專利名稱：多關節(jié)機械手裝置以及具有該裝置的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通過多個線的牽引而使關節(jié)屈曲的多關節(jié)機械手裝置以及具有該裝置的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。
背景技術：
一般地，作為臂型機器人之一，公知有利用屈曲自如的關節(jié)部連接多個棒的機械手。根據(jù)用途在末端部安裝各種功能部位來使用這種機械手。作為功能部位，例如考慮夾持物品的夾持部等。在機械手的內(nèi)部配設有用于使其進行屈曲動作的一端與各關節(jié)部連接的線。一個關節(jié)部至少需要2根線，所以至少需要關節(jié)數(shù)的2倍數(shù)量的線。作為實現(xiàn)機械手的輕量化的手法，公知有如下結構在對皮帶輪的卷繞上下工夫， 使線彼此干涉來減少線的數(shù)量。使用這種線的機械手的控制需要關節(jié)轉矩控制系統(tǒng)和線張力控制系統(tǒng)，是繁雜的。例如，在專利文獻1中公開了進行如下控制的技術。在該技術中， 首先根據(jù)要移動的機械手的末端的目的位置，計算線的位移的目標位置。并且，測定線的實際位移。接著，對線的位移的目標位置與實際位移進行比較，根據(jù)該比較求出對線施加的張力，對機械手進行驅(qū)動控制?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開平6-31662號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題所述這種機械手用于各種領域。例如，如內(nèi)窺鏡裝置那樣要求較長、小徑和輕量化。在可確保的內(nèi)徑受限的機械手中，當為了增加自由度而增加線的數(shù)量時，必須配設在有限空間內(nèi)的線的數(shù)量增加。這種情況下，使用較細的線。同樣，在要求更細的機械手的情況下，空間減少，所以為了設置相同數(shù)量的關節(jié)，采用更細的線。在對機械手的線施加的張力超過線的強度的情況下，該線可能損傷。例如在用于內(nèi)窺鏡手術等的機械手中，在線損傷的情況下，有時手術被中斷。鑒于這些情況，例如在用于內(nèi)窺鏡手術等的機械手中，從空間的觀點來看，要求使用較細的線，另一方面，要求使用具有不會損傷的強度的線。但是，在使用線的多關節(jié)機械手中，對各個線施加的張力不同。并且，用于使機械手的末端成為同一位置和姿勢的關節(jié)的位移的組合存在多個。因此，在使機械手的末端成為目標位置和姿勢時，如果優(yōu)先牽引多個線中的施加張力低的線，則能夠防止對線施加的張力超過線的強度。因此，本發(fā)明的目的在于，提供如下的線驅(qū)動型的多關節(jié)機械手裝置以及具有該裝置的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)為了避免線的損傷，優(yōu)先牽引多個線中的施加張力較低的線，使機械手的末端移動到目標位置和姿勢。
用于解決課題的手段為了實現(xiàn)上述目的，在本發(fā)明的多關節(jié)機械手裝置的一個方式中，該多關節(jié)機械手裝置具有管狀部件O)，其具有多個關節(jié)部(18)；多個線狀動力傳遞部件(19)，其貫穿插入所述管狀部件中，其一端固定在任意一個所述關節(jié)部附近；驅(qū)動部(25)，其固定有所述線狀動力傳遞部件(19)的另一端，使該線狀動力傳遞部件在長度方向上移動以使所述管狀部件屈曲；位置檢測器( )，其檢測所述線狀動力傳遞部件(19)的位置；張力檢測器 (27)，其檢測對所述線狀動力傳遞部件(19)施加的張力；操作部(6)，其接受所述管狀部件 (2)和安裝在該管狀部件上的部件(16)中被關注的部分即關注部位的目標位置和姿勢的輸入；以及移動量計算部(11)，其根據(jù)所述位置檢測器06)檢測到的所述線狀動力傳遞部件(19)的所述位置，計算所述關注部位的當前位置和姿勢，根據(jù)所述張力檢測器、2Τ)檢測到的對該線狀動力傳遞部件施加的所述張力，計算使該關注部位從該當前位置和姿勢移動到所述目標位置和姿勢所需要的該線狀動力傳遞部件的移動量。為了實現(xiàn)上述目的，在本發(fā)明的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的一個方式中，該內(nèi)窺鏡系統(tǒng)具有體腔插入部(38a2)，其對所述多關節(jié)機械手裝置包覆了外皮；攝像部(38a5)，其設置在一端配設有所述驅(qū)動部0 的所述體腔插入部的另一端；照明部(38a4)，其設置在所述體腔插入部(38U)的所述另一端；以及顯示部(52)，其顯示所述攝像部(38始)所拍攝的圖像。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠提供如下的線驅(qū)動型的多關節(jié)機械手裝置以及具有該裝置的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)為了避免線的損傷，通過考慮了基于對線施加的張力的加權后的控制，優(yōu)先牽引多個線中的施加張力較低的線，使機械手的末端移動到目標位置和姿勢。


圖1是示出本發(fā)明的第1實施方式的多關節(jié)機械手裝置的整體結構例的框圖。圖2A是示出本發(fā)明的第1實施方式的多關節(jié)機械手的結構例的外觀的概要的圖。圖2B是示出本發(fā)明的第1實施方式的多關節(jié)機械手的結構例的剖面的概要的圖。圖3A是示出本發(fā)明的第1實施方式的多關節(jié)機械手的結構、坐標、參數(shù)的例子的圖，是示出機械手延伸的狀態(tài)的概略的圖。圖;3B是示出本發(fā)明的第1實施方式的多關節(jié)機械手的結構、坐標、參數(shù)的例子的圖，是示出機械手屈曲的狀態(tài)的概略的圖。圖4是示出本發(fā)明的第1實施方式的多關節(jié)機械手裝置的動作處理例的流程圖。圖5是示出應用了本發(fā)明的第2實施方式的多關節(jié)機械手裝置的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的結構例的圖。
具體實施例方式[第1實施方式]首先，參照

本發(fā)明的第1實施方式。本實施方式的多關節(jié)機械手裝置1 是主從型裝置。如圖1所示，多關節(jié)機械手裝置1大體具有多關節(jié)機械手2 ；裝置主體3， 其進行多關節(jié)機械手2的驅(qū)動控制；主機部4，其生成與用戶操作量對應的操作信號；以及機械手驅(qū)動部5，其驅(qū)動多關節(jié)機械手2。
圖2A示出多關節(jié)機械手2的外觀的概略，圖2B示出剖面的概要。如這些圖所示，
多關節(jié)機械手2具有夾持部16、多個圓筒形狀的彎曲塊17(17-1、17-2.....17_n)、多個
鉚釘形狀的軸部件18 (18-1、18-2.....18-n)、多個線(或者角度線)19 (19-1,19-2.....
19-n)。夾持部16設置在多關節(jié)機械手2的末端部。鉚釘形狀的軸部件18 (18-1,18-2.....
18-n)彎折自如地連接各彎曲塊17之間而形成關節(jié)。線19(19-1、19-2.....19-n)的一端
通過焊接等固定在彎曲塊17的關節(jié)附近，通過其移動，以軸部件18為旋轉軸使彎曲塊17 轉動。另外，在圖2A和圖2B中，作為例子示出了關節(jié)數(shù)為4的機械手。并且，在以下的說明中，在多關節(jié)機械手2中，設安裝夾持部16等功能部位等的一側為末端，設固定在裝置等上的一側為基端。多關節(jié)機械手2還具有撓性管15、連接部件22、撓性線圈21 (21-1,
21-2.....21-n)。撓性管15配置在多關節(jié)機械手2的基端側，能夠比較靈活地具有彈性地
彎曲。連接部件22連接撓性管15和基端側的彎曲塊17-1。撓性線圈2Κ21-1、21-2.....
21-n)設置成從彎曲塊17貫通到撓性管15的基端側。一端固定在彎曲塊17上的各線19
貫穿插入撓性線圈2K21-l、21-2.....21-n)中。并且，在設置成從彎曲塊17貫通到撓性
管12的基端側的撓性管20中，貫穿插入有用于使夾持部16開閉而進行夾持動作的操作線 23。對彎曲塊17和軸部件18的連接方式進行說明。在多關節(jié)機械手2中的除了配置在末端側和基端側的彎曲塊以外的各彎曲塊17中，分別設有隔著彎曲塊的圓筒中心設置在其末端側的舌片狀的2個末端側突出部、以及在與末端側突出部正交的方向(90度旋轉后的方向)上隔著彎曲塊的圓筒中心設置在其基端側的舌片狀的2個基端側突出部。彎曲塊的連接結構例如如下所述。如圖2A所示，例如，關于彎曲塊17-2和彎曲塊17-3，使在彎曲塊17-2的基端側突出部上開設的孔與在彎曲塊17-3的末端側突出部上開設的孔重合， 在該孔中嵌裝鉚釘形狀的軸部件18，以轉動自如的方式進行連接。當多級地進行基于這種彎曲塊17之間的軸部件18的萬向聯(lián)軸節(jié)連接時，成為在彎曲塊17的前后錯開90度的連接方式。這樣，在彎曲塊17的與軸部件18連接的連接位置交替錯開90度的萬向聯(lián)軸節(jié)連接的方式中，當牽引與期望的彎曲塊17連接的一對線19中的一方時，該彎曲塊17以2個軸部件18為中心軸振動。因此，根據(jù)與期望的彎曲塊17連接的線19的牽引情況，使各彎曲塊17之間自由彎折或延伸，由此能夠使多關節(jié)機械手2的末端的夾持部16三維地位移到期望的位置和姿勢。如圖1所示，主機部4具有作為輸入部位的操作部6，其供用戶輸入操作指示；以及操作信號生成部7，其生成與操作部6的操作量對應的操作信號。主機部4的操作指示相對于多關節(jié)機械手2具有主從關系，作為從屬的多關節(jié)機械手2按照作為主導的主機部4 的操作指示進行彎曲動作。操作部6例如是一般的輸入設備即按鈕開關、操縱桿、鍵盤、鼠標等輸入裝置。例如如果是具有2個機械手的多關節(jié)機械手裝置1，則操作部6也可以具有 2個操縱桿以用于各多關節(jié)機械手2。操作信號生成部7根據(jù)從操作部6輸入的指示，生成操作信號并輸出到裝置主體3。機械手驅(qū)動部5具有作為線19的驅(qū)動源的多個致動器25Q5-l、25-2.....
25-n)、檢測對各線19施加的張力的多個張力傳感器27Q7-l、27-2.....27-n)、以及檢測
各線19的位移的多個位置傳感器沈06-1、沈-2.....26-n)。作為一例，各致動器25具有將皮帶輪(未圖示)嵌裝在旋轉軸上的電動機(未圖示)。如上所述，在一個彎曲塊17上至少固定有2根線19的一端。這些線19的另一端分別連接或卷繞在皮帶輪上。通過所述電動機旋轉，皮帶輪旋轉，牽引一條線19，送出另一條線19。通過這種線19的動作，彎曲塊 17以軸部件18為中心轉動。裝置主體3具有控制部8、操作信號處理部9、驅(qū)動控制部13。操作信號處理部9 對從操作信號生成部7輸入的操作信號實施包含數(shù)字化處理的各種信號處理，將處理后的信號輸出到控制部8?？刂撇?包含運算部10和牽引量計算部11。運算部10進行與多關節(jié)機械手裝置1的各部的控制等有關的運算。牽引量計算部11根據(jù)從張力傳感器27輸入的線19的張力、從位置傳感器沈輸入的線19的位置、從運算部10輸入的操作者的操作指示，計算操作者指示的多關節(jié)機械手2的末端到達目標位置和姿勢所需要的線19的牽引量。牽引量計算部11將計算出的線19的牽引量輸出到運算部10。運算部10將該牽引量輸出到驅(qū)動控制部13。驅(qū)動控制部13根據(jù)從運算部10輸入的基于線19的牽引量的控制信號，對致動器25的驅(qū)動進行控制。這樣，例如，包含撓性管15、彎曲塊17、軸部件18、撓性線圈21和連接部件22的多關節(jié)機械手2作為具有多個關節(jié)部的管狀部件發(fā)揮功能；例如，通過焊接等固定在彎曲塊17的關節(jié)附近的線19作為如下的多個線狀動力傳遞部件發(fā)揮功能貫穿插入管狀部件中，其一端固定在任意一個關節(jié)部附近；例如，致動器25作為如下的驅(qū)動部發(fā)揮功能固定了線狀動力傳遞部件的另一端，使線狀動力傳遞部件在長度方向上移動以使管狀部件屈曲；例如，位置傳感器沈作為檢測線狀動力傳遞部件的位置的位置檢測器發(fā)揮功能；例如， 張力傳感器27作為檢測對線狀動力傳遞部件施加的張力的張力檢測器發(fā)揮功能；例如，操作部6作為如下的操作部發(fā)揮功能接受管狀部件和安裝在管狀部件上的部件中被關注的部分即關注部位的目標位置和姿勢的輸入；例如，牽引量計算部11作為如下的移動量計算部發(fā)揮功能根據(jù)位置檢測器檢測到的線狀動力傳遞部件的位置，計算關注部位的當前位置和姿勢，根據(jù)張力檢測器檢測到的對線狀動力傳遞部件施加的張力，計算使關注部位從當前位置和姿勢移動到目標位置和姿勢所需要的線狀動力傳遞部件的移動量。接著，說明這樣構成的多關節(jié)機械手2的屈曲動作。圖3A和圖;3B示出具有4個旋轉關節(jié)的多關節(jié)機械手2的多關節(jié)構造模型。這里，為了簡便，以4個旋轉關節(jié)的情況為例進行說明，但是，關節(jié)數(shù)當然可以是任意的，也可以使用直動關節(jié)等。圖3A示出多關節(jié)機械手2直線延伸的狀態(tài)。從基端側起排列有5個彎曲塊17_1 彎曲塊17-5。這些彎曲塊17-1 彎曲塊17-5通過4個軸部件18_1 軸部件18_4連接。 在各軸的軸部件18中，如該圖所示，設定彼此正交的局部χ軸、y軸、ζ軸。軸部件18-1和軸部件18-3進行以y軸為旋轉軸的旋轉運動，軸部件18-2和軸部件18_4進行以χ軸為旋轉軸的旋轉運動。圖;3Β示出在軸部件18-1和軸部件18_3中分別轉動、彎曲塊17_1和彎曲塊17_2 之間以及彎曲塊17-3和彎曲塊17-4之間屈曲的狀態(tài)的多關節(jié)機械手2的例子。在圖;3Β 所示的例子中，軸部件18-1的彎折角度θ工為- α，軸部件18-3的彎折角度θ 3為β。接著，參照圖4說明由控制部8進行的處理。在步驟Sl中，牽引量計算部11起動未圖示的計時器。在步驟S2中，牽引量計算部11根據(jù)位置傳感器沈取得的線19的位移，使用線19的位移與多關節(jié)機械手2的關節(jié)角度的關系式，計算多關節(jié)機械手2的當前關節(jié)角度Φ_。 具有η自由度的多關節(jié)機械手2的關節(jié)角度Φ_由下式(1)表示。[數(shù)式1]Φηο￥= (eljnow, θ2,η。ψ，· · · ·，θη,η。ψ)τ··· (ι)這里，θ Lffi^ θ2,η。ψ.....θη,η。ψ分別表示關節(jié)1、關節(jié)2.....關節(jié)η的角度。在步驟S3中，牽引量計算部11根據(jù)在步驟S2中計算出的當前關節(jié)角度Φ_，使用位置和姿勢E與關節(jié)角度Φ的關系式E = Α(Φ)，通過下式(2)計算夾持部16等位于多關節(jié)機械手2的末端部的末端執(zhí)行器(end effector)的當前位置和姿勢En。w。[數(shù)式2]Enow = Α(Φηοψ) = (xnow, ynow, znow, Rollnow, Yawnow, Pitchnow)τ. · · (2)這里，xn。w、yn。w、znow. Roll·、Yawnow, Pitchnow分別表示末端執(zhí)行器的當前χ軸方向位置、y軸方向位置、ζ軸方向位置、滾動、偏轉、以及俯仰。在步驟S4中，牽引量計算部11經(jīng)由操作信號處理部9和運算部10取得操作者使用操作部6輸入且由操作信號生成部7生成的末端執(zhí)行器的目標位置和姿勢&awt。這里， 末端執(zhí)行器的目標位置和姿勢Etawt由下式(3)表示。[數(shù)式3]Etarget — (^target ‘ Ytarget，^target' R〇lltarget，YaWtarget，Pl tchtarget) · · · (3)這里，xtarget、ytarget、ztarget、Rolltarget、Yawtarget、Pitchtarget 分別表示末端執(zhí)行器的目標χ軸方向位置、y軸方向位置、ζ軸方向位置、滾動、偏轉、以及俯仰。在步驟S5中，牽引量計算部11從張力傳感器27取得關節(jié)i用的線19的張力1\。 這里，i = 1、2、…、η。在步驟S6中，牽引量計算部11根據(jù)張力Ti,使用下式(4)計算加權系數(shù)α。[數(shù)式4]α = (a” ，····，aJ
BT
rπ^v1 aVeat = —=—... (4)這里，Bi表示常數(shù)，Tave表示全部張力Ti的平均值。在步驟S7中，牽引量計算部11通過數(shù)值計算，計算使末端執(zhí)行器從當前位置和姿勢En。w位移到目標位置和姿勢Etogrt所需要的關節(jié)角度的位移量、即滿足Etawt = Α(Φ_+ΔΦ)的關節(jié)角度位移ΔΦ。在該數(shù)值計算中使用由下式(5)表示的雅可比矩陣 J(O)0[數(shù)式5]
權利要求
1.一種多關節(jié)機械手裝置，該多關節(jié)機械手裝置具有 管狀部件O)，其具有多個關節(jié)部(18)；多個線狀動力傳遞部件(19)，其貫穿插入所述管狀部件中，其一端固定在任意一個所述關節(jié)部附近；驅(qū)動部(25)，其固定有所述線狀動力傳遞部件(19)的另一端，使該線狀動力傳遞部件在長度方向上移動以使所述管狀部件屈曲；位置檢測器( )，其檢測所述線狀動力傳遞部件(19)的位置； 張力檢測器(27)，其檢測對所述線狀動力傳遞部件(19)施加的張力； 操作部(6)，其接受所述管狀部件( 和安裝在該管狀部件上的部件(16)中被關注的部分即關注部位的目標位置和姿勢的輸入；以及移動量計算部(11)，其根據(jù)所述位置檢測器06)檢測到的所述線狀動力傳遞部件 (19)的所述位置，計算所述關注部位的當前位置和姿勢，根據(jù)所述張力檢測器、2Τ)檢測到的對該線狀動力傳遞部件施加的所述張力，計算使該關注部位從該當前位置和姿勢移動到所述目標位置和姿勢所需要的該線狀動力傳遞部件的移動量。
2.根據(jù)權利要求1所述的多關節(jié)機械手裝置，其中，所述移動量計算部(11)在所述線狀動力傳遞部件(19)的所述移動量的計算中，使用用于使所述張力低的該線狀動力傳遞部件優(yōu)先移動的、基于對該線狀動力傳遞部件施加的該張力的加權系數(shù)。
3.根據(jù)權利要求2所述的多關節(jié)機械手裝置，其中，所述移動量計算部(11)將所述張力為預先設定的張力以上的所述線狀動力傳遞部件 (19)的所述移動量設為零。
4.根據(jù)權利要求2所述的多關節(jié)機械手裝置，其中，所述移動量計算部(11)通過與所述關注部位的位置和姿勢以及所述關節(jié)部的位移有關的使用了雅可比矩陣的收斂數(shù)值計算，計算所述線狀動力傳遞部件(19)的所述移動量。
5.根據(jù)權利要求1所述的多關節(jié)機械手裝置，其中，所述移動量計算部(11)通過與所述關注部位的位置和姿勢以及所述關節(jié)部的位移有關的使用了雅可比矩陣的收斂數(shù)值計算，計算所述線狀動力傳遞部件(19)的所述移動量。
6.一種內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，該內(nèi)窺鏡系統(tǒng)具有體腔插入部(38a2)，其對所述權利要求1的多關節(jié)機械手裝置包覆了外皮； 攝像部(38a5)，其設置在一端配設有所述驅(qū)動部0 的所述體腔插入部的另一端； 照明部(38a4)，其設置在所述體腔插入部(38U)的所述另一端；以及顯示部(52)，其顯示所述攝像部(38始)所拍攝的圖像。
7.根據(jù)權利要求6所述的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其中， 該內(nèi)窺鏡系統(tǒng)還具有作為所述權利要求1的多關節(jié)機械手裝置的處置器械用機械手(39a、39b)，其貫穿插入所述體腔插入部(38U)內(nèi)并從該體腔插入部的所述另一端延伸出來；以及處置器械(66、67)，其設置在所述處置器械用機械手的末端。
全文摘要
多關節(jié)機械手裝置具備具有多個關節(jié)部(18)的管狀部件(2)。在管狀部件中貫穿插入有多個線狀動力傳遞部件(19)，該多個線狀動力傳遞部件的一端固定在關節(jié)部附近，另一端固定在驅(qū)動部(25)上。驅(qū)動部(25)使線狀動力傳遞部件(19)移動并使管狀部件(2)屈曲。位置檢測器(26)檢測線狀動力傳遞部件(19)的位置，張力檢測器(27)檢測其張力。操作部(6)輸入管狀部件(2)和安裝在該管狀部件上的部件(16)的關注部位的目標位置和姿勢。移動量計算部(11)根據(jù)檢測到的線狀動力傳遞部件(19)的位置，計算關注部位的當前位置和姿勢，根據(jù)張力檢測器(27)檢測到的線狀動力傳遞部件(19)的張力，計算使關注部位從當前位置和姿勢移動到目標位置和姿勢所需要的線狀動力傳遞部件(19)的移動量。
文檔編號A61B1/00GK102341057SQ201080010099
公開日2012年2月1日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權日2009年11月10日
發(fā)明者中村俊夫, 高橋和彥 申請人:奧林巴斯醫(yī)療株式會社