(57)【要約】【課題】医療用ロボットの暴走時や誤動作時に、当該医療用ロボットを瞬時に自動停止させる。【解決手段】マニピュレータ駆動装置１２は、マニピュレータ１１を動作させる第１の水圧シリンダ３５と、緊急時に第１の水圧シリンダ３５の駆動を停止させる緊急停止手段４０とを備えている。緊急停止手段４０は、マニピュレータ１１の表面圧力を検出する状態検出部４７と、第１の水圧シリンダ３５に対する給排水を許容する許容位置と当該給排水を遮断する遮断位置とを有する電磁切換弁４９，５０と、電磁切換弁４９，５０の切換動作を制御する切換制御部５４とを備えている。切換制御部５４は、前記状態検出部４７の検出値により、マニピュレータ１１の動作が異常であると判断した場合に、電磁切換弁４９，５０を許容位置から遮断位置に切り換える。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の可動部を動作させる動作用アクチュエータと、緊急時に前記動作用アクチュエータの駆動を停止させる緊急停止手段とを備えた医療用ロボットの安全制御システムにおいて、
前記動作用アクチュエータは、非圧縮性の液体を使用流体とするシリンダ装置により構成され、
前記緊急停止手段は、前記可動部に異常動作が発生したか否かを判断し、当該異常動作が発生した場合に、前記シリンダ装置に対する非圧縮性の液体の供給又は排出を停止することを特徴とする医療用ロボットの安全制御システム。
【請求項２】
前記緊急停止手段は、前記可動部の動作状態を検出する状態検出部と、前記シリンダ装置に繋がる前記液体の流路に設けられた切換弁と、この切換弁の切換動作を制御する切換制御部とを備え、
前記切換弁は、前記シリンダ装置に対する前記流体の供給又は排出を許容する許容位置と、当該供給又は排出を遮断する遮断位置とを有し、
前記切換制御部は、前記状態検出部の検出値に基づいて前記可動部の動作が異常か否かを判断し、前記可動部の動作が異常であると判断した場合には、前記切換弁を前記許容位置から前記遮断位置に切り換えるように制御することを特徴とする請求項１記載の医療用ロボットの安全制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用ロボットの安全制御システムに係り、更に詳しくは、医療用ロボットの暴走時や誤動作時に、当該医療用ロボットを瞬時に自動停止させることのできる医療用ロボットの安全制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時においては、大きな切開を要さない低侵襲手術を行うための医療用ロボットが普及しつつあり、例えば、特許文献１の医療用ロボットが知られている。この医療用ロボットは、内視鏡や処置具が先端側に設けられたマニピュレータを備え、当該マニピュレータを体内に挿入した後で、術者の遠隔操作により患部の処置等を行えるようになっており、前記マニピュレータは、所定の制御装置により制御されたサーボモータにより動作する。また、この医療用ロボットは、マニピュレータの暴走時や誤動作時等に、術者の足元に配置されたスイッチを人為的に作動させることで、前記制御装置をシステムダウンさせ、前記マニピュレータの動作を強制的に停止できるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−６６０５６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような医療用ロボットにあっては、その暴走や誤動作を瞬時に停止させるのに不十分である。すなわち、前記マニピュレータを緊急停止させるには、術者によるスイッチの作動が必要であり、その前提として、術者がマニピュレータの暴走や誤動作の発生を認識しなければならない。手術中においては、前記マニピュレータが体内に存在することが多く、術者は、マニピュレータの暴走や誤動作の発生を目視し難い場合がある。従って、この場合には、前記暴走や誤動作の発見が遅れ易く、当該暴走や誤動作が発生した直後に瞬時にマニピュレータを停止させることができなくなる。また、術者が、マニピュレータの暴走や誤動作の発生を一早く認識し、スイッチを瞬時に作動させたとしても、以降、サーボモータの駆動が停止するものの、マニピュレータは、その惰性等により、サーボモータの停止時よりもやや遅れて停止することになる。つまり、所定の暴走力が作用したときには、マニピュレータを瞬時に停止させることができない。このことは、動作範囲の狭い体内に挿入されるマニピュレータにとっては、大きな問題であり、その停止遅れによって体内組織の損傷を招来する虞もある。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、このような課題に着目して案出されたものであり、その目的は、医療用ロボットの暴走時や誤動作時に、当該医療用ロボットを瞬時に自動停止させることができる医療用ロボットの安全制御システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、所定の可動部を動作させる動作用アクチュエータと、緊急時に前記動作用アクチュエータの駆動を停止させる緊急停止手段とを備えた医療用ロボットの安全制御システムにおいて、
前記動作用アクチュエータは、非圧縮性の液体を使用流体とするシリンダ装置により構成され、
前記緊急停止手段は、前記可動部に異常動作が発生したか否かを判断し、当該異常動作が発生した場合に、前記シリンダ装置に対する非圧縮性の液体の供給又は排出を停止する、という構成を採っている。このような構成によれば、緊急停止手段により、可動部の異常動作の発生を判断し、可動部を動作させるシリンダ装置を自動停止させることができる。しかも、シリンダ装置の使用流体として、非圧縮性の液体が用いられているため、シリンダ装置に対する液体の供給又は排出が停止したときに、シリンダ装置内に充填された液体の弾性的な圧縮や膨張が抑制され、当該圧縮や膨張に伴う可動部の惰性による動作が規制され、当該可動部のブレーキ効果を高めることができる。従って、シリンダ装置に対する流体の供給又は排出が停止した後、惰性等による動作を排して可動部を瞬時に停止させることができる。換言すれば、どのような大きさの暴走力が作用しても、限界なく可能部を瞬時に停止させることができる。
【０００７】
本発明における緊急停止手段は、前記緊急停止手段は、前記可動部の動作状態を検出する状態検出部と、前記シリンダ装置に繋がる前記液体の流路に設けられた切換弁と、この切換弁の切換動作を制御する切換制御部とを備え、
前記切換弁は、前記シリンダ装置に対する前記流体の供給又は排出を許容する許容位置と、当該供給又は排出を遮断する遮断位置とを有し、
前記切換制御部は、前記状態検出部の検出値に基づいて前記可動部の動作が異常か否かを判断し、前記可動部の動作が異常であると判断した場合には、前記切換弁を前記許容位置から前記遮断位置に切り換えるように制御する、という構成を採ることが好ましい。このように構成することで、比較的簡単な構成で、前記目的を達成することができる。
【０００８】
なお、本明細書における「非圧縮性の液体」とは、水及び当該水と略同等の圧縮性（膨張性）を有する液体を総称した概念として用いる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１には、本実施形態における安全制御システムが適用された医療用ロボットの概念図が示されている。この図において、医療用ロボット１０は、大きな切開を要さない低侵襲手術を行うために用いられるロボットであり、人体内に挿入される可動部としてのマニピュレータ１１と、このマニピュレータ１１を保持して当該マニピュレータ１１の姿勢を変位させるとともに、図示しないロボットアームに支持されたマニピュレータ駆動装置１２とを備えて構成されている。
【００１１】
前記マニピュレータ１１は、先端側にメス、鉗子、内視鏡等が設けられた図示しない術具マニピュレータを体内に挿入させ易くするように、その挿入路を拡張させる目的のマニピュレータであり、前記ロボットアーム（図示省略）の作動によって所定空間内を移動できるようになっている。このマニピュレータ１１は、図２に示されるように、長片状の形成部材１４が複数個直列に連結された多関節構造のヘラ状をなし、各形成部材１４は、特に限定されるものではないが、隣接する形成部材１４に対し、同図中上下方向及び短寸幅方向に相対変位可能に連結されている。また、各形成部材１４には、図１に示されるように、マニピュレータ駆動装置１２側に延びるワイヤＷがそれぞれ二本づつ固定されており、任意のワイヤＷがマニピュレータ駆動装置１２側から牽引されることで、そのワイヤＷに繋がる形成部材１４が屈曲変位してマニピュレータ１１の姿勢が変わるようになっている。なお、図１では、説明の便宜上、ワイヤＷを各形成部材１４の上下両側に表出させているが、実際は、各形成部材１４の内部に形成された溝（図示省略）を通ってマニピュレータ駆動装置１２側に延びており、図２に示されるように、外部に殆ど表出しないようになっている。
【００１２】
前記マニピュレータ駆動装置１２は、図１に示されるように、ワイヤＷの牽引及び弛緩を行うことで、マニピュレータ１１の姿勢を変位させる装置であり、ワイヤＷの牽引等を行うための牽引機構１６と、牽引機構１６の動力となる動力手段１７とを備えて構成されている。なお、図１では、マニピュレータ駆動装置１２を概念的に表しており、同様の作用を奏する限りにおいて、種々の形状、構造、部品等を採用することができる。
【００１３】
前記牽引機構１６は、ワイヤＷの本数分設けられて当該ワイヤＷの巻き取りをする複数の巻取手段１９と、これら巻取手段１９に巻取力を付与する伝達手段２０とを備えている。
【００１４】
前記巻取手段１９は、図１中上下方向に延びて回転可能に支持されている巻取回転軸２２と、この巻取回転軸２２に対して一体回転可能に設けられたプーリ２３及び歯車２４とを備えている。ここで、巻取回転軸２２の図１中上端側には、当該巻取回転軸２２の回転を抑制するブレーキパッド２６と、このブレーキパッド２６を移動させる空気圧シリンダ２７とが配置されている。ブレーキパッド２６は、空気圧シリンダ２７の駆動により、巻取回転軸２２の回転を不能にするロック位置と、巻取回転軸２２の回転を許容するフリー位置との間を移動するようになっている。前記プーリ２３は、ワイヤＷの一端側が固定され、巻取回転軸２２の回転によってワイヤＷを巻回可能に設けられている。
【００１５】
前記伝達手段２０は、図１中左右方向に延びて回転可能に支持された伝達回転軸２９と、この伝達回転軸２９に対して一体回転可能に設けられたウオームギヤ３１及びピニオンギヤ３２と、このピニオンギヤ３２に噛み合うとともに、前記動力手段１７からの動力によって上下動するラック３３とを備えて構成されている。前記ウオームギヤ３１は、巻取回転軸２２の本数分設けられ、各巻取回転軸２２の歯車２４にそれぞれ噛み合い可能となっている。このため、ラック３３が上下動するとピニオンギヤ３２が回転し、これによって、伝達回転軸２９及びウオームギヤ３１が一体的に回転し、当該ウオームギヤ３１に噛み合った歯車２４が回転し、巻取回転軸２２及びプーリ２３が回転することになる。なお、この際、ブレーキパッド２６が前記ロック位置にある巻取回転軸２２は回転されずに、ブレーキパッド２６が前記フリー位置にある巻取回転軸２２のみが回転されることとなる。
【００１６】
前記動力手段１７は、ラック３３を上下動させてマニピュレータ１１を動作させる動作用アクチュエータとしての第１の水圧シリンダ３５（シリンダ装置）と、当該第１の水圧シリンダ３５に対して使用流体たる水を供給又は排出する動力となる第２の水圧シリンダ３６と、この第２の水圧シリンダ３６に図示しないボールねじ等で連結されて当該第２の水圧シリンダ３６を駆動させる超音波モータ３７と、前記空気圧シリンダ２７及び超音波モータ３７等の駆動を制御することで、マニピュレータ１１の姿勢変位動作をコントロールする動作制御部３９と、所定の緊急時に第１の水圧シリンダ３５の駆動を停止させる緊急停止手段４０とを備えて構成されている。
【００１７】
第１及び第２の水圧シリンダ３５，３６は、図３に概念的に示されるように、同図中上下二箇所間で第１及び第２の流路４２，４３により連通されている。このため、図３の状態から、超音波モータ３７の駆動により第２の水圧シリンダ３６のピストン３６Ａが同図中下方に押されると、その内部の水が図３中下側の第２の流路４３を通って第１の水圧シリンダ３５内に供給され、第１の水圧シリンダ３５のピストン３５Ａが図３中上方に押され、前記ラック３３が上昇する。一方、図３の状態から、第２の水圧シリンダ３６のピストン３６Ａが図３中上方に押されると、第１の水圧シリンダ３５内の水が第２の流路３６に排出されて第１の水圧シリンダ３５のピストン３５Ａが図３中下方に押され、ラック３３が下降する。なお、第１及び第２の水圧シリンダ３５，３６の代わりに、生理食塩水等、他の非圧縮性を有する流体を使用流体とするシリンダ装置を用いることも可能である。
【００１８】
前記動作制御部３９は、図１に示されるように、術者が操作する操作手段４５からの指令により、所望の場所の空気圧シリンダ２７を駆動させて対応するブレーキパッド２６を前記フリー位置にするとともに、超音波モータ３７を回転駆動させ、マニピュレータ１１の所望部位を屈曲変位させるように制御する。ここで、マニピュレータ１１の姿勢は、各巻取回転軸２２の回転角度を計測する図示しないポテンショメータの検出値に基づき、フィードバック制御されるようになっている。なお、その他の詳細な構成については、本発明の要旨ではないため説明を省略する。
【００１９】
前記緊急停止手段４０は、マニピュレータ１１に異常動作が発生したときに、第１及び第２の水圧シリンダ３５，３６間の水の流通を遮断する構成になっている。すなわち、緊急停止手段４０は、マニピュレータ１１の動作状態を検出する状態検出部４７と、第１及び第２の流路４２，４３の途中にそれぞれ設けられた３ポートの電磁切換弁４９，５０と、これら電磁切換弁４９，５０の間に繋がる第３の流路５２と、電磁切換弁４９，５０の切換動作を制御する切換制御部５４とを備えている。
【００２０】
前記状態検出部４７は、各ワイヤＷにそれぞれ設けられた張力センサにより構成され、各ワイヤＷの張力を検出するようになっている。
【００２１】
前記電磁切換弁４９，５０は、図３に示されるように、第１の水圧シリンダ３５に対する給排水を許容する許容位置と、当該給排水を遮断する遮断位置とを有しており、図３では、電磁切換弁４９，５０がそれぞれ前記許容位置にセットされている。この状態から、電磁切換弁４９，５０がそれぞれ前記遮断位置に切り換わると、第２の水圧シリンダ３６側の第１及び第２の流路４２，４３と、第３の流路５２とが連通し、第１の水圧シリンダ３５に対する給排水を不能とするように、第２の水圧シリンダ３６を含む閉回路が形成される。
【００２２】
前記切換制御部５４は、前記状態検出部４７の検出値に基づいてマニピュレータ１１の動作が異常か否かを判断し、マニピュレータ１１の動作が異常であると判断した場合には、電磁切換弁４９，５０をそれぞれ前記許容位置から前記遮断位置に切り換えるように制御する。すなわち、切換制御部５４では、状態検出部４７で検出された各ワイヤＷの張力から、所定の演算式を用いてマニピュレータ１１の表面圧力を求めることで、当該表面圧力を常時監視する。そして、外乱等によるマニピュレータ１１の暴走や術者の誤操作等により、体内に挿入されたマニピュレータ１１が体内の組織に強く押し当てられると、マニピュレータ１１の表面圧力が増大するため、当該表面圧力が予め記憶された所定値を超えると、マニピュレータ１１の動作に異常が発生したと判断し、電磁切換弁４９，５０を前記許容位置から前記遮断位置に切り換えるように制御する。
【００２３】
次に、前記医療用ロボット１０の動作を図１及び図３を用いて説明する。
【００２４】
各ブレーキパッド２６が全てロック位置となっている状態で、術者が操作手段４５を操作し、マニピュレータ１１の所望部位を屈曲変位させるように指令すると、当該所望部位に対応する巻取回転軸２２のブレーキパッド２６が、空気圧シリンダ２７の駆動により前記ロック位置から前記フリー位置に移動する。そして、超音波モータ３７が回転駆動して第２の水圧シリンダ３６が駆動し、その内部の水が第２の流路４３を通って第１の水圧シリンダ３５内に供給される。これにより、第１の水圧シリンダ３５が駆動して、当該第１の水圧シリンダ３５に連結されたラック３３が上方に移動する。そして、ラック３３の移動に伴ってピニオンギヤ３２が回転され、それに伴い伝達回転軸２９及びウオームギヤ３１が回転する。そして、ブレーキパッド２６がフリー位置とされた前記所望部位に対応する巻取回転軸２２のみが、ウオームギヤ３１に噛み合う歯車２４を介して回転され、そのプーリ２３にワイヤＷが巻き取られる。この結果、当該ワイヤＷがマニピュレータ駆動装置１２側に牽引され、このワイヤＷに繋がるマニピュレータ１１の形成部材１４が、隣り合う形成部材１４に対して所定角度及び所定方向に屈曲変位し、マニピュレータ１１の姿勢が変位することになる。
【００２５】
そして、マニピュレータ１１の姿勢変位動作や全体の移動時に、外乱等によるマニピュレータの暴走や術者の誤操作等によって、体内に挿入されたマニピュレータ１１の表面が体内組織に強く押し当てられ、当該マニピュレータ１１の表面圧力が予め記憶された所定値を超えると、前記電磁切換弁４９，５０がそれぞれ前記許容位置から前記遮断位置に切り換わる。すると、第２の水圧シリンダ３６から排出されている水は、第２の流路４３の途中から第３の流路５２、第１の流路４２を通って第２の水圧シリンダ３６に戻されることになり、第１の水圧シリンダ３５への水の供給が停止する。この結果、第１の水圧シリンダ３５の駆動が瞬時に停止し、これに連動するマニピュレータ１１の姿勢変位動作も瞬時に停止する。つまり、ここでは、第１の水圧シリンダ３５を駆動させる流体が非圧縮性の水であることから、第１の水圧シリンダ３５の駆動停止時に、前記流体の圧縮等に起因したマニピュレータ１１の惰性運動を行うことが阻止され、第１の水圧シリンダ３５の駆動停止とともにマニピュレータ１１が素早く停止することになる。
【００２６】
総じて、以上の医療用ロボット１０は、アクティブ制御を行う動作制御部３９と、パッシブ制御を行う切換制御部５４とを独立して配置し、動作制御部３９で制御されるアクティブ制御系を、切換制御部５４で制御されるパッシブ制御系で監視し、アクティブ制御系の暴走や誤動作をパッシブ制御系で押さえ込むようになっている。
【００２７】
従って、このような実施形態によれば、外乱等によるマニピュレータ１１の暴走や術者の誤操作等により、体内に挿入されたマニピュレータ１１の動作に異常が発生したときに、その状態を一早く検出し、マニピュレータ１１を瞬時に自動停止できるという効果を得る。
【００２８】
なお、異常動作により、マニピュレータ１１の姿勢変位動作が停止した後、動作制御部３９の制御により、各空気圧シリンダ２７を駆動し、全てのブレーキパッド２６を前記ロック位置から前記フリー位置に移動させるようにしてもよい。このようにすると、マニピュレータ１１に繋がるワイヤＷが全て非拘束状態となり、当該マニピュレータＷの屈曲部位の全てが自由に変位可能になって、術者がマニピュレータ１１を体内から抜き取り易くすることができる。
【００２９】
また、マニピュレータ１１の異常動作を判断できる他の要素を検出し、その検出値に基づいて、マニピュレータ１１を自動停止させるようにしてもよい。
【００３０】
更に、前記実施形態における第２の水圧シリンダ２６及び超音波モータ３７の代わりに、第１の水圧シリンダ２５に対する給排水を可能にするポンプ等、他のアクチュエータを用いることも可能である。
【００３１】
また、本発明は、他のマニピュレータの動作用を含む種々の医療用ロボットの動作用に適用することができる。
【００３２】
その他、本発明における各構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の設計変更が可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、医療用ロボットの暴走時や誤動作時に、医療用ロボットを瞬時に自動停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の安全制御システムが適用された医療用ロボットの概念図。
【図２】マニピュレータの概略斜視図。
【図３】緊急停止手段を説明するための概略図。
【符号の説明】
１０  医療用ロボット
１１  マニピュレータ（可動部）
３５  第１の水圧シリンダ（動作用アクチュエータ）
４０  緊急停止手段
４７  状態検出部
４２  第１の流路（流路）
４３  第２の流路（流路）
４９  電磁切換弁（切換弁）
５０  電磁切換弁（切換弁）
【図１】
2004338057.tif 000003
【図２】
2004338057.tif 000004
【図３】
2004338057.tif 000005