JP7347774B2 - 医療用把持装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献1及び2に開示されているように、マスタ・スレーブ構造を有する医療用の鉗子デバイスも知られている。
これに対し、脳神経外科手術等においては、より小型で、操作者がより直接的に力触覚を感じる鑷子(ピンセット)が用いられており、従来の鑷子と同様に使用でき、従来の鑷子の機能を超える医療用のデバイスは実現されていない。
操作者の把持動作によって操作される操作部と、
前記操作部に操作反力を付与する第1のアクチュエータと、
把持対象物を把持する把持部と、
前記把持部に把持動作を行わせる第2のアクチュエータと、
一端に前記把持部を有すると共に、当該一端と他端との間に前記操作部を有し、前記第1のアクチュエータ及び前記第2のアクチュエータが設置された筐体部と、
前記操作部に対する操作に応じて、前記把持部の動作において前記第2のアクチュエータが出力する力及び位置を制御すると共に、前記把持部に対する前記把持対象物からの反作用に応じて、前記操作部に操作反力を付与する動作において前記第1のアクチュエータが出力する力及び位置を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする。
[本発明の基本的概念]
本発明に係る医療用把持装置は、操作者により把持動作のための操作が行われる操作部に操作反力を付与する反力用アクチュエータと、把持対象物を把持する把持機構に把持動作を行わせる把持用アクチュエータとが一体的に筐体に備えられた構造を有している。一例として、医療用把持装置において、操作部が筐体の中央部に備えられ、把持機構が筐体の先端部に備えられる。そして、操作者が操作部に把持動作のための操作(鑷子で把持対象物を挟む動作)を行うと、操作部に対して入力された力及び位置の情報に基づいて、把持用アクチュエータが、操作部に対して入力された操作に応じた把持動作を把持機構に行わせるための力(把持力)及び位置(把持量)を出力する。また、このとき把持対象物から受ける反作用による力及び位置の情報に基づいて、反力用アクチュエータが操作部において操作反力を付与する動作を行うための力及び位置を出力する。即ち、反力用アクチュエータをマスタ、把持用アクチュエータをスレーブとするバイラテラル制御が行われる。
そのため、操作者は、医療器具の鑷子を使用する場合と同様の使用感覚で、マスタ・スレーブ装置によって構成された鑷子に類する形態の医療用把持装置を操作することができる。
即ち、本発明によれば、鑷子として使用可能であり、鑷子以上の機能を備えた医療用把持装置を実現することができる。
以下、本発明に係る医療用把持装置の構成について説明する。
図1は、本発明に係る医療用把持装置1の基本的構成を示す模式図である。
なお、図1においては、医療用把持装置1の上面図が模式的に示されており、筐体1Aを透過して内部構成が示されている。また、図1においては、操作者が医療用把持装置1を操作する際の手の状態を、一点鎖線で模式的に示している。
図1に示すように、医療用把持装置1は、操作部10と、反力用アクチュエータ20と、復帰用バネ30と、把持機構40と、把持用アクチュエータ50と、制御部60と、を備えており、制御部60以外の部品は筐体1A内に設置されている。ただし、制御部60を筐体1A内に設置することとしてもよい。また、図1に示す各部品の配置は一例を示すものであり、医療用把持装置1の機能を実現できるものであれば、各部品の配置を他の形態とすることができる。さらに、把持機構40を図1に示すようにストレート型とすることの他、バヨネット型とすることも可能である。なお、医療用把持装置1には、内部に備えられるバッテリ(不図示)または外部電源から電力が供給される。
操作部10は、一端において互いに回転可能に連結された1対のレバー10A,10Bを備え、レバー10A,10Bを連結する回転軸11が筐体1Aの長手方向に移動可能に設置されている。操作部10において、レバー10Aの他端は、筐体1Aの一方の側部に形成された貫通穴から突出していると共に、レバー10Bの他端は、筐体1Aの他方の側部に形成された貫通穴から突出している。また、レバー10A,10Bの内側の側壁(反力用アクチュエータ20に面する側壁)は、筐体1Aに固定された円柱状部材C1,C2に当接している。操作部10において、把持動作が行われた場合及び把持動作から復帰する場合には、回転軸11が筐体1Aの長手方向に移動すると共に、レバー10A,10Bの内側の側壁が円柱状部材C1,C2に摺接しながら、レバー10A,10Bの開閉状態が変化する。
なお、復帰用バネ30の弾性力を反力用アクチュエータ20の出力により実現することも可能であり、この場合、復帰用バネ30を備えない構成とすることができる。また、バネ以外の弾性体によって、復帰用バネ30と同等の作用を実現することとしてもよい。
具体的には、制御部60は、位置及び力の制御を行う位置・力制御部61と、把持対象物の物理量を取得する物理量取得部62とを備えている。
なお、医療用把持装置1に復帰用バネ30が設置される場合、操作部10には、復帰用バネ30の弾性力(最も開いた状態に復帰させる力)が作用する。そのため、制御部60がバイラテラル制御を行う場合、レバー10A,10Bの位置に応じて変化する復帰用バネ30の弾性力を算出し、算出した弾性力を減算して操作反力を付加するよう制御することができる。
また、復帰用バネ30が物理的に備えるバネ定数に対し、制御部60が反力用アクチュエータ20を制御することにより、より大きいバネ定数のバネ、あるいは、より小さいバネ定数のバネの感触を実現することができる。
これにより、操作者がより操作し易い状態に医療用把持装置1を調整することができ、より高い操作性を実現することが可能となる。
そのため、操作部10の設置位置に対し、把持機構40が備えられた一端とは反対の他端側に医療用把持装置1の重心を設定することが好適である。
このような構成とすることで、操作者は医療用把持装置1の重量を感じ難くなり、医療用把持装置1の操作性を高めることができる。
また、筐体1Aにおいて、操作部10の底面側に操作者の手の甲(第1指間腔)を受容する凹部を形成し、操作者の手の形状に馴染み易い構成とすることとしてもよい。
次に、医療用把持装置1における運動学について説明する。
図2Aは、医療用把持装置1のマスタ側における機構を示す模式図である。
図2Aに示すように、医療用把持装置1のマスタ側では、反力用アクチュエータ20とレバー10A,10Bの連結部分に復帰用バネ30が設置されており、レバー10A,10Bが開く方向に復帰用バネ30が常に力を与える。
図2Bは、医療用把持装置1のマスタ側における機構(他の例)を示す模式図である。
図2Bに示す例では、図1に示す回転軸11が筐体1Aに固定され、円柱状部材C1,C2が反力用アクチュエータ20の可動子20Aに設置されている。また、復帰用バネ30の一端は、反力用アクチュエータ20の可動子20Aに連結され、復帰用バネ30の他端は、レバー10A,10Bの回転軸11に連結されている。レバー10A,10Bの内側の側壁(反力用アクチュエータ20に面する側壁)は、反力用アクチュエータ20の可動子20Aに設置された円柱状部材C1,C2に当接している。操作部10において、把持動作が行われた場合及び把持動作から復帰する場合には、レバー10A,10Bの内側の側壁が円柱状部材C1,C2に摺接しながら、可動子20Aが筐体1Aの長手方向に移動することにより、レバー10A,10Bの開閉状態が変化する。
図2Bに示す例においても、復帰用バネ30は、レバー10A,10Bの連結角度が最も大きい状態(最も開いた状態)で自然長となり、レバー10A,10Bが操作される程、伸長された状態となる。そのため、レバー10A,10Bが操作から解放されると、復帰用バネ30の弾性力により、復帰用バネ30が自然長の位置に戻り、レバー10A,10Bは最も開いた状態に復帰する。
図3に示すように、医療用把持装置1のスレーブ側では、把持用アクチュエータ50に一対のスライダ・クランク機構を介して把持部材40A,40Bが接続されており、把持用アクチュエータ50(可動子50A)の直動運動を把持部材40A,40Bの回転運動に変換する。
図3に示すようにX軸及びY軸を設定し、回転軸42の位置を原点Oとする。また、図3において、リンク部材41Aの長さをL1、リンク部材41Bの長さをL2、リンク部材41A,41B及び可動子50Aの連結点を点P1、把持部材40Bとリンク部材41Aとの連結点を点P2、把持部材40Bの先端を点S’、点S’からX軸に下した足を点Se、線分OS’と線分OP2とのなす角をθcとする。
すると、点P1の位置xs、把持部材40Bの回転角(X軸と線分OS’とのなす角)θs、線分S’と線分OP2のなす角θcの関係は以下の式で与えられる。
一対のスライダ・クランク機構は同一の機構を二つ重ねたものとなるため、原点Oにおける出力トルクτ0と把持部材40A,40Bの先端部が環境から受ける反力Fenvの関係は式(5)、(6)のように表すことができる。
τ0=(1/2Jx)Fs (5)
Fenv=τ0/OS’ (6)
なお、マスタ側と同様に、図3に示す機構と同様に把持動作を行うことができれば、スレーブ側の機構を他の構成とすることも可能である。
次に、本発明において用いられるバイラテラル制御について説明する。
図4は、本発明において用いられるバイラテラル制御のブロック線図である。
なお、図4において、Kpは位置のゲイン、Kvは速度のゲイン、Kfは力のゲイン、添え字envは環境からの入力、添え字mはマスタのパラメータ、添え字sはスレーブのパラメータ、添え字refは参照値(基準値)、添え字comは和動、添え字difは差動、ハットは推定値を表している。
図4において、外乱オブザーバ(DOB:Disturbance OBserver)は、マスタ(Master robot)及びスレーブ(Slave robot)のアクチュエータに入力される外乱を補償し、反力推定オブザーバ(RFOB:Reaction Force OBserver)は、環境から受ける反力Fenvを推定する。
xm-xs=0 (7)
Fm+Fs=0 (8)
なお、式(7)、(8)において、xmはマスタの位置、xsはスレーブの位置、Fmはマスタが出力する力、Fsはスレーブが出力する力を表している。
このとき、制御目標値は、式(9)、(10)のように表される。
Xm=αXs (9)
Fm=-βFs (10)
ここで、αとβとして任意の実正数を設定することができる。
これにより、力触覚を増幅・減衰させ、より硬く、あるいは、柔らかく力触覚を伝達することが可能となる。
次に、本発明に係る医療用把持装置1の具体的な装置構成の例について説明する。
[第1の装置構成例]
図5は、本発明に係る医療用把持装置1の第1の装置構成例を示す模式図である。
なお、図5においては、第1の装置構成例に係る医療用把持装置1の外観構成(斜視図)が示されている。
また、図6は、第1の装置構成例における医療用把持装置1の側面図を示す模式図であり、図7は、第1の装置構成例における医療用把持装置1の上面図を示す模式図である。
なお、図7においては、筐体1Aの上面を透過して主要な内部構成を示している。
このような構成とした場合、マスタ側及びスレーブ側の構成を小型化できるため、医療用把持装置1の軽量化及び小型化を図ることができる。
図8は、第1の装置構成例の変形例を示す模式図である。
なお、図8においては、第1の装置構成例の変形例に係る医療用把持装置1の外観構成(斜視図)が示されている。
また、図9は、第1の装置構成例の変形例における医療用把持装置1の側面図を示す模式図であり、図10は、第1の装置構成例の変形例における医療用把持装置1の上面図を示す模式図である。
なお、図10においては、筐体1Aの上面を透過して主要な内部構成を示している。
このような構成とすることにより、操作者にとって、把持対象物をより視認し易い構造とすることができる。
図11は、本発明に係る医療用把持装置1の第2の装置構成例を示す模式図である。
なお、図11においては、第2の装置構成例に係る医療用把持装置1の外観構成(斜視図)が示されている。
また、図12は、第2の装置構成例における医療用把持装置1の側面図を示す模式図であり、図13は、第2の装置構成例における医療用把持装置1の上面図を示す模式図である。
なお、図12及び図13においては、筐体1Aの側面及び上面を透過して主要な内部構成を示している。
このような構成とした場合、操作部10を把持機構40に近い位置に設置できるため、医療用把持装置1の重心を操作者の手の甲に載置される位置に設定し易くなる。
また、図11~図13に示す第2の装置構成例では、把持部材40A,40Bが筐体1Aの上面よりも突出した位置(筐体1Aの延在方向に対してオフセットされた位置)に配置される。
このような構成とすることにより、操作者にとって、把持対象物をより視認し易い構造とすることができる。
図14は、第2の装置構成例の変形例を示す模式図である。
なお、図14においては、第2の装置構成例の変形例に係る医療用把持装置1の外観構成(斜視図)が示されている。
また、図15は、第2の装置構成例の変形例における医療用把持装置1の側面図を示す模式図であり、図16は、第2の装置構成例の変形例における医療用把持装置1の上面図を示す模式図である。
なお、図15及び図16においては、筐体1Aの側面及び上面を透過して主要な内部構成を示している。
また、図14~図16に示す変形例では、操作部10は、レバー10A,10Bに代えて、筐体1Aの一方の側面に押し込み操作を行う押し込み部材10Dを備えている。
このような構成とすることにより、マスタ側及びスレーブ側に設置する機構を削減することができ、医療用把持装置1の軽量化及び小型化を図ることができる。
また、図14~図16に示す変形例では、把持部材40A,40Bが筐体1Aの上面よりも突出した位置(筐体1Aの延在方向に対してオフセットされた位置)に配置される。
このような構成とすることにより、操作者にとって、把持対象物をより視認し易い構造とすることができる。
次に、医療用把持装置1の動作を説明する。
上述のように、医療用把持装置1が操作者によって操作される場合、操作者は、人差し指と親指でレバー10A,10Bを挟み込むように把持し、医療用把持装置1を手の甲(第1指間腔)に載置した状態で操作する。
本実施形態において、操作部10のレバー10A,10Bは、復帰用バネ30の弾性力により、初期状態(非操作時)において、最も開いた状態となっている。
そのため、医療用把持装置1の電源投入時には、把持機構40も手動によって、または、復帰用バネ30に相当するバネを設置し、このバネの弾性力によって、把持部材40A,40Bが最も開いた状態とされる。
制御部60は、可動子20Aの位置xmから算出される加速度にマスタ側の質量を乗算して、マスタ側で出力される力Fmを算出する。同様に、制御部60は、可動子50Aの位置xsから算出される加速度にスレーブ側の質量を乗算して、スレーブが出力する力Fsを算出する。
これにより、マスタとスレーブとでアクチュエータの位置が追従し合うと共に、マスタが出力する力とスレーブが環境から受ける反力とが作用・反作用の法則を満たすように制御が行われることとなる。
すると、上述のようにバイラテラル制御が行われ、レバー10A,10Bの操作量に応じて、把持部材40A,40Bが閉じるように把持用アクチュエータ50が可動子50Aを移動させる。
そして、把持部材40A,40Bが把持対象物に接触すると、把持用アクチュエータ50に対する環境からの反力Fenvが入力される。
この反力Fenvは、反力推定オブザーバによって推定され、把持対象物の硬さを表すデータとなる。
このとき、必要に応じて、バイラテラル制御における位置または力のスケーリングが行われ、操作者に対し、位置または力の規模が拡大あるいは縮小して伝達される。
このような動作により、医療用把持装置1においては、反力用アクチュエータ20と把持用アクチュエータ50との間でバイラテラル制御が行われる結果、操作部10に対する把持動作のための操作と、把持機構40における把持動作との間で、力触覚の伝達が実現される。
また、反力推定オブザーバの機能により、バイラテラル制御において取得されるパラメータから、把持対象物の硬さのデータを取得することができる。
即ち、医療用把持装置1によれば、鑷子として使用可能であり、鑷子以上の機能を備えた医療用把持装置を実現することができる。
次に、医療用把持装置1の効果を説明する。
なお、以下の実験においては、表1に示すパラメータを用いた。
実験1として、本発明に係る医療用把持装置1が環境剛性を測定可能であることを検証する実験(引張りバネの剛性測定)を行った。
把持機構40が環境に力を与え、反力Fenvを受けるとき、反力Fenvと環境剛性kenvの関係は、式(11)で表される。
-Fenv=kenv(yenv-yenv0) (11)
ここで、環境剛性を正確に推定するため、式(11)に代えて、時間tとそれ以前の時間t-Δtのサンプルにおける位置と力の変化量により、環境剛性を動的に推定する手法が知られている。このとき、kenvは、式(12)で表される。
実験1においては、バネ定数が既知の引張りバネを環境として用いた。
なお、ここで用いられる引張りバネのバネ定数k1は0.14×103[N/m]である。
図17に示すように、引張りバネをY軸に平行になるよう設置し、一端を固定すると共に、他端を鑷子の先端でつまんで引っ張った。このとき、スケーリングを行うことなく(α=1、β=1)、把持機構40が環境から受ける反力と、把持機構40の変位とを測定し、環境剛性を算出した。
引張りバネを把持する動作はt=0.9[s]からt=1.3[s]の間に行われている。なお、図18Bにおいては、比較を容易にするため、スレーブの把持用アクチュエータ50が環境から受ける反力の逆値を示している。
また、図19は、実験1における把持機構40の変位に対する反力の変化を示す図である。
把持用アクチュエータ50の位置や力の応答を把持機構40の位置や力の応答に変換するために、式(1)、(3)~(6)を用いた。
図19に示すように、初期値(yenv0、Fenv0)は、(-0.00361[mm]、0.209[N])であった。
最終的に、環境に用いたバネの位置は一定となる。
よって、最終値(yenv、Fenv)は、(-0.00013[mm],0.675[N])となる。
これらの値と式(12)より、環境剛性の実験値kenv’は、0.134×103[N/m]となる。
この値は、与えられたバネ定数k1とほぼ一致し、絶対誤差率は4.29[%]となった。
これにより、モータ空間の力と位置の応答から環境剛性を正しく推定できたといえる。
実験2として、第1の装置構成例における医療用把持装置1を用いて、正常な脳細胞とがん化した脳細胞のモデルを硬さにより識別する実験を行った。
具体的には、脳外科手術におけるがん細胞の摘出を想定し、外科医との協議の下、正常な脳細胞のモデルとして「絹豆腐」(“Soft tofu”)、がん化した脳細胞のモデルとして「木綿豆腐」(“Firm tofu”)を用いた。
図20に示すように、操作者はマスタ側のレバー10A,10Bを操作することにより、把持機構40を介して、スレーブ側に設置された豆腐を把持する。
絹豆腐2種類、木綿豆腐2種類(サンプルの奇数番号を絹豆腐、偶数番号を木綿豆腐とし、1,2,3,4の番号が付されている)の合計4種類の異なる豆腐を把持対象物として用いた。
また、スケーリングの倍率として、2通りの組み合わせ(α=1、β=1)及び(α=1、β=2)を設定し、力が等倍である場合(スケーリングなし)と、スレーブに入力された反力を2倍にしてマスタに伝達する場合(力を2倍とするスケーリング)とについて実験を行った。
なお、図21A及び図21Bにおいては、マスタのモータ空間(反力用アクチュエータ20)における位置に対する力の変化を示している。
図21A及び図21Bに示すように、ある区間における環境剛性はそのグラフの傾きとして視覚的に読み取ることができる。この傾きが大きい程、剛性kは大きくなり、硬い環境であることを示している。
さらに、図21Bを参照すると、スケーリングを行ってマスタの力をスレーブの力の2倍とした場合、硬さ(傾き)の違いがより顕著に現れていることがわかる。
これらの結果より、バイラテラル制御のスケーリング手法の有用性が確認できる。
例えば、図5~図7に示す第1の装置構成例及び図8~図10に示す第1の装置構成例の変形例において、図11~図13に示す第2の装置構成例等と同様に、小型のエンコーダを筐体1Aに内蔵する形態とすることも可能である。この場合、筐体1Aの外形を単純化することができ、医療用把持装置1の操作性を高めることができる。
これにより、医療用把持装置1の用途を拡大でき、利便性を高めることができる。
これにより、把持対象物の状態に応じて、より適切な操作を行うことが可能となる。
操作部10は、操作者の把持動作によって操作される。
反力用アクチュエータ20は、操作部10に操作反力を付与する。
把持機構40は、把持対象物を把持する。
把持用アクチュエータ50は、把持機構40に把持動作を行わせる。
筐体1Aは、一端に把持機構40を有すると共に、当該一端と他端との間に操作部10を有し、反力用アクチュエータ20及び把持用アクチュエータ50が設置される。
制御部60は、操作部10に対する操作に応じて、把持機構40の動作において把持用アクチュエータ50が出力する力及び位置を制御すると共に、把持機構40に対する把持対象物からの反作用に応じて、操作部10に操作反力を付与する動作において反力用アクチュエータ20が出力する力及び位置を制御する。
これにより、操作者は、医療器具の鑷子を使用する場合と同様の使用感覚で、バイラテラル制御により力触覚が伝達される鑷子に類する形態の医療用把持装置を操作することができる。
したがって、本発明によれば、鑷子として使用可能であり、鑷子以上の機能を備えた医療用把持装置を実現することができる。
これにより、操作者は医療用把持装置1の重量を感じ難くなり、医療用把持装置1の操作性を高めることができる。
これにより、操作者にとって、把持対象物をより視認し易い構造とすることができる。
これにより、操作部10を把持機構40に近い位置に設置できるため、医療用把持装置1の重心を操作者の手の甲に載置される位置に設定し易くなる。
これにより、操作者の手の形状に馴染み易い構成とすることができる。
これにより、操作者が操作を行っていない場合に、操作部10を初期位置に復帰させることができるため、医療器具の鑷子と同様の操作性を実現することができる。また、操作反力の一部を弾性部材の弾性力によって担うことができる。
これにより、弾性部材が備えられた場合であっても、適切な操作反力を付加することが可能となる。
これにより、操作者がより操作し易い状態に医療用把持装置1を調整することができ、より高い操作性を実現することが可能となる。
即ち、上述の実施形態における処理は、ハードウェア及びソフトウェアのいずれにより実行させることも可能である。
換言すると、上述の処理を実行できる機能が医療用把持装置1に備えられていればよく、この機能を実現するためにどのような機能構成及びハードウェア構成とするかは上述の例に限定されない。
上述の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにネットワークや記憶媒体からインストールされる。
Claims (9)
- 操作者の把持動作によって操作される操作部と、
前記操作部に操作反力を付与する第1のアクチュエータと、
把持対象物を把持する把持部と、
前記把持部に把持動作を行わせる第2のアクチュエータと、
一端に前記把持部を有すると共に、当該一端と他端との間に前記操作部を有し、前記第1のアクチュエータ及び前記第2のアクチュエータが設置された筐体部と、
前記操作部に対する操作に応じて、前記把持部の動作において前記第2のアクチュエータが出力する力及び位置を制御すると共に、前記把持部に対する前記把持対象物からの反作用に応じて、前記操作部に操作反力を付与する動作において前記第1のアクチュエータが出力する力及び位置を制御する制御部と、
を備え、
前記筐体部内の前記一端側に前記第2のアクチュエータを備え、前記筐体部内の前記他端側に前記第1のアクチュエータを備え、前記筐体部内における前記第1のアクチュエータ及び前記第2のアクチュエータの間の空間に、前記操作部を動作させる機構を備え、
使用時に前記操作部を操作する操作者の手に前記筐体部が支持されることを特徴とする医療用把持装置。 - 操作者の把持動作によって操作される操作部と、
前記操作部に操作反力を付与する第1のアクチュエータと、
把持対象物を把持する把持部と、
前記把持部に把持動作を行わせる第2のアクチュエータと、
一端に前記把持部を有すると共に、当該一端と他端との間に前記操作部を有し、前記第1のアクチュエータ及び前記第2のアクチュエータが設置された筐体部と、
前記操作部に対する操作に応じて、前記把持部の動作において前記第2のアクチュエータが出力する力及び位置を制御すると共に、前記把持部に対する前記把持対象物からの反作用に応じて、前記操作部に操作反力を付与する動作において前記第1のアクチュエータが出力する力及び位置を制御する制御部と、
を備え、
前記筐体部内の前記一端側に前記第2のアクチュエータを備え、前記筐体部内の前記他端側に前記第1のアクチュエータを備え、前記筐体部内における前記第1のアクチュエータ及び前記第2のアクチュエータの間の空間に、前記操作部を動作させる機構を備え、
装置全体の重心の位置が前記操作部よりも前記他端側に設定されていることを特徴とする医療用把持装置。 - 前記把持部は、前記筐体部の延在方向に対し、オフセットされた位置に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の医療用把持装置。
- 前記操作部よりも前記他端側に、操作者の手を受容する凹部を備えることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の医療用把持装置。
- 前記操作部を非操作時に初期位置に復帰させる弾性力を発生させる弾性部材を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の医療用把持装置。
- 前記制御部は、前記弾性部材の弾性力を減算して、前記操作部に操作反力を付与する動作において前記第1のアクチュエータが出力する力を制御することを特徴とする請求項5に記載の医療用把持装置。
- 前記制御部は、前記弾性部材の弾性力に前記第1のアクチュエータによる力を加えることにより、前記操作部において、前記弾性部材の弾性定数とは異なる弾性定数の弾性部材による感触を実現することを特徴とする請求項5または6に記載の医療用把持装置。
- 前記把持部は異なる種類の部材に交換可能であり、
前記制御部は、前記把持部が交換された場合に、取り付けられた前記把持部の構造に応じたパラメータに基づいて制御を行うことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の医療用把持装置。 - 前記把持部は、取付軸の回りに回転可能であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の医療用把持装置。
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
JP2015006722A (ja) | 2013-05-27 | 2015-01-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | マスタースレーブ装置用マスター装置及びその制御方法、及び、マスタースレーブロボット |
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---|---|---|---|---|
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JP5364255B2 (ja) * | 2007-10-31 | 2013-12-11 | テルモ株式会社 | 医療用マニピュレータ |
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---|---|---|---|---|
JP2015006722A (ja) | 2013-05-27 | 2015-01-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | マスタースレーブ装置用マスター装置及びその制御方法、及び、マスタースレーブロボット |
US20160030240A1 (en) | 2014-07-29 | 2016-02-04 | The Johns Hopkins University | Micromanipulation systems and methods |
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