JP5877478B2

JP5877478B2 - 力覚提示装置

Info

Publication number: JP5877478B2
Application number: JP2011166637A
Authority: JP
Inventors: 哲平辻田
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: JP2013030053A

Description

本発明は、力覚提示装置に関する。

従来、力覚提示装置を利用するものとして、外科手術の訓練を行うための外科手術シミュレータの開発が行われている。外科手術シミュレータを利用することにより、難しい手術の訓練を繰り返し行ったり、稀な症例の手術の訓練を行ったりすることができる。このような外科手術シミュレータ用の力覚提示装置としては、ナイフや剪刀などの様々な術具の使用時の感覚を提示するために、術具を媒介して人間の手に力覚を提示することが有効である。そこで、術具を機構の先端に固定することにより、サーボモータ等を利用して、術具への力の作用を提示する力覚提示装置が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、ＭＲ流体やＥＲ流体といった機能性流体を利用した力覚提示装置として、人間が操作する操作部と、操作部に対する力に対して抗力をかけることができる、ＭＲ流体やＥＲ流体といった機能性流体を用いたパッシブ型力発生部とを有し、操作部を操作することにより、操作者に対し力感覚が提示されるものが開発されている（例えば、特許文献１参照）。また、注射針を刺したときの力覚を提示するために、ＭＲ流体の表面にゴム膜を張ったものも開発されている（例えば、非特許文献２参照）。

なお、人間の指の腹に存在する感覚受容器のなかで最も高速な応答をするものはパチニ小体であり、１００〜３００Ｈｚの振動刺激に対して敏感に反応することが知られている（例えば、非特許文献３参照）。

特許第３８１９６３６号公報

高木、阿部、姜、安孫子、近野、内山、「脳外科手術シミュレータ用ハプティックインタフェースの開発」、日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会’１０講演論文集、2010年、1A1-C09 Y.J. Lim, P. Valdiviay Alvarado, C.Y. Chang, and N. Tardella, "MRFluid Haptic System for Regional Anesthesia Training Simulation", Proceedingsof Medicine Meets Virtual Reality (MMVR) 16, Long Beach, CA., Jan 29-Feb 01,2008, p.248-253 前野、「ヒト指腹部と触覚受容器の構造と機能」、日本ロボット学会誌、2000年、vol.18、No.6、p.772-775

しかしながら、非特許文献１に記載の力覚提示装置では、術具などの道具を変更する際、機械部品によって道具を脱着するため、実際の手術では存在しない脱着のための動作を行う必要があり、現実感を損なうという課題があった。また、サーボモータ等で力覚を提示するため、術具による組織の切断時に生じる、細胞の破壊に伴う微細で不連続な力を再現することが困難であるという課題があった。

特許文献１に記載の力覚提示装置は、術具などの道具を操作部に取り付ける必要があり、実際の手術では存在しない脱着のための動作を伴うため、現実感を損なうという課題があった。また、機能性流体に直接、力をかけるものではないという課題もあった。非特許文献２に記載の力覚提示装置では、使用するたびに頻繁にゴム膜を交換する必要があり、煩雑であるという課題があった。また、注射針以外の道具には利用できないという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、様々な道具に対応可能で、現実の動きに対応して道具を交換可能で、より現実感があり、機能性流体に直接、力をかけることができ、容易に繰り返し使用することができる力覚提示装置を提供することを目的としている。

本発明に係る力覚提示装置は、表面または内部にかかる力に対して抵抗力をかけることができる機能性流体と、少なくとも一部が開口し、内部に前記機能性流体が収納された収納容器と、前記機能性流体にかかる力、および／または、その力のかかる位置を検出可能に設けられたセンサと、前記センサで検出された力および／または位置に応じて、前記抵抗力を制御可能に設けられた制御手段とを有し、前記収納容器の開口から道具を挿入、取り出し可能であり、前記収納容器の開口から前記道具を挿入して、直接、前記機能性流体に力をかけることができるよう構成されていることを特徴とする。

本発明に係る力覚提示装置は、機能性流体により、その表面または内部にかかる力および／または位置に対して抵抗力をかけることにより、ある対象物に力をかけたときの力覚を提示することができる。力をかける対象物としては、例えば、手術の対象となる生体軟組織などを想定することができる。また、対象物にかける力としては、例えば、ナイフや剪刀などの様々な術具により生体軟組織を切断したときの力や、注射針を刺す力などを想定することができる。このように、本発明に係る力覚提示装置は、様々な道具に対応することができる。

また、本発明に係る力覚提示装置は、機能性流体を生体軟組織などの対象物と想定し、機能性流体を術具などで実際に切断等したときの対象物の抵抗力を機能性流体で再現することにより、実際に対象物を切断等したときの力覚を正確に提示することができる。再現する抵抗力は、センサで検出された力および／または位置に応じて制御手段により機能性流体を制御することにより、きめ細かくより正確に制御することができる。本発明に係る力覚提示装置は、術具などの道具を、機能性流体に対して実際の使用時と同様に使用することにより力覚を提示することができる。このため、現実の動きに対応して道具の交換等を行うことができ、現実感を高めることができる。また、道具を収納容器の開口から挿入して、直接、機能性流体に力をかけることができる。このため、非常に高速な応答性を有し、より現実感を高めることができる。

本発明に係る力覚提示装置で、前記機能性流体は、ＭＲ流体またはＥＲ流体から成ることが好ましい。ＭＲ流体およびＥＲ流体は、それぞれ外部から磁場または電場を印加することにより、降伏せん断応力を変化させることができる。すなわち、ＭＲ流体またはＥＲ流体に、それぞれ磁場または電場を印加すると、図１に示すように、磁界方向または電界方向に沿って、鎖状クラスタが形成される。この鎖状クラスタの影響で、流体の見かけの粘性が変化して、降伏せん断応力が変化する。このため、制御手段により、ＭＲ流体またはＥＲ流体に、それぞれ磁場または電場を印加することにより、ＭＲ流体またはＥＲ流体の抵抗力を制御することができる。ＭＲ流体およびＥＲ流体の抵抗力は、それぞれ印加する磁場強度または電場強度により調整することができる。

機能性流体がＭＲ流体またはＥＲ流体から成る場合、特に、生体軟組織を切断するときの力覚を正確に提示することができる。非特許文献３に記載のように、人間の指の腹のパチニ小体は，１００〜３００Ｈｚの振動刺激に対して敏感に反応するため、人間の指に対して様々な生体軟組織の切断感覚を提示するためには、１００〜３００Ｈｚの高周波の振動刺激を与えることが望ましい。本発明に係る力覚提示装置では、図１に示す鎖状クラスタを刃物で切断することにより、刃物が生体軟組織を切断する際に生じる、細胞と刃物との間の不連続かつ微小変位での高周波の挙動を再現することができ、生体軟組織の切断感覚を正確に模擬することができる。また、ＭＲ流体およびＥＲ流体は、それぞれ磁場または電場に対する応答時間が数ミリ秒と速く、可逆的に変化するため、応答性が良く、容易に繰り返し使用することができる。

本発明に係る力覚提示装置は、前記収納容器を載せて水平方向および／または垂直方向に移動可能に設けられた移動台を有し、前記制御手段は、前記センサで検出された力および／または位置に応じて、前記移動台の水平方向および／または垂直方向の動きを制御することが好ましい。この場合、制御手段で機能性流体全体の水平方向や垂直方向の動きを制御することにより、力をかける対象物全体の運動による大変形・低周波数の粘弾性力を提示することができる。例えば、対象物が生体軟組織のときには、柔軟物としての生体軟組織全体の粘弾性特性による力覚を提示することができる。また、制御手段で機能性流体全体を水平方向や垂直方向に動かすことにより、術具などの道具と機能性流体との接触を常に保つことができる。

本発明に係る力覚提示装置で、前記移動台はサーボモータにより移動可能に構成され、前記制御手段は前記サーボモータを制御可能であることが好ましい。この場合、サーボモータを利用することにより、対象物全体の運動による大変形・低周波数の粘弾性力を、より正確に提示することができる。

本発明に係る力覚提示装置は、生体軟組織を切断したときの切断感覚を提示するための力覚提示装置であって、前記機能性流体はＭＲ流体から成り、前記制御手段は前記機能性流体に磁場をかけるための磁場発生部を有し、あらかじめ測定または計算された、切断器具で前記生体軟組織を切断したときの前記生体軟組織の抵抗力に応じて、前記磁場発生部を制御して前記機能性流体の前記抵抗力を制御するとともに、前記生体軟組織の粘弾性特性に応じて、前記移動台の動きを制御することが好ましい。この場合、生体軟組織を切断したときの抵抗力や粘弾性特性を高精度で再現することができ、生体軟組織の切断感覚を、より正確に提示することができる。制御手段により機能性流体の抵抗力を制御するときには、切断器具で生体軟組織を切断したときの生体軟組織の抵抗力をあらかじめ実際に測定した結果や、あらかじめシミュレーション等により計算した結果を利用するのが好ましい。

本発明に係る力覚提示装置で、前記移動台は６自由度で移動可能であり、前記制御手段は前記移動台の６自由度の動きを制御可能であってもよい。この場合、対象物全体の運動による、水平２方向、垂直方向、および姿勢の３方向の、計６方向の大変形・低周波数の粘弾性力を提示することができる。

本発明に係る力覚提示装置は、想定される力をかける対象物を表示するモニタを有していることが好ましい。この場合、モニタを見ながら、術具などの道具で機能性流体に力をかけることにより、現実感を出しやすく、シミュレーションの効果を高めることができる。また、より現実感を高めるために、術具などの道具により機能性流体に力をかけたときの様子を撮影する撮影手段を有し、撮影手段で撮影した様子を、モニタに表示した対象物に反映させるよう構成されていてもよい。モニタに表示される画像は、三次元画像であってもよい。

本発明によれば、様々な道具に対応可能で、現実の動きに対応して道具を交換可能で、より現実感があり、応答性が良く、容易に繰り返し使用することができる力覚提示装置を提供することができる。

本発明に係る力覚提示装置の、ＭＲ流体またはＥＲ流体から成る機能性流体に、それぞれ磁場または電場を印加したときに形成される鎖状クラスタを示す説明図である。本発明の実施の形態の力覚提示装置の全体構成を示す側面図である。図２に示す力覚提示装置の収納容器、機能性流体、磁場発生部および力センサを示す斜視図である。図２に示す力覚提示装置の収納容器、磁場発生部、力センサおよび移動台を示す斜視図である。図２に示す力覚提示装置の、サーボモータの作動原理を示す側面図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図２乃至図５は、本発明の実施の形態の力覚提示装置を示している。
図２に示すように、力覚提示装置１０は、収納容器１１と機能性流体１２と磁場発生部１３と力センサ１４と移動台１５と統合制御部１６とを有している。なお、図２に示す力覚提示装置１０は、生体軟組織を切断したときの切断感覚を提示するよう構成されている。

図２および図３に示すように、収納容器１１は、上部が開口した直方体状の容器から成っている。機能性流体１２は、ＭＲ流体から成り、収納容器１１に収納されている。ＭＲ流体は、外部から磁場を印加すると、磁界方向に沿って図１に示す鎖状クラスタが形成され、この鎖状クラスタの影響で、流体の見かけの粘性が変化して、降伏せん断応力が変化する。このため、機能性流体１２は、磁場を印加することにより、表面または内部にかかる切断力に対して抵抗力をかけることができるようになっている。ＭＲ流体は、例えば、ハイドロカーボンオイル中に磁性体粒子を質量分率８５．４４％で分散させた、市販のＬｏａｄ社製の商品名「ＭＲＦ１４０−ＣＧ」から成っている。

図３に示すように、磁場発生部１３は、水平方向に並んで配置された２つの磁場発生コイル２１と、各磁場発生コイル２１の中心を貫通して閉磁路を形成する鉄鋼製のヨーク２２とを有している。磁場発生部１３は、各磁場発生コイル２１の上方で、各磁場発生コイル２１を貫通したヨーク２２の各端部の間に、収納容器１１を挟むようにして配置されている。これにより、磁場発生部１３は、収納容器１１に収納された機能性流体１２に磁場を印加可能になっている。また、磁場発生部１３は、各磁場発生コイル２１に印加する電流の振幅や周波数を調整することにより印加磁場強度を変化させ、機能性流体１２にかかる切断力に対する抵抗力を制御可能になっている。磁場発生部１３は、一方の磁場発生コイル２１の上部に設けられ、ヨーク２２に貫通されたサーチコイル２３を有している。サーチコイル２３は、ヨーク２２による閉磁路内の磁束変化を計測するよう構成されている。

図２および図３に示すように、力センサ１４は、６軸の力センサから成り、アタッチメント２４を介してヨーク２２の下部に固定されている。力センサ１４は、機能性流体１２にかかる切断力を、収納容器１１からヨーク２２、アタッチメント２４を通して、検出可能になっている。

図４に示すように、移動台１５は、２自由度の並進移動を実現可能なパラレル機構２５と、パラレル機構２５を駆動するサーボモータ２６とを有している。パラレル機構２５は、高精度、高負荷、高剛性、高速性を有した機構であり、正面視で六角形状を成すよう、複数のリンク２５ａを複数の軸２５ｂで接続して固定台２７に取り付けられた構成を有している。パラレル機構２５は、その六角形状の構成が正面側と背面側とに所定の間隔をあけて２重に設けられている。パラレル機構２５は、正面側の六角形状の構成と背面側の六角形状の構成とが、各軸２５ｂによって接続されて、同じ動きをするようになっている。パラレル機構２５は、部品点数の削減、総重量の軽減、スペースの有効利用を考慮し、１本の軸２５ｂに複数のリンク２５ａが結合する構造を成している。

パラレル機構２５は、その六角形状の上端の辺を成すよう設けられた移動板２５ｃを有している。また、パラレル機構２５は、その六角形状の中心位置から、１つおきに３つの角に向かって伸びる３本のリンク２５ｄを有している。各リンク２５ｄは、一端が互いに回転可能に結合し、他端が軸２５ｂに結合している。移動台１５は、リンク２５ｄにより、移動板２５ｃが固定台２７に対して常に平行に保たれるよう構成されている。サーボモータ２６は、固定台２７に接続されたリンク２５ａを、軸２５ｂを中心にして左右に回転させるよう構成されている。

移動台１５は、移動板２５ｃの上面に力センサ１４が固定されており、移動板２５ｃの上に収納容器１１、磁場発生部１３および力センサ１４が載っている。移動台１５は、サーボモータ２６により固定台２７に接続されたリンク２５ａを回転させると、移動板２５ｃが常に水平になるよう、他のリンク２５ａおよびリンク２５ｄも回転するようになっている。これにより、移動台１５は、サーボモータ２６により、収納容器１１を水平方向および垂直方向に移動可能になっている。また、図５に示すように、移動台１５は、サーボモータ２６により、生体軟組織の粘弾性特性を提示可能になっている。

図２に示すように、統合制御部１６は、コンピュータから成り、磁場発生部１３、力センサ１４、サーボモータ２６に接続されている。統合制御部１６は、あらかじめ測定された、メスなどの切断器具で生体軟組織を切断したときの生体軟組織の抵抗力に応じて、磁場発生部１３を制御して機能性流体１２の抵抗力を制御するようになっている。具体的には、統合制御部１６は、磁場発生部１３の各磁場発生コイル２１に印加する電流の振幅や周波数を調整することにより印加磁場強度を変化させ、機能性流体１２の抵抗力の大きさを制御するようになっている。

また、統合制御部１６は、生体軟組織の粘弾性特性に応じて、力センサ１４で検出された力に基づいてサーボモータ２６を制御し、移動台１５の水平方向の動きを制御するようになっている。具体的な一例としては、統合制御部１６は、切断器具１による作用力が生体軟組織の降伏力以下のとき、図５（ｂ）に示すように、その作用力に応じて移動台１５を移動させ、作用力が生体軟組織の降伏力を超えると、図５（ｃ）に示すように、移動台１５を止めるようになっている。なお、磁場発生部１３および統合制御部１６が、制御手段を構成している。

なお、一般の刃物は磁性体であり、磁場発生部１３のヨーク２２に引き寄せられるおそれがある。このため、機能性流体１２を切断するための切断器具１は、リン青銅などの非磁性体を用いて製造された、外科手術用のメスと同じ形状の刃物から成っている。

具体的な一例では、磁場発生部１３の磁場発生コイル２１は、線径φ０．４５の銅線を９９１回巻いたものから成り、印加電流を３０Ｖとしたとき、０．９７Ａの電流が流れるようになっている。収納容器１１およびアタッチメント２４は、アルミニウム製であり、ヨーク２２は一般構造用圧延鋼材のＳＳ４００製である。収納容器１１は、内部が奥行き８０ｍｍ、幅１０ｍｍ、深さ２０ｍｍである。移動台１５は、左右の水平方向に２００ｍｍ、上下の垂直方向に１００ｍｍの可動域を有している。機能性流体１２は、左右の水平方向および垂直方向に１０Ｎの力を提示可能である。

次に、作用について説明する。
力覚提示装置１０は、磁場発生部１３で機能性流体１２に磁場を印加することにより、機能性流体１２の表面または内部にかかる切断力に対して抵抗力をかけることができる。力覚提示装置１０は、磁場発生部１３を制御して、機能性流体１２に、図１に示す鎖状クラスタを発生させることができる。この鎖状クラスタを切断器具１で切断することにより、刃物が生体軟組織を切断する際に生じる、細胞と刃物との間の不連続かつ微小変位での高周波の挙動を再現することができる。また、磁場発生部１３の各磁場発生コイル２１に印加する電流の振幅や周波数を調整することにより印加磁場強度を変化させ、機能性流体１２の抵抗力の大きさを制御することができる。このように、力覚提示装置１０は、生体軟組織の切断感覚を正確に模擬することができる。

力覚提示装置１０は、生体軟組織の粘弾性特性に応じて、移動台１５の水平方向および垂直方向の動きを制御するため、柔軟物としての生体軟組織全体の粘弾性特性による、大変形・低周波数の粘弾性力を提示することもできる。図５に示すように、サーボモータ２６を利用して移動台１５の切断方向の動きを制御するため、生体軟組織の大変形・低周波数の粘弾性力を、正確に提示することができる。また、機能性流体１２全体を水平方向および垂直方向に動かすことにより、切断器具１と機能性流体１２との接触を常に保つことができる。このように、力覚提示装置１０は、生体軟組織を切断したときの力覚をより正確に提示することができる。

力覚提示装置１０は、メスなどの切断器具１を、機能性流体１２に対して実際の使用時と同様に使用することにより力覚を提示することができる。このため、現実の動きに対応して切断器具１の交換を行うことができ、現実感を高めることができる。また、機能性流体１２の磁場に対する応答時間が数ミリ秒と速く、可逆的に変化するため、応答性が良く、容易に繰り返し使用することができる。また、切断器具１を収納容器１１の開口から挿入して、直接、機能性流体１２に力をかけることができるため、応答性が非常に速い。

なお、力覚提示装置１０は、移動台１５が水平２方向、垂直方向、および姿勢の３方向の、計６方向に移動可能であり、統合制御部１６が移動台１５の６自由度の動きを制御可能であってもよい。この場合、対象物全体の運動による、６方向に沿った大変形・低周波数の粘弾性力を提示することができる。

また、力覚提示装置１０は、想定される力をかける対象物を表示するモニタを有していてもよい。この場合、モニタを見ながら、切断器具１で機能性流体１２に力をかけることにより、現実感を出しやすく、シミュレーションの効果を高めることができる。また、より現実感を高めるために、切断器具１により機能性流体１２に力をかけたときの様子を撮影する撮影手段を有し、撮影手段で撮影した様子を、モニタに表示した対象物に反映させるよう構成されていてもよい。モニタに表示される画像は、三次元画像であってもよい。

また、図１に示すように、力覚提示装置１０は、切断器具１に取り付けられた複数の光学マーカ５１と、切断器具１により機能性流体１２に力をかけたときの様子を撮影する赤外線カメラ５２と、赤外線カメラ５２で撮影した光学マーカ５１の動きを、デジタルデータとして記憶するモーションキャプチャシステム５３と、モーションキャプチャシステム５３で記憶された光学マーカ５１に基づいて、生体軟組織から成る仮想臓器に力を与えたときの反力を計算し、統合制御部１６に送る数値シミュレータ５４とを有し、統合制御部１６が数値シミュレータ５４で計算された反力と、光学マーカ５１の動きと、移動台１５の位置と、力センサ１４で検出された力とに基づいて、磁場発生部１３およびサーボモータ２６を制御して前記反力を提示可能に構成されていてもよい。

この場合、光学マーカ５１を介して切断器具１の動きや位置、姿勢を正確に把握することができる。また、その切断器具１の動きや位置、姿勢を、切断器具１にかける機能性流体１２の抵抗力に反映させることができ、生体軟組織を切断したときの力覚をより正確に提示することができる。これにより、例えば、血管の場所をメスで切っているときや、皮膚を切っているときなど、位置に応じて提示する力覚を変更することができる。なお、光学マーカ５１、赤外線カメラ５２およびモーションキャプチャシステム５３が、切断器具１の位置、すなわち機能性流体１２にかかる力の位置を検出するための位置センサを成している。

１切断器具
１０力覚提示装置
１１収納容器
１２機能性流体
１３磁場発生部
２１磁場発生コイル
２２ヨーク
２３サーチコイル
１４力センサ
２４アタッチメント
１５移動台
２５パラレル機構
２６サーボモータ
２７固定台
１６統合制御部

Claims

表面または内部にかかる力に対して抵抗力をかけることができる機能性流体と、
少なくとも一部が開口し、内部に前記機能性流体が収納された収納容器と、
前記機能性流体にかかる力、および／または、その力のかかる位置を検出可能に設けられたセンサと、
前記センサで検出された力および／または位置に応じて、前記抵抗力を制御可能に設けられた制御手段とを有し、
前記収納容器の開口から道具を挿入、取り出し可能であり、前記収納容器の開口から前記道具を挿入して、直接、前記機能性流体に力をかけることができるよう構成されていることを
特徴とする力覚提示装置。
前記機能性流体は、ＭＲ流体またはＥＲ流体から成ることを特徴とする請求項１記載の力覚提示装置。
前記収納容器を載せて水平方向および／または垂直方向に移動可能に設けられた移動台を有し、
前記制御手段は、前記センサで検出された力および／または位置に応じて、前記移動台の水平方向および／または垂直方向の動きを制御することを
特徴とする請求項１または２記載の力覚提示装置。
前記移動台はサーボモータにより移動可能に構成され、
前記制御手段は前記サーボモータを制御可能であることを
特徴とする請求項３記載の力覚提示装置。
生体軟組織を切断したときの切断感覚を提示するための力覚提示装置であって、
前記機能性流体はＭＲ流体から成り、
前記制御手段は前記機能性流体に磁場をかけるための磁場発生部を有し、あらかじめ測定または計算された、切断器具で前記生体軟組織を切断したときの前記生体軟組織の抵抗力に応じて、前記磁場発生部を制御して前記機能性流体の前記抵抗力を制御するとともに、前記生体軟組織の粘弾性特性に応じて、前記移動台の動きを制御することを
特徴とする請求項３または４記載の力覚提示装置。
前記移動台は６自由度で移動可能であり、
前記制御手段は前記移動台の６自由度の動きを制御可能であることを
特徴とする請求項３、４または５記載の力覚提示装置。