リニアアクチュエータを用いた内視鏡外科など低侵襲性外科手術における触覚技術の開発

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14205041
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 大西 公平 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (80137984)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森川 康英 慶應義塾大学, 医学部, 助教授 (90124958) ; 北島 政樹 慶應義塾大学, 医学部, 教授 (90112672) ; 中澤 和夫 慶應義塾大学, 理工学部, 助教授 (80217695) ; 古川 俊治 慶應義塾大学, 医学部, 助手 (60219102) ; 小澤 壮治 慶應義塾大学, 医学部, 講師 (10169287)
• Keywords: 内視鏡外科 / 腹腔鏡下手術 / 手術支援ロボット / 触覚伝達 / ハプティクス / 再現性 / 操作性 / 透明性

Research Abstract

低侵襲外科手術における手術用ロボットは現在心臓外科領域を含む多くの領域で使用されつつあり、その低侵襲性に加えて、これまでの内視鏡外科における隘路であった難度の高い手術手技を実行する上でその有用性が実証されつつある。しかし、国内外を問わず今日まで全く解決がはかられていない問題に触覚・力覚再現がある。術者にとって「触覚」は極めて重要であるにも拘わらず、内視鏡手術ではわずかに鉗子を通して得られるのみであり、さらにda Vinciなどのマスター・スレーブマニピュレーターでは全くそのような感覚が得られない。昨年度に引き続き、本年度の研究においては上記問題点のうち下記に関して次のような成果があった。
1.力覚伝達システムの内視鏡外科用鉗子への適用に関する基本設計
1)マスタースレーブ鉗子ロボットによる力覚再現
従来、マスタースレーブロボットの評価指標があいまいで、定量的な指標が明確ではなかった。今年度の研究において、性能評価には再現性と操作性が重要であり、それぞれ定量的な評価関数が定義出来ることが分かった。この双方を満足するといわゆる透明性が向上し、あたかも術者が直接スレーブロボットを操作しているような感覚を与える。評価は位置の追従性と力における作用反作用則の再現であり、マスターとスレーブの状態変数をアダマール変換することによりそれぞれの評価が可能になる。それぞれの仮想的な和と差の空間において力制御と位置制御を独立に実現することで上記評価が満足される。これを理論的にも実験的にも明らかにした。
2)力制御の周波数帯域の検討 力覚の応答に関する実験より、今回製作したバイラテラル医用鉗子はサンプリング周波数10KHz、位置検出を0.1μmで制御している。この結果、力制御帯域として200Hzを得た。
2.多自由度システムの基本設計 上記1.の結果により、鉗子をパラレルメカニズムで実現することにし、その概要設計について検討した。

Research Products

• [Publications] 桂誠一郎, 大西公平: "バイラテラル制御による力覚の伝達と制御"電気学会論文誌D(産業応用部門誌). 123巻11号. 1371-1376 (2003)
• [Publications] Katsura, S., Ohnishi, K.: "Human Cooperative Wheelchair for Haptic Interaction Based on Dual Compliance Control"IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol.51, No.1. 221-228 (2004)