專利名稱：機(jī)械手裝置和醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械手裝置和醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)，特別涉及根據(jù)目的處置進(jìn) 行有效驅(qū)動(dòng)的具有多個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械手裝置和具有所述機(jī)械手裝置的醫(yī)療 設(shè)備系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，如下的內(nèi)窺鏡下的外科手術(shù)正在盛行在體壁幵設(shè)插入孔， 通過(guò)該插入孔將內(nèi)窺鏡或處置器械經(jīng)皮膚插入體腔內(nèi)，由此在體腔內(nèi)進(jìn) 行各種處置。這種手術(shù)方式不需要進(jìn)行大的切幵且傷害小，在膽囊摘出 手術(shù)或摘出并去除肺的一部分的手術(shù)等中廣泛應(yīng)用。進(jìn)而，為了提高這 種手術(shù)方式中的操作性，考慮了基于主從方式的醫(yī)療用機(jī)械手裝置。
例如，在日本特開(kāi)平9-66056號(hào)公報(bào)中公開(kāi)了如下的醫(yī)療用機(jī)械手
系統(tǒng)在使用了多個(gè)醫(yī)療用機(jī)械手裝置的手術(shù)中，即使在機(jī)械手裝置產(chǎn)
生某些動(dòng)作不良的情況下，也能夠迅速地對(duì)其進(jìn)行應(yīng)對(duì)，安全性和操作 性優(yōu)異，能夠縮短手術(shù)時(shí)間，且能夠降低對(duì)患者的傷害。
另一方面，在多關(guān)節(jié)機(jī)械手的控制中，為了求出機(jī)械手前端的位置 和姿態(tài)的目標(biāo)值、即賦予了軌跡規(guī)劃時(shí)各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角軌跡，使用逆運(yùn) 動(dòng)學(xué)計(jì)算。而且，在關(guān)節(jié)角軌跡的計(jì)算中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)多時(shí)，各個(gè)
關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)誤差重疊，整體的誤差變大，所以，在日本特開(kāi)平3-12709
號(hào)公報(bào)中公開(kāi)了如下的計(jì)算方法使用模糊推理來(lái)算出能夠以最少的驅(qū) 動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)達(dá)成目標(biāo)值的關(guān)節(jié)角軌跡。
作為比內(nèi)窺鏡下的外科手術(shù)傷害更小的手術(shù)，具有使用配設(shè)在內(nèi)窺 鏡的前端部的醫(yī)療器械來(lái)進(jìn)行處置的內(nèi)窺鏡手術(shù)。然而，貫穿插入于內(nèi) 窺鏡的鉗子通道中且從前端部突出的處置器械的操作性不好，所以，研 究了使用超小型的機(jī)械手來(lái)使處置器械多自由度化和能動(dòng)化的方法。該情況下，從前端部突出來(lái)使用的超小型的機(jī)械手由于其大小的制約而難 以成為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，另一方面，要求高精度和高效性。但是，在這種超 小型的機(jī)械手裝置中，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和高效性。
并且，期望從前端部突出來(lái)使用高精度和高效性的超小型的機(jī)械手 的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供進(jìn)行高精度和高效性的驅(qū)動(dòng)的具有多個(gè)關(guān) 節(jié)的機(jī)械手裝置和具備所述機(jī)械手裝置的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。
為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的機(jī)械手裝置具有機(jī)械手，其具有多 個(gè)關(guān)節(jié)；參數(shù)存儲(chǔ)單元，其存儲(chǔ)所述多個(gè)關(guān)節(jié)的各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)參數(shù)； 軌跡輸入單元，其輸入使所述機(jī)械手的前端從當(dāng)前位置和姿態(tài)移動(dòng)到目 標(biāo)位置和姿態(tài)的軌跡來(lái)作為軌跡規(guī)劃；以及軌跡設(shè)定單元，其根據(jù)所述 關(guān)節(jié)參數(shù)和軌跡規(guī)劃來(lái)設(shè)定所述各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角軌跡，所述軌跡設(shè)定 單元根據(jù)存儲(chǔ)在所述參數(shù)存儲(chǔ)單元中的所述各個(gè)關(guān)節(jié)的最大力量，來(lái)設(shè) 定能夠移動(dòng)到所述目標(biāo)位置和姿態(tài)的最少的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)的關(guān)節(jié)角軌跡中 的最大力量的關(guān)節(jié)角軌跡。
并且，本發(fā)明的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)具有機(jī)械手裝置，該機(jī)械手裝置具有 機(jī)械手，其具有多個(gè)關(guān)節(jié)，并在體內(nèi)使用；參數(shù)存儲(chǔ)單元，其存儲(chǔ)所述 多個(gè)關(guān)節(jié)的各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)參數(shù)；軌跡輸入單元，其輸入使所述機(jī)械手 的前端從當(dāng)前位置和姿態(tài)移動(dòng)到目標(biāo)位置和姿態(tài)的軌跡來(lái)作為軌跡規(guī) 劃；以及軌跡設(shè)定單元，其基于所述關(guān)節(jié)參數(shù)和所述軌跡規(guī)劃，根據(jù)存 儲(chǔ)在所述參數(shù)存儲(chǔ)單元中的所述各個(gè)關(guān)節(jié)的最大力量，設(shè)定能夠移動(dòng)到 所述目標(biāo)位置和姿態(tài)的最少的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)的關(guān)節(jié)角軌跡中的最大力量的 關(guān)節(jié)角軌跡，來(lái)作為所述各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角軌跡。


圖1是用于說(shuō)明醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的概要的概要圖。 圖2是示出醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的外觀的外觀圖。圖3A是用于說(shuō)明機(jī)械手的關(guān)節(jié)功能的說(shuō)明圖。
圖3B是用于說(shuō)明機(jī)械手的關(guān)節(jié)功能的說(shuō)明圖。
圖4是機(jī)械手的外觀立體圖。
圖5是機(jī)械手的剖視圖。
圖6是用于說(shuō)明機(jī)械手的動(dòng)作的剖視圖。
圖7是醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖8是用于說(shuō)明機(jī)械手裝置的動(dòng)作流程的流程圖。
圖9是示出基于機(jī)械手的處置的內(nèi)窺鏡攝像圖像。
圖IO是示出所設(shè)定的關(guān)節(jié)角軌跡的例子的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。 <醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的概要>
圖1是用于說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2的概要的概要 圖。在圖1中，在作為顯示單元的顯示裝置60的顯示屏幕上，顯示后述 的內(nèi)窺鏡裝置5的作為攝像單元的CCD 51所拍攝的體內(nèi)10的攝像圖像 61。而且，在攝像圖像61中顯示有2個(gè)進(jìn)行體內(nèi)IO的患部11的處置的 具有多個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械手100、 200。在機(jī)械手100的前端部101配設(shè)有手 臂，在一個(gè)機(jī)械手200的前端部201配設(shè)有刀臂。
手術(shù)醫(yī)生利用左右手12、 13來(lái)分別操作作為軌跡輸入單元42的左 右的主從裝置42A、 42B，該主從裝置42A、 42B輸入使機(jī)械手100、 200 的前端部IOI、 201從當(dāng)前位置和姿態(tài)移動(dòng)到目標(biāo)位置和姿態(tài)的軌跡。根 據(jù)從軌跡輸入單元42輸入的軌跡信息，機(jī)械手控制裝置48驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 100、 200。
另外，圖1所示的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2在具備具有2個(gè)機(jī)械手的機(jī)械手 裝置的情況下、僅具有1個(gè)機(jī)械手的情況下、或者具有3個(gè)以上的機(jī)械 手的情況下，其基本結(jié)構(gòu)都與本實(shí)施方式的基本結(jié)構(gòu)相同。
并且，醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2具有自由度選擇單元43A、 43B，該自由度選 擇單元43A、 43B根據(jù)機(jī)械手所具有的自由度來(lái)選擇特定的自由度，并限制非選擇的自由度。本實(shí)施方式的機(jī)械手具有多個(gè)關(guān)節(jié)，且具有高自 由度，但是，在醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2中，有時(shí)根據(jù)處置不同，與高自由度的 機(jī)械手相比，低自由度的機(jī)械手的操作性良好，能夠更安全且可靠地進(jìn)
行處理。手術(shù)醫(yī)生能夠根據(jù)處置利用自由度選擇單元43A、 43B來(lái)限制 機(jī)械手100、 200的自由度。自由度選擇單元43的動(dòng)作在后面詳細(xì)敘述。
另外，在圖1中，示出主從型的軌跡輸入單元42，但是不限于此， 只要能夠輸入期望的軌跡，則可以使用鍵盤(pán)、觸摸筆或操縱桿等公知的 輸入單元。
圖2是示出本實(shí)施方式的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2的外觀的外觀圖。在圖2 中，2個(gè)機(jī)械手100、 200從內(nèi)窺鏡55的前端部56的鉗子孔57、 58突出。 在前端部56中配設(shè)有作為攝像單元的CCD 51和作為照明單元的照明部 52B。并且，與圖1同樣，在機(jī)械手100的前端部101配設(shè)有手臂，在一 個(gè)機(jī)械手200的前端部201配設(shè)有刀臂。
本實(shí)施方式的機(jī)械手是從內(nèi)窺鏡的前端部突出的超小型的機(jī)械手， 機(jī)械手的直徑為2 5mm左右，極小。因此，與公知的大多機(jī)械手不同， 如果不有效地進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，則難以執(zhí)行目的處置。
<機(jī)械手的結(jié)構(gòu)>
接著，使用圖3A 圖6說(shuō)明本實(shí)施方式的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)。圖3A和 圖3B是用于說(shuō)明機(jī)械手200的關(guān)節(jié)功能的圖，圖4是機(jī)械手200的外觀 立體圖，圖5是機(jī)械手200的剖視圖，圖6是用于說(shuō)明機(jī)械手200的動(dòng) 作的剖視圖。
圖3A示出機(jī)械手200的關(guān)節(jié)，從機(jī)械手基端部210 (坐標(biāo)x0、 y0、 z0)起，按照直動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)211 (坐標(biāo)xl、 yl、 zl)、作為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān) 節(jié)的滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)212 (坐標(biāo)x2、 y2、 z2)、偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)213 (坐標(biāo) x3、 y3、 z3)、俯仰驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)214 (坐標(biāo)x4、 y4、 z4)、偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié) 215 (坐標(biāo)x5、 y5、 z5)、以及俯仰驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)216 (坐標(biāo)x6、 y6、 z6) 的順序具有多個(gè)關(guān)節(jié)，在前端部201配設(shè)有刀臂。
圖3B示出驅(qū)動(dòng)機(jī)械手200的關(guān)節(jié)后的狀態(tài)，這里，偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié) 213彎曲-63，偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)215彎曲e5。機(jī)械手200通過(guò)對(duì)這些多個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠使前端 部201從當(dāng)前位置和姿態(tài)移動(dòng)到目標(biāo)位置和姿態(tài)。特別地，機(jī)械手200 具有移動(dòng)到目標(biāo)位置和姿態(tài)所需要的自由度以上的自由度，換言之，具 有超過(guò)作業(yè)上要求的自由度的自由度，因此，用于移動(dòng)到目標(biāo)位置和姿 態(tài)的各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角軌跡存在多個(gè)。因此，機(jī)械手裝置1的精度和效率 根據(jù)選擇哪種關(guān)節(jié)角軌跡而大幅變化。
接著，使用圖4 圖5詳細(xì)說(shuō)明機(jī)械手200的結(jié)構(gòu)。如圖4的立體 圖所示，機(jī)械手200利用4個(gè)關(guān)節(jié)216 219來(lái)連接5個(gè)關(guān)節(jié)塊251 255。 各關(guān)節(jié)利用鉚釘260固定2個(gè)部位，具有能夠向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)。 即，機(jī)械手200具有2個(gè)俯仰驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)216、214和2個(gè)偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)215、 213。在各關(guān)節(jié)中，在對(duì)角線上的2個(gè)部位固定角度操作線270的一端， 通過(guò)未圖示的驅(qū)動(dòng)單元23來(lái)操作角度操作線270，由此，能夠使關(guān)節(jié)塊 251 255以各關(guān)節(jié)為中心彎曲。機(jī)械手200的前端部201為刀臂，通過(guò) 驅(qū)動(dòng)機(jī)械手200，使刀臂的位置和姿態(tài)變化。
圖5是圖4所示的機(jī)械手200的剖視圖。在機(jī)械手200的中心部配 設(shè)有配設(shè)在絕緣性的撓性管271內(nèi)部的能夠通上高頻電流的刀臂的操作 線272，操作線272與刀臂電連接。
圖6示出在刀臂收納于機(jī)械手200內(nèi)部的狀態(tài)下，角度操作線(未 圖示)牽引俯仰驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)216而使最前端的彎曲塊251彎曲的狀態(tài)。
機(jī)械手裝置1使用角度操作線進(jìn)行機(jī)械手200的驅(qū)動(dòng)，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，可靠性高，且能夠?qū)崿F(xiàn)小型化。
<醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的構(gòu)成>
接著，使用圖7說(shuō)明本實(shí)施方式的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2的構(gòu)成。圖7是 本實(shí)施方式的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2的構(gòu)成圖。另外，以下為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，對(duì) 具有1個(gè)機(jī)械手200的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2進(jìn)行說(shuō)明，但是，對(duì)于具有多個(gè) 機(jī)械手裝置1的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2，只是追加各個(gè)機(jī)械手裝置1用的構(gòu)成要 素，基本結(jié)構(gòu)和動(dòng)作與以下的說(shuō)明相同。
圖7示出以具有在體內(nèi)10驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部20的機(jī)械手(未圖示)為 中心的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2的構(gòu)成。機(jī)械手具有負(fù)荷傳感器21、位置傳感器22以及驅(qū)動(dòng)單元23。
負(fù)荷傳感器21驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的各關(guān)節(jié)，檢測(cè)在進(jìn)行了期望動(dòng)作時(shí)所產(chǎn) 生的對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的負(fù)荷。在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的情況下，負(fù)荷量是所產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)矩(N/m)，在直動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的情況下，負(fù)荷量用力(N)表示。作為 負(fù)荷檢測(cè)的具體方法，例如在操作線驅(qū)動(dòng)的情況下，能夠通過(guò)測(cè)定操作 線的張力來(lái)檢測(cè)負(fù)荷。或者，也能夠利用應(yīng)變儀等檢測(cè)負(fù)荷，在利用電 動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)操作線的情況下，能夠根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率消耗來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。艮P, 不一定需要在機(jī)械手中新組裝傳感器，能夠直接將機(jī)械手的構(gòu)成要素用 作傳感器，向負(fù)荷檢測(cè)單元40輸出負(fù)荷信息。
位置傳感器22是用于檢測(cè)各個(gè)關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài)的傳感器，使用磁 傳感器等。另外，位置傳感器22與負(fù)荷傳感器21同樣，不一定需要在 機(jī)械手中組裝傳感器，能夠利用編碼器來(lái)檢測(cè)基于驅(qū)動(dòng)單元23的各關(guān)節(jié) 的位置和姿態(tài)的變化，并向位置計(jì)算單元41輸出位置信息。
軌跡設(shè)定單元45根據(jù)來(lái)自位置計(jì)算單元41 、軌跡輸入單元42和自 由度選擇單元43的信息和從參數(shù)輸入單元輸入并存儲(chǔ)在參數(shù)存儲(chǔ)單元中 的關(guān)節(jié)參數(shù)，設(shè)定各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角軌跡。
驅(qū)動(dòng)控制單元47按照軌跡設(shè)定單元45所設(shè)定的關(guān)節(jié)角軌跡，驅(qū)動(dòng) 機(jī)械手的關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)單元23。
內(nèi)窺鏡裝置50具有配設(shè)在插入部(未圖示)前端部的CCD等攝 像單元51;用于對(duì)體內(nèi)部進(jìn)行照明的照明單元52;對(duì)攝像單元51所拍 攝的圖像進(jìn)行處理等的攝像控制部53;以及進(jìn)行內(nèi)窺鏡整體的控制的內(nèi) 窺鏡控制部54。
并且，顯示內(nèi)窺鏡裝置50的攝像圖像的顯示裝置60也能夠作為觸 摸面板而用于機(jī)械手的軌跡輸入等。
另外，不需要使多個(gè)關(guān)節(jié)都具有負(fù)荷傳感器21、負(fù)荷檢測(cè)單元40、 位置傳感器22或位置計(jì)算單元41等，特別地，直動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)211和滾 動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)212也可以為手動(dòng)驅(qū)動(dòng)。
<機(jī)械手裝置的動(dòng)作〉
接著，使用圖8的流程圖說(shuō)明機(jī)械手裝置1的動(dòng)作。圖8是用于說(shuō)明機(jī)械手裝置1的動(dòng)作流程的流程圖。 "步驟S11"
使用參數(shù)輸入單元44輸入各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)參數(shù)，并將其存儲(chǔ)在參數(shù)存 儲(chǔ)單元46中。關(guān)于關(guān)節(jié)參數(shù)的輸入，預(yù)先輸入即可，不需要每次進(jìn)行。
關(guān)節(jié)參數(shù)是驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的各關(guān)節(jié)所需要的關(guān)節(jié)信息。在醫(yī)療設(shè)備系 統(tǒng)2中，關(guān)節(jié)參數(shù)具有DH參數(shù)(初始坐標(biāo)、長(zhǎng)度、方向等)、關(guān)節(jié)的可 動(dòng)范圍(角度范圍和直動(dòng)范圍等)以及關(guān)節(jié)的動(dòng)作精度(響應(yīng)速度等)。 進(jìn)而，在醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2中，關(guān)節(jié)參數(shù)具有關(guān)節(jié)的最大力量和關(guān)節(jié)的負(fù) 荷允許量。
關(guān)節(jié)的最大力量是各關(guān)節(jié)能夠產(chǎn)生的最大的力量，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié) 中，能夠用轉(zhuǎn)矩量(N/m)或驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率值(W)來(lái)表現(xiàn)。并且， 關(guān)節(jié)的負(fù)荷允許量是能夠施加給各關(guān)節(jié)的最大的負(fù)荷，是當(dāng)對(duì)關(guān)節(jié)施加 超過(guò)負(fù)荷允許量的負(fù)荷時(shí)，關(guān)節(jié)或驅(qū)動(dòng)線有可能產(chǎn)生破損的負(fù)荷量，在 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中，也能夠用轉(zhuǎn)矩量或驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率值來(lái)表現(xiàn)。
另外，通過(guò)預(yù)先將存儲(chǔ)在參數(shù)存儲(chǔ)單元46中的關(guān)節(jié)參數(shù)按照力量或 負(fù)荷允許量的順序排序，從而能夠?qū)崿F(xiàn)步驟S12以后的軌跡輸入單元42 的處理的高速化。 "步驟S12"
通過(guò)軌跡輸入單元42，輸入使機(jī)械手的前端從當(dāng)前位置和姿態(tài)移動(dòng) 到目標(biāo)位置和姿態(tài)的軌跡規(guī)劃。 "步驟S13"
通過(guò)自由度選擇單元43，輸入限制機(jī)械手的自由度的信息。本實(shí)施 方式的機(jī)械手具有能夠在三維空間的任意位置呈任意姿態(tài)的6自由度。
圖9是內(nèi)窺鏡的攝像圖像61，示出使用機(jī)械手200的前端部201的 手術(shù)刀切開(kāi)患部11的處置。該情況下，前端部201優(yōu)選如箭頭A所示那 樣向左方向沿著直線11B移動(dòng)，并移動(dòng)到前端部201B的位置。但是，在 手術(shù)醫(yī)生對(duì)主從裝置(軌跡輸入單元42)的操作中，即使手術(shù)醫(yī)生小心 翼翼地進(jìn)行操作，有時(shí)也會(huì)伴隨本來(lái)不需要的向俯仰(pitch)方向和滾 動(dòng)方向的移動(dòng)。在機(jī)械手裝置1中，在進(jìn)行上述處置時(shí)，能夠通過(guò)自由度選擇單元 43來(lái)限制向俯仰(pitch)方向和滾動(dòng)方向的自由度。另外，在前端部為 手術(shù)刀臂的情況下，基本不需要滾動(dòng)方向的自由度。
對(duì)于來(lái)自自由度選擇單元43的自由度限制信息，在后述的軌跡設(shè)定
單元中，刪除軌跡輸入單元向被限制的自由度方向的輸入。刪除輸入是 指，例如在能夠用矢量來(lái)表現(xiàn)移動(dòng)方向的情況下，去除被限制的方向的 矢量分量。
而且，由自由度選擇單元43來(lái)限制自由度，由此，機(jī)械手裝置l能 夠更安全且可靠地進(jìn)行處理。 "步驟S14"
軌跡設(shè)定單元45根據(jù)關(guān)節(jié)參數(shù)和軌跡規(guī)劃，來(lái)設(shè)定各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié) 角軌跡。軌跡設(shè)定單元45根據(jù)存儲(chǔ)在參數(shù)存儲(chǔ)單元46中的各個(gè)關(guān)節(jié)的 最大力量，設(shè)定能夠移動(dòng)到目標(biāo)位置和姿態(tài)的最少的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)的關(guān)節(jié) 角軌跡中的最大力量的關(guān)節(jié)角軌跡。另外，設(shè)定最大力量的關(guān)節(jié)角軌跡 是指，不一定選擇能夠產(chǎn)生最大力量的關(guān)節(jié)來(lái)設(shè)定關(guān)節(jié)角軌跡，而是優(yōu) 先選擇力量大的關(guān)節(jié)(能夠產(chǎn)生大的力的關(guān)節(jié))，來(lái)設(shè)定產(chǎn)生最大力量那 樣的關(guān)節(jié)角軌跡。
艮P，在本實(shí)施方式的機(jī)械手裝置1中，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算來(lái)設(shè)定關(guān) 節(jié)角軌跡時(shí)，使動(dòng)作精度最為優(yōu)先，因此，設(shè)定驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)最少的關(guān)節(jié) 角軌跡。而且，作為在動(dòng)作精度之后優(yōu)先的項(xiàng)目，本實(shí)施方式的機(jī)械手 裝置1設(shè)定產(chǎn)生力量大的關(guān)節(jié)角軌跡。
圖10示出軌跡設(shè)定單元45所設(shè)定的關(guān)節(jié)角軌跡的例子。在圖10中， 示出2個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角軌跡。
在醫(yī)療用的超小型的機(jī)械手裝置1中，精度最重要且是超小型，因 此，機(jī)械手的產(chǎn)生力量小，有時(shí)無(wú)法執(zhí)行期望的處置。
由于軌跡設(shè)定單元45根據(jù)上述基準(zhǔn)來(lái)設(shè)定關(guān)節(jié)角軌跡，所以，本實(shí) 施方式的機(jī)械手裝置1能夠更安全且可靠地進(jìn)行處理。 "步驟S15"
驅(qū)動(dòng)控制單元47按照軌跡設(shè)定單元45所設(shè)定的關(guān)節(jié)角軌跡，開(kāi)始驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)單元23。
"步驟S16"
開(kāi)始驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)單元23后，在各關(guān)節(jié)產(chǎn)生負(fù)荷。特別地，在 醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)2的機(jī)械手裝置1中，由于要處置的活體部位和個(gè)人差異 等，其硬度和彈性等物性值有很大不同，所以，沒(méi)開(kāi)始處置時(shí)，難以預(yù) 測(cè)對(duì)關(guān)節(jié)施加的負(fù)荷。
因此，開(kāi)始驅(qū)動(dòng)單元23的驅(qū)動(dòng)后，負(fù)荷檢測(cè)單元40根據(jù)來(lái)自負(fù)荷 傳感器21的信息來(lái)算出各關(guān)節(jié)的負(fù)荷量。然后，軌跡設(shè)定單元45對(duì)存 儲(chǔ)在關(guān)節(jié)參數(shù)存儲(chǔ)單元中的各關(guān)節(jié)的負(fù)荷允許量和各關(guān)節(jié)的負(fù)荷量進(jìn)行 比較，在所有關(guān)節(jié)的負(fù)荷量小于負(fù)荷允許量的情況下，驅(qū)動(dòng)單元23繼續(xù) 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，直到機(jī)械手前端部移動(dòng)到目標(biāo)位置和姿態(tài)。
與此相對(duì)，在某一個(gè)關(guān)節(jié)的負(fù)荷量在負(fù)荷允許量以上的情況下，軌 跡設(shè)定單元45為了設(shè)定新的關(guān)節(jié)角軌跡而進(jìn)行以后的處理。 "步驟S17"
在存在負(fù)荷允許量比當(dāng)前使用的關(guān)節(jié)大的未驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的情況下 (Yes)，軌跡設(shè)定單元45在步驟S18中變更要驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)。然后，再次 算出關(guān)節(jié)角軌跡。
在沒(méi)有負(fù)荷允許量比當(dāng)前使用的關(guān)節(jié)大的未驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的情況下 (No)，進(jìn)行步驟S19以后的處理。 "步驟S19"
在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)全部關(guān)節(jié)的情況下(Yes)，軌跡設(shè)定單元45在步驟S20 中使要驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)增加1。然后，再次算出關(guān)節(jié)角軌跡。 "步驟S21"
在步驟S19中，在驅(qū)動(dòng)了全部關(guān)節(jié)的情況下(No)，軌跡設(shè)定單元 45不能按照所輸入的軌跡使機(jī)械手前端部移動(dòng)到目標(biāo)位置和姿態(tài)，所以， 由警告單元70產(chǎn)生警告，并通知給手術(shù)醫(yī)生。警告可以使用向顯示裝置 60的基于視覺(jué)的顯示、聲音、振動(dòng)等公知的方法。
手術(shù)醫(yī)生接受警告，再次輸入新的軌跡規(guī)劃，由此，能夠繼續(xù)進(jìn)行 處置。"步驟S22和S23"
在機(jī)械手裝置1中，驅(qū)動(dòng)控制單元47按照軌跡設(shè)定單元45所設(shè)定 的關(guān)節(jié)角軌跡，來(lái)驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)單元23，直到機(jī)械手前端部移動(dòng)到 目標(biāo)位置和姿態(tài)，機(jī)械手裝置1繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)作，直到步驟S23中存在處 置結(jié)束信號(hào)。
本實(shí)施方式的機(jī)械手裝置1以最少的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所以精 度高，而且，即使是超小型的機(jī)械手，力量也大，所以，能夠可靠地進(jìn) 行高精度和高效性的驅(qū)動(dòng)。并且，具有本實(shí)施方式的機(jī)械手裝置1的醫(yī) 療設(shè)備系統(tǒng)2能夠可靠地進(jìn)行高精度和高效性的處置器械的驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，在不改變本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)可以 進(jìn)行各種變更、改變等。
權(quán)利要求
1. 一種機(jī)械手裝置，該機(jī)械手裝置具有機(jī)械手，其具有多個(gè)關(guān)節(jié)；參數(shù)存儲(chǔ)單元，其存儲(chǔ)所述多個(gè)關(guān)節(jié)的各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)參數(shù)；軌跡輸入單元，其輸入使所述機(jī)械手的前端從當(dāng)前位置和姿態(tài)移動(dòng)到目標(biāo)位置和姿態(tài)的軌跡來(lái)作為軌跡規(guī)劃；以及軌跡設(shè)定單元，其基于所述關(guān)節(jié)參數(shù)和所述軌跡規(guī)劃，根據(jù)存儲(chǔ)在所述參數(shù)存儲(chǔ)單元中的所述各個(gè)關(guān)節(jié)的最大力量，設(shè)定能夠移動(dòng)到所述目標(biāo)位置和姿態(tài)的最少的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)的關(guān)節(jié)角軌跡中的最大力量的關(guān)節(jié)角軌跡，來(lái)作為所述各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角軌跡。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械手裝置，其中， 該機(jī)械手裝置還具有檢測(cè)所述各個(gè)關(guān)節(jié)的負(fù)荷量的負(fù)荷檢測(cè)單元， 所述軌跡設(shè)定單元根據(jù)存儲(chǔ)在所述參數(shù)存儲(chǔ)單元中的所述各個(gè)關(guān)節(jié)的負(fù)荷允許量，來(lái)設(shè)定所述各個(gè)關(guān)節(jié)的所述負(fù)荷量不會(huì)超過(guò)負(fù)荷允許量 的關(guān)節(jié)角軌跡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械手裝置，其中，該機(jī)械手裝置還具有進(jìn)行限制所述機(jī)械手的自由度的選擇的自由度 選擇單元，所述軌跡設(shè)定單元?jiǎng)h除所述軌跡輸入單元向被限制的自由度方向的 輸入。
4. 一種醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)，該醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)具有機(jī)械手裝置， 該機(jī)械手裝置具有機(jī)械手，其具有多個(gè)關(guān)節(jié)，并在體內(nèi)使用；參數(shù)存儲(chǔ)單元，其存儲(chǔ)所述多個(gè)關(guān)節(jié)的各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)參數(shù)；軌跡輸入單元，其輸入使所述機(jī)械手的前端從當(dāng)前位置和姿態(tài)移動(dòng) 到目標(biāo)位置和姿態(tài)的軌跡來(lái)作為軌跡規(guī)劃；以及軌跡設(shè)定單元，其基于所述關(guān)節(jié)參數(shù)和所述軌跡規(guī)劃，根據(jù)存儲(chǔ)在 所述參數(shù)存儲(chǔ)單元中的所述各個(gè)關(guān)節(jié)的最大力量，設(shè)定能夠移動(dòng)到所述目標(biāo)位置和姿態(tài)的最少的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)的關(guān)節(jié)角軌跡中的最大力量的關(guān)節(jié) 角軌跡，來(lái)作為所述各個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角軌跡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)，其中，該醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)還具有檢測(cè)所述各個(gè)關(guān)節(jié)的負(fù)荷量的負(fù)荷檢測(cè)單元，所述軌跡設(shè)定單元根據(jù)存儲(chǔ)在所述參數(shù)存儲(chǔ)單元中的所述各個(gè)關(guān)節(jié) 的負(fù)荷允許量，來(lái)設(shè)定所述各個(gè)關(guān)節(jié)的所述負(fù)荷量不會(huì)超過(guò)負(fù)荷允許量 的關(guān)節(jié)角軌跡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)，其中， 該醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)還具有進(jìn)行限制所述機(jī)械手的自由度的選擇的自由度選擇單元，所述軌跡設(shè)定單元?jiǎng)h除所述軌跡輸入單元向被限制的自由度方向的 輸入。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)，其中， 所述機(jī)械手從內(nèi)窺鏡的前端部向所述體內(nèi)突出來(lái)使用。
全文摘要
本發(fā)明提供進(jìn)行高精度和高效性的驅(qū)動(dòng)的具有多個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)械手裝置和具有所述機(jī)械手裝置的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。本發(fā)明的機(jī)械手裝置具有機(jī)械手，其具有多個(gè)關(guān)節(jié)；參數(shù)存儲(chǔ)單元，其存儲(chǔ)關(guān)節(jié)參數(shù)；軌跡輸入單元，其輸入使機(jī)械手從當(dāng)前位置和姿態(tài)移動(dòng)到目標(biāo)位置和姿態(tài)的軌跡來(lái)作為軌跡規(guī)劃；以及軌跡設(shè)定單元，其根據(jù)關(guān)節(jié)參數(shù)和軌跡規(guī)劃來(lái)設(shè)定關(guān)節(jié)角軌跡，軌跡設(shè)定單元根據(jù)關(guān)節(jié)的最大力量，來(lái)設(shè)定最少的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)的關(guān)節(jié)角軌跡中的最大力量的關(guān)節(jié)角軌跡。
文檔編號(hào)B25J9/10GK101422901SQ20081017494
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
發(fā)明者梅本義孝, 野波徹緒, 高橋和彥 申請(qǐng)人:奧林巴斯醫(yī)療株式會(huì)社