专利名称：主操作输入装置以及主-从机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于对从机械手进行远程操作的主操作输入装置以及具有这样的主操作输入装置的主-从机械手。
背景技术：
近年来，为了实现医疗设施的节省人力化，进行了利用机器人的医疗处置的研究。尤其是在外科领域中，针对利用具有多自由度(多关节)臂的机械手对患者进行处置的机械手系统进行了各种提案。在这种机械手系统中，公知有能够通过主操作输入装置对直接接触患者体腔的机械手(从机械手)进行远程操作的机械手系统(主-从机械手)。此外，近年来，还公知有将从机械手具有的从臂的自由度设为了7自由度以上(位置的3自由度+姿态的3自由度+冗余自由度)的主-从机械手。一般而言，在具有7自由度以上的从臂的情况下，当可从主操作输入装置输入的指令值为6个以下时，用于计算从臂的各个关节的驱动量的逆运动学计算复杂化。作为用于避免这种复杂的计算的提案之一，例如进行了日本特开平5 - 228854号公报的提案。在日本特开平5 - 228854号公报中，在可通过把手的操作输入6自由度的指令值的主臂(主操作输入装置)中，通过进一步设置开关和转盘等操作部，能够用单手输入与7自由度对应的指令值。
发明内容
在日本特开平5 - 228854号公报中，还能够直接指示与冗余自由度对应的关节的驱动量。此处，在日本特开平5 — 228854号公报中，用于指示与冗余自由度对应的关节的驱动量的操作部的构造和 与从臂的冗余自由度对应的关节的构造不同。因此，在日本特开平5 - 228854号公报中，在直接指示与冗余自由度对应的关节的驱动量的情况下，操作者不能直观地知晓可以进行怎样程度的量的操作，不能说操作性一定良好。本发明正是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种能够进行更直观的操作来提高了操作性的主操作输入装置以及具有这种主操作输入装置的主-从机械手。为了达到上述目的，一个方式的主操作输入装置用于对具有与多个自由度对应的关节的从机械手进行操作，该主操作输入装置的特征在于，具备:把持部，其构成为在由操作者把持的状态下位置和姿态变化自如，且根据该位置和姿态的变化，给出所述从机械手的远位端的位置和姿态的指令值，所述远位端是从固定端观察所述从机械手时最远的端部；以及第I操作部，其设置于在对所述把持部进行了把持的状态下能够通过所述操作者的指尖进行操作的位置处，能够与所述把持部独立进行操作。此外，为了达到上述目的，一个方式的主-从机械手的特征在于，具有:从机械手，其具有与多个自由度对应的关节；所述方式的主操作输入装置；以及控制部，其根据所述位置和姿态的指令值、以及驱动量的指令值，计算所述从机械手的各个关节的驱动量，并依照该驱动量的计算结果驱动所述从机械手的各个关节，所述驱动量的指令值用于驱动所述从机械手的远位端的关节。
图1是示出本发明的一个实施方式的主-从机械手的整体结构的图。图2是示出本实施方式的主操作输入装置的操作部的结构的图。图3是图2所示结构的操作部的示意图。图4是示出实际操作主操作输入装置的操作部时的情形的图。图5是示出从臂的构造的一例的图。图6是示出将第I滚动关节设为双轴构造的变形例的操作部的结构的图。图7是图6所示结构的操作部的示意图。图8A是示出将设置于把持部的关节设为偏航关节时的变形例的从臂的构造的图。图SB是示出将设置于把持部的关节设为偏航关节时的变形例的主操作输入装置的构造的图。图9A是示出将设置于把持部的关节设为俯仰关节时的变形例的从臂的构造的图。图9B是示出将设置于把持部的关节设为俯仰关节时的变形例的主操作输入装置的构造的图。 图1OA是示出将设置于把持部的关节设为平移关节时的变形例的从臂的构造的图。图1OB是示出将设置于把持部的关节设为平移关节时的变形例的主操作输入装置的构造的图。图1lA是示出将设置于把持部的关节设为多个时的变形例的从臂的构造的图。图1lB是示出将设置于把持部的关节设为多个时的变形例的主操作输入装置的构造的图。图12是示出无线式的操作部的例子的图。图13A是说明操作部的移动的图。图13B是说明操作部的移动的图。图13C是说明操作部的移动的图。图14是示出本发明的第I实施方式中的从臂的关节驱动流程的流程图。图15是示出末端执行器操作部的打开角度的图。图16是示出本发明的第2实施方式中的从臂的关节驱动流程的流程图。图17是示出作用于末端执行器操作部的力的图。图18是示出本发明的第3实施方式中的从臂的关节驱动流程的流程图。图19是示出本发明的第4实施方式中的从臂的关节驱动流程的流程图。
具体实施例方式以下，参照
本发明的实施方式。图1是示出本发明的一个实施方式的主-从机械手的一例的整体结构的图。如图I所示，本实施方式的主-从机械手具有主操作输入装置10、控制装置20和从机械手30。主操作输入装置10作用为该主-从机械手中的主机械手，具有操作部11和显示部12。操作部11例如被固定到主操作输入装置10的显示部12，受到操作者I的操作而输出用于操作从机械手30的操作信号。图2是示出本实施方式的主操作输入装置10的操作部11的结构的图。此外，图3是图2所示结构的操作部11的示意图。此处，图2例示了右手用的操作部的结构。左手用的操作部的结构相对于右手用的操作部仅反转左右关系，实质结构与图2所示的结构相同。如图2所示，操作部11具有把持部101。把持部101是操作者I用手把持的部分。把持部101在垂直3轴(图2所示的X轴、Y轴、Z轴)方向和绕各个轴的旋转方向上可移动地被支撑。此处，在图2中，在操作者I如图1所示那样操作主操作输入装置10的情况下，将与地面平行、且从操作者I的面部朝向显示部12的方向作为正向来设定X轴。此外，沿着与地面平行且与X轴垂直的方向设定Y轴。并且，沿着与地面垂直的方向设定Z轴。在把持部101上轴固定有作为第I操作部的一例的第I滚动关节102。在这种结构中，第I滚动关节102构成为了其旋转轴与图2所示的X轴平行，在操作者I用手拿着把持部101时可用指尖进行旋转。在第I滚动关节102的附近，设置有未图示的位置检测器(例如编码器)。在由操作者I对第I滚动关节102进行了旋转操作的情况下，由位置检测器检测其驱动量(旋转量)θ5。从该位置检测器向控制装置20的主控制部21输入与第I滚动关节102的驱动量(旋转量)Θ 5对应的操作信号。虽然将后述，但第I滚动关节102的操作信号是给出指令值的信号，该指令值用于直接指示从机械手30具有的从臂31的远位端关节的驱动量。此外，与第I滚动关节102在同一直线上，安装有作为第2操作部的一例的末端执行器(end effector)操作部103。即，以可与把持部101的位置姿态独立地进行操作的方式安装有第I滚动关节102和末端执行器操作部103。末端执行器操作部103构成为在操作者I用手拿着把持部101时可用指尖进行开闭操作。在末端执行器操作部103的附近，设置有未图示的位置检测器(例如编码器)。在由操作者I对末端执行器操作部103进行了开闭操作的情况下，由位置检测器检测其开闭量(例如开闭角θ6)。从该位置检测器向控制装置20的主控制部21输入与末端执行器操作部103的开闭量θ6对应的操作信号。虽然将后述，但末端执行器操作部103的操作信号是给出用于直接指示末端执行器的开闭量的指令值的信号，该末端执行器被安装在从机械手30具有的从臂31的远位端的关节处。此外，把持部101朝向X轴的正向(图1中远离操作者I的方向)延伸第I滚动关节102的X轴方向长度和末端执行器操作部103的X轴方向长度而构成了第I连杆。该第I连杆进一步朝向Z轴的正向(图1中的地面方向)延伸。朝向Z轴的正向的第I连杆的延伸部IOla在与第I滚动关节102的旋转轴处于同一直线上的位置处被第2连杆104旋转自如地轴固定。在通过延伸部IOla和第2连杆104构成的第2滚动关节(在图3中标注与第2连杆相同的标号)附近，设置有未图示的位置检测器(例如编码器)。在伴随操作者I对把持部101的操作而驱动 第2滚动关节的情况下，由位置检测器检测其驱动量(旋转量)Θ 4。从该位置检测器向控制装置20的主控制部21输入与第2滚动关节的驱动量Θ 4对应的操作信号。此外，第2连杆104以与第I连杆的延伸部IOla平行的方式朝向Z轴的负向和X轴的负向延伸并被第3连杆105旋转自如地轴固定。在第3连杆105上安装有盖105a。通过盖105a，防止由第2连杆104和第3连杆105构成的偏航关节(在图3中标注与第3连杆相同的标号)中的旋转轴的脱出。此外，在由第2连杆104和第3连杆105构成的偏航关节的附近，设置有未图示的位置检测器(例如编码器)。在伴随操作者I对把持部101的操作而驱动偏航关节的情况下，由位置检测器检测其驱动量(旋转量)Θ 3。从该位置检测器向控制装置20的主控制部21输入与偏航关节的驱动量Θ 3对应的操作信号。此外，第3连杆105朝向Y轴的负向(图1中的右手方向)延伸、并进一步朝向Z轴的正向延伸并被第4连杆106旋转自如地轴固定。在通过第3连杆105和第4连杆106构成的俯仰关节(在图3中标注与第4连杆相同的标号)附近，设置有未图示的位置检测器(例如编码器)。在伴随操作者I对把持部101的操作而驱动俯仰关节的情况下，由位置检测器检测其驱动量(旋转量)θ2。从该位置检测器向控制装置20的主控制部21输入与俯仰关节的驱动量θ2对应的操作信号。此外，第4连杆106被安装到第I平移关节107。在第I平移关节107的附近，设置有未图示的位置检测器(例如编码器)。在伴随操作者I对把持部101的操作而驱动第I平移关节107的情况下，由位置检测器检测其驱动量(平移量)d2。从该位置检测器向控制装置20的主控制部21输入与第I平移关节107的驱动量d2对应的操作信号。第5连杆从第I平移关节107起朝与第4连杆106垂直的方向延伸。该第5连杆被安装到第2平移关节108。在第2平移关节108的附近，设置有未图示的位置检测器(例如编码器)。在伴随操作者I对把持部101的操作而驱动第2平移关节108的情况下，由位置检测器检测其驱动量(平移量)Cl1。从该位置检测器向控制装置20的主控制部21输入与第2平移关节108的驱动量Cl1对应的操作信号。在第2平移关节108上，安装有在偏航方向上旋转自如地构成的旋转部件109。在旋转部件109的附近，设置有未图示的位置检测器(例如编码器)。在伴随操作者I对把持部101的操作而驱动旋转部件109的情况下，由位置检测器检测其驱动量(旋转量)Θ 10从该位置检测器向控制装置20的主控制部21输入与旋转部件109的驱动量Θ i对应的操作信号。图4示出了实际操作主操作输入装置10的操作部11时的情形。如图4所示，操作者I在将把持部101把持到手200上的状态下，通过手腕、肘和肩的动作改变把持部101的位置姿态。伴随把持部101的位置姿态的变化驱动操作部11的各个关节。各个关节的驱动量通过配置于各个关节附近的位置检测器检测，将与各个驱动量对应的操作信号输入到主控制部21。此外，如图4所示，在本实施方式中，操作者I能够在对把持部101进行把持的同时用指尖操作第I滚动关节102和末端执行器操作部103。第I滚动关节102和末端执行器操作部103的操作量由配置于各自附近的位置检测器检测，将与各个操作量对应的操作信号输入到主控制部21。通过以上那样的结构，操作部11 将与把持部101的位置姿态的变化对应的6个操作信号以及表示第I滚动关节102的操作量的操作信号中的、与7自由度对应的操作信号(+末端执行器的操作信号)输入到控制装置20的主控制部21。此处，返回图1继续说明。图1所示的显示部12例如由液晶显示器构成，根据从控制装置20输入的图像信号显示图像。之后将叙述，但从控制装置20输入的图像信号是在控制装置20中对经由安装于从臂31的电子照相机(电子内窥镜)得到的图像信号进行处理后的图像信号。使基于这种图像信号的图像显示在显示部12上，由此主操作输入装置10的操作者I能够确认配置于远离主操作输入装置10的场所的从机械手30的钳爪的图像。控制装置20具有主控制部21、机械手控制部22和图像处理部23。主控制部21依照来自主操作输入装置10的操作信号，例如通过运动学计算来计算从臂31的钳爪的位置/姿态的指令值，并将该位置/姿态的指令值输出到机械手控制部22。此外，主控制部21将来自主操作输入装置10的用于指示远位端关节的驱动量的操作信号和用于指示末端执行器的驱动量的操作信号输出到机械手控制部22。机械手控制部22接收来自主控制部21的位置姿态的指令值，例如通过逆运动学计算来计算用于使从臂31的钳爪的位置姿态与指令值一致所需的从臂31的各个关节的驱动量。然后，机械手控制部22依照计算出的驱动量驱动从臂31的各个关节。此外，机械手控制部22接收来自主控制部21的用于指示远位端关节的驱动量的操作信号和用于指示末端执行器的驱动量的操作信号来驱动从臂31的远位端的关节，并且驱动末端执行器。图像处理部23对从安装于从臂31的末端的电子照相机(电子内窥镜等)得到的图像信号进行处理，从而生成显示部12的显示用的图像信号并输出到显示部12。从机械手30具有从臂31。从臂31依照来自机械手控制部22的控制信号驱动各个关节。图5示出从臂31的结构的一例。图5所示的从臂31接连设置7个关节202 208而配置。此外，在从臂31的远位端的关节202上安装有末端执行器201。此处，远位端的关节是指从固定有从臂31 —侧起观察配置于最远的位置处的关节。此外，图5所示的末端执行器201示出了把持器(夹钳) 的例子。另外，可以在末端部安装照相机(电子内窥镜)
坐寸ο在图5所示的关节中，关节202、205是绕滚动轴(与图2所示的X轴对应)旋转的滚动关节，关节203、208是绕偏航轴(与图2所示的Z轴对应)旋转的偏航关节，关节204、207是绕俯仰轴(与图2所示的Y轴对应)旋转的俯仰关节。此外，关节206是沿着滚动轴进行平移的平移关节。在图5的例子中，7个关节完全独立。通过协调驱动图5所示的关节203 208，实现从臂31中的钳爪位置的3自由度和姿态的3自由度。此外，除了这些关节以外，在图5中，设置了用于使末端执行器201滚动的关节202作为冗余关节。通过这种结构，例如还能够进行如下动作:在使从臂31滚动的情况下，仅使末端执行器201付近滚动。如上所述，远位端的关节202和末端执行器201能够通过主操作输入装置10直接指示驱动量。如以上所说明那样，根据本实施方式，在主操作输入装置10的操作部11中的、在操作者I对把持部101进行了把持的状态下可用指尖进行操作的位置处，设置具有与从臂31的远位端的关节202相同构造的操作部即第I滚动关节102。由此，操作者I能够用单手稳定进行7自由度的从臂31的操作。此处，例如，在内窥镜下手术中，在术后的缝合时需要缝针动作。在这种缝针动作中，在使安装于从臂31的钳爪的作为末端执行器201的夹钳滚动的同时对患者的必要部位缝针。此时，在使作为远离末端执行器201的关节的滚动关节205滚动时，还进行末端执行器201的滚动，另一方面，其他关节也较大程度动作从而从臂31的关节可能与周围脏器等碰撞。因此，在缝针动作那样的、主要需要滚动动作的情况下，为了使得其他关节不会不必要地进行动作，优选使作为从臂31的远位端的关节的滚动关节202滚动。在本实施方式中，将第I滚动关节102的构造设为与从臂31的远位端的关节202相同的构造，因此操作者I能够直观地识别第I滚动关节102的操作量与滚动关节202的驱动量之间的关系。因此，操作者I能够细致地控制从臂31的远位端关节202的驱动量。即，能够在用手掌握持的把持部101指示末端执行器201的位置姿态的同时，通过转动第I滚动关节102来操作末端远位端的关节202，手指的姿态与末端执行器201的姿态对应，能够进行直观的操作。当然，即使不相对于把持部101相对地旋转第I滚动关节102，手指的姿态也与末端执行器201的位置姿态对应。此外，在本实施方式中，将末端执行器操作部103安装到了连接第I滚动关节102和把持部101的同一直线上，因此操作者I能够在对把持部101进行把持的状态下操作末端执行器操作部103。第I滚动关节102和末端执行器操作部103能够独立进行驱动，能够通过将手指放到末端执行器操作部103，对末端执行器操作部103进行开闭来取得Θ 6，能够通过扭转末端执行器操作部103，使作为其基座的第I滚动关节102旋转来取得Θ 5。本实施方式中的第I滚动关节102能够与其他关节独立被驱动。因此，本实施方式中的主操作输入装置10还能够应用于6自由度以下的不具有冗余的自由度的从机械手30。[变形例]以下，说明本实施方式的变形例。首先，在图2所示的例子中，第I滚动关节102仅被把持部101支撑。实际上，第I滚动关节102构成为与其他关节独立滚动即可，例如可以如图6所示，在把持部101和·第I连杆的延伸部IOla的2点处支撑第I滚动关节102 (图6中为末端执行器操作部103)。图7示出图6的结构的示意图。如图7所示,在图6所示的结构的情况下，第I滚动关节102和第2滚动关节104实质上相邻配置。与此相对，通过将第I滚动关节102和第2滚动关节104设为旋转轴不同的双轴构造，使得第2滚动关节104不会伴随第I滚动关节102的滚动而滚动。此外，在图2所示的例子中，示出了在把持部101设置滚动关节的例子。这是因为从臂31的远位端的关节是滚动关节。在从臂31的远位端的关节不是滚动关节的情况下，设置于把持部101的关节也变更。例如图8A所示，在从臂31的远位端的关节是偏航关节的情况下，如图8B所示，将设置于把持部101的关节1021也设为偏航关节。同样，如图9A所示，在从臂31的远位端的关节是俯仰关节的情况下，如图9B所示，将设置于把持部101的关节1022也设为俯仰关节。此外，如图1OA所示，在从臂31的远位端的关节是平移关节的情况下，如图1OB所示，将设置于把持部101的关节1023也设为平移关节。并且，如图1lA所示，在从臂31的远位端设置有2种以上的独立关节202a、202b的情况下，将设置于把持部101的关节也设为多个。例如，图1lA例示了除与6自由度对应的关节203 208以外还增加了滚动关节202b和平移关节202a的8自由度的从臂31。该情况下，在把持部101中，也设置具有滚动关节102b和平移关节102a的能够独立进行操作的两个关节。能够通过这样构成，将从臂31的远位端的关节和设置于把持部101的关节设为相同的构造。由此，操作者I能够直观地操作从臂31的滚动关节202b、和平移关节202a。图1lB的例子是设置有两个关节的例子，但在从臂31的关节数增加的情况下，与其对应，设置于主操作输入装置10的把持部101的关节数也增加。此外，在从臂31的末端执行器201的构造成为与图5所示的构造不同的构造的情况下，期望末端执行器操作部103的构造也与其结合而发生变化。并且，设置于图2所示的操作部11的关节104 109是用于指示从臂31的钳爪的位置姿态的关节，只要能够指示从臂31的钳爪的位置姿态，则也可以没有关节104 109。例如，如果在操作部11中设置用于检测3轴的平移移动的传感器(例如加速度传感器)，则还能够如图12所示那样构成操作部11。在图12的例子中，操作者I能够通过把持操作部11的把持部101使该操作部11在三维空间内移动并且旋转，赋予与位置的3自由度对应的操作信号。关于与姿态的3自由度对应的操作信号，例如能够通过对由照相机13得到的图像进行分析而得到。图12示出了能够经由无线通信部14对由操作部11得到的操作信号进行无线通信的例子。当然，在图12的例子中，也可以对由操作部11得到的操作信号进行有线通信。此外 ，可以使用角速度传感器检测操作部11的姿态。以下，对将一个实施方式的主-从机械手与预定的控制方式进行组合后的几个实施方式进行说明。在这些实施方式中，在从臂31中选择处于冗余关系的两个关节中的一个作为驱动关节、剩下的作为固定关节，由此简化用于求出各个关节的驱动量的逆运动学计算来减轻机械手控制部22的负荷。另外，在本说明书中“处于冗余关系”是指关节的旋转轴、平移轴等动作轴相互平行的关系。在第I实施方式中，使用等效旋转矢量(也被称作等效旋转轴矢量等)进行将哪一个关节设为驱动关节的判定。因此，对等效旋转矢量进行说明。首先，如下定义操作部11的把持部101的姿态变化。例如，在某个时刻t，将图13C所示的把持部101的位置设为图13A所示的位置Om (t)。此外，将时刻t的把持部101的姿态设为主滚动轴Xm、主俯仰轴Ym、主偏航轴Zm分别朝向图13A和图13C所示的Xm (t)、Ym (t)、Zm (t)的方向的姿态。在从该状态起经过预定时间At后的时刻t+Ι，把持部101的位置变化为图13A所示的位置Om (t+Ι)。此外，设时刻t+Ι的把持部101的姿态变化为主滚动轴Xm、主俯仰轴Ym、主偏航轴Zm分别朝向图13A所示的Xm (t+1)、Ym (t+1)、Zm(t+Ι)的方向的姿态。此时的把持部101的姿态变化是对绕主滚动轴Xm (t)的旋转、绕主俯仰轴Ym (t)的旋转和绕主偏航轴Zm (t)的旋转进行合成后的姿态变化。并且，在数学上，能够将这种绕3个轴的旋转置换为绕I个轴的旋转。S卩，如图13B所示，在设定某个旋转轴Vr (t)时，从时刻t到时刻t+Ι期间的把持部101的姿态变化与使把持部101绕旋转轴Vr (t)旋转Θ (t)的姿态变化等效。一般而言，将表示这种旋转轴Vr (t)的矢量称作等效旋转矢量。 在从臂31中，如图5所示，关节202和关节205这两个滚动关节处于冗余关系。在第I实施方式中，主控制部21通过使用了上述旋转轴Vr的判定，选择关节202和关节205中的一个作为驱动关节，将另一个设定为固定关节。即，在该时刻，将从臂31暂时看作没有冗余自由度的臂，因此能够容易地进行用于求出各个关节的驱动量的演算。图14是示出第I实施方式中的从臂31的关节驱动流程的流程图。在步骤SlO中，主控制部21依照来自主操作输入装置10的操作信号，求出把持部的当前时刻的位置和姿态、以及紧前的位置和姿态。并且根据这些值，进一步计算紧前的把持部的主滚动轴XmjP表示伴随姿态变化的旋转轴Vr的等效旋转矢量。在接下来的步骤S20中，主控制部21判定主滚动轴Xm与旋转轴Vr所成的角度Φ是否为预先设定的规定值以下。在该判定为是的情况下，处理进入到步骤S21，主控制部21选择接近末端执行器201的关节202作为驱动关节，将另一个关节205设定为固定关节。另一方面，在该判定为否的情况下，处理进入到步骤S22，主控制部21选择远离末端执行器201的关节205作为驱动关节，将另一个关节202设定为固定关节。步骤S20中的判定基于如下的思路。即，如果等效旋转矢量Vr (t)与主滚动轴Xm (t)—致(φ (t) =0)，则可以认为时
刻t到时刻t+i期间的把持部101的姿态变化是仅滚动引起的姿态变化。该情况下，可以认为通过操作部11指示了仅需要从臂31的钳爪的滚动的动作。实际上，为了使得不仅包含等效旋转矢量Vr (t)与主滚动轴Xm (t)完全一致的情况，还包含即使加入其他动作也主要是钳爪的滚动操作的情况，对等效旋转矢量Vr (t)与主滚动轴Xm (t)所成的角φ (t)
设定某个规定值，在φ (t)为该规定值以下的情况下，视作主要使末端的滚动轴关节动作的
缝针操作等那样的“细致的动作”。因此，作为判定基准的规定值能够根据将哪种程度的操作判定为“细致的动作”来适当设定 ，能够设为例如15度。在步骤S21或步骤S22中决定驱动关节和固定关节后，主控制部21将表示选择结果的关节选择信号与位置姿态的指令值一起输出到机械手控制部22。在步骤S21或步骤S22的结束后，处理进入到步骤S30。在步骤S30中，机械手控制部22根据从主控制部21接收到的位置姿态的指令值和关节选择信号，通过逆运动学计算来计算用于使从臂31的钳爪的位置姿态与指令值一致所需的从臂31的各个关节的驱动量，从而决定相对于各个关节的指令值。此处，从臂31本来是与7自由度对应的关节，但将处于冗余关系的关节202和205的一方作为固定关节(即，驱动量为零。)，因此相比7自由度的所有驱动量未知的情况能够减少用逆运动学计算而计算出的关节数量，能够简化逆运动学计算来减轻运算给机械手控制部22带来的负荷。另外，关于逆运动学计算，例如能够使用分析的方法等以往公知的各种方法。此处，省略其详细说明。在接下来的步骤S40中，机械手控制部22根据从主控制部21接收到的信息计算作为主侧冗余关节的第I滚动关节102的驱动量Mr。然后，在步骤S50中，机械手控制部22对在步骤S30中计算出的关节202的驱动量加上在步骤S40中计算出的驱动量Mr，确定关节202的指令值。由此确定从臂31的所有关节的指令值。在步骤S60中，机械手控制部依照在步骤S50中求出的各个关节的指令值驱动从臂31的各个关节，并结束一系列处理。该流程每隔预定间隔、例如10 几十毫秒反复进行，反复进行驱动关节的选择。例如，在内窥镜下手术中，在术后的缝合时需要缝针动作。在这种缝针动作中，在使安装于从臂的钳爪上的夹钳等末端执行器滚动的同时进行对患者的必要部位缝针的动作，在对象部位处使末端执行器细致动作。如上所述，从臂31在使7个关节协调动作的同时控制末端执行器的位置姿态，但在缝针动作等中使远离末端执行器的关节(例如关节205)滚动时，还进行末端执行器的滚动，另一方面，其他关节也较大程度动作从而从臂31的关节可能与周围脏器等碰撞。在第I实施方式中，通过步骤S20的判定，在角度《P为规定值以下的情况下，选择接近末端执行器201的关节202作为驱动关节，远离末端执行器201 —方的关节205被固定。因此，在缝针动作等那样的、主要仅末端执行器进行滚动动作那样的“细致的动作”时，从臂的其他关节不会较大程度动作，能够对患者更安全地进行伴随细致的动作的手上技术和操作。此外，将处于冗余关系的关节202和205中的一个设定为固定关节，因此能够简化步骤S30中的逆运动学计算。其结果，能够减轻运算引起的机械手控制部的负荷，并且还缩短运算所需的时间，从而顺利驱动从臂的各个关节。接着，下面说明第2实施方式。第2实施方式仅用于选择驱动关节的判定基准不同，因此以判定基准为中心进行说明，省略共同部分的重复说明。在第2实施方式中，基于关闭了末端执行器操作部103时是用末端执行器201进行把持、即进行上述“细致的动作”时的考虑，根据图15所示的末端执行器操作部103的打开角度Qg的值进行选择驱动关节的判定。图16是示出第2实施方式 中的从臂31的关节驱动流程的流程图。在步骤SlOA中，计测末端执行器操作部103的打开角度Θ g，并从主操作输入装置10发送到主控制部21。然后，在步骤S20A中，主控制部21判定打开角度0g是否为规定值、例如I度以下。在步骤S20A中的判定为是的情况下，处理进入到步骤S21，主控制部21选择接近末端执行器201的关节202作为驱动关节，将另一个关节205设定为固定关节。另一方面，在该判定为否的情况下，处理进入到步骤S22，主控制部21选择远离末端执行器201的关节205作为驱动关节，将另一个关节202设定为固定关节。之后的流程与第I实施方式相同。在第2实施方式中，例如在用末端执行器201把持针等时，打开角度Θ g的值变为规定值以下，选择关节202作为驱动关节。因此，与第I实施方式同样，在“细致的动作”时，从臂的其他关节不会较大程度动作，能够对患者更安全地进行伴随细致的动作的手上技术和操作。在第2实施方式中，说明了从主操作输入装置10取得打开角度Θ g的值的例子。也可以对其进行替代，在末端执行器201中设置角度传感器等，取得末端执行器201的打开角度并用于步骤S20A的判定。并且，在将末端执行器201的打开角度用于判定的情况下，可以通过对显示部所显示的末端执行器的图像进行处理来取得末端执行器201的打开角度。接着，下面说明第3实施方式。第3实施方式相对于第I实施方式，仅用于选择驱动关节的判定基准不同，因此以判定基准为中心进行说明，省略共同部分的重复说明。在第3实施方式中，基于向末端执行器操作部103作用规定值以上的力时是用末端执行器进行把持、即进行上述“细致的动作”时的考虑，根据图17所示的作用到末端执行器操作部103的力Fg的值进行选择驱动关节的判定。另外，在第3实施方式中，为了能够检测力Fg，在末端执行器操作部103上安装公知的力传感器等，并将其检测值发送到主控制部21。图18是示出第3实施方式中的从臂31的关节驱动流程的流程图。在步骤SlOB中，计测作用到末端执行器操作部103的力Fg，并从主操作输入装置10发送到主控制部21。然后，在步骤S20B中，主控制部21判定打开角度力Fg是否为规定值、例如IN以上。在步骤S20B中的判定为是的情况下，处理进入到步骤S21，主控制部21选择接近末端执行器201的关节202作为驱动关节，将另一个关节205设定为固定关节。另一方面，在该判定为否的情况下，处理进入到步骤S22，主控制部21选择远离末端执行器201的关节205作为驱动关节，将另一个关节202设定为固定关节。之后的流程与第I实施方式相同。在第3实施方式中，例如在用末端执行器201把持针等时，力Fg的值变为规定值以上，选择关节202作为驱动关节。因此，与第I实施方式同样，在“细致的动作”时，从臂的其他关节不会较大程度动作，能够对患者更安全地进行伴随细致的动作的手上技术和操作。在第3实施方式中，说明了从主操作输入装置10取得力Fg的值的例子。也可以对其进行替代，在末端执行器201中设置力传感器等，通过针等的把持取得末端执行器201受到的反力的值并用于步骤S20B的判定。接着，下面说明第4实施方式。`第4实施方式相对于第I实施方式，仅用于选择驱动关节的判定基准不同，因此以判定基准为中心进行说明，省略共同部分的重复说明。在第4实施方式中，基于主操作输入装置10的把持部101比较高速地移动时是使末端执行器201朝向处置对象部位移动、即没进行上述“细致的动作”时的考虑，根据把持部101的移动量进行选择驱动关节的判定。图19是示出第4实施方式中的从臂31的关节驱动流程的流程图。在步骤SlOC中，主控制部21依照来自主操作输入装置10的操作信号，求出把持部101的当前时刻的位置、以及紧前的位置。并且根据这些值，取得把持部101的位置变化的绝对值em(( AXm2 +AYm2 + AZm2)的平方根)。在接下来的步骤S20C中，主控制部21判定上述绝对值em是否为规定值以下。在判定结果为是的情况下，预定间隔中的把持部101的移动量较小、即把持部101比较低速移动，处理进入到步骤S21，选择接近末端执行器201的关节202作为驱动关节，将另一个关节205设定为固定关节。另一方面，在该判定为否的情况下，处理进入到步骤S22，主控制部21选择远离末端执行器201的关节205作为驱动关节，将另一个关节202设定为固定关节。之后的流程与第I实施方式相同。在第4实施方式中，也与第I实施方式同样，在“细致的动作”时，从臂的其他关节不会较大程度动作，能够对患者更安全地进行伴随细致的动作的手上技术和操作。在第4实施方式中，说明了从主操作输入装置取得把持部的移动量的例子，但也可以对其进行替代，取得设置于从臂末端的末端执行器的移动量并用于步骤S20C的判定。
根据以上实施方式说明了本发明，但本发明不限于上述实施方式，当然可以在本发明宗旨的范围内进行各种变形和应用。并且，上述实施方式包含了各种阶段的发明，可以通过所公开的多个构成要素的适当组合提取各种发明。例如，即使从实施方式所示的所有构成要素中删除几个构成要素，在能够解决上述课题并获得上述效果的情况下，删除了该构成要素后的结构也可以作为发明提取。例如，在上述实施方式中，说明了在从臂中，滚动关节202和205处于冗余关系的例子，但上述各控制方式还能够应用于处于冗余关系的关节不是滚动关节的情况。因此，处于冗余关系的关节可以是图8A所示的偏航关节202和208，也可以是图9A所示的俯仰关节202和204。而 且，还可以是图1OA所示的平移关节202和206。
权利要求
1.一种主操作输入装置，其用于对具有与多个自由度对应的关节的从机械手进行操作，该主操作输入装置的特征在于，具备: 把持部，其构成为在由操作者把持的状态下位置和姿态变化自如，且根据该位置和姿态的变化，给出所述从机械手的远位端的位置和姿态的指令值，其中所述远位端是从固定端观察所述从机械手时最远的端部；以及 第I操作部，其设置于在对所述把持部进行了把持的状态下能够通过所述操作者的指尖进行操作的位置处，能够与所述把持部独立地进行操作。
2.根据权利要求1所述的主操作输入装置，其特征在于， 所述第I操作部设置在所述把持部上，具有与所述从机械手的远位端的关节相同的构造，构成为接受手动操作而给出用于驱动所述从机械手的远位端的关节的驱动量指令值。
3.根据权利要求1或2所述的主操作输入装置，其特征在于， 在所述第I操作部上安装有 第2操作部,该第2操作部用于操作设置于所述从机械手的远位端的关节处的执行器。
4.根据权利要求3所述的主操作输入装置，其特征在于， 所述把持部、所述第I操作部和所述第2操作部配置在同一直线上。
5.根据权利要求1 4中的任意一项所述的主操作输入装置，其特征在于， 所述第I操作部由所述把持部支撑。
6.根据权利要求5所述的主操作输入装置，其特征在于， 所述把持部被安装于依照该把持部的位置和姿态的变化而被驱动的臂部。
7.根据权利要求6所述的主操作输入装置，其特征在于， 所述第I操作部还由所述臂部支撑。
8.根据权利要求1 7中的任意一项所述的主操作输入装置，其特征在于， 所述从机械手的远位端的关节具有与多个自由度对应的多个关节， 所述第I操作部构成为分别给出所述从机械手的远位端的关节具有的各个关节的驱动量的指令值。
9.一种主-从机械手，其特征在于，该主-从机械手具有: 从机械手，其具有与多个自由度对应的关节； 权利要求1 8中的任意一项所述的主操作输入装置；以及 控制部，其根据所述位置和姿态的指令值、以及用于驱动所述从机械手的远位端的关节的驱动量指令值，计算所述从机械手的各个关节的驱动量，并依照该驱动量的计算结果驱动所述从机械手的各个关节。
全文摘要
用于对具有与多个自由度对应的关节的从机械手进行操作的主操作输入装置(10)包含把持部(101)和第1操作部(102)。把持部(101)构成为在由操作者把持的状态下位置和姿态变化自如，且根据该位置和姿态的变化，给出从固定端观察从机械手时处于最远的端部的从机械手的远位端的位置和姿态的指令值。第1操作部(102)设置于在对把持部(101)进行了把持的状态下可通过操作者的指尖进行操作的位置处，能够与把持部(101)独立进行操作。
文档编号B25J3/00GK103237633SQ201180057730
公开日2013年8月7日 申请日期2011年11月24日 优先权日2010年11月30日
发明者岸宏亮 申请人:奥林巴斯株式会社