專利名稱：主-從機械手的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有冗余關節的主-從機械手。
背景技術：
近年來，為了實現醫療設施的節省人力化，進行了利用機器人的醫療處置的研究。尤其是在外科領域中，針對利用具有多自由度(多關節)臂的機械手處置患者的機械手系統進行了各種提案。在這種機械手系統中，公知有能夠通過遠程操作裝置對直接接觸患者體腔的從機械手進行遠程操作的主-從機械手。在使用主-從機械手進行內窺鏡下手術中特別困難的縫針動作的情況下，在使安裝于從臂的末端的夾鉗滾動的同時縫針。此時，在末端沒有滾動軸關節的從臂中，伴隨用于使安裝于末端的夾鉗滾動的滾動動作而使其他關節協調動作。該情況下，認為有可能多個關節動作會與周圍臟器等碰撞。與此相對，例如在日本特開昭63-267177號公報中提出了能夠通過在末端部設置冗余關節來進行僅末端的位置姿態確定的主-從機械手。
發明內容
一般而言，在日本特開昭63-267177號公報等的在末端具有冗余關節的主-從機械手的情況下，用于依照來自遠程操作裝置的指令值計算從臂的各個關節的驅動量的逆運動學運算復雜化。在這種情況下，例如如果使從臂的自由度與遠程操作裝置的自由度一致，使得從臂的各個關節一對一地對應，則能夠簡化逆運動學運算。但是，通常難以用單手操作自由度大的遠程操作裝置。本發明正是鑒于上述情況而完成的，其目的在于，提供一種在具有冗余關節的主-從機械手中，即使是遠程操作裝置和從臂的結構不同的結構，也能夠減少逆運動學運算的負荷的主-從機械手。為了達到上述目的，一個方式的主-從機械手的特征在于，具備:作為主裝置的遠程操作裝置，其提供與多個自由度對應的操作指令；從機械手，其具有與多個自由度對應的多個關節，在該多個關節中包含有冗余關節；以及控制部，其依照所述操作指令，控制所述關節的動作，所述控制部根據所述操作指令計算所述遠程操作裝置的姿態變化，并使用該姿態變化，每隔預定時間在所述關節中選擇處于冗余關系的關節之一進行驅動。
圖1是示出本發明的一個實施方式的主-從機械手的整體結構的圖。圖2A是示出遠程操作裝置的結構例的第I圖。圖2B是示出遠程操作裝置的結構例的第2圖。圖3是示出從機械手的結構例的圖。圖4A是用于說明本發明的一個實施方式中的關節選擇的思路的第I圖。圖4B是用于說明本發明的一個實施方式中的關節選擇的思路的第2圖。
圖4C是用于說明本發明的一個實施方式中的關節選擇的思路的第3圖。圖5是示出本發明的一個實施方式的主-從機械手的動作的流程圖。圖6A是示出將冗余關節設為了偏航軸關節的變形例的第I圖。圖6B是示出將冗余關節設為了偏航軸關節的變形例的第2圖。圖7A是示出將冗余關節設為了俯仰軸關節的變形例的第I圖。圖7B是示出將冗余關節設為了俯仰軸關節的變形例的第2圖。圖8是示出處于冗余關系的關節相鄰、且能夠獨立進行驅動的從臂的結構例的圖。
具體實施例方式以下，參照
本發明的實施方式。圖1是示出本發明的一個實施方式的主-從機械手的整體結構的圖。如圖1所示，本實施方式的主-從機械手具有遠程操作裝置100、控制裝置200和從機械手300。圖1是本實施方式的主-從機械手在醫療用途中的應用例。但是，本實施方式的主-從機械手能夠應用于醫療用途以外的各種用途。遠程操作裝置100作為主-從機械手中的主裝置發揮功能。遠程操作裝置100具有操作部101和顯示部102。例如圖2A所示,操作部101具有驅動部,該驅動部包含由旋轉機構構成的驅動軸、和由直動機構構成的驅動軸。并且，在操作部101的終端部設置有夾鉗部1011。將操作部101的終端部設為由操作者10握持的一側。在這種結構中，操作者10在握持夾鉗部1011的狀態下，移動并旋轉操作部101、并且對夾鉗部1011進行操作，由此驅動構成操作部101的各個驅動軸。各個驅動軸的驅動量通過設置于各個驅動軸的未圖示的位置檢測器(例如編碼器)檢測。各個驅動軸的驅動量在驅動軸為旋轉機構的情況下為旋轉角，在驅動軸為直動機構的情況下為位移量。將各個位置檢測器的檢測信號作為用于指示從機械手300的從臂301的鉗爪的位置姿態的、表示操作部101的操作指令(操作信息)的信號(操作信號)，輸出到控制裝置200。在圖2A中，操作部101設置有6個驅動軸，通過該6個驅動軸的驅動，輸出用于計算6個指令值的與6自由度對應的操作信號。該操作信號包含與位置相關的信號(Θ P屯、d2)和與姿態相關的信號(Θ 2、Θ 3、Θ 4)。操作部101只要是能夠指示從臂301的鉗爪的位置姿態的結構，則其結構沒有特別限定。例如，可以在操作部101中設置用于檢測水平3軸的平移移動的傳感器(例如加速度傳感器)和用于檢測繞各個軸的旋轉的傳感器(例如角速度傳感器)。該情況下，例如圖2B所示，還能夠將操作部101構成為手持式。在圖2B的例子中，操作者10能夠通過使手持式的操作部101在三維空間內移動、旋轉，提供與6自由度對應的操作信號。圖2B示出了能夠經由無線通信部103對由操作部101得到的操作信號進行無線通信的例子。當然，在圖2B的例子中，也可以對由操作部101得到的操作信號進行有線通信。顯示部102例如由液晶顯示器構成，根據從控制裝置200輸入的圖像信號顯示圖像。之后將敘述，但從控制裝置200輸入的圖像信號是在控制裝置200中對通過安裝于從臂301的電子照相機(電子內窺鏡)得到的圖像信號進行處理后的圖像信號。使基于這種圖像信號的圖像顯示在顯示部102上，由此遠程操作裝置100的操作者10能夠確認配置于遠離遠程操作裝置100的場所的從機械手300的鉗爪的圖像。作為控制部的控制裝置200具有主控制部201、機械手控制部202和圖像處理部203。主控制部201依照來自遠程操作裝置100的與6自由度對應的操作信號，通過運動學運算，計算從臂301的鉗爪的位置姿態的指令值。此外，主控制部201依照來自遠程操作裝置100的操作信號，在從臂301的各個關節中選擇處于冗余關系的關節中的一個作為驅動關節。并且，主控制部201將表示該選擇結果的關節選擇信號與位置姿態的指令值一起輸出到機械手控制部202。這里處于冗余關系表示關節的旋轉軸處于相互并列的關系。機械手控制部202接收來自遠程操作裝置100的位置姿態的指令值和關節選擇信號，通過逆運動學運算來計算用于使從臂301的鉗爪的位置姿態與指令值一致所需的從臂301的各個關節的驅動量。之后將敘述，但本實施方式的從臂301是與7自由度對應的關節，而將一個關節作為固定關節來進行各個關節的驅動。因此，相比7自由度的所有驅動量未知的情況能夠減少通過逆運動學運算而計算出的關節數量，能夠簡化逆運動學運算。圖像處理部203對從安裝于從臂301的末端的電子照相機(電子內窺鏡等)得到的圖像信號進行處理，從而生成顯示部102的顯示用的圖像信號。接著圖像處理部203將所生成的圖像信號輸出到顯示部102。從機械手300具有從臂301和手術臺302。從臂301具有與7自由度對應的關節，依照來自機械手控制部202的控制信號驅動各個關節。圖3示出從臂301的結構的一例。圖3所示的從臂301接連設置7個關節I 7而配置，在末端部安裝有末端執行器(end effector) 3011。圖3所示的末端執行器3011示出了夾鉗的例子。另外，可以在末端部安裝照相機(電子內窺鏡)等。在圖3所示的關節中，關節U4是繞滾動軸旋轉的關節，關節2、7是繞偏航軸旋轉的關節，關節3、6是繞俯仰軸旋轉的關節。滾動軸與圖4C所示的主裝置的X軸對應。偏航軸與圖4C所示的主裝置的Z軸對應。俯仰軸與圖4C所示的主裝置的Y軸對應。此外，關節5是沿著滾動軸進行伸縮的關節。在圖3的例子中，7個關節完全獨立。尤其是，圖3示出了相鄰的關節與不同的驅動軸對應地動作的例子。通過協調驅動圖3所示的關節2 7，實現從臂301中的鉗爪位置的3自由度和姿態的3自由度。此外，除了這些關節以外，在圖3中，設置有用于使末端執行器3011滾動的關節I作為冗余關節。通過這種結構，例如在使從臂301滾動的情況下，能夠適時選擇是使遠離末端側的一側的關節4滾動、還是使接近末端側的一側的關節I滾動。在本實施方式中，同時驅動關節I和關節4來簡化逆運動學運算。手術臺302是載置有患者20的臺子，且例如在該手術臺302上設置有從臂301。下面，對本實施方式的主-從機械手的動作進行說明。握持著遠程操作裝置100的操作者10在握持著設置于遠程操作裝置100的操作部101上的夾鉗部1011的狀態下，移動、旋轉操作部101，對夾鉗部1011進行操作，由此驅動構成操作部101的各個驅動軸。在驅動各個驅動軸時，通過未圖示的位置檢測器檢測其驅動量。并且，將各個位置檢測器的檢測信號(操作信號)輸出到控制裝置200。每隔預定時間At輸出操作信號。控制裝置200的主控制部201依照來自遠程操作裝置100的與6自由度對應的操作信號，計算從臂301的鉗爪的位置姿態的指令值。此外，主控制部201依照來自遠程操作裝置100的操作信號，在從臂301的各個關節中選擇處于冗余關系的關節中的一個作為驅動關節，選擇剩余的關節作為固定關節。并且，主控制部201將表示選擇結果的關節選擇信號與位置姿態的指令值一起輸出到機械手控制部202。此處，說明關節選擇信號。如圖3所示，本實施方式的例子的從臂301除了 6個與自由度對應的關節以外，還具有能夠與其他關節獨立地進行驅動的I個滾動軸關節作為冗余關節。通過這種結構，從臂301進行與7自由度對應的驅動。在進行用于根據從臂301的鉗爪的位置姿態的指令值求出從臂301的各個關節的驅動量的逆運動學運算的情況下，在指令值的數量與從臂301的驅動關節的數量一致時，能夠通過逆運動學運算唯一確定各個關節的驅動量。因此，運算本身不那么復雜。與此相對，在從臂301的驅動關節的數量比遠程操作裝置100的指令值的數量多時，如果不進行收斂計算，則無法唯一確定各個關節的驅動量。因此，計算復雜化。在本實施方式中，將作為冗余關節的關節I (設為Roll2)、和與關節I處于冗余關系的關節4 (設為Rolll)中的一方設為固定關節、另一方設為驅動關節來進行逆運動學運算。由此，在逆運動學運算時，能夠將7自由度的從臂301實質上認作6自由度的從臂301。因此，能夠減輕逆運動學運算的負荷。關節選擇信號是用于在機械手控制部202中識別驅動關節和固定關節的信號。根據每隔預定時間的遠程操作裝置100的姿態變化，確定將Rolll和Roll2中的哪一個設為固定關節。以下說明該思路。首先，如下定義遠程操作裝置100的姿態變化。例如，在某個時刻t，將遠程操作裝置100的操作部101的位置設為圖4A所示的位置Om (t)。此外,將時刻t的操作部101的姿態設為主滾動軸Xm、主俯仰軸Ym、主偏航軸Zm分別朝向圖4A所示的Xm (t)、Ym (t)、Zm(t)的方向的姿態。在從該狀態起經過預定時間At后的時刻t+Ι，操作部101的位置變化為圖4A所示的位置Om (t+Ι)。此外,將時刻t+Ι的操作部101的姿態變化為主滾動軸Xm、主俯仰軸Ym、主偏航軸Zm分別朝向圖4A所示的Xm (t+1)、Ym (t+1)、Zm (t+Ι)的方向的姿態。此時的操作部101的姿態變化是對繞主滾動軸Xm (t)的旋轉、繞主俯仰軸Ym (t)的旋轉和繞主偏航軸Zm (t)的旋轉進行合成后的姿態變化。并且，在數學上，能夠將這種繞3個軸的旋轉置換為繞I個軸的旋轉。換言之，如圖4B所示，在設定某個旋轉軸I (t)時，從時刻t到時刻t+Ι期間的操作部101的姿態變化與使操作部101繞旋轉軸\ (t)旋轉Θ(t)的姿態變化等效。一般而言，將表示這種旋轉軸I (t)的矢量稱作等效旋轉矢量(也稱作等效旋轉軸矢量等)。在本實施方式中，使用該等效旋轉矢量判定操作部101的姿態變化。此處，考慮進行使從臂301的鉗爪滾動的動作的情況。例如，在內窺鏡下手術中，在術后的縫合時需要縫針的動作。在這種縫針動作中，在使安裝于從臂301的鉗爪上的作為末端執行器3011的夾鉗滾動的同時對患者20的必要部位進行縫針。如上所述，從臂301在使7個關節協調動作的同時控制末端執行器3011的位置姿態。此時，在使作為遠離末端執行器3011的關節的Rolll滾動時，還進行末端執行器3011的滾動，另一方面，其他關節也較大程度動作從而從臂301的關節可能與周圍臟器等碰撞。因此，在縫針動作那樣的、主要需要滾動動作的情況下，為了使得其他關節不會不必要地進行動作，優選使作為接近從臂301的鉗爪一側的關節的Roll2滾動。該情況下，即使將Rolll設為固定關節也沒有特別的問題。并且，能夠通過將Rolll設為固定關節，簡化逆運動學運算。另一方面，在將Rolll設為固定關節時，能夠較大程度地限制從臂301的鉗爪的位置姿態的取得范圍。因此，在還需要滾動以外的旋轉動作的情況下，優選使Rolll滾動。該情況下，即使將Roll2設為固定關節也沒有特別的問題。并且，能夠通過將Roll2設為固定關節，簡化逆運動學運算。能夠根據圖4C所示的等效旋轉矢量Vr (t)與主滾動軸
Xffl (t)所成的角φ (t)判別是否通過操作部101的操作指示為主要使末端的滾動軸關節動
作。如果等效旋轉矢量I (t)與主滾動軸Xm (t)—致(cp (t) =0),則能夠將時刻t到時刻
t+Ι期間的操作部101的姿態變化認作是僅滾動引起的姿態變化。該情況下，能夠認為通過操作部101指示了僅需要從臂301的鉗爪的滾動的動作。實際上，不僅包含等效旋轉矢量Vr (t)與主滾動軸Xm (t)完全一致的情況，還包含即使加入其他動作也主要是鉗爪的滾動
操作的情況。因此，對等效旋轉矢量Vr (t)與主滾動軸Xm (t)所成的角φ <t)設定某個規
定值，在φ (t)為該規定值以下的情況下，視作主要使末端的滾動軸關節動作的操作。圖5是示出依照以上那樣的思路的從臂301的驅動控制的流程的流程圖。每隔預定時間At執行圖5的處理。在圖5的處理中，在從遠程操作裝置100輸入了操作信號時，主控制部201根據所輸入的操作信號，計算用于表示時刻t到時刻t+Ι期間的姿態變化的等效旋轉矢量I (t)、和時刻t的主滾動軸Xm (t)(步驟SI)。在計算出等效旋轉矢量Vr (t)和主滾動軸Xm (t)后，主控制部201判定Vr (t)
與Xm(t)所成的角φ U)是否在規定值以下(步驟S2)。在步驟S2的判定中，在角度φ為規
定值以下、即V, (t)與Xm (t)大體一致的情況下，主控制部201將安裝有末端執行器3011的關節(Roll2)設為驅動關節，將與該關節處于冗余關系的關節(Rolll)設為固定關節(步
驟S3)。另一方面，在步驟S2的判定中，在角度φ超過了規定值的情況下，主控制部201將安裝有末端執行器3011的關節(Roll2)設為固定關節，將與該關節處于冗余關系的關節(Rolll)設為驅動關節(步驟S4)。在選擇了將Rolll和Roll2中的哪一個設為驅動關節、哪一個設為固定關節后，主控制部201將表示將Rolll和Roll2中的哪一個設為驅動關節、哪一個設為固定關節的關節選擇信號，與用于指示從臂301的鉗爪的位置姿態的指令值一起發送到機械手控制部202。機械手控制部202接收到該關節選擇信號，在將Rolll和Rol 12中的任意一個設為了固定關節的狀態下進行逆運動學運算，計算從臂301的各個關節的驅動量。此處的各個關節排除設為了固定關節的關節。然后，機械手控制部202依照計算出的驅動量驅動從臂301的各個關節(步驟S5)。另外，關于逆運動學運算，例如能夠使用分析的方法等以往公知的各種方法。此處，省略其詳細說明。如以上所說明那樣，根據本實施方式，在除了用于使從臂301本身滾動的關節以夕卜，還具有用于使末端執行器3011滾動的關節Roll2作為冗余關節的從臂301中，根據遠程操作裝置100的操作部101的姿態變化，判別是否進行了縫針動作那樣的、主要需要滾動的動作的指示。并且，在該判別結果是能夠判別為指示進行主要需要滾動的動作的情況(等效旋轉矢量\ (t)與主滾動軸Xm (t)大體一致的情況)下，將Roll2作為驅動關節、Rolll作為固定關節進行逆運動學運算。另一方面，在能夠判別為指示進行還需要滾動以外的姿態變化的動作的情況(等效旋轉矢量Vr (t)與主滾動軸Xm (t)沒有大體一致的情況)下，將Rolll作為驅動關節、R0112作為固定關節進行逆運動學運算。由此，在本實施方式中，根據每隔預定時間的操作部101的姿態變化，進行Rolll和Roll2的分開使用。由此，即使是遠程操作裝置和從臂的結構不同的結構，也能夠在反映操作者10的操作意圖的同時，減輕逆運動學運算的負荷。此外，在本實施方式中，能夠自動進行Rolll和Roll2的分開使用。由此，還能夠在不需要通過開關等切換驅動關節的情況下減輕操作者10的勞力和時間。此外，在本實施方式中，通過等效旋轉矢量I (t)表示操作部101的姿態變化。因此，能夠針對各種結構的遠程操作裝置100，適當求出操作部101的姿態變化。此處，在上述例子中，示出了遠程操作裝置100的操作部101的自由度是6自由度(位置3自由度、姿態3自由度)，從臂301的自由度是7自由度(位置3自由度、姿態3自由度、鉗爪的滾動)的例子。與此相對，遠程操作裝置100的操作部101的自由度與從臂301的自由度之間的關系不限于上述例子。例如在消除了位置的自由度的情況下，也能夠應用上述本實施方式的技術。消除位置的自由度的情況是指操作部101的自由度為3自由度、從臂301的自由度為4自由度的情況。并且，上述例子示出了冗余關節為一個的例子，但冗余關節的數量不限于一個。例如，在圖3中，即使在關節2與關節3之間配置有另一個滾動軸關節也能夠應用本實施方式的技術。該情況下，將配置于關節2與關節3之間的關節始終設為驅動關節。此外，在圖3的例子中，將安裝有末端執行器3011的冗余關節設為了滾動軸關節。與此相對，例如，無論是如圖6A所示在偏航軸關節安裝有末端執行器3011的結構，還是如圖7A所示在俯仰軸關節安裝有末端執行器3011的結構，都能夠應用上述本實施方式的技術。其中，在圖6A的結構的情況下，在步驟S2的判定中，判定等效旋轉矢量Vr (t)與主偏
航軸Zm (t)所成的角％ (t)(在圖6B中示出了 φ7 (U)是否為規定值以下，在為規定值以
下的情況下將末端執行器3011 —側的關節(圖6Α的關節I)設為驅動關節。此外，在圖7Α的結構的情況下，在步驟S2的判定中，判定等效旋轉矢量I (t)與主俯仰軸Ym (t)所成
的角(py (t)(在圖7B中示出了 φχ (t))是否為規定值以下，在為規定值以下的情況下將末
端執行器3011 —側的關節(圖7A的關節I)設為驅動關節。由此，能夠通過判定用于表示遠程操作裝置100的姿態變化的等效旋轉矢量、和根據從臂301的結構而在遠程操作裝置100中預先確定的軸所成的角，與各種結構的從臂301對應地進行本實施方式中的冗余關節、和與冗余關節處于冗余關系的關節的選擇。此處，在圖7A、圖7B的例子中，在使關節2旋轉90度的情況下，關節I與偏航軸關節等效。在這種情況下，在關節I與關節3之間，也能夠進行步驟S2的判定。由此，步驟S2的判定不僅能夠在初始狀態下旋轉軸平行的關節彼此間進行，在具有冗余自由度的機構中，還能夠在驅動中旋轉軸彼此平行的關節之間進行。此外，上述各個例子示出了在旋轉軸平行且處于冗余關系的關節之間，配置旋轉軸與該關節垂直的處于獨立關系的關節的結構的從臂301。實際上，只要獨立驅動構成從臂301的各個關節，則也可以相鄰配置處于冗余關系的關節。例如，即使是圖8那樣的結構，也能夠針對關節I和關節2應用上述的本實施方式的技術。根據以上實施方式說明了本發明，但本發明不限于上述實施方式，當然可以在本發明宗旨的范圍內進行各種變形和應用。此外，上述實施方式包含了各種階段的發明，可以通過所公開的多個構成要素的適當組合提取各種發明。例如，即使從實施方式所示的所有構成要素中刪除幾個構成要素，在能夠解決上述課題，并獲得上述效果的情況下，刪除了該構成要素后的結構也可以作為發明提取。
權利要求
1.一種主-從機械手，其特征在于，該主-從機械手具備: 作為主裝置的遠程操作裝置，其提供與多個自由度對應的操作指令； 從機械手，其具有與多個自由度對應的多個關節，在該多個關節中包含有冗余關節；以及 控制部，其依照所述操作指令，控制所述關節的動作， 所述控制部根據所述操作指令計算所述遠程操作裝置的姿態變化，并使用該姿態變化，每隔預定時間在所述關節中選擇處于冗余關系的關節之一進行驅動。
2.根據權利要求1所述的主-從機械手，其特征在于， 所述控制部根據用于表示所述姿態變化的軸與所述遠程操作裝置的預先確定的軸所成的角度，在所述關節中選擇處于冗余關系的關節之一進行驅動。
3.根據權利要求2所述的主-從機械手，其特征在于， 用于表示所述姿態變化的軸對應于將所述姿態變化視為從姿態變化前到姿態變化后的旋轉時的旋轉軸。
4.根據權利要求1 3中的任意一項所述的主-從機械手，其特征在于， 在所述處于冗余關系的關節之間，存在具有與所述關節的軸垂直的旋轉軸的關節。
5.根據權利要求1 3中的任意一項所述的主-從機械手，其特征在于，處于所述冗余關系的關節相鄰配置。
6.根據權利要求2 5中的任意一項所述的主-從機械手，其特征在于， 所述控制部在用于表示所述姿態變化的軸與所述遠程操作裝置的預先確定的軸所成的角度在規定值以下的情況下，在處于所述冗余關系的關節中，選擇最接近所述從機械手的末端側的關節進行驅動，在用于表示所述姿態變化的軸與所述遠程操作裝置的預先確定的軸所成的角度超過了所述規定值的情況下，在處于所述冗余關系的關節中，選擇最遠離所述從機械手的末端側的關節進行驅動。
7.根據權利要求1 6中的任意一項所述的主-從機械手，其特征在于， 所述控制部在所述關節中，將處于冗余關系的關節中的未選擇的關節設為固定關節，通過逆運動學運算來計算剩余關節的驅動量。
全文摘要
主-從機械手包含遠程操作裝置(100)、從機械手(300)和控制部(200)。遠程操作裝置(100)提供與多個自由度對應的操作指令。從機械手(300)具有與多個自由度對應的多個關節，在該多個關節中包含有冗余關節。控制部(200)依照所述操作指令，控制所述關節的動作。此外，控制部(200)根據所述操作指令計算所述遠程操作裝置的姿態變化，并使用該姿態變化，每隔預定時間在所述關節中選擇處于冗余關系的關節中的一個進行驅動。
文檔編號B25J3/00GK103097086SQ201180042859
公開日2013年5月8日 申請日期2011年9月6日 優先權日2010年9月7日
發明者岸宏亮 申請人:奧林巴斯株式會社