专利名称：主-从机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有冗余关节的主-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)臂的机械手处置患者的机械手系统进行了各种提案。在这种机械手系统中，公知有能够通过远程操作装置对直接接触患者体腔的从机械手进行远程操作的主-从机械手。在使用主-从机械手进行内窥镜下手术中特别困难的缝针动作的情况下，在使安装于从臂的末端的夹钳滚动的同时缝针。此时，在末端没有滚动轴关节的从臂中，伴随用于使安装于末端的夹钳滚动的滚动动作而使其他关节协调动作。该情况下，认为有可能多个关节动作会与周围脏器等碰撞。与此相对，例如在日本特开昭63-267177号公报中提出了能够通过在末端部设置冗余关节来进行仅末端的位置姿态确定的主-从机械手。
发明内容
一般而言，在日本特开昭63-267177号公报等的在末端具有冗余关节的主-从机械手的情况下，用于依照来自远程操作装置的指令值计算从臂的各个关节的驱动量的逆运动学运算复杂化。在这种情况下，例如如果使从臂的自由度与远程操作装置的自由度一致，使得从臂的各个关节一对一地对应，则能够简化逆运动学运算。但是，通常难以用单手操作自由度大的远程操作装置。本发明正是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种在具有冗余关节的主-从机械手中，即使是远程操作装置和从臂的结构不同的结构，也能够减少逆运动学运算的负荷的主-从机械手。为了达到上述目的，一个方式的主-从机械手的特征在于，具备:作为主装置的远程操作装置，其提供与多个自由度对应的操作指令；从机械手，其具有与多个自由度对应的多个关节，在该多个关节中包含有冗余关节；以及控制部，其依照所述操作指令，控制所述关节的动作，所述控制部根据所述操作指令计算所述远程操作装置的姿态变化，并使用该姿态变化，每隔预定时间在所述关节中选择处于冗余关系的关节之一进行驱动。
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2A是示出远程操作装置的结构例的第I图。图2B是示出远程操作装置的结构例的第2图。图3是示出从机械手的结构例的图。图4A是用于说明本发明的一个实施方式中的关节选择的思路的第I图。图4B是用于说明本发明的一个实施方式中的关节选择的思路的第2图。
图4C是用于说明本发明的一个实施方式中的关节选择的思路的第3图。图5是示出本发明的一个实施方式的主-从机械手的动作的流程图。图6A是示出将冗余关节设为了偏航轴关节的变形例的第I图。图6B是示出将冗余关节设为了偏航轴关节的变形例的第2图。图7A是示出将冗余关节设为了俯仰轴关节的变形例的第I图。图7B是示出将冗余关节设为了俯仰轴关节的变形例的第2图。图8是示出处于冗余关系的关节相邻、且能够独立进行驱动的从臂的结构例的图。
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-从机械手的整体结构的图。如图1所示，本实施方式的主-从机械手具有远程操作装置100、控制装置200和从机械手300。图1是本实施方式的主-从机械手在医疗用途中的应用例。但是，本实施方式的主-从机械手能够应用于医疗用途以外的各种用途。远程操作装置100作为主-从机械手中的主装置发挥功能。远程操作装置100具有操作部101和显示部102。例如图2A所示,操作部101具有驱动部,该驱动部包含由旋转机构构成的驱动轴、和由直动机构构成的驱动轴。并且，在操作部101的终端部设置有夹钳部1011。将操作部101的终端部设为由操作者10握持的一侧。在这种结构中，操作者10在握持夹钳部1011的状态下，移动并旋转操作部101、并且对夹钳部1011进行操作，由此驱动构成操作部101的各个驱动轴。各个驱动轴的驱动量通过设置于各个驱动轴的未图示的位置检测器(例如编码器)检测。各个驱动轴的驱动量在驱动轴为旋转机构的情况下为旋转角，在驱动轴为直动机构的情况下为位移量。将各个位置检测器的检测信号作为用于指示从机械手300的从臂301的钳爪的位置姿态的、表示操作部101的操作指令(操作信息)的信号(操作信号)，输出到控制装置200。在图2A中，操作部101设置有6个驱动轴，通过该6个驱动轴的驱动，输出用于计算6个指令值的与6自由度对应的操作信号。该操作信号包含与位置相关的信号(Θ P屯、d2)和与姿态相关的信号(Θ 2、Θ 3、Θ 4)。操作部101只要是能够指示从臂301的钳爪的位置姿态的结构，则其结构没有特别限定。例如，可以在操作部101中设置用于检测水平3轴的平移移动的传感器(例如加速度传感器)和用于检测绕各个轴的旋转的传感器(例如角速度传感器)。该情况下，例如图2B所示，还能够将操作部101构成为手持式。在图2B的例子中，操作者10能够通过使手持式的操作部101在三维空间内移动、旋转，提供与6自由度对应的操作信号。图2B示出了能够经由无线通信部103对由操作部101得到的操作信号进行无线通信的例子。当然，在图2B的例子中，也可以对由操作部101得到的操作信号进行有线通信。显示部102例如由液晶显示器构成，根据从控制装置200输入的图像信号显示图像。之后将叙述，但从控制装置200输入的图像信号是在控制装置200中对通过安装于从臂301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102上，由此远程操作装置100的操作者10能够确认配置于远离远程操作装置100的场所的从机械手300的钳爪的图像。作为控制部的控制装置200具有主控制部201、机械手控制部202和图像处理部203。主控制部201依照来自远程操作装置100的与6自由度对应的操作信号，通过运动学运算，计算从臂301的钳爪的位置姿态的指令值。此外，主控制部201依照来自远程操作装置100的操作信号，在从臂301的各个关节中选择处于冗余关系的关节中的一个作为驱动关节。并且，主控制部201将表示该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202。这里处于冗余关系表示关节的旋转轴处于相互并列的关系。机械手控制部202接收来自远程操作装置100的位置姿态的指令值和关节选择信号，通过逆运动学运算来计算用于使从臂301的钳爪的位置姿态与指令值一致所需的从臂301的各个关节的驱动量。之后将叙述，但本实施方式的从臂301是与7自由度对应的关节，而将一个关节作为固定关节来进行各个关节的驱动。因此，相比7自由度的所有驱动量未知的情况能够减少通过逆运动学运算而计算出的关节数量，能够简化逆运动学运算。图像处理部203对从安装于从臂301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102的显示用的图像信号。接着图像处理部203将所生成的图像信号输出到显示部102。从机械手300具有从臂301和手术台302。从臂301具有与7自由度对应的关节，依照来自机械手控制部202的控制信号驱动各个关节。图3示出从臂301的结构的一例。图3所示的从臂301接连设置7个关节I 7而配置，在末端部安装有末端执行器(end effector) 3011。图3所示的末端执行器3011示出了夹钳的例子。另外，可以在末端部安装照相机(电子内窥镜)等。在图3所示的关节中，关节U4是绕滚动轴旋转的关节，关节2、7是绕偏航轴旋转的关节，关节3、6是绕俯仰轴旋转的关节。滚动轴与图4C所示的主装置的X轴对应。偏航轴与图4C所示的主装置的Z轴对应。俯仰轴与图4C所示的主装置的Y轴对应。此外，关节5是沿着滚动轴进行伸缩的关节。在图3的例子中，7个关节完全独立。尤其是，图3示出了相邻的关节与不同的驱动轴对应地动作的例子。通过协调驱动图3所示的关节2 7，实现从臂301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3中，设置有用于使末端执行器3011滚动的关节I作为冗余关节。通过这种结构，例如在使从臂301滚动的情况下，能够适时选择是使远离末端侧的一侧的关节4滚动、还是使接近末端侧的一侧的关节I滚动。在本实施方式中，同时驱动关节I和关节4来简化逆运动学运算。手术台302是载置有患者20的台子，且例如在该手术台302上设置有从臂301。下面，对本实施方式的主-从机械手的动作进行说明。握持着远程操作装置100的操作者10在握持着设置于远程操作装置100的操作部101上的夹钳部1011的状态下，移动、旋转操作部101，对夹钳部1011进行操作，由此驱动构成操作部101的各个驱动轴。在驱动各个驱动轴时，通过未图示的位置检测器检测其驱动量。并且，将各个位置检测器的检测信号(操作信号)输出到控制装置200。每隔预定时间At输出操作信号。控制装置200的主控制部201依照来自远程操作装置100的与6自由度对应的操作信号，计算从臂301的钳爪的位置姿态的指令值。此外，主控制部201依照来自远程操作装置100的操作信号，在从臂301的各个关节中选择处于冗余关系的关节中的一个作为驱动关节，选择剩余的关节作为固定关节。并且，主控制部201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202。此处，说明关节选择信号。如图3所示，本实施方式的例子的从臂301除了 6个与自由度对应的关节以外，还具有能够与其他关节独立地进行驱动的I个滚动轴关节作为冗余关节。通过这种结构，从臂301进行与7自由度对应的驱动。在进行用于根据从臂301的钳爪的位置姿态的指令值求出从臂301的各个关节的驱动量的逆运动学运算的情况下，在指令值的数量与从臂301的驱动关节的数量一致时，能够通过逆运动学运算唯一确定各个关节的驱动量。因此，运算本身不那么复杂。与此相对，在从臂301的驱动关节的数量比远程操作装置100的指令值的数量多时，如果不进行收敛计算，则无法唯一确定各个关节的驱动量。因此，计算复杂化。在本实施方式中，将作为冗余关节的关节I (设为Roll2)、和与关节I处于冗余关系的关节4 (设为Rolll)中的一方设为固定关节、另一方设为驱动关节来进行逆运动学运算。由此，在逆运动学运算时，能够将7自由度的从臂301实质上认作6自由度的从臂301。因此，能够减轻逆运动学运算的负荷。关节选择信号是用于在机械手控制部202中识别驱动关节和固定关节的信号。根据每隔预定时间的远程操作装置100的姿态变化，确定将Rolll和Roll2中的哪一个设为固定关节。以下说明该思路。首先，如下定义远程操作装置100的姿态变化。例如，在某个时刻t，将远程操作装置100的操作部101的位置设为图4A所示的位置Om (t)。此外,将时刻t的操作部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4A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，操作部101的位置变化为图4A所示的位置Om (t+Ι)。此外,将时刻t+Ι的操作部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4A所示的Xm (t+1)、Ym (t+1)、Zm (t+Ι)的方向的姿态。此时的操作部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。换言之，如图4B所示，在设定某个旋转轴I (t)时，从时刻t到时刻t+Ι期间的操作部101的姿态变化与使操作部101绕旋转轴\ (t)旋转Θ(t)的姿态变化等效。一般而言，将表示这种旋转轴I (t)的矢量称作等效旋转矢量(也称作等效旋转轴矢量等)。在本实施方式中，使用该等效旋转矢量判定操作部101的姿态变化。此处，考虑进行使从臂301的钳爪滚动的动作的情况。例如，在内窥镜下手术中，在术后的缝合时需要缝针的动作。在这种缝针动作中，在使安装于从臂301的钳爪上的作为末端执行器3011的夹钳滚动的同时对患者20的必要部位进行缝针。如上所述，从臂301在使7个关节协调动作的同时控制末端执行器3011的位置姿态。此时，在使作为远离末端执行器3011的关节的Rolll滚动时，还进行末端执行器3011的滚动，另一方面，其他关节也较大程度动作从而从臂301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，优选使作为接近从臂301的钳爪一侧的关节的Roll2滚动。该情况下，即使将Rolll设为固定关节也没有特别的问题。并且，能够通过将Rolll设为固定关节，简化逆运动学运算。另一方面，在将Rolll设为固定关节时，能够较大程度地限制从臂301的钳爪的位置姿态的取得范围。因此，在还需要滚动以外的旋转动作的情况下，优选使Rolll滚动。该情况下，即使将Roll2设为固定关节也没有特别的问题。并且，能够通过将Roll2设为固定关节，简化逆运动学运算。能够根据图4C所示的等效旋转矢量Vr (t)与主滚动轴
Xffl (t)所成的角φ (t)判别是否通过操作部101的操作指示为主要使末端的滚动轴关节动
作。如果等效旋转矢量I (t)与主滚动轴Xm (t)—致(cp (t) =0),则能够将时刻t到时刻
t+Ι期间的操作部101的姿态变化认作是仅滚动引起的姿态变化。该情况下，能够认为通过操作部101指示了仅需要从臂301的钳爪的滚动的动作。实际上，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。因此，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操作。图5是示出依照以上那样的思路的从臂301的驱动控制的流程的流程图。每隔预定时间At执行图5的处理。在图5的处理中，在从远程操作装置100输入了操作信号时，主控制部201根据所输入的操作信号，计算用于表示时刻t到时刻t+Ι期间的姿态变化的等效旋转矢量I (t)、和时刻t的主滚动轴Xm (t)(步骤SI)。在计算出等效旋转矢量Vr (t)和主滚动轴Xm (t)后，主控制部201判定Vr (t)
与Xm(t)所成的角φ U)是否在规定值以下(步骤S2)。在步骤S2的判定中，在角度φ为规
定值以下、即V, (t)与Xm (t)大体一致的情况下，主控制部201将安装有末端执行器3011的关节(Roll2)设为驱动关节，将与该关节处于冗余关系的关节(Rolll)设为固定关节(步
骤S3)。另一方面，在步骤S2的判定中，在角度φ超过了规定值的情况下，主控制部201将安装有末端执行器3011的关节(Roll2)设为固定关节，将与该关节处于冗余关系的关节(Rolll)设为驱动关节(步骤S4)。在选择了将Rolll和Roll2中的哪一个设为驱动关节、哪一个设为固定关节后，主控制部201将表示将Rolll和Roll2中的哪一个设为驱动关节、哪一个设为固定关节的关节选择信号，与用于指示从臂301的钳爪的位置姿态的指令值一起发送到机械手控制部202。机械手控制部202接收到该关节选择信号，在将Rolll和Rol 12中的任意一个设为了固定关节的状态下进行逆运动学运算，计算从臂301的各个关节的驱动量。此处的各个关节排除设为了固定关节的关节。然后，机械手控制部202依照计算出的驱动量驱动从臂301的各个关节(步骤S5)。另外，关于逆运动学运算，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。如以上所说明那样，根据本实施方式，在除了用于使从臂301本身滚动的关节以夕卜，还具有用于使末端执行器3011滚动的关节Roll2作为冗余关节的从臂301中，根据远程操作装置100的操作部101的姿态变化，判别是否进行了缝针动作那样的、主要需要滚动的动作的指示。并且，在该判别结果是能够判别为指示进行主要需要滚动的动作的情况(等效旋转矢量\ (t)与主滚动轴Xm (t)大体一致的情况)下，将Roll2作为驱动关节、Rolll作为固定关节进行逆运动学运算。另一方面，在能够判别为指示进行还需要滚动以外的姿态变化的动作的情况(等效旋转矢量Vr (t)与主滚动轴Xm (t)没有大体一致的情况)下，将Rolll作为驱动关节、R0112作为固定关节进行逆运动学运算。由此，在本实施方式中，根据每隔预定时间的操作部101的姿态变化，进行Rolll和Roll2的分开使用。由此，即使是远程操作装置和从臂的结构不同的结构，也能够在反映操作者10的操作意图的同时，减轻逆运动学运算的负荷。此外，在本实施方式中，能够自动进行Rolll和Roll2的分开使用。由此，还能够在不需要通过开关等切换驱动关节的情况下减轻操作者10的劳力和时间。此外，在本实施方式中，通过等效旋转矢量I (t)表示操作部101的姿态变化。因此，能够针对各种结构的远程操作装置100，适当求出操作部101的姿态变化。此处，在上述例子中，示出了远程操作装置100的操作部101的自由度是6自由度(位置3自由度、姿态3自由度)，从臂301的自由度是7自由度(位置3自由度、姿态3自由度、钳爪的滚动)的例子。与此相对，远程操作装置100的操作部101的自由度与从臂301的自由度之间的关系不限于上述例子。例如在消除了位置的自由度的情况下，也能够应用上述本实施方式的技术。消除位置的自由度的情况是指操作部101的自由度为3自由度、从臂301的自由度为4自由度的情况。并且，上述例子示出了冗余关节为一个的例子，但冗余关节的数量不限于一个。例如，在图3中，即使在关节2与关节3之间配置有另一个滚动轴关节也能够应用本实施方式的技术。该情况下，将配置于关节2与关节3之间的关节始终设为驱动关节。此外，在图3的例子中，将安装有末端执行器3011的冗余关节设为了滚动轴关节。与此相对，例如，无论是如图6A所示在偏航轴关节安装有末端执行器3011的结构，还是如图7A所示在俯仰轴关节安装有末端执行器3011的结构，都能够应用上述本实施方式的技术。其中，在图6A的结构的情况下，在步骤S2的判定中，判定等效旋转矢量Vr (t)与主偏
航轴Zm (t)所成的角％ (t)(在图6B中示出了 φ7 (U)是否为规定值以下，在为规定值以
下的情况下将末端执行器3011 —侧的关节(图6Α的关节I)设为驱动关节。此外，在图7Α的结构的情况下，在步骤S2的判定中，判定等效旋转矢量I (t)与主俯仰轴Ym (t)所成
的角(py (t)(在图7B中示出了 φχ (t))是否为规定值以下，在为规定值以下的情况下将末
端执行器3011 —侧的关节(图7A的关节I)设为驱动关节。由此，能够通过判定用于表示远程操作装置100的姿态变化的等效旋转矢量、和根据从臂301的结构而在远程操作装置100中预先确定的轴所成的角，与各种结构的从臂301对应地进行本实施方式中的冗余关节、和与冗余关节处于冗余关系的关节的选择。此处，在图7A、图7B的例子中，在使关节2旋转90度的情况下，关节I与偏航轴关节等效。在这种情况下，在关节I与关节3之间，也能够进行步骤S2的判定。由此，步骤S2的判定不仅能够在初始状态下旋转轴平行的关节彼此间进行，在具有冗余自由度的机构中，还能够在驱动中旋转轴彼此平行的关节之间进行。此外，上述各个例子示出了在旋转轴平行且处于冗余关系的关节之间，配置旋转轴与该关节垂直的处于独立关系的关节的结构的从臂301。实际上，只要独立驱动构成从臂301的各个关节，则也可以相邻配置处于冗余关系的关节。例如，即使是图8那样的结构，也能够针对关节I和关节2应用上述的本实施方式的技术。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。此外，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。
权利要求
1.一种主-从机械手，其特征在于，该主-从机械手具备: 作为主装置的远程操作装置，其提供与多个自由度对应的操作指令； 从机械手，其具有与多个自由度对应的多个关节，在该多个关节中包含有冗余关节；以及 控制部，其依照所述操作指令，控制所述关节的动作， 所述控制部根据所述操作指令计算所述远程操作装置的姿态变化，并使用该姿态变化，每隔预定时间在所述关节中选择处于冗余关系的关节之一进行驱动。
2.根据权利要求1所述的主-从机械手，其特征在于， 所述控制部根据用于表示所述姿态变化的轴与所述远程操作装置的预先确定的轴所成的角度，在所述关节中选择处于冗余关系的关节之一进行驱动。
3.根据权利要求2所述的主-从机械手，其特征在于， 用于表示所述姿态变化的轴对应于将所述姿态变化视为从姿态变化前到姿态变化后的旋转时的旋转轴。
4.根据权利要求1 3中的任意一项所述的主-从机械手，其特征在于， 在所述处于冗余关系的关节之间，存在具有与所述关节的轴垂直的旋转轴的关节。
5.根据权利要求1 3中的任意一项所述的主-从机械手，其特征在于，处于所述冗余关系的关节相邻配置。
6.根据权利要求2 5中的任意一项所述的主-从机械手，其特征在于， 所述控制部在用于表示所述姿态变化的轴与所述远程操作装置的预先确定的轴所成的角度在规定值以下的情况下，在处于所述冗余关系的关节中，选择最接近所述从机械手的末端侧的关节进行驱动，在用于表示所述姿态变化的轴与所述远程操作装置的预先确定的轴所成的角度超过了所述规定值的情况下，在处于所述冗余关系的关节中，选择最远离所述从机械手的末端侧的关节进行驱动。
7.根据权利要求1 6中的任意一项所述的主-从机械手，其特征在于， 所述控制部在所述关节中，将处于冗余关系的关节中的未选择的关节设为固定关节，通过逆运动学运算来计算剩余关节的驱动量。
全文摘要
主-从机械手包含远程操作装置(100)、从机械手(300)和控制部(200)。远程操作装置(100)提供与多个自由度对应的操作指令。从机械手(300)具有与多个自由度对应的多个关节，在该多个关节中包含有冗余关节。控制部(200)依照所述操作指令，控制所述关节的动作。此外，控制部(200)根据所述操作指令计算所述远程操作装置的姿态变化，并使用该姿态变化，每隔预定时间在所述关节中选择处于冗余关系的关节中的一个进行驱动。
文档编号B25J3/00GK103097086SQ201180042859
公开日2013年5月8日 申请日期2011年9月6日 优先权日2010年9月7日
发明者岸宏亮 申请人:奥林巴斯株式会社