JP5017076B2 - マニピュレータシステム及びマニピュレータの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータによって駆動されて姿勢が変化する作用部を備えるマニピュレータと、該マニピュレータを制御する制御部とを有するマニピュレータシステム及びマニピュレータの制御方法に関する。

腹腔鏡下手術においては、患者の腹部等に小さな孔をいくつかあけて内視鏡、鉗子（又はマニピュレータ）等を挿入し、術者が内視鏡の映像をモニタで見ながら手術を行っている。このような腹腔鏡下手術は、開腹を必要としないため患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減されることから、適用分野の拡大が期待されている。

マニピュレータシステムは、例えば特許文献１に記載されているように、マニピュレータ本体と、該マニピュレータ本体を制御する制御装置とから構成される。マニピュレータ本体は、人手によって操作される操作部と、操作部に対して交換自在に着脱される作業部とから構成される。

作業部は長い連結シャフトと、該連結シャフトの先端に設けられた先端動作部（エンドエフェクタとも呼ばれる。）とを有し、ワイヤによって先端の作業部を駆動するモータが操作部に設けられている。ワイヤは基端側でプーリに巻き掛けられている。制御装置は、操作部に設けられたモータを駆動して、プーリを介してワイヤを循環駆動する。

ところで、腹腔鏡下手術では、手技に応じて多様な作業部が用いられ、例えばグリッパ、はさみ、電気メス、超音波メス、医療用ドリル等が挙げられる。これらの作業部は操作部に対して着脱自在に構成され、装着時には作業部基端側のプーリが操作部に設けられたモータの回転軸に係合するように構成されている。

このように、１つの操作部に対して複数の異なる作業部を接続することを前提としているシステムの場合、すべての作業部が唯一共通して着脱のできる姿勢となるモータ位相を設定する必要がある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。これを原点（又は初期位置）としている。

前記の通り、モータと作業部との間はワイヤ等の伝達部材により接続されていることから、モータの側を原点に復帰させてもワイヤの不可避的な伸びや各部の摩擦等によりグリッパ側は完全には原点に復帰せず、偏差が残ることがある。

このような偏差を防止するためには、例えばモータ側ではなく、作業部に相当する箇所にセンサを設けて（例えば、特許文献３及び特許文献４参照）、該センサの検出値により作業部が原点に復帰するようにフィードバック制御をするとよい。

特開２００４−１０５４５１公報 特開平８−７１０７２号公報 特開２００２−２６１４９６号公報 特開２００６−１４９４６８号公報

医療用マニピュレータでは、作業部は体腔内に挿入されることに基づいて、いくつかの望ましい設計条件がある。すなわち、できるだけ小型軽量であること、操作部に対して交換自在であること、洗浄・滅菌が容易であること、電気メス等を除いて電気機器が存在しないこと等である。

一方、作業部を原点に確実に復帰させるためには前記の特許文献３及び特許文献４記載の発明が挙げられるが、該発明では作業部に相当する箇所にセンサを設けている。このようなセンサを医療用マニピュレータに適用すると、作業部が大きく且つ重くなり、特に先端部の重量が重くなるとモーメントが大きくなるため操作性が低下する。また、電気的接続の必要性から操作部に対する交換が容易でなくなり、しかも洗浄・滅菌が困難となる。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、作業部にセンサ等の電気機器を用いることなく、該作業部を確実に原点復帰させることのできるマニピュレータシステム及びマニピュレータの制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係るマニピュレータシステムは、アクチュエータによって駆動されて姿勢が変化する作用部を備えるマニピュレータと、該マニピュレータを制御する制御部とを有するマニピュレータシステムであって、前記制御部は、原点復帰動作として、前記作用部を動作範囲の一端に移動させる際、前記アクチュエータに対して、前記一端を超える仮想位置を第１制御目標値として出力し、その後、前記一端の位置を第２制御目標値として出力することを特徴とする。

本発明に係るマニピュレータの制御方法は、アクチュエータによって駆動されて姿勢が変化する作用部を備えるマニピュレータの制御方法であって、原点復帰動作として、前記作用部を動作範囲の一端に移動させる際、前記アクチュエータに対して、前記一端を超える仮想位置を第１制御目標値として出力する第１工程と、前記第１工程の後、前記一端の位置を第２制御目標値として出力する第２工程とを有することを特徴とする。

このように、一度、仮想位置を第１制御目標値として出力すると、作用部は確実に動作範囲の一端に達する。これにより、作用部にセンサ等の電気機器を用いることなく、該作用部を確実に原点復帰させることができる。このままでは、作用部、アクチュエータ及び動力の伝達部材に応力が残っているので、その後、一端の位置を第２制御目標値として出力することにより、該応力を除去することができる。

本発明に係るマニピュレータシステム及びマニピュレータの制御方法によれば、一度、仮想位置を第１制御目標値として出力すると、作用部は確実に動作範囲の一端に達する。これにより、作用部にセンサ等の電気機器を用いることなく、該作用部を確実に原点復帰させることができる。このままでは、作用部、アクチュエータ及び動力の伝達部材に応力が残っているので、その後、一端の位置を第２制御目標値として出力することにより、該応力を除去することができる。

また、本発明では、マニピュレータにおけるアクチュエータと作用部との間が、不可避的に伸びるワイヤ等や摩擦を生じる伝達部材で接続されていても、作用部を相当正確に原点に復帰させ、偏差を抑制することができる。

以下、本発明に係る実施形態として医療用のマニピュレータシステム５００について添付の図１〜図１４を参照しながら説明する。マニピュレータシステム５００（図１参照）は、腹腔鏡下手術等に用いられるものである。

図１に示すように、マニピュレータシステム５００は、マニピュレータ１０と、該マニピュレータ１０を制御するコントローラ５１４とを有する。マニピュレータ１０とコントローラ５１４との接続部には着脱可能なようにコネクタが設けられている。

マニピュレータ１０は、先端動作部１２に生体の一部又は湾曲針等を把持して所定の処置を行うためのものである。マニピュレータ１０は、基本構成として操作部（第１部分）１４と作業部（第２部分）１６とを有する。コントローラ５１４は、マニピュレータ１０の電気的な制御をするものであり、グリップハンドル２６の下端部から延在するケーブル６１に対してコネクタを介して接続されている。

図２に示すように、マニピュレータシステム５００は、選択的に種々の構成を採りうる。すなわち、作業部１６は、バリエーションとして作業部１６ａ〜１６ｄが用意されている。操作部１４に対し、作業部１６ａに代えて作業部１６ｂ、１６ｃ及び１６ｄを装着することができる。すなわち、術者は手技の種類や慣れ等に応じて作業部１６ａ〜１６ｄを選択することができる。このうち、作業部１６ｂは先端動作部１２がはさみとなっている。作業部１６ｃは先端動作部１２がブレード型電気メスとなっている。作業部１６ｄは先端動作部１２がフック型電気メスとなっている。各作業部１６ａ〜１６ｄは、接続部１５内のプーリ（従動体）５０ａ、５０ｂ及び５０ｃ（図１参照）は共通の構成となっている。

次に、操作部１４及び作業部１６ａとを有するマニピュレータ１０について説明する。

マニピュレータ１０は、先端動作部１２に生体の一部又は湾曲針等を把持して所定の処置を行うためのものであり、通常、把持鉗子やニードルドライバ（持針器）等とも呼ばれる。

図１及び図３に示すように、マニピュレータ１０は、人手によって把持及び操作される操作部１４と、該操作部１４に対して着脱自在な作業部１６とを有する。

以下の説明では、図１における幅方向をＸ方向、高さ方向をＹ方向及び、連結シャフト４８の延在方向をＺ方向と規定する。また、右方をＸ１方向、左方をＸ２方向、上方向をＹ１方向、下方向をＹ２方向、前方をＺ１方向、後方をＺ２方向と規定する。さらに、特に断りのない限り、これらの方向の記載はマニピュレータ１０が中立姿勢である場合を基準として表すものとする。これらの方向は説明の便宜上のものであり、マニピュレータ１０は任意の向きで（例えば、上下を反転させて）使用可能であることはもちろんである。

作業部１６は、作業を行う先端動作部１２と、操作部１４のアクチュエータブロック３０に対して接続される接続部１５と、これらの先端動作部１２と接続部１５とを連接する長尺で中空の連結シャフト４８とを有する。作業部１６は、アクチュエータブロック３０における所定の操作によって操作部１４から離脱可能であって、洗浄、滅菌及びメンテナンス等を行うことができる。

先端動作部１２及び連結シャフト４８は細径に構成されており、患者の腹部等に設けられた円筒形状のトラカール２０から体腔２２内に挿入可能であり、操作部１４の操作により体腔２２内において患部切除、把持、縫合及び結紮等の様々な手技を行うことができる。

操作部１４は、人手によって把持されるグリップハンドル２６と、該グリップハンドル２６の上部から延在するブリッジ２８と、該ブリッジ２８の先端に接続されたアクチュエータブロック３０とを有する。

図１に示すように、操作部１４のグリップハンドル２６は、ブリッジ２８の端部からＹ２方向に向かって延在しており、人手によって把持されるのに適した長さであり、入力手段としてのトリガーレバー３２と、複合入力部３４と、スイッチ３６とを有する。

ブリッジ２８の上面（又は側面）における視認しやすい箇所にはＬＥＤ２９が設けられている。ＬＥＤ２９は、マニピュレータ１０の制御状態を示すインジケータであり、操作者が容易に認識可能な大きさであり、且つ操作に支障がない程度に十分に小型軽量である。ＬＥＤ２９は、ブリッジ２８の上面における略中央部で、視認性のよい位置に設けられている。

グリップハンドル２６の下端には、コントローラ５１４に接続されるケーブル６１が設けられている。グリップハンドル２６とケーブル６１とは一体的に接続されている。グリップハンドル２６とケーブル６１とはコネクタにより接続されていてもよい。

複合入力部３４は、先端動作部１２に対してロール方向（軸回転方向）及びヨー方向（左右方向）の回転指令を与える複合的な入力手段であり、例えば軸回転に動作する第１入力手段によってロール方向指示を行い、横方向に動作する第２入力手段によってヨー方向指示を行うことができる。トリガーレバー３２は、先端動作部１２のグリッパ（作用部）５９（図１参照）の開閉指令を与える入力手段である。つまり、コントローラ５１４は、ロール軸、ヨー軸及びグリッパ軸に対応したモータ４０、４１、４２の角度を示す内部信号を保持しており、複合入力部３４及びトリガーレバー３２の信号に基づいてこれらの内部信号を変化させてモータ４０、４１、４２の角度が一致するように制御をしている。

図３及び図４に示すように、複合入力部３４、トリガーレバー３２には、それぞれ動作量を検出する入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃが設けられており、検出した動作信号をコントローラ５１４に供給する。

トリガーレバー３２は、ブリッジ２８のやや下方でＺ１方向にやや突出したレバーであり、人差し指による操作が容易な位置に設けられている。

トリガーレバー３２は、グリップハンドル２６に対してアーム９８により接続されており、該グリップハンドル２６に対して進退するように構成されている。

スイッチ３６はグリップハンドル２６に対して進退する操作機構であって、トリガーレバー３２とスイッチ３６とはグリップハンドル２６におけるＺ１方向の面で、グリップハンドル２６の長尺方向（Ｙ方向）に並んで配置されている。スイッチ３６はトリガーレバー３２の直下（Ｙ２方向）に設けられている。スイッチ３６とトリガーレバー３２との間には薄い板材１３０が設けられている。

スイッチ３６はオルタネート式であって、一度手前（Ｚ２方向）に引き込むことによってオン状態にロックされ、操作子３６ａは手前側の位置に保持される。再度スイッチ３６を手前側に引き込むことによってオン状態は解除されてオフ状態となり、図示しない弾性体によって先端側（Ｚ１方向）の位置に復帰する。

マニピュレータ１０の動作状態に係る動作モード又は停止モードはスイッチ３６の操作によって変更される。つまり、コントローラ５１４は、スイッチ３６の状態を読み込み、オン状態であるときに動作モードとし、オン状態からオフ状態に切り換わったときに原点復帰動作としてモータ４０、４１、４２を所定の原点に戻し、原点に戻った後に停止モードとする。動作モードとは、トリガーレバー３２や複合入力部３４の操作に基づいて先端動作部１２を駆動させるモードであり、停止モードとは、先端動作部１２が所定の原点姿勢で停止させるモードである。原点復帰動作については後述する。

これらのモード及び動作はコントローラ５１４によって区別されて制御され、ＬＥＤ２９の点灯状態が切り換えられる。

アクチュエータブロック３０には先端動作部１２が有する３自由度の機構に対応してモータ４０、モータ４１及びモータ４２が連結シャフト４８の延在方向に沿って並列して設けられている。これらのモータ４０、４１及び４２は小型、細径であって、アクチュエータブロック３０はコンパクトな扁平形状に構成されている。アクチュエータブロック３０は、操作部１４のＺ１方向端部の下方に設けられている。また、モータ４０、４１及び４２は、操作部１４の操作に基づき、コントローラ５１４の作用下に回転をする。

モータ４０、４１及び４２には、回転角度を検出することのできる角度センサ（検出手段）４３、４４及び４５が設けられており、検出した角度信号はコントローラ５１４に供給される。角度センサ４３、４４及び４５としては、例えばロータリエンコーダが用いられる。

作業部１６は、アクチュエータブロック３０に対して接続される接続部１５と、該接続部１５からＺ１方向に向かって延在する中空の連結シャフト４８とを有する。接続部１５には、モータ４０、４１及び４２の駆動軸に接続されるプーリ５０ａ、プーリ５０ｂ及びプーリ５０ｃが回転自在に設けられている。プーリ５０ａ〜５０ｃにはそれぞれカップリングが設けられている。

プーリ５０ａ、プーリ５０ｂ及びプーリ５０ｃには、ワイヤ（伝達部材）５２、ワイヤ５３及びワイヤ５４が巻き掛けられており、連結シャフト４８の中空部分４８ａ（図５参照）を通って先端動作部１２まで延在している。ワイヤ５２、ワイヤ５３及びワイヤ５４はそれぞれ同種、同径のものを用いることができる。

作業部１６は、アクチュエータブロック３０における所定の操作によって操作部１４から離脱可能であって、洗浄、滅菌及びメンテナンス等を行うことができる。また、作業部１６は他の形式のもの（図２参照）に交換可能であって、手技に応じて連結シャフト４８の長さの異なるもの、又は先端動作部１２の機構が異なるものを装着することができる。

作業部１６は、操作部１４に対して着脱自在であり、プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃの中心穴に対して、モータ４０、４１及び４２の回転軸４０ａ、４１ａ及び４２ａが嵌合するように構成されている。プーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃのＹ２方向下端にはそれぞれ十字状の結合凸部が設けられ、回転軸４０ａ、４１ａ及び４２ａには十字状の結合凹部が設けられている。結合凸部と結合凹部は互いに係合可能に形成されており、モータ４０、４１及び４２の回転がプーリ５０ａ、５０ｂ及び５０ｃに対して確実に伝達される。これらの係合部は十字形状に限られない。

接続部１５には、作業部を個体識別することのできるＩＤ（識別子）を保持するＩＤ保持部１０４が設けられている。

ＩＤ保持部１０４は、例えばＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）等の無線式、バーコード、マトリックス型二次元コード等の光学式等の非接触検出式、又は小突起列等の接触式で構成するとよい。

ＩＤ保持部１０４の保持するＩＤは、作業部１６ａ〜１６ｄ毎に識別が可能なように異なる値が付与されている。

ところで、ＩＤ保持部１０４は直接的な通電の必要がなく、接続部１５及び作業部１６には電気的接点やセンサ類がない。したがって、操作部１４から取り外した作業部１６は洗浄、滅菌等を容易に行うことができる。つまり、モータやスイッチ、センサ等の電気機器をすべて操作部１４側に配し、連結シャフト４８及び先端動作部１２を有する機械構成部品を作業部１６側に配することで洗浄性を向上させている。作業部１６と操作部１４では汚れ具合、汚れ種類、洗浄方法が異なり、異なるメンテナンスが行われるため、離脱可能にすることが好適である。マニピュレータ１０では、作業部１６に電気機器を設ける必要がなく、操作部１４に対する交換が容易である。

また、先端動作部１２は、電気機器を設ける必要がないことから小型、細径及び軽量であって、しかも先端重量が小さいことからモーメントが小さく、マニピュレータ１０の操作性が向上する。

操作部１４は、接続された作業部１６のＩＤ保持部１０４における情報を読取ってコントローラ５１４に供給するＩＤ中継部（識別手段）１０６を有する。ＩＤ中継部１０６は、例えば、カメラやＲＦＩＤ用の送受信回路又はフォトカプラー等により構成される。

接続部１５を操作部１４から取り外す場合には、アクチュエータブロック３０の両側面に設けられたレバー２０６を押してそれぞれ外方に開くように傾動させ、該レバー２０６の楔部２０６ａを、接続部１５の両側面に設けられた係合片２００から解放する。これにより接続部１５を操作部１４から上方（Ｙ１方向）に引き抜き、取り外しが可能となる。アクチュエータブロック３０の上面には３本のアライメントピン２１２が設けられており、接続部１５に設けられた嵌合孔２０２に嵌合することにより該接続部１５を安定して保持可能である。接続部１５を操作部１４に取り付ける場合には、３本のアライメントピン２１２がそれぞれ嵌合孔２０２に嵌合するように合わせて、接続部１５を下方（Ｙ２方向）に押し下げる。これにより、レバー２０６は一旦外方に拡がり、その後原位置に戻ることにより係合片２００に係合して、接続が完了する。

接続部１５が載置されるアクチュエータブロック３０の上面３０ｂにおいて、Ｚ２方向の端部近傍には、接続部１５の有無を検出する作業部検出手段１０７が設けられている。作業部検出手段１０７は、対向する位置に設けられた投光器１０７ａと受光器１０７ｂとを有し、該投光器１０７ａと該受光器１０７ｂとの間に接続部１５の後端の一部が挿入されて遮光することにより該接続部１５が装着されたことを検出できる。投光器１０７ａと受光器１０７ｂは、Ｘ方向に対向する向きで且つ近接した位置に設けられている。投光器１０７ａは例えばＬＥＤであり、受光器１０７ｂは例えばフォトダイオードである。

図５及び図６に示すように、先端動作部１２はＹ方向の第１回転軸Ｏｙを中心にして、それよりも先の部分がヨー方向に回動する第１自由度の機構（傾動機構、ピボット軸）と、第２回転軸Ｏｒを中心にしてロール方向に回動する第２自由度の機構（ロール回転機構）と、第３回転軸Ｏｇを中心として先端のグリッパ５９を開閉させる第３自由度とを有する合計３自由度の機構となっている。

第１自由度の機構である第１回転軸Ｏｙは、連結シャフト４８の基端側から先端側に延在する軸線Ｃと非平行に回動可能に設定するとよい。第２自由度の機構である第２回転軸Ｏｒは先端動作部１２における先端部（つまりグリッパ５９）の延在方向の軸線を中心として回動可能な機構とし、先端部をロール回転可能に設定するとよい。

グリッパ５９は、原点位置で完全に閉状態となり、該原点位置を基準として所定角度開くことができる。グリッパ５９は片開き式に限らず、両開き式でもよい。片開き式とは、グリッパ５９を構成する一対の把持部材のうちいずれか一方が開閉する形式であり、両開き式とはグリッパ５９を構成する一対の把持部材の両方が開閉する形式である。

先端動作部１２は、ワイヤ５２、ワイヤ５３及びワイヤ５４によって駆動され、各ワイヤ５２、５３及び５４は、それぞれ対応する筒体６０ｃ、６０ｂ、６０ａに巻き掛けられている。

先端動作部１２では、ワイヤ５２及び５４の作用下に歯車５１及び５５が回転し、図示しないフェイスギアを回転させることによって先端部をロール方向に回転させることができる。また、ワイヤ５４の作用下に歯車５１が回転し、ファイスギア５７及び歯車５８を介してグリッパ５９を開閉させることができる。さらに、ワイヤ５２、５３、５４の作用下に主軸部材６２を介して先端部をヨー方向に回転させることができる。

次に、コントローラ５１４の内部構成について図７を参照しながら説明する。

図７に示すように、コントローラ５１４は演算部１１０と、電源部１１２と、保護装置１１４と、ドライバ１１６とを有する。電源部１１２は、外部電源１１９から得られる電力を調整して各部に供給するとともに、バッテリ１１２ａに充電を行い、外部電源１１９から電力が供給されない場合においても自動的にバッテリ１１２ａからの電力供給へと切り換える機能を有しており、いわゆる無停電電源として作用する。バッテリ１１２ａは内部の変圧整流器に対して、通常並列に接続される。

演算部１１０は、角度センサ４３、４４、４５、入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、及びスイッチ３６に接続されており、これらの各部から得られる信号に基づいてマニピュレータ１０の動作を決定して、所定の指令信号をドライバ１１６に供給するとともに、所定の表示部に状態量を表示させる。演算部１１０はＬＥＤ２９にも接続されており、該ＬＥＤ２９の点灯状態の制御をする。さらに、演算部１１０は、コントローラ５１４の表面の、各種スイッチ類に接続されており、制御をする。演算部１１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等から構成されており、プログラムを読み込み実行することにより所定のソフトウェア処理を実行する。

ドライバ１１６は、モータ４０、４１及び４２に接続されており、演算部１１０から得られる指令に基づいて該モータ４０、４１及び４２を駆動する。ところで、これらのモータ４０、４１及び４２の駆動系は、先ず、入力センサ３９ａ、３９ｂ、３９ｃに基づいて先端動作部に対する動作角度指令値を求め、該動作角度指令値と角度センサ４３、４４、４５から得られる角度信号との偏差を求め、該偏差に基づいて所定の補償処理をして指令信号をドライバ１１６に供給している。したがって、これらの各モータ４０、４１及び４２の駆動系は閉ループを形成している。

演算部１１０は、ＩＤ認識部（識別手段）１２０と、原点復帰制御部１２２とを有する。ＩＤ認識部１２０は、ＩＤ保持部１０４のＩＤを認識する。

次に、このようなマニピュレータシステム５００の作用を図８に基づいて説明する。マニピュレータシステム５００は、コントローラ５１４の演算部１１０の統合的な制御作用下に動作し、基本的には図８に示すフローチャートに従った処理を行う。図８の処理は予め決められた制御周期にしたがって繰り返し実行される。以下の説明では、断りのない限りステップ番号順に処理が行われるものとする。

図８のステップＳ１１において、操作部１４の角度検出器及び駆動部モータの角度検出器の出力を演算部１１０にて読み取る。

ステップＳ１２において、指令入力手段やスイッチ３６等の入力を演算部１１０で認識する。

ステップＳ１３において、演算部１１０による認識結果をもとにマニピュレータ１０の制御モードを決定する。

ステップＳ１４において、判定された制御モードにしたがって動作方式の判別とモータ４０、４１及び４２の目標値を生成する。

ステップＳ１５において、生成された制御目標値と先に読み取った角度センサ４３、４４及び４５の信号とからＰＩＤ制御等の制御演算によってモータ出力を算出しドライバ１１６へ出力する。

ステップＳ１６において、定義された種々の条件と角度センサ４３、４４及び４５等で読み取った状態とを比較し、状態判別を行う。

ステップＳ１７において、判別された結果に基づき、コントローラ５１４に装備されたランプへ出力を行う。

次に、原点復帰動作について図９〜図１３を参照しながら説明する。原点復帰動作は、スイッチ３６やコントローラ５１４に設けられたスイッチの操作に基づいて、コントローラ５１４によって行われ、第１段階復帰動作の区間Ｔ１（図１０参照）と、第２段階復帰動作の区間Ｔ２とに分けて制御がなされる。図９では、主に、先端動作部１２の３軸の機構のうちグリッパ５９を動作範囲の一端、つまり原点位置Ｐ０（図１０参照）に自動的に移動させる処理について説明する。モータ４０の角度は、角度センサ４３が設けられてフィードバックをしているので、少なくとも静的には、制御目標値に対する実質的な偏差はないものとする。

図９のステップＳ１０１において、スイッチ３６等の状態を監視し、原点復帰指令の有無を確認する。原点復帰指令が発生したときにはステップＳ１０２へ移り、原点復帰指令がないときには待機する。

ステップＳ１０２において、原点復帰動作を開始する準備がなされているか否かを確認する。準備ができているときにはステップＳ１０４へ移り、準備ができていないときには所定の準備処理（ステップＳ１０３）をして待機する。

原点復帰動作を開始する準備とは、所定のサーボフラグがオンで、第１段階原点復帰動作中フラグ及び第２段階原点復帰動作中フラグがオフで、第２段階動作完了フラグがオフで、且つ、接続されている作業部１６が対応する種類のものであるという条件である。サーボフラグは、モータ４０、４１、４２のサーボ制御が可能な状態を示すフラグである。第１段階原点復帰動作中フラグ及び第２段階原点復帰動作中フラグは、区間Ｔ１及び区間Ｔ２の制御を実行中であることを示すフラグである。第１段階動作完了フラグ及び第２段階動作完了フラグは区間Ｔ１及び区間Ｔ２の制御が終了したことを示すフラグである。それぞれのフラグは、オンであるときに対応する条件が肯定で、オフであるときに否定を示す。

ステップＳ１０４において、第１段階復帰動作が終了しているか否かを確認する。つまり、第１段階動作完了フラグを監視し、該フラグがオンであるときにはステップＳ１０６へ移り、オフであるときにはステップＳ１０５へ移る。

ステップＳ１０５において、第１段階復帰動作を行うための所定のパラメータの設定を行う。つまり、現在の動作開始角度を取得し、第１制御目標値Ｐ１を設定し、第１段階原点復帰動作中フラグをオンにする。

図１０に示すように、第１制御目標値Ｐ１は原点位置Ｐ０を閉方向に超える仮想位置として設定されている。第１制御目標値Ｐ１は、グリッパ５９における目標位置と実位置との偏差εの相当量よりも大きく原点位置Ｐ０を超えた位置であり、これにより、原点位置Ｐ０における偏差をなくすことができる。図１０における実線４１０は制御目標値、モータ４０又はプーリ５０ａの角度であり、破線４１２はグリッパ５９の実開度を示し、実線と破線との距離が偏差εである。偏差εが一定でない場合には、制御目標値が原点位置Ｐ０であるときの偏差ε₀に基づいて第１制御目標値Ｐ１を設定するとよい。つまり、Ｐ１＜Ｐ０−ε₀に設定するとよい。

また、第１制御目標値Ｐ１は、原点復帰動作以外の通常動作時におけるグリッパ５９の制御目標値の制限値Ｐｘより小さい位置に設定する。つまり、通常動作時にも、対象物を確実に把持する力を発生させるために、制御目標値を、原点位置Ｐ０を超えた位置で且つ制限値Ｐｘを超えない範囲の値に設定する場合がある。第１制御目標値Ｐ１をこの制限値Ｐｘより小さい位置に設定することにより、第１制御目標値Ｐ１が過大となることを防止するとともに、原点復帰動作の時間短縮を図ることができる。

ステップＳ１０６において、第２段階復帰動作を行うための所定のパラメータの設定を行う。つまり、その時点の動作開始角度（第１制御目標値Ｐ１にほぼ一致している。）を取得し、第２制御目標値Ｐ２を設定し、第２段階原点復帰動作中フラグをオンにする。第２制御目標値Ｐ２は、原点位置Ｐ０に一致している。ステップＳ１０５又はＳ１０６の後、ステップＳ１０７へ移る。

ステップＳ１０７において、ＰＴＰ（Point to Point）動作目標値を生成する。ＰＴＰ動作とは現在位置と目標位置とを結ぶ目標軌道を生成して、該軌道に従う動作である。現在位置と目標位置とを結ぶ直線補間、台形速度補間又はＳ字加減速軌道等により実現される。

ステップＳ１０８において、ＰＴＰ動作を実行するための制御演算を行う。なお、ステップＳ１０５〜Ｓ１０８までの処理は、第１段階復帰動作及び第２段階復帰動作における初回のみ実行すればよい。

ステップＳ１０９において、制御演算結果に基づくモータ４０に対して駆動出力を行う。

ステップＳ１１０において、動作移行判断を行う。つまり、第１段階復帰動作中は、角度センサ４３の検出値が第１制御目標値Ｐ１に達したか否かを監視し、該検出値が第１制御目標値Ｐ１に達したときに第１段階原点復帰動作中フラグをオフにし、第１段階復帰動作完了フラグをオンにする。

第２段階復帰動作中は、角度センサ４３の検出値が第２制御目標値Ｐ２（＝Ｐ０）に達したか否かを監視し、該検出値が第２制御目標値Ｐ２に達したときに第２段階原点復帰動作中フラグをオフにし、第２段階復帰動作完了フラグをオンにする。これらの判断は、誤差等を考慮して多少の余裕をみて判断をしてもよい。

ステップＳ１１１において、終了判定を行う。つまり、第１段階復帰動作完了フラグ及び第２段階復帰動作完了フラグの両方がオンになっているときに、原点復帰動作が終了と判定し、図９に示す処理を終了する。それ以外のときには、ステップＳ１０４へ戻る。

原点復帰動作の開始時の制御目標値が第１制御目標値Ｐ１に等しいときには、第１段階復帰動作が即時に終了し、実質的には第２段階復帰動作から開始する。

原点復帰動作の開始時の制御目標値が第１制御目標値Ｐ１と制限値Ｐｘとの間の値であるとき、つまり、グリッパ５９を強く閉じようとしているときには、ステップＳ１０２とＳ１０４との間で、第１段階復帰動作完了フラグをオンにして、所定の簡便化を図ってもよい。

区間Ｔ１及びＴ２による２段階原点復帰の必要がない作業部（例えば、電気メスの作業部１６ｃ）が装着されている場合には、通常の原点復帰動作を実行するために、ステップＳ１０２とＳ１０４との間で、第１段階復帰動作完了フラグをオンにすればよい。

ステップＳ１０２における判定条件から、第２段階復帰動作完了フラグをオフにする処理を省略すると、原点復帰動作を再度実行することができる。このような処理は、例えば、不測の事態により原点復帰動作に不都合が発生した場合に、操作者の所定の操作に基づいて行うとよい。なお、図９におけるステップＳ１０１は、図８におけるステップＳ１２に対応付けられ、ステップＳ１０３〜Ｓ１０６は、ステップＳ１３に対応付けられ、ステップＳ１０７及びＳ１０８はステップＳ１４に対応付けられ、ステップＳ１０９〜Ｓ１１０はステップＳ１５に対応付けることができる。

次に、上記の制御処理によるマニピュレータ１０の作用について説明する。

先ず、原点復帰動作の開始時には、図１１の仮想線で示すように、グリッパ５９は所定量だけ開いているとする。図１１〜図１３においては、理解を容易にするため、モータ４０及びプーリ５０ａの角度とグリッパ５９の回転体３００の角度との減速比は１とし、ヨー軸及びロール軸の機構は省略する。グリッパ５９の開閉機構も簡略化している。プーリ５０ａ及び回転体３００の角度を理解しやすいように基準となるマーカ３０２及び３０４を図示している。プーリ５０ａ及び回転体３００の原点位置Ｐ０は、マーカ３０２及び３０４を基準として、それぞれＺ２方向とする。

原点復帰動作を開始して、回転体３００及びプーリ５０ａがそれぞれ反時計方向（グリッパ５９が閉じる方向）に回転し、時刻ｔ１（図１０参照）になったときには、図１１に示すように、プーリ５０ａは原点位置Ｐ０に達するが、この時点では回転体３００は原点位置Ｐ０に達することなく、偏差εが残っている。ワイヤ５２の伸びや各部の摩擦等の反力があるためである。図１１及び図１２では、模式的に、強い張力がかかってワイヤ５２の伸びている箇所を細く、張力のより弱い箇所を太く示している。

このような偏差εが残ったままであると、操作者に違和感を与えるとともに、偏差εが大きいときにはトラカール２０（図１参照）を通しにくい。また、この状態で停止してモータ４０とプーリ５０ａとを切り離すと、ワイヤ５２の伸びが元に戻ることにより、プーリ５０ａは時計方向に回転する。

そこで、図１２に示すように、プーリ５０ａ及び回転体３００をさらに反時計方向に回転させる。時刻ｔ２（図１０参照）になったときには、プーリ５０ａは原点位置Ｐ０よりも偏差εに相当する量だけ回転し、回転体３００は原点位置Ｐ０に達し、グリッパ５９は完全に閉状態となる。このとき、コントローラ４１５の制御指令値は、仮想的にグリッパ５９を閉位置よりもさらに偏差εに相当する量だけ通過した箇所（仮想線のグリッパ５９参照）を指示することになる。

この状態でも、グリッパ５９は閉状態となるのであるが、種々の制御誤差等を考慮し、確実にグリッパ５９を閉じさせるために、プーリ５０ａを第１制御目標値Ｐ１まで反時計方向にさらに回転させる（仮想線のマーク３０２参照）。

これにより、グリッパ５９は完全に閉状態となる。第１制御目標値Ｐ１は制限値Ｐｘよりは小さく、ワイヤ５２やグリッパ５９等に過大な力が加わることを防止できるとともに、原点復帰動作時間を短縮することができる。

この状態では、グリッパ５９は閉状態となっているが、モータ４０とプーリ５０ａとを切り離すと、ワイヤ５２の伸びはある程度元に戻るが、張力が相当残留し該ワイヤ５２の寿命が低減する。また、モータ４０及びプーリ５０ａの双方が原点位置Ｐ０ではないので、原点位置Ｐ０における着脱を想定しているシステムには不都合である。つまり、操作部１４から所定の作業部１６を取り外し、別の作業部１６を装着しようとしたときに物理的な装着が困難になるとともに、ソフトウェア処理上で原点位置Ｐ０を基準とした所定のパラータの初期化手順が複雑になる。

そこで、図１３に示すように、プーリ５０ａ及び回転体３００を時計方向（グリッパ５９が開く方向）に回転させ、原点位置Ｐ０まで戻す。このとき、回転体３００は実質的に回転することなく原点位置Ｐ０の状態をほぼ維持するとともに、ワイヤ５２の伸びは元に戻る。従って、モータ４０、プーリ５０ａ及び回転体３００が原点位置Ｐ０に安定して保持される。モータ４０とプーリ５０ａとを切り離しても、ワイヤ５２の張力は実質的に０又は元の張力になっていることから回転体３００及びプーリ５０ａは実質的に動くことがなく、しかもワイヤ５２の高寿命化を図ることができる。

上述したように、本実施の形態に係るマニピュレータシステム５００によれば、一度、仮想位置を第１制御目標値Ｐ１として出力し、グリッパ５９は確実に動作範囲の一端である原点位置Ｐ０に達する。これにより、グリッパ５９にセンサ等の電気機器を用いることなく、該作用部を確実に原点復帰させることができる。このままでは、グリッパ５９、モータ４０及びワイヤ５２に応力が残っているので、その後、原点位置Ｐ０を第２制御目標値Ｐ２として出力することにより、該応力を除去することができる。

グリッパ５９の原点位置Ｐ０は閉位置であることから、原点復帰を目視により容易に確認することができるとともに、細径になってトラカール２０を通しやすい。

モータ４０には、動作位置を検出する角度センサ４３が設けられ、第１段階原点復帰動作時に、コントローラ５１４は、該角度センサ４３から得られる値を監視し、モータ４０が第１制御目標値Ｐ１に達したことを確認してから第２段階原点復帰動作に移行する。これにより、モータ４０は確実に第１制御目標値Ｐ１まで達するので、グリッパ５９の偏差を一層確実になくすことができる。

マニピュレータ１０の作業部１６には電気機器を設ける必要がなく、操作部１４から取り外して洗浄・滅菌が容易となる。

コントローラ５１４は、ＩＤ中継部１０６から得られる作業部１６の種類に応じて第１制御目標値Ｐ１を変更してもよい。これにより、作業部１６の種類に応じた適切な制御が可能となる。

作業部１６は、人手で操作をする操作部１４に接続されるものとして説明したが、例えば図１４に示すような手術用ロボットシステム７００に適用してもよい。

手術用ロボットシステム７００は、ロボットアーム７０２と、コンソール７０４とを有し、作業部１６はロボットアーム７０２の先端に接続されている。ロボットアーム７０２の先端には前記のアクチュエータブロック３０と同じ機構を設けることにより、作業部１６を接続及び駆動可能である。この場合のマニピュレータ１０は、ロボットアーム７０２と作業部１６とを有する。ロボットアーム７０２は、作業部１６を移動させる手段であればよく、据置型に限らず、例えば自律移動型でもよい。コンソール７０４は、テーブル型、制御盤型等の構成を採りうる。

ロボットアーム７０２は、独立的な６以上の関節（回転軸やスライド軸等）を有すると、作業部１６の位置及び向きを任意に設定できて好適である。先端のアクチュエータブロック３０は、ロボットアーム７０２の先端部７０８と一体化している。

ロボットアーム７０２は、コンソール７０４の作用下に動作し、プログラムによる自動動作や、コンソール７０４に設けられたジョイスティック（ロボット操作部）７０６に倣った動作、及びこれらの複合的な動作をする構成にしてもよい。コンソール７０４は、前記のコントローラ５１４の機能を含んでいる。

コンソール７０４には、前記操作部１４のうちアクチュエータブロック３０を除いた機構の操作部としての２つのジョイスティック７０６と、モニタ７１０が設けられている。図示を省略するが、２つのジョイスティック７０６により、２台のロボットアーム７０２を個別に操作が可能である。２つのジョイスティック７０６は、両手で操作しやすい位置に設けられている。モニタ７１０には、内視鏡による画像等の情報が表示される。

ジョイスティック７０６は、上下動作、左右動作、捻り動作、及び傾動動作が可能であり、これらの動作に応じてロボットアーム７０２を動かすことができる。ジョイスティック７０６はマスターアームであってもよい。ロボットアーム７０２とコンソール７０４との間の通信手段は、有線、無線、ネットワーク又はこれらの組合わせでよい。

本発明に係るマニピュレータシステムは、医療用に限らず、例えば、エネルギー機器等の狭隘部補修の用途に適用可能であることはもちろんである。

本発明に係るマニピュレータシステム及びマニピュレータの制御方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係るマニピュレータシステムの概略構成図である。 本実施の形態に係るマニピュレータシステムの構成の組合わせに係る説明図である。 作業部と操作部とを分離したマニピュレータの側面図である。 操作部の斜視図である。 先端動作部の斜視図である。 先端動作部の分解斜視図である。 コントローラのブロック構成図である。 マニピュレータシステムの動作を示すメインフローチャートである。 原点復帰処理の手順を示すフローチャートである。 原点復帰処理時の先端動作部のおける制御目標値及びグリッパの角度変化を示すグラフである。 原点復帰処理時のモータ及びグリッパの第１の状態を示す模式図である。 原点復帰処理時のモータ及びグリッパの第２の状態を示す模式図である。 原点復帰処理終了時のモータ及びグリッパの状態を示す模式図である。 作業部をロボットアームの先端に接続した手術用ロボットシステムの概略斜視図である。

符号の説明

１０…マニピュレータ １２…先端動作部
１４…操作部 １６、１６ａ〜１６ｄ…作業部
４０、４１、４２…モータ ４３、４４、４５…角度センサ
５０ａ〜５０ｃ…プーリ ５２、５３、５４…ワイヤ
５９…グリッパ ３００…回転体
５００…マニピュレータシステム ５１４…コントローラ
７００…手術用ロボットシステム Ｔ１、Ｔ２…区間
Ｐ０…原点位置 Ｐ１…第１制御目標値
Ｐ２…第２制御目標値

Claims (8)

1. アクチュエータによって駆動されて姿勢が変化する作用部を備えるマニピュレータと、該マニピュレータを制御する制御部とを有するマニピュレータシステムであって、
   前記制御部は、原点復帰動作として、前記作用部を動作範囲の一端に移動させる際、前記アクチュエータに対して、前記一端を超える仮想位置を第１制御目標値として出力し、前記第１制御目標値に基づき前記アクチュエータを駆動させ、第１制御目標値の出力後、前記一端の位置を第２制御目標値として出力し、前記第２制御目標値に基づき前記アクチュエータを駆動させることを特徴とするマニピュレータシステム。
2. 請求項１記載のマニピュレータシステムにおいて、
   前記作用部は、前記マニピュレータの先端に設けられた開閉可能なグリッパであり、前記一端は、該グリッパの閉位置であることを特徴とするマニピュレータシステム。
3. 請求項１又は２記載のマニピュレータシステムにおいて、
   前記仮想位置は、前記作用部の目標位置と実位置との偏差の相当量よりも大きく前記一端を超えた位置であることを特徴とするマニピュレータシステム。
4. 請求項２記載のマニピュレータシステムにおいて、
   前記仮想位置は、前記原点復帰動作以外の通常動作時における前記グリッパの制御目標値の制限値より小さい位置であることを特徴とするマニピュレータシステム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のマニピュレータシステムにおいて、
   前記アクチュエータには、動作位置を検出する検出手段が設けられ、
   前記制御部は、前記検出手段から得られる値を監視し、前記第１制御目標値を出力した後に、前記アクチュエータが該第１制御目標値に達したことを確認して前記第２制御目標値を出力することを特徴とするマニピュレータシステム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のマニピュレータシステムにおいて、
   前記マニピュレータは、前記アクチュエータを含み、前記制御部に接続された第１部分と、
   一端に前記作用部を備え、他端が前記第１部分に対して着脱自在な第２部分と、
   を有し、
   前記作用部は、前記第２部分の他端に前記アクチュエータに係合する従動体と、
   前記従動体の動作を前記作用部に伝達する伝達部材と、
   を有することを特徴とするマニピュレータシステム。
7. 請求項６記載のマニピュレータシステムにおいて、
   前記第２部分は複数種類存在し、それぞれ、種類を示す識別子を有し、
   前記第１部分は、装着された前記第２部分の前記識別子を識別して前記制御部に供給する識別手段を有し、
   前記制御部は、前記識別手段から得られる前記第２部分の種類に応じて前記仮想位置を変更することを特徴とするマニピュレータシステム。
8. アクチュエータによって駆動されて姿勢が変化する作用部を備えるマニピュレータの制御方法であって、
   原点復帰動作として、前記作用部を動作範囲の一端に移動させる際、前記アクチュエータに対して、前記一端を超える仮想位置を第１制御目標値として出力する第１工程と、
   前記第１工程の後、前記アクチュエータに対して、前記一端の位置を第２制御目標値として出力する第２工程と、
   前記第１制御目標値に基づき前記アクチュエータを駆動させる第３工程と、
   前記第３工程の後、前記第２制御目標値に基づき前記アクチュエータを駆動させる第４工程と、
   を有することを特徴とするマニピュレータの制御方法。

Images