(57)【要約】【課題】多関節構造のマニピュレータを簡単な操作で所望の形状にすること。【解決手段】  複数の形成部材Ｍ１〜Ｍ５を相互に屈曲自在に連結してなる多関節型のマニピュレータ１１と、各形成部材Ｍ１〜Ｍ５を独立して屈曲させる動力となるアクチュエータ１２と、アクチュエータ１２の駆動を制御してマニピュレータ１１を所定の形状にする形状制御装置１４と、形状制御装置１４に対してマニピュレータ１１の形状を指令する操作装置１３とを備えて形状制御システム１０が構成されている。形状制御装置１４は、仮想円Ｓを使ってマニピュレータ１１の目標形状を決定する演算部４１を備え、この演算部１４は、マニピュレータ１１が、その基端側の基準点Ｏから先端側に向って、仮想円Ｓの円周上の接点Ｐまで直線状に延びた後で円周に沿って屈曲する目標形状とする。操作装置１３は、仮想円Ｓの位置及び大きさを任意に指定可能に設けられる。【選択図】          図１
2007260877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の形成部材を相互に屈曲自在に連結してなる多関節型のマニピュレータと、前記各形成部材を独立して屈曲させる動力となるアクチュエータと、当該アクチュエータの駆動を制御して前記マニピュレータを所定の形状にする形状制御装置と、当該形状制御装置に対して前記マニピュレータの形状を指令する操作装置とを備え、
前記形状制御装置は、所定の仮想円を使って前記マニピュレータの目標形状を決定する演算部を備え、
前記演算部は、前記マニピュレータが、その基端側の基準点から先端側に向って、前記仮想円の円周上の接点まで直線状に延びた後で前記円周に沿って屈曲する目標形状となるように、各形成部材の関節角度を演算し、
前記操作装置は、前記仮想円の位置及び大きさを任意に指定可能に設けられ、当該指定により前記マニピュレータの形状を指令することを特徴とするマニピュレータの形状制御システム。
【請求項２】
前記演算部は、基端側の前記形成部材が先端側に向って、前記仮想円の円周上の接点まで直線状に延びた後で、当該接点に接する前記形成部材よりも先端側に位置する前記形成部材が屈曲して前記仮想円の円周に接する目標形状となるように、各形成部材の関節角度を演算することを特徴とする請求項１記載のマニピュレータの形状制御システム。
【請求項３】
前記操作装置は、前記基準点から前記仮想円の中心点までの距離と、前記基準点と前記中心点を結ぶ直線の傾き角度と、前記仮想円の半径とを任意に指定可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のマニピュレータの形状制御システム。
【請求項４】
相互に屈曲自在に連結してなる複数の形成部材をそれぞれ独立して屈曲させるアクチュエータの駆動を制御することで、前記各形成部材からなるマニピュレータの形状を変化させるマニピュレータの形状制御装置において、
位置及び大きさを任意に変更可能な仮想円により、前記マニピュレータの目標形状を決定する演算部を備え、
前記演算部は、前記マニピュレータが、その基端側の基準点から先端側に向って、前記仮想円の円周上の接点まで直線状に延びた後で前記円周に沿って屈曲する目標形状となるように、各形成部材の関節角度を演算することを特徴とするマニピュレータの形状制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マニピュレータの形状制御システム及び形状制御装置に係り、更に詳しくは、多関節構造のマニピュレータに対し、簡単な操作で所望の形状にすることのできるマニピュレータの形状制御システム及び形状制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大きな切開を要さずに患者への負担を少なくする低侵襲手術が注目されており、この低侵襲手術を行うためのマスタースレーブ方式の手術支援ロボットが種々研究開発されている。この手術支援ロボットとしては、ロボットアームの動作により、鉗子等の術具を保持する術具マニピュレータを体内の患部にアクセスさせるタイプのものが広く知られている。ところが、前記術具マニピュレータの経路となる体内の隙間が狭い場合には、患部に対し術具マニピュレータのアクセスが不能となることから、本出願人は、このような場合に、マニピュレータで前記隙間を拡開させるためのロボットシステムを新たに提案した（特許文献１参照）。このシステムは、その一部が図４に示されるように、多関節構造のヘラ型のマニピュレータ５０と、このマニピュレータ５０の形状を変化させる駆動装置５１とを備えている。マニピュレータ５０は、相互に屈曲自在に連結された６個の形成部材５２からなり、そのうち先端側の５個の形成部材５２には、その内部に図示省略したワイヤが固定されている。これらワイヤは、図示省略した操作装置からの指令により、駆動装置５１内のモータ（図示省略）を使ってそれぞれ独立して牽引され、牽引されるワイヤの選択及びその牽引量により、マニピュレータの形状を種々変化させるようになっている。ここで、操作装置としては、５個の各形成部材に上下２本ずつ設けられた合計１０本のワイヤの牽引を指令し、且つ、その牽引量を指令する構成が考えられる。
【特許文献１】特開２００４−３３８０５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記特許文献１のロボットシステムにあっては、術者が１０本のワイヤの操作を独立して行わなければならないため、術者がイメージするマニピュレータ５０の形状を得るための操作が難しくなり、手術支援ロボットを使った医療行為を円滑に進めるのに障害となりかねない。
【０００４】
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、多関節構造のマニピュレータに対し、簡単な操作でマニピュレータを所望の形状にすることができるマニピュレータの形状制御システム及び形状制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）前記目的を達成するため、本発明に係るマニピュレータの形状制御システムは、複数の形成部材を相互に屈曲自在に連結してなる多関節型のマニピュレータと、前記各形成部材を独立して屈曲させる動力となるアクチュエータと、当該アクチュエータの駆動を制御して前記マニピュレータを所定の形状にする形状制御装置と、当該形状制御装置に対して前記マニピュレータの形状を指令する操作装置とを備え、
前記形状制御装置は、所定の仮想円を使って前記マニピュレータの目標形状を決定する演算部を備え、
前記演算部は、前記マニピュレータが、その基端側の基準点から先端側に向って、前記仮想円の円周上の接点まで直線状に延びた後で前記円周に沿って屈曲する目標形状となるように、各形成部材の関節角度を演算し、
前記操作装置は、前記仮想円の位置及び大きさを任意に指定可能に設けられ、当該指定により前記マニピュレータの形状を指令する、という構成を採っている。
【０００６】
（２）また、前記演算部は、基端側の前記形成部材が先端側に向って、前記仮想円の円周上の接点まで直線状に延びた後で、当該接点に接する前記形成部材よりも先端側に位置する前記形成部材が屈曲して前記仮想円の円周に接する目標形状となるように、各形成部材の関節角度を演算する、という構成を採ることが好ましい。
【０００７】
（３）更に、前記操作装置は、前記基準点から前記仮想円の中心点までの距離と、前記基準点と前記中心点を結ぶ直線の傾き角度と、前記仮想円の半径とを任意に指定可能に設けられる、という構成を採ることが好ましい。
【０００８】
（４）また、本発明に係るマニピュレータの形状制御装置は、相互に屈曲自在に連結してなる複数の形成部材をそれぞれ独立して屈曲させるアクチュエータの駆動を制御することで、前記各形成部材からなるマニピュレータの形状を変化させるマニピュレータの形状制御装置において、
位置及び大きさを任意に変更可能な仮想円により、前記マニピュレータの目標形状を決定する演算部を備え、
前記演算部は、前記マニピュレータが、その基端側の基準点から先端側に向って、前記仮想円の円周上の接点まで直線状に延びた後で前記円周に沿って屈曲する目標形状となるように、各形成部材の関節角度を演算する、構成を採っている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、仮想円の位置及び大きさを任意に指定することで、当該仮想円に従ってマニピュレータの目標形状が決定されることになるため、術者がマニピュレータ全体の形状をイメージした後で、そのイメージ通りの形状を得るには各形成部材をどのように屈曲させればよいかを考えることなく、各形成部材それぞれの屈曲に対する煩わしい操作が不要となり、簡単な操作でマニピュレータを所望の形状にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１には、本実施形態に係るマニピュレータの形状制御システムの概略構成図が示されている。この図において、形状制御システム１０は、多関節構造のヘラ型のマニピュレータ１１と、このマニピュレータ１１の形状を変更させるように駆動するアクチュエータ１２と、アクチュエータ１２の駆動によるマニピュレータ１１の形状を指令する操作装置１３と、操作装置１３からの指令に基づいてアクチュエータ１２の駆動を制御する形状制御装置１４と、形状制御装置１４で作成された画像を表示する表示装置１５とを備えて構成されている。
【００１２】
前記マニピュレータ１１は、図示しない術具マニピュレータを患部に到達させるための通路となる隙間を拡開させる目的のマニピュレータであり、図示しないロボットアームの作動によって、所定空間内を全体的に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１中上下方向に屈曲自在となるように相互に回転可能に連結された複数の形成部材Ｍ０〜Ｍ５からなる。
【００１３】
なお、以下の説明の便宜上、形成部材Ｍ０〜Ｍ５のうち、マニピュレータ１１の基端側でアクチュエータ１２側に固定支持されるものを支持用の形成部材Ｍ０と称し、その他の形成部材Ｍ１〜Ｍ５を基端側から先端側に向って順に第１〜第５の形成部材Ｍ１〜Ｍ５と称する。また、各形成部材Ｍ１〜Ｍ５の連結部分を基端側から先端側に向って第１〜第５の関節Ｊ１〜Ｊ５と称する。
【００１４】
前記各形成部材Ｍ０〜Ｍ５は、短寸幅がぼぼ同一となる薄板状に設けられている。また、図示省略しているが、第１〜第５の形成部材Ｍ１〜Ｍ５には、その内部に形成された溝を通ってアクチュエータ１２側に延びるワイヤがそれぞれ２本ずつ固定されている。この構成により、形状制御装置１４で制御されたアクチュエータ１２の駆動により、所定のワイヤがアクチュエータ１２側に牽引されることで、そのワイヤに繋がる第１〜第５の形成部材Ｍ１〜Ｍ５の全て若しくは何れかが屈曲変位し、マニピュレータ１１の全体形状が変化するようになっている。
【００１５】
前記アクチュエータ１２は、第１〜第５の形成部材Ｍ１〜Ｍ５に固定された図示しないワイヤの牽引及び弛緩を行うことで、マニピュレータ１１の形状を変化させる装置であり、モータ、ギヤ等により構成される。このアクチュエータ１２の構成は、発明の要旨ではないため、ここでは説明を省略する。
【００１６】
前記操作装置１３は、図２（Ａ）に示されるように、ベース３０と、ベース３０に起立配置されたロッド３１と、このロッド３１に沿って摺動可能となるように当該ロッド３１に取り付けられた摺動部材３２と、この摺動部材３２からほぼ水平方向に延びる支持部材３３と、この支持部材３３の先端３４に回転可能に取り付けられた平行リンク状のハンドル３５とを備えて構成されている。このハンドル３５は、図２（Ａ）中右端側のロッド部分が操作者Ｈ（術者）の把持部３５Ａとなり、この把持部３５Ａには、同図中に部分的に拡大して示されるように、スイッチ３６，３７が設けられている。
【００１７】
このような構成により、操作者Ｈが把持部３５Ａを持って、図２（Ｂ）中上下方向に動かすと、摺動部材３２の摺動により、ハンドル３５が上下方向に移動する。また、操作者Ｈが把持部３５Ａを持って、図２（Ｂ）中左右方向に動かすと、ハンドル３５が、支持部材３３の先端３４を支点として同図中左右方向に移動する。従って、図２（Ｂ）中一点鎖線に示されるようなハンドル３５の移動及び変形が可能となる。
【００１８】
前記形状制御装置１４は、ソフトウェア及び／又はハードウェアによって構成され、プロセッサ等、複数のプログラムモジュール及び／又は処理回路より成り立っている。この形状制御装置１４は、図１に示されるように、操作装置１３の操作に基づきマニピュレータ１１の目標形状を演算により決定する演算部４１と、マニピュレータ１１が演算部４１で求められた目標形状になるように、第１〜第５の形成部材Ｍ１〜Ｍ５の全て若しくは何れかを屈曲変位させるようにアクチュエータ１２に対して駆動指令を行う駆動制御部４３と、演算部４１により求められた目標形状のマニピュレータ１１の仮想画像を作成するバーチャル画像生成部４４とを備えて構成されている。
【００１９】
前記演算部４１は、図３に示されるように、所定の仮想円Ｓを使い、マニピュレータ１１が、その基端側となる基準点Ｏから先端側に向って、仮想円Ｓの円周上の接点Ｐまで直線状に延びた後で、仮想円Ｓの円周に沿って屈曲する目標形状となるように、各形成部材Ｍ１〜Ｍ５の関節Ｊ１〜Ｊ５の角度θ１〜θ５が演算される。特に、仮想円Ｓの円周に沿って屈曲する各形成部材Ｍｎは、全て仮想円Ｃの円周に接するように屈曲する。図３の例で言えば、基準点Ｏから仮想円Ｓの円周上の接点Ｐまで直線状に延びるのが、第１〜第３の形成部材Ｍ１〜Ｍ３であり、仮想円Ｓの円周に沿って屈曲するのが、第４及び第５の形成部材Ｍ４、Ｍ５である。
【００２０】
つまり、先ず、支持用の形成部材Ｍ０と第１の形成部材Ｍ１との連結部位である第１の関節Ｊ１の部分である基準点Ｏを原点としたｘ−ｙ座標平面において、操作装置１３の操作により、仮想円Ｓの位置及び大きさが指定される。この際、図２（Ｂ）に示されるように、ハンドル３５の同図中上下方向の移動距離ｈｓが、図３における基準点Ｏから仮想円Ｓの中心点Ｃまでの直線距離に対応し、ハンドル３５の把持部３５Ａと垂線との間のなす角度θｍが、図３における基準点Ｏから仮想円Ｓの中心点Ｃまで延びる直線のｘ軸に対する傾き角度に対応する。また、把持部３５Ａのスイッチ３６，３７は、仮想円Ｓの半径ｒの大きさを指定するものであり、具体的には、スイッチ３６を押すことで半径ｒが増大し、スイッチ３７を押すことで半径ｒが減少するようになっている。
【００２１】
そして、操作装置１３の操作により仮想円Ｓが指定されると、基端側の形成部材Ｍ１〜Ｍｎが、基準点Ｏから仮想円Ｓの円周上の図３中上側の接点Ｐまで直線状に配置され、当該直線と仮想円Ｓとの接点Ｐに接する形成部材Ｍｎよりも先端側に位置する形成部材Ｍｎ＋１、形成部材Ｍｎ＋２・・がそれぞれ屈曲して仮想円Ｓの円周に接するように配置される。従って、第１〜第５の形成部材Ｍ１〜Ｍ５を順に基準点Ｏから加算した長さが基準点Ｏから接点Ｐまでの距離ｈｔを初めて越える形成部材Ｍｎまでは、基準点Ｏから接点Ｐまで延びる直線状に配置され、その後の形成部材Ｍｎ＋１〜は、前述したように、仮想円Ｓに沿って屈曲するように配置される。一例となる図３では、基準点Ｏから接点Ｐまでの距離ｈｔを初めて越える形成部材Ｍｎは、第３の形成部材Ｍ３であるため、第１〜第３の形成部材Ｍ１〜Ｍ３は直線状に配置される。そして、更に先端側となる第４及び第５の形成部材Ｍ４，Ｍ５は、それぞれ仮想円Ｓに接するように屈曲配置される。この場合、第１〜第５の関節Ｊ１〜Ｊ５の角度θ１〜θ５は、次の手順による幾何学的な計算により求められる。
【００２２】
先ず、基準点Ｏから接点Ｐまで延びる接線の傾きｋは、仮想円Ｓの半径ｒから、次式により求められる。
【数１】
2007260877.tif 000003
ここで、座標（ｘｓ，ｙｓ）は、仮想円Ｓの中心点Ｃの座標であり、この中心点Ｃ（ｘｓ，ｙｓ）は、以下により求められる。
【数２】
2007260877.tif 000004
ここで、ｈｓは、基準点Ｏから仮想円Ｓの中心点Ｃまでの距離であり、θｍは、基準点Ｏから仮想円Ｓの中心点Ｃまで延びる直線の傾き角度である。
【００２３】
次に、接点Ｐ（ｘｔ，ｙｔ）の座標が次式により求められる。
【数３】
2007260877.tif 000005
そして、基準点Ｏから接点Ｐまでの距離ｈｔが次式により求められる。
【数４】
2007260877.tif 000006
【００２４】
最後に、第１〜第５の関節の角度θ１〜θ５が、次式により求められる。なお、第１〜第５の形成部材Ｍ１〜Ｍ５の長さをｌ１〜１５とする。
【数５】
2007260877.tif 000007
【００２５】
以上の式により説明したのは、図３の場合であるが、直線となる形成部材Ｍ１〜Ｍｎの部位が変わり、屈曲する形成部材Ｍｎ＋１〜が増えても、屈曲する形成部材Ｍｎ＋１〜の角度θｎ＋１〜は、先に述べた仮想円Ｓに対する規則から、上式と同様に幾何学的に求めれば良く、ここでは各態様の具体的な計算方法の説明は省略する。
【００２６】
前記駆動指令部４３では、第１〜第５の関節Ｊ１〜Ｊ５が演算部４１で求めた角度θ１〜θ５になるように、アクチュエータ１２を駆動させる。
【００２７】
前記バーチャル画像生成部４４では、第１〜第５の関節Ｊ１〜Ｊ５が演算部４１で求めた角度θ１〜θ５となるようなマニピュレータ１１の仮想画像が仮想円Ｓとともに生成され、これら仮想画像及び仮想円Ｓは、図３に示されるような向きで表示装置１５に表示される。これによって、操作者Ｈが操作装置１３の操作の際に、マニピュレータ１１の形状を目視可能となる。なお、表示装置１５の別の領域には、患部付近の内視鏡画像を表示するようにしてもよい。
【００２８】
従って、このような実施形態によれば、ハンドル３５における３種類の操作で、マニピュレータ１１の形状を任意に変更することができ、所望とする種々のマニピュレータ１１の形状を簡単な操作で得ることができ、医療行為の円滑化に寄与することができる。
【００２９】
なお、前記実施形態では、多関節構造のマニピュレータ１１に対し、図示しないワイヤを使って第１〜第５の形成部材Ｍ１〜Ｍ５を屈曲変位させるようにしたが、本発明はこれに限らず、第１〜第５の形成部材Ｍ１〜Ｍ５を屈曲変位させる方式は特に問わず、あらゆる方式に適用可能である。
【００３０】
また、前記実施形態に対し、形成部材Ｍ０〜Ｍ５の数を更に増減することも可能であり、基準点Ｏの位置は、前述した第１の関節Ｊ１部分に限らず、他の関節Ｊ２〜Ｊ５の部分としてもよい。
【００３１】
更に、操作装置１３は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、仮想円Ｓの位置及び大きさを指定可能な構成であれば何でも良い。
【００３２】
その他、本発明における装置各部の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、種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に係るマニピュレータの形状制御システムに係る概略構成図。
【図２】（Ａ）は、操作装置の概略正面図であり、（Ｂ）は、当該操作装置の動作を説明するための概略正面図である。
【図３】制御装置によるマニピュレータの形状制御を説明するための概念図。
【図４】従来におけるマニピュレータを説明するための概略斜視図。
【符号の説明】
【００３４】
１０  形状制御システム
１１  マニピュレータ
１２  アクチュエータ
１３  操作装置
１４  形状制御装置
４１  演算部
Ｃ  中心点
Ｍ０  支持用の形成部材
Ｍ１  第１の形成部材
Ｍ２  第２の形成部材
Ｍ３  第３の形成部材
Ｍ４  第４の形成部材
Ｍ５  第５の形成部材
Ｏ  基準点
Ｐ  接点
Ｓ  仮想円
ｈｓ  距離
ｒ  半径
θ１  第１の関節の角度
θ２  第２の関節の角度
θ３  第３の関節の角度
θ４  第４の関節の角度
θ５  第５の関節の角度
θｍ  傾き角度
【図１】
2007260877.tif 000008
【図２】
2007260877.tif 000009
【図３】
2007260877.tif 000010
【図４】
2007260877.tif 000011