医療用システムおよびその作動方法

本発明は、医療用システムおよびその作動方法に関するものである。

従来、関節を有するスレーブアームを遠隔操作する操作入力装置として、スレーブアームの関節構成と相似構造の関節構成を有するマスタアームを備える医療用システムが知られている(例えば、特許文献1および2参照。)。このようなシステムによれば、マスタアームの動作に対応する動作をスレーブアームに再現させることができるので、操作者は、マスタアームの形状や動作からスレーブアームの形状や動作を直接的に認識しながら、スレーブアームを直感的に操作することができる。

一方、単一のスレーブアームと、該アームに取り付けられる複数種類の先端処置部とを備え、使用する先端処置部の種類に応じて操作部を交換可能な医療用システムが知られている。(例えば、特許文献3参照。)。

特許第3583777号公報

特許第4608601号公報

特開2001−87281号公報

スレーブアームの先端には、鉗子、剪刀、フック型電極等の先端処置部が設けられており、実際の手術においては、用途の異なる先端処置部を備える複数種類のスレーブアームを交換しながら使用することが多い。また、先端処置部の種類に限らず、関節構成の異なる、つまり動作範囲や動作自由度の異なる複数種類のスレーブアームを使用することも望まれる。しかしながら、特許文献1および2は、スレーブアームを交換することを想定しておらず、マスタアームの関節構成とスレーブアームの関節構成とが1対1の対応関係を有している。したがって、複数種類のスレーブアームを必要とする用途には対応することができないという問題がある。

特許文献3は、複数種類の先端処置部を交換しながら使用可能ではあるが、先端処置部の種類の数だけ操作部を準備する必要があるために装置が高価になる、また、先端処置部の交換の都度操作部も交換しなければならないため、手間と時間を要するという問題がある。さらに、特許文献3は、先端処置部の形状とマスタ側のグリップ部の形状とを合わせているにすぎず、関節構成の異なるスレーブアームを使用することは想定していない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、スレーブアーム毎の専用のマスタアームを必要とせずに、どのような関節構成を有するスレーブアームも直感的に操作することができる医療用システムおよびその作動方法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。 本発明は、関節を有する第1のスレーブアームと、該第1のスレーブアームと相似構造の関節構成を有し、操作者によって操作されるマスタアームと、前記第1のスレーブアームおよび前記マスタアームと非相似構造の関節構成を有する第2のスレーブアームと、前記マスタアームの操作対象を前記第1のスレーブアームと前記第2のスレーブアームとの間で切り替える操作対象切替手段と、前記マスタアームになされた操作に基づいて前記第1のスレーブアームおよび前記第2のスレーブアームを制御する制御部とを備え、該制御部は、前記操作対象切替手段によって選択されている前記スレーブアームの関節構成が前記マスタアームの関節構成と相似構造および非相似構造のいずれであるかに応じて、前記マスタアームに対して前記第1のスレーブアームが相似形となるように前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて前記第1のスレーブアームの各関節の回転動作を制御する第1の制御モードと、前記マスタアームの所定の部位の動作に前記第2のスレーブアームの所定の部位を追従させるように前記マスタアームの前記所定の部位の動作に基づいて前記第2のスレーブアームの各関節の回転動作を制御する第2の制御モードとを切り替える医療用システムを提供する。

本発明によれば、第1の制御モードにおいて制御部は、マスタアームと対応する動作を第1のスレーブアームに再現させるので、操作者は、マスタアームを用いて第1のスレーブアームを直感的に操作することができる。一方、第2の制御モードにおいて制御部は、マスタアームの所定の部位の動作を第2のスレーブアームの所定の部位に再現させるので、操作者は、マスタアームを用いて、任意の関節構成の第2のスレーブアームを直感的に操作することができる。

このように、マスタアームの操作対象となっているスレーブアームの関節構成に応じて第1の制御モードと第2の制御モードとを切り替えることによって、同一のマスタアームで相似構造および非相似構造のいずれのスレーブアームにも対応することができ、スレーブアーム毎の専用のマスタアームを不要とすることができる。

上記発明においては、前記制御部は、前記第1の制御モードから前記第2の制御モードに移行するときに、該第2の制御モードに先立ち、前記マスタアームおよび前記第2のスレーブアームの前記所定の部位同士の位置および姿勢を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行してもよい。 このようにすることで、第2のスレーブアームおよびマスタアームの所定の部位同士の位置および姿勢が一致した状態で第2の制御モードが開始されるので、第2のスレーブアームの操作を円滑に開始することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第2の制御モードから前記第1の制御モードに移行するときに、該第1の制御モードに先立ち、前記マスタアームおよび前記第1のスレーブアームのマスタアームとスレーブアームの各関節の変位量を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行してもよい。 このようにすることで、第1のスレーブアームおよびマスタアームの全体の位置および姿勢が一致した状態で第1の制御モードが開始されるので、第1のスレーブアームの操作を円滑に開始することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第2の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端の移動に前記第2のスレーブアームの先端を追従させるように、前記マスタアームの先端の移動量に基づいて前記第2のスレーブアームの各関節の回転動作を制御してもよい。 このようにすることで、マスタアームを用いて第2のスレーブアームの先端を精度良く操作することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第2の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端の移動量に基づいて前記第2のスレーブアームの逆運動学を計算し、得られた複数の解のうち、前記第2のスレーブアームの形状が前記マスタアームの形状と最も近似する解を選択してもよい。 このようにすることで、マスタアームに基づいて第2のスレーブアームの大まかな形状を認識することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第2の制御モードにおいて、前記マスタアームの各関節の変位量と前記第2のスレーブアームの各関節の変位量との差異の総和が最小となる解を選択してもよい。 また、上記発明においては、前記制御部は、前記第2のスレーブアームおよび前記マスタアームの各々の根元部分の中心軸を通り該中心軸上で互いに直交する2つの平面によって分割してなる4つの空間を仮定した場合に、前記マスタアームが位置する空間と対応する空間に前記第2のスレーブアームが位置する解を選択してもよい。 このようにすることで、簡単な計算によって、マスタアームの形状および姿勢に、第2のスレーブアームの形状および姿勢が近似する解を選定することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第2の制御モードにおいて、前記第2のスレーブアームの関節のうち、対応する関節が前記マスタアームに存在する関節について、前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて回転動作を制御してもよい。 このようにすることで、マスタアームと第2のスレーブアームとの関節の数が異なる場合に、対応する関節同士を第1の制御モードと同様にして動作させることができる。

また、上記発明においては、前記第2のスレーブアームおよび前記マスタアームが有する関節のうち対応する関節が存在しない関節について、動作を制限してもよい。 このようにすることで、制御の対象となっていない関節が不要に動くことを防止することができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第2の制御モードにおいて、前記マスタアームの先端部分の位置および姿勢と対応する位置および姿勢に前記第2のスレーブアームの先端部分を配置するように当該第2のスレーブアームを進退させてもよい。 このようにすることで、マスタアームと第2のスレーブアームとの関節間距離が異なる場合であっても、第2のスレーブアームの先端をマスタアームの先端の動作に精度良く追従させることができる。

また、上記発明においては、前記制御部は、前記第2の制御モードにおいて、前記マスタアームの最も先端側の関節の位置および姿勢に対応する位置および姿勢に前記第2のスレーブアームの最も先端側の関節を配置するように前記第2のスレーブアームを制御してもよい。 このようにすることで、マスタアームと第2のスレーブアームとの関節間距離が異なる場合であっても、第2のスレーブアームの先端をマスタアームの先端の動作に精度良く追従させることができる。

また、本発明は、関節を各々有する複数のスレーブアームと、該複数のスレーブアームのいずれかを操作するためのマスタアームとを備える医療用システムの作動方法であって、前記複数のスレーブアームの内、前記マスタアームの操作対象として選択された前記スレーブアームを示す信号を受信する工程と、前記マスタアームの各関節の回転量を受信する工程と、選択された前記スレーブアームと前記マスタアームとが各々有する関節構成が互いに相似構造であるか否かに応じて、前記マスタアームに対して前記スレーブアームが相似形となるように前記マスタアームの各関節の回転量に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第1の制御モードと、前記マスタアームの所定の部位の動作に前記スレーブアームの所定の部位を追従させるように前記マスタアームの前記所定の部位の動作に基づいて前記スレーブアームの各関節の回転動作を制御する第2の制御モードとを切り替える工程とを含む医療用システムの作動方法を提供する。

上記発明においては、前記第1の制御モードから前記第2の制御モードに移行するときに、該第2の制御モードに先立ち、前記第2のスレーブアームおよび前記マスタアームの前記所定の部位同士の位置および姿勢を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行してもよい。 また、上記発明においては、前記第2の制御モードから前記第1の制御モードに移行するときに、該第1の制御モードに先立ち、前記第1のスレーブアームおよび前記マスタアームの各関節の変位量を互いに対応させるように、これらアームのうち少なくとも一方を動作させる復帰フローを実行してもよい。

本発明によれば、スレーブアーム毎の専用のマスタアームを必要とせずに、どのような関節構成を有するスレーブアームも直感的に操作することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る医療用システムの全体構成を示す外観図である。

図1の医療用システムが備えるマニピュレータの全体構成図である。

図2のマニピュレータの先端部分を示す外観図である

図1の操作入力部が備えるマスタアームを示す外観図である

左右のスレーブアームおよび左右のマスタアームの関節構成を模式的に示す図である。

図5のスレーブアームの、第1の制御モードにおける動作を説明する図である。

図5のスレーブアームの、第2の制御モードにおける動作を説明する図である。

図1の医療用システムの制御部によるマニピュレータの制御方法を示すフローチャートである。

図8の第1の制御モードルーチンを示すフローチャートである。

図8の第2の制御モードルーチンを示すフローチャートである。

第2の制御モードの第1の変形例におけるスレーブアームの動作を説明する図である。

第2の制御モードの第2の変形例におけるスレーブアームの動作を説明する図である。

中央スレーブアームの変形例の関節構成を模式的に示す図である。

(a),(b)第2の制御モードの第3の変形例におけるスレーブアームの動作を説明する図である。

第2の制御モードの第3の変形例におけるスレーブアームのもう1つの動作を説明する図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る医療用システム100について図面を参照して説明する。 本実施形態に係る医療用システム100は、図1に示されるように、患者Pの体内に挿入されるスレーブマニピュレータ1と、患者Pが横たわる手術台の周辺に配置される操作入力部2および制御部3とを備えている。

まず、医療用システム100の概要について説明する。スレーブマニピュレータ1の先端には、後述するように、内視鏡5およびスレーブアーム6L,6R,6Cが設けられている。術者Opが、肛門から患者Pの体内にスレーブマニピュレータ1を挿入し、内視鏡5によって撮影された体内の画像を操作入力部2に設けられた表示部12で観察しながら操作入力部2を操作すると、操作入力部2になされた操作に基づいて制御部3がスレーブマニピュレータ1を制御する。これにより、術者Opは、体内に位置するスレーブマニピュレータ1を遠隔操作し、スレーブマニピュレータ1が有するスレーブアーム6L,6R,6Cによって体内を処置することができる。

次に、医療用システム100の各構成について詳細に説明する。 スレーブマニピュレータ1は、図2に示されるように、体内に挿入される細長い軟性部4と、該軟性部4の先端に設けられた内視鏡5および3つのスレーブアーム6L,6R,6Cとを備えている。 なお、本実施形態においては、軟性のスレーブマニピュレータ1について説明するが、スレーブマニピュレータ1は、軟性部4に代えて硬性の挿入部を備えていてもよい。

図3は、スレーブマニピュレータ1の先端部分を示す外観図である。 内視鏡5は、図3に示されるように、先端部分を略S字形状に湾曲させることによって、軟性部4の径方向に並ぶ3つのスレーブアーム6L,6R,6Cを俯瞰撮影することができる。

3つのスレーブアームのうち2つは、軟性部4の先端に備え付けられた左スレーブアーム(第1のスレーブアーム)6Lおよび右スレーブアーム(第1のスレーブアーム)6Rである。これらのスレーブアーム6L,6Rの先端には、先端処置部8L,8R(例えば、生体組織を把持する鉗子)がそれぞれ設けられている。

残りの1つのスレーブアームは、軟性部4内に形成されたチャネル(図示略)を介して軟性部4の先端側に配置される任意のスレーブアーム(第2のスレーブアーム)6Cである。チャネルは、軟性部4の先端から、軟性部4の基端部分に設けられたポート9まで貫通している。ポート9からチャネル内に挿入された中央スレーブアーム6Cは、左スレーブアーム6Lと右スレーブアーム6Rとの間に開口したチャネルの開口部から突出し、右スレーブアーム6Rと左スレーブアーム6Lとの間に配置されるようになっている。中央スレーブアーム6Cの先端にも、左右のスレーブアーム6L,6Rと同様に、先端処置部8C(例えば、電気メス)が設けられている。 3つのスレーブアーム6L,6R,6Cは、上述したポート9が設けられた分岐部10において分岐し、図1に示されるように、各々制御部3に接続されている。

なお、本例においては、左右のスレーブアーム6L,6Rが、軟性部4の先端に備え付けられたアームであることして説明しているが、これに代えて、上記で説明した中央スレーブアーム6Cと同様に、チャネルの開口部から突出して配置され、チャネルを通して複数のスレーブアームを抜き差し交換可能な構成であってもよい。

操作入力部2は、2本のマスタアーム11L,11Rと、表示部12とを備えている。 マスタアームは、図4に示されるように、左スレーブアーム6Lに対応する左マスタアーム11Lと、右スレーブアーム6Rに対応する右マスタアーム11Rとである。 図5は、左右のスレーブアーム6L,6Rおよび左右のマスタアーム11L,11Rの関節構成を模式的に示したものである。図5に示されるように、各マスタアーム11L,11Rは、対応するスレーブアーム6L,6Rが有する関節構成と相似構造の関節構成を有している。

本例において、各スレーブアーム6L,6Rは、根元側から順に、ロール関節J1’と、ヨー関節J2’と、ロール関節J3’と、ヨー関節J4’とを有している。同様に、各マスタアーム11L,11Rも、根元側から順に、ロール関節J1と、ヨー関節J2と、ロール関節J3と、ヨー関節J4とを有している。ロール関節J1’,J3’,J1,J3は、各アーム6L,6R,11L,11Rの根本から先端までアーム6L,6R,11L,11Rの長手方向に伸びるロール軸周りに回転し、ヨー関節J2’,J4’,J2,J4は、ロール軸に直交する(図5において、紙面に直交する)ヨー軸周りに回転する。また、左スレーブアーム6Lと左マスタアーム11Lとの、隣接する関節間の距離の比は同一であり、右スレーブアーム6Rと右マスタアーム11Rとの、隣接する関節間の距離の比は同一である。

マスタアーム11L,11Rの各関節Ji(i=1,2,3,4)には、エンコーダのような角度検出器が設けられている。操作入力部2は、各関節Jiの角度の変化量θi(i=1,2,3,4)を角度検出器によって検出し、検出された4つの変化量θiを、操作信号として制御部3に出力する。

制御部3は、操作入力部2から受信した各マスタアーム11L,11Rの操作信号に基づいて、各スレーブアーム6L,6R,6Cの各関節Ji’を駆動させるための駆動信号を生成し、生成した駆動信号をスレーブマニピュレータ1に送信する。スレーブマニピュレータ1は、制御信号に従って各関節Ji’を回転させることによって、各スレーブアーム6L,6R,6Cが動作するようになっている。

さらに、本実施形態に係る医療用システム100は、各マスタアーム11L,11Rの操作対象を切り替える操作対象切替手段13を備えている。操作対象切替手段13は、例えば、操作入力部2に設けられ術者Opによって操作されるスイッチである。操作対象切替手段13は、左マスタアーム11Lの操作対象を、左スレーブアーム6Lと中央スレーブアーム6Cとの間で切り替え、右マスタアーム11Rの操作対象を、右スレーブアーム6Rと中央スレーブアーム6Cとの間で切り替える。

なお、この操作対象の切替は、術者Opが、事前に切替対象を設定しておき、術者Opがスイッチを押下したときに、その初期設定された切替対象に切り替わるようになっていてもよい。あるいは、操作中に術者Opが、切替対象とする、現在使用しているスレーブアームと、新たに使用するスレーブアームとを、操作パネル等で設定して切り替えてもよい。

操作対象切替手段13によって選択されているスレーブアームを示す信号は制御部3に送信され、制御部3は、各マスタアーム11L,11Rの操作対象を、受信した信号が指定するスレーブアーム6L,6R,6Cに設定する。すなわち、操作者は、中央スレーブアーム6Cを操作したいときには、左右のマスタアーム11L,11Rのうち一方の操作対象を操作対象切替手段13によって中央スレーブアーム6Cに切り替えることによって、左マスタアーム11Lまたは右マスタアーム11Rを用いて中央スレーブアーム6Cを操作することができる。

ここで、制御部3は、操作対象切替手段13によって選択されているスレーブアーム6L,6R,6Cの関節構成が、対応するマスタアーム11L,11Rの関節構成に対して略相似構造であるか否かに応じて、「第1の制御モード」または「第2の制御モード」を選択し、選択したモードでスレーブアーム6L,6R,6Cを制御する。次に、この制御部3によるスレーブマニピュレータ1の制御方法について詳細に説明する。

「第1の制御モード」は、左右のスレーブアーム6L,6Rの全体を、左右のマスタアーム11L,11Rの全体の動作に追従させるモードである。具体的には、制御部3は、図6に示されるように、マスタアーム11L,11Rの各関節Jiの変化量θiと同じ量だけ、スレーブアーム6L,6Rの各関節Ji’を回転させる。

制御部3は、操作対象切替手段13によって、左マスタアーム11Lの操作対象として左スレーブアーム6Lが選択されている場合には、左スレーブアーム6Lを「第1の制御モード」で制御する。同様に、制御部3は、操作対象切替手段13によって、右マスタアーム11Rの操作対象として右スレーブアーム6Rが選択されている場合には、右スレーブアーム6Rを「第1の制御モード」で制御する。

「第2の制御モード」は、中央スレーブアーム6Cの先端を、左右のマスタアーム11L,11Rの先端の動作に追従させるモードである。具体的には、制御部3は、操作入力部2から受信した各関節Jiの変化量θiを用い、マスタアーム11L,11Rの順運動学を計算することによって、図7に示されるように、マスタアーム11L,11Rの動作座標系におけるマスタアーム11L,11Rの先端の、各方向の移動量dx,dyを算出する。次に、制御部3は、得られた移動量dx,dyを、スレーブアーム6Cの作動座標系における各方向の移動量dx’,dy’に変換する。このときの座標変換は、術者Opが観察している表示部12に表示されるスレーブアーム6Cの動作方向と、マスタアーム11L,11Rの動作方向とが一致するように行われることが望ましい。次に、制御部3は、得られた移動量dx’,dy’に基づき、スレーブアーム6Cの逆運動学を計算することによって各関節Ji’の回転量θi’を算出し、得られた回転量θi’だけスレーブアーム6Cの各関節Ji’を回転させる。

ここで、逆運動学において、図7に示されるように、スレーブアーム6Cの先端を移動量dx’,dy’だけ移動させる回転量θi’の組み合わせは複数存在し得るため、逆運動学の解が複数得られる可能性がある。図7には、一例として、2つの解(解1,解2)が示されている。制御部3は、複数の解が得られた場合には、スレーブアーム6Cがマスタアーム11Lまたは11Rと相似形状となる解を採用し、相似形状となる解が存在しない場合には、スレーブアーム6Cの全体の形状が、マスタアーム11L,11Rの全体の形状に最も近似する解(図7の例においては、解2)、例えば、対応する関節Ji,Ji’同士の回転角度の差異の総和が最小である解を採用する。

制御部3は、中央スレーブアーム6Cとして使用される可能性がある各スレーブアームに関して、関節構成に関する情報と、その情報に基づいた、逆運動学に用いる計算式とをスレーブアーム6C毎に記憶しており、チャネルに挿入されているスレーブアームに対応する計算式を選択して用いる。チャネルに挿入されているスレーブアームの識別は、図示しない識別手段によって行われる。

なお、図7には、説明を容易にするために、中央スレーブアーム6Cとして、マスタアーム11L,11Rの関節構成と略相似構造の関節構成を有するものが示されているが、中央スレーブアーム6Cの関節構成は任意であって、後で説明する図11から図14に示されるような、様々な種類の関節構成を有する中央スレーブアーム6Cを使用することができる。

また、本実施形態においては、説明のために、左右のスレーブアーム6L,6Rと中央スレーブアーム6Cとの間で操作対象を切り替える構成を例示しているが、例えば、軟性部14から右スレーブアーム6Rを抜き去って新しいスレーブアームに交換したときに、新しいスレーブアームの関節構成に基づいて制御モードを切り替えてもよい。左スレーブアーム6Lについても同様である。さらに、内視鏡が180度回転する等して表示部12に表示されスレーブアーム6L,6Rの左右が入れ替わり、マスタアーム11L,11Rの操作対象も左右を交換したいとき等にも、同様の方法が利用できる。

次に、このように構成された医療用システム100の作用について図8から図10を参照して説明する。 本実施形態に係る医療用システム100を用いて患者Pの体内を処置するためには、スレーブマニピュレータ1の軟性部4を患者Pの体内に挿入し、内視鏡5によって取得される体内の映像を表示部12において観察しながら、スレーブマニピュレータ1の先端を患部の近傍まで移動させる。次に、術者Opは、表示部12に表示される映像を観察しながら、マスタアーム11L,11Rを操作してスレーブアーム6L,6Rを動作させ、例えば、患部を処置するために必要な前処置を患部やその周辺に対して施す。

このときの左右のスレーブアーム6L,6Rは、図8に示されるように、「第1の制御モード」で制御される(ステップS1のYES、ステップS2)。「第1の制御モード」において、図9に示されるように、スレーブアーム6L,6Rの各関節Ji’は、マスタアーム11L,11Rの各関節Jiと同じ量だけ回転させられることによって(ステップS21,22)、スレーブアーム6L,6R全体が、マスタアーム11L,11R全体の動作に追従する(ステップS23)。すなわち、マスタアーム11L,11Rの全体の形状および姿勢は、スレーブアーム6L,6Rの全体の形状および姿勢と対応しているので、術者Opは、スレーブアーム6L,6Rの現在の形状および姿勢をマスタアーム11L,11Rから直接的に認識しながら、左右のスレーブアーム6L,6Rを直感的に操作することができる。

次に、電気メスのような中央スレーブアーム6Cに切り替えて対象部位を処置したい場合に、術者Opは、例えば、右マスタアーム11Rの操作対象を、操作対象切替手段13によって中央スレーブアーム6Cに切り替える。これにより、中央スレーブアーム6Cを右マスタアーム11Rを用いて動作させることができる状態となる。このときに、制御部3は、切替後のスレーブアーム6Cの関節構成情報に基づいて、「第1の制御モード」から「第2の制御モード」に切り替え(ステップS1のNO)、中央スレーブアーム6Cを「第2の制御モード」で制御する(ステップS3)。

「第2の制御モード」において、図10に示されるように、右マスタアーム11Rの先端の移動に基づき(ステップS31,S32)、中央スレーブアーム6Cの先端が右マスタアーム11Rの先端の動きに追従するように、スレーブアーム6Cが制御される(ステップS33,S34)。このときに、ステップS33における逆運動学の計算において、複数の解が得られた場合には、右マスタアーム11Rに近い形状の解が選択される。したがって、術者Opは、右マスタアーム11Rの形状から中央スレーブアーム6Cの途中形状を大まかに把握しつつ、右マスタアーム11Rを用いて中央スレーブアーム6Cの先端を直感的に操作することができる。

このように、本実施形態によれば、左右のマスタアーム11L,11Rの操作対象を2つのスレーブアーム6L,6Rまたは6R,6Cの間で切り替え可能とし、マスタアーム11L,11Rに対して非相似構造を有する中央スレーブアーム6Cについては、先端の動作をマスタアーム11L,11Rの先端に追従させる「第2の制御モード」で制御する。これにより、どのような関節構成のスレーブアームであっても左右のマスタアーム11L,11Rを用いて直感的に操作することができる。また、スレーブアーム毎に専用のマスタアームを備える必要がないので装置構成が簡易になり、製造コストを低減することができると共に、汎用性の高い設計とすることができる。

特に、軟性部4の半径方向外側に位置する左右のスレーブアーム6L,6Rは、周囲の組織と隣接しているため、特に狭い管腔内等においては、術者Opは、左右のスレーブアーム6L,6Rが周囲の組織と強く接触したりしないように、スレーブアーム6L,6Rの屈曲形状を常に意識する必要がある。一方、中央スレーブアーム6Cの作業空間は限られており、通常、中央スレーブアーム6Cの関節を大きく動作させる必要が無い。

本実施形態によれば、マスタアーム11L,11Rが、左右のスレーブアーム6L,6Rに対して略相似構造となっているので、術者Opが、スレーブアーム6L,6Rの途中形状を容易に把握してこれらスレーブアーム6L,6Rを適切に動作させることができる。また、比較的広い作業空間で動作する左右のスレーブアーム6L,6Rの使用頻度は、限られた作業空間で動作する中央スレーブアーム6Cのそれと比べて高い。本実施形態によれば、使用頻度の高いスレーブアーム6L,6Rに対して略相似構造のマスタアーム11L,11Rを設けることによって、使い勝手を向上することができる。

なお、本実施形態においては、「第1の制御モード」から「第2の制御モード」へ切り替えるときに、制御部3が、「第2の制御モード」の開始に先立ち、復帰フローを実行することが好ましい。復帰フローにおいて、制御部3は、中央スレーブアーム6Cおよびマスタアーム11L,11Rのうち少なくとも一方を動作させることによって、両アーム6C,11Lまたは6C,11Rの、マスタ空間とスレーブ空間における各々の先端の位置を互い対応させる。

上記の復帰フローは、制御部3による自動実行に代えて、術者Opがマスタアーム11Lまたは11Rを操作することによって手動で行ってもよい。この場合、両アーム6C,11Lまたは6C,11Rの先端の位置を完全に対応させることは難しいので、制御部3は、両アーム6C,11Lまたは6C,11Rの先端の位置のずれが所定の範囲内となったときに、復帰フローを終了してもよい。また、この場合、制御部3は、術者Opによるマスタアーム11Lまたは11Rの操作を誘導する表示を表示部12に表示してもよい。

また、本実施形態においては、「第2の制御モード」から「第1の制御モード」へ切り替えるときにも、制御部3が、復帰フローを実行することが好ましい。このときの復帰フローにおいて、制御部3は、操作対象が変更されたマスタアーム11Lまたは11Rとその操作対象のスレーブアーム6Lまたは6Rとのうち少なくとも一方を動作させることによって、両者の各関節Ji,Ji’の回転角度を一致させ、相似形とする。

この復帰フローにおいても、制御部3による自動実行に代えて、術者Opが手動で行ってもよい。この場合、両方のアーム6L,11Lまたは6R,11Rの形状を完全に対応させることは難しいので、制御部3は、両アーム6L,11Lまたは6R,11Rの各関節Ji,Ji’の回転角度のずれが所定の範囲内となったときに、復帰フローを終了してもよい。また、制御部3は、術者Opによるマスタアーム11Lまたは11Rの操作を誘導する表示を表示部12に表示してもよい。

また、本実施形態においては、制御部3が、上述した「第2の制御モード」と、後述する第1から第3の変形例の「第2の制御モード」とのうち、少なくとも2つを有し、中央スレーブアーム6Cの関節構成に応じて適切な「第2の制御モード」を選択してもよい。 次に、「第2の制御モード」の第1から第3の変形例について説明する。

「第2の制御モード」の第1の変形例は、図11に示されるように、中央スレーブアーム6Cの関節Ji’(i=1,2,3)の数が、マスタアーム11L,11Rの関節Ji(i=1,2,3,4)の数よりも少なく、中央スレーブアーム6Cの関節構成が、マスタアーム11L,11Rの一部分の関節構成と略相似構造である場合に用いられる。 本モードにおいて、制御部3は、マスタアーム11L,11Rの関節Jiのうち、中央スレーブアーム6Cの関節Ji’に対して余分な関節J4の動作は考慮せず、関節Ji’を、これに対応する関節Jiの変化量θiと同じ量だけ回転させる。

本モードによれば、術者Opは、マスタアーム11L,11Rの余分な関節J4を、中央スレーブアーム6Cの先端と見なしてマスタアーム11L,11Rを操作することができる。この場合、余分な関節J4は、不要に動かないように、図示しないアクチュエータやブレーキ、クラッチ等によって固定しておいてもよい。

「第2の制御モード」の第2の変形例は、図12に示されるように、中央スレーブアーム6Cの関節Ji’(i=1,2,3,4,5)の数が、左右のマスタアーム11L,11Rの関節Ji(i=1,2,3,4)の数よりも多く、中央スレーブアーム6Cの関節構成の一部分が、マスタアーム11L,11Rの関節構成と略相似構造である場合に用いられる。 本モードにおいて、制御部3は、中央スレーブアーム6Cの関節Ji’のうち、マスタアーム11L,11Rの関節Jiに対応する関節を、関節Jiの変化量θiと同じ量だけ回転させ、関節Jiに対して余分な関節J5’は制御しない。

本モードにおいても、余分な関節J5’は、不要に動かないように、図示しないアクチュエータやブレーキ、クラッチ等によって固定しておいてもよい。 また、本モードにおいては、余分な関節J5’と、これと冗長な関係にある関節J4’とのうち一方を選択的に駆動してもよい。または、関節J4’および関節J5’の両方を、合計の駆動量が関節J4の変化量θ4となるように、駆動してもよい。

「第2の制御モード」の第3の変形例は、図13に示されるように、中央スレーブアーム6Cが、左右のマスタアーム11L,11Rと共通の関節配列を有し、中央スレーブアーム6Cの隣接する関節間の距離の比が、マスタアーム11L,11Rのそれとは異なる場合に用いられる。

本モードにおいて、制御部3は、中央スレーブアーム6Cを、図6と同様に動作させる。ただし、中央スレーブアーム6Cとマスタアーム11L,11Rとの関節間距離が異なるために、中央スレーブアーム6Cの先端の位置が、マスタアーム11L,11Rの先端の位置に対してずれてしまう。そこで、制御部3は、図14(a)に示されるように、中央スレーブアーム6Cの先端が、マスタアーム11L,11Rの先端部分と同一線上に位置するように、中央スレーブアーム6C全体を軟性部4に対して前進または後退させる。

本モードにおいては、図14(b)に示されるように、最も先端側に位置する関節J4’の位置および姿勢が、これと対応する関節J4のそれらと対応するように、制御部3が、中央スレーブアーム6Cを駆動してもよい。

また、本モードにおいては、マスタアーム11L,11Rの先端の移動量に基づいて中央スレーブアーム6Cの逆運動学を計算し、複数の解が得られた場合には、図15に示されるように、中央スレーブアーム6Cが、第1から第4の空間のうち、マスタアーム11L,11Rと同じ空間に位置する解を採用してもよい。第1から第4の空間は、各アーム6C,11L,11Rの根元部分の中心軸Aを定義し、該軸Aを通り互いに直交する2つの平面によって分割された4つの空間である。

また、本実施形態においては、軟性部4の先端に3つのスレーブアーム6L,6R,6Cが取り付けられたスレーブマニピュレータ1について説明したが、スレーブマニピュレータ1の具体的な構成はこれに限定されるものではない。例えば、軟性部4の先端に2つのスレーブアームが取り付けられ、単一のマスタアームを用いて、一方のスレーブアームを「第1の制御モード」で、他方のスレーブアームを「第2の制御モード」で制御してもよい。あるいは、軟性部4の先端に交換可能な単一のスレーブアームが取り付けられ、スレーブアームを交換したときに、そのスレーブアームの関節構成に基づいて「第1の制御モード」と「第2の制御モード」とを切り替えてもよい。

1 スレーブマニピュレータ 2 操作入力部 3 制御部 4 軟性部 5 内視鏡 6C 中央スレーブアーム(第2のスレーブアーム) 6L 左スレーブアーム(第1のスレーブアーム) 6R 右スレーブアーム(第1のスレーブアーム) 8C,8L,8R 処置部 9 ポート 10 分岐部 11L,11R マスタアーム 12 表示部 13 操作対象切替手段 100 医療用システム J1〜J4,J1’〜J5’ 関節 Op 術者(操作者) P 患者