JP4472072B2

JP4472072B2 - Manipulator control device

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Publication number: JP4472072B2
Application number: JP33311399A
Authority: JP
Inventors: 裕史高橋; 圭介三浦; 順一大西; 敬一関
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 1999-11-24
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2019-11-24
Also published as: JP2001145639A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体の、例えば体腔内に挿入したマニピュレータを操作手段によって遠隔的に操作し、診断・処置等の手術を行う手術用のマニピュレータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、腹壁等の体壁に穴を開け、この穴を通じて内視鏡や処置具を経皮的に体腔内に挿入することにより、その体腔内での様々な処置を行なう経皮的内視鏡下手術が、大きな切開を要しない低侵襲なものとして、近年、注目されている。こうした術式は胆のう摘出手術や肺の一部を摘出除去する手術等で広く行なわれている。
【０００３】
このような手術において、マニピュレータに内視鏡や処置具を搭載し、そのマニピュレータによる内視鏡や処置具を用いた手術を術者に代わって間接的に行う手術用マニピュレータシステムが、米国特許第５，２１７，００３号や、特開平７−３２８０１６号公報などに示されている。
【０００４】
図１０はこの手術用マニピュレータシステムの概略構成を示すものである。このマニピュレータシステムには術野にアクセスするように設置されているスレーブマニピュレータａと、術者が操作できる領域内に設置されたジョイスティックなどのマスターマニピュレータｂとが設けられている。ここで、スレーブマニピュレータａにはスレーブ制御部ｃ、マスターマニピュレータｂにはマスター制御部ｄがそれぞれ連結されている。
【０００５】
さらに、スレーブ制御部ｃとマスター制御部ｄとの間は信号ケーブルなどの通信手段を介して連結されている。ここで、マスター制御部ｄにはマスターマニピュレータｂの操作部の操作情報を検出するポテンショメータなどの検出手段が設けられている。そして、このポテンショメータなどの検出手段で得られたマスターマニピュレータｂの操作情報の検出信号であるアナログ出力がＡ／Ｄ変換器によってデジタル出力の制御信号に変換されてマスター制御部ｄから通信手段を介してスレーブ制御部ｃに伝送されるようになっている。
【０００６】
また、スレーブ制御部ｃからはマスター制御部ｄから送られるマスターマニピュレータｂの操作部の操作に追従した動きをスレーブマニピュレータａに伝達する制御信号が出力されるようになっている。
【０００７】
そして、こうした手術用マニピュレータの遠隔操作では、内視鏡等の観察手段によりモニターに映し出された腹腔内の患部の状態を見ながら、操作者がマスターマニピュレータｂの操作部を操作することによって例えばマスターマニピュレータｂの操作部の操作方向にスレーブマニピュレータａを動作させるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来構成の手術用マニピュレータシステムではマスターマニピュレータｂの位置・姿勢・鋏型の操作部の開閉角度などの動作情報はポテンショメータなどの検出手段で検出されたのち、このポテンショメータなどの検出手段からのアナログ出力がＡ／Ｄ変換器によって例えば２５６階調のデジタル出力の制御信号に変換されてマスター制御部ｄから通信手段を介してスレーブ制御部ｃに伝送されるようになっている。
【０００９】
しかしながら、マスター制御部ｄのＡ／Ｄ変換器などは１チップマイコンなどの安価な電子部品が使用されているので、検出信号のノイズ、またはＡ／Ｄ変換器の量子化誤差により、図１１に示すように検出データであるＡ／Ｄ値がｘの場合にｘ±１ｂｉｔ程度のデータ変化が発生する問題がある。このような現象は、例えばマスターマニピュレータｂの未使用時でも発生しているので、マスターマニピュレータｂの停止中にマスターマニピュレータｂの動作情報としてこの±１ｂｉｔ程度のデータ変化がマスター制御部ｄからスレーブ制御部ｃに伝送され、スレーブマニピュレータａの動きにつながる問題がある。そのため、マスターマニピュレータｂの停止中にスレーブマニピュレータａが微小な振動が発生するなどの不要な動きや、手ブレ現象などの不要な動作を誘発する問題がある。
【００１０】
本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的は、マスターマニピュレータの未使用時にスレーブマニピュレータが振動するなどの不要な動作や、手ブレ現象などの不要な動作を防ぐことができ、マスターマニピュレータの未使用時や、動作中のスレーブマニピュレータ挙動を安定化させて見栄えがよく、耐久性に優れたマニピュレータ制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、術野にアクセスするように設置されたスレーブマニピュレータと、
術者が操作できる領域内に設置され、前記スレーブマニピュレータを遠隔的に操作するマスターマニピュレータと、このマスターマニピュレータに接続され、前記マスターマニピュレータの操作をアナログ電気信号に変換し、前記アナログ電気信号をさらにデジタル電気信号の動作情報に変換するマスター制御部と、前記スレーブマニピュレータおよび前記マスター制御部にそれぞれ接続され、前記マスター制御部から送られる前記マスターマニピュレータの操作に追従した動きを前記スレーブマニピュレータに伝達する制御信号を出力するスレーブ制御部と、前記マスターマニピュレータの動作情報を検出する動作情報検出部と、この動作情報検出部からの検出結果にもとづいて前記マスターマニピュレータの動作情報が予め設定された前記スレーブマニピュレータの動作制御用の所定の設定範囲よりも小さい微小な動作情報の場合にはその微小な動作情報が前記スレーブマニピュレータ側に伝達されることをキャンセルするキャンセル手段とを具備したマニピュレータ制御装置であって、前記キャンセル手段は、前記動作情報が所定の基準値Ｘに対して±１ｂｉｔ以内であるか否かを判断し、±１ｂｉｔ以内であれば前記制御信号の出力をキャンセルし、±１ｂｉｔ以内でなければ前記制御信号をリアルタイムで出力するマニピュレータ制御装置である。
【００１２】
そして、本請求項１の発明では、動作情報検出部によってマスターマニピュレータの動作情報を検出し、この動作情報検出部からの検出結果にもとづいてマスターマニピュレータの動作情報が予め設定されたスレーブマニピュレータの動作制御用の所定の設定範囲よりも小さい微小な動作情報の場合にはキャンセル手段によってその微小な動作情報がスレーブマニピュレータ側に伝達されることをキャンセルすることにより、マスターマニピュレータの未使用時にスレーブマニピュレータが振動するなどの不要な動作や、手ブレ現象などの不要な動作を防ぐようにしたものである。
【００１３】
請求項２の発明は、前記キャンセル手段は、前記マスター制御部から前記スレーブ制御部に制御信号を送信する送信処理の開始時にデータ更新モードにセットされ、前記データ更新モードにセットされた場合には前記マスター制御部から前記スレーブ制御部にデータがリアルタイムで送信されて更新され、またデータキャンセルモードにセットされた場合にはデータがキャンセルされる処理が行われるステップＳ１と、前記マスター制御部の出力信号が読み込まれるステップＳ２と、前記基準値Ｘが取得されるステップＳ３と、タイマーによって任意の設定時間がプリセットされるステップＳ４と、前記基準値Ｘが±１ｂｉｔ以内（Ｘ≦±１ｂｉｔ）か否かが判断されるステップＳ５と、前記ステップＳ５でＸが±１ｂｉｔ以内ではない場合には基準値Ｘがクリアされたのち、前記ステップＳ２に戻されるステップＳ６と、前記ステップＳ５でＸが±１ｂｉｔ以内であると判断された場合にはｔ＝０か否かが判断され、ｔ＝０以外の場合にはステップＳ５に戻されるステップＳ７と、前記ステップＳ７でｔ＝０と判断された場合に前記データキャンセルモードにセットされ、データのキャンセル処理が行われるステップＳ８と、前記ステップＳ８でデータのキャンセル処理が行われた後、基準値Ｘが±１ｂｉｔ以内（Ｘ≦±１ｂｉｔ）か否かが判断され、前記Ｘが±１ｂｉｔ以内ではない場合にはステップＳ８に戻され、前記Ｘが±１ｂｉｔ以内であると判断された場合にはステップＳ１に戻されるステップＳ９と、を具備することを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ制御装置である。
【００１７】
請求項３の発明は、前記動作情報検出部は、前記マスターマニピュレータの可動部の動作情報を検出するセンサーを備え、前記キャンセル手段は、前記センサーからの検出結果にもとづいて前記マスターマニピュレータが操作されていない停止状態であることを判断し、前記マスターマニピュレータの停止状態の検出時には前記スレーブマニピュレータ側に伝達される前記動作情報を更新しないものであることを特徴とする請求項１に記載のマニピュレータ制御装置である。
【００１８】
そして、本請求項３の発明では、動作情報検出部のセンサーによってマスターマニピュレータの可動部の動作情報を検出し、このセンサーからの検出結果にもとづいてキャンセル手段によってマスターマニピュレータが操作されていない停止状態であることを判断する。ここで、マスターマニピュレータの停止状態が検出された場合にはスレーブマニピュレータ側に伝達される動作情報を更新しないようにしたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図１乃至図７を参照して説明する。図１は本実施の形態のマニピュレータ制御装置１のシステム全体の概略構成を示すものである。本実施の形態のマニピュレータ制御装置１には術野にアクセスするように設置されたスレーブマニピュレータ２と、術者が操作できる領域内に設置され、スレーブマニピュレータ２を遠隔的に操作するマスターマニピュレータ３とが設けられている。ここで、スレーブマニピュレータ２には２組のスレーブマニピュレータ、すなわち左側スレーブマニピュレータ２ａと、右側スレーブマニピュレータ２ｂとが設けられている。さらに、マスターマニピュレータ３にも同様に左側スレーブマニピュレータ２ａを操作する左側マスターマニピュレータ３ａと、右側スレーブマニピュレータ２ｂを操作する右側マスターマニピュレータ３ｂとが設けられている。
【００２０】
また、２つのスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂ、マスターマニピュレータ３ａ，３ｂはそれぞれ略同一構成になっているので、ここでは一方の左側のスレーブマニピュレータ２ａおよびマスターマニピュレータ３ａの構成のみを説明し、右側のスレーブマニピュレータ２ｂおよびマスターマニピュレータ３ｂの同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２１】
すなわち、本実施の形態の左側のスレーブマニピュレータ２ａには細長い挿入部４を備えたマニピュレータ本体５と、このマニピュレータ本体５を駆動するスレーブ駆動部６とが設けられている。さらに、挿入部４の先端部には図３に示すように例えば把持鉗子のように開閉可能な１対の把持部材７ａ，７ｂを備えた先端把持部７が設けられている。これらの把持部材７ａ，７ｂの基端部間は挿入部４の先端部に回動ピン８を中心に回動可能に連結されている。そして、これらの把持部材７ａ，７ｂはリンク機構部９によって回動ピン８を中心に開閉可能に支持されている。
【００２２】
また、マニピュレータ本体５はスレーブ駆動部６内の図示しないマニピュレータ本体駆動ユニットによって図３中で、Ｘ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動可能に駆動され、かつＺ軸の軸回り方向に回動駆動されるようになっている。さらに、マニピュレータ本体５の先端把持部７も同様にスレーブ駆動部６内の図示しない先端把持部駆動ユニットによって把持部材７ａ，７ｂ間が回動ピン８を中心に開閉駆動されるようになっている。なお、図３中で、Ｏｓはスレーブマニピュレータ２ａのマニピュレータ本体５の原点位置である。
【００２３】
また、左側マスターマニピュレータ３ａには図２に示すように例えば略鋏型の開閉動作可能なハンドル（操作部）１０と、このハンドル１０を図２中で、Ｘ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動可能に、かつＺ軸の軸回り方向に回動可能に支持する支持機構部１１（図４に示す）とが設けられている。なお、図２中で、Ｏ_M はマスターマニピュレータ３ａのハンドル１０の原点位置である。
【００２４】
また、ハンドル１０には図２に示すようにトッププレート１２に一端部が固定された支軸１３と、この支軸１３の他端部に回動軸１４を中心に回動可能に連結された２つのハンドル部材１５ａ，１５ｂとが設けられている。さらに、２つのハンドル部材１５ａ，１５ｂ間には回動軸１４側にリンク部材１６、自由端部側に板ばね部材１７がそれぞれ配設されている。そして、このハンドル１０は板ばね部材１７のばね力によって図２中に実線で示すように全開位置方向に付勢されている。
【００２５】
また、このハンドル１０の一方のハンドル部材１５ａにはストッパ１８が他方のハンドル部材１５ｂ側に向けて突設されている。そして、このハンドル１０の閉操作時には図２中に仮想線で示すようにハンドル部材１５ａのストッパ１８がハンドル部材１５ｂに突き当たることにより、このハンドル１０の閉操作が規制され、この状態が全閉位置に設定されている。
【００２６】
さらに、ハンドル１０のハンドル部材１５ａにはポテンショメータ１９が取付けられている。そして、このポテンショメータ１９によってハンドル１０の開閉角度が検出されるようになっている。
【００２７】
また、マスターマニピュレータ３ａの支持機構部１１はパンタグラフ機構を複数組み合わせて構成された多自由度マニピュレータによって形成されている。ここで、出力節であるトッププレート１２には、３つのパンタグラフと３つの回転対偶軸とが取付けられている。なお、各パンダグラフ、対偶軸には、図示しないエンコーダが取付けられている。そして、このエンコーダによってハンドル１０の操作を検出する検出手段が形成されている。さらに、マスターマニピュレータ３にはこのマスターマニピュレータ３を操作不能なロック状態と、このマスターマニピュレータ３の操作が可能なロック解除状態とに切換える例えば電磁ロック式の図示しないロック機構部が組込まれている。
【００２８】
また、マスターマニピュレータ３にはこのマスターマニピュレータ３の操作を電気信号に変換するマスター制御部２０が接続されている。このマスター制御部２０にはマスターマニピュレータ３のポテンショメータ１９および支持機構部１１のエンコーダなどの位置検出装置（動作情報検出部）２１と、例えば位置計算用のコンピュータによって形成される演算回路２２とが設けられている。そして、位置検出装置２１による左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの操作状態の検出データ（Ｌ検出信号、Ｒ検出信号）は演算回路２２に入力され、この演算回路２２で位置計算されてマスターマニピュレータ３のハンドル１０の操作状態や、ハンドル１０の開閉状態などのデータが算出されるようになっている。
【００２９】
さらに、このマスター制御部２０にはマスターマニピュレータ３のロック機構部の制御用のフットスイッチ２３が接続されている。このフットスイッチ２３には２つのペダル２３ａ，２３ｂが設けられている。そして、一方のペダル２３ａによってマスターマニピュレータ３のロック状態と、ロック解除状態とを切換えるロック状態の切換え操作部、他方のペダル２３ｂによって移動用クラッチの切換え操作部がそれぞれ形成されている。
【００３０】
なお、マスターマニピュレータ３を操作する術者の近傍位置にはモニター２４が配置されている。そして、このモニター２４に表示される表示画面を見ながらマスターマニピュレータ３の操作が行われるようになっている。
【００３１】
また、スレーブマニピュレータ２にはマスターマニピュレータ３の操作に追従した動きをスレーブマニピュレータ２に伝達する制御信号を出力するスレーブ制御部２５が接続されている。このスレーブ制御部２５にはスレーブマニピュレータ２のスレーブ駆動部６に組込まれている複数の駆動モータ２６を制御するモータ駆動回路２７と、例えばスレーブマニピュレータ制御用のコンピュータによって形成される演算回路２８とが設けられている。
【００３２】
さらに、スレーブ制御部２５の演算回路２８とマスター制御部２０の演算回路２２との間は例えば光ファイバーケーブルなどの通信手段２９を介して接続されている。そして、スレーブ制御部２５ではマスター制御部２０から送られるマスターマニピュレータ３の操作に追従した動きをスレーブマニピュレータ２に伝達する制御信号を出力するようになっている。
【００３３】
また、マスター制御部２０の演算回路２２には図５に示すように位置検出装置２１に接続されたＡ／Ｄ変換器３０と、タイマー３１と、キャンセル手段３２と、ＣＰＵ３３とが設けられている。そして、マスターマニピュレータ３のポテンショメータ１９および支持機構部１１のエンコーダなどの位置検出装置２１で得られたマスターマニピュレータ３のハンドル１０の開閉角度や、ハンドル１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各移動量や、Ｚ軸の軸回り方向の回動角度などのマスターマニピュレータ３の可動部の位置・姿勢などの操作情報の検出信号であるアナログ出力がＡ／Ｄ変換器３０によって例えば２５６階調のデジタル出力の制御信号に変換されてＣＰＵ３３に入力され、このデジタル出力の制御信号がマスター制御部２２から通信手段２９を介してスレーブ制御部２５に伝送されるようになっている。なお、ＣＰＵ３３には図示しない伝達倍率変換回路が内蔵されている。そして、マスターマニピュレータ３のハンドル１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各移動量の検出データはこの伝達倍率変換回路によって任意の伝達倍率に変換されてスレーブ制御部２５に伝送され、ハンドル１０の開閉角度の検出データは１：１でスレーブ制御部２５に伝送されるようになっている。
【００３４】
また、キャンセル手段３２には位置検出装置２１からの検出結果にもとづいてマスターマニピュレータ３の動作情報が予め設定されたスレーブマニピュレータ２の動作制御用の所定の設定範囲よりも小さい微小な動作情報の場合にはその微小な動作情報がスレーブマニピュレータ２側に伝達されることをキャンセルする機能が設けられている。ここで、キャンセル手段３２はマスターマニピュレータ３の動作情報の時間的変化量が予め設定されたスレーブマニピュレータ２の動作制御用の所定の設定範囲よりも小さい微小な動作情報の場合にはスレーブマニピュレータ側に伝達される動作情報を更新しないように設定されている。なお、このキャンセル手段３２には位置検出装置２１で検出される動作情報の時間的変化量の設定範囲を任意に変更する設定値調整部（設定範囲調整手段）３４が接続されている。
【００３５】
次に、上記構成の作用について説明する。本実施の形態のマニピュレータ制御装置１の使用時には、マスターマニピュレータ３が術者が操作できる領域内に設置される。さらに、スレーブマニピュレータ２は術野にアクセスするように設置される。例えば、図４に示すように予め診断・処置等の手術を行う患者の腹壁等の体壁Ｈに図示しないトロッカーによって穴を開け、この穴に刺入されたトロッカー外套管内にスレーブマニピュレータ２の挿入部４が挿入され、このトロッカー外套管内を通じてスレーブマニピュレータ２の挿入部４が経皮的に体腔内に挿入された状態にセットされる。このとき、マスターマニピュレータ３を操作する術者の近傍位置のモニター２４にはスレーブマニピュレータ２とは別の場所から経皮的に体腔内に挿入された内視鏡による術野の内視鏡像、或いはコンピュータグラフィック装置によって合成された術野のコンピュータグラフィック画像（ＣＧ画像）などが表示される。
【００３６】
また、スレーブマニピュレータ２およびマスターマニピュレータ３のセット後、これらのスレーブマニピュレータ２およびマスターマニピュレータ３の原点（０点）位置を対応させるキャリブレーション動作が行われる。このキャリブレーション動作時にはフットスイッチ２３のペダル２３ａを踏むことにより、マスターマニピュレータ３のロックが解除され、マスターマニピュレータ３の左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂが図２中で、Ｘ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動可能、かつＺ軸の軸回り方向に回動可能な状態にそれぞれ切換えられるとともに、左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの２つのハンドル部材１５ａ，１５ｂ間が開閉動作可能な状態にそれぞれ切換えられる。
【００３７】
この状態で、マスターマニピュレータ３の左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂが任意の位置に移動され、左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂの原点（０点）位置が設定される。
【００３８】
その後、スレーブマニピュレータ２における２つのスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂのスレーブ駆動部６内の図示しないマニピュレータ本体駆動ユニットおよび先端把持部駆動ユニットが駆動される。これにより、マニピュレータ本体５が図３中で、Ｘ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動され、かつＺ軸の軸回り方向に回動駆動されて予め設定された左右のスレーブマニピュレータ２ａ，２ｂの原点（０点）位置に移動される。このとき、スレーブマニピュレータ２ａ，２ｂの移動範囲が予め決められた適正範囲でない場合は、警告表示等を行い異常を操作者に告知を行っている。
【００３９】
さらに、このキャリブレーション動作の終了後、本実施の形態のマニピュレータ制御装置１による診断・処置等の手術が開始される。この手術時には術者はモニター２４に表示される術野の内視鏡像、或いはＣＧ画像の画面を見ながらマスターマニピュレータ３の左右のマスターマニピュレータ３ａ，３ｂがそれぞれ操作される。このとき、左側マスターマニピュレータ３ａのハンドル１０が術者の左手、右側マスターマニピュレータ３ｂのハンドル１０が術者の右手で握られた状態でそれぞれ操作され、左側マスターマニピュレータ３ａによって左側スレーブマニピュレータ２ａ、右側マスターマニピュレータ３ｂによって右側スレーブマニピュレータ２ｂがそれぞれ独立に遠隔操作される。
【００４０】
例えば、左側マスターマニピュレータ３ａのハンドル１０を図２中で、Ｘ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）にそれぞれ移動させ、かつＺ軸の軸回り方向に回動させた場合にはこのときのマスターマニピュレータ３ａの動作がマスター制御部２０の位置検出装置２１で検出される。この位置検出装置２１からの検出データは演算回路２２に入力される。このとき、マスターマニピュレータ３のポテンショメータ１９および支持機構部１１のエンコーダなどの位置検出装置２１で得られたマスターマニピュレータ３のハンドル１０の開閉角度や、ハンドル１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各移動量や、Ｚ軸の軸回り方向の回動角度などのマスターマニピュレータ３の可動部の位置・姿勢などの操作情報の検出信号であるアナログ出力は演算回路２２のＡ／Ｄ変換器３０によって例えば２５６階調のデジタル出力の制御信号に変換されてＣＰＵ３３に入力される。そして、この演算回路２２のＣＰＵ３３で位置計算されてマスターマニピュレータ３のハンドル１０の操作状態や、ハンドル１０の開閉状態などのデータが算出される。
【００４１】
さらに、マスター制御部２０の演算回路２２で位置計算された算出データは光ファイバーケーブルなどの通信手段２９を介してスレーブ制御部２５に送信される。ここで、マスターマニピュレータ３のハンドル１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各移動量の検出データはＣＰＵ３３内の図示しない伝達倍率変換回路によって任意の伝達倍率に変換されてスレーブ制御部２５に伝送され、ハンドル１０の開閉角度の検出データは１：１でスレーブ制御部２５に伝送される。
【００４２】
また、スレーブ制御部２５では受信された制御信号にもとづいて演算回路２８によってスレーブ駆動部６に組込まれているモータ駆動回路２７の複数の駆動モータ２６を制御する制御信号が算出される。そして、このスレーブ制御部２５から出力される制御信号が左側スレーブマニピュレータ２ａに伝達され、左側スレーブマニピュレータ２ａが遠隔的に操作される。このとき、左側スレーブマニピュレータ２ａは左側マスターマニピュレータ３ａのハンドル１０の動きに追従して動く。なお、右側マスターマニピュレータ３ｂの操作時にも同様の作用によって右側スレーブマニピュレータ２ｂの動作が制御され、右側マスターマニピュレータ３ｂの操作に追従して右側スレーブマニピュレータ２ｂが動くようになっている。
【００４３】
また、本実施の形態のマニピュレータ制御装置１の動作中、位置検出装置２１からの検出結果にもとづいてマスターマニピュレータ３の動作情報が予め設定されたスレーブマニピュレータ２の動作制御用の所定の設定範囲、例えばＡ／Ｄ値が基準値Ｘに対して±１ｂｉｔ以内の微小な動作情報の場合にはその微小な動作情報がスレーブマニピュレータ２側に伝達されることをキャンセルするキャンセル動作が図７に示すフローチャートにしたがって次のように行われる。
【００４４】
すなわち、マスター制御部２２からスレーブ制御部２５に制御信号を送信する送信処理の開始時にはステップＳ１で、送信ビットが「０」にセットされる。ここで、送信ビットが「０」にセットされた場合にはマスター制御部２０からスレーブ制御部２５にデータがリアルタイムで送信されて更新され、また送信ビットが「１」にセットされた場合にはデータがキャンセルされる処理が行われる。
【００４５】
続いて、次のステップＳ２ではＡ／Ｄ変換器３０の出力信号が読み込まれ、次のステップＳ３で、図６に示す基準値Ｘが取得される。さらに、次のステップＳ４ではタイマー３１によって例えばｔ＝２秒がプリセットされる。
【００４６】
また、次のステップＳ５では基準値Ｘが±１ｂｉｔ以内（Ｘ≦±１ｂｉｔ）か否かが判断される。ここで、Ｘが±１ｂｉｔ以内ではない場合にはステップＳ６に進み、基準値Ｘがクリアされたのち、ステップＳ２に戻される。さらに、ステップＳ５でＸが±１ｂｉｔ以内であると判断された場合にはステップＳ７に進む。
【００４７】
このステップＳ７ではｔ＝０か否かが判断される。ここで、ｔ＝０以外の場合にはステップＳ５に戻される。ステップＳ７でｔ＝０と判断された場合には次のステップＳ８に進む。このステップＳ８では送信ビットが「１」にセットされ、データのキャンセル処理が行われる。
【００４８】
その後、次のステップＳ９で基準値Ｘが±１ｂｉｔ以内（Ｘ≦±１ｂｉｔ）か否かが判断される。ここで、Ｘが±１ｂｉｔ以内ではない場合にはステップＳ８に戻される。また、ステップＳ９でＸが±１ｂｉｔ以内であると判断された場合にはステップＳ１に戻される。
【００４９】
なお、位置検出装置２１にはマスターマニピュレータ３の位置検出用のポテンショメータ１９や、支持機構部１１のエンコーダなどの複数の検出要素が設けられているので、全て（ｎ個）の検出要素のＡ／Ｄ値に対して基準値ＸはＡ／Ｄ１〜Ａ／ＤｎのＡＮＤ条件でキャンセル期間が判定される。
【００５０】
これにより、時刻ｔ０で位置検出装置２１の出力信号を基準値Ｘとしてサンプリングしたのち、任意の設定時間ｔ（例えばｔ＝２秒）の間、基準値Ｘ±１ビット以内である状態を認識した場合には、マスターマニピュレータ３が停止している状態と判断（判定時間ｔ後）してマスターマニピュレータ３からスレーブマニピュレータ２に送信する位置・姿勢・開閉角の情報がキャンセルされる。また、基準値Ｘ±１ビット以上になった場合にはマスターマニピュレータ３が移動している状態と判断し、マスターマニピュレータ３からスレーブマニピュレータ２に送信する位置・姿勢・開閉角の情報が更新される。なお、基準値Ｘは定期的にサンプリングされ、判定期間ｔでＸ±１ビット以内であれば新たにマスターマニピュレータ３からスレーブマニピュレータ２に送信する情報はキャンセルされる。
【００５１】
また、設定値調整部３４によってキャンセル手段３２による位置検出装置２１で検出される動作情報の時間的変化量の設定範囲であるキャンセルｂｉｔの幅を任意に変更して設定することができる。
【００５２】
そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態ではマニピュレータ制御装置１の動作中、位置検出装置２１からの検出結果にもとづいてマスターマニピュレータ３の動作情報が予め設定されたスレーブマニピュレータ２の動作制御用の所定の設定範囲、例えばＡ／Ｄ値が基準値Ｘに対して±１ｂｉｔ以内の微小な動作情報の場合にはその微小な動作情報がスレーブマニピュレータ２側に伝達されることをキャンセルするキャンセル動作が行われる。そのため、位置検出装置２１のポテンショメータ１９などの出力信号に対するノイズの重畳で、スレーブマニピュレータ２が振動する動作（ノイズによる振動動作）や、Ａ／Ｄ変換器３０の量子化誤差によるデジタルノイズの影響でスレーブマニピュレータ２が振動する動作（ノイズによる振動）をキャンセルすることができる。したがって、マスターマニピュレータ３の未使用時にスレーブマニピュレータ２が振動するなどの不要な動作や、手ブレ現象などの不要な動作を防ぐことができるので、マスターマニピュレータ３の未使用時や、動作中のスレーブマニピュレータ２の挙動を安定化させて見栄えがよく、耐久性に優れる。
【００５３】
さらに、格別に高精度なＡ／Ｄ変換器３０などの電子回路を使用することなく入力信号の不要な情報をソフトウエア的に取り除くことができるので、装置全体のコスト低下を図ることができる。
【００５４】
また、図８および図９は本発明の第２の実施の形態を示すものである。本実施の形態は第１の実施の形態（図１乃至図７参照）のマニピュレータ制御装置１の構成を次の通り変更したものである。
【００５５】
すなわち、本実施の形態ではマスターマニピュレータ３のトッププレート１２にハンドル１０のＸ軸方向（左右方向）、Ｙ軸方向（上下方向）、Ｚ軸方向（前後方向）の３方向の移動を検出する３軸加速度センサ４１を取付け、この３軸加速度センサ４１からの検出信号により、マスターマニピュレータ３の動作情報が予め設定されたスレーブマニピュレータ２の動作制御用の所定の設定範囲、例えばＡ／Ｄ値が基準値Ｘに対して±１ｂｉｔ以内の微小な動作情報の場合にはその微小な動作情報がスレーブマニピュレータ２側に伝達されることをキャンセルするキャンセル動作を行わせる構成にしたものである。ここでは、３軸加速度センサ４１によって図９に示すようにハンドル１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３方向の移動が検出されるので、この３軸加速度センサ４１によって停止期間ｔ_OFF を検出している間、スレーブマニピュレータ２に送信する情報をキャンセルする。
【００５６】
そこで、本実施の形態ではマスターマニピュレータ３の停止状態を確実に検出可能となる。さらに、マスター制御部２０の制御用ＣＰＵ３３の負荷を軽減させることが可能となる効果がある。
【００５７】
さらに、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施できることは勿論である。
次に、本出願の他の特徴的な技術事項を下記の通り付記する。
記
（付記項１）マスタースレーブ装置において、マスター入力装置の位置・姿勢・開閉角度を検出する信号検出手段、前記信号検出手段でマスタ入力装置の未使用時（停止状態）を検出する移動量検出手段、前記移動量検出手段にてマスター入力装置が未使用（移動停止）していたことを利用してスレーブ側に送信する位置・姿勢・開閉角度の情報を更新しない情報キャンセル手段を備えたマスタースレーブ装置。
【００５８】
（付記項２）ポテンショメータの時間的変化量から前記未使用時を検出する前記付記項１のマスタースレーブ装置。
【００５９】
（付記項３）センサーを付加して前記未使用時を検出する前記付記項１のマスタースレーブ装置。
【００６０】
（付記項４）各リンク機構の傾き情報から位置・姿勢・開閉角度を算出できるマスター入力装置を備えたマスタースレーブ装置において、マスター入力装置の位置・姿勢・開閉角を算出する動作状態検出部、前記動作状態検出部にてマスター入力装置の位置・姿勢・開閉角の時間的変化量が規定の値以下ならば、前記位置・姿勢・開閉角の情報を更新しない情報キャンセル手段を備えたマスタースレーブ装置。
【００６１】
（付記項５）前記動作状態検出部で時間的変化量が任意に可変可能な前記情報キャンセル手段を備えた付記項４のマスタースレーブ装置。
【００６２】
（付記項６）前記マスター入力装置において、可動部の動きを検出するセンサーを備え、前記センサーの情報を元にマスター入力装置が操作されていないことを判断する停止状態検出手段、前記停止状態検出手段からマスター入力装置の未使用時状態を検出し、前記位置・姿勢・開閉角の情報を更新しない付記項４及び付記項５のマスタースレーブ装置。
【００６３】
（付記項１〜６の従来技術）手術用マニピュレータシステムが、米国特許第５，２１７，００３号や、特開平７−３２８０１６号公報などに示されている。
【００６４】
（付記項１〜６が解決しようとする課題）検出信号のノイズまたはＡ／Ｄの量子化誤差によるデータの変化値が、マスター入力装置の未使用時でもスレーブの動きにつながってスレーブの振動動作を誘発していた。
【００６５】
（付記項１〜６の目的）マスター入力装置の未使用時を検出することで、スレーブの不要な動作（振動）を防ぐことを目的とする。
【００６６】
（付記項１〜６の効果）高精度な回路を用いることなく、入力信号の不要な情報をソフトウエアにより取り除くことができる。操作を停止し、ハンドルを保持しているときの手の振動をスレーブに伝達しない（手ブレ補正）。確実にマスターアームの停止状態を検出可能。また、制御用ＣＰＵの負荷を軽減させることが可能。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、マスターマニピュレータの動作情報を検出する動作情報検出部と、この動作情報検出部からの検出結果にもとづいてマスターマニピュレータの動作情報が予め設定されたスレーブマニピュレータの動作制御用の所定の設定範囲よりも小さい微小な動作情報の場合にはその微小な動作情報がスレーブマニピュレータ側に伝達されることをキャンセルするキャンセル手段とを設けたので、マスターマニピュレータの未使用時にスレーブマニピュレータが振動するなどの不要な動作や、手ブレ現象などの不要な動作を防ぐことができ、マスターマニピュレータの未使用時や、動作中のスレーブマニピュレータ挙動を安定化させて見栄えがよく、耐久性に優れる。
【００６８】
請求項２の発明によれば、マスターマニピュレータの操作部の操作によってスレーブマニピュレータの処置部の開閉動作およびスレーブマニピュレータの姿勢制御部を操作する際に、動作情報検出部によって検出されたマスターマニピュレータの処置部の開閉角度や、マスターマニピュレータの可動部の位置・姿勢などのマスターマニピュレータの姿勢情報などの動作情報の時間的変化量が予め設定されたスレーブマニピュレータの動作制御用の所定の設定範囲よりも小さい微小な動作情報の場合にはキャンセル手段によってスレーブマニピュレータ側に伝達される動作情報を更新しないようにしたので、マスターマニピュレータの未使用時にスレーブマニピュレータが振動するなどの不要な動作や、手ブレ現象などの不要な動作を防ぐことができ、マスターマニピュレータの未使用時や、動作中のスレーブマニピュレータ挙動を安定化させて見栄えがよく、耐久性に優れる。
【００６９】
請求項３の発明によれば、キャンセル手段の設定範囲調整手段によって動作情報検出部で検出される動作情報の時間的変化量の設定範囲を任意に変更することができる。
【００７０】
請求項４の発明によれば、動作情報検出部のセンサーによってマスターマニピュレータの可動部の動作情報を検出し、このセンサーからの検出結果にもとづいてキャンセル手段によってマスターマニピュレータが操作されていない停止状態であることを判断してマスターマニピュレータの停止状態が検出された場合にはスレーブマニピュレータ側に伝達される動作情報を更新しないようにしたので、マスターマニピュレータの未使用時にスレーブマニピュレータが振動するなどの不要な動作や、手ブレ現象などの不要な動作を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるマニピュレータ制御装置のシステム全体の概略構成図。
【図２】第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるマスターマニピュレータの操作部を一部断面にして示す側面図。
【図３】第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるスレーブマニピュレータの先端把持部を示す要部の斜視図。
【図４】第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置の使用状態を示す全体の概略構成図。
【図５】第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるマスター制御部の演算回路の概略構成図。
【図６】第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるマスターマニピュレータの動作を説明するための説明図。
【図７】第１の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるキャンセル手段の動作を説明するためのフローチャート。
【図８】本発明の第２の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるマスターマニピュレータの操作部を一部断面にして示す側面図。
【図９】第２の実施の形態のマニピュレータ制御装置におけるスレーブマニピュレータの動作を説明するための説明図。
【図１０】従来の手術用マニピュレータシステムの概略構成図。
【図１１】従来の手術用マニピュレータシステムにおけるスレーブマニピュレータの動作状態を説明するための説明図。
【符号の説明】
２スレーブマニピュレータ
３マスターマニピュレータ
２０マスター制御部
２１位置検出装置（動作情報検出部）
２２演算回路
２５スレーブ制御部
３２キャンセル手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a manipulator control device for a surgical operation in which a manipulator inserted in a body cavity, for example, a living body is remotely operated by an operation means to perform a diagnosis or treatment operation.
[0002]
[Prior art]
In general, a percutaneous endoscope that performs various treatments in a body cavity by making a hole in a body wall such as an abdominal wall and inserting an endoscope or a treatment tool percutaneously into the body cavity through the hole. In recent years, lower surgery has attracted attention as a minimally invasive technique that does not require a large incision. Such an operation is widely performed in gallbladder extraction surgery or surgery for removing a part of the lung.
[0003]
In such an operation, a surgical manipulator system in which an endoscope and a treatment tool are mounted on a manipulator and an operation using the endoscope and the treatment tool by the manipulator is performed indirectly on behalf of an operator is disclosed in US Pat. No. 5,217,003, Japanese Patent Laid-Open No. 7-328016, and the like.
[0004]
FIG. 10 shows a schematic configuration of this surgical manipulator system. This manipulator system is provided with a slave manipulator a that is installed so as to access the operative field, and a master manipulator b such as a joystick that is installed in an area where the operator can operate. Here, a slave control unit c is connected to the slave manipulator a, and a master control unit d is connected to the master manipulator b.
[0005]
Further, the slave control unit c and the master control unit d are connected via communication means such as a signal cable. Here, the master control unit d is provided with detection means such as a potentiometer that detects operation information of the operation unit of the master manipulator b. Then, an analog output, which is a detection signal of operation information of the master manipulator b obtained by the detection means such as the potentiometer, is converted into a digital output control signal by the A / D converter and is transmitted from the master control unit d via the communication means. Are transmitted to the slave controller c.
[0006]
The slave control unit c outputs a control signal for transmitting the movement following the operation of the operation unit of the master manipulator b sent from the master control unit d to the slave manipulator a.
[0007]
In such remote operation of the surgical manipulator, the operator operates the operation unit of the master manipulator b while observing the state of the affected part in the abdominal cavity displayed on the monitor by observation means such as an endoscope. The slave manipulator a is operated in the operation direction of the operation unit of the manipulator b.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the surgical manipulator system having the above-described conventional configuration, the operation information such as the position / posture of the master manipulator b and the opening / closing angle of the saddle-shaped operation unit is detected by a detecting means such as a potentiometer, The output is converted to a digital output control signal of, for example, 256 gradations by an A / D converter, and transmitted from the master control unit d to the slave control unit c via communication means.
[0009]
However, since an inexpensive electronic component such as a one-chip microcomputer is used for the A / D converter or the like of the master control unit d, the detection signal noise or the quantization error of the A / D converter causes an error in FIG. As shown, there is a problem that data change of about x ± 1 bit occurs when the A / D value as detection data is x. Such a phenomenon occurs even when, for example, the master manipulator b is not used. Therefore, when the master manipulator b is stopped, the data change of about ± 1 bit is performed by the master control unit d as slave operation information. There is a problem of being transmitted to the part c and leading to the movement of the slave manipulator a. Therefore, there is a problem that the slave manipulator a induces unnecessary movement such as minute vibrations and unnecessary movement such as a camera shake phenomenon while the master manipulator b is stopped.
[0010]
The present invention was made paying attention to the above circumstances, and its purpose is to prevent unnecessary operations such as vibration of the slave manipulator when the master manipulator is not used, and unnecessary operations such as a camera shake phenomenon, An object of the present invention is to provide a manipulator control device that is excellent in appearance and excellent in durability by stabilizing the behavior of a slave manipulator when the master manipulator is not used or during operation.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  The invention of claim 1 is a slave manipulator installed to access the surgical field;
  A master manipulator that is installed in an area where an operator can operate and remotely operates the slave manipulator, and is connected to the master manipulator, and operates the master manipulator.analogConvert to electrical signalThe analog electrical signal is further converted into digital electrical signal operation information.And a slave control unit that is connected to the slave manipulator and the master control unit, and outputs a control signal that transmits the movement following the operation of the master manipulator sent from the master control unit to the slave manipulator A motion information detection unit that detects motion information of the master manipulator, and a predetermined control for motion control of the slave manipulator in which the motion information of the master manipulator is preset based on a detection result from the motion information detection unit. In the case of minute movement information smaller than the set range, there is provided canceling means for canceling transmission of the minute movement information to the slave manipulator side.TamaNipulator control deviceThe cancel means determines whether the operation information is within ± 1 bit with respect to a predetermined reference value X, and cancels the output of the control signal if within ± 1 bit, and ± 1 bit. A manipulator control device that outputs the control signal in real time if not withinIt is.
[0012]
In the first aspect of the present invention, the operation information of the master manipulator is detected by the operation information detection unit, and the operation information of the master manipulator is preset based on the detection result from the operation information detection unit. In the case of minute movement information smaller than a predetermined setting range for control, the slave manipulator can be operated when the master manipulator is not used by canceling that the minute movement information is transmitted to the slave manipulator side by the canceling means. It is intended to prevent unnecessary movements such as vibration and unnecessary movements such as camera shake.
[0013]
  The invention of claim 2The canceling unit is set in a data update mode at the start of transmission processing for transmitting a control signal from the master control unit to the slave control unit, and when set in the data update mode, the master control unit sends the slave to the slave Step S1 in which data is transmitted and updated in real time to the control unit, and when the data cancel mode is set, a process for canceling the data is performed, and step S2 in which the output signal of the master control unit is read. Step S3 in which the reference value X is acquired, Step S4 in which an arbitrary set time is preset by a timer, and Step S5 in which it is determined whether or not the reference value X is within ± 1 bit (X ≦ ± 1 bit). If X is not within ± 1 bit in step S5, the reference value X is cleared. After that, if it is determined in step S6 returned to step S2 and in step S5 that X is within ± 1 bit, it is determined whether or not t = 0. Step S7 returned to step S5, step S8 in which the data cancel mode is set when t = 0 is determined in step S7, and the data cancel process is performed in step S8. After the determination, it is determined whether or not the reference value X is within ± 1 bit (X ≦ ± 1 bit). If the X is not within ± 1 bit, the process returns to step S8, and the X is within ± 1 bit. Step S9 is returned to Step S1 if it is determined thatThe manipulator control device according to claim 1.
[0017]
  Claim3In the invention, the motion information detection unit includes a sensor that detects motion information of the movable portion of the master manipulator, and the cancel unit stops when the master manipulator is not operated based on a detection result from the sensor. 2. The manipulator control device according to claim 1, wherein the operation information transmitted to the slave manipulator side is not updated when it is determined that the master manipulator is in a stopped state. 3. .
[0018]
  And this claim3In the invention, the motion information of the movable part of the master manipulator is detected by the sensor of the motion information detection unit, and based on the detection result from this sensor, it is determined that the master manipulator is in a stopped state where the master manipulator is not operated. . Here, when the stop state of the master manipulator is detected, the operation information transmitted to the slave manipulator side is not updated.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a schematic configuration of the entire system of the manipulator control device 1 of the present embodiment. The manipulator control device 1 according to the present embodiment includes a slave manipulator 2 installed so as to access the operative field, a master manipulator 3 installed in an area where the operator can operate, and remotely operating the slave manipulator 2 Is provided. Here, the slave manipulator 2 is provided with two sets of slave manipulators, that is, a left slave manipulator 2a and a right slave manipulator 2b. Further, the master manipulator 3 is also provided with a left master manipulator 3a for operating the left slave manipulator 2a and a right master manipulator 3b for operating the right slave manipulator 2b.
[0020]
Since the two slave manipulators 2a and 2b and the master manipulators 3a and 3b have substantially the same configuration, only the configuration of one left slave manipulator 2a and master manipulator 3a will be described here, and the right slave manipulator The same parts of 2b and master manipulator 3b are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
[0021]
That is, the left slave manipulator 2a of the present embodiment is provided with a manipulator body 5 having an elongated insertion portion 4 and a slave driving portion 6 for driving the manipulator body 5. Further, as shown in FIG. 3, the distal end portion of the insertion portion 4 is provided with a distal end gripping portion 7 including a pair of gripping members 7a and 7b that can be opened and closed, such as gripping forceps. The base end portions of the gripping members 7a and 7b are connected to the distal end portion of the insertion portion 4 so as to be rotatable around a rotation pin 8. These gripping members 7a and 7b are supported by the link mechanism portion 9 so as to be openable and closable around the rotation pin 8.
[0022]
The manipulator body 5 is moved in the X-axis direction (left-right direction), Y-axis direction (up-down direction), and Z-axis direction (front-rear direction) in FIG. 3 by a manipulator body drive unit (not shown) in the slave drive unit 6. It is driven so that it can be rotated around the Z axis. Furthermore, the tip gripping portion 7 of the manipulator body 5 is similarly driven to open and close between the gripping members 7a and 7b around the rotation pin 8 by a tip gripping portion drive unit (not shown) in the slave drive portion 6. . In FIG. 3, Os is the origin position of the manipulator body 5 of the slave manipulator 2a.
[0023]
Further, as shown in FIG. 2, the left master manipulator 3a has, for example, a substantially saddle-shaped handle (operation unit) 10 that can be opened and closed, and this handle 10 in FIG. A support mechanism unit 11 (shown in FIG. 4) is provided that is movable in the direction (vertical direction) and the Z-axis direction (front-rear direction) and that can rotate around the Z-axis. In FIG. 2, O_M Is the origin position of the handle 10 of the master manipulator 3a.
[0024]
Further, as shown in FIG. 2, the handle 10 is connected to a support shaft 13 having one end fixed to the top plate 12 and to the other end of the support shaft 13 so as to be rotatable about a rotation shaft 14. Two handle members 15a and 15b are provided. Further, a link member 16 is disposed on the rotating shaft 14 side, and a leaf spring member 17 is disposed on the free end side between the two handle members 15a and 15b. The handle 10 is biased toward the fully open position by the spring force of the leaf spring member 17 as shown by the solid line in FIG.
[0025]
Further, a stopper 18 is provided on one handle member 15a of the handle 10 so as to project toward the other handle member 15b. When the handle 10 is closed, the stopper 18 of the handle member 15a hits the handle member 15b as shown by the phantom line in FIG. 2, so that the operation of closing the handle 10 is restricted, and this state is the fully closed position. Is set to
[0026]
Further, a potentiometer 19 is attached to the handle member 15 a of the handle 10. The potentiometer 19 detects the opening / closing angle of the handle 10.
[0027]
The support mechanism 11 of the master manipulator 3a is formed by a multi-degree-of-freedom manipulator configured by combining a plurality of pantograph mechanisms. Here, three pantographs and three rotating pair shafts are attached to the top plate 12 which is an output node. In addition, an encoder (not shown) is attached to each panda graph and the even axis. And the detection means which detects operation of the handle | steering-wheel 10 by this encoder is formed. Further, the master manipulator 3 incorporates a lock mechanism (not shown) of, for example, an electromagnetic lock type that switches between a locked state in which the master manipulator 3 cannot be operated and a unlocked state in which the master manipulator 3 can be operated.
[0028]
The master manipulator 3 is connected to a master control unit 20 that converts the operation of the master manipulator 3 into an electrical signal. The master control unit 20 is provided with a position detection device (motion information detection unit) 21 such as a potentiometer 19 of the master manipulator 3 and an encoder of the support mechanism unit 11, and an arithmetic circuit 22 formed by, for example, a computer for position calculation. It has been. Then, the detection data (L detection signal, R detection signal) of the operation state of the left and right master manipulators 3a, 3b by the position detection device 21 is input to the arithmetic circuit 22, the position is calculated by this arithmetic circuit 22, and the master manipulator 3 Data such as an operation state of the handle 10 and an opening / closing state of the handle 10 is calculated.
[0029]
Furthermore, a foot switch 23 for controlling the lock mechanism of the master manipulator 3 is connected to the master controller 20. The foot switch 23 is provided with two pedals 23a and 23b. Then, one pedal 23a forms a locked state switching operation portion for switching between the locked state and the unlocked state of the master manipulator 3, and the other pedal 23b forms a moving clutch switching operation portion.
[0030]
A monitor 24 is arranged in the vicinity of the operator who operates the master manipulator 3. The master manipulator 3 is operated while viewing the display screen displayed on the monitor 24.
[0031]
The slave manipulator 2 is connected to a slave control unit 25 that outputs a control signal for transmitting the movement following the operation of the master manipulator 3 to the slave manipulator 2. The slave control unit 25 includes a motor drive circuit 27 that controls a plurality of drive motors 26 incorporated in the slave drive unit 6 of the slave manipulator 2 and an arithmetic circuit 28 formed by a computer for controlling the slave manipulator, for example. Is provided.
[0032]
Further, the arithmetic circuit 28 of the slave control unit 25 and the arithmetic circuit 22 of the master control unit 20 are connected via a communication means 29 such as an optical fiber cable. The slave control unit 25 outputs a control signal for transmitting the movement following the operation of the master manipulator 3 sent from the master control unit 20 to the slave manipulator 2.
[0033]
Further, the arithmetic circuit 22 of the master control unit 20 is provided with an A / D converter 30, a timer 31, a canceling means 32, and a CPU 33, which are connected to the position detecting device 21, as shown in FIG. . Then, the opening / closing angle of the handle 10 of the master manipulator 3 obtained by the position detector 21 such as the potentiometer 19 of the master manipulator 3 and the encoder of the support mechanism unit 11, the X axis direction, the Y axis direction, and the Z axis direction of the handle 10. The analog output, which is a detection signal of operation information such as the position and posture of the movable part of the master manipulator 3 such as the amount of movement of each and the rotation angle of the Z-axis around the axis, is output by the A / D converter 30 for example on the 256th floor. The digital output control signal is converted into a digital control signal and input to the CPU 33, and this digital output control signal is transmitted from the master control unit 22 to the slave control unit 25 via the communication means 29. The CPU 33 includes a transmission magnification conversion circuit (not shown). Then, detection data of each movement amount of the handle 10 of the master manipulator 3 in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction is converted into an arbitrary transmission magnification by the transmission magnification conversion circuit and transmitted to the slave control unit 25. The detection data of the opening / closing angle of the handle 10 is transmitted to the slave control unit 25 at 1: 1.
[0034]
Further, in the canceling unit 32, when the operation information of the master manipulator 3 is minute operation information smaller than a predetermined setting range for operation control of the slave manipulator 2 based on the detection result from the position detection device 21. Is provided with a function for canceling transmission of the minute operation information to the slave manipulator 2 side. Here, the canceling unit 32 moves to the slave manipulator side in the case of minute operation information in which the temporal change amount of the operation information of the master manipulator 3 is smaller than a predetermined setting range for operation control of the slave manipulator 2. It is set not to update the transmitted operation information. The cancel means 32 is connected to a set value adjusting section (setting range adjusting means) 34 for arbitrarily changing the setting range of the temporal change amount of the operation information detected by the position detecting device 21.
[0035]
Next, the operation of the above configuration will be described. When the manipulator control device 1 of the present embodiment is used, the master manipulator 3 is installed in an area that can be operated by the operator. Further, the slave manipulator 2 is installed so as to access the surgical field. For example, as shown in FIG. 4, a body wall H such as an abdominal wall of a patient who performs an operation such as diagnosis and treatment is made with a trocar (not shown), and the slave manipulator 2 is inserted into the trocar mantle tube inserted into the hole. The portion 4 is inserted, and the insertion portion 4 of the slave manipulator 2 is set percutaneously into the body cavity through the trocar mantle. At this time, the monitor 24 in the vicinity of the operator who operates the master manipulator 3 has an endoscopic image of the surgical field by an endoscope percutaneously inserted into the body cavity from a place different from the slave manipulator 2, or A computer graphic image (CG image) of the operative field synthesized by the computer graphic device is displayed.
[0036]
In addition, after the slave manipulator 2 and the master manipulator 3 are set, a calibration operation is performed to match the origin (0 point) positions of the slave manipulator 2 and the master manipulator 3. When the calibration operation is performed, the master manipulator 3 is unlocked by depressing the pedal 23a of the foot switch 23, and the left and right master manipulators 3a and 3b of the master manipulator 3 in FIG. The two handles of the left and right master manipulators 3a and 3b are switched to a state in which they can move in the Y-axis direction (vertical direction) and Z-axis direction (front-rear direction), respectively, and can rotate around the Z-axis axis. The members 15a and 15b are switched to a state in which the members can be opened and closed.
[0037]
In this state, the left and right master manipulators 3a and 3b of the master manipulator 3 are moved to arbitrary positions, and the origin (0 point) position of the left and right master manipulators 3a and 3b is set.
[0038]
Thereafter, the manipulator body drive unit and the tip gripping unit drive unit (not shown) in the slave drive unit 6 of the two slave manipulators 2a and 2b in the slave manipulator 2 are driven. As a result, the manipulator body 5 is moved in the X-axis direction (left-right direction), Y-axis direction (up-down direction), and Z-axis direction (front-rear direction) in FIG. The left and right slave manipulators 2a and 2b are driven and moved to the origin (0 point) position. At this time, when the movement range of the slave manipulators 2a and 2b is not an appropriate range determined in advance, a warning is displayed to notify the operator of the abnormality.
[0039]
Further, after this calibration operation is completed, an operation such as diagnosis / treatment by the manipulator control device 1 of the present embodiment is started. During this operation, the operator operates the left and right master manipulators 3a and 3b of the master manipulator 3 while viewing the endoscopic image of the operative field displayed on the monitor 24 or the screen of the CG image. At this time, the handle 10 of the left master manipulator 3a is operated with the operator's left hand and the handle 10 of the right master manipulator 3b held with the operator's right hand, and the left master manipulator 3a operates the left slave manipulator 2a and the right master. The right slave manipulator 2b is remotely operated independently by the manipulator 3b.
[0040]
For example, the handle 10 of the left master manipulator 3a is moved in the X-axis direction (left-right direction), Y-axis direction (up-down direction), and Z-axis direction (front-back direction) in FIG. In this case, the operation of the master manipulator 3a at this time is detected by the position detection device 21 of the master control unit 20. Detection data from the position detection device 21 is input to the arithmetic circuit 22. At this time, the opening / closing angle of the handle 10 of the master manipulator 3 obtained by the position detector 21 such as the potentiometer 19 of the master manipulator 3 and the encoder of the support mechanism unit 11, the X axis direction, the Y axis direction, and the Z axis of the handle 10 The analog output, which is a detection signal of operation information such as the position and orientation of the movable part of the master manipulator 3 such as the amount of movement of each direction and the rotation angle of the Z-axis around the axis, is an A / D converter of the arithmetic circuit 22 30, for example, is converted into a digital output control signal of 256 gradations and input to the CPU 33. Then, the CPU 33 of the arithmetic circuit 22 calculates the position to calculate data such as the operation state of the handle 10 of the master manipulator 3 and the opening / closing state of the handle 10.
[0041]
Further, the calculated data whose position is calculated by the arithmetic circuit 22 of the master control unit 20 is transmitted to the slave control unit 25 via the communication means 29 such as an optical fiber cable. Here, detection data of the movement amounts of the handle 10 of the master manipulator 3 in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction are converted into arbitrary transmission magnifications by a transmission magnification conversion circuit (not shown) in the CPU 33 to be slave control units. The detection data of the opening / closing angle of the handle 10 is transmitted to the slave control unit 25 at 1: 1.
[0042]
In the slave control unit 25, control signals for controlling the plurality of drive motors 26 of the motor drive circuit 27 incorporated in the slave drive unit 6 are calculated by the arithmetic circuit 28 based on the received control signal. Then, the control signal output from the slave control unit 25 is transmitted to the left slave manipulator 2a, and the left slave manipulator 2a is operated remotely. At this time, the left slave manipulator 2a moves following the movement of the handle 10 of the left master manipulator 3a. The operation of the right slave manipulator 2b is controlled by the same action when the right master manipulator 3b is operated, and the right slave manipulator 2b moves following the operation of the right master manipulator 3b.
[0043]
In addition, during the operation of the manipulator control device 1 of the present embodiment, a predetermined setting range for operation control of the slave manipulator 2 in which operation information of the master manipulator 3 is preset based on the detection result from the position detection device 21; For example, when the A / D value is minute operation information within ± 1 bit with respect to the reference value X, the cancel operation for canceling the transmission of the minute operation information to the slave manipulator 2 side is shown in FIG. Is performed as follows.
[0044]
That is, at the start of transmission processing for transmitting a control signal from the master control unit 22 to the slave control unit 25, the transmission bit is set to “0” in step S1. Here, when the transmission bit is set to “0”, data is transmitted and updated in real time from the master control unit 20 to the slave control unit 25, and when the transmission bit is set to “1”. Processing to cancel the data is performed.
[0045]
Subsequently, in the next step S2, the output signal of the A / D converter 30 is read, and in the next step S3, the reference value X shown in FIG. 6 is acquired. Further, in the next step S4, for example, t = 2 seconds is preset by the timer 31.
[0046]
In the next step S5, it is determined whether or not the reference value X is within ± 1 bit (X ≦ ± 1 bit). If X is not within ± 1 bit, the process proceeds to step S6, and after the reference value X is cleared, the process returns to step S2. Further, if it is determined in step S5 that X is within ± 1 bit, the process proceeds to step S7.
[0047]
In step S7, it is determined whether t = 0. If t = 0 is not satisfied, the process returns to step S5. If it is determined in step S7 that t = 0, the process proceeds to the next step S8. In this step S8, the transmission bit is set to “1”, and data cancellation processing is performed.
[0048]
Thereafter, in the next step S9, it is determined whether or not the reference value X is within ± 1 bit (X ≦ ± 1 bit). If X is not within ± 1 bit, the process returns to step S8. If it is determined in step S9 that X is within ± 1 bit, the process returns to step S1.
[0049]
Since the position detection device 21 is provided with a plurality of detection elements such as a potentiometer 19 for position detection of the master manipulator 3 and an encoder of the support mechanism unit 11, all (n) detection elements A / The cancellation period of the reference value X is determined based on the AND condition of A / D1 to A / Dn with respect to the D value.
[0050]
Thereby, after sampling the output signal of the position detection device 21 as the reference value X at time t0, the state within the reference value X ± 1 bit is recognized for an arbitrary set time t (for example, t = 2 seconds). In this case, it is determined that the master manipulator 3 is stopped (after the determination time t), and the position / posture / opening / closing angle information transmitted from the master manipulator 3 to the slave manipulator 2 is cancelled. Further, when the reference value X ± 1 bit or more, it is determined that the master manipulator 3 is moving, and the position / posture / opening / closing angle information transmitted from the master manipulator 3 to the slave manipulator 2 is updated. . The reference value X is periodically sampled, and information newly transmitted from the master manipulator 3 to the slave manipulator 2 is canceled if it is within X ± 1 bits in the determination period t.
[0051]
In addition, the setting value adjustment unit 34 can arbitrarily set and change the width of the cancellation bit that is the setting range of the temporal change amount of the operation information detected by the position detection device 21 by the canceling unit 32.
[0052]
Therefore, the above configuration has the following effects. That is, in the present embodiment, during operation of the manipulator control device 1, a predetermined setting range for operation control of the slave manipulator 2 in which operation information of the master manipulator 3 is set in advance based on the detection result from the position detection device 21, For example, if the A / D value is minute operation information within ± 1 bit with respect to the reference value X, a cancel operation is performed to cancel the transmission of the minute operation information to the slave manipulator 2 side. For this reason, the superposition of noise on the output signal of the potentiometer 19 of the position detection device 21 causes the slave manipulator 2 to vibrate (vibration operation due to noise) or the influence of digital noise due to the quantization error of the A / D converter 30. The operation of vibrating the slave manipulator 2 (vibration due to noise) can be canceled. Accordingly, unnecessary operations such as vibration of the slave manipulator 2 when the master manipulator 3 is not used, and unnecessary operations such as a camera shake phenomenon can be prevented. Therefore, when the master manipulator 3 is not used, It stabilizes the behavior of the manipulator 2 and has a good appearance and excellent durability.
[0053]
Furthermore, since unnecessary information of the input signal can be removed by software without using an electronic circuit such as the highly accurate A / D converter 30, the cost of the entire apparatus can be reduced.
[0054]
8 and 9 show a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the configuration of the manipulator control device 1 according to the first embodiment (see FIGS. 1 to 7) is changed as follows.
[0055]
That is, in the present embodiment, the top plate 12 of the master manipulator 3 detects the movement of the handle 10 in three directions of the X axis direction (left and right direction), the Y axis direction (up and down direction), and the Z axis direction (front and rear direction) 3. An axial acceleration sensor 41 is attached, and a predetermined setting range for controlling the operation of the slave manipulator 2 in which the operation information of the master manipulator 3 is set in advance based on a detection signal from the triaxial acceleration sensor 41, for example, an A / D value is a reference. In the case of minute operation information within ± 1 bit with respect to the value X, the cancel operation for canceling transmission of the minute operation information to the slave manipulator 2 side is performed. Here, the three-axis acceleration sensor 41 detects the movement of the handle 10 in the three directions of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction as shown in FIG._OFF  The information to be transmitted to the slave manipulator 2 is cancelled.
[0056]
Therefore, in the present embodiment, the stop state of the master manipulator 3 can be reliably detected. Furthermore, there is an effect that the load on the control CPU 33 of the master control unit 20 can be reduced.
[0057]
Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
Next, other characteristic technical matters of the present application are appended as follows.
Record
(Additional Item 1) In the master-slave device, signal detection means for detecting the position / posture / opening / closing angle of the master input device, and movement amount detection means for detecting when the master input device is not used (stopped) by the signal detection means. The master / slave provided with the information canceling means that does not update the position / posture / opening / closing angle information to be transmitted to the slave side using the fact that the master input device is not used (moving stopped) in the moving amount detecting means apparatus.
[0058]
(Additional Item 2) The master-slave device according to Additional Item 1, wherein the unused time is detected from a temporal change amount of a potentiometer.
[0059]
(Additional Item 3) The master-slave device according to Additional Item 1, wherein a sensor is added to detect the unused time.
[0060]
(Additional Item 4) In a master-slave device including a master input device capable of calculating a position / posture / opening / closing angle from inclination information of each link mechanism, an operation state detection unit for calculating the position / posture / opening / closing angle of the master input device; A master-slave comprising information canceling means that does not update the position / posture / opening / closing angle information if the temporal change amount of the position / posture / opening / closing angle of the master input device is equal to or less than a predetermined value in the operation state detection unit apparatus.
[0061]
(Additional Item 5) The master-slave device according to Additional Item 4, which includes the information canceling unit capable of arbitrarily changing a temporal change amount in the operation state detection unit.
[0062]
(Additional Item 6) The master input device includes a sensor that detects the movement of the movable portion, and a stop state detection unit that determines that the master input device is not operated based on information of the sensor, the stop state detection The master-slave device according to any one of items 4 and 5, wherein the state of the master input device when not in use is detected from the means, and the position / posture / opening / closing angle information is not updated.
[0063]
(Prior Art of Additional Items 1-6) A manipulator system for surgery is shown in US Pat. No. 5,217,003, Japanese Patent Laid-Open No. 7-328016, and the like.
[0064]
(Problems to be solved by the supplementary items 1 to 6) The change value of the data due to the noise of the detection signal or the quantization error of the A / D leads to the movement of the slave even when the master input device is not used. Was inducing.
[0065]
(Purpose of Supplementary Items 1 to 6) It is intended to prevent unnecessary operation (vibration) of the slave by detecting when the master input device is not used.
[0066]
(Effects of Additional Items 1 to 6) Unnecessary information of the input signal can be removed by software without using a highly accurate circuit. Stops operation and does not transmit hand vibration to the slave when holding the handle (camera shake correction). The master arm stop state can be detected reliably. In addition, the load on the control CPU can be reduced.
[0067]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the operation information detecting unit for detecting the operation information of the master manipulator and the operation control of the slave manipulator in which the operation information of the master manipulator is preset based on the detection result from the operation information detecting unit. In the case of minute movement information smaller than a predetermined setting range for use, the slave manipulator is provided with canceling means for canceling transmission of the minute movement information to the slave manipulator side. Can prevent unnecessary movements such as vibrations and hand movements, and stabilizes the behavior of the slave manipulator when the master manipulator is not in use or in operation. Excellent.
[0068]
According to the second aspect of the present invention, the operation of the master manipulator detected by the operation information detecting unit when operating the opening / closing operation of the treatment unit of the slave manipulator and the attitude control unit of the slave manipulator by operating the operation unit of the master manipulator. The amount of time change of the operation information such as the opening / closing angle of the unit and the master manipulator posture information such as the position and posture of the movable part of the master manipulator is smaller than the predetermined setting range for the operation control of the slave manipulator In the case of minute movement information, the movement information transmitted to the slave manipulator side is not updated by cancellation means, so unnecessary movement such as vibration of the slave manipulator when the master manipulator is not used, camera shake phenomenon, etc. Prevent unnecessary behavior It can, when not in use and a master manipulator, look good to stabilize the slave manipulator behavior during operation may, excellent durability.
[0069]
According to the invention of claim 3, the setting range of the temporal change amount of the motion information detected by the motion information detector by the setting range adjusting unit of the canceling unit can be arbitrarily changed.
[0070]
According to the invention of claim 4, the motion information of the movable part of the master manipulator is detected by the sensor of the motion information detecting unit, and the master manipulator is not operated by the canceling unit based on the detection result from the sensor. When the master manipulator is detected to be stopped, the operation information transmitted to the slave manipulator is not updated.Therefore, the slave manipulator is not required to vibrate when the master manipulator is not used. Unnecessary operations such as motion and camera shake can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an entire system of a manipulator control device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a partial cross section of an operation unit of a master manipulator in the manipulator control device of the first embodiment.
FIG. 3 is a perspective view of a main part showing a tip gripping part of a slave manipulator in the manipulator control device of the first embodiment.
FIG. 4 is an overall schematic configuration diagram illustrating a usage state of the manipulator control device according to the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an arithmetic circuit of a master control unit in the manipulator control device according to the first embodiment.
6 is an explanatory diagram for explaining an operation of a master manipulator in the manipulator control device according to the first embodiment; FIG.
FIG. 7 is a flowchart for explaining the operation of the canceling unit in the manipulator control device according to the first embodiment;
FIG. 8 is a side view showing a partial cross section of an operation unit of a master manipulator in a manipulator control device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining an operation of a slave manipulator in the manipulator control device according to the second embodiment.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a conventional surgical manipulator system.
FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining an operation state of a slave manipulator in a conventional surgical manipulator system.
[Explanation of symbols]
2 Slave manipulator
3 Master manipulator
20 Master controller
21 Position detector (motion information detector)
22 Arithmetic circuit
25 Slave controller
32 Canceling means

Claims

A slave manipulator installed to access the operative field,
A master manipulator that is installed in an area that can be operated by an operator and that remotely operates the slave manipulator;
Connected to the master manipulator, and the operation of the master manipulator is converted into an analog electrical signal, the master control unit for converting the operation information of the further digital electric signal the analog electrical signal,
A slave control unit that is connected to the slave manipulator and the master control unit and outputs a control signal that transmits a movement following the operation of the master manipulator sent from the master control unit to the slave manipulator;
An operation information detector for detecting operation information of the master manipulator;
In the case where the operation information of the master manipulator is minute operation information smaller than a predetermined setting range for controlling the operation of the slave manipulator based on the detection result from the operation information detection unit, the minute operation is performed. information is a manipulators controller with a canceling means for canceling to be transmitted to the slave manipulator side,
The cancellation means determines whether the operation information is within ± 1 bit with respect to a predetermined reference value X, and cancels the output of the control signal if within ± 1 bit, and if not within ± 1 bit. A manipulator control device for outputting the control signal in real time .

The canceling means is
Data update mode is set at the start of transmission processing for transmitting a control signal from the master control unit to the slave control unit. When the data update mode is set, data is transferred from the master control unit to the slave control unit. Step S1 in which processing is performed in which data is transmitted and updated in real time, and data is canceled when the data cancel mode is set;
Step S2 in which an output signal of the master control unit is read;
Step S3 in which the reference value X is acquired;
Step S4 in which an arbitrary set time is preset by a timer;
Step S5 in which it is determined whether or not the reference value X is within ± 1 bit (X ≦ ± 1 bit);
When X is not within ± 1 bit in step S5, after the reference value X is cleared, step S6 is returned to step S2, and
If it is determined in step S5 that X is within ± 1 bit, it is determined whether or not t = 0, and if other than t = 0, step S7 is returned to step S5;
Step t8 in which the data cancel mode is set and data cancel processing is performed when t = 0 is determined in step S7;
After the data cancellation process is performed in step S8, it is determined whether or not the reference value X is within ± 1 bit (X ≦ ± 1 bit). If X is not within ± 1 bit, the process returns to step S8. If it is determined that X is within ± 1 bit, step S9 is returned to step S1, and
The manipulator control device according to claim 1, comprising:

The operation information detection unit includes a sensor that detects operation information of the movable unit of the master manipulator,
The cancellation means determines that the master manipulator is in a stopped state based on a detection result from the sensor, and the operation transmitted to the slave manipulator side when detecting the stop state of the master manipulator The manipulator control device according to claim 1, wherein the information is not updated.