KR100571073B1 - 의료용 머니퓰레이터, 그 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

의료용 머니퓰레이터, 그 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는 안전하면서 조작성이 좋은 의료용 머니퓰레이터, 그 제어 장치와 방법을 제공하는 것이다.
의료용 머니퓰레이터의 제어 장치ㆍ방법을 마스터부 자세와 슬레이브부 자세와의 편차를 검출하고, 그 편차의 절대치와 미리 정한 기준치와의 비교에 의해, 비마스터 슬레이브 동작 모드로부터 마스터 슬레이브 동작 모드로 이행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드와, 마스터 슬레이브 동작 모드와의 절환을 행하도록 한 것으로서 제공한다.
의료용 머니퓰레이터, 제어 장치, 동작 상태 제시기, 마스터부, 슬레이브부

Description

의료용 머니퓰레이터, 그 제어 장치 및 제어 방법 {MEDICAL MANIPULATOR, AND APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
도1은 의료용 일체형 머니퓰레이터 시스템의 개략 구성도.
도2는 의료용 머니퓰레이터 본체의 개략 구성도.
도3은 제어 장치의 개략 구성도.
도4는 연산부의 처리 과정을 나타내는 흐름도.
도5는 연산부의 처리 과정 중, 동작 판정의 과정을 설명한 흐름도.
도6은 종래의 마스터 슬레이브 동작 모드로 이용되는 포화 처리 순서를 나타낸 도면.
도7은 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드로 이용되는 포화 처리 순서를 나타낸 도면.
도8은 의료용 머니퓰레이터의 자유도 구성예를 나타낸 슬레이브부 선단부를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 의료용 머니퓰레이터 본체
2 : 제어 장치
3 : 지령 입력 수단
5 : 동작 상태 제시기
8 : 마스터부
9 : 슬레이브부
10 : 연결부
22 : 각도 검출기(슬레이브부)
23 : 각도 검출기(마스터부)
본 발명은 의료용 머니퓰레이터, 그 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것으로, 특히 마스터 슬레이브 방식으로 동작하는 의료용 머니퓰레이터, 그 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
종래, 담낭의 적출 수술 등의 복강경 수술에 있어서는 환자의 복부에 작은 구멍을 뚫고, 그 부분에 트라카르를 부착하여 트라카르를 통해 내시경이나 겸자를 삽입하고, 시술자가 내시경의 영상을 모니터로 보면서 겸자를 조작하여 수술을 행하고 있다. 이러한 수술 방법은 복부 개방을 필요로 하지 않기 때문에 환자에게 부담이 적고, 시술 후의 회복이나 퇴원까지의 일수가 대폭 저감된다. 이와 같이 복강경 수술은 환자에게 부담이 적다는 점에서 우수하여 적용 분야의 확대가 기대되는 것이다. 그러나 그 반면, 시술자에 있어서는 직접 환부가 보이지 않는, 개폐 그리퍼 밖에 설치되어 있지 않은 조작성이 열악한 겸자를 사용하고, 반드시 수술에 적합한 것이라고 할 수 없으며, 시술자가 숙련된 기술이 요하는 것이었다.
그래서 겸자 선단부에 자세의 자유도를 부여하여 복수의 자유도를 갖는 조작부(마스터부)를 시술자가 조작하고, 복수의 자유도를 갖는 선단부의 작업부(슬레이브부)가 조작부의 작용에 맞추어 동작하는 마스터 슬레이브 방식에 의해 복강경 수술을 행하는 것이 연구되어 도입되고 있다.
마스터 슬레이브 방식의 의료용 머니퓰레이터의 하나로서, 마스터부와 슬레이브부가 떨어진 부분에 위치하는 원격 조작형의 장치가 있다. 슬레이브 아암을 환자측에 복수 배치하고, 환자로부터 떨어진 곳에 있는 마스터를 조작하여 의료용 머니퓰레이터 선단부의 위치와 자세를 제어함으로써, 이 시스템은 복잡하고 규모가 커 비용이나 보수성이 좋지 않다. 또한, 수술실에 준비하기 위해 많은 시간을 허비하여 수술 중단이 발생하는 등, 현재 수술의 호환성이 좋지 않다. 또는, 환자측에 시술자가 직접 가까이에서 수술을 행할 수 없어 긴급시의 대처를 할 수 없으므로 안전성에 대해 문제가 있다.
또 하나, 마스터 슬레이브 방식의 의료용 머니퓰레이터 구조로서, 마스터부와 슬레이브부의 각각에 있어서의 축의 일부가 공통축이 되어 있는 간소한 시스템으로 도입하기 쉬운 일체형의 의료용 마스터 슬레이브 머니퓰레이터가 있다. 먼저 예를 든 원격 조작형의 머니퓰레이터에 대해, 이 일체형 머니퓰레이터는 시술자가 환자측에 서서 직접 머니퓰레이터를 조작하기 때문에 안전성의 문제가 대폭으로 경감한다.
그러나, 이들 의료용 머니퓰레이터의 기능은 수술 작업에 있어서 그 처치 기 능을 중심으로 개발되어 오고 있고, 시스템의 수술실 설치의 용이성, 시술자의 사용 용이성, 멸균 세정성, 시스템 운용 개시의 용이，비용면 등의 과제를 남기고 있다.
[특허 문헌 1]
일본 특허 공개 평08-215204호 공보
[특허 문헌 2]
일본 특허 출원 제2001-243434호 공보
종래의 기술이 갖는 과제 중 하나로서, 마스터 슬레이브 방식의 의료용 머니퓰레이터를 동작시키는 데 있어서, 조작부(마스터부)와 작업부(슬레이브부)와의 자세 관계가 일치하지 않는 상태에서 동작을 개시하면, 조작자(시술자)의 생각대로 슬레이브부가 동작하지 않아 조작성이 나쁘다는 결점이 있다. 이는, 양자의 자세가 일치하지 않는 임의의 상태에서 조작을 개시하면, 내시경 모니터에 비치고 있는 슬레이브부의 자세와 시술자가 조작하고 있는 조작부와의 자세 관계의 차이를 시술자가 정확하게 인식할 수 없어 혼란되어 버리기 때문이다. 이러한 상태에서는, 조작성이 나쁜 동시에 안전성이 저하되기 때문에, 의료용 머니퓰레이터로서 해결해야 할 기술적인 과제가 있다.
이 과제를 해결하는 방법 중 하나로서, 슬레이브부의 자세를 정지시켜 두고 마스터부를 슬레이브부의 자세에 일치시키는 방법이 있다(특허 문헌 1 참조). 이는 산업용 로봇에 의해 실시되어 온 방법을 전용한 것이고, 구체적으로는 슬레이브 부와 마스터부에 각각의 자세 각도를 검출하는 검출 수단과, 이들의 검출 결과를 비교하는 수단을 구비한 머니퓰레이터에 있어서 처음에 슬레이브를 정지시켜 두고, 시술자가 마스터부를 조작하여 슬레이브의 자세에 일치시켜 이 상태로부터 마스터 슬레이브 동작을 개시시키는 것이다. 그러나, 마스터 슬레이브 동작을 개시 또는 재개할 때에, 슬레이브부와 마스터부와의 자세 맞춤을 시술자가 일일이 행한다면 반드시 조작성이 향상되었다고는 말할 수 없다. 게다가 복수의 자유도의 각각을 상기와 같이 맞추어야만 하므로, 자세 맞춤에 시간이 걸린다. 또한, 이들의 과제는 현장에서 예측할 수 없는 사태에 임기 응변으로 대처한다는 면으로부터도 적당하지 않다.
또 하나의 방법으로서, 마스터부의 자세로 슬레이브부를 자동적으로 일치시키는 방법이 있다(특허 문헌 2 참조). 구체적으로는, 슬레이브부와 마스터부에 각각의 자세 각도를 검출하는 검출 수단과, 이들의 검출 결과를 차례로 비교하는 수단을 구비한 머니퓰레이터에 있어서, 마스터부와 슬레이브부와의 자세 편차의 크기 및 자세 맞춤 경과 시간을 기초로 슬레이브의 동작이 생성되는 천이적 마스터 슬레이브 동작을 행하는 것이다. 이는, 앞의 방법의 과제점인 자세 맞춤이 번거로움을 해소하고, 또한 자세 맞춤 중일지라도 시술자의 의도를 반영한 동작을 실현시키도록 한 것으로, 의료용 머니퓰레이터로서의 조작성을 향상시키는 것이다. 그러나, 자세 편차가 큰 상태에서 자세 맞춤을 개시하면, 슬레이브부가 자동으로 동작하는 거리 및 시간이 크고, 그것이 자세 맞춤 개시 지령과 동시에 동작하기 때문에 시술자가 의도하지 않은 자동 동작이 현저히 나타나 안전성에 과제가 남는다.
그래서, 본 발명의 목적은 상기에 서술한 종래 기술이 갖는 과제를 해소하고, 마스터 슬레이브 방식의 의료 머니퓰레이터의 조작을 개시할 때에 마스터부와 슬레이브부와의 자세 맞춤의 과정을 시술자가 의식하지 않고, 또한 의료 기기로서 위험한 조작자가 의도하지 않은 자동 동작을 행하지 않고, 또한 자세 맞춤 동작 중일지라도 조작자의 의도를 반영시킴으로써, 조작성과 안전성이 향상된 의료용 머니퓰레이터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 마스터 슬레이브 방식으로 동작하는 의료용 머니퓰레이터이며, 동작을 지령하는 마스터부와, 작업부를 갖고 마스터의 지령에 따라서 동작하는 슬레이브부와, 마스터부와 슬레이브부 각각의 위치를 검출하는 검출기와, 상기 마스터부로부터의 지령에 의해 상기 슬레이브부를 제어하는 제어 장치이며, 마스터부 위치와 슬레이브부 위치와의 편차를 산출하는 기능과,
그 편차의 절대치와 미리 정한 기준치와의 비교에 의해, 비마스터 슬레이브 동작 모드로부터 마스터 슬레이브 동작 모드로 이행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드와, 마스터 슬레이브 동작 모드와의 절환을 행하는 기능을 갖는 것으로서 구성된 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 장치는 상기 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서, 마스터부 위치와 슬레이브부 위치의 편차 변화율의 부호와 마스터부 위치 변화율의 부호와의 동이에 따라서, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치에 따르도록 하는 가속 추종 목표 생성과, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치가 따르도록 하는 감속 추종 목표 생성 중 어느 하나를 행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드의 동작 방식을 변화시키는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 장치는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서 선택된 동작 방식의 동작 속도를 설정 변경 가능한 변수에 의해 변화시키는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 통상의 마스터 슬레이브 동작으로 되어 있지 않은 천이적 마스터 슬레이브 동작에 있어서도, 마스터부의 조작 방향에 대해 슬레이브부를 동작할 수 있으므로, 즉시 시술자가 의도한 작용을 반영시킬 수 있다. 이로 인해 안전성이 향상된 의료용 머니퓰레이터를 제공할 수 있다. 또는, 천이적 마스터 슬레이브 동작은 시술자에게 있어서는, 자기의 의도를 반영시킬 수 있는 동작 모드임에도 상관없이, 수고가 드는 자세 맞춤을 의식하여 실시할 필요도 없기 때문에, 조작성도 향상된 의료용 머니퓰레이터를 제공할 수도 있다. 또한, 천이적 마스터 슬레이브부 동작 모드에 있어서, 마스터부를 정지시키면 슬레이브부도 정지하고, 또한 마스터부를 조작한 방향으로만 슬레이브부가 동작하므로, 의료 기기로서 안전성에 문제가 있는 의도하지 않은 자동 동작을 일체 행하지 않고, 마스터부와 슬레이브부의 위치 관계를 일치시킬 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는 상기 변수의 설정에 의해, 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서의 동작 방식의 취사 선택을 행하는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 장치는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드와, 통상 추종 목표 생성 동작 모드로서의 미리 설정된 자동 천이 동작 모드를 절환하는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어 장치는 상기 변수의 설정은 마스터부의 축마다 설정 가능한 것으로서 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 마스터부와 슬레이브부와의 위치차를 해소하기 위한 천이적 마스터 슬레이브 동작에 있어서, 여러 가지의 요구에 의거한 설정 변경이 용이하며, 조작자 개개의 사용 방법의 차이에 대응할 수 있는 조작성과 안전성이 향상된 의료용 머니퓰레이터를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제어 장치는 통상의 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서 마스터부의 조작 각도 판독치 불감 영역에 있는 위치를 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서 활용하는 기능과, 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서 정해지는 동작 방식에 의한 목표치 생성 후에 슬레이브부의 목표치 포화 처리를 행하는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서, 마스터부의 조작 각도 정보를 유효하게 이용할 수 있는 동시에, 슬레이브부의 동작 범위를 넘는 일 없이 슬레이브부 목표치를 설정하는 것이 가능하기 때문에, 조작성 향상과 동시에 안전성도 향상된 의료용 머니퓰레이터를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 동작을 지령하는 마스터부와, 작업부를 갖고 마스터의 지령에 따라서 동작하는 슬레이브부와, 마스터부와 슬레이브부 각각의 위치를 검출하는 검출기를 갖는 마스터 슬레이브 방식으로 동작하는 의료용 머니퓰레이터의 제어 장치이며, 마스터부 위치와 슬레이브부 위치와의 편차를 산출하는 기능과, 그 편차의 절대치와 미리 정한 기준치와의 비교에 의해, 비마스터 슬레이브 동작 모드로부터 마스터 슬레이브 동작 모드로 이행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드와, 마스터 슬레이브 동작 모드와의 절환을 행하는 기능을 갖는 것으로서 구성되고, 상기 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서, 마스터부 위치와 슬레이브부 위치의 편차 변화율의 부호와 마스터부 위치 변화율의 부호와의 동이에 따라서, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치에 따르도록 하는 가속 추종 목표 생성과, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치가 따르도록 하는 감속 추종 목표 생성 중 어느 하나를 행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드의 동작 방식을 변화시키는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 의료용 머니퓰레이터의 제어 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 동작을 지령하는 마스터부와, 작업부를 갖고 마스터의 지령에 따라서 동작하는 슬레이브부와, 마스터부와 슬레이브부 각각의 위치를 검출하는 검출기를 갖는 마스터 슬레이브 방식으로 동작하는 의료용 머니퓰레이터의 제어 방법이며, 마스터부 자세와 슬레이브부 위치와의 편차를 산출하고, 그 편차의 절대치와 미리 정한 기준치와의 비교에 의해, 비마스터 슬레이브 동작 모드로부터 마스터 슬레이브 동작 모드로 이행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드와, 마스터 슬레이브 동작 모드와의 절환을 행하고, 상기 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서, 마스터부 위치와 슬레이브부 위치의 편차 변화율의 부호와 마스터부 위치 변화율의 부호와의 동이에 따라서, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치에 따르도록 하는 가속 추종 목표 생성과, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치가 따르도록 하는 감속 추종 목표 생성 중 어느 하나를 행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드의 동작 방식을 변화시키는 의료용 머니퓰레이터의 제어 방법을 제공할 수 있다.
처음에, 본 발명의 개략 구성에 대해, 여기서는 일체형의 의료용 머니퓰레이터를 예를 들어 설명한다. 도1에 도시한 바와 같이, 의료용 머니퓰레이터 시스템은 마스터 슬레이브 방식으로 동작하는 의료용 머니퓰레이터 본체(1)와, 의료용 머니퓰레이터 본체를 제어 구동시키는 제어 장치(2)와, 시술자의 지령을 입력하는 지령 입력 수단(3)과, 의료용 머니퓰레이터의 동작 상태를 제시하는 동작 상태 제시기(5)로 구성된다.
의료용 머니퓰레이터 본체는, 도2에 도시한 바와 같이 조작자(시술자)가 조작을 지령하는 마스터부(8)와, 그 작용에 따라서 동작하는 슬레이브부(9)와, 마스터부와 슬레이브부를 일체적으로 접속하는 연결부(10)로 구성된다. 마스터부(8)는, 도2로부터 알 수 있는 바와 같이 3개의 관절축의 주위에 회전 가능한 것으로서 구성되어 있다. 이 마스터부(8)의 각 관절축으로는, 그 관절 각도를 판독하는 각도 센서가 부착되고, 조작자가 조작한 각도 정보를 차례로 제어 장치(2)로 송신한다. 슬레이브부(9)는 처치를 실시하기 위한 자유도를 갖고 2개의 관절축의 주위에 회전 가능하고 선단부의 자세를 변화할 수 있는 동시에, 선단부에 부착된 그리퍼의 개폐 자유도를 맞춰 각각 조작자의 지령에 따라서 동작한다. 슬레이브부(9)는 와이어나 로드, 기어 등으로 구성되는 동력 전달부를 통해, 후술한 모터(21)의 동력이 전해지는 것으로 동작한다. 도면 중 부호 7은 트라카르이다.
제어 장치(2)는, 도3에 도시한 바와 같이 전원부(13), 연산부(14), 모터 구동 회로부(15), 안전 보호 장치(16), 각종 스위치(17)로 구성된다. 전원부(13)는 외부 전원(19)으로부터 트랜스를 통해 연산부(14)와 모터 회로부(15)로 필요한 전력을 공급한다. 연산부(14)는 CPU, 기억 장치, 논리 회로, IO 인터페이스로 구성되고, 마스터부(8)의 자세 각도를 각도 검출기(22)로 판독 슬레이브부(9)를 구동하는 모터(21)의 제어 목표치를 생성하는 기능과, 모터의 동작 각도를 측정하는 각도 검출기(23)의 정보를 판독하여 모터의 제어 목표치를 비교하고, 그 편차를 해소하도록 모터 지령 입력을 산출하는 기능을 갖는다. 또한 각종 스위치(17) 등의 신호 입력을 감시하고, 미리 결정할 수 있었던 프로그램에 따라서 제어 연산을 행한다. 연산부(14)는 이들의 처리를 미리 결정된 제어 주기에 따라서 도4에 도시한 바와 같이 처리를 반복한다. 모터 구동 회로(15)는 연산부(14)로부터의 지령 입력에 따라서 모터(21)로 전력을 출력하는 회로이다. 안전 보호 장치(16)는 연산부(14)의 연산 주기 이상, 모터 구동 회로 이상, 긴급 정지 지령 등의 이상 사태에 구비하여, 의료용 머니퓰레이터 본체(1)에의 전력을 차단하고, 이 본체(1)의 동작을 즉시 정지시키는 장치이다. 각종 스위치(17)는 제어 장치 하우징(20) 내에 장비되고 의료용 머니퓰레이터의 동작 상태의 절환 지령 및 전원 절환 등에 사용된다.
지령 입력 수단(3)은 조작자가 직접 조작함으로써 의료용 머니퓰레이터 본체(1)의 동작 개시나 종료, 동작 상태의 절환 등의 지령을 원활하게 행하기 위한 수단이며, 통상은 손 기술의 저해가 되지 않도록 발 스위치를 이용하는 것, 즉 발 스위치로서 구성되는 경우가 많다. 이 발 스위치 외에, 음성 입력이나 의료용 머니퓰레이터 본체에 장착한 스위치로 할 수도 있다.
동작 상태 제시기(5)는 의료용 머니퓰레이터 본체(1)의 동작 상태를 제시함으로써, 시술자나 수술에 관계되는 조수 등이 조작 상태의 확인이 용이하도록 하여 수술의 안전성을 높이는 것이다. 제시 결과가 시술자의 시야에 위화감 없이 들어가기 쉽게 내시경용 모니터 부근에 설치되는 경우가 많다.
또, 상술한 도4에 도시한 동작을 각 스텝에 따라서 간단하게 설명하면, 이하와 같다. 즉, 마스터부(8) 및 슬레이브부(9)의 각도 검출기의 출력을 판독한다(S1). 다음에, 지령 입력 수단(3)이나 제어 장치(2)에 장비된 스위치(17)의 각각의 입력 상태를 감시한다(S2). 다음에, 동작 지령 감시 결과를 기초로, 동 작 모드를 결정한다(S3). 다음에, 판정된 동작 모드에 따라서 동작 방식의 판별과 슬레이브부 목표치의 생성을 한다(S4). 다음에, 제어 목표치에 슬레이브부(9)가 구동하기 위한 연산과 그 결과를 모터 드라이버[모터 구동 회로부(15)]로 출력한다(S5). 다음에, 동작 상태를 동작 상태 제시기(5)로 출력한다(S6).
의료용 머니퓰레이터 본체(1)에 있어서, 연결부가 없이 마스터부(8)와 슬레이브부(9)가 떨어진 부위에 설치되어 있는 형식이 원격 조작형의 의료용 머니퓰레이터이다. 또한 이 때, 마스터부(8)와 슬레이브부(9)에 각각 제어 장치가 배치되고, 이들이 데이터 통신을 행함으로써 마스터 슬레이브 동작을 실현시키고 있다.
다음에, 도5를 참조하면서 마스터 슬레이브 동작을 개시할 때의 절차에 대해 설명한다. 제어 장치(2)에 전원을 넣으면 연산부(14) 및 의료용 머니퓰레이터 본체(1)에도 전력이 전달되고, 각 각도 센서의 정보를 연산부(14)는 판독할 수 있다. 통상 이러한 전원을 켠지 얼마되지 않은 상태에 있어서 아무런 조작을 하지 않는 한, 마스터부(8)와 슬레이브부(9)와의 자세 관계는 일치하지 않는 것이 대부분이다. 또한 슬레이브부(9)도 초기의 자세대로 정지한 상태에 있다. 연산부(14)는 조작자에 의한 동작 개시 지령 입력의 감시와, 마스터부(8)와 슬레이브부(9)의 자세 각도의 감시를 머니퓰레이터의 동작 모드에 관계없이 차례로 행하고 있다(S3). 연산부(14)는 슬레이브부(9)의 각도(θs)와 마스터부(8)의 각도(θm)와의 편차(d)를 식 (1)로부터 산출한다.
Figure 112004013068400-pat00001
조작자는 지령 입력 수단(3) 또는 제어 장치의 스위치(17)에 의해 마스터 슬 레이브 동작 개시의 지령을 연산부(14)에 입력한다. 연산부(14)는 마스터 슬레이브 동작 개시 지령 입력을 인식하고, 식 (1)에 의해 산출되는 편차(d)의 크기가 미리 설정되어 있는 마스터 슬레이브 동작 기준치(A)와의 크기를 비교하고(S41), 그 결과가 식 (2)를 충족하는 경우에 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드로 이행한다(S42).
Figure 112004013068400-pat00002
식 (2)를 총족하지 않은 경우에는 마스터부(8)와 슬레이브부(9)와의 자세 각도의 편차가 매우 작은 상태이며, 통상의 마스터 슬레이브 동작 모드로 이행한다(S43). 본래, 통상의 마스터 슬레이브 동작에 있어서는 d의 값이 0인 것이 이상이지만, 각도와 판독 간격이 이상적이기 때문에 양자가 완전하게 일치한 상태를 관측하는 것은 매우 드물다. 이것으로서는 마스터부(8)와 슬레이브부(9)와의 자세 각도가 거의 일치하고 있음에도 불구하고, 통상의 마스터 슬레이브 동작으로의 이행이 천천히 실행되지 않는 상황이 발생한다. 마스터부(8)와 슬레이브부(9)와의 자세 각도 편차가 완전하게 0이 아니라도 한없이 0에 가깝도록 충분히 조작성은 보상될 수 있으므로 실용적인 면을 고려하여 양수(A)를 도입한다.
상기 천이적 마스터 슬레이브 동작(S44) 모드라 함은, 정지 상태 등의 비마스터 슬레이브 동작 모드로부터 통상의 마스터 슬레이브 동작 상태로 이행하는 과정이며, 조작자에게 있어서는 마스터 슬레이브 동작과 동일한 감각으로 조작할 수 있는 모드이다.
이 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서, 연산부(14)는 슬레이브부(9)의 목표치의 시간적 편차(Δθs)와 마스터부(8)의 자세의 시간적 편차(Δθm)의 관계를 계수(α)에 의해 식 (3)과 같이 정의한다.
Figure 112004013068400-pat00003
천이적 마스터 슬레이브 동작(S44) 모드에 있어서, 마스터부(8)의 자세의 시간적 편차(Δθm)의 부호와, 마스터부(8)와 슬레이브부(9)의 각도 편차(d)의 부호에 의해, 식 (3)에 있어서의 계수(α)의 값이 결정되는 방법을 서술한다. 여기서 양자의 부호의 동이는 식 (4)에 나타낸 D의 부호에 의해 판정할 수 있다. D가 플러스이면 양자의 부호가 같고, D가 마이너스이면 양자의 부호는 서로 다르다.
Figure 112004013068400-pat00004
D > 0일 때, 즉 마스터부(8)의 자세의 시간적 편차의 부호와, 마스터부(8)와 슬레이브부(9)의 각도 편차의 부호가 동일할 때, 조작자는 마스터부(8)의 자세를 현재의 슬레이브부(9)의 자세로부터 떨어지는 방향으로 조작하고 있는 것을 의미한다. 이 때, 식 (5)를 만족하도록 계수(α)를 정함으로써 슬레이브부(9)의 자세 목표치를 마스터부(8)의 자세 각도에 따르도록 생성할 수 있다(가속 추종 목표 생성)(S45).
Figure 112004013068400-pat00005
D < 0일 때, 즉, 마스터부 자세의 시간적 편차의 부호와, 마스터부(8)와 슬레이브부(9)의 각도 편차의 부호가 다를 때, 조작자는 마스터부(8)의 자세를 현재의 슬레이브부(9)의 자세에 근접하는 방향으로 조작하고 있는 것을 의미한다. 이 때, 식 (6)을 만족하도록 계수(α)를 정함으로써 슬레이브부(9)의 자세 목표치를 마스터부의 자세가 따르도록 생성할 수 있다(감속 추종 목표 생성)(S46).
Figure 112004013068400-pat00006
천이적 마스터 슬레이브 동작 모드(S44)는 상기의 어느 하나인 경우이며, 그 어느 쪽의 경우에 있어서도 조작자가 마스터부(8)를 정지시키면 계수(α)의 값에 상관없이, 슬레이브부 목표치의 시간적 편차(Δθs)가 0이 되므로 슬레이브부(9)는 정지한다(정지 목표 생성)(S47). 즉, 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드(S44)만으로도, 조작자가 슬레이브부(9)를 임의의 자세로 정지시키고자 생각하였을 때에는, 그대로 마스터부(8)의 조작을 정지시키면 좋고 직감적인 조작을 실현한다.
연산부(14)는 제어 주기마다, 혹은 정해진 간격마다 차례로, 식 (1)에 나타낸 d의 크기를 감시하고 있고, d = 0일 때에는 마스터부(8)와 슬레이브부(9)의 각도 편차가 없으므로, 양자의 자세 각도가 일치하고 있는 것이고, 통상의 마스터 슬레이브 동작으로 동작 모드를 변경한다.
여기까지는 설명을 알기 쉽게 하기 위해, 일반적인 마스터 슬레이브 동작인 마스터부의 동작 비율과 슬레이브부의 동작 비율을 같게 설정한 동작 방식을 통상의 마스터 슬레이브 동작 모드로 한 경우를 예로 들어 서술해 왔다. 다음에, 계수(α)의 설정 방법에 대해, 여러 가지의 마스터 슬레이브 동작 모드에 대응할 수 있게 확장하여 설명한다.
통상의 마스터 슬레이브 동작에 있어서, 조작성의 향상을 목적으로 마스터부(8)와 슬레이브부(9)의 자세 동작 비율을 변화시키는 것이 행해진다. 예 를 들어, 마스터부(8)의 자세 변화에 대해 슬레이브부(9)의 자세 변화를 절반으로 하는 경우이다. 이와 같은 설정은 슬레이브부(9)에 미세한 작용을 요구하는 경우에, 마스터부(8)에서는 동일한 스케일의 미세한 작용이 곤란한 경우에 있어서 사용되는 방법이다. 또한 반대로, 마스터부(8)의 자세 변화에 대한 슬레이브부(9)의 자세 변화를 배로 하고, 조작자의 동작량을 감하여 부담을 경감하는 경우가 있다. 이와 같이 통상의 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서는 식 (7)에 나타낸 바와 같이 동작비를 변경하는 것이 있다.
Figure 112004013068400-pat00007
이러한 통상의 마스터 슬레이브 동작 모드를 갖는 의료용 머니퓰레이터인 경우. 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드는 식 (3)을 변환한 식 (8)과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112004013068400-pat00008
식 (3) 및 식 (8)을 통합하여, 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서의 슬레이브 목표치와 마스터부 자세와의 관계는, 식 (9)로 정의할 수 있다.
Figure 112004013068400-pat00009
그리고, 이 계수(αext)는 통상의 마스터 슬레이브 동작의 동작 비율이나 설계자의 의도에 의해 정해지는 계수(β)를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112004013068400-pat00010
그런데, 통상의 마스터 슬레이브 동작을 갖는 의료용 머니퓰레이터에서는 마스터부(8)의 동작 범위를 슬레이브부(9)보다 크게 해 두는 구조를 취하고, 도6에 도시한 바와 같이 마스터부(8)의 각도를 판독하여(S61) 그 각도를 포화 처리하고나서(S62) 슬레이브부(9)의 목표치를 생성하고(S63), 흔히 포화 처리하여 연산하고(S64), 구동 출력하는(S65) 것이 행해진다. 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서는, 마스터부(8)와 슬레이브부(9)의 자세 관계에 차이가 있는 상태에 있어서도 의사적으로 마스터 슬레이브 동작을 실현하는 것이므로, 포화 처리되어 버리는 부분도 이용하는 기능을 구비할 수 있음으로써 조작성을 향상시킬 수 있다. 여기서, 통상의 마스터 슬레이브 동작 모드와 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서, 마스터부(8)의 포화 처리 연산, 즉 통상의 마스터 슬레이브 동작 모드에서의 불감 영역의 자세 출력치를 잘라 버리거나 활용하는가의 판단과, 그 판단 결과에 의한 경우 분류 처리를 연산부(14)로 구성하면 번잡해진다. 그래서, 도7에 도시한 바와 같이 마스터부 자세를 판독하여(S71) 동작 모드 및 동작 방식에 맞는 목표치 생성을 행한(S72) 후에 포화 처리하고(S73), 구동 출력하는(S74) 연산 과정을 구비한다. 이 기능에 따라, 통상의 마스터 슬레이브 동작 모드로서는 물론, 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서도 슬레이브부(9)의 동작 범위를 넘는 구동 출력이 되는 일이 없어져 안전된 의료용 머니퓰레이터가 된다. 또 포화 처리는, 마스터부(8)는 조작자를 임의로 조작할 수 있으므로, 그 조작 속도도 임의이지만, 실제는 슬레이브부(9)를 구동하는 모터의 동작 속도나 기타 전달계에 동작 속도의 한계치가 존재하기 때문에, 슬레이브부(9)의 동작 속도 한계치를 넘지 않도록 처리 하는 것이다.
이상으로, 본 발명에 따른 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드는 식 (9), 식 (10) 및 식 (11)을 충족하는 것이다. 또, 마스터부(8)와 슬레이브부(9)와의 동작 방향을 바꾸는 동작 방식을 취하는 경우에는 α의 부호를 반전하면 좋고, α의 크기의 설정에 관해서는 상기 식을 충족하는 것이다.
<제1 실시예>
여기서는, 식 (3)에 있어서의 계수(α)의 설정의 응용에 대해 서술한다. 도8에 도시한 바와 같이 자세의 자유도로서, 요우축, 롤축과, 흔히 부가된 자유도로 그리퍼축을 갖춘 합계 3개의 자유도를 갖는 의료용 머니퓰레이터에 있어서 그 머니퓰레이터의 슬레이브부는 기준 자세에 대해, 요우축이 ± 90도, 롤축이 ± 180도, 그리퍼축의 개방각(편각)이 30도(0도가 폐쇄된 상태)의 동작 범위를 갖고 있다. 통상의 마스터 슬레이브 동작의 계수(β)를 식 (12)와 같이 설정하였다. 이는 β = 1인 것이다.
Figure 112004013068400-pat00011
이 의료용 머니퓰레이터는, 롤축의 동작 범위가 다른 2축보다 비교적 크기 때문에, 천이적 마스터 슬레이브 동작에 있어서 계수를 식 (13), (14)와 같이 결정하였다.
Figure 112004013068400-pat00012
이와 같이 제어하는 축마다 계수(α)의 값을 바꿔, 천이적 마스터 슬레이브 동작의 동작 속도를 축마다 바꿈으로써 조작성을 조정할 수 있다. 또한, 이 계수 조정을 의료용 머니퓰레이터 시스템에 장비된 인터페이스, 예를 들어 제어 장치에 외부 접속한 단말기 등으로, 조작자가 임의로 설정 변경을 가능하게 하고, 설정치를 연산부에서 판독 작업부를 제어함으로써, 조작자의 기호에 맞춘 조정을 할 수 있는 의료용 머니퓰레이터가 된다.
<제2 실시예>
천이적 마스터 슬레이브 동작에 있어서도 조작 응답성을 중시하고, 통상의 마스터 슬레이브 동작 속도보다 속도 저하를 시키지 않고 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드의 자세 맞춤을 실현하는 경우는 다음과 같게 한다. 감속 추종을 정지하면서 자세 맞춤을 하고자 하므로, D < 0일 때의 αext치를 β로 설정한다. 이렇게 함으로써, 마스터부가 슬레이브부에 근접한 경우(D < 0)는 자세 차는 해소되지않지만 속도 저하는 발생하지 않고, 마스터부가 슬레이브부보다 멀어지도록 동작하는 경우(D > 0)에 자세 차를 해소한다.
또한 반대로, 안전성을 중시하여 속도의 증가를 없애는 경우에는, 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서 가속 추종을 정지하고자 하므로 D > 0일 때의 αext치를 β로 설정하고 자세 차의 해소는 없지만, 속도 증가를 발생하는 일은 없다. 대신해서, D < 0인 경우에 자세 차를 해소하도록 αext를 정한다.
또, D의 정부에 상관없이 αext치가 함께 β인 경우에는, 편차(d)나 그 크기를 유지한 상태로 슬레이브부가 마스터부의 작용에 대해 상대적으로 동작하는 경우이다. 이는 마스터부의 구조가 슬레이브부와 다른 구조인 경우, 예를 들어 스위치나 레버 조작 등의 상대 입력 장치로 조작하는 경우에 사용 가능하다.
즉, 상기 변수의 설정에 의해, 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서의 동작 방식의 취사 선택을 행하는 기능을 구비하는 것으로 구성된다.
<제3 실시예>
여기서는 본 발명을 마스터 슬레이브 동작의 재개에 있어서 적용한 예를 서술한다. 조작성의 향상을 목적으로 마스터 슬레이브 동작 중에 슬레이브부의 임의의 동작축을 제어적으로 구속하는 방법이 있다. 임의의 축이 구속된 상태라 함은, 굳이 마스터 슬레이브 동작축의 일부를 비마스터 슬레이브 동작 모드로 한 경우이며, 다시 통상의 마스터 슬레이브 동작으로 복귀하는 경우에 있어서도 본 발명을 적용할 수 있다. 구속 해제를 마스터 슬레이브 동작 개시 지령으로 선정하고, 구속되어 있었던 축에 관하여 천이적 마스터 슬레이브 동작을 행하면 좋다.
<제4 실시예>
마스터 슬레이브 동작으로 의료용 머니퓰레이터를 조작하고 있고, 처치 실이 머니퓰레이터의 관절에 얽혀 머니퓰레이터의 선단부에 과대한 부하가 걸리는 등 하여, 생성된 슬레이브부의 목표치에 대해 실제의 슬레이브부의 자세가 어긋나는 경우가 발생한다. 이러한 때, 의료용 머니퓰레이터는 이상 신호를 동작 상태 제시기 등에 제시하고, 조작자 등에 알리는 동시에 이상 상태를 해소하고, 수술의 안전성을 즉각 회복해야 할 필요가 있다. 이상의 원인을 제거한 후, 의료용 머니퓰레이터를 재시동하는 경우, 이상이 발생하였을 때의 앞의 목표치와는 다른 슬레이브부 자세를 현재의 슬레이브부 목표치로 치환한다. 이 때 마스터부와의 자세 편차가 발생하기 때문에 이를 해소할 때에 이상 신호를 인식하여 그 회복 처리 절차를 미리 연산부에 기억시켜 둠으로써 본 발명에 따른 천이적 마스터 슬레이브 동작을 이용하여 신속하게 통상의 마스터 슬레이브 동작으로 복귀할 수 있는, 즉 신속하게 또한 안전하게 수술을 속행할 수 있다.
<제5 실시예>
비마스터 슬레이브 동작 모드로부터 마스터 슬레이브 동작 모드로 이행하는 경우, 안전성이 확보되는 것이면, 자동 동작으로 자세 맞춤이 행해진 쪽이 조작성은 좋게 된다. 예를 들어, 체내에 삽입하기 전 등의 슬레이브부가 그 동작 범위 내에서 무엇과도 충돌하지 않는 경우가 있다. 의료용 머니퓰레이터 시스템에 자동 동작에 의한 자세 맞춤[예를 들어 특허 문헌 2(여기서는 자동 천이 동작이라 칭함)]과 본 발명에 따른 자세 맞춤을 구별하여 지령하는 입력 스위치를 준비하고, 연산부는 동작 지령 감시 과정에 있어서 그 입력을 판독하고, 동작 판정 과정에 있 어서 그 절환을 행하면 좋다. 이와 같이, 자세 맞춤에 있어서 자동 천이 동작과 천이적 마스터 슬레이브 동작의 절환 기능을 구비함으로써 조작성이 향상된 의료용 머니퓰레이터를 실현한다. 또, 동작 지령 감시 과정과 동작 판정 과정을 축마다 연산부로 처리하면, 이 자세 맞춤 방법의 절환은 자세축마다 실시할 수 있다.
<제6 실시예>
마스터부의 구조로서, 자세축으로 힘 토크 센서를 배치하고, 연산부에 마스터부로부터의 정보로서 힘이나 토크를 송신하는 경우가 있다. 이 때 연산부에서는 힘이나 토크 정보를 위치 또는 속도 정보로 변환하여 슬레이브부 목표치를 산출한다. 힘 토크 정보를 위치 또는 속도 정보로 변환하는 기능을 구비함으로써 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드를 적용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 의료용 머니퓰레이터에 있어서 조작성과 안전성을 겸비시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 마스터 슬레이브 방식으로 동작하는 의료용 머니퓰레이터이며,
    동작을 지령하는 마스터부와,
    작업부를 갖고 상기 마스터부의 지령에 따라서 동작하는 슬레이브부와,
    상기 마스터부와 상기 슬레이브부 각각의 자세 각도를 검출하는 검출기와,
    상기 마스터부로부터의 지령에 의해 상기 슬레이브부를 제어하는 제어 장치를 구비하고,
    상기 제어 장치는 마스터부 위치와 슬레이브부 위치와의 편차를 산출하는 기능과,
    그 편차의 절대치와 미리 정한 기준치와의 비교에 의해, 비마스터 슬레이브 동작 모드, 마스터 슬레이브 동작 모드 및 비마스터 슬레이브 동작 모드로부터 마스터 슬레이브 동작 모드로 이행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드 중 어느 하나의 동작 모드를 결정하는 기능과
    상기 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서, 마스터부 위치와 슬레이브부 위치의 편차 변화율의 부호와 마스터부 위치 변화율의 부호와의 동이에 따라서, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치에 따르도록 하는 가속 추종 목표 생성과, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치가 따르도록 하는 감속 추종 목표 생성 중 어느 하나를 행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드의 동작 방식을 변화시키는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서, 마스터부 위치 변화율이 0인 경우에 슬레이브부가 정지하는 정지 목표 생성을 행하는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서 선택된 동작 방식의 동작 속도를 설정 변경 가능한 변수에 의해 변화시키는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 변수의 설정에 의해 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서의 동작 방식의 취사 선택을 행하는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드와, 통상 추종 목표 생성 동작 모드로서의 미리 설정된 자동 천이 동작 모드를 절환하는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 변수의 설정은 마스터부의 축마다 설정 가능한 것으로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
  8. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치는 통상의 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서 마스터부의 조작 각도 판독치 불감 영역에 있는 위치를 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서 활용하는 기능과, 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서 정해지는 동작 방식에 의한 목표치 생성 후에 슬레이브부의 목표치 포화 처리를 행하는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
  9. 동작을 지령하는 마스터부와, 작업부를 갖고 마스터의 지령에 따라서 동작하는 슬레이브부와, 마스터부와 슬레이브부 각각의 위치를 검출하는 검출기를 갖는 마스터 슬레이브 방식으로 동작하는 의료용 머니퓰레이터의 제어 장치이며,
    마스터부 위치와 슬레이브부 위치와의 편차를 산출하는 기능과,
    그 편차의 절대치와 미리 정한 기준치와의 비교에 의해, 비마스터 슬레이브 동작 모드로부터 마스터 슬레이브 동작 모드로 이행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드와, 마스터 슬레이브 동작 모드와의 절환을 행하는 기능을 구비하는 것으로 구성되고,
    상기 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서, 마스터부 위치와 슬레이브부 위치의 편차 변화율의 부호와 마스터부 위치 변화율의 부호와의 동이에 따라서, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치에 따르도록 하는 가속 추종 목표 생성과, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치가 따르도록 하는 감속 추종 목표 생성 중 어느 하나를 행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드의 동작 방식을 변화시키는 기능을 구비하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터의 제어 장치.
  10. 동작을 지령하는 마스터부와, 작업부를 갖고 마스터의 지령에 따라서 동작하는 슬레이브부와, 마스터부와 슬레이브부 각각의 위치를 검출하는 검출기를 갖는 마스터 슬레이브 방식으로 동작하는 의료용 머니퓰레이터의 제어 방법이며,
    마스터부 위치와 슬레이브부 위치와의 편차를 산출하고,
    그 편차의 절대치와 미리 정한 기준치와의 비교에 의해, 비마스터 슬레이브부 동작 모드로부터 마스터 슬레이브 동작 모드로 이행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드와, 마스터 슬레이브 동작 모드와의 절환을 행하고,
    상기 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드에 있어서, 마스터부 위치와 슬레이브부 위치의 편차 변화율의 부호와 마스터부 위치 변화율의 부호와의 동이에 따라서, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치에 따르도록 하는 가속 추종 목표 생성과, 슬레이브부의 위치 목표치를 마스터부의 위치가 따르도록 하는 감속 추종 목표 생성 중 어느 하나를 행하는 천이적 마스터 슬레이브 동작 모드의 동작 방식을 변화시키는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터의 제어 방법.
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