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JP2005131417A - Control method of medical manipulator - Google Patents

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JP2005131417A
JP2005131417A JP2004351553A JP2004351553A JP2005131417A JP 2005131417 A JP2005131417 A JP 2005131417A JP 2004351553 A JP2004351553 A JP 2004351553A JP 2004351553 A JP2004351553 A JP 2004351553A JP 2005131417 A JP2005131417 A JP 2005131417A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
master
slave
unit
posture
difference
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2004351553A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takamitsu Sunaoshi
貴光 砂押
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2004351553A priority Critical patent/JP2005131417A/en
Publication of JP2005131417A publication Critical patent/JP2005131417A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a medical manipulator having high operability for reducing a burden of an operator. <P>SOLUTION: This integral medical manipulator 1 operates in a master-slave system, and has a master part 2 having an operation command part, a slave part 3 having a work part, a connecting part 4 for integrally connecting the master part and the slave part, an attitudinal difference detecting means 6 for detecting an attitudinal difference between an attitude of the master part and an attitude of the slave part, and a control means 7 for controlling the slave part so as to eliminate the attitudinal difference on the basis of the attitudinal difference detected by the attitudinal difference detecting means in a transitional master-slave operation mode up to eliminating the attitudinal difference between the attitude of the master part and the attitude of the slave part by entering a master-slave operation mode from a non-master-slave operation mode. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、医療用マニピュレータに関し、特にマスタスレーブ方式で動作する一体型の
医療用マニピュレータの制御方法に関する。
The present invention relates to a medical manipulator, and more particularly to a method for controlling an integrated medical manipulator that operates in a master-slave manner.

従来、胆のう摘出手術などの腹腔鏡下手術においては、患者の腹部に小さな穴をあけ、
その部分にトラカールを取り付け、トラカールを介して内視鏡や鉗子を挿入し、術者が内
視鏡の映像をモニタで見ながら手術を行っている。このような手術方法は開腹を必要とし
ないため患者への負担が少なく術後の回復や退院までの日数が大幅に低減される。このよ
うに腹腔鏡下手術は患者への負担が少ないという点で優れ適用分野の拡大が期待されるも
のである。しかしその反面、術者にとっては直接患部が見られない、開閉グリッパしか設
けられていない操作性に乏しい鉗子を使用し、必ずしも手術に適したものとはいえず、術
者の熟練した技術を要するものであった。
Conventionally, in laparoscopic surgery such as cholecystectomy, a small hole is made in the patient's abdomen,
A trocar is attached to the portion, an endoscope and forceps are inserted through the trocar, and an operator performs an operation while viewing an image of the endoscope on a monitor. Since such an operation method does not require laparotomy, the burden on the patient is small, and the number of days until recovery and discharge from the operation is greatly reduced. Thus, laparoscopic surgery is excellent in that the burden on patients is small, and expansion of the application field is expected. On the other hand, however, the surgeon uses a forceps with poor operability that does not show the affected area directly and is provided only with an open / close gripper, and is not necessarily suitable for surgery, and requires skill of the operator. It was a thing.

そこで鉗子先端に姿勢の自由度を与え、複数の自由度を持つ操作部(マスタ部)を術者
が操作し、複数の自由度を持つ先端の作業部(スレーブ部)が操作部の動きに合わせて動
作するマスタスレーブ方式によって腹腔鏡下手術を行うことが研究され導入されつつある
。マスタ部とスレーブ部とが離れたところにあり複雑なシステムからなる遠隔操作型があ
る(特許文献1)。この場合、マスタ部とスレーブ部とが離れて位置し、事故的にスレー
ブ部が暴走した場合には生命に関わるので医療用マニピュレータとしては安全性の上で問
題があり得る。
Therefore, the degree of freedom of posture is given to the tip of the forceps, the operator operates the operation part (master part) having a plurality of degrees of freedom, and the working part (slave part) of the tip having a plurality of degrees of freedom moves the operation part. Research and introduction of performing laparoscopic surgery with a master-slave system that works together. There is a remote operation type in which a master unit and a slave unit are separated from each other and a complicated system is used (Patent Document 1). In this case, the master unit and the slave unit are located apart from each other, and if the slave unit runs out of control accidentally, it is life-threatening, so there may be a problem in terms of safety as a medical manipulator.

また、マスタ部とスレーブ部が一部の共通軸を持ち簡素なシステムで導入しやすい一体
型の医療用マスタスレーブマニピュレータがある。産業ロボットの分野においては、マス
タ部とスレーブ部とを備えマスタスレーブ方式で動作する一体型のマニピュレータが知ら
れている。しかしながら、これらのマニピュレータはいずれも、非マスタスレーブ動作モ
ードからマスタスレーブ動作モードへ入りマスタ部の姿勢とスレーブ部の姿勢との間の姿
勢差が解消するまでの遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、マスタ部の姿勢をスレ
ーブ部の姿勢に合わせるようにするものであった。操作者の手元にあるマスタ部を調整す
ることが容易であり、また、特に産業ロボットにおいては重厚なスレーブ部(作業部)を
マスタ部に合わせることは現実的でないからである。
特開平8−323654号公報 図2
In addition, there is an integrated medical master-slave manipulator in which the master unit and the slave unit have some common axes and are easy to introduce with a simple system. In the field of industrial robots, an integrated manipulator that includes a master unit and a slave unit and operates in a master-slave system is known. However, all of these manipulators enter the master-slave operation mode from the non-master-slave operation mode, and in the transitional master-slave operation mode until the difference in attitude between the attitude of the master unit and the slave unit is resolved, The posture of the part was adapted to match the posture of the slave part. This is because it is easy to adjust the master unit at the operator's hand, and it is not practical to match a heavy slave unit (working unit) to the master unit, particularly in an industrial robot.
Japanese Patent Laid-Open No. 8-323654 FIG.

マスタスレーブ方式によって医療用マニピュレータを動作させるにあたり、マスタ部と
スレーブ部との姿勢関係が一致していない状態で動作を開始すると、操作者(術者)の思
い通りにスレーブが動作せず操作性が悪いという欠点がある。
When operating the medical manipulator by the master-slave system, if the operation starts when the posture relationship between the master unit and the slave unit does not match, the slave does not operate as expected by the operator (operator) and the operability is improved. There is a disadvantage of being bad.

そこで、マスタ部とスレーブ部との姿勢関係を一致させるための方法が開示されている
が、これらは、スレーブ部とマスタ部とにそれぞれの形状を検出する検出手段とそれらに
よる検出結果を比較する手段とを備えたマニピュレータにおいて、スレーブ部を停止して
おき、術者がマスタ部をスレーブ部の形状に一致させることでマスタスレーブ動作を開始
させるものである。すなわち、非マスタスレーブ動作モードからマスタスレーブ動作モー
ドへ入るまでの遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、スレーブ部の姿勢に合わせる
ようにマスタ部を制御するものである。
Therefore, a method for matching the posture relationship between the master unit and the slave unit is disclosed, but these are detection means for detecting the respective shapes of the slave unit and the master unit and the detection results by them are compared. In the manipulator provided with the means, the slave unit is stopped, and the surgeon starts the master-slave operation by matching the master unit with the shape of the slave unit. That is, in the transitional master-slave operation mode from the non-master-slave operation mode to the master-slave operation mode, the master unit is controlled to match the attitude of the slave unit.

この場合、マスタスレーブ動作を開始または再開する際にスレーブ部とマスタ部との形
状合わせを術者がいちいち行うのでは必ずしも操作性がよくないという問題があった。特
に複数の自由度を合わせなければならないので、形状合わせに時間がかかるという問題が
あった。グリッパのようにマスタ側にその自由度が必ずしも存在する必要がない動作自由
度を持つ医療用マニピュレータは、マスタ部の操作だけでは形状を合わせることは困難で
ある。これらの課題は現場での不測の事態に臨機応変に対処するという面からも適当では
ない。
In this case, when the master / slave operation is started or restarted, there is a problem that the operability is not always good if the surgeon performs shape matching between the slave unit and the master unit one by one. In particular, since a plurality of degrees of freedom have to be matched, there is a problem that it takes time to match the shapes. It is difficult to match the shape of a medical manipulator having a degree of freedom of operation that does not necessarily have to be present on the master side, such as a gripper, only by operating the master unit. These issues are not appropriate from the standpoint of responding to unforeseen circumstances on the spot.

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、非マスタスレーブ動作
モードからマスタスレーブ動作モードへ入りマスタ部の姿勢とスレーブ部の姿勢との間の
姿勢差が解消するまでの遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、マスタ部に合わせる
ようにスレーブ部を制御することによって、操作性のよい医療用マニピュレータを提供す
ることである。
Therefore, the object of the present invention is to solve the problems of the above-described conventional technology, enter the master-slave operation mode from the non-master-slave operation mode, and eliminate the attitude difference between the attitude of the master unit and the attitude of the slave unit. It is to provide a medical manipulator with good operability by controlling the slave unit so as to match the master unit in the transitional master-slave operation mode.

上記目的を達成するために、本発明は、非マスタスレーブ動作モードとマスタスレーブ
動作モードとを備える医療用マニピュレータの制御方法であって、マスタ部の姿勢とスレ
ーブ部の姿勢との間の姿勢差を検出し、予め定められる前記マスタ部の姿勢と前記スレー
ブ部の姿勢とが一致しているか限りなく近い値であることを判定するための第1のパラメ
ータ値と前記姿勢差の大きさとを比較し、前記第1のパラメータ値と前記姿勢差の大きさ
との比較の結果に応じて、予め定められる前記マスタ部の姿勢と前記スレーブ部の姿勢と
が近づいているかどうかの判断に用いる第2のパラメータ値と前記姿勢差の大きさとの比
較を行うか、もしくは前記マスタスレーブ動作モードへ移行し、前記第2のパラメータ値
と前記姿勢差の大きさとの比較を行った場合、その比較の結果に応じて、マスタスレーブ
動作開始を意図する信号が入力されてからの時間パラメータと現在の時間との比較を行う
か、もしくは前記スレーブ部の減速動作を行い、前記時間パラメータと現在の時間との比
較を行った場合、その比較の結果に応じて、前記スレーブ部の等速動作を行うか、もしく
は前記スレーブ部の加速動作を行い、前記減速動作、前記等速動作または前記加速動作の
後、マスタ部の姿勢と前記スレーブ部の姿勢との間の姿勢差を再び検出する、ことを特徴
とする。
To achieve the above object, the present invention provides a medical manipulator control method comprising a non-master-slave operation mode and a master-slave operation mode, wherein a posture difference between the posture of the master unit and the posture of the slave unit is provided. And a first parameter value for determining whether the predetermined posture of the master unit and the posture of the slave unit match each other and the magnitude of the posture difference are compared. Then, a second used for determining whether or not the predetermined posture of the master unit and the posture of the slave unit are close to each other according to the result of the comparison between the first parameter value and the magnitude of the posture difference. A comparison is made between the parameter value and the magnitude of the attitude difference, or a transition is made to the master-slave operation mode, and a comparison is made between the second parameter value and the magnitude of the attitude difference. If done, depending on the result of the comparison, the time parameter from the input of the signal intended to start the master-slave operation is compared with the current time, or the slave unit decelerates, When a comparison is made between the time parameter and the current time, the slave unit performs a constant speed operation or the slave unit performs an acceleration operation according to a result of the comparison, and the deceleration operation and the constant speed are performed. After the operation or the acceleration operation, the posture difference between the posture of the master unit and the posture of the slave unit is detected again.

本発明によれば、非マスタスレーブ動作モードからマスタスレーブ動作モードへ入りマ
スタ部の姿勢とスレーブ部の姿勢との間の姿勢差が解消するまでの遷移的マスタスレーブ
動作モードにおいて、姿勢差検出手段で検出した姿勢差に基づき、姿勢差が解消されるよ
うにマスタ部に合わせるようにスレーブ部を制御するので、良好な操作性を得ることがで
きる。ここで、マスタスレーブ方式で動作する一体型の医療用マニピュレータにあっては
、一体型であるため、姿勢差を解消させるためにスレーブ部を動作させてもスレーブ部は
限られた動作空間内で動作するので暴走等の危険がない。
According to the present invention, in the transitional master-slave operation mode from the non-master slave operation mode to the master-slave operation mode until the posture difference between the posture of the master unit and the posture of the slave unit is resolved, the posture difference detection means Since the slave unit is controlled so as to be matched with the master unit so that the posture difference is eliminated based on the posture difference detected in step 1, good operability can be obtained. Here, since the integrated medical manipulator that operates in the master-slave system is integrated, even if the slave unit is operated to eliminate the posture difference, the slave unit is within a limited operating space. Because it works, there is no danger of runaway.

また、本発明によれば、前記制御手段は、非マスタスレーブ動作モードからマスタスレ
ーブ動作モードへ移行する旨の信号を受信した時から前記姿勢差が解消するまでの制御時
間範囲に渡って予め定められた、姿勢差量と制御時間との関係に基づいて、前記スレーブ
部を制御するので、スレーブ部の姿勢をマスタ部の姿勢に迅速に効率的に合わせるように
することができる。
Further, according to the present invention, the control means determines in advance over a control time range from when the signal indicating the transition from the non-master-slave operation mode to the master-slave operation mode is received until the attitude difference is resolved. Since the slave unit is controlled based on the relationship between the posture difference amount and the control time, the posture of the slave unit can be quickly and efficiently matched to the posture of the master unit.

以上のように本発明では、術者がマスタスレーブの形状合わせを意図して行う必要がな
く操作性が向上するとともに、特に形状合わせが姿勢において行われるような一体型マス
タスレーブマニピュレータにおいては安全性を損なうことなくマスタスレーブ動作モード
に移行させることができる。
As described above, according to the present invention, it is not necessary for the operator to intentionally adjust the shape of the master slave, and the operability is improved. In particular, in the integrated master-slave manipulator in which the shape adjustment is performed in the posture, the safety It is possible to shift to the master / slave operation mode without impairing the operation.

以上説明したように、本発明の構成によれば、操作性に優れた医療用マニピュレータの
制御方法を提供することができる。
As described above, according to the configuration of the present invention, it is possible to provide a method for controlling a medical manipulator having excellent operability.

以下に図面を参照して、本発明の医療用マニピュレータの実施の形態について説明する
Embodiments of a medical manipulator of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明においては、非マスタスレーブ動作モードとは、例えば装置電源を入れた直後等
のマスタ部とスレーブ部との間の姿勢関係に何の拘束性もない状態における動作モードを
いい、マスタスレーブ動作モードとは、マスタ部とスレーブ部との間に所定の姿勢関係を
有するように制御する動作モードをいい、遷移的マスタスレーブ動作モードとは、マスタ
スレーブ動作モードにおける初期の動作モードの部分であり、非マスタスレーブ動作モー
ドからマスタスレーブ動作モードに入った場合おいて、マスタ部とスレーブ部との間に所
定の姿勢関係を形成するまでの過渡的な動作モードをいう。
In the present invention, the non-master-slave operation mode refers to an operation mode in a state where there is no restriction on the posture relationship between the master unit and the slave unit, for example, immediately after the apparatus power is turned on, The mode refers to an operation mode in which the master unit and the slave unit are controlled to have a predetermined attitude relationship. The transitional master-slave operation mode is a part of the initial operation mode in the master-slave operation mode. In the case of entering the master-slave operation mode from the non-master-slave operation mode, it means a transient operation mode until a predetermined attitude relationship is formed between the master unit and the slave unit.

まず、図1、図2及び図7を参照して、本発明の概略構成について説明する。   First, a schematic configuration of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, and FIG.

マスタスレーブ方式で動作する一体型の医療用マニピュレータ1は、術者が操作指令する
マスタ部(操作指令部)2と、その動きに従って動作するスレーブ部(作業部)3と、マ
スタ部2とスレーブ部3とを一体的に接続する連結部4と、マスタ部2の姿勢とスレーブ
部3の姿勢との間の姿勢差を検出する姿勢差検出手段6と、姿勢差検出手段6で検出した
姿勢差に基づき、この姿勢差が解消されるようにスレーブ部3を制御する制御手段7と、
姿勢差検出手段6による姿勢差の検出時から制御手段7による制御によって姿勢差が解消
するまでの制御時間範囲に渡って予め作成された姿勢差量と制御時間との関係を定めた制
御プログラム8とを備えている。
An integrated medical manipulator 1 that operates in a master-slave system includes a master unit (operation command unit) 2 that is operated by an operator, a slave unit (working unit) 3 that operates according to the movement, a master unit 2 and a slave. The connecting part 4 that integrally connects the part 3, the attitude difference detecting means 6 that detects the attitude difference between the attitude of the master part 2 and the attitude of the slave part 3, and the attitude detected by the attitude difference detecting means 6 Based on the difference, control means 7 for controlling the slave unit 3 so that this posture difference is eliminated,
A control program 8 that defines the relationship between the amount of attitude difference created in advance and the control time over the control time range from the detection of the attitude difference by the attitude difference detection means 6 to the elimination of the attitude difference by the control by the control means 7. And.

姿勢差検出手段6は、マスタ部2の姿勢角度を検出する角度検出器21とスレーブ部3
の姿勢角度を検出する角度検出器22と角度検出器21と角度検出器22による検出角度
から姿勢差を演算する姿勢差演算部23から構成されている。
The posture difference detection means 6 includes an angle detector 21 that detects the posture angle of the master unit 2 and the slave unit 3.
An angle detector 22 that detects the attitude angle of the camera, an angle detector 21, and an attitude difference calculation unit 23 that calculates an attitude difference from the detection angle of the angle detector 22.

制御手段7は、駆動手段9と制御演算部12とから構成されている。駆動手段9は、モー
タ駆動回路25とモータ26とモータ9の動力をスレーブ部3へ伝達する動力伝達部27
とから構成されている。
The control unit 7 includes a drive unit 9 and a control calculation unit 12. The drive means 9 includes a motor drive circuit 25, a motor 26, and a power transmission unit 27 that transmits the power of the motor 9 to the slave unit 3.
It consists of and.

スレーブ部3は術部に処置を施すための複数の自由度を持ち、先端の姿勢が変化すると
ともにグリッパが術者の指令に従って開閉できる仕組みになっている。
The slave unit 3 has a plurality of degrees of freedom for performing treatment on the surgical site, and is configured such that the posture of the distal end changes and the gripper can be opened and closed according to an operator's command.

スレーブ部3の各自由度は、モータ26の動力がワイヤやロッドなどの動力伝達部27を
介して伝わることで動作する。各駆動軸にはエンコーダが取り付けられており、スレーブ
部3の姿勢を検出しその値を制御演算部12へ送信することができる。
Each degree of freedom of the slave unit 3 operates when the power of the motor 26 is transmitted through a power transmission unit 27 such as a wire or a rod. An encoder is attached to each drive shaft, and the attitude of the slave unit 3 can be detected and the value can be transmitted to the control calculation unit 12.

マスタ部2にも複数の自由度が配置されている。通常、マスタ部2とスレーブ部3との
自由度構成は一致しているが、グリッパの開閉動作指令をスイッチで与え、必ずしもマス
タ部2側にスレーブ部3と同様にグリッパがあるとは限らない。マスタ部2の各自由度に
はポテンショメータが取り付けられており、図2のように動作させた量を検出し姿勢差演
算部23で姿勢差を求める。
The master unit 2 is also provided with a plurality of degrees of freedom. Normally, the degrees of freedom of the master unit 2 and the slave unit 3 are the same, but a gripper opening / closing operation command is given by a switch, and the master unit 2 does not always have a gripper like the slave unit 3. . A potentiometer is attached to each degree of freedom of the master unit 2, and the amount of movement as shown in FIG.

姿勢差演算部23で求める姿勢差は3次元的なベクトル量であるが、このベクトル量の
大きさに応じて予め制御プログラム8が作成されている。姿勢差演算部23の動作判定部
14では、姿勢差演算部23で求めた姿勢差の大きさに対応する制御プログラム8を参照
し、スレーブ部3への制御目標値を求める。
The attitude difference obtained by the attitude difference calculation unit 23 is a three-dimensional vector quantity. A control program 8 is created in advance according to the magnitude of the vector quantity. The motion determination unit 14 of the posture difference calculation unit 23 refers to the control program 8 corresponding to the magnitude of the posture difference obtained by the posture difference calculation unit 23 and obtains a control target value for the slave unit 3.

スレーブ部3で検出した現在角度と姿勢差演算部23で求めた制御目標値とからスレー
ブ部3への指令値を算出し、モータ駆動回路25へ出力する。マスタスレーブ動作時はマ
スタ部2の姿勢角度がそのままスレーブ部3の制御目標値である。
A command value to the slave unit 3 is calculated from the current angle detected by the slave unit 3 and the control target value obtained by the attitude difference calculation unit 23, and is output to the motor drive circuit 25. During the master-slave operation, the attitude angle of the master unit 2 is the control target value of the slave unit 3 as it is.

次に、マスタスレーブ動作に移行する手続きを述べる。医療用マニピュレータ1に電源
を入れると初期化の手続きが行われる。スレーブ部3は取り付けられた検出器によって、
その位置・姿勢を認識し、必要に応じて所定の初期位置へ移動し、停止する。マスタ部2
もまた、取り付けられた検出器によってその位置・姿勢を検出する。ここで通常、マスタ
部2とスレーブ部3との姿勢関係が異なっていることが多い。ここで前述した理由で、こ
の両者間の位置・姿勢あわせが必要となる。
Next, the procedure for shifting to the master / slave operation will be described. When the medical manipulator 1 is turned on, an initialization procedure is performed. Slave unit 3 is attached by a detector.
The position / orientation is recognized, moved to a predetermined initial position as necessary, and stopped. Master part 2
The position / orientation is detected by the attached detector. Here, usually, the posture relationship between the master unit 2 and the slave unit 3 is often different. For the reason described above, it is necessary to adjust the position and posture between the two.

術者10がマスタスレーブ動作を開始したい旨を、制御コントローラへ入力する。入力
の具体的な方法は、キーボード入力、タッチパネル入力、マスタ部2や手元や足元にある
スイッチによる入力、またはトラカール5に備えられ医療用マニピュレータ1が挿入され
たことを認識する検出器による入力とがある。これによって、医療用マニピュレータ1は
非マスタスレーブ動作モードからマスタスレーブ動作モードへ入る。
The surgeon 10 inputs to the controller that the master / slave operation is to be started. Specific input methods include keyboard input, touch panel input, input by the master unit 2 and a switch at hand or foot, or input by a detector that is provided in the trocar 5 and recognizes that the medical manipulator 1 is inserted. There is. As a result, the medical manipulator 1 enters the master-slave operation mode from the non-master-slave operation mode.

マスタスレーブ動作開始指令が入力されると、医療用マニピュレータ1は、遷移的マス
タスレーブ動作モードに入り、マスタ部2とスレーブ部3の両者の角度差(姿勢差)をそ
れぞれの軸に対して算出する。この角度差と予め決められた制御プログラム8を参照して
パラメータを比較し、スレーブ部3とマスタ部2との姿勢関係の間に所望の姿勢関係(同
一の姿勢)を確立するために必要なマスタスレーブ動作へ移行するための動作を決定する
When a master-slave operation start command is input, the medical manipulator 1 enters a transitional master-slave operation mode, and calculates an angular difference (posture difference) between the master unit 2 and the slave unit 3 for each axis. To do. This angle difference is compared with a parameter by referring to a predetermined control program 8 and is necessary for establishing a desired posture relationship (the same posture) between the posture relationship between the slave unit 3 and the master unit 2. Determine the operation to shift to master-slave operation.

一体型マスタスレーブマニピュレータにおいては、マスタ部2とスレーブ部3とが一体
的に接続されているという理由から位置合わせの必要がない。合わせる必要があるのは姿
勢のみであり、その動作範囲は予想し得る限られた範囲であるため、これらの自由度が自
動で動作しても安全性が損なわれることはない。またマスタ部2とスレーブ部3が離れて
いても、位置に関しては、マスタスレーブ動作開始後は、スレーブ目標値を初期状態にお
ける値からの偏差と定義すれば同様である。
In the integrated master-slave manipulator, there is no need for alignment because the master unit 2 and the slave unit 3 are integrally connected. Since it is only the posture that needs to be matched, and its movement range is a limited range that can be expected, safety is not impaired even if these degrees of freedom are automatically operated. Even if the master unit 2 and the slave unit 3 are separated, the position is the same if the slave target value is defined as a deviation from the value in the initial state after the start of the master-slave operation.

検出されたマスタ部2の角度θmasterとスレーブ部3の角度θslaveから、両者の角度
差Δθを式(1)より求める。
From the detected angle θmaster of the master unit 2 and the angle θslave of the slave unit 3, an angle difference Δθ between them is obtained from equation (1).

Δθ=θmaster−θslave (1)
この角度差の算出は、各駆動軸について行ってもよいし、各姿勢軸について行ってもよ
い。また複数の軸に対し、個々に制御を行ってもよいし、複数の軸を組み合わせて行って
も良い。
Δθ = θmaster−θslave (1)
The calculation of the angle difference may be performed for each drive axis or each posture axis. Further, the control may be individually performed on a plurality of axes, or a plurality of axes may be combined.

以下、図3、図4に示したマスタスレーブ動作(MS動作)への移行制御について述べ
る。現在のマスタ部2とスレーブ部3との角度差の大きさと、マスタ部2とスレーブ部3
とが一致しているか限りなく近い値であることを判定するためのパラメータ値θαとを比
較する。
Hereinafter, transition control to the master-slave operation (MS operation) shown in FIGS. 3 and 4 will be described. The current angle difference between the master unit 2 and the slave unit 3 and the master unit 2 and the slave unit 3
Is compared with a parameter value θα for determining whether the values are in agreement with each other.

|Δθ|<θα (2)
式(2)の条件に適合すると判断されたら、マスタスレーブ動作に移行する。
| Δθ | <θα (2)
When it is determined that the condition of the expression (2) is satisfied, the master / slave operation is started.

式(2)を満たさない場合、角度差を判定する2番目のパラメータ値θβ(ただしθβ〉
θα)と比較する。この値はマスタ部2とスレーブ部3の両者が近づいているかどうかの
判断に用いられる。次式(3)を満たす場合、スレーブ部3は減速してマスタ部2と姿勢
を合わせる。動作方向は角度差が減少する方向で、角度差Δθの符号より求めることがで
きる。
If the expression (2) is not satisfied, the second parameter value θβ for determining the angle difference (where θβ>
Compare with θα). This value is used to determine whether both the master unit 2 and the slave unit 3 are approaching. When the following expression (3) is satisfied, the slave unit 3 decelerates to match the posture with the master unit 2. The operation direction is a direction in which the angle difference decreases, and can be obtained from the sign of the angle difference Δθ.

|Δθ|<θβ (3)
式(3)を満たさない場合、スレーブ部3とマスタ部2との角度差は大きいと判断され
る。このときスレーブ部3は加速軌道を時々刻々生成しながら、マスタ部2と姿勢を合わ
せるべく動作する。マスタスレーブ動作開始を意図する信号が入力されてからの時間パラ
メータtγと現在の時間tを比較し、スレーブ部3の加速度を決定する。
| Δθ | <θβ (3)
When the expression (3) is not satisfied, it is determined that the angle difference between the slave unit 3 and the master unit 2 is large. At this time, the slave unit 3 operates to match the posture with the master unit 2 while generating an acceleration trajectory every moment. The time parameter tγ after the signal intended to start the master / slave operation is compared with the current time t, and the acceleration of the slave unit 3 is determined.

t<tγ (4)
式(4)を満たすならば、スレーブ部3は式(2)または式(3)を満たさない限り、
決められた速度まで加速する。
t <tγ (4)
If the formula (4) is satisfied, the slave unit 3 does not satisfy the formula (2) or the formula (3).
Accelerate to the determined speed.

t>tγ (5)
式(5)を満たすならば、スレーブ部3は式(2)または式(3)を満たさない限り、
等速動作しマスタの姿勢に一致するように動作する。なお加速運動を必要としないときは
パラメータtγを零にすればよい。このパラメータtγと比較さあれる時間tは、姿勢合
わせ制御がいったん減速動作に入ったならば零にされる。
t> tγ (5)
If the formula (5) is satisfied, the slave unit 3 does not satisfy the formula (2) or the formula (3).
It operates at a constant speed to match the attitude of the master. If no acceleration motion is required, the parameter tγ may be set to zero. The time t compared with the parameter tγ is set to zero once the attitude adjustment control has entered the deceleration operation.

上記の作業を一定時間間隔で行うことでスレーブ部3がマスタ部2の姿勢へ自動で一致
することができる。このマスタスレーブ姿勢合わせ制御方法は、一時中断されたマスタス
レーブ動作を再開するときにも同様に適用できる。
By performing the above operation at regular time intervals, the slave unit 3 can automatically match the posture of the master unit 2. This master-slave attitude alignment control method can be similarly applied when resuming a master-slave operation that has been suspended.

さらに本発明においては時々刻々逐次時間的に判定を繰り返すので、スレーブ部3がマ
スタ部2の姿勢へ一致するまでの間にマスタ部2の姿勢を動かしても構わない。すなわち
、前述の移行制御方法を適用すれば、図5のようにスレーブ部3は目標値を生成する。こ
のことは術者10にとって、スレーブ部3とマスタ部2の姿勢合わせという作業を行わな
くて良いばかりか、姿勢合わせが終了するまでマスタ部2が動かないように止めておくと
いう作業が入ることもなく、操作性の良いマニピュレータとなる。また、術者10がマス
タ部2の動作範囲内でスレーブ部3との角度差を広げる方向へ動かしてもスレーブ部3は
両者の角度差が広がったことを認識し、パラメータとの比較結果に応じてマスタ部2と姿
勢を一致させるように動作する。
Further, in the present invention, since the determination is repeated sequentially from time to time, the posture of the master unit 2 may be moved until the slave unit 3 matches the posture of the master unit 2. That is, if the above-described transition control method is applied, the slave unit 3 generates a target value as shown in FIG. This means that the surgeon 10 does not have to perform the work of adjusting the posture of the slave unit 3 and the master unit 2, but also includes the operation of stopping the master unit 2 from moving until the posture adjustment is completed. It becomes a manipulator with good operability. Further, even if the surgeon 10 moves in the direction of widening the angular difference with the slave unit 3 within the operating range of the master unit 2, the slave unit 3 recognizes that the angular difference between the two has widened, and the comparison result with the parameter Accordingly, it operates so as to match the posture with the master unit 2.

角度差の大きさによってスレーブ部3がマスタ部2の姿勢と一致する動作の速度に違い
を持たせることによって、姿勢合わせ動作中、次のような能力を備えることができる。姿
勢合わせを早く終わらせようと考えたら、術者10は自らが操作するマスタ部2をスレー
ブ部3の現姿勢へ動作させればよい。姿勢合わせ中にスレーブ部3が減速し始めたがまだ
両者の姿勢が一致せずマスタスレーブ動作に移行できていなくとも、現在の動作方向へさ
らに動かしたいと考えたら、図6のようにマスタ部2をスレーブ部3から逃げる方向すな
わち角度差を広げる方向へ動作させることで、スレーブ部3を再加速させればよい。
By giving the slave unit 3 a difference in the speed of the operation that matches the posture of the master unit 2 depending on the magnitude of the angle difference, the following capabilities can be provided during the posture adjustment operation. If the posture adjustment is considered to be finished early, the surgeon 10 may move the master unit 2 operated by the operator 10 to the current posture of the slave unit 3. Even if the slave unit 3 starts to decelerate during the posture adjustment, but the postures of the two do not match yet and it is not possible to shift to the master-slave operation, if you want to move further in the current operation direction, The slave unit 3 may be re-accelerated by operating 2 in the direction of escaping from the slave unit 3, that is, in the direction of widening the angle difference.

以上のことにより、医療現場で起こりうる不測の事態に臨機応変に対応できる能力を備
えた医療用マニピュレータを提供することが可能となる。
As described above, it is possible to provide a medical manipulator having an ability to cope with an unexpected situation that may occur in a medical field.

前述した判定基準にマスタ部2とスレーブ部3との角度差と動作時間を用いたが、これに
付け加え、またはこれに替わって、マスタ部2の速度ωmasterや加速度αmaster、さらに
は両者の角度差の速度Δωや加速度Δαを用いてスレーブ部3の目標値を生成し、より細
かな移行動作をスレーブ部3に要求することが可能である。速度、加速度を用いることで
、マスタスレーブ移行動作中でもマスタ部2とスレーブ部3との間に仮想のバネ、ダンパ
を与え、それらに対応したパラメータを調整することで術者の意図がより反映しやすくな
る。
The angle difference between the master unit 2 and the slave unit 3 and the operation time are used for the above-described determination criteria. In addition to or in place of this, the speed ωmaster and acceleration αmaster of the master unit 2 and the angle difference between the two are used. It is possible to generate a target value of the slave unit 3 using the speed Δω and the acceleration Δα, and to request the slave unit 3 for a finer transition operation. By using the speed and acceleration, a virtual spring and damper are provided between the master unit 2 and the slave unit 3 even during the master-slave transition operation, and the operator's intention is reflected more by adjusting the parameters corresponding to them. It becomes easy.

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、非マスタスレーブ動作モードから
マスタスレーブ動作モードへ入りマスタ部2の姿勢とスレーブ部3の姿勢との間の姿勢差
が解消するまでの遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、姿勢差検出手段6で検出し
た姿勢差に基づき、姿勢差が解消されるようにマスタ部2に合わせるようにスレーブ部3
を制御するので、良好な操作性を得ることができ、マスタ部2とスレーブ部3とを自動的
に姿勢合わせを行い、術者10の負担が軽減され操作性に優れた医療用マニピュレータを
提供することができる。また、マスタスレーブ姿勢合わせ中でも術者の意図を反映させる
ことができ、操作性がよくかつ安全な医療用マスタスレーブマニピュレータを提供するこ
とができる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, the non-master slave operation mode is entered into the master slave operation mode until the attitude difference between the attitude of the master unit 2 and the attitude of the slave unit 3 is resolved. In the transitional master-slave operation mode, based on the attitude difference detected by the attitude difference detection means 6, the slave unit 3 is adjusted to match the master unit 2 so that the attitude difference is eliminated.
As a result, the master unit 2 and the slave unit 3 are automatically adjusted in posture to reduce the burden on the operator 10 and provide a medical manipulator with excellent operability. can do. In addition, it is possible to provide a medical master-slave manipulator that can reflect the operator's intention even during the master-slave posture adjustment and has good operability and safety.

本発明に係る医療用マニピュレータのマスタ部とスレーブ部と連結部を示す斜視図。The perspective view which shows the master part of the medical manipulator which concerns on this invention, a slave part, and a connection part. 医療用マニピュレータの構成概略を示す図。The figure which shows the structure outline of a medical manipulator. 遷移的マスタスレーブ動作モードにおける動作判定の流れを示す図。The figure which shows the flow of the operation determination in a transitional master slave operation mode. 姿勢差の検出時から姿勢差が解消するまでの制御時間範囲に渡る制御される姿勢差量と制御時間との関係を定めた制御プログラムの例を示す図。The figure which shows the example of the control program which defined the relationship between the attitude difference amount controlled over the control time range from the time of attitude difference detection until an attitude difference is eliminated, and control time. 遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて移行動作中にマスタ部が動いた場合の制御例を示す図。The figure which shows the example of control when a master part moves during transition operation in transitional master slave operation mode. 遷移的マスタスレーブ動作モードにおいて、マスタ部をスレーブ部から逃げる方向すなわち角度差を広げる方向へ動作させることで、スレーブ部を再加速させる例を示す図。The figure which shows the example which reaccelerates a slave part by operating in the direction which escapes from a slave part, ie, the direction which widens an angle difference, in a transition master slave operation mode. 医療用マニピュレータの制御を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining control of a medical manipulator.

符号の説明Explanation of symbols

1 医療用マニピュレータ
2 マスタ部
3 スレーブ部
4 連結部
6 姿勢差検出手段
7 制御手段
8 制御プログラム
9 駆動手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Medical manipulator 2 Master part 3 Slave part 4 Connection part 6 Posture difference detection means 7 Control means 8 Control program 9 Driving means

Claims (1)

非マスタスレーブ動作モードとマスタスレーブ動作モードとを備える医療用マニピュレ
ータの制御方法であって、
マスタ部の姿勢とスレーブ部の姿勢との間の姿勢差を検出し、
予め定められる前記マスタ部の姿勢と前記スレーブ部の姿勢とが一致しているか限りなく
近い値であることを判定するための第1のパラメータ値と前記姿勢差の大きさとを比較し

前記第1のパラメータ値と前記姿勢差の大きさとの比較の結果に応じて、予め定められる
前記マスタ部の姿勢と前記スレーブ部の姿勢とが近づいているかどうかの判断に用いる第
2のパラメータ値と前記姿勢差の大きさとの比較を行うか、もしくは前記マスタスレーブ
動作モードへ移行し、
前記第2のパラメータ値と前記姿勢差の大きさとの比較を行った場合、その比較の結果に
応じて、マスタスレーブ動作開始を意図する信号が入力されてからの時間パラメータと現
在の時間との比較を行うか、もしくは前記スレーブ部の減速動作を行い、
前記時間パラメータと現在の時間との比較を行った場合、その比較の結果に応じて、前記
スレーブ部の等速動作を行うか、もしくは前記スレーブ部の加速動作を行い、
前記減速動作、前記等速動作または前記加速動作の後、マスタ部の姿勢と前記スレーブ部
の姿勢との間の姿勢差を再び検出する、
ことを特徴とする医療用マニピュレータの制御方法。
A medical manipulator control method comprising a non-master-slave operation mode and a master-slave operation mode,
Detect the posture difference between the posture of the master unit and the posture of the slave unit,
Comparing the first parameter value for determining that the posture of the master unit and the posture of the slave unit, which are determined in advance, coincide with each other as close as possible, and the magnitude of the posture difference;
A second parameter value used for determining whether or not a predetermined posture of the master unit and the posture of the slave unit are close to each other according to a result of the comparison between the first parameter value and the magnitude of the posture difference. Or a comparison with the magnitude of the posture difference, or shift to the master-slave operation mode,
When comparing the second parameter value and the magnitude of the posture difference, a time parameter after the signal intended to start the master-slave operation is input according to the comparison result and the current time. Do a comparison or slow down the slave unit,
When comparing the time parameter and the current time, depending on the result of the comparison, perform a constant speed operation of the slave unit, or perform an acceleration operation of the slave unit,
After the deceleration operation, the constant speed operation, or the acceleration operation, the posture difference between the posture of the master unit and the posture of the slave unit is detected again.
A control method for a medical manipulator characterized by the above.
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