JP4911629B2 - 遠隔操作システム - Google Patents
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Description
例えば、内視鏡手術では、施術者は、カメラによる視覚に頼りながら、先端の作業部(マニピュレータ)と機械的に直結された操作部で反力を感じながら作業を行う。
このような作業において、作業部と操作部との連結部分が高い剛性を有する場合には、作業部が受ける反力が操作部に機械的に伝わるため、施術者は操作部において作業部が受ける反力を直接感じながら作業を行うことができる。
しかしながら、例えば、微細な部分に細管を挿入して腫瘍等を切除する手術などでは、細管を柔軟性(可撓性)があるものとする必要があるため、作業部が受ける反力を細管を介して機械的に操作部へと伝えることが非常に困難となる。
特許文献1に記載されたマスタースレーブ装置は、マニピュレータの先端にセンサを設け、このセンサからの信号を操作部にフィードバックさせて、術者の手先の感覚に反映させるように構成されている。
また、マニピュレータを駆動させるために使用される複数のモータに電力を供給するための電源と、フィードバック制御を行うための制御装置が必要となることから、装置の大型化や複雑化を生じ、使用場所に制限が生じるという問題がある。
このようなリハビリ方法は、看護士による場合にはリハビリを受ける時間が限られるし、機器を使用する場合には機器の暴走の危険性がある。また、いずれの方法でも、患者に実感覚に近い力学的感覚を与えることが困難である上に、患者が受動的となることにより、回復が非常に遅くなる。
具体的には、患者の手首の3自由度のうち、少なくとも1自由度の作動に対して患者に力学的感覚を伝える少なくとも1つの駆動手段と、駆動手段の駆動を調整する少なくとも1つの機能性流体クラッチを有する上肢リハビリ装置が開示されている。
この装置によれば、駆動手段(モータ)から機能性流体(ER流体・MR流体等)クラッチを介して駆動を伝達することにより、患者の上肢に3次元の力学的感覚を伝えることができる。また、患者は能動的にリハビリを行うことができる。
また、装置が固定設置式であるために、病院等の決まった場所以外ではリハビリを行うことが困難である。
この装置は、筋肉の動きを検知するセンサを使用者の健常な側の部位に取り付け、センサが検知した筋肉の動きに基づいて作動するアクチュエータを使用者の弱った部位に取り付けたものであり、健常な側と筋力の弱った側の両方を動かして、身体の半身の筋力が弱った使用者に対してリハビリを行わせることができる。
また、アクチュエータ(空気圧アクチュエータ)を駆動させるためのエネルギー源(空気圧源)を設置する必要があるため、装置が大型化・重量化し、病院等の決まった場所以外ではリハビリを行うことが困難である。
図1は本発明に係る遠隔操作システムの基本構成を示す図である。
本発明に係る遠隔操作システムは、操作者(システム利用者)により操作される操作部(1)と、この操作部(1)と離れた位置に設けられて該操作部の操作に伴って作動する作業部(2)と、これら操作部(1)及び作業部(2)に夫々接続されたエネルギー変換機(3)とを備えている。
そして、操作部(1)に入力される力(エネルギー)と作業部(2)から出力される力(エネルギー)とは比例関係にある。
第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)としてはDCモータが最も好適に利用される。そのため、以下の説明では、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)としてDCモータを使用した場合を例に挙げて説明する。
但し、本発明においては、機械エネルギーと電気エネルギーの相互変換がDCモータと同様の関係式で実行可能な装置であれば、DCモータに代えて他の種類の変換機(例えば圧電素子)を使用してもよい。
電気回路は、第1の変換機(31)、抵抗(R)、第2の変換機(32)、コイル(L)が、この順の経路で電流が流れるように直列に接続されている。
この場合、外部電源が無ければ、
操作部(1)の運動方程式は下式となり、
作業部(2)の運動方程式は下式となる。
ここで、
T:モータトルク
A:アクチュエータ係数(トルク定数、時定数の総称として用いる)
である。
すなわち、2つの慣性モーメントが減衰器で結合されている系と等価である。
ここで、2つの慣性モーメントの影響、即ち慣性力が十分小さい場合であれば、近似的にF1=F2となり、作業部の反力と操作部に加える力(トルク)が等しくなる。
このことから、操作部(1)においては、作業部(2)の反力を直接感じながら操作ができることになる。そして、反力が小さければ、作業部(2)は操作部とあまり変わらない速度で動くため、操作部(1)でほぼリアルタイムで反力を感じながら操作することが可能となる。
このように、本発明によれば、電源やセンサを必要とせずに、力覚認識性能が高い遠隔操作システムを得ることが可能となる。
尚、上述の説明では、モータが回転モータである場合(操作部及び作業部で回転運動を行う場合)を想定したが、モータがリニアモータである場合(操作部及び作業部で並進運動を行う場合)についても同様の考え方が成り立つ。
この欠点を改善する(運動性能を改善する)ための方法としては、先ず、電気回路で消費されるエネルギー損失を補うエネルギー補充手段を設ける方法が挙げられる。
この例において、エネルギー補充手段は、電気回路で消費されるエネルギーを測定するセンサ(図示略)と、該センサにより測定された消費エネルギー量以下のエネルギーに相当する電力を電気回路に供給する電源(4)とからなる。
ここで、Rは事前に計測しておくことができる既知の定数(抵抗値)であり、iは電流センサによりリアルタイムで計測する。
上式において、α=1とすれば、電気回路で消費されるエネルギーを全て補充することが可能であるが、安定性確保のため、αは0<α≦1の範囲で状況に応じて設定する。
上記eを加えると、電気回路の運動方程式は、
となり、整理すれば、
となる。式形を見れば、電気回路の抵抗がRからR(1−α)に減少したのと同等である。
したがって、等価な減衰定数をCとすれば、
となり、理論的にはαを1に近づければ、Cをいくらでも大きくすることが可能となり、減衰定数Cを大きくすることによって、操作部(1)への入力と作業部(2)からの出力の速度差を十分に小さくすることができる。つまり、運動性能を改善することができる。
但し、1−αが負になれば、電気回路で消費される消費されるエネルギーを超えて電源(4)からエネルギーが供給されることになってシステムが不安定になるので、負にならないようにαを設定する必要がある。
従って、手術ロボット等の作業部(2)の近傍にスペースを確保できないような場合にも問題なく使用することができる。
第2の例において、エネルギー補充手段は、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)の駆動速度を測定する測定手段(図示略)と、第1の変換機(31)の駆動速度と第2の変換機(32)の駆動速度の偏差を小さくするように電気回路に電力を供給する電源(4)からなる。
尚、他の例と同様にこの例においても、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)としてDCモータを使用した場合について説明する。
測定手段は、リアルタイムで速度を計測できるものであれば限定されず、例えばエンコーダ、リゾルバ、タコジェネレータ等を使用することができる。
となり、Lの影響を無視すれば、
となり、等価な減衰定数は、
となる。
従って、pを大きくすれば、Cを十分大きくすることが可能となり、操作部(1)への入力と作業部(2)からの出力の速度差を十分に小さくすることができる。つまり、運動性能を改善することができる。
具体的には、上述した第2の例において、測定手段が、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)の駆動速度に代えて変位(θ1,θ2)を測定し、電源(4)が、第1の変換機(31)の変位と第2の変換機(32)の変位の偏差を小さくするように電気回路に電力を供給するように構成することができる。
或いは、上述した第2の例において、測定手段が、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)の駆動速度に加えて変位を測定し、電源(4)が、第1の変換機の駆動速度と変位の1次結合と第2の変換機の駆動速度と変位の1次結合の偏差を小さくするように電気回路に電力を供給するように構成することができる。
図4に示すように、電源(4)として低電圧のバッテリーを使用し、2つのスイッチ(6)をバッテリーに接続する場合と接続しない場合とを高速で切り替えれば、平均的に
となる。
ここで、
T1:バッテリーへの接続時間
T2:バッテリーへの非接続時間
E:バッテリーの電圧
である。
従って、必要なeになるようにT1/(T1+T2)をリアルタイムで制御するとよい。
より具体的には、操作部(1)と第1の変換機(31)の間もしくは作業部(2)と第2の変換機(32)の間の少なくともいずれか一方に速度変換機構を設ける。そして、この速度変換機構により、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)の駆動速度を、操作部(1)及び作業部(2)の駆動速度に比べて大きくする。
尚、この例においても、第1の変換機(31)及び第2の変換機(32)としてDCモータを使用した場合について説明する。
また、速度変換機構(5)を、操作部(1)と第1の変換機(31)の間及び作業部(2)と第2の変換機(32)の間の両方に設けた場合について説明する。
とし、これらとは別に操作部(1)及び作業部(2)の機械系の速度をそれぞれ
とする。この速度は回転でも並進でもよいが、ここでは回転で説明する。
従って、速度変換機構を設けることにより、操作部(1)への入力と作業部(2)からの出力の速度差を十分に小さくすることができる。つまり、運動性能を大幅に改善することができる。また、外部電源が不要であるというメリットもある。
上述した例では、A1=A2=Aの場合について説明した。この場合は、力も動きも操作部と作業部で1対1である。
以下では、A1≠A2の場合について考える。
とすると、操作部の運動方程式は下式となり、
作業部の運動方程式は下式となる。
となり、十分遅い現象でLの影響を無視すれば
となり、操作部の運動方程式は下式となり、
作業部の運動方程式は下式となる。
ここで
であり、C1が十分大きければ、
となるので、n>1であれば、作業部はほぼ減速比1/nに減速され、作業部のトルクは操作部のほぼn倍になる。n<1であれば逆に増速となる。
このようにアクチュエータ係数を操作部側と作業部側で異ならせることにより、減速器や増速器を挿入しなくても、それと同等の効果を得ることが可能となる。尚、トランスを用いることによっても同様の作用効果が得られる。
これを避ける必要がある場合には、上述したエネルギー補充手段(第1及び第2の例)を設けることが有効である。
但し、第2の例における速度偏差は、
として計算する。
図6は、本発明に係る遠隔操作システムを内視鏡手術用のシステムに適用した例を示す概略図である。
内視鏡手術用システムに適用する場合、高い運動性能(操作性)が要求されるとともに、作業部(2)の近傍にはスペースを確保できないため、上述したエネルギー補充手段を備えた遠隔操作システム(第1及び第2の例)が特に好適に利用される。但し、上述した他のシステムを用いることもできる。
操作部(1)は、図示例では操作者が手動で回動操作できるレバーからなり、操作部(1)を回動操作することにより第1の変換機(31)を構成するモータを駆動することができる。また、操作部(1)の近傍には、電源(4)と電流センサ等の電気回路の制御系が配置されている。
作業部(2)は患者の生体内に挿入して腫瘍等を切除することができるマイクロ刃物、具体的にはマイクロはさみからなり、第2の変換機(32)を構成するモータの駆動に伴って開閉するように構成されている。
細管(7)の内部には、操作部(1)と作業部(2)とを電気的に接続する電気回路の配線等が挿通されている。
また、マイクロはさみに作用する反力は、大部分が内力となり外部に伝わる力が小さいために、切除時にマイクロはさみで切る力を操作部(1)で正確に感知することができる。
更に、細管(7)の内部に光ファイバーを挿通してファイバースコープ(視覚センサ)を構成することにより、操作者は操作部(1)を操作しながら作業部(2)を視認することができるため、切除作業等をより正確に行うことが可能となる。この場合には、運動性能が低くてもよいため、エネルギー補充手段を備えないシステムを利用することもでき、電源は不要となる。
図示例のシステムは、操作部(1)が患者の健常部(例えば左手)に装着可能であり、作業部(2)が患者の障害部(例えば右手)に装着可能であるようにウェアラブルに構成されている。尚、操作部(1)と作業部(2)を左脚と右脚にそれぞれ装着可能とすることにより、下肢リハビリ用システムとしても利用可能である。
図示例においては、操作部(1)及び作業部(2)は、肘の関節を曲げる動作と連動して回動するレバーから構成されている。
但し、要求される性能に応じて、上述した他のシステムを適宜選択して利用することができる。例えば、操作部(健常部)と作業部(障害部)の動きに時間差が生じてもよい場合には、エネルギー補充手段を備えないシステム(例えば、速度変換機構を備えたシステム)を利用することもでき、この場合には外部電源が不要となる。
2 作業部
3 エネルギー変換機
31 第1の変換機
32 第2の変換機
4 電源(外部電源)
5 速度変換機構
Claims (7)
- 操作者により操作される操作部と、該操作部と離れた位置に設けられて操作部の操作に伴って作動する作業部と、前記操作部及び前記作業部に夫々接続されたエネルギー変換機とを備えており、
前記エネルギー変換機は、前記操作部から入力される機械エネルギーを電気エネルギーに変換する第1の変換機と、該第1の変換機から得られる電気エネルギーを機械エネルギーに変換して前記作業部に伝える第2の変換機とからなり、
前記第1の変換機及び第2の変換機は1つの電気回路中に設けられており、
前記操作部に入力される力と、前記作業部から出力される力とが比例関係にあり、
前記電気回路で消費されるエネルギー損失を補うエネルギー補充手段を更に備えていることを特徴とする遠隔操作システム。 - 前記エネルギー補充手段が、
前記電気回路で消費されるエネルギーを測定するセンサと、
該センサにより測定された消費エネルギー量以下のエネルギーに相当する電力を前記電気回路に供給する電源とからなる
ことを特徴とする請求項1記載の遠隔操作システム。 - 前記エネルギー補充手段が、
前記第1の変換機及び第2の変換機の駆動速度及び/又は変位を測定する測定手段と、
前記第1の変換機の駆動速度と第2の変換機の駆動速度の偏差、前記第1の変換機の変位と第2の変換機の変位の偏差、前記第1の変換機の駆動速度と変位の1次結合と第2の変換機の駆動速度と変位の1次結合の偏差のいずれかを小さくするように前記電気回路に電力を供給する電源からなる
ことを特徴とする請求項1記載の遠隔操作システム。 - 前記操作者が前記操作部を操作しながら前記作業部を視認するための視覚センサを備えていることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の遠隔操作システム。
- 患者の生体内に前記作業部を挿入することにより使用されるシステムであって、
前記操作部と前記作業部が細管により接続されており、
前記作業部が腫瘍等を切除するためのマイクロ刃物からなることを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の遠隔操作システム。 - 片麻痺の患者のリハビリ用に用いられるシステムであって、
前記操作部が患者の健常部に装着され、前記作業部が患者の障害部に装着されることを特徴とする請求項1乃至5いずれかに記載の遠隔操作システム。 - 前記エネルギー変換機がDCモータであることを特徴とする請求項1乃至6いずれかに記載の遠隔操作システム。
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