JP4505618B2

JP4505618B2 - Manipulator device

Info

Publication number: JP4505618B2
Application number: JP2007103550A
Authority: JP
Inventors: 俊和河合; 康英森川; 壮治小澤; 公平大西; 宏章西
Original assignee: Hitachi Ltd; Keio University
Current assignee: Hitachi Ltd; Keio University
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2027-04-11
Also published as: JP2008259607A

Description

本発明は、マニピュレータ装置に係り、特に多自由度のマスタマニピュレータ及びスレーブマニピュレータを有するマスタ・スレーブ式マニピュレータ装置に好適なものである。 The present invention relates to a manipulator device, and is particularly suitable for a master-slave manipulator device having a multi-degree-of-freedom master manipulator and a slave manipulator.

従来のマニピュレータ装置としては、特開平９−９８９７８号公報（特許文献１）に示されたものがある。このマニピュレータ装置は、術具である把持鉗子を駆動するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを駆動するマスタマニピュレータとを備えている。そして、このマニピュレータ装置は、把持鉗子のグリップに歪みゲージを備え、生体組織を把持したときの歪みゲージによる検出情報を術者に提示する機能を有している。 As a conventional manipulator device, there is one disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-98978 (Patent Document 1). The manipulator device includes a slave manipulator that drives a grasping forceps that is a surgical instrument, and a master manipulator that drives the slave manipulator. The manipulator device includes a strain gauge in the grip of the grasping forceps, and has a function of presenting detection information by the strain gauge to the operator when the biological tissue is gripped.

特開平９−９８９７８号公報JP-A-9-98978

内視鏡下外科手術は、低侵襲外科治療の中心的役割を担う治療技術として社会的に広く認知されている。本手術は、美容上優れる、早期の社会復帰ができるなど多くの利点を有する。一方、術者にとっては難易度の高い手術であり、工学的に手術を支援するマニピュレータ装置の開発が行われている。また、外科手術では術具を介して得られる臓器の感触が重要である。マニピュレータ装置においても同様に、術具からの高い力覚感度を術者へフィードバックすることが望まれている。 Endoscopic surgery is widely recognized as a treatment technique that plays a central role in minimally invasive surgical treatment. This operation has many advantages such as excellent cosmetics and early return to society. On the other hand, it is a highly difficult operation for the surgeon, and a manipulator device that supports the operation in engineering is being developed. Also, in the surgical operation, the feel of the organ obtained through the surgical instrument is important. Similarly, in a manipulator device, it is desired to feed back high sensation sensitivity from a surgical instrument to an operator.

上述した特許文献１のマニピュレータ装置では、力センサとして歪みゲージが用いられている。しかし、歪ゲージは、高周波ノイズ等の影響を受けやすく、周波数帯域が数十Ｈｚと低いものが用いられるため、高い力覚感度を得ることが難しいという課題がある。また、術具への歪ゲージの取り付けに伴い、電気配線が必要となるため、配線作業が煩雑になると共に、耐久性などの信頼性に課題がある。さらには、歪ゲージは、低温のガス滅菌には対応できるが、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌に対応することが難しいという課題がある。 In the manipulator device of Patent Document 1 described above, a strain gauge is used as a force sensor. However, since the strain gauge is easily affected by high-frequency noise or the like and has a frequency band as low as several tens of Hz, there is a problem that it is difficult to obtain high force sensitivity. Moreover, since electrical wiring is required with the attachment of the strain gauge to the surgical instrument, wiring work becomes complicated and there are problems in reliability such as durability. Furthermore, although the strain gauge can cope with low temperature gas sterilization, there is a problem that it is difficult to cope with simple autoclave sterilization of high pressure and high temperature steam.

また、この種のマニピュレータ装置では、マニピュレータの安定性と応答性の両方が望まれている。 In this type of manipulator device, both the stability and responsiveness of the manipulator are desired.

本発明の目的は、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできると共に、マニピュレータの安定性と応答性を向上できるマスタ・スレーブ制御のマニピュレータ装置を提供することにある。 The object of the present invention is to enable the sterilization of a surgical instrument by simple autoclave sterilization of high-pressure and high-temperature steam, and to feed back a high-range force sense in a multi-degree-of-freedom manipulator and improve the stability and responsiveness of the manipulator. -To provide a slave-controlled manipulator device.

前述の目的を達成するために、本発明は、術具を駆動するスレーブマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータを制御装置を介して駆動するマスタマニピュレータと、前記スレーブマニピュレータ及び前記マスタマニピュレータを制御する前記制御装置と、を備えるマニピュレータ装置において、前記スレーブマニピュレータは、スレーブジンバル部に設けたスレーブピッチ軸及びスレーブヨー軸と、前記スレーブジンバル部の動作を伝達するスレーブ平行リンクと、前記スレーブジンバル部に前記スレーブ平行リンクを介して結合され且つ前記術具を並進させるスレーブ並進軸と、前記スレーブ並進軸に結合され且つ前記術具を回転させるスレーブロール軸と、前記スレーブロール軸の先端部に設けた術具駆動機構部と、前記術具駆動機構部に結合され且つオートクレーブ滅菌に対応可能な材料で形成された前記術具と、前記術具駆動機構部に一側端部を接続したスレーブコントロールケーブルと、前記スレーブコントロールケーブルの他側端部を接続したスレーブ直動軸と、前記各スレーブ軸にそれぞれ設けたスレーブアクチュエータと、前記各スレーブアクチュエータにそれぞれ取付けたスレーブエンコーダと、を備えて構成され、前記マスタマニピュレータは、マスタジンバル部に設けたマスタピッチ軸及びマスタヨー軸と、前記マスタジンバル部の動作を伝達するマスタ平行リンクと、前記マスタジンバル部に前記マスタ平行リンクを介して結合されたマスタ並進軸と、前記マスタ並進軸に結合されたマスタロール軸と、前記マスタロール軸の先端部に設けた手元操作部と、前記手元操作部に一側端部を接続したマスタコントロールケーブルと、前記マスタコントロールケーブルの他側端部を接続したマスタ直動軸と、前記各マスタ軸にそれぞれ設けたマスタアクチュエータと、前記各マスタアクチュエータにそれぞれ取付けたマスタエンコーダとを備えて構成され、前記制御装置は前記スレーブエンコーダと前記マスタエンコーダの検出信号に基づいて生成した広帯域の力覚を、前記スレーブマニピュレータ前記マスタマニピュレータの術具からスタマニピュレータの手元操作部にフィードバック制御する構成にしたことにある。 To achieve the above object, the present invention provides a slave manipulator that drives a surgical instrument, a master manipulator that drives the slave manipulator via a control device, and the control device that controls the slave manipulator and the master manipulator. The slave manipulator includes a slave pitch axis and a slave yaw axis provided in the slave gimbal part, a slave parallel link that transmits the operation of the slave gimbal part, and the slave parallel link to the slave gimbal part. A slave translation shaft that is coupled to the slave translation shaft and translates the surgical instrument, a slave roll shaft that is coupled to the slave translation shaft and rotates the surgical instrument, and a surgical instrument drive mechanism provided at the distal end of the slave roll shaft And the surgical instrument drive The surgical instrument that is coupled to the structure and formed of a material that can handle autoclave sterilization, a slave control cable having one end connected to the surgical instrument drive mechanism, and the other end of the slave control cable Are connected to each of the slave shafts, and slave encoders attached to the respective slave actuators. The master manipulator is provided in the master gimbal portion. A master pitch axis and a master yaw axis; a master parallel link that transmits the operation of the master gimbal part; a master translation axis that is coupled to the master gimbal part via the master parallel link; and a master translation axis that is coupled to the master translation axis. Master roll shaft and manual operation provided at the tip of the master roll shaft A master control cable having one end connected to the hand operation unit, a master linear axis connecting the other end of the master control cable, and a master actuator provided for each master axis, A master encoder attached to each master actuator, and the control device generates a wide-range force sense generated based on detection signals of the slave encoder and the master encoder, and operates the slave manipulator and the master manipulator. The feedback control is performed from the tool to the hand operation unit of the star manipulator.

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記スレーブ平行リンクは第１の平行リンクと第２の平行リンクとを連結して構成し、前記第１の平行リンクの遊端側を前記スレーブジンバル部に結合すると共にその先端部を当該スレーブジンバル部より先に延長して設け、前記第２の平行リンクの遊端側を前記スレーブ並進軸に結合し、前記第１の平行リンクの先端部にスレーブバランスウエイトを装着したこと。
（２）前記スレーブ直動軸に設けたスレーブアクチュエータはリニアモータで構成され、前記スレーブコントロールケーブルはスレーブワイヤとこのスレーブワイヤを収納したスレーブチューブとを有し、前記スレーブワイヤはその一側端部を前記術具駆動機構部に接続すると共にその他側端部を前記スレーブ直動軸に接続し、マスタ直動軸に設けたマスタアクチュエータはリニアモータで構成され、前記マスタコントロールケーブルはマスタワイヤとこのマスタワイヤを収納したマスタチューブとを有し、前記マスタワイヤはその一側端部を前記手元操作部に接続すると共にその他側端部を前記マスタ直動軸に接続したこと。
（３）前記（２）において、前記スレーブアクチュエータにスリーブ電磁ブレーキを備え、前記マスタアクチュエータにマスタ電磁ブレーキを備えたこと。
（４）前記（３）において、前記スリーブアクチュエータ、前記スリーブエンコーダおよび前記スレーブ電磁ブレーキを外置きとし、前記マスタアクチュエータ、前記マスタエンコーダおよび前記マスタ電磁ブレーキを外置きとしたこと。
（５）前記（１）において、前記並進軸にベルトを介して可動バランスウエイトを配置したこと。 A more preferable specific configuration example of the present invention is as follows.
(1) The slave parallel link is configured by connecting a first parallel link and a second parallel link, and the free end side of the first parallel link is coupled to the slave gimbal portion, and a tip end portion thereof is connected. Extending from the slave gimbal portion, the free end side of the second parallel link is coupled to the slave translation shaft, and a slave balance weight is attached to the distal end portion of the first parallel link.
(2) A slave actuator provided on the slave linear movement shaft is constituted by a linear motor, the slave control cable has a slave wire and a slave tube storing the slave wire, and the slave wire has an end portion on one side thereof. Is connected to the surgical instrument drive mechanism, and the other side end is connected to the slave linear motion shaft. The master actuator provided on the master linear motion shaft is composed of a linear motor, and the master control cable is connected to the master wire and the master wire. A master tube containing a master wire, wherein one end of the master wire is connected to the hand operating portion and the other end is connected to the master linear movement shaft.
(3) In (2), the slave actuator is provided with a sleeve electromagnetic brake, and the master actuator is provided with a master electromagnetic brake.
(4) In (3), the sleeve actuator, the sleeve encoder, and the slave electromagnetic brake are externally installed, and the master actuator, the master encoder, and the master electromagnetic brake are externally installed.
(5) In (1), a movable balance weight is disposed on the translation shaft via a belt.

かかる本発明のマニピュレータ装置によれば、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできると共に、マニピュレータの安定性と応答性を向上できる。 According to such a manipulator device of the present invention, it is possible to sterilize a surgical instrument by simple autoclave sterilization of high-pressure and high-temperature steam, while feeding back a high-range force sense in a multi-degree-of-freedom manipulator, and stability and responsiveness of the manipulator Can be improved.

以下、本発明の一実施形態のマニピュレータ装置について図１から図６を用いて説明する。本実施形態のマニピュレータ装置は、力覚フィードバック機能搭載のマスタ・スレーブ制御ロボットに適用した例である。 Hereinafter, a manipulator device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The manipulator device of this embodiment is an example applied to a master / slave control robot equipped with a force feedback function.

図１は本発明の一実施形態のマニピュレータ装置におけるスレーブマニピュレータ１の斜視図である。マニピュレータ装置は、術具である鉗子１７を駆動するスレーブマニピュレータ１と、このスレーブマニピュレータ１を制御装置３（図６参照）を介して駆動するマスタマニピュレータ２と、スレーブマニピュレータ１及びマスタマニピュレータ２を統括的に制御する制御装置３と、を備えて構成されている。なお、スレーブマニピュレータ１を構成する要素とマスタマニピュレータ２を構成する要素とが共通する場合、それぞれの要素に「スレーブ」、「マスタ」を修飾させて区別すべきであるが、実施形態の説明では簡略のためにそれらを省略することとする。 FIG. 1 is a perspective view of a slave manipulator 1 in a manipulator device according to an embodiment of the present invention. The manipulator device controls the slave manipulator 1 that drives the forceps 17 that is a surgical instrument, the master manipulator 2 that drives the slave manipulator 1 via the control device 3 (see FIG. 6), the slave manipulator 1 and the master manipulator 2. And a control device 3 for controlling automatically. In addition, when the element which comprises the slave manipulator 1 and the element which comprises the master manipulator 2 are common, you should distinguish each element by modifying "slave" and "master", but in description of embodiment, They will be omitted for brevity.

図１において、スレーブマニピュレータ１のスレーブベース１０の下側にはスレーブキャスタ１００とスレーブアジャスタパッド１０１が設けられ、スレーブベース１０の上側には電動ピラー１０２が設けられている。スレーブベース１０の形状は、幅５００ｍｍ、奥行き５００ｍｍの四角形である。電動ピラー１０２の昇降範囲は０〜３００ｍｍである。スレーブキャスタ１００はスレーブベース１０を手動で押すことにより回転され、電動ピラー１０２はコントローラ１０３を介して接続されたペンダント（図示せず）の操作により昇降動作される。 In FIG. 1, a slave caster 100 and a slave adjuster pad 101 are provided below the slave base 10 of the slave manipulator 1, and an electric pillar 102 is provided above the slave base 10. The shape of the slave base 10 is a square having a width of 500 mm and a depth of 500 mm. The lift range of the electric pillar 102 is 0 to 300 mm. The slave caster 100 is rotated by manually pushing the slave base 10, and the electric pillar 102 is moved up and down by operating a pendant (not shown) connected via the controller 103.

電動ピラー１０２の上部には、鉗子用及び並進軸用の遠隔直動部１１ａ、１１ｂが設けられている。遠隔直動部１１ａ、１１ｂは、電動ピラー１０２の上部両側に露出して設置されている。遠隔直動部１１ａ、１１ｂには、鉗子用に３つ、並進用に１つ、合計４つのリニアモータ１１０ａ〜１１０ｄおよびこれらのリニアモータ１１０ａ〜１１０ｄに取り付けられたリニアエンコーダ１１１ａ〜１１１ｄが配置されている。リニアモータ１１０ａ〜１１０ｄの定格推力と可動範囲は、鉗子用が定格推力２０Ｎ、可動範囲±５０ｍｍであり、並進用が定格推力１０Ｎ、可動範囲±１００ｍｍである、リニアエンコーダ１１１ａ〜１１１ｄの分解能は、鉗子用と並進用共に、４逓倍後に０．１μｍである。 On the upper part of the electric pillar 102, remote linear motion portions 11a and 11b for forceps and a translation shaft are provided. The remote linear motion portions 11a and 11b are disposed so as to be exposed on both upper sides of the electric pillar 102. In the remote linear motion portions 11a and 11b, three linear motors 110a to 110d and three linear encoders 111a to 111d attached to these linear motors 110a to 110d are arranged, three for forceps and one for translation. ing. The rated thrust and the movable range of the linear motors 110a to 110d are as follows. The resolution of the linear encoders 111a to 111d is 20N for the forceps and the movable range ± 50 mm, and the rated thrust is 10N for the translation and the movable range ± 100 mm. It is 0.1 μm after quadrupling for both forceps and translation.

遠隔直動部１１ａ、１１ｂの４軸は力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御で動作する。各リニアモータ１１０ａ〜１１０ｄには、安全性を高めるために電磁ブレーキ１１８ａ〜１１８ｄが設けられている。電磁ブレーキ１１８ａ〜１１８ｄは、通電時に開放するソレノイド式で、保持力は５０Ｎである。各リニアモータ１１０ａ〜１１０ｄには、コントロールケーブル１１２ａ〜１１２ｄの一側が接続されている。 The four axes of the remote linear motion units 11a and 11b operate by master / slave control having force feedback. The linear motors 110a to 110d are provided with electromagnetic brakes 118a to 118d in order to increase safety. The electromagnetic brakes 118a to 118d are solenoid types that are opened when energized, and the holding force is 50N. One side of the control cables 112a to 112d is connected to each of the linear motors 110a to 110d.

図２は遠隔直動部１１ａの斜視図である。コントロールケーブル１１２ｃ、１１２ｄは、インナーとしてのワイヤ１１３ｃ、１１３ｄと、アウターとしてのチューブ１１４ｃ、１１４ｄとで構成されている。リニアモータ１１０ｃ、１１０ｄの可動部にワイヤ１１３ｃ、１１３ｄの一端が取付けられ、リニアモータ１１０ｃ、１１０ｄの前後動作の動力がワイヤ１１３ｃ、１１３ｄの他端に伝達される。ワイヤ１１３ｃとチューブ１１４ｃの他端は、後述する図４の鉗子着脱部１６に接続されている。 FIG. 2 is a perspective view of the remote linear motion portion 11a. The control cables 112c and 112d are configured by wires 113c and 113d as inner and tubes 114c and 114d as outer. One ends of the wires 113c and 113d are attached to the movable parts of the linear motors 110c and 110d, and the power of the longitudinal motion of the linear motors 110c and 110d is transmitted to the other ends of the wires 113c and 113d. The other ends of the wire 113c and the tube 114c are connected to a forceps attaching / detaching portion 16 of FIG.

ワイヤ１１３ｃ、１１３ｄは外径１．８ｍｍで、素線径０．３６ｍｍのステンレス細線を１９本撚った構造である。ワイヤ１１３ｃ、１１３ｄは切断強度３５００Ｎの強度を持つ。チューブ１１４ｃ、１１４ｄは、内径２．０ｍｍ、外径５．０ｍｍで、平線をコイル状に巻き、内側を滑り性に優れた弗素樹脂、外側を塩化ビニールで被覆している。ワイヤ１１３ｃ、１１３ｄの外径とチューブ１１４ｃ、１１４ｄの内径の差としての空隙は、公差を考慮した０．２ｍｍである。空隙の間隔は、駆動力伝達時のワイヤ座屈に伴う伝達動力と伝達時間のロスに影響するので、できるだけ小さいことが望ましい。また、コントロールケーブル１１２ｃ〜１１２ｄは、複数本束ねて使用しても良い。 The wires 113c and 113d have a structure in which 19 stainless fine wires having an outer diameter of 1.8 mm and an element wire diameter of 0.36 mm are twisted. The wires 113c and 113d have a cutting strength of 3500N. The tubes 114c and 114d have an inner diameter of 2.0 mm and an outer diameter of 5.0 mm, a flat wire is wound in a coil shape, the inner side is covered with a fluorine resin excellent in slipperiness, and the outer side is covered with vinyl chloride. The gap as the difference between the outer diameters of the wires 113c and 113d and the inner diameters of the tubes 114c and 114d is 0.2 mm considering the tolerance. It is desirable that the gap interval be as small as possible because it affects transmission power and transmission time loss associated with wire buckling during driving force transmission. Further, a plurality of control cables 112c to 112d may be bundled and used.

図３は遠隔直動部１１ｂの斜視図である。コントロールケーブル１１２ａ、１１２ｂは、インナーとしてのワイヤ１１３ａ、１１３ｂと、アウターとしてのチューブ１１４ａ、１１４ｂで構成されている。リニアモータ１１０ａ、１１０ｂの可動部にワイヤ１１３ａ、１１３ｂの一端が取付けられ、リニアモータ１１０ａ、１１０ｂの前後動作の動力がワイヤ１１３ａ、１１３ｂの他端に伝達される。ワイヤ１１３ａ、１１３ｂとチューブ１１４ａ、１１４ｂの他端は、後述する図４の鉗子着脱部１６に接続されている。 FIG. 3 is a perspective view of the remote linear motion portion 11b. The control cables 112a and 112b are configured by wires 113a and 113b as inner and tubes 114a and 114b as outer. One ends of the wires 113a and 113b are attached to the movable parts of the linear motors 110a and 110b, and the power of the longitudinal motion of the linear motors 110a and 110b is transmitted to the other ends of the wires 113a and 113b. The other ends of the wires 113a and 113b and the tubes 114a and 114b are connected to a forceps attaching / detaching portion 16 of FIG. 4 to be described later.

ワイヤ１１３ａ、１１３ｂの外径、素線径、構造、強度は、ワイヤ１１３ｃ、１１３ｄと同様である、チューブ１１４ａ、１１４ｂの内径、外径、構造、被覆は、チューブ１１４ｃ、１１４ｄと同様である。ワイヤ１１３ａ、１１３ｂの外径とチューブ１１４ａ、１１４ｂの内径の差としての空隙等も同様である。また、コントロールケーブル１１２ａ、１１２ｂは、複数本束ねて使用しても良い。 The outer diameter, strand diameter, structure and strength of the wires 113a and 113b are the same as those of the wires 113c and 113d. The inner diameter, outer diameter, structure and covering of the tubes 114a and 114b are the same as those of the tubes 114c and 114d. The same applies to the gap as the difference between the outer diameters of the wires 113a and 113b and the inner diameters of the tubes 114a and 114b. Further, a plurality of control cables 112a and 112b may be bundled and used.

図１に示すように、遠隔直動部１１ａ、１１ｂの上面には、門型の支柱１１９を介してジンバル部１２が設けられている。ジンバル部１２には、ピッチ軸１２０とヨー軸１２１の回転モータ１２２ａ〜１２２ｂおよび回転エンコーダ１２３ａ〜１２３ｂと、ヨー軸バランスウエイト１２４が配置されている。回転モータ１２２ａ〜１２２ｂは、ギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、その定格トルクが１．４Ｎｍである。回転エンコーダ１２３ａ〜１２３ｂの分解能は４逓倍後に３２４０００ｐｐｒである。 As shown in FIG. 1, a gimbal portion 12 is provided on the upper surfaces of the remote linear motion portions 11 a and 11 b via a gate-shaped column 119. In the gimbal portion 12, the rotation motors 122a to 122b and the rotation encoders 123a to 123b of the pitch axis 120 and the yaw axis 121, and the yaw axis balance weight 124 are arranged. The rotary motors 122a to 122b are constituted by gearless direct drive motors, and their rated torque is 1.4 Nm. The resolution of the rotary encoders 123a to 123b is 324000ppr after being multiplied by 4.

ピッチ軸１２０の回転範囲は±６０°、ヨー軸１２１の回転範囲は±４５°である。ピッチ軸１２０とヨー軸１２１は力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御で動作される。各回転モータ１２２ａ〜１２２ｂには、安全性を高めるために電磁ブレーキ１２５ａ〜１２５ｂが設けられている。電磁ブレーキ１２５ａ〜１２５ｂは、通電時に開放するソレノイド式で構成され、その保持トルクが２Ｎｍである。ヨー軸バランスウエイト１２４は、対向するヨー軸１２１の回転モータ１２２ｂおよび回転エンコーダ１２３ｂと電磁ブレーキ１２５ｂの質量を補償する。 The rotation range of the pitch axis 120 is ± 60 °, and the rotation range of the yaw axis 121 is ± 45 °. The pitch axis 120 and the yaw axis 121 are operated by master / slave control having force feedback. Each rotary motor 122a-122b is provided with electromagnetic brakes 125a-125b to enhance safety. The electromagnetic brakes 125a to 125b are configured as solenoids that are opened when energized, and the holding torque thereof is 2 Nm. The yaw axis balance weight 124 compensates for the masses of the rotary motor 122b, the rotary encoder 123b, and the electromagnetic brake 125b of the yaw shaft 121 facing each other.

ジンバル部１２のヨー軸１２１の先には、平行リンク１３が設けられている。平行リンク１３は、長尺部分１３０ａと短尺部分１３１ａ、長尺部分１３０ｂと短尺部分１３１ｂからなる２対の平行リンクで構成されている。例えば、長尺部分１３０ｂの長さは５８０ｍｍ、短尺部分１３１ｂの長さは１１０ｍｍであり、長尺と短尺の比は約５：１である。 A parallel link 13 is provided at the tip of the yaw axis 121 of the gimbal portion 12. The parallel link 13 is composed of two pairs of parallel links including a long portion 130a and a short portion 131a, and a long portion 130b and a short portion 131b. For example, the length of the long portion 130b is 580 mm, the length of the short portion 131b is 110 mm, and the ratio of the long length to the short length is about 5: 1.

ジンバル部１２の下方にある短尺部分１３１ｂの先端には、平行リンク１３のバランスをとる固定バランスウエイト１３２が配置されている。固定バランスウエイト１３２は、平行リンク１３上方の質量と長尺部分１３０の先端質量を補償する。さらに、ピッチ軸１２０とヨー軸１２１の電磁ブレーキ１２５ａ、１２５ｂを開放して軸が自由回転状態の時、平行リンクが必ず上方に位置するよう、補償質量以上の質量を与えて安全性を高めている。また、固定バランスウエイト１３２は取り付け位置と重量を細かく変更できる機構を設けてある。 A fixed balance weight 132 that balances the parallel link 13 is disposed at the tip of the short portion 131 b below the gimbal portion 12. The fixed balance weight 132 compensates for the mass above the parallel link 13 and the tip mass of the long portion 130. In addition, when the electromagnetic brakes 125a and 125b of the pitch shaft 120 and the yaw shaft 121 are opened and the shaft is in a free rotation state, a mass more than the compensation mass is given to increase safety so that the parallel link is always positioned upward. Yes. The fixed balance weight 132 is provided with a mechanism that can finely change the attachment position and weight.

平行リンク１３の長尺部分１３０ｂの先端には、並進軸１４が設けられている。並進軸１４には、遠隔直動部１ｌａの並進用のリニアモータ１１０ｄに繋がるコントロールケーブル１１２ｄの他端が配置されている、コントロールケーブル１１２ｄのインナーとしてのワイヤ１１３ｄは、並進スライド部１４１に取付けられている。遠隔直動部１１ａに配置した並進用のリニアモータ１１０ｄの動力は、コントロールケーブル１１２ｄを介して、並進スライド部１４１に伝わる。並進スライド部１４１の動作範囲は、±８０ｍｍである。 A translation shaft 14 is provided at the tip of the long portion 130 b of the parallel link 13. On the translation shaft 14, the other end of the control cable 112d connected to the linear motor 110d for translation of the remote translation unit 1la is disposed. A wire 113d as an inner part of the control cable 112d is attached to the translation slide unit 141. ing. The power of the linear motor 110d for translation arranged in the remote linear motion part 11a is transmitted to the translation slide part 141 via the control cable 112d. The operation range of the translation slide part 141 is ± 80 mm.

並進軸１４の背面には、ベルト１４２を介して、可動バランスウエイト１４３が配置されている。可動バランスウエイト１４３は、並進スライド部１４１の前面に設けるロール軸１５周りの質量を補償する。さらに、可動バランスウエイト１４３は、並進用のリニアモータｌ１０ｄの電磁ブレーキ１１８ｄを開放して並進軸１４が自由スライド状態の時、並進スライド部１４１が必ず上方に位置するよう、補償質量以上の質量を与えて安全性を高めている。 A movable balance weight 143 is disposed on the back surface of the translation shaft 14 via a belt 142. The movable balance weight 143 compensates for the mass around the roll shaft 15 provided on the front surface of the translation slide portion 141. Further, the movable balance weight 143 has a mass more than the compensation mass so that the translational slide part 141 is always located above when the electromagnetic brake 118d of the translational linear motor l10d is released and the translational shaft 14 is in a free sliding state. To increase safety.

ロール軸１５には、回転モータ１５０および回転エンコーダ１５１が配置されている。回転モータ１５０は、ギアレスのダイレクトドライブモータで構成され、その定格トルクが０．２Ｎｍである。回転エンコーダ１５１の分解能は４逓倍後に３２４０００ｐｐｒである。ロール軸１５の回転範囲は±１８００である。ロール軸１５は力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御で動作される。回転モータ１５０には、安全性を高めるために電磁ブレーキ１５２が設けられている。電磁ブレーキ１５２は、通電時に開放するソレノイド式で構成され、その保持トルクが０．４Ｎｍである。 A rotation motor 150 and a rotation encoder 151 are disposed on the roll shaft 15. The rotary motor 150 is constituted by a gearless direct drive motor, and its rated torque is 0.2 Nm. The resolution of the rotary encoder 151 is 324000ppr after quadruple multiplication. The rotation range of the roll shaft 15 is ± 1800. The roll shaft 15 is operated by master / slave control having force feedback. The rotary motor 150 is provided with an electromagnetic brake 152 to enhance safety. The electromagnetic brake 152 is configured as a solenoid that opens when energized, and the holding torque is 0.4 Nm.

図４はスレーブマニピュレータ装置１の鉗子着脱部１６の斜視図である。ロール軸１５の先には、鉗子着脱部１６が設けられている。鉗子着脱部１６には、遠隔直動部１１ａ、１１ｂの鉗子用の３つのリニアモータ１１０ａ〜１１０ｃに繋がるコントロールケーブル１１２ａ〜１１２ｃの他端が配置されている。コントロールケーブル１１２ａ〜１１２ｃのインナーとしてのワイヤ１１３ａ〜１１３ｃの他端は、鉗子着脱部１６に設けられた３つのスライド部１６０〜１６２に各々取付けられている。遠隔直動部１１ａ、１１ｂに配置した鉗子用のリニアモータ１１０ａ〜１１０ｃの動力は、コントロールケーブル１１２ａ〜１１０ｃを介して、スライド部１６０〜１６２に伝わる。スライド部１６０〜１６２の動作範囲は、±４ｍｍである。 FIG. 4 is a perspective view of the forceps attaching / detaching portion 16 of the slave manipulator device 1. A forceps attaching / detaching portion 16 is provided at the tip of the roll shaft 15. In the forceps attaching / detaching portion 16, the other ends of the control cables 112a to 112c connected to the three linear motors 110a to 110c for the forceps of the remote linear motion portions 11a and 11b are arranged. The other ends of the wires 113a to 113c as inner portions of the control cables 112a to 112c are respectively attached to three slide portions 160 to 162 provided on the forceps attaching / detaching portion 16. The power of the forceps linear motors 110a to 110c arranged in the remote linear motion portions 11a and 11b is transmitted to the slide portions 160 to 162 via the control cables 112a to 110c. The operation range of the slide portions 160 to 162 is ± 4 mm.

鉗子着脱部１６の着脱面には、鉗子１７に対する位置合せのピン嵌め部１６３が一対設けられ、安全機構の磁石１６４が４箇所設けられている。磁石１６４は、外径６ｍｍ、長さ８ｍｍの耐熱性に優れた希土類サマリウムコバルトで構成され、その吸着力が７Ｎである。磁石１６４の吸着力の合計は４倍の２８Ｎとなり、鉗子１７の先端に３Ｎ以上の外力がかかると着脱面の鉗子１７が外れる。ピン嵌め部１６３は鉗子１７のノックピンとの嵌め合いであり、安全機構が働いても体内への鉗子１７の脱落はない、
鉗子着脱部１６には、鉗子１７が接続されている。鉗子１７の外径は５ｍｍ、長さは３５０ｍｍで、ジンバル部１２のピッチ軸１２０の延長線上に仮想ピボット点１７０が設けられている。鉗子１７の駆動機構は、鉗子着脱部１６に設けたスライド部１６０〜１６２の直線運動の動力を伝達する機構であれば、ラック・ピニオン機構やロッド機構など、自由に設計できる。鉗子先端１７１での動作範囲は、湾曲２方向と開閉１方向の３軸が全て±９０°である。鉗子１７を構成する材料は、オートクレープ滅菌に対応できるように、金属など耐熱性に優れた部材が用いられる。鉗子着脱部１６と着脱する鉗子１７の接続面には、同様にサマリウムコバルト磁石が設けられている。鉗子１７の磁石は耐熱性に優れており、オートクレープ滅菌可能である。鉗子１７以外はドレープで覆い、滅菌性を確保する。 On the attachment / detachment surface of the forceps attaching / detaching portion 16, a pair of pin fitting portions 163 for alignment with the forceps 17 are provided, and four magnets 164 of the safety mechanism are provided. The magnet 164 is made of rare earth samarium cobalt having an outer diameter of 6 mm and a length of 8 mm and having excellent heat resistance, and has an adsorption force of 7N. The total attracting force of the magnet 164 is four times 28N, and when an external force of 3N or more is applied to the tip of the forceps 17, the forceps 17 on the attachment / detachment surface is detached. The pin fitting portion 163 is a fitting with the knock pin of the forceps 17, and the forceps 17 does not drop into the body even when the safety mechanism is activated.
A forceps 17 is connected to the forceps attaching / detaching portion 16. The forceps 17 has an outer diameter of 5 mm and a length of 350 mm, and a virtual pivot point 170 is provided on the extended line of the pitch shaft 120 of the gimbal portion 12. The driving mechanism of the forceps 17 can be freely designed such as a rack and pinion mechanism or a rod mechanism as long as it is a mechanism that transmits the power of linear motion of the slide portions 160 to 162 provided in the forceps attaching / detaching portion 16. The operation range of the forceps tip 171 is ± 90 ° for all three axes of the two bending directions and the opening and closing direction. As the material constituting the forceps 17, a member having excellent heat resistance such as metal is used so as to be compatible with autoclave sterilization. Similarly, a samarium cobalt magnet is provided on the connection surface between the forceps attaching / detaching portion 16 and the forceps 17 attaching / detaching. The magnet of the forceps 17 has excellent heat resistance and can be autoclaved. Cover all but the forceps 17 with a drape to ensure sterility.

スレーブマニピュレータ装置１のベッドサイドの初期位置決め、すなわち鉗子１７を挿入する患者腹腔直上のピボット点１７０決めは、キャスタ１００で床面すなわちｘｙ平面内を決め、電動ピラー１０２で昇降すなわちｚ軸高さを決める。ピボット点１７０はジンバル１２と平行リンク１３で機構的に構成する。力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御での動作は、並進軸１４、ピッチ軸１２０、ヨー軸１２１、ロール軸１５、および鉗子１７の湾曲２軸、開閉１軸の合計７軸である。可動範囲は、並進軸１４が土８０ｍｍ、ピッチ軸１２０が±６０°、ヨー軸１２１が±４５°、ロール軸１５が±１８０°、鉗子先端１７１の湾曲２軸と開閉１軸が全て±９０°である。鉗子先端１７１における各軸の定格作用力は、並進軸１４が１０Ｎ、ピッチ軸１２０とヨー軸１２１が２．３Ｎ、ロール軸１５が４Ｎ、湾曲２軸が８Ｎ、開閉１軸が４Ｎである。全高は１６５０〜１８５０ｍｍである。 The initial positioning of the bedside of the slave manipulator device 1, that is, the determination of the pivot point 170 immediately above the patient's abdominal cavity where the forceps 17 is inserted, determines the floor surface, that is, the xy plane by the caster 100, and raises / lowers the z axis height by the electric pillar 102 Decide. The pivot point 170 is mechanically constituted by the gimbal 12 and the parallel link 13. The operation in the master / slave control having force feedback is a total of seven axes including the translation axis 14, the pitch axis 120, the yaw axis 121, the roll axis 15, and the two bending axes of the forceps 17 and one opening / closing axis. The movable range is such that the translation shaft 14 is soil 80 mm, the pitch shaft 120 is ± 60 °, the yaw shaft 121 is ± 45 °, the roll shaft 15 is ± 180 °, and the two curved axes of the forceps tip 171 and the open / close axis are all ± 90. °. The rated acting force of each axis at the forceps tip 171 is 10N for the translation axis 14, 2.3N for the pitch axis 120 and yaw axis 121, 4N for the roll axis 15, 8N for the curved axis 2 and 4N for the open / close axis. The total height is 1650-1850 mm.

図５はマスタマニピュレータ装置２の斜視図である。ベース２０の下部にはキャスタ２００が設けられている。マスタマニピュレータ装置２には、スレーブマニピュレータ装置１にある電動ピラー１０２とコントローラ１０３は設けない。 FIG. 5 is a perspective view of the master manipulator device 2. A caster 200 is provided below the base 20. The master manipulator device 2 is not provided with the electric pillar 102 and the controller 103 in the slave manipulator device 1.

ベース２０の後方には、手元操作と並進の遠隔直動部２１が設けられている。遠隔直動部２１の構成は、コントロールケーブル２１２ａ〜２１２ｄを含め、スレーブマニピュレータ装置１と同様である。 On the rear side of the base 20, a remote direct-acting part 21 for hand operation and translation is provided. The configuration of the remote linear motion unit 21 is the same as that of the slave manipulator device 1 including the control cables 212a to 212d.

ベース２０の上面には、門型の支柱２１９を介してジンバル部２２が設けられている。ジンバル部２２の構成は、スレーブマニピュレータ装置１と同様である、
ジンバル部２２のヨー軸２２１の先には、平行リンク２３が設けられている。平行リンク２３は、長尺部分２３０ａと短尺部分２３１ａ、長尺部分２３０ｂと短尺部分３１ｂからなる２対の平行リンクで構成されている。ジンバル部２２の上方にある短尺部分２３１ｂの先端には、平行リンク２３のバランスをとる固定バランスウエイト２３２が配置されている。その他の平行リンク２３の構成は、長尺部分２３０の先端に設ける並進軸２４と、並進スライド部２４１上面に設けるロール軸２５を含め、スレーブマニピュレータ装置１と同様である。 A gimbal portion 22 is provided on the upper surface of the base 20 via a gate-shaped column 219. The configuration of the gimbal portion 22 is the same as that of the slave manipulator device 1.
A parallel link 23 is provided at the tip of the yaw axis 221 of the gimbal portion 22. The parallel link 23 is composed of two pairs of parallel links including a long portion 230a and a short portion 231a, and a long portion 230b and a short portion 31b. A fixed balance weight 232 that balances the parallel link 23 is disposed at the tip of the short portion 231 b above the gimbal portion 22. Other configurations of the parallel link 23 are the same as those of the slave manipulator device 1 including the translation shaft 24 provided at the distal end of the long portion 230 and the roll shaft 25 provided on the upper surface of the translation slide portion 241.

ロール軸２５の先には、鉗子着脱部１６と同様の着脱部を介して手元操作部２７が設けられている。ジンバル部２２のピッチ軸２２０の延長線上に仮想ピボット点２７０が設けられている。手元操作部２７には、遠隔直動部２１の手元操作用の３つのリニアモータ２１０ａ〜２１０ｃに繋がるコントロールケーブル２１２ａ〜２１２ｃの他端が繋がれている。遠隔直動部２１に配置したリニアモータ２１０ａ〜２１０ｃの動力は、コントロールケーブル２１２ａ〜２１２ｃを介して伝達される。スライド部の動作範囲は、±６ｍｍである。手元操作部２７の機構は、スライド部の直線運動の動力を伝達する機構であれば、ラック・ピニオン機構やロッド機構など、自由に設計できる。ここでは、腹腔外操作塑の形状としているが、腹腔内操作型の形状も可能である。 At the tip of the roll shaft 25, a hand operating part 27 is provided via an attaching / detaching part similar to the forceps attaching / detaching part 16. A virtual pivot point 270 is provided on the extended line of the pitch axis 220 of the gimbal portion 22. The hand operation unit 27 is connected to the other ends of control cables 212a to 212c connected to the three linear motors 210a to 210c for hand operation of the remote linear motion unit 21. The power of the linear motors 210a to 210c arranged in the remote linear motion unit 21 is transmitted via the control cables 212a to 212c. The operating range of the slide part is ± 6 mm. The mechanism of the hand operating section 27 can be freely designed such as a rack and pinion mechanism or a rod mechanism as long as it is a mechanism that transmits the power of linear motion of the slide section. Here, an extra-abdominal operation plastic shape is used, but an intra-abdominal operation type shape is also possible.

マスタマニピュレータ装置２の初期位置決め、すなわち術者に応じたイニシャルポジション決めは、キャスタ２００で床面すなわちｘｙ平面内のみを決める。ｚ軸高さは、術者が座る図示しない椅子の昇降機能で決める。ピッチ軸２２０を４５°回転した時、手元操作部２７付け根のロール軸２５までの高さは７００ｍｍであり、一般的な事務机の高さと同じである。術者は机上でペンを動かす感覚の延長で操作できる。椅子に肘置きを備えると、長時間の操作にも対応できる。 The initial positioning of the master manipulator device 2, that is, the initial position determination according to the operator, is determined only by the caster 200 within the floor surface, that is, the xy plane. The z-axis height is determined by the lifting function of a chair (not shown) on which the operator sits. When the pitch shaft 220 is rotated by 45 °, the height of the hand operation unit 27 root to the roll shaft 25 is 700 mm, which is the same as the height of a general office desk. The surgeon can operate by extending the sense of moving the pen on the desk. If the chair is equipped with an elbow rest, it can be used for a long time.

マスタ・スレーブ制御での動作は、並進軸２４、ピッチ軸２２０、ヨー軸２２１、ロール軸２５、および手元操作部２７の湾曲２軸、開閉１軸の合計７軸である。可動範囲は、並進軸２４が±８０ｍｍ、ピッチ軸２２０が±６０°、ヨー軸２２１が±４５°、ロール軸２５が±１８０°、手元操作部２７の湾曲２軸と開閉１軸が全て±３０°である。手元操作部２７における各軸の定格作用力は、並進軸２４が１０Ｎ、ピッチ軸２２０とヨー軸２２１が２．３Ｎ、ロール軸２５が４Ｎ、湾曲２軸が２０Ｎ、開閉１軸が４Ｎである。全高は９２０〜１０８０ｍｍである。また、制御上で行う手先の震え防止のフィルタリング機能、スレーブマニピュレータ装置１との動作範囲の関係を変化できるスケーリング機能に対応できる機構である、
図６は力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御のブロック線図である。制御ブロック線図は、加速度合成部３１、位置制御部３２、操作力制御部３３、マスタマニピュレータ３４、スレーブマニピュレータ３５、マスタ側反力オブザーバ３６、スレーブ側反力オブザーバ３７の７ブロックを持つ。また、制御ブロック線図は、マニピュレータ３４、３５のエンコーダ値から算出されるマスタ位置信号Ｘｍとスレーブ位置信号Ｘｓ、反力オブザーバ３６、３７から各々算出されるマスタ操作力信号Ｆｍとスレーブ操作力信号Ｆｓ、位置制御部３２から算出されるマスタ側位置の加速度参照値Ａｐｍとスレーブ側位置の加速度参照値Ａｐｓ、操作力制御部３３から算出されるマスタ側操作力の加速度参照値Ａｆｍとスレーブ側操作力の加速度参照値Ａｆｓ、加速度合成部から算出され各マニピュレータのモータ駆動信号となるマスタ側の加速度指令信号Ａｍ、スレーブ側の加速度指令信号Ａｓの１０信号を持つ。 The operation in the master / slave control is a total of seven axes including the translation axis 24, the pitch axis 220, the yaw axis 221, the roll axis 25, the curved two axes of the hand operation unit 27, and the opening / closing axis. The movable range is ± 80 mm for the translation axis 24, ± 60 ° for the pitch axis 220, ± 45 ° for the yaw axis 221, ± 180 ° for the roll axis 25, and ± 2 for the two curved axes and one open / close axis of the hand operating unit 27. 30 °. The rated acting force of each axis in the hand operation unit 27 is 10N for the translation axis 24, 2.3N for the pitch axis 220 and the yaw axis 221, 4N for the roll axis 25, 20N for the two curved axes, and 4N for the open / close axis. . The total height is 920-1080 mm. In addition, it is a mechanism that can support a filtering function for preventing trembling of the hand performed on the control and a scaling function that can change the relationship of the operation range with the slave manipulator device 1.
FIG. 6 is a block diagram of master / slave control with force feedback. The control block diagram has seven blocks of an acceleration synthesizer 31, a position controller 32, an operating force controller 33, a master manipulator 34, a slave manipulator 35, a master side reaction force observer 36, and a slave side reaction force observer 37. The control block diagram shows the master position signal Xm and slave position signal Xs calculated from the encoder values of the manipulators 34 and 35, and the master operation force signal Fm and slave operation force signal calculated from the reaction force observers 36 and 37, respectively. Fs, acceleration reference value Apm of the master side position calculated from the position control unit 32 and acceleration reference value Aps of the slave side position, acceleration reference value Afm of the master side operating force calculated from the operating force control unit 33, and slave side operation The force acceleration reference value Afs, the master side acceleration command signal Am and the slave side acceleration command signal As, which are calculated from the acceleration synthesizer and serve as motor drive signals for each manipulator.

マスタマニピュレータ３４は、加速度指令信号Ａｍの入力を受け、各軸の動作量として位置信号Ｘｍを出力する。スレーブマニピュレータ３５も同様に、加速度指令信号Ａｓの入力を受け、位置信号Ｘｓを出力する。 The master manipulator 34 receives the acceleration command signal Am and outputs a position signal Xm as an operation amount of each axis. Similarly, the slave manipulator 35 receives the acceleration command signal As and outputs a position signal Xs.

マスタ側の反力オブザーバ３６は、位署信号Ｘｍと加速度指令信号Ａｍの入力を受け、マスタマニピュレータに発生する静１ト摩擦と動摩擦、弾性、粘性、慣性を算出し、差として導出される操作力信号Ｆｍを出力する。スレーブ側の反力オブザーバ３７も同様に、位置信号Ｘｓと加速度指令信号Ａｓの入力を受け、操作力信号Ｆｓを出力する。 The master side reaction observer 36 receives the position signal Xm and the acceleration command signal Am, calculates the static friction and dynamic friction, elasticity, viscosity, and inertia generated in the master manipulator, and derives the difference as an operation. The force signal Fm is output. Similarly, the reaction force observer 37 on the slave side receives the position signal Xs and the acceleration command signal As and outputs the operation force signal Fs.

位置制御部３２は、マスタ位置信号Ｘｍとスレーブ位置信号Ｘｓの入力を受け、各マニピュレータ３４、３５の位置偏差を縮めるための差信号を算出し、マスタ側位置の加速度参照値Ａｐｍとスレーブ側位置の加速度参照値Ａｐｓを加速度合成部３１に出力する。 The position control unit 32 receives the input of the master position signal Xm and the slave position signal Xs, calculates a difference signal for reducing the position deviation of each manipulator 34, 35, and calculates the acceleration reference value Apm of the master side position and the slave side position. The acceleration reference value Aps is output to the acceleration synthesizer 31.

操作力制御部３３は、マスタ操作力信号Ｆｍとスレーブ操作力信号Ｆｓの入力を受け、作用反作用の関係にある各マニピュレータ３４、３５への外力偏差を縮めるための和信号を算出し、マスタ側操作力の加速度参照値Ａｆｍとスレーブ側操作力の加速度参照値Ａｆｓを加速度合成部３１に出力する。 The operating force control unit 33 receives the master operating force signal Fm and the slave operating force signal Fs, calculates a sum signal for reducing the external force deviation to each of the manipulators 34 and 35 in the action-reaction relationship, The acceleration reference value Afm of the operation force and the acceleration reference value Afs of the slave side operation force are output to the acceleration composition unit 31.

加速度合成部３１は、マスタ側について、位置の加速度参照値Ａｐｍと操作力の加速度参照値Ａｆｍの入力を受け、モータ駆動信号としての加速度指令信号Ａｍを出力する。スレーブ側についても同様に、位置の加速度参照値Ａｐｓと操作力の加速度参照値Ａｆｓの入力を受け、モータ駆動信号としての加速度指令信号Ａｓを出力する。 On the master side, the acceleration synthesizer 31 receives the position acceleration reference value Apm and the operation force acceleration reference value Afm, and outputs an acceleration command signal Am as a motor drive signal. Similarly, the slave side receives the position acceleration reference value Aps and the operating force acceleration reference value Afs, and outputs an acceleration command signal As as a motor drive signal.

本制御方式は、マニピュレータ３４、３５の各軸に対応した双方向性を持つ。マニピュレータ３４、３５の軸数が増えると、ソフトウエア制御では計算時間が増す。これにより、周波数帯域を上げることが難しい場合は、ＦＰＧＡを用いてハードウエアによる制御を行うことにより、計算時間を高速化する。これにより、数百Ｈｚ帯域の力覚感度を得ることができ、マスタ・スレーブ制御の多自由度マニピュレータを制御できる。 This control method has bidirectionality corresponding to each axis of the manipulators 34 and 35. As the number of axes of the manipulators 34 and 35 increases, calculation time increases in software control. As a result, when it is difficult to increase the frequency band, the calculation time is increased by performing control by hardware using an FPGA. As a result, force sensitivity in the band of several hundred Hz can be obtained, and a master / slave control multi-degree-of-freedom manipulator can be controlled.

本実施形態によれば、簡便な高圧高温蒸気のオートクレーブ滅菌で術具の滅菌を可能としつつ、多自由度マニピュレータにおける高帯域の力覚をフィードバックできるマスタ・スレーブ制御のマニピュレータ装置を提供することができる。すなわち、術具を信頼性の高い機械部品のみで構築し、アクチュエータにマスタマニピュレータの内界センサを用いた制御系で数百Ｈｚ帯域の力覚感度を得られる、マスタ・スレーブ制御の多自由度マニピュレータ装置を提供することができる。また、術具と操作部は種々の交換が可能であり、使い勝手が向上すると共に、力フィードバック制御に機構のガタが影響しないので、系の安定性が高い。 According to the present embodiment, it is possible to provide a master / slave control manipulator device capable of feeding back a high-frequency force sense in a multi-degree-of-freedom manipulator while enabling sterilization of a surgical instrument by simple autoclave sterilization of high-pressure and high-temperature steam. it can. In other words, a multi-degree of freedom for master / slave control, in which a surgical instrument is constructed only with highly reliable mechanical parts, and a force sensitivity in the hundreds of Hz band can be obtained with a control system that uses the inner world sensor of the master manipulator as the actuator. A manipulator device can be provided. In addition, the surgical tool and the operation unit can be exchanged in various ways, so that the usability is improved and the backlash of the mechanism does not affect the force feedback control, so that the stability of the system is high.

また、種々の術具と操作部を扱うために、分離結合可能な接合部を設けることで、手技と術者に応じた交換が可能になる。安定性を高めるために、固定バランサと可動バランサを使い分けることで、重心の調贅が容易になる。安全性を高めるために、アクチュエータに電磁ブレーキを備えることで、非常停止時や制御動作時以外の状態保持が可能になる。さらに慣性の低減を行うため、リニアアクチュエータ周りのコンポーネントを全て本体とは別のユニットにして外置きとするスリム化を図ることで、制御の応答性、さらにはメンテナンス性が向上する。 In addition, in order to handle various surgical tools and operation units, by providing a joint portion that can be separated and coupled, exchange according to the procedure and the operator becomes possible. In order to enhance the stability, it is easy to adjust the center of gravity by using a fixed balancer and a movable balancer. In order to improve safety, an electromagnetic brake is provided in the actuator, so that it is possible to maintain a state other than during emergency stop or control operation. Furthermore, in order to further reduce the inertia, all components around the linear actuator are separated from the main unit so as to be placed outside, thereby improving control responsiveness and maintenance.

本発明の一実施形態のマニピュレータ装置におけるスレーブマニピュレータの斜視図である。It is a perspective view of a slave manipulator in a manipulator device of one embodiment of the present invention. 図１のスレーブマニピュレータの遠隔直動部の斜視図である。It is a perspective view of the remote linear motion part of the slave manipulator of FIG. 図１のスレーブマニピュレータの別の遠隔直動部の斜視図である。It is a perspective view of another remote linear motion part of the slave manipulator of FIG. 図１のスレーブマニピュレータの鉗子着脱部の斜視図である。It is a perspective view of the forceps attachment / detachment part of the slave manipulator of FIG. 本発明の一実施形態のマニピュレータ装置におけるマスタマニピュレータの斜視図である。It is a perspective view of the master manipulator in the manipulator device of one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態のマニピュレータ装置における力覚フィードバックを有するマスタ・スレーブ制御のブロック線図である。It is a block diagram of master / slave control with force feedback in the manipulator device of one embodiment of the present invention.

Explanation of symbols

１…スレーブマニピュレータ、２…マスタマニピュレータ、３…制御装置、１０…ベース、１１ａ、１１ｂ…遠隔直動部、１２…ジンバル部、１３…平行リンク、１４…並進軸、１５…ロール軸、１６…鉗子着脱部、１７…鉗子、２０…ベース、２１…遠隔直動部、２２…ジンバル部、２３…平行リンク、２４…並進軸、２５…ロール軸、２７…手元操作部、３１…加速度合成部、３２…位置制御部、３３…操作力制御部、３４…マスタマニピュレータ、３５…スレーブマニピュレータ、３６…マスタ側反力オブザーバ、３７…スレーブ側反力オブザーバ、１００…キャスタ、１０１…アジャスタパッド、１０２…電動ピラー、１０３…コントローラ、ｌｌ０ａ〜１１０ｄ…リニアモータ、１１１ａ〜１１１ｄ…リニアエンコーダ、１１２ａ〜１１２ｄ…コントロールケーブル、ｌ１３ａ〜１１３ｄ…インナーワイヤ、ｌｌ４ａ〜１１４ｄ…アウターチューブ、ｌｌ８ａ〜１１８ｄ…リニア型電磁ブレーキ、１１９…門型のジンバル支柱、１２０…ピッチ軸、１２１…ヨー軸、１２２ａ〜１２２ｂ…ジンバル用回転モータ、１２３ａ〜１２３ｂ…ジンバル回転エンコーダ、１２４…ヨー軸バランスウエイト、１２５ａ〜１２５ｂ…回転型電磁ブレーキ、１３０…平行リンクの長尺部分、１３１…平行リンクの短尺部分、１３２…平行リンクの固定バランスウエイト、１４１…並進スライド部、１４２…並進用ベルト、１４３…並進用可動バランスウエイト、１５０…ロール軸用の回転モータ、１５１…ロール軸用の回転エンコーダ、１５２…ロール軸の回転モータ用電磁ブレーキ、１６０−１６２…鉗子駆動のスライド部、１６３…ピン嵌め部、１６４…磁石、１７０…仮想ピボット点、１７１…鉗子先端、２００…キャスタ、２０１…アジャスタパッド、２１０ａ〜２１０ｄ…リニアモータ、２１１ａ〜２１１ｄ…リニアエンコーダ、２１２ａ〜２１２ｄ…コントロールケーブル、２１３ａ〜２１３ｄ…インナーワイヤ、２１４ａ〜２１４ｄ…アウターチューブ、２１８ａ〜２１８ｄ…リニア型電磁ブレーキ、２１９…門型のジンバル支柱、２２０…ピッチ軸、２２１…ヨー軸、２２２ａ〜２２２ｂ…ジンバル用回転モータ、２２３ａ〜２２３ｂ…ジンバル回転エンコーダ、２２４…ヨー軸バランスウエイト、２２５ａ〜２２５ｂ…回転型電磁ブレーキ、２３０…平行リンクの長尺部分、２３１…平行リンクの短尺部分、２３２…平行リンクの固定バランスウエイト、２４１…並進スライド部、２４２…並進用ベルト、２４３…並進用可動バランスウエイト、２５０…ロール軸用の回転モータ、２５１…ロール軸用の回転エンコーダ、２５２…ロール軸の回転モータ用電磁ブレーキ、Ａｍ…マスタ側の加速度指令信号、Ａｓ…スレーブ側の加速度指令信号、Ａｐｍ…マスタ側位置の加速度参照値、Ａｐｓ…スレーブ側位置の加速度参照値、Ａｆｍ…マスタ側操作力の加速度参照値、Ａｆｓ…スレーブ側操作力の加速度参照値、Ｘｍ…マスタ位置信号、Ｘｓ…スレーブ位置信号、Ｆｍ…マスタ操作力信号、Ｆｓ…スレーブ操作力信号。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Slave manipulator, 2 ... Master manipulator, 3 ... Control apparatus, 10 ... Base, 11a, 11b ... Remote linear motion part, 12 ... Gimbal part, 13 ... Parallel link, 14 ... Translation axis, 15 ... Roll axis, 16 ... Forceps attaching / detaching portion, 17 ... Forceps, 20 ... Base, 21 ... Remote linear motion portion, 22 ... Gimbal portion, 23 ... Parallel link, 24 ... Translation axis, 25 ... Roll axis, 27 ... Hand operation portion, 31 ... Acceleration composition portion 32 ... Position control unit, 33 ... Operating force control unit, 34 ... Master manipulator, 35 ... Slave manipulator, 36 ... Master side reaction force observer, 37 ... Slave side reaction force observer, 100 ... Casters, 101 ... Adjuster pad, 102 ... Electric pillar, 103 ... Controller, ll0a to 110d ... Linear motor, 111a to 111d ... Linear encoder, 112a 112d ... Control cable, l13a to 113d ... Inner wire, ll4a to 114d ... Outer tube, ll8a to 118d ... Linear electromagnetic brake, 119 ... Portal gimbal support, 120 ... Pitch axis, 121 ... Yaw axis, 122a to 122b ... Gimbal rotary motor, 123a-123b ... Gimbal rotary encoder, 124 ... Yaw balance weight, 125a-125b ... Rotary electromagnetic brake, 130 ... Long part of parallel link, 131 ... Short part of parallel link, 132 ... Parallel link Fixed balance weight, 141 ... translation slide part, 142 ... translation belt, 143 ... movable balance weight for translation, 150 ... rotation motor for roll shaft, 151 ... rotation encoder for roll shaft, 152 ... rotation motor for roll shaft Electromagnetic brake for 60-162 ... forceps drive slide part, 163 ... pin fitting part, 164 ... magnet, 170 ... virtual pivot point, 171 ... forceps tip, 200 ... caster, 201 ... adjuster pad, 210a to 210d ... linear motor, 211a to 211d ... Linear encoder, 212a to 212d ... Control cable, 213a to 213d ... Inner wire, 214a to 214d ... Outer tube, 218a to 218d ... Linear electromagnetic brake, 219 ... Gate-type gimbal post, 220 ... Pitch axis, 221 ... Yaw Shaft, 222a to 222b ... Gimbal rotary motor, 223a to 223b ... Gimbal rotary encoder, 224 ... Yaw axis balance weight, 225a to 225b ... Rotary electromagnetic brake, 230 ... Long part of parallel link, 231 ... Short part of parallel link portion, 232... Fixed balance weight of the parallel link, 241... Translational slide portion, 242... Translation belt, 243... Movable balance weight for translation, 250 ... rotation motor for the roll axis, 251 ... rotation encoder for the roll axis, 252. Electromagnetic brake for shaft rotation motor, Am ... Master side acceleration command signal, As ... Slave side acceleration command signal, Apm ... Master side position acceleration reference value, Aps ... Slave side position acceleration reference value, Afm ... Master side Acceleration reference value of operating force, Afs ... Acceleration reference value of slave side operating force, Xm ... Master position signal, Xs ... Slave position signal, Fm ... Master operating force signal, Fs ... Slave operating force signal.

Claims

In a manipulator device comprising: a slave manipulator that drives a surgical instrument; a master manipulator that drives the slave manipulator via a control device; and the control device that controls the slave manipulator and the master manipulator.
The slave manipulator is
A slave pitch axis and a slave yaw axis provided in the slave gimbal part;
A slave parallel link for transmitting the operation of the slave gimbal part;
A slave translation shaft coupled to the slave gimbal portion via the slave parallel link and translating the surgical instrument;
A slave roll shaft coupled to the slave translation shaft and rotating the surgical instrument;
A surgical instrument drive mechanism provided at the tip of the slave roll shaft;
The surgical instrument formed of a material that is coupled to the surgical instrument drive mechanism and is compatible with autoclave sterilization;
A slave control cable having one end connected to the surgical instrument drive mechanism,
A slave linear motion shaft connected to the other end of the slave control cable;
A slave actuator provided for each slave axis;
A slave encoder attached to each of the slave actuators,
The master manipulator
A master pitch axis and a master yaw axis provided in the master gimbal,
A master parallel link for transmitting the operation of the master gimbal part;
A master translation axis coupled to the master gimbal portion via the master parallel link;
A master roll axis coupled to the master translation axis;
A hand operating part provided at the tip of the master roll shaft;
A master control cable having one end connected to the hand operation unit;
A master linear movement shaft connected to the other end of the master control cable;
A master actuator provided for each master axis;
A master encoder attached to each of the master actuators;
The control device feedback-controls a wide-range force sense generated based on detection signals of the slave encoder and the master encoder from a surgical instrument of the slave manipulator and the master manipulator to a hand manipulator of the star manipulator. Manipulator device.

2. The manipulator device according to claim 1, wherein the slave parallel link is formed by connecting a first parallel link and a second parallel link, and a free end side of the first parallel link is coupled to the slave gimbal portion. In addition, the tip end portion of the second parallel link is provided to extend from the slave gimbal portion, the free end side of the second parallel link is coupled to the slave translation shaft, and the slave balance weight is attached to the tip end portion of the first parallel link. A manipulator device characterized by being equipped with.

2. The slave actuator according to claim 1, wherein the slave actuator provided on the slave linear movement shaft is configured by a linear motor, the slave control cable includes a slave wire and a slave tube storing the slave wire, and the slave wire is on one side thereof. An end is connected to the surgical instrument drive mechanism, and the other end is connected to the slave linear movement shaft. The master actuator provided on the master linear movement shaft is composed of a linear motor, and the master control cable is a master wire. And a master tube containing the master wire, wherein the master wire has one end connected to the hand operating portion and the other end connected to the master linear movement shaft. Manipulator device.

4. The manipulator device according to claim 3, wherein the slave actuator includes a sleeve electromagnetic brake, and the master actuator includes a master electromagnetic brake.

5. The manipulator device according to claim 4, wherein the sleeve actuator, the sleeve encoder, and the slave electromagnetic brake are externally installed, and the master actuator, the master encoder, and the master electromagnetic brake are externally installed. .

The manipulator device according to claim 2, wherein a movable balance weight is disposed on the translation shaft via a belt.