マニピュレータシステム |
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申请号 | JP2013155882 | 申请日 | 2013-07-26 | 公开(公告)号 | JP2015024033A | 公开(公告)日 | 2015-02-05 |
申请人 | オリンパス株式会社; Olympus Corp; | 发明人 | HATAKEYAMA NAOYA; WAKAI HIROSHI; IIDA MASATOSHI; | ||||
摘要 | 【課題】処置具の動作の応答性の低下及びばらつきを高 精度 に補償して常に良好かつ同一の応答性を得る。【解決手段】処置具6と、該処置具6用の複数のチャネルを有する挿入部5と、チャネル内で処置具6を進退及び/又は回転させる処置具駆動部13A,13Bとを有するマニピュレータ1と、処置具6に対する操作指示が入 力 される操作入力部2と、操作指示に従って処置具駆動部13A,13Bを駆動させるための制御 信号 を生成する制御部3と、処置具6が挿入されているチャネルを検出する使用チャネル検出部22と、該使用チャネル検出部22によって検出されたチャネルに基づき、制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部3とを備え、制御部3が、補償値設定部3によって設定された補償値を用いて補正した制御信号を処置具駆動部13A,13Bに送信するマニピュレータシステム100を提供する。【選択図】図3 | ||||||
权利要求 | 長手方向に貫通形成された複数のチャネルを有する細長い挿入部と、該挿入部の前記チャネル内に挿入される処置具と、前記チャネル内において前記処置具に進退および回転のうち少なくとも一方の動作をさせる処置具駆動部とを有するマニピュレータと、 前記処置具に対する操作指示が操作者によって入力される操作入力部と、 該操作入力部に入力された前記操作指示に従って、前記処置具駆動部を駆動させるための制御信号を生成する制御部と、 前記複数のチャネルのうち、前記処置具が挿入されているチャネルを検出する使用チャネル検出部と、 該使用チャネル検出部によって検出されたチャネルに基づいて、前記制御信号に対する補償値を設定する補償値設定部とを備え、 前記制御部が、前記制御信号を、前記補償値設定部によって設定された前記補償値を用いて補正し、補正された前記制御信号を前記処置具駆動部に送信するマニピュレータシステム。 各前記チャネル内に挿入されている前記処置具を識別する処置具識別部を備え、 前記補償値設定部が、前記処置具識別部によって識別された処置具の力学的特性にさらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項1に記載のマニピュレータシステム。 前記挿入部が、可撓性を有する細長い軟性部と、該軟性部の先端側に設けられた湾曲可能な湾曲部とを備え、 該湾曲部の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部を備え、 前記補償値設定部が、前記湾曲部形状検出部によって検出された前記湾曲部の湾曲形状にさらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項1または請求項2に記載のマニピュレータシステム。 前記挿入部が、可撓性を有する細長い軟性部と、該軟性部の先端側に設けられた湾曲可能な湾曲部とを備え、 前記軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部を備え、 前記補償値設定部が、前記軟性部形状検出部によって検出された前記軟性部の湾曲形状にさらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項1から請求項3のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 前記処置具の、前記挿入部から外部に引き出された基端側の部分の湾曲形状を検出する体外部分形状検出部を備え、 前記補償値設定部が、前記体外部分形状検出部によって検出された前記処置具の基端側の部分の湾曲形状にさらに基づいて、各前記補償値を設定する請求項1から請求項4のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 前記チャネルが、前記挿入部内に長手方向に沿って配置されたチューブからなり、 該チューブは、前記挿入部内における径方向の位置が固定されている請求項1から請求項5のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 前記制御部が、前記処置具駆動部をフィードフォワード制御し、 前記補償値設定部は、前記制御部が前記フィードフォワード制御に用いるゲインを前記補償値として設定する請求項1から請求項6のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 前記制御部が、前記処置具駆動部をフィードバック制御し、 前記補償値設定部は、前記制御部がフィードバック制御に用いるゲインを前記補償値として設定する請求項1から請求項6のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 前記制御部が、オフセット信号を重畳した前記制御信号を前記処置具駆動部に送信し、 前記補償値設定部は、前記処置具の動作の方向が逆方向に切り替わるときに符号が反転する前記オフセット信号を各前記補償値として設定する請求項1から請求項6のいずれかに記載のマニピュレータシステム。 |
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说明书全文 | 本発明は、マニピュレータシステムに関するものである。 一般に、内視鏡の挿入部には、長手方向に貫通形成された処置具用のチャネルが設けられ、このチャネル内を介して患部の処置に必要な処置具を体内に案内することができるようになっている。 また、チャネル内の処置具は、操作者が操作指示装置を操作することによって、進退および回転可能になっている(例えば、特許文献1参照。)。 処置具を進退および回転させるための機構として、処置具の基端部分を電動のモータによって前後方向に押し引きし、また、周方向に回転させる方式が採用されている。 操作指示装置に入力された操作量に比例する量だけモータを回転させることによって、操作量に対応する量だけ、処置具を進退および回転させることができる。 しかし、実際には、処置具とチャネルの内面との間の摩擦やチャネル内における処置具の弛み等によって、処置具の基端部分に加えられた進退運動および回転運動は、処置具の先端まで伝達される間に減衰する。 すなわち、モータによって処置具の基端部分に与えられた進退量・回転量と、処置具の先端の進退量・回転量とは、非線形の関係にある。 さらに、この非線形性は、挿入部の湾曲形状に依存して変化する。 したがって、モータの回転量を単に操作量に比例させていたのでは、操作者の操作に対して、処置具の良好かつ同一の応答性を得ることができない。 そこで、特許文献1では、処置具の動作の応答性を低下させる要因である湾曲部の湾曲形状に基づき、湾曲部の応答性の低下およびばらつきを補償するようにモータを制御することによって、上記応答性の改善を図っている。 しかしながら、処置具の動作の応答性を低下させる要因は、上記の湾曲部の湾曲形状以外にも存在する。 したがって、特許文献1のように、湾曲部の湾曲形状のみを考慮していたのでは、処置具の動作の応答性の向上に限界があるという問題がある。 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、処置具の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができるマニピュレータシステムを提供することを目的とする。 上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。 本発明によれば、操作者が操作入力部に操作指示を入力すると、制御部が、この操作指示から生成した制御信号を処置具駆動部に送信することによって、処置具が操作指示に対応する進退および回転のうち少なくとも一方の動作を行う。 これにより、例えば、挿入部のチャネルを介して体内に配置された処置具を、体外に配置された操作入力部を用いて遠隔操作することができる。 この場合に、制御部は、制御信号を、補償値設定部によって設定された補償値を用いて補正した後に湾曲部駆動部に送信する。 操作信号に対する処置具の動作の応答性は、チャネル毎の特性、例えば、内径や内面の摩擦係数等に依存する。 補償値は、使用チャネル検出部によって検出された、処置具が挿入されているチャネルに基づいて設定されている。 これにより、処置具の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができる。 上記発明においては、各前記チャネル内に挿入されている前記処置具を識別する処置具識別部を備え、前記補償値設定部が、前記処置具識別部によって識別された処置具の力学的特性にさらに基づいて、各前記補償値を設定してもよい。 また、上記発明においては、前記挿入部が、可撓性を有する細長い軟性部と、該軟性部の先端側に設けられた湾曲可能な湾曲部とを備え、該湾曲部の湾曲形状を検出する湾曲部形状検出部を備え、前記補償値設定部が、前記湾曲部形状検出部によって検出された前記湾曲部の湾曲形状にさらに基づいて、各前記補償値を設定してもよい。 また、上記発明においては、前記挿入部が、可撓性を有する細長い軟性部と、該軟性部の先端側に設けられた湾曲可能な湾曲部とを備え、前記軟性部の湾曲形状を検出する軟性部形状検出部を備え、前記補償値設定部が、前記軟性部形状検出部によって検出された前記軟性部の湾曲形状にさらに基づいて、各前記補償値を設定してもよい。 また、上記発明においては、前記処置具の、前記挿入部から外部に引き出された基端側の部分の湾曲形状を検出する体外部分形状検出部を備え、前記補償値設定部が、前記体外部分形状検出部によって検出された前記処置具の基端側の部分の湾曲形状にさらに基づいて、各前記補償値を設定してもよい。 また、上記発明においては、前記チャネルが、前記挿入部内に長手方向に沿って配置されたチューブからなり、該チューブは、前記挿入部内における径方向の位置が固定されていてもよい。 また、上記発明においては、前記制御部が、前記処置具駆動部をフィードフォワード制御またはフィードバック制御し、前記補償値設定部は、前記制御部が前記フィードフォワード制御またはフィードバック制御に用いるゲインを前記補償値としてもよい。 また、上記発明においては、前記制御部が、オフセット信号を重畳した前記制御信号を前記処置具駆動部に送信し、前記補償値設定部は、前記処置具の動作の方向が逆方向に切り替わるときに符号が反転する前記オフセット信号を各前記補償値として設定してもよい。 本発明によれば、処置具の動作の応答性の低下およびばらつきを高精度に補償して常に良好かつ同一の応答性を得ることができるという効果を奏する。 (第1の実施形態) スレーブマニピュレータ1は、患者Pが横たわる手術台80の近傍に配置されるスレーブアーム4と、該スレーブアーム4の先端に保持された挿入部5と、該挿入部5内に挿入される処置具6とを備えている。 挿入部5の先端には、図2に示されるように、観察部材7が設けられ、該観察部材7によって、挿入部5の先端前方の視野と、挿入部5の先端から突出した処置具6とが、撮影されるようになっている。 観察部材7によって取得された映像は、マスタ入力部2に設けられた表示部8に表示される。 観察部材7の視野は、挿入部5の先端部分に設けられた湾曲部15の湾曲角度を、挿入部5の長手方向に直交する上下方向(UD方向)または左右方向(LR方向)に変更することによって、移動可能になっている。 術者Opは、表示部8に表示される体内および処置具6の映像を観察しながら、マスタ入力部2に設けられたマスタアーム9を操作することによって、患者Pの体内に挿入された挿入部5と、該挿入部5内を介して体内に導入された処置具6とを、遠隔操作することができる。 次に、マニピュレータシステム100の各部について詳細に説明する。 図4は、挿入部5の外観を示している。 図4に示されるように、挿入部5は、可撓性を有する細長い軟性部14と、該軟性部14の先端側に設けられた湾曲可能な湾曲部15を備えている。 また、軟性部14の基端側には、スレーブアーム4の挿入部取付部10に取り付けられる取付ユニット16が接続されている。 湾曲部15は、複数の節輪や湾曲コマ等が連結された公知の構造を有し、最も先端側の節輪等に接続されたUD湾曲用のワイヤ15aおよびLR湾曲用のワイヤ15bの基端部分が取付ユニット16内において押し引きされることによって、UD方向およびLR方向に湾曲するように構成されている。 具体的には、各ワイヤ15a,15bの基端部分は、図5に示されるように、軟性部14の基端から引き出され、取付ユニット16内に設けられたプーリ16aに巻き付けられている。 取付ユニット16は、挿入部取付部10に取り付けられたときに、各プーリ16aと、湾曲部駆動部12が有する各モータ12aとが同軸に連結するように構成されている。 制御部3からの湾曲制御信号に従ってモータ12aが回転することによってプーリ16aが正転または反転し、これによりワイヤ15a,15bが押し引きされて湾曲部15の湾曲角度が変更されるようになっている。 なお、図5においては、図面を簡略にするために、モータ12aは1つだけ、また、ワイヤ15a,15bは、軟性部14側の2つのプーリ16に巻き付けられている2つだけ、図示されている。 また、挿入部5は、図6に示されるように、挿入部5の先端から長手方向に沿って貫通形成された複数の(本例においては2つの)チャネル5A,5Bを有している。 チャネル5A,5Bは、可撓性を有するチューブからなり、挿入部5の先端から、挿入部5の基端側に設けられた処置具用ポート17まで延びている。 処置具用ポート17から各チャネル5A,5Bへ処置具6が挿入される。 処置具6は、高周波ナイフやスネアループ、把持鉗子等であり、図7に示されるように、可撓性を有する細長い本体18と、該本体18の先端に設けられた処置部19とを備えている。 また、本体18の基端には、スレーブアーム4の処置具取付部11に取り付けられる取付ユニット20が接続されている。 本体18の基端部分が取付ユニット20内において長手方向に押し引きされ、または、周方向に回転されることによって、処置具6全体がチャネル5A,5B内において進退または回転するようになっている。 具体的には、取付ユニット20内には、本体18の基端に同軸に連結されたプーリ20aが設けられている。 このプーリ20aは、本体18の長手方向に直線運動可能なステージ20b上に固定されている。 一方、処置具駆動部13には、プーリ20aを回転させる回転モータ13aと、ステージ20bを直線移動させる直動モータ13bとが設けられている。 取付ユニット20は、処置具取付部11に取り付けられたときに、プーリ20aと回転モータ13aとが連結し、ステージ20bと直動モータ13bとが連結するように、構成されている。 これにより、制御部3からの回転制御信号(制御信号)に従って回転モータ13aがプーリ20aを回転させることによって、処置具6が回転するようになっている。 また、制御部3からの進退制御信号(制御信号)に従って直動モータ13bがステージ20bを直線移動させることによって、処置具6が進退するようになっている。 マスタ入力部2は、上述したように、観察部材7によって取得された映像を表示する表示部8と、術者Opによって操作される複数のマスタアーム9とを備えている。 マスタアーム9は、少なくとも湾曲部15および処置具6に対する操作指示が術者Opによって入力可能になっている。 マスタ入力部2は、術者Opによってマスタアーム9に入力された操作指示に応じた操作信号を生成し、生成した操作信号を制御部3に送信する。 制御部3は、マスタ入力部2から湾曲部15に対する操作信号を受信したときに、当該操作信号から湾曲部駆動部12を駆動させるための湾曲制御信号を生成し、該湾曲制御信号を湾曲部駆動部12に送信する。 また、制御部3は、マスタ入力部2から処置具6に対する操作信号を受信したときに、当該操作信号から処置具駆動部13を駆動させるための進退制御信号および回転制御信号を生成し、該進退制御信号および回転制御信号を処置具駆動部13に送信する。 各駆動部12,13のモータ12a,13a,13bには、その回転量を検出するエンコーダ(図示略)が取り付けられている。 制御部3は、各モータ12a,13a,13bの回転量をエンコーダから受信することによって、湾曲部15の湾曲量や、処置具6の進退量または回転量を認識し、認識したこれらの量に基づいて、各駆動部12,13のモータ12a,13a,13bをフィードバック(FB)制御するようになっている。 さらに、本実施形態に係るマニピュレータシステム100は、処置具6が挿入されているチャネル5A,5Bを検出する使用チャネル検出部22を備えている。 なお、使用チャネル検出部22は、電気的または磁気的にチャネル5A,5Bを識別するように構成されていてもよい。 例えば、処置具取付部11に、対応するチャネル5A,5Bに応じて異なる特性を有する磁石または抵抗が設けられ、使用チャネル検出部22が磁石または抵抗の特性を検出するように構成されていてもよい。 または、使用チャネル検出部22は、キーボードやタッチパネル、ボタン等の入力手段から構成されていてもよい。 ここで、制御部(補償値設定部)3は、処置具6に対する操作信号をマスタ入力部2から受信したときに、処置具駆動部13に進退制御信号および回転制御信号を送信するのに先立ち、進退制御信号および回転制御信号の各々に対する補償値を設定する。 すなわち、制御部3は、進退制御信号および回転制御信号の各々に対する補償値を各チャネル5A,5Bと対応付けて保持している。 この補償値は、進退制御信号および回転制御信号に乗算されるフィードフォワード(FF)ゲインK 1 ,K 2であり、例えば、各チャネル5A,5Bを使用したときの、処置具駆動部13A,13Bに入力される進退制御信号および回転制御信号と、処置具6の先端の実際の進退距離および回転角度との関係を測定することによって、実験的に決定された値である。 制御部3は、使用チャネル検出部22から受信したチャネル5A,5Bの識別情報に基づいて、処置具6が挿入されているチャネル5A,5Bを認識し、認識したチャネル5A,5Bに対応するFFゲインK 1 ,K 2を選択する。 次に、制御部3は、操作信号から生成した進退制御信号および回転制御信号にFFゲインK 1 ,K 2を各々乗算することによって進退制御信号および回転制御信号を増幅し、増幅された進退制御信号および回転制御信号を、認識したチャネル5A,5Bに対応する処置具駆動部13A,13Bに送信することによって、処置具駆動部13A,13Bをフィードフォワード制御する。 次に、このように構成されたマニピュレータシステム100の作用について説明する。 次に、術者Opは、処置に応じて選択したチャネル5A,5Bに処置具6を挿入し、選択したチャネル5A,5Bに対応する処置具取付部11A,11Bに取付ユニット20を取り付ける。 本例においては、第1のチャネル5Aに処置具6を挿入し、取付ユニット20を第1の処置具取付部11Aに取り付けることとする。 第1の処置具取付部11Aに付されている記録媒体の識別情報は、使用チャネル検出部22によって読み取られ、その識別情報が制御部3に送信されることによって、制御部3は、第1のチャネル5Aに処置具6が挿入されたことを認識する。 そして、制御部3は、第1のチャネル5Aに対応するFFゲインK 1を選択する。 次に、術者Opは、チャネル5A内に挿入した処置具6を挿入部5の先端開口から突出させる。 そして、術者Opは、表示部8に表示される映像を観察しながら、湾曲部15の湾曲角度や、処置具6の突出量および回転方向を変更することによって、処置部19と体内の対象部位との位置関係を調整し、処置部19によって対象部位を処置する。 このときに、術者Opがマスタアーム9に処置具6を前進または後退させるための操作を入力すると、この操作に応じた操作信号がマスタアーム9から制御部3に送信される。 制御部3は、受信した操作信号から、処置具6を進退動作させるための進退制御信号および回転動作させるための回転制御信号を生成する。 次に、制御部3は、FFゲインK 1によって増幅した進退制御信号および回転制御信号を処置具駆動部13Aに送信することによって、処置具駆動部13AをFF制御する。 術者Opは、処置具6を第2のチャネル5B内で使用したい場合には、処置具6を第1のチャネル5A内から引き抜き、該処置具6を第2のチャネル5B内に挿入する。 このときに、術者Opは、取付ユニット20を、第2のチャネル5Bに対応する第2の処置具取付部11Bに付け替える。 第2の処置具取付部11Bに付されている記録媒体の識別情報は、使用チャネル検出部22によって読み取られ、その識別情報が制御部3に送信されることによって、制御部3は、処置具6が、第1のチャネル5Aから第2のチャネル5Bに移動したことを認識する。 そこで、制御部3は、FFゲインK 1から、第2のチャネル5Bに対応するフィードFFゲインK 2に切り替え、進退制御信号および回転制御信号の送信先を処置具駆動部13Bに変更する。 ここで、術者Opがマスタアーム9に入力した操作に対する、処置具6の動作の応答特性について説明する。 本実施形態によれば、進退制御信号および回転制御信号を増幅するFFゲインK 1 ,K 2を、チャネル5A,5Bに応じて設定することによって、チャネル5A,5B毎の特性の違いに依存する処置具6の動作の応答性のばらつきが補償される。 これにより、処置具6をいずれのチャネル5A,5B内において使用しても、常に良好かつ同一の処置具6の進退動作および回転動作の応答性を得ることができるという利点がある。 なお、本実施形態においては、補償値が、フィードフォワードゲインであることとしたが、これに代えて、他の補償値であってもよい。 例えば、補償値は、制御部3が処置具駆動部13のフィードバック制御に用いるフィードバックゲインであってもよい。 あるいは、補償値は、進退制御信号および回転制御信号にオフセットを与えるために制御部3がこれら制御信号に加算する摩擦補償係数(オフセット信号)であってもよい。 摩擦補償係数は、処置具6の動作の方向が逆方向に切り替わる折り返し部分において、符号が反転するように設定される。 これにより、特に、動作の方向を逆方向へ切り替えたとき(例えば、左回転から右回転へ切り替えたとき)に発生するバックラッシを低減することができる。 (第2の実施形態) 2つの処置具6は、例えば、種類が互いに異なり、本体18の剛性や表面の摩擦係数が互いに異なっている。 なお、マニピュレータ1は、3つ以上の処置具6を備えていてもよい。 なお、図8においては、チャネル5Aに挿入されている第1の処置具6のみを図示し、第2の処置具の図示を省略している。 本実施形態において、取付ユニット20には、バーコードやICタグ等の記録媒体が設けられている。 この記録媒体には、取付ユニット20が接続されている処置具6を識別する識別情報が記録されている。 処置具識別部23は、各処置具取付部11に設けられており、処置具取付部11に取付ユニット20が取り付けられたときに、当該取付ユニット20に付されている記録媒体から処置具6の識別情報を読み取り、読み取った処置具6の識別情報を制御部3に送信する。 制御部3は、処置具識別部23から受信した処置具6の識別情報に基づいて、いずれの処置具6がチャネル5A,5Bに挿入されているかを認識する。 制御部3は、使用チャネル検出部22から受信したチャネル5A,5Bの識別情報と、処置具識別部23から受信した処置具6の識別情報とに応じて、FFゲインを設定する。 具体的には、制御部3は、図9に示されるように、チャネル5A,5Bおよび処置具6と、FFゲインK 1 ,K 2 ,K 3 ,K 4とを対応付けたテーブルを有している。 制御部3は、4つのFFゲインK 1 ,K 2 ,K 3 ,K 4の中から、各識別情報が示すチャネル5A,5Bと処置具6との組み合わせに対応するものを選択する。 次に、このように構成されたマニピュレータシステム200の作用について説明する。 術者Opが、処置に応じて選択した処置具6を、いずれかのチャネル5A,5B内に挿入し、処置具6を挿入したチャネル5A,5Bに対応する処置具取付部11A,11Bに取付ユニット20を取り付ける。 例えば、第1の処置具6を第1のチャネル5Aに挿入すると仮定する。 第1の処置具取付部11Aに付されたチャネル5Aの識別情報は使用チャネル検出部22によって読み取られ、その識別情報が制御部3に送信される。 これと同時に、第1の処置具6に付された当該処置具6の識別情報は処置具識別部23によって読み取られ、その識別情報が制御部3に送信される。 これにより、制御部3は、第1のチャネル5Aに第1の処置具6が挿入されたことを認識する。 制御部3は、第1のチャネル5Aおよび第1の処置具6の組み合わせに対して設定されているFFゲインK 1を選択する。 この後、マスタアーム9に処置具6に対する操作が入力されると、制御部3は、進退制御信号および回転制御信号にFFゲインK 1を乗算し、増幅されたこれら制御信号を処置具駆動部13Aに送信する。 術者Opによって処置具6またはチャネル5A,5Bが変更された場合には、制御部3は、使用チャネル検出部22および処置具識別部23の各々から新たに識別情報を受信し、受信した識別情報に基づいてFFゲインK 1からFFゲインK 2 、K 3またはK 4に切り替える。 ここで、上述した処置具6の動作の応答性は、さらに、チャネル5A,5Bと処置具6との組み合わせにも依存して異なる。 すなわち、処置具6とチャネル5A,5Bの内面との間に発生する摩擦は、チャネル5A,5Bの内径や内面の素材と、処置具6の外形や素材との組み合わせに応じて異なる。 さらに、処置具6の本体18が有する剛性等の力学的特性に応じて、処置具6毎に応答性は異なる。 その結果、使用するチャネル5A,5Bは同一であっても、そのチャネル5A,5B内に挿入される処置具6が異なる場合には、処置具6毎に動作の応答性が異なる。 本実施形態によれば、FFゲインK 1 ,K 2 ,K 3 ,K 4を、さらに、チャネル5A,5Bと処置具6との組み合わせもに応じて設定することによって、チャネル5A,5Bと処置具6との組み合わせに応じて異なる処置具6の動作の応答性のばらつきもさらに補償される。 これにより、いずれの処置具6をいずれのチャネル5A,5B内において使用しても、常に良好かつ同一の処置具6の進退動作および回転動作の応答性を得ることができるという利点がある。 (第3の実施形態) 湾曲部形状検出部24は、湾曲部駆動部12の各回転モータ12aに設けられたエンコーダの各々から回転モータ12aの回転角度を受信し、受信した回転角度を湾曲部15の湾曲角度θに換算することによって、湾曲角度θを得る。 なお、湾曲部形状検出部24は、上述したエンコーダの出力の他に、他の手段を用いて湾曲部15の湾曲角度を検出してもよい。 例えば、湾曲部形状検出部24は、制御部3が湾曲部駆動部12に送信する湾曲制御信号に基づいて、湾曲部15の湾曲角度θを検出してもよい。 または、湾曲部形状検出部24は、湾曲部15の長手方向の複数の位置に設けられた曲げセンサによって湾曲部15の実際の曲げ角度を検出してもよい。 曲げセンサとしては、例えば、歪みセンサまたは光ファイバセンサ等が用いられる。 さらには、各ワイヤ15a,15bの先端部分に固定されて軟性部14の基端側まで各ワイヤ15a,15bに並列に延び、各ワイヤ15a,15bと一緒に移動可能に設けられた線材を備え、該線材の移動量に基づいて湾曲部15の実際の曲げ角度を検出してもよい。 この場合、線材がセンサに相当する。 または、湾曲部形状検出部24は、内視鏡挿入形状観測装置を用いて、湾曲部15の湾曲形状を検出してもよい。 この場合、湾曲部15には、長手方向の異なる位置に複数個の磁気コイルが内蔵される。 内視鏡挿入形状観測装置は、湾曲部15に内蔵された磁気コイルが発生する磁気を受信し、受信した磁気から各磁気コイルの位置を演算し、得られた磁気コイルの位置を滑らかな曲線で結ぶことによって、湾曲部15の湾曲形状を取得する。 本実施形態において、制御部3は、図11に示されるように、チャネル5A,5Bおよび処置具6と、FFゲインK i +f θ +f R (ただし、i=1,2,3,4)とを対応付けたテーブルを有している。 FFゲインは、湾曲部15の湾曲角度θの関数f θと、湾曲角度θにおける各チャネル5A,5Bの曲げ半径Rの関数f Rとして定義されている。 制御部3は、第2の実施形態で説明したように、4つのK i +f θ +f Rの中から1つを選択し、選択したFFゲインの各関数f θ ,f Rに、湾曲部形状検出部24から受信した湾曲角度θと、該湾曲角度θに対応する各チャネル5A,5Bの曲げ半径Rを代入することによって、FFゲインの値を算出する。 次に、このように構成されたマニピュレータシステム300の作用について説明する。 第2の実施形態において説明したように、制御部3は、処置具6と、当該処置具6が挿入されているチャネル5Aまたは5Bとの組み合わせに応じて、FFゲインK i +f θ +f Rを選択する。 この後、マスタアーム9に処置具6に対する操作が入力されると、制御部3は、湾曲部形状検出部24から湾曲部15の湾曲角度θを受信し、受信した湾曲角度θと、これに対応するチャネル5Aまたは5Bの曲げ半径Rとを用いてFFゲインの値を算出し、算出された値を進退制御信号および回転制御信号に乗算し、増幅されたこれら制御信号を処置具駆動部13に送信する。 ここで、上述した処置具6の応答性のばらつきは、湾曲部15の湾曲角度θおよび各チャネル5A,5Bの曲げ半径Rにも依存する。 例えば、図12に示されるように、第1のチャネル5Aが外周側に位置するように湾曲部15が湾曲しているとき、第1のチャネル5Aの曲げ半径R1と、第2のチャネル5Bの曲げ半径R2とは互いに異なり、R1>R2となる。 したがって、湾曲部15の湾曲角度θに応じて、さらに、処置具6がいずれのチャネル5A,5Bに挿入されているかに応じて、適切なFFゲインは異なる。 本実施形態によれば、FFゲインK i +f θ +f Rを、さらに、湾曲部15の湾曲角度θおよびチャネル5A,5Bの曲げ半径Rにも応じて設定することによって、湾曲部15の湾曲角度θと曲げ半径Rの違いに起因する処置具6の動作の応答性のばらつきもさらに補償される。 これにより、第2の実施形態の効果に加えて、いずれの湾曲角度θの下で処置具6を使用しても、常に良好かつ同一の処置具6の進退動作および回転動作の応答性を得ることができるという利点がある。 なお、本実施形態においては、湾曲部15の湾曲方向にもさらに応じて、FFゲインを設定してもよい。 図13に示されるように、湾曲部15が左側に湾曲しているときと、湾曲部15が右側に湾曲しているときとで、各チャネル5A,5Bの曲げ半径R(R1,R2)は異なる。 そこで、関数f θを湾曲部15の湾曲方向毎に設定し、図11に示されるFFゲインを、下式のように変形してもよい。 ここで、Kは、K 1 、K 2 、K 3またはK 4である。 また、本実施形態においては、湾曲部15のLR方向およびUD方向の両方の湾曲角度を補償値に反映し、図11に示されるFFゲインを、下式のように変形してもよい。 ここで、f θ_LRは、湾曲部15のLR方向の湾曲角度θ LRの関数であり、f R_LRは、湾曲角度θ LRにおけるLR平面内の各チャネル5A,5Bの曲げ半径の関数であり、f θ_UDは、湾曲部15のUD方向の湾曲角度θ UDの関数であり、f R_UDは、湾曲角度θ UDにおけるUD平面内の各チャネル5A,5Bの曲げ半径の関数である。 湾曲部15を、LR方向およびUD方向の両方に湾曲させた状態において、チャネル5A,5Bの湾曲形状は、湾曲部15のLR方向の湾曲角度と、湾曲部15のUD方向の湾曲角度の両方の影響を受ける。 したがって、上記の式を使用することによって、処置具6の応答性をさらに向上することができる。 また、本実施形態においては、関数f θ_LR ,f R_LR ,f θ_UD ,f R_UDをチャネル5A,5B毎に最適な設定し、図11に示されるFFゲインを、下式のように変形してもよい。 図14に示されるように、チャネル5A,5Bの配列方向が、湾曲部15の湾曲方向(LR方向およびUD方向)に対して傾いている場合、湾曲部15の湾曲角度θ UD ,θ UDと、各チャネル5A,5BのLR方向およびUD方向の曲げ半径Rとの対応関係が異なる。 したがって、上記の式を使用することによって、処置具6の応答性をさらに向上することができる。 (第4の実施形態) 軟性部形状検出部25は、上述した内視鏡挿入形状観測装置を備えている。 すなわち、軟性部形状検出部25は、軟性部14の長手方向に異なる位置に内蔵された複数個の磁気コイルが発生する磁気を受信し、受信した磁気から各磁気コイルの位置を演算し、得られた磁気コイルの位置を滑らかな曲線で結ぶことによって、軟性部14の湾曲形状を取得する。 次に、軟性部形状検出部25は、内視鏡挿入形状観測装置によって取得された軟性部14の湾曲形状から以下の手順に従って軟性部14の全体の湾曲量を示す特徴量kを算出する。 まず、軟性部形状検出部25は、図16(a),(b)に示されるように、軟性部14を長手方向に微小区間Δdに分割し、各微小区間Δdについて、曲げ半径rおよび曲げ角度Δφを測定する。 軟性部形状検出部25は、微小区間Δdの特徴量Δkと、曲げ半径rおよび曲げ角度Δφとの関係を定義する関数を保持している。 この関数は、軟性部14が直線状に延びているとき(すなわち、r=∞かつ曲げ角度Δφ=0のとき)に特徴量Δkがゼロになり、曲げ半径rが小さい程、また、曲げ角度Δφが大きい程、特徴量Δkが大きくなるように、設定されている。 この関数に曲げ半径rおよび曲げ角度Δφを代入することによって、各微小区間Δdについての特徴量Δkが得られる。 そして、軟性部14の全長にわたって特徴量Δkを積分することによって、軟性部14全体の湾曲形状の湾曲量を表わす特徴量kが算出される。 図16(a)において、符号Xは、挿入部5が挿入される大腸を示している。 本実施形態において、制御部3は、図17に示されるように、チャネル5A,5Bおよび処置具6と、FFゲインK i +f θ +f R +g k (ただし、i=1,2,3,4)とを対応付けたテーブルを有している。 FFゲインは、さらに軟性部14の特徴量kの関数g kとして定義されている。 制御部3は、第2の実施形態で説明したように、4つのFFゲインK i +f θ +f R +g kの中から1つを選択し、選択したFFゲインの各関数f θ ,f R ,g kに、湾曲角度θおよび曲げ半径Rと、さらに軟性部形状検出部25から受信した特徴量kとを代入することによって、FFゲインの値を算出する。 次に、このように構成されたマニピュレータシステム400の作用について説明する。 第2の実施形態において説明したように、制御部3は、処置具6と、当該処置具6が挿入されているチャネル5Aまたは5Bとの組み合わせに応じて、FFゲインK i +f θ +f R +g kを選択する。 この後、マスタアーム9に処置具6に対する操作が入力されると、制御部3は、さらに軟性部形状検出部25から特徴量kを受信し、受信した特徴量kと、上述した湾曲角度θおよび曲げ半径Rとを用いてFFゲインの値を算出し、算出された値を進退制御信号および回転制御信号に乗算し、増幅されたこれら制御信号を処置具駆動部13に送信する。 ここで、上述した処置具6の応答性のばらつきは、さらに軟性部14の湾曲形状にも依存する。 例えば、軟性部14が直線状に延びているときよりも、軟性部14が湾曲しているときの方が、処置具6の動作の応答性は低い。 このような処置具6の動作の応答性の低下およびばらつきは、軟性部14の湾曲形状に応じて、チャネル5A,5B内の処置具6の本体18に生じる摩擦や弛みが異なることに起因する。 本実施形態によれば、FFゲインK i +f θ +f R +g kを、さらに、軟性部14の湾曲形状に応じて設定することによって、軟性部14の湾曲形状の違いに起因する処置具6の動作の応答性のばらつきもさらに補償される。 これにより、第3の実施形態の効果に加えて、軟性部14のいずれの湾曲形状の下で処置具6を使用しても、常に良好かつ同一の処置具6の進退動作および回転動作の応答性を得ることができるという利点がある。 なお、本実施形態においては、チャネル5A,5Bを構成するチューブが、挿入部5内において径方向の位置を固定されていることが好ましい。 そこで、チューブの、挿入部5内における経路を規定することによって、軟性部14および湾曲部15の湾曲形状と処置具6の本体18の湾曲形状とが1対1で対応するので、補償値による、処置具6の応答性の低下およびばらつきの補償精度を向上することができる。 (第5の実施形態) 体外部分形状検出部26は、本体18の、チャネル17から挿入部5の外部に引き出されている基端側の部分(以下、この部分を処置具6の体外部分という。)の湾曲角度θ exを検出する。 処置具6が挿入されるチャネル5A,5Bに応じて、取付ユニット20が取り付けられる処置具取付部11A,11Bの位置が異なることに起因し、処置具6の体外部分の引き回し形状が異なる。 また、この引き回し形状は、本体18の剛性や長さ寸法等にも応じて処置具6毎に異なる。 体外部分の引き回し形状は、処置具取付部11A,11Bと、処置具6との組み合わせ毎にほぼ一定である。 したがって、取付ユニット20を各処置具取付部11A,11Bに取り付けたときの各処置具6の体外部分の湾曲角度θ exを測定することによって、処置具6および処置具取付部11A,11Bと、湾曲角度θ exとを対応付けたテーブルを事前に取得しておく。 そして、体外部分形状検出部26は、上述したチャネル5A,5Bと処置具6との識別情報に基づいてテーブルを参照することによって、湾曲角度θ exを検出することができる。 本実施形態において、制御部3は、図19に示されるように、チャネル5A,5Bおよび処置具6と、FFゲインK i +f θ +f R +g k +h θex (ただし、i=1,2,3,4)とを対応付けたテーブルを有している。 FFゲインは、さらに体外部分の湾曲角度θ exの関数g kとして定義されている。 制御部3は、第2の実施形態で説明したように、4つのFFゲインK i +f θ +f R +g k +h θexの中から1つを選択し、選択したFFゲインの各関数f θ ,f R ,g k ,h θexに、湾曲角度θ、曲げ半径Rおよび特徴量kと、さらに体外部分形状検出部26から受信した湾曲角度θ exとを代入することによって、FFゲインの値を算出する。 次に、このように構成されたマニピュレータシステム500の作用について説明する。 第2の実施形態において説明したように、制御部3は、処置具6と、当該処置具6が挿入されているチャネル5Aまたは5Bとの組み合わせに応じて、FFゲインK i +f θ +f R +g k +h θexを選択する。 この後、マスタアーム9に処置具6に対する操作が入力されると、制御部3は、さらに体外部分形状検出部26から湾曲角度h θexを受信し、受信した湾曲角度h θexと、上述した湾曲角度θ、曲げ半径Rおよび特徴量kとを用いてFFゲインの値を算出し、算出された値を進退制御信号および回転制御信号に乗算し、増幅されたこれら制御信号を処置具駆動部13に送信する。 ここで、上述した処置具6の応答性のばらつきは、さらに処置具6の体外部分の湾曲形状にも依存する。 (第6の実施形態) 本実施形態において、挿入部5には、図21に示されるように、さらに2つの湾曲部152,153が設けられている。 すなわち、挿入部5の先端から延びる2つのアーム部142,143が設けられ、各アーム部142,143は、先端部分に湾曲部152,153を有している。 チャネル5A,5Bは、アーム部142,143の先端まで延びており、処置具6がアーム部142,143の先端から出没可能になっている。 湾曲部152,153は、湾曲部15と同様に、各々に対して設けられた湾曲部駆動部(図示略)によって駆動される。 本実施形態において、制御部3は、図22に示されるように、チャネル5A,5Bおよび処置具6と、FFゲインK i +f θ +f R +f θ2またはθ3 +f R2またはR3 (ただし、i=1,2,3,4)とを対応付けたテーブルを有している。 ここで、f θ2またはθ3は、各湾曲部15',15”の湾曲角度θ2またはθ3の関数であり、f R2またはR3は、各チャネル5A,5Bの、湾曲角度θ2またはθ3における曲げ半径R2またはR3の関数である。 本実施形態に係るマニピュレータシステム600の作用は、FFゲインの値の算出に、処置具6が挿入されているアーム部142,143の湾曲部152,153の湾曲角度θ2,θ3と、曲げ半径R2,R3とをさらに用いることを除いて、第3の実施形態と同様である。 なお、上記各実施形態とその変形例においては、マニピュレータ1と操作入力部2とが別体であり、マニピュレータ1から離れた位置に配置された操作入力部2によってマニピュレータ1を遠隔操作する構成を例に挙げて説明したが、マニピュレータ1と操作入力部2の形態はこれに限定されるものではなく、例えば、マニピュレータ1の後端側に一体的に操作入力部2を配設してもよい。 1 スレーブマニピュレータ(マニピュレータ) |