JP2007029289A - Medical controlling apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、医療用具の湾曲部に対して湾曲動作を行わせるための駆動手段を制御する医療用制御装置に関する。 The present invention relates to a medical control apparatus for controlling a driving unit for causing a bending operation of a bending portion of a medical device.
従来より、医療用具として内視鏡は、幅広く利用されている。内視鏡の細長の挿入部を体腔内に挿入することにより、術者は、体腔内臓器などを観察したり、必要に応じて処置具チャンネル内に挿通した処置具を用いて各種治療処置ができる。また、工業分野においても、作業者は、内視鏡の細長の挿入部を挿入することにより、ボイラ，タービン，エンジン，化学プラントなどの内部の傷や腐蝕などを観察したり検査することができる。 Conventionally, endoscopes have been widely used as medical tools. By inserting the elongated insertion portion of the endoscope into the body cavity, the surgeon can observe the organs in the body cavity or perform various treatments using the treatment tool inserted into the treatment instrument channel as necessary. it can. Also in the industrial field, workers can observe and inspect internal scratches and corrosion of boilers, turbines, engines, chemical plants, etc. by inserting elongated insertion parts of endoscopes. .
このような内視鏡には、細長な挿入部の先端部基端側に湾曲自在な湾曲部が設けられている。前記内視鏡において、術者等の使用者は、操作部に設けられた湾曲操作レバー等の湾曲操作入力手段を操作することにより、湾曲部を湾曲動作させるための湾曲駆動手段に、前記湾曲部の湾曲方向や湾曲の速度が湾曲量として指示入力される。 Such an endoscope is provided with a bendable bending portion on the proximal end side of the distal end portion of the elongated insertion portion. In the endoscope, a user such as a surgeon operates the bending operation input unit such as a bending operation lever provided in the operation unit, so that the bending driving unit for bending the bending unit is used as the bending driving unit. The bending direction and bending speed of the part are input as a bending amount.
そして、前記湾曲駆動手段は、前記湾曲操作レバーによる湾曲量に基づき、前記湾曲部を構成する湾曲駒に接続された湾曲操作ワイヤを機械的に牽引又は弛緩させることにより、前記湾曲部を湾曲動作させる。 Then, the bending drive means mechanically pulls or relaxes the bending operation wire connected to the bending piece constituting the bending portion based on the bending amount by the bending operation lever, thereby bending the bending portion. Let
この種の従来の内視鏡には、湾曲駆動手段として例えば内視鏡内部に内蔵したモータを電気的に回動制御してこのモータの駆動力により湾曲操作ワイヤを牽引又は弛緩して前記湾曲部を湾曲動作させる電気的湾曲駆動方式、つまり電動湾曲内視鏡がある。 In this type of conventional endoscope, for example, a motor built in the endoscope as a bending driving means is electrically controlled to rotate, and the bending operation wire is pulled or relaxed by the driving force of the motor, so that the bending is performed. There is an electric bending drive method in which a part is bent, that is, an electric bending endoscope.
例えば、特許２９１７２６３号公報には、電動湾曲内視鏡において、前記湾曲操作ワイヤを牽引するプーリを有しこのプーリに対応するモータのトルクを内視鏡挿入部の種類に合うように設定できる制御手段等に関する技術が開示されている。
また、特許２８４５２５５号公報には、電動湾曲内視鏡において、湾曲部の全操作範囲のモータにかかる負荷を均一にできる内視鏡の湾曲操作装置に関する技術が開示されている。
Japanese Patent No. 2845255 discloses a technique related to an endoscope bending operation apparatus that can uniformly apply a load applied to a motor in the entire operation range of a bending portion in an electric bending endoscope.
しかしながら、前記従来の電動湾曲内視鏡は、湾曲入力手段を操作して指示入力される湾曲量に基づいて湾曲駆動手段であるモータを電気的に回動制御することにより、湾曲操作ワイヤを牽引又は弛緩して前記湾曲部を湾曲動作させるものである。この湾曲部には複数の湾曲駒が連接されており、湾曲時に湾曲部は湾曲部全体に渡って湾曲するといった構成であるため、例えば大腸などの管腔内に挿入する際、この管腔内の形状に合わせた形状に湾曲部を湾曲させて挿入することはできず、例えばＳ状結腸部への挿入については熟練した操作を要していた。 However, the conventional electric bending endoscope pulls the bending operation wire by electrically controlling the motor as the bending driving means based on the bending amount input by operating the bending input means. Alternatively, the bending portion is bent and the bending portion is bent. A plurality of bending pieces are connected to the bending portion, and the bending portion bends over the entire bending portion at the time of bending. Therefore, when the bending portion is inserted into a lumen such as the large intestine, The curved portion cannot be inserted into a shape matched to the shape of the sigmoid, and for example, a skilled operation is required for insertion into the sigmoid colon.
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、挿入部の湾曲部が管腔内の形状に合った形状になるように湾曲部の駆動を制御することにより、医療用具の挿入部の挿入性を向上できる医療用制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and by inserting the insertion portion of the medical device by controlling the driving of the bending portion so that the bending portion of the insertion portion matches the shape in the lumen. An object of the present invention is to provide a medical control device that can improve the performance.
本発明の医療用制御装置は、被検体内に挿入される挿入部の先端側に、複数のリンク部材がそれぞれ回動自在に連設された湾曲部を有する医療用具と、前記複数のリンク部材をそれぞれ回動させて前記湾曲部を湾曲動作させるための駆動手段と、前記複数のリンク部材の内、位置と向きを固定するリンク部材を指定する指定手段と、前記医療用具の前記湾曲部が移動したときに前記指定手段により指定された位置と向きを維持しながら前記指定手段により指定されたリンク部材及びこのリンク部材に連なる他のリンク部材が前記位置を通過するように、前記複数のリンク部材のそれぞれの角度を演算し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材を回動させるように前記駆動手段を制御する制御手段と、を有している。 The medical control device of the present invention includes a medical device having a curved portion in which a plurality of link members are rotatably connected to the distal end side of an insertion portion to be inserted into a subject, and the plurality of link members. A driving means for bending the bending portion, a designation means for designating a link member for fixing a position and an orientation among the plurality of link members, and the bending portion of the medical device. The plurality of links so that the link member designated by the designation unit and the other link members connected to the link member pass through the position while maintaining the position and orientation designated by the designation unit when moved. And control means for calculating the respective angles of the members and controlling the driving means so as to rotate the plurality of link members based on the calculation results.
本発明によれば、挿入部の湾曲部が管腔内の形状に合った形状になるように湾曲部の駆動を制御することにより、医療用具の挿入部の挿入性を向上できる医療用制御装置の実現が可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the medical control apparatus which can improve the insertion property of the insertion part of a medical device by controlling the drive of a bending part so that the bending part of an insertion part becomes a shape suitable for the shape in a lumen. Can be realized.
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１乃至図２９は本発明の実施例１における医療用制御装置の基本構成を説明するためのもので、図１は医療用制御装置を用いて内視鏡装置として構成した場合のシステム構成図である。 FIGS. 1 to 29 are for explaining the basic configuration of the medical control apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a system configuration diagram when the medical control apparatus is configured as an endoscope apparatus. It is.
図１に示すように、本発明に係る医療用制御装置を用いた内視鏡装置１は、挿入部先端部内に図示しない撮像手段を備え、操作部１０内あるいは湾曲部１４内に後述する挿入部９の湾曲部１４を湾曲させるための駆動部１０ｂを備えた医療用具としての電子内視鏡（以下、単に内視鏡）２と、前記内視鏡２に着脱自在に接続され、この内視鏡２に照明光を供給する光源装置３と、前記内視鏡２に着脱自在に接続され、前記内視鏡２の前記撮像手段を制御すると共に、この撮像手段から得られた信号を処理して標準的な映像信号を出力するビデオプロセッサ４と、前記ビデオプロセッサ４内あるいはこのビデオプロセッサ４とは別体に設けられ、前記湾曲部１４を湾曲動作させるように前記内視鏡２の駆動部１０ｂを制御するコントローラ５と、前記ビデオプロセッサ４で信号処理して得られた内視鏡画像を表示するモニタ６と、前記コントローラ５に電気的に接続される指定手段としての操作指令部７と、前記コントローラ５に電気的に接続される設定値入力手段としての設定値指令部８と、を有している。
なお、前記ビデオプロセッサ４には、図示しないＶＴＲデッキ，ビデオプリンタ，ビデオディスク，画像ファイル記録装置などが接続できるようになっている。
As shown in FIG. 1, an
The
前記内視鏡２は、観察対象部位へ挿入する細長の挿入部９と、この挿入部９の基端部に連設され、ビデオスイッチや送気・送水スイッチ等の操作部１０ａを有する把持部１２と、この把持部１２の側面より延設され、図示しない撮像手段に接続する信号ケーブルや照明光を伝達するライトガイドなどを内蔵したユニバーサルコード１１と、このユニバーサルコード１１の端部に設けられ、前記光源装置３及びビデオプロセッサ４に着脱自在に接続されるコネクタ部１２と、を有している。
The
前記挿入部９は、先端に設けられた先端部１３と、この先端部１３の後部（被検体に挿入される挿入部９の先端側）に設けられた湾曲自在の湾曲部１４と、この湾曲部１４の後部に設けられ、軟性の管状の部材より形成される長尺で可撓性を有する可撓管部１５とが連設されて構成している。
The insertion portion 9 includes a
前記先端部１３は、撮像手段としてＣＣＤなどの図示しない固体撮像素子及びこの固体撮像素子を駆動するための回路基板などが組み込まれた撮像部や、体腔内の観察対象部位を照明するための照明光を伝達する図示しないライトガイドなどを内蔵して構成されている。なお、前記湾曲部１４の構成については後述する。
The
前記コントローラ５には、接続線７ｂを介して前記操作指令部７が電気的に接続されている。この操作指令部７は、例えばジョイスティック７ａを備えて構成されたものであり、このジョイスティック７ａを操作することにより前記湾曲部１４を湾曲動作させるための操作指令値信号を出力する。
The
また、前記コントローラ５には、接続線８ｂを介して設定値指令部８が電気的に接続されている。この設定値指令部８は、例えばキーボード８ａを用いて構成されたものであり、このキーボード８ａによるキー操作によって、コントローラ５に対し前記湾曲部１４を湾曲させるのに必要な各種設定値の入力を行う。
The
次に、前記湾曲部１４の構成について、図３乃至図８を参照しながら説明する。また、前記湾曲部１４については、簡単のため、平面的動作駆動部としての取り扱いとして説明を行う（２次元の平面動作）。
図３及び図４はリンク構造の駆動機構を備えた湾曲部を有する挿入部先端側の概略構成を説明するもので、図３は挿入部先端側の斜視図、図４は挿入部先端側の断面図である。また、図５は駆動機構がモータ及びギアで構成された湾曲部の構成を示す断面図、図６は図５に示す湾曲部の変形例１の構成を示す断面図、図７は図５に示す湾曲部の変形例２の構成を示す断面図、図８はモータとフレシキブルシャフトとの接続構成を示す斜視図である。
Next, the configuration of the
3 and 4 illustrate a schematic configuration of the distal end side of the insertion portion having a bending portion having a link structure drive mechanism. FIG. 3 is a perspective view of the distal end side of the insertion portion, and FIG. It is sectional drawing. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the bending portion in which the drive mechanism is constituted by a motor and a gear, FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of Modification Example 1 of the bending portion shown in FIG. 5, and FIG. Sectional drawing which shows the structure of the
図３及び図４に示すように、前記挿入部９の湾曲部１４は、被検体内に挿入される挿入部９の先端側に設けられいる。この湾曲部１４は、挿入部駆動機構２０を有し、この挿入部駆動機構２０は、複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎが複数の関節部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…２０ｎによってそれぞれ回動自在に連接されることにより、構成している。つまり、挿入部駆動機構２０は、多関節のリンク構造を有している。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
また、前記駆動部１０ｂは、前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎをそれぞれ回動させるための駆動源であるモータ２７（図５及び図８参照）である。
この駆動部１０ｂであるモータ２７が前記操作部１０内に設けられた場合には、図８に示すようにモータ２７の駆動軸２７ａにはジョイント３０ａを介してフレシキブルシャフト３０が連結される。そして、このフレシキブルシャフト３０は、図示しないが挿入部９内に延設され、基端部が前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎに連結される。このことにより、それぞれのモータ２７の回転力がフレシキブルシャフト３０を介して、前記複数のリンク部材２１にそれぞれ伝達されるようになっている。
The
When the
また、前記駆動部１０ｂであるモータ２７が挿入部９の湾曲部１４内に設けられた場合には、図５に示すように、モータ２７は、前記挿入部駆動機構２０を構成する前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎ内にそれぞれ配設される。そして、モータ２７の回転力は、前記モータ２７と連結する連結ギア２６等によって前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎにそれぞれ伝達されるようになっている。
Further, when the
なお、前記リンク部材２１及び関節部材２０の数は、図中に示す構成例に限定されるものではなく、前記内視鏡２の目的に応じて適宜その数を増減して構成することも可能である。また、前記リンク部材２１ａは、先端部１３の最先端側に配置されたもので、このリンク部材２１ａの後端側には順にリンク部材２１ｂ、２１ｃ…２１ｎが連結されるようになっている。また、これに伴い、前記関節部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…２０ｎついても先端部１３側から順にリンク部材２１との間にそれぞれ配置されることになる。
The number of the
図５には前記湾曲部１４の具体的な構成が示されている。
図５に示すように、前記湾曲部１４の挿入部駆動機構２０は、前記駆動部１０ｂであるモータ２７を前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎ内にそれぞれ配設している。
前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎは、前記関節部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…２０ｎであるジョイントシャフト２２によってそれぞれ回動自在に連結されている。前記ジョイントシャフト２２は軸部材であり、このジョイントシャフト２２には、それぞれ検出手段としてのポテンショメータ２３が装着されている。
FIG. 5 shows a specific configuration of the bending
As shown in FIG. 5, in the insertion
The plurality of
このポテンショメータ２３は、ジョイントシャフト２２の回転量を検出してリンク部材２１の状態量検知信号として図示しない信号線を介して前記コントローラ５に出力するようになっている。
The
また、前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎの各基端側には、前記ジョイントシャフト２２を回動自在に軸止した歯車２４がそれぞれ固定されている。この歯車２４には連結ギア２６の歯車２５が噛合される。この連結ギア２６は、前記リンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎ毎に設けられたモータ２７の図示しない駆動軸と連結しており、この駆動軸の回転力は軸２６ａを介して前記歯車２５に伝達されるようになっている。
Further, gears 24 are rotatably fixed to the base ends of the plurality of
このことにより、モータ２７の回転力が連結ギア２６の軸２６ａ及び歯車２５を介して歯車２４に伝達されて、この歯車２４が固定されたリンク部材２１を所定方向に回動させることが可能である。
As a result, the rotational force of the
また、図５に示す湾曲部１４は、各リンク部材２１毎に挿入部駆動機構２０を構成する、モータ２７、連結ギア２６，歯車２４、２５を有しているので、前記複数のリンク部材２１ａ〜２１ｎの内、指定したリンク部材２１のモータ２７の回転制御を行えば、前記指定されたリンク部材２１のみを回転動作させることが可能である。
5 has the
なお、本実施例では、前記湾曲部１４における駆動機構２０を、図６に示す変形例１、あるいは図７に示す変形例２のように構成しても良い。このような湾曲部１４の変形例１、変形例２を図６及び図７を参照しながら説明する。
In the present embodiment, the
変形例１及び変形例２における湾曲部１４は、図５に示す湾曲部１４とは異なり、各リンク部材２１毎にモータ２７を設けずに、駆動部１０ｂであるモータ２７を操作部１０内に複数設けている。そして、これらのモータ２７の回転力は、これらのモータ２７の駆動軸３０ｂにジョイント３０ａを介してそれぞれ連結され且つ挿入部９内に延設されるそれぞれのフレシキブルシャフト３０を介して、これらのフレシキブルシャフト３０にそれぞれ連結している前記複数のリンク部材２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…２１ｎに伝達されるようになっている。
Unlike the bending
図６に示すように、変形例１の湾曲部１４は、図５に示す挿入部駆動機構２０と略同様の構成であるが、各リンク部材２１毎に延設されるフレシキブルシャフト３０の先端側に歯車２９を設けている。
As shown in FIG. 6, the bending
この歯車２９には、前記歯車２５を逆側に設けた連結歯車２８ギアが噛合する。この連結ギア２８は前記リンク部材２１内部に内装されており、この連結ギア２８の軸２９ａの逆側に設けた歯車２５を介して、フレシキブルシャフト３０からの回転力を歯車２４に伝達するようになっている。
このことにより、モータ２７の回転力が、駆動軸３０ｂ、ジョイント３０ａ、フレシキブルシャフト３０、歯車２９、連結歯車２８、軸２９ａ及び歯車２５を介して歯車２４に伝達されて、この歯車２４が固定されたリンク部材２１を所定方向に回動させることが可能である。
The
As a result, the rotational force of the
変形例１の湾曲部１４は、図５に示す湾曲部１４と同様に、各リンク部材２１毎に挿入部駆動機構２０を構成する、フレシキブルシャフト３０、連結歯車２８、歯車２４、２５を有しているので、前記複数のリンク部材２１ａ〜２１ｎの内、指定したリンク部材２１のモータ２７の回転制御を行えば、前記指定されたリンク部材２１のみを回転動作させることがで可能である。
Similar to the bending
また、図７に示すように、変形例２の湾曲部１４は、前記変形例１の挿入部駆動機構２０と略同様の構成であるが、前記連結歯車２８を無くし、各リンク部材２１毎に延設されるフレシキブルシャフト３０を各リンク部材２１内部に配設するように構成している。
Further, as shown in FIG. 7, the bending
前記フレシキブルシャフト３０の先端側には前記歯車２５が設けられている。したがって、フレシキブルシャフト３０からの回転力は、前記歯車２５を介して、連結歯車２８等の連結部材を介さすとも直に各リンク部材２１の後端側に固定された歯車２４に伝達されるようになっている。このことにより、前記変形例１と同様に前記歯車２４が固定されたリンク部材２１を所定方向に回動させることが可能である。
The
変形例２の湾曲部１４は、前記変形例１と同様に各リンク部材２１毎に挿入部駆動機構２０を構成する、フレシキブルシャフト３０、歯車２４、２５を有しているので、前記複数のリンク部材２１ａ〜２１ｎの内、指定したリンク部材２１のモータ２７の回転制御を行えば、前記指定されたリンク部材２１のみを回転動作させることが可能である。
Since the bending
次に、このような湾曲部１４を有する内視鏡２を備えた内視鏡装置１の電気的な主要構成について図２を参照しながら説明する。
図２は内視鏡装置１の主要構成部分の電気的な構成を示すブロック図である。
図２に示すように、前記内視鏡装置１は、例えばジョイスティック７ａを用いて構成される操作手段及び指定手段としての操作指令部７と、キーボード８ａを用いて構成される設定値入力手段としての設定値指令部８と、前記操作指令部７からの操作指令値信号、前記設定値指令部８により設定された設定値及び前記ポテンショメータ２３等からの状態量検知信号に基づいて前記駆動部１０ｂを制御するための駆動指令値信号を出力するコントローラ５と、前記コントローラ５からの駆動指令値信号に基づいてそれぞれ回転制御されるモータ２７等の駆動部１０ｂと、この駆動部１０ｂの回転力によって姿勢制御される湾曲部１４内に設けられた挿入部駆動機構２０と、を有して主要部を構成している。
Next, an electrical main configuration of the
FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of main components of the
As shown in FIG. 2, the
前記操作指令部７は、ジョイスティック７ａを用いて前記湾曲部１４の湾曲を指示するための操作手段であり、操作に基づく操作指令値信号を前記コントローラ５に出力する。また、前記操作指令部７は、前記湾曲部１４を構成する前記複数のリンク部材２１ａ〜２１ｎの内、２次元における位置と向きを固定するリンク部材２１を指定する指定手段であり、この操作に基づく前記操作指令値信号を前記コントローラ５に出力する。
The
前記コントローラ５、駆動部１０ｂ及び挿入部駆動機構２０を有する主要部の制御ブロック図が図９に示されている。
図９に示すように、前記コントローラ５（図２参照）は、指令制御部５Ａを有している。この指令制御部５Ａには、前記操作指令部７からの操作指令値信号が供給されるようになっている。
FIG. 9 shows a control block diagram of the main part having the
As shown in FIG. 9, the controller 5 (see FIG. 2) has a command control unit 5A. An operation command value signal from the
前記指令制御部５Ａは、供給された操作指令値信号及び状態量検知信号に基づき、アクチュエータ制御ブロック３１に設けられた駆動部１０ｂを制御するのに必要な演算処理等を行うものである。
The command control unit 5A performs arithmetic processing necessary to control the
前記指令制御部５Ａには、前記湾曲部１４の挿入部駆動機構２０を構成する複数のリンク部材２１毎に設けられた複数の第１、第２…第ｎアクチュエータ制御ブロック３１ａ〜３１ｎが電気的に接続されている。
The command control unit 5A is electrically provided with a plurality of first, second... Nth actuator control blocks 31a to 31n provided for each of the plurality of
図１０は図９に示す前記指令制御部５Ａ及びアクチュエータ制御ブロック３１の具体的な構成を示すブロック図である。
図１０に示すように、前記指令制御部５Ａは、前記操作指令部７からの操作指令値信号を入力するための入力部Ｉ／Ｆ３３と、前記設定値指令部８からの設定指令値を入力するための入力部Ｉ／Ｆ３４、３５と、これらのＩ／Ｆ３３〜３５を介して入力された各種指令値信号に基づき、前記第１、第２、…第ｎアクチュエータ制御ブロック３１ａ〜３１ｎ内の駆動部１０ｂを制御する中央処理演算装置（例えばＣＰＵ）３２と、を有している。
FIG. 10 is a block diagram showing a specific configuration of the command control unit 5A and the
As shown in FIG. 10, the
なお、前記入力部Ｉ／Ｆ３３は、ジョイスティック７ａがアナログの操作指令値信号を出力するものである場合にはこのアナログ信号の入力が可能である。また、前記入力部Ｉ／Ｆ３３は、操作指令部７が他のデジタルの操作指令値信号を出力する操作手段である場合にはこのデジタル信号の入力が可能である。
The input unit I /
また、前記入力部Ｉ／Ｆ３４は、連続的に動作するのに必要なアナログの設定値指令信号の入力が可能であり、前記入力部Ｉ／Ｆ３５はパラメータ変更などのデジタルの設定指令値の入力が可能である。前記入力部Ｉ／Ｆ３４と前記入力部Ｉ／Ｆ３５とは１つのＩ／Ｆとして構成しても良い。
The input unit I /
一方、前記アクチュエータ制御ブロック３１は、高速で各種の演算処理を行うとともに、演算結果に基づき駆動指令値信号を生成し出力するデジタルシグナルプロセッサ（Digital Signal Processor で、以下、ＤＳＰと称す）３６と、このＤＳＰ３６からの駆動指令値信号（サーボ指令値信号）に基づき操作出力値信号（駆動信号）を生成し出力する制御指令値出力部３７と、この制御指令値出力部３７からの操作出力値信号に基づき回転が制御される駆動部１０ｂであるモータ２７と、このモータ２７の回転位置を検出するエンコーダやリンク部材２１の回転角度を検出するポテンショメータ２３等の検出手段であるセンサ３８と、このセンサ３８により検出された位置情報である状態量検知信号を検出して前記ＤＳＰ３６に出力するための信号入力部３９と、を有している。
On the other hand, the
なお、本実施例では、前記駆動部１０ｂとしてモータ２７を用いているが、これに限定されることはなく、他のアクチュエータを駆動部１０ｂとして用いるように構成しても良い。
In this embodiment, the
図１１は前記アクチュエータ制御ブロックの具体的な構成を示すブロック図であり、図１２は図１１のサーボ制御コントローラのブロック図を示している。
図１０に示すアクチュエータ制御ブロック３１において、前記ＤＳＰ３６は図１１に示すサーボ制御コントローラ３６Ａを構成し、このサーボ制御コントローラ３６Ａは、供給されたサーボ指令値信号に基づく操作出力値信号（駆動信号）を生成し、前記制御指令値出力部３７であるドライバ（アンプ）３７ａに出力する。なお、前記サーボ制御コントローラ３６Ａは、図１０に示すＣＰＵ３２に置き換えて構成しても良い。
FIG. 11 is a block diagram showing a specific configuration of the actuator control block, and FIG. 12 is a block diagram of the servo controller shown in FIG.
In the
前記ドライバ３７ａは、供給された操作出力値信号を増幅してモータ２７を回転させる。すると、このモータ２７の回転により図５に示すリンク部材２１は回動動作する。このとき、前記センサ３８は、リンク部材２１の状態量検知信号を生成し、前記信号入力部３９である検知部（アンプ）３９ａに出力する。
The driver 37a amplifies the supplied operation output value signal and rotates the
前記検知部３９ａは、供給された状態量検知信号を増幅して前記サーボ制御コントローラ３６Ａに出力する。このことにより、サーボ制御コントローラ３６Ａは、供給された状態量検知信号とサーボ指令値信号との比較を行いながら前記モータ２７の回転制御を行うようになっている。
The detection unit 39a amplifies the supplied state quantity detection signal and outputs it to the servo controller 36A. Thus, the servo controller 36A controls the rotation of the
この場合、前記サーボ制御コントローラ３６Ａは、図１２に示すように、供給されたサーボ指令値信号と、前記センサ３８により得られたモータ２７の変位情報である状態検出信号とに基づいて、ＰＤ制御部４０を用いて公知の比例・微分制御等のＰＤ制御を行って操作出力値信号（駆動信号）を生成し、モータ２７に与えることにより回転制御する。
In this case, the servo controller 36A performs PD control based on the supplied servo command value signal and a state detection signal which is displacement information of the
ところで、このような多関節のリンク構造の湾曲部１４を備えた内視鏡２では、大腸などの管腔内の形状に合わせた形状で挿入するためには、先端側のリンク部材２１ａを最適な姿勢角度に制御すると同時に、これに連動してこの先端側のリンク部材２１ａに連なる複数他のリンク部材２１についても制御する必要がある。このような本発明に用いられる基本的な制御方法を図１３乃至１５を参照しながら説明する。
By the way, in the
図１３乃至図１５は多関節のリンク構造を有する湾曲部の姿勢制御を説明するもので先端部１３側のリンク部材２１ａ〜２１ｃに対応した説明図であり、図１３は先端部１３側のリンク部材２１ａが所定の先端位置及び姿勢ベクトルの状態である図、図１４は図１３のリンク部材２１ａの姿勢状態である場合に予想される他のリンク部材の状態を示す図、図１５は先端部１３側のリンク部材２１ａのみを独立的に姿勢制御した所定の位置及び姿勢ベクトルの状態を示す図である。
FIGS. 13 to 15 illustrate posture control of the bending portion having an articulated link structure, and are explanatory views corresponding to the link members 21a to 21c on the
本実施例のコントローラ５の指令制御部５Ａは、前記湾曲部１４を構成する複数のリンク部材２１ａ〜２１ｎをそれぞれ姿勢制御する際に、後述する運動学（順運動学及び逆運動学）に基づく演算処理を行うようになっている。
The command control unit 5A of the
なお、順運動学に基づく演算処理とは、各関節（各リンク部材２１）の角度が得られたとき、先端部の位置・姿勢ベクトルを求めるための演算処理であり、逆運動学に基づく演算処理とは、先端部の位置・姿勢ベクトルが得られたとき、各関節（各リンク部材２１）の角度を求めるための演算処理を意味している。 The arithmetic processing based on forward kinematics is arithmetic processing for obtaining the position / posture vector of the tip when the angle of each joint (each link member 21) is obtained. The process means a calculation process for obtaining the angle of each joint (each link member 21) when the position / posture vector of the tip portion is obtained.
前記指令制御部５Ａは、後述するロボットの運動学を定量化する基本式に基づき、演算処理を行う。このようなロボットの運動学を定量化する基本式を下記に示す。今後、簡単のため、３リンク及び前述した様に２次元平面に限った動作説明を行うが、２次元平面動作から３次元空間動作に置換することは、よく知られているロボットの座標変換処理と同様にＤＨ法（Denavit−Hartenberg表記法）による処理に差し替えることで対応可能となる。 The command control unit 5A performs arithmetic processing based on a basic expression for quantifying the kinematics of the robot described later. The basic formula for quantifying the kinematics of such a robot is shown below. In the future, for the sake of simplicity, the explanation will be given only for the three links and the two-dimensional plane as described above. However, replacing the two-dimensional plane movement with the three-dimensional spatial movement is a well-known robot coordinate transformation process. Similarly, it can be handled by replacing the processing with the DH method (Denavit-Hartenberg notation).
ここで、ｘを手先座標、ｑを関節座標、及びＪをヤコビアン（速度ベクトル）とすると、下記の式が定義できる。なお、ｘ、ｑ、Ｊは、それぞれのベクトルを示すものとする。
（式１）
（式３）
(Formula 1)
(Formula 3)
各関節（各リンク部材２１であり図１３中のｑ１、ｑ２、ｑ３）と手先位置（先端側のリンク部材２１ａの位置でありｑ１）とにおいて、手先位置加速度と関節加速度との動的関係については、前記（式１）〜（式３）の関係と、前記(式２)両辺を時間による微分操作を行った結果を用いて、
Ｘ＝Ｊ・（ｄ２ｑ／ｄｔ２）＋（ｄＪ／ｄｔ）・（ｄｑ／ｄｔ）の関係と、右辺を行列分解（特異値分解など）することで行列空間を核空間（Ｋｅｒｎｅｌｌ）と零空間（Ｎｕｌｌ）に分解することができる。
Regarding the dynamic relationship between the hand position acceleration and the joint acceleration at each joint (each
X = J · (d 2 q / dt 2 ) + (dJ / dt) · (dq / dt) and matrix decomposition (singular value decomposition or the like) on the right side makes the matrix space a kernel space (Kernell). It can be decomposed into a null space (Null).
これにより、下記に示す(式４)を導出することが可能である。 This makes it possible to derive (Equation 4) shown below.
（式４）
つまり、図１４に示すように、先端部のｑ１の位置が指定した場合、このｑ1を含むｑ２、ｑ３からなるリンク部材の姿勢の取り方は、図中実線に示す姿勢以外に点線で示す姿勢のとり方も行うことができ、姿勢が一意には決まるものではない。すなわち、湾曲部１４の各リンク部材２１は、ロボットの姿勢の冗長性を有することになる。
That is, as shown in FIG. 14, when the position of q1 at the tip is designated, the posture of the link member composed of q2 and q3 including q1 is determined by the dotted line in addition to the solid line in the figure. The attitude is not uniquely determined. That is, each
そして、コントローラ５の指令制御部５Ａは、前記(式３)、（式４）のリンク運動方程式を実時間で制御するための各リンクに付与すべきトルク計算、すなわち後述する（式７）、（式８）の計算を行うが、図１５に示すように、先端部から次段のリンク部材２１ｂ、２１ｃ（ｑ２、ｑ３）についてはリンク位置・姿勢の運動学に基づく演算処理を行い、先端側のリンク部材２１ａ（ｑ１）については、独立的に駆動制御するアルゴリズム（図示しないメモリに記憶されている）に基づいて演算処理を行うようになっている。
Then, the command control unit 5A of the
このことにより、先端側のリンク部材２１ａの位置、姿勢（向き）が決定すると、前記演算処理を行うことにより、先端側のリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２１の角度を求めることが可能である。
Accordingly, when the position and orientation (orientation) of the link member 21a on the distal end side are determined, the angle of the
次に、前記運動学（順運動学及び逆運動学）に基づく演算処理を行うためのサーボ制御コントローラ３６Ａの具体的な構成及び制御方法について図１６乃至２１を参照しながら説明する。 Next, a specific configuration and control method of the servo controller 36A for performing arithmetic processing based on the kinematics (forward kinematics and inverse kinematics) will be described with reference to FIGS.
図１６乃至図２１はサーボ制御コントローラ３６Ａの具体的な構成及び制御方法を説明するためのもので、図１６はサーボ制御コントローラ３６Ａの概略構成を示すブロック図、図１７は図１６の制御則演算部３６Ｂの具体的な構成を示すブロック図、図１８は図１７のダイナミックス演算部４３の概略構成を示すブロック図、図１９は図１８のダイナミックス演算部４３の具体的な構成を示すブロック図、図２０は図１７の運動学演算部４１の概略構成を示すブロック図、図２１は図２０の運動学演算部４１の具体的な構成を示すブロック図をそれぞれ示している。
16 to 21 are diagrams for explaining a specific configuration and control method of the servo control controller 36A. FIG. 16 is a block diagram showing a schematic configuration of the servo control controller 36A. FIG. 17 is a control law calculation of FIG. 18 is a block diagram showing a specific configuration of the unit 36B, FIG. 18 is a block diagram showing a schematic configuration of the
図１６に示すように、サーボ制御コントローラ３６Ａは、制御則演算部３６Ｂを有しており、この制御則演算部３６Ｂには、先端側のリンク部材２１ａあるいは各リンク部材２１におけるサーボ指令値信号を含む設定指令値信号等の指令値情報（設定値情報も含む）と、各リンク部材２１における状態量検知信号などの位置フィードバック情報（以下、位置Ｆ／Ｂ情報と称す）とが供給される。
As shown in FIG. 16, the servo controller 36A has a control law calculation unit 36B. The control law calculation unit 36B receives the servo command value signal from the link member 21a on the distal end side or each
そして、前記制御則演算部３６Ｂは、供給された指令値情報と位置Ｆ／Ｂ情報とに基づいて、後述する運動学演算部４１及びダイナミックス演算部４３に各リンク部材２１に対応する駆動指令値信号としての関節トルク指令値信号を得るための演算処理を行い、駆動部１０ｂに出力する。
Based on the supplied command value information and position F / B information, the control law calculation unit 36B sends a drive command corresponding to each
前記制御則演算部３６Ｂの具体的な構成が図１７に示されている。 A specific configuration of the control law calculation unit 36B is shown in FIG.
図１７に示すように、前記制御則演算部３６Ｂは、先端側のリンク部材２１ａの先端位置座標である指令値位置情報と、各関節（各リンク部材２１）の関節位置Ｆ／Ｂ情報とを入力して、これらの情報を用いて運動学に基づく演算処理を行う運動学演算部４１と、この運動学演算部４１の演算結果と、前記指令値情報及び関節位置Ｆ／Ｂ情報とを入力して、これらの情報を用いて各リンク部材２１の変化量に関する動的な部分を導き出すためにダイナミクス演算処理を行うダイナミックス演算部４３と、前記指令値情報と前記運動学演算部４１及び前記ダイナミックス演算部４３との各演算結果とを入力し、これらの情報に基づいて各リンク部材２１を制御するのに必要な関節トルク指令値信号を演算処理する制御演算部４２と、を有している。
As shown in FIG. 17, the control law calculation unit 36B obtains command value position information that is the tip position coordinates of the link member 21a on the tip side, and joint position F / B information of each joint (each link member 21). The kinematics calculation unit 41 that performs calculation processing based on kinematics using these information, the calculation result of the kinematics calculation unit 41, the command value information, and the joint position F / B information are input. Then, using these pieces of information, a
そして、前記制御則演算部３６Ｂは、生成された前記関節トルク指令値信号を、前記アクチュエータ制御ブロック３１内の駆動部１０ｂに供給することにより、挿入部駆動機構（マニピュレータ）２０を制御する。
このとき、マニピュレータ２０は、前記アクチュエータ制御ブロック３１内のセンサ３８によって検出された、状態量検知信号である各関節の関節位置Ｆ／Ｂ情報を前記運動学演算部４１及びダイナミックス演算部４３に出力する。
The control law calculation unit 36B controls the insertion unit drive mechanism (manipulator) 20 by supplying the generated joint torque command value signal to the
At this time, the
図１８に前記ダイナミックス演算部４３の概略構成を示し、図１９に前記ダイナミクス演算部の具体的な構成が示されている。
図１８に示すように、前記ダイナミックス演算部４３は、前記運動学演算部４１の演算結果である後述するヤコビアン（速度ベクトルで、ＪあるいはヤコビアンＪとして説明することもある）と、前記指令値情報及び関節位置Ｆ／Ｂ情報とを入力して、これらの情報を用いてダイナミックス演算処理を行うことにより、各リンク部材２１の変化量に関する動的な部分、すなわち、各リンク部材２１の位置偏差、ヤコビアンＪ、関節位置速度・加速度を導き出し、演算処理結果として出力する。
FIG. 18 shows a schematic configuration of the
As shown in FIG. 18, the
具体的には、前記ダイナミックス演算部４３は、図１９に示すように、順運動学演算部４４と、時間微分演算部４５と、時間微分演算部４６と、を有している。
Specifically, the
前記順運動学演算部４４は、前記関節位置Ｆ／Ｂ情報に基づいて前記した順運動学に基づく演算処理を行う。この演算出力結果は、減算器によって先端部のリンク部材２１ａの先端位置情報から差し引かれることにより、各リンク部材２１の位置偏差ｅが導きだされる。
The forward kinematics computation unit 44 performs computation processing based on the forward kinematics described above based on the joint position F / B information. The calculation output result is subtracted from the tip position information of the link member 21a at the tip portion by a subtracter, whereby the position deviation e of each
前記時間微分演算部４５は、前記関節位置Ｆ／Ｂ情報とヤコビアンＪとが入力され、前記関節位置Ｆ／Ｂ情報とヤコビアンＪとを用いて時間微分演算処理を行うことにより、各リンク部材２１の変位量、すなわち、ヤコビアン速度 ∂Ｊ／∂ｔ、関節位置速度∂ｑ／∂ｔを生成する。
The time
前記時間微分演算部４６は、前記関節位置速∂ｑ／∂ｔを入力して時間微分演算処理を行うことにより、関節位置加速度∂２ｑ／∂ｔ２ を生成する。
The time
図２０に前記運動学演算部４１の概略構成を示し、図２１に前記運動学演算部４１の具体的な構成が示されている。
図２０に示すように、前記運動学演算部４１は、前記指令値情報及び関節位置Ｆ／Ｂ情報を入力して、これらの情報を用いて運動学に基づく演算処理を行うことにより、先端側のリンク部材２１ａのヤコビアンＪ、ヤコビアンＪの疑似逆行列Ｊ＋、及びヤコビアンＪの零空間疑似逆行列（Ｉ−Ｊ＋Ｊ）を導き出し、演算処理結果として出力する。
FIG. 20 shows a schematic configuration of the kinematic calculation unit 41, and FIG. 21 shows a specific configuration of the kinematic calculation unit 41.
As shown in FIG. 20, the kinematics calculation unit 41 inputs the command value information and the joint position F / B information, and performs calculation processing based on kinematics using these pieces of information to The Jacobian J of the link member 21a, the pseudo inverse matrix J + of the Jacobian J, and the null space pseudo inverse matrix (I−J + J) of the Jacobian J are derived and output as the calculation processing result.
具体的には、前記運動学演算部４１は、図２１に示すように、ヤコビアン演算部４７と、疑似逆行列演算部４８と、ヤコビアン零空間演算部４９と、を有している。
前記ヤコビアン演算部４７は、前記指令位置情報と位置Ｆ／Ｂ情報に基づいてヤコビアンＪを得るための演算処理を行い、得られたヤコビアンＪを図１７に示す制御演算部４２、前記疑似逆行列演算部４８及び前記ヤコビアン零空間演算部４９に出力する。
Specifically, the kinematics computation unit 41 includes a
The
なお、前記ヤコビアン演算部４７によるヤコビアン演算処理に基づく（式５）を下記に示す。
In addition, (Formula 5) based on the Jacobian arithmetic processing by the Jacobian
（式５）
なお、一般化逆行列演算処理に基づく(式６)を下記に示す。 Note that (Equation 6) based on the generalized inverse matrix calculation processing is shown below.
（式６）
前記ヤコビアン零空間演算部４９は、供給されたヤコビアンＪと前記疑似逆行列Ｊ＋とにヤコビアン零空間演算処理を行うことにより、疑似逆行列Ｉ−Ｊ＋Ｊを生成し、前記図１７に示す制御演算部４２に出力する。
The Jacobian null
したがって、前記ヤコビアンＪ、ヤコビアンＪの疑似逆行列Ｊ＋及びヤコビアン零空間疑似逆行列（Ｉ−Ｊ＋Ｊ）は前記運動学演算部４１の演算処理結果として、図１７に示す制御演算部４２に供給されることになる。制御演算部４２においては、前述した指令値と状態量とに基づくＰＤ制御を行う。
Therefore, the Jacobian J, the Jacobian J pseudo-inverse matrix J + and the Jacobian null space pseudo-inverse matrix (I−J + J) are stored in the
次に、前述した図１７に示す制御則演算部３６Ｂ内にて行われる各種演算処理に必要な制御則式を説明する。
本発明の医療用制御装置を用いた内視鏡装置１は、複数のリンク部材２１と、複数の関節部材２０ａとを有してマニピュレータを構成する挿入部駆動機構２０を備えている。このため、前記図１７に示す制御則演算部３６Ｂは、マニピュレータ運動方程式である前記（式３）、（式４）を基本とし、さらに、後述するマニピュレータ制御則に基づく各式を用いて各種演算処理を行うことにより、前記関節トルク指令値信号を導いている。
Next, control law formulas necessary for various arithmetic processes performed in the control law calculation unit 36B shown in FIG. 17 will be described.
The
前記マニピュレータ制御則に基づく式を下記に示す。この場合、関節トルクをτとし、位置偏差ｅとすると、
（式７）
(Formula 7)
ただし、ＫP は制御量比例ゲイン、ＫD は制御量微分ゲイン、ｅは指令値と状態量から算出される位置偏差、φは前述した冗長性に重み付けするための制御パラメータ、ｈ（＊，＊）、ｇは前述したパラメータである。 Where KP is the control amount proportional gain, KD is the control amount derivative gain, e is the position deviation calculated from the command value and the state quantity, φ is the control parameter for weighting the redundancy described above, and h ( * , * ) , G are the parameters described above.
（式８）
前記(式７)においては、図１７に示す前記運動学演算部４１、前記ダイナミックス演算部４３及び前記制御演算部４２によって各種求められた演算処理結果を当てはめることにより、関節トルクτを得ることができる。
In (Equation 7), the joint torque τ is obtained by applying the calculation processing results obtained by the kinematics calculation unit 41, the
また、前記（式８）において、前記ＫNULL 以外の値については、前記運動学演算部４１によって求められた演算結果である。 In the above (Expression 8), values other than the K NULL are calculation results obtained by the kinematic calculation unit 41.
ところで、前記構成の内視鏡２の挿入部９を体腔内の挿入する場合、湾曲部１４が剛体とならないように、湾曲部自体が柔らかなダイナミクス特性にすることが望ましい、そのためには、図２２に示すようなばね２０ａ及びダンパ２０ｂの組み合わせによるダイナミクス特性を先端部で有することで実現している。
By the way, when inserting the insertion portion 9 of the
言い換えれば、ばね２０ａ及びダンパ２０ｂによる粘弾性作用により、図２２中に示す力量Ｆが挿入部９の先端部１３に加えられると、前記湾曲部１４は、柔らかな特性、すなわち、コンプライアンス特性を有することになる。
以下、制御演算部４２に実装される制御則についての説明を行う。
In other words, when the force F shown in FIG. 22 is applied to the
Hereinafter, the control law implemented in the
まず、図２２におけるダイナミクス特性の運動方程式は、（式９）の通りに記述される。 First, the equation of motion of the dynamics characteristic in FIG. 22 is described as (Equation 9).
（式９）
（式１０）
（式１１）
（式１２）
（式１３）
（式１５）
（式１６）
（式１６）において、速度が小さいときには、下記に示す（式１７）の右辺１，２項を省略することが可能となるため、（式１７）が導出され、さらに、Ｄ＝０、ＫＦ＝Ｉとし、先端変位量△Ｘ＝（Ｘ−ＸＤ）が比較的小さいと仮定すれば、近似的に△Ｘ＝Ｊ（ｑ）・△ｑが正立する。
In (Expression 16), when the speed is low, it is possible to omit the
その結果、（式１８）が導出される。これは、所望のコンプライアンス特性としてＫを設定した場合の各関節にどのようなトルク指令を生成させたかを示している。 As a result, (Equation 18) is derived. This indicates what kind of torque command is generated for each joint when K is set as the desired compliance characteristic.
（式１７）
そこで、前記コントローラ５の指令制御部５Ａは、前述したように前記(式７)、（式８）を実時間でトルク計算を行うが、前記(式７)の２項に該当する値を、リンク部材２１の可動範囲に応じた重み付けを演算処理した結果として、駆動部１０ｂを駆動制御するアルゴリズムに基づいて、演算処理を行うようにしても良い。
Therefore, the command control unit 5A of the
つまり、前記（式７）の２項の（Ｉ−Ｊ#・Ｊ）・（d２ｑ／ｄｔ２）のアルゴリズムを、例えば図２４に示すような重み関数φに変更して演算処理を行う。すなわち、前記重み関数φは、各リンク部材２１の角度を決定する際に、各リンク可動範囲限界においては重みが大きくなり、可動範囲中立位置近傍においては重みが小さくなるような演算処理を行う。すなわち、各リンクの姿勢は出来るだけ、中立付近になるような姿勢となる重み設定となり、無理な姿勢を排除し、動き安い範囲内で動作するための係数である。
That is, the arithmetic processing is performed by changing the algorithm of (I−J # · J) · (d 2 q / dt 2 ) in the second term of (Expression 7) to a weight function φ as shown in FIG. 24, for example. . That is, when determining the angle of each
このことにより、前記挿入部駆動機構２０の各リンク部材２１が動き安く、且つ滑らかな姿勢制御が可能となる。
As a result, each
なお、前記重み関数φは、後述する図２５乃至図２９のいずれかのグラフに示すような重み関数を用いても良い。これら２５乃至図２９の縦軸は（式８）におけるＫNULL を示し、横軸は各リンク部材２１の動作範囲（各リンク部材２１の検出された角度）を示している。また、正の動作制限値は９０度であり、負の動作制限値は−９０度としている。
The weight function φ may be a weight function as shown in any of the graphs of FIGS. 25 to 29 described later. The vertical axis of these 25 thru | or FIG. 29 has shown K NULL in (Formula 8), and the horizontal axis has shown the operating range (detected angle of each link member 21) of each
図２５は重み関数φの変形例１の特性を示すグラフである。図２５に示すように、前記重み関数φは１次関数であり、各リンク部材２１の位置変化に対応する下記に示すように演算処理することにより得た重み関数としたものである。
FIG. 25 is a graph showing the characteristics of
（式１９）
（式２０）
また、図２７は重み関数φの変形例３の特性を示すグラフである。図２７に示すように、前記重み関数φは、各リンク部材２１の位置変化に対応する偏微分を下記に示すように演算処理することにより得た重み関数としたものである。
FIG. 27 is a graph showing the characteristics of
（式２１）
また、図２８は重み関数φの変形例４の特性を示すグラフである。図２８に示すように、前記重み関数φは、場合によっては前記図２７に示す重み関数とは逆に、出来るだけ動作制限値近傍になるような重み関数として、後述する(式２２)にφのオフセット値を加えて新たにφとしαを正定値とすることで図２８の重み関数も実現できる。なお、この場合αは正定値である。
FIG. 28 is a graph showing the characteristics of
また、図２９は重み関数φの変形例５の特性を示すグラフである。図２９示すように、前記重み関数φは、前記変形例４の同様の効果として、図中波線部分を含むような三角関数の絶対値を（式２２）の通り用いたものでも良い。
FIG. 29 is a graph showing the characteristics of
（式２２）
したがって、前述した図２５乃至図２９のいずれかのグラフに示すような前記重み関数φを用いて演算処理を行うことにより、無理な姿勢を排除し、動き易い範囲内で動作するための角度を各リンク部材２１毎に取得することが可能である。
Therefore, by performing arithmetic processing using the weight function φ as shown in any of the graphs of FIG. 25 to FIG. 29 described above, an excessive posture is eliminated, and an angle for operating within a range in which movement is easy is obtained. It can be acquired for each
また、本実施例では、各リンク部材２１毎に重み付けを行うのではなく、マニピュレータ２０全体に対して、無理な姿勢を排除し、動き易い範囲内で動作するための重み付けを行うことも可能である。
Further, in this embodiment, instead of weighting each
このような場合、前記重み関数φは、マニピュレータ姿勢の特異度を評価指標としたものを用いる。すなわち、ヤコビアンＪに対する可操作性指標Ｍを下記に示す（式２３）のように定義し、この可操作性指標Ｍを前記重み関数φに替えて用いても良い。 In such a case, as the weight function φ, a value using the specificity of the manipulator posture as an evaluation index is used. That is, the manipulability index M for the Jacobian J may be defined as shown in the following (Equation 23), and this manipulability index M may be used in place of the weight function φ.
（式２３）
（図式）
(Schematic)
つまり、前記（式２３）及び（図式）に示すように、Ｊ・ＪＴの固有値を計算すれば、通常、行列Ｊ・ＪＴの階数＝Ｒａｎｋ（ｉ）となるが、特異姿勢の場合には、行列Ｊ・ＪＴの階数＜Ｒａｎｋ（ｉ）となり行列Ｍが退化される。すなわち、前記重み関数φに替えて、前記可操作性指標Ｍを用いて演算処理を行うことにより、各リンク部材２１毎ではなく、マニピュレータ２０全体に対して、無理な姿勢を排除し、動き易い範囲内で動作するための重み付けを行うことが可能である。この場合、各リンク部材２１は一意に制御されない。
In other words, the as shown in (Equation 23) and (Scheme), by calculating the eigenvalues of J · J T, usually a matrix J · J T rank = Rank (i), if the singularity the rank of the matrix J · J T <Rank (i ) becomes a matrix M is degenerate. In other words, by performing arithmetic processing using the manipulability index M instead of the weight function φ, an unreasonable posture is eliminated with respect to the
以上示した通り幾つかの姿勢制御における重み関数を示しているが、場合によっては後述する軸切り替え手段により、前記重み関数の組み合わせを、各リンク間での異なる重みの組み合わせを選択的に行うことも可能である。 As shown above, several weight functions in posture control are shown. In some cases, the weight function combinations are selectively performed by the axis switching means described later, and different weight combinations between the links. Is also possible.
次に、前述したような湾曲部１４の姿勢駆動制御を行うコントローラ５の実施例１について図３０乃至図３８を参照しながら説明する。
図３０乃至図３８は本発明の実施例１に係り、図３０は内視鏡装置１のコントローラ５の具体的な構成を示すブロック図、図３１及び図３２は湾曲部１４を構成する挿入部駆動機構２０の姿勢制御を説明するもので、図３１は先端側のリンク部材２１ａをポイントロックした状態を示し、図３２は先端側のリンク部材２１ａをポイントロックすることにより次段のリンク部材が冗長性を有している状態を示している。また、図３３は図３０のポイントロック演算部５０の具体的な構成を示すブロック図、図３４は図３３の逆運動学演算部５２の具体的な構成を示すブロック図、図３５は先端側のリンク部材２１ａのみポイントロックしたときの姿勢状態を説明する図、図３６はさらに、第４のリンク部材２１ｄをポイントロックしたときの姿勢状態を説明する図である。さらに、図３７は２箇所のポイントロックをする場合の姿勢制御するための説明図であり、図３８はポイントロック演算部が各リンク部材２１毎に設けられたコントローラ内部の構成を示すブロック図である。
Next, a first embodiment of the
30 to 38 relate to the first embodiment of the present invention, FIG. 30 is a block diagram showing a specific configuration of the
本実施例におけるコントローラ５は、上述したような湾曲部１４の姿勢制御を行うサーボ制御コントローラ３６Ａを有し、このサーボコントローラ３６Ａには、前記制御則演算部３６Ｂの演算処理機能を有するポイントロック演算部５０が設けられている。
The
前記サーボコントローラ３６は、前記ポイントロック演算部５０を用いて、前記湾曲部１４が挿入されることによって移動したときに前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記操作指令部７により指定されたリンク部材２１ａ及びこのリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２２が前記位置を通過するように、前記複数のリンク部材２１のそれぞれの角度を演算処理し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材２１を回動させるように駆動部１０ｂを制御する。
The
このような演算処理を行うポイントロック演算部５０の構成について図３０、図３３及び図３４を参照しながら説明する。
The configuration of the point
図３０に示すように、前記ポイントロック演算部５０には、先端側のリンク部材２１ａにおけるサーボ指令値信号を含む設定指令値信号等の先端指令値情報と、前記リンク部材２１ａにおける状態量検知信号などの位置Ｆ／Ｂ情報とが供給される。
As shown in FIG. 30, the point
そして、前記ポイントロック演算部５０は、供給された先端指令値情報と位置Ｆ／Ｂ情報とに基づいて、後述する先端リンク根元座標位置計算部５１及び逆運動学演算部５２によって各リンク部材２１に対応する駆動指令値信号としてのサーボ位置指令信号（関節トルク指令値信号を含む）を得るための演算処理を行う。
Then, the point
すなわち、前記ポイントロック演算部５０は、供給された先端指令値情報と位置Ｆ／Ｂ情報とに基づいて、前記湾曲部１４が挿入されることによって移動したときに前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記操作指令部７により指定されたリンク部材２１ａ及びこのリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２２が前記位置を通過するように、前記複数のリンク部材２１のそれぞれの角度を演算処理し、この演算結果をサーボ位置指令値信号として駆動部１０ｂに出力する。
That is, the point
なお、前記ポイントロック演算部４０の演算処理に用いられる前記先端指令値情報と前記位置Ｆ／Ｂ情報とは、検出手段であるセンサ３８によって検出される、前記複数のリンク部材２１が互いになす角度及びその角度の変化量を示している。
Note that the tip command value information and the position F / B information used for the calculation processing of the point
このことにより、駆動部１０ｂは、供給されたサーボ位置指令信号に基づき指定されたリンク部材２１の回動をそれぞれ制御することにより、前記挿入部駆動機構２０を有する湾曲部１４は、挿入する管腔内の形状に合わせた形状に湾曲されることになる。
Thus, the driving
図３１には先端側のリンク部材２１ａのみが指示された所定の姿勢状態でポイントロックされた状態が示されている。
このような姿勢状態に制御する場合、前記ポイントロック演算部５０は、図３２に示すように、先端部側のリンク部材２１ａの関節部材２０ａをポイントロックＲ１とすると、このポイントロックＲ１のポイントロック座標値を演算処理することにより先端側のリンク部材２１ａを２次元における位置と向きを姿勢制御するのに必要なサーボ位置指令信号を生成する。
FIG. 31 shows a state in which only the distal end side link member 21a is point-locked in a predetermined posture state instructed.
In the case of controlling to such a posture state, the point
また、図３２に示すように、先端側のリンク部材２１ａがポイントロックされている姿勢状態では、前記ポイントロックＲ１以降の複数のリンク部材２１ｂ、２１ｃ、２１ｄで構成されるリンク部２０Ｂは、前述した姿勢制御によって冗長性を有し、図中波線で示すように規制されない任意な姿勢に変化可能となる。
Further, as shown in FIG. 32, in the posture state where the link member 21a on the distal end side is point-locked, the
図３３に前記ポイントロック演算部５０の具体的な構成が示されている。図３３に示すように、前記ポイントロック演算部５０は、先端リンク根元座標位置計算部５１と、逆運動学演算部５２と、を有している。
FIG. 33 shows a specific configuration of the point
前記先端リンク根元座標位置計算部５１は、リンク部材２１の関節角度情報と、先端側のリンク部材２１ａの位置情報である先端指令値情報と、位置Ｆ／Ｂ情報とが入力され、これらの情報に基づき、先端側のリンク部材２１ａの先端リンク根元座標位置を算出し、算出結果を逆運動学演算部５２に出力する。
The tip link root coordinate position calculation unit 51 receives joint angle information of the
前記逆運動学演算部５２は、前記先端リンク根元座標位置計算部５１からの先端指令値情報と前記位置Ｆ／Ｂ情報とが入力され、これらの情報に基づき、前記先端側のリンク部材２１ａ以降のリンク部材２１における根元座標位置を演算処理し、先端側のリンク部材２１ａ以外のサーボ位置指令値信号を生成し出力する。
The inverse
図３４に前記逆運動学演算部５２の具体的な構成が示されている。図３４に示すように、前記逆運動学演算部５２は、機構パラメータ演算部５３と、順運動学演算部５４と、ヤコビアン演算部５５と、ゲイン５６と、行列演算部５７と、積分回路５８と、を有している。 前記機構パラメータ演算部５３は、位置Ｆ／Ｂ情報をもとに先端側のリンク部材２１ａを微妙な姿勢に調整制御するための先端リンクオフセット値を演算処理して生成する。この先端リンクオフセット値は、前記先端指令値信号とで差分が求められ、この差分値は、前記順運動学演算部５４により演算処理された指令値Ｆ／Ｂ情報とで再度差分が求められる。このことにより、この差分値は２段目位置指令情報として前記ゲイン５６に供給される。前記ゲイン５６は、供給された２段目位置指令情報を増幅し、前記行列演算部５７に出力する。
FIG. 34 shows a specific configuration of the inverse
一方、前記ヤコビアン演算部５５は、図２１にて説明したものと同様に、指令値情報を元に演算処理することによりヤコビアンＪを生成し、前記行列演算部５７に出力する。
On the other hand, the
前記行列演算部５７は、供給された２段目位置指令情報を基に、リンク部材２１の姿勢状態に応じた２段目以降のリンク部材２１の姿勢（角度）を決定するための行列演算処理を行い、得られた演算結果を積分回路５８により積分処理を施した後、２段目以降のサーボ指令値信号として駆動部１０ｂに出力する。
The
なお、前記積分回路５８の出力、すなわち、２段目以降のサーボ指令値信号は、前記ヤコビアン演算部５５及び順運動学演算部５４を介して先端指令値情報と位置Ｆ／Ｂ情報との偏差値にフィードバックされている。これは、逆運動学を解く際の特異解を出来るだけ発生しないよう考慮しているためである。
The output of the
通常逆運動学であれば解析的に解を求めるが、特異解が発生した場合に解が求まらないことが生じる。そのため、ここでは、逆運動学を用いずに、順運動学による逆運動学を求める手法を用いており、ゲイン５６の値によって収束速度を設定する構造になっている。
Usually, inverse kinematics seeks an analytical solution, but when a singular solution occurs, the solution may not be found. For this reason, here, a method for obtaining inverse kinematics by forward kinematics without using inverse kinematics is used, and the convergence speed is set by the value of
このことにより、２段目以降のリンク部材２１は、前記先端側のリンク部材２１ａの姿勢制御に連動して微妙な姿勢となるように制御されることになる。
As a result, the second and
図３５は実施例１のポイントロック演算部５０によって姿勢制御された湾曲部１４の湾曲状態を示している。
例えば、操作者が操作指令部７を用いて先端側のリンク部材２１ａのみをポイントロックするための指示を入力すると、前記ポイントロック演算部５０は、前記したように演算処理を行うことにより、ポイントロックＲ１のポイントロック座標値（２次元における位置と向き）にて先端側のリンク部材２１ａをポイントロックするためのサーボ位置指令値信号を生成し、駆動部１０ｂに与えて制御する。
FIG. 35 shows a bending state of the bending
For example, when an operator inputs an instruction for point-locking only the link member 21a on the distal end side using the
このことにより、湾曲部１４の先端側のリンク部材２１ａは、図３５に示すようにポイントロックＲ１にて指示された姿勢ベクトル（２次元における位置と向き）でポイントロックされる。
また、このとき、前記ポイントロックＲ１以降の複数のリンク部材２１ｂ、２１ｃ、２１ｄで構成されるリンク部２０Ｂは、前記図３３及び図３４のブロック図にて説明したように、前記ポイントロック演算部５０によって、前記先端側のリンク部材２１ａの姿勢制御に連動した冗長性を有する姿勢制御が行われるので、例えば図中矢印Ａ方向に対してその姿勢が任意となる。
As a result, the link member 21a on the distal end side of the bending
At this time, the
すなわち、ポイントロック演算部５０は、前記湾曲部１４が挿入されることによって移動したときに前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記操作指令部７により指定されたリンク部材２１ａ及びこのリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２２が前記位置を通過するように、前記複数のリンク部材２１のそれぞれの角度を演算処理し、この演算結果に基づいて前記複数のリンク部材２１を回動させるように駆動部１０ｂを制御する。
That is, the point
このような内視鏡装置１において、挿入部９を大腸に挿入する場合、術者は、湾曲部１４を有する挿入部９を肛門を介して挿入する。そして、挿入部９の先端部１４がＳ状結腸部に到達すると、サーボコントローラ３６Ａは先端側のリンク部材２１ａを操作指令部７により指定した２次元における位置と向きにポイントロックさせる。
In such an
そして、術者は２次元における位置と向きにポイントロックされた先端側のリンク部２１ａをＳ状結腸部の腸壁に沿ってさらに奥へと挿入する。 Then, the surgeon inserts the distal end side link portion 21a, which is point-locked in a two-dimensional position and orientation, further into the back along the intestinal wall of the sigmoid colon.
すると、前記先端側のリンク部材２１ａ及びこのリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２１は、前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記位置を通過するような角度に制御されることになる。すなわち、湾曲部１４はＳ状結腸部の形状に合った形状に湾曲動作しながら挿入されることになる。なお、２段目以降のリンク部材２１ｂ〜２１ｎは、前記したように冗長性を有する姿勢制御が行われることになる。
Then, the link member 21a on the distal end side and the
このことにより、従来、挿入に困難を要していたＳ状結腸部に合わせた形状で挿入することができるので、Ｓ状結腸部を容易に通過させることが可能となる。よって、さらに、大腸の深部へと容易に挿入することができるので、挿入性を向上させることができる。 As a result, it is possible to insert the sigmoid colon in a shape that has conventionally been difficult to insert, so that the sigmoid colon can be easily passed. Therefore, since it can be easily inserted into the deep part of the large intestine, the insertability can be improved.
また、本実施例では、先端側のリンク部材２１ａのみをポイントロックさせるのではなく、２段目以降の任意のリンク部材２１をポイントロックさせることも可能である。
Further, in this embodiment, it is possible to point-lock any
図３６はポイントロックが２箇所となるように姿勢制御された湾曲部１４の湾曲状態を示す図、図３７は２箇所のポイントロックを指定するためのポイントロック演算部５０による演算方法を説明するための説明図、図３８は複数箇所のポイントロックを指定し制御するのに必要なコントローラの構成を示すブロック図である。
FIG. 36 is a diagram illustrating a bending state of the bending
図３８に示すように、先端側のリンク部材２１ａと２段目以降の任意のリンク部材２１をポイントロックするための構成としては、前記ポイントロック演算部５０を複数のリンク部材２１に対応させて複数設けると共に、次段のポイントロック座標位置を得るためのサーボ指令値信号を次段のポイントロック演算部５０に入力可能となるように接続して構成する。
As shown in FIG. 38, as a configuration for point-locking the link member 21a on the distal end side and the
すなわち、先端側のリンク部材２１ａに対応するブロックをポイントロック演算部５０Ａとすると、次段のリンク部材２１ｂに対応するポイントロック演算部５０Ｂは、前記ポイントロック演算部５０Ａの出力であるサーボ位置指令値信号を、２番目のポイントロック位置を演算するための入力信号として取り込むことになる。
That is, assuming that the block corresponding to the link member 21a on the distal end side is the point lock calculation unit 50A, the point lock calculation unit 50B corresponding to the
以降、同様にして複数のリンク部材２１の内、ポイントロックするリンク部材２１に応じた数のポイントロック演算部５０Ｃ…５０ｎを設けて、サーボ制御コントローラ３６Ａを構成すれば良い。
また、図３８に示す構成において、２箇所のポイントロックが指定された場合には、前記複数のポイントロック演算部５０Ａ、５０Ｂ…５０ｎによってそれぞれ先端側のリンク部材２１の位置指令値信号に基づき演算処理を行う。
Thereafter, the servo controller 36A may be configured by providing the number of point lock calculation units 50C... 50n corresponding to the
In the configuration shown in FIG. 38, when two point locks are designated, the plurality of point lock calculation units 50A, 50B,... 50n are calculated based on the position command value signal of the
この場合、例えばポイントロックＲ１の他に、２番目のポイントロック箇所を３番目のリンク部材２１ｃの関節部材２０ｃとした場合、図３７に示すように、この関節部材２０ｃ（ｑ３）のポイントロック箇所を仮想先端位置と想定する。すなわち、ｑ３を仮想先端位置とするｑ４に対応のリンク部材２１が、仮想の先端側のリンク部材２１となる。
In this case, for example, in addition to the point lock R1, when the second point lock location is the
そして、このリンク部材２１のｑ４の姿勢ベクトル（２次元又は３次元の位置と向き）にてポイントロックするように、対応するポイントロック演算部５０によって演算処理が行われる。このことにより、先端側のリンク部材２１ａのｑ１とｑ４との２箇所でポイントロックするのに必要な演算処理を行うことが可能となる。
Then, the corresponding point
なお、複数のリンク部材材２１の内、ポイントロックするリンク部材２１の指定は、前記操作指令部７によって行われるようになっている。
In addition, designation of the
図３６にはポイントロックが２箇所となるように姿勢制御された湾曲部１４の湾曲状態が示されている。
図３６に示すように、例えば、操作者が操作指令部７を用いて先端側のリンク部材２１ａと４段目のリンク部材２１ｄとを２次元における位置と向きにてポイントロックするための指示を入力すると、前記ポイントロック演算部５０Ａ、５０Ｅ（図示しない４段目のリンク部材２１ｄに対応するポイントロック演算部）は、前記したような演算処理を行うことにより、ポイントロックＲ１及びポイントロックＲ２のポイントロック座標値にて先端側のリンク部材２１ａ及びリンク部材２１ｄをポイントロックするためのサーボ位置指令値信号をそれぞれ生成し、駆動部１０ｂに与えて制御する。
FIG. 36 shows a bending state of the bending
As shown in FIG. 36, for example, the operator uses the
このことにより、図３６に示すように、湾曲部１４の先端側のリンク部材２１ａは、ポイントロックＲ１にて指示された姿勢ベクトル（２次元における位置と向き）でポイントロックされる。同時に、４段目のリンク部材２１ｄは、ポイントロックＲ１にて指示された姿勢ベクトル（２次元における位置と向き）でポイントロックされる。
As a result, as shown in FIG. 36, the link member 21a on the distal end side of the bending
また、このとき、前記ポイントロックＲ１以降の複数のリンク部材２１ｂ、２１ｃで構成されるリンク部２０Ｂと、前記ポイントロックＲ２以降の複数のリンク部材２１ｅ、２１ｆで構成されるリンク部２０Ｃとは、前記図３３及び図３４のブロック図にて説明したように、前記ポイントロック演算部５０によって、前記先端側のリンク部材２１ａの姿勢制御に連動した冗長性を有する姿勢制御が行われるので、例えば図中矢印Ａ方向に対してその姿勢が任意となる。
At this time, the
すなわち、ポイントロック演算部５０Ａ、５０Ｂは、前記湾曲部１４が挿入されることによって移動したときに前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記操作指令部７により指定されたリンク部材２１ａ、２１ｄ及びこのリンク部材２１ａ、２１ｄにそれぞれ連なる他のリンク部材２１とが前記位置を通過するように、前記複数のリンク部材２１のそれぞれの角度を演算処理し、この演算結果に基づいて前記複数のリンク部材２１を回動させるように駆動部１０ｂを制御する。
That is, the point lock calculation units 50A and 50B are designated by the
このような内視鏡装置１において、挿入部９を大腸に挿入する場合、術者は、湾曲部１４を有する挿入部９を肛門を介して挿入する。そして、挿入部９の先端部１４がＳ状結腸部に到達すると、サーボコントローラ３６Ａは先端側のリンク部材２１ａを操作指令部７により指定した２次元における位置と向きにポイントロックさせる。
In such an
そして、術者は２次元における位置と向きにポイントロックされた先端側のリンク部２１ａをＳ状結腸部の腸壁に沿ってさらに奥へと挿入する。 Then, the surgeon inserts the distal end side link portion 21a, which is point-locked in a two-dimensional position and orientation, further into the back along the intestinal wall of the sigmoid colon.
すると、前記先端側のリンク部材２１ａ及びこのリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２１は、前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記位置を通過するような角度に制御されることになる。
Then, the link member 21a on the distal end side and the
また、湾曲部１４の挿入が進むと、サーボコントローラ３６Ａは指定されたリンク部材２１ｄを前記ポイントロック演算部５０Ｅによって求められた２次元における位置と向きにポイントロックさせる。
As the insertion of the bending
そして、術者は、さらに、２次元における位置と向きにポイントロックされた途中のリンク部２１ｄをＳ状結腸部の腸壁に沿ってさらに奥へと挿入する。
Then, the surgeon further inserts the
すると、前記リンク部材２１ｄ及びこのリンク部材２１ｄに連なる他のリンク部材２１は、前記先端側のリンク部２１ａとこのリンク部材２１ａに連なる他のリンク部材２１と同様に前記操作指令部７により指定された位置と向きを維持しながら前記位置を通過するような角度に制御されることになる。
Then, the
すなわち、湾曲部１４はＳ状結腸部の形状に合った形状に湾曲動作しながら挿入されることになる。なお、２段目以降のリンク部材２１ｂ〜２１ｎは、前記したように冗長性を有する姿勢制御が行われている。
That is, the bending
このことにより、挿入部９を大腸に挿入する場合、先端側のリンク部材２１ａをポイントロックさせた状態よりも、さらに、Ｓ状結腸部に合わせた形状で挿入することができるので、Ｓ状結腸部をより容易に通過させることが可能となる。よって、さらに、大腸の深部へと容易に挿入することができるので、挿入性を向上させることができる。 As a result, when the insertion portion 9 is inserted into the large intestine, it can be inserted in a shape that matches the sigmoid colon portion more than when the link member 21a on the distal end side is point-locked. It is possible to pass the part more easily. Therefore, since it can be easily inserted into the deep part of the large intestine, the insertability can be improved.
なお、本実施例では、前記複数のリンク部材２１の内、任意のリンク部材２１の２次元における位置と向きをポイントロックすることについて説明したが、これに限定されるものではなく、任意のリンク部材２１の３次元における位置と向きをポイントロックするように構成しても良い。
In addition, although the present Example demonstrated point-locking the two-dimensional position and direction of
また、本実施例では、ポイントロック演算部５０を有するサーボ制御コントローラ３６Ａによって、任意のリンク部材２１をポイントロックさせると同時に、他のリンク部材２１については任意の冗長性を有する姿勢に変化可能な姿勢制御を行うことについて説明したが、挿入された大腸などの管腔内から挿入部９を抜く場合には、例えば、駆動部１０ｂの駆動を停止させることにより、湾曲部１４の全て、あるいは一部のリンク部材２１の姿勢制御を解除して負荷のないフリーな状態（自由に回動できる状態）となるように制御しても良い。このことにより、挿入部９を管腔内から容易に抜くことができる。
Further, in this embodiment, the servo controller 36A having the point
また、図３９に示すように、駆動軸選択手段６０及び駆動軸認知手段６１を設けて、姿勢制御を解除してフリーな状態にするリンク部材２１を、操作者による操作に基づき指定するように構成しても良い。
この場合、図３９に示すように、駆動軸選択手段６０は、操作者によってフリーな状態にするリンク部材２１を選択し、選択した操作信号を前記駆動軸認知手段６１に供給する。そして、この駆動軸認知手段６１は、操作信号に基づいて選択されたリンク部材２１に基づく位置情報を認識して、この認識したリンク部材２１の姿勢制御を解除する旨を表す制御信号を制御則演算部３６Ｂ（図１６参照）に出力する。
Further, as shown in FIG. 39, a drive
In this case, as shown in FIG. 39, the drive shaft selection means 60 selects the
そして、制御則演算部３６Ｂは、前記同様、リンク部材２１の姿勢制御を行うと同時に、制御信号に基づくリンク部材２１については姿勢制御を解除するように駆動部１０ｂを制御する。このことにより、湾曲部１４の湾曲姿勢の自由度が増し、より挿入部９の操作性を高めることができる。
And the control law calculating part 36B controls the
以上、述べたように本実施例によれば、挿入部９の湾曲部１４を構成する複数のリンク部材２１の内、先端側のリンク部材を含む任意のリンク部材２１をポイントロックするとともに、他のリンク部材については冗長性を有する任意の姿勢となるように姿勢制御することができるので、挿入部９の湾曲部１４を管腔内の形状に合わせた形状で挿入することが可能となる。よって、挿入部の挿入性を向上できるといった効果を得る。
As described above, according to the present embodiment, among the plurality of
なお、本実施例では、管腔内で挿入部９が挿入されて前記のように姿勢制御されている際に、この姿勢状態を変えずにポイントロックされた先端側のリンク部材２１ａ又はこのリンク部材２１ａ以外で任意のリンク部材２１の姿勢を微妙に変化させたいことも生じる場合がある。
In this embodiment, when the insertion portion 9 is inserted in the lumen and the posture is controlled as described above, the link member 21a on the distal end side that is point-locked without changing the posture state or the link There may be a case where it is desired to slightly change the posture of the
これは、冗長性を有する姿勢の行列演算を行っているため、微妙に動かしただけでも姿勢ががらりと変更する場合が発生する。このため、姿勢はそのままで、所望のリンクを微妙に調整したい場合に有効となる。 In this case, since the matrix calculation of the posture having redundancy is performed, there is a case where the posture is changed suddenly even if it is moved slightly. Therefore, this is effective when it is desired to finely adjust a desired link without changing the posture.
そこで、本実施例ではこのような要求を満足するために、例えば図４０に示すように、ポイントロックされた先端側のリンク部材２１ａ又はこのリンク部材２１ａ以外で任意のリンク部材２１の位置又は向きを予め設定された量だけ変更するオフセット指令入力部６２を設けている。つまり、このオフセット指令入力部６を用いることにより、ポイントロックされた先端側のリンク部材２１ａ又はこのリンク部材２１ａ以外で任意のリンク部材２１の位置又は向きを微妙に変化（オフセット）させて調整することができる。
Therefore, in the present embodiment, in order to satisfy such a requirement, for example, as shown in FIG. 40, the position or orientation of the
このオフセット指令入力部６２は、サーボ制御コントローラ３６Ａ内に設けられ、任意のリンク部材２１が予め設定された量でオフセットするのかを示すオフセット指令値情報を生成し出力する。なお、オフセット指令入力部６２における設定量は、場合によっては可変させても良い。
The offset
このオフセット指令値情報は、図４０に示すように、サーボ指令値信号とで加算された後、図１２で説明したようにＰＤ制御部４０によって比例・微分制御等のＰＤ制御が行われることにより操作出力値信号（駆動信号）となり、モータ２７に与える。このことにより、モータ２７は、オフセット量が加味された操作出力値信号に基づき回転制御されるので、指定されたリンク部材２１の姿勢（位置又は向き）は微妙にオフセットされることになる。
The offset command value information is added with the servo command value signal as shown in FIG. 40, and then PD control such as proportional / differential control is performed by the
このことにより、ポイントロックされた先端側のリンク部材２１ａ又はこのリンク部材２１ａ以外で任意のリンク部材２１がＳ状結腸部の腸壁に当接して挿入が妨げられた場合には、前記リンク部材２１の位置又は向きがオフセットされるので、患者に苦痛を与えることなく、円滑に挿入することができる。
As a result, when the link member 21a on the distal end side that is point-locked or any
また、本実施例では、図３９に示す駆動軸選択手段６０及び駆動軸認知手段６１と、図４０に示すオフセット指令入力部６２とを組み合わせてサーボ制御コントローラ３６Ａを構成しても良い。このような構成が図４１に示されている。
In the present embodiment, the servo control controller 36A may be configured by combining the drive axis selection means 60 and the drive axis recognition means 61 shown in FIG. 39 and the offset
すなわち、図４１に示すように、前記サーボ制御コントローラ３６Ａを有する指令制御部５Ａにおいて、前記入力Ｉ／Ｆ３４には前記オフセット指令入力部６２からのオフセット指令値情報が入力され、前記Ｉ／Ｆ３５には前記駆動軸認知手段６１からの軸設定情報などの制御信号が入力されるようになっている。そして、ＣＰＵ３２は、これらの情報に基づき、湾曲部１４の各リンク部材の姿勢を制御するための演算処理を行うことになる。その他の構成及び作用は図１０に示す構成と同様である。
That is, as shown in FIG. 41, in the command control unit 5A having the servo control controller 36A, the offset command value information from the offset
なお、本実施例において、マニピュレータを構成する挿入部駆動機構２０を有する湾曲部１４は、内視鏡２の挿入部９に設けられたものとして説明したが、前記湾曲部１４は内視鏡２の挿入部９を挿通させて管腔内に対する挿入部９の挿入を補助する内視鏡挿入補助具の挿入部に設けて構成しても良い。
In the present embodiment, the bending
また、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸
脱しない範囲で種々変形実施可能である。
Further, the present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
１…内視鏡装置、
２…内視鏡、
３…光源装置、
４…ビデオプロセッサ、
５…コントローラ、
６…モニタ、
５Ａ…指令制御部、
７…操作指令部、
７ａ…ジョイスティック、
８…設定値指令部、
９…挿入部、
１０…操作部、
１０ｂ…駆動部、
１３…先端部、
１４…湾曲部、
２０…挿入部駆動機構（マニピュレータ）、
２０ａ〜２０ｎ…関節部材、
２１ａ〜２１ｎ…リンク部材、
２２…ジョイントシャフト、
２３…ポテンショメータ、
２４、２５…歯車、
２６…連結ギア、
２７…モータ、
２８…連結ギア、
２８…連結歯車、
３０…フレシキブルシャフト、
３１…アクチュエータ制御ブロック、
３１ａ〜３１ｎ…アクチュエータ制御ブロック、
３６Ａ…サーボ制御コントローラ、
３６Ｂ…制御則演算部、
３７…制御指令値出力部、
３７ａ…ドライバ、
３８…センサ、
３９…信号入力部、
３９ａ…検知部、
４０…ＰＤ制御部、
４１…運動学演算部、
４２…制御演算部、
４３…ダイナミックス演算部、
４４…順運動学演算部、
４５、４６…時間微分演算部、
４７…ヤコビアン演算部、
４８…疑似逆行列演算部、
４９…ヤコビアン零空間演算部、
５０…ポイントロック演算部、
５０Ａ〜５０Ｃ…ポイントロック演算部、
５１…先端リンク根元座標位置計算部、
５２…逆運動学演算部、
５３…機構パラメータ演算部、
５４…順運動学演算部、
５５…ヤコビアン演算部、
５６…アンプ、
５７…行列演算部、
５８…積分回路、
６０…駆動軸選択手段、
６１…駆動軸認知手段、
６２…オフセット指令入力部。
1 ... Endoscopic device,
2. Endoscope,
3 ... light source device,
4 ... Video processor,
5 ... Controller,
6 ... Monitor,
5A: Command control unit,
7: Operation command section,
7a ... Joystick,
8: Setting value command section,
9 ... Insertion part,
10 ... operation part,
10b ... drive unit,
13 ... the tip,
14: curved part,
20: Insertion section drive mechanism (manipulator),
20a to 20n ... joint members,
21a-21n ... Link member,
22 ... Joint shaft,
23 ... Potentiometer,
24, 25 ... gears,
26: Connecting gear,
27 ... motor,
28 ... Connecting gear,
28: Connecting gear,
30 ... Flexible shaft,
31 ... Actuator control block,
31a-31n ... Actuator control block,
36A ... Servo controller
36B: Control law calculation unit,
37 ... Control command value output section,
37a ... driver,
38 ... sensor,
39: Signal input section,
39a ... detection part,
40 ... PD control unit,
41 ... kinematics calculation part,
42... Control arithmetic unit,
43. Dynamics calculation unit,
44 ... Forward kinematics calculation unit,
45, 46 ... time derivative calculation unit,
47 ... Jacobian operation part,
48 ... pseudo-inverse matrix calculation unit,
49 ... Jacobian null space arithmetic unit,
50: Point lock calculation unit,
50A to 50C: Point lock calculation unit,
51 ... Tip link root coordinate position calculation unit,
52. Inverse kinematics calculation unit,
53. Mechanism parameter calculation unit,
54: Forward kinematics calculation unit,
55 ... Jacobian operation part,
56 ... Amplifier,
57 ... Matrix operation unit,
58. Integration circuit,
60 ... Drive shaft selection means,
61 ... Drive axis recognition means,
62: Offset command input unit.
Claims (7)
前記複数のリンク部材をそれぞれ回動させて前記湾曲部を湾曲動作させるための駆動手段と、
前記複数のリンク部材の内、位置と向きを固定するリンク部材を指定する指定手段と、
前記医療用具の前記湾曲部が移動したときに前記指定手段により指定された位置と向きを維持しながら前記指定手段により指定されたリンク部材及びこのリンク部材に連なる他のリンク部材が前記位置を通過するように、前記複数のリンク部材のそれぞれの角度を演算し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材を回動させるように前記駆動手段を制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とする医療用制御装置。 A medical device having a curved portion in which a plurality of link members are rotatably connected to the distal end side of the insertion portion to be inserted into the subject;
Driving means for rotating each of the plurality of link members to bend the bending portion;
A designation means for designating a link member for fixing a position and an orientation among the plurality of link members;
When the curved portion of the medical device moves, the link member designated by the designation unit and the other link member connected to the link member pass through the position while maintaining the position and orientation designated by the designation unit. Control means for calculating the respective angles of the plurality of link members, and controlling the drive means to rotate the plurality of link members based on the calculation result;
A medical control device comprising:
前記制御手段は、前記検出手段による検出結果を用いて、前記複数のリンク部材における隣り合うリンク部材のそれぞれの角度を演算し、この演算結果に基づいて、前記複数のリンク部材を回動させるように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の医療用制御装置。 Detecting means for detecting an angle between the plurality of link members and a change amount of the angle;
The control means calculates the angles of the adjacent link members in the plurality of link members using the detection results of the detection means, and rotates the plurality of link members based on the calculation results. The medical control apparatus according to claim 1, wherein the driving unit is controlled.
前記制御手段は、前記選択手段により選択されたリンク部材のみ自由に回動できるようにすることを特徴とする請求項５に記載の医療用制御装置。 The designation means has a selection means for selecting a link member to be freely rotated,
The medical control apparatus according to claim 5, wherein the control unit is configured to freely rotate only the link member selected by the selection unit.
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