びロボット部２０の動作を制御する。
Description
本発明は、微細作業用装置に関する。
整形外科や形成外科に係る手術や欠損部再建手術等における、直径０．５ないし２ｍｍ程度の細い血管や神経、リンパ管の吻合など、微細な手術対象に対して顕微鏡下で手術を行う、いわゆるマイクロサージャリーは、手術対象が小さいため、極めて精密で正確な作業が要求され、手術は熟練を要するものとなっている。また、手術はその困難性から長時間に及ぶものとなりやすく、そうした長時間にわたる手術の場合、術者の負担も大きくなる。こういった点から、マイクロサージャリーは、その必要性に比較して手術可能な術者が限られ、頻繁に手術を実施することはできなかった。
ここで、近年技術的に大幅に進歩したマニピュレータ（ロボット）の活用を検討すると、マスタスレーブマニピュレータは人の動きをそのまま再現するだけに留まらず、人の動きを縮小した動作が可能であり、精密に動作するマニピュレータで手術に係る動作を肩代わりすれば、手ぶれ等の影響を排除して精度を確保した上で、術者の負担を減らし、手術の能率向上が期待できる。
そこで、本発明者等は、遠隔操作で作業に係る動作を適切に行わせて効率よく作業支援が行え、作業者の負担を軽減可能な微細作業支援システム、及びこれに用いる微細作業用マニピュレータを提案した（特許文献１参照）。
特許文献１に開示された微細作業用マニピュレータは、先端部に設けられた鉗子をパラレルリンク機構により動作させていた。ここで、パラレルリンク機構には一定の動作可能範囲があり、その動作可能範囲を超えると先端部の鉗子を思い通りに動かせなくなり、最終的には止まってしまう。そうなる前に、パラレルリンク機構を支持するロボット部を回転させてパラレルリンク機構が初期位置に近づくよう動かすと、先端部の鉗子の動作範囲が確保され、止まることなく微細作業を継続的に行うことができる。
特許文献１に開示された技術において、パラレルリンク部は６自由度あるが、ロボット部は小型化を目的とするため４自由度の構成となる。４自由度の内容は極座標系で回転方向３自由度＋動径方向併進１自由度となり、６自由度とするために必要な、動径に垂直な２方向の併進は動かない。
このことより、ロボット部を動かしてパラレルリンク機構を初期位置となるようにしても、前記の２方向併進を動かすことができないので、鉗子の先端位置が移動してしまう。
しかし、本微細作業装置は微細な作業をするため前記の２方向併進の変位は最大でも±１５ｍｍ程度であり、さほど大きくはない。
ロボット部を動かすことにより先端部の鉗子部が動いてしまうと、微細作業に影響が生じるが、このさほど大きくない２方向併進の移動をパラレルリンク機構の動作で補正することにより先端部の鉗子はこの補正により動かない。またパラレルリンク機構がほぼ初期位置と変わらない状態となり、先端部の鉗子の動作範囲が確保されることになる。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、微細作業を行う位置の変動を起こさずに微細作業の動作範囲を確保することが可能な微細作業用装置を提供することにある。
上記課題を解決すべく、本発明の一つの観点に従う微細作業用装置は、人に代わって作業対象に対し微細作業に係る所定動作を実行する微細作業用装置であって、微細作業を行い所定の動作範囲を有する微細作業用マニピュレータと、微細作業用マニピュレータを支持し動作範囲より広い動作範囲を有するロボット部と、微細作業用マニピュレータ及びロボット部の駆動を制御する制御装置とを有し、制御装置は、微細作業の動作位置である微細作業用マニピュレータの先端位置の移動入力を受け入れ、動作位置を目標位置として、微細作業用マニピュレータ及びロボット部の駆動量を算出して駆動量に基づいて微細作業用マニピュレータ及びロボット部の動作を制御することを特徴とする。
本発明によれば、微細作業を行う位置の変動を起こさずに微細作業の動作範囲を確保することが可能な微細作業用装置を実現することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
なお、実施形態を説明する図において、同一の機能を有する箇所には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
本実施形態では、微細作業としてのマイクロサージャリーに対応した手術支援用の微細作業用マニピュレータが適用された微細作業用装置について説明する。
本実施形態に係る微細作業用装置１は、図１～図４及び図８に示すように、微細作業用マニピュレータ１０と、この微細作業用マニピュレータ１０が先端部に取り付けられたロボット部２０と、このロボット部２０を下方から支持する基台３０と、同様に基台３０に取り付けられ、手術対象を撮像する撮像部４０と、撮像部４０で取得された手術対象の画像を拡大して使用者に視認可能に表示する表示部５０と、使用者からの入力指示を受けるマスタ部６０と、使用者により動かされるマスタ部６０に対応させて微細作業用マニピュレータ１０及びロボット部２０を動かす制御を行う制御部７０とを備える
マスタ部６０は、使用者の操作を受ける図略の操作入力部と、この操作入力部を移動可能に支持しつつ、操作入力部の位置及び向きの情報を取得可能とする支持機構部６１とを備える。
ロボット部２０は、回転３自由度及び半径方向への併進１自由度を有する。ロボット部２０は、モータ２１及びモータ２１の回転角を検出するエンコーダ部２２を有する（図１～図４では図略、図８参照）。図示例では基台３０に一対のロボット部２０及び微細作業用マニピュレータ１０が設けられているが、ロボット部２０及び微細作業用マニピュレータ１０の個数に特段の制限はない。
撮像部４０は、後述する微細作業用マニピュレータ１０のエンドエフェクタの先端作動部及び手術対象を撮像するものであり、例えばロボット部２０の上方等で微細作業用マニピュレータ１０の少なくとも先端部及び手術対象を俯瞰可能な位置に配置されている。この撮像部４０は、従来のマイクロサージャリー用顕微鏡で見るのと同様の倍率まで拡大しても再現性を確保できる、高解像度の撮像画像を取得可能な公知のビデオカメラであり、従ってここでは詳細な説明を省略する。
表示部５０は、撮像部４０で取得された手術対象の画像を必要に応じ拡大して使用者に視認可能に表示するものである。この表示部は撮像により得られた画像を高解像度で表示可能な液晶ディスプレイなどの公知の表示装置であり、従ってここでは詳細な説明を省略する。
基台３０は図略の移動機構を有し、この基台３０に設けられた微細作業用マニピュレータ１０、ロボット部２０及び撮像部４０を含めて図略の手術室の床上を、制御部７０からの移動支持に基づいて所定の位置に移動可能に構成されている。これにより、本実施例の微細作業用装置１は、図１に示す手術対象である患者２が横臥する手術台３に対して接近、離隔可能にされ、さらに、患者２の手術箇所に微細作業用マニピュレータ１０の少なくとも先端部を配置することができる。
次に、図５～図７を参照して、微細作業用マニピュレータ１０について説明する。
微細作業用マニピュレータ１０は、ロボット部２０に支持される図略のベースと、手術対象又は手術用器具を取り扱うエンドエフェクタ１２と、並列に配置される六つのリンク１３と、ベースに支持されて各リンク１３を動かす六つのリニアアクチュエータ１４とを有する。
これらベース、エンドエフェクタ１２、リンク１３、及びリニアアクチュエータ１４が、リンク１３毎にリニアアクチュエータ１４でリンク１３の一端部を直線移動させて、リンク１３の他端部に連結したエンドエフェクタ１２を動かす、６自由度のパラレルリンク機構を構成している。
パラレルリンク機構は、手術対象又は手術用器具を取り扱うエンドエフェクタ１２の位置及び向きをベースに対し所定範囲内で可変とするものであるが、６自由度を有することで、先端のエンドエフェクタ１２に手で支持する場合と同等の動きを与えられる
リニアアクチュエータ１４は、コイル１５ｂを可動子１５の一部とすると共に、永久磁石１６ａを固定子１６の一部とする、コイル可動型のリニアモータである。固定子１６には、可動子１５の移動量を検出するセンサ部１６ｃ（図５～図７において図略、図８参照）が設けられている。
可動子１５は、ベースに対し直線移動可能に配設される直動スライダ１５ａと、この直動スライダ１５ａに対してその移動方向が平行する向きで一体に取り付けられた細い円筒状配置のコイル１５ｂと、コイル１５ｂの先端に取り付けられ、このコイル１５ｂと直動スライダ１５ａとを連結する連結部材１５ｃとを有する。可動子１５における直動スライダ１５ａの先端に、リンク１３の一端部が連結部材１５ｃを介して連結固定され、このリンク１３の一端部が直動スライダ１５ａをはじめとする可動子１５と共に直線移動することとなる。
固定子１６は、可動子１５のコイル１５ｂより太く且つ短い円筒状に形成され、図略の固定手段によりベースに固定された永久磁石１６ａを有する。
固定子１６では、ベースに固定された円筒状の永久磁石１６ａが、可動子１５のコイル１５ｂと筒軸方向を一致させ、且つコイル１５ｂが永久磁石１６ｂの筒内空間部分を移動可能に貫通する配置状態とされる。
このようにリニアアクチュエータ１４をリニアモータとしていることで、ボールねじなどの他の直動機構と比べて、機械的な可動部分を削減できる上、摺動や転動を伴う接触部分を減らすことができ、バックラッシも生じさせず、機構としての信頼性を高めると共に、摩擦抵抗を減らして駆動に要する電力消費を抑えられることとなる。
可動子１５及び固定子１６からなるリニアモータであるリニアアクチュエータ１４は、それぞれ可動子１５の移動方向を互いに平行としつつ、この可動子１５の移動方向と平行となり、且つリニアアクチュエータ１４の長手方向に延びる所定の仮想中心線の周りに、固定子１６の永久磁石１６ａ及び可動子１５のコイル１５ｂが最も仮想中心線に近い側となり、且つ仮想中心線の周りで各永久磁石１６ａ同士及び各コイル１５ｂ同士が等間隔となる配置で、並べて配設された状態となっている。
なお、固定子１６をなす永久磁石１６ａは、その筒内空間部分を貫通して一組のリニアモータをなすコイル１５ｂ以外の他コイル１５ｂにも近付いた配置となっているが、固定される永久磁石１６ａは、コイル１５ｂとは異なり磁場の変動がないことから、他の各コイル１５ｂの移動に対し磁気的影響を与えるものとはならない。
リニアアクチュエータ１４をなす各リニアモータの可動子１５及び固定子１６を仮想中心線周りに並べた配置しているので、微細作業用マニピュレータ１０のリニアアクチュエータ部分をコンパクトな構造にまとめることができる。さらに、機械構造上、固定磁場を変動させる可動子１５のコイル１５ｂの端部が固定子１６の永久磁石１６ａにさほど近付かないので、可動子１５の移動に対してコギングの原因となる磁場の変動を抑制でき、リニアアクチュエータ１４のスムースな動作を実現することができる。
リンク１３は、剛性が高く変形しない略棒状の二つの部材を長手方向に連結して組み合わせた棒状体の両端に、リニアアクチュエータ１４や回動支持部１７と連結するための複数自由度の継手１３ａ、１３ｂをそれぞれ配設した構成である。このリンク１３では、棒状体をなす略棒状部材同士は互いに回転可能に連結しており、リンク１３の一端寄り部分と他端寄り部分との間には、互いに長手方向と平行な軸回りの回転の自由度を付与した構造である。
リンク１３の一端部の継手１３ａは、互いに直交する二つの軸回りの各回転の自由度を有する構造を有して、リニアアクチュエータ１４の直動スライダ１５ａ端部に連結されている。また、リンク１３の他端部の継手１３ｂは、前記同様の互いに直交する二つの軸回りの各回転の自由度を有する構造を有して、回動支持部１７と連結されている。
リンク１３の一端寄り部分と他端寄り部分との間に回転の自由度を付与していることと、リンク１３両端部における二つの回転の自由度を有する各継手１３ａ、１３ｂによる連結とにより、各リンク１３は、連結されるリニアアクチュエータ１４や回動支持部１７に対し、球継手を用いて連結した場合と同様に自由に向きを変化させることができる。そして、こうしたリンク１３をリニアアクチュエータ１４と回動支持部１７との間に配置するリンク機構を、六つのリンク１３を並列させたパラレルリンク機構としていることで、ベースに対し、回動支持部１７、及び回動支持部１７の先端部に設けられたエンドエフェクタ１２の位置及び向きの変化に係る様々な動きを、人の手でエンドエフェクタ１２を支持した場合と同様の、互いに直交する三つの軸方向への移動の３自由度と、前記三つの軸回りの各回転の３自由度とを合わせた６自由度で許容できる仕組みである。
次に、図９～図１４を参照して、本実施形態の微細作業用装置１の動作、特にロボット部２０と微細作業用マニピュレータ１０の動作について説明する。
上述したように、微細作業用マニピュレータ１０のパラレルリンク機構は６自由度を有する。従って、基台３０を所定位置に移動させ、ロボット部２０により微細作業用マニピュレータ１０の３次元的位置及び回転位置を所定位置に固定した後、エンドエフェクタ１２による微細作業を行う際は、主に６自由度を有するパラレルリンク機構の動作によってのみ行うことができる。しかしながら、パラレルリンク機構の動作可能範囲には一定の制限があり、この動作可能範囲を超えてエンドエフェクタ１２の先端を移動させる際には、ロボット部２０により微細作業用マニピュレータ１０そのものの位置を変更しつつ、パラレルリンク機構を初期位置、つまり微細作業用マニピュレータ１０の中心軸に対称な位置に戻す必要がある。
図９は、パラレルリンク機構が動作可能範囲近傍にある微細作業用マニピュレータ１０を示す図である。図において、エンドエフェクタ１２は図中左下方向においてパラレルリンク機構の動作可能範囲近傍にあり、エンドエフェクタ１２をさらに図中左下方向に移動させるには、パラレルリンク機構を初期位置に戻しつつロボット部２０を動作させて、パラレルリンク機構を初期位置に戻したことによりエンドエフェクタ１２の先端位置の移動を補償する必要がある。
図１０に示す例では、図９に示す微細作業用マニピュレータ１０の位置（図中Ａで示す）からロボット部２０を動作させることで微細作業用マニピュレータ１０を図中左回り方向（反時計方向）に回転移動させつつ（回転移動した位置を図中Ｂで示す）、パラレルリンク機構を初期位置に戻している。これにより、図１１に示すように、パラレルリンク機構の動作範囲を再度確保している。
しかしながら、本実施形態の微細作業用装置１においてロボット部２０は回転３自由度及び半径方向への併進１自由度を有するのみであるので、図１２及び図１３に示すように、パラレルリンク機構を初期位置に戻しつつロボット部２０により微細作業用マニピュレータ１０を回転移動するのみでは、エンドエフェクタ１２の位置が平行移動してしまうことがある（図中平行移動をＣで示す）。
そこで、本実施形態の微細作業用装置１では、エンドエフェクタ１２の位置が平行移動しないように、微細作業用マニピュレータ１０とロボット部２０とを連動させている。図１４に示す例では、エンドエフェクタ１２の先端位置を移動させないように、つまり、エンドエフェクタ１２の先端位置を制御目標位置として、パラレルリンク機構を初期位置近くに戻しつつ、ロボット部２０により微細作業用マニピュレータ１０を回転移動させている。
これにより、微細作業を行うエンドエフェクタ１２の位置の変動を極力抑制しつつ、微細作業用マニピュレータ１０による微細作業の動作範囲を確保することが可能な微細作業用装置１を実現することができる。
図１５は、本実施形態の微細作業用装置１の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、使用者はマスタ部６０を操作することで、微細作業用装置１による操作入力指示を行い、制御部７０はこの操作入力指示を受け入れる（ステップＳ１０）。
次いで、制御部７０は、操作入力指示に基づいてエンドエフェクタ１２の先端の目標となる座標位置及び回転角を算出する（ステップＳ１１）。そして、制御部７０は、ステップＳ１１で算出したエンドエフェクタ１２の先端の座標位置に基づき、ロボット部２０及び微細作業用マニピュレータ１０の動作の分配を決定する（ステップＳ１２）。
ステップＳ１２の作業において、制御部７０は、エンドエフェクタ１２の先端の目標となる座標位置及び回転角にエンドエフェクタ１２を位置させるために、ロボット部２０及び微細作業用マニピュレータ１０の動作を分配する。分配の手法は任意であり、例えば、微細作業用マニピュレータ１０の動作（すなわちパラレルリンク機構の動作）のみで実現してもよいし、微細作業用マニピュレータ１０及びロボット部２０の協働作業により実現してもよいし、ロボット部２０の動作のみで行ってもよい。
ステップＳ１２の動作の詳細について一例を挙げて説明する。制御部７０は、エンドエフェクタ１２の先端の目標となる座標位置及び回転角にエンドエフェクタ１２を位置させるために、まず、微細作業用マニピュレータ１０のパラレルリンク機構のみを移動させる条件で、ロボット部２０及び微細作業用マニピュレータ１０の動作を分配する。そして、分配した微細作業用マニピュレータ１０の座標位置及び回転角が、微細作業用マニピュレータ１０のパラレルリンク機構の動作リミットに対してある閾値まで近付いたか否かを判定する。閾値の一例としては、パラレルリンク機構を構成する継手１３ａ、１３ｂが互いに干渉する角度の５度手前である、隣り合うパラレルリンク機構のリンク１３の間隔が３ｍｍ以内である、などが挙げられる。
そして、閾値に近付いたと判断したら、制御部７０は、微細作業用マニピュレータ１０のパラレルリンク機構を初期位置に戻すべく微細作業用マニピュレータ１０のパラレルリンク機構の座標位置及び回転角を決定する一方、ロボット部２０を動作させてエンドエフェクタ１２の先端の目標となる座標位置及び回転角にエンドエフェクタ１２を位置させるべく、ロボット部２０の座標位置及び回転角を決定する。
この際、ロボット部２０の動作スピードを、このロボット部２０を構成するモータの出力１００％に設定するとエンドエフェクタ１２の先端部が振動してしまう可能性がある。一方、ロボット部２０の動作スピードを遅くしすぎると、マスタ部６０による操作は継続して行われているので、微細作業用マニピュレータ１０のパラレルリンク機構が早々に動作リミットに達してしまう可能性がある。そこで、ロボット部２０の動作スピードを、一例として１０％～６０％の範囲で可変に設定し、微細作業用マニピュレータ１０による動作内容に応じて操作者が設定できるようにすることが好ましい。
その後、制御部７０は、ロボット部２０の座標位置及び回転角を算出し（ステップＳ１３）、ロボット部２０のモータ２１の駆動量を算出し（ステップＳ１４）、算出した駆動量に基づいてロボット部２０のモータ２１を駆動し（ステップＳ１５）、エンコーダ部２２からの出力値に基づいてロボット部２０の駆動量を記憶する（ステップＳ１６）。この後、ステップＳ１２におけるロボット部２０及び微細作業用マニピュレータ１０の動作の分配において、制御部７０はステップＳ１６において記憶したロボット部２０の駆動量に基づくフィードバック制御を行う。
一方、制御部７０は、微細作業用マニピュレータ１０の座標位置及び回転角を算出し（ステップＳ１７）、微細作業用マニピュレータ１０のリニアアクチュエータ１４の駆動量を算出し（ステップＳ１８）、算出した駆動量に基づいて微細作業用マニピュレータ１０のリニアアクチュエータ１４を駆動する（ステップＳ１９）。
なお、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。
一例として、上述の実施形態では、微細作業用マニピュレータ１０はロボット部２０及び基台３０に取り付けられていたが、微細作業用マニピュレータ１０の手術対象に対する位置等の粗調整は、微細作業用マニピュレータ１０を支持用のスタンドやアーム等にいったん取り付けて支持した状態で、エンドエフェクタ１２が手術対象に向くと共に手術対象と適切な間隔をなすように、人の手でスタンドやアーム等を動かして調整を行う構成としてもよい。
また、上述の実施形態では、微細作業用マニピュレータ１０及びロボット部２０の動作の分配を次々で行っていたが、例えば、マスタ部６０に、微細作業用マニピュレータ１０を初期位置に戻すフットスイッチを設けておき、フットスイッチの操作により微細作業用マニピュレータ１０を初期位置に戻すとともに、エンドエフェクタ１２の先端位置をマスタ部６０による指示位置にすべくロボット部２０の座標位置及び回転角を設定してもよい。
上述の実施例において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。
１…微細作業用装置 １０…微細作業用マニピュレータ １２…エンドエフェクタ １３…リンク １４…リニアアクチュエータ １５…可動子 １５ａ…直動スライダ １５ｂ…コイル １６…固定子 １６ａ…永久磁石 ２０…ロボット部 ７０…制御部
Claims (11)
- 人に代わって作業対象に対し微細作業に係る所定動作を実行する微細作業用装置において、
前記微細作業用装置は、前記微細作業を行い所定の動作範囲を有する微細作業用マニピュレータと、前記微細作業用マニピュレータを支持し前記動作範囲より広い動作範囲を有するロボット部と、前記微細作業用マニピュレータ及び前記ロボット部の駆動を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、前記微細作業の動作位置である前記微細作業用マニピュレータの先端位置の移動入力を受け入れ、前記動作位置を目標位置として、前記微細作業用マニピュレータ及び前記ロボット部の駆動量を算出して前記駆動量に基づいて前記微細作業用マニピュレータ及び前記ロボット部の動作を制御する
ことを特徴とする微細作業用装置。 - 前記制御装置は、前記微細作業用マニピュレータの前記動作範囲を超えないように、前記微細作業用マニピュレータ及び前記ロボット部の前記駆動量を算出して前記駆動量に基づいて前記微細作業用マニピュレータ及び前記ロボット部の動作を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の微細作業用装置。 - 前記制御装置は、前記微細作業用マニピュレータのみでその先端位置にまで前記微細作業用マニピュレータを動作させた際にこの微細作業用マニピュレータが前記動作範囲に達すると判断したら、前記動作位置を前記目標位置として、前記微細作業用マニピュレータ及び前記ロボット部の前記駆動量を算出して前記駆動量に基づいて前記微細作業用マニピュレータ及び前記ロボット部の動作を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の微細作業用装置。 - 前記制御装置は、前記微細作業用マニピュレータのみでその先端位置にまで前記微細作業用マニピュレータを動作させた際にこの微細作業用マニピュレータが前記動作範囲に達すると判断したら、前記微細作業用マニピュレータを前記動作範囲内に動作させるとともに前記ロボット部により前記微細作業用マニピュレータを前記動作位置にまで移動させるように、前記微細作業用マニピュレータ及び前記ロボット部の前記駆動量を算出して前記駆動量に基づいて前記微細作業用マニピュレータ及び前記ロボット部の動作を制御する
ことを特徴とする請求項３に記載の微細作業用装置。 - 前記制御装置は、前記微細作業用マニピュレータの前記動作範囲に対する閾値を持ち、前記微細作業用マニピュレータが前記閾値に達すると判断したら前記動作範囲に達すると判断する
ことを特徴とする請求項３または４に記載の微細作業用装置。 - 前記微細作業用マニピュレータは、
前記作業対象の存在する空間における所定箇所に支持されるベースと、前記作業対象又は作業用器具を取り扱うエンドエフェクタと、前記ベースと前記エンドエフェクタとの間に並列に配置される複数のリンクとを有し、前記エンドエフェクタの位置及び向きを前記ベースに対し所定範囲内で可変とする、３以上の複数自由度のパラレルリンク機構を備え、
前記パラレルリンク機構は、前記ベースに支持された複数のリニアアクチュエータで前記リンク毎にその一端部を直線移動させて、前記各リンク他端部に連結した前記エンドエフェクタを動かす
ことを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の微細作業用装置。 - 前記パラレルリンク機構は、前記微細作業用マニピュレータの中心軸に対称な位置である初期位置を有し、
前記制御装置は、前記微細作業用マニピュレータが前記動作範囲に達すると判断したら、前記パラレルリンク機構を前記初期位置に移動させるように前記微細作業用マニピュレータの前記駆動量を算出するとともに、その時点での前記微細作業用マニピュレータの先端位置が移動しないように前記ロボット部の前記駆動量を算出する
ことを特徴とする請求項６に記載の微細作業用装置。 - 前記ロボット部は、その先端に前記微細作業用マニピュレータが取り付けられ、この微細作業用マニピュレータを回転３自由度及び半径方向への併進１自由度で支持することを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の微細作業用装置。
- 前記パラレルリンク機構が、前記リニアアクチュエータ及び前記リンクを６つ以上並列配置した、６自由度以上の機構とされることを特徴とする請求項６に記載の微細作業用装置。
- 前記リニアアクチュエータが、コイルを可動子の一部とすると共に、永久磁石を固定子の一部とする、コイル可動型のリニアモータとされ、
前記可動子が、前記ベースに対して直線移動可能に取り付けられた直動スライダと、当該直動スライダに一体に取り付けられた円筒状の前記コイルとを有し、当該コイルが、その軸方向を前記直動スライダの移動方向に平行する向きで配置され、
前記固定子が、前記コイルより短い円筒状の前記永久磁石を有し、当該永久磁石が、前記コイルと筒軸方向を一致させ、且つ前記コイルが前記永久磁石の筒内空間部分を移動可能に貫通する配置状態とされていることを特徴とする請求項６、７または９に記載の微細作業用装置。 - 前記リニアモータが、それぞれ前記可動子の移動方向を互いに平行としつつ、当該可動子の移動方向と平行となる所定の仮想中心線の周りに、前記永久磁石が最も前記仮想中心線に近い側となる配置で並べられていることを特徴とする請求項１０に記載の微細作業用装置。
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