專利名稱：主操作輸入裝置以及主-從機械手的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于對從機械手進行遠程操作的主操作輸入裝置以及具有這樣的主操作輸入裝置的主-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)臂的機械手對患者進行處置的機械手系統進行了各種提案。在這種機械手系統中，公知有能夠通過主操作輸入裝置對直接接觸患者體腔的機械手(從機械手)進行遠程操作的機械手系統(主-從機械手)。此外，近年來，還公知有將從機械手具有的從臂的自由度設為了7自由度以上(位置的3自由度+姿態的3自由度+冗余自由度)的主-從機械手。一般而言，在具有7自由度以上的從臂的情況下，當可從主操作輸入裝置輸入的指令值為6個以下時，用于計算從臂的各個關節的驅動量的逆運動學計算復雜化。作為用于避免這種復雜的計算的提案之一，例如進行了日本特開平5 - 228854號公報的提案。在日本特開平5 - 228854號公報中，在可通過把手的操作輸入6自由度的指令值的主臂(主操作輸入裝置)中，通過進一步設置開關和轉盤等操作部，能夠用單手輸入與7自由度對應的指令值。

發明內容
在日本特開平5 - 228854號公報中，還能夠直接指示與冗余自由度對應的關節的驅動量。此處，在日本特開平5 — 228854號公報中，用于指示與冗余自由度對應的關節的驅動量的操作部的構造和 與從臂的冗余自由度對應的關節的構造不同。因此，在日本特開平5 - 228854號公報中，在直接指示與冗余自由度對應的關節的驅動量的情況下，操作者不能直觀地知曉可以進行怎樣程度的量的操作，不能說操作性一定良好。本發明正是鑒于上述情況而完成的，其目的在于，提供一種能夠進行更直觀的操作來提高了操作性的主操作輸入裝置以及具有這種主操作輸入裝置的主-從機械手。為了達到上述目的，一個方式的主操作輸入裝置用于對具有與多個自由度對應的關節的從機械手進行操作，該主操作輸入裝置的特征在于，具備:把持部，其構成為在由操作者把持的狀態下位置和姿態變化自如，且根據該位置和姿態的變化，給出所述從機械手的遠位端的位置和姿態的指令值，所述遠位端是從固定端觀察所述從機械手時最遠的端部；以及第I操作部，其設置于在對所述把持部進行了把持的狀態下能夠通過所述操作者的指尖進行操作的位置處，能夠與所述把持部獨立進行操作。此外，為了達到上述目的，一個方式的主-從機械手的特征在于，具有:從機械手，其具有與多個自由度對應的關節；所述方式的主操作輸入裝置；以及控制部，其根據所述位置和姿態的指令值、以及驅動量的指令值，計算所述從機械手的各個關節的驅動量，并依照該驅動量的計算結果驅動所述從機械手的各個關節，所述驅動量的指令值用于驅動所述從機械手的遠位端的關節。


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2是示出本實施方式的主操作輸入裝置的操作部的結構的圖。圖3是圖2所示結構的操作部的示意圖。圖4是示出實際操作主操作輸入裝置的操作部時的情形的圖。圖5是示出從臂的構造的一例的圖。圖6是示出將第I滾動關節設為雙軸構造的變形例的操作部的結構的圖。圖7是圖6所示結構的操作部的示意圖。圖8A是示出將設置于把持部的關節設為偏航關節時的變形例的從臂的構造的圖。圖SB是示出將設置于把持部的關節設為偏航關節時的變形例的主操作輸入裝置的構造的圖。圖9A是示出將設置于把持部的關節設為俯仰關節時的變形例的從臂的構造的圖。圖9B是示出將設置于把持部的關節設為俯仰關節時的變形例的主操作輸入裝置的構造的圖。 圖1OA是示出將設置于把持部的關節設為平移關節時的變形例的從臂的構造的圖。圖1OB是示出將設置于把持部的關節設為平移關節時的變形例的主操作輸入裝置的構造的圖。圖1lA是示出將設置于把持部的關節設為多個時的變形例的從臂的構造的圖。圖1lB是示出將設置于把持部的關節設為多個時的變形例的主操作輸入裝置的構造的圖。圖12是示出無線式的操作部的例子的圖。圖13A是說明操作部的移動的圖。圖13B是說明操作部的移動的圖。圖13C是說明操作部的移動的圖。圖14是示出本發明的第I實施方式中的從臂的關節驅動流程的流程圖。圖15是示出末端執行器操作部的打開角度的圖。圖16是示出本發明的第2實施方式中的從臂的關節驅動流程的流程圖。圖17是示出作用于末端執行器操作部的力的圖。圖18是示出本發明的第3實施方式中的從臂的關節驅動流程的流程圖。圖19是示出本發明的第4實施方式中的從臂的關節驅動流程的流程圖。
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-從機械手的一例的整體結構的圖。如圖I所示，本實施方式的主-從機械手具有主操作輸入裝置10、控制裝置20和從機械手30。主操作輸入裝置10作用為該主-從機械手中的主機械手，具有操作部11和顯示部12。操作部11例如被固定到主操作輸入裝置10的顯示部12，受到操作者I的操作而輸出用于操作從機械手30的操作信號。圖2是示出本實施方式的主操作輸入裝置10的操作部11的結構的圖。此外，圖3是圖2所示結構的操作部11的示意圖。此處，圖2例示了右手用的操作部的結構。左手用的操作部的結構相對于右手用的操作部僅反轉左右關系，實質結構與圖2所示的結構相同。如圖2所示，操作部11具有把持部101。把持部101是操作者I用手把持的部分。把持部101在垂直3軸(圖2所示的X軸、Y軸、Z軸)方向和繞各個軸的旋轉方向上可移動地被支撐。此處，在圖2中，在操作者I如圖1所示那樣操作主操作輸入裝置10的情況下，將與地面平行、且從操作者I的面部朝向顯示部12的方向作為正向來設定X軸。此外，沿著與地面平行且與X軸垂直的方向設定Y軸。并且，沿著與地面垂直的方向設定Z軸。在把持部101上軸固定有作為第I操作部的一例的第I滾動關節102。在這種結構中，第I滾動關節102構成為了其旋轉軸與圖2所示的X軸平行，在操作者I用手拿著把持部101時可用指尖進行旋轉。在第I滾動關節102的附近，設置有未圖示的位置檢測器(例如編碼器)。在由操作者I對第I滾動關節102進行了旋轉操作的情況下，由位置檢測器檢測其驅動量(旋轉量)θ5。從該位置檢測器向控制裝置20的主控制部21輸入與第I滾動關節102的驅動量(旋轉量)Θ 5對應的操作信號。雖然將后述，但第I滾動關節102的操作信號是給出指令值的信號，該指令值用于直接指示從機械手30具有的從臂31的遠位端關節的驅動量。此外，與第I滾動關節102在同一直線上，安裝有作為第2操作部的一例的末端執行器(end effector)操作部103。即，以可與把持部101的位置姿態獨立地進行操作的方式安裝有第I滾動關節102和末端執行器操作部103。末端執行器操作部103構成為在操作者I用手拿著把持部101時可用指尖進行開閉操作。在末端執行器操作部103的附近，設置有未圖示的位置檢測器(例如編碼器)。在由操作者I對末端執行器操作部103進行了開閉操作的情況下，由位置檢測器檢測其開閉量(例如開閉角θ6)。從該位置檢測器向控制裝置20的主控制部21輸入與末端執行器操作部103的開閉量θ6對應的操作信號。雖然將后述，但末端執行器操作部103的操作信號是給出用于直接指示末端執行器的開閉量的指令值的信號，該末端執行器被安裝在從機械手30具有的從臂31的遠位端的關節處。此外，把持部101朝向X軸的正向(圖1中遠離操作者I的方向)延伸第I滾動關節102的X軸方向長度和末端執行器操作部103的X軸方向長度而構成了第I連桿。該第I連桿進一步朝向Z軸的正向(圖1中的地面方向)延伸。朝向Z軸的正向的第I連桿的延伸部IOla在與第I滾動關節102的旋轉軸處于同一直線上的位置處被第2連桿104旋轉自如地軸固定。在通過延伸部IOla和第2連桿104構成的第2滾動關節(在圖3中標注與第2連桿相同的標號)附近，設置有未圖示的位置檢測器(例如編碼器)。在伴隨操作者I對把持部101的操作而驅動 第2滾動關節的情況下，由位置檢測器檢測其驅動量(旋轉量)Θ 4。從該位置檢測器向控制裝置20的主控制部21輸入與第2滾動關節的驅動量Θ 4對應的操作信號。此外，第2連桿104以與第I連桿的延伸部IOla平行的方式朝向Z軸的負向和X軸的負向延伸并被第3連桿105旋轉自如地軸固定。在第3連桿105上安裝有蓋105a。通過蓋105a，防止由第2連桿104和第3連桿105構成的偏航關節(在圖3中標注與第3連桿相同的標號)中的旋轉軸的脫出。此外，在由第2連桿104和第3連桿105構成的偏航關節的附近，設置有未圖示的位置檢測器(例如編碼器)。在伴隨操作者I對把持部101的操作而驅動偏航關節的情況下，由位置檢測器檢測其驅動量(旋轉量)Θ 3。從該位置檢測器向控制裝置20的主控制部21輸入與偏航關節的驅動量Θ 3對應的操作信號。此外，第3連桿105朝向Y軸的負向(圖1中的右手方向)延伸、并進一步朝向Z軸的正向延伸并被第4連桿106旋轉自如地軸固定。在通過第3連桿105和第4連桿106構成的俯仰關節(在圖3中標注與第4連桿相同的標號)附近，設置有未圖示的位置檢測器(例如編碼器)。在伴隨操作者I對把持部101的操作而驅動俯仰關節的情況下，由位置檢測器檢測其驅動量(旋轉量)θ2。從該位置檢測器向控制裝置20的主控制部21輸入與俯仰關節的驅動量θ2對應的操作信號。此外，第4連桿106被安裝到第I平移關節107。在第I平移關節107的附近，設置有未圖示的位置檢測器(例如編碼器)。在伴隨操作者I對把持部101的操作而驅動第I平移關節107的情況下，由位置檢測器檢測其驅動量(平移量)d2。從該位置檢測器向控制裝置20的主控制部21輸入與第I平移關節107的驅動量d2對應的操作信號。第5連桿從第I平移關節107起朝與第4連桿106垂直的方向延伸。該第5連桿被安裝到第2平移關節108。在第2平移關節108的附近，設置有未圖示的位置檢測器(例如編碼器)。在伴隨操作者I對把持部101的操作而驅動第2平移關節108的情況下，由位置檢測器檢測其驅動量(平移量)Cl1。從該位置檢測器向控制裝置20的主控制部21輸入與第2平移關節108的驅動量Cl1對應的操作信號。在第2平移關節108上，安裝有在偏航方向上旋轉自如地構成的旋轉部件109。在旋轉部件109的附近，設置有未圖示的位置檢測器(例如編碼器)。在伴隨操作者I對把持部101的操作而驅動旋轉部件109的情況下，由位置檢測器檢測其驅動量(旋轉量)Θ 10從該位置檢測器向控制裝置20的主控制部21輸入與旋轉部件109的驅動量Θ i對應的操作信號。圖4示出了實際操作主操作輸入裝置10的操作部11時的情形。如圖4所示，操作者I在將把持部101把持到手200上的狀態下，通過手腕、肘和肩的動作改變把持部101的位置姿態。伴隨把持部101的位置姿態的變化驅動操作部11的各個關節。各個關節的驅動量通過配置于各個關節附近的位置檢測器檢測，將與各個驅動量對應的操作信號輸入到主控制部21。此外，如圖4所示，在本實施方式中，操作者I能夠在對把持部101進行把持的同時用指尖操作第I滾動關節102和末端執行器操作部103。第I滾動關節102和末端執行器操作部103的操作量由配置于各自附近的位置檢測器檢測，將與各個操作量對應的操作信號輸入到主控制部21。通過以上那樣的結構，操作部11 將與把持部101的位置姿態的變化對應的6個操作信號以及表示第I滾動關節102的操作量的操作信號中的、與7自由度對應的操作信號(+末端執行器的操作信號)輸入到控制裝置20的主控制部21。此處，返回圖1繼續說明。圖1所示的顯示部12例如由液晶顯示器構成，根據從控制裝置20輸入的圖像信號顯示圖像。之后將敘述，但從控制裝置20輸入的圖像信號是在控制裝置20中對經由安裝于從臂31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12上，由此主操作輸入裝置10的操作者I能夠確認配置于遠離主操作輸入裝置10的場所的從機械手30的鉗爪的圖像。控制裝置20具有主控制部21、機械手控制部22和圖像處理部23。主控制部21依照來自主操作輸入裝置10的操作信號，例如通過運動學計算來計算從臂31的鉗爪的位置/姿態的指令值，并將該位置/姿態的指令值輸出到機械手控制部22。此外，主控制部21將來自主操作輸入裝置10的用于指示遠位端關節的驅動量的操作信號和用于指示末端執行器的驅動量的操作信號輸出到機械手控制部22。機械手控制部22接收來自主控制部21的位置姿態的指令值，例如通過逆運動學計算來計算用于使從臂31的鉗爪的位置姿態與指令值一致所需的從臂31的各個關節的驅動量。然后，機械手控制部22依照計算出的驅動量驅動從臂31的各個關節。此外，機械手控制部22接收來自主控制部21的用于指示遠位端關節的驅動量的操作信號和用于指示末端執行器的驅動量的操作信號來驅動從臂31的遠位端的關節，并且驅動末端執行器。圖像處理部23對從安裝于從臂31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12的顯示用的圖像信號并輸出到顯示部12。從機械手30具有從臂31。從臂31依照來自機械手控制部22的控制信號驅動各個關節。圖5示出從臂31的結構的一例。圖5所示的從臂31接連設置7個關節202 208而配置。此外，在從臂31的遠位端的關節202上安裝有末端執行器201。此處，遠位端的關節是指從固定有從臂31 —側起觀察配置于最遠的位置處的關節。此外，圖5所示的末端執行器201示出了把持器(夾鉗) 的例子。另外，可以在末端部安裝照相機(電子內窺鏡)
坐寸ο在圖5所示的關節中，關節202、205是繞滾動軸(與圖2所示的X軸對應)旋轉的滾動關節，關節203、208是繞偏航軸(與圖2所示的Z軸對應)旋轉的偏航關節，關節204、207是繞俯仰軸(與圖2所示的Y軸對應)旋轉的俯仰關節。此外，關節206是沿著滾動軸進行平移的平移關節。在圖5的例子中，7個關節完全獨立。通過協調驅動圖5所示的關節203 208，實現從臂31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5中，設置了用于使末端執行器201滾動的關節202作為冗余關節。通過這種結構，例如還能夠進行如下動作:在使從臂31滾動的情況下，僅使末端執行器201付近滾動。如上所述，遠位端的關節202和末端執行器201能夠通過主操作輸入裝置10直接指示驅動量。如以上所說明那樣，根據本實施方式，在主操作輸入裝置10的操作部11中的、在操作者I對把持部101進行了把持的狀態下可用指尖進行操作的位置處，設置具有與從臂31的遠位端的關節202相同構造的操作部即第I滾動關節102。由此，操作者I能夠用單手穩定進行7自由度的從臂31的操作。此處，例如，在內窺鏡下手術中，在術后的縫合時需要縫針動作。在這種縫針動作中，在使安裝于從臂31的鉗爪的作為末端執行器201的夾鉗滾動的同時對患者的必要部位縫針。此時，在使作為遠離末端執行器201的關節的滾動關節205滾動時，還進行末端執行器201的滾動，另一方面，其他關節也較大程度動作從而從臂31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，優選使作為從臂31的遠位端的關節的滾動關節202滾動。在本實施方式中，將第I滾動關節102的構造設為與從臂31的遠位端的關節202相同的構造，因此操作者I能夠直觀地識別第I滾動關節102的操作量與滾動關節202的驅動量之間的關系。因此，操作者I能夠細致地控制從臂31的遠位端關節202的驅動量。即，能夠在用手掌握持的把持部101指示末端執行器201的位置姿態的同時，通過轉動第I滾動關節102來操作末端遠位端的關節202，手指的姿態與末端執行器201的姿態對應，能夠進行直觀的操作。當然，即使不相對于把持部101相對地旋轉第I滾動關節102，手指的姿態也與末端執行器201的位置姿態對應。此外，在本實施方式中，將末端執行器操作部103安裝到了連接第I滾動關節102和把持部101的同一直線上，因此操作者I能夠在對把持部101進行把持的狀態下操作末端執行器操作部103。第I滾動關節102和末端執行器操作部103能夠獨立進行驅動，能夠通過將手指放到末端執行器操作部103，對末端執行器操作部103進行開閉來取得Θ 6，能夠通過扭轉末端執行器操作部103，使作為其基座的第I滾動關節102旋轉來取得Θ 5。本實施方式中的第I滾動關節102能夠與其他關節獨立被驅動。因此，本實施方式中的主操作輸入裝置10還能夠應用于6自由度以下的不具有冗余的自由度的從機械手30。[變形例]以下，說明本實施方式的變形例。首先，在圖2所示的例子中，第I滾動關節102僅被把持部101支撐。實際上，第I滾動關節102構成為與其他關節獨立滾動即可，例如可以如圖6所示，在把持部101和·第I連桿的延伸部IOla的2點處支撐第I滾動關節102 (圖6中為末端執行器操作部103)。圖7示出圖6的結構的示意圖。如圖7所示,在圖6所示的結構的情況下，第I滾動關節102和第2滾動關節104實質上相鄰配置。與此相對，通過將第I滾動關節102和第2滾動關節104設為旋轉軸不同的雙軸構造，使得第2滾動關節104不會伴隨第I滾動關節102的滾動而滾動。此外，在圖2所示的例子中，示出了在把持部101設置滾動關節的例子。這是因為從臂31的遠位端的關節是滾動關節。在從臂31的遠位端的關節不是滾動關節的情況下，設置于把持部101的關節也變更。例如圖8A所示，在從臂31的遠位端的關節是偏航關節的情況下，如圖8B所示，將設置于把持部101的關節1021也設為偏航關節。同樣，如圖9A所示，在從臂31的遠位端的關節是俯仰關節的情況下，如圖9B所示，將設置于把持部101的關節1022也設為俯仰關節。此外，如圖1OA所示，在從臂31的遠位端的關節是平移關節的情況下，如圖1OB所示，將設置于把持部101的關節1023也設為平移關節。并且，如圖1lA所示，在從臂31的遠位端設置有2種以上的獨立關節202a、202b的情況下，將設置于把持部101的關節也設為多個。例如，圖1lA例示了除與6自由度對應的關節203 208以外還增加了滾動關節202b和平移關節202a的8自由度的從臂31。該情況下，在把持部101中，也設置具有滾動關節102b和平移關節102a的能夠獨立進行操作的兩個關節。能夠通過這樣構成，將從臂31的遠位端的關節和設置于把持部101的關節設為相同的構造。由此，操作者I能夠直觀地操作從臂31的滾動關節202b、和平移關節202a。圖1lB的例子是設置有兩個關節的例子，但在從臂31的關節數增加的情況下，與其對應，設置于主操作輸入裝置10的把持部101的關節數也增加。此外，在從臂31的末端執行器201的構造成為與圖5所示的構造不同的構造的情況下，期望末端執行器操作部103的構造也與其結合而發生變化。并且，設置于圖2所示的操作部11的關節104 109是用于指示從臂31的鉗爪的位置姿態的關節，只要能夠指示從臂31的鉗爪的位置姿態，則也可以沒有關節104 109。例如，如果在操作部11中設置用于檢測3軸的平移移動的傳感器(例如加速度傳感器)，則還能夠如圖12所示那樣構成操作部11。在圖12的例子中，操作者I能夠通過把持操作部11的把持部101使該操作部11在三維空間內移動并且旋轉，賦予與位置的3自由度對應的操作信號。關于與姿態的3自由度對應的操作信號，例如能夠通過對由照相機13得到的圖像進行分析而得到。圖12示出了能夠經由無線通信部14對由操作部11得到的操作信號進行無線通信的例子。當然，在圖12的例子中，也可以對由操作部11得到的操作信號進行有線通信。此外 ，可以使用角速度傳感器檢測操作部11的姿態。以下，對將一個實施方式的主-從機械手與預定的控制方式進行組合后的幾個實施方式進行說明。在這些實施方式中，在從臂31中選擇處于冗余關系的兩個關節中的一個作為驅動關節、剩下的作為固定關節，由此簡化用于求出各個關節的驅動量的逆運動學計算來減輕機械手控制部22的負荷。另外，在本說明書中“處于冗余關系”是指關節的旋轉軸、平移軸等動作軸相互平行的關系。在第I實施方式中，使用等效旋轉矢量(也被稱作等效旋轉軸矢量等)進行將哪一個關節設為驅動關節的判定。因此，對等效旋轉矢量進行說明。首先，如下定義操作部11的把持部101的姿態變化。例如，在某個時刻t，將圖13C所示的把持部101的位置設為圖13A所示的位置Om (t)。此外，將時刻t的把持部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13A和圖13C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，把持部101的位置變化為圖13A所示的位置Om (t+Ι)。此外，設時刻t+Ι的把持部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13A所示的Xm (t+1)、Ym (t+1)、Zm(t+Ι)的方向的姿態。此時的把持部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。S卩，如圖13B所示，在設定某個旋轉軸Vr (t)時，從時刻t到時刻t+Ι期間的把持部101的姿態變化與使把持部101繞旋轉軸Vr (t)旋轉Θ (t)的姿態變化等效。一般而言，將表示這種旋轉軸Vr (t)的矢量稱作等效旋轉矢量。 在從臂31中，如圖5所示，關節202和關節205這兩個滾動關節處于冗余關系。在第I實施方式中，主控制部21通過使用了上述旋轉軸Vr的判定，選擇關節202和關節205中的一個作為驅動關節，將另一個設定為固定關節。即，在該時刻，將從臂31暫時看作沒有冗余自由度的臂，因此能夠容易地進行用于求出各個關節的驅動量的演算。圖14是示出第I實施方式中的從臂31的關節驅動流程的流程圖。在步驟SlO中，主控制部21依照來自主操作輸入裝置10的操作信號，求出把持部的當前時刻的位置和姿態、以及緊前的位置和姿態。并且根據這些值，進一步計算緊前的把持部的主滾動軸XmjP表示伴隨姿態變化的旋轉軸Vr的等效旋轉矢量。在接下來的步驟S20中，主控制部21判定主滾動軸Xm與旋轉軸Vr所成的角度Φ是否為預先設定的規定值以下。在該判定為是的情況下，處理進入到步驟S21，主控制部21選擇接近末端執行器201的關節202作為驅動關節，將另一個關節205設定為固定關節。另一方面，在該判定為否的情況下，處理進入到步驟S22，主控制部21選擇遠離末端執行器201的關節205作為驅動關節，將另一個關節202設定為固定關節。步驟S20中的判定基于如下的思路。即，如果等效旋轉矢量Vr (t)與主滾動軸Xm (t)—致(φ (t) =0)，則可以認為時
刻t到時刻t+i期間的把持部101的姿態變化是僅滾動引起的姿態變化。該情況下，可以認為通過操作部11指示了僅需要從臂31的鉗爪的滾動的動作。實際上，為了使得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，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
縫針操作等那樣的“細致的動作”。因此，作為判定基準的規定值能夠根據將哪種程度的操作判定為“細致的動作”來適當設定 ，能夠設為例如15度。在步驟S21或步驟S22中決定驅動關節和固定關節后，主控制部21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22。在步驟S21或步驟S22的結束后，處理進入到步驟S30。在步驟S30中，機械手控制部22根據從主控制部21接收到的位置姿態的指令值和關節選擇信號，通過逆運動學計算來計算用于使從臂31的鉗爪的位置姿態與指令值一致所需的從臂31的各個關節的驅動量，從而決定相對于各個關節的指令值。此處，從臂31本來是與7自由度對應的關節，但將處于冗余關系的關節202和205的一方作為固定關節(即，驅動量為零。)，因此相比7自由度的所有驅動量未知的情況能夠減少用逆運動學計算而計算出的關節數量，能夠簡化逆運動學計算來減輕運算給機械手控制部22帶來的負荷。另外，關于逆運動學計算，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。在接下來的步驟S40中，機械手控制部22根據從主控制部21接收到的信息計算作為主側冗余關節的第I滾動關節102的驅動量Mr。然后，在步驟S50中，機械手控制部22對在步驟S30中計算出的關節202的驅動量加上在步驟S40中計算出的驅動量Mr，確定關節202的指令值。由此確定從臂31的所有關節的指令值。在步驟S60中，機械手控制部依照在步驟S50中求出的各個關節的指令值驅動從臂31的各個關節，并結束一系列處理。該流程每隔預定間隔、例如10 幾十毫秒反復進行，反復進行驅動關節的選擇。例如，在內窺鏡下手術中，在術后的縫合時需要縫針動作。在這種縫針動作中，在使安裝于從臂的鉗爪上的夾鉗等末端執行器滾動的同時進行對患者的必要部位縫針的動作，在對象部位處使末端執行器細致動作。如上所述，從臂31在使7個關節協調動作的同時控制末端執行器的位置姿態，但在縫針動作等中使遠離末端執行器的關節(例如關節205)滾動時，還進行末端執行器的滾動，另一方面，其他關節也較大程度動作從而從臂31的關節可能與周圍臟器等碰撞。在第I實施方式中，通過步驟S20的判定，在角度《P為規定值以下的情況下，選擇接近末端執行器201的關節202作為驅動關節，遠離末端執行器201 —方的關節205被固定。因此，在縫針動作等那樣的、主要僅末端執行器進行滾動動作那樣的“細致的動作”時，從臂的其他關節不會較大程度動作，能夠對患者更安全地進行伴隨細致的動作的手上技術和操作。此外，將處于冗余關系的關節202和205中的一個設定為固定關節，因此能夠簡化步驟S30中的逆運動學計算。其結果，能夠減輕運算引起的機械手控制部的負荷，并且還縮短運算所需的時間，從而順利驅動從臂的各個關節。接著，下面說明第2實施方式。第2實施方式僅用于選擇驅動關節的判定基準不同，因此以判定基準為中心進行說明，省略共同部分的重復說明。在第2實施方式中，基于關閉了末端執行器操作部103時是用末端執行器201進行把持、即進行上述“細致的動作”時的考慮，根據圖15所示的末端執行器操作部103的打開角度Qg的值進行選擇驅動關節的判定。圖16是示出第2實施方式 中的從臂31的關節驅動流程的流程圖。在步驟SlOA中，計測末端執行器操作部103的打開角度Θ g，并從主操作輸入裝置10發送到主控制部21。然后，在步驟S20A中，主控制部21判定打開角度0g是否為規定值、例如I度以下。在步驟S20A中的判定為是的情況下，處理進入到步驟S21，主控制部21選擇接近末端執行器201的關節202作為驅動關節，將另一個關節205設定為固定關節。另一方面，在該判定為否的情況下，處理進入到步驟S22，主控制部21選擇遠離末端執行器201的關節205作為驅動關節，將另一個關節202設定為固定關節。之后的流程與第I實施方式相同。在第2實施方式中，例如在用末端執行器201把持針等時，打開角度Θ g的值變為規定值以下，選擇關節202作為驅動關節。因此，與第I實施方式同樣，在“細致的動作”時，從臂的其他關節不會較大程度動作，能夠對患者更安全地進行伴隨細致的動作的手上技術和操作。在第2實施方式中，說明了從主操作輸入裝置10取得打開角度Θ g的值的例子。也可以對其進行替代，在末端執行器201中設置角度傳感器等，取得末端執行器201的打開角度并用于步驟S20A的判定。并且，在將末端執行器201的打開角度用于判定的情況下，可以通過對顯示部所顯示的末端執行器的圖像進行處理來取得末端執行器201的打開角度。接著，下面說明第3實施方式。第3實施方式相對于第I實施方式，僅用于選擇驅動關節的判定基準不同，因此以判定基準為中心進行說明，省略共同部分的重復說明。在第3實施方式中，基于向末端執行器操作部103作用規定值以上的力時是用末端執行器進行把持、即進行上述“細致的動作”時的考慮，根據圖17所示的作用到末端執行器操作部103的力Fg的值進行選擇驅動關節的判定。另外，在第3實施方式中，為了能夠檢測力Fg，在末端執行器操作部103上安裝公知的力傳感器等，并將其檢測值發送到主控制部21。圖18是示出第3實施方式中的從臂31的關節驅動流程的流程圖。在步驟SlOB中，計測作用到末端執行器操作部103的力Fg，并從主操作輸入裝置10發送到主控制部21。然后，在步驟S20B中，主控制部21判定打開角度力Fg是否為規定值、例如IN以上。在步驟S20B中的判定為是的情況下，處理進入到步驟S21，主控制部21選擇接近末端執行器201的關節202作為驅動關節，將另一個關節205設定為固定關節。另一方面，在該判定為否的情況下，處理進入到步驟S22，主控制部21選擇遠離末端執行器201的關節205作為驅動關節，將另一個關節202設定為固定關節。之后的流程與第I實施方式相同。在第3實施方式中，例如在用末端執行器201把持針等時，力Fg的值變為規定值以上，選擇關節202作為驅動關節。因此，與第I實施方式同樣，在“細致的動作”時，從臂的其他關節不會較大程度動作，能夠對患者更安全地進行伴隨細致的動作的手上技術和操作。在第3實施方式中，說明了從主操作輸入裝置10取得力Fg的值的例子。也可以對其進行替代，在末端執行器201中設置力傳感器等，通過針等的把持取得末端執行器201受到的反力的值并用于步驟S20B的判定。接著，下面說明第4實施方式。`第4實施方式相對于第I實施方式，僅用于選擇驅動關節的判定基準不同，因此以判定基準為中心進行說明，省略共同部分的重復說明。在第4實施方式中，基于主操作輸入裝置10的把持部101比較高速地移動時是使末端執行器201朝向處置對象部位移動、即沒進行上述“細致的動作”時的考慮，根據把持部101的移動量進行選擇驅動關節的判定。圖19是示出第4實施方式中的從臂31的關節驅動流程的流程圖。在步驟SlOC中，主控制部21依照來自主操作輸入裝置10的操作信號，求出把持部101的當前時刻的位置、以及緊前的位置。并且根據這些值，取得把持部101的位置變化的絕對值em(( AXm2 +AYm2 + AZm2)的平方根)。在接下來的步驟S20C中，主控制部21判定上述絕對值em是否為規定值以下。在判定結果為是的情況下，預定間隔中的把持部101的移動量較小、即把持部101比較低速移動，處理進入到步驟S21，選擇接近末端執行器201的關節202作為驅動關節，將另一個關節205設定為固定關節。另一方面，在該判定為否的情況下，處理進入到步驟S22，主控制部21選擇遠離末端執行器201的關節205作為驅動關節，將另一個關節202設定為固定關節。之后的流程與第I實施方式相同。在第4實施方式中，也與第I實施方式同樣，在“細致的動作”時，從臂的其他關節不會較大程度動作，能夠對患者更安全地進行伴隨細致的動作的手上技術和操作。在第4實施方式中，說明了從主操作輸入裝置取得把持部的移動量的例子，但也可以對其進行替代，取得設置于從臂末端的末端執行器的移動量并用于步驟S20C的判定。
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。并且，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。例如，在上述實施方式中，說明了在從臂中，滾動關節202和205處于冗余關系的例子，但上述各控制方式還能夠應用于處于冗余關系的關節不是滾動關節的情況。因此，處于冗余關系的關節可以是圖8A所示的偏航關節202和208，也可以是圖9A所示的俯仰關節202和204。而 且，還可以是圖1OA所示的平移關節202和206。
權利要求
1.一種主操作輸入裝置，其用于對具有與多個自由度對應的關節的從機械手進行操作，該主操作輸入裝置的特征在于，具備: 把持部，其構成為在由操作者把持的狀態下位置和姿態變化自如，且根據該位置和姿態的變化，給出所述從機械手的遠位端的位置和姿態的指令值，其中所述遠位端是從固定端觀察所述從機械手時最遠的端部；以及 第I操作部，其設置于在對所述把持部進行了把持的狀態下能夠通過所述操作者的指尖進行操作的位置處，能夠與所述把持部獨立地進行操作。
2.根據權利要求1所述的主操作輸入裝置，其特征在于， 所述第I操作部設置在所述把持部上，具有與所述從機械手的遠位端的關節相同的構造，構成為接受手動操作而給出用于驅動所述從機械手的遠位端的關節的驅動量指令值。
3.根據權利要求1或2所述的主操作輸入裝置，其特征在于， 在所述第I操作部上安裝有 第2操作部,該第2操作部用于操作設置于所述從機械手的遠位端的關節處的執行器。
4.根據權利要求3所述的主操作輸入裝置，其特征在于， 所述把持部、所述第I操作部和所述第2操作部配置在同一直線上。
5.根據權利要求1 4中的任意一項所述的主操作輸入裝置，其特征在于， 所述第I操作部由所述把持部支撐。
6.根據權利要求5所述的主操作輸入裝置，其特征在于， 所述把持部被安裝于依照該把持部的位置和姿態的變化而被驅動的臂部。
7.根據權利要求6所述的主操作輸入裝置，其特征在于， 所述第I操作部還由所述臂部支撐。
8.根據權利要求1 7中的任意一項所述的主操作輸入裝置，其特征在于， 所述從機械手的遠位端的關節具有與多個自由度對應的多個關節， 所述第I操作部構成為分別給出所述從機械手的遠位端的關節具有的各個關節的驅動量的指令值。
9.一種主-從機械手，其特征在于，該主-從機械手具有: 從機械手，其具有與多個自由度對應的關節； 權利要求1 8中的任意一項所述的主操作輸入裝置；以及 控制部，其根據所述位置和姿態的指令值、以及用于驅動所述從機械手的遠位端的關節的驅動量指令值，計算所述從機械手的各個關節的驅動量，并依照該驅動量的計算結果驅動所述從機械手的各個關節。
全文摘要
用于對具有與多個自由度對應的關節的從機械手進行操作的主操作輸入裝置(10)包含把持部(101)和第1操作部(102)。把持部(101)構成為在由操作者把持的狀態下位置和姿態變化自如，且根據該位置和姿態的變化，給出從固定端觀察從機械手時處于最遠的端部的從機械手的遠位端的位置和姿態的指令值。第1操作部(102)設置于在對把持部(101)進行了把持的狀態下可通過操作者的指尖進行操作的位置處，能夠與把持部(101)獨立進行操作。
文檔編號B25J3/00GK103237633SQ201180057730
公開日2013年8月7日 申請日期2011年11月24日 優先權日2010年11月30日
發明者岸宏亮 申請人:奧林巴斯株式會社