(57)【要約】【課題】超音波探触子を体表外から体表に接触させる場合や、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に急峻な入力信号が力検出器に入力して起こるロボットアームの発振や振動の発生を、抑えることができる超音波探触子移動保持を提供する。【解決手段】本発明の超音波探触子移動保持は、体体表に当接させ超音波を送受信する超音波探触子と、外部からの力を検出する力検出器を備えたロボットアームと、前記超音波探触子を前記体表へ一定の力で当接させる力制御を行う制御器とを備えた超音波探触子移動保持装置であって、前記力検出器に設置された操作グリップ部と、前記操作グリップ部と前記超音波探触子とを連結する弾性機構と、前記弾性機構の変位を検出する変位検出器とを含み、前記変位検出器により前記制御器の力制御のパラメータを切り替える特徴を有し、この構成により、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる。【選択図】図１
2007143704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
体表に当接させ超音波を送受信する超音波探触子と、外部からの力を検出する力検出器を備えたロボットアームと、前記超音波探触子を前記体表へ一定の力で当接させる力制御を行う制御器とを備えた超音波探触子移動保持装置であって、前記力検出器に設置された操作グリップ部と、前記操作グリップ部と前記超音波探触子とを連結する弾性機構と、前記弾性機構の変位を検出する変位検出器とを含み、前記変位検出器により前記制御器の力制御のパラメータを切り替えることを特徴とする超音波探触子移動保持装置。
【請求項２】
前記制御器はインピーダンス制御部と位置・姿勢制御部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子移動保持装置。
【請求項３】
前記制御部は軌道データを保有し、前記軌道データをもとに倣い動作を行うことを特徴とする請求項２に記載の超音波探触子移動保持装置。
【請求項４】
前記弾性機構は前記超音波探触子を保持する交換可能なホルダ部を含むことを特徴とする請求項１〜３に記載の超音波探触子移動保持装置。
【請求項５】
前記弾性機構はダンピング材を含む弾性体であることを特徴とする請求項１〜４に記載の超音波探触子移動保持装置。
【請求項６】
前記変位検出器は変位範囲を示す発光部材を含むことを特徴とする請求項１〜５に記載の超音波探触子移動保持装置。
【請求項７】
前記ロボットアームはパラレルリンク機構を有することを特徴とする請求項１〜６に記載の超音波探触子移動保持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
生体内に超音波を照射してそのエコー信号を受け取る超音波探触子の移動保持装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
体表や乳房にできる腫瘍や血管状態などの診断において超音波診断装置が使われる。そのとき、注目すべき部位に、超音波探触子を被検者の体表に一定の力で当接させて保持し、超音波診断装置に表示された画像を見ながら診断することになる。
【０００３】
特許文献１には、腕の血管の状態を診断するものであり、超音波探触子の水袋の圧力から体表への当接圧を検出し、体表に沿って等圧制御して超音波探触子を機械走査する（移動させる）ロボットアームが開示されている。
【０００４】
特許文献２には、超音波探触子はパッシブアームにより保持され、超音波探触子に付けられた圧力検出器により体表への当接圧を検出し、リニアアクチュエータにより、当接圧を制御する超音波探触子の保持装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２３８８９９号公報
【特許文献２】特開２００３−３８４８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の超音波探触子の移動保持装置においては、超音波探触子を体表外から体表に当接させる場合や、骨などの硬いものなどに超音波探触子があたった場合など、急峻な入力信号が力検出器に入力し、制御器が過剰に反応してロボットアームが発振や振動やする場合があるという問題があった。
【０００６】
本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、変位検出器により超音波探触子の体表への当接を検出した後に、超音波探触子の体表への目標の一定力に制御パラメータを切り替えることで、体表外から体表に当接させる場合の力検出器への急激な力の入力を低減し、または、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に弾性機構により力検出器への急激な力の入力を低減し、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる超音波探触子移動保持装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の超音波探触子移動保持は、体表に当接させ超音波を送受信する超音波探触子と、外部からの力を検出する力検出器を備えたロボットアームと、前記超音波探触子を前記体表へ一定の力で当接させる力制御を行う制御器とを備えた超音波探触子移動保持装置であって、前記力検出器に設置された操作グリップ部と、前記操作グリップ部と前記超音波探触子とを連結する弾性機構と、前記弾性機構の変位を検出する変位検出器とを含み、前記変位検出器により前記制御器の力制御のパラメータを切り替える特徴を有している。
【０００８】
この構成により、変位検出器により超音波探触子の体表への当接を検出した後に、超音波探触子の体表への目標の一定力に制御パラメータを切り替えることで、体表外から体表に当接させる場合の力検出器への急激な力の入力を低減し、または、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に弾性機構により力検出器への急激な力の入力を低減し、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる。
【０００９】
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記制御器が、インピーダンス制御部と位置・姿勢制御部とを含む特徴を有している。
【００１０】
この構成により、前記制御器で、インピーダンス制御部による力制御と、位置・姿勢制御を同時にできるハイブリット制御が行えることになる。
【００１１】
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記制御器が、軌道データを保有し、前記軌道データに倣い動作を行う特徴を有している。
【００１２】
この構成により、一定の力を保持して軌道データに従って倣い動作を行えることになる。
【００１３】
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記弾性機構が、前記超音波探触子を保持する交換可能なホルダ部を含む特徴を有している。
【００１４】
この構成により、ホルダ部を交換することで、様々な形状の超音波探触子を容易に取付けることができる。
【００１５】
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記弾性機構が、ダンピング材を含む弾性体である特徴を有している。
【００１６】
この構成により、硬いものなどに超音波探触子があたった場合にダンピング材により力検出器への急激な力の入力を低減できる。
【００１７】
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記変位検出器は、変位範囲を示す発光部材を含む特徴を有している。
【００１８】
この構成により、視覚的にも当接力を検出することができる。
【００１９】
また、本発明の超音波探触子移動保持は、前記ロボットアームが、パラレルリンク機構を有する特徴を有している。
【００２０】
この構成により、軽量で剛性の高い移動保持装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の超音波探触子移動保持は、体表に当接させ超音波を送受信する超音波探触子と、外部からの力を検出する力検出器を備えたロボットアームと、前記超音波探触子を前記体表へ一定の力で当接させる力制御を行う制御器とを備えた超音波探触子移動保持装置であって、前記力検出器に設置された操作グリップ部と、前記操作グリップ部と前記超音波探触子とを連結する弾性機構と、前記弾性機構の変位を検出する変位検出器とを含み、前記変位検出器により前記制御器の力制御のパラメータを切り替える特徴を有している。
【００２２】
この構成により、変位検出器により超音波探触子の体表への当接を検出した後に、超音波探触子の体表への目標の一定力に制御パラメータを切り替えることで、体表外から体表に当接させる場合の力検出器への急激な力の入力を低減し、または、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に弾性機構により力検出器への急激な力の入力を低減し、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態の超音波探触子移動保持について、図面を用いて説明する。
【００２４】
本発明の実施の形態の超音波探触子移動保持を図１、２に示す。
【００２５】
図１、２において、ロボットアーム１の先端部に外部からの力を検出する力検出器２を有し、検出器２には、操作グリップ部３を有する。なお、力検出器２は、例えば、ひずみゲージ式や静電力式の力センサであり、６自由度（並進3自由度と回転3自由度）あることが望ましい。操作グリップ部３の内側には、超音波探触子７を取付けたホルダ部５があり、弾性機構４で操作グリップ部３につながれている。
【００２６】
図２において、ホルダ部５は矢印の方向にスライドする。なお、ホルダ部５は、取替え可能になっており、様々な形の超音波探触子７に合わせたホルダ部を作ることにより、容易に超音波探触子７を付け替えることができる。変位検出器６は、操作グリップ部３に設置され、操作グリップ部３に対する弾性機構４つまり超音波探触子７の変位を検出する。
【００２７】
また、弾性機構４は、例えば、ばね定数が分かっているばねであり、変位検出器６からの変位とばね定数から、発生する力を算出することができる。なお、弾性機構４は、コイルばねや板ばねやゴムなどの弾性体であっても構わなく、図例のように複数あっても構わない。なお、弾性機構４は、例えば、ウレタン材やゲル材など、ダンピング材を含む弾性体であってもかまわない。
【００２８】
なお、変位検出器６は、直動式でも、回転式でも構わなく、検出方法は、磁気式でも光学式でも構わない。なお、変位検出器６の設置場所は、図で示された場所でなくても構わない。なお、発光部材６ａは、たとえば発光ダイオードなどであり、単数で、点灯のパターンや、色の変化で、変位の範囲を示しても構わなく、複数あっても構わない。
【００２９】
ロボットアーム１の動作は、制御器８により各関節に設置されたモータの位置角度と速度を与えることによる制御される。なお、ロボットアーム１は、多関節ロボットアームであり、その関節自由度は６軸で、もしくは６軸以上の冗長性を有していても構わない。なお、ロボットアーム1は、図１に示すようなシリアルリンク機構だけでなく、パラレルリンク機構であっても構わない。
【００３０】
パラレルリンク機構にすることにより、軽量で剛性の高いロボットアームを構成できるが、ただし、シリアルリンク機構に比べ可動範囲は狭くなる。なお、ロボットアーム１の各関節の座標位置は、制御部８により算出される。超音波探触子７からの信号は、超音波診断装置９において処理し表示される。
【００３１】
図４（ａ）は、体表１００への当接のモデル図である。体表への接触部は、下記式のインピーダンス制御モデルで表わせる。ただし、M、B、Kはそれぞれ、インピーダンス制御モデルにおける仮想の質量、粘性係数、ばね係数を示し、Xは変位、Vは速度、Aは加速度、Fは力を示す。この場合、弾性機構４も加わり、
M0A0  ＋  B0V0  ＋  K0X0＝  F0                                      （式１）
M1A1  ＋  K1V1  = F1 - F0                                            （式２）
となる。ここで、図４（ｂ）のように、力検出器２から体表までをまとめて考えると、
MA  ＋  BV  ＋  KX ＝  F                                          （式３）
と表わせる。また、Fは力検出器２での出力値に相当する。
【００３２】
図５は、制御器８のブロック図である。変位検出器６からの信号を接触力算出部２０５で接触力を算出し、主制御部２０２で接触か否か判断する。力検出器２からの信号をもとにインピーダンス制御部２０３で変位を求めて、ロボットアーム全体の変位・速度制御部２０４へ送る。
【００３３】
その出力として、ロボットアーム１の各関節の角度と速度を生成して、各関節に与えて、ロボットアーム１の先端部に設置された超音波探触子７の位置が決まる。また、変位・速度制御部２０４は、インピーダンス制御部２０３での力制御からの変位と、位置・姿勢制御部２０６からの変位を加えたハイブリット制御ができ、それぞれの制御パラメータを変えることで、力制御と位置・姿勢制御とを切り替えることもできる。
【００３４】
また、軌道データ部２０７から軌道データを取得し、ハイブリット制御により、一定の値で当接しながら軌道データをもとに倣い動作することができる。操作部２０１にて、主制御部２０２への操作命令を入力することができる。
【００３５】
以上のように構成された超音波探触子移動保持について、図１〜５を用いてその動作を説明する。
【００３６】
図１において、制御器８からの命令でロボットアーム１の関節を動かすことで、超音波探触子７を体表１００に当接させることができる。ロボットアーム１は多関節ロボットアームであり、6自由度以上あれば、多様な形状の体表に超音波探触子１を当接することができる。
【００３７】
超音波探触子７が体表１００に当接するまでは、操作者は操作グリップ部３を手で持って、所定の場所までロボットアーム１の先端を動かすことになる。（式３）において、力制御をかける。ここで、慣性項を省略し、速度と変位と力のフィードバックゲインをそれぞれ、B、K、Kfとするとし、6軸方向（並進3方向と回転3方向）において、目標の力をFaとすると、
B Ｖ  ＋  K X   ＝ −Kf ( F  − Fa )                                    （式４）
（式４）を用いて力制御をかける。このとき、目標の力Faをゼロにすることで、操作者にホルダ部３を手で押されるとその力を打ち消すようにロボットアーム１は動く。つまり、操作者の動作に追従して、軽い力でロボットアーム１を動かすことが出来る。ここで、力制御のパラメータとは、B、K、Kf、Faのことを指す。
【００３８】
つぎに、超音波探触子７の接触面に垂直な方向の目標の力をFｂとする。なお、目標の力Fｂは、例えば、200gfから500gf程度である。操作者が、操作グリップ部３を持って、図３（a）から図３（ｂ）のように、所定の体表１００に超音波探触子７を当接させる。
【００３９】
このとき、図３（ｂ）の矢印の向きに、ホルダ部５がスライドして、図３（ｃ）のように変位検出器６から変位が検出される。図３（ｃ）において、力f0にあたる変位y0になったときに、体表１００に接触したと判断する。
【００４０】
なお、力f0は、目標の力の30%以内に設定するのが望ましい。接触したと判断した後に、式（４）において、超音波探触子７の接触面に垂直な方向（つまり、ホルダ部５がスライドする方向）の目標の力をFｂに切り替える。
【００４１】
これにより、目標の力Fｂになるようにロボットアーム１が動き、目標の力Fｂで力制御されることになる。これにより、変位検出器６で体表１００への当接を検出した後に、力検出器２の出力信号を用いて体表１００への目標の力Fｂでの力制御を行うことができる。つまり、体表１００への接触する瞬間から変位y0の間までは、式（４）の反力ゼロの力制御をしているため、接触などによって発生する急激な力に対しては、反応しない（反発しない）。また、目標の力Fｂで力制御されているときは、変位検出器６の出力信号は、目標の力f1に対応する変位y1となっている。なお、ここでは、目標の力をFｂの値を切り替えたが、速度と変位と力のフィードバックゲインB、K、Kfの値を切り替えても構わない。
【００４２】
つぎに、超音波探触子７を体表１００から引き離す場合は、操作者は、操作グリップ部３を持って接触面に垂直な方向に超音波探触子７を引き離す動作を行う。そのとき、操作グリップ部３へ目標の力Fｂで力制御されるようにロボットアーム１は動作し、つまり体表１００から離れるように動き、一方、変位検出器６からの出力信号は、変位y1から変位y0になり、変位y0になったら、体表１００から離れたと判断して、式（４）において、Faをゼロに切り替える。これで、反力ゼロの力制御となり、ロボットアームは操作者の動作に従うようになる。
【００４３】
また、体表１００に当接した超音波探触子７の場所を変える場合、操作者が手で操作グリップ部３を持ち、体表に対して垂直ではない方向に移動させれば、ロボットアームは、超音波探触子７を体表１００に当接させたまま、追従することができる。そのとき、体表に対して骨などの硬いものが超音波探触子７にぶつかり急激な力が発生した場合、弾性機構４によりその力は抑えられ、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる。
【００４４】
また、超音波探触子７を移動させる時に接触抵抗が大きい場合は、ブリップ部３を変位検出器６の出力信号が変位y1から変位y0の間になるように、超音波探触子７を持ち上げれば、接触力になる力f1より小さな値で当接させて、超音波探触子７を移動させることができる。これは、接触抵抗が小さくなるため、体表１００の硬さの変化に対して、影響を受けにくいことになる。
【００４５】
また、体表１００が急激に大きく動いて、変位検出器６の出力信号が変位y2を超えた場合も、式（４）においてFaをゼロに切り替えて、反力ゼロの力制御にする。これにより、超音波探触子７からの体表１００への力はゼロになるようになり、体表１００から離れることになる。
【００４６】
また、インピーダンス制御部２０３での力制御からの変位と、位置・姿勢制御部２０６からの変位を加えたハイブリット制御において、それぞれの制御パラメータを変えることで、力制御と位置・姿勢制御とを切り替えることや、力制御と位置・姿勢制御の加算の比率を変えることもできる。
【００４７】
また、軌道データ部２０７から予め定めた軌道データを取得し、ハイブリット制御により、一定の力で体表１００に当接しながら軌道データをもとに倣い動作することができる。
【００４８】
また、なんらかの理由で、体表１００への接触部に急激な力の入力が入ったとしても、弾性機構４により急激な力は抑えられる。このとき、弾性機構４が、ダンピング材を含む場合は、急激な力を抑える効果は大きくなる。
【００４９】
また、変位検出器６に設置された発光部材６ａは、例えば、変位y0未満では発光せず、変位y0から変位y2の範囲では発光し、y2以上では点滅発光することで、視覚的に超音波探触子７の体表１００への当接状況を検出することができ、安全性を改善することができる。
【００５０】
このような本発明の実施の形態によれば、この構成により、変位検出器により超音波探触子の体表への当接を検出した後に、超音波探触子の体表への目標の一定力に制御パラメータを切り替えることで、体表外から体表に当接させる場合の力検出器への急激な力の入力を低減し、または、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に弾性機構により力検出器への急激な力の入力を低減し、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上のように、本発明の超音波探触子移動保持は、体表に当接させ超音波を送受信する超音波探触子と、外部からの力を検出する力検出器を備えたロボットアームと、前記超音波探触子を前記体表へ一定の力で当接させる力制御を行う制御器とを備えた超音波探触子移動保持装置であって、前記力検出器に設置された操作グリップ部と、前記操作グリップ部と前記超音波探触子とを連結する弾性機構と、前記弾性機構の変位を検出する変位検出器とを含み、前記変位検出器により前記制御器の力制御のパラメータを切り替える特徴を有している。
【００５２】
この構成により、変位検出器により超音波探触子の体表への当接を検出した後に、超音波探触子の体表への目標の一定力に制御パラメータを切り替えることで、体表外から体表に当接させる場合の力検出器への急激な力の入力を低減し、または、硬いものなどに超音波探触子があたった場合に弾性機構により力検出器への急激な力の入力を低減し、ロボットアームの発振や振動の発生を抑えることができる効果を有し、生体内に超音波を照射してそのエコー信号を受け取る超音波探触子の移動保持等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態における超音波探触子移動保持の概観図
【図２】本発明の実施の形態における超音波探触子移動保持の先端部周りの外観図
【図３】本発明の実施の形態における超音波探触子移動保持の動作説明のための図
【図４】本発明の実施の形態における超音波探触子移動保持の動作説明のための図
【図５】本発明の実施の形態における超音波探触子移動保持の制御ブロック図
【符号の説明】
【００５４】
１    ロボットアーム
２    力検出器
３    操作グリップ部
４    弾性機構
５    ホルダ部
６    変位検出器
６ａ    発光部材
７    超音波探触子
８    制御器
９    超音波診断装置
１００    体表
２０１    操作部
２０２    主制御部
２０３    インピーダンス制御部
２０４    ロボットアーム全体の位置・速度制御部
２０５    接触力算出部
２０６    位置・姿勢制御部
２０７    軌道データ部
【図１】
2007143704.tif 000003
【図２】
2007143704.tif 000004
【図３】
2007143704.tif 000005
【図４】
2007143704.tif 000006
【図５】
2007143704.tif 000007